鑽石基板及其製作方法
2023-10-31 04:14:27
專利名稱：鑽石基板及其製作方法
技術領域：
本發明涉及一種鑽石基板及其製作方法，尤其涉及一種具有鑽石/碳化矽複合層結構的鑽石基板及其製作方法。
背景技術：
鑽石具有極佳特性，如深紫外光到遠紅外線的穿透性極佳、最高表面聲波速、最高熱傳導率、最高物理硬度、高輻射抵抗能力、良好化學惰性及優異絕緣性特性等，已被廣泛應用至傳統的切削工具及研磨材料。近來，隨著化學氣相沉積(CVD，Chemical Vapor Deposition)技術的發展，使得鑽石的應用擴展至高頻通信產業、光電產業的散熱元件與光學元件以及鑽石半導體等等。
對光電半導體來說，發光二極體(Light Emitting Diode；LED)研究到現在已有三十多年的歷史，紅光、綠光與黃光發光二極體均已逐漸研發成功。但是藍光發光二極體發展卻是相當緩慢，而在材料特性及磊晶工藝改善下，藍/白光發光二極體亮度有顯著改善，目前工藝中多以藍寶石晶片(SapphireWafer)為磊晶承載基板，並在藍寶石晶片基板上先依序成長多晶氮化鋁(Polycrystal AlN)薄膜與單晶氮化鋁(Singlecrystal AlN)薄膜來作為緩衝層，再在緩衝層上成長出氮化鎵，可獲得質量較佳的氮化鎵晶體，以提升發光效率與穩定性。
但是上述現有工藝卻仍有許多需要改進的部分，因此到目前一直有許多學者鑽研於工藝的改善，有人就考慮以前述具有極佳特性的鑽石替代藍寶石基板，然而，雖然鑽石與氮化鎵的晶格尺寸匹配性優於藍寶石基板，但氮化鎵在單晶110鑽石膜層表面仍然不易成長出單晶的氮化鎵，且鑽石膜層與基材間的熱應力(thermal stress)與鑽石膜層中缺陷所造成的內應力(internalstress)，造成鑽石膜層非常容易產生翹曲或破裂，這些都形成了難以突破的問題點。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在於提供一種鑽石基板及其製作方法，利用一碳化矽層，來降低鑽石膜層的翹曲變形量，以及提高半導體層的結晶效果，藉以解決現有技術所存在的問題。
為實現上述目的，本發明所揭露的鑽石基板是由鑽石膜層、碳化矽層與半導體層所構成，而鑽石膜層是形成於碳化矽層上，並可以碳化矽層防止鑽石膜層產生翹曲變形，而半導體層則形成於碳化矽層下，由於碳化矽層可緩和鑽石膜層與半導體層的晶格不匹配性，而可促進半導體層的結晶效果良好。
其中，鑽石膜層可為單晶鑽石膜或多晶鑽石膜，碳化矽層則可選自單晶結構、多晶結構或非結晶結構的碳化矽，而半導體層可選自氮化鋁(AlN)、氮化硼(BN)、氮化鎵鋁(AlGaN)與氮化鎵(GaN)等氮化物，且氮化物的半導體層表面可以製作電子元件、集成電路、有機二極體發光元件、無機二極體發光元件、表面聲波傳遞用基板或化學檢測元件。
本發明所揭露的鑽石基板的製作方法，其包含下列步驟首先，提供一基材，然後，形成碳化矽層在基材上，再形成鑽石膜層於碳化矽層上，以碳化矽層來防止鑽石膜層產生翹曲變形，接著，將基材去除，最後，則利用碳化矽層可緩和鑽石膜層與半導體層的晶格不匹配性，而可直接在碳化矽層上成長出完美單晶結構的半導體層。
本發明所揭露的另一種鑽石基板是由碳化矽層、鑽石膜層與半導體層所構成，而鑽石膜層是形成於碳化矽層上，並可以碳化矽層防止鑽石膜層產生翹曲變形，而半導體層則形成於鑽石膜層上。
其中，鑽石基板還可包括一基材於鑽石膜層下方，而基材的選擇可為矽晶材料，鑽石膜層可為單晶鑽石膜或多晶鑽石膜，碳化矽層則可選自單晶結構、多晶結構或非結晶結構的碳化矽，而半導體層可為由鑽石膜層摻雜有第III族元素所形成的p型半導體層，或由鑽石膜層摻雜有第V族元素所形成的n型半導體層，且n型半導體與p型半導體層的鑽石基板表面都可以製作電子元件、集成電路、有機二極體發光元件、無機二極體發光元件、化學檢測元件或太陽能電池元件。
本發明所揭露的另一種鑽石基板的製作方法，其包含下列步驟首先，提供一基材，然後，形成碳化矽層於基材上，再形成鑽石膜層於碳化矽層上，以碳化矽層來防止鑽石膜層產生翹曲變形，最後，則在鑽石膜層上形成半導體層，另外，還利用一去除基材的步驟，來製得無基材的鑽石基板，有助於鑽石基板將其優異的性能充分表現在更為廣泛的領域。
以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定。
圖1為本發明的第一實施例的鑽石基板的示意圖；圖2A至圖2E為本發明的第一實施例的製造方法流程示意圖；圖3為本發明的第二實施例的鑽石基板的示意圖；圖4為本發明的第三實施例的鑽石基板的示意圖；圖5A至圖5D為本發明的第三實施例的製造方法流程示意圖；圖6為本發明的第四實施例的鑽石基板的示意圖；圖7A至圖7E為本發明的第四實施例的製造方法流程示意圖；及圖8為本發明的第五實施例的鑽石基板的示意圖。
其中，附圖標記100鑽石基板110基材120鑽石膜層130碳化矽層140半導體層200鑽石基板240半導體層250電子元件300鑽石基板310基材320鑽石膜層330碳化矽層340半導體層400鑽石基板410基材420鑽石膜層430碳化矽層440半導體層500鑽石基板520鑽石膜層540半導體層550電子元件具體實施方式
本發明所提供的鑽石基板及其製作方法中，鑽石基板的尺寸範圍為2英寸至8英寸。如圖1所示，本發明的第一實施例所提供的鑽石基板100是由鑽石膜層120、碳化矽層130與半導體層140所構成，且鑽石膜層120形成於碳化矽層130上，以碳化矽層130防止鑽石膜層120產生翹曲變形，半導體層140則形成於碳化矽層130下方，由於碳化矽層130可緩和鑽石膜層120與半導體層140的晶格不匹配性，而可提高半導體層140的結晶質量。
如圖2A至圖2E所示，其為本發明第一實施例的製造方法流程示意圖，其步驟包含首先，提供一基材110(圖2A)，然後，形成碳化矽層130於基材110上方(圖2B)，再形成鑽石膜層120於碳化矽層130上方(圖2C)，繼而，除去基材110(圖2D)，最後，則形成半導體層140於碳化矽層130下方(圖2E)，即構成此鑽石基板100。
其中，本實施例的鑽石基板100也可以利用雷射加工成適當的外型，譬如，鑽石基板100可以為圓形、方形或多邊形等，且基材110的選擇可為矽晶材料，鑽石膜層120可為單晶鑽石膜或多晶鑽石膜，碳化矽層130則可選自單晶結構、多晶結構或非結晶結構的碳化矽，至於半導體層140則可選自氮化鋁(AlN)、氮化硼(BN)、氮化鎵鋁(AlGaN)與氮化鎵(GaN)等氮化物。
如圖3所示，本發明的第二實施例的鑽石基板200，在氮化物的半導體層240表面設置有電子元件250，且電子元件250可為集成電路、有機二極體發光元件、無機二極體發光元件、表面聲波傳遞用基板或化學檢測元件。
若以氮化鎵半導體層的鑽石基板為例，由於氮化鎵具有快速的電子遷移率以及不錯的導熱率等特性，可應用於藍、綠光的發光二極體，下一代的短波長雷射二極體及白光照明，還有高功率及微波通信元件，而氮化鎵也具有壓電特性、高表面聲波波速(5800～5900m/s)、高機電偶合係數(K2＝4.3)，也可以用來製作表面聲波元件。
因此，根據本發明所提供的鑽石基板及製作方法，並不需如同現有技術要在藍寶石基板上製作此氮化鎵的半導體層，也不需要成長多層氮化鋁作為緩衝層，而是僅於鑽石膜層表面具有一碳化矽層，即可直接成長出單晶的氮化鎵，使得工藝簡化，可達到工藝快速及兼顧優良率的效果，並且，此鑽石基板具有極佳的散熱效率，可在防止電子元件過熱方面充分發揮其優異特性，特別是，本發明的鑽石基板的晶格尺寸匹配性佳，可避免鑽石基板發生應力殘留而導致翹曲或破裂的現象，也促使氮化鎵可結晶為完美的單晶結構，進而可提升電子元件的執行效率與穩定性。
或者，如圖4所示，本發明的第三實施例所提供的鑽石基板300是由基材310、鑽石膜層320、碳化矽層330與半導體層340所構成，且碳化矽層330形成於基材310上方，鑽石膜層320形成於碳化矽層330上方，並以碳化矽層330防止鑽石膜層320產生翹曲變形，而半導體層340則形成於鑽石膜層320上方。
然後，如圖5A至圖5D所示，其為本發明第三實施例的製造方法流程示意圖，其步驟包含首先，提供一基材310(圖5A)，然後，形成碳化矽層330於基材310上方(圖5B)，再形成鑽石膜層320於碳化矽層330上方(圖5C)，最後，則形成半導體層340於鑽石膜層320上(圖5D)，即構成此鑽石基板300。
其中，本實施例的鑽石基板300也可以利用雷射加工成適當的外型，譬如，鑽石基板300可以為圓形、方形或多邊形等，且基材310的選擇可為矽晶材料，鑽石膜層320可為單晶鑽石膜或多晶鑽石膜，碳化矽層330則可選自單晶結構、多晶結構或非結晶結構的碳化矽。
至於半導體層340可由鑽石膜層320摻雜有第III族元素，例如，鎵(Ga)、鋁(Al)、硼(B)及銦(In)，而形成的p型半導體層，或者，半導體層340可由鑽石膜層120摻雜有第V族元素，例如，氮(N)氮(N)、磷(P)、砷(As)、銻(Sb)及鉍(Bi)，而形成的n型半導體層。
另外，上述實施例還可在碳化矽層或半導體層形成之後，利用去除基板的步驟，製作成無基材的鑽石基板，以下僅以後者為例；如圖6所示，本發明的第四實施例，此鑽石基板400僅為鑽石膜層420、碳化矽層430與半導體層440所構成，且鑽石膜層420形成於碳化矽層430上方，並以碳化矽層430防止鑽石膜層420產生翹曲變形，而半導體層440則形成於鑽石膜層420上方。
如圖7A至圖7E所示，為本發明第四實施例的製造方法流程示意圖，其步驟包含首先，提供一基材410(圖7A)，然後，形成碳化矽層430於基材410上方(圖7B)，再形成鑽石膜層420於碳化矽層430上方(圖7C)，並形成半導體層440於鑽石膜層420上(圖7D)，最後，將基材410去除(圖7E)，即構成此無基材的鑽石基板400。
此外，本發明的鑽石基板可廣泛應用於各類的電子元件上，如圖8所示，本發明的第五實施例的鑽石基板500，在半導體層540表面設置有電子元件550，其中，半導體層540由鑽石膜層520經過摻雜後所形成的n型半導體層或p型半導體層，且電子元件550可為集成電路、有機二極體發光元件、無機二極體發光元件、化學檢測元件或太陽能電池元件。
當然，本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。
權利要求
1.一種鑽石基板，其特徵在於，包括有一碳化矽層；一鑽石膜層，形成於該碳化矽層上，以該碳化矽層防止該鑽石膜層產生翹曲變形；及一半導體層，形成於該碳化矽層下，並通過該碳化矽層緩和該鑽石膜層與該半導體層的晶格不匹配性。
2.根據權利要求1所述的鑽石基板，其特徵在於，該鑽石膜層選自單晶鑽石膜與多晶鑽石膜的群組組合。
3.根據權利要求1所述的鑽石基板，其特徵在於，該碳化矽選自單晶結構、多晶結構與非結晶結構的群組組合的碳化矽。
4.根據權利要求1所述的鑽石基板，其特徵在於，該半導體層選自氮化鋁、氮化硼、氮化鎵鋁與氮化鎵的群組組合。
5.根據權利要求1所述的鑽石基板，其特徵在於，該鑽石基板的尺寸範圍為2英寸至8英寸。
6.一種鑽石基板的製作方法，其特徵在於，其步驟包含提供一基材；形成一碳化矽層於該基材上；形成一鑽石膜層於該碳化矽層上，以該碳化矽層防止該鑽石膜層產生翹曲變形；去除該基材；及形成一半導體層於該碳化矽層下，並通過該碳化矽層緩和該鑽石膜層與該半導體層的晶格不匹配性。
7.根據權利要求6所述的鑽石基板的製作方法，其特徵在於，該基材為矽晶材料。
8.根據權利要求6所述的鑽石基板的製作方法，其特徵在於，該鑽石膜層選自單晶鑽石膜與多晶鑽石膜的群組組合。
9.根據權利要求6所述的鑽石基板的製作方法，其特徵在於，該碳化矽選自單晶結構、多晶結構與非結晶結構的群組組合的碳化矽。
10.根據權利要求6所述的鑽石基板的製作方法，其特徵在於，該半導體層選自氮化鋁、氮化硼、氮化鎵鋁與氮化鎵的群組組合。
11.一種鑽石基板，其特徵在於，包括有一碳化矽層；一鑽石膜層，形成於該碳化矽層上，以該碳化矽層防止該鑽石膜層產生翹曲變形；及一半導體層，形成於該鑽石膜層上。
12.根據權利要求11所述的鑽石基板，其特徵在於，還包括一基材，形成於該碳化矽層的下方。
13.根據權利要求12所述的鑽石基板，其特徵在於，該基材為矽晶材料。
14.根據權利要求11所述的鑽石基板，其特徵在於，該鑽石膜層選自單晶鑽石膜與多晶鑽石膜的群組組合。
15.根據權利要求11所述的鑽石基板，其特徵在於，該碳化矽選自單晶結構、多晶結構與非結晶結構的群組組合的碳化矽。
16.根據權利要求11所述的鑽石基板，其特徵在於，該半導體層是由該鑽石膜層摻雜有第III族元素所形成的p型半導體層。
17.根據權利要求11所述的鑽石基板，其特徵在於，該半導體層是由該鑽石膜層摻雜有第V族元素所形成的n型半導體層。
18.根據權利要求11所述的鑽石基板，其特徵在於，該鑽石基板的尺寸範圍為2英寸至8英寸。
19.一種鑽石基板的製作方法，其特徵在於，其步驟包含提供一基材；形成一碳化矽層於該基材上；形成一鑽石膜層於該碳化矽層上，以該碳化矽層防止該鑽石膜層產生翹曲變形；及形成一半導體層於該鑽石膜層上。
20.根據權利要求19所述的鑽石基板的製作方法，其特徵在於，該形成該碳化矽層的步驟之後，還包括一去除該基材的步驟。
21.根據權利要求20所述的鑽石基板的製作方法，其特徵在於，該基材為矽晶材料。
22.根據權利要求19所述的鑽石基板的製作方法，其特徵在於，該鑽石膜層選自單晶鑽石膜與多晶鑽石膜的群組組合。
23.根據權利要求19所述的鑽石基板的製作方法，其特徵在於，該碳化矽選自單晶結構、多晶結構與非結晶結構的群組組合的碳化矽。
24.根據權利要求19所述的鑽石基板的製作方法，其特徵在於，該形成該半導體層的步驟，是在該鑽石膜層上摻雜有第III族元素而形成該p型半導體層。
25.根據權利要求19所述的鑽石基板的製作方法，其特徵在於，該形成該半導體層的步驟，是在該鑽石膜層上摻雜有第V族元素而形成該n型半導體層。
全文摘要
本發明涉及一種鑽石基板及其製作方法，該鑽石基板包括一碳化矽層；一鑽石膜層，形成於該碳化矽層上，以該碳化矽層防止該鑽石膜層產生翹曲變形；及一半導體層，形成於該碳化矽層下，並通過該碳化矽層緩和該鑽石膜層與該半導體層的晶格不匹配性。在成長鑽石膜層的工藝中，先形成碳化矽層於鑽石膜層下方，以減低鑽石膜層的翹曲變形量，再在鑽石膜層上製作半導體層，或在碳化矽層下直接成長出半導體層，以利用碳化矽層來緩和鑽石膜層與半導體層的晶格不匹配性，而提高半導體層的結晶質量，並藉以簡化工藝與提升產品的效能與穩定性。
文檔編號H01L21/02GK101047215SQ20061006635
公開日2007年10月3日 申請日期2006年3月30日 優先權日2006年3月30日
發明者張孝國, 黃仁烜, 陳志鵬, 陳娜玲, 溫世邦 申請人:中國砂輪企業股份有限公司