氮化鎵系化合物半導體磊晶層結構及其製造方法
2023-05-31 01:18:16 2
專利名稱：氮化鎵系化合物半導體磊晶層結構及其製造方法
技術領域：
本發明是關於一種氮化鎵系化合物半導體磊晶層結構及其製造方法，特別是關於一種能夠形成具較完美結晶且能大幅度減少差排缺陷的氮化鎵系化合物半導體磊晶層結構及其製造方法。
背景技術：
現今發光元件中，氮化鎵系列材料是非常重要的寬能隙(wide bandgap)半導體材料，其可應用於綠光、藍光到紫外光的發光元件中。但是，形成塊材(bulk)的氮化鎵一直是無法克服的技術瓶頸，然而，利用藍寶石(sapphire)或者碳化矽(SiC)為基板直接磊晶成長一氮化鎵層於該基板之上，如此的製程方式所製得的氮化鎵層存在相當高的缺陷密度，導致發光效率與電子遷移速度降低而無法獲得發光效率較高的發光二極體。。
有鑑於此，美國專利第5290393號揭示於藍寶石基板上在200℃～900℃形成一厚度介於0.001～0.5μm的低溫氮化鋁鎵緩衝層，接續於900℃～1150℃形成一高溫氮化鋁鎵。此一方式雖可提高氮化鎵系列的結晶度，但是整個氮化鋁鎵層的缺陷密度仍高達109～1010cm-2。另一美國專利第6252261號揭示利用橫向磊晶法(ELOG)來降低後續磊晶成長的氮化鎵層缺陷密度，但是此種方式雖然可以有效降低缺陷密度，但是此種方式必須成長至厚度約10μm，缺陷密度才降至1×108cm-2以下，且於製程中增加了光罩製造過程與選擇性成長的複雜控制機制，因此導致生產成本相對較高。再者，美國專利第6475882號曾揭示一種氮化矽(SiN)微光罩(micro-mask)的橫向磊晶技術，但是此專利所揭示的技術的缺點在於氮化矽微罩幕的均勻性及密度不易控制，導致生產良率控管困難。又者，美國專利第6700179號曾揭示一種以Si做為反界面活性劑(anti-surfactant)的表面處理技術，但因為其是利用控制反應前驅物SiH4的反應時間，來達到後續磊晶成膜的較佳結晶性，但其缺點仍為不易控制其均勻性及密度，若均勻性不佳易造成磊晶層應力分布不均，而不易控制其生產良率。
因此，本發明針對上述的問題，提出一種氮化鎵系化合物半導體磊晶層結構及其製造方法，能有效地解決現有技術的缺點。
發明內容
本發明的主要目的，在於提供一種氮化鎵系化合物半導體磊晶層結構及其製造方法，其能夠製造具差排缺陷能大幅度降低的高品質磊晶層。
本發明的另一目的，在於提供一種氮化鎵系化合物半導體磊晶層結構及其製造方法，其是能夠有效地提高發光元件的發光效率與使用壽命。
本發明的再一目的，在於提供一種氮化鎵系化合物半導體磊晶層結構及其製造方法，其是能有效的提高產品的良率，進而降低因產品失效的成本花費，增進產品的市場競爭力。
本發明為一種氮化鎵系化合物半導體磊晶層結構，其包含有一基板；一氮化鎵系緩衝層；以及一位於基板與氮化鎵系緩衝層間的介面層或介面區，其是因使用Cp2Mg及NH3反應前驅物對基板表面進行表面處理所形成。
本發明的另一實施態樣為一種製造上述的氮化鎵系化合物半導體磊晶層的方法，其先提供一基板；隨後利用Cp2Mg及NH3反應前驅物對基板表面進行表面處理；接續於基板上形成一低溫氮化鎵系緩衝層；以及於低溫氮化鎵緩衝層上形成一高溫氮化鎵系緩衝層。
本發明的又一實施態樣為一種製造上述氮化鎵系化合物半導體磊晶層的方法，其先提供一基板；利用Cp2Mg及NH3反應前驅物對基板進行表面處理；於基板上形成一由數個低溫氮化鎵系緩衝層堆疊而成，且兩相鄰的低溫氮化鎵系緩衝層間是經表面處理的低溫氮化鎵系緩衝堆疊層；以及於低溫氮化鎵系緩衝堆疊層上形成一高溫氮化鎵緩衝層。
本發明的又一實施態樣為一種氮化鎵系化合物半導體發光元件的製造方法，其先提供一基板；利用Cp2Mg及NH3反應前驅物對基板進行表面處理；於基板上形成一氮化鎵緩衝層；接著於此氮化鎵緩衝層上依序形成一N型氮化鎵系接觸層、發光層、P型氮化鎵系披覆層及P型氮化鎵系接觸層。
圖1(a)為本發明的一結構示意圖。
圖1(b)為本發明的另一結構示意圖。
圖2為本發明的一較佳實施例步驟流程圖。
圖3為本發明的又一較佳實施例步驟流程圖。
圖4為本發明的再一較佳實施例步驟流程圖。
圖5為本發明的另一較佳實施例步驟流程圖。
圖6為實施例一的步驟流程時間對溫度的曲線圖。
圖7為實施例二的步驟流程時間對溫度的曲線圖。
圖8為實施例三的步驟流程時間對溫度的曲線圖。
圖9為實施例四的步驟流程時間對溫度的曲線圖。
圖號說明1基板2氮化鎵系緩衝層22低溫氮化鎵系緩衝層 24高溫氮化鎵系緩衝層26堆疊層 3介面層
具體實施例方式為使審查員對本發明的結構特徵及所達成的功效有進一步的了解與認識，謹佐以較佳的實施例圖及配合詳細的說明，說明如後
本發明是一種氮化鎵系化合物半導體磊晶層結構及其製造方法，其是利用反應前驅物Bis(cyclopentadienyl)magnesium(Cp2Mg)及NH3對基板表面進行處理，以改變基板表面能量狀態，使接續形成於基板上的氮化鎵系化合物半導體磊晶層能夠具有完美晶格結構及低缺陷密度的方法與其基板磊晶結構。其中此一氮化鎵系化合物半導體磊晶層的材料為下列物質構成的群組中之一BxAlyInzGa1-x-y-zNpAsq(0x1，0y1，0z1，0p1，0q1且x+y+z＝1，p+q＝1)及P-BxAlyInzGa1-x-y-zNpPq層(0x1，0y1，0z1，0p1，0q1且x+y+z＝1及p+q＝1)。基板的材質是選自藍寶石、SiC、ZnO、ZrB2或Si任一者。
首先，請參閱圖1(a)，其是本發明的氮化鎵系化合物半導體磊晶層結構示意圖。本發明的磊晶結構包含有一基板1；一位於基板1上的氮化鎵系緩衝層2；以及一位於基板與氮化鎵系緩衝層間的介面層或者區域3，其是利用反應前驅物Cp2Mg及NH3對基板表面經過表面處理所形成。其中，該氮化鎵系緩衝層可包含有一低溫氮化鎵系緩衝層22與一高溫氮化鎵系緩衝層24，如圖1(a)所示。
或者，該氮化鎵系緩衝層2包含有一堆疊層26與一高溫氮化鎵系緩衝層24，而堆疊層26為數個介面間具有表面處理的低溫氮化鎵系緩衝層所堆疊而成，如圖1(b)。
下列，為上述的磊晶結構的製造方法首先，請參閱圖2，其是本發明的第一種實施例的步驟流程圖。如步驟S1所述，選取一基板；接續如步驟S2所述，於一第一溫度，利用反應前驅物Cp2Mg及NH3對基板表面進行處理；接續如步驟S3所述，於此第一溫度下，在經表面處理後的基板表面上形成一低溫氮化鎵系緩衝層；最後，如步驟S4所述，於一第二溫度下，在低溫氮化鎵系緩衝層上形成一高溫氮化鎵系緩衝層。
請參閱圖3，其是本發明的第二種實施例的步驟流程圖。如步驟S5所述，選取一基板；接續如步驟S6所述，於一第一溫度，利用反應前驅物Cp2Mg及NH3對基板表面進行處理；接續如步驟S7所述，於此第一溫度，在經表面處理後的基板表面上形成一低溫氮化鎵系緩衝堆疊層，其中此低溫氮化鎵系緩衝堆疊層是先沉積一低溫氮化鎵系緩衝層，再利用反應前驅物Cp2Mg及NH3對此已經沉積的低溫氮化鎵系緩衝層進行表面處理，接續再於已表面處理的低溫氮化鎵系緩衝層上再沉積一的低溫氮化鎵系緩衝層，如此重複數次後所製得的相鄰兩低溫氮化鎵系緩衝層介面具有經表面處理的堆疊層；最後，如步驟S8所述，於一第二溫度下，在低溫氮化鎵系緩衝堆疊層上形成一高溫氮化鎵系緩衝層，其中該第二溫度高於第一溫度。
請參閱圖4，其是本發明的又一實施例步驟示意圖。如步驟S9所述，選取一基板；接續如步驟S10所述，於一第一溫度，利用反應前驅物Cp2Mg及NH3對基板表面進行處理；接續如步驟S11所述，於一第二溫度下，在經表面處理後的基板表面上形成一低溫氮化鎵系緩衝層；最後，如步驟S12所述，於一第三溫度，在低溫氮化鎵系緩衝層上形成一高溫氮化鎵系緩衝層，其中該第三溫度高於第一溫度，且第一溫度高於第二溫度。
請參閱圖5，其是本發明的另一實施例。如步驟S13所述，選取一基板；接續如步驟S14所述，於一第一溫度，利用反應前驅物Cp2Mg及NH3對基板表面進行處理；接續如步驟S15所述，於一第二溫度，在經表面處理後的基板表面上形成一由數層低溫氮化鎵系緩衝層所堆疊而成的堆疊層，其製程步驟為先沉積一低溫氮化鎵系緩衝層，接續是用如步驟S14所述的製程參數條件利用反應前驅物Cp2Mg及NH3表面對形成的低溫氮化鎵系緩衝層進行處理，隨後在沉積另一低溫氮化鎵系緩衝層於前一已經表面處理的低溫氮化鎵系緩衝層上；最後，如步驟S16所述，於一第三溫度，在最低溫氮化鎵系緩衝層上形成一高溫氮化鎵系緩衝層，其中該第三溫度高於第一溫度，而第一溫度高於第二溫度。
當然，上述的實施例於形成氮化鎵系緩衝層後製程將不會終止，舉例來說如在發光二極體(LED)製程上，後續將進行氮化鎵系化合物LED發光元件區(可以為任何傳統的p/n接面，或者是n/p接面的發光結構，而材質可選自為氮化鎵化合物)以及適當位置的電極等製程步驟，但於此為更簡單明確的了解本發明的技術內容乃在於解決基板與LED發光元件間長期存在的緩衝層晶格匹配不甚完善的問題。
下列是以四個具詳細製程參數的實施例來說明本發明，但熟知此技術領域的人士應有的認知是許多的製程參數，例如溫度、反應前驅物濃度或者基板的材質等皆可以改變，但這些一般的替換無疑地亦不脫離本發明的精神及範疇，於此先澄明。
實施例一請一併參閱圖6，其是將下列步驟流程中時間對溫度的曲線圖。首先，先對一藍寶石基板表面進行清潔將一藍寶石基板置於有機金屬化學氣相磊晶(MOCVD)反應腔室中的石墨承載盤上，通入經純化過的氫氣並將反應溫度升至1040℃～1100℃，於此是以1060℃為例，持續5分鐘，以對基板表面進行熱清潔(thermal cleaning)。
接續，進行對基板進行表面處理將腔室內溫度降至400℃～700℃，於此是以535℃為例，並設定此溫度為第一溫度，同時通入15slm的NH3以及0.18umol/min的Cp2Mg反應前驅物持續5sec-180sec，於此是以1分鐘為例。
最後，進行氮化鎵系緩衝層成長進入此程序時，先停止Cp2Mg反應前驅物的供給，改成通入100umol/min的三甲基鎵(TMGa)反應前驅物，持續5sec-180sec，於此是以2分鐘為例，於經過表面處理的基板表面形成一厚度介於55-400，如250的低溫氮化鎵緩衝層，隨後，停止TMGa反應前驅物的供給，並將腔室內溫度升高為第二溫度900℃-1030℃，例如1025℃並注入200umol/min的TMGa及12slm的NH3反應前驅物以形成約0.2～6um的一高溫氮化鎵系緩衝層。利用此方法所製得的高溫氮化鎵系緩衝層的缺陷密度(dislocation density)約8×108cm-2。
實施例二首先，先對一藍寶石基板表面進行清潔將一藍寶石基板置於有機金屬化學氣相磊晶(MOCVD)反應腔室中的石墨承載盤上，通入經純化過的氫氣並將反應溫度升至1040℃～1100℃，於此是以1060℃為例，持續5分鐘，以對基板表面進行熱清潔(thermal cleaning)。
接續，進行對基板1進行表面處理將腔室內溫度溫度降至1025℃並設定此溫度為第一溫度，同時通入15slm的NH3以及0.18umol/min的Cp2Mg反應前驅物持續1分鐘，以在基板表面形成一厚度約30的氮化鎂化合物層。
最後，進行氮化鎵系緩衝層成長進入此程序時，先停止Cp2Mg反應前驅物的供給，並將溫度降至535℃，改成通入100umol/min的三甲基鎵(TMGa)反應前驅物，持續2分鐘，於氮化鎂化合物層表面之上形成一厚度約220的低溫氮化鎵系緩衝層，隨後停止，將反應溫度升至1025℃改注入200umol/min的TMGa及12slm的NH3反應前驅物，以於此低溫氮化鎵系緩衝層上形成一厚度約0.2～6um的高溫氮化鎵系緩衝層。利用此方法所製得的高溫氮化鎵系緩衝層的缺陷密度(dislocation density)約5×108cm-2。
實施例三
首先，先對一藍寶石基板表面進行清潔將一藍寶石基板置於有機金屬化學氣相磊晶(MOCVD)反應腔室中的石墨承載盤上，通入經純化過的氫氣並將反應溫度升至1040℃～1100℃，於此是以1060℃為例，持續5分鐘，以對基板1表面進行熱清潔(thermal cleaning)。
接續，進行對基板1進行表面處理將腔室內溫度溫度降至535℃並設定此溫度為第一溫度，同時通入15slm的NH3以及0.18umol/min的Cp2Mg反應前驅物持續12分鐘。
進行低溫氮化鎵系緩衝堆疊層的成長此程序的製程步驟為先停止Cp2Mg反應前驅物的供給，改成通入20umol/min的三甲基鎵(TMGa)反應前驅物，持續20秒鐘，以於經過表面處理的基板表面先形成一平均每層厚度約40的低溫氮化鎵系緩衝層，接續，以先前所述的基板表面處理的製程參數對該低溫氮化鎵系緩衝層表面處理，如此重複低溫氮化鎵系緩衝層與低溫氮化鎵系緩衝層表面處理過程數次，以形成一相鄰兩低溫氮化鎵系緩衝層間具有經Cp2Mg反應前驅物表面處理的介面區的低溫氮化鎵系緩衝堆疊層。
此外，低溫氮化鎵系緩衝堆疊層頂端的低溫氮化鎵系緩衝層厚度可略微增加，於此實施例中可以為50。
隨後，停止Cp2Mg及TMGa反應前驅物的供給並將溫度升高至第二溫度1025℃，並通入200umol/min的TMGa及12slm的NH3反應前驅物，以於該低溫氮化鎵系緩衝堆疊層上形成厚度約0.2～6um的高溫氮化鎵系緩衝層。利用此方法所製得的高溫氮化鎵緩衝層的缺陷密度(dislocation density)約1.5×108cm-2。
實施例四首先，先對一藍寶石基板表面進行清潔將一藍寶石基板置於有機金屬化學氣相磊晶(MOCVD)反應腔室中的石墨承載盤上，通入經純化過的氫氣並將反應溫度升至1040℃～1100℃，於此是以1060℃為例，持續5分鐘，以對基板表面進行熱清潔(thermal cleaning)。
接續，進行對基板進行表面處理將腔室內溫度降至1025℃並設定此溫度為第一溫度，同時通入15slm的NH3以及0.18umol/min的Cp2Mg反應前驅物持續12秒鐘，形成約6的氮化鎂化合物層(MgNx)。
接著，停止Cp2Mg反應前驅物的供給，改成通入20umol/min的三甲基鎵(TMGa)反應前驅物，持續40秒鐘，以於高溫氮化鎂化合物層表面形成一厚度約6的第一氮化鎵系緩衝層，重複上述氮化鎂化合物層與第一氮化鎵系緩衝層形成步驟數次，以形成一由氮化鎂化合物層與第一氮化鎵系緩衝層交錯堆疊所構成的堆疊層。
採相同於第一氮化鎵系緩衝層的製程參數，於堆疊層上形成一厚度為20的第二氮化鎵系緩衝層。
隨後，停止TMGa反應前驅物的供給，並將腔室內溫度降至為第二溫度535℃並注入20umol/min的TMGa反應前驅物，持續85秒鐘，以形成約一厚度為170的低溫氮化鎵系緩衝層。
接續，停止TMGa反應前驅物的注入，並升高溫度至第三溫度1025℃並通入200umol/min的TMGa及12slm的NH3反應前驅物，以形成約0.2～6um的高溫氮化鎵系緩衝層於低溫氮化鎵系緩衝層上。利用此方法所製得的高溫氮化鎵緩衝層的缺陷密度(dislocation density)約3.5×108cm-2。
實施例五首先，以藍寶石為基板，根據實施例三所揭示的形成緩衝層的方法，於該低溫氮化鎵系緩衝堆疊層上形成一厚度約1-2um的高溫氮化鎵系緩衝層，接著，於此高溫氮化鎵系緩衝層上依序形成一厚度2-3um之n型氮化鎵系接觸層，一氮化鎵系發光層，一p型氮化鎵系披覆層、一厚度0.2-0.8um之p型氮化鎵系接觸層，其中氮化鎵系發光層至少包含一氮化銦鎵層及其與氮化鋁銦鎵所形成的多重量子井結構。接著，經由習知晶粒的製作方法形成橫向電極結構並使用ITO當成透光導電層，晶粒的尺寸大小為380×320(um)，根據本實施例所製得波長為455nm的藍光發光二極體，在輸入20mA的工作電流，其光輸出功率可達12mW且工作電壓低於3.3Volts。再者，利用臺灣專利號I236160所揭示的表面織狀化磊晶結構，可進一步將光輸出功率提升至達14.5mW。本實施例所述的透光導電層除ITO外，可包含習知的IZO、GZO、TCO、IMO、AZO、MZO及ICeO。
綜上所述，本發明為一種利用反應前驅物Cp2Mg及NH3對基板表面進行處理，以改變基板表面的表面能量，並配合多層狀低、高溫氮化鎵系緩衝層，以大幅度將預與發光元件區接觸的氮化鎵系緩衝層缺陷密度減至最低，進而提高發光效率、與產品良率。
以上所述，僅為本發明一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施的範圍，故凡依本發明權利要求範圍所述的形狀、構造、特徵及精神所為的均等變化與修飾，均應包括於本發明的權利要求範圍內。
權利要求
1.一種形成氮化鎵系化合物半導體磊晶層的方法，其特徵在於，包含有下列步驟a.提供一基板；b.利用Cp2Mg及NH3反應前驅物對該基板表面進行表面處理；c.於該基板上形成一低溫氮化鎵系緩衝層；d.於該低溫氮化鎵緩衝層上形成一高溫氮化鎵系緩衝層。
2.如權利要求1所述的形成氮化鎵系化合物半導體磊晶層的方法，其特徵在於，該步驟b是於一第一溫度下進行，該步驟c是於一第二溫度下形成，而該第一溫度是與該第二溫度相同。
3.如權利要求1所述的形成氮化鎵系化合物半導體磊晶層的方法，其特徵在於，該步驟b是於一第一溫度下進行，步驟c是於一第二溫度下形成，而該第一溫度高於該第二溫度。
4.如權利要求3所述的形成氮化鎵系化合物半導體磊晶層的方法，其特徵在於，該Cp2Mg及NH3反應前驅物對該基板表面進行表面處理時形成一氮化鎂層。
5.如權利要求1所述的形成氮化鎵系化合物半導體磊晶層的方法，其特徵在於，隨後更可於該高溫氮化鎵系緩衝層上依序形成一N型氮化鎵系接觸層、一發光層、一P型氮化鎵系披覆層以及一P型氮化鎵系接觸層。
6.如權利要求5所述的形成氮化鎵系化合物半導體磊晶層的方法，其特徵在於，該發光層至少包含一氮化銦鎵層及其與氮化鋁銦鎵所形成的多重量子井結構。
7.一種形成氮化鎵系化合物半導體磊晶層的方法，其特徵在於，包含有下列步驟a.提供一基板；b.利用Cp2Mg及NH3反應前驅物對該基板表面進行表面處理；c.於該基板上形成一由數個低溫氮化鎵系緩衝層堆疊而成，且兩相鄰的該低溫氮化鎵系緩衝層間經表面處理的低溫氮化鎵系緩衝堆疊層；d.於該低溫氮化鎵系緩衝堆疊層上形成一高溫氮化鎵緩衝層。
8.如權利要求7所述的形成氮化鎵系化合物半導體磊晶層的方法，其特徵在於，該步驟c的表面處理是利用該步驟b的製程參數對該低溫氮化鎵系緩衝層表面所進行。
9.如權利要求7所述的形成氮化鎵系化合物半導體磊晶層的方法，其特徵在於，該步驟b是於一第一溫度下進行，該步驟c是於一第二溫度下形成，而該第一溫度是與該第二溫度相同。
10.如權利要求7所述的形成氮化鎵系化合物半導體磊晶層的方法，其特徵在於，該步驟b是於一第一溫度下進行，該步驟c是於一第二溫度下形成，而該第一溫度是大於該第二溫度。
11.如權利要求10所述的形成氮化鎵系化合物半導體磊晶層的方法，其特徵在於，該Cp2Mg及NH3反應前驅物對該基板與該低溫氮化鎵系緩衝層表面進行表面處理時將形成一氮化鎂層。
12.如權利要求7所述的形成氮化鎵系化合物半導體磊晶層的方法，其特徵在於，隨後更可於該高溫氮化鎵系緩衝層上依序形成一N型氮化鎵系接觸層、一發光層、一P型氮化鎵系披覆層以及一P型氮化鎵系接觸層。
13.如權利要求12所述的形成氮化鎵系化合物半導體磊晶層的方法，其特徵在於，該發光層至少包含一氮化銦鎵層及其與氮化鋁銦鎵所形成的多重量子井結構。
14.如權利要求7所述的形成氮化鎵系化合物半導體磊晶層的方法，其特徵在於，進行該步驟d前，更可於該低溫氮化鎵系緩衝堆疊層上形成一厚度較大的第二低溫氮化鎵系緩衝層。
15.一種氮化鎵系化合物半導體磊晶層結構，其特徵在於，包含有一基板；一氮化鎵系緩衝層；一介面層或介面區，其是位於該基板與該氮化鎵系緩衝層間，該介面層或介面區是Cp2Mg及NH3反應前驅物對該基板表面進行表面處理所形成。
16.如權利要求15所述的氮化鎵系化合物半導體磊晶層結構，其特徵在於，該氮化鎵系緩衝層是包含有一低溫氮化鎵系緩衝層；一高溫氮化鎵系緩衝層。
17.如權利要求15所述的氮化鎵系化合物半導體磊晶層結構，其特徵在於，該氮化鎵系緩衝層包含有一堆疊層；一高溫氮化鎵系緩衝層。
18.如權利要求17所述的氮化鎵系化合物半導體磊晶層結構，其特徵在於，該堆疊層為數個低溫氮化鎵系緩衝層堆疊而成，且兩相鄰的該低溫氮化鎵系緩衝層間是經Cp2Mg及NH3反應前驅物表面處理。
19.如權利要求17所述的氮化鎵系化合物半導體磊晶層結構，其特徵在於，該堆疊層為數個低溫氮化鎵系緩衝層與氮化鎂層交錯堆疊而成。
全文摘要
本發明是關於一種具較少缺陷密度的氮化鎵系化合物半導體磊晶層結構及其製造方法，其是先於基板表面利用反應前驅物Cp
文檔編號H01L33/00GK1877792SQ20061007838
公開日2006年12月13日 申請日期2006年5月17日 優先權日2006年5月17日
發明者賴穆人 申請人:炬鑫科技股份有限公司, 賴穆人