CN101651174B - 供半导体光电元件外延用的半导体基板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种供一半导体光电元件外延用的半导体基板及其制造方法。根据本发明的半导体基板包含一基板及一氮化物缓冲层。该氮化物缓冲层由一原子层沉积工艺、一等离子增强原子层沉积工艺或一电浆辅助原子层沉积工艺形成于该基板的一上表面上。该氮化物缓冲层提高该半导体光电元件中的一半导体材料层(semiconductor material layer)的外延品质。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体基板(semiconductor substrate)，特别是一种供一半导体光电元件(semiconductor optoelectronic device)外延用的半导体基板。
背景技术
半导体光电元件(例如，发光二极体、光侦测器)能广泛地使用于多种装置，例如，光学显示装置、交通号志、通讯装置以及照明装置。为了让半导体光电元件尽可能地确保较高的功能可靠性以及较低的能源消耗，因此对于半导体光电元件都要求其本身整体的光电效能。
在现有技术中，半导体光电元件的半导体材料层与基板之间可通过形成一缓冲层以改善半导体材料层的品质。到目前为止，氮化镓半导体光电元件(例如，发光二极体、光侦测器)的基板大多以蓝宝石基板为主，但是由于氮化镓半导体材料层与蓝宝石基板之间并无优良的晶格匹配(lattice match)，致使氮化镓半导体材料层的外延品质仍有待改善。因此，氮化镓半导体材料层与蓝宝石基板之间尚欠缺一理想的缓冲层以提高氮化镓半导体材料层的外延品质，从而进一步增加半导体光电元件的光电效能。
因此，本发明的主要目的在于提供一种供一半导体光电元件外延用的半导体基板，以解决上述问题。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种供一半导体光电元件外延用的半导体基板及其制造方法。
根据本发明的一具体实施例，该半导体光电元件包含一基板(substrate)以及一氮化物缓冲层(nitride-based buffer layer)。
该氮化物缓冲层通过一原子层沉积(atomic layer deposition,ALD)工艺、一电浆增强原子层沉积(plasma-enhanced ALD)工艺或一等离子辅助原子层沉积(plasma-assisted ALD)工艺形成于该基板的一上表面上，该氮化物缓冲层还能通过原子层沉积工艺和一等离子增强原子层沉积工艺或原子层沉积工艺和等离子辅助原子层沉积工艺的组合工艺形成。该氮化物缓冲层提高该半导体光电元件中的一半导体材料层(semiconductor material layer)的外延品质。
根据本发明的另一具体实施例为一种制造供一半导体光电元件外延用的一半导体基板的方法。
该方法首先制备一基板。接着，通过一原子层沉积工艺、一等离子增强原子层沉积工艺或一等离子辅助原子层沉积工艺形成一氮化物缓冲层于该基板的一上表面上，该氮化物缓冲层还能通过原子层沉积工艺和一等离子增强原子层沉积工艺或原子层沉积工艺和等离子辅助原子层沉积工艺的组合工艺形成。该氮化物缓冲层提高该半导体光电元件中的一半导体材料层的外延品质。
相比现有技术，根据本发明的半导体基板中的氮化物缓冲层在半导体光电元件中的半导体材料层(例如，氮化镓层)外延的过程中，可以辅助半导体材料层进行良好的外延，以提高半导体材料层的外延品质，进一步提升半导体光电元件的光电效能。
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及附图说明得到进一步的了解。
附图说明
图1显示了根据本发明的一具体实施例的一半导体基板。
图2A及图2B显示了根据本发明的另一具体实施例的制造一半导体基板的方法的截面视图。
具体实施方式
请参阅图1，图1显示了根据本发明的一具体实施例的一半导体基板1。该半导体基板1可以供一半导体光电元件(例如，发光二极体、光侦测器)外延使用。
如图1所示，该半导体基板1包含一基板10及一氮化物缓冲层12。
在实际应用中，该基板10可以通过蓝宝石(sapphire)、硅(Si)、SiC、GaN、ZnO、ScAlMgO4、YSZ(Yttria-Stabilized Zirconia)、SrCu2O2、LiGaO2、LiAlO2、GaAs或其他类似基材中的一种制成。
于一具体实施例中，该氮化物缓冲层12可以由氮化铝(AlN)形成，并且该缓冲层12的厚度可为10nm至500nm之间，但不以此为限。
该氮化物缓冲层12通过一原子层沉积工艺、一等离子增强原子层沉积工艺或一等离子辅助原子层沉积工艺形成于该基板10的一上表面100上，该氮化物缓冲层12还能通过原子层沉积工艺和一等离子增强原子层沉积工艺或原子层沉积工艺和等离子辅助原子层沉积工艺的组合工艺形成。该氮化物缓冲层12能够辅助该半导体光电元件中的一半导体材料层外延。
于一具体实施例中，该半导体材料层可以由氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)和氮化铝镓(AlGaN)中的一种材料制成。
于此实施例中，该基板10由蓝宝石制成，该氮化物缓冲层12由氮化铝制成，并且该半导体材料层由氮化镓制成。
由于氮化铝与氮化镓之间存在优良的晶格匹配，因此氮化铝缓冲层12可以辅助由氮化镓制成的该半导体材料层的最底层进行外延。
于实际应用中，氮化铝的原料可以由一AlCl3先驱物、一Al(CH3)3先驱物、一Al(CH3)2Cl先驱物、一Al(C2H5)3先驱物、一((CH3)3N)AlH3先驱物和一((CH3)2(C2H5)N)AlH3先驱物中的一种先驱物及一NH3先驱物组成。
于一具体实施例中，氮化铝可以采用一AlCl3先驱物(precursor)与一NH3先驱物组成的原料形成，其中AlCl3即为Al的来源，NH3为N的来源。
以沉积氮化铝缓冲层12为例，在一个原子层沉积的周期内的反应步骤可分成四个部分：
1.利用载送气体将NH3分子导入反应腔体，NH3分子在进入腔体后会吸附于基材表面，在基材表面形成单一层NH基，其曝气时间为0.1秒。
2.通入载送气体将多余未吸附于基材的NH3分子抽走，其吹气时间为5秒。
3.利用载送气体将AlCl3分子导入反应腔体中，与原本吸附在基材表面的单一层NH基在基材上反应形成单一层的AlN，副产物为有机分子，其曝气时间为0.1秒。
4.通入载送气体，带走多余的AlCl3分子以及反应产生的有机分子副产物，其吹气时间为5秒。
其中载送气体可以采用高纯度的氩气或氮气。以上四个步骤称为一个原子层沉积的周期。一个原子层沉积的周期可以在基材的全部表面上形成单一原子层厚度的薄膜，此特性称为『自限成膜』(self-limiting)，此特性使得原子层沉积在控制薄膜厚度上的精准度可达一个原子层(one monolayer)。利用控制原子层沉积的周期次数即可精准地控制AlN薄膜的厚度。
总结来说，本发明所采用的原子层沉积工艺具有以下优点：(1)可在原子等级控制材料的形成；(2)可更精准地控制薄膜的厚度；(3)可大面积量产；(4)有优异的均匀度(uniformity)；(5)有优异的三维包覆性(conformality)；(6)无孔洞结构；(7)缺陷密度小；以及(8)沉积温度低等制程优点。
于实际应用中，该氮化物缓冲层12的形成可以于一介于300℃至1200℃之间的制程温度下执行。该氮化物缓冲层12形成后，该氮化物缓冲层12可以进一步于一介于400℃至1200℃之间的退火温度下执行退火以提升该氮化物缓冲层12的品质。
请参阅图2A及图2B并配合参阅图1。图2A及图2B显示了根据本发明的另一具体实施例的制造一半导体基板1的方法的截面视图。该半导体基板1可以供一半导体光电元件(例如，发光二极体、光侦测器)外延使用。
首先，如图2A所示，该方法制备一基板10。
接着，如图2B所示，该方法通过一原子层沉积工艺、一等离子增强原子层沉积工艺或一等离子辅助原子层沉积工艺形成一氮化物缓冲层12于该基板10的一上表面200上，该氮化物缓冲层12还能通过原子层沉积工艺和一等离子增强原子层沉积工艺或原子层沉积工艺和等离子辅助原子层沉积工艺的组合工艺形成。该氮化物缓冲层12能够促进该半导体光电元件中的一半导体材料层的外延品质。
于一具体实施例中，该氮化物缓冲层12可以由氮化铝制成，但不以此为限。
相比现有技术，根据本发明的半导体基板中的氮化物缓冲层在半导体光电元件中的半导体材料层(例如，氮化镓层)外延的过程中，可以辅助半导体材料层进行良好的外延，以提高半导体材料层的外延品质，进一步提升半导体光电元件的光电效能。
通过以上优选实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的优选实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。因此，本发明所申请的专利范围的范畴应该根据上述的说明作最宽广的解释，以致使其涵盖所有可能的改变以及具相等性的安排。
Claims (16)
1.一种供一半导体光电元件外延用的半导体基板，其特征在于，该半导体基板包含：
一基板；以及
一氮化铝缓冲层，该氮化铝缓冲层是通过一原子层沉积工艺，一次一个原子层的方式逐步沉积而形成于该基板的一上表面上，其中该氮化铝缓冲层促进该半导体光电元件中的一半导体材料层的外延质量，其中在一个原子层沉积的周期内的反应步骤可分成四个部分：
(1.)利用载送气体将NH3分子导入反应腔体，NH3分子在进入腔体后会吸附于基材表面，在基材表面形成单一层NH基，其曝气时间为0.1秒；
(2.)通入载送气体将多余未吸附于基材的NH3分子抽走，其吹气时间为5秒；
(3.)利用载送气体将AlCl3分子导入反应腔体中，与原本吸附在基材表面的单一层NH基在基材上反应形成单一层的AlN，副产物为有机分子，其曝气时间为0.1秒；
(4.)通入载送气体，带走多余的AlCl3分子以及反应产生的有机分子副产物，其吹气时间为5秒。
2.如权利要求1所述的半导体基板，其特征在于，该氮化鋁缓冲层的厚度在10nm至500nm之间。
3.如权利要求1所述的半导体基板，其特征在于，该半导体材料层由氮化镓、氮化铟镓及氮化铝镓中的其中一种材料制成。
4.如权利要求1所述的半导体基板，其特征在于，该氮化铝缓冲层的原料由一AlCl3先驱物、一Al(CH3)3先驱物、一Al(CH3)2Cl先驱物、一Al(C2H5)3先驱物、一((CH3)3N)AlH3先驱物和一((CH3)2(C2H5)N)AlH3先驱物中的一种先驱物和一NH3先驱物组成。
5.如权利要求1所述的半导体基板，其特征在于，该氮化铝缓冲层的形成在介于300℃至1200℃之间的工艺温度下执行。
6.如权利要求5所述的半导体基板，其特征在于，该氮化铝缓冲层在形成后，进一步在一介于400℃至1200℃之间的退火温度下执行退火。
7.如权利要求3所述的半导体基板，其特征在于，该基板为一蓝宝石基板、一Si基板、一SiC基板、一GaN基板、一ZnO基板、一ScAlMgO4基板、一YSZ(Yttria-Stabilized Zirconia)基板、一SrCu2O2基板、一LiGaO2基板、一LiAlO2基板、一GaAs基板中的其中一种基板。
8.如权利要求7所述的半导体基板，其特征在于，该基板由蓝宝石制成，并且该半导体材料层由氮化镓制成。
9.一种制造供一半导体光电元件外延用的一半导体基板的方法，其特征在于，该方法包含下列步骤：
制备一基板；以及
通过一原子层沉积工艺，一次一个原子层的方式逐步沉积而形成一氮化铝缓冲层于该基板的一上表面上，其中该氮化铝缓冲层促进该半导体光电元件中的一半导体材料层之外延质量，其中在一个原子层沉积的周期内的反应步骤可分成四个部分：
(1.)利用载送气体将NH3分子导入反应腔体，NH3分子在进入腔体后会吸附于基材表面，在基材表面形成单一层NH基，其曝气时间为0.1秒；
(2.)通入载送气体将多余未吸附于基材的NH3分子抽走，其吹气时间为5秒；
(3.)利用载送气体将AlCl3分子导入反应腔体中，与原本吸附在基材表面的单一层NH基在基材上反应形成单一层的AlN，副产物为有机分子，其曝气时间为0.1秒；
(4.)通入载送气体，带走多余的AlCl3分子以及反应产生的有机分子副产物，其吹气时间为5秒。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该氮化铝缓冲层的厚度在10nm至500nm之间。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该半导体材料层是由选自由氮化镓、氮化铟镓、及氮化铝镓所组成的一群组中的其一所制成。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该氮化铝缓冲层的原料由一AlCl3先驱物、一Al(CH3)3先驱物、一Al(CH3)2Cl先驱物、一Al(C2H5)3先驱物、一((CH3)3N)AlH3先驱物和一((CH3)2(C2H5)N)AlH3先驱物中的一种先驱物和一NH3先驱物组成。
13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该氮化铝缓冲层的形成在一介于300℃至1200℃之间的工艺温度下执行。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，该氮化铝缓冲层形成后，进一步在一介于400℃至1200℃之间的退火温度下执行退火。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该基板为一蓝宝石基板、一Si基板、一SiC基板、一GaN基板、一ZnO基板、一ScAlMgO4基板、一YSZ(Yttria-StabilizedZirconia)基板、一SrCu2O2基板、一LiGaO2基板、一LiAlO2基板、一GaAs基板中的其中一种基板。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，该基板由蓝宝石制成，并且该半导体材料层由氮化镓制成。
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