CN101651180A - 半导体结构 - Google Patents
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Abstract
一种半导体结构，包括：一基板以及位于该基板上的一导电载子穿隧层。该导电载子穿隧层则包括：多个第一型III族氮化物膜层，具有一第一能隙，其中所述多个第一型III族氮化物膜层分别具有少于约5纳米的一厚度；以及多个第二型III族氮化物膜层，具有低于该第一能隙的一第二能隙，其中所述多个第一型III族氮化物膜层与所述多个第二型III族氮化物膜层交错且堆叠地设置，其中于该基板与该导电载子穿隧层之间则不存在有一III族氮化物层。上述半导体装置还包括一有源层，位于该导电载子穿隧层之上。本发明不仅可降低操作电压，且操作电压并不需达到其离散值，因而简化了光电装置的操作。
Description
技术领域
本发明涉及半导体装置制造技术，特别涉及III族氮化物(group-III nitride)薄膜的制作，且特别涉及于硅基板上超晶格III族氮化物(superlattice group-IIInitride)薄膜的制作。
背景技术
如氮化镓及其合金材料等的第III族氮化物(通常以III族氮化物或III-N表示)化合物，由于其适用于电子及光电装置的应用，因此成为近年来的研究目标。其可能应用的光电装置例如为蓝光发光二极管与激光二极管，以及深紫外光光感应器。III族氮化物化合物的高能隙(bandgap)以及高电子饱和速度(saturation velocity)等特性使得其成为适用于如高温与高速的电子电力的应用的众多选择之一。
于一般成长温度下由于氮气的高平衡压力，因此极不容易形成氮化镓单晶块材(GaN bulk crystals)。由于欠缺可行的块材成长方法，因此氮化镓通常外延沉积于如碳化硅(SiC)与蓝宝石(sapphire)材料的基板之上。然而，当今制作氮化镓薄膜时所遭遇的主要问题于在缺乏具有极为接近于氮化镓的晶格常数与热膨胀系数的晶格常数以及热膨胀系数的适当基板材料。于经过研究适用于形成氮化镓的众多基板后，发现到硅基板也为可利用的基板之一。由于具有低成本、较大尺寸、较高晶格与表面特性、可控制的导电度以及高热传导率等特性，因此硅基板也适用于氮化镓的成长。另外，硅晶片的使用也简化了氮化镓系列(GaN based)光电装置与硅基(silicon-based)电子装置间的整合情形。
请参照图1，显示了一公知光电装置2(在此示出为一发光二极管)，其包括了基板10、形成于基板10上的低温氮化铝层12、形成于氮化铝层12上的超晶格(superlattice)层14、以及形成于超晶格层14上的发光二极管18。发光二极管18包括一n型的III族氮化物层15、有源层16以及一p型的III族氮化物层17。低温氮化铝层12具有降低起因于基板与其上方的III族氮化物间晶格常数及热膨胀系数差异所导致的应力的效果。然而，低温氮化铝层12的存在则造成了高电阻率，而无法形成接触于基板对称侧的垂直型发光二极管。因此需于基板的同一侧形成p型III族氮化物层与n型III族氮化物层间的接触。为了得到前序的垂直型发光二极管，便需要解决上述问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种半导体结构，以解决上述公知问题。
依据一实施例，本发明提供了一种半导体结构，包括：一基板以及位于该基板上的一导电载子穿隧层。该导电载子穿隧层则包括：多个第一型III族氮化物膜层，具有一第一能隙，其中所述多个第一型III族氮化物膜层分别具有少于约5纳米的一厚度；以及多个第二型III族氮化物膜层，具有低于该第一能隙的一第二能隙，其中所述多个第一型III族氮化物膜层与所述多个第二型III族氮化物膜层交错且堆叠地设置，其中于该基板与该导电载子穿隧层之间则不存在有一III族氮化物层。上述半导体装置还包括一有源层，位于该导电载子穿隧层之上。
依据另一实施例，本发明提供了一种半导体结构，包括：一基板、位于该基板上的一导电载子穿隧层以及位于该导电载子穿隧层之上的一有源层。该导电载子穿隧层包括：多个第一型III族氮化物膜层，具有一第一能隙，其中所述多个第一型III族氮化物膜层具有一第一厚度；以及多个第二型III族氮化物膜层，具有低于该第一能隙的一第二能隙，其中所述多个第二型III族氮化物膜层具有大于所述多个第一型III族氮化物膜层的该第一厚度的一第二厚度，其中所述多个第一型III族氮化物膜层与所述多个第二型III族氮化物膜层交错且互堆叠地设置。
依据又一实施例，本发明提供了一种半导体结构，包括：一导电基板、位于该导电基板上的一导电载子穿隧层以及位于该导电载子穿隧层之上的一有源层。该导电载子穿隧层包括：多个第一型III族氮化物膜层，具有一第一能隙，其中所述多个第一型III族氮化物膜层具有大体相同的一第一厚度；以及多个第二型III族氮化物膜层，具有低于该第一能隙的一第二能隙，其中所述多个第一型III族氮化物膜层与所述多个第二型III族氮化物膜层交错且互堆叠地设置。其中所述多个第二型III族氮化物膜层具有相同于或大于所述多个第一型III族氮化物膜层的该第一厚度的一第二厚度。上述半导体结构更包括位于该导电载子穿隧层上的一第三型III族氮化物膜层，以及位于该有源层上的一第四型III族氮化物膜层。该第三型III族氮化物膜层以及该第四型III族氮化物膜层具有相反的导电形态。于导电载子穿隧层与导电基板之间未存在有III族氮化物材料。
本发明的前述实施例具有以下多个优点，通过自基板上移除氮化铝层，可形成了具有位于基板的对称侧p型与n型III族氮化物的氮化镓膜层的垂直型光电装置，而不会造成其操作电压的提升。随着于超晶格层内具有较大能隙的膜层32的厚度的降低而产生载子穿隧效应，不仅可降低操作电压，且操作电压并不需达到其离散值，因而简化了光电装置的操作。
为了让本发明之上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1显示了包括氮化铝层以及位于氮化铝层上的超晶格层的一公知电路结构；以及
图2-图4显示了依据本发明一实施例的半导体结构的制作中的各中间阶段，其中于超晶格层与基板之间并未形成有氮化铝层。
上述附图中的附图标记说明如下：
10～基板；
12～氮化铝层；
14～超晶格层；
15～n型的III族氮化物层；
16～有源层；
17～p型的III族氮化物；
18～发光二极管；
20～基板；
22～晶种层；
24～过渡层；
30～导电载子穿隧层；
32～第一膜层；
34～第一膜层；
40～p型III族氮化物膜层；
42～III族氮化物接触层；
43～III族氮化物防裂层；
44～III族氮化物包覆层；
46～III族氮化物导光层；
48～III族氮化物上盖层；
50～有源层；
60～n型III族氮化物层；
64～III族氮化物导光层；
66～III族氮化物包覆层；
68～III族氮化物接触层；
70～顶接触物；
80～后接触层；
T1～第一膜层的厚度；
T2～第二膜层的厚度。
具体实施方式
本发明提供了形成包括有III族氮化物(通称为III-氮化物或者是III-N)电路结构的新颖方法。通过以下本发明的实施例以显示于制作时的中间阶段。于本发明的实施例的解说以及不同附图中，其内相同的标号代表了相同构件。
请参照图2，首先提供一基板20。在一实施例中，基板20为包括氮化镓(GaN)、硅、锗、硅锗(SiGe)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、硫化锡(SnS)、硒化锡(SnSe)、磷化镓、砷化镓及其组合材料的一导电基板或一半导体基板。而当基板20为结晶态的硅基板时，其优选地具有(111)结晶表面，虽然硅基板也可具有如(100)及(110)的其他结晶表面。基板20优选地为一块材基板(bulk substrate)，或者为由不同材料的一个以上膜层所形成的复合结构。基板20优选地预先于一反应腔内经过回火处理，例如为于用于金属有机化学气相沉积的腔体内回火处理，以移除污染物。上述回火程序可于约1100℃的温度下进行。
于基板20上可更选择性的形成了晶种层22和/或过渡层24。晶种层22与过渡层24的材料优选地选自于导电材料或半导体材料所组成的族群。晶种层22可由如铝、镁、镓、铟、锌和/或其组合的金属，或金属合金。过渡层24可包括氮化铟镓(InGaN)、氮化铟铝(InAlN)、金属、金属合金、金属碳化物或如氮碳化钛(TiCN)或氮碳化钽(TaCN)的金属氮碳化物。晶种层22与过渡层24可于约750℃的温度下沉积形成。在其他实施例中，可不形成有晶种层22与过渡层24，而后序形成的导电载子穿隧层30(请参照图3)可直接形成于基板20上并接触基板20。
请参照图3，接着形成导电载子穿隧(conductive carrier-tunneling)层30。导电载子穿隧层30可包括具有第一能隙(bandgap)的多个第一膜层32以及具有第二能隙(bandgap)的多个第二膜层34。这些第一膜层32与第二膜层34相互且堆叠而设置，其中第一膜层32的数量和/或第二膜层34的数量优选地多于10层，虽然也可具有较少的数量。优选地，这些第一膜层32与第二膜层34皆为III族氮化物膜层，且优选地为III族半导体膜层。上述第一能隙高于第二能隙。在一实施例中，这些第一膜层32为氮化铝(AlN)膜层，而这些第二膜层34为氮化镓(GaN)膜层。在其他实施例中，这些第一膜层32与第二膜层34可分别为AlxGa(1-x)N以及InyGa(1-y)N膜层，其中x与y皆大于0但少于或等于1。在其他实施例中，这些第一膜层32与第二膜层34可分别为GatAl(1-t)N以及InsAl(1-s)N膜层，其中t与s皆大于0但少于或等于1。导电载子穿隧层30可掺杂有p型或n型掺质，或大体未经过掺质掺杂。
上述第一膜层32的厚度T1大体少于上述第二膜层34的厚度T2。在一实施例中，厚度T1较厚度T2少了约80％，优选地少了约50％，且更佳地少了约30％。这些第一膜层32之间可具有相同或不同的厚度T1。优选地，第一膜层的厚度分别小于其上方的第二膜层34的厚度T2。由于厚度T2大于厚度T1，第二膜层34(特别为氮化镓膜层时)可部分补偿位于基板20上的其他膜层所产生的应力。并可通过增加厚度T2以改善上述应力补偿的应力。此外，由于第一膜层32的相对高能隙表现，第一膜层32(例如为氮化铝膜层时)的厚度需要够薄以利载子的穿隧。厚度T1优选地够薄以使得直接发生载子穿隧效应。可以理解的是，允许载子穿隧厚度T1与其相关材料的能隙有关，而当能隙越大时则优选地需要较薄的厚度T1。
当厚度T2极薄时，导电载子穿隧层30的第二膜层34可具有或不具有次能带(sub energy bands，即位于交错设置膜层间的导带与非导带)。如此，导电载子穿隧膜层30可能或不可能需要用于使载子穿隧其的离散电压(discrete voltages)。当导电载子穿隧膜层30不具有离散的次能带时，且当导电载子穿隧层仍为导电时施加于导电载子穿隧层30对称侧的电压可连续地增加。
在一实施例中，当第一膜层由氮化铝形成时，其厚度T1优选地少于约5纳米，且优选地介于1～4纳米。另外，这些第二膜层34则分别具有介于约0.2～50纳米的厚度T2，且优选地介于3～10纳米。在另一实施例中，于导电载子穿隧层30内的氮化铝材料的各第一膜层32的厚度约为3纳米，而氮化镓材料的第二膜层34的厚度则各约为5纳米。
当这些第一膜层32与第二膜层34分别由氮化铝与氮化镓形成时，氮化铝材料的第一膜层32的形成温度优选地大于900℃，例如约为1050℃。而氮化镓材料的第二膜层34可于约1050℃下形成。形成这些第一膜层32与第二膜层34的方法则包括金属有机化学气相沉积(MOCVD)、物理气相沉积(PVD)、分子束外延(MBE)、混合气相外延(HVPE)、液态外延(LPE)或其他适当的沉积方法所形成。
请参照图4，接着于导电载子穿隧层30上形成p型III族氮化物膜层40。p型III族氮化物层40视最终的半导体结构的实际应用而依照可能的结合情形而包括一或多个III族氮化物接触层42、III族氮化物防裂层43、III族氮化物包覆层44、III族氮化物导光层46和/或III族氮化物上盖层48(也称为电子阻挡层)等膜层。虽然于图4中显示了上述所有膜层的42、43、44、46与48，但通常于一电路结构中，仅会形成有部分但非全部的膜层。膜层42、43、44、46与48的制作如下所述。
III族氮化物接触层42可作为正电极(未显示)的接触层。III族氮化物接触层42厚度则可介于10纳米至0.3微米。在一实施例中，III族氮化物接触层42可由掺杂镁的氮化镓所形成，以降低其欧姆接触电阻值。其内的p型掺质浓度可约为1E20/cm3。III族氮化物接触层42可通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、混合气相外延(HVPE)、液态外延(LPE)或类似方法于如1050℃的相对高温下形成。在其他实施例中，III族氮化物接触层42可通过p型氮化铟、p型氮化铝或类似材料所形成。
III族氮化物防裂层43可由掺杂镁的氮化铟镓所形成，其内的p型掺质浓度约为5E18/cm3。III族氮化物防裂层43的厚度可为约10纳米至约200纳米，且优选地约为50纳米。
在一优选实施例中，III族氮化物包覆层44包括掺杂镁的Al0.2Ga0.8N材料。其内的p型掺杂浓度约为1E20/cm3。III族氮化物包覆层44的形成方法可大体与形成III族氮化物接触层42的形成方法相同。III族氮化物包覆层44可作为电子局限层。其厚度优选地控制于介于10纳米至50纳米，且优选地约为30纳米。
III族氮化物导光层46可包括氮化镓或氮化铟镓等材料。其内p型掺质浓度可约为1E20/cm3。且其厚度约为20纳米至约0.1微米。III族氮化物导光层46可作为有源层的光波导引膜层。
III族氮化物上盖层48(也通称为电子阻障层)形成于III族氮化物导光层46之上。在一实施例中，III族氮化物上盖层48包括Al0.3Ga0.7N的材料，且其掺杂有浓度约为1E20/cm3的p型掺质。其厚度可介于10纳米至约50纳米，且优选地约为30纳米。III族氮化物上盖层48优选地具有高于后续形成的有源层50的一能带，且可通过Al0.3Ga0.7N材料所形成。其厚度约介于10纳米至50纳米，且优选地约为30纳米。
接着于p型膜层40形成有源层50。在一实施例中，有源层50包括未经掺杂的n型镓铟氮化物(InxGa(1-x)N)。在另一实施例中，有源层50包括如AlxInyGa(1-x-y)N的其他常用材料，其中x与y皆大于0且少于1。在其他实施例中，有源层50可具有由多重阱区(如InGaN材料)与阻挡层(例如氮化镓材料)交错设置所形成的多重量子阱区。在其他实施例中，有源层50可为双异质(double heterostructure)结构。其形成方法则包括金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、混合气相外延(HVPE)、液态外延(LPE)或其他适用的化学气相沉积方法。
接着如图4所示，于有源层50之上形成n型III族氮化物层60。n型III族氮化物层60可依照其最终半导体结构的优选应用中的任何情形而包括一或多个III族氮化物导光层64、III族氮化物包覆层66以及III族氮化物接触层68。膜层64、66与68的工艺与材料分别相似于膜层46、44与42，除了膜层60为n型掺杂。在一实施例中，于n型膜层60内的n型掺杂浓度介于约1E18/cm3至约1E20/cm3。
于形成III族氮化物膜层60形成后，接着形成顶接触物70，且顶接触物70经过图案化。于如图4所示的最终结构中，III族氮化物膜层40、有源层50及III族氮化物膜层60构成了光电装置，此光电装置可于顺向偏压时(具有电压施加于n型III族氮化物膜层60的电压低于施加于p型III族氮化物膜层40的电压时)发射出光线，或于逆向偏压时作为一光感应器。然而，前述的III族氮化物膜层可依照本发明的范围而用于形成其他光电装置。
接着可更于基板20的后侧形成后接触层80。在一实施例中，后接触层80为重度掺杂有如基板20的相同导电度的掺质浓度的一半导体层。也可于后接触层80的底面上形成金属硅化物(未显示)。或者，后接触层80可包括如铝锑合金的合金材料。
于前述图示中所示的实施例中，揭示了n侧向上的光电装置，其内的III族氮化物层40为p型掺杂，而III族氮化物层60则为n型掺杂。在其他实施例中，其也可作为一p侧向上光电装置，此时III族氮化物层40为n型掺杂，而III族氮化物层60则为p型掺杂。
本发明的前述实施例具有以下多个优点。通过自基板上移除氮化铝层，可形成了具有位于基板的对称侧p型与n型III族氮化物的氮化镓膜层的垂直型光电装置，而不会造成其操作电压的提升。随着于超晶格层内具有较大能隙的膜层32的厚度的降低而产生载子穿隧效应，不仅可降低操作电压，且操作电压并不需达到其离散值，因而简化了光电装置的操作。
虽然本发明已以优选实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定的范围为准。
Claims (11)
1.一种半导体结构，包括：
一基板；
一导电载子穿隧层，位于该基板上，该导电载子穿隧层包括：
多个第一型III族氮化物膜层，具有一第一能隙，其中所述多个第一型III族氮化物膜层分别具有少于约5纳米的一厚度；以及
多个第二型III族氮化物膜层，具有低于该第一能隙的一第二能隙，其中所述多个第一型III族氮化物膜层与所述多个第二型III族氮化物膜层系交错且堆叠地设置，其中于该基板与该导电载子穿隧层的间则不存在有一III族氮化物层；
一有源层，位于该导电载子穿隧层之上。
2.如权利要求1所述的半导体结构，其中所述多个第一III族氮化物膜层分别具有一第一厚度，该第一厚度少于设置于其上方的所述多个第二型III族氮化物膜层的一第二厚度。
3.如权利要求1所述的半导体结构，其中所述多个第一型III族氮化物膜层具有大体相同的一第一厚度，而所述多个第二型III族氮化物膜层具有大体相同的一第二厚度，且其中该第一厚度少于该第二厚度。
4.如权利要求2所述的半导体结构，其中所述多个第一厚度较所述多个第二厚度少了80％。
5.如权利要求1所述的半导体结构，其中该导电载子穿透层接触于该基板。
6.如权利要求1所述的半导体结构，其中于该导电载子穿透层的对称侧的施加连续操作电压时，该导电载子穿透层为导电的。
7.如权利要求1所述的半导体结构，其中该基板包括结晶硅。
8.一种半导体结构，包括：
一基板；
一导电载子穿隧层，位于该基板上，该导电载子穿隧层包括：
多个第一型III族氮化物膜层，具有一第一能隙，其中所述多个第一型III族氮化物膜层具有一第一厚度；以及
多个第二型III族氮化物膜层，具有低于该第一能隙的一第二能隙，其中所述多个第一型III族氮化物膜层与所述多个第二型III族氮化物膜层交错且互堆叠地设置，其中所述多个第二型III族氮化物膜层具有大于所述多个第一类型III族氮化物膜层的该第一厚度的一第二厚度；以及
一有源层，位于该导电载子穿隧层之上。
9.如权利要求8所述的半导体结构，其中所述多个第一厚度分别较所述多个第二厚度大体少了80％。
10.如权利要求8所述的半导体结构，其中所述多个第一型III族氮化物膜层包括氮化铝，而所述多个第二型III族氮化物膜层包括氮化镓。
11.如权利要求8所述的半导体结构，其中所述多个第一型III族氮化物膜层包括氮化铝镓，而该第二型III族氮化物膜层包括氮化铟镓。
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