CN1538535A - 氮化镓系化合物半导体的磊晶结构及其制作方法 - Google Patents

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刘家呈
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Abstract

本发明涉及一种氮化镓系化合物半导体磊晶结构及其制作方法，是在基板上磊晶形成单晶结构的磷化硼缓冲层后，继续在低温下于上述单晶磷化硼缓冲层上形成III族－氮化物缓冲层，然后在高温下于上述低温下生成的III族－氮化物缓冲层上再生成一III族－氮化物缓冲层，藉此，本发明可提供一种制程简单且成本低的缓冲层结构，使其后续的磊晶层具有较完美的晶体结构，以有效达到提高元件发光效率、亮度与使用寿命等功效。

Description

氮化镓系化合物半导体的磊晶结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种半导体结构及其制作方法，特别是藉由在单晶磷化硼缓冲层上形成低温及高温III族-氮化物缓冲层，使之于后续磊晶时提供氮化镓系化合物半导体，产生较完美的晶格匹配结构。
背景技术
目前，氮化镓系(GaN-based)化合物半导体材料用于制作发光二极管(LED)、雷射二极管(LD)、高频/高功率电晶体及光侦测器等元件。其中，发光二极管可发出蓝、绿、超紫和白光，由于LED具备省电、寿命长且安全性高等优点，已被广泛应用在照明设备方面。
目前以氮化镓或第III族-氮化物为材料的二极管常利用蓝宝石作为基板，同时在基板上生成一缓冲层，以降低基板与第III族-氮化物的晶格常数不匹配程度(Lattice Mismatch)。由于磊晶层彼此间的晶格匹配程度是影响氮化镓半导体元件的亮度、使用寿命等性能表现的关键因素，因此在基板上先形成缓冲层以克服磊晶问题的技术一直在不断研发中，如美国专利US 6,475,882 B1，然而，在其缓冲层上后续生成的磊晶层的晶格匹配程度仍然不够完美，导致最终生成的氮化镓元件性能仍然不佳。
使用硅基板来生成氮化镓磊晶的技术已广泛存在于现有技术领域中，因为硅基板具有成本低的优点，并可将氮化镓的独特材料特色溶入目前以硅为主的半导体技术，然而使用硅基板同样面临晶格匹配程度的问题，有鉴于此，已有的研究例如美国专利第6069021号，藉由磷化硼缓冲层来降低硅基板与磷化硼缓冲层上高温产生的氮化镓系磊晶层(如束缚层及发光层)的晶格匹配结构。然而，事实上，上述氮化镓系磊晶层的晶格常数为4.51埃()，而磷化硼缓冲层的晶格常数为4.538埃，二者的晶格匹配不但仍有差异，且在高温下直接于上述二磷化硼缓冲层表面上生成氮化镓系磊晶层，仍会产生不明的线缺陷(Line defect)现象。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对上述问题，提供一种氮化镓系化合物半导体的磊晶结构，藉由在单晶磷化硼缓冲层上首先提供低温的III族-氮化物缓冲层，接续在相同制程中，形成高温的III族-氮化物缓冲层，使之于后续磊晶时提供氮化镓系化合物半导体，产生较完美的晶格匹配结构。
本发明的另一目是提供一种氮化镓系化合物半导体的磊晶结构的制作方法，该方法是在同一制程中，利用低温与高温的条件生成氮化镓系缓冲层，其不但与基板间的晶格匹配度极佳，且可使后续的磊晶层具有较完美的晶体结构，以克服现有技术中磊晶层的晶格匹配度差的问题。
为达到上述的目的，本发明首先在基板上磊晶形成磷化硼缓冲层，然后在低温下于该磷化硼缓冲层上形成第一缓冲层，且第一缓冲层由III族-氮化物材料所组成，接着在高温下于该第一缓冲层上形成第二缓冲层，且该第二缓冲层亦为III族-氮化物材料所构成。
根据本发明，上述基板可以是单晶硅，上述磷化硼缓冲层可以是单晶结构，该结构包括在温度300℃至850℃下形成的低温磷化硼缓冲层及在温度800℃至1100℃下形成的高温磷化硼缓冲层，上述第一缓冲层的形成温度可在200℃至800℃之间，上述第二缓冲层的形成温度可在800℃至1100℃之间。
根据本发明，上述第一缓冲层及第二缓冲层的材料可以是AlxInyGazN，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，x+y+z＝1；上述第一缓冲层及第二缓冲层的材料也可以是InxGayNzP，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，x+y+z＝1。
本发明藉由在硅或碳化硅基板上形成低温与高温条件下生成的氮化镓系缓冲层，使氮化镓系化合物半导体元件具有极佳的晶体结构，且同时达成提高元件发光效率、亮度与使用寿命等效能的最终目的。
同时，本发明藉由在硅或碳化硅基板上，有别于现有技术蓝宝石基板的前提下，提供一种氮化镓系化合物半导体的磊晶缓冲层结构，该结构具有成本低廉的优点。
下面配合附图藉由具体实施例详加说明本发明的目的、技术内容、特点及所能达到的功效。
附图说明：
图1-图5为本发明的氮化镓系化合物半导体的磊晶结构剖面图。
附图标记说明：
10-基板
12-低温磷化硼缓冲层
14-高温磷化硼缓冲层
16-第一缓冲层
18-第二缓冲层
具体实施方式
图1至图5为本发明制作的氮化镓系化合物半导体的磊晶结构剖面图，请先参阅图5所示的本发明结构示意图，本发明提供的氮化镓系化合物半导体的磊晶结构包括基板10，在基板10上依序形成低温磷化硼(BP)缓冲层12及高温磷化硼缓冲层14，在高温磷化硼缓冲层14上形成有III族-氮化物的第一缓冲层16，且第一缓冲层16上形成有III族-氮化物的第二缓冲层18。
了解本发明的整体结构后，下面接着详细说明本发明的各层结构及制作方法，请参阅图1至图5所示。首先，如图1所示，提供基板10，此基板10可为单晶硅或碳化硅基板，基板10可先用适当溶液进行化学清洗，再于氢气中，将基板10加热至约900℃；接着，如图2及图3所示，利用卤化物气相磊晶法(Halide vapor phase epitaxy)，于低温下在基板10的晶面表面上磊晶生成多晶结构的低温磷化硼缓冲层12，接着于高温下在低温磷化硼缓冲层12上形成单晶结构的高温磷化硼缓冲层14，且在此高温条件下，低温磷化硼缓冲层12会由多晶结构转变为单晶结构。
其中，该卤化物气相磊晶法是以氢气作为载气(Carrier gas)，且以氯化硼(BCl3)及氯化磷(PCl3)或氯化硼(BCl3)及磷化氢(PH3)作为前体来进行反应，而低温磷化硼缓冲层12是在温度300℃至850℃下生成，优选为380℃，其厚度约为400纳米(nm)左右；高温磷化硼缓冲层14是在温度约为800℃至1100℃下形成，优选为1030℃，形成厚度约为4560nm。
然后，如图4及图5所示，利用金属有机化学气相沉积法(Metal-organchemical vapor deposition，MOCVD)，在高温磷化硼缓冲层14上依序形成第一缓冲层16及第二缓冲层18，第一缓冲层16是在低温下形成，其磊晶温度可在200℃至800℃之间，优选为450℃至600℃；而位于第一缓冲层16上的第二缓冲层18是在高温下形成的，其磊晶温度是在800℃至1100℃之间，优选为800℃左右。上述第一缓冲层16及第二缓冲层18的材料组成是由III族-氮化物所构成，且第一缓冲层16及第二缓冲层18的材料同为AlxInyGazN或同为InxGayNzP，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，x+y+z＝1。
其中，第一缓冲层16及第二缓冲层18因其对应不同III-V族化合物半导体的材料组成，所以其利用MOCVD法形成磊晶的前体通常选自甲基联胺(monomethyl hydrazine，MMH)、三甲基镓(trimethyl gallium，TMG)、三甲基铝(trimethy aluminum，TMAl)、三甲基铟(trimethy indium，TMIn)及NH3所组成的任一群组，至于如何以MOCVD法将该前体进行反应，则为本领域技术人员所熟知的，故于此不再赘述。
由于本发明的基板材质为硅，其为钻石结构(Diamond structre)，硅的晶格常数为5.431埃()，而磷化硼为闪锌矿结构(Zinc blende structure)，其与钻石结构具有相同的晶格排列结构，且磷化硼的晶格常数为4.538埃，因此磷化硼层与硅基板的晶格不匹配度约为16％，低于本领域现有技术的晶格不匹配度，故可使后续的磊晶层具有较完美的晶体结构。
因此，本发明利用首先在基板上生成磷化硼缓冲层，使其先与基板间有最佳的晶格匹配度，再利用在同一制程中，以低温及高温的条件下依序生成二氮化镓系缓冲层，使其与磷化硼缓冲层亦具有最佳的晶格匹配度。故本发明在有别于现有技术蓝宝石基板的前提下，不但具有成本低廉的优点，且同时使可后续的磊晶层具有较完美的晶格结构，进而达到提高元件发光效率、亮度与使用寿命等效果的最终目的。
以上描述了本发明的优选实施例，其目的在于使本领域技术人员能了解本发明的内容并能予以实施，然其并非用以限定本发明，因此，本领域技术人员对在此公开的实施方案可进行并不偏离本发明范畴和精神的改进和变化，仍包含在本发明的申请专利范围中。

Claims (10)

1.一种氮化镓系化合物半导体磊晶结构，包括：
—基板；
—位于该基板上的单晶结构的磷化硼缓冲层；
—在温度200℃至800℃的低温下于该磷化硼缓冲层上形成的第一缓冲层，该第一缓冲层由III族-氮化物的材料所组成；以及
—在温度800℃至1100℃的高温下于该第一缓冲层上形成的第二缓冲层，该第二缓冲层是由III族-氮化物的材料所组成。
2.如权利要求1所述的氮化镓系化合物半导体磊晶结构，其中，所述基板由单晶硅构成。
3.如权利要求1所述的氮化镓系化合物半导体磊晶结构，其中，该磷化硼缓冲层包括在温度300℃至850℃下形成的低温磷化硼缓冲层及在温度800℃至1100℃下形成的高温磷化硼缓冲层。
4.如权利要求1所述的氮化镓系化合物半导体的磊晶结构，其中，所述第一缓冲层及第二缓冲层的材料为AlxInyGazN，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，x+y+z＝1。
5.如权利要求1所述的氮化镓系化合物半导体的磊晶结构，其中，所述第一缓冲层及第二缓冲层的材料为InxGayNzP，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，x+y+z＝1。
6.一种氮化镓系化合物半导体磊晶结构的制作方法，包括下列步骤：
—提供一基板；
—于该基板上磊晶形成一单晶结构的磷化硼缓冲层；
—在温度200℃至800℃的低温下于该磷化硼缓冲层上磊晶形成第一缓冲层，且该第一缓冲层是由III族-氮化物的材料所组成；以及
—在温度800℃至1100℃的高温下于该第一缓冲层上磊晶形成第二缓冲层，且该第二缓冲层是由III族-氮化物的材料所组成。
7.如权利要求6所述的制作方法，其中，基板由单晶硅构成。
8.如权利要求6所述的制作方法，其中，磷化硼缓冲层包括在温度300℃至850℃下于该基板上形成的低温磷化硼缓冲层以及在温度800℃至1100℃下形成的高温磷化硼缓冲层。
9.如权利要求6所述的制作方法，其中所述第一缓冲层及该第二缓冲层的材料为AlxInyGazN，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，x+y+z＝1。
10.如权利要求6所述的制作方法，其中所述第一缓冲层及该第二缓冲层的材料为InxGayNzP，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，x+y+z＝1。
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