CN1677697A - 氮化镓系化合物半导体的外延结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种氮化镓系化合物半导体的外延结构及其制作方法，该外延结构包括一基材；一第一氮化镓缓冲层，形成于该基材上；一第二氮化铟镓缓冲层，形成于第一氮化镓缓冲层上；及一氮化镓外延层，形成于第二氮化铟镓缓冲层上。该制作方法是在一基材上于第一温度下外延形成一氮化镓第一缓冲层，接着于第二温度下形成另一氮化铟镓第二缓冲层于该第一氮化镓缓冲层上，再将温度升至第三温度并于升温过程中维持前驱物三甲基铟及氨气于氮化铟镓第二缓冲层上做表面处理，最后于第三温度下成长一高温氮化镓外延层。本发明提供的缓冲层结构及成长方法使得后续外延成长的氮化镓系外延层具有较完美的晶体结构及较低的缺陷密度，故能有效地提升组件的效率及使用寿命。

Description

氮化镓系化合物半导体的外延结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种半导体的外延结构及制作方法，特别涉及一种氮化镓系化合物半导体的外延结构及一种缓冲层结构(buffer layer structure)的外延层成长的方法。

背景技术

发光组件是由各种不同材质层所构成，在外延(epitaxial)制作各层材质时，晶体结构中难免会有缺陷产生，进而对发光组件产生以下影响：1.降低发光效率。2.降低电子活性。3.增加掺杂离子扩散的途径。4.导致有源层的量子阱中会有V型凹槽出现，而这些V型凹槽是位错的起源。5.增加起始反向偏压电流。另外，若结晶不完整而出现裂缝(crack)或空隙(gap)，则在裂缝或空隙上方不宜成长发光组件，因为在此区域成长的发光组件其寿命将较短，发光效率低。因此，如何制作出结晶完美的外延层为提升发光组件性能的一大课题。

另一方面，目前发光组件的发展中氮化镓系列材料是非常重要的宽能隙(wide bandgap)半导体材料，可以借其发出绿光、蓝光到紫外线。但是因为体材料(bulk)氮化镓的成长一直有困难，所以目前氮化镓大多成长在以蓝宝石(sapphire)或碳化硅(SiC)构成的基材上。由于这些基材皆与氮化镓的晶格常数(lattice constant)不匹配，所以直接成长在这些基材上的氮化镓品质不佳，因此引入一缓冲层(buffer layer)，于基材与氮化镓之间，该缓冲层又称晶核形成层(nucleation layer)，晶格常数与基材相近的缓冲层可以提供成核(nucleation)位置，以利氮化镓成核、成长，以形成相同的晶体结构，以提升氮化镓系列的结晶度。因此，缓冲层品质的优劣对后续限制层(cladding layer)与有源层(active layer)的外延有关键性的影响，也间接影响到发光组件的性质。

根据美国专利第5290393号所揭示，使用蓝宝石为基材所成长的氮化镓结构如图1所示。首先，于蓝宝石基材上11形成一厚度介于0.001-0.5μm的低温氮化铝镓缓冲层12，接着于此低温氮化铝镓缓冲层12上形成一高温氮化铝镓层13，一般而言，低温氮化铝镓缓冲层12的成长温度介于200℃-900℃，而高温氮化铝镓13的成长温度介于900℃-1150℃，此专利所揭示的方法虽然可以提高氮化镓系的结晶度，但是4μm厚的氮化铝镓层13的缺陷密度仍高达10⁹-10¹⁰cm^-2。而为了降低缺陷密度，另有一美国专利第6252261号曾揭示，利用横向外延法(ELOG)以降低缺陷密度，其成长的氮化镓结构如图2所示。其方法首先以蓝宝石21为基材，并使用MOCVD方法外延成长一氮化镓的基层(base layer)22，其包含一低温氮化镓缓冲层及一高温氮化镓外延层，接着将外延芯片从MOCVD反应腔中取出，以二氧化硅(SiO₂)23为其掩膜(mask)，以垂直于(1-120)的长条状(stripe)部分覆盖于此氮化镓层基层(base layer)22之上，接着再次以HVPE或MOCVD方法，外延成长一高温氮化镓外延层24，由于以二氧化硅(SiO₂)23为掩膜(mask)，外延成长机制将转换成选择性成长(selective growth)，从无二氧化硅(SiO₂)22掩膜处垂直于氮化镓的基层表面方向成长，待达到相同于光罩厚度之外延层厚度后即以较快的水平方向成长速率继续成长，如此可抑制缺陷向垂直方向传导，故可降低后续外延成长的氮化镓层的缺陷密度，但需成长约10μm其缺陷密度才降至1×10⁸cm^-2以下。虽然，此横向外延法可有效地降低缺陷密度，但其增加了制作掩膜的制程且选择性成长的机制也较为复杂，故生产成本较高。

此外，美国专利第6475882号曾揭示一种氮化硅(SiN)微掩膜(micro-mask)的横向外延技术，其于外延成长前，先利用反应前驱物SiH₄及NH₃于蓝宝石基材上形成岛状的氮化硅(SiN)，而此岛状的氮化硅可当成掩膜致使后续横向外延成长进而可解决有效地降低缺陷密度。根据此专利所揭示的技术，其控制反应前驱物SiH₄及NH₃的流量及反应时间而达到后续外延成膜的较佳结晶性，但其缺点为不易控制氮化硅微掩膜的均匀性及密度，故不易控制其生产合格率。

有鉴于此，提供一种形成外延层的较佳方法确有提出的必要，其可适用于发光组件的外延层的形成，以制作具有完美结晶且仅有少量的位错缺陷的外延层，而提高发光组件的发光效率与使用寿命，并且其制作成本低且易控制合格率。

发明内容

鉴于常用发光组件外延层的缺点，本发明特提出一种氮化镓系化合物半导体的外延结构及其制作方法。

本发明提供的氮化镓系化合物半导体的外延结构包括：一基材；一第一氮化镓缓冲层，形成于该基材上；一第二氮化铟镓缓冲层，形成于该第一氮化镓缓冲层之上；以及一氮化镓外延层，形成于该第二氮化铟镓缓冲层之上。

本发明提供的制作一氮化镓系化合物半导体外延层的方法，包括下列步骤：提供一基材；于第一温度下形成一氮化镓缓冲层于该基材上；于第二温度下形成一氮化铟镓缓冲层于该氮化镓缓冲层之上；将温度升至第三温度，并于升温过程中维持前驱物三甲基铟及氨气于氮化铟镓缓冲层之上做表面处理；及于该第三温度下成长一高温氮化镓外延层；其中，该第一温度＜该第二温度＜该第三温度。

本发明在形成该发光组件外延层时，首先在一基材上于第一温度下先外延形成一氮化镓第一缓冲层。接着，于第二温度下形成另一氮化铟镓第二缓冲层于该第一氮化镓缓冲层上。而后，将温度升至第三温度并于升温过程中维持前驱物三甲基铟及氨气于氮化铟镓第二缓冲层之上做表面处理，最后于此第三温度下成长一高温氮化镓外延层。由于本发明所提供的缓冲层结构及成长方法可使得后续外延成长的氮化镓系外延层具有较完美的晶体结构及较低的缺陷密度，故能有效地提升组件的效率及使用寿命。

附图说明

图1为一公知利用缓冲层成长的氮化镓结构的示意图。

图2为另一公知利用缓冲层成长的氮化镓结构的示意图。

图3为本发明的氮化镓系化合物半导体的外延结构的前视图。

图4为制作本发明的氮化镓系化合物半导体的外延结构的方法的流程图。

图5为制作本发明的氮化镓系化合物半导体的外延结构的另一方法的流程图。

图6为本发明外延结构的氮化铟镓层的频谱半高(FWHM)图。

图7为本发明外延结构的氮化铟镓层的位差图。

其中，附图标记说明如下：

11    蓝宝石基材            12    低温氮化铝镓缓冲层

13    高温氮化铝镓层        21    蓝宝石基材

22    氮化镓基层            23    二氧化硅光罩

24    高温氮化镓外延层      30    外延结构

31    基材                  32    第一氮化镓缓冲层

32’  低温氮化镓缓冲层        32”  高温氮化镓缓冲层

33    第二氮化铟镓缓冲层    34    氮化镓外延层

35    氮化镓系外延层

具体实施方式

鉴于常用技术的缺点，本发明提出一种氮化镓系化合物半导体的外延结构。请参阅图3，本发明的外延结构30包括一基材31、一第一氮化镓缓冲层32、一第二氮化铟镓缓冲层33及一氮化镓外延层34。在该外延结构30中，该基材31是由蓝宝石、SiC、ZnO及Si中之一所构成，该第一氮化镓缓冲层32由下而上还包括一低温氮化镓缓冲层32’及一高温氮化镓缓冲层32”。此外，该外延结构30可另包括一氮化镓系外延层35于该氮化镓外延层34之上。

请参阅图4，其中说明制作本发明的外延结构的方法流程图。首先提供一基材31，并进行基材31表面热清洁(步骤41)；再使低温氮化镓缓冲层32’于第一温度下形成于该基材31上(步骤42)；将温度升高并使第一氮化镓缓冲层表面形成晶核，以形成高温氮化镓缓冲层32”(步骤43)；降低温度并使一第二氮化铟镓缓冲层33于第二温度下形成于该高温氮化镓缓冲层32”之上(步骤44)；升高温度并使一氮化镓外延层34再于第三温度下形成于该第二氮化铟镓缓冲层33之上(步骤45)；其中该三温度的关系为：第一温度＜第二温度＜第三温度。

请参阅图5，其中说明制作本发明的外延结构的另一方法实施例流程图，其包括下列步骤：提供一基材31，并进行高温基材31表面清洁(步骤51)；降温于第一温度下形成一低温氮化镓缓冲层32’于该基材31上(步骤52)；将温度升高，使第一氮化镓缓冲层表面形成晶核，以形成一高温氮化镓缓冲层32”(步骤53)；降温于第二温度下形成一氮化铟镓缓冲层33于该高温氮化镓缓冲层32”之上(步骤54)；将温度升至第三温度，并于升温过程中维持前驱物三甲基铟及氨气于该氮化铟镓缓冲层33之上做表面处理(步骤55)；并于该第三温度下成长一高温氮化镓外延层34(步骤56)；其中该三温度的关系为第一温度＜第二温度＜第三温度。

在制作该外延结构30时，该第一氮化镓缓冲层32的形成温度介于400℃至800℃之间(即上述的第一温度)，而厚度则介于20nm至40nm之间，其为一非单晶结构，且是以金属有机化学气相沉积法(MOCVD)外延长成。该第二氮化铟镓缓冲层33的形成温度介于830℃至880℃之间(即上述的第二温度)，而厚度则介于40nm至60nm，为一单晶结构，且是以金属有机化学气相沉积法(MOCVD)外延长成，图6为氮化铟镓层的频谱半高宽(FWHM)图，图7为氮化铟镓层的位差图。该氮化镓外延层34为单晶结构，其缺陷密度低于1×108cm^-2。上述的低温与高温氮化镓缓冲层32’，32”的成长温度差异在300℃之上。此外，上述的氮化镓系外延层35的材料为下列物质构成的群组中之一：B_xAl_yIn_zGa_1-x-y-zN_pAs_q(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤Z≤1，0≤p≤1，0≤q≤1且x+y+z＝1，p+q＝1)及p型B_xAl_yIn_zGa_1-x-y-zN_pP_q层(0≤X≤1，0≤y≤1，0≤Z≤1，0≤p≤1，0≤q≤1且x+y+z＝1及p+q＝1)。

本发明的代表性实施例已说明如上，熟悉本领域的技术人员皆知根据上述的说明可推衍出各种不同的等效实施例，这些等效实施例若不脱离本发明的精神范围皆应属于本发明的范围，即本发明的权利要求范围中。

Claims (17)

1.一种氮化镓系化合物半导体的外延结构，包括：

一基材；

一第一氮化镓缓冲层，形成于该基材上；

一第二氮化铟镓缓冲层，形成于该第一氮化镓缓冲层之上；以及

一氮化镓外延层，形成于该第二氮化铟镓缓冲层之上。

2.如权利要求1所述的氮化镓系化合物半导体的外延结构，其特征在于，该基材是由蓝宝石、SiC、ZnO及Si其中之一所构成。

3.如权利要求1所述的氮化镓系化合物半导体的外延结构，其特征在于，该第一氮化镓缓冲层由下而上还包括一低温氮化镓缓冲层及一高温氮化镓缓冲层。

4.如权利要求1所述的氮化镓系化合物半导体的外延结构，其特征在于，还包括一氮化镓系外延层于该氮化镓外延层之上。

5.如权利要求1所述的氮化镓系化合物半导体的外延结构，其特征在于，该第一氮化镓缓冲层的厚度为20nm至40nm。

6.如权利要求1所述的氮化镓系化合物半导体的外延结构，其特征在于，该第二氮化铟镓缓冲层的厚度为40nm至60nm。

7.如权利要求1所述的氮化镓系化合物半导体的外延结构，其特征在于，该第一氮化镓缓冲层及第二氮化铟镓缓冲层及该氮化镓外延层是以金属有机化学气相沉积法外延长成。

8.如权利要求1所述的氮化镓系化合物半导体的外延结构，其特征在于，该第一氮化镓缓冲层为非单晶结构。

9.如权利要求1所述氮化镓系化合物半导体的外延结构，其特征在于，该第二氮化铟镓缓冲层为单晶结构。

10.如权利要求1所述的氮化镓系化合物半导体的外延结构，其特征在于，该氮化镓外延层为单晶结构且其缺陷密度低于1×10⁸cm^-2。

11.如权利要求4所述氮化镓系化合物半导体的外延结构，其特征在于该氮化镓系外延层的材料为B_xAl_yIn_zGa_1-x-y-zN_pAs_q层，式中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，0≤p≤1，0≤q≤1且x+y+z＝1，p+q＝1；或为p型B_xAl_yIn_zGa_1-x-y-zN_pP_q层，式中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，0≤p≤1，0≤q≤1且x+y+Z＝1及p+q＝1。

12.一种权利要求1所述的氮化镓系化合物半导体外延结构的制作方法，包括下列步骤：

提供一基材；

于第一温度下形成一氮化镓缓冲层于该基材上；

于第二温度下形成一氮化铟镓缓冲层于该氮化镓缓冲层之上；

将温度升至第三温度，并于升温过程中维持前驱物三甲基铟及氨气于氮化铟镓缓冲层之上做表面处理；及

于该第三温度下成长一高温氮化镓外延层；

其中，该第一温度＜该第二温度＜该第三温度。

13.如权利要求12所述的氮化镓系化合物半导体外延结构的制作方法，其特征在于该氮化镓缓冲层的形成温度为400℃至800℃。

14.如权利要求12所述的氮化镓系化合物半导体外延结构的制作方法，其特征在于该氮化铟镓缓冲层的形成温度为800℃至830℃。

15.如权利要求12所述的氮化镓系化合物半导体外延结构的制作方法，其特征在于还包括成长氮化镓系外延层于该氮化镓外延层之上。

16.如权利要求12所述的氮化镓系化合物半导体外延结构的制作方法，其特征在于该第一温度下形成一氮化镓缓冲层的步骤包括于第一温度下形成一低温氮化镓缓冲层于该基材上，及再将温度升高，使该低温氮化镓缓冲层表面形成晶核，以形成一高温氮化镓缓冲层。

17.如权利要求16所述的氮化镓系化合物半导体外延结构的制作方法，其特征在于该低温氮化镓缓冲层与该高温氮化镓缓冲层的成长温度差异在300℃之上。

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