TW201007838A - Semiconductor structures - Google Patents

Description

201007838 六、發明說明：

【發明所屬之技術領域I 本發明係關於半導體裝置製造技術，特別是關於III 族氮化物（group-III nitride)薄膜的製作，且特別是關於於 碎基板上超晶格III族氮化物（superlattice group-III nitride)薄膜的製作。 【先前技術】 Φ 如氮化鎵及其合金材料等之第III族氮化物（通常以 ΙΠ族氮化物或III-N表示）化合物，由於其適用於電子及 光電裝置的應用’因此成為近年來之研究目標。其可能 應用之光電裝置例如為藍光發光二極體與雷射二極體， 以及深紫外光光感應器。III族氮化物化合物之高能隙 (bandgap)以及咼電子飽和速度（saturation velocity)等特 性使得其成為適用於如高溫與高速之電子電力的應用之 眾多選擇之一。 • 於一般成長溫度下由於氮氣的高平衡壓力，因此極 不容易形成氣化鎵單晶塊材（GaN bulk crystals)。由於欠 缺可行之塊材成長方法，因此氮化鎵通常係磊晶沈積於 如石炭化石夕（SiC)與藍寶石（sapphire)材質的基板之上。然 而，當今製作氮化鎵薄膜時所遭遇之主要問題於在缺乏 具有極為接近於氮化鎵之晶格常數與熱膨脹係數的晶格 常數以及熱膨脹係數之適當基板材料。於經過研究適用 於形成氮化鎵之眾多基板後，發現到矽基板亦為可利用 之基板之一。由於具有低成本、較大尺寸、較高晶格與 0503-A33846TWF/shawnchang 4 201007838 . 表面特性、可控制之導電度以及高熱傳導率等特性，因 此矽基板亦適用於氮化鎵的成長。另外，砍晶爵的使用 亦簡化了氮化鎵系列（GaN based)光電裝置與矽基 (silicon-based)電子裝置間之整合情形。 請參照第1圖，顯示了一習知光電裝置2(在此繪示 為一發光二極體），其包括了基板10、形成於基板10上 之低溫氮化鋁層12、形成於氮化鋁層12上之超晶格 (superlattice)層14、以及形成於超晶格層14上之發光二 φ 極體18。發光二極體18包括一 η型之III族氮化物層15、 主動層16以及一 ρ型之III族氮化物層17。低溫氮化鋁 層12具有降低起因於基板與其上方之III族氮化物間晶 格常數及熱膨脹係數差異所導致之應力的效果。然而， 低溫氮化鋁層12的存在則造成了高電阻率，而無法形成 接觸於基板對稱侧之垂直型發光二極體。因此需於基板 之同一側形成ρ型III族氛化物層與η型III族氮化物層 間的接觸。為了得到前序之垂直型發光二極體，便需要 ©解決上述問題。 【發明内容】 有鑑於此，本發明提供了一種半導體結構，以解決 上述習知問題。 依據一實施例，本發明提供了一種半導體結構，包 括： 一基板以及位於該基板上之一導電載子穿隧層。該 導電載子穿隧層則包括：複數個第一型ΙΠ族氮化物膜 0503-A33846TWF/shawnchang 5 201007838 . 層，具有一第一能隙，其中該些第一型III族氮化物膜層 分別具有少於約5奈米之一厚度；以及複數値第二型ΙΊΓ 族氮化物膜層，具有低於該第一能隙之一第二能隙，其 中該些第一型III族氮化物膜層與該些第二型III族氮化 物膜層係交錯且堆疊地設置，其中於該基板與該導電載 子穿隧層之間則不存在有一 III族氮化物層。上述半導體 裝置更包括一主動層，位於該導電載子穿隧層之上。 依據另一實施例，本發明提供了一種半導體結構， ❿ 包括： 一基板、位於該基板上之一導電載子穿隧層以及位 於該導電載子穿隧層之上的一主動層。該導電載子穿隧 層包括：複數個第一型m族氮化物膜層，具有一第一能 隙，其中該些第一型III族氮化物膜層具有一第一厚度； 以及複數個第二型III族氮化物膜層，具有低於該第一能 隙之一第二能隙，其中該些第二型III族氮化物膜層具有 大於該些第一型III族氮化物膜層之該第一厚度的一第二 ❹ 厚度，其中該些第一型III族氮化物膜層與該些第二型III 族氮化物膜層係交錯且互堆疊地設置。 依據又一實施例，本發明提供了一種半導體結構， 包括： 一導電基板、位於該導電基板上之一導電載子穿隧 層以及位於該導電載子隧穿層之上的一主動層。該導電 載子穿隧層包括：複數個第一型III族氮化物膜層，具有 一第一能隙，其中該些第一型III族氮化物膜層具有大體 相同之一第一厚度；以及複數個第二型III族氮化物膜 0503-A33846TWF/shawnchang 6 201007838 . 層，具有低於該第一能隙之一第二能隙，其中該些第一 型III族氮化物膜層與該些第二型ΓΓΓ族氮化物膜層係交 錯且互堆疊地設置。其中該些第二型III族氮化物膜層具 有相同於或大於該些第一型III族氮化物膜層之該第一厚 度的一第二厚度。上述半導體結構更包括位於該導電載 子穿隧層上之一第三型III族氮化物膜層，以及位於該主 動層上之一第四型III族氮化物膜層。該第三型III族氮 化物膜層以及該第四型III族氮化物膜層具有相反之導電 • 型態。於導電載子穿隧層與導電基板之間未存在有III族 氮化物材料。 為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能 更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖示， 作詳細說明如下： 【實施方式】 本發明提供了形成包括有III族氮化物（通稱為III-❿ 氮化物或者是III-N)電路結構的新穎方法。藉由以下本發 明之實施例以顯示於製作時之中間階段。於本發明之實 施例的解說以及不同圖式中，其内相同之標號係代表了 相同構件。 請參照第2圖，首先提供一基板20。於一實施例中， 基板20係為包括氮化鎵（GaN)、矽、鍺、矽鍺（SiGe)、碳 化矽（SiC)、氧化鋅（ZnO)、硫化錫（SnS)、砸化錫（SnSe)、 磷化鎵、砷化鎵及其組合材料之一導電基板或一半導體 基板。而當基板20為結晶態之矽基板時，其較佳地具有 0503 -A33 846T WF/shawnchang 7 201007838 . (111)結晶表面，雖然矽基板亦可具有如（100)及（no)之其 他結晶表面。基板20較佳地為一塊材基板（bulk substrate)，或者為由不同材料之一個以上膜層所形成之 複合結構。基板20較佳地預先於一反應腔内經過回火處 理，例如為於用於金屬有機化學氣相沈積之腔體内回火 處理，以移除污染物。上述回火程序可於約1100°C的溫 度下進行。 於基板20上可選擇性的形成了晶種層22及/或過渡 ❹ 層24。晶種層22與過渡層24之材料較佳地選自於導電 材料或半導體材料所組成之族群。晶種層22可由如紹、 鎂、鎵、銦、鋅及/或其組合之金屬，或金屬合金。過渡 層24可包括氮化銦鎵（InGaN)、氮化銦鋁（InAIN)、金屬、 金屬合金、金屬$炭化物或如氮碳化鈦（TiCN)或氮碳化组 (TaCN)之金屬氮碳化物。晶種層22與過渡層24可於約 750°C之溫度下沈積形成。於其他實施例中，可不形成有 晶種層22與過渡層24，而後序形成之導電載子穿隧層 ❹ 30(請參照第3圖）可直接形成於基板20上並接觸基板20。 請參照第3圖，接著形成導電載子穿隧（conductive carrier-tunneling)層30。導電載子穿随層30可包括具有 第一能隙（bandgap)之數個第一膜層32以及具有第二能隙 (bandgap)之數個第二膜層34。此些第一膜層32與第二膜 層34係相互且堆疊而設置，其中第一膜層32之數量及/ 或第二膜層34之數量較佳地多於10層，雖然亦可具有 較少之數量。較佳地，此些第一膜層32與第二膜層34 皆為III族氮化物膜層，且較佳地為III族半導體膜層。 0503-A33846TWF/shawnchang 8 201007838 上述第-能隙係高於第二能隙。於一實施例 -膜層32係為氮化錄_)膜層，而此 二第 為氮化鎵(⑽)膜層。於其他實施例中，膜層34係 與第二膜層34可分別Α Δ1广 χτ 二第—膜層32 層，其中χ與y皆大於〇但二〇:等二'及InyGa(1-一膜 中，此些第一膜層32與第二膜== 以及InsA1(I…N膜層’其中t與s皆大於〇作少 ❹ 卜導電載子穿隧層3〇可摻雜有P型或n型捭二或4於 體未經過摻質摻雜。 接貝’或大 上述第-膜層32之厚度T1大體少於上 34之厚度T2。於一實施例中，厚度n 膜層 嶋，較佳地少了約50%，且更佳地少了約；;二了約 胰層之間可具有相同或不同之厚度T1。較佳地，笛 -腰層之厚度分別小於其上方之第二膜層％之厚户 T2。由於厚度T2大於厚度T1，第二膜層3 ς 鎵膜層時)可部分補償位於基板2G上之其他膜層所2 之應力。並可藉由增加厚度Thx改善上述應力補償之 應。此外，由於第一膜層32之相對高能隙表現，第一膜 層32(例如為說化鋁膜層時)之厚度需要夠薄以利載子之 穿隨。厚度T1較佳地夠薄以使得直接發生載子穿随效 應。可以_的是’允許料穿祕度T1係與其相關材 料之能隙有關，而當能隙越大時則較佳地需要較薄之厚 度T1。 當厚度T2極薄時’導電載子穿隧層3〇之第二膜層 34可具有或不具有次能帶（sub energy bands，即位於交錯 0503-A33846TWF/shawnchang 201007838 . 設置膜層間之導帶與非導帶）。如此，導電載子穿隧膜層 30可能或不可能需要用於使載子穿隧其之離散電壓 (discrete voltages)。當導電載子穿隨膜層30不具有離散 之次能帶時，且當導電載子隧穿層仍為導電時施加於導 電載子穿隧層30對稱測之電壓可連續地增加。 於一實施例中，當第一膜層係由氮化鋁形成時，其 厚度T1較佳地少於約5奈米，且較佳地介於1〜4奈米。 另外，此些第二膜層34則分別具有介於約0.2〜50奈米之 參 厚度T2，且較佳地介於3〜10奈米。於另一實施例中，於 導電載子穿隧層30内之氮化鋁材質之各第一膜層32之 厚度約為3奈米，而氮化鎵材質之第二膜層34之厚度則 各約為5奈米。 當此些第一膜層32與第二膜層34係分別由氮化銘 與氮化鎵形成時，氮化鋁材質之第一膜層32之形成溫度 較佳地大於900°C，例如約為1050°C。而氮化鎵材質之 第二膜層34可於約1050°C下形成。形成此些第一膜層 ❿ 32與第二膜層34之方法則包括金屬有機化學氣相沈積 (M0CVD)、物理氣相沈積(PVD)、分子束磊晶（MBE)、混 合氣相磊晶（HVPE)、液態磊晶（LPE)或其他適當之沈積方 法所形成。

請參照第4圖，接著於導電載子穿隧層30上形成p 型III族氮化物膜層40。p型III族說化物層40視最終之 半導體結構之實際應用而依照可能之結合情形而包括一 或多個III族氮化物接觸層42、III族氮化物防裂層43、 III族氮化物包覆層44、III族氮化物導光層46及/或III 0503-A33846TWF/shawnchang 10 201007838 . 族氮化物上蓋層48(亦稱為電子阻障層）等膜層。雖然於 第4圖中顯示了上述所有膜層之42、43、44、46與48， 但通常於一電路結構中，僅會形成有部分但非全部之膜 層。膜層42、43、44、46與48的製作如下所述。 III族氮化物接觸層42可作為正電極（未顯示）的接觸 層。III族氮化物接觸層42厚度則可介於10奈米至0.3 微米。於一實施例中，III族氮化物接觸層42可由摻雜鎂 之氮化鎵所形成，以降低其歐姆接觸電阻值。其内之p ❹ 型摻質濃度可約為lE20/cm3。III族氮化物接觸層42可 藉由金屬有機化學氣相沈積（MOCVD)、分子束磊晶 (MBE)、混合氣相磊晶(HVPE)、液態磊晶(LPE)或類似方 法於如1050°C之相對高温下形成。於其他實施例中，III 族氮化物接觸層42可藉由p型氮化銦、p型氮化銘或類 似材料所形成。 III族氮化物防裂層43可由摻雜鎂之氮化銦鎵所形 成，其内之P型摻質濃度約為5E18/cm3。III族氮化物防 ❹ 裂層43之厚度可為約10奈米至約200奈米，且較佳地 約為50奈米。 於一較佳實施例中，III族氮化物包覆層44包括摻雜 鎂之Al〇.2Ga〇.8N材料。其内之p型摻雜濃度約為 lE20/cm3°III族氮化物包覆層44之形成方法可大體與形 成III族氮化物接觸層42之形成方法相同。III族氮化物 包覆層44可作為電子侷限層。其厚度較佳地控制於介於 10奈米至50奈米，且較佳地約為30奈米。 ΙΠ族氮化物導光層46可包括氮化鎵或氮化銦鎵等 0503-A33846TWF/shawnchang 11 201007838 . 材料。其内p型摻質濃度可約為lE20/cm3。且其厚度約 為20奈米至約0.1微米。III族氮化物導光層_ 46可作為 主動層之光波導引膜層。 III族氮化物上蓋層48(亦通稱為電子阻障層）係形成 於III族氮化物導光層46之上。於一實施例中，III族氮 化物上蓋層48包括AlG.3GaG.7N之材料，且其掺雜有濃度 約為lE20/cm3之p型掺質。其厚度可介於10奈米至約 50奈米，且較佳地約為30奈米。III族氮化物上蓋層48 ❹ 較佳地具有高於後續形成之主動層50之一能帶，且可藉 由Alo.3Gao.7N材料所形成。其厚度約介於10奈米至50 奈米，且較佳地約為3 0奈米。 接著於於p型膜層40形成主動層50。於一實施例 中，主動層50包括未經摻雜之η型鎵銦氮化物 (InxGa(1_x)N)。於另一實施例中，主動層50包括如 AlxInyGa0_x_y)N之其他常用材料，其中X與y皆大於0且 少於1。於其他實施例中，主動層50可具有由多重井區（如 ❹ InGaN材質）與阻障層（例如氮化鎵材質）交錯設置所形成 之多重量子井區。於其他實施例中，主動層50可為雙異 質（double heterostructure)結構。其形成方法則包括金屬 有機化學氣相沈積（M0CVD)、分子束磊晶（MBE)、混合 氣相磊晶（HVPE)、液態磊晶（LPE)或其他事用之化學氣相 沈積方法。 接著如第4圖所示，於主動層50之上形成η型III 族氮化物層60。η型III族It化物層60可依照其最終半 導體結構之較佳應用中之任何情形而包括一或多個III族 0503- A33846T WF/shawnchang 12 201007838 , 氮化物導光層64、III族氮化物包覆層66以及III族氮化 物接觸層68。膜層64、66與68之製程與材料分对相似 於膜層46、44與42，除了膜層60係為η型摻雜。於一 實施例中，於η型膜層60内之η型摻雜濃度介於約 lE18/cm3 至約 lE20/cm3。 於形成III族氮化物膜層60形成後，接著形成頂接 觸物70，且頂接觸物70係經過圖案化。於如第4圖所示 之最終結構中，III族氮化物膜層40、主動層50及III族 參 氮化物膜層60構成了光電裝置，此光電裝置可於順向偏 壓時（具有電壓施加於η型III族氮化物膜層60之電壓低 於施加於ρ型III族氮化物膜層40之電壓時）發射出光 線，或於逆向偏壓時作為一光感應器。然而，前述之ΙΠ 族氮化物膜層可依照本發明之範疇而用於形成其他光電 裝置。 接著可更於基板20之後側形成後接觸層80。於一實 施例中，後接觸層80係為重度摻雜有如基板20之相同 參 導電度之摻質濃度之一半導體層。亦可於後接觸層80之 底面上形成金屬石夕化物（未顯示）。或者，後接觸層80可 包括如銘録合金之合金材料。 於前述圖示中所示之實施例中，揭示了 η側向上之 光電裝置，其内之III族氮化物層40係為ρ型摻雜，而 III族氮化物層60則為η型摻雜。於其他實施例中，其亦 可作為一 ρ側向上光電裝置，此時III族氮化物層40係 為η型摻雜，而III族氮化物層60則為ρ型摻雜。 本發明之前述實施例具有以下數個優點。藉由自基 0503- A33 846Τ WF/ sh awnchang 13 201007838 . 板上移除氮化鋁層，可形成了具有位於基板之對稱側P 型與η型III族氮化物之氮化鎵膜層的垂直型光電裝置， 而不會造成其操作電壓的提升。隨著於超晶格層内具有 較大能隙之膜層32的厚度的降低而產生載子穿隧效應， 不僅可降低操作電壓，且操作電壓並不需達到其離散 值，因而簡化了光電裝置的操作。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用 以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之 ❹ 精神和範圍内，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明 之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 0503-A33 846T WF/shawnchang 14 201007838 ^ 【圖式簡單說明】 第1圖顯禾了包括氮化銘屠以及位於氮化#5層-上之 超晶格層的一習知電路結構；以及 第2-4圖顯示了依據本發明一實施例之半導體結構 的製作中之各中間階段，其中於超晶格層與基板之間並 未形成有氮化鋁層。 【主要元件符號說明】

10〜基板； 12〜氮化鋁層； 14〜超晶格層； 15〜η型之III族氮化物層； 16〜主動層； 17〜ρ型之III族氮化物； 18〜發光二極體； 20〜基板； 22〜晶種層； 24〜過渡層； 30〜導電載子穿隧層； 32〜第一膜層； 34〜第一膜層； 40〜ρ型III族氮化物膜層； 42〜III族氮化物接觸層； 43〜III族氮化物防裂層； 44〜III族氮化物包覆層； 0503-A33846TWF/shawnchang 15 201007838 . 46〜III族氮化物導光層； 48〜III族氮化物上蓋層; 50〜主動層； 60〜η型III族氮化物層； 64〜III族氮化物導光層； 66〜III族氮化物包覆層； 68〜III族氮化物接觸層； 70〜頂接觸物； ❹ 80〜後接觸層； Τ1〜第一膜層之厚度； Τ2〜第二膜層之厚度。 鲁 0503-A33846TWF/shawnchang 16

Claims (1)

1. 201007838 七、申請專利範圍： 1. 一種半導體結構.v包括： 一基板； 該導電載子穿 一導電載子穿隧層，位於該基板上 隧層包括： 複數個第一型III族惫/卜私T n** fa 其中該些第-型〇族=:層，具有一第-能隙， 一 0 · 矢鼠化物膜層分別具有少於約5奈米 之一厚度赘 ” 個第二型m族氮化物臈層，具有低於該第一能 广'隙’其中該些第-型m族氮化物膜層與該 二-里III族氮化物膜層係交錯且堆疊地設置，其中於 =板與該導電載子穿隧層之間則不存在有—族化 物層；以及 乳 一主動層，位於該導電載子穿隧層之上。 t b切專利職第〗項所叙半導體結構， 該些第-III族氮化物膜層分別具有—第—厚度，該笛一 其上方之該些第二简氮“膜:層之 兮此t Μ請專利範圍第1項所述之半導體結構，其中 該i第型III族氮化物膜層具有大體相同之一第一广 度’而遠些第二型m族氮化物膜層具有大體相同之一= 一厚度，且其中該第一厚度少於該第二厚度。 ^如申請專利第2項所叙半導體 該些弟一厚度就該些第二厚度少了 80%。 八节 5·如申料·圍第i項所述之半導體結構，其中 〇5〇3-A33846TWF/shawnchang 17 201007838 該導電载子穿隧層係接觸於該基板。 6曰如/料難㈣ι項所叙半_ 括曰曰種層，設__ 於利範㈣1項所述之半導體結構，其中 =導電載子穿隨層之對稱側之 該導電载子穿_為導電的。 ㈣作電料， 8如巾料·㈣丨_述之半㈣ 該基板包括結晶矽。 再，、Τ 9· 一種半導體結構，包括： 一基板； -導電載子穿隧層，位於該基板上，該 隧層包括： 电戰于牙 = f :型Πί族氮化物膜層，具有-第-能隙， 〔、中〇二第一型ΙΠ族氮化物膜層具有一第一厚声

   ，個f二型111族氮化物膜層，具有低於該第：能隙之 m其中該些第—型m族氮化物膜層與該些 -型III族氮化物膜層係交錯且交互堆疊地設置，其 f第二型m族氮化物膜層具有大於該些第-類型瓜i 氮化物膜層之該第一厚度的一第二厚度， ·以及 一主動層，位於該導電載子穿隧層之上。 如申請專利範圍第9項所述之半導體結構，其中 該些第一厚度分別較該些第二厚度大體少了 8〇%。 a 11 ^如申請專利範圍第1〇項所述之半導體結構，其 中5亥些第一厚度較該些第二厚度少了 3〇%。 12.如申請專利範圍第10項所述之半導體結構，其 〇503-A33846TWF/shawnchang 201007838 中該些第一厚度少於約5奈米。 導體結構，其令 而該些第二型 13 ·如申請專利範圍第9項所述之半 該些第一型III族氮化物膜層包括氮化鋁， III族氮化物膜層包括氮化鎵。 14. 如申請專利範圍第9項所述之半導體結構，其 該些第一類III族氮化物膜層包括氮化鋁鎵，而該第二类 型III族氮化物膜層包括氮化銦鎵。 ；胃

   15. 如申請專利範圍第9項所述之半導體結構，更包 括一晶種層，位於該導電載子穿隧層與該基板之間。

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