TW201419574A

TW201419574A - 半導體裝置及其製造方法以及發光二極體用之基板

Info

Publication number: TW201419574A
Application number: TW101140656A
Authority: TW
Inventors: Wei-Chun Chen; Pu-Ru Lin
Original assignee: Fitilite S Pte Ltd
Priority date: 2012-11-02
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2014-05-16

Abstract

本發明提供一種半導體裝置及其製造方法，該半導體裝置包括：一陶瓷支持基板；一第一緩衝層，形成於該陶瓷支持基板上，其中該第一緩衝層係由氮化鋁所構成且具有優選方向，藉由濺鍍法形成；以及一第二緩衝層，係由氮化鋁所構成，形成於該第一緩衝層上，該第二緩衝層具有單晶結構。

Description

半導體裝置及其製造方法以及發光二極體用之基板

本發明係關於一種半導體裝置及其製造方法，特別是關於一種氮化物半導體裝置及其製造方法。

氮化鋁、氧化鋁等陶瓷材料常被用來當作製作半導體裝置的基材，因氮化鋁具有高熱傳導特性，又因熱膨脹係數與半導體裝置常用的如氮化鎵等的材料近似，而氧化鋁具有可見光高穿透性與單晶晶體製備技術純熟等優點，所以期望使用該些陶瓷材料作為基板；然而需要容易成長所期望的結晶結構須仰賴高品質單晶陶瓷基板，如氮化鋁與氮化鎵等單晶的陶瓷材料有價格昂貴、取得不易之問題。

氮化鋁在半導體裝置上的應用，例如於氮化鎵形成於矽基板或藍寶石基板上之情況，通常使用氮化鋁層作為緩衝層(例如參考美國專利第6,690,700號)，但是薄的氮化鋁緩衝層僅能提供基材與薄膜間的晶格匹配，無法發揮氮化鋁自體的散熱特性，仍有半導體裝置過熱的問題。

使用多晶系氮化鋁基板作為半導體裝置之基板，例如美國專利第7,465,991號揭露之半導體基板，具有氮化鎵、氮化鋁或氮化鋁鎵(AlGaN)的有用單晶層，以多晶系氮化鋁基板作為支持基板，但是在該支持基板與有用單晶層之間，尚需具備碳化矽單晶、矽(111)或藍寶石薄層。如此的方法，不僅步驟繁瑣，且需要成長碳化矽單晶、矽[111]或藍寶石薄層等，有增加製造成本之問題。

鑒於上述之發明背景，為了符合產業上之要求，本發明之目的之一在於提供一種半導體裝置及其製造方法，使用陶瓷基板，作為半導體裝置的基板，提高散熱效率，特別是利用濺鍍法形成緩衝層，可以阻斷與其相鄰的材料(即基板)之結晶特性，如此可形成具有[0001]指向相關之優選方向的氮化鋁結構，後續再藉由有機金屬化學氣相沈積法(MOCVD)、有機金屬分子束磊晶法(MOMBE)、有機金屬氣相磊晶法(MOVPE)等形成類單晶層或單晶層。

為了達到上述目的，根據本發明一實施態樣，提供一種半導體裝置，一陶瓷支持基板；一第一緩衝層，形成於該陶瓷支持基板上，其中該第一緩衝層係由氮化鋁所構成，具有優選方向(prefer orientation)，藉由濺鍍法形成；以及一第二緩衝層，係由氮化鋁所構成，形成於該第一緩衝層上，該第二緩衝層具有類單晶結構。

根據本發明另一實施態樣，提供一種半導體裝置之製造方法，包括以下步驟：提供一陶瓷支持基板；在該陶瓷支持基板上，藉由濺鍍法，形成一第一緩衝層，將該陶瓷支持基板的表面溫度在300℃~450℃範圍下，進行氧化鋁的成長，形成厚度200~2000 nm之氧化鋁層；以及接著該第一緩衝層成長步驟，藉由有機金屬化學氣相沈積法，進行高溫氮化鋁成長步驟，使用含氮原子之氣體以及含鋁原子之有機金屬化合物，以氫氣或氮氣為載送氣體，使溫度在800~1150℃範圍下，進行氮化鋁的成長，於該第一緩衝層上，形成厚度5~5000nm之一第二緩衝層。

再者，本發明另一實施態樣，提供一種發光二極體用之基板，一陶瓷基材；一第一緩衝層，形成於該陶瓷支持基板上，其中該第一緩衝層係由氮化鋁所構成，具有優選方向，藉由濺鍍法形成；以及一第二緩衝層，係由氮化鋁所構成，形成於該第一緩衝層上，該第二緩衝層具有單晶結構，藉由有機金屬化學氣相沈積法形成；其中該第一緩衝層具有[0001]指向相關之優選方向的氮化鋁結構，該第二緩衝層具有[0001]指向的氮化鋁類單晶結構。

根據本發明的半導體裝置及其製造方法，藉由使用低成本之塊狀陶瓷基板作為半導體裝置之基板，提高半導體裝置之散熱效率，又直接在該基板上成長氮化鋁層，以提供作為後續成長氮化鎵等發光材料的單晶層用之基材，簡化製造步驟，進而降低製造成本。本發明的半導體裝置，可應用於發光二極體、雷射二極體等的製造，作為基板，具有極佳的散熱效果且可降低製造成本。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。此外，「A層(或元件)設置於B層(或元件)上」之用語，並不限定為A層直接貼覆接觸B層表面的態樣，例如A層與B層中間尚間隔其他疊層亦為該用語所涵蓋範圍。圖示中，相同的元件係以相同的符號表示。

根據本發明一實施態樣，揭露一種半導體裝置。第一圖表示根據本發明一實施例之半導體裝置的示意圖。半導體裝置1包括陶瓷支持基板10、第一緩衝層12、第二緩衝層13。陶瓷支持基板10係由氮化鋁所構成，或含鋁之陶瓷基板所構成，例如由氮化鋁燒結體所構成，氮化鋁燒結體具有氮化鋁的多晶體結構。緩衝層12形成於該陶瓷支持基板10上，第一緩衝層12係由氮化鋁所構成且具有特定的優選方向(prefer orientation)，例如[0001]指向相關之優選方向的氮化鋁(AlN)結構。第二緩衝層13係由氮化鋁所構成，形成於該第一緩衝層12上，例如該第二緩衝層13具有[0001]指向的氮化鋁類單晶結構。

第一緩衝層12，可藉由濺鍍法形成，第二緩衝層13，可藉由磊晶成長方法形成。

該磊晶成長方法，例如為有機金屬化學氣相沈積法(MOCVD)、有機金屬分子束磊晶法(MOMBE)、有機金屬氣相磊晶法(MOVPE)等，可形成類單晶層或單晶層。

上述濺鍍法，例如將該陶瓷支持基板的表面溫度在300℃~450℃範圍下，進行氧化鋁的成長，形成氧化鋁層(第一緩衝層12)。第一緩衝層12的厚度通常為5~5000nm，較理想為50~2000nm。

於一實施例，上述磊晶成長方法係接著上述濺鍍法，藉由有機金屬化學氣相沈積法，使用含氮原子之氣體以及含鋁原子之有機金屬化合物，以氫氣或氮氣為載送氣體，溫度在800~1150℃範圍下，進行氮化鋁的成長，於第一緩衝層12上，形成厚度5~5000nm之第二緩衝層13。

於一實施例，含氮原子之氣體為氨氣，含鋁原子之有機金屬化合物為三甲基鋁、三乙基鋁或三丙基鋁。進行有機金屬化學氣相沈積法成長時，在低壓下進行磊晶成長，真空腔體的壓力為80 torr以下。於一實施例，於該第二緩衝層上，可更包括一氮化鎵或氮化鋁鎵的單晶層，參考第二圖，第二圖表示根據本發明另一實施例之半導體裝置的示意圖，半導體裝置2包括陶瓷支持基板10、第一緩衝層12、第二緩衝層13及磊晶層14。再者，該單晶層可為一n型層。

第三圖表示根據本發明另一實施例之半導體裝置的示意圖。半導體裝置3包括陶瓷支持基板100、第一緩衝層120、第二緩衝層130、n型層140、p型層160、與p型層160接觸之接觸電極170及與n型層140接觸之接觸電極180。陶瓷支持基板100的構成，與上述陶瓷支持基板10相同。第一緩衝層120的構成，與上述第一緩衝層12相同，第二緩衝層130的構成，與上述第一緩衝層13相同。n型層140可由上述磊晶層14，藉由n型摻雜而得，例如氮化鎵磊晶層摻雜矽，可得n型層140。而p型層160可藉由p型摻雜而得，例如氮化鎵磊晶層摻雜磷或鎂可得p型層160。

第四圖表示根據本發明另一實施例之半導體裝置的示意圖。半導體裝置3’包括陶瓷支持基板100、第一緩衝層120、第二緩衝層130、n型層140、發光層150、p型層160、與p型層160接觸之接觸電極170及與n型層140接觸之接觸電極180。半導體裝置3’與半導體裝置3不同之處，在於半導體裝置3’包括發光層150，設置於n型層140與p型層160之間。發光層150可為複數層交錯積層所構成，包括複數阱層(well layers)及複數阻隔層(barrier layers)。再者，例如發光層的組成係由Al摻雜氮化鎵的高能隙能障及In摻雜氮化鎵的低能隙能障相間所形成的量子侷限層所構成。

根據本發明另一實施態樣，揭露一種半導體裝置之製造方法，包括以下步驟：步驟S100：提供一陶瓷支持基板；步驟S120：在該陶瓷支持基板上，藉由濺鍍法，形成一第一緩衝層，將該陶瓷支持基板的表面溫度在300℃~450℃範圍下，進行氧化鋁的成長，形成厚度200~2000 nm之氧化鋁層；以及步驟S140：藉由有機金屬化學氣相沈積法，進行高溫氮化鋁成長步驟，使用含氮原子之氣體以及含鋁原子之有機金屬化合物，以氫氣或氮氣為載送氣體，使溫度在800~1150℃範圍下，進行氮化鋁的成長，於該第一緩衝層上，形成厚度5~5000nm之一第二緩衝層。

上述方法，可更包括：步驟S160：藉由有機金屬化學氣相沈積法，進行單晶成長，形成一氮化鎵之單晶層；步驟S180：於該氮化鎵之單晶層上，進行n型摻雜，形成一n型層；步驟S200：於該n型層上，形成一發光層，其中該發光層係由複數阱層與複數阻隔層交錯堆疊所構成；步驟S220：於該n型層，形成一p型層，構成一pn接面。

根據本發明的半導體裝置之製造方法，該半導體裝置例如為發光二極體，當然亦可應用於其他半導體裝置。

於本發明的半導體裝置之製造方法，濺鍍法及有機金屬化學氣相沈積法的條件如前述，形成厚度5~5000nm之氮化鋁(第一緩衝層)，較理想的厚度為50~2000nm。形成厚度5~ 5000nm之第二緩衝層，較理想的厚度為50~2000nm。

最後，上述方法可更包括：形成分別接觸該n型層與該p型層之接觸電極。

再者，於一實施例，上述方法可更包括：於該氮化鎵或氮化鋁鎵之單晶層上，進行n型摻雜，形成一n型層；形成發光層於該n型層上；以及於該n型層，形成一p型層，最後形成分別接觸該n型層與該p型層之接觸電極。

再者，n型層的形成方法，例如以SiH₄作為Si原子摻雜氮化鎵，矽原子的濃度約為10¹⁸~10²¹/cm³，其活化溫度約在900~1150℃。

p型層的形成方法，例如以Cp₂Mg(二環戊烯鎂)作為提供鎂原子摻雜氮化鎵，Mg的濃度範圍約10¹⁷~10²⁰/cm³，活化溫度約在900~1150℃。

於一實施例，含氮原子之氣體為氨氣，含鋁原子之有機金屬化合物為三甲基鋁、三乙基鋁或三丙基鋁等。進行有機金屬化學氣相沈積法成長時，在低壓下進行磊晶成長，真空腔體的壓力為80 torr以下。於一實施例，第一緩衝層具有[0001]指向相關之優選方向的氮化鋁結構，第二緩衝層具有[0001]指向的氮化鋁類單晶結構。

再者，根據本發明的一實施例，揭露一種發光二極體用之基板，一陶瓷基材；一第一緩衝層，形成於該陶瓷支持基板上，其中該第一緩衝層係由氮化鋁所構成，具有優選方向，藉由濺鍍法形成；以及一第二緩衝層，係由氮化鋁所構成，形成於該第一緩衝層上，該第二緩衝層具有單晶結構，藉由有機金屬化學氣相沈積法形成；其中該第一緩衝層具有[0001]指向相關之優選方向的氮化鋁結構，該第二緩衝層具有[0001]指向的氮化鋁類單晶結構。

於一實施例，上述陶瓷基材為由鋁、氧化鋁或氮化鋁所構成，較理想為氮化鋁。

於一實施例，上述基板更包括：一氮化鎵層，其係一n型層且具有單晶結構。

綜上所述，根據本發明的半導體裝置及其製造方法，藉由使用低成本之陶瓷基板作為半導體裝置之基板，提高半導體裝置之散熱效率，又藉由濺鍍法直接在該基板上成長氮化鋁層，以提供作為後續成長氮化鎵等發光材料的單晶層用之基材，簡化製造步驟，進而降低製造成本。藉由濺鍍法的優點，在於可以阻斷與其相鄰的材料(即基板)之結晶特性，如此可形成具有[0001]指向相關之優選方向的氮化鋁結構，後續再藉由有機金屬化學氣相沈積法(MOCVD)、有機金屬分子束磊晶法(MOMBE)、有機金屬氣相磊晶法(MOVPE)等形成類單晶層或單晶層。本發明的半導體裝置，可應用於發光二極體、雷射二極體等的製造，作為基板，具有極佳的散熱效果且可降低製造成本。

以上雖以特定實施例說明本發明，但並不因此限定本發明之範圍，只要不脫離本發明之要旨，熟悉本技藝者瞭解在不脫離本發明的意圖及範圍下可進行各種變形或變更。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

1,2,3,3’‧‧‧半導體裝置

10,100‧‧‧陶瓷支持基板

12,120‧‧‧第一緩衝層

13,130‧‧‧第二緩衝層

14‧‧‧磊晶層

140‧‧‧n型層

150‧‧‧發光層

160‧‧‧p型層

170,180‧‧‧接觸電極

第一圖表示根據本發明一實施例之半導體裝置的示意圖。

第二圖表示根據本發明一實施例之半導體裝置的示意圖。

第三圖表示根據本發明另一實施例之半導體裝置的示意圖。

第四圖表示根據本發明另一實施例之半導體裝置的示意圖。

1‧‧‧半導體裝置

10‧‧‧陶瓷支持基板

12‧‧‧第一緩衝層

13‧‧‧第二緩衝層

Claims

一種半導體裝置，包括：一陶瓷支持基板；一第一緩衝層，形成於該陶瓷支持基板上，其中該第一緩衝層係由氮化鋁所構成，具有優選方向(prefer orientation)，藉由濺鍍法形成；以及一第二緩衝層，係由氮化鋁所構成，形成於該第一緩衝層上，該第二緩衝層具有類單晶結構。
如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，更包括：一氮化鎵層，其係一n型層且具有單晶結構。
如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該第一緩衝層具有[0001]指向相關之優選方向的氮化鋁結構，該第二緩衝層具有[0001]指向的氮化鋁類單晶結構。
如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該陶瓷支持基板為由鋁、氧化鋁或氮化鋁所構成。
如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該濺鍍法，係將該陶瓷支持基板的表面溫度在300℃~450℃範圍下，進行氧化鋁的成長，形成厚度200~2000 nm之氧化鋁層。
如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中，該第二緩衝層係藉由有機金屬化學氣相沈積法形成，該有機金屬化學氣相沈積法係接著該濺鍍法，使用含氮原子之氣體以及含鋁原子之有機金屬化合物，以氫氣或氮氣為載送氣體，調整溫度，使溫度在800~1150℃範圍下，進行氮化鋁的成長，形成厚度5~5000nm之氮化鋁。
如申請專利範圍第6項所述之半導體裝置，其中含氮原子之氣體為氨氣。
如申請專利範圍第6項所述之半導體裝置，其中含鋁原子之有機金屬化合物為三甲基鋁、三乙基鋁或三丙基鋁。
如申請專利範圍第6項所述之半導體裝置，其中進行有機金屬化學氣相沈積法成長時，壓力為80 torr以下。
如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，更包括：一氮化鋁鎵層，具有單晶結構。
如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，更包括：一氮化鎵層且為n型層，於該氮化鎵層上，更包括一發光層以及一p型層，該發光層係由複數阱層與複數阻隔層交錯堆疊所構成
如申請專利範圍第11項所述之半導體裝置，其中該發光層係由Al摻雜氮化鎵的高能隙能障及In摻雜氮化鎵的低能隙能障相間所形成的量子侷限層所構成。
一種半導體裝置之製造方法，包括：提供一陶瓷支持基板；在該陶瓷支持基板上，藉由濺鍍法，形成一第一緩衝層，將該陶瓷支持基板的表面溫度在300℃~450℃範圍下，進行氧化鋁的成長，形成厚度200~2000 nm之氧化鋁層；以及接著該第一緩衝層成長步驟，藉由有機金屬化學氣相沈積法，進行高溫氮化鋁成長步驟，使用含氮原子之氣體以及含鋁原子之有機金屬化合物，以氫氣為載送氣體，使溫度在800~1150℃範圍下，進行氮化鋁的成長，於該第一緩衝層上，形成厚度5~5000nm之一第二緩衝層。
如申請專利範圍第13項所述之方法，更包括：藉由有機金屬化學氣相沈積法，進行單晶成長，形成一氮化鎵之單晶層。
如申請專利範圍第13項所述之方法，更包括：於該氮化鎵之單晶層上，進行n型摻雜，形成一n型層；以及於該n型層，形成一p型層，構成一pn接面。
如申請專利範圍第13項所述之方法，更包括：於該氮化鎵之單晶層上，進行n型摻雜，形成一n型層；於該n型層上，形成一發光層，其中該發光層係由複數阱層與複數阻隔層交錯堆疊所構成；以及於該n型層，形成一p型層，構成一pn接面。
如申請專利範圍第13項所述之方法，更包括：藉由有機金屬化學氣相沈積法，進行單晶成長，形成一氮化鋁鎵(AlGaN)之單晶層。
如申請專利範圍第13項所述之方法，其中含氮原子之氣體為氨氣。
如申請專利範圍第13項所述之方法，其中含鋁原子之有機金屬化合物為三甲基鋁、三乙基鋁或三丙基鋁。
如申請專利範圍第13項所述之方法，其中進行有機金屬化學氣相沈積法成長時，壓力為80 torr以下。
如申請專利範圍第13項所述之方法，其中該第一緩衝層具有[0001]指向相關之優選方向的氮化鋁結構，該第二緩衝層具有[0001]指向的氮化鋁類單晶結構。
如申請專利範圍第13項所述之方法，其中，該陶瓷支持基板係由鋁、氧化鋁或氮化鋁所構成。
一種發光二極體用之基板，包括：一陶瓷基材；一第一緩衝層，形成於該陶瓷支持基板上，其中該第一緩衝層係由氮化鋁所構成，具有優選方向，藉由濺鍍法形成；以及一第二緩衝層，係由氮化鋁所構成，形成於該第一緩衝層上，該第二緩衝層具有單晶結構，藉由有機金屬化學氣相沈積法形成；其中該第一緩衝層具有[0001]指向相關之優選方向的氮化鋁結構，該第二緩衝層具有[0001]指向的氮化鋁類單晶結構。
如申請專利範圍第23項所述之基板，其中該陶瓷基材為由鋁、氧化鋁或氮化鋁所構成。
如申請專利範圍第23項所述之基板，其中該陶瓷基材為由氮化鋁所構成。
如申請專利範圍第23項所述之基板，更包括：一氮化鎵層，其係一n型層且具有單晶結構。