TW507272B - Method of growing nitrogenous semiconductor crystal materials - Google Patents

Description

本發明之描沭 本發明係關於以武A R Γ μ 1 ^ 铋刺i *山飞AxByCzNvMw表示之培養含氮半導體結晶 矣-敏. B c為第II或ΙΠ族元素，N為氮，Μ :ΓΛ 素’及。^表示此化合物之每個 ^ '、、 、 ^率，而此化合物係利用一中間層做為生長基 板，例如於青玉，碳化矽或矽。 在青玉、碳化石夕式石办u 一 i 及矽上，以式AXBYCZNVMW表示之二元，三

毛化、 千導體的異質磊晶生長，其中A，B，C -、弟II或III族兀素，N為氮，M表示第MVI族元素，及 ，Y，Z，W表示此化合物之每個元素的莫耳分率，因初期 培養在進打生長發展中造成明顯的影響，此異質磊晶生長 ，為因不適當配合之高晶格的緣故而難以控制之培養製 程 絲θ曰半導體層之結晶品質取決於此初期培養而因此 堅固。在避開包含此初期培養之問題的方法中，一新穎初 期培養方法已由已知方法改變而發展。 至目前為止所使用的方法是基於由一低溫生長步驟組成 之二階段的初期培養方法，亦已知如緩衝層生長，以及隨 後之高溫生長步驟[J P / Β 2 / 9 3 ]。於此方法中，生長狀況之 變化，即由正六面體轉變為六角形結晶結構，係為兩溫度 狀態之間用以阻礙培養方法之重要的因素，故將假定再結 晶發生於低溫緩衝層[Β0Υ98]，[MTF + 98]，[WKT + 96]。 由於生長參數之種種變化，從成核層之再現性的觀點來 看，此兩階段初期培養方法為靈敏的，且對於在晶圓上之 不規則亦為靈敏的。此對於由此材料製成之裝置的特徵造

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3U/Z/Z

成―實質影響。一發光 以藉二階段方法來控制 屬於非常強的變化。 一極體（L E D )之發光與顏色變得難 。直流電與FET元件之高頻率特徵 不二匕相當於供高品質材料製造之技術的電流狀態亦可使用 ::之方法來製造，而此高品質材料可供含氮；；：：： ’如氮化鎵，氮化銦鎵，氮化鋁鎵，氮化鎵砷，-即"， “ XBC MW=之半導體（其中A ’B，c為第n或⑴族 素’N為亂，Μ表示第V*VI族元素，及χ，γ，z， 此化合物之每個元素的莫耳分率）。 y、 與先前技術有關，在由初期培養所引起之含氮半導體層 之製造’以及在[WFT+98]，[_97]，[GNL96]/之W 2的生長中，首先在低溫下沉積一層。然後生長被打斷及 增加溫度。在此期間，結晶結構會改變。僅有在完成此製 ^上’會發生進一步的生長。層的品質及電性質與光學性 質接著取決於所需溫度，壓力，間隔等來觀察。 本發明是基於提供一個允許以式表示之含氮半 導體結晶材料之初期培養方法的問題下，其中A，b，c為 第II或III族元素，N為氮，Μ表示第V或VI族元素，及X， f，Z ’W表示此化合物之每個元素的莫耳分率，無生長狀 況之任何突然的改變，便可允許一外來基板，如青玉，碳 化矽或矽之二維磊晶生長。 在此方法中，免去了錯合物之製造方法，該方法係基於 已知的層的二階段生長，其包含在低基板溫度下生長之缓 衝層，以及進一步於高溫下在此緩衝層上生長之層。此新

C:\2D-CfflE\90-07\90108754.ptd 第7頁 507272 五、發明說明（3) 方法之優點係 本0 如此表示於 生長狀況之突 品質下，執行 新的裝置開啟 此新穎的初 且避免包含大 半導體結晶層 之結構性質， 關於立體方 長後加熱至— 整體品質產生 一重要元素。 對於電子裝置具有較佳之再現性及低製造成 性之生 的。此 板之熱 須適度 換言 階段之 在此 之層的 到臨界 一層之 長影響 藉由與 斜坡函 地調整之，生 期間， 方法中 臨界厚 層厚度製造。 初期培 然變化 一個較 新的技 期培養 量必需 之製造 電性質 山結構 較高溫 一個決 在使用 為斜坡 鎵流動 數。其 長速度 會發生 ，於青 度，在 為必須 此層於 養期間，最適宜之生長參數傾向預防 以及在半導體層之比較或較佳之結晶 快速且更費力之初期培養，因此對於 術潛力。 ' 製程因此可預防層之二階段生長， 步驟方法之製造方法。結果， 期間及成本應減少。並同時達成改良 及光學性質。 ，其係於再結晶後建立（在緩衝層生 度），對進行中之生長及因此對層之 定性之影響，此層為初期培養階段之 斜坡函數之初期培養期間，該等決定 函數之必須部分，因此為不可或缺 直接相關之生長速度的改造來達成基 他重要製程參數，如總流量及總壓必 及鎵流動必須因此被選擇，而於生長 當場準備之再結晶。 玉，碳化矽或矽上之含氮半導體材料 發生於加熱製程期間之再結晶前，達 的。本發明之問題包括在基板上之 隨後之層上產生一連續效應。本發明

C:\2IKODE\90-07\90108754.ptd 507272 五、發明說明（4) 僅為組成4勿’摻雜及連續層之限定，亦有額外的 允許-隨後之最適宜層，而關於進一步預期之特 二”1將描述如後。此可幫助避免包含大量操作步驟之 方法。，’製造期間及製造成本須減少。 之：本“ t明：問題係藉由申請專利範圍第1項所限定 項。ΪΓ月方法之改進為申請專利範圍第2至8 來解決。因為解決方法之權宜特點為 j項'養方法 限定，其可能產生所限定之層，接合：法士弟1項所 與活動區域之間的接合點，α及連續；口=介於基板 地，具有可調節的電性質及光學：；”匕; 料之結構，如由0至100%之X，Υ，ζ，ν體^曰材 合物’特定的電子濃度高達1(P cm_3 定2:3 度為8 X 1 〇19 cm-3。 特疋之電子洞 >辰 AXBYCZNVMW材料以及與摻雜成層系統相 可方便地製造。 之成層糸統現今 現在可方便地達成一高度均勻性，甚至於 進一步之優點為達成高程度再現性的可能性。。。 裝置之有利的製造現在已變為可能。 量子井之方便的製造現在為可能的。 再者，η型及p型摻雜可同時執行。 不同X，Υ，Ζ，V，W組成比例之Α β c ΝνΜ材 造及純度之不同等級現在可能方便地製成。之再現製 另一個優點為介於具有可調節之轉變外形之 五、發明說明（5) ____ — 可在Z>/VM1W/A2XB2YC2zN2vM2W層之間的接合點之可能製造，其 你，、、、任何限制下再現。 表面狀ΐ ί Ϊ，方法可預定之另一個特點為半導體材料之 可適=祕成何形狀（t〇pographic morphology)。 = ?更進-步的性質為在晶圓表面上之粒子 物及對於應用為重要之所有層之厚度，組成 此處Γ f 有其他特點來達成。 ’此含“導體結晶材料之初期培養之方法 AX (其中Γ ΓΒ曰曰，^第於^ η碳化石夕及石夕上具有式 示第him族元素，及χ，γ或1^兀素，Ν為氮，Μ表 素的莫耳分率），认、# 接 W表不此化合物之每個元 連之不同斜坡Y數培養期間，利用允許生長參數之 養方= 結晶材料之初期培 f 了提供進-步高溫培養使用二：：初；培養方法’ 狀況之突然改變。 < 週田結構，並不需要生長 無需一般發明思想之任何限 已明白地揭示於所有其他細 S明現在將藉由參照 述，直至於本文中並未更詳』的適當具體例來描 之揭示。 也5兒明之所有相關發明細節 初撫崎 第10頁 C:\2D-CODE\90-07\90l08754.ptd 507272 五、發明說明（6) 一關於初期培養，氧化銘基板已預先於一氫氣環境中（丨5〇 宅巴）加熱至1 2 0 0 C，維持3 〇分鐘。伴隨著此釋出被吸收 之物的步驟，基板溫度接著減低至53〇它，以致可確保進 一步培養之再現起始狀態。然後一氨氣流以流速4 5 〇 〇 s c c m於此溫度下通過反應器。由基板溫度開始著手，為了 達到普通咼之生長溫度’接著施用一線性斜坡函數（於8分 鐘之間由5 3 0 C至1 2 0 0 °C )。此時，加熱功能開始，然後 TMGa以20 seem之減低流速通過反應器，其導致氮化鎵於 一低生長速度下生長。 在達到規律的生長溫度後，一層允許以一減低生長速度 維持4分鐘生長。為了增加TMGa流速，接著再次使用一斜 坡函數（T M G a流速之線性傾斜增加由2 〇 s c c ^至8 〇 s c c m，歷 經15分鐘）’以致於避免一連續立體生長以及達成相當於 已知生長速度2微米/小時之一連續較高生長速度。然後， 2微米厚之氮化鎵層，以及於此相配層上沉積五重的 GaInN/GaN 層。 進一步之具體例： 已知之培養條件與此處所推想之新穎技術之比較；使用 以下之成層結構作為測試結構： 5x 2 nm 氮化銦鎵/15 nm氮化鎵 2 // m 氮化鎵：矽緩衝層 2 0 nm氮化鎵成核層 400 /zm青玉基板（0001) 最重要的生長參數（反應器溫度，反應器壓力，\—，4一

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，TMGa，TMIn，TEGa流動）對睥門夕八应 光學特性之評估呈現於表1中。 @展說明於圖3中。 此區別歸因於在基板上之第— 養方法中，第一成枋展斤取孩層之生長。在已知培 ΐ二4一：層，在/氣環境下，於95〇毫巴，530 。伴隨著該層之沉積，生長被打斷:面/:素且非黏著的 从# . 王食被打斷且持續加熱達到1丨70 〇Γ 。接者一改Ό步驟持續2分鐘。於此步驟期間，發生由正 六面體結晶狀態至六角形狀態之再結晶。氮化鎵緩衝層之 生長於1160 C下呈現。在本發明之新穎方法中，於53〇曰。c 加熱至1170 t之步驟期間，無間斷之生長及不需任何可允 許再結晶之改善步驟而發生一連續生長。因此，於氫氣環 境中，在20 0毫巴下發生生長。呈現於表i中之性質的比較 ’於一固定發射波長下顯示一較高之光產率。 參考文獻 [JP/B2/93]專利由Shu ji，Nakamura 申請 NICHIA Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha 曰本專利局，公告專利申請案B2 專利號碼：2778405 [BOY 98] K.Ba 1 akrishnan, H. Okumura, S. Yoshida 藉由輔助電漿MBE於青玉上之六角形氮化鎵支 異質磊晶生長之初期階段的研究 J. Cryst. Growth 189/190, ρρ. 244 et seq. (1998) [HNB + 97] J. Han, T. B. Ng, R.M. Biefeld, Μ. H.

C:\2D-CODE\90-07\90108754.ptd 第12頁 507272 五、發明說明（8)

Crawford Ad. M. Fol lstaedt 於氮化鎵有機金屬化學汽相沉積期間在形態 發展上之H2的影響

Appl. Phys. Lett. 71(21), pp. 3114 et seq ( 1 997) [MTG+98] A. Munholm, CC. Thompson, C. M. Foster, J. A. Eastman, 0. Auciello, G. B. Stephenson， P. Fini， S· P. Den Baars及 J. S. Speck 於利用表面脫落入射X射線散射之氮化鎵成核 層中正六面體對六角形之分率的測定 Appl. Phys. Lett. 72(23), pp. 2972 et seq ( 1 998 ) [OMAB98] T. Onitsuka， T. Maruyama， K. Akimoto及 Y. Bando 藉透射型電子顯微鏡研究於青玉上之氮化鎵 的界面結構 J. Cryst. Growth 189/190, pp. 295 et seq. (1998) [WFT+98] X. H. Wu, P. Fini, E. J. Tarsa, B.

Heying, S. keller, U.K. Mishra, S. P. Den Bears, J. S. Speck 於氮化鎵異質磊晶中之位錯發展 J· Cryst· Growth 189/190， ρρ· 231 et

\\312\2d-code\90-07\90108754.ptd 第13頁 507272 五、發明說明（9) seq. (1998) [GML96 ] N. Grand jean, J. Mass i es AM. Leroux 青玉之氮化。於氮化鎵磊晶覆蓋層之光學性 質的影響

Appl. Phys. Lett. 69(14), pp. 2071 et seq ( 1 99 6 )

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Claims (1)

1. 州7272 .修正本 修正 曰 案號 90108754 六、申請專利^ 化1^ >種供含氮半導體結晶材料之初期培養用之有機金屬 干=相沉積（MOCVD)方法，此含氮半導體結晶材料以式 表示，其中A ’B ’C為第Il5ini族元素，N為氮 Μ表示第v*VI族元素，及χ，γ，z，w表示此化合物之每 ::莫耳分率’此化合物沉積於青玉，碳化矽或石夕上 由土係於連續培養製程中之該等半導體材料之沉積， 2 :=圓之第一瞬間在表面上達成高品質層來呈現。 兮連:申请專利範圍第1項之方法，其中，在前述材料之 g 培養期間，有供連續地再組織用之基板溫 ::速=初期培養期間’藉由斜坡函數之氣流而達成 既逮再現成核層。 函3數；或2項之方法，其中，於使用斜坡 丄數之初期培養期間，於該半導體層中 八面體或六角形）之連續變化來 ^由生長狀况（正 氣相濃度與總壓之變化方式或萨' 曹°:度’以及藉由 續改變，使生長速度連續2精其他重要的生長因子之連 函4數= 之方法，其中，於利用斜坡 St 於該半導體層中藉由生長狀況之連 γ匕：控:缺陷密度(如六角形或正六面 連二利之方法，其中，於該溫度之 連續變化可稭函數T(t)來描述： T(t) = t〇 +ait + a2t^ + a3t3 + ... + a t„。 6·如申請專利範圍第！查！^之方半 *山n A. 之連續變化或影響該六角形 < 正/ 於I程參數 ❿A正^面體生長之製程條件。

   507272 案號90108754 年月日 修正 六、申請專利範圍 7. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，在結晶中控 制位錯密度之其他方法，以致於連續地發生由正六面體生 長至六角形生長之轉變。 8. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，光電子裝置 及電子裝置之適當製造及其他元件，如顯示性質，強度， 電特性及發射波長之改良的均勻性之發光二極體（LED)或 雷射，如申請專利範圍第1至5項之該成核層之性質般，對 溫度之變化及氣相組成物之變化不敏感。

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