TW511143B - Method for forming GaN/AlN superlattice structure - Google Patents

Description

511143 五、發明說明α) #發明範圍 本發明係有關於一種在氮化鎵半導體元件中製作超晶 格的方法及結構，特別是關於成長能阻擋差排發展之超晶 格的方法及結構。 #發明背景 、寬能隙、高強度化學鍵 近年來已被積極開發，應 功率和高溫電子等元件。 無法製成，使得大部份氮 有相當晶格錯配量的基 1203 ? sapphire ) 、 6H- 、矽（Si ) 板和蠢晶溥 排（M i s f i t 元件中，其 匹配及熱膨 ，這些應變 以釋放能量 為貫穿式差 這些差排往 效之元件上 差排的存在 生。在元件 、及立方結構 膜間晶格的不 Dislocation 結構常為異質 脹係數之差 能在元件製造 。部分錯位差 排 往是造成元件 作顯微組織分 ，這些錯位差 之活化區 氮化鎵系材料具備直接能隙 結與良好之抗輻射強度等優點， 用在藍/綠〜紫外光發光元件、高 目前大尺寸的氮化鎵晶圓尚 化鎵半導體元件需.採用和氮化鎵 板。一般使用的有C面氧化銘（A 碳化碎（S i C )、坤化蘇（G a A s ) 石炭化石夕（/5-SiC)等等。由於基 匹配而產生的應變常引發錯位差 )的形成。此外，在典型的光電 結構’由於蟲晶艇之間的晶格不 異，容易在異質界面累積應變能 及使用過程往往會形成錯位差排 排更會延伸至晶體表面，被稱之 (Threading Dislocation ) 〇 退化之主要原因。在已退化或失 析時，經常可清晰地觀察到錯位 排缺陷一般由異質界面上開始產

511143 五、發明說明（2) (Active Region)，倘有差排之存在，則會成為少數載 子（Minority Carriers)之陷阱（Traps)或再結合中心 (Recombination Centers )，因而影響此類半導體元件 的特性及品質。例如對發光元件而言，差排缺陷的存在使 得過剩載子結合不以發光再結合型態（R a d i a t i v e Recombination)釋出能量，反而藉由非輻射再結合效應 (Nonrad i at i ve Recombination Effect )將能量釋出。

除了提供陷阱捕捉少數載子外，差排也提供載子濃度擴散 的捷徑（Short cut )。對一具特定載子分佈的元件而 言，載子沿著差棑作快速擴散或是載子偏聚於差排附近， 均會導致元件載子分佈的不均勻，而影響元件之功能。 由於沒有晶格常數與氮化鎵完全匹配的基板，所以目 前在生長氮化鎵薄膜時多採異質磊晶生長。以使用最多的 C面氧化铭基板為例，雖然氧化铭基板的物性及化性皆相 當穩定，但是它與氮化鎵薄膜間約有1 6 %的晶格錯配量，

這造成生長在氧化鋁基板上的氮化鎵薄膜缺陷密度很高， 通常内部都會存在10E11〜10E9/cm2密度的差排。為了能夠 有效地減少差排密度，相關研究人員開發了許多方法想要 解決此一問題，例如：橫向蟲晶（L a t e r a 1 E p i t a X i a 1 Overgrowth )法、缓衝層結構，先在基板上低溫成長很薄 的氮化鋁（A 1 N )或氮化鎵（G a N )作為緩衝層，以緩和磊 晶薄膜和基板間的晶格不匹配，藉以改善後續生長之高溫 氮化鎵的蠢晶品質、應變超晶格結構（S t r a i n e d L a y e r Superlattice)及中間層（Intermediate-Layer)結構等

第6頁 511143 五、發明說明（3) 等。即便如此，一般用於超高亮度藍綠色發光二極體之氮 化物材料之差排密度卻仍高達1 Ο E 8〜1 Ο E 1 0 / c m 2。近年， Nakamura 利用ELOG (Epitaxial Lateral Overgrowth )方 式製作出壽命達10000小時之藍光雷色二極體，其主要的 突破之一即利用所謂E L 0 G方式進一步降低貫穿式差排之密 度。 #發明標的及描述

因此想要製造高品質之氮化鎵半導體元件，降低氮化 鎵磊晶薄膜中的貫穿式差排密度是非常重要的條件。本發 明目的即在提出一種成長超晶格的結構及方法’以降低氮 化鎵磊晶薄膜中之差排密度。 本發明係利用在製程中加入氮化鋁/氮化鎵之超晶格 結構以阻擋貫穿式差排降低差排密度。氮化鋁/氮化鎵之 超晶格結構可分為：（1 )先在基板上成長氮化鋁/氮化鎵 超晶格結構再成長氮化鎵化合物磊晶。（2 )在兩層氮化 鎵化合物磊晶之間成長氮化鋁/氮化鎵之超晶格結構。 為了進一步說明本發明之結構、製作方法及特徵，可由下 文詳細之描述及附圖而有更清楚的認識。

#詳細描述 下面’以在C面氧化銘基板上’成長氮t化蘇蠢晶為 例，說明本發明之結構。 在較佳具體實施例中，請參閱第1圖，一 C面氧化鋁基

第7頁 511143 五、發明說明（4) 一 板（標示1 0 )，在該基板上方生長第一層（標示2 0 )之氮 . 化鋁緩衝層，厚度在1 0 0至3 0 0 n m之間；第二層（標示3 0 )，生長於前述第一層（標示20)上，為氮化銘/氮化鎵 _ 之超晶格結構，氮化鋁/氮化鎵厚度組合為4〜7 n m / 4〜7 n m， . 對數在3至20對之間，總厚度在2 4至2 8 0 nm之間；第三層 ‘ (標示4 0 )，生長於前述第二層（標示3 0 )上，為氮化鎵 磊晶層。應用第1圖中之超晶格結構可非常有效的阻擋差 排往上發展。第2圖是底層未生長氮化鋁/氮化鎵超晶格結 構的氮化鎵薄膜之橫截面穿透式電子顯微（TEM )照片， 第3圖是底層生長氮化鋁/氮化鎵超晶格結構（1 0對）的氮 化鎵薄膜之橫截面穿透式電子顯微（T E Μ )照片，比較第2 ® 圖、第3圖，明顯顯示氮化鋁/氮化鎵超晶格結構非常有效 的阻擋差排往上發展。 第4圖為本發明之另一較佳具體實施例，氮化鋁/氮化 鎵之超晶格結構（標示6 0 )，氮化鋁/氮化鎵厚度組合為 4〜7nm/4〜7nm，對數在3至20對之間，總厚度在24至280nm 之間。此氮化鋁/氮化鎵之超晶格結構（標示6 0 )生長於 下層氮化鎵化合物蠢晶（標示5 0 )和上層氮化鎵化合物蠢 晶層（標示7 0 )之間。第5圖是在氮化鎵磊晶膜中間加入 氮化鋁/氮化鎵（5對）超晶格結構之橫截面穿透式電子顯 微（TEM )照片，在此結構中，明顯顯示氮化鋁/氮化鎵超 φ 晶格結構也非常有效的阻擋差排往上發展。 第6圖顯示本發明較佳具體實施例之氮化鋁/氮化鎵超 晶格結構，結構内之磊晶膜界面會有雙軸向應變

第8頁 511143 五、發明說明（5) (Biaxial Strain)的產生，氮化鎵薄膜（標示80)會感 受到雙軸向壓縮式（C 〇 m p r e s s i v e )應變而氮化I呂薄膜 (標示9 0 )則感受到雙轴向伸張（E x t e n s i v e )應變。氮 化鎵薄膜（標示8 0 )的厚度及氮化銘薄膜（標示9 0 )的厚 度均會影響阻擋差排的效果並且會導致新的缺陷產生，例 如錯位差排，進而影響其後氮化鎵磊晶層的品質，經我們 實驗評估的結果，氮化銘/氮化鎵厚度之組合以5 n m / 5 n m較 佳。理論上，超晶格結構中氮化铭/氮化鎵的對數愈多， 阻擋的效果愈好，但就實際應用需求、製作良率及成本的 考量下，以三對到二十對的結構較佳。

前述之氮化鎵嘉晶層（標示40、50及70)，可為η型 GaN 、AlGaN 、InGaN 及AlGalnN 等材料。氮化鎵半 導體元件所使用之基板（標示1 0 )材料，並不限於前述較 佳具體實施例所引述者，其亦包括各種具恰當特性之材 津斗，{列如·· 6 Η —石炭4匕石夕（S i C )、石申4匕#家(G a A s )、石夕(Si )、及立方結構碳化矽（/3 - S i C )等等。此外，第1圖第 一層（標示2 0 )之氮化鋁緩衝層，也可以是氮化鎵緩衝 ^ 〇

第1圖及第4圖之氮化鋁/氮化鎵之超晶格結構，其生 長溫度界於4 5 0〜6 0 0 °C之間或9 0 0〜1 2 0 0 °C之間。雖然本發 明的製作方法係利用原子層蠢晶（A t 〇 m i c L a y e r E p i t a X y， A L E )法，但也可使用其他的沉積方法來製作，例如金屬有 機化學氣相沉積法（MOCVD )、分子束磊晶法（MBE )等。

第9頁 511143 五、發明說明（6) #圖例簡述 第1圖係本發明中之一較佳具體實施例的結構示意圖； 第2圖是底層未生長氮化鋁/氮化鎵超晶格結構的氮化鎵薄 膜之橫截面穿透式電子顯微（TEM )照片； 第3圖是底層生長氮化鋁/氮化鎵超晶格結構（SLS，10對 )的氮化鎵薄膜之橫截面穿透式電子顯微（TEM )照片； 第4圖係本發明中之另一較佳具體實施例的結構示意圖； 第5圖是在氮化鎵磊晶膜中間加入氮化鋁/氮化鎵（5對） 超晶格結構之橫截面穿透式電子顯微（TEM )照片；

第6圖係本發明之氮化鋁/氮化鎵超晶格結構示意圖

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Claims (1)

1. 511143 六、申請專利範圍 1. 一種在氮化鎵半導體元件中阻擋差排生長之阻擋結 構，該阻擋結構包括： (I )在基板上形成第一緩衝層，係利用由氮化鋁或氮化 鎵所形成； (Π )在前述第一緩衝層上生長氮化鋁/氮化鎵超晶格結 構。 2. 如申請專利範圍第1項的阻擋結構，其中，前述氮化鋁 /氮化鎵超晶格結構中，單--對之厚度組成範圍為 4〜7nm/4〜7nm 〇

   3. 如申請專利範圍第1項的阻擂結構，其中，前述氮化鋁 /氮化鎵超晶格結構的對數為3對至2 0對。 4. 一種在氮化鎵半導體元件中阻擋差排生長之阻擋結 構，該阻擋結構為一氮化鋁/氮化鎵超晶格結構，形成於 兩層氮化鎵化合物蟲晶之間。 5. 如申請專利範圍第4項的阻擋結構，其中，前述氮化鋁 /氮化鎵超晶格結構中，單——對之厚度組成範圍為 4〜7nm/4〜7nm 〇 6. 如申請專利範圍第4項的阻擋結構，其中，前述氮化鋁 /氮化鎵超晶格結構的對數為3對至2 0對。

   7. 如申請專利範圍第1項或第4項的阻擋結構，其中，前 述氮化鋁/氮化鎵超晶格結構的生長溫度界於4 5 0〜6 0 0 °C之 間或9 0 0〜1 2 0 0 QC之間。

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