TWI306633B - - Google Patents

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1306633 五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種半導體結構及製程，特別是藉由在 單晶磷化硼缓衝層上形成低溫及高溫I I I族-氮化物緩衝層 ，以提供氮化鎵系化合物半導體於後續磊晶時，產生較完 美之晶格匹配結構。 【先前技術】

按，氮化鎵系（GaN-based)化合物半導體材料用於製 作發光二極體（L E D )、雷射二極體（L D )、高頻/高功率電晶 體及光偵測器等元件。其中，發光二極體可發出藍、綠、 超紫和白光，由於LED具備省電、壽命長且安全性高等優® 點，已被廣泛應用在照明設備方面。

目前以氮化鎵或第三族-氮化物為材料的二極體常利 用藍寶石作為基板，同時在基板上先成長一緩衝層，以降 低基板與第三族-氮化物的晶格常數不匹配程度（L a 11 i c e M i s in a t c h)。由於蟲晶層彼此間的晶格匹配程度係為影響 氮化鎵半導體元件之亮度、使用壽命等性能表現的關鍵因 素，因此在基板上先長緩衝層以克服蟲晶問題的技術一直 不斷研發，如美國專利U S: 6 U 75，8 8 2 >1 ;然而，在其緩 衝層上後續成長之磊晶層的晶格匹配程度仍然不夠完美，φ 導致成長完成之氮化鎵元件的性能表現仍然不佳。 在習知技藝中，已有使用矽基板來成長氮化鎵磊晶之 技術，其係因矽基板具有成本低之優點，並可將氮化鎵的 獨特材料特色結合入目前以矽為主的半導體技術；然使用 矽基板同樣亦面臨晶格匹配程度之問題，有鑑於此，已有

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五、發明說明（2) /, V 研究如美國專利第/ 6 0 6 9. 0 2 Ϊ%，其藉由磷化硼緩衝層來降 低矽基板與於磷化硼緩衝層上高溫產生之氮化鎵系磊晶層 (如束缚層及發光層）之晶格匹配結構。然而，事實上，上 述氮化鎵系磊晶層之晶格常數為4 ·立]埃（A )，而磷化硼緩 衝層之晶格常數為4 . 5 3 8埃，二者之晶格匹配不但仍有差 異外，且氮化鎵系磊晶層於高溫下直接成長於上述二磷化 硼緩衝層表面上，仍會產生不明之線缺陷（1 i n e d e f e c t) 現象。 有鑑於此，本發明係針對上述之困擾，藉由在單晶填 化硼緩衝層上先行提供低溫之I I I族-氮化物緩衝層，接續胃 於相同製程中，形成高溫之I I I族-氮化物緩衝層，以提供 氮化鎵系化合物半導體於後續磊晶時，產生較完美之晶格 匹配結構。 【發明内容】 本發明之目的一，係在提供一種氮化鎵系化合物半導 體之磊晶結構及其製作方法，其係在同一製程中，利用低 溫與高溫的條件下成長氮化鎵系緩衝層，其不但與基板間 之晶格匹配度極佳，且可使後續之磊晶層具有較完美晶體 結構’以克服習知蠢晶層之晶格匹配度差之問題。 本發明之目的二，藉由在矽或碳化矽基板上形成低溫' 與高溫條件下成長的氮化鎵系緩衝層，使氮化鎵系化合物 半導體元件具有極佳之晶體結構，且同時達成提昇元件發 光效率、亮度與使用壽命等效能之最終目的。 本發明之目的三，係藉由在矽或碳化矽基板，有別於

第6頁 1306633 五、發明說明（3) 習知藍寶石基板之前提下，提供一種氮化鎵系化合物半導 體之磊晶缓衝層結構及製作方法，此舉，可具有成本低廉 之優點。 為達到上述之目的，本發明係先磊晶形成—鱗化蝴緩 衝層於一基板上’而後在低溫下形成一第一緩衝層於該鱗 化觸緩衝層上，且第一緩衝層由I丨I族-氮化物之材料^ 成’接著在高溫下形成一第二緩衝層於該第一緩衝層上、， 且該第二緩衝層亦為I π族-氮化物之材料所構成者。

Sr 根據本發明’上述基板例如為單晶矽，上述磷化蝴 衝層例如為單晶結構，包括一在溫度3 0 0 至85〇下 之低溫磷化硼缓衝層及一在溫度8 〇 〇 °c至丨丨〇 〇。〇下帘' 高溫磷化硼缓衝層；上述第一緩衝層之形成溫度7入之 200 t至80(TC之間，上述第二缓衝層之 ="於 800 X：至llOOt之間。 成皿度例如介於 根據本發明，上述第一緩衝層及第 如為Α1»ζΝ ’其中〇 gxy，〇 衝層之材料例 。上述第一緩衝層及第二緩衝層之材料= j ’ x + y + z = i 中0 oau，x+y+z=t 為1n鄭上，其 底下藉由具體實施例配合所附的 容易瞭解本發明之目的、 =力:說明’當· 效。 将點及其所達成之^ 【實施方式】 it#第一圖至第五圖係為本發明於製作4 導體的蟲晶結構剖視圖，請先參閱以:叙系化合物半

第7頁 不 為本發明 1306633

之結構不意圖’本發明 晶結構包括 硼（BP)緩衝 緩衝層1 4上 基板1 0， 層12及一高 形成有一 11 緩衝層16上形成有一 揭露之氮 在基板1 0 溫磷化硼 I族-氮化 I 11族-氮 在了解 各層結構及 本發明之整體結構後 製作方法，請參閱第 ’如第一圖所示’提供一基板1 〇 板。基板1 0 氛下，將基 圖所示，利 或碳化石夕基 於氫氣之氣 二圖及第三 可先以適 板1 0加熱 用鹵化物 —丁' 兮物半導體之磊 上依序形成有一低溫填化 緩衝層1 4 ’在高溫磷化硼 物之第一緩衝層16，且第 化物之第二緩衝層1 8。 ’接續詳細說明本發明之 一圖至第五圖所示。首先 ’此基板1 0可為一單晶矽 當溶液進行化學清洗，^ 至約9 0 〇 °c ;接著，如第修 氣相蟲晶法（Halide vapor phase epitaxy)，在基板1〇之{1〇〇丨晶面表面上於 低溫下蟲晶成長一多晶結構的低溫碟化爛緩衝層1 2，接續 在低溫磷化棚緩衝層1 2上於高溫下形成一單晶結構的高溫 填化硼緩衝層1 4 ’且於此高溫條件下，低溫碟化爛緩衝層 1 2會由多晶結構轉變為單晶結構。 θ 其中’該鹵化物氣相磊晶法係以氫氣作為載氣（ Carrier gas) ’且以氯化硼（BCI3)及氯化磷（PCi3)或氣化 硼（BCI3)及磷化氫（PHs)作為前驅物來進行反應，而低溫· 化硼緩衝層12係在溫度約300 °C至8 50。(：下長成，較佳者T 380 °C ’其厚度約40 0奈米（nm)左右；高溫磷化硼緩衝層14 係在溫度約8 0 0 °C至11 0 0 °C下形成，較佳者為1 〇 3 0。(：，形 成之厚度約4560nm。 而後，如第四圖及第五圖所示，利用金屬有機化學氣

第8頁 1306633 五、發明說明（5) 相沈積法（Metal-organ chemical vapor deposition，

MOCVD) ’在高溫磷化删緩衝層μ上依序形成一第一緩衝層 1 6及一第二緩衝層1 8，第一緩衝層1 6係在低溫下形成，其 羞晶溫度可在2 0 0。(：至8 0 0 °C之間’較佳者為4 5 0 °C至6 0 0 °C ;而位於第一緩衝層1 6上之第二緩衝層丨8係在高溫下形成 ’其磊晶溫度係在8 0 0 t：至1 1 〇 〇 °c之間較佳者係為8 〇 〇 左 右。上述第一緩衝層16及第二緩衝層18之材料組成係由 πι族-氮化物所構成，且第一缓衝層16及第二緩衝層18之 材料係同為AlxInyGazN或同為inxGayNzP，其中〇 $1，〇 SySl，〇$Z$l，X + y + z = l。 _ 其中’第一緩衝層1 6及第二緩衝層1 8因應不同I丨丨_v f化合物半導體之材料組成，其利用M〇CVD法形成磊晶之 刖軀物通常係選自曱基聯胺（m〇n〇me1;hyl hydrazine， )、三曱基鎵（1：1^1116七1^1§811111111，了材0)、三甲基鋁（ trimethy aluminum ;TMA1)、三曱基銦（trimethy indium ; TMIn)及龍3所組成之群組的其中之一者，至於如 何以M0CVD法將該些前軀物進行反應，則為熟習此項技藝 者所熟知的，故於此不贅述。 筑

由於本發明之基板材質為矽，其係為鑽石結構（ Diamond structure)，矽之晶格常數為5. 431 埃（Α)，而， 化删為閃鋅礦結構（Zinc biende structure)，其與鑽石 釔構具有相同之晶格排列結構，且罐化硼之晶格常數為 4. 5 38埃，因此磷化硼層與矽基板的晶格不匹配度約為1 ，與習知晶格不匹配度比較起來，係為一極低者，故可使

第9頁 1306633 五、發明說明（6) 後續之磊晶層具有較完美之晶體結構。 因此，本發明利用先在基板上成長一磷化硼缓衝層， 使其先與基板間有最佳之晶格匹配度，再利用於同一製程 中，以低溫及高溫之條件下依序成長二氮化鎵系緩衝層， 使其與磷化硼緩衝層亦具有最佳之晶格匹配度。故本發明 在有別於習知藍寶石基板之前提下，不但具有成本低廉之 優點，且同時使後續之磊晶層可具有較完美之晶格結構， 進而達成提昇元件發光效率、亮度與使用壽命等效能之最 終目的。

以上所述係藉由實施例說明本發明之特點，其目的在β 使熟習該技術者能暸解本發明之内容並據以實施，而非限 定本發明之專利範圍，故，凡其他未脫離本發明所揭示之 精神所完成之等效修飾或修改，仍應包含在以下所述之申 請專利範圍中。 【圖號簡單說明】 10基板 1 2低溫磷化硼緩衝層 1 4高溫磷化硼緩衝層

1 6第一緩衝層 _ 1 8第二緩衝層 響

第10頁 1306633 圖式簡單說明 第一圖至第五圖為本發明之結構剖視圖。

Claims (1)

1306633 六、申請專利範圍 1 · 一種氮化鎵系化合物半導體磊晶結構，包括： 一基板； 一單晶結構之磷化硼緩衝層，位於該基板上； 一第一緩衝層，係在溫度2 0 0°C至8 0 0°C之低溫下形成 於該磷化硼緩衝層上，且該第一緩衝層由I I I族-氮 化物之材料所組成；以及 一第二緩衝層，係在溫度8 0 0°C至1 1 0 0°C之高溫下形 成於該第一緩衝層上，且該第二缓衝層係由I I I族-氮化物之材料所組成。

2 .如申請專利範圍第1項所述之氮化鎵系化合物半導體® 磊晶結構，其中，該基板係由單晶矽所構成。 3 ·如申請專利範圍第1項所述之氮化鎵系化合物半導體 磊晶結構，其中，該磷化硼緩衝層係包括一在溫度 3 0 0°C至8 5 0°C下形成之低溫磷化硼緩衝層及一在溫度 8 0 0°C至1 1 0 0°C下形成之高溫磷化硼緩衝層。 4 ·如申請專利範圍第1項所述之氮化鎵系化合物半導體

磊晶結構，其中，該第一緩衝層及該第二緩衝層之材 料係為 A 1 XI n yGa ZN，其中 OS xS 1， OS 1， OS zS 1，x + y + z = 1 ° · 5 ·如申請專利範圍第1項所述之氮化鎵系化合物半導體_ 磊晶結構，其中，該第一緩衝層及該第二缓衝層之材 料係為 I n xGa yN ZP，其中 OS 1， OS 1， OS 1, x + y + z = 1 ° 6 . —種氮化鎵系化合物半導體磊晶結構之製作方法，包

第12頁 1306633 六、申請專利範圍 括下列步驟： 提供一基板； 蟲晶形成一單晶結構之填化棚緩衝層於該基板上； 在溫度2 0 0°C至8 0 0°C之低溫下磊晶形成一第一緩衝層 於該磷化硼緩衝層上，且該第一緩衝層係由I I 1族-氮化物之材料所組成；以及 在溫度8 0 0°C至1 1 0 〇°C之高溫下磊晶形成一第二緩衝 層於該第一缓衝層上，且該第二缓衝層係由II 1族_ 氮化物之材料所組成。

7 _如申請專利範圍第6項所述之製作方法，其中，該基® 板係由單晶矽所構成。 8 _如申請專利範圍第6項所述之製作方法，其中，該磷 化硼缓衝層係包括一在溫度3 0 0°C至8 5 0°C下形成之低 溫磷化硼緩衝層於該基板上以及一在溫度8 0 0°C至 1 1 0 0°C下形成之高溫磷化硼緩衝層。 9 ·如申請專利範圍第6項所述之製作方法，其中，該第 一緩衝層及該第二緩衝層之材料係為A 1 XI n yGa ZN，其 中 OS xS 1, OS yS 1, OS zS 1， x+y+z=l。

1 0 .如申請專利範圍第6項所述之製作方法，其中，該第I 一缓衝層及該第二緩衝層之材料係為I n xGa yN ZP，其 _ 中 OS 1， OS yS 1, OS zS 1， x+y+z=l。

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