TWI308552B - - Google Patents

Description

1308552 五、發明說明α) 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種三族-氮奈米結構（m ' nanostructure) ’更特別係有關於一種垂直於基板表面，-柱狀之三族-氮奈米結構及其製造方法。 【先前技術】 典型上’三族-氮半導體奈米柱（線）及其複合材料， 一般是以電弧法（Arc discharge)、雷射消融法（Laser ablation)以及化學氣相沈積法（chemical vapor deposition)製造。於這些製造過程中，均係以觸媒輔助 的方式成長，所用的觸媒多為金屬或其氧化物，一般係是 二族金屬或混合其金屬氧化物，以電弧、雷射消融或高溫 溶融為液態或蒸氣，在高溫的環境下通以氨氣，最後化合 而成奈米柱（線）。 無論是電弧法、雷射消融法或化學氣相沈積法，其在 柱(線)方面所面臨的共同問題，就是無法有效的 ^長品質及精確的控制其複合材料的組成。由於，製 還：：：：了材料本身需具備有高品質的結晶結構外’ 前技術中，所獲得之的Ϊ分比。於前述之先 這些製程所製造之夺平=亦無法有效的控制。因此，4 產品*，例線體應用至各種不同? 效電晶體。 不米田射一極體、奈米碭

1308552 五、發明說明（2) ' --- ;MBE)，係於諸如石夕之類的基板上，配置非 及半導體物質之一良好的加工製成。該分 -匕：”利用一非常高度的真空室，其具有該基板及 或夕個崧發坩鍋。欲沈積之材料係於一坩鍋中加熱，直 允該材料瘵發。蒸發材料的分子無阻礙的以直線通過該真 二至該^板之表面上。因為其直線前進的路徑，該分子很 輕易的藉由適當的裝置，平行對齊形成一可控制的分子 束’ ^此由一選定的方向’以一選定的速率碰撞於該基板 上。變化掛銷的加熱溫度，便可以控制自由分子之產生 率。 2002年5月14日頒予Fathauer之美國專利第6, 387, 781 號中’揭示一種三維半導體結構之製造方法，其編入本文 以為參考。該專利所揭示之方法，係利用分子束磊晶裝置 开v成二維之半導體結構。然而，此種方法並未能完全滿足 二族奈米柱的需要 有鑑於此，便有需要提供一種三族-氮奈米柱及其 造方法，以滿足三族-氮奈米柱的需要。 【發明内容】 本發明之一目的在於提供一種三族-氮奈米柱及其 製

^方法’該奈米柱係大體上垂直的配置於一基板上，具有 平垣的頂部表面，並可具有諸如斜面及尖錐狀等之形狀， 以及六角形狀之外形。 為達上述目的，本發明提供一種三族氮奈米結構包含 "'基板，以及一奈米柱，大體上垂直的配置於該基板上，

第5頁 1308552 五 '發明說明（3) ---- 且係由三族氮_所組成。該奈米柱具有六角形之外形，以 及平坦之頂部表面。 7 根據本發明之奈米柱係利用分子束磊晶所形成。 根據本發明之奈米柱可具有量子井Uuantum weUs) 結構’超晶格（super lattice)結構，以及雙異質結構 (double heterostrueture)。因此’根據本發明之奈米柱 可應用於奈米發光二極體（nan〇_LED)、奈米雷射二極體 (nano-LD)、以及奈米場效電晶體（nan〇_FET)。 為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更 明顯’下文特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖示，作 詳細說明如下。 【發明内容暨實施方式】 參考第1圖，其揭示根據本發明之一分子束磊晶 (molecular beam epitaxy)裝置1〇。該分子束磊晶裝置1〇 大體上包括超高度真空之一真空室12。一基板18，諸如 石夕、氧化鋁（Al2〇3)、砷化鎵（GaAs)、氧化鋅（ZnO)及玻 璃’係配置於該真空室12内。一氮氣源14係藉由射頻（RF) 能量形成電漿。 俠 複數個三族金屬源1 6係配置於該真空室1 2内。該金倉 源16係為高純度，舉例而言，純度係為7N5 (99. 99995%以 上）。該金屬源16可包含鎵源16a、銦源16b、以及鋁源 1 6c，用以形成不同成分之奈米柱。 複數個摻雜源1 7係配置於該真空室1 2内。該摻雜源1 7 係為高純度。該摻雜源可包含鎂源1 7a以及矽源1 7b，其中

00679.ptd 第6頁 1308552 五、發明說明（5) 的。舉例而言，該奈米柱4 0之頂部係為平坦之水平面或平 坦之斜面。該奈米柱4 〇之直徑係約小於1 // m。 _ 再者，如第3圖所示，該奈米柱40中可包含複數層之 -量子井42。於製造過程中，該鎵源16a、該銦源16b、以及 該鋁源1 6c係可皆配置於該真空室1 2内，且選擇性的被持 續或間歇加熱，以及該金屬源檔板1 8之開與關，藉此該奈 米枉中形成不同的量子井（quant um we 11 s) 42。勿庸費 述’該摻雜源1 7亦可被選擇性的間歇加熱，且該摻雜源標 板1 9亦可開啟或關閉，用以形成不同之量子井42。如前所 述’ ^亥奈米柱40可為不同的三族-氣所組成，該量子井42 亦可為不同的三族-氮所組成，諸如氮化鎵、氮化銦 '氮 化铭、氮化鎵姻、氮化鋁鎵、氮化鋁銦、或氮化鋁鎵銦。 再者’該奈米柱40及/或該量子井42亦可被摻雜，其中n型 摻雜為碎，摻雜濃度為1(F-1(F cm-3，p型摻雜為鎂'，摻雜 濃度為1015-102ΰ cm-3。 參考第4及5圖’顯示根據本發明之一實施例之氮化鎵 奈米柱（GaN nanorods)之掃瞄式電子顯微鏡之影像。垂直 的氮化鎵奈米柱係凸出於該氮化鎵膜之上，高度約為丨.5 ’直徑小於等於2〇〇nm。如第4圖所示，該氮化鎵奈来# 柱具有平坦的頂部表面，以及具有六角形之外形。如第5 % 圖所示，該氮化鎵奈米柱皆為垂直於基板。 再者’根據本發明之奈米柱可具有量子井（quantum wells)結構’超晶格（superlattice)結構，以及雙異質会士

00679.ptd 第8頁 1308552 五、發明說明（6) 柱可應用於 (nan〇-LD) 雖然前 必須瞭解到 實施例，而 原理之精神 用於很多形 修改。因此 視為用以說 圍應由後附 並不限於先 本發明 可能使 利範圍 將可體 、材料 施例於 制本發 並涵蓋 奈米發光二極體（nan〇_ 以及奈米場效電晶體（ 述的描述及圖示已揭示 各種增添、修改和取代 不會脫離如所附申請專 及範圍。熟悉該技藝者 式、結構、佈置、比例 ，本文於此所揭示的實 明本發明’而非用以限 申請專利範圍所界定， 前的描述。 LED)、奈米雷射二極體 nano-FET) 之較佳實 用於本發 所界定的 會本發明 、元件和 所有觀點 明。本發 其合法均 施例， 明較佳 本發明 可能使 組件的 ，應被 明的範 等物，

1308552 圖式簡單說明 【圖式簡單說明】 第1圖為根據本發明之奈米柱之分子束磊晶裝置之系統示 意圖。 第2圖為根據本發明之一實施例之奈米柱之立體示意圖。 第3圖為根據本發明之另一實施例之奈米柱之立體示意 圖。 第4及5圖為根據本發明之奈米柱之場發射掃瞄式電子顯微 鏡之影像。

圖號說明】 10 分子束磊晶裝置 12 真空室 18 基板 14 氮氣源 16 三族金屬源 16a 鎵源 16b 銦源 16c 鋁源 17 摻雜源 17a 鎂源 17b 矽源 18 金屬源檔板 19 摻雜源檔板 40 奈米柱 42 量子井

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Claims (1)

1308552

告

申請專利範圍 丨，一種三族-氮奈米結構，包含： 一基板；以及 一奈米柱，大體上垂直的配置於該基板上，且係由三族-氮所組 成，其中該三族·氮係由氮.化鎵、氮化銦、氮化鋁 '氮化鎵銦、氮化 鋁鎵'氮化鋁銦、及氮化鋁鎵銦所構成之群組中選出，其中該奈米 柱具有六角形之外形，且該奈米柱直徑係+於約l/im。

2. 依申請專利範圍第1項之三族-氮奈米結構*其中該奈米柱具 有平坦之頂部表面。 3. 依申請專利範圍第1項之三族-氮奈米結構，其中該奈米柱另 包括複敫個量子并。 4. 依申讀專利範圍第3項之三族-氮奈米結構 > 其中該量子共之 組成係由氣化鎵，氮化銦' 氮化鋁、氮化鎵德I、氮化鋁鎵、氮化鋁 銦、及氮化鋁鎵銦所構成之群組中選ώ。

5. 依申請專利範圍第〗項之三族-氮奈米結構，其中該奈米柱包 含掺雜材料。 6. 依申請專利範圍第5項之三族-氮奈米結構，其申該夯米柱之 該掺雜材料係由鎂及矽所構成之群組中選岀。 7. —種製造三族-氮奈米結構的方法，包含步驟： 提供一真空室； 提供一基板，配置於該真空室内：； 提供一氮氣源，注八氮氣； 1308552 利珣射頻能量將該氮氣形成電漿； 提供至少一個三族金屬源’配置於該真空室内’其中該三族金 屬源係由鎵源、銦源、以及鋁源所構成之群組中選出； 將該三族金屬源加熱，藉此形成三族-氮奈东柱，其中該三族_ 氮奈米枉大體上垂直的配置於該基板上；其中當該三族金屬源選自 鎵源時 '該基板之溫度為2〇〇°C至700°C，N/Ga〔氣/’鎵通量比為 20至400 ’奈米柱之生長其N/Ga通量比為20至400時，該基板之生長 溫度為5〇〇 C至10003C，但該奈米柱之生長其N/Ga通量比為2〇以下 時，基板溫度為800°C以上。 8.依申請專利範圍第7項之方法，另包含下列步驟： 挺供王少一個第一檔板，配置於該金屬源處；以及 控制該第—檔板之開啟與關閉，以改變該三族遗奈錄之組 9'依申請專利範圍第7項之方法，另包含下列步驟： 提供至少-個掺雜源，配置於該真空室内；以及 之組成 將該掺雜源加熱，藉此將該三族-氮奈米柱中振雜 申請專利軸9項之方法，另包含下列歩驟: 提供至少一個第_ ； Μ反’配置於該掺雜源處 控制該第二檔板t 反《開啟與關閉1改變該三埃 氣奈米枉之掺雜 ，其中該捧雜溽係由鎂及矽所 依申請專利範.圍第9項之方法 構成之群乡且中選出。 * 1308552 12.依申請專利範圍第9項之方法，另包括-將該三族金屬源及該掺雜源選擇性間歇地加熱，藉此於該奢米 柱中形成量子井。 B.依申請專利範圍第10項之方法，另包括： 控制該第一檔板及第二檔板之開啟與關閉5藉此於該奈米柱中 形成量子井。 14. 依申請專利範圍第7項之方法，另包括： 將該三族金屬源選擇性間歇地加熱，藉此於該奈米柱中形成量 子井ι__ 15, 依由請專利範圍第8項之方法，另包括： 控制該第一檔板之開啟與關閉，藉此於該奈米柱中形成量子