TWI323005B - Mbe growth of an algan layer or algan multilayer structure - Google Patents

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TWI323005B TW092122895A TW92122895A TWI323005B TW I323005 B TWI323005 B TW I323005B TW 092122895 A TW092122895 A TW 092122895A TW 92122895 A TW92122895 A TW 92122895A TW I323005 B TWI323005 B TW I323005B
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Description

坎、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 二:明係關於蟲晶成長—氮化叙鎵層之分子束蟲晶 0<)方法。本發明可以應用在—含有-㈣多層㈣a,XN (〇 S X s 1)之半導體層結構的磊曰 夕 π曰日成長上，例如一量子井或 夕置子井結構。該層結構可以併人—半導體發光裝置卜 【先前技術】 利用「氮化鋁鎵」 於 1之 AlxGaNxN (0 < 族’包含X = 〇和χ=1 化（鋁，鎵）」。 一詞來表示鋁莫耳分率不是〇,但是小 X S1)材料家族的一員。完整的材料家 ’將會為了敘述便利性而在此稱為「氮 7樣地，利用「氮化銦鎵」一詞來表示鋁莫耳分率不是〇, 但是小於1之InyGai-yN (0 < y s Ό材料家族的一員。完整的 材料家族，包含y = 〇和y=1，冑會為了敘述便利性而在此 稱為「氮化（銦，鎵）」。 在一基材上磊晶成長III族氮化物半導體材料可以利用分 子束磊晶法（MBE)或有時被稱為氣相磊晶法（VPE)的化學氣 相沈積法（CVD)來達成。 CVD/VPE在一通常處於大氣壓力下但有時處於一般約1〇 千帕的稍低壓力下之設備内發生。氨和提供欲用在磊晶成 長上的一種或多種III族元素之物種實質上係經平行供給至 欲發生蟲晶成長的基材表面上，因此形成一鄰接於並流動 通過該基村表面的邊界層。形成氮和其他欲磊晶沈積的元 素之分解係在此氣態邊界層内發生’因此該磊晶成長係由 87480-980714.doc 1323005 氣相平衡來控制。
與CVD/VPE相反，MBE係在一高真空環境下執行。在將 MBE應用在氮化（鋁，鎵）系統的情況中，則會應用一超高真 空（UHV)環境，通常約1 X 1(Γ3帕。一氮前驅物係利用一供給 導管來供給至該ΜΒΕ反應室内，此外提供鎵及/或鋁的物 種，若需要的話以及一適合的摻質物種的提供係從設置有 可控制開閉器（shutter)之加熱的喷射槽（effusion cell)内之 適當來源來供給，以控制在磊晶成長期間供給至該MBE反 應室内的物種量。來自該喷射槽之開閉器控制出口以及該 氮供給導管係面對著要進行磊晶成長的基材表面。該氮前 驅物和該喷射槽所供給的物種利用沈積動力驅策的方式通 過該MBE反應室並抵達發生磊晶成長的基材處。
目前，大部分高品質氮化物半導體層的成長係利用有機 金屬氣相磊晶（MOVPE)製程來執行。M0VPE製程容許成長 在V/III比例遠超過1000:1的情況下發生。V/III比例是在成 長製程期間V族元素對III族元素的莫耳比。高的V/III比例 是較佳的，因為其容許使用較高的基材溫度，進而產出品 質較佳的半導體層。 目前，利用MBE來成長高品質氮化物半導體層比利用 M0VPE來成長這樣的層要來得困難。主要的困難點在於在 成長製程期間供給足夠的氮，並且要在氮化物半導體層的 MBE成長期間得到10:1或更大的V/III比例是有困難的。在 MBE成長氮化物層中，兩種常用的氮來源是電漿激發分子 氮或氨。 87480-980714.doc -8- ⑤ 1323005 許多電子或光電裝置，例如發光裝置，比如發光二極體 (LEDs)或雷射二極體，包含氮化（鋁，鎵）層或氮化（鋁鎵） 層結構（異質結構）。因此氮化（鋁，鎵）層的成長在商業上有 相當的重要性。 有一些關於利用有機金屬VPE來成長氮化鋁鎵層和氮化 在呂鎵異質結構的揭示，包含S Nakamura在「藍光雷射二極 體」書中，由Springer出版社發行。利用Μ〇νρΕ成長的氮化 在呂嫁層及層結構已被併入LEDs和雷射二極體中。 M· J. Murphy等在「MRS氮化物半導體研究網路期刊」， 4S1 ’ G8.4(1999)中揭示利用分子束磊晶法來成長一氮化鋁 鎵層。此先前技術給予例如場效電晶體之電子裝置大有可 為的結果，但與氮化鋁鎵層結構的成長並無關連。 N. Grandjean 和 J· Massies在「應用物理通信（Appl phys Lett.)」卷 71，第 1816頁（1997)，以及N. Grandjean 等在「半 導體科學與技術（Semic· Sci. & Techn.)」卷16,第358頁（2001) 中，已揭示藉由MBE利用氨做為氮前驅物來成長氮化鋁鎵 層。這些揭示利用大約800。(：的成長溫度以及介於3和5間的 V/III比例。在這些揭示中所獲得的γ/m比例比利用mocvd 成長所獲得的V/III比例低許多。 K· Nozawa等在「晶體成長雜諸（j crySt. Growth)」卷189， 第114頁（1998)中揭示藉由MBE利用一射頻電漿單元 (RF-plasma cell)做為氮來源的氮化鋁鎵/氮化鎵超晶格 (superlattice)成長。該成長係在相對低的76(Γ(：的溫度下執 行0 87480-9807I4.doc -9 - 1323005 J. W. Kim等在「晶體成長雜誌」卷208，第37頁（2〇〇〇)中 揭示利用電漿誘導MBE之一氮化鋁鎵磊晶層在—藍寶石基 材上的成長。此成長方法係在約8〇〇t的溫度下執行。因為 此方法利用氮電漿來做為氮前驅物，而不是氨，故其有相 對低的V/III比例。 還有許多其他MBE成長半導體層的揭示。例如，gb_a_2 363 518揭示一種利用MBE成長氮化鎵層的方法，qb_a_2 350 842揭示一種]^8£成長摻雜碳的氮化鎵的方法，（}1八_2 331 307揭示一種MBE成長氮化鎵緩衝層的方法，Em 061 564揭示一種MBE成長氮化鎵或氮化鋁鎵緩衝層的方 法，EP-A-0 607 435揭示一種MBE成長氮化鎵鋁層結構的方 法，以及JP-A-59 57 997揭示在氮化鋁層上成長氮化鎵層的 方法。但是，這些文件都沒有提到氮化鋁鎵的成長。 JP-A-61 18 184揭示MBE成長氮化鋁鎵單晶薄膜的方法， 但是並沒有提供所用之成長條件的細節。 8八2 372 632和£卩-八-1 235 256揭示一種利用]^6丑成長 氮化銦鎵層的方法。但是，這些文件並沒有明確提到氮化 鋁鎵的成長。此外，這些文件係在此應用之優先權日之後 才經發表。 【發明内容】 本發明提供一種成長氮化鋁鎵半導體層結構的方法，該 方法包含如下步驟：（a)供給氨、鎵和紹至-成長反應室中， 從而在一設置在該成長反應室内的基材_L利用MBE成長-鋁莫耳刀率不是0的第-氮化(鋁’鎵)層；其中氨係以至少 87480-980714.doc -10- 1323005 1χ1〇毛巴的束專效壓力（即b ep)供給，鎵係以至少8 笔巴之束等效壓力供給，而鋁係以至少1x1 〇-8毫巴之束等效 壓力供給。 氨可以範圍在IxlO-4毫巴至2χ1〇·2毫巴内的束等效壓力來 供給。 基材溫度可在850°C至105CTC範圍内。 鎵可以範圍在1χ1〇8亳巴至1χ1〇-4毫巴内的束等效壓力來 供給。鋁可以範圍在1Χ10-8毫巴至1χ1〇·4毫巴内的束等效壓 力來供給，並且更佳地以—範圍在1χ1〇_8毫巴至2xl〇7毫巴 内的束寺效壓力。 該方法可包含進-步的步驟：⑻改變鎵及/或銘的供給速 率’從而在該第一氮化(鋁，鎵)層上成長一第二氮化(鋁， 鎵）層，該第二氮化（鋁，鎵）層具有與該第一氮化（鋁，鎵） 層不同的鋁莫耳分率。 步驟（b)可包含降低銘的供給速率至Q，因此該第二氣化 (在呂’鎵）層係一氮化鎵層。 &方法可包含進—步的步驟：⑷改變鎵及/或紹的供給速 :’從而在該第二氮化(鋁，鎵)層上成長-第三氮化(銘， 叙）層，该第三氮化（铭，鎵）層具有與該第二氮化（铭，錄） 層不同的鋁莫耳分率。 一該第三氮化（铭，鎵）層可以具有與該第一氣化（铭，嫁）層 實質上相同的鋁莫耳分率β 該基材可包含一氮化⑽，鎵）層。其可以是-氮化銦鎵基 材’或者可以是—氮化鎵基材。其可以包含設置在一基底 87480-980714.doc -11 - 基枋上的氮化（銦，鎵）磊晶層。 該方法可包含在步驟（a)、步驟 ()或步驟⑷之至少一個的 執仃期間供給一摻質之進一步的步驟。 該第一氮化（紹，鎵）層可具有大於〇〇ι的銘莫耳分率。其 可以具有小於〇·2的鋁莫耳分率。 本發明之第二觀點在於提供_ .Ε ^ 裡利用如上界定的方法來 成長的氮化（銘，鎵）層。 本發明之第三觀點在於提供一 ^ Ε 你捉供種利用如上界定的方法來 成長的氮化（鋁，鎵）多層結構。 本發明之第四觀點在於提供 捉仏種含有如上界定的氮化 (銘’鎵）層之光電裝置。 本發明之第五觀點在於提供一種含有如上界定的氮化 (銘’鎵）多層結構之光電裝置。 【實施方式】 圖1係一半導體結構1之簡要圖式。此種結構可用在一光 • t裝置中’例如一發光裝置，比如發光二極體（「led」） 或雷射二極體。該結構〗具有一基材h該基材可以是一氮 化鎵或氮化銦鎵之體基材（buIksubstme)。$者該基材可^ 由配置在一例如藍寶石、碳化石夕、石夕、氧化辞、氧化鎮或 氮化錄的基底基材上之氮化鎵或氮化銦鎵蟲晶層組成。 圖1之該半導體結構旧—步包含—半導體多層結構3。該 多層結構3係由複數層至少具有兩種不同鋁莫耳分率的氮 化（鋁鎵）層組成。在圖j中示出四個氮化（鋁鎵）層，但是 -多層結構可以由少於或多於四層的氮化⑷，鎵）層組成。 87480-9807I4.doc 在圖i所示的結構中，該多層結構3之第一氮化（鋁，鎵）層4 係一氮化鋁鎵層（即，其鋁莫耳分率不是〇)。該第二氮化 (銘，鎵)層5之銘莫耳分率是〇,因此係_氮化鎵層。該第三 氮化（鋁，鎵）層6係另一個氮化鋁鎵層，較佳地具有與該第 一氮化（鋁，鎵）層4相同的鋁莫耳分率。最後，該第四氮化 (鋁，鎵）層7係另一個氮化鎵層。該多層結構3因此包含量子 井，並且又稱為一多重量子井結構。 -實際裝置也可以包含其他層，例如，一覆蓋層和接觸 層，但為求清楚，這些層從圖丨所示的結構中省略。這些其 他層可經提供在該基材2的下表面上’介於該基材2和該多 層結構3之間’或在該多層結構3上。 圖1所示之該半導體結構1之多層結構係由交錯的氮化铭 鎵層和氮化鎵層組成，因此稱為一「氮化鋁鎵/氮化鎵多層 結構」。該多層結構另外可以由銘莫耳分率不是㈣氮化銘 嫁層與具有不同的料耳分率，但也不是G之氮化㈣層交 錯組成，而這可簡單稱為一「氮化鋁鎵多層結構」。 該等氮化（鋁，鎵）層4_7之被選擇者可以利用一適合的不 純物轉雜，因此展現出非本徵導電性。適合的η型換質之 例是石夕ϋ且適合的ρ型摻質之一例是鎮，雖然也可以使 用其他摻質。 圖2示出應用在一半導體層結構之成長上的本發明之成 長方法在此例中係應用在具有圖丨所示之一般結構的裝置 之成長上。本發明提供—利用氨做為成長製程之氮來源的 MBE成長方法。 87480-980714.doc -13- …υυ5 根據本發明’該氮化(鋁，鎵)層4-7係藉由ΜΒΕ利用氨做 為氮前驅物成長在該基材上。該第—氮化⑷，鎵）層4的成 長是圖2中的步驟9。步驟9之鎵供給速率和紹供給速率係經 選擇以使該第—氮化（紹，鎵）層4具有預期的铭莫耳分率了 /午夕層、·Ό構中，該第—氮化（銘，鎵）層4之預期的銘莫耳 分率係大於0.01及/或小於0.2。 、 :旦該第-氮化(紹’鎵)層4已經形成，即改變鎵的供給 速率及/或紹的供給速率，以使該第二氮化（銘，鎵）層5可以 成長為具有與該第一氮化（紹，鎵）莫耳分率不同的銘莫耳八 率。例如，若想要使該第二氮化(紹，鎵)層5成為_氮化： ^則—旦該第-氮化.錄）層4已經成長至其預期厚度， 步驟10。 …1化（1呂，鎵）層5的成長是圖2中的 7:該第二氮化(紹’鎵)層5已經成長至其預期厚 改變叙的供給速率及/卷叙的彳丘仏，击玄 逮率’以使該第三氮化 鎵）層6可以成長為且有盘兮坌一翁a " 的銘莫耳分率。节第Λ八 弟氮化（|呂’錄）層4相同 驟u。同樣2 聽（紹，蘇）層6的成長是圖2中的步 預期产Γ 旦該第三氮⑽，鎵）層6已經成長至其 =厂子度，即改變鎵的供給速率及勒的供給速率，以使 =第四氮蝴，錄)層7可以成長為具有與該 二使 叙）層5相同的鋁莫耳分 卜 (、· 曰6 率。该第四虱化（鋁，鎵）層7的成長 疋圖2中的步驟12。 战我 至該成長反應室的辱从乂卜 .. 虱的供應在步驟9至12期間繼續唯 持。較佳地氨的流速實 只，准 頁貝上.，隹持固疋，並且較佳地不在連 87480-980714.doc ⑧ -14 1323005 續步驟之間或在一步驟内做刻意改變。 現在提出圖2之成長方法的完整敘述。 乘初，製備一適合的基材2並以任何習知方式來清潔，然 後置入一適合的MBE設備之成長反應室中。如上所述，該 基材2可以含有一氮化（銦，鎵）層。例如，其可以是氮化鎵 或氮化銦鎵之體基材，或者可以由配置在一例如藍寶石、 碳化石夕、#、氧化鋅、氧化鎂或氮化鎵之基底基材上之氮 化鎵或氮化銦鎵磊晶層組成。 在步驟8a中，該基材係經加熱至一預定的成長溫度l。 根據本發明，該基材溫度較佳地大於85(rc，並且較佳地小 於 1050〇C。 氮化鎵在被加熱至約800。(：或更高的溫度時有分解的傾 向。此分解可以藉由供給過壓的氮氣或氨氣至該氮化鎵表 面來避免。若該基材2係一氮化鎵基材，或一配置在一基底 基材上之氮化鎵磊晶層，則較佳地在加熱該基材至預期溫 度的步驟8a期間供給氨氣至該成長反應室’以防止該基材 熱分解。因為接下來的成長步驟會利用氨做為氮前驅物來 2行，因此在步驟8a期間供給氨氣而非氮氣至該成長反應 室中是較佳地。原則上，在基材溫度實質上低於綱ec時可 以不而要供給氨氣，但是在整個加熱步驟期間皆供給氨氣 是比較方便的。 在步驟8a十將該基材溫度升至預期成長溫度Tg的速率不 應太快而使該基材中產生不平均的溫度分佈，因為這會在 該基材中產生熱應力。發現適合的升溫速率在每分鐘 87480-980714.doc -15- 1323005 10-120°C範圍内。 一旦該基材達到該預期的基材溫度_其係用來成長該第 一氮化（銘，鎵）層4的預期基材溫度，較佳地將該基材維持 在此溫度下多至3〇分種以烘烤該基材並因而從該基材上除 去污染物。這是圖2的步驟8b。供給至該成長反應室的氨氣 在整個步驟8b期間繼續維持_實際上，一旦開始了，至唁成 長反應室的氨氣的供給在該裝置⑽整個層成長期間是持 續不斷的。 當該烘烤步驟結束時（或者，如果沒有烘烤步驟的話，一 旦該基材2的溫度達到預期的基材溫度Tg)，即可開始供仏 鎵至該成長反應室。這發生在圖2中的時間”處。若預期： 第-氮化(鋁’鎵)層4的鋁莫耳分率不是〇,則也在時間㈣ 開始供給鋁至該成長反應室。因在匕’鎵和氮，以及鋁，在 此時供給至該成長反應室，因而該第_氮化⑼，鎵）層咕 此時會藉由MBE成長在該基材2上。該第一氮化(紹，鎵)層4 的成長係，㈣為圖2中的步驟9。並且此步驟係經持續二段 層4達到其預期厚度所需的時間。 在-相應於該第-氮化（紹’鎵）層4成長至其預期厚度所 需的時間之成長期間後’即改變鎵的供給速率及/或鋁的供 給速率’以使該第二氮化⑽，鎵）層5可以成長為具有與今 第-氮化（铭，鎵）莫耳分率不同的铭莫耳分率。這在圖枓 之時間t2處發生。例如，若想要使該第二氮化（铭，鎵）層5 成為-氮化鎵層’則鋁的供應會在時間h處停止。該第： 化(結’鎵)層5的成長是圖2中的步驟1〇。如上所述，氨：供 87480-980714.doc -16- 成2較佳地在連續的成長步驟之間不改變，而是在整個 成長製程期間維持固定速率。 ^ &地’在—相應於該第二氮化（㉝，鎵）層5成長至其預 斤兩的時間之成長期間後，即改變鎵的供給速率及/ 的供給速率，以使該第三氮化（紹，鎵）層6可以成長。 足在圖2中之時處發生。例如，若想要使該第三氮化 嫁)層6具有與該第一氮化（銘，鎵）層4相同的（不是〇)結 莫耳分率，則在時間13處所選擇的鎵和㈣供應速率會與在 寺門t丨處所選擇的鎵和鋁的供應速率相同。該第三氮化 (鋁，鎵）層6的成長是圖2中的步驟u ^ 同樣地，在一相應於該第三氮化(鋁，鎵)層6成長至其預 期厚度所需的時間之成長期間後，即再次改變鎵的供給速 率及/或铭的供給速率，以使該第四氮化（紹，鎵）層7可以成 長。這在圖2中之時間、處發生。例如，若想要使該第四氮 化（紹’鎵）層7成為一氮化鎵層，則紹的供應會在時心處停 止。該第四氮化(鋁，鎵)層7的成長是圖2中的步驟12。 在整個氮化（銘’鎵）層結構3的成長期間，較佳地將錄流 量保持在-實質上固定的值，而所成長的特定層之組成係 藉由改變铭流量來選擇。在此實施例中，紹流量可以簡單 地在-預設值（「開啟」㈣（「_」^間改變，因此成 長出一連串交錯的氮化紹鎵和氮化鎵層。或者，銘流量可 以簡單地在-第-非零值和—不同的第二非零值之間改 變，因此成長出一連串具有交錯的低和高铭濃度的氮化銘 鎵層。 87480-980714.doc -17- 1323005 如上在圖1之描述中所註者，該多層結構3可以包含多於 四層氮化(鋁，鎵)層。在此情況下，依照所需再三重複步驟 11和12以成長預期的層井結構。 在圖2之實施例中’較佳地該基材溫度在成長該多層結構 3期間不做刻意改變’因此該氮化(鋁，鎵)層47是在同樣的 計晝基材溫度TG下成長。在同樣的計晝基材溫度下成長該 等氮化（銘，鎵）層避免了在成長一氮化（鋁，鎵）層和成長下 一個氮化（鋁，鎵）層之間為了加熱或冷卻該基材而中斷該成 長製程的需要。 在一相應於最後的氮化（鋁，鎵）層成長至其預期厚度所需 的訏間之成長期間後，即停止供給鎵，以及，若該最後的 氮化（鋁，鎵）層係一氮化鋁鎵層，鋁至該成長反應室。這在 圖2中的時間t5處發生。至此圖1所示的結構i即告完成。 最後，在步驟13，將該基材從成長溫度Tg冷卻至室溫。 如最初的加熱步驟般，基材溫度的改變速率不應太快而使 °亥基材中產生不平均的溫度分佈。在每分鐘丨〇_丨2〇。〇範圍 内的溫度改變速率仍應是適合的。 至该成長反應室的氨供給較佳地維持到該基材溫度實質 上低於800。(：為止，以防止最終長成的氮化（鋁，鎵）層的熱 为解。為了方便，至該成長反應室的氨供給可以在整個冷 卻步驟13期間繼續維持。 如上所註，一實際的電子或光電裝置可包含另外的層。 當預期成長另外的層在該多層結構3上時，其係在步驟12之 後但在冷卻步驟13之前成長（若需要’將該基材溫度改變至 87480-980714.doc -18- 1323005 -新的值以成長這些層）。若預期在該基材2上於成長嗜多 層結構3之前成長-層或多層額外的層，此種層則在扭= 獅之後（或在加熱步㈣之前，若沒有烘烤步驟的話），二 在步驟9成長該多層結構的第—層之前成長(若需要在成 長該等額外的層之後於成長該第—氮化(铭，鎵…之前將 該基材溫度改變至一新的值）。 氨氣在步驟9至12期間持續供給至該成長反應室。此外， 較佳地在最初的加熱階段8a、供烤步驟8b(若存在的話）和最 終的冷卻階段13期間供給氨，或許除了基材溫度顯著低於 80(TC之外。供給至該成長反應室的氨與元素金屬的比例較 佳地在10:1至5,000:1範圍内。此高v/m比例容許該氮化蘇 和氮化鋁鎵層可以在遠高於那些用在先前MBE成長方法中 的溫度下利用MBE成長，並且這導致改進的材料品質。 氨氣的束等效壓力（beam equivaient pressure)較佳地至少 1 X ΙΟ·4毫巴，並且特別佳地在i χ 1〇-4至2 χ 1〇·2毫巴範圍 内。在成長該等氮化（鋁，鎵）層之步驟9至12中，元素鎵的 束Τ效壓力較佳地至少i χ 1〇·8毫巴，並且特別佳地在i χ 10至1x10毫巴範圍内。在供給鋁的步驟中，鋁的束等效 壓力較佳地至少1 X 1〇·8毫巴，更佳地在i χ 1〇_8至1 X 1〇_4 毫巴範圍内，並且特別佳地在！ χ 1〇-8至2 χ 1〇-7毫巴範圍内。 一氮化（銘，鎵）層之成長速率主要係由鎵的bep來決 定。上面提出之鎵的b.ep值提供可接受的成長速率。更明 確的說，使用低於1 X l〇-s毫巴的鎵bep可能無法提供可接 受的成長速率或良好的材料品質。 87480-980714.doc -19- 就一已知的鎵b.e.p.而言，鋁的b e p決定該氮化（鋁，鎵） 層的鋁濃度。 就一已知的鎵b.e.p.以及—已知的鋁b e p.(在氮化鋁鎵層 的情況中）來說，氨的b.e.p.決定v/m比例。如上所註，應該 維持高的V/ΙΠ比例以確保良好的材料品f。當欲以一預期 成長速率來成長一具有預期的鋁莫耳分率之氮化（鋁，鎵） 層時，就不可能顯著地改變鎵的bep或鋁的bep.，因為這 些數值主要是由成長速率和預期的鋁濃度來決定。因此， 氨的b.e.p·係經調整以維持高的ν/ΙΠ比例。 該等構成的供給速率不應該太高而使成長反應室内的氣 體壓力對於MBE成長來說變得太高。 +在上述實施例中，並沒有刻意摻雜該等氮化（銘，蘇）層。 若想要刻意摻雜-特定的氮化⑷，鎵）層以提供該層非本徵 導電性的話，可以藉由在成長該層期間供給一適合的摻質 至該反應室中來達成。例如’若預期使該第一氮化（紹，嫁） 層4成為一 η型摻雜層，則在時間^處開始供給一例如矽之適 合的η型摻質至該成長反應室，並在時間。處終止。 圖3示出-在10Κ取得之利用根據本發明之方法成長在一 氮化鎵模板基材上之-〇.8微米厚的氮化㈣層之光致發光 光譜。氮化紹鎵在330.7奈米處的發射波峰在光譜中是顯著 的。氮化鎵在355.7奈米的發射波峰（來自基材）在光譜中也 是清晰可見的。 本發明已在上面特別關於成長圖【之多層結構來敛述，其 包含四層氮化(鋁’鎵)層M旦是’本發明並不限於成長此種 87480-980714.doc -20- 1323005 結構，而可以應用來成長具有兩層或三屬氮化(叙， 只有-層氮化（紹，鎵）層的結構。其也可以應用來成長:有 多於四層氮化（鋁，鎵）層的結構。 八 圖4示出-利用根據本發明之方法成長之1〇週期（氮化銘 鎵/乳化鎵）異質結構之_2)乂光繞射光譜。（「1〇週期显 質結構含有H)對氮化銘鎵/氮化鎵該光譜中的主要特徵:、 氮化鎵波峰。該光譜中也存在有密集的衛星波峰而= 在係該結構之良好週純的表示。在接近該氮化鎵波峰處 可見的尖細的波紋代表整個結構的高結晶品質。 本發明需要-在成長製程期間可以達到高於⑽匕遍 比例，並且較佳地在成長製程期間可以達到高於耻以 wm比例的MBE成長設備。在本發明之成長製程期間使用 高v/m比例容許一氮化（紹，鎵）氮化物半導體層可以在遠高 於那些用在先前技藝_方法中的溫度下成長。這導致改 進的材料品質。本發明之MBE成長製程所需的氨氣比習知 MOVPE製程所需者少至少一千倍。 此種高V/III比例可以在，例如，利用-導管將氣氣引進 該成長反應室内的MBE成長設備中達到，其中該導管的開 口端係經置放在盡可能靠近基材處，但不使來自該基材的 輕射熱導致該供給導管的ά 口局部㈣。該元素録和元素 銦可以利用習知的噴射槽來引入該成長反應室内。其他的 噴射槽可以依需要用來供給鋁及/或元素摻質以併入該磊 晶成長材料内。 圖5係一適於根據本發明之方法利用分子束磊晶法來成 87480-980714.doc -21 - 1323005 長一氮化物半導體材料的設備圖式。該設備包含一成長反 應至14’其中配置有一安排來支撐並加熱一基材S的加熱支 撐15。該成長反應室14係透過一延伸進入該成長反應室14 内的排氣導管Π與一超高真空幫浦16連結。該排氣導管17 的内側端界定出該成長反應室14之真空出口 18。該真空出 口 18係經配置在鄰接於該基材支撐15的地方。
進一步提供該成長反應室14 一第一供給導管19，其延伸 進入該成長反應室内’因此該第一供給導管丨9的出口 2〇係 鄰接於並面向該基材S欲發生磊晶成長的表面。可以關於該 反應室可調整地黏著該第一供給導管19，因此該第一供給 導官19之出口 20和該基材S之磊晶成長表面間相對小的距 離可以在磊晶成長製程期間改變。該第一供給導管19的縱 轴貫貝上係與蟲晶成長平面垂直。 該第-供給導管！9係用來供給氨，其係在該蟲晶成長製 程中所需要的氮之前驅物。因為該第一供給導管以的出口 20係置放在相當靠近該基材8處，—㈣高的氨氣壓遂集中 在磊晶成長材料的表面處，同時仍 处J f仍然可以利用該幫浦16在 該成長反應室14内達到超高直空语 ”二^ &。兩的氨氣壓使一高 的V/III比例可以在該成長製程期間實現。 該設備進一步包含可獨立操作的、 _ . 利用開閉 ll (shutter) 控制㈣射、22(在圖5中示出兩個 含該磊晶成長製程用之元辛鉉 7 ,早兀），八匕 ……… 來源。該喷射槽21和22 係按f貝例δ又置並分別界定出第_采 ^ ^ ^ ^ ^ 一 D另外的供給導管。可以 扣供其他滲出導吕以在該成長 别間供給，例如，摻質 87480-980714.doc -22- 1323005 物種。 上述的MBE設備類型在歐洲專利申請案第98301842.5號 中描述，其内容在此藉由引用的方式併入本文中。但是需 注意的是本發明不限於在歐洲專利第98301842.5/0 864 672 號中所述的該MBE設備類型，而是可以在任何可提供所需 的V/III比例之MBE成長設備中執行。 工業應用性 根據本發明，可以利用分子束磊晶方法（M B E)來成長含有 層或多層八丨而^⑴“叫層之高品質半導體層結構。 本發明達到改進的超越習知MBE成長方法的材料品質，並 且比Ϊ知有機金屬氣相磊晶成長需要的氨氣少至少一千 倍。這些半導體層結構係適於用在發光二極體和雷射二極 體中’例如。這些層結構的成長因此在商業上有相當的重 【圖式簡單說明】 本發明之較佳實施例係利用 來敘述，其中： 說明性實例並參考伴隨圖式 鎵）多層結構之半導體結構的剖面 圖1係包含一氮化（紹 圖式； 圖2示出本發明成長 圖3示出根據本發明 光光譜； 方法之基材溫度和時間的關係； 之方法成長的氮化鋁鎵層之光致螢 鎵/氮化鎵半導 圖4示出根據本發明 體層結構之X光繞射光 之方法成長的氮化鋁 譜，·以及 87480-980714.doc -23- 1323005 圖5係一適於用來執行本發明之方法的MBE成長設備的 圖式。 【圖式代表符號說明】
1 半導體結構 2 基材 3 半導體多層結構 4 第一氮化（鋁， 鎵）層 5 第二氮化（鋁， 鎵）層 6 第三氮化（鋁， 鎵）層 7 第四氮化（銦， 鎵）層 14 成長反應室 15 加熱支撐 16 超高真空幫浦 17 排氣導管 18 真空出口 19 第一供給導管 20 出口 21、22 喷射槽 87480-980714.doc -24 -

Claims (1)

  1. 他年9月/叫修正本 #、申請專利範圍： L 一種成長氮化鋁鎵半導體層結構的方法，該方法包含如 下步驟： (a)供給氨、鎵和鋁至成長反應室中，從而在設置在 該成長反應室内的基材上利用MBE成長鋁莫耳分率不是 〇的第一氮化（鋁，鎵）層；其中氨係以1?(10-4至2?41〇_2毫巴 的束等效壓力（beam equivalent pressure)供給，鎵係以 ΐχΐ〇-8至ιχ1〇-4毫巴之束等效壓力供給’而鋁係以ΐχΐ〇-8 至1x1 〇_4毫巴之束等效壓力供給。 2'如請求項1之方法，其中該基材溫度係在850。(：至l〇5(TC範 圍内。 如求項1之方法，其包含進一步的步驟： (b) 改變鎵及/或鋁的供給速率，從而在該第一氮化 (鋁鎵）層上成長第二氮化（鋁，鎵）層該第二氮化（鋁， 鎵）層具有與5玄第一氮化（鋁，鎵）層不同的鋁莫耳分率。 4. 如。月求項3項之方法，其中步驟⑻包含降低链的供給速率 至〇，以使該第二氮化（鋁，鎵）層為氮化鎵層。 5. 如請求項3之方法，其包含進一步的步驟： (c) 改變鎵及/或鋁的供給速率，以在該第二氮化（鋁， 錄^層上成長一第三氮化（銘，鎵）層，該第三氮化（铭錄） 6 /、有與δ玄第一氮化（銘，鎵）層不同的鋁莫耳分率。 :求項5項之方法，其中該第三氮化（鋁，鎵）層具有與 _I Jtsr 〇 虱化（鋁，鎵）層實質上相同的鋁莫耳分率。 87480-980714.如項1之方法，其中，基材包含一氮化（銦，鎵）層。 8.如請求項7項之太4 〇 ^ ^ ,, ，其t該基材為氮化銦鎵基材。 乂如凊求項7項之古、、+ ^ 、 万法’其中該基材為氮化鎵基材。 瓜如請求項7項 項之方法，其中該基材包含配置在一基底基材 上之氮化（銦，鎵;)磊晶層。 如π求項3之方法，其包含在步驟（a)及步驟期間供給一 摻質之進一步的步驟。 •如π求項5之方法’其包含在步驟⑻及步驟⑷期間供給一 摻質之進一步的步驟。 13.如凊求項12之方法’其包含在步驟⑷及步驟(b)期間供給 一摻質之進一步的步驟。 2- 87480-980714.doc
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