TWI453296B - 氮化物晶圓及其製作方法 - Google Patents

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氮化物晶圓及其製作方法
本發明是有關於一種氮化物晶圓及其製作方法，且特別是有關於具有低差排位錯缺陷(dislocation)的氮化物晶圓及其製作方法。
眾所周知，氮鎵類的發光二極體可為GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN發光二極體。基本上，這些發光二極體皆是利用藍寶石基板(Sapphire substrate)來進行磊晶並形成氮化物晶圓(nitride-based wafer)。接著，利用發光二極體的製程來完成。
請參照第1A圖~第1D圖，其所繪示為習知氮化物晶圓的製造流程示意圖。首先，如第1A圖所示，在藍寶石基板100表面上利用低溫(約400~500℃)成長氮化物(例如氮化鎵，GaN)的磊晶層。之後，再利用高溫(約800~1000℃)分解產生相變化而進一步轉換為成核層(Nucleation layer，簡稱NL)110。基本上，由於低溫成長的氮化物其為立方體結構(cubic)，而經過高溫相變化後氮化物即形成六方烏彩結構(wurtzite，簡稱WZ)的核點(seed)，或稱為六角結構(hexagonal)的核點。因此，在高溫相變化的過程將形成不同面向之核點，而在磊晶的過程中根據核點所成長的平面彼此碰撞所形成之接縫即稱為差排位錯缺陷(dislocation)。因此，如第1A圖所示，在成核層110上佈滿許多差排位錯缺陷。
而為了要降低磊晶過程的差排位錯缺陷，如第1B圖所示，先在成核層110上形成具直線溝槽的遮罩層(mask layer)120。其中，每個遮罩的週期(d1)約為3~5μm，而直線溝槽寬度(d2)約為2~3μm。
接著，如第1C圖所示，控制直線溝槽中氮化物的成長速度，使得具有幾何截面的氮化物進行橫向磊晶過成長(Epitaxy Lateral Overgrowth)。也就是說，氮化物會往左右的磊晶方向成長。
而如第1D圖所示，即為完成氮化物磊晶緩衝層(nitride-based epitaxial buffer layer)130的結果。其中，氮化物磊晶緩衝層130的厚度(D)約為4μm。由上述方法所形成的氮化物磊晶緩衝層130可知，在直線溝槽內所成長的氮化物具有較多差排位錯缺陷，而橫向磊晶過成長時差排位錯缺陷明顯減少，直到二個橫向磊晶的平面接觸時會再產生差排位錯缺陷。因此，在氮化物磊晶緩衝層130上表面的差排位錯缺陷已有效地降低。
請參照第2A圖~第2D圖，其所繪示為習知另一種氮化物晶圓的製造流程示意圖。同理，在藍寶石基板200上形成一成核層210。如第2A圖所示，在成核層210上佈滿許多差排位錯缺陷。接著，如第1B圖所示，先在成核層210上形成具直線溝槽的遮罩層(mask layer)120。其中，每個遮罩的週期(d1)約為3~5μm，而直線溝槽寬度(d2)約為2~3μm。
接著，如第2C圖所示，控制直線溝槽中氮化物往上成長，使得氮化物磊晶成為具有斜面的三角形凸點結構，並利用斜邊所形成的面來進行氮化物的磊晶，並據以控制差排位錯缺陷的方向。
而如第2D圖所示，即為完成氮化物磊晶緩衝層230的結果。其中，氮化物磊晶緩衝層230的厚度(D)約為4μm。由氮化物磊晶緩衝層230可知，差排位錯缺陷會沿著磊晶的成長往二側偏移，直到二個橫向磊晶的平面接觸時會再產生差排位錯缺陷。因此，在氮化物磊晶緩衝層230上表面的差排位錯缺陷已有效地降低。
另外一種習知氮化物晶圓的製造方式係在藍寶石基板上直接制作圖樣，稱為圖樣化藍寶石基板(Pattern Sapphire Substrate，簡稱PSS)。如第3A圖與第3B圖所示，其為習知利用圖樣化藍寶石基板製作的氮化物晶圓示意圖。如第3A圖所示，先利用蝕刻技術，在藍寶石基板300上形成多個具有斜面的三角形凸點結構(或者梯形結構)。接著，如第3B圖所示，利用斜邊所形成的面來進行氮化物的磊晶，並據以控制差排位錯缺陷的方向。其中，三角形凸點的週期(d1)為3~5μm，三角凸點底部之間距離(d2)約為2~3μm，三角凸點的高度約為1~2μm。
當完成氮化物磊晶緩衝層310後，差排位錯缺陷即如虛線所示。因此，當氮化物磊晶緩衝層230的厚度(D)約為4μm時，在氮化物磊晶緩衝層310上表面的差排位錯缺陷已有效地降低。
很明顯地，由於直線溝槽之間的距離以及三角凸點底部之間距離約為2~3μm，因此在氮化物磊晶的過程皆需要一緩衝層來降低差排位錯缺陷。一般來說，成長1μm的氮化物磊晶緩衝層需要耗時約1小時，而成長4μm的氮化物磊晶緩衝層需要耗時4小時。因此，為了要成長出較低差排位錯缺陷的氮化物晶圓，需要耗費成長的氣體材料以及時間，所以習知氮化物晶圓的成本非常的高昂。而如何有效地降低氮化物晶圓的製造成本即為本發明所欲達成的主要目的。
本發明的目的係提出一種氮化物晶圓及其製作方法，該晶圓具微奈米結構的複合型基板，在該複合型基板上進行氮化物的磊晶，可有效地降低差排位錯缺陷，並提供高通光效率。
本發明提出一種氮化物晶圓，包括：一基板；複數個奈米球，排列於該基板的一第一表面，其中該些奈米球的一排列週期小於1μm；一第一薄膜覆蓋於該基板的第一表面以及該些奈米球上，且該第一薄膜的凹處係形成二維交錯結構的奈米線；以及，一氮化物磊晶層覆蓋於該第一薄膜上。
再者，本發明提出一種氮化物晶圓的製作方法，包括：提供一基板；形成複數個奈米球排列於該基板的一第一表面上，其中該些奈米球的一排列週期小於1μm；形成一第一薄膜覆蓋於該基板的第一表面以及該些奈米球上，且該第一薄膜的凹處係形成二維交錯結構的奈米線；以及，形成一氮化物磊晶層覆蓋於該第一薄膜上。
再者，本發明提出一種氮化物晶圓，包括：一基板；複數個奈米球，排列於該基板的一第一表面，其中該些奈米球的一排列週期小於1μm，且第一表面該些奈米球之間的區域係形成二維交錯結構的奈米線；以及，一氮化物磊晶層覆蓋於該第一表面與該些奈米球上。
再者，本發明提出一種氮化物晶圓的製作方法，包括：提供一基板；形成複數個奈米球排列於該基板的一第一表面上，其中該些奈米球的一排列週期小於1μm；以及，形成一氮化物磊晶層覆蓋於該第一表面與該些奈米球上。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
本發明係揭露一種具微奈米結構的複合型基板，在該複合型基板上進行氮化物的磊晶，可有效地降低差排位錯缺陷，並提供高通光效率。本發明詳細說明如下：
請參照第4A圖~第4D圖，其所繪示為本發明氮化物晶圓的製造流程示意圖。而以下氮化物係以氮化鎵(GaN)為例來作說明，但並非限於此。首先，如第4A圖所示，在藍寶石基板400表面形成一層單膜(single film)排列之奈米球(nanosphere)410，其排列週期d小於1μm，而較佳實施例為d小於100nm。再者，由a與a’線段所形成剖面圖如第4B圖所示。而如第4A圖與第4B圖即為具微奈米結構的複合型基板。
以波長(λ)400nm~750nm的可見光為例，由於奈米球410的排列週期d小於100nm，亦即d小於λ/4，因此氮化物發光二極體發出的光皆不會被奈米球410吸收，因此氮化物晶圓係為一完全透光的晶圓，適用於製作大角度出光率的發光二極體。根據本發明的實施例，奈米球410的材料為二氧化矽(SiO2 )。
接著，如第4C圖所示，利用原子沈積(Atomic Layer Deposition，簡稱ALD)技術，形成一具有奈米曲面結構之氮化鉿薄膜(HfN film)覆蓋於藍寶石基板400以及奈米球410上。基本上，由於奈米球410的週期小於100nm，因此氮化鉿薄膜420形成後其下凹處即形成二維交錯結構的奈米線(nanowire)。
由於氮化鉿(HfN)在(111)面上的原子間距為3.196埃(，Angstrom)與氮化鎵(GaN)晶格常數3.189埃()之間僅相差0.35%。再者，由於氮化鉿(HfN)的晶相[10]平行於氮化鎵(GaN)晶相[110]的晶格特徵。因此，利用氮化鉿薄膜420形成的二維交錯結構的奈米線即為二維交錯結構晶相[110]的單晶氮化鎵(GaN)奈米線(GaN single crystal nanowire)。
最後，利用有機金屬化學氣相沈積法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)等磊晶技術，使得氮化鎵(GaN)於晶相[110]的奈米線上開始磊晶，並且形成低差排位錯缺陷的氮化鎵磊晶層430。
根據本發明的實施例，於藍寶石基板400上形成二維交錯結構晶相[110]的單晶氮化鎵(GaN)奈米線。所以在磊晶的過程中，氮化鎵(GaN)原子皆會沿著[110]的軸向來成長。也就是說，單晶的氮化鎵(GaN)原子皆會以相同的方向成長，因此可以大幅減少差排位錯缺陷。並且，由於單晶的氮化鎵(GaN)原子皆以相同的方向來成長，因此本發明並不需要成長緩衝層來降低差排位錯缺陷。
另外，在實際的應用上，本發明也可以不需要在第4B圖的結構上再形成氮化鉿薄膜(HfN film)，而直接進行氮化鎵的磊晶。換句話說，利用奈米球410之間的區域形成二維交錯結構的奈米線(nanowire)，並利用由有機金屬化學氣相沈積法(MOCVD)等磊晶技術，使得氮化鎵(GaN)於奈米線上開始磊晶，也可以在很短的高度(約100nm)即形成低差排位錯缺陷的氮化鎵磊晶層。
根據本發明的實施例，當奈米球410的排列週期小於1μm時，即可降低氮化鎵磊晶層的排位錯缺陷。而奈米球410的排列週期小於100nm時，更可大幅減少氮化鎵磊晶層的排位錯缺陷。
本發明的優點係提出一種氮化物晶圓及其製作方法。在基板(例如藍寶石基板)表面上形成複數個奈米球並成為具微奈米結構的複合型基板。而在複合型基板上即可進行氮化物的磊晶，或者先成長具有奈米曲面結構之氮化鉿薄膜之後進行氮化物的磊晶。磊晶完成的氮化物晶圓具有高通光效率以及低差排位錯缺陷之特點。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、200、300．．．藍寶石基板
110、210．．．成核層
120、220．．．遮罩層
130、230、310．．．磊晶緩衝層
400．．．藍寶石基板
410．．．奈米球
420．．．氮化鉿薄膜
430．．．氮化鎵磊晶層
第1A圖~第1D圖所繪示為習知氮化物晶圓的製造流程示意圖。
第2A圖~第2D圖所繪示為習知另一氮化物晶圓的製造流程示意圖。
第3A圖與第3B圖所示為習知利用圖樣化藍寶石基板製作的氮化物晶圓示意圖。
第4A圖~第4D圖所繪示為本發明氮化物晶圓的製造流程示意圖。
400．．．藍寶石基板
410．．．奈米球
420．．．氮化鉿薄膜
430．．．氮化鎵磊晶層

Claims (20)

  1. 一種氮化物晶圓，包括：一基板；複數個奈米球，排列於該基板的一第一表面，其中該些奈米球的一排列週期小於1μm；一第一薄膜覆蓋於該基板的第一表面以及該些奈米球上，且該第一薄膜的凹處係形成二維交錯結構的奈米線；以及一氮化物磊晶層覆蓋於該第一薄膜上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物晶圓，其中該基板為一藍寶石基板。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物晶圓，其中該些奈米球係為二氧化矽奈米球。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物晶圓，其中該第一薄膜係為一氮化鉿薄膜。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物晶圓，其中該二維交錯結構的奈米線係為二維交錯結構晶相[110]的單晶氮化物奈米線。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物晶圓，其中該氮化物磊晶層係利用一有機金屬化學氣相沈積法產生，且該氮化物磊晶層係為一氮化鎵磊晶層。
  7. 一種氮化物晶圓的製作方法，包括：提供一基板；形成複數個奈米球排列於該基板的一第一表面上，其中該些奈米球的一排列週期小於1μm；形成一第一薄膜覆蓋於該基板的第一表面以及該些奈米球上，且該第一薄膜的凹處係形成二維交錯結構的奈米線；以及形成一氮化物磊晶層覆蓋於該第一薄膜上。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之氮化物晶圓的製作方法，其中該基板為一藍寶石基板。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之氮化物晶圓的製作方法，其中該些奈米球係為二氧化矽奈米球。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之氮化物晶圓的製作方法，其中該第一薄膜係為一氮化鉿薄膜。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之氮化物晶圓的製作方法，其中該二維交錯結構的奈米線係為二維交錯結構晶相[110]的單晶氮化物奈米線。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之氮化物晶圓的製作方法，其中該氮化物磊晶層係利用一有機金屬化學氣相沈積法產生，且該氮化物磊晶層係為一氮化鎵磊晶層。
  13. 一種氮化物晶圓，包括：一基板，僅由一第一材料所組成；複數個奈米球，排列於該基板的一第一表面，其中該些奈米球的一排列週期小於1μm，且第一表面該些奈米球之間的區域係形成二維交錯結構的奈米線；以及一氮化物磊晶層覆蓋於該第一表面與該些奈米球上；其中，該些奈米球由一第二材料所組成，且該第二材料接觸於該第一材料。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之氮化物晶圓，其中該第一材料的該基板為一藍寶石基板。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之氮化物晶圓，其中該第二材料為二氧化矽，且該些奈米球係為二氧化矽奈米球。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之氮化物晶圓，其中該氮化物磊晶層係利用一有機金屬化學氣相沈積法產生，且該氮化物磊晶層係為一氮化鎵磊晶層。
  17. 一種氮化物晶圓的製作方法，包括： 提供僅由一第一材料所組成的一基板；形成複數個奈米球排列於該基板的一第一表面上，其中該些奈米球的一排列週期小於1μm；以及形成一氮化物磊晶層覆蓋於該第一表面與該些奈米球上；其中，該些奈米球由一第二材料所組成，且該第二材料接觸於該第一材料。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之氮化物晶圓的製作方法，其中該第一材料的該基板為一藍寶石基板。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之氮化物晶圓的製作方法，其中該第二材料為二氧化矽，且該些奈米球係為二氧化矽奈米球。
  20. 如申請專利範圍第17項所述之氮化物晶圓的製作方法，其中該氮化物磊晶層係利用一有機金屬化學氣相沈積法產生，且該氮化物磊晶層係為一氮化鎵磊晶層。
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