TWI481073B - 半導體裝置及其製造方法 - Google Patents

Description

半導體裝置及其製造方法

本發明係關於一種半導體裝置及其製造方法，特別是關於一種氮化物半導體裝置及其製造方法。

氮化鋁作為一陶瓷材料，因其高熱導係數、晶體結構及直接能隙等特性，被廣泛地應用於各種電子裝置，特別是作為發光二極體的基板，除需要容易成長所期望的結晶，成為發光二極體(半導體裝置)外，尚需具有良好的導熱效果，快速傳導半導體裝置所產生的熱至外部，避免半導體裝置因溫度過高而無法正常運作。

再者，由於氮化鋁的晶體結構與氮化鎵同樣為纖鋅礦(Wurtzite)結構，且氮化鋁的晶格常數亦與氮化鎵之匹配度佳，即不匹配度僅有2.4%。而且，氮化鋁的熱膨脹係數，亦與氮化鎵接近(約24%)，氮化鎵與矽的熱膨脹係數差異大(約56%)，氮化鎵形成於矽基板上時，容易產生龜裂。因為晶系類似、晶格常數的匹配度及熱膨脹係數接近，氮化鋁適合作為成長氮化鎵之材料或基材，再加上良好的散熱效果，氮化鋁適合作為氮化鎵系半導體裝置之基板，且其高熱傳導的特性更適於應用在高功率之發光二極體。

雖然氮化鋁具有上述良好的特性，目前氮化鋁單晶的板材提供使用作為半導體裝置之基板，並不普及，有價格昂貴的問題。氮化鋁在半導體裝置上的應用，例如於氮化鎵形成於矽基板或藍寶石基板上之情況，通常使用氮化鋁層作為緩衝層(例如參考美國專利第6,690,700號)，但是薄的氮化鋁緩衝層無法發揮氮化鋁自體的散熱特性，仍有基板過熱的問題。

使用多晶系氮化鋁基板作為半導體裝置之基板，例如美國專利第7,465,991號揭露之半導體基板，具有氮化鎵、氮化鋁或氮化鋁鎵(AlGaN)的有用單晶層，以多晶系氮化鋁基板作為支持基板，但是在該支持基板與有用單晶層之間，尚需具備碳化矽單晶、矽(111)或藍寶石薄層。如此的方法，不僅步驟繁瑣，且需要成長碳化矽單晶、矽[111]或藍寶石薄層等，有增加製造成本之問題。

鑒於上述之發明背景，為了符合產業上之要求，本發明之目的之一在於提供一種半導體裝置及其製造方法，使用鋁陶瓷基板，作為半導體裝置的基板，提高散熱效率，且藉由直接在多晶系氮化鋁陶瓷基板上成長氮化鋁層，以提供作為後續成長氮化鎵等發光材料的單晶層用之基材，簡化製造步驟。

為了達到上述目的，根據本發明一實施例提供一種半導體裝置，包括：一陶瓷支持基板；一第一緩衝層，形成於該陶瓷支持基板上，其中該第一緩衝層係由氮化鋁所構成且具有優選晶向(prefer orientation)；以及一第二緩衝層，係由氮化鋁所構成，形成於該第一緩衝層上，該第二緩衝層具有單晶結構。

根據本發明另一實施例提供一種半導體裝置的製造方法，包括以下步驟：提供一陶瓷支持基板；在該陶瓷支持基板上，藉由有機金屬化學氣相沈積法，進行低溫氮化鋁成長步驟，使用含氮原子之氣體以及含鋁原子之有機金屬化合物，以氫氣為載送氣體，溫度在一低溫範圍下，進行氮化鋁的成長，形成厚度5～5000nm之一第一緩衝層，較理想的厚度為50～2000nm；以及接著該低溫氮化鋁成長步驟，藉由有機金屬化學氣相沈積法，進行高溫氮化鋁成長步驟，調整溫度，使溫度在一高溫範圍下，進行氮化鋁的成長，於該第二氮化鋁層，形成厚度5～5000nm之一第二緩衝層，其中該高溫範圍的溫度高於該低溫範圍。再者，上述方法可更包括：藉由有機金屬化學氣相沈積法，進行單晶成長，形成一氮化鎵之單晶層或氮化鋁鎵之單晶層。

根據本發明的半導體裝置及其製造方法，藉由使用低成本之氮化鋁陶瓷基板作為半導體裝置之基板，提高半導體裝置之散熱效率，又直接在該基板上成長氮化鋁層，以提供作為後續成長氮化鎵等發光材料的單晶層用之基材，簡化製造步驟，進而降低製造成本。本發明的半導體裝置，可應用於發光二極體、雷射二極體等的製造，作為基板，具有極佳的散熱效果且可降低製造成本。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。此外，「A層(或元件)設置於B層(或元件)上」之用語，並不限定為A層直接貼覆接觸B層表面的態樣，例如A層與B層中間尚間隔其他疊層亦為該用語所涵蓋範圍。圖示中，相同的元件係以相同的符號表示。

根據本發明一實施態樣，揭露一種半導體裝置。第一圖表示根據本發明一實施例之半導體裝置的示意圖。半導體裝置1包括陶瓷支持基板10、第一緩衝層12、第二緩衝層13。陶瓷支持基板10係由氮化鋁所構成，或含鋁之陶瓷基板所構成，例如由氮化鋁燒結體所構成，氮化鋁燒結體具有氮化鋁的多晶體結構。緩衝層12形成於該陶瓷支持基板10上，第一緩衝層12係由氮化鋁所構成且具有特定的優選晶向(prefer orientation)，例如(0002)優選的AlN結構。第二緩衝層13係由氮化鋁所構成，形成於該第一緩衝層12上，例如該第二緩衝層13具有(0002)的AlN單晶結構。

上述第一緩衝層，可利用一低溫成長方法而形成，上述第二緩衝層的形成，可利用一高溫成長方法而形成。上述低溫成長方法係藉由有機金屬化學氣相沈積法，使用含氮原子之氣體以及含鋁原子之有機金屬化合物，以氫氣為載送氣體，溫度在一低溫範圍下，進行氮化鋁的成長，形成厚度5～5000nm之第一緩衝層，較理想的厚度為50～2000nm。上述高溫成長方法係接著上述低溫高溫成長方法，調整溫度，使溫度在一高溫範圍下，進行氮化鋁的成長，形成厚度5～5000nm之第二緩衝層，較理想的厚度為50～2000nm。其中該高溫範圍的溫度高於該低溫範圍。例如，該低溫範圍為500～850℃，較理想為500～700℃，該高溫範圍為900～1150℃。於一實施例，含氮原子之氣體為氨氣，含鋁原子之有機金屬化合物為三甲基鋁、三乙基鋁或三丙基鋁。進行有機金屬化學氣相沈積法成長時，在低壓下進行磊晶成長，真空腔體的壓力為80 torr以下。於一實施例，第一緩衝層具有(0002)之優選晶向(prefer orientation)，且第二緩衝層的表面，由X射線繞射，具有(0002)單晶結構。於一實施例，於該第二緩衝層上，可更包括一氮化鎵或氮化鋁鎵的單晶層，參考第二圖，第二圖表示根據本發明另一實施例之半導體裝置的示意圖，半導體裝置2包括陶瓷支持基板10、第一緩衝層12、第二緩衝層13及磊晶層14。再者，該單晶層可為一n型層。

第三圖表示根據本發明另一實施例之半導體裝置的示意圖。半導體裝置3包括陶瓷支持基板100、第一緩衝層120、第二緩衝層130、n型層140、p型層160、與p型層160接觸之接觸電極170及與n型層140接觸之接觸電極180。陶瓷支持基板100的構成，與上述陶瓷支持基板10相同。第一緩衝層120的構成，與上述第一緩衝層12相同，第二緩衝層130的構成，與上述第一緩衝層13相同。n型層140可由上述磊晶層14，藉由n型摻雜而得，例如氮化鎵磊晶層摻雜矽，可得n型層140。而p型層160可藉由p型摻雜而得，例如氮化鎵磊晶層摻雜磷可得p型層160。

第四圖表示根據本發明另一實施例之半導體裝置的示意圖。半導體裝置3’包括陶瓷支持基板100、第一緩衝層120、第二緩衝層130、n型層140、發光層150、p型層160、與p型層160接觸之接觸電極170及與n型層140接觸之接觸電極180。半導體裝置3’與半導體裝置3不同之處，在於半導體裝置3’包括發光層150，設置於n型層140與p型層160之間。發光層150可為複數層交錯積層所構成，包括複數阱層(well layers)及複數阻隔層(barrier layers)。再者，例如發光層的組成係由Al摻雜氮化鎵的高能隙能障及In摻雜氮化鎵的低能隙能障相間所形成的量子侷限層所構成。

根據本發明另一實施態樣，揭露一種半導體裝置之製造方法。包括以下步驟。首先，提供一陶瓷支持基板，例如該陶瓷支持基板係由氮化鋁所構成或由含鋁陶瓷材料所構成。然後，在該陶瓷支持基板上，藉由有機金屬化學氣相沈積法，進行低溫氮化鋁成長步驟，形成一第一緩衝層；接著該低溫氮化鋁成長步驟，藉由有機金屬化學氣相沈積法，進行高溫氮化鋁成長步驟，形成一第二緩衝層。

上述低溫氮化鋁成長步驟，係藉由有機金屬化學氣相沈積法，使用含氮原子之氣體以及含鋁原子之有機金屬化合物，以氫氣為載送氣體，溫度在一低溫範圍下，進行氮化鋁的成長，形成厚度5～5000nm之氮化鋁(第一緩衝層)，較理想的厚度為50～2000nm。

上述高溫氮化鋁成長步驟，係藉由有機金屬化學氣相沈積法，調整溫度，使溫度在一高溫範圍下，進行氮化鋁的成長，於該第一緩衝層上，形成厚度5～5000nm之第二緩衝層，較理想的厚度為50～2000nm，其中該高溫範圍的溫度高於該低溫範圍。

最後，藉由有機金屬化學氣相沈積法，進行單晶成長，形成一氮化鎵或氮化鋁鎵之單晶層。

於一實施例，上述方法可更包括：於該氮化鎵或氮化鋁鎵之單晶層上，進行n型摻雜，形成一n型層；以及於該n型層，形成一p型層，構成一pn接面。最後，上述方法可更包括：形成分別接觸該n型層與該p型層之接觸電極。

再者，於一實施例，上述方法可更包括：於該氮化鎵或氮化鋁鎵之單晶層上，進行n型摻雜，形成一n型層；形成發光層於該n型層上；以及於該n型層，形成一p型層，最後形成分別接觸該n型層與該p型層之接觸電極。

再者，n型層的形成方法，例如以SiH₄ 作為Si原子摻雜氮化鎵，矽原子的濃度約為10¹⁸ ~10²¹ /cm³ ，其活化溫度約在900~1150℃。

p型層的形成方法，例如以Cp₂ Mg(二環戊烯鎂)作為提供鎂原子摻雜氮化鎵，Mg的濃度範圍約10¹⁷ ~10²⁰ /cm³ ，活化溫度約在900~1150℃。

上述低溫範圍例如為500～850℃，較理想為500～700℃，上述高溫範圍例如為800～1150℃。於一實施例，含氮原子之氣體為氨氣，含鋁原子之有機金屬化合物為三甲基鋁、三乙基鋁或三丙基鋁等。進行有機金屬化學氣相沈積法成長時，在低壓下進行磊晶成長，真空腔體的壓力為80 torr以下。於一實施例，第一緩衝層具有(0002)之優選晶向(prefer orientation)氮化鋁結構，且第二緩衝層，具有(0002)單晶氮化鋁結構。

綜上所述，根據本發明的半導體裝置及其製造方法，藉由使用低成本之氮化鋁陶瓷基板作為半導體裝置之基板，提高半導體裝置之散熱效率，又直接在該基板上成長氮化鋁層，以提供作為後續成長氮化鎵等發光材料的單晶層用之基材，簡化製造步驟，進而降低製造成本。本發明的半導體裝置，可應用於發光二極體、雷射二極體等的製造，作為基板，具有極佳的散熱效果且可降低製造成本。

以上雖以特定實施例說明本發明，但並不因此限定本發明之範圍，只要不脫離本發明之要旨，熟悉本技藝者瞭解在不脫離本發明的意圖及範圍下可進行各種變形或變更。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

1,2,3,3’．．．半導體裝置

10,100．．．陶瓷支持基板

12,120．．．第一緩衝層

13,130．．．第二緩衝層

14．．．磊晶層

140．．．n型層

150．．．發光層

160．．．p型層

170,180．．．接觸電極

第一圖表示根據本發明一實施例之半導體裝置的示意圖。

第二圖表示根據本發明一實施例之半導體裝置的示意圖。

第三圖表示根據本發明另一實施例之半導體裝置的示意圖。

第四圖表示根據本發明另一實施例之半導體裝置的示意圖。

1．．．半導體裝置

10．．．陶瓷支持基板

12．．．第一緩衝層

13．．．第二緩衝層

Claims (11)

1. 一種半導體裝置，包括：一陶瓷支持基板，由氮化鋁燒結體所構成，氮化鋁燒結體具有氮化鋁的多晶體結構；一第一緩衝層，形成於該陶瓷支持基板上，其中該第一緩衝層係由氮化鋁所構成且具有(0002)優選晶向(prefer orientation)，厚度為50~2000nm；一第二緩衝層，係由氮化鋁所構成，形成於該第一緩衝層上，該第二緩衝層具有(0002)的AlN單晶結構，厚度為50~2000nm；一氮化鋁鎵層，位於該第二緩衝層上，具有單晶結構；一氮化鎵層，位於該氮化鋁鎵層上，其係一n型層且具有單晶結構；一發光層，位於該氮化鎵層上，該發光層係由Al摻雜氮化鎵的高能隙能障及In摻雜氮化鎵的低能隙能障相間所形成的量子侷限層所構成；以及一p型層，位於該發光層上。
2. 一種半導體裝置的製造方法，包括：提供一陶瓷支持基板；在該陶瓷支持基板上，藉由有機金屬化學氣相沈積法，進行低溫氮化鋁成長步驟，形成一第一緩衝層，使用含氮原子之氣體以及含鋁原子之有機金屬化合物，以氫氣為載送氣體，溫 度在一低溫範圍下，進行氮化鋁的成長，形成厚度5~5000nm之氮化鋁；以及接著該低溫氮化鋁成長步驟，藉由有機金屬化學氣相沈積法，進行高溫氮化鋁成長步驟，調整溫度，使溫度在一高溫範圍下，進行氮化鋁的成長，於該第一緩衝層上，形成厚度5~5000nm之一第二緩衝層，其中該高溫範圍的溫度高於該低溫範圍。
3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，更包括：藉由有機金屬化學氣相沈積法，進行單晶成長，形成一氮化鎵之單晶層。
4. 如申請專利範圍第2項所述之方法，更包括：於該氮化鎵之單晶層上，進行n型摻雜，形成一n型層；以及於該n型層，形成一p型層，構成一pn接面。
5. 如申請專利範圍第2項所述之方法，更包括：於該氮化鎵之單晶層上，進行n型摻雜，形成一n型層；於該n型層上，形成一發光層，其中該發光層係由複數阱層與複數阻隔層交錯堆疊所構成；以及於該發光層，形成一p型層。
6. 如申請專利範圍第2項所述之方法，更包括：藉由有機金屬化學氣相沈積法，進行單晶成長，形成一氮化鋁鎵(AlGaN)之單晶層。
7. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中含氮原子之氣體為氨氣。
8. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中含鋁原子之有機金屬化合物為三甲基鋁、三乙基鋁或三丙基鋁。
9. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中進行有機金屬化學氣相沈積法成長時，壓力為80torr以下。
10. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該低溫範圍為500~850℃，該高溫範圍為800~1150℃。
11. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中，該陶瓷支持基板係由含鋁陶瓷材料或氮化鋁所構成。