TWI487006B - 半導體結構與製作方法 - Google Patents
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本發明係關於一種半導體結構與製造方法，特別係關於一種m-plane氮化鎵磊晶層的結構與製造方法。
以氮化鎵為基的裝置，特別係發光二極體(LEDs)，對能源效益以及環境保護具有強大的推動力。近來，發光二極體係製造於氮化鎵磊晶層之上，特別係於c-plane藍寶石基板上。於經濟市場上，由於低成本與大規模的晶圓供應以及c-plane藍寶石基板的可取得性，以氮化鎵為基的發光二極體具有量產的潛能。
由於受限量子斯塔克效應(quantum-confined stark effect,QCSE)，主要的極性c-plane氮化鎵磊晶層會受到偏極化的內部電場所影響。如此，將造成量子井(quantum well)內電子和電洞的波函數分離以及造成發光效率的減少。
另一方面，以非極性氮化鎵為基之發光二極體已被證實其優於經由受限量子斯塔克效應所製造之以c-plane氮化鎵為基的發光二極體。非極性氮化鎵磊晶層可於m-plane碳化矽、a-plane碳化矽、γ偏鋁酸鋰以及m-plane藍寶石上成長。惟晶格不匹配(lattice mismatch)以及熱膨脹係數的關係，非極性氮化鎵經由X光搖擺曲線(X-ray rocking curve,XRC)測量，其結晶品質往往超過500角秒(arcsec)。
為改善上述問題，將非極性氮化鎵成形於a-plane藍寶石或r-plane藍寶石上，並已證明其X光搖擺曲線(X-ray rocking curve,XRC)的半峰全幅值(full width at half maximum,FWHM)係約400角秒。然而，方均根(root-mean square,rms)表面粗糙度將大於1奈米。於今日製造需求，方均根表面粗糙度須小於±0.5奈米。
有鑑於此，本發明提供一種半導體結構與製造方法，以解決上述問題。
本發明之一範疇係提供一種半導體結構。半導體結構包含有一c-plane藍寶石基板、一奈米結構以及一m-plane(10-10)氮化鎵磊晶層。奈米結構形成於c-plane藍寶石基板上，m-plane(10-10)氮化鎵磊晶層形成於c-plane藍寶石基板之奈米結構上。
其中，奈米結構係完全覆蓋c-plane藍寶石基板之表面。此外，奈米結構係一具有n-plane(11-23)表面之鋸齒狀結構。鋸齒狀結構之間距係介於50奈米至350奈米之間。
此外，c-plane藍寶石基板具有一結晶面(crystal surface)，結晶面相對於c軸方向具有一介於-5度至+5度之傾斜角。m-plane(10-10)氮化鎵磊晶層係利用一低壓金屬有機化學氣相沉積製程(metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD)，以形成於c-plane藍寶石基板之奈米結構上。
本發明之另一範疇係提供一種半導體結構之製造方法。半導體結構之製造方法包含有下列步驟：(S1)備製一c-plane藍寶石基板；(S2)於c-plane藍寶石基板上形成一奈米結構；(S3)於c-plane藍寶石基板之奈米結構上形成一m-plane(10-10)氮化鎵磊晶層。
其中，奈米結構係完全覆蓋c-plane藍寶石基板之表面。此外，奈米結構係一具有n-plane(11-23)表面之鋸齒狀結構。鋸齒狀結構之間距係介於50奈米至350奈米之間。
此外，c-plane藍寶石基板具有一結晶面，結晶面相對於c軸方向具有一介於-5度至+5度之傾斜角。m-plane(10-10)氮化鎵磊晶層係利用一低壓金屬有機化學氣相沉積製程，以形成於c-plane藍寶石基板之奈米結構上。
相較於習知技術，本發明所提供之半導體結構與製作方法其X光搖擺曲線(X-ray rocking curve,XRC)的半峰全幅值(full width at half maximum,FWHM)係316角秒(arcsec)。此外，本發明所提供之半導體結構與製作方法之方均根(root- mean square,rms)表面粗糙度係0.3奈米，亦滿足於今日方均根表面粗糙度須小於±0.5奈米的製造需求。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
預先說明的是，於本說明書內容中，數字前之「-」符號，等同於「-」位於該數字之上。舉例來說，說明書中，(10-10)內的「-1」，即等同於「」。亦即是說，(10-10)即等同於(100)。
請參見圖一，圖一係繪示根據本發明之一具體實施例之半導體結構的剖面圖。如圖所示，本發明提供一種半導體結構1，包含有一c-plane藍寶石基板10、一奈米結構11以及一m-plane(10-10)氮化鎵磊晶層12。奈米結構11形成於c-plane藍寶石基板10上。m-plane(10-10)氮化鎵磊晶層12形成於c-plane藍寶石基板10之奈米結構11上。
c-plane藍寶石基板10具有一結晶面(crystal surface)，結晶面相對於c軸方向具有一介於-5度至+5度之傾斜角。此外，於實務中，c-plane藍寶石基板之大小約兩吋。
請參見圖二A以及圖二B。圖二A係繪示根據本發明之一具體實施例之半導體結構之奈米結構的剖面圖。圖二B係繪示根據本發明之一具體實施例之半導體結構之奈米結構的立體圖。如圖所示，奈米結構11形成於c-plane藍寶石基板10上。其中，奈米結構11係完全覆蓋c-plane藍寶石基板10之表面。此外，奈米結構11係一具有n-plane(11-23)表面之鋸齒狀結構，鋸齒狀結構之間距係介於50奈米至350奈米之間。
於實務中，c-plane藍寶石基板10係利用一感應耦合電漿反應式離子蝕刻法(inductively coupled plasma-reactive ion etching,ICP-RIE)，使奈米結構11形成於c-plane藍寶石基板10上。此外，c-plane藍寶石基板10利用感應耦合電漿反應式離子蝕刻法以形成奈米結構11，其過程須耗時約二十分鐘，直到奈米結構11須完全覆蓋c-plane藍寶石基板10之表面為止。
請參見圖三A、圖三B以及圖三C。圖三A、圖三B以及圖三C係繪示根據本發明之一具體實施例之半導體結構之m-plane氮化鎵磊晶層形成於c-plane藍寶石基板之奈米結構上的示意圖。如圖所示，m-plane(10-10)氮化鎵磊晶層12形成於c-plane藍寶石基板10之奈米結構11上。於實務中m-plane(10-10)氮化鎵磊晶層12係利用一低壓金屬有機化學氣相沉積製程(metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD)，以形成於c-plane藍寶石基板10之奈米結構11上。
此外，m-plane(10-10)氮化鎵磊晶層12係經由二階段成形。於530℃時以及1050℃時，藉由低壓金屬有機化學氣相沉積製程，會形成30 nm厚的氮化鎵核結晶層(nucleation layer,NL)以及2.5 μm厚的未掺雜氮化鎵緩衝層。最後，m-plane(10-10)氮化鎵磊晶層12會對應地形成於c-plane藍寶石基板10之奈米結構11上。最後，以原子力顯微鏡(atomic force microscopy,AFM)掃瞄氮化鎵磊晶層12 5×5μm2
的表面，氮化鎵磊晶層12的方均根表面粗糙度(rms surface roughness)係0.3 nm。
請參見圖四A以及圖四B。圖四A係繪示根據本發明之一具體實施例之半導體結構之氮化鎵磊晶層的X光繞射結果。圖四B係繪示根據本發明之一具體實施例之半導體結構的氮化鎵磊晶層的X光搖擺曲線。如圖四A所示，2.5 μm的氮化鎵磊晶層12經由X光繞射(X-ray diffraction,XRD)，其峰值座落於32.3°、41.7°、67.7°，分別對應於氮化鎵(10-10)平面、藍寶石(0006)平面以及氮化鎵(20-20)平面。此外，如圖四B所示，氮化鎵(10-10)平面的垂直入射角之X光搖擺曲線(X-ray rocking curve,XRC)的半峰全幅值(full width at half maximum,FWHM)係316角秒。
請參見圖五A以及圖五B。圖五A係繪示根據本發明之一具體實施例之半導體結構之m-plain氮化鎵磊晶層形成於c-plane藍寶石基板之奈米結構上與c-plain氮化鎵磊晶層形成於c-plane藍寶石基板上之光子激發光的比較圖。圖五B係繪示根據本發明之一具體實施例之半導體結構之m-plain氮化鎵磊晶層形成於c-plane藍寶石基板之奈米結構上與c-plain氮化鎵磊晶層形成於c-plane藍寶石基板上之時間解析光子激發光的比較圖。於實務中，此實施環境係於室溫下，以一266 nm飛秒脈衝波所量測。其中，脈衝波強度係一掺鈦藍寶石雷射之三倍。
請再參見圖五A，曲線A係m-plain氮化鎵磊晶層對應於不同波長時，光子激發光的強度值。曲線B係c-plain氮化鎵磊晶層對應於不同波長時，光子激發光的強度值。如圖所示，m-plain氮化鎵磊晶層光子激發光的強度峰值係c-plain氮化鎵磊晶層光子激發光的1.7倍。此外，於波長範圍350~390 nm內個別累計兩曲線的強度值，曲線A光子激發光的效率係曲線B的2.5倍。
請再參見圖五B，曲線A係m-plain氮化鎵磊晶層對應於不同時間，光子激發光的強度對數值。曲線B係c-plain氮化鎵磊晶層對應於不同時間，光子激發光的強度對數值。曲線C係儀器響應。如圖所示，曲線A的光子激發光之生命週期大於曲線B。由此觀之，形成於c-plane藍寶石基板之奈米結構上的m-plain氮化鎵磊晶層品質十分良好。
請參見圖六，圖六係繪示根據本發明之一具體實施例之半導體結構之製作方法的流程圖。如圖所示，半導體結構之製造方法包含有下列步驟：(S1)備製一c-plane藍寶石基板；(S2)於c-plane藍寶石基板上形成一奈米結構；(S3)於c-plane藍寶石基板之奈米結構上形成一m-plane(10-10)氮化鎵磊晶層。
首先於步驟(S1)中，備製一c-plane藍寶石基板。c-plane藍寶石基板之大小約兩吋。其中，c-plane藍寶石基板具有一結晶面，結晶面相對於c軸方向具有一介於-5度至+5度之傾斜角。
接著，於步驟(S2)中，於c-plane藍寶石基板上形成一奈米結構。奈米結構係一具有n-plane(11-23)表面之鋸齒狀結構。其中，鋸齒狀結構之間距係介於50奈米至350奈米之間。於實務中，c-plane藍寶石基板係利用一感應耦合電漿反應式離子蝕刻法，使奈米結構形成於c-plane藍寶石基板上。此外，c-plane藍寶石基板利用感應耦合電漿反應式離子蝕刻法以形成奈米結構，其過程須耗時約二十分鐘，直到奈米結構須完全覆蓋c-plane藍寶石基板之表面為止。
接著，於步驟(S3)中，於c-plane藍寶石基板之奈米結構上形成一m-plane(10-10)氮化鎵磊晶層。m-plane(10-10)氮化鎵磊晶層係利用一低壓金屬有機化學氣相沉積製程，以形成於c-plane藍寶石基板之奈米結構上。
關於半導體結構之製造方法中提及之c-plane藍寶石基板、奈米結構、m-plane(10-10)氮化鎵磊晶層以及其詳細內容皆相似於前述半導體結構之c-plane藍寶石基板10、奈米結構11、m-plane(10-10)氮化鎵磊晶層12，故在此不予以贅述。
相較於習知技術，將非極性氮化鎵成形於a-plane藍寶石或r-plane藍寶石上，其X光搖擺曲線的半峰全幅值係約400角秒。其方均根表面粗糙度將大於1奈米。於今日製造需求，方均根表面粗糙度須小於±0.5奈米。本發明所提供之半導體結構與製造方法其X光搖擺曲線的半峰全幅值係316角秒。此外，其方均根表面粗糙度係0.3奈米，亦滿足於今日方均根表面粗糙度須小於±0.5奈米的製造需求。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。
1．．．半導體結構
10．．．c-plane藍寶石基板
11．．．奈米結構
12．．．m-plain氮化鎵磊晶層
S1~S3．．．步驟流程
圖一係繪示根據本發明之一具體實施例之半導體結構的剖面圖。
圖二A係繪示根據本發明之一具體實施例之半導體結構之奈米結構的剖面圖。
圖二B係繪示根據本發明之一具體實施例之半導體結構之奈米結構的立體圖。
圖三A係繪示根據本發明之一具體實施例之半導體結構之m-plane氮化鎵磊晶層形成於c-plane藍寶石基板之奈米結構上的示意圖。
圖三B係繪示根據本發明之一具體實施例之半導體結構之m-plane氮化鎵磊晶層形成於c-plane藍寶石基板之奈米結構上的示意圖。
圖三C係繪示根據本發明之一具體實施例之半導體結構之m-plane氮化鎵磊晶層形成於c-plane藍寶石基板之奈米結構上的示意圖。
圖四A係繪示根據本發明之一具體實施例之半導體結構之氮化鎵磊晶層的X光繞射結果。
圖四B係繪示根據本發明之一具體實施例之半導體結構的氮化鎵磊晶層的X光搖擺曲線。
圖五A係繪示根據本發明之一具體實施例之半導體結構之m-plain氮化鎵磊晶層形成於c-plane藍寶石基板之奈米結構上與c-plain氮化鎵磊晶層形成於c-plane藍寶石基板上之光子激發光的比較圖。
圖五B係繪示根據本發明之一具體實施例之半導體結構之m-plain氮化鎵磊晶層形成於c-plane藍寶石基板之奈米結構上與c-plain氮化鎵磊晶層形成於c-plane藍寶石基板上之時間解析光子激發光的比較圖。
圖六係繪示根據本發明之一具體實施例之半導體結構之製作方法的流程圖。
1．．．半導體結構
10．．．c-plane藍寶石基板
11．．．奈米結構
12．．．m-plain氮化鎵磊晶層
Claims (10)
- 一種半導體結構包含有：一c-plane藍寶石基板；一奈米結構形成於該c-plane藍寶石基板上；以及一m-plane(10-10)氮化鎵磊晶層形成於該c-plane藍寶石基板之該奈米結構上；其中該奈米結構係完全覆蓋該c-plane藍寶石基板之表面。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體結構，其中該奈米結構係一具有n-plane(11-23)表面之鋸齒狀結構。
- 如申請專利範圍第2項所述之半導體結構，其中該鋸齒狀結構之間距係介於50奈米至350奈米之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體結構，其中該m-plane(10-10)氮化鎵磊晶層係利用一低壓金屬有機化學氣相沉積製程(MOCVD)以形成於該c-plane藍寶石基板之該奈米結構上。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體結構，其中該c-plane藍寶石基板具有一結晶面(Crystal Surface)，該結晶面相對於c軸方向具有一介於-5度至+5度之傾斜角。
- 一種半導體結構製作方法，其包含有以下步驟：(S1)備製一c-plane藍寶石基板；(S2)於該c-plane藍寶石基板上形成一奈米結構；以及(S3)於該c-plane藍寶石基板之該奈米結構上形成一m-plane(10-10)氮化鎵磊晶層；其中該奈米結構係完全覆蓋該c-plane藍寶石基板之表面。
- 如申請專利範圍第6項所述之半導體結構製作方法，其中該 奈米結構係一具有n-plane(11-23)表面之鋸齒狀結構。
- 如申請專利範圍第7項所述之半導體結構製作方法，其中該鋸齒狀結構之間距係介於50奈米至350奈米之間。
- 如申請專利範圍第6項所述之半導體結構製作方法，其中該m-plane(10-10)氮化鎵磊晶層係利用一低壓金屬有機化學氣相沉積製程(MOCVD)以形成於該c-plane藍寶石基板之該奈米結構上。
- 如申請專利範圍第6項所述之半導體結構製作方法，其中該c-plane藍寶石基板具有一結晶面(Crystal Surface)，該結晶面相對於c軸方向具有一介於-5度至+5度之傾斜角。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW100133159A TWI487006B (zh) | 2011-09-15 | 2011-09-15 | 半導體結構與製作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| TW100133159A TWI487006B (zh) | 2011-09-15 | 2011-09-15 | 半導體結構與製作方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW201312629A TW201312629A (zh) | 2013-03-16 |
| TWI487006B true TWI487006B (zh) | 2015-06-01 |
Family
ID=48482611
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| TW100133159A TWI487006B (zh) | 2011-09-15 | 2011-09-15 | 半導體結構與製作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| TW (1) | TWI487006B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5192987A (en) * | 1991-05-17 | 1993-03-09 | Apa Optics, Inc. | High electron mobility transistor with GaN/Alx Ga1-x N heterojunctions |
| US20080318496A1 (en) * | 2007-06-25 | 2008-12-25 | Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. | Methods of crystallographically reorienting single crystal bodies |
| JP2010168274A (ja) * | 2008-12-26 | 2010-08-05 | Toyoda Gosei Co Ltd | Ｉｉｉ族窒化物半導体の製造方法およびテンプレート基板 |
| US20100308437A1 (en) * | 2008-01-29 | 2010-12-09 | Koji Okuno | Method for producing group iii nitride-based compound semiconductor, wafer including group iii nitride-based compound semiconductor, and group iii nitrided-based compound semiconductor device |
| US20110012109A1 (en) * | 2009-07-17 | 2011-01-20 | Applied Materials, Inc. | Method of forming a group iii-nitride crystalline film on a patterned substrate by hydride vapor phase epitaxy (hvpe) |
-
2011
- 2011-09-15 TW TW100133159A patent/TWI487006B/zh active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5192987A (en) * | 1991-05-17 | 1993-03-09 | Apa Optics, Inc. | High electron mobility transistor with GaN/Alx Ga1-x N heterojunctions |
| US20080318496A1 (en) * | 2007-06-25 | 2008-12-25 | Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. | Methods of crystallographically reorienting single crystal bodies |
| US20100308437A1 (en) * | 2008-01-29 | 2010-12-09 | Koji Okuno | Method for producing group iii nitride-based compound semiconductor, wafer including group iii nitride-based compound semiconductor, and group iii nitrided-based compound semiconductor device |
| JP2010168274A (ja) * | 2008-12-26 | 2010-08-05 | Toyoda Gosei Co Ltd | Ｉｉｉ族窒化物半導体の製造方法およびテンプレート基板 |
| US20110012109A1 (en) * | 2009-07-17 | 2011-01-20 | Applied Materials, Inc. | Method of forming a group iii-nitride crystalline film on a patterned substrate by hydride vapor phase epitaxy (hvpe) |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW201312629A (zh) | 2013-03-16 |
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