TWI488814B - 發光元件及半導體基板的製作方法 - Google Patents

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Description

發光元件及半導體基板的製作方法
本發明係關於一種半導體層，尤有關於可得到一種高結晶品質的GaN系磊晶層(epitaxial layer)的半導體層。
第3圖係顯示習知的半導體層。此半導體層具備：Al2 O3 基板11，由Al2 O3 所組成；AlN層12，形成於Al2 O3 基板11的表面；GaN成長層13，在AlN層12上藉由有機金屬氣相沈積磊晶法MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法使磊晶成長而形成。例如請參考日本專利特公昭52-36117號公報。
根據此半導體層，藉由在Al2 O3 基板11與GaN成長層13之間形成AlN層12的方式，可降低「光柵常數」(grating constant)的不一致，減少結晶不良的情況產生。
但是，根據習知的半導體層，並無法使AlN層12與GaN成長層13的光柵常數完全一致，導致GaN成長層13的結晶品質難以獲得更進一步的提昇。另外，在適用於發光元件的情況下，發光層的結晶性質會惡化，導致發光效率降低。
因此，本發明之目的即在於提供一種半導體層，可得到高結晶品質的GaN系磊晶層。
本發明為了達成上述目的，故提供一種半導體層，其特徵係具備：第1層，由Ga2 O3 系半導體所組成；以及第2層，以氮原子取代該第1層的氧原子之一部或全部後而得。
根據本發明之半導體層，在由Ga2 O3 系半導體所組成之第1層上，將第1層的氧原子之一部或全部以氮原子取代後而得到第2層，並且藉由第2層的形成，可無須透過緩衝層而得到由高結晶度的GaN系化合物半導體所組成之第2層。
 <實施發明之最佳型態>
以下說明關於本發明實施型態之半導體層。在此實施型態中的半導體層係由第1層、第2層、以及第3層所構成的。其中，第1層係由Ga2 O3 系半導體所組成；第2層係在第1層的表面施加氮化處理，將第1層上的第1層氧原子之一部或全部以氮原子取代而得之GaN系化合物半導體所組成；第3層係在第2層上再加上GaN系磊晶層所組成。在此，「Ga2 O3 系半導體」中包含：Ga2 O3 、(Inx Ga1-x )2 O3 (其中，0≦x<1)、(AlX Ga1-x )2 O3 (其中，0≦x<1)、(InX Aly Ga1-x-y )2 O3 (其中，0≦x<1，0≦y<1，0≦x+y<1)等所構成之物，此外亦包含了相對於此，由於原子取代或是原子缺陷而顯示出n型導電性或是p型導電性者。另外，在「GaN系化合物半導體」以及「GaN系磊晶層」中，包含由GaN、Inz Ga1-z N(其中，0≦z<1)、AlX Ga1-z N(其中，0≦z<1)或Inz ALp Ga1-z-p N(其中，0≦z<1、0≦p<1、0≦z+p<1)等所組成之物，此外亦包含了相對於此，由於原子取代或是原子缺陷而顯示出n型導電性或是p型導電性者。
例如，就第1個例子而言，可採用以Ga2 O3 構成第1層；以GaN構成第2層；以GaN構成第3層般，使第2層與第3層由同一種化合物半導體所構成。另外，就第2個例子而言，可採用以Ga2 O3 構成第1層；以GaN構成第2層；以Inz Ga1-z N(其中，0≦z<1)構成第3層般，使第2層與第3層由不同種的化合物半導體所構成。另外，就第3個例子而言，可採用以(InX Ga1-x )2 O3 (其中，0≦x<1)構成第1層；以Inz Alp Ga1-z-p N(其中，0≦z<1、0≦p<1、0≦z+p<1)構成第2層；以A1Z Ga1-z N(其中，0≦z<1)構成第3層般，使第2層與第3層由不同種的化合物半導體構成，並且使第1層及第2層在第1個例子及第2個例子都由不相同的型態組成。
由於根據此實施型態，可使第2層及第3層的光柵常數彼此一致或者是極為近似，因此可得到高結晶品質的GaN系磊晶層。
(實施例1)
第1圖係顯示根據本發明之實施例1之半導體層。在此實施例1之半導體層具備：β-Ga2 O3 基板1，作為由β-Ga2 O3 單結晶所組成的第1層；GaN層2，對β-Ga2 O3 基板1的表面施以氮化處理所形成，作為膜厚度約2nm的第2層，GaN成長層3，在GaN層2上藉由例如MOCVD法使磊晶成長並形成，以作為第3層。在此氮化處理中，藉由以氮原子取代β-Ga2 O3 基板1的氧原子之方式，形成GaN層2。
第2圖係顯示半導體層的製造流程。首先，以浮動帶域法(floating zone，FZ法)製造β-Ga2 O3 基板1(步驟A)，並應準備β-Ga2 O3 種結晶與β-Ga2 O3 多結晶構件。
β-Ga2 O3 種結晶，具備藉由從β-Ga2 O3 單結晶裂開(cleavage)面等的利用而截斷的剖面正方形之角柱形狀。其軸方向係a軸＜100＞方位；b軸＜010＞方位；或c軸＜001＞方位。
β-Ga2 O3 多結晶材質，係將例如純度4N的Ga2 O3 粉末填充到橡膠管中，然後再以500MPa予以常溫壓製(cold compression)，在1500℃的溫度下燒結10小時而得。
其次，在石英管之中，使總壓力在1～2大氣壓力的氮與氧的混合氣體(在從100%氮到100%氧之間變化)之環境下，藉由使β-Ga2 O3 種結晶與β-Ga2 O3 多結晶的尖端相互接觸，並加熱溶解其接觸部分，使β-Ga2 O3 多結晶的溶解物冷卻，而生成β-Ga2 O3 單結晶。因為在β-Ga2 O3 單結晶中，於使結晶沿著b軸＜010＞方位生長時，在(100)面的裂開性增強，因此在(100)面將其以平行的面與垂直的面予以剪切，然後製作β-Ga2 O3 基板1。此外，因為如果使結晶沿著a軸＜100＞方位或是c軸<001＞方位成長的話，在(100)面以及(001)面的裂開性減弱，因此所有的面的加工性都改善，並無上述的剪切面的限制。
然後，在60℃的硝酸水溶液中，透過煮沸的方式，蝕刻β-Ga2 O3 基板1(步驟B)；然後將此蝕刻後的β-Ga2 O3 基板1浸泡在乙醇中並且以超音波洗淨(步驟C)；再將其浸泡在水中並以超音波洗淨(步驟D)；予以乾燥(步驟E)；然後在MOCVD設備的成長爐內，以1000℃進行真空清洗(步驟F)，使β-Ga2 O3 基板1的表面潔淨。
接著，對β-Ga2 O3 基板1的表面施以氮化處理(步驟G)。也就是說，使β-Ga2 O3 基板1在MOCVD設備的成長爐內，在特定的環境加熱特定的時間。藉由適當選擇環境(含氣壓)、加熱溫度、加熱時間的方式，可在β-Ga2 O3 基板1的表面得到希望的GaN層2。例如，藉由將β-Ga2 O3 基板1在300torr的NH3 環境中，以1050℃加熱5分鐘的方式，可在β-Ga2 O3 基板1的表面形成厚度僅有2nm左右的薄GaN層2。
其次，再藉由MOCVD法使GaN層成長，而取得GaN成長層3(步驟H)。也就是說，將MOCVD設備成長爐內，減壓到100torr，並且對成長爐內供應氨氣與三甲基鎵(trimethylgallium,TMG)，其中，前者係作為氮氣供應原料；而後者係作為鎵供應原料。在GaN層2上，例如，使厚度100nm左右的GaN成長層3成長。GaN成長層3的厚度，可藉由調整供應原料的濃度、加熱溫度等而予以控制。
在實施例1中，藉由供應三甲基鎵與三甲基鋁(trimethylalluminum,TMA)，可取代GaN層2而形成AlGaN層，作為第2層。另外，如果同時供應TMG與三甲基銦(trimethylindium,TMI)的話，即可取代GaN層2而形成InGaN層，作為第2層。
根據此實施例1，可得到以下的效果。
(1)　因為可獲得高結晶性的β-Ga2 O3 基板1，因此在基板上形成的GaN層2其穿透位錯(penetration displacement)密度低，因此可得到高結晶性的GaN層2。此外，因為此GaN層2與GaN成長層3的光柵常數一致，而且GaN成長層3可使GaN層2的高結晶性繼續成長，因此可得到穿透位錯少，結晶性高的GaN成長層3。
(2)　因為在n型的GaN成長層與p型的GaN成長層之間，故可藉由例如形成InGaN層的方式，製造發光二極體、半導體雷射等的發光元件。
(3)　因為在將本發明適用於發光元件時，可得到高結晶性的發光層，因此可提高發光效率。
(4)　因為β-Ga2 O3 基板1具有導電性，因此在製造發光元件的時候，可採用從層構造的上下方向取出電極的垂直型構造，因而可使層構成、生產過程更為簡化。
(5)　因為β-Ga2 O3 基板1具備透光性，因此可從基板側獲得光亮。
(6)　因為位在MOCVD裝置的成長爐內，連續進行上述的真空清洗(步驟F)、氮化處理(步驟G)、以及GaN磊晶成長(步驟H)等，因此可更有效率地生產半導體層。
另外，除了GaN成長層3之外，亦可使InGaN、AlGaN或是InGaAlN成長。就InGaN以及AlGaN的情況而言，可使其與GaN層2的光柵常數大致一致；而就InAlGaN的情況而言，則可使其與GaN層2的光柵常數一致。
例如，在薄膜GaN層2上，形成摻雜矽(Si)的GaN層，再於其上形成無摻雜的InGaN層，然後再於其上形成摻雜鎂(Mg)的GaN層或是AlGaN層，而得到雙異質(double hetero)型的發光元件。此時，藉由使無摻雜的InGaN層由不同In組成比的井層與障壁層交互堆疊而構成的話，即可得到具有MQW(多重量子井層)的雷射二極體元件。
另外，在第1圖中，使GaN成長層3具備特定的厚度，然後，在刪除GaN層2與基板1之後，可得到GaN基板。以相同的方式，藉由形成InGaN層、AlGaN層、或InGaAlN層的方式，替代GaN成長層3，分別得到不同的基板。
另外，就β-Ga2 O3 基板1的成長法而言，前文已說明使用FZ法的方式，但除此之外，亦可使用EFG法(Edge-defined Film-fed Growth method)等其他的成長方式亦可。另外，就GaN系磊晶層的成長法而言，已介紹了有機金屬氣相沈積磊晶法(MOCVD)法，但亦可使用脈衝雷射蒸鍍製程技術法(Pulsed Laser Deposition，PLD)等其他的成長方法。
此外，本發明之半導體層並不限於發光元件，亦可適用於各式各樣的半導體零件。
<產業上利用性>
根據本發明之半導體層，因為在由Ga2 O3 系半導體所組成之第1層上，藉由將第1層的氧原子之一部或全部以氮原子取代的方式而形成第2層，再藉由此不需要透過緩衝層而具有高結晶性的GaN系化合物半導體所組成之第2層，因此當在第2層上形成GaN系磊晶層時，可使第2層與GaN系磊晶層的光柵常數一致或是極為近似，而獲得結晶品質高的GaN系磊晶層。
1．．．β-Ga2 O3 基板
2．．．GaN層
3．．．GaN成長層
11．．．Al2 O3 基板
12．．．AlN層
13．．．GaN成長層
圖1係顯示依據本發明的實施例1之半導體層之剖面圖。
圖2係顯示依據本發明的實施例1之半導體層之生產流程圖。
圖3係顯示習知的半導體層之剖面圖。
1．．．β-Ga2 O3 基板
2．．．GaN層
3．．．GaN成長層

Claims (3)

  1. 一種發光元件，包含：基板，由下列者構成：β-Ga2 O3 單結晶基板；及表面層，對該β-Ga2 O3 單結晶基板的表面施以氮化處理，以氮原子取代氧原子之一部或全部；以及雙異質型發光層，形成於該基板上；且該雙異質型發光層包含：摻雜矽的GaN層，形成於該基板上；無摻雜的InGaN層，形成於該摻雜矽的GaN層上；以及摻雜鎂的GaN層或是摻雜鎂的AlGaN層，形成於該無摻雜的InGaN層上。
  2. 如申請專利範圍第1項之發光元件，其中，該無摻雜的InGaN層，構成多重量子井層，該多重量子井層，包含：無摻雜的InGaN層的井層；以及與該井層In組成比不同的無摻雜的InGaN層的障壁層。
  3. 一種半導體基板的製作方法，包含下列步驟：形成基板，該基板由下列者構成：β-Ga2 O3 單結晶基板；及表面層，對該β-Ga2 O3 單結晶基板的表面施以氮化處理，以氮原子取代氧原子之一部或全部；使磊晶成長裝置內減壓至既定之壓力，對該磊晶成長裝置內，供給氨氣及三甲基鎵，在該基板上使GaN層成長、供給氨氣、三甲基鎵及三甲基鋁，在該基板上使AlGaN層成長、或是供給氨氣、三甲基鎵及三甲基銦，在該基板上使InGaN層成長；以及自該GaN層、該AlGaN層、或是該InGaN層削除該基板，以製作該GaN層、該AlGaN層、或是該InGaN層所構成之基板。
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