TWI495153B - 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，特別是關於一種使用氧化鋅作為緩衝層之半導體裝置及其製造方法。

近來半導體裝置，由於各種電子裝置的應用，特別需要將半導體裝置動作時產生的熱，有效快速的傳導至外部，以避免半導體裝置因溫度過高而減低其壽命，使其無法正常運作，因此，氮化鋁、氧化鋁等陶瓷材料常被用來當作製作半導體裝置的基材，因氮化鋁具有高熱傳導特性，又因熱膨脹係數與半導體裝置常用的如氮化鎵等的材料近似，而氧化鋁具有可見光高穿透性與單晶晶體製備技術純熟等優點，所以期望使用該些陶瓷材料作為基板；然而需要容易成長所期望的結晶結構須仰賴高品質單晶陶瓷基板，如氮化鋁與氮化鎵等單晶的陶瓷材料有價格昂貴、取得不易之問題。

目前雖有文獻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僅能提供基材與薄膜間的晶格匹配，無法發揮氮化鋁自體的散熱特性，仍有半導體裝置過熱的問題。

因此，如何提供一半導體裝置，可容易地在該半導體裝置 上磊晶成長所期望的單晶層，進而降低成本，成為一重要之課題。

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，使用陶瓷基板，作為半導體裝置的基板，提高散熱效率，且可在本發明的半導體裝置上，直接成長氮化物層或與氮化物相關的緩衝層，以便作為進行後續成長氮化鎵與含鎵元素之氮化物(例如：InGaN,AlGaN,InAlGaN)等發光材料的單晶層用之基材，達到提高半導體裝置散熱效率、簡化製造步驟及降低成本之效果。

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；一氧化鋅層，形成於該陶瓷支持基板上，其中該氧化鋅層具有優選方向(prefer orientation)；以及一氮化鎵層，具有單晶結構，形成於該氧化鋅層上。

上述半導體裝置，可更包括：一氮化鋁層，形成於該氧化鋅層與該氮化鎵或含鎵元素之氮化物層之間，該氮化鋁層具有類單晶結構，其中該氮化鋁形成於該氧化鋅層上，該氮化鎵或含鎵元素之氮化物層形成於該氮化鋁層上。於一實施例，該氧化鋅層具有[0001]指向相關優選方向的ZnO結構，該氮化鋁層具有<0001>指向相關的AlN類單晶結構。於一實施例，該陶瓷支持基板為由鋁、氧化鋁或氮化鋁所構成。

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，藉由濺鍍法，形成一氧化鋅層；在該氧化鋅層上，藉由有機金屬化學氣相沈積法，形成一氮化鋁層，其中該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，於該陶瓷支持基板之表面溫度為800~1150℃範圍下，進行氮化鋁的成長，形成該氮化鋁層；以及藉由有機金屬化學氣相沈積法，形成一氮化鎵層，其中該氮化鎵層為一單晶層或類單晶層。

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氧化鋅層，藉由氧化鋅的優選方向結構，以提供作為後續成長氮化鎵或含鎵元素之氮化物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、氧化鋅層12、氮化鎵層14。陶瓷支持基板10係由氮化鋁所構成，氧化鋁等之陶瓷基板所構成，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。氧化鋅層12形成於該陶瓷支持基板10上，氧化鋅層12具有特定的優選方向(prefer orientation)，例如<0001>指向相關優選的ZnO結構。由於容易形成<0001>指向相關優選的ZnO結構，藉由氧化鋅層12的<0001>指向相關結構，有助於進行後續的磊晶步驟。

上述氧化鋅層，可利用濺鍍法、離子源輔助蒸鍍法、化學氣相沉積法與化學溶液鍍製法等方法形成。上述氧化鋅層，藉由濺鍍法，使用鋅濺鍍靶，以氧氣及氬氣為載送氣體，該陶瓷支持基板的表面溫度在20℃~500℃範圍下，進行氣化鋅的<0001>指向相關成長，形成厚度200~2000 nm之氧化鋅層。或者，使用氧化鋅之濺鍍靶，以氬氣為載送氣體，該陶瓷支持基板的表面溫度在20℃~500℃範圍下，進行氧化鋅的成長，形成厚度200~2000 nm之氧化鋅層。

上述半導體裝置，可更包括：一氮化鋁層，形成於該氧化鋅層與該氮化鎵或含鎵元素之氮化物層之間，該氮化鋁層具有類單晶結構，其中該氮化鋁形成於該氧化鋅層上，該氮化鎵或含鎵元素之氮化物層形成於該氮化鋁層上。上述氮化鋁層可利用濺鍍法或有機金屬化學氣相沈積法形成。

於形成該氮化鋁層之濺鍍法，使用鋁濺鍍靶，以氮氣為載送氣體，該陶瓷支持基板的表面溫度在400℃~600℃範圍下，進行氮化鋁的成長，形成厚度5~5000 nm之氮化鋁層。

於形成該氮化鋁層之有機金屬化學氣相沈積法，於溫度為800~1150℃範圍下，進行氮化鋁的成長，使用含氮原子之氣體(例如包含原子態的氮(電漿產生是中性活化氮原子)以及分子態的氮(藉由氣體解離得到的分子態氮，如NH₃ or N₂ )等等)以及含鋁原子之有機金屬化合物，以氫氣為載送氣體，於該氧化鋅層上，形成厚度5~5000nm之該氮化鋁層。

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。於一實施例，於該氮化鋁層上，可更包括一氮化鎵或氮化鋁鎵或氮化銦鎵的單晶層或類單晶層，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、氧化鋅層12、氮化鋁層13及氮化鎵層14。再者，該氮化鎵層14可為一n型層，亦即形成氮化鎵層後，藉由離子植入法，進行摻雜，成為p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、氧化鋅層120、氮化鋁層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。氧化鋅層120的構成，與上述氧化鋅層12相同，氮化鋁層130的構成，與上述氮化鋁層13相同。n型層140可由上述氮化鎵層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鎂可得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、氧化鋅層120、氮化鋁層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，包括複數量子阱層(quantum 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 支持基板係由鋁、氧化鋁或氮化鋁所構成。然後，在該陶瓷支持基板上，藉由濺鍍法，形成一氧化鋅層；在該氧化鋅層上，藉由有機金屬化學氣相沈積法，形成一氮化鋁層，其中該有機金屬化學氣相沈積法，使用含氮原子之氣體以及含鋁之有機金屬化合物，以氫氣為載送氣體，於該陶瓷支持基板之表面溫度為800~1150℃範圍下，進行氮化鋁的成長，形成該氮化鋁層；以及藉由有機金屬化學氣相沈積法，形成一氮化鎵層，其中該氮化鎵層為一單晶層或類單晶結構。

再者，於一實施例，可藉由有機金屬化學氣相沈積法，進行單晶成長，形成一氮化鎵或或含鎵元素之氮化物之單晶層或類單晶層。

於一實施例，上述方法可更包括：於該氮化鎵或或含鎵元素之氮化物之單晶層或類單晶層上，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：於該氮化鎵或或含鎵元素之氮化物之單晶層或類單晶層上，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℃。

上述含鋁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，氧化鋅層具有<0001>指向相關之優選方向(prefer orientation)ZnO結構，且氮化鋁層具有<0001>指向相關單晶氮化鋁結構。

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氧化鋅層，藉由氧化鋅的優選方向結構，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‧‧‧氧化鋅層

13‧‧‧氮化鋁層

14‧‧‧氮化鎵層

120‧‧‧氧化鋅層

130‧‧‧氮化鋁層

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‧‧‧氧化鋅層

14‧‧‧氮化鎵層

Claims (13)

1. 一種半導體裝置，包括：一陶瓷支持基板，由鋁或氮化鋁所構成，具有多晶結構；一氧化鋅層，形成於該陶瓷支持基板上，其中該氧化鋅層具有<0001>指向相關優選的ZnO結構，該氧化鋅層的厚度為200~2000nm；一氮化鋁層，具有單晶結構，形成於該氧化鋅層上，具有<0001>指向相關的AlN單晶結構，該氮化鋁層的厚度為5~5000nm；以及一氮化鎵或含鎵元素之氮化物薄膜層，具有單晶結構，形成於該氮化鋁層上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該氧化鋅層，係利用濺鍍法形成，該氮化鋁層係利用濺鍍法或有機金屬化學氣相沈積法形成。
3. 如申請專利範圍第2項所述之半導體裝置，其中於該濺鍍法，使用氧化鋅之濺鍍靶，以氬氣為載送氣體，該陶瓷支持基板的表面溫度在20℃~500℃範圍下，進行氧化鋅的成長，形成厚度200~2000nm之氧化鋅層。
4. 如申請專利範圍第2項所述之半導體裝置，其中於該濺鍍法，使用鋅濺鍍靶，以氧氣及氬氣為載送氣體，該陶瓷支持基板的表面溫度在20℃~500℃範圍下，進行氧化鋅的<0001>指向相關成長，形成厚度200~2000nm之氧化鋅層。
5. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中於形成該氮化鋁層之濺鍍法，使用鋁濺鍍靶，以氮氣為載送氣體，該陶瓷支持基板的表面溫度在400℃~600℃範圍下，進行氮化鋁的成長，形成厚度5~5000nm之氮化鋁層。
6. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中於形成該氮化鋁層之有機金屬化學氣相沈積法，於溫度為800~1150℃範圍下，進行氮化鋁的成長，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，於該氧化鋅層上，形成厚度5~5000nm之該氮化鋁層。
7. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，更包括：一氮化鋁鎵層，具有單晶結構，形成於該氮化鋁層上，介於該氮化鋁層與該氮化鎵或含鎵元素之氮化物薄膜層之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，更包括：一氮化鎵層且為n型層，於該氮化鎵層上，更包括一發光層以及一p型層，該發光層係由複數阱層與複數阻隔層交錯堆疊所構成。
9. 如申請專利範圍第8項所述之半導體裝置，其中該發光層係由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。
10. 一種半導體裝置的製造方法，包括：提供一陶瓷支持基板，由鋁或氮化鋁所構成，具有多晶結構； 在該陶瓷支持基板上，藉由濺鍍法，形成一氧化鋅層；在該氧化鋅層上，藉由有機金屬化學氣相沈積法，形成一氮化鋁層，其中該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，於該陶瓷支持基板之表面溫度為800~1150℃範圍下，進行氮化鋁的成長，形成該氮化鋁或含鎵元素之氮化物薄膜層；以及藉由有機金屬化學氣相沈積法，形成一氮化鎵層，其中該氮化鎵層為一單晶層或類單晶層。
11. 如申請專利範圍第10項所述之方法，更包括：於該氮化鎵層或含鎵元素之氮化物薄膜上，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。
12. 如申請專利範圍第10項所述之方法，更包括：於該氮化鎵或含鎵元素之氮化物薄膜層上，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。
13. 如申請專利範圍第10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。