TWI602248B - 氮化物半導體結構 - Google Patents

Description

氮化物半導體結構

本發明是有關於一種半導體結構，且特別是有關於一種氮化物半導體結構。

以氮化鎵為基底的化合物形成的半導體元件由於具有高耐熱性、高崩潰電壓（breakdown voltage）、高電子飽和速度、高電流密度，其可以在高頻率下運作、並提供較高的功率，因此不論在汽車電子、電源管理系統、照明、工業設備、可攜式產品、通信設備、消費類電子產品內都具有極高的發展潛力。

然而，現有用以成長含氮半導體的基板例如是藍寶石基板，其晶格大小並無法與氮化鎵的晶格匹配，因此在成長含氮半導體時容置形成缺陷或裂痕，進而無法製作良好的含氮半導體。另一方面，現有的特製基板的晶格大小雖然可以與氮化鎵的晶格大小匹配，但其價格極高，進而會導致含氮半導體裝置的整體製程不符成本。因此，如何在普遍使用的基板上成長良好的含氮半導體元件仍是人們欲解決的主要課題之一。

本發明提供一種氮化物半導體結構，其具有良好的晶格品質。

本發明的實施例的氮化物半導體結構包括基板、多重緩衝疊層以及含氮半導體堆疊層，含氮半導體堆疊層配置於多重緩衝層上，多重緩衝層配置於基板以及含氮半導體堆疊層之間。多重緩衝疊層包括多個含氮半導體複合層，每個多個含氮半導體複合層包括第一氮化鋁基層、第二氮化鋁基層以及第三氮化鋁基層。第二氮化鋁基層以及第三氮化鋁基層依序堆疊於第一氮化鋁基層上，且第一氮化鋁基層、第二氮化鋁基層以及第三氮化鋁基層的鋁濃度依序遞減。

在本發明的一實施例中，上述的每個含氮半導體複合層還包括磊晶層。第一氮化鋁基層、第二氮化鋁基層以及第三氮化鋁基層依序堆疊於所述磊晶層上。

在本發明的一實施例中，上述的磊晶層的材質包括氮化鋁。

在本發明的一實施例中，上述的第一氮化鋁基層、第二氮化鋁基層以及第三氮化鋁基層的材質包括氮化鋁鎵、氮化鋁銦或氮化鋁銦鎵。

在本發明的一實施例中，上述的第一氮化鋁基層、第二氮化鋁基層以及第三氮化鋁基層各自具有一致的鋁濃度。

在本發明的一實施例中，上述的第一氮化鋁基層、第二氮化鋁基層以及第三氮化鋁基層各自的鋁濃度往遠離基板的方向減少。

在本發明的一實施例中，上述的第一氮化鋁基層、第二氮化鋁基層以及第三氮化鋁基層的鋁濃度各自是以線性、指數型或曲線型變化。

在本發明的一實施例中，上述的含氮半導體複合層的數量落在2層至200層的範圍內。

在本發明的一實施例中，上述的含氮半導體複合層的數量與第一氮化鋁基層、第二氮化鋁基層以及第三氮化鋁基層的厚度呈正比。

在本發明的一實施例中，上述的含氮半導體複合層是由有機金屬化學氣相沈積法形成。

在本發明的一實施例中，上述的第一氮化鋁基層、第二氮化鋁基層以及第三氮化鋁基層的厚度不超過1000奈米。

在本發明的一實施例中，上述的基板的材質包括矽。

基於上述，本發明的實施例的氮化物半導體結構包括多重緩衝疊層配置於基板以及含氮半導體堆疊層之間，且多重緩衝疊層包括多個三層式的氮化鋁基複合層，因此可以大幅改善基板以及含氮半導體堆疊層之間晶格不匹配的問題。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

本發明的實施例的氮化物半導體結構例如是一種半導體功率元件（power device）或發光元件（light emitting device），本發明並不限於上述這些應用領域。圖1是依照本發明的第一實施例的一種氮化物半導體結構的示意圖。請參照圖1，在本發明的第一實施例中，氮化物半導體結構100包括基板200、多重緩衝疊層300以及含氮半導體堆疊層400。含氮半導體堆疊層400配置於多重緩衝層300上，多重緩衝層300配置於基板200以及含氮半導體堆疊層400之間。本實施例的含氮半導體堆疊層例如是由多個半導體層形成，其中包括有第一型摻雜半導體層、第二型摻雜半導體層以及主動層等，且半導體堆疊層的材質例如是由氮化鎵與氮化鋁鎵所形成，而多重緩重層300連接基板200以及含氮半導體堆疊層400，但本發明並不限於含氮半導體堆疊層的結構以及組合。

圖2是依照圖1中區域A中的局部放大示意圖。請參照圖2，多重緩衝疊層300包括多個含氮半導體複合層301，每個含氮半導體複合層301包括第一氮化鋁基層310、第二氮化鋁基層320以及第三氮化鋁基層330。在每個含氮半導體複合層301中，第一氮化鋁基層310較其他二層靠近基板200，第三氮化鋁基層330則遠離基板200，而第二氮化鋁基層320位於第一氮化鋁基層310和第三氮化鋁基層330之間。

另一方面，圖3是依照圖1中區域B中的局部放大示意圖。請參照圖3，在本實施例的每個含氮半導體複合層301中，第三氮化鋁基層330較其他二層靠近含氮半導體堆疊層400，第一氮化鋁基層310則遠離含氮半導體堆疊層400。因此，本實施例的基板200鄰近配置於這些含氮半導體複合層301的其中之一的第一氮化鋁基層310，而含氮半導體堆疊層400連接這些含氮半導體複合層301的其中之一的第三氮化鋁基層330。

請參照圖2及圖3，本實施例的第二氮化鋁基層320以及第三氮化鋁基層330依序堆疊於第一氮化鋁基層310上，且第一氮化鋁基層310、第二氮化鋁基層320以及第三氮化鋁基層330的鋁濃度依序遞減。換句話說，在每個含氮半導體堆疊層400中，第一氮化鋁基層310的鋁濃度較第二氮化鋁基層320的鋁濃度高，而第二氮化鋁基層320的鋁濃度又較第三氮化鋁基層330的鋁濃度高，因此每個含氮半導體複合層301的鋁濃度是自基板200往含氮半導體堆疊層400遞減，亦即沿著方向d1遞減。

如上所述，由於本實施例的氮化物半導體結構100具有多重緩衝層300配置於基板200以及含氮半導體堆疊層400之間，且多重緩衝層300包括多個含氮半導體複合層301，這些含氮半導體複合層各自包括三個氮化鋁基層310、320、330，且這三個氮化鋁基層310、320、330的鋁濃度又依序自基板200往含氮半導體堆疊層400遞減，因此可以適度的調整晶格大小供含氮半導體堆疊層400成長。

詳細而言，請參照圖2及圖3，本發明的第一實施例的氮化物半導體結構100中的每個含氮半導體複合層301還包括磊晶層340。第一氮化鋁基層310、第二氮化鋁基層320以及第三氮化鋁基層330依序堆疊於所述磊晶層340上。具體而言，磊晶層340可以提供適當的表面供第一氮化鋁基層310、第二氮化鋁基層320以及第三氮化鋁基層330成長，且還可以避免含氮半導體複合層301所產生的缺陷延伸至其他含氮半導體複合層301。

具體而言，本實施例的含氮半導體複合層301的磊晶層340的材質包括氮化鋁，因此可以提供良好的表面供第一氮化鋁基層310成長，也可以阻隔其他含氮半導體複合層301所產生的缺陷或裂痕，以避免上述的缺陷或裂痕往上延伸。

另一方面，本實施例的第一氮化鋁基層310、第二氮化鋁基層320以及第三氮化鋁基層330的材質包括氮化鋁鎵，但本發明不限於此。在本發明的其他實施例中，上述的第一氮化鋁基層310、第二氮化鋁基層320以及第三氮化鋁基層330的材質更可以包括氮化鋁銦或氮化鋁銦鎵，或是包括其他Ⅲ-Ⅴ族的氮化物材料，本發明並不限於此。

請參照圖2、3，在本發明的第一實施例中，第一氮化鋁基層310、第二氮化鋁基層320以及第三氮化鋁基層330各自具有一致的鋁濃度，但本發明不限於此。

在本發明的其他實施例中，上述的第一氮化鋁基層310、第二氮化鋁基層320以及第三氮化鋁基層330各自的鋁濃度往遠離基板200的方向（亦即方向d1）減少。同時，在本發明的實施例中，鋁濃度在第一氮化鋁基層310、第二氮化鋁基層320以及第三氮化鋁基層330中各可以是以線性、指數型或曲線型的方式沿著方向d1減少。

本實施例的多重緩衝疊層300例如是以有機金屬化學氣相沈積法（Metal-organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD）形成。舉例而言，本實施例的基板200例如是材料包含矽的矽基板，且基板200提供(111)結晶面供多重緩衝疊層300成長。本實施例例如在MOCVD的反應腔體中將基板200加熱至攝氏1100度以上以去除表面上的氧化物，接著通入氨（Ammonia, NH ₃）、三甲基鋁（Trimethylaluminum, TMAl）來成長磊晶層340，再通入NH ₃、H ₂、N ₂、三甲基鎵（Trimethylgallium, TMGa）、TMAl與三甲基銦（Trimethylindium, TMIn）來形成第一氮化鋁基層310、第二氮化鋁基層320以及第三氮化鋁基層330，其中腔體的溫度亦維持在攝氏950度以上。上述的磊晶層340、第一氮化鋁基層310、第二氮化鋁基層320以及第三氮化鋁基層330的厚度可以藉由調整成長的時間來控制。進一步而言，本實施例的第一氮化鋁基層310、第二氮化鋁基層320以及第三氮化鋁基層330的厚度不超過1000奈米。另一方面，上述鋁濃度的變化更可以藉由通入氣體的比例來控制，藉以形成具有良好緩衝功能的多重緩衝疊層300。

本實施例的氮化物半導體結構100是藉由重複進行上述的方法以完成多個含氮半導體複合層301。具體而言，本實施例的含氮半導體複合層301的數量落在2層至100層的範圍內，但本發明不限於此。

另一方面，本實施例的含氮半導體複合層301的數量與第一氮化鋁基層310、第二氮化鋁基層320以及第三氮化鋁基層330的厚度呈正比。換句話說，當含氮半導體複合層301的數量提昇時，形成每個第一氮化鋁基層310、第二氮化鋁基層320以及第三氮化鋁基層330的時間也可以增加，藉以提供更加的緩衝效果。

綜上所述，本發明的實施例的氮化物半導體結構包括多重緩衝疊層配置於基板以及含氮半導體堆疊層之間，且多重緩衝疊層包括多個含氮半導體複合層，每個含氮半導體複合層包括第一氮化鋁基層、第二氮化鋁基層以及第三氮化鋁基層，且第一氮化鋁基層、第二氮化鋁基層以及第三氮化鋁基層依序堆疊於基板，並讓每個含氮半導體複合層中的鋁濃度朝遠離基板的方向遞減，因此可以大幅改善基板以及含氮半導體堆疊層之間晶格不匹配的問題。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

d1‧‧‧方向

100‧‧‧氮化物半導體結構

200‧‧‧基板

300‧‧‧多重緩衝疊層

301‧‧‧含氮半導體複合層

310‧‧‧第一氮化鋁基層

320‧‧‧第二氮化鋁基層

330‧‧‧第三氮化鋁基層

340‧‧‧磊晶層

400‧‧‧含氮半導體堆疊層

圖1是依照本發明的第一實施例的一種氮化物半導體結構的示意圖。 圖2是依照圖1中區域A中的局部放大示意圖。 圖3是依照圖1中區域B中的局部放大示意圖。

300‧‧‧多重緩衝疊層

301‧‧‧含氮半導體複合層

310‧‧‧第一氮化鋁基層

320‧‧‧第二氮化鋁基層

330‧‧‧第三氮化鋁基層

340‧‧‧磊晶層

400‧‧‧含氮半導體堆疊層

d1‧‧‧方向

Claims (11)

1. 一種氮化物半導體結構，包括：一基板；一多重緩衝疊層，由多個含氮半導體複合層所組成，每個所述多個含氮半導體複合層包括：一磊晶層；一第一氮化鋁基層；一第二氮化鋁基層；以及一第三氮化鋁基層，所述第一氮化鋁基層、所述第二氮化鋁基層以及所述第三氮化鋁基層依序堆疊於所述磊晶層上，且所述第一氮化鋁基層、所述第二氮化鋁基層以及所述第三氮化鋁基層的鋁濃度依序遞減；以及一含氮半導體堆疊層，配置於所述多重緩衝層上。
2. 如申請專利範圍第1項所述的氮化物半導體結構，其中所述磊晶層的材質包括氮化鋁。
3. 如申請專利範圍第1項所述的氮化物半導體結構，其中所述磊晶層、所述第一氮化鋁基層、所述第二氮化鋁基層以及所述第三氮化鋁基層的厚度不超過1000奈米。
4. 如申請專利範圍第1項所述的氮化物半導體結構，其中所述第一氮化鋁基層、所述第二氮化鋁基層以及所述第三氮化鋁基層的材質包括氮化鋁鎵、氮化鋁銦或氮化鋁銦鎵。
5. 如申請專利範圍第1項所述的氮化物半導體結構，其中所述第一氮化鋁基層、所述第二氮化鋁基層以及所述第三氮化鋁基層各自具有一致的鋁濃度。
6. 如申請專利範圍第1項所述的氮化物半導體結構，其中所述第一氮化鋁基層、所述第二氮化鋁基層以及所述第三氮化鋁基層各自的鋁濃度往遠離所述基板的方向減少。
7. 如申請專利範圍第4項所述的氮化物半導體結構，其中所述第一氮化鋁基層、所述第二氮化鋁基層以及所述第三氮化鋁基層的鋁濃度各自是以線性、指數型或曲線型變化。
8. 如申請專利範圍第1項所述的氮化物半導體結構，其中所述含氮半導體複合層的數量落在2層至200層的範圍內。
9. 如申請專利範圍第1項所述的氮化物半導體結構，其中所述含氮半導體複合層的數量與所述第一氮化鋁基層、所述第二氮化鋁基層以及所述第三氮化鋁基層的厚度呈正比。
10. 如申請專利範圍第1項所述的氮化物半導體結構，其中所述含氮半導體複合層是由有機金屬化學氣相沈積法形成。
11. 如申請專利範圍第1項所述的氮化物半導體結構，其中所述基板的材質包括矽。