TWI756022B - 具超奈米晶體鑽石層電極結構之氮化物半導體元件 - Google Patents
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Abstract
本發明係提供一種具超奈米晶體鑽石層電極結構之氮化物半導體元件及其製作方法,藉由在氮化物半導體元件製作過程中,於其電極區域之半導體表面施以圖案化處理,使得超奈米晶體鑽石層能更有效地附著於氮化物半導體表面,此超奈米晶體鑽石層可作為電極層與熱傳導層,來達到提升氮化半導體元件性能之功效。
Description
本發明係關於一種半導體元件結構,特別是關於一種具有超奈米晶體鑽石層電極結構之氮化物半導體元件結構。
氮化物半導體材料已被視為第三代半導體材料,其應用範圍相當廣泛,尤其是發展超過20年的氮化物發光二極體(Light Emitting Diode,LED)已充分融入日常生活之中,諸如交通號誌、照明、LED電視等;近年來氮化物半導體材料發展趨勢已朝向高頻功率元件方向發展,其元件結構以高電子遷移率電晶體(High Electron Mobility Transistor,HEMT)為主,可應用於微波至毫米波射頻通訊與雷達系統,例如應用於氣候雷達系統,可監控與預測落雨量,達到示警作用;亦或應用於5G以及未來6G系統,可提供毫米波段的通訊傳輸,達到超高速、高容量、無延遲等傳輸需求。
為達上述之發展應用,氮化物半導體元件均需操作在大功率模式下以滿足系統需求,然而即便氮化物半導體材料具有寬能係特性可提供元件在高電壓、電流與高溫操作,元件的自熱(Self-heating)效應仍是氮化物元件在大功率模
式操作下的一個重要議題,若無法妥善處理熱效應將使元件在操作時性能降低或甚至失效。
為了使元件有較佳之散熱效果,有諸多方式可達成此一功效,例如可參照美國專利US 2016/0049351 A1號,其揭示一種以基板(Substrate)移除之方式將元件之原生基板去除,再以封裝接合(Bonding)方式將散熱裝置接合於該元件之上下面,達到元件散熱之目的;再則請參照美國專利US 2017/0294528 A1號與US 2013/0248879 A1號,兩者均揭示一種使用通孔(Via Hole)之方式於元件之基板背面挖孔洞,使該孔洞接觸或接近磊晶結構之成核層(Nucleation),並於該孔洞中填滿金屬或於該孔洞表面形成鑽石薄膜來增加導熱效果;另請參照美國專利US 8,912,577 B2號,其揭示一種將閘極(Gate)電極區域分段之方式,使閘極電極分成主動(Active)與非主動(Inactive)區域,再以空氣橋(Air Bridge)將閘極電極之主動區域連接以達到元件操作之功能,由於其閘極電極具備非主動區域可使通道溫度(Channel Temperature)降低達到散熱效果,但其非連續之閘極電極結構將導致元件操作頻率降低,不利於應用於高頻元件。
綜觀上述之元件散熱方式,除了以閘極電極區域分段之方式較接近主動區外,無論是封裝接合散熱裝置或是使用通孔之方式均距離主動區,亦即接面(Junction)區有一段距離,無法將主動區產生的熱直接傳導至外接之散熱裝置;
職是之故,申請人乃進行試驗與研究,提出一種具有超奈米晶體鑽石(Ultrananocrystalline Diamond,UNCD)層電極結構之氮化物半導體元件及其製作方法;由於鑽石材料之熱導率(Thermal Conductivity)高達2000W/m.K,具有良好之熱傳導特性,因此藉由在氮化物半導體元件電極結構中使用超奈米晶體鑽石層,此超奈米晶體鑽石層可作為導電層與熱傳導層,來達到提升氮化物半導體元件性能之功效。
本發明之主要目的在於提出一種以超奈米晶體鑽石層來作為電極結構之氮化物半導體元件及其製作方法,該超奈米晶體鑽石層同時具有導電層與熱傳導層之功效。
為達到上述目的,根據本發明提出之一方案,提供一氮化物半導體元件,該元件可為發光二極體(LED)、雷射二極體(Laser Diode,LD)、光偵檢器(Photodiode,PD)、太陽電池(Solar Cell)、高電子遷移率電晶體(HEMT)、場效電晶體(Field Effect Transistor,FET)、金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor FET,MOSFET)、雙極性接面電晶體(Bipolar Junction Transistor,BJT)等具有電極結構之光電或電子元件;該電極結構包含一超奈米晶體鑽石層,其位置介於氮化物半導體元件之磊晶層與金屬電極層之間,可藉由元件製程設計控制該超奈米晶體鑽石層接近或接觸元件主動
區,以達到最佳之散熱效果。
為使超奈米晶體鑽石層能有效成長於氮化物半導體材料之上,本發明提出利用一種圖案化製作方式,使得超奈米晶體鑽石有足夠之成核位置(Nucleation Site)與成核密度(Nucleation Density)以利於成長於氮化物半導體材料之上;並使用氮摻雜(Nitrogen-doped)技術以獲得低阻抗之超奈米晶體鑽石層,使其具有良好之導電性。
為達上述目的,本發明之實現技術如下:一種具有超奈米晶體鑽石層電極結構之氮化物半導體元件結構,其包含:一氮化物半導體元件,一超奈米晶體鑽石層,該超奈米晶體鑽石層係位於氮化物半導體元件之電極區域,一金屬電極層,該金屬層係位於超奈米晶體鑽石層之上。
如上述中之具超奈米晶體鑽石層電極結構之氮化物半導體元件結構,其中該氮化物半導體元件可為發光二極體(LED)、雷射二極體(Laser Diode,LD)、光偵檢器(Photodiode,PD)、太陽電池(Solar Cell)、高電子遷移率電晶體(HEMT)、場效電晶體(Field Effect Transistor,FET)、金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor FET,MOSFET)、雙極性接面電晶體(Bipolar Junction Transistor,BJT)等具有電極結構之光電或電子元件。
如上述中之具超奈米晶體鑽石層電極結構之氮化物半導體元件結構,其中該超奈米晶體鑽石層係以一種圖
案化製作方式成長於氮化物半導體元件電極區域。
如上述中之係以一種圖案化製作方式成長於氮化物半導體元件電極區域,其中該圖案化製作方式,係於氮化物半導體元件電極區域形成奈米等級凹洞,該凹洞密度需大於1x108cm-2,較佳之凹洞密度條件為大於1x109cm-2。
如上述中之係以一種圖案化製作方式成長於氮化物半導體元件電極區域,其中該圖案化製作方式,係於氮化物半導體元件電極區域形成奈米等級凹洞,該凹洞直徑需大於40nm,較佳之凹洞直徑條件為大於70nm。
如上述中之係以一種圖案化製作方式成長於氮化物半導體元件電極區域,其中該圖案化製作方式,係於氮化物半導體元件電極區域形成奈米等級凹洞,該凹洞深度需大於20nm,較佳之凹洞深度需依氮化物半導體元件之電極區域深度調整,不同型態之半導體元件其電極區域深度亦不盡相同。
如上述中之具超奈米晶體鑽石層電極結構之氮化物半導體元件結構,其中該超奈米晶體鑽石層可以氮摻雜技術形成N型超奈米晶體鑽石層。
如上述中之具超奈米晶體鑽石層電極結構之氮化物半導體元件結構,其中該金屬電極層可以一種金屬或多種金屬形成。
如上述中之具超奈米晶體鑽石層電極結構之氮
化物半導體元件結構,其中該氮化物半導體元件至少具有兩個電極。
如上述中之具超奈米晶體鑽石層電極結構之氮化物半導體元件結構,其中該氮化物半導體元件之電極型態可為歐姆接觸或蕭特基接觸,或同時具有歐姆接觸與蕭特基接觸兩種型態之多個電極。
如上述中之具超奈米晶體鑽石層電極結構之氮化物半導體元件結構,其中該氮化物半導體元件至少一個電極具有超奈米晶體鑽石層。
100、200、300:基板
101:N型區
102:主動區
103:P型區
105、106:金屬電極
201、301:緩衝層
202、302:通道層
203、303:阻障層
204、304:源極電極
205、305:汲極電極
206、306:閘極電極
104、211、212、311、312:超奈米晶體鑽石層
221、331:二維電子氣
第1圖係為本發明提出之具有超奈米晶體鑽石層電極結構之氮化物半導體元件結構示意圖。
第2圖係為P型區圖案化表面之掃描式電子顯微鏡表面型態圖。
第3圖係為超奈米晶體鑽石層於圖案化P型區成長5分鐘後之掃描式電子顯微鏡表面型態圖。
第4圖係為超奈米晶體鑽石層於傳統平面P型區成長5分鐘後之掃描式電子顯微鏡表面型態圖。
第5圖(a)係為於傳統平面P型區成長30分鐘後之超奈米晶體鑽石層之掃描式電子顯微鏡表面與側面型態圖,第5圖(b)為於圖案化P型區成長15分鐘後之超奈米晶體鑽石層之掃描式電子顯微鏡表面與側面型態圖。
第6圖係為氮化鎵藍光二極體使用傳統鎳金屬電極於P型區以及使用超奈米晶體鑽石層與鎳金屬電極於圖案化P型區之電流-發光波長變化對照圖。
第7圖係為本發明提出之具有超奈米晶體鑽石層電極結構之氮化物常開型電晶體結構示意圖。
第8圖係為本發明提出之具有超奈米晶體鑽石層電極結構之氮化物常關型電晶體結構示意圖。
雖然本發明可表現為不同形式之實施例,但附圖所示者及於下文中說明者係為本發明之較佳實施例,並請瞭解本文所揭示者係考量為本發明之一範例,且並非意圖用以將本發明限制於圖示及或所描述之特定實施例中。
現請參考第1圖,其顯示為本發明之具有超奈米晶體鑽石層電極結構之氮化物半導體元件結構示意圖,本實施例使用之氮化物半導體元件結構為發光二極體,但亦可使用雷射二極體、光偵檢器、太陽電池、高電子遷移率電晶體、場效電晶體、金氧半場效電晶體、雙極性接面電晶體等具有電極結構之光電或電子元件;該發光二極體其磊晶結構係包括一基板100、一N型區101、一主動區102、一P型區103;本實施例之該P型區103係以陽極氧化鋁(Anodic Aluminium Oxide,AAO)光罩與感應耦合電漿離子蝕刻(Inductively
Coupled Plasma Reactive Ion Etching,ICP-RIE)等半導體製程方式於表面形成奈米等級之凹洞;現請參考第2圖,其為該P型區103表面以掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)拍攝之表面凹洞型態圖,其表面凹洞之密度、平均直徑與平均深度分別為6.1x109cm-2、80nm與60nm,該表面凹洞可作為後續超奈米晶體鑽石層104之成核位置;該P型區103表面凹洞之圖案化製作方式、密度、直徑與深度可依不同元件結構與製程方式做適當調整,較佳之凹洞密度條件為大於1x109cm-2,較佳之凹洞直徑條件為大於70nm,而較佳之凹洞深度需依氮化物半導體元件之電極區域深度調整,不同型態之半導體元件其電極區域深度亦不盡相同,不應以本實施例侷限本發明之內容範圍。其後於P型區103之上成長超奈米晶體鑽石層104,本實施例使用微波電漿化學氣相沉積法(Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition,MPCVD)成長該超奈米晶體鑽石層104,成長時之氣體前驅物為甲烷(CH4)、氬氣(Ar)與氮氣(N2),其氣體流量分別為4、100與15sccm,微波功率為1400W,反應腔壓力為90torr,以此條件成長之鑽石層其結晶體大小為3-5nm,因此稱為超奈米晶體鑽石層104;由於氣體前驅物中有氮氣成分,因此該超奈米晶體鑽石層104屬於氮摻雜之N型超奈米晶體鑽石層,其電阻率約為22Ω-cm,具有良好之導電性;本實施例中該超奈米晶體鑽石層104距離主動區102之最近
距離約為40nm,可將主動區102產生之熱有效地傳導至元件外部。該超奈米晶體鑽石層104亦可使用其他化學氣相沉積法與不同之氣體比例成長,不應以本實施例侷限本發明之內容範圍。
現請參考第3圖,其為超奈米晶體鑽石層104於圖案化P型區103成長5分鐘後之SEM表面型態圖,可看出其成核密度為3.6x109cm-2;現請參考第4圖,其為超奈米晶體鑽石層於無圖案化之傳統平面P型區成長5分鐘後之SEM表面型態圖,可看出其成核密度為1.8x108cm-2;現請比較第3圖與第4圖,可清楚看出超奈米晶體鑽石層於不同P型區表面之成核密度差異,圖案化之P型區103可提高20倍之超奈米晶體鑽石層104成核密度,高成核密度有助於成長連續且平整度較佳之超奈米晶體鑽石層104。現請參考第5圖,圖(a)為於傳統平面P型區成長30分鐘後之超奈米晶體鑽石層SEM表面與側面型態圖,圖(b)為於圖案化P型區成長15分鐘後之超奈米晶體鑽石層SEM表面與側面型態圖,相較於圖(a)之超奈米晶體鑽石層為顆粒狀且尚未密合成一完整平面,可清楚看出圖(b)之超奈米晶體鑽石層104為連續結構且表面平整。其後於N型區101之上形成金屬電極105,本實施例使用鈦(Ti)鋁(Al)作為該金屬電極105之材料,亦可使用其他金屬材料作為電極材料,不應以本實施例侷限本發明之內容範圍。其後於超奈米晶體鑽石層104之上形成金屬電極106,本實施例使
用鎳(Ni)作為該金屬電極106之材料,亦可使用其他金屬材料作為電極材料,不應以本實施例侷限本發明之內容範圍。
現請參考第6圖,其為氮化鎵藍光二極體使用傳統鎳金屬電極於P型區以及使用超奈米晶體鑽石層與鎳金屬電極於圖案化P型區之電流-發光波長變化對照圖,經量測可知傳統金屬電極結構之氮化鎵藍光二極體當其驅動電流由20mA增加至100mA時,主動區溫度將由50℃增加至150℃,若以此溫度區間來觀察兩種藍光二極體之波長變化,由該圖中可看出傳統鎳金屬電極之藍光二極體其溫度對波長變化為0.0229nm/℃,而使用超奈米晶體鑽石層與鎳金屬電極之藍光二極體其溫度對波長變化僅為0.0027nm/℃,隨著驅動電流與溫度增加,發光波長幾乎沒有變化,顯示出超奈米晶體鑽石層對於元件主動區的散熱有極大幫助。
現請參考第7圖,又本發明另一實施例如下,其顯示為本發明之具有超奈米晶體鑽石層電極結構之氮化物常開型(Normally-on)電晶體結構之示意圖,如該圖所示,其結構係包括一基板200、一緩衝層201、一通道層202、一阻障層203,並且該阻障層203與該通道層202之間必須形成二維電子氣221(亦即為元件主動區);三個元件端點金屬電極分別為源極(Source)電極204、汲極(Drain)電極205與閘極(Gate)電極206。本實施例將超奈米晶體鑽石層211應用於汲極電極205與閘極電極206結構,以本發明之圖案化技術於電極區域
汲極電極205與閘極電極206下方之阻障層203區域形成圖案化區域之凹洞,其中汲極電極205下方之阻障層203圖案化區域之凹洞深度可至通道層202,並於阻障層203圖案化區域之凹洞上形成超奈米晶體鑽石層211,再於該超奈米晶體鑽石層211之上形成汲極金屬電極205,由於該超奈米晶體鑽石層211正位於該二維電子氣221之上方,與元件主動區接觸,可發揮良好之散熱效果;再則其中閘極電極206下方之阻障層203圖案化區域之凹洞深度,考量到該二維電子氣221之完整性,於閘極電極206下方之阻障層203圖案化區域之凹洞深度不宜過深,其後於阻障層203圖案化區域之凹洞上形成超奈米晶體鑽石層212,再於該超奈米晶體鑽石層212之上形成閘極金屬電極206,由於該超奈米晶體鑽石層212亦位於該二維電子氣221之上方,與元件主動區接近,亦具有不錯之散熱效果。本發明提出之超奈米晶體鑽石層電極結構可應用於其一、其二或其三個電極,不應以本實施例侷限本發明之內容範圍。
現請參考第8圖,又再本發明另一實施例如下,其顯示為本發明之具有超奈米晶體鑽石層電極結構之氮化物常關型(Normally-off)電晶體結構之示意圖,如該圖所示,其結構係包括一基板300、一緩衝層301、一通道層302、一阻障層303、一P型層307,並且該阻障層303與該通道層302之間必須形成二維電子氣331(亦即為元件主動區),而該P型
層307下方阻障層303與通道層302之間並無形成二維電子氣,使元件保持常關特性;三個元件端點金屬電極分別為源極(Source)電極304、汲極(Drain)電極305與閘極(Gate)電極306。本實施例將超奈米晶體鑽石層311應用於汲極電極305與閘極電極306結構,以本發明之圖案化技術於電極區域汲極電極305下方之阻障層303區域與閘極電極306下方之P型層307區形成圖案化區域之凹洞,其中汲極電極305下方之阻障層303圖案化區域之凹洞深度可至通道層302,並於阻障層303圖案化區域之凹洞上形成超奈米晶體鑽石層311,再於該超奈米晶體鑽石層311之上形成汲極金屬電極305,由於該超奈米晶體鑽石層311正位於該二維電子氣331之上方,與元件主動區接觸,可發揮良好之散熱效果;再則其中閘極電極306下方之P型層307圖案化區域之凹洞深度,考量到須維持元件之常關特性,於閘極電極306下方之P型層307圖案化區域之凹洞深度不宜過深,其後於該P型層307圖案化區域之凹洞上形成超奈米晶體鑽石層312,再於該超奈米晶體鑽石層312之上形成閘極金屬電極306,由於該超奈米晶體鑽石層312與元件主動區接近,亦具有不錯之散熱效果。本發明提出之超奈米晶體鑽石層電極結構可應用於其一、其二或其三個電極,不應以本實施例侷限本發明之內容範圍。
上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效,而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何
熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下,對上述實施例進行修飾與變化。因此,本發明之權利保護範圍,應如後述之申請專利範圍所列。
100、200、300:基板
101:N型區
102:主動
103:P型區
104:超奈米晶體鑽石層
105、106:金屬電極
Claims (9)
- 一種具超奈米晶體鑽石層電極結構之氮化物半導體元件,其包括:一氮化物半導體元件,一超奈米晶體鑽石層,該超奈米晶體鑽石層係位於該氮化物半導體元件之一電極區域;一金屬電極層,該金屬電極層係位於該超奈米晶體鑽石層之上,其中該超奈米晶體鑽石層係以一種圖案化製作方式成長於該氮化物半導體元件之該電極區域。
- 如申請專利範圍第1項所述之具超奈米晶體鑽石層電極結構之氮化物半導體元件,其中該氮化物半導體元件為發光二極體(LED)、雷射二極體(Laser Diode,LD)、光偵檢器(Photodiode,PD)、太陽電池(Solar Cell)、高電子遷移率電晶體(HEMT)、場效電晶體(Field Effect Transistor,FET)、金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor FET,MOSFET)、雙極性接面電晶體(Bipolar Junction Transistor,BJT)等具有電極結構之光電或電子元件。
- 如申請專利範圍第1項所述之具超奈米晶體鑽石層電極結構之氮化物半導體元件,其中該圖案化製作方式,係於該氮化物半導體元件之該電極區域形成奈米等級凹洞, 該凹洞密度需大於1x108cm-2,以及該凹洞直徑需大於40nm。
- 如申請專利範圍第1項所述之具超奈米晶體鑽石層電極結構之氮化物半導體元件,其中該圖案化製作方式,係於該氮化物半導體元件之該電極區域形成奈米等級凹洞,該凹洞深度需大於20nm。
- 如申請專利範圍第1項所述之具超奈米晶體鑽石層電極結構之氮化物半導體元件,其中該超奈米晶體鑽石層以氮摻雜技術形成N型超奈米晶體鑽石層。
- 如申請專利範圍第1項所述之具超奈米晶體鑽石層電極結構之氮化物半導體元件,其中該金屬電極層以一種金屬或多種金屬形成。
- 如申請專利範圍第1項所述之具超奈米晶體鑽石層電極結構之氮化物半導體元件,其中該氮化物半導體元件至少具有兩個電極。
- 如申請專利範圍第1項所述之具超奈米晶體鑽石層電極結構之氮化物半導體元件,其中該氮化物半導體元件之電極型態為歐姆接觸或蕭特基接觸,或同時具有歐姆接觸與蕭特基接觸兩種型態之多個電極。
- 如申請專利範圍第1項所述之具超奈米晶體鑽石層電極結構之氮化物半導體元件,其中該氮化物半導體元件之至少一個電極具有該超奈米晶體鑽石層。
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