TWI767425B - 氮化物磊晶片及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種高電子遷移率之氮化物磊晶片及其製造方法，其包含：基板、成核層、至少一氮化鋁鎵緩衝層、高阻層、氮化鎵通道層、低空缺通道層、電子提供層以及覆蓋層。本發明係在氮化鎵通道層與電子提供層之間設置堆疊氮原子層與鎵原子層所形成的低空缺通道層，透過低空缺通道層的設置，可以減少由於氮化鎵通道層中存在的氮原子與鎵原子空缺，而導致的電子提供層與氮化鎵通道層之間的異質接面產生鋁原子與鎵原子分布不均勻的現象。並且，透過減少電子提供層與氮化鎵通道層之間異質接面的鋁原子與鎵原子分布不均勻的現象，可以減少合金無序散射現象的發生，進而提升氮化物磊晶片的電子遷移率以及操作時的性能。

Description

氮化物磊晶片及其製造方法

本發明涉及一種氮化物磊晶片及其製造方法，且特別涉及一種透過減少合金無序散射現象(alloy disorder scattering)的發生，而具有高電子遷移率之氮化物磊晶片及其製造方法。

氮化鎵為下一世代半導體元件的明星材料之一，氮化鎵材料與氮化鋁鎵(或者氮化鋁銦鎵材料)之間的異質接面憑藉著材料具備的強自發極化效應，以及異質接面間的強壓電極化效應，使得兩材料之異質接面處產生二維電子氣。其中，二維電子氣具備著高電子濃度與高電子遷移率的特性，而氮化鎵材料本身又具備著高能帶特性，因此氮化鎵材料特別適合應用在高功率的半導體元件。

然而，氮化鎵層中經常存在著大量的氮原子與鎵原子空缺，這些空缺將導致在氮化鎵上成長氮化鋁鎵或氮化鋁銦鎵時，所形成的氮化鋁鎵層或氮化鋁銦鎵層與氮化鎵層之間的接面處具有鋁原子與鎵原子分佈不均勻的現象。鋁原子與鎵原子分佈不均勻的現象將導致合金無序散射現象的產生，進而 影響半導體元件的二維電子氣之電子遷移率的特性，並且降低了元件操作時的性能。

為了解決上述先前技術的問題，本發明之目的在於提供一種高電子遷移率之氮化物磊晶片及其製造方法，係透過插入重複堆疊的氮原子層與鎵原子層所形成的低空缺通道層，以改善氮化鎵與氮化鋁銦鎵之間的異質接面處的鋁原子與鎵原子分佈不均勻的現象，進而減少合金無序散射現象的產生。

基於上述目的，本發明提供一種氮化物磊晶片，其包含：基板；成核層，設置在基板上；至少一氮化鋁鎵緩衝層，設置在成核層上；高阻層，設置在至少一氮化鋁鎵緩衝層上；氮化鎵通道層，設置在高阻層上；低空缺通道層，設置在氮化鎵通道層上；電子提供層，設置在低空缺通道層上；以及覆蓋層，設置在電子提供層上。

較佳地，基板可以為矽基板、矽晶絕緣體基板、氮化鋁基板、鑽石基板、碳化矽基板、氧化鎵基板或氮化硼基板。

較佳地，成核層可以為成長於基板上之氮化鋁磊晶。

較佳地，至少一氮化鋁鎵緩衝層可以包含第一氮化鋁鎵緩衝層、第二氮化鋁鎵緩衝層、及第三氮化鋁鎵緩衝層，並且第一氮化鋁鎵緩衝層的化學組成為Al_eGa_1-eN，且0.75≦e<1；第二氮化鋁鎵緩衝層的化學組成為Al_dGa_1-dN，且0.5≦d≦0.75；以及第三氮化鋁鎵緩衝層的化學組成為Al_cGa_1-cN，且0.3≦c≦0.5。

較佳地，第一氮化鋁鎵緩衝層、第二氮化鋁鎵緩衝層、及第三氮化鋁鎵緩衝層各別可以為無摻雜、碳摻雜、鐵摻雜或鎂摻雜。

較佳地，第一氮化鋁鎵緩衝層、第二氮化鋁鎵緩衝層、及第三氮化鋁鎵緩衝層各別可以摻雜有碳及鐵、碳及鎂或鐵及鎂，又或者摻雜有碳、鐵及鎂。

較佳地，當第一氮化鋁鎵緩衝層、第二氮化鋁鎵緩衝層、及第三氮化鋁鎵緩衝層為碳摻雜時，碳濃度介於1E16~1E21atoms/cm³；當第一氮化鋁鎵緩衝層、第二氮化鋁鎵緩衝層、及第三氮化鋁鎵緩衝層為鐵摻雜時，鐵濃度介於1E16~1E20atoms/cm³；當第一氮化鋁鎵緩衝層、第二氮化鋁鎵緩衝層、及第三氮化鋁鎵緩衝層為鎂摻雜時，鎂濃度介於1E16~1E20atoms/cm³。

較佳地，高阻層的化學組成可以為Al_bGa_1-bN，且0≦b≦0.1，並且高阻層可以為碳摻雜、鐵摻雜或鎂摻雜。

較佳地，當高阻層為碳摻雜時，碳濃度介於1E16~1E21atoms/cm³；當高阻層為鐵摻雜時，鐵濃度介於1E16~1E20atoms/cm³；當高阻層為鎂摻雜時，鎂濃度介於1E16~1E20atoms/cm³。

較佳地，低空缺通道層可以具有重複堆疊複數組以氮原子層及鎵原子層作為第一堆疊組而形成的結構，並且第一堆疊組重複堆疊的組數介於15~500組。

較佳地，在所述氮化物磊晶片中，可以具有堆疊至少一組以氮化鎵通道層及低空缺通道層作為第二堆疊組以形成的結構。

較佳地，電子提供層的化學組成可以為In_xAl_yGa_1-x-yN，且0≦x≦0.3、0≦y≦0.3。

較佳地，覆蓋層的化學組成可以為Al_zGa_1-zN，且0≦z≦0.3，並且覆蓋層可以為無摻雜或是p型摻雜。

較佳地，當覆蓋層為p型摻雜時，其摻雜元素為濃度介於1E16~1E23atoms/cm³的鎂。

基於上述目的，本發明進一步提供一種氮化物磊晶片的製造方法，包含以下步驟：(1)提供基板；(2)形成成核層於基板上；(3)形成至少一氮化鋁鎵緩衝層於成核層上；(4)形成高阻層於至少一氮化鋁鎵緩衝層上；(5)形成氮化鎵通道層於高阻層上；(6)形成低空缺通道層於氮化鎵通道層上；(7)形成電子提供層於低空缺通道層上；以及(8)形成覆蓋層於電子提供層上。

較佳地，形成低空缺通道層的步驟中進一步包含重複堆疊複數組以氮原子層及鎵原子層作為第一堆疊組以形成低空缺通道層的步驟。

較佳地，在沉積氮原子層的步驟中，反應腔體內可以通入有氮氣、氫氣及氨氣。

較佳地，氮原子層沉積時間可以為0.1~60秒。

較佳地，在沉積鎵原子層的步驟中，反應腔體內可以通入有氮氣、氫氣，以及三甲基鎵或三乙基鎵。

較佳地，鎵原子層沉積時間可以為0.1~30秒。

較佳地，所述氮化物磊晶片的製造方法可以進一步包含堆疊至少一組以氮化鎵通道層與低空缺通道層作為第二堆疊組的步驟。

較佳地，基板可以為矽基板、矽晶絕緣體基板、氮化鋁基板、鑽石基板、碳化矽基板、氧化鎵基板或氮化硼基板。

較佳地，形成各層的方法可以包含化學氣相沉積或者物理氣相沉積。

綜上所述，本發明之氮化物磊晶片及其製造方法係透過在氮化鎵通道層與電子提供層之間設置低空缺通道層，以減少由於氮化鎵通道層中存在的氮原子與鎵原子空缺，而導致的電子提供層與氮化鎵通道層之間的異質接面產生鋁原子與鎵原子分布不均勻的現象。其中，所述低空缺通道層係透過堆疊氮原子層與鎵原子層所形成的，透過依序堆疊單一氮原子層與單一鎵原子層，可以降低所形成的氮化鎵磊晶中氮原子與鎵原子的空缺，進而減少成長於氮化鎵上的電子提供層與氮化鎵之間異質接面的鋁原子與鎵原子分布不均勻的現象，並達到減少合金無序散射現象的效果。

此外，本發明可以將氮化鎵通道層與低空缺通道層作為一堆疊組，並重複堆疊所述堆疊組以進一步減少所形成的氮化鎵磊晶中的氮原子與鎵原子的空缺。透過額外設置的氮化鎵通道層與低空缺通道層，可以進一步減少電子提供層與氮化鎵之間異質接面的鋁原子與鎵原子分布不均勻的現象，進而減少合金無序散射現象的產生，並且達到提升氮化物磊晶片的電子遷移率及操作時的性能之功效。

100,100a:氮化物磊晶片

1:基板

2:成核層

3:氮化鋁鎵緩衝層

31:第一氮化鋁鎵緩衝層

32:第二氮化鋁鎵緩衝層

33:第三氮化鋁鎵緩衝層

4:高阻層

5:氮化鎵通道層

6:低空缺通道層

61:氮原子層

62:鎵原子層

7:電子提供層

8:覆蓋層

S1~S8:步驟

第1圖為根據本發明一實施例的氮化物磊晶片的示意圖； 第2圖為根據本發明一實施例的氮化物磊晶片中的低空缺通道層的示意圖；第3圖為根據本發明另一實施例的氮化物磊晶片的示意圖；第4圖為根據本發明一實施例的氮化物磊晶片製造方法的流程圖；以及第5圖為根據本發明一實施例的氮化物磊晶片製造方法中的步驟S6的詳細流程圖。

在下文中將結合附圖對本發明進行進一步的詳細說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發明的基本結構，並且為了清楚起見而誇大了元件的比例及尺寸，因此並不作為對本發明的限定。

請一併參閱第1圖及第2圖所示，第1圖為根據本發明一實施例的氮化物磊晶片的示意圖；第2圖為根據本發明一實施例的氮化物磊晶片中的低空缺通道層的示意圖。

如第1圖所繪示，本發明係提供一種高電子遷移率之氮化物磊晶片100，其包含：基板1、設置在基板1上的成核層2、設置在成核層2上的至少一氮化鋁鎵緩衝層3、設置在至少一氮化鋁鎵緩衝層3上的高阻層4、設置在高阻層4上的氮化鎵通道層5、設置在氮化鎵通道層5上的低空缺通道層6、設置在低空缺通道層6上的電子提供層7、以及設置在電子提供層7上的覆蓋層8。

在本實施例中，使用矽基板作為基板1，且基板1可以為具有高電阻(Rs>1000Ωcm)或者中低電阻(0.00001Ωcm<Rs<1000Ωcm)的基板，但本發明不限定於此。在其他實施例中，可以使用矽晶絕緣體基板、氮化鋁基板、鑽石基板、碳化矽基板、氧化鎵基板或氮化硼基板作為基板。

進一步地，成核層2為成長於基板1上之氮化鋁磊晶，且其厚度介於50~500nm。

並且，成核層2上設置有至少一層氮化鋁鎵緩衝層3。在本實施例中，成核層2上設置有三層氮化鋁鎵緩衝層3，其依序為第一氮化鋁鎵緩衝層31、第二氮化鋁鎵緩衝層32、及第三氮化鋁鎵緩衝層33，但本發明不限定於此。在其他實施例中，可以根據使用者的需求或者製程成本的考量，進而調整氮化鋁鎵緩衝層3的層數。

具體來說，第一氮化鋁鎵緩衝層31、第二氮化鋁鎵緩衝層32、及第三氮化鋁鎵緩衝層33係依序形成在成核層2上。並且，第一氮化鋁鎵緩衝層31的化學組成為Al_eGa_1-eN，且0.75≦e<1；第二氮化鋁鎵緩衝層32的化學組成為Al_dGa_1-dN，且0.5≦d≦0.75；以及第三氮化鋁鎵緩衝層33的化學組成為Al_cGa_1-cN，且0.3≦c≦0.5。也就是說，在由具有不同的鋁含量比之複數層氮化鋁鎵所組成的氮化鋁鎵緩衝層3中，各氮化鋁鎵緩衝層3之鋁含量比沿成長方向逐漸減少。

此外，第一氮化鋁鎵緩衝層31、第二氮化鋁鎵緩衝層32、及第三氮化鋁鎵緩衝層33分別為無摻雜、碳摻雜、鐵摻雜、鎂摻雜及其組合中的至少一者。也就是說，第一氮化鋁鎵緩衝層31、第二氮化鋁鎵緩衝層32、及第三氮化鋁鎵緩衝層33分別可以摻雜單一元素，例如碳、鐵、或鎂，或者可以分別同時摻雜兩種元素，例如碳與鐵、碳與鎂、或鐵與鎂同時摻雜，再或者可以分別同時摻雜碳、鐵、及鎂三種元素。

進一步地，當第一氮化鋁鎵緩衝層31、第二氮化鋁鎵緩衝層32、及第三氮化鋁鎵緩衝層33為碳摻雜時，碳濃度介於1E16~1E21atoms/cm³。當第一氮化鋁鎵緩衝層31、第二氮化鋁鎵緩衝層32、及第三氮化鋁鎵緩衝層33為鐵摻雜時，鐵濃度介於1E16~1E20atoms/cm³。當 第一氮化鋁鎵緩衝層31、第二氮化鋁鎵緩衝層32、及第三氮化鋁鎵緩衝層33為鎂摻雜時，鎂濃度介於1E16~1E20atoms/cm³。並且，第一氮化鋁鎵緩衝層31、第二氮化鋁鎵緩衝層32、及第三氮化鋁鎵緩衝層33的厚度介於50~1000nm。

高阻層4設置在第三氮化鋁鎵緩衝層33上，高阻層4的化學組成為Al_bGa_1-bN，且0≦b≦0.1。值得一提的是，相較於氮化鋁鎵緩衝層3中具有最低的鋁含量比的第三氮化鋁鎵緩衝層33，高阻層4具有更低的鋁含量比。此外，高阻層4為碳摻雜、鐵摻雜、鎂摻雜及其組合中的至少一者。也就是說，高阻層4可以摻雜單一元素，例如碳、鐵、或鎂，或者可以同時摻雜兩種元素，例如碳與鐵、碳與鎂、或鐵與鎂同時摻雜，再或者可以同時摻雜碳、鐵、及鎂三種元素。

進一步地，當高阻層4為碳摻雜時，碳濃度介於1E16~1E21atoms/cm³。當高阻層4為鐵摻雜時，鐵濃度介於1E16~1E20atoms/cm³。當高阻層4為鎂摻雜時，鎂濃度介於1E16~1E20atoms/cm³。並且，高阻層4的厚度介於500~3000nm。

氮化鎵通道層5設置在高阻層4上，其為無摻雜其他元素的本質氮化鎵材料，並且氮化鎵通道層5的厚度介於50~800nm。

低空缺通道層6為堆疊複數組單層氮原子層61與單層鎵原子層62所形成的氮化鎵磊晶結構，其設置在氮化鎵通道層5上。

具體來說，如第2圖所繪示，低空缺通道層6係具有以單層的氮原子層61及單層的鎵原子層62作為第一堆疊組，並具有重複堆疊複數組第一堆疊組而形成的結構。本發明透過重複堆疊單層的氮原子層61及單層的鎵原子層62以形成氮化鎵磊晶，並且藉此減少所形成的氮化鎵磊晶中的氮原子與鎵原子空缺。藉由低空缺通道層6的設置，可以減少氮 化鎵通道層5與電子提供層7之間異質接面的鎵原子與鋁原子分布不均勻的現象，進而減少合金無序散射現象的發生，並且提升異質接面處之二維電子氣的電子遷移率。

此外，在第2圖中僅示意地繪示出堆疊五組第一堆疊組所形成的低空缺通道層6。然而，在本實施例中，係重複堆疊30組第一堆疊組(氮原子層61/鎵原子層62)以形成低空缺通道層6，進而達到較佳地減少氮原子與鎵原子空缺的功效，但本發明不限定於此。在其他實施例中，可以根據使用者的需求或者製程成本的考量，以調整第一堆疊組的堆疊數量，並且第一堆疊組重複堆疊的組數可以介於15~500組。值得一提的是，在形成低空缺通道層6的製程中，低空缺通道層6的初始層必須為氮原子層61。這是因為在氮化鎵通道層5中，氮原子空缺的數量較鎵原子空缺多，故必須透過先形成氮原子層16作為初始層之方式，以減少氮化鎵通道層5中的氮原子空缺。

復請參照第1圖，以接續說明本發明之氮化物磊晶片100的結構。其中，電子提供層7設置在低空缺通道層6上，電子提供層7的化學組成為In_xAl_yGa_1-x-yN，且0≦x≦0.3、0≦y≦0.3。並且，電子提供層7的厚度介於8~30nm。

覆蓋層8設置在電子提供層7上，覆蓋層8的化學組成為Al_zGa_1-zN，且0≦z≦0.3。並且，覆蓋層8可以為無摻雜或是p型摻雜，當覆蓋層為p型摻雜時，其摻雜元素為鎂，且鎂濃度介於1E16~1E23atoms/cm³。此外，當覆蓋層8為無摻雜時，其厚度介於0.5~20nm，而當覆蓋層8為p型摻雜時，其厚度介於10~200nm。

請參閱第3圖所示，第3圖為根據本發明另一實施例的氮化物磊晶片的示意圖。

如第3圖所繪示，在根據本發明另一實施例的氮化物磊晶片100a具有與第一實施例中的氮化物磊晶片100類似的構造。然而，在第二實施例中，氮化物磊晶片100a具有以氮化鎵通道層5及低空缺通道層6作為第二堆疊組，並且具有堆疊兩組第二堆疊組以形成的結構。透過重複堆疊氮化鎵通道層5及低空缺通道層6，可以進一步減少所形成的氮化鎵磊晶中氮原子與鎵原子的空缺。

具體來說，先在高阻層4上利用MOCVD形成第一氮化鎵通道層5，並且在第一氮化鎵通道層5上同樣利用MOCVD形成第一低空缺通道層6。在本實施例中，在形成第一氮化鎵通道層5及第一低空缺通道層6後，接續利用MOCVD在第一低空缺通道層6上形成第二氮化鎵通道層5，並且在第二氮化鎵通道層5上同樣利用MOCVD形成第二低空缺通道層6，以形成兩組第二堆疊組(氮化鎵通道層/低空缺通道層)於高阻層4上，但本發明不限定於此。在其他實施例中，可以重複堆疊1~20組的氮化鎵通道層5與低空缺通道層6，以進一步減少氮原子與鎵原子的空缺。此外，最先形成的第一氮化鎵通道層5的厚度較大，係介於50~500nm，而後續形成的氮化鎵通道層5(例如第二氮化鎵通道層5)的厚度則較小，係介於0.1~50nm。並且，各低空缺通道層6的厚度皆介於5~50nm。

請一併參閱第4圖及第5圖，第4圖為根據本發明一實施例的氮化物磊晶片製造方法的流程圖；以及第5圖為根據本發明一實施例的氮化物磊晶片製造方法中的步驟S6的詳細流程圖。

在下文中，將參照第4圖說明根據例示性實施例的氮化物磊晶片的製造方法，其包含：步驟S1，提供基板；步驟S2，形成成核層於基板上；步驟S3，形成至少一氮化鋁鎵緩衝層於成核層上；步驟S4，形成高阻層於至少一氮化鋁鎵緩衝層上；步驟S5，形成氮化鎵通道層於高阻層上；步驟S6，形成低 空缺通道層於氮化鎵通道層上；步驟S7，形成電子提供層於低空缺通道層上；以及步驟S8，形成覆蓋層於電子提供層上。

如第4圖所示，首先，準備一矽基板作為基板(如步驟S1所示)，雖然在本實施例中使用矽基板作為基板，但本發明不限定於此。在其他實施例中，可以使用矽晶絕緣體基板、氮化鋁基板、鑽石基板、碳化矽基板、氧化鎵基板或氮化硼基板作為基板。此外，可以選用具有高電阻(Rs>1000Ωcm)或者中低電阻(0.00001Ωcm<Rs<1000Ωcm)的基板作為基板。

接下來，形成成核層於基板上(如步驟S2所示)。具體來說，形成成核層的步驟S2係利用有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD，Metal Organic Chemical-Vapor Deposition)成長氮化鋁磊晶於基板上。此外，成核層的厚度介於50~500nm。

在基板上形成成核層後，接續利用MOCVD在成核層上形成至少一層氮化鋁鎵緩衝層(如步驟S3所示)。在步驟S3中，可以形成三層氮化鋁鎵緩衝層，例如第一實施例中形成有第一氮化鋁鎵緩衝層、第二氮化鋁鎵緩衝層及第三氮化鋁鎵緩衝層。其中，第一氮化鋁鎵緩衝層的化學組成為Al_eGa_1-eN，且0.75≦e<1；第二氮化鋁鎵緩衝層的化學組成為Al_dGa_1-dN。且0.5≦d≦0.75；以及第三氮化鋁鎵緩衝層的化學組成為Al_cGa_1-cN，且0.3≦c≦0.5。或者，在其他實施例中可以根據使用者的需求或者製程成本的考量調整氮化鋁鎵緩衝層的數量。此外，各氮化鋁鎵緩衝層之鋁含量可以不同，例如各氮化鋁鎵緩衝層之鋁含量可以沿成長方向逐漸減少。並且，各氮化鋁鎵緩衝層可以為無摻雜、碳摻雜、鐵摻雜、鎂摻雜及其組合中的至少一者，且各氮化鋁鎵緩衝層的厚度介於50~1000nm。

在形成至少一層氮化鋁鎵緩衝層後，接續利用MOCVD在最上 層之氮化鋁鎵緩衝層上形成高阻層(如步驟S4所示)，高阻層的化學組成為Al_bGa_1-bN，且0≦b≦0.1。此外，高阻層可以為碳摻雜、鐵摻雜、鎂摻雜及其組合中的至少一者，並且高阻層的厚度介於500~3000nm。

在形成高阻層後，接續利用MOCVD在高阻層上形成氮化鎵通道層(如步驟S5所示)。其中，氮化鎵通道層為無摻雜其他元素的本質氮化鎵材料，並且氮化鎵通道層的厚度介於50~800nm。

在形成氮化鎵通道層後，接續利用MOCVD在氮化鎵通道層上形成低空缺通道層(如步驟S6所示)。其中，形成低空缺通道層的步驟S6包含以氮原子層及鎵原子層作為第一堆疊組，並重複堆疊複數組第一堆疊組以形成低空缺通道層的步驟。並且，透過依序堆疊複數組單層的氮原子與鎵原子所形成的氮化鎵磊晶具有較少的氮原子與鎵原子空缺。進一步地，由於低空缺通道層具有較少的氮原子與鎵原子空缺，因此透過低空缺通道層的設置，可以減少氮化鎵通道層與電子提供層之間異質接面的鋁原子與鎵原子分布不均勻的現象，進而減少合金無序散射現象的發生，並提升異質接面處之二維電子氣的電子遷移率。

具體來說，如第5圖所示，在形成低空缺通道層的步驟S6中，可以先在氮化鎵通道層上形成單層的氮原子層(如步驟S61所示)，並在氮原子層上形成單層的鎵原子層(如步驟S62所示)，再接續在鎵原子層上形成單層的氮原子層(如步驟S63所示)，並再接續在氮原子層上形成單層的鎵原子層(如步驟S64所示)。並且，在形成低空缺通道層的步驟中，可以根據使用者的需求或考量製程成本，以判斷是否繼續重複堆疊氮原子層與鎵原子層(如步驟S65所示)。此外，重複堆疊第一堆疊組(氮原子層/鎵原子層)的組數可以介於15~500組，並且最終形成的低空缺通道層的總厚度介於5~50nm。值得一提的是，在形成低空缺通道層的步驟S6中，低空缺通道層的初始層必須為氮原子層。

此外，在沉積氮原子層的步驟S61、S63中，反應腔體內通入有氮氣、氫氣及氨氣，並且氮原子層沉積時間為0.1~60秒。在沉積鎵原子層的步驟S62、S64中，反應腔體內通入有氮氣、氫氣，以及三甲基鎵(TMGa)或三乙基鎵(TEGa)，並且鎵原子層沉積時間為0.1~30秒。

復請參照第4圖，以接續說明氮化物磊晶片的製造方法。在氮化鎵通道層上形成低空缺通道層後，接續利用MOCVD在低空缺通道層上形成電子提供層(如步驟S7所示)。其中，電子提供層的化學組成為In_xAl_yGa_1-x-yN，且0≦x≦0.3、0≦y≦0.3。並且，電子提供層的厚度介於8~30nm。

在形成電子提供層後，接續利用MOCVD在電子提供層上形成覆蓋層(如步驟S8所示)，覆蓋層的化學組成為Al_zGa_1-zN，且0≦z≦0.3。此外，覆蓋層可以為無摻雜或p型摻雜，當覆蓋層為無摻雜時，其厚度介於0.5~20nm，而當覆蓋層為P型摻雜時，其摻雜元素為鎂，並且其厚度介於10~200nm。

值得一提的是，所述氮化物磊晶片的製造方法可以進一步包含以氮化鎵通道層與低空缺通道層作為第二堆疊組，並且堆疊至少一組第二堆疊組的步驟。

具體來說，在第一氮化鎵通道層上形成第一低空缺通道層後，可以接續在第一低空缺通道層上接續形成第二氮化鎵通道層，並在第二氮化鎵通道層上形成第二低空缺通道層。也就是說，可以將氮化鎵通道層與低空缺通道層作為第二堆疊組，並重複堆疊第二堆疊組以進一步減少所形成的氮化鎵磊晶中氮原子與鎵原子的空缺，而重複堆疊第二堆疊組的組數介於1~20組之間。此外，作為最先形成的第一氮化鎵通道層具有較大的厚度，係介於50~800nm，而第二氮化鎵通道層等後續形成的氮化鎵 通道層的厚度則較小，係介於0.1~50nm。並且，各低空缺通道層的厚度皆介於5~50nm。

進一步地，雖然在上述的各步驟中，皆使用有機金屬化學氣相沉積法，但本發明不限定於此。在其他實施例中，可以使用其他種類的化學氣相沉積製程或者物理氣相沉積製程以達到相同的效果，例如使用電漿增強化學氣相沉積(PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)、混合物理化學氣相沉積(HPCVD，Hybrid Physical Chemical Vapor Deposition)、真空蒸鍍沉積(Vacuum Evaporation Deposition)、及濺鍍沉積(Sputter Deposition)等，但本發明不限定於此。

綜上所述，本發明提供一種高電子遷移率之氮化物磊晶片及其製造方法，係透過在氮化鎵通道層與電子提供層之間設置低空缺通道層，以減少由於氮化鎵通道層中存在的氮原子與鎵原子空缺，而導致的電子提供層與氮化鎵通道層之間的異質接面產生鋁原子與鎵原子分布不均勻的現象。其中，低空缺通道層係透過堆疊氮原子層與鎵原子層而形成的，透過依序堆疊單一氮原子層與單一鎵原子層，可以降低所形成的氮化鎵磊晶中氮原子與鎵原子的空缺。進一步地，透過減少氮化鎵中氮原子與鎵原子的空缺，可以減少形成於氮化鎵上的電子提供層與氮化鎵之間異質接面的鋁原子與鎵原子分布不均勻的現象，進而達到減少合金無序散射現象以及提升氮化物磊晶片之電子遷移率的功效。

此外，本發明更進一步將氮化鎵通道層與低空缺通道層作為一堆疊組，並重複堆疊所述堆疊組以進一步減少所形成的氮化鎵磊晶中的氮原子與鎵原子的空缺。透過設置多層的氮化鎵通道層與低空缺通道層，可以進一步減少電子提供層與氮化鎵之間異質接面的鋁原子與鎵原子分布不均勻的現象，進而減少合金無序散射現象的產生，並且達到進一步提升氮化物磊晶片的電子遷移率之功效。

本發明已參照例示性實施例進行說明，本領域具有通常知識者可以理解的是，在不脫離申請專利範圍所定義之本發明概念與範疇的清況下，可以對其進行形式與細節上之各種變更及等效佈置，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100:氮化物磊晶片

1:基板

2:成核層

3:氮化鋁鎵緩衝層

31:第一氮化鋁鎵緩衝層

32:第二氮化鋁鎵緩衝層

33:第三氮化鋁鎵緩衝層

4:高阻層

5:氮化鎵通道層

6:低空缺通道層

7:電子提供層

8:覆蓋層

Claims (22)

1. 一種氮化物磊晶片，其包含：一基板；一成核層，設置在該基板上；至少一氮化鋁鎵緩衝層，設置在該成核層上；一高阻層，設置在該至少一氮化鋁鎵緩衝層上；一氮化鎵通道層，設置在該高阻層上；一低空缺通道層，設置在該氮化鎵通道層上，具有重複堆疊複數組以一氮原子層及一鎵原子層作為一第一堆疊組而形成的結構；一電子提供層，設置在該低空缺通道層上；以及一覆蓋層，設置在該電子提供層上。
2. 如請求項1所述之氮化物磊晶片，其中該基板為矽基板、矽晶絕緣體基板、氮化鋁基板、鑽石基板、碳化矽基板、氧化鎵基板或氮化硼基板。
3. 如請求項1所述之氮化物磊晶片，其中該成核層係成長於該基板上之氮化鋁磊晶。
4. 如請求項1所述之氮化物磊晶片，其中該至少一氮化鋁鎵緩衝層包含一第一氮化鋁鎵緩衝層、一第二氮化鋁鎵緩衝層、及一第三氮化鋁鎵緩衝層，並且該第一氮化鋁鎵緩衝層的化學組成為Al_eGa_1-eN，且0.75≦e<1；該第二氮化鋁鎵緩衝層的化學組成為Al_dGa_1-dN，且0.5≦d≦0.75；以及該第三氮化鋁鎵緩衝層的化學組成為Al_cGa_1-cN，且0.3≦c≦0.5。
5. 如請求項4所述之氮化物磊晶片，其中該第一氮化鋁鎵緩衝層、該第二氮化鋁鎵緩衝層、及該第三氮化鋁鎵緩衝層各別為無摻雜、碳摻雜、鐵摻雜或鎂摻雜。
6. 如請求項5所述之氮化物磊晶片，其中該第一氮化鋁鎵緩衝層、該第二氮化鋁鎵緩衝層、及該第三氮化鋁鎵緩衝層各別摻雜有碳及鐵、碳及鎂或者鐵及鎂，又或者摻雜有碳、鐵及鎂。
7. 如請求項5所述之氮化物磊晶片，其中當該第一氮化鋁鎵緩衝層、該第二氮化鋁鎵緩衝層、及該第三氮化鋁鎵緩衝層為碳摻雜時，碳濃度介於1E16~1E21atoms/cm³；當該第一氮化鋁鎵緩衝層、該第二氮化鋁鎵緩衝層、及該第三氮化鋁鎵緩衝層為鐵摻雜時，鐵濃度介於1E16~1E20atoms/cm³；當該第一氮化鋁鎵緩衝層、該第二氮化鋁鎵緩衝層、及該第三氮化鋁鎵緩衝層為鎂摻雜時，鎂濃度介於1E16~1E20atoms/cm³。
8. 如請求項1所述之氮化物磊晶片，其中該高阻層的化學組成為Al_bGa_1-bN，且0≦b≦0.1，並且該高阻層為碳摻雜、鐵摻雜或鎂摻雜。
9. 如請求項8所述之氮化物磊晶片，其中當該高阻層為碳摻雜時，碳濃度介於1E16~1E21atoms/cm³；當該高阻層為鐵摻雜時，鐵濃度介於1E16~1E20atoms/cm³；當該高阻層為鎂摻雜時，鎂濃度介於1E16~1E20atoms/cm³。
10. 如請求項1所述之氮化物磊晶片，其中該低空缺通道層之重複堆疊的組數介於15~500組。
11. 如請求項10所述之氮化物磊晶片，其進一步具有堆疊至少一組以該氮化鎵通道層及該低空缺通道層作為一第二堆疊組 以形成的結構。
12. 如請求項1所述之氮化物磊晶片，其中該電子提供層的化學組成為In_xAl_yGa_1-x-yN，且0≦x≦0.3、0≦y≦0.3。
13. 如請求項1所述之氮化物磊晶片，其中該覆蓋層的化學組成為Al_zGa_1-zN，且0≦z≦0.3，並且該覆蓋層為無摻雜或是p型摻雜。
14. 如請求項13所述之氮化物磊晶片，其中當該覆蓋層為p型摻雜時，其摻雜元素為濃度介於1E16~1E23atoms/cm³的鎂。
15. 一種氮化物磊晶片的製造方法，包含以下步驟：提供一基板；形成一成核層於該基板上；形成至少一氮化鋁鎵緩衝層於該成核層上；形成一高阻層於該至少一氮化鋁鎵緩衝層上；形成一氮化鎵通道層於該高阻層上；形成一低空缺通道層於該氮化鎵通道層上；形成一電子提供層於該低空缺通道層上；以及形成一覆蓋層於該電子提供層上，其中形成該低空缺通道層的步驟中包含重複堆疊複數組以一氮原子層及一鎵原子層作為一第一堆疊組以形成該低空缺通道層。
16. 如請求項15所述之氮化物磊晶片的製造方法，其中在沉積該氮原子層的步驟中，反應腔體內通入有氮氣、氫氣及氨氣。
17. 如請求項16所述之氮化物磊晶片的製造方法，其中該氮原 子層沉積時間為0.1~60秒。
18. 如請求項15所述之氮化物磊晶片的製造方法，其中在沉積該鎵原子層的步驟中，反應腔體內通入有氮氣、氫氣，以及三甲基鎵或三乙基鎵。
19. 如請求項18所述之氮化物磊晶片的製造方法，其中該鎵原子層沉積時間為0.1~30秒。
20. 如請求項15所述之氮化物磊晶片的製造方法，其進一步包含堆疊至少一組以該氮化鎵通道層與該低空缺通道層作為一第二堆疊組的步驟。
21. 如請求項15所述之氮化物磊晶片的製造方法，其中該基板為矽基板、矽晶絕緣體基板、氮化鋁基板、鑽石基板、碳化矽基板、氧化鎵基板或氮化硼基板。
22. 如請求項15所述之氮化物磊晶片的製造方法，其中形成各層的方法包含化學氣相沉積或者物理氣相沉積。

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