TWI796046B - 氮化銦鎵量子井製造方法 - Google Patents
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Abstract
一種氮化銦鎵量子井製造方法,用以解決習知氮化銦鎵量子井晶格不匹配導致缺陷的問題。係包含:將一基板置於一製程腔,該基板具有一氮化鎵層;使該製程腔達到一製程真空度,該製程真空度是10-6~10-11托;同時將一電漿態的氮分子束、一銦分子束及一鋁分子束導入該製程腔,並控制該銦分子束與該鋁分子束之一流率比例,在該氮化鎵層上形成一氮化銦鋁薄膜,該流率比例為0.6、1.0、1.29、1.67或3.0;及在該氮化銦鋁薄膜上形成一氮化銦鎵量子井。
Description
本發明係關於一種光學半導體製程技術,尤其是一種使晶格匹配以減少晶格缺陷的氮化銦鎵量子井製造方法。
一般半導體材料係由四個價電子的化合物所組成,Ⅳ族元素的矽(Si)為常見且加工技術成熟的半導體材料,惟,矽的發光特性差,且單一材料的能隙(Band Gap)固定僅能發出單一波長的光,因此,用於雷射、發光二極體及光感測器等光電元件的半導體材料,會選擇Ⅲ族的鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)與Ⅴ族的氮(N)、磷(P)、砷(As)、銻(Sb)所組成的Ⅲ-Ⅴ族化合物,藉由不同元素組合可以形成不同大小的能隙,進而依據工作需求產生特定波長的光。
習知用於光電元件的Ⅲ-Ⅴ族半導體可以是量子井(Quantum Well)結構,其中,由氮化鎵(GaN)或氮化鋁鎵(AlGaN)的位障(Barrier),與氮化銦鎵(InGaN)的位能井(well)之間產生晶格不匹配(Lattice Mismatch),導致晶格缺陷而降低元件的內部量子效率(Internal Quantum Efficiency,IQE),又,晶格不匹配會導致應力累積,當晶格中的應力超過臨界值會導致裂縫,而降低產品良率。
有鑑於此,習知的氮化銦鎵量子井製造方法確實仍有加以改善之必要。
為解決上述問題,本發明的目的是提供一種氮化銦鎵量子井製造方法,係可以減少晶格缺陷以提升元件的品質及內部量子效率。
本發明的次一目的是提供一種氮化銦鎵量子井製造方法,係可以用於生產可發出工作所需光波長的材料。
本發明全文所記載的元件及構件使用「一」或「一個」之量詞,僅是為了方便使用且提供本發明範圍的通常意義;於本發明中應被解讀為包括一個或至少一個,且單一的概念也包括複數的情況,除非其明顯意指其他意思。
本發明的氮化銦鎵量子井製造方法,包含:將一基板置於一製程腔,該基板具有一氮化鎵層;使該製程腔達到一製程真空度,該製程真空度是10-6~10-11托;同時將一電漿態的氮分子束、一銦分子束及一鋁分子束導入該製程腔,並控制該銦分子束與該鋁分子束之一流率比例,在該氮化鎵層上形成一氮化銦鋁薄膜,該流率比例為0.6、1.0、1.29、1.67或3.0;及在該氮化銦鋁薄膜上形成一氮化銦鎵量子井。
據此,本發明的氮化銦鎵量子井製造方法,藉由在分子束磊晶系統控制成長溫度及分子束流率,使形成之該氮化銦鋁薄膜減少缺陷,後續成長之該氮化銦鎵量子井能夠提升量子井效率。又,在進行分子束磊晶前,該製程腔能夠到達超高真空狀態,係具有避免空氣分子造成雜質汙染的功效。
其中,在形成該氮化銦鋁薄膜時,該製程腔的成長溫度固定在530℃,且成長真空度為10-5~10-6托並持續120分鐘。如此,係可以提供該氮化銦鋁薄膜的成長條件,係具有提升元件品質的功效。
其中,該氮分子束的流率是10-5~10-6托,該銦分子束的流率
是1.5x10-8~3.0x10-8托,該鋁分子束的流率是1.0x10-8~2.5x10-8托。如此,該氮分子束係可以提供電漿輔助,該銦分子束及該鋁分子束係可以控制該流率比例,係具有調整元件材料中的銦含量的功效。
其中,該氮化銦鎵量子井的化學式表示為InxGa1-xN,該氮化銦鋁薄膜的化學式表示為InyAl1-yN,分析x及y的值係分別代表銦在該氮化銦鎵量子井及該氮化銦鋁薄膜的含量。如此,透過測量x及y的過程係可以得知該氮化銦鎵量子井及該氮化銦鋁薄膜的元素組合比例,係具有匹配晶格常數及調整能隙的功效。
其中,控制x為13.0%~18.7%且y為28.9%~33.5%,使該氮化銦鎵量子井發藍光。如此,材料的能隙對應波長450~490奈米,係具有對應各種光電元件所需波長的功效。
其中,控制x為19.9%~27.7%且y為34.6%~40.9%,使該氮化銦鎵量子井發綠光。如此,材料的能隙對應波長500~565奈米,係具有對應各種光電元件所需波長的功效。
其中,控制x為33.9%~43.8%且y為46.0%~54.1%,使該氮化銦鎵量子井發紅光。如此,材料的能隙對應波長625~740奈米,係有對應各種光電元件所需波長的功效。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂,下文特舉本發明之較佳實施例。
本發明氮化銦鎵量子井製造方法的較佳實施例,係包含將一基板置於真空腔;以氮分子電漿輔助並導入銦/鋁分子束;在該基板上形成一氮化銦鋁薄膜;及在該氮化銦鋁薄膜上形成一氮化銦鎵量子井。
該基板具有一氮化鎵層,該基板係可以透過有機金屬化學氣相沉積(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD),在氧化鋁(Al2O3)的藍寶石基底上形成該氮化鎵層,該氮化鎵層可以是厚度4.5微米的薄膜。
在將該基板置入分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy,MBE)系統前,先以丙酮、異丙醇、水等溶劑清洗該基板,再以氮氣清理乾淨之後,依序將該基板送入分子束磊晶系統的各腔室進行真空分段處理,舉例而言,將該基板置於載入腔(Load Lock Chamber)內4小時並以180℃去除水氣,再由機械臂將該基板送至緩衝腔(Buffer Chamber)內升溫到550℃進一步去除雜質,最後送至分子束磊晶系統之一製程腔(Process Chamber)。
該製程腔能夠達到一製程真空度,使該基板處於超高真空(Ultra-High Vacuum)的狀態,同時將一電漿態的氮分子束、一銦分子束及一鋁分子束導入該製程腔,較佳控制該銦分子束與該鋁分子束之一流率比例為0.6、1.0、1.29、1.67、3.0,該製程腔的成長溫度固定在530℃,且成長真空度為10-5~10-6托並持續120分鐘,以在該基板之該氮化鎵層上形成該氮化銦鋁薄膜。該製程真空度可以是10-6~10-11托(Torr),該氮分子束的流率可以是10-5~10-6托,該銦分子束的流率可以是1.5x10-8~3.0x10-8托,該鋁分子束的流率可以是1.0x10-8~2.5x10-8托。
由實驗結果可知,當該氮化銦鋁薄膜約為147奈米時,若晶格常數不匹配大於2.4%薄膜會產生裂縫,若晶格常數不匹配小於1.0%係能夠減少薄膜的缺陷,而透過控制該銦分子束與該鋁分子束的流率比例係可以調整晶格常數不匹配,其中,該銦分子束及該鋁分子束的流率係透過溫度進行調控,舉例而言,將金屬分子原加熱至特定溫度後,開啟檔板使分子束以蒸氣型態射出至該基板表面。
在該氮化銦鋁薄膜上,還可以成長該氮化銦鎵量子井,使該氮
化銦鎵量子井與該氮化銦鋁薄膜的晶格匹配,達到減少晶格缺陷的作用,其中,該氮化銦鎵量子井的化學式可以表示為InxGa1-xN,該氮化銦鋁薄膜的化學式可以表示為InyAl1-yN,透過能量散射X射線譜(Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy,EDS)分析該氮化銦鎵量子井及該氮化銦鋁薄膜成分比例,係可以得知x及y的值(小於1且大於0),x及y分別代表銦在氮化銦鎵及氮化銦鋁的含量,當x為13.0%~18.7%且y為28.9%~33.5%時,該氮化銦鎵量子井可以發藍光;當x為19.9%~27.7%且y為34.6%~40.9%時,該氮化銦鎵量子井可以發綠光;當x為33.9%~43.8%且y為46.0%~54.1%時,該氮化銦鎵量子井可以發紅光。
綜上所述,本發明的氮化銦鎵量子井製造方法,藉由在分子束磊晶系統控制成長溫度及分子束流率,使形成之該氮化銦鋁薄膜減少缺陷,後續成長之該氮化銦鎵量子井能夠提升量子井效率,又,調整該氮化銦鋁薄膜及該氮化銦鎵量子井的銦含量,係可以發出不同波長的光,應用於各種工作所需波長的光電元件。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示,然其並非用以限定本發明,任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內,相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇,因此本發明之保護範圍當包含後附之申請專利範圍所記載的文義及均等範圍內之所有變更。
Claims (7)
- 一種氮化銦鎵量子井製造方法,包含:將一基板置於一製程腔,該基板具有一氮化鎵層;使該製程腔達到一製程真空度,該製程真空度是10-6~10-11托;同時將一電漿態的氮分子束、一銦分子束及一鋁分子束導入該製程腔,並控制該銦分子束與該鋁分子束之一流率比例,在該氮化鎵層上形成一氮化銦鋁薄膜,該流率比例為0.6、1.0、1.29、1.67或3.0;及在該氮化銦鋁薄膜上形成一氮化銦鎵量子井。
- 如請求項1之氮化銦鎵量子井製造方法,其中,在形成該氮化銦鋁薄膜時,該製程腔的成長溫度固定在530℃,且成長真空度為10-5~10-6托並持續120分鐘。
- 如請求項1之氮化銦鎵量子井製造方法,其中,該氮分子束的流率是10-5~10-6托,該銦分子束的流率是1.5x10-8~3.0x10-8托,該鋁分子束的流率是1.0x10-8~2.5x10-8托。
- 如請求項1之氮化銦鎵量子井製造方法,其中,該氮化銦鎵量子井的化學式表示為InxGa1-xN,該氮化銦鋁薄膜的化學式表示為InyAl1-yN,分析x及y的值係分別代表銦在該氮化銦鎵量子井及該氮化銦鋁薄膜的含量。
- 如請求項4之氮化銦鎵量子井製造方法,其中,控制x為13.0%~18.7%且y為28.9%~33.5%,使該氮化銦鎵量子井發藍光。
- 如請求項4之氮化銦鎵量子井製造方法,其中,控制x為19.9%~27.7%且y為34.6%~40.9%,使該氮化銦鎵量子井發綠光。
- 如請求項4之氮化銦鎵量子井製造方法,其中,控制x為33.9%~43.8%且y為46.0%~54.1%,使該氮化銦鎵量子井發紅光。
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