TWI834343B - 積層結構體及氮化鎵系半導體裝置 - Google Patents

積層結構體及氮化鎵系半導體裝置 Download PDF

Info

Publication number
TWI834343B
TWI834343B TW111139415A TW111139415A TWI834343B TW I834343 B TWI834343 B TW I834343B TW 111139415 A TW111139415 A TW 111139415A TW 111139415 A TW111139415 A TW 111139415A TW I834343 B TWI834343 B TW I834343B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
gallium nitride
layer
buffer layer
less
laminated structure
Prior art date
Application number
TW111139415A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202328021A (zh
Inventor
西村眞澄
津吹将志
上岡義弘
末本祐也
召田雅実
Original Assignee
日商日本顯示器股份有限公司
日商東曹股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日商日本顯示器股份有限公司, 日商東曹股份有限公司 filed Critical 日商日本顯示器股份有限公司
Publication of TW202328021A publication Critical patent/TW202328021A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI834343B publication Critical patent/TWI834343B/zh

Links

Abstract

本發明之目的在於提供一種積層結構體，其包含於基板價格較低之非晶質基板上藉由濺鍍法所形成之結晶性優異之氮化鎵系半導體層。 本發明之積層結構體具有：非晶質基板、非晶質基板上之緩衝層、及緩衝層上之氮化鎵系半導體層，且氮化鎵系半導體層至少包含1層氮化鎵層，氮化鎵層之氧濃度為1×10 21/cm 3以下。氮化鎵層之碳濃度為3×10 19/cm 3以下，氫濃度為2×10 20/cm 3以下，氟濃度為5×10 17/cm 3以下。

Description

積層結構體及氮化鎵系半導體裝置
本發明之一實施方式係關於一種包含形成於非晶質基板上之氮化鎵系半導體層的積層結構體、包含該積層結構體之氮化鎵系半導體裝置。
氮化鎵用於發光二極體，有望作為下一代半導體材料用於功率電晶體、積體電路。氮化鎵係藉由有機金屬氣相沈積(MOCVD：Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法製造。於MOCVD法中必須將基板加熱至1000℃以上以使氮化鎵生長，故製造裝置所需之消耗電力巨大成為問題。因此，正在開發一種使用即便於低溫下亦能成膜之濺鍍法來製作具有結晶性之氮化鎵膜的技術。例如，揭示有一種使用氮化鎵之濺鍍靶，於單晶矽基板或藍寶石基板上成膜具有結晶性之氮化鎵層之方法(參照專利文獻1至3)。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2015-162606號公報 [專利文獻2]日本專利特開2016-188165號公報 [專利文獻3]日本專利特開2021-075779號公報
[發明所欲解決之問題]
使氮化鎵膜生長時，使用藍寶石基板或單晶矽基板等具有結晶性之基板。但是，藍寶石基板或單晶矽基板存在價格較高，基板尺寸之大型化較困難之問題。若能使用以如液晶顯示器中所使用之玻璃基板為代表之非晶質基板作為形成氮化鎵膜之基板，則可削減基板之成本，亦容易實現大面積化。但是，迄今為止，未報告有於玻璃基板之類的非晶質基板上製作具有結晶性之高品質氮化鎵之例。
本發明之一實施方式係鑒於此種問題，其一個目的在於提供一種積層結構體，該積層結構體包含於基板價格較低之非晶質基板上藉由濺鍍法所形成之結晶性優異之氮化鎵系半導體層。 [解決問題之技術手段]
本發明之一實施方式之積層結構體具有：非晶質基板、非晶質基板上之緩衝層、及緩衝層上之氮化鎵系半導體層，且氮化鎵系半導體層至少包含1層氮化鎵層，氮化鎵層之氧濃度為1×10 21/cm 3以下。
以下，參照圖式等對本發明之實施方式進行說明。但是，本發明能夠以多種不同之形態實施，不限定於以下例示之實施方式之記載內容來解釋。於圖式中，為了更加明確地進行說明，與實際形態相比，有時模式性地表示各部之寬度、厚度、形狀等，但僅為一例，並不限定本發明之解釋。又，於本說明書及各圖中，對與上文中對上述圖所述者相同之元件標註相同之符號(或於數字後標註了a、b等之符號)，適當省略詳細之說明。進而，對各元件所標註之「第1」、「第2」之文字係用於區別各元件之簡便標識，若無特別說明，則不具有其他含義。
於本說明書中，於某一構件或區域位於其他構件或區域之「上(或下)」之情形時，若無特別限定，則其不僅包括位於其他構件或區域之正上方(或正下方)之情形，還包括位於其他構件或區域之上方(或下方)之情形，即，亦包括於其他構件或區域之上方(或下方)之間包含其他構成元件之情形。
1.積層結構體 圖1係表示本發明之一實施方式之積層結構體100之結構的一例。積層結構體100包含：非晶質基板102、設置於非晶質基板102上之緩衝層106、及設置於緩衝層106上之氮化鎵系半導體層108。積層結構體100可於非晶質基板102與緩衝層106之間設置有基底絕緣層104。
1-1.非晶質基板 非晶質基板102較佳為熱膨脹係數較低，應變點較高，表面之平坦性較高。例如，非晶質基板102較佳為膨脹係數小於50×10 -7/℃，且應變點為600℃以上。本實施方式中之非晶質基板102只要具有700℃左右之耐熱性即可，不要求如藍寶石基板之1000℃以上之耐熱性。又，非晶質基板102中鈉(Na)之類的鹼金屬之含量較佳為0.1%以下。
作為滿足此種特性之非晶質基板102，例如可使用包含鋁硼矽酸鹽玻璃、及鋁矽酸鹽玻璃中之至少一種之玻璃基板，較佳為無鹼玻璃基板。此種玻璃基板用於液晶顯示器、有機電致發光(有機EL)顯示器，被稱作母玻璃之大面積玻璃基板供於市場。藉由使用玻璃基板作為非晶質基板102，可於大面積玻璃基板上形成氮化鎵系半導體層108。
作為非晶質基板102，亦可使用聚醯亞胺基板、丙烯酸基板、矽氧烷基板、氟樹脂基板等具有可撓性之樹脂基板。又，亦可使用石英玻璃基板作為非晶質基板102。
1-2.基底絕緣層 如圖1所示，可於非晶質基板102上設置有基底絕緣層104。基底絕緣層104由無機絕緣膜形成。作為無機絕緣膜，可使用氮化矽膜、氧化矽膜、氮氧化矽膜、氮化鋁膜、氧化鋁膜、氮氧化鋁膜等。基底絕緣層104具有該等無機絕緣膜之單層結構、或複數片無機絕緣膜之積層結構。圖1表示基底絕緣層104具有積層結構之情形。作為一例，圖1表示基底絕緣層104由以與非晶質基板102相接之方式設置之氮化矽層104a、及設置於其上之氧化矽層104b形成的例。
氮化矽層104a具有防止非晶質基板102中所包含之雜質向緩衝層106及氮化鎵系半導體層108擴散之效果。作為雜質，特別成為問題者係非晶質基板102中微量包含之鈉等鹼金屬。若氮化矽層104a之膜厚為20 nm以上，則可防止鹼金屬之擴散。氮化矽層104a之膜厚例如可設為20 nm以上500 nm以下，較佳為設為100 nm以上300 nm以下，例如可以150 nm之膜厚形成。氧化矽層104b可提高緩衝層106之密接性，防止剝離。氧化矽層104b較佳為具有20 nm以上之膜厚。氧化矽層104b之膜厚例如可設為20 nm以上500 nm以下，較佳為設為50 nm以上200 nm以下，例如可以100 nm之膜厚形成。
藉由在非晶質基板102上設置基底絕緣層104，可防止雜質向氮化鎵系半導體層108擴散，謀求高純度化。藉此，可形成結晶性較高之氮化鎵系半導體層108。
1-3.緩衝層 緩衝層106設置於非晶質基板102上。緩衝層106較佳為具有結晶性，即為結晶性金屬及金屬化合物中之至少任一者。較佳為緩衝層106之結晶具有配向性，且該配向為c軸配向。緩衝層106較佳為具有旋轉對稱性之結晶，例如，較佳為其結晶表面具有6次對稱。例如，緩衝層106較佳為具有六方最密結構、面心立方結構、或依據該等之結構。此處，依據六方最密結構或面心立方結構之結構包括c軸相對於a軸及b軸不為90度之晶體結構。使用具有六方最密結構或依據其之結構之導電性材料之緩衝層106較佳為相對於非晶質基板102配向於(0001)方向、即c軸方向(以下，稱為六方最密結構之(0001)配向)。又，具有面心立方結構或依據其之結構之緩衝層106較佳為相對於非晶質基板102配向於(111)方向(以下，稱為面心立方結構之(111)配向)。
緩衝層106設置於非晶質基板102與氮化鎵系半導體層108之間。由於在非晶質基板102上形成具有結晶性之氮化鎵系半導體層108，故緩衝層106具有作為緩和晶格失配之緩衝層之功能。藉由緩衝層106具有如上所述之結晶性，可謀求氮化鎵系半導體層108之結晶化。即，藉由緩衝層106具有c軸配向，且具有如六方最密結構或面心立方結構之具有6次旋轉對稱之結晶性表面，可以氮化鎵系半導體層108之c軸沿膜厚方向生長之方式控制配向。
緩衝層106較佳為具有平坦之表面。若以算術平均粗糙度(Ra)表示緩衝層106之表面之平坦性，則該值較佳為小於2.5 nm，更佳為小於2.3 nm。藉由緩衝層106具有平坦之表面，可提高氮化鎵系半導體層108之結晶性。緩衝層106之Ra越小越佳，例如，可謂算術平均粗糙度(Ra)只要超過0 nm即可，為0.1 nm以上，較佳為0.01 nm以上。緩衝層106之表面粗糙度可利用原子力顯微鏡(AFM)進行測定。
緩衝層106較佳為具有結晶性，且為薄膜。關於緩衝層106，其厚度並無特別限定，只要可視作薄膜即可。但是，若膜厚過薄，則存在表面之平坦性較差，不具有結晶性之情況。另一方面，若緩衝層106之膜厚過厚，則因結晶化而表現出金屬特有之表面形態，表面之平坦性降低。因此，緩衝層106之膜厚較佳為5 nm以上500 nm以下，更佳為10 nm以上200 nm以下。再者，緩衝層106之膜厚可利用接觸式輪廓儀、光學式膜厚計(橢偏儀)進行測量，又，可根據利用掃描式電子顯微鏡(SEM)、穿透式電子顯微鏡(TEM)所得之圖像進行測量。
緩衝層106可由金屬形成。作為形成緩衝層106之金屬材料，較佳為使用鈦(Ti)、鋁(Al)，此外，可使用銀(Ag)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鍶(Sr)、銠(Rh)、鈀(Pd)、銥(Ir)、鉑(Pt)、金(Au)等。又，緩衝層106亦可使用氧化鋅(ZnO)、二氧化鈦(TiO 2)等金屬氧化物材料。
此種緩衝層106可藉由濺鍍法、電子束真空蒸鍍法來製作。
又，緩衝層106亦可由絕緣層代替金屬層來形成。即，亦可由絕緣性材料形成緩衝層106。作為絕緣性緩衝層106，可使用氮化鋁(AlN)、氧化鋁(Al 2O 3)等。絕緣性緩衝層106較佳為具有與上述相同之結晶性，且較佳為具有相同之膜厚。
1-4.氮化鎵系半導體層 氮化鎵系半導體層108至少包含1層氮化鎵(GaN)層。例如，氮化鎵系半導體層108為單層之氮化鎵層。又，氮化鎵系半導體層108包含氮化鎵層，進而包含選自氮化銦鎵(InGaN)層、及氮化鋁鎵(AlGaN)層中之至少1層，且具有該等層積層而成之結構。形成氮化鎵系半導體層108之氮化鎵層、氮化銦鎵層、及氮化鋁鎵層較佳為具有化學計量組成，但亦可偏離化學計量組成。
氮化鎵系半導體層108較佳為具有結晶性。即，形成氮化鎵系半導體層108之氮化鎵層較佳為具有結晶性。氮化鎵層較佳為單晶，亦可為多晶、微晶、或奈米結晶。氮化鎵層之晶體結構較佳為具有纖鋅礦結構。形成氮化鎵系半導體層108之氮化鎵層較佳為具有c軸配向或(111)配向。
形成氮化鎵系半導體層108之一部分層或所有層的氮化鎵層之導電型可實質上為本徵，亦可具有n型或p型導電型。氮化鎵層中亦可包含用於控制價電子之摻雜劑。n型氮化鎵層中可摻雜選自矽(Si)或鍺(Ge)中之一種元素作為摻雜劑。p型氮化鎵層中可摻雜選自鎂(Mg)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、鈹(Be)中之一種元素作為摻雜劑。n型氮化鎵層較佳為具有1×10 18/cm 3以上之載子濃度。p型氮化鎵層較佳為具有5×10 16/cm 3以上之載子濃度。又，實質上為本徵(換言之，為高電阻)之氮化鎵層可包含鋅(Zn)作為摻雜劑。
形成氮化鎵系半導體層108之一部分或全部的氮化鎵層與緩衝層106相接地設置。氮化鎵層成膜於緩衝層106上。如上所述，藉由緩衝層106包含c軸配向之結晶面，而形成具有c軸配向或(111)配向之氮化鎵層。氮化鎵層可在與緩衝層106相接之界面附近包含非晶結構，較佳為在遠離界面之區域(主體)具有結晶性。藉由形成氮化鎵系半導體層108之一部分或全部的氮化鎵層具有結晶性，可提高氮化鎵系半導體裝置之性能。例如，於氮化鎵系半導體裝置為發光裝置之情形時，可提高發光強度，於電晶體之類的主動裝置之情形時，可提高載子移動率。
形成氮化鎵系半導體層108之一部分或全部的氮化鎵層亦可包含氧(O)、碳(C)、氫(H)、氟(F)作為除了如上所述作為摻雜劑所添加之元素以外之雜質元素。氮化鎵層中所包含之氧之濃度較佳為2×10 21/cm 3以下，更佳為1×10 21/cm 3以下。氮化鎵層中所包含之碳之濃度較佳為5×10 19/cm 3以下，更佳為3×10 19/cm 3以下。氮化鎵層中所包含之氫之濃度較佳為3×10 20/cm 3以下，更佳為2×10 20/cm 3以下。氮化鎵層中所包含之氟之濃度較佳為1×10 19/cm 3以下，更佳為5×10 17/cm 3以下。
再者，就氮化鎵層之高純度化之觀點而言，作為雜質元素之氧(O)、碳(C)、氫(H)、氟(F)之下限值並無限定，越少越佳，下限值可與檢測該等雜質元素之測定裝置之檢測下限同等或設為檢測下限以上。於藉由二次離子質譜法對氮化鎵層中之氧(O)、碳(C)、氫(H)、氟(F)濃度進行測定之情形時，可規定與其背景水平同等或為同等以上。例如，可將氧(O)之下限值設為6×10 16/cm 3以上，將碳(C)之下限值設為4×10 16/cm 3以上，將氫(H)之下限值設為2×10 17/cm 3以上，將氟(F)之下限值設為2×10 15/cm 3以上。
若氮化鎵層中所包含之雜質濃度較高，則結晶性降低，又，作為載子陷阱之缺陷能階增加，因此不佳。由於氮化鎵層中所包含之氧作為摻雜劑發揮作用，故若超過上述範圍，則有導電性發生變化，裝置之特性降低之虞。氮化鎵層中所包含之氫有鈍態化，尤其是使p型摻雜劑失活之虞，因此較佳為不超過上述範圍。由於氮化鎵層中所包含之碳形成結晶缺陷，形成缺陷能階而使發光效率降低，故較佳為不超過上述範圍。
該等雜質元素之濃度係基於藉由二次離子質譜法所得之測量值。上述雜質濃度係基於下述值者，該值係使用銫離子(Cs +)作為一次離子，對各元素測定深度方向(膜之厚度方向)之二次離子強度，基於該二次離子強度進行定量化而獲得。
氮化鎵系半導體層108中所包含之氧、氫、碳、氟之類的雜質源自濺鍍靶材中所包含之雜質。又，該等雜質元素源自濺鍍裝置之成膜室之殘留氣體。認為氮化鎵層中所包含之雜質元素於濺鍍成膜時自該等產生源引入膜中。該等雜質元素與為了控制價電子而刻意地添加之雜質不同，亦可謂為不可避免地混入之雜質。
藉由以使形成氮化鎵系半導體層108之一部分或全部之氮化鎵層中不可避免地包含之氧、碳、氫、氟之濃度為如上所述之數值範圍的方式謀求高純度化，可提高氮化鎵層之結晶性。即。本實施方式之積層結構體100藉由謀求形成非晶質基板102上所設置之氮化鎵系半導體層108之一部分或全部之氮化鎵層的高純度化，可提高其結晶性。
2.積層結構體之製作方法 關於本實施方式之積層結構體100，其製作方法並無特別限定。然而，本實施方式之積層結構體100可按照以下製作方法適宜製作。
本實施方式之積層結構體100可藉由包括如下步驟之製造方法來製作：於非晶質基板102上形成緩衝層106；及於緩衝層106上形成氮化鎵系半導體層108。於設置基底絕緣層104之情形時，包括在形成緩衝層106前，於非晶質基板102上形成基底絕緣層104之步驟。形成氮化鎵系半導體層108之步驟中包括基於濺鍍法之成膜步驟。於以下說明中，包括形成基底絕緣層104之步驟在內進行說明。
2-1.非晶質基板之準備 使用玻璃基板作為非晶質基板102。玻璃基板係由鋁硼矽酸鹽玻璃、鋁矽酸鹽玻璃等形成之無鹼玻璃基板。非晶質基板102係進行洗淨以形成潔淨之表面。洗淨之方法任意，例如藉由包含硫酸及過氧化氫、或鹽酸及過氧化氫之混合洗淨液進行洗淨，其後，進行超純水沖洗，以沖洗混合洗淨液。
2-2.基底絕緣層之形成 基底絕緣層104由氮化矽層104a及氧化矽層104b形成。氮化矽層104a及氧化矽層104b之製作方法並無限定。例如，氮化矽層104a係使用矽烷(SiH 4)、氨(NH 3)、氮(N 2)等反應氣體，藉由電漿CVD(Chemical Vapor Deposition，化學氣相沈積)法製作，氧化矽層104b係藉由使用矽烷(SiH 4)、一氧化二氮(N 2O)、四乙氧基矽烷(TEOS：Tetraethyl Orthosilicate)等原料氣體之電漿CVD法製作。於電漿CVD裝置具備複數個成膜室之情形時，可使氮化矽層104a與氧化矽層104b連續成膜。又，亦可使用矽作為濺鍍靶，藉由反應性濺鍍來形成氮化矽層104a，且使用石英作為濺鍍靶來形成氧化矽層104b。
如上所述，氮化矽層104a係以20 nm以上500 nm以下、較佳為100 nm以上300 nm以下、例如150 nm之膜厚形成。氧化矽層104b係以20 nm以上500 nm以下、較佳為50 nm以上200 nm以下、例如100 nm之膜厚形成。
2-3.緩衝層之形成 於基底絕緣層104上形成緩衝層106。緩衝層106係藉由濺鍍法或真空蒸鍍法製作。作為濺鍍法，可使用公知之濺鍍法。作為公知之方法，可例舉：DC(Direct Current，直流)濺鍍法、RF(Radio Frequency，射頻)濺鍍法、AC(Alternating Current，交流)濺鍍法、DC磁控濺鍍法、RF磁控濺鍍法、脈衝濺鍍法、及離子束濺鍍法、感應電漿輔助濺鍍法。其中，為了在大面積之玻璃基板上均勻且高速地進行成膜，較佳為應用DC磁控濺鍍法或RF磁控濺鍍法。
於藉由濺鍍法製作緩衝層106之情形時，可使用金屬靶、氧化物靶、或氮化物靶作為濺鍍靶。緩衝層106較佳為具有配向性，因此靶材較佳為高純度，較佳為使用純度為5 N(99.999%)以上者。又，為了防止產生異常放電，抑制顆粒之產生，較佳為使用缺陷密度較少且表面平滑之靶材。
於形成金屬緩衝層作為緩衝層106之情形時，如上所述，作為金屬材料，較佳為使用鈦(Ti)、鋁(Al)，此外，由銀(Ag)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鍶(Sr)、銠(Rh)、鈀(Pd)、銥(Ir)、鉑(Pt)、金(Au)等金屬形成。又，緩衝層106亦可由氧化鋅(ZnO)、二氧化鈦(TiO 2)等金屬氧化物代替金屬來形成。又，緩衝層106亦可由氮化鋁(AlN)、氧化鋁(Al 2O 3)等絕緣材料形成。緩衝層106之膜厚係以5 nm以上500 nm以下、較佳為10 nm以上200 nm以下之膜厚形成。
於緩衝層106由金屬形成之情形時，作為濺鍍靶，可使用高純度之金屬作為靶材。於緩衝層106由金屬氧化物形成之情形時，作為濺鍍靶，可使用金屬氧化物之燒結體作為靶材。又，於緩衝層106由絕緣體形成之情形時，可使用絕緣材料之燒結體作為濺鍍靶。該等靶材係硬焊於銅(Cu)、鋁(Al)、不鏽鋼等背襯板而使用。於靶材為金屬之情形時，背襯板可一體形成。
製作緩衝層106時，較佳為使用能夠高真空排氣之成膜裝置。例如，於藉由濺鍍法製作緩衝層106之情形時，較佳為使濺鍍裝置之成膜室之極限真空度為1×10 -4Pa以下。藉由提高成膜室之極限真空度，可儘可能地去除殘留氣體，減少成膜時引入至緩衝層106中之雜質，可提高配向性。又，為了提高緩衝層106之配向性，較佳為將基板溫度加熱至100℃～300℃。藉由以此種基板溫度成膜，可形成c軸配向之配向性較高之緩衝層106。
2-4.氮化鎵系半導體層之製作 於本實施方式中，氮化鎵系半導體層108係藉由濺鍍法製作。濺鍍靶可使用氮化鎵系燒結體。於形成氮化鎵層作為氮化鎵系半導體層108之情形時，可使用氮化鎵燒結體作為濺鍍靶之靶材。就提高氮化鎵層之結晶性之觀點而言，濺鍍靶材中所包含之氧量越低越佳。例如，作為靶材使用之氮化鎵燒結體之氧含量以原子百分率計，較佳為3 at%以下，進而較佳為1 at%以下。又，於氮化鎵燒結體中，除了鎵以外之金屬雜質之含量較佳為未達0.1 at%，進而較佳為未達0.01 at%。使用氮化鎵燒結體之靶材之電阻率較佳為1×10 2Ωcm以下，密度較佳為3.0 g/cm 3以上5.4 g/cm 3以下，較佳為無金屬鎵析出。濺鍍靶之面積較佳為18 cm 2以上，更佳為100 cm 2以上。濺鍍靶之面積越大，放電越穩定，能夠在更低之氣體壓力、更低之功率密度下進行濺鍍。進而，藉由使用此種大小之濺鍍靶，可謀求提高氮化鎵層之膜厚、膜質之均勻性。
作為濺鍍之方式，可使用DC濺鍍法、RF濺鍍法、AC濺鍍法、DC磁控濺鍍法、RF磁控濺鍍法、脈衝濺鍍法、及離子束濺鍍法、感應電漿輔助濺鍍法。該等之中，DC磁控濺鍍法、RF磁控濺鍍法可應對非晶質基板102之大面積化，因此為較佳之選擇。於DC及RF磁控濺鍍法中，較佳為採用動磁方式，藉此能夠實現濺鍍靶之整面侵蝕，謀求材料之有效利用。
藉由濺鍍使氮化鎵層成膜時之氣體壓力未達0.3 Pa，較佳為0.1 Pa以下，進而較佳為0.08 Pa以下。濺鍍成膜時之氣體壓力越低，越能夠促進附著於沈積表面之濺鍍粒子之表面擴散，謀求提高結晶性。
濺鍍裝置之成膜室之極限真空度較佳為3×10 -5Pa以下，更佳為1×10 -5Pa以下。為了去除成膜室內殘留之水分，能夠進行高真空排氣，較佳為對成膜室及真空排氣系統進行烘烤處理。如此，藉由提高成膜室之極限真空度，殘留氣體不易作為雜質混入氮化鎵層中，可謀求提高結晶性。
較佳為於使氮化鎵層成膜前，對非晶質基板102(即，作為沈積表面之緩衝層106之表面)進行逆向濺鍍處理。逆向濺鍍係藉由對非晶質基板102之側而非濺鍍靶側照射氬(Ar)等稀有氣體離子來對表面進行清潔之方法。藉由進行逆向濺鍍，可使非晶質基板102之表面(即，作為沈積表面之緩衝層106之表面)潔淨，使表面之微小凹凸平坦化，消除妨礙結晶生長之因素。濺鍍裝置較佳為除成膜室以外還設置有進行逆向濺鍍之專用處理室，進行逆向濺鍍後，不接觸外部氣體而輸送至成膜室，藉此可於保持非晶質基板102之表面(即，作為沈積表面之緩衝層106之表面)之潔淨度之狀態下成膜。
為了謀求提高氮化鎵層之結晶性，較佳為控制成膜時之基板溫度。藉由提高基板溫度，可促進附著於沈積表面之濺鍍粒子之表面擴散，謀求提高氮化鎵層之結晶性。濺鍍成膜時之基板溫度(亦被稱為「成膜溫度」)較佳為室溫至600℃以下，更佳為100℃以上400℃以下。又，若為高於600℃之溫度，則超過非晶質基板102之耐熱溫度，濺鍍裝置昂貴，使用濺鍍法之優點變少。基板溫度只要為室溫(包括不刻意地加熱基板之情形)至其以上之溫度即可，藉由較佳為於100℃以上400℃以下在非晶質基板102進行低溫成膜，可謀求提高沈積於緩衝層106上之氮化鎵層之結晶性。
進行濺鍍之氣體(濺鍍氣體)通常使用氬(Ar)等稀有氣體，於氮化鎵膜之成膜中，較佳為使用氮(N 2)氣體。藉由使用氮氣作為濺鍍氣體，可抑制氮缺陷之產生。
作為放電時之功率，功率密度較佳為5 W/cm 2以下，更佳為2.5 W/cm 2以下，進而較佳為1.5 W/cm 2以下。下限較佳為0.1 W/cm 2以上，更佳為0.3 W/cm 2以上。關於功率密度之計算，將放電時施加之功率除以濺鍍靶材之面積。若放電時之功率高於5 W/cm 2，則粗大之多晶粒子容易自濺鍍靶剝離。若功率密度未達0.1 W/cm 2，則放電穩定，成膜速度下降，因此膜之生產性降低。
氮化鎵層之膜厚較佳為30 nm以上，進而較佳為50 nm以上。藉由具有此種膜厚，可於緩衝層106上形成具有結晶性之氮化鎵層。又，氮化鎵層之膜厚可為5000 nm以下，較佳為1000 nm以下，更佳為例如200 nm～500 nm以下。
再者，本實施方式中，作為氮化鎵系半導體層108，對氮化鎵層之製作方法進行了說明，但藉由改變濺鍍靶之材料，可製作氮化銦鎵(InGaN)層、及氮化鋁鎵(AlGaN)層等組成不同之結晶性薄膜。又，於具有複數個成膜室之濺鍍裝置中，藉由在各成膜室安裝組成不同之濺鍍靶，可形成積層有組成不同之複數個層之氮化鎵系半導體層108。
如本實施方式所示，於製作氮化鎵系半導體層108時，降低濺鍍靶材中所包含之氧等雜質之濃度，於濺鍍成膜時進行高真空排氣，進而藉由逆向濺鍍等處理使沈積表面潔淨，藉此可製作氧、碳、氫、氟等雜質之濃度較低且結晶性較高之氮化鎵系半導體層108。換言之，可製作氧濃度為2×10 21/cm 3以下，較佳為1×10 21/cm 3以下，碳濃度為5×10 19/cm 3以下，較佳為3×10 19/cm 3以下，氫濃度為3×10 20/cm 3以下，較佳為2×10 20/cm 3以下，氟濃度為1×10 19/cm 3以下，較佳為5×10 17/cm 3以下之氮化鎵層。藉由設為此種雜質濃度，可製作於非晶質基板102上形成有具有結晶性之氮化鎵系半導體層108之積層結構體100。
如上所述，本實施方式之氮化鎵系半導體層108係使用氧等雜質經減少之包含氮化鎵之濺鍍靶，對非晶質基板102進行逆向濺鍍等處理，進行高真空排氣後，在上述特定功率密度下藉由濺鍍法而製作。並且，藉由此種成膜法，可獲得氧、碳、氫等雜質之濃度降低，結晶性較高且缺陷密度較低之氮化鎵系半導體層108。
3.氮化鎵系半導體裝置 藉由本實施方式之積層結構體100，可製作發光裝置、電晶體等氮化鎵系半導體裝置。以下，示出將積層結構體100作為基本結構之裝置之一例。再者，以下示出之裝置為一例，藉由積層結構體100所實現之裝置並不限定於圖示之結構。
3-1.發光裝置 圖2A示出發光裝置150作為氮化鎵系半導體裝置之一例。發光裝置150具有於非晶質基板102上積層有基底絕緣層104、緩衝層106及氮化鎵系半導體層108之積層結構體100之構成。氮化鎵系半導體層108具有積層有n型氮化鎵層110、發光層114、p型氮化鎵層118之結構。於p型氮化鎵層118上設置有上部電極層120。上部電極層120係由金(Au)、鈦(Ti)-金(Au)合金等金屬材料、或氧化銦錫(ITO)等透明導電膜形成。發光層114之結構多樣，可由氮化鎵(GaN)層與氮化銦鎵(InGaN)層交替地積層而成之量子井層形成。
圖2B表示氮化鎵系半導體層108之構成與圖2A不同之發光裝置155。發光裝置155具有積層有n型氮化鎵層110、n型氮化鋁鎵層112、作為發光層之氮化銦鎵層114、p型氮化鋁鎵層116、p型氮化鎵層118之結構。由於該等各層之組成不同，故使用與各者之組成對應之濺鍍靶而成膜。
圖2A中示出之發光裝置150及圖2B中示出之發光裝置155包含本實施方式中示出之積層結構體100之結構。積層結構體100係於非晶質基板102上具有氧、碳、氫等雜質之濃度降低且結晶性較高之氮化鎵系半導體層108。由於氮化鎵系半導體層108能夠形成於大面積之非晶質基板102，故可增大自1片非晶質基板102單片化之發光裝置之數量，可謀求提高生產性。又，可製作於非晶質基板102上排列有發光裝置之LED(Light Emitting Diode，發光二極體)陣列，可利用LED陣列製作顯示裝置。
3-2.電晶體 圖3示出電晶體160作為氮化鎵系半導體裝置之一例。電晶體160包含形成於非晶質基板102上之氮化鎵系半導體層108。氮化鎵系半導體層108具有積層有n +型氮化鎵層122、n型氮化鎵層124、p型氮化鎵層126、n型氮化鎵層128之結構。閘極電極132係以介隔閘極絕緣層130嵌入p型氮化鎵層126之方式設置。源極電極134設置於n型氮化鎵層128上。緩衝層106可兼具汲極電極之功能。即，藉由以金屬或具有導電性之金屬氧化物形成緩衝層106，可兼具作為汲極電極之功能。圖3中示出之電晶體160例如可作為功率電晶體使用。
電晶體160係藉由非晶質基板102上設置之氮化鎵系半導體層108形成活性層。氮化鎵系半導體層108由於氧、碳、氫等雜質之濃度降低，具有較高之結晶性，缺陷密度降低，因此開關特性優異，可以低成本提供能夠高速動作之電晶體。 [實施例]
以下，示出積層結構體100之一實施例，但本發明並不限定於該實施例。
使用無鹼玻璃基板作為非晶質基板102。於無鹼玻璃基板上，作為基底絕緣層104，以150 nm之膜厚形成氮化矽層104a，以100 nm之膜厚形成氧化矽層104b。氮化矽層104a及氧化矽層104b係藉由電漿CVD法製作。氮化矽層104a係使用矽烷(SiH 4)、氨(NH 3)、氮(N 2)作為反應氣體，於0.24 W/cm 2之RF功率密度、400℃之基板溫度下進行成膜。氧化矽層104b係使用矽烷(SiH 4)、一氧化二氮(N 2O)作為反應氣體，於0.61 W/cm 2之RF功率密度、380℃之基板溫度下進行成膜。
於基底絕緣層104上形成50 nm厚度之鈦(Ti)層作為緩衝層106。鈦(Ti)層係藉由濺鍍法，使用鈦(Ti)靶，藉由濺鍍法，不對基板進行加熱而於室溫下成膜。
藉由濺鍍法製作氮化鎵層作為氮化鎵系半導體層108。濺鍍之條件如下所述。 放電方式：RF濺鍍 製膜裝置：磁控濺鍍裝置 靶材料：氮化鎵(氧含量7 atm%) 靶尺寸：120 mmϕ 靶-基板間距離：150 mm 成膜壓力：0.3 Pa 導入氣體：氮氣 放電功率：100 W 成膜溫度：200℃ 膜厚：100 nm 加熱處理溫度：600℃
利用二次離子質譜法對藉由如上所述之條件製作之氮化鎵層之雜質濃度進行評價。對作為氮化鎵層中所包含之雜質之氧、氫、碳、氟之濃度進行測定。
將二次離子質譜法之分析條件示於以下。 測定裝置：PHI ADEPT1010 一次離子種：Cs +一次加速電壓：2.0 kV 檢測區域：90 μm×90 μm
圖4中示出表示藉由二次離子質譜法所測得之氮化鎵層中所包含之氧、氫、碳、氟各元素之深度方向之分佈的曲線圖。於圖4所示之曲線圖中，橫軸表示距氮化鎵膜表面之深度，縱軸表示根據各元素之二次離子強度換算所得之濃度。
於圖4所示之曲線圖中示出氧、氫、碳、氟各元素之背景水平(檢測極限)。背景係氧為6.0×10 16/cm 3，氫為2.1×10 17/cm 3，碳為4.5×10 16/cm 3，氟為1.9×10 15/cm 3。又，於圖4所示之曲線圖中重疊示出作為基質標記物之鎵(Ga)＋氮(N)、鎵(Ga)、鈦(Ti)之二次離子強度。在用於測定之試樣中，作為基質標記物示出之鎵(Ga)＋氮(N)、及鎵(Ga)之二次離子強度變得平坦之部分為氮化鎵層確實存在之範圍。由圖4之曲線圖可知，自表面至80 μm附近為氮化鎵層，更深處存在作為緩衝層之鈦層。氧、氫、碳、氟各元素之定量值可自基質標記物平坦之區域讀取。再者，藉由二次離子質譜法之特性，於膜之表面附近、及界面附近觀察到因充電或雜質污染所造成之曲線堆積，因此該部分不應納入考慮。
表1示出自圖4所示之曲線圖讀取之氮化鎵層中所包含之氧、氫、碳、氟之各濃度。如表1所示，本實施例中所製作之氮化鎵層獲得氫濃度為9.7×10 19/cm 3，碳濃度為1.4×10 19/cm 3，氧濃度為7.1×10 20/cm 3，氟濃度為1.9×10 17/cm 3之結果。再者，氫之曲線顯現出隨著自氮化鎵層之表面進入內部暫時下降之傾向，但讀取定量值時，讀取膜之中心附近之值。 [表1]
元素種 濃度[atms/cm 3]
氧：O 7.1×10 20
碳：C 1.4×10 19
氫：H 9.7×10 19
氟：F 1.9×10 17
本實施例顯示，藉由儘可能地減少在藉由濺鍍法製作氮化鎵膜時不可避免地混入之雜質，即便於使用玻璃基板之類的非晶質基板之情形時亦儘可能地減少，而即便於使用非晶質基板之情形時亦可製作結晶性優異之氮化鎵層。
100:積層結構體 102:非晶質基板 104:基底絕緣層 104a:氮化矽層 104b:氧化矽層 106:緩衝層 108:氮化鎵系半導體層 110:n型氮化鎵層 112:n型氮化鋁鎵層 114:發光層 115:氮化銦鎵層 116:p型氮化鋁鎵層 118:p型氮化鎵層 120:上部電極層 122:n+型氮化鎵層 124:n型氮化鎵層 126:p型氮化鎵層 128:n型氮化鎵層 130:閘極絕緣層 132:閘極電極 134:源極電極 150:發光裝置 155:發光裝置 160:電晶體
圖1係表示本發明之一實施方式之積層結構體之構成的圖。 圖2A係表示包含本發明之一實施方式之積層結構體之構成之發光裝置之結構的圖。 圖2B係表示包含本發明之一實施方式之積層結構體之構成之發光裝置之結構的圖。 圖3係表示包含本發明之一實施方式之積層結構體之構成之電晶體之結構的圖。 圖4係表示藉由二次離子質譜法對實施例中示出之氮化鎵層中所包含之氧、碳、氫、氟之含量進行測定所得之結果的圖。
100:積層結構體
102:非晶質基板
104:基底絕緣層
104a:氮化矽層
104b:氧化矽層
106:緩衝層
108:氮化鎵系半導體層

Claims (12)

  1. 一種積層結構體，其特徵在於：具有非晶質基板、上述非晶質基板上之緩衝層、及上述緩衝層上之氮化鎵系半導體層，且上述氮化鎵系半導體層至少包含1層氮化鎵層，上述氮化鎵層之氧濃度為1×1021/cm3以下，上述非晶質基板為玻璃基板，且膨脹係數小於50×10-7/℃，應變點為600℃以上，上述緩衝層之算術平均粗糙度(Ra)小於2.5nm。
  2. 如請求項1之積層結構體，其中上述氮化鎵層之氧濃度為1×1020/cm3以上且1×1021/cm3以下。
  3. 如請求項1之積層結構體，其中上述氮化鎵層之碳濃度為1×1019/cm3以上且3×1019/cm3以下。
  4. 如請求項3之積層結構體，其中上述氮化鎵層之氫濃度為2×1017/cm3以上且2×1020/cm3以下。
  5. 如請求項4之積層結構體，其中上述氫濃度之分布係隨著自上述氮化鎵層之表面向內部深入而暫時降低。
  6. 如請求項4之積層結構體，其中上述氮化鎵層之氟濃度為5×1017/cm3以下。
  7. 如請求項1之積層結構體，其中上述氮化鎵層為c軸配向。
  8. 如請求項1之積層結構體，其中上述緩衝層係包含選自鈦(Ti)、鋁(Al)、銀(Ag)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鍶(Sr)、銠(Rh)、鈀(Pd)、銥(Ir)、鉑(Pt)、及金(Au)中之至少1種元素之c軸配向之金屬膜。
  9. 如請求項1之積層結構體，其具有金屬氧化物緩衝層代替上述緩衝層，上述金屬氧化物緩衝層係包含氧化鋅(ZnO)及二氧化鈦(TiO2)中之任一種之c軸配向之金屬氧化物膜。
  10. 如請求項1之積層結構體，其於上述非晶質基板與上述緩衝層之間包含基底層，上述基底層具有氧化矽膜與氮化矽膜之積層結構，上述氮化矽膜與上述非晶質基板相接，上述氧化矽膜與上述緩衝層相接，上述氮化矽膜具有20nm以上之膜厚，上述氧化矽膜具有50nm以上之膜厚。
  11. 如請求項1之積層結構體，其中上述氮化鎵層係使用氮化鎵之濺鍍靶，藉由濺鍍法於上述緩衝層上製作。
  12. 一種氮化鎵系半導體裝置，其包含如請求項1至11中任一項之積層結構體。
TW111139415A 2021-10-28 2022-10-18 積層結構體及氮化鎵系半導體裝置 TWI834343B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021-176842 2021-10-28
JP2021176842 2021-10-28

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW202328021A TW202328021A (zh) 2023-07-16
TWI834343B true TWI834343B (zh) 2024-03-01

Family

ID=

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021163900A (ja) 2020-04-01 2021-10-11 株式会社ジャパンディスプレイ 発光素子および表示装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021163900A (ja) 2020-04-01 2021-10-11 株式会社ジャパンディスプレイ 発光素子および表示装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8278656B2 (en) Substrate for the epitaxial growth of gallium nitride
TWI585862B (zh) 半導體元件和該半導體元件的製造方法
US9224839B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JP5661509B2 (ja) 積層体およびその製造方法、並びにそれを用いた機能素子
JP6169605B2 (ja) 薄膜トランジスタの製造方法
JP2011029238A (ja) 結晶性ホモロガス化合物層を含む積層体の製造方法及び電界効果型トランジスタ
JP2017128492A (ja) 結晶性酸化物膜
JP2002326895A (ja) 半導体結晶とその成長方法及び光半導体素子
JP3531865B2 (ja) 超平坦透明導電膜およびその製造方法
CN111180564A (zh) 高光效绿光led外延片及制造方法
JP2013183001A (ja) 半導体装置
CN1862834A (zh) 氧化锌基薄膜晶体管及芯片制备工艺
JP2009141221A (ja) ＺｎＯ半導体膜の製造方法、ＺｎＯ半導体膜及びこれを用いた半導体装置
TWI834343B (zh) 積層結構體及氮化鎵系半導體裝置
JP2016201458A (ja) 微結晶質酸化物半導体薄膜及びそれを用いた薄膜トランジスタ
TW202328021A (zh) 積層結構體及氮化鎵系半導體裝置
TW201309826A (zh) 氧化亞錫薄膜的製作方法
CN111733456B (zh) 用于AlN单晶生长的复合籽晶及其制备方法
WO2024048004A1 (ja) 積層構造体、半導体デバイス及びその製造方法
CN109802023A (zh) 一种发光二极管的外延片的制备方法及外延片
WO2024116849A1 (ja) 整流素子
WO2023248753A1 (ja) アモルファス基板上の窒化ガリウム系半導体デバイス及びその作製方法
US9219254B2 (en) Method of forming nanocrystals and method of manufacturing an organic light-emitting display apparatus including a thin film having nanocrystals
WO2024048005A1 (ja) 積層構造体及びその製造方法、ならびに半導体デバイス
JPWO2017221863A1 (ja) Ｉｉｉ族窒化物積層体、及び該積層体を備えた縦型半導体デバイス