CN101267008A - 具三族氮化合物半导体缓冲层的光电半导体组件和其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种具三族氮化合物半导体缓冲层的光电半导体组件，其包含一衬底，以及至少二个InxGa1－xN层和至少二个InyGa1－yN层交错迭置于所述衬底上，其中x不等于y。一发光磊晶结构设于位于上层的所述InyGa1－yN层表面。介于所述衬底与所述发光磊晶结构之间的所述InxGa1－xN层和所述InyGa1－yN层形成超晶格缓冲层以降低应力。
Description
技术领域
本发明涉及一种具三族氮化合物半导体缓冲层的光电半导体组件和其制造方法，具体地说，涉及一种以三族氮化合物半导体为缓冲层的光电半导体组件。
背景技术
随着发光二极管组件广泛应用于不同产品，近年来制作蓝光发光二极管的材料已成为当前光电半导体材料重要的研发对象。目前蓝光发光二极管的材料有硒化锌(ZnSe)、碳化硅(SiC)和氮化铟镓(InGaN)等材料，这些材料都是宽能隙(band gap)的半导体材料，能隙大约在2.6eV以上。由于氮化镓系列是直接能隙(direct gap)的发光材料，因此可以产生高亮度的照明光线，且相较于同为直接能隙的硒化锌更有寿命长的优点。
早期针对三族氮化合物或氮化镓的研发方向，是着重于如何去形成高质量的氮化镓薄膜。但由于缺乏与氮化镓在晶格常数(lattice constant)和膨胀系数匹配的基材材料，而且必须在极高温度下形成薄膜，所以在此类条件下要成长高质量的氮化镓晶体极为不易。
S.Yoshida等人于1983年以蓝宝石(sapphire)为基材，先以高温成长一层氮化铝(AlN)为缓冲层，接着在上面成长氮化镓膜层，如此才得到质量比较好的晶体。后来I.Akasa与H.Amano等人在1986年，首先利用有机金属气相沉积法(MOCVD)来成长氮化镓膜层，其是在低温下成长一氮化铝作为缓冲层，接着同样在高温下形成氮化镓膜层。
同年，日本的日亚化学公司(Nichia Chemical Industries)的中村修二投入氮化镓材料的研究，先以二流式MOCVD反应器成长氮化镓膜层，并且在氮化镓磊晶技术上作了两项重大改变，其中他舍弃了以铝化镓为缓冲层，而改用低温成长的氮化镓作为缓冲层，并就此改进申请为美国第US 5,290,393号专利。图1是美国第US 5,290,393号专利的发光二极管10的剖面示意图。在蓝宝石的基材11上形成一GaxAlxN(0＜x≤1)层作为缓冲层12，形成温度低于900℃，其膜层厚度约为0.001μm到0.5 μm。然后在缓冲层12上继续磊晶一GaxAlxN(0＜x≤1)层作为产生光线的半导体层13，形成温度介于900℃至1150℃。
图2是美国第US 6,847,046号专利的发光二极管20的剖面示意图。在蓝宝石的基材21上形成一SiN/Al1-x-yInxGayN超晶格(superlattice)层作为缓冲层22，然后在缓冲层22上继续形成一未掺杂氮化镓(GaN)层23。
图3是美国第US 5,523,589号专利的发光二极管30的剖面示意图。在具导电性碳化硅的基材32上形成一AlxGa1-xN或Al1-x-yInxGayN层作为缓冲层33，然后在缓冲层33上继续形成一下异质结构层(lower heterostructure layer)34。同样，N型电极31设于基材32的底部。
图4是美国第US 5,122,845号专利的发光二极管40的剖面示意图。在蓝宝石的基材41上形成一氮化铝(AlN)层作为缓冲层42，然后在缓冲层42上继续形成一N型氮化镓(GaN)层43。
前述常规技术均采用含有铝的氮化物作为缓冲层，由于所述类缓冲层硬度高，因此使得衬底与发光磊晶结构之间的晶格不匹配而无法调适。衬底与发光磊晶结构之间的累积应力会因缓冲层硬度高而不易消除，甚至会造成磊晶结构产生龟裂现象。另外，晶格不匹配和应力无法释放造成磊晶结构有差排缺陷，即磊晶结构会因此而质量劣化。
综上所述，市场上急需一种确保质量稳定的光电半导体组件，使得能改进上述常规技术的各种缺点。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种具三族氮化合物半导体缓冲层的光电半导体组件和其制造方法，其以硬度较低的三族氮化合物半导体为衬底与发光磊晶结构之间的缓冲层，可有效释放累积的应力而避免龟裂现象的发生。
本发明的另一目的在于提供一种具三族氮化合物半导体缓冲层的光电半导体组件，因减少磊晶层的应力累积，所以能降低磊晶结构中差排缺陷的密度，从而提高光电半导体组件的质量。
为达上述目的，本发明揭示一种具三族氮化合物半导体缓冲层的光电半导体组件，其包含一衬底，以及至少二个InxGa1-xN层和至少二个InyGa1-yN层交错迭置于所述衬底上而形成缓冲层，其中x不等于y，且0＜x，y≤1。一发光磊晶结构设于位于上层的所述InyGa1-yN层表面，介于所述衬底与所述发光磊晶结构之间的所述InxGa1-xN层和所述InyGa1-yN层形成超晶格核层(superlattice nucleation layer)以降低应力。
所述InxGa1-xN层和所述InyGa1-yN层的层数优选地分别介于2到5之间，所述迭层是超晶格核层，且迭层厚度为0.001μm到0.5μm。
所述基材的材料包含蓝宝石、碳化硅(SiC)、硅、氧化锌(ZnO)、氧化镁(MgO)和砷化镓(GaAs)。
所述光电半导体组件是一发光二极管、一雷射二极管或一光传感器。
本发明还揭示一种具三族氮化合物半导体缓冲层的光电半导体组件的制造方法。首先，进行基材表面的净化处理。再通入氨气与三族元素的有机金属先驱物(precursor)，从而成长复数个InxGa1-xN/InyGa1-yN(x≠y)迭层。如果重复形成InxGa1-xN/InyGa1-yN(x≠y)迭层的数目等于设定值，那么再成长发光磊晶结构在所述复数个InxGa1-xN/InyGa1-yN(x≠y)迭层上，否则继续重复产生所述InxGa1-xN/InyGa1-yN(x≠y)迭层的步骤。
所述三族元素的有机金属先驱物为镓或铟的有机金属化合物，例如：三甲基镓、三乙基镓、三甲基铟和三乙基铟。
所述三族元素的有机金属先驱物的流量优选地控制于每分钟50～1000立方厘米之间。
附图说明
图1是美国第US 5,290,393号专利所揭露的发光二极管10的剖面示意图；
图2是美国第US 6,847,046号专利所揭露的发光二极管20的剖面示意图；
图3是美国第US 5,523,589号专利所揭露的发光二极管30的剖面示意图；
图4是美国第US 5,122,845号专利所揭露的发光二极管30的剖面示意图；
图5是本发明具P型三族氮化合物半导体的光电半导体组件的结构图；以及
图6是本发明具P型三族氮化合物半导体的光电半导体组件的制造流程图。
具体实施方式
图5是本发明具P型三族氮化合物半导体的光电半导体组件的结构图。一般来说，制作此光电半导体组件50是先提供一基材51，例如：蓝宝石(亦即铝氧化合物Al2O3)、碳化硅(SiC)、硅、氧化锌(ZnO)、氧化镁(MgO)和砷化镓(GaAs)等，并在所述基材51上形成不同的材料层。因为基材51与三族氮化合物的晶格常数不匹配，因此需要在基材51上先形成由至少二个InxGa1-xN层521和至少二个InyGa1-yN层522交错迭的一缓冲层52。然后在缓冲层52上成长一N型半导体材料层53，其可以利用磊晶方式产生N型氮化镓掺杂硅薄膜以作为N型半导体材料层53。然后在N型半导体材料层53上成长多层量子阱结构的主动层54，例如：五层氮化铟镓(InGaN)/氮化镓(GaN)多层量子阱结构，所述主动层54为发光二极管50主要产生光线的部分。最后在主动层54上形成至少一P型半导体材料层55，所述P型半导体材料层55可以为掺杂镁的氮化镓、掺杂镁的氮化镓与氮化铟镓的迭层或掺杂镁的氮化铝镓与氮化镓超晶格(Superlattice)结构加上掺杂镁的氮化镓等不同结构。另外，在N型半导体材料层53和P型半导体材料层55上分别形成N型电极56和P型电极57的图型，藉此可连接外部的电力。
所述缓冲层52是一种硬度比常规含铝元素缓冲层低的超晶格核层，可以有效降低衬底与发光磊晶结构之间累积的应力，其总膜层厚度约为0.001μm到0.5μm。因减少晶格的应力累积，所以能降低磊晶层中差排缺陷的密度，从而提高光电半导体组件50的质量。且缓冲层52中x≠y，且0＜x，y≤1，其中以0＜x，y≤0.5是优选的。
图6是本发明具P型三族氮化合物半导体的光电半导体组件的制造流程图。如步骤61所示，将基材表面进行清洗，例如：在充满氢气的环境中以1200℃温度进行热清洗(thermal cleaning)。再通入氨气与三族元素的有机金属先驱物(precursor)，可以采用镓或铟的有机金属化合物作为所述有机金属先驱物，例如：三甲基镓(trimethylgalliaum；TMGa)、三乙基镓、和三甲基铟(trimethylindium；TMIn)和三乙基铟等，从而成长复数个InxGa1-xN/InyGa1-yN(x≠y)迭层，如步骤62所示。三甲基镓和三甲基铟的流量可分别控制在每分钟50～1000立方厘米(standard cubiccentimeter per minute；SCCM)之间，且氨气的流量可控制在每分钟0.5～200升(standardcubic liter per minute；SCLM)。如步骤63所示，如果重复形成InxGa1-xN/InyGa1-yN(x≠y)迭层的总数目等于设定值(2到5个迭层是优选的，即InxGa1-xN层和InyGa1-yN层分别为2到5层)，那么就依照步骤64的指示在所述复数个InxGa1-xN/InyGa1-yN(x≠y)迭层上再成长发光磊晶结构，否则继续重复产生所述InxGa1-xN/InyGa1-yN(x≠y)迭层的步骤62。
本发明的应用不限于所例示的发光二极管，相关光电半导体组件均可为权利要求书所涵盖，例如：雷射二极管(laser diode)和光传感器(photo sensor)等。
本发明的技术内容和技术特点已揭示如上，然而所属领域的技术人员仍可能基于本发明的教示和揭示而作种种不脱离本发明精神的替换和修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示者，而应包括各种不脱离本发明的替换和修饰，并为所附权利要求书涵盖。
Claims (10)
1. 一种具三族氮化合物半导体缓冲层的光电半导体组件，其特征在于包含：
一衬底；
一缓冲层，其包含至少二个InxGa1-xN层和至少二个InyGa1-yN层交错迭置于所述衬底上，其中x不等于y；和
一发光磊晶结构，设于所述缓冲层上。
2. 根据权利要求1所述的具三族氮化合物半导体缓冲层的光电半导体组件，其特征在于0＜x，y≤1。
3. 根据权利要求1所述的具三族氮化合物半导体缓冲层的光电半导体组件，其特征在于所述InxGa1-xN层和所述InyGa1-yN层的层数分别介于2到5之间。
4. 根据权利要求1所述的具三族氮化合物半导体缓冲层的光电半导体组件，其特征在于所述InxGa1-xN层和所述InyGa1-yN层的迭层是超晶格核层。
5. 根据权利要求1所述的具三族氮化合物半导体缓冲层的光电半导体组件，其特征在于所述基材的材料包含蓝宝石、碳化硅(SiC)、硅、氧化锌(ZnO)、氧化镁(MgO)和砷化镓(GaAs)。
6. 一种具三族氮化合物半导体缓冲层的光电半导体组件的制造方法，其特征在于包含下列步骤：
进行一基材表面的净化处理；
通入氨气与三族元素的有机金属先驱物，从而在所述基材表面上成长复数个
InxGa1-xN/InyGa1-yN迭层，其中x不等于y；和
在所述复数个InxGa1-xN/InyGa1-yN迭层上成长一发光磊晶结构。
7. 根据权利要求6所述的具三族氮化合物半导体缓冲层的光电半导体组件的制造方法，其特征在于0＜x，y≤1。
8. 根据权利要求6所述的具三族氮化合物半导体缓冲层的光电半导体组件的制造方法，其特征在于所述三族元素的有机金属先驱物的流量控制在每分钟50～1000立方厘米之间。
9. 根据权利要求6所述的具三族氮化合物半导体缓冲层的光电半导体组件的制造方法，其特征在于所述氨气的流量控制在每分钟0.5～200升之间。
10. 根据权利要求6所述的具三族氮化合物半导体缓冲层的光电半导体组件的制造方法，其特征在于所述InxGa1-xN层和所述InyGa1-yN层的层数分别为2到5。
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