CN103178174A - 氮化物半导体结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种氮化物半导体结构及其制造方法，此结构包括基板、氮化物缓冲层、第一氮化物半导体层以及第一缺陷阻挡层。氮化物缓冲层位于基板上。第一氮化物半导体层位于氮化物缓冲层上。第一缺陷阻挡层位于第一氮化物半导体层与基板之间，其中第一缺陷阻挡层中具有多个纳米孔隙，纳米孔隙的分布密度为3.5×10¹³/cm²至8.4×10¹³/cm²。

Description

氮化物半导体结构及其制造方法

技术领域

本发明是有关于一种氮化物半导体结构及其制造方法。

背景技术

发光二极管(LED)是一种由化合物半导体制作而成的发光元件，其经由半导体材料中的电子与电洞在结合时释放能量，并将电能转换成光的形式释出，因而已广泛地被应用于各领域。特别是，以氮化镓制成(GaN-based)的蓝光LED搭配黄色萤光粉可以获得白光，其不仅在亮度的表现比传统灯管或是灯泡要来得好，其耗电量也比传统灯管或是灯泡要来得低。此外，发光二极管的寿命更比传统灯管或是灯泡要来得长。

就硅基板为基础的氮化镓LED而言，其关键步骤之一是于硅基板上的氮化镓(GaN)外延，在材料特性上必须克服的课题为不同材料间晶格常数(latticeconstant)以及热膨胀系数的不匹配。晶格常数的不匹配会造成成长在基板上的材料与基板的交接处容易形成缺陷，而吸收发光的电子电洞对(EHP)进而影响发光效率。而在高温的外延工艺中，热膨胀系数的不匹配则会在外延材料冷却时，造成材料收缩程度不一而产生龟裂。

由上述可知，因硅基板与氮化镓外延薄膜材料的晶格常数差异与热膨胀系数差异过大，此极大的晶格不匹配率(＞17％)与热膨胀系数不匹配率(54％)使得氮化镓在外延成长过程中容易产生晶格错位等问题，因此造成所成长的氮化镓产生大量缺陷(缺陷密度高)并导致氮化镓外延层的品质不佳，进而影响了半导体发光元件的发光效率。

发明内容

本发明提供一种氮化物半导体结构及其制造方法，其可以降低氮化物半导体层的缺陷密度。

本发明提出一种氮化物半导体结构，其包括基板、氮化物缓冲层、第一氮化物半导体层以及第一缺陷阻挡层。氮化物缓冲层位于基板上。第一氮化物半导体层位于氮化物缓冲层上。第一缺陷阻挡层位于第一氮化物半导体层与基板之间，其中第一缺陷阻挡层中具有多个纳米孔隙，纳米孔隙的分布密度为3.5×10¹³/cm²至8.4×10¹³/cm²。

该第一缺陷阻挡层位于该第一氮化物半导体层与该氮化物缓冲层之间。

该第一缺陷阻挡层位于该氮化物缓冲层与该基板之间。

该氮化物缓冲层包括一氮化铝(AlN)层，位于该基板上。

该氮化物缓冲层更包括一氮化铝镓(AlGaN)层，位于该氮化铝层上。

该氮化物半导体结构更包括：至少一第二缺陷阻挡层，位于该第一氮化物半导体层上，其中该第二缺陷阻挡层中具有多个纳米孔隙；以及至少一第二氮化物半导体层，位于该第二缺陷阻挡层上。

该第一缺陷阻挡层的表面型态为球状或角锥状。

该第一缺陷阻挡层的厚度小于等于5nm～100nm。

该第一缺陷阻挡层的材料包括氮化硅或氧化硅。

该第一氮化物半导体层的厚度至少为3μm。

该第一氮化物半导体层的材质包括氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铝镓(Ga_xAl_1-xN，0＜x＜100)、氮化铟镓(Ga_yIn_1-yN，0＜y＜100)、氮化铝铟镓(In_pGa_qAl_1-p-qN，0＜p，q＜100，0＜1-p-q＜100)。

本发明另提出一种氮化物半导体结构的制造方法，包括下列步骤。于基板上形成氮化物缓冲层。于氮化物缓冲层上原位(in-situ)形成第一缺陷阻挡层。进行一第一热退火工艺，以于第一缺陷阻挡层中形成多个纳米孔隙，纳米孔隙的分布密度为3.5×10¹³/cm²至8.4×10¹³/cm²。于第一缺陷阻挡层上原位形成第一氮化物半导体层。

形成该氮化物缓冲层包括于该基板上形成一氮化铝(AlN)层。

形成该氮化物缓冲层更包括于该氮化铝层上形成一氮化铝镓(AlGaN)层。

该氮化物半导体结构的制造方法更包括：于该第一氮化物半导体层上形成至少一第二缺陷阻挡层；进行一第二热退火工艺，以于该第二缺陷阻挡层中形成所述纳米孔隙，所述纳米孔隙的分布密度为3.5×10¹³/cm²至8.4×10¹³/cm²；以及于该第二缺陷阻挡层上形成至少一第二氮化物半导体层。

进行该第一热退火工艺的温度为500℃至1000℃，且进行该第一热退火工艺的时间为10分钟至60分钟。

该第一缺陷阻挡层的表面型态为球状或角锥状。

该第一缺陷阻挡层的材料包括氮化硅。

该第一氮化物半导体层的厚度至少为3μm。

基于上述，本发明的氮化物半导体结构及其制造方法通过热退火工艺获得原位形成的纳米等级的多孔隙(nano-porous)缺陷阻挡层，以阻挡缺陷或差排的延伸，进而使得形成于其上的氮化物半导体层的品质提升且缺陷密度减低。此外，具有多个纳米孔隙的缺陷阻挡层可以降低氮化物半导体层在外延成长过程的晶格错位并释放应力。如此一来，若将所述氮化物半导体层应用于发光元件的制造，便可以提高发光元件的发光效率。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1A至图1D是依照本发明的一实施例的一种氮化物半导体结构的制造流程剖面示意图。

图2A及图2B是依照本发明的一实施例的氮化物半导体结构中缺陷阻挡层的表面型态。

图3及图4分别是依照本发明的另一实施例的一种氮化物半导体结构的剖面示意图。

图5是依照本发明的又一实施例的一种氮化物半导体结构的剖面示意图。

图6A至图6C为Si/AlN/AlGaN/SiN分别经不同退火时间后的扫描式电子显微镜(SEM)俯视图。

图7A及图7B分别是利用X光绕射(XRD)检测对GaN进行螺旋差排及刃差排的分析结果图。

图8是利用原子力显微镜(AFM)对GaN的表面型态进行缺陷密度分析的结果图。

附图标记说明

100：基板

102、102′：氮化物缓冲层

102a：氮化铝层

102b：氮化铝镓层

104、104′：第一缺陷阻挡层

106、112：纳米孔隙

108：第一氮化物半导体层

110：第二缺陷阻挡层

114：第二氮化物半导体层

T1：热退火工艺

具体实施方式

图1A至图1D是依照本发明的一实施例的一种氮化物半导体结构的制造流程剖面示意图。

请参照图1A，提供基板100。在一实施例中，基板100为外延基板，其材质例如是单晶硅。接着，在基板100上形成氮化物缓冲层102。形成氮化物缓冲层102的方法例如是采用金属有机化学气相沈积法(metal organicchemical-vapor deposition，MOCVD)。上述氮化物缓冲层102的材质例如是单晶的氮化铝(AlN)、氮化铝镓(Ga_xAl_1-xN，0＜x＜100)、氮化镓(GaN)、InGaN(Ga_yIn_1-yN，0＜y＜100)_或是上述单晶材料的组合。在一实施例中，氮化物缓冲层102包括氮化铝(AlN)层102a及氮化铝镓(AlGaN)层102b，其中氮化铝层102a配置在氮化铝镓层102b与基板100之间，且氮化铝层102a的厚度约为50nm～500nm，氮化铝镓层102b的厚度约为0.5μm～3μm。之后，于氮化铝镓层102b上原位(in-situ)形成第一缺陷阻挡层104。在此说明的是，所谓的「原位」是指基板100上形成膜层以及热退火工艺皆是在同一反应室中进行，其中反应室例如是MOCVD反应腔体。形成第一缺陷阻挡层104的方法例如是采用金属有机化学气相沈积法(MOCVD)，第一缺陷阻挡层104的材质例如是非晶的氮化硅，且所形成的第一缺陷阻挡层104厚度约为5nm～100nm。

请参照图1B，进行热退火工艺T1，以于第一缺陷阻挡层104′中形成多个纳米孔隙106，其中纳米孔隙106的分布密度约为3.5×10¹³/cm²至8.4×10¹³/cm²。在一实施例中，上述的热退火工艺T1可在MOCVD反应腔体内进行，其温度约为500℃至1000℃，较佳约为800℃，且进行时间约为10分钟至60分钟。在进行上述热退火工艺T1之后，可使得第一缺陷阻挡层104′原先的平整表面转变成纳米多孔隙(nano-porous)结构，且可透过纳米孔隙106暴露出第一缺陷阻挡层104′下方的氮化物缓冲层102。在一实施例中，经热退火工艺T1处理的第一缺陷阻挡层104′的表面型态可依不同的退火温度及时间而形成球状或角锥状，如图2A及图2B的扫描式电子显微镜(SEM)影像所示。

请参照图1C，于具有纳米多孔隙结构的第一缺陷阻挡层104′上原位形成第一氮化物半导体层108。形成第一氮化物半导体层108的方法例如是采用金属有机化学气相沈积法(MOCVD)，且第一氮化物半导体层108是单晶的材质，可为氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铝镓(Ga_xAl_1-xN，0＜x＜100)、氮化铟镓(Ga_yIn_1-yN，0＜y＜100)、氮化铝铟镓(In_pGa_qAl_1-p-qN，0＜p，q＜100，0＜1-p-q＜100)_或是上述单晶材料的组合，在本实施例中系以氮化镓(GaN)为例，但本发明不限于此。特别说明的是，在形成第一氮化物半导体层108之前，通过调整热退火工艺T1的工艺温度及退火时间获得具有多个纳米孔隙106分布于其中的第一缺陷阻挡层104′，因此具有纳米多孔隙结构的第一缺陷阻挡层104′不仅可阻挡缺陷的延伸及阻挡差排，以改善其上第一氮化物半导体层108的外延品质，且第一缺陷阻挡层104′亦可增加压缩应力或张应力，端看下方材料的晶格常数而定，以减少第一氮化物半导体层108与基板100间因材料热膨胀系数差异过大导致的破片。

在一实施例中，为了能够获得接平厚度更厚的氮化物半导体层，在形成第一氮化物半导体层108之后，还可以选择性地重复进行至少一次类似图1B至图1C所示的流程，以增加氮化物半导体层的厚度并减少缺陷密度与弯曲，进而改善LED的电性，如图1D所示。

请参照图1D，于第一氮化物半导体层108上原位形成第二缺陷阻挡层110并进行热退火工艺，以于第二缺陷阻挡层110中形成多个纳米孔隙112，其中纳米孔隙112的分布密度约为3.5×10¹³/cm²至8.4×10¹³/cm²。接着，再于具有纳米多孔隙结构的第二缺陷阻挡层110上原位形成第二氮化物半导体层114。在一实施例中，第二缺陷阻挡层110以及第二氮化物半导体层114的材料、厚度、表面型态、形成方法等可以实质上相同或相似于图1B及图1C所示的第一缺陷阻挡层104′以及第一氮化物半导体层108，且用于形成纳米孔隙112的热退火工艺的条件或参数亦可实质上相同或相似于图1B所示的热退火工艺T1，故于此不再赘述。

之后，可选择性地以类似图1D所示的步骤，于第二氮化物半导体层114上原位形成至少一层具有多个纳米孔隙的缺陷阻挡层及至少一层氮化物半导体。当形成有多层缺陷阻挡层及多层氮化物半导体层时，缺陷阻挡层与氮化物半导体层会以交替排列的方式堆迭于第二氮化物半导体层114上。

上述实施例所示的方法通过在MOCVD反应腔体中原位形成氮化物缓冲层102与第一缺陷阻挡层104，并利用调整在MOCVD反应腔体中所进行的热退火工艺的温度及时间来获得具有特定孔隙密度及表面型态的第一缺陷阻挡层104′，并通过第一缺陷阻挡层104′阻挡差排而改善其上第一氮化物半导体层108的品质。

另一方面，无需通过光阻形成图案化即可原位形成此第一缺陷阻挡层104′以阻挡缺陷的延伸，且第一缺陷阻挡层104′亦可增加压缩应力张应力，端看下方材料的晶格常数而定，以减少第一氮化物半导体层108与基板100之间因热膨胀系数差异造成拉伸应力的产生，因此能够避免晶片破裂的情况发生。如此一来，相较于习知方法在硅基板上成长GaN的厚度极限约为1μm～2μm，通过本实施例的方法能够使在MOCVD反应腔体内形成的单层第一氮化物半导体层108的厚度提升至3μm，甚至是5μm。

本发明实施例的氮化物半导体结构如图1D所示，其包括基板100、氮化物缓冲层102、第一缺陷阻挡层104′、第二缺陷阻挡层110、第一氮化物半导体层108以及第二氮化物半导体层114。氮化物缓冲层102位于基板100上。第一缺陷阻挡层104′位于氮化物缓冲层102上。第一氮化物半导体层108位于第一缺陷阻挡层104′上。第二缺陷阻挡层110位于第一氮化物半导体层108上。第二氮化物半导体层114位于第二缺陷阻挡层110上。特别是，第一缺陷阻挡层104′与第二缺陷阻挡层110中分别具有多个纳米孔隙106、112，纳米孔隙106、112的分布密度为3.5×10¹³/cm²至8.4×10¹³/cm²。

值得一提的是，当利用上述实施例所述的方法于MOCVD反应腔体中原位形成氮化物半导体结构时，则第一缺陷阻挡层104′的材质为氮化硅。然而，若不限定在MOCVD反应腔体中原位形成氮化物半导体结构而利用其它形成方法来进行，则第一缺陷阻挡层104′的材质可为氮化硅或氧化硅。

在此说明的是，虽然上述实施例(图1A至图1D)中是以将具有纳米孔隙106的第一缺陷阻挡层104′形成于第一氮化物半导体层108与氮化物缓冲层102之间为例来进行说明，但本发明并不限于此。换言之，具有纳米多孔隙结构的缺陷阻挡层可插入任两层外延层之间以阻挡差排，而不特别限定其位置。

图3及图4分别是依照本发明的另一实施例的一种氮化物半导体结构的剖面示意图，且与前述相同的构件则使用相同的标号并省略其说明。如图3所示，在一实施例中，具有纳米孔隙106的第一缺陷阻挡层104′可以形成于氮化物缓冲层102与基板100之间。如图4所示，在一实施例中，具有纳米孔隙106的第一缺陷阻挡层104′也可以插入于氮化物缓冲层102中的氮化铝镓层102b与氮化铝层102a之间。

此外，氮化物半导体结构中的氮化物缓冲层并不限于上述实施例中所述的两层结构(如氮化铝层102a及氮化铝镓层102b)。图5是依照本发明的又一实施例的一种氮化物半导体结构的剖面示意图，且与前述相同的构件则使用相同的标号并省略其说明。如图5所示，在一实施例中，氮化物半导体结构中的氮化物缓冲层102′可以仅由一种材质所形成，例如是单晶的氮化铝(AlN)层。

当然，在本发明其他实施例中，氮化物半导体结构更可以是由上述实施例任意组合而成，只要使第一氮化物半导体层108与基板100之间形成有具有纳米孔隙106的第一缺陷阻挡层104′以阻挡差排延伸即可，熟知本领域的技术人员当可知其应用及变化，故于此不再赘述。

实验例

接下来将以实验例说明一具有多孔隙缺陷阻挡层的氮化物半导体结构的制造方法。须注意的是，以下实验例的结果或数据仅是用来说明上述特性，但并非用以限定本发明的范围。

图6A至图6C为Si/AlN/AlGaN/SiN分别经不同退火时间后的扫描式电子显微镜(SEM)俯视图。在此实验例中，利用MOCVD技术在硅(Si)基板上依序形成厚度为150nm的氮化铝(AlN)层、厚度为600nm的氮化铝镓(AlGaN)层及厚度为50nm的氮化硅(SiN)层后，于MOCVD反应腔体内在1000℃温度下分别进行10分钟(图6A)、30分钟(图6B)及60分钟(图6C)的热退火工艺，并将其结果分别列于图6A至图6C中。

在图6A至图6C所示的SEM影像中，深色的部分代表SiN层而浅色的部分代表位于SiN层下方的AlGaN层。从图6A至图6C明显可观察到：通过进行热退火工艺而能够获得纳米等级多孔隙的SiN层，且可通过不同的退火时间改变孔隙彼此的间距，进而形成不同的孔隙分布密度。

之后，以上述进行10分钟热退火工艺的Si/AlN/AlGaN/SiN为例，于MOCVD反应腔体内原位成长厚度为2μm的氮化镓(GaN)层。由于进行热退火工艺后的SiN层具有多个纳米孔隙，因此GaN将由间距较小的SiN层间的底层(即AlGaN层)成长起，并于后续进行接平动作。接着，将此氮化物半导体结构(Si/AlN/AlGaN/SiN(退火10分钟)/2μm GaN)与未形成SiN的氮化物半导体结构(Si/AlN/AlGaN/2μm GaN)分别利用XRD进行品质分析并比较其结果于图7A及7B中。

图7A及图7B分别是利用X光绕射(XRD)检测对GaN进行螺旋差排及刃差排的分析结果图。图7A及图7B分别为X-ray的(002)及(102)的半高宽分析，其中(002)是代表材料本质中螺旋差排缺陷的密度，而(102)是代表材料本质中刃差排缺陷的密度。在(002)及(102)品质分析中，当量测曲线的半高宽愈小时，则代表其缺陷密度愈少以及膜层品质愈好。由图7A及图7B的XRD结果可发现，当氮化物半导体结构加入SiN(退火10分钟)后，因SiN可阻挡晶格常数差异所造成的缺陷及差排，因此不论是螺旋差排(002)还是刃差排(102)，包括SiN(退火10分钟)的氮化物半导体结构的半高宽皆较未形成SiN的氮化物半导体结构的半高宽减少一倍以上，其代表内部差排(缺陷)大幅减少。由此结果显示出，包括SiN(退火10分钟)可以大幅提升GaN的薄膜品质。

此外，进一步利用AFM对上述形成的氮化物半导体结构(Si/AlN/AlGaN/SiN(退火10分钟)/2μm GaN)进行表面缺陷密度分析，其表面型态显示于图8中。图8是利用原子力显微镜(AFM)对GaN的表面型态进行缺陷密度分析的结果图。图8所示为在SiN上成长GaN时，在5μm×5μm范围内表面的缺陷分布，依照本发明实施例所成长的GaN层，其缺陷密度可大幅降至约8×10⁸/cm²。

综上所述，本发明实施例的氮化物半导体结构及其制造方法在形成氮化物半导体层之前预先形成其中具有多个纳米孔隙的缺陷阻挡层，并可调整工艺温度及退火时间以获得特定分布密度及表面形状的缺陷阻挡层，因而能够通过多孔隙缺陷阻挡层改善其上氮化物半导体层的外延品质，并大幅增加氮化物半导体层的单层接平厚度。另外，多孔隙缺陷阻挡层不仅可插入不同外延层之间以阻挡缺陷(差排)的延伸，还具有更佳的应力释放效应以降低晶片破裂的情况发生。而且，本技术无须形成光阻进行图案化，即可直接在同一个反应室(如MOCVD)中原位形成纳米多孔隙的缺陷阻挡层以阻挡差排。因此，使用本发明实施例的氮化物半导体结构及其制造方法可有助于显著提升氮化物半导体层的品质并降低其缺陷密度，且能够有效改善晶格常数不匹配及热膨胀系数不匹配的问题，以提高LED的发光效率。

虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与润饰，故本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (19)

1.一种氮化物半导体结构，包括：

一基板；

一氮化物缓冲层，位于该基板上；

一第一氮化物半导体层，位于该氮化物缓冲层上；以及

一第一缺陷阻挡层，位于该第一氮化物半导体层与该基板之间，其中该第一缺陷阻挡层中具有多个纳米孔隙，所述纳米孔隙的分布密度为3.5×10¹³/cm²至8.4×10¹³/cm²。

2.如权利要求1所述的氮化物半导体结构，其特征在于，该第一缺陷阻挡层位于该第一氮化物半导体层与该氮化物缓冲层之间。

3.如权利要求1所述的氮化物半导体结构，其特征在于，该第一缺陷阻挡层位于该氮化物缓冲层与该基板之间。

4.如权利要求1所述的氮化物半导体结构，其特征在于，该氮化物缓冲层包括一氮化铝(AlN)层，位于该基板上。

5.如权利要求4所述的氮化物半导体结构，其特征在于，该氮化物缓冲层更包括一氮化铝镓(AlGaN)层，位于该氮化铝层上。

6.如权利要求1所述的氮化物半导体结构，其特征在于，更包括：

至少一第二缺陷阻挡层，位于该第一氮化物半导体层上，其中该第二缺陷阻挡层中具有多个纳米孔隙；以及

至少一第二氮化物半导体层，位于该第二缺陷阻挡层上。

7.如权利要求1的氮化物半导体结构，其特征在于，该第一缺陷阻挡层的表面型态为球状或角锥状。

8.如权利要求1的氮化物半导体结构，其特征在于，该第一缺陷阻挡层的厚度小于等于5nm～100nm。

9.如权利要求1的氮化物半导体结构，其特征在于，该第一缺陷阻挡层的材料包括氮化硅或氧化硅。

10.如权利要求1的氮化物半导体结构，其特征在于，该第一氮化物半导体层的厚度至少为3μm。

11.如权利要求1的氮化物半导体结构，其特征在于，该第一氮化物半导体层的材质包括氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铝镓(Ga_xAl_1-xN，0＜x＜100)、氮化铟镓(Ga_yIn_1-yN，0＜y＜100)、氮化铝铟镓(In_pGa_qA_l1-p-qN，0＜p，q＜100，0＜1-p-q＜100)。

12.一种氮化物半导体结构的制造方法，包括：

于一基板上形成一氮化物缓冲层；

于该氮化物缓冲层上原位形成一第一缺陷阻挡层；

进行一第一热退火工艺，以于该第一缺陷阻挡层中形成多个纳米孔隙，所述纳米孔隙的分布密度为3.5×10¹³/cm²至8.4×10¹³/cm²；以及

于该第一缺陷阻挡层上原位形成一第一氮化物半导体层。

13.如权利要求12所述的氮化物半导体结构的制造方法，其特征在于，形成该氮化物缓冲层包括于该基板上形成一氮化铝层。

14.如权利要求13所述的氮化物半导体结构的制造方法，其特征在于，形成该氮化物缓冲层更包括于该氮化铝层上形成一氮化铝镓层。

15.如权利要求12所述的氮化物半导体结构的制造方法，其特征在于，更包括：

于该第一氮化物半导体层上形成至少一第二缺陷阻挡层；

进行一第二热退火工艺，以于该第二缺陷阻挡层中形成所述纳米孔隙，所述纳米孔隙的分布密度为3.5×10¹³/cm²至8.4×10¹³/cm²；以及

于该第二缺陷阻挡层上形成至少一第二氮化物半导体层。

16.如权利要求12的氮化物半导体结构的制造方法，其特征在于，进行该第一热退火工艺的温度为500℃至1000℃，且进行该第一热退火工艺的时间为10分钟至60分钟。

17.如权利要求12的氮化物半导体结构的制造方法，其特征在于，该第一缺陷阻挡层的表面型态为球状或角锥状。

18.如权利要求12的氮化物半导体结构的制造方法，其特征在于，该第一缺陷阻挡层的材料包括氮化硅。

19.如权利要求12的氮化物半导体结构的制造方法，其特征在于，该第一氮化物半导体层的厚度至少为3μm。

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