TWI289941B - Gallium nitride-based semiconductor stacked structure, production method thereof, and compound semiconductor and light-emitting device each using the stacked structure - Google Patents

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1289941 » * 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關具特定低溫沈積緩衝層（亦即，在相當低 溫下形成的緩衝層）的氮化鎵系半導體堆疊結構，其中該低 Λ 溫沈積緩衝層有助於提高氮化鎵系Π-ν族化合物半導體層 - 的取向特性；有關堆疊結構製法；以及有關使用該堆疊結構 的複合半導體裝置與發光裝置。 【先前技術】 φ 立方閃鋅礦晶體型或纖鋅礦晶體型的氮化鎵系瓜-v族 化合物半導體係習用於製造半導體裝置，諸如發出短波長可 見光的發光裝置（詳見諸如JP-A ΗΕΙ 2-2883 88 )。 使用由諸如藍寶石（α-三氧化二鋁單晶）或石榴石固體 單晶（詳見諸如JP-A ΗΕΙ 7-28823 1 )所組成的高耐熱氧化 鋁單晶基板製造氮化鎵系半導體裝置的堆疊結構。 由氧化鋁（諸如藍寶石）組成的前揭單晶基板具有大幅 異於氮化鎵（GaN )系半導體材料的晶格常數。 φ 因此，用於製造氮化鎵系半導體裝置的堆疊結構通常藉 由緩衝層而形成於單晶基板上。減緩晶格常數失配的緩衝層 通常稱爲“低溫沈積緩衝層”，因爲該薄層已習於在相當低溫 下形成（詳見諸如Isamu AKASAKI所著的書，“Group皿-V Compound Semiconductor，”，Baifukan 公司出版，第一版， 第十三章（1995年5月20日）。 低溫沈積緩衝層由諸如氮化鋁（A1N)所形成（見前揭 書籍）。爲減緩對結晶基板的晶格失配，低溫沈積緩衝層最 1289941 i · . 好由剛完成成長狀態的複晶材料所形成（見諸如：rp-A平 2-81484) ° 同時，亦已有揭示使用剛完成成長狀態之單晶層於結晶 基板接面區而形成低溫沈積緩衝層的另一種技術（見諸如 - JP-A 平 10-321905 )。 - 然而，形成於藍寶石基板上之低溫沈積緩衝層所具有的 缺點爲位於藍寶石基板表面上之緩衝層內的單晶層取向不 完全相同，因而無法於基板上獲得具有相同取向與極佳單晶 φ特性的GaN系ΙΠ族氮化物半導體層。 因此，本發明的目的在於提供一種含於低溫沈積緩衝層 中之單晶層的晶體特徵，以使具極佳單晶特性的氮化鎵系半 導體層形成在含有單晶層之AlxGaYN( 0<X，Y<1，X+Y=l) (該單晶層存在於與藍寶石基板接觸之接面區附近）低溫緩 衝層上。本發明的另一個目的在於提供一種具有極佳結晶性 氮化鎵系氮化物半導體層的堆疊結構，該層係由包含前揭晶 體特徵單晶層的低溫沈積緩衝層所形成。又本發明的另一個 β►目的在於藉由使用該堆疊結構而提供一種具極佳特性的複 • 合半導體裝置。 , 【發明內容】 發明之揭示 爲達成前揭目的，本發明的第一個觀點提供一種氮化鎵 系半導體堆疊結構，包含有：低溫沈積緩衝層’其由已於低 溫成長並含有剛完成成長狀態之單晶層的瓜族氮化物材料 所組成，該單晶層形成在接觸於藍寶石基板之（0001 )( c ) 1289941 平面的接面區附近；以及主動層，其由設於低溫沈積緩衝層 上的氮化鎵（GaN)系半導體層所形成，其中含於剛完成成長 狀態之低溫沈積緩衝層中的單晶層係由鋁（A1 )含量大於鎵 (Ga)的六方 AlxGaYN (0·5<Χ$1，X+Y=l)所形成， 以使AlxGaYN晶體的〔2·-1·-1·0·〕方向順著藍寶石基板之 - ( 0001)底面的〔2.-1.-1.0·〕方向。 根據本發明，所提供爲形成於藍寶石基板上並含有與基 板接觸之接面區的單晶層的低溫沈積緩衝層，其中單晶層係 φ 由鋁（Α1 )含量大於鎵（Ga )的六方AlxGaYN ( 0·5 < X S 1， Χ+ Υ= 1 )單晶所形成，以使AlxGaYN晶體的〔2·-1·-1·0·〕 方向順著藍寶石基板的a軸，而獲得相當一致的取向。 在本發明的第二個觀點中，根據第一個觀點的氮化鎵系 半導體堆疊結構更包含有設於低溫沈積緩衝層與主動層間 且由含銦（In )或鋁（A1 )之氮化鎵系]Π族氮化物半導體所 形成的薄膜層。 本發明的第三個觀點提供根據第二個觀點的氮化鎵系 肇半導體堆疊結構，其中由含銦（In)或鋁（.Α1)之氮化鎵系 ΙΠ族氮化物半導體所形成的薄膜層具有2nm至100nm的層 厚。 在本發明的第四個觀點中，根據第一至第三個觀點中之 任一個的氮化鎵系半導體堆疊結構更包含有設於低溫沈積 緩衝層與主動層間且具由含銦（In )或鋁（A1 )氮化鎵系m 族氮化物半導體所形成之薄膜層的超晶格結構。 本發明的第五個觀點提供根據第二至第四個觀點中之 1289941 i \ . 任一個的氮化鎵系半導體堆疊結構，其中由含銦（In )或鋁 . (A1 )之氮化鎵系I[族氮化物半導體所形成的薄膜層或具薄 膜層的超晶格結構係設於主動層與位於低溫沈積緩衝層上 的氮化鋁鎵銦（AlaGapIm- a - PN: 0S α，1，〇$ α+ 1 )) * 層之間。 ' 本發明的第六個觀點提供根據第二至第五個觀點中之 任一個的氮化鎵系半導體堆疊結構，其中由含銦（In )或鋁 (A1 )之氮化鎵系瓜族氮化物半導體所形成之薄膜層的取向 • 係順著含於低溫沈積緩衝層中之單晶層的取向。 本發明的第七個觀點提供一種氮化鎵系半導體堆疊結 構的製法，包含的步驟有··在250-500°C的成長溫度下，於 藍寶石基板的（ 0001 ) (c)平面上形成AlxGaYN低溫沈積 緩衝層，且該AlxGaYN低溫沈積緩衝層係由作爲與基板接觸 之接面區的六方單晶層所形成，以使含於剛完成成長狀態之 低溫沈積緩衝層中的單晶層由鋁（A1 )含量大於鎵（Ga )且 〔2·-1·-1·〇·〕方向順著藍寶石基板之（0001 )底面的 _ 〔2·-1·-1·〇·〕方向的六方 AlxGaYN(0.5<X$l，Χ+γ=ι) 晶體所形成；以及接著在緩衝層上形成作爲主動層的氮化鎵 _ 系半導體層。 本發明的第八個觀點提供由根據第一至第六個觀點中 之任一個的堆疊結構所製造的複合半導體裝置。 本發明的第九個觀點提供由根據第一至第六個觀點中 之任一個的堆疊結構所製造的發光裝置。 根據本發明第一個觀點的氮化鎵系半導體堆疊結構具 1289941 < ) ， 有：低溫沈積-緩衝層，其由已於低溫成長並含有剛完成成長 . 狀態之單晶層的m族氮化物材料所組成；單晶層，其形成在 接觸於藍寶石基板之（0001 )( c)平面的接面區附近；以 及設於低溫沈積緩衝層上的氮化鎵系半導體層。在該堆疊結 ‘ 構中’低溫沈積緩衝層設於基板表面上，並包含由剛完成成 • 長狀態之六方 AlxGaYN ( 0.5 < XS 1，X + Υ = 1 )晶體所形 成的單晶層；其中該AlxGaYN晶體具有一致的取向，以使 AlxGaYN晶體的〔2.-1.-1.0·〕方向順著（〇〇〇1 )藍寶石基板 • 的〔2·-ι·-ι·〇·〕方向。在低溫沈積緩衝層上設有氮化鎵系半 導體層所組成的主動層。因此，可由具有一致取向與極佳單 晶特性的GaN系半導體層製造堆疊結構。 在根據本發明第二個觀點的氮化鎵系半導體堆疊結構 中’氮化鎵系m族氮化物半導體所形成的薄膜層設於低溫沈 積緩衝層與主動層之間。因此，可製造具有高品質發光層的 堆疊結構，以用於諸如發光二極體（LED )與雷射二極體（LD) 的發光裝置。此外，該薄膜可形成結晶性極佳之具些微失配 0差排的主動層，以作爲設於其上的上層。 根據本發明的第三個觀點，薄膜層厚度係經調整。因 此，能可靠地製造高品質主動層。 在根據本發明第四個觀點的氮化鎵系半導體堆疊結構. 中，含有氮化鎵系m族氮化物半導體薄膜層的超晶格結構層 設於低溫沈積緩衝層與主動層之間。因此，可製造具有高品 質發光層的堆疊結構，以用於諸如發光二極體（LED )與雷 射二極體（LD)的發光裝置。 1289941 根據本發明的第五個觀點，前揭薄膜層或超晶格結構層 係設於主動層與位於低溫沈積緩衝層上的氮化鋁鎵銦 (AlaGapInmNiOSo^pS^OSa+pSl))層之間。 根據本發明的第六個觀點，氮化鎵系瓜族氮化物半導體 薄膜層的取向係順著含於低溫沈積緩衝層中之單晶層的取 向。因此，可避免因取向差異所造成的形變。因此，可特別 且輕易地製造具些微失配差排的高品質主動層。 根據本發明的第七個觀點，可輕易地製造前揭第一個觀 φ 點的氮化鎵系半導體堆疊結構。具體地說，可形成充分且均 勻地覆蓋藍寶石基板的連續單晶層。將溫度控制於 3 5 0-45 0t間便可形成具特定晶體取向的低溫沈積緩衝層。 再者，將成長速率控制於l-3nm/min的範圍便可更有效且可 靠地形成緩衝層。 根據本發明的第八或第九個觀點，複合半導體裝置或發 光裝置係由含有一致取向之氮化鎵系半導體單晶層的堆疊 結構進行製造。本發明可應用於提供諸如具極佳發光特性 Φ (亦即逆電壓方向上僅有些微局部崩潰）之發光二極體的半 導體裝置。 【實施方式】 執行本發明的最佳模式

AlxGaYN低溫沈積緩衝層係藉由諸如金屬有機化學蒸 氣沈積法（簡稱爲MOCVD )而形成於藍寶石基板上。例如， 使用諸如三甲鋁（（CH3)3A1)、三甲鎵（（CH3)3Ga)或三乙鎵 ((C2H5)3Ga)之金屬有機（MO )化合物作爲來源，並藉由 1289941 • i • MOCVD法而形成AlxGaYN層。可使用氨或類似化合物作爲 . 氮源。亦可使用會在較低溫熱分解的三異丁鋁作爲低溫沈積 緩衝層的成長源。 當含有作爲接面部位之六方單晶層的AlxGaYN低溫沈 " 積緩衝層形成於藍寶石基板表面（特指在其（0001 )平面（亦 • 即c平面）上）時，成長溫度係受控制而落於適當範圍內。 具體地說，成長溫度最好控制於250-500°C。當成長溫度低 於250°C時，會因成長源的熱分解不足而無法獲得令人滿意 鲁的AlxGaYN低溫沈積緩衝層；而當成長溫度高於5〇〇°C時， 會有大量的柱狀晶體隨機生長，而無法可靠地形成充分且均 勻地覆蓋基板表面的連續單晶層。 在本發明中，可形成單晶層而作爲剛完成成長狀態之低 溫沈積緩衝層對基板的接面部位。因此，縱使在後續膜形成 步驟或裝置製造步驟中將單晶層置於高溫條件下時，單晶層 仍保有其晶體結構。換言而之，本發明形成剛完成成長狀態 之低溫沈積緩衝層的晶體結構，其意指本發明亦形成裝置製 •造後之低溫沈積緩衝層的最終晶體結構。 在3 50-450°C成長AlxGaYN低溫沈積緩衝層爲更佳。當 . 成長溫度落於該溫度範圍時，所形成的低溫沈積緩衝層係由 具有特定取向的AlxGaYN晶體形成。特別是當低溫沈積緩衝 層由鋁含量大於鎵的AlxGaYN(0.5<X$l，X+Y=l)晶 體形成時，所形成的低溫沈積緩衝層含有AlxGaYN ( 0.5 < XS 1，X+ Y= 1 )所組成的單晶層，以使AlxGaYN晶體的a 軸順著藍寶石基板之c平面的a軸。可由電子繞射影像中的 -11- 1289941

麯 I ' 繞射點判斷所形成的薄層是否爲單晶層。當出現暈狀或環狀 . 繞射影像時，所形成的薄層可判定爲非晶質或複晶。 當成長速率調整爲1-3 nm/min時，可更有效且可靠地 形成含有取向同藍寶石基板特定晶軸之單晶層的AlxGaYN _ ( 〇·5 < 1，X + Y = 1 )低溫沈積緩衝層。藉由修改供應 ' 至反應系統之用於成長低溫沈積緩衝層的1[族元素（諸如 鋁）源的單位時間量（供應速率）便可控制成長速率。因此， 當供應至成長反應系統的鋁或鎵量或其總量增加時，可增加 # 成長速率。在鋁與鎵供應至成長反應系統期間之鋁濃度超過 鎵的狀況中，可形成由鋁含量大於鎵的AlxGaYN ( 0.5 < X S 1，X + Y = 1 )晶體所組成的低溫沈積緩衝層。 藉由諸如電子繞射法可判斷含於低溫沈積緩衝層並存 在於接觸藍寶石基板之接面區的單晶層取向。具體地說，其 係捕捉入射電子束平行於作爲基板之藍寶石的[2 . -1. -1.0.] 方向（a軸）之A1XGaYN低溫沈積緩衝層的電子繞射圖案。 當由[2·-1·-1·〇·]方向觀看之AlxGaYN低溫沈積緩衝層的反 馨晶格影像出現於電子繞射圖案中時，便可判斷含於低溫沈積 緩衝層中的AlxGaYN單晶層，以使AlxGaYN單晶層的 - [2·-1·-1·〇·]方向（a 軸）順著（0001 )藍寶石的[2.-1.-1.0·] 方向（a 軸）（見 P. Hirsch 等人，“ELECTRON MICROSCOPY 0?丁11^01^5丁八1^，”1^^61：出版公司（1997，美國））。 本發明的AlxGaYN低溫沈積緩衝層可完全由單晶層形 成，或可包含僅位於與藍寶石基板接觸之接面區中的單晶 層0 -12- 1289941 麵 * 後者狀況的實例包含剛完成成長狀態之非晶質 A1XGaYN存在於含在低溫沈積緩衝層中的單晶層上。可於剖 面穿透式電子顯微鏡（ΤΕΜ )影像中觀察到該特徵。當在高 於低溫沈積緩衝層成長溫度（250-500°C )下成長GaN系半 導體層於低溫沈積緩衝層上時，該非晶質半導體會結晶化。 • 在前揭狀況中，因爲使用具前揭一致取向的單晶層作爲基 層，所以該一致取向的特徵會反應至非晶質半導體，此舉有 助於將非晶質半導體轉換成具一致取向的單體。具體地說， φ位於與藍寶石基板表面接觸之接面區中的單晶層亦可有效 地作用於將低溫沈積緩衝層中的非晶質半導體轉換成具一 致取向的單體，此舉類似於由GaN系半導體層所組成之主動 層具有極佳一致取向與極佳單晶特性的狀況。 位於與藍寶石基板表面接觸之接面區中的單晶層具有 至少1 nm的厚度，並可由前揭單晶層所組成。在該單晶層 中，組成原子（亦即鋁、鎵、氮）彼此緊密化學鍵結，並黏 著於藍寶石基板。因此，雖然層厚約爲lnm，但是縱使該層 肇在GaN系半導體層已形成於低溫沈積緩衝層上的高溫條件 下進行配置時，單晶層仍位於藍寶石基板表面。所以，可避 免暴露出藍寶石基板表面，且具有一致取向的GaN系半導體 層係形成爲上層。 形成於低溫沈積緩衝層上以作爲主動層的GaN系半導 體層通常爲GaN系m族氮化物半導體層。該半導體層可藉由 諸如鹵素法、氫化物法或MOCVD的熟知蒸氣成長法，或藉 由分子束磊晶而形成。 1289941 4 < 例如，在前揭結構的低溫沈積緩衝層上依序堆疊有下列 GaN系Π族氮化物半導體層a)至f)，藉此可形成適於製 造發光二極體的GaN系半導體堆疊結構。 a )摻鍺η型GaN層 b) 超晶格結構，其由摻鍺 η型GaN層與η型氮化銦鎵 (GaY1InzlN: 0<Z1S1，Υ1+Ζ1=1)層所組成

c) 量子井（QW)結構，其由η型GaN層與η型GaY2InZ2N (0<Z2^1，Zl?tZ2，Y2+Z2=l)層戶斤組成 φ d)超晶格結構，其由 AlxlGaY1N (0SX1，Y1S 1，Xl+Yl =1)層與 GaY3InZ3N(0<Z3Sl，Z1;±Z3，Y3+Z3=l) 層所組成 e) p 型 AlX2GaY2N ( 0^X2，Y2S 1，XI 萁X2，X12+Y2 = 1) 層 f ) p型GaN層

GaN系m族氮化物半導體層a)至f)可藉由不同方式 進行成長。然而，由製造該堆疊結構的觀點，所有該薄層（包 ϋ含低溫沈積緩衝層）最好藉由單一種方式（諸如MOCVD) 進行成長。 . 可以ρ型ΙΠ -V族半導體層取代前揭ρ型Ε族氮化物半 導體層e)或p型層e)與f)，而形成堆疊結構。在該狀況 中，磷化硼系半導體層或類似薄層可作爲P型瓜-V族半導 體層。特別地是，使用晶格間距等於氮化鎵之a軸（=0.3 1 9 rim)的磷化硼（BP)係有助於製造p型層與氮化鎵匹配良 好的堆疊結構。 14- 1289941 < * 本發明之化合物半導體裝置的製造係藉由適當地加工 前揭GaN系半導體堆疊結構並形成電極與其他元件。例如， 由前揭P型GaN層f)所形成之前揭GaN系半導體堆疊結構 的最上層係作爲歐姆電極形成於其上的接觸層。在前揭η型 m族氮化物半導體層a )或b )上設有相反極性的歐姆電極。 - 藉由以該方式設置這些電極便可將η型Π族氮化物半導體層 a)或b)作爲η型覆層，量子井結構c)作爲發光層，以及 Ρ型瓜族氮化物半導體層d)或e)作爲ρ型覆層。ρη接面 φ 雙異質（DH )結構LED係由這些薄層製造。 在本發明中，含於GaN系半導體堆疊結構中的組成薄層 係藉由含有一致取向單晶層的低溫沈積緩衝層而進行成 長。因此，各薄層爲具有一致取向之單晶層的形式（亦即， 無晶界）。此外，含於成長在藍寶石基板上之低溫沈積緩衝 層中的單晶層具有特性同於藍寶石基板表面的表面晶體平 面。因此，包含具有形成表面之（0001 )晶面的單晶層之低 溫沈積緩衝層係設於具有形成表面之（000 1 )平面的藍寶石 馨基板上。因此，上ΠΙ族氮化物半導體層具有一致取向的表面 晶體。使用該堆疊結構便可製造前揭LED。在本狀況中，可 減少因諸如不同取向晶粒之析出所形成之晶界而引起的不 必要漏電，且LED具有極佳電性。 在形成用於諸如發光二極體（LED )或雷射二極體（LD ) 之發光裝置的堆疊結構的狀況中，可將由含銦（In )或鋁（A1 ) 氮化鎵系Π族氮化物半導體所形成之薄膜層或含有該薄膜 層的超晶格結構設於主動層（亦即發光層）與具前揭結構的 -15- 1289941

< I - 低溫沈積緩衝層之間，藉此可製造高品質發光層。例如，藉 . 由由氮化鋁鎵混合晶體（AlQGa^QN : 0< QS 1 )所組成的薄 膜層而將發光層形成於低溫沈積緩衝層上便可製造堆疊結 構。 ' 再者，設於主動層與低溫沈積緩衝層間的前揭氮化鎵系 • m族氮化物半導體薄膜層可提供具極佳結晶性與些微失配 差排的上主動層。爲提供高品質主動層，該薄膜層最好爲2 至lOOnm厚。當薄膜層厚度小於2nm時，下薄層（亦即低 φ 溫沈積緩衝層）表面無法充分覆蓋，此爲不佳的狀況；而當 薄膜層厚度大於l〇〇nm時，無法提供具高平坦表面的氮化鎵 系瓜族氮化物半導體薄膜層。特別是當氮化鎵系Π族氮化物 半導體薄膜層含銦時，表面粗糙度於厚度超過lOOnm時急遽 增加。因此，難以形成具高平坦表面的薄膜層。 將含有η型氮化鎵銦（GaY1InzlN : 0< Zl $ 1，Y1+Z1 =1 )薄膜層的超晶格結構層形成於發光層與設於低溫沈積 緩衝層上的氮化鎵系瓜族氮化物半導體薄膜層之間，便可製 •造具高發光強度發光層的堆疊結構。例如，藉由交錯與重複 堆疊具不同銦組成比例（=Z2)之GaY 2I11Z2N ( 0< Z2S 1， Z1*Z2，Y2 + Z2 = 1 )而形成的超晶格結構層可抑制諸如失配 差排之晶體缺陷傳遞至上主動層。 或者，AlcxGapIiM-cx-pNCOSoi，β$1，0^α+β$1)或 含非氮V族元素（諸如砷或磷）的氮化鎵系瓜族氮化物半導 體層可形成於低溫沈積緩衝層上，並可再將前揭薄膜層或超 晶格結構層形成於半導體層上。此外，更可形成主動層。在 1289941 • « - 前揭形式中，氮化鎵系ΠΙ族氮化物半導體層形成於低溫沈積 . 緩衝層上，且前揭薄膜層或超晶格結構層形成於半導體層與 主動層之間，藉此得以輕易製造具極佳表面平坦度的主動 層。 - 在作爲低溫沈積緩衝層之前揭單晶層及氮化鎵系111族 - 氮化物半導體薄膜層由單晶形成且該二薄層取向彼此匹配 的狀況中，可輕易地形成具些微失配差排的高品質上主動 層。換而言之，可避免取向失配所造成的形變，藉此提供高 Φ 品質主動層。 設於剛完成成長狀態低溫沈積緩衝層之接面區（接觸於 藍寶石基板表面）中的單晶層可獲得沈積於低溫沈積緩衝層 上的一致取向氮化鎵系ΠΙ族氮化物半導體層。 實施例1 : 本發明將藉由實施例1而詳細說明如下。在實施例1 中，藉由含單晶層的低溫沈積緩衝層而將氮化鎵系ΠΙ族氮化 物半導體層成長於藍寶石基板上，以製造氮化鎵系半導體堆 _疊結構10。 第1圖爲實施例1之氮化鎵系半導體堆疊結構10的示 .意剖面圖。 含於氮化鎵系半導體堆疊結構1 0中的π族氮化物半導 體層102- 109係藉由由氮化鋁鎵混合晶體（Al〇.9〇G an 〇Ν ) 所組成之低溫沈積緩衝層101而形成於藍寶石基板100的 (0001 )表面上。 在420°C，使用三甲鋁（（CH3)3A1)作爲鋁源、三甲鎵 1289941 籲 t ((dhGa)作爲鎵源及氨（NH3)作爲氮源，並藉由常壓（近常 壓）Μ 0 C V D法而形成低溫沈積緩衝層1 〇 1。控制每單位時 間供應至MOCVD反應系統的三甲鋁濃度便可將成長速率調 整爲2nm/min。低溫沈積緩衝層1〇1厚度控制爲i5nm。 剛完成成長狀態之低溫沈積緩衝層1 〇 1的內部晶體結構 係以電子繞射法進行分析。繞射圖案具有類點狀圖案，其顯 示約5nm厚度的層狀單晶存在於藍寶石基板100的（〇〇〇1 ) 表面部位中。電子繞射圖案亦顯示單晶層由六方晶體所組 • 成，且該六方晶體堆疊於藍寶石基板的（0001 )表面上，以 使六方晶體的（0001 )平面與藍寶石基板的（0001 )平面在 相同方向上對齊。根據電子束繞射與入射方向的關係，單晶 層的[2·-1 .-1.0.]方向係順著藍寶石基板1〇〇的[2.-1 .-1.0.]方 向。應注意地是高度約1 〇nm的非晶質物質係分散地存在於 單晶層上。 藉由MOCVD而在Al〇.9〇Ga〇.1()N低溫沈積緩衝層1〇1上 依序成長下列GaN系ΙΠ族氮化物半導體層a)至h)，藉此 •製造實施例1的GaN系半導體堆疊結構。 a) 摻鍺 η型 GaN層（載體濃度（n) = lxl〇18cnr3，層厚 (t) = 3,200nm ) 102 b) 摻鍺 η型氮化鎵銦混合晶體（Gao.95lno.o5N， n = lxl018cm·3，t=150nm) 103 c) 摻鍺 η 型 Al〇.i〇Ga〇.9〇N 層（n = 6xl017cm-3，t=12nm) 104 d) 摻鍺 n 型 GaN 層（t=10nm) 105 e) 量子井結構層1〇6，其藉由交錯堆疊η型GaN(t=15nm) 1289941 層（二層）與 η 型 Ga〇.95ln().G5N(t = 3nm)層（三層）而 形成 Ο類似於η型GaN層105的η型GaN層（t=10nm) 107 g) p 型 Al〇.2〇Ga〇.8()N 層（載體濃度（p) = 8xl017cnT3，t = 20nm) 108 h) p 型 Al〇.〇5Ga〇.95N 層（載體濃度（p) = 9xl017cnT3，t = 50nm) 109 〇 因爲前揭m族氮化物半導體層（a)至（h)皆藉由含單 鲁晶層的低溫沈積緩衝層1 0 1進行成長，所以所有成長薄層皆 爲單晶層。剖面TEM並未觀察到非晶質物質存在於低溫沈 積緩衝層101與在1100 °C之較高溫成長的η型GaN層102 間的接面中，其顯示η型GaN層102的成長係直接接合於剛 完成成長狀態之低溫沈積緩衝層1 0 1中的單晶層。因此，在 11 00 °C高溫的η型GaN層102沈積期間，散佈於剛完成成長 狀態低溫沈積緩衝層中之單晶層上的非晶質物質可能會昇 華。此外，因爲ΠΙ族氮化物半導體層102- 109係沈積於包含 • 一致取向單晶層的低溫沈積緩衝層101上，所以所有這些薄 層係判定爲各具有順著藍寶石基板100之[2.-1 .-1.0·]方向的 [2·-1.-1.0.]方向的六方單晶層。因此，其提供包含GaN系瓜 族氮化物半導體單晶層的GaN系半導體堆疊結構，且該 GaN系瓜族氮化物半導體單晶層各具有一致取向及單晶特 性。 實施例2 本發明將藉由實施例2而詳細說明如下。在實施例2 -19- 1289941 峰 » 中，藉由含有異於實施例1之組成物的低溫沈積緩衝層而將 異於實施例1之氮化鎵系ΙΠ族氮化物半導體層成長於藍寶石 基板上，以製造氮化鎵系半導體堆疊結構2 0。 第2圖爲實施例2之氮化鎵系基半導體堆疊結構20的 示意剖面圖。 ~ 含於氮化鎵系半導體堆疊結構20中的m族氮化物半導 體層202-208係藉由由氮化鋁（A1N )所組成之低溫沈積緩 衝層201而形成於藍寶石基板200的（0001 )表面上。在 鲁 450°C，使用三異丁鋁（（i-C4H9)3Al)作爲鋁源及氨（NH3)作爲 氮源，並藉由減壓MOCVD法而成長低溫沈積緩衝層201。 控制每單位時間供應至MOCVD反應系統的三異丁鋁濃度便 可將成長速率調整爲3nm/min。 剛完成成長狀態之低溫沈積緩衝層20 1的內部晶體結構 係以電子繞射法進行分析。繞射圖案具有類點狀圖案，其顯 示高達6nm層厚的單晶層存在於藍寶石基板200的（0001 ) 表面部位中。電子繞射圖案亦顯示單晶層由六方晶體所組 ϋ成，且該六方晶體堆疊於藍寶石基板的（〇〇〇1)表面上，以 使六方晶體的（000 1 )平面與藍寶石基板的（000 1 )平面在 相同方向上對齊。根據電子束繞射圖案與入射方向的關係， 單晶層的[2.-1.-1·0·]方向係順著藍寶石基板 200的 [2.-1.-1.0.]方向。具圓形或類吊鈴形剖面的非晶質物質係分 散地存在於單晶層上。Α1Ν低溫沈積緩衝層201具有約45nm 的總厚度（包含單晶層厚（平均厚度6nm )與存在於其上之 非晶質物質高度）。 -20 - 1289941

• I 藉由MOCVD而在AIN低溫沈積緩衝層201上依序成長 下列GaN系m族氮化物半導體層i)至〇)，藉此製造實例 2的GaN系半導體堆疊結構。 i) 摻鍺 η型GaN層（載體濃度（n) = 3xl018cnT3，層厚 (t) = 4,000nm ) 202 j) 超晶格結構層203,其由交錯堆疊的摻矽η型氮化鎵銦混 合晶體（Ga〇.99ln().()iN，t = 2nm)層（10層）與銦組成異 於摻矽層的Ga〇.98In().〇2N ( t = 2nm)層（10層）所組成 k) 摻石夕 η 型 GaN 層（n = 9xl017cnT3，t = 2Onm ) 2 04 l) 量子井結構層205，其由交錯堆疊的η型GaN ( t=15nm) 層（三層）與η型Ga〇.95ln〇.〇5N(t = 3nm)層（四層）所 組成 m) 摻石夕 η 型 GaN 層（n = 9xl017cm-3，t = 20nm) 2 06 η)摻鎂 p 型 Al〇.()5Ga().95N 層（載體濃度（p) = 9xl017cm_3, t = 2 5 nm ) 2 0 7 ο)摻鎂 ρ 型 GaN 層（p = 9xl017cm·3，t = 80nm ) 208。 # 因爲前揭ΙΠ族氮化物半導體層（i)至（〇)皆藉由含單 晶層的低溫沈積緩衝層20 1進行成長，所以所有成長薄層皆 爲單晶層。此外，因爲皿族氮化物半導體層202-208係沈積 於包含一致取向單晶層的低溫沈積緩衝層20 1上，所以所有 這些薄層係爲各具有順著藍寶石基板200之[2/1.-1.0.]方向 (a軸）的[2.-1.-1.0·]方向（a軸）的六方單晶層。 實施例3

本發明將藉由實施例3而詳細說明如下，其中LED 1 A -21 - 1289941. 係由實施例1的GaN系半導體堆疊結構10所製造。 第3圖爲實施例3之LED 1A的示意剖面圖。 實施例1的GaN系半導體堆疊結構10係以習用的電漿 蝕刻法進行加工，藉此暴露出藉由低溫沈積緩衝層1 〇 1所設 之η型GaN層102的部分表面，且該部位專用於設置η型歐 姆電極302。其次，在η型GaN層102的暴露表面上依序堆 疊鋁-釩合金膜與鋁膜，以設置η型歐姆電極3 02。在作爲堆 疊結構10表面之ρ型Al0.05Ga0.95N層109的角落部位上沈 #積有金-鉻-鈷合金膜與金-鉻合金膜，藉此形成Ρ型歐姆電極 301 〇 藉由前揭步驟便可製造具有Ρη接面雙異質（DH )結構 (包含實施例1的GaN系半導體堆疊結構10)的LED 1Α， 該雙異質（DH)結構係由作爲η型覆層的η型GaN層102、 作爲發光層的量子井結構層1〇7 ( GaN層/η型GaQ.95In().〇5N 層）及作爲P型覆層的P型AlmGao.soN層109所組成。 在正向裝置操作電流（20 mA)流通於η型歐姆電極3 02 修與ρ型歐姆電極301之間時評估LED晶片1Α的發光特性。 LED晶片1 A會發出中心波長460nm的藍光。樹脂成形前之 各晶片的發光強度（由典型積分球判斷）高達約4mW。正向 電壓（Vf)低達3.4V。因爲η型歐姆電極3 02與ρ型歐姆 電極3 0 1係藉由含有剛完成成長狀態之一致取向單晶層的低 溫沈積緩衝層1 0 1而形成於具極佳結晶性的瓜族氮化物半導 體層上，所以LED晶片具有微小局部崩潰。因此’在1 〇微 安逆電流的逆電壓係高於15V。 -22- 1289941 • * * 實施例4

- 本發明將藉由實施例4而詳細說明如下，其中LED 2 A 係由貫例2的G a N系半導體堆疊結構2 0所製造。 第4圖爲實施例4之LED 2Α的示意剖面圖。 如實施例3所述，實施例2的GaN系半導體堆疊結構 W 20係以習用的電漿蝕刻法進行加工，藉此暴露出藉由低溫沈 積緩衝層201所設之η型GaN層202的部分表面，且該部位 專用於設置η型歐姆電極402。其次，在n型GaN層202的 #暴露表面上依序堆疊鋁膜與鎢-鈦合金膜，以設置η型歐姆 電極402。在作爲堆疊結構20表面之ρ型GaN層208的角 落部位上沈積有含錦、金、鎵、鎳、氧的氧化膜，藉此形成 P型歐姆電極401。 藉由前揭步驟便可製造具有pn接面雙異質（DH)結構 (包含實施例2的GaN系半導體堆疊結構20 )的LED 2 A， 該雙異質（DH )結構係由作爲η型覆層的n型GaN層202、 作爲發光層的量子井結構層 205 ( η型 GaN層/η型 春Ga0.95In0.05N層）及作爲ρ型覆層的ρ型Al〇.()5Ga〇.95N層207 所組成。 在正向裝置操作電流（20mA )流通於n型歐姆電極402 與ρ型歐姆電極401之間時評估LED晶片2Α的發光特性。 LED晶片2A會發出中心波長45 5nm的藍光。樹脂成形前之 各晶片的發光強度（由典型積分球判斷）高達約3mW。正向 電壓（Vf)低達3.5V。因爲η型歐姆電極4 02與ρ型歐姆 電極4 0 1係藉由含有剛完成成長狀態之一致取向單晶層的低 -23- 1289941 i « 溫沈積緩衝層2〇l而形成於具極佳結晶性的m族氮化物半導 體層上，所以LED晶片具有微小局部崩潰。因此，在1〇微 安逆電流的逆電壓約爲15 V。 工業應用性 μ 本發明的半導體堆疊結構爲用於諸如發光二極體 ^ ( LED )與雷射二極體（LD)之各種發光裝置的有前景候選 堆疊結構。 藉由在此參考附圖的說明，熟諳本技藝者將明瞭前揭及 •其他目的、特性與優點。 【圖式簡單說明】 第1圖爲實施例1之氮化鎵系半導體堆疊結構的示意剖 面圖。 第2圖爲實施例2之氮化鎵系半導體堆疊結構的示意剖 面圖。 第3圖爲實施例3之LED的示意剖面圖。 第4圖爲實施例4之LED的示意剖面圖。 【元件符號 說 明 ] 1 A LED 2A LED 10 GaN 系 半 導 體 堆疊 結 構 20 GaN 系 半 導 體 堆疊 結 構 100 藍寶 石 基 板 101 低溫 沉 積 緩 衝 層 102 ί參鍺 η 型 GaN 層 -24- 1289941

1 I 103 摻鍺n型氮化鎵銦混合晶體 104 摻鍺 η 型 Α10· 10Ga0.90N 層 105 摻鍺η型GaN層 106 量子井結構層 107 η 型 GaN 層 108 p 型 A10.20Ga0.80N 層 109 p 型 A10.05Ga0.95N 層 200 藍寶石基板

201 低溫沉積緩衝層 202 摻鍺η型GaN層 203 超晶格結構層 204 摻矽η型GaN層 205 量子井結構層 206 摻矽η型GaN層 207 摻鎂 p 型 A10.05Ga0.95N 層 208 摻鎂p型GaN層 301 p型歐姆電極 302 η型歐姆電極 401 ρ型歐姆電極 402 η型歐姆電極 -25 -

Claims (1)

12$9941 料：月7 κ g(更)正本 第941 17225號「氮化鎵系半導體堆疊結構、其製法、及使用此堆 疊結構之複合半導體和發光裝置」專利案 (2007年5月7日修正） 十、申請專利範圍： 1. 一種氮化鎵系半導體堆疊結構，包含有： 低溫沈積緩衝層，其由已於低溫成長並含有剛完成成長 狀態之單晶層的DI族氮化物材料所組成；該單晶層形成在 接觸於藍寶石基板之（0001 )( c)平面的接面區附近；以 •及 主動層，其由設於低溫沈積緩衝層上的氮化鎵（GaN)系 半導體層所形成； 其中含於剛完成成長狀態之低溫沈積緩衝層中的單晶 層係由鋁（A1)含量大於鎵（Ga)的六方AhGaYN(0.5< XS 1，X + Y = 1 )所形成，以使 AlxGavN 晶體的〔〕 方向順著藍寶石基板之（0001 )底面的〔2·-1·-1·0·〕方向。 2. 如申請專利範圍第1項的氮化鎵系半導體堆疊結構，更包 I 含有設於低溫沈積緩衝層與主動層間且由含銦（In )或鋁 (A1 )之氮化鎵系ΙΠ族氮化物半導體所形成的薄膜層。 3. 如申請專利範圍第2項的氮化鎵系半導體堆疊結構，其中 由含銦（In )或鋁（A1 )之氮化鎵系ΠΙ族氮化物半導體所 形成的薄膜層具有2nm至100nm的層厚。 4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項的氮化鎵系半導體堆 疊結構，更包含有設於低溫沈積緩衝層與主動層之間且具 由含銦（In )或鋁（A1 )氮化鎵系瓜族氮化物半導體所形 Ι28Φ941 麵 ^ 成之薄膜層的超晶格結構。 • 5.如申請專利範圍第4項的氮化鎵系半導體堆疊結構，其中 由含銦（In )或鋁（A1 )之氮化鎵系m族氮化物半導體所 形成的薄膜層或具薄膜層的超晶格結構係設於主動層與 位於低溫沈積緩衝層上的氮化鋁鎵銦（Ala Gae Im - α -‘ + )層之間。 6.如申請專利範圍第4項的氮化鎵系半導體堆疊結構，其中 由含銦（In )或鋁（Α1 )之氮化鎵系ΙΠ族氮化物半導體所 ® 形成之薄膜層的取向係順著含於低溫沈積緩衝層中之單 晶層的取向。 7 ·—種氮化鎵系半導體堆疊結構的製法，包含的步驟有： 在25 0_5 00°C的成長溫度下，於藍寶石基板的（0001 ) ( c ) 平面上形成AlxGaYN低溫沈積緩衝層，且該AlxGaYN低溫 沈積緩衝層係由作爲與基板接觸之接面區的六方單晶層 所形成，以使含於剛完成成長狀態之低溫沈積緩衝層中的 單晶層由鋁（A1)含量大於鎵（Ga)且〔2.-1.-1.0.〕方向 順著藍寶石基板之（0001 )底面的〔2.-1.-1.0.〕方向的六 方AlxGhN ( 0.5 < XS 1，X + Y = 1 )晶體所形成；以及 - 接著在緩衝層上形成作爲主動層的氮化鎵系半導體層。 8. —種複合半導體裝置，其係由如申請專利範圍第1至6項 中任一項的堆疊結構所製造。 9. 一種發光裝置，其係由如申請專利範圍第1至6項中任一 項的堆疊結構所製造。