TWI398016B - 具三族氮化合物半導體緩衝層之光電半導體元件及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種具三族氮化合物半導體緩衝層之光電半導體元件及其製造方法，尤係關於一種以三族氮化合物半導體為緩衝層之光電半導體元件。
隨著發光二極體元件之被廣泛應用於不同產品，近年來製作藍光發光二極體之材料，業已成為當前光電半導體材料業重要的研發對象。目前藍光發光二極體之材料有硒化鋅(ZnSe)、碳化矽(SiC)及氮化銦鎵(InGaN)等材料，這些材料都係寬能隙(band gap)之半導體材料，能隙大約在2.6eV以上。由於氮化鎵系列係直接能隙(direct gap)之發光材料，因此可以產生高亮度之照明光線，且相較於同為直接能隙之硒化鋅更有壽命長之優點。
早期針對三族氮化合物或氮化鎵之研發方向，係著重於如何去形成高品質的氮化鎵薄膜。但由於缺乏與氮化鎵在晶格常數(lattice constant)及膨脹係數匹配之基材材料，而且必須在極高溫度下形成薄膜，所以於此等條件下要成長高品質的氮化鎵晶體極為不易。
S.Yoshida等人於1983年以藍寶石(sapphire)為基材，先以高溫成長一層氮化鋁(AlN)為緩衝層，接著在上面成長氮化鎵膜層，如此才得到品質比較好之晶體。後來I.Akasa與H.Amano等人在1986年，首先利用有機金
屬氣相沉積法(MOCVD)來成長氮化鎵膜層，其係於低溫成長一氮化鋁作為緩衝層，接著同樣在高溫下形成氮化鎵膜層。
同年，日本的日亞化學公司(Nichia Chemical Industries)的中村修二投入氮化鎵材料的研究，先以二流式MOCVD反應器成長氮化鎵膜層，並且在氮化鎵磊晶技術上作了兩項重大改變，其中他捨棄了以鋁化鎵為緩衝層，而改用低溫成長的氮化鎵作為緩衝層，並就此一改善申請為美國第US 5,290,393號專利。圖1係美國第US 5,290,393號專利之發光二極體10之剖面示意圖。於藍寶石之基材11上形成一GaxAlxN(0<x≦1)層作為緩衝層12，形成之溫度係低於900℃，其膜層厚度約為0.001μm到0.5μm。然後在緩衝層12上繼續磊晶一GaxAlxN(0<x≦1)層作為產生光線之半導體層13，形成之溫度係介於900℃至1150℃。
圖2係美國第US 6,847,046號專利之發光二極體20之剖面示意圖。於藍寶石之基材21上形成一SiN/Al1-x-yInxGayN超晶格(superlattice)層作為緩衝層22，然後在緩衝層22上繼續形成一未摻雜氮化鎵(GaN)層23。
圖3係美國第US 5,523,589號專利之發光二極體30之剖面示意圖。於具導電性碳化矽之基材32上形成一AlxGa1-xN或Al1-x-yInxGayN層作為緩衝層33，然後在緩衝層33上繼續形成一下異質結構層(lower heterostructure layer)34。又N型電極31係設於基材32之底部。
圖4係美國第US 5,122,845號專利之發光二極體40之剖面示意圖。於藍寶石之基材41上形成一氮化鋁(AlN)層作為緩衝層42，然後在緩衝層42上繼續形成一N型氮化鎵(GaN)層43。
前述習知技術均採含有鋁之氮化物作為緩衝層，由於該類緩衝層硬度高，因此使得基板與發光磊晶結構間之晶格不匹配而無法調適。基板與發光磊
晶結構間之累積應力會因緩衝層硬度高而不易消除，甚至會造成磊晶結構產生亀裂現象。另外，晶格不匹配及應力無法釋放造成磊晶結構有差排缺陷，亦即磊晶結構會因此而品質劣化。
綜上所述，市場上亟需要一種確保品質穩定之光電半導體元件，俾能改善上述習知技術之各種缺點。
本發明之主要目的係提供一種具三族氮化合物半導體緩衝層之光電半導體元件及其製造方法，其係以硬度較低之三族氮化合物半導體為基板與發光磊晶結構間之緩衝層，可有效釋放累積之應力而避免亀裂現象之發生。
本發明之另一目的係提供一種具三族氮化合物半導體緩衝層之光電半導體元件，因減少磊晶層之應力累積，所以能降低磊晶結構中差排缺陷之密度，從而提高光電半導體元件之品質。
為達上述目的，本發明揭示一種具三族氮化合物半導體緩衝層之光電半導體元件，其包含一基板，以及至少二個InxGa1-xN層及至少二個InyGa1-yN層交錯疊置於該基板上而形成緩衝層，其中x不等於y，或且0<x,y≦1。一發光磊晶結構設於位於上層之該InyGa1-yN層表面，介於該基板及該發光磊晶結構間之該InxGa1-xN層及該InyGa1-yN層形成超晶格核層(superlattice nucleation layer)以降低應力。
該InxGa1-xN層及該InyGa1-yN層之層數較佳地分別介於2至5之間，該疊層係超晶格核層，且疊層厚度為0.001μm到0.5μm。
該基材之材料包含藍寶石、碳化矽(SiC)、矽、氧化鋅(ZnO)、氧化鎂(MgO)及砷化鎵(GaAs)。
該光電半導體元件係一發光二極體、一雷射二極體或一光感測器。
本發明另揭示一種具三族氮化合物半導體緩衝層之光電半導體元件之製造方法。首先，進行基材表面之淨化處理。再通入氨氣與三族元素之有機金屬先驅物(precursor)，從而成長複數個InxGa1-xN/InyGa1-yN(x≠y)疊層。若重複形成InxGa1-xN/InyGa1-yN(x≠y)疊層之數目等於設定值，則再成長發光磊晶結構於該複數個InxGa1-xN/InyGa1-yN(x≠y)疊層上，否則繼續重複產生該InxGa1-xN/InyGa1-yN(x≠y)疊層之步驟。
該三族元素之有機金屬先驅物為鎵或銦之有機金屬化合物，例如：三甲基鎵、三乙基鎵、三甲基銦及三乙基銦。
該三族元素之有機金屬先驅物之流量較佳地控制於每分鐘50~1000立方公分之間。
10、20、30、40‧‧‧發光二極體
11、21、32、41‧‧‧基材
12、22、33、42‧‧‧緩衝層
13‧‧‧半導體層
23‧‧‧氮化鎵層
31‧‧‧N型電極
34‧‧‧下異質結構層
43‧‧‧N型氮化鎵(GaN)層
50‧‧‧光電半導體元件
51‧‧‧基材
52‧‧‧緩衝層
53‧‧‧N型半導體材料層
54‧‧‧主動層
55‧‧‧P型半導體材料層
56‧‧‧N型電極
57‧‧‧P型電極
521‧‧‧InxGa1-xN層
522‧‧‧InyGa1-yN層
圖1係美國第US 5,290,393號專利係揭露之發光二極體10之剖面示意圖；圖2係美國第US 6,847,046號專利係揭露之發光二極體20之剖面示意圖；圖3係美國第US 5,523,589號專利係揭露之發光二極體30之剖面示意圖；圖4係美國第US 5,122,845號專利係揭露之發光二極體30之剖面示意圖；圖5係本發明具P型三族氮化合物半導體之光電半導體元件之結構圖；以及圖6係本發明具P型三族氮化合物半導體之光電半導體元件之製造流程圖。
圖5係本發明具P型三族氮化合物半導體之光電半導體元件之結構圖。一般而言，製作此光電半導體元件50係先提供一基材51，例如：藍寶石(亦即鋁氧化合物Al2O3)、碳化矽(SiC)、矽、氧化鋅(ZnO)、氧化鎂(MgO)及砷化鎵(GaAs)等，並於該基材51上形成不同之材料層。因為基材51與三族氮化
合物之晶格常數不匹配，因此需要在基材51上先形成由至少二個InxGa1-xN層521及至少二個InyGa1-yN層522交錯疊之一緩衝層52。然後於緩衝層52上成長一N型半導體材料層53，其可以利用磊晶之方式產生N型氮化鎵摻雜矽薄膜以作為N型半導體材料層53。然後於N型半導體材料層53上成長多層量子井結構之主動層54，例如：五層氮化銦鎵(InGaN)/氮化鎵(GaN)多層量子井結構，該主動層54為發光二極體50主要產生光線之部分。最後在主動層54上形成至少一P型半導體材料層55，該P型半導體材料層55可以為摻雜鎂之氮化鎵、摻雜鎂之氮化鎵與氮化銦鎵的疊層或摻雜鎂之氮化鋁鎵與氮化鎵超晶格(Superlattice)結構加上摻雜鎂之氮化鎵等不同結構。另外，於N型半導體材料層53及P型半導體材料層55分別形成N型電極56及P型電極57之圖型，藉此可連接外部之電力。
該緩衝層52係一種硬度較習知含鋁元素緩衝層為低之超晶格核層，可以有效降低基板與發光磊晶結構間累積之應力，其總膜層厚度約為0.001μm到0.5μm。因減少晶格之應力累積，所以能降低磊晶層中差排缺陷之密度，從而提高光電半導體元件50之品質。又緩衝層52中x≠y，且0<x,y≦1，其中以0<x,y≦0.5為較佳。
圖6係本發明具P型三族氮化合物半導體之光電半導體元件之製造流程圖。如步驟61所示，將基材表面進行清洗，例如：於充滿氫氣之環境中以1200℃溫度進行熱清洗(thermal cleaning)。再通入氨氣與三族元素之有機金屬先驅物(precursor)，可以採用鎵或銦之有機金屬化合物作為該有機金屬先驅物，例如：三甲基鎵(trimethylgalliaum；TMGa)、三乙基鎵、及三甲基銦(trimethylindium；TMIn)及三乙基銦等，從而成長複數個InxGa1-xN/InyGa1-yN(x≠y)疊層，如步驟62所示。三甲基鎵及三甲基銦之流量可分別控制於每分鐘50~1000立方公分(standard cubic
centimeter per minute；SCCM)之間，又氨氣之流量可控制於每分鐘0.5~200公升(standard cubic liter per minute；SCLM)。如步驟63所示，若重複形成InxGa1-xN/InyGa1-yN(x≠y)疊層之總數目等於設定值(2至5個疊層為較佳，亦即InxGa1-xN層及InyGa1-yN層分別為2至5層)，則就依照步驟64之指示再成長發光磊晶結構於該複數個InxGa1-xN/InyGa1-yN(x≠y)疊層上，否則繼續重複產生該InxGa1-xN/InyGa1-yN(x≠y)疊層之步驟62。
本發明之應用不限於例示之發光二極體，相關光電半導體元件均可為申請專利範圍所涵蓋，例如：雷射二極體(laser diode)及光感測器(photo sensor)等。
本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。
50‧‧‧光電半導體元件
51‧‧‧基材
52‧‧‧緩衝層
53‧‧‧N型半導體材料層
54‧‧‧主動層
55‧‧‧P型半導體材料層
56‧‧‧N型電極
57‧‧‧P型電極
521‧‧‧InxGa1-xN層
522‧‧‧InyGa1-yN層
Claims (10)
- 一種具三族氮化合物半導體緩衝層之光電半導體元件，包含：一基板；一緩衝層，具有超晶格核層結構，包含至少二個InxGa1-xN層及至少二個InyGa1-yN層交錯疊置於該基板上，其中x不等於y，0<x，y0.5且該緩衝層的總厚度為0.001μm到0.5μm；以及一發光磊晶結構，設於該緩衝層上。
- 根據請求項1之具三族氮化合物半導體緩衝層之光電半導體元件，該InxGa1-xN層及該InyGa1-yN層之層數分別介於2至5之間。
- 根據請求項1之具三族氮化合物半導體緩衝層之光電半導體元件，其中該基材之材料包含藍寶石、碳化矽(SiC)、矽、氧化鋅(ZnO)、氧化鎂(MgO)及砷化鎵(GaAs)。
- 根據請求項1之具三族氮化合物半導體緩衝層之光電半導體元件，其中該光電半導體元件係一發光二極體、一雷射二極體或一光感測器。
- 一種具三族氮化合物半導體緩衝層之光電半導體元件之製造方法，包含下列步驟：進行一基材表面之淨化處理；通入氨氣與三族元素之有機金屬先驅物，從而於該基材表面成長具有超晶格核層結構的緩衝層，其中該緩衝層包含複數個InxGa1-xN/InyGa1-yN疊層，其中x不等於y，0<x，y0.5且該緩衝層的總厚度為0.001μm到0.5μm，該InxGa1-xN層及該InyGa1-yN層之層數分別介於2至5之間；以及成長一發光磊晶結構於該緩衝層上。
- 根據請求項5之具三族氮化合物半導體緩衝層之光電半導體元件之製造方法，其中該基材之材料包含藍寶石、碳化矽、矽、氧化鋅、氧化鎂及砷化鎵。
- 根據請求項5之具三族氮化合物半導體緩衝層之光電半導體元件之製造方法，其中該三族元素之有機金屬先驅物為鎵或銦之有機金屬化合物。
- 根據請求項7之具三族氮化合物半導體緩衝層之光電半導體元件之製造方法，其中該鎵或銦之有機金屬化合物包含三甲基鎵、三乙基鎵、三甲基銦及三乙基銦。
- 根據請求項5之具三族氮化合物半導體緩衝層之光電半導體元件之製造方法，其中該三族元素之有機金屬先驅物之流量控制於每分鐘50~1000立方公分之間。
- 根據請求項5具三族氮化合物半導體緩衝層之光電半導體元件之製造方法，其中該氨氣之流量控制於每分鐘0.5~200公升之間。
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