TWI602220B - 磊晶模具及磊晶方法 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種磊晶技術，特別是指一種磊晶模具及磊晶方法。
氧化鋅(ZnO)為一種直接寬能隙為3.37eV、具有高激子結合能(在室溫下約達60meV)且熱穩定佳的纖鋅礦結構半導體。由於氧化鋅具有電、光電和光電化學的優異性質，於過去幾十年中，廣泛地被應用於光致或場致發射器、光電元件、太陽能電池、透明薄膜電晶體及固態感測器中。
在製造氧化鋅薄膜時，如直接使氧化鋅在三氧化二鋁(Al2O3)製成的基板上結晶，則會由於氧化鋅與三氧化二鋁兩者的晶格結構及熱膨脹係數之差異，使氧化鋅結晶層內會儲存相當大的應力及並具有較高的錯位密度(dislocation density)，亦即結晶層中將存有許多的晶格缺陷，而嚴重影響氧化鋅的薄膜特性。
為改善晶格匹配性差及熱膨脹係數差異之問題，進來有研究團隊先在基板上鍍上一層氮化鎵層，再於該氮化鎵層上沉積出一層氧化鋅薄膜。氮化鎵與氧化鋅的熱
兼容性佳，且彼此間沿a軸的晶格常數差異約為1.88%，僅為三氧化二鋁與氧化鋅彼此間沿a軸的晶格常數差異18.4%的十分之一，故被認為先在三氧化二鋁的基板鍍上該氮化鎵層，可使得後續所形成的氧化鋅結晶較為完整。
然而在以三氧化二鋁或是矽基板鍍上該氮化鎵層之過程中，由於氮化鎵與三氧化二鋁或矽之間的晶格不匹配度仍相當大，導致所製備的氮化鎵層會因線狀錯排而含有較高的缺陷密度。之後若使氧化鋅直接在氮化鎵層上異質磊晶，氧化鋅的晶體成長模式會依循Stanski-Krastanov Mode(layer to island)，先於界面形成連續膜，並隨著契合週期增加而累積應變，進而因應力累積轉換為呈島嶼狀的氧化鋅奈米線，並使得最後所成長的氧化鋅薄膜因具有高密度缺陷的線性錯排結構以及豐富的晶格邊界，而不利載子遷移，有待改善。
因此，本發明之第一目的，即在提供一種磊晶模具，能解決異質磊晶時晶體會產生缺陷的問題。
於是，本發明磊晶模具，適用於使一種可結晶的第一結晶材料長晶。該第一結晶材料的單位晶格具有一個第一c軸。該第一c軸具有一個第一晶格常數。該磊晶模具包含一個基板，以及一層磊晶層。
該磊晶層以一種可結晶的第二結晶材料製成。該第二結晶材料的單位晶格具有一個第二c軸。該第二c軸具有一個與該第一晶格常數的差異為0%~0.8%的第二
晶格常數。該磊晶層設置在該基板上，且包括一個頂面，以及數個分別由該頂面往下凹入的孔面。每一個孔面具有一個與該頂面上下間隔的底面部，以及一個連接於該頂面與該底面部間且上下延伸的圍面部。每一個圍面部與各別的底面部相配合界定出一個磊晶孔。
本發明之功效在於：每一個孔面均具有一個沿該第二c軸上下延伸的圍面部，且由於該第二結晶材料沿該第二c軸的晶格常數與該第一結晶材料沿該第一c軸的晶格常數差異非常小，故該第一結晶材料在結晶時可先沿著該圍面部長出數個良好的晶種，並繼續於該等晶種上結晶成數個晶體，最後該等晶體會跨越該等磊晶孔彼此連接。在結晶的過程中，新形成的晶格主要是依附在一開始即良好成長的晶種上，故該等晶體彼此連接後能形成良好的結晶層，達到本發明之第一目的。
因此，本發明之第二目的，即在提供一種磊晶方法，能解決異質磊晶時晶體會產生缺陷的問題。
於是，本發明磊晶方法，適用於使一種可結晶的第一結晶材料長晶。該第一結晶材料的單位晶格具有一個第一c軸。該第一c軸具有一個第一晶格常數。該磊晶方法包含：步驟A：準備一個基板，並在該基板上鍍上一種第二結晶材料以形成一層磊晶層。該第二結晶材料的單位晶格具有一個第二c軸。該第二c軸具有一個與該第一晶格常數的差異為0%~0.8%的第二晶格常數。步驟B：在該磊晶層的頂面製造出數個分別界定出一個磊晶孔的孔面
。每一個孔面具有一個與該頂面上下間隔的底面部，以及一個連接於該頂面與該底面部間且上下延伸的圍面部。每一個圍面部與各別的底面部相配合界定出各別的磊晶孔。步驟c：以一種磊晶方法使該第一結晶材料在每一個孔面的該圍面部上長晶。
本發明之功效在於：透過在該第二結晶材料創造出該等孔面，使每一孔面的該圍面部因為沿該第二c軸的晶格常數與該第一結晶材料沿該第一c軸的晶格常數的差異小，而利於該第一結晶材料附著於該圍面部上並良好地結晶。在結晶的過程中，由於新形成的晶格主要是依附在一開始即良好成長的晶種上，故能形成良好的結晶層，並達到本發1明之第二目的。
11‧‧‧第一a軸
12‧‧‧第一c軸
13‧‧‧第二a軸
14‧‧‧第二c軸
15‧‧‧晶種
16‧‧‧晶體
2‧‧‧磊晶模具
3‧‧‧基板
4‧‧‧磊晶層
41‧‧‧頂面
42‧‧‧孔面
421‧‧‧圍面部
422‧‧‧底面部
43‧‧‧磊晶孔
51‧‧‧第一方向
52‧‧‧第二方向
53‧‧‧第三方向
D‧‧‧最大寬度
L‧‧‧間距
α‧‧‧夾角
β‧‧‧夾角
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是本發明磊晶模具及磊晶方法的一個第一實施例所使用的氧化鋅的單位晶格及氮化鎵的單位晶的格示意圖；圖2是該第一實施例的該磊晶模具的一個剖視示意圖；圖3是該第一實施例的一個磊晶模具局部的一個俯視示意圖；圖4是該第一實施例的該磊晶模具的一個場效發射式掃描電子顯微鏡的照片；圖5是該第一實施例的氧化鋅剛開始長晶的一個場效
發射式掃描電子顯微鏡的照片；圖6是該第一實施例的氧化鋅長晶過程的一個變化示意圖；圖7是該第一實施例所製造出來的氧化鋅的結晶的一個XRD(X射線繞射)分析圖；圖8是該第一實施例所製造出來的氧化鋅的結晶的另一個XRD分析圖；圖9是該第一實施例所製造出來的氧化鋅的結晶的又一個XRD分析圖；圖10是本發明的一個第二實施的氧化鋅長晶過程的一個變化示意圖；及圖11是本發明的一個第三實施的氧化鋅長晶過程的一個變化示意圖。
參閱圖1、圖2及圖3，本發明磊晶模具及磊晶方法之一個第一實施例適用於使一種可結晶的第一結晶材料長晶。所述的第一結晶材料為六方晶系的氧化鋅。該氧化鋅的單位晶格具有二個分別沿水平方向延伸的第一a軸11，以及一個垂直於該等第一a軸11的第一c軸12。該第一c軸12具有一個值為0.5206nm的第一晶格常數。所述的第一結晶材料在結晶時會形成一個垂直於該等第一a軸11且平行於該第一c軸12的第一晶格面。
在本第一實施例中，須先製造出一個包含有一種第二結晶材料的磊晶模具2。該第二結晶材料為氮化鎵，
但並不以氮化鎵為限。所述的氮化鎵的單位晶格具有二個分別沿水平方向延伸的第二a軸13、一個垂直於該等第二a軸13的第二c軸14。該第二c軸14具有一個值為0.5185nm的第二晶格常數。該第一晶格常數與該第二晶格常數的差異約為(0.5206-0.5185)/0.5206*100%=0.4%。
在製造該磊晶模具2時，是先準備一個基板3，並在該基板3上鍍上該第二結晶材料以形成一層磊晶層4。接著，在該磊晶層4的一個平行於該等第二a軸13的頂面41製造出數個分別界定出一個磊晶孔43的孔面42，即完成一個包含一個位於下方的基板3與一個具有數個磊晶孔43的磊晶層4的磊晶模具2。所述的基板3得以三氧化二鋁製成，但並不以三氧化二鋁為限。創造出該等磊晶孔43的方法舉例來說可採用顯影蝕刻製程，但並不以顯影蝕刻為限。
該磊晶模具2的每一個孔面42具有一個與該頂面41上下間隔且同樣平行於該等第二a軸13的底面部422，以及一個連接於該頂面41與該底面部422間且上下延伸並平行於該第二c軸14的圍面部421。每一個圍面部421與各別的底面部422相配合界定出各別的磊晶孔43。
該等磊晶孔43的剖面分別呈六角形，並分別沿一個第一方向51等間隔排列同時分別沿一個第二方向52等間隔排列。每一個磊晶孔43的最大寬度D可為0.1μm~20μm。每兩個相鄰的磊晶孔43的間距L可為0.1μm~10μm。(Q：建議提供D及L的數值)該第一方向51與該第二方
向52的夾角α可為0度至90度，在本第一實施例中，該第一方向51與該二方向的夾角α為60度。也就是說，該等磊晶孔43是以蜂巢狀的六角形的方式彼此間隔地排列。此外，定義一個沿氮化鎵的方向指數[110]延伸的方向為第三方向53，該第一方向51與該第三方向53的夾角β得為0度至30度。在本第一實施例中，該第一方向51與該第三方向53的夾角β為0度，亦即該第一方向51與該第三方向53平行。
參閱圖3、圖4及圖5，在製備完該磊晶模具2後即可利用一種磊晶方法使該第一結晶材料在每一個孔面42的該圍面部421上長晶。所述的磊晶方法在本實施例中為水熱法，但不以水熱法為限，在實施上也可利用化學氣相沉積或脈衝雷射沉積等方法。
在長晶的時候，由於氧化鋅的該第一晶格常數與氮化鎵的該第一晶格常數差異非常小，亦即氧化鋅在結晶時所形成的該第一晶格面，能與該氮化鎵的該圍面部421良好地契合，故氧化鋅會優先地如圖5所示地在該等圍面部421上先形成數顆晶種15。接著該等晶種15會持續長大，並如分別圖6-(a)所示地在等圍面部421內側彼此圍繞連接形成一圈環繞的晶體16。持續進行長晶，則該等晶體16在填滿該等磊晶孔43後，會開始橫向地長晶，並如圖6-(b)所示地與位於附近的該等磊晶孔43中的其他晶體16逐漸地連接密合，最後會如圖6-(c)所示地密合成一層緻密的氧化鋅結晶層。
參閱圖7、圖8及圖9，從圖7及圖8的XRD θ-2θ分析圖顯示，磊晶層4及其形成其上的氧化鋅薄膜兩材料所呈現的(0002)繞射訊號幾乎重疊在一起，顯示出兩材料之晶體結構有極佳匹配度以及具ZnO(0002)//GaN(0002)//Al2O3(0006)之對稱性。Kα 1與Kα 2於34°~34.7°間的繞射標示於內差圖，清楚反映出以水熱法磊晶得到的氧化鋅薄膜是沿著該第一c軸12優選成長方位之纖鋅礦晶體結構。另外由圖9的ψ-scan分析顯示出兩者均具六重對稱的閃鋅礦晶體結構。氧化鋅與氮化鎵各別的繞射訊號呈現在相似的角度位置，顯示以水熱法成長的氧化鋅薄膜與氮化鎵磊晶層4具有(0002)[110]ZnO//(0002)[110]GaN磊晶結構，且量測到氧化鋅及氮化鎵的ψ-scan波峰最大半高寬值(FWMH)分別僅約0.134°及0.135°，證實利用該磊晶層4所成長之氧化鋅薄膜具有高品質的單晶結構。
本發明的精神在於創造出該磊晶層4的該等圍面部421。該等圍面部421沿該第二c軸14方向延伸，意即該圍面部421所裸露出沿該第二c軸14延伸的氮化鎵晶格部位，與氧化鋅沿該第一c軸12延伸的晶格部位(即該第一晶格面)有較佳的匹配性，故適於氧化鋅於該圍面部421形成良好的結晶。在此一精神下，本發明並不限於氧化鋅與氮化鎵這兩種材料間。只要該第一結晶材料的該第一晶格常數與該第二結晶材料的該第二晶格常數差異相當小，即能利用本發明之技術，來製做出由該第一結晶材料所形
成並具有良好單晶結構的的薄膜。
此外，本發明的另一個重點在於，當氧化鋅結晶在跨越該等磊晶孔43彼此橫向連結的時候，新形成的晶格主要是附著於既有的晶格上，無需附著於由氮化鎵所形成的該磊晶層4上，所以不會受到該磊晶層4的晶格缺陷影響。也就是說，雖然磊晶層4與基板3間的晶格不匹配問題仍然存在，但利用本發明之技術，可降低該第一結晶材料受該第二結晶材料影響的程度，而可長出良好的單晶結構。既然該基板3與該磊晶層4的不匹配不會影響結晶結果，故該基板3的材質如前所述地不限於使用三氧化二鋁，也可使用其他材料，例如矽。
參閱圖10，為本發明磊晶模具及磊晶方法的一個第二實施例與該第一實施例類似，不同的地方在於每一個磊晶孔43的剖面呈圓形。雖然該等磊晶孔43的剖面分別呈圓形，但由於氧化鋅之晶格屬於六方晶系，故每一晶體16仍形成一圈六角形的環狀結構，並掩蓋住該等磊晶孔43原本的圓形剖面結構。
參閱圖11，為本發明磊晶模具及磊晶方法的一個第三實施例與該第一實施例類似，不同的地方在於該第一方向51與該第二方向52的夾角α為90度。
雖然該第二實施例與該第三實施例的該等磊晶孔43的剖面形狀或排列方式有所不同，但仍可製作出品質良好的單晶結構，差別僅在於形成同樣狀態之氧化鋅薄膜所需的時間不同。會產生時間上的差異，主要是由於氧化
鋅的結晶是屬於六方晶系，如孔洞的剖面形狀與六角形相符，則利於不同磊晶孔43間的晶體16彼此連結。此外，該第一方向51與該第三方向53的夾角β同樣僅影響成膜所需時間。當該第一方向51與該第三方向53的夾角β為30度時，每一個位於各別的磊晶孔43的氧化鋅晶體16也較易與位於其他磊晶孔43的晶體16連接。
綜上所述，本發明磊晶模具及磊晶方法，該磊晶方法能製造出該磊晶模具2，而該磊晶模具2的每一個孔面42均具有一個沿該第二c軸14上下延伸的圍面部421，且由於該第二結晶材料的該第二晶格常數與該第一結晶材料的該第一結晶常數差異非常小，故該第一結晶材料在結晶時可先沿著該圍面部421長出良好結晶，再跨越該等磊晶孔43彼此連接，且由於後續的結晶主要是依附在一開始即良好成長的晶種15上，故能形成良好的結晶層，並達到本發明之第一及第二目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
2‧‧‧磊晶模具
4‧‧‧磊晶層
41‧‧‧頂面
42‧‧‧孔面
421‧‧‧圍面部
422‧‧‧底面部
43‧‧‧磊晶孔
Claims (8)
- 一種氧化鋅薄膜組，包含：一個基板；一層磊晶層，以一種可結晶的第二結晶材料製成，該第二結晶材料為氮化鎵，該磊晶層設置在該基板上，且包括一個頂面，以及數個分別由該頂面往下凹入的孔面，每一個孔面具有一個與該頂面上下間隔的底面部，以及一個連接於該頂面與該底面部間且上下延伸的圍面部，每一個圍面部與各別的底面部相配合界定出一個磊晶孔；及一層結晶層，設置在該磊晶層上，並與該等圍面部連接地填入等磊晶孔中，且以一種可結晶的第一結晶材料構成，該第一結晶材料為氧化鋅。
- 如請求項1所述的氧化鋅薄膜組，其中，該等磊晶孔分別沿一個第一方向等間隔排列並分別沿一個第二方向等間隔排列。
- 如請求項2所述的氧化鋅薄膜組，其中，該第一方向與該第二方向的夾角為0~90度。
- 如請求項2或3所述的氧化鋅薄膜組，其中，定義一個沿氮化鎵的方向指數[110]延伸的方向為第三方向，該第一方向與該第三方向的夾角為0~30度。
- 如請求項1所述的氧化鋅薄膜組，其中，每一個磊晶孔的剖面呈六角形。
- 一種磊晶方法，適用於使一種可結晶的第一結晶材料長 晶，該第一結晶材料為氧化鋅，該磊晶方法包含：步驟A：準備一個基板，在該基板上鍍上一種第二結晶材料以形成一層磊晶層，該第二結晶材料為氮化鎵；步驟B：在該磊晶層的一個頂面製造出數個分別界定出一個磊晶孔的孔面，每一個孔面具有一個與該頂面上下間隔的底面部，以及一個連接於該頂面與該底面部間且上下延伸的圍面部，每一個圍面部與各別的底面部相配合界定出各別的磊晶孔；及步驟c：以一種磊晶方法使該第一結晶材料在每一個孔面的該圍面部上長晶。
- 如請求項6所述的磊晶方法，其中，該等磊晶孔分別沿一個第一方向等間隔排列並分別沿一個第二方向等間隔排列，該第一方向與該第二方向的夾角為0~90度。
- 如請求項7所述的磊晶方法，其中，該第一結晶材料為氧化鋅，該第二結晶材料為氮化鎵，定義一個沿氮化鎵的方向指數[110]延伸方向為第三方向，該第一方向與該第三方向的夾角為0~30度。
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2015
- 2015-03-04 TW TW104106867A patent/TWI602220B/zh not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW201133555A (en) * | 2009-09-10 | 2011-10-01 | Optogan Oy | A method for reducing internal mechanical stresses in a semiconductor structure and a low mechanical stress semiconductor structure |
| TW201317410A (zh) * | 2011-10-31 | 2013-05-01 | 國立臺灣大學 | 於氮化鎵上製作氧化鋅之方法與其應用 |
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| Publication number | Publication date |
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| TW201633376A (zh) | 2016-09-16 |
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