TWI741781B - 氮化物磊晶片及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種低晶格失配低漏電流的氮化物磊晶片及其製造方法，其包含：基底基板、初始成核層、晶格失配調變層、至少一氮化鋁銦鎵緩衝層、高阻層、本質氮化鎵層、電子提供層、以及覆蓋層。本發明係以氮化銦作為初始成核層的材料，並結合以氮化鋁銦形成的晶格失配調變層，從而減少晶格失配的發生；並且，初始成核層進一步具有堆疊P型氮化銦層及N型氮化銦層以形成的結構，P型氮化銦層及N型氮化銦層之間的空乏區可以防止基板產生的漏電流流入元件操作區域。

Description

氮化物磊晶片及其製造方法

本發明涉及一種氮化物磊晶片，且特別涉及一種低晶格失配低漏電流的氮化物磊晶片及其製造方法。

在晶片的製造過程中，當在矽基板上成長氮化鎵時，由於鎵與矽基板會相互反應，導致鎵對矽基板會產生金屬回熔的現象，而為了克服這個現象，需要先在矽基板上成長氮化鋁，以防止直接成長氮化鎵時鎵原子影響矽基板的效能。

然而，使用氮化鋁雖然可以防止使用氮化鎵時鎵原子產生的金屬回熔現象，但是氮化鋁與矽基板之間具有較大的晶格失配問題。

此外，在操作具有氮化物磊晶片之電子元件時，基板產生的漏電流會經成核層流至元件操作區域，而降低了元件操作時的性能。

因此，為了解決上述先前技術的問題，本發明之目的就是提供一種低晶格失配低漏電流的氮化物磊晶片及其製造方法，係以氮化銦取代氮化鋁 作為初始成核層的材料，並結合以氮化鋁銦形成的晶格失配調變層，以改善晶格失配的情形。

基於上述目的，本發明提供一種氮化物磊晶片，包含：基底基板；初始成核層，設置在基底基板上；晶格失配調變層，設置在初始成核層上；至少一氮化鋁銦鎵緩衝層，設置在晶格失配調變層上；高阻層，設置在至少一氮化鋁銦鎵緩衝層上；本質氮化鎵層，設置在高阻層上；電子提供層，設置在本質氮化鎵層上；以及覆蓋層，設置在電子提供層上。

較佳的，基底基板可以為矽基板、氮化鋁基板、鑽石基板、碳化矽基板、氧化鎵基板、氮化硼基板、或矽晶絕緣體基板。

較佳的，初始成核層可以為氮化銦層。

較佳的，初始成核層可以具有一P型氮化銦層及一N型氮化銦層堆疊而形成的結構，並且P型氮化銦層與N型氮化銦層之間形成有空乏區以阻擋漏電流通過。

較佳的，初始成核層可以具有以P型氮化銦層及N型氮化銦層作為堆疊組，並重複堆疊複數組堆疊組而形成的結構，並且P型氮化銦層與N型氮化銦層之間形成有空乏區以阻擋漏電流通過。

較佳的，P型氮化銦層可以為鎂摻雜，且鎂濃度為1E16~1E23atoms/cm³，N型氮化銦層可以為矽摻雜，且矽濃度為1E16~1E21atoms/cm³。

較佳的，晶格失配調變層(Al_fIn_1-fN)之鋁含量可以沿成長方向逐漸增加，且0≦f<1。

較佳的，至少一氮化鋁銦鎵緩衝層可以包含第一氮化鋁銦鎵緩衝層、第二氮化鋁銦鎵緩衝層、及第三氮化鋁銦鎵緩衝層，並且第一 氮化鋁銦鎵緩衝層的化學組成可以為In_gAl_eGa_1-e-gN，且0.75≦e<1、0<g≦0.25；第二氮化鋁銦鎵緩衝層的化學組成可以為In_hAl_dGa_1-d-hN，且0.5≦d≦0.75、0.25<h<0.5；以及第三氮化鋁銦鎵緩衝層的化學組成可以為In_iAl_cGa_1-c-iN，且0.3≦c≦0.5、0.5<i<0.7。

較佳的，第一氮化鋁銦鎵緩衝層、第二氮化鋁銦鎵緩衝層、及第三氮化鋁銦鎵緩衝層分別可以為無摻雜，或者為碳摻雜、鐵摻雜、及鎂摻雜其中至少一者及其組合。

較佳的，當第一氮化鋁銦鎵緩衝層、第二氮化鋁銦鎵緩衝層、及第三氮化鋁銦鎵緩衝層為碳摻雜時，碳濃度介於1E16~1E21atoms/cm³；當第一氮化鋁銦鎵緩衝層、第二氮化鋁銦鎵緩衝層、及第三氮化鋁銦鎵緩衝層為鐵摻雜時，鐵濃度介於1E16~1E20atoms/cm³；當第一氮化鋁銦鎵緩衝層、第二氮化鋁銦鎵緩衝層、及第三氮化鋁銦鎵緩衝層為鎂摻雜時，鎂濃度介於1E16~1E20atoms/cm³。

較佳的，高阻層的化學組成可以為In_jAl_bGa_1-b-jN，且0≦b≦0.1、0<j≦0.9，並且高阻層可以為碳摻雜、鐵摻雜、及鎂摻雜其中至少一者及其組合。

較佳的，當高阻層為碳摻雜時，碳濃度介於1E16~1E21atoms/cm³；當高阻層為鐵摻雜時，鐵濃度介於1E16~1E20atoms/cm³；當高阻層為鎂摻雜時，鎂濃度介於1E16~1E20atoms/cm³。

較佳的，電子提供層的化學組成可以為In_xAl_yGa_1-x-yN，且0≦y≦0.3、0≦x≦0.3。

較佳的，覆蓋層的化學組成可以為Al_zGa_1-zN，且0≦z≦0.3，並且覆蓋層可以為無摻雜或P型摻雜，當覆蓋層為P型摻雜時，其摻雜元素為鎂，且鎂濃度介於1E16~1E23atoms/cm³。

較佳的，初始成核層與晶格失配調變層之間可以進一步設有缺陷阻障層，且缺陷阻障層可以為氮化矽或氮化鎂。

較佳的，在所述氮化物磊晶片中，可以具有以初始成核層與缺陷阻障層或者以缺陷阻障層與晶格失配調變層作為堆疊組，並且重複堆疊複數組堆疊組以形成的結構。

基於上述目的，本發明進一步提供一種氮化物磊晶片的製造方法，包含以下步驟。

(1)提供基底基板。

(2)形成初始成核層於基底基板。

(3)形成晶格失配調變層於初始成核層上。

(4)形成至少一氮化鋁銦鎵緩衝層於晶格失配調變層上。

(5)形成高阻層於至少一氮化鋁銦鎵緩衝層上。

(6)形成本質氮化鎵層於高阻層上。

(7)形成電子提供層於本質氮化鎵層上。

(8)形成覆蓋層於電子提供層上。

較佳的，基底基板為矽基板、氮化鋁基板、鑽石基板、碳化矽基板、氧化鎵基板、氮化硼基板、或矽晶絕緣體基板。

較佳的，在基底基板上形成初始成核層的步驟可以進一步包含以下步驟：第一步驟，其成長溫度為500~550℃，並且以第一V/III比成長氮化銦；第二步驟，其成長溫度為700~750℃，並且以第二V/III比成長氮化銦；以及第三步驟，其成長溫度為500~550℃，並且以第三 V/III比成長氮化銦，並且第一V/III比及第三V/III比的範圍為0.5~50，且第二V/III比的範圍為500~3000。

較佳的，形成初始成核層的步驟中可以進一步包含堆疊一P型氮化銦層及一N型氮化銦層以形成初始成核層的步驟，或者以P型氮化銦層及N型氮化銦層作為堆疊組，並重複堆疊複數組堆疊組以形成初始成核層的步驟。

較佳的，在初始成核層上形成晶格失配調變層的步驟中，其成長溫度可以自500~550度隨時間漸增至900~1100度，並且形成晶格失配調變層之鋁含量可以沿其成長方向逐漸增加。

較佳地，在初始成核層上形成晶格失配調變層的步驟中，其成長溫度具有升溫斜率，且升溫斜率可以為30~100℃/分鐘

較佳的，氮化物磊晶片的製造方法可以進一步包含在初始成核層與晶格失配調變層之間形成缺陷阻障層的步驟，缺陷阻障層為氮化矽或氮化鎂。

較佳的，氮化物磊晶片的製造方法可以進一步包含以初始成核層與缺陷阻障層或者以缺陷阻障層與晶格失配調變層作為堆疊組，並且重複堆疊複數組堆疊組的步驟。

較佳的，形成各層的方法包含化學氣相沉積或者物理氣相沉積。

承上所述，本發明之氮化物磊晶片及其製造方法係透過以氮化銦作為初始成核層的材料，並結合以氮化鋁銦形成的晶格失配調變層，而得以改善晶格失配的情形。並且，透過初始成核層之堆疊P型氮化銦層及N型氮化銦層的結構，使P型氮化銦層及N型氮化銦層之間的空乏區 可以防止基板產生的漏電流流入元件操作區域，進而防止元件操作時的性能降低，使本發明之氮化物磊晶片具有低晶格失配及低漏電流的效果。

此外，本發明透過控制製程中的溫度及各元素的含量比，以提升各層的晶體品質，並進一步減少各層之間晶格失配的情形。並且，本發明在初始成核層與晶格失配調變層之間設有缺陷阻障層，以藉由缺陷阻障層防止初始成核層的缺陷往上延伸，進而避免初始成核層的缺陷影響晶格失配調變層的晶體品質。

100,101,102:氮化物磊晶片

1:基底基板

2:初始成核層

21:P型氮化銦層

22:N型氮化銦層

3:晶格失配調變層

4:氮化鋁銦鎵緩衝層

41:第一氮化鋁銦鎵緩衝層

42:第二氮化鋁銦鎵緩衝層

43:第三氮化鋁銦鎵緩衝層

5:高阻層

6:本質氮化鎵層

7:電子提供層

8:覆蓋層

9:缺陷阻障層

S1,S2,S21,S22,S23,S24,S25,S3,S4,S5,S6,S7,S8,S9:步驟

為了更清楚地說明本發明的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的圖式作簡單地介紹；第1圖為根據本發明一實施例的氮化物磊晶片的示意圖；第2圖為根據本發明一實施例的氮化物磊晶片中初始成核層的示意圖；第3圖為根據本發明一實施例的氮化物磊晶片製造方法的流程圖；第4A圖為根據本發明一實施例的氮化物磊晶片製造方法中的步驟S2的詳細流程圖；第4B圖為根據本發明一實施例的氮化物磊晶片製造方法中的步驟S2的另一實施方式的詳細流程圖；第5圖為根據本發明另一實施例的具有初始成核層/缺陷阻障層重複堆疊結構的氮化物磊晶片的示意圖；第6圖為根據本發明再另一實施例的具有缺陷阻障層/晶格失配調變層重複堆疊結構的氮化物磊晶片的示意圖。

在下文中將結合附圖對本發明進行進一步的詳細說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發明的基本結構，並且為了清楚起見而誇大了元件的比例及尺寸，因此並不作為對本發明的限定。

請一併參閱第1圖及第2圖所示，第1圖為根據本發明一實施例的氮化物磊晶片的示意圖；第2圖為根據本發明一實施例的氮化物磊晶片中初始成核層的示意圖。

如第1圖所示，本發明係提供一種低晶格失配低漏電流的氮化物磊晶片100，其包含：基底基板1；設置在基底基板1上的初始成核層2；設置在初始成核層2上的晶格失配調變層3；設置在晶格失配調變層3上的第一氮化鋁銦鎵緩衝層41；設置在第一氮化鋁銦鎵緩衝層41上的第二氮化鋁銦鎵緩衝層42；設置在第二氮化鋁銦鎵緩衝層42上的第三氮化鋁銦鎵緩衝層43；設置在第三氮化鋁銦鎵緩衝層43上的高阻層5；設置在高阻層5上的本質氮化鎵層6；設置在本質氮化鎵層6上的電子提供層7；以及設置在電子提供層7上的覆蓋層8。

在本實施例中，基底基板1為矽基板，但本發明不限定於此，例如在其他實施例中，可以使用氮化鋁基板、鑽石基板、碳化矽基板、氧化鎵基板、氮化硼基板、或矽晶絕緣體基板等其他種類的基板作為基底基板。

初始成核層2為氮化銦層，其設置在基底基板1上，且其總厚度介於3~50nm。值得一提的是，如第2圖所繪示，初始成核層2可以具有一P型氮化銦層21及一N型氮化銦層22堆疊以形成的結構，或者 可以具有以P型氮化銦層21及N型氮化銦層22作為堆疊組，並重複堆疊複數組堆疊組以形成的結構。在初始成核層2中，P型氮化銦層21與N型氮化銦層22之間形成有空乏區，空乏區可以阻擋在操作元件時基底基板產生的漏電流通過，以防止漏電流造成元件的性能降低。

在本實施例中，係重複堆疊五組上述堆疊組(P型氮化銦層/N型氮化銦層)以形成初始成核層2，但本發明不限定於此，在其他實施例中，上述堆疊組可以重複堆疊的組數介於1~10組。並且，在本實施例中，是先形成P型氮化銦層21後再形成N型氮化銦層22，然而在其他實施例中，可以先形成N型氮化銦層22後再形成P型氮化銦層21。也就是說，P型氮化銦層21及N型氮化銦層22僅需交替形成，其形成的先後順序並不影響初始成核層2的形成。

進一步地，在本實施例中，P型氮化銦層21為鎂摻雜，且鎂濃度為1E16~1E23atoms/cm³，N型氮化銦層22為矽摻雜，且矽濃度為1E16~1E21atoms/cm³。

復請參照第1圖，以接續說明所述之低晶格失配低漏電流的氮化物磊晶片100的結構。其中，晶格失配調變層3設置在初始成核層2上，且晶格失配調變層3(Al_fIn_1-fN)之鋁含量沿成長方向逐漸增加，且0≦f<1。進一步地，透過調整形成晶格失配調變層3時的鋁含量，可以使晶格失配調變層3在成長結束時之晶格常數匹配於第一氮化鋁銦鎵緩衝層41，以減少晶格失配的情形發生。此外，晶格失配調變層3的厚度介於10~500nm。

值得一提的是，在初始成核層2與晶格失配調變層3之間可以進一步設置缺陷阻障層9，且其厚度介於2~20nm。在本實施例中，使用氮化矽作為缺陷阻障層9，但本發明不限定於此，在其他實施例中可 以使用氮化鎂作為缺陷阻障層9。缺陷阻障層9係用以阻擋初始成核層2之缺陷向上延伸，以防止初始成核層2之缺陷影響晶格失配調變層3之晶體品質。在本實施例中，僅在初始成核層2與晶格失配調變層3之間設有一層缺陷阻障層9，但本發明不限定於此，在其他實施例中可以設有複數層缺陷阻障層，或者不設置缺陷阻障層。關於缺陷阻障層的其他實施方式將在下文中的其他實施例進行詳細說明。

在晶格失配調變層3上可以設置有至少一氮化鋁銦鎵緩衝層4。在本實施例中，設置有三層氮化鋁銦鎵緩衝層4，其分別為第一氮化鋁銦鎵緩衝層41、第二氮化鋁銦鎵緩衝層42、及第三氮化鋁銦鎵緩衝層43，但本發明不限定於此，在其他實施例中可以根據使用者的需求或者考量製程成本，進而增加或減少氮化鋁銦鎵緩衝層4的數量。具體來說，第一氮化鋁銦鎵緩衝層41設置在晶格失配調變層3上，第二氮化鋁銦鎵緩衝層42設置在第一氮化鋁銦鎵緩衝層41上，並且第三氮化鋁銦鎵緩衝層43設置在第二氮化鋁銦鎵緩衝層42上。進一步地，第一氮化鋁銦鎵緩衝層41的化學組成為In_gAl_eGa_1-e-gN，且0.75≦e<1、0<g≦0.25；第二氮化鋁銦鎵緩衝層42的化學組成為In_hAl_dGa_1-d-hN，且0.5≦d≦0.75、0.25<h<0.5；以及第三氮化鋁銦鎵緩衝層43的化學組成為In_iAl_cGa_1-c-iN，且0.3≦c≦0.5、0.5<i<0.7，也就是說，各氮化鋁銦鎵緩衝層4之鋁含量依序減少。

此外，第一氮化鋁銦鎵緩衝層41、第二氮化鋁銦鎵緩衝層42、及第三氮化鋁銦鎵緩衝層43分別可以為無摻雜，或者為碳摻雜、鐵摻雜、及鎂摻雜其中至少一者及其組合。也就是說，各氮化鋁銦鎵緩衝層4分別可以摻雜單一元素，例如碳、鐵、或鎂，或者可以同時摻雜兩種元素，例如碳與鐵、碳與鎂、或鐵與鎂同時摻雜，再或者可以同時摻雜碳、鐵、及鎂三種元素。

進一步地，當第一氮化鋁銦鎵緩衝層41、第二氮化鋁銦鎵緩衝層42、及第三氮化鋁銦鎵緩衝層43為碳摻雜時，碳濃度介於1E16~1E21atoms/cm³；當第一氮化鋁銦鎵緩衝層41、第二氮化鋁銦鎵緩衝層42、及第三氮化鋁銦鎵緩衝層43為鐵摻雜時，鐵濃度介於1E16~1E20atoms/cm³；當第一氮化鋁銦鎵緩衝層41、第二氮化鋁銦鎵緩衝層42、及第三氮化鋁銦鎵緩衝層43為鎂摻雜時，鎂濃度介於1E16~1E20atoms/cm³。並且，各氮化鋁銦鎵緩衝層4的厚度介於50~1000nm。

高阻層5設置在第三氮化鋁銦鎵緩衝層43上，高阻層5的化學組成為In_jAl_bGa_1-b-jN，且0≦b≦0.1、0<j≦0.9，其鋁含量比較第三氮化鋁銦鎵緩衝層43低。並且，高阻層5可以為碳摻雜、鐵摻雜、及鎂摻雜其中至少一者及其組合，也就是說，高阻層5可以摻雜單一元素，例如碳、鐵、或鎂，或者可以同時摻雜兩種元素，例如碳與鐵、碳與鎂、或鐵與鎂同時摻雜，再或者可以同時摻雜碳、鐵、及鎂三種元素。

並且，當高阻層5為碳摻雜時，碳濃度介於1E16~1E21atoms/cm³；當高阻層5為鐵摻雜時，鐵濃度介於1E16~1E20atoms/cm³；當高阻層5為鎂摻雜時，鎂濃度介於1E16~1E20atoms/cm³。此外，高阻層5的厚度介於500~3000nm。

本質氮化鎵層6設置在高阻層5上，其由氮化鎵組成，且不摻雜有其他元素，並且本質氮化鎵層6厚度介於50~800nm。

電子提供層7設置在本質氮化鎵層6上，電子提供層7的化學組成為In_xAl_yGa_1-x-yN，且0≦y≦0.3、0≦x≦0.3。並且，電子提供層7厚度介於8~30nm。

覆蓋層8設置在電子提供層7上，覆蓋層8的化學組成為Al_zGa_1-zN，且0≦z≦0.3，並且覆蓋層8可以為無摻雜或P型摻雜。當覆 蓋層8為P型摻雜時，其摻雜元素為鎂，且鎂濃度介於1E16~1E23atoms/cm³，並且厚度介於10~200nm。此外，當覆蓋層8為無摻雜時，其厚度介於0.5~20nm，且覆蓋層8(Al_zGa_1-zN)的最佳含量為z=0。

請參閱第3圖、第4A圖、及第4B圖，第3圖為根據本發明一實施例的氮化物磊晶片製造方法的流程圖；第4A圖為根據本發明一實施例的氮化物磊晶片製造方法中的步驟S2的詳細流程圖；第4B圖為根據本發明一實施例的氮化物磊晶片製造方法中的步驟S2的另一實施方式的詳細流程圖。

在下文中，將參照第3圖說明根據例示性實施例的氮化物磊晶片的製造方法。其包含：步驟S1，提供基底基板；步驟S2，形成初始成核層於基底基板；步驟S3，形成缺陷阻障層於初始成核層上；步驟S4，形成晶格失配調變層於缺陷阻障層上；步驟S5，形成至少一氮化鋁銦鎵緩衝層於晶格失配調變層上；步驟S6，形成高阻層於至少一氮化鋁銦鎵緩衝層上；步驟S7，形成本質氮化鎵層於高阻層上；步驟S8，形成電子提供層於本質氮化鎵層上；步驟S9，形成覆蓋層於電子提供層上。

參照第3圖，首先，提供基底基板(如步驟S1所示)，在本實施例中使用矽基板作為基底基板，但本發明不限定於此，在其他實施例種可以使用氮化鋁基板、鑽石基板、碳化矽基板、氧化鎵基板、氮化硼基板、或矽晶絕緣體基板等其他種類的基板作為基底基板。

接下來，在基底基板上形成初始成核層(如步驟S2所示)，且形成初始成核層的步驟S2可以進一步包含以下三個步驟：第一步驟，在基底基板上利用有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD，Metal Organic Chemical-Vapor Deposition)成長氮化銦，其成長溫度設定在500~550℃， 並且以較低的第一V/III比成長氮化銦，其中第一V/III比介於0.5~50，上述的製程條件有助於氮化銦的形成，在第一步驟中形成的氮化銦厚度為1~10nm；第二步驟，同樣利用MOCVD以在第一步驟形成之氮化銦上接續成長氮化銦，其成長溫度提升至700~750℃，並且以較高的第二V/III比成長氮化銦，其中第二V/III比介於500~3000之間，在第二步驟中的高成長溫度係用以對第一步驟中形成的氮化銦進行合金處理以提升其晶體品質，而高V/III比可以減緩其成長速度，以使在第二步驟中成長之氮化銦可以維持經合金處理之氮化銦的晶體品質，且在第二步驟中形成的氮化銦厚度為1~5nm；第三步驟，同樣利用MOCVD以在第二步驟形成之氮化銦上接續成長氮化銦，其成長溫度設定在500~550℃，並且以較低的第三V/III比成長氮化銦，其中第三V/III比介於0.5~50，第三步驟係基於在第二步驟中所成長之具有較好的晶體品質的氮化銦層，以持續增加其厚度，進而達到釋放晶格失配的效果，且在第三步驟中形成的氮化銦厚度為1~35nm。因此，初始成核層總厚度為3~50nm。

請一併參閱第4A圖及第4B圖，在形成初始成核層的步驟中可以進一步包含以P型氮化銦層及N型氮化銦層作為堆疊組，並重複堆疊複數組堆疊組，以形成如第2圖所繪示的具有複數層P型氮化銦層21及複數層N型氮化銦層22的初始成核層2的步驟(如第4A圖所示)；或者僅堆疊一層P型氮化銦層及一層N型氮化銦層以形成初始成核層的步驟(如第4B圖所示)。進一步地，在本實施例中，P型氮化銦層為鎂摻雜，且N型氮化銦層為矽摻雜。並且，P型氮化銦層與N型氮化銦層之間形成有空乏區，空乏區可以阻擋在操作元件時基底基板產生的漏電流通過，以防止漏電流造成元件的性能降低。

參照第4A圖，具體來說，在形成初始成核層的步驟中，可以先在基底基板上形成P型氮化銦層(如步驟S21所示)，並在P型氮化銦 層上形成N型氮化銦層(如步驟S22所示)，再接續在N型氮化銦層上形成P型氮化銦層(如步驟S23所示)，並再接續在P型氮化銦層上形成N型氮化銦層(如步驟S24所示)，並且可以根據需求重複執行步驟S23及步驟S24，以重複堆疊P型氮化銦層及N型氮化銦層，且重複堆疊的組數可以為1~10組。此外，在其他實施例中，P型氮化銦層及N型氮化銦層僅需交替形成，其形成的先後順序並不影響初始成核層2的形成。也就是說，雖然在本實施例中先形成P型氮化銦層後再形成N型氮化銦層，但是在其他實施例中，可以先形成N型氮化銦層後再形成P型氮化銦層。

此外，在形成初始成核層的步驟中，也可以如第4B圖所示，在基底基板上形成P型氮化銦層(如步驟S21所示)，並在P型氮化銦層上形成N型氮化銦層(如步驟S22所示)，即結束形成初始成核層的步驟，僅形成具有一層P型氮化銦層及一層N型氮化銦層的初始成核層。

復請參照第3圖，以接續說明氮化物磊晶片的製造方法。在基底基板上形成初始成核層後，接續利用MOCVD在初始成核層上形成缺陷阻障層(如步驟S3所示)，缺陷阻障層為氮化矽或氮化鎂，且其厚度介於2~20nm。缺陷阻障層係用以阻擋初始成核層之缺陷向上延伸，以防止其影響晶格失配調變層之晶體品質。

值得一提的是，在其他實施例中，可以不設置缺陷阻障層，而直接在初始成核層上形成晶格失配調變層。或者，可以設有複數層缺陷阻障層。關於缺陷阻障層的其他實施方式將在下文中的其他實施例中進行詳細說明。

在形成缺陷阻障層後，接續利用MOCVD在缺陷阻障層上形成晶格失配調變層(如步驟S4所示)。此外，在不形成有缺陷阻障層的實施例中，可以直接在初始成核層上形成晶格失配調變層。在步驟S4中， 晶格失配調變層(Al_fIn_1-fN)的成長溫度自500~550度隨時間漸增至900~1100度，並且形成晶格失配調變層之鋁含量可以沿其成長方向逐漸增加，且0≦f<1。進一步地，透過調整形成晶格失配調變層時的鋁含量，可以使晶格失配調變層在成長結束時之晶格常數匹配於氮化鋁銦鎵緩衝層，以減少晶格失配的情形發生。此外，晶格失配調變層的厚度介於10~500nm。

值得一提的是，在缺陷阻障層上形成晶格失配調變層的步驟S4中，在提升晶格失配調變層(Al_fIn_1-fN)的成長溫度時，成長溫度可以具有特定的升溫斜率。具體來說，升溫斜率可以為30~100℃/分鐘，且成長溫度依照此升溫斜率自500~550度隨時間漸增至900~1100度。

在形成晶格失配調變層後，接續利用MOCVD在晶格失配調變層上形成至少一氮化鋁銦鎵緩衝層(如步驟S5所示)。在步驟S5中，各氮化鋁銦鎵緩衝層的成長溫度介於950~1300度，且可以根據需求形成至少一層氮化鋁銦鎵緩衝層。此外，各氮化鋁銦鎵緩衝層之鋁含量可以不同，例如各氮化鋁銦鎵緩衝層之鋁含量可以沿成長方向逐漸減少。並且，各氮化鋁銦鎵緩衝層可以為無摻雜，或者為碳摻雜、鐵摻雜、及鎂摻雜其中至少一者及其組合，且各氮化鋁銦鎵緩衝層的厚度介於50~1000nm。

在形成至少一氮化鋁銦鎵緩衝層後，接續利用MOCVD在至少一氮化鋁銦鎵緩衝層上形成高阻層(如步驟S6所示)，高阻層的化學組成為In_jAl_bGa_1-b-jN，且0≦b≦0.1、0<j≦0.9。在步驟S6中，高阻層的成長溫度介於950~1300度，且形成在最上層之氮化鋁銦鎵緩衝層上。此外，高阻層可以為碳摻雜、鐵摻雜、及鎂摻雜其中至少一者及其組合，且高阻層的厚度介於500~3000nm。

在形成高阻層後，接續利用MOCVD在高阻層上形成本質 氮化鎵層(如步驟S7所示)。在步驟S7中，本質氮化鎵層的成長溫度介於950~1300度，且形成在高阻層上。此外，本質氮化鎵層厚度介於50~800nm。

在形成本質氮化鎵層後，接續利用MOCVD在本質氮化鎵層上形成電子提供層(如步驟S8所示)，電子提供層的化學組成為In_xAl_yGa_1-x-yN，且0≦y≦0.3、0≦x≦0.3。在步驟S8中，電子提供層的成長溫度介於950~1300度，且形成在本質氮化鎵層上。此外，電子提供層厚度介於8~30nm。

在形成電子提供層後，接續利用MOCVD在電子提供層上形成覆蓋層(如步驟S9所示)，覆蓋層的化學組成為Al_zGa_1-zN，且0≦z≦0.3。在步驟S9中，覆蓋層的成長溫度介於950~1300度，且形成在電子提供層上。此外，覆蓋層可以為無摻雜或P型摻雜，當覆蓋層為無摻雜時，其厚度介於0.5~20nm；當覆蓋層為P型摻雜時，其摻雜元素為鎂，並且其厚度介於10~200nm。

進一步地，雖然在上述的各步驟中，皆使用有機金屬化學氣相沉積法，但在其他實施例中，可以使用其他種類的化學氣相沉積製程或者物理氣相沉積製程以達到相同的效果，例如使用電漿增強化學氣相沉積(PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)、混合物理化學氣相沉積(HPCVD，Hybrid Physical Chemical Vapor Deposition)、真空蒸鍍沉積(Vacuum Evaporation Deposition)、及濺鍍沉積(Sputter Deposition)等，但本發明不限定於此。

請參閱第5圖，其為根據本發明另一實施例的具有初始成核層/缺陷阻障層重複堆疊結構的氮化物磊晶片的示意圖。

如圖所示，根據本發明另一實施例的氮化物磊晶片101具有與第一實施例中的氮化物磊晶片100類似的構造。然而，在本實施例中，以超晶格方式重複堆疊初始成核層2及缺陷阻障層9，以透過複數層缺陷阻障層9進一步阻擋初始成核層2的缺陷往上延伸，進而避免其影響晶格失配調變層3的晶體品質。具體來說，先在基底基板1上利用MOCVD形成初始成核層2，並且在初始成核層2上同樣利用MOCVD形成缺陷阻障層9，在本實施例中，重複形成初始成核層2及缺陷阻障層9，以堆疊五組初始成核層/缺陷阻障層於基底基板1上，但本發明不限定於此。例如，在其他實施例中，可以重複堆疊2~10組初始成核層/缺陷阻障層。在重複堆疊複數組初始成核層/缺陷阻障層後，接續在缺陷阻障層9上形成晶格失配調變層3、至少一氮化鋁銦鎵緩衝層4、高阻層5、本質氮化鎵層6、電子提供層7、及覆蓋層8等結構，以形成低晶格失配低漏電流的氮化物磊晶片101。此外，在本實施例中，使用氮化矽作為缺陷阻障層9，但本發明不限定於此，在其他實施例中可以使用氮化鎂作為缺陷阻障層。

請參閱第6圖，其為根據本發明再另一實施例的具有缺陷阻障層/晶格失配調變層重複堆疊結構的氮化物磊晶片的示意圖。

如圖所示，根據本發明再另一實施例的氮化物磊晶片102具有與第一實施例中的氮化物磊晶片100類似的構造。然而，在本實施例中，以超晶格方式重複堆疊缺陷阻障層9及晶格失配調變層3，以透過複數層缺陷阻障層9進一步阻擋初始成核層2的缺陷往上延伸，進而避免其影響晶格失配調變層3的晶體品質。具體來說，在基底基板1上利用MOCVD形成初始成核層2，且在初始成核層2上利用MOCVD形成缺陷阻障層9，並且在缺陷阻障層9上同樣利用MOCVD形成晶格失配調變層3，在本實施例中，重複形成缺陷阻障層9及晶格失配調變 層3，以堆疊五組缺陷阻障層/晶格失配調變層於初始成核層2上，但本發明不限定於此。例如，在其他實施例中，可以重複堆疊2~10組缺陷阻障層/晶格失配調變層。在重複堆疊複數組缺陷阻障層/晶格失配調變層後，接續在缺陷阻障層9上形成至少一氮化鋁銦鎵緩衝層4、高阻層5、本質氮化鎵層6、電子提供層7、及覆蓋層8等結構，以形成低晶格失配低漏電流的氮化物磊晶片102。此外，在本實施例中，使用氮化矽作為缺陷阻障層9，但本發明不限定於此，在其他實施例中可以使用氮化鎂作為缺陷阻障層。

綜上所述，本發明提供一種低晶格失配低漏電流的氮化物磊晶片及其製造方法，係以氮化銦取代氮化鋁作為初始成核層的材料，並結合以氮化鋁銦形成的晶格失配調變層，以改善晶格失配的情形。並且，初始成核層具有堆疊P型氮化銦層及N型氮化銦層以形成的結構，P型氮化銦層及N型氮化銦層之間的空乏區可以防止基板產生的漏電流流入元件操作區域，進而防止元件操作時的性能降低。

此外，本發明更進一步透過控制製程中的溫度及各元素的含量比，以提升各層的晶體品質，並減少各層之間晶格失配的情形。並且，透過在初始成核層與晶格失配調變層之間設置缺陷阻障層，可以透過缺陷阻障層防止初始成核層的缺陷往上延伸，進而避免初始成核層的缺陷影響晶格失配調變層的晶體品質。

本發明已參照例示性實施例進行說明，本領域具有通常知識者可以理解的是，在不脫離申請專利範圍所定義之本發明概念與範疇的清況下，可以對其進行形式與細節上之各種變更及等效佈置，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100:氮化物磊晶片

1:基底基板

2:初始成核層

3:晶格失配調變層

4:氮化鋁銦鎵緩衝層

41:第一氮化鋁銦鎵緩衝層

42:第二氮化鋁銦鎵緩衝層

43:第三氮化鋁銦鎵緩衝層

5:高阻層

6:本質氮化鎵層

7:電子提供層

8:覆蓋層

9:缺陷阻障層

Claims (23)

1. 一種氮化物磊晶片，包含：一基底基板；一初始成核層，設置在該基底基板上；一晶格失配調變層，設置在該初始成核層上；至少一氮化鋁銦鎵緩衝層，設置在該晶格失配調變層上；一高阻層，設置在該至少一氮化鋁銦鎵緩衝層上；一本質氮化鎵層，設置在該高阻層上；一電子提供層，設置在該本質氮化鎵層上；以及一覆蓋層，設置在該電子提供層上；其中該初始成核層與該晶格失配調變層之間進一步設有一缺陷阻障層，且該缺陷阻障層為氮化矽或氮化鎂；其中該初始成核層與該缺陷阻障層或者以該缺陷阻障層與該晶格失配調變層作為一堆疊組，並且重複堆疊2至10組該堆疊組以形成的結構。
2. 如請求項1所述之氮化物磊晶片，其中該基底基板為矽基板、氮化鋁基板、鑽石基板、碳化矽基板、氧化鎵基板、氮化硼基板或矽晶絕緣體基板。
3. 如請求項1所述之氮化物磊晶片，其中該初始成核層為氮化銦層。
4. 如請求項3所述之氮化物磊晶片，其中該初始成核層具有一P型氮化銦層及一N型氮化銦層堆疊而形成的結構，並且該P 型氮化銦層與該N型氮化銦層之間形成有空乏區以阻擋漏電流通過。
5. 如請求項3所述之氮化物磊晶片，其中該初始成核層具有以一P型氮化銦層及一N型氮化銦層作為一堆疊組，並重複堆疊複數組該堆疊組而形成的結構，並且該P型氮化銦層與該N型氮化銦層之間形成有空乏區以阻擋漏電流通過。
6. 如請求項5所述之氮化物磊晶片，其中該P型氮化銦層為鎂摻雜，且鎂濃度為1E16~1E23atoms/cm³，該N型氮化銦層為矽摻雜，且矽濃度為1E16~1E21atoms/cm³。
7. 如請求項1所述之氮化物磊晶片，其中該晶格失配調變層(Al_fIn_1-fN)之鋁含量沿成長方向逐漸增加，且0≦f<1。
8. 如請求項1所述之氮化物磊晶片，其中該至少一氮化鋁銦鎵緩衝層包含一第一氮化鋁銦鎵緩衝層、一第二氮化鋁銦鎵緩衝層、及一第三氮化鋁銦鎵緩衝層，並且該第一氮化鋁銦鎵緩衝層的化學組成為In_gAl_eGa_1-e-gN，且0.75≦e<1、0<g≦0.25；該第二氮化鋁銦鎵緩衝層的化學組成為In_hAl_dGa_1-d-hN，且0.5≦d≦0.75、0.25<h<0.5；以及該第三氮化鋁銦鎵緩衝層的化學組成為In_iAl_cGa_1-c-iN，且0.3≦c≦0.5、0.5<i<0.7。
9. 如請求項8所述之氮化物磊晶片，其中該第一氮化鋁銦鎵緩衝層、該第二氮化鋁銦鎵緩衝層、及該第三氮化鋁銦鎵緩衝層分別為無摻雜，或者為碳摻雜、鐵摻雜、及鎂摻雜其中至少一者及其組合。
10. 如請求項9所述之氮化物磊晶片，其中當該第一氮化鋁銦鎵緩衝層、該第二氮化鋁銦鎵緩衝層、及該第三氮化鋁銦鎵緩衝 層為碳摻雜時，碳濃度介於1E16~1E21atoms/cm³；當該第一氮化鋁銦鎵緩衝層、該第二氮化鋁銦鎵緩衝層、及該第三氮化鋁銦鎵緩衝層為鐵摻雜時，鐵濃度介於1E16~1E20atoms/cm³；當該第一氮化鋁銦鎵緩衝層、該第二氮化鋁銦鎵緩衝層、及該第三氮化鋁銦鎵緩衝層為鎂摻雜時，鎂濃度介於1E16~1E20atoms/cm³。
11. 如請求項1所述之氮化物磊晶片，其中該高阻層的化學組成為In_jAl_bGa_1-b-jN，且0≦b≦0.1、0<j≦0.9，並且該高阻層為碳摻雜、鐵摻雜、及鎂摻雜其中至少一者及其組合。
12. 如請求項11所述之氮化物磊晶片，其中當該高阻層為碳摻雜時，碳濃度介於1E16~1E21atoms/cm³；當該高阻層為鐵摻雜時，鐵濃度介於1E16~1E20atoms/cm³；當該高阻層為鎂摻雜時，鎂濃度介於1E16~1E20atoms/cm³。
13. 如請求項1所述之氮化物磊晶片，其中該電子提供層的化學組成為In_xAl_yGa_1-x-yN，且0≦y≦0.3、0≦x≦0.3。
14. 如請求項1所述之氮化物磊晶片，其中該覆蓋層的化學組成為Al_zGa_1-zN，且0≦z≦0.3，並且該覆蓋層為無摻雜或P型摻雜，當該覆蓋層為P型摻雜時，其摻雜元素為鎂，且鎂濃度介於1E16~1E23atoms/cm³。
15. 一種氮化物磊晶片的製造方法，包含以下步驟：提供一基底基板；形成一初始成核層於該基底基板上形成一晶格失配調變層於該初始成核層上； 形成一缺陷阻障層於該初始成核層與該晶格失配調變層之間，且該缺陷阻障層為氮化矽或氮化鎂；形成至少一氮化鋁銦鎵緩衝層於該晶格失配調變層上；形成一高阻層於該至少一氮化鋁銦鎵緩衝層上；形成一本質氮化鎵層於該高阻層上；形成一電子提供層於該本質氮化鎵層上；以及形成一覆蓋層於該電子提供層上；其中該初始成核層與該缺陷阻障層或者以該缺陷阻障層與該晶格失配調變層作為一堆疊組，並且重複堆疊2至10組該堆疊組以形成的結構。
16. 如請求項15所述之氮化物磊晶片的製造方法，其中該基底基板為矽基板、氮化鋁基板、鑽石基板、碳化矽基板、氧化鎵基板、氮化硼基板、或矽晶絕緣體基板。
17. 如請求項15所述之氮化物磊晶片的製造方法，其中在該基底基板上形成該初始成核層的步驟進一步包含以下步驟：第一步驟，其成長溫度為500~550℃，並且以第一V/III比成長氮化銦；第二步驟，其成長溫度為700~750℃，並且以第二V/III比成長氮化銦；以及第三步驟，其成長溫度為500~550℃，並且以第三V/III比成長氮化銦，並且第一V/III比及第三V/III比的範圍為0.5~50，且第二V/III比的範圍為500~3000。
18. 如請求項15所述之氮化物磊晶片的製造方法，其中形成該初始成核層的步驟中進一步包含堆疊一P型氮化銦層及一N型氮化銦層以形成該初始成核層的步驟，或者以該P型氮化銦 層及該N型氮化銦層作為一堆疊組，並重複堆疊複數組該堆疊組以形成該初始成核層的步驟。
19. 如請求項15所述之氮化物磊晶片的製造方法，其中在該初始成核層上形成該晶格失配調變層的步驟中，其成長溫度自500~550度隨時間漸增至900~1100度，並且形成該晶格失配調變層之鋁含量沿其成長方向逐漸增加。
20. 如請求項19所述之氮化物磊晶片的製造方法，其中在該初始成核層上形成該晶格失配調變層的步驟中，其成長溫度具有一升溫斜率，且該升溫斜率為30~100℃/分鐘。
21. 如請求項15所述之氮化物磊晶片的製造方法，其進一步包含在該初始成核層與該晶格失配調變層之間形成一缺陷阻障層的步驟，該缺陷阻障層為氮化矽或氮化鎂。
22. 如請求項21所述之氮化物磊晶片的製造方法，其進一步包含以該初始成核層與該缺陷阻障層或者以該缺陷阻障層與該晶格失配調變層作為一堆疊組，並且重複堆疊複數組該堆疊組的步驟。
23. 如請求項15所述之氮化物磊晶片的製造方法，其中形成各層的方法包含化學氣相沉積或者物理氣相沉積。

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