專利名稱：氮化鎵半導(dǎo)體元件和發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種氮化鎵半導(dǎo)體元件和發(fā)光二極管，特別涉及一種利用富 含金屬的氮化物薄膜以增加半導(dǎo)體元件的外延品質(zhì)的結(jié)構(gòu)。
背景4支術(shù)
近年來，半導(dǎo)體材料被廣泛地應(yīng)用于電子元件、集成電路與固態(tài)照明領(lǐng)
域等；然而，如圖1所示，半導(dǎo)體元件100往往容易因?yàn)榛錓O與半導(dǎo)體 疊層12的晶格常數(shù)(lattice constant)不匹配，造成半導(dǎo)體材料在外延過程中發(fā) 生晶格錯(cuò)位而產(chǎn)生位錯(cuò)(dislocation)14的情形；這種晶格缺陷容易影響半導(dǎo) 體材料的電學(xué)性質(zhì)，降低半導(dǎo)體元件的穩(wěn)定度。
為了解決上述問題，如圖2所示，已知技術(shù)大多在半導(dǎo)體元件200的基 板20上加入一晶格常數(shù)與基板較為匹配的緩沖層22，由此降低晶格錯(cuò)位的 情形發(fā)生，然而仍然會有部分位錯(cuò)24延伸至半導(dǎo)體疊層26。
此外，如圖3A所示，亦有已知技術(shù)在基板30上形成緩沖體(buffer body)32，并隨后如圖3B所示，在基板30與緩沖體32上成長一緩沖層34; 其中，緩沖體32的材料選自二氧化硅(Si02)或氮化硅(SiNx)，緩沖層材料為 半導(dǎo)體材料。由于上述的二氧化硅與氮化硅為非晶結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體材料無法在 上述材料上外延成長，因此，緩沖層34如圖3A的箭號a的方向所示，由未 覆蓋緩沖體32的基板30表面開始成長，待緩沖層34的厚度大于緩沖體32 的高度時(shí)緩沖層34會轉(zhuǎn)為橫向外延，使得緩沖層34晶格中的位錯(cuò)彎曲，進(jìn) 而減少位錯(cuò)向上延伸至緩沖層34上的半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)36的機(jī)率。
雖然上述的先前技術(shù)皆能減少外延結(jié)構(gòu)的晶格缺陷發(fā)生，然而仍有少數(shù) 位錯(cuò)會向上延伸，進(jìn)而影響半導(dǎo)體元件的電學(xué)性質(zhì)與可靠度；為了解決上述 問題，本發(fā)明便提出一種氮化鎵半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，以改善氮化鎵半導(dǎo)體的外延品 質(zhì)
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為提供一具有富含金屬的氮化物薄膜的氮化鎵半導(dǎo)體結(jié) 構(gòu)，用以改善氮化鎵半導(dǎo)體的外延品質(zhì)。
本發(fā)明的另 一 目的為提供一具有富含金屬的氮化物薄膜的氮化鎵半導(dǎo) 體結(jié)構(gòu)，利用富含金屬的氮化物薄膜減少半導(dǎo)體外延位錯(cuò)發(fā)生，由此提高半 導(dǎo)體元件的可靠度。
本發(fā)明的再一目的為提供一具有富含金屬的氮化物薄膜的發(fā)光二極管 結(jié)構(gòu)，通過富含金屬的氮化物薄膜減少發(fā)光疊層中位錯(cuò)向上延伸的情形，由 此提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種氮化鎵半導(dǎo)體元件，至少包含 一基板； 一富 含金屬的氮化物薄膜，位于該基板上； 一第一緩沖層，位于該富含金屬的氮 化物薄膜上；以及一半導(dǎo)體疊層，位于該緩沖層上，其中該富含金屬的氮化 物薄膜僅覆蓋該基板的部分上表面。


圖1為已知的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為另一已知的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3A至圖3B為又一已知的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4A至圖4C為本發(fā)明實(shí)施例的流程示意圖。
圖4D為本發(fā)明另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5A為已知具有氮化硅緩沖體的半導(dǎo)體元件表面放大圖。
圖5B為本發(fā)明實(shí)施例的表面放大圖。
圖6A為本發(fā)明又一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6B為本發(fā)明再一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖標(biāo)記說明
100半導(dǎo)體元件10基板
12半導(dǎo)體疊層14位錯(cuò)
200半導(dǎo)體元件20基板
22 緩沖層24位錯(cuò)
26 半導(dǎo)體疊層30基板
32 緩沖體34緩沖層
536半導(dǎo)體疊層40基板
42富含金屬的氮化物薄膜44第一緩沖層
46半導(dǎo)體疊層460第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層
462有源層464第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體層
48第二緩沖層400氮化鎵半導(dǎo)體元件
600發(fā)光二極管60基板
62富含金屬的氮化物薄膜64第一緩沖層
66發(fā)光疊層660第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層
662發(fā)光層664第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體層
68第一電極70第二電極
72第二緩沖層
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明披露一種氮化鎵半導(dǎo)體。為了使本發(fā)明的敘述更加詳盡與完備，
可參照下列描述并配合圖4A至圖6B的圖示。
圖4A至圖4C為一種氮化鎵半導(dǎo)體元件400的制造流程示意圖。如圖 4A所示，提供一基板40，此基板40的材料可以是藍(lán)寶石(sapphire)、碳化硅 (SiC)、硅(Si)、氧化鋅(ZnO)、氮化鎵(GaN)、金屬或透明材料等；接著利用 已知的化學(xué)氣相沉積法(CVD)通入Cp2Mg、 SiH4與NH3氣體，以成長一富含 金屬的氮化物薄膜42于此基板40上；其中富含金屬的氮化物薄膜42未完 全覆蓋基板40,且覆蓋率約小于60%,優(yōu)選地，富含金屬的氮化物薄膜為 一不連續(xù)的薄膜結(jié)構(gòu)，例如形成多個(gè)區(qū)塊或多島狀結(jié)構(gòu)。
此外，此富含金屬的氮化物薄膜42的材料選自氮化鎂硅(MgSiN)、氮化 鋅硅(ZnSiN)、氮化鎂鍺(MgGeN)與氮化鋅鍺(ZnGeN)系列材料等，而且其中 金屬成分為非金屬成分的兩倍以上。
隨后，如圖4B所示，再利用化學(xué)氣相沉積法，在基板40與富含金屬的 氮化物薄膜42上形成一第一緩沖層44,其中，第一緩沖層44的材料為氮化 鎵或氮化鋁；由于富含金屬的氮化物薄膜42為非晶(amorphous)結(jié)構(gòu)，半導(dǎo) 體材料無法在富含金屬的氮化物薄膜42上外延成長，因此，第一緩沖層44 的成長方向如第4B圖中的箭號b所示，由未被富含金屬的氮化物薄膜42覆 蓋的基板40上向上成長，待第一緩沖層44的厚度大于富含金屬的氮化物薄膜42的厚度后，第一緩沖層44開始轉(zhuǎn)為水平方向外延成長，同時(shí)第一緩沖 層44中的因晶格常數(shù)不匹配而產(chǎn)生的位錯(cuò)亦隨著第一緩沖層44外延成長的 方向由垂直向上轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛩椒较蜓由?。之后再于第一緩沖層44上形成一 半導(dǎo)體疊層46，以形成一氮化鎵半導(dǎo)體元件400，其中半導(dǎo)體疊層46的材 料為氮化鎵系列材料，此外，半導(dǎo)體疊層46由下而上至少包含一第一導(dǎo)電 型半導(dǎo)體層460、 一有源層462以及一第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體層464。
此外，亦可如圖4D所示，在基板40上利用化學(xué)氣相沉積法先成長一第 二緩沖層48,其材料為氮化鎵或氮化鋁，再于第二緩沖層48上形成一富含 金屬的氮化物薄膜42，此富含金屬的氮化物薄膜42僅覆蓋部分第二緩沖層 48的上表面，隨后，再于富含金屬的氮化物薄膜42與第二緩沖層46上形成 一第一緩沖層44，由此加強(qiáng)阻止半導(dǎo)體晶格缺陷向上延伸的效果。
圖5A為以光學(xué)顯微鏡觀察已知以氮化硅作為緩沖體所制成氮化鎵半導(dǎo) 體元件表面的500倍放大圖，而圖5B為本發(fā)明以氮化^:硅作為富含金屬的 氮化物薄膜材料的氮化鎵半導(dǎo)體元件表面500倍放大圖；由比較圖5A與圖 5B可發(fā)現(xiàn)，圖5B中半導(dǎo)體元件的表面缺陷比圖5A的半導(dǎo)體元件少；由此 可知，以富含金屬的氮化物薄膜取代氮化硅緩沖體能有效地減少外延缺陷產(chǎn) 生，提高外延品質(zhì)。
此外，本發(fā)明亦可廣泛地應(yīng)用于元件效率與外延品質(zhì)攸關(guān)的半導(dǎo)體元 件，例如發(fā)光二極管(Light Emitting Diode， LED)上，尤其是對于外延品質(zhì)要 求嚴(yán)格的氮化鎵紫外光發(fā)光二極管(GaNUVLED)。圖6A為本發(fā)明另一實(shí)施 例的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖6A所示， 一發(fā)光二極管600包含一基板60，基板60 的材料可以是藍(lán)寶石(sapphire)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、氧化鋅(ZnO)、氮化鎵 (GaN)、金屬或透明材料等； 一富含金屬的氮化物薄膜62于基板60上，未 完全覆蓋基板60，其覆蓋率約小于60%,其中富含金屬的氮化物薄膜62優(yōu) 選地為氮化鎂硅，其結(jié)構(gòu)優(yōu)選地為一不連續(xù)的薄膜結(jié)構(gòu)，例如形成多個(gè)區(qū)塊 或多島狀結(jié)構(gòu)； 一第一緩沖層64，位于基板60與氮化鎂硅薄膜62上，其材 料為氮化鎵或氮化鋁； 一發(fā)光疊層66,位于第一緩沖層上，此發(fā)光疊層66 的材料為氮化鎵系列材料，由下而上至少包含一第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層660、 一發(fā)光層662以及一第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體層664，其中具有一棵露第一導(dǎo)電型 半導(dǎo)體層660的表面；以及， 一第一電極68與一第二電極70在分別位于第 一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層660棵露的表面與第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體層664上表面。其中，此富含金屬的氮化物薄膜62的材料選自氮化鎂硅(MgSiN)、氮化 鋅硅(ZnSiN)、氮化鎂鍺(MgGeN)與氮化鋅鍺(ZnGeN)系列材料等，而且當(dāng)中 金屬成分為非金屬成分的兩倍以上。
此外，發(fā)光二極管600，亦可如圖6B所示，還可包含一第二緩沖層， 形成于富含金屬的氮化物薄膜62與基板60之間，其材料可以是氮化鎵或氮 化鋁，用以減少外延位錯(cuò)向上延伸的情形，由此改善發(fā)光二極管600的外延品質(zhì)。
以上所述的實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想及特點(diǎn)，其目的在使本領(lǐng) 域的技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，當(dāng)不能以之限定本發(fā)明的 專利范圍，即大凡依本發(fā)明所揭示的精神所作的等同變化或修飾，仍應(yīng)涵蓋 在本發(fā)明的專利范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種氮化鎵半導(dǎo)體元件，至少包含一基板；一富含金屬的氮化物薄膜，位于該基板上；一第一緩沖層，位于該富含金屬的氮化物薄膜上；以及一半導(dǎo)體疊層，位于該緩沖層上，其中該富含金屬的氮化物薄膜僅覆蓋該基板的部分上表面。
2、 如權(quán)利要求1所述的氮化鎵半導(dǎo)體元件，其中該半導(dǎo)體疊層包含 一第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層，位于該第一緩沖層上；一有源層，位于該第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層上；以及 一第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體層，位于該有源層上。
3、 如權(quán)利要求1所述的氮化鎵半導(dǎo)體元件，其中該富含金屬的氮化物 薄膜選自氮化鎂硅、氮化鋅硅、氮化鎂鍺與氮化鋅鍺系列材料所構(gòu)成的組。
4、 如權(quán)利要求1所述的氮化鎵半導(dǎo)體元件，其中該富含金屬的氮化物 薄膜的金屬成分為非金屬成分的二倍以上。
5、 如權(quán)利要求1所述的氮化鎵半導(dǎo)體元件，其中該富含金屬的氮化物 薄膜位不連續(xù)的薄膜結(jié)構(gòu)、多島狀結(jié)構(gòu)或多不連續(xù)區(qū)塊。
6、 如權(quán)利要求1所述的氮化鎵半導(dǎo)體元件，其中還包含一第二緩沖層， 位于該富含金屬的氮化物薄膜與該基板之間。
7、 如權(quán)利要求1所述的氮化鎵半導(dǎo)體元件，還包含至少一電極，位于 該半導(dǎo)體疊層上。
8、 一種發(fā)光二極管，包含 一基板；一富含金屬的氮化物薄膜，位于該基板上； 一第一緩沖層，位于該富含金屬的氮化物薄膜上； 一第一發(fā)光疊層，位于第一緩沖層上；以及至少一電極，.位于該發(fā)光疊層上，其中該富含金屬的氮化物薄膜僅覆蓋 該第一緩沖層的部分上表面。
9、 如權(quán)利要求8所述的發(fā)光二極管，其中該發(fā)光疊層還包含 一第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層，位于該第一緩沖層上；一發(fā)光層，位于該第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層上；以及一第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體層，位于該發(fā)光層上。
10、 如權(quán)利要求8所述的發(fā)光二極管，其中該富含金屬的氮化物薄膜中 金屬成分含量是非金屬成分含量的二倍以上。
11、 如權(quán)利要求8所述的發(fā)光二極管，其中該富含金屬的氮化物薄膜選 自氮化鎂硅、氮化鋅硅、氮化鎂鍺與氮化鋅鍺系列材料所構(gòu)成的組。
12、 如權(quán)利要求8所述的發(fā)光二極管，其中該富含金屬的氮化物薄膜為 不連續(xù)的薄膜結(jié)構(gòu)、多島狀結(jié)構(gòu)或多不連續(xù)區(qū)塊。
13、 如權(quán)利要求8所述的發(fā)光二極管，還包含一第二緩沖層位于該基板 與該富含金屬的氮化物薄膜之間。
14、 一種氮化鎵半導(dǎo)體元件，至少包含 一基板；一氮化鎂硅薄膜，位于該基板上； 一第一緩沖層，位于該氮化鎂硅薄膜上；以及一半導(dǎo)體疊層，位于該緩沖層上，其中該氮化鎂硅薄膜僅覆蓋該基板的 部分上表面。
15、 如權(quán)利要求14所述的氮化鎵半導(dǎo)體元件，其中該半導(dǎo)體疊層包含 一第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層，位于該第一緩沖層上；一有源層，位于該第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體層上；以及 一第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體層，位于該有源層上。
16、 如權(quán)利要求14所述的氮化鎵半導(dǎo)體元件，其中該氮化鎂硅薄膜中 鎂含量是硅含量的二倍以上。
17、 如權(quán)利要求14所述的氮化鎵半導(dǎo)體元件，其中該氮化鎂硅薄膜為 不連續(xù)的薄膜結(jié)構(gòu)、多島狀結(jié)構(gòu)或多不連續(xù)區(qū)塊。
18、 如權(quán)利要求14所述的氮化鎵半導(dǎo)體元件，其中還包含一第二緩沖 層，位于該氮化鎂硅薄膜與該基板之間。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種氮化鎵半導(dǎo)體元件和發(fā)光二極管。在一基板上形成有一富含金屬的氮化物薄膜，隨后在富含金屬的氮化物薄膜上形成有一緩沖層以及一半導(dǎo)體疊層；其中，富含金屬的氮化物薄膜僅覆蓋基板的部分上表面。通過富含金屬的氮化物薄膜為非晶結(jié)構(gòu)的特性，使得緩沖層外延成長方向由向上成長轉(zhuǎn)變?yōu)樗匠砷L，使緩沖層中的晶格位錯(cuò)亦隨著外延成長方向彎曲，由此降低位錯(cuò)延伸至半導(dǎo)體疊層的幾率，以提高氮化鎵半導(dǎo)體元件的可靠度。
文檔編號H01L33/00GK101562156SQ200810092628
公開日2009年10月21日 申請日期2008年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月16日
發(fā)明者林義杰, 蔡吉明, 許育賓, 郭政達(dá) 申請人:晶元光電股份有限公司