專(zhuān)利名稱(chēng)：具有氮化鎵層的多層結(jié)構(gòu)基板及其制法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有氮化鎵層的多層結(jié)構(gòu)基板及其制法，尤其涉及一種具有厚度較厚且面積較大的氮化鎵層的多層結(jié)構(gòu)基板及其制法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，以硅為主的電力電子(power electronics)元件大幅應(yīng)用于電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)， 舉例來(lái)說(shuō)，制作成電動(dòng)車(chē)內(nèi)的電壓轉(zhuǎn)換器(converter)或反相器(inverter)等元件。然而，受硅本身的材料特性所限，若要進(jìn)一步提升電力電子元件的效能，則勢(shì)必要尋找其它的替代材料。氮化鎵(GaN)不僅本身具有比硅更優(yōu)越的物理性質(zhì)，且還可通過(guò)在硅襯底上生長(zhǎng)以降低其生產(chǎn)成本，所以目前氮化鎵被視為極具應(yīng)用于電動(dòng)車(chē)的電力電子元件的潛力的材料之一。不過(guò)，以往在硅襯底上生長(zhǎng)氮化鎵層時(shí)，常常由于嚴(yán)重的拉伸應(yīng)力造成氮化鎵層出現(xiàn)裂痕而不利于后續(xù)應(yīng)用，且該裂痕問(wèn)題隨著氮化鎵層的厚度增加或面積增大而更加嚴(yán)重，使得難以生長(zhǎng)厚度較厚的氮化鎵層；另外，受氮化鎵層與硅襯底之間的晶格常數(shù)不匹配所限，而容易在氮化鎵層中形成過(guò)多的缺陷。上述兩項(xiàng)因素均使得應(yīng)用氮化鎵的電子元件的效能無(wú)法進(jìn)一步提升，具體而言，厚度較薄與缺陷密度較高的氮化鎵層將導(dǎo)致其所制成的電子元件的漏電流效應(yīng)，并限制了電子元件的直流特性及耐高崩潰電壓特性等等。Shuo Jia 等人在 2005 年 3 月的 IEEE Electron Device Letters 第 26 卷第 3 期中公開(kāi)的"AlGaN-GaN HEMTs on Patterned Silicon (111) Substrate”中，揭露了一種外延結(jié)構(gòu)，其先通過(guò)蝕刻方式在硅襯底上形成網(wǎng)狀溝槽，進(jìn)而構(gòu)成多個(gè)矩形硅凸塊，再于各硅凸塊上形成氮化鎵層，但是最終僅能在極小面積(30平方微米)內(nèi)形成厚度1. 5微米的氮化鎵層。此外，C.-H.Chen等人在2005年的 Journal of Applied Physics第98卷中公開(kāi)的 "Stress relaxation in the GaN/AIN multilayers grown on a mesh-patterned Si(111) substrate”中，其先在硅(111)襯底上形成氮化硅網(wǎng)狀層，再于該硅(111)襯底上形成氮化
鎵層/氮化鋁層/氮化鎵層/氮化鋁層/氮化鎵層/氮化鋁層，但是，其最外表面的氮化鎵層的厚度僅有1微米。再者，A. Dadgar等人在2001年的phys. stat. sol.第188卷第1期中公開(kāi)的 "Crack-Free InGaN/GaN Light Emitters on Si (111) ” 中，其先在硅(111)襯底上形成圖案化的氮化硅層，并于該硅(111)襯底上形成15對(duì)氮化鋁鎵層/氮化鎵層，最后再形成氮化鎵層，雖然最終的氮化鎵層的厚度有3. 6微米，然而該氮化鎵層只能形成100微米見(jiàn)方的面積大小。所以，上述現(xiàn)有技術(shù)均有氮化鎵層的厚度不足或面積過(guò)小等缺點(diǎn)，進(jìn)而不利于將氮化鎵層應(yīng)用于電力電子元件中。因此，鑒于上述問(wèn)題，如何在襯底上形成厚度較厚、面積夠大、且無(wú)裂痕的氮化鎵層，以提供后續(xù)電子元件的制作，實(shí)已成為目前亟待解決的課題。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明揭露一種具有氮化鎵層的多層結(jié)構(gòu)基板的制法，包括提供一襯底；于該襯底上形成網(wǎng)狀層，該網(wǎng)狀層具有多個(gè)外露該襯底的開(kāi)孔；于該開(kāi)孔內(nèi)的襯底上形成緩沖層，該緩沖層是由多個(gè)氮化物層所構(gòu)成；于該緩沖層上依序形成三層不同鋁濃度的氮化鋁鎵層，其中，該底層氮化鋁鎵層的鋁濃度大于中間層氮化鋁鎵層的鋁濃度，該中間層氮化鋁鎵層的鋁濃度大于上層氮化鋁鎵層的鋁濃度，且該中間層氮化鋁鎵層在形成過(guò)程中隨厚度增加而逐漸減少鋁的比例；以及于該上層氮化鋁鎵層上形成氮化鎵層。依上述多層結(jié)構(gòu)基板的制法，該網(wǎng)狀層的材質(zhì)可為氮化硅，且形成該網(wǎng)狀層的方法可包括在該襯底上形成氮化硅層；在該氮化硅層上形成網(wǎng)狀阻層；去除未被該網(wǎng)狀阻層覆蓋的該氮化硅層，以形成該網(wǎng)狀層；以及去除該網(wǎng)狀阻層。依上述制法，進(jìn)一步可包括于該氮化鎵層上形成頂層的氮化鋁鎵層。又依上述制法，該襯底的材質(zhì)可為硅、藍(lán)寶石、氮化鎵、氧化鋅或碳化硅，且該氮化物層可為氮化鋁層、氮化鎵層或氮化鋁鎵層。依上述多層結(jié)構(gòu)基板的制法，該緩沖層可為高溫氮化物層/低溫氮化物層/高溫氮化物層，該高溫氮化物層的形成溫度可為1000°c至1200°C，且該低溫氮化物層的形成溫度可為700°C至900°C。本發(fā)明進(jìn)一步揭露一種具有氮化鎵層的多層結(jié)構(gòu)基板，包括襯底；網(wǎng)狀層，設(shè)于該襯底上，該網(wǎng)狀層具有多個(gè)外露該襯底的開(kāi)孔；緩沖層，設(shè)于該開(kāi)孔內(nèi)的襯底上，該緩沖層由多個(gè)氮化物層構(gòu)成；依序形成于該緩沖層上的三層不同鋁濃度的氮化鋁鎵層的鋁濃度，其中，該底層氮化鋁鎵層的鋁濃度大于中間層氮化鋁鎵層的鋁濃度，該中間層氮化鋁鎵層的鋁濃度大于上層氮化鋁鎵層的鋁濃度，且該中間層氮化鋁鎵層的鋁濃度是由該底層向上逐漸遞減；以及氮化鎵層，設(shè)于該上層氮化鋁鎵層上。依上述結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步可包括頂層氮化鋁鎵層，設(shè)于該氮化鎵層上。又根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，該襯底的材質(zhì)可為硅、藍(lán)寶石、氮化鎵、氧化鋅或碳化硅，該網(wǎng)狀層的材質(zhì)可為氮化硅，且該氮化物層可為氮化鋁層、氮化鎵層或氮化鋁鎵層。根據(jù)上述多層結(jié)構(gòu)基板，該緩沖層可為高溫氮化物層/低溫氮化物層/高溫氮化物層，該高溫氮化物層的形成溫度可為1000°c至1200°C，且該低溫氮化物層的形成溫度可為 700°C至 900"C。由上可知，本發(fā)明的具有氮化鎵層的多層結(jié)構(gòu)基板的制法先在襯底上形成具有多個(gè)開(kāi)孔的網(wǎng)狀層，并在該開(kāi)孔內(nèi)的襯底上依序形成緩沖層、三層不同鋁濃度的氮化鋁鎵層， 再在該上層氮化鋁鎵層上形成氮化鎵層。該三層不同鋁濃度的氮化鋁鎵層能有效釋放應(yīng)力、降低氮化鎵層表面裂痕、并控制內(nèi)部缺陷，因而可形成較大面積、較大厚度、無(wú)裂痕、且較高質(zhì)量的氮化鎵層，故相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的具有氮化鎵層的多層結(jié)構(gòu)基板有利于后續(xù)耐高崩潰電壓的電力電子元件的制作。


圖IA至圖II為本發(fā)明的具有氮化鎵層的多層結(jié)構(gòu)基板的制法的剖視圖，其中，圖 1E，是圖IE的俯視圖；圖2A與圖2B分別為本發(fā)明的具有氮化鎵層的多層結(jié)構(gòu)基板的掃描式電子顯微鏡剖視圖與光學(xué)顯微鏡俯視圖；以及圖3A至圖3C圖為不同厚度之中的鋁濃度的氮化鋁鎵層的本發(fā)明的具有氮化鎵層的多層結(jié)構(gòu)基板的光學(xué)顯微鏡俯視圖。主要元件符號(hào)說(shuō)明10襯底11氮化硅層111網(wǎng)狀層110開(kāi)孔12網(wǎng)狀阻層13緩沖層131、133 高溫氮化物層132低溫氮化物層141底層氮化鋁鎵層142中間層氮化鋁鎵層143上層氮化鋁鎵層15氮化鎵層16頂層的氮化鋁鎵層
具體實(shí)施例方式以下通過(guò)特定的具體實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書(shū)所揭示的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)及功效。請(qǐng)參閱圖IA至II，為本發(fā)明的具有氮化鎵層的多層結(jié)構(gòu)基板的制法的剖視圖，其中，圖1E’圖是圖IE的俯視圖。如圖IA所示，提供一襯底10，該襯底10的材質(zhì)可為硅、藍(lán)寶石、氮化鎵、氧化鋅或碳化硅，且該襯底10優(yōu)選為晶格面(111)的硅襯底。如圖IB所示，通過(guò)PECVD機(jī)臺(tái)于該襯底10上形成例如300納米厚度的氮化硅 (SixNy)層 IL如圖IC所示，在該氮化硅層11上形成網(wǎng)狀阻層12。如圖ID所示，去除未被該網(wǎng)狀阻層12覆蓋的該氮化硅層11，以形成網(wǎng)狀層111， 該網(wǎng)狀層111具有多個(gè)外露該襯底10的開(kāi)孔110。如圖IE與1E’所示，去除該網(wǎng)狀阻層12，在本實(shí)施例中，該網(wǎng)狀層111的開(kāi)孔110 呈方形網(wǎng)格，當(dāng)然，該網(wǎng)狀層111的開(kāi)孔110也可呈其它形狀的網(wǎng)格，而不以方形網(wǎng)格為限； 且該網(wǎng)狀層111的開(kāi)孔110優(yōu)選是邊長(zhǎng)為300或至1000微米的方形，至此即完成圖案化襯底(patterned substrate)0如圖IF所示，通過(guò)MOCVD機(jī)臺(tái)于該開(kāi)孔110內(nèi)的襯底10上形成緩沖層13，該緩沖層13由多個(gè)氮化物層構(gòu)成，本實(shí)施例中，該緩沖層13可為高溫(high temperature，簡(jiǎn)
6稱(chēng)HT)氮化物層133/低溫(low temperature，簡(jiǎn)稱(chēng)LT)氮化物層132/高溫(HT)氮化物層 131，該高溫氮化物層131、133的形成溫度可為1000°C至1200°C (優(yōu)選為1030°C )，且該低溫氮化物層132的形成溫度可為700°C至900°C (優(yōu)選為800°C )，以及該緩沖層13中的氮化物層可為氮化鋁層、氮化鎵層或氮化鋁鎵層。在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例中，構(gòu)成該緩沖層的多個(gè)氮化物層的是單一材質(zhì)，例如，氮化鋁。如圖IG所示，在該緩沖層13上依序形成三層不同鋁濃度的氮化鋁鎵層，分別為底層氮化鋁鎵層141、中間層氮化鋁鎵層142與上層氮化鋁鎵層143，該底層氮化鋁鎵層141 與上層氮化鋁鎵層143的成分是固定的(fixed)，該中間層氮化鋁鎵層142在形成過(guò)程中隨厚度增加而逐漸減少鋁的比例(或相對(duì)地逐漸增加鎵的比例)，即該中間層氮化鋁鎵層142 的成分是有階的(graded)。此外，該底層氮化鋁鎵層141的鋁濃度大于中間層氮化鋁鎵層 142的鋁濃度，該中間層氮化鋁鎵層142的鋁濃度大于上層氮化鋁鎵層143的鋁濃度。具體而言，該底層氮化鋁鎵層141的成分可為Ala29Giia71N,該中間層氮化鋁鎵層142的成分可為 AlxGai_xN (該χ隨厚度增加而由0. 29逐漸減少至0. 07)，該上層氮化鋁鎵層143的成分可為 Al0.07Ga0.93N。如圖IH所示，在該低鋁濃度的上層氮化鋁鎵層143上形成氮化鎵層15。如圖II所示，在該氮化鎵層15上形成頂層氮化鋁鎵層16。本發(fā)明進(jìn)一步揭露一種具有氮化鎵層的多層結(jié)構(gòu)基板，包括襯底10;網(wǎng)狀層 111，設(shè)于該襯底10上，該網(wǎng)狀層111具有多個(gè)外露該襯底10的開(kāi)孔110 ；緩沖層13，設(shè)于該開(kāi)孔110內(nèi)的襯底10上，該緩沖層13由多個(gè)氮化物層構(gòu)成；依序形成于該緩沖層13上的三層不同鋁濃度的氮化鋁鎵層，其中，該底層氮化鋁鎵層141的鋁濃度大于中間層氮化鋁鎵層142的鋁濃度，該中間層氮化鋁鎵層142的鋁濃度大于上層氮化鋁鎵層143的鋁濃度，且該中間層氮化鋁鎵層142的鋁濃度由該底層向上逐漸遞減；以及氮化鎵層15，設(shè)于該低鋁濃度的上層氮化鋁鎵層143上。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步可包括頂層氮化鋁鎵層16，設(shè)于該氮化鎵層15上。本發(fā)明的具有氮化鎵層的多層結(jié)構(gòu)基板中，該襯底10的材質(zhì)可為硅、藍(lán)寶石、氮化鎵、氧化鋅或碳化硅，且該網(wǎng)狀層111的材質(zhì)可為氮化硅。又根據(jù)前述的多層結(jié)構(gòu)基板，該緩沖層13可為高溫氮化物層133/低溫氮化物層 132/高溫氮化物層131，該高溫氮化物層131、133的形成溫度可為1000°C至1200°C，且該低溫氮化物層132的形成溫度可為700°C至900°C，該氮化物層可為氮化鋁層、氮化鎵層、或
氮化鋁鎵層。請(qǐng)參閱圖2A與圖2B，分別為本發(fā)明的具有氮化鎵層的多層結(jié)構(gòu)基板的掃描式電子顯微鏡^canning Electron Microscope，簡(jiǎn)稱(chēng)SEM)剖視圖與光學(xué)顯微鏡(optical microscope，簡(jiǎn)稱(chēng)0M)俯視圖。如圖所示，本發(fā)明可于網(wǎng)狀層111內(nèi)的300平方微米面積的襯底10上得到厚度達(dá)2微米且無(wú)裂痕的氮化鎵層15 (在此實(shí)施例中，以氮化鋁做為緩沖層 13)；事實(shí)上，本發(fā)明還能達(dá)到厚度至少2. 2微米的氮化鎵層15。請(qǐng)參閱圖3A至3C，為本發(fā)明的具有氮化鎵層的多層結(jié)構(gòu)基板的光學(xué)顯微鏡俯視圖，其中，圖3A、3B、與3C分別是中間層氮化鋁鎵層的厚度為0、0. 3、與1. 2微米時(shí)的情況 (氮化鎵層的厚度為1微米)。因?yàn)樵撝虚g層氮化鋁鎵層能夠產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，而該壓縮應(yīng)力可用來(lái)平衡氮化鎵層與襯底所形成的拉伸應(yīng)力，所以如圖所示，隨著中間層氮化鋁鎵層的厚度增加，氮化鎵層的裂痕密度明顯減少，甚至在中間層氮化鋁鎵層的厚度為1.2微米且氮化鎵層的厚度為1微米的情況下，已經(jīng)能夠使該氮化鎵層得到無(wú)裂痕的結(jié)果。綜上所述，本發(fā)明的具有氮化鎵層的多層結(jié)構(gòu)基板的制法先在襯底上形成具有多個(gè)開(kāi)孔的網(wǎng)狀層，并于該開(kāi)孔內(nèi)的襯底上形成緩沖層，再于該緩沖層上依序形成三層不同鋁濃度的氮化鋁鎵層，最后，在該上層氮化鋁鎵層上形成氮化鎵層。該網(wǎng)狀層、三層不同鋁濃度的氮化鋁鎵層能有效釋放應(yīng)力、降低氮化鎵層表面裂痕與控制內(nèi)部缺陷，而最終可形成較大面積、較大厚度、無(wú)裂痕、且較高品質(zhì)的氮化鎵層，以有利于后續(xù)耐高崩潰電壓的電力電子元件的制作；此外，進(jìn)一步可于該氮化鎵層上再形成頂層氮化鋁鎵層，而能有利于進(jìn)一步供制作成高效能的高電子遷移率電晶體(high electron mobility transistor，簡(jiǎn)稱(chēng) HEMT)等元件。上述實(shí)施例是用以例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員均可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修改。因此本發(fā)明的權(quán)利保護(hù)范圍，應(yīng)如申請(qǐng)權(quán)利要求書(shū)所列。
權(quán)利要求
1.一種具有氮化鎵層的多層結(jié)構(gòu)基板的制法，包括 提供一襯底；在所述襯底上形成網(wǎng)狀層，所述網(wǎng)狀層具有多個(gè)外露所述襯底的開(kāi)孔； 在所述開(kāi)孔內(nèi)的襯底上形成緩沖層，所述緩沖層由多個(gè)氮化物層構(gòu)成； 在所述緩沖層上依序形成三層不同鋁濃度的氮化鋁鎵層，其中，底層氮化鋁鎵層的鋁濃度大于中間層氮化鋁鎵層的鋁濃度，所述中間層氮化鋁鎵層的鋁濃度大于上層氮化鋁鎵層的鋁濃度，且所述中間層氮化鋁鎵層在形成過(guò)程中隨厚度增加而逐漸減少鋁的比例；以及在所述上層氮化鋁鎵層上形成氮化鎵層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有氮化鎵層的多層結(jié)構(gòu)基板的制法，其中，所述襯底的材質(zhì)為硅、藍(lán)寶石、氮化鎵、氧化鋅或碳化硅，且所述網(wǎng)狀層的材質(zhì)為氮化硅。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有氮化鎵層的多層結(jié)構(gòu)基板的制法，其中，形成所述網(wǎng)狀層的方法包括在所述襯底上形成氮化硅層； 在所述氮化硅層上形成網(wǎng)狀阻層；去除未被所述網(wǎng)狀阻層覆蓋的所述氮化硅層，以形成所述網(wǎng)狀層；以及去除所述網(wǎng)狀阻層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有氮化鎵層的多層結(jié)構(gòu)基板的制法，進(jìn)一步包括在所述氮化鎵層上形成頂層氮化鋁鎵層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有氮化鎵層的多層結(jié)構(gòu)基板的制法，其中，所述緩沖層為高溫氮化物層/低溫氮化物層/高溫氮化物層，而所述高溫氮化物層的形成溫度為1000°c 至1200°c，且所述低溫氮化物層的形成溫度為700°C至900°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有氮化鎵層的多層結(jié)構(gòu)基板的制法，其中，所述氮化物層為氮化鋁層、氮化鎵層或氮化鋁鎵層。
7.一種具有氮化鎵層的多層結(jié)構(gòu)基板，包括 襯底；網(wǎng)狀層，設(shè)于所述襯底上，所述網(wǎng)狀層具有多個(gè)外露所述襯底的開(kāi)孔； 緩沖層，設(shè)于所述開(kāi)孔內(nèi)的襯底上，所述緩沖層是由多個(gè)氮化物層所構(gòu)成； 依序形成于所述緩沖層上的三層不同鋁濃度的氮化鋁鎵層，其中，底層氮化鋁鎵層的鋁濃度大于中間層的氮化鋁鎵層的鋁濃度，所述中間層氮化鋁鎵層的鋁濃度大于上層的氮化鋁鎵層的鋁濃度，且所述中間層氮化鋁鎵層的鋁濃度是由所述底層向上逐漸遞減；以及氮化鎵層，設(shè)于所述上層氮化鋁鎵層上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有氮化鎵層的多層結(jié)構(gòu)基板，進(jìn)一步包括頂層氮化鋁鎵層，設(shè)于所述氮化鎵層上。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有氮化鎵層的多層結(jié)構(gòu)基板，其中，所述襯底的材質(zhì)為硅、 藍(lán)寶石、氮化鎵、氧化鋅或碳化硅，且所述網(wǎng)狀層的材質(zhì)為氮化硅，而所述氮化物層為氮化鋁層、氮化鎵層或氮化鋁鎵層。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有氮化鎵層的多層結(jié)構(gòu)基板，其中，所述緩沖層為高溫氮化物層/低溫氮化物層/高溫氮化物層，而所述高溫氮化物層的形成溫度為1000°c至1200°C，且所述低溫氮化物層的形成溫度為700°C至900°C。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種具有氮化鎵層的多層結(jié)構(gòu)基板及其制法，先在襯底上形成具有多個(gè)開(kāi)孔的網(wǎng)狀層，并于該開(kāi)孔內(nèi)的襯底上依序形成緩沖層、三層不同鋁濃度的氮化鋁鎵層與氮化鎵層。本發(fā)明的三層不同鋁濃度的氮化鋁鎵層能有效釋放應(yīng)力、減少氮化鎵層表面裂痕并控制內(nèi)部缺陷，因此可形成較大面積、較大厚度、無(wú)裂痕且較高質(zhì)量的氮化鎵層，進(jìn)而有利于高效能電子元件的制作。本發(fā)明進(jìn)一步提供一種具有氮化鎵層的多層結(jié)構(gòu)基板。
文檔編號(hào)H01L21/02GK102456548SQ20111021295
公開(kāi)日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2011年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月25日
發(fā)明者呂榮淇, 張翼, 蕭佑霖 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人交大思源基金會(huì)