CN102136414B - 减少半导体外延位错发生的氮化镓半导体结构及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明披露了一种氮化镓半导体元件和发光二极管。在一基板上形成有一富含金属的氮化物薄膜，随后在富含金属的氮化物薄膜上形成有一缓冲层以及一半导体叠层；其中，富含金属的氮化物薄膜仅覆盖基板的部分上表面。通过富含金属的氮化物薄膜为非晶结构的特性，使得缓冲层外延成长方向由向上成长转变为水平成长，使缓冲层中的晶格位错亦随着外延成长方向弯曲，由此降低位错延伸至半导体叠层的机率，以提高氮化镓半导体元件的可靠度。
Description
本申请是申请日为2008年4月16日、申请号为200810092628.3、发明名称为“氮化镓半导体元件和发光二极管”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明提供一种氮化镓半导体元件和发光二极管，特别涉及一种利用富含金属的氮化物薄膜以增加半导体元件的外延品质的结构。
背景技术
近年来，半导体材料被广泛地应用于电子元件、集成电路与固态照明领域等；然而，如图1所示，半导体元件100往往容易因为基板10与半导体叠层12的晶格常数(lattice constant)不匹配，造成半导体材料在外延过程中发生晶格错位而产生位错(dislocation)14的情形；这种晶格缺陷容易影响半导体材料的电学性质，降低半导体元件的稳定度。
为了解决上述问题，如图2所示，已知技术大多在半导体元件200的基板20上加入一晶格常数与基板较为匹配的缓冲层22，由此降低晶格错位的情形发生，然而仍然会有部分位错24延伸至半导体叠层26。
此外，如图3A所示，亦有已知技术在基板30上形成缓冲体(bufferbody)32，并随后如图3B所示，在基板30与缓冲体32上成长一缓冲层34；其中，缓冲体32的材料选自二氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiNx)，缓冲层材料为半导体材料。由于上述的二氧化硅与氮化硅为非晶结构，半导体材料无法在上述材料上外延成长，因此，缓冲层34如图3A的箭号a的方向所示，由未覆盖缓冲体32的基板30表面开始成长，待缓冲层34的厚度大于缓冲体32的高度时缓冲层34会转为横向外延，使得缓冲层34晶格中的位错弯曲，进而减少位错向上延伸至缓冲层34上的半导体叠层结构36的机率。
虽然上述的先前技术皆能减少外延结构的晶格缺陷发生，然而仍有少数位错会向上延伸，进而影响半导体元件的电学性质与可靠度；为了解决上述问题，本发明便提出一种氮化镓半导体结构，以改善氮化镓半导体的外延品质。
发明内容
本发明的目的为提供一具有富含金属的氮化物薄膜的氮化镓半导体结构，用以改善氮化镓半导体的外延品质。
本发明的另一目的为提供一具有富含金属的氮化物薄膜的氮化镓半导体结构，利用富含金属的氮化物薄膜减少半导体外延位错发生，由此提高半导体元件的可靠度。
本发明的再一目的为提供一具有富含金属的氮化物薄膜的发光二极管结构，通过富含金属的氮化物薄膜减少发光叠层中位错向上延伸的情形，由此提高发光二极管的发光效率。
根据本发明，提供了一种氮化镓半导体元件，至少包含：一基板；一富含金属的氮化物薄膜，位于该基板上；一第一缓冲层，位于该富含金属的氮化物薄膜上；以及一半导体叠层，位于该缓冲层上，其中该富含金属的氮化物薄膜仅覆盖该基板的部分上表面。
附图说明
图1为已知的半导体元件结构示意图。
图2为另一已知的半导体元件结构示意图。
图3A至图3B为又一已知的半导体元件结构示意图。
图4A至图4C为本发明实施例的流程示意图。
图4D为本发明另一实施例的结构示意图。
图5A为已知具有氮化硅缓冲体的半导体元件表面放大图。
图5B为本发明实施例的表面放大图。
图6A为本发明又一实施例的结构示意图。
图6B为本发明再一实施例的结构示意图。
附图标记说明
100 半导体元件 10 基板
12 半导体叠层 14 位错
200 半导体元件 20 基板
22 缓冲层 24 位错
26 半导体叠层 30 基板
32 缓冲体 34 缓冲层
36 半导体叠层 40 基板
42 富含金属的氮化物薄膜 44 第一缓冲层
46 半导体叠层 460 第一导电型半导体层
462 有源层 464 第二导电型半导体层
48 第二缓冲层 400 氮化镓半导体元件
600 发光二极管 60 基板
62 富含金属的氮化物薄膜 64 第一缓冲层
66 发光叠层 660 第一导电型半导体层
662 发光层 664 第二导电型半导体层
68 第一电极 70 第二电极
72 第二缓冲层
具体实施方式
本发明披露一种氮化镓半导体。为了使本发明的叙述更加详尽与完备，可参照下列描述并配合图4A至图6B的图示。
图4A至图4C为一种氮化镓半导体元件400的制造流程示意图。如图4A所示，提供一基板40，此基板40的材料可以是蓝宝石(sapphire)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、氧化锌(ZnO)、氮化镓(GaN)、金属或透明材料等；接着利用已知的化学气相沉积法(CVD)通Cp2Mg、SiH4与NH3气体，以成长一富含金属的氮化物薄膜42于此基板40上；其中富含金属的氮化物薄膜42未完全覆盖基板40，且覆盖率约小于60%，优选地，富含金属的氮化物薄膜为一不连续的薄膜结构，例如形成多个区块或多岛状结构。
此外，此富含金属的氮化物薄膜42的材料选自氮化镁硅(MgSiN)、氮化锌硅(ZnSiN)、氮化镁锗(MgGeN)与氮化锌锗(ZnGeN)系列材料等，而且其中金属成分为非金属成分的两倍以上。
随后，如图4B所示，再利用化学气相沉积法，在基板40与富含金属的氮化物薄膜42上形成一第一缓冲层44，其中，第一缓冲层44的材料为氮化镓或氮化铝；由于富含金属的氮化物薄膜42为非晶(amorphous)结构，半导体材料无法在富含金属的氮化物薄膜42上外延成长，因此，第一缓冲层44的成长方向如第4B图中的箭号b所示，由未被富含金属的氮化物薄膜42覆盖的基板40上向上成长，待第一缓冲层44的厚度大于富含金属的氮化物薄膜42的厚度后，第一缓冲层44开始转为水平方向外延成长，同时第一缓冲层44中的因晶格常数不匹配而产生的位错亦随着第一缓冲层44外延成长的方向由垂直向上转变为向水平方向延伸。之后再于第一缓冲层44上形成一半导体叠层46，以形成一氮化镓半导体元件400，其中半导体叠层46的材料为氮化镓系列材料，此外，半导体叠层46由下而上至少包含一第一导电型半导体层460、一有源层462以及一第二导电型半导体层464。
此外，亦可如图4D所示，在基板40上利用化学气相沉积法先成长一第二缓冲层48，其材料为氮化镓或氮化铝，再于第二缓冲层48上形成一富含金属的氮化物薄膜42，此富含金属的氮化物薄膜42仅覆盖部分第二缓冲层48的上表面，随后，再于富含金属的氮化物薄膜42与第二缓冲层46上形成一第一缓冲层44，由此加强阻止半导体晶格缺陷向上延伸的效果。
图5A为以光学显微镜观察已知以氮化硅作为缓冲体所制成氮化镓半导体元件表面的500倍放大图，而图5B为本发明以氮化镁硅作为富含金属的氮化物薄膜材料的氮化镓半导体元件表面500倍放大图；由比较图5A与图5B可发现，图5B中半导体元件的表面缺陷比图5A的半导体元件少；由此可知，以富含金属的氮化物薄膜取代氮化硅缓冲体能有效地减少外延缺陷产生，提高外延品质。
此外，本发明亦可广泛地应用于元件效率与外延品质攸关的半导体元件，例如发光二极管(Light Emitting Diode,LED)上，尤其是对于外延品质要求严格的氮化镓紫外光发光二极管(GaN UV LED)。图6A为本发明另一实施例的结构示意图，如图6A所示，一发光二极管600包含一基板60，基板60的材料可以是蓝宝石(sapphire)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、氧化锌(ZnO)、氮化镓(GaN)、金属或透明材料等；一富含金属的氮化物薄膜62于基板60上，未完全覆盖基板60，其覆盖率约小于60%，其中富含金属的氮化物薄膜62优选地为氮化镁硅，其结构优选地为一不连续的薄膜结构，例如形成多个区块或多岛状结构；一第一缓冲层64，位于基板60与氮化镁硅薄膜62上，其材料为氮化镓或氮化铝；一发光叠层66，位于第一缓冲层上，此发光叠层66的材料为氮化镓系列材料，由下而上至少包含一第一导电型半导体层660、一发光层662以及一第二导电型半导体层664，其中具有一裸露第一导电型半导体层660的表面；以及，一第一电极68与一第二电极70在分别位于第一导电型半导体层660裸露的表面与第二导电型半导体层664上表面。
其中，此富含金属的氮化物薄膜62的材料选自氮化镁硅(MgSiN)、氮化锌硅(ZnSiN)、氮化镁锗(MgGeN)与氮化锌锗(ZnGeN)系列材料等，而且当中金属成分为非金属成分的两倍以上。
此外，发光二极管600，亦可如图6B所示，还可包含一第二缓冲层，形成于富含金属的氮化物薄膜62与基板60之间，其材料可以是氮化镓或氮化铝，用以减少外延位错向上延伸的情形，由此改善发光二极管600的外延品质。
以上所述的实施例仅为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使本领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以之限定本发明的专利范围，即大凡依本发明所揭示的精神所作的等同变化或修饰，仍应涵盖在本发明的专利范围内。
Claims (9)
1.一种减少半导体外延位错发生的方法，包含：
提供基板；
形成金属的氮化物薄膜于该基板上；
形成位错于该基板上；及
改变该位错的延伸方向，使该位错的延伸方向由垂直向上转变为向水平方向延伸。
2.如权利要求1所述的减少半导体外延位错发生的方法，还包含：
形成半导体材料于该基板及该金属的氮化物薄膜上；
其中该位错是形成于该半导体材料中。
3.如权利要求1所述的减少半导体外延位错发生的方法，其中该金属的氮化物薄膜未完全覆盖该基板。
4.如权利要求1所述的减少半导体外延位错发生的方法，其中该金属的氮化物薄膜为不连续的薄膜结构。
5.如权利要求1所述的减少半导体外延位错发生的方法，其中该金属的氮化物薄膜的材料是选自氮化镁硅、氮化锌硅、氮化镁锗及氮化锌锗所构成的组。
6.如权利要求1所述的减少半导体外延位错发生的方法，其中该金属的氮化物薄膜包含金属成分及非金属成分，且该金属成分为该非金属成分的两倍以上。
7.如权利要求1所述的减少半导体外延位错发生的方法，其中该金属的氮化物薄膜为非晶结构。
8.如权利要求1所述的减少半导体外延位错发生的方法，其中该位错的延伸方向改变是发生在该金属的氮化物薄膜上方。
9.一种氮化镓半导体结构，包含：
至少一个金属的氮化物薄膜，其中该金属的氮化物薄膜为非晶结构；及
至少一个位错形成于该至少一个金属的氮化物薄膜之外，并且该位错的延伸方向在该至少一个金属的氮化物薄膜上方发生改变。
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