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CN113451467A - 含氮半导体元件 - Google Patents

含氮半导体元件 Download PDF

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CN113451467A
CN113451467A CN202110745691.8A CN202110745691A CN113451467A CN 113451467 A CN113451467 A CN 113451467A CN 202110745691 A CN202110745691 A CN 202110745691A CN 113451467 A CN113451467 A CN 113451467A
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China
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gallium nitride
aluminum gallium
nitride buffer
nitrogen
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方信乔
吕政学
林政宏
郑季豪
黄吉豊
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Genesis Photonics Inc
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Abstract

本发明提供了一种含氮半导体元件，其包括基板、第一氮化铝镓缓冲层、第二氮化铝镓缓冲层以及半导体堆叠层。第一氮化铝镓缓冲层设置于基板上，而第二氮化铝镓缓冲层设置于第一氮化铝镓缓冲层上。第一氮化铝镓缓冲层的化学通式为AlxGa1‑xN，其中0≦x≦1。第一氮化铝镓缓冲层掺杂有浓度超过5×1017cm‑3的氧与浓度超过5×1017cm‑3的碳的二者至少其中之一。第二氮化铝镓缓冲层的化学通式为AlyGa1‑yN，其中0≦y≦1。半导体堆叠层设置于第二氮化铝镓缓冲层上。

Description

含氮半导体元件
本发明专利申请是申请日为2017年9月19日，申请号为201710851654.9的名为“含氮半导体元件”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明是有关于一种半导体元件，且特别是有关于一种含氮半导体元件。
背景技术
在一般的半导体元件中，为了增加电子电洞结合的机率以及提高电子阻障，会在主动层与P型半导体层之间设置氮化铝铟镓(AlxInyGa1-x-yN)的含氮四元半导体层。然而，由于氮化镓材质或氮化铝镓材质的半导体层的晶格与基板的晶格差异，往往会造成半导体层的磊晶质量降低。因此，如何有效改善含氮半导体层的磊晶质量仍是急需改善的问题之一。
发明内容
本发明提供一种含氮半导体元件，其具有良好的磊晶质量。
本发明的实施例的含氮半导体元件包括基板、第一氮化铝镓(Aluminum GalliumNitride,简称AlGaN)缓冲层、第二氮化铝镓缓冲层以及半导体堆叠层。第一氮化铝镓缓冲层设置于基板上，且第一氮化铝镓缓冲层的化学通式为AlxGa1-xN，其中0≦x≦1。第一氮化铝镓缓冲层掺杂有浓度超过5×1017cm-3的氧与浓度超过浓度超过5×1017cm-3的碳的二者至少其中之一。第二氮化铝镓缓冲层设置于第一氮化铝镓缓冲层上，且第二氮化铝镓缓冲层的化学通式为AlyGa1-yN，其中0≦y≦1。半导体堆叠层设置于第二氮化铝镓缓冲层上。
在本发明的一实施例中，上述的基板的材料包括蓝宝石、硅或碳化硅。
在本发明的一实施例中，当上述的基板的材料为蓝宝石时，基板连接第一氮化铝镓缓冲层的表面为一图案化表面。当基板的材质为硅或碳化硅时，基板连接第一氮化铝镓缓冲层的表面为一平滑表面。
在本发明的一实施例中，上述的第一氮化铝镓缓冲层的厚度落在1纳米至100纳米的范围。
在本发明的一实施例中，上述的第一氮化铝镓缓冲层的化学通式中的x值大于第二氮化铝镓缓冲层的化学通式中的y值。
在本发明的一实施例中，上述的含氮半导体元件更包括第三氮化铝镓缓冲层，而第三氮化铝镓缓冲层的化学通式为AlzGa1-zN，其中0≦z≦1。第三氮化铝镓缓冲层设置于第一氮化铝镓缓冲层以及第二氮化铝镓缓冲层之间，且第一氮化铝镓缓冲层中的铝浓度大于第三氮化铝镓缓冲层中的铝浓度。
在本发明的一实施例中，上述的第三氮化铝镓缓冲层的厚度落在1纳米至100纳米的范围。
本发明的实施例的含氮半导体元件包括基板、第一氮化铝镓缓冲层、氮化镓缓冲层、第二氮化铝镓缓冲层以及半导体堆叠层。第一氮化铝镓缓冲层设置于基板上，且第一氮化铝镓缓冲层的化学通式为AlxGa1-xN，其中0≦x≦1。第一氮化铝镓缓冲层掺杂有浓度超过5×1017cm-3氧与浓度超过5×1017cm-3碳的二者至少其中之一。氮化镓缓冲层设置于第一氮化铝镓缓冲层上。第二氮化铝镓缓冲层设置于氮化镓缓冲层上，且第二氮化铝镓缓冲层的化学通式为AlyGa1-yN，其中0≦y≦1。半导体堆叠层设置于第二氮化铝镓缓冲层上。
在本发明的一实施例中，上述的当基板的材料为蓝宝石、碳化硅或硅时，基板连接第一氮化铝镓缓冲层的表面为一平滑表面。
在本发明的一实施例中，上述的第一氮化铝镓缓冲层的厚度落在1纳米至100纳米的范围。
在本发明的一实施例中，上述的氮化镓缓冲层的厚度落在100纳米至10微米的范围。
在本发明的一实施例中，上述的第二氮化铝镓缓冲层的厚度落在0.5纳米至20纳米的范围。
在本发明的一实施例中，上述的含氮半导体元件更包括第三氮化铝镓缓冲层，而第三氮化铝镓缓冲层的化学通式为AlzGa1-zN，其中0≦z≦1。第三氮化铝镓缓冲层设置于第一氮化铝镓缓冲层以及氮化镓缓冲层之间，且第一氮化铝镓缓冲层中的铝浓度高于第三氮化铝镓缓冲层中的铝浓度。
在本发明的一实施例中，上述的第三氮化铝镓缓冲层的厚度落在10纳米至5微米的范围。
在本发明的一实施例中，上述的第三氮化铝镓缓冲层中的铝浓度具有相同浓度分布。
在本发明的一实施例中，上述的第三氮化铝镓缓冲层中的铝浓度自连接第一氮化铝镓缓冲层的一侧往连接氮化镓缓冲层的一侧减少。
在本发明的一实施例中，连接上述的第三氮化铝镓缓冲层的氮化镓缓冲层的厚度落在10纳米至5微米的范围。
基于上述，本发明的实施例的含氮半导体元件因为包括有可以改善晶格结构的氮化铝镓缓冲层，因此可以改善整体的磊晶质量。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本发明的第一实施例的一种含氮半导体装置的剖面示意图。
图2是依照本发明的第二实施例的含氮半导体元件的局部剖面示意图。
图3是依照本发明的第三实施例的含氮半导体元件的局部剖面示意图。
图4是依照本发明的第四实施例的含氮半导体元件的局部剖面示意图。
符号说明
100a、100b、200a、200b：含氮半导体元件
110、210：基板
120、220：第一氮化铝镓缓冲层
130、230：第二氮化铝镓缓冲层
140、240：半导体堆叠层
150、250：第三氮化铝镓缓冲层
141：第一型掺杂半导体层
142：氮化镓层
143：能障层
144：能阱层
145：多重量子阱层
146：第二型掺杂半导体层
260：氮化镓缓冲层
具体实施方式
图1是依照本发明的第一实施例的一种含氮半导体装置的剖面示意图。请参照图1，本实施例的含氮半导体元件100a包括基板110、第一氮化铝镓缓冲层120、第二氮化铝镓缓冲层130以及半导体堆叠层140。第一氮化铝镓缓冲层120设置于基板110上，且第一氮化铝镓缓冲层120的化学通式为AlxGa1-xN，其中0≦x≦1。特别是，本实施例的第一氮化铝镓缓冲层120掺杂有浓度超过5×1017cm-3的氧与浓度超过5×1017cm-3的碳的二者至少其中之一。第二氮化铝镓缓冲层130设置于第一氮化铝镓缓冲层120上，且第二氮化铝镓缓冲层130的化学通式为AlyGa1-yN，其中0≦y≦1。半导体堆叠层140设置于第二氮化铝镓缓冲层130上。
详细来说，请再参考图1，本实施例的基板110依序透过第一氮化铝镓缓冲层120以及第二氮化铝镓缓冲层130连接半导体堆叠层140。换句话说，在本实施例的含氮半导体元件100a中，第一氮化铝镓缓冲层120配置于基板110以及第二氮化铝镓缓冲层130之间，而第二氮化铝镓缓冲层130配置于第一氮化铝镓缓冲层120以及半导体堆叠层140之间。此处，第一氮化铝镓缓冲层120的厚度落在1纳米至100纳米的范围，因此可以提供良好的应力及结构的缓冲效果。第二氮化铝镓缓冲层130例如是在高于摄氏八百度的温度条件下生长而成，但本发明不限于此，其中第一氮化铝镓缓冲层120的化学通式中的x值大于第二氮化铝镓缓冲层130的化学通式中的y值，如此一来，在磊晶成长过程中，从底部开始铝含量由下而上逐渐降低，可避免因晶格突然变化造成强大的界面应力。
再者，在本实施例中，第一氮化铝镓缓冲层120是以掺杂有浓度超过5×1017cm-3的氧作为举例说明，其中氧原子在第一氮化铝镓缓冲层120中可以取代部分氮原子的位置，藉以改变第一氮化铝镓缓冲层120的晶格常数。因此，连接基板110和第二氮化铝镓缓冲层130之间的第一氮化铝镓缓冲层120可以改善界面应力。另一方面，本实施例的第二氮化铝镓缓冲层130例如是在高温条件下生长而成，再藉由第一氮化铝镓缓冲层120的材质的晶格常数，第二氮化铝镓缓冲层130上可以形成良好的半导体堆叠层140。
换句话说，本实施例的第一氮化铝镓缓冲层120中掺杂有可以取代氮原子的掺杂物(例如是氧)，因此可以在基板110和第二氮化铝镓缓冲层130之间提供界面应力的缓冲作用。另一方面，本发明的实施例的第一氮化铝镓缓冲层120的掺杂物并不限于上述的氧，在其他实施例中的第一氮化铝镓缓冲层更可以掺杂有浓度超过5×1017cm-3的碳，亦可以是同时掺杂有浓度超过5×1017cm-3的碳和浓度超过5×1017cm-3氧等两种元素，本发明并不限于此。
请再参照图1，本发明的第一实施例的半导体堆叠层140包括第一型掺杂半导体层141、多重量子阱层145以及第二型掺杂半导体层146，其中多重量子阱层145包括多个能障层143以及能阱层144。举例来说，本实施例的第一型掺杂半导体层141包括氮化镓层142，因此依序堆叠的第一氮化铝镓缓冲层120和第二氮化铝镓缓冲层130可以减缓氮化镓层142和基板110之间的应力。
再进一步而言，本发明的实施例的基板110的材料例如是蓝宝石(sapphire)，因此第一氮化铝镓缓冲层120和第二氮化铝镓缓冲层130可以在基板110和氮化镓层142之间提供良好的缓冲作用，但本发明不限于此。在本发明的其他实施例中，基板110的材料更可以是硅(silicon)或碳化硅(silicon carbide,SiC)。
另一方面，本实施例的含氮半导体元件100a例如是发光二极管(Light EmittingDiode,LED)，因此上述的基板110的材料为蓝宝石时，基板110连接第一氮化铝镓缓冲层120的表面可为一图案化表面，进以提升出光效果。在本发明的其他实施例中，当基板110的材质例如为硅或碳化硅时，基板110连接第一氮化铝镓缓冲层120的表面可为一平滑表面。换句话说，本发明的实施例的含氮半导体元件100a中的基板110材质以及表面结构并不限于上述的基板110，在其他实施例中更可以具有适当的材质以及表面特征。
在此必须说明的是，下述实施例沿用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件，相同技术内容的说明可参考前述实施例，下述实施例不再重复赘述。
图2是依照本发明的第二实施例的含氮半导体元件的局部剖面示意图。请参照图2，在本发明的第二实施例中，含氮半导体元件100b与图1中的含氮半导体元件100a相似，差异之处在于：含氮半导体元件100b更包括一第三氮化铝镓缓冲层150，而第三氮化铝镓缓冲层150的化学通式为AlzGa1-zN，其中0≦z≦1。第三氮化铝镓缓冲层150设置于第一氮化铝镓缓冲层120以及第二氮化铝镓缓冲层130之间，且第一氮化铝镓缓冲层120中的铝浓度大于第三氮化铝镓缓冲层150中的铝浓度。因此，第三氮化铝镓缓冲层150可以再进一步缓解第一氮化铝镓缓冲层120和第二氮化铝镓缓冲层130之间的界面应力，藉以形成良好的半导体堆叠层140。换句话说，第一氮化铝镓缓冲层120和第三氮化铝镓缓冲层150在第二氮化铝镓缓冲层130以及基板110之间形成双层的缓冲结构，藉以让晶格常数不会影响到半导体堆叠层140的磊晶质量。
此处，本实施例的第三氮化铝镓缓冲层150的厚度落在1纳米至100纳米的范围，但本发明不限于此。另一方面，上述实施例的第一氮化铝镓缓冲层120例如是由物理气相沉积法(Physical Vapor Deposition,PVD)形成，第二氮化铝镓缓冲层130以及第三氮化铝镓缓冲层150例如是由有机金属化学气相沈积法(Metal-organic Chemical VaporDeposition,MOCVD)形成，但本发明不限于此。
图3是依照本发明的第三实施例的含氮半导体元件的局部剖面示意图。请参照图3，在本发明的第三实施例中，含氮半导体元件200a包括基板210、第一氮化铝镓缓冲层220、氮化镓缓冲层260以及第二氮化铝镓缓冲层230以及半导体堆叠层240。第一氮化铝镓缓冲层220设置于基板210上，且第一氮化铝镓缓冲层220的化学通式为AlxGa1-xN，其中0≦x≦1。特别是，第一氮化铝镓缓冲层220掺杂有浓度超过5×1017cm-3氧与浓度超过5×1017cm-3碳的二者至少其中之一。氮化镓缓冲层260设置于第一氮化铝镓缓冲层220上。第二氮化铝镓缓冲层230设置于氮化镓缓冲层260上，且第二氮化铝镓缓冲层230的化学通式为AlyGa1-yN，其中0≦y≦1。半导体堆叠层240设置于第二氮化铝镓缓冲层230上。
在本实施例中，第一氮化铝镓缓冲层220是以掺杂有浓度超过5×1017cm-3碳做为举例说明，其中因为第一氮化铝镓缓冲层220掺杂有碳，因此可以提供良好的缓冲能力以减缓基板210以及氮化镓缓冲层260之间的界面应力。进一步而言，碳在第一氮化铝镓缓冲层220中的掺杂浓度超过5×1017cm-3，在本发明的其他实施例中，第一氮化铝镓缓冲层220更可以是掺杂有掺杂浓度超过5×1017cm-3的氧，或者是，同时掺杂有掺杂浓度超过5×1017cm-3的氧和掺杂浓度超过5×1017cm-3的碳，本发明不限于此。另一方面，由于本实施例的含氮半导体元件200a包括氮化镓缓冲层260，因此可以应用至电力半导体元件(Power device)上，并提供具有良好磊晶质量的电力半导体元件。
此处，基板210的材料为蓝宝石，且基板210连接第一氮化铝镓缓冲层220的表面为平滑表面，但本发明不限于此。在其他实施例中，基板210的材料更可以是硅或碳化硅。此外，第一氮化铝镓缓冲层220的厚度落在1纳米至100纳米的范围，氮化镓缓冲层260的厚度落在100纳米至10微米的范围，第二氮化铝镓缓冲层230的厚度落在0.5纳米至20纳米的范围，但本发明不限于此。
图4是依照本发明的第四实施例的含氮半导体元件的局部剖面示意图。请参照图4，在本发明的第四实施例中，含氮半导体元件200b与图3中的含氮半导体元件200a相似，差异之处在于：本发明的第四实施例的含氮半导体元件200b更包括一第三氮化铝镓缓冲层250，而第三氮化铝镓缓冲层250的化学通式为AlzGa1-zN，其中0≦z≦1。第三氮化铝镓缓冲层250设置于第一氮化铝镓缓冲层220以及氮化镓缓冲层260之间，且第一氮化铝镓缓冲层220中的铝浓度高于第三氮化铝镓缓冲层250中的铝浓度。因此，第三氮化铝镓缓冲层250可以再进一步减缓整体的界面应力，以形成良好的半导体堆叠层240在第二氮化铝镓缓冲层230上。
此处，第三氮化铝镓缓冲层250的厚度落在10纳米至5微米的范围，且第三氮化铝镓缓冲层250中的铝浓度具有相同浓度分布，但本发明不限于此。在本发明的其他实施例中，第三氮化铝镓缓冲层250中的铝浓度亦可自连接第一氮化铝镓缓冲层220的一侧往连接氮化镓缓冲层260的一侧减少。
综上所述，本发明的实施例的含氮半导体元件因为包括有第一氮化铝镓缓冲层与第二氮化铝镓缓冲层，且第一氮化铝镓缓冲层掺杂有浓度超过5×1017cm-3氧或碳，可以减缓基板和半导体堆叠层之间的界面应力，因此可以改善整体的磊晶质量。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当以权利要求的为准。

Claims (7)

1.一种含氮半导体元件，包括：
一基板；
一第一氮化铝镓缓冲层，设置于该基板上，该第一氮化铝镓缓冲层的材料包括氮化铝镓基础的(AlGaN based)半导体材料，该第一氮化铝镓缓冲层掺杂有浓度超过5×1017cm-3的氧与浓度超过5×1017cm-3的碳的二者至少其中之一；
一第二氮化铝镓缓冲层，设置于该第一氮化铝镓缓冲层上，该第二氮化铝镓缓冲层的材料包括氮化铝镓基础的(AlGaN based)半导体材料；以及
一半导体堆叠层，设置于该第二氮化铝镓缓冲层上。
2.如权利要求1所述的含氮半导体元件，其特征在于，该基板的材料包括蓝宝石、硅或碳化硅。
3.如权利要求1所述的含氮半导体元件，其特征在于，当该基板的材料为蓝宝石时，该基板连接该第一氮化铝镓缓冲层的表面为一图案化表面，当该基板的材质为硅或碳化硅时，该基板连接该第一氮化铝镓缓冲层的表面为一平滑表面。
4.如权利要求1所述的含氮半导体元件，其特征在于，该第一氮化铝镓缓冲层的厚度落在1纳米至100纳米的范围。
5.如权利要求1所述的含氮半导体元件，其特征在于，该第一氮化铝镓缓冲层的化学通式中的x值大于该第二氮化铝镓缓冲层的化学通式中的y值。
6.如权利要求1所述的含氮半导体元件，其特征在于，更包括一第三氮化铝镓缓冲层，而该第三氮化铝镓缓冲层的材料包括氮化铝镓基础的(AlGaN based)半导体材料，该第三氮化铝镓缓冲层设置于该第一氮化铝镓缓冲层以及该第二氮化铝镓缓冲层之间，且该第一氮化铝镓缓冲层中的铝浓度大于该第三氮化铝镓缓冲层中的铝浓度。
7.如权利要求6所述的含氮半导体元件，其特征在于，该第三氮化铝镓缓冲层的厚度落在1纳米至100纳米的范围。
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