专利名称：氮化镓半导体元件和发光二极管的制作方法
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4支术
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IO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緩沖层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上形成緩沖体(buffer body)32，并随后如图3B所示，在基板30与緩沖体32上成长一緩沖层34; 其中，緩沖体32的材料选自二氧化硅(Si02)或氮化硅(SiNx)，緩冲层材料为 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 覆盖緩冲体32的基板30表面开始成长，待緩沖层34的厚度大于緩冲体32 的高度时緩沖层34会转为横向外延，使得緩冲层34晶格中的位错弯曲，进 而减少位错向上延伸至緩沖层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； 一第一緩沖层，位于该富含金属的氮 化物薄膜上；以及一半导体叠层，位于该緩沖层上，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。
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为已知具有氮化硅緩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 緩冲层24位错
26 半导体叠层30基板
32 缓沖体34緩冲层
536半导体叠层40基板
42富含金属的氮化物薄膜44第一緩冲层
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第二緩沖层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第二緩沖层
具体实施例方式
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)通入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上形成一第一緩冲层44,其中，第一緩冲层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，第一緩冲层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，待第一緩沖层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，同时第一緩沖 层44中的因晶格常数不匹配而产生的位错亦随着第一緩沖层44外延成长的 方向由垂直向上转变为向水平方向延伸。之后再于第一緩沖层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，再于第二緩冲层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仅覆盖部分第二缓沖层 48的上表面，随后，再于富含金属的氮化物薄膜42与第二緩沖层46上形成 一第一緩沖层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緩沖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^: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沖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(GaNUVLED)。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； 一第一緩沖层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,位于第一緩沖层上，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，其中具有一棵露第一导电型 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棵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，还可包含一第二緩冲层， 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。
权利要求
1、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。
2、 如权利要求1所述的氮化镓半导体元件，其中该半导体叠层包含 一第一导电型半导体层，位于该第一緩沖层上；一有源层，位于该第一导电型半导体层上；以及 一第二导电型半导体层，位于该有源层上。
3、 如权利要求1所述的氮化镓半导体元件，其中该富含金属的氮化物 薄膜选自氮化镁硅、氮化锌硅、氮化镁锗与氮化锌锗系列材料所构成的组。
4、 如权利要求1所述的氮化镓半导体元件，其中该富含金属的氮化物 薄膜的金属成分为非金属成分的二倍以上。
5、 如权利要求1所述的氮化镓半导体元件，其中该富含金属的氮化物 薄膜位不连续的薄膜结构、多岛状结构或多不连续区块。
6、 如权利要求1所述的氮化镓半导体元件，其中还包含一第二緩冲层， 位于该富含金属的氮化物薄膜与该基板之间。
7、 如权利要求1所述的氮化镓半导体元件，还包含至少一电极，位于 该半导体叠层上。
8、 一种发光二极管，包含 一基板；一富含金属的氮化物薄膜，位于该基板上； 一第一緩冲层，位于该富含金属的氮化物薄膜上； 一第一发光叠层，位于第一緩冲层上；以及至少一电极，.位于该发光叠层上，其中该富含金属的氮化物薄膜仅覆盖 该第一緩沖层的部分上表面。
9、 如权利要求8所述的发光二极管，其中该发光叠层还包含 一第一导电型半导体层，位于该第一緩沖层上；一发光层，位于该第一导电型半导体层上；以及一第二导电型半导体层，位于该发光层上。
10、 如权利要求8所述的发光二极管，其中该富含金属的氮化物薄膜中 金属成分含量是非金属成分含量的二倍以上。
11、 如权利要求8所述的发光二极管，其中该富含金属的氮化物薄膜选 自氮化镁硅、氮化锌硅、氮化镁锗与氮化锌锗系列材料所构成的组。
12、 如权利要求8所述的发光二极管，其中该富含金属的氮化物薄膜为 不连续的薄膜结构、多岛状结构或多不连续区块。
13、 如权利要求8所述的发光二极管，还包含一第二缓冲层位于该基板 与该富含金属的氮化物薄膜之间。
14、 一种氮化镓半导体元件，至少包含 一基板；一氮化镁硅薄膜，位于该基板上； 一第一緩沖层，位于该氮化镁硅薄膜上；以及一半导体叠层，位于该缓沖层上，其中该氮化镁硅薄膜仅覆盖该基板的 部分上表面。
15、 如权利要求14所述的氮化镓半导体元件，其中该半导体叠层包含 一第一导电型半导体层，位于该第一緩沖层上；一有源层，位于该第一导电型半导体层上；以及 一第二导电型半导体层，位于该有源层上。
16、 如权利要求14所述的氮化镓半导体元件，其中该氮化镁硅薄膜中 镁含量是硅含量的二倍以上。
17、 如权利要求14所述的氮化镓半导体元件，其中该氮化镁硅薄膜为 不连续的薄膜结构、多岛状结构或多不连续区块。
18、 如权利要求14所述的氮化镓半导体元件，其中还包含一第二緩冲 层，位于该氮化镁硅薄膜与该基板之间。
全文摘要
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几率，以提高氮化镓半导体元件的可靠度。
文档编号H01L33/00GK101562156SQ200810092628
公开日2009年10月21日 申请日期2008年4月16日 优先权日2008年4月16日
发明者林义杰, 蔡吉明, 许育宾, 郭政达 申请人:晶元光电股份有限公司