专利名称：三族氮化物垂直柱阵列衬底的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种三五族半导体衬底，尤其涉及一种三族氮化物垂直柱阵列(vertical-rod array)衬底。
背景技术：
近年来发光二极管(LED)和激光器(LD)广泛地被应用在市场上，例如以氮化镓(GaN)制成的蓝光与黄色荧光粉组合可以获得白光，不只是在亮度上或用电量方面皆比之前的传统泡光源亮且省电，可以大幅降低用电量。此外，发光二极管的寿命约在数万小时以上，寿命比传统灯泡长。
从红光、绿光、蓝光到紫外光的发光二极管在目前市面上主要的器件大多数的产品是由氮化镓系列的化合物为主，但由于氧化铝衬底(sapphire)本身与氮化镓的晶格常数(lattice constant)、热膨胀系数及化学性质的差异，所以在异质衬底(例如是硅衬底、碳化硅衬底或是氧化铝衬底)上生长的氮化镓层会有许多的线缺陷、位错，且这些位错会随着生长的氮化镓层的厚度增加而延伸，也就是形成穿透位错。而此类缺陷影响紫外光的发光二极管及氮化镓系列的激光器性能和使用寿命。
为了降低穿透位错，常规发展出多种衬底结构。图1绘示为常规一种三族氮化物衬底的剖面简图。请参照图1，衬底100上有一层GaN缓冲层102，而GaN缓冲层102上配置多个阻障图案104，由阻障图案104之间所裸露的GaN缓冲层上生长半导体层106，也就是GaN外延层，并包覆阻障图案104。此种衬底结构是利用阻障图案截断部份位错，以使位于阻障图案之上的部份GaN外延层不会产生穿透位错。然而，这样生长的GaN外延层仍具有严重的区域性位错现象，也就是在没有阻障图案104位置上的GaN外延层具有分布较为密集的位错产生。
图2绘示为常规另一种三族氮化物衬底的剖面简图。请参照图2，在衬底200上形成缓冲层202与晶种层204，之后在衬底200中形成穿透缓冲层202与晶种层204的沟槽206，也就是将缓冲层202与晶种层204图案化成条状结构。利用异质结构的选择性侧向生长法，称之为PE(Pendeo-epitaxy)，使GaN外延层只在条形晶种层204的侧壁上悬空侧向生长，然后覆盖在条状的晶种层204上，用以阻止部份垂直方向的穿透位错。与图1所述的衬底结构所生长的GaN外延层相似，上述悬空生长的GaN外延层同样具有区域性穿透位错的问题，也就是穿透位错现象密集于某些区域产生。而并非是生长出无位错现象的GaN外延层。
由于使用上述两衬底结构所生长的三族氮化物外延层中都有穿透位错的问题，因此所生长的三族氮化物外延层的厚度受限于位错现象，都小于20微米。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三族氮化物垂直柱阵列衬底，可以提供一个位错均匀的半导体层生长环境。
本发明的再一目的是提供一种三族氮化物垂直柱阵列衬底，可提供一结构弱化点，有助于半导体层与衬底相互分离。
本发明提出一种三族氮化物垂直柱阵列衬底，此三族氮化物垂直柱阵列衬底包括衬底、缓冲层与垂直柱阵列层。其中，缓冲层位于衬底上方，且垂直柱阵列层位于缓冲层上，而垂直柱阵列层是由多个立于缓冲层上的垂直柱组成。
依照本发明一实施例的三族氮化物垂直柱阵列衬底所述，其中每一垂直柱的材料包括三族氮化物，例如氮化镓。
依照本发明一实施例的三族氮化物垂直柱阵列衬底所述，其中缓冲层是一复合层。而复合层的材料包括氮化硅/三族氮化物。又此缓冲层的厚度约为1～60纳米。
依照本发明一实施例的三族氮化物垂直柱阵列衬底所述，其中缓冲层的材料包括氮化硅。而缓冲层的厚度约小于10纳米。
依照本发明一实施例的三族氮化物垂直柱阵列衬底所述，其中每一该些垂直柱的截面直径约为60～150纳米。
依照本发明一实施例的三族氮化物垂直柱阵列衬底所述，还包括三族氮化物层位于垂直柱阵列层上。
依照本发明一实施例的三族氮化物垂直柱阵列衬底所述，其中垂直柱阵列层的厚度约为10纳米～5微米。
依照本发明一实施例的三族氮化物垂直柱阵列衬底所述，其中垂直柱阵列层中垂直柱的分布密度约在109～1012/cm2之间。
本发明另提出一种三族氮化物垂直柱阵列衬底。此三族氮化物垂直柱阵列衬底包括衬底、垂直柱阵列层与氮化镓半导体层。其中，垂直柱阵列层位于衬底上，且垂直柱阵列层是由多个单晶性垂直柱组成。又氮化镓半导体层位于垂直柱阵列层上。
依照本发明一实施例的三族氮化物垂直柱阵列衬底所述，其中还包括氮化硅缓冲层位于该衬底与该垂直柱阵列层之间。又，氮化硅缓冲层的厚度约小于10纳米。此外，氮化硅缓冲层与垂直柱阵列层之间还包括次缓冲层。此次缓冲层的厚度约为1～50纳米，而次缓冲层的材料包括三族氮化物。
依照本发明一实施例的三族氮化物垂直柱阵列衬底所述，其中每一垂直柱的材料包括三族氮化物，例如氮化镓。
依照本发明一实施例的三族氮化物垂直柱阵列衬底所述，其中垂直柱阵列层的厚度约为10纳米～5微米。
依照本发明一实施例的三族氮化物垂直柱阵列衬底所述，其中垂直柱阵列层中垂直柱的分布密度约在109/cm2～1012/cm2之间。
依照本发明一实施例的三族氮化物垂直柱阵列衬底所述，其中每一垂直柱的截面直径约为60～150纳米。
在本发明中，藉由缓冲层的表面提供的晶粒排列，因此在缓冲层上可生长垂直衬底表面的垂直柱，且每一垂直柱具有高单晶性，而其中无位错现象。而在之后在垂直柱阵列层上形成半导体层时，由于垂直柱阵列层的表面提供无位错现象的外延环境，因此在垂直柱阵列层上外延形成的半导体层具有极低的位错密度，且所形成的半导体层的厚度较大。此外，藉由垂直柱状层作为结构上的弱化点，半导体层可以轻易的经由垂直柱状层与衬底相互剥离。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。
图1绘示为常规一种三族氮化物衬底的剖面简图。
图2绘示为常规另一种三族氮化物衬底的剖面简图。
图3A绘示为根据本发明一实施例的三族氮化物垂直柱阵列衬底的剖面简图。
图3B绘示为根据本发明另一实施例的三族氮化物垂直柱阵列衬底的剖面简图。
图4绘示为根据本发明一实施例的三族氮化物垂直柱阵列衬底中一垂直柱的剖面简图。
简单符号说明100、200、300衬底102、202、302缓冲层104阻障图案204晶种层206沟槽106、208、308半导体层302a主缓冲层304次缓冲层306垂直柱阵列层306a垂直柱具体实施方式
图3A绘示为根据本发明一实施例的三族氮化物垂直柱阵列衬底的剖面简图。
请参照图3A，本发明的三族氮化物垂直柱阵列衬底包括衬底300、缓冲层302、垂直柱阵列层306与半导体层308。其中衬底300的材料例如是硅、碳化硅或是氧化铝。而缓冲层302则位于衬底300上，且缓冲层302的材料包括氮化物，例如是氮化硅或是三族氮化硅，例如铟氮化硅。缓冲层302的厚度约小于10纳米。
另外，缓冲层302也可以具有复合层结构，也就是缓冲层302还可以是以主缓冲层302a与位于主缓冲层302a上的次缓冲层304组成的复合层结构(如图3B所示)。请参照图3B，主缓冲层302a的材料包括氮化物，例如是氮化硅或是三族氮化硅，例如铟氮化硅。而次缓冲层304的材料包括三族氮化物。其中三族元素包括铝、镓、铟、铊。优选地，上述次缓冲层304的材料为氮化铟。而缓冲层302a与次缓冲层304可以组合成复合层结构的缓冲层。也就是图3B所绘示的本发明的另一实施例的三族氮化物垂直柱阵列衬底具有复合层结构的缓冲层302时，本发明的此具有复合层结构的缓冲层302可以是氮化硅/三族氮化物复合层。另外，上述图3B中的缓冲层302a的厚度约小于10纳米，且上述次缓冲层304的厚度约为1～50纳米。换句话说，如图3B所示，当缓冲层具有主缓冲层302a与次缓冲层304的复合层结构时，缓冲层302(复合层结构的缓冲层)的厚度约为1～60纳米。
再者，上述的垂直柱阵列层306则位于上述的缓冲层302上方，且垂直柱阵列层306是由多个立于衬底300上方的垂直柱306a组成。每一垂直柱的材料例如是三族氮化物。而优选地，垂直柱的材料例如是氮化镓。又，垂直柱阵列层306的厚度约为10纳米～5微米。值得注意的是，垂直柱阵列层306中垂直柱306a在衬底300上方的分布密度约在109/cm2～1012/cm2之间。
另外，请参照图4，图4绘示为根据本发明一实施例的三族氮化物垂直柱阵列衬底中一垂直柱的剖面简图，其中单一垂直柱306a的截面直径d约为60～150纳米。值得注意的是，每一垂直柱306a具有高单晶性，且无位错(dislocation)现象产生。
再者，本发明的三族氮化物垂直柱阵列衬底，还包括半导体层308，此半导体层308的厚度约大于20微米。半导体层308的材料包括三族氮化物，优选的是氮化镓。此半导体层308也即是外延层，可作为后续形成三族氮化物器件的基底。
藉由缓冲层或是复合层结构缓冲层的表面提供的晶粒排列，因此可在缓冲层上形成一根根垂直衬底表面的垂直柱，且每一垂直柱具有高单晶性，而其中无位错现象。而在之后在垂直柱阵列层上形成半导体层时，由于垂直柱阵列层的表面提供无位错现象的外延环境，因此在垂直柱阵列层上外延形成的半导体层具有分布均匀的位错。
另外，由于本发明的三族氮化物垂直柱阵列衬底，在衬底与半导体层之间具有垂直柱阵列层的结构，因此垂直柱阵列层可以作为异质晶格之间应力释出点，所以在垂直柱状层上所形成的半导体层的厚度较大。此外，藉由垂直柱状层作为结构上的弱化点，半导体层可以轻易地经由垂直柱状层与衬底相互剥离。
虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，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，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。
权利要求
1.一种三族氮化物垂直柱阵列衬底，包括衬底；缓冲层，位于该衬底上方；以及垂直柱阵列层，位于该缓冲层上，其中该垂直柱阵列层是由多个立于该缓冲层上的垂直柱组成。
2.如权利要求1所述的三族氮化物垂直柱阵列衬底，其中每一该些垂直柱的材料包括三族氮化物。
3.如权利要求1所述的三族氮化物垂直柱阵列衬底，其中每一该些垂直柱的材料包括氮化镓。
4.如权利要求1所述的三族氮化物垂直柱阵列衬底，其中该缓冲层是复合层。
5.如权利要求4所述的三族氮化物垂直柱阵列衬底，其中该复合层的材料包括氮化硅/三族氮化物。
6.如权利要求4所述的三族氮化物垂直柱阵列衬底，其中该缓冲层的厚度约为1～60纳米。
7.如权利要求1所述的三族氮化物垂直柱阵列衬底，其中该缓冲层的材料包括氮化硅。
8.如权利要求7所述的三族氮化物垂直柱阵列衬底，其中该缓冲层的厚度约小于10纳米。
9.如权利要求1所述的三族氮化物垂直柱阵列衬底，其中每一该些垂直柱的截面直径约为60～150纳米。
10.如权利要求1所述的三族氮化物垂直柱阵列衬底还包括位于该垂直柱阵列层上的三族氮化物层。
11.如权利要求1所述的三族氮化物垂直柱阵列衬底，其中该垂直柱阵列层的厚度约为10纳米～5微米。
12.如权利要求1所述的三族氮化物垂直柱阵列衬底，其中该垂直柱阵列层中该些垂直柱的分布密度约在109/cm2～1012/cm2之间。
13.一种三族氮化物垂直柱阵列衬底，包括衬底；垂直柱阵列层，位于该衬底上，其中该垂直柱阵列层是由多个单晶性垂直柱组成；以及氮化镓半导体层，位于该垂直柱阵列层上。
14.如权利要求13所述的三族氮化物垂直柱阵列衬底，还包括位于该衬底与该垂直柱阵列层之间的氮化硅缓冲层。
15.如权利要求14所述的三族氮化物垂直柱阵列衬底，其中该氮化硅缓冲层的厚度约小于10纳米。
16.如权利要求14所述的三族氮化物垂直柱阵列衬底，其中该氮化硅缓冲层与该垂直柱阵列层之间还包括次缓冲层。
17.如权利要求16所述的三族氮化物垂直柱阵列衬底，其中该次缓冲层的厚度约为1～50纳米。
18.如权利要求16所述的三族氮化物垂直柱阵列衬底，其中该次缓冲层的材料包括三族氮化物。
19.如权利要求13所述的三族氮化物垂直柱阵列衬底，其中每一该些垂直柱的材料包括三族氮化物。
20.如权利要求13所述的三族氮化物垂直柱阵列衬底，其中每一该些垂直柱的材料包括氮化镓。
21.如权利要求13所述的三族氮化物垂直柱阵列衬底，其中该垂直柱阵列层的厚度约为10纳米～5微米。
22.如权利要求13所述的三族氮化物垂直柱阵列衬底，其中该垂直柱阵列层中该些垂直柱的分布密度约在109/cm2～1012/cm2之间。
23.如权利要求13所述的三族氮化物垂直柱阵列衬底，其中每一该些垂直柱的截面直径约为60～150纳米。
全文摘要
一种三族氮化物垂直柱阵列衬底，此三族氮化物垂直柱阵列衬底包括衬底、缓冲层与垂直柱阵列层。其中，缓冲层位于衬底上方，且垂直柱阵列层位于缓冲层上，而垂直柱阵列层是由多个立于缓冲层上的垂直柱组成。
文档编号H01S5/00GK101093867SQ20061009376
公开日2007年12月26日 申请日期2006年6月19日 优先权日2006年6月19日
发明者赖志铭, 刘文岳, 蔡政达, 许荣宗, 果尚志, 沈昌宏, 林弘伟 申请人:财团法人工业技术研究院