专利名称：半导体结构与制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体结构与制造方法，特别涉及一种m-plane氮化镓磊晶层的结构与制造方法。
背景技术：
以氮化镓为基的装置，特别是发光二极管(LEDs)，对能源效益以及环境保护具有强大的推动力。近来，发光二极管是制造在氮化镓磊晶层之上，特别是在c-plane蓝宝石基板上。在经济市场上，由于低成本与大规模的晶圆供应以及c-plane蓝宝石基板的可取得性，以氮化镓为基的发光二极管具有量产的潜能。由于受限量子斯塔克效应(quantum-confined stark effect, QCSE),主要的极性c-plane氮化镓嘉晶层会受到偏极化的内部电场所影响。如此,将造成量子井(quantumwell)内电子和电洞的波函数分离以及造成发光效率的减少。另一方面，以非极性氮化镓为基的发光二极管已被证实其优于经由受限量子斯塔克效应所制造的以c-plane氮化镓为基的发光二极管。非极性氮化镓嘉晶层可在m-plane碳化娃、a-plane碳化娃、Y偏招酸锂以及m-plane蓝宝石上成长。惟晶格不匹配(latticemismatch)以及热膨胀系数的关系，非极性氮化镓经由X光摇摆曲线(X_ray rockingcurve, XRC)测量,其结晶质量往往超过500角秒(arcsec)。为改善上述问题,将非极性氮化镓成形在a-plane蓝宝石或r-plane蓝宝石上,并已证明其X光摇摆曲线(X-ray rocking curve,XRC)的半峰全幅值(full width at half·maximum, FffHM)为约400角秒。然而，方均根(root-mean square, rms)表面粗糙度将大于I纳米。根据现今的制造需求，方均根表面粗糙度须小于±0. 5纳米。有鉴于此，本发明提供一种半导体结构与制造方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种半导体结构。半导体结构包含有一 c-plane蓝宝石基板、一纳米结构以及一 m-plane (10-10)氮化镓嘉晶层。纳米结构形成在c-plane蓝宝石基板上，m-plane (10-10)氮化镓嘉晶层形成在c-plane蓝宝石基板的纳米结构上。其中，纳米结构为完全覆盖c-plane蓝宝石基板的表面。此外,纳米结构为一具有n-plane (11-23)表面的锯齿状结构。锯齿状结构的间距介于50纳米至350纳米之间。此外，c-plane蓝宝石基板具有一结晶面(crystal surface),结晶面相对于c轴方向具有一介于-5度至+5度的倾斜角。m-plane (10-10)氮化镓嘉晶层利用一低压金属有机化学气相沉积制程(metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD),以形成在c-plane蓝宝石基板的纳米结构上。本发明的另一目的在于提供一种半导体结构的制造方法。半导体结构的制造方法包含有下列步骤(SI)备制一 C-plane蓝宝石基板；(S2)在c-plane蓝宝石基板上形成一纳米结构；(S3)在c-plane蓝宝石基板的纳米结构上形成一 m-plane (10-10)氮化镓嘉晶层。其中，纳米结构为完全覆盖C-plane蓝宝石基板的表面。此外,纳米结构为一具有n-plane (11-23)表面的锯齿状结构。锯齿状结构的间距介于50纳米至350纳米之间。此外，c-plane蓝宝石基板具有一结晶面,结晶面相对于c轴方向具有一介于-5度至+5度的倾斜角。m-plane (10-10)氮化镓嘉晶层利用一低压金属有机化学气相沉积制程，以形成在c-plane蓝宝石基板的纳米结构上。相较于现有技术，本发明所提供的半导体结构与制作方法其X光摇摆曲线(X-rayrocking curve, XRC)的半峰全幅值(full width at half maximum, FWHM)为 316 角秒(arcsec)。此外,本发明所提供的半导体结构与制作方法的方均根(root-mean square,rms)表面粗糙度为O. 3纳米，亦满足于现今方均根表面粗糙度须小于±0. 5纳米的制造需求。关于本发明的优点与精神可以藉由以下的发明详述及所附图得到进一步的了解。
图I为绘示根据本发明的一具体实施例的半导体结构的剖面图。图2A为绘示根据本发明的一具体实施例的半导体结构的纳米结构的剖面图。图2B为绘示根据本发明的一具体实施例的半导体结构的纳米结构的立体图。图3A为绘示根据本发明的一具体实施例的半导体结构的m-plane氮化镓磊晶层形成在c-plane蓝宝石基板的纳米结构上的示意图。图3B为绘示根据本发明的一具体实施例的半导体结构的m-plane氮化镓磊晶层形成在c-plane蓝宝石基板的纳米结构上的示意图。图3C为绘示根据本发明的一具体实施例的半导体结构的m-plane氮化镓磊晶层形成在c-plane蓝宝石基板的纳米结构上的示意图。图4A为绘示根据本发明的一具体实施例的半导体结构的氮化镓磊晶层的X光绕射结果。图4B为绘示根据本发明的一具体实施例的半导体结构的氮化镓磊晶层的X光摇摆曲线。图5A为绘示根据本发明的一具体实施例的半导体结构的m-plain氮化镓磊晶层形成在c-plane蓝宝石基板的纳米结构上与c-plain氮化镓嘉晶层形成在c-plane蓝宝石基板上的光子激发光的比较图。图5B为绘示根据本发明的一具体实施例的半导体结构的m-plain氮化镓磊晶层形成在c-plane蓝宝石基板的纳米结构上与c-plain氮化镓嘉晶层形成在c-plane蓝宝石基板上的时间解析光子激发光的比较图。图6为绘示根据本发明的一具体实施例的半导体结构的制作方法的流程图。主要组件符号说明I :半导体结构10 c-plane蓝宝石基板11 :纳米结构12 :m-plain氮化镓嘉晶层SI S3 :步骤流程
具体实施例方式预先说明的是，在本说明书内容中，数字前的「_」符号，等同于「_」位于该数字之上。举例来说，说明书中，(10-10)内的「-1」，即等同于「i」。亦即是说，(10-10)即等同于(1010)。请参见图1，图I为绘示根据本发明的一具体实施例的半导体结构的剖面图。如图所示，本发明提供一种半导体结构I，包含有一 C-plane蓝宝石基板10、一纳米结构11以及一 m-plane (10-10)氮化镓嘉晶层12。纳米结构11形成在c-plane蓝宝石基板10上。m-plane (10-10)氮化镓嘉晶层12形成在c-plane蓝宝石基板10的纳米结构11上。c-plane蓝宝石基板10具有一结晶面(crystal surface),结晶面相对于c轴方向具有一介于-5度至+5度的倾斜角。此外，在实践中，c-plane蓝宝石基板的大小约两时。
请参见图2A以及图2B。图2A为绘示根据本发明的一具体实施例的半导体结构的纳米结构的剖面图。图2B为绘示根据本发明的一具体实施例的半导体结构的纳米结构的立体图。如图所示，纳米结构11形成在c-plane蓝宝石基板10上。其中，纳米结构11为完全覆盖c-plane蓝宝石基板10的表面。此外，纳米结构11为一具有n-plane (11-23)表面的锯齿状结构，锯齿状结构的间距介于50纳米至350纳米之间。在实践中，c-plane蓝宝石基板10为利用一感应耦合电浆反应式离子蚀刻法(inductively coupied plasma-reactive ion etching, ICP-RIE),使纳米结构 11 形成在c-plane蓝宝石基板10上。此外,c-plane蓝宝石基板10利用感应稱合电衆反应式离子蚀刻法以形成纳米结构11，其过程须耗时约二十分钟，直到纳米结构11须完全覆盖c-plane蓝宝石基板10的表面为止。请参见图3A、图3B以及图3C。图3A、图3B以及图3C为绘示根据本发明的一具体实施例的半导体结构的m-plane氮化镓嘉晶层形成在c-plane蓝宝石基板的纳米结构上的示意图。如图所示,m-plane (10-10)氮化镓嘉晶层12形成在c-plane蓝宝石基板10的纳米结构11上。在实践中m-plane (10-10)氮化镓嘉晶层12利用一低压金属有机化学气相沉积制程(metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD)，以形成在 c-plane 蓝宝石基板10的纳米结构11上。此外，m-plane (10-10)氮化镓磊晶层12经由二阶段成形。在530°C时以及1050°C时，藉由低压金属有机化学气相沉积制程，会形成30nm厚的氮化镓核结晶层(nucleationlayer,NL)以及2. 5 μ m厚的未掺杂氮化镓缓冲层。最后,m-plane (10_10)氮化镓嘉晶层12会对应地形成在c-plane蓝宝石基板10的纳米结构11上。最后，以原子力显微镜(atomicforce microscopy,AFM)扫猫氮化镓嘉晶层125X5 μ m2的表面,氮化镓嘉晶层12的方均根表面粗糖度(rms surface roughness)为 0. 3nm。请参见图4A以及图4B。图4A为绘示根据本发明的一具体实施例的半导体结构的氮化镓磊晶层的X光绕射结果。图4B为绘示根据本发明的一具体实施例的半导体结构的氮化镓磊晶层的X光摇摆曲线。如图4A所示，2. 5 μ m的氮化镓磊晶层12经由X光绕射(X_raydiffraction，XRD)，其峰值座落于32. 3° ,41. 7° ,67. 7°，分别对应于氮化镓(10-10)平面、蓝宝石(0006)平面以及氮化镓(20-20)平面。此外，如图4B所示，氮化镓(10-10)平面的垂直入射角的X光摇摆曲线(X-ray rocking curve,XRC)的半峰全幅值(full widthat half maximum, FWHM)为 316 角秒。
请参见图5A以及图5B。图5A为绘示根据本发明的一具体实施例的半导体结构的m-plain氮化镓嘉晶层形成在c-plane蓝宝石基板的纳米结构上与c-plain氮化镓嘉晶层形成在c-plane蓝宝石基板上的光子激发光的比较图。图5B为绘示根据本发明的一具体实施例的半导体结构的m-plain氮化镓嘉晶层形成在c-plane蓝宝石基板的纳米结构上与c-plain氮化镓嘉晶层形成在c-plane蓝宝石基板上的时间解析光子激发光的比较图。在实践中，此实施环境为在室温下，以一 266nm飞秒脉冲波所量测。其中，脉冲波强度为一掺钛蓝宝石激光的三倍。请再参见图5A,曲线A为m-plain氮化镓嘉晶层对应于不同波长时,光子激发光的强度值。曲线B为c-plain氮化镓磊晶层对应于不同波长时，光子激发光的强度值。如图所示，m-plain氮化镓磊晶层光子激发光的强度峰值为c-plain氮化镓磊晶层光子激发光的I. 7倍。此外，在波长范围350 390nm内个别累计两曲线的强度值，曲线A光子激发光的效率为曲线B的2. 5倍。
请再参见图5B,曲线A为m-plain氮化镓嘉晶层对应于不同时间，光子激发光的强度对数值。曲线B为c-plain氮化镓磊晶层对应于不同时间，光子激发光的强度对数值。曲线C为仪器响应。如图所示，曲线A的光子激发光的生命周期大于曲线B。由此观之，形成在c-plane蓝宝石基板的纳米结构上的m-plain氮化镓嘉晶层质量十分良好。请参见图6，图6为绘示根据本发明的一具体实施例的半导体结构的制作方法的流程图。如图所示，半导体结构的制造方法包含有下列步骤(S1)备制一 C-plane蓝宝石基板；(S2)在c-plane蓝宝石基板上形成一纳米结构；(S3)在c-plane蓝宝石基板的纳米结构上形成一 m-plane (10-10)氮化镓嘉晶层。首先,在步骤(SI)中，备制一 c-plane蓝宝石基板。c-plane蓝宝石基板的大小约两时。其中，c-plane蓝宝石基板具有一结晶面,结晶面相对在c轴方向具有一介于-5度至+5度的倾斜角。接着,在步骤(S2)中，在c-plane蓝宝石基板上形成一纳米结构。纳米结构为一具有n-plane (11-23)表面的锯齿状结构。其中，锯齿状结构的间距介于50纳米至350纳米之间。在实践中，c-plane蓝宝石基板利用一感应稱合电衆反应式离子蚀刻法,使纳米结构形成在c-plane蓝宝石基板上。此外,c-plane蓝宝石基板利用感应稱合电衆反应式离子蚀刻法以形成纳米结构，其过程须耗时约二十分钟，直到纳米结构须完全覆盖c-plane蓝宝石基板的表面为止。接着，在步骤(S3)中，在c-plane蓝宝石基板的纳米结构上形成一m-plane (10-10)氮化镓嘉晶层。m-plane (10-10)氮化镓嘉晶层为利用一低压金属有机化学气相沉积制程，以形成在c-plane蓝宝石基板的纳米结构上。关于半导体结构的制造方法中提及的c-plane蓝宝石基板、纳米结构、m-plane (10-10)氮化镓嘉晶层以及其详细内容皆相似于前述半导体结构的c-plane蓝宝石基板10、纳米结构11、m-plane (10-10)氮化镓嘉晶层12,故在此不予以赘述。相较于现有技术，将非极性氮化镓成形在a-plane蓝宝石或r-plane蓝宝石上，其X光摇摆曲线的半峰全幅值为约400角秒。其方均根表面粗糙度将大于I纳米。根据现今的制造需求，方均根表面粗糙度须小于±0.5纳米。本发明所提供的半导体结构与制造方法其X光摇摆曲线的半峰全幅值为316角秒。此外，其方均根表面粗糙度为O. 3纳米，亦满足于现今的方均根表面粗糙度须小于±0. 5纳米的制造需求。藉由以上较佳具体实施例的详述，为希望能更加清楚描述本发明的特征与精神， 而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。
权利要求
1.一种半导体结构，其特征在于，包含有 一 c-plane蓝宝石基板； 一纳米结构形成在该c-plane蓝宝石基板上；以及 一 m-plane (10-10)氮化镓嘉晶层形成在该c-plane蓝宝石基板的该纳米结构上。
2.如权利要求I所述的半导体结构，其中该纳米结构为完全覆盖该c-plane蓝宝石基板的表面。
3.如权利要求2所述的半导体结构，其中该纳米结构为一具有n-plane(ll-23)表面的锯齿状结构。
4.如权利要求3所述的半导体结构，其中该锯齿状结构的间距介于50纳米至350纳米之间。
5.如权利要求I所述的半导体结构，其中该m-plane(10-10)氮化镓磊晶层利用一低压金属有机化学气相沉积制程(MOCVD)以形成在该c-plane蓝宝石基板的该纳米结构上。
6.如权利要求I所述的半导体结构，其中该c-plane蓝宝石基板具有一结晶面(Crystal Surface),该结晶面相对于c轴方向具有一介于_5度至+5度的倾斜角。
7.一种半导体结构制作方法，其特征在于，其包含有以下步骤 (51)备制一c-plane蓝宝石基板； (52)在该c-plane蓝宝石基板上形成一纳米结构；以及 (53)在该c-plane蓝宝石基板的该纳米结构上形成一m-plane (10-10)氮化镓嘉晶层。
8.如权利要求7所述的半导体结构制作方法，其中该纳米结构为完全覆盖该c-plane蓝宝石基板的表面。
9.如权利要求8所述的半导体结构制作方法，其中该纳米结构为一具有n-plane (11-23)表面的锯齿状结构。
10.如权利要求9所述的半导体结构制作方法，其中该锯齿状结构的间距介于50纳米至350纳米之间。
11.如权利要求7所述的半导体结构制作方法，其中该m-plane(10-10)氮化镓磊晶层利用一低压金属有机化学气相沉积制程(MOCVD)以形成在该c-plane蓝宝石基板的该纳米结构上。
12.如权利要求7所述的半导体结构制作方法，其中该c-plane蓝宝石基板具有一结晶面(Crystal Surface),该结晶面相对于c轴方向具有一介于_5度至+5度的倾斜角。
全文摘要
本发明提供一种半导体结构，其包含有一c-plane蓝宝石基板、一纳米结构以及一m-plane氮化镓磊晶层。纳米结构形成在c-plane蓝宝石基板上。m-plane氮化镓磊晶层形成在c-plane蓝宝石基板的纳米结构上。其中，本发明半导体结构的X光摇摆曲线的半峰全幅值为316角秒。此外，本发明半导体结构的方均根表面粗糙度为0.3纳米，满足于今日方均根表面粗糙度须小于±0.5纳米的制造需求。
文档编号H01L33/48GK102931315SQ20111022753
公开日2013年2月13日 申请日期2011年8月9日 优先权日2011年8月9日
发明者叶哲良 申请人:叶哲良