專利名稱：含p型三族氮化合物半導(dǎo)體的光電半導(dǎo)體元件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種含P型三族氮化合物半導(dǎo)體的光電半導(dǎo)體元件的制 造方法，尤其涉及一種活化三族氮化合物半導(dǎo)體中P型摻雜物的方法。
背景技術(shù)：
隨著發(fā)光二極管元件被廣泛應(yīng)用于不同產(chǎn)品，近年來制作藍(lán)光發(fā)光 二極管的材料，業(yè)己成為當(dāng)前光電半導(dǎo)體材料業(yè)重要的研發(fā)對象。目前藍(lán)光發(fā)光二極管的材料有硒化鋅(ZnSe)、碳化硅(SiC)和氮化銦鎵 (InGaN)等材料，這些材料都是寬能隙(band gap)的半導(dǎo)體材料，能 隙大約在2.6 eV以上。由于氮化鎵系列是直接能隙(direct gap)的發(fā)光材料，因此可以產(chǎn) 生高亮度的照明光線，且相比于同為直接能隙的硒化鋅更有壽命長的優(yōu) 點。另外，氮化鎵或其它三五族氮化合物(in-Vnitrides)材料的能隙可 由1.9eV到6.2eV，所產(chǎn)生的光線幾乎涵蓋整個可見光和紫外光波段。 氮化鎵材料不同于其它三五族氮化合物的立方體結(jié)構(gòu)(cubic),其結(jié)晶 體結(jié)構(gòu)主要是穩(wěn)定的六面體結(jié)構(gòu)。早期針對三族氮化合物或氮化鎵的研發(fā)方向，是著重于如何去形成 高質(zhì)量的氮化鎵薄膜。但由于缺乏與氮化鎵在晶格常數(shù)(lattice constant) 和膨脹系數(shù)匹配的基材材料，而且必須在極高溫度下形成薄膜，所以在 這些條件下要成長高質(zhì)量的氮化鎵晶體極為不易。S.Yoshida等人于1983年以藍(lán)寶石(sapphire)為基材，先以高溫成 長一層氮化鋁(A1N)為緩沖層，接著在上面成長氮化鎵膜層，如此才 得到質(zhì)量比較好的晶體。后來I. Akasa與H. Amano等人在1986年，首 先利用有機(jī)金屬氣相沉積法(MOCVD)來成長氮化鎵膜層，其是在低 溫成長一氮化鋁作為緩沖層，接著同樣在高溫下形成氮化鎵膜層。氮化鎵材料本身比較偏向于N型材料，I. Akasaki等人于1989年首先以有機(jī)金屬CP2Mg作為鎂摻雜源以利成長P型的氮化鎵，再將成長好 的氮化鎵膜層經(jīng)過低能量電子束照射(low energy electron beam irradiation)使鎂原子活化，進(jìn)而獲得P型的氮化鎵，如此就能形成P-N 接面結(jié)構(gòu)的氮化鎵二極管。相關(guān)電子束活化氮化鎵膜層的技術(shù)，并已被 豐田合成(Toyota Gosei Co.)后來申請為美國第5,281,830號專利。同年，日本的日亞化學(xué)公司(Nichia Chemical Industries)的S. Nakamura投入氮化鎵材料的研究，先以二流式MOCVD反應(yīng)器成長氮 化鎵膜層，并且在氮化鎵外延技術(shù)上作了兩項重大改變。第一項是他舍 棄了以鋁化鎵為緩沖層，而改用低溫成長的氮化鎵作為緩沖層。第二是 以熱退火(thermal annealing)處理去取代低能量電子束照射來活化所摻 雜的鎂，其發(fā)現(xiàn)只要熱退火溫度在70(TC以上便可使鎂原子被活化，即 可產(chǎn)生P-N接面結(jié)構(gòu)的氮化鎵二極管，這一活化氮化鎵膜層的技術(shù)已被 日亞化學(xué)公司申請為美國第5,306,662號專利。上述兩種活化所摻雜的鎂的方法均存在著許多缺點豐田合成是以 低能量電子束產(chǎn)生P型氮化鎵，因此不符合量產(chǎn)的設(shè)備成本和產(chǎn)出效率 上的需求。日亞化學(xué)雖然不需要新增設(shè)備，但需要將外延后的基材再次 升溫至60(TC到120(TC之間，如圖l所示，溫度至600。C時電阻值由1 x 105 Q-cm降至接近1 x 102 Q-cm。因此不僅增加升溫和降溫的步驟而使 過程復(fù)雜且費(fèi)時，同時外延層也會因升至高溫而造成破壞，意即降低發(fā) 光二極管的發(fā)光質(zhì)量。綜上所述，市場上需要一種可簡化過程和確保質(zhì) 量穩(wěn)定的光電半導(dǎo)體元件制造方法，以改善上述常規(guī)過程的各種缺點。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要目的是提供一種含P型三族氮化合物半導(dǎo)體的光電半 導(dǎo)體元件的制造方法，其是在外延過程結(jié)束的降溫過程完成摻雜的活化 步驟，可有效簡化過程和確保外延層的晶格穩(wěn)定。本發(fā)明的另一目的是提供一種低壓條件下活化三族氮化合物半導(dǎo)體 中P型摻雜物的方法，相比于常規(guī)技術(shù)在常壓環(huán)境下實施活化步驟，本 發(fā)明可更容易得到質(zhì)量良好的P型三族氮化合物半導(dǎo)體層。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種含P型三族氮化合物半導(dǎo)體的光電半導(dǎo)體元件的制造方法，其是先使用包含P型摻雜物的反應(yīng)氣體在一基材上成長三族氮化合物半導(dǎo)體。再將反應(yīng)室降溫至700到85(TC之間， 并通入氮氣或惰性氣體而排除所述反應(yīng)室內(nèi)氨和氫，同時控制所述反應(yīng) 室內(nèi)壓力降至低于常壓。持續(xù)所述氮氣或惰性氣體的通入時間至殘留的 氨和氫排除，然后使所述反應(yīng)室內(nèi)溫度下降到室溫再取出所述基材。所述反應(yīng)氣體是包含鎂(Mg)、鋅(Zn)、鎘(Cd)或鈹(Be)的P 型摻雜物。所述反應(yīng)室內(nèi)壓力是降至20 Kpa到80 Kpa之間。


圖1是常規(guī)P型氮化鎵的回火溫度相對于電阻值的曲線圖； 圖2是一含P型三族氮化合物半導(dǎo)體的光電半導(dǎo)體元件的結(jié)構(gòu)示意 圖；以及圖3是本發(fā)明活化三族氮化合物半導(dǎo)體中P型摻雜物的流程圖。 膽機(jī)討圖2是一含P型三族氮化合物半導(dǎo)體的光電半導(dǎo)體元件的結(jié)構(gòu)圖。 一般而言，制作所述發(fā)光二極管20是先提供一基材21，例如藍(lán)寶石(意 即鋁氧化合物A1203)，并在所述基材21上形成不同的材料層。因為基 材21與三族氮化合物的晶格常數(shù)不匹配，因此需要在基材21上先形成 至少一緩沖層22，例如氮化鋁(A1N)或氮化鎵(GaN)。然后在緩沖層 22上成長一 N型半導(dǎo)體材料層23，可以利用外延方式產(chǎn)生N型氮化鎵 摻雜硅薄膜以作為N型半導(dǎo)體材料層23。然后在N型半導(dǎo)體材料層23 上成長多層量子井結(jié)構(gòu)的主動層24，例如五層氮化銦鎵(InGaN) /氮化 鎵(GaN)多層量子井結(jié)構(gòu)，所述主動層24為發(fā)光二極管20主要產(chǎn)生 光線的部分。最后在主動層24上形成至少一P型半導(dǎo)體材料層25，所 述P型半導(dǎo)體材料層25可以為摻雜鎂的氮化鎵、摻雜鎂的氮化鎵與氮化 銦鎵的迭層或慘雜鎂的氮化鋁鎵(Al。.15Ga。.85N ) /氮化鎵超晶格 (Superlattice)結(jié)構(gòu)加上摻雜鎂的氮化鎵等不同結(jié)構(gòu)。由P型半導(dǎo)體材料層25中P型摻雜物(例如鎂、鋅、鎘或鈹)與氫之間有鍵結(jié)，因此需要使所述鍵結(jié)斷裂并且讓氫逸出，如此才能使得P 型摻雜物在三族氮化合物半導(dǎo)體材料中被活化而真正成為P型的摻質(zhì)。圖3是本發(fā)明活化三族氮化合物半導(dǎo)體中P型摻雜物的流程圖。如 步驟31所示，先使用包含P型摻雜物的反應(yīng)氣體在一基材上成長三族氮 化合物半導(dǎo)體，例如以包含鎂的反應(yīng)氣體在基材上形成一層具有鎂摻雜 物的氮化鎵。一般長成P型氮化鎵反應(yīng)室的溫度約在850到1200。C之間， 內(nèi)部壓力約設(shè)在一大氣壓左右。在三族氮化合物半導(dǎo)體形成后，將反應(yīng) 室降溫至700到85(TC之間，并通入氮氣或惰性氣體而使所述反應(yīng)室內(nèi) 氨和氫被推出，同時控制所述反應(yīng)室內(nèi)壓力降至低于常壓，約在20Kpa 到80Kpa之間，如步驟32和33所示。持續(xù)足夠的時間(約1到20分 鐘)待反應(yīng)室內(nèi)殘留的氨和氫被排除后，然后依照步驟34的指示使所述 反應(yīng)室內(nèi)溫度下降到室溫再取出所述基材。很明顯本發(fā)明是在外延過程結(jié)束的降溫過程完成摻雜的活化步驟， 因此不需增加升溫和降溫的回火過程就能實現(xiàn)相同活化P型摻雜物的目 的，而且主動層24的晶格也避免在額外升溫和降溫過程中發(fā)生變化。本 發(fā)明的應(yīng)用不限于例示的發(fā)光二極管，相關(guān)光電半導(dǎo)體元件均可被本發(fā) 明所涵蓋，例如激光二極管(laser diode)和光傳感器(photosensor)等。本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容和技術(shù)特點已揭示如上，然而所屬領(lǐng)域的技術(shù)人 員仍可能基于本發(fā)明的教導(dǎo)和揭示而作種種不背離本發(fā)明精神的替換和 修飾。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于實施例所揭示的內(nèi)容，其包括各 種不背離本發(fā)明的替換和修飾。
權(quán)利要求
1.一種含P型三族氮化合物半導(dǎo)體的光電半導(dǎo)體元件的制造方法，其特征在于，包含下列步驟使用包含P型摻雜物的反應(yīng)氣體在一基材上成長至少一三族氮化合物半導(dǎo)體；將容置所述基材的反應(yīng)室由控制所述三族氮化合物半導(dǎo)體長成的溫度降至700到850℃之間；以及通入氮氣或惰性氣體而排除所述反應(yīng)室內(nèi)的氨和氫。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含P型三族氮化合物半導(dǎo)體的光電半導(dǎo)體元件 的制造方法，其特征在于，進(jìn)一步包含一控制所述反應(yīng)室內(nèi)壓力降 至低于常壓的步驟。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的含P型三族氮化合物半導(dǎo)體的光電半導(dǎo)體元件 的制造方法，其特征在于，所述反應(yīng)室內(nèi)壓力是降至20Kpa到80Kpa 之間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含P型三族氮化合物半導(dǎo)體的光電半導(dǎo)體元件 的制造方法，其特征在于，持續(xù)所述氮氣或惰性氣體的通入時間至 殘留的所述氨和氫被排除。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的含P型三族氮化合物半導(dǎo)體的光電半導(dǎo)體元件 的制造方法，其特征在于，所述通入時間為1到20分鐘之間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含P型三族氮化合物半導(dǎo)體的光電半導(dǎo)體元件 的制造方法，其特征在于，所述P型摻雜物是鎂、鋅、鎘或鈹。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含P型三族氮化合物半導(dǎo)體的光電半導(dǎo)體元件 的制造方法，其特征在于，所述三族氮化合物半導(dǎo)體是氮化銦鎵、 氮化鎵或氮化鋁鎵。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含P型三族氮化合物半導(dǎo)體的光電半導(dǎo)體元件 的制造方法，其特征在于，所述基材是藍(lán)寶石。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含P型三族氮化合物半導(dǎo)體的光電半導(dǎo)體的制 造方法，其特征在于，進(jìn)一步包含一自所述反應(yīng)室再取出所述基材 的步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含P型三族氮化合物半導(dǎo)體的光電半導(dǎo)體元件 的制造方法，其特征在于，進(jìn)一步包含一將所述反應(yīng)室內(nèi)溫度下降 到室溫的步驟。
全文摘要
一種含P型三族氮化合物半導(dǎo)體的光電半導(dǎo)體元件的制造方法，其是先使用包含P型摻雜物的反應(yīng)氣體在一基材上成長三族氮化合物半導(dǎo)體。再將反應(yīng)室降溫至700到850℃之間，并通入氮氣或惰性氣體而使所述反應(yīng)室內(nèi)氨和氫被排出，同時控制所述反應(yīng)室內(nèi)壓力降至20到80KPa之間。持續(xù)足夠的時間待殘留的氨和氫被排除，然后使所述反應(yīng)室內(nèi)溫度下降到室溫再取出所述基材。
文檔編號H01L21/02GK101325230SQ20071011084
公開日2008年12月17日 申請日期2007年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月12日
發(fā)明者葉穎超, 徐智鵬, 涂博閔, 詹世雄, 黃世晟 申請人:先進(jìn)開發(fā)光電股份有限公司