專利名稱：具有氮化鎵層的多層結構基板及其制法的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有氮化鎵層的多層結構基板及其制法，尤其涉及一種具有厚度較厚且面積較大的氮化鎵層的多層結構基板及其制法。
背景技術：
近年來，以硅為主的電力電子(power electronics)元件大幅應用于電動車市場， 舉例來說，制作成電動車內(nèi)的電壓轉換器(converter)或反相器(inverter)等元件。然而，受硅本身的材料特性所限，若要進一步提升電力電子元件的效能，則勢必要尋找其它的替代材料。氮化鎵(GaN)不僅本身具有比硅更優(yōu)越的物理性質，且還可通過在硅襯底上生長以降低其生產(chǎn)成本，所以目前氮化鎵被視為極具應用于電動車的電力電子元件的潛力的材料之一。不過，以往在硅襯底上生長氮化鎵層時，常常由于嚴重的拉伸應力造成氮化鎵層出現(xiàn)裂痕而不利于后續(xù)應用，且該裂痕問題隨著氮化鎵層的厚度增加或面積增大而更加嚴重，使得難以生長厚度較厚的氮化鎵層；另外，受氮化鎵層與硅襯底之間的晶格常數(shù)不匹配所限，而容易在氮化鎵層中形成過多的缺陷。上述兩項因素均使得應用氮化鎵的電子元件的效能無法進一步提升，具體而言，厚度較薄與缺陷密度較高的氮化鎵層將導致其所制成的電子元件的漏電流效應，并限制了電子元件的直流特性及耐高崩潰電壓特性等等。Shuo Jia 等人在 2005 年 3 月的 IEEE Electron Device Letters 第 26 卷第 3 期中公開的"AlGaN-GaN HEMTs on Patterned Silicon (111) Substrate”中，揭露了一種外延結構，其先通過蝕刻方式在硅襯底上形成網(wǎng)狀溝槽，進而構成多個矩形硅凸塊，再于各硅凸塊上形成氮化鎵層，但是最終僅能在極小面積(30平方微米)內(nèi)形成厚度1. 5微米的氮化鎵層。此外，C.-H.Chen等人在2005年的 Journal of Applied Physics第98卷中公開的 "Stress relaxation in the GaN/AIN multilayers grown on a mesh-patterned Si(111) substrate”中，其先在硅(111)襯底上形成氮化硅網(wǎng)狀層，再于該硅(111)襯底上形成氮化
鎵層/氮化鋁層/氮化鎵層/氮化鋁層/氮化鎵層/氮化鋁層，但是，其最外表面的氮化鎵層的厚度僅有1微米。再者，A. Dadgar等人在2001年的phys. stat. sol.第188卷第1期中公開的 "Crack-Free InGaN/GaN Light Emitters on Si (111) ” 中，其先在硅(111)襯底上形成圖案化的氮化硅層，并于該硅(111)襯底上形成15對氮化鋁鎵層/氮化鎵層，最后再形成氮化鎵層，雖然最終的氮化鎵層的厚度有3. 6微米，然而該氮化鎵層只能形成100微米見方的面積大小。所以，上述現(xiàn)有技術均有氮化鎵層的厚度不足或面積過小等缺點，進而不利于將氮化鎵層應用于電力電子元件中。因此，鑒于上述問題，如何在襯底上形成厚度較厚、面積夠大、且無裂痕的氮化鎵層，以提供后續(xù)電子元件的制作，實已成為目前亟待解決的課題。
發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明揭露一種具有氮化鎵層的多層結構基板的制法，包括提供一襯底；于該襯底上形成網(wǎng)狀層，該網(wǎng)狀層具有多個外露該襯底的開孔；于該開孔內(nèi)的襯底上形成緩沖層，該緩沖層是由多個氮化物層所構成；于該緩沖層上依序形成三層不同鋁濃度的氮化鋁鎵層，其中，該底層氮化鋁鎵層的鋁濃度大于中間層氮化鋁鎵層的鋁濃度，該中間層氮化鋁鎵層的鋁濃度大于上層氮化鋁鎵層的鋁濃度，且該中間層氮化鋁鎵層在形成過程中隨厚度增加而逐漸減少鋁的比例；以及于該上層氮化鋁鎵層上形成氮化鎵層。依上述多層結構基板的制法，該網(wǎng)狀層的材質可為氮化硅，且形成該網(wǎng)狀層的方法可包括在該襯底上形成氮化硅層；在該氮化硅層上形成網(wǎng)狀阻層；去除未被該網(wǎng)狀阻層覆蓋的該氮化硅層，以形成該網(wǎng)狀層；以及去除該網(wǎng)狀阻層。依上述制法，進一步可包括于該氮化鎵層上形成頂層的氮化鋁鎵層。又依上述制法，該襯底的材質可為硅、藍寶石、氮化鎵、氧化鋅或碳化硅，且該氮化物層可為氮化鋁層、氮化鎵層或氮化鋁鎵層。依上述多層結構基板的制法，該緩沖層可為高溫氮化物層/低溫氮化物層/高溫氮化物層，該高溫氮化物層的形成溫度可為1000°c至1200°C，且該低溫氮化物層的形成溫度可為700°C至900°C。本發(fā)明進一步揭露一種具有氮化鎵層的多層結構基板，包括襯底；網(wǎng)狀層，設于該襯底上，該網(wǎng)狀層具有多個外露該襯底的開孔；緩沖層，設于該開孔內(nèi)的襯底上，該緩沖層由多個氮化物層構成；依序形成于該緩沖層上的三層不同鋁濃度的氮化鋁鎵層的鋁濃度，其中，該底層氮化鋁鎵層的鋁濃度大于中間層氮化鋁鎵層的鋁濃度，該中間層氮化鋁鎵層的鋁濃度大于上層氮化鋁鎵層的鋁濃度，且該中間層氮化鋁鎵層的鋁濃度是由該底層向上逐漸遞減；以及氮化鎵層，設于該上層氮化鋁鎵層上。依上述結構，進一步可包括頂層氮化鋁鎵層，設于該氮化鎵層上。又根據(jù)上述結構，該襯底的材質可為硅、藍寶石、氮化鎵、氧化鋅或碳化硅，該網(wǎng)狀層的材質可為氮化硅，且該氮化物層可為氮化鋁層、氮化鎵層或氮化鋁鎵層。根據(jù)上述多層結構基板，該緩沖層可為高溫氮化物層/低溫氮化物層/高溫氮化物層，該高溫氮化物層的形成溫度可為1000°c至1200°C，且該低溫氮化物層的形成溫度可為 700°C至 900"C。由上可知，本發(fā)明的具有氮化鎵層的多層結構基板的制法先在襯底上形成具有多個開孔的網(wǎng)狀層，并在該開孔內(nèi)的襯底上依序形成緩沖層、三層不同鋁濃度的氮化鋁鎵層， 再在該上層氮化鋁鎵層上形成氮化鎵層。該三層不同鋁濃度的氮化鋁鎵層能有效釋放應力、降低氮化鎵層表面裂痕、并控制內(nèi)部缺陷，因而可形成較大面積、較大厚度、無裂痕、且較高質量的氮化鎵層，故相比于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的具有氮化鎵層的多層結構基板有利于后續(xù)耐高崩潰電壓的電力電子元件的制作。
圖IA至圖II為本發(fā)明的具有氮化鎵層的多層結構基板的制法的剖視圖，其中，圖 1E，是圖IE的俯視圖；圖2A與圖2B分別為本發(fā)明的具有氮化鎵層的多層結構基板的掃描式電子顯微鏡剖視圖與光學顯微鏡俯視圖；以及圖3A至圖3C圖為不同厚度之中的鋁濃度的氮化鋁鎵層的本發(fā)明的具有氮化鎵層的多層結構基板的光學顯微鏡俯視圖。主要元件符號說明10襯底11氮化硅層111網(wǎng)狀層110開孔12網(wǎng)狀阻層13緩沖層131、133 高溫氮化物層132低溫氮化物層141底層氮化鋁鎵層142中間層氮化鋁鎵層143上層氮化鋁鎵層15氮化鎵層16頂層的氮化鋁鎵層
具體實施例方式以下通過特定的具體實施例說明本發(fā)明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭示的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其它優(yōu)點及功效。請參閱圖IA至II，為本發(fā)明的具有氮化鎵層的多層結構基板的制法的剖視圖，其中，圖1E’圖是圖IE的俯視圖。如圖IA所示，提供一襯底10，該襯底10的材質可為硅、藍寶石、氮化鎵、氧化鋅或碳化硅，且該襯底10優(yōu)選為晶格面(111)的硅襯底。如圖IB所示，通過PECVD機臺于該襯底10上形成例如300納米厚度的氮化硅 (SixNy)層 IL如圖IC所示，在該氮化硅層11上形成網(wǎng)狀阻層12。如圖ID所示，去除未被該網(wǎng)狀阻層12覆蓋的該氮化硅層11，以形成網(wǎng)狀層111， 該網(wǎng)狀層111具有多個外露該襯底10的開孔110。如圖IE與1E’所示，去除該網(wǎng)狀阻層12，在本實施例中，該網(wǎng)狀層111的開孔110 呈方形網(wǎng)格，當然，該網(wǎng)狀層111的開孔110也可呈其它形狀的網(wǎng)格，而不以方形網(wǎng)格為限； 且該網(wǎng)狀層111的開孔110優(yōu)選是邊長為300或至1000微米的方形，至此即完成圖案化襯底(patterned substrate)0如圖IF所示，通過MOCVD機臺于該開孔110內(nèi)的襯底10上形成緩沖層13，該緩沖層13由多個氮化物層構成，本實施例中，該緩沖層13可為高溫(high temperature，簡
6稱HT)氮化物層133/低溫(low temperature，簡稱LT)氮化物層132/高溫(HT)氮化物層 131，該高溫氮化物層131、133的形成溫度可為1000°C至1200°C (優(yōu)選為1030°C )，且該低溫氮化物層132的形成溫度可為700°C至900°C (優(yōu)選為800°C )，以及該緩沖層13中的氮化物層可為氮化鋁層、氮化鎵層或氮化鋁鎵層。在本發(fā)明的一個具體實施例中，構成該緩沖層的多個氮化物層的是單一材質，例如，氮化鋁。如圖IG所示，在該緩沖層13上依序形成三層不同鋁濃度的氮化鋁鎵層，分別為底層氮化鋁鎵層141、中間層氮化鋁鎵層142與上層氮化鋁鎵層143，該底層氮化鋁鎵層141 與上層氮化鋁鎵層143的成分是固定的(fixed)，該中間層氮化鋁鎵層142在形成過程中隨厚度增加而逐漸減少鋁的比例(或相對地逐漸增加鎵的比例)，即該中間層氮化鋁鎵層142 的成分是有階的(graded)。此外，該底層氮化鋁鎵層141的鋁濃度大于中間層氮化鋁鎵層 142的鋁濃度，該中間層氮化鋁鎵層142的鋁濃度大于上層氮化鋁鎵層143的鋁濃度。具體而言，該底層氮化鋁鎵層141的成分可為Ala29Giia71N,該中間層氮化鋁鎵層142的成分可為 AlxGai_xN (該χ隨厚度增加而由0. 29逐漸減少至0. 07)，該上層氮化鋁鎵層143的成分可為 Al0.07Ga0.93N。如圖IH所示，在該低鋁濃度的上層氮化鋁鎵層143上形成氮化鎵層15。如圖II所示，在該氮化鎵層15上形成頂層氮化鋁鎵層16。本發(fā)明進一步揭露一種具有氮化鎵層的多層結構基板，包括襯底10;網(wǎng)狀層 111，設于該襯底10上，該網(wǎng)狀層111具有多個外露該襯底10的開孔110 ；緩沖層13，設于該開孔110內(nèi)的襯底10上，該緩沖層13由多個氮化物層構成；依序形成于該緩沖層13上的三層不同鋁濃度的氮化鋁鎵層，其中，該底層氮化鋁鎵層141的鋁濃度大于中間層氮化鋁鎵層142的鋁濃度，該中間層氮化鋁鎵層142的鋁濃度大于上層氮化鋁鎵層143的鋁濃度，且該中間層氮化鋁鎵層142的鋁濃度由該底層向上逐漸遞減；以及氮化鎵層15，設于該低鋁濃度的上層氮化鋁鎵層143上。根據(jù)上述結構，進一步可包括頂層氮化鋁鎵層16，設于該氮化鎵層15上。本發(fā)明的具有氮化鎵層的多層結構基板中，該襯底10的材質可為硅、藍寶石、氮化鎵、氧化鋅或碳化硅，且該網(wǎng)狀層111的材質可為氮化硅。又根據(jù)前述的多層結構基板，該緩沖層13可為高溫氮化物層133/低溫氮化物層 132/高溫氮化物層131，該高溫氮化物層131、133的形成溫度可為1000°C至1200°C，且該低溫氮化物層132的形成溫度可為700°C至900°C，該氮化物層可為氮化鋁層、氮化鎵層、或
氮化鋁鎵層。請參閱圖2A與圖2B，分別為本發(fā)明的具有氮化鎵層的多層結構基板的掃描式電子顯微鏡^canning Electron Microscope，簡稱SEM)剖視圖與光學顯微鏡(optical microscope，簡稱0M)俯視圖。如圖所示，本發(fā)明可于網(wǎng)狀層111內(nèi)的300平方微米面積的襯底10上得到厚度達2微米且無裂痕的氮化鎵層15 (在此實施例中，以氮化鋁做為緩沖層 13)；事實上，本發(fā)明還能達到厚度至少2. 2微米的氮化鎵層15。請參閱圖3A至3C，為本發(fā)明的具有氮化鎵層的多層結構基板的光學顯微鏡俯視圖，其中，圖3A、3B、與3C分別是中間層氮化鋁鎵層的厚度為0、0. 3、與1. 2微米時的情況 (氮化鎵層的厚度為1微米)。因為該中間層氮化鋁鎵層能夠產(chǎn)生壓縮應力，而該壓縮應力可用來平衡氮化鎵層與襯底所形成的拉伸應力，所以如圖所示，隨著中間層氮化鋁鎵層的厚度增加，氮化鎵層的裂痕密度明顯減少，甚至在中間層氮化鋁鎵層的厚度為1.2微米且氮化鎵層的厚度為1微米的情況下，已經(jīng)能夠使該氮化鎵層得到無裂痕的結果。綜上所述，本發(fā)明的具有氮化鎵層的多層結構基板的制法先在襯底上形成具有多個開孔的網(wǎng)狀層，并于該開孔內(nèi)的襯底上形成緩沖層，再于該緩沖層上依序形成三層不同鋁濃度的氮化鋁鎵層，最后，在該上層氮化鋁鎵層上形成氮化鎵層。該網(wǎng)狀層、三層不同鋁濃度的氮化鋁鎵層能有效釋放應力、降低氮化鎵層表面裂痕與控制內(nèi)部缺陷，而最終可形成較大面積、較大厚度、無裂痕、且較高品質的氮化鎵層，以有利于后續(xù)耐高崩潰電壓的電力電子元件的制作；此外，進一步可于該氮化鎵層上再形成頂層氮化鋁鎵層，而能有利于進一步供制作成高效能的高電子遷移率電晶體(high electron mobility transistor，簡稱 HEMT)等元件。上述實施例是用以例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何本領域技術人員均可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修改。因此本發(fā)明的權利保護范圍，應如申請權利要求書所列。
權利要求
1.一種具有氮化鎵層的多層結構基板的制法，包括 提供一襯底；在所述襯底上形成網(wǎng)狀層，所述網(wǎng)狀層具有多個外露所述襯底的開孔； 在所述開孔內(nèi)的襯底上形成緩沖層，所述緩沖層由多個氮化物層構成； 在所述緩沖層上依序形成三層不同鋁濃度的氮化鋁鎵層，其中，底層氮化鋁鎵層的鋁濃度大于中間層氮化鋁鎵層的鋁濃度，所述中間層氮化鋁鎵層的鋁濃度大于上層氮化鋁鎵層的鋁濃度，且所述中間層氮化鋁鎵層在形成過程中隨厚度增加而逐漸減少鋁的比例；以及在所述上層氮化鋁鎵層上形成氮化鎵層。
2.根據(jù)權利要求1所述的具有氮化鎵層的多層結構基板的制法，其中，所述襯底的材質為硅、藍寶石、氮化鎵、氧化鋅或碳化硅，且所述網(wǎng)狀層的材質為氮化硅。
3.根據(jù)權利要求2所述的具有氮化鎵層的多層結構基板的制法，其中，形成所述網(wǎng)狀層的方法包括在所述襯底上形成氮化硅層； 在所述氮化硅層上形成網(wǎng)狀阻層；去除未被所述網(wǎng)狀阻層覆蓋的所述氮化硅層，以形成所述網(wǎng)狀層；以及去除所述網(wǎng)狀阻層。
4.根據(jù)權利要求1所述的具有氮化鎵層的多層結構基板的制法，進一步包括在所述氮化鎵層上形成頂層氮化鋁鎵層。
5.根據(jù)權利要求1所述的具有氮化鎵層的多層結構基板的制法，其中，所述緩沖層為高溫氮化物層/低溫氮化物層/高溫氮化物層，而所述高溫氮化物層的形成溫度為1000°c 至1200°c，且所述低溫氮化物層的形成溫度為700°C至900°C。
6.根據(jù)權利要求1所述的具有氮化鎵層的多層結構基板的制法，其中，所述氮化物層為氮化鋁層、氮化鎵層或氮化鋁鎵層。
7.一種具有氮化鎵層的多層結構基板，包括 襯底；網(wǎng)狀層，設于所述襯底上，所述網(wǎng)狀層具有多個外露所述襯底的開孔； 緩沖層，設于所述開孔內(nèi)的襯底上，所述緩沖層是由多個氮化物層所構成； 依序形成于所述緩沖層上的三層不同鋁濃度的氮化鋁鎵層，其中，底層氮化鋁鎵層的鋁濃度大于中間層的氮化鋁鎵層的鋁濃度，所述中間層氮化鋁鎵層的鋁濃度大于上層的氮化鋁鎵層的鋁濃度，且所述中間層氮化鋁鎵層的鋁濃度是由所述底層向上逐漸遞減；以及氮化鎵層，設于所述上層氮化鋁鎵層上。
8.根據(jù)權利要求7所述的具有氮化鎵層的多層結構基板，進一步包括頂層氮化鋁鎵層，設于所述氮化鎵層上。
9.根據(jù)權利要求7所述的具有氮化鎵層的多層結構基板，其中，所述襯底的材質為硅、 藍寶石、氮化鎵、氧化鋅或碳化硅，且所述網(wǎng)狀層的材質為氮化硅，而所述氮化物層為氮化鋁層、氮化鎵層或氮化鋁鎵層。
10.根據(jù)權利要求7所述的具有氮化鎵層的多層結構基板，其中，所述緩沖層為高溫氮化物層/低溫氮化物層/高溫氮化物層，而所述高溫氮化物層的形成溫度為1000°c至1200°C，且所述低溫氮化物層的形成溫度為700°C至900°C。
全文摘要
本發(fā)明公開一種具有氮化鎵層的多層結構基板及其制法，先在襯底上形成具有多個開孔的網(wǎng)狀層，并于該開孔內(nèi)的襯底上依序形成緩沖層、三層不同鋁濃度的氮化鋁鎵層與氮化鎵層。本發(fā)明的三層不同鋁濃度的氮化鋁鎵層能有效釋放應力、減少氮化鎵層表面裂痕并控制內(nèi)部缺陷，因此可形成較大面積、較大厚度、無裂痕且較高質量的氮化鎵層，進而有利于高效能電子元件的制作。本發(fā)明進一步提供一種具有氮化鎵層的多層結構基板。
文檔編號H01L21/02GK102456548SQ20111021295
公開日2012年5月16日 申請日期2011年7月26日 優(yōu)先權日2010年10月25日
發(fā)明者呂榮淇, 張翼, 蕭佑霖 申請人:財團法人交大思源基金會