專利名稱：半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)與制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)與制造方法，特別涉及一種m-plane氮化鎵磊晶層的結(jié)構(gòu)與制造方法。
背景技術(shù)：
以氮化鎵為基的裝置，特別是發(fā)光二極管(LEDs)，對能源效益以及環(huán)境保護(hù)具有強(qiáng)大的推動力。近來，發(fā)光二極管是制造在氮化鎵磊晶層之上，特別是在c-plane藍(lán)寶石基板上。在經(jīng)濟(jì)市場上，由于低成本與大規(guī)模的晶圓供應(yīng)以及c-plane藍(lán)寶石基板的可取得性，以氮化鎵為基的發(fā)光二極管具有量產(chǎn)的潛能。由于受限量子斯塔克效應(yīng)(quantum-confined stark effect, QCSE),主要的極性c-plane氮化鎵嘉晶層會受到偏極化的內(nèi)部電場所影響。如此,將造成量子井(quantumwell)內(nèi)電子和電洞的波函數(shù)分離以及造成發(fā)光效率的減少。另一方面，以非極性氮化鎵為基的發(fā)光二極管已被證實(shí)其優(yōu)于經(jīng)由受限量子斯塔克效應(yīng)所制造的以c-plane氮化鎵為基的發(fā)光二極管。非極性氮化鎵嘉晶層可在m-plane碳化娃、a-plane碳化娃、Y偏招酸鋰以及m-plane藍(lán)寶石上成長。惟晶格不匹配(latticemismatch)以及熱膨脹系數(shù)的關(guān)系，非極性氮化鎵經(jīng)由X光搖擺曲線(X_ray rockingcurve, XRC)測量,其結(jié)晶質(zhì)量往往超過500角秒(arcsec)。為改善上述問題,將非極性氮化鎵成形在a-plane藍(lán)寶石或r-plane藍(lán)寶石上,并已證明其X光搖擺曲線(X-ray rocking curve,XRC)的半峰全幅值(full width at half·maximum, FffHM)為約400角秒。然而，方均根(root-mean square, rms)表面粗糙度將大于I納米。根據(jù)現(xiàn)今的制造需求，方均根表面粗糙度須小于±0. 5納米。有鑒于此，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)與制造方法，以解決上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一目的在于提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含有一 c-plane藍(lán)寶石基板、一納米結(jié)構(gòu)以及一 m-plane (10-10)氮化鎵嘉晶層。納米結(jié)構(gòu)形成在c-plane藍(lán)寶石基板上，m-plane (10-10)氮化鎵嘉晶層形成在c-plane藍(lán)寶石基板的納米結(jié)構(gòu)上。其中，納米結(jié)構(gòu)為完全覆蓋c-plane藍(lán)寶石基板的表面。此外,納米結(jié)構(gòu)為一具有n-plane (11-23)表面的鋸齒狀結(jié)構(gòu)。鋸齒狀結(jié)構(gòu)的間距介于50納米至350納米之間。此外，c-plane藍(lán)寶石基板具有一結(jié)晶面(crystal surface),結(jié)晶面相對于c軸方向具有一介于-5度至+5度的傾斜角。m-plane (10-10)氮化鎵嘉晶層利用一低壓金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積制程(metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD),以形成在c-plane藍(lán)寶石基板的納米結(jié)構(gòu)上。本發(fā)明的另一目的在于提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制造方法。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制造方法包含有下列步驟(SI)備制一 C-plane藍(lán)寶石基板；(S2)在c-plane藍(lán)寶石基板上形成一納米結(jié)構(gòu)；(S3)在c-plane藍(lán)寶石基板的納米結(jié)構(gòu)上形成一 m-plane (10-10)氮化鎵嘉晶層。其中，納米結(jié)構(gòu)為完全覆蓋C-plane藍(lán)寶石基板的表面。此外,納米結(jié)構(gòu)為一具有n-plane (11-23)表面的鋸齒狀結(jié)構(gòu)。鋸齒狀結(jié)構(gòu)的間距介于50納米至350納米之間。此外，c-plane藍(lán)寶石基板具有一結(jié)晶面,結(jié)晶面相對于c軸方向具有一介于-5度至+5度的傾斜角。m-plane (10-10)氮化鎵嘉晶層利用一低壓金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積制程，以形成在c-plane藍(lán)寶石基板的納米結(jié)構(gòu)上。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所提供的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)與制作方法其X光搖擺曲線(X-rayrocking curve, XRC)的半峰全幅值(full width at half maximum, FWHM)為 316 角秒(arcsec)。此外,本發(fā)明所提供的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)與制作方法的方均根(root-mean square,rms)表面粗糙度為O. 3納米，亦滿足于現(xiàn)今方均根表面粗糙度須小于±0. 5納米的制造需求。關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與精神可以藉由以下的發(fā)明詳述及所附圖得到進(jìn)一步的了解。


圖I為繪示根據(jù)本發(fā)明的一具體實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的剖面圖。圖2A為繪示根據(jù)本發(fā)明的一具體實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的納米結(jié)構(gòu)的剖面圖。圖2B為繪示根據(jù)本發(fā)明的一具體實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的納米結(jié)構(gòu)的立體圖。圖3A為繪示根據(jù)本發(fā)明的一具體實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的m-plane氮化鎵磊晶層形成在c-plane藍(lán)寶石基板的納米結(jié)構(gòu)上的示意圖。圖3B為繪示根據(jù)本發(fā)明的一具體實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的m-plane氮化鎵磊晶層形成在c-plane藍(lán)寶石基板的納米結(jié)構(gòu)上的示意圖。圖3C為繪示根據(jù)本發(fā)明的一具體實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的m-plane氮化鎵磊晶層形成在c-plane藍(lán)寶石基板的納米結(jié)構(gòu)上的示意圖。圖4A為繪示根據(jù)本發(fā)明的一具體實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的氮化鎵磊晶層的X光繞射結(jié)果。圖4B為繪示根據(jù)本發(fā)明的一具體實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的氮化鎵磊晶層的X光搖擺曲線。圖5A為繪示根據(jù)本發(fā)明的一具體實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的m-plain氮化鎵磊晶層形成在c-plane藍(lán)寶石基板的納米結(jié)構(gòu)上與c-plain氮化鎵嘉晶層形成在c-plane藍(lán)寶石基板上的光子激發(fā)光的比較圖。圖5B為繪示根據(jù)本發(fā)明的一具體實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的m-plain氮化鎵磊晶層形成在c-plane藍(lán)寶石基板的納米結(jié)構(gòu)上與c-plain氮化鎵嘉晶層形成在c-plane藍(lán)寶石基板上的時間解析光子激發(fā)光的比較圖。圖6為繪示根據(jù)本發(fā)明的一具體實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制作方法的流程圖。主要組件符號說明I :半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)10 c-plane藍(lán)寶石基板11 :納米結(jié)構(gòu)12 :m-plain氮化鎵嘉晶層SI S3 :步驟流程
具體實(shí)施例方式預(yù)先說明的是，在本說明書內(nèi)容中，數(shù)字前的「_」符號，等同于「_」位于該數(shù)字之上。舉例來說，說明書中，(10-10)內(nèi)的「-1」，即等同于「i」。亦即是說，(10-10)即等同于(1010)。請參見圖1，圖I為繪示根據(jù)本發(fā)明的一具體實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的剖面圖。如圖所示，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)I，包含有一 C-plane藍(lán)寶石基板10、一納米結(jié)構(gòu)11以及一 m-plane (10-10)氮化鎵嘉晶層12。納米結(jié)構(gòu)11形成在c-plane藍(lán)寶石基板10上。m-plane (10-10)氮化鎵嘉晶層12形成在c-plane藍(lán)寶石基板10的納米結(jié)構(gòu)11上。c-plane藍(lán)寶石基板10具有一結(jié)晶面(crystal surface),結(jié)晶面相對于c軸方向具有一介于-5度至+5度的傾斜角。此外，在實(shí)踐中，c-plane藍(lán)寶石基板的大小約兩時。
請參見圖2A以及圖2B。圖2A為繪示根據(jù)本發(fā)明的一具體實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的納米結(jié)構(gòu)的剖面圖。圖2B為繪示根據(jù)本發(fā)明的一具體實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的納米結(jié)構(gòu)的立體圖。如圖所示，納米結(jié)構(gòu)11形成在c-plane藍(lán)寶石基板10上。其中，納米結(jié)構(gòu)11為完全覆蓋c-plane藍(lán)寶石基板10的表面。此外，納米結(jié)構(gòu)11為一具有n-plane (11-23)表面的鋸齒狀結(jié)構(gòu)，鋸齒狀結(jié)構(gòu)的間距介于50納米至350納米之間。在實(shí)踐中，c-plane藍(lán)寶石基板10為利用一感應(yīng)耦合電漿反應(yīng)式離子蝕刻法(inductively coupied plasma-reactive ion etching, ICP-RIE),使納米結(jié)構(gòu) 11 形成在c-plane藍(lán)寶石基板10上。此外,c-plane藍(lán)寶石基板10利用感應(yīng)稱合電衆(zhòng)反應(yīng)式離子蝕刻法以形成納米結(jié)構(gòu)11，其過程須耗時約二十分鐘，直到納米結(jié)構(gòu)11須完全覆蓋c-plane藍(lán)寶石基板10的表面為止。請參見圖3A、圖3B以及圖3C。圖3A、圖3B以及圖3C為繪示根據(jù)本發(fā)明的一具體實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的m-plane氮化鎵嘉晶層形成在c-plane藍(lán)寶石基板的納米結(jié)構(gòu)上的示意圖。如圖所示,m-plane (10-10)氮化鎵嘉晶層12形成在c-plane藍(lán)寶石基板10的納米結(jié)構(gòu)11上。在實(shí)踐中m-plane (10-10)氮化鎵嘉晶層12利用一低壓金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積制程(metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD)，以形成在 c-plane 藍(lán)寶石基板10的納米結(jié)構(gòu)11上。此外，m-plane (10-10)氮化鎵磊晶層12經(jīng)由二階段成形。在530°C時以及1050°C時，藉由低壓金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積制程，會形成30nm厚的氮化鎵核結(jié)晶層(nucleationlayer,NL)以及2. 5 μ m厚的未摻雜氮化鎵緩沖層。最后,m-plane (10_10)氮化鎵嘉晶層12會對應(yīng)地形成在c-plane藍(lán)寶石基板10的納米結(jié)構(gòu)11上。最后，以原子力顯微鏡(atomicforce microscopy,AFM)掃貓氮化鎵嘉晶層125X5 μ m2的表面,氮化鎵嘉晶層12的方均根表面粗糖度(rms surface roughness)為 0. 3nm。請參見圖4A以及圖4B。圖4A為繪示根據(jù)本發(fā)明的一具體實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的氮化鎵磊晶層的X光繞射結(jié)果。圖4B為繪示根據(jù)本發(fā)明的一具體實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的氮化鎵磊晶層的X光搖擺曲線。如圖4A所示，2. 5 μ m的氮化鎵磊晶層12經(jīng)由X光繞射(X_raydiffraction，XRD)，其峰值座落于32. 3° ,41. 7° ,67. 7°，分別對應(yīng)于氮化鎵(10-10)平面、藍(lán)寶石(0006)平面以及氮化鎵(20-20)平面。此外，如圖4B所示，氮化鎵(10-10)平面的垂直入射角的X光搖擺曲線(X-ray rocking curve,XRC)的半峰全幅值(full widthat half maximum, FWHM)為 316 角秒。
請參見圖5A以及圖5B。圖5A為繪示根據(jù)本發(fā)明的一具體實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的m-plain氮化鎵嘉晶層形成在c-plane藍(lán)寶石基板的納米結(jié)構(gòu)上與c-plain氮化鎵嘉晶層形成在c-plane藍(lán)寶石基板上的光子激發(fā)光的比較圖。圖5B為繪示根據(jù)本發(fā)明的一具體實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的m-plain氮化鎵嘉晶層形成在c-plane藍(lán)寶石基板的納米結(jié)構(gòu)上與c-plain氮化鎵嘉晶層形成在c-plane藍(lán)寶石基板上的時間解析光子激發(fā)光的比較圖。在實(shí)踐中，此實(shí)施環(huán)境為在室溫下，以一 266nm飛秒脈沖波所量測。其中，脈沖波強(qiáng)度為一摻鈦藍(lán)寶石激光的三倍。請再參見圖5A,曲線A為m-plain氮化鎵嘉晶層對應(yīng)于不同波長時,光子激發(fā)光的強(qiáng)度值。曲線B為c-plain氮化鎵磊晶層對應(yīng)于不同波長時，光子激發(fā)光的強(qiáng)度值。如圖所示，m-plain氮化鎵磊晶層光子激發(fā)光的強(qiáng)度峰值為c-plain氮化鎵磊晶層光子激發(fā)光的I. 7倍。此外，在波長范圍350 390nm內(nèi)個別累計兩曲線的強(qiáng)度值，曲線A光子激發(fā)光的效率為曲線B的2. 5倍。
請再參見圖5B,曲線A為m-plain氮化鎵嘉晶層對應(yīng)于不同時間，光子激發(fā)光的強(qiáng)度對數(shù)值。曲線B為c-plain氮化鎵磊晶層對應(yīng)于不同時間，光子激發(fā)光的強(qiáng)度對數(shù)值。曲線C為儀器響應(yīng)。如圖所示，曲線A的光子激發(fā)光的生命周期大于曲線B。由此觀之，形成在c-plane藍(lán)寶石基板的納米結(jié)構(gòu)上的m-plain氮化鎵嘉晶層質(zhì)量十分良好。請參見圖6，圖6為繪示根據(jù)本發(fā)明的一具體實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制作方法的流程圖。如圖所示，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制造方法包含有下列步驟(S1)備制一 C-plane藍(lán)寶石基板；(S2)在c-plane藍(lán)寶石基板上形成一納米結(jié)構(gòu)；(S3)在c-plane藍(lán)寶石基板的納米結(jié)構(gòu)上形成一 m-plane (10-10)氮化鎵嘉晶層。首先,在步驟(SI)中，備制一 c-plane藍(lán)寶石基板。c-plane藍(lán)寶石基板的大小約兩時。其中，c-plane藍(lán)寶石基板具有一結(jié)晶面,結(jié)晶面相對在c軸方向具有一介于-5度至+5度的傾斜角。接著,在步驟(S2)中，在c-plane藍(lán)寶石基板上形成一納米結(jié)構(gòu)。納米結(jié)構(gòu)為一具有n-plane (11-23)表面的鋸齒狀結(jié)構(gòu)。其中，鋸齒狀結(jié)構(gòu)的間距介于50納米至350納米之間。在實(shí)踐中，c-plane藍(lán)寶石基板利用一感應(yīng)稱合電衆(zhòng)反應(yīng)式離子蝕刻法,使納米結(jié)構(gòu)形成在c-plane藍(lán)寶石基板上。此外,c-plane藍(lán)寶石基板利用感應(yīng)稱合電衆(zhòng)反應(yīng)式離子蝕刻法以形成納米結(jié)構(gòu)，其過程須耗時約二十分鐘，直到納米結(jié)構(gòu)須完全覆蓋c-plane藍(lán)寶石基板的表面為止。接著，在步驟(S3)中，在c-plane藍(lán)寶石基板的納米結(jié)構(gòu)上形成一m-plane (10-10)氮化鎵嘉晶層。m-plane (10-10)氮化鎵嘉晶層為利用一低壓金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積制程，以形成在c-plane藍(lán)寶石基板的納米結(jié)構(gòu)上。關(guān)于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制造方法中提及的c-plane藍(lán)寶石基板、納米結(jié)構(gòu)、m-plane (10-10)氮化鎵嘉晶層以及其詳細(xì)內(nèi)容皆相似于前述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的c-plane藍(lán)寶石基板10、納米結(jié)構(gòu)11、m-plane (10-10)氮化鎵嘉晶層12,故在此不予以贅述。相較于現(xiàn)有技術(shù)，將非極性氮化鎵成形在a-plane藍(lán)寶石或r-plane藍(lán)寶石上，其X光搖擺曲線的半峰全幅值為約400角秒。其方均根表面粗糙度將大于I納米。根據(jù)現(xiàn)今的制造需求，方均根表面粗糙度須小于±0.5納米。本發(fā)明所提供的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)與制造方法其X光搖擺曲線的半峰全幅值為316角秒。此外，其方均根表面粗糙度為O. 3納米，亦滿足于現(xiàn)今的方均根表面粗糙度須小于±0. 5納米的制造需求。藉由以上較佳具體實(shí)施例的詳述，為希望能更加清楚描述本發(fā)明的特征與精神， 而并非以上述所揭露的較佳具體實(shí)施例來對本發(fā)明的范疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排于本發(fā)明所欲申請的專利范圍的范疇內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，包含有 一 c-plane藍(lán)寶石基板； 一納米結(jié)構(gòu)形成在該c-plane藍(lán)寶石基板上；以及 一 m-plane (10-10)氮化鎵嘉晶層形成在該c-plane藍(lán)寶石基板的該納米結(jié)構(gòu)上。
2.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中該納米結(jié)構(gòu)為完全覆蓋該c-plane藍(lán)寶石基板的表面。
3.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中該納米結(jié)構(gòu)為一具有n-plane(ll-23)表面的鋸齒狀結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中該鋸齒狀結(jié)構(gòu)的間距介于50納米至350納米之間。
5.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中該m-plane(10-10)氮化鎵磊晶層利用一低壓金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積制程(MOCVD)以形成在該c-plane藍(lán)寶石基板的該納米結(jié)構(gòu)上。
6.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中該c-plane藍(lán)寶石基板具有一結(jié)晶面(Crystal Surface),該結(jié)晶面相對于c軸方向具有一介于_5度至+5度的傾斜角。
7.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制作方法，其特征在于，其包含有以下步驟 (51)備制一c-plane藍(lán)寶石基板； (52)在該c-plane藍(lán)寶石基板上形成一納米結(jié)構(gòu)；以及 (53)在該c-plane藍(lán)寶石基板的該納米結(jié)構(gòu)上形成一m-plane (10-10)氮化鎵嘉晶層。
8.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制作方法，其中該納米結(jié)構(gòu)為完全覆蓋該c-plane藍(lán)寶石基板的表面。
9.如權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制作方法，其中該納米結(jié)構(gòu)為一具有n-plane (11-23)表面的鋸齒狀結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制作方法，其中該鋸齒狀結(jié)構(gòu)的間距介于50納米至350納米之間。
11.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制作方法，其中該m-plane(10-10)氮化鎵磊晶層利用一低壓金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積制程(MOCVD)以形成在該c-plane藍(lán)寶石基板的該納米結(jié)構(gòu)上。
12.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制作方法，其中該c-plane藍(lán)寶石基板具有一結(jié)晶面(Crystal Surface),該結(jié)晶面相對于c軸方向具有一介于_5度至+5度的傾斜角。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其包含有一c-plane藍(lán)寶石基板、一納米結(jié)構(gòu)以及一m-plane氮化鎵磊晶層。納米結(jié)構(gòu)形成在c-plane藍(lán)寶石基板上。m-plane氮化鎵磊晶層形成在c-plane藍(lán)寶石基板的納米結(jié)構(gòu)上。其中，本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的X光搖擺曲線的半峰全幅值為316角秒。此外，本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方均根表面粗糙度為0.3納米，滿足于今日方均根表面粗糙度須小于±0.5納米的制造需求。
文檔編號H01L33/48GK102931315SQ20111022753
公開日2013年2月13日 申請日期2011年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月9日
發(fā)明者葉哲良 申請人:葉哲良