Ⅲ族氮化物半导体结晶之制造方法,氮化镓系化合物半导体之制造方法,氮化镓系化合物半导体、氮化镓系化合物半导体发光元件及用其半导体发光元件的光源光源

摘要

一般而言，在蓝宝石基板上欲形成可制作半导体元件程度之氮化镓系化合物半导体结晶膜时，系使用低温缓冲法。此系在蓝宝石基板上形成称为低温缓冲层之层，并于其上形成氮化镓系化合物半导体的方法。该方法系形成的低温缓冲层在昇温时引起昇华与再结晶而变成、成为由蓝宝石基板上稀疏地散布由GaN所成的结晶核之构造。然而，在此方法欲自由地控制所形成的结晶核之密度或形状、大小等困难。此等构造以低温缓冲法，由昇温时之热经历或成长氮化镓系半导体层时之载运气体之组成，仅以偶发的作决定。本发明系由不含氮源之环境中使用金属原料，在基板上堆积III族金属微粒子之制程；在不含金属原料之氮源的环境中氮化该金属微粒子的制程，以及在堆积该金属微粒子之基板上成长III族氮化物半导体结晶的制程，制造III族氮化物半导体结晶之薄膜。又，开始仅流通MO原料于基板上将金属核附着于蓝宝石上后，将此等退火、其后流通氨使所形成的金属核氮化。又，由使基板表面形成光罩层在基板上形成成长速度不同的区域，可形成更佳结晶性的氮化镓系化合物半导体。由此等方法，可单独自由地控制成长核之密度、形状、大小等。并由控制条件，在最终形成的成长核作为成长核为所企望的形状，可作成具与基板平行、平坦的顶面之梯形状剖面之成长核。

主权项

1.一种III族氮化物半导体结晶之制造方法,其特征为具备有:第1制程在基板表面堆积III族金属之微粒子;第2制程,其后在含有氮源之环境中使该微粒子氮化,以及第3制程,其后在堆积有该微粒子之基板表面上由气相成长法形成III族氮化物半导体(III族氮化物半导体以InxGayAlzN表示,惟x+y+z=1.0≦x≦1.0≦y≦1.0≦z≦1)结晶。2.如申请专利范围第1项之III族氮化物半导体结晶之制造方法,其中基板为蓝宝石(Al2O3)。3.如申请专利范围第1项之III族氮化物半导体结晶之制造方法,其中III族金属为InuGavAlw(惟u+v+w=1.0≦u≦1.0≦v≦1.0≦w≦1)。4.如申请专利范围第1项之III族氮化物半导体结晶之制造方法,其中藉由有机金属原料之热分解堆积该III族金属的微粒子。5.如申请专利范围第1项之III族氮化物半导体结晶之制造方法,其中第1制程以不含氮源之环境中进行。6.如申请专利范围第1或5项之III族氮化物半导体结晶之制造方法,其中第1制程在上述III族金属之熔点以上之温度进行。7.如申请专利范围第1项之III族氮化物半导体结晶之制造方法,其中第2制程在不含金属原料之环境中进行。8.如申请专利范围第1项之III族氮化物半导体结晶之制造方法,其中第2制程以第1制程之温度以上的温度进行。9.如申请专利范围第1项之III族氮化物半导体结晶之制造方法,其中第3制程在第2制程之温度以上的温度进行。10.如申请专利范围第1项之III族氮化物半导体结晶之制造方法,其中该气相成长法为有机金属化学气相成长法。11.如申请专利范围第1项之III族氮化物半导体结晶之制造方法,其中于第2制程氮化III族金属之微粒子者由III族氮化物之多结晶及/或非晶质所成、且含未反应之金属。12.如申请专利范围第1项之Ⅲ族氮化物半导体结晶之制造方法,其中该蓝宝石基板上,更含有形成氮化镓系化合物半导体之成长速度慢的光罩层之制程,以选择性成长氮化镓系化合物半导体。13.如申请专利范围第12项之Ⅲ族氮化物半导体结晶之制造方法,其中形成于基板上的光罩层,系由氮化镓系化合物半导体之成长速度慢的材料构成的部分,与由氮化镓系化合物半导体之成长速度快的材料构成的部分所成。14.如申请专利范围第12项之Ⅲ族氮化物半导体结晶之制造方法,其中该光罩层之形成制程,系与氮化镓系化合物半导体相同的成长装置内进行。15.如申请专利范围第12项之Ⅲ族氮化物半导体结晶之制造方法,其中该光罩层之形成,系经加热的蓝宝石在基板上含有Si气体原料之气体流通来进行。16.如申请专利范围第12项之Ⅲ族氮化物半导体结晶之制造方法,其中该光罩层之形成,系在加热的蓝宝石基板上同时进行流通含Si气体原料之气体与氨。17.如申请专利范围第12项之Ⅲ族氮化物半导体结晶之制造方法,其中包含所形成的光罩层、构成光罩层之材料为覆盖蓝宝石面之部分与露出蓝宝石面之部分。18.如申请专利范围第12项之Ⅲ族氮化物半导体结晶之制造方法,其中该光罩层之形成,系在加热的基板上进行同时流通含III元素的气体原料之气体与含Si气体原料之气体。19.一种III族氮化物半导体结晶之制造方法,其特征为包括第1制程,在不含氮源之环境中,使用至少含有一种In与Ga与Al之金属元素的有机金属原料之热介解,在蓝宝石基板上使至少由一种In与Ga与Al所成的金属1(金属1系以InuGavAlw表示,惟u+v+w=1.0≦u≦1.0≦v≦1.0≦w≦1),在该金属1之熔点以上的温度T1下堆积;第2制程,第1制程后在不含有机金属原料含氮源之环境中、以温度T2(惟T2≧T1)氮化金属1;以及第3制程,在第2制程之后在堆积有金属1之蓝宝石基板上、以温度T3(惟T3≧T2)由有机金属化学气相成长法使III族氮化物半导体(III族氮化物半导体以InxGayAlzN表示,惟x+y+z=1.0≦x≦1.0≦y≦1.0≦z≦1)结晶以外延成长。20.如申请专利范围第19项之III族氮化物半导体结晶之制造方法,其中蓝宝石基板具有(0001)面、该(0001)面之垂直轴自<0001>方向倾斜于特定方向。21.如申请专利范围第20项之III族氮化物半导体结晶之制造方法,其中该特定方向为<1-100>方向、且自<0001>方向倾斜的角度为0.2~15。22.如申请专利范围第19项之III族氮化物半导体结晶之制造方法,其中温度T1为900℃以上、温度T3为1000℃以上。23.如申请专利范围第19项之III族氮化物半导体结晶之制造方法,其中于第1制程,有机金属原料之热分解在氢气环境中进行。24.如申请专利范围第19项之III族氮化物半导体结晶之制造方法,其中堆积于蓝宝石基板上之金属1成粒状。25.如申请专利范围第24项之III族氮化物半导体结晶之制造方法,其中自粒状金属1之基板表面至粒子之顶点的高度为50以上1000以下。26.如申请专利范围第19项之III族氮化物半导体结晶之制造方法,其中包含于第2制程氮化金属1者由多结晶所成、且该多结晶含有氮与金属之化学量论比非为1:1之区域范围(InuGavAlwNk、惟u+v+w=1.0≦u、v、w≦1.0方向倾斜于特定的方向。36.如申请专利范围第35项之III族氮化物半导体结晶之制造方法,其中特定之方向为<11-20>方向、且自<0001>方向的倾斜角度为0.2~15。37.如申请专利范围第34项之Ⅲ族氮化物半导体结晶之制造方法,其中在该蓝宝石基板上更含有,形成氮化镓系化合物半导体之成长速度慢的光罩层之制程,以选择性成长氮化镓系化合物半导体。38.如申请专利范围第37项之Ⅲ族氮化物半导体结晶之制造方法,其中在基板上形成的光罩层,系由氮化镓系化合物半导体之成长速度慢的材料构成的部分与由氮化镓系化合物半导体之成长速度快的材料构成的部分所成。39.如申请专利范围第37项之Ⅲ族氮化物半导体结晶之制造方法,其中该光罩层之形成制程,系与氮化镓系化合物半导体成长相同的装置内进行。40.如申请专利范围第37项之Ⅲ族氮化物半导体结晶之制造方法,其中该光罩层之形成,系在加热的蓝宝石基板上流通含Si气体原料之气体F进行。41.如申请专利范围第37项之Ⅲ族氮化物半导体结晶之制造方法,其中该光罩层之形成,系在加热的蓝宝石基板上同时流通含Si气体原料之气体与氨来进行。42.如申请专利范围第37项之Ⅲ族氮化物半导体结晶之制造方法,其中含所有形成的光罩层、构成光罩层之材料覆盖于蓝宝石面之部分与露出蓝宝石面之部分。43.如申请专利范围第37项之Ⅲ族氮化物半导体结晶之制造方法,其中该光罩层之形成系在加热的基板上同时流通含有III族元素气体原料之气体与含Si气体原料之气体。44.一种氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其在基板上成长氮化镓系化合物半导体结晶层所成,其特征为包含:第1制程,在基板上附着金属核;第2制程,退火该金属核;第3制程,使退火后之金属核氮化以形成成长核;以及第4制程在具有成长核的基板上成长氮化镓系化合物作成氮化镓系化合物半导体结晶层。45.如申请专利范围第44项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中该基板为蓝宝石基板。46.如申请专利范围第44项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中第1制程,系在加热的基板上流通含有机金属原料之蒸气且不含氮源的气体来附着金属核。47.如申请专利范围第44项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中该有机金属原料之蒸气,系至少一种含镓之有机金属原料、含铝之有机金属原料、及含铟之有机金属原料中之有机金属原料之蒸气。48.如申请专利范围第44项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中该第2制程,系在不含氮源及有机金属原料之蒸气、仅流通载运气体进行退火金属核。49.如申请专利范围第44项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中该第3制程,系流通含有氮源、且不含有机金属原料之蒸气的气体来进行以使金属核之氮化。50.如申请专利范围第44项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中该第4制程系流通含有氮源与有机金属原料两者之气体、由有机金属气相成长法成长氮化镓系化合物半导体。51.如申请专利范围第44或48项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中该第2制程在第1制程之温度以上的温度进行。52.如申请专利范围第44或49项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中该第3制程在第2制程之温度以上的温度进行。53.如申请专利范围第44或50项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中该第4制程在第3制程之温度以上的温度进行。54.如申请专利范围第44项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中该第1制程与第2制程交互进行2次以上后、进行第3制程。55.如申请专利范围第44项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中该第1制程与第2制程与第3制程重复进行2次以上后、进行第4制程。56.如申请专利范围第44项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中该第1制程,系由流通通含有至少一种含铝之有机金属原料、含镓之有机金属原料及含铟之有机金属原料中之有机金属原料之蒸气的气体之前期制程、及流通含有与该前期制程不同的有机金属原料之蒸气的气体之后期制程两制程所成。57.如申请专利范围第55项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中该第1制程,系相互进行前期制程与后期制程,2次以上之制程、其后再进行第2制程。58.如申请专利范围第44项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中该成长核,系为具与基板平行,平坦的顶面与平坦的侧面之大致梯形状的氮化物半导体结晶。59.如申请专利范围第44项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造力法,其中在该第4制程形成的氮化镓系化合物半导体结晶层上依序成长别的氮化镓系化合物半导体结晶层。60.如申请专利范围第44项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中在该蓝宝石基板上更含有,形成氮化镓系化合物半导体之成长速度慢的光罩层之制程,以选择性成长氮化镓系化合物半导体。61.如申请专利范围第60项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中形成在基板上的光罩层,系由氮化镓系化合物半导体之成长速度慢的材料构成的部分与由氮化镓系化合物半导体之成长速度快的材料构成的部分所成。62.如申请专利范围第60项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中该光罩层之形成制程,系与成长氮化镓系化合物半导体相同的装置内进行。63.如申请专利范围第60项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中形成该光罩层制程,系在加热的蓝宝石基板上进行流通含Si气体原料之气体来进行。64.如申请专利范围第60项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中形成该光罩层,系在加热的蓝宝石基板上同时流通含Si气体原料之气体与氨来进行。65.如申请专利范围第60项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中包含所形成的光罩层、构成光罩层之材料覆盖于蓝宝石面之部分与露出蓝宝石面之部分。66.如申请专利范围第60项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中该光罩层之形成,在加热的基板上同时流通含有III族元素气体原料之气体与含Si气体原料之气体。67.一种氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其系于基板上成长氮化镓系化合物半导体结晶层,其特征为包含:第1制程,由至少含一种含铝之有机金属原料、含镓之有机金属原料及含铟之有机金属原料的有机金属原料之蒸气的气体流通基板上的前制程、第1制程含有与该前期制程不同的有机金属原料之蒸气的气体流通于基板上的后期制程等两个制程所成、将金属核附着于基板上;第2制程,氮化该金属核来形成成长核,以及第3制程,在具有成长核之基板上成长氮化镓系化合物作成氮化镓系化合物半导体结晶层。68.如申请专利范围第67项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中基板为蓝宝石基板。69.如申请专利范围第67项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中该第1制程,系使前期制程与后期制程相互进行2次以上之制程、其后进行第2制程。70.如申请专利范围第67项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中进行该第1制程与第2制程相互2次以上后、进行第3制程。71.如申请专利范围第67项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中该第1制程,系在加热的基板上流通含有有机金属原料之蒸气且不含氮源之气体来进行附着金属核。72.如申请专利范围第67项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中该第2制程,系流通合有氮源且不含有机金属原料之蒸气的气体来进行氮化金属核。73.如申请专利范围第67项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中该第3制程,系流通含有氮源与有机金属原料两者的气体、藉由金属气相成长法成长氮化镓系化合物半导体。74.如申请专利范围第67或72项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中将该第2制程在第1制程之温度以上的温度下进行。75.如申请专利范围第67或73项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中将该第3制程以第2制程之温度以上的温度进行。76.如申请专利范围第67项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中该成长核,系具与基板平行、平坦的顶面与平坦的侧面之大致梯形状的III族氮化物半导体结晶。77.如申请专利范围第67项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中包含第4制程在第3制程形成的氮化镓系化合物半导体结晶层上依序成长其他的氮化镓系化合物半导体结晶层。78.如申请专利范围第67项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中更在该蓝宝石基板上含有,形成氮化镓系化合物半导体之成长速度慢的光罩层之第5制程,以选择性成长氮化镓系化合物半导体。79.如申请专利范围第78项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中形成在基板上的光罩层,系由氮化镓系化合物半导体之成长速度慢的材料构成的部分与由氮化镓系化合物半导体之成长速度快的材料构成的部分所成。80.如申请专利范围第78项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中形成该光罩层之制程,系与成长氮化镓系化合物半导体相同的装置内进行。81.如申请专利范围第78项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中该光罩层之形成,系在经加热的蓝宝石基板上流通含Si气体原料之气体进行。82.如申请专利范围第78项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中该光罩层之形成,系在经加热的蓝宝石基板上同时流通含Si气体原料之气体与氨来进行。83.如申请专利范围第78项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中形成的光罩层、含有构成光罩层之材料覆盖蓝宝石面之部分与露出蓝宝石面之部分。84.如申请专利范围第78项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中该光罩层之形成,系在加热的基板上同时流通含有III族元素气体原料之气体与含Si气体原料之气体。85.如申请专利范围第44或67项之氮化镓系化合物半导体结晶之制造方法,其中该氮化镓系化合物半导体结晶层可制作半导体发光元件的光源。图式简单说明:【第1图(a)~(e)】系为本发明在基板上形成氮化镓系化合物半导体层时于各制程(步骤)中成长机构的说明图。【第2图】系为本发明在基板上形成氮化镓系化合物半导体时加热形式例图。【第3图】系为本发明实施例6之制程图。【第4图】系为本发明实施例7之制程图。【第5图】系为本发明实施例8及实施例9之制程图。【第6图】系为本发明实施例4.实施例10及实施例11所制作的半导体发光元件之截面构造模态图。【第7图】系为第6图之半导体发光元件的平面图。【第8图】系为本发明实施例12及实施例15所制作的半导体发光元件之截面构造模态图。【第9(a)~(g)图】系为本发明在基板上形成光罩层以形成氮化镓系化合物半导体层时各制程之成长状态例说明图。【第10图(a)~(f)】系为本发明在基板上形成光罩层以形成氮化镓系化合物半导体层时各制程之成长状态的其他例说明图。