專利名稱：氮化物薄膜結構及其形成方法
技術領域：
本發明涉及由氮化鎵(GaN)或鎵與其它金屬的混合氮化物組成的化合物半導體 層，以及形成所述化合物半導體層的方法。本發明還涉及包含化合物半導體層的電子或光 電子裝置及其制造方法。本發明的技術領域可廣泛地界定為在襯底上形成高質量氮化物薄 膜的氮化物薄膜結構，以及形成所述氮化物薄膜結構的方法。
背景技術：
元素周期表中的第三族到第五族元素的氮化物半導體在電子和光電子裝置領域 占據重要地位，而且這些領域未來將更加重要。氮化物半導體的應用領域實質上涵蓋從激 光二極管(laser diode, LD)到可在高頻和高溫下操作的晶體管的較廣范圍。應用領域還 包含紫外線光檢測器、表面聲波裝置和發光二極管(light emitting diode，LED)。舉例來說，雖然已知氮化鎵是適合施加于藍LED和高溫晶體管的材料，但正在廣 泛地研究其在其它微電子裝置中的應用。而且，如本文描述，可通過包含例如氮化鋁鎵 (AWaN)、氮化銦鎵(InGaN)和氮化鋁銦鎵(AlInGaN)等氮化鎵合金來廣泛地使用氮化鎵。氮化鎵微電子裝置制造中的一項重要技術是生長具有低缺陷密度的氮化鎵薄 膜。已知產生缺陷密度的因素之一是生長氮化鎵薄膜的襯底。然而，在這些裝置中不容易 制造用于生長氮化鎵的襯底或適合于生長沒有缺陷的氮化鎵薄膜的氮化鎵襯底。由于固 態氮化鎵即使被加熱也不會充分熔化，因此無法通過從熔融物生長晶體的常規的切克勞 (Czochralski)方法或類似方法來制作用于制造襯底的單晶體。可通過在超高壓力狀態下 施加熱來制作熔融物，但這種方法在量產時不太行得通。因此，在使用例如氮化鎵的氮化物半導體的裝置中，最經常用于生長氮化物薄膜 的襯底是“異質”襯底，例如藍寶石、氮化硅(SiC)和硅然而，由于這些異質襯底材料與氮化 物存在晶格常數失配，而且熱膨脹系數存在差異，因此在異質襯底上生長的氮化物薄膜具 有許多位錯，從而致使產生裂縫和翹曲。表1中呈現典型氮化物半導體(例如，GaN, AlN和hN)與典型異質襯底(例如， 藍寶石(Al2O3))之間的晶格參數(a軸和c軸)和熱膨脹系數(a軸和c軸)。[表 1]
權利要求
1.一種半導體薄膜結構，其特征在于其包括襯底；多個中空結構，其涂覆于所述襯底上；以及氮化物薄膜，其形成于所述襯底上。
2.根據權利要求1所述的半導體薄膜結構，其特征在于其進一步包括位于所述襯底與 所述氮化物薄膜之間的緩沖層。
3.根據權利要求1或2所述的半導體薄膜結構，其特征在于所述氮化物薄膜具有兩個 或兩個以上層。
4.根據權利要求3所述的半導體薄膜結構，其進一步包括涂覆于所述兩個或兩個以上 層之間的多個中空結構。
5.根據權利要求4所述的半導體薄膜結構，其特征在于中空結構距所述襯底越近，中 空部的大小越大。
6.根據權利要求5所述的半導體薄膜結構，其特征在于所述中空結構由具有與所述氮 化物薄膜的折射率不同的折射率的材料組成。
7.根據權利要求4所述的半導體薄膜結構，其特征在于中空結構距所述襯底越近，中 空部的大小相同但涂覆密度越大。
8.根據權利要求7所述的半導體薄膜結構，其特征在于所述中空結構由具有與所述氮 化物薄膜的折射率不同的折射率的材料組成。
9.根據權利要求1或2所述的半導體薄膜結構，其中所述襯底的熱膨脹系數大于所述 氮化物薄膜的熱膨脹系數，且所述中空結構受所述氮化物薄膜壓縮。
10.一種形成半導體薄膜結構的方法，其特征在于所述方法包括在襯底上涂覆多個中空結構；以及在所述襯底上形成氮化物薄膜。
11.根據權利要求10所述的方法，其特征在于將所述襯底的熱膨脹系數選擇為大于所 述氮化物薄膜的熱膨脹系數，且通過在所述形成所述氮化物薄膜之后的冷卻過程期間由所 述氮化物薄膜壓縮所述中空結構來防止所述襯底的翹曲。
12.根據權利要求10所述的方法，其特征在于在所述涂覆所述中空結構時，通過讓所 述襯底和所述中空結構具有彼此不同的電荷來使所述中空結構以靜電方式附著于所述襯 底上。
13.根據權利要求10所述的方法，其特征在于所述涂覆所述中空結構包括在所述襯底上涂覆多個核心-殼體結構；以及通過留下所述核心-殼體結構的殼體部分且移除核心部分來形成中空結構。
14.根據權利要求13所述的方法，其特征在于在所述涂覆所述核心-殼體結構時，通過 讓所述襯底和所述核心-殼體結構具有彼此不同的電荷來使所述核心-殼體結構以靜電方 式附著于所述襯底上。
15.根據權利要求14所述的方法，其特征在于以在溶劑中的分散狀態將所述核心-殼 體結構涂覆于所述襯底上，且通過控制所述襯底和所述核心-殼體結構的電荷強度以及所 述溶劑的濃度中的至少任一者來調整所述核心-殼體結構的涂覆密度。
16.根據權利要求14所述的方法，其特征在于選擇帶電結構作為所述核心-殼體結構，且在所述襯底上涂覆聚合物電解質，讓所述襯底具有與所述核心-殼體結構的電荷不同的 電荷。
17.根據權利要求16所述的方法，其特征在于通過逐層方法涂覆聚(烯丙基胺鹽酸 鹽)(PAH)和聚(4-苯乙烯磺酸鈉)(PSQ作為所述聚合物電解質。
18.根據權利要求13所述的方法，其特征在于所述核心-殼體結構的所述核心部分是 由有機材料或無機材料形成的珠，且所述殼體部分由硅石(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)、二氧化鈦 (TiO2)、氧化鋯(&02)、氧化釔(Y2O3)-氧化鋯、氧化銅(Cu0、Cu20)和氧化鉭(Tii2O5)中的至 少任一者形成，其中使用加熱、與包括氧氣的氣體的化學反應以及與溶劑的化學反應中的至少任一者 來執行所述移除所述核心部分。
19.根據權利要求18所述的方法，其特征在于所述殼體部分具有相應層由不同材料形 成的多層結構。
20.根據權利要求13所述的方法，其進一步包括用于在所述涂覆所述核心-殼體結構 之后調整所述中空結構的機械性質的后處理。
21.根據權利要求10所述的方法，其進一步包括在所述形成所述氮化物薄膜之前在所 述襯底上形成緩沖層，其中所述形成所述緩沖層和所述形成所述氮化物薄膜中的每一者包括執行層生長過 程至少一次，所述執行所述層生長過程包括讓反應器具有恒定的壓力、溫度以及第五族前驅體與第三族前驅體的比率；以及通過分別以恒定速率注入所述第五族前驅體和第三族前驅體來在所述襯底上生長氮 化物層，其中所述反應器壓力為約10-1000托，所述溫度為約300-120(TC，且所述第五族前驅 體與所述第三族前驅體的所述比率為約1-1000000。
22.根據權利要求21所述的方法，其特征在于所述形成所述氮化物薄膜包括在所述 執行所述層生長過程一次之后，改變所述反應器壓力，隨后執行層生長過程。
23.一種半導體裝置，其特征在于其包括襯底；多個中空結構，其涂覆于所述襯底上；以及半導體薄膜結構，其包括形成于所述襯底上的氮化物薄膜。
全文摘要
本發明提供一種氮化物薄膜結構及其形成方法。如果是在并非氮化物的襯底上形成氮化物薄膜，那么會因襯底與氮化物薄膜之間的晶格常數差異而產生許多缺陷。而且，存在因襯底與氮化物薄膜之間的熱膨脹系數差異引起襯底翹曲的問題。為了解決這些問題，本發明提出一種薄膜結構，其中在襯底上涂覆中空微粒(即，中空結構)之后，在所述襯底上生長氮化物薄膜，本發明還提出所述薄膜結構的形成方法。根據本發明，由于可通過中空結構獲得外延橫向過生長(ELO)效應，因此可形成高質量氮化物薄膜。由于調整薄膜結構中的折射率，因此在將薄膜結構制造為例如發光二極管(LED)等發光裝置時有提高光提取效率的效應。而且，當襯底的熱膨脹系數大于氮化物薄膜的熱膨脹系數時，因為氮化物薄膜中的中空結構壓縮，氮化物薄膜的總應力減小，因而還有防止襯底翹曲的效應。
文檔編號H01L33/16GK102150286SQ200980135167
公開日2011年8月10日 申請日期2009年9月7日 優先權日2008年9月8日
發明者吳世源, 尹義埈, 禹熙濟, 車國憲, 金鐘學 申請人:財團法人首爾大學校產學協力團