一种氮化物半导体基板及其制造方法,所述氮化物半导体基板包括基材、图案化氮化物半导体、保护层以及氮化物半导体层。图案化氮化物半导体层位于基材上,其中图案化氮化物半导体层包括多个纳米柱结构以及多个块状图案,且纳米柱结构的上表面与块状图案的上表面实质上共平面。保护层披覆在纳米柱结构与块状图案的侧壁上。氮化物半导体层位于图案化氮化物半导体层上,其中氮化物半导体层与图案化氮化物半导体层的间具有多个纳米孔洞。
1.一种氮化物半导体基板,其特征在于,包括:一基材;一图案化氮化物半导体层,位于该基材上,其中该图案化氮化物半导体层包括多个纳米柱结构以及多个块状图案;一保护层,披覆在该些纳米柱结构与该些块状图案的侧壁上;以及一氮化物半导体层,位于该图案化氮化物半导体层上,其中该氮化物半导体层与该图案化氮化物半导体层之间具有多个纳米孔洞。
2.根据权利要求1所述的氮化物半导体基板,其特征在于,该些块状图案分布于该些纳米柱结构之间。
3.根据权利要求1所述的氮化物半导体基板,其特征在于,该些块状图案的宽度与间距的比例为0.8~1.2。
4.根据权利要求1所述的氮化物半导体基板,其特征在于,该些纳米柱结构的宽度为30~300nm。
5.根据权利要求1所述的氮化物半导体基板,其特征在于,该氮化物半导体层的厚度小于或等于50μm。
6.根据权利要求1所述的氮化物半导体基板,其特征在于,该些纳米柱结构与该些块状图案的高度为0.5~5μm。
7.根据权利要求1所述的氮化物半导体基板,其特征在于,该保护层还覆盖该些纳米孔洞的底部。
8.根据权利要求1所述的氮化物半导体基板,其特征在于,该氮化物半导体层的材质包括氮化镓、氮化铝镓、氮化铝、氮化铟镓或是其组合。
9.根据权利要求1所述的氮化物半导体基板,其特征在于,该图案化氮化物半导体层的材质包括氮化镓、氮化铝镓、氮化铝、氮化铟镓或是其组合。
10.根据权利要求1所述的氮化物半导体基板,其特征在于,该保护层的材质包括二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
11.根据权利要求1所述的氮化物半导体基板,其特征在于,该基材为一外延基材,其材质包括硅、碳化硅、氧化铝、蓝宝石、氮化镓或是氮化铝。
12.一种氮化物半导体基板的制作方法,其特征在于,包括:在一基材上形成一氮化物半导体材料;图案化该氮化物半导体材料以形成多个纳米柱结构以及多个块状图案;在该些纳米柱结构以及该些块状图案的侧壁形成一保护层;以及进行一侧向外延成长程序,以于该图案化氮化物半导体层上形成一氮化物半导体层,其中该氮化物半导体层与该图案化氮化物半导体层之间具有多个纳米孔洞。
13.根据权利要求12所述的氮化物半导体基板的制作方法,其特征在于,形成该些纳米柱结构以及该些块状图案的方法包括:在该氮化物半导体材料上形成一介电层;在该介电层上形成一金属层;进行一回火程序,以使该金属层转变成多个纳米金属颗粒;在该些金属颗粒上形成一图案化光阻层;以该图案化光阻层以及该些金属颗粒作为蚀刻掩膜,图案化该氮化物半导体材料以形成该些纳米柱以及该些块状图案;以及移除该些金属颗粒、该图案化光阻层以及该介电层。
14.根据权利要求13所述的氮化物半导体基板的制作方法,其特征在于,该金属层包括镍、银、金或铜。
15.根据权利要求13所述的氮化物半导体基板的制作方法,其特征在于,该回火程序为一快速退火程序,且温度为摄氏250~950度,时间为1~2分钟。
16.根据权利要求13所述的氮化物半导体基板的制作方法,其特征在于,形成该金属层的方法包括利用一电子枪沉积程序,且该金属层的厚度为10~40nm。
17.根据权利要求13所述的氮化物半导体基板的制作方法,其特征在于,该介电层的厚度为300~600nm。
18.根据权利要求12所述的氮化物半导体基板的制作方法,其特征在于,该氮化物半导体材料是采用一金属有机化学气相沉积程序形成,且该氮化物半导体材料的厚度为0.5~5μm。
19.根据权利要求12所述的氮化物半导体基板的制作方法,其特征在于,该保护层的厚度为100~400nm。
20.根据权利要求12所述的氮化物半导体基板的制作方法,其特征在于,于形成该氮化物半导体层之后,还包括进行一分离程序,以使该氮化物半导体层与该图案化氮化物半导体层分离。
21.根据权利要求20所述的氮化物半导体基板的制作方法,其特征在于,该分离程序包括:持续进行该侧向外延成长程序,以使该氮化物半导体层的厚度大于50μm;以及进行一降温程序,以使该氮化物半导体层与该图案化氮化物半导体层自我分离。技术领域
本发明涉及一种氮化物半导体基板及其制造方法。
背景技术
近年来,发光二极管(LED)已经广泛地被应用于各领域。特别是,以氮化镓制成的蓝光LED搭配黄色荧光粉可以获得白光,其不仅在亮度的表现比传统灯管或是灯泡要来得好,其耗电量也比传统灯管或是灯泡要来得低。此外,发光二极管的寿命更比传统灯管或是灯泡要来得长。目前,在氮化镓半导体发光元件的制作过程中,因氮化镓半导体层与异质基材的间因为晶格常数的差异,使得氮化镓半导体层在外延成长过程之中容易有晶格错位的产生。如此将使得氮化镓半导体发光元件的发光效率受到影响。另外,传统对于氮化镓半导体层与异质基材的分离方法是采用激光分离法,或是利用蚀刻法来移除氮化镓半导体层与异质基材之间的阻障结构以达到分离的目的。另外,传统另一种使氮化镓半导体层与异质基材的分离方法是利用高温气相蚀刻方式以移除氮化镓半导体层与异质基材之间的界面层。但是,上述各种方法都无法改善氮化镓半导体层在外延成长过程的因晶格错位而造成氮化镓半导体发光元件的发光效率不佳的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氮化物半导体基板及其制造方法,其可以降低氮化物半导体层在外延成长过程的晶格错位密度及释放晶格不匹配所造成的应力。为了实现上述目的,本发明提出一种氮化物半导体基板,其包括基材、图案化氮化物半导体、保护层以及氮化物半导体层。图案化氮化物半导体层位于基材上,其中图案化氮化物半导体层包括多个纳米柱结构以及多个块状图案,且纳米柱结构的上表面与块状图案的上表面实质上共平面。保护层披覆在纳米柱结构与块状图案的侧壁上。氮化物半导体层位于图案化氮化物半导体层上,其中氮化物半导体层与图案化氮化物半导体层之间具有多个纳米孔洞。为了实现上述目的,本发明还提出一种氮化物半导体基板的制作方法,包括在基材上形成氮化物半导体材料。图案化氮化物半导体材料以形成多个纳米柱结构以及多个块状图案。在纳米柱结构以及块状图案的侧壁形成保护层。进行侧向外延成长程序,以于图案化氮化物半导体层上形成氮化物半导体层,其中氮化物半导体层与图案化氮化物半导体层之间具有多个纳米孔洞。基于上述,本发明在基材上形成具有多个纳米柱结构以及多个块状图案的图案化氮化物半导体层,之后再以侧向外延成长程序于所述图案化氮化物半导体层上形成氮化物半导体层。由于氮化物半导体层是在纳米柱结构以及块状图案上以侧向外延程序成长达到接平(coalesce)而形成,因而可以降低氮化物半导体层在外延成长过程的晶格错位密度及释放晶格不匹配所造成的应力。如此一来,若将所述氮化物半导体层应用于发光元件的制造,便可以提高发光元件的发光效率。以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述,但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1A至图1H是根据本发明一实施例的氮化物半导体基板的制造流程剖面示意图;图2是图1F结构的俯视示意图。其中,附图标记100:基材102:氮化物半导体材料102a:图案化氮化物半导体层104:介电层106:金属层106a:金属颗粒108:图案化光阻层108a:开口图案110:块状图案112:纳米柱结构114:保护层120:氮化物半导体层122:纳米孔洞W1:宽度W2:间距W3:纳米柱宽度T1,T1’:高度T2、T3:厚度
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述:图1A至图1H是根据本发明一实施例的氮化物半导体基板的制造流程剖面示意图。请先参照图1A,首先提供基材100。根据本实施例,基材100为外延基材,其材质可包括硅、碳化硅、氧化铝、蓝宝石、氮化镓、氮化铝或是其它的外延材料。接着,在基材100上形成氮化物半导体材料102。根据本实施例,所述氮化物半导体材料102是采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)程序所形成,且所形成的氮化物半导体材料102的厚度约为0.5~5μm,较佳的是1~5μm,更佳的是2~3μm。上述的氮化物半导体材料102的材质包括氮化镓(GaN)、氮化铝镓(GaAlN)、氮化铝(AlN)、氮化铟镓(GaInN)或是上述材料的组合。根据一实施例,上述的氮化物半导体材料102可为厚度为2~3μm的氮化镓(GaN)。根据另一实施例,上述的氮化物半导体材料102可由厚度为10~500nm的氮化铝(AlN)、厚度为1~3μm的氮化铝镓(GaAlN)以及厚度为2~3μm的氮化镓(GaN)堆栈而成。接着,图案化氮化物半导体材料102。根据本实施例,图案化氮化物半导体材料102的方法是采用图1A至图1D的步骤。首先于氮化物半导体材料102上形成介电层104。根据本实施例,介电层104是利用等离子增长型化学汽相沉积法(PECVD)所形成,且介电层104的厚度为300~600nm。介电层104的材质可为氧化硅、氮化硅或是氮氧化硅。之后,在介电层104上形成金属层106。在本实施例中,形成金属层106的方法包括利用电子枪沉积程序,且所形成的金属层104的厚度为10~40nm。另外,金属层106包括镍(Ni)、银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)或是其它适用的金属。之后,进行回火程序,以使金属层106转变成多个纳米金属颗粒106a,如图1B所示。根据本实施例,上述的回火程序可采用快速退火程序(RTA),其温度为摄氏250~950度,较佳的是摄氏550~950度,且时间为1~2分钟。另外,在进行上述的快速退火程序(RTA)时,更进一步通入惰性气体,例如是氩气、氮气等等。在进行上述的回火程序之后,可使得金属层106转变成宽度为30~300nm的纳米金属颗粒106a,且所述纳米金属颗粒106a是任意地(random)或是规则地分布在介电层104上。请参照图1C,在金属颗粒106a上形成图案化光阻层108。图案化光阻层108例如采用已知的微影程序所形成。图案化光阻层108具有开口图案108a,以暴露出部分的金属颗粒106a。根据本实施例,图案化光阻层108的宽度形成为W1,且图案化光阻层108的开口图案108a的宽度为W2,那么W1/W2约为0.8~1.2,较佳的是1。在此,图案化光阻层108的宽度W1例如是2~5μm,且图案化光阻层108的开口图案108a的宽度W2例如是2~5μm。请参照图1D,利用图案化光阻层108以及金属颗粒106a作为蚀刻掩膜以图案化氮化物半导体材料102。更详细来说,利用图案化光阻层108以及金属颗粒106a作为蚀刻掩膜,对介电层104以及氮化物半导体材料102进行蚀刻程序,以形成图案化介电层104a以及图案化氮化物半导体层102a。接着,移除金属颗粒106a、图案化光阻层108以及图案化介电层104a,如图1E所示,以使图案化氮化物半导体层102a暴露出来,其中图案化氮化物半导体层102a具有纳米柱结构112以及块状图案110。根据本实施例,移除金属颗粒106a、图案化光阻层108以及图案化介电层104a例如是采用湿式蚀刻移除程序。值得一提的是,在移除金属颗粒106a、图案化光阻层108以及图案化介电层104a之后,图案化氮化物半导体层102a的纳米柱结构112的高度T1’以及块状图案110的高度T1实质上相同或相似。由于在上述移除金属颗粒106a、图案化光阻层108以及图案化介电层104a的过程之中,可能会因为工艺参数(例如蚀刻条件)之故,而使图案化氮化物半导体层102a的纳米柱结构112的高度T1’以及块状图案110的高度T1有些许差异,例如,纳米柱结构112的高度T1’以及块状图案110的高度T1两者相差约30%以内。换言之,(T1-T1’)/T1≤±30%;或者是(T1-T1’)/T1’≤±30%。然,较佳的是,图案化氮化物半导体层102a的纳米柱结构112的高度T1’以及块状图案110的高度T1是一致的。请参照图1F,接着,在纳米柱结构112以及块状图案110的侧壁形成保护层114。形成保护层114的方法例如是先以等离子增长型化学汽相沉积法(PECVD)形成一层保护材料,之后移除纳米柱结构112以及块状图案110顶部的保护层114,以使纳米柱结构112以及块状图案110顶部裸露出。上述移除纳米柱结构112以及块状图案110顶部的保护层114可采用干式蚀刻程序。在此,保护层114的材质包括二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。另外,保护层114的厚度例如是100~400nm。图2为图1F的结构的俯视图。请参照图1F以及图2,所形成块状图案110是分布于纳米柱结构112之间。块状图案110的宽度W1,且块状图案110的间距为W2。由于块状图案110是由上述图1C的图案化光阻层108转移来,因而块状图案110的宽度W1及间距W2相当于图案化光阻层108的宽度与开口宽度。因此,类似地,块状图案110的宽度与间距的比例W1/W2约为0.8~1.2,较佳的是1。另外,块状图案110的宽度W1例如是2~5μm,且块状图案110的间距W2例如是2~5μm。此外,因纳米柱结构112是由上述图1C的金属颗粒106a所转移来的,因而纳米柱结构112的宽度W3与金属颗粒106a的直径相当,因而纳米柱结构112的宽度W3约为30~300nm。值得一提的是,在上述图2中,块状图案110是以方形图案为例,但本发明不限于此。根据其它实施例,块状图案110还可以是圆形、矩形、三角形、十字形或是其它多边形。请参照图1G,进行侧向外延成长程序,以于图案化氮化物半导体层102a(纳米柱结构112以及块状图案114)上形成氮化物半导体层120,其中氮化物半导体层120与图案化氮化物半导体层102a之间具有多个纳米孔洞122。根据本实施例,上述的侧向外延成长程序例如是采用氢化物气相外延法(hydridexa0vaporxa0phasexa0epitaxy,HVPE)以进行氮化物半导体层120的接平与膜厚成长。上述的氮化物半导体层120的厚度T2不超过50μm。根据本实施例,上述的氮化物半导体层120的材质包括氮化镓(GaN)、氮化铝镓(GaAlN)、氮化铝(AlN)、氮化铟镓(CaInN)或是上述材料的组合,较佳的是氮化镓(GaN)。根据本实施例,在形成氮化物半导体层120之后,氮化物半导体层120与图案化氮化物半导体层102a之间具有多个纳米孔洞122。换言之,纳米柱结构112之间的间隙即为纳米孔洞122。在此,保护层114除了覆盖纳米柱结构112以及块状图案110的侧壁之外,更覆盖纳米孔洞122的底部。然,本发明不限于此。根据其它实施例,保护层114可以仅覆盖纳米柱结构112以及块状图案110的侧壁。另外,上述的纳米柱结构112与块状图案110的高度相当于图案化氮化物半导体层102a的厚度,因此纳米柱结构112与块状图案110的高度T1约为0.5~5μm,较佳的是1~5μm,更佳的是2~3μm。依照上述方法所形成的氮化物半导体基板如图1G所示,其包括基材100、图案化氮化物半导体102a、保护层114以及氮化物半导体层120。图案化氮化物半导体层102a位于基材100上,其中图案化氮化物半导体层102a包括多个纳米柱结构112以及多个块状图案110,且纳米柱结构112的上表面与块状图案110的上表面实质上共平面。换言之,较佳的情况是,纳米柱结构112的上表面与块状图案110的上表面实质上是位于同一个水平面,且纳米柱结构112的底面与块状图案110的底面实质上也是位于同一个水平面。然,本发明不限纳米柱结构112的上表面与块状图案110的上表面必须完全地共平面。换言之,纳米柱结构112的上表面的水平位置与块状图案110的上表面的水平位置可以有30%以内的差异,亦即纳米柱结构112的高度T1’以及块状图案110的高度T1两者相差约30%以内。换言之,-30%≤(T1-T1’)/T1≤+30%;或者是-30%≤(T1-T1’)/T1’≤+30%。保护层114披覆在纳米柱结构112与块状图案110的侧壁上。氮化物半导体层120位于图案化氮化物半导体层102a上,其中氮化物半导体层120与图案化氮化物半导体层102a之间具有多个纳米孔洞122。于形成氮化物半导体层120之后,可接着进行分离程序,以使氮化物半导体层120与图案化氮化物半导体层102a分离,如图1H所示。根据本实施例,上述的分离程序包括持续进行上述图1G所述的侧向外延成长程序,以使氮化物半导体层120的厚度T3大于50μm,较佳的是大于100μm。之后,进行降温程序,通过氮化物半导体层120与基材100之间的热膨胀系数的差异,即可使氮化物半导体层120与图案化氮化物半导体层102a自我分离。上述的降温程序例如是将上述结构移出气相外延成长设备,以于室温环境自动降温。而分离之后的氮化物半导体层120即可应用于半导体发光元件的制作。实例此实例的氮化物半导体基板中的图案化氮化物半导体层(如图2以及图1F所示的结构),包括多个纳米柱结构112以及多个块状图案110,其中纳米柱结构112的宽度约为120nm,块状图案110的宽度约为2800nm。在此实例中,当以侧向外延成长程序于所述图案化氮化物半导体层上形成氮化物半导体层之后,所形成的氮化物半导体层都已接平。承上所述,在上述结构参数下接平的氮化物半导体层其经分离程序后自我分离率可高达40%以上。承上所述,本发明在基材上形成具有多个纳米柱结构以及多个块状图案的图案化氮化物半导体层,之后再以侧向外延成长程序于所述图案化氮化物半导体层上形成氮化物半导体层。由于氮化物半导体层是在纳米柱结构以及块状图案上以侧向外延程序成长达到接平(coalesce)而形成,因而可以降低氮化物半导体层在外延成长过程的错位密度及释放晶格不匹配所造成的应力,以提高氮化物半导体层的品质。换言之,若将所述氮化物半导体层应用于发光元件的制造,便可以提高发光元件的发光效率。另外,本发明在图案化氮化物半导体层(纳米柱结构以及多个块状图案)上形成氮化物半导体层,以使图案化氮化物半导体层与氮化物半导体层之间具有纳米孔洞。当氮化物半导体层的成长膜厚高于50μm时,通过氮化物半导体层与基材之间的热膨胀系数的差异即可通过降温程序使得氮化物半导体层与基材自动分离。换言之,本发明不需采用传统激光分离方法或是蚀刻分离方法,就可以使氮化物半导体层自基材分离。因而所取得的氮化物半导体层不会有激光或是蚀刻处理的损害,因此本发明所制得氮化物半导体层相较于传统氮化镓基板具有较佳的质量。若将此氮化物半导体层应用于发光元件的制造,可以提高发光元件的发光效率。当然,本发明还可有其它多种实施例,在不背离本发明精神及其实质的情况下,熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形,但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。