[发明专利]三族氮化物垂直柱阵列衬底

说明书

技术领域

本发明涉及一种三五族半导体衬底，尤其涉及一种三族氮化物垂直柱阵列(vertical-rod array)衬底。

背景技术

近年来发光二极管(LED)和激光器(LD)广泛地被应用在市场上，例如以氮化镓(GaN)制成的蓝光与黄色荧光粉组合可以获得白光，不只是在亮度上或用电量方面皆比之前的传统泡光源亮且省电，可以大幅降低用电量。此外，发光二极管的寿命约在数万小时以上，寿命比传统灯泡长。

从红光、绿光、蓝光到紫外光的发光二极管在目前市面上主要的器件大多数的产品是由氮化镓系列的化合物为主，但由于氧化铝衬底(sapphire)本身与氮化镓的晶格常数(lattice constant)、热膨胀系数及化学性质的差异，所以在异质衬底(例如是硅衬底、碳化硅衬底或是氧化铝衬底)上生长的氮化镓层会有许多的线缺陷、位错，且这些位错会随着生长的氮化镓层的厚度增加而延伸，也就是形成穿透位错。而此类缺陷影响紫外光的发光二极管及氮化镓系列的激光器性能和使用寿命。

为了降低穿透位错，常规发展出多种衬底结构。图1绘示为常规一种三族氮化物衬底的剖面简图。请参照图1，衬底100上有一层GaN缓冲层102，而GaN缓冲层102上配置多个阻障图案104，由阻障图案104之间所裸露的GaN缓冲层上生长半导体层106，也就是GaN外延层，并包覆阻障图案104。此种衬底结构是利用阻障图案截断部份位错，以使位于阻障图案之上的部份GaN外延层不会产生穿透位错。然而，这样生长的GaN外延层仍具有严重的区域性位错现象，也就是在没有阻障图案104位置上的GaN外延层具有分布较为密集的位错产生。

图2绘示为常规另一种三族氮化物衬底的剖面简图。请参照图2，在衬底200上形成缓冲层202与晶种层204，之后在衬底200中形成穿透缓冲层202与晶种层204的沟槽206，也就是将缓冲层202与晶种层204图案化成条状结构。利用异质结构的选择性侧向生长法，称之为PE(Pendeo-epitaxy)，使GaN外延层只在条形晶种层204的侧壁上悬空侧向生长，然后覆盖在条状的晶种层204上，用以阻止部份垂直方向的穿透位错。与图1所述的衬底结构所生长的GaN外延层相似，上述悬空生长的GaN外延层同样具有区域性穿透位错的问题，也就是穿透位错现象密集于某些区域产生。而并非是生长出无位错现象的GaN外延层。

由于使用上述两衬底结构所生长的三族氮化物外延层中都有穿透位错的问题，因此所生长的三族氮化物外延层的厚度受限于位错现象，都小于20微米。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三族氮化物垂直柱阵列衬底，可以提供一个位错均匀的半导体层生长环境。

本发明的再一目的是提供一种三族氮化物垂直柱阵列衬底，可提供一结构弱化点，有助于半导体层与衬底相互分离。

本发明提出一种三族氮化物垂直柱阵列衬底，此三族氮化物垂直柱阵列衬底包括：衬底、缓冲层与垂直柱阵列层。其中，缓冲层位于衬底上方，且垂直柱阵列层位于缓冲层上，而垂直柱阵列层是由多个立于缓冲层上的垂直柱组成。

依照本发明一实施例的三族氮化物垂直柱阵列衬底所述，其中每一垂直柱的材料包括三族氮化物，例如氮化镓。

依照本发明一实施例的三族氮化物垂直柱阵列衬底所述，其中缓冲层是一复合层。而复合层的材料包括氮化硅/三族氮化物。又此缓冲层的厚度约为1～60纳米。

依照本发明一实施例的三族氮化物垂直柱阵列衬底所述，其中缓冲层的材料包括氮化硅。而缓冲层的厚度约小于10纳米。

依照本发明一实施例的三族氮化物垂直柱阵列衬底所述，其中每一该些垂直柱的截面直径约为60～150纳米。

依照本发明一实施例的三族氮化物垂直柱阵列衬底所述，还包括三族氮化物层位于垂直柱阵列层上。

依照本发明一实施例的三族氮化物垂直柱阵列衬底所述，其中垂直柱阵列层的厚度约为10纳米～5微米。

依照本发明一实施例的三族氮化物垂直柱阵列衬底所述，其中垂直柱阵列层中垂直柱的分布密度约在10⁹～10¹²/cm²之间。

本发明另提出一种三族氮化物垂直柱阵列衬底。此三族氮化物垂直柱阵列衬底包括：衬底、垂直柱阵列层与氮化镓半导体层。其中，垂直柱阵列层位于衬底上，且垂直柱阵列层是由多个单晶性垂直柱组成。又氮化镓半导体层位于垂直柱阵列层上。