[发明专利]半导体元件

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体元件，尤其涉及一种形成结晶态的III族氮化薄膜于硅基材上。

背景技术

III族氮化物(一般称为III-氮化物或III-N)，例如氮化镓(GaN)以及其相关的合金，由于其于电子与光电元件上的应用深具潜力，近年来受到相当的瞩目。潜在可能的光电元件包括蓝光发光二极管与激光二极管，以及UV光检测器。因为这些III族氮化物具有较大能阶差以及高电子饱和速度，使其成为高温与高速功率电子元件的最佳候选材料。

由于氮于一般成长温度下，具有高平衡压力，因此要获的氮化镓的块状结晶是极为困难的。因为缺乏合适的块状成长方法，氮化镓一般外延沉积于基材上，例如碳化硅以及蓝宝石(三氧化二铝，Al₂O₃)。然而，目前制备氮化镓薄膜的方法遭遇的问题在于，没有容易取得且其晶格常数与热膨胀系数又可以与氮化镓匹配的基材。

碳化硅(SiC)是一种半导体材料，其具有优异的导热能力，但是却非常贵且只能在较小的晶片尺寸中获得。于碳化硅上直接成长氮化镓一般是困难的，因为这些材料之间的亲合性差(poor wetting)。虽然有一些缓冲层，例如氮化铝或氮化铝镓可用于改善亲合的问题，但是这些缓冲层会造成上层元件与下层基材之间的电阻增加。此外，很难制备具有平滑表面的碳化硅，只要碳化硅一有粗糙界面与氮化镓接触，就会造成氮化镓层缺陷密度提高。

最高纯度的半导体基材是硅基材，也被考虑用于成长氮化镓薄膜。硅基材之所以被考虑，是因为其低价格、大直径、高结晶性与高表面质量、可控制的导电性，以及高导热性。使用硅晶片可确保以氮化镓为主的光电元件能轻易与硅为主的电子元件整合。

在这些合适的基材中，硅(100)基材是CMOS电路领域中所熟知的基材。然而，硅(100)与氮化镓的晶格严重失配。造成氮化镓薄膜成长于硅(100)基材时具多晶态，而非想要的单晶态。另一方面，硅(111)基材因为具有三角形的对称型态，因此适合成长氮化镓薄膜。然而，硅(111)基材却鲜少用于传统的CMOS元件，因此具有相对高价格与较低的利用性。由上述的观点得知，必须折衷考虑价格、性能表现、及/或工艺复杂性。因此，需要一种氮化镓薄膜的新制法，以解决上述遇到的问题。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题而提供了半导体元件。

本发明的目的之一就是提供一种半导体元件，包括硅基材；多个硅三角锥体形成于硅基材的上表面；以及一III族氮化层位于硅刻面结构上。这些硅刻面结构彼此分离且具有一重复图案。本发明的目的之一就是提供一种半导体元件，包括一硅(100)基材；以及多个硅刻面结构形成于硅(100)基材的上表面且接触硅(100)基材。这些硅刻面结构是以阵列排列。这些硅刻面结构的斜面具有(111)的表面晶相。半导体元件还包括一氮化镓层，其位于硅刻面结构之上，其中此氮化镓层接触硅刻面结构的斜面；以及一掩模，其具有一格子结构用于分隔每一硅刻面结构，其中该掩模介于氮化镓层与硅(100)基材之间。本发明的另一目的就是提供一种半导体元件，包括一硅(100)基材；以及多个硅刻面结构形成于以及接触于硅(100)基材的上表面。这些硅刻面结构是以阵列排列。这些硅刻面结构的斜面具有(111)的表面晶相。半导体元件还包括一氮化镓层，其位于硅刻面结构之上。此氮化镓层接触硅刻面结构的斜面。此氮化镓层具有一结晶态。半导体元件还包括一额外层，位于以及接触于氮化镓层。氮化镓层以及额外层是由不同材料组成。

本发明的另一目的就是提供制备半导体元件的方法，包括提供一硅基材；外延成长多个硅刻面结构于硅基材的上表面；以及形成一III氮化层位于硅刻面结构上。此III族氮化层接触硅刻面结构的斜面。

本发明的另一目的就是提供制备半导体元件的方法，包括提供一硅(100)基材；形成具格子图案的一掩模，其中硅(100)基材的上表面部分经由掩模曝光以形成一阵列；外延成长硅刻面结构于硅(100)基材的上表面曝光部分，其中硅刻面结构的斜面具有(111)表面晶相；以及成长一氮化镓层于硅刻面结构上，其中氮化镓层接触硅刻面结构的斜面。本发明提供了一种半导体元件，包括一硅基材；多个硅刻面结构，形成于该硅基材的上表面，其中所述多个硅刻面结构彼此分离；以及一III族氮化层，位于所述多个硅刻面结构上。