專利名稱：半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)及其生長方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)及其生長方法。
背景技術(shù)：
第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料氮化鎵由于具有禁帶寬度大、電子飽和漂移速度高、擊穿場強高、導(dǎo)熱性能好等特點，所以比硅和砷化鎵更適合于制作高溫、高頻、高壓和大功率的器件。氮化鎵器件在高頻大功率微波器件方面有很好的應(yīng)用前景，從20世紀(jì)90年代至今，氮化鎵器件的研制一直是電子器件研究的熱點之一。由于氮化鎵本征襯底的缺乏，氮化鎵器件都是在異質(zhì)襯底上制成，比如說藍寶石、碳化硅和硅。而這幾種襯底當(dāng)中，硅襯底具有最大的尺寸(200_)和最低的價格，因此在硅襯底上生長氮化鎵材料和器件引起了人們的廣泛關(guān)注。
但是，由于硅材料和氮化物之間巨大的晶格失配和熱失配，在硅襯底上生長氮化鎵外延膜十分困難。首先需要生長氮化鋁來阻止鎵原子和硅襯底之間的反應(yīng)，在氨氣氛圍內(nèi)鎵原子會起到刻蝕硅襯底的作用。另外，氮化鎵在硅襯底上的浸潤很差，非常困難得到均勻連續(xù)的氮化鎵外延膜。所以，生長高質(zhì)量的氮化鋁成核層，是在硅襯底上生長氮化鎵材料器件必不可少的先決條件。在氮化鋁成核層的幫助下，可以在硅襯底上生長均勻連續(xù)表面光潔的氮化鎵外延膜。但是，由于氮化鎵的熱膨脹系數(shù)大概是硅襯底的兩倍，所以在高溫條件下生長氮化鎵材料后，在冷卻過程中就會產(chǎn)生巨大的張應(yīng)力。當(dāng)?shù)壨庋幽さ暮穸瘸^臨界值后(比如說一個微米)，整個外延膜就會產(chǎn)生龜裂。為了阻止龜裂的產(chǎn)生，就需要在高溫生長的時候引入壓應(yīng)力。如果壓應(yīng)力的平均值和熱張應(yīng)力相當(dāng)，硅襯底的翹曲就可以忽略不計。在高溫下引入補償性壓應(yīng)力的方法，我們稱之為應(yīng)力工程。應(yīng)力工程采用的方法主要是利用不同外延層之間的晶格失配，來引入不同的應(yīng)力。如果下面外延層的晶格常數(shù)小于上面外延層的晶格常數(shù)，則會引入壓應(yīng)力；相反情況，下面外延層的晶格常數(shù)更大的話，上面外延層中的應(yīng)力則是張應(yīng)力。通常采用的方法如下低溫氮化鋁插入層，參見 A. Dadgar 等人 2002 年發(fā)表在 Appl. Phys. Lett. Volume 80, Issue 20 的文章、或者 Hiroshi Amano 等人 1998 年公開在 Japanese Journal of Applied Physics, Volume37，Issuel2B，pp. L1540-L1542的文章等等；鋁氮/鋁鎵氮超晶格結(jié)構(gòu)，參見Hong-Mei Wang等人2002年發(fā)表在Appl. Phys. Lett. v81, p604的文章等；或者是鎵氮/招鎵氮超晶格結(jié)構(gòu)，參見S. A. Nikishin等人在1999年發(fā)表在Appl. Phys. Lett. v75, p2073的文章；或者是氮化招/氮化鎵超晶格結(jié)構(gòu)，參見Eric Feltin等人2001年公開在Appl. Phys. Lett.v79,p3230的文章等等。低溫氮化鋁插入層在開始的時候是用于在氮化鎵基板上生長鋁鎵氮外延層。由于鋁鎵氮的晶格常數(shù)要小于氮化鎵，因此鋁鎵氮中的生長應(yīng)力是張應(yīng)力。當(dāng)生長的鋁鎵氮外延膜的厚度超過臨界值的時候，外延膜就會出現(xiàn)龜裂，無法制成任何器件。通過引入低溫氮化鋁插入層，可以有效的減少張應(yīng)力避免外延膜龜裂的產(chǎn)生。后來，這個方法也用到在硅襯底上用來生長無龜裂的氮化鎵外延膜。但是，低溫氮化鋁插入層存在一些問題。首先，高質(zhì)量的三族氮化物外延膜都必須生長在高溫下。氮化鎵的生長溫度要超過1000攝氏度，而氮化鋁的生長溫度更是要超過1100攝氏度。在低溫的條件下生長氮化鋁，其晶體質(zhì)量不會很好。人們也發(fā)現(xiàn)，在引入氮化鋁低溫插入層后，氮化鎵外延膜的質(zhì)量大大降低。在低溫氮化鋁和氮化鎵外延膜的界面處，會產(chǎn)生大量的刃位錯，總體的位錯密度大大提高。另外，高溫、低溫再高溫這樣一個溫度變化會在腔內(nèi)引起一些不必要的顆粒等等，降低產(chǎn)品的良率。通常情況下，在生長很厚的外延膜的時候，會多次引入氮化鋁插入層，其生長頻率約為每微米外延膜就會用到一次低溫氮化鋁插入層。因此，在反復(fù)的溫度變化條件下，生長的腔體內(nèi)會產(chǎn)生很多灰塵、顆粒，從而引起外延膜的缺陷。這些缺陷可能對器件的性能產(chǎn)生致命的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)及其生長方法。所述外延層結(jié)構(gòu)為含有插入層的多層結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)插入層中鋁的組分，實現(xiàn)應(yīng)力調(diào)控的目的。由于現(xiàn)有技術(shù)中在氮化物層上生長富鋁結(jié)構(gòu)的外延層十分困難，本發(fā)明引入了一個預(yù)應(yīng)力層，以阻止鎵原 子對富鋁結(jié)構(gòu)的侵蝕。同時通過所述預(yù)應(yīng)力層，改變富鋁插入層的生長方式，實現(xiàn)理想的二維狀況。所述氮化物層以及具有多層結(jié)構(gòu)的插入層都是在高溫下生長，避免了生長低溫氮化鋁插入層時復(fù)雜的溫度升降過程，可以節(jié)約時間提高產(chǎn)能。另外，也避免了低溫氮化鋁插入層引起的質(zhì)量下降問題。由于所有結(jié)構(gòu)都是在高溫下生長，極大的提高了晶體的質(zhì)量，避免引入缺陷。為了實現(xiàn)上述目的，本申請?zhí)峁┑募夹g(shù)方案如下本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)，包括形成于硅或者碳化硅襯底上的氮化物成核層；形成于所述氮化物成核層上的氮化物層，所述氮化物層包括第一氮化物層和第二氮化物層；位于所述第一氮化物層和第二氮化物層之間的插入層，所述插入層包括第一插入層和及位于所述第一插入層上方的第二插入層，所述第一插入層為鋁鎵氮層，所述第二插入層為鋁鎵氮層或氮化鋁層，所述第一插入層中鋁的平均含量低于所述第二插入層中鋁的平均含量。作為本發(fā)明的進一步改進，所述插入層還包括位于所述第二插入層上方的第三插入層，所述第三插入層為鋁鎵氮層，所述第三插入層中鋁的平均含量低于所述第二插入層中鋁的平均含量。作為本發(fā)明的進一步改進，所述第一插入層為氮化鎵/鋁鎵氮超晶格結(jié)構(gòu)。作為本發(fā)明的進一步改進，所述第二插入層的厚度大于等于2納米。作為本發(fā)明的進一步改進，所述半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)還包括形成于所述氮化物層上的有源區(qū)，所述有源區(qū)選自銦鎵氮/鎵氮多量子阱結(jié)構(gòu)和P型氮化物構(gòu)成的發(fā)光二極管、鋁鎵氮/氮化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的高電子遷移率晶體管、鋁鎵銦氮/氮化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的高電子遷移率晶體管、氮化鋁/氮化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的高遷移率三極管、氮化鎵M0SFET、υν-LED、光電探測器、氫氣產(chǎn)生器或太陽能電池。
作為本發(fā)明的進一步改進，所述第一插入層中鋁的平均含量自下而上逐漸增多。作為本發(fā)明的進一步改進，所述第三插入層中鋁的平均含量自下而上逐漸減少。作為本發(fā)明的進一步改進，所述氮化物成核層為鋁鎵氮層、鋁銦鎵氮層、氮化鋁層或氮化鎵層。作為本發(fā)明的進一步改進，所述氮化物層為氮化鎵層、鋁銦鎵氮層或鋁鎵氮層。作為本發(fā)明的進一步改進，所述插入層中摻雜有硅和/或鍺，以實現(xiàn)η型摻雜。作為本發(fā)明的進一步改進，所述氮化物層中摻雜有硅和/或鍺，以實現(xiàn)η型摻雜。相應(yīng)地，本發(fā)明還公開了一種半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的生長方法，包括
( I)提供硅或者碳化硅襯底；(2)在所述硅或者碳化硅襯底上生長氮化物成核層；(3)在所述氮化物成核層上生長第一氮化物層；(4)在所述第一氮化物層上生長第一插入層；(5)在所述第一插入層上生長第二插入層；(6)在所述第二插入層上生長第二氮化物層。作為本發(fā)明的進一步改進，所述氮化物成核層的生長溫度大于等于700°C。作為本發(fā)明的進一步改進，所述氮化物層的生長溫度大于等于700°C。作為本發(fā)明的進一步改進，所述插入層的生長溫度大于等于700°C。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點如下本發(fā)明在氮化物層之間引入插入層，插入層包括第一插入層和及位于所述第一插入層上方的第二插入層，第一插入層為鋁鎵氮層，第二插入層為鋁鎵氮層或氮化鋁層，第一插入層中鋁的平均含量低于所述第二插入層中鋁的平均含量。通過調(diào)節(jié)插入層中鋁的組分，可以實現(xiàn)應(yīng)力調(diào)控的目的。由于現(xiàn)有技術(shù)中在氮化物層上生長富鋁結(jié)構(gòu)的外延層十分困難，本發(fā)明引入了一個預(yù)應(yīng)力層(第一插入層或第三插入層)，以阻止鎵原子對富鋁結(jié)構(gòu)的侵蝕。同時通過所述預(yù)應(yīng)力層，改變富鋁插入層(第二插入層)的生長方式，實現(xiàn)理想的二維狀況。所述氮化物層以及具有多層結(jié)構(gòu)的插入層都是在高溫下生長，避免了生長低溫氮化鋁插入層時復(fù)雜的溫度升降過程，可以節(jié)約時間提高產(chǎn)能。另外，也避免了低溫氮化鋁插入層引起的晶體質(zhì)量下降問題。由于所有結(jié)構(gòu)都是在高溫下生長，極大的提高了晶體的質(zhì)量，避免引入缺陷。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I所示為本發(fā)明第一實施例中半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2所示為本發(fā)明第二實施例中半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3所示為本發(fā)明第三實施例中半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4所示為圖3中插入層中鋁成分變化的示意圖；圖5所示為本發(fā)明第四實施例中半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明實施例公開了一種半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)，包括形成于硅或者碳化硅襯底上的氮化物成核層；形成于所述氮化物成核層上的氮化物層，所述氮化物層包括第一氮化物層和第二氮化物層；位于所述第一氮化物層和第二氮化物層之間的插入層，所述插入層包括第一插入層和及位于所述第一插入層上方的第二插入層，所述第一插入層為鋁鎵氮層，所述第二插入層為鋁鎵氮層或氮化鋁層，所述第一插入層中鋁的平均含量低于所述第二插入層中鋁的平均含量。相應(yīng)地，本發(fā)明實施例還公開了一種半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的生長方法，包括·( I)提供硅或者碳化硅襯底；(2)在所述硅或者碳化硅襯底上生長氮化物成核層；(3)在所述氮化物成核層上生長第一氮化物層；(4)在所述第一氮化物層上生長第一插入層；(5)在所述第一插入層上生長第二插入層；(6)在所述第二插入層上生長第二氮化物層。本發(fā)明采用多層插入層結(jié)構(gòu)，使得整個外延層生長在高溫條件下時，可避免溫度變化可能帶來的龜裂效應(yīng)，在引入壓應(yīng)力的同時，晶體質(zhì)量不會下降。本發(fā)明插入層的生長溫度為大于700攝氏度的高溫，晶體質(zhì)量要遠遠好于低溫插入層的結(jié)果。而且插入層可以反復(fù)使用。以下將結(jié)合附圖所示的具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細描述。但這些實施方式并不限制本發(fā)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)這些實施方式所做出的結(jié)構(gòu)、方法、或功能上的變換均包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。圖I所示為本發(fā)明第一實施例中半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的示意圖。參圖I所示，在本發(fā)明的第一實施方式中，硅或者碳化硅襯底11上生長的外延多層結(jié)構(gòu)包括氮化物成核層12、氮化物層13、位于氮化物層13中的插入層14以及形成于氮化物層13上的有源區(qū)(圖未示)。氮化物層13包括第一氮化物層131和第二氮化物層132，插入層14位于第一氮化物層131和第二氮化物層132之間。氮化物成核層12為鋁鎵氮層、鋁銦鎵氮層、氮化鋁層或氮化鎵層。氮化物層13為氮化鎵層、鋁銦鎵氮層或鋁鎵氮層，氮化物層13中可以加入硅或鍺中的一種或兩種以實現(xiàn)η型摻雜。插入層14為三層結(jié)構(gòu)，自下而上分別為第一插入層141、第二插入層142和第三插入層143，其中，第一插入層141是鋁鎵氮層，第二插入層142是鋁鎵氮層或氮化鋁層，第三插入層143是鋁鎵氮層，第一插入層141和第三插入層143中鋁的平均含量低于第二插入層142。第二插入層142生長的厚度大于2納米。插入層14中可以加入硅和/或鍺，以實現(xiàn)η型摻雜。有源區(qū)可以選自銦鎵氮/鎵氮多量子阱結(jié)構(gòu)和P型氮化物構(gòu)成的發(fā)光二極管、鋁鎵氮/氮化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的高電子遷移率晶體管、鋁鎵銦氮/氮化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的高電子遷移率晶體管、氮化鋁/氮化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的高遷移率三極管、氮化鎵MOSFET、UV-LED、光電探測器、氫氣產(chǎn)生器或太陽能電池等。上述外延多層結(jié)構(gòu)的生長方法包括( I)提供硅或者碳化硅襯底11 ;(2)在硅或者碳化硅襯底11上生長氮化物成核層12，氮化物成核層12的生長溫度大于等于700°C ；(3)在氮化物成核層12上生長第一氮化物層131，第一氮化物層131的生長溫度大于等于700°C ；(4)在第一氮化物層131上生長第一插入層141，第一插入層141的生長溫度大于等于700°C ； (5)在第一插入層141上生長第二插入層142，第二插入層142的生長溫度大于等于 700。。；(6)在第二插入層142上生長第三插入層143，第三插入層143的生長溫度大于等于 700。。；(7)在第三插入層143上生長第二氮化物層132，第二氮化物層132的生長溫度大于等于700°C ；(5)在第二氮化物層132上生長有源區(qū)。上述步驟中，插入層14具有三層結(jié)構(gòu)，第一插入層141是較薄的鋁鎵氮層，第二插入層142是富鋁的鋁鎵氮層，第三插入層143是鋁鎵氮層，第一插入層141和第三插入層143中鋁的組分低于第二插入層142中鋁的組分。本實施例中硅或者碳化硅襯底11上生長的氮化物成核層12、氮化物層13都是生長在高溫條件下，插入層14也是高溫生長。相對于低溫氮化鋁插入層的結(jié)構(gòu)來說，高溫的插入層14結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。本實施例中，在極端條件下，高溫插入層14具有多層結(jié)構(gòu)，插入層14的多層結(jié)構(gòu)的第一插入層141是鋁鎵氮層，用來保護插入層14下面的氮化物層13和第二插入層142 ;第二插入層142是富鋁成分的鋁鎵氮層或者純氮化鋁層，用來在上層結(jié)構(gòu)中(如第二氮化物層)引入壓應(yīng)力；第三插入層143也是鋁鎵氮層，但是其中鋁的成分要低于第二插入層142，保障把壓應(yīng)力有效地傳遞給上面的氮化物層13。由于氮化鋁的生長條件和氮化鎵極為不同，要求更高的生長溫度和更低的壓力。同時，由于氨氣和三甲基鋁之間有很強的氣態(tài)反應(yīng)，會產(chǎn)生大量的顆粒，降低生長速度，降低晶體質(zhì)量。所以要求通入反應(yīng)腔內(nèi)的氨氣流量極低，以避免過多的氣態(tài)反應(yīng)。但是，氮化鎵的生長的時候要求有大量的氨氣來保持平整的形貌，而且氮化鎵的分解溫度只有700度，在缺乏氨氣的條件下，氮化鎵的分解速度會大大加快。因此，在氮化鎵層上生長氮化鋁時，如果生長條件完全按照氮化鋁的情況優(yōu)化，就會因為下層氮化鎵的分解等帶來形貌的問題，無法生成平整的外延層。如果在氨氣充分的條件下先生長一層薄的鋁鎵氮外延層，則下面的氮化鎵層就受到很好的保護，避免了分解效應(yīng)。再在此鋁鎵氮薄膜上繼續(xù)在富鋁的條件下生長氮化鋁，整個外延層的形貌會得到優(yōu)化和改善。在氮化鎵層上生長氮化鋁的臨界厚度在7個納米左右。為了在氮化鋁插入層上引入壓應(yīng)力，需要生長超過臨界厚度的氮化鋁薄膜，以達到釋放由氮化鎵層帶來的張應(yīng)力。因此，氮化鋁插入層的厚度要至少超過8納米，為了進一步釋放從氮化鎵層帶來的應(yīng)力，氮化鋁插入層的厚度可以超過10納米，15納米，甚至20納米。在氮化鋁插入層厚度充分超過臨界值后，可以確保氮化鋁外延膜近似沒有應(yīng)力的程度。在此沒有應(yīng)力的氮化鋁插入層上生長鋁鎵氮或者氮化鎵，可以有效的引入壓應(yīng)力。同時，由于此氮化鋁薄膜是生長在高溫條件下，不會引入額外的缺陷，而且在插入層下層鋁鎵氮層的保護下，氮化鋁插入層形貌非常平整，會為上面外延膜引入極大的壓應(yīng)力。如果在氮化鋁插入層和上部氮化鎵外延膜之間再加入一層鋁鎵氮膜，壓應(yīng)力的傳遞會更為有效。在發(fā)光二極管(LED)器件中，為了提高縱向的導(dǎo)電率，也可以在插入層中進行η-型摻雜，比如說摻入硅或者是鍺。在功率器件當(dāng)中，為了保持高的擊穿電壓，需要在各個界面處避免產(chǎn)生二維電子氣。通過激化產(chǎn)生的電子可以被氮化鎵基板中 故意引入缺陷所捕獲，從而避免外延膜導(dǎo)電。圖2所示為本發(fā)明第二實施例中半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的示意圖。參圖2所示，在本發(fā)明的第二實施方式中，硅或者碳化硅襯底21上生長的外延多層結(jié)構(gòu)包括氮化物成核層22、氮化物層23、位于氮化物層23中的插入層24以及形成于氮化物層23上的有源區(qū)(圖未示)。氮化物層23包括第一氮化物層231和第二氮化物層232，插入層24位于第一氮化物層231和第二氮化物層232之間。氮化物成核層22為鋁鎵氮層、鋁銦鎵氮層、氮化鋁層或氮化鎵層。氮化物層23為氮化鎵層、鋁銦鎵氮層或鋁鎵氮層，氮化物層23中可以加入硅和/或鍺以實現(xiàn)η型摻雜。插入層24為兩層結(jié)構(gòu)，自下而上分別為第一插入層241和第二插入層242，其中，第一插入層241是鋁鎵氮層，第二插入層242是鋁鎵氮層或氮化鋁層，第一插入層241中鋁的平均含量低于第二插入層242。第二插入層242生長的厚度大于2納米。插入層24中可以加入硅和/或鍺，以實現(xiàn)η型摻雜。有源區(qū)可以選自銦鎵氮/鎵氮多量子阱結(jié)構(gòu)和P型氮化物構(gòu)成的發(fā)光二極管、鋁鎵氮/氮化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的高電子遷移率晶體管、鋁鎵銦氮/氮化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的高電子遷移率晶體管、氮化鋁/氮化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的高遷移率三極管、氮化鎵MOSFET、UV-LED、光電探測器、氫氣產(chǎn)生器或太陽能電池等。上述外延多層結(jié)構(gòu)的生長方法包括( I)提供硅或者碳化硅襯底21 ；(2)在硅或者碳化硅襯底21上生長氮化物成核層22，氮化物成核層22的生長溫度大于等于700°C ；(3)在氮化物成核層22上生長第一氮化物層231，第一氮化物層231的生長溫度大于等于700°C ；(4)在第一氮化物層231上生長第一插入層241，第一插入層241的生長溫度大于等于700°C ；(5)在第一插入層241上生長第二插入層242，第二插入層242的生長溫度大于等于 700。。；(6)在第二插入層242上生長第二氮化物層232，第二氮化物層232的生長溫度大于等于700°C ；(7)在第二氮化物層232上生長有源區(qū)。上述步驟中，插入層24具有兩層結(jié)構(gòu)，第一插入層241是較薄的鋁鎵氮層，第二插入層242是富鋁的鋁鎵氮層，第一插入層241中鋁的組分低于第二插入層242中鋁的組分。圖3所示為本發(fā)明第三實施例中半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的示意圖，圖4所示為圖3中插入層中鋁成分變化的示意圖。參圖3所示，硅/碳化硅襯底31上生長的外延多層結(jié)構(gòu)與第一實施例大致相同，具體包括氮化物成核層32、氮化物層33、位于氮化物層33中的插入層34以及形成于氮化物層23上的有源區(qū)(圖未示)。氮化物層33包括第一氮化物層331和第二氮化物層332，插入層34位于第一氮化物層331和第二 氮化物層332之間。插入層34包括三層，自下而上分別為第一插入層341、第二插入層342以及第三插入層343。參圖4所示，第三實施例與第一實施例(插入層24的每一層中鋁的含量都是均勻分布)的區(qū)別在于第一插入層341和第三插入層343中鋁的平均含量是漸變的，其中，第二插入層342中鋁的含量均勻分布，第一插入層341中鋁的含量自下而上(生長方向)逐漸增多，第三插入層343中鋁的含量自下而上(生長方向)逐漸減少。在第一插入層和第三插入層中，鋁組分的變化可以不是單調(diào)下降的，可以呈臺階狀下降或上升，甚至是有升有降。第二插入層中，鋁的組分也可以不是常數(shù)，可隨厚度的變化而變化。圖5所示為本發(fā)明第四實施例中半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的示意圖。參圖5所示，硅或者碳化硅襯底41上生長的外延多層結(jié)構(gòu)與第一實施例大致相同，具體包括氮化物成核層42、氮化物層43、位于氮化物層43中的插入層44以及形成于氮化物層43上的有源區(qū)(圖未示)。氮化物層43包括第一氮化物層431和第二氮化物層432，插入層44位于第一氮化物層431和第二氮化物層432之間。插入層44包括三層，自下而上分別為第一插入層441、第二插入層442以及第三插入層443。第四實施例與第一實施例的區(qū)別在于第一插入層441包括氮化鎵層4411和鋁鎵氮層4412，氮化鎵層4411和鋁鎵氮層4412可以重復(fù)多個周期構(gòu)成氮化鎵/鋁鎵氮超晶格結(jié)構(gòu)。此超晶格結(jié)構(gòu)也可以由鋁鎵氮/鋁鎵氮周期結(jié)構(gòu)組成。第三插入層也可以使用超晶格結(jié)構(gòu)。綜上所述，本發(fā)明在氮化物層之間引入插入層，插入層包括第一插入層和及位于所述第一插入層上方的第二插入層，第一插入層為鋁鎵氮層，第二插入層為鋁鎵氮層或氮化鋁層，第一插入層中鋁的平均含量低于所述第二插入層中鋁的平均含量。通過調(diào)節(jié)插入層中鋁的組分，可以實現(xiàn)應(yīng)力調(diào)控的目的。由于現(xiàn)有技術(shù)中在氮化物層上生長富鋁結(jié)構(gòu)的外延層十分困難，本發(fā)明引入了一個預(yù)應(yīng)力層(第一插入層或第三插入層)，以阻止鎵原子對富鋁結(jié)構(gòu)的侵蝕。同時通過所述預(yù)應(yīng)力層，改變富鋁插入層(第二插入層)的生長方式，實現(xiàn)理想的二維狀況。所述氮化物層以及具有多層結(jié)構(gòu)的插入層都是在高溫下生長，避免了生長低溫氮化鋁插入層時復(fù)雜的溫度升降過程，可以節(jié)約時間提高產(chǎn)能。另外，也避免了低溫氮化鋁插入層引起的晶體質(zhì)量下降問題。由于所有結(jié)構(gòu)都是在高溫下生長，極大的提高了晶體的質(zhì)量，避免引入缺陷。應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個整體，各實施方式中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實施方式。上文所列出的一系列的詳細說明僅僅是針對本發(fā)明的可行性實施方式的具體說明，它們并非用以限制本發(fā)明的保護范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所作的等效實施方式或變更均應(yīng)包含在本發(fā)明 的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu),其特征在于,包括 形成于娃或者碳化娃襯底上的氮化物成核層； 形成于所述氮化物成核層上的氮化物層，所述氮化物層包括第一氮化物層和第二氮化物層； 位于所述第一氮化物層和第二氮化物層之間的插入層，所述插入層包括第一插入層和及位于所述第一插入層上方的第二插入層，所述第一插入層為鋁鎵氮層，所述第二插入層為鋁鎵氮層或氮化鋁層，所述第一插入層中鋁的平均含量低于所述第二插入層中鋁的平均含量。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述插入層還包括位于所述 第二插入層上方的第三插入層，所述第三插入層為鋁鎵氮層，所述第三插入層中鋁的平均含量低于所述第二插入層中鋁的平均含量。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一插入層為氮化鎵/鋁嫁氣超晶格結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第二插入層的厚度大于等于2納米。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)還包括形成于所述氮化物層上的有源區(qū)，所述有源區(qū)選自銦鎵氮/鎵氮多量子阱結(jié)構(gòu)和P型氮化物構(gòu)成的發(fā)光二極管、鋁鎵氮/氮化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的高電子遷移率晶體管、鋁鎵銦氮/氮化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的高電子遷移率晶體管、氮化鋁/氮化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的高遷移率三極管、氮化鎵MOSFET、UV-LED、光電探測器、氫氣產(chǎn)生器或太陽能電池。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一插入層中鋁的平均含量自下而上逐漸增多。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第三插入層中鋁的平均含量自下而上逐漸減少。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述氮化物成核層為鋁鎵氮層、鋁銦鎵氮層、氮化鋁層或氮化鎵層。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述氮化物層為氮化鎵層、鋁銦鎵氮層或鋁鎵氮層。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述插入層中摻雜有硅和/或鍺，以實現(xiàn)η型摻雜。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述氮化物層中摻雜有硅和/或鍺，以實現(xiàn)η型摻雜。
12.—種如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的生長方法，其特征在于，包括 (1)提供硅或者碳化硅襯底； (2)在所述硅或者碳化硅襯底上生長氮化物成核層； (3)在所述氮化物成核層上生長第一氮化物層； (4)在所述第一氮化物層上生長第一插入層； (5)在所述第一插入層上生長第二插入層； (6)在所述第二插入層上生長第二氮化物層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的生長方法，其特征在于，所述氮化物成核層的生長溫度大于等于700°C。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的生長方法，其特征在于，所述氮化物層的生長溫度大于等于700°C。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的生長方法，其特征在于，所述插入層的生長溫度大于等于700°C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)，包括形成于硅或者碳化硅襯底上的氮化物成核層、所述氮化物成核層上的氮化物層以及所述氮化物層內(nèi)的插入層。所述插入層包括第一插入層和及位于所述第一插入層上方的第二插入層，所述第一插入層為鋁鎵氮層，所述第二插入層為鋁鎵氮層或氮化鋁層，所述第一插入層中鋁的平均含量低于所述第二插入層中鋁的平均含量。本發(fā)明還公開了一種半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的生長方法。本發(fā)明的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)在引入壓應(yīng)力的同時，晶體質(zhì)量不會下降，并可避免溫度變化可能帶來的龜裂效應(yīng)或表面質(zhì)量下降。而且，整個外延層生長在高溫條件下進行，不需要反復(fù)的降溫升溫過程，降低了工藝的復(fù)雜程度。
文檔編號H01L21/02GK102856163SQ20121032421
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月4日
發(fā)明者程凱 申請人:程凱