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半導(dǎo)體器件的制作方法與工藝

文檔序號:12008150閱讀:162來源:國知局
半導(dǎo)體器件的制作方法與工藝
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域,涉及半導(dǎo)體器件,特別是在襯底上既含有p型電極的p型半導(dǎo)體又含有n型電極的n型半導(dǎo)體的半導(dǎo)體器件。

背景技術(shù):
現(xiàn)有技術(shù)中,在襯底上既含有p型電極的p型半導(dǎo)體又含有n型電極的n型半導(dǎo)體的半導(dǎo)體器件只是簡單的將功率輸出。由于襯底本身就存在結(jié)晶缺陷,在這種情況下,襯底還要通過異質(zhì)外延技術(shù)生長外延層,而襯底材料與外延層的材料是不同的,因此襯底與外延層不可避免的存在晶格失配(latticemismatch)和熱脹失配的問題,同時也存在自發(fā)極化以及電壓極化而引起的內(nèi)部電場的問題,影響了發(fā)光效率。另外,內(nèi)部量子的效率與結(jié)晶缺陷的密度具有很強的反比關(guān)系,因此,提高其設(shè)計性和控制性均是非常困難的。也有必要進一步地提高功率輸出效率,增加功率輸出量。為達到這個目的,需要在結(jié)晶缺陷和不純物含量都極少的高品質(zhì)結(jié)晶的基礎(chǔ)上進行,并且還要減少內(nèi)部量子非發(fā)光性的再結(jié)合比例,提高內(nèi)部量子的效率進而開發(fā)制成高效率的半導(dǎo)體器件。

技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明針對現(xiàn)有的技術(shù)存在上述問題,提出了一種半導(dǎo)體器件,本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題:針對在襯底上既含有p型電極的p型半導(dǎo)體又含有n型電極的n型半導(dǎo)體的半導(dǎo)體器件,如何減少襯底的結(jié)晶缺陷對動作層的影響,進而提高半導(dǎo)體器件的效 率和可靠性。本發(fā)明通過下列技術(shù)方案來實現(xiàn):半導(dǎo)體器件包括襯底和動作層,在所述襯底上生長有設(shè)有n型電極的n型半導(dǎo)體和生長有設(shè)有p型電極的p型半導(dǎo)體,其特征在于,在所述襯底與動作層之間生長有能夠降低襯底結(jié)晶缺陷對半導(dǎo)體器件影響的緩沖層。由于襯底的結(jié)晶缺陷不可避免,本發(fā)明通過在襯底生長外延的表面上生長緩沖層來降低襯底結(jié)晶缺陷對半導(dǎo)體器件影響,從而提高半導(dǎo)體器件的效率和可靠性。在上述的半導(dǎo)體器件中,所述襯底為單晶Al2O3、單晶SiC、單晶GaN、單晶Ga2O3、單晶ZnO、單晶GaAs、單晶InP或單晶Si;或者是Al2O3、SiC、GaN、Ga2O3、ZnO或Si單種材料在多晶狀態(tài)上結(jié)合一層單晶而形成一體化的襯底;或者是上述單種材料在非結(jié)晶狀態(tài)上結(jié)合一層單晶而形成一體化的襯底。上述材料是指Al2O3、SiC、GaN、Ga2O3、ZnO、GaAs、InP或Si,這些材料有單晶狀態(tài)、多晶狀態(tài)和非結(jié)晶狀態(tài)。在上述的半導(dǎo)體器件中,所述的襯底上形成Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體或者Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體或者Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體的動作層。動作層是芯片中的一層,能產(chǎn)生輸出功率,如光輸出、信號輸出。在上述的半導(dǎo)體器件中,所述Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體是指含有GaN、InN或者AlN的一種或幾種而形成的混晶化合物半導(dǎo)體;所述的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體是指含有GaAs、InAs、InP或者AlAs的一種或幾種而形成的混晶化合物半導(dǎo)體;所述的Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體是指含有ZnO、ZnS、ZnSe、CdO、MgO、MgZnO、MgS、MgSe或者CdS的一種或者幾種而形成的混晶化合物半導(dǎo)體。在上述的半導(dǎo)體器件中,所述襯底用于生長外延的表面粗糙度限定在15nm以下。在上述的半導(dǎo)體器件中,所述襯底上通過化學(xué)氣相沉積法生 長有GaN低溫沉積層或者AlGaN層或者AlN層形成第一緩沖層;或者是所述襯底上生長有GaN低溫沉積層、AlGaN層或AlN層中兩層或混合多層形成第一緩沖層;或者所述襯底上通過外延橫向過度生長法生長有GaN低溫沉積層、AlGaN層或AlN層中一層或多層而形成的第一緩沖層。在上述的半導(dǎo)體器件中,所述的第一緩沖層上生長有第二緩沖層,第二緩沖層為含有InAlGaN層的GaN/InAlGaN/AlGaN復(fù)合層,GaN/InAlGaN/AlGaN復(fù)合層是指在GaN層上生長InAlGaN層,在InAlGaN層上生長有AlGaN層;或者含有上述GaN/InAlGaN/AlGaN復(fù)合層的多層結(jié)構(gòu)作為第二緩沖層。在上述的半導(dǎo)體器件中,所述第二緩沖層中的InAlGaN為:InxAlyGazN,0.05<x<0.11,y=4.66x,z=1-x-y。在上述的半導(dǎo)體器件中,在所述襯底上生長ZnO低溫沉積層或者CaF2層成為緩沖層,或者在襯底上生長ZnO低溫沉積層和CaF2層,ZnO低溫沉積層和CaF2層形成復(fù)合層而作為緩沖層。也可以由形成多個ZnO/CaF2復(fù)合層作為緩沖層。在上述的半導(dǎo)體器件中,在所述襯底上生長GaAs、InAs、InP或者AlAs的一種或幾種作為緩沖層。既是緩沖層為GaAs、InAs、InP或者AlAs中的一種,或者是GaAs、InAs、InP或者AlAs中的兩種以及由這兩種形成的復(fù)合層形成多層復(fù)合層,或者是GaAs、InAs、InP或者AlAs中的三種以及由這三種形成的復(fù)合層形成多層復(fù)合層,或者是GaAs、InAs、InP或者AlAs中的四種以及由這四種形成的復(fù)合層形成多層復(fù)合層。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明通過在襯底和動作層之間生長緩沖層來降低襯底結(jié)晶缺陷對半導(dǎo)體器件影響,有較好的高可靠性和更高的效率。另外,采用在第一緩沖層上生長第二緩沖層使其能夠緩和因晶格失配導(dǎo)致的結(jié)晶缺陷和自發(fā)極化以及電壓極化而引起的內(nèi)部電場的產(chǎn)生,對在襯底上既含有p型電極的p型半導(dǎo)體 又含有n型電極的n型半導(dǎo)體的半導(dǎo)體器件能夠做到可控的高功率輸出,同時也將質(zhì)量低下的襯底也能夠進行利用起來,提高襯底的利用率。附圖說明圖1是半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是半導(dǎo)體外延結(jié)晶片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是外延結(jié)晶片各層外延的圖層結(jié)構(gòu)。圖4是實施例2外延結(jié)晶片各層外延的圖層結(jié)構(gòu)。圖5是實施例3外延結(jié)晶片各層外延的圖層結(jié)構(gòu)。圖6是實施例4外延結(jié)晶片各層外延的圖層結(jié)構(gòu)。圖7、圖8是實施例5外延結(jié)晶片各層外延的圖層結(jié)構(gòu)。圖9是緩沖層中In的組成成分在InxAlyGazN層極化現(xiàn)象的對應(yīng)表。圖中,1、襯底;2、緩沖層;21、第一緩沖層;22、第二緩沖層;3、n型熔覆層;4、動作層;5、p型熔覆層;6、p型接觸層;7、n型接觸層。具體實施方式以下是本發(fā)明的具體實施例并結(jié)合附圖,對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的描述,但本發(fā)明并不限于這些實施例。實施例1:本發(fā)明半導(dǎo)體器件包括襯底和動作層,在襯底上生長有設(shè)有n型電極的n型半導(dǎo)體和生長有設(shè)有p型電極的p型半導(dǎo)體,在襯底生和動作層之間生長有能夠降低襯底結(jié)晶缺陷對半導(dǎo)體器件影響的緩沖層。以如下具體結(jié)構(gòu)為例:如圖1和圖2所示的半導(dǎo)體器件,其包括襯底1、在襯底1上的緩沖層2和在襯底1另一側(cè)的n型接觸層7,在緩沖層2上 有n型熔覆層3、動作層4、p型熔覆層5和p型接觸層6,p型接觸層6上連接p型電極,n型接觸層7上連接n型電極。該結(jié)構(gòu)形成在襯底上生長有連接n型電極的n型半導(dǎo)體和生長有連接p型電極的p型半導(dǎo)體的半導(dǎo)體器件,既在襯底上既含有設(shè)有p型電極的p型半導(dǎo)體又含有設(shè)有n型電極的n型半導(dǎo)體的半導(dǎo)體器件。由于緩沖層能夠降低襯底結(jié)晶缺陷對半導(dǎo)體器件影響,因此,對襯底的材料技術(shù)要求就可以降低,襯底可以為單晶Al2O3、單晶SiC、單晶GaN、單晶Ga2O3、單晶ZnO、單晶GaAs、單晶InP或單晶Si。這些單晶材料也可以選用一些質(zhì)量較差當(dāng)做襯底以降低成本,或者是直接使用Al2O3、SiC、GaN、Ga2O3、ZnO、GaAs、InP或Si材料在多晶狀態(tài)上結(jié)合一層單晶而形成一體化的襯底;使用上述單種材料在非結(jié)晶狀態(tài)上結(jié)合一層單晶而形成一體化的襯底。采用這些襯底也能進一步的降低襯底材料的成本。在襯底上通過外延生長形成有Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體或者Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體或者Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體的動作層。Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體或者Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體可以是能夠發(fā)出可見光或紫外線光或者紅外線光的光輸出半導(dǎo)體。Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體是指含有GaN、InN或者AlN的一種或幾種而形成的混晶化合物半導(dǎo)體;所述的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體是指含有GaAs、InAs、InP或者AlAs的一種或幾種而形成的混晶化合物半導(dǎo)體;所述的Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體是指含有ZnO、ZnS、ZnSe、CdO、MgO、MgZnO、MgS、MgSe或者CdS的一種或者幾種而形成的混晶化合物半導(dǎo)體。為了能夠提高半導(dǎo)體器件的功率,襯底用于生長外延的表面粗糙度限定在15nm以下。依據(jù)倒晶格空間(Reciprocallatticespace)構(gòu)造,外延表面的形態(tài)以及結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果,將襯底用于生長外延的表面粗糙度限定在15nm以下時能夠使襯底1和外延結(jié) 晶片之間的結(jié)合面的六方晶和立方晶的混合比例控制在1%以下?;旌媳壤刂圃?%內(nèi)能夠減少內(nèi)部量子的自發(fā)極化效果,提高發(fā)光效率。對于Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體的動作層,緩沖層有第一緩沖層和生長在第一緩沖層上的第二緩沖層。在襯底上通過化學(xué)氣相沉積法生長有GaN低溫沉積層或者AlGaN層或者AlN層形成第一緩沖層;或者是所述襯底上生長有GaN低溫沉積層、AlGaN層或AlN層中兩層或混合多層形成第一緩沖層;或者所述襯底上通過外延橫向過度生長法生長有GaN層、AlGaN層或AlN層中一層或多層而形成的第一緩沖層。第二緩沖層為含有InAlGaN層的GaN/InAlGaN/AlGaN復(fù)合層,GaN/InAlGaN/AlGaN復(fù)合層是指在GaN層上生長InAlGaN層,在InAlGaN層上生長有AlGaN層;或者含有上述GaN/InAlGaN/AlGaN復(fù)合層的多層結(jié)構(gòu)作為第二緩沖層。第二緩沖層中的InAlGaN為:InxAlyGazN,0.05<x<0.11,y=4.66x,z=1-x-y。InxAlyGazN層的成分比例在0.05<x<0.11,y=4.66x,z=1-x-y范圍里時,能夠緩和因晶格失配導(dǎo)致的結(jié)晶缺陷和自發(fā)極化以及壓電極化而引起的內(nèi)部電場的產(chǎn)生。如圖9所示,圖9是緩沖層中In的組成成分在InxAlyGazN層極化現(xiàn)象的對應(yīng)表,通過該對應(yīng)表可知,當(dāng)In的組成成分在0.05-0.11之間時,極化現(xiàn)象處于0.042-0.06之間,能夠緩和因晶格失配導(dǎo)致的結(jié)晶缺陷和自發(fā)極化以及壓電極化而引起的內(nèi)部電場的產(chǎn)生。對于Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體的動作層,緩沖層是:襯底上生長ZnO低溫沉積層或者CaF2層成為緩沖層,或者在襯底上生長ZnO低溫沉積層和CaF2層,ZnO低溫沉積層和CaF2層形成復(fù)合層而作為緩沖層。也可以由形成多個ZnO/CaF2復(fù)合層作為緩沖層。對于Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的動作層,緩沖層是:在襯底上生長GaAs、InAs、InP或者AlAs的一種或幾種作為緩沖層。既是緩 沖層為GaAs、InAs、InP或者AlAs中的一種,或者是GaAs、InAs、InP或者AlAs中的兩種以及由這兩種形成的復(fù)合層形成多層復(fù)合層,或者是GaAs、InAs、InP或者AlAs中的三種以及由這三種形成的復(fù)合層形成多層復(fù)合層,或者是GaAs、InAs、InP或者AlAs中的四種以及由這四種形成的復(fù)合層形成多層復(fù)合層。下面以SiC為襯底1和生長Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體外延結(jié)晶片為例:如圖3所示,首先將SiC襯底1的表面經(jīng)處理后,粗糙度降到15nm以下,再使用化學(xué)氣相沉淀MOCVD(Metal-organicChemicalVaporDeposition)設(shè)備通過外延結(jié)晶生長法生長外延,形成外延結(jié)晶片。在SiC襯底1上用MOCVD外延結(jié)晶生長法制作外延結(jié)晶片的過程如下:在SiC襯底1上生長一層厚度為0.1μm摻雜Si濃度為5E18/cm3的n-GaN低溫堆積層,該低溫堆積層生長為第一緩沖層21,然后生長層厚為50nm摻雜Si濃度為5E18/cm3的n-AlxGa1-xN層,在本例中,x=0.09;再生長層厚為0.2μm摻雜Si濃度為5E18/cm3的n-GaN層,接下來生長層厚50nm摻雜Si濃度為5E18/cm3的n-In0.09Al0.32Ga0.59N層,再生長層厚0.2μm摻雜Si濃度為5E18/cm3的n-GaN層;n-AlxGa1-xN層、n-GaN層、n-In0.09Al0.32Ga0.59N層和n-GaN層構(gòu)成了第二緩沖層22。在生長完第二緩沖層22后,在依次生長層厚0.5μm摻雜Si濃度5E18/cm3的n-AlxGa1-xN熔覆層,x=0.15;在生長層厚0.2μm非摻雜濃度<1E16/cm3的i-InyGa1-yN動作層4,其中y=0.2;其次生長層厚0.5μm摻雜Mg濃度1E19/cm3的p-AlxGa1-xN熔覆層,x=0.15;再生長層厚0.1μm摻雜Mg濃度1E19/cm3的p-GaN電極接觸層。制作完成后將得到半導(dǎo)體外延結(jié)晶片,該光電子半導(dǎo)體外延結(jié)晶片也稱為半導(dǎo)體晶片,將半導(dǎo)體晶片切割成小塊可得到用于半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體芯片。再通過一系列工藝將半導(dǎo)體芯片 制成半導(dǎo)體器件。實施例2:如圖4所示,其與實施例1不同點在于,第一緩沖層21為一層厚度為0.11μm摻雜Si濃度為5E18/cm3的AlGaN層,在AlGaN層上生長一層厚度為0.18μm摻雜Si濃度為5E18/cm3的GaN層后再生長第二緩沖層22,其他內(nèi)容同實施例1,不在累述。實施例3:如圖5所示,其與實施例1不同點在于,第一緩沖層21為一層厚度為0.15μm摻雜Si濃度為5E18/cm3的n-GaN層和生長在n-GaN層上厚度為0.1μm摻雜Si濃度為5E18/cm3的n-AlGaN層,這兩層的GaN/AlGaN合層,在AlGaN層上生長一層厚度為0.2μm摻雜Si濃度為5E18/cm3的GaN層后再生長第二緩沖層22,其他內(nèi)容同實施例1,不在累述。另外第一緩沖層21可以在該實施例3的基礎(chǔ)上,將單層GaN/AlGaN合層變?yōu)槎鄬覩aN/AlGaN合層疊加而成的緩沖層。實施例4:如圖6所示,其與實施例1不同點在于,第二緩沖層22在AlGaN層上生長GaN/InAlGaN合層或者多層GaN/InAlGaN合層;在GaN層上生長InAlGaN層,這兩層稱為GaN/InAlGaN合層。并且可以有不同于實施例1的層厚,InAlGaN層、AlGaN層和GaN層的層厚分別為0.1μm、0.3μm和0.6μm。其他內(nèi)容同實施例1,不在累述。實施例5:如圖7所示,其與實施例1不同點在于襯底1采用藍寶石, 即Al2O3,在藍寶石襯底1上生長一層厚度為0.1μm摻雜Si濃度為5E18/cm3的GaN低溫堆積層,該低溫堆積層生長為第一緩沖層21,第一緩沖層21采用氧化物化學(xué)氣相沉積法或者外延橫向過度生長法生長成。然后生長層厚為40nm摻雜Si濃度為5E18/cm3的n-AlxGa1-xN層,在本例中,x=0.08;再生長生長層厚為0.3μm摻雜Si濃度為5E18/cm3的n-GaN層。或者如圖8所示,在藍寶石襯底1上生長一層厚度為0.1μm摻雜Si濃度為5E18/cm3的n-AlN低溫堆積層和層厚為0.1nm摻雜Si濃度為5E18/cm3的n-GaN層,該低溫堆積層生長為第一緩沖層21,然后生長層厚為60nm摻雜Si濃度為5E18/cm3的n-AlxGa1-xN層,在本例中,x=0.09;再生長一層厚為0.3μm摻雜Si濃度為5E18/cm3的n-GaN層?;蛘哌M一步的,第一緩沖層21還可以改進為第一緩沖層21為GaN低溫堆積層和AlN層這兩層的GaN/AlN合層,或者第一緩沖層21為多層GaN/AlN合層。在藍寶石作為襯底1的情況下,第二緩沖層22為GaN層和生長在GaN層上的InAlGaN層,這兩層稱為GaN/InAlGaN合層;或者第二緩沖層是多層GaN/InAlGaN合層疊加而成的緩沖層。其他內(nèi)容同實施例1,不在累述。實施例6:Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體器件,以SiC為襯底,在襯底上外延生長一層厚為0.3μm摻雜Si濃度為5E18/cm3的ZnO低溫堆積層、一層厚為0.1μm摻雜Si濃度為5E18/cm3的SiC層和一層厚為0.2μm摻雜Si濃度為5E18/cm3的GaN層成為緩沖層,或者在襯底上生長一層厚為0.3μm摻雜Si濃度為5E18/cm3的Ga2O3層成為緩沖層。
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