專利名稱：半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法。
背景技術(shù)：
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(chǎng)強(qiáng)高、導(dǎo)熱性能好等特點(diǎn)，所以比硅和神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(diǎn)之一。由于本征襯底的缺乏，III-V族氮化物通常都是生長(zhǎng)在異質(zhì)襯底上，比如說(shuō)藍(lán)寶石、碳化硅、硅、鍺、鈮酸鋰等等。由于氮化物和這些異質(zhì)材料直接的晶格失配和熱失配，異質(zhì)外延生長(zhǎng)出來(lái)的氮化物材料通常都有很多的缺陷，包括龜裂、位錯(cuò)、雜質(zhì)等等。其中，異質(zhì) 外延生長(zhǎng)得到的氮化物中的位錯(cuò)密度通常都在lE8/cm2以上，甚至超過lE9/cm2。這些大量的位錯(cuò)會(huì)大大降低器件的性能，比如說(shuō)在LED結(jié)構(gòu)中，位錯(cuò)是有源區(qū)非輻射復(fù)合的重要原因之一。為了提高LED的內(nèi)量子效率，降低位錯(cuò)密度是非常重要的。在現(xiàn)有技術(shù)中，人們使用了很多種辦法來(lái)降低位錯(cuò)密度，包括成核層的優(yōu)化、側(cè)向外延和各種不同的插入層技木。氮化硅(SiN)插入層技術(shù)是ー種廣為應(yīng)用的ー種辦法，在SiN插入層得到優(yōu)化后，它可以把位錯(cuò)的密度降低ー個(gè)數(shù)量級(jí)。但是，氮化硅(SiN)插入層的制備通常是通過在MOVPE系統(tǒng)內(nèi)，混合NH3和SiH4或者Si2H6等氣體得到。但是，人們也發(fā)現(xiàn)，氮化鎵表面可以被SiH4或者Si2H6腐蝕，引起表面的起伏，降低SiN插入層的效能。

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(zhǎng)方法。所述外延層結(jié)構(gòu)為含有復(fù)合插入層的結(jié)構(gòu)，在SiN插入層的下面，另外引入ー層鋁鎵氮插入層，由于鋁鎵氮層的保護(hù)作用，下面的氮化物層(如氮化鎵)就不會(huì)被被SiH4或者Si2H6腐蝕，除了降低氮化物的位錯(cuò)密度外，還可以起到進(jìn)ー步提高氮化物晶體質(zhì)量的作用。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本申請(qǐng)?zhí)峁┑募夹g(shù)方案如下本發(fā)明公開了ー種半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)，包括形成于襯底上的成核層；形成于所述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，所述第二插入層為氮化硅層。作為本發(fā)明的進(jìn)ー步改進(jìn)，所述第一插入層的厚度大于等于ー個(gè)原子層的厚度.作為本發(fā)明的進(jìn)ー步改進(jìn)，所述第一插入層中鋁的組分大于等于1%。
作為本發(fā)明的進(jìn)ー步改進(jìn)，所述第一插入層中鋁的組分均勻分布，或隨著厚度的變化而變化，或是形成多層結(jié)構(gòu)或者超晶格結(jié)構(gòu)。作為本發(fā)明的進(jìn)ー步改進(jìn)，所述第二插入層中含有鋁元素。作為本發(fā)明的進(jìn)ー步改進(jìn)，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(cè)器、氫氣產(chǎn)生器或太陽(yáng)能電池。作為本發(fā)明的進(jìn)ー步改進(jìn)，所述成核層為鋁鎵氮層、鋁銦鎵氮層、氮化鋁層或氮化鎵層。
作為本發(fā)明的進(jìn)ー步改進(jìn)，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(jìn)ー步改進(jìn)，所述第一插入層中摻雜有硅或鍺，以實(shí)現(xiàn)η型摻雜。作為本發(fā)明的進(jìn)ー步改進(jìn)，所述氮化物層中摻雜有硅和/或鍺，以實(shí)現(xiàn)η型摻雜。作為本發(fā)明的進(jìn)ー步改進(jìn)，所述襯底為藍(lán)寶石、碳化硅、硅、鈮酸鋰、絕緣襯底硅、氮化鎵或氮化鋁中的ー種。本發(fā)明還公開了ー種半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，包括(I)提供ー襯底；(2)在所述襯底上生長(zhǎng)成核層；(3)在所述成核層上生長(zhǎng)第一氮化物層；(4)在所述第一氮化物層上生長(zhǎng)第一插入層；(5)在所述第一插入層上生長(zhǎng)第二插入層；(6)在所述第二插入層上生長(zhǎng)第二氮化物層。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下本發(fā)明分別在襯底上生長(zhǎng)成核層和氮化物層，然后在氮化物層中生長(zhǎng)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，第二插入層為氮化硅層。所述外延層結(jié)構(gòu)為含有復(fù)合插入層的結(jié)構(gòu)，在SiN插入層的下面，另外引入ー層鋁鎵氮插入層，由于鋁鎵氮層的保護(hù)作用，下面的氮化物層(如氮化鎵)就不會(huì)被被SiH4或者Si2H6腐蝕，除了降低氮化物的位錯(cuò)密度外，還可以起到進(jìn)ー步提高氮化物晶體質(zhì)量的作用。


為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)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(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)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(shí)施例中半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明實(shí)施例公開了ー種半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)，包括形成于襯底上的成核層；
形成于所述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，所述第二插入層為氮化硅層。相應(yīng)地，本發(fā)明實(shí)施例還公開了一種半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，包括(I)提供ー襯底；(2)在所述襯底上生長(zhǎng)成核層；
(3)在所述成核層上生長(zhǎng)第一氮化物層；(4)在所述第一氮化物層上生長(zhǎng)第一插入層；(5)在所述第一插入層上生長(zhǎng)第二插入層；(6)在所述第二插入層上生長(zhǎng)第二氮化物層。本發(fā)明采用復(fù)合插入層(第一插入層和第二插入層)結(jié)構(gòu)，不僅降低了氮化物的位錯(cuò)密度，還進(jìn)ー步提高了氮化物的晶體質(zhì)量。以下將結(jié)合附圖所示的具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。但這些實(shí)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(shí)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(hù)范圍內(nèi)。圖I所示為本發(fā)明第一實(shí)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(shí)施方式中，襯底11上生長(zhǎng)的外延多層結(jié)構(gòu)包括成核層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)(圖未不)。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。襯底11為藍(lán)寶石、碳化硅、硅、鈮酸鋰、絕緣襯底硅、氮化鎵或氮化鋁中的ー種。成核層12為鋁鎵氮層、鋁銦鎵氮層、氮化鋁層或氮化鎵層，在成核層12中可以故意引入缺陷，避免了在插入層14上下引起不必要的導(dǎo)電層。第一氮化物層131和第二氮化物層132為氮化鎵層、鋁銦鎵氮層或鋁鎵氮層，第一氮化物層131或第二氮化物層132可以加入硅或鍺中的ー種或兩種以實(shí)現(xiàn)η型摻雜。插入層14為雙層結(jié)構(gòu)，自下而上分別為第一插入層141和第二插入層142，其中，第一插入層141是鋁鎵氮層，第二插入層142是氮化硅層。第一插入層141的厚度大于等于ー個(gè)原子層的厚度，所述第一插入層中鋁的組分大于等于1%，且為均勻分布。第一插入層141中可以加入硅或鍺中的ー種，以實(shí)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(cè)器、氫氣產(chǎn)生器或太陽(yáng)能電池等。上述半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法包括(I)提供襯底11;(2)在襯底11上生長(zhǎng)成核層12 ；(3)在成核層12上生長(zhǎng)第一氮化物層131 ；
(4)在第一氮化物層131上生長(zhǎng)第一插入層141 ；(5)在第一插入層141上生長(zhǎng)第二插入層142 ；(6)在第二插入層142上生長(zhǎng)第二氮化物層132 ；(7)在第二氮化物層132上生長(zhǎng)有源區(qū)。綜上所述，本發(fā)明分別在襯底上生長(zhǎng)成核層和氮化物層，然后在氮化物層中生長(zhǎng)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，第二插入層為氮化硅層。所述外延層結(jié)構(gòu)為含有復(fù)合插入層的結(jié)構(gòu)，在SiN插入層的下面，另外引入ー層鋁鎵氮插入層，由于鋁鎵氮層的保護(hù)作用，下面的氮化物層(如氮化鎵)就不會(huì)被被SiH4或者Si2H6腐蝕，除了降低氮化物的位錯(cuò)密度外，還可以起到進(jìn)ー 步提高氮化物晶體質(zhì)量的作用。本發(fā)明第二實(shí)施例中，第一插入層為AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)，其他結(jié)構(gòu)與實(shí)施例一相同，不再贅述。本發(fā)明第三實(shí)施例中，第一插入層為AlGaN/AlGaN超晶格結(jié)構(gòu),其他結(jié)構(gòu)與實(shí)施例一相同，不再贅述。本發(fā)明第四實(shí)施例中，第一插入層中鋁的成分隨著厚度的變化而變化，如沿自下而上的厚度方向逐漸增多或減少，或先增加后減少等。本發(fā)明第五實(shí)施例中，第二插入層中含有鋁元素，最佳的，第二插入層為SiAIN。本發(fā)明第六實(shí)施例中，第一插入層含有銦，為AlInGaN層,其他結(jié)構(gòu)與實(shí)施例一相同，不再贅述。應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說(shuō)明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說(shuō)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(shuō)明書作為ー個(gè)整體，各實(shí)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(shí)施方式。上文所列出的一系列的詳細(xì)說(shuō)明僅僅是針對(duì)本發(fā)明的可行性實(shí)施方式的具體說(shuō)明，它們并非用以限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所作的等效實(shí)施方式或變更均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)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 形成于襯底上的成核層； 形成于所述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，所述第二插入層為氮化娃層。
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，所述第一插入層的厚度大于等于一個(gè)原子層的厚度。
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，所述第一插入層中鋁的組分大于等于1%。
4.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，所述第一插入層中鋁的組分均勻分布，或隨著厚度的變化而變化，或是形成多層結(jié)構(gòu)或者超晶格結(jié)構(gòu)。
5.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，所述第二插入層中含有鋁元素。
6.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(cè)器、氫氣產(chǎn)生器或太陽(yáng)能電池。
7.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，所述成核層為鋁鎵氮層、鋁銦鎵氮層、氮化鋁層或氮化鎵層。
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，所述氮化物層為氮化鎵層、鋁銦鎵氮層或鋁鎵氮層。
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，所述第一插入層中摻雜有娃或鍺，以實(shí)現(xiàn)η型摻雜。
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，所述氮化物層中摻雜有硅和/或鍺，以實(shí)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，所述襯底為藍(lán)寶石、碳化硅、硅、鈮酸鋰、絕緣襯底硅、氮化鎵或氮化鋁中的一種。
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(zhǎng)方法，其特征在于，包括 (1)提供一襯底； (2)在所述襯底上生長(zhǎng)成核層； (3)在所述成核層上生長(zhǎng)第一氮化物層； (4)在所述第一氮化物層上生長(zhǎng)第一插入層； (5)在所述第一插入層上生長(zhǎng)第二插入層； (6)在所述第二插入層上生長(zhǎng)第二氮化物層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法，該半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)包括形成于襯底上的成核層；形成于所述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，所述第二插入層為氮化硅層。本發(fā)明的半導(dǎo)體外延結(jié)構(gòu)會(huì)大大降低氮化物的位錯(cuò)密度，提高氮化物的晶體質(zhì)量。
文檔編號(hào)C30B25/02GK102851734SQ20121032714
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月6日
發(fā)明者程凱 申請(qǐng)人:程凱