CN102851734A - 半导体外延结构及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体外延结构及其生长方法，该半导体外延结构包括：形成于衬底上的成核层；形成于所述成核层上的氮化物层，所述氮化物层包括第一氮化物层和第二氮化物层；位于所述第一氮化物层和第二氮化物层之间的插入层，所述插入层包括第一插入层和位于所述第一插入层上方的第二插入层，所述第一插入层为铝镓氮层，所述第二插入层为氮化硅层。本发明的半导体外延结构会大大降低氮化物的位错密度，提高氮化物的晶体质量。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种半导体外延结构及其生长方法。
背景技术
宽禁带半导体材料氮化镓由于具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、击穿场强高、导热性能好等特点，所以比硅和砷化镓更适合于制作高温、高频、高压和大功率的器件。氮化镓器件在高频大功率微波器件方面有很好的应用前景，从20世纪90年代至今，氮化镓器件的研制一直是电子器件研究的热点之一。
由于本征衬底的缺乏，III-V族氮化物通常都是生长在异质衬底上，比如说蓝宝石、碳化硅、硅、锗、铌酸锂等等。由于氮化物和这些异质材料直接的晶格失配和热失配，异质外延生长出来的氮化物材料通常都有很多的缺陷，包括龟裂、位错、杂质等等。其中，异质外延生长得到的氮化物中的位错密度通常都在1E8/cm2以上，甚至超过1E9/cm2。
这些大量的位错会大大降低器件的性能，比如说在LED结构中，位错是有源区非辐射复合的重要原因之一。为了提高LED的内量子效率，降低位错密度是非常重要的。
在现有技术中，人们使用了很多种办法来降低位错密度，包括成核层的优化、侧向外延和各种不同的插入层技术。氮化硅(SiN)插入层技术是一种广为应用的一种办法，在SiN插入层得到优化后，它可以把位错的密度降低一个数量级。
但是，氮化硅(SiN)插入层的制备通常是通过在MOVPE系统内，混合NH3和SiH4或者Si2H6等气体得到。但是，人们也发现，氮化镓表面可以被SiH4或者Si2H6腐蚀，引起表面的起伏，降低SiN插入层的效能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半导体外延结构及其生长方法。所述外延层结构为含有复合插入层的结构，在SiN插入层的下面，另外引入一层铝镓氮插入层，由于铝镓氮层的保护作用，下面的氮化物层（如：氮化镓）就不会被被SiH4或者Si2H6腐蚀，除了降低氮化物的位错密度外，还可以起到进一步提高氮化物晶体质量的作用。
为了实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：
本发明公开了一种半导体外延结构，包括：
形成于衬底上的成核层；
形成于所述成核层上的氮化物层，所述氮化物层包括第一氮化物层和第二氮化物层；
位于所述第一氮化物层和第二氮化物层之间的插入层，所述插入层包括第一插入层和位于所述第一插入层上方的第二插入层，所述第一插入层为铝镓氮层，所述第二插入层为氮化硅层。
作为本发明的进一步改进，所述第一插入层的厚度大于等于一个原子层的厚度.
作为本发明的进一步改进，所述第一插入层中铝的组分大于等于1%。
作为本发明的进一步改进，所述第一插入层中铝的组分均匀分布，或随着厚度的变化而变化，或是形成多层结构或者超晶格结构。
作为本发明的进一步改进，所述第二插入层中含有铝元素。
作为本发明的进一步改进，所述半导体外延结构还包括形成于所述氮化物层上的有源区，所述有源区选自铟镓氮/镓氮多量子阱结构和p型氮化物构成的发光二极管、铝镓氮/氮化镓异质结构成的高电子迁移率晶体管、铝镓铟氮/氮化镓异质结构成的高电子迁移率晶体管、氮化铝/氮化镓异质结构成的高迁移率三极管、氮化镓MOSFET、UV-LED、光电探测器、氢气产生器或太阳能电池。
作为本发明的进一步改进，所述成核层为铝镓氮层、铝铟镓氮层、氮化铝层或氮化镓层。
作为本发明的进一步改进，所述氮化物层为氮化镓层、铝铟镓氮层或铝镓氮层。
作为本发明的进一步改进，所述第一插入层中掺杂有硅或锗，以实现n型掺杂。
作为本发明的进一步改进，所述氮化物层中掺杂有硅和/或锗，以实现n型掺杂。
作为本发明的进一步改进，所述衬底为蓝宝石、碳化硅、硅、铌酸锂、绝缘衬底硅、氮化镓或氮化铝中的一种。
本发明还公开了一种半导体外延结构的生长方法，包括：
（1）提供一衬底；
（2）在所述衬底上生长成核层；
（3）在所述成核层上生长第一氮化物层；
（4）在所述第一氮化物层上生长第一插入层；
（5）在所述第一插入层上生长第二插入层；
（6）在所述第二插入层上生长第二氮化物层。
与现有技术相比，本发明的优点如下：本发明分别在衬底上生长成核层和氮化物层，然后在氮化物层中生长插入层，插入层包括第一插入层和及位于所述第一插入层上方的第二插入层，第一插入层为铝镓氮层，第二插入层为氮化硅层。所述外延层结构为含有复合插入层的结构，在SiN插入层的下面，另外引入一层铝镓氮插入层，由于铝镓氮层的保护作用，下面的氮化物层（如：氮化镓）就不会被被SiH4或者Si2H6腐蚀，除了降低氮化物的位错密度外，还可以起到进一步提高氮化物晶体质量的作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为本发明第一实施例中半导体外延结构的示意图。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种半导体外延结构，包括：
形成于衬底上的成核层；
形成于所述成核层上的氮化物层，所述氮化物层包括第一氮化物层和第二氮化物层；
位于所述第一氮化物层和第二氮化物层之间的插入层，所述插入层包括第一插入层和位于所述第一插入层上方的第二插入层，所述第一插入层为铝镓氮层，所述第二插入层为氮化硅层。
相应地，本发明实施例还公开了一种半导体外延结构的生长方法，包括：
（1）提供一衬底；
（2）在所述衬底上生长成核层；
（3）在所述成核层上生长第一氮化物层；
（4）在所述第一氮化物层上生长第一插入层；
（5）在所述第一插入层上生长第二插入层；
（6）在所述第二插入层上生长第二氮化物层。
本发明采用复合插入层（第一插入层和第二插入层）结构，不仅降低了氮化物的位错密度，还进一步提高了氮化物的晶体质量。
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
图1所示为本发明第一实施例中半导体外延结构的示意图。
参图1所示，在本发明的第一实施方式中，衬底11上生长的外延多层结构包括：成核层12、氮化物层13、位于氮化物层13中的插入层14以及形成于氮化物层13上的有源区（图未示）。氮化物层13包括第一氮化物层131和第二氮化物层132，插入层14位于第一氮化物层131和第二氮化物层132之间。
衬底11为蓝宝石、碳化硅、硅、铌酸锂、绝缘衬底硅、氮化镓或氮化铝中的一种。
成核层12为铝镓氮层、铝铟镓氮层、氮化铝层或氮化镓层，在成核层12中可以故意引入缺陷，避免了在插入层14上下引起不必要的导电层。
第一氮化物层131和第二氮化物层132为氮化镓层、铝铟镓氮层或铝镓氮层，第一氮化物层131或第二氮化物层132可以加入硅或锗中的一种或两种以实现n型掺杂。
插入层14为双层结构，自下而上分别为第一插入层141和第二插入层142，其中，第一插入层141是铝镓氮层，第二插入层142是氮化硅层。第一插入层141的厚度大于等于一个原子层的厚度，所述第一插入层中铝的组分大于等于1%，且为均匀分布。第一插入层141中可以加入硅或锗中的一种，以实现n型掺杂。
有源区可以选自铟镓氮/镓氮多量子阱结构和p型氮化物构成的发光二极管、铝镓氮/氮化镓异质结构成的高电子迁移率晶体管、铝镓铟氮/氮化镓异质结构成的高电子迁移率晶体管、氮化铝/氮化镓异质结构成的高迁移率三极管、氮化镓MOSFET、UV-LED、光电探测器、氢气产生器或太阳能电池等。
上述半导体外延结构的生长方法包括：
（1）提供衬底11；
（2）在衬底11上生长成核层12；
（3）在成核层12上生长第一氮化物层131；
（4）在第一氮化物层131上生长第一插入层141；
（5）在第一插入层141上生长第二插入层142；
（6）在第二插入层142上生长第二氮化物层132；
（7）在第二氮化物层132上生长有源区。
综上所述，本发明分别在衬底上生长成核层和氮化物层，然后在氮化物层中生长插入层，插入层包括第一插入层和及位于所述第一插入层上方的第二插入层，第一插入层为铝镓氮层，第二插入层为氮化硅层。所述外延层结构为含有复合插入层的结构，在SiN插入层的下面，另外引入一层铝镓氮插入层，由于铝镓氮层的保护作用，下面的氮化物层（如：氮化镓）就不会被被SiH4或者Si2H6腐蚀，除了降低氮化物的位错密度外，还可以起到进一步提高氮化物晶体质量的作用。
本发明第二实施例中，第一插入层为AlGaN/GaN超晶格结构，其他结构与实施例一相同，不再赘述。
本发明第三实施例中，第一插入层为AlGaN/AlGaN超晶格结构，其他结构与实施例一相同，不再赘述。
本发明第四实施例中，第一插入层中铝的成分随着厚度的变化而变化，如沿自下而上的厚度方向逐渐增多或减少，或先增加后减少等。
本发明第五实施例中，第二插入层中含有铝元素，最佳的，第二插入层为SiAlN。
本发明第六实施例中，第一插入层含有铟，为AlInGaN层，其他结构与实施例一相同，不再赘述。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种半导体外延结构，其特征在于，包括：
形成于衬底上的成核层；
形成于所述成核层上的氮化物层，所述氮化物层包括第一氮化物层和第二氮化物层；
位于所述第一氮化物层和第二氮化物层之间的插入层，所述插入层包括第一插入层和位于所述第一插入层上方的第二插入层，所述第一插入层为铝镓氮层，所述第二插入层为氮化硅层。
2.根据权利要求1所述的半导体外延结构，其特征在于，所述第一插入层的厚度大于等于一个原子层的厚度。
3.根据权利要求1所述的半导体外延结构，其特征在于，所述第一插入层中铝的组分大于等于1%。
4.根据权利要求1所述的半导体外延结构，其特征在于，所述第一插入层中铝的组分均匀分布，或随着厚度的变化而变化，或是形成多层结构或者超晶格结构。
5.根据权利要求1所述的半导体外延结构，其特征在于，所述第二插入层中含有铝元素。
6.根据权利要求1所述的半导体外延结构，其特征在于，所述半导体外延结构还包括形成于所述氮化物层上的有源区，所述有源区选自铟镓氮/镓氮多量子阱结构和p型氮化物构成的发光二极管、铝镓氮/氮化镓异质结构成的高电子迁移率晶体管、铝镓铟氮/氮化镓异质结构成的高电子迁移率晶体管、氮化铝/氮化镓异质结构成的高迁移率三极管、氮化镓MOSFET、UV-LED、光电探测器、氢气产生器或太阳能电池。
7.根据权利要求1所述的半导体外延结构，其特征在于，所述成核层为铝镓氮层、铝铟镓氮层、氮化铝层或氮化镓层。
8.根据权利要求1所述的半导体外延结构，其特征在于，所述氮化物层为氮化镓层、铝铟镓氮层或铝镓氮层。
9.根据权利要求1所述的半导体外延结构，其特征在于，所述第一插入层中掺杂有硅或锗，以实现n型掺杂。
10.根据权利要求1所述的半导体外延结构，其特征在于，所述氮化物层中掺杂有硅和/或锗，以实现n型掺杂。
11.根据权利要求1所述的半导体外延结构，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、碳化硅、硅、铌酸锂、绝缘衬底硅、氮化镓或氮化铝中的一种。
12.一种如权利要求1所述的半导体外延结构的生长方法，其特征在于，包括：
（1）提供一衬底；
（2）在所述衬底上生长成核层；
（3）在所述成核层上生长第一氮化物层；
（4）在所述第一氮化物层上生长第一插入层；
（5）在所述第一插入层上生长第二插入层；
（6）在所述第二插入层上生长第二氮化物层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SUZHOU JINGZHAN SEMICONDUCTOR CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: CHENG KAI Effective date: 20130409 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20130409 Address after: 215124 No. 99 benevolence Road, Suzhou Industrial Park, Jiangsu, Suzhou Applicant after: Suzhou Jingzhan Semiconductor Co., Ltd. Address before: 215124 Suzhou Industrial Park, Jiangsu Road, No. 99 Applicant before: Cheng Kai |
|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |