CN102856359B - 半导体外延结构及其生长方法 - Google Patents

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：形成于硅衬底上的成核层；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，所述插入层中包括铝铟氮，其中铟的组分小于18%。本发明在氮化物层中引入含有铟元素的插入层，同时整个外延结构都生长在高温条件下，避免了低温插入层引入的大量缺陷，晶体质量要好于低温插入层的结果。

Description

半导体外延结构及其生长方法

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

第三代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。

由于硅材料和氮化物之间巨大的晶格失配和热失配，在硅衬底上生长氮化镓外延膜十分困难。首先需要生长氮化铝来阻止镓原子和硅衬底之间的反应，在氨气氛围内镓原子会起到刻蚀硅衬底的作用。另外，氮化镓在硅衬底上的浸润很差，非常困难得到均匀连续的氮化镓外延膜。所以，生长高质量的氮化铝成核层，是在硅衬底上生长氮化镓材料器件必不可少的先决条件。在氮化铝成核层的帮助下，可以在硅衬底上生长均匀连续表面光洁的氮化镓外延膜。但是，由于氮化镓的热膨胀系数大概是硅衬底的两倍，所以在高温条件下生长氮化镓材料后，在冷却过程中就会产生巨大的张应力。当氮化镓外延膜的厚度超过临界值后（比如说一个微米），整个外延膜就会产生龟裂。为了阻止龟裂的产生，就需要在高温生长的时候引入压应力。如果压应力的平均值和热张应力相当，硅衬底的翘曲就可以忽略不计。

在高温下引入补偿性压应力的方法，我们称之为应力工程。应力工程采用的方法主要是利用不同外延层之间的晶格失配，来引入不同的应力。如果下面外延层的晶格常数小于上面外延层的晶格常数，则会引入压应力；相反情况，下面外延层的晶格常数更大的话，上面外延层中的应力则是张应力。通常采用的方法如下：低温氮化铝插入层，参见A.Dadgar等人2002年发表在Appl.Phys.Lett.Volume80,Issue20的文章、或者HiroshiAmano等人1998年公开在JapaneseJournalofAppliedPhysics,Volume37,Issue12B,pp.L1540-L1542的文章等等；铝镓氮中间层或者是铝氮/铝镓氮超晶格结构，参见Hong-MeiWang等人2002年发表在Appl.Phys.Lett.v81,p604的文章等；或者是镓氮/铝镓氮超晶格结构，参见S.A.Nikishin等人在1999年发表在Appl.Phys.Lett.v75，p2073的文章；或者是氮化铝/氮化镓超晶格结构，参见EricFeltin等人2001年公开在Appl.Phys.Lett.v79,p3230的文章等等。

低温氮化铝插入层在开始的时候是用于在氮化镓基板上生长铝镓氮外延层。由于铝镓氮的晶格常数要小于氮化镓，因此铝镓氮中的生长应力是张应力。当生长的铝镓氮外延膜的厚度超过临界值的时候，外延膜就会出现龟裂，无法制成任何器件。通过引入低温氮化铝插入层，可以有效的减少张应力避免外延膜龟裂的产生。后来，这个方法也用到在硅衬底上用来生长无龟裂的氮化镓外延膜。但是，低温氮化铝插入层存在一些问题。首先，高质量的三族氮化物外延膜都必须生长在高温下。氮化镓的生长温度要超过1000摄氏度，而氮化铝的生长温度更是要超过1100摄氏度。在低温的条件下生长氮化铝，其晶体质量不会很好。人们也发现，在引入氮化铝低温插入层后，氮化镓外延膜的质量大大降低。在低温氮化铝和氮化镓外延膜的界面处，会产生大量的刃位错，总体的位错密度大大提高。另外，高温、低温再高温这样一个温度变化会在腔内引起一些不必要的颗粒等等，降低产品的良率。通常情况下，在生长很厚的外延膜的时候，会多次引入氮化铝插入层，其生长频率约为每微米外延膜就会用到一次低温氮化铝插入层。因此，在反复的温度变化条件下，生长的腔体内会产生很多灰尘、颗粒，从而引起外延膜的缺陷。这些缺陷可能对器件的性能产生致命的影响。

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，通过在插入层铝氮中引入铟元素，这里铟元素起到催化剂的作用，可以大大改善铝氮的晶体质量和表面质量。由于插入层晶体质量的提高，达到改善外延层晶体质量的作用，在保证外延结构不龟裂的同时，不降低晶体的质量。插入层中铟元素的组分可以通过温度来控制，在高温下，铟的掺入可以忽略，比如说在插入层中的组分小于1%。

本发明中硅衬底上生长的厚的半导体外延结构都是生长在高温条件下，铝铟氮插入层也是高温生长。相对于低温氮化铝插入层的结构来说，高温的插入层质量较好。本发明中，插入层为铝铟氮，铝铟氮中铟的含量低于18%、甚至低于10%、5%、或接近于0%。低温氮化铝可以引入压应力来平衡由于热失配带来的张应力。但是，低温生长的氮化铝质量差，表面粗糙，给上面的氮化镓外延层引入大量的缺陷。

在高温下生长铝铟氮插入层，可以避免过多的铟元素掺入插入层中，同时也可以通过高温生长改进插入层的晶体质量。

当铝铟氮中铟的组分为18%时，其晶格常数与氮化镓相同。在铟的成分低于15%，10%、5%时、或者近似纯氮化铝时，在此铝铟氮层上生长氮化镓就会引入压应力。铝铟氮在做中间层时，需要确保此中间层的厚度超过临界值，保证铝铟氮层所受到的张应力能够释放。在张应力释放的铝铟氮层上生长氮化镓层，就会引入大量的压应力。在含有5%铟的情况下，铝铟氮插入层14的厚度可能需要超过50nm。如果氮化物层为铝镓氮，在铝铟氮插入层中铟的含量需要进一步降低。

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：

形成于硅衬底上的成核层；

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，所述插入层中包括铝铟氮，其中铟的组分小于18%。

作为本发明的进一步改进，所述插入层为多层结构或超晶格结构。

作为本发明的进一步改进，所述多层结构或超晶格结构为铝铟氮/镓氮、或铝铟氮/铝铟氮。

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，所述插入层中铟的平均含量是逐渐变化的。

作为本发明的进一步改进，所述插入层中铟的平均含量自下而上逐渐增多或逐渐减少。

作为本发明的进一步改进，所述插入层中铟的平均含量自下而上先增加后减少或先减少后增加。

相应地，本发明还公开了一种半导体外延结构的生长方法，包括：

（1）提供硅衬底；

（2）在所述硅衬底上生长成核层；

（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插入层；

（5）在所述插入层上生长第二氮化物层。

作为本发明的进一步改进，所述成核层的生长温度大于等于800℃。

作为本发明的进一步改进，所述氮化物层的生长温度大于等于800℃。

作为本发明的进一步改进，所述插入层的生长温度大于等于800℃。

与现有技术相比，本发明的优点如下：本发明在氮化物层中引入含有铟元素的插入层，并使得整个外延结构都生长在高温条件下，避免了温度变化可能带来的龟裂效应；由于插入层采用的生长温度是高温，晶体质量要好于低温插入层的结果。

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；

图2所示为本发明第二实施例中半导体外延结构的示意图；

图3所示为本发明第三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：

形成于硅衬底上的成核层；

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，所述插入层中包括铝铟氮，其中铟的组分小于18%。

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）提供硅衬底；

（2）在所述硅衬底上生长成核层；

（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插入层；

（5）在所述插入层上生长第二氮化物层。

本发明通过在插入层中引入铟元素，铟元素为插入层生长时的催化剂，可以大大改善铝氮的晶体质量和表面质量，达到改善外延层晶体质量的作用，在保证外延结构不龟裂的同时，不降低晶体的质量。

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，硅衬底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。

成核层12为铝镓氮层、铝铟镓氮层、氮化铝层或氮化镓层。

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为铝铟氮，插入层14中铟元素均匀分布，且铟在插入层14中的含量优选为小于18％，更优选地，铟元素含量的取值为15%、10%或5%。插入层14中可以掺杂有硅或锗，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）提供硅衬底11；

（2）在硅衬底11上生长成核层12；

（3）在成核层12上生长第一氮化物层131，第一氮化物层131的生长温度大于等于800℃；

（4）在第一氮化物层131上生长插入层14，插入层14的生长温度大于等于800℃；

（5）在插入层14上生长第二氮化物层132，第二氮化物层132的生长温度大于等于800℃；

（6）在第二氮化物层132上生长有源区。

本实施例中硅衬底11上生长的厚的半导体外延结构都是生长在高温条件下，插入层14也是高温生长，相对于低温氮化铝插入层的结构来说，高温的插入层质量较好。本实施例中，插入层14为铝铟氮，铝铟氮中铟的含量低于18%、甚至低于10%、5%、或接近于0%。低温氮化铝可以引入压应力来平衡由于热失配带来的张应力。但是，低温生长的氮化铝质量差，表面粗糙，给上面的氮化镓外延层引入大量的缺陷。当铝铟氮中铟的组分为18%时，其晶格常数与氮化镓相同。在铟的成分低于15%，10%、5%时、或者近似纯氮化铝时，在此铝铟氮层上生长氮化镓就会引入压应力。铝铟氮在做中间层时，需要确保此中间层的厚度超过临界值，保证铝铟氮层所受到的张应力能够释放。在张应力释放的铝铟氮层上生长氮化镓层，就会引入大量的压应力。在含有5%铟的情况下，铝铟氮插入层14的厚度可能需要超过50nm。如果氮化物层为铝镓氮，在铝铟氮插入层中铟的含量需要进一步降低。

此插入层14中，铟的成分可以尽量低，甚至接近零，以降低所需插入层14的厚度。

此外，还可以引入适量的镓元素，对最后的材料和器件结构没有影响。

图2所示为本发明第二实施例中半导体外延结构的示意图。

参图2所示，在本发明的第二实施方式中，硅衬底21上生长的外延多层结构包括：成核层22、氮化物层23、位于氮化物层23中的插入层24以及形成于氮化物层23上的有源区（图未示）。氮化物层23包括第一氮化物层231和第二氮化物层232，插入层24位于第一氮化物层231和第二氮化物层232之间。

成核层22为铝镓氮层、铝铟镓氮层、氮化铝层或氮化镓层。

第一氮化物层231和第二氮化物层232为氮化镓层、铝铟镓氮层或铝镓氮层，第一氮化物层231或第二氮化物层232可以加入硅或锗中的一种或两种以实现n型掺杂。

插入层24为铝铟氮，插入层24中铟元素为非均匀分布，优选地，铟元素在插入层24中的分布自下而上逐渐增多，且在插入层24最底端铟元素的含量接近甚至等于0，在插入层24的最顶端，铟元素在插入层24中的比例含量达到18%。插入层24中可以掺杂有硅或锗，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）提供硅衬底21；

（2）在硅衬底21上生长成核层22；

（3）在成核层22上生长第一氮化物层231，第一氮化物层231的生长温度大于等于800℃；

（4）在第一氮化物层231上生长插入层24，插入层24的生长温度大于等于800℃；

（5）在插入层24上生长第二氮化物层232，第二氮化物层232的生长温度大于等于800℃；

（6）在第二氮化物层232上生长有源区。

本实施例中硅衬底21上生长的厚的半导体外延结构都是生长在高温条件下，插入层24也是高温生长，相对于低温氮化铝插入层的结构来说，高温的插入层工艺比较简单，不需要复杂的变温过程。

图3所示为本发明第三实施例中半导体外延结构的示意图。

参图3所示，在本发明的第三实施方式中，硅衬底31上生长的外延多层结构包括：成核层32、氮化物层33、位于氮化物层33中的插入层34以及形成于氮化物层33上的有源区（图未示）。氮化物层33包括第一氮化物层331和第二氮化物层332，插入层34位于第一氮化物层331和第二氮化物层332之间。

成核层32为铝镓氮层、铝铟镓氮层、氮化铝层或氮化镓层。

第一氮化物层331和第二氮化物层332为氮化镓层、铝铟镓氮层或铝镓氮层，第一氮化物层331或第二氮化物层332可以加入硅或锗中的一种或两种以实现n型掺杂。

插入层34为铝铟氮/镓氮的超晶格结构。插入层24中可以掺杂有硅或锗，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）提供硅衬底31；

（2）在硅衬底31上生长成核层32；

（3）在成核层32上生长第一氮化物层331，第一氮化物层331的生长温度大于等于800℃；

（4）在第一氮化物层331上生长插入层34，插入层34的生长温度大于等于800℃；

（5）在插入层34上生长第二氮化物层332，第二氮化物层332的生长温度大于等于800℃；

（6）在第二氮化物层332上生长有源区。

本实施例中硅衬底31上生长的厚的半导体外延结构都是生长在高温条件下，插入层34也是高温生长，相对于低温氮化铝插入层的结构来说，高温的插入层工艺比较简单，不需要复杂的变温过程。本实施例中，插入层34为铝铟氮/镓氮超晶格结构，铝铟氮中铟的含量低于18%、甚至低于10%、5%、或接近于0%。

综上所述，本发明在氮化物层中引入含有铟元素的插入层，并使得整个外延结构都生长在高温条件下，避免了温度变化可能带来的龟裂效应；由于插入层采用的生长温度是高温，晶体质量要好于低温插入层的结果。

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 (10)

1.一种半导体外延结构，其特征在于，包括：

形成于硅衬底上的成核层；

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，所述插入层中包括铝铟氮，铝铟氮中铟的含量低于18％，所述插入层的厚度超过临界值，该临界值保证所述插入层所受到的张应力能够释放。

2.根据权利要求1所述的半导体外延结构，其特征在于，所述插入层为多层结构。

3.根据权利要求2所述的半导体外延结构，其特征在于，所述插入层为超晶格结构。

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。

5.根据权利要求1所述的半导体外延结构，其特征在于，所述成核层为铝镓氮层、铝铟镓氮层、氮化铝层或氮化镓层。

6.根据权利要求1所述的半导体外延结构，其特征在于，所述氮化物层为氮化镓层、铝铟镓氮层或铝镓氮层。

7.根据权利要求1所述的半导体外延结构，其特征在于，所述插入层中掺杂有硅或锗，以实现n型掺杂。

8.根据权利要求1所述的半导体外延结构，其特征在于，所述氮化物层中掺杂有硅和/或锗，以实现n型掺杂。

9.根据权利要求1所述的半导体外延结构，其特征在于，所述插入层中铟的平均含量自下而上逐渐增多、逐渐减少、或插入层中铟的平均含量自下而上先增加后减少或先减少后增加。

10.一种如权利要求1所述的半导体外延结构的生长方法，其特征在于，包括：

(1)提供硅衬底；

(2)在所述硅衬底上生长成核层；

(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插入层；

(5)在所述插入层上生长第二氮化物层，

其中：所述成核层的生长温度大于等于800℃；所述氮化物层的生长温度大于等于800℃；所述插入层的生长温度大于等于800℃。