CN106783533A - 含Al氮化物半导体结构及其外延生长方法 - Google Patents

含Al氮化物半导体结构及其外延生长方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种含Al氮化物半导体结构及其外延生长方法，包括以下步骤：1）提供衬底；2）在所述衬底上形成III‑V族氮化物凸条结构或凸岛结构；3）在所述凸条结构或所述凸岛结构表面外延交替生成GaN层与第一含Al氮化物层以形成交替层叠结构，所述交替层叠结构填满相邻所述凸条结构或所述凸岛结构之间的间隙，且所述交替层叠结构的最顶层为上表面为平面的第一含Al氮化物层。本发明的外延生长方法能够在较低的生长温度条件下、较短的生长时间内得到一定厚度且表面非常平整的含Al氮化物外延片，不仅大大降低了生长成本，而且生长过程中充分的释放了生长应力，大大提高了外延晶体质量。

Description

含Al氮化物半导体结构及其外延生长方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种含Al氮化物半导体结构及其外延生长方法。
背景技术
AlGaN材料具有高温稳定性好、搞的介质击穿强度、优异的机械强度、通过Al组分变化可实现禁带宽度从3.4eV～6.2eV可调，从而涵盖了波长从365nm～200nm的紫外波段，在紫外探测器、紫外LED及HEMTs器件方面具有重要的应用。
现有技术中，通常采用横向外延生长技术制备AlGaN材料，主要包括以下步骤：
1)提供衬底；
2)在所述衬底表面形成凸条结构或凸岛结构或在所述衬底表面形成掩膜层之后，在所述掩膜层内形成开口，并在所述开口内形成突出于所述掩膜层表面的凸条结构或凸岛结构；
3)采用横向外延生长工艺在所述凸条结构或凸岛结构表面及所述衬底表面形成AlGaN材料。
然而，在生长条件下，由于Al原子在氮化物表面的迁移速率非常慢，采用上述横向外延生长制备所述AlGaN时，要使得相邻所述凸条结构或凸岛结构连起来并得到表面平整的AlGaN材料层非常困难，表面也容易形成裂纹，晶体质量不高。要得到一定厚度且表面平整的AlGaN材料层不但需要较高的生长温度条件，而且生长时间也较长，生长成本较高。
同样，采用横向外延生长工艺制备其他含Al氮化物材料时存在与AlGaN同样的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种含Al氮化物半导体结构及其外延生长方法，用于解决现有技术中采用横向外延生长工艺制备含Al氮化物材料时，由于Al原子迁移速率较慢而导致的生长条件比较苛刻、所需生长温度高、生长时间长、生长成本较高、容易形成表面裂纹和晶体质量不高等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种含Al氮化物半导体结构的外延生长方法。所述含Al氮化物半导体结构的外延生长方法至少包括以下步骤：
1)提供衬底；
2)在所述衬底上形成III-V族氮化物凸条结构或凸岛结构；
3)在所述凸条结构或所述凸岛结构表面外延交替生成GaN层与第一含Al氮化物层以形成交替层叠结构，所述交替层叠结构填满相邻所述凸条结构或所述凸岛结构之间的间隙，且所述交替层叠结构的最顶层为上表面为平面的第一含Al氮化物层。
作为本发明的含Al氮化物半导体结构的外延生长方法的一种优选方案，所述步骤2)中，在所述衬底上形成III-V族氮化物凸条结构或凸岛结构包括以下步骤：
2-1)在所述衬底表面形成掩膜层；
2-2)在对应于后续要形成所述凸条结构或凸岛结构的所述掩膜层内形成贯穿所述掩膜层的开口；
2-3)在所述开口内填充III-V族氮化物填充层，所述III-V族氮化物填充层填满所述开口，并形成突出于所述掩膜层表面的所述凸条结构或凸岛结构。
作为本发明的含Al氮化物半导体结构的外延生长方法的一种优选方案，所述步骤2-1)中还包括在所述衬底与所述掩膜层之间形成III-V族氮化物层的步骤。
作为本发明的含Al氮化物半导体结构的外延生长方法的一种优选方案，所述步骤2)中，在所述衬底上形成III-V族氮化物凸条结构或凸岛结构包括以下步骤：
2-1)在所述衬底表面形成III-V族氮化物层；
2-2)刻蚀所述III-V族氮化物层以形成所述凸条结构或凸岛结构。
作为本发明的含Al氮化物半导体结构的外延生长方法的一种优选方案，所述凸条结构或所述凸岛结构的纵截面形状为三角形、梯形或矩形。
作为本发明的含Al氮化物半导体结构的外延生长方法的一种优选方案，所述交替层叠结构中，一层所述GaN层与与其相邻的一层所述第一含Al氮化物层构成一个交替周期，所述交替层叠结构包括至少5个所述交替周期。
作为本发明的含Al氮化物半导体结构的外延生长方法的一种优选方案，步骤3)之后还包括在所述交替层叠结构表面形成第二含Al氮化物层的步骤。
本发明还提供一种含Al氮化物半导体结构，所述含Al氮化物半导体结构包括：
衬底；
III-V族氮化物凸条结构或凸岛结构，位于所述衬底表面；
GaN层与第一含Al氮化物层的交替层叠结构，覆盖于所述凸条结构或凸岛结构表面并填满相邻所述凸条结构或所述凸岛结构之间的间隙，所述交替层叠结构的最底层为GaN层，最顶层为上表面为平面的第一含Al氮化物层。
作为本发明的含Al氮化物半导体结构的一种优选方案，所述含Al氮化物半导体结构还包括掩膜层，所述掩膜层内形成有上下贯通的开口，所述开口内填充有III-V族氮化物填充层；所述掩膜层及所述填充层位于所述衬底与所述凸条结构或所述凸岛结构之间，且所述凸条结构或所述凸岛结构位于所述III-V族氮化物填充层及部分所述掩膜层表面。
作为本发明的含Al氮化物半导体结构的一种优选方案，所述含Al氮化物半导体结构还包括III-V族氮化物层，所述III-V族氮化物层位于所述衬底与所述掩膜层之间。
作为本发明的含Al氮化物半导体结构的一种优选方案，所述凸条结构或所述凸岛结构的纵截面形状为三角形、梯形或矩形。
作为本发明的含Al氮化物半导体结构的一种优选方案，所述交替层叠结构中，一层所述GaN层与与其相邻的一层所述第一含Al氮化物层构成一个交替周期，所述交替层叠结构包括至少5个所述交替周期。
作为本发明的含Al氮化物半导体结构的一种优选方案，所述凸条结构或所述凸岛结构在所述衬底表面呈周期性分布。
作为本发明的含Al氮化物半导体结构的一种优选方案，所述含Al氮化物半导体结构还包括第二含Al氮化物层，位于所述交替层叠结构的表面。
如上所述，本发明的含Al氮化物半导体结构及其外延生长方法，具有以下有益效果：本发明的含Al氮化物半导体结构的外延生长方法，在形成III-V族氮化物凸条结构或凸岛结构之后，通过外延交替生长形成GaN层与第一含Al氮化物层的交替层叠结构，而后再在交替层叠结构的表面外延生长所需的材料层，由于生长GaN时，可以很容易的控制生长条件使得侧向生长速度远远大于纵向的生长速度，借助GaN层可以很快将相邻所述凸条结构或凸岛结构连接起来，并得到表面为平面的交替层叠结构的含Al氮化物半导体外延片；本发明的外延生长方法能够在较低的生长温度条件下、较短的生长时间内得到一定厚度且表面非常平整的含Al氮化物外延片，不仅大大降低了生长成本，而且生长过程中充分的释放了生长应力，大大提高了外延晶体质量。
附图说明
图1显示为本发明实施例一中提供的含Al氮化物半导体结构的制备流程示意图。
图2至图12显示为本发明实施例一中提供的含Al氮化物半导体结构的外延生长方法各步骤所呈现的截面结构示意图。
图13显示为本发明实施例二中提供的含Al氮化物半导体结构的制备流程示意图。
图14至图18显示为本发明实施例二中提供的含Al氮化物半导体结构的外延生长方法各步骤所呈现的截面结构示意图。
元件标号说明
11 衬底
12 凸条结构
13 凸岛结构
14 交替层叠结构
141 GaN层
142 第一含Al氮化物层
15 第二含Al氮化物层
16 III-V族氮化物层
17 掩膜层
171 开口
18 III-V族氮化物填充层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图18。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
请参阅图1，本发明提供一种含Al氮化物半导体结构的外延生长方法，所述含Al氮化物半导体结构的外延生长方法至少包括以下步骤：
1)提供衬底；
2)在所述衬底上形成III-V族氮化物凸条结构或凸岛结构；
3)在所述凸条结构或所述凸岛结构表面外延交替生成GaN层与第一含Al氮化物层以形成交替层叠结构，所述交替层叠结构填满相邻所述凸条结构或所述凸岛结构之间的间隙，且所述交替层叠结构的最顶层为上表面为平面的第一含Al氮化物层。
在步骤1)中，请参阅图1中的S1步骤及图2，提供衬底11。
作为示例，所述衬底11可以为但不仅限于Si衬底或蓝宝石衬底。所述衬底11可以为图形化衬底，也可以为非图形化衬底。
在步骤2)中，请参阅图1中的S2步骤及图3至图9，采用选择性生长法在所述衬底11上形成III-V族氮化物凸条结构12或凸岛结构13。
作为示例，所述III-V族氮化物凸条结构12或凸岛结构13可以为GaN或含Al氮化物凸条结构12或凸岛结构13。
作为示例，采用选择性生长方在所述衬底上形成III-V族氮化物凸条结构12或凸岛结构13，包括以下步骤：
2-1)可以采用PECVD(等离体子增强化学气相沉积)工艺在所述衬底11表面形成掩膜层17；需要说明的是，在其他示例中，还可以现在所述衬底11表面形成一层III-V族氮化物层16，如图3所示，然后再在所述III-V族氮化物层16表面形成所述掩膜层17；
2-2)通过光刻刻蚀工艺在对应于后续要形成所述凸条结构或凸岛结构的所述掩膜层17内形成贯穿所述掩膜层17的开口171，如图4所示；
2-3)在所述开口171内填充III-V族氮化物填充层18，所述III-V族氮化物填充层18填满所述开口171，并形成突出于所述掩膜层17表面的所述凸条结构12或凸岛结构13。
作为示例，在步骤2-2)中，形成的所述掩膜层17的作用主要是使得后续要形成的GaN或含Al氮化物在其上不形核，或GaN或含Al氮化物在其上形核的形核功要远远大于在GaN上的形核功。为了达到这一目的，所述掩膜层17的材料必须和GaN或含Al氮化物不浸润、具有高温稳定性、不对GaN或含Al氮化物的光学性质造成不良影响；另外，从产业角度考虑，所述掩膜层17的材料还必须是生长技术成熟、成本较低的材料。优选地，本实施中，所述掩膜层17的材料可以为SiO2或SiNx。
在一示例中，在步骤2-2)中，所述开口171可以为长条形开口，所述长条形开口的方向平行于所述III-V族氮化物层的或晶向；由于GaN的原子密排面是(0001)晶面，密排方向是方向，外延生长时，生长最快的方向就是原子密排方向，所以为了获得最快的横向生长速度，所述长条形开口一般平行于GaN的晶向，其横向生长方向为晶向，是GaN原子的密排方向，生长速率最快，可以获得最大的横向生长速率。所述长条形开口沿所述掩膜层17的表面方向呈周期性分布，所述长条形开口的宽度以及相邻所述长条形开口的间距可以根据实际需要进行设定，此处不做限定。需要说明的是，所述长条形开口沿所述掩膜层17表面的方向呈均匀分布，即相邻所述长条形开口之间的间距相等。
在另一示例中，在步骤2-2)中形成所述开口171之后，保留的所述掩膜层17的形状为呈周期性间隔分布的菱形，保留的所述菱形掩膜层的四条边都平行于GaN的晶向，这样，在形成交替叠层结构，4个横向生长方向都是沿着晶向，可以得到最大的横向生长速率。所述菱形掩膜层的尺寸及相邻所述菱形掩膜层之间的间距可以根据实际需要进行设定，此处不做限定。需要说明的是，所述菱形掩膜层沿其表面方向呈均匀分布，即相邻所述菱形掩膜层之间的间距相等。
在又一示例中，在步骤2-2)中，所述开口171可以为呈周期性间隔分布的图形，譬如，所述开口171可以为呈周期性间隔分布的菱形。所述菱形开口四条边都平行于GaN的 晶向，这样，在形成交替叠层结构，4个横向生长方向都是沿着晶向，可以得到最大的横向生长速率。所述开口171的尺寸及相邻所述开口171之间的间距可以根据实际需要进行设定，此处不做限定。需要说明的是，所述开口171沿所述掩膜层17表面方向呈均匀分布，即相邻所述开口171之间的间距相等。
作为示例，在步骤2-3)中，将步骤2-2)得到的结构置于MOCVD反应室中，在低温、第V/III比及高压条件下在所述开口17内生长填充所述III-V族氮化物填充层18，并在所述III-V族氮化物填充层18填满所述开口171之后继续生长形成突出于所述掩膜层17表面的所述凸条结构12或凸岛结构13。当所述开口171为长条形开口时，步骤2-3)之后得到的结构的俯视图如图5所示；当所述掩膜层17为菱形掩膜层时，步骤2-3)之后得到的结构的俯视图如图6所示；当所述开口171为菱形开口时，步骤2-3)之后得到的结构的俯视图如图7所示。
作为示例，所述含Al氮化物为AlN或AlGaN。
作为示例，所述凸条结构12或所述凸岛结构13的纵截面形状可以为三角形、梯形或矩形。以所述凸岛结构13为例，纵截面形状为矩形的所述凸岛结构13如图8所示，纵截面形状为梯形的所述凸岛结构13如图9所示，纵截面形状为三角形的所述凸岛结构13如图10所示。需要说明的是，所述凸条结构12或所述凸岛结构13的纵截面的方向为沿所述凸条结构12或所述凸岛结构13的厚度方向。
在步骤3)中，请参阅图1中的S3步骤及图11，在所述凸条结构12或所述凸岛结构13表面外延交替生成GaN层141与第一含Al氮化物层142以形成交替层叠结构14，所述交替层叠结构14填满相邻所述凸条结构12或所述凸岛结构13之间的间隙，以将相邻的所述凸条结构12或凸岛结构13连接起来，且所述交替层叠结构14的最顶层为上表面为平面的第一含Al氮化物层142。
首先需要说明的是，图11是以所述凸岛结构13的纵截面形状为三角形作为示例。
作为示例，将步骤2)得到的结构置于MOCVD反应室中，调节相应的生长温度、反应气体比及生长压力等条件，采样横向外延生长工艺依次在所述凸条结构12或所述凸岛结构13的表面依次交替生长GaN层141及所述第一含Al氮化物层142，直至所述交替层叠结构14填满相邻所述凸条结构12或所述凸岛结构13之间的间隙，且所述交替层叠结构14的最顶层为上表面为平面的第一含Al氮化物层142。采用横向外延生长工艺生长所述GaN层141及所述第一含Al氮化物层142的具体方法为本领域人员所熟知，此处不再累述。
作为示例，所述交替层叠结构14中，设定一层所述GaN层141与与其相邻的一层所述第一含Al氮化物层142构成一个交替周期，所述交替层叠结构14包括至少5个所述交替周期。由于所述GaN层141的晶格常数与所述第一含Al氮化物层142的晶格常数差异较大，在所述交替层叠结构14中生长足够多的所述交替周期，有利于所述交替层叠结构14中的应力释放，可以保证后续在其表面生长的第二含Al氮化物层不会发生开裂，从而提高了外延生长的晶体的质量。
作为示例，所述第一含Al氮化物层142可以为AlN或AlGaN。
在生长条件下，由于Al原子在氮化物表面迁移速度慢，生长含Al的氮化物时，要使得相邻所述凸岛结构13连接起来并得到平整的表面非常困难，而生长GaN时，可以很容易的控制生长条件使得其侧向生长速度远远大于纵向的生长速度，本实施例中，借助所述GaN层141可以将相邻所述凸岛结构13很快连接起来，并得到表面为平面的交替层叠结构14。本发明的外延生长方法能够在较低的生长温度条件下、较短的生长时间内得到一定厚度且表面非常平整的含Al氮化物外延片，不仅大大降低了生长成本，而且生长过程中充分的释放了生长应力，大大提高了外延晶体质量。
作为示例，请参阅图12,，步骤3)之后还包括在所述交替层叠结构14表面形成第二含Al氮化物层15的步骤。
可以采用外延生长工艺在所述交替层叠结构14表面形成第二含Al氮化物层15，该工艺为本领域人员所熟知，此处不再累述。
作为示例，所述第二含Al氮化物层15可以为AlN或AlGaN。
本发明的核心在于在所述衬底11上形成周期性的Ⅲ-Ⅴ族氮化物的所述凸条结构12或所述凸岛结构13之后，通过外延交替生长的方式形成所述GaN层141与第一含Al氮化物层142的交替层叠结构，而后再在所述交替层叠结构的表面外延生长所需的材料层。本发明外延交替生长方式能够在较低的生长温度条件下、较短的生长时间内得到一定厚度且表面非常平整的含Al氮化物外延片，不仅大大降低了生长成本，而且生长过程中充分的释放了生长应力，大大提高了外延晶体质量。
实施例二
请参阅图13，本发明提供一种含Al氮化物半导体结构的外延生长方法，所述含Al氮化物半导体结构的外延生长方法至少包括以下步骤：
1)提供衬底；
2)在所述衬底上形成III-V族氮化物凸条结构或凸岛结构；
3)在所述凸条结构或所述凸岛结构表面外延交替生成GaN层与第一含Al氮化物层以形成交替层叠结构，所述交替层叠结构填满相邻所述凸条结构或所述凸岛结构之间的间隙，且所述交替层叠结构的最顶层为上表面为平面的第一含Al氮化物层。
在步骤1)中，请参阅图1中的S1步骤及图14，提供衬底11。
作为示例，所述衬底11可以为但不仅限于Si衬底或蓝宝石衬底。所述衬底11可以为图形化衬底，也可以为非图形化衬底。
在步骤2)中，请参阅图1中的S2步骤及图15至图16，在所述衬底11上形成III-V族氮化物凸条结构12或凸岛结构13。
作为示例，所述III-V族氮化物凸条结构12或凸岛结构13可以为GaN或含Al氮化物凸条结构12或凸岛结构13。
作为示例，采用悬臂生长法在所述衬底11上形成III-V族氮化物凸条结构12或凸岛结构13，包括以下步骤：
2-1)可以将所述衬底11置于MOCVD反应室进行反应以在所述衬底11表面形成III-V族氮化物层16；
2-2)通过刻蚀工艺刻蚀所述III-V族氮化物层16以形成所述凸条结构12或凸岛结构13。
在一示例中，在步骤2-2)中，刻蚀所述III-V族氮化物层16形成所述凸条结构12可以为长条形，如实施例一中的图5所示，所述凸条结构12的方向平行于所述III-V族氮化物层的或晶向；由于GaN的原子密排面是(0001)晶面，密排方向是方向，外延生长时，生长最快的方向就是原子密排方向，所以为了获得最快的横向生长速度，所述凸条结构12一般平行于GaN的晶向，其横向生长方向为晶向，是GaN原子的密排方向，生长速率最快，可以获得最大的横向生长速率。所述凸条结构12沿所述衬底11的表面方向呈周期性分布，所述凸条结构12的宽度以及相邻所述凸条结构12的间距可以根据实际需要进行设定，此处不做限定。需要说明的是，所述所述凸条结构12沿所述衬底11表面的方向呈均匀分布，即相邻所述凸条结构12之间的间距相等。
在又一示例中，在步骤2-2)中，刻蚀所述III-V族氮化物层16形成所述凸岛结构13，所述凸岛结构13可以为呈周期性间隔分布的图形，譬如，所述凸岛结构13可以为呈周期性间隔分布的菱形，如实施例一中图7所示。所述菱形凸岛结构,四条边都平行于GaN的 晶向，这样，在形成交替叠层结构，4个横向生长方向都是沿着晶向，可以得到最大的横向生长速率。所述凸岛结构13的尺寸及相邻所述凸岛结构13之间的间距可以根据实际需要进行设定，此处不做限定。需要说明的是，所述凸岛结构13沿所述衬底11表面方向呈均匀分布，即相邻所述凸岛结构13之间的间距相等。
作为示例，所述含Al氮化物为AlN或AlGaN。
作为示例，所述凸条结构12或所述凸岛结构13的纵截面形状可以为三角形、梯形或矩形。以所述凸岛结构13为例，纵截面形状为三角形的所述凸岛结构13如图16所示。需要说明的是，所述凸条结构12或所述凸岛结构13的纵截面的方向为沿所述凸条结构12或所述凸岛结构13的厚度方向。
在步骤3)中，请参阅图1中的S3步骤及图17，在所述凸条结构12或所述凸岛结构13表面外延交替生成GaN层141与第一含Al氮化物层142以形成交替层叠结构14，所述交替层叠结构14填满相邻所述凸条结构12或所述凸岛结构13之间的间隙，以将相邻的所述凸条结构12或凸岛结构13连接起来，且所述交替层叠结构14的最顶层为上表面为平面的第一含Al氮化物层142。
首先需要说明的是，图17是以所述凸岛结构13的纵截面形状为三角形作为示例。
作为示例，将步骤2)得到的结构置于MOCVD反应室中，调节相应的生长温度、反应气体比及生长压力等条件，采样横向外延生长工艺依次在所述凸条结构12或所述凸岛结构13的表面依次交替生长GaN层141及所述第一含Al氮化物层142，直至所述交替层叠结构14填满相邻所述凸条结构12或所述凸岛结构13之间的间隙，且所述交替层叠结构14的最顶层为上表面为平面的第一含Al氮化物层142。采用横向外延生长工艺生长所述GaN层141及所述第一含Al氮化物层142的具体方法为本领域人员所熟知，此处不再累述。
作为示例，所述交替层叠结构14中，设定一层所述GaN层141与与其相邻的一层所述第一含Al氮化物层142构成一个交替周期，所述交替层叠结构14包括至少5个所述交替周期。由于所述GaN层141的晶格常数与所述第一含Al氮化物层142的晶格常数差异较大，在所述交替层叠结构14中生长足够多的所述交替周期，有利于所述交替层叠结构14中的应力释放，可以保证后续在其表面生长的第二含Al氮化物层不会发生开裂，从而提高了外延生长的晶体的质量。
作为示例，所述交替层叠结构14中，所述GaN层141的厚度大于所述第一含Al氮化物层142的厚度。
作为示例，所述第一含Al氮化物层142可以为AlN或AlGaN。
在生长条件下，由于Al原子在氮化物表面迁移速度慢，生长含Al的氮化物时，要使得相邻所述凸岛结构13连接起来并得到平整的表面非常困难，而生长GaN时，可以很容易的控制生长条件使得其侧向生长速度远远大于纵向的生长速度，本实施例中，借助所述GaN层141可以将相邻所述凸岛结构13很快连接起来，并得到表面为平面的交替层叠结构14。本发明的外延生长方法能够在较低的生长温度条件下、较短的生长时间内得到一定厚度且表面非常平整的含Al氮化物外延片，不仅大大降低了生长成本，而且生长过程中充分的释放了生长应力，大大提高了外延晶体质量。
作为示例，请参阅图18，步骤3)之后还包括采用外延生长工艺在所述交替层叠结构14表面形成第二含Al氮化物层15的步骤。
可以采用外延生长工艺在所述交替层叠结构14表面形成第二含Al氮化物层15，该工艺为本领域人员所熟知，此处不再累述。
作为示例，所述第二含Al氮化物层15可以为AlN或AlGaN。
本发明的核心在于在所述衬底11上形成周期性的Ⅲ-Ⅴ族氮化物的所述凸条结构12或所述凸岛结构13之后，通过外延交替生长的方式形成所述GaN层141与第一含Al氮化物层142的交替层叠结构，而后再在所述交替层叠结构的表面外延生长所需的材料层。本发明外延交替生长方式能够在较低的生长温度条件下、较短的生长时间内得到一定厚度且表面非常平整的含Al氮化物外延片，不仅大大降低了生长成本，而且生长过程中充分的释放了生长应力，大大提高了外延晶体质量。
实施例三
请继续参阅图11，本发明还提供一种含Al氮化物半导体结构，所述含Al氮化物半导体结构包括：衬底11；掩膜层17，所述掩膜层17位于所述衬底11表面，所述掩膜层17内形成有贯穿所述掩膜层17的开口171；III-V族氮化物填充层18，所述III-V族氮化物填充层18填充于所述开口171内，所述III-V族氮化物填充层18的上表面与所述掩膜层17的上表面相平齐；III-V族氮化物凸条结构12或凸岛结构13，所述凸条结构12或凸岛结构13位于所述III-V族氮化物填充层18及部分所述掩膜层17表面；GaN层141与第一含Al氮化物层142的交替层叠结构14，所述交替结构14覆盖于所述凸条结构12或凸岛结构13表面并填满相邻所述凸条结构12或所述凸岛结构13之间的间隙，所述交替层叠结构14的最底层为GaN层141，最顶层为上表面为平面的第一含Al氮化物142层。
作为示例，所述含Al氮化物半导体结构还包括III-V族氮化物层16，所述III-V族氮化物层16位于所述衬底11与所述掩膜层17之间。图12即为以包括所述III-V族氮化物层16的所述含Al氮化物半导体结构的结构示意图。
作为示例，所述掩膜层17的作用主要是使得GaN或含Al氮化物在其上不形核，或GaN或含Al氮化物在其上形核的形核功要远远大于在GaN上的形核功。为了达到这一目的，所述掩膜层17的材料必须和GaN或含Al氮化物不浸润、具有高温稳定性、不对GaN或含Al氮化物的光学性质造成不良影响；另外，从产业角度考虑，所述掩膜层17的材料还必须是生长技术成熟、成本较低的材料。优选地，本实施中，所述掩膜层17的材料可以为SiO2或SiNx。
作为示例，所述凸条结构12或所述凸岛结构13的纵截面形状为三角形、梯形或矩形，图12以纵截面的形状为三角形的所述凸岛结构13为例。
作为示例，所述交替层叠结构14中，设定一层所述GaN层141与与其相邻的一层所述第一含Al氮化物层142构成一个交替周期，所述交替层叠结构14包括至少5个所述交替周期。由于所述GaN层141的晶格常数与所述第一含Al氮化物层142的晶格常数差异较大，在所述交替层叠结构14中生长足够多的所述交替周期，有利于所述交替层叠结构14中的应力释放，可以保证后续在其表面生长的其他半导体层不会发生开裂，从而提高了外延生长的晶体的质量。
作为示例，所述凸条结构12或所述凸岛结构13在所述掩膜层17表面呈周期性分布，即所述凸条结构12或所述凸岛结构13沿所述掩膜层17表面的方向呈均匀分布，亦即，相邻所述凸条结构12或所述凸岛结构13之间的间距相等；所述凸条结构12或所述凸岛结构13分布的周期数可以根据实际需要进行设定，此处不做限定。
作为示例，所述含Al氮化物为AlN或AlGaN，即所述第一含Al氮化物层142为AlN层或AlGaN层。
实施例四
请继续参阅图12，本发明还提供一种含Al氮化物半导体结构，本实施例中所述的含Al氮化物半导体结构与实施例三中所述的含Al氮化物半导体结构大致相同，二者的区别在于，本实施例中的所述含Al氮化物半导体结构在实施例三中所述的含Al氮化物半导体结构的基础上增设了第二含Al氮化物层15，所述第二含Al氮化物层15位于所述交替层叠结构14的表面。所述第二含Al氮化物层15为AlN层或AlGaN层，且所述第二含Al氮化物层15与所述第一含Al氮化物层142的材料相同。
实施例五
请继续参阅图17，本发明还提供一种含Al氮化物半导体结构，所述含Al氮化物半导体结构包括：衬底11；III-V族氮化物凸条结构12或凸岛结构13，所述凸条结构12或凸岛结构13位于所述衬底表面；GaN层141与第一含Al氮化物层142的交替层叠结构14，所述交替层叠结构14覆盖于所述凸条结构12或凸岛结构13表面并填满相邻所述凸条结构12或所述凸岛结构13之间的间隙，所述交替层叠结构14的最底层为GaN层141，最顶层为上表面为平面的第一含Al氮化物层142；第二含Al氮化物层15。
作为示例，所述凸条结构12或所述凸岛结构13的纵截面形状为三角形、梯形或矩形，图12以纵截面的形状为三角形的所述凸岛结构13为例。
作为示例，所述交替层叠结构14中，设定一层所述GaN层141与与其相邻的一层所述第一含Al氮化物层142构成一个交替周期，所述交替层叠结构14包括至少5个所述交替周期。由于所述GaN层141的晶格常数与所述第一含Al氮化物层142的晶格常数差异较大，在所述交替层叠结构14中生长足够多的所述交替周期，有利于所述交替层叠结构14中的应力释放，可以保证在其表面生长的第二含Al氮化物层15不会发生开裂，从而提高了外延生长的晶体的质量。
作为示例，所述凸条结构12或所述凸岛结构13在所述III-V族氮化物层16表面呈周期性分布，即所述凸条结构12或所述凸岛结构13沿所述III-V族氮化物层16表面的方向呈均匀分布，亦即，相邻所述凸条结构12或所述凸岛结构13之间的间距相等；所述凸条结构12或所述凸岛结构13分布的周期数可以根据实际需要进行设定，此处不做限定。
作为示例，所述含Al氮化物为AlN或AlGaN，即所述第一含Al氮化物层142为AlN层或AlGaN层。
实施例六
请继续参阅图18，本发明还提供一种含Al氮化物半导体结构，本实施例中所述的含Al氮化物半导体结构与实施例五中所述的含Al氮化物半导体结构大致相同，二者的区别在于，本实施例中的所述含Al氮化物半导体结构在实施例五中所述的含Al氮化物半导体结构的基础上增设了第二含Al氮化物层15，所述第二含Al氮化物层15位于所述交替层叠结构14的表面。所述第二含Al氮化物层15为AlN层或AlGaN层，且所述第二含Al氮化物层15与所述第一含Al氮化物层142的材料相同。
综上所述，本发明提供一种含AL氮化物半导体结构及其外延生长方法，所含Al氮化物半导体结构的外延生长方法包括以下步骤：1)提供衬底；2)在所述衬底上形成III-V族氮化物凸条结构或凸岛结构；3)在所述凸条结构或所述凸岛结构表面外延交替生成GaN层与第一含Al氮化物层以形成交替层叠结构，所述交替层叠结构填满相邻所述凸条结构或所述凸岛结构之间的间隙，且所述交替层叠结构的最顶层为上表面为平面的第一含Al氮化物层。本发明的含Al氮化物半导体结构的外延生长方法，在形成III-V族氮化物凸条结构或凸岛结构之后，通过外延交替生长形成GaN层与第一含Al氮化物层的交替层叠结构，而后再在交替层叠结构的表面外延生长所需的材料层，由于GaN的横向生长速率较快，借助GaN层可以很快将相邻所述凸条结构或凸岛结构连接起来，并得到表面为平面的交替层叠结构；本发明的外延生长方法能够在较低的生长温度条件下、较短的生长时间内得到一定厚度且表面非常平整的含Al氮化物外延片，不仅大大降低了生长成本，而且生长过程中充分的释放了生长应力，大大提高了外延晶体质量。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (14)

1.一种含Al氮化物半导体结构的外延生长方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)提供衬底；
2)在所述衬底上形成III-V族氮化物凸条结构或凸岛结构；
3)在所述凸条结构或所述凸岛结构表面外延交替生成GaN层与第一含Al氮化物层以形成交替层叠结构，所述交替层叠结构填满相邻所述凸条结构或所述凸岛结构之间的间隙，且所述交替层叠结构的最顶层为上表面为平面的第一含Al氮化物层。
2.根据权利要求1所述的含Al氮化物半导体结构的外延生长方法，其特征在于：所述步骤2)中，在所述衬底上形成III-V族氮化物凸条结构或凸岛结构包括以下步骤：
2-1)在所述衬底表面形成掩膜层；
2-2)在对应于后续要形成所述凸条结构或凸岛结构的所述掩膜层内形成贯穿所述掩膜层的开口；
2-3)在所述开口内填充III-V族氮化物填充层，所述III-V族氮化物填充层填满所述开口，并形成突出于所述掩膜层表面的所述凸条结构或凸岛结构。
3.根据权利要求2所述的含Al氮化物半导体结构的外延生长方法，其特征在于：所述步骤2-1)中还包括在所述衬底与所述掩膜层之间形成III-V族氮化物层的步骤。
4.根据权利要求1所述的含Al氮化物半导体结构的外延生长方法，其特征在于：所述步骤2)中，在所述衬底上形成III-V族氮化物凸条结构或凸岛结构包括以下步骤：
2-1)在所述衬底表面形成III-V族氮化物层；
2-2)刻蚀所述III-V族氮化物层以形成所述凸条结构或凸岛结构。
5.根据权利要求1所述的含Al氮化物半导体结构的外延生长方法，其特征在于：所述凸条结构或所述凸岛结构的纵截面形状为三角形、梯形或矩形。
6.根据权利要求1所述的含Al氮化物半导体结构的外延生长方法，其特征在于：所述交替层叠结构中，一层所述GaN层与与其相邻的一层所述第一含Al氮化物层构成一个交替周期，所述交替层叠结构包括至少5个所述交替周期。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的含Al氮化物半导体结构的外延生长方法，其特征在于：步骤3)之后还包括在所述交替层叠结构表面形成第二含Al氮化物层的步骤。
8.一种含Al氮化物半导体结构，其特征在于，所述含Al氮化物半导体结构包括：
衬底；
III-V族氮化物凸条结构或凸岛结构，位于所述衬底表面；
GaN层与第一含Al氮化物层的交替层叠结构，覆盖于所述凸条结构或凸岛结构表面并填满相邻所述凸条结构或所述凸岛结构之间的间隙，所述交替层叠结构的最底层为GaN层，最顶层为上表面为平面的第一含Al氮化物层。
9.根据权利要求8所述的含Al氮化物半导体结构，其特征在于：所述含Al氮化物半导体结构还包括掩膜层，所述掩膜层内形成有上下贯通的开口，所述开口内填充有III-V族氮化物填充层；所述掩膜层及所述填充层位于所述衬底与所述凸条结构或所述凸岛结构之间，且所述凸条结构或所述凸岛结构位于所述III-V族氮化物填充层及部分所述掩膜层表面。
10.根据权利要求9所述的含Al氮化物半导体结构，其特征在于：所述含Al氮化物半导体结构还包括III-V族氮化物层，所述III-V族氮化物层位于所述衬底与所述掩膜层之间。
11.根据权利要求8所述的含Al氮化物半导体结构，其特征在于：所述凸条结构或所述凸岛结构的纵截面形状为三角形、梯形或矩形。
12.根据权利要求8所述的含Al氮化物半导体结构，其特征在于：所述交替层叠结构中，一层所述GaN层与与其相邻的一层所述第一含Al氮化物层构成一个交替周期，所述交替层叠结构包括至少5个所述交替周期。
13.根据权利要求8所述的含Al氮化物半导体结构，其特征在于：所述凸条结构或所述凸岛结构在所述衬底表面呈周期性分布。
14.根据权利要求8所述的含Al氮化物半导体结构，其特征在于：所述含Al氮化物半导体结构还包括第二含Al氮化物层，位于所述交替层叠结构的表面。
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