CN107785237A - 氮化物半导体结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种氮化物半导体结构，其包括衬底、多重缓冲叠层以及含氮半导体叠层，含氮半导体叠层配置于多重缓冲层上，多重缓冲层配置于衬底以及含氮半导体叠层之间。多重缓冲叠层包括多个含氮半导体复合层，每个多个含氮半导体复合层包括第一氮化铝基层、第二氮化铝基层以及第三氮化铝基层。第二氮化铝基层以及第三氮化铝基层依序叠层于第一氮化铝基层上，且第一氮化铝基层、第二氮化铝基层以及第三氮化铝基层的铝浓度依序递减。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体结构，尤其涉及一种氮化物半导体结构。
背景技术
以氮化镓为基底的化合物形成的半导体组件由于具有高耐热性、高崩溃电压(breakdown voltage)、高电子饱和速度、高电流密度，其可以在高频率下运作、并提供较高的功率，因此不论在汽车电子、电源管理系统、照明、工业设备、可携式产品、通信设备、消费类电子产品内都具有极高的发展潜力。
然而，现有用以成长含氮半导体的衬底例如是蓝宝石衬底，其晶格大小并无法与氮化镓的晶格匹配，因此在成长含氮半导体时容置形成缺陷或裂痕，进而无法制作良好的含氮半导体。另一方面，现有的特制衬底的晶格大小虽然可以与氮化镓的晶格大小匹配，但其价格极高，进而会导致含氮半导体装置的整体工艺不符成本。因此，如何在普遍使用的衬底上成长良好的含氮半导体组件仍是人们欲解决的主要课题的一个。
发明内容
本发明是针对一种氮化物半导体结构，其具有良好的晶格质量。
根据本发明的实施例，氮化物半导体结构包括衬底、多重缓冲叠层以及含氮半导体叠层，含氮半导体叠层配置于多重缓冲层上，多重缓冲层配置于衬底以及含氮半导体叠层之间。多重缓冲叠层包括多个含氮半导体复合层，每个多个含氮半导体复合层包括第一氮化铝基层、第二氮化铝基层以及第三氮化铝基层。第二氮化铝基层以及第三氮化铝基层依序叠层于第一氮化铝基层上，且第一氮化铝基层、第二氮化铝基层以及第三氮化铝基层的铝浓度依序递减。
在本发明的一实施例中，上述的每个含氮半导体复合层还包括外延层。第一氮化铝基层、第二氮化铝基层以及第三氮化铝基层依序叠层于所述外延层上。
在本发明的一实施例中，上述的外延层的材质包括氮化铝。
在本发明的一实施例中，上述的第一氮化铝基层、第二氮化铝基层以及第三氮化铝基层的材质包括氮化铝镓、氮化铝铟或氮化铝铟镓。
在本发明的一实施例中，上述的第一氮化铝基层、第二氮化铝基层以及第三氮化铝基层各自具有一致的铝浓度。
在本发明的一实施例中，上述的第一氮化铝基层、第二氮化铝基层以及第三氮化铝基层各自的铝浓度往远离衬底的方向减少。
在本发明的一实施例中，上述的第一氮化铝基层、第二氮化铝基层以及第三氮化铝基层的铝浓度各自是以线性、指数型或曲线型变化。
在本发明的一实施例中，上述的含氮半导体复合层的数量落在2层至200层的范围内。
在本发明的一实施例中，上述的含氮半导体复合层的数量与第一氮化铝基层、第二氮化铝基层以及第三氮化铝基层的厚度呈正比。
在本发明的一实施例中，上述的含氮半导体复合层是由有机金属化学气相沉积法形成。
在本发明的一实施例中，上述的第一氮化铝基层、第二氮化铝基层以及第三氮化铝基层的厚度不超过1000纳米。
在本发明的一实施例中，上述的衬底的材质包括硅。
在根据本发明的实施例中，氮化物半导体结构包括多重缓冲叠层配置于衬底以及含氮半导体叠层之间，且多重缓冲叠层包括多个三层式的氮化铝基复合层，因此可以大幅改善衬底以及含氮半导体叠层之间晶格不匹配的问题。
附图说明
包含附图以便进一步理解本发明，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
图1是依照本发明的第一实施例的一种氮化物半导体结构的示意图；
图2是依照图1中区域A中的局部放大示意图；
图3是依照图1中区域B中的局部放大示意图。
具体实施方式
现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同组件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。
本发明的实施例的氮化物半导体结构例如是一种半导体功率组件(powerdevice)或发光组件(light emitting device)，本发明并不限于上述这些应用领域。图1是依照本发明的第一实施例的一种氮化物半导体结构的示意图。请参照图1，在本发明的第一实施例中，氮化物半导体结构100包括衬底200、多重缓冲叠层300以及含氮半导体叠层400。含氮半导体叠层400配置于多重缓冲层300上，多重缓冲层300配置于衬底200以及含氮半导体叠层400之间。本实施例的含氮半导体叠层例如是由多个半导体层形成，其中包括有第一型掺杂半导体层、第二型掺杂半导体层以及主动层等，且半导体叠层的材质例如是由氮化镓与氮化铝镓所形成，而多重缓重层300连接衬底200以及含氮半导体叠层400，但本发明并不限于含氮半导体叠层的结构以及组合。
图2是依照图1中区域A中的局部放大示意图。请参照图2，多重缓冲叠层300包括多个含氮半导体复合层301，每个含氮半导体复合层301包括第一氮化铝基层310、第二氮化铝基层320以及第三氮化铝基层330。在每个含氮半导体复合层301中，第一氮化铝基层310较其他二层靠近衬底200，第三氮化铝基层330则远离衬底200，而第二氮化铝基层320位于第一氮化铝基层310和第三氮化铝基层330之间。
另一方面，图3是依照图1中区域B中的局部放大示意图。请参照图3，在本实施例的每个含氮半导体复合层301中，第三氮化铝基层330较其他二层靠近含氮半导体叠层400，第一氮化铝基层310则远离含氮半导体叠层400。因此，本实施例的衬底200邻近配置于这些含氮半导体复合层301的其中的一个第一氮化铝基层310，而含氮半导体叠层400连接这些含氮半导体复合层301的其中的一个第三氮化铝基层330。
请参照图2及图3，本实施例的第二氮化铝基层320以及第三氮化铝基层330依序叠层于第一氮化铝基层310上，且第一氮化铝基层310、第二氮化铝基层320以及第三氮化铝基层330的铝浓度依序递减。换句话说，在每个含氮半导体叠层400中，第一氮化铝基层310的铝浓度较第二氮化铝基层320的铝浓度高，而第二氮化铝基层320的铝浓度又较第三氮化铝基层330的铝浓度高，因此每个含氮半导体复合层301的铝浓度是自衬底200往含氮半导体叠层400递减，亦即沿着方向d1递减。
如上所述，由于本实施例的氮化物半导体结构100具有多重缓冲层300配置于衬底200以及含氮半导体叠层400之间，且多重缓冲层300包括多个含氮半导体复合层301，这些含氮半导体复合层各自包括三个氮化铝基层310、320、330，且这三个氮化铝基层310、320、330的铝浓度又依序自衬底200往含氮半导体叠层400递减，因此可以适度的调整晶格大小供含氮半导体叠层400成长。
详细而言，请参照图2及图3，本发明的第一实施例的氮化物半导体结构100中的每个含氮半导体复合层301还包括外延层340。第一氮化铝基层310、第二氮化铝基层320以及第三氮化铝基层330依序叠层于所述外延层340上。具体而言，外延层340可以提供适当的表面供第一氮化铝基层310、第二氮化铝基层320以及第三氮化铝基层330成长，且还可以避免含氮半导体复合层301所产生的缺陷延伸至其他含氮半导体复合层301。
具体而言，本实施例的含氮半导体复合层301的外延层340的材质包括氮化铝，因此可以提供良好的表面供第一氮化铝基层310成长，也可以阻隔其他含氮半导体复合层301所产生的缺陷或裂痕，以避免上述的缺陷或裂痕往上延伸。
另一方面，本实施例的第一氮化铝基层310、第二氮化铝基层320以及第三氮化铝基层330的材质包括氮化铝镓，但本发明不限于此。在本发明的其他实施例中，上述的第一氮化铝基层310、第二氮化铝基层320以及第三氮化铝基层330的材质还可以包括氮化铝铟或氮化铝铟镓，或是包括其他Ⅲ-Ⅴ族的氮化物材料，本发明并不限于此。
请参照图2、3，在本发明的第一实施例中，第一氮化铝基层310、第二氮化铝基层320以及第三氮化铝基层330各自具有一致的铝浓度，但本发明不限于此。
在本发明的其他实施例中，上述的第一氮化铝基层310、第二氮化铝基层320以及第三氮化铝基层330各自的铝浓度往远离衬底200的方向(亦即方向d1)减少。同时，在本发明的实施例中，铝浓度在第一氮化铝基层310、第二氮化铝基层320以及第三氮化铝基层330中各可以是以线性、指数型或曲线型的方式沿着方向d1减少。
本实施例的多重缓冲叠层300例如是以有机金属化学气相沉积法(Metal-organicChemical Vapor Deposition,MOCVD)形成。举例而言，本实施例的衬底200例如是材料包含硅的硅衬底，且衬底200提供(111)结晶面供多重缓冲叠层300成长。本实施例例如在MOCVD的反应腔体中将衬底200加热至摄氏1100度以上以去除表面上的氧化物，接着通入氨(Ammonia,NH3)、三甲基铝(Trimethylaluminum,TMAl)来成长外延层340，再通入NH3、H2、N2、三甲基镓(Trimethylgallium,TMGa)、TMAl与三甲基铟(Trimethylindium,TMIn)来形成第一氮化铝基层310、第二氮化铝基层320以及第三氮化铝基层330，其中腔体的温度亦维持在摄氏950度以上。上述的外延层340、第一氮化铝基层310、第二氮化铝基层320以及第三氮化铝基层330的厚度可以通过调整成长的时间来控制。进一步而言，本实施例的第一氮化铝基层310、第二氮化铝基层320以及第三氮化铝基层330的厚度不超过1000纳米。另一方面，上述铝浓度的变化还可以通过通入气体的比例来控制，藉以形成具有良好缓冲功能的多重缓冲叠层300。
本实施例的氮化物半导体结构100是通过重复进行上述的方法以完成多个含氮半导体复合层301。具体而言，本实施例的含氮半导体复合层301的数量落在2层至100层的范围内，但本发明不限于此。
另一方面，本实施例的含氮半导体复合层301的数量与第一氮化铝基层310、第二氮化铝基层320以及第三氮化铝基层330的厚度呈正比。换句话说，当含氮半导体复合层301的数量提升时，形成每个第一氮化铝基层310、第二氮化铝基层320以及第三氮化铝基层330的时间也可以增加，藉以提供更佳的缓冲效果。
综上所述，本发明的实施例的氮化物半导体结构包括多重缓冲叠层配置于衬底以及含氮半导体叠层之间，且多重缓冲叠层包括多个含氮半导体复合层，每个含氮半导体复合层包括第一氮化铝基层、第二氮化铝基层以及第三氮化铝基层，且第一氮化铝基层、第二氮化铝基层以及第三氮化铝基层依序叠层于衬底，并让每个含氮半导体复合层中的铝浓度朝远离衬底的方向递减，因此可以大幅改善衬底以及含氮半导体叠层之间晶格不匹配的问题。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (12)
1.一种氮化物半导体结构，其特征在于，包括：
衬底；
多重缓冲叠层，包括：
多个含氮半导体复合层，每个所述多个含氮半导体复合层包括：
第一氮化铝基层；
第二氮化铝基层；以及
第三氮化铝基层，所述第二氮化铝基层以及所述第三氮化铝基层依序叠层于所述第一氮化铝基层上，且所述第一氮化铝基层、所述第二氮化铝基层以及所述第三氮化铝基层的铝浓度依序递减；以及
含氮半导体叠层，配置于所述多重缓冲层上。
2.根据权利要求1所述的氮化物半导体结构，其特征在于，其中每个所述多个含氮半导体复合层还包括外延层，所述第一氮化铝基层、所述第二氮化铝基层以及所述第三氮化铝基层依序叠层于所述外延层上。
3.根据权利要求2所述的氮化物半导体结构，其特征在于，其中所述外延层的材质包括氮化铝。
4.根据权利要求2所述的氮化物半导体结构，其特征在于，其中所述外延层、所述第一氮化铝基层、所述第二氮化铝基层以及所述第三氮化铝基层的厚度不超过1000纳米。
5.根据权利要求1所述的氮化物半导体结构，其特征在于，其中所述第一氮化铝基层、所述第二氮化铝基层以及所述第三氮化铝基层的材质包括氮化铝镓、氮化铝铟或氮化铝铟镓。
6.根据权利要求1所述的氮化物半导体结构，其特征在于，其中所述第一氮化铝基层、所述第二氮化铝基层以及所述第三氮化铝基层各自具有一致的铝浓度。
7.根据权利要求1所述的氮化物半导体结构，其特征在于，其中所述第一氮化铝基层、所述第二氮化铝基层以及所述第三氮化铝基层各自的铝浓度往远离所述衬底的方向减少。
8.根据权利要求5所述的氮化物半导体结构，其特征在于，其中所述第一氮化铝基层、所述第二氮化铝基层以及所述第三氮化铝基层的铝浓度各自是以线性、指数型或曲线型变化。
9.根据权利要求1所述的氮化物半导体结构，其特征在于，其中所述含氮半导体复合层的数量落在2层至200层的范围内。
10.根据权利要求1所述的氮化物半导体结构，其特征在于，其中所述含氮半导体复合层的数量与所述第一氮化铝基层、所述第二氮化铝基层以及所述第三氮化铝基层的厚度呈正比。
11.根据权利要求1所述的氮化物半导体结构，其特征在于，其中所述含氮半导体复合层是由有机金属化学气相沉积法形成。
12.根据权利要求1所述的氮化物半导体结构，其特征在于，其中所述衬底的材质包括硅。
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