CN108023001A - 蚀刻阻挡层结构、含其的外延片及该外延片的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供蚀刻阻挡层结构、含其的外延片及该外延片的制作方法，蚀刻阻挡层结构由第一极性反转层、沉积在第一极性反转层上表面的第二半导体层及沉积在所述第二半导体层上表面的第二极性反转层组成。外延片由沉积在图形化衬底上的牺牲层，所述蚀刻阻挡层结构及半导体器件结构组成。在外延片湿法剥离时，所述蚀刻阻挡层结构能够很好的同时保护半导体器件结构免受剥离液的损伤，实用性强。
Description
技术领域
本发明属于半导体领域，尤其涉及蚀刻阻挡层结构、含其的外延片及该外延片的制作方法。
背景技术
湿法剥离是目前进行氮化镓外延层与蓝宝石衬底分离的技术之一。湿法剥离通过化学溶液蚀刻氮化镓外延层与蓝宝石衬底界面处的氮化镓层，实现氮化镓外延层与蓝宝石衬底的分离。关于湿法剥离工艺，需要解决的一个问题是：如何防止化学剥离蚀刻与蓝宝石相邻氮化镓外延层的过程中蚀刻液对半导体器件结构层的过腐蚀，造成器件结构的损伤。
一般而言，采用MOCVD在图形化蓝宝石衬底上外延生长得到的氮化镓其上表面为镓极性面，下表面为氮极性面、朝向蓝宝石衬底。在文献Journal ofCrystal Growth,251,460(2003)中，报道了MBE生长GaN的表面通入Mg和NH3，形成Mg3N2层，实现GaN极性由Ga极性转化为N极性，或由N极性转化为Ga极性。在文献Appllied Physics Letters,77,2479(2000)中，报道了MBE生长重掺Mg的GaN层(掺杂浓度～1020cm-3)使GaN的极性实现了反转。文献Journal ofCrystal Growth,264,150(2004)中，报道了MOCVD生长的GaN表面在低压条件下生长重掺Mg(掺杂浓度～1020cm-3)的AlGaN层实现了GaN由(0001)Ga极性转变为(000-1)N极性。
氮化镓存在镓极性面和氮极性面，镓极性面表面光滑，适合制作高发光效率的半导体发光器件，而氮极性面表面粗糙，不适合制作高发光效率的半导体器件，故一般生长的半导体器件均采用镓极性面。氮化镓发光器件其上表面为镓极性面，那么其与蓝宝石衬底界面则为氮极性面。氮化镓材料的特性之一是镓极性面难以被化学溶液蚀刻，而氮极性面容易被化学溶液蚀刻。
综上所述，在半导体外延片制作过程中，有必要寻找一种利于湿法化学剥离，同时不会损伤半导体器件结构和方法。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了蚀刻阻挡层结构、含其的外延片及该外延片的制作方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种蚀刻阻挡层结构，其特征在于，其由第一极性反转层、沉积在第一极性反转层上表面的第二半导体层及沉积在所述第二半导体层上表面的第二极性反转层组成。
进一步，所述第一极性反转层为含镁的氮化物；所述第二半导体层为氮化镓，其下表面为镓极性面，上表面为氮极性面；所述第二极性反转层为含镁的氮化物。
再进一步，所述第一极性反转层和第二极性反转层均为含镁的氮化镓。
再进一步，所述第一极性反转层及第二极性反转层的镁原子的含量均大于5e19cm-3。
一种包含所述的蚀刻阻挡层结构的外延片，包括半导体器件结构和沉积在图形化衬底上的牺牲层，其特征在于，所述牺牲层为第一半导体层，所述蚀刻阻挡层的第一极性反转层沉积在所述第一半导体层上表面，所述半导体器件结构沉积在所述蚀刻阻挡层的第二极性反转层的上表面。
进一步，所述第一半导体层为氮化镓，其下表面为氮极性面，上表面为镓极性面；所述第一极性反转层为含镁的氮化物；所述第二半导体层为氮化镓，其下表面为镓极性面，上表面为氮极性面；所述第二极性反转层为含镁的氮化物。
再进一步，所述第一极性反转层和第二极性反转层均为含镁的氮化镓。
一种外延片的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)、生成牺牲层：在图形化衬底上生长第一半导体层，作为牺牲层；
步骤2)、生成蚀刻阻挡层：在第一半导体层上沉积第一极性反转层，在第一极性反转层上沉积第二半导体层，在第二半导体层上沉积第二极性反转层，第一极性反转层、第二半导体层和第二极性反转层共同构成蚀刻阻挡层结构；
步骤3)、外延生长半导体器件结构：在第二极性反转层上沉积半导体器件结构，至此完成外延片的制作。
进一步，所述图形化衬底为蓝宝石衬底。
进一步，所述第一半导体层为氮化镓，其下表面为氮极性面，上表面为镓极性面；所述第一极性反转层为含镁的氮化物；所述第二半导体层为氮化镓，其下表面为镓极性面，上表面为氮极性面；所述所述第二极性反转层为含镁的氮化物。
再进一步，所述第一极性反转层和第二极性反转层均为含镁的氮化镓。
再进一步，所述的制作方法，其步骤如下：
步骤1)、生成牺牲层：将图形化衬底放入MOCVD设备，通入氢气和氨气，升温到1000℃，然后通入三甲基镓，在图形化衬底的顶部进行三维氮化镓外延层的生长，厚度约2微米；然后，升高温度到1050℃，进行氮化镓的生长，完成氮化镓横向外延层的生长，厚度约3微米，停止通入三甲基镓，在图形化衬底上生长第一半导体层作为牺牲层；
步骤2)、生成蚀刻阻挡层：降低温度到980℃，然后再通入三甲基镓和二茂镁，进行掺杂镁的氮化镓层生长，生长厚度约100纳米，停止通入三甲基镓和二茂镁，在第一半导体层上沉积第一极性反转层；升高温度到1050℃，通入三甲基镓，进行氮化镓外延层生长，生长厚度约1000纳米，停止通入三甲基镓，在第一极性反转层上沉积第二半导体层；降低温度到980℃，然后再通入三甲基镓和二茂镁，进行掺杂镁的氮化镓层生长，生长厚度约100纳米，停止通入三甲基镓和二茂镁，在第二半导体层上沉积第二极性反转层；第一极性反转层、第二半导体层和第二极性反转层共同构成蚀刻阻挡层结构；
步骤3)、外延生长半导体器件结构：在第二极性反转层上依次生长n型氮化镓层、氮化铟镓/氮化镓超晶格、氮化铟镓/氮化镓多量子阱层、氮化铝镓电子阻挡层、p型氮化镓层，完成半导体器件结构的沉积，至此完成外延片的制作。
本发明可获得的技术效果有：
直接生长在蓝宝石衬底上的氮化镓，其下表面为氮极性，上表面为镓极性。在制作外延片时，先在蓝宝石衬底表面沉积一层氮化镓作为第一半导体层，由于其下表面为氮极性面、容易被腐蚀，故第一半导体层作为化学湿法剥离的牺牲层；之后，在第一半导体层上表面沉积第一极性反转层，在第一极性反转层的上表面沉积第二半导体层，极性反转层的作用在于，位于其上下两面的氮化镓具有相同的极性面，由于第一半导体层的上表面为镓极性面，故第二半导体层的下表面为镓极性面、上表面为氮极性面；在第二半导体层上面沉积第二极性反转层之后，接着在第二极性反转层上面外延生长GaN材料制备半导体发光器件，第二极性反转层的作用是实现极性的第二次反转，使半导体器件的表面呈现镓极性面。
本发明利用镓极性氮化镓相对于氮极性氮化镓难以被氢氧化钾溶液腐蚀的特性和镁掺杂氮化镓能够引起氮化镓极性反转的特性，在半导体器件与衬底之间设置蚀刻阻挡层。化学剥离实现半导体器件与衬底分离的过程中，蚀刻阻挡层使化学剥离溶液避免由于过腐蚀而造成半导体器件结构损伤。
附图说明
图1是一种蚀刻阻挡层结构的示意图；
图2是一种外延片的示意图。
附图标记：11-第一极性反转层；12-第二半导体层；13-第二极性反转层；20-第一半导体层；30-图形化衬底；40-半导体器件结构。
具体实施方式
如图1所示，一种蚀刻阻挡层结构，其特征在于，其由第一极性反转层11、沉积在第一极性反转层11上表面的第二半导体层12及沉积在所述第二半导体层12上表面的第二极性反转层13组成。
所述第一极性反转层11为含镁的氮化物；所述第二半导体层12为氮化镓，其下表面为镓极性面，上表面为氮极性面；所述第二极性反转层13为含镁的氮化物。
所述第一极性反转层11和第二极性反转层13均为含镁的氮化镓。
所述第一极性反转层11及第二极性反转层13的镁原子的含量均大于5e19cm-3。
如图2所示，一种包含所述的蚀刻阻挡层结构的外延片，包括半导体器件结构40和沉积在图形化衬底30上的牺牲层，其特征在于，所述牺牲层为第一半导体层20，所述蚀刻阻挡层的第一极性反转层11沉积在所述第一半导体层20上表面，所述半导体器件结构40沉积在所述蚀刻阻挡层的第二极性反转层13的上表面。
所述第一半导体层20为氮化镓，其下表面为氮极性面，上表面为镓极性面；所述第一极性反转层11为含镁的氮化物；所述第二半导体层12为氮化镓，其下表面为镓极性面，上表面为氮极性面；所述第二极性反转层13为含镁的氮化物。
所述第一极性反转层11和第二极性反转层13均为含镁的氮化镓。
一种外延片的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)、生成牺牲层：在图形化衬底30上生长第一半导体层20，作为牺牲层；
步骤2)、生成蚀刻阻挡层：在第一半导体层20上沉积第一极性反转层11，在第一极性反转层11上沉积第二半导体层12，在第二半导体层12上沉积第二极性反转层13，第一极性反转层11、第二半导体层12和第二极性反转层13共同构成蚀刻阻挡层结构；
步骤3)、外延生长半导体器件结构40：在第二极性反转层13上沉积半导体器件结构40，至此完成外延片的制作。
所述图形化衬底30为蓝宝石衬底。
所述第一半导体层20为氮化镓，其下表面为氮极性面，上表面为镓极性面；所述第一极性反转层11为含镁的氮化物；所述第二半导体层12为氮化镓，其下表面为镓极性面，上表面为氮极性面；所述所述第二极性反转层13为含镁的氮化物。
所述的制作方法，其步骤如下：
步骤1)、生成牺牲层：将图形化衬底30放入MOCVD设备，通入氢气和氨气，升温到1000℃，然后通入三甲基镓，在图形化衬底30的顶部进行三维氮化镓外延层的生长，厚度约2微米；然后，升高温度到1050℃，进行氮化镓的生长，完成氮化镓横向外延层的生长，厚度约3微米，停止通入三甲基镓，在图形化衬底30上生长第一半导体层20作为牺牲层；
步骤2)、生成蚀刻阻挡层：降低温度到980℃，然后再通入三甲基镓和二茂镁，进行掺杂镁的氮化镓层生长，生长厚度约100纳米，停止通入三甲基镓和二茂镁，在第一半导体层20上沉积第一极性反转层11；升高温度到1050℃，通入三甲基镓，进行氮化镓外延层生长，生长厚度约1000纳米，停止通入三甲基镓，在第一极性反转层11上沉积第二半导体层12；降低温度到980℃，然后再通入三甲基镓和二茂镁，进行掺杂镁的氮化镓层生长，生长厚度约100纳米，停止通入三甲基镓和二茂镁，在第二半导体层12上沉积第二极性反转层13；第一极性反转层11、第二半导体层12和第二极性反转层13共同构成蚀刻阻挡层结构；
步骤3)、外延生长半导体器件结构40：在第二极性反转层13上依次生长n型氮化镓层、氮化铟镓/氮化镓超晶格、氮化铟镓/氮化镓多量子阱层、氮化铝镓电子阻挡层、p型氮化镓层，完成半导体器件结构40的沉积，至此完成外延片的制作。
本发明方法制作的外延片连同蓝宝石衬底，放入氢氧化钾化学蚀刻溶液中，进行化学蚀刻，氢氧化钾溶液的质量百分比为50％。氢氧化钾蚀刻溶液通过衬底与氮化镓横向生长层之间的空腔流入结构内部，进行氮极性氮化镓面的化学腐蚀。经过大约2小时的化学蚀刻，实现氮化镓基半导体发光器件与蓝宝石衬底的分离。
氮化镓基蓝光半导体发光器件与蓝宝石衬底的分离后，采用电感耦合等离子(ICP)对剥离后的氮化镓器件表面进行蚀刻，去除由氮化镓组成的第一极性反转层11、第二半导体层12和第二极性反转层13共同构成的蚀刻阻挡层。
综上所述，本发明形成了一种具有蚀刻阻挡层的外延片结构，该蚀刻阻挡层起到防止化学剥离过程化学蚀刻液对半导体发光器件的过腐蚀，避免了在化学剥离过程对半导体器件结构的损伤。
以上实施例仅供阐述本发明之用，而非对本发明的限制。有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化。因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范围，应由各权利要求限定。
Claims (10)
1.一种蚀刻阻挡层结构，其特征在于，其由第一极性反转层、沉积在第一极性反转层上表面的第二半导体层及沉积在所述第二半导体层上表面的第二极性反转层组成。
2.根据权利要求1所述的蚀刻阻挡层结构，其特征在于，所述第一极性反转层为含镁的氮化物；所述第二半导体层为氮化镓，其下表面为镓极性面，上表面为氮极性面；所述第二极性反转层为含镁的氮化物。
3.根据权利要求2所述的蚀刻阻挡层结构，其特征在于，所述第一极性反转层和第二极性反转层均为含镁的氮化镓。
4.一种包含权利要求1至3中任意一项所述的蚀刻阻挡层结构的外延片，包括半导体器件结构和沉积在图形化衬底上的牺牲层，其特征在于，所述牺牲层为第一半导体层，所述蚀刻阻挡层的第一极性反转层沉积在所述第一半导体层上表面，所述半导体器件结构沉积在所述蚀刻阻挡层的第二极性反转层的上表面。
5.根据权利要求4所述的外延片，其特征在于，所述第一半导体层为氮化镓，其下表面为氮极性面，上表面为镓极性面；所述第一极性反转层为含镁的氮化物；所述第二半导体层为氮化镓，其下表面为镓极性面，上表面为氮极性面；所述第二极性反转层为含镁的氮化物。
6.根据权利要求5所述的外延片，其特征在于，所述第一极性反转层和第二极性反转层均为含镁的氮化镓。
7.一种外延片的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)、生成牺牲层：在图形化衬底上生长第一半导体层，作为牺牲层；
步骤2)、生成蚀刻阻挡层：在第一半导体层上沉积第一极性反转层，在第一极性反转层上沉积第二半导体层，在第二半导体层上沉积第二极性反转层，第一极性反转层、第二半导体层和第二极性反转层共同构成蚀刻阻挡层结构；
步骤3)、外延生长半导体器件结构：在第二极性反转层上沉积半导体器件结构，至此完成外延片的制作。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述图形化衬底为蓝宝石衬底。
9.根据权利要求7或8所述的制作方法，其特征在于，所述第一半导体层为氮化镓，其下表面为氮极性面，上表面为镓极性面；所述第一极性反转层为含镁的氮化物；所述第二半导体层为氮化镓，其下表面为镓极性面，上表面为氮极性面；所述所述第二极性反转层为含镁的氮化物。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，其步骤如下：
步骤1)、生成牺牲层：将图形化衬底放入MOCVD设备，通入氢气和氨气，升温到1000℃，然后通入三甲基镓，在图形化衬底的顶部进行三维氮化镓外延层的生长，厚度约2微米；然后，升高温度到1050℃，进行氮化镓的生长，完成氮化镓横向外延层的生长，厚度约3微米，停止通入三甲基镓，在图形化衬底上生长第一半导体层作为牺牲层；
步骤2)、生成蚀刻阻挡层：降低温度到980℃，然后再通入三甲基镓和二茂镁，进行掺杂镁的氮化镓层生长，生长厚度约100纳米，停止通入三甲基镓和二茂镁，在第一半导体层上沉积第一极性反转层；升高温度到1050℃，通入三甲基镓，进行氮化镓外延层生长，生长厚度约1000纳米，停止通入三甲基镓，在第一极性反转层上沉积第二半导体层；降低温度到980℃，然后再通入三甲基镓和二茂镁，进行掺杂镁的氮化镓层生长，生长厚度约100纳米，停止通入三甲基镓和二茂镁，在第二半导体层上沉积第二极性反转层；第一极性反转层、第二半导体层和第二极性反转层共同构成蚀刻阻挡层结构；
步骤3)、外延生长半导体器件结构：在第二极性反转层上依次生长n型氮化镓层、氮化铟镓/氮化镓超晶格、氮化铟镓/氮化镓多量子阱层、氮化铝镓电子阻挡层、p型氮化镓层，完成半导体器件结构的沉积，至此完成外延片的制作。
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