CN109841708A - 半导体器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种半导体器件及其制备方法。其中，所述半导体器件的制备方法，包括以下步骤：在衬底上溅射沉积AlN缓冲层；以及采用MOCVD工艺在所述AlN缓冲层上形成功能层，完成所述半导体器件的制备。本公开半导体器件及其制备方法，制备时间短，成本低廉，可大规模制备，提高了外延材料质量和器件性能，实现了大型工业MOCVD批量化生产。

Description

半导体器件及其制备方法

技术领域

本公开涉及半导体技术领域，特别涉及一种适用大型工业MOCVD设备的半导体器件及其制备方法。

背景技术

基于AlGaN外延的紫外LED可以广泛应用在杀菌消毒、生化检测、信息储存、雷达探测、保密通讯以及白光照明等领域。相比于传统紫外光源，紫外LED具有体积小、功耗低、使用安全等优点，因而受到了越来越多的关注。

由于缺乏价廉同质AlN衬底，AlGaN基紫外LED通常采用蓝宝石等价格低廉的异质衬底。AlN材料通常作为缓冲层置入到衬底和AlGaN之间，用于缓解异质衬底与AlGaN材料的晶格失配与热失配。目前，高质量的AlN缓冲层通常在小型MOCVD设备中制备，其生长温度大多高于1200℃。大型工业MOCVD在蓝宝石衬底上外延生长AlN时，由于温度较高且反应炉较大，炉内热场和流场难以控制，而且预反应强烈，目前还难以利用大型工业MOCVD制备出紫外LED所需的AlN薄膜。由于上述原因，目前可商用的深紫外LED芯片基本由小型MOCVD(如单片机、三片机)设备生产，这使得紫外LED的成本居高不下。高温因素的限制迫使人们研究新的生长工艺，以在较低的温度下大规模生长高质量AlN薄膜。

目前，MOCVD是用于制备紫外LED，特别是高Al组分AlGaN基深紫外LED的最常用方法。然而，AlN缓冲层作为AlGaN基LED中不可或缺的一部分，通常需要较高的生长温度。大范围均匀的高温热场分布对于大型工业化MOCVD设备来说是一个难以解决的技术难点。因此AlGaN基LED通常由小型MOCVD设备制备。这严重制约了AlGaN基紫外LED的大规模量产，并导致其成本居高不下。

目前，虽然有采用磁控溅射技术生长AlN薄膜，但其主要是生产AlN薄成核层(200nm以下)，且其制得的AlN晶体质量与MOCVD技术制备的材料质量相比也存在一定差距。

现有并未出现在磁控溅射工艺生长AlN缓冲层，也未出现在磁控溅射工艺生长AlN缓冲层基础之上利用大型工业MOCVD工艺生长半导体器件其他功能结构层，以解决半导体器件大规模、批量化、低成本、高质量的生产问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本公开提供了一种半导体器件及其制备方法，制备时间短，成本低廉，可大规模制备，提高了外延材料质量和器件性能，实现了大型工业MOCVD批量化生产。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种半导体器件的制备方法，包括以下步骤：在衬底上溅射沉积AlN缓冲层；以及采用MOCVD工艺在所述AlN缓冲层上形成功能层，完成所述半导体器件的制备。

在一些实施例中，所述半导体器件为紫外LED，所述采用MOCVD工艺在所述AlN缓冲层上形成功能层的步骤包括以下子步骤：采用MOCVD工艺在所述AlN缓冲层上形成n型层；采用MOCVD工艺在所述n型层上形成发光层；以及采用MOCVD工艺在所述发光层上形成p型层，完成所述紫外LED的制备。

在一些实施例中，在形成AlN缓冲层的步骤与形成n型层的步骤之间，还包括：选择1000～2300℃的退火温度范围对所述AlN缓冲层进行热退火方式处理。

在一些实施例中，所述AlN缓冲层的厚度为10nm～10μm。

在一些实施例中，所述衬底的材质为蓝宝石、碳化硅、氮化镓、氧化镓、氧化锌、氧化镁、硅、玻璃或金属。

在一些实施例中，所述发光层为一或多周期的氮化铝镓/氮化铝镓量子阱结构。

在一些实施例中，所述p型层包括以下至少其中之一：电子阻挡层、p型氮化铝镓层、p型氮化镓接触层以及p型超晶格层；所述n型层为AlGaN层或n型掺杂的半导体材料层。

根据本公开的另一个方面，提供了一种半导体器件，采用所述的制备方法形成；其中，所述半导体器件自下而上包括：衬底、AlN缓冲层及功能层。

在一些实施例中，所述器件为紫外LED，所述功能层自下而上依次包括n型层、发光层及p型层。

在一些实施例中，所述AlN缓冲层的厚度为10nm～10μm。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开半导体器件及其制备方法至少具有以下有益效果其中之一：

(1)本公开适用大型工业MOCVD设备的半导体器件及其制备方法，可适用于目前已经普及的多片机型MOCVD设备，有利于推动半导体器件，例如AlGaN基紫外LED的大规模量产，降低成本。

(2)本公开采用溅射AlN作为异质衬底上紫外LED的缓冲层，溅射AlN薄膜的生长温度低、时间短，成本低廉，可大规模制备，避开了MOCVD高温生长AlN层工艺，使得芯片外延能够在大型MOCVD设备中制备。

(3)现有采用MOCVD工艺生长AlN材料时，由于Al原子与异质衬底之间浸润性较差，因此在MOCVD高温生长AlN材料前，通常会采用特定工艺生长一层薄的成核层以促进后续AlN缓冲层的生长。而与现有技术不同，本公开采用溅射工艺制备AlN缓冲层则无需成核层工艺，可直接在异质衬底上溅射形成一定厚度的AlN缓冲层，且本公开AlN缓冲层完全不同于成核层。

(4)本公开采用高温热退火技术批量处理溅射AlN层，以提高溅射AlN薄膜的晶体质量，有助于进一步提高外延材料质量和器件性能。

(5)现有制备半导体器件，例如紫外LED结构，其通常采用MOCVD直接进行退火处理，而本公开利用高温退火炉对缓冲层进行退火处理，相对MOCVD设备，本公开在物理气相传输(PVT)等感应加热的设备中进行退火，其温度可达2000℃，且可以进行批量退火，且高温退火炉价格低，易维护，进而可降低紫外LED的制作成本。

附图说明

图1为依据本公开实施例基于溅射AlN缓冲层的LED芯片的外延结构剖面示意图。

图2为依据本公开实施例LED芯片外延结构制备方法流程示意图。

图3为依据本公开实施例AlN缓冲层退火前后XRD(002)和(102)面摇摆曲线。

图4为依据本公开实施例激光二极管(LD)剖面示意图。

图5为依据本公开实施例半导体光电探测器(PD)剖面示意图。

图6为依据本公开实施例声表面波器件剖面示意图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。

本公开提供一种适用大型工业MOCVD设备的半导体器件制备方法，包括以下步骤：

在衬底上溅射沉积AlN缓冲层；

采用MOCVD工艺在所述AlN缓冲层上形成功能层，完成所述半导体器件的制备。

紫外LED属于常用的半导体器件之一。下面以紫外LED为例介绍本公开半导体器件制备方法。

如图1所示，所述紫外LED制备方法包括以下步骤：

S1，在衬底上溅射沉积AlN缓冲层；

S2，采用MOCVD工艺在所述AlN缓冲层上形成n型层；

S3，采用MOCVD工艺在所述n型层上形成发光层；

S4，采用MOCVD工艺在所述发光层上形成p型层，完成所述半导体器件的制备。其中n型层、发光层及p型层构成所述紫外LED的功能层。

更具体而言，在所述步骤S1中，所述衬底可采用蓝宝石、碳化硅、氮化镓、氧化镓、氧化锌、氧化镁、硅、玻璃、金属等材质的衬底。

采用磁控溅射技术制备的AlN薄膜作为缓冲层，即AlN缓冲层；所述AlN缓冲层厚度为10nm～10μm(优选300nm～10μm)；其界于所述衬底与n型层之间，用于缓解异质衬底与功能性材料间的晶格失配与热失配。可选的，在AlN缓冲层上还可结合其他技术(如超晶格技术)进一步缓解应力与阻断位错。

优选的，在所述步骤S1中，在衬底上溅射沉积AlN缓冲层之后，可采用高温热退火方式批量处理AlN缓冲层；其中，退火温度可在1000与2300℃之间。如图3所示，在高温热退火处理之后，AlN缓冲层晶体质量得到了较大提高。

另外，在一些实施例中，衬底和AlN缓冲层之间可以有提高晶格和热匹配度的其他缓冲层结构。

在所述步骤S2中，采用MOCVD工艺生长n型层时，可以以氢气或氮气作为载气，TMAl、TMGa和NH₃分别作为Al源、Ga源和N源，硅烷为n型掺杂剂，生长温度为600～1100℃，生长压力为30～200torr，厚度为0.5～3μm，Al组分为0～1。所述n型层可以为AlGaN层，也可是其他n型掺杂的半导体材料层。

在所述步骤S3中，采用MOCVD生长发光层时，可以以氢气或氮气作为载气，TMAl、TMGa和NH₃分别作为Al源、Ga源和N源，生长温度600～1100℃，生长压力30～200torr，发光层可以为AlGaN/AlGaN为多量子阱或者单量子阱，周期为1～20，其中，阱的厚度为2～10nm，垒的厚度3～15nm，阱的Al组分小于垒的Al组分。

所述发光层为一或多周期氮化铝镓和/或氮化铝镓层，也可为其他材料体系，且可以为单量子阱或多量子阱，用于形成垒层和阱层实现量子阱发光。

在所述步骤S4中，采用MOCVD生长p型层时，以氢气或氮气作为载气，TMAl、TMGa和NH₃分别作为Al源、Ga源和N源，二茂镁为p型掺杂剂，温度600～1100℃，压力30～200torr，厚度0～1μm，Al组分为0～1。所述p型层可以选择为发光层提供空穴的p型材料，亦可选择包含电子阻挡层、p型氮化铝镓层和p型氮化镓接触层以及p型超晶格层等中的至少一种材料。

本公开还提供了一种半导体器件，采用上述的制备方法形成；其中，所述半导体器件自下而上包括：衬底、AlN缓冲层及功能层。

在一具体实施例中，所述器件可以为紫外LED，如图2所示，所述紫外LED外延结构自下而上包括：衬底1、AlN缓冲层2、n型层3、发光层4和p型层5。本实施例中，衬底1为蓝宝石，AlN缓冲层2采用溅射方式沉积。n型层3为n型AlGaN层，亦可是其他n型掺杂的半导体材料。发光层4为10周期的氮化铝镓/氮化铝镓构成的量子阱层(需说明的是，量子阱层也可为其他材料体系，且可以为单量子阱或多量子阱，用于形成垒层和阱层实现量子阱发光)。p型层5是为发光层4提供空穴的p型材料，亦可选择包含电子阻挡层、p型氮化铝镓层和p型氮化镓接触层以及p型超晶格层等中的至少一种材料。另外，在一些实施例中，衬底1和AlN缓冲层2之间可以有提高晶格和热匹配度的其他缓冲层结构。

基于上述实施例可知，本公开LED器件采用生长温度低、时间短、成本低廉、可大规模制备的溅射AlN材料作为缓冲层，避开了MOCVD高温生长AlN层，从而降低了整个外延层的生长温度与生长时间，使得芯片外延能在大型MOCVD设备中制备，大大降低了其成本。

除紫外LED以外，所述半导体器件还可以为其他半导体器件，也即本公开制备方法还可应用于其他需要AlN材料(AlN缓冲层或压电层)的器件，例如激光二极管(LD)、半导体光电探测器(PD)、声表面波和体声波器件、以及高频、高温、大功率电子器件等，这些器件结构均包括衬底、AlN层和功能层，不同器件对应不同的功能层。其中，所述半导体光电探测器包括普通pn结光电二极管、pin光电二极管、雪崩光电二极管等，其基本结构为pn结。

在一具体实施例中，以激光二极管为例，其基本结构包括：衬底1、AlN缓冲层2、n型层3、下波导层4、有源层5、上波导层6、p型层7，如图4所示；其中，n型层3、下波导层4、有源层5、上波导层6及p型层7构成激光二极管的功能层。

在一具体实施例中，以所述雪崩光电二极管为例，其外延片的基本结构包括：衬底1、AlN缓冲层2、n型层3、倍增层4、光吸收层5和p型层6，如图5所示；其中，n型层3、倍增层4、光吸收层5及p型层6构成雪崩光电二极管的功能层。

在一具体实施例中，声表面波器件基本结构包括：衬底1、AlN压电材料层2、金属叉指换能器3，如图6所示。

综上，本公开半导体器件、例如紫外LED等的AlN缓冲层、声表面波器件的AlN压电材料层是采用溅射沉积等方式获得，AlN缓冲层还可通过高温热退火的方式批量处理，用于提高AlN缓冲层晶体质量。溅射AlN薄膜的生长温度低、时间短，成本低廉，可大规模制备。本公开半导体器件的制备方法避开了MOCVD高温生长AlN层工艺，使得芯片外延能在目前已经普及的多片机型MOCVD设备中制备，有利于推动AlGaN基紫外LED的大规模量产，降低成本。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开适用大型工业MOCVD设备的半导体器件及其制备方法有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行更改或替换。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种半导体器件的制备方法，包括以下步骤：

在衬底上溅射沉积AlN缓冲层；以及

采用MOCVD工艺在所述AlN缓冲层上形成功能层，完成所述半导体器件的制备。

2.根据权利要求1所述的半导体器件的制备方法，其中，所述半导体器件为紫外LED，所述采用MOCVD工艺在所述AlN缓冲层上形成功能层的步骤包括以下子步骤：

采用MOCVD工艺在所述AlN缓冲层上形成n型层；

采用MOCVD工艺在所述n型层上形成发光层；以及

采用MOCVD工艺在所述发光层上形成p型层，完成所述紫外LED的制备。

3.根据权利要求2所述的半导体器件的制备方法，其中，在形成AlN缓冲层的步骤与形成n型层的步骤之间，还包括：选择1000～2300℃的退火温度范围对所述AlN缓冲层进行热退火处理。

4.根据权利要求2所述的半导体器件的制备方法，其中，所述AlN缓冲层的厚度为10nm～10μm。

5.根据权利要求2所述的半导体器件的制备方法，其中，所述衬底的材质为蓝宝石、碳化硅、氮化镓、氧化镓、氧化锌、氧化镁、硅、玻璃或金属。

6.根据权利要求2所述的半导体器件的制备方法，其中，所述发光层为一或多周期的氮化铝镓/氮化铝镓量子阱结构。

7.根据权利要求2所述的半导体器件的制备方法，其中，所述p型层包括以下至少其中之一：电子阻挡层、p型氮化铝镓层、p型氮化镓接触层以及p型超晶格层；所述n型层为AlGaN层或n型掺杂的半导体材料层。

8.一种半导体器件，采用如权利要求1至7中任一项所述的制备方法形成；其中，所述半导体器件自下而上包括：衬底、AlN缓冲层及功能层。

9.根据权利要求8所述的半导体器件，其中，所述器件为紫外LED，所述功能层自下而上依次包括n型层、发光层及p型层。

10.根据权利要求8所述的半导体器件，其中，所述AlN缓冲层的厚度为10nm～10μm。