CN109887997A - 一种硅衬底上的iii族氮化物层 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅衬底上的III族氮化物层，包括硅衬底，以及依次位于硅衬底上的III族氮化物缓冲层、III族氮化物底层和III族氮化物功能层；其中：所述III族氮化物底层包括有中间层和基底层，所述中间层的组分为BxAlyGa1‑x‑yN，其中0.05≤x≤1,0≤y≤1,0≤x+y≤1，所述基底层的组分为AlzGa1‑zN，其中0≤z≤1。本发明的优点在于：和传统在硅衬底上生长III族氮化物层时使用的AlGaN中间层相比，由于B‑N键比Al‑N键具有更大的键强和更强的断裂韧性，可以在生长过程中累积更多的压缩应力，从而可以实现更大临界断裂厚度的III族氮化物层，进而提升了III族氮化物半导体器件的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种硅衬底上的III族氮化物层。
背景技术
III族氮化物材料在诸多领域具有广泛的应用前景，例如使用铟镓氮基材料制作而成的蓝光发光二极管（LED）可以实现高光效、高可靠性的固态照明，已迅速实现了产业化。使用铝镓氮基材料制作而成的高电子迁移率晶体管（HEMT）可以在极高频下工作，也获得了研究者们的广泛关注。目前绝大多数的III族氮化物材料是依托在异质衬底上进行外延生长而实现，常用的异质衬底有蓝宝石衬底、碳化硅衬底和硅衬底三种。这三种衬底各有其优缺点，其中硅衬底由于成本低廉，且可以与集成电路相关制程和设备相适配，因此极具发展潜力。但是截至目前为止，硅衬底还未能实现普遍的量产应用，主要原因是由于硅衬底与III族氮化物材料相比热膨胀系数较小，从而在硅衬底上高温外延生长的III族氮化物层会在降温过程中由于收缩造成的应力而断裂，因此难以通过常规生长方式获得足够厚度且无裂纹的III族氮化物层（常规生长方式下的III族氮化物层的临界断裂厚度仅为几百个nm）。
后续通过研究发现，通过在III族氮化物的底层生长时插入AlGaN的中间层，可以增加III族氮化物层的临界断裂厚度。例如2000年Dadgar等人通过在氮化镓（GaN）外延层中插入氮化铝（AlN）中间层，首次实现使用金属有机化合物化学气相沉积机台（MOCVD）在硅衬底上生长大于1um厚度的无裂纹III族氮化物层(Dadgar, A. et al. Japanese Journalof Applied Physics 39, L1183–L1185 (2000))。其后各研究者们陆续使用AlGaN组分渐变层、AlN/GaN超晶格层等各类AlGaN组分的中间层实现了较大厚度的无裂纹III族氮化物层的生长，在此过程中由于AlN的键强较大，从而比常规的氮化镓（GaN）具有更高强度的断裂韧性，并且由于AlGaN材料在生长过程中可以实现压缩应力的累积，因此可以显著提高硅衬底上的III族氮化物层的临界断裂厚度。但是，通过以上方式所获得的无裂纹III族氮化物层的厚度仍仅为1~4um，与III族氮化物半导体器件的理想厚度相比仍然偏薄，从而一定程度上制约了在硅衬底上的III族氮化物半导体器件的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种硅衬底上的III族氮化物层，为了在硅衬底上实现更大厚度的无裂纹III族氮化物层的生长，需要进一步寻找抗断裂韧性更强、且压缩应力累积更多的材料，以改善硅衬底上生长III族氮化物层的晶体质量，进而提升III族氮化物半导体器件的性能。
为实现所述目的，本发明提供如下技术方案：一种硅衬底上的III族氮化物层，包括硅衬底，以及依次位于硅衬底上的III族氮化物缓冲层、III族氮化物底层和III族氮化物功能层；其中：所述III族氮化物底层包括有中间层和基底层，所述中间层的组分为BxAlyGa1-x-yN，其中0.05≤x≤1,0≤y≤1,0≤x+y≤1，所述基底层的组分为AlzGa1-zN，其中0≤z≤1。
其中：所述中间层位于基底层之前、之中或之后，且所述中间层的厚度为0.3~3um，所述基底层的厚度为0.8~8um。
其中：所述中间层为固定组分或为渐变组分，所述基底层为固定组分或为渐变组分。
其中：所述III族氮化物缓冲层的组分为AlN，厚度为5~500nm。
其中：所述中间层由一个或一个以上的子中间层所组成，所述基底层为一个或一个以上的子基底层所组成，所述子中间层和子基底层通过任意形式的组合以构成所述III族氮化物底层。
其中：所述子中间层的厚度为0.01~3um，所述子基底层的厚度为0.01~8um。
其中：所述III族氮化物功能层为实现发光二极管、高电子迁移率晶体管、半导体激光器、光电探测器中的一种。
与现有技术相比，本发明提供了一种硅衬底上的III族氮化物层，具备以下有益效果：和传统在硅衬底上生长III族氮化物层时使用的AlGaN中间层相比，由于B-N键比Al-N键具有更大的键强和更强的断裂韧性，可以在生长过程中累积更多的压缩应力，从而可以实现更大临界断裂厚度的III族氮化物层，进而提升了III族氮化物半导体器件的性能。
附图说明
图1 为本发明一种硅衬底上的III族氮化物层的结构示意图。
图2 为本发明实施例中的结构示意图。
图3 为本发明实施例中的制备方法示意图。
附图标记：
硅衬底110、III族氮化物缓冲层120、III族氮化物底层130、III族氮化物功能层140、中间层131、基底层132。
硅衬底210、III族氮化物缓冲层220、III族氮化物底层230、III族氮化物功能层240、中间层231、基底层232、n型GaN层241、多量子阱层242、p型GaN层243。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明一种硅衬底上的III族氮化物层的结构示意图，包括依次位于硅衬底110上的III族氮化物缓冲层120、III族氮化物底层130和III族氮化物功能层140，所述III族氮化物底层130包括中间层131和基底层132。
实施例1、如图2所示，本发明以所述III族氮化物功能层240实现发光二极管器件为实施例，本实施提供的一种硅衬底上的III族氮化物层，包括依次位于硅衬底210上的III族氮化物缓冲层220、III族氮化物底层230和III族氮化物功能层240，所述III族氮化物底层230包括中间层231和基底层232，所述中间层231为B0.1Al0.9N层，所述基底层232为GaN层，所述III族氮化物功能层240依次包括n型GaN层241、多量子阱层242和p型GaN层243，以实现发光二极管器件。
如图3所示，为本发明实施例中的制备方法示意图，具体制备流程如下：
步骤S1：提供一硅衬底210，将硅衬底210首先使用H2SO4:H2O2=3:1溶液浸泡10min，随后置于2%浓度的HF酸中腐蚀30s，最后使用去离子水进行表面清洗，并用氮气吹干；
步骤S2：将硅衬底210放入金属有机化合物气相沉积机台（MOCVD）中，升温至1100oC并通入H2气氛烘烤10min，随后降温至800oC，通入TMAl以在硅衬底210表面覆盖Al膜，接着通入NH3以进行Al膜的氨化，紧接着再通入TMAl和NH3以形成50nm的AlN缓冲层作为III族氮化物缓冲层220；
步骤S3：控制MOCVD的反应腔压力为50～300torr，温度为1000～1400oC，并通入定量的氮气、氢气、氨气、三甲基铝、三甲基硼气体，生长厚度为1um的B0.1Al0.9N作为中间层231；随后改变通入反应腔的气体为定量的氮气、氢气、氨气、三甲基镓气体，生长厚度为2um的GaN层作为基底层232；
步骤S4：设定MOCVD的反应腔压力为300torr，温度为1000～1200oC，并通入反应腔的气体为定量的氮气、氢气、氨气、硅烷、三甲基镓气体，生长厚度为2um的n型GaN层241；改变MOCVD的反应腔压力为200torr，温度为800～1000oC，并通入定量的氮气、氢气、氨气、硅烷、三甲基铟和三乙基镓气体，生长厚度为180nm的InGaN/GaN多量子阱层242；再次改变MOCVD的反应腔压力至500torr，温度为800～1000oC，并通入定量的氮气、氢气、氨气和三甲基镓气体，生长厚度为100nm的p型GaN层243。
本发明提供了一种硅衬底上由BxAlyGa1-x-yN（0.05≤x≤1,0≤y≤1,0≤x+y≤1）作为中间层的III族氮化物层，和传统在硅衬底上生长III族氮化物层时使用的AlGaN中间层相比，由于B-N键比Al-N键具有更大的键强和更强的断裂韧性，可以在生长过程中累积更多的压缩应力，从而可以实现更大临界断裂厚度的III族氮化物层，进而提升了III族氮化物半导体器件的性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种硅衬底上的III族氮化物层，包括硅衬底，以及依次位于硅衬底上的III族氮化物缓冲层、III族氮化物底层和III族氮化物功能层；其特征在于：所述III族氮化物底层包括有中间层和基底层，所述中间层的组分为BxAlyGa1-x-yN，其中0.05≤x≤1,0≤y≤1,0≤x+y≤1，所述基底层的组分为AlzGa1-zN，其中0≤z≤1。
2.根据权利要求1所述的一种硅衬底上的III族氮化物层，其特征在于：所述中间层位于基底层之前、之中或之后，且所述中间层的厚度为0.3~3um，所述基底层的厚度为0.8~8um。
3.根据权利要求1所述的一种硅衬底上的III族氮化物层，其特征在于：所述中间层为固定组分或为渐变组分，所述基底层为固定组分或为渐变组分。
4.根据权利要求1所述的一种硅衬底上的III族氮化物层，其特征在于：所述III族氮化物缓冲层的组分为AlN，厚度为5~500nm。
5.根据权利要求1所述的一种硅衬底上的III族氮化物层，其特征在于：所述中间层由一个或一个以上的子中间层所组成，所述基底层为一个或一个以上的子基底层所组成，所述子中间层和子基底层通过任意形式的组合以构成所述III族氮化物底层。
6.根据权利要求5所述的一种硅衬底上的III族氮化物层，其特征在于：所述子中间层的厚度为0.01~3um，所述子基底层的厚度为0.01~8um。
7.根据权利要求1所述的一种硅衬底上的III族氮化物层，其特征在于：所述III族氮化物功能层为实现发光二极管、高电子迁移率晶体管、半导体激光器、光电探测器中的一种。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20190614 |