CN110767784A - 半导体结构 - Google Patents

Abstract

本公开实施例提出一种半导体结构。半导体结构包含一基板。半导体结构也包含一第一缓冲层，第一缓冲层设置于基板上。半导体结构还包含一第二缓冲层，第二缓冲层设置于第一缓冲层上。半导体结构包含一组件层，组件层设置于第二缓冲层。第二缓冲层包含铝，且第二缓冲层的铝含量在远离基板的方向上逐渐增加。

Description

半导体结构

技术领域

本公开涉及一种半导体结构，尤其涉及一种用于包含铝含量渐变的缓冲层的半导体结构。

背景技术

在半导体结构中，基板与缓冲层(例如，氮化铝镓)存在较大的晶格失配(latticemismatch)，很容易造成磊晶层(例如，氮化镓)生长于基板上时具有高密度的差排(dislocation)(TD)，进而影响后续形成的装置的性能。举例来说，当半导体结构应用于一发光装置时，磊晶层的差排可能降低发光装置的发光效率。

一般常使用氮化硅(SiN_x)或氧化硅(SiO₂)作为阻挡层，以减少磊晶层的差排。然而，此方式需要磊晶层的侧向成长(lateral growth)至一定厚度，才能有效减少磊晶层的差排。

因此，需要一种半导体结构以更有效地减少磊晶层的差排。

发明内容

在本公开实施例的半导体结构中，可通过在组件层与(第一)缓冲层之间设置包含铝的(第二)缓冲层，且铝含量在远离基板的方向上逐渐增加，藉此将大部分的差排阻绝于含铝的(第二)缓冲层之下。此外，亦可均匀半导体结构中的应力。

本公开实施例包括一种半导体结构。半导体结构包含一基板。半导体结构也包含一第一缓冲层，第一缓冲层设置于基板上。半导体结构还包含一第二缓冲层，第二缓冲层设置于第一缓冲层上。半导体结构包含一组件层，组件层设置于第二缓冲层。第二缓冲层包含铝，且第二缓冲层的铝含量在远离基板的方向上逐渐增加。

附图说明

以下将配合附图详述本公开实施例。应注意的是，各种特征部件并未按照比例绘制且仅用以说明例示。事实上，组件的尺寸可能经放大或缩小，以清楚地表现出本公开实施例的技术特征。

图1示出根据本公开一实施例的半导体结构的剖面示意图。

图2、图3、图4、图5与图6分别示出根据本公开其他实施例的半导体结构的剖面示意图。

附图标号说明：

100、102、103、104、105、106～半导体结构

10～基板

10T～顶面

10B～底面

20～第一缓冲层

21、23、25、27～第一子层

20’～第一缓冲层

21’、23’、25’、27’～第一子层

30～第二缓冲层

31、33、35～第二子层

30’～第二缓冲层

31’、33’、35’～第二子层

40～组件层

41～第一半导体层

43～第二半导体层

45～发光层

D～方向

T1～第一缓冲层的厚度

T2～第二缓冲层的厚度

T21、T23、T25、T27～第一子层的厚度

T31、T33、T35～第二子层的厚度

具体实施方式

以下的公开内容提供许多不同的实施例或范例以实施本案的不同特征。以下的公开内容叙述各个构件及其排列方式的特定范例，以简化说明。当然，这些特定的范例并非用以限定。例如，若是本公开实施例叙述了一第一特征部件形成于一第二特征部件之上或上方，即表示其可能包含上述第一特征部件与上述第二特征部件是直接接触的实施例，亦可能包含了有附加特征部件形成于上述第一特征部件与上述第二特征部件之间，而使上述第一特征部件与第二特征部件可能未直接接触的实施例。

应理解的是，额外的操作步骤可实施于所述方法之前、之间或之后，且在所述方法的其他实施例中，部分的操作步骤可被取代或省略。

此外，其中可能用到与空间相关用词，例如“在…下方”、“下方”、“较低的”、“在…上方”、“上方”、“较高的”及类似的用词，这些空间相关用词系为了便于描述图示中一个(些)组件或特征部件与另一个(些)组件或特征部件之间的关系，这些空间相关用词包括使用中或操作中的装置的不同方位，以及附图中所描述的方位。当装置被转向不同方位时(旋转90度或其他方位)，则其中所使用的空间相关形容词也将依转向后的方位来解释。

在说明书中，“约”、“大约”、“大抵”的用语通常表示在一给定值或范围的20％之内，或10％之内，或5％之内，或3％之内，或2％之内，或1％之内，或0.5％之内。在此给定的数量为大约的数量，亦即在没有特定说明“约”、“大约”、“大抵”的情况下，仍可隐含“约”、“大约”、“大抵”的含义。

除非另外定义，在此使用的全部用语(包括技术及科学用语)具有与此篇公开所属的技术人员所通常理解的相同涵义。能理解的是，这些用语，例如在通常使用的字典中定义的用语，应被解读成具有与相关技术及本公开的背景或上下文一致的意思，而不应以一理想化或过度正式的方式解读，除非在本公开实施例有特别定义。

以下所公开的不同实施例可能重复使用相同的参考符号和/或标记。这些重复为了简化与清晰的目的，并非用以限定所讨论的不同实施例和/或结构之间有特定的关系。

图1示出根据本公开一实施例的半导体结构100的剖面示意图。要注意的是，为了简化与清晰的目的并且更清楚地显示本公开实施例的特征，图1中可能省略部分组件。

参照图1，本公开实施例的半导体结构100包含一基板10。半导体结构100也包含一第一缓冲层20，第一缓冲层20可设置于基板10上。半导体结构100还包含一第二缓冲层30，第二缓冲层30可设置于所述第一缓冲层20上。半导体结构100包含一组件层40，组件层40可设置于第二缓冲层30上。

在本公开实施例中，第二缓冲层30可包含铝，且第二缓冲层30的铝含量在远离基板10的方向(如图1所示的方向D)上逐渐增加。具体而言，图1所示的方向D可为第二缓冲层30磊晶成长的方向，例如垂直于基板10的顶面10T或底面10B，即方向D可大致上平行于基板10的顶面10T的一法线方向，但本公开实施例并非以此为限。在一些实施例中，由于基板10的顶面10T可能为一粗糙面或非平面，因此，远离基板10的方向(方向D)可不平行于基板10的顶面10T的一法线方向。

在一些实施例中，半导体结构100的制造方法可包含以下步骤。首先，提供一基板10。在一些实施例中，基板10可为半导体基板。举例来说，基板10的材料可包含硅、硅锗、氮化镓、砷化镓、其他适用的半导体材料或其组合。在一些实施例中，基板10可为半导体位于绝缘体之上的基板，例如绝缘层上的硅(silicon on insulator,SOI)基板。在一些实施例中，基板10可为玻璃基板或陶瓷基板，举例来说，基板10的材料可包含碳化硅(siliconcarbide,SiC)、氮化铝(aluminum nitride,AlN)、玻璃或蓝宝石(Sapphire)。然而，本公开实施例并非此为限。

接着，将一第一缓冲层20形成于基板10上。在一些实施例中，第一缓冲层20的材料可包含氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)、其他适用的材料或其组合，但本公开实施例并非以此为限。第一缓冲层20可以是单层或多层结构。在一些实施例中，第一缓冲层20可由磊晶成长制程形成，例如金属有机化学气相沉积(metal organic chemical vapordeposition,MOCVD)、氢化物气相磊晶法(hydride vapor phase epitaxy,HVPE)、分子束磊晶法(molecular beam epitaxy,MBE)、其他适用的方法或其组合所形成，但本公开实施例并非以此为限。

在本公开实施例中，第一缓冲层20包含铝，且第一缓冲层20的铝含量在远离基板10的方向(如图1所示的方向D)上逐渐减少。具体而言，第一缓冲层20的材料可包含Al_xGa_{1- x}N，其中0≤x≤1。此外，第一缓冲层20的铝含量在远离基板10的方向上为连续式(continuously)变化，即x的值可连续式地由高到低，例如是从100％到20％。或者，第一缓冲层20的铝含量在远离基板10的方向上为步进式(stepwise)变化；举例来说，第一缓冲层20可为一多层结构，即第一缓冲层20可包含多个子层，每个子层的铝含量为固定的，且这些子层的铝含量彼此不同，越远离基板的层的铝含量越低，即x的值可步进式地由高到低，例如是从100％、70％、40％到20％。

接着，将一第二缓冲层30形成于第一缓冲层20上。在一些实施例中，第二缓冲层30的材料可类似于第一缓冲层20，即第二缓冲层30的材料可包含氮化铝、氮化镓、氮化铝镓、其他适用的材料或其组合，但本公开实施例并非以此为限。第二缓冲层30可以是单层或多层结构。在一些实施例中，第二缓冲层30可由磊晶成长制程形成，例如金属有机化学气相沉积、氢化物气相磊晶法、分子束磊晶法、其他适用的方法或其组合所形成，但本公开实施例并非以此为限。

在本公开实施例中，第二缓冲层30包含铝，且第二缓冲层30的铝含量在远离基板10的方向(如图1所示的方向D)上逐渐增加(与第一缓冲层20相反)。具体而言，第二缓冲层30的材料可包含Al_xGa_1-xN，其中0≤x≤1。此外，第二缓冲层30的铝含量在远离基板10的方向上为连续式变化，即x的值可连续式地由低到高，例如是从20％到100％。或者，第二缓冲层30的铝含量在远离基板10的方向上为步进式变化；举例来说，第二缓冲层30可为一多层结构，即第二缓冲层30可包含多个子层，每个子层的铝含量为固定的，且这些子层的铝含量彼此不同，越远离基板的层的铝含量越高，即x的值可步进式地由低到高，例如是从20％、40％、70％到100％。

在一些实施例中，第一缓冲层20中的最低铝含量大致上等于第二缓冲层30中的最低铝含量。举例来说，第一缓冲层20的铝含量与第二缓冲层30的铝含量在第一缓冲层20与第二缓冲层30的交界处为连续式变化，但本公开实施例并非以此为限。或者，第一缓冲层20包含多个子层，第二缓冲层30也包含多个子层，且第一缓冲层20最靠近第二缓冲层30的子层与第二缓冲层30最靠近第一缓冲层20的子层具有大致上相同的铝含量，但本公开实施例并非以此为限。

在一些实施例中，第二缓冲层30的厚度T2小于第一缓冲层20的厚度T1。举例来说，第二缓冲层30的厚度T2与第一缓冲层20的厚度T1的比值大于或等于0.01且小于1，但本公开实施例并非以此为限。在一些实施例中，第二缓冲层30的厚度T2与第一缓冲层20的厚度T1的比值大于或等于0.01且小于0.2，第二缓冲层30的厚度T2过厚可能造成差排(dislocation)(TD)增加。

在本公开实施例中，第一缓冲层20的差排密度大于第二缓冲层30的差排密度。基板10与第一缓冲层20存在较大的晶格失配，可能造成高密度的差排。然而由于在第一缓冲层20上形成第二缓冲层30，且第二缓冲层30的铝含量在远离基板10的方向上逐渐增加，可将大部分的差排阻绝于第二缓冲层30之下，藉此提高半导体结构100的质量。在一些实施例中，当应用于包括硅材料的基板10时，可能存在比应用于一般蓝宝石基板更大的的晶格失配，而本公开实施例可有效将基板10与第一缓冲层20所造成的大部分的差排阻绝。

此外，第二缓冲层30的厚度T2小于第一缓冲层20的厚度T1，不需要形成很厚的第二缓冲层30，也不需要后续形成的组件层40(其包含磊晶层)的侧向成长(lateral growth)至一定厚度，便可有效将大部分的差排阻绝，可降低半导体结构100的制造成本。再者，这样的结构亦可均匀半导体结构100中的应力。

接着，将一组件层40形成于第二缓冲层30上。在一些实施例中，组件层40可通过磊晶成长制程所形成，且组件层40的材料可包含氮化镓、氮化铝镓、氮化铟镓、氮化铝铟镓、其他适用的材料或其组合，但本公开实施例并非以此为限。类似地，组件层40可以是单层或多层结构。

在一些实施例中，组件层40包含磊晶层，例如氮化镓(GaN)。在本公开实施例中，由于第二缓冲层30设置于组件层40与第一缓冲层20之间，且第二缓冲层30的铝含量在远离基板10的方向上逐渐增加，可将大部分的差排阻绝于第二缓冲层30之下，可有效提升组件层40的磊晶层的质量，进而提高半导体结构100的质量。

图2、图3、图4、图5与图6分别示出根据本公开其他实施例的半导体结构102、半导体结构103、半导体结构104、半导体结构105与半导体结构106的剖面示意图。类似地，为了简化与清晰的目的并且更清楚地显示本公开实施例的特征，图2至图6中可能省略部分组件。

参照图2，半导体结构102具有与图1所示的半导体结构100相似的结构，半导体结构102包含一第一缓冲层20，第一缓冲层20可设置于基板10上。半导体结构102还包含一第二缓冲层30，第二缓冲层30可设置于该第一缓冲层20上。第二缓冲层30的铝含量在远离基板10的方向(如图2所示的方向D)上逐渐增加。半导体结构102包含一组件层40，组件层40可设置于第二缓冲层30上。

与图1所示的半导体结构100的不同之处在于，图2所示的半导体结构102的第一缓冲层20的铝含量在远离基板10的方向(方向D)上为步进式变化(逐渐减少)。具体而言，第一缓冲层20为一多层结构，其包含第一子层21、第一子层23、第一子层25及第一子层27。第一子层21、第一子层23、第一子层25及第一子层27可依序设置于基板10上，但本公开实施例并非以此为限。

在一些实施例中，第一缓冲层20可表示为Al_xGa_1-xN，其中0≤x≤1。第一缓冲层20的铝含量在远离基板10的方向(方向D)上为步进式变化，即x的值可步进式地由高到低，例如是从100％、80％、50％到20％。具体而言，第一子层21的材料包含氮化铝(AlN)；第一子层23的材料包含氮化铝镓，其结构可表示为Al_x1Ga_1-x1N，其中x1＝80％±10％；第一子层25的材料包含氮化铝镓，其结构可表示为Al_x2Ga_1-x2N，其中x2＝50％±10％；第一子层27的材料包含氮化铝镓，其结构可表示为Al_x3Ga_1-x3N，其中x3＝20％±10％，但本公开实施例并非以此为限。特别说明的是，接近基板10的缓冲层的第一子层(即第一子层21)或是接面的x的值较佳是100％，可有效减缓与基板10较大的晶格失配因而造成高密度的差排，或避免Ga与基板10产生反应。

在图2所示的实施例中，第二缓冲层30可包含铝，且第二缓冲层30的铝含量在远离基板10的方向(如图2所示的方向D)上逐渐增加。具体而言，第二缓冲层30的铝含量在远离基板10的方向(如图2所示的方向D)上为连续式变化(逐渐增加)。举例来说，第二缓冲层30可为一单层结构，且第二缓冲层30的材料包含氮化铝镓，其结构可表示为Al_yGa_1-yN，其中y＝(20％±10％至90％±10％)，但本公开实施例并非以此为限。

参照图3，半导体结构103具有与图2所示的半导体结构102相似的结构。与图2所示的半导体结构102的不同之处在于，图3所示的半导体结构103的第一缓冲层20’的各第一子层的厚度不同。具体而言，第一缓冲层20’的第一子层的厚度在远离基板10的方向D上为至少部分为渐进式变化，例如全部逐渐增加，可具有较佳的磊晶质量。举例而言，第一子层21’具有厚度T21，第一子层23’具有厚度T23、第一子层25’具有厚度T25，第一子层27’具有厚度T27；在本实施例中，第一子层21’的厚度T21小于第一子层23’的厚度T23，第一子层23’的厚度T23小于第一子层25’的厚度T25，第一子层25’的厚度T25小于第一子层27’的厚度T27，但本公开实施例并非以此为限。

在另一实施例中，也可以只有部分的第一子层的厚度在远离基板10的方向D上为渐进式变化，例如第一子层23’的厚度T23小于第一子层25’的厚度T25，第一子层25’的厚度T25小于第一子层27’的厚度T27，但第一子层21’(例如，AlN)的厚度T21大于或等于第一子层23’的厚度T23。

参照图4，半导体结构104具有与图2所示的半导体结构102相似的结构，半导体结构104包含一第一缓冲层20，第一缓冲层20可设置于基板10上。半导体结构104还包含一第二缓冲层30，第二缓冲层30可设置于该第一缓冲层20上。第二缓冲层30的铝含量在远离基板10的方向(如图3所示的方向D)上逐渐增加。半导体结构104包含一组件层40，组件层40可设置于第二缓冲层30上。

与图2所示的半导体结构102的不同之处在于，图4所示的半导体结构104的第二缓冲层30的铝含量在远离基板10的方向(方向D)上为步进式变化(逐渐增加)。具体而言，第二缓冲层30为一多层结构，其包含第二子层31、第二子层33及第二子层35。第二子层31、第二子层33及第二子层35可依序设置于第一缓冲层20上，但本公开实施例并非以此为限。

在一些实施例中，第二缓冲层30可表示为Al_yGa_1-yN，其中0≤y≤1。第二缓冲层30的铝含量在远离基板10的方向(方向D)上为步进式变化，即y的值可步进式地由低到高，例如是从20％、50％到80％。具体而言，第二子层31的材料包含氮化铝镓，其结构可表示为Al_y1Ga_1-y1N，其中y1＝20％±10％；第二子层33的材料包含氮化铝镓，其结构可表示为Al_y2Ga_1-y2N，其中y2＝50％±10％；第二子层35的材料包含氮化铝镓，其结构可表示为Al_y3Ga_1-y3N，其中y3＝80％±10％，但本公开实施例并非以此为限。

在图4所示的实施例中，第一缓冲层20的铝含量在远离基板10的方向(方向D)上同样为步进式变化(逐渐减少)。举例而言，第一缓冲层20的第一子层27的铝含量与第二缓冲层30的第二子层31的铝含量大致上相同，但本公开实施例并非以此为限。在一些实施例中，第一缓冲层20的铝含量在远离基板10的方向(方向D)上也可为连续式变化(逐渐减少)。

参照图5，半导体结构105具有与图4所示的半导体结构104相似的结构。与图4所示的半导体结构104的不同之处在于，图5所示的半导体结构105的第二缓冲层30’的各第二子层的厚度不同。具体而言，第二缓冲层30’的第二子层的厚度在远离基板10的方向D上为至少部分为渐进式变化，例如全部逐渐减少，可具有较佳的磊晶质量。举例而言，第二子层31’具有厚度T31，第二子层33’具有厚度T33、第二子层35’具有厚度T35；在本实施例中，第二子层31’的厚度T31大于第二子层33’的厚度T33，第二子层33’的厚度T33大于第二子层35’的厚度T35，但本公开实施例并非以此为限。

参照图6，半导体结构106具有与图2所示的半导体结构102相似的结构，半导体结构106包含一第一缓冲层20，第一缓冲层20可设置于基板10上。半导体结构106还包含一第二缓冲层30，第二缓冲层30可设置于该第一缓冲层20上。第二缓冲层30的铝含量在远离基板10的方向(如图4所示的方向D)上逐渐增加。半导体结构106包含一组件层40，组件层40可设置于第二缓冲层30上。

与图2所示的半导体结构102的不同之处在于，图4所示的半导体结构106的组件层40可包含一第一半导体层41、一第二半导体层43及一发光层45。第一半导体层41、第二半导体层43及一发光层45可分别由磊晶成长制程形成。如图4所示，第一半导体层41可设置于第二缓冲层30上，第二半导体层43可设置于第一半导体层41上，而发光层45可设置于第一半导体层41与第二半导体层43之间。

在一些实施例中，第一半导体层41的导电类型与第二半导体层43的导电类型相反，即第一半导体层41的掺杂物与第二半导体层43的掺杂物的类型不同。举例来说，第一半导体层41可包含N型氮化镓，而第二半导体层43可包含P型氮化镓，但本公开实施例并非以此为限。第一半导体层41与第二半导体层43的材料与导电类型也可与前述不同，可视实际需求调整。特别说明的是，第一半导体层41也可以包括未掺杂的半导体层，提供更佳的缓冲和减少应力。

要注意的是，虽然图6中示出第一缓冲层20的铝含量在远离基板10的方向(方向D)上为步进式变化(逐渐减少)，而第二缓冲层30的铝含量在远离基板10的方向(方向D)上为连续式变化(逐渐增加)，但本公开实施例并非以此为限。在其他实施例中，第一缓冲层20的铝含量在远离基板10的方向(方向D)上也可为连续式变化(逐渐减少)，或者第二缓冲层30的铝含量在远离基板10的方向(方向D)上也可为步进式变化(逐渐增加)。

综上所述，在本公开实施例的半导体结构中，由于第二缓冲层设置于组件层与第一缓冲层之间，且第二缓冲层的铝含量在远离基板的方向上(连续式或步进式)逐渐增加，可将大部分的差排阻绝于第二缓冲层之下，可有效提升组件层的磊晶层的质量，进而提高半导体结构的质量。

此外，本公开实施例的半导体结构不需要将组件层(其包含磊晶层)的侧向成长至一定厚度，便可有效将大部分的差排阻绝，可降低半导体结构的制造成本。再者，这样的结构亦可均匀半导体结构中的应力。

以上概述数个实施例的部件，以便在本公开所属技术领域中技术人员可以更理解本公开实施例的观点。在本公开所属技术领域中技术人员应该理解，他们能以本公开实施例为基础，设计或修改其他制程和结构以达到与在此介绍的实施例相同的目的和/或优势。在本公开所属技术领域中技术人员也应该理解到，此类等效的结构并无悖离本公开的精神与范围，且他们能在不违背本公开的精神和范围之下，做各式各样的改变、取代和替换。因此，本公开的保护范围当视后附的权利要求所界定的为准。另外，虽然本公开已以数个较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本公开。

整份说明书对特征、优点或类似语言的引用并非意味可以利用本公开实现的所有特征和优点应所述是或者在本公开的任何单个实施例中。相对地，涉及特征和优点的语言被理解为其意味着结合实施例描述的特定特征、优点或特性包括在本公开的至少一个实施例中。因而，在整份说明书中对特征和优点以及类似语言的讨论可以但不一定代表相同的实施例。

再者，在一个或多个实施例中，可以任何合适的方式组合本公开的所描述的特征、优点和特性。根据本文的描述，相关领域的技术人员将意识到，可在没有特定实施例的一个或多个特定特征或优点的情况下实现本公开。在其他情况下，在某些实施例中可识别附加的特征和优点，这些特征和优点可能不存在于本公开的所有实施例中。

Claims (12)

1.一种半导体结构，其特征在于，包括：

基板；

第一缓冲层，设置于所述基板上；

第二缓冲层，设置于所述第一缓冲层上；以及

组件层，设置于所述第二缓冲层上；

其中所述第二缓冲层包含铝，且所述第二缓冲层的铝含量在远离所述基板的方向上逐渐增加。

2.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述第二缓冲层的铝含量在远离所述基板的方向上为连续式变化。

3.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述第二缓冲层的铝含量在远离所述基板的方向上为步进式变化。

4.根据权利要求3所述的半导体结构，其中所述第二缓冲层包含多个第二子层，每所述第二子层的铝含量为固定的，且所述多个第二子层的铝含量彼此不同。

5.根据权利要求4所述的半导体结构，其中所述多个第二子层的厚度在远离所述基板的方向上至少部分为逐渐减少。

6.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述第二缓冲层的厚度小于所述第一缓冲层的厚度。

7.根据权利要求6所述的半导体结构，其中所述第二缓冲层的厚度与所述第一缓冲层的厚度的比值大于或等于0.01且小于1。

8.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述第一缓冲层与所述第二缓冲层包括Al_xGa_1-xN，0≤x≤1。

9.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述第一缓冲层包含铝，且所述第一缓冲层的铝含量在远离所述基板的方向上逐渐减少。

10.根据权利要求9所述的半导体结构，其中所述第一缓冲层中的最低铝含量等于所述第二缓冲层中的最低铝含量。

11.根据权利要求9所述的半导体结构，其中所述第一缓冲层包含多个第一子层，每所述第一子层的铝含量为固定的，且所述多个第一子层的铝含量彼此不同并在远离所述基板的方向上逐渐减少。

12.根据权利要求11所述的半导体结构，其中所述多个第一子层的厚度在远离所述基板的方向上至少部分为逐渐增加。

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