CN1828835A - 晶态氮化镓基化合物的生长方法以及包含氮化镓基化合物的半导体器件 - Google Patents

晶态氮化镓基化合物的生长方法以及包含氮化镓基化合物的半导体器件 Download PDF

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Abstract

形成晶态氮化镓基材料的方法中，在第一处理温度下于基材上形成第一成核层，然后在第二处理温度下于第一成核层上形成第二成核层，其中第二处理温度不同于第一处理温度，且第一及第二成核层由AlxInyGa (1－x－y) N组成。然后，使基于晶态氮化镓的层外延生长于第二成核层上。

Description

晶态氮化镓基化合物的生长方法以及 包含氮化镓基化合物的半导体器件
技术领域
本发明一般涉及晶态氮化镓(GaN)基半导体器件的制造，尤其涉及形成晶态氮化镓基化合物及包含该氮化镓基化合物的半导体器件的方法。
背景技术
氮化镓基半导体化合物的电子器件，如发光器件或晶体管器件，已在电子工业的领域被广泛地研究及发展。对于氮化镓基晶体管器件，氮化镓基半导体化合物的有益特征在于电子迁移率高且饱和速度高(约2.5×107cm/s)，以及击穿电场高(约5×106V/cm)，其允许氮化镓基晶体管可在高电流密度下工作。因此，氮化镓晶体管器件在高功率及高温的应用上特别具有优势。
在发光器件中，多层结构通常由氮化镓基化合物，如氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化镓铟(GaInN)及其类似物形成，而形成的多层结构包含夹在n型包覆层及p型包覆层之间的发光层。
无论实现晶体管或发光器件，氮化镓基化合物一般以外延层的形式沉积于基材上。在此沉积过程中，氮化镓外延层的结晶品质决定电子迁移率，因此是半导体器件效能的决定性因素。在此情况下，现有技术中已有许多此类研究。
已知的气相外延生长方法是用于使基于氮化镓的层形成于基材上，然而通常使用的基材材料的结晶结构与基于氮化镓的层的晶格结构不匹配，或具有高密度的位错。为解决该问题，一种已知技术是在900℃的低温或低于900℃的温度下，在蓝宝石或类似物所制基材上沉积氮化铝(AlN)或氮化铝镓组成的缓冲层，然后在该缓冲层上生长基于氮化镓的层。该技术如第63-188938号日本专利特许公开中所述，这里将其公开的内容并入本发明作为参考。插入的缓冲层可减少因基材与氮化镓基化合物不匹配所引起的位错，所以改善了氮化镓基化合物的结晶度及形态。
另一个已知的技术方案是于基材上沉积第一基于氮化镓的层，再将保护膜，如氧化硅或氮化硅，选择性地覆盖基于氮化镓的层的表面。然后，在第一基于氮化镓的层未被保护膜覆盖的区域上生长第二基于氮化镓的层。保护膜防止贯穿式位错沿垂直基材介面的方向延伸。如第10-312971号日本专利特许公开描述了该技术，这里将其公开的内容并入本发明作为参考。
在某些方面，前述的技术并未提供令人满意的结果，尤其是当实现发光器件时，基于氮化镓的层及基材之间的缓冲层可能会吸收过多的紫外线。此外，氮化硅或氧化硅的插入可能会影响半导体器件的电性能。
因此，目前需要一种生长晶态氮化镓基材料的方法，可补偿与基材之间的晶格不匹配，且同时具有改善的特征，如降低紫外线的吸收。
发明内容
本发明描述了一种形成晶态氮化镓基化合物的方法及包含氮化镓基化合物的半导体器件。
在一个具体实施方案中，一种形成晶态氮化镓基化合物的方法包括，在第一处理温度下于基材上形成第一成核层；在第二处理温度下于第一成核层上形成第二成核层，第二处理温度不同于第一处理温度；以及形成氮化镓基外延层于第二成核层上。
在一个具体实施方案中，第一处理温度介于约1000℃及1200℃之间。在另一个具体实施方案中，第二处理温度介于约400℃及1000℃之间。在一些具体实施方案中，第一成核层的厚度介于约10埃及100埃之间。在其他实施方案中，第二成核层的厚度介于约300埃及2000埃之间。
在一个具体实施方案中，氮化镓基半导体器件包括基材、基于晶态氮化镓的层、以及至少两层插入基材与基于晶态氮化镓的层之间的成核层。在一些实施方案中，这两层成核层在不同的温度下形成。在一些具体实施方案中，两层成核层之一具有约300埃及2000埃之间的厚度，另一层具有介于约10埃及100埃之间的厚度。在一些具体实施实施方案中，两层成核层中的至少一层包含AlxInyGa(1-x-y)N，其中x、y及(1-x-y)在[0，1]的范围内。
前述仅为概述，不应以此限制专利申请的范围，这里揭示的操作及结构当可以其他的方式实施，且由此形成的变体及修饰将不脱离本发明及其较广泛的观点。另一方面，本发明的特征及优点是由权利要求所界定，且描述于下列非限定的详细说明中。
附图说明
图1所示为根据本发明的一个具体实施方案在形成晶态氮化镓基化合物的过程中使用的有机金属气相结晶反应器的示意图。
图2A所示为根据本发明的一个具体实施方案对基材实施初始热清洁过程的示意图。
图2B所示为根据本发明的一个具体实施方案在基材上形成第一成核层的示意图。
图2C所示为根据本发明的一个具体实施方案在第一成核层上形成第二成核层的示意图。
图2D所示为根据本发明的一个具体实施方案于第二成核层上外延形成基于氮化镓的层的示意图。
具体实施方式
本发明描述了一种生长晶态氮化镓基化合物的方法，其包括至少三个沉积步骤。首先使第一成核层在第一温度下形成于底基材上，然后在不同于第一温度的第二温度下形成第二成核层，其中第一及第二成核层包含以分子式AlxInyGa(1-x-y)N表示的化合物。然后，使晶态氮化镓基化合物外延生长于第二成核层上。
“氮化镓基化合物或层”表示包含氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铝铟镓(AlInGaN)及铝、铟及镓与氮元素的任意组合物。适于形成第一及第二成核层及氮化镓基化合物的方法包括多种气相沉积生长过程，如有机金属气相结晶法(MOVPE)生长沉积法、分子束外延(MBE)生长沉积法、氢化物气相外延成长(HVPE)生长沉积等。
图1所示为根据本发明的一个具体实施方案在形成晶态氮化镓基化合物的制程中使用的有机金属气相结晶反应器的示意图。反应器100包括反应室102，其中基材104置于基座(susceptor)106上，以进行沉积过程。加热装置108架设在基座106上，以加热基材104。经过分别与多个容器112连接的多个进管110，将气相化学试剂引入反应室102中。可操作机械泵114使气体经出管116从反应室102排出。此外，控制及调整机构118连接机械泵114，以调节反应室102中的压力。
图2A至2D所示为根据本发明的一个具体实施方案形成晶态氮化镓基化合物的过程的示意图。在一个具体实施方案中，晶态氮化镓基化合物为氮化镓层，形成于蓝宝石底基材上；然而本领域技术人员可以了解氮化镓层可以形成于不同的材料上，如硅基材、碳化硅(SiC)基材或类似物，或形成于已形成不同材料层的基材上。
图2A所示为根据本发明的一个具体实施方案对基材实施初始热清洁过程的示意图。蓝宝石基材202具有作为主要平面的碳平面，开始进行热清洁制程。根据一个具体实施方案，热清洁过程包括将基材202加热至1000℃以上的温度，同时在压力环境维持在约1000mbar，以约5slm(标准升每分钟)的流速率引进氢气(H2)及/或氮气(N2)。
图2B所示为根据本发明的一个具体实施方案利用MOVPE法在基材202上生长第一成核层204的MOVPE生长示意图，其中第一成核层204由AlxInyGa(1-x-y)N组成，x、y及(1-x-y)在[0，1]的范围内。虽然该具体实施方案是以AlGaN组成成核层204为例(即x＝1及y＝0)，然而本领域技术人员可以了解成核层的成份可通过改变x及y的值作适当调整。基材202经清洁后被加热至1000℃至1200℃的温度范围内，然后将氨气(NH3)以约5000sccm的流速率注入，同时分别将流速率为2.5sccm及7.5sccm的三甲基镓(TMGa)及三甲基铝(TMAl)引进压力维持在110mbar下的反应室中。由此使由AlGaN组成的第一成核层204生长于蓝宝石基材202上，其形成厚度介于约10埃及100埃之间。本领域技术人员可以了解除三甲基镓(TMGa)及三甲基铝(TMAl)以外，镓及铝的适合来源也可包括其他烷基金属化合物，如三乙基镓(TEGa)、三乙基铝(TEAl)或类似物。
图2C所示为根据本发明的一个具体实施方案在第一成核层204上利用MOVPE生长第二成核层206的示意图，其中第二成核层206由AlxInyGa(1-x-y)N组成。在该具体实施方案中，第二成核层206也可为AlGaN。氨供应维持在5000sccm，基材202的温度设定在约400℃及1000℃之间。三甲基镓(TMGa)及三甲基铝(TMAl)分别以流速0.5sccm及37.5sccm引入压力维持在200mbar下的反应室中。由氮化镓铝(AlGaN)组成的第二成核层206由此形成在第一成核层204上。第二成核层206的厚度介于约300埃及2000埃之间，且铝成份的范围在约0及1之间。
图2D所示为根据本发明的一个具体实施方案晶态氮化镓基化合物层208外延生长于第二成核层206上的示意图。氮化镓基化合物层208可以由铝、铟及镓与氮元素的任意组合物组成，并取决于预期形成的器件所需的特定特征。
在实现发光器件或氮化镓晶体管时，基于氮化镓的层208例如为生长于基材上的一层掺杂的氮化镓。在发光器件中，氮化镓层可配置为第一包覆层，其上分别堆叠多重结构层及第二包覆层。在实现氮化镓晶体管时，氮化镓层可配置为活性区域，其中在晶体管半导体器件工作时产生电子和小洞穿隧。
在不同温度下形成的这些成核层可以在节省成本的条件下生长，且使基材与外延氮化镓基化合物之间的位错明显减少。通过这些成核层的结晶结构，基材与外延氮化镓基化合物之间的位错得以缓和。此外，观察发光器件的使用显示，生长过程形成的层结构可以防止不利的紫外线吸收，可明显增加发光器件的亮度。可根据预期形成的基于氮化镓的层，通过成核层的组成(即通过调整值x及y)调节晶格错配及紫外线吸收的减少程度。
由前述的特定具体实施方案的内容，将可对本发明有所了解，然而这些实施方案仅用于说明，并非限制的目的。本领域技术人员知道，本发明应可有多种变体、修饰、增加及改善。因此，多个器件的实例在此仅为单一实例，在实例中以分离器件呈现的结构及功能，将可以组合的结构或器件来实现。这些或其他变化、修饰、增加及改善将落入下列权利要求所界定的范围内。
符号说明
100反应器
102反应室
104基材
106基座
108加热装置
110进管
112容器
114机械泵
116出管
118调整机构
202蓝宝石基材
204第一成核层
206第二成核层
208基于氮化镓的层

Claims (20)

1、形成基于氮化镓(GaN)的层的方法，其包括：
在第一处理温度下于基材上形成第一成核层；
在第二处理温度下于该第一成核层上形成第二成核层，该第二处理温度低于该第一处理温度；以及
于该第二成核层上形成基于外延氮化镓的层。
2、如权利要求1所述的方法，其中该第一成核层、第二成核层中的至少一层包含AlxInyGa(1-x-y)N，其中x、y及(1-x-y)在[0，1]的范围内。
3、如权利要求1所述的方法，其中该第一处理温度介于约1000℃及1200℃之间。
4、如权利要求1所述的方法，其中该第一成核层的厚度介于约10埃及100埃之间。
5、如权利要求1所述的方法，其中该第二处理温度介于约400℃及1000℃之间。
6、如权利要求1所述的方法，其中该第二成核层的厚度介于约300埃及2000埃之间。
7、如权利要求1所述的方法，其中形成该第一成核层及该第二成核层的步骤包括实施气相外延生长过程。
8、形成基于氮化镓的层的方法，其包括：
于基材上形成多个成核层，其中该多个成核层包括在不同温度下形成的至少两层成核层；以及
于该多个成核层之一的顶部形成基于外延氮化镓的层。
9、如权利要求8所述的方法，其中该多个成核层包含由AlxInyGa(1-x-y)N组成的至少一层成核层，其中x、y及(1-x-y)在[0，1]的范围内。
10、如权利要求8所述的方法，其中该多个成核层中的一层或多层由气相外延沉积形成。
11、如权利要求8所述的方法，其中形成多个成核层的步骤包括于约1000℃及1200℃之间的温度下形成第一成核层。
12、如权利要求11所述的方法，其中该第一成核层具有介于10埃及100埃的厚度。
13、如权利要求8所述的方法，其中形成多个成核层的步骤包括于400℃及1000℃之间的温度下形成第二成核层。
14、如权利要求13所述的制程，其中该第二成核层具有介于300埃及2000埃的厚度。
15、氮化镓基的半导体器件，其包含：
基材；
基于晶态氮化镓的层；以及
至少两层成核层，它们插入该基材与该基于氮化镓的层之间。
16、如权利要求15所述的半导体器件，其中该基材包括蓝宝石基材。
17、如权利要求15所述的半导体器件，其中该至少两层成核层中的至少一层包含AlxInyGa(1-x-y)N，其中x、y及(1-x-y)在[0，1]的范围内。
18、如权利要求15所述的半导体器件，其中该至少两层成核层在不同的温度下形成。
19、如权利要求18所述的半导体器件，其中该至少两层成核层包括在约1000℃至约1200℃之间的温度下形成的第一成核层。
20、如权利要求18所述的半导体器件，其中该至少两层成核层包括在约400℃至约1000℃之间的温度下形成的第二成核层。
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