CN206774502U - 含有硅掺杂氮化铝层的半导体器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种含有硅掺杂氮化铝层的半导体器件。该半导体器件包括衬底、设在该衬底上部的籽晶层、设在该籽晶层上部的缓冲层以及设在该缓冲层上部的Ⅲ族氮化物外延层。本实用新型通过在氮化铝中掺杂一定浓度的硅，在硅衬底上中生长包含硅掺杂氮化铝层的籽晶层，硅掺杂氮化铝与硅原子的晶格失配数比较接近，硅掺杂氮化铝层在硅基底上更好的成长，可以有效的阻止硅由衬底扩散进入氮化镓外延层，减少了硅与氮化镓的反应，改善了氮化镓或氮镓铝/氮化镓薄膜的品质，提高了半导体器件的工作性能。

Description

含有硅掺杂氮化铝层的半导体器件

技术领域

本实用新型涉及半导体器件领域，特别是涉及一种含有硅掺杂氮化铝层的半导体器件。

背景技术

Ⅲ族氮化物半导体材料被誉为是第三代半导体材料，包括氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铟(InN)以及他们之间形成的三、四元合金，如氮镓铝(AlGaN)、氮铝铟(InAlN)和氮镓铟(InGaN)。以氮化镓(GaN)为主的Ⅲ族氮化物半导体材料具有宽的直接代隙(Eg＝3.36eV)、高熔点、高热导率、高饱和电子速率、高临界击穿电场强度和高电子室温迁移率，被广泛应用于耐高温、高压和高频器件中，特别是在光电子、高温大功率电子器件和高频微波器件有着广阔的应用前景。

由于很难得到大尺寸的氮化镓单晶体材料，目前为了获得高质量的氮化镓薄膜，通过在硅、蓝宝石或碳化硅等衬底材料上进行异质外延生长。其中硅具有高质量、价格低、易于解理和制作电极等优势，是最具有潜力的衬底材料。但是由于硅和氮化镓有较大的晶格失配和热失配，如氮化镓与硅之间的热失配为56％，晶格失配为19.6％，在硅衬底生长的氮化镓外延层上会产生较多的位错缺陷和较大的内应力，而这些缺陷会导致外延层生产裂纹，制约着高质量的氮化镓薄膜的生长。

为了更好的抑制氮化镓薄膜出现裂纹，提高其晶体质量，在异质外延生长中通常包含籽晶层和缓冲层。籽晶层主要作用是：在异质衬底表面形成成核点，有利于氮化镓材料在衬底上形核和生长，可以得到高质量的氮化镓外延层。缓冲层的作用是：有效缓解氮化镓外延层与衬底之间的晶格失配和热失配，减少了氮化镓层因应力产生的应变，降低了位错和缺陷的发生。

传统的含有籽晶层的器件主要采用硅/氮化铝/氮化镓或者硅/氮化铝/氮镓铝/氮化镓的构造，当籽晶层中的氮化铝薄膜成长受阻，氮化铝薄膜无法有效阻挡硅由衬底扩散进入氮化镓外延层，发生硅与氮化镓的反应，在氮化镓外延层上形成较多的圆形缺陷，降低氮化铝薄膜上已经金属化的氮化镓或氮镓铝/氮化镓外延层的品质。

实用新型内容

基于此，有必要针对籽晶层中的氮化铝薄膜成长受阻时，硅与氮化镓发生反应的问题，提供一种含有硅掺杂氮化铝层的半导体器件。

一种半导体器件，包括：

衬底；

籽晶层，所述籽晶层设在所述衬底的上方，所述籽晶层包含硅掺杂氮化铝层，所述硅掺杂氮化铝层中硅的掺杂浓度小于2E19；

缓冲层，所述缓冲层设置在所述籽晶层的上部；以及

Ⅲ族氮化物外延层，所述Ⅲ族氮化物外延层设置在所述缓冲层的上部。

上述半导体器件，通过在氮化铝中掺杂一定浓度的硅，在硅衬底上中生长包含硅掺杂氮化铝层的籽晶层，硅掺杂氮化铝与硅原子的晶格失配数更接近，硅掺杂氮化铝层可以在硅基底上更好的成长，形成的硅掺杂氮化铝薄膜可以有效的阻止硅由衬底扩散进入氮化镓外延层，减少了硅与氮化镓的反应，提高氮化镓或氮镓铝/氮化镓薄膜的品质，从而可以获得高临界击穿电场强度和高电子室温迁移率，提高了半导体器件的工作性能。

在其中一个实施例中，所述籽晶层还包括与所述硅掺杂氮化铝层层叠设置的氮化铝层。

在其中一个实施例中，所述氮化铝层和/或所述硅掺杂氮化铝层为多层，且所述氮化铝层与所述硅掺杂氮化铝层交替层叠。

通过氮化铝层和硅掺杂氮化铝层交替设置，可以让氮化镓在氮化铝层较好的进行外延生长，同时硅掺杂氮化铝层可以有效的阻止硅由衬底扩散进入氮化镓外延层，显著的提高氮化镓或氮镓铝/氮化镓薄膜的品质。

在其中一个实施例中，所述衬底为蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底。

在其中一个实施例中，所述缓冲层为氮化铝层和/或氮镓铝层。

在其中一个实施例中，所述Ⅲ族氮化物外延层包括氮化镓外延层及氮镓铝外延层中的至少一层，且所述Ⅲ族氮化物外延层中具有由氮化镓外延层与氮镓铝外延层构成的异质结构。

在其中一个实施例中，还包括设置在所述Ⅲ族氮化物外延层中间的氮化铝插入层和/或氮镓铝插入层。

附图说明

图1为一实施方式的含有硅掺杂氮化铝层的半导体器件的结构示意图；

图2为一实施方式的含有硅掺杂氮化铝层的半导体器件的籽晶层的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型的含有硅掺杂氮化铝层的半导体器件及其制造方法进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，一实施方式的半导体器件包括衬底101、籽晶层102、缓冲层103、第一Ⅲ族氮化物外延层104以及第二Ⅲ族氮化物外延层106。

在本实施方式中，衬底101的材料选择除了要考虑晶格失配度、材料的热膨胀系数，还要综合考虑材料的尺寸和价格。在本实施方式中，衬底101的材料选用硅。可以理解，在其他实施方式中，衬底101的材料还可以为蓝宝石或碳化硅等。

籽晶层102位于衬底101的上表面，主要作用是在衬底表面形成成核点，有利于Ⅲ族氮化物在衬底上形核和生长，并且可以有效的阻止硅由衬底扩散进入Ⅲ族氮化物外延层，减少了硅与Ⅲ族氮化物的反应，得到高质量的Ⅲ族氮化物。在本实施方式中，籽晶层102的材料包括氮化铝和硅掺杂氮化铝。优选的，籽晶层102的厚度小于等于500nm。硅掺杂氮化铝层中硅的掺杂浓度小于2E19(即2*10¹⁹cm^-3)。

如图2所示，籽晶层102为氮化铝层111与硅掺杂氮化铝层112依次交替层叠成长构成的超晶格层结构。可以理解，在其他实施方式中，籽晶层102可以是只含有硅掺杂氮化铝层的单层结构，也可以是一层硅掺杂氮化铝层112与一层氮化铝层111的构成的双层结构、一层硅掺杂氮化铝层112与两层氮化铝层111构成的三层结构、两层硅掺杂氮化铝层112与一层氮化铝层111构成的三层结构、两层硅掺杂氮化铝层112与两层氮化铝层111构成的四层结构等氮化铝层111与硅掺杂氮化铝层112交替层叠成长构成的超晶格层结构。

缓冲层103位于籽晶层102的上部，主要作用是有效缓解Ⅲ族氮化物外延层与衬底之间的晶格失配和热失配，减少了Ⅲ族氮化物外延层因应力产生的应变，降低了位错和缺陷的发生。在本实施方式中，缓冲层103的材料是氮镓铝。缓冲层103由一层或多层氮镓铝层构造而成。优选的，缓冲层103的厚度小于等于500nm。可以理解，在其他实施方式中，缓冲层103的材料是氮化铝、氮化镓、氮化硅等其他Ⅲ族氮化物，或几者的组合。缓冲层103是含有氮化铝层、氮化镓层、氮化硅层等其他Ⅲ族氮化物层构成的一层或多层结构。

Ⅲ族氮化物外延层由第一Ⅲ族氮化物外延层104和第二Ⅲ族氮化物外延层106构成。第一Ⅲ族氮化物外延层104位于缓冲层103的上部，第二Ⅲ族氮化物外延层106位于第一Ⅲ族氮化物外延层104的上部。在本实施方式中，第一Ⅲ族氮化物外延层104的材料是氮化镓，第二Ⅲ族氮化物外延层106的材料是氮镓铝。

在氮化镓外延层和氮镓铝外延层之间构成一个氮镓铝/氮化镓异质结构，氮镓铝/氮化镓异质结构是半导体器件的核心部件。在氮镓铝/氮化镓异质结构界面形成三角形势阱，电子的德布罗意波长比势阱的宽度大，垂直于表面方向上的能量将发生量子化形成子能带，电子在垂直表面方向的运动丧失了自由度，只存在沿表面两个方向的自由度，这些势阱中具有很高的迁移速度的电子即为二维电子气(2DEG)。

可以理解，在其他实施方式中，第一Ⅲ族氮化物外延层104的材料是氮嫁铝或氮镓铟等其他Ⅲ族氮化物，第二Ⅲ族氮化物外延层106的材料是氮化镓或氮化铟等其他Ⅲ族氮化物。Ⅲ族氮化物外延层为一层第一Ⅲ族氮化物外延层104与一层第二Ⅲ族氮化物外延层106构成的两层结构、两层第一Ⅲ族氮化物外延层104与一层第二Ⅲ族氮化物外延层106构成的三层结构、一层第一Ⅲ族氮化物外延层104与两层第二Ⅲ族氮化物外延层106构成的三层结构、两层第一Ⅲ族氮化物外延层104与两层第二Ⅲ族氮化物外延层106构成的四层结构等包括第一Ⅲ族氮化物外延层104及第二Ⅲ族氮化物外延层106构成的多层结构，且Ⅲ族氮化物外延层具有至少一个异质结构。

优选的，如图1所示，在本实施方式中，在第一Ⅲ族氮化物外延层104的中间还有插入层105。插入层105的主要作用是使后续生长的外延层处于压应变状态，减少外延层中的应力和位错，进而消除外延层中的裂纹，得到高质量无裂纹的Ⅲ族氮化物外延层。在本实施方式中，插入层105的材料是氮化铝。优选的，插入层105的厚度小于等于100nm。插入层105是氮化铝层构成的一层或多层结构。可以理解，在其他实施方式中，插入层105的材料是氮镓铝，插入层可以是氮镓铝层构成的一层或多层结构，也可以是氮化铝层与氮镓铝层构成的多层混合结构。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种含有硅掺杂氮化铝层的半导体器件，其特征在于，包括：

衬底；

籽晶层，所述籽晶层设在所述衬底的上部，所述籽晶层包含硅掺杂氮化铝层，所述硅掺杂氮化铝层中硅的掺杂浓度小于2E19；

缓冲层，所述缓冲层设置在所述籽晶层的上部；以及

Ⅲ族氮化物外延层，所述Ⅲ族氮化物外延层设置在所述缓冲层的上部。

2.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述籽晶层为硅掺杂氮化铝层的单层结构。

3.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述籽晶层还包括与所述硅掺杂氮化铝层层叠设置的氮化铝层。

4.根据权利要求3所述的半导体器件，其特征在于，所述氮化铝层和/或所述硅掺杂氮化铝层为多层，且所述氮化铝层与所述硅掺杂氮化铝层交替层叠。

5.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底。

6.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述缓冲层为氮化铝层和/或氮镓铝层。

7.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述Ⅲ族氮化物外延层包括氮化镓外延层及氮镓铝外延层中的至少一层，且所述Ⅲ族氮化物外延层中具有由氮化镓外延层与氮镓铝外延层构成的异质结构。

8.根据权利要求1-7任一项所述的半导体器件，其特征在于，还包括设置在所述Ⅲ族氮化物外延层中间的氮化铝插入层和/或氮镓铝插入层。