CN209691720U - GaN基半导体器件结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种GaN基半导体器件结构，GaN基半导体器件结构包括：GaN层，GaN层包括多个间隔排布的GaN凸起，相邻的GaN凸起之间包括凹槽；绝缘层，绝缘层覆盖凹槽的表面，且显露GaN凸起的顶部。本实用新型通过绝缘层覆盖凹槽的表面，减少载流子对器件的影响，实现芯片的电绝缘，减少电击穿或因绝缘不良导致的芯片漏电；通过显露的GaN凸起的顶部，可实现GaN基半导体器件结构与后续电极层的电连接，从而避免对GaN凸起的平坦化处理，以进一步的提高GaN基半导体器件结构的可靠性。

Description

GaN基半导体器件结构

技术领域

本实用新型属于半导体技术领域，涉及一种GaN基半导体器件结构。

背景技术

随着半导体行业的快速发展，第三代半导体材料主要以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽禁带半导体材料，由于具有高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及高的抗辐射能力，因而更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，因此备受关注。

作为第三代半导体材料的代表，以氮化镓(GaN)为代表的Ⅲ族氮化物，由于具有禁带宽度大，耐高温等诸多优异性能，因此具有独特的光电属性。GaN半导体器件在光显示、光存储、激光打印，白光照明以及医疗和军事等领域都具有广阔应用，其中，最引人注目的是利用GaN基发光二极管(LED)加上荧光粉合成白光，以实现白光照明的应用。然而，蓝宝石衬底和GaN材料的晶格常数存在较大的失配(16％)，导致在蓝宝石衬底上生长GaN晶体时，形成较高的位错密度(10⁹～10¹²cm^-2)，以至于造成载流子的泄漏和非辐射复合中心增多等不良影响，使得器件内量子效率下降，同时，也会影响器件的稳定性。

因此，提供一种GaN基半导体器件结构，以有效提升GaN基半导体器件的工作特性，实现芯片的电绝缘，减少电击穿或因绝缘不良导致的芯片漏电，提升产品的良品率，实属必要。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种GaN基半导体器件结构，用于解决现有技术中在应用GaN材料时，由于晶格常数失配，所造成的上述一系列产品质量的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种GaN基半导体器件结构，所述GaN基半导体器件结构包括：

GaN层，所述GaN层包括多个间隔排布的GaN凸起，相邻的所述GaN凸起之间包括凹槽；

绝缘层，所述绝缘层覆盖所述凹槽的表面，且显露所述GaN凸起的顶部。

可选地，所述绝缘层包括氧化硅层、氮化硅层、氧化钛层、氧化铝层及绝缘胶水层中的一种或组合。

可选地，所述绝缘层填满所述凹槽，且所述绝缘层的上表面与所述GaN凸起的顶部齐平。

可选地，所述GaN凸起的横截面形貌包括矩形、正方形、三角形及梯形中的一种或组合。

可选地，所述凹槽的横截面形貌包括“U”字形、“V”字形、矩形、正方形及梯形中的一种或组合。

可选地，还包括与所述GaN凸起的顶部电连接的电极层。

可选地，还包括欧姆接触层，所述欧姆接触层覆盖所述GaN凸起的顶部。

可选地，所述欧姆接触层包括铬金属层、镍金属层及钛金属层中的一种或组合。

可选地，还包括键合衬底，所述键合衬底包括导电键合衬底。

如上所述，本实用新型的GaN基半导体器件结构，通过绝缘层覆盖凹槽的表面，减少载流子对器件的影响，实现芯片的电绝缘，减少电击穿或因绝缘不良导致的芯片漏电；通过显露的GaN凸起的顶部，可实现GaN基半导体器件结构与后续电极层的电连接，从而避免对GaN凸起的平坦化处理，以进一步的提高GaN基半导体器件结构的可靠性。

附图说明

图1a～图1c显示为现有技术中图形衬底技术生长GaN材料的结构示意图。

图2a～图2e显示为实施例一中的GaN层的结构示意图。

图3显示为实施例一中的GaN基半导体器件结构的结构示意图。

图4显示为实施例二中的GaN基半导体器件结构的结构示意图。

元件标号说明

111 生长衬底

112 GaN材料

211 空气桥

212 位错

213 空气孔

100、600 GaN层

101、601 凹槽

102、602 GaN凸起

200、700 绝缘层

300、800 欧姆接触层

400、900 电极层

500、110 键合衬底

具体实施方式

为了解决材料间的晶格不匹配的现象，图形衬底技术得到了广泛应用，但经研究发现，图形衬底技术，通过在蓝宝石衬底表面制作具有细微结构的图形，可改变GaN材料的生长过程，从而能有效地抑制材料中位错的向上延伸。由于具有图形的衬底相比普通的衬底，其表面形貌发生了变化，所以在图形衬底上，GaN材料初期的生长过程也需随之发生改变，否则，GaN晶体质量非但不能提高，反而有可能更加恶化，从而影响器件的工作特性。

如图1a所示，生长衬底111被图形化，因此生长衬底111被分割成了若干个小块，GaN材料112在生长过程中原子的表面迁移在图形界面处被打断，所以GaN材料112在分割出的“台阶”上和“沟道”中独立生长，这种生长不仅有纵向分量，也有横向生长分量，而且独立生长的每一个区域中的GaN晶体都生产了侧面晶面。根据Hiramatsu等人对横向外延技术(ELOG)中类似情况的研究发现，在不同的生长条件下，纵向生长与横向生长所占的比重不同，且侧面晶面的晶面指数也会随之发生变化。在纵向生长条件下，侧面晶面为一倾斜晶面，反之在横向生长条件下，侧面晶面渐渐变得竖直。在极端的横向生长条件下，“台阶”上GaN材料112横向生长十分猛烈，会在位于“沟道”中的GaN材料112生长上来之前就相互连接，形成连通的空气桥211，如图1b所示，这就是悬臂梁横向外延(Cantilever epitaxy)。而在一般的生长条件下，“沟道”中的GaN材料112将会向上生长高出“台阶”表面，其倾斜侧面与“台阶”上横向延伸的GaN晶体侧面相连接，形成三角形空气孔213，如图1c所示。

图形化的生长衬底111上的GaN材料112的生长条件偏向纵向生长条件，横向生长缓慢，在连接发生在“沟道”中生长上来的GaN晶体与“台阶”上微弱横向延伸过来的GaN晶体之间，晶体相连接点位置在生长衬底111图形边界上方，由此可见，晶体在此位置相互连接的过程中，由于晶面不连续滋生大量位错212，这些位错212的位置几乎全部处于图形边界处，形成位错群。这些位错群延伸到GaN材料112表面，会影响器件的可靠性。

因此，本实用新型提供一种GaN基半导体器件结构，以有效提升GaN基半导体器件的工作特性，实现芯片的电绝缘，减少电击穿或因绝缘不良导致的芯片漏电，提升产品的良品率。

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图2～图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

本实施例提供一种GaN基半导体器件结构，所述GaN基半导体器件结构包括：

GaN层，所述GaN层包括多个间隔排布的GaN凸起，相邻的所述GaN凸起之间包括凹槽；

绝缘层，所述绝缘层覆盖所述凹槽的表面，且显露所述GaN凸起的顶部。

本实施例通过绝缘层覆盖凹槽的表面，减少载流子对器件的影响，实现芯片的电绝缘，减少电击穿或因绝缘不良导致的芯片漏电；通过显露的GaN凸起的顶部，可实现GaN基半导体器件结构与后续电极层的电连接，从而避免对GaN凸起的平坦化处理，以进一步的提高GaN基半导体器件结构的可靠性。

如图2a～图2e，首先提供GaN层100，所述GaN层100包括多个间隔排布的GaN凸起102，相邻的所述GaN凸起102之间包括凹槽101。

具体的，所述GaN层100的制备方法可包括：通过HVPE(卤化气相外延)或MOCVD(金属有机化合物化学气相沉积)等工艺，在图形化的衬底上形成GaN，而后分离所述GaN与所述图形化的衬底，形成所述GaN层100，分离所述GaN与所述图形化的衬底的方法包括激光剥离法、湿法腐蚀法。所述图形化的衬底可包括生长衬底、牺牲层及图形化的半导体介质层，其中，所述生长衬底可包括蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底或ZnO衬底；所述牺牲层可采用AlN、Al_xGa_1-xN或ZnO中的一种或多种的组合；所述图形化的半导体介质层可采用SiO₂、SiON_x或SiN_x中的一种或多种的组合。可先使用只对所述图形化的半导体介质层进行腐蚀，而不对所述牺牲层进行腐蚀的HF溶液腐蚀去除所述图形化的半导体介质层，而后采用KOH溶液、NaOH溶液或H₂SO₄与H₂PO₄的混合溶液腐蚀去除所述牺牲层，以使得所述GaN自所述图形化的衬底表面剥离，以获得所述GaN层100。所述GaN层100的形成方法并不局限于此，可根据需要进行选择，此处不作限制。所述GaN层100中所述GaN凸起102的个数可包括2个～50个，如5个、10个、20个、25个等，可根据需要进行选择，此处不作限制。

作为该实施例的进一步实施例，所述GaN凸起102的横截面形貌包括矩形、正方形、三角形及梯形中的一种或组合；所述凹槽101的横截面形貌包括“U”字形、“V”字形、矩形、正方形及梯形中的一种或组合。

具体的，所述GaN凸起102的横截面形貌包括由直线及曲线所围成的形貌，所述凹槽101的横截面形貌包括由直线及曲线所围成的形貌。如图2a～图2e，所述GaN凸起102的横截面形貌可包括梯形、三角形、矩形、正方形等中的一种或组合，所述凹槽101的横截面形貌可包括“U”字形、“V”字形、矩形、正方形及梯形中的一种或组合。所述凹槽101及所述GaN凸起102的横截面形貌可根据需要进行选择，此处不作限制。

作为该实施例的进一步实施例，所述GaN凸起102具有相同形貌且等间距分布。

具体的，所述GaN层100中的所述GaN凸起102可具有相同形貌也可具有不同形貌，所述GaN凸起102可等间距分布也可不等间距分布；同理所述凹槽101可具有相同形貌也可具有不同形貌，所述凹槽101可等间距分布也可不等间距分布；所述凹槽101及所述GaN凸起102的具体形貌及分布，可根据需要进行选择。本实施例中，所述凹槽101及所述GaN凸起102的横截面形貌采用图2a作为示例，即所述凹槽101的横截面形貌均采用“V”字形，所述GaN凸起102的横截面形貌均采用梯形，且均等间距分布，以降低工艺难度，但并不局限于此，根据具体需要，可进行组合及更换。

如图3，所述GaN层100的上方具有绝缘层200，所述绝缘层200覆盖所述凹槽101的表面，且显露所述GaN凸起102的顶部。

作为该实施例的进一步实施例，所述绝缘层200包括氧化硅层、氮化硅层、氧化钛层、氧化铝层及绝缘胶水层中的一种或组合；所述绝缘层200填满所述凹槽101，且所述绝缘层200的上表面与所述GaN凸起102的顶部齐平。

具体的，制备所述绝缘层200的方法可采用外延生长法或涂覆法，以形成覆盖所述凹槽101的表面的所述绝缘层200。所述绝缘层200可用以填补所述GaN层100中所隐含的位错(未图示)，从而使得所述位错转变为绝缘位错，以减少载流子对器件的影响，提高器件的可靠性，实现芯片的电绝缘，减少电击穿或因绝缘不良导致的芯片漏电，提升产品的良品率。其中，所述绝缘层200在填充所述位错后，需要确保显露出所述GaN凸起102的顶部，从而便于后续通过显露的所述GaN凸起102的顶部实现电路导通，从而避免对所述GaN凸起102的平坦化处理，以进一步的提高GaN基半导体器件结构的可靠性。本实施例中，优选所述绝缘层200填满所述凹槽101，且所述绝缘层200的上表面与所述GaN凸起102的顶部齐平，从而所述绝缘层200可直接作为填充材料。

作为该实施例的进一步实施例，还包括欧姆接触层300，所述欧姆接触层300覆盖所述GaN凸起102的顶部；还包括与所述GaN凸起102的顶部电连接的电极层400。

具体的，所述欧姆接触层300可包括Cr金属层、Ni金属层及Ti金属层中的一种或组合，所述电极层400可包括Al金属层、Ni金属层、Au金属层、Pt金属层、Ti金属层、Ag金属层及Cu金属层中的一种或组合。所述电极层400通过所述欧姆接触层300与所述GaN凸起102的顶部电连接，通过所述欧姆接触层300可使得所述电极层400与所述GaN凸起102之间形成良好的接触特性。本实施例中，所述欧姆接触层300覆盖所述GaN凸起102的顶部及所述绝缘层200的上表面，在另一是实例中，所述欧姆接触层300也可仅位于所述电极层400与所述GaN凸起102之间。

作为该实施例的进一步实施例，还包括键合衬底500，所述键合衬底500包括导电键合衬底。

具体的，所述键合衬底500可包括导电键合衬底及非导电键合衬底中的一种，如所述键合衬底500可采用钨铜衬底、钼铜衬底、铜衬底及硅衬底等。所述键合衬底500可在形成所述GaN层100之后，通过电镀、沉积的方式形成，也可预先提供所述键合衬底500，而后通过转移所述GaN层100，使得所述GaN层100与所述键合衬底500通过键合相连接，如通过粘合剂或粘合薄膜进行粘合，所述粘合剂或粘合薄膜具有导电性，也可以通过金属键合的方式键合所述GaN层100与所述键合衬底500，其中，进行所述金属键合的过程中，金属键合层的材料可采用包括金、锡、铟、镍金属中的一种或组合。本实施例中，所述键合衬底500采用导电键合衬底，通过金属键合的方式键合所述GaN层100与所述键合衬底500，使得所述键合衬底500除起到支撑作用外，还可直接作为电极层使用，而无需去除所述键合衬底500的工艺步骤，以减少工艺步骤，降低对所述GaN层100的损伤，进一步的提高所述GaN基半导体器件结构的可靠性。

实施例二

如图4，为进一步介绍本实用新型的技术方案，本实施例还提供另一种与实施例一具有不同结构的GaN基半导体器件结构。

所述GaN基半导体器件结构包括GaN层600，所述GaN层600包括多个间隔排布的GaN凸起602，相邻的所述GaN凸起602之间包括凹槽601；绝缘层700，所述绝缘层700覆盖所述凹槽601的表面，且显露所述GaN凸起602的顶部。

本实施例通过所述绝缘层700覆盖所述凹槽601的表面，减少载流子对器件的影响，实现芯片的电绝缘，减少电击穿或因绝缘不良导致的芯片漏电；通过显露的所述GaN凸起602的顶部，可实现所述GaN基半导体器件结构与后续电极层的电连接，从而避免对所述GaN凸起602的平坦化处理，以进一步的提高GaN基半导体器件结构的可靠性。

具体的，所述GaN基半导体器件结构还包括欧姆接触层800；还包括与所述GaN凸起602的顶部电连接的电极层900；以及键合衬底110，所述键合衬底110包括导电键合衬底。其中，所述GaN层600、绝缘层700、欧姆接触层800、电极层900、键合衬底110的材质与制备方法及所述GaN层600的形貌可同实施例一，此处不再赘述。本实施例中，所述绝缘层700仅覆盖所述凹槽601的表面，所述欧姆接触层800覆盖所述GaN凸起602的顶部，且通过所述欧姆接触层800填充位于所述电极层900与所述绝缘层700之间的空隙，以提高所述GaN基半导体器件结构的稳定性，所述欧姆接触层800也可仅位于所述电极层900与所述绝缘层700之间，所述GaN基半导体器件结构的形貌并不局限于此。

综上所述，本实用新型通过绝缘层覆盖凹槽的表面，减少载流子对器件的影响，实现芯片的电绝缘，减少电击穿或因绝缘不良导致的芯片漏电；通过显露的GaN凸起的顶部，可实现GaN基半导体器件结构与后续电极层的电连接，从而避免对GaN凸起的平坦化处理，以进一步的提高GaN基半导体器件结构的可靠性。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种GaN基半导体器件结构，其特征在于，所述GaN基半导体器件结构包括：

GaN层，所述GaN层包括多个间隔排布的GaN凸起，相邻的所述GaN凸起之间包括凹槽；

绝缘层，所述绝缘层覆盖所述凹槽的表面，且显露所述GaN凸起的顶部。

2.根据权利要求1所述的GaN基半导体器件结构，其特征在于：所述绝缘层包括氧化硅层、氮化硅层、氧化钛层、氧化铝层及绝缘胶水层中的一种或组合。

3.根据权利要求1所述的GaN基半导体器件结构，其特征在于：所述绝缘层填满所述凹槽，且所述绝缘层的上表面与所述GaN凸起的顶部齐平。

4.根据权利要求1所述的GaN基半导体器件结构，其特征在于：所述GaN凸起的横截面形貌包括矩形、正方形、三角形及梯形中的一种或组合。

5.根据权利要求1所述的GaN基半导体器件结构，其特征在于：所述凹槽的横截面形貌包括“U”字形、“V”字形、矩形、正方形及梯形中的一种或组合。

6.根据权利要求1所述的GaN基半导体器件结构，其特征在于：还包括与所述GaN凸起的顶部电连接的电极层。

7.根据权利要求1所述的GaN基半导体器件结构，其特征在于：还包括欧姆接触层，所述欧姆接触层覆盖所述GaN凸起的顶部。

8.根据权利要求7所述的GaN基半导体器件结构，其特征在于：所述欧姆接触层包括铬金属层、镍金属层及钛金属层中的一种或组合。

9.根据权利要求1所述的GaN基半导体器件结构，其特征在于：还包括键合衬底，所述键合衬底包括导电键合衬底。