CN213150800U - 一种具有纳米夹层的氮化铝成核层结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种具有纳米夹层的氮化铝成核层结构，包括至少三层的氮化铝层和至少两层的纳米夹层，氮化铝层的层数大于纳米夹层的层数，氮化铝层和纳米夹层依次层叠且间隔分布，纳米夹层为AlGaN层和/或GaN层，纳米夹层的厚度范围为1‑10nm。本实用新型利用纳米夹层的界面应力变化，可以使穿透位错倾斜发生位错湮灭，起到过滤位错作用生长高质量AlN成核层，从而减小缓冲层厚度，改善器件电性。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体外延的技术领域，特指一种具有纳米夹层的氮化铝成核层结构。
背景技术
III-V族氮化物半导体是一种重要的第三代半导体材料，具有禁带宽度大、击穿场强高、直接带隙、耐腐蚀、抗辐射、热稳定性好、容易制备异质结结构等优良特性。氮化物半导体由于其优异的光电特性已经被广泛用于发光元件和高频、高功率电子器件的制作。随着高效光源、5G通讯和高效电源管理的发展，高性能的氮化镓基光电器件和电子器件的开发已经成为学术界和产业界的研究热点。
目前，由于氮化镓衬底和氮化铝衬底存在价格昂贵、尺寸偏小等问题，商用的氮化镓基薄膜材料通常是利用金属有机化学气相沉积的方法生长在蓝宝石、碳化硅、硅等异质外延衬底上。异质外延生长的氮化镓基薄膜，由于外延薄膜与衬底之间存在较大的晶格失配和热失配，使得薄膜的晶体质量和厚度都受到限制。由于氮化铝（AlN）层与硅衬底或碳化硅衬底有较好的浸润性和较易形成台阶流生长，因此硅衬底和碳化硅衬底上的氮化镓基薄膜通常都是采用AlN层作为成核层。
另外，AlGaN基多量子阱紫外LED外延生长中为了避免缓冲层对量子阱发光的吸收也采用AlN层作为成核层。因此，高质量的AlN成核层的异质外延生长技术，成为高质量氮化镓基薄膜外延生长的关键技术。
异质外延衬底和AlN之间一般存在较大的晶格失配，因此在AlN与衬底界面通常存在大量的失配位错。由于C面生长的六方AlN的穿透位错密度降低通常需要界面和点缺陷参与，因此获得高质量AlN层需要优化生长条件或采用特定外延结构。一般获得高质量AlN成核层的方法有下面几种：1.通过控制好AlN成核层和衬底的界面处理和生长条件降低失配位错密度；2.采用较高生长温度（>1100℃）增加位错湮灭效率；3.生长较厚的AlN成核层增加位错湮灭几率；4.采用图形化衬底经过侧向外延的方法使穿透位错在晶界发生弯曲而终止或湮灭。但是，上述方法都会或多或少受到生长窗口偏窄、设备加热温度限制、生长后反应室覆盖层难以去除等条件限制，难以简单高效的获得高质量AlN成核层。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种具有纳米夹层的氮化铝成核层结构，利用纳米夹层的界面应力变化，可以使穿透位错倾斜发生位错湮灭起到过滤位错作用，以便减小缓冲层厚度改善器件电性。
为解决上述技术问题，本实用新型的技术解决方案是：
一种具有纳米夹层的氮化铝成核层结构，包括至少三层的氮化铝层和至少两层的纳米夹层，氮化铝层的层数大于纳米夹层的层数，氮化铝层和纳米夹层依次层叠且间隔分布，纳米夹层为AlGaN层和/或GaN层，纳米夹层的厚度范围为1-10nm。
进一步，氮化铝层的厚度为15-200nm。
进一步，具体为三层氮化铝层和两层纳米夹层，纳米夹层为AlGaN层，纳米夹层的厚度为5nm。
进一步，具体为三层氮化铝层和两层纳米夹层，纳米夹层为GaN层，纳米夹层的厚度为3nm。
进一步，具体为四层的氮化铝层和三层的纳米夹层，三层纳米夹层中至少一AlGaN层和至少一GaN层，AlGaN层的厚度为7nm，GaN层的厚度为5nm。
进一步，成核层位于硅衬底、碳化硅衬底或蓝宝石衬底上。
本实用新型利用纳米夹层的界面应力变化，可以使穿透位错倾斜发生位错湮灭，起到过滤位错作用生长高质量AlN成核层。纳米夹层可以在较薄的AlN获得高质量成核层，从而减小缓冲层厚度，改善器件电性。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是本实用新型实施例一的结构示意图；
图3是本实用新型实施例一氮化铝成核层的结构示意图；
图4是本实用新型实施例二的结构示意图；
图5是本实用新型实施例二氮化铝成核层的结构示意图。
具体实施方式
本实用新型所揭示的是一种具有纳米夹层的氮化铝成核层结构，如图1所示，包括至少三层的氮化铝（AlN）层和至少两层的纳米夹层，氮化铝层的层数大于纳米夹层的层数，纳米夹层和氮化铝层间隔分布，纳米夹层为氮化铝镓（AlGaN）层或氮化镓（GaN）层，即纳米夹层为AlxGa1-xN层，当x=0时，纳米夹层为GaN层。当0＜x<1时，纳米夹层为AlGaN层，具体的X值可以根据实际不同产品的要求设定，但此数值具体设定并不是本实用新型的发明点，只要是AlGaN层即可。多层的纳米夹层可以是全部为AlGaN层，也可以全部为GaN层，还可以是其中一部分纳米夹层为AlGaN层，另一部分纳米夹层是GaN层。纳米夹层的厚度范围为1-10nm。氮化铝层的厚度为15-200nm。所述成核层位于硅衬底、碳化硅衬底或蓝宝石衬底上。
异质外延生长的AlN成核层界面存在较多的失配穿透位错，利用AlxGa1-xN纳米夹层结构，可以在AlN成核层中引入应变界面，使穿透位错发生倾斜湮灭，从而减小上层AlN的穿透位错密度，获得高质量的AlN成核层。由于该纳米夹层的厚度小于10nm处于完全应变状态不引入新的失配位错，因此，具有纳米夹层的复合AlN层结构可以作为异质外延氮化镓基薄膜材料的高质量的AlN成核层。
AlGaN层或GaN层与AlN成核层具有相同的晶体类型（六方密排结构）和相近的生长条件（高温NH3和MO源反应），因此，可以比较容易的实现多层结构的生长。另一方面，AlN成核层与GaN有2.5%左右的晶格失配，可以在多层膜中引入较大的失配应力；对于AlGaN夹层结构随着Al组分减少晶格失配越大，对应在夹层界面引入的失配应力就越大。采用AlGaN和/或GaN作为复合AlN成核层的纳米夹层，既可以保证AlN成核层外延连续性，同时又可以引入足够的失配应力改善AlN成核层的晶体质量。
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详述。
实施例一：硅衬底上具有纳米夹层AlN成核层的氮化镓基缓冲层生长。如图2所示，硅衬底11上依次层叠具有纳米夹层的AlN成核层12、AlGaN应力传递层13、GaN缓冲层14。其中，AlN成核层12包括三层的AlN层和两层的Al0.8Ga0.2N层，AlN层和Al0.8Ga0.2N层间隔分布。
按以下方法制备：步骤一，选择一片晶向为（111）的硅衬底放入金属有机化学气相沉积设备中，在氢气气氛中将衬底加热到1080℃脱附10min去除硅衬底表面的氧化层。
步骤二：在步骤一的衬底表面生长具有纳米夹层的AlN成核层，如图3所示。
该AlN成核层生长包含以下步骤：（1）预通有机金属源TMAl和生长AlN层。TMAl的预通条件为：衬底温度1050℃，反应室的压力75mbar，TMAl流量100sccm，预通时间40s；然后生长厚度为30nm的AlN层，生长条件为：衬底温度1100℃，TMAl流量300sccm，NH3流量为5000sccm，生长时间为6min。
（2）在步骤（1）的AlN层上生长厚度为5nm的Al0.8Ga0.2N纳米夹层；生长条件为：衬底温度1100℃，反应的室压力75mbar，TMAl流量260sccm，TMGa流量15sccm，NH3流量为3000sccm，生长时间为1min。
（3）在步骤（2）的纳米夹层上生长厚度为50nm的AlN层，生长条件为：衬底温度1100℃，反应室的压力75mbar，TMAl流量300sccm，NH3流量为3000sccm，生长时间为10min，厚度为50nm。
（4）重复步骤（2）生长一层纳米夹层。
（5）在步骤（4）的纳米夹层上生长AlN层，生长条件为：衬底温度1100℃，反应室的压力75mbar，TMAl流量300sccm，NH3流量为1000sccm，生长时间为12min，厚度为150nm。
步骤三：在步骤二的AlN成核层上生长AlGaN应力传递层。该应力传递层包含300nm的Al0.75Ga0.25N层、1000nm的Al0.5Ga0.5N层和1500nm的Al0.2Ga0.8N层，生长温度为1030℃，反应室的压力55mbar，NH3流量为3000sccm。
步骤四：在步骤三的应力传递层上生长GaN缓冲层，生长条件为衬底温度980℃，反应室的压力55mbar，TMGa流量230sccm，NH3流量为1500sccm，生长时间为30min，厚度为1500nm。
实施例二：碳化硅衬底上具有纳米夹层AlN成核层的氮化镓基缓冲层生长。如图4所示，硅化硅衬底21上依次层叠具有纳米夹层的AlN成核层22、GaN缓冲层23。其中，AlN成核层22包括三层的AlN层和两层的GaN层，AlN层和GaN层间隔分布。
按以下方法制备：步骤一，选择一片晶向为（0001）的碳化硅衬底放入金属有机化学气相沉积设备中，在氢气气氛中将衬底加热到1100℃脱附10min去除衬底表面的氧化物和缺陷层。
步骤二，在步骤一的碳化硅衬底表面生长具有纳米夹层的AlN成核层，如图5所示。
该AlN成核层生长包含以下步骤：（1）生长AlN层：生长条件为：衬底温度1100℃，反应室的压力100mbar，TMAl流量300sccm，NH3流量为5000sccm，生长时间为4min，厚度20nm。
（2）在步骤（1）的AlN层上生长厚度为3nm的GaN纳米夹层；生长条件为：衬底温度1100℃，反应室的压力100mbar， TMGa流量50sccm，NH3流量为3000sccm，生长时间为1min。
（3）在步骤（2）的纳米夹层上生长AlN层：生长条件为：衬底温度1100℃，反应室的压力100mbar，TMAl流量300sccm，NH3流量为5000sccm，生长时间为4min，厚度20nm。
（4）重复步骤（2）生长一层纳米夹层。
（5）在步骤（4）的纳米夹层上生长AlN层，生长条件为：衬底温度1100℃，反应室的压力75mbar，TMAl流量300sccm，NH3流量为1000sccm，生长时间为8min，厚度为100nm。
步骤三，在步骤二的AlN成核层上生长GaN缓冲层。生长条件为衬底温度980℃，反应室的压力75mbar，TMGa流量230sccm，NH3流量为1500sccm，生长时间为20min，厚度为1000nm。
实施例三：蓝宝石衬底上具有纳米夹层AlN成核层的氮化镓基缓冲层生长。蓝宝石衬底上依次层叠具有纳米夹层的AlN成核层和GaN缓冲层。其中，AlN成核层包括四层的AlN层、两层的GaN层和一层的Al0.5Ga0.5N层，以AlN层、Al0.5Ga0.5N层、AlN层、GaN层、AlN层、GaN层、AlN层的方式间隔分布。其中，AlN层的厚度为30nm、Al0.5Ga0.5N层的厚度为7nm、GaN层的厚度为5nm、GaN缓冲层的厚度为2μm。
本实用新型利用应变纳米夹层结构对穿透位错过滤作用，在AlN生长过程中插入厚度小于10nm的应变AlGaN或GaN纳米夹层，从而形成复合AlN成核层。在复合的AlN层中，在衬底和AlN界面产生的穿透位错会在纳米夹层界面发生倾斜而相互湮灭，从而减小上层AlN的穿透位错密度。具有纳米夹层结构的复合AlN成核层是利用材料生长中的应力结构减小位错，提高AlN成核层晶体质量与衬底种类无关，所以本实用新型的AlN复合层结构可以用于硅衬底、碳化硅衬底和蓝宝石衬底的异质外延生长。利用具有纳米夹层的AlN复合层，可以获得高晶体质量的氮化镓基缓冲层，从而改善器件的光学和电性特性，同时这种复合AlN层生长简单、与设备依赖性小可以用于氮化镓基电子器件和发光器件的外延片大量生产中。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型的技术范围作任何限制，故但凡依本实用新型的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本实用新型专利涵盖的范围之内。
Claims (6)
1.一种具有纳米夹层的氮化铝成核层结构，其特征在于：包括至少三层的氮化铝层和至少两层的纳米夹层，氮化铝层的层数大于纳米夹层的层数，氮化铝层和纳米夹层依次层叠且间隔分布，纳米夹层为AlGaN层和/或GaN层，纳米夹层的厚度范围为1-10nm。
2.根据权利要求1所述一种具有纳米夹层的氮化铝成核层结构，其特征在于：氮化铝层的厚度为15-200nm。
3.根据权利要求1所述一种具有纳米夹层的氮化铝成核层结构，其特征在于：具体为三层氮化铝层和两层纳米夹层，纳米夹层为AlGaN层，纳米夹层的厚度为5nm。
4.根据权利要求1所述一种具有纳米夹层的氮化铝成核层结构，其特征在于：具体为三层氮化铝层和两层纳米夹层，纳米夹层为GaN层，纳米夹层的厚度为3nm。
5.根据权利要求1所述一种具有纳米夹层的氮化铝成核层结构，其特征在于：具体为四层的氮化铝层和三层的纳米夹层，三层纳米夹层中至少一AlGaN层和至少一GaN层，AlGaN层的厚度为7nm，GaN层的厚度为5nm。
6.根据权利要求1所述一种具有纳米夹层的氮化铝成核层结构，其特征在于：成核层位于硅衬底、碳化硅衬底或蓝宝石衬底上。
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| CN202022058617.2U CN213150800U (zh) | 2020-09-18 | 2020-09-18 | 一种具有纳米夹层的氮化铝成核层结构 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023231566A1 (zh) * | 2022-05-30 | 2023-12-07 | 湖南三安半导体有限责任公司 | 半导体外延结构及其制备方法、半导体器件 |
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2020
- 2020-09-18 CN CN202022058617.2U patent/CN213150800U/zh active Active
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|---|---|---|---|---|
| WO2023231566A1 (zh) * | 2022-05-30 | 2023-12-07 | 湖南三安半导体有限责任公司 | 半导体外延结构及其制备方法、半导体器件 |
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