CN214043599U - 含Al氮化物半导体结构及器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种含Al氮化物半导体结构及器件，包括衬底、缓冲层及氮化铝层，在衬底中心区域上形成缓冲层，在衬底边缘区域留有空白区域，基于含Al氮化物层和衬底之间的较大的晶格失配，易形成多晶材料，可充分释放生长含Al氮化物层的应力，降低裂纹向中心区域的含Al氮化物层延伸的概率；缓冲层表面的缓冲层岛状结构，可进一步的释放缓冲层上生长含Al氮化物层的应力，以及有利于含Al氮化物层外延并生长出高质量的含Al氮化物层；在将缓冲层进行图形化后，外延生长含Al氮化物层时可进行侧向生长，从而可进一步提高含Al氮化物层的晶体质量。本实用新型可解决含Al氮化物层的裂纹问题，且可提高晶体质量，提高产品性能和良率。

Description

含Al氮化物半导体结构及器件

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，特别是涉及一种含Al氮化物半导体结构及器件。

背景技术

含Al氮化物属于第三代宽禁带半导体材料，具有禁带宽度高，电阻率高，击穿电场高，热导率高，介电系数小，电子饱和速率高以及抗辐射能力高等优点，是优异的高温高频和大功率器件用电子材料。如AlN/AlGaN(AlN和/或AlGaN)晶体具有稳定的六方纤锌矿结构，晶格常数

AlN/AlGaN在含Al半导体材料中具有最大的直接带隙，约6.2eV，是重要的蓝光和紫外发光材料，并且，沿c轴取向的AlN/AlGaN具有非常好的压电特性和声表面波高速传播性，是优异的声表面波器件用压电材料，同时，AlN/AlGaN晶体与氮化镓晶体有非常接近的晶格常数和热膨胀系数，是外延生长AlGaN光电器件的优选衬底材料。

虽然含Al氮化物具有诸多的优点，但是由于制备含Al氮化物需要高温高压设备以及精准的源流量控制系统，因此含Al氮化物材料非常难以制备。目前，商用气相沉积含Al氮化物采用高温沉积设备，一般地沉积的含Al氮化物薄膜厚度越厚，含Al氮化物薄膜的晶体质量越好。而当制备的含Al氮化物薄膜到一定厚度时，因为含Al氮化物和衬底之间的晶格失配较大，容易形成表面裂纹，而且裂纹易从衬底边缘产生，随着厚度的增加，裂纹从边缘区域往中心区域延伸，从而影响表面良率。为了获得晶体质量较高的含Al氮化物薄膜，需要增加薄膜的厚度，但容易引入裂纹而导致表面良率较差，而为了获得较高的表面良率，降低含Al氮化物薄膜的厚度，又会导致含Al氮化物薄膜的晶体质量较差。

因此，提供了一种含Al氮化物半导体结构及器件，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含Al氮化物半导体结构及器件，用于解决现有技术中由于含Al氮化物薄膜生长的矛盾，难以获得高质量的无裂纹的含Al氮化物薄膜，导致含Al氮化物薄膜的应用受限的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种含Al氮化物半导体器件，所述含Al氮化物半导体器件包括：

衬底，所述衬底包括衬底中心区域及衬底边缘区域，所述衬底边缘区域位于所述衬底中心区域的外围；

缓冲层，所述缓冲层位于所述衬底中心区域并覆盖所述衬底中心区域，且所述缓冲层的表面具有缓冲层岛状结构；

含Al氮化物层，所述含Al氮化物层覆盖所述缓冲层及衬底边缘区域。

可选地，所述缓冲层包括周期性排布的凹槽。

可选地，所述凹槽的宽度为0.2μm～2μm，所述凹槽的间距为0.5μm～10μm，所述凹槽的深度为0.01μm～1.0μm。

可选地，所述缓冲层岛状结构为纳米级缓冲层岛状结构。

可选地，所述衬底中心区域的边缘与所述衬底边缘区域的边缘的间距为L，且10mm≥L≥0.2mm。

可选地，所述缓冲层包括AlN层、AlGaN层、GaN层、InGaN层及AlInGaN层中的一种或组合，所述缓冲层的厚度为0.01μm～1.0μm。

可选地，所述含Al氮化物层包括AlN层及AlGaN层中的一种或组合。

可选地，所述含Al氮化物层包括位于所述缓冲层上的单晶含Al氮化物层，以及位于所述衬底边缘区域上的多晶含Al氮化物层。

本实用新型还提供一种含Al氮化物半导体器件，所述含Al氮化物半导体器件包括上述任一所述含Al氮化物半导体结构。

如上所述，本实用新型的含Al氮化物半导体结构及器件，含Al氮化物半导体结构包括衬底、缓冲层及含Al氮化物层，其中，衬底包括衬底中心区域及衬底边缘区域，缓冲层位于衬底中心区域并覆盖衬底中心区域，且缓冲层的表面具有缓冲层岛状结构，含Al氮化物层覆盖缓冲层及衬底边缘区域。本实用新型在衬底中心区域上形成缓冲层，在衬底边缘区域留有空白区域，从而在制备含Al氮化物层时，使得部分含Al氮化物层可直接与衬底表面接触，从而基于含Al氮化物层和衬底之间的较大的晶格失配，容易生长出多晶含Al氮化物层，以充分释放生长含Al氮化物层时的应力，降低裂纹向中心区域的含Al氮化物层延伸的概率；缓冲层表面由于具有缓冲层岛状结构，从而缓冲层岛状结构可以进一步的释放缓冲层上生长含Al氮化物层时的应力，且岛状结构有利于生长出高质量的单晶含Al氮化物层；进一步的，在将缓冲层进行图形化后，外延生长含Al氮化物层时可以进行侧向生长，从而可以进一步提高位于缓冲层上的含Al氮化物层的晶体质量。本实用新型可解决含Al氮化物层的裂纹问题，且可提高含Al氮化物层的晶体质量，从而可提高产品性能和良率。

附图说明

图1显示为实施例一中制备含Al氮化物半导体结构的工艺流程图。

图2显示为实施例一中形成缓冲层后的结构示意图。

图3显示为实施例一中进行预处理形成缓冲层岛状结构后的结构示意图。

图4显示为实施例一中去除部分缓冲层显露衬底边缘区域后的结构示意图。

图5显示为图4的俯视结构示意图。

图6显示为实施例一中形成含Al氮化物层后的结构示意图。

图7显示为实施例二中形成凹槽后的结构示意图。

图8显示为图7的俯视结构示意图。

图9显示为实施例二中形成含Al氮化物层后的结构示意图。

元件标号说明

100、110 衬底

200、210 缓冲层

201、211 缓冲层岛状结构

212 凹槽

300、310 含Al氮化物层

301、311 缓冲层上的含Al氮化物层

302、312 衬底边缘区域上的含Al氮化物层

A 衬底中心区域

B 衬底边缘区域

L 间距

具体实施方式

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。

如在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。本文使用的“介于……之间”表示包括两端点值。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

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，遂图示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，其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

参阅图1，本实施例提供一种含Al氮化物半导体结构的制备方法，通过在衬底中心区域上形成缓冲层，在衬底边缘区域为空白区域，从而在制备含Al氮化物层时，使得衬底边缘区域上的含Al氮化物层直接与衬底表面接触，从而基于含Al氮化物层和衬底之间的较大的晶格失配，容易生长出多晶含Al氮化物层，以充分释放生长含Al氮化物层的应力，降低裂纹向中心区域延伸的概率；缓冲层表面由于具有缓冲层岛状结构，从而缓冲层岛状结构可以进一步的释放中心区域生长含Al氮化物层时的应力，且岛状结构有利于生长出高质量的单晶含Al氮化物层。本实施例可解决含Al氮化物层的裂纹问题，且可提高含Al氮化物层的晶体质量，从而可提高产品性能和良率。

以下通过具体步骤及附图，进行相应的说明，具体包括：

首先，参阅图2，提供衬底100，所述衬底100包括衬底中心区域A及衬底边缘区域B，所述衬底边缘区域B位于所述衬底中心区域A的外围。

具体的，所述衬底100可包括蓝宝石衬底、SiC衬底、Si衬底、ZnO衬底及GaN衬底中的一种或组合，具体可根据需要进行选择，此处不作过分限制。本实施例中，优选采用蓝宝石衬底，但并非局限于此

接着，形成缓冲层200，所述缓冲层200覆盖所述衬底100的表面。

具体的，所述缓冲层200可包括AlN层、AlGaN层、GaN层、InGaN层及AlInGaN层中的一种或组合。所述缓冲层200的厚度为0.01μm～1.0μm，如0.01μm、0.05μm、0.1μm、0.2μm、0.25μm、0.4μm、0.5μm及1.0μm等任何范围内的值，具体可根据需要进行选择。

接着，参阅图3，进行预处理，在所述缓冲层200的表面形成缓冲层岛状结构201。

具体的，所述预处理可采用原位腐蚀或化学溶液腐蚀，关于所述预处理的具体工艺，可参阅现有技术进行操作，此处不作赘述。其中，所述缓冲层200在经所述预处理后，会在所述缓冲层200的表面形成缓冲层岛状结构201，使得所述缓冲层200的表面粗糙化，通过所述缓冲层岛状结构201则可有效的释放后续在所述缓冲层200上生长的含Al氮化物层的应力，以有利于生长出高质量的单晶含Al氮化物层。其中，优选获得的所述缓冲层岛状结构201为纳米级缓冲层岛状结构，所述缓冲层岛状结构201的具体尺寸及形貌，可根据需要对所述预处理的工艺进行控制获得，此处不作过分限制。

接着，参阅图4，去除位于所述衬底边缘区域A上的所述缓冲层200，以显露所述衬底边缘区域B。

具体的，去除所述衬底边缘区域B的工艺可采用常规的刻蚀法，通过去除部分所述缓冲层200，可显露部分边缘区域的所述衬底100，以在所述衬底100上形成空白区域，从而在后续制备所述含Al氮化物层时，可使得位于所述衬底边缘区域B上的所述含Al氮化物层直接与所述衬底100的表面相接触，以基于所述含Al氮化物层和所述衬底100之间较大的晶格失配，易于在所述衬底边缘区域B上可生长出多晶含Al氮化物层，以充分释放生长所述含Al氮化物层的应力，降低裂纹向中心区域的所述含Al氮化物层延伸的概率，便于在所述缓冲层200上制备高质量的单晶含Al氮化物层。

其中，如图5所示，所述衬底中心区域A的边缘与所述衬底边缘区域B的边缘的间距为L，其中，优选所述L的取值为10mm≥L≥0.2mm，如0.2mm、0.5mm、1mm、2mm、5mm及10mm等任何范围内的值，以便于后续形成的所述含Al氮化物层可与显露的所述衬底100之间具有足够的接触面积，以释放应力，且尽可能的提高中心区域获得的所述含Al氮化物层的收率。

接着，参阅图6，形成覆盖所述缓冲层200及衬底边缘区域B的含Al氮化物层300。

具体的，本实施例中，形成的所述含Al氮化物层300包括位于所述缓冲层200上的含Al氮化物层301及位于所述衬底边缘区域B上的含Al氮化物层302，且所述含Al氮化物层301为单晶含Al氮化物层，所述含Al氮化物层302为多晶含Al氮化物层。其中，通过位于所述衬底边缘区域B且与所述衬底100直接接触的所述含Al氮化物层302，可使得所述衬底100与所述含Al氮化物层302之间具有较大的晶格失配，从而容易在所述衬底边缘区域B上生长出多晶含Al氮化物层，以充分释放生长所述含Al氮化物层300的应力，降低裂纹向中心区域的所述含Al氮化物层301延伸的概率，便于在所述缓冲层200上制备高质量的单晶含Al氮化物层，但并非局限于此，所述含Al氮化物层300也可仅覆盖所述缓冲层200，此处不做过分限制。

参阅图7，本实施例还提供一种含Al氮化物半导体器件，所述含Al氮化物半导体器件可采用上述制备方法形成，但并非局限于此，本实施例中所述含Al氮化物半导体器件采用上述制备方法形成，因此有关所述含Al氮化物半导体器件的具体制备及结构等，此处不作赘述。

具体的，所述含Al氮化物半导体器件包括衬底100、缓冲层200及含Al氮化物层300，所述衬底100包括衬底中心区域A及衬底边缘区域B，所述衬底边缘区域B位于所述衬底中心区域A的外围；所述缓冲层200位于所述衬底中心区域A并覆盖所述衬底中心区域A，且所述缓冲层200的表面具有缓冲层岛状结构201；所述含Al氮化物层覆盖所述缓冲层200及衬底边缘区域B。

作为示例，所述含Al氮化物层300包括位于所述缓冲层200上的含Al氮化物层301以及位于所述衬底边缘区域B上的含Al氮化物层302，且所述含Al氮化物层301为单晶含Al氮化物层，所述含Al氮化物层302为多晶含Al氮化物层。

具体的，由于所述衬底100与所述含Al氮化物层302之间具有较大的晶格失配，从而可在所述衬底边缘区域B上可生长出多晶含Al氮化物层，以充分释放生长所述含Al氮化物层300的应力，降低裂纹向中心区域的所述含Al氮化物层301延伸的概率，便于在所述衬底中心区域A上制备高质量的单晶含Al氮化物层，但并非局限于此，所述含Al氮化物层300也可仅覆盖所述缓冲层200，此处不做过分限制。

作为示例，所述缓冲层岛状结构201为纳米级缓冲层岛状结构。

具体的，通过所述缓冲层岛状结构201，可使得所述缓冲层200的表面粗糙化，以通过所述缓冲层岛状结构201可有效的释放在所述缓冲层200上所生长的所述含Al氮化物层301的应力，以有利于生长出高质量的单晶含Al氮化物层。其中，优选获得的所述缓冲层岛状结构201为纳米级缓冲层岛状结构，但所述缓冲层岛状结构201的具体尺寸及形貌并非局限于此。

作为示例，所述衬底中心区域A的边缘与所述衬底边缘区域B的边缘的间距为L，且10mm≥L≥0.2mm，如0.2mm、0.5mm、1mm、2mm、5mm及10mm等任何范围内的值，以便于所述含Al氮化物层302可与显露的所述衬底100之间具有足够的接触面积，以释放应力，且尽可能的提高中心区域获得的所述含Al氮化物层301的收率。

作为示例，所述缓冲层200包括AlN层、AlGaN层、GaN层、InGaN层及AlInGaN层中的一种或组合。

作为示例，所述缓冲层200的厚度为0.01μm～1.0μm，如0.01μm、0.05μm、0.1μm、0.2μm、0.25μm、0.4μm、0.5μm及1.0μm等任何范围内的值，具体可根据需要进行选择。

本实施例还提供一种含Al氮化物半导体器件，所述含Al氮化物半导体器件包括所述含Al氮化物半导体结构，有关所述含Al氮化物半导体结构的制备等，此处不作赘述。

具体的，所述含Al氮化物半导体器件可包括紫外探测器、高电子迁移率晶体管、紫外发光二极管(LED)等，本实施例中，以紫外LED作为示例，其中，紫外LED具有良好的杀菌作用，其杀菌的原理是利用LED产生的适当波长紫外线对细菌的脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)的分子键进行破坏，破坏原有细菌菌落并阻止细菌的复制繁殖，以达到杀死细菌的目的。紫外杀菌技术利用高强度深紫外线照射，能够将各种细菌、病毒、寄生虫、水藻以及其他病原体直接杀死，因此可应用于民生、医疗以及生产制造行业。

本实施例还提供一种含Al氮化物半导体器件的制备方法，所述含Al氮化物半导体器件的制备方法包括采用上述方法制备所述含Al氮化物半导体结构，并基于所述含Al氮化物半导体结构制备所述含Al氮化物半导体器件，有关所述含Al氮化物半导体结构的制备等，此处不作赘述。

实施例二

参阅图7～图9，本实施例还提供另一种含Al氮化物半导体结构及器件，与实施例一的不同之处主要在于：本实施例中，在进行预处理之后及形成含Al氮化物层310之前，具有图形化缓冲层210的步骤，从而在所述缓冲层210内形成周期性排布的凹槽212，以使得位于所述缓冲层210上的含Al氮化物层311在进行外延生长时可以进行侧向生长，从而可以进一步提高所述含Al氮化物层311的晶体质量。本实施例可解决所述含Al氮化物层311的裂纹问题，且可提高所述含Al氮化物层311的晶体质量，从而可提高产品性能和良率。

具体的，首先，参阅图7，在衬底110上形成图形化的所述缓冲层210，且所述缓冲层210的表面具有缓冲层岛状结构211，具体制备及结构可参阅实施例一，此处不作赘述。

接着，参阅图7及图8，图形化所述缓冲层210，以形成周期性排布的凹槽212，其中，所述凹槽212的宽度为0.2μm～2μm，如0.2μm、0.5μm、1μm及2μm等任何范围内的值，所述凹槽212的间距为0.5μm～10μm，如0.5μm、1μm、2μm、5μm、10μm等任何范围内的值，其中，所述凹槽212的相貌可包括圆形、椭圆及多边形中的一种或组合，如三角形、正方形、五边形及六边形等孔状结构，此处不作过分限制。所述凹槽212的深度为0.01μm～1.0μm，如0.01μm、0.05μm、0.1μm、0.2μm、0.25μm、0.4μm、0.5μm及1.0μm等任何范围内的值。通过所述凹槽212，可使得位于所述缓冲层210上的所述含Al氮化物层310在进行外延生长时可以进行侧向生长，从而可以进一步提高位于所述缓冲层210上的所述含Al氮化物层310的晶体质量。

接着，参阅图9，形成所述含Al氮化物层310，所述含Al氮化物层310覆盖所述缓冲层210及衬底边缘区域B。其中，所述含Al氮化物层310包括位于所述缓冲层210上的含Al氮化物层311以及位于所述衬底边缘区域B上的含Al氮化物层312，且所述含Al氮化物层311为单晶含Al氮化物层，所述含Al氮化物层312为多晶含Al氮化物层。

其中，通过所述缓冲层岛状结构211，有利于释放在所述缓冲层210上生长所述含Al氮化物层311的应力，以有利于生长出高质量的单晶含Al氮化物层。通过所述衬底边缘区域B的空白区域，在制备所述含Al氮化物层310时，可使得所述衬底边缘区域B上的所述含Al氮化物层312直接与所述衬底110表面接触，从而由于所述含Al氮化物层312和所述衬底110之间的晶格失配较大，容易生长出多晶含Al氮化物层，以充分释放生长含Al氮化物层的应力，降低裂纹向中心区域延伸的概率。通过所述含Al氮化物层312可使得所述衬底110与所述含Al氮化物层312之间具有较大的晶格失配，从而容易在所述衬底边缘区域B上生长出多晶含Al氮化物层，以充分释放中心区域生长所述含Al氮化物层311的应力，降低裂纹向中心区域的所述含Al氮化物层311延伸的概率，便于在所述缓冲层210上制备高质量的单晶含Al氮化物层，但并非局限于此，所述含Al氮化物层310也可仅覆盖所述缓冲层210，此处不做过分限制。

有关所述含Al氮化物半导体结构及器件均可参阅实施例一，此处不作赘述。

综上所述，本实用新型的含Al氮化物半导体结构及器件，含Al氮化物半导体结构包括衬底、缓冲层及含Al氮化物层，其中，衬底包括衬底中心区域及衬底边缘区域，缓冲层位于衬底中心区域并覆盖衬底中心区域，且缓冲层的表面具有缓冲层岛状结构，含Al氮化物层覆盖缓冲层及衬底边缘区域。本实用新型在衬底中心区域上形成缓冲层，在衬底边缘区域留有空白区域，从而在制备含Al氮化物层时，使得部分含Al氮化物层可直接与衬底表面接触，从而基于含Al氮化物层和衬底之间的较大的晶格失配，容易生长出多晶含Al氮化物层，以充分释放生长含Al氮化物层的应力，降低裂纹向中心区域的含Al氮化物层延伸的概率；缓冲层表面由于具有缓冲层岛状结构，从而缓冲层岛状结构可以进一步的释放缓冲层上生长含Al氮化物层的应力，岛状结构有利于生长出高质量的单晶含Al氮化物层；进一步的，在将缓冲层进行图形化后，含Al氮化物层可以进行侧向生长，从而可以进一步提高位于缓冲层上的含Al氮化物层的晶体质量。本实用新型可解决含Al氮化物层的裂纹问题，且可提高含Al氮化物层的晶体质量，从而可提高产品性能和良率。

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)

1.一种含Al氮化物半导体结构，其特征在于，所述含Al氮化物半导体结构包括：

衬底，所述衬底包括衬底中心区域及衬底边缘区域，所述衬底边缘区域位于所述衬底中心区域的外围；

缓冲层，所述缓冲层位于所述衬底中心区域并覆盖所述衬底中心区域，且所述缓冲层的表面具有缓冲层岛状结构；

含Al氮化物层，所述含Al氮化物层覆盖所述缓冲层及衬底边缘区域。

2.根据权利要求1所述的含Al氮化物半导体结构，其特征在于：所述缓冲层包括周期性排布的凹槽。

3.根据权利要求2所述的含Al氮化物半导体结构，其特征在于：所述凹槽的宽度为0.2μm～2μm，所述凹槽的间距为0.5μm～10μm，所述凹槽的深度为0.01μm～1.0μm。

4.根据权利要求1所述的含Al氮化物半导体结构，其特征在于：所述缓冲层岛状结构为纳米级缓冲层岛状结构。

5.根据权利要求1所述的含Al氮化物半导体结构，其特征在于：所述衬底中心区域的边缘与所述衬底边缘区域的边缘的间距为L，且10mm≥L≥0.2mm。

6.根据权利要求1所述的含Al氮化物半导体结构，其特征在于：所述缓冲层包括AlN层、AlGaN层、GaN层、InGaN层及AlInGaN层中的一种或组合，所述缓冲层的厚度为0.01μm～1.0μm。

7.根据权利要求1所述的含Al氮化物半导体结构，其特征在于：所述含Al氮化物层包括AlN层及AlGaN层中的一种或组合。

8.根据权利要求1所述的含Al氮化物半导体结构，其特征在于：所述含Al氮化物层包括位于所述缓冲层上的单晶含Al氮化物层，以及位于所述衬底边缘区域上的多晶含Al氮化物层。

9.一种含Al氮化物半导体器件，其特征在于：所述含Al氮化物半导体器件包括权利要求1～8中任一所述含Al氮化物半导体结构。

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