TWI792110B - 半導體結構及其製作方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供了一種半導體結構及其製作方法,製作方法中,先提供P型半導體層,P型半導體層包括GaN基材料;再在P型半導體層上形成第一N型半導體層,第一N型半導體層包括GaN基材料;其中,所提供的P型半導體層中,控制上表面為Ga面;形成第一N型半導體層時,控制上表面為N面。利用濕式蝕刻的方向性,使得從第一N型半導體層的N面開始刻蝕,自動停止於P型半導體層的Ga面,從而避免P型半導體層的過刻蝕以及電洞載流子濃度下降。
Description
本發明涉及半導體技術領域,尤其涉及一種半導體結構及其製作方法。
III-氮化物是繼Si、GaAs等第一、第二代半導體材料之後的第三代新型半導體材料,其中GaN作為寬禁帶半導體材料有許多優點,諸如飽和漂移速度高、擊穿電壓大、載流子輸運性能優異以及能夠形成AlGaN、InGaN三元合金和AlInGaN四元合金等,容易製作GaN基的PN結。鑒於此,近幾年來GaN基材料和半導體器件得到了廣泛和深入的研究,金屬有機化合物化學氣相沉積(Metal-organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)技術生長GaN基材料日趨成熟;在半導體器件研究方面,GaN基LED、LDs等光電子器件以及GaN基HEMT等微電子器件方面的研究都取得了顯著的成績和長足的發展。
目前GaN基半導體器件仍有改進空間。問題之一在於:P型GaN基半導體層上的接觸電極較難製作。
有鑑於此,實有必要提供一種新的半導體結構及其製作方法,以解決上述技術問題。
本發明的發明目的是提供一種半導體結構及其製作方法,提高GaN基半導體器件的性能。
為實現上述目的,本發明一方面提供一種半導體結構的
製作方法,包括:提供P型半導體層,所述P型半導體層包括GaN基材料,且上表面為Ga面;在所述P型半導體層上形成第一N型半導體層,所述第一N型半導體層包括GaN基材料,且上表面為N面;濕式蝕刻去除部分區域的第一N型半導體層,暴露所述P型半導體層。
GaN晶體為釺鋅礦結構,其中Ga、N原子層呈ABABAB六方層堆垛,每個Ga(N)原子都與周圍的4個N(Ga)原子呈類金剛石四面體結構成鍵。需要說明的是,以平行於C軸([0001]晶向)的Ga-N鍵作為參照,若每一個Ga-N鍵中的Ga原子更遠離下表面,則上表面為Ga面;若每一個Ga-N鍵中的N原子更遠離下表面,則上表面為N面。
可選地,在所述P型半導體層上形成第一N型半導體層前,激活所述P型半導體層中的P型摻雜離子。
可選地,所述P型半導體層位於第二N型半導體層上;濕式蝕刻的為基極區域的所述第一N型半導體層;所述製作方法還包括:乾式蝕刻去除集電極區域的第一N型半導體層與P型半導體層,暴露第二N型半導體層。
可選地,提供P型半導體層包括:提供半導體襯底,在所述半導體襯底上形成第二N型半導體層;在所述第二N型半導體層上形成所述P型半導體層;或包括:提供第二N型半導體層;在所述第二N型半導體層上形成所述P型半導體層。
可選地,在集電極區域的第二N型半導體層上形成集電極、在基極區域的P型半導體層上形成基極,以及在發射極區域的第一N
型半導體層上形成發射極。
可選地,在所述P型半導體層上形成上表面為N面的第一N型半導體層通過:將所述第一N型半導體層的Ga面直接與所述P型半導體層的Ga面鍵合。
可選地,在所述P型半導體層上形成上表面為N面的第一N型半導體層通過:形成第一N型半導體層的過程中,通過極性反轉的方式使所述第一N型半導體層的N面朝上。
本發明另一方面提供一種半導體結構,包括:自下而上分佈的P型半導體層與第一N型半導體層;其中:所述P型半導體層包括GaN基材料,且上表面為Ga面;所述第一N型半導體層包括GaN基材料,且上表面為N面;所述P型半導體層的Ga面的部分區域裸露。
可選地,還包括第二N型半導體層,所述P型半導體層位於所述第二N型半導體層上;集電極區域的第二N型半導體層與基極區域的P型半導體層裸露。
所述裸露的第二N型半導體層上具有集電極,P型半導體層上具有基極,所述第一N型半導體層上具有發射極。
與習知技術相比,本發明的有益效果在於:
1)本發明的半導體結構製作方法中,先提供P型半導體層,P型半導體層包括GaN基材料;再在P型半導體層上形成第一N型半導體層,第一N型半導體層包括GaN基材料;其中,所提供的P型半導體層中,控制上表面為Ga面;形成第一N型半導體層時,控制上表面為N面。利用濕式蝕刻的方向性,使得從第一N型半導體層的N面開始刻蝕,自動停止於P型半導體層的Ga面,從而避免過刻蝕。若採用乾式蝕刻,乾
式蝕刻停止時,會對P型半導體層過刻蝕;由於乾式蝕刻過程中,GaN基材料中的氮原子優先逸出,造成電子載流子數量變多,對於P型半導體層,會中和部分電洞載流子,造成電洞載流子濃度下降,甚至出現表面反型;因而相對於乾式蝕刻,濕式蝕刻可以避免形成P型半導體層的電連接結構過程中的上述問題。
2)可選方案中,在P型半導體層上形成第一N型半導體層前,激活P型半導體層中的P型摻雜離子。本方案可以為釋放的H原子提供逸出路徑,提高PN結的品質,這是因為:MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition,金屬有機化合物化學氣相沉積)技術生長P型GaN基材料時,MOCVD生長環境中存在大量的H原子,若不移除,GaN中的受主摻雜劑Mg會被大量H原子鈍化而不產生電洞;此外,大量的被鈍化、未成鍵的Mg離子會進入其上面生長的N型GaN基材料層,造成PN結結面模糊並使得部分N型GaN基材料層被補償、電子濃度降低,嚴重時會造成PN結失效。
3)可選方案中,P型半導體層位於第二N型半導體層上;濕式蝕刻的為基極區域的第一N型半導體層;製作方法還包括:乾式蝕刻去除集電極區域的第一N型半導體層與P型半導體層,暴露第二N型半導體層。換言之,本發明製作的半導體結構可以為PN結,也可以為NPN雙極電晶體。
4)可選方案中,在P型半導體層上形成上表面為N面的第一N型半導體層通過:a)將第一N型半導體層的Ga面直接與P型半導體層的Ga面鍵合;或b)形成第一N型半導體層的過程中,通過極性反轉的方式使第一N型半導體層的N面朝上。研究表明,上述兩種方法工藝可靠。
1,2,3,4,5,6:半導體結構
10:半導體襯底
11:P型半導體層
11a:P型半導體層的上表面
12:第一N型半導體層
12a:第一N型半導體層的上表面
131:正電極
132:負電極
14:第二N型半導體層
1a:集電極區域
1b:基極區域
1c:發射極區域
C:集電極
B:基極
E:發射極
S01,S1,S1',S1",S11,S2,S21,S3,S3',S4:步驟
圖1是本發明第一實施例的半導體結構的結構示意圖;圖2是圖1中的半導體結構的製作方法的流程圖;圖3是本發明第二實施例的半導體結構的結構示意圖;圖4是圖3中的半導體結構的製作方法的流程圖;圖5是本發明第三實施例的半導體結構的製作方法的流程圖;圖6是本發明第四實施例的半導體結構的結構示意圖;圖7是本發明第五實施例的半導體結構的結構示意圖;圖8是圖7中的半導體結構的製作方法的流程圖;圖9是本發明第六實施例的半導體結構的結構示意圖;圖10是本發明第七實施例的半導體結構的結構示意圖。
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更為明顯易懂,下面結合圖式對本發明的具體實施例做詳細的說明。
圖1是本發明第一實施例的半導體結構的結構示意圖。
參照圖1所示,半導體結構1包括:自下而上分佈的半導體襯底10、P型半導體層11以及第一N型半導體層12;其中:P型半導體層11包括GaN基材料,且上表面11a為Ga面;第一N型半導體層12包括GaN基材料,且上表面12a為N面;P型半導體層11的Ga面的部分區域裸露。
可以看出,本實施例中的P型半導體層11與第一N型半導體層12形成PN結。
半導體襯底10可以為藍寶石、碳化矽、矽、GaN或金剛石。
GaN基材料可以為GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN中的至少一種。
P型半導體層11的上表面11a為Ga面是指:以平行於C軸([0001]晶向)的Ga-N鍵作為參照,每一個Ga-N鍵中的Ga原子更遠離半導體襯底10。可以理解的是,此時,P型半導體層11的下表面為N面。
第一N型半導體層12的上表面12a為N面是指:以平行於C軸([0001]晶向)的Ga-N鍵作為參照,每一個Ga-N鍵中的N原子更遠離半導體襯底10。可以理解的是,此時,第一N型半導體層12的下表面為Ga面。
P型半導體層11的上表面11a的裸露區域與第一N型半導體層12的上表面12a可以形成電連接結構,例如金屬互連結構,以分別將P型半導體層11與第一N型半導體層12的電訊號引出。
對於圖1中的半導體結構1,本發明一實施例中提供了對應的製作方法。圖2為製作方法的流程圖。
首先,步驟S1:參照圖2與圖1所示,在半導體襯底10上形成P型半導體層11,P型半導體層11包括GaN基材料,且上表面11a為Ga面。
半導體襯底10可以為藍寶石、碳化矽、矽、GaN或金剛石等,本實施例對此不加以限制。
P型半導體層11的GaN基材料可以為GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN中的至少一種,本實施例對此也不加以限制。
P型半導體層11的材料以GaN為例,可以通過MOCVD技術生長。示例性地,NH3、TMGa分別為N源和Ga源,H2為載氣。具體地,可以邊生長GaN,邊進行P型離子摻雜,P型離子可以為Mg,Mg源可以為CP2Mg。其它可選方案中,P型摻雜離子可以為鈣、碳、鈹、釔和鋅中的至少一種。
一個可選方案中,可以先在半導體襯底10上生長緩衝層,再在緩衝層上生長P型半導體層11。緩衝層的設置可以減小P型半導體層11中的螺位錯(threading dislocation,TD)密度以及由於橫向生長機制導致的TD彎曲。
一個可選方案中,實現P型半導體層11的上表面11a為Ga面可以通過:形成P型半導體層11的過程中,通過外延生長方式使P型半導體層11的Ga面朝上。
接著,步驟S2:仍參照圖2與圖1所示,在P型半導體層11上形成第一N型半導體層12,第一N型半導體層12包括GaN基材料,且上表面12a為N面。
第一N型半導體層12的GaN基材料參照P型半導體層11的GaN基材料,兩者材料可以相同,也可以不同。
第一N型半導體層12的材料以GaN為例,可以通過MOCVD技術生長。示例性地,NH3、TMGa分別為N源和Ga源,H2為載氣。N型摻雜離子可以為矽、鍺和氧中的至少一種。
一個可選方案中,實現第一N型半導體層12的上表面12a為N面可以通過:將第一N型半導體層12的Ga面直接與P型半導體層11的Ga面鍵合。
在一個可選方案中,用於鍵合的第一N型半導體層12外延層,可通過如下方法製備:製備上表面為Ga面的GaN基材料外延層過程中設置犧牲層,然後在該犧牲層上繼續製備預定厚度的上表面為Ga面的GaN基材料外延層。該犧牲層可例如多孔GaN、H注入後的GaN等。製備完成後,通過退火、活化等工藝,該犧牲層上方的上表面為Ga面的GaN基材料外延層可從犧牲層處剝離,剝離後的上表面為Ga面的GaN基材料外延層與犧牲層接觸的面即為N面。
一個可選方案中,實現第一N型半導體層12的上表面
12a為N面可以通過:形成第一N型半導體層12的過程中,通過極性反轉方式使第一N型半導體層12的N面朝上。
極性反轉方式是指:首先外延生長上表面12a為Ga面的第一N型半導體層12;接著在外延生長的同時添加極性反轉元素,極性反轉元素例如為Mg等,實現N面朝上。
此外,還可以:首先在P型半導體層11上製作極性反轉層,材料例如為Al2O3;接著在極性反轉層上繼續生長GaN基材料,實現N面朝上。
再接著,步驟S3:仍參照圖2與圖1所示,濕式蝕刻去除部分區域的第一N型半導體層12,暴露P型半導體層11。
濕式蝕刻溶液例如為KOH溶液,它在N表面上是腐蝕性的,但在Ga表面上是非腐蝕性的。由於P型半導體層11的上表面為Ga面,因而刻蝕工序可以自動停止在P型半導體層11的上表面,不會出現對P型半導體層11的過刻蝕。
習知技術中,一般採用乾式蝕刻對第一N型半導體層12進行圖形化。乾式蝕刻停止時,會對P型半導體層11過刻蝕。由於乾式蝕刻過程中,GaN基材料中的氮原子優先逸出,造成P型半導體層11中的電子載流子數量變多,會中和部分電洞載流子,造成電洞載流子濃度下降,甚至出現表面反型。因而相對於乾式蝕刻,濕式蝕刻可以避免圖形化過程中的上述問題。
後續工序中,還可以繼續在P型半導體層11的上表面11a的裸露區域與第一N型半導體層12的上表面12a形成電連接結構,例如金屬互連結構,以分別將P型半導體層11與第一N型半導體層12的電訊號引出。
圖3是本發明第二實施例的半導體結構的結構示意圖。參照圖3所示,本實施例二的半導體結構2與實施例一的半導體結構1大
致相同,區別僅在於:省略了半導體襯底10。
需要說明的是,以平行於C軸([0001]晶向)的Ga-N鍵作為參照,若每一個Ga-N鍵中的Ga原子更遠離下表面,則上表面為Ga面。
圖4是圖3中的半導體結構的製作方法的流程圖。參照圖4所示,本實施例二的製作方法與實施例一的製作方法大致相同,區別僅在於:步驟S1':提供P型半導體層11,P型半導體層11包括GaN基材料,且上表面11a為Ga面。換言之,本實施例的P型半導體層11可以為現成的半導體中間結構。
圖5是本發明第三實施例的半導體結構的製作方法流程圖。參照圖5與圖2所示,本實施例三的製作方法與實施例一、二的製作方法大致相同,區別僅在於:增加步驟S11,激活P型半導體層11中的P型摻雜離子。步驟S11在步驟S1與S2之間進行。
P型摻雜離子可以為鎂,激活可以通過高溫退火、活化實現。MOCVD技術生長P型GaN基材料時,由於MOCVD生長環境中存在大量的H原子,若H原子無法釋放,則GaN中的受主摻雜劑Mg容易與H原子形成共價鍵而無法產生電洞,即被H原子鈍化。本步驟P型半導體層11上表面11a無遮擋,因而容易釋放H原子,大量P型摻雜離子Mg可與GaN基材料中的原子形成共價鍵,即被激活而避免鈍化。
此外,大量的Mg與GaN基材料中的原子形成共價鍵,也能避免游離態的Mg離子進入其上面生長的第一N型GaN基材料層,提高PN結品質。
圖6是本發明第四實施例的半導體結構的結構示意圖。本實施例四的半導體結構3與實施例一、二、三的半導體結構1、2大致相同,區別僅在於:P型半導體層11的上表面11a的裸露區域具有正電極131,第一N型半導體層12的上表面12a具有負電極132。
正電極131與P型半導體層11之間,負電極132與第一N型半導體層12之間都為歐姆接觸。
正電極131與負電極132的材料都可以為金屬或經摻雜後導電性能佳的半導體材料。
對應地,對於製作方法,包括:步驟S4,在P型半導體層11的上表面11a的裸露區域形成正電極131,第一N型半導體層12的上表面12a形成負電極132。
正電極131與負電極132的形成方法可以為電鍍或金屬沉積法。
圖7是本發明第五實施例的半導體結構的結構示意圖。參照圖7所示,本實施例五的半導體結構4與實施例一、二、四的半導體結構1、3大致相同,區別僅在於:半導體襯底10為第二N型半導體層14;第一N型半導體層12位於發射極區域1c,集電極區域1a的第二N型半導體層14與基極區域1b的P型半導體層11裸露。
其它實施例中,若省略半導體襯底10,則半導體結構4包括:自下而上分佈的第二N型半導體層14、P型半導體層11以及第一N型半導體層12。
可以看出,第二N型半導體層14、P型半導體層11與第一N型半導體層12形成NPN雙極電晶體。
圖8是圖7中的半導體結構的製作方法的流程圖。參照圖8與圖2所示,區別僅在於:步驟S01,提供第二N型半導體層14;步驟S1",在第二N型半導體層14上形成P型半導體層11,P型半導體層11包括GaN基材料,且上表面11a為Ga面;步驟S21,乾式蝕刻去除集電極區域1a的第一N型半導體層12與P型半導體層11,暴露第二N型半導體層14;步驟S3',濕式蝕刻去除基極區域1b的第一N型半導體層12,暴露P
型半導體層11。
步驟S01中,第二N型半導體層14可以為GaN基材料,GaN基材料可以為GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN中的至少一種。本實施例不限定第二N型半導體層14中GaN共價鍵的方向。
先執行步驟S21,後執行步驟S3'。步驟S21中,乾式蝕刻可以為ICP刻蝕法,反應氣體可以為Cl2,輔助氣體可以為N2。
乾式蝕刻停止時,會對第二N型半導體層14過刻蝕,但由於乾式蝕刻過程中,GaN基材料中的氮原子優先逸出,造成電子載流子數量變多,對於第二N型半導體層14,會降低表面的電阻率,有利於降低第二N型半導體層14上的電連接結構的接觸電阻。
圖9是本發明第六實施例的半導體結構的結構示意圖。本實施例六的半導體結構5與實施例五的半導體結構4大致相同,區別僅在於:裸露的第二N型半導體層14上具有集電極C,P型半導體層11上具有基極B,第一N型半導體層12上具有發射極E。
集電極C與第二N型半導體層14之間,基極B與P型半導體層11之間,發射極E與第一N型半導體層12之間都為歐姆接觸。
集電極C、基極B與發射極E的材料都可以為金屬或經摻雜後導電性能佳的半導體材料。
圖10是本發明第七實施例的半導體結構的結構示意圖。參照圖10所示,本實施例七的半導體結構6與實施例六的半導體結構5、實施例五的半導體結構4大致相同,區別僅在於:還包括第二N型半導體層14,第二N型半導體層14位於半導體襯底10上。
在半導體襯底10上形成第二N型半導體層14的方法,可以為MOCVD法。本實施例不限定第二N型半導體層14中GaN共價鍵的方向。
雖然本發明披露如上,但本發明並非限定於此。任何本領域技術人員,在不脫離本發明的精神和範圍內,均可作各種更動與修改,因此本發明的保護範圍應當以申請專利範圍所限定的範圍為準。
S1',S2,S3:步驟
Claims (5)
- 一種半導體結構的製作方法,其特徵在於,包括:提供P型半導體層,所述P型半導體層包括GaN基材料,且上表面為Ga面;在所述P型半導體層上形成第一N型半導體層,所述第一N型半導體層包括GaN基材料,且上表面為N面;濕式蝕刻去除部分區域的第一N型半導體層,暴露所述P型半導體層;其中,在所述P型半導體層上形成上表面為N面的第一N型半導體層通過:將所述第一N型半導體層的Ga面直接與所述P型半導體層的Ga面鍵合;其中,利用濕式蝕刻的方向性,使得從第一N型半導體層的N面開始刻蝕,自動停止於P型半導體層的Ga面。
- 如請求項1所述的半導體結構的製作方法,其中,在所述P型半導體層上形成第一N型半導體層前,激活所述P型半導體層中的P型摻雜離子。
- 如請求項1所述的半導體結構的製作方法,其中,所述P型半導體層位於第二N型半導體層上;濕式蝕刻的為基極區域的所述第一N型半導體層;所述製作方法還包括:乾式蝕刻去除集電極區域的第一N型半導體層與P型半導體層,暴露第二N型半導體層。
- 如請求項1所述的半導體結構的製作方法,其中,提供P型半導體層包括:提供半導體襯底,在所述半導體襯底上形成第二N型半導體層;在所述第二N型半導體層上形成所述P型半導體層; 或包括:提供第二N型半導體層;在所述第二N型半導體層上形成所述P型半導體層。
- 如請求項3或4所述的半導體結構的製作方法,其中,在集電極區域的第二N型半導體層上形成集電極、在基極區域的P型半導體層上形成基極,以及在發射極區域的第一N型半導體層上形成發射極。
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