[發(fā)明專利]硅襯底上以三族氮化物為主材的半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng)方法及器件

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200710021000.X
• 申請(qǐng)日: 2007-04-06
• 公開（公告）號(hào): CN101075556A
• 公開（公告）日: 2007-11-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張雄
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 無(wú)錫藍(lán)星電子有限公司
• 主分類號(hào): H01L21/205
• 分類號(hào): H01L21/205;C30B25/18;C30B29/38
• 代理公司: 無(wú)錫市大為專利商標(biāo)事務(wù)所
• 代理人: 時(shí)旭丹;劉品超

技術(shù)領(lǐng)域

一種硅襯底上以三族氮化物為主材的半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng)方法及器件，具體地說，是關(guān)于用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延法(以下簡(jiǎn)稱MOCVD方法)在硅襯底上生長(zhǎng)三族氮化物半導(dǎo)體的晶體的方法及器件。屬于半導(dǎo)體材料及器件技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

近年來(lái)，為制備高效率，高亮度的綠，藍(lán)，紫及紫外發(fā)光二極管(簡(jiǎn)稱LED)和激光器，三族氮化物半導(dǎo)體材料受到極大的關(guān)注和研發(fā)。而作為生長(zhǎng)三族氮化物半導(dǎo)體材料的方法，MOCVD方法得到廣泛的應(yīng)用。

目前在一個(gè)典型的MOCVD生長(zhǎng)過程中，三族氮化物半導(dǎo)體材料一般是外延生長(zhǎng)在異質(zhì)的藍(lán)寶石(sapphire)襯底上。但是，由于藍(lán)寶石是一種高硬度的絕緣體物質(zhì)，在藍(lán)寶石上制作三族氮化物半導(dǎo)體器件是一件很不簡(jiǎn)單的事情。為克服這一缺點(diǎn)，硅作為一種高質(zhì)量，大尺寸，低成本及具有與其它光電子器件集成能力的材料，已經(jīng)被提議用作生長(zhǎng)三族氮化物半導(dǎo)體材料及器件的襯底。然而，因?yàn)樵谌宓锇雽?dǎo)體材料和硅襯底之間，存在著巨大的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)的不匹配，在硅襯底上生長(zhǎng)三族氮化物半導(dǎo)體材料確實(shí)是一件更加困難的事情。為了解決這一難題，在過去的十年里，人們嘗試了在硅襯底和三族氮化物半導(dǎo)體材料之間加入多種不同的緩沖中間層材料。其中包括非晶硅及多重緩沖層的復(fù)合體(參見參考文獻(xiàn)當(dāng)中的美國(guó)專利6,524,932和論文Appl.Phys.Lett.Vol.74，1999，pp.1984-1986)，氮化鋁(美國(guó)專利5,239,188及5,389,571和論文Appl.Phys.Lett.Vol.72，1998，pp.415-417)，碳化硅(論文Appl.Phys.Lett.Vol.69，1996，pp.2264-2266)，氮化的砷化鎵(論文Appl.Phys.Lett.Vol.69，1996，pp.3566-3568)，氧化的砷化鋁(論文Appl.Phys.Lett.Vol.71，1997，pp.3569-3571)，以及嘎瑪相的氧化鋁(論文Appl.Phys.Lett.Vol.72，1998，pp.109-111)。特別是，通過采用氮化鋁作為緩沖中間層和MOCVD外延技術(shù)，最近有人報(bào)導(dǎo)已成功地在硅襯底上長(zhǎng)出了三族氮化物半導(dǎo)體藍(lán)色發(fā)光二極管(論文Appl.Phys.Lett.Vol.80，2002，pp.3670-3672)。但是，該藍(lán)色發(fā)光二極管的起動(dòng)電壓及亮度，都還達(dá)不到用MOCVD外延技術(shù)生長(zhǎng)的藍(lán)寶石基藍(lán)色發(fā)光二極管的水平。這主要是因?yàn)榈X是一種絕緣材料，導(dǎo)致高起動(dòng)電壓。另外也因?yàn)楣枰r底本身會(huì)吸收發(fā)光二極管發(fā)出的從綠色到紫外色的光，導(dǎo)致亮度變小。為了解決這一問題，最近有人嘗試用二硼化鋯(ZrB₂)單晶體作為襯底，來(lái)生長(zhǎng)三族氮化物半導(dǎo)體材料(論文Jpn.J.Appl.Phys.Vol.40，2001，pp.L1280-L1282)。與氮化鋁和硅相比，二硼化鋯具有與氮化鎵非常接近的晶格常數(shù)和相當(dāng)良好的導(dǎo)電性。尤其是二硼化鋯對(duì)從綠色到紫外色的光具有100％的反射率，因而被認(rèn)為是一種理想的襯底材料，用于生長(zhǎng)三族氮化物半導(dǎo)體材料。然而，制備二硼化鋯單晶體需要在極端的高溫條件下(大于1,700℃)，且單晶體的直徑通常小于1厘米。所以在目前情況下，二硼化鋯單晶體還并不能夠替代藍(lán)寶石或硅來(lái)作為生長(zhǎng)三族氮化物半導(dǎo)體的襯底材料。因此，為了提高三族氮化物半導(dǎo)體的晶體品質(zhì)和制作高質(zhì)量的發(fā)光二極管，激光器等光電器件，我們有必要進(jìn)一步改善三族氮化物半導(dǎo)體的晶體生長(zhǎng)方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是在針對(duì)上述存在的問題，和提供三族氮化物半導(dǎo)體材料和相關(guān)器件的生長(zhǎng)方法的目的下作出的。三族氮化物半導(dǎo)體材料是生長(zhǎng)在高質(zhì)量，大尺寸，低成本(與藍(lán)寶石，碳化硅或二硼化鋯相比)的硅襯底上，可以發(fā)射和探測(cè)波長(zhǎng)范圍從綠色到紫外色的光，并可運(yùn)用成熟的器件制備工藝流程生產(chǎn)，還具有與其它光電子器件共同集成在同一個(gè)硅晶片上的潛在應(yīng)用能力。

本發(fā)明的另一目的是提供硅基三族氮化物半導(dǎo)體材料的晶體生長(zhǎng)方法和相關(guān)器件的制作方法，制備高質(zhì)量的p型和n型半導(dǎo)體薄層，以形成優(yōu)良的p-n結(jié)，用于生產(chǎn)低起動(dòng)電壓，高輸出功率(高亮度)的優(yōu)質(zhì)三族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光器件，激光器，光探測(cè)器，場(chǎng)效應(yīng)三極管和其它光電子器件。

本發(fā)明的技術(shù)方案：所提供的晶體生長(zhǎng)方法，硅襯底上的三族氮化物為主材的半導(dǎo)體的晶體生長(zhǎng)步驟為：

將(111)面硅襯底放入MOCVD反應(yīng)爐，在氫氣氛圍中，加熱至高溫(在900℃以上)，熱處理至少10分鐘；