[發(fā)明專利]第Ⅳ族襯底表面上的氮化物半導體元件層結構

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200880022501.2
• 申請日: 2008-04-28
• 公開（公告）號: CN101689483A
• 公開（公告）日: 2010-03-31
• 發(fā)明（設計）人: 阿明·達德加;阿洛伊斯·克羅斯特
• 申請（專利權）人: 阿祖羅半導體股份公司
• 主分類號: H01L21/20
• 分類號: H01L21/20
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所
• 代理人: 賈靜環(huán)

技術領域

本發(fā)明涉及氮化物半導體元件，其具有在第IV族襯底表面例如硅、鍺、金剛 石、或者第IV族半導體體系中的混合晶體上的第III族氮化物層結構。

背景技術

目前，現(xiàn)有技術中已知并且可以購得在具有(111)襯底表面的硅襯底上外延生 長的c軸取向的氮化鎵GaN。

更多的新近發(fā)展也實現(xiàn)了硅(100)襯底表面上的外延生長，但是晶體質(zhì)量較差。 使用硅(100)面作為第III族氮化物層結構的襯底表面應用于微電子中是令人感興趣 的，因為例如這可以簡化GaN基元件至硅電子產(chǎn)品中的集成。

此外，在提到在襯底表面上生長時——正如該術語在本專業(yè)領域內(nèi)的常見含 義——其出發(fā)點是：這種生長是以外延方式進行或完成的。眾所周知，外延沉積 層采用其所生長的襯底的晶格結構，或者根據(jù)由該襯底預定的對稱性定向生長， 并且在厚度為單層至數(shù)微米的晶格失配的情況下也會采用晶格常數(shù)。因此，當下 文中提到在襯底表面生長時，另外解釋術語“外延”的含義是不必要的。已知的非外 延沉積工藝(例如濺射)可形成非晶或者多晶，在最好的情況下是形成織構化的但是 非單晶的層，而這樣的層不適合目前的光電元件標準。

已經(jīng)有零星的關于第III族氮化物在鍺和金剛石上生長的報導，同時這種方式 的生長對于氮化物半導體元件的某些應用而言也具有一些優(yōu)點。這些優(yōu)點包括， 例如：不存在所謂的回熔蝕刻(meltback-etching)，以及在金剛石的情況下相當高的 熱導率。金剛石和鍺作為襯底材料的缺點是它們的價格比硅高得多，另外鍺的熔 化溫度較低，低于1000℃。

在硅(111)尤其是在硅(001)上制成的第III族氮化物半導體層的質(zhì)量一般不如仍 然主要使用的在具有六方晶體結構的藍寶石或者碳化硅襯底上的質(zhì)量。質(zhì)量較差 的一個原因是GaN晶體或任選用作形核層(Keimschicht)的AlN晶體在硅表面上的 晶格匹配較差，尤其是其在硅表面上的扭轉(zhuǎn)(Verdrehnung)，也稱為“twist”。在1μm 的層生長之后，這也經(jīng)常導致刃位錯密度超過10⁹cm^-2。

由于晶體質(zhì)量差，在Si(100)上生產(chǎn)薄膜元件(如高效LED、FET或MEMS)是 難以實現(xiàn)的，以及由于通過蝕刻難以移除襯底，在Si(111)上生產(chǎn)薄膜元件的可能 性也低，正如例如通過局部蝕刻傳感器用的硅以蝕刻出細小的結構一樣困難。此 時，在Si(111)上僅可以使用強侵蝕性溶液(例如基于濃HF和濃HNO₃的溶液)以濕 法化學方式蝕刻晶面，這在薄膜應用的情況下造成加工和保護轉(zhuǎn)移襯底 (Transfersubstat)以及轉(zhuǎn)移層(Transferschicht)非常困難。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，通過具有第III族氮化物層結構的氮化物半導體元件 可以解決所述問題，所述層結構外延沉積在由立方的第IV族襯底材料制成的具有 第IV族襯底表面的襯底上，其中當不考慮表面重構時，該第IV族襯底表面的單 位晶格(Elementarzelle)具有C2對稱，但是不具有比C2對稱更高的旋轉(zhuǎn)對稱，其中 第III族氮化物層結構在直接鄰接第IV族襯底表面處具有由GaN或AlN構成的或 者由三元或四元的Al_1-x-yIn_xGa_yN構成的籽晶層(Ankeimschicht)，其中0≤x，y＜1并 且x+y≤1。在后一種情況下，該籽晶層也由AlINGaN、AlInN、InGaN或AlGaN制 備。

在本文中，氮化物半導體元件涉及具有第III族氮化物層結構的半導體元件。 第III族氮化物層結構為這樣的層結構：在不同的實施方式中，其包括一個第III 族氮化物層或多個第III族氮化物層。因此，在一個實施方式中，該第III族氮化物 層結構由單個第III族氮化物層構成。第III族氮化物層為由包含至少一種第III族 元素和氮的化合物構成的材料層。除了氮之外，還可以以下列用量含有其他第V 族元素：氮總是占材料中第V族原子的至少50％。在第III族氮化物中第III族元 素與第V族元素的原子比為1∶1。雖然混合除了氮以外的第V族元素可以用來進 一步減少晶格失配，但是也可能僅僅是由于氮化物半導體元件的具體應用的需要。