[發明專利]半導體外延結構及其生長方法

有效

• 申請號: 201210327147.2
• 申請日: 2012-09-06
• 公開（公告）號: CN102851734A
• 公開（公告）日: 2013-01-02
• 發明（設計）人: 程凱
• 申請（專利權）人: 程凱
• 主分類號: C30B25/02
• 分類號: C30B25/02;H01L21/20;H01L33/00
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 常亮

技術領域

本發明屬于半導體技術領域，具體涉及一種半導體外延結構及其生長方法。

背景技術

寬禁帶半導體材料氮化鎵由于具有禁帶寬度大、電子飽和漂移速度高、擊穿場強高、導熱性能好等特點，所以比硅和砷化鎵更適合于制作高溫、高頻、高壓和大功率的器件。氮化鎵器件在高頻大功率微波器件方面有很好的應用前景，從20世紀90年代至今，氮化鎵器件的研制一直是電子器件研究的熱點之一。

由于本征襯底的缺乏，III-V族氮化物通常都是生長在異質襯底上，比如說藍寶石、碳化硅、硅、鍺、鈮酸鋰等等。由于氮化物和這些異質材料直接的晶格失配和熱失配，異質外延生長出來的氮化物材料通常都有很多的缺陷，包括龜裂、位錯、雜質等等。其中，異質外延生長得到的氮化物中的位錯密度通常都在1E8/cm²以上，甚至超過1E9/cm²。

這些大量的位錯會大大降低器件的性能，比如說在LED結構中，位錯是有源區非輻射復合的重要原因之一。為了提高LED的內量子效率，降低位錯密度是非常重要的。

在現有技術中，人們使用了很多種辦法來降低位錯密度，包括成核層的優化、側向外延和各種不同的插入層技術。氮化硅(SiN)插入層技術是一種廣為應用的一種辦法，在SiN插入層得到優化后，它可以把位錯的密度降低一個數量級。

但是，氮化硅(SiN)插入層的制備通常是通過在MOVPE系統內，混合NH₃和SiH₄或者Si₂H₆等氣體得到。但是，人們也發現，氮化鎵表面可以被SiH₄或者Si₂H₆腐蝕，引起表面的起伏，降低SiN插入層的效能。

發明內容

本發明的目的在于提供一種半導體外延結構及其生長方法。所述外延層結構為含有復合插入層的結構，在SiN插入層的下面，另外引入一層鋁鎵氮插入層，由于鋁鎵氮層的保護作用，下面的氮化物層（如：氮化鎵）就不會被被SiH₄或者Si₂H₆腐蝕，除了降低氮化物的位錯密度外，還可以起到進一步提高氮化物晶體質量的作用。

為了實現上述目的，本申請提供的技術方案如下：

本發明公開了一種半導體外延結構，包括：

形成于襯底上的成核層；

形成于所述成核層上的氮化物層，所述氮化物層包括第一氮化物層和第二氮化物層；

位于所述第一氮化物層和第二氮化物層之間的插入層，所述插入層包括第一插入層和位于所述第一插入層上方的第二插入層，所述第一插入層為鋁鎵氮層，所述第二插入層為氮化硅層。

作為本發明的進一步改進，所述第一插入層的厚度大于等于一個原子層的厚度.

作為本發明的進一步改進，所述第一插入層中鋁的組分大于等于1%。

作為本發明的進一步改進，所述第一插入層中鋁的組分均勻分布，或隨著厚度的變化而變化，或是形成多層結構或者超晶格結構。

作為本發明的進一步改進，所述第二插入層中含有鋁元素。

作為本發明的進一步改進，所述半導體外延結構還包括形成于所述氮化物層上的有源區，所述有源區選自銦鎵氮/鎵氮多量子阱結構和p型氮化物構成的發光二極管、鋁鎵氮/氮化鎵異質結構成的高電子遷移率晶體管、鋁鎵銦氮/氮化鎵異質結構成的高電子遷移率晶體管、氮化鋁/氮化鎵異質結構成的高遷移率三極管、氮化鎵MOSFET、UV-LED、光電探測器、氫氣產生器或太陽能電池。

作為本發明的進一步改進，所述成核層為鋁鎵氮層、鋁銦鎵氮層、氮化鋁層或氮化鎵層。

作為本發明的進一步改進，所述氮化物層為氮化鎵層、鋁銦鎵氮層或鋁鎵氮層。

作為本發明的進一步改進，所述第一插入層中摻雜有硅或鍺，以實現n型摻雜。

作為本發明的進一步改進，所述氮化物層中摻雜有硅和/或鍺，以實現n型摻雜。

作為本發明的進一步改進，所述襯底為藍寶石、碳化硅、硅、鈮酸鋰、絕緣襯底硅、氮化鎵或氮化鋁中的一種。

本發明還公開了一種半導體外延結構的生長方法，包括：

（1）提供一襯底；

（2）在所述襯底上生長成核層；

（3）在所述成核層上生長第一氮化物層；

（4）在所述第一氮化物層上生長第一插入層；

（5）在所述第一插入層上生長第二插入層；

（6）在所述第二插入層上生長第二氮化物層。