[發明專利]一種硅襯底上的III族氮化物層

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• 申請號: 201910055992.0
• 申請日: 2019-01-22
• 公開（公告）號: CN109887997A
• 公開（公告）日: 2019-06-14
• 發明（設計）人: 顧偉
• 申請（專利權）人: 江西兆馳半導體有限公司
• 主分類號: H01L29/20
• 分類號: H01L29/20;H01L29/778;H01L31/0304;H01L31/101;H01L33/32;H01S5/30
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本發明公開了一種硅襯底上的III族氮化物層，包括硅襯底，以及依次位于硅襯底上的III族氮化物緩沖層、III族氮化物底層和III族氮化物功能層；其中：所述III族氮化物底層包括有中間層和基底層，所述中間層的組分為B_xAl_yGa_1?x?yN，其中0.05≤x≤1,0≤y≤1,0≤x+y≤1，所述基底層的組分為Al_zGa_1?zN，其中0≤z≤1。本發明的優點在于：和傳統在硅襯底上生長III族氮化物層時使用的AlGaN中間層相比，由于B?N鍵比Al?N鍵具有更大的鍵強和更強的斷裂韌性，可以在生長過程中累積更多的壓縮應力，從而可以實現更大臨界斷裂厚度的III族氮化物層，進而提升了III族氮化物半導體器件的性能。

技術領域

本發明涉及半導體技術領域，尤其涉及一種硅襯底上的III族氮化物層。

背景技術

III族氮化物材料在諸多領域具有廣泛的應用前景，例如使用銦鎵氮基材料制作而成的藍光發光二極管（LED）可以實現高光效、高可靠性的固態照明，已迅速實現了產業化。使用鋁鎵氮基材料制作而成的高電子遷移率晶體管（HEMT）可以在極高頻下工作，也獲得了研究者們的廣泛關注。目前絕大多數的III族氮化物材料是依托在異質襯底上進行外延生長而實現，常用的異質襯底有藍寶石襯底、碳化硅襯底和硅襯底三種。這三種襯底各有其優缺點，其中硅襯底由于成本低廉，且可以與集成電路相關制程和設備相適配，因此極具發展潛力。但是截至目前為止，硅襯底還未能實現普遍的量產應用，主要原因是由于硅襯底與III族氮化物材料相比熱膨脹系數較小，從而在硅襯底上高溫外延生長的III族氮化物層會在降溫過程中由于收縮造成的應力而斷裂，因此難以通過常規生長方式獲得足夠厚度且無裂紋的III族氮化物層（常規生長方式下的III族氮化物層的臨界斷裂厚度僅為幾百個nm）。

后續通過研究發現，通過在III族氮化物的底層生長時插入AlGaN的中間層，可以增加III族氮化物層的臨界斷裂厚度。例如2000年Dadgar等人通過在氮化鎵（GaN）外延層中插入氮化鋁（AlN）中間層，首次實現使用金屬有機化合物化學氣相沉積機臺（MOCVD）在硅襯底上生長大于1um厚度的無裂紋III族氮化物層(Dadgar, A. et al. Japanese Journalof Applied Physics 39, L1183–L1185 (2000))。其后各研究者們陸續使用AlGaN組分漸變層、AlN/GaN超晶格層等各類AlGaN組分的中間層實現了較大厚度的無裂紋III族氮化物層的生長，在此過程中由于AlN的鍵強較大，從而比常規的氮化鎵（GaN）具有更高強度的斷裂韌性，并且由于AlGaN材料在生長過程中可以實現壓縮應力的累積，因此可以顯著提高硅襯底上的III族氮化物層的臨界斷裂厚度。但是，通過以上方式所獲得的無裂紋III族氮化物層的厚度仍僅為1~4um，與III族氮化物半導體器件的理想厚度相比仍然偏薄，從而一定程度上制約了在硅襯底上的III族氮化物半導體器件的性能。

發明內容

本發明的目的在于提供了一種硅襯底上的III族氮化物層，為了在硅襯底上實現更大厚度的無裂紋III族氮化物層的生長，需要進一步尋找抗斷裂韌性更強、且壓縮應力累積更多的材料，以改善硅襯底上生長III族氮化物層的晶體質量，進而提升III族氮化物半導體器件的性能。

為實現所述目的，本發明提供如下技術方案：一種硅襯底上的III族氮化物層，包括硅襯底，以及依次位于硅襯底上的III族氮化物緩沖層、III族氮化物底層和III族氮化物功能層；其中：所述III族氮化物底層包括有中間層和基底層，所述中間層的組分為B_xAl_yGa_1-x-yN，其中0.05≤x≤1,0≤y≤1,0≤x+y≤1，所述基底層的組分為Al_zGa_1-zN，其中0≤z≤1。

其中：所述中間層位于基底層之前、之中或之后，且所述中間層的厚度為0.3~3um，所述基底層的厚度為0.8~8um。