[发明专利]GaN膜结构及其制造方法和包括其的半导体器件

说明书

技术领域

本发明的一个或多个实施方式涉及氮化镓(GaN)膜结构、制造GaN膜结构的方法以及包括GaN膜结构的半导体器件，更具体地，涉及制造GaN薄层的方法、利用该方法制造的GaN膜结构以及包括该GaN膜结构的半导体器件，其中通过该方法高品质的GaN层可以利用悬置在基板上的电极层而生长在大面积基板上。

背景技术

氮化镓(GaN)可以是III-V化合物半导体材料。一般地，与由其它化合物半导体材料形成的半导体器件相比，基于GaN的半导体器件可具有更高的击穿电压和更高的高温稳定性。因而，基于GaN的半导体器件广泛用于高功率装置或易受高温影响的装置中。此外，由于其优良的发光效果，GaN在半导体激光器件和发光二极管(LED)器件中普遍使用。然而，结晶GaN可能相对困难。

GaN可以利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或氢化物气相外延(HVPE)方法制造在具有六方晶系的异质基板上，诸如蓝宝石(Al₂O₃)或硅碳化物(SiC)基板。然而，因为到目前为止，Al₂O₃或SiC基板以大约2英寸的小尺寸使用，所以大量生产GaN晶体可能是困难的，因而阻碍了GaN晶体的制造成本降低。尽管新近发展趋势将2英寸基板转换成4英寸基板，但是4英寸基板仍然昂贵。此外，当GaN晶体生长成大面积时，基板会由于基板与GaN之间的热膨胀系数差异而容易变形，因而阻碍了GaN晶体的形成。

在另一方法中，已经提出了在例如硅(Si)基板上生长GaN晶体。然而，因为Si和GaN之间的晶格常数和热膨胀系数存在大的差异，所以生长的GaN晶体会具有相当高的晶体缺陷密度并使得频繁的出现裂缝。当相对便宜的玻璃基板用作基板时，因为该基板会由于大约1000℃以上的高生长温度而大变形，所以众所周知，在非晶基板诸如玻璃基板上生长GaN层几乎是不可能的。因此，已经对克服上述问题并以低成本生产高品质GaN晶体的方法进行了大量研究。

发明内容

本发明的一个或多个实施方式包括制造氮化镓(GaN)薄层的方法，通过该方法，可以在大面积基板上生长高品质GaN层。

本发明的一个或多个实施方式包括利用上述方法制造的GaN膜结构以及包括该GaN膜结构的半导体器件。

在以下的描述中将部分地阐述其它方面，部分将通过该描述变得明显或者可以通过对所呈现的实施方式的实践而习知。

根据本发明的一个或多个实施方式，GaN膜结构包括：基板；设置在基板上的至少两个支撑件；第一缓冲层，配置为在至少两个支撑件上延伸；电极层，设置在第一缓冲层上；第二缓冲层，设置在电极层上；以及GaN薄层，设置在第二缓冲层上。至少一个气体腔形成在基板与第一缓冲层之间。

第一缓冲层可以由铝氮化物(AlN)或硅氮化物(SiN_X)形成。

此外，电极层可以由钼(Mo)、钛(Ti)、钌(Ru)、铬氮化物(CrN)或钽氮化物(TaN)形成。

第二缓冲层可以由铝氮化物(AlN)形成。

GaN膜结构还可以包括插置在第二缓冲层与GaN薄层之间的应变补偿层。

GaN膜结构还可以包含插置在应变补偿层与GaN薄层之间的GaN缓冲层。

根据本发明的一个或多个实施方式，一种半导体器件包括上述GaN膜结构。

根据本发明的一个或多个实施方式，半导体发光器件包括：基板；设置在基板上的至少两个支撑件；第一缓冲层，配置为在至少两个支撑件上延伸；下电极层，设置在第一缓冲层上；第二缓冲层，设置在下电极层上；n-GaN层，设置在第二缓冲层上；有源层，设置在n-GaN层上；P-GaN层，设置在有源层上；以及P-电极层，设置在p-GaN层上。至少一个气体腔形成在基板与第一缓冲层之间。

下电极层的一部分可以通过移除部分的第二缓冲层、n-GaN层、有源层、p-GaN以及p-电极层而暴露。

根据本发明的一个或多个实施方式，一种半导体压电传感器包括：基板；设置在基板上的至少两个支撑件；第一缓冲层，配置为在至少两个支撑件上延伸；下电极层，设置在第一缓冲层上；第二缓冲层，设置在下电极层上；GaN薄层，设置在第二缓冲层上；以及上电极层，设置在GaN薄层上。至少一个气体腔形成在基板与第一缓冲层之间。