[发明专利]变质基板体系、其制备方法以及III-氮化物半导体器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种基板结构，并且尤其是涉及用于III-氮化物材料体系如(Al，Ga，In)N材料体系的基板结构。本发明还涉及制备基板结构体的方法，并且特别是涉及用于III-氮化物材料体系如(Al，Ga，In)N材料体系的基板结构体的制备。本发明还涉及结合有本发明的基板体系的III-氮化物半导体器件——本发明的基板体系可以作为用于制备下列各项的基板使用：光电子半导体器件如发光二极管(LED)、激光二极管(LD)和太阳能电池，或者电子半导体器件如异质结构场效应晶体管(HFET)或者高电子迁移率晶体管(HEMT)。

通过(Al，Ga，In)N意指通式Al_xGa_yIn_(1-x-y)N的化合物，其中0≤x≤1并且0≤y≤1。为方便起见，可以将指数x和y省略以使得，例如，AlGaInN表示具有非零摩尔分数的Al、Ga和In的化合物，AlGaN表示具有非零摩尔分数的Al和Ga以及零摩尔分数的In等。

背景技术

由于其六方晶体结构、低成本、良好的可获得性和物理坚固性，蓝宝石(氧化铝Al2O3的一种晶形)目前是在其上面形成由III-氮化物半导体制成的高亮度蓝色LED所选择的基板。然而，对于该应用它决不是完美的，因为尽管蓝宝石和III-氮化物来自相同的六方晶族，但它们具有不同的晶系和异质晶体化学关系，即，蓝宝石被归为III-氮化物半导体的异质基板。(根据对称性将晶体划分为7个不同的晶系；在三维空间中存在七个晶系，即：三斜、单斜、正交、四方、三方、六方和立方)。生长在蓝宝石上的蓝色LED器件受到具有非常高的螺纹位错密度的困扰，其典型地高于10⁸cm^-2，这继而导致器件效率上的急剧下降。这些位错的形成主要归因于GaN与蓝宝石之间14％的晶格大小差异。

LED工业典型地采用低温生长的AlN或GaN缓冲层作为部分克服GaN与蓝宝石之间晶格差异的手段。例如，美国专利4855249提出了根据其中首先在基板上生长AlN缓冲层的技术在蓝宝石基板上生长AlGaN膜，并且美国专利5290393提出了在蓝宝石基板上使用AlN、GaN或GaAlN缓冲层。然而，仍然产生非常高密度的螺纹位错。

蓝色LED在硅基板上的形成也受相同的问题的困扰，但是达到大得多的程度，这归因于它们差异巨大的晶系和异质晶体化学关系。

在其中器件层与基板不匹配的若干其他III-V材料体系中，例如InAlAs晶体管，采用变质缓冲层防止位错穿入到器件中。变质缓冲层可以描述为设置在基板与一个或多个器件层之间的中间区域，并且拥有在基板与器件层之间晶格大小上的渐次变化，或者，更确切地，它渐次地将基板晶格大小变换为器件晶格大小。例如，美国专利3862859提出了一种半导体器件，其中在基板与器件层之间设置插入层。该插入层由具有基本上与器件层相同的晶格常数的材料形成，并且将插入层的生长打断以使得插入层由在每对相邻层之间存在生长界面的多个外延层组成。美国专利3862859提出了每个层将具有比前一层更少的位错。作为进一步的实例，美国专利6818928提出了在III-V基板如GaAs上使用变质III-V半导体缓冲层。缓冲层具有在组成上渐次降低的四元组分(例如，在组成上渐次变化的AlGaInAs)和在组成上渐次升高的三元组分(例如，在组成上渐次变化的AlInAs)，以通过使缓冲层的晶格大小渐次变化减少螺纹位错。这些现有技术仅适用于具有相同晶系的晶格失配材料(例如闪锌矿)。

美国专利4088515提出了在基板上生长的GaAs/GaAsP超晶格结构。该超晶格的平均晶格参数与在其上生长有超晶格缓冲层的基板的平均晶格参数相匹配，从而在超晶格与基板之间不产生错配位错。

存在关于在另外的异质基板与III-氮化物LED器件结构体之间使用Al₂O₃薄层以减少螺纹位错并提高器件效率的报道(JJAP 43，1930-19332004和APL 94，222105，2009)。然而，这样的中间层不改变面内晶格参数，也不起变质层的作用。