[发明专利]半导体外延结构及其生长方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种半导体外延结构及其生长方法。

背景技术

宽禁带半导体材料氮化镓由于具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、击穿场强高、导热性能好等特点，所以比硅和砷化镓更适合于制作高温、高频、高压和大功率的器件。氮化镓器件在高频大功率微波器件方面有很好的应用前景，从20世纪90年代至今，氮化镓器件的研制一直是电子器件研究的热点之一。

由于本征衬底的缺乏，III-V族氮化物通常都是生长在异质衬底上，比如说蓝宝石、碳化硅、硅、锗、铌酸锂等等。由于氮化物和这些异质材料直接的晶格失配和热失配，异质外延生长出来的氮化物材料通常都有很多的缺陷，包括龟裂、位错、杂质等等。其中，异质外延生长得到的氮化物中的位错密度通常都在1E8/cm²以上，甚至超过1E9/cm²。

这些大量的位错会大大降低器件的性能，比如说在LED结构中，位错是有源区非辐射复合的重要原因之一。为了提高LED的内量子效率，降低位错密度是非常重要的。

在现有技术中，人们使用了很多种办法来降低位错密度，包括成核层的优化、侧向外延和各种不同的插入层技术。氮化硅(SiN)插入层技术是一种广为应用的一种办法，在SiN插入层得到优化后，它可以把位错的密度降低一个数量级。

但是，氮化硅(SiN)插入层的制备通常是通过在MOVPE系统内，混合NH₃和SiH₄或者Si₂H₆等气体得到。但是，人们也发现，氮化镓表面可以被SiH₄或者Si₂H₆腐蚀，引起表面的起伏，降低SiN插入层的效能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体外延结构及其生长方法。所述外延层结构为含有复合插入层的结构，在SiN插入层的下面，另外引入一层铝镓氮插入层，由于铝镓氮层的保护作用，下面的氮化物层（如：氮化镓）就不会被被SiH₄或者Si₂H₆腐蚀，除了降低氮化物的位错密度外，还可以起到进一步提高氮化物晶体质量的作用。

为了实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：

本发明公开了一种半导体外延结构，包括：

形成于衬底上的成核层；

形成于所述成核层上的氮化物层，所述氮化物层包括第一氮化物层和第二氮化物层；

位于所述第一氮化物层和第二氮化物层之间的插入层，所述插入层包括第一插入层和位于所述第一插入层上方的第二插入层，所述第一插入层为铝镓氮层，所述第二插入层为氮化硅层。

作为本发明的进一步改进，所述第一插入层的厚度大于等于一个原子层的厚度.

作为本发明的进一步改进，所述第一插入层中铝的组分大于等于1%。

作为本发明的进一步改进，所述第一插入层中铝的组分均匀分布，或随着厚度的变化而变化，或是形成多层结构或者超晶格结构。

作为本发明的进一步改进，所述第二插入层中含有铝元素。

作为本发明的进一步改进，所述半导体外延结构还包括形成于所述氮化物层上的有源区，所述有源区选自铟镓氮/镓氮多量子阱结构和p型氮化物构成的发光二极管、铝镓氮/氮化镓异质结构成的高电子迁移率晶体管、铝镓铟氮/氮化镓异质结构成的高电子迁移率晶体管、氮化铝/氮化镓异质结构成的高迁移率三极管、氮化镓MOSFET、UV-LED、光电探测器、氢气产生器或太阳能电池。

作为本发明的进一步改进，所述成核层为铝镓氮层、铝铟镓氮层、氮化铝层或氮化镓层。

作为本发明的进一步改进，所述氮化物层为氮化镓层、铝铟镓氮层或铝镓氮层。

作为本发明的进一步改进，所述第一插入层中掺杂有硅或锗，以实现n型掺杂。

作为本发明的进一步改进，所述氮化物层中掺杂有硅和/或锗，以实现n型掺杂。

作为本发明的进一步改进，所述衬底为蓝宝石、碳化硅、硅、铌酸锂、绝缘衬底硅、氮化镓或氮化铝中的一种。

本发明还公开了一种半导体外延结构的生长方法，包括：

（1）提供一衬底；

（2）在所述衬底上生长成核层；

（3）在所述成核层上生长第一氮化物层；

（4）在所述第一氮化物层上生长第一插入层；

（5）在所述第一插入层上生长第二插入层；

（6）在所述第二插入层上生长第二氮化物层。