[发明专利]一种硅衬底上的III族氮化物层

说明书

本发明公开了一种硅衬底上的III族氮化物层，包括硅衬底，以及依次位于硅衬底上的III族氮化物缓冲层、III族氮化物底层和III族氮化物功能层；其中：所述III族氮化物底层包括有中间层和基底层，所述中间层的组分为B_xAl_yGa_1‑x‑yN，其中0.05≤x≤1,0≤y≤1,0≤x+y≤1，所述基底层的组分为Al_zGa_1‑zN，其中0≤z≤1。本发明的优点在于：和传统在硅衬底上生长III族氮化物层时使用的AlGaN中间层相比，由于B‑N键比Al‑N键具有更大的键强和更强的断裂韧性，可以在生长过程中累积更多的压缩应力，从而可以实现更大临界断裂厚度的III族氮化物层，进而提升了III族氮化物半导体器件的性能。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种硅衬底上的III族氮化物层。

背景技术

III族氮化物材料在诸多领域具有广泛的应用前景，例如使用铟镓氮基材料制作而成的蓝光发光二极管（LED）可以实现高光效、高可靠性的固态照明，已迅速实现了产业化。使用铝镓氮基材料制作而成的高电子迁移率晶体管（HEMT）可以在极高频下工作，也获得了研究者们的广泛关注。目前绝大多数的III族氮化物材料是依托在异质衬底上进行外延生长而实现，常用的异质衬底有蓝宝石衬底、碳化硅衬底和硅衬底三种。这三种衬底各有其优缺点，其中硅衬底由于成本低廉，且可以与集成电路相关制程和设备相适配，因此极具发展潜力。但是截至目前为止，硅衬底还未能实现普遍的量产应用，主要原因是由于硅衬底与III族氮化物材料相比热膨胀系数较小，从而在硅衬底上高温外延生长的III族氮化物层会在降温过程中由于收缩造成的应力而断裂，因此难以通过常规生长方式获得足够厚度且无裂纹的III族氮化物层（常规生长方式下的III族氮化物层的临界断裂厚度仅为几百个nm）。

后续通过研究发现，通过在III族氮化物的底层生长时插入AlGaN的中间层，可以增加III族氮化物层的临界断裂厚度。例如2000年Dadgar等人通过在氮化镓（GaN）外延层中插入氮化铝（AlN）中间层，首次实现使用金属有机化合物化学气相沉积机台（MOCVD）在硅衬底上生长大于1um厚度的无裂纹III族氮化物层(Dadgar, A. et al. Japanese Journalof Applied Physics 39, L1183–L1185 (2000))。其后各研究者们陆续使用AlGaN组分渐变层、AlN/GaN超晶格层等各类AlGaN组分的中间层实现了较大厚度的无裂纹III族氮化物层的生长，在此过程中由于AlN的键强较大，从而比常规的氮化镓（GaN）具有更高强度的断裂韧性，并且由于AlGaN材料在生长过程中可以实现压缩应力的累积，因此可以显著提高硅衬底上的III族氮化物层的临界断裂厚度。但是，通过以上方式所获得的无裂纹III族氮化物层的厚度仍仅为1~4um，与III族氮化物半导体器件的理想厚度相比仍然偏薄，从而一定程度上制约了在硅衬底上的III族氮化物半导体器件的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种硅衬底上的III族氮化物层，为了在硅衬底上实现更大厚度的无裂纹III族氮化物层的生长，需要进一步寻找抗断裂韧性更强、且压缩应力累积更多的材料，以改善硅衬底上生长III族氮化物层的晶体质量，进而提升III族氮化物半导体器件的性能。

为实现所述目的，本发明提供如下技术方案：一种硅衬底上的III族氮化物层，包括硅衬底，以及依次位于硅衬底上的III族氮化物缓冲层、III族氮化物底层和III族氮化物功能层；其中：所述III族氮化物底层包括有中间层和基底层，所述中间层的组分为B_xAl_yGa_1-x-yN，其中0.05≤x≤1,0≤y≤1,0≤x+y≤1，所述基底层的组分为Al_zGa_1-zN，其中0≤z≤1。

其中：所述中间层位于基底层之前、之中或之后，且所述中间层的厚度为0.3~3um，所述基底层的厚度为0.8~8um。