基於氮化鎵的裝置和製造方法

2023-07-27 06:39:46 2

專利名稱：基於氮化鎵的裝置和製造方法
技術領域：
本發明涉及氮化物半導體結構和裝置及其製造方法。
背景技術：
氮化物半導體如氮化鎵和相關半導體被廣泛視為所需要的寬帶隙化合物半導體。這些材料已用在光電裝置中，如發光二極體(「LED」)、雷射二極體和光電二極體，而且也已用在非光電裝置中，如場效電晶體(「FET」)和電場發射器。在光電裝置中，此材料的寬帶隙允許可見光到紫外線範圍的發光或吸光。在電子裝置中，氮化鎵和相關材料提供高電子遷移率並可在非常高的信號頻率下操作。
氮化物半導體通常藉助於在基板上外延生長而形成。在外延生長過程中，將待形成的半導體膜組分沉積在晶狀基板上，使得沉積的半導體材料具有在基板晶體結構上圖樣化的晶體結構，各種外延生長過程使用用於將所述材料輸送到該基板表面的不同技術。例如，在反應性濺射中，在含氮大氣中從鄰近基板的金屬濺射標靶移去半導體的金屬組分(例如，鎵、鋁或銦)。在稱為金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)的方法中，使基板暴露於含金屬有機化合物和反應性含氮氣體(最常為氨)的大氣中，同時使基板處於高溫，通常為大約700-1100℃。在這些條件下，化合物分解，在表面上保留金屬氮化物半導體作為結晶材料的薄膜。在膜生長後，將基板及生長膜冷卻並進一步處理以形成最終裝置。
為提供具有相當少晶體缺陷的高質量氮化物半導體膜，用於晶體生長的基板在理論上應具有等同於待生長氮化物半導體的晶格空間(晶格中相鄰原子間的空間)。如果基板的晶格空間大體上不同於生長膜，則生長膜在晶格中將具有缺陷如位錯(dislocation)。同時，基板應具有等於或大於待生長氮化物半導體熱膨脹係數，使得在基板和氮化物半導體在生長後冷卻到室溫時，基板的收縮程度大於膜，而使膜受壓。如果基板之熱膨脹係數大體上小於生長膜，則膜的收縮趨於超過基板，在膜和基板冷卻時使膜受拉。這會在膜中引起裂縫。
基於氮化鎵的半導體最常是在結晶藍寶石晶圓(wafer)上生長。儘管藍寶石與氮化鎵之間有相當大的晶格失配，但在藍寶石上可得到令人滿意的結果。理論上，碳化矽是針對高質量氮化鎵生長的較理想材料，因為其具有較小的晶格失配。此外，碳化矽具有比藍寶石高的熱導率，這有助於從最終裝置散熱。但是，目前高質量結晶碳化矽晶圓非常昂貴，而且不能得到直徑大於約100毫米(4英寸)的大尺寸晶圓。
高質量矽基板普遍以合理成本得到。但是，矽的晶格空間並未與氮化鎵良好匹配。而且，矽具有比氮化鎵小的熱膨脹係數，使得在膜和基板冷卻到室溫時，在矽上生長的氮化鎵膜裂開。此外，矽基板是相當不良的電絕緣體。當沉積的氮化物半導體用於特定電子裝置(如FET)時，基板造成顯著的裝置電損失並限制裝置性能。鑑於這些原因，矽尚未廣泛用作生成氮化物半導體的基板。
已提出各種建議以抵償氮化物半導體與矽之間的晶格失配和熱膨脹失配。例如，Nitronics，國際公開案WO第02/48434號建議使用在矽基板上形成的「組分上級配的過渡層」並將氮化鎵材料沉積於過渡性級配層上。所述過渡層可含有氮化鋁銦鎵、氮化銦鎵、或氮化鋁鎵，鋁、銦、與鎵的比例從相鄰基板的背表面到半導體生長的前表面有所變化。此組分上級配層可包括「超晶格」，即，具在組分上具有周期性變化(例如，不同量的鋁、銦和鎵)的結晶結構。
Feltin等人，″Stress Control In GaN Grown On Silicon(111)By MetalOrganic Vapor Phase Epitaxy，″Applied Physics Letters，第79卷，第20期，第3230-3232頁(2001年11月12日)所教示的另一種方法是利用與矽基板直接接觸的氮化鋁緩衝層。將以下各物沉積在氮化鋁緩衝層上一層氮化鎵、接著是包括氮化鋁與氮化鎵交互層的超晶格、進一步接著是氮化鎵層和超晶格，最後是處在在結構頂部的一層氮化鎵，其構成待生長的活性半導體層。根據Feltin等人的論文，該方法產生高質量活性層。
儘管先前技術中存在這些和其他努力，但是仍然難以在矽基板上生成高質量的基於氮化鎵的半導體。此外，在矽基板上從基於氮化鎵的半導體製造的裝置如FET，遭受了因矽基板本身引起的性能問題。

發明內容
本發明之一個部分提供一種製造半導體結構的方法，其包括以下步驟將少量鋁直接沉積在矽基板上以提供經鋁保護的基板，然後將氮化物半導體晶核形成層沉積在經鋁保護的基板上。此晶核形成層最佳是由具有主要由鋁組成的金屬內容物(最佳為實質上純氮化鋁)的氮化物半導體形成。根據本發明此部分的方法較佳為進一步包括以下步驟在晶核形成層上使包括一或多種氮化物半導體超晶格的緩衝結構外延生長，然後使包括一或多種基於氮化鎵的半導體的有效結構在緩衝結構上外延生長。
本發明的另一部分提供製造半導體結構的方法，其包括以下步驟將氮化物半導體晶核形成層沉積在矽基板上，並使包括一或多種氮化物半導體超晶格的緩衝結構在晶核形成層上外延生長，使得氮化物半導體的第一超晶格直接在晶核形成層上生長而無需插入層。本方法進一步包括使包括一或多種基於氮化鎵的半導體的有效結構在緩衝結構上外延生長的步驟。緩衝結構生長步驟最佳包括在緩衝結構的第一超晶格上生成基於氮化鎵半導體的中間層，並在此中間層上生成氮化物半導體的第二超晶格。根據本發明的最佳方法組合上述兩個部分。因此通過首先在基板上沉積一些鋁，然後沉積氮化物半導體以形成晶核形成層而形成，並且緩衝結構包括與晶核形成層直接接觸的第一超晶格。
根據本發明前述部分的方法可在操作結構中提供高質量的基於氮化鎵的半導體。雖然本發明不受任何操作理論限制，但認為超晶格將壓縮應變引入結構中的基於氮化鎵的半導體材料中，從而防止基於氮化鎵的半導體層裂開。此外，也認為超晶格充當「過濾器」，其限制晶格缺陷如螺旋位錯從結構下層向上到處在頂部的操作結構中的傳播。認為這些因素有助於在有效結構中基於氮化鎵的半導體的高晶體質量。此外，認為超晶格趨於限制矽擴散到基於氮化鎵的半導體中。如以下進一步論述，這預防了操作結構中的半導體與來自基板的矽的意外、非想要的摻雜。也認為在晶核形成層與第一超晶格之間不存在氮化鎵插入層的情況下，將緩衝結構的第一超晶格置於晶核形成層上，進一步抑制了晶體缺陷的形成，並因而提高了晶體質量。另外認為在晶核形成層沉積之前用鋁預處理所述基板可保護基板不被氨蝕刻。但是，不論何種操作機理，根據本發明此部分的較佳方法可在矽基板上形成高質量的氮化物半導體膜。
本發明的相關部分提供合併了以下各物的半導體結構矽基板、直接覆在此基板上的鋁層、和直接覆在此鋁層上的氮化物半導體晶核形成層，以及包括一或多種覆在晶核形成層上的超晶格的緩衝結構和包括一或多種覆在緩衝結構上的基於氮化鎵的半導體的操作結構。
根據本發明另一部分的半導體結構並有以下各物矽基板、覆在此基板上的氮化物半導體晶核形成層，和緩衝結構(並有直接覆在晶核形成層上的第一超晶格)，以及操作結構(包括一或多種覆在緩衝結構上的基於氮化鎵的半導體)。在此，最佳結構合併了本發明的兩個部分，因而包括直接覆在晶核形成層上的第一超晶格和晶核形成層與基板之間的鋁層。緩衝結構最佳包括第一超晶格、覆在第一超晶格上的基於氮化鎵的半導體(最佳為純氮化鎵)中間層，和覆在中間層上的第二超晶格。希望超晶格由根據式AlRGa(1-R)N的多層半導體化合物形成，其中R為0至1(包含)。各超晶格較佳是由兩種不同所述化合物即兩種具有不同R值的化合物形成。
本發明另一部分提供一種製造半導體組件的方法，其包括以下步驟使氮化物半導體結構在矽基板上外延生長，然後將載體結合到此氮化物半導體結構，然後從氮化物半導體結構除去矽基板。根據本發明此部分的方法最佳進一步包括以下步驟在除去矽基板後將除矽以外的基材施加到氮化物半導體結構上，然後除去載體以在基材上保留氮化物半導體結構。根據本發明此部分的方法提供了在外延生長時無矽晶圓作為基板的最終結構。所述基材可以是可方便地施加到氮化物半導體結構的大體上高品質的絕緣體。僅作為實例，此基材可包括在除去基板後沉積在氮化物半導體結構暴露表面上的氮化鋁或類金剛石碳。本發明相關部分提供一種具有氮化物半導體結構的半導體組件，該氮化物半導體結構具有一或多層外延生長層和支撐氮化物半導體結構的基底，該基底為除用在氮化物半導體結構外延生長中的基板以外的結構。根據本發明此部分的組件最佳不包括用在氮化物半導體結構外延生長中的基板。
本發明該等部分包括已意識到可通過在生長後除去基板並替換通常不適合外延生長的不同基材來容易地解決與矽基板相關的電性能限制。
根據本發明的另一部分，垂直電流傳導肖特基(Schottky)二極體包括矽基板。至少一層氮化物半導體覆在矽基板表面上。至少一層第一金屬層覆在氮化物半導體層上並因而形成肖特基接觸。至少一層另外金屬層覆在矽基板的另一個表面上並因而形成歐姆接觸。
氮化物半導體層可包括GaN或另一基於氮化鎵的半導體。可將另一層氮化物半導體安置在矽基板與第一氮化物半導體層之間，而且該另一氮化物半導體層可具有比第一氮化物半導體層高的摻雜濃度。所述另一層可包括GaN或另一基於氮化鎵的半導體。第一氮化物半導體層和第一金屬層可覆在氮化物半導體層整個寬度上。或者，第一氮化物半導體層和第一金屬層可覆在部分矽基板上。
垂直電流傳導肖特基二極體是根據本發明的另一部分所製造。在矽基板表面上形成至少一層氮化物半導體。將至少一層第一金屬層沉積在氮化物半導體層上從而形成肖特基接觸。將至少一層其他金屬層沉積在矽基板的另一個表面上從而形成歐姆接觸。
氮化物半導體層可包括GaN或另一基於氮化鎵的半導體。另一層氮化物半導體可在形成該第一氮化物半導體層之前得以形成並且具有比第一氮化物半導體層高的摻雜濃度。該另一層可包括GaN或另一基於氮化鎵的半導體。可除去第一氮化物半導體層的部分，使得此氮化物半導體層形成臺面結構。
本發明所述和其他目標、特點及優點將由於下述較佳實施例的詳細說明以及附圖而更顯而易見。


圖1為依照本發明一具體實施例的半導體結構放大尺寸的不完整的端面圖示。
圖2為描述依照本發明一實施例的半導體結構的一部分，與用於比較目的的另一非依照本發明結構的一部份的比較性Nomarski照片。
圖3為描述依照本發明另一實施例的方法的工藝流程圖。
圖4為描述依照本發明另一實施例的方法的工藝流程圖。
圖5為類似於圖1的圖，其描述依照本發明另一實施例的半導體結構。
圖6為依照本發明另一實施例的肖特基二極體的不完整斷面圖示。
圖7為類似於圖6的圖，其描述依照本發明另一實施例的肖特基二極體。
具體實施例方式
本發明所用術語「III-V半導體」是指根據化學計量式AlaInbGacNdAsePf的化合物半導體材料，其中(a+b+c)為約1及(d+e+f)也為約1。術語「氮化物半導體」或基於氮化物的半導體」是指其中d為0.5或更大最常為約0.8或更大的III-V半導體。此半導體材料最佳為純氮化物半導體，即，其中d為約1.0的氮化物半導體。文中所用術語「基於氮化鎵的半導體」是指含鎵的氮化物半導體，而且最佳為包含鎵作為存在額主要金屬，即，具有c≥0.5最佳為≥0.8。此半導體可具有p型或n型傳導性(可通過習知摻雜劑賦子)，而且也可由特定半導體材料的固有傳導性類型產生。舉例來說，通常具有缺陷的基於氮化鎵的半導體為固有n型，即使是在未摻雜時也如此。習知給電子體摻雜劑如Si、Ge、S、與0可用於賦子氮化物半導體n型傳導性，而p型氮化物半導體可包括習知的電子受體摻雜劑如Mg與Zn。
根據本發明一實施例的方法是以經摻雜矽基板10開始。此矽基板最佳為具有經拋光、平坦上表面12的大體上單晶矽晶圓。希望該上表面為矽晶面(1，1，1)。在此方法的第一階段中，使此晶圓處在習知化學氣相沉積裝置中約600-900℃的溫度，並暴露於氣相形式的有機鋁化合物數秒，最佳為低碳烷基鋁化合物如三甲鋁(「TMA」)。鋁化合物分解以在晶圓上表面12上沉積薄鋁層14。圖1未按比例繪製。為清楚描述而擴大了鋁層14的厚度。實際上，該鋁層包括僅約1-10個單層鋁原子並具有小於約100埃更佳為小於約50埃的厚度。此外，雖然為清楚描述而將鋁層描述為不連續的分離層，但是認為一些矽從基板10擴散到鋁層14中，也有一些氮從下述覆蓋層擴散到該鋁層中。因此認為在最終對象中，該鋁層將採用處在晶圓10上表面的薄富鋁區的形式。認為鋁層用來保護矽基板使其在後續過程步驟中暴露於氨時不被蝕刻，因此具有鋁層的基板在文中稱為「經鋁保護的」矽基板。
鋁層沉積後，使經鋁保護基板暴露於有機金屬化合物(最佳為有機鋁化合物)、與氨連同載氣的混合物，以沉積氮化物半導體(最佳為AlN)薄層16。AlN是在大約600-900℃的基板溫度下所沉積，即，該溫度低到足以促進氮化物半導體如AlN在基板上許多位置上，以由氮化物半導體的晶核形成產生的大體上多晶形式進行沉積。希望晶核形成層16為約20-50納米厚；為在圖1中清楚描述，文中再度擴大了其厚度。
晶核形成層16沉積後，將第一超晶格18直接沉積在該晶核形成層上方。本發明所用生長半導體結構的「上」表面應視為距用於形成所述結構的基板最遠的表面，即，圖1中朝上的表面。同樣將一結構「直接」沉積在其他結構上的陳述應理解為此結構直接鄰接於所述其他結構的上表面而無插入層。相反，一結構位於其他結構的「上面」的陳述應理解為所述一結構相比所述其他結構而言距所述基板更遠，但不排除存在插入層的情況。
第一超晶格包括具有不同組合物的氮化物半導體的複數層20和22。在超晶格中，該等層具有大約10納米或更小通常5納米或更小最常3納米或更小厚度，使得整個結構在較為複合晶格而非一組不連續的個體層。20和22各層較佳是由選自以下各物組成的群組的純氮化物半導體形成氮化鎵、氮化鋁和氮化鋁鎵，即，化學計量式AlRGa(1-R)N定義的半導體群組，其中這些層具有不等的R值。也就是說，層20具有式AlXGa(1-X)N，而層22具有式AlYGa(1-Y)N，其中X≠Y。總體上希望超晶格18包括層20和22的約5-15次重複，最佳為約10次重複。舉例來說，層20可為純AlN，而層22可為Al0.5Ga0.5N。純AlN層是通過如上所述使基板暴露於有機鋁化合物、氨及載氣而沉積，而AlGaN層是通過使基板暴露於也合併了有機鎵化合物(希望為低碳烷基鋁有機鎵化合物，如三甲鎵)的類似氣體混合物而沉積。希望氮化鋁鎵層22和氮化鋁層20的厚度在穿過超晶格18的厚度時大體上恆定。但是，這並不重要。超該等層的組合物和厚度在晶格內可改變以在超晶格內提供組分級配，即，使得超晶格內鎵與鋁的總比例隨遠離基板10向上的方向上改變。同樣，在超晶格中個體層可在金屬成分中包括一些銦。
第一超晶格18沉積後，通過使基板在約950到約1100℃的溫度暴露於有機鎵化合物、氨和載氣的混合物，而沉積基於氮化鎵的半導體(最佳為GaN)的薄中間層24。層24最佳為約200到約400納米厚。
第二超晶格26在中間層24上面形成，希望直接處在在中間層上。第二超晶格基本上類似於第一超晶格18，而且合併了富鋁氮化物半導體28(如AlN)與富鎵氮化物半導體(如Al0.5Ga0.5N)的交互層。更通常為層28具有化學計量式A1PGa(1-P)N及層30具有化學計量式AlQGa(1-Q)N，其中P≠Q。第二超晶格的厚度和層組合物可與第一超晶格的厚度及層組合物相同或不同。第二超晶格26的厚度可小於第一超晶格。第二超晶格可為由層28和30的約5-10次重複組成的超晶格。
第一超晶格18、中間層24和第二超晶格26共同構成緩衝結構32。緩衝結構沉積後，在緩衝結構上沉積操作結構34，並且最佳為直接處在緩衝結構第二超晶格的上表面上。操作結構34包括一或多種基於氮化鎵所謂半導體並且也可包括其他半導體。在其最簡單形式中，操作結構34可包括單一相當厚的基於氮化鎵的半導體(如純GaN)層。在較複雜形式中，操作結構可包括多層，該等多層具有如用於製造習知裝置如光電裝置(如發光二極體、雷射二極體等)或電子裝置(如場效電晶體和肖特基二極體)的不同組合物及/或摻雜質。可使用MOCVD技術在習知生長溫度下沉積操作結構中基於氮化鎵的半導體。所得半導體結構合併有氮化物層36(合併有晶核形成層16)、緩衝結構32和操作結構34。此氮化物結構具有遠離基板10的上表面38和相鄰基板10的下表面40。
操作結構中基於氮化鎵的半導體具有優良的晶體質量。沉積之後，可將此結構冷卻到室溫然後從反應器移除，操作結構中基於氮化鎵的半導體無明顯裂縫。雖然本發明不受任何操作理論限制，但是認為操作結構中和中間層24中超晶格誘發的壓縮應變組合可用於抑制缺陷形成，此外，在所述結構中將第一超晶格放置在最低氮化鎵層(低於中間層24)下面用於進一步限制晶體缺陷的形成。也認為鋁層14用於保護矽基板不受沉積氮化物半導體的氨蝕刻，並因而可用於進一步限制晶體中缺陷的形成。亦認為在基板和氮化物結構冷卻到室溫時，超晶格繼而緩衝結構作為總體對操作結構34所施加的壓縮應變可用以預防裂開。
應採取在高質量化學氣相沉積中所用的習知技術。視情況而定，在具有不同組合物的層的沉積之間如在鋁層14與緩衝層16的沉積之間，及在各超晶格沉積前後，可通過以氫或氮載氣與氨的混合物長時間清洗，而清除該槽來自先前層的金屬。
圖1所述結構的質量通過圖2的Nomarski照片加以證明。標註(a)的照片為未根據本發明結構的Nomarski照片，其通過將氮化鎵直接沉積在氮化鋁晶核形成層上而形成，而圖2中標註(b)的結構顯示與處在晶核形成層與氮化鎵層之間的如上參考圖1所討論的緩衝結構相似。結構(a)顯示許多條線，表示由表面裂開所引起的結晶缺陷，而結構(b)大體上沒有這些缺陷。
可使用習知技術進一步加工由以上參考圖1所述的方法產生的結構以形成個體裝置，例如，將氮化物結構36和矽基板10細分成個體單元，各單元合併一部份氮化物結構和基板10的對應部份，並對所得單元施加接觸並將其封裝。
但是，更佳為除去基板10。在根據本發明另一實施例的方法中(圖3)，將合併有矽基板10和氮化物結構36的半導體結構(可與參考圖1和2所討論的氮化物結構相同或不同)與過渡載體42相連接，使得氮化物結構的上表面38承受載體，並且氮化物結構的上表面與所述載體相接合，其較佳為通過使用促進氮化物上層與載體之間粘合的介電「膠水」。此介電體可為(例如)苯並環丁烯(BCB)、甲基倍半矽氧烷(MSSQ)，或如商品名Flare、SiLK、Pary1ene-N和PETI-5的材料。將氮化物結構、載體或兩者的表面塗上該膠水，然後使該等表面在相當低的溫度(低於400℃)接觸。如果後續處理步驟不需要高於100℃，則可使用其他聚合物(如HMDS)或光致抗蝕劑。此外，如果在以後處理步驟中不存在如丙酮的溶劑，那么可使用如蠟或Crystalbond的可溶性粘合劑。
載體42在圖3中作為藍寶石組件，但是此載體可由其他材料形成，這些材料對隨後過程中所用的其他試劑呈惰性，並且可在所述過程所用的溫度下殘存。此載體最佳也具有接近氮化物結構的熱膨脹係數，而且也不汙染氮化物結構。因此，希望此載體大體上不存在趨向於擴散到氮化物結構中的材料。
載體結合步驟之後，通過蝕刻除去基板10使其離開氮化物結構36，較佳為在70℃使用蝕刻劑如氫氧化鉀溶液，例如，20重量％的KOH水溶液，其侵蝕矽基板但沒有明顯粘附氮化物結構。在此過程中，氮化物結構充當「蝕刻終止」；蝕刻持續直至達到氮化物結構。可在氮化物結構處或其鄰近處提供另外的蝕刻終止。例如，SiO2層有效地終止KOH蝕刻。在除去基板後，氮化物結構的下表面40得以暴露。通過基材在該下表面上的化學氣相沉積或濺射，將基底44施加到下表面40上。希望該基材為具有良好電絕緣性質的材料，如氮化鋁或碳質、類金剛石材料。也希望基材44具有相當高的熱導率。基材44可在氮化物結構經暴露的下表面上生長，即使氮化物結構與基材之間存在大量的結晶晶格失配也如此。此基材不需要形成單晶、無缺陷結構，其條件為多晶或有缺陷基材保留了所想要的絕緣性質。僅作為實例，可通過化學氣相沉積來沉積氮化鋁或碳。
基底44沉積之後，將膠帶或其他過渡處理組件46施加到基底44的暴露表面上並除去載體42，氮化物結構36保留在基底44上並被基底及膠帶或其他過渡處理組件46以物理方法支撐，並使氮化物結構的下表面40面對基底44。所得結構不具有在氮化物結構外延生長期間所用的矽基板。所得結構可經受習知半導體加工技術如細分、施加接觸及直到封裝，以形成一或多個可用的裝置。在另外變更中，可省去基材沉積步驟。
在根據本發明另一實施例的方法中(圖4)，使矽生長基板110上的氮化物結構經受生長後加工如施加接觸、細分及蝕刻，以在矽生長基板110上形成複數個半完成氮化鎵裝置136，每個所述半完成裝置合併有氮化鎵結構。使該等半完成裝置經受類似以上參考圖3所述的過程步驟，包括施加覆在氮化鎵結構上表面上的過渡載體142，及除去基板以暴露這些結構的下表面140。除去基板後，再度施加基材以在各氮化鎵結構140上形成基底144。施加基底之後，可施加如膠帶146的過渡處理組件，並使此裝置經受如引線結合及固定到封裝組件148上的步驟。
根據以上參考圖3及4所述方法製備的最終裝置可提供優異的電性能，因為在最終裝置中不存在用於氮化結構外延生長的矽基板。雖然使用相當昂貴的材料(例如，藍寶石晶圓)作為過渡載體，但是其可進行再循環和再使用，並且不形成最終裝置的部件。
在不背離權利要求所界定的本發明之下，可利用上述特點的許多變更和組合權利要求。舉例來說，上述的鋁層和經鋁保護的矽基板可用於其他氮化物半導體結構和其他III-V半導體結構的生長。同樣，用於較佳具體實施例的III-V半導體可通過添加其他第V族元素如As與P而得以改變。併入該氮化結構的緩衝結構可包括多於兩種的超晶格。反之，可省去中間層和第二超晶格。圖5所述的變更中，省去了第二超晶格並被另一多晶核形成層(如，一層低溫沉積的A1N)所取代。此結構包括與以上參考圖1所述對應結構相同的基板210和鋁層214。晶核形成層214由30納米厚的AlN組成。所述緩衝結構232包括具有10個重複基本單元的第一超晶格218，各單元包括2納米厚的AlN層220和也為2納米厚的Al0.3Ga0.7N層222。該緩衝結構232進一步包括0.4微米厚的GaN中間層224，和13納米厚的多晶AlN晶核形成層226。所述操作結構235包括0.6微米厚的GaN層235和23納米厚的Al0.3Ga0.7N上層237。層237與235共同提供二維電子氣，並有助於作為高電子遷移率電晶體來操作該裝置。
圖6顯示根據本發明另一實施例形成的氮化物半導體肖特基二極體300的橫斷面圖。肖特基二極體300包括摻雜矽基板302，在其上形成了緩衝結構304，該緩衝結構可為圖1中所示的緩衝結構32，或為圖5中所示的緩衝結構232。該緩衝結構通常具有0.1到10微米的厚度。在緩衝結構302上面形成了高摻雜n型氮化物半導體層306如GaN層或另一基於氮化鎵的半導體，並具有1018到1019cm-3的摻雜濃度和0.1到10微米的厚度。在高摻雜n型氮化物半導體層上面形成了低摻雜n型氮化物半導體層308，並且該層308也可包含GaN層或另一基於氮化鎵的半導體。低摻雜層中的摻雜劑濃度為1015到1016cm-3，並且該層具有0.1到10微米的厚度。或者，省去較高摻雜層306，並在緩衝結構304上面直接形成低摻雜層308。
將肖特基接觸層310沉積在低摻雜層308上，並且較佳為覆蓋低摻雜層的整個寬度。將厚金屬層312沉積在肖特基接觸層310上。
在裝置底部，在矽基板302背面上形成薄歐姆金屬接觸層316，並將另一金屬堆迭318沉積在歐姆金屬層316上。可在肖特基接觸金屬層310和厚金屬層312的全部或部分上形成隨意鈍化層314。
肖特基二極體300的結構提供從肖特基接觸金屬並通過低摻雜層308、高摻雜層306、緩衝結構304和矽基板302，到歐姆金屬層316和金屬堆迭318的正向、垂直電流傳導路徑。此外，肖特基接觸金屬層310和金屬堆迭312的寬度提供了利用肖特基二極體結構全寬的垂直傳導路徑。
優勢在於此垂直傳導路徑在正向偏壓下使裝置電阻最小，而在反向偏壓下保持高擊穿電壓。裝置的啟動電壓通常為0.5伏特到1.5伏特，而擊穿電壓高於-100伏特。另外，該裝置的接通電阻小於10-20毫歐姆-平方釐米，而此業界已知裝置通常具有高於該值的電阻。
肖特基二極體的垂直傳導路徑尤其適用於在基於氮化鎵的二極體中實現低接通電阻，即使是在通常所用的GaN和另一基於氮化物的半導體具有相當高的電阻時也如此。在絕緣基板(如藍寶石)上生長的已知基於GaN的半導體裝置在基於氮化物的該等層中通常採用橫向傳導以傳送正向電流。正向電流必須穿過相當長的路徑，並沿著相當薄的高電阻材料層，該等材料層在與電流流動橫向的方向上具有小的橫斷面積。在此橫向傳導結構中，路徑長度由模子的水平尺寸決定(如，1毫米或更大)，橫斷面積由GaN層厚度決定(如，數微米)。相反，在圖6的垂直傳導結構中，矽基板與肖特基接觸之間的路徑長度具有等於GaN層厚度(數微米)的極小長度，並具有對應模結構表面積的實質橫斷面積，因而大體上降低了該裝置的電阻。
另外，使用相當低廉、高傳導性矽基板實現了由垂直傳導結構引起的接通電阻降低。使用上述優選界面結構，可實現所述低接通電阻，同時保持基於氮化物的半導體中的高晶體質量。此外，基於氮化物的半導體中的摻雜含量相當低，這有助於保持高擊穿電壓而不導致過度的接通電阻。
圖7顯示依照本發明形成但具有臺面結構的垂直傳導肖特基二極體400的另一實施例。依照上述對應上述結構之一的結構的一種方法，在矽基板402的上表面上形成緩衝結構404。將高摻雜n型氮化物半導體層406安置在緩衝結構404上，該層406具有類似於圖6所示裝置對應區域的組合物、摻雜濃度和厚度。在高摻雜層406上形成低摻雜n型氮化物半導體層408，該層408同樣具有類似於圖6所示對應區域的組合物、摻雜濃度和厚度。但是，低摻雜層408的寬度小於更高摻雜層的寬度。此外，肖特基接觸金屬層410和上面的厚金屬堆迭412的結構和厚度類似於圖6所示的對應層，但具有類似於低摻雜層408的寬度。可形成邊緣末端結構(未示)以對抗由肖特基接觸金屬造成的任何邊緣效應。也可包括鈍化層。在矽基板的背面上形成歐姆接觸金屬層416和金屬堆迭418。
因為可使用所述及其他變更和組合，因此以上較佳具體實施例應為說明的目的而非如權利要求所界定限制本發明。權利要求工業應用性本發明可應用於電子裝置製造業和半導體材料製造業。
權利要求
1.一種半導體結構，其包含(a)矽基板；(b)直接覆在該基板第一表面上的鋁層；(c)直接覆在該鋁層上的氮化物半導體多晶核形成層；(d)緩衝結構，其包括一或多種覆在該晶核形成層上的超晶格，各該超晶格包括複數個不同組成的基於氮化物的半導體；及(e)覆在該緩衝結構上的一或多種基於氮化鎵的半導體的操作結構。
2.根據權利要求1所述的結構，其中該緩衝結構包括第一超晶格、覆在第一超晶格上的基於氮化物的半導體的中間層，及覆在中間層上的第二超晶格。
3.根據權利要求2所述的結構，其中各所述第一和第二超晶格基本上由根據式AlrGa(1-r)N的半導體組成，其中0≤r≤1。
4.根據權利要求3所述的結構，其中各所述第一和第二超晶格僅由兩種具有不同r值的半導體組成。
5.根據權利要求4所述的結構，其中所述第一超晶格中包括的半導體與所述第二超晶格中包括的半導體相同。
6.根據權利要求3所述的結構，其中所述第一超晶格直接覆在該晶核形成層上。
7.根據權利要求6所述的結構，其中所述晶核形成層基本上由氮化鋁組成。
8.根據權利要求1所述的結構，其中所述緩衝結構包括直接覆在該晶核形成層上的第一超晶格。
9.根據權利要求6所述的結構，其中該晶核形成層基本上由氮化鋁組成。
10.根據權利要求1所述的結構，其中該操作結構包括第一氮化物半導體層；該結構進一步包含至少一個第一金屬層，該第一金屬層覆在該第一氮化物半導體層上並與之形成肖特基(Schottky)接觸。
11.根據權利要求10所述的結構，其中該第一氮化物半導體層包括基於氮化鎵的半導體。
12.根據權利要求10所述的結構，其中該第一氮化物半導體層包括GaN。
13.根據權利要求10所述結構，其進一步包含至少一個覆在該矽基板第二表面上並與之形成歐姆接觸的另外金屬層。
14.根據權利要求10所述的結構，其中該操作結構包括安置在所述第一氮化物半導體層與所述緩衝結構之間另一氮化物半導體層；該另一氮化物半導體層具有比所述第一氮化物半導體層高的摻雜濃度。
15.根據權利要求14所述的結構，其中該另一氮化物半導體層包括基於氮化鎵的半導體。
16.根據權利要求14所述的結構，其中該其他氮化物半導體層包括GaN。
17.根據權利要求10所述的結構，其中該第一氮化物半導體層覆在所述緩衝結構的整個寬度上，並且該第一金屬層覆在該第一氮化物半導體層的整個寬度上。
18.根據權利要求10所述的結構，其中該第一氮化物半導體層覆在所述緩衝結構的一部分上，並且所述第一金屬層覆在該第一氮化物半導體層的整個寬度上。
19.一種半導體結構，其包含(a)矽基板；(b)覆在該基板之表面上的氮化物半導體多晶核形成層；(c)緩衝結構，包括覆在該晶核形成層上的第一超晶格，該第一超晶格包括複數個不同組成基於氮化物的半導體；及(e)覆在該緩衝結構上的一或多種基於氮化鎵的半導體的操作結構。
20.根據權利要求19所述的結構，其中該晶核形成層基本上由氮化鋁組成，並且該第一超晶格基本上由根據式AlrGa(1-r)N的半導體組成，其中0≤r≤1。
21.根據權利要求19所述的結構，其中該緩衝結構包括覆在該第一超晶格上的基於氮化物的半導體的中間層，及包括覆在該中間層上的複數個基於氮化物的半導體的第二超晶格。
22.根據權利要求21所述的結構，其中各所述第一和第二超晶格基本上由根據式AlrGa(1-r)N的半導體組成，其中0≤r≤1。
23.根據權利要求22所述的結構，其中各所述第一和第二超晶格僅由兩種具有不同r值的半導體組成。
24.根據權利要求23所述的結構，其中該第一超晶格中包括的半導體與該第二超晶格中包括的半導體相同。
25.根據權利要求19所述的結構，其中該操作結構包括第一氮化物半導體層；該結構進一步包含至少一個覆在該第一氮化物半導體層上並與之形成肖特基接觸的第一金屬層。
26.根據權利要求25所述的結構，其中該第一氮化物半導體層包括基於氮化鎵的半導體。
27.根據權利要求25所述的結構，其中該第一氮化物半導體層包括GaN。
28.根據權利要求25所述的結構，其進一步包含至少一個覆在該矽基板另一表面上並與之形成歐姆接觸的另外金屬層。
29.根據權利要求25所述的結構，其中該操作結構包括安置在該第一氮化物半導體層與該緩衝結構之間的另一氮化物半導體層；該另一氮化物半導體層具有比所述第一氮化物半導體層高的摻雜濃度。
30.根據權利要求29所述的結構，其中該另一氮化物半導體層包括基於氮化鎵的半導體。
31.根據權利要求29所述的結構，其中該另一氮化物半導體層包括GaN。
32.根據權利要求25所述的結構，其中該第一氮化物半導體層覆在該緩衝結構的完整寬度上，並且該第一金屬層覆在該第一氮化物半導體層的完整寬度上。
33.根據權利要求25所述的結構，其中該第一氮化物半導體層覆在該緩衝結構的一部分上，並且該第一金屬層覆在該第一氮化物半導體層的整個寬度上。
34.一種製造半導體結構的方法，其包括以下步驟(a)將鋁直接沉積在矽基板表面上以提供經鋁保護的基板；然後(b)將氮化物半導體的晶核形成層沉積在該經鋁保護的基板上；然後(c)在該晶核形成層上使包括氮化物半導體一或多個超晶格的緩衝結構外延生長；然後(d)在該緩衝結構上使包括一或多種基於氮化鎵的半導體的操作結構外延生長。
35.根據權利要求34所述的方法，其中所述沉積該氮化物半導體的晶核形成層的步驟包括使用NH3作為反應物與經鋁保護的基板接觸。
36.根據權利要求35所述的方法，其中所述沉積該晶核形成層的步驟包括金屬有機化學氣相沉積。
37.根據權利要求34所述的方法，其中所述生成該緩衝結構的步驟包括在該晶核形成層上直接生成氮化物半導體的第一超晶格。
38.根據權利要求34所述的方法，其中所述使該有效結構外延生長的步驟包括生成第一氮化物半導體層；該方法進一步包括在該第一氮化物半導體層上沉積至少一個第一金屬層以與之形成肖特基接觸。
39.根據權利要求38所述的方法，其中該第一氮化物半導體層包括基於氮化鎵的半導體。
40.根據權利要求38所述的方法，其中該第一氮化物半導體層包括GaN。
41.根據權利要求38所述的方法，其進一步包含在該矽基板的另一個表面上沉積至少一個另外金屬層以與之形成歐姆接觸。
42.根據權利要求38所述的方法，其中所述使該有效結構外延生長的步驟包括在生成該第一氮化物半導體層之前，在該緩衝結構上方生成另一氮化物半導體層，使得該另一氮化物半導體層具有比所述第一氮化物半導體層高的摻雜濃度。
43.根據權利要求42所述的方法，其中該另一氮化物半導體層包括基於氮化鎵的半導體。
44.根據權利要求42所述的方法，其中該另一氮化物半導體層包括GaN。
45.根據權利要求38所述的方法，其進一步包括除去該第一氮化物半導體層的一部分，使得該第一氮化物半導體層形成臺面結構。
46.一種製造半導體結構的方法，其包含以下步驟(a)將氮化物半導體的晶核形成層沉積在矽基板上；然後(b)在該晶核形成層上使包括氮化物半導體一或多個超晶格的緩衝結構外延生長，該生成緩衝結構的步驟包括在所述晶核形成層上直接生成氮化物半導體的第一超晶格；然後(c)在該緩衝結構上使包括一或多種基於氮化鎵的半導體的操作結構外延生長。
47.根據權利要求46所述的方法，其中所述生成該緩衝結構的步驟包括在該第一超晶格上生成基於氮化鎵的半導體的中間層，並在該中間層上生成氮化物半導體的第二超晶格。
48.根據權利要求46所述的方法，其中所述使該操作結構外延生長的步驟包括生成第一氮化物半導體層；該方法進一步包括在該第一氮化物半導體層上沉積至少一個第一金屬層以與之形成肖特基接觸。
49.根據權利要求48所述的方法，其中該第一氮化物半導體層包括基於氮化鎵的半導體。
50.根據權利要求48所述的方法，其中該第一氮化物半導體層包括GaN。
51.根據權利要求48所述的方法，其進一步包括在該矽基板另一個表面上沉積至少一個另外金屬層以與之形成歐姆接觸。
52.根據權利要求48所述的方法，其中所述使該操作結構外延生長的步驟包括在生成該第一氮化物半導體層之前，在該緩衝結構上生成另一氮化物半導體層，使得該另一氮化物半導體層具有比所述第一氮化物半導體層高的摻雜濃度。
53.根據權利要求51所述的方法，其中該另一氮化物半導體層包括基於氮化鎵的半導體。
54.根據權利要求51所述的方法，其中該另一氮化物半導體層包括GaN。
55.根據權利要求48所述的方法，其進一步包括除去該第一氮化物半導體層的一部分，使得該第一氮化物半導體層形成臺面結構。
56.一種製造半導體組件的方法，其包含以下步驟(a)在矽基板上使氮化物半導體結構外延生長；然後(b)將載體結合到該氮化物半導體結構；然後(c)從該氮化物半導體結構除去該矽基板。
57.根據權利要求56所述的方法，其進一步包括在除去該矽基板後，將除矽以外的基材施加到該氮化物半導體結構上的步驟。
58.根據權利要求57所述的方法，其進一步包括在施加該基材後除去所述載體的步驟。
59.根據權利要求58所述的方法，其進一步包括在所述結合該載體的步驟之前處理氮化物半導體結構的步驟以在該結構中形成一或多個裝置。
60.根據權利要求58所述的方法，其進一步包括在所述除去該載體步驟之後，處理氮化物半導體結構的步驟以在該結構中形成一或多個裝置。
61.根據權利要求58所述的方法，其中所述施加基材的步驟包括將該基材沉積在該氮化物半導體結構上，以在遠離該載體的氮化物半導體結構下表面上形成該基材的膜。
62.根據權利要求61所述的方法，其中所述沉積該基材的步驟包括沉積選自由氮化鋁和金剛石組成的群組的基材。
63.一種半導體組件，其包括具有一或多個外延生長層的氮化物半導體結構，和支撐該氮化物半導體結構的基底，該基底為除該氮化物半導體結構外延生長所用基板以外的結構，此組件不包括該氮化物半導體結構外延生長所用的基板。
64.根據權利要求63所述的半導體組件，其中該基底由選自由氮化鋁和金剛石組成的群組的材料形成。
65.一種在矽基板上製造半導體結構的方法，其包括以下步驟(a)將小於約10個原子單層厚的鋁層沉積在基板上表面上，以形成經鋁保護的基板；然後(b)將至少一個氮化物半導體沉積在經鋁保護的基板上。
66.根據權利要求65所述的方法，其中所述沉積氮化物半導體的步驟包括使經鋁保護的基板暴露於包含一或多種有機金屬化合物和氨的大氣。
67.一種半導體結構，其由權利要求65所述的方法製造。
68.一種垂直電流傳導肖特基二極體，其包含矽基板；覆在該矽基板表面上的至少一層氮化物半導體；覆在該氮化物半導體層上並與之形成肖特基接觸的至少一個第一金屬層；及覆在該矽基板的另一個表面上並與之形成歐姆接觸的至少一個另外金屬層。
69.根據權利要求68所述的結構，其中該至少一層氮化物半導體包括基於氮化鎵的半導體。
70.根據權利要求68所述的肖特基二極體，其中該至少一層氮化物半導體包括GaN。
71.根據權利要求68所述的肖特基二極體，其進一步包含安置在該矽基板與該氮化物半導體層之間的緩衝結構。
72.根據權利要求71所述的肖特基二極體，其中該緩衝結構包括至少一種安置在該矽基板與該氮化物半導體層之間的超晶格，其包括複數個不同組成的氮化物半導體。
73.根據權利要求71所述的肖特基二極體，其中該緩衝結構包括第一超晶格、覆在該第一超晶格上的氮化物半導體的中間層，及覆在該中間層上的第二超晶格。
74.根據權利要求68所述的肖特基二極體，其進一步包含直接覆在該矽基板上的一層鋁。
75.根據權利要求74所述的肖特基二極體，其進一步包含多晶核形成層，該晶核形成層包括氮化物半導體並直接覆在所述鋁層上。
76.根據權利要求68所述的肖特基二極體，其進一步包含安置於該矽基板與該第一氮化物半導體層之間的另一氮化物半導體層；該另一氮化物半導體層具有比所述第一氮化物半導體層高的摻雜濃度。
77.根據權利要求76所述的肖特基二極體，其中該另一氮化物半導體層包括基於氮化鎵的半導體。
78.根據權利要求76所述的肖特基二極體，其中該另一氮化物半導體層包括GaN。
79.根據權利要求68所述的肖特基二極體，其中該氮化物半導體層覆在該矽基板之整個寬度上，並且該第一金屬層覆在該第一氮化物半導體層的整個寬度上。
80.根據權利要求68所述的肖特基二極體，其中該氮化物半導體層覆在該矽基板之一部分上，並且該第一金屬層覆在該第一氮化物半導體層的整個寬度上。
81.一種製造垂直電流傳導肖特基二極體的方法，其包含在矽基板表面上形成至少一層氮化物半導體；將至少一個第一金屬層沉積在該氮化物半導體層上以與之形成肖特基接觸；及將至少一層另外金屬層沉積在該矽基板的另一個表面上以與之形成歐姆接觸。
82.根據權利要求81所述的方法，其中該氮化物半導體層包括基於氮化鎵的半導體。
83.根據權利要求81所述的方法，其中該氮化物半導體層包括GaN。
84.根據權利要求81所述的方法，其進一步包含在形成該氮化物半導體層之前，在該矽基板的所述表面上形成緩衝結構。
85.根據權利要求84所述的方法，其中所述形成緩衝結構的步驟包括生成至少一種超晶格，其包括複數個不同組合物的氮化物半導體。
86.根據權利要求84所述的方法，其中所述形成該緩衝結構的步驟包括生成第一超晶格、生成覆在該第一超晶格上的氮化物半導體中間層，及生成覆在該中間層上的第二超晶格。
87.根據權利要求81所述的方法，其進一步包含將一層鋁直接覆在該矽基板上。
88.根據權利要求87所述的方法，其進一步包含形成多晶核形成層，其包括直接處在所述鋁層上的氮化物半導體。
89.根據權利要求81所述的方法，其進一步包含在形成該第一氮化物半導體層之前形成另一氮化物半導體層；該另一氮化物半導體層具有比所述第一氮化物半導體層高的摻雜濃度。
90.根據權利要求89所述的方法，其中該另一氮化物半導體層包括基於氮化鎵的半導體。
91.根據權利要求89所述的方法，其中該另一氮化物半導體層包括GaN。
92.根據權利要求81所述的方法，其進一步包含除去該氮化鎵層的一部分，使得該氮化鎵層形成臺面結構。
全文摘要
本發明涉及一種在矽基板(10、210)上生成的氮化物半導體(34，234)，其通過沉積少量單層鋁(14，214)以保護矽基板使其在生長過程中不受所用的氨的影響，然後從氮化鋁形成晶核形成層(16、216)，並形成包括Al
文檔編號C30B29/68GK1692499SQ200380100487
公開日2005年11月2日 申請日期2003年12月2日 優先權日2002年12月4日
發明者郭世平, 大衛·戈特霍爾德, 米蘭·波夫裡斯蒂克, 鮑裡斯·佩雷斯, 伊凡·伊萊亞謝維奇, 布賴恩·S·謝爾頓, 亞歷克斯·D·賽魯齊, 米歇爾·墨菲, 理察·A·斯託 申請人:昂科公司