專利名稱：具有良好穩(wěn)定性的氮化物基半導體器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有良好穩(wěn)定性的氮化物基半導體器件，更具體地講，涉及一種穩(wěn)定性提高的氮化物基半導體器件，該氮化物基半導體器件在氮化物半導體層中具有極少的裂紋并具有良好的表面粗糙度。
背景技術：
隨著信息通信技術的全球化發(fā)展已經進行到相當的程度，已經加速開發(fā)高速且大容量信號通信的通信技術。具體地講，隨著在無線通信技術中對個人蜂窩電話(PCS)、衛(wèi)星通信、軍用雷達、廣播通信、通信中繼器等需求的增加，對微波波段和毫米波波段的高速信 息通信系統(tǒng)所需的高速高功率電子裝置的需求已增加。因此，正在積極地進行關于用于高功率電子器件的電源裝置以及功耗的研究。具體地講，由于GaN基氮化物半導體具有諸如高能帶隙、高的熱穩(wěn)定性、高的化學穩(wěn)定性、大約3X IO7厘米/每秒(cm/sec)的高電子飽和速度的有益性能，所以氮化物半導體可被容易實現為光器件以及高頻率高功率的電子器件。因此，全世界正在積極進行關于氮化物半導體的研究?；贕aN基氮化物半導體的電子器件可具有各種各樣的優(yōu)勢，例如，大約3X IO6伏特/厘米(V/cm)的高擊穿電場、最大電流密度、穩(wěn)定的高溫操作、高的導熱率等?；诘X鎵(AlGaN)和氮化鎵(GaN)的異質結產生的異質結構場效應晶體管(HFET)在結界面處具有高的帶不連續(xù)性，在該界面中會釋放高密度的電子，因此，電子遷移率可增大。因此，HFET可應用為高功率器件。然后，用于生長適合氮化物單晶的晶格常數和熱膨脹系數的氮化物單晶的基底并不普遍。氮化物單晶可基于單分子束外延(MBE)方法或氣相外延方法(例如金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)方法、氫化物氣相外延(HVPE)方法等)生長在異質基底(例如，藍寶石基底或碳化硅(SiC)基底)上。藍寶石基底或SiC基底價格昂貴并且它們的尺寸受限，因而藍寶石基底或SiC基底不適于量產。因此，除了提高導熱率，Si基底可為容易用于通過加大基底的尺寸來提聞廣率的大量生廣的基底。然而，由于Si基底和GaN單晶之間的晶格常數的差異以及膨脹系數的差異，裂紋會容易形成在GaN層中，從而難以商業(yè)化。期望一種在Si基底上穩(wěn)定生長GaN的方法。圖I示出了傳統(tǒng)氮化物基HFET的基本構造。參照圖1，傳統(tǒng)的氮化物基HFETlO可包括順序層疊在Si基底11上的低溫緩沖層12、AlGaN/GaN復合層13、非摻雜GaN層14和AlGaN層15。源極16和漏極18分別形成在AlGaN層15的上表面的兩端上。柵極17設置在源極16和漏極18之間。保護層19形成在柵極17和源極16之間以及柵極17和漏極18之間。AlGaN/GaN復合層13形成為包括多個層，通過減小晶格常數之間的差異，GaN層可生長在AlGaN/GaN復合層13上。在傳統(tǒng)的氮化物基HFETlO中，可基于具有不同帶隙的GaN層14和AlGaN層15的異質結形成二維電子氣(2-DEG)層。這里，當信號被輸入到柵極17時，可通過2-DEG層形成溝道，從而電流可在源極16和漏極18之間流動。非摻雜GaN層14可被構造為未執(zhí)行摻雜的GaN層，并且可形成為具有相對高的電阻，以防止電流泄漏到Si基底以使器件分離。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一方面提供了一種穩(wěn)定性提高的氮化物基半導體器件，該氮化物基半導體器件在氮化物半導體層中具有極少的裂紋并具有良好的表面粗糙度。根據本發(fā)明的一方面，提供了一種氮化物基半導體器件，所述氮化物基半導體器件包括基底J^Kg-(AlSixCh)預處理層，形成在基底上；摻雜鋁(Al)的氮化鎵(GaN)層，形成在AlSixCVx預處理層上；氮化鋁鎵(AlGaN)層，形成在摻雜Al的GaN層上。 AlSixCh預處理層可被構造為從由單床結構、規(guī)則點結構、不規(guī)則點結構和圖案結構中選擇的結構。所述氮化物基半導體器件還可包括緩沖層，形成在AlSixCh預處理層上，并且緩沖層可包括氮化鋁(AlN)。所述氮化物基半導體器件還可包括調整了表示第V族元素與第III族元素的比率的V/III族比率的GaN種子層，GaN種子層形成在AlSixCh預處理層和摻雜Al的GaN層之間。GaN種子層可包括第一 GaN種子層，第一 GaN種子層的V/III族比率相對高；第二 GaN種子層，第二 GaN種子層的V/III族比率相對低。所述氮化物基半導體器件還可包括形成在AlSixCh預處理層和摻雜鋁的GaN層之間的漸變AlGaN層，漸變AlGaN層的Al含量從AlSixCh預處理層向摻雜鋁的GaN層逐漸降低。漸變AlGaN層中的Al含量可從大約70wt%降低至大約15wt%。摻雜鋁的GaN層的Al含量可在大約O. lwt%至O. 9wt%的范圍內。所述氮化物基半導體器件還可包括形成在AlGaN層上的保護層，保護層可包括從由氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiOx)和氧化鋁(Al2O3)中的一種選擇的材料?；卓砂◤乃{寶石、硅(Si)、AlN、碳化硅(SiC)和GaN中選擇的材料。所述氮化物基半導體器件可以是從常開器件、常閉器件和肖特基二極管中選擇的器件。所述氮化物基半導體器件可包括第一導電半導體層、活性層和第二導電半導體層。將在接下來的描述中部分闡述本發(fā)明另外的方面、特征和/或優(yōu)點，還有一部分通過描述將是清楚的，或者可以經過本發(fā)明的實施而得知。


專利或申請文件包含至少一副彩色附圖。當請求和支付所需費用時專利局會出具具有彩色附圖的本專利或專利申請公布的副本。從下面結合附圖對實施例的描述中，本發(fā)明的這些和/或其它方面、特征和優(yōu)勢將變得清楚且更易于理解，在附圖中圖I是示出了根據傳統(tǒng)技術的異質結構場效應晶體管(HFET)的基本構造的示圖；圖2是根據本發(fā)明實施例的HFET的剖視圖；圖3是根據本發(fā)明實施例的肖特基二極管的剖視圖；圖4是根據本發(fā)明實施例的半導體發(fā)光器件的剖視圖；圖5A是根據本發(fā)明實施例的在緩沖層生長在基底上之前鋁(Al)預處理氮化物半導體的表面的光學圖像；圖5B是根據本發(fā)明實施例的碳化鋁硅(AlSixCh)預處理氮化物半導體的表面的光學圖像；
圖6是根據本發(fā)明實施例的在緩沖層生長在基底上之前Al預處理氮化物半導體的表面的X射線衍射分析值的曲線圖以及AlSixCh預處理氮化物半導體的表面的X射線衍射分析值的曲線圖；圖7是根據本發(fā)明實施例的AlSixCh預處理氮化物半導體的X射線衍射分析數據(omega_2theta)的曲線圖；圖8是根據本發(fā)明實施例的與整個AlSixCh預處理氮化物半導體的厚度相關的映射數據的曲線圖；圖9是示出了根據本發(fā)明實施例的AlSixCh預處理氮化物半導體的光學圖像和顯微圖像的圖。
具體實施例方式現在將參照本發(fā)明的實施例進行詳細說明，本發(fā)明的示例示出在附圖中，其中，相同的標號始終表示相同的元件。下面通過參照附圖來描述實施例，以解釋本發(fā)明。在整個說明書中，當描述層、側、芯片等中的每個形成“在”層、側、芯片等的“上面”或“下面”時，術語“在…上面”可包括“直接在…上面”和“間接在…上面”，并且術語“在…下面”可包括“直接在…下面”和“間接在…下面”。每個元件的“在…上面”或“在…下面”的標準可根據對應的圖來確定。為了便于描述，可夸大圖中每個元件的尺寸，并且每個元件的尺寸不表示實際尺寸。圖2示出了根據本發(fā)明實施例的異質結構場效應晶體管(HFET)IOO的剖視圖。圖3示出了根據本發(fā)明實施例的肖特基二極管200的剖視圖。根據本發(fā)明實施例的氮化物基半導體器件可應用于HFET100、肖特基二極管200和半導體發(fā)光器件300。氮化物基半導體器件可為從常開器件、常閉器件和肖特基二極管中選擇的器件，并且可以為包括第一導電半導體層、活性層和第二導電半導體層的半導體發(fā)光器件。參照圖2至圖4，盡管相同的元件執(zhí)行相同的功能，但是對于每幅圖，相同的元件可具有不同的標號，例如，基底110、210和310，碳化鋁硅(AlSixCh)預處理層120,220和320，緩沖層130,230和330，氮化鎵(GaN)種子層141、142、241、242、341和342，漸變氮化鋁鎵(AlGaN)層 150,250 和 350，摻雜鋁(Al)的 GaN 層 160,260 和 360 以及 AlGaN 層 170、270和370。為了便于描述，將參照圖2描述每個元件，并且為了清楚和簡潔，在對圖3和圖4的描述中將省略在前面的描述中已經描述過的相同元件。參照圖2，根據實施例的氮化物基半導體器件可包括基底110 MSixCh預處理層120 ;摻雜Al的GaN層160，形成在AlSixC1^x預處理層120上；AlGaN層170，形成在摻雜Al的GaN層160上。氮化物基半導體器件還可包括緩沖層130、GaN種子層141、142和漸變GaN層150。基底110可包括從藍寶石、硅(Si)、氮化鋁(A1N)、碳化硅(SiC)和GaN中選擇的材料。即，基底110可為絕緣基底，例如，玻璃基底或藍寶石基底，可為導電基底，例如，Si、SiC和氧化鋅(ZnO)。基底100可為用于生長氮化物的基底，例如，AlN基基底或GaN基基底。AlSixCh預處理層120可消除氮化物半導體層中的應力，該應力是由于基底110 與形成在基底110上的氮化物半導體層之間的晶格常數、膨脹系數等的差異而導致的。因此，在氮化物半導體層中產生的裂紋的存在可被最少化并且可改善氮化物半導體層的表面粗糙度，從而可以提高氮化物基半導體器件的穩(wěn)定性和性能。AlSixCh預處理層120可被構造為從單床結構、規(guī)則的點結構、不規(guī)則的點結構和圖案結構中選擇的結構，并且該結構可不限于此。AlSixCh預處理層120可被構造為各種結構和形狀，以使氮化物半導體層中產生的裂紋的存在最少并改善氮化物半導體層的表面粗糙度。緩沖層130可形成在AlSixC^預處理層120上。緩沖層130可包括A1N。緩沖層130可形成為厚度在大約20納米(nm)至IOOOnm范圍內的單晶。緩沖層130與AlSixC^x預處理層120 —起可使基底和氮化物基半導體層之間的晶格常數和膨脹系數的差異最小化，因而可提高氮化物基半導體器件的穩(wěn)定性和性能。GaN種子層(例如，第一 GaN種子層141和第二 GaN種子層142)可形成在緩沖層130上。GaN種子層可包括第V族元素和第III族元素，以穩(wěn)定地形成氮化物基半導體層。這里，氮化物半導體層可包括漸變GaN層150、摻雜Al的GaN層160和AlGaN層170。GaN種子層可促進氮化物基半導體層的垂直生長，以提高氮化物基半導體器件的制造效率和氮化物基半導體器件的質量。GaN種子層可調整V/III族比率，所述V/III族比率表示第V族元素與第III族元素的比率。GaN種子層可被構造為包括具有高V/III族比率的第一 GaN種子層141和具有低V/III族比率的第二 GaN種子層142的兩層。第一 GaN種子層141可形成在緩沖層130上，并可在高壓和高V/III族比率的條件下形成。例如，第一 GaN種子層141可在壓力大于或等于300托(Torr)并且V/III族比率大于或等于10000的條件下形成。第二 GaN種子層142可形成在第一 GaN種子層141上，并且可在低壓和低V/III族比率的條件下形成。例如，第二 GaN種子層142可在壓力小于或等于50ΤΟ1Γ并且V/III族比率小于或等于3000的條件下形成。漸變AlGaN層150可形成在AlSixC^x預處理層120和摻雜Al的GaN層160之間。漸變AlGaN層150中的Al含量可從AlSixC^x預處理層120向摻雜Al的GaN層160逐漸減少。漸變AlGaN層中的Al含量可從大約70%降至大約15%。漸變AlGaN層150可被構造為多層，并且多層中的各自的Al含量可相互不同。例如，漸變AlGaN層150可被構造為包括順序層疊的第一漸變AlGaN層(未示出)、第二漸變AlGaN層(未示出)和第三漸變AlGaN層(未示出)，其中，第一漸變AlGaN層中的Al含量從大約70%減少至大約50%，第二漸變AlGaN層中的Al含量從大約50%減少至大約30%，第三漸變AlGaN層中的Al含量從大約30%減少至大約15%。因此，可形成Al含量向摻雜Al的GaN層160逐漸降低的漸變AlGaN層150，從而形成具有穩(wěn)定的結構并防止產生裂紋的氮化物半導體層。漸變AlGaN層150的多層可具有適于使氮化物半導體層中產生的裂紋的存在最少化并對氮化物半導體層提供穩(wěn)定結構的厚度。例如，第一漸變AlGaN層中Al含量為大約70%的AlGaN層可形成為厚度在大約20nm至IOOOnm的范圍內，整個第二漸變AlGaN層可形成為厚度在大約20nm至50nm的范圍內。摻雜Al的GaN層160可形成在漸變AlGaN層150上。摻雜Al的GaN層160可含有范圍為大約O. 1%至O. 9%的Al。期望的是，摻雜Al的GaN層160可含有范圍為大約O. 3%至O. 6%的Al。摻雜Al的GaN層160可鈍化由Al導致的GaN層中的缺陷Ga空位。因此，GaN層的晶化可通過將生長抑制為二維(2D)或三維(3D)電勢而得以改善。 AlGaN層170可形成在摻雜Al的GaN層160上。保護層190可進而形成在AlGaN層170上。保護層190可包括從氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiOx)和氧化鋁(Al2O3)中選擇的材料。保護層190可為鈍化薄膜層，可降低AlGaN層表面的不穩(wěn)定性，并可減少高頻操作期間由電流崩塌導致的功率特性的降低。根據本發(fā)明一方面的氮化物基半導體器件可應用于各種類型的電子器件。如圖2所示，氮化物基半導體器件可應用于常開器件和常閉器件，所述常開器件和常閉器件為包括源極181、柵極182和漏極183的HFET。源極181和漏極183可包括從由鉻(Cr)、Al、鉭(Ta)、鈦(Ti)和金(Au)選擇的材料。如圖3所示，氮化物基半導體器件可應用于包括歐姆電極281和肖特基電極282的肖特基二極管。歐姆電極281可包括從Cr、Al、Ta、Ti和Au選擇的材料。肖特基電極282可包括從鎳(Ni)、Au、氧化銅銦(CuInO2)、氧化銦錫(ΙΤ0)、鉬(Pt)和它們的合金中選擇的材料。上述合金的示例可包括Ni和Au的合金、CuInO2和Au的合金、ITO和Au的合金、Ni、Pt和Au的合金以及Pt和Au的合金,并且這些示例可不限于此。如圖4所示，氮化物基半導體器件可應用于包括第一導電半導體層383、活性層384和第二導電半導體層385的半導體發(fā)光器件。活性層384可在半導體發(fā)光器件中具有量子阱結構，并且半導體發(fā)光器件可包括透明電極386、P型電極387和η型電極388。圖5Α示出了根據本發(fā)明實施例的在緩沖層生長在基底上之前Al預處理氮化物半導體的表面的光學圖像，圖5Β示出了根據本發(fā)明實施例的AlSixCh預處理氮化物半導體的表面的光學圖像。圖6示出了根據本發(fā)明實施例的在緩沖層生長在基底上之前Al預處理氮化物半導體的表面的X射線衍射分析值的曲線圖以及AlSixCh預處理氮化物半導體的表面的X射線衍射分析值的曲線圖。參照圖5Α和圖5Β，在緩沖層生長之前，在Al預處理氮化物半導體的表面中產生了精細的裂紋，而AlSixCh預處理氮化物半導體的表面不包括裂紋。參照圖6，Al預處理氮化物半導體的X射線衍射分析值指示716弧秒(arcsec)，而AlSixCh預處理氮化物半導體的X射線衍射分析值降低至313arcsec。因此,AlSixCVx預處理可消除氮化物半導體的應力，可減少裂紋的存在，并可改善晶化。圖7示出了根據本發(fā)明實施例的AlSixCh預處理氮化物半導體的X射線衍射分析數據(omega-2theta)。圖8示出了根據本發(fā)明實施例的與整個AlSixCVx預處理氮化物半導體的厚度相關的映射數據。圖9示出了根據本發(fā)明實施例的AlSixCh預處理氮化物半導體的光學圖像和顯微圖像。參照圖7，示出了與氮化物基半導體器件中的Al含量相關的峰。參照圖8和圖9，由于氮化物基半導體器件包括AlSixCh預處理層和調整了 V/III族比率的GaN種子層，所以由顯微鏡觀察到，氮化物基半導體器件具有極少的裂紋并具有粗糙度為O. 53nm的優(yōu)質表面。傳統(tǒng)上，氮化物基半導體層生長到預定厚度是具有難度的。然而，根據本發(fā)明實施例的氮化物基半導體器件可在基底上包括AlSixCh預處理層，因此，可使氮化物半導體層生長至至少預定厚度且具有極少的裂紋。如圖8所示，氮化物基半導體器件可具有極少的裂紋，可具有2. 2 μ m的整體厚度，并且具有偏差為大約I. 6%的相對恒定的厚度。 在根據本發(fā)明實施例的氮化物基半導體器件中，當形成在摻雜Al的GaN層上的AlGaN層的Al含量為大約40%時，二維電子氣體(2-DEG)層的遷移率為大約1000平方厘米每伏特秒(cm2/Vs)并且載流子面密度可為大約I. 5X1013/cm2。根據本發(fā)明實施例的氮化物基半導體器件可包括AlSixCh預處理層，因此可釋放由基底和形成在基底上的氮化物半導體層之間的性能(例如，晶格常數和膨脹系數)差異導致的氮化物半導體層中的應力。因此，在氮化物半導體層中產生的裂紋的存在可被最少化，并可改善氮化物半導體層的表面粗糙度，因此，可改善氮化物基半導體器件的穩(wěn)定性和性倉泛。根據本發(fā)明實施例的氮化物基半導體器件可包括Al含量從基底逐漸減少的漸變AlGaN層，因此，可使氮化物半導體層中產生的裂紋的存在最少化，并可形成具有穩(wěn)定結構的氮化物半導體層。盡管已經示出和描述了本發(fā)明的一些實施例，但是本發(fā)明不限于描述的實施例。相反，本領域技術人員將理解的是，在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可對這些實施例做出改變，本發(fā)明的范圍由權利要求及其等同物限定。
權利要求
1.一種氮化物基半導體器件，所述氮化物基半導體器件包括 基底； AlSixCh預處理層，形成在基底上； 摻雜Al的GaN層，形成在AlSixC^預處理層上； AlGaN層，形成在摻雜Al的GaN層上。
2.根據權利要求I所述的氮化物基半導體器件，其中，AlSixCh預處理層被構造為從由單床結構、規(guī)則點結構、不規(guī)則點結構和圖案結構組成的組中選擇的結構。
3.根據權利要求I所述的氮化物基半導體器件，所述氮化物基半導體器件還包括 緩沖層，形成在AlSixCh預處理層上， 其中，緩沖層包括A1N。
4.根據權利要求I所述的氮化物基半導體器件，所述氮化物基半導體器件還包括 GaN種子層，形成在AlSixCh預處理層和摻雜Al的GaN層之間，其中，GaN種子層的V/III族比率進行了調整，V/III族比率表示第V族元素與第III族元素的比率。
5.根據權利要求4所述的氮化物基半導體器件，其中，GaN種子層包括 第一 GaN種子層，第一 GaN種子層的V/III族比率相對高； 第二 GaN種子層，第二 GaN種子層的V/III族比率相對低。
6.根據權利要求I所述的氮化物基半導體器件，所述氮化物基半導體器件還包括 漸變AlGaN層，形成在AlSixCh預處理層和摻雜Al的GaN層之間， 其中，漸變AlGaN層的Al含量從AlSixCh預處理層向摻雜Al的GaN層逐漸降低。
7.根據權利要求6所述的氮化物基半導體器件，其中，漸變AlGaN層中的Al含量從70wt% 降低至 15wt%。
8.根據權利要求I所述的氮化物基半導體器件，其中，摻雜Al的GaN層的Al含量在O.lwt%至O. 9wt%的范圍內。
9.根據權利要求I所述的氮化物基半導體器件，所述氮化物基半導體器件還包括 保護層，形成在AlGaN層上， 其中，保護層包括從由SiNx、SiOx和Al2O3組成的組中選擇的材料。
10.根據權利要求I所述的氮化物基半導體器件，其中，基底包括從由藍寶石、硅、A1N、SiC和GaN組成的組中選擇的材料。
11.根據權利要求I所述的氮化物基半導體器件，其中，所述氮化物基半導體器件是從由常開器件、常閉器件和肖特基二極管組成的組中選擇的器件。
12.根據權利要求11所述的氮化物基半導體器件，其中，肖特基二極管中的歐姆電極包括從由Cr、Al、Ta、Ti和Au組成的組中選擇的材料。
13.根據權利要求11所述的氮化物基半導體器件，其中，肖特基二極管中的肖特基電極包括從由Ni、Au、CuInO2、氧化銦錫、Pt及它們的合金組成的組中選擇的材料。
14.根據權利要求11所述的氮化物基半導體器件，其中，所述氮化物基半導體器件包括第一導電半導體層、活性層和第二導電半導體層。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種氮化物基半導體器件。該氮化物基半導體器件包括基底；AlSixC1-x預處理層，形成在基底上；摻雜鋁的GaN層，形成在AlSixC1-x預處理層上；AlGaN層，形成在摻雜鋁的GaN層上。該氮化物基半導體器件可包括AlSixC1-x預處理層，因此可容易消除由基底和形成在基底上的氮化物半導體層之間的性能(例如，晶格常數和膨脹系數)的差異導致的氮化物半導體層中的應力。因此，在氮化物半導體層中產生的裂紋的存在可被最少化并且可改善氮化物半導體層的表面粗糙度，因此可改善氮化物基半導體器件的穩(wěn)定性和性能。氮化物基器件可包括Al含量從基底逐漸降低的漸變AlGaN層，因此，在氮化物半導體層中產生的裂紋的存在可被最少化并且可形成具有穩(wěn)定結構的氮化物半導體層。
文檔編號H01L33/32GK102881718SQ20121024184
公開日2013年1月16日 申請日期2012年7月12日 優(yōu)先權日2011年7月12日
發(fā)明者李哉勛 申請人:三星電子株式會社