[发明专利]硅衬底上氮化镓生长方法

说明书

技术领域

本发明大体上涉及半导体电路制造工艺，更具体地来说，涉及在硅衬底上形成III族/V族(III-V族)化合物半导体膜。

背景技术

由于III族/V族化合物半导体(通常称作III-V族化合物半导体)在电子和光电子器件上的前景应用，已经对III族/V族化合物半导体诸如氮化镓(GaN)及其相关合金进行了深入研究。多种III-V族化合物半导体的较大带隙和较高的电子饱和速率也使其作为高温和高速功率电子器件中的应用的候选材料。利用III-V族化合物半导体的潜在电子器件的特定实例包括高电子迁移率晶体管(HEMT)和其他异质结双极晶体管。利用III-V族化合物半导体的潜在光电器件的特定实例包括蓝色发光二极管和激光二极管、以及紫外线(UV)光检测器。

在这些器件中使用III-V族化合物半导体GaN的外延生长膜。不幸地，必须在除了GaN之外的衬底上生长GaN外延膜，因为在通常用于生长块状晶体的温度下由于氮的高平衡压力所导致的很难获得GaN块状晶体。由于缺乏GaN衬底的可行块状生长方法，所以通常在诸如硅、SiC、以及蓝宝石(Al2O3)的不同衬底上方外延沉积GaN。与其他生长衬底和随后的加工能力相比较，为了获得更低成本，研究集中在使用硅作为生长衬底。然而，GaN膜在硅衬底上方的生长很困难，因为硅具有不同于GaN的晶格常数和热膨胀系数。如果可以克服在硅衬底上方生长GaN膜的困难，则对于GaN生长，硅衬底由于它们的低成本、大直径、高晶体和表面质量、可控导电性、以及高导热性而具有吸引力。硅衬底的使用还使得基于GaN的光电器件与基于硅的电子器件容易集成。

在硅衬底上方生长GaN膜所产生的大应力可能导致衬底弯曲或破裂。这种弯曲可能导致若干不利影响。首先，可能在晶体GaN膜中生成或传播大量缺陷(位错)。其次，生成的GaN膜的厚度不均匀；导致最终器件中的不期望电性能改变。另外，承受大应力的GaN膜可能容易破裂。因此，需要形成III-V族化合物半导体膜同时克服上述缺陷的新方法。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种半导体结构，包括：硅衬底；第一III-V族化合物半导体块层，位于所述硅衬底上方；中间层，位于所述第一III-V族化合物半导体块层上方；以及第二III-V族化合物半导体块层，位于所述中间层上方。

在上述半导体结构中，进一步包括：梯度III-V族超晶格层。

在上述半导体结构中，进一步包括：AlN成核层。

在上述半导体结构中，其中，所述中间层由AlN制成。

在上述半导体结构中，其中，所述第一III-V族化合物半导体块层为GaN。

在上述半导体结构中，进一步包括：梯度III-V族超晶格层，其中，所述梯度III-V族超晶格层的厚度在500nm和1000nm之间。

在上述半导体结构中，进一步包括：AlN成核层，其中，所述AlN成核层的厚度在150nm和300nm之间。

在上述半导体结构中，其中，第二中间层位于第二III-V族化合物半导体块层的上方。

在上述半导体结构中，其中，第三III-V族化合物半导体块层位于所述第二中间层上方。

在上述半导体结构中，其中，两个以上的III-V族化合物半导体层块位于所述硅衬底上方。

在上述半导体结构中，其中，两个以上的III-V族化合物半导体层块位于所述硅衬底上方，其中，通过中间层隔离每个III-V族化合物半导体块层。

在上述半导体结构中，其中，所述块层为大约0.5微米至大约5微米。

根据本发明的另一方面，还提供了一种形成半导体结构的方法，包括：提供硅衬底；在所述硅衬底上方外延生长第一块状III-V族化合物半导体层；在所述第一块状III-V族化合物半导体层上方外延生长中间层；以及在所述中间层上方外延生长第二块状III-V族化合物半导体层。

在上述方法中，进一步包括：外延生长具有降低的铝浓度和增加的镓浓度的梯度III-V族层。

在上述方法中，其中，使用大约10至大约300托的工艺压力外延生长所述中间层。

在上述方法中，进一步包括：外延生长具有降低的铝浓度和增加的镓浓度的梯度III-V族层，其中，所述梯度III-V族层的厚度为大约0.5微米至大约3微米。

在上述方法中，其中，在所述硅衬底上外延生长两个以上的III-V族化合物半导体层。