[实用新型]一种具有抗静电层的III族氮化物半导体外延结构

说明书

本实用新型公开了一种具有抗静电层的III族氮化物半导体外延结构，依次包括：III族氮化物半导体外延结构前端部分、AlxGa(1‑x)N抗静电层和III族氮化物半导体外延结构后续部分，前端部分内的穿透位错线位置处形成由平面和倒六角锥状坑组成的倒六角锥结构，AlxGa(1‑x)N抗静电层形成于所述倒六角锥结构之上。AlxGa(1‑x)N抗静电层在倒六角锥状坑侧壁的厚度显著大于其在平面上的厚度，使得穿透位错线在倒六角锥状坑底部附近形成远高于倒六角锥结构平面位置的电阻，从而大幅提升III族氮化物半导体外延结构的抗静电性能，使之接近无穿透位错的III族氮化物应有的高抗静电能力。

技术领域

本实用新型涉及III族氮化物半导体外延结构，尤其是涉及一种具有抗静电层的III族氮化物半导体外延结构。

背景技术

在半导体器件生产、测试、包装、储存、运输、安装以及使用的过程中，可以说时时刻刻都要接触到静电，而其电压值从几百伏到几万伏不等。虽然人们通过各种办法来防止静电的发生，但仍然不能做到完全消除静电。这不仅带来了半导体器件生产、测试、包装、储存、运输、安装以及使用等各个环节的成本增加，还给半导体器件的制造良率、使用寿命和可靠性带来负面影响。比如，静电对半导体器件的损伤，会降低生产成品率；在安装或使用过程中，静电造成的半导体器件部分损坏或完全损坏，会严重影响半导体器件所在整体设备或仪器的可靠性和使用寿命。

III族氮化物是第三代半导体的典型代表之一，由于其具有高电子迁移率、高饱和速度、高击穿场强、高热导率、较低的介电常数、化学稳定性好、抗辐照能力强、直接带隙、带隙覆盖了从红色到紫外的光谱范围等诸多优势，在光电子、高温大功率电子器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景，例如可以制作发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、光电探测器、高电子迁移率晶体管(HEMT)、场效应晶体管、微波器件等等。目前发展最为成熟的是发光二极管，其在半导体照明、显示、背光等领域广泛应用，为全球节能减排作出了重大贡献。其他方面的应用也正得到全球科研人员和生产企业的高度关注。按照理论预测，由于III族氮化物具有高击穿场强的特点，其抗静电能力应该非常好。然而，长期以来由于没有单晶衬底，或单晶衬底的价格非常高，使III 族氮化物通常采用异质衬底进行外延生长，常用的衬底材料包括蓝宝石(Al₂O₃) 单晶、碳化硅(SiC)单晶和硅(Si)单晶等。异质外延生长过程中，由于异质衬底和III族氮化物之间较大的晶格失配和热失配导致III族氮化物穿透位错密度通常高达10⁸─10¹⁰cm^-2量级。这些高密度的位错通常是III族氮化物器件中的薄弱环节，容易产生漏电，在承受静电的时候，也最容易被击穿，大大降低了III族氮化物器件的抗静电能力，使器件的抗静电能力远低于III族氮化物的理论抗静电能力。为了解决III族氮化物由于位错密度高而引起的抗静电差的问题，科研人员提出了很多办法，概况起来主要有两种思路：一种是通过外部手段，在器件安装使用的过程中为器件并联一个齐纳二极管来释放静电，从而保护III族氮化物半导体器件不被静电损伤；另一种是从III族氮化物本身入手，即降低III族氮化物材料中的穿透位错等缺陷密度，增强电流扩展，使静电荷更加均匀地分布到器件中，从而降低局部被静电击穿的风险。第一种思路可以很有效地解决使用过程中的静电破坏问题，但会增加成本(因为要额外增加一个齐纳二极管以及相应的安装成本)，且不能解决III族氮化物半导体器件在生产、测试、包装、储存、运输、安装等其他环节静电损伤问题。第二种思路相对来说成本更低，但由于很难大幅度降低III族氮化物材料中的穿透位错缺陷，使得该方法取得的效果有限，通常获得的半导体器件抗静电能力从几百伏到几千伏之间，很难承受1万伏以上的静电冲击。而实际生产、测试、包装、储存、运输、安装和使用中经常会碰到1万伏以上的静电压，这对 III族氮化物半导体器件以及其所在的设备和仪器是一个巨大的隐患。另外，为了获得具有一定范围抗静电能力的半导体器件，通常在生产过程中会引入静电筛选的环节，具体做法是给器件施加特定电压伏值的静电进行百分百测试，将被静电完全损坏的器件筛出。然而，静电筛选首先会使生产成本增加，其次还对未完全损坏的器件造成一定程度的损伤，给器件的后续使用可靠性带来隐患。因此，获得具有高抗静电能力的III族氮化物半导体器件显得非常重要。