專利名稱：在硅底材上成長三族氮化物半導(dǎo)體異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)于一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，更特別地是一種在硅底材上成長三族氮化物半導(dǎo)體異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED；light-emitting diode)的結(jié)構(gòu)至少包含一底材、一發(fā)光異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)以及一對電極用以驅(qū)使二極管發(fā)光。其底材可以是透明的或不透明的。在短波長半導(dǎo)體發(fā)光二極管的應(yīng)用中，其主要發(fā)光結(jié)構(gòu)是以氮化鎵(GaN；gallium nitride)化合物為其材料，而其底材可以是一透明且為絕緣的底材如sapphire底材。一般在解決磊晶膜與絕緣底材之間大晶格失配(lattice mismatch)的方法，是在發(fā)光二極管發(fā)光異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)形成前，在sapphire底材上成長一緩沖層或是成核層。在這些方法當(dāng)中，緩沖層用來控制磊晶膜成核作用的形成并用以減少磊晶膜缺陷的發(fā)生。
三族氮化物半導(dǎo)體層(如氮化鎵、氮化銦、氮化鋁以及這些氮化物的合金)在許多光電應(yīng)用上已經(jīng)成為主要使用材料的選擇，特別是在具有全色光域或是白色光源的發(fā)光二極管以及藍(lán)色雷射二極管(LDs；laser diode)。一些最近的研究報告曾指出，除了已經(jīng)被用為光電應(yīng)用的材料之外，三族氮化物將會成為廣泛使用的半導(dǎo)體材料。在目前，對于三族氮化物較廣泛的應(yīng)用是當(dāng)作發(fā)光層，但是存在有對于以氮化物為主的發(fā)光層在磊晶形成的過成中欠缺晶格匹配底材的缺點。氧化鋁(Al2O3；sapphire)及碳化硅(SiC；silicon carbide)是兩個主要較常使用的成長底材材料。然而，除了具有甚大的晶格不匹配度之外，sapphire的絕緣特性會使得氮化物的元件的制程較為困難且成本較高。在其它方面來說，高價位以及具有有限尺寸大小的碳化硅晶圓也使得以碳化硅為主的底材的應(yīng)用較為困難。對比之下，成長在硅底材上的氮化鎵(GaN-on-Si)磊晶技術(shù)將可整合目前以硅為主要材料的微電子技術(shù)以及由三族氮化物半導(dǎo)體所能提供的各項新型功能。
對于在硅底材上氮化鎵的異質(zhì)磊晶成長技術(shù)，在文獻中指出氮化鋁緩沖層可以提供甚佳的結(jié)果，使得在硅底材上可成長氮化鎵發(fā)光二極管并已有高亮度發(fā)光的實驗證明。然而，鋁材和硅材彼此之間的可熔性在氮化鋁緩沖層的成長溫度條件下(硅、鋁的共熔點溫度577℃，成長溫度約為820℃)非常之高。因此，氮化鋁材和硅材在接口之間的內(nèi)部互擴散現(xiàn)象是非常的嚴(yán)重，進而使磊晶層以及硅底材造成非刻意的高摻雜濃度以及造成磊晶層的品質(zhì)降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一雙層緩沖結(jié)構(gòu)位于硅底材上，以解決在氮化鋁/硅在接口之間的所造成的內(nèi)部相互擴散問題。
本發(fā)明的另一目的在于提供能夠形成具有特殊比例晶格匹配的巧合晶格(coincident lattices)的氮化鋁/氮化硅雙層緩沖結(jié)構(gòu)，以降低晶格不匹配所造成的問題，并能用以成長高品質(zhì)磊晶薄膜。
根據(jù)以上所述的目的，本發(fā)明提供一種緩沖結(jié)構(gòu)以解決自動摻雜(autodoping)的問題，以及當(dāng)單晶氮化鋁(0001)緩沖層形成時在氮化鋁/硅之間的接口所造成的內(nèi)部相互擴散的問題。其方法包含采用一具有(111)晶向表面的單晶硅底材，其底材的表面可以通過熱除氣步驟以移除在原生氧化層而產(chǎn)生表面重構(gòu)。接著，為本發(fā)明的特征，在硅底材上的(111)晶向表面形成一雙層緩沖結(jié)構(gòu)。其雙層緩沖結(jié)構(gòu)包含一單晶氮化硅層以及位于單晶氮化硅層上的一單晶氮化鋁層或一其它三族氮化物層。接著，氮化鎵磊晶層即可成長于該雙層緩沖層上。本發(fā)明的所提出的雙層緩沖結(jié)構(gòu)的機制對于具有大晶格失配的異質(zhì)磊晶形成有較佳的優(yōu)點。此外，對于在硅材上的氮化鎵異質(zhì)磊晶成長，由于具有巧合晶格常數(shù)比例匹配為1∶2及5∶2的晶格可分別形成在單晶氮化硅(0001)/單晶硅(111)以及單晶氮化鋁(0001)/單晶氮化硅(0001)的接口，因此可用以形成高品質(zhì)雙層緩沖結(jié)構(gòu)。更由于單晶氮化硅可作為擴散阻抗層，因此，位于氮化鋁/硅之間接口的相互擴散問題可以通過此雙層緩沖結(jié)構(gòu)而解決。
此外，本發(fā)明提供一種形成在硅底材上形成三族氮化物半導(dǎo)體異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)的方法，其中包含利用熱除氣的方式去除殘留在(111)晶向表面硅底材上殘留的薄氧化層，并使得硅底材重構(gòu)。接著，為本發(fā)明的特征，在潔凈硅底材上形成一雙層緩沖結(jié)構(gòu)。其中雙層緩沖結(jié)構(gòu)包含一單晶氮化硅層，該單晶氮化硅層利用導(dǎo)入活性氮氣電漿至硅底材的潔凈(111)晶向表面上以形成一單晶氮化硅單原子層位于硅底材上。接著，一單晶氮化鋁緩沖層或一其它三族氮化物層是以磊晶成長的方式形成在單晶氮化硅層上。接著，同樣利用磊晶成長的方式將三族氮化物異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)形成在氮化鋁層上方。


圖1根據(jù)本發(fā)明所揭露的技術(shù)，硅底材上成長三族氮化物半導(dǎo)體異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)的方法中各個步驟的流程圖；圖2A至圖2D根據(jù)本發(fā)明所揭露的技術(shù)，在硅底材上成長三族氮化物半導(dǎo)體異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)的方法中各個步驟的簡單示意圖；圖3根據(jù)本發(fā)明所揭露的技術(shù)，表示對于具有單晶氮化鋁/單晶氮化硅雙層緩沖結(jié)構(gòu)(a)以及單晶氮化鋁單層緩沖結(jié)構(gòu)(b)所成長的氮化鎵膜利用二次離子質(zhì)譜在氮化鎵膜/緩沖/底材接口區(qū)域深度范圍附近作硅/鋁元素分析的示意圖；圖4A根據(jù)本發(fā)明所揭露的技術(shù)，表示在(111)晶向表面硅底材上并利用單晶氮化鋁/單晶氮化硅雙層緩沖結(jié)構(gòu)以及單晶氮化鋁單層緩沖結(jié)構(gòu)兩種方法成長氮化鎵磊晶膜的低溫光致螢光光譜比較；圖4B根據(jù)本發(fā)明所揭露的技術(shù)，表示以單晶氮化鋁/單晶氮化硅雙層緩沖結(jié)構(gòu)成長的氮化鎵磊晶膜的自由激子(FX)以及成長在單晶氮化鋁單層緩沖結(jié)構(gòu)上的氮化鎵磊晶膜的中性施子束縛激子(D0X)的光致螢光光譜波峰強度的Arrhenius圖形；以及圖5根據(jù)本發(fā)明所揭露的技術(shù)，表示利用單晶氮化鋁/單晶氮化硅雙層緩沖結(jié)構(gòu)以及單晶氮化鋁單層緩沖結(jié)構(gòu)所成長在(111)晶向表面硅底材上的兩種氮化鎵磊晶層的室溫拉曼光譜示意圖。
圖中符號說明10硅底材12單晶氮化硅層14鋁預(yù)沉積原子層16單晶氮化鋁緩沖層20具有鎵原子表面極性的氮化鎵層具體實施方式
本發(fā)明的一些實施例會詳細(xì)描述如下。然而，除了此詳細(xì)描述的實施例外，本發(fā)明還可以廣泛地在其它的實施例施行，且本發(fā)明的范圍不受限定，并以所述的專利范圍為準(zhǔn)。
根據(jù)本發(fā)明提供一種方法及結(jié)構(gòu)以改善位于氮化鋁/硅以及其它三族氮化物/硅之間接口的內(nèi)部交互擴散(inter-diffusion)的問題。
三族氮化物(group-III nitride)在硅底材上的異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)最近常被應(yīng)用到光電、微電子以及表面聲波元件的應(yīng)用上。除了具有大尺寸的可利用性(單晶硅底材的尺寸可至12英吋)、低成本以及硅底材具有良好的結(jié)晶品質(zhì)。硅同時也具有良好的材料特性，如摻雜特性(n/p雙極性以及高載子濃度)、可劈開性(cleavable)、良好的熱傳導(dǎo)性(約比sapphire大三倍)以及其具有較成熟的制程技術(shù)。這些硅底材的優(yōu)點可以被用來開發(fā)許多新的三族氮化物材料的應(yīng)用范圍，并可以用到氮化鎵以及硅的元件整合。其理由是由于高品質(zhì)的氮化鎵異質(zhì)磊晶在硅上的成長是可行的，這是由于六方纖鋅礦(hexagonal wurtzite)(0001)結(jié)晶面與立方鉆石或閃鋅礦(cubic diamond or zinc-blende)(111)晶向表面可形成晶格失配的特性所造成的。
本堆棧緩沖結(jié)構(gòu)由幾個組成層構(gòu)成，各個組成層具有可以在層/層以及層底材的接口之間形成特殊比例匹配的巧合晶格(coincidentlattice)的特性。在本發(fā)明的實施例中，對于在硅底材上的高品質(zhì)三族氮化物異質(zhì)磊晶的成長是利用分別形成在β-氮化硅(0001)/硅(111)(β-Si3N4(0001)/Si(111))與氮化鋁(0001)/β-氮化硅(0001)(AlN(0001)/β-Si3N4(0001))接口的1∶2及5∶2特殊比例晶格匹構(gòu)以形成雙層緩沖結(jié)構(gòu)。通過使用本緩沖結(jié)構(gòu)的技術(shù)，在本發(fā)明的實施例中可以解決自動摻雜的問題以及在氮化鋁/硅之間所造成的內(nèi)部相互擴散的問題。如以下實施例的實驗結(jié)果所示，氮化鎵膜的磊晶品質(zhì)也可以同時被改善。
在硅底材上的氮化鎵膜有將近20.4百分比在平面上(in-plane)的晶格失配(≡(a(硅)-a(氮化鎵))/a(氮化鎵)；a(氮化鎵)(0001)＝3.189A；a(硅)(111)＝3.840A)以及大的熱膨脹數(shù)失配。很幸運地，通過利用具有特殊比例晶格匹構(gòu)條件的緩沖層可以減少晶格的匹配。例如，在氮化鋁(0001)(a(氮化鋁)(0001)＝3.112A)及硅(111)之間的特殊比例晶格匹構(gòu)為5∶4的情況下，其有效晶格匹配可以由+23.4百分比減少至-1.3百分比。因此，可通過晶格形變的降低而得到二維平滑的異質(zhì)磊晶成長的模式。
成長制程在本發(fā)明所揭露的實施例中使用一分子束磊晶(MBE；molecular-beam epitaxy)裝置，本裝置并配有射頻(rf；radio frequency)氮氣電漿源。在分子束磊晶成長反應(yīng)室的基本壓力為6*10-11托爾(Torr)，并采用高純度鎵金屬以及鋁金屬的分子束源(MBE effusioncell)。氮氣在導(dǎo)入電漿源之前通過氮氣純化裝置將其純化。在整個磊晶成長過程中，采用相同的條件產(chǎn)生氮氣電漿。射頻電波的功率大約為450瓦以及氮氣的流率為0.5sccm。在硅底材加載分子束反應(yīng)室之前，先用化學(xué)蝕刻法蝕刻三英吋(111)晶向表面的硅底材。(111)晶向表面的硅底材更進一步地利用現(xiàn)埸熱除氣法以移除所殘留的原生氧化層。因此，通過以上所述之前處理步驟的(111)晶向表面硅底材可以顯示出(7*7)表面重構(gòu)，并且通過在底材溫度為800℃時的反射式高能量電子繞射(RHEED；reflection high-energy electron diffraction)圖案可確認(rèn)其硅底材的表面特性。
此外，反射高能量電子繞射圖案可用來指出在磊晶成長制程之前重構(gòu)硅底材表面的品質(zhì)以及平坦度。其底材溫度的校正利用硅(111)晶向表面在溫度為875℃的(7*7)轉(zhuǎn)移成(1*1)重構(gòu)的相轉(zhuǎn)移而得到。在本實施例中，比較在硅底材(111)晶向表面上氮化鎵磊晶成長中兩個不同的緩沖層系統(tǒng)。這兩個緩沖層系統(tǒng)皆包含一厚度為30奈米的氮化鋁緩沖層。其唯一的不同點是在于其中一個緩沖層系統(tǒng)包含一單晶β-氮化硅層(β-Si3N4)(其厚度大約為1.5nm，利用穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscopy)確認(rèn)所得的結(jié)果)。單晶氮化硅層可以利用(111)晶向表面硅底材表面的熱氮化作用且利用活性氮氣電漿在底材溫度為900℃，時間為30秒的條件下形成。而厚度為30奈米的氮化鋁緩沖層在每小時0.12微米的成長速率且在成長溫度為820℃的條件下磊晶成長所形成。此外，成長在緩沖層上厚度為240奈米的氮化鎵磊晶層在較低的底材溫度(約為720℃)以成長速率為每小時0.08微米的速率所形成。在分子束磊晶成長之后，在氮氣電漿持續(xù)流通的條件下，在成長氮化鎵表面(冷卻至500至600℃時)可以觀察到(2*2)的表面重構(gòu)圖案，以此可以指出此氮化鎵表面特性為具有較優(yōu)性質(zhì)的鎵極性(Ga polarity)。
參考圖1表示本發(fā)明在(111)晶向表面硅底材上形成雙層緩沖結(jié)構(gòu)的方法的流程圖。步驟1表示(111)晶向表面硅底材利用超高真空熱處理方式移除在硅底材的原生氧化層以及產(chǎn)生原子度平坦及重構(gòu)的表面。(111)晶向表面硅底材通過上述制備法可產(chǎn)生硅底材(7*7)的表面重構(gòu)，所產(chǎn)生的重構(gòu)表面可以通過反射式高能量電子繞射圖案在800℃底材溫度確認(rèn)其特性。步驟2表示將活性氮氣電漿導(dǎo)入高溫(900℃)硅底材的表面并通過(111)晶向表面硅底材的表面氮化作用以形成一單晶氮化硅層。步驟3表示一鋁預(yù)沉積層的制備步驟，根據(jù)鋁分子束的流量并在關(guān)閉活性氮電漿氣流的條件下，在單晶氮化硅層上形成單原子層的鋁。接著，高溫回火鋁預(yù)沉積原子層以形成一氮化鋁單原子層位于氮化硅層上方(步驟4)。然后，執(zhí)行氮化鋁層的磊晶成長以形成氮化鋁緩沖層于單晶氮化硅層上方(步驟5)；最后在氮化鋁緩沖層上形成具鎵原子極性表面的氮化鎵膜(GaN film)或者是形成三族氮化物半導(dǎo)體異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)于氮化鋁緩沖層上方(步驟6)。
接著參考圖2A，硅底材10利用熱除氣處理或是氫-鈍化處理(濕式蝕刻或現(xiàn)場氮氣電漿處理)以移除原生氧化層。利用熱除氣處理步驟所制備的硅底材10可以顯示出(7*7)表面重構(gòu)特性，并且可以利用反射式高能量電子繞射圖案在800℃確認(rèn)其特性。此外，反射式高能量電子繞射圖案可指出重構(gòu)硅表面在磊晶成長制程之前的品質(zhì)以及平坦度。其底材溫度的校正利用(111)晶向表面硅底材表面在溫度為875℃時的(7*7)轉(zhuǎn)成(1*1)表面重構(gòu)的相轉(zhuǎn)移所得到。
接著，為本發(fā)明的特征，其擴散阻障層12為一單晶氮化硅層利用(111)晶向表面硅底材10表面的氮化作用所產(chǎn)生，在硅底材溫度為900℃的條件下導(dǎo)入活性氮氣電漿大約30秒以形成單晶氮化硅層。在本發(fā)明中，(0001)晶面的β-氮化硅(單晶氮化硅)層(0001)12可通過活性氮氣的導(dǎo)入或是利用熱裂解氨(thermally cracked NH3)的導(dǎo)入產(chǎn)生，當(dāng)(111)面硅底材10表面在略較高于Si(111)相變溫度(由(7*7)轉(zhuǎn)移至(1*1)相)、可產(chǎn)生單晶Si3N4(0001)-(4*4)表面重構(gòu)(就(111)晶向表面硅底材的晶格參數(shù)而言，亦可稱為“(8*8)”表面重構(gòu))。
在反射式高能量電子繞射圖中可以顯示出在導(dǎo)入活性氮氣電漿至(111)晶向表面硅底材10表面在溫度為900℃及其時間為30秒的條件下，“(8*8)”重構(gòu)的反射式高能量電子繞射圖案。反射式高能量電子繞射圖案表示出在β-氮化硅層(0001)12上兩種不同的表面原子秩序。其中一種秩序符合最上層“(8/3*8/3)”-結(jié)構(gòu)的氮吸附原子(adatoms)以及另一表面次序符合“(8*8)”的表面晶格周期。在掃描穿隧顯微技術(shù)(STM；Scanning Tunneling Microscopy)的實驗中，可以確認(rèn)“(8*8)”晶格周期為單晶(0001)晶面的β-氮化硅12表面的重構(gòu)單元晶胞。
接著，氮化鋁緩沖層16的成長在雙層緩沖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中在表面氮原子終止的氮化硅重構(gòu)表面開始如圖2B及圖2C所示。在鋁預(yù)沉積步驟中沉積15秒鋁，單一鋁預(yù)沉積原子層14在(111)晶向表面硅底材10上形成。然后實施高溫回火鋁預(yù)沉積原子層以形成一氮化鋁單原子層于單晶氮化硅層12上方。而氮化鋁(0001)-(1*1)結(jié)構(gòu)會顯示在實時的反射式高能量電子繞射圖案中。指出鋁原子與最上層的氮吸附原子鍵結(jié)形成一原子層的氮化鋁16且其表面非常的平滑。在此須要注意的是，可以利用反射式高能量電子繞射圖案確定沿著β-氮化硅(2-1-10)12以及氮化鋁(2-1-10)16方向的巧合晶格的周期性具有整數(shù)比例關(guān)系。接著，以一磊晶成長方式在單晶氮化硅層12上方形成單晶氮化鋁緩沖層16。
為了比較同具有氮化鋁的單層及雙層兩種緩沖結(jié)構(gòu)(雙緩沖層結(jié)構(gòu)含一單晶氮化硅層在硅底材上)，鋁緩沖層16的厚度均約為30奈米且磊晶成長的溫度在820℃及其成長速率為每一小時0.12微米。然后，氮化鎵磊晶層20是長在單晶氮化鋁緩沖層16上。氮化鎵磊晶層20的厚度為240微米在較低的底材溫度成長(約為720℃)，其磊晶成長速度每一小時為0.08微米。在分子束磊晶成長之后，利用雙層緩沖結(jié)構(gòu)所形成的氮化鎵20冷卻到500℃至600℃，且在具有氮電漿氣流的條件下可得具有鎵原子表面極性的氮化鎵層20的(2*2)重構(gòu)圖案。
同樣參考圖2D，本發(fā)明提供一種具有雙層緩沖結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)以解決當(dāng)單晶氮化鋁(0001)緩沖層成長時，自動摻雜以及在氮化鋁/硅之間接口的內(nèi)部擴散所產(chǎn)生的問題。在本發(fā)明中提供具有(111)晶向表面(平面上的晶格常數(shù)為3.840埃)的硅底材10。接著為本發(fā)明的特征在(111)晶向表面的硅底材10上形成一雙層緩沖結(jié)構(gòu)，此雙層緩沖結(jié)構(gòu)可以改善半導(dǎo)體中接口內(nèi)部元素交互擴散的問題，其中雙層緩沖層包含一單晶氮化硅層(0001)12其晶格常數(shù)為7.61埃，以及位于單晶氮化硅層12上的氮化鋁層(0001)16其晶格常數(shù)為3.112埃。
在本發(fā)明中氮化鋁16在840℃成長之后，可以顯示出一(1*1)的反射式高能量電子繞射圖案，并且由繞射圖案可指出氮化鋁緩沖層16為一具有平坦表面的高品質(zhì)薄膜。接著，可利用分子束磊晶法形成氮化鎵磊晶層20或是三族氮化物半導(dǎo)體異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)，同樣地在反射式高能量電子繞射圖案中也可以顯示出后續(xù)氮化鎵層成長后的薄膜品質(zhì)。在本發(fā)明中可利用反射高能量電子繞射圖案判斷1∶2及5∶2特殊比例晶格匹構(gòu)的巧合接口分別形成在β-氮化硅(0001)/硅(111)以及氮化鋁(0001)/β-氮化硅(0001)接口之間。
此外，可以由反射式高能量電子繞射圖案以及X射線繞射的研究中發(fā)現(xiàn)下列磊晶配向的關(guān)系β-Si3N4(0001)‖Si(111)；β-Si3N4
‖Si[11-2]；β-Si3N4[2-1-10]‖Si[-110]andAlN(0001)‖β-Si3N4(0001)；AlN
‖β-Si3N4
；AlN[2-1-10]‖β-Si3N4[2-1-10]。因此，氮化鎵/氮化鋁/β-氮化硅的c-軸垂直于(111)晶向的硅底材表面。
由于氮化鎵磊晶成長是在相同的成長條件長在不同的緩沖結(jié)構(gòu)上(皆含有一氮化鋁緩沖層)，因此，為了比較這些不同緩沖結(jié)構(gòu)對磊晶膜性質(zhì)的影響，二次離子質(zhì)譜儀(SIMS；secondary-ion massspectroscopy)、X射線繞射、光致螢光光譜(PL；photoluminescence)以及拉曼散射(Raman scattering)等測量方法被用來比較這些具有/不具有β-氮化硅層的緩沖結(jié)構(gòu)對氮化鎵磊晶膜的結(jié)構(gòu)性質(zhì)及光學(xué)特性的影響。
圖3表示對于具有單晶氮化鋁/單晶氮化硅雙層緩沖結(jié)構(gòu)(a)以及氮化鋁單層緩沖結(jié)構(gòu)(b)所成長的氮化鎵膜利用二次離子質(zhì)譜在氮化鎵膜/緩沖結(jié)構(gòu)/底材接口區(qū)域深度范圍附近作硅/鋁元素分析的示意。雜質(zhì)在成長方向的分布可以利用二次離子質(zhì)譜儀偵測得到。為了研究當(dāng)?shù)壴?111)晶向表面硅底材上成長的自動摻雜效應(yīng)，在本發(fā)明中針對兩種緩沖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的樣品，對氮化鎵層/氮化鋁層以及氮化鋁層/硅底材接口附近的鋁離子及硅離子的二次離子質(zhì)譜儀訊號作深度分布圖。其中每一二次離子質(zhì)譜儀的硅/鋁含量分布圖的深度零點皆設(shè)定在硅底材的(111)晶向表面。由此量測結(jié)果可決定出氮化鎵成長在雙層緩沖結(jié)構(gòu)(具有β-氮化硅(0001)層)的硅擴散量大小比在單層緩沖上成長的狀況小將近一個數(shù)量級。
單晶氮化硅層不只是可以限制硅擴散至氮化鋁層以及氮化鎵層，在氮化鋁緩沖層的高成長溫度下，單晶氮化硅(0001)層同樣也可以防止鋁擴散至硅底材，在包含氮化硅擴散抑制層的樣品中鋁元素在硅底材的含量大小亦低于不包含氮化硅擴散抑制層的樣品近一個數(shù)量級。因此，二次離子質(zhì)譜儀的結(jié)果可以顯示出在高溫成長氮化鋁磊晶層以及后續(xù)氮化鎵磊晶層的過程中，單晶氮化硅層可有效的抑制硅擴散至氮化鋁層和氮化鎵層以及抑制鋁擴散至硅底材。
參考圖4A及圖4B，表示氮化鎵膜成長在不同緩沖結(jié)構(gòu)上的光學(xué)特性的比較。在低溫(6.7K)光致螢光光譜中顯示出氮化鎵膜成長在氮化鋁/氮化硅/硅(111)雙層緩沖結(jié)構(gòu)上方時，其氮化鎵膜的中性施子束縛激子(DoX；neutral-donor-bound exciton)的發(fā)光波峰的半高寬遠(yuǎn)小于在氮化鋁/硅(111)單層緩沖結(jié)構(gòu)上方所形成的氮化鎵膜。光致螢光光譜波峰的半高寬值的減少(12meV vs.20meV)與通過原子力顯微技術(shù)所量測的表面缺陷密度(7*108cm-2vs.1.1*109cm-2)的結(jié)果一致，證實了在磊晶層結(jié)晶品質(zhì)方面的改善。在圖4A中的內(nèi)圖所顯示在不同溫度，成長在氮化鋁/氮化硅/硅(111)上的氮化鎵樣品的主要螢光波峰位置在在溫度高于70K時，顯示出光致螢光光譜波峰由中性施子束縛激子發(fā)射轉(zhuǎn)至自由激子(free exciton；FX)發(fā)射(70kB趨近于中性硅施子對激子的局部化能量(Eloc)，其中kB為波茲曼常數(shù))。相對于此特性，對于單層緩沖結(jié)構(gòu)的樣品而言，其中性施子束縛激子波峰位置隨著溫度的增加而單調(diào)上升，代表硅原子(施子)在此樣品內(nèi)的濃度非常大。因此，這和上述由二次離子質(zhì)儀所得到的結(jié)果是具有一致性的。
參考圖4B，表示在氮化鎵成長在雙層緩沖結(jié)構(gòu)上的螢光光譜的FX的強度以及中性施子束縛激子在氮化鎵薄膜成長在單層緩沖結(jié)構(gòu)上的DoX螢光光譜強度的Arrhenius示意圖。由Arrhenius圖標(biāo)可得，F(xiàn)X在氮化鎵成長在氮化鋁/氮化硅/硅(111)雙層緩沖結(jié)構(gòu)上的活化能可以通過擬合熱活化關(guān)系得到其值大約為25meV，與文獻中對于FX在未摻雜氮化鎵中的活化能值的研究結(jié)果具有一致性。此外，中性施子束縛激子在氮化鎵成長在氮化鋁/硅(111)單層緩沖上的非放射性再復(fù)合的活化能可以利用兩個熱活化能(Ea1and Ea2)擬合。擬合所得的Ea1and Ea2相當(dāng)于已知在氮化鎵內(nèi)硅不純物的局部化能量(Eloc～6meV)以及硅施子離子化的結(jié)合能量(ED～29meV)。
此外，在本發(fā)明中利用拉曼散射測量以比較采用兩種不同緩沖層系統(tǒng)時，成長在硅底材(111)晶向表面的氮化鎵磊晶層的晶格品質(zhì)。參考圖5表示以向后散射幾何獲得的非偏極化拉曼光譜，其入射光方向為沿著氮化鎵c軸方向( )(沿著成長方向)，并利用具有波長為514.5奈米的氬離子雷射的光源，兩種拉曼光譜在硅底材的部份均可得～520cm-1的拉曼訊號。此外，在每一個拉曼光譜中皆有接近568cm-1的拉曼訊號，此為氮化鎵的E2帶拉曼訊號。除此之外，在成長于雙層緩沖結(jié)構(gòu)上的氮化鎵薄膜樣品部份，可以得到A1(LO)帶(～735cm-1)的拉曼訊號。此A1(LO)訊號的存在代表雙層緩沖結(jié)構(gòu)上成長的氮化鎵薄膜樣品具高品質(zhì)晶格。同時，對于未摻雜材料而言，A1(LO)與E2拉曼訊號的強度比為1∶3。在本發(fā)明中測量氮化鎵成長在雙層緩沖結(jié)構(gòu)所得的A1(LO)與E2強度比為1∶3.3(僅稍微大于3)，指出載子濃度僅略高于未摻雜氮化鎵層的載子濃度。此種結(jié)果與二次離子質(zhì)譜儀所測量的結(jié)果具有一致性，并且顯示出利用氮化鋁/氮化硅雙層緩沖結(jié)構(gòu)成長氮化鎵層在(111)晶向表面的硅底材上，所得的氮化鎵層中具有較低的硅濃度，故自動摻雜的效應(yīng)可大輻降低。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用以限定本發(fā)明的申請專利范圍；凡其它未脫離本發(fā)明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應(yīng)包含在所述的申請專利范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在硅底材上成長三族氮化物半導(dǎo)體異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)的方法，該在硅底材上成長三族氮化物半導(dǎo)體異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)的方法包含提供具有(111)晶向表面的一硅底材；執(zhí)行一通入活性氮源的熱氮化作用于具有(111)晶向表面的該硅底材以形成一單晶氮化硅層于具有(111)晶向表面的該硅底材上；在不執(zhí)行該通入活性氮源的熱氮化作用下執(zhí)行一鋁預(yù)沉積步驟于該單晶氮化硅層上以形成一鋁預(yù)沉積原子層于該單晶氮化硅層上方；執(zhí)行一高溫回火步驟于該鋁預(yù)沉積原子層以形成一單晶氮化鋁單原子層于該單晶氮化硅層上方；以及執(zhí)行一氮化鋁磊晶成長步驟于該單晶氮化鋁單原子層上方以形成一單晶氮化鋁磊晶層。形成一三族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)于該氮化鋁磊晶層上方。
2.如權(quán)利要求1所述的在硅底材上成長三族氮化物半導(dǎo)體異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)的方法，其中上述三族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以是一三族氮化物半導(dǎo)體單層結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的在硅底材上成長三族氮化物半導(dǎo)體異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)的方法，其中上述三族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以是一三族氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)。
4.一種具有三族氮化物半導(dǎo)體異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，該具有三族氮化物半導(dǎo)體異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含具有(111)晶向表面一一硅底材；一雙層緩沖結(jié)構(gòu)位于具有(111)晶向表面的該硅底材上方，其中該雙層緩沖層結(jié)構(gòu)包含一擴散阻障層位于具有(111)晶向表面的該硅底材上方；以及一三族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)位于該雙層緩沖層上方。
5.如權(quán)利要求4所述的具有三族氮化物半導(dǎo)體異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中上述擴散阻障層的材料為一單晶氮化硅。
6.如權(quán)利要求4所述的具有三族氮化物半導(dǎo)體異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中上述雙層緩沖結(jié)構(gòu)包含一單晶氮化鋁層位于該擴散阻障層上方。
7.如權(quán)利要求4所述的具有三族氮化物半導(dǎo)體異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中上述雙層緩沖結(jié)構(gòu)包含一氮化鎵層位于該擴散阻障層上方。
8.如權(quán)利要求4所述的具有三族氮化物半導(dǎo)體異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中上述雙層緩沖結(jié)構(gòu)包含一氮化銦層位于該擴散阻障層上方。
9.如權(quán)利要求4所述的具有三族氮化物半導(dǎo)體異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中上述三族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)為一三族氮化物半導(dǎo)體單層結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求4所述的具有三族氮化物半導(dǎo)體異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中上述三族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)為一三族氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在硅底材上形成三族氮化物半導(dǎo)體異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)的方法，其中包含采用一(111)晶向表面的單晶硅底材。接著，一雙層緩沖結(jié)構(gòu)形成在該硅底材上方，其中該雙層緩沖結(jié)構(gòu)包含一單晶氮化硅層，此單晶氮化硅層是利用導(dǎo)入活性氮電漿或氨氣并以熱氮化方法形成在高溫硅底材上方。接著，另一緩沖層為一單晶氮化鋁層或其它三族氮化物層是以磊晶成長的方式成長在單晶氮化硅層上方。然后，氮化鎵層或三族氮化物半導(dǎo)體異質(zhì)磊晶結(jié)構(gòu)同樣是利用磊晶成長的方式成長在此雙層緩沖結(jié)構(gòu)上。
文檔編號H01S5/00GK1619843SQ20031011655
公開日2005年5月25日 申請日期2003年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月20日
發(fā)明者果尚志 申請人:果尚志