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半导体结构以及制备半导体结构的方法 【EN】Semiconductor structure and method for preparing semiconductor structure

申请(专利)号:CN201610366289.8国省代码:北京 11
申请(专利权)人:【中文】清华大学【EN】Tsinghua University
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摘要:
【中文】本发明提出了半导体结构以及制备半导体结构的方法。具体地,该方法包括:(1)提供衬底,所述衬底是由金属形成的;以及(2)在所述衬底的上表面通过溅射沉积,形成第一氮化物半导体层,以便获得所述半导体结构,所述第一氮化物半导体层具有晶体择优取向。由此,可以降低制备成本,简化制备工艺,并在金属衬底上获得具有晶体择优取向的氮化物半导体结构。具有晶体择优取向的氮化物半导体层有利于诱导后续在其上形成的其他氮化物结构,使其也具有晶体择优取向。 【EN】Paragraph:The present invention provides a semiconductor structure and a method for preparing the semiconductor structure. The method specifically includes the following steps that: (1) a substrate is provided, wherein the substrate is formed by metal; and (2) a first nitride semiconductor layer is formed on the upper surface of the substrate through sputtering deposition, so that the semiconductor structure can be obtained, wherein the first nitride semiconductor layer has crystal preferred orientation. With the method adopted, preparation cost can be reduced, a preparation process can be simplified, and the nitride semiconductor structure having the crystal preferred orientation can be obtained on the metal substrate; and the nitride semiconductor layer having the crystal preferred orientation benefits in inducing subsequent formation of other nitride structures on the nitride semiconductor layer, and can make the other nitride structures have crystal preferred orientation.Image:201610366289.GIF

主权项:
【中文】一种制备半导体结构的方法,其特征在于,包括:(1)提供衬底,所述衬底是由金属形成的;以及(2)在所述衬底的上表面通过溅射沉积,形成第一氮化物半导体层,以便获得所述半导体结构,所述第一氮化物半导体层具有晶体择优取向。 【EN】1. the method preparing semiconductor structure, it is characterised in that including:


说明书

半导体结构以及制备半导体结构的方法

技术领域

本发明涉及半导体技术以及半导体制造领域,具体而言,本发明涉及半导体结构

以及制备半导体结构的方法。

背景技术

在半导体技术领域,氮化铝、氮化镓等氮化物半导体材料由于具有较为优异的性

能,被广泛应用于光电器件的制备。对于太阳能电池或者发光二极管(LED)等器件而言,将

太阳能电池或者LED制作在金属上,即以金属为衬底,既可利用金属良好的导电性,又可利

用金属衬底的低成本特征,还可以利用金属薄膜具有一定柔性制作具有一定柔性的器件,

因此具有良好的应用前景。然而,对于性能较好的太阳能电池或者LED来说,其中的氮化物

半导体材料一般要求为单晶或者晶体取向一致性好的多晶,即其中的晶体具有择优取向。

然而,目前基于金属衬底制备氮化物半导体材料的半导体技术仍有待改进。

发明内容

发明人经过深入研究发现,对于含有氮化铝或氮化镓等氮化物半导体材料的半导

体结构,为了使氮化物半导体材料形成一定的晶体择优取向,通常需要采用具有一定晶体

择优取向的衬底,如单晶或多晶硅衬底。而单晶或多晶硅衬底难以满足制备柔性器件的要

求,且与金属衬底相比,成本较高。发明人经过大量实验发现,通过合适的溅射沉积工艺,可

以在金属上制备出具有晶体择优取向的氮化物半导体薄膜。从而可以降低半导体结构的制

备成本,并将其用于制备高性能的太阳能电池、发光二极管等半导体器件。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此,本发明的

一个目的在于提出一种制备半导体结构的方法,该方法采用溅射沉积的方法,通过对溅射

条件的控制,能够在金属衬底上形成具有晶体择优取向的氮化物半导体层。与利用分子束

外延生长技术以及金属有机化学气相沉积技术相比,溅射沉积具有成本低廉、操作简单等

优点。

在本发明的一个方面,本发明提出了一种制备半导体结构的方法。该方法包括:

(1)提供衬底,所述衬底是由金属形成的;以及(2)在所述衬底的上表面通过溅射沉积,形成

第一氮化物半导体层,以便获得所述半导体结构,所述第一氮化物半导体层具有晶体择优

取向。由此,可以降低制备成本,简化制备工艺,并在金属衬底上获得具有晶体择优取向的

氮化物半导体结构。具有晶体择优取向的氮化物半导体层有利于诱导后续在其上形成的其

他氮化物结构,使其也具有晶体择优取向。

根据本发明的实施例,步骤(2)进一步包括:通过溅射沉积在所述衬底的上表面形

成氮化物半导体混合体,对所述氮化物半导体混合体进行第一退火处理,以便获得所述第

一氮化物半导体层。由此,可以进一步简化溅射沉积过程的制备工艺,降低对沉积设备的要

求,从而可以进一步降低生产成本。

根据本发明的实施例,在步骤(2)之前,进一步包括:在所述衬底的上表面形成扩

散阻挡层。由此,可以缓解金属衬底的扩散对于该半导体结构性能的负面影响。

根据本发明的实施例,该方法进一步包括:(3)在所述第一氮化物半导体层远离所

述衬底的一侧形成的第二氮化物半导体层,所述第二氮化物半导体层具有晶体择优取向。

由此,可以利用第一氮化物半导体层的晶体择优取向,提高第二氮化物半导体层的质量。

根据本发明的实施例,(4)对所述衬底、所述第一氮化物半导体层以及所述第二氮

化物半导体层进行第二退火处理。由此,可以通过第二退火处理,进一步提高第一氮化物半

导体层和/或第二氮化物半导体层的结晶质量。

根据本发明的实施例,所述扩散阻挡层包括Al2O3、ZrO2以及Y2O3的至少之一。由此,

可以进一步提高扩散阻挡层对于金属衬底扩散的缓解效果。

根据本发明的实施例,所述衬底为高温合金。由此,一方面可以防止金属衬底在后

续的高温处理过程中熔化,另一方面可以缓解衬底金属元素在高温环境中的扩散,进而可

以防止衬底中的金属元素扩散而对该半导体结构的性能造成负面影响。

根据本发明的实施例,所述第一氮化物半导体层含有AlN、GaN、AlGaN以及InGaN的

至少之一。本领域技术人员可以根据实际需求选择上述材料形成第一氮化物半导体层,由

此,可以进一步提高该半导体结构的性能。

根据本发明的实施例,所述第二氮化物半导体层含有AlN、GaN、AlGaN以及InGaN的

至少之一,所述第二氮化物半导体层组成与所述第一氮化物半导体层的组成不相同。由此,

可以进一步提高该半导体结构的性能。

根据本发明的实施例,所述溅射沉积为磁控溅射沉积或离子束溅射沉积。利用磁

控溅射或者离子束溅射可以较好地控制沉积速率以及沉积的第一氮化物半导体层的晶体

结构,从而有利于形成具有晶体择优取向的氮化物半导体层。

根据本发明的实施例,所述溅射沉积为脉冲式溅射沉积或离子束辅助溅射沉积。

由此,可以利用脉冲式溅射沉积或离子束辅助溅射沉积控制沉积的速率,提高获得的第一

氮化物半导体层的结晶质量。

根据本发明的实施例,所述溅射沉积的溅射速率小于100nm/小时。当溅射速率小

于上述数值时,能够显著提高溅射沉积获得的第一氮化物半导体层的结晶质量,进而可以

进一步提高该半导体结构的性能。

根据本发明的实施例,所述第一退火处理以及第二退火处理的温度分别独立地为

600~1200摄氏度。由此,可以进一步提高第一氮化物半导体层以及第二氮化物半导体层的

结晶质量。

根据本发明的实施例,步骤(2)中,所述溅射沉积时衬底温度不小于300摄氏度。由

此,可以简便地通过对衬底进行加热,获得具有晶体择优取向的第一氮化物半导体层,从而

可以降低沉积步骤对设备的要求,简化制备工艺,降低生产成本。

在本发明的另一方面,本发明提出了一种半导体结构。根据本发明的实施例,该半

导体结构包括:衬底,所述衬底是由金属形成的;和第一氮化物半导体层,所述第一氮化物

半导体层形成在所述衬底的上表面,并且所述第一氮化物半导体层具有晶体择优取向。具

有晶体择优取向的第一氮化物半导体层有利于提高该半导体结构的性能,并且能够诱导其

上形成的其他结构的结晶情况,使其也具有晶体的择优取向,从而有利于后续利用该半导

体结构构成太阳能电池或发光二极管等结构。

根据本发明的实施例,所述第一氮化物半导体层(0002)晶面的XRD衍射峰的半高

宽小于5度。控制XRD衍射峰的半高宽有利于提高该第一氮化物半导体层的结晶质量。

根据本发明的实施例,所述第一氮化物半导体层含有AlN、GaN、AlGaN以及InGaN的

至少之一。本领域技术人员可以根据实际需求选择第一氮化物半导体层的具体材料,由此,

可以进一步提高该半导体结构的性能。

根据本发明的实施例,所述半导体结构进一步包括:第二氮化物半导体层,所述第

二氮化物半导体层形成在所述第一氮化物半导体层的上表面。由此,可以利用具有晶体择

优取向的第一氮化物半导体层诱导第二氮化物半导体层的形成,从而可以提高第二氮化物

半导体层的结晶质量。

根据本发明的实施例,所述第二氮化物半导体层含有AlN、GaN、AlGaN以及InGaN的

至少之一,所述第二氮化物半导体层组成与所述第一氮化物半导体层的组成不相同。由此,

可以进一步提高该半导体器件的性能。

根据本发明的实施例,所述衬底为高温合金。由此,一方面可以防止金属衬底在后

续的高温处理中熔化,另一方面可以缓解衬底金属元素在高温环境中的扩散,进而可以防

止衬底中的金属元素扩散而对该半导体结构的性能造成负面影响。

根据本发明的实施例,该半导体结构进一步包括:扩散阻挡层,所述扩散阻挡层形

成在所述衬底以及所述第一氮化物半导体层之间。由此,可以缓解金属衬底的扩散对于该

半导体结构性能的负面影响。

根据本发明的实施例,所述扩散阻挡层包括Al2O3、ZrO2、Y2O3中的至少之一。由此,

可以进一步提高扩散阻挡层对于金属衬底扩散的缓解效果。

根据本发明的实施例,所述第一氮化物半导体层是通过溅射沉积形成的。由此,可

以在保证第一氮化物半导体层质量的同时,降低制备成本,简化制备工艺。

根据本发明的实施例,所述第一氮化物半导体层是通过溅射沉积和退火处理形成

的。由此,可以进一步简化溅射沉积过程的制备工艺,降低对沉积设备的要求,从而可以进

一步降低生产成本。

根据本发明的实施例,所述第二氮化物半导体层是通过溅射沉积形成的。由此,可

以在保证第二氮化物半导体层质量的同时,降低制备成本,简化制备工艺。

根据本发明的实施例,第二氮化物半导体层是通过溅射沉积和退火处理形成的。

由此,可以进一步简化溅射沉积过程的制备工艺,降低对沉积设备的要求,从而可以进一步

降低生产成本。

根据本发明的实施例,所述溅射沉积为磁控溅射沉积或离子束溅射沉积。利用磁

控溅射或者离子束溅射可以较好地控制沉积速率以及沉积形成的晶体结构,从而有利于形

成具有晶体择优取向的结构。

根据本发明的实施例,所述溅射沉积为脉冲式溅射沉积或离子束辅助溅射沉积。

由此,可以利用脉冲式溅射沉积或者离子束辅助溅射沉积控制沉积的速率,提高结晶质量。

根据本发明的实施例,所述溅射沉积时衬底温度大于300摄氏度。由此,简化制备

工艺,降低生产成本。

根据本发明的实施例,所述溅射沉积的溅射速率小于100nm/小时。当溅射速率小

于上述数值时,能够显著提高溅射沉积获得的结晶质量,进而可以进一步提高该半导体结

构的性能。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的制备半导体结构的方法的流程图;

图2是根据本发明另一个实施例的制备半导体结构的方法的部分流程图;

图3是根据本发明又一个实施例的制备半导体结构的方法的部分流程图;

图4是根据本发明一个实施例的半导体结构的结构示意图;

图5是根据本发明又一个实施例的半导体结构的结构示意图;以及

图6是根据本发明另一个实施例的半导体结构的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终

相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附

图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基

于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示

所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本

发明的限制。

在本发明的一个方面,本发明提出了一种制备半导体结构的方法。通常,采用溅射

的方法很难形成晶体择优取向,尤其是在金属衬底上,一般多形成多晶或无定形结构。发明

人经过深入研究以及大量实验发现,通过降低溅射速率、提高溅射时衬底温度等方式,或者

通过后续退火处理,可以有效改善溅射形成的氮化物半导体的结晶质量,从而实现利用溅

射获得晶体择优取向。此过程中利用了氮化物半导体晶体在外延生长时生长速度的各向异

性,即氮化物半导体薄膜在沉积时,某些晶向的沉积生长速度明显快于其它晶面,且在高温

溅射沉积和退火过程中氮化物半导体材料有明显的晶体再结晶作用,具有择优取向的大晶

粒不断长大,使得非择优取向的小晶粒越来越少甚至完全消失。本发明中,“晶体的择优取

向”是指晶体具有择优取向性,即第一氮化物半导体层以及第二氮化物半导体层中一定范

围内的晶体取向趋于一致,其中也包括单晶(晶体中各处取向完全一致)。具体地,根据本发

明的实施例,参考图1,该方法包括:

S100:提供衬底

根据本发明的实施例,衬底可以是由金属形成的。需要说明的是,衬底的具体材料

或组成不受特别限制,可以为单一元素构成的金属衬底,也可以为合金衬底。具体的,根据

本发明的实施例,该衬底可以为高温合金形成的。在本发明中,“高温合金”指能在600摄氏

度以上使用的金属材料,例如,可以为铁基高温合金、镍基高温合金或者钴基高温合金。例

如,可以采用镍基高温合金构成根据本发明实施例的衬底。本领域技术人员能够理解的是,

为了提高制备的半导体结构的质量,在进行后续步骤之前,可以对衬底进行清洗,以便除去

衬底表面的油脂、灰尘等杂质,从而可以提高后续步骤的沉积效果。

根据本发明的实施例,为了防止在后续制备过程中衬底中的金属元素发生扩散而

影响利用该方法制备的半导体结构的性能,参考图2,该方法还可以进一步包括:

S10:形成扩散阻挡层

在该步骤中,在衬底的上表面形成扩散阻挡层。形成扩散阻挡层的方法可以是常

规的溅射或者化学气相沉积工艺等。由此,可以利用扩散阻挡层缓解金属衬底的扩散对于

该半导体结构性能的负面影响。具体地,扩散阻挡层可以包括Al2O3、ZrO2、Y2O3中的至少之

一。由此,可以进一步提高扩散阻挡层对于金属衬底扩散的缓解效果。

S200:形成第一氮化物半导体层

根据本发明的实施例,在该步骤中,在衬底的上表面通过溅射沉积,形成第一氮化

物半导体层。由此,可以降低制备成本,简化制备工艺,并获得具有晶体择优取向的第一氮

化物半导体层。

下面根据本发明的具体实施例对溅射沉积过程进行详细描述。

根据本发明的实施例,第一氮化物半导体层可以含有AlN、GaN、AlGaN以及InGaN的

至少之一。上述氮化物半导体材料具有良好的物化性能,适于制备半导体光电器件。例如,

根据本发明的实施例,可以采用AlN形成第一氮化物半导体层。采用AlN形成的第一氮化物

半导体层,不仅可以利用AlN材料具有的宽带隙、良好的紫外光透过率以及高击穿场强等性

能,提高形成的半导体结构的性能,还可以作为后续生长其他氮化物半导体材料(第二氮化

物半导体层)的良好基底,因为与金属等材料的衬底相比,AlN与其余氮化物半导体材料具

有更好的晶格匹配特性。

具体地,根据本发明的实施例,可以采用磁控溅射沉积或离子束溅射沉积形成第

一氮化物半导体层。发明人经过大量实验发现,溅射沉积的速率对形成的第一氮化物半导

体层的晶体结构具有重要影响。溅射沉积速度慢有利于形成具有晶体择优取向的第一氮化

物半导体层。利用磁控溅射或者离子束溅射可以较好地控制沉积速率,从而可以控制沉积

的氮化物半导体的晶体结构,形成具有晶体择优取向而非混乱排布的多晶的第一氮化物半

导体层。优选地,根据本发明的实施例,溅射沉积还可以为脉冲式溅射沉积或离子束辅助溅

射沉积。脉冲式溅射沉积由于采用了脉冲电源代替直流电源进行溅射沉积,可以有效控制

沉积速度,增强沉积原子的迁移,促进晶体择优取向的形成;采用离子束辅助溅射沉积,利

用离子束辅助轰击沉积基片(即金属衬底),可以提高沉积凝聚粒子的能量以及稳定性,同

时消除沉积表面的缺陷及非择优取向的晶粒,有利于提高沉积形成的第一氮化物半导体层

的质量,形成具有择优取向的第一氮化物半导体层。具体地,根据本发明的实施例,可以控

制溅射沉积的溅射速率小于100nm/小时;根据本发明的另一些实施例,可以控制溅射沉积

的溅射速率小于30nm/小时。发明人经过大量实验发现,当溅射速率小于上述数值时,能够

形成结晶质量较高的第一氮化物半导体层,沉积速率越低,则获得的晶体的择优取向越好。

在上述条件下形成的第一氮化物半导体层(0002)晶面的XRD衍射峰的半高宽可以小于5度。

由此,可以利用脉冲式溅射沉积或者离子束辅助溅射沉积提高获得的氮化物半导体层的结

晶质量。发明人经过大量实验发现,对于常规的磁控溅射来说,沉积第一氮化物半导体时其

沉积速率很容易达到1000nm/小时甚至更高,此时很难获得具有择优取向的第一氮化物半

导体层,往往需要利用脉冲磁控溅射或者离子束辅助溅射沉积工艺,将其沉积速率大幅度

降低至100nm/小时以下,则能够获得具有择优取向的第一氮化物半导体层。

根据本发明的实施例,在该步骤中,可以通过在溅射过程中对衬底进行加热,形成

具有晶体择优取向的第一氮化物半导体层。发明人经过大量实验发现,溅射沉积的衬底温

度对形成的第一氮化物半导体层的晶体结构具有重要影响,衬底温度越高,则晶体的择优

取向性越好。具体地,可以通过加热使溅射沉积时衬底温度不小于300摄氏度。发明人经过

深入研究以及大量实验发现,对于氮化物半导体材料形成的第一氮化物半导体层,当沉积

时衬底温度低于300摄氏度时,形成的第一氮化物半导体层多为多晶结构。当衬底温度升高

至300~500摄氏度时,有利于使形成的晶体具有择优取向。并且,在上述加热温度下进行溅

射沉积,也不会对金属衬底造成影响。由此,可以简便地通过对衬底进行加热,获得第一氮

化物半导体层,从而可以降低沉积步骤对设备的要求,简化制备工艺,降低生产成本。

根据本发明的另一些实施例,在该步骤中,也可以通过在常温下对靶材进行溅射

沉积,例如,进行磁控溅射,衬底不加热,在衬底的上表面沉积形成具有多晶或非晶结构的

氮化物混合体。需要说明的是,在本发明中,术语“氮化物混合体”特指常温或低温下对靶材

进行溅射沉积形成的、具有多晶结构,但无较好的择优取向,即晶格取向不趋于一致的结

构。然后,对形成的氮化物混合体进行第一退火处理,使其转化为具有择优取向的晶体结

构,从而可以提高氮化物混合体的结晶质量,获得氮化物半导体层。发明人经过大量实验发

现,退火的时间越长,则氮化物半导体层的晶体质量越好。由此,可以简便地通过退火获得

氮化物半导体层,有利于进一步降低沉积步骤对设备的要求,简化制备工艺,降低生产成

本。根据本发明的再一些实施例,在该步骤中,还可以通过在高温下对靶材进行溅射沉积,

例如,在磁控溅射的过程中对衬底加热,可以使衬底温度为300-500摄氏度左右,在衬底的

上表面沉积形成具有晶体择优取向的第一氮化物半导体层,随后对形成的第一氮化物半导

体层进行第一退火处理,从而可以进一步改善第一氮化物半导体层的结晶质量,获得高质

量的具有晶体择优取向甚至高质量的单晶结构。根据本发明的一些实施例,第一退火处理

的温度可以为600~1200摄氏度。根据本发明的另一些实施例,第一退火处理的温度还可以

为800~1000摄氏度。由此,可以进一步提高第一氮化物半导体层的结晶质量。本领域技术

人员能够理解的是,当需要对第一氮化物半导体层进行退火处理时,需要使用耐高温的金

属作为衬底。

根据本发明的实施例,为了进一步提高利用上述方法制备的半导体结构的性能,

根据本发明的实施例,参考图3,该方法还可以进一步包括:

S300:形成第二氮化物半导体层

根据本发明的实施例,在该步骤中,在第一氮化物半导体层的上表面形成第二氮

化物半导体层。也即是说,在第一氮化物半导体层远离衬底的一侧形成第二氮化物半导体

层。具体的,第二氮化物半导体层可以含有AlN、GaN、AlGaN以及InGaN的至少之一。第二氮化

物半导体层组成与所述第一氮化物半导体层的组成不相同。由于第一氮化物半导体层具有

较好的晶体择优取向,因此在第一氮化物半导体层上形成第二氮化物半导体层时,能够对

第二氮化物半导体层起到诱导作用,使形成的第二氮化物半导体层中的晶格排列也具有择

优取向性。并且,由于第一氮化物半导体层与第二氮化物半导体层均为氮化物半导体材料

形成的,因此在第一氮化物半导体层之上形成第二氮化物半导体层,与直接在金属衬底上

形成第二氮化物半导体层相比,两层结构之间的晶格匹配程度更好,由此,可以优化该方法

形成的半导体结构。

需要说明的是,在该步骤中,形成第二氮化物半导体层的具体方法不受特别限制。

例如,可以采用溅射沉积以及退火形成具有择优取向的第二氮化物半导体层,或直接通过

高温溅射沉积形成,也可以利用金属有机物化学气相沉积工艺形成。

为了进一步改善该半导体结构中各层的晶体择优取向,该方法可以进一步包括:

S400:第二退火

根据本发明的一些实施例,还可以在形成第二氮化物半导体层之后,对衬底、第一

氮化物半导体层以及第二氮化物半导体层进行第二退火处理。具体地,根据本发明的实施

例,第二退火处理的温度可以为600~1200摄氏度。根据本发明的另一些实施例,第二退火

处理的温度还可以为800~1000摄氏度。由此,可以进一步提高第一氮化物半导体层和第二

氮化物半导体层的结晶质量,改善其晶体择优取向。发明人经过大量实验发现,长时间的退

火处理可以使第一氮化物半导体层和半导体层再结晶,形成晶体的择优取向。因此,对上述

半导体结构进行第二退火处理有利于提高氮化物半导体材料的结晶质量。本领域技术人员

可以理解的是,也可以利用溅射的方法首先在金属衬底上形成不具有择优取向的第一氮化

物半导体层以及第二氮化物半导体层,再利用长时间的第二退火处理来使第一氮化物半导

体层和第二氮化物半导体层形成晶体的择优取向,此种情况也在本发明的保护范围之中。

需要说明的是,在本发明中,“长时间的第二退火处理”中,第二退火处理的具体时间不受特

别限制,只要能够形成具有晶体择优取向的第一氮化物半导体层和第二氮化物半导体层,

或者能够提高上述结构的晶体结晶质量即可。根据本发明的具体实施例,第二退火处理的

具体时间可以为1~20小时。退火温度越高,则退火时间可适当缩短。

在本发明的另一方面,本发明提出了一种半导体结构。根据本发明的实施例,参考

图4,该半导体结构包括:衬底100以及第一氮化物半导体层200,第一氮化物半导体层200形

成在衬底100的上表面上且具有晶体择优取向。其中,衬底100可以为金属。具有晶体择优取

向的氮化物半导体层能够提高该半导体结构的性能,且可以为后续在其上形成的其他氮化

物半导体结构提供具有较好晶格匹配程度的基底,从而有利于后续利用该半导体结构构成

太阳能电池、发光二极管等电子器件。

具体地,衬底100是由金属形成的,具体的,衬底100可以为高温合金。衬底100可以

具有与前面描述的制备半导体结构的方法中获得的半导体结构的衬底相同的特征以及优

点,在此不再赘述。

根据本发明的实施例,第一氮化物半导体层200是通过溅射沉积形成的。第一氮化

物半导体层200的具体组成可以具有与前面描述的制备半导体结构的方法中的第一氮化物

半导体层相同的特征以及优点,在此不再赘述。例如,第一氮化物半导体层200可以含有

AlN、GaN、AlGaN以及InGaN的至少之一。根据本发明的具体实施例,可以采用AlN形成第一氮

化物半导体层。通常,采用溅射的方法很难形成晶体择优取向结构,一般多形成多晶或无定

形结构。发明人经过深入研究以及大量实验发现,通过降低溅射速率、提高溅射时衬底温度

等方式,或者通过后续退火处理,改善溅射形成的氮化物半导体的结晶质量,可以实现利用

溅射沉积在金属衬底上获得晶体择优取向结构。由此,可以在保证氮化物半导体层质量的

同时,降低制备成本,简化制备工艺。具体地,可以通过脉冲式溅射沉积形成第一氮化物半

导体层200。例如,可以采用磁控溅射沉积或离子束溅射沉积形成第一氮化物半导体层200。

发明人经过大量实验发现,溅射沉积的速率对形成的氮化物半导体的晶体结构具有重要影

响。溅射沉积速度慢有利于形成第一氮化物半导体层200。利用磁控溅射或者离子束溅射可

以较好地控制沉积速率,从而可以控制沉积的氮化物半导体的晶体结构,形成第一氮化物

半导体层。具体地,根据本发明的实施例,可以控制溅射沉积的溅射速率小于100nm/小时;

根据本发明的另一些实施例,可以控制溅射沉积的溅射速率小于30nm/小时。发明人经过大

量实验发现,当溅射速率小于上述数值时,能够形成结晶质量较高的第一氮化物半导体层,

沉积速率越低,则获得的晶体的择优取向越好。根据本发明的实施例,溅射沉积还可以为脉

冲式溅射沉积或离子束辅助溅射沉积。脉冲式溅射沉积由于采用了脉冲电源代替直流电源

进行溅射沉积,可以有效控制沉积速度,增强沉积原子的迁移,促进晶体择优取向的形成;

采用离子束辅助溅射沉积,利用离子束辅助轰击沉积基片(即衬底100),可以提高沉积凝聚

粒子的能量以及稳定性,同时消除沉积表面的缺陷及非择优取向的晶粒,有利于提高沉积

形成的第一氮化物半导体层200的质量。由此,可以利用脉冲式溅射沉积或者离子束辅助溅

射沉积提高获得的第一氮化物半导体层200的结晶质量。发明人经过大量实验发现,对于常

规的磁控溅射来说,沉积第一氮化物半导体时其沉积速率很容易达到1000nm/小时甚至更

高,此时很难获得具有择优取向的第一氮化物半导体层,往往需要利用脉冲磁控溅射或者

离子束辅助溅射沉积工艺,将其沉积速率大幅度降低至100nm/小时以下,则能够获得具有

择优取向的第一氮化物半导体层。

根据本发明的实施例,可以在溅射沉积时对衬底进行加热,使衬底100的温度大于

300摄氏度。发明人经过大量实验发现,溅射沉积的衬底温度对形成的第一氮化物半导体层

的晶体结构具有重要影响,衬底温度越高,则晶体的择优取向性越好。由此,可以提高第一

氮化物半导体层200的结晶质量。此处衬底100的温度与前面描述的制备半导体结构的方法

中对衬底进行加热的温度相同,关于溅射沉积时对衬底进行加热的温度,前面已经进行了

详细的描述,在此不再赘述。或者,根据本发明的另一些实施例,第一氮化物半导体层200可

以通过溅射沉积和退火处理形成的。具体地,可以在室温下完成溅射过程,形成氮化物混合

体,然后通过第一退火处理,改善氮化物混合体的结晶质量,从而可以获得具有晶体择优取

向的第一氮化物半导体层200。根据本发明的一些实施例,第一退火处理的温度可以为600

~1200摄氏度。根据本发明的另一些实施例,第一退火处理的温度还可以为800~1000摄氏

度。由此,可以进一步提高第一氮化物半导体层的结晶质量。

根据本发明的实施例,第一氮化物半导体层200的(0002)晶面的XRD衍射峰的半高

宽小于5度。由此,可以保证第一氮化物半导体层200具有较好的结晶质量,从而可以降低氮

化物半导体材料形成的第一氮化物半导体层200中的缺陷,有利于提高利用该半导体结构

制备的各类半导体器件的使用功能。

根据本发明的实施例,为了进一步提高该半导体结构的性能,参考图5,该半导体

结构还可以进一步包括:扩散阻挡层300。具体地,扩散阻挡层300形成在衬底100以及第一

氮化物半导体层200之间。换句话说,在衬底100的上表面具有扩散阻挡层300,第一氮化物

半导体层200形成在扩散阻挡层300的上表面上。由此,可以利用扩散阻挡层300缓解金属衬

底的扩散对于该半导体结构性能的负面影响。具体地,扩散阻挡层300可以包括Al2O3、ZrO2

Y2O3中的至少之一。由此,可以进一步提高扩散阻挡层对于金属衬底扩散的缓解效果。

根据本发明的实施例,参考图6,该半导体结构还可以进一步包括:第二氮化物半

导体层400。具体地,第二氮化物半导体层400形成在第一氮化物半导体层200的上表面。也

即是说,在第一氮化物半导体层200远离衬底100的一侧形成第二氮化物半导体层400。根据

本发明的具体实施例,第二氮化物半导体层400可以含有AlN、GaN、AlGaN以及InGaN的至少

之一。第二氮化物半导体层组成与第一氮化物半导体层的组成不相同。本领域技术人员可

以根据该半导体结构的具体应用需求,选择适当的氮化物半导体材料形成第二氮化物半导

体层400,只要第二氮化物半导体层组成与第一氮化物半导体层的组成不相同即可。由于第

一氮化物半导体层200具有较好的晶体择优取向,因此在第一氮化物半导体层200上形成第

二氮化物半导体层400时,能够利用第一氮化物半导体层200的择优取向诱导第二氮化物半

导体层400的形成,使形成的第二氮化物半导体层400中的晶格排列也具有择优取向性。此

外,与金属形成的衬底100相比较,第二氮化物半导体层400与第一氮化物半导体层200之间

的晶格匹配程度更好,因此在第一氮化物半导体层200之上形成第二氮化物半导体层,有利

于提高第二氮化物半导体层400的结晶质量。由此,可以获得具有择优取向的第二氮化物半

导体层400。第二氮化物半导体层400的具体形成方法与前面描述的制备半导体结构的方法

中形成第二氮化物半导体层400的方法具有相同的特征以及优点,在此不再赘述。

根据本发明的一些实施例,第二氮化物半导体层400也可以是通过溅射沉积和退

火处理形成的。发明人经过大量实验发现,长时间的退火处理可以使氮化物半导体材料再

结晶,形成晶体的择优取向。因此,可以在形成第二氮化物半导体层400之后,对上述半导体

结构进行第二退火处理,以便提高第二氮化物半导体层400以及第一氮化物半导体层200的

结晶质量。本领域技术人员可以理解的是,在本发明中,也可以利用溅射的方法首先在金属

衬底上形成不具有择优取向的第一氮化物半导体层以及第二氮化物半导体层,再利用长时

间的第二退火处理,改善氮化物半导体的结晶质量,形成根据本发明实施例的第一氮化物

半导体层200和第二氮化物半导体层400。需要说明的是,在本发明中,“长时间的第二退火

处理”中,第二退火处理的具体时间不受特别限制,只要能够形成具有晶体择优取向的第一

氮化物半导体层和第二氮化物半导体层,或者能够提高其晶体的结晶质量即可。根据本发

明的具体实施例,第二退火处理的具体时间可以为1~20小时。退火温度越高,则退火时间

可适当缩短。

需要说明的是,本发明前面描述的半导体结构可以应用于制备电子器件。由于该

电子器件中含有前面描述的半导体结构,因此该电子器件具有前面描述的半导体结构的全

部特征以及优点,在此不再赘述。简单来说,该电子器件具有制备方法简便、成本低廉、无需

高昂的设备等优点。并且,该电子器件的半导体结构中具有含有晶体择优取向的氮化物半

导体层,从而可以提高该电子器件的整体器件性能。需要说明的是,在本发明中,电子器件

的具体种类不受特别限制,本领域技术人员可以根据半导体结构中的具体组成进行选择。

例如,第二氮化物半导体层中含有多层氮化物量子阱(包括GaN/InGaN/GaN、AlGaN/InGaN/

AlGaN等)时,既可以作为发光材料应用于LED结构也可以作为光吸收层应用于太阳能电池。

下面通过具体实施例对本发明进行说明,需要说明的是,下面的具体实施例仅仅

是用于说明的目的,而不以任何方式限制本发明的范围,另外,如无特殊说明,则未具体记

载条件或者步骤的方法均为常规方法,所采用的试剂和材料均可从商业途径获得。其中,生

长设备使用为LAB18磁控溅射仪。

实施例1:金属衬底上生长AlN第一氮化物半导体层

采用镍基高温合金(GH3536)作为衬底,Al为溅射靶材,在氮气气氛下进行沉积。沉

积之前预先对衬底进行清洗。

选择脉冲磁控溅射,溅射功率300W,脉冲电源的占空比为0.05,真空度1E-7torr,溅

射氩气压10mtorr,衬底温度450摄氏度,控制生长速度30nm/h左右。获得氮化物半导体层厚

度为30nm。随后,对溅射获得的薄膜进行氮气氛下退火处理,退火温度1000摄氏度,退火时

间2小时。

通过对获得的AlN的XRD分析表明,其(0002)峰的半高宽为1.5度,说明AlN具有较

好的晶体择优取向。

实施例2:金属衬底上生长AlN第一氮化物半导体层以及GaN第二氮化物半导体层

生长AlN第一氮化物半导体层的步骤同实施例1,所不同的是,在利用溅射获得第

一氮化物半导体层之后,继续利用脉冲式磁控溅射工艺,GaN为溅射靶材,在氮气气氛下进

行沉积。溅射功率300W,脉冲电源的占空比为0.05,真空度1E-7torr,溅射氩气压10mtorr,衬

底温度600摄氏度,控制生长速度30nm/h左右。获得氮化物半导体层厚度为30nm。随后,对溅

射获得的薄膜进行氮气氛下退火处理,退火温度800摄氏度,退火时间2小时。

通过对获得的GaN的XRD分析表明,其(0002)峰的半高宽为2.2度,说明GaN具有较

好的晶体择优取向。

在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示

例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特

点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不

必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任

一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技

术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结

合和组合。

此外,在本发明中,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗

示相对重要性或者隐含指明所指示的技...

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图1
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