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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 the same

申请(专利)号:CN201610366326.5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,所述衬底是由玻璃形成的;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,其中,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,并在玻璃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,使其也具有晶体择尤取向。 【EN】Paragraph:The invention puts forward a semiconductor structure and a method for preparing the same. To be specific, the method comprises: (1), providing a substrate made of glass; and (2), carrying out sputtering deposition on the upper surface of the substrate to form a first nitride semiconductor layer, thereby obtaining the semiconductor structure. And the first nitride semiconductor layer has a crystal preferred orientation. Therefore, the preparation cost can be reduced and the preparation process can be simplified; and the nitride semiconductor structure having the crystal preferred orientation is obtained on the glass substrate. With the nitride semiconductor structure having the crystal preferred orientation, induction of other nitride structures formed subsequently can be realized smoothly, so that the other nitride structures also can have the crystal preferred orientations.Image:201610366326.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,所述衬底是由玻璃形成的;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,其中,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,如

利用玻璃作为衬底材料,既可利用玻璃的透光性,又可利用玻璃衬底的低成本特征,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,目前基于玻璃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,如硅衬底。而硅衬底不能兼顾太阳能电池或者发光二极管对于透光性的要求,

且与玻璃相比,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

玻璃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,所述衬底是由玻璃形成的;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,其中,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,并在玻璃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

氮化物混合体,对所述氮化物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,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,所述衬底是由玻璃形成的;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且具有晶体择优取向。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远离所述衬底的一侧。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,第一氮化物半导体层以及第二氮化物半导体层的至少之一是通

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

有晶体择优取向的第一氮化物半导体层。

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者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,所述溅射沉积时衬底温度大于300摄氏度。由此,可以提高第

一氮化物半导体层的结晶质量。

根据本发明的实施例,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。

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流程图;

图3是根据本发明一个实施例的半导体结构的结构示意图;以及

图4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,尤其是在玻璃衬底上,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,衬底可以是由玻璃形成的。例如,根据本发明的实施例,衬底

可以由常规的非石英玻璃形成,也可以由石英玻璃形成。由玻璃形成的衬底加工方便,材

料来源广泛且成本低廉,有利于降低利用该方法制备半导体结构的成本,并且,玻璃衬底

具有透光性,在玻璃衬底上制备太阳能电池或者发光二极管等半导体结构,有利于光的传

输。例如,衬底可以为康宁玻璃或者石英玻璃,并切割成适当的尺寸。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。

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氮化物

半导体层结构。

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,因为与玻璃等材料的衬底相比,AlN与其余氮化物

半导体材料具有很好的晶格匹配特性。

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(即康宁玻璃或者石英衬底),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,优选地,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,也不会对玻璃衬底造成影响。由此,可以简便地通过对衬底进行加热,获得

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

高温的玻璃作为衬底。

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2,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,与直接在玻璃衬底上

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,参考图2,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。本领域技术人员能够理解的是,当需要进

行上述第二退火处理时,需要使用耐高温的玻璃作为衬底。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玻璃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3,

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尤取向。其中,衬底100可以为玻璃。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可以由常规的非石英玻璃形成,也可以由石英玻璃形成。上述材料

构成的衬底100加工方便且成本低廉,有利于降低该半导体结构的生产成本。例如,衬底

可以为康宁玻璃或者石英玻璃,并切割成适当的尺寸。

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玻璃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。具体地,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,优选地,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

晶体择尤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,参考图4,该半导体结构还可以进一步包括:第二氮化物半导体

层300。具体地,第二氮化物半导体层300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300。

根据本发明的具体实施例,第二氮化物半导体层300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300,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300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300的形成,使形成的第二氮化物半导体层300中的晶格排列也具有择

优取向性。此外,与玻璃衬底相比较,第二氮化物半导体层300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300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300。第二氮化物半导体层300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300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300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300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300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玻

璃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300。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:石英玻璃衬底上生长AlN第一氮化物半导体层

采用石英玻璃作为衬底,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0.5度,说明AlN具

有较好的晶体择优取向。

实施例2:石英玻璃衬底上生长AlN第一氮化物半导体层以及GaN第二氮化物半导体


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1.2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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