專利名稱：半導體外延結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種半導體外延結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
半導體外延結(jié)構(gòu)為制作半導體器件的主要材料之一。例如，近年來，制備發(fā)光二極管(LED)的氮化鎵外延片成為研究的熱點。所述氮化鎵外延片指在一定條件下，將氮化鎵材料分子，有規(guī)則排列，定向生長在藍寶石基底上。然而，高質(zhì)量氮化鎵外延片的制備一直是研究的難點。由于氮化鎵和藍寶石基底的晶格常數(shù)以及熱膨脹系數(shù)的不同，從而導致氮化鎵外延層存在較多位錯缺陷。而 且，氮化鎵外延層和藍寶石基底之間存在較大應力，應カ越大會導致氮化鎵外延層破裂。這種半導體外延結(jié)構(gòu)普遍存在晶格失配現(xiàn)象，且易形成位錯等缺陷?，F(xiàn)有技術(shù)提供ー種改善上述不足的方法，其采用非平整的藍寶石基底外延生長氮化鎵。然而，現(xiàn)有技術(shù)通常采用薄膜沉積和光刻等微電子エ藝在藍寶石基底表面形成溝槽從而構(gòu)成非平整外延生長面。該方法不但エ藝復雜，成本較高，而且會對藍寶石基底外延生長面造成污染，從而影響半導體外延結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
綜上所述，確有必要提供一種高質(zhì)量的半導體外延結(jié)構(gòu)。—種半導體外延結(jié)構(gòu)，其包括一基底，該基底具有一外延生長面；ー碳納米管層設置在所述基底的外延生長面；ー N型GaN外延層覆蓋所述碳納米管層設置；一有源層設置在所述N型GaN外延層的表面；以及ー P型GaN外延層設置在所述有源層的表面，所述有源層設置于所述N型GaN外延層和所述P型GaN外延層之間?！N半導體外延結(jié)構(gòu)，其包括一基底，該基底具有一外延生長面；以及一摻雜的半導體外延層形成于所述基底的外延生長面，其中，進ー步包括一碳納米管層設置于所述摻雜的半導體外延層與基底之間?！N半導體外延結(jié)構(gòu)，其包括一基底，該基底具有一外延生長面；以及一摻雜的半導體外延層形成于所述基底的外延生長面，其中，進ー步包括一圖形化的碳納米管層設置于所述摻雜的半導體外延層與基底之間，且該圖形化的碳納米管層具有多個開ロ，使摻雜的半導體外延層滲透所述碳納米管層的多個開ロ與所述基底的外延生長面接觸。與現(xiàn)有技術(shù)相比，所述半導體外延結(jié)構(gòu)包括一碳納米管層設置于所述摻雜的半導體外延層與基底之間，所述包括碳納米管層的半導體外延結(jié)構(gòu)使得半導體外延結(jié)構(gòu)具有廣泛用途。


圖I為本發(fā)明實施例提供的半導體外延結(jié)構(gòu)的制備方法的エ藝流程圖。圖2為本發(fā)明實施例的半導體外延結(jié)構(gòu)中采用的碳納米管膜的掃描電鏡照片。
圖3為圖2中的碳納米管膜中的碳納米管片段的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明實施例的半導體外延結(jié)構(gòu)中采用的多層交叉設置的碳納米管膜的掃描電鏡照片。圖5為本發(fā)明實施例的半導體外延結(jié)構(gòu)中采用的非扭轉(zhuǎn)的碳納米管線的掃描電鏡照片。圖6為本發(fā)明實施例的半導體外延結(jié)構(gòu)中采用的扭轉(zhuǎn)的碳納米管線的掃描電鏡照片。 圖7為本發(fā)明實施例的半導體外延結(jié)構(gòu)中半導體外延層生長過程示意圖。圖8為本發(fā)明第一實施例提供的半導體外延結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖9為圖8所示的半導體外延結(jié)構(gòu)沿線IX-IX的剖面示意圖。圖10為本發(fā)明第一實施例的半導體外延結(jié)構(gòu)截面的掃描電鏡照片。圖11為本發(fā)明第一實施例的半導體外延結(jié)構(gòu)界面處的透射電鏡照片。圖12為本發(fā)明第二實施例提供的半導體外延結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖13為本發(fā)明第三實施例提供的半導體外延結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖。主要元件符號說明半導體外延結(jié)構(gòu)10，20，30基底100，200，300外延生長面101碳納米管層102，202，302孔洞103半導體外延層104，204，304半導體外延晶粒1042半導體外延薄膜1044開ロ105N型半導體外延層106有源層107P型半導體外延層108碳納米管片段143碳納米管145如下具體實施方式
將結(jié)合上述附圖進ー步說明本發(fā)明。
具體實施例方式以下將結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明實施例提供的半導體外延結(jié)構(gòu)及其制備方法。為了便于理解本發(fā)明的技術(shù)方案，本發(fā)明首先介紹ー種摻雜的半導體外延結(jié)構(gòu)的制備方法。請參閱圖1，本發(fā)明實施例提供一種半導體外延結(jié)構(gòu)10的制備方法，其具體包括以下步驟SlO :提供一基底100，且該基底100具有一支持半導體外延層104生長的外延生長面101；S20 :在所述基底100的外延生長面101設置ー碳納米管層102 ；
S30 :在基底100的外延生長面101生長ー摻雜的半導體外延層104。步驟SlO中，所述基底100提供了半導體外延層104的外延生長面101。所述基底100的外延生長面101是分子平滑的表面，且去除了氧或碳等雜質(zhì)。所述基底100可以為單層或多層結(jié)構(gòu)。當所述基底100為單層結(jié)構(gòu)時，該基底100可以為ー單晶結(jié)構(gòu)體，且具有一晶面作為半導體外延層104的外延生長面101。所述單層結(jié)構(gòu)的基底100的材料可以為 GaAs、GaN、AIN、Si、SOI、SiC、MgO, ZnO, LiGaO2' LiAlO2 或 Al2O3 等。當所述基底 100 為多層結(jié)構(gòu)時，其需要包括至少ー層上述單晶結(jié)構(gòu)體，且該單晶結(jié)構(gòu)體具有一晶面作為半導體外延層104的外延生長面101。所述基底100的材料可以根據(jù)所要生長的半導體外延層104來選擇，優(yōu)選地，使所述基底100與半導體外延層104具有相近的晶格常數(shù)以及熱膨脹系數(shù)。所述基底100的厚度、大小和形狀不限，可以根據(jù)實際需要選擇。所述基底100不限于上述列舉的材料，只要具有支持半導體外延層104生長的外延生長面101的基底100均屬于本發(fā)明的保護范圍。步驟S20中，所述碳納米管層102為包括多個碳納米管的連續(xù)的整體結(jié)構(gòu)。所述碳 納米管層102中多個碳納米管沿著基本平行于碳納米管層102表面的方向延伸。當所述碳納米管層102設置于所述基底100的外延生長面101時，所述碳納米管層102中多個碳納米管的延伸方向基本平行于所述基底100的外延生長面101。所述碳納米管層的厚度為I納米 100微米,或I納米 I微米,或I納米 200納米,優(yōu)選地厚度為10納米 100納米。所述碳納米管層102為ー圖形化的碳納米管層102。所述“圖形化”指所述碳納米管層102具有多個開ロ 105，該多個開ロ 105從所述碳納米管層102的厚度方向貫穿所述碳納米管層102。當所述碳納米管層102覆蓋所述基底100的外延生長面101設置時，從而使所述基底100的外延生長面101對應該開ロ 105的部分暴露以便于生長半導體外延層104。所述開ロ 105可以為微孔或間隙。所述開ロ 105的尺寸為10納米 500微米，所述尺寸指所述微孔的孔徑或所述間隙的寬度方向的間距。所述開ロ 105的尺寸為10納米 300微米、或10納米 120微米、或10納米 80微米、或10納米 10微米。開ロ 105的尺寸越小，有利于在生長外延層的過程中減少位錯缺陷的產(chǎn)生，以獲得高質(zhì)量的半導體外延層104。優(yōu)選地，所述開ロ 105的尺寸為10納米 10微米。進ー步地，所述碳納米管層102的占空比為 I : 100 100 1，或 I : 10 10 1，或 I : 2 2 1，或 I : 4 4 I。優(yōu)選地，所述占空比為I : 4 4 : I。所謂“占空比”指該碳納米管層102設置于基底100的外延生長面101后，該外延生長面101被碳納米管層102占據(jù)的部分與通過開孔105暴露的部分的面積比。進ー步地，所述“圖形化”指所述碳納米管層102中多個碳納米管的排列方式是有序的、有規(guī)則的。例如，所述碳納米管層102中多個碳納米管的軸向均基本平行于所述基底100的外延生長面101且基本沿同一方向延伸?；蛘?，所述碳納米管層102中多個碳納米管的軸向可有規(guī)律性地基本沿兩個以上方向延伸?；蛘?，所述碳納米管層102中多個碳納米管的軸向沿著基底100的一晶向延伸或與基底100的一晶向成一定角度延伸。上述碳納米管層102中沿同一方向延伸的相鄰的碳納米管通過范德華カ首尾相連。在所述碳納米管層102具有如前所述的開ロ 105的前提下，所述碳納米管層102中多個碳納米管也可無序排列、無規(guī)則排列。優(yōu)選地，所述碳納米管層102設置于所述基底100的整個外延生長面101。所述碳納米管層102中的碳納米管可以為單壁碳納米管、雙壁碳納米管或多壁碳納米管中的ー種或多種，其長度和直徑可以根據(jù)需要選擇。所述碳納米管層102用作生長半導體外延層104的掩模。所謂“掩摸”指該碳納米管層102用于遮擋所述基底100的部分外延生長面101，且暴露部分外延生長面101，從而使得半導體外延層104僅從所述外延生長面101暴露的部分生長。由于碳納米管層102具有多個開ロ 105，所以該碳納米管層102形成一圖形化的掩模。當碳納米管層102設置于基底100的外延生長面101后，多個碳納米管沿著平行于外延生長面101的方向延伸。由于所述碳納米管層102在所述基底100的外延生長面101形成多個開ロ 105，從而使得所述基底100的外延生長面101上具有一圖形化的掩模。可以理解，相對于光刻等微電子エ藝，通過設置碳納米管層102掩模進行外延生長的方法エ藝簡單、成本低廉，不易在基底100的延生長面101引入污染，而且綠色環(huán)保，可以大大降低了半導體外延結(jié)構(gòu)10的制備成本?？梢岳斫?，所述基底100和碳納米管層102共同構(gòu)成了用于生長半導體外延結(jié)構(gòu)10的襯底。該襯底可用于生長不同材料的半導體外延層104。該半導體外延層104的材料可以與基底100的材料相同或不同。當該半導體外延層104的材料可以與基底100的材料 不同時，所述生長方法稱為異質(zhì)外延生長。當該半導體外延層104的材料可以與基底100的材料相同時，所述生長方法稱為同質(zhì)外延生長。所述碳納米管層102可以預先形成后直接鋪設在所述基底100的外延生長面101。所述碳納米管層102為一宏觀結(jié)構(gòu)，且所述碳納米管層102為ー個自支撐的結(jié)構(gòu)。所謂“自支撐”指該碳納米管層102不需要大面積的載體支撐，而只要相對兩邊提供支撐カ即能整體上懸空而保持自身狀態(tài)，即將該碳納米管層102置于(或固定子)間隔特定距離設置的兩個支撐體上時，位于兩個支撐體之間的碳納米管層102能夠懸空保持自身狀態(tài)。由于碳納米管層102為自支撐結(jié)構(gòu)，所述碳納米管層102不必要通過復雜的化學方法形成在基底100的外延生長面101。進ー步優(yōu)選地，所述碳納米管層102為多個碳納米管組成的純碳納米管結(jié)構(gòu)。所謂“純碳納米管結(jié)構(gòu)”指所述碳納米管層在整個制備過程中無需任何化學修飾或酸化處理，不含有任何羧基等官能團修飾。所述碳納米管層102還可以為ー包括多個碳納米管以及添加材料的復合結(jié)構(gòu)。所述添加材料包括石墨、石墨稀、碳化硅、氮化硼、氮化硅、ニ氧化硅、無定形碳等中的ー種或多種。所述添加材料還可以包括金屬碳化物、金屬氧化物及金屬氮化物等中的ー種或多種。所述添加材料包覆于碳納米管層102中碳納米管的至少部分表面或設置于碳納米管層102的開ロ 105內(nèi)。優(yōu)選地，所述添加材料包覆于碳納米管的表面。由于，所述添加材料包覆于碳納米管的表面，使得碳納米管的直徑變大，從而使碳納米管之間的開ロ 105減小。所述添加材料可以通過化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、磁控濺射等方法形成于碳納米管的表面。將所述碳納米管層102鋪設在所述基底100的外延生長面101后還可以包括一有機溶劑處理的步驟，以使碳納米管層102與外延生長面101更加緊密結(jié)合。該有機溶劑可選用こ醇、甲醇、丙酮、ニ氯こ烷和氯仿中一種或者幾種的混合。本實施例中的有機溶劑采用こ醇。該使用有機溶劑處理的步驟可通過試管將有機溶劑滴落在碳納米管層102表面浸潤整個碳納米管層102或?qū)⒒?00和整個碳納米管層102 —起浸入盛有有機溶劑的容器中浸潤。所述碳納米管層102也可以通過化學氣相沉積(CVD)等方法直接生長在所述基底100的外延生長面101或先生長在硅基底表面，然后轉(zhuǎn)印到所述基底100的外延生長面101。具體地，所述碳納米管層102可以包括碳納米管膜或碳納米管線。所述碳納米管層102可以為ー單層碳納米管膜或多個層疊設置的碳納米管膜。所述碳納米管層102可包括多個平行設置的碳納米管線或多個交叉設置的碳納米管線。當所述碳納米管層102為多個層疊設置的碳納米管膜時，碳納米管膜的層數(shù)不宣太多，優(yōu)選地，為2層 100層。當所述碳納米管層102為多個平行設置的碳納米管線時，相鄰兩個碳納米管線之間的距離為O. I微米 200微米，優(yōu)選地，為10微米 100微米。所述相鄰兩個碳納米管線之間的空間構(gòu)成所述碳納米管層102的開ロ 105。相鄰兩個碳納米管線之間的間隙長度可以等于碳納米管線的長度。所述碳納米管膜或碳納米管線可以直接鋪設在基底100的外延生長面101構(gòu)成所述碳納米管層102。通過控制碳納米管膜的層數(shù)或碳納米管線之間的距離，可以控制碳納米管層102中開ロ 105的尺寸。所述碳納米管膜是由若干碳納米管組成的自支撐結(jié)構(gòu)。所述若干碳納米管為沿同一方向擇優(yōu)取向延伸。所述擇優(yōu)取向指在碳納米管膜中大多數(shù)碳納米管的整體延伸方向基 本朝同一方向。而且，所述大多數(shù)碳納米管的整體延伸方向基本平行于碳納米管膜的表面。進ー步地，所述碳納米管膜中多數(shù)碳納米管是通過范德華力首尾相連。具體地，所述碳納米管膜中基本朝同一方向延伸的大多數(shù)碳納米管中每ー碳納米管與在延伸方向上相鄰的碳納米管通過范德華カ首尾相連。當然，所述碳納米管膜中存在少數(shù)隨機排列的碳納米管，這些碳納米管不會對碳納米管膜中大多數(shù)碳納米管的整體取向排列構(gòu)成明顯影響。所述自支撐為碳納米管膜不需要大面積的載體支撐，而只要相對兩邊提供支撐カ即能整體上懸空而保持自身膜狀狀態(tài)，即將該碳納米管膜置于(或固定子)間隔特定距離設置的兩個支撐體上時，位于兩個支撐體之間的碳納米管膜能夠懸空保持自身膜狀狀態(tài)。所述自支撐主要通過碳納米管膜中存在連續(xù)的通過范德華カ首尾相連延伸排列的碳納米管而實現(xiàn)。具體地，所述碳納米管膜中基本朝同一方向延伸的多數(shù)碳納米管，并非絕對的直線狀，可以適當?shù)膹澢换蛘卟⒎峭耆凑昭由旆较蛏吓帕?，可以適當?shù)钠x延伸方向。因此，不能排除碳納米管膜的基本朝同一方向延伸的多數(shù)碳納米管中并列的碳納米管之間可能存在部分接觸。請參閱圖2及圖3，具體地，所述碳納米管膜包括多個連續(xù)且定向延伸的碳納米管片段143。該多個碳納米管片段143通過范德華カ首尾相連。每ー碳納米管片段143包括多個相互平行的碳納米管145，該多個相互平行的碳納米管145通過范德華カ緊密結(jié)合。該碳納米管片段143具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。所述碳納米管膜可通過從ー碳納米管陣列中選定部分碳納米管后直接拉取獲得。所述碳納米管膜的厚度為I納米 100微米，寬度與拉取出該碳納米管膜的碳納米管陣列的尺寸有夫，長度不限。所述碳納米管膜中相鄰的碳納米管之間存在微孔或間隙從而構(gòu)成開ロ 105，且該微孔的孔徑或間隙的尺寸小于10微米。優(yōu)選地，所述碳納米管膜的厚度為100納米 10微米。該碳納米管膜中的碳納米管145沿同一方向擇優(yōu)取向延伸。所述碳納米管膜及其制備方法具體請參見申請人于2007年2月9日申請的，于2010年5月26日公告的第CN101239712B號中國公開專利“碳納米管膜結(jié)構(gòu)及其制備方法”。為節(jié)省篇幅，僅引用于此，但上述申請所有技術(shù)揭露也應視為本發(fā)明申請技術(shù)揭露的一部分。
請參閱圖4，當所述碳納米管層包括層疊設置的多層碳納米管膜時，相鄰兩層碳納米管膜中的碳納米管的延伸方向形成一交叉角度α，且α大于等于O度小于等于90度(0° 彡 α 彡 90° )。為減小碳納米管膜的厚度，還可以進ー步對該碳納米管膜進行加熱處理。為避免碳納米管膜加熱時被破壞，所述加熱碳納米管膜的方法采用局部加熱法。其具體包括以下步驟局部加熱碳納米管膜，使碳納米管膜在局部位置的部分碳納米管被氧化；移動碳納米管被局部加熱的位置，從局部到整體實現(xiàn)整個碳納米管膜的加熱。具體地，可將該碳納米管膜分成多個小的區(qū)域，采用由局部到整體的方式，逐區(qū)域地加熱該碳納米管膜。所述局部加熱碳納米管膜的方法可以有多種，如激光加熱法、微波加熱法等等。本實施例中，通過功率密度大于O. I X IO4瓦特/平方米的激光掃描照射該碳納米管膜，由局部到整體的加熱該碳納米管膜。該碳納米管膜通過激光照射，在厚度方向上部分碳納米管被氧化，同時，碳納米管膜中直徑較大的碳納米管束被去除，使得該碳納米管膜變薄?？梢岳斫猓鲜黾す鈷呙杼技{米管膜的方法不限，只要能夠均勻照射該碳納米管膜即可。激光掃描可以沿平行碳納米管膜中碳納米管的排列方向逐行進行，也可以沿垂直 于碳納米管膜中碳納米管的排列方向逐列進行。具有固定功率、固定波長的激光掃描碳納米管膜的速度越小，碳納米管膜中的碳納米管束吸收的熱量越多，對應被破壞的碳納米管束越多，激光處理后的碳納米管膜的厚度變小。但是，如果激光掃描速度太小，碳納米管膜將吸收過多熱量而被燒毀。本實施例中，激光的功率密度大于O. 053X IO12瓦特/平方米，激光光斑的直徑在I毫米 5毫米范圍內(nèi)，激光掃描照射時間小于I. 8秒。優(yōu)選地，激光器為ニ氧化碳激光器，該激光器的功率為30瓦特，波長為10. 6微米，光斑直徑為3毫米，激光裝置140與碳納米管膜的相對運動速度小于10毫米/秒。所述碳納米管線可以為非扭轉(zhuǎn)的碳納米管線或扭轉(zhuǎn)的碳納米管線。所述非扭轉(zhuǎn)的碳納米管線與扭轉(zhuǎn)的碳納米管線均為自支撐結(jié)構(gòu)。具體地，請參閱圖5，該非扭轉(zhuǎn)的碳納米管線包括多個沿平行于該非扭轉(zhuǎn)的碳納米管線長度方向延伸的碳納米管。具體地，該非扭轉(zhuǎn)的碳納米管線包括多個碳納米管片段，該多個碳納米管片段通過范德華カ首尾相連，每ー碳納米管片段包括多個相互平行并通過范德華力緊密結(jié)合的碳納米管。該碳納米管片段具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。該非扭轉(zhuǎn)的碳納米管線長度不限，直徑為O. 5納米 100微米。非扭轉(zhuǎn)的碳納米管線為將碳納米管膜通過有機溶劑處理得到。具體地，將有機溶劑浸潤所述碳納米管膜的整個表面，在揮發(fā)性有機溶劑揮發(fā)時產(chǎn)生的表面張カ的作用下，碳納米管膜中的相互平行的多個碳納米管通過范德華カ緊密結(jié)合，從而使碳納米管膜收縮為一非扭轉(zhuǎn)的碳納米管線。該有機溶劑為揮發(fā)性有機溶劑，如こ醇、甲醇、丙酮、ニ氯こ烷或氯仿，本實施例中采用こ醇。通過有機溶劑處理的非扭轉(zhuǎn)的碳納米管線與未經(jīng)有機溶劑處理的碳納米管膜相比，比表面積減小，粘性降低。所述扭轉(zhuǎn)的碳納米管線為采用一機械カ將所述碳納米管膜兩端沿相反方向扭轉(zhuǎn)獲得。請參閱圖6，該扭轉(zhuǎn)的碳納米管線包括多個繞該扭轉(zhuǎn)的碳納米管線軸向螺旋延伸的碳納米管。具體地，該扭轉(zhuǎn)的碳納米管線包括多個碳納米管片段，該多個碳納米管片段通過范德華力首尾相連，每ー碳納米管片段包括多個相互平行并通過范德華力緊密結(jié)合的碳納米管。該碳納米管片段具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。該扭轉(zhuǎn)的碳納米管線長度不限，直徑為O. 5納米 100微米。進ー步地，可采用ー揮發(fā)性有機溶劑處理該扭轉(zhuǎn)的碳納米管線。在揮發(fā)性有機溶劑揮發(fā)時產(chǎn)生的表面張カ的作用下，處理后的扭轉(zhuǎn)的碳納米管線中相鄰的碳納米管通過范德華カ緊密結(jié)合，使扭轉(zhuǎn)的碳納米管線的比表面積減小，密度及強度増大。所述碳納米管線及其制備方法請參見申請人于2002年9月16日申請的，于2008年8月20日公告的第CN100411979C號中國公告專利“一種碳納米管繩及其制造方法”，申請人清華大學，鴻富錦精密エ業(yè)(深圳)有限公司，以及于2005年12月16日申請的，于2009年6月17日公告的第CN100500556C號中國公告專利“碳納米管絲及其制作方法”，申請人清華大學，鴻富錦精密エ業(yè)(深圳)有限公司。步驟S30中，所述半導體外延層104的生長方法可以通過分子束外延法(MBE)、化學束外延法(CBE)、減壓外延法、低溫外延法、選擇外延法、液相沉積外延法(LPE)、金屬有機氣相外延法(MOVPE)、超真空化學氣相沉積法(UHVCVD)、氫化物氣相外延法(HVPE)、以及金屬有機化學氣相沉積法(MOCVD)等中的ー種或多種實現(xiàn)。所述半導體外延層104指通過外延法生長在基底100的外延生長面101的單晶 結(jié)構(gòu)體，其材料與基底100的材料相同或不同。當該半導體外延層104的材料可以與基底100的材料不同時,稱為半導體異質(zhì)外延層。當該半導體外延層104的材料可以與基底100的材料相同時，稱為半導體同質(zhì)外延層。所述半導體外延層104的生長的厚度可以根據(jù)需要制備。具體地，所述半導體外延層104的生長的厚度可以為O. 5納米 I毫米。例如，所述半導體外延層104的生長的厚度可以為100納米 500微米，或200納米 200微米，或500納米 100微米。所述半導體外延層104的材料為Si、GaAs、GaN、GaSb、InN、InP、InAs, InSb、A1P、AlAs、AlSb、AIN、GaP、SiC、SiGe、GaMnAs、GaAlAs, GaInAs, GaAIN、GalnN、AlInN、GaAsP, InGaN, AlGalnN、AlGaInP, GaP:Zn 或 GaP:N。所述摻雜的半導體外延層 104包括N型半導體外延層或P型半導體外延層中的至少ー種。所述半導體外延層104可以為一多層結(jié)構(gòu)，如，所述摻雜的半導體外延層104包括一 N型半導體外延層和ー P型半導體外延層形成一 PN結(jié)。進ー步，所述摻雜的半導體外延層104包括一有源層設置于所述N型半導體外延層和所述P型半導體外延層之間。所述有源層為ー單層量子阱結(jié)構(gòu)或多層量子阱結(jié)構(gòu)。進ー步，所述摻雜的半導體外延層104還可以包括一高摻雜的半導體電極接觸層設置于所述PN結(jié)遠離所述基底的一表面。本發(fā)明實施例通過在源氣中通入含有摻雜元素的氣體，直接生長摻雜的半導體外延層104。請參閱圖7，具體地，所述摻雜的半導體外延層104的生長過程具體包括以下步驟S31 :沿著基本垂直于所述基底100的外延生長面101方向成核并外延生長形成多個半導體外延晶粒1042 ；S32 :所述多個半導體外延晶粒1042沿著基本平行于所述基底100的外延生長面101方向外延生長形成一連續(xù)的半導體外延薄膜1044 ；S33 :所述半導體外延薄膜1044沿著基本垂直于所述基底100的外延生長面101方向外延生長形成ー摻雜的半導體外延層104 ；S34 :對所述摻雜的半導體外延層104進行退火處理。步驟S31中，所述多個半導體外延晶粒1042在所述基底100的外延生長面101通過該碳納米管層102的開ロ 105暴露的部分開始生長，且其生長方向基本垂直于所述基底100的外延生長面101，即該步驟中多個半導體外延晶粒1042進行縱向外延生長。步驟S32中，通過控制生長條件使所述多個半導體外延晶粒1042沿著基本平行于所述基底100的外延生長面101的方向同質(zhì)外延生長并連成一體將所述碳納米管層102覆蓋。即，該步驟中所述多個半導體外延晶粒1042進行側(cè)向外延生長直接合攏，并最終在碳納米管周圍形成多個孔洞103將碳納米管包圍。優(yōu)選地，碳納米管與包圍該碳納米管的半導體外延層104間隔設置。所述孔洞的形狀與碳納米管層102中的碳納米管的排列方向有關(guān)。當碳納米管層102為單層碳納米管膜或多個平行設置的碳納米管線時，所述多個孔洞103為基本平行設置的溝槽。當碳納米管層102為多層交叉設置的碳納米管膜或多個交叉設置的碳納米管線時，所述多個孔洞103為交叉設置的溝槽網(wǎng)絡。步驟S33中，由于所述碳納米管層102的存在，使得半導體外延晶粒1042與基底100之間的晶格位錯在形成連續(xù)的半導體外延薄膜1044的過程中停止生長。因此，該步驟的半導體外延層104相當于在沒有缺陷的半導體外延薄膜1044表面進行同質(zhì)外延生長。所述半導體外延層104具有較少的缺陷。該步驟中通過在源氣中通入含有摻雜元素的氣體， 所以可以直接生長摻雜的半導體外延層。該步驟通過控制源氣可以控制半導體外延層104的材料、摻雜成分以及摻雜比例，通過控制生長時間可以控制半導體外延層104的厚度。步驟S34中，通過高溫退火處理使所述半導體外延層104的摻雜元素被激活。進ー步，生長摻雜的半導體外延層104之前還可以包括一在所述基底100的外延生長面101生長一本征半導體外延層(圖未示)的步驟。所述本征半導體外延層設置于摻雜的半導體外延層104與碳納米管層102之間，覆蓋所述碳納米管層102設置并滲透碳納米管層102的開ロ 105與所述基底100的外延生長面101接觸。所述摻雜的半導體外延層104設置于本征半導體外延層遠離基底100的表面?？梢岳斫?，所述摻雜的半導體外延結(jié)構(gòu)的制備方法中，也可以先在基底的外延生長面101生長一本征半導體外延層，再對該本征半導體外延層進行摻雜得到摻雜的半導體外延層104。其具體包括以下步驟SlO :提供一基底100，且該基底100具有一支持半導體外延層104生長的外延生長面101 ；S20 :在所述基底100的外延生長面101設置ー碳納米管層102 ；S30 :在基底100的外延生長面101生長一本征半導體外延層104 ；S40 :對所述本征半導體外延層104進行摻雜，其中，所述摻雜的方法可以為熱擴散或尚子注入。以下將分實施例介紹本發(fā)明的半導體外延結(jié)構(gòu)及其制備方法。實施例I請參閱圖8與圖9，本發(fā)明第一實施例提供一種半導體外延結(jié)構(gòu)10，其包括一基底100、ー碳納米管層102以及一半導體外延層104。其中，所述半導體外延層104包括一N型半導體外延層106、一有源層107以及ー P型半導體外延層108。所述基底100具有一外延生長面101。所述碳納米管層102設置于所述基底100的外延生長面101，該碳納米管層102具有多個開ロ 105，所述基底100的外延生長面101對應所述碳納米管層102的開ロ 105的部分暴露。所述N型半導體外延層106設置于所述基底100的外延生長面101，并覆蓋所述碳納米管層102。所述碳納米管層102設置于所述N型半導體外延層106與基底100之間。所述P型半導體外延層108設置于所述N型半導體外延層106遠離基底100的表面。所述有源層107設置于所述N型半導體外延層106與P型半導體外延層108之間。所述半導體外延層104將所述碳納米管層102覆蓋，并滲透所述碳納米管層102的多個開ロ 105與所述基底100的外延生長面101接觸，即所述碳納米管層102的多個開ロ105中均滲透有所述半導體外延層104。所述半導體外延層104與其覆蓋的碳納米管層102在微觀上間隔設置，即所述半導體外延層104與基底100接觸的表面形成多個孔洞103，所述碳納米管層102設置于該孔洞103內(nèi)，具體地，所述碳納米管層102中的碳納米管分別設置在多個孔洞103內(nèi)。所述孔洞103形成在半導體外延層104與所述基底100接觸的表面，在所述半導體外延層104的厚度方向該孔洞103均為盲孔 。在每個孔洞103內(nèi)，碳納米管均基本不與所述半導體外延層104接觸。本實施例中，所述基底100為ー藍寶石(Al2O3)基片。所述碳納米管層102為ー單層碳納米管膜，該碳納米管膜包括多個碳納米管，該多個碳納米管的軸向沿同一方向擇優(yōu)取向延伸，延伸方向相同的相鄰的碳納米管通過范德華カ首尾相連。在垂直于延伸方向的相鄰的碳納米管之間部分間隔設置存在微孔或間隙，從而構(gòu)成開ロ 105。所述N型半導體外延層106為ー Si摻雜的GaN層。所述有源層107為ー InGaN/GaN多量子阱層。所述P型半導體外延層108為ー Mg摻雜的GaN層。本實施例進ー步還可以包括一 Mg摻雜P型AlGaN層設直于InGaN/GaN多星子講層與Mg慘雜的GaN層之間。本發(fā)明第一實施例采用MOCVDエ藝制備所述半導體外延結(jié)構(gòu)10。其中，采用高純氨氣(NH3)作為氮的源氣，采用氫氣(H2)作載氣，采用三甲基鎵(TMGa)或三こ基鎵(TEGa)作為Ga源，采用三甲基銦(TMIn)作為In源，采用三甲基鋁(TMAl)作為Al源，采用硅烷(SiH4)作為Si源，采用ニ茂鎂(Cp2Mg)作為Mg源。具體包括以下步驟。步驟(a)，將藍寶石基底100置入反應室，加熱到1000°C 1200°C，并通入H2、N2或其混合氣體作為載氣，高溫烘烤200秒 1000秒，對基底100進行高溫凈化處理。步驟(b)，通入三甲基鎵或三こ基鎵以及氨氣，使反應室壓強為500托 600托，并使反應室降溫到500°C 650°C，生長厚度為10納米 50納米的GaN低溫緩沖層。步驟(C)，停止通入三甲基鎵或三こ基鎵，繼續(xù)通入氨氣和載氣，同時將溫度升高到1100°C 1200°C，并恒溫保持30秒 300秒，進行退火。步驟(d)，將反應室的溫度保持在1000°C 1100°C，使反應室壓強保持在100托 300托，繼續(xù)通入氨氣和載氣，同時重新通入三甲基鎵或三こ基鎵以及硅烷，生長厚度為I微米 3微米的Si摻雜N型GaN層。步驟(e)，停止通入硅烷，將反應室的溫度保持在700°C 900°C，使反應室壓強保持在50托 500托，并向反應室通入三甲基銦，生長InGaN/GaN多量子阱層。其中，InGaN阱層的厚度為2納米 5納米，GaN壘層的厚度為5納米 20納米。步驟(f)，停止通入三甲基銦，將反應室的溫度保持在1000°C 1100°C，使反應室壓強保持在76托 200托，并向反應室通入ニ茂鎂，生長厚度為100納米 200納米的Mg摻雜P型GaN層。步驟(g)，停止生長，并在700°C 800°C的N2的氣氛下進行退火，其中，退火時間為10分鐘 20分鐘。
進ー步，步驟(f)前還可以包括一生長Mg摻雜P型AlGaN層的步驟。其中，反應室的溫度保持在1000°c 1100°C，反應室壓強保持在76托 200托，并向反應室通入三甲基鋁，P型AlGaN層的厚度為30納米 50納米。樣品生長完畢后，分別用掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)對樣品進行觀察和測試。請參閱圖10和圖11，本實施例制備的半導體外延結(jié)構(gòu)中，半導體外延層僅從基底的外延生長面沒有碳納米管層的位置開始生長，然后連成一體。所述半導體外延層與基底接觸的表面形成多個孔洞，所述碳納米管層設置于該孔洞內(nèi)，且與半導體外延層間隔設置。具體地，從所述圖10中可以清楚其看到GaN外延層和藍寶石基底之間的界面，其中，深色部分為GaN外延層，淺色部分為藍寶石基底。所述GaN外延層與藍寶石基底接觸的表面具有ー排孔洞。從所述圖11中可以看到，每個孔洞內(nèi)設置有碳納米管。所述孔洞內(nèi)的碳納米管設置于藍寶石基底表面，且與形成孔洞的GaN外延層間隔設置。實施例2
請參閱圖12，為本發(fā)明第二實施例提供一種半導體外延結(jié)構(gòu)20，其包括一基底200，ー碳納米管層202以及一半導體外延層204。本發(fā)明第二實施例中的半導體外延結(jié)構(gòu)20的基底200和半導體外延層204的材料，以及基底200、碳納米管層202與半導體外延層204的位置關(guān)系與第一實施例的半導體外延結(jié)構(gòu)10基本相同，其區(qū)別在于，所述半導體外延層204為ー P型摻雜的半導體外延層，所述碳納米管層202為多個平行且間隔設置的碳納米管線，相鄰的碳納米管線之間形成微孔。所述碳納米管線可以為非扭轉(zhuǎn)的碳納米管線或扭轉(zhuǎn)的碳納米管線。具體地，所述非扭轉(zhuǎn)的碳納米管線包括多個沿該非扭轉(zhuǎn)的碳納米管線長度方向延伸的碳納米管。所述扭轉(zhuǎn)的碳納米管線包括多個繞該扭轉(zhuǎn)的碳納米管線軸向螺旋延伸的碳納米管。本發(fā)明第二實施例中，所述基底200為ー絕緣體上的硅(SOI :silicon oninsulator)基片。所述碳納米管層202為多個平行且間隔設置的碳納米管線。所述半導體外延層204為一 Mg摻雜的GaN層。本實施例進一步還包括一本征GaN層設置于基底200與Mg摻雜的GaN層之間。本發(fā)明第二實施例采用MOCVDエ藝制備所述半導體外延結(jié)構(gòu)20。其中，采用高純氨氣(NH3)作為氮的源氣，采用氫氣(H2)作載氣，采用三甲基鎵(TMGa)作為Ga源，采用ニ茂鎂(Cp2Mg)作為Mg源。具體包括以下步驟。步驟(a)，將藍寶石基底200置入反應室，加熱到1000°C 1200°C，并通入H2、N2或其混合氣體作為載氣，高溫烘烤200秒 1000秒，對基底200進行高溫凈化處理。步驟(b)，通入三甲基鎵以及氨氣，使反應室壓強為500托 600托，并使反應室降溫到500°C 650°C，生長厚度為10納米 50納米的GaN低溫緩沖層。步驟(C)，停止通入三甲基鎵，繼續(xù)通入氨氣和載氣，同時將溫度升高到1100°C 12000C,并恒溫保持30秒 300秒,進行退火。步驟(d)，將反應室的溫度保持在1000°C 1100°C，使反應室壓強保持在100托 300托，繼續(xù)通入氨氣和載氣，同時重新通入三甲基鎵，生長厚度為O. 5微米 I微米的本征
GaN 層。步驟(e)，將反應室的溫度保持在1000°C 1100°C，使反應室壓強保持在76托 200托，并向反應室通入ニ茂鎂，生長厚度為100納米 200納米的Mg摻雜GaN層。
步驟(f)，停止生長，并在700°C 800°C的N2的氣氛下進行退火，其中，退火時間為10分鐘 20分鐘。實施例3請參閱圖13，本發(fā)明第三實施例提供一種半導體外延結(jié)構(gòu)30，其包括一基底300，ー碳納米管層302以及一半導體外延層304。本發(fā) 明第三實施例中的半導體外延結(jié)構(gòu)30的基底300和半導體外延層304的材料，以及基底300、碳納米管層302與半導體外延層304的位置關(guān)系與第二實施例的半導體外延結(jié)構(gòu)20基本相同，其區(qū)別在于，所述半導體外延層304為ー N型摻雜的半導體外延層，所述碳納米管層302為多個交叉且間隔設置的碳納米管線，交叉且間相鄰的四個碳納米管線之間形成微孔。具體地，該多個碳納米管線分別沿第一方向與第二方向平行設置，所述第一方向與第二方向交叉設置。交叉且間相鄰的四個碳納米管線之間形成ー開ロ。本實施例中，相鄰的兩個碳納米管線平行設置，相交叉的兩個碳納米管線相互垂直。可以理解，所述碳納米管線也可采用任意交叉方式設置，只需使碳納米管層302形成多個開ロ，從而使基底300的外延生長面部分暴露即可。本實施例中，所述基底300為ー GaN基底。所述N型半導體外延層304為ー Si摻雜的GaN層。本發(fā)明第三實施例采用MOCVDエ藝制備所述半導體外延結(jié)構(gòu)30。其中，采用高純氨氣(NH3)作為氮的源氣，采用氫氣(H2)作載氣，采用三こ基鎵(TEGa)作為Ga源，采用硅烷(SiH4)作為Si源。具體包括以下步驟。步驟(a)，將藍寶石基底300置入反應室，加熱到1000°C 1200°C，并通入H2、N2或其混合氣體作為載氣，高溫烘烤200秒 1000秒，對基底300進行高溫凈化處理。步驟(b)，通入三こ基鎵以及氨氣，使反應室壓強為500托 600托，并使反應室降溫到500°C 650°C，生長厚度為10納米 50納米的GaN低溫緩沖層。步驟(C)，停止通入三こ基鎵，繼續(xù)通入氨氣和載氣，同時將溫度升高到1100°C 12000C,并恒溫保持30秒 300秒,進行退火。步驟(d)，將反應室的溫度保持在1000°C 1100°C，使反應室壓強保持在100托 300托，繼續(xù)通入氨氣和載氣，同時重新通入三こ基鎵和硅烷，生長厚度為I微米 3微米的Si慘雜GaN層。步驟(e)，停止生長，并在700°C 800°C的N2的氣氛下進行退火，其中，退火時間為10分鐘 20分鐘。本發(fā)明采用一碳納米管層作為掩模設置于所述基底外延生長面生長半導體外延結(jié)構(gòu)具有以下有以效果第一，所述碳納米管層為ー自支撐結(jié)構(gòu)，可直接鋪設在基底的外延生長面，相對于現(xiàn)有技木通過沉積后光刻等エ藝形成掩模，本發(fā)明エ藝簡單，成本低廉，有利于量產(chǎn)。第二，所述碳納米管層為圖形化結(jié)構(gòu)，其厚度、開ロ尺寸均可達到納米級，所述襯底用來生長外延層時形成的半導體外延晶粒具有更小的尺寸，有利于減少位錯缺陷的產(chǎn)生，以獲得高質(zhì)量的半導體外延層。第三，所述碳納米管層的開ロ尺寸為納米級，所述外延層從與納米級開ロ對應的暴露的外延生長面生長，使得生長的外延層與基底之間的接觸面積減小，減小了生長過程中外延層與襯底之間的應力，從而可以生長厚度較大的半導體外延層，可進ー步提高半導體外延層的質(zhì)量。第四，所述半導體外延結(jié)構(gòu)包括一圖案化碳納米管層設置于所述摻雜的半導體外延層與基底之間，使得半導體外延層與基底之間的接觸面積減小，所以可以減小由于半導體外延層與基底熱膨脹系數(shù)不同而導致的半導體外延層所承受的應力。第五，所述半導體外延結(jié)構(gòu)包括一碳納米管層設置于所述摻雜的半導體外延層與基底之間，可以應用于制備各種半導體器件。
另外，本領域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)作其它變化，當然這些依據(jù)本發(fā)明精神所作的變化，都應包含在本發(fā)明所要求保護的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種半導體外延結(jié)構(gòu),其包括 一基底，該基底具有一外延生長面； 一碳納米管層設置在所述基底的外延生長面； 一 N型GaN外延層覆蓋所述碳納米管層設置； 一有源層設置在所述N型GaN外延層的表面；以及 一 P型GaN外延層設置在所述有源層的表面，所述有源層設置于所述N型GaN外延層和所述P型GaN外延層之間。
2.如權(quán)利要求I所述的半導體外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述碳納米管層為ー連續(xù)的整體結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求I所述的半導體外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述碳納米管層包括多個碳納米管沿著平行于基底的外延生長面的方向延伸。
4.如權(quán)利要求I所述的半導體外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述碳納米管層具有多個開ロ，所述N型GaN外延層覆蓋滲透所述碳納米管層的開ロ且與所述基底的外延生長面接觸。
5.如權(quán)利要求I所述的半導體外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述碳納米管層包括至少ー層碳納米管膜，該碳納米管膜中的碳納米管沿同一方向擇優(yōu)取向延伸，且沿同一方向相鄰的碳納米管通過范德華カ首尾相連。
6.如權(quán)利要求I所述的半導體外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述N型GaN外延層在與所述基底接觸的表面形成多個孔洞，所述碳納米管層設置于該孔洞內(nèi)。
7.—種半導體外延結(jié)構(gòu),其包括 一基底，該基底具有一外延生長面；以及 ー摻雜的半導體外延層形成于所述基底的外延生長面， 其特征在干，進ー步包括一碳納米管層設置于所述摻雜的半導體外延層與基底之間。
8.如權(quán)利要求7所述的半導體外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述摻雜的半導體外延層包括N型半導體外延層及P型半導體外延層中的至少ー種。
9.如權(quán)利要求7所述的半導體外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述半導體外延層的材料為Si、GaAs、GaN、GaSb、InN、InP、InAs、InSb、AlP、AlAs、AlSb、AlN、GaP、SiC、SiGe、GaMnAs、GaAlAs、GaInAs, GaAlN, GalnN、Al InN、GaAsP、InGaN, AlGalnN、AlGaInP、GaP: Zn 或 GaP: N。
10.如權(quán)利要求7所述的半導體外延結(jié)構(gòu),其特征在于,進ー步包括一本征半導體外延層設置于摻雜的半導體外延層與碳納米管層之間。
11.如權(quán)利要求7所述的半導體外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述碳納米管層為ー連續(xù)的整體結(jié)構(gòu)。
12.如權(quán)利要求7所述的半導體外延結(jié)構(gòu)，其特征在干，所述碳納米管層具有多個開ロ，所述摻雜的半導體外延層覆蓋所述碳納米管層設置并滲透碳納米管層的開ロ與所述基底的外延生長面接觸。
13.如權(quán)利要求12所述的半導體外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述開ロ的尺寸為10納米 500微米。
14.如權(quán)利要求7所述的半導體外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述摻雜的半導體外延層在與所述基底接觸的表面形成多個孔洞，所述碳納米管層設置于該孔洞內(nèi)。
15.如權(quán)利要求7所述的半導體外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述碳納米管層包括多個碳納米管沿著平行于碳納米管層表面的方向延伸。
16.如權(quán)利要求7所述的半導體外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述基底為ー單晶結(jié)構(gòu)體，且所述基底的材料為 GaAs、GaN、Si、SOI、AIN、SiC、MgO, ZnO, LiGaO2, LiAlO2 或 A1203。
17.—種半導體外延結(jié)構(gòu),其包括 一基底，該基底具有一外延生長面；以及 ー摻雜的半導體外延層形成于所述基底的外延生長面， 其特征在干，進ー步包括一圖形化的碳納米管層設置于所述摻雜的半導體外延層與基底之間，且該圖形化的碳納米管層具有多個開ロ，使摻雜的半導體外延層滲透所述碳納米管層的多個開ロ與所述基底的外延生長面接觸。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種半導體外延結(jié)構(gòu)，其包括一基底，該基底具有一外延生長面；以及一摻雜的半導體外延層形成于所述基底的外延生長面，其中，進一步包括一碳納米管層設置于所述摻雜的半導體外延層與基底之間。
文檔編號H01L33/00GK102723406SQ20111007689
公開日2012年10月10日 申請日期2011年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月29日
發(fā)明者范守善, 魏洋 申請人:清華大學, 鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司