本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2014年2月14日的名稱為“在異質(zhì)基底上的第iii族氮化物緩沖層結(jié)構(gòu)的p型摻雜”的申請(qǐng)?zhí)枮?01480009187.x的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。

本發(fā)明涉及在異質(zhì)基底上的外延第iii族氮化物緩沖層結(jié)構(gòu)。還涉及器件結(jié)構(gòu)，特別是晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管(fet)、高電子遷移率晶體管(hemt)的層結(jié)構(gòu)，特別是常開或常關(guān)的hemt或金屬-絕緣層-半導(dǎo)體(mis)hemt、肖特基二極管或p-i-n結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

大多數(shù)基于第iii族氮化物的器件結(jié)構(gòu)，特別是如今用于射頻(rf)或高壓(hv)功率轉(zhuǎn)換器件的晶體管結(jié)構(gòu)，是在異質(zhì)基底上制造的，即在不同于第iii族氮化物材料的材料的基底上，如si、sic或al2o3(藍(lán)寶石)基底。使用si作為異質(zhì)基底的能力是特別有利的，因?yàn)檫@允許使用比較廉價(jià)的具有大的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)直徑的晶片，還因?yàn)槠湫纬闪藢⒌趇ii族氮化物器件單片集成到由cmos或相關(guān)技術(shù)制成的硅基集成電路中的基礎(chǔ)。

該外延第iii族氮化物層結(jié)構(gòu)在異質(zhì)基底上生長(zhǎng)，但是要求在基底與一個(gè)或多個(gè)有源層之間復(fù)雜的緩沖層結(jié)構(gòu)以管理晶體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力和缺陷。

為了控制在第iii族氮化物層結(jié)構(gòu)中的緩沖層結(jié)構(gòu)的電阻特性，fe摻雜被廣泛使用。然而，使用fe具有一些缺點(diǎn)。更具體而言，fe摻雜導(dǎo)致微晶結(jié)構(gòu)的非期望的傾斜和扭曲，可由x射線衍射(xrd)提示。此外，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，fe在外延層結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)期間作為摻雜劑供應(yīng)時(shí)向著溝道層發(fā)生偏析，其在運(yùn)行中承載二維電子氣，下面簡(jiǎn)寫為2deg。在溝道層中存在fe對(duì)于在2deg中獲得所期望的高電子濃度是有害的。最后，fe摻雜導(dǎo)致用于沉積第iii族氮化物層結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器發(fā)生非期望的fe污染。這導(dǎo)致非期望的fe背景摻雜，典型地在名義上未摻雜的上層hemt器件層中及在晶片表面上濃度最高為約10¹⁷cm^-3。因?yàn)閒e的存在誘發(fā)載荷子的陷阱，所以非故意的fe摻雜降低了基于第iii族氮化物的hemt器件的導(dǎo)通電阻ron的動(dòng)態(tài)行為。由于污染風(fēng)險(xiǎn)，并不認(rèn)為fe摻雜是與cmos法中的晶片加工相容的。這造成了將第iii族氮化物器件的制造集成到現(xiàn)有的廣泛建立的對(duì)硅晶片的cmos生產(chǎn)線的障礙。

文獻(xiàn)us7,884,393公開了使用gan基底形式的同質(zhì)基底以獲得在同質(zhì)基底上生長(zhǎng)的外延第iii族氮化物層結(jié)構(gòu)中極低的位錯(cuò)密度。通過在同質(zhì)基底上生長(zhǎng)獲得的低位錯(cuò)密度使得該層結(jié)構(gòu)的不同層中的碳濃度在一定程度上是可變的。通過在同質(zhì)基底上生長(zhǎng)并控制碳濃度，根據(jù)us7,884,393，改善了第iii族氮化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管和hemts的緩沖層和溝道層的品質(zhì)。作為專利申請(qǐng)，us7,884,393描述了一種在gan基底上生長(zhǎng)的hemt結(jié)構(gòu)，其具有直接在gan基底上沉積的單一高阻緩沖層、直接在緩沖層上沉積的單一gan溝道層和直接在溝道層上沉積的單一勢(shì)壘層。該緩沖層在不同的實(shí)施方案中由gan或algan制成并且具有4×10¹⁷cm^-3或更高的碳濃度。在us7,884,393中公開的緩沖層的最高碳濃度為2×10¹⁸cm^-3。相鄰的溝道層并不形成一部分的緩沖層，但是形成hemt的有源層。其是由gan或ingan制成的，并且具有不大于4×10¹⁶cm^-3的碳濃度。在us7,884,393中將在溝道層中較低的碳濃度描述為獲得高純度及由此獲得高電子遷移率所期望的。

然而，與在同質(zhì)基底上生長(zhǎng)的情況相比，在異質(zhì)基底特別是硅上生長(zhǎng)的第iii族氮化物緩沖層結(jié)構(gòu)具有明顯更高的位錯(cuò)密度。這一高位錯(cuò)密度目前無法避免。在異質(zhì)基底上根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的緩沖層結(jié)構(gòu)中獲得的典型的位錯(cuò)密度在5×10⁷至5×10⁹cm^-2的范圍內(nèi)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在本說明書中所公開的本發(fā)明的第一方面是在異質(zhì)基底上的外延第iii族氮化物緩沖層結(jié)構(gòu)。該緩沖層結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)應(yīng)力管理層序列，該應(yīng)力管理層序列包括位于第一和第二第iii族氮化物層之間及與其相鄰的間層結(jié)構(gòu)，其中該間層結(jié)構(gòu)包括具有比第一和第二第iii族氮化物層的材料更大的帶隙的第iii族氮化物間層材料，其中p型摻雜劑濃度分布由至少1×10¹⁸cm^-3開始在由該間層結(jié)構(gòu)至第一和第二第iii族氮化物層的過渡中降低至少2倍。

p型摻雜劑濃度分布符合空穴濃度分布，條件是不產(chǎn)生補(bǔ)償效應(yīng)。若必須考慮補(bǔ)償效應(yīng)，則p型摻雜劑濃度高于所期望的空穴濃度。例如，p型摻雜劑濃度可以比所實(shí)現(xiàn)的空穴濃度高5、10、20、50或100倍。因此，在不同的實(shí)施方案中，考慮了補(bǔ)償效應(yīng)的p型摻雜劑濃度分布，例如由至少1×10¹⁹cm^-3(10倍)或者由1×10²⁰cm^-3(100倍)開始在由該間層結(jié)構(gòu)至第一和第二第iii族氮化物層的過渡中降低至少2倍。

合適的p型摻雜劑例如是碳和鎂。

本發(fā)明的緩沖層結(jié)構(gòu)是基于以下認(rèn)識(shí)，在制造過程中對(duì)在異質(zhì)基底上生長(zhǎng)的第iii族氮化物施加相當(dāng)大的應(yīng)力。與在同質(zhì)基底上的沉積相比，這要求在緩沖層結(jié)構(gòu)中特殊的應(yīng)力管理。一種應(yīng)力管理措施包括在該緩沖層結(jié)構(gòu)中位于具有比第iii族氮化物間層材料更小的帶隙的第一第iii族氮化物層和第二第iii族氮化物層之間及與其相鄰的間層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力管理層序列。然而，提供該應(yīng)力管理層序列意味著在緩沖層結(jié)構(gòu)中形成非期望的寄生的導(dǎo)電溝道的風(fēng)險(xiǎn)。本發(fā)明是基于以下進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，將碳或鎂作為p型摻雜劑以跨越該應(yīng)力管理層序列合適的濃度分布引入該應(yīng)力管理層序列中，從而有效地避免在緩沖層結(jié)構(gòu)中形成該寄生的導(dǎo)電溝道。以此方式，變得甚至能夠在某些實(shí)施方案中避免任何故意地引入鐵原子，其如所述在現(xiàn)有技術(shù)中加以使用以獲得高阻緩沖層結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的p型濃度分布在一方面間層結(jié)構(gòu)與另一方面第一和第二第iii族氮化物層之間具有濃度差別。換而言之，p型摻雜劑濃度分布由至少1×10¹⁸cm^-3開始在由該間層結(jié)構(gòu)至第一和第二第iii族氮化物層的過渡中降低至少2倍。在此，p型摻雜劑濃度的下降可以是突然的或者是連續(xù)的。本發(fā)明的發(fā)明人在其實(shí)驗(yàn)中認(rèn)識(shí)到，較小的差別或者較低的濃度值無法有效地避免在應(yīng)力管理層序列中的寄生的導(dǎo)電溝道。本發(fā)明的發(fā)明人首先制造出基于第iii族氮化物的緩沖層結(jié)構(gòu)，其具有應(yīng)力管理層結(jié)構(gòu)，其甚至在5×10⁷至5×10⁹cm^-2的范圍內(nèi)的位錯(cuò)密度的情況下在間層結(jié)構(gòu)與第一和第二層之間實(shí)現(xiàn)了所述的高的p型濃度差別，這例如在使用硅基底作為異質(zhì)基底時(shí)觀察到。因此，這僅是所述的p型摻雜劑濃度與它們的上述最小差別的組合，這可以在異質(zhì)基底上提供第iii族氮化物的高阻緩沖層結(jié)構(gòu)，而不必使用具有前述的負(fù)面副作用的過渡金屬原子，如鐵。

緩沖層結(jié)構(gòu)的高電阻率能夠后序制造基于緩沖應(yīng)力管理層序列的高效的第iii族氮化物半導(dǎo)體電子器件，如基于第iii族氮化物的高電子遷移率晶體管或肖特基二極管。因此，根據(jù)本發(fā)明的第一方面的緩沖層結(jié)構(gòu)允許在異質(zhì)基底上提供應(yīng)變管理的緩沖層結(jié)構(gòu)，其由于其高電阻率特別適合作為要求緩沖層結(jié)構(gòu)的高電阻的高效電子器件的基礎(chǔ)。通過根據(jù)本發(fā)明的緩沖層結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)高電阻率，這意味著大于1mv/cm或者甚至2或3mv/cm的高的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度。通過增大間層結(jié)構(gòu)中的al含量，可以額外地提高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度。

下面描述本發(fā)明的第一方面的緩沖層結(jié)構(gòu)的實(shí)施方案。

在應(yīng)力管理層序列的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，間層結(jié)構(gòu)的p型摻雜劑濃度分布在由該間層結(jié)構(gòu)至第一和第二第iii族氮化物層的過渡中降低至少一個(gè)數(shù)量級(jí)或者甚至至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)的。可以抑制在緩沖應(yīng)力管理層序列中2deg的形成，p型摻雜劑濃度降低的越多則功效越大。

p型摻雜劑濃度優(yōu)選是貫穿整個(gè)間層結(jié)構(gòu)恒定的。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，第一或第二或者第一與第二第iii族氮化物層僅是非故意地?fù)诫s的，這意味著測(cè)得的p型摻雜劑濃度不大于1×10¹⁷/cm³。通過在間層結(jié)構(gòu)中相應(yīng)的更高的p型摻雜劑濃度，可以容許第一或第二或者第一與第二第iii族氮化物層的p型摻雜劑濃度在1×10¹⁸/cm³或者甚至1×10¹⁹/cm³的優(yōu)選范圍內(nèi)的更高的范圍。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，該間層結(jié)構(gòu)是單層，第iii族氮化物間層材料具有均勻的組成，其具有比第一和第二第iii族氮化物層更大的帶隙。該間層結(jié)構(gòu)中p型摻雜劑的濃度至少為6×10¹⁸cm^-3，p型摻雜劑濃度優(yōu)選至少為1×10²⁰cm^-3。在單一間層中至少為6×10¹⁸cm^-3的p型摻雜劑濃度的額外的優(yōu)點(diǎn)是能夠補(bǔ)償在該層中非期望的寄生的氧濃度。因此，在該層中較高的氧含量是容許的，其降低了緩沖層結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)成本，因?yàn)榭梢允÷缘粲糜跍p少或避免在生長(zhǎng)期間非期望地將氧引入這些層中的復(fù)雜且昂貴的措施。但是在此方面，單一間層的p型摻雜劑濃度的最高為1×10²¹cm^-3的數(shù)值甚至是有利的。

在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，該間層結(jié)構(gòu)包括位于第二第iii族氮化物間層和第三第iii族氮化物間層之間及與其相鄰的第一第iii族氮化物間層。第一、第二和第三第iii族氮化物間層各自具有均勻的組成。第一第iii族氮化物間層的帶隙是大于第二第iii族氮化物間層和第三第iii族氮化物間層的帶隙。貫穿整個(gè)間層結(jié)構(gòu)的p型摻雜劑濃度至少為5×10¹⁸cm^-3。該間層結(jié)構(gòu)允許使用在5×10¹⁸cm^-3和1×10¹⁹cm^-3之間的水平的p型摻雜劑濃度?？梢噪娂せ畹膿诫s水平是受限制的。在間層結(jié)構(gòu)中能夠消除寄生的2deg通道的中等p型摻雜劑濃度是優(yōu)選的，因?yàn)楦叩膒型摻雜水平會(huì)導(dǎo)致非期望的過程波動(dòng)。然而，若可以其他方式補(bǔ)償過程波動(dòng)，則較高的p型摻雜劑濃度也是優(yōu)選的。

在該實(shí)施方案的改變方案中，第一和第二第iii族氮化物層的材料與第二和第三第iii族氮化物間層的材料相同，具有比第一和第二第iii族氮化物層的材料更大的帶隙的第iii族氮化物間層材料是第一第iii族氮化物間層的材料。

在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，該間層結(jié)構(gòu)包括位于第二第iii族氮化物間層和第三第iii族氮化物間層之間及與其相鄰的第一第iii族氮化物間層，該第一第iii族氮化物間層是在組成上漸次變化的。在該實(shí)施方案中，貫穿整個(gè)間層結(jié)構(gòu)1×10¹⁸cm^-3的p型摻雜濃度已經(jīng)足以避免形成寄生的2deg通道。

通過使用所述的三層結(jié)構(gòu)的間層結(jié)構(gòu)，及特別是在組成上漸次變化的第一第iii族氮化物間層，在第一第iii族氮化物間層中5×10¹⁸cm^-3或1×10¹⁸cm^-3的p型摻雜濃度足以補(bǔ)償在各個(gè)層中非期望的寄生的氧濃度。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，具有更大帶隙的第iii族氮化物間層材料額外具有比第一或第二第iii族氮化物層或者比第一和第二第iii族氮化物層兩者更高的氧濃度。

該第一第iii族氮化物間層優(yōu)選是由具有隨著相對(duì)于基底的距離增大而增大的al摩爾分?jǐn)?shù)的algan制成的。al摩爾分?jǐn)?shù)隨著距離增大而增大，改善了緩沖層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力管理，并且允許在間層結(jié)構(gòu)中使用較低的p型摻雜劑濃度。

第二第iii族氮化物間層或第三第iii族氮化物間層或第二與第三第iii族氮化物間層的組成漸變是本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案的一部分。這些層的漸變?cè)诒苊庥捎谠谝环矫娴谝坏趇ii族氮化物間層與另一方面第一和第二第iii族氮化物層之間的晶格錯(cuò)配導(dǎo)致的額外的應(yīng)力方面是特別有利的。

在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，第二和第三第iii族氮化物間層中的p型摻雜劑的濃度高于第一第iii族氮化物間層中。

作為p型摻雜劑優(yōu)選為碳或鎂或碳與鎂的組合。

在優(yōu)選的實(shí)施方案中，貫穿整個(gè)緩沖層結(jié)構(gòu)不存在故意的fe摻雜。這例如表現(xiàn)為小于4×10¹⁶cm^-3的fe濃度。然而，在某些實(shí)施方案中，在緩沖層結(jié)構(gòu)中也包含鐵仍然可以是有用的。由于存在根據(jù)本發(fā)明的p型摻雜劑，引入緩沖層結(jié)構(gòu)中的鐵的濃度明顯低于現(xiàn)有技術(shù)的緩沖層結(jié)構(gòu)。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，該緩沖層結(jié)構(gòu)包括至少兩個(gè)應(yīng)力管理層序列，其中第二應(yīng)力管理層序列位于相對(duì)于基底比第一應(yīng)力管理層序列更大距離處并且具有第二間層結(jié)構(gòu)。通過額外的間層結(jié)構(gòu)，可以改善異質(zhì)基底上緩沖層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力管理及提高后序的有源層的品質(zhì)。

這可以通過使用第二間層結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改善，其與第一間層結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于以下的至少一種：間層結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)間層的層厚度、間層結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)間層中的p型摻雜劑濃度、間層結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)間層的材料組成以及間層結(jié)構(gòu)中的間層的數(shù)量。

另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案包括在緩沖層結(jié)構(gòu)上面沉積的額外的第iii族氮化物層，該額外的層具有漸變的p型摻雜劑濃度，其中該p型摻雜劑濃度在該額外的層與緩沖層相鄰的第一區(qū)段中高于該額外的層進(jìn)一步遠(yuǎn)離緩沖層的第二區(qū)段。該緩沖層結(jié)構(gòu)優(yōu)選在異質(zhì)基底上生長(zhǎng)，如硅、絕緣體上硅、碳化硅基底、金剛石或ga2o3基底。

在優(yōu)選的實(shí)施方案中，配置該應(yīng)力管理層序列，以在生長(zhǎng)期間將壓縮應(yīng)力引入緩沖層結(jié)構(gòu)中，其完全或至少部分地補(bǔ)償了在生長(zhǎng)之后在緩沖層結(jié)構(gòu)由生長(zhǎng)溫度冷卻至室溫期間產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力。

具有比第一和第二第iii族氮化物層的材料更大的帶隙的第iii族氮化物間層材料優(yōu)選為二元、三元或四元的第一第iii族氮化物材料，其具有比形成第一和第二第iii族氮化物層的第二第iii族氮化物材料更高的鋁含量。aln、algan、alingan或alinn是有利的形成第iii族氮化物間層材料的材料。在某些實(shí)施方案中，由第iii族氮化物間層材料制成的層是低溫層，換而言之，是在比相鄰的第一和第二第iii族氮化物層更低的溫度下生長(zhǎng)的。在間層結(jié)構(gòu)以及第一和第二第iii族氮化物層中采用相似的生長(zhǎng)溫度，也可以應(yīng)用于某些實(shí)施方案中。

為了進(jìn)一步改善應(yīng)力管理和電阻率，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案還包括在異質(zhì)基底與應(yīng)力管理層序列之間沉積的緩沖層疊物，該緩沖層疊物包括

a)在組成上漸次變化的algan緩沖層，其具有隨著相對(duì)于異質(zhì)基底的距離增大而增大的ga分?jǐn)?shù)，或者

b)通過兩種第iii族氮化物層交替層疊而形成的超晶格，

其中該緩沖層疊物具有至少1×10¹⁸cm^-3的p型摻雜劑濃度。

關(guān)于進(jìn)一步改善的應(yīng)力管理連同在整個(gè)緩沖層結(jié)構(gòu)中的高電阻率，本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案在緩沖層疊物和基底之間包括形核層，其中該形核層具有至少1×10¹⁸cm^-3的p型摻雜劑濃度。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及在異質(zhì)基底上的第iii族氮化物器件，特別是晶體管、fet、常開或常關(guān)的(mis)hemt、肖特基二極管、pin結(jié)構(gòu)，其包括根據(jù)本發(fā)明的第一方面或其實(shí)施方案之一的外延第iii族氮化物緩沖層結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的緩沖層結(jié)構(gòu)還有利地用于光電器件，如leds或激光二極管。通過包括本發(fā)明的緩沖層結(jié)構(gòu)，大幅改善了器件性能。

該第iii族氮化物器件優(yōu)選包括僅非故意地?fù)诫s的溝道有源第iii族氮化物層，這意味著不大于1×10¹⁷cm^-3、優(yōu)選小于4×10¹⁶cm^-3的p型摻雜劑濃度。有源層中這一低的p型摻雜劑濃度能夠?qū)崿F(xiàn)第iii族氮化物器件的高度有效的性能，而在有源第iii族氮化物層中要求高導(dǎo)電性。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，第iii族氮化物器件是hemt。在此，該有源層形成溝道層。該hemt還在有源層上包括勢(shì)壘層。因此可以在溝道層與勢(shì)壘層之間的界面處形成2deg?？梢栽跍系缹优c有源層之間使用薄的中間層，如現(xiàn)有技術(shù)中已知的。hemt優(yōu)選進(jìn)一步包括在勢(shì)壘層上的蓋層。該蓋層可以包含一種或多種p型摻雜劑。碳或鎂在此可以用作p型摻雜劑，或者也可以用作p型摻雜劑之一。

在第二方面中，本發(fā)明涉及在異質(zhì)基底上制造p型摻雜的第iii族氮化物緩沖層結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括：

-在異質(zhì)基底上制造外延第iii族氮化物緩沖層結(jié)構(gòu)，其中制造該緩沖層結(jié)構(gòu)以包括應(yīng)力管理層序列，該應(yīng)力管理層序列包括位于第一和第二第iii族氮化物層之間及與其相鄰的間層結(jié)構(gòu)，其中該間層結(jié)構(gòu)包括具有比第一和第二第iii族氮化物層的材料更大的帶隙的第iii族氮化物間層材料，及其中制造該應(yīng)力管理層序列以具有由至少1×10¹⁸cm^-3開始在由該間層結(jié)構(gòu)至第一和第二第iii族氮化物層的過渡中降低至少2倍的p型摻雜劑濃度分布。

優(yōu)選采用金屬有機(jī)氣相外延(movpe)或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(mocvd)作為沉積方法。

在該方法的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，在比生長(zhǎng)第一第iii族氮化物層和第二第iii族氮化物層的溫度更低的溫度下沉積由具有比第一和第二第iii族氮化物層的材料更大的帶隙的第iii族氮化物間層材料制成的層。通過該溫度管理、生長(zhǎng)速率和v/iii比例，可以在第iii族氮化物間層材料中及在第一或第二第iii族氮化物層中的p型摻雜劑濃度之間實(shí)現(xiàn)大的不同。同時(shí)，這對(duì)于層序列的應(yīng)力管理功能是有利的。

在該方法的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，在沉積應(yīng)力管理層序列之前，在基底上通過氣相沉積技術(shù)使用不含氫的載氣、優(yōu)選n2在800和1030℃之間的溫度下沉積aln形核層，然后在沉積應(yīng)力管理層序列之前通過使用四乙基鎵和三甲基鋁作為前體在800和1030℃之間的溫度下沉積緩沖層疊物，其中該緩沖層疊物包括

a)在組成上漸次變化的algan緩沖層，其具有隨著相對(duì)于異質(zhì)基底的距離增大而增大的ga分?jǐn)?shù)，或者

b)通過兩種第iii族氮化物層交替層疊而形成的超晶格。

在aln形核層和緩沖層疊物生長(zhǎng)期間的低溫對(duì)于引入大于1×10¹⁷cm^-3的碳濃度是有利的，并且實(shí)現(xiàn)更佳的晶體品質(zhì)。

為了控制緩沖層結(jié)構(gòu)的不同層中的p型摻雜劑濃度，可以控制和調(diào)節(jié)除生長(zhǎng)溫度以外的若干生長(zhǎng)參數(shù)。在其他方面相同的生長(zhǎng)條件下，增大在層的制備中使用的氮源的流量會(huì)導(dǎo)致該層中p型摻雜劑濃度下降。通過更大的鎵前體流量實(shí)現(xiàn)相反的效果。在層的生長(zhǎng)期間更大的v/iii比例也會(huì)導(dǎo)致該層中更低的p型摻雜劑濃度。通過反應(yīng)器中更高的環(huán)境壓力及通過降低層的生長(zhǎng)速率，實(shí)現(xiàn)相似的效果。額外的控制和調(diào)節(jié)p型摻雜劑濃度的措施是使用特定的c前體，如cbr4、ccl4。

附圖說明

下面依照附圖闡述本發(fā)明的其他實(shí)施方案，其中：

圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的第一方面的緩沖層結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施方案；

圖2所示為根據(jù)本發(fā)明的第一方面的緩沖層結(jié)構(gòu)的另一個(gè)實(shí)施方案；

圖3所示為根據(jù)本發(fā)明的第iii族氮化物器件的一個(gè)實(shí)施方案；

圖4a)所示為基于根據(jù)本發(fā)明的緩沖層結(jié)構(gòu)的晶體管的部分的濃度圖；

圖4b)所示為圖4a)的晶體管的電流電壓特性；

圖5所示為根據(jù)本發(fā)明的第一方面的緩沖層結(jié)構(gòu)的另一個(gè)實(shí)施方案；

圖6所示為圖5的結(jié)構(gòu)的改變方案1的鋁含量分布(a))、空穴濃度分布(b))和0v時(shí)的帶隙分布(c))；

圖7所示為圖5的結(jié)構(gòu)的改變方案2的鋁含量分布(a))、空穴濃度分布(b))和0v時(shí)的帶隙分布(c))；

圖8所示為圖5的結(jié)構(gòu)的改變方案3的鋁含量分布(a))、空穴濃度分布(b))和300v時(shí)的帶隙分布(c))。

具體實(shí)施方式

圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的第一方面的緩沖層結(jié)構(gòu)100的一個(gè)實(shí)施方案。在本實(shí)施方案中由硅或碳化硅制成的基底110上，可以生長(zhǎng)中間層。該中間層在圖1中沒有詳細(xì)地顯示出，而是僅表示為基底110上方的空間?？梢园ㄗ訉咏Y(jié)構(gòu)的該中間層用于實(shí)現(xiàn)形核和初始的晶格匹配。然而，在某些實(shí)施方案中，可以省略掉中間層，直接在基底上生長(zhǎng)緩沖層結(jié)構(gòu)。下面進(jìn)一步描述緩沖層疊物形式的中間層的例子。

該緩沖層結(jié)構(gòu)100包括應(yīng)力管理層序列s。該應(yīng)力管理層序列是由三個(gè)第iii族氮化物層120至140形成的，其中單一間層130夾在第一第iii族氮化物層120和第二第iii族氮化物層140之間。

在該應(yīng)力管理層序列s中，首先沉積第一第iii族氮化物層120。其是由gan制成的。在其他實(shí)施方案中，其是由algan制成的。第一第iii族氮化物層120的厚度典型地在300和2000nm之間，例如為590nm。

直接在第一第iii族氮化物層120上沉積單一間層130。在本實(shí)施例中，其由algan制成。替代性的實(shí)施方案使用aln或alinn或alingan。

該單一間層的厚度典型地在10和50nm之間。在本實(shí)施例中為30nm。

直接在單一間層130上生長(zhǎng)第二第iii族氮化物層140。在本實(shí)施例中，其由與第一第iii族氮化物層相同的材料制成，即gan。在其他實(shí)施方案中，其由algan制成。其厚度典型地在300nm和1.5μm之間。在本實(shí)施例中，其厚度為1μm。

該單一間層130的碳濃度為1×10¹⁹cm^-3。與此不同，第一第iii族氮化物層和第二第iii族氮化物層則具有不大于1×10¹⁸cm^-3的較低的碳濃度。在本實(shí)施例中，它們的碳濃度為1×10¹⁷cm^-3。由于單一間層130的algan與第一和第二第iii族氮化物層120和140的gan相比組成不同，所以實(shí)現(xiàn)了晶格常數(shù)的不同，這與帶隙的不同相關(guān)。由于晶格常數(shù)的不同引入的應(yīng)力分量至少部分地補(bǔ)償了通過在異質(zhì)基底上生長(zhǎng)而產(chǎn)生的應(yīng)力。因此由gan-algan-gan制成的應(yīng)力管理層序列s能夠減少在緩沖層結(jié)構(gòu)中以及任何在其上面生長(zhǎng)的層中產(chǎn)生的應(yīng)力。另一方面，該應(yīng)力管理層序列還引入了能帶結(jié)構(gòu)分布，其傾向于允許形成寄生的導(dǎo)電溝道，其甚至可以在接近gan和algan材料之間的界面處包括2deg。通過以給定的濃度水平引入碳，抑制了在單一間層130與第一和第二第iii族氮化物層120和140的界面處2deg的形成。由于其較高的碳濃度，尤其是單一間層即層130也顯示出高電阻率，這是后序形成基于該緩沖層結(jié)構(gòu)的高效電子器件所需的。

圖2所示為根據(jù)本發(fā)明的第一方面的緩沖層結(jié)構(gòu)200的另一個(gè)實(shí)施方案。與圖1的緩沖層結(jié)構(gòu)100相比，該緩沖層結(jié)構(gòu)200在第二第iii族氮化物層220和基底210之間包括形核層255和超晶格250。該超晶格250和形核層構(gòu)成中間層的一個(gè)例子。該形核層255是aln層。在該實(shí)施方案中，該超晶格250是厚度為100nm的高溫algan/低溫algan超晶格。高溫和低溫的algan層的名義組成相同。形核層255和超晶格250進(jìn)一步改善了緩沖層結(jié)構(gòu)200的應(yīng)力管理。在本實(shí)施例中，形核層255和超晶格250的碳濃度為5×10¹⁸cm^-3，這提高了緩沖層結(jié)構(gòu)的電阻率。超晶格的其他有利的實(shí)施方案是algan/gan或aln/gan超晶格。

在緩沖層結(jié)構(gòu)中使用若干第一第iii族氮化物間層，進(jìn)一步改善了應(yīng)力管理，特別是在相對(duì)于第iii族氮化物材料的晶格錯(cuò)配特別高的硅基底的情況下。因此，在包括第一第iii族氮化物層220、單一間層230和第二第iii族氮化物層240的應(yīng)力管理層序列s上，沉積應(yīng)力管理層序列的兩個(gè)重復(fù)物。第一重復(fù)物包括另一個(gè)單一間層231和另一個(gè)第iii族氮化物層241，該第iii族氮化物層240是與第二單一間層231相關(guān)的第一第iii族氮化物層，同時(shí)是與第一單一間層230相關(guān)的第二第iii族氮化物層。第二重復(fù)物包括另一個(gè)單一間層232和另一個(gè)第iii族氮化物層242。在此，該第iii族氮化物層241是與第三單一間層232相關(guān)的第一第iii族氮化物層，并且是與第二單一間層231相關(guān)的第二第iii族氮化物層。第一單一間層230及其重復(fù)物231、232因此均位于具有比較小的帶隙的第iii族氮化物層之間及與其相鄰。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，除單一間層的厚度以外的性質(zhì)可以改變，優(yōu)選al含量可以在背離基底的方向上降低。在另一個(gè)實(shí)施方案中(未示出)，接著第一第iii族氮化物層(或任何其重復(fù)物)可以有多于一個(gè)具有更小的帶隙的層。

在該實(shí)施方案中，該單一間層231具有與單一間層即層230相同的性質(zhì)(組成、厚度、生長(zhǎng)溫度)。第iii族氮化物層241對(duì)應(yīng)于第三第iii族氮化物層240。然而，在本實(shí)施例中，其厚度稍大于第三第iii族氮化物層240，即厚度為2μm。因此，可以但是不要求具有第二應(yīng)力管理層序列s1的層，其與最初的應(yīng)力管理層序列s的相應(yīng)的層相同。也可以改變第二應(yīng)力管理層序列s2的不同重復(fù)物之間的層厚度。然而，第一第iii族氮化物層230及其在層231和232中相應(yīng)的重復(fù)物的厚度優(yōu)選是相同的。

圖3所示為晶體管300，作為根據(jù)本發(fā)明的第iii族氮化物緩沖層結(jié)構(gòu)的一種應(yīng)用情況。在該實(shí)施方案中，在硅基底310上生長(zhǎng)algan緩沖層350，其具有隨著相對(duì)于硅基底310的距離增大而增大的ga分?jǐn)?shù)。

在algan緩沖層350上，應(yīng)力管理層序列s由三個(gè)第iii族氮化物層320至340形成，其中單一間層330夾在第一第iii族氮化物層320和第二第iii族氮化物層340之間。這些層的詳細(xì)特征參照?qǐng)D1的實(shí)施方案的層120至140的以上描述。

接著應(yīng)力管理層序列s是背勢(shì)壘層360。該背勢(shì)壘層360是由algan制成的，并且具有由在背勢(shì)壘層360和第三第iii族氮化物層340之間的界面處1×10¹⁸cm^-3的碳濃度開始并且在背勢(shì)壘層360和接著的有源層370之間的界面處小于4×10¹⁶cm^-3的碳濃度結(jié)束漸變的碳濃度。

形成包含在晶體管運(yùn)行時(shí)激活的2deg載荷子溝道的溝道層的有源層370是由gan制成的，并且具有4×10¹⁶cm^-3的碳濃度。在本實(shí)施例中，其厚度為40nm?；谒鼋Y(jié)構(gòu)的晶體管顯示出以下性質(zhì)：約為1×10¹³cm^-2的載荷子密度、1000至2500cm²/(v·s)的高電子遷移率及明顯低于400ω/sq的低的薄層電阻。

在有源層370上生長(zhǎng)勢(shì)壘層380。在本實(shí)施例中，該勢(shì)壘層是algan(algainn)層。在其他實(shí)施方案中，可以采用適合于形成溝道層中的載荷子的勢(shì)壘的其他組成。在本實(shí)施例中，勢(shì)壘層的厚度為25nm。蓋層390在勢(shì)壘層380上生長(zhǎng)，并形成晶體管結(jié)構(gòu)的最上層(忽略接點(diǎn))。在此d型hemt器件的情況下，蓋層390是厚度為4nm的p型摻雜的gan層。在本實(shí)施例中，在蓋層390中，碳以10¹⁷cm^-3的濃度水平用作摻雜劑。

該實(shí)施方案的緩沖層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)的有利的應(yīng)力管理，同時(shí)在有源層下方實(shí)現(xiàn)高電阻。漸變的背勢(shì)壘層360額外地防止載荷子進(jìn)入緩沖層結(jié)構(gòu)下方的層和基底，這改善了器件的電性能。在緩沖層結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)的有源層370(gan或ingan)由于其碳濃度低顯示出高的晶體品質(zhì)和低電阻。借助gan蓋層390，實(shí)現(xiàn)了與接觸結(jié)構(gòu)和外部器件的良好的電接觸。為了減小hemt器件的串聯(lián)電阻，gan蓋和algan層在側(cè)向區(qū)段內(nèi)的部分的額外的凹槽蝕刻對(duì)于形成歐姆接觸是有利的。

圖4a)所示為基于根據(jù)本發(fā)明的緩沖層結(jié)構(gòu)的晶體管的部分由二次離子質(zhì)譜(sims)測(cè)量獲得的濃度圖。圖4b所示為圖4a)的晶體管的電流電壓特性。

圖4a)所示為鋁濃度4000、碳濃度4100和氧濃度4200在對(duì)數(shù)標(biāo)度上的曲線，作為包括緩沖層結(jié)構(gòu)的晶體管的部分的深度的函數(shù)。在單一間層的位置上檢測(cè)到鋁濃度4000的最大值430、431、432和433。這顯示了al對(duì)于單一間層的algan化學(xué)計(jì)量數(shù)的貢獻(xiàn)。

鋁曲線4000中的最大值480代表algan勢(shì)壘層。由圖4a)可以看出，碳濃度4100和氧濃度也在第一第iii族氮化物層的位置上即在al峰處顯示出各自的最大值。單一間層中的碳濃度為2×10²⁰cm^-3，而在單一間層之間的gan層中的碳濃度則稍微低于1×10¹⁷cm^-3。因此，單一間層中的碳濃度比位于其中的gan層大3個(gè)數(shù)量級(jí)。由此抑制了在緩沖層結(jié)構(gòu)中2deg的形成。如圖4b)所示，基于具有高的碳含量(4300)的所述緩沖層結(jié)構(gòu)的晶體管顯示出大的擊穿電壓和小的漏電流。在此，將根據(jù)本發(fā)明的晶體管的特征曲線同基于與本申請(qǐng)請(qǐng)求保護(hù)的結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于在間層結(jié)構(gòu)中使用小于1×10¹⁸cm^-3的低p型濃度的緩沖層結(jié)構(gòu)的晶體管的特征曲線(4301)相比較。

圖5所示為根據(jù)本發(fā)明的第一方面的緩沖層結(jié)構(gòu)500的另一個(gè)實(shí)施方案。與圖1至4的緩沖層結(jié)構(gòu)相比，該緩沖層結(jié)構(gòu)500包括間層結(jié)構(gòu)530，其包括三個(gè)不同的層，而不是單一層。在生長(zhǎng)在本實(shí)施例中由非故意地?fù)诫s的gan制成的第一第iii族氮化物層520之后，生長(zhǎng)也由gan組成的第二第iii族氮化物間層536。接著第二第iii族氮化物間層是第一第iii族氮化物間層535和第三第iii族氮化物間層537，由此第三第iii族氮化物間層536也由gan組成，接著是第二第iii族氮化物層540。在該實(shí)施方案中，第二和第三第iii族氮化物間層535和537的厚度為50nm。在20和200nm之間的厚度對(duì)于這些層是有利的。第一第iii族氮化物間層535包含具有比第一和第二第iii族氮化物層520、540的材料更大的帶隙的第iii族氮化物間層材料，在此情況下是algan，且厚度為30nm。下面闡述包括第一第iii族氮化物間層535的al含量以及p型摻雜劑濃度的不同改變的緩沖層結(jié)構(gòu)的改變方案以及它們對(duì)于避免形成2deg的效果。

改變方案1

如圖5所示的層結(jié)構(gòu)的改變方案1包括使用具有恒定的鋁含量的第一第iii族氮化物間層535。該結(jié)構(gòu)的鋁含量分布原則上如圖6a)所示。如前所述，在該實(shí)施方案中，第二和第三第iii族氮化物間層536和537是由gan制成的，如同第一和第二第iii族氮化物層520和540。第一第iii族氮化物間層535由algan組成。圖6b)所示為該結(jié)構(gòu)的空穴濃度分布，在整個(gè)間層結(jié)構(gòu)中，因此在所有三個(gè)第iii族氮化物間層535、536和537中，空穴濃度為5×10¹⁸cm^-3。第一和第二第iii族氮化物層520和540是非故意地?fù)诫s的。該間層結(jié)構(gòu)中的空穴濃度是通過故意地用鎂或碳摻雜間層實(shí)現(xiàn)的。由所示的該層結(jié)構(gòu)的空穴濃度分布獲得如圖6c)中所示的該層結(jié)構(gòu)的能量分布，其中601表示導(dǎo)帶能量分布，602表示價(jià)帶分布。在圖6c)中可以看出，有效地抑制了在algan和gan之間、因此在第一第iii族氮化物間層535與第二和第三第iii族氮化物間層536和537之間的界面處2deg的形成。

改變方案2

如圖5所示的層結(jié)構(gòu)的改變方案2包括使用具有漸變的鋁含量的第一第iii族氮化物間層535。該結(jié)構(gòu)的鋁含量分布原則上如圖7a)所示。在該實(shí)施方案中，第二和第三第iii族氮化物間層536和537是由gan制成的，如同第一和第二第iii族氮化物層520和540。第一第iii族氮化物間層535的鋁含量由與第二第iii族氮化物間層536的界面處的10％升高至與第三第iii族氮化物間層537的界面處的70％?？梢匀鐖D所示連續(xù)地升高，或者階梯式升高。

圖7b)所示為該結(jié)構(gòu)的空穴濃度分布，在整個(gè)間層結(jié)構(gòu)中，因此在所有三個(gè)第iii族氮化物間層535、536和537中，該實(shí)施方案的空穴濃度為1×10¹⁸cm^-3。第一和第二第iii族氮化物層520和540是非故意地?fù)诫s的。

在圖7c)中可以看出，若將漸變的algan層用作第一第iii族氮化物間層，通過比較小的空穴濃度或p型摻雜劑濃度，有效地抑制了在algan和gan之間、因此在第一第iii族氮化物間層535與第二和第三第iii族氮化物間層536和537之間的界面處2deg的形成。

改變方案3

如圖5所示的層結(jié)構(gòu)的改變方案3與改變方案2相比顯示出其他有利的空穴濃度分布，由此可以有效地抑制寄生的2deg的形成。該結(jié)構(gòu)的鋁含量分布如圖8a)所示原則上與如圖7a)所示的相同。

圖8b)所示為該結(jié)構(gòu)的空穴濃度分布，該實(shí)施方案的空穴濃度僅在第二和第三第iii族氮化物間層536和537中為5×10¹⁸cm^-3，第一第iii族氮化物間層535是非故意地?fù)诫s的，如同第一和第二第iii族氮化物層520和540。

圖8c)所示為該結(jié)構(gòu)在300v時(shí)的能帶，可以看出，也可以有效地抑制在algan和gan之間、因此在第一第iii族氮化物間層535與第二和第三第iii族氮化物間層536和537之間的界面處2deg的形成，而不會(huì)故意地?fù)诫s第一第iii族氮化物間層535，條件是第二和第三第iii族氮化物間層536和537的摻雜水平足夠高，即使在運(yùn)行時(shí)。

如圖2所述，其涉及單一間層還連同包括三個(gè)第iii族氮化物間層的所述間層結(jié)構(gòu)，應(yīng)力管理層序列的重復(fù)物是有利的。例如第一應(yīng)力管理層序列可以是有利的，其包括由aln制成的單一間層，接著是三個(gè)應(yīng)力管理層序列，其各自包括gan-algan-gan的三層間層結(jié)構(gòu)。