[发明专利]具有夹层结构的厚氮化物半导体结构和制作厚氮化物半导体结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体结构，并且尤其涉及氮化物半导体结构和相关方法。

背景技术

在制作半导体器件的过程中，可以使用与衬底或底层晶格失配的半导体材料。例如，按照常规GaN被制作在蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底上。GaN的未应变的晶格常数是3.19，而蓝宝石的未应变的晶格常数是4.76并且碳化硅的是3.07。因此，生长在衬底上的GaN层可能会产生应变。如果情形是这样并且如果应变的等级超过某一阈值，则GaN层可能破裂，其可能使所述材料在半导体器件的使用中不能被接受。

另外的困难可能产生于以下事实：不同的材料可能具有不同的热膨胀系数，其会使材料之间的晶格常数差随着温度变化。因此，在一个温度下基本上晶格匹配的两种材料可能在不同的温度下失配。此外，由于与底层晶格失配而在生长温度下压缩应变的外延层可能在室温下拉伸应变，或反之亦然，取决于材料的室温晶格常数和热膨胀系数。

制作半导体材料和器件过程中使用的工艺温度可能很极端。例如，一些外延生长过程可能在超过1000℃的温度下执行，而且器件退火温度可能甚至更高。因此，工艺温度和室温之间的差可能多达1000℃或以上。

除了可能引起破裂外，半导体结构中的应变由于许多其它原因而可能有害。例如，应变可能使晶片弯曲。外延生长期间的晶片弯曲可能导致外延层在衬底上生长不均匀，其可能减少有用器件产率。此外，晶片弯曲可能使半导体制造过程例如平面化和/或切割变复杂。

发明内容

根据本发明的一些实施例的半导体结构包括衬底、衬底上的成核层、成核层上的组分渐变层、以及组分渐变层上的氮化物半导体材料层。所述氮化物半导体材料层包括在所述氮化物半导体材料层内被隔开的多个基本弛豫的氮化物夹层。所述基本弛豫的氮化物夹层包括铝和镓并且利用n型掺杂剂进行导电掺杂，并且包括所述多个氮化物夹层的氮化物半导体材料层具有至少大约2.0μm的总厚度。

所述氮化物夹层可以具有第一晶格常数并且所述氮化物半导体材料可以具有第二晶格常数，使得所述氮化物半导体材料层在所述多个氮化物夹层中的一个的一侧比在所述多个氮化物夹层中的所述一个的相反侧更多地拉伸应变。

所述氮化物半导体材料层可以具有大约2.0μm到大约8.0μm的总厚度，并且在一些实施例中可以基本上无裂缝。

所述组分渐变层可以在与所述氮化物半导体材料层的界面处具有与所述氮化物半导体材料层的材料组分基本相同的材料组分。

此外，所述组分渐变层可以在与所述成核层的界面处具有与所述成核层的材料组分基本相同的材料组分。

在一些实施例中，所述组分渐变层可以在与所述成核层的界面处具有与所述成核层的材料组分不同的材料组分。例如，所述成核层可以包括AlN，并且所述组分渐变层可以在与所述成核层的界面处具有Al_xGa_1-xN(0＜x＜1)的材料组分。在一些实施例中，x大于大约0.25并且小于或等于1。在另外的实施例中，x是大约0.7或以上并且小于或等于1。在一些实施例中，x是大约0.75。

所述半导体结构可以进一步包括直接在所述基本弛豫的氮化物夹层中的一个上的不连续掩模层。所述不连续掩模层可以包括SiN、BN和/或MgN。所述氮化物半导体材料层在所述夹层下可以具有第一位错密度并且在所述夹层上可以具有比所述第一位错密度低的第二位错密度。所述半导体结构可以进一步包括在所述第一氮化物夹层之下的第二不连续掩模层。所述氮化物夹层可以利用n型掺杂剂例如硅以大约1×10¹⁹cm^-3到大约1×10²¹cm^-3的浓度进行掺杂。

所述氮化物夹层中的至少一个可以在其中包括多个分立部分。所述分立部分可以具有与所述至少一个氮化物夹层的材料组分不同的材料组分。所述至少一个氮化物夹层可以具有第一带隙并且所述分立部分可以具有第二带隙，所述第二带隙小于所述第一带隙。

所述多个氮化物夹层中的一个可以具有与所述多个氮化物夹层中的另一个的材料组分和/或掺杂浓度不同的材料组分和/或掺杂浓度。在一些实施例中，所述多个氮化物夹层的掺杂随着离衬底距离的增加而增加。在一些实施例中，所述多个氮化物夹层的镓浓度可以随着离衬底距离的增加而增加。

所述氮化物半导体材料可以具有第一热膨胀系数并且衬底可以具有小于所述第一热膨胀系数的第二热膨胀系数使得所述第二层氮化物半导体材料在室温下比在升高的生长温度下趋向于更拉伸应变。