[发明专利]半导体器件

说明书

技术领域

本公开涉及半导体器件，更具体而言，涉及形成在硅衬底上的氮化物基半导体器件。

背景技术

氮化物基半导体器件通常使用蓝宝石衬底。然而，蓝宝石衬底价格昂贵，过硬而难以制造芯片，且具有低导电率。此外，因为蓝宝石衬底由于其低热导率而在高温下产生翘曲，所以蓝宝石衬底难以被制成大尺寸。为了解决这样的问题，已经发展了使用硅（Si）衬底代替蓝宝石衬底的氮化物基半导体器件。

因为Si衬底具有比蓝宝石衬底高的热导率，所以Si衬底在用于生长氮化物薄膜的高温下翘曲得不厉害，由此使得有可能在Si衬底上生长大尺寸薄膜。然而，当氮化物薄膜生长在Si衬底上时，位错密度可能由于Si衬底和氮化物薄膜之间在晶格常数方面的不匹配而增加，并且由于Si衬底和氮化物薄膜之间在热膨胀系数方面的不匹配而可能产生且裂纹。因此，已经研究了用于降低位错密度和防止裂纹的许多方法。为了使用Si衬底，需要一种防止由于热膨胀差异产生的张应力导致的裂纹的方法。

发明内容

根据本发明的一方面，一种半导体器件包括：硅衬底；缓冲结构，设置在硅衬底上；以及至少一个镓氮化物基半导体层，形成在缓冲结构上，其中缓冲结构包括：多个氮化物半导体层；以及多个应力控制层，与多个氮化物半导体层交替地设置并包括IV-IV族半导体材料。

在缓冲结构中，氮化物半导体层和应力控制层可以交替地层叠以形成超晶格。

在缓冲结构中，一个应力控制层和一个氮化物半导体层可以交替且重复地层叠。

应力控制层可以包括α-SiC，氮化物半导体层可以包括AlGaN、InGaN和GaN中的其中之一。

在缓冲结构中，一个应力控制层和具有不同组分的至少两个氮化物半导体层可以交替且重复地层叠。

应力控制层可以包括α-SiC，至少两个氮化物半导体层可以包括第一氮化物半导体层和第二氮化物半导体层，第一氮化物半导体层可以包括AlGaN，第二氮化物半导体层可以包括InGaN。

氮化物半导体层可以包括Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中0≤x≤1以及0≤y≤1。

应力控制层可以包括α-SiC。

多个氮化物半导体层可以包括其组分逐渐或连续变化的多个Al_xIn_yGa_1-x-yN层，其中0≤x≤1以及0≤y≤1。

多个氮化物半导体层可以包括AlGaN、InGaN和GaN中的至少一种。

应力控制层可以具有数埃至数百纳米（nm）的厚度。

半导体器件还可以包括在硅衬底上的氮化物成核层，其中缓冲结构设置在氮化物成核层上。

氮化物成核层可以包括AlN。

应力控制层可以包括α-SiC。

应力控制层可以定位成缓冲结构的最高层和最低层的至少之一。

根据本发明一实施方式的半导体器件包括设置在硅衬底上的缓冲结构，该缓冲结构包括多个氮化物半导体层和包括IV-IV族半导体材料的多个应力控制层，其中氮化物半导体层和应力控制层交替地且重复地沉积，由此在形成镓氮化物基半导体材料时施加压应力。缓冲结构可以减少由于晶格不一致引起的缺陷产生，并可以抑制由于热膨胀系数差异而产生的裂纹，因而可以在缓冲结构上形成具有高品质的镓氮化物基半导体层。

附图说明

通过结合附图对实施方式的以下描述，这些和/或其它方面将变得明显且更易于理解，在附图中：

图1示意性地示出根据本发明一实施方式的半导体器件；

图2示意性地示出图1的缓冲结构的一示例；以及

图3、图4、图5、图6示出可适用于图1的半导体器件的缓冲结构的各实施方式。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述关于本发明的示例性实施方式的半导体器件。在图中，附图中的相同附图标记表示相同的元件，为了清楚，夸大了层和区域的厚度。本发明的实施方式仅是示例，本发明以多种不同的形式具体化。在下文中，还将理解，当层被称为在另一层或衬底“上”时，它可以直接在所述另一层或衬底上，或者也可以存在中间层。在一列元件之前的表述诸如“至少之一”修饰整列元件而不修饰该列中的个别元件。

形成在硅衬底上的镓氮化物（GaN）薄膜减少由硅衬底和薄膜之间的晶格常数差异而引起的缺陷和晶圆弯曲，且形成缓冲层以用于抑制由热膨胀系数差异而引起的裂纹。