[发明专利]在异质基底上的第III族氮化物缓冲层结构的p型掺杂

说明书

本发明涉及在异质基底上的外延第III族氮化物缓冲层结构(100)，其中该缓冲层结构(100)包括至少一个应力管理层序列S，该应力管理层序列包括位于第一和第二第III族氮化物层(120，140)之间及与其相邻的间层结构(530)，其中该间层结构(530)包括具有比第一和第二第III族氮化物层(120，140)的材料更大的带隙的第III族氮化物间层材料，其中p型掺杂剂浓度分布由至少1×10¹⁸cm^‑3开始在由间层结构(530)至第一和第二第III族氮化物层(120，140)的过渡中降低至少2倍。

技术领域

本发明涉及在异质基底上的外延第III族氮化物缓冲层结构。还涉及器件结构，特别是晶体管、场效应晶体管(FET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)的层结构，特别是常开或常关的HEMT或金属-绝缘层-半导体(MIS)HEMT、肖特基二极管或P-I-N结构。

背景技术

大多数基于第III族氮化物的器件结构，特别是如今用于射频(RF)或高压(HV)功率转换器件的晶体管结构，是在异质基底上制造的，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(蓝宝石)基底。使用Si作为异质基底的能力是特别有利的，因为这允许使用比较廉价的具有大的工业标准直径的晶片，还因为其形成了将第III族氮化物器件单片集成到由CMOS或相关技术制成的硅基集成电路中的基础。

该外延第III族氮化物层结构在异质基底上生长，但是要求在基底与一个或多个有源层之间复杂的缓冲层结构以管理晶体结构中的应力和缺陷。

为了控制在第III族氮化物层结构中的缓冲层结构的电阻特性，Fe掺杂被广泛使用。然而，使用Fe具有一些缺点。更具体而言，Fe掺杂导致微晶结构的非期望的倾斜和扭曲，可由X射线衍射(XRD)提示。此外，本发明的发明人发现，Fe在外延层结构生长期间作为掺杂剂供应时向着沟道层发生偏析，其在运行中承载二维电子气，下面简写为2DEG。在沟道层中存在Fe对于在2DEG中获得所期望的高电子浓度是有害的。最后，Fe掺杂导致用于沉积第III族氮化物层结构的反应器发生非期望的Fe污染。这导致非期望的Fe背景掺杂，典型地在名义上未掺杂的上层HEMT器件层中及在晶片表面上浓度最高为约10¹⁷cm^-3。因为Fe的存在诱发载荷子的陷阱，所以非故意的Fe掺杂降低了基于第III族氮化物的HEMT器件的导通电阻R_on的动态行为。由于污染风险，并不认为Fe掺杂是与CMOS法中的晶片加工相容的。这造成了将第III族氮化物器件的制造集成到现有的广泛建立的对硅晶片的CMOS生产线的障碍。

文献US 7,884,393公开了使用GaN基底形式的同质基底以获得在同质基底上生长的外延第III族氮化物层结构中极低的位错密度。通过在同质基底上生长获得的低位错密度使得该层结构的不同层中的碳浓度在一定程度上是可变的。通过在同质基底上生长并控制碳浓度，根据US7,884,393，改善了第III族氮化物场效应晶体管和HEMTs的缓冲层和沟道层的品质。作为专利申请，US 7,884,393描述了一种在GaN基底上生长的HEMT结构，其具有直接在GaN基底上沉积的单一高阻缓冲层、直接在缓冲层上沉积的单一GaN沟道层和直接在沟道层上沉积的单一势垒层。该缓冲层在不同的实施方案中由GaN或AlGaN制成并且具有4×10¹⁷cm^-3或更高的碳浓度。在US 7,884,393中公开的缓冲层的最高碳浓度为2×10¹⁸cm^-3。相邻的沟道层并不形成一部分的缓冲层，但是形成HEMT的有源层。其是由GaN或InGAN制成的，并且具有不大于4×10¹⁶cm^-3的碳浓度。在US 7,884,393中将在沟道层中较低的碳浓度描述为获得高纯度及由此获得高电子迁移率所期望的。