[发明专利]半导体结构中的III-N至稀土过渡

说明书

鉴于III‑N层生长工艺中的高温问题，本文描述的实施例使用分层结构，分层结构包括稀土氧化物(REO)或稀土氮化物(REN)缓冲层和多晶III‑N‑RE过渡层以从REO层过渡到III‑N层。在一些实施例中，III‑N层的压电系数通过分层结构中的额外应变的引入而增大。然后，RE‑III‑N氮化物的多晶性可以被用于与III‑N层的晶格匹配。

相关申请的交叉引用

本公开要求于2018年11月20日提交的美国临时专利申请No.62/769,951的美国法典第35篇第119(e)条的权益，该美国临时专利申请的全部内容通过引用整体并入本文中。

背景技术

因为硅基板通常有成本效益，所以现有的半导体结构常常具有生长在硅基板上的基于氮化镓(GaN)或其它III-N的电子器件和光电子器件。

然而，在很大程度上由于硅与GaN之间的大的晶格失配和热膨胀系数的巨大差异，在硅基板上生长III-N材料传统上是困难的。具体地，现有的III-N生长工艺常常依赖于高温来生长质量足以产生良好器件性能的III-N层。在高温下的III-N生长工艺期间和后续的结构冷却期间，拉伸应力可能进而增加。

当向具有纤锌矿晶格的III-N层中添加稀土原子时将额外的应变引入到晶格常数中，从而导致III-N层的增大的压电系数，这是因为稀土原子周围的键被扭曲，这导致沿着c轴的较强的极化，另一方面，向III-N层添加稀土原子还将晶体结构从纤锌矿转变为立方晶。因此，重要的是增大材料的压电系数而不将稀土浓度增大至超过d引起晶体结构转变的临界水平。

另外的现有的III-N生长工艺包括作为压电层沉积的III-N的单一组分。这种限定电声器件(RF滤波器)的耦合系数的压电系数性质是固有的。

现有的在相对低的温度下生长III-N层的方法包括使用氮等离子体对生长在基板上方的外延稀土氧化物层进行改性，然后在稀土氧化物的改性表面上生长低温GaN层。在2018年3月13日发布的共同拥有的美国专利No.9,917,193中提供关于使用氮等离子体来生长低温GaN的更多讨论。另外的生长III-N层的现有方法包括使用单晶硅或单晶蓝宝石作为基板来生长III-N材料。在2015年9月22日发布的共同拥有的美国专利No.9,142,406中讨论了更多实施例。以上提到的专利其全部内容通过引用整体地明确并入本文中。

发明内容

提供了一种用于III-N至稀土过渡的分层结构。具体地，分层结构包括：基板；在基板上方的稀土氧化物或稀土氮化物缓冲层；在稀土氧化物或稀土氮化物缓冲层上方的第一III-N稀土过渡层；以及在第一III-N稀土过渡层上方的第二III-N稀土过渡层。

在一些实施例中，稀土氧化物或稀土氮化物缓冲层在稀土氧化物或稀土氮化物缓冲层的上表面处具有第一晶格常数并且在稀土氧化物或稀土氮化物缓冲层的下表面处具有第二晶格常数。第一晶格常数小于第二晶格常数。

在一些实施例中，第一III-N稀土过渡层包括具有ScAlN、ScGaN的至少三个子层。

在一些实施例中，多个子层中的每个子层具有立方结构、简单六方结构或纤锌矿六方结构中的一种。

在一些实施例中，压电系数通过引入面内压缩应变而增大，该面内压缩应变将沿着六方结构的c轴在面外方向上引入晶体晶格的拉伸应变。

在一些实施例中，第二III-N稀土过渡层由以Sc作为表面活性剂生长的AlN构成。

附图说明

考虑结合附图进行的以下详细描述，本公开的其它特征、其性质和各种优点将变得清楚，在附图中，类似的参考符号始终表示类似的部件，并且其中：

图1示出了根据本公开的实施例的具有用于生长III-N材料的过渡层的示例分层结构；