[发明专利]用于III族氮化物半导体的具有不连续铝含量的外延层

说明书

本发明提供一种半导体器件，其包括：衬底(10)；III族氮化物过渡层堆叠(11)，其安置于所述衬底(10)上，所述III族氮化物过渡层堆叠(11)维持与所述衬底(10)的外延关系；第一III族氮化物层(121)，其安置于所述III族氮化物过渡层堆叠(11)上；和第二III族氮化物层(122)，其安置于所述第一III族氮化物层(121)上，所述第二III族氮化物层(122)具有大于所述第一III族氮化物层(121)的带隙能量的带隙能量，其中所述III族氮化物过渡层堆叠(11)包括第一过渡层(111)、所述第一过渡层(111)上的第二过渡层(112)以及所述第二过渡层(112)上的第三过渡层(113)，且其中所述第二过渡层(112)在所述第一过渡层(111)、第二过渡层(112)和第三过渡层(113)当中具有最小铝摩尔比。本发明还涉及形成此类半导体器件的方法。根据本发明的所述半导体器件有利地在所述第一III族氮化物层(121)中具有小于或等于1×10⁹cm^‑2的位错密度。

技术领域

本发明涉及半导体器件和其制造方法，且特定来说，涉及具有第III族氮化物(下文称为“III族氮化物”)层、二维电子气体(下文称为“2DEG”)、导体结构和金属层的半导体器件。特定来说，本发明另外涉及适用于在半导体器件的III族氮化物层中产生应变的外延结构。

背景技术

易于理解的是，氮化镓(GaN)电力电子器件使得有可能将电力电平和开关频率扩展到超过硅的能力。然而，归因于III族氮化物和衬底之间的大晶格常数和热膨胀系数(TEC) 失配，GaN生长技术与通常为常规基于砷化物的外延或硅(Si)-锗(Ge)外延所采用的那些生长技术大不相同。如果进行不恰当的管理，那么来自这些材料差异的应力可引起外延的层(epitaxial layer)(下文称为“外延层(epilayer)”)位错、裂纹、晶片翘曲/弓曲和/或晶片破损，对于III族氮化物半导体器件(例如高电子迁移率晶体管(HEMT))所需的厚膜来说尤其如此。

因此，存在需要在任选地直径大于或等于6英寸(150mm)的衬底上产生具有小于或等于1×10⁹cm^-2的位错密度的III族氮化物半导体器件。

发明内容

下文呈现对本发明的基础特征的简化概述以便提供对本发明的一些方面的基本理解。

在碳化硅(SiC)或蓝宝石衬底上生长GaN的技术是完善的。然而，SiC或蓝宝石衬底昂贵并且难以处理，使得基于此类衬底的半导体器件难以实现大批量生产或显著制造成本减小。基于以上缺点，Si上GaN(GaN-on-Si)是最近的开发趋势。Si衬底具有成本优势，且Si上GaN有利于与现代Si半导体制造过程兼容。

Si上GaN外延结构由于GaN(0001)和Si(111)之间的材料失配而存在数个基本问题。举例来说，GaN和Si之间的TEC差高达34％，使得在外延层的生长期间或在室温下通常会引起外延层开裂或衬底弓曲。异构衬底上的其它III族元素(例如Al或In)的氮化物外延层也存在同样问题。

为弥补衬底和III族氮化物外延层之间的失配，本发明因此提供缺陷数目减小的半导体器件。所述器件包括：衬底；III族氮化物过渡层堆叠，其安置于所述衬底上，所述III族氮化物过渡层堆叠维持与所述衬底的外延关系；第一III族氮化物层，其安置于所述III族氮化物过渡层堆叠上；和第二III族氮化物层，其安置于所述第一III族氮化物层上，所述第二III族氮化物层具有大于所述第一III族氮化物层的带隙能量的带隙能量，其中所述III族氮化物过渡层堆叠包括第一过渡层、所述第一过渡层上的第二过渡层以及所述第二过渡层上的第三过渡层，且其中所述第二过渡层在所述第一过渡层、第二过渡层和第三过渡层当中具有最小铝摩尔比。