專利名稱：具有零合金無序的hemt壓電結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制造電子元件的半導(dǎo)體(Semiconducting)襯底的制備。
本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域一般限定為基于載體上的氮化物的半導(dǎo)體材料層的制備。
現(xiàn)有技術(shù)概述基于周期表中的III族元素氮化物的半導(dǎo)體材料在電子和光電領(lǐng)域中占有越來越重要的地位。
這些意圖用于制造HEMT(高電子遷移率晶體管)的材料被用于制造適于高頻和高功率應(yīng)用的電子電路。
這些基于III族元素氮化物的材料表現(xiàn)出許多優(yōu)點--例如，它們不需要對材料摻雜，與材料(諸如基于砷化物的材料)中所熟知的相反。
圖1中示出了在基于III-N或III族元素氮化物((In，Ga，Al)/N)的半導(dǎo)體材料上制造的示例性HEMT。
該材料包括由鎵和鋁的氮化物(AlGaN)制成的阻擋層20，該阻擋層形成于由氮化鎵(GaN)制成的溝道層21上，該溝道層本身形成于載體22上。
HEMT晶體管還包括AlGaN阻擋層20的正面25上的源極23和漏極24，以及源極23和漏極24之間的柵極26。
由于AlGaN阻擋層20中鋁的存在，該阻擋層具有比GaN溝道層21更寬的禁帶。AlGaN阻擋層20中的硅雜質(zhì)向晶體提供電子，這些電子趨于在具有最低電勢的區(qū)域27(量子阱)中積累，該區(qū)域恰好在AlGaN阻擋層20和GaN溝道層21之間的界面28之下。
這形成了電子薄層27，其形成二維電子氣(2 DEG)。該氣體中的電子具有高遷移率，因為它們與駐留在AlGaN阻擋層20中的硅原子在物理上分離。
盡管在20世紀(jì)70年代對基于III-N的半導(dǎo)體材料進(jìn)行了最初的研究，但是這種類型材料的真正優(yōu)點直到在GaN溝道層中獲得P型傳導(dǎo)之后才變得明顯，隨后Nichia Chemicals在市場上供應(yīng)藍(lán)光二極管[1]。
基于具有二維電子氣的AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)的器件[9，11]現(xiàn)在具有比其它材料系統(tǒng)中的相應(yīng)產(chǎn)品[6，7]好很多的特性。
基于III-N的半導(dǎo)體材料形成具有下列具體特性的非常創(chuàng)新性的半導(dǎo)體系統(tǒng)-禁帶寬度在0.8eV到6.2eV之間變化，-可以制造連續(xù)的AlGaN合金，因此使得可以生產(chǎn)具有大自由度的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，-氮化鎵(GaN)和氮化鋁(AlN)之間的非常弱的晶體網(wǎng)格參數(shù)失配，因此可制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)而不產(chǎn)生晶體缺陷Δa/a＝(aGaN-aAlN/aGaN＝1％其中·aGaN是GaN的網(wǎng)格參數(shù)，·aAlN是AlN的網(wǎng)格參數(shù)，
·Δa/a是網(wǎng)格參數(shù)失配(小于或等于1％的網(wǎng)格參數(shù)失配是準(zhǔn)偽同晶(pseudomorphic)共格生長的標(biāo)志)，-優(yōu)秀的電子特性(良好的電子遷移率、高飽和速度、高擊穿電場)，-優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，-良好的熱特性(熱耗散)，-強(qiáng)極化電場的存在可獲得二維電子氣(2 DEG)中的大的電荷轉(zhuǎn)移。
因此，基于III-N的半導(dǎo)體材料具有比基于“經(jīng)典”III-V的半導(dǎo)體材料更好的性能，尤其是在電荷載流子遷移率和電荷密度方面。
電荷載流子遷移率從材料制造的角度看，AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)的遷移率和每單位表面積的電流密度將受四個占優(yōu)勢的參數(shù)控制-層中的缺陷密度[18]，-表面粗糙度(RMS)和AlGaN/GaN界面處的化學(xué)粗糙度(AlGaN阻擋層中的合金無序)[19，20]，-電子氣(2 DEG)到界面的距離，可通過插入隔離層(spacer)(未摻雜的勢壘)來調(diào)節(jié)，以限制界面處電子的擴(kuò)散[21]，-HEMT結(jié)構(gòu)中(AlGaN層和GaN層中)對壓電電場有影響的應(yīng)變狀態(tài)[22](還存在參與電荷轉(zhuǎn)移的纖鋅礦型異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的強(qiáng)烈的自發(fā)極化電場)。
電荷密度在AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)中觀察到的異常電荷轉(zhuǎn)移(ns～1020-3×1013cm-2)是由特定的極化電場引起的壓電極化電場。這也與壓電感生高電子遷移率晶體管(Piezo-HEMT)有關(guān)。
AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)具有纖鋅礦型六邊形結(jié)構(gòu)。壓電極化源于這種纖鋅礦型結(jié)構(gòu)的非中心對稱性。
存在多種描述壓電極化現(xiàn)象的模型。最簡單的是Ambacher等人的模型[22]，下面參考圖2對其進(jìn)行簡要描述。從該模型開始，可以確定什么材料參數(shù)對在III-N基半導(dǎo)體材料上制造的晶體管結(jié)構(gòu)的電荷密度有影響。
圖2中所示的襯底包括正面1或生長面中的Ga(Al)層。
該襯底包括載體2、GaN溝道層3和AlGaN阻擋層4。載體2是半導(dǎo)體或非半導(dǎo)體材料。例如，載體2可由SiC或Si制成。GaN溝道層3沉積在載體2的正面5上。該GaN溝道層3被松弛。AlGaN阻擋層4位于GaN溝道層3的正面6上。該AlGaN阻擋層4被應(yīng)變。AlGaN阻擋層4是AlxGa1-xN型合金，其中x表示AlxGa1-xN合金的摩爾分?jǐn)?shù)。
如果沒有外部電場，AlxGal-xN/GaN結(jié)構(gòu)沿軸的總極化場P等于AlxGa1-xN阻擋層4中的自發(fā)極化場PSP和應(yīng)變誘發(fā)的壓電極化場PPE的總和。
AlxGa1-xN阻擋層4中的自發(fā)極化場PSP(x)[23]表示為氮化鎵(GaN)和氮化鋁(AlN)的自發(fā)極化常數(shù)的函數(shù)，假設(shè)線性變化PSP(x)＝-0.52x-0.029C/m2(I)其中x表示AlxGa1-xN合金的摩爾分?jǐn)?shù)。
自發(fā)極化場PSP的符號將取決于晶體的極性。在包含正面(生長面)的鎵層(鋁，銦)的襯底1的經(jīng)典情形中，自發(fā)極化場PSP是負(fù)的(換而言之，與生長軸相反)。因此自發(fā)極化場PSP從生長面1指向載體2。
AlxGa1-xN阻擋層4中的壓電極化場PPE(x)表示為合金AlxGa1-xN的壓電常數(shù)e33(x)和e31(x)的函數(shù)PPE(x)＝e33(x)∈zz+e31(x)(∈xx+∈yy)(2)其中·x表示合金AlxGa1-xN的摩爾分?jǐn)?shù)，·e33(x)和e13(x)是AlxGa1-xN合金的壓電常數(shù)，·∈xx，∈yy和∈zz表示AlxGa1-xN合金的長度、寬度和高度的變形。
AlxGa1-xN的壓電常數(shù)e33(x)和e13(x)是從GaN的壓電常數(shù)e33和e13和AlN的壓電常數(shù)e33和e13中計算得到。
作為示例，表格給出GaN和AlN的壓電常數(shù)表格IIGaN和AlN的壓電常數(shù)[23]
如果變形∈ij在公式(2)中作為AlxGa1-xN合金的彈性常數(shù)Cij(x)和GaN溝道層與AlxGa1-xN阻擋層的網(wǎng)格參數(shù)的函數(shù)，則結(jié)果為PPE(x)=2a(x)-a0a0(e31(x)-e33(x)C13(x)C33(x))---(3)]]>其中·a0表示GaN的網(wǎng)格參數(shù)，·a(x)表示AlxGa1-xN合金的網(wǎng)格參數(shù)，·C13(x)和C33(x)表示AlxGa1-xN合金的彈性常數(shù)。
AlxGa1-xN合金的彈性常數(shù)C13(x)和C33(x)是從GaN和AlN的彈性常數(shù)C13和C33開始計算得到，并假定作為x的函數(shù)的線性變化。文獻(xiàn)中常用的GaN和AlN的彈性常數(shù)C13和C33的值是Wright等給出的數(shù)值。些值與實驗數(shù)據(jù)，特別是Polian等給出的關(guān)于GaN的數(shù)據(jù)非常吻合。
作為示例，表格給出了GaN和AlN的彈性常數(shù)表格IIIGaN和AlN的彈性常數(shù)
公式(3)中，量“e31(x)-e33(x)×C13(x)/C33(x)”在整個組成范圍內(nèi)是負(fù)的。因此，對于處于拉伸應(yīng)變的AlxGa1-xN阻擋層4，壓電極化PPE(x)將為負(fù)。
AlxGa1-xN阻擋層和GaN溝道層之間的AlxGa1-xN/GaN界面6處的極化不連續(xù)會在AlxGa1-xN/GaN界面6處產(chǎn)生正電荷分布，電荷分布的密度如下所示σ＝P(AlGaN)-P(GaN)σ＝PSP(AlGaN)-PPE(AlGaN)-PSP(GaN)(4)公式(l)、(3)和(4)用于計算應(yīng)變結(jié)構(gòu)的電荷密度σ/e(其中e＝1.6×10-19C)。
如果AlxGa1-xN阻擋層中的鋁含量在5％到30％之間，則由極化感生的電荷密度在2×1012cm-2到2×1013cm-2之間。
為了補償該高的正電荷，在AlxGa1-xN/GaN界面6處將形成二維電子氣。因此，存在對能帶結(jié)構(gòu)引起的貢獻(xiàn)的附加貢獻(xiàn)。
上述Ambacher等的簡單模型證實了極化感生的電荷密度與AlxGa1-xN阻擋層4中的鋁濃度之間的依賴關(guān)系。
因此，從III-N基半導(dǎo)體材料獲得的晶體管結(jié)構(gòu)的電荷載流子遷移率和電荷密度特性取決于諸如AlGaN/GaN界面處的化學(xué)粗糙度和AlGaN阻擋層中的鋁濃度的參數(shù)。這些參數(shù)與制造基于III-N的半導(dǎo)體材料的方法有關(guān)，并產(chǎn)生在所述半導(dǎo)體材料上制造的晶體管結(jié)構(gòu)可靠性的問題。
圖6a是顯示基于III-N的現(xiàn)有技術(shù)的半導(dǎo)體材料的截面圖。該材料包括溝道層41上的經(jīng)典阻擋層40。
現(xiàn)有技術(shù)的半導(dǎo)體材料的缺點是阻擋層40中Ga和Al原子的不均勻分布。具體原因是Ga和Al在擴(kuò)散能力方面的性能差異和由該性能差異引起的偏析效應(yīng)。
阻擋層40中的Ga和Al原子的這種不均勻分布引起溝道層41和阻擋層40之間的界面39處的壓電電場38的不均勻性。實際上，壓電電場的方向和強(qiáng)度局部取決于阻擋層40中Ga和Al原子的分布。
壓電場的不均勻性會引起該界面39處的電荷密度的起伏。因此，在包含該AlGaN阻擋層的半導(dǎo)體材料上制成的晶體管結(jié)構(gòu)的能量輸出將不均勻地分布。
此外，Ga和Al原子的不均勻分布會引起(尤其是在溝道層中的)電子分布的不均勻性。
文獻(xiàn)WO 02/093650描述了制造包含阻擋層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，該阻擋層包括GaN層和AlN層的交替，每個GaN層和AlN層的厚度范圍在5到20埃之間。
閱讀本發(fā)明的說明書時可以清楚，WO 02/093650的實施方案與本發(fā)明的共同處在于二元材料的交替層，用于制造更大的材料層。
WO 02/093650中公開的方法允許提高結(jié)構(gòu)中的電子遷移率。
但是，WO 02/093650沒有提出提高(特別是溝道層中的)電子分布均勻性的問題。
并且在這方面，WO 02/093650公開的方法沒有提供提高該結(jié)構(gòu)的層中的電子分布均勻性的解決方案?？梢岳斫獾氖?，該已知方法沒有暗示本發(fā)明所提供的解決方案，本發(fā)明特別提出了均勻性問題并提供了處理該問題的具體手段。
此外，WO 02/093650不允許提高阻擋層和溝道層之間的界面處的壓電電場的均勻性，因此不允許限制該界面處的電子密度的起伏。
還應(yīng)注意的是，其它方法公開了不同材料的交替基本層，用于制造較大的層。
并且這些已知方法中的一些甚至公開了選擇非常薄的基本層--這是本發(fā)明的優(yōu)勢特性。這方面可參考US6100542。但是，諸如US6100542中公開的已知方法沒有針對基于氮化物的材料層，而是基于砷化物的材料。
因此，制造具有基于氮化物的層的結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有制造方法看來具有某些限制。本發(fā)明的總體目的是解決這些限制。
更確切地，本發(fā)明的目的是提高(特別是溝道層中的)電子分布的均勻性。
本發(fā)明的另一個目的是提高阻擋層和溝道層之間的界面處的壓電電場的均勻性，從而使該界面處的電子密度均勻化。
本發(fā)明的另一個目的是改進(jìn)基于III-N的半導(dǎo)體材料的電子特性，特別是通過改進(jìn)制造基于III-N的半導(dǎo)體材料的方法。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及基于元素周期表中的III族和V族元素的半導(dǎo)體襯底，該襯底有待用于制造例如HEMT型晶體管結(jié)構(gòu)的HEMT，其包括載體、載體上的溝道層和溝道層上的阻擋層，其中阻擋層在原子尺度上由第一和第二III-V二元半導(dǎo)體合金的層的交替構(gòu)成。
因此，下面可更清楚地看到，阻擋層中的二元合金層的交替具有以下優(yōu)點-減少的原子尺度上的合金無序，-納米尺度和微觀尺度上的零合金不均勻性，-沿優(yōu)選(privileged)晶軸的完美合金有序，-沿優(yōu)選晶軸的最大壓電電場，-最優(yōu)的電子壓電注入，-每單位表面面積的非常一致的電子密度，-由于減小的合金無序產(chǎn)生的減小的界面處和阻擋層中的電子擴(kuò)散，-由于沒有任何合金不均勻性，產(chǎn)生的改進(jìn)的結(jié)構(gòu)可靠性。
事實上，通過改進(jìn)阻擋層中的Ga和Al原子的分布，允許提高電子分布的均勻性。還允許提高阻擋層和溝道層之間的界面處的壓電電場的均勻性，從而使該界面處的電子密度均勻化。
更具體地，通過限制以下參數(shù)-溝道層和阻擋層之間的界面處的粗糙度，-阻擋層中的鋁濃度的不均勻性，以及-溝道層中的鎵濃度的不均勻性，允許如上文所述提高壓電電場的均勻性。
此外，在下文中應(yīng)理解的是，當(dāng)提到層A位于層B“之上”時，則它可以直接位于層B之上，或可以位于層B上方并通過一個或多個中間層與所述層B分隔開。
還應(yīng)理解的是，當(dāng)提到層A位于層B“之上”時，它可以覆蓋層B的整個表面，或所述層B的一部分。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體的優(yōu)選非限制性方面如下-溝道層包括原子尺度上的第三和第四III-V二元半導(dǎo)體合金的層的交替；-半導(dǎo)體襯底進(jìn)一步包括載體和溝道層之間的緩沖層，緩沖層包括原子尺度上的第五和第六III-V二元半導(dǎo)體合金的層的交替；-阻擋層或溝道層或緩沖層的交替的各二元合金的原子單層的數(shù)目在1到20之間；-阻擋層或溝道層或緩沖層的交替的各二元合金的原子單層的數(shù)目在阻擋層或溝道層或緩沖層的背面上的第一值與阻擋層或溝道層或緩沖層的正面上的第二值之間變化，背面比正面更靠近載體；-第一值和第二值在1到20之間；-第一、第二、第三、第四、第五和第六二元合金選自AlN、GaN、BN和InN中；-阻擋層進(jìn)一步包括III-V半導(dǎo)體三元合金的層；-原子尺度的第一和第二III-V半導(dǎo)體二元合金的層的交替位于載體與所述III-V半導(dǎo)體三元合金層之間；-阻擋層包括III-V半導(dǎo)體三元合金的多個層，每個III-V半導(dǎo)體三元合金層位于交替的第一二元合金的層和第二二元合金的層之間；-阻擋層進(jìn)一步包括原子尺度上的第一和第二III-V半導(dǎo)體二元合金的層的交替上的III-V半導(dǎo)體三元合金層；-溝道層進(jìn)一步包括多個III-V半導(dǎo)體三元合金層，每個III-V半導(dǎo)體三元合金層位于交替的第三二元合金的層和第四二元合金的層之間；-位于兩個二元合金層之間的每個三元合金層中的原子單層的數(shù)目在1到5之間；-溝道層由AlGaN、或InGaN、或AlBN、或InBN、或InAlN的三元合金層制成；-溝道層由GaN、或AlN、或BN、或InN的二元合金層制成。
-半導(dǎo)體襯底進(jìn)一步包括載體和溝道層之間的緩沖層，緩沖層由GaN、或AlN、或BN、或InN的二元合金層制成；-半導(dǎo)體襯底進(jìn)一步包括載體和溝道層之間的緩沖層，緩沖層由AlGaN、或InGaN、或AlBN、或InBN、或InAlN的三元合金層制成；-載體由選自Si、SiC、AlN、藍(lán)寶石和GaN的材料制成；-阻擋層(53)的厚度在2nm到500nm之間。
本發(fā)明還涉及包括載體、載體上的溝道層和溝道層上的阻擋層的半導(dǎo)體襯底的制備方法，其中該方法包括以下步驟(無順序)a.通過如下步驟產(chǎn)生起始阻擋層i)沉積至少一個原子單層的第一二元合金；ii)沉積至少一個原子單層的第二二元合金；iii)如果需要重復(fù)步驟i)和步驟ii)，直到獲得要求的厚度。
上述方法的一個方面是通過分別設(shè)置AlN二元合金的單層和GaN二元合金的單層來獲得半導(dǎo)體襯底以便獲得盡可能均勻的阻擋層。在該方面，重要的是注意，本發(fā)明針對了詳細(xì)尺度的單層結(jié)構(gòu)，并在本文中將進(jìn)一步提供“單層”的精確定義。
根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)選但非限定的方面如下-該方法進(jìn)一步包括在起始阻擋層中或其上產(chǎn)生至少一層三元合金的步驟；-產(chǎn)生所述三元合金層的步驟包括沉積三元合金的層；-產(chǎn)生所述三元合金層的步驟包括在i)和ii)中沉積的第一和第二二元合金原子單層的熱處理；-在至少一些第二二元合金的沉積之后在下述條件下執(zhí)行熱處理-表面溫度在高于產(chǎn)生第一和第二二元合金的單層的溫度0℃到300℃之間；-處于10-8托和10-1托之間的真空或超高真空下；-處于包含氨NH3或氮分子N2或氫分子H2的氣體混合物流中，壓力在10-8托和1千巴之間；-存在NH3、N2或H2等離子；-在i)和ii)中沉積的第一和第二二元合金原子單層的熱處理在產(chǎn)生起始阻擋層的步驟之后進(jìn)行；-該方法進(jìn)一步包括通過沉積GaN、或AlN、或BN、或InN的二元合金來產(chǎn)生溝道層的步驟；-該方法進(jìn)一步包括通過沉積AlGaN、或InGaN、或AlBN、或InBN、或InAlN的三元合金來產(chǎn)生溝道層的步驟；-該方法進(jìn)一步包括通過以下方式產(chǎn)生溝道層的步驟iv)沉積第三二元合金的原子單層；v)沉積第四二元合金的原子單層；如果需要重復(fù)步驟iv)和v)，直到達(dá)到要求的厚度；-產(chǎn)生溝道層的步驟進(jìn)一步包括在iv)和v)中沉積的第三和第四二元合金的原子單層的熱處理，該熱處理在至少沉積一些第四二元合金之前在下述條件下執(zhí)行
-表面溫度在高于產(chǎn)生第三和第四二元合金單層的溫度0℃到300℃之間；-處于10-8托和10-1托之間的真空或超高真空下；-處于包含氨NH3或氮分子N2或氫分子H2的氣體混合物流中，壓力在10-8托和1千巴之間；-存在NH3、N2或H2等離子；-該方法進(jìn)一步包括通過沉積GaN、或AlN、或BN、或InN的二元合金來產(chǎn)生緩沖層的步驟。


在閱讀下面的描述之后，本發(fā)明的其它特點和優(yōu)點將變得更加清楚，該描述是純示例性和非限定性的，并且必須參照附圖進(jìn)行閱讀，其中圖1示出基于III族元素氮化物的半導(dǎo)體材料的截面圖，其上制造有HEMT型晶體管；圖2是基于III族元素氮化物的半導(dǎo)體材料的截面圖；圖3是現(xiàn)有技術(shù)的半導(dǎo)體材料的二元材料和三元材料之間的界面的截面圖；圖4是現(xiàn)有技術(shù)的三元材料的截面圖；圖5a是顯示
對稱面中的合金有序性的三元材料的截面圖；圖5b是顯示[1-101]非對稱面中的合金有序性的現(xiàn)有技術(shù)的三元材料的截面圖；圖6a是現(xiàn)有技術(shù)的三元材料情況中的二元和三元材料層的截面圖；圖6b是理想三元材料情況中的二元和三元材料層的截面圖；圖6c是使用根據(jù)本發(fā)明的方法獲得的二元和三元材料的截面圖；圖7a至7g示出根據(jù)本發(fā)明不同實施方案的截面圖；圖8a和圖8b示出通過根據(jù)本發(fā)明的方法獲得的偽合金三元材料的實施例的截面圖；
圖9示出根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體材料的實施例；圖10示出根據(jù)本發(fā)明的阻擋層的實施例；圖11是說明根據(jù)本發(fā)明的不同實施方案的作為Al濃度函數(shù)的阻擋層厚度的圖解；圖12A至12D說明了根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體材料的兩個實施方案的粗糙度；圖12E至12I說明了對于AlGaN阻擋層(25nm厚)中的不同鋁濃度根據(jù)本發(fā)明的AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)的不同表面形態(tài)；圖13示出根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體材料的另一實施例；圖14示出根據(jù)本發(fā)明的兩個其它實施方案。
發(fā)明描述因此，本發(fā)明的一個目的是提供能夠制造基于改良III-N的半導(dǎo)體材料的方法，換句話說，為其上制造的晶體管結(jié)構(gòu)在電荷密度和最終晶體管結(jié)構(gòu)的可靠性方面提供了更好的特性的材料。
為了該目的，申請人研究了限制這些遷移率、電荷密度和結(jié)構(gòu)可靠性屬性的某些材料參數(shù)。
這些材料參數(shù)是界面處的粗糙度、合金起伏和合金有序性。
1型不均勻性界面處的粗糙度界面處的粗糙可以是物理或化學(xué)的?；贗II-N的半導(dǎo)體材料的GaN溝道層中的電子遷移率對化學(xué)粗糙尤其敏感。
化學(xué)粗糙取決于組成，并且其在三元合金(例如AlGaN、或InGaN、或InAlN、或AlBN、或GaBN)被引入該結(jié)構(gòu)時就發(fā)生。
圖3示出GaN溝道層7和Al0.3Ga0.7N阻擋層8之間的界面9。GaN溝道層7位于界面9下方，而Al0.3Ga0.7N阻擋層8位于界面9上方。
可以看到位于界面9下方的GaN溝道層7的某些原子11在所述界面9的上方因此，在Al0.3Ga0.7N/GaN界面9處存在粗糙現(xiàn)象。
2型不均勻性合金起伏圖4示出III-N基半導(dǎo)體材料的AlGaN阻擋層30中的不均勻分布。
在半導(dǎo)體材料的制造方法過程中，由于聚集物的形成和發(fā)展，因鎵和鋁的前體的表面擴(kuò)散速率經(jīng)常產(chǎn)生“富鎵”區(qū)域31和“富鋁”區(qū)域32。
合金起伏減小了電子遷移率，并在由基于III-N的半導(dǎo)體材料制成的晶體管的可靠性方面起到重要作用。
具體地，這些合金起伏降低了壓電電子注入，使其變得不均勻，并導(dǎo)致在半導(dǎo)體材料上制造的晶體管的溝道中產(chǎn)生不均勻的電荷密度。
合金起伏是功率晶體管失效的主要原因，因為所述晶體管中的電流密度是不均勻的。
3型不均勻性合金有序合金有序是與合金起伏相同類型的缺陷，但是它是原子尺度上的。
合金有序的原因是生長參數(shù)，并且是三元材料的構(gòu)成原子元素的部分有序分布的結(jié)果。
例如，在AlGaN阻擋層的情況中，可以觀察到與“貧鋁”原子面交替的“富鋁”原子面。
合金的平均組成對應(yīng)于目標(biāo)值，具有原子水平上的有序起伏。
合金有序可出現(xiàn)在幾種晶向中。該合金有序可以由生長參數(shù)和應(yīng)變引起。在所有情況中，它是非有意引入到半導(dǎo)體材料中的“自發(fā)”有序。因此，它是無控制和不均勻的。
圖5a示出AlGaN阻擋層的[1-101]非對稱面中的合金有序，換句話說，與 生長軸垂直的面?？梢钥吹健案讳X”原子面33和“貧鋁”原子面34。
當(dāng)使用其中將載體放置于旋轉(zhuǎn)盤上的外延生產(chǎn)系統(tǒng)時，在非對稱面[1-101]中形成合金有序。這是由于制造半導(dǎo)體材料方法中使用的氣體或分子混合物中的鋁和鎵的快速耗盡(前體的無控寄生反應(yīng))。因此，載體會交替暴露于“富鋁”氣體或分子混合物，然后是“貧鋁”氣體或分子混合物。
圖5b示出AlGaN阻擋層的
對稱面中的合金有序?？梢钥匆姟案讳X”的原子面35和“貧鋁”的原子面36。
對稱面中的合金有序是由于晶體表面的不均勻應(yīng)變分布和穩(wěn)定性差異引起的。
1型、2型和3型不均勻性的影響因此，上面提及的三種缺陷類型(界面處的粗糙度、合金起伏、合金有序)與制造半導(dǎo)體材料的方法有關(guān)，并且對于制造在所述半導(dǎo)體材料上的晶體管結(jié)構(gòu)產(chǎn)生可靠性問題。
正如使用Ambacher等的模型已經(jīng)證實的，由極化引起的電荷密度非常依賴于AlGaN阻擋層中的鋁濃度。
鋁濃度的局部變化+/-0.2％使得電子密度以2×1012cm-2或更多起伏。
如圖6a中所示，對于經(jīng)典的AlGaN阻擋層40的情況，阻擋層40和溝道層41之間的界面39處的壓電電場38的方向和強(qiáng)度將局部取決于阻擋層40中的Ga原子和Al原子的分布，這會引起該界面39處電子密度的起伏。
類似地，在包括該標(biāo)準(zhǔn)AlGaN阻擋層的半導(dǎo)體材料上制造的晶體管結(jié)構(gòu)的功率輸出將不均勻地分布。
如圖6b中所示，理想阻擋層42的壓電電場44的平均值等于阻擋層42和溝道層45之間的界面43上的任意點處該電場的局部值。因此，界面43處電子密度是均勻的。
因此，申請人已經(jīng)證明具有包含恰當(dāng)有序的阻擋層以限制上面提及的三種類型的不均勻性的半導(dǎo)體材料的重要性，從而獲得在該半導(dǎo)體材料上制成的晶體管結(jié)構(gòu)的更好特性。
為了獲得具有恰當(dāng)有序的阻擋層的半導(dǎo)體材料，申請人決定使用由三元偽合金制成的阻擋層代替根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的III-N基半導(dǎo)體材料內(nèi)的三元合金制成的阻擋層。
為了本發(fā)明的目的，三元“偽合金”是由二元合金的原子單層的交替構(gòu)成的合金。
應(yīng)理解的是，在本發(fā)明中，二元合金的“單層”由III族元素(即Ga、Al、In)的一個單原子面和氮(N)的一個單原子面構(gòu)成。還應(yīng)理解的是，在本發(fā)明中，一個“單原子面”對應(yīng)一個原子步驟，其也對應(yīng)于晶體結(jié)構(gòu)的半個晶格單元。
圖7a說明了根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案的半導(dǎo)體材料50。
該半導(dǎo)體材料50包括載體52上的溝道層51，和溝道層51上的由三元偽合金制成的阻擋層53。
載體52由SiC制成。但是，該載體可由諸如硅、AlN、藍(lán)寶石或GaN的其它材料制成。
溝道層51是GaN的二元合金。但是可以選擇其它材料用于溝道層51，例如AlN、BN(氮化硼)或InN(氮化銦)。
通過本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的例如分子束外延(MBE)或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOVD)方法將這個溝道層51沉積在載體上。
阻擋層53是AlGaN的三元偽合金。該阻擋層53包括GaN的二元合金層54和AlN二元合金層55。這些GaN層和AlN層互相交替，并具有恒定的厚度。
每一個由GaN制成的第一二元合金層54(或每一個由AlN制成的第二二元合金層55)由一個或多個GaN(或AlN)的原子單層構(gòu)成。
那些GaN和AlN的原子單層被分別設(shè)置于半導(dǎo)體材料中，以便獲得盡可能均勻的阻擋層。
圖12A至12D示出對于阻擋層中的不同Ga濃度和Al濃度，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體材料的粗糙度。
每一個由GaN制成的第一二元合金層54的原子單層數(shù)目(用nGaN表示)可在1到40之間變化，且優(yōu)選在1到20之間，更優(yōu)選在2到10之間。類似地，每一個由AlN制成的第二二元合金層55的原子單層數(shù)目(用nAlN表示)可在1到40之間變化，優(yōu)選在1到20之間，更優(yōu)選在2到10之間。
應(yīng)理解的是，例如US6100542所公開的現(xiàn)有方法實際上涉及制造具有非常薄的基本層的交替的層，并且在這方面，這些方法給出了與上面提及的單層交替的一些相似之處。但是，US6100542提出基于砷化物而非氮化物的材料，并且其交替的目的在于使較大層的摻雜最大化，從而該較大層由基本層構(gòu)成。US6100542沒有針對電子分布的均勻性問題。事實上，US6100542關(guān)注于非壓電結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道非壓電砷化物結(jié)構(gòu)的層中的合金無序?qū)﹄娮臃植嫉木鶆蛐詻]有干擾。因此，基于砷化物的材料包含基本層的交替，但沒有針對電子分布的均勻性問題。
還應(yīng)理解的是，例如WO 02/093650中公開的現(xiàn)有方法實際上涉及制造具有“單層”交替的層，如WO 02/093650第七頁第三段所述。
但是，WO 02/093650中描述的“單層”與本發(fā)明意義中的單層的定義相差甚遠(yuǎn)。事實上，WO 02/093650中描述的“單層”厚度范圍在5到20埃(見WO 02/093650第七頁第三段)，這與作為原子單層的本發(fā)明的單層相比是非常厚的。
WO 02/093650提出了提高結(jié)構(gòu)中的電子遷移率的問題。
但是，WO 02/093650沒有提出提高(尤其是溝道層中的)電子分布均勻性的問題。實際上，WO 02/093650沒有暗示本發(fā)明中所定義的單層(WO 02/093650中定義的“單層”比本發(fā)明中的厚很多)。
回到本發(fā)明，使用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的制造方法，例如液相外延或氣相外延或分子束外延，在GaN溝道層上生長阻擋層53。
阻擋層53是通過沉積第一二元合金GaN的層54開始產(chǎn)生的，其中原子單層的數(shù)目nGaN在1到40之間，優(yōu)選在1到20之間，更優(yōu)選在2到10之間，并且下一步是沉積第二二元合金AlN的層，其中原子單層的數(shù)目nAlN在1到40之間，優(yōu)選在1到20之間，更優(yōu)選在2到10之間。
下一步是沉積第一二元合金GaN的層和第二二元合金AlN的層，直到達(dá)到在2到500nm之間變化的要求的阻擋層53厚度。
在圖7a所示的實施方案中，原子單層數(shù)目nGaN和nAlN相等。但是，原子單層數(shù)目nGaN和nAlN可以不同。
因為阻擋層53是由GaN層和AlN層的交替構(gòu)成，所以鎵的和鋁的氣體或分子前體(或鎵與鋁)在制造方法期間沒有被混合，并且不存在混合貧化現(xiàn)象。
因此，合金起伏被限制在-納米和微米尺度(1型不均勻性)，以及-原子尺度(2型和3型不均勻性)。
因此，阻擋層53的結(jié)構(gòu)沿 生長軸是完美有序的。
如圖6c中所示，這具有以下影響-限制化學(xué)粗糙度，并因而限制溝道層91和阻擋層92(該阻擋層由AlN層93和GaN層94的交替構(gòu)成)之間的界面90處的電子擴(kuò)散，-優(yōu)化壓電電場的分布，其平均值等于界面90上的所有點處的壓電電場95的局部值。
因此，該電場產(chǎn)生的電子注入得到優(yōu)化。此外，注入到二維氣體(2 DEG)的電子分布是均勻的，因為誘發(fā)的壓電電場是均勻的。
因此，該結(jié)構(gòu)提供了一種優(yōu)化遷移率和位于二維氣體(2 DEG)中的電子表面密度的手段。
圖8a說明了根據(jù)本發(fā)明的阻擋層的示例實施方案。在該示例中，包含32.2％鋁的20.5nm厚的AlGaN阻擋層被三元偽合金制成的阻擋層替代(AlN nAlN＝2/GaN nGaN＝4)x＝7其中-nAlN是AlN原子單層的數(shù)目，-AlN原子單層的厚度是eAlN＝0.2485nm，-nGaN是GaN原子單層的數(shù)目，-GaN單層的厚度是eGaN＝0.2590nm，-X是周期(AlN nAlN＝2/GaN nGaN＝4)的數(shù)目，-Y是阻擋層的平均組成Y＝nAlN/(nGaN+nAlN)＝32.2％，-E是阻擋層的等效厚度E＝X×(nAlN×eAlN+nGaN×eGaN)＝20.1nm。
圖8b說明了根據(jù)本發(fā)明的阻擋層的另一示例實施方案。在該示例中，包含50.0％鋁的AlGaN阻擋層被三元偽合金制成的阻擋層替代
(AlN nAlN＝1/GaN nGaN＝1)x＝3圖7b說明了根據(jù)本發(fā)明的第二實施方案制成的半導(dǎo)體材料60。
在該第二實施方案中，緩沖層56被插入到溝道層51和載體52之間。
緩沖層56是選自GaN和AlGaN的材料。該緩沖層有利于GaN溝道層的生長。通過結(jié)合(bonding)或本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的另外方法(如外延方法)沉積該緩沖層。
在圖7c所示的實施方案中，阻擋層53包括GaN層54′、54″、54，它們不具有相同的原子單層數(shù)目nGaN。
層54′、54″、54分別包含8個、5個和2個GaN的原子單層。這些層與AlN層55′和55″交替，層55′最遠(yuǎn)離載體，而層54最靠近載體。
在圖7c的圖解中，每個GaN層54′，54″，54的原子單層的數(shù)目nGaN隨著離載體52的距離增加而減少。但是，可以具有阻擋層53，其中原子單層的數(shù)目隨著離載體52的距離增加而增加。
因此，每個GaN層的原子單層的數(shù)目nGaN可沿著阻擋層53變化。
同樣每個AlN層的單層數(shù)目nAlN也可沿著阻擋層53變化。
在阻擋層中，GaN和AlN的單層數(shù)目可如圖7c中所示獨立地變化，其中，每個GaN層54′、54″、54的原子單層的數(shù)目nGaN變化，而每個AlN層55′和55″的原子單層的數(shù)目nAlN不變化。
單層的數(shù)目nGaN和nAlN也可沿著阻擋層同時變化。例如，原子單層數(shù)目nAlN可以變化使得其隨著離載體的距離增加而減少(或增加)，且原子單層數(shù)目nGaN可以變化使得其隨著離載體的距離增加而增加(或減少)。
因此，每個二元合金層的原子單層的數(shù)目可在阻擋層背面上的第一值和阻擋層正面上的第二值之間變化，背面比正面更靠近載體。
圖7d示出根據(jù)第四實施方案的半導(dǎo)體材料。該半導(dǎo)體材料包括載體52、緩沖層56、溝道層51和阻擋層53。
在該實施方案中，緩沖層56是AlGaN的三元偽合金，其由GaN的二元合金57和AlN二元合金58的交替層構(gòu)成。
緩沖層56具有與三元偽合金阻擋層相同的特性(nGaN和nAlN在1到40之間，優(yōu)選在1到20之間，更為優(yōu)選在2到10之間，并且可以沿著緩沖層變化，等等)。
在該實施方案中，緩沖層56包括與2個AlN層58交替的2個GaN層57。
此外，每個GaN層57的原子單層數(shù)目nGaN沿著緩沖層56變化。最靠近載體的GaN層57包括2個原子單層，而最遠(yuǎn)離載體的GaN層包括4個原子單層。
每個AlN層58的原子單層數(shù)目nAlN也沿著緩沖層56變化。最靠近載體的GaN層57包括6個原子單層，而最遠(yuǎn)離載體的AlN層包括3個原子單層。
因此，在圖7d所示的實施方案中，每個GaN和AlN層的原子單層數(shù)目都沿著緩沖層變化，原子單層的數(shù)目nAlN可以變化使得隨著離載體的距離增加而減少，而原子單層的數(shù)目nGaN可以變化使得隨著離載體的距離增加而增加。
讀者將理解，如同圖7a所示的阻擋層的情況，原子單層的數(shù)目nAlN和nGaN可以是沿著緩沖層固定的。
可以通過本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的諸如外延方法(分子束外延、液相外延、氣相外延)的制造方法獲得該緩沖層。
總之，由AlGaN三元偽合金制成的阻擋層(53)可表示為(AlNnAlN/GaNnGaN)x其中·nAlN是AlN層的原子單層的數(shù)目，其中1≤nAlN≤40，優(yōu)選1≤nAlN≤20，更優(yōu)選2≤nAlN≤10，并且nAlN可沿著阻擋層變化。
·nGaN是GaN層的原子單層的數(shù)目，其中1≤nGaN≤40，優(yōu)選1≤nGaN≤20，更優(yōu)選2≤nGaN≤10，并且nGaN可沿著阻擋層變化。
·X是GaN和AlN的層的數(shù)目。
為了進(jìn)一步改進(jìn)基于III-N的半導(dǎo)體材料的電子特性，除了原子尺度上的二元合金層的交替之外，阻擋層可包括一個或多個三元合金層。
申請人已經(jīng)指出在包含二元合金層的交替的阻擋層中三元合金層的存在能夠提高壓電電場的均勻性，并增加半導(dǎo)體材料的電荷載流子遷移率。
阻擋層53的產(chǎn)生可以包括與上面所述相同的步驟。
因此可以通過產(chǎn)生起始阻擋層開始，沉積第一二元合金GaN的層54、沉積第二二元合金AlN的層55并重復(fù)這些GaN和AlN層的沉積步驟直到阻擋層53達(dá)到要求的厚度。
此外，進(jìn)行在起始阻擋層中或其上產(chǎn)生一個或多個三元合金層的步驟。
產(chǎn)生(一個或多個)三元合金層的步驟根據(jù)半導(dǎo)體襯底的實施方案發(fā)生變化。
在圖7e所示的一個實施方案中，阻擋層53包括AlGaN三元合金層80和第一二元合金GaN的層54與第二二元合金AlN的層55的(原子尺度上)交替。
可以理解的是，原子尺度是埃尺度。
交替中的每個GaN(或AlN)二元合金層包括1到40個GaN(或AlN)原子單層，優(yōu)選在1到20之間，更為優(yōu)選在2到10之間。在所有情況中，交替中的每個GaN(或AlN)二元合金層包括至少一個該GaN(或AlN)二元合金的原子單層。
GaN和AlN的二元合金層54，55的交替位于AlGaN三元合金層80和載體52之間。換句話說，AlGaN三元合金層80位于GaN和AlN二元合金層54，55的交替之上。
GaN和AlN二元合金層54，55的交替之上的三元合金層80的存在使得可以直接與優(yōu)化包含由AlGaN三元合金制成的阻擋層的半導(dǎo)體材料的技術(shù)方法兼容，尤其是關(guān)于歐姆接觸的制造，同時保持由于阻擋層53中GaN和AlN二元合金54，55在原子尺度上的交替獲得的最優(yōu)電子注入的益處。
事實上，申請人已經(jīng)指出阻擋層53中具有有序合金的重要性，其隨著離阻擋層和溝道層51之間的界面的距離增加而減少。換句話說，在遠(yuǎn)離溝道層51和阻擋層53之間的界面的層中具有合金無序的半導(dǎo)體材料，相比在靠近溝道層51和阻擋層53之間的界面的層中具有合金無序的半導(dǎo)體材料，具有更好的電荷載流子遷移率，和更均勻的壓電極化電場。
產(chǎn)生AlGaN三元合金層80的步驟使得可以獲得圖7e中所示的半導(dǎo)體材料，該步驟包括沉積通過外延產(chǎn)生的經(jīng)典三元合金層。
在本發(fā)明中可以理解的是，“經(jīng)典的三元合金層”是通過外延產(chǎn)生的三元合金層，通過在低剩余壓力的室(超高真空、剩余壓力在10-9托到10-14托之間)中，使襯底上的原子或分子流(通過固體源的蒸發(fā)或直接注入GaN和AlN的氣體前體獲得)相互作用，該襯底被加熱到適當(dāng)溫度以便外延生長。
在圖7f所示的另一個實施方案中，阻擋層53包括多個AlGaN三元合金層70。這些AlGaN三元合金層70位于GaN和AlN二元合金層54，55的交替中。
夾在GaN和AlN二元合金層54，55的交替之中的AlGaN三元合金層70是通過使GaN和AlN二元合金層54，55的III族元素互相擴(kuò)散而獲得的。
圖10是圖7f中所示的實施方案的阻擋層的原子尺度上的截面圖。每個GaN(或AlN)二元合金層包括2個原子單層。每個AlGaN三元合金層包括一個三元合金的原子單層。
二元合金層54，55之間的三元合金層70的存在使得可以避免阻擋層53中的組成的劇烈變化。這能提高局部壓電極化電場的均勻性。極化電場的這種均勻化使得可以降低溝道層51和阻擋層53之間的界面處的電荷密度起伏。
產(chǎn)生圖7f中所示的多個三元合金層70包括在已產(chǎn)生GaN和AlN二元合金層54，55的至少一個交替之后的熱處理，以便產(chǎn)生阻擋層53。
可在產(chǎn)生阻擋層53的步驟末端實現(xiàn)該熱處理(也就是說在連續(xù)沉積第一二元合金GaN 54和第二二元合金AlN的層的步驟之后)。
該處理也可在產(chǎn)生阻擋層的步驟期間實現(xiàn)。在這種情況下，在第二二元合金的某些沉積步驟之前執(zhí)行該熱處理。
例如，可以開始沉積第一二元合金(GaN)。然后，可以沉積第二二元合金(AlN)。然后可以執(zhí)行熱處理，該熱處理使得GaN和AlN二元合金層54，55的III族元素更好地相互擴(kuò)散。這個非常局部的擴(kuò)散可發(fā)生在1到5個材料單層的典型距離上。
在至少沉積一些二元合金之后執(zhí)行該熱處理。該處理的典型條件是-表面溫度在高于產(chǎn)生第一和第二二元合金的單層的溫度0℃到300℃之間；-處于10-8托和10-1托之間的真空或超高真空下；-處于包含氨NH3或氮分子N2或氫分子H2的氣體混合物流中，壓力在10-8托和1千巴之間；-存在NH3、N2或H2等離子；然后獲得AlGaN三元合金層70，其位于GaN和AlN的第一和第二二元合金層之間。這個三元合金層包括1到5個三元合金的單層。
如果阻擋層的厚度不符合要求的厚度，則沉積GaN層和沉積AlN層。然后，執(zhí)行熱處理等，直到厚度符合要求的厚度。
讀者將理解的是，可以進(jìn)行選擇以便在第二二元合金層的每次沉積之后不執(zhí)行系統(tǒng)的熱處理。
例如，可以每兩次執(zhí)行一次熱處理。也就是說可在二元合金層的兩次沉積之后執(zhí)行熱處理。
也可只在起始阻擋層的產(chǎn)生步驟末端執(zhí)行熱處理，也就是說達(dá)到要求的阻擋層厚度時。
此外，在執(zhí)行熱處理之前，可以沉積附加的AlN或SiN層，以便在熱處理期間穩(wěn)定阻擋層53的表面。
圖7g中，示出根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案的半導(dǎo)體材料。在該實施方案中，半導(dǎo)體材料包括與圖7中所示的實施方案相同的組元。那些相同的組元是GaN和AlN二元合金層54，55的交替和多個位于該交替中的三元合金層70。
此外，圖7g中所示的實施方案包括該交替頂部的經(jīng)典三元合金層。這使得綜和了圖7e和圖7f中所示實施方案的優(yōu)點。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將可以理解，可以實現(xiàn)包括的溝道層或緩沖層包含與阻擋層所述的相同組元(二元合金層交替等)的半導(dǎo)體材料。具有由三元偽合金制成的溝道層或緩沖層使得可以增加半導(dǎo)體材料中的電子分布的均勻性。
圖9示出根據(jù)本發(fā)明實現(xiàn)的半導(dǎo)體材料的實施例。在該實施例中，半導(dǎo)體包括-Si(硅)襯底52，-由Al0.1Ga0.9N合金制成的緩沖層56，-由厚度為155埃的In0.25Ga0.75N三元偽合金制成的溝道層51，-厚度為184埃的Al0.32Ga0.68N三元偽合金制成的二元合金層54，55的交替，-厚度為50埃的Al0.4Ga0.6N經(jīng)典三元合金層80，-厚度為20埃的GaN二元合金層190，-厚度為30埃的AlN二元合金層100。
在圖7a至圖7g所示的不同實施方案中，溝道層由GaN二元合金制成。在其它實施方案中，溝道層是AlGaN、或InGaN、或AlBN、或InBN、或InAlN的三元偽合金。
在這些其它實施方案中，使用與產(chǎn)生阻擋層相似的方法產(chǎn)生溝道層，并且制造三元偽合金的二元合金選自AlN、GaN、BN、InN。
當(dāng)溝道層由三元偽合金制成時，其包括與三元偽合金阻擋層相同的特點(每層二元合金的原子單層的數(shù)目在1到40之間，優(yōu)選在1到20之間，更為優(yōu)選在2到10之間，并且該數(shù)目可以隨溝道層的厚度而變化)。通過具有由三元偽合金制成的溝道層，半導(dǎo)體材料(尤其是電子分布)的均勻性增加。
AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)的表面形態(tài)通常受到阻擋層中的鋁濃度的影響。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體材料允許增加阻擋層(或溝道層，或緩沖層)中的鋁濃度，如圖11中所示。
事實上，通過減少溝道層和阻擋層之間的界面處的粗糙度，可以增加層中的鋁濃度。
實際上，層中的擾動(perturbance)(電子密度的均勻性…)主要是由于Al原子。因此，對于給定的粗糙度，可以使用本發(fā)明來增加鋁濃度。
圖11中的OK數(shù)據(jù)點對應(yīng)于根據(jù)本發(fā)明的在Si 111襯底上生長的由XRD測量的不同厚度和鋁濃度的結(jié)構(gòu)。
如圖11中所示，能夠獲得厚的阻擋層(對于23％鋁最高達(dá)41nm)，但是大多數(shù)結(jié)果對應(yīng)于薄的阻擋層。
范圍在20nm到27nm之間的典型厚度在器件制造后顯示出最好的結(jié)果。
25nm以下，28％-30％范圍內(nèi)的鋁濃度是產(chǎn)生優(yōu)化歐姆接觸的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。
對于更高的Al濃度(32％和更高)，阻擋層厚度必須降到15-20nm。
圖11中的Cross Hatch數(shù)據(jù)點對應(yīng)于根據(jù)本發(fā)明的由XRD測量的不同厚度和鋁濃度的交叉影線(cross-hatched)結(jié)構(gòu)。
在這種情況中，發(fā)生AlGaN阻擋層的松弛，導(dǎo)致表面上的微裂紋。
當(dāng)鋁濃度對于阻擋層厚度太高時呈現(xiàn)這種應(yīng)變效應(yīng)。
該趨勢由曲線500給出。申請人建議規(guī)定阻擋層厚度/Al％在該曲線500以下。
PSP數(shù)據(jù)點對應(yīng)于根據(jù)本發(fā)明的Al0.1Ga0.9N緩沖層上具有應(yīng)變GaN溝道的偽同晶結(jié)構(gòu)。
如圖11中所示，可以使用這種偽同晶結(jié)構(gòu)來使厚阻擋層(26nm)中的鋁達(dá)到40％的濃度。
圖12E至12I示出了根據(jù)本發(fā)明的AlGaN阻擋層中具有各種鋁濃度的不同結(jié)構(gòu)的表面形態(tài)。
圖12E示出根據(jù)本發(fā)明的厚度等于25nm的AlGaN阻擋層中鋁濃度為20％的結(jié)構(gòu)。
圖12F示出根據(jù)本發(fā)明的厚度等于25nm的AlGaN阻擋層中鋁濃度為25％的結(jié)構(gòu)。
圖12G示出根據(jù)本發(fā)明的厚度等于25nm的AlGaN阻擋層中鋁濃度為32％的結(jié)構(gòu)。
圖12H示出根據(jù)本發(fā)明的厚度等于25nm的AlGaN阻擋層中鋁濃度為40％的結(jié)構(gòu)。
圖12I示出根據(jù)本發(fā)明的厚度等于26nm的AlGaN阻擋層中鋁濃度為39％的結(jié)構(gòu)。
如圖12E至12I所示，沒有觀測到各層的表面形態(tài)的差異。
在圖7a至圖7g所示的不同實施方案中，阻擋層是AlGaN的三元偽合金。在其它實施方案中，阻擋層是InGaN(銦鎵氮化物)、或AlBN(鋁硼氮化物)、或InBN(銦硼氮化物)、或InAlN(銦鋁氮化物)的三元偽合金。在這些其它實施方案中，制造三元偽合金的第一和第二二元合金選自GaN、或AlN、或BN、或InN。
圖13示出根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案。
這另一實施方案包括-厚度為500nm的襯底600，-AlGaN模板(template)層610，其厚度為1500nm，包含10％的鋁濃度，-GaN溝道層620，其厚度為15nm，-阻擋層630，其厚度為11nm，包含50％的鋁濃度，-AlGaN肖特基層640，其厚度為4nm，包含25％的鋁濃度，以及-GaN保護(hù)層(cap layer)650，其厚度為2nm。
圖13中所示的半導(dǎo)體材料的阻擋層包括一個AlN單層(一個Al單原子面和一個N單原子面)和一個GaN單層(一個Ga單原子面和一個N單原子面)的交替。
本發(fā)明給出了由于使用單層獲得的一些優(yōu)點，其允許獲得有序三元偽合金，因為AlGaN層具有50％的鋁濃度(Al-N-Ga-N)。
圖14示出與WO 02/093650中描述的方法和器件相比，本發(fā)明的一些優(yōu)點。
圖14中-A表示AlN晶格單元(Al-N-Al-N)，-B表示GaN晶格單元(Ga-N-Ga-N)，-C表示AlGaN晶格單元(Al-N-Ga-N)，正如從根據(jù)本發(fā)明的交替C-A-C-B...可觀察和圖14頂部所顯示的，本發(fā)明允許禁帶圖730的平滑-能量圖被平滑(Eg是合金的禁帶能量Eg(GaN)＝3.4eV，Eg(AlN)＝6.2eV，Eg(AlGaN 50％)＝4.8eV，-該結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變表現(xiàn)出較好的分布，這允許獲得更可靠的晶體管結(jié)構(gòu)。
相反地，WO 02/093650中描述的方法和器件不允許禁帶圖730的平滑。
事實上，WO 02/093650中描述的方法不允許獲得AlGaN晶格單元C(Al-N-Ga-N)(因為WO 02/093650中定義的“單層”厚)。因此，WO 02/093650中描述的方法只允許獲得如圖14頂部所示的交替A-B-A-B...。
實施方案710和720是根據(jù)本發(fā)明的包含C層的半導(dǎo)體材料的兩個示例。
盡管上文中詳細(xì)描述了本發(fā)明的實施方案的某些示例，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，可以在物理上不超出這里所述新信息和優(yōu)點的范圍的情況下，做出許多修改。因此，所有這種類型的修改都落入附加權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
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權(quán)利要求
1.基于元素周期表中的III族和V族元素的半導(dǎo)體襯底(60)，其有待用于例如制造HEMT型晶體管結(jié)構(gòu)的HEMT，該襯底包括載體(52)、載體上的溝道層(51)和溝道層上的阻擋層(53)，其中，阻擋層(53)由原子尺度上的第一和第二III-V二元半導(dǎo)體合金的層(54，55)的交替構(gòu)成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體襯底，其中溝道層包括原子尺度上的第三和第四III-V二元半導(dǎo)體合金的層的交替。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的半導(dǎo)體襯底，其中半導(dǎo)體襯底(60)進(jìn)一步包括載體(52)和溝道層(51)之間的緩沖層(56)，緩沖層(56)包括原子尺度上的第五和第六III-V二元半導(dǎo)體合金的層的交替。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的半導(dǎo)體襯底，其中阻擋層或溝道層或緩沖層的交替的每二元合金中的原子單層的數(shù)目在1到20之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3的半導(dǎo)體襯底，其中阻擋層或溝道層或緩沖層的交替的每二元合金中的原子單層的數(shù)目在阻擋層或溝道層或緩沖層的背面上的第一值，和阻擋層或溝道層或緩沖層正面上的第二值之間變化，背面比正面更靠近載體(52)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的半導(dǎo)體襯底，其中第一值和第二值在1到20之間。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體襯底，其中第一、第二、第三、第四、第五和第六二元合金選自AlN、GaN、BN和InN。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體襯底，其中阻擋層進(jìn)一步包括III-V半導(dǎo)體三元合金層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的半導(dǎo)體襯底，其中原子尺度上的第一和第二III-V半導(dǎo)體二元合金的層的交替位于載體與所述III-V半導(dǎo)體三元合金層之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的半導(dǎo)體襯底，其中阻擋層包括多個III-V半導(dǎo)體三元合金層，每個III-V半導(dǎo)體三元合金層位于交替的第一二元合金層和第二二元合金層之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的半導(dǎo)體襯底，其中阻擋層進(jìn)一步包括原子尺度上的第一和第二III-V半導(dǎo)體二元合金的層的交替之上的III-V半導(dǎo)體三元合金層。
12.根據(jù)權(quán)利要求2的半導(dǎo)體襯底，其中溝道層進(jìn)一步包括多個III-V半導(dǎo)體三元合金層，每個III-V半導(dǎo)體三元合金層位于交替的第三二元合金層和第四二元合金層之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至12之一的半導(dǎo)體襯底，其中位于兩層二元合金之間的每個三元合金層中的原子單層的數(shù)目在1到5之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求1或3的半導(dǎo)體襯底，其中溝道層由AlGaN、或InGaN、或AlBN、或InBN、或InAlN三元合金層制成。
15.根據(jù)權(quán)利要求1或3的半導(dǎo)體襯底，其中溝道層由GaN、或AlN、或BN、或InN二元合金層制成。
16.根據(jù)權(quán)利要求1或2的半導(dǎo)體襯底，其中半導(dǎo)體襯底(60)進(jìn)一步包括載體(52)和溝道層(51)之間的緩沖層(56)，該緩沖層由GaN、或AlN、或BN、或InN二元合金層制成。
17.根據(jù)權(quán)利要求1或2的半導(dǎo)體襯底，其中半導(dǎo)體襯底(60)進(jìn)一步包括載體(52)和溝道層(51)之間的緩沖層(56)，該緩沖層由AlGaN、或InGaN、或AlBN、或InBN、或InAlN三元合金層制成。
18.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體襯底，其中載體(52)是由選自Si、SiC、AlN、藍(lán)寶石和GaN的材料制成。
19.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的半導(dǎo)體襯底，其中阻擋層(53)的厚度在2nm到500nm之間。
20.一種制備半導(dǎo)體襯底(60)的方法，該半導(dǎo)體襯底包括載體(52)、載體上的溝道層(51)和溝道層上的阻擋層(53)，其中該方法包括以下步驟(無順序)b.通過如下方式產(chǎn)生起始阻擋層vi)沉積至少一個原子單層的第一二元合金；vii)沉積至少一個原子單層的第二二元合金；viii)如果需要重復(fù)步驟i)和步驟ii)，直到達(dá)到要求的厚度。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中該方法進(jìn)一步包括在起始阻擋層中或其上產(chǎn)生至少一層三元合金的步驟。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中產(chǎn)生所述三元合金層的步驟包括沉積三元合金層。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中產(chǎn)生所述三元合金層的步驟包括i)和ii)中沉積的第一和第二二元合金的原子單層的熱處理。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中熱處理在至少沉積一些第二二元合金之后在下述條件下進(jìn)行-表面溫度在高于產(chǎn)生第一和第二二元合金的單層的溫度0℃到300℃之間；-處于10-8托和10-1托之間的真空或超高真空下；-處于包含氨NH3或氮分子N2或氫分子H2的氣體混合物流中，壓力在10-8托和1千巴之間；-存在NH3、N2或H2等離子。
25.根據(jù)權(quán)利要求23或24的方法，其中在產(chǎn)生起始阻擋層步驟之后進(jìn)行i)和ii)中沉積的第一和第二二元合金的原子單層的熱處理。
26.根據(jù)權(quán)利要求20至25之一的方法，其中該方法進(jìn)一步包括通過沉積GaN、或AlN、或BN、或InN二元合金來產(chǎn)生溝道層的步驟。
27.根據(jù)權(quán)利要求20至25之一的方法，其中該方法進(jìn)一步包括通過沉積AlGaN、或InGaN、或AlBN、或InBN、或InAlN三元合金來產(chǎn)生溝道層的步驟。
28.根據(jù)權(quán)利要求20至25之一的方法，其中該方法進(jìn)一步包括通過以下方式產(chǎn)生溝道層的步驟ix)沉積第三二元合金的原子單層；x)沉積第四二元合金的原子單層；xi)如果需要重復(fù)步驟iv)和v)，直到達(dá)到要求的厚度。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中產(chǎn)生溝道層的步驟進(jìn)一步包括iv)和v)中沉積的第三和第四二元合金原子單層的熱處理，在沉積一些第四二元合金之前在下述條件下進(jìn)行該熱處理-表面溫度在高于產(chǎn)生第一和第二二元合金單層的溫度0℃到300℃之間；-處于10-8托和10-1托之間的真空或超高真空下；-處于包含氨NH3或氮分子N2或氫分子H2的氣體混合物流中，壓力在10-8托和1千巴之間；-存在NH3，N2或H2等離子。
30.根據(jù)權(quán)利要求20至29之一的方法，其中該方法進(jìn)一步包括通過沉積GaN、或AlN、或BN、或InN二元合金來產(chǎn)生緩沖層的步驟。
全文摘要
基于氮化鎵(GaN)的用于高頻和高功率應(yīng)用的電子電路存在可靠性問題。主要原因是由于原子和微米尺度的合金無序引起這些結(jié)構(gòu)中的電子密度的不均勻分布。本發(fā)明提供了制造基于沿優(yōu)選晶軸完美有序的III族元素氮化物(Bal，Ga，In)/N的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方式。為了獲得這種配置，使用由二元合金阻擋層(54，55)交替構(gòu)成的阻擋層來代替三元合金阻擋層。這些結(jié)構(gòu)的組成中不存在起伏，改良了電子傳輸性能，并使得分布更均勻。
文檔編號H01L29/20GK101019234SQ200580030666
公開日2007年8月15日 申請日期2005年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月13日
發(fā)明者H·拉雷什, P·博韋 申請人:皮科吉加國際公司