專利名稱：氮化鎵或氮化鋁鎵層的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在基底上形成組成為AlxGa1J(其中χ為0至0. 3)的氮化物的平滑且 無(wú)裂紋單晶層從而在氮化物的層中產(chǎn)生拉伸應(yīng)力的領(lǐng)域。然后將這些結(jié)構(gòu)用于電子學(xué)、光學(xué)、光電子學(xué)或光伏應(yīng)用中以形成光伏元件、場(chǎng)致 發(fā)光二極管、肖特基二極管、激光器、光學(xué)探測(cè)器、MEMS(“微機(jī)電系統(tǒng)”)、整流器和場(chǎng)效應(yīng)晶 體管如HEMT ( “高電子遷移率晶體管”)或M0S( “金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管”)晶體管。
背景技術(shù)：
迄今為止，由于缺少天然GaN基底而不能獲得氮化鎵(GaN)同質(zhì)外延。因此必須 利用異質(zhì)外延(即在不同性質(zhì)的基底上的生長(zhǎng))而生長(zhǎng)GaN層。為此，諸如硅或碳化硅的基底由于其與GaN在晶格參數(shù)上略有不同而特別明顯。但是，這種基底存在其熱膨脹系數(shù)(CTE)顯著低于氮化鎵的熱膨脹系數(shù)的缺點(diǎn)， 以致在外延后的冷卻過(guò)程中，在氮化鎵層中產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。氮化鎵層越厚，應(yīng)力越大。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)特定閾值時(shí)，材料由于形成裂紋而趨于松 弛。裂紋是層中的宏觀損傷，也即在層的表面上出現(xiàn)間斷，使其無(wú)法用于制造電子器 件。WO 01/95380中公開(kāi)了一種在基底上制造無(wú)裂紋氮化鎵單晶層從而可在層中產(chǎn)生 拉伸應(yīng)力的方法。參見(jiàn)圖1，該方法包括在基底10上依次形成_成核層20或緩沖層-GaN 的第一層 30晶格參數(shù)小于氮化鎵的晶格參數(shù)的材料的單晶中間層40，其厚度為100至300納 米-GaN 的厚層 50。中間層40的作用是作為種子層用于氮化鎵的生長(zhǎng)。氮化鎵實(shí)際上符合該層材料 的晶格參數(shù)，其中氮化鎵在該層上形成。由于中間層40的較低的晶格參數(shù)，其在沉積溫度下對(duì)上覆氮化鎵層50施加壓縮 應(yīng)力。由于GaN與基底的熱膨脹系數(shù)的不同，該壓縮應(yīng)力抵消了冷卻過(guò)程中在GaN中產(chǎn) 生的拉伸應(yīng)力。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，中間層40必須表現(xiàn)出良好的結(jié)晶質(zhì)量以使得優(yōu)質(zhì)且受壓的GaN層 能夠外延。這樣GaN不會(huì)在界面松弛，實(shí)際上重要的是中間層與GaN層之間的界面是完全 平滑的。因此該方法使得能夠在硅基底上制造迄今為止可達(dá)到大約3微米厚度的層。但是，GaN可生長(zhǎng)的厚度仍是有限的，因?yàn)樵谏L(zhǎng)過(guò)程中，GaN由于形成位錯(cuò)而部分松弛。超過(guò)特定厚度，GaN層再次處于拉伸狀態(tài)，并且在冷卻過(guò)程中可能開(kāi)裂。因此，本發(fā)明的第一個(gè)目的是使得能夠形成比在現(xiàn)有技術(shù)中可獲得的那些甚至更 厚的氮化鎵層。通常，旨在獲得厚度大于2微米的層，其可達(dá)到7微米或更多，且不出現(xiàn)開(kāi) 裂，優(yōu)選地位錯(cuò)水平小于5. 109cm_2。此外，層厚度增加越多，在結(jié)構(gòu)的上表面觀察到的凹曲度越大。在GaN層中的拉伸 應(yīng)力實(shí)際上在硅基底中導(dǎo)致凹變形。晶片直徑越大，該現(xiàn)象越明顯。目前，平滑度不足成為 制造電子或光電子元件時(shí)后續(xù)工藝流程無(wú)法解決的難題。因此，本發(fā)明的另一目的是改進(jìn)形成的氮化鎵厚層的平滑度。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提出在基底上制造組成為AlxGai_xN，其中0彡χ彡0. 3的無(wú)裂紋單晶 氮化物層從而可在層中產(chǎn)生拉伸應(yīng)力的方法，所述方法包括如下步驟a)在基底上形成成核層，b)在成核層上形成單晶中間層，c)在中間層上形成單晶種子層，d)在種子層上形成AlxGai_xN氮化物的單晶層。該方法的特征在于-中間層材料為氮化鋁鎵；-種子層材料為AlBN化合物，其中硼含量為0至10%；_種子層的厚度與中間層的厚度比為0.05至1 ；-形成種子層的溫度比形成所述無(wú)裂紋單晶AlxGai_xN氮化物層的溫度高50至 150°C。無(wú)裂紋單晶AlxGai_xN氮化物層的厚度因而可以為800納米至7微米。根據(jù)本發(fā)明的其它特別有利的特征-中間層的厚度等于或大于250納米；-中間層的鋁含量為1至35%，優(yōu)選6%至30%；_基底材料為硅、金剛石或碳化硅；-種子層的厚度與中間層的厚度比為0.2至0. 35 ；-種子層的厚度為30至250納米；-通過(guò)分子束外延形成種子層的溫度比形成無(wú)裂紋單晶氮化物層的溫度高80°C。本發(fā)明的另一目的是一種包括組成為AlxGa1J(其中0彡χ彡0. 3)的無(wú)裂紋單晶 氮化物層和基底的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可在層中產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，所述結(jié)構(gòu)依次包括-所述基底；-成核層；_單晶中間層；-單晶種子層；-所述氮化物的單晶層，該結(jié)構(gòu)的特征在于-種子層為AlBN化合物，其中硼含量為0至10%；
-種子層在環(huán)境溫度下表現(xiàn)出80%以下的松弛速率。無(wú)裂紋單晶AlxGa1J氮化物層的厚度因此可以為800納米至7微米。根據(jù)本發(fā)明的其它優(yōu)選特征-中間層材料為氮化鋁鎵，且其鋁含量為1至35%，優(yōu)選6至30%；-種子層的厚度與中間層的厚度比為0.05至1，優(yōu)選0. 2至0. 35 ；-中間層的厚度等于或大于250納米；-種子層的厚度為30至250納米；_基底材料為硅、金剛石或碳化硅；-種子層在環(huán)境溫度下的松弛速率為50至75%。根據(jù)一個(gè)特定的具體實(shí)施方案，無(wú)裂紋單晶氮化物層包含3至5%的鋁，且所述結(jié) 構(gòu)在所述層上依次包括-厚度為5至100納米的GaN的通道層，和-選自AlGaN、AlInN或BGaN材料的阻擋層。根據(jù)本發(fā)明的另一具體實(shí)施方案，所述結(jié)構(gòu)在無(wú)裂紋單晶氮化物層上依次包括-ScN的通道層，以及-選自AlGaN、AlInN或BGaN材料的阻擋層。根據(jù)另一變體，無(wú)裂紋單晶層的材料為氮化鎵，且所述結(jié)構(gòu)在所述層上包括選自 AlGaN、AlInN或BGaN材料的阻擋層。本發(fā)明還涉及諸如光伏元件、場(chǎng)致發(fā)光二極管、肖特基二極管、激光器、光學(xué)探測(cè) 器或MEMS的器件，所述器件包括如上所述的結(jié)構(gòu)。最后，本發(fā)明還應(yīng)用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括如上所述的結(jié)構(gòu)。


本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)詳見(jiàn)下文描述，并參照附圖，其中-圖1顯示了現(xiàn)有技術(shù)中的一種包括氮化鎵的無(wú)裂紋層的結(jié)構(gòu)，-圖2示意說(shuō)明了本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)，-圖3顯示了由本發(fā)明的結(jié)構(gòu)構(gòu)造的一種電子器件，-圖4說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的電子器件的另一種結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在詳細(xì)描述在基底上制造包括氮化鎵的無(wú)裂紋單晶層的結(jié)構(gòu)從而可產(chǎn)生拉伸 應(yīng)力的方法。形成構(gòu)成該結(jié)構(gòu)的不同單晶層的步驟通過(guò)外延實(shí)現(xiàn)。在本文中，“沉積”或“生長(zhǎng)” 應(yīng)該理解為是指通過(guò)外延形成單晶層。需要特別說(shuō)明的是，本發(fā)明適用于所有類型的外延，例如分子束外延(MBE)、有機(jī) 金屬蒸汽相外延(OMVPE)，或者甚至LPCVD (低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)或HVPE (氫化物蒸 汽相外延)，這些都是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的。基底1為可以在例如硅、金剛石或碳化硅的GaN層中引起拉伸應(yīng)力的單晶材料。在該基底1上，形成成核層2，該層材料的晶格參數(shù)介于基底的晶格參數(shù)與GaN的晶格參數(shù)之間。在一個(gè)特別有利的方式中，成核層為AlN材料，其厚度為大約40納米。由 于該層的晶格參數(shù)與基底的材料不匹配，該層的結(jié)晶質(zhì)量不高。接著在成核層2上生長(zhǎng)單晶層3，即所謂的“中間層”。然后在中間層3上生長(zhǎng)單晶種子層4。種子層的材料通常為A1N。最后，生長(zhǎng)單晶氮化鎵層5，其厚度可以為100納米至7微米，優(yōu)選800納米至7微 米。在這些不同的生長(zhǎng)步驟中，結(jié)構(gòu)可保持相同的外延支持(印itaxysupport)，其中 參數(shù)(物種的性質(zhì)、溫度)根據(jù)生長(zhǎng)材料的不同而改變。盡管如此，可根據(jù)需要在裝置的數(shù) 個(gè)部分(several pieces ofequipment)進(jìn)行不同材料的夕卜延。有可能通過(guò)沉積不同材料的數(shù)層而形成成核層2。因此有利地例如形成包括漸變 組成的層，以使得能夠形成介于基體(support)的晶格參數(shù)與上覆中間層3的晶格參數(shù)之 間的晶格參數(shù)。這使得與較厚中間層3材料的晶格不匹配度較低，因而具有較好的結(jié)晶質(zhì)量。中間層3的材料通常為三元合金AlGaN(這能夠引起種子層4的壓縮)，其中鋁的 比例為1至35%，優(yōu)選6%以上和/或30%以下。在AlGaN中間層3中優(yōu)選的最大鋁含量是在所需的材料結(jié)晶均勻性(即在每個(gè)點(diǎn) 的鋁和鎵含量相同)與為確保良好結(jié)晶度的沉積溫度之間的折衷選擇。實(shí)際上，中間層3的鋁含量越高，沉積溫度應(yīng)該越高(相比于無(wú)鋁的GaN層的沉 積溫度)，且越接近AlN的沉積溫度，所述AlN為極耐火材料(用于AlN沉積的溫度為大約 1350 0C )。但是極易揮發(fā)的鎵元素的存在并不允許達(dá)到那么高的溫度，以避免存在鎵蒸發(fā)的 風(fēng)險(xiǎn)。因此，為保持足夠的結(jié)晶均勻性和適合獲得良好結(jié)晶度的沉積溫度，優(yōu)選的鋁含 量為35%以下。為獲得很好的結(jié)晶質(zhì)量，在當(dāng)前技術(shù)水平下的鋁含量應(yīng)該為大約20%。中間層3的厚度優(yōu)選為250納米以上。對(duì)于硅的基底1，A1N的成核層2，AlGaN的中間層3的厚度可以達(dá)到600納米。另 一方面，當(dāng)超過(guò)600納米厚度時(shí)，由于基底1與中間層3之間的CTE差別而施加的應(yīng)力致使 當(dāng)冷卻基底時(shí)中間層存在產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于SiC的基底1 (在AlGaN的中間層3中引起較小應(yīng)力)，和AlN的成核層2，層 3可達(dá)到2微米而無(wú)裂紋產(chǎn)生。AlGaN的中間層3的作用是多重的。首先，其晶格參數(shù)接近(相比于現(xiàn)有技術(shù)中所使用的GaN的晶格參數(shù)更接近)位 于其下的成核層2的AlN的晶格參數(shù)以及上覆種子層4的AlN的晶格參數(shù)。晶格參數(shù)的該 微小差別使得該層中的位錯(cuò)數(shù)量下降。此外，鋁的存在增強(qiáng)了中間層3，特別是當(dāng)鋁含量為6%以上時(shí)，其相比于GaN更好 地抵抗了由AlN種子層4施加的反向應(yīng)力。實(shí)際上，GaN在高溫時(shí)易碎，且在上覆AlN所施 加的應(yīng)力的作用下因鎵的外向擴(kuò)散而趨于破碎。該點(diǎn)的后果在于可以提高種子層4的沉積溫度而不會(huì)降解中間層3，從而使得種 子層4可以獲得更好的結(jié)晶質(zhì)量。所述種子層4的沉積溫度同樣受到基底降解溫度的限制。對(duì)于硅而言，溫度極限為1300°C或大約1300°C。最后，當(dāng)中間層3的厚度為250納米以上時(shí)，該層使得在種子層4待沉積的表面上 具有更好的結(jié)晶質(zhì)量，這是因?yàn)槠湓试S位錯(cuò)相互適應(yīng)并抵消(meet and cancel each other out)。結(jié)果得到促進(jìn)AlN假生長(zhǎng)的較光滑的AlGaN/AIN界面。與松弛同義的三維生長(zhǎng)(即 以島的形式)的可能性降低，這與粗糙界面有關(guān)，所述粗糙界面向原子提供更多的自由以 使原子自身重排并形成松弛的晶體。反之，厚度為250納米以下的中間層3不能達(dá)到足夠的結(jié)晶度以獲得光滑的界面， 這導(dǎo)致種子層4的材料中存在高度缺陷。層3和4必須考慮種子層4的厚度與中間層3的厚度比為0. 05至1，優(yōu)選0. 2至 0. 35。所述層的該厚度比對(duì)于在種子層4中保持良好的應(yīng)力來(lái)說(shuō)是必要的。實(shí)際上，很 容易理解的是中間層3必須具有與種子層4匹配的厚度以在其中施加應(yīng)力。種子層4的厚度優(yōu)選為30至250納米。此外，AlN種子層4的沉積溫度比上覆GaN層5的沉積溫度高50至150°C。通常， AlN在大約920°C下沉積，而GaN在大約800°C下沉積。通過(guò)MBE，GaN通常在750至830°C之間沉積，AlN在80至150°C的較高溫度下形 成。但是當(dāng)相差低于80°C時(shí)，種子層的松弛速率不太令人滿意。通過(guò)OMVPE，AlN例如在1050至1200°C的溫度下沉積，GaN在950至1100°C的溫 度下沉積。通過(guò)該技術(shù)，沉積溫度差可降低至至多50°C，以使得在GaN的層5中產(chǎn)生的應(yīng)力 獲得合意的效果。如上所解釋，種子層4的生長(zhǎng)可在高溫下進(jìn)行，因?yàn)槲挥谄湎碌闹虚g層3的材料具 有更好的抗溫能力。但是，在AlGaN層3中的鋁含量越低(例如8% )，其耐熱性越低，層4的沉積溫度 與GaN層5的沉積溫度之間的顯著性差異越大，這會(huì)導(dǎo)致AlGaN材料的分解。此時(shí)，優(yōu)選保 持120°C以下的溫度差。所述方法的這些特定條件表現(xiàn)出多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，種子層4的高沉積溫度改進(jìn)了其結(jié)晶度。此外，通過(guò)在小于種子層4的生長(zhǎng)溫度下沉積GaN厚層5，使種子層的晶格參數(shù)受 到壓縮。相比于兩種材料在相同的溫度下沉積的情況，AlN層的該較小晶格參數(shù)能夠在GaN 厚層5中產(chǎn)生更大的壓縮應(yīng)力。結(jié)果為AlN種子層在環(huán)境溫度下表現(xiàn)出的80%以下，優(yōu)選50至75%的松弛速率。 松弛速率應(yīng)該理解為是指壓縮的AlN的晶格參數(shù)與處于松弛狀態(tài)的AlN的晶格參數(shù)之間的 比值。需要特別說(shuō)明的是，壓縮沿著與層的表面平行的平面(x，y)發(fā)生。與現(xiàn)有技術(shù)中的方法相比，種子層4因此存在更多壓縮。但是，使用AlGaN中間層 3使得種子層4能夠獲得很好的結(jié)晶質(zhì)量，這能夠使得上覆層氮化鎵因界面上有限的松弛 而被壓縮。結(jié)果為在GaN的層5中產(chǎn)生甚至更大的壓縮應(yīng)力，這能夠使得該層的厚度增加但 不會(huì)形成裂紋或者不會(huì)在已返回至環(huán)境溫度的結(jié)構(gòu)中導(dǎo)致彎曲。需要特別說(shuō)明的是，如果獲得具有80%以下的松弛速率的AlN種子層是制備本發(fā)明的必要條件，則本發(fā)明不限于如前所述的特定方法以獲得這樣層。因此可以想像，在不脫 離本發(fā)明范圍的情況下，使用非AlGaN材料的中間層，并確定沉積條件以在上覆種子層中 產(chǎn)生80%以下的松弛速率。最終結(jié)構(gòu)的曲度與在環(huán)境溫度下厚層5中的殘余應(yīng)力直接相關(guān)，本發(fā)明由于能夠 使得基材施加在GaN上的拉伸應(yīng)力被抵消，因此降低了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和弓度(bow)。本發(fā)明特 別地允許在直徑4或6英寸時(shí)曲度(curvatures)為30微米以下，優(yōu)選地為10微米以下。此外，本發(fā)明不限于制造氮化鎵層，而是更通常地應(yīng)用于制造氮化鋁鎵層。因此有可能在GaN的層5中引入至多30%鋁，同時(shí)在制造層時(shí)保持相同的參數(shù)處 理。通過(guò)表達(dá)式AlxGai_xN配制層5的組合物，其中χ為0至0. 3。包含20%鋁的GaN的層5的生長(zhǎng)例如達(dá)到3微米的厚度，其無(wú)裂紋，溫度為800°C。此外，也可在AlN種子層4中引入至多10%的硼(種子層4因而具有由式AlhBxN 表示的組成，其中χ為0至0. 1)，同時(shí)保持了該層的性能和作用(對(duì)本發(fā)明是必須的)。例如，由于BN材料的晶格參數(shù)比AlN的晶格參數(shù)小，包含10%的B (或χ = 0. 1) 并沉積在AlGaN中間層3上的層4進(jìn)一步壓縮GaN層5。由于BN材料像AlN —樣是極耐火材料，AlhBxN在高溫下沉積并具有很好的結(jié)晶 度，同時(shí)允許與GaN的層5的沉積溫度具有相同的差別。由于使用包含鋁的中間層，在AlN種子層中獲得較高壓縮應(yīng)力看起來(lái)可以通過(guò)在 材料的結(jié)晶結(jié)構(gòu)中存在共格平面(coherence planes)加以解釋。這些共格平面對(duì)應(yīng)于所 考慮的界面的兩個(gè)面上的材料的晶格參數(shù)的倍數(shù)(multiples)或諧波(harmonics)。應(yīng)力并不施加在每個(gè)晶格的水平上，而是分布在兩個(gè)鄰近的共格平面之間。與GaN相比，具有較低晶格參數(shù)的AlGaN允許上覆種子層4的AlN的晶格參數(shù)受 到不同共格平面的壓縮。實(shí)際上，在中間層3與種子層4之間的界面上不存在簡(jiǎn)單的晶格匹配，而是在界面 兩側(cè)上的兩個(gè)共格平面，多個(gè)晶格參數(shù)間的匹配。例如，在松弛狀態(tài)下，GaN中間層3的晶格參數(shù)為3.185入，而AlN種子層4的晶格 參數(shù)為3.11A。因此，通過(guò)假設(shè)在界面的兩個(gè)面上在兩個(gè)共格平面之間存在GaN的97個(gè)晶格和 AlN的100個(gè)晶格，則剩余分布在所有AlN晶格之間的2A的殘余應(yīng)力，其因此略微受到壓縮。對(duì)于AlGaN的中間層3，共格平面使得施加在種子層4的每個(gè)AlN晶格的殘余應(yīng)力 明顯較大，即大于20%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果GaN層可生長(zhǎng)至少3微米厚而無(wú)裂紋，沉積后的最終結(jié)構(gòu)在4和6英寸的直徑上表 現(xiàn)出大約6微米的弓度，且GaN中的位錯(cuò)水平為5. IO9CnT2以下。通過(guò)實(shí)施如下所述的方法獲得這些結(jié)果。在硅基材1上，在900°C下沉積AlN成核層2，厚度超過(guò)40納米。接著，在800°C下沉積包含8%鋁的AlGaN的中間層3，厚度超過(guò)300納米。在920°C下沉積AlN種子層4直至獲得180納米的層。該層在環(huán)境溫度下通常具
9有70%的松弛速率。然后在780°C下，以1微米/小時(shí)的生長(zhǎng)速率沉積GaN的5微米的厚層5，無(wú)裂紋產(chǎn)生。根據(jù)一個(gè)變體，AlGaN的中間層3也表現(xiàn)出500納米的厚度，其中鋁含量為15%， 而AlN種子層4表現(xiàn)出150納米的厚度從而在種子層4中保持非常良好的應(yīng)力。本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以在AlN種子層4的沉積過(guò)程中進(jìn)行升溫從而在800°C下沉 積AlGaN的中間層3之后達(dá)到920°C。應(yīng)用于制造電子器件本發(fā)明可有利地用于制造在高頻或高功率下操作的電子或場(chǎng)致發(fā)光器件，例如光 伏元件、場(chǎng)致發(fā)光二極管、肖特基二極管、激光器、光學(xué)探測(cè)器、MEMS、HEMT型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 或者例如蒸餾器或MOS晶體管。參見(jiàn)圖3，場(chǎng)效應(yīng)晶體管通常由GaN的層5形成(在其外延的結(jié)構(gòu)上)，GaN層5被 例如AlGaN的阻擋層6覆蓋。GaN層5與AlGaN層6之間的界面構(gòu)成異質(zhì)結(jié)，其中GaN具有比AlGaN小的禁帶。GaN層5的上部(在界面下)界定了通道(未示出)，其中電子的二維氣體可以流
ο現(xiàn)在，第二異質(zhì)結(jié)存在于該器件的結(jié)構(gòu)中，即在中間層3與種子層4之間的異質(zhì)結(jié)。 該第二異質(zhì)結(jié)構(gòu)成可以限制電子的勢(shì)阱，并潛在地產(chǎn)生電容效應(yīng)。在該電子器件中，中間層3的材料為AlGaN的事實(shí)(而不是如在背景技術(shù)所引用 的現(xiàn)有技術(shù)中的GaN)，使得該第二異質(zhì)結(jié)的尺寸可被減小，由此限制潛在電容效應(yīng)。在HEMT型晶體管的情況下(如圖3所示)，電子器件也包括至少一個(gè)歐姆接觸電 極8a和一個(gè)肖特基接觸電極8b，歐姆接觸電極8a優(yōu)選沉積在阻擋層6上，而肖特基接觸電 極沉積在形成于阻擋層之上的表面層9上。歐姆接觸電極的數(shù)目為2個(gè)，它們被稱為源極 和漏極。根據(jù)形成這種晶體管的第一個(gè)實(shí)例，在SiC基材上形成鋁含量為20%的AlGaN中 間層3和松弛速率為65%的800A厚度的種子層4。然后沉積超過(guò)1. 5微米厚度的無(wú)裂紋形成的GaN層5，從而形成HEMT晶體管。根據(jù)一個(gè)變體，如圖4所示，本發(fā)明可應(yīng)用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中結(jié)構(gòu)的材料表現(xiàn) 出與上述結(jié)構(gòu)的那些材料不同的組成。例如，層5的材料為含3至5%鋁的AlGaN，且厚度為1. 8至2. 2微米。然后將厚度例如為5至100納米的GaN的通道層7插入層5和AlGaN阻擋層6之 間，通道層7的GaN與阻擋層6的AlGaN之間的禁帶差使得能夠在異質(zhì)結(jié)處形成勢(shì)阱，其中 電子的二維氣體可流通。阻擋層6有利地包含20至70%的鋁，其厚度為5至30納米。當(dāng)阻擋層6中的鋁含量變高(例如超過(guò)30% )時(shí)，難以控制在層中鋁的均勻性。然后有利地通過(guò)交替薄層氮化鋁(其可包含低含量的鎵)和薄層氮化鎵(其可包 含低含量的鋁)直至達(dá)到所需的厚度和第III族元素含量而形成阻擋層6。薄層的這類交 替或堆積是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，稱為“超合金”或“超晶格”。
可替代地，還有利的是在之前所述結(jié)構(gòu)上制備AlInN材料的阻擋層6，如果其為 GaN材料，則直接在層5上，或者，如果后者包含鋁，則在預(yù)先形成于層5之上的通道層7上。實(shí)際上，AlInN材料具有非常大的帶隙。它因此促進(jìn)了 GaN和層5，或者在適當(dāng)情 況下，通道層7在異質(zhì)結(jié)處的深阱。此外，該材料表現(xiàn)出比AlGaN大得多的“自發(fā)的”壓電場(chǎng)。該自發(fā)的壓電場(chǎng)(取決于材料的性質(zhì))參與構(gòu)成所述結(jié)構(gòu)的總壓電場(chǎng)，其中壓電 場(chǎng)受到阻擋材料中的應(yīng)力“誘導(dǎo)”。因此，由于AlInN的自發(fā)的壓電場(chǎng)較大，沒(méi)必要限制材料以增加總壓電場(chǎng)。其可在 松弛狀態(tài)下沉積，并且與處于AlGaN應(yīng)力中的阻擋6具有相同的對(duì)電子氣密度的影響。在 松弛狀態(tài)下的生長(zhǎng)使得晶體缺陷的形成受到限制，促進(jìn)了結(jié)晶界面的質(zhì)量，并防止形成漏 電流。在GaN層5上，或者在適當(dāng)情況下，在GaN通道層7上沉積AlInN的另一優(yōu)點(diǎn)在于 取決于AlInN中的銦含量，該材料可與GaN晶格匹配。例如，包含18%銦的AlInN具有松 弛GaN的晶格參數(shù)。當(dāng)GaN在AlGaN的層3上處于受壓狀態(tài)時(shí)，其晶格參數(shù)降低，因此，易 于降低AlInN的銦含量以保存晶格匹配。另一優(yōu)點(diǎn)在于易于制備具有高水平η型摻雜的AlInN材料。該材料因此可用于保 留電子并增加二維電子氣的密度。優(yōu)選地，由包含5至25%銦的AlInN的阻擋6制造場(chǎng)效應(yīng)晶體管。該層可以由超 合金形成。還可能的是在GaN的層5上，或者在適當(dāng)情況下，在GaN的通道層7上形成包含例 如15至30%硼的BGaN的阻擋層6。該材料的優(yōu)點(diǎn)在于BN的晶格參數(shù)小于AlN和GaN的 晶格參數(shù)，由此使得阻擋層6的材料被進(jìn)一步壓縮。結(jié)果，由于阻擋層中的應(yīng)力較大，誘導(dǎo)的壓電場(chǎng)也較大，且電子氣較稠密。當(dāng)允許誘導(dǎo)的壓電場(chǎng)與由具有標(biāo)準(zhǔn)厚度的GaN上的AlGaN所產(chǎn)生的壓電場(chǎng)相同 時(shí)，可使阻擋層6的厚度變薄。該結(jié)構(gòu)的表面與電子通道之間的距離下降，因而改進(jìn)了電子 氣控制。另一替代方式為在AlxGa1J的層5上沉積ScN的通道層7。該二元材料比三元材 料更易于形成，由此可獲得很好的結(jié)晶質(zhì)量和均勻的材料。其晶格參數(shù)非常接近GaN(晶格 不匹配為0. 以下)的晶格參數(shù)，其在GaN的層5上的生長(zhǎng)限制了晶體缺陷的形成，并能 夠獲得良好的結(jié)晶界面。當(dāng)層5和7的材料為二元的，元素的擴(kuò)散受到限制且所述場(chǎng)為均勻時(shí)，可進(jìn)一步改 善該界面。如果將在二元材料中的分隔層插入通道層7與例如AlN材料的阻擋6之間，則
可進(jìn)一步改善該效果。當(dāng)層5包含鋁時(shí)，由于晶格參數(shù)的差異(其增加了二維氣體電子的遷移率)，層7 的ScN材料受到限制。該材料的帶隙為2. 3eV,這使其特別適合在GaN/ScN和ScN/AlGaN界面產(chǎn)生的場(chǎng)。該通道7的厚度可以為5至100納米，選擇阻擋6的材料以獲得合適的異質(zhì)結(jié)。該 材料例如為AlGaN、BGaN和AlInN。
權(quán)利要求
一種在基底(1)上制造組成為AlxGa1 xN，其中0≤x≤0.3的氮化物的無(wú)裂紋單晶層(5)從而可在層中產(chǎn)生拉伸應(yīng)力的方法，所述方法包括如下步驟a)在基底(1)上形成成核層(2)，b)在成核層(2)上形成單晶中間層(3)，c)在中間層(3)上形成單晶種子層(4)，d)在種子層(4)上形成AlxGa1 xN氮化物的單晶層(5)，其特征在于 中間層(3)的材料為氮化鋁鎵； 種子層(4)的材料為AlBN化合物，其中硼含量為0至10％； 種子層(4)的厚度與中間層(3)的厚度比為0.05至1； 形成種子層(4)的溫度比形成所述AlxGa1 xN的無(wú)裂紋單晶層(5)的溫度高50至150℃。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于AlxGai_xN氮化物的無(wú)裂紋單晶層(5)的厚 度為800納米至7微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于中間層(3)的厚度等于或大于250納米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于中間層(3)的鋁含量為1至 35%，優(yōu)選 6%至 30%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于種子層(4)的厚度與中間層(3)的厚度比為0.2至0.35。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于通過(guò)分子束外延形成種子層(4)的溫度比形成無(wú)裂紋單晶氮化物層(5)的溫度高80°C。
7.一種可在層中產(chǎn)生拉伸應(yīng)力的包括組成為AlxGai_xN，其中0 < χ < 0. 3的氮化物的 無(wú)裂紋單晶層(5)和基底(1)的結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)依次包括-所述基底(1)； _成核層⑵； -單晶中間層(3)； -單晶種子層⑷； _所述氮化物的單晶層(5)， 所述結(jié)構(gòu)的特征在于-種子層(4)為AlBN化合物，其中硼含量為0至10% ； -種子層(4)在環(huán)境溫度下表現(xiàn)出80%以下的松弛速率。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于AlxGai_xN氮化物的無(wú)裂紋單晶層(5)的厚 度為800納米至7微米。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于中間層(3)的材料為氮化鋁鎵，且其中 鋁含量為1至35%，優(yōu)選6至30%。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于種子層(4)的厚度與中間層 (3)的厚度比為0.05至1，優(yōu)選0.2至0.35。
11.根據(jù)權(quán)利要求7至10中任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于中間層(3)的厚度等于或大于250納米，且種子層(4)的厚度為30至250納米。
12.根據(jù)權(quán)利要求7至11中任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于種子層(4)在環(huán)境溫度下 的松弛速率為50至75%。
13.根據(jù)權(quán)利要求7至12中任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于氮化物的無(wú)裂紋單晶層(5)包含3至5%的鋁，且所述結(jié)構(gòu)在所述層(5)上依次包括 -GaN的通道層(7)，其厚度為5至100納米，以及 -選自AlGaN、AlInN或BGaN材料的阻擋層(6)。
14.根據(jù)權(quán)利要求7至12中任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述結(jié)構(gòu)在氮化物的無(wú)裂 紋單晶層(5)上依次包括-ScN的通道層(7)， -選自AlGaN、AlInN或BGaN材料的阻擋層(6)。
15.根據(jù)權(quán)利要求7至12中任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于無(wú)裂紋單晶層(5)的材料 為氮化鎵，且所述結(jié)構(gòu)包括在所述層(5)上包括選自AlGaN、AlInN或BGaN材料的阻擋層(6)。
16.一種諸如光伏元件、場(chǎng)致發(fā)光二極管、肖特基二極管、激光器、光學(xué)探測(cè)器或MEMS 的器件，其特征在于所述器件包括如權(quán)利要求7至12中任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)。
17.一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于所述晶體管包括如權(quán)利要求7至15中任一項(xiàng)所述 的結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在基底(1)上制造組成為AlxGa1-xN，其中0≤x≤0.3的氮化物的無(wú)裂紋單晶層(5)從而可在層中產(chǎn)生拉伸應(yīng)力的方法，所述方法包括如下步驟a)在基底(1)上形成成核層(2)，b)在成核層(2)上形成單晶中間層(3)，c)在中間層(3)上形成單晶種子層(4)，d)在種子層(4)上形成AlxGa1-xN氮化物的單晶層(5)。該方法的特征在于中間層(3)的材料為氮化鋁鎵；種子層(4)的材料為AlBN化合物，其中硼含量為0至10％；種子層(4)的厚度與中間層(3)的厚度比為0.05至1；形成種子層(4)的溫度比形成所述AlxGa1-xN氮化物的無(wú)裂紋單晶層(5)的溫度高50至150℃。
文檔編號(hào)H01L21/20GK101978470SQ200980109974
公開(kāi)日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2009年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月25日
發(fā)明者H·拉爾徹 申請(qǐng)人:匹克吉佳國(guó)際公司