[发明专利]衬底结构和采用该衬底结构的半导体器件

说明书

技术领域

本公开涉及一种用于形成具有较少缺陷的高质量III-V族化合物半导体的衬底结构以及采用该衬底结构的半导体器件。

背景技术

目前，在广泛范围的领域中正进行研究活动，以通过利用化合物半导体，尤其是III-V族化合物半导体材料来取代硅（Si）半导体材料。由于III-V族化合物半导体材料具有比硅高10到10³倍的电子迁移率，因此III-V族化合物半导体材料适于在互补金属氧化物半导体（CMOS）器件中作为高速元件的沟道或者用于高效率III-V族化合物太阳能电池中。

由III-V族化合物半导体诸如磷化铟（InP）、砷化镓（GaAs）、锑化镓（GaSb）和锑化铟（InSb）制成的III-V族化合物衬底已经被广泛用作用于生长III-V族化合物半导体材料的衬底。但是，这些衬底比Si衬底昂贵20倍，并且如此之硬而使得它们在制造工艺中易于断裂。目前，由于商业上可获得的衬底的最大直径是6英寸，因此难于制造大面积的衬底。为了克服这些限制，利用Si衬底来取代III-V族化合物衬底的半导体器件正在被研制。

此外，由于很多的关注正在被指向用于实现Si基的光集成电路的技术，因此对在Si衬底上形成诸如发光二级管（LED）和激光二极管（LD）的光源以及用于高速器件的晶体管的技术的需求正在增长。III-V族化合物半导体在大面积Si衬底上的集成不仅可以允许使用现有的硅制造工艺，而且也可以明显减少制造成本。

但是，由于III-V族化合物半导体材料和硅衬底之间的晶格常数和热膨胀系数的巨大差异而会发生各种缺陷，由此在其应用于器件方面存在限制。例如，如果生长具有比衬底的晶格常数小的晶格常数的半导体薄膜，由于压应力而会发生位错。另一方面，如果生长具有比衬底的晶格常数大的晶格常数的半导体薄膜，由于张应力而会导致裂纹。为了解决这些问题，提出了各种缓冲层结构，用于在Si衬底上生长具有高结晶度而不具有诸如裂纹或位错的缺陷的III-V族化合物半导体薄膜。

发明内容

提供了用于形成具有较少缺陷的高质量III-V族化合物半导体的衬底结构和采用该衬底结构的半导体器件。

另外的方面将部分在下面的描述中陈述，并且部分将从该描述显见，或者可以通过给出的实施方式的实践而习得。

根据本发明的方面，衬底结构包括：衬底；成核层，形成在衬底上并且包括具有与衬底的晶格常数相差小于1%的晶格常数的III-V族化合物半导体材料；以及缓冲层，形成在成核层上并且包括第一层和第二层，其中第一层和第二层包括具有比成核层的晶格常数大4%或更大的晶格常数的III-V族化合物半导体材料。

缓冲层的第一层和第二层的晶格常数之间的差异可以小于1%。

缓冲层可以还包括第三层，第三层形成在第二层上并且由具有与第二层的晶格常数相差小于1%的晶格常数的III-V族化合物半导体材料形成。

第一层和第三层可以由相同的III-V族化合物半导体材料制成。

第二层和第三层中的每一个可以由III-V族化合物半导体材料制成，其中，包含在第二层中的V族元素不同于包含在第三层中的V族元素。

缓冲层可以具有其中第二层和第三层交替层叠在彼此之上两次或更多次的结构。

材料层可以形成在第二层和第三层之间的交界处，其中，材料层的晶格常数和第二层的晶格常数之间的差异以及材料层的晶格常数和第三层的晶格常数之间的差异各自大于第二层的晶格常数和第三层的晶格常数之间的差异。

第二层和第三层中的一个可以是磷化铟（InP），而另一个可以是铟镓砷化物（InGaAs）。

第一层和第二层中的每一个可以由III-V族化合物半导体材料制成，其中，包含在第一层中的V族元素不同于包含在第二层中的V族元素。缓冲层可以具有其中第一层和第二层交替层叠在彼此之上两次或更多次的结构。

材料层可以形成在第一层和第二层之间的交界处，其中，材料层的晶格常数和第一层的晶格常数之间的差异以及材料层的晶格常数和第二层的晶格常数之间的差异各自大于第一层的晶格常数和第二层的晶格常数之间的差异。

第一层和第二层中的一个可以是InP，而另一个可以是InGaAs。

成核层可以包括磷化镓（GaP）、磷化铝（AlP）、镓铝磷化物（Ga_xAl_1-xP）、镓氮磷化物（GaNP）和镓氮砷磷化物（GaNAsP）中的一种。