[发明专利]包括在缓冲层堆叠上的III-V型有源半导体层的半导体结构和用于生产半导体结构的方法

说明书

本发明涉及一种半导体结构，该半导体结构包括：‑包括多个III‑V材料层的缓冲层堆叠体，该缓冲层堆叠体包括至少一个分层子结构，各分层子结构包括压缩应力诱导结构，该压缩应力诱导结构位于相应第一缓冲层与在缓冲层堆叠体中定位成比相应第一缓冲层更高的相应第二缓冲层之间，相应第二缓冲层的下表面具有比相应第一缓冲层的上表面更低的Al含量；‑III‑V型有源半导体层，该III‑V型有源半导体层设置在该缓冲层堆叠体上；其中，所述相应弛豫层的表面足够粗糙，以抑制相应第二缓冲层的弛豫，具有大于1nm的均方根(RMS)粗糙度；以及用于生产该半导体结构的方法。

技术领域

本发明涉及一种半导体结构，包括具有多个III-V材料层的缓冲层堆叠体和设置在该缓冲层堆叠体上的III-V型有源半导体层例如GaN层，该缓冲层堆叠体设置在基底上。本发明还涉及用于生产这种半导体结构的方法。

背景技术

氮化镓材料是具有相对宽的直接带隙的半导体化合物。这些电子跃迁为氮化镓材料提供了许多有吸引性的性质，例如承受高电场的能力，在高频率下传输信号的能力等。因此，氮化镓材料在许多微电子应用(诸如晶体管、场致发射体和光电子设备)中被广泛研究。氮化镓材料包括氮化镓(GaN)及其合金，诸如氮化铝镓(AlGaN)，氮化铟镓(InGaN)和氮化铝铟镓(AlInGaN)。

大多数GaN外延层生长在异质基底上，诸如蓝宝石(Al₂O₃)，SiC或Si，因为天然GaN基底难以制作，因此非常昂贵。与(In)(Al)GaN外延层相比，这些基底具有不同的结构性质和机械性质，例如，这些基底包括不同的热膨胀系数或不同的晶格常数。这就导致在GaN外延层中的严重应变积累，其随着外延层厚度增加而增加。

因此，在现有技术中，在基底和设备的有源部分之间引入分层缓冲结构。该缓冲结构尽可能地调节基底材料与在层的有源部分中使用的材料的性质之间的差异的影响。这种差异可以包括但不限于晶格常数的差异、热膨胀系数的差异、不同的晶体结构、不同的带隙能量和造成的介电击穿强度。理想地，该缓冲层不会影响有源部分或设备的性质，但是，在最终设备中可能具有较小的功能，例如作为接触层或替代地作为电流阻挡层。

层堆叠体的有源部分是直接确定将在层堆叠体上制造的设备的性质的结构的一部分。例如，AlGaN/GaN HEMT结构的有源部分通常由相对厚(>100nm)的GaN通道层组成，在顶部具有薄(约20nm厚)的AlGaN阻挡层(barrier layer)。在这种HEMT中，阈值电压、跨导以及一部分导通状态电阻直接由AlGaN阻挡层的成分和厚度确定。例如在LED中，量子阱和阻挡物的成分和厚度确定发射光的波长。优化有源部分中材料的设计和选择以获得最佳的设备性能，并且尽可能少地依赖由基底或缓冲结构的选择所施加的约束。

在硅基氮化镓(GaN-on-Si)技术中，几乎总是一方面在基底与缓冲结构之间引入额外的成核层，另一方面在缓冲结构与有源部分之间引入额外的成核层。该层可以是AlN层，因为AlGaN或GaN层中的镓导致Si基底的回蚀。在一些情况下，在基底上沉积介电层以减轻这种影响(例如，Si上的SiC，Si中的金刚石等)。术语“AlGaN”涉及包括任何化学计量/组成比(Al_xGa_1-xN)的Al、Ga和N的组合物，该组合物可以在层中变化，例如从在层的底部没有Ga到在层的顶部没有Al。诸如(In)AlGaN的组合物还可以包括任何合适量的铟(In)。

缓冲结构通常由多个层组成。在硅基氮化镓(GaN-on-Si)技术中，缓冲层的成分通常从AlN成核层附近的富Al层向通常包括一个或多个GaN层的有源部分附近的富Ga层变化。从成核层到有源部分的组成变化可以以各种方式来进行。