在异质基底上的第III族氮化物缓冲层结构的p型掺杂制造技术

本发明专利技术涉及在异质基底上的外延第III族氮化物缓冲层结构(100)，其中该缓冲层结构(100)包括至少一个应力管理层序列S，该应力管理层序列包括位于第一和第二第III族氮化物层(120，140)之间及与其相邻的间层结构(530)，其中该间层结构(530)包括具有比第一和第二第III族氮化物层(120，140)的材料更大的带隙的第III族氮化物间层材料，其中p型掺杂剂浓度分布由至少1×10

【技术实现步骤摘要】
在异质基底上的第III族氮化物缓冲层结构的p型掺杂本申请是申请日为2014年2月14日的名称为“在异质基底上的第III族氮化物缓冲层结构的p型掺杂”的申请号为201480009187.X的专利技术专利申请的分案申请。
本专利技术涉及在异质基底上的外延第III族氮化物缓冲层结构。还涉及器件结构，特别是晶体管、场效应晶体管(FET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)的层结构，特别是常开或常关的HEMT或金属-绝缘层-半导体(MIS)HEMT、肖特基二极管或P-I-N结构。
技术介绍
大多数基于第III族氮化物的器件结构，特别是如今用于射频(RF)或高压(HV)功率转换器件的晶体管结构，是在异质基底上制造的，即在不同于第III族氮化物材料的材料的基底上，如Si、SiC或Al2O3(蓝宝石)基底。使用Si作为异质基底的能力是特别有利的，因为这允许使用比较廉价的具有大的工业标准直径的晶片，还因为其形成了将第III族氮化物器件单片集成到由CMOS或相关技术制成的硅基集成电路中的基础。该外延第III族氮化物层结构在异质基底上生长，但是要求在基底与一个或多个有源层之间复杂的缓冲层结构以管理晶体结构中的应力和缺陷。为了控制在第III族氮化物层结构中的缓冲层结构的电阻特性，Fe掺杂被广泛使用。然而，使用Fe具有一些缺点。更具体而言，Fe掺杂导致微晶结构的非期望的倾斜和扭曲，可由X射线衍射(XRD)提示。此外，本专利技术的专利技术人发现，Fe在外延层结构生长期间作为掺杂剂供应时向着沟道层发生偏析，其在运行中承载二维电子气，下面简写为2DEG。在沟道层中存在Fe对于在2DEG中获得所期望的高电子浓度是有害的。最后，Fe掺杂导致用于沉积第III族氮化物层结构的反应器发生非期望的Fe污染。这导致非期望的Fe背景掺杂，典型地在名义上未掺杂的上层HEMT器件层中及在晶片表面上浓度最高为约1017cm-3。因为Fe的存在诱发载荷子的陷阱，所以非故意的Fe掺杂降低了基于第III族氮化物的HEMT器件的导通电阻Ron的动态行为。由于污染风险，并不认为Fe掺杂是与CMOS法中的晶片加工相容的。这造成了将第III族氮化物器件的制造集成到现有的广泛建立的对硅晶片的CMOS生产线的障碍。文献US7,884,393公开了使用GaN基底形式的同质基底以获得在同质基底上生长的外延第III族氮化物层结构中极低的位错密度。通过在同质基底上生长获得的低位错密度使得该层结构的不同层中的碳浓度在一定程度上是可变的。通过在同质基底上生长并控制碳浓度，根据US7,884,393，改善了第III族氮化物场效应晶体管和HEMTs的缓冲层和沟道层的品质。作为专利申请，US7,884,393描述了一种在GaN基底上生长的HEMT结构，其具有直接在GaN基底上沉积的单一高阻缓冲层、直接在缓冲层上沉积的单一GaN沟道层和直接在沟道层上沉积的单一势垒层。该缓冲层在不同的实施方案中由GaN或AlGaN制成并且具有4×1017cm-3或更高的碳浓度。在US7,884,393中公开的缓冲层的最高碳浓度为2×1018cm-3。相邻的沟道层并不形成一部分的缓冲层，但是形成HEMT的有源层。其是由GaN或InGAN制成的，并且具有不大于4×1016cm-3的碳浓度。在US7,884,393中将在沟道层中较低的碳浓度描述为获得高纯度及由此获得高电子迁移率所期望的。然而，与在同质基底上生长的情况相比，在异质基底特别是硅上生长的第III族氮化物缓冲层结构具有明显更高的位错密度。这一高位错密度目前无法避免。在异质基底上根据现有技术的缓冲层结构中获得的典型的位错密度在5×107至5×109cm-2的范围内。
技术实现思路
在本说明书中所公开的本专利技术的第一方面是在异质基底上的外延第III族氮化物缓冲层结构。该缓冲层结构包括至少一个应力管理层序列，该应力管理层序列包括位于第一和第二第III族氮化物层之间及与其相邻的间层结构，其中该间层结构包括具有比第一和第二第III族氮化物层的材料更大的带隙的第III族氮化物间层材料，其中p型掺杂剂浓度分布由至少1×1018cm-3开始在由该间层结构至第一和第二第III族氮化物层的过渡中降低至少2倍。p型掺杂剂浓度分布符合空穴浓度分布，条件是不产生补偿效应。若必须考虑补偿效应，则p型掺杂剂浓度高于所期望的空穴浓度。例如，p型掺杂剂浓度可以比所实现的空穴浓度高5、10、20、50或100倍。因此，在不同的实施方案中，考虑了补偿效应的p型掺杂剂浓度分布，例如由至少1×1019cm-3(10倍)或者由1×1020cm-3(100倍)开始在由该间层结构至第一和第二第III族氮化物层的过渡中降低至少2倍。合适的p型掺杂剂例如是碳和镁。本专利技术的缓冲层结构是基于以下认识，在制造过程中对在异质基底上生长的第III族氮化物施加相当大的应力。与在同质基底上的沉积相比，这要求在缓冲层结构中特殊的应力管理。一种应力管理措施包括在该缓冲层结构中位于具有比第III族氮化物间层材料更小的带隙的第一第III族氮化物层和第二第III族氮化物层之间及与其相邻的间层结构的应力管理层序列。然而，提供该应力管理层序列意味着在缓冲层结构中形成非期望的寄生的导电沟道的风险。本专利技术是基于以下进一步的认识，将碳或镁作为p型掺杂剂以跨越该应力管理层序列合适的浓度分布引入该应力管理层序列中，从而有效地避免在缓冲层结构中形成该寄生的导电沟道。以此方式，变得甚至能够在某些实施方案中避免任何故意地引入铁原子，其如所述在现有技术中加以使用以获得高阻缓冲层结构。本专利技术的p型浓度分布在一方面间层结构与另一方面第一和第二第III族氮化物层之间具有浓度差别。换而言之，p型掺杂剂浓度分布由至少1×1018cm-3开始在由该间层结构至第一和第二第III族氮化物层的过渡中降低至少2倍。在此，p型掺杂剂浓度的下降可以是突然的或者是连续的。本专利技术的专利技术人在其实验中认识到，较小的差别或者较低的浓度值无法有效地避免在应力管理层序列中的寄生的导电沟道。本专利技术的专利技术人首先制造出基于第III族氮化物的缓冲层结构，其具有应力管理层结构，其甚至在5×107至5×109cm-2的范围内的位错密度的情况下在间层结构与第一和第二层之间实现了所述的高的p型浓度差别，这例如在使用硅基底作为异质基底时观察到。因此，这仅是所述的p型掺杂剂浓度与它们的上述最小差别的组合，这可以在异质基底上提供第III族氮化物的高阻缓冲层结构，而不必使用具有前述的负面副作用的过渡金属原子，如铁。缓冲层结构的高电阻率能够后序制造基于缓冲应力管理层序列的高效的第III族氮化物半导体电子器件，如基于第III族氮化物的高电子迁移率晶体管或肖特基二极管。因此，根据本专利技术的第一方面的缓冲层结构允许在异质基底上提供应变管理的缓冲层结构，其由于其高电阻率特别适合作为要求缓冲层结构的高电阻的高效电子器件的基础。通过根据本专利技术的缓冲层结构，可以实现高电阻率，这意味着大于1MV/cm或者甚至2或3MV/cm的高的击穿电场强度。通过增大间层结构中的Al含量，可以额外地提高击穿电场强度。下面描述本专利技术的第一方面的缓冲层结构的实施方案。在应力管理层序列的一个优选的实施方案中，间层结构的p型掺杂剂浓度分布在由该间层结构至第一和第二第I本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.在硅(110，210，310，510)上的外延第III族氮化物缓冲层结构(100，200，500)，其中所述缓冲层结构(100，200，500)包括至少一个应力管理层序列(S)，所述应力管理层序列包括位于第一和第二第III族氮化物层(120，140，220，240，320，340，520，540)之间及与第一和第二第III族氮化物层相邻的间层结构(130，230，330，530)，其中所述间层结构(130，230，330，530)包含具有比所述第一和第二第III族氮化物层(120，140，220，240，320，340，520，540)的材料更大的带隙的第III族氮化物间层材料，及其中p型掺杂剂浓度分布由至少1×1018cm‑3开始在由所述间层结构(130，230，330，530)至所述第一和第二第III族氮化物层(120，140，220，240，320，340，520，540)的过渡中降低至少2倍，其中所述第一第III族氮化物层(120，220，320，520)的厚度为300nm至2000nm，及所述第二第III族氮化物层(140，240，340，540)的厚度为300nm至1500nm，其特征在于，所述间层结构(130，230，330，530)包括三个不同的层：第一、第二和第三第III族氮化物间层(535，536，537)，其中这些层的厚度为20nm至200nm，所述第二和第三第III族氮化物间层(536，537)是由GaN制成的，如同所述第一和第二第III族氮化物层(120，140，220，240，320，340，520，540)，其中所述第一第III族氮化物间层(535)由AlGaN组成，所述第一第III族氮化物间层(535)具有恒定的铝含量或者具有由所述第二第III族氮化物间层(536)向所述第三第III族氮化物间层(537)增大渐变的铝含量。...

【技术特征摘要】
2013.02.15 EP 13155540.11.在硅(110，210，310，510)上的外延第III族氮化物缓冲层结构(100，200，500)，其中所述缓冲层结构(100，200，500)包括至少一个应力管理层序列(S)，所述应力管理层序列包括位于第一和第二第III族氮化物层(120，140，220，240，320，340，520，540)之间及与第一和第二第III族氮化物层相邻的间层结构(130，230，330，530)，其中所述间层结构(130，230，330，530)包含具有比所述第一和第二第III族氮化物层(120，140，220，240，320，340，520，540)的材料更大的带隙的第III族氮化物间层材料，及其中p型掺杂剂浓度分布由至少1×1018cm-3开始在由所述间层结构(130，230，330，530)至所述第一和第二第III族氮化物层(120，140，220，240，320，340，520，540)的过渡中降低至少2倍，其中所述第一第III族氮化物层(120，220，320，520)的厚度为300nm至2000nm，及所述第二第III族氮化物层(140，240，340，540)的厚度为300nm至1500nm，其特征在于，所述间层结构(130，230，330，530)包括三个不同的层：第一、第二和第三第III族氮化物间层(535，536，537)，其中这些层的厚度为20nm至200nm，所述第二和第三第III族氮化物间层(536，537)是由GaN制成的，如同所述第一和第二第III族氮化物层(120，140，220，240，320，340，520，540)，其中所述第一第III族氮化物间层(535)由AlGaN组成，所述第一第III族氮化物间层(535)具有恒定的铝含量或者具有由所述第二第III族氮化物间层(536)向所述第三第III族氮化物间层(537)增大渐变的铝含量。2.根据权利要求1的缓冲层结构(100，200，500)，其中所述间层结构包括单层，其中所述第III族氮化物间层的厚度为10nm至50nm。3.根据前述权利要求之一的缓冲层结构(100，200，500)，其中所述应力管理层序列(S)是由GaN-AlGaN-GaN制成的。4.根据前述权利要求之一的缓冲层结构(100，200，500)，其中所述p型掺杂剂浓度分布在由所述间层结构(130，230，330，530)至所述第一和第二第III族氮化物层(120，14...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·吕特根，S·穆拉德，A·基特尼斯，
申请(专利权)人：阿聚尔斯佩西太阳能有限责任公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE