具有氮化铝镓三元合金层和第二III族氮化物三元合金层的异质结的半导体器件制造技术

提供了一种用于形成半导体器件的方法，所述半导体器件具有布置在第二III族氮化物三元合金层上的第一III族氮化物三元合金层的异质结。确定用于第一III族氮化物三元合金层和第二III族氮化物三元合金层的III族氮化物元素的浓度范围，使得在第一III族氮化物三元合金层和第二III族氮化物三元合金层的异质结的界面处的极化强度差的绝对值小于或等于0.007C/m

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有氮化铝镓三元合金层和第二III族氮化物三元合金层的异质结的半导体器件相关申请的交叉引用本申请要求以下专利申请的优先权：于2017年10月11日提交的标题为“BORONIIINITRIDEHETEROJUNCTIONSWITHZEROTOLARGEHETEROINTERFACEPOLARIZATIONS”的美国临时专利申请第62/570,798号；于2017年10月24日提交的标题为“III-NITRIDESEMICONDUCTORHETEROSTRUCTURESWITHZEROTOLARGEHETEROINTERFACEPOLARIZATION”的美国临时专利申请第62/576,246号；于2017年12月4日提交的标题为“POLARIZATIONEFFECTOFInGaN/AllnNHETEROJUNCTIONSSTRAINEDONGaN”的美国临时专利申请第62/594,330号；于2017年12月4日提交的标题为“POLARIZATIONEFFECTOFGaAIN/AllnNHETEROJUNCTIONSSTRAINEDONAIN”的美国临时专利申请第62/594,389号；于2017年12月4日提交的标题为“POLARIZATIONEFFECTOFAlGaN/InGaNHETEROJUNCTIONSSTRAINEDONGaN”的美国临时专利申请No.62/594,391号；于2017年12月5日提交的标题为“POLARIZATIONEFFECTOFAlGaN/BGaNHETEROJUNCTIONSSTRAINEDONGaN”的美国临时专利申请第62/594,767号；以及于2017年12月5日提交的标题为“POLARIZATIONEFFECTOFAlGaN/AllnNHETEROJUNCTIONSSTRAINEDONAlN”的美国临时专利申请第62/594,774号，其全部公开内容通过引用合并于此。
技术介绍

所公开的主题的实施例大体上涉及具有纤锌矿III族氮化物三元合金的异质结的半导体器件，其中异质结基于形成两个纤锌矿III族氮化物三元合金层的元素的成分，表现出或小或大的极化强度差，所述两个纤锌矿III族氮化物三元合金层形成异质结。
技术介绍
的讨论纤锌矿(WZ)III族氮化物半导体及其合金特别适用于诸如可见光和紫外线发光二极管(LED)、激光二极管的光电子器件以及例如高电子迁移率晶体管(HEMT)的高功率器件。由于纤锌矿结构的不对称性，III族氮化物及其异质结能够表现出很强的自发极化强度(SP)和压电(PZ)极化强度，这能够极大地影响半导体器件的工作。例如，由于量子阱(QW)中的内部极化强度场引起的量子限制Stark效应(QCSE)，LED和激光二极管的辐射复合率能够降低，并且发射波长发生偏移。因此，对于这些类型的器件，异质结界面处的较小极化强度差能够有利地最小化或消除量子限制Stark效应。相反，高电子迁移率晶体管(HEMT)在异质结的界面处需要较高的极化强度差，以产生强的载流子限制以及形成二维电子气(2DEG)。当前使用可能不准确的纤锌矿III族氮化物合金的极化强度常数来计算纤锌矿III族氮化物半导体的异质结界面处的极化强度差。具体地，纤锌矿III族氮化物三元合金的常规极化强度常数基于二元材料常数(即由氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)和氮化铟(InN)的二元材料常数)的线性插值。然而，纤锌矿III族氮化物三元合金(例如，AlGaN、InGaN、InAlN、BAlN和BGaN)的自发极化强度和压电极化强度相对于相应的二元材料成分可能存在相当大的非线性。因此，希望提供用于准确确定纤锌矿III族氮化物三元合金的自发极化强度和压电极化强度，以及使用这些确定结果来形成包括纤锌矿III族氮化物三元合金的半导体器件，从而根据半导体器件的预期应用，将其优化为在异质结的界面处具有或高或低的极化强度差的方法。
技术实现思路
根据实施例，存在一种用于形成包括布置在第二III族氮化物三元合金层上的第一III族氮化物三元合金层的异质结的半导体器件的方法。首先，确定在第一III族氮化物三元合金层和第二III族氮化物三元合金层的异质结的界面处的极化强度差的绝对值应该小于或等于0.007C/m2或大于或等于0.04C/m2。确定第一III族氮化物三元合金层和第二III族氮化物三元合金层的III族氮化物元素的浓度范围，使得在第一III族氮化物三元合金层和第二III族氮化物三元合金层的异质结的界面处的极化强度差的绝对值小于或等于0.007C/m2或大于或等于0.04C/m2。从确定的浓度范围中选择第一III族氮化物三元合金层和第二III族氮化物三元合金层的III族氮化物元素的特定浓度，使得在第一III族氮化物三元合金层和第二III族氮化物三元合金层的异质结的界面处的极化强度差的绝对值小于或等于0.007C/m2或大于或等于0.04C/m2。利用所选择的第一III族氮化物三元合金层和第二III族氮化物三元合金层的III族氮化物元素的特定浓度来形成包括异质结的半导体器件。第一III族氮化物三元合金层和第二III族氮化物三元合金层具有纤锌矿晶体结构。第一III族氮化物三元合金层是氮化铝镓(AlGaN)，并且第二III族氮化物三元合金层是氮化铟镓(InGaN)、氮化铟铝(InAlN)、氮化硼铝(BAlN)或氮化硼镓(BGaN)。根据另一实施例，存在一种包括异质结的半导体器件，该异质结包括布置在第二III族氮化物三元合金层上的第一III族氮化物三元合金层。基于第一III族氮化物三元合金层和第二III族氮化物三元合金层的III族氮化物元素的浓度，第一III族氮化物三元合金层和第二III族氮化物三元合金层的异质结的界面处的极化强度差的绝对值小于或等于0.007C/m2或大于或等于0.04C/m2。第一III族氮化物三元合金层和第二III族氮化物三元合金层具有纤锌矿晶体结构。第一III族氮化物三元合金层是氮化铝镓(AlGaN)，并且第二III族氮化物三元合金层是氮化铟镓(InGaN)、氮化铟铝(InAlN)、氮化硼铝(BAlN)或氮化硼镓(BGaN)。根据另外的实施例，存在一种用于在衬底上形成包括布置在第二III族氮化物三元合金层上的第一III族氮化物三元合金层的异质结的半导体器件的方法。首先，确定在第一III族氮化物三元合金层和第二III族氮化物三元合金层的异质结的界面处的极化强度差的绝对值应该小于或等于0.007C/m2或大于或等于0.04C/m2。确定第一III族氮化物三元合金层和第二III族氮化物三元合金层的III族氮化物元素的浓度范围以及确定衬底的晶格常数，使得在第一III族氮化物三元合金层和第二III族氮化物三元合金层的异质结的界面处的极化强度差的绝对值小于或等于0.007C/m2或大于或等于0.04C/m2。从确定的浓度范围中选择第一III族氮化物三元合金层和第二III族氮化物三元合金层的III族氮化物元素的特定浓度并且选择特定衬底，使得在第一III族氮化物三本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于形成半导体器件(200、400)的方法，所述半导体器件包括布置在第二III族氮化物三元合金层(210、410)上的第一III族氮化物三元合金层(205、405)的异质结，所述方法包括：/n确定(105)在所述第一III族氮化物三元合金层(205、405)和所述第二III族氮化物三元合金层(210、410)的异质结的界面(207、407)处的极化强度差的绝对值应该小于或等于0.007C/m

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171011 US 62/570,798;20171024 US 62/576,246;20171.一种用于形成半导体器件(200、400)的方法，所述半导体器件包括布置在第二III族氮化物三元合金层(210、410)上的第一III族氮化物三元合金层(205、405)的异质结，所述方法包括：
确定(105)在所述第一III族氮化物三元合金层(205、405)和所述第二III族氮化物三元合金层(210、410)的异质结的界面(207、407)处的极化强度差的绝对值应该小于或等于0.007C/m2或大于或等于0.04C/m2；
确定(110)所述第一III族氮化物三元合金层(205、405)和所述第二III族氮化物三元合金层(210、410)的III族氮化物元素的浓度范围，使得在所述第一III族氮化物三元合金层(205、405)和所述第二III族氮化物三元合金层(210、410)的异质结的界面(207、407)处的极化强度差的绝对值小于或等于0.007C/m2或大于或等于0.04C/m2；
从所确定的浓度范围中选择(115)所述第一III族氮化物三元合金层(205、405)和所述第二III族氮化物三元合金层(210、410)的III族氮化物元素的特定浓度，使得在所述第一III族氮化物三元合金层(205、405)和所述第二III族氮化物三元合金层(210、410)的异质结的界面(207、407)处的极化强度差的绝对值小于或等于0.007C/m2或大于或等于0.04C/m2；以及
利用所选择的所述第一III族氮化物三元合金层(205、405)和所述第二III族氮化物三元合金层(210、410)的III族氮化物元素的特定浓度来形成(120)包括异质结的所述半导体器件(200、400)，
其中，所述第一III族氮化物三元合金层(205、405)和所述第二III族氮化物三元合金层(210、410)具有纤锌矿晶体结构，并且
其中，所述第一III族氮化物三元合金层(205、405)是氮化铝镓，AlGaN；并且所述第二III族氮化物三元合金层(205、405)是氮化铟镓InGaN、氮化铟铝InAlN、氮化硼铝BAlN或氮化硼镓BGaN。


2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
基于所述第一III族氮化物三元合金层的自发极化强度和压电极化强度之和，以及基于所述第二III族氮化物三元合金层的自发极化强度和压电极化强度之和来确定所述第一III族氮化物三元合金层和所述第二III族氮化物三元合金层的III族氮化物元素的浓度范围。


3.根据权利要求2所述的方法，其中
所述第一III族氮化物三元合金层包括AlxGa1-xN，
所述第二III族氮化物三元合金层包括InyGa1-yN，
所述第一III族氮化物三元合金层的自发极化强度以C/m2为单位，并且其等于0.0072x2-0.0127x+1.3389，以及
所述第二III族氮化物三元合金层的自发极化强度以C/m2为单位，并且其等于0.1142y2-0.2892y+1.3424。


4.根据权利要求3所述的方法，其中
所述第一III族氮化物三元合金层的压电极化强度为



所述第二III族氮化物三元合金层的压电极化强度为



e31(x)是所述第一III族氮化物三元合金层的压电常数的内应变项，单位为C/m2，并且其等于-0.0573x2-0.2536x-0.3582，
e33(x)是所述第一III族氮化物三元合金层的压电常数的钳位离子项，单位为C/m2，并且其等于0.3949x2+0.6324x+0.6149，
e31(y)是所述第二III族氮化物三元合金层的压电常数的内应变项，单位为C/m2，并且其等于0.2396y2-0.4483y-0.3399，
e33(y)是所述第二III族氮化物三元合金层的压电常数的钳位离子项，单位为C/m2，并且其等于-0.1402y2+0.5902y+0.6080，
α(x)以为单位并且是所述第一III族氮化物三元合金层的晶格常数，
α(y)以为单位并且是第二氮化铝三元合金层的晶格常数，
αrelax(x)以为单位并且是所述第一III族氮化物三元合金层的完全驰豫晶格常数，
αrelax(y)以为单位并且是所述第二III族氮化物三元合金层的完全驰豫晶格常数，
C13(x)和C33(x)以GPa为单位并且是所述第一III族氮化物三元合金层的弹性常数，
C13(y)和C33(y)以GPa为单位并且是所述第二III族氮化物三元合金层的弹性常数，
PSP(x)是所述第一III族氮化物三元合金层的自发极化强度，以及
PSP(y)是所述第二III族氮化物三元合金层的自发极化强度。


5.根据权利要求2所述的方法，其中
所述第一III族氮化物三元合金层包括AlxGa1-xN，
所述第二III族氮化物三元合金层包括InyAl1-yN，
所述第一III族氮化物三元合金层的自发极化强度以C/m2为单位，并且其等于0.0072x2-0.0127x+1.3389，以及
所述第二III族氮化物三元合金层的自发极化强度以C/m2为单位，并且其等于0.1563y2-0.3323y+1.3402。


6.根据权利要求5所述的方法，其中
所述第一III族氮化物三元合金层的压电极化强度为



所述第二III族氮化物三元合金层的压电极化强度为



e31(x)是所述第一III族氮化物三元合金层的压电常数的内应变项，单位为C/m2，并且其等于-0.0573x2-0.2536x-0.3582，
e33(x)是所述第一III族氮化物三元合金层的压电常数的钳位离子项，单位为C/m2，并且其等于0.3949x2+0.6324x+0.6149，
e31(y)是所述第二III族氮化物三元合金层的压电常数的内应变项，单位为C/m2，并且其等于-0.0959y2+0.239y-0.6699，
e33(y)是所述第二III族氮化物三元合金层的压电常数的钳位离子项，单位为C/m2，并且其等于0.9329y2-1.5036y+1.6443，
α(x)以为单位并且是所述第一III族氮化物三元合金层的晶格常数，
α(y)以为单位并且是所述第二氮化铝三元合金层的晶格常数，
αrelax(x)以为单位并且是所述第一III族氮化物三元合金层的完全驰豫晶格常数，
αrelax(y)以为单位并且是所述第二III族氮化物三元合金层的完全驰豫晶格常数，
C13(x)和C33(x)以GPa为单位并且是所述第一III族氮化物三元合金层的弹性常数，
C13(y)和C33(y)以GPa为单位并且是所述第二III族氮化物三元合金层的弹性常数，
PSP(x)是所述第一III族氮化物三元合金层的自发极化强度，以及
PSP(y)是所述第二III族氮化物三元合金层的自发极化强度。


7.根据权利要求2所述的方法，其中
所述第一III族氮化物三元合金层包括AlxGa1-xN，
所述第二III族氮化物三元合金层包括ByAl1-yN，
所述第一III族氮化物三元合金层的自发极化强度以C/m2为单位，并且其等于0.0072x2-0.0127x+1.3389，以及
所述第二III族氮化物三元合金层的自发极化强度以C/m2为单位，并且其等于0.6287y2+0.1217y+1.3542。


8.根据权利要求7所述的方法，其中
所述第一III族氮化物三元合金层的压电极化强度为



所述第二III族氮化物三元合金层的压电极化强度为



e31(x)是所述第一III族氮化物三元合金层的压电常数的内应变项，单位为C/m2，并且其等于-0.0573x2-0.2536x-0.3582，
e33(x)是所述第一III族氮化物三元合金层的压电常数的钳位离子项，单位为C/m2，并且其等于0.3949x2+0.6324x+0.6149，
e31(y)是所述第二III族氮化物三元合金层的压电常数的内应变项，单位为C/m2，并且其等于1.7616y2-0.9003y-0.6016，
e33(y)是所述第二III族氮化物三元合金层的压电常数的钳位离子项，单位为C/m2，并且其等于-4.0355y2+1.6836y+1.5471，
α(x)以为单位并且是所述第一III族氮化物三元合金层的晶格常数，
α(y)以为单位并且是所述第二氮化铝三元合金层的晶格常数，
αrelax(x)以为单位并且是所述第一III族氮化物三元合金层的完全驰豫晶格常数，
αrelax(y)以为单位并且是所述第二III族氮化物三元合金层的完全驰豫晶格常数，
C13(x)和C33(x)以GPa为单位并且是所述第一III族氮化物三元合金层的弹性常数，
C13(y)和C33(y)以GPa为单位并且是所述第二III族氮化物三元合金层的弹性常数，
PSP(x)是所述第一III族氮化物三元合金层的自发极化强度，以及
PSP(y)是所述第二III族氮化物三元合金层的自发极化强度。


9.根据权利要求2所述的方法，其中
所述第一III族氮化物三元合金层包括AlxGa1-xN，
所述第二III族氮化物三元合金层包括ByGa1-yN，
所述第一III族氮化物三元合金层的自发极化强度以C/m2为单位，并且其等于0.0072x2-0.0127x+1.3389，以及
所述第二III族氮化物三元合金层的自发极化强度以C/m2为单位，并且其等于0.4383y2+0.3135y+1.3544。


10.根据权利要求9所述的方法，其中
所述第一III族氮化物三元合金层的压电极化强度为



所述第二III族氮化物三元合金层的压电极化强度为



e31(x)是所述第一III族氮化物三元合金层的压电常数的内应变项，单位为C/m2，并且其等于-0.0573x2-0.2536x-0.3582，
e33(x)是所述第一III族氮化物三元合金层的压电常数的钳位离子项，单位为C/m2，并且其等于0.3949x2+0.6324x+0.6149，
e31(y)是所述第二III族氮化物三元合金层的压电常数的内应变项，单位为C/m2，并且其等于0.9809y2-0.4007y-0.3104，
e33(y)是所述第二III族氮化物三元合金层的压电常数的钳位离子项，单位为C/m2，并且其等于-2.1887y2+0.8174y+0.5393，
α(x)以为单位并且是所述第一III族氮化物三元合金层的晶格常数，
α(y)以为单位并且是所述第二氮化铝三元合金层的晶格常数，
αrelax(x)以为单位并且是所述第一III族氮化物三元合金层的完全驰豫晶格常数，
αrelax(y)以为单位并且是所述第二III族氮化物三元合金层的完全驰豫晶格常数，
C13(x)和C33(x)以GPa为单位并且是所述第一III族氮化物三元合金层的弹性常数，
C13(y)和C33(y)以GPa为单位并且是所述第二III族氮化物三元合金层的弹性常数，
PSP(x)是所述第一III族氮化物三元合金层的自发极化强度，以及
PSP(y)是所述第二III族氮化物三元合金层的自发极化强度。


11.一种半导体器件(200、400)，包括：
异质结，所述异质结包括布置在第二III族氮化物三元合金层(210、410)上的第一III族氮化物三元合金层(205、405)，其中
基于所述第一III族氮化物三元合金层(205、405)和所述第二III族氮化物三元合金层(210、410)的III族氮化物元素的浓度，所述第一III族氮化物三元合金层(205、405)和所述第二III族氮化物三元合金层(210、410)的异质结的界面(207、407)处的极化强度差的绝对值小于或等于0.007C/m2或大于或等于0.04C/m2，
所述第一III族氮化物三元合金层(205、405)和所述第二III族氮化物三元合金层(210、410)具有纤锌矿晶体结构，并且
所述第一III族氮化物三元合金层(205、405)是氮化铝镓AlGaN；并且所述第二III族氮化物三元合金层(210、410)是氮化铟镓InGaN、氮化铟铝InAlN、氮化硼铝BAlN或氮化硼镓BGaN。


12.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓航，刘开锴，
申请(专利权)人：阿卜杜拉国王科技大学，
类型：发明
国别省市：沙特阿拉伯;SA