半导体结构中的III-N至稀土过渡制造技术

鉴于III‑N层生长工艺中的高温问题，本文描述的实施例使用分层结构，分层结构包括稀土氧化物(REO)或稀土氮化物(REN)缓冲层和多晶III‑N‑RE过渡层以从REO层过渡到III‑N层。在一些实施例中，III‑N层的压电系数通过分层结构中的额外应变的引入而增大。然后，RE‑III‑N氮化物的多晶性可以被用于与III‑N层的晶格匹配。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】半导体结构中的III-N至稀土过渡相关申请的交叉引用本公开要求于2018年11月20日提交的美国临时专利申请No.62/769,951的美国法典第35篇第119(e)条的权益，该美国临时专利申请的全部内容通过引用整体并入本文中。
技术介绍
因为硅基板通常有成本效益，所以现有的半导体结构常常具有生长在硅基板上的基于氮化镓(GaN)或其它III-N的电子器件和光电子器件。然而，在很大程度上由于硅与GaN之间的大的晶格失配和热膨胀系数的巨大差异，在硅基板上生长III-N材料传统上是困难的。具体地，现有的III-N生长工艺常常依赖于高温来生长质量足以产生良好器件性能的III-N层。在高温下的III-N生长工艺期间和后续的结构冷却期间，拉伸应力可能进而增加。当向具有纤锌矿晶格的III-N层中添加稀土原子时将额外的应变引入到晶格常数中，从而导致III-N层的增大的压电系数，这是因为稀土原子周围的键被扭曲，这导致沿着c轴的较强的极化，另一方面，向III-N层添加稀土原子还将晶体结构从纤锌矿转变为立方晶。因此，重要的是增大材料的压电系数而不将稀土浓度增大至超过d引起晶体结构转变的临界水平。另外的现有的III-N生长工艺包括作为压电层沉积的III-N的单一组分。这种限定电声器件(RF滤波器)的耦合系数的压电系数性质是固有的。现有的在相对低的温度下生长III-N层的方法包括使用氮等离子体对生长在基板上方的外延稀土氧化物层进行改性，然后在稀土氧化物的改性表面上生长低温GaN层。在2018年3月13日发布的共同拥有的美国专利No.9,917,193中提供关于使用氮等离子体来生长低温GaN的更多讨论。另外的生长III-N层的现有方法包括使用单晶硅或单晶蓝宝石作为基板来生长III-N材料。在2015年9月22日发布的共同拥有的美国专利No.9,142,406中讨论了更多实施例。以上提到的专利其全部内容通过引用整体地明确并入本文中。
技术实现思路
提供了一种用于III-N至稀土过渡的分层结构。具体地，分层结构包括：基板；在基板上方的稀土氧化物或稀土氮化物缓冲层；在稀土氧化物或稀土氮化物缓冲层上方的第一III-N稀土过渡层；以及在第一III-N稀土过渡层上方的第二III-N稀土过渡层。在一些实施例中，稀土氧化物或稀土氮化物缓冲层在稀土氧化物或稀土氮化物缓冲层的上表面处具有第一晶格常数并且在稀土氧化物或稀土氮化物缓冲层的下表面处具有第二晶格常数。第一晶格常数小于第二晶格常数。在一些实施例中，第一III-N稀土过渡层包括具有ScAlN、ScGaN的至少三个子层。在一些实施例中，多个子层中的每个子层具有立方结构、简单六方结构或纤锌矿六方结构中的一种。在一些实施例中，压电系数通过引入面内压缩应变而增大，该面内压缩应变将沿着六方结构的c轴在面外方向上引入晶体晶格的拉伸应变。在一些实施例中，第二III-N稀土过渡层由以Sc作为表面活性剂生长的AlN构成。附图说明考虑结合附图进行的以下详细描述，本公开的其它特征、其性质和各种优点将变得清楚，在附图中，类似的参考符号始终表示类似的部件，并且其中：图1示出了根据本公开的实施例的具有用于生长III-N材料的过渡层的示例分层结构；图2示出了根据本公开的一个实施例的与图1中示出的结构类似的分层结构的示例组分；图3示出了根据本公开的一个实施例的图1中的分层结构中示出的第一过渡层的另一示例组分；图4至图7示出了根据本公开的一些实施例的促进图1中示出的外延结构的应力调谐(stress-tuning)的第一过渡层的各种示例组分；图8示出了根据本公开的一个实施例的促进图1中示出的外延结构的应力调谐的分层结构中示出的第一过渡层和第二过渡层的示例组分；图9示出了根据本公开的一个实施例的促进图1中示出的外延结构的应力调谐的分层结构中示出的第一过渡层和第二过渡层的示例组分；图10示出了根据本公开的一个实施例的促进图1中示出的外延结构的应力调谐的分层结构中示出的第一过渡层和第二过渡层的示例组分；图11示出了根据本公开的一个实施例的促进应力调谐以增大外延结构的压电系数的多层结构的示例组分；图12示出了根据本公开的一个实施例的促进应力调谐以增大外延结构的压电系数的多层结构的示例组分；图13示出了根据本公开的一个实施例的促进应力调谐以增大外延结构的压电系数的交替的分层结构的示例组分；图14示出了根据本公开的一个实施例的促进应力调谐以增大外延结构的压电系数的作为超晶格的多层结构的示例组分；图15示出了根据本公开的一个实施例的促进应力调谐以增大外延结构的压电系数的作为超晶格的多层结构的示例组分；图16示出了根据本公开的一个实施例的促进图1中示出的外延结构的应力调谐的采用重复子层的第一过渡层的示例组分；图17示出了根据本公开的一个实施例的促进图1中示出的外延结构的应力调谐的第一过渡层的示例组分；图18是根据本公开的一些实施例的用于制成分层结构的例示性工艺的流程图；图19是根据本公开的一些实施例的用于制成具有预备层的分层结构的例示性工艺的流程图；图20示出了根据本公开的一个实施例的图1中的分层结构中示出的第一过渡层和第二过渡层的示例组分；图21示出了根据本公开的一个实施例的例示了使用类似于图6的第一过渡组分在场效应晶体管(FET)结构中生长不同应力层的示例结构；以及图22示出了根据本公开的一个实施例的例示了使用类似于图6的第一过渡组分的FET集成的替代示例结构。具体实施方式鉴于III-N层生长工艺中的高温问题，本文描述的实施例使用稀土氧化物(REO)至稀土氮化物(REN)缓冲层和多晶III-N-RE过渡层以从REO层过渡到III-N层。然后，可以使用RE-III-N氮化物的多晶性(polymorphism)与III-N层进行晶格匹配。图1示出了根据本文描述的实施例的具有用于生长III-N材料的过渡层的示例分层结构。分层结构100可以从基板102开始，在基板102上生长REO-REN缓冲层104。REO-REN缓冲层104在上表面105a处具有比基板-缓冲层界面105b处的面内晶格常数小的面内晶格常数。在REO-REN缓冲层104上方生长第一过渡层106。第一过渡层106由多晶RE-III-N构成，该多晶RE-III-N是基于生长工艺控制具有可控晶体结构的一种合金(或多种合金)。例如，当第一过渡层106采取诸如立方晶、六方晶或纤锌矿之类的不同晶体形式时，第一过渡层106中的面内晶格间距可能相应地变化。在下面的表1中提供了不同晶体结构(例如，立方结构“C-”、简单六方结构(BN)“h-”或纤锌矿六方结构“w-”)的示例多晶RE-III-N材料的晶格常数：表1多晶III-N的示例晶格常数如表1中所示，六方ScN的晶格常数a大于纤锌矿ScN的晶格常数a，该纤锌矿ScN的晶格常本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分层结构，包括：/n基板；/n含稀土缓冲层，所述含稀土缓冲层在基板上方；/n第一III-N稀土过渡层，所述第一III-N稀土过渡层在含稀土缓冲层上方；以及/n第二III-N稀土过渡层，所述第二III-N稀土过渡层在第一III-N稀土过渡层上方。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181120 US 62/769,951;20191119 US 16/688,1621.一种分层结构，包括：
基板；
含稀土缓冲层，所述含稀土缓冲层在基板上方；
第一III-N稀土过渡层，所述第一III-N稀土过渡层在含稀土缓冲层上方；以及
第二III-N稀土过渡层，所述第二III-N稀土过渡层在第一III-N稀土过渡层上方。


2.根据权利要求1所述的分层结构，其中，含稀土缓冲层选自由稀土氧化物或稀土氮化物组成的组。


3.根据权利要求2所述的分层结构，其中，含稀土缓冲层在含稀土缓冲层的上表面处具有第一晶格常数并且在含稀土缓冲层的下表面处具有第二晶格常数，其中，第一晶格常数小于第二晶格常数。


4.根据权利要求1所述的分层结构，其中，第一III-N稀土过渡层包括ScAlN和ScGaN的至少三个子层。


5.根据权利要求4所述的分层结构，其中，多个子层中的每个子层具有立方结构、简单六方结构或纤锌矿六方结构中的一种。


6.根据权利要求1所述的分层结构，其中，第二III-N稀土过渡层包括用Sc作为表面活性剂生长的AlN。


7.根据权利要求4所述的分层结构，其中，在第一III-N稀土过渡层的下端处的第一子层具有第一晶格常数，在第一III-N稀土过渡层的中间处的第二子层具有第二晶格常数，并且在第一III-N稀土过渡层的上端处的第三子层具有第三晶格常数；以及
其中，第一晶格常数小于第二晶格常数并且第二晶格常数小于第三晶格常数。


8.根据权利要求1所述的分层结构，其中，第一III-N稀土过渡层包括ScAlN的多个子层，并且ScAlN的晶体结构在第一III-N稀土过渡层的上表面和第一III-N稀土过渡层的下表面处能够不同。


9.根据权利要求1所述的分层结构，其中，第二III-N稀土过渡层掺杂有稀土(RE)，以控制表面迁移率和晶格动力学。


10.根据权利要求1所述的分层结构，其中，第一III-N稀土过渡层包括：
h-ScaGa(1-a)N的第一子层，
h-SchAl(1-h)N的第二子层，以及
w-ScnAl(1-n)N的第三子层，
其中，所述子层顺次堆叠在彼此的顶部，
其中，第二子层的系数h大于第三子层的系数n，并且第一子层的面内晶格常数大于第二层的面内晶格常数，并且第二层的面内常数大于第三层的面内常数。


11.根据权利要求1所述的分层结构，其中，第一III-N稀土过渡层包括：
多个子层，其中每个子层具有晶格常数，
其中，所述多个子层中的第一子层在第一III-N稀土过渡层的上表面处具有第一晶格常数，并且所述多个子层中的另一子层在第一III-N稀土过渡层的下表面处具有第二晶格常数，并且
其中，第一晶格常数大于第二晶格常数。


12.根据权利要求1所述的分层结构，其中，第一III-N稀土过渡层是压电层。


13.根据权利要求1所述的分层结构，其中，第一III-N稀土过渡层受到压缩应力...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·达尔基斯，A·克拉克，R·佩尔策尔，M·莱贝，R·延卡，
申请(专利权)人：IQE公开有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB