CN111466012B - 具有氮化铟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 - Google Patents
具有氮化铟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 Download PDFInfo
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Abstract
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/m2或大于或等于0.04C/m2。从确定的浓度范围中选择用于第一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族氮化物元素的特定浓度来形成半导体器件。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InGaN，并且第二III族氮化物三元合金层是AlGaN、InAlN、BAlN或BGaN。
Description
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“BORON IIINITRIDE HETEROJUNCTIONS WITH ZERO TO LARGE HETEROINTERFACE POLARIZATIONS”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-NITRIDESEMICONDUCTOR HETEROSTRUCTURES WITH ZERO TO LARGE HETEROINTERFACEPOLARIZATION”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“POLARIZATION EFFECT OF InGaN/AllnN HETEROJUNCTIONS STRAINED ON GaN”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“POLARIZATION EFFECT OFGaAIN/AllnN HETEROJUNCTIONS STRAINED ON AIN”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“POLARIZATION EFFECT OF AlGaN/InGaNHETEROJUNCTIONS STRAINED ON GaN”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“POLARIZATION EFFECT OF AlGaN/BGaN HETEROJUNCTIONS STRAINEDON GaN”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“POLARIZATION EFFECT OF AlGaN/AllnN HETEROJUNCTIONS STRAINED ON AlN”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。
背景技术
技术领域
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。
背景技术的讨论
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。
发明内容
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铟镓(InGaN)，并且第二III族氮化物三元合金层是氮化铝镓(AlGaN)、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铟镓(InGaN)，并且第二III族氮化物三元合金层是氮化铝镓(AlGaN)、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族氮化物元素特定浓度以及特定衬底在衬底上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铟镓(InGaN)，并且第二III族氮化物三元合金层是氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟铝(InAlN)、氮化硼铝(BAlN)或氮化硼镓(BGaN)。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书一部分的附图图示了一个或更多个实施例，并且与说明书一起解释了这些实施例。在附图中：
图1是根据实施例的形成包括两个纤锌矿III族氮化物三元合金层的异质结的半导体器件的方法的流程图；
图2是根据实施例的包括两个纤锌矿III族氮化物三元合金层的异质结的半导体器件的示意图；
图3是根据实施例的在衬底上形成包括两个纤锌矿III族氮化物三元合金层的异质结的半导体器件的方法的流程图；
图4是根据实施例的在衬底上的包括两个纤锌矿III族氮化物三元合金层的异质结的半导体器件的示意图；
图5A是根据实施例的所计算的晶格常数与纤锌矿氮化铝镓(AlGaN)的硼成分的图形；
图5B是根据实施例的所计算的晶格常数与纤锌矿氮化铟镓(InGaN)的硼成分的图形；
图5C是根据实施例的所计算的晶格常数与纤锌矿氮化铝铟(InAlN)的铝成分的图形；
图5D是根据实施例的所计算的晶格常数与纤锌矿氮化硼铝(BAlN)的铟成分的图形；以及
图5E是根据实施例的所计算的晶格常数与纤锌矿氮化硼镓(BGaN)的铟成分的图形。
具体实施方式
下面参考附图对示例性实施例进行描述。不同附图中的相同附图标记表示相同或相似的元件。下面的详细描述并不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求书限定。为了简单起见，关于纤锌矿III族氮化物三元合金的术语和结构讨论了以下实施例。
在整个说明书中，对“一个实施例”或者“实施例”的引用指的是结合包含在所公开主题的至少一个实施例中的实施例所描述的特定特征、结构或者特性。因此，在整个说明书中多个地方出现的短语“在一个实施例中”或者“在实施例中”不一定都是指同一实施例。另外，特定特征、结构或者特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多个实施例中。
图1是根据实施例的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的流程图。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(步骤105)。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(步骤110)。
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(步骤115)。最后，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(步骤120)。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铟镓(InGaN)，并且第二III族氮化物三元合金层是氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟铝(InAlN)、氮化硼铝(BAlN)或氮化硼镓(BGaN)。能够使用任何技术来执行层的形成，该技术包含但不限于金属有机化学气相沉积、分子束外延和高温沉积后退火。
对于诸如包含LED和激光二极管的光电子器件之类的某些半导体器件而言，第一III族氮化物三元合金层105和第二III族氮化物三元合金层110之间的界面207处的极化强度差的绝对值小于或等于0.007C/m2是有利的。另一方面，对于诸如高电子迁移率晶体管(HEMT)之类的某些半导体器件而言，第一III族氮化物三元合金层105和第二III族氮化物三元合金层110之间的界面207处的极化强度差的绝对值大于或等于0.04C/m2是有利的。
图2示出了根据图1方法的包括两个纤锌矿III族氮化物三元合金层的异质结的半导体器件的示意图。如图所示，半导体器件200包含异质结，该异质结包括布置在第二III族氮化物三元合金层210上的第一III族氮化物三元合金层205。基于第一III族氮化物三元合金层205和第二III族氮化物三元合金层210的III族氮化物元素的浓度，第一III族氮化物三元合金层205和第二III族氮化物三元合金层210的异质结的界面207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205和第二III族氮化物三元合金层210具有纤锌矿晶体结构。第一III族氮化物三元合金层205是氮化铟镓(InGaN)。第二III族氮化物三元合金层210是氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟铝(InAlN)、氮化硼铝(BAlN)或氮化硼镓(BGaN)。
图3是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的流程图。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(步骤305)。然后，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(步骤310)。
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(步骤315)。然后利用所选择的第一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和特定衬底在衬底上形成包括异质结的半导体器件(步骤320)。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铟镓(InGaN)，并且第二III族氮化物三元合金层是氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟铝(InAlN)、氮化硼铝(BAlN)或氮化硼镓(BGaN)。
能够使用任何技术来执行层的形成，该技术包含但不限于金属有机化学气相沉积、分子束外延和高温沉积后退火。
图4示出了根据图3方法的在衬底上的包括两个纤锌矿III族氮化物三元合金层的异质结的半导体器件的示意图。如图所示，包括第一III族氮化物三元合金层405的异质结布置在第二III族氮化物三元合金层410上。衬底415布置在第二III族氮化物三元合金层410下方。基于第一III族氮化物三元合金层405和第二III族氮化物三元合金层410的III族氮化物元素的浓度以及衬底415的晶格常数，第一III族氮化物三元合金层405和第二III族氮化物三元合金层410的异质结的界面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。第一III族氮化物三元合金层405和第二III族氮化物三元合金层410具有纤锌矿晶体结构。第一III族氮化物三元合金层405是氮化铟镓(InGaN)，第二III族氮化物三元合金层410是氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟铝(InAlN)、氮化硼铝(BAlN)或氮化硼镓(BGaN)。
衬底415能够是具有晶格常数的任何类型的衬底，使得在结合第一III族氮化物三元合金层405和第二III族氮化物三元合金层410的III族氮化物元素的浓度的情况下，实现小于或等于0.007C/m2或大于或等于0.04C/m2的、第一III族氮化物三元合金层405和第二III族氮化物三元合金层410的异质结的界面407处的极化强度差的绝对值。例如，衬底415能够是硅衬底、蓝宝石衬底、III族氮化物二元衬底。衬底415也能够是生长在另一衬底上的具有驰豫的或部分驰豫的晶格常数的III族氮化物三元或四元合金虚拟衬底。
如上所述，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成分范围基于两层之间的界面处的极化强度差。假定第一III族氮化物三元合金层具有成分AxC1- xN，第二III族氮化物三元合金层具有成分DyE1-yN，并且第一III族氮化物三元合金层布置在第二III族氮化物三元合金层的顶部，则第一III族氮化物三元合金层和第二III族氮化物三元合金层的界面处的极化强度差能够计算如下：
ΔP(x，y)＝P(AxC1-xN)-P(DyE1-yN) (1)
其中P(AxC1-xN)是第一III族氮化物三元合金层的极化强度，而P(DyE1-yN)是第二III族氮化物三元合金层的极化强度。
每一层的极化强度基于该层的自发极化强度(SP)和该层的压电极化强度(PZ)之和：
P(AxC1-xN)＝PSP(x)+PPZ(x) (2)
P(DyE1-yN)＝PSP(y)+PPZ(y) (3)
其中，x是异质结的上部的III族氮化物三元合金层中元素A相对于元素C的成分的百分比，y是异质结的下部的III族氮化物三元合金层中元素D相对于元素E的成分的百分比。
更具体地说，每一层的极化强度是：
其中，e31是压电常数的内应变(internal-strain)项，e33是压电常数的钳位离子(clamped-ion)项(使用固定的内部参数μ确定)，e31(x)和e33(x)是异质结的上部的III族氮化物三元合金层的压电常数，单位为C/m2，e31(y)和e33(y)是异质结的下部的III族氮化物三元合金层的压电常数，单位为C/m2，C13(x)和C33(x)是异质结的上部的III族氮化物三元合金层的弹性常数，单位为GPa，C13(y)和C33(y)是异质结的下部的III族氮化物三元合金层的弹性常数，单位为GPa，α(x)是AxC1-xN层的晶格常数，单位为α(y)是DyE1-yN层的晶格常数，单位为/>以及αrelax(x)是AxC1-xN层的完全驰豫晶格常数，单位为/>αrelax(y)是DyE1-yN层的完全驰豫晶格常数，单位为/>
应该认识到，当异质结的下部的III族氮化物三元合金层是衬底或在衬底上完全驰豫时，由于项变为零，所以异质结的下部的III族氮化物三元合金层将不会表现出压电极化强度。此外，当异质结的下部的III族氮化物三元合金层在衬底上完全应变时，两层的晶格常数都等于衬底的晶格常数。当异质结的下部的III族氮化物三元合金层在衬底上既不完全驰豫也不完全应变时，上部的III族氮化物三元合金层和下部的III族氮化物三元合金层的晶格常数都受衬底的晶格常数影响。当异质结的下部的III族氮化物三元合金层在衬底上既不完全驰豫也不完全应变时，能够基于使用例如X射线衍射(XRD)成像的实验来确定上部的和下部的III族氮化物三元合金层的晶格常数。这将涉及本领域普通技术人员的常规实验。
氮化铝镓(AlGaN)层的自发极化强度为：
氮化铟镓(InGaN)层的自发极化强度为：
氮化铟铝(InAlN)层的自发极化强度为：
氮化硼铝(BAlN)层的自发极化强度为：
氮化硼镓(BGaN)层的自发极化强度为：
应该认识到，如果该层是III族氮化物三元合金异质结的下部层，则公式(6)-(10)中的x下标将是y下标。
如以上公式(4)和(5)所示，压电极化强度的确定需要压电常数e31和e33。由于晶格失配，施加的应变(∈3或∈1)和晶体变形能够引起压电极化强度，其主要由两个压电常数e33和e31表征，并且由以下方程式给出：
压电常数也称为驰豫项，包括两个部分：是使用固定内部参数u获得的钳位离子项；并且/>是由外部应变引起的键变化所引起的内应变项。P3是沿c轴线的微观极化强度，u是内部参数，Z*是Born有效电荷张量的zz分量，e是电子电荷，并且α是晶格常数。
氮化铝镓(AlGaN)层的压电常数e31和e33为：
e31(AlxGa1-xN)＝-0.0573x2-0.2536x-0.3582 (13)
e33(AlxGa1-xN)＝0.3949x2+0.6324x+0.6149 (14)
氮化铟镓(InGaN)层的压电常数e31和e33为：
e31(InxGa1-xN)＝0.2396x2-0.4483x-0.3399 (15)
e33(InxGa1-xN)＝-0.1402x2+0.5902x+0.6080 (16)
氮化铟铝(InAlN)层的压电常数e31和e33为：
e31(InxAl1-xN)＝-0.0959x2+0.269x-0.6699 (17)
e33(InxAl1-xN)＝0.9329x2-1.5036x+1.6443 (18)
氮化硼铝(BAlN)层的压电常数e31和e33为：
e31(BxAl1-xN)＝1.7616x2-0.9003x-0.6016 (19)
e33(BxAl1-xN)＝-4.0355x2+0.6836x+1.5471 (20)
氮化硼镓(BGaN)层的压电常数e31和e33为：
e31(BxGa1-xN)＝0.9809x2-0.4007x-0.3104 (21)
e33(BxGa1-xN)＝-2.1887x2+0.8174x+0.5393 (22)
应该认识到，如果该层是III族氮化物三元合金异质结的下部层，则公式(13)-(22)中的x下标将是y下标。
如上面的公式(4)和(5)所示，压电极化强度的确定还需要异质结的上部的和下部的III族氮化物三元合金层的弹性常数C13和C33。这些弹性常数能够使用Vegard定律和如下的二元常数来确定。它们也能够通过直接计算三元常数来获得。
C13(BxAl1-xN)＝xC13(BN)+(1-x)C13(AlN) (23)
C13(BxGa1-xN)＝xC13(BN)+(1-x)C13(GaN) (24)
C13(AlxGa1-xN)＝xC13(AlN)+(1-x)C13(GaN) (25)
C13(InxGa1-xN)＝xC13(InN)+(1-x)C13(GaN) (26)
C13(InxAl1-xN)＝xC13(InN)+(1-x)C13(AlN) (27)
C33(BxAl1-xN)＝xC33(BN)+(1-x)C33(AlN) (28)
C33(BxGa1-xN)＝xC33(BN)+(1-x)C33(GaN) (29)
G33(AlxGa1-xN)＝xC33(AlN)+(1-x)C33(GaN) (30)
C33(InxGa1-xN)＝xC33(InN)+(1-x)C33(GaN) (31)
C33(InxAl1-xN)＝xC33(InN)+(1-x)C33(AlN) (32)
如上式(4)和(5)所示，压电极化强度的确定还需要异质结的上部的和下部的III族氮化物三元合金层的晶格常数α。对于三元合金，阳离子在阳离子位点之间随机分布，而阴离子位点始终被氮原子占据。实验上已经观察到，III族氮化物三元合金有不同类型的排序。
先前对包含AlGaN、InGaN和AlInN在内的常规III族氮化物三元合金的自发极化强度和压电常数的研究表明，具有不同排序的阳离子原子的超晶胞的自发极化强度能够有很大的差别。特殊准随机结构(SQS)能够有效地表示周期性条件下随机合金的微观结构。然而，特殊准随机结构仅适用于具有相同成分(即各占50％)的两种阳离子的三元合金。另一方面，由围绕每一个阴离子的一个种类的两个阳离子和其他种类的两个阳离子(因此为50％)所定义的黄铜矿型(CH)结构，以及由围绕每一个阴离子的一个种类的三个阳离子和其他种类的一个阳离子(因此为25％或75％)所定义的硫砷铜矿型(LZ)结构，能够很好地表示用于计算自发极化强度和压电常数的随机合金的微观结构。采用了黄铜矿型(50％)和硫砷铜矿型(25％、75％)结构的16个原子的超晶胞。然后使用0、25％、50％和100％的III族氮化物元素成分来计算III族氮化物三元合金的晶格常数，如下所示：
使用二次回归法来确定III族氮化物元素的四种不同成分百分比的晶格常数的剩余值，其结果如图5A-5E所示。具体地，图5A-5E分别示出了氮化铝镓(AlGaN)层、氮化铟镓(InGaN)层、氮化铟铝(InAlN)层、氮化硼铝(BAlN)层和氮化硼镓(BGaN)层的晶格常数(a)与III族氮化物元素的浓度，其中，层是处于完全驰豫的状态。应该认识到，图5A-5E中的值“a”对应于以上方程式(4)和(5)中的“α”。
上面的用于计算第一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方程式，假定了该异质结的界面为清晰的边界。尽管在实践中异质结的界面可能不存在完美的清晰的边界，但通常的做法是假定界面处有清晰的边界来计算两层的异质结的界面处的极化强度差。异质结的界面处的非清晰的边界将充当极化强度差计算中的加法或减法因子。尽管如此，由于所公开的实施例提供了能够从中选择III族氮化物元素的特定浓度的III族氮化物元素的浓度范围，能够使用所公开的实施例来选择距边界条件更远(即，当期望小的极化强度差时，比0.007C/m2更接近于零，而当期望大的极化强度差时，高于0.04C/m2的值)的特定浓度，以抵消异质结的界面处的非清晰的边界的影响。
如上所述，用于确定具有纤锌矿结构的两个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常规极化强度常数是基于III族氮化物二元元素的线性插值的，这可能是不准确的。因此，基于使用这些插值极化强度常数的计算的常规技术可能表明两个III族氮化物三元合金层之间的界面具有特定的极化强度差，而实际上，使用计算值构建的半导体器件在异质结界面处能够表现出不同的极化强度差。
使用本文公开的公式，能够针对包含AlGaN层、InGaN层、InAlN层、BAlN层和/或BGaN层的层的任何成分来更精确地确定极化强度差。具体地，这些公式首次允许能够识别上述III族氮化物三元合金层中III族氮化物元素的成分范围，以实现对于光电器件是有用的低极化强度差(即小于或等于0.007C/m2)或实现对于高电子迁移率晶体管有用的高极化强度差(即大于或等于0.04C/m2)。所确定的III族氮化物元素的成分范围为选择III族氮化物元素的特定成分提供了很大的灵活性，以实现所期望的极化强度差。例如，在成分范围中的成分值中的一些对于实践形成具有纤锌矿结构的层可能并不实用，如硼的高的浓度，在实践中很难形成。因此，在此示例中，能够选择不同的硼的浓度，并且调整其他层中III族氮化物元素的浓度，以在异质结界面处保持所期望的极化强度差。相比之下，在此公开之前，在III族氮化物三元合金层的异质结的界面处实现高或低的极化强度差，是调整两个III族氮化物三元合金层的成分以实现所期望的极化强度差的最佳试错法。
上面的讨论是关于某些III族氮化物三元合金的。应该认识到，这旨在涵盖具有两种III族氮化物元素的两种合金，以及涵盖具有附加元素的合金，这些附加元素可能由于例如污染物或杂质在形成层的过程期间成为一层或两层的一部分而以不显著的浓度出现。这些污染物或杂质通常包含小于III族氮化物三元合金层的总成分的0.1％。此外，当除了两类III族元素之外还有包含其他类III族元素的不显著的量的其他元素时，本领域技术人员也将III族氮化物合金视为三元合金。本领域技术人员会将元素的0.1％或更小的的浓度视为不显著的量。因此，例如，本领域技术人员将包含AlxGa1-x-yInyN(其中y≤0.1％)的层视为三元合金，这是因为其包含不显著的量的铟。
所公开的实施例提供了包括纤锌矿III族氮化物三元合金的异质结的半导体器件以及用于形成这种半导体器件的方法。应该理解，该说明书无意限制本发明。相反，示例性实施例旨在覆盖包含在由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的替代物、修改和等同物。此外，在示例性实施例的详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对所要求保护的发明的全面理解。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有这样的具体细节的情况下实践各种实施例。
尽管在实施例中以特定组合描述了本示例性实施例的特征和元件，但是每个特征或元件可以在没有实施例的其他特征和元件的情况下单独使用，或者以具有或不具有本文所公开的其他特征和元件的各种组合来使用。
本书面描述使用所公开主题的示例，以使本领域的任何技术人员能够实践该主题，包含制造和使用任何器件或系统以及执行任何合并的方法。该主题的可专利范围由权利要求限定，并且可以包含本领域技术人员想到的其他示例。这样的其他示例旨在落入权利要求的范围内。
Claims (10)
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：
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或极化强度差的绝对值应该大于或等于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或极化强度差的绝对值大于或等于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或极化强度差的绝对值大于或等于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)是氮化铟镓InGaN；并且所述第二III族氮化物三元合金层(210、410)是氮化铝镓AlGaN、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InxGa1-xN，
所述第二III族氮化物三元合金层包括AlyGa1-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0.1142x2-0.2892x+1.3424，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0.0072y2-0.0127y+1.3389。
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0.2396x2-0.4483x-0.3399，
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-0.1402x2+0.5902x+0.6080，
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-0.0573y2-0.2536y-0.3582，
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0.3949y2+0.6324y+0.6149，
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III族氮化物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InxGa1-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0.1142x2-0.2892x+1.3424，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0.2396x2-0.4483x-0.3399，
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-0.1402x2+0.5902x+0.6080，
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III族氮化物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InxGa1-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0.1142x2-0.2892x+1.3424，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0.2396x2-0.4483x-0.3399，
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-0.1402x2+0.5902x+0.6080，
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III族氮化物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InxGa1-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0.1142x2-0.2892x+1.3424，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0.2396x2-0.4483x-0.3399，
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-0.1402x2+0.5902x+0.6080，
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III族氮化物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。
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