CN111512414B - 形成iii族氮化物合金 - Google Patents

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Abstract

用于形成半导体器件的方法包括选择衬底、和纤锌矿III族氮化物合金层的压电极化和有效压电系数，在所述衬底上将形成纤锌矿III族氮化物合金层。确定是否存在满足所选有效压电系数的纤锌矿III族氮化物合金成分。还基于所选衬底和所选有效压电系数，确定是否存在满足所选压电极化的由纤锌矿III族氮化物合金成分形成的层的厚度。对于确定存在晶格常数满足所选有效压电系数的纤锌矿III族氮化物合金成分，并且该纤锌矿III族氮化物合金成分形成的层的厚度满足所选压电极化的情况，在衬底上形成纤锌矿III族氮化物合金层，所述纤锌矿III族氮化物合金层具有满足所选有效压电系数的纤锌矿III族氮化物合金成分并且具有满足所选压电极化的厚度。

Description

形成III族氮化物合金
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年12月5日提交的题为“改变III族氮化物材料和异质结的极化的应变敏感性的方法”的美国临时专利申请第62/594779的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
背景技术
技术领域
所公开的主题的实施方案一般涉及基于纤锌矿III族氮化物合金层的有效压电系数、应变和晶格常数形成具有所需总极化或所需压电极化的III族氮化物合金层的方法。
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有利于用于光电子器件，例如可见光和紫外线发光二极管(LED)、激光二极管、以及高功率器件例如高电子迁移率晶体管(HEMT)。由于纤锌矿结构的不对称性，III族氮化物及其异质结会表现出很强的自发极化(SP)和压电(PZ)极化，这会极大地影响半导体器件的工作。例如，由于量子阱(QW)的内部极化场引起的量子限制的斯塔克效应(QCSE)，LED和激光二极管的辐射复合率降低，并且发射波长发生偏移。因此，对于这些类型的器件，异质结界面处极化差更小能够有利地最小化或消除量子限制斯塔克效应。相比之下，高电子迁移率晶体管(HEMT)在异质结的界面处需要高的极化差，以产生强的载流子限制并形成二维电子气(2DEG)。
纤锌矿III族氮化物合金层的极化是基于该层的自发极化和压电极化来确定的。当前，纤锌矿III族氮化物合金层的极化是使用可能不准确的纤锌矿III族氮化物合金的极化常数来计算的。具体来说，大多数人使用的纤锌矿III族氮化物三元合金的常规极化常数是基于二元材料常数(即基于氮化硼(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，相对于相应的二元材料成分，纤锌矿III族氮化物三元合金(例如AlGaN、InGaN、InAlN、BAlN和BGaN)的自发极化和压电极化可能具有相当大的非线性特征。
此外，目前尚不十分了解哪些特定因素会影响纤锌矿III族氮化物合金层的压电极化。
因此，需要找出影响纤锌矿III族氮化物合金层的压电极化的因素，以便可以利用这些因素来形成具有所需压电极化以及进一步的所需总极化的纤锌矿III族氮化物合金层。
发明内容
根据一个实施方案，存在一种用于形成半导体器件的方法。选择将在其上形成纤锌矿III族氮化物合金层的衬底。选择纤锌矿III族氮化物合金层的压电极化。选择纤锌矿III族氮化物合金层的有效压电系数。确定是否存在满足所选有效压电系数的纤锌矿III族氮化物合金成分。还基于所选衬底和所选有效压电系数，确定是否存在满足所选压电极化的由纤锌矿III族氮化物合金成分形成的层的厚度。对于确定存在晶格常数满足所选有效压电系数的纤锌矿III族氮化物合金成分，并且由纤锌矿III族氮化物合金成分形成的层的厚度满足所选压电极化的情况，在衬底上形成纤锌矿III族氮化物合金层，该纤锌矿III族氮化物合金层包含满足所选有效压电系数的纤锌矿III族氮化物合金成分并且具有满足所选压电极化的厚度。
根据另一个实施方案，存在一种用于形成具有在所需有效压电系数范围内的有效压电系数的纤锌矿III族氮化物层的方法。基于纤锌矿III族氮化物层的成分来确定纤锌矿III族氮化物层的有效压电系数。然后确定所确定的有效压电系数是否在所需有效压电系数范围内。对于确定所确定的有效压电系数不在所需有效压电系数范围内的情况，调整纤锌矿III族氮化物层的成分。当确定的有效压电系数大于所需有效压电系数范围时，在经调整的纤锌矿III族氮化物层的成分中增加硼、镓或铟的量。当确定的有效压电系数小于所需有效压电系数范围时，在经调整的纤锌矿III族氮化物层的成分中增加铝的量。使用经调整的纤锌矿III族氮化物层的成分来形成纤锌矿III族氮化物层。
根据另一个实施方案，存在一种用于形成半导体器件的方法。选择衬底，在所述衬底上将形成纤锌矿III族氮化物合金层。选择纤锌矿III族氮化物合金的压电极化。选择纤锌矿III族氮化物合金层的纤锌矿III族氮化物合金成分。然后确定所选纤锌矿III族氮化物合金成分的应变值是否满足所选压电极化。对于确定所选纤锌矿III族氮化物合金成分的应变值满足所选压电极化的情况，在所选衬底上形成具有所选纤锌矿III族氮化物合金成分的纤锌矿III族氮化物合金层，使得形成的纤锌矿III族氮化物合金层表现出所述应变值。
附图简要说明
附图结合在说明书中并构成说明书一部分，示出了一个或多于一个实施方案，并且与说明书一起解释了这些实施方案。在附图中：
图1是根据实施方案形成纤锌矿III族氮化物合金层的方法的流程图；
图2是示出根据实施方案的纤锌矿III族氮化物材料的有效压电系数的图；
图3是根据实施方案形成纤锌矿III族氮化物合金层的方法的流程图；
图4是根据实施方案形成纤锌矿III族氮化物合金层的方法的流程图；
图5是根据实施方案形成纤锌矿III族氮化物层的方法的流程图；并且
图6A至图6D是示出根据实施方案在不同应变和极性下的自发极化和压电极化的框图。
具体实施方式
以下示例性实施方案的描述参考附图。不同附图中的相同附图标记表示相同或相似的要素。以下详细描述不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求书限定。讨论了以下实施方案，为了简单起见，使用了纤锌矿III族氮化物层的术语和结构。
贯穿本说明书，对“一个实施方案”或“实施方案”的引用意味着结合该实施方案描述的特定特征、结构或特性包括在本公开主题的至少一个实施方案中。因此，贯穿本说明书，在各个地方出现的短语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”不一定是指同一实施方案。此外，在一个或多于一个实施方案中，可以以任何合适的方式组合特定的特征、结构或特性。
图1是用于形成半导体器件的方法的流程图。首先，选择衬底，在所述衬底上将形成纤锌矿III族氮化物合金层(步骤105)。衬底可以是例如氮化镓(GaN)衬底、氮化铝(AlN)衬底、蓝宝石衬底等。接下来，选择纤锌矿III族氮化物合金层的压电极化(步骤110)。如下式所示，压电极化PPZ(x)和自发极化PSP(x)的总和定义了纤锌矿III族氮化物合金层的总极化AxC1-xN。
P(AxC1-xN)＝PSP(x)+PPZ(x) (1)
接下来，选择纤锌矿III族氮化物合金层的有效压电系数(步骤115)。如下式所示，压电极化PPZ(x)可由C平面中的有效压电系数eeff与应变ε1的乘积表示：
PPZ＝eeffε1 (2)
然后确定是否存在满足所选有效压电系数的纤锌矿III族氮化物合金成分(步骤120)。该确定可能涉及使用下式，用于基于纤锌矿III族氮化物合金AxC1-xN的特定成分来确定有效压电系数eeff：
其中e31是压电常数的内应变项，e33是压电常数的受夹离子项(使用固定的内部参数μ确定)，e31(x)和e33(x)是纤锌矿III族氮化物合金层的压电常数，单位为C/m2，且C13(x)和C33(x)是纤锌矿III族氮化物合金层的弹性常数，单位为GPa。
为了便于讨论，纤锌矿III族氮化物合金AxC1-xN可以是氮化铝镓(AlxGa1-xN)、氮化铟镓(InxGa1-xN)、氮化铟铝(InxAl1-xN)、氮化硼铝(BxAl1-xN)或氮化硼镓(BxGa1-xN)。因此，可以使用下式确定AlxGa1-xN、InxGa1-xN、InxAl1-xN、BxAl1-xN和BxGa1-xN的自发极化：
可以使用下式确定AlxGa1-xN、InxGa1-xN、InxAl1-xN、BxAl1-xN和BxGa1-xN的压电常数e31和e33：
e31(AlxGa1-xN)＝-0.0573x2-0.2536x-0.3582 (9)
e33(AlxGa1-xN)＝0.3949x2+0.6324x+0.6149 (10)
e31(InxGa1-xN)＝0.2396x2-0.4483x-0.3399 (11)
e33(InxGa1-xN)＝-0.1402x2+0.5902x+0.6080 (12)
e31(InxAl1-xN)＝-0.0959x2+0.239x-0.6699 (13)
e33(InxAl1-xN)＝0.9329x2-1.5036x+1.6443 (14)
e31(BxAl1-xN)＝1.7616x2-0.9003x-0.6016 (15)
e33(BxAl1-xN)＝-4.0355x2+1.6836x+1.5471 (16)
e31(BxGa1-xN)＝0.9809x2-0.4007x-0.3104 (17)
e33(BxGa1-xN)＝-2.1887x2+0.8174x+0.5393 (18)
可以使用Vegard定律和二元常数按下式确定AlxGa1-xN、InxGa1-xN、InxAl1-xN、BxAl1-xN和BxGa1-xN的弹性常数C13和C33：
C13(BxAl1-xN)＝xC13(BN)+(1-x)C13(AlN) (19)
C13(BxGa1-xN)＝xC13(BN)+(1-x)C13(GaN) (20)
C13(AlxGa1-xN)＝xC13(AlN)+(1-x)C13(GaN) (21)
C13(InxGa1-xN)＝xC13(InN)+(1-x)C13(6aN) (22)
C13(InxAl1-xN)＝xC13(InN)+(1-x)C13(AlN) (23)
C33(BxAl1-xN)＝xC33(BN)+(1-x)C33(AlN) (24)
C33(BxGa1-xN)＝xC33(BN)+(1-x)C33(CaN) (25)
C33(AlxGa1-xN)＝xC33(AlN)+(1-x)C33(GaN) (26)
C3x(InxGa1-xN)＝xC33(InN)+(1-x)C33(GaN) (27)
C33(InxAl1-xN)＝xC33(InN)+(1-x)C33(AlN) (28)
作为使用上式以确定是否存在满足所选有效压电系数的纤锌矿III族氮化物合金成分的替代方法，可以构建不同纤锌矿III族氮化物合金成分的晶格常数a变化与有效压电系数eeff变化的关系图，其实例如图2所示。
图2的图形是通过确定许多不同成分(由图中的正方形、五边形、菱形和圆圈表示)在完全弛豫(即100％弛豫)时纤锌矿III族氮化物合金层的有效压电系数eeff和相应的晶格常数a0并创建匹配的曲线205-225而生成的。
曲线205示出了当将镓添加到氮化硼中时，从氮化硼(BN)过渡到氮化镓(GaN)，晶格常数a0相对于成分的有效压电系数eeff的变化过程，反之亦然。曲线210示出了当将铟添加到氮化镓中时，从氮化镓(GaN)过渡到氮化铟(InN)，晶格常数a0相对于成分的有效压电系数eeff的变化过程，反之亦然。曲线215示出了当将铝添加到氮化镓中时，从氮化镓(GaN)过渡到氮化铝(AlN)，晶格常数a0相对于成分的有效压电系数eeff的变化过程，反之亦然。曲线220示出了当将铝添加到氮化硼中时，从氮化硼(BN)过渡到氮化铝(AlN)，晶格常数a0相对于成分的有效压电系数eeff的变化过程，反之亦然。曲线220示出了当将铟添加到氮化铝中时，从氮化铝(AlN)过渡到氮化铟(InN)，晶格常数a0相对于成分的有效压电系数eeff的变化过程，反之亦然。
如图2所示，不同的三元纤锌矿III族氮化物合金具有各种范围的有效压电系数eeff。如果需要较小的有效压电系数eeff，则可以在衬底上形成BGaN和InGaN作为纤锌矿III族氮化物合金层。如果需要较大的有效压电系数eeff，则可以在衬底上形成高铝含量的BAlN、AlGaN或AlInN作为纤锌矿III族氮化物合金层。因此，从图2可以看出，可以通过添加或增加纤锌矿III族氮化物合金中铝的含量来提高有效压电系数eeff。此外，如果需要降低的有效压电系数eeff，则可以在纤锌矿III族氮化物合金中添加或增加硼、镓或铟。
使用图2中的图形来确认一种或多于一种满足有效压电系数eeff的纤锌矿III族氮化物合金是特别有利的，因为在步骤130中晶格常数a0与应变结合使用。
返回图1，如果确定了不存在满足所选压电系数的纤锌矿III族氮化物合金成分(判定步骤120的“否”路径)，则选择纤锌矿III族氮化物合金层的经调整的有效压电系数(步骤125)，并且确定是否存在满足经调整的有效压电系数的纤锌矿III族氮化物合金成分(步骤120)。
然而，如果存在满足所选压电系数的一种或多于一种纤锌矿III族氮化物合金成分(判定步骤120的“是”路径)，则确定是否存在任何满足所选压电极化的一种或多于一种纤锌矿III族氮化物合金成分的厚度(步骤130)。进行此确定是因为厚度可能会影响纤锌矿III族氮化物合金层的应变和弛豫程度，取决于衬底以及衬底与层之间的晶格常数。如上所述，并且在式(2)中反映出的，压电极化PPZ(x)由C平面中的有效压电系数eeff和应变ε1的乘积表示。应变ε1可以用下式表示：
其中，a是一定弛豫程度(0％≤弛豫≤100％)下的晶格常数，a0是纤锌矿III族氮化物合金层完全弛豫(即100％弛豫)下的晶格常数。因为术语a是一定弛豫程度的晶格常数，所以a的值至少基于所选衬底的成分。如果所选衬底包含与纤锌矿III族氮化物合金层相同的材料和成分，并且纤锌矿III族氮化物合金层直接在衬底上生长，则无论纤锌矿III族氮化物合金层的厚度如何，a的值通常与衬底的晶格常数a0相同。如果所选衬底包括与纤锌矿III族氮化物合金层不同的材料或相同材料的不同成分，并且纤锌矿III族氮化物合金层直接生长在衬底上，则a的值将根据在衬底上形成的纤锌矿III族氮化物合金层的厚度而变化。具体地，a的值将是衬底的晶格常数(当纤锌矿III族氮化物合金层非常薄时)与纤锌矿III族氮化物合金层的晶格常数(当纤锌矿III族氮化物合金层太厚或超出临界厚度时)之间的值。
因此，可以使用图2的图形、使用下式或通过其他方法例如X射线衍射和透射电子显微镜，来确定纤锌矿III族氮化物合金层在完全弛豫时的晶格常数a0。纤锌矿BAlN、纤锌矿BGaN、纤锌矿InAlN、纤锌矿AlGaN和纤锌矿InGaN的晶格常数可以如下计算：
因为在该方法的这一阶段，已经选择了衬底、压电极化和有效压电系数(或经调整的有效压电系数)，并且已经确定了满足有效压电系数的至少一种III族氮化物合金成分，所以确认步骤130是基于衬底和纤锌矿III族氮化物合金层的厚度，因为这些是在一定弛豫度下限定晶格常数a的变量。
如果具有在步骤120中确定的特定纤锌矿III族氮化物合金成分的层的厚度不满足所选压电极化(判定步骤130的“否”路径)，则选择纤锌矿III族氮化物合金层的经调整的有效压电系数(步骤125)，并且确定是否存在满足经调整的有效压电系数的纤锌矿III族氮化物合金成分(步骤120)。
然而，如果具有在步骤120中确定的特定纤锌矿III族氮化物合金成分的层的厚度满足特定压电极化(判定步骤130的“是”路径)，则使用纤锌矿III族氮化物合金成分和相应的厚度形成纤锌矿III族氮化物合金层(步骤135)。
在图1的方法中的纤锌矿III族氮化物层(或纤锌矿III族氮化物合金层)的形成可采用金属有机气相沉积、分子束外延、高温沉积后退火或任何其他类似工艺。
尽管图1示出了以特定顺序和串行方式执行的步骤105-115中的选择，但是这些选择可以以不同的顺序进行和/或可以并行执行。
图3是根据实施方案用于形成纤锌矿III族氮化物合金层的方法的流程图。与图1的方法相似，在图3的方法中，选择衬底(步骤305)，并选择纤锌矿III族氮化物合金层的压电极化(310)。然而，在该方法中，选择纤锌矿III族氮化物合金成分(步骤315)。因此，然后确定所选纤锌矿III族氮化物合金成分的应变值是否满足所选压电极化。该确定可以采用下式，其是将式(29)代入式(2)：
因为已经选择了纤锌矿III族氮化物合金层的衬底、压电系数和成分，所以可以影响应变项ε1的唯一变量是纤锌矿III族氮化物合金层的厚度(假设纤锌矿III族氮化物合金的材料和成分与衬底不同)。
如果所选纤锌矿III族氮化物合金成分的应变值不满足所选压电极化(判定步骤320的“否”路径)，则选择经调整的纤锌矿III族氮化物合金成分(步骤325)，并且确定经调整的纤锌矿III族氮化物合金成分的应变值是否满足所选压电极化(步骤320)。然而，如果所选(或经调整的)纤锌矿III族氮化物合金的应变值满足所选压电极化(判定步骤320的“是”路径)，则使用具有实现该应变值的厚度的所选(或经调整的)纤锌矿III族氮化物合金在所选衬底上形成纤锌矿III族氮化物合金层(假定纤锌矿III族氮化物合金的成分与衬底不同)(步骤330)。
在图3的方法中的纤锌矿III族氮化物层(或纤锌矿III族氮化物合金层)的形成可采用金属有机气相沉积、分子束外延、高温沉积后退火或任何其他类似工艺。
尽管图3示出了以特定顺序和串行方式执行的步骤305-315中的选择，但是这些选择可以以不同的顺序进行和/或可以并行执行。
图4是根据实施方案用于形成纤锌矿III族氮化物合金层的方法的流程图。在该方法中，选择衬底、纤锌矿III族氮化物合金层的总极化和纤锌矿III族氮化物合金层的成分(步骤405-415)。然后，确定所选纤锌矿III组氮化物合金成分的应变值是否满足所选总极化(步骤420)。这可以使用下式确定，其是将式(35)代入式(1)：
因为已经选择了纤锌矿III族氮化物合金层的成分，因此该成分是已知的，可以使用式(4)-(8)确定自发极化PSP(x)，并且可以使用式(3)-(28)确定有效极化系数eeff。因此，假设衬底和纤锌矿III族氮化物合金具有不同的成分，则影响应变的唯一变量将是纤锌矿III族氮化物合金层的厚度。
如果所选的III族氮化物合金成分的应变值不满足所选总极化(判定步骤420的“否”路径)，则选择经调整的纤锌矿III族氮化物合金成分(步骤425)，然后确定经调整的纤锌矿III族氮化物合金成分的应变值是否满足所选总极化(步骤420)。但是，如果存在满足所选总极化的所选(或经调整的)纤锌矿III族氮化物合金成分(判定步骤420的“是”路径)，则使用具有实现该应变值的厚度的所选(或经调整的)纤锌矿III族氮化物合金成分在所选衬底上形成纤锌矿III族氮化物合金层(假定纤锌矿III族氮化物合金和衬底的成分不同)(步骤430)。
在图4的方法中的纤锌矿III族氮化物层(或纤锌矿III族氮化物合金层)的形成可采用金属有机气相沉积、分子束外延、高温沉积后退火或任何其他类似工艺。
尽管图4示出了以特定顺序和串行方式执行的步骤405-415中的选择，但是这些选择可以以不同的顺序进行和/或可以并行执行。
尽管确定具有特定III族氮化物元素成分的纤锌矿III族氮化物合金层的有效压电系数eeff是有用的，但确定如何调整纤锌矿III族氮化物层的成分以达到特定的有效压电系数或在有效压电系数的所需范围内的特定的有效压电系数也是有用的。图5是示出这种方法的流程图。最初，基于纤锌矿III族氮化物层的有效压电系数是基于该层的成分来确定的(步骤505)，这可以使用式(3)-(28)来实现。然后确定该有效压电系数是否在所需有效压电系数范围内(步骤510)。可以基于纤锌矿III族氮化物层的预期用途来选择所需有效压电系数范围。因此，例如，如果纤锌矿III族氮化物层旨在产生大的压电性，则选择有效压电系数范围以涵盖大的有效压电系数，反之亦然。
如果确定的有效压电系数在所需范围内(判定步骤510的“是”路径)，则基于层的成分形成纤锌矿III族氮化物层(步骤515)。然而，如果确定的有效压电系数不在所需范围内(离开判定步骤510的“否”路径)，则确定所确定的有效压电系数是否大于所需范围(步骤520)。如果确定的有效压电系数大于所需范围(判定步骤520的“是”路径)，则调整成分中硼、镓或铟的量以减小有效压电系数(步骤525)。硼、镓或铟的量的增加可以是从原始成分中不包含这些元素增加到经调整的成分中具有一定量的这些元素(在包含单一III族元素的纤锌矿III族氮化物层的初始成分的情况下，形成三元纤锌矿III族-氮化物合金层)，或者可以增加初始成分中已经存在的硼、镓或铟的初始量(在纤锌矿III族氮化物层的初始成分已经包含III族元素的情况下，该III族元素的量增加)。然后使用经调整的成分形成纤锌矿III族氮化物层，以使其在所需范围内显示出有效的压电系数(步骤530)。
如果有效压电系数小于所需范围(判定步骤520的“否”路径)，则调整成分中铝的量以增加有效压电系数(步骤535)。铝的量的增加可以是从原始成分中无铝增加到经调整的成分中具有一定量的铝(在包含单一III族元素的纤锌矿III族氮化物层的初始成分的情况下，形成三元纤锌矿III族氮化物合金层)，或者可以增加初始成分中已经存在的铝的初始量(在纤锌矿III族氮化物层的初始成分已经包含III族元素的情况下，该III族元素的量减少)。然后使用经调整的成分形成纤锌矿III族氮化物层，以使其在所需范围内显示出有效的压电系数(步骤540)。
在图5的方法中的纤锌矿III族氮化物层(或纤锌矿III族氮化物合金层)的形成可采用金属有机气相沉积、分子束外延、高温沉积后退火或任何其他类似工艺。
该方法采用了应变的一系列所需敏感度，因为可能无法使用特定的形成技术实现可以确定达到特定有效压电系数的成分。因为在实践中因为不一定总是需要获得特定的有效压电系数值，而是要获得提供更大或更小压电响应的有效压电系数，所以确定有效压电系数的范围将提供更大的灵活性。尽管如此，也可以采用图5的方法来获得特定的有效压电系数，在这种情况下，对该方法一定范围的每个引用都将被所需的特定有效压电系数代替。
上面结合图5的讨论涉及单一纤锌矿III族氮化物层，其可以用于能量存储器件例如电池，或者可以用于微机电系统(MEMS)。具体地，可以通过优化有效压电系数来优化单一纤锌矿III族氮化物层以用作能量存储器件。有效压电系数的值越高，响应于相同量的应变而产生的压电越大。因此，可以选择纤锌矿III族氮化物层的成分，使得该层对应变高度敏感，因此可以针对能量存储目的优化所得的能量存储器件。
上面结合图1、图3和图4的讨论涉及在衬底上形成纤锌矿III族氮化物层。现在将结合图6A至图6D呈现关于纤锌矿III族氮化物层和衬底的压电极化和自发极化行为的一些观察结果。首先是图6A，当在压缩应变下且针对金属极性，在衬底610上形成纤锌矿III族氮化物层605时，纤锌矿III族氮化物层605的压电极化Ppz,2指向上，加至指向相同的方向的自发极化Psp,2。如图6B所示，在压缩应变下且针对N极性，纤锌矿III族氮化物层605的压电极化Ppz,2指向下，加至指向相同方向的自发极化Psp,2。
现在转向图6C，当在拉伸应变下且针对金属极性，在衬底610上形成纤锌矿III族氮化物层605时，纤锌矿III族氮化物层605的压电极化Ppz,2指向下方，抵消了指向相反方向的自发极化Psp.2。如图6D所示，在拉伸应变下且针对N极性，纤锌矿III族氮化物层605的压电极化Ppz,2指向上，抵消了指向相反方向的自发极化Psp.2。因此，从图6A至图6D可以理解，压电极化在压缩应变下加至自发极化，并且压电极化在拉伸应变下减小自发极化，而与极性无关。
这些发现基于式(9)-(18)。具体地，基于那些等式，可以理解，BAlN和BGaN合金具有可以为负或正的压电常数e31和可以为负或正的压电常数e33。AlGaN、InGaN和InAlN均具有负的压电常数e31和正的压电常数e33。这确保了AlGaN、InGaN和InAlN的有效压电系数eeff为负。
氮化硼的自发极化非常大，以至于BAlN和BGaN的有效压电系数eeff也为负。所有具有负有效压电系数eeff值的III族氮化物及其合金均与先前结论一致，即与自发极化值是非线性的先前结论一致，这意味着当晶胞体积被拉伸或材料在C平面中处于拉伸状态时，极化变小，反之亦然。因此，自发极化和压电极化常数作为整体的极化特性表明，晶胞体积是极化值的决定因素。这对基于氮化物的半导体器件的极化工程具有深远的意义。例如，如果在衬底上生长具有较小晶格和较大自发极化值的薄层并对其进行完全应变，则拉伸应变会起到体积稀释作用，并可能导致由于感应的负压电极化，外延层与衬底之间的极化差为零，反之亦然。
以上讨论针对某些纤锌矿III族氮化物三元合金。应当认识到，这意在覆盖具有两种III族氮化物元素的合金以及具有另外元素的合金，由于例如污染物或杂质在形成层的过程中成为一层或两层的一部分，所述另外元素可能以很小的浓度出现。这些污染物或杂质通常构成小于III族氮化物三元合金层的总成分的0.1％。此外，当除了两种III族元素之外，还有数量可观的其他元素(包括其他III族元素)时，本领域技术人员也将III族氮化物合金视为三元合金。本领域技术人员会认为元素的浓度为0.1％以下是微量的。因此，例如，本领域技术人员将考虑包含AlxGa1-x-yInyN(其中y≤0.1％)的层作为三元合金，因为它包含的铟量很少。类似地，纤锌矿III族氮化物二元成分可包括少量浓度的另外元素，同时仍被认为是二元成分。
所公开的实施方案提供了用于形成具有至少一种呈现所需有效压电系数(或有效压电系数的范围)的III族氮化物合金层的半导体器件的方法。应当理解，该描述并非旨在限制本发明。相反，示例性实施方案旨在覆盖包括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、修改和等同形式。此外，在示例性实施方案的详细描述中，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方案。
尽管在以特定组合的实施方案中描述了现有示例性实施方案的特征和要素，但是每个特征或要素可以在没有实施例的其他特征和要素的情况下单独使用，或者以具有或不具有本文所公开的其他特征和要素的各种组合来使用。
本书面描述使用所公开主题的实施例，以使本领域技术人员能够实践该主题，包括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书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他实施例。这样的其他实施例旨在处于权利要求书的范围内。

Claims (19)

1.一种用于形成半导体器件的方法，所述方法包括：
(105)选择衬底，在所述衬底上将形成纤锌矿III族氮化物合金层；
(110)选择所述纤锌矿III族氮化物合金层的压电极化；
(115)选择所述纤锌矿III族氮化物合金层的有效压电系数；
(120)确定是否存在满足所选有效压电系数的纤锌矿III族氮化物合金成分；
(130)基于所选衬底和所选有效压电系数，确定是否存在满足所选压电极化的由所述纤锌矿III族氮化物合金成分形成的层的厚度；和
(135)对于确定存在晶格常数满足所选有效压电系数的所述纤锌矿III族氮化物合金成分，并且由所述纤锌矿III族氮化物合金成分形成的层的厚度满足所选压电极化的情况，在所述衬底上形成纤锌矿III族氮化物合金层，所述纤锌矿III族氮化物合金层包含满足所选有效压电系数的纤锌矿III族氮化物合金成分并且具有满足所选压电极化的厚度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中当确定不存在满足所选有效压电系数的纤锌矿III族氮化物合金成分时，所述方法还包括：
选择经调整的有效压电系数；
确定由所述纤锌矿III族氮化物合金成分形成的层的厚度是否满足经调整的压电极化；和
对于确定存在晶格常数满足经调整的有效压电系数的所述纤锌矿III族氮化物合金成分，并且由所述纤锌矿III族氮化物合金成分形成的层的厚度满足经调整的压电极化的情况，在所述衬底上形成纤锌矿III族氮化物合金层，所述纤锌矿III族氮化物合金层包含满足经调整的有效压电系数的纤锌矿III族氮化物合金成分并且具有满足所选压电极化的厚度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中当确定不存在由晶格常数满足所选压电极化的纤锌矿III族氮化物合金成分形成的层的厚度时，所述方法还包括：
选择经调整的有效压电系数；
确定是否存在晶格常数满足经调整的有效压电系数的另一种纤锌矿III族氮化物合金成分；
确定由所述另一种纤锌矿III族氮化物合金成分形成的层的厚度是否满足压电极化；和
对于确定存在晶格常数满足经调整的有效压电系数的所述另一种纤锌矿III族氮化物合金成分，并且所述另一种纤锌矿III族氮化物合金成分形成的层的厚度满足经调整的压电极化的情况，在所述衬底上形成纤锌矿III族氮化物合金层，所述纤锌矿III族氮化物合金层包含满足经调整的有效压电系数的另一种纤锌矿III族氮化物合金成分并且具有满足所选压电极化的厚度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中确定是否存在满足所选有效压电系数的纤锌矿III族氮化物合金成分包括：
选择纤锌矿III族氮化物合金AxC1-xN，其中A和C为III族氮化物元素，x为相对于纤锌矿III族氮化物合金层中元素C的量的元素A的量；和
根据下式，确定所选纤锌矿III族氮化物合金AxC1-xN是否满足所选有效压电系数eeff
其中e31(x)和e33(x)是所选纤锌矿III族氮化物合金AxC1-xN的压电常数，
其中C11(x)和C13(x)是所选纤锌矿III族氮化物合金AxC1-xN的弹性常数，和
其中PSP(x)是包含所选纤锌矿III族氮化物合金AxC1-xN的纤锌矿III族氮化物合金层的自发极化。
5.根据权利要求1所述的方法，其中确定是否存在满足所选有效压电系数的纤锌矿III族氮化物合金成分包括：
生成多种不同的纤锌矿III族氮化物合金成分的晶格常数与有效压电系数的函数关系图；和
使用所述图确定多种不同的纤锌矿III族氮化物合金成分中的任一种是否满足所选有效压电系数。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括：
使用所述图来确认满足所选有效压电系数的一种或多于一种纤锌矿III族氮化物合金成分对应的晶格常数，
其中将确认的晶格常数用于确定由所述纤锌矿III族氮化物合金成分形成的层的厚度是否满足所选压电极化。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述纤锌矿III族氮化物合金层包括AlxGa1-xN、InxGa1-xN、InxAl1-xN、BxAl1-xN或BxGa1-xN。
8.根据权利要求1所述的方法，其中使用金属有机气相沉积、分子束外延或高温沉积后退火以在所述衬底上形成纤锌矿III族氮化物合金层。
9.一种用于形成具有在所需有效压电系数范围内的有效压电系数的纤锌矿III族氮化物层的方法，所述方法包括：
(505)基于纤锌矿III族氮化物层的成分确定纤锌矿III族氮化物层的有效压电系数；
(510)确定所确定的有效压电系数是否在所需有效压电系数范围内；
(525、535)对于确定所确定的有效压电系数不在所需有效压电系数范围内的情况，调整纤锌矿III族氮化物层的成分，其中当确定的有效压电系数大于所需有效压电系数范围时，在经调整的纤锌矿III族氮化物层的成分中增加硼、镓或铟的量，并且，其中当确定的有效压电系数小于所需有效压电系数范围时，在经调整的纤锌矿III族氮化物层的成分中增加铝的量；
(530，540)使用经调整的纤锌矿III族氮化物层的成分形成纤锌矿III族氮化物层。
10.根据权利要求9所述的方法，其中确定纤锌矿III族氮化物层的有效压电系数包括：
基于纤锌矿III族氮化物层的一种III族元素或多于一种III族元素，选择纤锌矿III族氮化物层的压电常数；
基于纤锌矿III族氮化物层的所述一种III族元素或多于一种III族元素，选择纤锌矿III族氮化物层的弹性常数；
基于纤锌矿III族氮化物层的所述一种III族元素或多于一种III族元素，选择纤锌矿III族氮化物层的自发极化；
确定纤锌矿III族氮化物层的一种III族元素或多于一种III族元素的特定成分，
其中有效压电系数是基于纤锌矿III族氮化物层的一种III族元素或多于一种III族元素的所选压电常数、弹性常数、自发极化和特定成分来确定的。
11.根据权利要求10所述的方法，其中
根据下式确定有效压电系数
x是纤锌矿III族氮化物层中III族元素的量；或者，相对于纤锌矿III族氮化物层中的多于一种III族元素中的一种的量，x是纤锌矿III族氮化物层中多于一种III族元素中的另一种的量，
e31(x)和e33(x)是特定成分的一种III族元素或多于一种III族元素的压电常数，
C11(x)和C13(x)是特定成分的一种III族元素或多于一种III族元素的弹性常数，和
PSP(x)是纤锌矿III族氮化物层的特定成分的一种III族元素或多于一种III族元素的自发极化。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述纤锌矿III族氮化物层在衬底上形成。
13.根据权利要求9所述的方法，其中在没有在衬底的情况下形成所述纤锌矿III族氮化物层。
14.根据权利要求9所述的方法，其中所述纤锌矿III族氮化物层包括AlxGa1-xN、InxGa1- xN、InxAl1-xN、BxAl1-xN或BxGa1-xN。
15.根据权利要求9所述的方法，其中使用金属有机气相沉积、分子束外延或高温沉积后退火以形成所述纤锌矿III族氮化物层。
16.一种用于形成半导体器件的方法，所述方法包括：
(305)选择衬底，在所述衬底上将形成纤锌矿III族氮化物合金层；
(310)选择所述纤锌矿III族氮化物合金的压电极化；
(315)选择所述纤锌矿III族氮化物合金层的纤锌矿III族氮化物合金成分；
(320)确定所选纤锌矿III族氮化物合金成分的应变值是否满足所选压电极化；和
(330)对于确定所选纤锌矿III族氮化物合金成分的应变值满足所选压电极化的情况，在所选衬底上形成具有所选纤锌矿III族氮化物合金成分的纤锌矿III族氮化物合金层，以使得形成的纤锌矿III族氮化物合金层表现出所述应变值，
其中基于下式来确定所选纤锌矿III族氮化物合金成分的应变值是否满足所选压电极化：
PPZ＝eeffε1
其中，PPz是所选压电极化，eeff是基于所选纤锌矿III族氮化物合金成分的有效压电系数，并且ε1是应变。
17.根据权利要求16所述的方法，其中当确定所选纤锌矿III族氮化物合金成分的应变值不满足所选压电极化时，所述方法还包括：
选择所述纤锌矿III族氮化物合金层的经调整的纤锌矿III族氮化物合金成分；
确定经调整的纤锌矿III族氮化物合金成分的应变值是否满足所选压电极化；和
对于确定所选纤锌矿III族氮化物合金成分的应变值满足所选压电极化的情况，在所选衬底上形成具有经调整的纤锌矿III族氮化物合金成分的纤锌矿III族氮化物合金层，以使得形成的纤锌矿III族氮化物合金层表现出所述应变值。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所选纤锌矿III族氮化物合金成分包括AxC1-xN，并且基于下式确定有效压电系数eeff：
其中e31(x)和e33(x)是所选纤锌矿III族氮化物合金成分AxC1-xN的压电常数，
其中C11(x)和C13(x)是所选纤锌矿III族氮化物合金成分AxC1-xN的弹性常数，和
其中PSP(x)是包含所选纤锌矿III族氮化物合金成分AxC1-xN的纤锌矿III族氮化物合金层的自发极化。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所选纤锌矿III族氮化物合金成分包括AlxGa1-xN、InxGa1-xN、InxAl1-xN、BxAl1-xN或BxGa1-xN。
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