CN114616679B - 半导体器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种半导体器件，包括衬底、成核层、缓冲层、第一和第二氮化物基半导体层、一对S/D电极和栅电极。成核层设置在基板上。缓冲层包括含有第一元素的III‑V化合物。缓冲层设置在成核层上。缓冲层具有可变浓度的第一元素，其作为缓冲层厚度内的距离的函数递增然后递减。第一氮化物基半导体层设置在缓冲层上。第二氮化物基半导体层设置在第一氮化物基半导体层上并且具有大于第一氮化物基半导体层的带隙的带隙。S/D电极和栅电极设置在第二氮化物基半导体层上方。

Description

半导体器件及其制造方法
技术领域
本发明一般涉及半导体器件。更具体地说，本发明涉及高电子迁移率晶体管(HEMT)半导体器件，其具有的缓冲层具有III族元素振荡浓度。
背景技术
近年来，对高电子迁移率晶体管(high-electron-mobility transistors,HEMT)的深入研究已广泛应用于半导体器件，如大功率开关和高频应用。高电子迁移率晶体管利用具有不同带隙的两种材料之间的异质结界面形成类似量子阱的结构，该结构容纳二维电子气(two-dimensional electron gas,2DEG)区域，满足高功率/频率器件的要求。除了高电子迁移率晶体管，具有异质结构的器件的示例还包括异质结双极晶体管(heterojunction bipolar transistors,HBT)、异质结场效应晶体管(modulation-dopedFETs,MODFET)和调制掺杂FET(MODFET)。目前，需要提高HEMT器件的成品率，从而使其适合大规模生产。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种半导体器件，包括衬底、成核层、缓冲层、第一氮化物基半导体层、第二氮化物基半导体层、一对源/漏(S/D)电极和栅极。成核层包括一种化合物，其包括第一元素。成核层设置在衬底上并与衬底形成界面。缓冲层包括III-V化合物，其包含第一元素。缓冲层设置在成核层上，并与成核层形成界面。缓冲层具有第一元素的可变浓度，其呈现递增然后递减以作为缓冲层厚度内与距离相关的函数，其中相对于缓冲层内的第一参考点发生递增和递减。第一氮化物基半导体层设置在缓冲层上，并与缓冲层形成界面。第二氮化物基半导体层设置在第一氮化物基半导体层上，并且具有的带隙大于第一氮化物基半导体层的带隙，以便在之间形成具有二维电子气(2DEG)区域的异质结。S/D电极和栅极设置在第二氮化物基半导体层上，其中栅极位于S/D电极之间。
根据本发明的一个方面，提供了一种半导体器件，包括衬底、成核层、缓冲层、第一氮化物基半导体层、第二氮化物基半导体层、一对S/D电极和栅极。成核层包括一种化合物，其包括第一元素。成核层设置在衬底上并与衬底形成界面。缓冲层包括III-V化合物，其包含第一元素。缓冲层设置在成核层上，并与成核层形成界面。缓冲层具有第一元素的可变浓度，其呈现递减然后递增以作为缓冲层厚度内与距离相关的函数，其中相对于缓冲层内的第一参考点发生递减和递增。第一氮化物基半导体层设置在缓冲层上，并与缓冲层形成界面。第二氮化物基半导体层设置在第一氮化物基半导体层上，并且具有的带隙大于第一氮化物基半导体层的带隙，以便在之间形成具有2DEG区域的异质结。S/D电极和栅极设置在第二氮化物基半导体层上，其中栅极位于S/D电极之间。
根据本发明的一个方面，提供了一种半导体器件，包括衬底、成核层、缓冲层、第一氮化物基半导体层、第二氮化物基半导体层、一对S/D电极和栅极。成核层包括一种化合物，其包括第一III族元素且不含第二III族元素。成核层设置在衬底上并与衬底形成界面。缓冲层包括III-V化合物，其包含第一和第二III族元素。缓冲层设置在成核层上，并与成核层形成界面。缓冲层具有第二III族元素的可变浓度，其呈现递增然后递减以作为缓冲层厚度内与距离相关的函数，其中相对于缓冲层内的第一参考点发生递增和递减。第一氮化物基半导体层设置在缓冲层上，并与缓冲层形成界面。第二氮化物基半导体层设置在第一氮化物基半导体层上，并且具有的带隙大于第一氮化物基半导体层的带隙，以便在之间形成具有2DEG区域的异质结。S/D电极和栅极设置在第二氮化物基半导体层上，其中栅极位于S/D电极之间。
根据本发明的一个方面，提供了一种半导体器件，包括衬底、成核层、缓冲层、第一氮化物基半导体层、第二氮化物基半导体层、一对S/D电极和栅极。成核层包括一种化合物，其包括第一III族元素且不含第二III族元素。成核层设置在衬底上并与衬底形成界面。缓冲层包括III-V化合物，其包含第一和第二III族元素。缓冲层设置在成核层上，并与成核层形成界面。缓冲层具有第二III族元素的可变浓度，其呈现递减然后递增以作为缓冲层厚度内与距离相关的函数，其中相对于缓冲层内的第一参考点发生递减和递增。第一氮化物基半导体层设置在缓冲层上，并与缓冲层形成界面。第二氮化物基半导体层设置在第一氮化物基半导体层上，并且具有的带隙大于第一氮化物基半导体层的带隙，以便在之间形成具有2DEG区域的异质结。S/D电极和栅极设置在第二氮化物基半导体层上，其中栅极位于S/D电极之间。
根据本发明的一个方面，半导体器件包括衬底、成核层、缓冲层、第一氮化物基半导体层、第二氮化物基半导体层、一对S/D电极和栅极。成核层包括化合物，其包括第一III族元素且不含第二III族元素，并且成核层设置在衬底上并与衬底形成界面。缓冲层包括III-V化合物，其包括第一和第二III族元素。缓冲层设置在成核层上并与成核层形成界面。缓冲层具有第一III族元素与第二III族元素的元素比，元素比随着缓冲层厚度内的距离而递增然后递减，从而缓冲层具有根据元素比的变化而变化的晶格常数，其中，相对于缓冲层内的第一参考点发生递增和递减。第一氮化物基半导体层设置在缓冲层上并与缓冲层形成界面。第二氮化物基半导体层设置在第一氮化物基半导体层上，并且具有的带隙大于第一氮化物基半导体层的带隙，以便在它们之间形成具有2DEG区域的异质结。所述S/D电极和所述栅极设置在所述第二氮化物基半导体层上，其中所述栅极位于所述S/D电极之间。
根据本发明的一个方面，半导体器件包括衬底、成核层、缓冲层、第一氮化物基半导体层、第二氮化物基半导体层、一对S/D电极和栅极。成核层包括化合物，其包括第一III族元素且不含第二III族元素，并且成核层设置在衬底上并与衬底形成界面。缓冲层包括III-V化合物，其包括第一和第二III族元素。缓冲层设置在成核层上并与成核层形成界面。缓冲层具有第一III族元素与第二III族元素的元素比，元素比随着缓冲层厚度内的距离而递减然后递增，从而缓冲层具有根据元素比的变化而变化的晶格常数，其中，相对于缓冲层内的第一参考点发生递减和递增。第一氮化物基半导体层设置在缓冲层上并与缓冲层形成界面。第二氮化物基半导体层设置在第一氮化物基半导体层上，并且具有的带隙大于第一氮化物基半导体层的带隙，以便在它们之间形成具有2DEG区域的异质结。所述S/D电极和所述栅极设置在所述第二氮化物基半导体层上，其中所述栅极位于所述S/D电极之间。
根据本发明的一个方面，半导体器件包括衬底、成核层、缓冲层、第一氮化物基半导体层、第二氮化物基半导体层、一对S/D电极和栅极。所述成核层包括化合物，其包括第一元素，所述成核层设置在所述衬底上并与所述衬底形成界面。缓冲层包括III-V化合物，其包括第一元素。缓冲层设置在成核层上并与成核层形成界面。缓冲层具有相对于缓冲层内的第一和第二参考点呈周期性振荡的第一元素浓度，其中第一和第二参考点分别位于距离成核层顶面第一和第二距离处。第一氮化物基半导体层设置在缓冲层上并与缓冲层形成界面。第二氮化物基半导体层设置在第一氮化物基半导体层上，并且具有的带隙大于第一氮化物基半导体层的带隙，以便在它们之间形成具有2DEG区域的异质结。设置在第二氮化物基半导体层上的S/D电极和栅极，其中栅极位于S/D电极之间。
根据本发明的一个方面，半导体器件包括衬底、成核层、第一缓冲层、第一氮化物基半导体层、第二缓冲层、第二氮化物基半导体层、第三氮化物基半导体层和一对S/D电极，和一个栅极。所述成核层包括的化合物，其包括第一元素。成核层设置在所述衬底上并与所述衬底形成界面。第一缓冲层包括III-V化合物，其包括第一元素，第一缓冲层设置在成核层上并与成核层形成界面。第一元素的浓度相对于第一缓冲层内的第一参考点变化。第一氮化物基半导体层设置在第一缓冲层上并与第一缓冲层形成界面。第二缓冲层包括III-V化合物，其包括不同于第一元素的第二元素。第二缓冲层设置在第一氮化物基半导体层上并与第一氮化物基半导体层形成界面。第二元素的浓度随着第二缓冲层厚度内的距离的函数而变化，其相对于第二缓冲层内的第二参考点发生周期性振荡。第二氮化物基半导体层设置在第二缓冲层上并与第二缓冲层形成界面。第三氮化物基半导体层设置在第二氮化物基半导体层上，并且具有的带隙大于第二氮化物基半导体层的带隙，以便在它们之间形成具有2DEG区域的异质结。S/D电极和栅极电极设置在第三氮化物基半导体层上，其中栅极电极位于S/D电极之间。
通过应用上述配置，铝的可变浓度具有递减和递增的特性，因此铝的可变浓度趋势可以反转，这将改变缓冲层曲率的趋势。此能够避免曲率变得非常正或非常负。因此，在缓冲层上形成的层(例如，基于氮化物的半导体层)可以具有改进的质量。也就是说，曲率可以在所需范围内呈现为可控。在此后，缓冲层的生长可用于运行后续工艺(例如，在缓冲层上形成氮化物基半导体层)。因此，在制造半导体器件的过程中提高了半导体器件的成品率。
附图说明
当结合附图阅读时，从以下具体实施方式能容易地理解本揭露内容的各方面。应注意的是，各个特征可以不按比例绘制。实际上，为了便于论述，可任意增大或减小各种特征的尺寸。本发明的实施例在下文中可对照附图以进行更详细的描述，其中：
图1是根据本发明一些实施例的半导体器件的横截面图；
图2A是示意性地示出根据比较实施例的半导体器件的制造阶段的横截面图；
图2B是示出图2A的半导体器件的缓冲层厚度范围内的曲率与距离关系的曲线图；
图3A是示出根据本发明的一些实施例的缓冲层中铝的可变浓度与图1中缓冲层厚度范围内的距离的关系图；
图3B是示出根据本公开的一些实施例的图1中的缓冲层的厚度内的曲率与距离的关系的曲线图；
图4是示出根据本发明一些实施例的缓冲层中铝和镓的可变浓度与厚度范围内的距离的曲线图；
图5是示出根据本发明的一些实施例的缓冲层中铝与镓的元素比与其厚度范围内的距离的曲线图；
图6是示出根据本发明的一些实施例的缓冲层中铝的可变浓度与厚度范围内的距离的曲线图；
图7是示出根据本发明的一些实施例的缓冲层中镓的可变浓度与厚度范围内的距离的曲线图；
图8是示出根据本发明的一些实施例的缓冲层中铝与镓的元素比与厚度范围内的距离的曲线图；
图9是示出根据本发明的一些实施例的缓冲层中铝的可变浓度与厚度范围内的距离的曲线图；
图10是示出根据本发明的一些实施例的缓冲层中镓的可变浓度与厚度范围内的距离的曲线图；
图11是示出根据本发明的一些实施例的缓冲层中铝与镓的元素比与厚度范围内的距离的曲线图；
图12是示出根据本发明的一些实施例的缓冲层中铝的可变浓度与厚度范围内的距离的曲线图；
图13是示出根据本发明的一些实施例的缓冲层中镓的可变浓度与厚度范围内的距离的曲线图；
图14是示出根据本发明的一些实施例的缓冲层中铝与镓的元素比与厚度范围内的距离的曲线图；
图15A是根据本发明的一些实施例的半导体器件的横截面图；
图15B是示出根据本发明的一些实施例的缓冲层中铝的可变浓度与图15A的缓冲层厚度范围内的距离的曲线图；
图16是示出根据本发明的一些实施例的缓冲层中镓的可变浓度与厚度范围内的距离的曲线图；
图17是示出根据本发明的一些实施例的缓冲层中铝与镓的元素比与厚度范围内的距离的曲线图；
图18、图19和图20是分别示出根据本发明的一些实施例的缓冲层中铝的可变浓度、镓的可变浓度和铝与镓的元素比与厚度范围内的距离的关系的曲线图；
图21是示出根据本发明的一些实施例的缓冲层中铝的可变浓度与厚度范围内的距离的曲线图；
图22是示出根据本发明的一些实施例的缓冲层中镓的可变浓度与厚度范围内的距离的曲线图；
图23是示出根据本发明的一些实施例的缓冲层中铝与镓的元素比与厚度范围内的距离的曲线图；
图24、图25和图26是分别示出根据本发明的一些实施例的缓冲层中铝的可变浓度、镓的可变浓度以及铝与镓的元素比与厚度范围内的距离的关系的曲线图；和
图27是根据本发明的一些实施例的半导体器件的横截面图。
具体实施方式
于全部的附图和详细说明中，将使用相同的参考符号来表示相同或相似的部件。借由以下结合附图的详细描述，将可容易理解本揭露内容的实施方式。
于空间描述中，像是“上”、“上方”、“下”、“向上”、“左侧”、“右侧”、“下方”、“顶部”、“底部”、“纵向”、“横向”、“一侧”、“较高”、“较低”、“较上”、“之上”、“之下”等的用语，是针对某个组件或是由组件所构成的群组的某个平面定义的，对于组件的定向可如其对应图所示。应当理解，这里使用的空间描述仅用于说明目的，并且在此所描述的结构于实务上的体现可以是以任何方向或方式设置于空间中，对此的前提为，本发明内容的实施方式的优点不因如此设置而偏离。
于下面的描述中，半导体器件/芯片/封装以及其制造方法等被列为优选实例。本领域技术人员将能理解到，可以在不脱离本发明的范围以及精神的情况下进行修改，包括添加以及/或替换。特定细节可以省略，目的为避免使本发明模糊不清；然而，本发明内容是为了使本领域技术人员能够在不进行过度实验的情况下，实现本发明内容中的教示。
图1是根据本发明的一些实施例的半导体器件100的横截面图。半导体器件100包括衬底102、成核层104、缓冲层110、基于氮化物的半导体层120和122、栅极结构124、钝化层130、一对源/漏(S/D)电极132和134、钝化层136、通孔138和图案化导电层140。
衬底102的示例性材料可包括但不限于硅、SiGe、SiC、砷化镓、p掺杂硅、n掺杂硅、蓝宝石、绝缘体上半导体(例如绝缘体上硅(SOI))或其他合适的衬底材料。在一些实施例中，衬底102可包括但不限于III族元素、IV族元素、V族元素或其组合(例如III-V化合物)。在其他实施例中，衬底102可包括(例如)但不限于一个或多个其他特征，例如掺杂区、埋层、外延(epi)层或其组合。
成核层104形成在衬底102上。成核层104可与衬底102形成界面。成核层104被配置为提供用于在其上生长III族氮化物材料的顶面。换句话说，成核层104形成适当的模板，以从衬底的晶格过渡到更适合III族氮化物材料生长的模板。成核层104可提供过渡，以适应衬底102和将在其顶面上形成的III氮化物层之间的失配/差异(例如，外延形成)。失配/差异可能涉及不同的晶格常数或热膨胀系数。失配/差异可能导致形成层中的位错，从而降低屈服速率。成核层104的示例性材料可包括但不限于AlN或其任何合金。AlN例如可以是但不限于掺杂的n型、p型或本征。可以选择成核层的材料来消除不匹配/差异。例如，为了适应由于要形成在成核层上的层中的第一元素而引起的失配/差异，成核层104形成为包括第一元素。
在成核层104上形成缓冲层110。缓冲层110可与成核层104形成界面。缓冲层110具有与成核层104接触的最底表面。该界面由缓冲层110的最底表面和成核层104的最顶表面形成。缓冲层110具有与最底表面相对的最顶表面。缓冲层110被配置为减少底层和将在缓冲层110上形成的层(例如，在其上外延形成)之间的晶格失配和热失配，从而固化由于失配/差异造成的缺陷。
缓冲层110包括III-V化合物。III-V化合物可包括但不限于铝、镓、铟、氮化物或其组合。因此，缓冲层110的示例性材料可进一步包括(例如但不限于)AlN、AlGaN、InAlGaN或其组合。在一些实施例中，缓冲层110可包括两种III族元素，并且成核层仅具有一种III族元素。例如，成核层包括包含铝且不含镓的化合物(例如AlN)，缓冲层110包括包含铝和镓的III-V化合物(例如AlGaN)。
氮化物基半导体层120设置在缓冲层110上。基于氮化物的半导体层120的示例性材料可包括但不限于氮化物或III-V族化合物，例如GaN、AlN、InN、InxAlyGa(1–x–y)N，其中x+y≤1，AlyGa(1–y)N其中y≤1。氮化物基半导体层122设置在氮化物基半导体层120上。基于氮化物的半导体层122的示例性材料可包括但不限于氮化物或III-V族化合物，例如GaN、AlN、InN、InxAlyGa(1–x–y)N，其中x+y≤1，AlyGa(1–y)N其中y≤1。
可选择氮化物基半导体层120和122的示例性材料，使得氮化物基半导体层122的带隙(即禁带宽度)大于氮化物基半导体层120的带隙，这使得它们的电子亲和力彼此不同，并在它们之间形成异质结。例如，当基于氮化物的半导体层120是具有约3.4ev的带隙的未掺杂GaN层时，基于氮化物的半导体层122可以是具有约4.0ev的带隙的AlGaN层。因此，基于氮化物的半导体层120和122可分别用作沟道层和阻挡层。在沟道层和势垒层之间的结合界面处产生三角阱势，使得电子在三角阱势中积聚，从而产生与异质结相邻的二维电子气(2DEG)区域。因此，半导体器件100可以包括至少一个基于GaN的高电子迁移率晶体管(HEMT)。
在基于氮化物的半导体层120没有铝的情况下，可形成包括氮化铝镓(AlGaN)的缓冲层110以减少底层(例如衬底102)和基于氮化物的半导体层120之间的晶格和热失配。为了减少晶格失配和热失配，由于基于氮化物的半导体层120包括氮化镓(GaN)，并且基于氮化物的半导体层122包括氮化铝镓(AlGaN)，可以选择成核层104和缓冲层以分别包括氮化铝(AlN)和氮化铝镓(AlGaN)。为了说明，本实施例的缓冲层110包括氮化铝镓(AlGaN)，并且其用于示例性目的，并且本发明不限于此。
尽管如上所述，可以形成缓冲层来固化缺陷，但缓冲层生长期间的过度累积应力可能会影响缓冲层上形成的层。过度累积的应力会影响半导体器件的成品率。
就此而言，缓冲层110可具有可变浓度的III族元素以解决此类问题。由于缓冲层110或缓冲层110的应力集中在一个缓冲层110上，因此形成缓冲层110。例如，由于缓冲层110包括AlGaN，因此缓冲层110可以具有可变浓度的铝。在此，可变浓度可指包括浓度中的增加趋势和减少趋势两者。可变浓度可能先增大后减小。可变浓度可能先减小后增大。增加可能包括递增。减少可包括递减减少。
为了说明浓度如何影响产率，图2A是示意性地示出根据比较实施例的半导体器件10的制造阶段的横截面图，图2B是示出图2A的半导体器件10的缓冲层厚度内的曲率与距离的关系的曲线图。如图2A所示，成核层14、缓冲层16以及基于氮化物的半导体层18和20依次形成在衬底12上。在比较实施例中，成核层14由氮化铝(AlN)制成，缓冲层由氮化铝镓(AlGaN)制成，基于氮化物的半导体层18由氮化镓(GaN)制成，基于氮化物的半导体层20由氮化铝镓(AlGaN)制成。
图2B的距离可指与衬底102的上表面的距离。如图2B所示，有三个阶段I、II和III，其中阶段I是成核层14的形成；第二阶段是缓冲层16的形成；第三阶段是氮化物基半导体层18的形成。
在阶段I中，随着成核层14的生长，由于形成过程中应力的累积，曲率增加。在阶段II中，形成缓冲层16以修补前述失配/差异。因此，随着缓冲层16的生长，缓冲层16的铝浓度逐渐降低而不增加。铝浓度的逐渐降低是为了匹配将在其上形成的氮化物基半导体层18的特性。结果表明，铝浓度的变化趋势与曲率的变化趋势相关。也就是说，随着铝浓度的不断降低，曲率向单一方向移动。因此，在缓冲层16的形成结束时，曲率的程度大(例如，非常正的曲率或非常负的曲率)。此后，在阶段III中，随着氮化物基半导体层18的生长，曲率沿单个方向持续发展。最终，这种弯曲度将导致成形层翘曲。例如，一旦在氮化物基半导体层18处发生翘曲，则其中可能出现裂纹或空隙22，这降低了氮化物基半导体层18的质量并降低了最终产品的成品率。因此，在制造过程中存在缓冲层生长导致的曲率问题。在图2A的示例性图示中，裂纹或空隙22可由晶格失配或热膨胀系数(CTE)失配引起。对于晶格失配，裂纹或空隙22可以从两层之间的界面开始(例如，从基板13和成核层14之间的界面开始)。对于CTE失配，裂纹或空隙22可出现在外延层内的任何位置，例如缓冲层16、基于氮化物的半导体层18或20。然而，裂纹或空隙22的外观位置取决于实际情况中的工艺条件。
再次参考图1，缓冲层110中III族元素的可变浓度将在缓冲层110形成期间减小，以缓冲层110中的曲率，从而避免氮化物基半导体层120和122具有裂缝或空隙。
图3A是根据本发明的一些实施例，示出缓冲层110中铝的可变浓度与图1的缓冲层110厚度范围内的距离的关系图。在图3A中，该距离可指距成核层104的上表面的距离，且为任意单位。缓冲层110的最底表面和最顶表面标记在X轴的相应位置上，以便于参考。Y轴表示缓冲层110中铝的浓度值，单位为“％”。
图3A的曲线图反映了一条关系曲线C1，该关系曲线由参考点RP1、RP2、RP3、RP4、RP5、RP6、RP7、RP8、RP9、RP10和RP11标记，以便于参考。参考点RP1-RP11位于缓冲层110的厚度内。参考点RP1-RP11分别位于距成核层104的上表面(即，距缓冲层110的最底表面)的不同距离处。例如，参考点RP1-RP11分别位于距离成核层104的上表面(即从缓冲层110的最底表面)的距离D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10和D11处，其中D1<D2<D3<D4<D5<D7<D8<D9<D10<D11。
缓冲层铝的可变浓度包括至少一个递增和至少一个减量递减。简言之，如图3A所示，从缓冲层110的最底表面到最顶表面，铝的可变浓度依次递减、递增、递减和递增。这些递增和减量递减可以表示为缓冲层110厚度内与距离相关的函数。
当在缓冲层110上进行铝浓度测量时，结果将示出“先递减后递增”或“先递增后递减”，这取决于观察点。为了说明，假设在测量过程中将参考点作为观察点，提供以下陈述。
在沿着远离缓冲层110的最底表面的方向，相对于参考点RP1进行铝的浓度测量的情况下，铝的可变浓度递减，然后递增。如图3A所示，从参考点RP1到参考点RP2、RP3和RP4进行的铝浓度测量将示出递减，然后递增。
在沿着远离缓冲层110的最底表面的方向，相对于参考点RP2进行铝的浓度测量的情况下，铝的可变浓度递减，然后递增。如图3A所示，从参考点RP2到参考点RP3和RP4进行的铝浓度测量将示出递减，然后递增。
在沿着远离缓冲层110的最顶表面的方向，相对于参考点RP4进行铝的浓度测量的情况下，铝的可变浓度递减，然后递增。如图3A所示，从参考点RP4到参考点RP3和RP2进行的铝浓度测量将示出递减，然后递增。
在沿着远离缓冲层110的最底表面的方向，相对于参考点RP5进行铝的浓度测量的情况下，铝的可变浓度递减，然后递增。如图3A所示，从参考点RP5到参考点RP6、RP7和RP8进行的铝浓度测量将示出递减，然后递增。此外，在沿着远离缓冲层110的最顶表面的方向相对于参考点RP5执行铝的浓度测量的情况下，铝的可变浓度递减然后递增。如图3A所示，从参考点RP5到参考点RP4、RP3和RP2进行的铝浓度测量将示出递减，然后递增。
在沿着远离缓冲层110的最底表面的方向，相对于参考点RP6进行铝的浓度测量的情况下，铝的可变浓度递减，然后递增。如图3A所示，从参考点RP6到参考点RP7和RP8进行的铝浓度测量将示出递减，然后递增。
在沿着远离缓冲层110的最顶表面的方向，相对于参考点RP8进行铝的浓度测量的情况下，铝的可变浓度递减，然后递增。如图3A所示，从参考点RP8到参考点RP7和RP6进行的铝浓度测量将示出递减，然后递增。
在沿着远离缓冲层110的最顶表面的方向，相对于参考点RP9进行铝的浓度测量的情况下，铝的可变浓度递减，然后递增。如图3A所示，从参考点RP9到参考点RP8、RP7和RP6进行的铝浓度测量将示出递减，然后递增。
此外，对于一些参考点，在递减然后递增之后，铝的浓度将进一步递减然后再次递增。例如，从参考点RP1到参考点RP9，相对于参考点RP1依次发生递减、递增、递减和递增。类似地，从参考点RP9到参考点RP1，相对于参考点RP9依次发生递减、递增、递减和递增。
在不同参考点的测量可能导致不同的结果。
在沿着远离缓冲层110的最底表面的方向，相对于参考点RP3进行铝的浓度测量的情况下，铝的可变浓度递增，然后递减。如图3A所示，从参考点RP3到RP4、RP5和RP4进行的铝浓度测量将示出递增，然后递减。
在沿着远离缓冲层110的最底表面的方向，相对于参考点RP4进行铝的浓度测量的情况下，铝的可变浓度递增，然后递减。如图3A所示，从参考点RP4到RP5和RP6进行的铝浓度测量将示出递增，然后是递减。
在沿着远离缓冲层110的最顶表面的方向，相对于参考点RP6进行铝的浓度测量的情况下，铝的可变浓度递增，然后递减。如图3A所示，从参考点RP6到RP5和RP4进行的铝浓度测量将示出递增，然后是递减。
在沿着远离缓冲层110的最底表面的方向，相对于参考点RP7进行铝的浓度测量的情况下，铝的可变浓度递增，然后递减。如图3A所示，从参考点RP7到参考点RP8、RP9和RP10进行的铝浓度测量将示出递增，然后是递减。此外，在沿着远离缓冲层110的最顶表面的方向相对于参考点RP7执行铝的浓度测量的情况下，铝的可变浓度递增，然后递减。如图3A所示，从参考点RP7到参考点RP6、RP5和RP4进行的铝浓度测量将示出递增，然后是递减。
在沿着远离缓冲层110的最底表面的方向，相对于参考点RP8进行铝的浓度测量的情况下，铝的可变浓度递增，然后递减。如图3A所示，从参考点RP8到RP9和RP10进行的铝浓度测量将示出递增，然后是递减。
在沿着远离缓冲层110的最顶表面的方向，相对于参考点RP10进行铝的浓度测量的情况下，铝的可变浓度递增，然后递减。如图3A所示，从参考点RP10到RP9和RP8进行的铝浓度测量将示出递增，然后是递减。
在沿着远离缓冲层110的最顶表面的方向，相对于参考点RP11进行铝的浓度测量的情况下，铝的可变浓度递增，然后递减。如图3A所示，从参考点RP11到RP9和RP8进行的铝浓度测量将示出递增，然后是递减。
此外，对于一些参考点，在递增然后递减之后，铝的浓度将进一步递增然后再次递减。例如，从参考点RP3到参考点RP11，相对于参考点RP3依次发生递增、递减、递增和递减。类似地，从参考点RP11到参考点RP3，相对于参考点RP11依次发生递增、递减、递增和递减。
由于存在不止一个递增和不止一个递减，表示缓冲层110中铝的可变浓度的关系曲线C1可以具有至少一部分周期性振荡。也就是说，对缓冲层110的测量可示出铝的可变浓度具有周期性振荡特征。在此，术语“周期振荡”可指铝的浓度在一定范围内通过交替增加和减少而变化。周期性振荡可包括规则变化或不规则变化。关于规则变化，可以将铝浓度与缓冲层110厚度内的距离之间的关系曲线视为具有固定周期和振幅的波函数。关于不规则变化，可以将铝浓度与缓冲层110厚度内的距离之间的关系曲线视为具有可变周期和振幅的波函数。波函数可以包括但不限于正弦波、余弦波、三角波、锯齿波、锯纹波、阶梯波及其组合。
在图3A的示例性图示中，关系曲线C1所具有的从参考点RP1到RP11的部分，可作为具有规则变化的正弦/余弦波。因此，关系曲线C1的部分可以是周期性变化的振荡曲线/周期曲线(即周期曲线)。
关于缓冲层110中铝的可变浓度，可在两个参考点之间或两个以上参考点之间发现周期性振荡。
关于参考点RP1和RP9，可以测量铝的浓度为周期性振荡。更具体地说，在参考点RP1和RP9之间，存在两个周期波(一个从参考点RP1到参考点RP5，另一个从参考点RP5到参考点RP9)。参考点RP5可作为参考点RP1和RP9的中间点。由于周期振荡，参考点RP5处的铝浓度可能与参考点RP1和RP9处的铝浓度相同。此外，由于参考点RP1和RP9是正弦波/余弦波的顶点，参考点RP5是中点，因此铝的浓度将相对于参考点RP5先减小后增大。此外，关于参考点RP2-RP4和RP6-RP8，这些参考点处的铝浓度小于参考点RP1和RP9处的铝浓度。
关于参考点RP2和RP10，可以测量铝的浓度为周期性振荡。更具体地说，在参考点RP2和RP10之间，存在两个周期波(一个从参考点RP2到参考点RP6，另一个从参考点RP6到参考点RP10)。参考点RP6可作为参考点RP2和RP10的中间点。参考点RP6处的铝浓度可与参考点RP2和RP10处的铝浓度相同。除参考点RP6外，参考点RP4和RP8处的铝浓度可与参考点RP2和RP10处的铝浓度相同。关于参考点RP1、RP5和RP9，这些参考点处的铝浓度大于参考点RP2和RP10处的铝浓度。关于参考点RP3、RP7和RP11，这些参考点处的铝浓度小于参考点RP2和RP10处的铝浓度。
关于参考点RP3和RP11，可以测量出铝的浓度为周期性振荡。更具体地说，在参考点RP3和RP11之间，存在两个周期波(一个是从参考点RP3到参考点RP7，另一个是从参考点RP7到参考点RP11)。参考点RP7可作为参考点RP3和RP11的中间点。由于周期振荡，参考点RP7处的铝浓度可能与参考点RP3和RP11处的铝浓度相同。此外，由于参考点RP7是中间点，铝的浓度将相对于参考点RP7先递减，然后递增。此外，关于参考点RP1、RP2、RP4-RP6和RP8-RP10，这些参考点处的铝浓度大于参考点RP3和RP11处的铝浓度。
尽管上述示例性周期振荡示出在具有相同铝浓度的两个参考点之间，但本发明不限于此。例如，对于基准点RP1和RP11，其中在基准点RP1处出现的铝浓度大于在基准点RP11处出现的铝浓度，关系曲线C1在它们之间仍然具有周期性振荡。对于参考点RP3和RP9，其中在参考点RP3处出现的铝浓度小于在参考点RP9处出现的铝浓度，关系曲线C1在它们之间仍然具有周期性振荡。
对于参考点RP1-RP11中的任何三个不同点，可以发现中间一个点处出现的铝浓度将“递增然后递减”或“递减然后递增”。
当远离参考点RP1或朝向参考点RP7时，参考点RP4处出现的铝浓度将增加，然后减少。当朝向参考点RP1或远离参考点RP7时，在参考点RP4处出现的铝浓度将逐渐减少，然后逐渐增加。当远离参考点RP3或朝向参考点RP9时，参考点RP6处出现的铝浓度将逐渐减少，然后逐渐增加。当朝向参考点RP3或远离参考点RP9时，参考点RP6处出现的铝浓度将递增，然后递减。
缓冲层110中铝的可变浓度旨在避免缓冲层110生长期间出现非常正的曲率或非常负的曲率。图3B是示出根据本公开的一些实施例的图1中的缓冲层110的厚度内的曲率与距离的关系的曲线图。图3A中代表缓冲层110中铝的可变浓度的关系曲线C1也放在图3B中以便于参考。应当注意，图3B中所示的曲率是示例性的，并且示意性地反映了曲率的趋势，并且绝对强度可以由于实际条件(例如，工艺条件、测量条件或检测条件)的差异而变化。
如上所述，曲率的趋势取决于可变浓度是增加还是减少。随着铝浓度“先递减后递增”和“先递增后递减”的变化，曲率也会相应变化(即曲率会发生变化)。
参考图3B，有三个阶段I、II和III，其中阶段I是成核层104的形成；阶段II是缓冲层110的形成；第三阶段是氮化物基半导体层120的形成。
在阶段I中，随着成核层104的生长，由于形成过程中应力的累积，曲率增加。在一些实施例中，成核层104的生长可通过固定或增加铝浓度来执行。在一些实施例中，成核层104的生长可通过在微小范围内(相对于下一阶段而言相对微小)变化的铝浓度来执行。
在阶段II中，形成具有可变铝浓度的缓冲层110，其中可变铝浓度可推动曲率变化。更具体地说，在缓冲层110的生长开始时，由于铝的浓度逐渐降低，曲率以负趋势变化。也就是说，曲率可能从正状态变为负状态。这可能是由于弯曲度的变化引起的。然后，铝的浓度逐渐增加，使得曲率的趋势变为正。这样的转弯可以使曲率减小。也就是说，随着曲率趋势的改变，它避免了负曲率进一步变得非常负。随着曲率减小，将在缓冲层110上形成的层(例如，基于氮化物的半导体层120)的质量可以提高。这意味着曲率可以在所需的范围内控制。在此，期望范围可指既不是非常正也不是非常负。
在第III阶段，随着氮化物基半导体层120的生长，尽管曲率持续呈负趋势发展，阶段II之后的曲率既不是非常正也不是非常负，使得氮化物基半导体层120生长之后的曲率也不是非常正或非常负。也就是说，氮化物基半导体层120生长后的曲率可用于运行后续过程(例如，氮化物基半导体层122的形成)。在此，术语“可接受”可意味着改善基于氮化物的半导体层120的质量(相对于比较实施例)，从而减少裂纹或空隙的出现。
再次参考图1和3A。具有铝的可变浓度的缓冲层110可通过在其形成期间调整工艺配方来形成。因此，单个缓冲层110可以具有不同浓度的多个子层，其具有相同元素。也就是说，子层可以具有不同的百分比组成。“成分百分比”是指化合物中每种元素的量与单个元素总量的比率(即原子的比例数)。
例如，缓冲层110可以具有五个子层110A、110B、110C、110D和110E。子层110A-110E从成核层104顺序堆叠。在一些实施例中，相邻两个子层110A-110E之间存在可区分的界面。界面与缓冲层110的最底表面平行。在替代实施例中，子层110A-110E中的相邻两个可以合并，因此它们之间没有可区分的界面。
包括氮化铝镓(AlGaN)的缓冲层110可通过使用沉积技术形成。沉积技术可包括(例如但不限于)原子层沉积(ALD)、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、金属有机CVD(MOCVD)、外延生长或其他合适工艺。
在形成子层110A的沉积过程中，将铝、镓和氮前体引入腔室中的气流中。铝比率(即铝前体与所有前体的比率)与形成的子层110A的铝浓度相关。因此，随着在子层110A的生长期间逐渐改变铝比率，子层110A将被形成为具有可变浓度的铝。
因此，通过在子层110A生长期间随时间降低铝比率，子层110A将形成具有如上所述逐渐降低的铝浓度。在子层110A的生长之后，原位进行子层110B的形成。类似地，通过在子层110B的生长期间随时间增加铝比率，子层110B将形成为具有如上所述递增的铝浓度。
在一些实施例中，可以控制随时间降低或增加铝比的变化率。因此，铝的可变浓度的递增或递减的变化率将逐渐变化。例如，关于子层110A，铝的可变浓度的递减的变化率从基准点RP1到基准点RP2逐渐加速，然后从基准点RP2到基准点RP3逐渐减慢。即，如铝浓度与缓冲层厚度内距离的关系图所示，振荡曲线至少有一部分(例如，子层110A或其他子层110B-110E)具有逐渐变化的斜率。
类似方法可等效地应用于形成子层110C和110D，从而形成具有可变浓度铝的子层110C和110D。可形成子层110C以具有如上所述逐渐降低的铝浓度。子层110C可形成为具有如上所述逐渐增加的铝浓度。此后，形成子层110E以使铝浓度递减至约零(即，精确零或略大于零)。
在一些实施例中，可通过减少铝前体的数量来实现降低铝比。在一些实施例中，可通过增加镓前体的数量来实现降低铝比。在一些实施例中，可通过增加镓比率(即镓前体与所有前体的比率)来实现降低铝比率。在一些实施例中，可通过降低铝与镓的比率来实现降低铝比率。
关于缓冲层110，由于铝浓度的变化是由于在子层110A-110E生长期间随时间改变铝比率引起的，因此图3A的关系曲线C1是连续的。缓冲层110中铝的可变浓度的递增是连续的。缓冲层110中铝的可变浓度的递减是连续的。因此，当发生递增然后递减时，递增的结束和递减的开始可以被视为同一点。类似地，当发生递减然后递增时，递减的结束和递增的开始可以视为同一点。因此，铝浓度的周期性振荡是连续的。
在一些实施例中，缓冲层110的厚度超过约1μm。缓冲层110的厚度可以根据需要改变，也可以根据设计要求改变。例如，在一些实施例中，半导体器件100可配置为在相对低的电压条件下工作(例如，约100V或更低)，并且缓冲层110可具有约1μm至约2μm范围内的厚度。例如，在一些其它实施例中，半导体器件100可被配置为在相对高的电压条件下工作(例如，超过约100V)，并且缓冲层110可具有超过约2μm的厚度。具有相对较大厚度的缓冲层110可以承受或承受相对较大的击穿电压。具有相对较大厚度的缓冲层110能够承受或承受相对较大的垂直击穿电压。半导体器件100的工作电压或工作电压可以与缓冲层110的击穿电压正相关。半导体器件100的工作电压或工作电压可以与缓冲层110的垂直击穿电压正相关。例如，在一些其它实施例中，缓冲层110可具有在约1μm至约2μm范围内的厚度以承受或耐受在约200V至约500V范围内的击穿电压。例如，在一些其他实施例中，缓冲层110可以具有在约1μm到约2μm范围内的厚度，以承受或耐受在约200V到约500V范围内的垂直击穿电压。例如，在一些其他实施例中，缓冲层110可以具有在约4μm到约10μm范围内的厚度，以承受或耐受高达约400V到约2500V的击穿电压。例如，在一些其他实施例中，缓冲层110可以具有在约4μm到约10μm范围内的厚度，以承受或耐受高达约400V到约2500V的垂直击穿电压。例如，在一些其它实施例中，缓冲层110可具有在约1μm至约50μm范围内的厚度以承受或耐受在约200V至约12500v范围内的击穿电压。例如，在一些其它实施例中，缓冲层110可具有在约1μm至约50μm范围内的厚度以承受或耐受在约200V至约12500v范围内的垂直击穿电压。例如，当施加到半导体器件100的电压升高时，缓冲层110可以具有相对较大的厚度。在一些其他实施例中，缓冲层110可具有超过约50μm的厚度，以承受或耐受超过约12500V的击穿电压。
在一些实施例中，子层110A至110D具有相同的厚度。在一些实施例中，子层110E的厚度大于子层110A至110D的厚度。对于HEMT器件，缓冲层是否足够厚是一个重要因素。如果缓冲层的厚度不够厚，则会有泄漏电流流向底部基板。如果缓冲层具有足够厚的厚度，但没有如上所述的铝的可变浓度，则会在缓冲层或将在缓冲层上形成的层上发生翘曲问题。就此而言，由于缓冲层110形成为具有如上所述的铝的可变浓度，因此避免了翘曲问题，并且缓冲层110具有能够避免发生泄漏电流的厚度。
再次参考图1，栅极结构124设置在氮化物基半导体层122上。栅极结构124可以包括p型掺杂III-V化合物半导体层126和导电栅极128。导电栅极128可以用作金属栅极。p型掺杂III-V化合物半导体层126和导电栅极128堆叠在氮化物基半导体层122上。p型掺杂III-V化合物半导体层126位于氮化物基半导体层122和导电栅极128之间。在一些实施例中，栅极结构124可进一步包括p型掺杂III-V化合物层126与导电栅极128之间的介电层(未示出)。
半导体器件100可设计为增强模式器件，当导电栅极128处于大约零偏置时，其处于常闭状态。具体而言，p型掺杂III-V化合物层126与氮化物基半导体层112形成p-n结以耗尽2DEG区域，使得与栅极结构124下方的位置相对应的2DEG区域的区域具有与2DEG区域的其余部分不同的特性(例如，不同的电子浓度)，因此被阻断。由于这种机制，半导体器件100具有常闭特性。换句话说，当没有电压施加到导电栅极128或施加到导电栅极128的电压小于阈值电压(即，在栅极结构124下方形成反转层所需的最小电压)时，栅极结构124下方的2DEG区域的区域保持被阻断，因此没有电流流过。此外，通过提供p型掺杂III-V化合物半导体层126，栅极漏电流减小，并且在关断状态期间实现阈值电压的增加。
在一些实施例中，可以省略p型掺杂III-V化合物层122，使得半导体器件100是耗尽模式器件，这意味着半导体器件100在零栅极源电压下处于常开状态。
p型掺杂III-V化合物层126的示例性材料可包括但不限于p型掺杂III-V族氮化物半导体材料，例如p型GaN、p型AlGaN、p型InN、p型AlInN、p型InGaN、p型AlInGaN或其组合。在一些实施例中，通过使用p型杂质(例如Be、Mg、Zn、Cd)来实现p掺杂材料。在一些实施例中，氮化物基半导体层120包括未掺杂的GaN，氮化物基半导体层122包括AlGaN，且p型掺杂III-V化合物层126是p型GaN层，其可向上弯曲底层能带结构并耗尽2DEG区域的相应区域，以便将半导体器件100置于关闭状态。
在一些实施例中，导电栅极128可包括金属或金属化合物。金属或金属化合物的示例性材料可包括但不限于W、Au、Pd、Ti、Ta、Co、Ni、Pt、Mo、TiN、TaN、其金属合金或其他金属化合物。在一些实施例中，导电栅极128的示例性材料可包括但不限于氮化物、氧化物、硅化物、掺杂半导体或其组合。在一些实施例中，可选电介质层可由单层或多层电介质材料形成。示例性介电材料可包括(例如但不限于)一个或多个氧化物层、SiOx层、SiNx层、高k介电材料(例如，HfO2、Al2O3、TiO2、HfZrO、Ta2O3、HfSiO4、ZrO2、ZrSiO2等)或其组合。
钝化层130设置在氮化物基半导体层122上。出于保护目的，钝化层130覆盖栅极结构124。钝化层130与栅极结构124共形，因此在栅极结构124上具有投影轮廓。钝化层130的示例性材料可包括(例如但不限于)SiNx、SiOx、SiON、SiC、SiBN、SiCBN、氧化物、氮化物或其组合。在一些实施例中，钝化层130是多层结构，例如Al2O3/SiN、Al2O3/SiO2、AlN/SiN、AlN/SiO2或其组合的复合介电层。
S/D电极132和134设置在氮化物基半导体层122上。S/D电极122和124位于栅极结构124的两个相对侧(即，栅极结构124位于S/D电极132和134之间)。栅极结构124和S/D电极132和134可以共同作为具有2DEG区域的GaN基HEMT。
S/D电极132和134具有穿透钝化层130的底部，以与氮化物基半导体层122形成界面。S/D电极132和134的顶部比其底部宽。S/D电极132和134的顶部延伸到钝化层130的部分上。
在图1的示例性图示中，左S/D电极132和右S/D电极134分别用作源极和漏极。尽管未在图1中示出，S/D电极132和134可任选地围绕栅极结构124不对称。在一些实施例中，左S/D电极132比右S/D电极134更靠近栅极结构124。本发明不限于此，并且S/D电极132和134的配置是可调节的。
在一些实施例中，S/D电极132和134中的每一个都包括一个或多个共形导电层。在一些实施例中，S/D电极132和134可包括但不限于金属、合金、掺杂半导体材料(例如掺杂晶体硅)、其他导体材料或其组合。S/D电极132和134的示例性材料可包括但不限于Ti、AlSi、TiN或其组合。在一些实施例中，S/D电极132和134中的每一个与氮化物基半导体层122形成欧姆接触。欧姆接触可以通过为S/D电极132和134应用Ti、Al或其他合适的材料来实现。在一些实施例中，诸如SiN的介电层(未示出)可设置在基于氮化物的半导体层122与S/D电极132和134之间。
钝化层136设置在钝化层130和S/D电极132和134上方。钝化层136覆盖GaN基HEMT。钝化层136覆盖S/D电极122和124。钝化层128与S/D电极122和124的侧壁和顶面形成界面。钝化层136可具有平坦的最顶部表面，其能够充当用于承载在其形成之后的步骤中形成的层的平坦基底。钝化层136的示例性材料可包括(例如但不限于)SiNx、SiOx、SiON、SiC、SiBN、SiCBN、氧化物、氮化物或其组合。在一些实施例中，钝化层136是多层结构，例如Al2O3/SiN、Al2O3/SiO2、AlN/SiN、AlN/SiO2或其组合的复合介电层。
通孔138穿透钝化层136，以连接至栅极结构124以及S/D电极132和134。通孔138与栅极结构124以及S/D电极132和134形成接口。通孔138的示例性材料可包括但不限于Cu、Al或其组合。
图案化导电层140设置在钝化层136上。图案化导电层140在栅极结构124和S/D电极132和134上具有多条金属线，以实现电路之间的互连。金属线分别与过孔138接触，使得栅极结构124和S/D电极132和134可以设置成电路。例如，基于GaN的HEMT可以经由图案化导电层140的金属线电连接到其他组件。在其他实施例中，图案化导电层140可包括用于相同目的的焊盘或迹线。
除了改变铝浓度作为变量外，缓冲层中其他元素的浓度也可以是可变的。在这方面，由于铝是III族元素，一旦铝浓度增加或减少，其他III族浓度可能会相应波动。例如，由于缓冲层包括AlGaN，一旦铝浓度增加或减少，镓的浓度将增加或减少。
图4是示出根据本发明的一些实施例的缓冲层110中铝和镓的可变浓度相对于其厚度范围内的距离的曲线图。X轴表示到缓冲层110的最底表面的距离，并且以任意单位表示。缓冲层110的最底表面和最顶表面标记在X轴的相应位置上，以便于参考。Y轴表示铝和镓的浓度值，其中实线表示铝，点线表示镓，单位为“％”。
图4的图表分别反映了铝和镓的关系曲线C1和C2。上面已经提供了关于关系曲线C1的描述。关系曲线C1的图示用于与关系曲线C2进行比较。关系曲线C2由参考点RP12、RP13、RP14、RP15、RP16、RP17、RP18、RP19、RP20、RP21和RP22标记，以便于参考。参考点RP12-RP22位于缓冲层110的厚度内，其分别与参考点RP1-RP11相同或相似。
缓冲层110的镓的可变浓度包括对应于铝的可变浓度的波动的至少一个递增和至少一个递减。类似地，这些递增和递减可以表示为缓冲层110厚度内距离的函数。当在缓冲层110上执行对镓浓度的测量时，结果将示出“递减然后递增”或“递增然后递减”，这取决于观察点。为了说明这一点，假设在测量过程中将参考点作为观察点，提供以下陈述。
]关于参考点RP12、RP13、RP16或RP17，当沿着远离缓冲层110最底表面的方向从这些参考点进行镓的浓度测量时，镓的可变浓度递增，然后递减。这种趋势可能与铝的可变浓度相反。例如，关于参考点RP12，镓的可变浓度沿远离缓冲层110的最底表面的方向递增然后递减，而铝的可变浓度沿远离缓冲层110的最底表面的方向递减然后递增。
关于参考点RP15、RP16、RP19或RP20，当沿着远离缓冲层110最顶表面的方向从这些参考点进行镓的浓度测量时，镓的可变浓度递增，然后递减。
关于参考点RP14、RP15、RP18或RP19，当沿着远离缓冲层110最底表面的方向从这些参考点进行镓的浓度测量时，镓的可变浓度递减，然后递增。
关于参考点RP17、RP18、RP21或RP22，当沿着远离缓冲层110最顶表面的方向从这些参考点进行镓的浓度测量时，镓的可变浓度递减，然后递增。
这种趋势可能与铝的可变浓度相反。例如，关于参考点RP13，镓的可变浓度沿着远离缓冲层110的最底表面的方向递增，然后递减，而铝的可变浓度沿远离缓冲层110的最底表面的方向递减，然后递增。镓的可变浓度从递增到增量减少的转折点出现在与铝的可变浓度从增量减少到递增的转折点相同或附近的地方/位置。
对于一些参考点，在递增然后递减之后，镓的浓度将进一步递增，然后再次递减。例如，从参考点RP12到参考点RP20，相对于参考点RP12依次发生递增、递减、递增和递减。
类似地，对于一些参考点，在递减然后递增之后，镓的浓度将进一步递减，然后再次递增。例如，从参考点RP14到参考点RP22，关于参考点RP14依次发生递减、递增、递减和递增。
代表缓冲层110中镓的可变浓度的关系曲线C2可以具有至少一部分周期性振荡。如前所述，周期性振荡可包括规则变化或不规则变化。关于规则变化，镓浓度与缓冲层110厚度内的距离之间的关系曲线可以被视为具有固定周期和振幅的波函数。关于不规则变化，镓浓度与缓冲层110厚度内的距离之间的关系曲线可以被视为具有可变周期和振幅的波函数。波函数可以包括但不限于正弦波、余弦波、三角波、锯齿波、锯齿波、阶梯波及其组合。
在图4的示例性图示中，关系曲线C2的参考点RP12到RP22之间的部分被视为具有规则变化的正弦/余弦波。因此，关系曲线C2的部分可以是周期性变化的振荡曲线/周期曲线(即周期曲线)。
关于缓冲层110中镓的可变浓度，可在两个参考点之间或两个以上参考点之间发现周期性振荡。对于参考点RP12-RP22中的任何三个不同的参考点，可以发现，中间一个参考点处的镓浓度将“先递增后递减”或“先递减后递增”。这种表征可以与铝的可变浓度相同或相似。
如前所述，缓冲层110可以形成为具有子层110A-110E。类似地，当控制铝比随时间的减少或增加，使得镓的可变浓度的递增或递减的变化率逐渐变化时，镓的可变浓度的递增或递减的变化率也逐渐变化。例如，对于子层110A，镓的可变浓度的递增的变化率从PR12逐渐加快到PR13，然后从PR13逐渐减慢到RP14。
图4的关系曲线C2是连续的。缓冲层110中镓的可变浓度的递增是连续的。缓冲层110中镓的可变浓度的递减是连续的。从递增到递减(或从递减到递增)的连接是连续的。因此，镓浓度的周期性振荡是连续的。
一旦进行测量以获得其他性质，例如晶格常数/数，可以发现此类性质将沿缓冲层的厚度变化。由于III族元素与另一III族元素的元素比的变化，晶格常数/数量可沿缓冲层的厚度变化。在一些实施例中，元素比的变化是由铝和镓的变化引起的。例如，在沿着缓冲层厚度的路径中，铝可以递减，镓可以递增。在其他实施例中，元素比的变化是由两个不同的III组元素的变化引起的(即，一个逐渐减少，另一个逐渐增加)。也就是说，由于不同III族元素的两种浓度的变化，元素比发生变化，并且一种III族元素的浓度变化与另一种III族元素的浓度变化呈负相关。作为缓冲层厚度内的距离的函数，元素比可以递增然后递减(或递减然后递增)，使得缓冲层具有根据元素比的变化的可变晶格常数/数目。
更具体地说，图5是示出根据本发明的一些实施例的缓冲层110中铝与镓的元素比与其厚度范围内的距离的曲线图。X轴表示与缓冲层110的最底表面的距离，并且以任意单位表示。缓冲层110的最底表面和最顶表面标记在X轴的相应位置上，以便于参考。Y轴代表元素比的值，单位为“％”。
图5的图表反映了铝与镓元素比的关系曲线C3。关系曲线C3由参考点RP23、RP24、RP25、RP26、RP27、RP28、RP29、RP30、RP31、RP32和RP33标记，以便于参考。参考点RP23-RP33位于缓冲层110的厚度内，缓冲层110分别与参考点RP1-RP11相同或相似。
缓冲层110中铝与镓的元素比是可变的，并且包括至少一个递增和至少一个递减。这些递增和递减可以表示为缓冲层110厚度内距离的函数。当进行测量以找到缓冲层110中铝与镓的元素比时，结果将示出“先递减后递增”或“先递增后递减”，这取决于观察点。为了说明这一点，假设在测量过程中将参考点作为观察点，提供以下陈述。
关于参考点RP23、RP24、RP27或RP28，当沿着远离缓冲层110最底表面的方向从参考点开始测量元素比时，元素比递减，然后递增。
关于参考点RP26、RP27、RP30或RP31，当沿着远离缓冲层110的最上面的方向从参考点开始测量元素比时，元素比递减，然后递增。
关于参考点RP25、RP26、RP29或RP30，当沿着远离缓冲层110最底表面的方向从参考点开始测量元素比时，元素比递增，然后递减。
关于参考点RP28、RP29、RP32或RP33，当沿着远离缓冲层110最顶表面的方向从参考点开始测量元素比时，元素比递增，然后递减。
这种趋势可能与铝的可变浓度相同或相似。该趋势示出元素比的波动，因此晶格常数/数将相应波动。
对于一些参考点，在递减然后递增之后，元素比将进一步递减，然后再次递增。例如，从参考点RP23到参考点RP31，关于参考点RP23依次发生递减、递增、递减和递增。
类似地，对于一些参考点，在递增然后递减之后，元素比将进一步递增，然后再次递减。例如，从参考点RP25到参考点RP33，相对于参考点RP25依次发生递增、递减、递增和递减。
代表缓冲层110中镓的可变浓度的关系曲线C3可以具有至少一部分周期性振荡。如上所述，周期性振荡可包括规则变化或不规则变化。关于规则变化，关系曲线C3可以作为固定周期和振幅的波函数。对于不规则变化，关系曲线C3可以作为周期和振幅可变的波函数。波函数可以包括但不限于正弦波、余弦波、三角波、锯齿波、锯齿波、阶梯波及其组合。
在图5的示例性图示中，关系曲线C3的参考点RP23到RP31之间的部分被视为具有规则变化的正弦/余弦波。因此，关系曲线C3的部分可以是周期性变化的振荡曲线/周期曲线(即周期曲线)。
关于缓冲层110中的可变元素比，可在两个参考点RP23-RP33之间或两个以上参考点RP23-RP33之间发现周期性振荡。此外，对于参考点RP23-RP33中的任何三个不同的参考点，可以发现出现在中间的元素比将“递增然后递减”或“递减然后递增”。这种表征可以与铝的可变浓度相同或相似。
如前所述，缓冲层110可以形成为具有子层110A-110E。类似地，在缓冲层110的形成期间，当控制铝比率随时间的减小或增大以使得元素比的递增或递减的变化率逐渐变化时，元素比的递增或递减的变化率也逐渐变化。例如，关于子层110A，递减的变化率从PR23逐渐加速到PR24，然后从PR24逐渐减慢到RP25。
图5的关系曲线C3是连续的。缓冲层110中可变元素比的递增是连续的。缓冲层110中可变元素比的递减是连续的。从递增到递减(或从递减到递增)的连接是连续的。因此，元素比的周期性振荡是连续的。
此外，缓冲层可以通过不同的方式或不同的配方形成，从而使铝的可变浓度、镓的可变浓度以及铝与镓的元素比的关系曲线与上述曲线不同。
图6是根据本发明的一些实施例，其示出缓冲层110中铝的可变浓度与厚度范围内的距离的关系图。X轴表示与缓冲层110的最底表面的距离，并且以任意单位表示。缓冲层110的最底表面和最顶表面标记在X轴的相应位置上，以便于参考。Y轴代表缓冲层110中铝的浓度值，单位为“％”。
图6的图表反映了缓冲层110中铝的可变浓度的关系曲线C4。为了说明，参考点RP34、RP35和RP36被标记在关系曲线C4上以便于参考，其中参考点RP34-RP36位于缓冲层110的厚度内。在图6的示例性图示中，关系曲线C4具有连续的递增和递减，并且它们的变化率变化，使得关系曲线C4的至少一部分可以是周期性变化的振荡曲线/周期曲线(即周期曲线)。
特别是，铝的最大浓度随每个周期连续变化。更具体地说，关系曲线C4中有三个最大铝浓度，分别位于参考点RP34、RP35和RP36。也就是说，随着距离缓冲层最底表面的距离越来越远，最大浓度也相应减少。尽管最大浓度变小，但铝的可变浓度趋势仍在波动中变化(即反复上升和下降)，因此可以称之为周期曲线。
图7是示出根据本发明的一些实施例的缓冲层110中镓的可变浓度与厚度范围内的距离的曲线图。X轴表示与缓冲层110的最底表面的距离，并且以任意单位表示。缓冲层110的最底表面和最顶表面标记在X轴的相应位置上，以便于参考。Y轴代表缓冲层110中镓的浓度值，单位为“％”
图7的图表反映了缓冲层110中镓的可变浓度的关系曲线C5。为了说明，在关系曲线C5上标记参考点RP37、RP38和RP39以便于参考，其中参考点RP37-RP39位于缓冲层110的厚度内。在图7的示例性图示中，关系曲线C5具有连续的递增和递减，并且它们的变化率变化，使得关系曲线C5的至少一部分可以是周期性变化的振荡曲线/周期曲线(即周期曲线)。
如上所述，由于镓的可变浓度趋势与铝的可变浓度趋势相反，因此每个周期的镓的最小浓度将连续变化，对应于每个周期连续变化的铝的最大浓度。更具体地说，关系曲线C5中有三个最低镓浓度，分别位于参考点RP37、RP38和RP39处。也就是说，随着距离缓冲层最底表面的距离越来越远，最小浓度相应地变得更大。尽管最低浓度变得更大，但镓的可变浓度趋势仍在波动中变化(即反复上升和下降)，因此可以称之为周期曲线。
图8是示出根据本发明的一些实施例的缓冲层110中铝与镓的元素比与厚度范围内的距离的曲线图。X轴表示与缓冲层110的最底表面的距离，并且以任意单位表示。缓冲层110的最底表面和最顶表面标记在X轴的相应位置上，以便于参考。Y轴代表缓冲层110中铝与镓的元素比，单位为“％”。
图8的图表反映了缓冲层110中铝与镓元素比的关系曲线C6。为了说明，参考点RP40、RP41和RP42被标记在关系曲线C6上以便于参考，其中参考点RP40-RP42位于缓冲层110的厚度内。在图8的示例性图示中，关系曲线C6具有连续的递增和递减，并且它们的变化率变化，使得关系曲线C6的至少一部分可以是周期性变化的振荡曲线/周期曲线(即周期曲线)。
如上所述，铝与镓的元素比随着两种不同III族元素浓度的变化而变化，其变化趋势与铝浓度的变化趋势相似。因此，元素比的最大值随着每个周期连续地改变。更具体地说，关系曲线C6中有三个元素比的最大值，分别位于参考点RP40、RP41和RP42处。也就是说，随着距离缓冲层最底表面的距离越来越远，元素比的最大值相应地变小。虽然元素比的最大值变小了，但元素比的趋势仍在波动中变化(即反复上升和下降)，因此可以称之为周期曲线。
图9是根据本发明的一些实施例，其示出缓冲层110中铝的可变浓度与厚度范围内的距离的关系图。X轴表示与缓冲层110的最底表面的距离，并且以任意单位表示。缓冲层110的最底表面和最顶表面标记在X轴的相应位置上，以便于参考。Y轴代表缓冲层110中铝的浓度值，单位为“％”。
图9的图表反映了缓冲层110中铝的可变浓度的关系曲线C7。为了说明，在关系曲线C7上标记参考点RP43、RP44、RP45、RP46、RP47、RP48、RP49、RP50、RP51、RP52和RP53，以便于参考，其中参考点RP43-RP52位于缓冲层110的厚度内。
在图9的示例性图示中，关系曲线C7具有连续递增和递减。关于持续递增和递减的变化率，它是恒定的。例如，从基准点RP43到基准点RP44的递减变化率(每距离的递减程度)与从基准点RP44到基准点RP45的递减变化率相同。关系曲线C7仍然重复地上下移动，使得关系曲线C7的至少一部分可以是周期性变化的振荡曲线/周期曲线(即周期曲线)。这种振荡曲线/周期曲线的斜率是恒定的，因为递增或递减的变化率是恒定的。也就是说，关系曲线C7可以是波函数，例如三角波、三角波或非正弦波形中的其他波。
关于参考点RP43、RP44、RP47或RP48，当沿着远离缓冲层110最底表面的方向从参考点开始测量铝的可变浓度时，铝的可变浓度递减，然后递增。
关于参考点RP46、RP47、RP50或RP51，当沿着远离缓冲层110最顶表面的方向从参考点开始测量铝的可变浓度时，铝的可变浓度递减，然后递增。
关于参考点RP45、RP46、RP49或RP50，当沿着远离缓冲层110最底表面的方向从参考点开始测量铝的可变浓度时，铝的可变浓度会递增，然后递减。
关于参考点RP48、RP49、RP52或RP53，当沿着远离缓冲层110最顶表面的方向从参考点开始测量铝的可变浓度时，铝的可变浓度会递增，然后递减。
对于一些参考点，在递减然后递增之后，铝的可变浓度将进一步递减，然后再次递增。例如，从参考点RP43到RP51，相对于参考点RP43依次发生递减、递增、递减和递增。
同样，对于一些参考点，在递增然后递减之后，铝的可变浓度将进一步递增，然后再次递减。例如，从参考点RP45到RP53，相对于参考点RP45依次发生递增、递减、递增和递减。
关于缓冲层110中铝的可变浓度，可在两个参考点RP43-RP53之间或两个以上参考点RP43-RP53之间发现周期性振荡。此外，对于参考点RP43-RP53中的任何三个不同的参考点，可以发现中间一个参考点处出现的铝的可变浓度将“逐渐增加，然后逐渐减少”或“逐渐减少，然后逐渐增加”。这种表征可以与铝的可变浓度相同或相似。
图10是示出根据本发明的一些实施例的缓冲层110中镓的可变浓度与厚度范围内的距离的曲线图。X轴表示与缓冲层110的最底表面的距离，并且以任意单位表示。缓冲层110的最底表面和最顶表面标记在X轴的相应位置上，以便于参考。Y轴代表缓冲层110中镓的浓度值，单位为“％”。
图10的图表反映了缓冲层110中镓的可变浓度的关系曲线C8。为了说明，在关系曲线C8上标记参考点RP54、RP55、RP56、RP57、RP58、RP59、RP60、RP61、RP62、RP63和RP64，以便于参考，其中参考点RP54-RP64位于缓冲层110的厚度内。
在图10的示例性说明中，关系曲线C8具有连续递增和递减。类似地，关于连续递增和递减的变化率，它将是恒定的。例如，从基准点RP54到基准点RP55的递增(每距离增加度)的变化率与从基准点RP55到基准点RP56的递减变化率相同。关系曲线C8仍然反复上下移动，使得关系曲线C8的至少一部分可以是周期性变化的振荡曲线/周期曲线(即周期曲线)。这种振荡曲线/周期曲线的斜率是恒定的，因为递增或递减的变化率是恒定的。也就是说，关系曲线C8可以是波函数，例如三角波、三角波或非正弦波形中的其他波。
如上所述，镓的可变浓度趋势将与铝的可变浓度趋势相反(即与图9所示的趋势相反)。
关于参考点RP54、RP55、RP58或RP59，当沿着远离缓冲层110最底表面的方向从参考点开始测量镓的可变浓度时，镓的可变浓度递增，然后递减。
关于参考点RP57、RP58、RP61或RP62，当沿着远离缓冲层110最顶表面的方向从参考点开始测量镓的可变浓度时，镓的可变浓度递增，然后递减。
关于参考点RP56、RP57、RP60或RP61，当沿着远离缓冲层110最底表面的方向从参考点开始测量镓的可变浓度时，镓的可变浓度递减，然后递增。
关于参考点RP59、RP60、RP63或RP64，当沿着远离缓冲层110最顶表面的方向从参考点开始测量镓的可变浓度时，镓的可变浓度递减，然后递增。
对于一些参考点，在递增然后递减之后，镓的可变浓度将进一步递增，然后再次递减。例如，从参考点RP54到RP62，相对于参考点RP54依次发生递增、递减、递增和递减。
类似地，对于一些参考点，在递减然后递增之后，镓的可变浓度将进一步递减，然后再次递增。例如，从参考点RP56到RP64，相对于参考点RP56依次发生递减、递增、递减和递增。
关于缓冲层110中镓的可变浓度，可在两个参考点RP54-RP64之间或两个以上参考点RP54-RP64之间发现周期性振荡。此外，对于参考点RP54-RP64中的任何三个不同的参考点，可以发现发生在中间一个参考点的镓的可变浓度将“递增然后递减”或“递减然后递增”。这种表征可以与铝的可变浓度相同或相似。
图11是示出根据本发明的一些实施例的缓冲层110中铝与镓的元素比与厚度范围内的距离的曲线图。X轴表示与缓冲层110的最底表面的距离，并且以任意单位表示。缓冲层110的最底表面和最顶表面标记在X轴的相应位置上，以便于参考。Y轴代表缓冲层110中铝与镓的元素比，单位为“％”。
图11的图表反映了缓冲层110中铝与镓元素比的关系曲线C9。为了说明，在关系曲线C9上标记参考点RP65、RP66、RP67、RP68、RP69、RP70、RP71、RP72、RP73、RP74和RP75，以便于参考，其中参考点RP65-RP75位于缓冲层110的厚度内。
在图11的示例性说明中，关系曲线C9具有连续的递减和递增。类似地，关于连续递减和递增的变化率，它将是恒定的。例如，从基准点RP65到基准点RP66的递减变化率(每距离的递减程度)与从基准点RP66到基准点RP67的递减变化率相同。关系曲线C9仍然反复上下移动，使得关系曲线C9的至少一部分可以是周期性变化的振荡曲线/周期曲线(即周期曲线)。这种振荡曲线/周期曲线的斜率是恒定的，因为递增或递减的变化率是恒定的。也就是说，关系曲线C9可以是波函数，例如三角波、三角波或非正弦波形中的其他波。
如上所述，铝与镓的元素比随着两种不同III族元素浓度的变化而变化，其变化趋势与铝浓度的变化趋势相似(如图9所示)。
关于参考点RP65、RP66、RP69或RP70，当沿着远离缓冲层110最底表面的方向从参考点开始测量元素比时，元素比递减，然后递增。
关于参考点RP68、RP69、RP72或RP73，当沿着远离缓冲层110的最上面的方向从参考点开始测量元素比时，元素比递减，然后递增。
关于参考点RP67、RP68、RP71或RP72，当沿着远离缓冲层110最底表面的方向从参考点开始测量元素比时，元素比递增，然后递减。
关于参考点RP70、RP71、RP74或RP75，当沿着远离缓冲层110最上面的方向从参考点开始测量元素比时，元素比递增，然后递减。
对于一些参考点，在递减然后递增之后，元素比将进一步递减，然后再次递增。例如，从参考点RP65到RP73，相对于参考点RP65依次发生递减、递增、递减和递增。
类似地，对于一些参考点，在递增然后递减之后，元素比将进一步递增，然后再次递减。例如，从参考点RP67到RP75，相对于参考点RP45依次发生递增、递减、递增和递减。
关于缓冲层110中的元素比，可在两个参考点RP65-RP75之间或两个以上参考点RP65-RP75之间发现周期性振荡。此外，对于参考点RP65-RP75中的任何三个不同的参考点，可以发现出现在中间的元素比将“递增然后递减”或“递减然后递增”。这种表征可以与铝的可变浓度相同或相似。
图12是示出根据本发明的一些实施例的缓冲层110中铝的可变浓度与厚度范围内的距离的曲线图。X轴表示与缓冲层110的最底表面的距离，并且以任意单位表示。缓冲层110的最底表面和最顶表面标记在X轴的相应位置上，以便于参考。Y轴代表缓冲层110中铝的浓度值，单位为“％”。
图12的图表反映了缓冲层110中铝的可变浓度的关系曲线C10。为了说明，参考点RP76、RP77、RP78和RP79被标记在关系曲线C10上以便于参考，其中参考点RP76-RP79位于缓冲层110的厚度内。在图12的示例性图示中，关系曲线C10具有连续的递增和递减，并且它们的变化率是接触的，使得如前所述，关系曲线C10的至少一部分可以是周期性变化的振荡曲线/周期曲线(即周期曲线)。
特别是，铝的最大浓度随着每个周期不断变化。更具体地说，关系曲线C10中有四个最大铝浓度，分别位于参考点RP76、RP77、RP78和R79。也就是说，随着距离缓冲层最底表面的距离越来越远，最大浓度也相应减少。尽管最大浓度变小，但铝的可变浓度趋势仍在波动中变化(即反复上升和下降)，因此可以称之为周期曲线。
图13是示出根据本发明的一些实施例的缓冲层110中镓的可变浓度与厚度范围内的距离的曲线图。X轴表示与缓冲层110的最底表面的距离，并且以任意单位表示。缓冲层110的最底表面和最顶表面标记在X轴的相应位置上，以便于参考。Y轴代表缓冲层110中镓的浓度值，单位为“％”
图13的图表反映了缓冲层110中镓的可变浓度的关系曲线C11。为了说明，在关系曲线C11上标记参考点RP80、RP81、RP82和RP83以便于参考，其中参考点RP80-RP83位于缓冲层110的厚度内。在图13的示例性图示中，关系曲线C11具有连续的递增和递减，并且它们的变化率是恒定的，使得如前所述，关系曲线C11的至少一部分可以是周期性变化的振荡曲线/周期曲线(即周期曲线)。
如上所述，由于镓的可变浓度趋势与铝的可变浓度趋势相反，因此每个周期的镓的最小浓度将连续变化，对应于每个周期连续变化的铝的最大浓度。更具体地说，关系曲线C11中有三个最低镓浓度，分别位于参考点RP80、RP81、RP82和RP83。也就是说，随着距离缓冲层最底表面的距离越来越远，最小浓度相应地变得更大。尽管最低浓度变得更大，但镓的可变浓度趋势仍在波动中变化(即反复上升和下降)，因此可以称之为周期曲线。
图14是示出根据本发明的一些实施例的缓冲层110中铝与镓的元素比与厚度范围内的距离的曲线图。X轴表示与缓冲层110的最底表面的距离，并且以任意单位表示。缓冲层110的最底表面和最顶表面标记在X轴的相应位置上，以便于参考。Y轴代表缓冲层110中铝与镓的元素比，单位为“％”。
图14的图表反映了缓冲层110中铝与镓的元素比的关系曲线C12。为了说明，参考点RP84、RP85、RP86和RP87被标记在关系曲线C12上以便于参考，其中参考点RP84-RP87位于缓冲层110的厚度内。在图14的示例性图示中，关系曲线C12具有连续的递增和递减，并且它们的变化率变化，使得关系曲线C12的至少一部分可以是周期性变化的振荡曲线/周期曲线(即周期曲线)。
如上所述，铝与镓的元素比随着两种不同III族元素浓度的变化而变化，其变化趋势与铝浓度的变化趋势相似。因此，元素比的最大值随着每个周期连续地改变。更具体地说，关系曲线C12中有三个元素比的最大值，分别位于参考点RP84、RP85、RP86和RP87处。也就是说，随着距离缓冲层最底表面的距离越来越远，元素比的最大值相应地变小。虽然元素比的最大值变小了，但元素比的趋势仍在波动中变化(即反复上升和下降)，因此可以称之为周期曲线。
图15A是根据本发明的一些实施例的半导体器件200的横截面图。除了缓冲层210之外，半导体器件200具有与半导体器件100相同或类似的配置。半导体器件200包括位于成核层204和基于氮化物的半导体层220之间的缓冲层210。缓冲层210与成核层204和氮化物基半导体层220接触。
缓冲层210包括III-V化合物。III-V化合物可包括但不限于铝、镓、铟、氮化物或其组合。因此，缓冲层210的示例性材料还可以包括但不限于AlN、AlGaN、InAlGaN或其组合。
缓冲层包括从成核层204顺序堆叠的子层210A-210K。在一些实施例中，相邻两个子层210A-210K之间存在可区分的界面。这些界面与缓冲层210的最底表面平行。在替代实施例中，子层210A-210K中的相邻两个可以合并，因此它们之间没有可区分的界面。子层210A-210K的形成过程分别是单独的。例如，子层210A和210B的成形工艺的配方不同。此外，在子层210A-210J之一的成形过程中，配置或配方将保持相同。因此，子层210A-210J中的每一个子层可以具有所需元素的均匀/匀称浓度。
图15B的图表示出了根据本发明的一些实施例的缓冲层210中铝的可变浓度与图15A中缓冲层210厚度范围内的距离的关系。如图所示，在图15A和15B中，每一个子层210A-210J具有均匀/匀称的铝浓度。相邻的两个子层210A-210J具有不同的铝浓度，使得缓冲层210中的铝浓度将表示为缓冲层210厚度内距离的函数。此外，通过形成具有不同铝浓度的子层210A-210J，缓冲层210中的铝浓度可以具有递增和递减的趋势。在这方面，由于每个子层210A-210J具有均匀/匀称的铝浓度，因此铝浓度与缓冲层厚度内的距离的关系图是阶跃函数。
更具体地说，如图15B所示，X轴表示与缓冲层210最底表面的距离，并且是任意单位。缓冲层210的最底表面和最顶表面标记在X轴的相应位置上，以便于参考。Y轴代表缓冲层210中铝的浓度值，单位为“％”。
该图反映了缓冲层210中铝浓度的关系曲线C13。为了说明，在关系曲线C13上标记参考点RP88、RP89、RP90、RP91、RP92、RP93、RP94、RP95、RP96、RP97和RP98，以便于参考，其中参考点RP88-RP98位于缓冲层210的厚度内。
在图15B的示例性图示中，关系曲线C13具有逐步递增和递减的特性，使得关系曲线C13的至少一部分可以是周期性变化的振荡曲线/周期性曲线(即周期性曲线)。也就是说，铝浓度的趋势在波动中变化(即反复上升和下降)，因此可以称之为周期曲线。此外，关于子层210A-210J中的每一个子层，图形具有恒定的斜率。
关于参考点RP88、RP89、RP92或RP93，当沿着远离缓冲层210最底表面的方向从参考点开始测量铝的可变浓度时，铝的可变浓度递减，然后递增。
关于参考点RP91、RP92、RP95或RP96，当从参考点沿着远离缓冲层210最顶表面的方向测量铝的可变浓度时，铝的可变浓度会递减，然后递增。
关于参考点RP90、RP91、RP94或RP95，当从参考点沿着远离缓冲层210最底表面的方向测量铝的可变浓度时，铝的可变浓度会递增，然后递减。
关于参考点RP93、RP94、RP97或RP98，当从参考点沿着远离缓冲层210最顶表面的方向测量铝的可变浓度时，铝的可变浓度递增，然后递减。
对于一些参考点，在递减然后递增之后，铝的可变浓度将进一步递减，然后再次递增。例如，从参考点RP88到RP96，相对于参考点RP88依次发生递减、递增、递减和递增。
类似地，对于一些参考点，在递增然后递减之后，铝的可变浓度将进一步递增，然后再次递减。例如，从参考点RP90到RP97，相对于参考点RP90依次发生递增、递减、递增和递减。
关于缓冲层210中铝的可变浓度，可在两个参考点RP88-RP97之间或两个以上参考点RP88-RP97之间发现周期性振荡。此外，对于参考点RP88-RP97中的任何三个不同的参考点，可以发现中间一个参考点处出现的铝的可变浓度将“逐渐增加，然后逐渐减少”或“逐渐减少，然后逐渐增加”。这种表征可以与铝的可变浓度相同或相似。
子层210K是缓冲层210中最顶层，其铝的可变浓度递减至约零(即精确零或略大于零)。
递减或递增可能相同或不同。例如，在一些实施例中，子层210A和210B之间铝浓度的变化与子层210A和210B之间铝浓度的变化相同。在其他实施例中，子层210A和210B之间铝浓度的变化不同于子层210A和210B之间铝浓度的变化。
子层210K可以通过不同的方法形成，使得子层210K中铝浓度的变化可能不同于图15B，例如不同的梯度或持续厚度。例如，在一些实施例中，子层210K中的铝浓度可以线性地和递减地降低。
图16是根据本发明的一些实施例示出缓冲层210中镓的可变浓度与厚度范围内的距离的关系图。X轴表示与缓冲层210的最底表面的距离，并且以任意单位表示。缓冲层210的最底表面和最顶表面标记在X轴的相应位置上，以便于参考。Y轴代表缓冲层210中镓的浓度值，单位为“％”。
图16的图表反映了缓冲层210中镓的可变浓度的关系曲线C14。为了说明，在关系曲线C14上标记参考点RP99、RP100、RP101、RP102、RP103、RP104、RP105、RP106、RP107、RP108和RP109以便于参考，其中参考点RP99-RP109位于缓冲层210的厚度内。
在图16的示例性说明中，关系曲线C14具有逐步递增和递减，使得关系曲线C14的至少一部分可以是周期性变化的振荡曲线/周期性曲线(即周期性曲线)。也就是说，镓浓度的趋势在波动中变化(即反复上升和下降)，因此可以称之为周期曲线。此外，关于子层210A-210J中的每一个子层，图形具有恒定的斜率。
如上所述，镓的可变浓度趋势将与铝的可变浓度趋势相反(即与图15B所示的趋势相反)。
关于参考点RP99、RP100、RP103或RP104，当沿着远离缓冲层210最底表面的方向从参考点开始测量镓的可变浓度时，镓的可变浓度递增，然后递减。
关于参考点RP102、RP103、RP106或RP107，当沿着远离缓冲层210最顶表面的方向从参考点开始测量镓的可变浓度时，镓的可变浓度递增，然后递减。
关于参考点RP101、RP102、RP105或RP106，当沿着远离缓冲层210最底表面的方向从参考点开始测量镓的可变浓度时，镓的可变浓度递减，然后递增。
关于参考点RP104、RP105、RP108或RP109，当沿着远离缓冲层210最顶表面的方向从参考点开始测量镓的可变浓度时，镓的可变浓度递减，然后递增。
对于一些参考点，在递增然后递减之后，镓的可变浓度将进一步递增，然后再次递减。例如，从参考点RP99到RP107，相对于参考点RP99依次发生递增、递减、递增和递减。
类似地，对于一些参考点，在递减然后递增之后，镓的可变浓度将进一步递减，然后再次递增。例如，从基准点RP101到RP108，相对于基准点RP101依次发生递减、递增、递减和递增。
关于缓冲层210中镓的可变浓度，可在两个参考点RP99-RP108之间或两个以上参考点RP99-RP108之间发现周期性振荡。此外，对于参考点RP99-R108中的任何三个不同的参考点，可以发现中间一个参考点处发生的镓的可变浓度将“递增然后递减”或“递减然后递增”。这种表征可以与镓的可变浓度相同或相似。
图17是示出根据本发明的一些实施例的缓冲层210中铝与镓的元素比与厚度范围内的距离的曲线图。X轴表示与缓冲层210的最底表面的距离，并且以任意单位表示。缓冲层110的最底表面和最顶表面标记在X轴的相应位置上，以便于参考。Y轴代表缓冲层210中铝与镓的元素比，单位为“％”。
图17的图表反映了缓冲层110中铝与镓的元素比的关系曲线C15。为了说明，在关系曲线C15上标记参考点RP110、RP111、RP112、RP113、RP114、RP115、RP116、RP117、RP118、RP119和RP120，以便于参考，其中参考点RP110-RP120位于缓冲层110的厚度内。
在图17的示例性说明中，关系曲线C15具有逐步递减和递增的特性，使得关系曲线C15的至少一部分可以是周期性变化的振荡曲线/周期性曲线(即周期性曲线)。也就是说，元素比的趋势在波动中变化(即反复上升和下降)，因此可以称之为周期曲线。此外，关于子层210A-210J中的每一个子层，图形具有恒定的斜率。
如上所述，铝与镓的元素比随着两种不同III族元素浓度的变化而变化，其变化趋势与铝浓度的变化趋势相似(如图15B所示)。
关于参考点RP110、RP111、RP114或RP115，当沿着远离缓冲层110最底表面的方向从参考点开始测量元素比时，元素比递减，然后递增。
关于参考点RP113、RP114、RP117或RP118，当沿着远离缓冲层110最上表面的方向从参考点开始测量元素比时，元素比递减，然后递增。
关于参考点RP112、RP113、RP116或RP117，当沿着远离缓冲层210最底表面的方向从参考点开始测量元素比时，元素比递增，然后递减。
关于参考点RP115、RP116、RP119或RP120，当沿着远离缓冲层210最上表面的方向从参考点开始测量元素比时，元素比递增，然后递减。
对于一些参考点，在递减然后递增之后，元素比将进一步递减，然后再次递增。例如，从参考点RP110到RP118，相对于参考点RP110依次发生递减、递增、递减和递增。
类似地，对于一些参考点，在递增然后递减之后，元素比将进一步递增，然后再次递减。例如，从基准点RP112到RP119，相对于基准点RP112依次发生递增、递减、递增和递减。
关于缓冲层210中的元素比，可在两个参考点RP110-RP120之间或两个以上参考点RP110-RP120之间发现周期性振荡。此外，对于参考点RP110-RP120中的任何不同三个，可以发现出现在中间一个的元素比将“递增然后递减”或“递减然后递增”。这种表征可以与元素比相同或相似。
在图15B、16和17中，逐步递增或递减用“三阶”表示，这取决于子层的数量。例如，如图15B所示，第一或递减发生在涉及三层的子层210A-210C之间。在一些实施例中，递减可跨三层以上发生。
图18、19和20是分别示出根据本发明的一些实施例的缓冲层210中铝的可变浓度、镓的可变浓度和铝与镓的元素比与厚度范围内的距离的关系的曲线图。关于每个递减或递增，可以由缓冲层210的五个子层构造。因此，用于构造每次递减或递增的子层的数量是灵活的，并且可以根据实际需求进行调整。
图21是根据本发明的一些实施例，示出缓冲层210中铝的可变浓度与厚度范围内的距离的关系图。X轴表示与缓冲层210的最底表面的距离，并且以任意单位表示。缓冲层210的最底表面和最顶表面标记在X轴的相应位置上，以便于参考。Y轴代表缓冲层210中铝的浓度值，单位为“％”。
图21的图表反映了缓冲层210中铝的可变浓度的关系曲线C16。为了说明，参考点RP121、RP122和RP123被标记在关系曲线C16上以便于参考，其中参考点RP121-RP123位于缓冲层210的厚度内。在图21的示例性图示中，关系曲线C16具有逐步递减和递增的增加，使得关系曲线C16的至少一部分可以是振荡曲线/周期性变化的周期曲线(即周期曲线)，如前所述。
特别是，铝的最大浓度随着每个周期不断变化。更具体地说，关系曲线C16中有三个最大铝浓度，分别位于参考点RP121、RP122和RP123处。也就是说，随着距离缓冲层最底表面的距离越来越远，最大浓度也相应减少。尽管最大浓度变小，但铝的可变浓度趋势仍在波动中变化(即反复上升和下降)，因此可以称之为周期曲线。
图22是示出根据本发明的一些实施例的缓冲层210中镓的可变浓度与厚度范围内的距离的曲线图。X轴表示与缓冲层210的最底表面的距离，并且以任意单位表示。缓冲层210的最底表面和最顶表面标记在X轴的相应位置上，以便于参考。Y轴代表缓冲层210中镓的浓度值，单位为“％”。
图22的图表反映了缓冲层210中镓的可变浓度的关系曲线C17。为了说明，参考点RP124、RP125和RP126被标记在关系曲线C17上以便于参考，其中参考点RP124-RP126位于缓冲层210的厚度内。在图22的示例性图示中，关系曲线C17具有逐步递增的增加和递减的减少，使得关系曲线C17的至少一部分可以是振荡曲线/周期性变化的周期性曲线(即周期性曲线)，如前所述。
如上所述，由于镓的可变浓度趋势与铝的可变浓度趋势相反，因此每个周期的镓的最小浓度将连续变化，对应于每个周期连续变化的铝的最大浓度。更具体地说，关系曲线C17中有三个镓的最小浓度，它们位于参考点RP124、RP125和RP126处，也就是说，随着距离缓冲层最底表面的距离越来越远，最小浓度相应地变得更大。尽管最低浓度变得更大，但镓的可变浓度趋势仍在波动中变化(即反复上升和下降)，因此可以称之为周期曲线。
图23是示出根据本发明的一些实施例的缓冲层210中铝与镓的元素比与厚度范围内的距离的曲线图。X轴表示与缓冲层210的最底表面的距离，并且以任意单位表示。缓冲层210的最底表面和最顶表面标记在X轴的相应位置上，以便于参考。Y轴代表缓冲层210中铝与镓的元素比，单位为“％”。
图23的图表反映了缓冲层210中铝与镓的元素比的关系曲线C18。为了说明，参考点RP127、RP128和RP129被标记在关系曲线C18上以便于参考，其中参考点RP127-RP129位于缓冲层210的厚度内。在图23的示例性图示中，关系曲线C18具有阶跃递增和递减，使得关系曲线C18的至少一部分可以是周期性变化的振荡曲线/周期曲线(即周期曲线)。
如上所述，铝与镓的元素比随着两种不同III族元素浓度的变化而变化，其变化趋势与铝浓度的变化趋势相似。因此，元素比的最大值随着每个周期连续地改变。更具体地说，关系曲线C18中有三个元素比的最大值，它们位于参考点SRP127、RP128和RP129处。也就是说，随着距离缓冲层最底表面的距离越来越远，元素比的最大值相应地变小。虽然元素比的最大值变小了，但元素比的趋势仍在波动中变化(即反复上升和下降)，因此可以称之为周期曲线。
类似地，在一些实施例中，递减可发生在三层以上。无花果。24、25和26是分别示出根据本发明的一些实施例的缓冲层210中铝的可变浓度、镓的可变浓度和铝与镓的元素比与厚度范围内的距离的曲线图。对于每个递减或递增，它可以由缓冲层的五个子层构成。因此，用于构造每次递减或递增的子层的数量是灵活的，并且可以根据实际需求进行调整。
图27是根据本发明的一些实施例的半导体器件300的横截面图。除了基于氮化物的半导体层312和缓冲层314之外，半导体器件300具有与半导体器件100或200相同或类似的配置。
半导体器件300包括直接堆叠在成核层304上的成核层304和缓冲层310。成核层304可以形成为与前述成核层104相同。缓冲层310可以与上述实施例之一相同地形成。例如，缓冲层310可以形成为包括AlGaN，该AlGaN具有前述铝/镓的可变浓度。
氮化物基半导体层312直接形成在缓冲层310上。氮化物基半导体层312与缓冲层310形成界面。基于氮化物的半导体层312的示例性材料可包括但不限于氮化物或III-V族化合物，例如GaN、AlN、InN、InxAlyGa(1–x–y)N，其中x+y≤1，AlyGa(1-y)N其中y≤1。
缓冲层314直接形成在氮化物基半导体层312上。缓冲层314与氮化物基半导体层312形成界面。氮化物基半导体层316直接形成在缓冲层314上。氮化物基半导体层316与缓冲层314形成界面。
在一些实施例中，在缓冲层310形成为包括第III组元素的配置下，缓冲层314可以形成为包括另一个第III组元素。例如，缓冲层310包括铝，缓冲层314包括铟。因此，缓冲层314的示例性材料还可以包括但不限于InxAlyGa(1–x–y)N，其中x+y≤1，InyGa(1-y)N其中y≤1，或其组合。
在一些实施例中，缓冲层310包括III-V族铝基化合物，缓冲层314包括III-V族铟基化合物。缓冲层310和314可以由相同的化合物或不同的化合物制成。氮化物基半导体层312和316不含铝和铟。根据这种配置，缓冲层310和314可以如下构造各种组合。
缓冲层310和314的配置之一是缓冲层310包括AlxGa(1–x)N，其中x≤缓冲层314包括InyGa(1-y)N，其中y≤1。在一些实施例中，如上文所述，缓冲层310可具有相对于缓冲层310厚度内的参考点变化的铝的可变浓度(例如，递增或递减)。在其他实施例中，缓冲层310可形成为具有严格递减的铝浓度。
关于缓冲层314，缓冲层314中的至少一种III族元素可以变化，这类似于缓冲层310中的铝，使得缓冲层314将具有可变浓度的铟。例如，从氮化物基半导体层312到氮化物基半导体层316，铟的可变浓度可以至少递增然后递减。也就是说，缓冲层314中铟的浓度可以随着缓冲层314厚度内的距离而变化，以周期性振荡。循环振荡可以相对于缓冲层314内的参考点发生。
周期性振荡的趋势可能取决于参考点的位置。对于一些参考点，周期振荡可以包括相对于缓冲层314内的参考点依序发生的递增、递减、递增和递减。对于其他参考点，周期振荡可以包括相对于缓冲层314内的参考点依序发生的递减、递增、递减和递增。在一些实施例中，缓冲层314中铟的周期性振荡是连续的。在一些实施例中，缓冲层314中铟的周期振荡是逐步的。
缓冲层314中可变浓度铟的性质/特征可设计为与上述可变浓度铝相同或相似。因此，缓冲层314中铟的浓度与缓冲层314厚度内的距离的关系图是振荡曲线。在一些实施例中，振荡曲线的至少一部分周期性地改变。在一些实施例中，曲线图为周期曲线，且铟的最大浓度随每个周期连续变化。
缓冲层310和314的配置之一是缓冲层310包括AlxGa(1–x)N，其中x≤1。缓冲层314包括AlyInzGa(1-y-z)N，其中y+z≤1。在一些实施例中，如上文所述，缓冲层310可具有相对于缓冲层310厚度内的参考点变化的铝的可变浓度(例如，递增或递减)。在其他实施例中，缓冲层310可形成为具有严格递减的铝浓度。关于缓冲层314，AlyInzGa(1-y-z)N中的y可以是恒定的，而z是可变的。也就是说，缓冲层314的一部分可以具有可变浓度的铟，而具有恒定浓度的铝。缓冲层314中铝的恒定浓度可低于缓冲层310的一部分的恒定浓度。例如，缓冲层314中铝的恒定浓度大于0％且小于10％，且缓冲层310中铝的浓度可大于10％。
缓冲层310和314的配置之一是，缓冲层310包括AlxInyGa(1–x-y)N，其中x+y≤1。缓冲层314包括InyGa(1-y)N，其中y≤1。在一些实施例中，AlxInyGa(1–x-y)N中的x是可变的，而AlxInyGa(1–x-y)N中的y可以是恒定的。也就是说，缓冲层310的一部分可以具有可变浓度的铝，而具有恒定浓度的铟。关于缓冲层314，如前所述，其可具有可变浓度的铟。缓冲层310中铟的恒定浓度可低于缓冲层314的一部分的恒定浓度。例如，缓冲层310中铟的恒定浓度大于0％且小于10％，且缓冲层314中铟的浓度可大于10％。
缓冲层310和314的配置之一是，缓冲层310包括AlxInyGa(1–x-y)N，其中x+y≤1。缓冲层314包括AlzInwGa(1-z-w)N，其中z+w≤1。在一些实施例中，AlxInyGa(1–x-y)N中的x是可变的，而AlxInyGa(1–x-y)N中的y可以是恒定的。也就是说，缓冲层310的一部分可以具有可变浓度的铝，而具有恒定浓度的铟。关于缓冲层314，AlzInwGa(1-z-w)N中的z可以是恒定的，而w是可变的。也就是说，缓冲层314的一部分可以具有可变浓度的铟，而具有恒定浓度的铝。缓冲层310中铟的恒定浓度可低于缓冲层314的一部分的恒定浓度。例如，缓冲层310中铟的恒定浓度大于0％且小于10％，且缓冲层314中铟的浓度可大于10％。缓冲层314中铝的恒定浓度可低于缓冲层310的一部分的恒定浓度。例如，缓冲层314中铝的恒定浓度大于0％且小于10％，且缓冲层310中铝的浓度可大于10％。
在一些实施例中，缓冲层310包括AlxInyGa(1–x-y)N，其中x+y≤1。其中，AlxInyGa(1–x-y)N中的x和y是可变的，且铝的可变浓度趋势与铟的可变浓度趋势相反。在一些实施例中，缓冲层310包括AlxInyGa(1–x-y)N，其中x+y≤1。其中，AlxInyGa(1–x-y)N中的x和y是可变的，且铝的可变浓度趋势与铟的可变浓度趋势相同或相似。
在一些实施例中，缓冲层314包括AlzInwGa(1-z-w)N，其中z+w≤1，其中，AlzInwGa(1-z-w)N中的z和w是可变的，且铝的可变浓度趋势与铟的可变浓度趋势相反。在一些实施例中，缓冲层314包括AlzInwGa(1-z-w)N，其中z+w≤1，其中AlzInwGa(1-z-w)N中的z和w是可变的，且铝的可变浓度趋势与铟的可变浓度趋势相同或相似。
根据上述实施例，提供了用于改善缓冲层形成期间应力累积的多种解决方案，这意味着应用这种概念的半导体器件的制造过程是灵活的，因此可以普遍应用。因此，可以根据制造过程的条件/要求/需求来选择这些不同的解决方案。
此外，涉及上述波函数的图是为了示例目的而示出的，本发明不受其限制。对其进行修改是可能的，也是可行的。例如，可以增加或减少波函数中的循环数。对它们的修改仍然符合本发明的精神。
本发明的前述描述是为了说明和描述。本发明并非详尽无遗或仅限于所公开的精确形式。许多修改和变化对于本领域技术人员来说是显而易见的。
选择和描述这些实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例以及适合预期特定用途的各种修改。
如本文所用且未另行定义的术语，像是“实质上地”、“实质的”、“近似地”以及“约”，其为用于描述以及解释小的变化。当与事件或状况一起使用时，术语可以包括事件或状况有精确发生的示例，以及事件或状况近似发生的示例。例如，当与数值一起使用时，术语可以包含小于或等于所述数值的±10％的变化范围，例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％，小于或等于±0.1％，或小于或等于±0.05％。对于术语“实质共面”，其可指在数微米(μm)内沿同一平面定位的两个表面，例如在40微米(μm)内、在30μm内、在20μm内、在10μm内，或1μm内沿着同一平面定位。
如本文所使用的，除非上下文另有明确规定，否则单数术语“单个”、“一个”和“所述单个”可包括复数参考词。在一些实施方式的描述中，所提供的在另一组件“上方”或“上面”的组件可以包括的状况有，前一组件直接在后一组件上(例如，与后一组件有物理接触)的状况，以及一个或多个中介组件位于前一组件和后一组件之间的状况。
虽然已经参考本发明内容的具体实施方式来描述和说明本揭露内容，但是这些描述和说明并不受到限制。本领域技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所定义的本发明内容的真实精神和范围的情况下，可以进行各种修改和替换为等效物。附图并非一定是按比例绘制而成的。由于制造工艺和公差的因素，本发明内容中所呈现的工艺与实际装置之间可能存在区域别。本发明内容的其他实施方式可能没有具体说明。说明书和附图应当视为是说明性的，而不是限制性的。可作出修改以使特定情况、材料、物质组成、方法或过程能够适应本发明内容的目的、精神和范围。所有这些修改都会落在本文所附权利要求的范围内。虽然本文所揭露的方法是通过参照特定顺序执行特定操作来描述的，但是应当理解，可以进行组合、子划分或重新排序这些操作，以形成等效的方法，并且此并不会脱离本发明的教示。因此，除非在此有特别指出，否则，此些操作的顺序和分组是不受限制的。

Claims (20)

1.一种半导体器件，其特征在于，包括：
衬底；
成核层，包括一种化合物，其包括第一元素，所述成核层设置在所述衬底上并与所述衬底形成界面；
缓冲层，包括III-V化合物，其包含所述第一元素，所述缓冲层设置在所述成核层上，并与所述成核层形成界面，所述缓冲层具有所述第一元素的可变浓度，其呈现递增然后递减以作为所述缓冲层厚度内与距离相关的函数，其中相对于所述缓冲层内的第一参考点发生递增和递减；
第一氮化物基半导体层，设置在所述缓冲层上，并与所述缓冲层形成界面，其中所述缓冲层的所述第一元素的所述可变浓度在所述缓冲层与所述第一氮化物基半导体层形成的所述界面处小于在所述缓冲层中的其他处；
第二氮化物基半导体层，设置在所述第一氮化物基半导体层上，并且具有的带隙大于所述第一氮化物基半导体层的带隙，以便在之间形成具有二维电子气(2DEG)区域的异质结；以及
一对源极/汲极(S/D)电极和栅极电极，设置在所述第二氮化物基半导体层上，其中所述栅极位于所述S/D电极之间。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，其中可变浓度在相对于缓冲层内的第一参考点发生递减减少之后递增增加。
3.根据权利要求2所述的半导体器件，其特征在于，所述第一元素的所述可变浓度在递增后再次递减，使得递增、递减、递增和递减依序发生在所述缓冲层内的所述第一参考点上。
4.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述第一元素的所述可变浓度相对于所述缓冲层内的第二参考点递减，然后递增，并且所述第一和第二参考点与所述缓冲层的最底部表面的高度不同。
5.根据权利要求4所述的半导体器件，其特征在于，所述第一元素的所述可变浓度从所述第一和第二参考点之间的第三参考点向所述第一参考点递增，然后递减。
6.根据权利要求4所述的半导体器件，其特征在于，所述第一元素的所述可变浓度从所述第一和第二参考点之间的第三参考点向所述第一参考点递减，然后递增。
7.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述第一元素的所述可变浓度相对于所述缓冲层内的第二参考点递增，然后递减，并且所述第一和第二参考点与所述缓冲层的最底部表面的高度不同。
8.根据权利要求7所述的半导体器件，其特征在于，所述第一元素的所述可变浓度从所述第一和第二参考点之间的第三参考点向所述第一参考点递增，然后递减。
9.根据权利要求7所述的半导体器件，其特征在于，所述第一元素的所述可变浓度从所述第一和第二参考点之间的第三参考点向所述第一参考点递减，然后递增。
10.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述第一元素的所述可变浓度的递增和递减是连续的。
11.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述第一元素的所述可变浓度的递增和递减是逐步的。
12.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述第一元素的所述可变浓度与所述缓冲层厚度内距离的关系图是振荡曲线，且所述振荡曲线的至少一部分周期性地变化。
13.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述第一元素的所述可变浓度与所述缓冲层厚度内距离的关系图是周期曲线，其中所述第一元素的最大浓度随每个周期连续变化。
14.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述第一元素的所述可变浓度与所述缓冲层厚度范围内的距离的关系图为周期曲线。
15.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述第一元素的所述可变浓度的递增或递减的变化率逐渐变化。
16.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述第一元素的所述可变浓度的递增或递减的变化率是恒定的。
17.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述缓冲层的厚度在1μm至约50μm范围内。
18.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述第一元素为铝，所述第一氮化物基半导体层不含铝。
19.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述第一元素为铝，所述成核层包含氮化铝(AlN)，所述缓冲层包含氮化铝镓(AlGaN)，所述第一氮化物基半导体层包含氮化镓(GaN)。
20.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述缓冲层还包括铟。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220328680A1 (en) * 2021-04-12 2022-10-13 Innoscience (Suzhou) Technology Co., Ltd. Semiconductor device and method for manufacturing the same
US20220328424A1 (en) * 2021-04-12 2022-10-13 Innoscience (Suzhou) Technology Co., Ltd. Semiconductor device and method for manufacturing the same

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4525894B2 (ja) * 2003-11-21 2010-08-18 サンケン電気株式会社 半導体素子形成用板状基体及びこの製造方法及びこれを使用した半導体素子
US20110254052A1 (en) * 2008-10-15 2011-10-20 Arizona Board of Regents, a body corporate acting for and on behalf of Arizona State University Hybrid Group IV/III-V Semiconductor Structures
JP5572976B2 (ja) * 2009-03-26 2014-08-20 サンケン電気株式会社 半導体装置
JP5804768B2 (ja) * 2011-05-17 2015-11-04 古河電気工業株式会社 半導体素子及びその製造方法
JP6015053B2 (ja) * 2012-03-26 2016-10-26 富士通株式会社 半導体装置の製造方法及び窒化物半導体結晶の製造方法
JP2015060987A (ja) * 2013-09-19 2015-03-30 富士通株式会社 半導体装置及び半導体装置の製造方法
JP2016004948A (ja) * 2014-06-18 2016-01-12 株式会社東芝 半導体装置
US9608075B1 (en) * 2016-06-03 2017-03-28 Infineon Technologies Americas Corp. III-nitride semiconductor device with doped epi structures
US10720520B2 (en) * 2017-06-21 2020-07-21 Infineon Technologies Austria Ag Method of controlling wafer bow in a type III-V semiconductor device
FR3074359A1 (fr) * 2017-11-28 2019-05-31 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Composant electronique a heterojonction muni d'une couche barriere enterree amelioree
CN111490100B (zh) * 2020-04-16 2024-04-05 英诺赛科（珠海）科技有限公司 半导体装置及其制造方法
US20220328675A1 (en) * 2021-04-12 2022-10-13 Innoscience (Suzhou) Technology Co., Ltd. Semiconductor device and method for manufacturing the same
US20220328672A1 (en) * 2021-04-12 2022-10-13 Innoscience (Suzhou) Technology Co., Ltd. Semiconductor device and method for manufacturing the same
US20220328677A1 (en) * 2021-04-12 2022-10-13 Innoscience (Suzhou) Technology Co., Ltd. Semiconductor device and method for manufacturing the same
TWI805276B (zh) * 2022-03-14 2023-06-11 環球晶圓股份有限公司 高電子遷移率電晶體結構及其製造方法

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