TWI585863B - 適於具有異質基板的三族氮化物元件的緩衝層結構 - Google Patents

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Description

適於具有異質基板的三族氮化物元件的緩衝層結構
所揭示的技術係關於緩衝層設計，該緩衝層設計係用於III族氮化物元件中的應力管理，該III族氮化物元件係生長於異質基板上。
由於大的、用於III族氮化物(III-N)半導體的原生基板尚無法廣泛取得，故目前是藉由在適合的非III族氮化物基板上藉由異質磊晶而生長III族氮化物薄膜，如GaN及其合金。通常情況下，薄膜是生長在藍寶石(Al2O3)、碳化矽(SiC)或矽基板上。由於矽基板之成本低、實用性廣、晶圓尺寸大、熱性質及易於與矽基電子元件整合，矽基板上正成為特別有吸引力的III族氮化物層候選基板。然而，由於矽和III族氮化物材料之間有大的晶格不匹配和熱膨脹係數不匹配，故通常情況下在直接沉積於矽基板上的III族氮化物磊晶層中會有淨拉伸應力。
此不匹配會造成層破裂，因此難以在矽基板上生長無破裂且展現適當結構品質的厚III族氮化物層。舉例來說，可生長的且無重大缺陷的III族氮化物層之最大厚度會受到限制。假使III族氮化物層長得太厚，則在冷卻時層中產生的拉伸應力會變大，而造成層破裂。在許多使用III族氮化物異質磊晶層的應用中，可能必須在異質基板上生長非常厚且品質適當的III族氮化物層。
在一個態樣中，描述一種形成III族氮化物層結構的方法，該方法包括在第一材料層上形成具有第一鋁組成的第一III族氮化物緩衝層，其中該第一III族氮化物緩衝層具有鄰接該第一材料層的第一側及與該第一側相對的第二側。該方法進一步包括在該第一III族氮化物緩衝層之該第二側上形成第二III族氮化物緩衝層，其中該第二III族氮化物緩衝層具有第二鋁組成且厚度大於15奈米。該第一III族氮化物緩衝層各處的該第一鋁組成大致為固定的或從該第一側往該第二側減少，及該第二III族氮化物緩衝層各處的該第二鋁組成係大於在該第一III族氮化物緩衝層之該第二側的該第一鋁組成。
在另一個態樣中，描述一種形成III族氮化物層結構的方法，該方法包括在第一材料層上形成具有第一鋁組成的第一III族氮化物緩衝層，其中該第一III族氮化物緩衝層具有鄰接該第一材料層的第一側及與該第一側相對的第二側。 該方法進一步包括在該第一III族氮化物緩衝層之該第二側上形成第二III族氮化物緩衝層，其中該第二III族氮化物緩衝層具有第二鋁組成且厚度大於15奈米。該第一鋁組成不從該第一側往該第二側增加，及該第二III族氮化物緩衝層各處的該第二鋁組成係大於在該第一III族氮化物緩衝層之該第二側的該第一鋁組成。
本文所述的方法可以包括一或多個以下的步驟或特徵。該第一材料層可以為基板。可以移除該基板以曝露該III族氮化物層結構之表面。該第二III族氮化物緩衝層之厚度可以大於30奈米或大於100奈米。可以形成第三III族氮化物緩衝層，其中該第二III族氮化物緩衝層係介於該第一III族氮化物緩衝層與該第三III族氮化物緩衝層之間。形成該第一、第二或第三III族氮化物緩衝層可以包括分別以至少一選自於由鐵(Fe)、鎂(Mg)及碳(C)所組成之群組的元素摻雜該第一、第二或第三III族氮化物緩衝層。該第三III族氮化物緩衝層可以為無鋁或具有第三鋁組成，其中該第二III族氮化物緩衝層各處之該第二鋁組成為均勻的，及該第三III族氮化物緩衝層各處之該第三鋁組成係小於該第二鋁組成。該第三III族氮化物緩衝層可以為無鋁或可以具有第三鋁組成，其中該第二III族氮化物緩衝層各處之該第二鋁組成為非均勻的，及該第三III族氮化物緩衝層各處之該第三鋁組成係小於該第二鋁組成之最小值。該第三III族氮化物緩衝層可以具有鄰接該第二III族氮化物緩衝層的第一側及與該第一側相對的第二側，其中該第三鋁組成為固定的或從該第三III族氮化物緩衝 層之該第一側減少至該第三III族氮化物緩衝層之該第二側。該第三III族氮化物緩衝層各處之該第三鋁組成可以為零。
在該第三III族氮化物緩衝層上可以形成主動元件層，該主動元件層包括III族氮化物半導體材料或由III族氮化物半導體材料形成。該III族氮化物層結構可以進一步在該主動元件層中包括電子半導體元件之導電通道，且該導電通道與該第三III族氮化物緩衝層相距至少20奈米。該方法可以進一步包括形成該電子半導體元件之電極，其中該電極係電連接至該導電通道。在該第三III族氮化物緩衝層之一側上可以形成具有第四鋁組成的第四III族氮化物緩衝層，其中該第三III族氮化物緩衝層係無鋁或具有第三鋁組成，及該第四III族氮化物緩衝層各處之該第四鋁組成係大於直接鄰接該第三III族氮化物緩衝層之該側的該第三鋁組成。在該第四III族氮化物緩衝層之一側上可以形成具有第五鋁組成的第五III族氮化物緩衝層，其中該第五III族氮化物緩衝層各處之該第五鋁組成係小於該第四鋁組成之最小值。該第四III族氮化物緩衝層之厚度可以為至少20奈米或至少50奈米。該第一III族氮化物緩衝層中之該第一鋁組成可以大致上為固定的。該第一鋁組成可以從該第一III族氮化物緩衝層之該第一側減少至該第一III族氮化物緩衝層之該第二側。
在另一個態樣中，描述一種III族氮化物層結構，該結構包括在第一材料層上具有第一鋁組成的第一III族氮化物緩衝層，該第一III族氮化物緩衝層具有鄰接該第一材料層的第一側及與該第一側相對的第二側。該結構進一步包括在該 第一III族氮化物緩衝層之該第二側上的第二III族氮化物緩衝層，該第二III族氮化物緩衝層具有第二鋁組成且厚度大於15奈米。該第一III族氮化物緩衝層中的該第一鋁組成大致為固定的或從該第一側往該第二側減少；及該第二III族氮化物緩衝層中的該第二鋁組成係大於在該第一III族氮化物緩衝層之該第二側的該第一鋁組成。
在又另一個態樣中，描述一種III族氮化物結構，該結構包括基板及在該基板上具有第一鋁組成的第一III族氮化物層，該第一III族氮化物層具有鄰接該基板的第一側及與該第一側相對的第二側。該結構進一步包括在該第一III族氮化物層之該第二側上的第二III族氮化物層，其中該第二III族氮化物層具有第二鋁組成且厚度大於30奈米。該結構進一步包括在該第二III族氮化物層上與該第一III族氮化物層相對之一側上具有第三鋁組成的第三III族氮化物層，該第三III族氮化物層具有鄰接該第二III族氮化物層的第一側及與該第一側相對的第二側，該第一III族氮化物層中的該第一鋁組成為接近固定的或從該第一III族氮化物層之該第一側往該第一III族氮化物層之該第二側減少，該第二III族氮化物層中的該第二鋁組成係大於在該第一III族氮化物層之該第二側的該第一鋁組成，及在該第三III族氮化物層之該第一側的該第三鋁組成係小於該第二鋁組成之最小值。
本文所述的III族氮化物結構可以包括一或多個以下的特徵。該第一材料層可以是基板或異質基板。該第二III族氮化物層或該第二III族氮化物緩衝層之厚度可以為大於 100奈米。該第一鋁組成可以從該第一側單向地往該第二側遞減。該第一鋁組成可以以連續漸次變化的方式從該第一側地往該第二側減少。該第一III族氮化物層或該第一III族氮化物緩衝層可以包括第一部分及第二部分，該第一部分具有固定的鋁組成，該第二部分具有在從該第一側往該第二側的方向上單向地遞減的鋁組成。該第一鋁組成可以以不連續的步階從該第一側往該第二側減少。該結構可以進一步包括具有第三鋁組成的第三III族氮化物緩衝層，其中該第二III族氮化物緩衝層係介於該第一III族氮化物緩衝層與該第三III族氮化物緩衝層之間。
該第一、第二或第三III族氮化物層或緩衝層可以摻雜有至少一選自於由鐵(Fe)、鎂(Mg)及碳(C)所組成之群組的元素。該第二III族氮化物緩衝層各處之該第二鋁組成可以為均勻的，及該第三III族氮化物緩衝層各處之該第三鋁組成可以小於該第二鋁組成。該第二III族氮化物緩衝層各處之該第二鋁組成可以為非均勻的，及該第三III族氮化物緩衝層各處之該第三鋁組成可以小於該第二鋁組成之最小值。該第三III族氮化物緩衝層可以具有鄰接該第二III族氮化物緩衝層的第一側及與該第一側相對的第二側，其中該第三鋁組成從該第三III族氮化物緩衝層之該第一側減少至該第三III族氮化物緩衝層之該第二側。該第三III族氮化物緩衝層可以具有鄰接該第二III族氮化物緩衝層的第一側及與該第一側相對的第二側，其中該第三鋁組成單向地從該第三III族氮化物緩衝層之該第一側往該第三III族氮化物緩衝層之該第二側遞減。該第 三III族氮化物層或第三III族氮化物緩衝層各處之該第三鋁組成可以為固定的或零。
該第一、第二及第三III族氮化物緩衝層之組合厚度可以大於3 μm、5 μm或7 μm。該第一、第二及第三III族氮化物層或緩衝層可以各自包括鋁鎵氮化物。該結構可以進一步包括在該第三III族氮化物層或緩衝層上方的主動元件層，其中該主動元件層包括III族氮化物半導體材料或由III族氮化物半導體材料形成。該結構可以進一步在該主動元件層中包括電子半導體元件之導電通道，其中該導電通道與該第三III族氮化物層或緩衝層相距至少20奈米。該結構可以進一步包括電極，其中該電極係電連接至該導電通道。一種III族氮化物半導體元件可以包括該結構或從該結構形成。該III族氮化物半導體元件之該基板可以包括矽、碳化矽或藍寶石材料。該III族氮化物半導體元件可以進一步包括具有第三鋁組成的第三III族氮化物緩衝層，其中該第二III族氮化物緩衝層係介於該第一III族氮化物緩衝層與該第三III族氮化物緩衝層之間。該III族氮化物半導體元件中該第二III族氮化物緩衝層各處之該第二鋁組成可以為固定的或為非均勻的，及該第三III族氮化物緩衝層各處之該第三鋁組成可以小於該第二鋁組成之最小值。該III族氮化物半導體元件中該第二III族氮化物緩衝層之厚度可以大於100奈米。
該III族氮化物半導體元件可以進一步包括在該第三III族氮化物緩衝層上方的主動元件層，該主動元件層包括III族氮化物半導體材料或由III族氮化物半導體材料形成。 該III族氮化物半導體元件可以進一步在該主動元件層中包括導電通道。該III族氮化物半導體元件可以是電子元件。該III族氮化物半導體元件之該導電通道可以與該第三III族氮化物緩衝層相距至少20奈米。該III族氮化物半導體元件可以是電晶體或二極體。該III族氮化物半導體元件可以進一步包括電極，其中該電極係電連接至該導電通道。
該III族氮化物半導體元件之該第一、第二或第三III族氮化物緩衝層可以摻雜鐵(Fe)、鎂(Mg)、碳(C)或上述物質之組合。該III族氮化物半導體元件之該第一及第二III族氮化物緩衝層可以包括鋁鎵氮化物或硼鋁銦鎵氮化物，或是該第一及第二III族氮化物緩衝層可以由鋁鎵氮化物或硼鋁銦鎵氮化物形成。在該第三III族氮化物層或緩衝層各處之該第三鋁組成可以小於該第二鋁組成之最小值。該基板可以包括矽、SiC或藍寶石，或是該基板可以由矽、SiC或藍寶石形成。該結構可以進一步包括形成於該基板和該第一III族氮化物層或緩衝層之間的成核層。該第一或第二III族氮化物層或緩衝層可以包括BaAlbIncGadN，其中a+b+c+d大致上為1，或該第一或第二III族氮化物層或緩衝層可以包括AlxGayN，其中x+y大致上為1。
100‧‧‧緩衝結構
101‧‧‧基板
102‧‧‧第一緩衝層
103‧‧‧界面
104‧‧‧第二緩衝層
105‧‧‧第二界面
106‧‧‧第三緩衝層
150‧‧‧緩衝層
200‧‧‧結構
202‧‧‧第一緩衝層
204‧‧‧第二緩衝層
206‧‧‧第三緩衝層
210‧‧‧成核層
220‧‧‧基板
250‧‧‧緩衝層
302‧‧‧第一緩衝層
304‧‧‧第二緩衝層
306‧‧‧第三緩衝層
308‧‧‧第四緩衝層
310‧‧‧第五緩衝層
350‧‧‧緩衝結構
402‧‧‧第一緩衝層
404‧‧‧第二緩衝層
406‧‧‧第三緩衝層
408‧‧‧第四緩衝層
409‧‧‧AlN成核層
410‧‧‧第五緩衝層
412‧‧‧層
414‧‧‧層
416‧‧‧層
418‧‧‧GaN層
420‧‧‧AlGaN阻障層
500‧‧‧III族氮化物元件
501‧‧‧基板
502‧‧‧第一緩衝層
504‧‧‧第二緩衝層
506‧‧‧第三緩衝層
509‧‧‧成核層
522‧‧‧通道層
524‧‧‧阻障層
526‧‧‧源極
528‧‧‧閘極
530‧‧‧汲極
535‧‧‧2DEG通道
550‧‧‧緩衝層
560‧‧‧主動元件結構
第1圖為緩衝結構中的緩衝層之剖面圖。
第2至4圖為形成在異質基板上的緩衝結構之緩衝層的剖面圖。
第5圖為具有緩衝結構的III族氮化物元件之實例的剖面圖，該緩衝結構具有依據本案揭示之實施例描述的緩衝層。
在各個圖式中相同的參照符號表示相同的元件。
本案揭示之實施例包括適於半導體元件的緩衝層結構，該半導體元件特別是III族氮化物元件或形成於異質基板上或包括異質基板的半導體元件。在生長於異質基板上的III族氮化物層之案例中，基板和III族氮化物磊晶層之間不匹配的晶格常數與熱膨脹係數以及化學與結構性質，會導致生長過程中在層內產生大的應力，造成III族氮化物層在生長過程中處於緊繃狀態。另外，III族氮化物層和上面生長或沉積III族氮化物層的異質基板之間不匹配的熱膨脹係數會導致III族氮化物層在從生長溫度冷卻到室溫(即25℃)時進一步產生應變，該生長溫度通常是在約700℃至1500℃的範圍中。
由於諸如SiC和矽基板的非原生基板(例如異質基板)之熱膨脹係數小於氮化鎵及其合金之熱膨脹係數，當生長在異質基板上的III族氮化物薄膜/堆疊被從生長溫度冷卻至室溫時，III族氮化物薄膜中的應力變得更加的拉伸及/或更少的壓縮。假使在室溫下III族氮化物薄膜中的應力過於高度拉伸，則諸如裂紋等缺陷會在III族氮化物層中形成。因此，基板上最終的III族氮化物薄膜/堆疊在生長溫度下需要處於足夠的壓縮應力，以便補償在冷卻過程中產生的拉伸應力。 通常情況下，為了防止磊晶III族氮化物薄膜破裂，該等薄膜在正要冷卻之前的生長溫度下係處於足夠高的壓縮應力，使得薄膜在室溫下實質上是無應力的或處於小的壓縮應力。然而，假使在生長過程中的任何時間，在III族氮化物薄膜中的應力過高，則諸如錯置或島形成等缺陷可能會在生長過程中在III族氮化物薄膜中產生，此會降低形成於薄膜上的元件之性能。因此，理想的是最終的III族氮化物薄膜係處於足夠大的壓縮應力下，使得當該等薄膜被冷卻至室溫時，該等薄膜實質上是無應力的或處於低的壓縮或拉伸應力下，同時在生長過程中的所有時間，在生長過程中產生的應力從未超過造成該等薄膜中形成缺陷的臨界值。
當在矽基板上生長III族氮化物薄膜時，其中基板與磊晶生長的薄膜之間的熱膨脹係數差為最大，則可能有各式各樣用於生產高品質III族氮化物薄膜的緩衝層解決方案，例如將AlxGa1-xN緩衝薄膜的組成從在靠近基板的區域中為鋁氮化物(x=1)漸次變化到在遠離基板的區域中為鎵氮化物(x=0)、在緩衝結構內沉積薄的(例如比10 nm薄)AlN或AlGaN中間層、將薄的(例如比10 nm薄)AlN層插入AlN-GaN超晶格中、或是生長鋁的組成隨著與基板的距離增加而逐步減少的AlGaN緩衝層。
在漸次變化AlxGa1-xN緩衝層與AlGaN緩衝層的案例中，其中鋁的組成隨著與基板的距離增加而逐步減少，緩衝薄膜中的鋁之組成xAl維持固定或在緩衝結構內各處隨著遠離基板而單向地遞減，例如從鄰近基板的AlN成核層中的 1或接近1減少到遠離基板的緩衝層部分中的0或接近0。在包括薄的AlN或AlGaN中間層或包括AlN-GaN超晶格(具有薄的AlN層)的緩衝結構中，緩衝薄膜中的鋁組成保持固定或在各處(除了每個薄的AlN或AlGaN薄膜之底部介面(即最靠近基板的界面)之外)隨著遠離基板而單向地遞減。
在許多的應用中，例如在高功率III族氮化物電子元件如高功率電晶體或二極體中，理想的是所有緩衝層之平均鋁(Al)組成係盡可能的大，例如為了減少次表面漏電流及/或提高元件崩潰電壓。然而，在緩衝結構之厚的層中保持太高的鋁組成會導致緩衝結構內的材料性質劣化。
此外，在許多半導體元件的應用中，理想的是在元件主動層下面的III族氮化物緩衝層之總厚度為相對較厚，例如厚度為至少3微米或至少5微米。在採用漸次變化的AlxGa1-xN緩衝層或一系列的AlGaN緩衝層(其中鋁的組成隨著與基板的距離增加而逐步遞減)的層結構中，當沉積更多的III族氮化物緩衝材料時，III族氮化物層中的壓縮應力會持續增加。在沉積或生長足夠厚的III族氮化物緩衝層之前通常會達到裂紋或其他缺陷形成的臨界應力水準。因此，在一些應用中可能無法形成足夠厚的、採用這種III族氮化物層結構的III族氮化物緩衝結構。
本文中使用的術語III族氮化物或III族氮化物材料、層或元件係指由依據化學計量式AlxInyGazN(其中x+y+z為約1)的化合物半導體材料構成的材料或元件。此處，x、y及z分別為Al、In及Ga之組成分率。「基板」為半導體材料 層，該「基板」之頂部上係沉積(例如磊晶生長)半導體元件之另外的半導體材料層，使得生長的半導體材料(接觸或鄰近基板)之晶體結構至少部分地與基板之晶體結構相符或至少部分地由基板之晶體結構決定。在第一半導體材料上磊晶生長第二半導體材料會造成接觸或鄰近第一半導體材料的第二半導體材料之晶體結構為至少部分地與第一半導體材料之晶體結構相符或至少部分地由第一半導體材料之晶體結構決定。相反地，當將第二半導體材料結合於或附加於第一半導體材料時，該二半導體材料之晶體結構通常不會彼此相符。
「異質基板」為由組成及/或結構大致上與生長在基板頂部上的半導體材料不同的材料所形成的基板，而「原生基板」為由組成及/或結構大致上與生長在基板頂上的半導體材料類似或相同的材料所形成的基板。用於生長III族氮化物材料的異質基板之實例包括藍寶石(Al2O3)、碳化矽(SiC)、矽(Si)及非晶或多晶氮化鋁(AlN)基板。用於生長III族氮化物材料的原生基板之實例包括氮化鎵(GaN)及結晶AlN。
當在異質基板上形成將用於諸如電晶體、二極體、雷射、發光二極體、光伏電池或其他元件等元件的III族氮化物半導體材料時，通常將一或多個III族氮化物緩衝層生長在基板上，例如介於基板和主動半導體元件層之間，以最少化主動層中的缺陷及/或控制半導體層結構中的應力。在電子半導體元件(如電晶體和二極體)的案例中，將含有導電元件通道(如二維電子氣(2DEG))的層指稱為「通道層」。雖然在許多案例中，電子元件有不只一個層可含有2DEG或其他 的導電通道，但通道層是導通元件電流流過的層。如此一來，通道層中的元件通道係電連接至元件電極(例如源極、汲極、陽極或陰極)中之至少一者，使得在元件操作過程中電流從元件通道流入元件電極。
含有通道的半導體層通常有一部分(在厚度的方向)是介於通道和基板之間。在一些案例中，該部分之厚度係大於20奈米。在這樣的案例中，元件「通道層」係指含有元件通道的半導體層部分，在厚度方向上該半導體層係在元件通道的20奈米之內。
半導體電子元件之通道層與沉積或形成於該通道層頂部上(即該通道層上與基板相對之側)的半導體層一起被指稱為「主動層」，因為他們可以影響元件的輸出電流特性。在一些實施方案中，電子半導體元件的主動層包括形成於至少一導電元件通道上與基板相對之側上的全部半導體層。在其他的實施方案中，主動半導體層包括在至少一導電元件通道上方或下方且與該元件通道距離小於100奈米、小於50奈米或小於20奈米(在厚度的方向)的全部半導體層。
在光學或光電半導體元件(如雷射、發光二極體及光伏元件)的案例中，主動層包括在元件操作過程中設以吸收或發射光的層。主動層亦包括如電鍍與鏡層等層，該等層設以將光子或電流載子(即電子及/或電洞)限制於發射或吸收層。在一些實施方案中，光學或光電半導體元件之主動層包括與任何設以吸收或發射光的半導體層之距離小於1微米、小於500奈米、小於200奈米、小於100奈米或小於50 奈米的全部半導體層。
本文中使用的「緩衝層」為配置於或形成於基板和元件主動層之間的半導體層。用於一些半導體元件的半導體材料結構包括或形成有單一緩衝層，而其他的則包括或形成有緩衝結構，該緩衝結構包括二或更多的緩衝層。在一些實施方案中，電子半導體元件的緩衝層為半導體層，該半導體層係配置或形成於基板和導電元件通道之間(其中導電元件通道為半導體層中的導電區域，且電連接至或設以被電連接至元件電極，使得在元件操作過程中電流從元件通道流入元件電極或反之亦然)。這樣的緩衝層與導電元件通道相距大於20奈米、大於50奈米或大於100奈米。在其他的實施方案中，光學或光電半導體元件的緩衝層為半導體層，該半導體層係配置或形成於基板和設以吸收或發射光的半導體層之間，其中該緩衝層和該設以吸收或發射光的半導體層之間包括至少一額外的層，該額外的層之厚度大於1微米、該額外的層之厚度大於500奈米、該額外的層之厚度大於200奈米、該額外的層之厚度大於100奈米或該額外的層之厚度大於50奈米。
第1圖為基板和緩衝結構100之剖面圖。緩衝層150可被形成於基板101上，基板101可以是異質基板。在一些實施方案中，形成緩衝結構100之後，基板101被移除。在其他的實施方案中，移除基板101之後，將載體晶圓黏附於因移除基板101而曝露的緩衝層150界面上(未圖示)。載體晶圓可以為半導體、金屬或絕緣體。將緩衝層150黏附於載 體晶圓通常不會造成任何緩衝層部分的晶體結構與載體晶圓的晶體結構相符。
緩衝結構100之一個實施例包括第一緩衝層102、在界面103形成於第一緩衝層102上的第二緩衝層104及在第二界面105形成於第二緩衝層104上的第三緩衝層106。第一緩衝層102具有第一鋁組成x1(d)，第二緩衝層104具有第二鋁組成x2(d)，及第三緩衝層106具有第三鋁組成x3(d)。該等鋁組成x1(d)、x2(d)及x3(d)可以各自為固定的或是可以隨著與基板的距離而改變。
在一個實施例中，第一緩衝層102的第一鋁組成x1(d)在第一緩衝層102中往界面103減少。注意到，第一鋁組成x1(d)可以以連續的漸次變化或漸次變化的步階或連續的漸次變化與漸次變化的步階之組合單向地往界面103遞減。第一鋁組成x1(d)也可以在不連續的步階中往界面減少。舉例來說，在部分的第一緩衝層102中x1(d)可以為常數，並且從一個部分到另一個部分突然增加，或在其他的部分中連續地漸次變化，或上述之任意組合。在其他的實施例中，第一鋁組成x1(d)大致上為固定的(例如該層各處的變化小於.02)或零。
第二緩衝層104各處的第二鋁組成x2(d)可以大於在界面103的第一鋁組成[x2(d)>x1(d1)]。舉例來說，在一個實施方案中，第二緩衝層104各處的第二鋁組成為均勻的[x2(d)=常數]，並且第三緩衝層106各處的第三鋁組成x3(d)皆小於第二鋁組成[例如x3(d)<x2(d)]。
或者，第二緩衝層104各處的第二鋁組成x2(d)可以不同，並且第三緩衝層106各處的第三鋁組成x3(d)可以小於第二鋁組成之最小值[例如對於所有的d，x3(d)<x2(d)]。在第三緩衝層106中的第三鋁組成x3(d)可以從第二界面105往d=d3減少，或是在第三緩衝層106各處皆為零[x3(d)=0]。第二緩衝層104的厚度(t=d2-d1)可以大於15 nm、第二緩衝層104的厚度(t=d2-d1)可以大於20 nm、第二緩衝層104的厚度(t=d2-d1)可以大於50 nm、第二緩衝層104的厚度(t=d2-d1)可以大於100 nm或第二緩衝層104的厚度(t=d2-d1)可以大於200 nm。
注意到，在第三緩衝層106中的第三鋁組成x3(d)可以單向地從第二界面105往d=d3遞減，或者第三鋁組成x3(d)可以在第三緩衝層106各處為固定的。包括第一緩衝層102、第二緩衝層104及第三緩衝層106的緩衝層150之組合厚度可以大於3 μm、5 μm或7 μm。
可將第1圖的緩衝結構100設計如下。第一緩衝層102(其中鋁的組成隨著遠離基板而減少)可設以使層102中的壓縮應力隨著層102的厚度增加而增加。使第一緩衝層102生長到厚度小於該層中缺陷形成的臨界厚度，之後在層102的頂部上沉積第二緩衝層104。第二緩衝層104(其中各處的鋁組成大於緩衝層102靠近層104的部分之鋁組成)的結構可以使得第一及/或第二緩衝層102及104中的壓縮應力分別隨著層104的厚度增加而減少。使第二緩衝層104生長到厚度小於該層中缺陷形成的臨界厚度，但足夠厚以大大地減少 層102及104中的壓縮應力。層104的最適化厚度可以取決於層104的平均鋁組成以及所需的緩衝結構150之總厚度。舉例來說，對於總厚度為約3微米的緩衝層150而言，層104可以大於15奈米，例如層104可以介於15至500奈米之間。對於總厚度為約5微米的緩衝層150而言，層104可以大於25奈米或50奈米，例如層104可以介於25至500奈米之間。假使緩衝層150之厚度為約7微米，則層104可以大於100奈米或200奈米，例如層104可以介於100至500奈米之間。
沉積第二緩衝層104之後，在層104的頂部上沉積第三緩衝層106。第三緩衝層106(其中鋁組成保持固定或隨著遠離基板而減少)的結構可以使得緩衝層150中的壓縮應力隨著層106的厚度增加而增加。可以使緩衝層106以及任何生長在緩衝層106頂部上的III族氮化物層(例如主動元件層)生長到一厚度，使得在生長溫度下緩衝層150中的總壓縮應力夠高，而不會在冷卻至室溫時形成裂紋或缺陷，但也沒有高到會形成與壓縮應力過大相關的缺陷。
緩衝結構100的氮化物材料之特徵在於緩衝層150各處(除了層104之外)具有在遠離基板101的方向上減少或保持固定的鋁組成分率。層104各處的鋁組成分率可以大於層102中直接鄰接界面103處的鋁組成分率，而且層104可為至少夠厚，以與層104正要生長之前相比，在層104一生長完成之後實質減少緩衝結構150中的應變。因為在生長第二緩衝層104的過程中緩衝層150中的壓縮應力會降低，所以緩衝層150可以生長到總厚度大於缺少這樣的應變縮減 層之結構中可實現的厚度，而不會產生應變引發的缺陷。因此，可以實現厚的III族氮化物緩衝層。此外，緩衝層104中高的鋁組成會在緩衝層150各處產生較高的平均鋁組成，此對於如電晶體和二極體等元件是有利的。
可以摻雜緩衝層102、104及/或106中任一者或全部，以使該等層更具絕緣性及/或防止導電區如二維電子氣(2DEGs)形成。尤其，包含緩衝層104會導致鄰接層104的緩衝層102中產生導電通道，此對於可能形成於緩衝結構100上的電晶體和二極體之效能是有害的。如此一來，緩衝層102、104及106可以沒有任何的導電區、導電通道或2DEGs。可以使用的摻雜劑之實例包括鐵(Fe)、鎂(Mg)及碳(C)。
可以使包括第一層102、第二層104及第三層106的緩衝結構100之平均帶隙比替代的緩衝結構(例如單一層或雙層緩衝結構)更高，因而在操作形成於緩衝結構100上的元件之過程中可以有較大的崩潰電壓/場及/或較少的漏電流。
可以選擇每個緩衝層102、104及106的具體組成與厚度，使得在生長溫度(通常在約700℃至1500℃的範圍中)下生長該等層的過程中，該結構中的壓縮應力從未超過可造成膜破裂或產生其他與壓縮應力過度相關的缺陷之值。此外，可以選擇每個緩衝層102、104及106的組成與厚度，使得該結構中的III族氮化物層在生長溫度下、正要冷卻之前處於足夠高的壓縮應力，使得該結構冷卻至室溫後，該III族氮化物層在室溫下實質上為無應力或處於小的壓縮或伸張應 力。
以下為第1圖的緩衝層結構100之示例性實施方案，製造的緩衝層結構100顯示出可防止在生長溫度下產生與壓縮應力過度相關的缺陷，同時在冷卻後得到在室溫下實質無應力或處於小的壓縮或伸張應力的層。基板101為SiC，層102為厚度145奈米的Al0.37Ga0.63N層，層104為厚度0.37奈米的Al0.56Ga0.44N層，而且層106為厚度150奈米的Al0.295Ga0.705N層。該結構在SiC基板和層102之間亦包括180 nm的AlN成核層(未圖示於第1圖中)。在此實施方案中，層104的鋁組成分率大於層102和層106中最大的鋁濃度之1.5倍。此外，層104的厚度大於每個層102和層106的厚度。
第2圖為緩衝結構200之剖面圖，緩衝結構200具有形成於異質基板220上的緩衝層250，該緩衝層可以例如包括第一緩衝層202、第二緩衝層204及第三緩衝層206，第一緩衝層202具有第一III族氮化物材料，該第一III族氮化物材料含有第一鋁組成，第二緩衝層204具有第二III族氮化物材料，該第二III族氮化物材料含有第二鋁組成。該第一III族氮化物材料可以包括BaAlbIncGadN(其中a+b+c+d大致上等於1)或AlxGayN(其中x+y大致上等於1)。同樣地，該第二III族氮化物材料可以包括BaAlbIncGadN(其中a+b+c+d大致上等於1)或AlxGayN(其中x+y大致上等於1)。緩衝層202、204及206的鋁組成如同參照第1圖的示例性緩衝層102、104及106之描述所述。
第一緩衝層202係配置於基板220上方，基板220 可以是矽、SiC、藍寶石或其他適當的材料。在一個實施例中，結構200可以包括形成於基板220和第一緩衝層202之間的成核層210。
第3圖為緩衝結構之剖面圖，該緩衝結構與第1圖之緩衝結構100類似，但在該結構中包括複數個較高鋁組成分率材料層。緩衝結構350之第一、第二及第三緩衝層302、304及306分別與第1圖的緩衝結構150之緩衝層102、104及106相同。然而，緩衝層350還包括額外的層308和310。第四緩衝層308各處的鋁組成分率可以大於第三緩衝層306中在層306和層308之間的界面處或直接鄰接處之鋁組成分率。第五緩衝層310各處的鋁組成分率可以小於第四緩衝層308中在層308和層310之間的界面處或直接鄰接處之鋁組成分率。舉例來說，在一個實施方案中，第四緩衝層308中各處的鋁組成分率為均勻的，並且第五緩衝層310中各處的鋁組成分率皆小於第四緩衝層308的鋁組成分率。
可以將第3圖的緩衝結構設計如下。首先，使緩衝層302、304及306生長到厚度小於結構中缺陷形成的臨界厚度，如前所述。接著，將第四緩衝層308直接沉積在層306的頂部上。第四緩衝層308(其中各處的鋁組成皆大於緩衝層306靠近層308的部分之鋁組成)的結構可以使得第一、第二及第三緩衝層302、304及306中任一者或全部的壓縮應力分別隨著層308的厚度增加而減少。使第四緩衝層308生長到厚度小於該層中缺陷形成的臨界厚度，但又足夠厚，以實質減少層302、304及/或306中的壓縮應力。層308之最適化厚 度可以取決於層308之平均鋁組成、下方各層之組成與厚度及緩衝層350之所需總厚度。舉例來說，對於總厚度為約3微米的緩衝層350而言，層308可以大於15奈米，例如介於15至500奈米之間。對於總厚度為約5微米的緩衝層350而言，層308可以大於25奈米或50奈米，例如介於25至500奈米之間。假使該等層之厚度為約7微米，則層308可以大於100奈米或200奈米，例如介於100至500奈米之間。
第4圖中圖示與第3圖類似的緩衝層結構之示例性實施方案，製造第3圖的緩衝層結構顯示出可防止在生長溫度下產生與壓縮應力過度相關的缺陷，同時在冷卻後得到在室溫下實質無應力或處於小的壓縮或伸張應力的層。第4圖的層402、404、406、408及410分別與第3圖的層302、304、306、308及310相同。第4圖的結構包括第3圖中圖示的所有層，以及一些額外的層。參照第4圖，基板101為SiC，層402為厚度145奈米的Al0.37Ga0.63N層，層404為厚度370奈米的Al0.56Ga0.44N層，層406為厚度150奈米的Al0.295Ga0.705N層，層408為厚度370奈米的Al0.56Ga0.44N層，及層410為厚度160奈米的Al0.215Ga0.785N層。該結構在SiC基板和層402之間亦包括180 nm的AlN成核層409。該結構在層410的頂部上亦包括額外的緩衝層。將厚度370奈米的Al0.56Ga0.44N層412直接形成於層410上，之後為190奈米的Al0.147Ga0.853N層414，之後為另一個厚度370奈米的Al0.56Ga0.44N層416。在最後的Al0.56Ga0.44N層416的頂部上形成1微米無意圖摻雜的GaN層418，之後為AlGaN阻障層420，選擇AlGaN阻 障層420之厚度和組成來於鄰近GaN層和AlGaN阻障層之間的界面之GaN層中產生2DEG元件通道(未圖示)。然後從上述結構形成高電子移動率電晶體(HEMT)。
如所述，以上實施方案包括四個Al0.56Ga0.44N層，各Al0.56Ga0.44N層在任一側上皆直接具有III族氮化物層，且該III族氮化物層具有比該Al0.56Ga0.44N層更低的鋁組成分率和更小的厚度。此外，對於鋁組成分率小於0.56的每個AlGaN層(即層402、406、410及414)而言，該鋁組成在遠離SiC基板的方向上單向地遞減。舉例來說，層402之鋁組成為0.37，層406(與基板之間的距離比層402遠)之鋁組成為0.295，層410(與基板之間的距離比層406遠)之鋁組成為0.215，而且層414(與基板之間的距離比層410遠)之鋁組成為0.147。
第5圖為依據本案揭示之實施例具有緩衝層550的III族氮化物元件500之實例剖面圖。此III族氮化物HEMT結構包括基板501、形成於基板501上的選擇性成核層509(如AlN或AlxGa1-xN)及緩衝層550。成核層509可用以允許III族氮化物材料在基板上方成核，使得鄰接或接觸該基板的該III族氮化物材料具有至少部分由基板的晶體結構決定或至少部分與基板的晶體結構相符的晶體結構。在一些案例中，為了額外的應力控制，也可以將應力管理層(未圖示)配置於成核層509上方。
該元件結構進一步包括配置於緩衝層550上方的主動元件結構560，該主動元件結構包括例如通道層522及阻障 層524，通道層522例如GaN層，阻障層524如形成於通道層522上方的AlxGa1-xN層。可以在通道層522中靠近通道層522和阻障層524之間的界面處產生二維電子氣(2DEG)通道535(以虛線圖示)。或者，形成於緩衝結構550上方的主動元件層可設以用於其他類型的元件，例如雷射、二極體、發光二極體或光伏電池。
利用小心地控制生長或沉積條件及緩衝層550的厚度和結構來最小化通道層522和基板501之間晶格和熱不匹配的負面影響。在一個實施例中，緩衝層550包括第一緩衝層502、第二緩衝層504及第三緩衝層506，而且為了應力管理設計每一層的鋁組成和厚度，如前所述。參照第1圖的實例之緩衝層102、104及106說明每一層中的相對鋁組成之實例。
一般來說，在操作元件500的過程中，第一緩衝層502、第二緩衝層504及第三緩衝層506通常無可移動載子(例如電子或電洞)，或是至少實質上無電子(但非必然為電洞)，使得緩衝層550為電子絕緣的或部分絕緣的，或是為非導電性的，或是最起碼具有非常低的n型導電性。此外，為了進一步的電絕緣，緩衝層502、504及/或506中之一或多者可被摻雜例如鐵(Fe)、鎂(Mg)及/或碳(C)或其他的摻雜劑。
該元件可以進一步包括源極和汲極526和530，源極和汲極526和530分別形成於閘極528的對側並且與通道層522中的2DEG通道535接觸。閘極528可調制閘極區域中(即閘極528下方)的2DEG 535部分。
一般來說，元件500可以是增強型場效電晶體(FET)或空乏型場效電晶體。可以製造於異質基板上並使用緩衝結構550(具有緩衝層502、504及506)的典型III族氮化物元件之另外的實例可以包括(僅為舉例而非限制)高電子移動率電晶體(HEMT)、偏振摻雜場效電晶體(POLFET)、金屬半導體場效電晶體(MESFET)、發光二極體(LED)、二極體雷射及電流孔徑垂直電子電晶體(CAVET)。
已經說明了數種實施方案，然而，將瞭解到，在不偏離本文描述的技術和元件之精神和範疇下，可以進行各種修改。可以獨立地或彼此組合而使用每個實施方案中顯示的特徵。因此，其他的實施方案亦在以下申請專利範圍之範疇內。
500‧‧‧III族氮化物元件
501‧‧‧基板
502‧‧‧第一緩衝層
504‧‧‧第二緩衝層
506‧‧‧第三緩衝層
509‧‧‧成核層
522‧‧‧通道層
524‧‧‧阻障層
526‧‧‧源極
528‧‧‧閘極
530‧‧‧汲極
535‧‧‧2DEG通道
550‧‧‧緩衝層
560‧‧‧主動元件結構

Claims (65)

  1. 一種形成一III族氮化物層結構的方法，包含以下步驟：在一第一材料層上形成具有一第一鋁組成的一第一III族氮化物緩衝層，該第一III族氮化物緩衝層具有鄰接該第一材料層的一第一側及與該第一側相對的一第二側；及在該第一III族氮化物緩衝層之該第二側上形成一第二III族氮化物緩衝層，該第二III族氮化物緩衝層具有一第二鋁組成且厚度大於15奈米；其中該第一III族氮化物緩衝層各處的該第一鋁組成大致為固定的或從該第一側往該第二側減少；及該第二III族氮化物緩衝層各處的該第二鋁組成係大於在該第一III族氮化物緩衝層之該第二側的該第一鋁組成。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該第一材料層為一基板。
  3. 如請求項2所述之方法，進一步包含：移除該基板以曝露該III族氮化物層結構之一表面。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該第二III族氮化物緩衝層之厚度係大於100奈米。
  5. 如請求項1所述之方法，進一步包含：形成一第三III族氮化物緩衝層，其中該第二III族氮化物緩衝層係介於該第一III族氮化物緩衝層與該第三III族氮化物緩衝層之間。
  6. 如請求項5所述之方法，其中形成該第一、第二或第三III族氮化物緩衝層包含以下步驟：分別以至少一選自於由鐵(Fe)、鎂(Mg)及碳(C)所組成之群組的元素摻雜該第一、第二或第三III族氮化物緩衝層。
  7. 如請求項5所述之方法，該第三III族氮化物緩衝層係無鋁或具有一第三鋁組成，其中該第二III族氮化物緩衝層各處之該第二鋁組成為均勻的，及該第三III族氮化物緩衝層各處之該第三鋁組成係小於該第二鋁組成。
  8. 如請求項5所述之方法，該第三III族氮化物緩衝層係無鋁或具有一第三鋁組成，其中該第二III族氮化物緩衝層各處之該第二鋁組成為非均勻的，及該第三III族氮化物緩衝層各處之該第三鋁組成係小於該第二鋁組成之一最小值。
  9. 如請求項5所述之方法，該第三III族氮化物緩衝層具有鄰接該第二III族氮化物緩衝層的一第一側及與該第一側相對的一第二側，其中該第三鋁組成為固定的或從該第三III族氮化物緩衝層之該第一側減少至該第三III族氮化物緩衝層之該第二側。
  10. 如請求項5所述之方法，其中該第三III族氮化物緩衝層各處之該第三鋁組成為零。
  11. 如請求項5所述之方法，進一步包含：在該第三III族氮化物緩衝層上形成一主動元件層，該主動元件層包含一III族氮化物半導體材料。
  12. 如請求項11所述之方法，該III族氮化物層結構進一步在該主動元件層中包含一電子半導體元件之一導電通道，其中該導電通道與該第三III族氮化物緩衝層相距至少20奈米。
  13. 如請求項12所述之方法，進一步包含：形成該電子半導體元件之一電極，其中該電極係電連接至該導電通道。
  14. 如請求項5所述之方法，進一步包含：在該第三III族氮化物緩衝層之一側上形成具有一第四鋁組成的一第四III族氮化物緩衝層，其中該第三III族氮化物緩衝層無鋁或具有一第三鋁組成，及該第四III族氮化物緩衝層各處之該第四鋁組成係大於直接鄰接該第三III族氮化物緩衝層之該側的該第三鋁組成。
  15. 如請求項14所述之方法，進一步包含：在該第四III族氮化物緩衝層之一側上形成具有一第五鋁組成的一第五III族氮化物緩衝層，其中該第五III族氮化物緩衝層各處之該第五鋁組成係小於該第四鋁組成之一最小值。
  16. 如請求項15所述之方法，其中該第四III族氮化物緩衝層之厚度為至少20奈米。
  17. 如請求項14所述之方法，其中該第四III族氮化物緩衝層之厚度為至少50奈米。
  18. 一種III族氮化物層結構，包含：在一第一材料層上具有一第一鋁組成的一第一III族氮化物緩衝層，該第一III族氮化物緩衝層具有鄰接該第一材料層的一第一側及與該第一側相對的一第二側；及在該第一III族氮化物緩衝層之該第二側上的一第二III族氮化物緩衝層，該第二III族氮化物緩衝層具有一第二鋁組成且厚度大於15奈米；其中該第一III族氮化物緩衝層中的該第一鋁組成大致為固定的或從該第一側往該第二側減少；及該第二III族氮化物緩衝層中的該第二鋁組成係大於在該第一III族氮化物緩衝層之該第二側的該第一鋁組成。
  19. 如請求項18所述之III族氮化物層結構，其中該第一材料層為一基板。
  20. 如請求項18所述之III族氮化物層結構，其中該第二III族氮化物緩衝層之厚度係大於100奈米。
  21. 如請求項18所述之III族氮化物層結構，其中該第一材料層為一異質基板。
  22. 如請求項18所述之III族氮化物層結構，其中該第一鋁組成係從該第一側單向地往該第二側遞減。
  23. 如請求項18所述之III族氮化物層結構，其中該第一鋁組成係以連續漸次變化的方式從該第一側地往該第二側減少。
  24. 如請求項18所述之III族氮化物層結構，其中該第一III族氮化物緩衝層包括一第一部分及一第二部分，該第一部分具有一固定的鋁組成，該第二部分具有在從該第一側往該第二側的一方向上單向地遞減的一鋁組成。
  25. 如請求項18所述之III族氮化物層結構，其中該第一鋁組成係以不連續的步階從該第一側往該第二側減少。
  26. 如請求項18所述之III族氮化物層結構，進一步包含具有一第三鋁組成的一第三III族氮化物緩衝層，其中該第二III族氮化物緩衝層係介於該第一III族氮化物緩衝層與該第三III族氮化物緩衝層之間。
  27. 如請求項26所述之III族氮化物層結構，其中該第一、 第二或第三III族氮化物緩衝層係摻雜至少一選自於由鐵(Fe)、鎂(Mg)及碳(C)所組成之群組的元素。
  28. 如請求項26所述之III族氮化物層結構，其中該第二III族氮化物緩衝層各處之該第二鋁組成為均勻的，及該第三III族氮化物緩衝層各處之該第三鋁組成係小於該第二鋁組成。
  29. 如請求項26所述之III族氮化物層結構，其中該第二III族氮化物緩衝層各處之該第二鋁組成為非均勻的，及該第三III族氮化物緩衝層各處之該第三鋁組成係小於該第二鋁組成之一最小值。
  30. 如請求項26所述之III族氮化物層結構，該第三III族氮化物緩衝層具有鄰接該第二III族氮化物緩衝層的一第一側及與該第一側相對的一第二側，其中該第三鋁組成從該第三III族氮化物緩衝層之該第一側減少至該第三III族氮化物緩衝層之該第二側。
  31. 如請求項26所述之III族氮化物層結構，該第三III族氮化物緩衝層具有鄰接該第二III族氮化物緩衝層的一第一側及與該第一側相對的一第二側，其中該第三鋁組成單向地從該第三III族氮化物緩衝層之該第一側往該第三III族氮化物緩衝層之該第二側遞減。
  32. 如請求項26所述之III族氮化物層結構，其中該第三III族氮化物緩衝層各處之該第三鋁組成為固定的或零。
  33. 如請求項26所述之III族氮化物層結構，其中該第一、第二及第三III族氮化物緩衝層之一組合厚度係大於3 μm。
  34. 如請求項26所述之III族氮化物層結構，其中該第一、第二及第三III族氮化物緩衝層之一組合厚度係大於5 μm。
  35. 如請求項26所述之III族氮化物層結構，其中該第一、第二及第三III族氮化物緩衝層之一組合厚度係大於7 μm。
  36. 如請求項26所述之III族氮化物層結構，其中該第一、第二及第三III族氮化物緩衝層各包括鋁鎵氮化物。
  37. 如請求項26所述之III族氮化物層結構，進一步包含在該第三III族氮化物緩衝層上方的一主動元件層，該主動元件層包含一III族氮化物半導體材料。
  38. 如請求項37所述之III族氮化物層結構，該III族氮化物層結構進一步在該主動元件層中包含一電子半導體元件之一導電通道，其中該導電通道與該第三III族氮化物緩衝層相距至少20奈米。
  39. 如請求項38所述之III族氮化物層結構，進一步包含一電極，其中該電極係電連接至該導電通道。
  40. 一種包含如請求項18所述之III族氮化物層結構的III族氮化物半導體元件。
  41. 如請求項40所述之III族氮化物半導體元件，其中該第一材料層為一基板。
  42. 如請求項41所述之III族氮化物半導體元件，其中該基板包含選自於由矽、碳化矽及藍寶石所組成之群組的一材料。
  43. 如請求項40所述之III族氮化物半導體元件，進一步包含具有一第三鋁組成的一第三III族氮化物緩衝層，其中該第二III族氮化物緩衝層係介於該第一III族氮化物緩衝層與該第三III族氮化物緩衝層之間。
  44. 如請求項43所述之III族氮化物半導體元件，其中該第二III族氮化物緩衝層各處之該第二鋁組成為固定的或為非均勻的，及該第三III族氮化物緩衝層各處之該第三鋁組成係小於該第二鋁組成之一最小值。
  45. 如請求項44所述之III族氮化物半導體元件，其中該第二III族氮化物緩衝層之厚度係大於100奈米。
  46. 如請求項45所述之III族氮化物半導體元件，進一步包含在該第三III族氮化物緩衝層上方的一主動元件層，該主動元件層包含一III族氮化物半導體材料。
  47. 如請求項46所述之III族氮化物半導體元件，進一步在該主動元件層中包含該III族氮化物半導體元件之一導電通道，其中該III族氮化物半導體元件為一電子元件。
  48. 如請求項47所述之III族氮化物半導體元件，其中該導電通道與該第三III族氮化物緩衝層相距至少20奈米。
  49. 如請求項47所述之III族氮化物半導體元件，其中該電子元件為一電晶體或一二極體。
  50. 如請求項47所述之III族氮化物半導體元件，進一步包含一電極，其中該電極係電連接至該導電通道。
  51. 如請求項43所述之III族氮化物半導體元件，其中該第一、第二或第三III族氮化物緩衝層係摻雜至少一選自於由鐵(Fe)、鎂(Mg)及碳(C)所組成之群組的元素。
  52. 如請求項40所述之III族氮化物半導體元件，其中該第一及第二III族氮化物緩衝層包含鋁鎵氮化物或硼鋁銦鎵氮化 物。
  53. 一種III族氮化物結構，包含：一基板；在該基板上具有一第一鋁組成的一第一III族氮化物層，該第一III族氮化物層具有鄰接該基板的一第一側及與該第一側相對的一第二側；在該第一III族氮化物層之該第二側上的一第二III族氮化物層，該第二III族氮化物層具有一第二鋁組成且厚度大於30奈米；及在該第二III族氮化物層上與該第一III族氮化物層相對之一側上具有一第三鋁組成的一第三III族氮化物層，該第三III族氮化物層具有鄰接該第二III族氮化物層的一第一側及與該第一側相對的一第二側；其中該第一III族氮化物層中的該第一鋁組成為接近固定的或從該第一III族氮化物層之該第一側往該第一III族氮化物層之該第二側減少；該第二III族氮化物層中的該第二鋁組成係大於在該第一III族氮化物層之該第二側的該第一鋁組成；及在該第三III族氮化物層之該第一側的該第三鋁組成係小於該第二鋁組成之一最小值。
  54. 如請求項53所述之III族氮化物結構，其中在該第三III族氮化物層各處之該第三鋁組成係小於該第二鋁組成之一最 小值。
  55. 如請求項53所述之III族氮化物結構，其中該第二III族氮化物層之一厚度係大於100 nm。
  56. 如請求項53所述之III族氮化物結構，其中該基板包含矽、SiC或藍寶石。
  57. 如請求項53所述之III族氮化物結構，進一步包含形成於該基板和該第一III族氮化物層之間的一成核層。
  58. 如請求項53所述之III族氮化物結構，其中該第一或第二III族氮化物層包括BaAlbIncGadN，其中a+b+c+d大致上為1，或AlxGayN，其中x+y大致上為1。
  59. 如請求項53所述之III族氮化物結構，其中該第一鋁組成係從該第一III族氮化物層之該第一側單向地往該第一III族氮化物層之該第二側遞減。
  60. 如請求項59所述之III族氮化物結構，其中該第三鋁組成係固定的或從該第三III族氮化物層之該第一側單向地往該第三III族氮化物層之該第二側遞減。
  61. 如請求項53所述之III族氮化物結構，其中該第一、第 二或第三III族氮化物層係摻雜至少一選自於由鐵(Fe)、鎂(Mg)及碳(C)所組成之群組的元素。
  62. 一種形成一III族氮化物層結構的方法，包含以下步驟：在一第一材料層上形成具有一第一鋁組成的一第一III族氮化物緩衝層，該第一III族氮化物緩衝層具有鄰接該第一材料層的一第一側及與該第一側相對的一第二側；及在該第一III族氮化物緩衝層之該第二側上形成一第二III族氮化物緩衝層，該第二III族氮化物緩衝層具有一第二鋁組成且厚度大於15奈米；其中該第一鋁組成不從該第一側往該第二側增加；及該第二III族氮化物緩衝層各處的該第二鋁組成係大於在該第一III族氮化物緩衝層之該第二側的該第一鋁組成。
  63. 如請求項62所述之方法，其中該第二III族氮化物緩衝層之厚度係大於30奈米。
  64. 如請求項62所述之方法，其中在該第一III族氮化物緩衝層中的該第一鋁組成大致上為固定的。
  65. 如請求項62所述之方法，其中該第一鋁組成從該第一III族氮化物緩衝層之該第一側往該第一III族氮化物緩衝層之該第二側減少。
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