TWI822908B - 半導體結構中iii-n到稀土的過渡層 - Google Patents

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Abstract

考慮到III-N層生長過程中的高溫問題，本發明描述的實施例使用包括稀土氧化物(REO)或稀土氮化物(REN)緩衝層和多晶型III-N-RE過渡層的層狀結構，從REO層過渡到III-N層。在一些實施例中，通過在層狀結構中引入額外應力來增加III-N層的壓電係數。然後可以將RE-III-N氮化物的多晶性用於與III-N層的晶格匹配上。

Description

半導體結構中III-N到稀土的過渡層
本發明在2018年11月20日提交的美國臨時專利申請第62/769,951號的119(e)節，在此全文引入作為參考。
本發明是有關於一種半導體結構中III-N到稀土的過渡層。
現有的半導體結構通常具有生長在矽基板上的氮化鎵(GaN)或其他基於III-N的電子元件和光電元件，因為矽基板通常具有成本效益。
然而，傳統上很難在矽基板上生長III-N材料，很大程度上是由於大的晶格失配以及矽和GaN之間的熱膨脹係數的巨大差異。具體而言，現有的III-N生長過程通常依賴於高溫來生長品質令人滿意的III-N層以產生不錯的設備性能。在高溫下的III-N生長過程中以及隨後的結構冷卻過程中，可能會增加拉應力。
當將稀土原子添加到具有纖鋅礦晶格的III-N層中時，會在晶格常數中引入額外的應變，導致III-N層的壓電係數增加，這是因為稀土原子周圍的化學鍵變形了，導致沿c軸的極化更強。另一方面，將稀土原子添加到III-N層中，也將晶體結構從纖鋅礦轉變為立方。因此，重要的是增加材料的壓電係數而不是將稀土原子的濃度增加到超過臨界水平而導致晶體結構轉變。
其他習知的III-N生長過程包括沉積為壓電層的III-N的單一成分。定義為電聲裝置(RF濾波器)的耦合係數的這種壓電係數特性是固有的。
在相對較低的溫度下生長III-N層的習知方法包括：使用氮氣電漿修改在基板上生長的磊晶稀土氧化物層，然後在稀土氧化物的改性表面上生長低溫GaN層。於2018年3月13日的公告第9,917,193號的美國專利中進一步討論關於使用氮氣電漿生長低溫GaN。生長III-N層的其他現有方法包括使用單晶矽或單晶藍寶石做為生長III-N材料的基板。於2015年9月22日公告的第9,142,406號美國專利中進一步討論了實施例。上述專利在此藉由引用全文併入本發明之中。
本發明提供了一種從III-N到稀土過渡的層狀結構。具體而言，上述層狀結構包括基板、在基板上的稀土氧化物或稀土氮化物緩衝層、在稀土氧化物或稀土氮化物緩衝層之上的第一III-N稀土過渡層，以及在第一III-N稀土過渡層上的第二III-N稀土過渡層。
在一些實施例中，稀土氧化物或稀土氮化物緩衝層在稀土氧化物或稀土氮化物緩衝層的上表面處具有第一晶格常數，而在稀土氧化物或稀有稀土元素的下表面處具有第二晶格常數。第一晶格常數小於第二晶格常數。
在一些實施例中，第一III-N稀土過渡層包括ScAlN以及ScGaN的至少三個子層。
在一些實施例中，多個子層中的每一子層具有立方晶格結構、簡單六方晶格結構或纖鋅礦六方晶格結構。
在一些實施例中，藉由引入平面內(in-plane)壓縮應變來增加壓電係數，平面內壓縮應變將沿六方晶格結構的c軸在平面外方向上引入晶格的拉伸應變。
在一些實施例中，第二III-N稀土過渡層由以Sc做為表面活性劑生長的AlN組成。
100:層狀結構
102:基板
104:緩衝層
105a:上表面
105b:基板-緩衝界面
106:第一過渡層
106 a-c:子層
108:第二過渡層
110:元件層
111:閘極
112:源極
113:汲極
114:鉬層
為了使本發明的其他特徵、性質和各種優點變得更清楚，結合以下附圖詳細描述，其中相同的附圖標記指相同的部分，其中：圖1係為根據本發明的實施例之一層狀結構，其包含用於生長III-N材料的過渡層；圖2係為根據本發明的實施例，類似於圖1所示的層狀結構的組成； 圖3係為根據本發明的實施例，圖1的層狀結構中所示的第一過渡層的另一示例組成；圖4-7係為根據本發明的實施例，圖1的層狀結構中所示的第一過渡層的各種示例組成，其有助於應力調整磊晶結構；圖8係為根據本發明的實施例，圖1的層狀結構中所示的第一過渡層和第二過渡層的示例組成，其有助於應力調整磊晶結構；圖9係為根據本發明的實施例，圖1的層狀結構中所示的第一過渡層和第二過渡層的示例組成，其有助於應力調整磊晶結構；圖10係為根據本發明的實施例，圖1的層狀結構中所示的第一過渡層和第二過渡層的示例組成，其有助於應力調整磊晶結構；圖11係為根據本發明的一個實施例之有助於應力調整以增加磊晶結構的壓電係數的多層結構的示例組成；圖12係為根據本發明的一個實施例之有助於應力調整以增加磊晶結構的壓電係數的多層結構的示例組成；圖13係為根據本發明的一個實施例之有助於應力調整以增加磊晶結構的壓電係數的交替層狀結構的示例組成；圖14係為根據本發明的一個實施例之做為超晶格的多層結構的示例組成，該超晶格有助於應力調整以增加磊晶結構的壓電係數；圖15係為根據本發明的一個實施例之做為超晶格的多層結構的示例組成，該超晶格有助於應力調整以增加磊晶結構的壓電係數； 圖16係為根據本發明的實施例之第一過渡層的示例組成，該第一過渡層採用有助於應力調整如圖1中所示的磊晶結構的重複子層；圖17係為根據本發明的實施例之第一過渡層的示例組成，第一過渡層有助於對圖1所示的磊晶結構進行應力調整；圖18係為根據本發明的實施例之用於製造層狀結構的說明製程的流程圖；圖19係為根據本發明的實施例之用於製造具有預備層的層狀結構的說明製程的流程圖；圖20係為根據本發明的實施例，圖1的層狀結構中所示的第一過渡層和第二過渡層的示例組成；圖21係為根據本發明的實施例之一示例結構，其係為使用類似於圖6的第一過渡成分來在場效應電晶體(FET)結構中不同應力層的生長；以及圖22係為根據本發明的實施例之一替代示例結構，其係為使用類似於圖6的第一過渡成分的FET集成。
考慮到III-N層生長過程中的高溫問題，本發明描述的實施例使用含稀土氧化物(REO)至稀土氮化物(REN)緩衝層，以及用來從REO過渡層到III-N層的多晶型III-N-RE過渡層。然後可以將RE-III-N氮化物的多晶性用於與III-N層的晶格匹配。
圖1係為根據本發明的實施例之一的層狀結構，其具有用於生長III-N材料的過渡層。層狀結構100可以從基板102開始，在基板102上生長緩衝層104。緩衝層104在上表面105a處具有平面內晶格常數，其小於基板-緩衝介面105b處的平面內晶格常數。在緩衝層104上方生長第一過渡層106。第一過渡層106由多晶型RE-III-N組成，其是基於生長過程的控制具有可控晶體結構的一種或多種合金。例如，當第一過渡層106採取不同的晶體形式，例如立方晶形，六方晶形或纖鋅礦時，第一過渡層106中的平面內晶格間距可以相應地變化。下表1中提供了具有不同晶體結構(例如立方晶格結構「c」，簡單六方結構(BN)「h-」或纖鋅礦方六方結構「w-」)的示例多晶型RE-III-N材料的晶格常數：
Figure 108142123-A0305-02-0008-1
如表1所示，六方晶形ScN的晶格常數大於纖鋅礦ScN的晶格常數，而纖鋅礦ScN的晶格常數又大於具有晶格取向<111>的立方晶形ScN的晶格常數，而立方晶形ScN的晶格常數則大於纖鋅礦GaN的晶格常數，鋅礦GaN的晶格常數又大於纖鋅礦AlN的晶格常數。下面表2提供了不同材料的其他示例晶格常數，例如具有不同晶體結構的ScxAl(1-x)N或ScxGa(1-x)N。例如，ScxAl(1-x)N可以根據組成(Al與Sc之間的比例)採取 立方晶形，六方晶形或纖鋅礦晶形結構的形式。通常，六方晶格結構在特定的生長條件(例如較低的基板溫度)下幾乎是穩定的。另外，當Sc的莫耳分數大於0.5時，具有約1.2的c/a晶格常數比的六方(非極性)結構比纖鋅礦更穩定。
Figure 108142123-A0305-02-0009-2
如表2所示，立方ScAlN(111)的平面內晶格常數小於纖鋅礦ScAlN的晶格常數，藉以可對多層結構進行應力工程設計。例如，當第一過渡層由ScAlN構成時，在第一過渡層106的上表面和下表面可以選擇不同的ScAlN的晶體結構，以平衡兩者之間的跨層應力，當第一過渡層106這些表面的晶格常數不同時。由於工程化的晶格失配，在第一過 渡層106處的間距變化可用於消除更靠近界面的錯位，以提供在第一過渡層106上面生長的第二過度層108的更好品質。
第二過渡層108是在第一過渡層106上生長的。第二過渡層使用稀土(RE)元素摻雜來控制到達的元素物種的表面遷移率和晶格動力學的局部操縱。附加的元件層110可以直接或間接地生長或設置在第二過渡層之上。
圖2係為根據本發明的實施例之類似於圖1中的層狀結構100的示例組成。基板102可以是具有<111>的晶體取向的矽基板。第一過渡層106可以包括在多晶型RE化合物上生長的III-N半導體，包括h-ScaGa(1-a)N，h-SchAl(1-h)N和w-ScnAl(1-n)N的子層A-C。分別選擇係數h大於n且子層的平面內晶格常數滿足A>B>C。具體地說，可以在子層A和子層B之間插入h-ScGaN材料以平滑晶格常數躍遷。
圖3係為根據本發明的實施例之圖1的層狀結構中所示的第一過渡層的另一示例組成。參閱圖3，第一過渡層106可以RE-III-N合金為基礎，例如，包括h-ScyGa(1-y)N、h-SczAl(1-z)N、w-SchGa(1-h)N和w-ScnAl(1-n)N的四個子層A-D。選擇係數y、z、h和n滿足(i)y>h，z>n；(ii)子層的所得晶格常數滿足A>B>C>D。具體而言，h-ScAlGaN可以插入子層A和子層B之間，而w-ScAlGaN可以插入C和D之間以達成平滑的晶格常數過渡。
圖4-17係為根據本發明的實施例之一圖1的層狀結構中所示的第一過渡層的各種示例組成，其有助於磊晶結構的應力調整。在圖4所示的例子中，第一過渡層106包括c-SczGa(1-z)N、w-SchGa(1-h)N和 h-ScnAl(1-n)N的子層A-C。選擇係數z、h和n滿足(i)子層的所得晶格常數滿足A<B<C；(ii)子層A由於其晶格常數小於基板102或緩衝層104的晶格常數而處於拉伸應力下；(iii)子層B和子層C處於壓縮應力下。可以將示例係數設置為z在0.95-1.0之間，h在0-0.1之間，n在0.1-0.25之間。在一些實施方式中，需要h設定為低值以穩定子層B的纖鋅礦結構。由於緊密的晶格匹配，子層B和子層C的臨界厚度可能較大。
在圖5所示的例子中，第一過渡層106包括c-SczAl(1-z)N，c-SchGa(1-h)N和w-ScnAl(1-n)N的子層A-C。選擇係數z、h和n滿足(i)子層的所得晶格常數滿足A<B<C；子層A的晶格常數小於基板102或緩衝層104的晶格常數，使得(ii)子層A處於拉伸應力下；(iii)子層B和子層C處於壓縮應力下。係數示例可以設定z在0.5-0.87之間，h在0.5-0.85之間，n在0-0.15之間。在一些實施方式中，由於緊密的晶格匹配，子層B和子層C的臨界厚度可能較大。
在圖6所示的例子中，第一過渡層106包括h-SczAl(1-z)N、c-SchGa(1-h)N和w-ScnAl(1-n)N的子層A-C。選擇係數z、h和n滿足(i)子層的所得晶格常數滿足A>B<C；(ii)由於子層A的晶格常數小於基板102或緩衝層104的晶格常數，使得子層A處於拉伸應力下；(iii)子層B由於其晶格常數小於子層A的晶格常數而處於拉伸應力下；(iv)子層C的晶格常數大於子層B的晶格常數，因此處於壓縮應力下。示例係數可以設置為z在0.1-0.5之間，h在0.5-0.85之間，n在0-0.15之間。在一些實施方式中，由於緊密的晶格匹配，子層C的臨界厚度可能較大。
在圖7所示的例子中，第一過渡層106包括c-SchAl(1-h)N，h-SczGa(1-z)N和w-ScnAl(1-n)N的子層A-C。選擇係數z、h和n滿足(i)子層的所得晶格常數滿足A<B>C；(ii)子層A由於其晶格常數小於基板102或緩衝層104的晶格常數而處於拉伸應力下；(iii)由於子層B的晶格常數大於子層A的晶格常數，所以它處於壓縮應力下；(iv)由於子層C的晶格常數小於子層B的晶格常數，因此子層C處於張應力下。示例係數可以設置為h在0.5-0.75之間，z在0.10-0.5之間，n在0-0.15之間。在一些實施方式中，由於緊密的晶格匹配，子層C的臨界厚度可能較大。
在圖8所示的例子中，第一過渡層106包括SczAl(1-z)N和SchAl(1-h)N的子層A和子層B。具體地，選擇係數z和h滿足(i)子層A處於拉應力下；(ii)子層B處於壓縮應力下，並補償了子層A的一些拉應力。示例係數可以設置為z在0.08-0.20之間，h在0.06-0.18之間。子層A的平面內晶格常數比子層B的平面內晶格常數大百分之幾，由於緊密的晶格匹配而使得子層A的臨界厚度較大。
下表3中提供了不同濃度Sc的示例RE-III-N材料的晶格失配計算值：表3：格常數和格失配示例
Figure 108142123-A0305-02-0013-3
如表3所示，立方ScAlN(111)的平面內晶格常數隨著Sc濃度的降低而變小，這允許多層結構中的應力工程。例如，當第一過渡層由ScAlN構成時，可以選擇ScAlN的晶體結構在第一過渡層106的上表面和下表面是不同的，以平衡當兩者之間的跨層應力，當第一過渡層106的表面具有不同的晶格常數。由於工程化的晶格失配，第一過渡層106處的間距變化可用於消滅更靠近界面的位錯，這提供了在第一過渡層106上面生長的第二過渡層108的更好品質。
另外，在如圖8所示的結構中，可能會在ScAlN層中引起壓縮應變，這可能有助於在基面上「扣緊」Al-N和Sc-N鍵並增加沿c軸的極性，導致增加了層狀結構的壓電係數。對於其他RE-III-N材料也可能如此。此外，對於表面聲波(SAW)元件或薄膜體聲波諧振器(FBAR)元件，可以觀察到耦合因子的改善。通過控制子層A和子層B的晶格失配，應力(例如拉伸和壓縮)不會鬆弛。此外，壓應力可以補償在基板102和緩衝層104之間產生的拉應力。
在圖9所示的例子中，鉬層114被包括在緩衝層104和第一過渡層之間。鉬層由鉬、氧化鉬或其衍生物製成，並且可以提供金屬和絕緣性能。第一過渡層106包括SczAl(1-z)N和SchAl(1-h)N的子層A和B。具體地，選擇係數z和h，使滿足(i)子層A處於拉應力下；(ii)子層B處於壓應力下，並補償了子層A的一些拉應力。示例係數可以設置為z在0.08-0.20之間，h在0.06-0.18之間。子層A的平面內晶格常數比子層B的平面內晶格常數大百分之幾，由於緊密的晶格匹配而使得子層A的臨界厚度較大。
如圖9所示的結構中，可在ScAlN層中引起壓應力，這將有助於在基面上「扣緊」Al-N和Sc-N鍵並增加沿c軸的極性，導致層狀結構的壓電係數增加。對於其他RE-III-N材料也可能如此。此外，對於表面聲波(SAW)元件或薄膜體聲波諧振器(FBAR)元件，可以觀察到耦合因子的改善。通過控制子層A和子層B的晶格失配，應力(例如拉伸和壓縮)不會鬆弛。此外，壓應力可以補償在基板102和緩衝層104之間產生的拉應力。
在圖10所示的例子中，第一過渡層106包括YzAl(1-z)N和SchAl(1-h)N的子層A和B。具體地，選擇係數z和h滿足(i)子層A處於壓應力下；(ii)子層的最終晶格常數滿足A>B。示例係數可以設置為z在0.06-0.24之間，h在0.06-0.24之間。YAlN的晶格常數由Sc和Y原子之間的原子半徑比估計。Sc的濃度必須很高才能保持穩定的ScAlN子層，並允許Y濃度高的YAlN子層，以使晶格失配以改善壓電性能。YAlN的子層中的Y濃度較佳為約20%的濃度。
如圖10所示的結構，可導致YAlN層中的壓縮應變，這將有助於「扣緊」基面中的Al-N和Y-N鍵並增加沿c軸的極性，導致層狀結構的壓電係數增加。其他RE-III-N材料也可能如此。此外，對於表面聲波(SAW)元件或薄膜體聲波諧振器(FBAR)元件，可以觀察到耦合因子的改善。通過控制子層A和子層B的晶格失配，應力(例如拉伸和壓縮)不會鬆弛。此外，壓應力可以補償在基板102和緩衝層104之間產生的拉應力。
在圖11所示的例子中，鉬層114被包括在緩衝層104和第一過渡層之間。鉬層由鉬、氧化鉬或其衍生物製成，並且可以提供金屬和絕緣性能。第一過渡層106包括YzAl(1-z)N和SchAl(1-h)N的子層A和子層B。具體地，選擇係數z和h滿足(i)子層A處於壓應力下；(ii)子層的最終晶格常數滿足A>B。示例係數可以設置為z在0.06-0.24之間，h在0.06-0.24之間。YAlN的晶格常數由Sc和Y原子之間的原子半徑比估計。Sc的濃度必須夠高才能保持穩定的ScAlN子層，以允許Y濃度高的YAlN，以使晶格失配改善壓電性能。YAlN子層中Y的濃度較佳為約20%的濃度。
在圖12所示的例子中，第一過渡層106包括YzAl(1-z)N和SchGa(1-h)N的子層A和子層B。具體地，選擇係數z和h滿足(i)子層A處於壓應力下；(ii)子層的最終晶格常數滿足A>B。示例係數可以設置為z在0.06-0.24之間，h在0.06-0.24之間。在子層B中，Al被Ga取代，Ga允許子層B的更大的晶格常數，並且通過在子層A中使用更高的Y濃度來進一步允許子層A的更大的晶格常數，以使晶格失配。提高壓電性能。YAlN子層中Y的濃度較佳為約20%的濃度。
在圖13所示的例子中，鉬層114被包括在緩衝層104和第一過渡層之間。鉬層由鉬、氧化鉬或其衍生物製成，並且可以提供金屬和絕緣性能。第一過渡層106包括YzAl(1-z)N和SchGa(1-h)N的子層A和子層B。具體地，選擇係數z和h滿足(i)子層A處於壓應力下；(ii)子層的最終晶格常數滿足A>B。示例係數可以設置為z在0.06-0.24之間，h在0.06-0.24之間。在子層B中，Al被Ga取代，Ga允許子層B的更大的晶格常數，並且進一步通過在子層A中使用更高的Y濃度來允許子層A的更大的晶格常數，以使晶格失配來改善壓電性能。
另外，在圖12-13中允許子層A和子層B使用兩個IIIA族元素來改善子層A和子層B之間的晶格常數匹配。
在圖14所示的例子中，第一過渡層106包括多個子層，其允許第一子層和最後一個子層之間更高的晶格失配。具體地，圖14中的示例包括5個子層(A、B、C、D和E)，其在相鄰層之間採用遞增的晶格常數失配。特別是，子層B至E使用YzAl(1-z)N，子層E使用的Sc濃度低於子層D中的Sc濃度，並逐漸增加每個相鄰子層的Sc協調性。最後，子層A使用YhAl(1-h)N。具體地，選擇係數z和h滿足(i)子層A-D處於壓縮應力下；(ii)子層的最終晶格常數滿足A>B>C>D>E。在這種配置中，磊晶結構可以獲得更高的失配，並且能夠向多層結構引入更大的應變(例如拉伸和壓縮)結構體。
在圖15所示的例子中，鉬層114被包括在緩衝層104和第一過渡層之間。鉬層由鉬、氧化鉬或其衍生物製成，並且可以提供金屬和絕緣性能。第一過渡層106包括多個子層，其允許第一子層和最後一 個子層之間更高的晶格失配。具體地，圖15中的示例包括5個子層(A、B、C、D和E)，其在相鄰層之間採用遞增的晶格常數失配。特別是，子層B至E使用SczAl(1-z)N，子層E使用的Sc濃度低於子層D中的Sc且晶格常數低於子層D。在隨後的每個子層中，SczAl(1-z)N逐漸增加，藉以允許晶格常數增加。最後，子層A使用YhAl(1-h)N。具體地，選擇係數z和h滿足(i)子層A-D處於壓應力下；(ii)子層的所得晶格常數滿足A>B>C>D>E。在這樣的構造中，磊晶結構可以獲得更高的失配，並且能夠將較大的應變(例如拉伸和壓縮)引入到多層結構中，從而允許壓電係數的增加。
在圖16所示的例子中，第一過渡層106包括子層A1和子層B1。隨後，可以提供具有與子層A1和子層B1相似的特性的重複子層，所述子層A1和子層B1順序地彼此層疊。在這種情況下，這樣的重複子層An和子層Bn具有與子層A1和子層B1的晶格常數相似的晶格常數。因此，在這種構造中，可以採用具有拉伸應變和壓縮應變的交替層。
合金根據平面內應變表現出機電性能。特別地，拉伸應變可以指出增加的壓電係數，同時壓縮應變也可以指出增加的壓電係數。關於拉伸應變和壓縮應變及其對壓電係數的影響的進一步討論在Bull的Alsaad，A.M等人「有序的Sc0.5Ga0.1N合金中的結構相變和壓電異常」中提供。Bull.Mater.Sci.，卷30，第4號，2007年8月，第407-413頁，藉由引用將其全部內容合併於此。
在圖17所示的例子中，第一過渡層106包括h-ScnAl(1-n)N，w-SciAl(1-i)N和w-SczGa(1-z)N的子層A-C。選擇係數n、i和z滿足(i)子層的所得晶格常數滿足A<B<C；(ii)子層A由於其晶格常數小於基板102或緩 衝層104的晶格常數而處於拉伸應力下；(iii)由於子層B和C的晶格常數大於子層A的晶格常數，因此它們處於壓縮應力下。
圖18是根據本發明的實施例之用於製造層狀結構的說明製程200的流程圖。製程200包括形成具有壓電係數的層狀結構，其中通過依次形成各層來形成該層狀結構。
在一些實施例中，在202處，在合適的反應器室中製備基板以在基板上方形成III族氮化物結構。基板可以包括具有預定晶格取向的氮化鎵、碳化矽、藍寶石、矽晶片或任何其他合適的基板。在204處，在基板上方生長稀土氧化物或稀土氮化物緩衝層。在一些實施例中，III族氮化物結構(例如，HEMT結構)包括形成在基板上方的一個或多個磊晶層。選擇用於III族氮化物結構的沉積條件，以便在結構的各層之間形成平滑的界面。第一過渡層106以多階段方式生長，以具有多個子層。首先，在206處，在緩衝層上方生長具有晶格常數a1的RExIII1-xN第一子層。隨後，在208處，在第一子層上方生長具有REyIII1-yN濃度和晶格常數a2的第二子層。生長第二子層，使其滿足y>x和a2>a1。
圖19是根據本發明的實施例之用於製造層狀結構的說明製程300的流程圖。製程300包括形成具有壓電係數的層狀結構，其中該層狀結構通過依序製造每個層而成。
在一些實施例中，在202處，在合適的反應器的室中製備基板，以在基板上方形成III族氮化物結構。基板可以包括具有預定晶格取向的氮化鎵、碳化矽、藍寶石、矽晶片或任何其他合適的基板。在204處，在基板上方生長稀土氧化物或稀土氮化物緩衝層。在一些實施例 中，III族氮化物結構(例如，HEMT結構)包括形成在基板上方的一個或多個磊晶層。選擇用於III族氮化物結構的沉積條件，以便在結構的各層之間形成平滑的界面。在302處，在稀土氧化物或稀土氮化物緩衝層上方生長磊晶金屬層。階段生長第一過渡層106，以使其具有多個子層。首先，在304處，在緩衝層上方生長具有晶格常數a1的RExIII1-xN第一子層。隨後，在306處，在第一子層上方生長具有REyIII1-yN濃度和晶格常數a2的第二子層。第二子層係生長以滿足y>x和a2>a1的條件。
圖20係為根據本發明的實施例之圖1的層狀結構中所示的第一過渡層和第二過渡層的示例組成。在圖8所示的例子中，基板102由矽<111>構成。緩衝層104由REO或REN<111>所組成。在緩衝層104處使用的示例性REO或REN包括Er2O3<111>，Sc2O3<111>，ErN<111>，ScN<111>。第一過渡層106包括c-SczAl(1-z)N、c-SchGa(1-h)N和w-ScnAl(1-n)N的子層A-C。具體地，選擇係數z、h和n滿足(i)子層A處於拉應力下；(ii)子層B和子層C處於壓縮應力下，並補償了子層A和子層D的一些拉應力。
在第二過渡層108處，可以使用稀土表面活性劑調解的III-N磊晶。由於Sc-N鍵比Al-N或Ga-N弱(分別為4.87eV和11.52eV和8.92eV)，因此Sc原子可以在第二過渡層108的AlN磊晶期間充當表面活性劑，這有助於更好地實現III-N：RE層的表面形態。具體而言，ScN(類似於InN)不需要像AlN一樣高的生長溫度。因此，在第二過渡層108處使用Sc作為表面活性劑可以允許較低的生長溫度，這降低了與半導體層(例如，AlN)和基板(Si)之間不同的熱膨脹有關的熱應力。當添加Sc作為 表面活性劑時，Sc與Al的通量比應小於0.01。因此，第二過渡層108可以由w-AlN：Sc<0001>組成。第二過渡層108處於拉伸應力下。在比典型的AlN層低的溫度下生長第二過渡層108。第二過渡層108處的部分拉伸應力由子層B和子層C補償。第二過渡層108中的Sc的濃度選擇為<1%。
表面活性劑介導的磊晶可用於通過REO(110)磊晶扭曲(epi-twist)在Si<111>或Si<100>上生長AlN的極性，非極性或半極性取向。在「Optical Materials Express」8,309687(2017)、J.Mater Sci：Mater.Electron.28,15217(2017)中進一步討論了使用In作為表面活性劑生長非極性AlGaN的問題，其全部內容藉由引用併入本文。
圖21係為根據本發明的實施例之一示例結構，其係為使用類似於圖6的第一過渡成分來在場效應電晶體(FET)結構中生長不同應力層。第一過渡層可以具有子層106a-c，每個子層可以僅與其他子層部分地對準以用於集積FET元件。例如，如圖22所示，h-SczAl(1-z)N 106c的子層A可以僅對準c-SchGa(1-h)N 106b的子層B的一部分。因此，可以得到圖22所示的結構，可以將FET的源極112、汲極113和閘極111分別放置在應力磊晶結構的不同區域處。例如，源極可以是拉伸應力的磊晶層(例如，在子層A 106c處)，而汲極可以是壓縮應力的磊晶層(例如，子層B或C)。
本發明所述的生長和/或沉積方法可使用化學氣相沉積法(CVD)，金屬有機化學氣相沉積法(MOCVD)，有機金屬氣相磊晶法 (OMVPE)，原子層沉積法(ALD)，分子束磊晶法(MBE)，鹵化物氣相磊晶法(HVPE)，脈衝激光沉積法(PLD)和/或物理氣相沉積法(PVD)。
如本發明所述，層是指覆蓋表面之具有基本均勻厚度的材料。層可以是連續的或不連續的(即，在材料的區域之間具有間隙)。例如，層可以完全或部分覆蓋表面，或者被分割成離散區域，這些區域共同限定了該層(即，使用選擇性區域磊晶法所形成的區域)。
通常藉由沉積設置在基板表面上的層而在基板表面上形成的單片積體裝置(monolithically-integrated means)。
「置於」是指「存在於」底層材料或層之上。該層可包括確保合適表面所必需的中間層，例如過渡層。例如，如果將一種材料描述為「放置在基板上」，則這可能(1)該材料與基板緊密接觸；或者(2)使材料與位於基板上的一個或多個過渡層接觸。
單晶是指基本上僅包含一種類型的晶胞的晶體結構。但是，單晶層可能會表現出某些晶體缺陷，例如堆垛錯誤，位錯或其他常見的晶體缺陷。
單域是指晶體結構，其基本上僅包含一個晶胞結構並且基本上僅包含該晶胞的一個取向。換句話說，單域晶體沒有孿晶或反相域。
單相是指既是單晶又是單域的晶體結構。
基板是指在其上形成沉積層的材料。示範性基板包括但不限於：塊狀矽晶片，其中晶片包括均勻厚度的單晶矽；和複合晶片，例如絕緣體上的矽晶片，其包括矽層，該矽層佈置在二氧化矽層上，該 二氧化矽層佈置在體矽處理晶片上；或用作在其上或其中形成元件的基礎層的任何其他材料。根據應用適合作為基板層和塊狀基板的此類其他材料的實例包括但不限於鍺、氧化鋁、砷化鎵、磷化銦、二氧化矽、二氧化矽、硼矽酸鹽玻璃、派熱克斯玻璃和藍寶石。基板可以具有單個塊狀晶片或多個子層。具體地，矽基板可以包括多個不連續的多孔部分。多個不連續的多孔部分可以具有不同的密度，並且可以水平分佈或垂直分層。
錯誤切割的基板是指包含表面晶體結構的基板，該表面晶體結構的取向與與該基板的晶體結構相關的角度成一定角度。例如，6°誤切的<100>矽晶片包括<100>矽晶片，上述<100>矽晶片已經相對於<100>晶體取向以一個角度朝向另一個主要晶體取向(例如<110>)切割了6°。通常，但不是必須，誤切將達到大約20°。除非特別指出，否則短語「誤切割的基板」包括具有任何主要晶體取向的誤切割的晶片。即，將<111>晶片向<011>方向錯切，將<100>晶片向<110>方向錯切，將<011>晶片向<001>方向錯切。
半導體是指電導率介於絕緣體和大多數金屬之間的任何固體物質。示例半導體層由矽組成。半導體層可以包括單個體晶片或多個子層。具體地，矽半導體層可以包括多個不連續的多孔部分。多個不連續的多孔部分可以具有不同的密度，並且可以水平分佈或垂直分層。
絕緣體上半導體是指包括單晶半導體層，單相電介質層和基板的組合物，其中電介質層介於半導體層和基板之間。該結構使人聯想到現有技術的絕緣體上矽(SOI)組合物，該組合物通常包括單晶矽 基板，非單相電介質層(例如，非晶二氧化矽等)和單晶矽半導體層。現有技術的SOI晶片與本發明的絕緣體上半導體組合物之間的幾個重要區別是：絕緣體上半導體組合物包括具有單相形態的介電層，而SOI晶片則沒有。實際上，典型的SOI晶片的絕緣層甚至不是單晶的。
絕緣體上半導體組合物包括矽，鍺或矽鍺「主動」層，而先前技術的SOI晶片使用矽主動層。換句話說，示例性的絕緣體上半導體組合物包括但不限於：絕緣體上矽，絕緣體上鍺和絕緣體上矽鍺。
本發明描述和/或描繪「配置」在第二層上、在第二層「上(on)」或在第二層「上方(over)」的第一層可以緊鄰第二層，或者一個或多個中間層可以在第一層和第二層之間。在本發明描述和/或描繪「直接」在第二層或基板「上」或「直接」在第二層或基板「上方」的第一層緊鄰第二層或基板，不存在中間層，除了可能由於第一層與第二層或基底的混合而可能形成的中間合金層之外。另外，本發明描述和/或描繪在第二層或基板「上」、「上方」、「直接在第二層上」或「直接在第二層上方」的第一層可以覆蓋整個第二層或基板，或第二層或基板的一部分。
在層生長期間將基板放置在基板支架上，因此頂表面或上表面是基板或離基板支架最遠的層的表面，而底表面或下表面是基板或基板的表面。最靠近基板支架的塗層。本發明所描述的任何結構都可以是更大的結構的一部分，在所描繪的那些之上和/或之下具有附加層。為了清楚起見，本文的附圖可以省略這些附加層，儘管這些附加層 可以是所公開的結構的一部分。另外，即使該重複未在圖中示出，所描繪的結構也可以以單位重複。
從上面的描述可以明顯看出，在不脫離本公開的範圍的情況下，可以使用各種技術來實現本發明描述的概念。所描述的實施例在所有方面都應被認為是說明性的而非限制性的。還應當理解，本發明描述的技術和結構不限於本發明描述的特定示例，而是可以在不脫離本公開的範圍的情況下以其他示例實現。類似地，儘管在圖式中以特定順序描述了操作流程，但不應理解為以所示的特定順序或以連續的順序執行這樣的操作，或者執行所有示出的操作以實現期望的結果。
102:基板
104:緩衝層
105a:上表面
105b:基板-緩衝界面
106:第一過渡層
108:第二過渡層
110:元件層

Claims (22)

  1. 一種層狀結構，包括：一基板；一含稀土族緩衝層，位於該基板之上；以及一III-N稀土過渡層，位於該含稀土族緩衝層之上，其中該III-N稀土過渡層包含：複數個子層，每一該些子層具有一平面內晶格常數，其中該些子層之一第一子層在III-N稀土過渡層的上表面具有第一平面內晶格常數，其中該些子層之一第二子層在III-N稀土過渡層的下表面具有第二平面內晶格常數，該下表面耦合到含稀土緩衝層並且與上表面相對，以及其中該第一平面內晶格常數小於該第二平面內晶格常數。
  2. 依據請求項1所述之層狀結構，其中該含稀土族緩衝層係選自由一稀土氧化物或一稀土氮化物所組成的群組。
  3. 依據請求項2所述之層狀結構，其中在該含稀土族緩衝層的上表面處，該含稀土族緩衝層具有一第一平面內晶格常數，該上表面耦合到該III-N稀土過渡層，在該含稀土族緩衝層的下表面處，該含稀土族緩衝層具有一第二平面內晶格常數，該下表面耦合到該基板，且該第一平面內晶格常數小於該第二平面內晶格常數。
  4. 依據請求項1所述之層狀結構，其中該III-N稀土過渡層包括ScAlN以及ScGaN的至少三個子層。
  5. 依據請求項4所述之層狀結構，其中每一該些子層中具有一立方晶格結構，一簡單六方晶格結構或一纖鋅礦六方晶格 結構。
  6. 依據請求項1所述的層狀結構，更包含在所述III-N稀土過渡層上設置之一第二III-N稀土過渡層，其中該第二III-N稀土過渡層包括以Sc做為表面活性劑生長的AlN。
  7. 依據請求項4所述之層狀結構，其中在該III-N稀土過渡層的下端的一第一子層具有一第一平面內晶格常數，在該III-N稀土過渡層的中間的一第二子層具有一第二平面內晶格常數，在該III-N稀土過渡層的上端的一第三子層具有一第三平面內晶格常數，且該第一晶格常數小於該第二晶格常數，該第二晶格常數小於該第三晶格常數。
  8. 依據請求項1所述之層狀結構，其中該III-N稀土過渡層包括由ScAlN組成的複數個子層，以及在該III-N稀土過渡層的上表面之ScAlN晶體結構和在該III-N稀土過渡層的下表面之ScAlN晶體結構是不同的。
  9. 依據請求項6所述之層狀結構，其中該第二III-N稀土過渡層摻雜稀土(RE)元素，用以控制表面遷移率和晶格動力學。
  10. 依據請求項1所述之層狀結構，其中該III-N稀土過渡層包括：一第一子層，係由h-ScaGa(1-a)N組成；一第二子層，係由h-SchAl(1-h)N組成；以及一第三子層，係由w-ScnAl(1-n)N組成；其中，該些子層按順序堆疊在一起； 其中，該第二子層的係數h大於該第三子層的係數n，該第一子層的平面內晶格常數大於該第二層的平面內晶格常數，以及該第二子層的平面內晶格常數大於第三子層的平面內晶格常數。
  11. 依據請求項1所述之層狀結構，其中該III-N稀土過渡層是一壓電層。
  12. 依據請求項1所述之層狀結構，其中該II-N稀土過渡層處於壓應力下以增加一壓電係數。
  13. 依據請求項1所述之層狀結構，其中該III-N稀土過渡層處於拉應力下以增加一壓電係數。
  14. 依據請求項1所述之層狀結構，其中該III-N稀土過渡層包括SczAl(1-z)N的一A子層和SchAl(1-h)N的一B子層，其中選擇該A子層的一係數z和該B子層的一係數h，使得該些子層滿足以下條件：(i)該子層A處於拉應力下；以及(ii)該子層B處於壓應力下。
  15. 依據請求項15所述之層狀結構，其中該些係數可以設定為z範圍為0.08-0.20，h為範圍0.06-0.18。
  16. 依據請求項1所述之層狀結構，其中該III-N稀土過渡層包括YzAl(1-z)N的一A子層和SchAl(1-h)N的一B子層，其中選擇一係數z和h，使得該些子層滿足以下條件：(i)該子層A處於壓應力下；以及(ii)每一該些子層的最終晶格常數滿足A>B。
  17. 依據請求項1所述之層狀結構，其中該III-N稀土過渡層包括：一第一子層，係位於該含稀土族緩衝層上方； 一第二子層，係位於該第一子層上方，具有一平面內晶格常數大於該第一子層的該平面內晶格常數；一第三子層，係位於該第二子層上方，具有一平面內晶格常數小於該第二子層的該平面內晶格常數；一第四子層，係位於該第三子層上方，具有一平面內晶格常數大於該第三子層的該平面內晶格常數；以及其中該第一子層、該第二子層、該第三子層和該第四子層具有一交替平面內晶格常數；其中該交替平面內晶格常數增加了壓電係數。
  18. 依據請求項1所述之層狀結構，更包含：一源極和一汲極，位於該含稀土緩衝層上方；一通道層，位於該含稀土緩衝層上方，且位於該源極和該汲極之間；以及一閘極，設置在該通道上方，其中該III-N稀土過渡層之每一該些子層設置在該源極、該汲極或其組合之上。
  19. 一種層狀結構，包括：一基板；一含稀土族緩衝層，位於該基板之上；以及一III-N稀土過渡層，位於該含稀土族緩衝層之上，該III-N稀土過渡層具有平面內晶格常數a1，其中在該含稀土緩衝層的上表面，該含稀土緩衝層具有一第一平面內晶格常數，該上表面耦合到該III-N稀土過渡層，其中在該含稀土緩衝層的下表面，該含稀土緩衝層處具有一第二平面內晶格常數，該下表面耦合到該基板，並且其中該第一平面內晶格常數小於該第二平面內晶格常數。
  20. 依據請求項19所述之層狀結構，更包含：一源極和一汲極，位於該含稀土緩衝層上方；一通道層，位於該含稀土緩衝層上方，且位於該源極和該汲極之間；以及一閘極，設置在該通道上方，其中該III-N稀土過渡層之每一該些子層設置在該源極、該汲極或其組合之上。
  21. 一種生長層狀結構之方法，該方法包括：配置一基板；磊晶生長一含稀土族緩衝層在該基板上；以及磊晶生長具有一第一晶格常數a1的一III-N族稀土過渡層在該含稀土族緩衝層上；其中，該含稀土族緩衝層具有一第一平面內晶格常數在該含稀土族緩衝層的上表面，該上表面耦合到該III-N稀土過渡層，以及該含稀土族緩衝層具有一第二平面內晶格常數在該含稀土族緩衝層的下表面，該下表面耦合到該基板，並且其中該第一平面內晶格常數小於該第二平面內晶格常數。
  22. 依據請求項21所述之生長層狀結構的方法，更包含：形成一源極和一汲極在該含稀土緩衝層上方；形成一通道層於該含稀土緩衝層上方且位於該源極和該汲極之間；形成一閘極在該通道上方，其中該III-N稀土過渡層之每一該些子層磊晶生長在該源極、該汲極或其組合之上。
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