在异质基底上的第III族氮化物缓冲层结构的p型掺杂的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及在异质基底上的外延第III族氮化物缓冲层结构。还涉及器件结构，特别是晶体管、场效应晶体管(FET)、高电子迀移率晶体管(HEMT)的层结构，特别是常开或常关的HEMT或金属-绝缘层-半导体(MIS) HEMT、肖特基二极管或P_I_N结构。
【背景技术】
[0002]大多数基于第III族氮化物的器件结构，特别是如今用于射频(RF)或高压(HV)功率转换器件的晶体管结构，是在异质基底上制造的，即在不同于第III族氮化物材料的材料的基底上，如S1、SiC或A1203(蓝宝石)基底。使用Si作为异质基底的能力是特别有利的，因为这允许使用比较廉价的具有大的工业标准直径的晶片，还因为其形成了将第III族氮化物器件单片集成到由CMOS或相关技术制成的硅基集成电路中的基础。
[0003]该外延第III族氮化物层结构在异质基底上生长，但是要求在基底与一个或多个有源层之间复杂的缓冲层结构以管理晶体结构中的应力和缺陷。
[0004]为了控制在第III族氮化物层结构中的缓冲层结构的电阻特性，Fe掺杂被广泛使用。然而，使用Fe具有一些缺点。更具体而言，Fe掺杂导致微晶结构的非期望的倾斜和扭曲，可由X射线衍射(XRD)提示。此外，本发明的发明人发现，Fe在外延层结构生长期间作为掺杂剂供应时向着沟道层发生偏析，其在运行中承载二维电子气，下面简写为2DEG。在沟道层中存在Fe对于在2DEG中获得所期望的高电子浓度是有害的。最后，Fe掺杂导致用于沉积第III族氮化物层结构的反应器发生非期望的Fe污染。这导致非期望的Fe背景掺杂，典型地在名义上未掺杂的上层HEMT器件层中及在晶片表面上浓度最高为约117Cm 3。因为Fe的存在诱发载荷子的陷阱，所以非故意的Fe掺杂降低了基于第III族氮化物的HEMT器件的导通电阻Rcin的动态行为。由于污染风险，并不认为Fe掺杂是与CMOS法中的晶片加工相容的。这造成了将第III族氮化物器件的制造集成到现有的广泛建立的对硅晶片的CMOS生产线的障碍。
[0005]文献US 7，884，393公开了使用GaN基底形式的同质基底以获得在同质基底上生长的外延第III族氮化物层结构中极低的位错密度。通过在同质基底上生长获得的低位错密度使得该层结构的不同层中的碳浓度在一定程度上是可变的。通过在同质基底上生长并控制碳浓度，根据US 7，884，393，改善了第III族氮化物场效应晶体管和HEMTs的缓冲层和沟道层的品质。作为专利申请，US 7，884，393描述了一种在GaN基底上生长的HEMT结构，其具有直接在GaN基底上沉积的单一高阻缓冲层、直接在缓冲层上沉积的单一 GaN沟道层和直接在沟道层上沉积的单一势皇层。该缓冲层在不同的实施方案中由GaN或AlGaN制成并且具有4X 117Cm 3或更高的碳浓度。在US 7，884，393中公开的缓冲层的最高碳浓度为2X10lscm3。相邻的沟道层并不形成一部分的缓冲层，但是形成HEMT的有源层。其是由GaN或InGAN制成的，并且具有不大于4X 116Cm 3的碳浓度。在US 7，884，393中将在沟道层中较低的碳浓度描述为获得高纯度及由此获得高电子迀移率所期望的。
[0006]然而，与在同质基底上生长的情况相比，在异质基底特别是硅上生长的第III族氮化物缓冲层结构具有明显更高的位错密度。这一高位错密度目前无法避免。在异质基底上根据现有技术的缓冲层结构中获得的典型的位错密度在5X 17至5X 10 9cm 2的范围内。
【发明内容】
[0007]在本说明书中所公开的本发明的第一方面是在异质基底上的外延第III族氮化物缓冲层结构。该缓冲层结构包括至少一个应力管理层序列，该应力管理层序列包括位于第一和第二第III族氮化物层之间及与其相邻的间层结构，其中该间层结构包括具有比第一和第二第III族氮化物层的材料更大的带隙的第III族氮化物间层材料，其中P型掺杂剂浓度分布由至少I X 118Cm 3开始在由该间层结构至第一和第二第III族氮化物层的过渡中降低至少2倍。
[0008]P型掺杂剂浓度分布符合空穴浓度分布，条件是不产生补偿效应。若必须考虑补偿效应，则P型掺杂剂浓度高于所期望的空穴浓度。例如，P型掺杂剂浓度可以比所实现的空穴浓度高5、10、20、50或100倍。因此，在不同的实施方案中，考虑了补偿效应的P型掺杂剂浓度分布，例如由至少IXlO19Cm3(1ft)或者由lX102°cm3(100倍)开始在由该间层结构至第一和第二第III族氮化物层的过渡中降低至少2倍。
[0009]合适的P型惨杂剂例如是碳和儀。
[0010]本发明的缓冲层结构是基于以下认识，在制造过程中对在异质基底上生长的第III族氮化物施加相当大的应力。与在同质基底上的沉积相比，这要求在缓冲层结构中特殊的应力管理。一种应力管理措施包括在该缓冲层结构中位于具有比第III族氮化物间层材料更小的带隙的第一第III族氮化物层和第二第III族氮化物层之间及与其相邻的间层结构的应力管理层序列。然而，提供该应力管理层序列意味着在缓冲层结构中形成非期望的寄生的导电沟道的风险。本发明是基于以下进一步的认识，将碳或镁作为P型掺杂剂以跨越该应力管理层序列合适的浓度分布引入该应力管理层序列中，从而有效地避免在缓冲层结构中形成该寄生的导电沟道。以此方式，变得甚至能够在某些实施方案中避免任何故意地引入铁原子，其如所述在现有技术中加以使用以获得高阻缓冲层结构。
[0011]本发明的P型浓度分布在一方面间层结构与另一方面第一和第二第III族氮化物层之间具有浓度差别。换而言之，P型掺杂剂浓度分布由至少I X 118Cm 3开始在由该间层结构至第一和第二第III族氮化物层的过渡中降低至少2倍。在此，P型掺杂剂浓度的下降可以是突然的或者是连续的。本发明的发明人在其实验中认识到，较小的差别或者较低的浓度值无法有效地避免在应力管理层序列中的寄生的导电沟道。本发明的发明人首先制造出基于第III族氮化物的缓冲层结构，其具有应力管理层结构，其甚至在5X 17至5X 10 9cm 2的范围内的位错密度的情况下在间层结构与第一和第二层之间实现了所述的高的P型浓度差别，这例如在使用硅基底作为异质基底时观察到。因此，这仅是所述的P型掺杂剂浓度与它们的上述最小差别的组合，这可以在异质基底上提供第III族氮化物的高阻缓冲层结构，而不必使用具有前述的负面副作用的过渡金属原子，如铁。
[0012]缓冲层结构的尚电阻率能够后序制造基于缓冲应力管理层序列的尚效的第III族氮化物半导体电子器件，如基于第III族氮化物的高电子迀移率晶体管或肖特基二极管。因此，根据本发明的第一方面的缓冲层结构允许在异质基底上提供应变管理的缓冲层结构，其由于其高电阻率特别适合作为要求缓冲层结构的高电阻的高效电子器件的基础。通过根据本发明的缓冲层结构，可以实现高电阻率，这意味着大于lMV/cm或者甚至2或3MV/cm的高的击穿电场强度。通过增大间层结构中的Al含量，可以额外地提高击穿电场强度。
[0013]下面描述本发明的第一方面的缓冲层结构的实施方案。
[0014]在应力管理层序列的一个优选的实施方案中，间层结构的P型掺杂剂浓度分布在由该间层结构至第一和第二第III族氮化物层的过渡中降低至少一个数量级或者甚至至少两个数量级的。可以抑制在缓冲应力管理层序列中2DEG的形成，P型掺杂剂浓度降低的越多则功效越大。
[0015]P型掺杂剂浓度优选是贯穿整个间层结构恒定的。
[0016]在一个优选的实施方案中，第一或第二或者第一与第二第III族氮化物层仅是非故意地掺杂的，这意味着测得的P型掺杂剂浓度不大于IX 1017/cm3。通过在间层结构中相应的更高的P型掺杂剂浓度，可以容许第一或第二或者第一与第二第III族氮化物层的P型掺杂剂浓度在I X 1isVcm3或者甚至1X10 1Vcm3的优选范围内的更高的范围。
[0017]在本发明的一个实施方案中，该间层结构是单层，第III族氮化物间层材料具有均匀的组成，其具有比第一和第二第III族氮化物层更大的带隙。该间层结构中P型掺杂剂的浓度至少为6X 118Cm 3，P型掺杂剂浓度优选至少为lX102°cm3。在单一间层中至少为6X 118Cm 3的P型掺杂剂浓度的额外的优点是能够补偿在该层中非期望的寄生的氧浓度。因此，在该层中较高的氧含量是容许的，其降低了缓冲层结构的生产成本，因为可以省略掉用于减少或避免在生长期间非期望地将氧引入这些层中的复杂且昂贵的措施。但是在此方面，单一间层的P型掺杂剂浓度的最高为I X 121Cm 3的数值甚至是有利的。
[0018]在另一个优选的实施方案中，该间层结构包括位于第二第III族氮化物间层和第三第III族氮化物间层之间及与其相邻的第一第III族氮化物间层。第一、第二和第三第III族氮化物间层各自具有均匀的组成。第一第III族氮化物间层的带隙是大于第二第III族氮化物间层和第三第III族氮化物间层的带隙。贯穿整个间层结构的P型掺杂剂浓度至少为5 X 118Cm 3O该间层结构允许使用在5 X 118Cm 3和I X 10 19cm 3之间的水平的p型掺杂剂浓度。可以电激活的掺杂水平是受限制的。在间层结构中能够消除寄生的2DEG通道的中等P型掺杂剂浓度是优选的，因为更高的P型掺杂水平会导致非期望的过程波动。然而，若可以其他方式补偿过程波动，则较高的P型掺杂剂浓度也是优选的。
[0019]在该实施方案的改变方案中，第一和第二第III族氮化物层的材料与第二和第三第III族氮化物间层的材料相同，具有比第一和第二第III族氮化物层的材料更大的带隙的第III族氮化物间层材料是第一第III族氮化物间层的材料。
[0020]在另一个优选的实施方案中，该间层结构包括位于第二第III族氮化物间层和第三第III族氮化物间层之间及与其相邻的第一第III族氮化物间层，该第一第III族氮化物间层是在组成上渐次变化的。在该实施方案中，贯穿