本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括具有多個III-V材料層的緩沖層堆疊體和設(shè)置在該緩沖層堆疊體上的III-V型有源半導(dǎo)體層例如GaN層，該緩沖層堆疊體設(shè)置在基底上。本發(fā)明還涉及用于生產(chǎn)這種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法。

背景技術(shù)：

氮化鎵材料是具有相對寬的直接帶隙的半導(dǎo)體化合物。這些電子躍遷為氮化鎵材料提供了許多有吸引性的性質(zhì)，例如承受高電場的能力，在高頻率下傳輸信號的能力等。因此，氮化鎵材料在許多微電子應(yīng)用(諸如晶體管、場致發(fā)射體和光電子設(shè)備)中被廣泛研究。氮化鎵材料包括氮化鎵(GaN)及其合金，諸如氮化鋁鎵(AlGaN)，氮化銦鎵(InGaN)和氮化鋁銦鎵(AlInGaN)。

大多數(shù)GaN外延層生長在異質(zhì)基底上，諸如藍(lán)寶石(Al₂O₃)，SiC或Si，因為天然GaN基底難以制作，因此非常昂貴。與(In)(Al)GaN外延層相比，這些基底具有不同的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和機械性質(zhì)，例如，這些基底包括不同的熱膨脹系數(shù)或不同的晶格常數(shù)。這就導(dǎo)致在GaN外延層中的嚴(yán)重應(yīng)變積累，其隨著外延層厚度增加而增加。

因此，在現(xiàn)有技術(shù)中，在基底和設(shè)備的有源部分之間引入分層緩沖結(jié)構(gòu)。該緩沖結(jié)構(gòu)盡可能地調(diào)節(jié)基底材料與在層的有源部分中使用的材料的性質(zhì)之間的差異的影響。這種差異可以包括但不限于晶格常數(shù)的差異、熱膨脹系數(shù)的差異、不同的晶體結(jié)構(gòu)、不同的帶隙能量和造成的介電擊穿強度。理想地，該緩沖層不會影響有源部分或設(shè)備的性質(zhì)，但是，在最終設(shè)備中可能具有較小的功能，例如作為接觸層或替代地作為電流阻擋層。

層堆疊體的有源部分是直接確定將在層堆疊體上制造的設(shè)備的性質(zhì)的結(jié)構(gòu)的一部分。例如，AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)的有源部分通常由相對厚(>100nm)的GaN通道層組成，在頂部具有薄(約20nm厚)的AlGaN阻擋層(barrier layer)。在這種HEMT中，閾值電壓、跨導(dǎo)以及一部分導(dǎo)通狀態(tài)電阻直接由AlGaN阻擋層的成分和厚度確定。例如在LED中，量子阱和阻擋物的成分和厚度確定發(fā)射光的波長。優(yōu)化有源部分中材料的設(shè)計和選擇以獲得最佳的設(shè)備性能，并且盡可能少地依賴由基底或緩沖結(jié)構(gòu)的選擇所施加的約束。

在硅基氮化鎵(GaN-on-Si)技術(shù)中，幾乎總是一方面在基底與緩沖結(jié)構(gòu)之間引入額外的成核層，另一方面在緩沖結(jié)構(gòu)與有源部分之間引入額外的成核層。該層可以是AlN層，因為AlGaN或GaN層中的鎵導(dǎo)致Si基底的回蝕。在一些情況下，在基底上沉積介電層以減輕這種影響(例如，Si上的SiC，Si中的金剛石等)。術(shù)語“AlGaN”涉及包括任何化學(xué)計量/組成比(Al_xGa_1-xN)的Al、Ga和N的組合物，該組合物可以在層中變化，例如從在層的底部沒有Ga到在層的頂部沒有Al。諸如(In)AlGaN的組合物還可以包括任何合適量的銦(In)。

緩沖結(jié)構(gòu)通常由多個層組成。在硅基氮化鎵(GaN-on-Si)技術(shù)中，緩沖層的成分通常從AlN成核層附近的富Al層向通常包括一個或多個GaN層的有源部分附近的富Ga層變化。從成核層到有源部分的組成變化可以以各種方式來進(jìn)行。

在硅基氮化鎵技術(shù)的情況下，緩沖結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)補償在從層堆疊體的外延沉積期間的操作溫度冷卻至室溫期間在層堆疊體中誘導(dǎo)的拉伸應(yīng)力。通常，通過選擇緩沖結(jié)構(gòu)中的層使得這些層的組合在生長溫度下向?qū)又幸雺嚎s應(yīng)力來完成這一點。例如，在具有較高Al濃度的第一厚且弛豫的AlGaN層的頂部上沉積具有較低Al濃度的第二AlGaN層將誘導(dǎo)壓縮應(yīng)力，因為第二層的較大晶格常數(shù)將被壓縮以匹配第一層的較小晶格常數(shù)。

例如，在WO0213245中公開了緩沖結(jié)構(gòu)的使用。

存在下述工業(yè)需要：改進(jìn)緩沖結(jié)構(gòu)，使得緩沖結(jié)構(gòu)補償在從層堆疊體的外延沉積期間的操作溫度冷卻到室溫期間在層堆疊體中誘導(dǎo)的拉伸應(yīng)力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，公開了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括：包括多個III-V材料層(或由其組成)的緩沖層堆疊體，該緩沖層堆疊體包括至少一個(或至少兩個、或至少三個；例如一個、兩個、三個或四個)分層子結(jié)構(gòu)，每個分層子結(jié)構(gòu)包括壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)在相應(yīng)第一緩沖層與在緩沖層堆疊體中定位成比相應(yīng)第一緩沖層更高(在相應(yīng)第一緩沖層上方)的相應(yīng)第二緩沖層之間，相應(yīng)第二緩沖層的下表面具有比相應(yīng)第一緩沖層的上表面更低的Al含量；以及設(shè)置在該緩沖層堆疊體上的III-V型有源半導(dǎo)體層。

層中的元素(例如鋁)的含量被定義為一方面層中的鋁原子數(shù)量與另一方面層中的所有III族原子的總數(shù)之間的比率。如果Al是III族的成員，這意味著該比率大于或等于零，并且小于或等于一。

根據(jù)優(yōu)選實施方式，III-V型有源半導(dǎo)體層包括GaN型層。根據(jù)優(yōu)選實施方式，有源半導(dǎo)體層是層堆疊體的有源部分的下層。根據(jù)優(yōu)選實施方式，層堆疊體的有源部分包括GaN通道層和AlGaN電子誘導(dǎo)阻擋層。

根據(jù)優(yōu)選實施方式，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還包括硅基晶片，緩沖層堆疊體通過與硅基晶片和緩沖層堆疊體直接接觸的AlN成核層與硅基晶片隔開。根據(jù)優(yōu)選實施方式，成核層的總厚度在10nm和200nm之間的范圍內(nèi)。

根據(jù)優(yōu)選實施方式，緩沖層堆疊體具有上緩沖層和下緩沖層，下緩沖層與AlN成核層直接接觸，而上緩沖層與有源層直接接觸。根據(jù)優(yōu)選實施方式，緩沖層堆疊體的總厚度在500nm和10μm之間的范圍內(nèi)。緩沖層堆疊體的層優(yōu)選地全部是(In)AlGaN層。

根據(jù)優(yōu)選實施方式，壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)分層結(jié)構(gòu)或多個壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)分層結(jié)構(gòu)中的每個包括在其下表面附近的偽晶平面化層和在其上表面附近(在平面化層頂部/上方)的弛豫層，平面化層的下表面的Al含量等于或低于相應(yīng)第一緩沖層的上表面的Al含量，并且平面化層的上表面的Al含量低于弛豫層的下表面的Al含量，并且弛豫層的上表面的Al含量高于相應(yīng)第二緩沖層的Al含量。

根據(jù)優(yōu)選實施方式，分層子結(jié)構(gòu)的相應(yīng)平面化層和弛豫層直接接觸。根據(jù)優(yōu)選實施方式，分層子結(jié)構(gòu)的偽晶平面化層和弛豫層之間的過渡在Al含量方面是突變的或不連續(xù)的。根據(jù)優(yōu)選實施方式，分層子結(jié)構(gòu)的偽晶平面化層和弛豫層之間的過渡在Al含量方面是突變的或不連續(xù)的。根據(jù)優(yōu)選實施方式，分層子結(jié)構(gòu)的偽晶平面化層和弛豫層之間的過渡在Al含量方面大于10％或大于20％或大于50％。

根據(jù)優(yōu)選實施方式，相應(yīng)第一緩沖層的Al含量在15％至100％的范圍內(nèi)。更優(yōu)選地其在40％至70％的范圍內(nèi)。

根據(jù)優(yōu)選實施方式，相應(yīng)第一緩沖層的厚度在50nm至2微米的范圍內(nèi)。更優(yōu)選地，其在350nm至1微米的范圍內(nèi)。

根據(jù)優(yōu)選實施方式，相應(yīng)第二緩沖層的Al含量在0％和40％的范圍內(nèi)。更優(yōu)選地其在8％至40％的范圍內(nèi)。

根據(jù)優(yōu)選實施方式，相應(yīng)第二緩沖層的厚度在50nm至8微米的范圍內(nèi)。更優(yōu)選地，其在500nm至4微米的范圍內(nèi)。

相應(yīng)第一緩沖層和第二緩沖層優(yōu)選地包括(In)AlGaN層。

根據(jù)優(yōu)選實施方式，相應(yīng)平面化層具有在0至20％的范圍內(nèi)的Al含量。根據(jù)優(yōu)選實施方式，相應(yīng)平面化層中的至少一個、多個或全部具有0％的Al含量，即不含有鋁。

根據(jù)優(yōu)選實施方式，相應(yīng)平面化層的Al含量對于至少一個(或?qū)τ诙鄠€或全部)分層子結(jié)構(gòu)是恒定的。

根據(jù)優(yōu)選實施方式，平面化層對于至少一個(或多個或全部)分層子結(jié)構(gòu)是GaN層。

根據(jù)優(yōu)選實施方式，相應(yīng)平面化層的厚度在5nm至50nm的范圍內(nèi)。

根據(jù)優(yōu)選實施方式，相應(yīng)弛豫層具有在50％至100％的范圍內(nèi)的Al含量。

根據(jù)優(yōu)選實施方式，其中，至少一個(或多個或全部)分層子結(jié)構(gòu)的弛豫層的Al含量是恒定的。

根據(jù)優(yōu)選實施方式，弛豫層對于至少一個(或多個或全部)分層子結(jié)構(gòu)是AlN層。

根據(jù)優(yōu)選實施方式，相應(yīng)弛豫層的厚度在0.28nm至50nm的范圍內(nèi)，更優(yōu)選地在1nm至10nm的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，相應(yīng)弛豫層的厚度大于1nm，或大于2nm，或大于5nm。

根據(jù)優(yōu)選實施方式，弛豫層的表面足夠粗糙，以抑制相應(yīng)第二緩沖層的弛豫。優(yōu)選地，弛豫層的RMS(均方根)粗糙度大于1nm。優(yōu)選地，弛豫層的RMS粗糙度在1nm至10nm的范圍內(nèi)。

根據(jù)優(yōu)選實施方式，緩沖層堆疊體是成分漸變的，在其下表面處具有較高的Al含量，除了壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)之以，Al含量朝著有源半導(dǎo)體層單調(diào)降低。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面，公開了一種用于生產(chǎn)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括：

-在基底上生長包括(由其組成)多個III-V材料層的緩沖層堆疊體；

-生長設(shè)置在該緩沖層堆疊體上的III-V型有源半導(dǎo)體層；

其中，生長緩沖層堆疊體包括至少一次生長分層子結(jié)構(gòu)，其中，生長分層子結(jié)構(gòu)包括生長第一緩沖層、在第一緩沖層的頂部上的壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)，以及在壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的頂部上生長第二緩沖層，從而在相應(yīng)第二緩沖層的下表面處設(shè)置比在相應(yīng)第一緩沖層的上表面處更低的Al含量。

根據(jù)優(yōu)選實施方式，該方法包括提供硅基晶片，在硅基晶片上生長AlN成核層并在AlN成核層上生長緩沖層堆疊體。

根據(jù)優(yōu)選實施方式，生長緩沖層堆疊體包括使緩沖層堆疊體生長為使得緩沖層堆疊體是成分漸變的(例如優(yōu)選地階梯式漸變，但也可以連續(xù)漸變)，在其下表面處具有較高的Al含量，除了在構(gòu)成壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的層之外，Al含量朝著有源半導(dǎo)體層單調(diào)降低。

根據(jù)優(yōu)選實施方式，生長壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)分層結(jié)構(gòu)包括在相應(yīng)第一緩沖層上生長相應(yīng)偽晶平面化層，并在平面化層上生長相應(yīng)的初始為偽晶的弛豫層，相應(yīng)平面化層的下表面的Al含量低于或等于相應(yīng)第一緩沖層的上表面的Al含量，并且相應(yīng)平面化層的上表面的Al含量低于相應(yīng)弛豫層的下表面的Al含量，并且相應(yīng)弛豫層的上表面的Al含量高于相應(yīng)第二緩沖層的Al含量。

根據(jù)優(yōu)選實施方式，在大于1100℃或大于1200℃的溫度下進(jìn)行生長弛豫層。在這些溫度下生長弛豫層導(dǎo)致RMS粗糙度增加，例如大于1nm。這提供了以下優(yōu)點：抑制了設(shè)置在弛豫層頂部上的相應(yīng)第二緩沖層的弛豫。那么在頂部偽晶生長的第二緩沖層就將具有高水平的或最大化的面內(nèi)壓縮應(yīng)變。

如對于本發(fā)明的第一方面的實施方式所解釋的特征和優(yōu)點適用于本發(fā)明的第二方面，反之亦然，細(xì)節(jié)上作必要的修改。

出于本公開內(nèi)容之目的，只要限定了范圍，其意在以封閉、開放以及兩個半開的形式公開這些范圍。即使在限定這樣的范圍的上下文中使用了術(shù)語“之間”，意在公開所有這些選項。

在整個說明書中詳述本發(fā)明的優(yōu)點。

附圖說明

圖1示出了包括緩沖層堆疊體的現(xiàn)有技術(shù)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式的緩沖層堆疊體。

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的緩沖層堆疊體。

圖4示出了與現(xiàn)有技術(shù)相比根據(jù)本發(fā)明的實施方式的方法和半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的有效性。

圖5示出了對于現(xiàn)有技術(shù)方案，沿堆疊體的生長方向“z”測量的作為層堆疊體內(nèi)高度水平函數(shù)的晶格常數(shù)的演變。

圖6示出了對于本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，沿著堆疊體的生長方向“z”測量的作為隨層堆疊體內(nèi)高度水平函數(shù)的晶格常數(shù)的演變。

圖7示出了對于本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，沿堆疊體的生長方向“z”測量的作為層堆疊體內(nèi)高度水平函數(shù)的應(yīng)力的演變。

具體實施方式

將參考具體實施方式并參考某些附圖來描述本發(fā)明，但是本發(fā)明并不限于此，而是僅由權(quán)利要求來限制。所描述的附圖僅是示意性的而非限制性的。在附圖中，為了說明的目的，可能放大一些元件的大小并且并未按比例進(jìn)行繪制。尺寸和相對尺寸不與本發(fā)明實踐的實際減少對應(yīng)。

此外，說明書和權(quán)利要求書中的術(shù)語第一、第二、第三等用于區(qū)分類似元件，而不一定用于描述次序或時間順序。這些術(shù)語在適當(dāng)?shù)那闆r下是能夠互換的，并且本公開內(nèi)容的實施方式可以以不同于本文所描述的或示出的其它順序來操作。

此外，說明書和權(quán)利要求書中的術(shù)語頂部、底部、上方、下方等用于描述之目的，而不一定用于描述相對位置。如此使用的術(shù)語在適當(dāng)?shù)那闆r下是能夠互換的，并且本文所描述的本公開內(nèi)容的實施方式可以以不同于本文所描述的或示出的其它定向來操作。

此外，各種實施方式，雖然被稱為“優(yōu)選”，但應(yīng)以示例的方式理解，在這些實施方式中可以實現(xiàn)本公開內(nèi)容，而不限制本公開內(nèi)容的范圍。

圖1示出了一種現(xiàn)有技術(shù)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括具有多個III-V材料層的緩沖層堆疊體3和設(shè)置在緩沖層堆疊體上的III-V型有源半導(dǎo)體層10。有源半導(dǎo)體層10是例如層堆疊體的有源部分的下層。通過與硅基晶片1和緩沖層堆疊體3直接接觸的AlN成核層2，將緩沖層堆疊體3與硅基晶片隔開。緩沖結(jié)構(gòu)或緩沖層堆疊體3通常由多個層組成。在硅基氮化鎵(GaN-on-Si)技術(shù)中，緩沖層的成分通常從AlN成核層附近的富Al層向有源半導(dǎo)體層10例如GaN層10附近的富Ga(和相對貧Al)層演變。緩沖層3從成核層2到有源部分10的成分變化可以以技術(shù)人員已知的各種方式來進(jìn)行。成分變化可以包括例如緩沖層3的Al含量的階梯式漸變或連續(xù)漸變。

在硅基氮化鎵(GaN-on-silicium)技術(shù)的情況下，緩沖層堆疊體或緩沖結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)補償在從層堆疊體的外延沉積期間的操作溫度冷卻到室溫期間在層堆疊體中誘導(dǎo)的拉伸應(yīng)力。

發(fā)現(xiàn)在典型的緩沖層堆疊體3中具有高鋁濃度(例如Al％大于50％)的層可能遭受明顯的表面粗糙度。此外，在第一緩沖層和第二緩沖層的鋁含量為階梯式漸變的現(xiàn)有技術(shù)情況下，具有比第一緩沖層(前一步驟)更低的Al含量的第二緩沖層(后一步驟)，在第二緩沖層的第一生長部分的偽晶生長期間誘導(dǎo)面內(nèi)壓縮應(yīng)力。隨著生長的第二緩沖層弛豫，該緩沖層開始呈現(xiàn)其自身的無應(yīng)變晶格常數(shù)，這就減小并最終停止壓縮應(yīng)力的積累。

在本發(fā)明的方面中，通過在緩沖層堆疊體3內(nèi)在第一緩沖層40與在所述緩沖層堆疊體中定位成比所述相應(yīng)第一緩沖層40高的第二緩沖層41之間包括至少一個壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)5，進(jìn)一步增加了壓縮應(yīng)力的產(chǎn)生，壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)選地包括兩層。該壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)5優(yōu)選地包括兩層：平面化層6和弛豫層8。分層子結(jié)構(gòu)4包括壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)5，壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)在第一緩沖層40與在所述緩沖層堆疊體中定位成比所述相應(yīng)第一緩沖層40高的第二緩沖層41之間。優(yōu)選地，第二緩沖層41的下表面具有比第一緩沖層40的上表面低的Al含量。

在圖2中描繪了用于緩沖層堆疊體3(31、4(40、5(6、8)、41)、32)的本發(fā)明的這種優(yōu)選實施方式。設(shè)置有硅基底1，在該硅基底上生長了AlN成核生長層2。緩沖層堆疊體3在AlN成核層2的頂部上生長，該緩沖層堆疊體包括下部31、分層結(jié)構(gòu)4和上部32。在緩沖層堆疊體3上，設(shè)置有III-V型有源半導(dǎo)體層10，例如GaN層。

平面化層6降低了第一緩沖層40的表面粗糙度。優(yōu)選地，該平面化層在不弛豫(由此該平面化層的晶格常數(shù)呈現(xiàn)第一緩沖層40的晶格常數(shù)的值，并且因此該層偽晶地生長在第一緩沖層的頂部上)的條件下生長(例如，適當(dāng)?shù)蜏?例如小于1250℃，或小于1200℃，或小于1100℃；并且也優(yōu)選地大于900℃)和高生長速率)。另外，使平面化層6的厚度保持較低(例如，厚度在5m與50m之間)，以避免超過臨界厚度，在臨界厚度之后開始發(fā)生弛豫。為了促進(jìn)平面化，該層是富Ga的，即，平面化層的Al濃度保持盡可能低(例如純GaN層，不包括任何Al)。該層6的平面性確保了弛豫層8的第一部分(即，首先生長的部分)對于平面化層6和第一緩沖層40是偽晶的(具有相同的面內(nèi)晶格常數(shù))。

弛豫層8在平面化層6的頂部上生長。弛豫層8在下述條件下生長，即使層的第一部分偽晶地生長，弛豫也盡可能快地發(fā)生。理想地，弛豫層的頂部完全弛豫，但在一些情況下，其也可以僅部分地弛豫。弛豫可以例如通過產(chǎn)生失配位錯或通過表面的粗糙化而發(fā)生。實際上，使用高溫(例如大于1100℃或大于1200℃)，并且與平面化層6相比，對弛豫層8使用大的晶格常數(shù)差異(例如Al含量(Al％)的差異可以大于50％)。優(yōu)選地，弛豫層8是富Al的，即，該弛豫層具有盡可能高的Al含量(即，盡可能低的晶格常數(shù))，使得該弛豫層具有抑制第二緩沖層的弛豫的表面，例如使得該弛豫層具有足夠粗糙的表面(例如具有大于1nm的RMS粗糙度)，并且使得在頂部偽晶地生長的第二緩沖層包含盡可能多的面內(nèi)壓縮應(yīng)變。優(yōu)選地，該弛豫層是AlN層。另外，可以通過有意地引入生長中斷或改變前體和環(huán)境氣體分壓來促進(jìn)弛豫。雖然增加弛豫層的厚度可有利于促進(jìn)弛豫，但最好使弛豫層保持相對薄，以避免過多的拉伸應(yīng)力的積累。

第二緩沖層生長在弛豫層的頂部上。因為第二緩沖層具有比弛豫層更低的Al含量，所以只要第二緩沖層未完全弛豫，就會積累壓縮應(yīng)力。在該層中弛豫的發(fā)生是可以控制的生長條件(較低的生長溫度，高生長率)以及其生長所在層的頂部的平面性的函數(shù)。

圖3示出了本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方式，該實施方式類似于關(guān)于圖2描述的實施方式，但是其中，兩個分層子結(jié)構(gòu)(4、4')在緩沖層堆疊體3內(nèi)生長。緩沖層堆疊體從底部到頂部包括下部31、第一子結(jié)構(gòu)4、中部32、第二子結(jié)構(gòu)4'和上部33。在緩沖層堆疊體3中，第二子結(jié)構(gòu)4'定位成比第一子結(jié)構(gòu)高并且類似于第一子結(jié)構(gòu)4。第二子結(jié)構(gòu)4'可以通過緩沖層堆疊體部32與第一子結(jié)構(gòu)4隔開。替代地，層41和層40'可以是同一層。第二子結(jié)構(gòu)4'包括第一緩沖層40'，生長在第一緩沖層40'上的壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)分層結(jié)構(gòu)(CSIS)5'和生長在壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)5'上的第二緩沖層41'。壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)5'包括生長在第一緩沖層40'上的平面化層6'和生長在平面化層6'上的弛豫層8'。第二子結(jié)構(gòu)的性質(zhì)類似于對第一子結(jié)構(gòu)描述的那些性質(zhì)。第一子結(jié)構(gòu)和第二子結(jié)構(gòu)可以是相同的或者可以是不同的。

根據(jù)優(yōu)選實施方式，如技術(shù)人員將認(rèn)識到的一樣，這些子結(jié)構(gòu)(4、4'、4”、4”'...)中的多個可以生長在緩沖層堆疊體3中。例如，可以存在兩個、三個、四個、五個或更多個子結(jié)構(gòu)。在緩沖層堆疊體3中存在的子結(jié)構(gòu)越多，可以引入的壓縮應(yīng)力越多。

根據(jù)優(yōu)選實施方式，緩沖層堆疊體3是成分漸變的，在其下表面處具有較高Al含量，除了壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)4、4'、4”…以外，Al含量朝著有源半導(dǎo)體層10單調(diào)、連續(xù)或階梯式地降低。換句話說，包括不是CSIS 5、5'的一部分的緩沖層堆疊體的部分40、41、40'、41'、31、32、33的虛擬堆疊體可以是成分漸變的，在其下表面具有較高的Al含量，Al含量朝向其上表面單調(diào)、連續(xù)或階梯式地降低。

優(yōu)選地，成核層2、緩沖層堆疊體3的層和有源層10的生長通過MOCVD或MBE或HVPE或CBE來進(jìn)行。根據(jù)一種優(yōu)選實施方式，使用MOCVD來生長層。例如，將硅(Si)基底引入MOCVD反應(yīng)器室中。反應(yīng)器具有受控的環(huán)境氣體流(例如氫氣和/或氮氣)，并且保持在良好受控壓力和良好受控溫度下。應(yīng)該采取措施以避免反應(yīng)器室中存在污染物。在氫氣環(huán)境中將基底加熱至高溫(例如高于1000℃)以除去天然氧化物。隨后，將氮前體(例如NH3)和Al前體(例如TMAl)的受控氣流同時或以特定切換順序引入反應(yīng)器中，以開始AlN成核層的生長。當(dāng)完成成核層的生長時，例如通過引入Al的前體(例如TMAl)、Ga的前體(例如TMGa)和氮的前體(例如NH3)來生長緩沖層堆疊體。在緩沖堆疊體的頂部，生長有源部分。在生長之后，將基底冷卻至合適的處理溫度，在該處理溫度下，可以從反應(yīng)器室中移除頂部上具有III-N層堆疊體的基底并進(jìn)一步處理。

在圖4至圖7中描述了通過半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力積累。

當(dāng)在偽晶生長期間生長層呈現(xiàn)其他(下面)層的面內(nèi)晶格常數(shù)時，正在積累應(yīng)力。取決于生長層的有效面內(nèi)晶格常數(shù)和其自然晶格常數(shù)(即，未應(yīng)變“本征”層的晶格常數(shù))之間的差異，誘導(dǎo)局部面內(nèi)應(yīng)變。

在本發(fā)明的實施方式中，通過生長偽晶的低Al濃度平面化層6來誘導(dǎo)第一壓縮應(yīng)力。該層保持相當(dāng)薄以避免弛豫。弛豫層8具有高Al含量，使得當(dāng)該弛豫層在平面化層6的頂部上以應(yīng)變狀態(tài)生長時，誘導(dǎo)拉伸應(yīng)力。通過調(diào)整生長條件使得盡可能快地發(fā)生弛豫，該層8的厚度可以保持得盡可能低，使得拉伸應(yīng)力或多或少地由平面化層6中產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力補償。一旦弛豫層8完全弛豫，即使該層將增加厚度，也不會產(chǎn)生額外的拉伸應(yīng)力。

在該弛豫的弛豫層8的頂部上，生長第二緩沖層41。因為應(yīng)變產(chǎn)生現(xiàn)在由弛豫層8和第二緩沖層41之間的晶格常數(shù)的差異決定(與在現(xiàn)有技術(shù)第一緩沖層40的典型狀態(tài)與第二緩沖層41的典型狀態(tài)之間的低得多的晶格常數(shù)差異相反)，所以在該過渡處的壓縮應(yīng)力的量可以大很多。此外，在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，該層的弛豫被盡可能地延遲，例如，通過選擇適當(dāng)?shù)纳L條件或通過將其生長在具有足夠粗糙的表面的層的頂部上。

圖4示出了作為生長時間函數(shù)并因此作為生長的層厚度函數(shù)的晶片翹曲度的量，這代表生長層中的應(yīng)變?！?CSIS”曲線對應(yīng)于如圖1所述的現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力積累?！?CSIS”曲線對應(yīng)于類似結(jié)構(gòu)的應(yīng)力積累，其與現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)主要不同在于存在壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)5。另外用于產(chǎn)生兩個結(jié)構(gòu)的工藝參數(shù)基本相同。清楚的是，根據(jù)本發(fā)明實施方式的壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)5的使用允許引入比現(xiàn)有技術(shù)方案更多的壓縮應(yīng)力。事實上，+CSIS曲線繼續(xù)下降(應(yīng)力繼續(xù)積累)較長時間直到水平S2，而-CSIS曲線更快地演變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)的情況，下降到水平S1，由此該層弛豫并且不發(fā)生進(jìn)一步的應(yīng)力積聚。

圖5、圖6和圖7是進(jìn)一步示出了現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)與根據(jù)本發(fā)明的實施方式的結(jié)構(gòu)之間的差異的圖。

圖5和圖6示出了對于現(xiàn)有技術(shù)堆疊體中的兩個后續(xù)階梯式漸變層(圖5)和本發(fā)明的實施方式的分層子結(jié)構(gòu)4(圖6)，晶格常數(shù)作為層堆疊體厚度(沿著生長方向“z”，通常在基底表面上垂直)的函數(shù)的演變。圖5示出了第二緩沖層41直接生長在第一緩沖層40上的現(xiàn)有技術(shù)情況，第二緩沖層41具有比第一緩沖層40更大的晶格常數(shù)(具有更低的鋁含量)。指示區(qū)域大體上示出了在層堆疊體中積累的應(yīng)力的量。圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的結(jié)構(gòu)的等效圖，該結(jié)構(gòu)包括在第一緩沖層40與第二緩沖層41之間的壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)5。指示區(qū)域大體上示出了在這種情況下積累的應(yīng)力的量，其顯著大于現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的量。

圖7示出了對于現(xiàn)有技術(shù)堆疊體(虛線)以及根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式的堆疊體(實線)，作為層堆疊體厚度函數(shù)(沿著生長方向“z”，通常在基底表面上垂直)的所產(chǎn)生的應(yīng)力演變。該圖示出了由根據(jù)本發(fā)明的實施方式的壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)5誘導(dǎo)的壓縮應(yīng)力大于用于現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力。

雖然上文的詳細(xì)描述已經(jīng)示出、描述并指出了應(yīng)用于各種實施方式的本發(fā)明的各方面的新穎特征，但是，要理解的是，在不偏離本發(fā)明各方面的一般構(gòu)思的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對所示裝置或工藝的形式和細(xì)節(jié)進(jìn)行各種省略、替換和改變。