[發明專利]襯底結構和采用該襯底結構的半導體器件

無效

• 申請號: 201310520285.7
• 申請日: 2013-10-29
• 公開（公告）號: CN104103675A
• 公開（公告）日: 2014-10-15
• 發明（設計）人: 李商文;曹永真;李明宰
• 申請（專利權）人: 三星電子株式會社
• 主分類號: H01L29/04
• 分類號: H01L29/04;H01L29/205;H01L29/06
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 張波

技術領域

本公開涉及一種用于形成具有較少缺陷的高質量III-V族化合物半導體的襯底結構以及采用該襯底結構的半導體器件。

背景技術

目前，在廣泛范圍的領域中正進行研究活動，以通過利用化合物半導體，尤其是III-V族化合物半導體材料來取代硅（Si）半導體材料。由于III-V族化合物半導體材料具有比硅高10到10³倍的電子遷移率，因此III-V族化合物半導體材料適于在互補金屬氧化物半導體（CMOS）器件中作為高速元件的溝道或者用于高效率III-V族化合物太陽能電池中。

由III-V族化合物半導體諸如磷化銦（InP）、砷化鎵（GaAs）、銻化鎵（GaSb）和銻化銦（InSb）制成的III-V族化合物襯底已經被廣泛用作用于生長III-V族化合物半導體材料的襯底。但是，這些襯底比Si襯底昂貴20倍，并且如此之硬而使得它們在制造工藝中易于斷裂。目前，由于商業上可獲得的襯底的最大直徑是6英寸，因此難于制造大面積的襯底。為了克服這些限制，利用Si襯底來取代III-V族化合物襯底的半導體器件正在被研制。

此外，由于很多的關注正在被指向用于實現Si基的光集成電路的技術，因此對在Si襯底上形成諸如發光二級管（LED）和激光二極管（LD）的光源以及用于高速器件的晶體管的技術的需求正在增長。III-V族化合物半導體在大面積Si襯底上的集成不僅可以允許使用現有的硅制造工藝，而且也可以明顯減少制造成本。

但是，由于III-V族化合物半導體材料和硅襯底之間的晶格常數和熱膨脹系數的巨大差異而會發生各種缺陷，由此在其應用于器件方面存在限制。例如，如果生長具有比襯底的晶格常數小的晶格常數的半導體薄膜，由于壓應力而會發生位錯。另一方面，如果生長具有比襯底的晶格常數大的晶格常數的半導體薄膜，由于張應力而會導致裂紋。為了解決這些問題，提出了各種緩沖層結構，用于在Si襯底上生長具有高結晶度而不具有諸如裂紋或位錯的缺陷的III-V族化合物半導體薄膜。

發明內容

提供了用于形成具有較少缺陷的高質量III-V族化合物半導體的襯底結構和采用該襯底結構的半導體器件。

另外的方面將部分在下面的描述中陳述，并且部分將從該描述顯見，或者可以通過給出的實施方式的實踐而習得。

根據本發明的方面，襯底結構包括：襯底；成核層，形成在襯底上并且包括具有與襯底的晶格常數相差小于1%的晶格常數的III-V族化合物半導體材料；以及緩沖層，形成在成核層上并且包括第一層和第二層，其中第一層和第二層包括具有比成核層的晶格常數大4%或更大的晶格常數的III-V族化合物半導體材料。

緩沖層的第一層和第二層的晶格常數之間的差異可以小于1%。

緩沖層可以還包括第三層，第三層形成在第二層上并且由具有與第二層的晶格常數相差小于1%的晶格常數的III-V族化合物半導體材料形成。

第一層和第三層可以由相同的III-V族化合物半導體材料制成。

第二層和第三層中的每一個可以由III-V族化合物半導體材料制成，其中，包含在第二層中的V族元素不同于包含在第三層中的V族元素。

緩沖層可以具有其中第二層和第三層交替層疊在彼此之上兩次或更多次的結構。

材料層可以形成在第二層和第三層之間的交界處，其中，材料層的晶格常數和第二層的晶格常數之間的差異以及材料層的晶格常數和第三層的晶格常數之間的差異各自大于第二層的晶格常數和第三層的晶格常數之間的差異。

第二層和第三層中的一個可以是磷化銦（InP），而另一個可以是銦鎵砷化物（InGaAs）。

第一層和第二層中的每一個可以由III-V族化合物半導體材料制成，其中，包含在第一層中的V族元素不同于包含在第二層中的V族元素。緩沖層可以具有其中第一層和第二層交替層疊在彼此之上兩次或更多次的結構。

材料層可以形成在第一層和第二層之間的交界處，其中，材料層的晶格常數和第一層的晶格常數之間的差異以及材料層的晶格常數和第二層的晶格常數之間的差異各自大于第一層的晶格常數和第二層的晶格常數之間的差異。

第一層和第二層中的一個可以是InP，而另一個可以是InGaAs。

成核層可以包括磷化鎵（GaP）、磷化鋁（AlP）、鎵鋁磷化物（Ga_xAl_1-xP）、鎵氮磷化物（GaNP）和鎵氮砷磷化物（GaNAsP）中的一種。