[发明专利]用于电力电子器件的基于III-N的基材及其制造方法

说明书

用于电力电子器件的基于III‑N的基材，其包括：基底、在基底上的III‑N层叠体、以及在基底和III‑N层叠体之间的缓冲层结构。缓冲层结构至少包括第一超晶格层叠体、以及在第一超晶格层叠体上的第二超晶格层叠体。第一超晶格层叠体包括由多个第一AlGaN层组成的第一超晶格单元的重复。第二超晶格层叠体包括由多个第二AlGaN层组成的第二超晶格单元的重复。第一超晶格层叠体的平均铝含量比第二超晶格层叠体的平均铝含量大预定差值，以改进垂直击穿电压。

技术领域

本发明涉及用于电力电子器件的基于III-N的基材以及用于制造该基材的方法。

背景技术

对于基于III-N材料的高电压电力装置的一个主要要求是装置堆叠需要是具有高泄露电流阻断能力的高电阻的。该泄露电流阻断能力通常用1μA/mm²的垂直泄漏电流密度下的电压在室温(25℃)和高温(通常150℃)下、在结构的两极都垂直偏压进行评估。由于缺乏天然基材，通常使用金属有机气相外延(MOVPE)或分子束外延(MBE)使得基于III-N材料的装置生长在异质基材(如Si、蓝宝石和SiC)上。然后，该类型的异质外延工艺需要缓冲层的生长，所述缓冲层对引起晶格失配的应力进行控制，使得装置活性层能够以令人满意的材料质量和电性质生长。此外，在大多数情况下，应力控制缓冲层还可能有助于整个堆叠的泄露电流阻断能力。

提高堆叠泄漏阻断能力的一个常见措施是简单地增加缓冲厚度。超晶格(SL)缓冲层是通常由多次重复/多个周期的AlN/Al_xGa_1-xN(0＝x1)对层组成的一种缓冲结构。为了在具有SL缓冲器的Si基材上装置堆叠的生长，SL缓冲器必须非常厚(3-4μm)以提供足够的泄漏阻断能力。该厚度导致难以提供足够的原位凸形晶片弯曲以补偿在后外延冷却期间热失配引发的凹形晶片弯曲。

从US2012/223328A1已知一种III族氮化物外延层叠体基材，所述基材依次包括基材、缓冲器和主层叠体，其中，缓冲器依次包括初始生长层、第一超晶格层叠体和第二超晶格层叠体。第一超晶格层叠体包括5至20组第一AlN层和第二GaN层，第一AlN层和第二GaN层交替堆叠，并且每一组第一AlN层和第二GaN层具有小于44nm的厚度。第二超晶格层叠体包括多组第一层和第二层，所述第一层由AlN材料或AlGaN材料制成，所述第二层由具有不同于第一层的带隙的AlGaN材料制成，所述第一和第二层交替堆叠。双超晶格层叠体结构用于同时实现结晶度的改进和基材翘曲的抑制。

发明内容

本公开的目的是提供用于电力电子器件的基于III-N的基材，其能够使得缓冲结构具有改进的泄露阻断能力，即，具有改进的垂直击穿电压。

特别是，本公开的目的是提供用于电力电子器件的基于III-N的基材，其能够使得缓冲结构具有足够的泄露阻断能力，并使得基材翘曲保持在可接受的限制范围内。

本公开的另一目的在于提供一种用于制造该基于III-N的基材的方法。

本公开的一方面中，存在用于电力电子器件的基于III-N的基材，基于III-N的基材包括：基底、在基底上的III-N层叠体、以及在基底和III-N层叠体之间的缓冲层结构。缓冲层结构至少包括第一超晶格层叠体、以及在第一超晶格层叠体上方的第二超晶格层叠体。第一超晶格层叠体包括重复的由多个第一AlGaN层组成的第一超晶格单元，各第一AlGaN层由Al_xGa_1-xN制成，其中0≦x≦1，并且在所述多个第一AlGaN层之间x是不同的。第二超晶格层叠体包括重复的由多个第二AlGaN层组成的第二超晶格单元，各第二AlGaN层由Al_yGa_1-yN制成，其中0≦y≦1，并且在所述多个第二AlGaN层之间y是不同的。第一超晶格层叠体的平均铝含量比第二超晶格层叠体的平均铝含量大预定差值。根据本公开，所述预定差值可以改进用于电力电子器件的基于III-N的基材的击穿电压。设置缓冲层结构以为晶格失配提供补偿，并控制晶片弯曲。