[发明专利]用于GaN基底应用的磷属元素化物缓冲结构和器件

说明书

一种结构可包括具有第一晶格常数的III‑N层、在III‑N层上外延生长的具有第二晶格常数的第一稀土磷属元素化物层、在所述第一稀土磷属元素化物层上外延生长的具有第三晶格常数的第二稀土磷属元素化物层和在所述第二稀土磷属元素化物层上外延生长的具有第四晶格常数的半导体层。第一晶格常数和第二晶格常数之间的第一差异以及第三晶格常数和第四晶格常数之间的第二差异小于百分之一。

对于相关申请的交叉引用

本申请要求2016年6月2日提交的美国临时申请序列号62/344,439和2016年9月9日提交的美国临时申请序列号62/385,744的优先权，其中的每件美国临时申请都通过引用以整体并入本文。

背景技术

外延、外延生长和外延沉积是指在晶体衬底上生长或沉积结晶层。结晶层称为外延层。晶体衬底用作模板并确定结晶层的取向和晶格常数。在一些示例中，结晶层可以是晶格匹配的或晶格重合的。晶格匹配的晶体层可以具有与晶体衬底的顶部表面相同或非常相似的晶格常数。晶格匹配层在半导体材料之间是有利的，因为它们允许在材料中形成带隙变化区域而不引入晶体结构的变化。这允许构造诸如发光二极管、晶体管和射频滤波器的器件。

磷属元素化物是由稀土和V族元素如N、As或P形成的合金的名称。磷属元素化物在缓冲层中的先前使用包括在ScN缓冲层上生长的GaN，因为在这两种氮化物合金之间存在相对小的晶格失配。另一个先前报道的示例是由于其半金属行为而在基于GaAs的器件结构(例如，太阳能电池)中使用ErAs作为隧道结。半金属特性是大多数磷属元素化物合金共有的属性。已经研究了基于稀土和氮组合(RE+N)的其他磷属元素化物，例如GdN，并报道了它们的铁磁性质。这些示例中的每一个在其对所述特定特征的使用方面都非常有限。

发明内容

本文描述了用于使用基于稀土的磷属元素化物合金在III-N基底和第二半导体材料之间生长缓冲层的系统和方法。本文描述的系统和方法还包括在磷属元素化物缓冲层内放置隔离层以将第二半导体材料与下面的III-N基底电隔离。

本文所述的系统和方法可包括具有第一晶格常数的III-N层、在III-N层上外延生长的具有第二晶格常数的第一稀土磷属元素化物层、在第一稀土磷属元素化物层上外延生长的具有第三晶格常数的第二稀土磷属元素化物层和在第二稀土磷属元素化物层上外延生长的具有第四晶格常数的半导体层。第一晶格常数和第二晶格常数之间的第一差异以及第三晶格常数和第四晶格常数之间的第二差异可小于百分之一。

第一稀土磷属元素化物层可包括含Sc和稀土元素的合金，其中所述合金由Sc_xRE_1-xN表示，其中x大于0且小于或等于1。

在一些示例中，III-N层可以是在GaN衬底、Si衬底、SiC衬底和蓝宝石衬底中的一种上外延生长的器件的一部分。III-N层可包括GaN材料。III-N层可包括Al、Ga和In中的一种或多种。

第二稀土磷属元素化物层可包含至少两种稀土磷属元素化物层。每种稀土磷属元素化物层可以具有不同的固定晶格常数。

该结构还可包括在第一稀土磷属元素化物层和第二稀土磷属元素化物层之间的第三稀土磷属元素化物层。第三稀土磷属元素化物层可具有第五晶格常数，其在第三稀土磷属元素化物层的厚度上变化。此外，第三稀土磷属元素化物层可具有与第一稀土磷属元素化物层相邻的第一表面和与第二稀土磷属元素化物层相邻的第二表面。可以对第五晶格常数进行分级以在第一表面处匹配第一晶格常数并在第二表面处匹配第二晶格常数。

在一个实施方式中，III-N层可包含GaN；第一稀土磷属元素化物层可包含ScN；第二稀土磷属元素化物层可包括含有Sc、稀土元素和N的第一合金；第三稀土磷属元素化物层可包括含有所述稀土元素、N和As的第二合金，并且半导体层可包含GaAs。