应变平衡的氮化物异质结晶体管 及制造应变平衡的氮化物异质结晶体管的方法 相关申请
本申请涉及2001年12月3日提交的、名称为“应变平衡的氮化物异质结晶体管”的美国临时申请基列号60/337,687并要求其优先权，在此引入其公开以完全阐述。
【发明领域】
本发明涉及高频晶体管，具体涉及引入基于氮化物的有源层的高电子迁移率晶体管(HEMT)。
背景技术
本发明涉及由可以使之适合于高功率、高温和/或高频应用的半导体材料形成的晶体管。材料如硅(Si)和砷化镓(GaAs)在用于较低功率和(在硅情况下)较低频率应用的半导体器件中具有广泛的应用。但是，这些更熟悉的半导体材料可能不是很适合于高功率和/或高频应用，因为它们的相对小的带隙(例如，在室温下硅为1.12eV和砷化镓为1.42eV)和/或相对小的击穿电压。
考虑到硅和砷化镓存在的困难，对高功率、高温和/或高频应用和器件的关注转向具有宽带隙的半导体材料如碳化硅(在室温下αSiC为2.996eV)和III族氮化物(例如，在室温下GaN为3.36eV)。这些材料与砷化镓和硅相比一般具有更高的电场击穿强度和更高的电子饱和速率。
对高功率和/或高频应用特别关注的器件是高电子迁移率晶体管(HEMT)，也称为调制掺杂的场效应晶体管(MODFET)。在许多环境下这些器件可以提供工作上的优点，因为在具有不同带隙能量的两种半导体材料的异质结处形成二维电子气(2DEG)，以及其中较小的带隙材料具有更高的电子亲合力。2DEG是不掺杂的、较小带隙材料的积聚层且可以包含非常高的薄层电子浓度，例如超过1013载流子/cm2。此外，较宽-带隙半导体中产生的电子转移到2DRG，由于减小了电离杂质的散射，允许高电子迁移率。
高载流子浓度和高载流子迁移率的这种结合可以给HEMT非常大的跨导，以及对用于高频率应用可以提供优于金属半导体场效晶体管(MESFET)强的性能优势。
用氮化镓/氮化铝镓(GaN/AlGaN)材料系制造的高电子迁移率晶体管有产生大量的RF功率的潜能，因为包括前述的高击穿场、它们的宽带隙、大导带偏移和/或高饱和电子漂移速率的材料特性的组合。2DEG中的电子的主要部分归因于AlGaN中的极化。用GaN/AlGaN系的HEMT已得到验证。美国专利5,192,987和5,296,395描述了AlGaN/GaNHEMT结构及制造方法。Sheppard等共同转让的美国专利号6,316,793描述了一种HEMT器件，该器件具有半-绝缘碳化硅衬底、该衬底上的氮化铝缓冲层、该缓冲层上的绝缘氮化镓层、该氮化镓层上的氮化铝镓阻挡层以及该氮化镓铝有源结构上的钝化层，在此引入作为参考。
在基于氮化物的HEMT的设计中的一个限制因素可能是铝浓度和AlGaN阻挡层的厚度。为了增加或最大化沟道层中的载流子浓度，希望使相对厚的AlGaN阻挡层具有比较高的铝含量。如上所述，AlGaN阻挡层是二维电子气中的载流子源。由此，更厚的阻挡层可以提供更多的载流子到沟道。此外，具有更高的铝成分的更厚的AlGaN层能产生更大的压电场以及产生更多的自发电荷，这些有助于具有高载流子浓度的二维电子气的形成。但是，在生长过程中或冷却之后具有高铝含量的厚AlGaN层易于破裂，这破坏器件。
【发明内容】
本发明的实施例提供了一种基于氮化物的异质结晶体管，该晶体管包括衬底和衬底上的第一基于AlGaN的层。第一基于AlGaN的层具有关联的第一应变能。基于GaN的层在第一基于AlGaN的层上。基于GaN的层具有比第一基于AlGaN的层小的带隙并具有关联的第二应变能。第二应变能具有比第一应变能大的量值。第二基于AlGaN的层在GaN层上。第二基于AlGaN的层具有比基于GaN的层大的带隙并具有关联的第三应变能。第三应变能是与第二应变能相反的应变类型。此外在第二基于AlGaN的层上可以设置源极接触、漏极接触以及栅极接触。
在本发明的附加实施例中，AlN层设置在基于GaN的层上且布置在基于GaN的层和第二基于AlGaN的层之间。在某些实施例中，第一基于AlGaN的层是基于AlN的层和基于GaN的层的短周期超-晶格。在这种实施例中，短周期超-晶格的基于AlN的层和基于GaN的层分别可以是AlN层和GaN层。第二基于AlGaN的层也可以是AlxGa1-xN层，其中0＜x≤1。
在本发明的进一步实施例中，第一基于AlGaN的层是底部限制(confinement)层，GaN层是沟道层以及第二基于AlGaN的层是阻挡层。在进一步实施例中，底部限制层具有第一铝浓度以及阻挡层具有不同于第一铝浓度的第二铝浓度。第二铝浓度可以大于第一铝浓度。
在本发明的附加实施例中，第二基于AlGaN的层具有大到足以引起在与基于GaN的层的界面处形成2D电子气的厚度和铝浓度，但是小于发生破裂或缺陷形成的厚度。在本发明的特定实施例中，第二AlGaN层具有至少约10nm的厚度。
在本发明的其他实施例中，在生长温度下第一基于AlGaN的层、基于GaN的层以及第二基于AlGaN的层的总应变能近似为零。
在本发明的其他实施例中，第一基于AlGaN的层、GaN层和第二基于AlGaN的层在“a”晶格方向基本上连贯地应变。
在本发明的其他实施例中，在衬底和第一基于AlGaN的层之间提供缓冲层。该缓冲层可以是AlN层。
在本发明的其他实施例中，基于GaN的层直接在第一基于AlGaN的层上。第二基于AlGaN的层也可直接在基于GaN的层上。第一基于AlGaN的层可以是渐变的基于AlGaN的层。第一基于AlGaN的层也可以是AlGaN层。或者，第一基于AlGaN的层可以是AlInGaN层。
在本发明的一些实施例中，第一基于AlGaN的层具有大于约10％的铝百分比。第二基于AlGaN的层可以具有大于约20％的铝百分比。第一基于AlGaN的层可以有至少约1000nm的厚度。基于GaN的层可以具有从约30至约300的厚度。或者，基于GaN的层可以具有大于约500的厚度。此外，在一些实施例中，衬底可以是碳化硅衬底、蓝宝石衬底、AlN衬底和/或硅衬底。
在本发明的其他实施例中，提供了一种基于氮化物的异质结晶体管的制造方法，包括以下步骤，在衬底上形成基本上无应变的基于AlGaN的层，在基本上无应变的基于AlGaN的层上形成压缩应变的基于GaN的层，并在压缩应变的基于GaN的层上形成拉伸应变的基于AlGaN的层。拉伸应变的基于AlGaN的层可形成为在压缩应变的基于AlGaN的层上具有预定的拉伸应变。可提供预定的拉伸应变以使拉伸应变以致压缩应变的基于GaN的层和拉伸应变的基于AlGaN的层的总应变能约为零。可以通过调整拉伸应变的基于AlGaN的层的厚度、基本上无应变的基于AlGaN的层的成分和/或拉伸应变的基于AlGaN的层中的铝浓度可以提供预定的拉伸应变，以提供预定的拉伸应变。
在本发明的附加实施例中，通过在衬底上形成三维岛状的基于AlGaN的材料以及生长该基于AlGaN的材料形成基本上无应变的基于AlGaN的层，以致该基于AlGaN的材料在三维岛之间聚结(coalesce)，以提供基本上无应变的基于AlGaN的层。基本上无应变的基于AlGaN的层可以是基本上元应变的AlGaN层。或者，基本上无应变的基于AlGaN的层可以是基本上元应变的AlInGaN层。拉伸应变的基于AlGaN的层可以是拉伸应变的AlGaN层。或者，拉伸应变的基于AlGaN的层可以是拉伸应变的AlInGaN层。而且，拉伸应变的基于AlGaN的层可以具有至少10nm的厚度。压缩应变的基于GaN的层可以具有约30至约300的厚度。或者，压缩应变的基于GaN的层可以具有大于约500的厚度。
在本发明的再一实施例中，通过形成具有第一铝浓度的基本上无应变的基于AlGaN的层形成基本上无应变的基于AlGaN的层，以及通过形成具有不同于第一铝浓度的第二铝浓度的拉伸应变的基于AlGaN的层形成拉伸应变的基于AlGaN的层。在具体的实施例中，第二铝浓度大于第一铝浓度。此外，通过形成具有厚度和铝浓度的拉伸应变的基于AlGaN的层可以提供拉伸应变的基于AlGaN的层，该厚度和铝浓度大到足以引起在与压缩应变的基于GaN的层的界面处形成二维电子气，但是小于发生破裂或缺陷形成的厚度。
在本发明的附加实施例中，基于氮化物的异质结晶体管包括基于AlGaN的底部限制层，底部限制层上的基于GaN的沟道层，以及沟道层上的基于AlGaN的阻挡层。阻挡层具有比底部限制层更高的铝浓度。沟道层可以具有约30互约300的厚度。阻挡层可以具有至少约10nm的厚度。底部限制层可以设置在例如碳化硅衬底、蓝宝石衬底、AlN衬底和/或硅衬底上。在碳化硅衬底和底部限制层之间也可以设置AlN缓冲层。底部限制层也可以是渐变的(graded)基于AlGaN的层。基于GaN的接触层可以设置在阻挡层上。底部限制层和阻挡层每个可以具有大于约10％的铝浓度。还提供了制造这种晶体管的方法。
在本发明的其他实施例中，提供一种基于III族-氮化物的异质结晶体管结构，具有衬底和衬底上的第一基于III族-氮化物的层，第一基于III族-氮化物的层具有与此关联的第一应变。第二基于III族-氮化物的层在第一基于III族-氮化物的层上。第二基于III族-氮化物的层具有比第一基于III族-氮化物的层小的带隙，以及具有与此关联的第二应变。第二应变具有比第一应变大的量值。第三基于III族-氮化物的层在与第一基于III族-氮化物的层相反的第二基于III族-氮化物的层上。第三基于III族-氮化物的层具有比第二基于III族-氮化物的层大的带隙，并且具有与此关联的第三应变，第三应变是第二应变的相反的应变类型。在本发明的附加实施例中，第一基于III族-氮化物的层是AlxGa1-xN层，其中0＜x≤1。第二基于III族-氮化物的层可以是GaN层。第三基于III族-氮化物的层可以是AlN层。还提供了制造这种晶体管的方法。
【附图说明】
图1示出了根据本发明的实施例的晶体管的示意图。
图2是本发明的实施例的能带能量的示图。
图3是现有技术的HEMT结构的示图。
图4示出了根据本发明的进一步实施例的晶体管的示意图。
【具体实施方式】
下面参考附图更完全地描述本发明，其中示出了本发明的优选实施例。但是，本发明可以以多种不同的方式体现，不应该认为局限于在此阐述的实施例；相反地，提供实施例以便本公开是彻底的和完全的，并将本发明的范围完全传递给所述领域的技术人员。在整篇中，相同的标记指相同的元件。而且，在图中所示的各个层和区被示意性地图示。由此，本发明不局限于附图中所示的相对尺寸和间隔。所属领域的技术人员应当理解，在此提到在衬底或其他层“上”形成层可能指该层直接形成在衬底或其他层上或形成在衬底或其他层上形成的(多个)插入层上。
本发明的实施例示意地图示为图1的剖面图中的高电子迁移率晶体管(HEMT)10。晶体管10包括半-绝缘碳化硅(SiC)衬底12，半-绝缘碳化硅(SiC)衬底12可以是例如破化硅的4H多型体。其他碳化硅候选多型体包括3C、6H以及15R多型体。术语“半-绝缘”被用来描述，不是绝对意义上的。在本发明的具体实施例中，碳化硅体晶在室温下具有等于或高于约1×105Ω-cm的电阻率。
任选的氮化铝缓冲层14在衬底12上，且在碳化硅衬底和器件的其余部分之间提供适当的晶体结构过渡。与蓝宝石(Al2O3)的情况相比碳化硅具有与III族氮化物更接近的晶格匹配，其对于III族氮化物器件是很普通的衬底材料。更接近的晶格匹配可以导致比在蓝宝石上通常可得到薄膜质量更高的III族氮化物膜。碳化硅还具有非常高的热导率，以致碳化硅上的III族氮化物器件的总输出功率一般未达到在蓝宝石上形成相同器件的情况下衬底的热损耗极限。半-绝缘碳化硅衬底的可利用性还可以为器件提供隔离和减小寄生电容。
尽管碳化硅是优选的衬底材料，但是本发明的实施例可以利用任意适合的衬底，如蓝宝石、氮化铝、氮化铝镓、氮化镓、硅、砷化镓、LGO、ZnO、LAO、InP等。在某些实施例中，也可以形成适宜的缓冲层。
如在此使用的术语“III族氮化物”指氮和元素周期表的III族元素之间形成的半导体化合物，元素周期表的III族元素通常是铝(Al)、镓(Ga)和/或铟(In)。该术语也指三元和四元化合物如AlGaN和AlInGaN。所述领域的技术人员很好理解，III族元素可以与氮结合形成二元(例如，GaN)、三元(例如，AlGaN、AlInN)、以及四元(例如，AlInGaN)化合物。这些化合物都具有经验式，其中一摩尔的氮与总共一摩尔的III族元素结合。由此，常常使用公式如AlxGa1-xN来描述它们，其中0≤x≤1。
适宜的SiC衬底是由例如本发明的受让人Durham N.C.的Cree，Inc.制造，例如美国专利号Re.34,861；4,946,547；5,200,022；以及6,218,680描述了用于制造SiC衬底的方法，在此将其内容全部引入作为参考。同样，例如美国专利号5,210,051；5,393,993；5,523,589；以及5,292,501描述了用于外延生长III族氮化物的技术，在此将其内容全部引入作为参考。例如由，共同转让的美国专利号6,316,793以及2001年7月12日申请的、名称为″ALUMINUM GALLIUM NITRIDE/GALLIUMNITRIDE HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTORS HAVING A GATECONTACT ON A GALLIUM NITRIDE BASED CAP SEGMENT AND METHODS OFFABRI CATING SAME″的美国申请系列号09/904,333，以及2001年5月11申请的、名称为″GROUP III NITRIDE BASED HIGH ELECTRONMOBILITY TRANSISTOR(HEMT)WITH BARRIER/SPACER LAYER″的美国临时申请系列号60/290195，以及Smorchkova等的、名称为″GROUP-IIINITRIDE BASED HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTOR(HEMT)WITHBARRIER/SPACER LAYER″的美国申请系列号10/102,272描述了基于GaN的HEMTs的适合结构，在此将其内容全部引入作为参考。
回到图1，晶体管10包括底部限制层16和沟道层18。底部限制层16具有比沟道层18大的带隙。在本发明的某些实施例中，底部限制层16具有基本上比沟道层18低的应变能，且基本上可以被弛豫(即，基本上无应变)。例如，底部限制层可以具有约0的应变或可以具有沟道层18的应变的约0至约100％的应变。在本发明的某些实施例中，底部限制层16具有小于约1GPa的应力。在本发明的某些实施例中，底部限制层16可以包括III族-氮化物，如AlGaN或AlInGaN，AlGaN以及AlInGaN可以基本上不含掺杂剂如Si和Mg。底部限制层16可以至少约1000nm厚，但是不厚到引起破裂或其中形成缺陷。底部限制层16可以是半-绝缘的。在某些实施例中，底部限制层16是具有基本上均匀的铝浓度的AlGaN，铝浓度在约1％和100％之间，优选大于10％。或者，可以用增加、减小和/或增加和减小铝浓度来使底部限制层16是渐变的，以最佳匹配沟道层18的晶格常数。底部限制层16也可以是AlN和GaN的交替层的短周期超-晶格。术语基于AlGaN的层也可以指AlN和GaN和/或AlGaN和AlN和/或GaN的超晶格。
通过在衬底12或缓冲层14上形成三维岛和生长底部限制层16可以制造底部限制层16为基本上弛豫的层，以致基于AlGaN的材料聚结在岛之间。这种生长可以提供基本上弛豫的基于AlGaN的层以及不考虑底下衬底的晶格常数。较大岛的形成可以有益于减小拉伸应变。
例如，在本发明某些实施例中，在高温下(＞1000℃ )在半-绝缘SiC衬底上淀积半-绝缘AlN层作为成核/缓冲层。接下来，在高温下(＞1000℃ )在AlN层上淀积半-绝缘AlxGa1-xN层(x～0.1-0.2)。调整生长条件(如温度、压力、V/III比率、生长速率、厚度等)以确保AlGaN不会连贯地(coherently)应变到AlN层。优选，AlGaN最初以三维-模式开始生长，具有比较低的晶核密度(＜109cm-2)。所属领域的技术人员根据本公开将认识到根据反应器形状详细的生长条件可能不同，因此可以调整生长条件，由此以获得具有这些性能的AlGaN。
在进一步实施例中，用生长过程中减小的成分x来渐变AlxGa1-xN层。而且，可以如上所述生长该层，但是没有AlN层，以致以如上所述的基本上弛豫的方式在SiC衬底上直接生长AlGaN。
除任选的缓冲层14之外，可以在任选的插入层(未示出)上或在一个或多个任选的插入层(未示出)上或上方形成底部限制层16。如果是这种情况，那么如下所述应该考虑这种插入层给予整体结构的应变能。
在本发明的某些实施例中，沟道层18是III族-氮化物如AlxGa1-xN，其中0≤x＜1，只要沟道层18的带隙小于底部限制层16的带隙。在本发明的某些实施例中，x＝0，表示沟道层18是GaN。沟道层18可以是不掺杂的且可以生长到约30和约300之间的厚度。因此，沟道层18可以比常规GaN HEMT器件中的更薄，在常规GaN HEMT器件中，沟道层18的厚度一般大于500。因为通过底部限制层16提供限制，所以只有较少的载流子的“尾部”进入GaN层。因此，所得的器件可能以显示出比现有技术中的器件更多线性度。或者，如果考虑应变控制且较少考虑附加限制，那么GaN沟道层18可能生长为厚于500以及底部限制层16中的铝百分比可能被减小。
而且，底部限制层16和沟道层18之间的界面可以被n-型掺杂。例如，底部限制层16邻近沟道层的部分可以掺杂为约3×1012cm-2。界面处的这种掺杂可以中和界面处的正电荷。沟道层18或其邻近底部限制层16的部分也可以被n-型掺杂。
阻挡层20设置在沟道层18上。与底部限制层16一样，阻挡层20可以是III族-氮化物且具有比沟道层18大的带隙以及可以是如下所述的拉伸应变的。由此，阻挡层20可以是AlGaN、AlInGaN和/或AlN。阻挡层20可以至少约10nm厚，但是不厚到引起破裂或其中形成缺陷。优选，阻挡层20不被掺杂或具有小于约1019cm-3的掺杂浓度。在本发明的某些实施例中，阻挡层20是AlxGa1-xN，其中0＜x≤1。在本发明的某些实施例中，阻挡层20包括AlGaN，AlGaN具有约5％和约100％之间的铝浓度。在本发明的具体实施例中，铝浓度大于约10％。而且，阻挡层20中的铝-浓度可以大于底部限制层16中的铝浓度。
如Smorchkova等的、名称为“GROUP-III NITRIDE BASED HIGHELECTRON MOBILITY TRANSISTOR(HEMT)WITH BARRIER/SPACERLAYER”的美国专利申请系列号10/102,272所述，阻挡层也可以设有多个层，在此引入其公开作为参考以完全阐述。因此，本发明的实施例不应该认为阻挡层限于单个层，而是可能包括例如具有GaN、AlGaN和/或AlN层的组合的阻挡层。例如，可以利用GaN、AlN结构以减小或防止GaN层被可能导致合金分散(scattering)的接触材料污染。图4中示出了根据本发明的进一步实施例的结构的实例，其中在基于GaN的层18上设置AlN氮化物阻挡层20′，以及在AlN阻挡层20′上设置AlxGa1-xN层22，其中0≤x≤1。因此AlN阻挡层20′设置在基于GaN的层18上且布置在基于GaN的层18和基于AlGaN的层22之间。
在阻挡层20上可以设置任选的GaN接触层或帽盖层(未示出)以便于形成晶体管10的接触。上面引证的2001年7月12日申请的美国申请系列号09/904,333名称为：“ALUMINUM GALLIUM NITRIDE/GALLIUMNITRIDE HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTORS HAVING A GATECONTACT ON A GALLIUM NITRIDE BASED CAP SEGMENT AND METHODS OFFABRICATING SAME”公开了这种帽盖层的实例。此外，在阻挡层20和接触或帽盖层之间可以有成分(compositionally)渐变的过渡层(未示出)。美国专利号6,316,793所述可以制造源极接触35、漏极接触37以及栅极接触36。
图2示出了晶体管10中的导带Ec与高度(x)的关系曲线。因为在晶格中存在铝，AlGaN具有比GaN宽的带隙。因此，沟道层18和阻挡层20之间的界面形成异质结构，其中阻挡层20中的导带和价带Ec和Ey偏移。由于压电效应和自发(spontaneous)掺杂引起电荷。在直接邻近阻挡层20的沟道层18的区域中，导带Ec落在费米能级Ef的下面。因此，在沟道层16和阻挡层20之间的异质结处引起二维电子气(2DEG)薄层电荷区15，同时由于导带的形状，层20是可移动载流子的耗尽区。但是，因为压电电荷的带隙调整(lineup)和布置，在沟道层18和底部限制层16之间的界面没有引起相似的薄层电荷区。作为替代，底部限制层16限制沟道层18中的可移动载流子，由此增加沟道层18中的载流子浓度。而且，通过掺杂部分底部限制层16和/或沟道层18，可以减小底部限制层16和沟道层18之间的界面处的电荷，由此减小或除去在底部限制层16和沟道层18之间的界面处可能形成的2DHG(2D空穴气体)区。
2DEG薄层电荷区15中的电子显示(demonstrate)高载流子迁移率。通过施加电压到栅电极36调整这些区的导电率。当施加反向电压时，导电层15附近的导带升高超过费米能级，部分导电层15是载流子的耗尽区，由此防止电流从源极35流到漏极37。
正如以上的讨论，常规HEMT结构的一个缺点是当AlGaN阻挡层生长超过某一临界厚度(一般取决于器件几何图形、层结构、生长条件及其他因素)AlGaN阻挡层破裂。希望AlGaN阻挡层具有厚的、高的Al-成分，以增加或最大化2DEG区15中的载流子密度。阻挡层破裂的一个原因是结构中的积累的应变能。由此，本发明的实施例通过均衡由器件中的各个层贡献的应变能，可以减小器件中总的应变能。
在半导体晶体结构中，一般如果两种不同的材料彼此接近，那么存在应变效果。结果，外延层的优选厚度是适合于器件的其他性能参数的厚度，但是小于临界厚度。临界厚度一般是在位错或破裂开始扩展之前该层可以以应变的方式生长的最大厚度。
两个层之间的应变(“ε”)常常表示为两个层之间的晶格参数的差(Δa)除以其中一个层的晶格参数。该应变值越高，在两种材料之间可以生长的层越薄。而且，在如图1所示的多层结构中，总应变能(“∑”)是各层应变的函数或总和，且指“有效应变”。全部应变能或总应变能可以是应变值的线性组合或可以是应变能的加权组合。例如，总应变能可以是应变值的平方的加权和。因此，总数应变能可以与成正比，其中ti是层i的厚度。
应变通常描述为两种模式之一，即拉伸的或压缩的。晶格的压缩应变表示晶格正在压缩为小于普通的间距，而拉伸应变表示晶格正在伸展为大于普通的间距。在晶体中出现晶格键开始损坏和破裂之前，晶格仅仅可以承受一定量的应变，或压缩的或拉伸的。
在本发明的某些实施例中，底部限制层16起弛豫的或接近弛豫的的模板(template)的作用，以限定由沟道层18和阻挡层20贡献给器件的应变。换句话说，底部限制层16几乎是弛豫的；因此晶体管10的随后的外延层继承底部限制16的晶格常数，且因此“假同晶应变”到它们的晶格常数不同于底部限制层16的晶格常数的程度。沟道层18被压缩应变，而阻挡层20被拉伸应变，这趋于平衡器件中的平均或有效应变。
而且，通过例如控制各个层中的铝浓度可以控制阻挡层20和沟道层18的具体拉伸应变和/压缩应变。
如上所述，在“a”方向(即水平横穿图1中的页面)底部限制层16、沟道层18以及阻挡层20的晶格常数基本上相同。但是，在“c”方向(即，垂直或厚度或生长方向)晶格常数不同。因此，在沟道层18和阻挡层20中引起应变。具体，沟道层18的无应变的“a”晶格常数大于底部限制层16的晶格常数，因为沟道层18试图与生长在它之上的较小晶格常数的底部限制层16一致，因此在沟道层18中引起压缩应变。同样，沟道层18的无应变的“a”晶格常数也大于阻挡层20的晶格常数，因为阻挡层20试图与生长在它之上的较大晶格常数的沟道层18一致，因此在阻挡层20中引起拉伸应变。尽管根据具体的生长方向描述了图1所示的实施例，但是本发明不应该被认为限于这种实施例，而是可以应用于连贯地应变的层，以致所有层具有相同应变的面内晶格常数。
在本发明某些实施例中，晶体管10的总应变能近似等于零。如上所述，总应变能可以是应变能的加权平均、非加权平均、平方和或应变能的其他这种结合。而且，可以在室温下决定总应变能。在某些实施例中，在生长温度下可以提供非零量值的总应变能，以致在室温下总应变能约为零。因此，阻挡层20可以生长为比给定应变量的其它方式更大的厚度。如这里所用的，在某些实施例中，术语“近似为零”总应变能意味着小于具有约0.1％的晶格失配的相应的两层结构的总应变能，而其他实施例中，“近似为零”可以意味着小于具有约1％的晶格失配的相应两层结构的总应变能。
在本发明的具体实施例中，底部限制层16可以是AlxGa1-xN，沟道层18可以是具有tGaN厚度的GaN层，阻挡层20可以是具有ty厚度的AlyGa1-yN。在这种实施例中，x、y的值和厚度tGaN和ty的值可以满足应变的线性加权的方程式：
x≅ytyty+tGaN=y1+tGaNty;]]>或
应变平方的加权
x≅y1+tGaNty,]]>
因此，例如，在这种实施例中，如果阻挡层20和沟道层18具有相同的厚度，那么x可以约为1/2y。
例如，两个SiC晶片用来生长两种不同的底层，本发明的一个包含AlxGa1-xN层(x～0.1-0.2)以及另一使用常规GaN层。接着在这两个层上，淀积GaN层，随后是25nm厚度的高铝AlxGa1-xN层(x＞0.4)。至于在GaN层上生长的层，AlGaN破裂具有仅～1μm的破裂间距，防止薄片电阻率的任意测量。至于在AlGaN上生长的层，AlGaN层没有破裂，薄片电阻率仅300Ω/□。这说明顶部AlGaN层中的拉伸应力可以被有效地减小以防止破裂。
与本发明的某些实施例相反，现有技术的HEMT结构引入厚的弛豫GaN层作为器件的底层，对器件的剩余层起晶格模板的作用。在这种器件中，生长厚、高铝百分比的AlGaN阻挡层易于给与该结构太多的应变能，这可能最终引起不希望的破裂发生。图3中图示了现有技术的HEMT结构40的实例。HEMT结构40包括衬底42、缓冲层44、GaN沟道层46以及制造源极、漏极和栅极接触的AlGaN阻挡层48。因为GaN沟道层46用作晶格模板，所以AlGaN阻挡层48被拉伸应变。由于AlGaN阻挡层48被制得更厚或铝百分比增加，因此由AlGaN阻挡层48给与器件的应变能趋于增加，这些可能引起如上论述的破裂。因此，可以限制AlGaN阻挡层48的厚度，这又限制晶体管40的沟道中可实现的载流子密度。
回到图1论述的晶体管10，根据本发明的某些实施例，通过使用应变控制技术，这样设计晶体管10：当器件的层被外延地淀积时，结构中的总应变能决不超过将在晶体结构中引起破裂的临界水平。因此，基于GaN的沟道层18中的应变是基于AlGaN的阻挡层20中的应变的相反类型，以致应变彼此基本上补偿且提供应变基本上平衡的器件，因此保持应变在损坏器件的临界阈值之下。器件的最终总应变能可以是压缩的或拉伸的。
在附图和说明书中，已公开了本发明的一般优选实施例，尽管使用了具体的术语，它们仅仅是概括和描述性使用，并非限制，在下面的权利要求书中阐述本发明的范围。