專(zhuān)利名稱(chēng)：氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體用的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底。
背景技術(shù)：
由于氮化物半導(dǎo)體具有從遠(yuǎn)紅外至紫外區(qū)域的能帶間隙，故作為在該區(qū)域的發(fā)光、受光器件的材料是有希望的。此外，該半導(dǎo)體材料具有大的能帶間隙，絕緣破壞電場(chǎng)大、飽和電子速度也高。因此，氮化物半導(dǎo)體作為耐高溫、高輸出、高頻電子器件等的材料，也是非常有希望的。再者，與迄今為止被利用的GaAs類(lèi)或InP類(lèi)材料相比，因?yàn)椴话?As)或磷(P)，故也具有對(duì)環(huán)境無(wú)害的優(yōu)點(diǎn)，該材料預(yù)期可用作將來(lái)的半導(dǎo)體器件的材料。
作為具有這樣優(yōu)良的特性的氮化物半導(dǎo)體的外延生長(zhǎng)用襯底，迄今為止還沒(méi)有與該氮化物半導(dǎo)體的晶格常數(shù)或熱膨脹系數(shù)相同的襯底。因此，主要使用了藍(lán)寶石或SiC、Si作為襯底。
為了對(duì)GaN、AlN、InN和這些混晶進(jìn)行外延生長(zhǎng)，以往主要使用了藍(lán)寶石襯底。但是，在藍(lán)寶石襯底與氮化物半導(dǎo)體之間存在11～23％的晶格不整合、熱膨脹系數(shù)差。因而，如果直接在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體，則引起3維的生長(zhǎng)，表面的原子水平的平坦性變差。因此，存在許多晶體缺陷進(jìn)入到所形成的氮化物半導(dǎo)體中的問(wèn)題。
在藍(lán)寶石襯底上進(jìn)行氮化物半導(dǎo)體的外延生長(zhǎng)的情況下，已報(bào)告了采用使用緩沖層的方法進(jìn)行了GaN的晶體性的改善的工作。以下，進(jìn)行該技術(shù)的說(shuō)明。
第1方法是使用了低溫AlN緩沖層的GaN的生長(zhǎng)方法(參照下述非專(zhuān)利文獻(xiàn)1)。該方法是這樣來(lái)進(jìn)行的用有機(jī)金屬氣相生長(zhǎng)裝置等，為了使藍(lán)寶石襯底的表面清潔起見(jiàn)，在高溫(約1000～1100℃)下進(jìn)行了熱處理后，一度降溫，在500℃左右淀積低溫AlN緩沖層，再次升溫，在1000℃左右生長(zhǎng)GaN。用該方法淀積的AlN緩沖層是非晶質(zhì)的，在淀積后的升溫過(guò)程中進(jìn)行固相生長(zhǎng)，成為島狀的形狀。當(dāng)然，根據(jù)該升溫時(shí)的裝置內(nèi)的氣氛、升溫速度等，所形成的島形狀不同。在高溫下的AlN緩沖層的生長(zhǎng)初期，該島成為核，AlN緩沖層進(jìn)行晶體生長(zhǎng)。在該晶體生長(zhǎng)時(shí)，通過(guò)互相融合在一起而實(shí)現(xiàn)AlN緩沖層的平坦化。在實(shí)現(xiàn)了平坦化的AlN緩沖層上GaN以2維方式進(jìn)行晶體生長(zhǎng)。
第2方法是使用了低溫GaN緩沖層的GaN的生長(zhǎng)方法(參照下述非專(zhuān)利文獻(xiàn)2)。該方法是這樣來(lái)進(jìn)行的在高溫(約1000～1100℃)下對(duì)藍(lán)寶石襯底進(jìn)行了熱處理后，一度降溫，在約500℃下淀積低溫GaN緩沖層，再次升溫，在約1000℃下生長(zhǎng)GaN。由于GaN與AlN相比容易引起脫離，故在升溫過(guò)程中的核形成與AlN的情況不一定是相同的，但其后的生長(zhǎng)方式大致相同。
再有，在GaN以外的氮化物半導(dǎo)體的晶體生長(zhǎng)中，應(yīng)用了與上述同樣的方法。例如，在制作Al1-xGaxN(0≤x＜1)、In1-xGaxN(0≤x＜1)晶體時(shí)，在藍(lán)寶石襯底上淀積低溫GaN緩沖層，在生長(zhǎng)了GaN后，生長(zhǎng)Al1-xGaxN、In1-xGaxN。特別是在下述非專(zhuān)利文獻(xiàn)3中記載了制作Al1-xGaxN的方法。
如上所述，這些生長(zhǎng)方法中，都是以緩沖層與GaN層的晶格整合為目的，沒(méi)有考慮與襯底的晶格整合。
此外，即使在低溫下淀積緩沖層，低溫緩沖層也是非晶質(zhì)的，在升溫時(shí)進(jìn)行固相生長(zhǎng)。因此，緩沖層與襯底的晶格不整合依然存在，難以有效地抑制位錯(cuò)的發(fā)生，通常存在109～1010cm-2的貫通位錯(cuò)。大家都知道該位錯(cuò)使所制作的器件的特性惡化。例如，導(dǎo)致激光器的壽命縮短、器件的漏泄電流的增大、耐壓降低等。此外，因位錯(cuò)的存在的緣故，有時(shí)也促進(jìn)雜質(zhì)的擴(kuò)散或偏析。因而，使氮化物半導(dǎo)體層中的位錯(cuò)密度減少這一點(diǎn)，在器件特性的提高、因位錯(cuò)的緣故迄今為止不能達(dá)到的器件的實(shí)現(xiàn)和提高晶體結(jié)構(gòu)制作的控制性等方面是非常重要的。
因而，本發(fā)明的目的在于提供能得到高品質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體晶體層的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底。
非專(zhuān)利文獻(xiàn)1H.Amano，N.Sawaki，I.Akasaki，and Y.Toyoda，“Metalorganic vapor phase epitaxialgrowth of a high quality GaN film using an AlNbuffer layer，”Appl.Phys.Lett.，48，353(1986)非專(zhuān)利文獻(xiàn)2D.Nakamura，“GaN growth using GaN Buffer layer，”Jpn.J.Appl.Phys.，30，L1705(1991)非專(zhuān)利文獻(xiàn)3C.Pernot，et al.“Low-intensity ultraviolet photodetectorsbased on AlGaN，”Jpn.J.Appl.Phys.，38，L487(1999)發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)是一種在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體層用的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底，具備在藍(lán)寶石襯底上另行設(shè)置的、包含N、O和Al的層。該層在第1面中與藍(lán)寶石襯底相接。此外，上述層形成為，該第1面中N對(duì)于N、O和Al的組成比的比例小于與氮化物半導(dǎo)體層相接的第2面中N對(duì)于N、O和Al的組成比的比例，而且，O對(duì)于第1面中的組成比的比率大于O對(duì)于第2面中的組成比的比例。
另一實(shí)施形態(tài)是一種在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體層用的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底，具備在藍(lán)寶石襯底上另行設(shè)置的Al2O3層；以及在該Al2O3層上設(shè)置的AlON層和AlN層的某一層。
在另一實(shí)施形態(tài)中，在一種在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體層用的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底中，具備在藍(lán)寶石襯底上另行設(shè)置的Al2O3層；以及作為第1層的AlON層和作為第2層的AlN層，具有按第1層和第2層的順序在Al2O3層上被層疊了的結(jié)構(gòu)。
在此，可設(shè)置由Al2O3構(gòu)成的頂蓋層作為氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底的最上層。
按照以上已說(shuō)明的本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)，可提供能得到高品質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體晶體層的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底。
圖1是與本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)有關(guān)的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底的剖面示意圖。
圖2是在與本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)有關(guān)的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底上使GaN層進(jìn)行晶體生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。
圖3是與本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)有關(guān)的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底的剖面示意圖。
圖4是與本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)有關(guān)的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底的剖面示意圖。
圖5是說(shuō)明在藍(lán)寶石襯底上形成氮化物半導(dǎo)體的工藝中需要的時(shí)間與生長(zhǎng)爐的溫度的關(guān)系用的圖。
圖6是在與本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)有關(guān)的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底上進(jìn)行了晶體生長(zhǎng)的Al1-xGaxN(0≤x＜1)/GaN異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下，使用附圖詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)。再有，在以下說(shuō)明的附圖中，對(duì)具有同一功能的部分附以同一符號(hào)，省略其重復(fù)的說(shuō)明。
實(shí)施形態(tài)圖1是與本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)有關(guān)的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底的剖面示意圖。
在圖1中，符號(hào)1是藍(lán)寶石襯底(藍(lán)寶石單晶襯底)，符號(hào)2是Al2O3層(氧化鋁層)，符號(hào)3是AlON層(氧氮化鋁層)，符號(hào)4是AlN層(氮化鋁層)，符號(hào)5是由Al2O3構(gòu)成的頂蓋層(最上層)，符號(hào)6是氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底。
本實(shí)施形態(tài)是一種在藍(lán)寶石襯底1上生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體層用的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底，具備在藍(lán)寶石襯底1上另行設(shè)置的Al2O3層2；以及作為第1層的AlON層3和作為第2層的AlN層4，具有按AlON層3和AlN層4的順序在Al2O3層上被層疊了的結(jié)構(gòu)。再有，即使是具有在Al2O3層2上設(shè)置了的、具有接近于氮化物半導(dǎo)體層的組成的作為第1層的AlON層3和作為第2層的AlN層4的某一方的層的結(jié)構(gòu)，也能得到本發(fā)明的效果，是有效的。此外，設(shè)置了由Al2O3構(gòu)成的頂蓋層5作為上述氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底6的最上層。
再有，上述的Al2O3層2不一定是晶體，但對(duì)于該層中的晶體狀態(tài)的部分，可認(rèn)為與藍(lán)寶石襯底1進(jìn)行了晶格整合。在此使用的所謂「晶格整合」，意味著晶格常數(shù)大致相等。
即，在直徑為2英寸的藍(lán)寶石襯底1上使用ECR(電子回旋共振)等離子體成膜裝置并使用Al和氧，在室溫下在Ar等離子體中淀積了厚度約為5nm的Al2O3層2。其后，在淀積氣體中添加了氮，淀積了厚度約為10nm的AlON層3。其次，使用Al和氮，在Ar等離子體中淀積了厚度約為10nm的與在該氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底6上生長(zhǎng)了的氮化物半導(dǎo)體層(例如GaN層)為相同種類(lèi)的AlN層4。最后，為了防止因理想配比的紊亂而產(chǎn)生表面的不穩(wěn)定性的不規(guī)則的自然氧化，使用Al和氧，在Ar等離子體中淀積了厚度約為5nm的由Al2O3層構(gòu)成的頂蓋層5。以這種方式制作了氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底6。
再有，在上述的本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)中，在室溫(例如，20℃)下形成了各層，但不限定于該溫度。在本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)中，十字室溫下也能形成與本發(fā)明有關(guān)的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底這一點(diǎn)是重要的，對(duì)于與本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)有關(guān)的各層來(lái)說(shuō)，只要是能形成適當(dāng)?shù)牡脱踅M成的溫度，可以是比室溫(大氣中的溫度)高的溫度，也可以是比室溫低的溫度。
此外，Al2O3層2、AlON層3和AlN層4的膜厚必須是能形成膜的厚度，考慮到各化合物的c軸的晶格常數(shù)，最低必須是1個(gè)原子層。另一方面，由于Al2O3層2、AlON層3和AlN層4的各層不一定是晶體(是多晶或非晶)，故如果膜厚太厚，則難以使藍(lán)寶石(單晶)襯底的晶體軸延續(xù)到氮化物半導(dǎo)體(外延生長(zhǎng))。在本發(fā)明中考慮到這些情況，將Al2O3層2、AlON層3和AlN層4的膜厚定為1nm至200nm是較為理想的，更為理想的是，對(duì)于Al2O3層2來(lái)說(shuō)為2nm至20nm，對(duì)于AlON層3來(lái)說(shuō)為2nm至70nm，對(duì)于AlN層4來(lái)說(shuō)為2nm至50nm。
再者，在本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)中，利用ECR等離子體成膜裝置對(duì)各層進(jìn)行了成膜，但不限定于此，例如只要是導(dǎo)入了氧的MOVPE裝置等能適當(dāng)?shù)貙?duì)與本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)有關(guān)的各層進(jìn)行成膜的裝置，就可使用其中的任一種裝置。
其次，說(shuō)明驗(yàn)證了本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底的有用性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
圖2是在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底上使GaN層進(jìn)行晶體生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。
在圖2中，7是GaN層，8是導(dǎo)電性測(cè)定用的Si摻雜n型GaN層。在上述實(shí)施形態(tài)中示出了的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底6上利用有機(jī)金屬氣相生長(zhǎng)法生長(zhǎng)了GaN層7。此時(shí)的生長(zhǎng)序列是在生長(zhǎng)爐中導(dǎo)入了氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底6后在氨氣氛下升溫到生長(zhǎng)溫度(1000℃)來(lái)生長(zhǎng)GaN層7、8的簡(jiǎn)便的方法。使用了三甲基鎵、氨作為原料。在Si摻雜n型GaN層8的雜質(zhì)的摻雜中使用硅烷，形成了Si摻雜n型GaN層8。
對(duì)于已制作的GaN層7、8，進(jìn)行了X線衍射測(cè)定和霍爾效應(yīng)測(cè)定，進(jìn)行了晶體性和電特性的評(píng)價(jià)。通過(guò)從來(lái)自(10-10)的X線非對(duì)稱(chēng)反射譜的半值寬度估計(jì)晶體中的位錯(cuò)密度進(jìn)行了已制作的GaN層7、8的晶體性的評(píng)價(jià)。估計(jì)了位錯(cuò)密度的結(jié)果，在現(xiàn)有技術(shù)中的位錯(cuò)密度約為2×109cm-2。與此不同，在使用上述實(shí)施形態(tài)的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底6制作了的GaN層7的情況下，為9×107cm-2，位錯(cuò)密度大幅度地減少了。此外，霍爾效應(yīng)測(cè)定的結(jié)果，在現(xiàn)有技術(shù)中的載流子濃度和遷移率分別為3×1017cm-3和340cm2/Vs。與此不同，使用上述實(shí)施形態(tài)的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底6制作了的GaN層7中的這些值為2×1017cm-3和540cm2/Vs，可明白特性大幅度地改善了。
這樣，按照具有本發(fā)明的各層的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底，由于使氮和氧的組成(構(gòu)成原子的比率)從雖然各層不一定是晶體但以與藍(lán)寶石單晶進(jìn)行晶格整合為目的的層起朝向生長(zhǎng)的氮化物半導(dǎo)體而變化，故各層中的晶格間隔或原子間隔變化，朝向氮化物半導(dǎo)體晶體的貫通位錯(cuò)與現(xiàn)有技術(shù)相比大幅度地減少了。因而，可容易地制作位錯(cuò)密度為107cm-2數(shù)量級(jí)的晶體。即，在本發(fā)明中，由于可在襯底表面的整體中均勻地減少位錯(cuò)密度，故可謀求氮化物半導(dǎo)體層的晶體性的提高，在產(chǎn)業(yè)上是非常有效的。此外，由于伴隨位錯(cuò)密度的減少可預(yù)料晶體性的提高，故可預(yù)期波及器件特性的提高或新器件的實(shí)現(xiàn)等的多方面的效果。
本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底也可適用于GaN以外的氮化物半導(dǎo)體、Al1-xGaxN(0≤x＜1)、In1-xGaxN(0≤x＜1)、AlN、InN等的晶體生長(zhǎng)。此外，可適用的氮化物半導(dǎo)體層不依存于雜質(zhì)的摻雜的有無(wú)、雜質(zhì)摻雜了的半導(dǎo)體的載流子的極性、混晶的組成比。
關(guān)于上述實(shí)施形態(tài)中的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底6的各構(gòu)成要素等的物質(zhì)的一般的晶格常數(shù)，已知有以下的值。
藍(lán)寶石、Al2O3a＝4.758、c＝12.991AlNa＝3.112、c＝4.982GaNa＝3.189、c＝5.185即，關(guān)于上述實(shí)施形態(tài)中的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底6的各層，由于從藍(lán)寶石襯底1起使氧和氮的組成(構(gòu)成原子的比率)變化，以便成為氧化物、氧氮化物、氮化物，故各層中的晶格間隔或原子間隔變化。
如上所述，本發(fā)明是能容易地使具有高品質(zhì)的晶體性的氮化物半導(dǎo)體進(jìn)行晶體生長(zhǎng)的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底6。為此，本發(fā)明的特征在于在藍(lán)寶石襯底1上形成的緩沖層中，從與藍(lán)寶石襯底1相接的面起朝向與氮化物半導(dǎo)體層相接的面使緩沖層的組成變化。通過(guò)以這種方式使緩沖層的組成(構(gòu)成原子的比率)變化，緩沖層的晶格間隔或原子間隔變化。
具體地說(shuō)，是藍(lán)寶石襯底1、Al2O3層2、AlON層3和AlN層4的層疊結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)中，通過(guò)使與藍(lán)寶石襯底1相接的層成為在本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)中不一定是晶體但在晶體狀態(tài)下通常與藍(lán)寶石襯底進(jìn)行晶格整合的Al2O3層2，雖然Al2O3層2不一定是晶體，但可減輕藍(lán)寶石襯底與緩沖層的晶格不整合。此外，在上述緩沖層中，層疊作為不一定是晶體的層的AlON層3和AlN層4，通過(guò)在該AlN層4上形成氮化物半導(dǎo)體層，雖然AlN層4不一定是晶體，但可減輕緩沖層與氮化物半導(dǎo)體層的晶格不整合。再有，關(guān)于AlON層3和AlN層4，按該順序?qū)盈B是最佳的形態(tài)，但即使如圖3或圖4中所示那樣使用AlON層3或AlN層4的某一方的結(jié)構(gòu)，也能得到類(lèi)似的效果。
這樣，在本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)中重要之處是，關(guān)于在藍(lán)寶石襯底與氮化物半導(dǎo)體之間形成的緩沖層，不僅減輕與氮化物半導(dǎo)體相接的面的晶格不整合，而且在藍(lán)寶石襯底另行設(shè)置被構(gòu)成為減輕與藍(lán)寶石襯底相接的面的晶格不整合的緩沖層。為此，在本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)中，本質(zhì)之處在于在緩沖層中從該緩沖層的與藍(lán)寶石襯底相接的面起朝向與氮化物半導(dǎo)體相接的面使氮與氧的組成變化。即，對(duì)于在緩沖層中包含的氧和氮的組成來(lái)說(shuō)，在緩沖層的與藍(lán)寶石襯底相接的面附近，緩沖層為富氧的組成，在緩沖層的與氮化物半導(dǎo)體相接的面附近，緩沖層為富氮的組成，本質(zhì)之處在于在藍(lán)寶石襯底上另行設(shè)置從藍(lán)寶石襯底附近朝向氮化物半導(dǎo)體襯底附近氮的組成增加那樣的緩沖層。
在本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)中，緩沖層可以是單晶或多晶，也可以是中間層。在本說(shuō)明書(shū)中，所謂「中間層」，指的是單晶、多晶和非晶混合存在的層。
為此，如圖1中所示，在本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)中，將緩沖層作成依次層疊了Al2O3層2、AlON層3和AlN層4的結(jié)構(gòu)，從藍(lán)寶石襯底1起朝向GaN層7(圖1中未圖示)使氮傾斜地增加。此外，如圖3或圖4中所示，也可將緩沖層作成層疊了Al2O3層2、AlON層3或AlN層4的某一方的結(jié)構(gòu)，從藍(lán)寶石襯底1起朝向GaN層7(圖3或圖4中未圖示)以階梯狀使氮的組成增加。
以下，詳細(xì)地說(shuō)明與本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)有關(guān)的Al2O3頂蓋層。
在設(shè)置由Al2O3構(gòu)成的頂蓋層5作為上述氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底6的最上層的情況下，該頂蓋層5用來(lái)保持對(duì)于被暴露于空氣中等的外部環(huán)境的穩(wěn)定性。與使用上述現(xiàn)有技術(shù)的緩沖層的結(jié)構(gòu)相比，在有無(wú)頂蓋層5這一點(diǎn)上不同。存在頂蓋層5這樣的情況，能將氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底6取出到反應(yīng)室外的空氣的氣氛中，使該襯底的處理變得容易。再有，對(duì)于該最終層的Al2O3頂蓋層5來(lái)說(shuō)，由于在氮化物半導(dǎo)體的晶體生長(zhǎng)時(shí)使用氨等包含氮的物質(zhì)氣氛，故可認(rèn)為變化為構(gòu)成成為其下的層的AlN層4的物質(zhì)AlN(但是，在圖2、圖3、圖4和后述的圖6中，圖示為Al2O3頂蓋層5)。即，頂蓋層5起到帶來(lái)穩(wěn)定性的頂蓋的作用和氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)時(shí)的表面這2個(gè)作用。
但是，對(duì)于現(xiàn)有的氮化物半導(dǎo)體的生長(zhǎng)方法來(lái)說(shuō)，由于如上所述緩沖層的生長(zhǎng)有2個(gè)階段，有升溫、降溫工藝，故生長(zhǎng)工藝是復(fù)雜的，存在在藍(lán)寶石襯底上形成氮化物半導(dǎo)體的工藝中需要的時(shí)間(在本說(shuō)明書(shū)中，也稱(chēng)為「生長(zhǎng)時(shí)間」)變長(zhǎng)的問(wèn)題。
圖5是說(shuō)明在藍(lán)寶石襯底上形成氮化物半導(dǎo)體的工藝中需要的時(shí)間與生長(zhǎng)爐的溫度的關(guān)系用的圖。在圖5中，符號(hào)51表示升溫到溫度A(1000℃～1100℃)清洗藍(lán)寶石襯底、降溫到溫度B(400℃～600℃)在藍(lán)寶石襯底上淀積緩沖層的以往的第1工藝中的生長(zhǎng)爐的溫度的隨時(shí)間的變化。符號(hào)52表示升溫到溫度B(400℃～600℃)在藍(lán)寶石襯底上淀積緩沖層的以往的第2工藝中的生長(zhǎng)爐的溫度的隨時(shí)間的變化。符號(hào)53表示升溫到溫度C(1000℃)在氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底上生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體的第3工藝中的與本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)有關(guān)的生長(zhǎng)爐的溫度的隨時(shí)間的變化。
以往在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體時(shí)，進(jìn)行第1工藝或第2工藝，在藍(lán)寶石襯底上形成緩沖層，通過(guò)進(jìn)行第3工藝，在該緩沖層上生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體。此時(shí)，如符號(hào)51或符號(hào)52所示那樣，由于在生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體之前使生長(zhǎng)爐成為高溫，故促進(jìn)了裝置的性能惡化。該裝置的性能惡化的程度可認(rèn)為相對(duì)于使用溫度或使用時(shí)間以指數(shù)函數(shù)的方式起作用。
另一方面，在本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)中，由于可在室溫下制作氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底，故生長(zhǎng)爐不經(jīng)歷符號(hào)51或符號(hào)52那樣的溫度變化。于是，如符號(hào)53所示那樣，不需要以往所必要的形成緩沖層用的升、降溫工藝，通過(guò)升溫到氮化物半導(dǎo)體的生長(zhǎng)溫度(1000℃)，可容易地進(jìn)行氮化物半導(dǎo)體層的晶體生長(zhǎng)。此外，與以往相比，由于可縮短將生長(zhǎng)爐內(nèi)維持在高溫的時(shí)間，故可實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)爐內(nèi)的襯底加熱機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)壽命化。
特別是在使用具有Al2O3頂蓋層作為最上層的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底的情況下，由于能使該襯底暴露于大氣中，故可分開(kāi)地進(jìn)行該襯底的制作和氮化物半導(dǎo)體在該襯底上的生長(zhǎng)。因而，在生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體時(shí)，通過(guò)使用具有分開(kāi)地準(zhǔn)備的Al2O3頂蓋層的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底，可省略在藍(lán)寶石襯底上形成緩沖層的時(shí)間。即，由于可從第3工藝開(kāi)始，故可縮短生長(zhǎng)時(shí)間，也與生產(chǎn)性的提高相聯(lián)系。因而，可容易地實(shí)現(xiàn)以往成為問(wèn)題的生長(zhǎng)序列的簡(jiǎn)化或生長(zhǎng)時(shí)間的大幅度的縮短。
其次，說(shuō)明本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底的應(yīng)用例。
圖6是在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底上進(jìn)行了晶體生長(zhǎng)的Al1-xGaxN(0≤x＜1)/GaN異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。
在圖6中，符號(hào)9是GaN緩沖層，符號(hào)10是n+型GaN子集電極層，符號(hào)11是n-型GaN集電極層，符號(hào)12是p型GaN基極層，符號(hào)13是n-型Al1-xGaxN發(fā)射極層(0≤x＜1)，符號(hào)14是n+型GaN接觸層，符號(hào)15是集電極，符號(hào)16是基極，符號(hào)17是發(fā)射極。
在上述實(shí)施形態(tài)中示出的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底6上利用有機(jī)金屬氣相生長(zhǎng)法生長(zhǎng)了GaN緩沖層9(厚度1μm)、n+型GaN子集電極層10(厚度1μm)、n-型GaN集電極層11(厚度0.5μm)、p型GaN基極層12(厚度0.08μm)、n-型Al1-xGaxN發(fā)射極層13(0≤x＜1)(厚度0.05μm)、n+型GaN接觸層14(厚度0.1μm)。關(guān)于此時(shí)的生長(zhǎng)序列，在將氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底6導(dǎo)入到生長(zhǎng)爐中后，在氨氣氛下升溫到生長(zhǎng)溫度(1000℃)，供給原料氣體，進(jìn)行了生長(zhǎng)。使用了三甲基鎵、三甲基鋁、氨作為原料。使用了硅烷作為n型的雜質(zhì)的摻雜劑。使用了Mg作為p型的雜質(zhì)的摻雜劑。利用刻蝕制作臺(tái)式結(jié)構(gòu)，利用電子束蒸鍍，在已露出的各層上形成了歐姆電極、即集電極15、基極16、發(fā)射極17。在已制作的晶體管的發(fā)射極接地的集電極電流-集電極電壓特性中，可得到約100的電壓增益，此外，耐壓也反映了已敘述的位錯(cuò)密度的減少，增加到約200V。
權(quán)利要求
1.一種氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底，在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體層用的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底中，其特征在于，具備在上述藍(lán)寶石襯底上另行設(shè)置的、包含N、O和Al的層，該層形成為，與上述藍(lán)寶石襯底在第1面相接，該第1面中N對(duì)于N、O和Al的組成比的比例小于在與上述氮化物半導(dǎo)體層相接的第2面中N對(duì)于上述組成比的比例，而且上述第1面中O對(duì)于上述組成比的比例大于上述第2面中O對(duì)于上述組成比的比例。
2.一種氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底，在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體層用的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底中，其特征在于，具備在上述藍(lán)寶石襯底上另行設(shè)置的Al2O3層；以及在該Al2O3層上設(shè)置的AlON層和AlN層的某一層。
3.一種氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底，在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體層用的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底中，其特征在于，具備在上述藍(lán)寶石襯底上另行設(shè)置的Al2O3層；以及作為第1層的AlON層和作為第2層的AlN層，并具有按上述第1層和上述第2層的順序在上述Al2O3層上被層疊了的結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1至3的任意一項(xiàng)中所述的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底，其特征在于，作為上述氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底的最上層，設(shè)置了由Al2O3構(gòu)成的頂蓋層。
全文摘要
本發(fā)明提供能得到高品質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體晶體層的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底。與本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)有關(guān)的在藍(lán)寶石襯底(1)上生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體層用的氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)用襯底，具備在藍(lán)寶石襯底(1)上另行設(shè)置的Al
文檔編號(hào)H01L21/20GK1706030SQ200480001328
公開(kāi)日2005年12月7日 申請(qǐng)日期2004年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月12日
發(fā)明者熊倉(cāng)一英, 廣木正伸, 牧本俊樹(shù) 申請(qǐng)人:日本電信電話株式會(huì)社