CN100389481C - 氮化物半导体生长用衬底 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能得到高品质的氮化物半导体晶体层的氮化物半导体生长用衬底。与本发明的一实施形态有关的在蓝宝石衬底(1)上生长氮化物半导体层用的氮化物半导体生长用衬底，具备在蓝宝石衬底(1)上另行设置的Al2O3层(2)、作为第1层的AlON层(3)和作为第2层的AlN层(4)。关于第1层和第2层，使其按AlON层(3)和AlN层(4)的顺序层叠在Al2O3层(2)上。

Description

氮化物半导体生长用衬底
技术领域
本发明涉及在蓝宝石衬底上生长氮化物半导体用的氮化物半导体生长用衬底。
背景技术
由于氮化物半导体具有从远红外至紫外区域的能带间隙，故作为在该区域的发光、受光器件的材料是有希望的。此外，该半导体材料具有大的能带间隙，绝缘破坏电场大、饱和电子速度也高。因此，氮化物半导体作为耐高温、高输出、高频电子器件等的材料，也是非常有希望的。再者，与迄今为止被利用的GaAs类或InP类材料相比，因为不包含砷(As)或磷(P)，故也具有对环境无害的优点，该材料预期可用作将来的半导体器件的材料。
作为具有这样优良的特性的氮化物半导体的外延生长用衬底，迄今为止还没有与该氮化物半导体的晶格常数或热膨胀系数相同的衬底。因此，主要使用了蓝宝石或SiC、Si作为衬底。
为了对GaN、AlN、InN和这些混晶进行外延生长，以往主要使用了蓝宝石衬底。但是，在蓝宝石衬底与氮化物半导体之间存在11～23％的晶格不整合、热膨胀系数差。因而，如果直接在蓝宝石衬底上生长氮化物半导体，则引起3维的生长，表面的原子水平的平坦性变差。因此，存在许多晶体缺陷进入到所形成的氮化物半导体中的问题。
在蓝宝石衬底上进行氮化物半导体的外延生长的情况下，已报告了采用使用缓冲层的方法进行了GaN的晶体性的改善的工作。以下，进行该技术的说明。
第1方法是使用了低温AlN缓冲层的GaN的生长方法(参照下述非专利文献1)。该方法是这样来进行的：用有机金属气相生长装置等，为了使蓝宝石衬底的表面清洁起见，在高温(约1000～1100℃)下进行了热处理后，一度降温，在500℃左右淀积低温AlN缓冲层，再次升温，在1000℃左右生长GaN。用该方法淀积的AlN缓冲层是非晶质的，在淀积后的升温过程中进行固相生长，成为岛状的形状。当然，根据该升温时的装置内的气氛、升温速度等，所形成的岛形状不同。在高温下的GaN层的生长初期，该岛成为核，GaN层进行晶体生长。在该晶体生长时，通过互相融合在一起而实现GaN层的平坦化。在实现了平坦化的GaN层上GaN以2维方式进行晶体生长。
第2方法是使用了低温GaN缓冲层的GaN的生长方法(参照下述非专利文献2)。该方法是这样来进行的：在高温(约1000～1100℃)下对蓝宝石衬底进行了热处理后，一度降温，在约500℃下淀积低温GaN缓冲层，再次升温，在约1000℃下生长GaN。由于GaN与AlN相比容易引起脱离，故在升温过程中的核形成与AlN的情况不一定是相同的，但其后的生长方式大致相同。
再有，在GaN以外的氮化物半导体的晶体生长中，应用了与上述同样的方法。例如，在制作Al1-xGaxN(0≤x＜1)、In1-xGaxN(0≤x＜1)晶体时，在蓝宝石衬底上淀积低温GaN缓冲层，在生长了GaN后，生长Al1-xGaxN、In1-xGaxN。特别是在下述非专利文献3中记载了制作Al1-xGaxN的方法。
如上所述，这些生长方法中，都是以缓冲层与GaN层的晶格整合为目的，没有考虑与衬底的晶格整合。
此外，即使在低温下淀积缓冲层，低温缓冲层也是非晶质的，在升温时进行固相生长。因此，缓冲层与衬底的晶格不整合依然存在，难以有效地抑制位错的发生，通常存在109～1010cm-2的贯通位错。大家都知道该位错使所制作的器件的特性恶化。例如，导致激光器的寿命缩短、器件的漏泄电流的增大、耐压降低等。此外，因位错的存在的缘故，有时也促进杂质的扩散或偏析。因而，使氮化物半导体层中的位错密度减少这一点，在器件特性的提高、因位错的缘故迄今为止不能达到的器件的实现和提高晶体结构制作的控制性等方面是非常重要的。
因而，本发明的目的在于提供能得到高品质的氮化物半导体晶体层的氮化物半导体生长用衬底。
非专利文献1：H.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)
非专利文献2：D.Nakamura，“GaN growth using GaN Buffer layer，”Jpn.J.Appl.Phys.，30，L1705(1991)
非专利文献3：C.Pernot，et al.“Low-intensity ultraviolet photodetectorsbased on AlGaN，”Jpn.J.Appl.Phys.，38，L487(1999)
发明内容
本发明的一实施形态是一种在蓝宝石衬底上生长氮化物半导体层用的氮化物半导体生长用衬底，具备在蓝宝石衬底上另行设置的、包含N、O和Al的层。该层在第1面中与蓝宝石衬底相接。此外，上述层形成为，该第1面中N对于N、O和Al的组成比的比例小于与氮化物半导体层相接的第2面中N对于N、O和Al的组成比的比例，而且，O对于第1面中的组成比的比率大于O对于第2面中的组成比的比例。
另一实施形态是一种在蓝宝石衬底上生长氮化物半导体层用的氮化物半导体生长用衬底，具备：在蓝宝石衬底上另行设置的Al2O3层；以及在该Al2O3层上设置的AlON层和AlN层的某一层。
在另一实施形态中，在一种在蓝宝石衬底上生长氮化物半导体层用的氮化物半导体生长用衬底中，具备：在蓝宝石衬底上另行设置的Al2O3层；以及作为第1层的AlON层和作为第2层的AlN层，具有按第1层和第2层的顺序在Al2O3层上被层叠了的结构。
在此，可设置由Al2O3构成的顶盖层作为氮化物半导体生长用衬底的最上层。
按照以上已说明的本发明的一实施形态，可提供能得到高品质的氮化物半导体晶体层的氮化物半导体生长用衬底。
附图说明
图1是与本发明的一实施形态有关的氮化物半导体生长用衬底的剖面示意图。
图2是在与本发明的一实施形态有关的氮化物半导体生长用衬底上使GaN层进行晶体生长的结构的剖面示意图。
图3是与本发明的一实施形态有关的氮化物半导体生长用衬底的剖面示意图。
图4是与本发明的一实施形态有关的氮化物半导体生长用衬底的剖面示意图。
图5是说明在蓝宝石衬底上形成氮化物半导体的工艺中需要的时间与生长炉的温度的关系用的图。
图6是在与本发明的一实施形态有关的氮化物半导体生长用衬底上进行了晶体生长的Al1-xGaxN(0≤x＜1)/GaN异质结双极型晶体管结构的剖面示意图。
具体实施方式
以下，使用附图详细地说明本发明的实施形态。再有，在以下说明的附图中，对具有同一功能的部分附以同一符号，省略其重复的说明。
实施形态
图1是与本发明的一实施形态有关的氮化物半导体生长用衬底的剖面示意图。
在图1中，符号1是蓝宝石衬底(蓝宝石单晶衬底)，符号2是Al2O3层(氧化铝层)，符号3是AlON层(氧氮化铝层)，符号4是AlN层(氮化铝层)，符号5是由Al2O3构成的顶盖层(最上层)，符号6是氮化物半导体生长用衬底。
本实施形态是一种在蓝宝石衬底1上生长氮化物半导体层用的氮化物半导体生长用衬底，具备：在蓝宝石衬底1上另行设置的Al2O3层2；以及作为第1层的AlON层3和作为第2层的AlN层4，具有按AlON层3和AlN层4的顺序在Al2O3层上被层叠了的结构。再有，即使是具有在Al2O3层2上设置了的、具有接近于氮化物半导体层的组成的作为第1层的AlON层3和作为第2层的AlN层4的某一方的层的结构，也能得到本发明的效果，是有效的。此外，设置了由Al2O3构成的顶盖层5作为上述氮化物半导体生长用衬底6的最上层。
再有，上述的Al2O3层2不一定是晶体，但对于该层中的晶体状态的部分，可认为与蓝宝石衬底1进行了晶格整合。在此使用的所谓「晶格整合」，意味着晶格常数大致相等。
即，在直径为2英寸的蓝宝石衬底1上使用ECR(电子回旋共振)等离子体成膜装置并使用Al和氧，在室温下在Ar等离子体中淀积了厚度约为5nm的Al2O3层2。其后，在淀积气体中添加了氮，淀积了厚度约为10nm的AlON层3。其次，使用Al和氮，在Ar等离子体中淀积了厚度约为10nm的与在该氮化物半导体生长用衬底6上生长了的氮化物半导体层(例如GaN层)为相同种类的AlN层4。最后，为了防止因理想配比的紊乱而产生表面的不稳定性的不规则的自然氧化，使用Al和氧，在Ar等离子体中淀积了厚度约为5nm的由Al2O3层构成的顶盖层5。以这种方式制作了氮化物半导体生长用衬底6。
再有，在上述的本发明的实施形态中，在室温(例如，20℃)下形成了各层，但不限定于该温度。在本发明的一实施形态中，十字室温下也能形成与本发明有关的氮化物半导体生长用衬底这一点是重要的，对于与本发明的一实施形态有关的各层来说，只要是能形成适当的氮和氧组成的温度，可以是比室温(大气中的温度)高的温度，也可以是比室温低的温度。
此外，Al2O3层2、AlON层3和AlN层4的膜厚必须是能形成膜的厚度，考虑到各化合物的c轴的晶格常数，最低必须是1个原子层。另一方面，由于Al2O3层2、AlON层3和AlN层4的各层不一定是晶体(是多晶或非晶)，故如果膜厚太厚，则难以使蓝宝石(单晶)衬底的晶体轴延续到氮化物半导体(外延生长)。在本发明中考虑到这些情况，将Al2O3层2、AlON层3和AlN层4的膜厚定为1nm至200nm是较为理想的，更为理想的是，对于Al2O3层2来说为2nm至20nm，对于AlON层3来说为2nm至70nm，对于AlN层4来说为2nm至50nm。
再者，在本发明的实施形态中，利用ECR等离子体成膜装置对各层进行了成膜，但不限定于此，例如只要是导入了氧的MOVPE装置等能适当地对与本发明的一实施形态有关的各层进行成膜的装置，就可使用其中的任一种装置。
其次，说明验证了本发明的氮化物半导体生长用衬底的有用性的实验结果。
图2是在本发明的氮化物半导体生长用衬底上使GaN层进行晶体生长的结构的剖面示意图。
在图2中，7是GaN层，8是导电性测定用的Si掺杂n型GaN层。在上述实施形态中示出了的氮化物半导体生长用衬底6上利用有机金属气相生长法生长了GaN层7。此时的生长序列是在生长炉中导入了氮化物半导体生长用衬底6后在氨气氛下升温到生长温度(1000℃)来生长GaN层7、8的简便的方法。使用了三甲基镓、氨作为原料。在Si掺杂n型GaN层8的杂质的掺杂中使用硅烷，形成了Si掺杂n型GaN层8。
对于已制作的GaN层7、8，进行了X线衍射测定和霍尔效应测定，进行了晶体性和电特性的评价。通过从来自(10-10)的X线非对称反射谱的半值宽度估计晶体中的位错密度进行了已制作的GaN层7、8的晶体性的评价。估计了位错密度的结果，在现有技术中的位错密度约为2×109cm-2。与此不同，在使用上述实施形态的氮化物半导体生长用衬底6制作了的GaN层7的情况下，为9×107cm-2，位错密度大幅度地减少了。此外，霍尔效应测定的结果，在现有技术中的载流子浓度和迁移率分别为3×1017cm-3和340cm2/Vs。与此不同，使用上述实施形态的氮化物半导体生长用衬底6制作了的GaN层7中的这些值为2×1017cm-3和540cm2/Vs，可明白特性大幅度地改善了。
这样，按照具有本发明的各层的氮化物半导体生长用衬底，由于使氮和氧的组成(构成原子的比率)从虽然各层不一定是晶体但以与蓝宝石单晶进行晶格整合为目的的层起朝向生长的氮化物半导体而变化，故各层中的晶格间隔或原子间隔变化，朝向氮化物半导体晶体的贯通位错与现有技术相比大幅度地减少了。因而，可容易地制作位错密度为107cm-2数量级的晶体。即，在本发明中，由于可在衬底表面的整体中均匀地减少位错密度，故可谋求氮化物半导体层的晶体性的提高，在产业上是非常有效的。此外，由于伴随位错密度的减少可预料晶体性的提高，故可预期波及器件特性的提高或新器件的实现等的多方面的效果。
本发明的氮化物半导体生长用衬底也可适用于GaN以外的氮化物半导体、Al1-xGaxN(0≤x＜1)、In1-xGaxN(0≤x＜1)、AlN、InN等的晶体生长。此外，可适用的氮化物半导体层不依存于杂质的掺杂的有无、杂质掺杂了的半导体的载流子的极性、混晶的组成比。
关于上述实施形态中的氮化物半导体生长用衬底6的各构成要素等的物质的一般的晶格常数，已知有以下的值。
蓝宝石、Al2O3：a＝4.758、c＝12.991
AlN：a＝3.112
Figure C20048000132800093
、c＝4.982
Figure C20048000132800094
GaN：a＝3.189
Figure C20048000132800095
、c＝5.185
Figure C20048000132800096
即，关于上述实施形态中的氮化物半导体生长用衬底6的各层，由于从蓝宝石衬底1起使氧和氮的组成(构成原子的比率)变化，以便成为氧化物、氧氮化物、氮化物，故各层中的晶格间隔或原子间隔变化。
如上所述，本发明是能容易地使具有高品质的晶体性的氮化物半导体进行晶体生长的氮化物半导体生长用衬底6。为此，本发明的特征在于：在蓝宝石衬底1上形成的缓冲层中，从与蓝宝石衬底1相接的面起朝向与氮化物半导体层相接的面使缓冲层的组成变化。通过以这种方式使缓冲层的组成(构成原子的比率)变化，缓冲层的晶格间隔或原子间隔变化。
具体地说，是蓝宝石衬底1、Al2O3层2、AlON层3和AlN层4的层叠结构。在本发明的一实施形态中，通过使与蓝宝石衬底1相接的层成为在本发明的一实施形态中不一定是晶体但在晶体状态下通常与蓝宝石衬底进行晶格整合的Al2O3层2，虽然Al2O3层2不一定是晶体，但可减轻蓝宝石衬底与缓冲层的晶格不整合。此外，在上述缓冲层中，层叠作为不一定是晶体的层的AlON层3和AlN层4，通过在该AlN层4上形成氮化物半导体层，虽然AlN层4不一定是晶体，但可减轻缓冲层与氮化物半导体层的晶格不整合。再有，关于AlON层3和AlN层4，按该顺序层叠是最佳的形态，但即使如图3或图4中所示那样使用AlON层3或AlN层4的某一方的结构，也能得到类似的效果。
这样，在本发明的一实施形态中重要之处是，关于在蓝宝石衬底与氮化物半导体之间形成的缓冲层，不仅减轻与氮化物半导体相接的面的晶格不整合，而且在蓝宝石衬底另行设置被构成为减轻与蓝宝石衬底相接的面的晶格不整合的缓冲层。为此，在本发明的一实施形态中，本质之处在于在缓冲层中从该缓冲层的与蓝宝石衬底相接的面起朝向与氮化物半导体相接的面使氮与氧的组成变化。即，对于在缓冲层中包含的氧和氮的组成来说，在缓冲层的与蓝宝石衬底相接的面附近，缓冲层为富氧的组成，在缓冲层的与氮化物半导体相接的面附近，缓冲层为富氮的组成，本质之处在于在蓝宝石衬底上另行设置从蓝宝石衬底附近朝向氮化物半导体衬底附近氮的组成增加那样的缓冲层。
在本发明的一实施形态中，缓冲层可以是单晶或多晶，也可以是中间层。在本说明书中，所谓「中间层」，指的是单晶、多晶和非晶混合存在的层。
为此，如图1中所示，在本发明的一实施形态中，将缓冲层作成依次层叠了Al2O3层2、AlON层3和AlN层4的结构，从蓝宝石衬底1起朝向GaN层7(图1中未图示)使氮倾斜地增加。此外，如图3或图4中所示，也可将缓冲层作成层叠了Al2O3层2、AlON层3或AlN层4的某一方的结构，从蓝宝石衬底1起朝向GaN层7(图3或图4中未图示)以阶梯状使氮的组成增加。
以下，详细地说明与本发明的一实施形态有关的Al2O3顶盖层。
在设置由Al2O3构成的顶盖层5作为上述氮化物半导体生长用衬底6的最上层的情况下，该顶盖层5用来保持对于被暴露于空气中等的外部环境的稳定性。与使用上述现有技术的缓冲层的结构相比，在有无顶盖层5这一点上不同。存在顶盖层5这样的情况，能将氮化物半导体生长用衬底6取出到反应室外的空气的气氛中，使该衬底的处理变得容易。再有，对于该最终层的Al2O3顶盖层5来说，由于在氮化物半导体的晶体生长时使用氨等包含氮的物质气氛，故可认为变化为构成成为其下的层的AlN层4的物质AlN(但是，在图2、图3、图4和后述的图6中，图示为Al2O3顶盖层5)。即，顶盖层5起到带来稳定性的顶盖的作用和氮化物半导体生长时的表面这2个作用。
但是，对于现有的氮化物半导体的生长方法来说，由于如上所述缓冲层的生长有2个阶段，有升温、降温工艺，故生长工艺是复杂的，存在在蓝宝石衬底上形成氮化物半导体的工艺中需要的时间(在本说明书中，也称为「生长时间」)变长的问题。
图5是说明在蓝宝石衬底上形成氮化物半导体的工艺中需要的时间与生长炉的温度的关系用的图。在图5中，符号51表示升温到温度A(1000℃～1100℃)清洗蓝宝石衬底、降温到温度B(400℃～600℃)在蓝宝石衬底上淀积缓冲层的以往的第1工艺中的生长炉的温度的随时间的变化。符号52表示升温到温度B(400℃～600℃)在蓝宝石衬底上淀积缓冲层的以往的第2工艺中的生长炉的温度的随时间的变化。符号53表示升温到温度C(1000℃)在氮化物半导体生长用衬底上生长氮化物半导体的第3工艺中的与本发明的一实施形态有关的生长炉的温度的随时间的变化。
以往在蓝宝石衬底上生长氮化物半导体时，进行第1工艺或第2工艺，在蓝宝石衬底上形成缓冲层，通过进行第3工艺，在该缓冲层上生长氮化物半导体。此时，如符号51或符号52所示那样，由于在生长氮化物半导体之前使生长炉成为高温，故促进了装置的性能恶化。该装置的性能恶化的程度可认为相对于使用温度或使用时间以指数函数的方式起作用。
另一方面，在本发明的一实施形态中，由于可在室温下制作氮化物半导体生长用衬底，故生长炉不经历符号51或符号52那样的温度变化。于是，如符号53所示那样，不需要以往所必要的形成缓冲层用的升、降温工艺，通过升温到氮化物半导体的生长温度(1000℃)，可容易地进行氮化物半导体层的晶体生长。此外，与以往相比，由于可缩短将生长炉内维持在高温的时间，故可实现生长炉内的衬底加热机构的长寿命化。
特别是在使用具有Al2O3顶盖层作为最上层的氮化物半导体生长用衬底的情况下，由于能使该衬底暴露于大气中，故可分开地进行该衬底的制作和氮化物半导体在该衬底上的生长。因而，在生长氮化物半导体时，通过使用具有分开地准备的Al2O3顶盖层的氮化物半导体生长用衬底，可省略在蓝宝石衬底上形成缓冲层的时间。即，由于可从第3工艺开始，故可缩短生长时间，也与生产性的提高相联系。因而，可容易地实现以往成为问题的生长序列的简化或生长时间的大幅度的缩短。
其次，说明本发明的氮化物半导体生长用衬底的应用例。
图6是在本发明的氮化物半导体生长用衬底上进行了晶体生长的Al1-xGaxN(0≤x＜1)/GaN异质结双极型晶体管结构的剖面示意图。
在图6中，符号9是GaN缓冲层，符号10是n+型GaN子集电极层，符号11是n-型GaN集电极层，符号12是p型GaN基极层，符号13是n-型Al1-xGaxN发射极层(0≤x＜1)，符号14是n+型GaN接触层，符号15是集电极，符号16是基极，符号17是发射极。
在上述实施形态中示出的氮化物半导体生长用衬底6上利用有机金属气相生长法生长了GaN缓冲层9(厚度1μm)、n+型GaN子集电极层10(厚度1μm)、n-型GaN集电极层11(厚度0.5μm)、p型GaN基极层12(厚度0.08μm)、n-型Al1-xGaxN发射极层13(0≤x＜1)(厚度0.05μm)、n+型GaN接触层14(厚度0.1μm)。关于此时的生长序列，在将氮化物半导体生长用衬底6导入到生长炉中后，在氨气氛下升温到生长温度(1000℃)，供给原料气体，进行了生长。使用了三甲基镓、三甲基铝、氨作为原料。使用了硅烷作为n型的杂质的掺杂剂。使用了Mg作为p型的杂质的掺杂剂。利用刻蚀制作台式结构，利用电子束蒸镀，在已露出的各层上形成了欧姆电极、即集电极15、基极16、发射极17。在已制作的晶体管的发射极接地的集电极电流-集电极电压特性中，可得到约100的电压增益，此外，耐压也反映了已叙述的位错密度的减少，增加到约200V。

Claims (4)

1.一种氮化物半导体生长用衬底，其用于在蓝宝石衬底上生长氮化物半导体层，其特征在于，
具备用于使上述氮化物半导体层生长的缓冲层，
上述缓冲层设置在上述蓝宝石衬底上，并且由Al2OxNy层构成，
上述Al2OxNy层中的组成x和y随着远离上述蓝宝石衬底，x和y分别按照x由3向0而y由0向2的方式变化，
上述缓冲层中的上述蓝宝石衬底一侧是Al2O3层，上述缓冲层中的上述氮化物半导体层生长的一侧是AlN。
2.一种氮化物半导体生长用衬底，其用于在蓝宝石衬底上生长氮化物半导体层，其特征在于，该氮化物半导体生长用衬底具有使上述氮化物半导体层生长用的缓冲层，上述缓冲层具备：
在上述蓝宝石衬底上另行设置的Al2O3层；以及
在该Al2O3层上设置的AlON层和AlN层的某一层。
3.一种氮化物半导体生长用衬底，其用于在蓝宝石衬底上生长氮化物半导体层，其特征在于，该氮化物半导体生长用衬底具有使上述氮化物半导体层生长用的缓冲层，上述缓冲层具备：
在上述蓝宝石衬底上另行设置的Al2O3层；以及
作为第1层的AlON层和作为第2层的AlN层，
并具有按上述第1层和上述第2层的顺序在上述Al2O3层上被层叠了的结构。
4.如权利要求1至3的任意一项中所述的氮化物半导体生长用衬底，其特征在于，
作为上述氮化物半导体生长用衬底的最上层，设置了由Al2O3构成的顶盖层。
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