TWI305660B - - Google Patents

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TWI305660B TW093124267A TW93124267A TWI305660B TW I305660 B TWI305660 B TW I305660B TW 093124267 A TW093124267 A TW 093124267A TW 93124267 A TW93124267 A TW 93124267A TW I305660 B TWI305660 B TW I305660B
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Kazuhide Kumakura
Masanobu Hiroki
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!3〇566〇 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於-㈣以於藍寶石基板上生錢化物半導 體之氮化物半導體生長用基板。 【先前技術】 氮化物半導體因自遠紅外具有紫外區域之能帶隙，故而 可期望作為該區域之發光•受光裝置之材料。又，具有較大 之能帶隙’絕緣損壞電場較大’飽和電子速度亦較高。故 而氮化物半導體亦非常有希望作為耐高溫•高輸出·高頻率| 電子裝置等之材料。進而，與先前使用2GaAs系或⑽系相 比因不含石申（As)或磷（p)，故而存有對環境無害之優點， 可期望作為將來之半導體裝置材料。 作為具有如此優良特性之氮化物半導體之蟲晶生長用基 板’至今沒有與該氮化物半導體之晶格常數或熱膨脹係= 相同者。故而，主要使用藍f石或⑽、以作為基板。 於磊晶生長GaN、Α1Ν、ΙηΝ以及該等之混晶中，先前主 要使用藍寶石基板。但是，於藍寳石基板與氮化物半導體· 之間存有11〜23%之晶格不匹配或熱膨脹係數差。故而，若 於藍寶石基板上直接生長氮化物半導體，則會引起3次元生 長，於表面之原子位準之平坦性亦變差。故而存有較多之 結晶缺陷進入所形成之氮化物半導體之問題。 報。有對藍實石基板上蟲晶生長氮化物半導體之情形 時，藉由使用缓衝層（以了，稱為缓衝層）之方法，進行⑽ 結晶性之改善。以下進行該技術之說明。 95462.doc 1305660 苐1方去係使用低溫AIN緩衝層之GaN之生長方法（參照 下述非專利文獻丨）。係於有機金屬氣相生長裝置等，為將 -藍寶石基板表面潔淨化，以高溫（1〇〇〇〜u〇〇t：左右）熱處理. 之後，一次降溫，於5〇(rc左右堆積低溫A]N緩衝層，再次 升溫，於100(TC左右生長GaN的方法。於該方法令堆積之 A1N緩衝層為非晶質，於堆積後之升溫過程中固相生長，成 為島嶼分佈狀（島狀）之形狀。當然，依據其升温時之裝置内 之環境氣體、升溫速度等，所形成之島峡分佈形狀不同。 於高溫之AIN緩衝層之生長初期，該島成為核，結晶生長_ A1N緩衝層。於此結晶生長時，藉由互相融合之處理進行 A1N緩衝層之平坦化。於平坦化之A1N緩衝層次元結 晶生長。 第2方法係使用低溫GaN緩衝層之GaN之生長方法（參照 下述非專利文獻2)。係將藍寶石基板以高溫〇〇〇〇〜11〇〇它左 ·_ 右）熱處理之後，一次降溫，於5〇〇它左右堆積低溫層， 再次升溫，於1〇〇〇。〇左右生長GaN的方法。因GaN與ain相 比容易脫離，故而於升溫過程中之核形成並不一定與Am 之情形相同’但此後之生長樣式大致相同。 再者，於GaN以外之氮化物半導體之結晶生長中，適用 與上述相同之方法。例如製作八11、^3((^以1)，1111_ x-GaxN_X<l)結晶時’於藍寶石基板上堆積低溫⑽緩衝 層’生長⑽之後，生長All —xGaxN，Ini〜GaxN。特別是， 製作Al, - xGaxN結晶之方法揭示於下述非專利文獻3。 以緩衝層與GaN層 如上所述，該等生長方法之任—者皆 95462.doc 1305660 藍寶石基板之包含N、0以及A1之層。該層與藍寶石基板於 第1面接觸。又，上述層以以下之方式形成：N對於第1面中 之N、0以及A1之組成比之比例小於N對於與氮化物半導體 層連接之第2面中之組成比之比例，且0對於第1面中之組成 比之比例大於Ο對於第2面中之組成比之比例。
其他實施形態係一種用以於藍寶石基板上生長氮化物半 導體層之氮化物半導體生長用基板，其包含另設於藍寶石 基板上之Ah〇3層與設置於Ah〇3層上之A10N層與A1N層之 任'^層 0 其他實施形態中，係一種用以於藍寶石基板上生長氮化 物半導體層之氮化物半導體生長用基板，其具有以下構 ·包3另s又於藍寶石基板上之A]2〇3層，作為第1層之 A10N層以及作為第2層之A1N層，且以第1層與第2層之順序 積層於A1203層上。 此處，可設置包含Al2〇3之頂蓋層作為氮化物半導體生長 用基板之最上層。
•參I 依據以上說明之本發明之一實施形態，可提供一種可獲 得高品質之氮化物半導體結晶層之氮化物半導體生長用基 板。 【實施方式】 以下’使用圖式就本發明之實施形態加以詳細說明。再 者’於以下說明之圖式中’具有同—功能者賦予同一符號， 省略其重複說明。 ；u 實施形態 95462.doc 1305660 如上所述’本發明係_種氮化物半導體生長用基板6，其 可較容易地結晶生長具有高品質結晶性的氮化物半導體。-故而，本發明之特徵係於藍寶石基板丨上所形成之緩衝層 -中，自與藍寶石基板1連接之面向著連接於氮化物半導體層 之面改變缓衝層之組成。以此方式改變緩衝層之組成（構成 原子之比率），藉此改變緩衝層之晶格間隔或原子間隔。 具體的是，為藍寶石基板卜ΑΙΑ層2、α1〇ϊν^3以及A1N 層4之積層構造。本發明之一實施形態中，於上述緩衝層 中’將與Ιέ寶石基板1連接之層設為與藍寶石基板晶格匹配 之AU〇3層2 ’且於本發明之一實施形態中其並非一定為結 晶，但通常為結晶狀態’藉此即使八12〇3層2並非一定為結 晶亦可減輕藍寶石基板與緩衝層之晶格不匹配。又，於上 述緩衝層中，將並非一定為結晶之層的八1〇：^層3以及AW層 4積層於Al2〇3層2’於該趟層4形成氮化物半導體層，藉此 即使A1N層4並非一定為結晶亦可減輕緩衝層與氮化物半導 體層之晶格不匹配。再者，A10N層3與A1N層4以此順序進馨籲< 行積層為最佳形態，但如圖3或圖4所示，使用ai〇_3或 A1N層4之任一者之構造亦可獲得類似的效果。 如此，於本發明之一實施形態中較為重要的是，關於於 藍寶石基板與氮化物半導體之間形成之緩衝層，將以不僅 ^輕與氮化物半導體連接之面的晶格不匹配，且減輕與藍 寶石基板連接之面的晶格不匹配之方式構成之緩衝層另設 於^寳石基板之情形。故而，本發明之—實施形態中，其 本質為：於緩衝層中自與該缓衝層之藍寶石基板連接之面 95462.doc -14- ί3〇5660 終層之A〗2〇3頂蓋層5於氮化物半導體之結晶生長時，因使 用氨等之含有氮之物質環境氣體，故而變化為構成ain層4 . 之物質A1N，該A1N層4係構成A12〇3頂蓋層5之下層者（但/ 是，於圖2、圖3、圖4以及下述之圖6中圖示為^2…頂蓋層 5)。即，頂蓋層5發揮具有穩定性之頂蓋之作用與氮化物半 導體生長時之表面之兩個作用。 然而，先前之氮化物半導體之生長方法存有以下問題： 如上所述緩衝層之生長為2個階段，有升·降溫製程，故而 ,長製程較為複雜’於藍寶石基板上形成氮化物半導體之ϋ 製程所需之時間（本說明書中亦稱為「生長時間」）亦變得較 長。 圖5係用以說明於藍寶石基板上形成氮化物半導體之製 程所需之時間與生長爐之溫度的關係之圖。於圖5中，符號 Η表示升溫至溫度“觸^蘭以洗淨藍寶石基板’降^ 至溫度B(400t〜赋)於藍寳石基板上堆積緩衝層之二 第1製轾中生長爐之溫度之經時變化。符號52表示升π至 溫度B(4(Hrc〜峨）於藍f石基板上堆積緩衝層之^之•嚷 第2製程中的生長爐之溫度的經時變化。符號53表示升㈤至 溫度叫_。〇於氮化物半導體生長用基板生長氮化: 導體之第3製程中的本發明之—實施形態之生長爐之 的經時變化。 '風又 先前’於藍寶石基板上生長氮化物半導體時，進 製程或第2製程，於藍寶石基板上形成缓衝層，進行&制 程’藉此於該缓衝層上生長氮化物半導體。此時，如符$ 95462.doc «05660 我符號52所示，於生長氮 為高溫，故而會促進裝置之劣Π:::長爐内設 度對於使用溫度或使用時間有指數函置之劣化程 另一方面，於本發明之一而生 可於室溫製作氮化物半導體生長用長^^實施形態中，因 或符鏡52之溫度變化基板，故進行如符號51 必要之用 變化#此，如符號53所示，無需先前為 物半導體=緩衝層之升·降溫製程，藉由升溫至氮化 導體層:=度― 岳且味 、』相比，可縮短以高溫維持 生長爐内之時間，故而可實現生 長壽命化等。 長爐内之基板加熱機構之 〔寺別是於使用含有作為最上層之Al2〇3頂蓋層之氮化物 +導體生長用基板之情形時，該基板可曝露於大氣中，故 :4基板之製作與向該基板生長氮化物半導體可分別進 行故而，於生長氮化物半導體時，使用另外準備之含有
Al2〇3頂蓋層之氮化物半導體生長用基板，藉此可省略於藍 寳石基板上形成緩衝層之時間。即，可自第3製程開始，故 而可縮短生長時間，亦關係到生產性之提高。故而，可較 谷易的實現先前問題之生長序列之簡便化或生長時間之大 幅度縮短。 其次，就本發明之氮化物半導體生長用基板之應用例加 以說明。 圖6係於本發明之氮化物半導體生長用基板上結晶生長 之Ah - xGaxN(Ogx<l)/GaN異質接合雙極電晶體構造之剖 95462.doc -17- 1305660 板上結晶生長GaN層之構造的剖面模式圖。 圖3係本發明之—實施形態之氮化物半導體生長用基板 之剖面模式圖。 圖4係本發明之—實施形態之氮化物半導體生長用基板 之剖面模式圖。 圖5係用以說明於藍寶石基板上形成氮化物半導體之製 程所需之時間與生長爐之溫度的關係之圖。 圖6係於本發明之一實施形態之氮化物半導體生長用基 板上結晶生長iAll_xGaxN(〇Sx<1)/GaN異質接合雙極電鱗 晶體構造之剖面模式圖。 【主要元件符號說明】 1 藍寶石基板 2 Al2〇3 層 3 A10N 層 4 A1N層 5 含有A〗2〇3之頂蓋層（最上層） 6 氮化物半導體生長用基板 7 GaN層 8 Si摻雜η型GaN層 9 GaN緩衝層 10 n+型GaN弱集極層 11 η—型GaN集極層 12 P型GaN基礎層 13 η型AluGaxN發射極層（〇$ ·· 95462.doc -19- 1305660 14 n+型GaN接觸層 15 集極電極 16 基礎電極 17 發射極電極 95462.doc -20-

Claims (1)

1305舰 124267號参利中請案丨 中文申請專利範本W
申請專利範圍 一種氮化物半導體生長用基板，其係用以於藍寶石基板 上生長氮化物半導體層者，其特徵在於： 具有於上述藍寶石基板另設之包含N、〇以及A1之層， 與作為上述氮化物半導體生長用基板之最上層而設於上 述層上之包含Al2〇3之頂蓋層，且 上述層係與上述藍寶石基板以第i面相接，且以該第i 面中之N對於Ν、Ο以及A1之組成比之比例小於與上述氮 化物半導體層相接之第2面中之N對於上述組成比之比_ 例，且上述第1面中之〇對於上述組成比之比例大於上述 第2面中之〇對於上述組成比之比例的方式形成。 2· —種氮化物半導體生長用基板，其係用以於藍寶石基板 上生長氮化物半導體層者，其特徵在於包含： 於上述藍寶石基板上另設之Al2〇3層； 設置於該Al2〇3層上之A10N層與A1N層之任一層； 及作為上述氮化物半導體生長用基板之最上層而設於 上述ΑΙΟΝ層與A1N層之任一層上之包含ai2〇3之頂蓋層。· 3. —種氮化物半導體生長用基板，其係用以於藍寶石基板 上生長氮化物半導體層者，其特徵在於具有以下構造： 包含 於上述藍寳石基板上另設之Al2〇3層； 作為第1層之A10N層與作為第2層之A1N層； 及作為上述氮化物半導體生長用基板之最上層，包含 AI2O3之頂蓋層，且 以上述第1層、.上述第2層與上述頂蓋層之順序積層於上 95462-960117.doc 13056%
述A〗2〇3層上。 95462-960117.doc
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