第iii族氮化物外延基板及其制造方法
【专利摘要】本发明提供了第III族氮化物外延基板，其中使用基板抑制在器件形成步骤中产生裂纹；以及所述第III族氮化物外延基板的制造方法。本发明的第III族氮化物外延基板(10)的特征在于具有：Si基板(11)；与所述Si基板(11)接触的初始层(14)；和形成于所述初始层(14)上的超晶格层压体(15)，并且所述超晶格层压体(15)具有多组如下的层压体：每个层压体顺序地具有由Al组成比大于0.5且1以下的AlGaN构成的第一层(15A1(15B1))和由Al组成比大于0且0.5以下的AlGaN构成的第二层(15A2(15B2))。所述第III族氮化物外延基板的特征还在于，所述第二层的Al组成比朝远离所述基板的一侧逐渐降低。
【专利说明】第N I族氮化物外延基板及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及第III族氮化物外延基板及其制造方法。更特别地，本发明涉及可抑制在器件形成过程中产生破裂的第III族氮化物外延基板及其制造方法。
【背景技术】
[0002]近年来，一般而言，由N与Al、Ga和In等的化合物制成的第III族氮化物半导体广泛用于发光元件和电子器件用元件等。此类器件的特性极大地依赖于第III族氮化物半导体的结晶性，使得生长高结晶性第III族氮化物半导体的技术成为需要的。
[0003]第III族氮化物半导体通常通过在蓝宝石基板上外延生长来形成。然而，蓝宝石基板由于低的导热率而具有差的散热性，这不适用于生产大功率输出器件。
[0004]因此，近年来已提出了使用硅基板(Si基板)作为第III族氮化物半导体的晶体生长用基板的技术。Si基板具有比上述蓝宝石基板更好的散热性，并因而适用于生产大功率输出器件。此外，由于大基板便宜，因而它们在降低生产成本上是有优势的。然而，像蓝宝石基板一样，Si基板具有与第III族氮化物半导体不同的晶格常数。因此，不预计直接在此类Si基板上生长第III族氮化物半导体来提供高结晶性的第III族氮化物半导体。
[0005]此外，第III族氮化物半导体与硅相比具有高的热膨胀系数。因此，当该第III族氮化物半导体直接生长 在Si基板上时，在从晶体生长过程的高温冷却至室温的过程中在第III族氮化物半导体中产生大的拉伸应变。这导致Si基板翘曲的问题，并导致第III族氮化物半导体中产生高密度裂纹。
[0006]因此，JP2007-67077A(PTLl)公开了在Si基板上制造高结晶性第III族氮化物半导体的技术，其中通过在硅基板和第III族氮化物半导体之间设置AlN类超晶格缓冲层而防止裂纹的产生。AlN类超晶格缓冲层具有多个交替堆叠的由AlxGahN(Al组成比x为0.5≤X≤I)制成的第一层和由AlyG&1_yN(Al组成比y为0.01≤y≤0.2)制成的第二层。
[0007]引用列表
[0008]专利文献
[0009]PTLl JP2007-67077A
【发明内容】
[0010]发明要解决的问题
[0011]PTLl指出通过在原子水平上使氮化物半导体层的表面平滑来改善结晶性并防止裂纹的产生。在不仅在Si基板上形成包括超晶格的缓冲层而且还形成氮化物半导体层(主层压体)的状态下，意图为防止在氮化物半导体层中的裂纹的产生。通过这种方式，常规地在形成氮化物半导体层之后的基板中防止在氮化物半导体层上的裂纹的产生已成为典型。
[0012]根据本发明人的研究，由于相对于Si基板的晶格常数小且热膨胀系数大的缓冲层而造成的翘曲可通过由晶格常数和热膨胀系数比缓冲层的那些大的主层压体所造成的相反的翘曲抵消，以在无裂纹的状态下在缓冲层上形成主层压体，并减少翘曲。然而，即使在该情况下，本发明人发现随后在其中形成电极、在主层压体上形成用于单片化(singulation)的沟和输送元件等的器件形成过程中，出现可能突然发生破裂和基板可能不期望地破裂成多个碎片的问题。换言之，常规的结构仅关注于防止器件形成前的晶片阶段中的裂纹，而未考虑在随后器件形成过程中的破裂。在本公开中，“破裂”字面上是指基板断裂成多个碎片，“裂纹”是指不使基板断裂成碎片的龟裂或裂痕。
[0013]本发明鉴于上述环境来构思，并且其目的为提供可抑制器件形成过程中产生破裂的第III族氮化物外延基板及其制造方法。
_4] 用于解决问题的方案
[0015]在进一步检查如何实现上述目的时，本发明人得到了以下发现。具体地，本发明人发现，不论在包括超晶格的缓冲层上形成主层压体的状态下的翘曲的量级如何，如果在包括超晶格的缓冲层形成之后、在主层压体的形成之前的翘曲大，则在器件形成过程中容易发生破裂。换言之，在器件形成过程中，例如在光刻时曝光精确度地对晶片施压(外部应力的施加)，或加工氮化物半导体层的一部分而使应力平衡劣化(内部应力的集中)。此外，在输送和定位期间受到冲击，并在热处理期间受到热冲击。为了能够抵挡这类应力，不仅必须专注于减少由于在已形成主层压体的状态下的翘曲造成的外部应力的施加，而且还必须专注于将向主层压体施加的内部应力减少至能够抵抗外部应力的范围以及增强耐冲击性。另外，不能抑制器件形成过程中的破裂。因此，通过专注于缓冲层形成之后、主层压体形成之前的翘曲，本发明人设想抑制在形成具有超晶格层压体的缓冲层时的翘曲，以便抑制器件形成过程中的破裂。本发明人发现，该目的可利用下述结构来实现，从而完成本发明。
[0016]基于上述发现实现本发明，并且其主要特征如下。
[0017](I) 一种第III族氮化物外延基板，其包括:Si基板；与Si基板接触的初始层；和形成于初始层上的超晶格层压体，所述超晶格层压体包括多组如下的层压体:各所述层压体顺次包括由Al组成比大于0.5且I以下的AlGaN制成的第一层和由Al组成比大于O且0.5以下的AlGaN制成的第二层，其中第二层的Al组成比随着远离基板而逐渐降低。
[0018](2)根据⑴所述的第III族氮化物外延基板，其中超晶格层压体包括多个超晶格层，各所述超晶格层包括多组的第一层和由具有恒定Al组成比的AlGaN制成的第二层，所述第一层和所述第二层交替堆叠，和随着超晶格层的位置距离Si基板越远，所述超晶格层压体中的各超晶格层的第二层的Al组成比越小。
[0019](3)根据(I)或⑵所述的第III族氮化物外延基板，其中离Si基板最近的第二层的Al组成比与离Si基板最远的第二层的Al组成比之差为0.02以上。
[0020](4)根据(I)至(3)任一项所述的第III族氮化物外延基板，其中所述第一层为A1N。
[0021](5)根据⑴至(4)任一项所述的第III族氮化物外延基板，其中所述初始层包括AlN层和在AlN层上的AlGaN层，并且在初始层中的AlGaN层的Al组成比大于在第二层中离基板最近的AlGaN层的Al组成比。
[0022](6)根据⑴至(5)任一项所述的第III族氮化物外延基板，其进一步包括通过在超晶格层压体上外延生长至少包括GaN层的第III族氮化物层所形成的主层压体。
[0023](7)根据(I)至(6)任一项所述的第III族氮化物外延基板，其中在超晶格层压体作为最上层的状态下，下侧产生凸起的翘曲量为130 μ m以下。[0024](8) 一种第III族氮化物外延基板的制造方法，其包括:第一步，在Si基板上形成与Si基板接触的初始层；和第二步，在初始层上形成超晶格层压体，所述超晶格层压体包括多组如下的层压体:各所述层压体顺次包括由Al组成比大于0.5且I以下的AlGaN制成的第一层和由Al组成比大于O且0.5以下的AlGaN制成的第二层，其中在第二步中，使所述第二层的Al组成比随着远离基板而逐渐降低。
[0025]发明的效果
[0026]根据本发明，通过第二层的Al组成比随着远离基板而逐渐降低，可抑制超晶格层压体形成之后和主层压体形成之前的基板的翘曲。结果，可抑制器件形成过程中的破裂的产生。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]下文将参考附图进一步描述本发明，其中:
[0028]图1为根据本发明的第III族氮化物外延基板10的示意性截面图；和
[0029]图2为根据本发明的另一第III族氮化物外延基板20的示意性截面图。
【具体实施方式】
[0030]以下参考附图更详细地描述本发明。注意，在本公开中，当本发明实施方案的两个第III族氮化物外延基板共享相同的结构组件时，一般设定末尾数字相同的附图标记，且省略说明。此外，为便于说明，将基板的示意性截面图沿厚度方向放大。
[0031](实施方案1:第III族氮化物外延基板10)
[0032]如图1所示，作为本发明实施方案的第III族氮化物外延基板10包括Si基板11和形成于Si基板11上的缓冲层12。还可设置通过在缓冲层12上外延生长的第III族氮化物层形成的主层压体13。缓冲层12包括与Si基板11接触的初始层14，和形成于初始层14上的超晶格层压体15，所述超晶格层压体15包括多组如下的层压体:各所述层压体顺次包括由Al组成比大于0.5且I以下的AlGaN制成的第一层和由Al组成比大于O且0.5以下的AlGaN制成的第二层。在本实施方案中，超晶格层压体15包括两个超晶格层:第一超晶格层15A和第二超晶格层15B。第一超晶格层15A包括，例如多组的由AlN制成的第一层15A1和由恒定的Al组成比0.10的AlaiGaa9N制成的第二层15A2，第一层15A1和第二层15A2交替堆叠。第二超晶格层15B包括，例如多组的由AlN制成的第一层15B1和由恒定的Al组成比0.05的Alatl5Gaa95N制成的第二层15B2，第一层15B1和第二层15B2交替堆叠。
[0033]Si基板11为Si单晶基板。面方向不特别限定，并可使用(111)、(100)或(110)面等。然而，为了生长第III族氮化物的(0001)面，优选(110)和(111)面。此外，为了实现具有良好表面平坦性的生长，优选使用(111)面。可使用P型或η型传导型(conductivity),可适用0.001 Ω.cm-ΙΟΟΟΟΟΩ.αιι的任何电阻率。出于除了控制导电性以外的目的，Si基板还可包含杂质(C、0、N和Ge等)。基板的厚度考虑在各层外延生长后的翘曲量等而适当设定，并例如在500 μ m-2000 μ m的范围内。
[0034]用于形成初始层14的典型材料包括AlGaN和A1N。特别地，使用AlN层用于初始层14与基板接触的部分抑制与Si基板11的反应并改善纵向耐压(withstand voltage)。初始层14不必具有沿厚度方向的均一组成，当其与基板接触的部分为AlN层时，初始层14可为具有例如通过在AlN层上形成AlGaN层的不同组成的多层的层压体，或其组成可渐变。在AlN与Si单晶基板之间的界面部分处可插入Si的氮化物、氧化物或碳化物等的薄膜，或通过AlN与此类膜反应获得的薄膜。此外，对于初始层14，例如可以以不损害结晶品质的厚度形成无定形层或多晶层例如低温缓冲层。初始层14的厚度例如在10nm-500nm的范围内。原因是:当厚度小于IOnm时，由于作为上层原料的一部分的Ga与Si基板反应可能产生缺陷，而当厚度超过500nm时，裂纹可在初始层形成时产生。
[0035]在本实施方案中，第一超晶格层15A中第二层15A2的Al组成比为0.1，第二超晶格层15B中第二层15B2的Al组成比为0.05。因此，典型特征在于，第二层的Al组成比随着远离Si基板11而降低。本发明人发现，在此类具有高Al组成比的AlGaN层(包括AlN)和低Al组成比的AlGaN层的超晶格层压体中，使低Al组成比的AlGaN层的Al组成比随着远离基板而降低可抑制在已形成超晶格层压体15的状态下的基板的翘曲，即可抑制在超晶格层压体15作为最上层的状态下的翘曲。结果，在随后由氮化物半导体层形成主层压体，然后进行器件形成过程之后的阶段，可抑制基板中的破裂的产生。
[0036]本发明不拘泥于理论，然而上述效果被认为是由于例如下述那些作用所实现的。具体地，由于形成超晶格层压体的第III族氮化物半导体的热膨胀系数远远大于Si基板的热膨胀系数，但在Si基板上生长超晶格层压体时，在从高温生长过程冷却至室温的过程中，在超晶格层压体中产生大的拉伸应变。由此，力沿着使Si基板侧凸起的基板翘曲的方向起作用。下文中，使Si基板侧凸起的翅曲称作“下侧产生凸起的翅曲(warpage yieldinga convex upper side) ”,相反地,使超晶格层压体侧凸起的翅曲称作“上侧产生凸起的翅曲”。由于AlGaN的Al组成比降低，材料本身固有的晶格常数已变大。因此，如在本发明中，当第二层的Al组成比随着远离基板而降低时，则随着第二层距离基板更远，即，更接近于上侧，在该第二层下方存在更多的具有较小的晶格常数(晶格常数的差大)的层。在生长期间，面内晶格由此在收缩的同时生长。结果，在超晶格层压体的生长期间(高温状态下)，在上侧的第二层中的膜内压缩应力的作用不断增加，膜试图膨胀。因此，力作用于基板，从而引起上侧产生凸起的翘曲。因而，认为在高温状态期间用于上侧产生凸起的翘曲的力(压缩应力)与冷却过程中用于下侧产生凸起的翘曲的力(拉伸应力)相互抵消，抑制了在已形成超晶格层压体15的状态下的基板的翘曲。认为如果第二超晶格层15B中第二层15B2的Al组成比也为0.1，则高温状态下的压缩应力将不足，引起大量拉伸应力残留在已形成超晶格层压体15的状态下的基板中并导致在下侧的大的翘曲。
[0037]当拉伸应力残留在超晶格层压体中时，即使翘曲在形成主层压体之后受到抑制，主层压体的压缩应力和超晶格层压体的拉伸应力简单地相互抵消，大的拉伸应力仍作用于超晶格层压体。因此，在器件形成过程中，如果例如通过蚀刻主层压体而使主层压体的膜厚度局部降低，则力的平衡在该部分局部地劣化，并且认为以该部分为起点产生破裂。然而，根据本发明，超晶格层压体中的拉伸应力降低，因而不会产生此类破裂的起点，以至于可抑制器件形成过程中的破裂。
[0038]主层压体13通过在缓冲层12上外延生长至少包括GaN的第III族氮化物层来形成。在本实施方案中，主层压体13包括由GaN制成并形成于第二超晶格层15B上的沟道层16，和具有比沟道层大的带隙且形成于沟道层16上的由AlGaN制成的电子供给层17。为了避免在2D电子气体产生的部分的合金散布，如本实施方案所述，主层压体13中的GaN层优选位于离电子供给层17的最远的位置。直接在超晶格层压体15上方的层优选具有比超晶格层压体15中最上方的第二层低的Al组成的GaN或AlGaN，以使压缩应力进入该层。在本发明中，主层压体13的厚度优选在0.1 μ m-5 μ m的范围内。原因是:当厚度小于0.1ym时，可产生诸如凹点(pit)等缺陷，而当厚度超过5μπι时，在主层压体13中可能产生裂纹。沟道层16和电子供给层17的厚度可根据器件设计而适当设定。
[0039]本实施方案的第III族氮化物外延基板10可用于任何电子器件，并特别优选用于高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor, HEMT)。
[0040]根据本发明的第III族氮化物外延基板10的器件形成的过程的实例包括在基板10上形成电极的过程、通过蚀刻形成沟以用于使氮化物半导体层单片化的过程、形成表面钝化膜的过程和分离元件的过程等。在各过程中输送元件。
[0041](实施方案2:第III族氮化物外延基板20)
[0042]如图2所述，为本发明另一实施方案的第III族氮化物外延基板20包括Si基板21和形成于Si基板21上的缓冲层22。还可设置通过在缓冲层22上外延生长第III族氮化物层所形成的主层压体23。缓冲层22包括与Si基板11接触的初始层24，和形成于初始层24上的超晶格层压体25，所述超晶格层压体25包括多组如下的层压体:各所述层压体顺次包括由Al组成比大于0.5且I以下的AlGaN制成的第一层和由Al组成比大于O且0.5以下的AlGaN制成的第二层。在本实施方案中，超晶格层压体25包括5个超晶格层:第一超晶格层25A、第二超晶格层25B、第三超晶格层25C、第四超晶格层2?和第五超晶格层25E。第一超晶格层25A包括，例如多组的由AlN制成的第一层25A1和由恒定的Al组成比0.10的Ala Aaa9N制成的第二层25A2，第一层25A1和第二层25A2交替堆叠。第二超晶格层25B包括，例如多组的由AlN制成的第一层25B1和由恒定的Al组成比0.08的Alatl8Gaa92N制成的第二层25B2，第一层25B1和第二层25B2交替堆叠。第三超晶格层25C包括，例如多组的由AlN制成的第一层25C1和由恒定的Al组成比0.06的Ala06Gaa94N制成的第二层25C2，第一层25C1和第二层25C2交替堆叠。第四超晶格层2?包括，例如多组的由AlN制成的第一层25D1和由恒定的Al组成比0.04的Alatl4Gaa96N制成的第二层25D2,第一层25D1和第二层25D2交替堆叠。第五超晶格层25E包括，例如多组的由AlN制成的第一层25E1和由恒定的Al组成比0.02的Alatl2Gaa98N制成的第二层25E2，第一层25E1和第二层25E2交替堆叠。
[0043]同样在本实施方案中，超晶格层25A至25E中第二层25A2至25E2的Al组成比随着远离Si基板21而降低如下:0.10>0.08>0.06>0.04>0.02。如在实施方案I中所述，可抑制在已形成超晶格层压体25的状态下的基板的翘曲。
[0044]Si基板21、初始层24、沟道层26和电子供给层27与实施方案I类似。
[0045](其它实施方案)
[0046]所有上述为典型实施方案的实例。本发明决不限于这些实施方案并且例如还包括诸如下述的实施方案。
[0047]在实施方案I和2的超晶格层压体15和25中，示出其中设置多个超晶格层的实例。在各超晶格层中，第一层为A1N，在各超晶格层中由AlGaN制成的第二层的恒定Al组成比随着远离基板而降低。然而，可将下述例如用作超晶格层压体中Al组成比的修改。[0048]例如，在通过多组的由AlN制成的第一层和由AlGaN制成的第二层形成的超晶格层压体中，第一层和第二层交替堆叠，第二层的Al组成比可随着远离基板而逐渐降低。在本文中，“逐渐降低”是指连续或梯段地降低，除了由于如上所述多个超晶格层造成的第二层的Al组成比梯段地降低的情况以外，该术语包括某一第二层的Al组成比与其间隔着第一层相邻的第二层的Al组成比连续降低的情况。在其中第二层连续降低的这种情况下，显然也实现实施方案I中所述的效果。
[0049]在本发明中，第二层由Al组成比大于O且0.5以下的AlGaN制成，第一层由Al组成比大于0.5且I以下的AlGaN制成。因此，每个第二层具有比第一层低的Al组成比，无论第二层是否接近于或远离元件。因此，在本发明中，第一层的组成(实施方案I和2中的AlN)不需要在离元件的任意距离处是相同的，多个第一层中的组成可在大于0.5且I以下的范围内变化。
[0050]然而，在本发明中，如实施方案I和2所示，所有第一层优选由AlN制成。原因是:与相邻的第二层的Al组成比之差由此被最大化，从而使应变缓冲效果最大化。
[0051]在本发明中，第二层不特别限定，只要第二层为Al组成比大于O且0.5以下的AlGaN即可。然而，在第二层中，离Si基板最近的AlGaN层的Al组成比X优选在0.08-0.5的范围内。原因是:当X小于0.08时,可能不能保证足够的纵向耐压,而当X超过0.5时，应变缓冲效果变得不足，并可在超晶格层压体中产生裂纹。
[0052]在本发明中，在第二层中离Si基板最远的AlGaN层的Al组成比Y从未变为O。换言之，第二层决不由GaN制成。原因是:如果第二层由GaN制成，元件的纵向耐压不能充分保证。此外，如果纵向耐压特别重要，则从保证元件的纵向耐压的角度，Y优选0.05以上。
[0053]在本发明中，关于在第二层中离Si基板最近的AlGaN层的Al组成比X与在第二层中离Si基板最远的AlGaN层的Al组成比Y之间的关系，差(X-Y)优选0.02以上。原因是:如果差小于0.02，则抑制翘曲的效果可能不足。此外，差(X-Y)优选0.45以下，更优选0.2以下。
[0054]当初始层14包括AlN层和在AlN层上的AlGaN层时，初始层14中的AlGaN层的Al组成比Z优选大于在第二层中离Si基板最近的AlGaN层的Al组成比X。原因是:通过设定Z>X，可抑制超晶格层的拉伸应力，并且可抑制超晶格层压体中的裂纹的产生。
[0055]在本说明书中，形成缓冲层的“AlGaN”可包括总计1%以下的其它第III族元素B和/或In。此外，可包括例如S1、H、O、C、Mg、As和P等的微量杂质。形成主层压体的GaN和AlGaN可类似地包括总计1%以下的其它第III族元素。
[0056]在本发明中，超晶格层压体中的一组层压体(实施方案I和2中的第一层和第二层)的厚度因为组成的组合适当设定，并可例如为约lnm-100nm。第一层的厚度可设定为
0.5nm-200nm,第二层的厚度可设定为0.5nm_100nm。
[0057]在本发明中，超晶格层压体中层压体(第一层和第二层)的组数根据所需耐压来适当设定，并可为例如40-300组。此外，全体超晶格层压体的厚度优选Iym以上。原因是:当厚度为Ium以上时，在膜内产生的应力的总和变得足够大，因而充分实现本发明的效果。
[0058](第III族氮化物外延基板的制造方法)
[0059]接下来，描述根据本发明的第III族氮化物外延基板的制造方法的实施方案。根据本发明的第III族氮化物外延基板的制造方法包括，例如如图1所示，第一步，在Si基板11上形成与Si基板11接触的初始层14，和第二步，在初始层14上形成超晶格层压体15，所述超晶格层压体15包括多组如下的层压体:各所述层压体顺次包括由Al组成比大于0.5且I以下的AlGaN制成的第一层15A1 (15B1)和由Al组成比大于O且0.5以下的AlGaN制成的第二层15A2(15B2)。在第二步中，使第二层的Al组成比在第二超晶格层15B中比在第一超晶格层15A中降低得多，即随着远离Si基板11而逐渐降低。结果，可抑制在已形成超晶格层压体15的状态下的基板的翘曲，并且在随后由氮化物半导体层形成主层压体，然后进行器件形成过程之后的阶段，可抑制破裂的产生。
[0060]公知的方法，例如MOCVD或MBE等，可用作本发明中各层的外延生长的方法。当形成AlGaN时的原料气体的实例包括TMA(三甲基铝)、TMG(三甲基镓)和氨。膜中的Al组成比可通过控制TMA和TMG的混合比来控制。外延生长后的Al组成比和膜厚度还可使用公知的方法如TEM-EDS来评价。
[0061 ] 接下来，利用实施例进一步详细描述本发明，然而本发明决不受限于下述实施例。
[0062]实施例
[0063](实施例1)
[0064]在6英寸(Ill)P-型Si单晶基板(B-掺杂，比电阻:0.02 Ω.cm，厚度:625 μ m)上，其中AlN(厚度:120nm)和Ala3Gaa7N(厚度:50nm)顺次堆叠的初始层形成为缓冲层。随后，在初始层上，外延生长具有50组交替堆叠的AlN(厚度:4.5nm)和Ala Aaa9N(厚度:2Inm)的第一超晶格层和具有50组交替堆叠的A1N(厚度:4.5nm)和Al0.05Ga0.95N(厚度:2Inm)的第二超晶格层，从而产生超晶格层压体。随后，在超晶格层压体上，外延生长GaN沟道层(厚度:1.2 μ m)和Ala25Gaa75N电子供给层(厚度:30nm)，从而生产如实施方案I中的具有HEMT结构的第III族氮化物外延基板。该沟道层和电子供给层的组合称作“半导体层I”。作为生长方法，使用利用TMA(三甲基铝)、TMG(三甲基镓)和氨作为原料的M0CVD。氮气和氢气作为载气。各层的生长条件(压力和温度)在每一个情况下均设定为20kPa、1000°C和2000的V/III比。当生长`第二层时有机金属气体的供给量调整为与第一超晶格层和第二超晶格层各自的膜组成相同的摩尔比。
[0065]除了代替半导体层I，通过外延生长AlaCl2Gaa98N(厚度= IymhGaN沟道层(厚度:50nm)和Ala25Gaa75N电子供给层(厚度:30nm)来形成半导体层2以外，以如上所述类似的方式生产第III族氮化物外延基板。
[0066]此外，除了代替半导体层I，通过外延生长Alai5Gaa85N (厚度:1μπι)、GaN沟道层(厚度:20nm)和Ala25Gaa75N电子供给层(厚度:30nm)来形成半导体层3以外，以如上所述类似的方式生产第III族氮化物外延基板。
[0067](实施例2)
[0068]除了通过顺次外延生长具有20组交替堆叠的AlN (厚度:4.5nm)和Ala ^aa9N (厚度:21nm)的第一超晶格层、具有20组交替堆叠的AlN(厚度:4.5nm)和AlaCl8Gaa92N(厚度:21nm)的第二超晶格层、具有20组交替堆叠的AlN(厚度:4.5nm)和Ala^5Gaa94N(厚度:21nm)的第三超晶格层、具有20组交替堆叠的AlN(厚度:4.5nm)和AlaCl4Gaa96N(厚度:2Inm)的第四超晶格层和具有20组交替堆叠的A1N(厚度:4.5nm)和Al0.02Ga0.98N(厚度:2Inm)的第五超晶格层来生产超晶格层压体以外，以与实施例1类似的方式生产如实施方案2中的具有HEMT结构的三类第III族氮化物外延基板。生长温度和生长压力与实施例1的那些类似，通过适当控制TMA和TMG的混合比来进行第二层中Al组成比的控制。下述实施例和比较例同样如此。
[0069](实施例3)
[0070]除了通过顺次外延生长具有20组交替堆叠的A1N(厚度:4.5nm)和Alai4Gaa86N(厚度:21nm)的第一超晶格层、具有20组交替堆叠的AlN(厚度:4.5nm)和Alai3Gaa87N(厚度:21nm)的第二超晶格层、具有20组交替堆叠的AlN(厚度:4.5nm)和Alai2Gaa88N(厚度:21nm)的第三超晶格层、具有20组交替堆叠的AlN(厚度:4.5nm)和AlaHGaa89N(厚度:21nm)的第四超晶格层和具有20组交替堆叠的AlN(厚度:4.5nm)和Al0.Λ.90N(厚度:21nm)的第五超晶格层来生产超晶格层压体以外，以与实施例1类似的方式生产具有HEMT结构的三类第III族氮化物外延基板。
[0071](比较例I)
[0072]除了通过外延生长100组交替堆叠的AlN(厚度:4.5nm)和Al。.^aa9N(厚度:2Inm)来生产超晶格层压体以外，以与实施例1类似的方式生产根据比较例I的具有HEMT结构的三类第III族氮化物外延基板。
[0073](比较例2)
[0074]除了通过外延生长100组交替堆叠的AlN(厚度:4.5nm)和AlaCl5Gaa95N(厚度:2Inm)来生产超晶格层压体以外，以与实施例1类似的方式生产根据比较例2的具有HEMT结构的三类第III族氮化物外延基板。
[0075](比较例3) [0076]除了通过外延生长100组交替堆叠的AlN(厚度:4.5nm)和GaN(厚度:21nm)来生产超晶格层压体以外，以与实施例1类似的方式生产根据比较例3的具有HEMT结构的三类第III族氮化物外延基板。
[0077](比较例4)
[0078]除了通过顺次外延生长具有50组交替堆叠的A1N(厚度:4.5nm)和Al0.05Ga0.95N(厚度:21nm)的第一超晶格层和具有50组交替堆叠的A1N(厚度:4.5nm)和Ala Aaa9N(厚度:21nm)的第二超晶格层来生产超晶格层压体以外，以与实施例1类似的方式生产根据比较例4的具有HEMT结构的三类第III族氮化物外延基板。
[0079](评价1:基板翘曲的测量)
[0080]使用翘曲测量装置(FT-900，由Nidek C0.，Ltd.生产)，基于光学干涉方法，在形成超晶格层压体之后和形成半导体层之前，根据SEMI标准测量基板的翘曲A。表1列出测量结果。本发明的“翘曲量”是指根据SEMI标准测量的量。形成三类半导体层之后的翘曲B也用相同的方法测量并列于表1。注意，在表1中，下侧产生凸起的翘曲表示用负号表示，上侧产生凸起的翘曲由正号“ + ”表示。
[0081](评价2:器件过程中破裂的测量)
[0082]制备10个实施例和比较例基板，并对这些基板进行下述器件形成过程。首先，在基板上形成电极，然后通过蚀刻形成沟用于使氮化物半导体层单片化。试验各实施例和比较例的10个基板来确定其中产生破裂的数量。表1列出试验结果。
[0083](评价3:纵向耐压的测量)[0084]在电极供给层上形成80 μ m具有Ti/Au层状结构的欧姆电极，并在欧姆电极外侧蚀刻至50nm的厚度后，使Si基板的背面与金属板接地，测量相对于电压流经电极之间的电流值。在这点上，为了抑制空气中的放电，使用绝缘油以使电极之间的绝缘。此外，为了消除向基板背面漏电(leakage)的影响，在基板下方设置绝缘板。在本实验例中，纵向耐压设定为沿纵向的电流值当转换为对于欧姆电极面积的每单位面积的值时达到10_4A/Cm2时的电压。
[0085][表 I]
[0086]
【权利要求】
1.一种第III族氮化物外延基板，其包括: Si基板； 与所述Si基板接触的初始层；和 形成于所述初始层上的超晶格层压体，所述超晶格层压体包括多组如下的层压体:各所述层压体顺次包括由Al组成比大于0.5且I以下的AlGaN制成的第一层和由Al组成比大于O且0.5以下的AlGaN制成的第二层，其中 所述第二层的Al组成比随着远离所述Si基板而逐渐降低。
2.根据权利要求1所述的第III族氮化物外延基板，其中 所述超晶格层压体包括多个超晶格层，各所述超晶格层包含多组的所述第一层和由具有恒定Al组成比的AlGaN制成的第二层，所述第一层和所述第二层交替堆叠，和 随着所述超晶格层的位置距离所述Si基板越远，所述超晶格层压体中的各超晶格层的第二层的Al组成比越小。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的第III族氮化物外延基板，其中离所述Si基板最近的第二层的Al组成比与离所述Si基板最远的第二层的Al组成比之差为0.02以上。
4.根据权利要求1至3任一项所述的第III族氮化物外延基板，其中所述第一层为A1N。
5.根据权利要求1至4任一项所述的第III族氮化物外延基板，其中所述初始层包括AlN层和所述AlN层上的AlGaN层，和在所述初始层中的所述AlGaN层的Al组成比大于在所述第二层中离所述基板最近的AlGaN层的Al组成比。
6.根据权利要求1至5任一项所述的第III族氮化物外延基板，其进一步包括通过在所述超晶格层压体上外延生长至少包括GaN层的第III族氮化物层所形成的主层压体。
7.根据权利要求1至6任一项所述的第III族氮化物外延基板，其中在所述超晶格层压体作为最上层的状态下，下侧产生凸起的翘曲量为130 μ m以下。
8.—种第III族氮化物外延基板的制造方法，其包括: 第一步，在Si基板上形成与所述Si基板接触的初始层；和 第二步，在所述初始层上形成超晶格层压体，所述超晶格层压体包括多组如下的层压体:各所述层压体顺次包括由Al组成比大于0.5且I以下的AlGaN制成的第一层和由Al组成比大于O且0.5以下的AlGaN制成的第二层，其中 在所述第二步中，使所述第二层的Al组成比随着远离所述基板而逐渐降低。
【文档编号】H01L29/812GK103782375SQ201280044074
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年7月11日 优先权日:2011年7月11日
【发明者】生田哲也, 柴田智彦 申请人:同和电子科技有限公司