氮化物半导体层叠体及其制造方法以及氮化物半导体器件的制作方法

氮化物半导体层叠体及其制造方法以及氮化物半导体器件的制作方法
【专利摘要】氮化物半导体层叠体包括：将从(111)面以0度以上4.0度以下的偏离角倾斜的面作为主面的Si衬底(101、201、301、401、1101)；和形成在Si衬底(101、201、301、401、1101)上的氮化物半导体层(110、210、310、410、1102、1103、1104、1105、1106、1107)。
【专利说明】
氮化物半导体层叠体及其制造方法从及氮化物半导体器件
技术领域
[0001 ]本发明设及氮化物半导体层叠体及其制造方法W及氮化物半导体器件。
【背景技术】
[0002] 氮化物半导体由通式InxA；LyGal-x-yN(0<x。、0<y。、0<x+y。）表示。该氮化 物半导体根据其组分的不同能够使带隙在1.95eV~6eV的范围内变化，因此作为从紫外线 区到红外线区的宽波长范围的发光器件的材料被研究开发而被实际使用。
[0003] 此外，使用了氮化物半导体的控制器件被用于高频且高功率地动作的功率元件 等，其中，作为适于高频波段中的增幅的控制器件，已知例如高电子迁移率场效应晶体管 化EMT)等的阳T。
[0004] 作为W往的氮化物半导体层叠体，有记载于日本特开2008-166349号公报(专利文 献1)中的层叠体。该W往的氮化物半导体层叠体在Si衬底上依次外延生长作为阻挡层的 AlN层、使Al组分在层厚方向上变化的作为缓冲层的AlGaN层和GaN层。
[0005] 上述现有的氮化物半导体层叠体中，由于S巧日Ga容易反应，因此在Si衬底与GaN层 之间作为阻挡层设置有AlN层，但在AlN层上使GaN层直接生长时，反而容易产生裂缝，不能 得到良好的GaN层。因此，在AlN层与GaN层之间，夹着使Al组分在层厚方向上变化的AlGaN 层。
[0006] 现有技术文献
[0007] 专利文献
[000引专利文献1:日本特开2008-166349号公报

【发明内容】

[0009] 发明要解决的技术问题
[0010] 可是，在上述现有的氮化物半导体层叠体中，存在W下问题：由于在2DEG层(2维电 子气体层)附近产生的电子的迁移率小，因此在施加电压时产生被耗尽的区域，导通电阻增 加运样的问题。
[0011] 于是，本发明的目的在于提供使在2DEG层附近产生的电子的迁移率提高从而能够 抑制导通电阻的增加的氮化物半导体器件。
[0012] 解决技术问题的技术手段
[0013] 为了解决上述技术问题，本发明的氮化物半导体层叠体的特征在于，包括:将从 (111)面WO度W上4.0度W下的偏离角(off angle)倾斜的面作为主面的Si衬底;和形成在 上述Si衬底之上的氮化物半导体层。
[0014] 另外，在本说明书中，氮化物半导体是指例如GaN、AlN、AlGaN、InGaN等，更加详细 而言，是指用通式IrixAlyGai-x-yN(0 <x^、0<y^、0< x+y。）表示的半导体。
[001引发明效果
[0016]根据本发明，能够提高在2DEG层附近产生的电子的迁移率，因此能够抑制氮化物 半导体器件的导通电阻的增加，减少电流崩塌。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明第一实施方式的氮化物半导体层叠体的示意剖面图。
[0018] 图2是本发明第二实施方式的氮化物半导体层叠体的示意剖面图。
[0019] 图3是本发明第=实施方式的氮化物半导体层叠体的示意剖面图。
[0020] 图4是本发明第四实施方式的氮化物半导体层叠体的示意剖面图。
[0021] 图5是本发明第五实施方式的氮化物半导体器件的剖面示意图。
[0022] 图6是上述氮化物半导体器件的俯视示意图。
[0023] 图7是图6的俯视示意图的放大图。
[0024] 图8是表示上述氮化物半导体器件的Si原子层台阶的示意图。
【具体实施方式】
[0025] W下，利用图示的实施方式对本发明进行详细说明。
[0026] (第一实施方式）
[0027] 图1示出本发明第一实施方式的氮化物半导体层叠体的示意剖面图。如图1所示， 该第一实施方式的氮化物半导体层叠体包括Si衬底101和形成在该Si衬底101上的氮化物 半导体层110。在Si衬底101的主面上形成有AlN缓冲层102。
[00%] Si衬底101的主面是从（111)面向（Oll)方向Wo.8度W上且2.7度W下的偏离角度 倾斜的面。此外，Si衬底101的表面被凹凸加工，使得上述主面存在于上述表面的区域中的 30%的区域。
[00巧]AlN缓冲层102是(0002)面的X射线衍射的摇摆曲线的半高宽为1900arcsec的AlN 层。
[0030] 在AlN缓冲层102上形成有AlGaN-I层103、AlGaN-2层104和AlGaN-3层105依次层叠 而得到的AlGaN缓冲层106。在该AlGaN缓冲层106上形成有GaN层107,在GaN层107上形成有 AlGaN阻挡层108。运些AlN缓冲层102、AlGaN缓冲层106、GaN层107和AlGaN阻挡层108构成氮 化物半导体层110。
[0031] 接着，W下对上述氮化物半导体层叠体的制造方法进行说明。
[0032] 首先，利用稀释氨氣酸来除去Si衬底101的表面氧化膜。
[0033] 接着，将Si衬底 101 导入到M0CVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition: 有机金属气相沉积)装置的反应器内。然后，在使Si衬底101的溫度升溫到iioor之后，供给 畑3(氨)和TMA(S甲基侣），通过外延生长，在Si衬底101的主面W生长速度400皿Ar形成厚 ISOnm的AlN缓冲层102。
[0034] 接着，将Si衬底101的溫度保持在1100°C，供给N曲、TMA和TMG(S甲基嫁），通过外 延生长，在AlN缓冲层102上依次形成厚200nm的AlGaN-I层103、厚300nm的AlGaN-2层104和 厚400nm的AlGaN-3层IOSnAlGaN缓冲层106的Al组分比为50%。
[00巧]接着，将Si衬底101的溫度保持在Iiocrc，供给N曲和TMG，通过外延生长，在AlGaN 缓冲层106上形成厚1000 nm的GaN层107。
[0036] 接着，使Si衬底101的溫度为1050°C，供给畑3、TMA和TMG，通过外延生长，在GaN层 107上形成厚30nm的AlGaN阻挡层108。
[0037] 像运样，制造上述第一实施方式的氮化物半导体层叠体。
[0038] 接着，制造作为本发明第一实施方式的氮化物半导体层叠体的样品的实施例1-1 ~实施例1-5和作为上述第一实施方式的比较例的样品的比较例1-1~比较例1-3运8种样 品。
[00例（实施例1-1)
[0040]作为Si衬底101，准备4块将从(111)面向（Oll)方向Wo.8度~1.1度的偏离角度倾 斜的面作为主面的Si衬底。在各Si衬底101上利用上述第一实施方式的制造方法形成氮化 物半导体层，制造氮化物半导体层叠体的样品。
[OOW (实施例1-2)
[0042]作为Si衬底101，准备4块将从(111)面向（Oll)方向Wl. 2度~1.5度的偏离角度倾 斜的面作为主面的Si衬底。在各Si衬底101上利用上述第一实施方式的制造方法形成氮化 物半导体层，制造氮化物半导体层叠体的样品。像运样，在实施例1-2中，除了Si衬底101的 偏离角度与实施例1-1不同之外，与实施例1-1的氮化物半导体层叠体相同。
[00创（实施例1-3)
[0044] 作为Si衬底101，准备4块将从(111)面向（Oll)方向Wl.6度~1.9度的偏离角度倾 斜的面作为主面的Si衬底。在各Si衬底101上利用上述第一实施方式的制造方法形成氮化 物半导体层，制造氮化物半导体层叠体的样品。运样，在实施例1-3中，除了Si衬底101的偏 离角度与实施例1-1不同W外，与实施例1-1的氮化物半导体层叠体相同。
[0045] (实施例1-4)
[0046] 作为Si衬底101，准备4块将从(111)面向（Oll)方向W2.0度~2.3度的偏离角度倾 斜的面作为主面的Si衬底。在各Si衬底101上利用上述第一实施方式的制造方法形成氮化 物半导体层，制造氮化物半导体层叠体的样品。运样，在实施例1-4中，除了Si衬底101的偏 离角度与实施例1-1不同W外，与实施例1-1的氮化物半导体层叠体相同。
[0047] (实施例1-5)
[004引作为Si衬底101，准备4块将从(111)面向（Oll)方向W2.4度~2.7度的偏离角度倾 斜的面作为主面的Si衬底。在各Si衬底101上利用上述第一实施方式的制造方法形成氮化 物半导体层，制造氮化物半导体层叠体的样品。运样，在实施例1-5中，除了Si衬底101的偏 离角度与实施例1-1不同W外，与实施例1-1的氮化物半导体层叠体相同。
[00例（比较例1-1)
[0050]作为Si衬底101，准备4块将从(111)面向（Oll)方向Wo.5度~0.7度的偏离角度倾 斜的面作为主面的Si衬底。在各Si衬底101上利用上述第一实施方式的制造方法形成氮化 物半导体层，制造氮化物半导体层叠体的样品。运样，在比较例1-1中，除了Si衬底101的偏 离角度与实施例1-1不同W外，与实施例1-1的氮化物半导体层叠体相同。
[00引](比较例1-2)
[0052]作为Si衬底101，准备4块将从(111)面向（Oll)方向W2.8度~3.1度的偏离角度倾 斜的面作为主面的Si衬底。在各Si衬底101上利用上述第一实施方式的制造方法形成氮化 物半导体层，制造氮化物半导体层叠体的样品。运样，在比较例1-2中，除了Si衬底101的偏 离角度与实施例1-1不同W外，与实施例1-1的氮化物半导体层叠体相同。
[00对（比较例1-3)
[0054] 作为Si衬底101，准备4块将从(111)面向（oil)方向W3.2度~3.5度的偏离角度倾 斜的面作为主面的Si衬底。在各Si衬底101上利用上述第一实施方式的制造方法形成氮化 物半导体层，制造氮化物半导体层叠体的样品。运样，在比较例1-3中，除了Si衬底101的偏 离角度与实施例1-1不同W外，与实施例1-1的氮化物半导体层叠体相同。
[0055] 对于实施例1-1~实施例1-5和比较例1-1~比较例1-3的各样品，使用AFMUtomic Force Microscope:原子力显微镜)算出每100皿X 100皿的区域的表面平坦性，示于表1。运 里，上述表面平坦性是将上述区域的表面中的凸部的最大高度与凹部的最小高度之差平均 而得到的值。
[0化6][表1]
[0化7]
L0058J 如表1所不，实施例1-1~实施例1-5的祥化的表曲平坦性为25.2nmt^h。实施例1-1的样品的平面平坦性为比较例1-1的样品的平面平坦性的约一半。其理由是，与Si衬底的 主面为从（111)面向（Oll)方向W小于0.8度的偏离角度倾斜的面时相比，生长表面的台面 (Terrace)宽度变短。作为生长前的原子、分子的前驱体(precursor)即使在生长溫度比较 低的情况下，迁移的距离短，因此，台阶流动生长变得容易，在台面中途停止，开始进行与台 阶流动不同的结晶方位的核形成的倾向变小。其结果是，抑制小丘状的突起的生长，表面的 凹凸减少。
[0059] 另一方面，比较例1-2的样品的表面平坦性为实施例1-5的样品的表面平坦性的约 3倍。其理由是，Si衬底的主面为从（111)面向（Oll)方向W大于2.7度的偏离角度倾斜的面 时，生长表面的台面宽度变得过短，台阶流动生长过于推进，台阶流动生长与从表面脱离的 原子的平衡崩溃，进行HI族原子进入本来应该V族位点进入的位置等的异常生长。并且，该 异常生长成为小丘状突起的生长等的表面粗糖的主要原因。
[0060] 此外，在制造具有存在包含小丘状突起的凹凸的外延膜的氮化物半导体层叠体的 情况下，在"形成小丘状突起的结晶"与"台阶流动生长区域的结晶"的界面产生逆相位边界 部的移位、由表面的凹凸差导致的光刻等工艺的差异。可W认为，运些与泄漏和面内的不均 匀性等相关联，使氮化物半导体层叠体的性能下降。
[0061] 因此，优选Si衬底101的主面从（111)面起具有0.8度W上2.7度W下的偏离角度。 在此情况下，与偏离角度小于从（111)面起的0.8度时相比，生长表面的台面宽度变短。作为 生长前的原子、分子的前驱体(precursor)在生长溫度比较低的情况下，迁移的距离也短， 因此台阶流动生长变得容易，在台面中途停止，开始进行与台阶流动不同的结晶方位的核 形成的倾向变少。其结果是，能够抑制小丘状突起的生长，能够减少表面的凹凸。
[0062] 此外，与偏离角度大于从（111)面起的2.7度时相比，台面宽度没有过度变短，能够 防止台阶流动生长过于推进，台阶流动生长与从表面脱离的原子的平衡崩溃，III族原子进 入本来应该V族位点进入的位置等的异常生长。其结果是，能够抑制小丘状突起的生长，能 够减少表面的凹凸。
[0063] 此外，在制作具有包含小丘状突起的凹凸少的外延膜的氮化物半导体层叠体时， 能够减少在"形成小丘状突起的结晶"与"台阶流动生长区域的结晶"的界面，逆相位边界部 的移位和由表面的凹凸差导致的光刻等工艺的差异的产生。因此，能够防止泄漏和面内的 不均匀性等。
[0064] 因此，能够提高氮化物半导体层110的表面平坦性，并且能够制造高性能的氮化物 半导体层叠体。
[0065] 此外，进行凹凸加工使得上述Si衬底101的主面存在于上述表面的区域中的30% 的区域。因此，在上述区域，生长表面的台面宽度变短，能够更加可靠地抑制由Si与AlN的晶 格常数差引起的Si衬底101的翅曲，能够抑制对AlN缓冲层102施加变形应力，能够更加可靠 地减少凹陷的产生。因此，能够抑制小丘状突起的生长，能够更加可靠地提高氮化物半导体 层110的表面平坦性，并且能够更加可靠地制造高性能的氮化物半导体层叠体。
[0066] (第二实施方式）
[0067] 接着，说明本发明的第二实施方式的氮化物半导体层叠体。
[0068] 图2示出上述第二实施方式的氮化物半导体层叠体的示意剖面图。如图2所示，该 第二实施方式的氮化物半导体层叠体利用与第一实施方式的制造方法相同的方法形成。 即，在Si衬底201的主面上形成AlN缓冲层202,该AlN缓冲层202是(0002)面的X射线衍射的 摇摆曲线的半高宽为1900arcsec的AlN层。
[0069] 在上述AlN缓冲层202上形成有AlGaN-I层203、AlGaN-2层204和AlGaN-3层205依次 层叠而得到的AlGaN缓冲层206。该AlGaN缓冲层206的Al组分比为50%。
[0070] 在上述AlGaN缓冲层206上形成厚1000 nm的GaN层207,在GaN层207上形成有AlGaN 阻挡层208。运些AlN缓冲层202、AlGaN缓冲层206、GaN层207和AlGaN阻挡层208构成氮化物 半导体层210。
[0071] 接着，制造作为上述第二实施方式的氮化物半导体层叠体的样品的实施例2-1~ 实施例2-4和作为上述第二实施方式的比较例的样品的比较例2-1~比较例2-3运巧巾样品。
[0072] (实施例2-1)
[0073] 作为Si衬底201，准备4块将从（111)面向（Oll)方向W2.0度的偏离角度倾斜的面 作为主面的Si衬底。在各Si衬底201上利用上述制造方法形成氮化物半导体层210,制造氮 化物半导体层叠体的样品。运里，AlN缓冲层202的厚度为50nm。
[0074] (实施例2-2)
[0075] 在实施例2-2中，除了AlN缓冲层202的厚度为IOOnmW外，与实施例2-1的氮化物半 导体层叠体相同。
[0076] (实施例2-3)
[0077] 在实施例2-3中，除了AlN缓冲层202的厚度为ISOnmW外，与实施例2-1的氮化物半 导体层叠体相同。
[007引（实施例2-4)
[0079] 在实施例2-4中，除了AlN缓冲层202的厚度为400nmW外，与实施例2-1的氮化物半 导体层叠体相同。
[0080] (比较例 2_1)
[0081 ]在比较例2-1中，除了AlN缓冲层202的厚度为40nmW外，与实施例2-1的氮化物半 导体层叠体相同。
[0082] (比较例 2_2)
[0083] 在比较例2-2中，除了AlN缓冲层202的厚度为450nmW外，与实施例2-1的氮化物半 导体层叠体相同。
[0084] (比较例 2_3)
[0085] 在比较例2-3中，除了AlN缓冲层202的厚度为SOOnmW外，与实施例2-1的氮化物半 导体层叠体相同。
[00化]利用SEM(Scanning Electron Microscope:扫描型电子显微镜）观察实施例2-1~ 实施例2-4和比较例2-1~比较例2-3的各样品的AlGaN缓冲层206的表面状态。然后，算出 AlGaN缓冲层206表面的每100皿2的区域的凹陷的平均数。将该平均数示于表2。运里，上述 凹陷为上述区域中的直径IOnmW上且50nmW下的尺寸的凹陷。凹陷对于氮化物半导体层叠 体的特性产生泄漏等的不良影响。
[0087][表 2]
[008引
LUUW」如巧2所不，买施例2-1~买施例2-4的梓巧甲的凹階的数重刃1.4个^^ h。与化相 对，比较例2-1的样品中的凹陷的数量为实施例2-1的样品中的凹陷的数量的约20倍，为 25.6个。可W认为其理由是，如果AlN缓冲层202的厚度小于50nm，则AlN缓冲层202不能作为 覆盖层充分发挥功能。因此，AlGaN缓冲层206的外延生长中使用的TMG的Ga与Si衬底201发 生反应，使Si衬底201的表面粗糖，容易发生作为凹陷等的主要产生原因的贯通移位。
[0090] 另一方面，比较例2-2的样品中的凹陷的数量为实施例2-4的样品的凹陷数量的约 10倍，为13.8个。可W认为其理由是，如果AlN缓冲层202的厚度大于400nm，则在AlN缓冲层 202和AlGaN缓冲层206生长期间，Si与AlN的晶格常数差成为主要原因，Si衬底201的翅曲变 大。并且，对AlN缓冲层202和AlGaN缓冲层206施加变形应力，容易在AlN缓冲层202产生凹 陷。
[0091] 因此，优选Si衬底201上的AlN缓冲层202的厚度为50皿W上且为400皿W下。在AlN 缓冲层202的厚度为50nmW上的情况下，AlN缓冲层202作为覆盖层充分发挥功能。因此，在 AlN缓冲层202上层叠 GaN层207时，能够抑制Si与Ga的反应，能够进一步抑制小丘状突起的 生长，并且能够减少成为凹陷产生的主要原因的贯通移位的发生。
[0092] 此外，由于AlN缓冲层202的厚度为400皿W下，因此能够抑制由Si与AlN的晶格常 数差引起的Si衬底201的翅曲，能够减少对AlN缓冲层202施加的变形应力，能够减少AlN缓 冲层202的凹陷的产生。
[0093] (第=实施方式）
[0094] 接着，说明本发明的第=实施方式的氮化物半导体层叠体。
[0095] 图3示出上述第=实施方式的氮化物半导体层叠体的示意剖面图。如图3所示，该 第=实施方式的氮化物半导体层叠体利用与第一实施方式的制造方法相同的方法形成。 良P，在Si衬底301的主面上形成厚ISOnm的AlN缓冲层302,在该AlN缓冲层302上形成有 AlGaN-I层303、AlGaN-2层304和AlGaN-3层305依次层叠而得到的AlGaN缓冲层306。该AlGaN 缓冲层306的Al组分比为50%。
[0096] 在上述AlGaN缓冲层306上形成厚1000 nm的GaN层307,在GaN层307上形成有AlGaN 阻挡层308。运些AlN缓冲层302、AlGaN缓冲层306、GaN层307和AlGaN阻挡层308构成氮化物 丰导体层310。
[0097] 接着，制造作为上述第S实施方式的氮化物半导体层叠体的样品的实施例3-1~ 实施例3-3和作为上述第=实施方式的比较例的样品的比较例3-1运4种样品。
[009引（实施例3-1)
[0099] 作为Si衬底301，准备4块将从（111)面向（Oll)方向W2.0度的偏离角度倾斜的面 作为主面的Si衬底。在各Si衬底301上利用上述制造方法形成氮化物半导体层310,制造氮 化物半导体层叠体的样品。此处，使AlN缓冲层302的生长速度变化，AlN缓冲层302的(0002) 面的X射线衍射的摇摆曲线的半高宽为1900arcsec。
[0100] 另外，AlN缓冲层302的(0002)面的X射线衍射的摇摆曲线的半高宽反映的是，作为 预实验，在Si衬底上分别使生长速度变化，对使层的厚度为18化m的AlN缓冲层生长后的半 导体层叠体进行X射线衍射评价后的结果。
[0101] (实施例3-2)
[0102] 在实施例3-2中，除了AlN缓冲层302的(0002)面的X射线衍射的摇摆曲线的半高宽 为2200arcsecW外，与实施例3-1的氮化物半导体层叠体相同。
[0103] (实施例3-3)
[0104] 在实施例3-3中，除了AlN缓冲层302的(0002)面的X射线衍射的摇摆曲线的半高宽 为2500arcsecW外，与实施例3-1的氮化物半导体层叠体相同。
[0105] (比较例 3_1)
[0106] 在比较例3-1中，除了AlN缓冲层302的(0002)面的X射线衍射的摇摆曲线的半高宽 为2650arcsecW外，与实施例3-1的氮化物半导体层叠体相同。
[0107] 利用SEM对实施例3-1~实施例3-3和比较例3-1的各样品中的AlGaN缓冲层306的 表面状态进行观察。然后，算出AlGaN缓冲层306表面的每100皿 2的区域的上述凹陷的平均 数。将该平均数示于表3中。
[010 引[表 3]
[0109]
[0110] 如表3所示，实施例3-1~实施例3-3的样品的凹陷的数量为1.8个W下。与此相对， 比较例3-1的样品的凹陷的数量为实施例3-3的样品的凹陷的数量的约7倍，为12.3个。可W 认为其理由是，AlN缓冲层302的（0002)面的X射线衍射的摇摆曲线的半高宽大于 2500arcsec，AlN缓冲层302的结晶性差，因此容易产生作为凹陷的主要原因的贯通移位等。
[0111] 因此，优选AlN缓冲层302的（0002 )面的X射线衍射的摇摆曲线的半高宽为 2500a;rcsec W下。在摇摆曲线的半高宽为2500a;rcsec W下的情况下，减少移位的产生，在 AlN缓冲层302上层叠 GaN层307时，能够抑制Si与Ga的反应。此外，摇摆曲线的半高宽为 2500arcsecW下，因此AlN缓冲层302的结晶性良好，能够减少移位的发生，从而减少凹陷的 发生。因此，能够更加可靠地提高氮化物半导体层310的表面平坦性，并且能够更加可靠地 制造高性能的氮化物半导体层叠体。
[0112] (第四实施方式）
[0113] 接着，说明本发明的第四实施方式的氮化物半导体层叠体。
[0114] 图4示出上述第四实施方式的氮化物半导体层叠体的示意剖面图。如图4所示，该 第四实施方式的氮化物半导体层叠体利用与第一实施方式的制造方法相同的方法形成。 良P，在Si衬底401的主面上形成有AlN缓冲层402。
[0115] AlN缓冲层102为(0002)面的X射线衍射的摇摆曲线的半高宽为1900arcsec的AlN 缓冲层。
[0116] 在AlN缓冲层402上形成有AlGaN-I层403、AlGaN-2层404和AlGaN-3层405依次层叠 而得到的AlGaN缓冲层406。在该AlGaN缓冲层406上形成GaN层407，在GaN层407上形成有 AlGaN阻挡层408。运些AlN缓冲层402、AlGaN缓冲层406、GaN层407和AlGaN阻挡层408构成氮 化物半导体层410。
[0117] 接着，W下说明上述第四实施方式的氮化物半导体层叠体的制造方法。
[0118] 首先，与上述第一实施方式的氮化物半导体层叠体的制造方法同样地，在Si衬底 401的主面形成厚180皿的AlN缓冲层402,在该AlN缓冲层402上依次形成厚200皿的AlGaN-I 层403、厚300nm的AlGaN-2层404和厚400nm的AlGaN-3层405。运里，在上述第四实施方式的 氮化物半导体层叠体的制造方法中，AlGaN缓冲层406的Al组分比为20%。
[0119] 接着，将Si衬底401的溫度保持在Iiocrc，供给N曲和TMG，通过外延生长，在AlGaN 缓冲层406上形成厚200nm的GaN层407。
[0120] 接着，将Si衬底401的溫度保持在1100°C，供给畑3、TMG和TMA，通过外延生长，在 GaN层407上形成厚25nm且Al组分比为10%的AlGaN阻挡层408。
[0121] 运样，制造上述第四实施方式的氮化物半导体层叠体。
[0122] 接着，制造作为上述第四实施方式的氮化物半导体层叠体的样品的实施例4-1~ 实施例4-3和作为上述第四实施方式的比较例的样品的比较例4-1~比较例4-3运6种样品。
[0123] (实施例4-1)
[0124] 作为Si衬底401，准备4块将从（111)面向（Oll)方向W2.0度的偏离角度倾斜的面 作为主面的Si衬底。在各Si衬底401上利用上述第四实施方式的制造方法形成氮化物半导 体层410，制造氮化物半导体层叠体的样品。
[0125] (实施例4-2)
[0126] 在实施例4-2中，除了AlGaN缓冲层406的Al组分比为20% W外，与实施例4-1的氮 化物半导体层叠体相同。
[0127] (实施例4-3)
[012引在实施例4-3中，除了AlGaN缓冲层406的Al组分比为30% W外，与实施例4-1的氮 化物半导体层叠体相同。
[0129] (实施例4-4)
[0130] 在实施例4-4中，除了AlGaN缓冲层406的Al组分比为50% W外，与实施例4-1的氮 化物半导体层叠体相同。
[0131] (实施例4-5)
[0132] 在实施例4-5中，除了AlGaN缓冲层406的Al组分比为80% W外，与实施例4-1的氮 化物半导体层叠体相同。
[0133] (比较例4-1)
[0134] 在比较例4-1中，除了AlGaN缓冲层406的Al组分比为7.0 % W外，与实施例4-1的氮 化物半导体层叠体相同。
[0135] (比较例4-2)
[0136] 在比较例4-2中，除了AlGaN缓冲层406的Al组分比为90% W外，与实施例4-1的氮 化物半导体层叠体相同。
[0137] 利用SEM观察实施例4-1~实施例4-3和比较例4-1~比较例4-3的各样品的AlGaN 阻挡层408的表面状态。然后，算出AlGa啡且挡层408表面的每100皿2的区域的上述凹陷的平 均数。将该平均数示于表4。
[013 引[表 4]
[0139]
[0140] 如表4所示，实施例4-1~实施例4-5的样品的凹陷的数量为2.1个W下。与此相对， 比较例4-1的样品的凹陷的数量为实施例4-1的样品的凹陷的数量的约4倍，为8.1个。可W 认为其理由是Al组分低的情况下，与Si或其它层的变形应力的平衡崩溃，因移位而容易产 生凹陷。
[0141] 另一方面，比较例4-2的样品的凹陷的数量为实施例4-5的样品的凹陷的数量的约 6倍，为12.3个。可W认为其理由与上述同样，在Al组分过高的情况下，与Si或其它层的变形 应力的平衡崩溃，因移位而容易产生凹陷。
[0142] 因此，优选AlGaN缓冲层406的Al组分比为10% W上80% W下。在AlGaN缓冲层406 的Al组分比为10% W上的情况下，在AlN缓冲层402上层叠上述AlGaN缓冲层406时，能够抑 制Si与Ga的反应，抑制衬底整体的翅曲。并且，能够减少上述翅曲对氮化物半导体层410施 加的变形应力，能够抑制移位和凹陷的产生。因此，能够抑制小丘状突起的生长，能够更加 可靠地提高氮化物半导体层410的表面平坦性，并且更加可靠地制造高性能的氮化物半导 体层叠体。
[0143] (第五实施方式）
[0144] 本发明的第五实施方式的氮化物半导体层叠体，除了作为Si衬底401使用从（111) 面起2.0度的偏离角度的Si衬底W外，与上述第四实施方式的氮化物半导体层叠体相同。在 该第五实施方式的氮化物半导体层叠体中，使GaN层407的厚度变化，与第一实施方式同样 地使用AFM算出每IOOX 100皿的区域的表面平坦性。将该表面平坦性示于表5中。此处，上述 表面平坦性是将上述区域的表面的凸部的最大高度与凹部的最小高度之差平均后的值。
[0145] 敵] 「014"
[0147] 可知，当GaN厚度为l(K)nmW上时，表面平坦性大幅改善。可W认为其理由是，GaN厚 度变厚，GaN生长中的横方向生长得到促进，能够抑制小丘等凹凸。
[0148] (第六实施方式）（偏离角依赖性和偏离角的旋转轴依赖性）
[0149] 如图5所示，第六实施方式的氮化物半导体器件包括：Si衬底1101、在该Si衬底 1101上层叠的AlN缓冲层1102、在该AlN缓冲层1102上层叠的AlGaN缓冲层1103、在该AlGaN 缓冲层1103上层叠的60周期的AlN/AlGaN超晶格层1104、在该超晶格层1104上层叠的基底 GaN层1105、在该基底GaN层1105上层叠的沟道GaN层1106、在该沟道GaN层1106上层叠的 Alo.l7Gao.83的2DEG阻挡层1107。AlN缓冲层1102、AlGaN缓冲层1103、超晶格层1104、基底GaN 层1105、沟道GaN层1106和2DEG阻挡层1107为氮化物半导体层的一例。
[0150] 此外，上述沟道GaN层1106和2DEG阻挡层1107构成具有异质结的GaN系层叠体 1110,在沟道GaN层1106与2DEG阻挡层1107的界面产生2DEG层(2维电子气体层Hlll。
[0151] 在上述GaN系层叠体1110中形成到达沟道GaN层1106的凹槽，在该凹槽中形成源极 电极1201和漏极电极1203作为欧姆电极。例如作为一例，该源极电极1201和漏极电极1203 为Ti层、Al层、TiN层依次层叠而成的Ti/Al/TiN电极。此外，在上述2DEG阻挡层1107形成栅 极电极1202。该栅极电极1202例如为与2DEG阻挡层1107肖特基势垒结合的肖特基电极，例 如用TiN制造。不过，栅极电极1202也可W形成在绝缘膜上，成为绝缘栅极电极结构。
[0152] 在上述2DEG阻挡层1107、源极电极1201、漏极电极1203和栅极电极1202上形成有 未图示的层间绝缘膜，在该层间绝缘膜上设置有未图示的漏极电极焊盘、源极电极焊盘和 栅极电极焊盘。并且，将上述源极电极1201、漏极电极1203和栅极电极1202分别通过未图示 的贯通孔与漏极电极焊盘、源极电极焊盘和栅极电极焊盘电连接。
[0153] 上述Si衬底1101具有相对于（111)面的偏离角，如图6所示，在（1-10)面设置有定 向平面部1121。并且，上述氮化物半导体器件如图7所示，通过源极电极1201的重屯、1211和 漏极电极1203的重屯、1213且从源极电极1201向漏极电极1203去的方向（W下称为电极的排 列方向）的直线L0,与定向平面部1121平行。换言之，在与定向平面部1121平行的方向<1-12 〉上依次配置有源极电极1201、漏极电极1203和栅极电极1202。
[0154] 此外，上述偏离角将与直线LO成角度a的方向的Si衬底1101的（111)面上的直线Ll 作为旋转轴。
[0155] 运里，对作为上述偏离角的旋转轴的直线Ll与电极的排列方向的直线LO所成的角 度a和2DEG层1111附近的电子的迁移率及电流崩塌的值的关系进行说明。
[0156] 首先，作为样品，准备了 W下7种样品：
[0157] ?将W与电极的排列方向的直线LO成角度a = 〇度(与LO平行）的直线Ll为旋转轴 的偏离角的角度(偏离角度）2度的Si(Ill)作为衬底使用的样品1-1的氮化物半导体器件 (HEMT)；
[0158] .将W与电极的排列方向的直线LO成角度a = l〇度的直线Ll为旋转轴的偏离角度 2度的Si(Ill)作为Si衬底1101使用的样品1-2的肥MT;
[0159] .将W与电极的排列方向的直线LO成角度a = 20度的直线Ll为旋转轴的偏离角度 2度的Si(Ill)作为Si衬底1101使用的样品1-3的肥MT;
[0160] .将W与电极的排列方向的直线LO成角度a = 25度的直线Ll为旋转轴的偏离角度 2度的Si(Ill)作为Si衬底1101使用的样品1-4的肥MT;
[0161] .将W与电极的排列方向的直线LO成角度a = 30度的直线Ll为旋转轴的偏离角度 2度的Si(Ill)作为Si衬底1101使用的样品1-5的肥MT;
[0162] .将W与电极的排列方向的直线LO成角度a = 35度的直线Ll为旋转轴的偏离角度 2度的Si(Ill)作为Si衬底1101使用的样品1-6的HEMT;和
[0163] ?将W与电极的排列方向的直线LO成角度a = 40度的直线Ll为旋转轴的偏离角度 2度的Si(Ill)作为Si衬底1101使用的样品1-7的肥MT。
[0164] 在该样品中，使用了在675皿、6英寸的Si衬底1101上依次层叠层厚40nm的AlN缓冲 层 1102、AlGaN 缓冲层 1103、层厚 3.5nm/23nm 的 AlN/Alo.isGao.ssN 的 60 周期的超晶格层 1104、 层厚600nm的基底GaN层1105、层厚600nm的沟道GaN层1106和层厚32nm的Al〇.i7Ga〇.83的2DEG 阻挡层1107而得到的氮化物半导体层叠衬底(氮化物半导体外延衬底）。在所有样品中，使 用相同的电极(源极电极1201、漏极电极1203和栅极电极1202)，采用同一配置。此外，如图6 所示，电极的排列方向的直线LO和与直线LO成角度a的方向的Si衬底1101的（111)面上的直 线LI配置成:该直线L0、L1在Si衬底1101的外周上交叉。
[01化]在上述样品中，在电极1201、1202、1203附近进行了霍尔化a 11)效应测定。
[0166] 其结果是，迁移率的中央值(中值)为：
[0167] ?样品 1-1 为 1815cm2/V ? sec;
[016引?样品 1-2为 1783cm2/V ? sec;
[0169] ?样品 1-3为 1762cm2/V ? sec;
[0170] ?样品 1-4为 1748cm2/V ? sec;
[0171] ?样品 1-5为 1726cm2/V ? sec;
[0172] ?样品 1-6为 1658cm2/V ? sec;
[0173] ?样品 1-7为 1580cm2/V ? sec。
[0174] 此外，作为导通电阻的变化率的电流崩塌的值的中央值(中值)为：
[0175] ?样品 1-1 为 1.05;
[0176] ?样品 1-2 为 1.09;
[0177] ?样品1-3 为 1.11;
[017 引?样品 1-4 为 1.10;
[0179] ?样品 1-5 为 1.14;
[0180] ?样品 1-6 为 1.28;
[0181] ?样品 1-7 为 1.32。
[0182] 由上述结果可知，当直线LO与直线Ll所成的角度a超过30度时，2DEG层1111附近的 迁移率大幅降低，电流崩塌的值显著上升。
[0183]如图8所示，Si原子层的台阶(St邱）1301与台面(terrace) 1302的边界在与作为偏 离角的旋转轴的直线Ll大致平行的方向上延伸。该台阶与台面的边界的延伸方向在使Si衬 底1101上的氮化物半导体结晶生长而成的2DEG层1111附近也几乎不发生变化。因此，上述 角度a越接近0度，电极的排列方向的直线LO与表示台阶与台面的边界的延伸方向的直线L2 越接近平行，被认为与电极的排列方向有关系的"施加电压时的载流子移动的方向"和台阶 与台面的边界的延伸方向越接近平行。其结果是，施加电压时的电子(载流子）的迁移率提 高，电子容易被补充到被耗尽的区域。即，通过将与电极的排列方向的直线LO成0度W上30 度W下的角度a的方向的Si衬底1101的（111)面上的直线Ll作为偏离角的旋转轴，能够提高 在2DEG层1111附近产生的电子的迁移率，因此能够抑制氮化物半导体器件的导通电阻的增 加，能够减小电流崩塌。
[0184] 另一方面，在将与电极的排列方向的直线LO成超过30度的角度a的方向的直线作 为偏离角的旋转轴的情况下，被认为与电极的排列方向有关系的"施加电压时的载流子移 动的方向"与台阶和台面的边界的延伸方向偏离平行。其结果是，施加电压时的载流子的迁 移率降低，电子难W补充到被耗尽的区域，氮化物半导体器件的导通电阻增大，电流崩塌增 大。
[0185] 因此，上述Si衬底1101的偏离角W与电极的排列方向的直线LO成0度W上30度W 下的角度a的方向的Si衬底1101的（111)面上的直线Ll为旋转轴。
[0186] 另外，直线Ll只要是与直线LO成0度W上30度W下的角度a的直线即可，能够在Si 衬底1101上任意配置。
[0187] 此外，从(111)面WO度W上4.0度W下的角度设置上述偏离角。
[0188] 运是因为在使用了675皿、6英寸的Si衬底1101的情况下，如果偏离角超过4.0度， 则室溫下的Si衬底1101的翅曲（W氮化物半导体层为上，向下凸的翅曲）变大（120wiiW上）， 因此加工处理变得困难。
[0189] 另一方面，当偏离角为4.0度W下时，室溫的Si衬底1101的翅曲为lOOwnW下，能够 进行加工处理。特别是，当偏离角为2.7度W下时，室溫的Si衬底1101的翅曲成为70wiiW下， 加工处理变得容易。因此，偏离角优选为2.7度W下，更加优选为1.7度W下。
[0190] 此外，当使偏离角过小(过于接近0度)时，即使在偏离角稍微偏移的情况下，台阶 1301的间隔和方向等产生差异，无法得到期望的衬底1101的表面状态。因此，偏离角优选为 0.1度W上，更加优选为0.3度W上。
[0191] (第屯实施方式KAlN层/Si衬底AlN厚依赖性）
[0192] 第屯实施方式的氮化物半导体器件是第六实施方式的氮化物半导体器件的AlN缓 冲层1102构成为具有30nmW上400nmW下的层厚的器件，对此未图示。另外，对与上述第六 实施方式相同的构成部标注同一标记，援引第六实施方式的说明。
[0193] 首先，说明AlN缓冲层1102的层厚W及AlN缓冲层1102的表面的最大高度与最小高 度之差。
[0194] 作为样品，准备了 W下7种样品。
[01M] ?将AlN缓冲层1102的层厚制成20nm的样品2-1的氮化物半导体层叠衬底(氮化物 半导体外延衬底）；
[0196] ?将AlN缓冲层1102的层厚制成30nm的样品2-2的氮化物半导体层叠衬底；
[0197] ?将AlN缓冲层1102的层厚制成50nm的样品2-3的氮化物半导体层叠衬底；
[0198] ?将AlN缓冲层1102的层厚制成ISOnm的样品2-4的氮化物半导体层叠衬底；
[0199] ?将AlN缓冲层1102的层厚制成400nm的样品2-5的氮化物半导体层叠衬底；
[0200] ?将AlN缓冲层1102的层厚制成450nm的样品2-6的氮化物半导体层叠衬底；
[0201] ?将AlN缓冲层1102的层厚制成500nm的样品2-7的氮化物半导体层叠衬底。
[0202] 在该样品中，使用了在675皿、6英寸的Si衬底1101上使AlN缓冲层1102、AlGaN缓冲 层1103、层厚3.5nm/23nm的AIN/Alo.i日6日日.8曲的60周期的超晶格层1104、层厚600加1的基底 GaN层1105、层厚600nm的沟道GaN层1106和层厚32nm的Al〇.i7Ga〇.83的2DEG阻挡层1107依次层 叠而得到的氮化物半导体外延衬底。
[0203] 使用AFM(原子力显微镜），对该样品的氮化物半导体层叠衬底的各个AlN缓冲层 1102的表面评价如m X 5WI1区域中的最大高度与最小高度之差。
[0204] 其结果是，
[0205] ?样品 2-1 为 113nm;
[0206] ?样品 2-2 为 48nm;
[0207] ?样品 2-3 为 41nm;
[020引?样品 2-4 为 31nm;
[0209] ?样品 2-5 为 36nm;
[0210] ?样品 2-6 为 83nm;
[0別"?样品 2-7 为 121nm。
[0212] 由上述结果可知，如果AlN缓冲层1102的层厚不足30nm或者超过400nm，则用于使 氮化物半导体层生长的AlN缓冲层1102的表面的最大高度与最小高度之差会变得过大。
[0213] 运样，如果AlN缓冲层1102的表面的最大高度与最小高度之差变得过大，则即使将 与电极的排列方向的直线LO成0度W上30度W下的角度a的方向的Si衬底1101的（111)面上 的直线Ll作为偏离角的旋转轴，被认为与电极的排列方向有关系的"施加电压时的载流子 移动的方向"和台阶与台面的边界的延伸方向也会偏离平行，可W设想施加电压时的载流 子的迁移率会降低。因此，使AlN缓冲层1102的层厚为30nmW上4(K)nmW下。通过使AlN缓冲 层1102的层厚为30nmW上400nmW下，则能够抑制由AlN缓冲层1102的表面形状引起的施加 电压时的载流子的迁移率的降低。其结果是，能够抑制氮化物半导体器件的导通电阻的增 加，能够降低电流崩塌。
[0214](第八实施方式KAlN层/Si衬底结晶依赖性）
[0215] 第八实施方式的氮化物半导体器件是第六实施方式的氮化物半导体器件中的AlN 缓冲层1102构成为(0002)面的X射线衍射的摇摆曲线的半高宽为2500arcsecW下的器件， 对此未图示。另外，对与上述第六实施方式相同的构成部标注同一标记，援引第六实施方式 的说明。
[0216] 在AlN缓冲层1102的（0002)面的X射线衍射的摇摆曲线的半高宽为2500arcsecW 下的情况下，结晶良好，并且移位的发生被抑制（移位变得比较少），因此可W认为在层叠 AlGaN缓冲层1103时，能够抑制Si与Ga的反应。其结果是，能够抑制由移位引起的载流子的 迁移率的降低，因此能够抑制氮化物半导体器件的导通电阻的增加，从而能够抑制电流崩 塌。
[0217] (第九实施方式KAlGaN层/AlN层/Si衬底Al组分依赖性）
[0218] 第九实施方式的氮化物半导体器件是在第六实施方式的氮化物半导体器件的AlN 缓冲层1102上设置Al组分为10% W上80% W下的AlGaN缓冲层1103和AlN/AlGaN超晶格层 1104,在该超晶格层1104上层叠层厚为IOOnmW上的基底GaN层1105,对此未图示。另外，对 与上述第六实施方式相同的构成部标注同一标记，援引第六实施方式的说明。
[0219] 根据第九实施方式的氮化物半导体器件，能够抑制氮化物半导体层叠衬底整体的 翅曲，能够减少对氮化物半导体层即AlN缓冲层1102、AlGaN缓冲层1103、超晶格层1104、基 底GaN层1105、沟道GaN层1106和2DEG阻挡层1107施加的变形应力，从而抑制移位的产生。其 结果是，能够抑制由移位引起的载流子的迁移率的降低，因此能够抑制氮化物半导体器件 的导通电阻的增加，能够减少电流崩塌。
[0220] (第十实施方式）
[0221] 第十实施方式的氮化物半导体器件是在第六实施方式的氮化物半导体器件的Si 衬底1101的表面，设置凹凸，使得将与电极的排列方向的直线LO成0度W上30度W下的角度 a的方向的直线Ll作为旋转轴而从（111)面Wo度W上4.0度W下的偏离角倾斜的面成为Si 衬底1101的表面的30% W上，对此未图示。另外，对与上述第六实施方式相同的构成部标注 同一标记，援引第六实施方式的说明。
[0222] 通过在Si衬底1101的表面设置凹凸，使得将与电极的排列方向的直线LO成0度W 上30度W下的角度a的方向的直线Ll作为旋转轴，从(111)面WO度W上4.0度W下的偏离角 倾斜的面成为Si衬底1101的表面的30% W上，能够可靠地抑制氮化物半导体器件的导通电 阻的增加，能够减少电流崩塌。
[0223] 另外，在上述第二实施方式至第四实施方式中，Si衬底201、301、401的主面为从 (111)面起向（Oll)方向W2.0度的偏离角度倾斜的面，但并不限于此。Si衬底的主面只要为 从(111)面起向（Oll)方向WO.8度W上且2.7度W下的偏离角度倾斜的面即可。
[0224] 此外，在上述第一实施方式、第S实施方式和第四实施方式中，AlN缓冲层102、 302、402的厚度为180nm，但不限于此。AlN缓冲层的厚度只要为50nmW上400nmW下即可。
[0225] 此外，在上述第一实施方式、第二实施方式和第四实施方式中，AlN缓冲层102、 202、402是(0002)面的X射线衍射的摇摆曲线的半高宽为1900arcsec的AlN缓冲层，但不限 于此。AlN缓冲层的(0002)面的X射线衍射的摇摆曲线的半高宽为2500arcsecW下即可。 [02%]此外，在从上述第一实施方式至第S实施方式中，GaN层107、207、307的厚度为 1000皿，在上述第四实施方式中，GaN层407的厚度为200皿，但不限于此。GaN层的厚度只要 为IOOnmW上即可。
[0227] 此外，在上述第一实施方式至第=实施方式中，Si衬底101、201、301、401的表面被 凹凸加工，使得上述主面存在于上述表面的区域中的30% W上的区域，但不限于此，只要被 凹凸加工成Si衬底的主面存在于Si衬底的表面的区域中的30% W上的区域即可。此外，Si 衬底101、201、301、401的表面也可W不被凹凸加工。
[0228] 此外，在上述第一实施方式至第五实施方式中，利用使用MOCVD装置的MOCV的去使 各层结晶生长，但不限于此，也可W利用HVPE(氨化物气相生长法)法、MBE(分子束外延)法 等，也可W将MOCV的去、HV阳法、M邸法等组合。此外，各层的生长条件可W根据使用该氮化物 半导体层叠体来制作的半导体器件的结构等来适当设定。
[0229] 此外，在上述第六实施方式~第十实施方式中，GaN系层叠体1110包括沟道GaN层 1106和在该沟道GaN层1106上层叠的AIq. i7Gao. 83的2DEG阻挡层1107,但不限于此。GaN系层叠 体只要是将由IrbJUyGai-x-yN(0 <x^、0<y^、0< x+y。）表示的GaN系半导体层层叠而 得到的即可。例如，GaN系层叠体除了GaN、AlGaN之外，例如可W包含作为GaN与氮化铜（InN) 的混晶的InGaN或者作为GaN、AlN和InN的混晶的Al InGaN等。
[0230] 此外，在上述第六实施方式~第十实施方式中，在2DEG阻挡层中1107形成到达沟 道GaN层1106的凹槽，在该凹槽中形成源极电极1201和漏极电极1203作为欧姆电极，但不限 于此。例如，也可W不形成上述凹槽，而在上述沟道GaN层上的2DEG阻挡层之上形成源极电 极和漏极电极，通过减薄2DEG阻挡层的层厚，漏极电极和源极电极成为欧姆电极。
[0231] 上述氮化物半导体器件例如可W为皿MT(高电子迁移率晶体管:Hi曲Electron Mobility Transistor)、MISFET(金属-绝缘体-半导体场效应晶体管：Metal Insulator Semiconductor Field Effect lYansistor)、结型FET、LED(发光二极管）、半导体激光器 等。
[0232] 此外，根据氮化物半导体器件的种类，电极可W为漏极电极、源极电极、栅极电极、 发射电极、集电极、基电极、阳极电极、阴极电极等。
[0233] 此外，在上述第六实施方式~第十实施方式中，将Si衬底1101的定向平面部1121 设置成与<11-2〉平行，但不限于此。例如，定向平面部可W设置为与<1-10〉平行，也可W设 置在其它方向上。
[0234] 此外，在上述第六实施方式~第十实施方式中，作为阻挡层使用AlN缓冲层1102， 但也可W代替它，使用例如由p-GaN、p-AlGaN等构成的层。此外，作为缓冲层的AlGaN缓冲层 1103如专利文献1那样，可W使Al组分在层厚方向上变化。
[0235] 此外，在上述第一实施方式~第十实施方式和变形例中叙述的构成要素可W适当 组合，此外当然也可W适当地选择、置换或者削除。
[0236] 总结本发明和实施方式如下。
[0237] 本发明的氮化物半导体层叠体的特征在于，包括:将从（111)面WO度W上4.0度W 下的偏离角倾斜的面作为主面的Si衬底101、201、301、401、1101;和形成在上述51衬底101、 201、301、401、1101 上的氮化物半导体层 110、210、310、410、1102、1103、1104、1105、1106、 1107。
[023引根据上述结构的氮化物半导体层叠体，上述Si衬底101、201、301、401、1101将从 (111)面WO度W上4.0度W下的偏离角倾斜的面作为主面。因此，通过包括运样的氮化物半 导体层叠体和设置在上述氮化物半导体层1102、1103、1104、1105、1106、1107上且相互隔开 规定的间隔地配置的源极电极和漏极电极，将与从源极电极重屯、向漏极电极的重屯、去的方 向的直线LO成0度W上30度W下的角度的方向的上述Si衬底101、201、301、401、1101上的直 线Ll作为上述偏离角的旋转轴，能够提高在2DEG层1111附近产生的电子的迁移率。因此，能 够抑制氮化物半导体器件的导通电阻的增加，能够减少电流崩塌。
[0239] 另外，W往的氮化物半导体层叠体包括:形成在Si衬底上的AlN层、形成在该AlN层 上的Al的组分比为30 % W上60 % W下的AlGaN层和形成在该AlGaN层上的GaN层。
[0240] 但是，本发明的发明人遇到了在Si衬底上使AlN层生长时，在AlN层表面或上述AlN 层上的AlGaN层表面容易产生由小丘或台阶聚集(step bunching)引起的凹凸运样的问题。
[0241] 因此，本发明的发明人对于在AlGaN层表面产生小丘状的突起的问题进行了研究， 推断如下。即，在Si衬底的主面的偏离角小时，原子等级的衬底表面的台阶数变少。在台面 上，Al等的原子在表面迁移的中途停止，从那里进行核形成，与通常的台阶流动生长不同的 结晶核生长。该结晶核被认为是小丘状突起的产生的主要原因。
[0242] 此外，在制造具有存在包含小丘状突起的凹凸的外延膜的氮化物半导体层叠体 时，在"形成小丘状突起的结晶"与"台阶流动生长区域的结晶"的界面产生逆相位边界部的 移位、由表面的凹凸差引起的光刻等工艺的差异。认为运些与泄漏和面内的不均匀性等相 关联，使氮化物半导体层叠体的性能下降。
[0243] 因此，本发明的另一个目的在于，提供一种能够提高氮化物半导体层的表面平坦 性，并且高性能的氮化物半导体层叠体及其制造方法。
[0244] 为了实现上述另一个目的，一实施方式的氮化物半导体层叠体中，上述Si衬底的 主面的偏离角度从(111)面起为0.8度W上2.7度W下。
[0245] 根据上述实施方式的氮化物半导体层叠体，上述Si衬底101、201、301、401的主面 从（111)面起具有0.8度W上2.7度W下的偏离角度。因此，与偏离角度从（111)面起小于0.8 度时相比，生长表面的台面宽度变短。此时，作为生长前的原子、分子的前驱体(precursor) 即使在生长溫度比较低的情况下，迁移的距离也短，因此台阶流动生长变得容易，在台面中 途停止，开始进行与台阶流动不同的结晶方位的核形成的倾向变少。其结果是，能够抑制小 丘状突起的生长，能够减少表面的凹凸。
[0246] 此外，与偏离角度从（111)面起大于2.7度时相比，台面宽度不会过短，能够防止台 阶流动生长过于推进，台阶流动生长与从表面脱离的原子的平衡崩溃，III族原子进入本来 应该V族位点进入的位置等异常生长。其结果是，能够抑制小丘状突起的生长，能够减少表 面的凹凸。
[0247] 此外，在制造具有包含小丘状突起的凹凸少的外延膜的氮化物半导体层叠体时， 能够减少在"形成小丘状突起的结晶"与"台阶流动生长区域的结晶"的界面产生逆相位边 界部的移位和由表面的凹凸差引起的光刻等工艺的差异。因此能够防止泄漏或面内的不均 匀性等。
[0248] 因此，能够提高氮化物半导体层110、210、310、410的表面平坦性，并且能够制作高 性能的氮化物半导体层叠体。
[0249] 此外，在一实施方式的氮化物半导体层叠体中，上述氮化物半导体层包含形成在 上述 Si 衬底 101、201、301、401的上述主面上的A1N层102、202、302、402，上述A1N层102、202、 302、402 的厚度为 50nmW 上400nmW 下。
[0250] 根据上述实施方式，AlN层102、202、302、402的厚度为50nmW上，因此AlN层102、 202、302、402作为覆盖层充分发挥功能。因此，在AlN层102、202、302、402上层叠 GaN层107、 207、307、407时，能够抑制Si与Ga的反应，能够抑制小丘状突起的生长，并且能减少作为凹 陷的主要产生原因的贯通移位的产生。
[0巧1] 此外，AlN层102、202、302、402的厚度为400皿^下，因此能够抑制由51与^加勺晶 格常数差引起的Si衬底101、201、301、401的翅曲，能够抑制向A1N层102、202、302、402施加 变形应力，能够减少凹陷的产生。
[0252] 此外，在一实施方式的氮化物半导体层叠体中，上述AlN层102、202、302、402的 (0002)面的X射线衍射的摇摆曲线的半高宽为2500arcsecW下。
[0253] 根据上述实施方式，上述AlN层102、202、302、402的（0002)面的乂射线衍射的摇摆 曲线的半高宽为2500arcsecW下。因此，在减少移位的产生，在AlN层102、202、302、402上层 叠 GaN层107、207、307、407时，能够抑制51与6曰的反应。此外，4^层102、202、302、402的结晶 性良好，因此能够减少移位的产生，从而能够减少凹陷的产生。因此，能够更加可靠地提高 氮化物半导体层110、210、310、410的表面平坦性，并且能够更加可靠地制作高性能的氮化 物半导体层叠体。
[0254] 此外，在一实施方式的氮化物半导体层叠体中，包括:形成在上述AlN层102、202、 302、402 上的至少 1 个 AlGaN 层 106、206、306、406;和形成在上述AlGaN层106、206、306、406上 的GaN 层 107、207、307、407，上述AlGaN层106、206、306、406的Al组分比为10%W上80%W 下，上述GaN层107、207、307、407的厚度为100醒^上。
[0巧5] 根据上述实施方式，上述AlGaN层106、206、306、406的41组分比为10%^上80%^ 下，上述GaN层107、207、307、407的厚度为100醒^上。因此，在4诚层102、202、302、402上层 叠上述AlGaN层106、206、306、406时，能够抑制Si与Ga的反应，能够抑制衬底整体的翅曲。并 且，能够减少上述翅曲对氮化物半导体层11〇、210、310、410施加的变形应力，能够抑制移位 和凹陷的产生。因此，能够抑制小丘状突起的生长，更可靠地提高氮化物半导体层110、210、 310、410的表面平坦性，并且更可靠地制造高性能的氮化物半导体层叠体。
[0256]此外，在一实施方式的氮化物半导体层叠体中，上述Si衬底101、201、301、401的表 面被进行凹凸加工，使得上述主面存在于上述表面的区域中的30% W上的区域。
[0257] 根据上述实施方式，进行凹凸加工，使得上述Si衬底101、201、301、401的主面存在 于上述表面的区域中30% W上的区域。因此，在上述区域中，生长表面的台面宽度变短，能 够更可靠地抑制由Si与AlN的晶格常数差引起的Si衬底101、201、301、401的翅曲，能够抑制 对AlN层102、202、302、402施加变形应力，能够更可靠地减少凹陷的产生。因此，能够抑制小 丘状突起的生长，能够更可靠地提高氮化物半导体层110、210、310、410的表面平坦性，并且 能够更可靠地制作高性能的氮化物半导体层叠体。
[0258] 此外，在该发明的氮化物半导体层叠体的制造方法中，包含在Si衬底101、201、 301、401上通过外延生长而形成氮化物半导体层110、210、310、410的工序，上述51衬底101、 201、301、401的主面从(111)面起具有0.8度^上2.7度^下的偏离角度。
[0259] 根据上述结构，在Si衬底101、201、301、401上通过外延生长形成氮化物半导体层 110、210、310、410，该上述51衬底101、201、301、401的主面从（111)面起具有0.8度^上2.7 度W下的偏离角度。因此，与偏离角度从（111)面起小于0.8度时相比，生长表面的台面宽度 变短。此时，作为生长前的原子、分子的前驱体(precursor)即使在生长溫度比较低的情况 下迁移的距离也短，因此台阶流动生长变得容易，在台面中途停止，开始进行与台阶流动不 同的结晶方位的核形成的倾向表少。其结果是，能够抑制小丘状突起的生长，能够减少表面 的凹凸。
[0260] 此外，与偏离角度从（111)面起大于2.7度时相比，台面宽度不会变得过短，能够防 止台阶流动生长过于推进，台阶流动生长与从表面脱离的原子的平衡崩溃，III族原子进入 本来应该V族位点进入的位置等的异常生长。其结果是，能够抑制小丘状突起的生长，能够 减少表面的凹凸。
[0261] 此外，在制作具有包含小丘状突起的凹凸少的外延膜的氮化物半导体层叠体时， 能够减少在"形成小丘状突起的结晶"与"台阶流动生长区域的结晶"的界面产生逆相位边 界部的移位和由表面的凹凸差引起的光刻等工艺的差异。因此，能够防止泄漏和面内的不 均匀性等。
[0262] 因此，能够提高氮化物半导体层110、210、310、410的表面平坦性，并且能够制作高 性能的氮化物半导体层叠体。
[0263] 此外，本发明的氮化物半导体器件的特征在于，包括:上述氮化物半导体层叠体； 和设置在上述氮化物半导体层1102、1103、1104、1105、1106、1107上且彼此隔开规定的间隔 地配置的源极电极1201和漏极电极1203,将与从上述源极电极1201的重屯、向上述漏极电极 1203的重屯、去的方向的直线LO成0度W上30度W下的角度的方向的上述Si衬底1101上的直 线Ll，作为上述偏离角的旋转轴。
[0264] 根据上述结构的氮化物半导体器件，能够提高在2DEG层1111附近产生的电子的迁 移率，因此能够抑制氮化物半导体器件的导通电阻的增加，能够减少电流崩塌。
[0265] 根据一实施方式的氮化物半导体器件，在上述Si衬底101上层叠有作为上述氮化 物半导体层 1102、1103、1104、1105、1106、1107 的层厚为 30nmW 上400nmW 下的 AlN 层 1102。
[0266] 根据上述实施方式，能够抑制由AlN层1102的表面形状引起的施加电压时的电子 迁移率的下降。其结果是，能够抑制氮化物半导体器件的导通电阻的增加，能够减少电流崩 塌。
[0267] 根据一实施方式的氮化物半导体器件，上述AlN层1102的(0002)面的X射线衍射的 摇摆曲线的半高宽为2500arcsecW下。
[0268] 根据上述实施方式，结晶良好，移位的产生被抑制(移位变得比较少），因此在层叠 AlGaN层1103时，可W认为能够抑制Si与Ga的反应。其结果是，能够抑制由移位引起的电子 迁移率的降低，因此能够抑制氮化物半导体器件的导通电阻的增加，能够减少电流崩塌。
[0269] 根据一实施方式的氮化物半导体器件，在上述AlN层102上层叠有至少1个作为上 述氮化物半导体层 1102、1103、1104、1105、1106、1107的Al组分 10% W上80% W下的AlGaN 层1103、1104,在上述AlGaN层1104上层叠有作为上述氮化物半导体层1102、1103、1104、 1105、1106、1107 的层厚为 IOOnmW 上的 GaN 层 1105。
[0270] 根据上述实施方式，能够抑制氮化物半导体层叠衬底整体的翅曲，能够减少对氮 化物半导体层1102、1103、1104、1105、1106、1107施加的变形应力，能够抑制移位的产生。其 结果是，能够抑制由移位引起的电子迁移率的降低，因此能够抑制氮化物半导体器件的导 通电阻的增加，能够减少电流崩塌。
[0271] 根据一实施方式的氮化物半导体器件，在上述Si衬底1101的表面具有凹凸，使得 从(111)面WO度W上4.0度W下的偏离角倾斜的面为上述Si衬底1101的表面的30% W上。
[0272] 根据上述实施方式，能够可靠地抑制氮化物半导体器件的导通电阻的增加，能够 减少电流崩塌。
[027引附图标记说明
[0274] 101、201、301、401、1101:51衬底，
[02 巧]102、202、302、402、1102:41娘爱冲层，
[0276] 103、203、303、403:AlGaN-l层，
[0277] 104、204、304、404:AlGaN-2层，
[027引 105、205、305、405:AlGaN-3层，
[02 巧]106、206、306、406、1103: AlGaN 缓冲层，
[0280] 107、207、307、407:GaNjl，
[0281] 108、208、308、408: AlGaN 阻挡层，
[0282] 1104:超晶格层，
[0283] 1105:基底 GaN 层，
[0284] 1106:沟道 GaN 层，
[0285] 1107:2DEG 阻挡层，
[0286] 1110:GaN 系层叠体，
[0287] 1111:2DEG 层，
[028引 1121:定向平面部，
[0289] 1201:源极电极，
[0290] 1202:栅极电极，
[0巧1] 1203:漏极电极，
[0巧2] 1301:台阶，
[0巧3] 1302:台面。
【主权项】
1. 一种氮化物半导体层叠体，其特征在于，包括： 将从(111)面以0度以上4.0度以下的偏离角倾斜的面作为主面的Si衬底;和 形成在所述Si衬底上的氮化物半导体层。2. 如权利要求1所述的氮化物半导体层叠体，其特征在于： 所述Si衬底的所述主面的偏离角度从(111)面起为0.8度以上2.7度以下。3. 如权利要求2所述的氮化物半导体层叠体，其特征在于： 所述氮化物半导体层包含形成在所述Si衬底的所述主面上的A1N层， 所述A1N层的厚度为50nm以上400nm以下。4. 如权利要求3所述的氮化物半导体层叠体，其特征在于： 所述A1N层的(0002)面的X射线衍射的摇摆曲线的半高宽为2500arcsec以下。5. 如权利要求3或4所述的氮化物半导体层叠体，其特征在于，包括： 形成在所述A1N层上的至少1个AlGaN层;和 形成在所述AlGaN层上的GaN层， 所述AlGaN层的A1组分比为10%以上80%以下， 所述GaN层的厚度为100nm以上。6. -种氮化物半导体层叠体的制造方法，其特征在于： 包括在Si衬底上通过外延生长形成氮化物半导体层的工序， 所述Si衬底的主面从(111)面起具有0.8度以上2.7度以下的偏离角度。7. -种氮化物半导体器件，其特征在于，包括： 权利要求1所述的氮化物半导体层叠体;和 设置在所述氮化物半导体层上且彼此隔开规定的间隔地配置的源极电极和漏极电极， 将与从所述源极电极的重心向所述漏极电极的重心去的方向的直线成0度以上30度以 下的角度的方向的所述S i衬底的（111)面上的直线，作为所述偏离角的旋转轴。8. 如权利要求7所述的氮化物半导体器件，其特征在于： 在所述Si衬底上层叠有作为所述氮化物半导体层的层厚为30nm以上400nm以下的A1N 层。9. 如权利要求8所述的氮化物半导体器件，其特征在于： 所述A1N层的(0002)面的X射线衍射的摇摆曲线的半高宽为2500arcsec以下。10. 如权利要求8或9所述的氮化物半导体层叠体，其特征在于： 在所述A1N层上层叠有至少1个作为所述氮化物半导体层的A1组分为10%以上80%以 下的AlGaN层， 在所述AlGaN层上层叠有作为所述氮化物半导体层的层厚为lOOnm以上的GaN层。11. 如权利要求7至10中任一项所述的氮化物半导体器件，其特征在于： 在所述Si衬底的表面具有凹凸，使得从（111)面以0度以上4.0度以下的偏离角倾斜的 面为所述Si衬底的表面的30%以上。
【文档编号】H01L29/778GK105849868SQ201580003367
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年1月6日
【发明人】小河淳, 远崎学, 藤重阳介, 伊藤伸之, 冈崎舞, 井上雄史, 田尻雅之, 寺口信明
【申请人】夏普株式会社