半导体多层结构及半导体元件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体多层结构及半导体元件。
【背景技术】
[0002] 具有β -Ga2O3单晶基板和通过外延生长形成于其上的氮化物半导体层的半导体 多层结构是已知的（参见例如JP-A-2013-251439)。
[0003] JP-A-2013-251439还公开了使用该半导体多层结构形成的半导体元件，如LED元 件。
【发明内容】
[0004] 在使用具有β -Ga2O3基单晶基板和通过外延生长形成于其上的氮化物半导体层 的半导体多层结构制造诸如发光元件和晶体管的半导体元件时，重要的是在β -Ga2O3基单 晶基板上生长高质量的氮化物半导体层，以减小半导体装置中的漏电流并且提高产率和可 靠性。
[0005] 本发明的目的是提供一种包括β -Ga2O3基单晶基板和形成于其上的具有高晶体 质量的氮化物半导体层的半导体多层结构以及包括这种半导体多层结构的半导体元件。
[0006] 根据本发明的一个实施方式，提供下面[1]至[5]中给出的半导体多层结构。
[0007] [1] 一种半导体多层结构，包括：
[0008] β -Ga2O3基单晶基板，其具有包括（-201)、（101)、（310)或（3-10)面的主面，所述 β-Ga2O3基单晶基板不含孪晶面或者还包括不含孪晶面的区域，所述区域在垂直于孪晶面 和所述主面之间的交叉线的方向上具有不小于2英寸的最大宽度；以及
[0009] 氮化物半导体层，其包括外延生长在所述β -Ga2O3基单晶基板上的Al xGayInzN(0 <x<l，0<y<l，0<z<l，x+y+z = 1)晶体。
[0010] [2]根据[1]的半导体多层结构，其中所述β -Ga2O3基单晶基板不含孪晶。
[0011] [3]根据[2]的半导体多层结构，其中所述P-Ga2O3基单晶基板具有不小于2英 寸的直径。
[0012] [4]根据[1]至[3]中任一项的半导体多层结构，在所述β-Ga2O 3基单晶基板和 所述氮化物半导体层之间还具有包括AlxGayInzN (0 <x<l, 0<y<l, l，x+y+z =1)晶体的缓冲层。
[0013] [5]根据[1]至[4]中任一项的半导体多层结构，其中所述氮化物半导体层包括 GaN晶体。
[0014] 根据本发明的另一个实施方式，提供下面[6]中给出的半导体元件。
[0015] [6] -种半导体元件，包括根据[1]至[5]中任一项的半导体多层结构。
[0016] 发明效果
[0017] 根据本发明的一个实施方式，可以提供一种包括β -Ga2O3基单晶基板和形成于其 上的具有高晶体质量的氮化物半导体层的半导体多层结构以及包括该半导体多层结构的 半导体元件。
【附图说明】
[0018] 接下来，结合附图更详细地说明本发明，其中：
[0019] 图1是示出第一实施方式中的半导体多层结构的垂直剖面图；
[0020] 图2A和图2B是示出第一实施方式中的β -Ga2O3基单晶基板的平面图；
[0021] 图3Α和图3Β是示出具有少量孪晶的β -Ga2O3基单晶基板的剖面图；
[0022] 图4是示出当β-Ga2O3基单晶基板包含孪晶时具有不同面取向的区域出现在主面 上的视图；
[0023] 图5是示出第一实施方式中的EFG晶体制造设备的垂直剖面图；
[0024] 图6是示出第一实施方式中的β -Ga2O3基单晶生长期间的状态的立体图；
[0025] 图7是示出生长要被切割为籽晶的β -Ga2O3基单晶的状态的立体图；
[0026] 图8Α和图8Β是在主面具有（101)面区域和（-201)面区域的β -Ga2O3单晶基板 上外延生长的GaN层的表面的光学显微镜观察图像；
[0027] 图9Α和图9Β是在不含孪晶并且主面只具有（-201)面区域的β-Ga2O 3单晶基板 上外延生长的GaN层的表面的光学显微镜观察图像；
[0028] 图IOA和图IOB是在不含孪晶并且主面只具有（101)面区域的β -Ga2O3单晶基板 上外延生长的GaN层的表面的光学显微镜观察图像；
[0029] 图IlA和图IlB是在包含多个孪晶的β -Ga2O3单晶基板上外延生长的GaN层的表 面的光学显微镜观察图像；
[0030] 图12是示出第二实施方式中的LED元件的垂直剖面图；以及
[0031] 图13A和图13B是分别示出β -Ga2O3基单晶基板上的在没有孪晶面的区域中形 成的LED元件和在具有孪晶面的区域中形成的另一个LED元件的表面的光学显微镜观察图 像。
【具体实施方式】
[0032] 第一实施方式
[0033] (半导体多层结构的构成）
[0034] 图1是示出第一实施方式中的半导体多层结构40的垂直剖面图。半导体多层结 构40具有β -Ga2O3基单晶基板1和通过外延晶体生长形成在β -Ga 203基单晶基板1的主 面4上的氮化物半导体层42。优选地，如图1中所示，在P-Ga 2O3基单晶基板1和氮化物 半导体层42之间还提供缓冲层41，以减小β -Ga2O3基单晶基板1和氮化物半导体层42之 间的晶格失配。
[0035] β -Ga2O3基单晶基板1不具有孪晶面，或者具有不含孪晶面并且在垂直于孪晶面 与主面的交叉线的方向上的最大宽度不小于2英寸的区域。
[0036] β-Ga2O3基单晶基板1的主面优选是氧原子按六方点格排列的表面，例如，（101) 面、（-201)面、（310)面或者（3-10)面。这使得甚至在薄的缓冲层41 (例如，不超过IOnm) 上也能够外延生长具有平坦表面的氮化物半导体层42。
[0037] 下面描述β -Ga2O3基单晶基板1的详细构造。
[0038] 缓冲层 41 由 AlxGayInzN(0 <x<l，0<y<l，0<z<l, x+y+z = 1)晶体形成。 缓冲层41可以以岛图案或者以膜的形式形成在β -Ga2O3基单晶基板1上。缓冲层41可以 包含导电杂质，如Si。
[0039] 另外，在AlxGayInzN晶体中，AlN晶体（X = 1，y = z = 0)特别适合于形成缓冲层 41。当缓冲层41由AlN晶体形成时，β -Ga2O3基单晶基板1和氮化物半导体层42之间的 附着力进一步加强。缓冲层41的厚度例如是1至5nm。
[0040] 缓冲层41例如通过以大约370°C至500°C的生长温度外延生长AlxGa yInzN(0彡X彡 1，0彡y彡1，0彡Z彡1，x+y+z = 1)晶体而形成在β -Ga2O3基单晶基板1的主面4上。
[0041] 氮化物半导体层42由AlxGayInzN(0彡X彡1,0彡y彡1,0彡ζ彡1，x+y+z = 1) 晶体形成，并且特别优选地由容易获得高质量晶体的GaN晶体（y = 1，X = z = 0)形成。氮 化物半导体层42的厚度例如是5 μm。氮化物半导体层42可以包含导电杂质，如Si。
[0042] 氮化物半导体层42例如通过以大约1000°C的生长温度外延生长AlxGa yInzN (0彡X 彡1，(Xy彡1，(Xz彡1，x+y+z = 1)而隔着缓冲层41形成在β -Ga2O3基单晶基板1的主面 4上。
[0043] 由于β -Ga2O3基单晶基板1没有孪晶面或者具有不含孪晶面的宽区域，所以其上 生长的氮化物半导体层42在整个区域或者在几乎整个区域没有孪晶面，并因此具有高晶 体质量。
[0044] ( β -Ga2O3基单晶基板的构造）
[0045] 图2Α和图2Β是示出第一实施方式中的β -Ga2O3基单晶基板1的平面图。图2Α 不出没有孪晶的I^-Ga2O3基单晶基板1，图213不出具有少量孪晶的IB-Ga2O 3基单晶基板1。
[0046] β -Ga2O3基单晶基板1由β -Ga 203基单晶形成。在此β -Ga 203基单晶是β -Ga 203 单晶或者掺杂有诸如Mg, Fe, Cu, Ag, Zn, Cd, Al, In, Si, Ge, Sn或Nb元素的β -Ga2O3单晶。
[0047] β -Ga2O3基晶体具有属于单斜晶系的β -gallia结构，并且不含杂质的β -Ga2O3