专利名称：第iii族氮化物外延层压基板的制作方法
技术领域：
本发明涉及第III族氮化物外延层压基板，特别涉及具有良好结晶品质与较少基板翘曲的第III族氮化物外延层压基板。
背景技术：
近来，通常，由Al、Ga、In等和N的化合物制成的第III族氮化物半导体广泛地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；因此，需要生长高度结晶的第III族氮化物半导体的技术。第III族氮化物半导体通常通过在蓝宝石基板上外延生长而形成。然而，蓝宝石基板由于低导热系数而具有不良的散热，这不适于制造高能量输出器件。 因此，近年来，已提出使用硅基板作为用于第III族氮化物半导体晶体生长的基板的技术。硅基板具有比上述蓝宝石基板更好的散热，以致它们适于制造高能量输出器件。此外，因为大的硅基板便宜，它们在减少生产成本方面是有利的。然而，与蓝宝石基板一样，硅基板具有与第III族氮化物半导体不同的晶格常数。因此，不期望第III族氮化物半导体直接在该硅基板上生长，以提供高度结晶的第III族氮化物半导体。此外，第III族氮化物半导体与硅相比具有显著高的热膨胀系数。因此，在该第III族氮化物半导体直接在硅基板上生长的情况下，在从晶体生长过程的高温冷却至室温的过程中在第III族氮化物半导体中出现大的拉伸应变。这导致在硅基板侧为凸起侧的情况下第III族氮化物外延层压基板的翘曲和其中生成高密度裂纹的问题。相应地，JP 2007-67077A(专利文献I)公开了一种通过在硅基板和第III族氮化物半导体之间设置AlN-类超晶格缓冲层来生产高结晶性和防止裂纹生成的第III族氮化物半导体的技术。这里，JP 2007-67077A(专利文献I)是指通过使氮化物半导体层的表面以原子水平来平滑而改进结晶性和防止裂纹生成。然而，没有提及基板翘曲。另一方面，关于该缓冲层的厚度，其上要形成的第III族氮化物半导体的结晶性可随着厚度越大而改进，而由于第III族氮化物半导体和硅之间的热膨胀系数差异，基板翘曲趋于增加。换言之，当缓冲层厚时，很可能提高结晶性，与之相反，在该情况下，会出现更多的基板翘曲。
_9] 现有技术文献
专利文献[专利文献 I] JP2OO7-67O77A
发明内容
发明要解决的问题鉴于上述问题，本发明的目的在于提供第III族氮化物外延层压基板，其能够改进第III族氮化物半导体的结晶性而不增加基板翘曲，换言之，所述第III族氮化物外延层压基板能够实现结晶性的改进和基板翘曲的抑制二者。用于解决问题的方案为了实现上述目的，本发明主要包括以下组成。(I) 一种第III族氮化物外延层压基板，其包括基板、在所述基板上形成的缓冲层、和通过在所述缓冲层上外延生长第III族氮化物层而形成的主层压体。所述缓冲层包括与所述基板接触的初始生长层、在所述初始生长层上形成的第一超晶格层压体，和在所述第一超晶格层压体上形成的第二超晶格层压体。所述第一超晶格层压体包括5-20组由AlN材料制成的第一 AlN层和由GaN材料制成的第二 GaN层，所述第一 AlN层和所述第二GaN层交替堆叠，并且每一组所述第一 AlN层和所述第二 GaN层具有小于44nm的厚度。所述第二超晶格层压体包括多组由AlN材料或AlGaN材料制成的第一层和具有与所述第一层不同带隙的由AlGaN材料制成的第二层，所述第一层和所述第二层交替堆叠。(2)根据上述(I)所述的第III族氮化物外延层压基板，其中在所述第一超晶格层压体中每一组所述第一 AlN层和所述第二 GaN层具有24nm以下的厚度，并且各所述第一AlN层具有4nm以下的厚度。(3)根据上述(2)所述的第III族氮化物外延层压基板，其中在所述第一超晶格层压体中每一组所述第一 AlN层和所述第二 GaN层具有小于10. 5nm的厚度，并且各所述第一AlN层具有小于4nm的厚度。(4)根据上述(1)-(3)任一项所述的第III族氮化物外延层压基板，其中在所述第二超晶格层压体中的所述第一层由AlN材料制成，所述第二层由AlxGayN(0〈x〈l, 0〈y〈l, x+y=l)材料制成。(5)根据上述(I)-⑷任一项所述的第III族氮化物外延层压基板，其中在所述第二超晶格层压体中所述第一层和所述第二层的组数在40-300的范围内。(6)根据上述(1)-(5)任一项所述的第III族氮化物外延层压基板，其中所述缓冲层是电绝缘性的，并且横向方向是电流流动方向。(7)根据上述(1)-(6)任一项所述的第III族氮化物外延层压基板，其中所述第二超晶格层压体的平均C浓度是IXlO1Vcm3以上。(8)根据上述(1)-(7)任一项所述的第III族氮化物外延层压基板，其中所述基板是Si单晶基板。发明的效果按照本发明，缓冲层包括在初始生长层和第二超晶格层压体之间的第一超晶格层压体，以致能够改进在缓冲层上生长的第III族氮化物层的结晶性而不增加基板翘曲。
图I为根据本发明的第III族氮化物外延层压基板的示意性截面图。图2为示出关于实验例1-5，在GaN沟道层的(0002)面和(10-12)面上x_射线摇摆曲线扫描)的测量结果图的图。
图3为示出关于实验例1、2和6-9，在水平轴表示第一超晶格层压体的第二 GaN层厚度的情况下和在垂直轴表示翘曲的测量量和翘曲的初始量之间差的情况下，Si单晶基板中翘曲量的测量结果图的图。
图4为示出关于实验例I和2，当改变在第二超晶格层压体中的组数时半值宽度改变的图。附图标记说明I :第III族氮化物外延层压基板2 :基板3 :缓冲层4 :主层压体4a :沟道层4b 电子供给层5 :初始生长层6 :第一超晶格层压体6a :第一 AlN 层6b :第二 GaN 层7:第二超晶格层压体
7a :第一层7b :第二层
具体实施例方式接下来，将参考附图描述本发明的第III族氮化物外延层压基板的实施方案。图I示意性示出按照本发明的电子器件用第III族氮化物外延层压基板的截面结构。注意为了方便解释图I中的外延层压基板沿厚度方向放大。如图I中所示，本发明的第III族氮化物外延层压基板I包括基板2、在该基板2上形成的缓冲层3、通过在缓冲层3上外延生长第III族氮化物层而形成的主层压体4。缓冲层3包括与基板2接触的初始生长层5、在该初始生长层5上形成的第一超晶格层压体6和在该第一超晶格层压体6上形成的第二超晶格层压体7。所述第一超晶格层压体6包括多组交替堆叠的由AlN材料制成的第一 AlN层6a和由GaN材料制成的第二 GaN层6b。注意这里AlN材料和GaN材料优选为AlN和GaN ;可选择地，它们可包含总共5%以下的其它第III族元素(对于AlN材料为B、Ga或In，对于GaN材料为B、Al或In)。此外，它们可包含微量杂质如Si、H、O、C、B、Mg、As或P。所述第二超晶格层压体7包括多组交替堆叠的由AlN材料或AlGaN材料制成的第一层7a和具有与这些第一层7a不同带隙的由AlGaN材料制成的第二层7b。注意这里"AlGaN材料〃优选为AlGaN，但可包含总共5%以下的其它第III族元素(B或In)。此外，其可包含微量杂质如Si、H、O、C、Mg、As或P。本发明第III族氮化物外延层压基板的特征之一是如上所述在第二超晶格层压体下方设置第一超晶格层压体。采用具有此类前所未有的层结构的缓冲层，可改进在缓冲层上要生长的第III族氮化物层的结晶性而不增加基板翘曲。换言之，在常规缓冲层结构的情况下，当缓冲层厚度大时，基板翘曲不可避免地相应增加。在上述层结构的情况下，可比以往更抑制基板翘曲。此外，在结晶性方面，第一超晶格层压体也优选具有上述结构。形成第二 GaN层的GaN材料的横向生长速率高，并且在弯曲和消失位错(bending and annihilatingdislocations)方面高度有效。此外，形成第一 AlN层的AlN材料可增加GaN中的应变，并且可最大化GaN材料的效果。另外，在如上所述的第二超晶格层压体中，在增加垂直击穿电压方面，还优选具有较大带隙和较高电阻率的AlN材料或AlGaN材料(第一层)，其与AlGaN材料(第二层)组
入
口 o如在以下实验例中描述的，本发明中的结晶性用在GaN沟道层的(10-12)面上的X-射线摇摆曲线扫描)的半值宽度(FMHW)来评价。此外，如在以下实验例中描述的，基板翘曲用在所有层的生长之后Si单晶基板的翘曲量和初始翘曲量之间的差来评价。本发明中，半值宽度可小于1200和翘曲量可为50 以下，更优选地，半值宽度可为1150以下和翘曲量可为40 Pm以下，仍更优选地，半值宽度可为1100以下和翘曲量可为35iim以 下。基板2优选为Si单晶基板。在这方面，Si单晶基板的晶面不特别限定，可使用
(111)、(100)或(110)面等。为了生长第III族氮化物的(0001)面，优选(110)、(111)面。此外，为了在生长后实现良好的表面平坦性，优选使用(111)面。偏差角(Off-angle)视需要设为1°以下，以致不损害单晶生长。此外，可使用P-型或n-型传导型，并且0. 001 Q cm-100000 Q cm的任何电阻率值是可用的。电阻率不必要在整个Si单晶基板中是均匀的。这里，Si基板可包含为了除了控制导电性以外的目的而添加的杂质(C、0、N、Ge等)。此外，"Si单晶基板〃通常是指在生长层侧具有单晶基板的基板，并且包括其中在生长层的相对侧上连接另一基板或形成由其它材料制成的膜如氧化物膜或氮化物膜的此类基板。基板厚度考虑到单晶生长之后的翘曲量等视需要确定。用于形成初始生长层5的典型材料的实例包括AlxGa1J (0. 9彡x彡I. 0)。此外，当接近基板的初始生长层5的部分由AlN材料制成时，可抑制与Si单晶基板的反应从而增加垂直击穿电压。注意Si的氮化物、氧化物或碳化物等薄膜，或通过AlN与此类膜反应而获得的薄膜可插入在AlN和Si单晶基板之间的界面部分处。此外，对于初始生长层5，例如，无定形层或多晶层如低温缓冲层可形成有不损害结晶品质的厚度。注意初始生长层5不必要沿厚度方向具有均一组成，并且当其接近基板的部分由AlN材料制成时，初始生长层5可为具有不同组成的多层的层压体或其组成可呈梯度的(graded)。作为本发明中层的生长方法，优选使用使得容易确保表面陡峭性(steepness)的MOCVD或MBE。特别地，在MOCVD情况下可期望本发明改进结晶品质的效果。在MOCVD情况下，因为与MBE的情况相比横向生长速率高，所以第一超晶格层压体中位错的重组和消失的概率高，这使得结晶品质得以进一步改进。第一超晶格层压体6中每一组第一 AlN层6a和第二 GaN层6b的厚度(一层第一 AlN层6a和一层第二 GaN层6b的厚度总和)为小于44nm、优选24nm以下、更优选小于
10.5nm。各第一 AlN层6a的厚度优选为4nm以下、更优选小于4nm。当一组第一 AlN层6a和第二 GaN层6b的厚度或一层第一 AlN层6a的厚度超过上述厚度时，翘曲量的绝对值会增加。注意在确保充分的垂直击穿电压方面，第二超晶格层压体优选比预定厚度更厚。因而，如上所述在本发明中限定第一超晶格层压体的厚度。在本发明的第III族氮化物外延层压基板I中，第一超晶格层压体6中第一AlN层6a和第二 GaN层6b的组数在5_20的范围内。当组数大于20时，翘曲会增加；另一方面，当组数小于5时，通过插入层压体而改进结晶品质的效果不会充分地实现。此外，第二超晶格层压体7的第一层7a优选由AlN材料制成，和其第二层7b优选由AlxGayN(0〈x〈l, 0〈y〈l, x+y=l)材料制成。这使得可以降低由于当AlN或AlGaN材料包含B时除了六方晶系以外的晶体结构生成的可能性而劣化结晶品质的可能性。这也使得当AlN或AlGaN材料包含In时，由于In金属沉积而可以降低劣化结晶品质的可能性。此外，为了通过超晶格层压体的应变缓冲效果而抑制裂纹，第一层7a和第二层7b要求其间具有组成差；因此，优选满足0. I ^ X ^ 0. 50更优选地，满足0. I ^ X ^ 0. 2 第二超晶格层压体7中第一层7a和第二层7b的组数优选在40-300范围内。当组数大于300时，会产生裂纹。另一方面，当组数小于40时，下文中描述的绝缘性将不能充分地确保。
此外，形成缓冲层3的第一和第二超晶格层压体6和7的各层(第一 AlN层6a、第二 GaN层6b、第一层7a和第二层7b)优选具有0. 5nm以上的厚度。小于0. 5nm的厚度对应
于小于一层原子层厚度的厚度。此外，优选缓冲层3是电绝缘性的，并且横向方向是电流流动方向。这里，〃横向方向是电流流动方向"是指其中电流主要沿层压体的宽度方向流动的状态。该状态不同于例如电流主要沿垂直方向(即如在其中半导体夹置在一对电极之间的结构中层压体的厚度方向)流动的状态。注意第二超晶格层压体7的平均C浓度优选为IXlO1Vcm3以上。第二超晶格层压体7的平均C浓度为IXlO1Vcm3以上改进垂直击穿电压。此外，在该情况下，为了确保绝缘性，和还为了有效进行C的混合，第二层7b的Al组成比〃x〃优选大于0. I。此外，当在第二超晶格层压体中充分确保绝缘性时，第一超晶格层压体的平均C浓度不特别限定。为了进一步改进垂直击穿电压，第一超晶格层压体的平均C浓度也优选为IXlO1Vcm3以上。这里，〃平均C浓度〃此处是指在其中第一层7a和第二层7b交替堆叠的层压体内碳的厚度加权平均浓度(thickness-weighted average concentration),这基于通过SIMS测量在膜蚀刻期间沿深度方向碳浓度分布的结果而计算。本发明的第III族氮化物外延层压基板I能够用于任何电子器件，但特别用于HEMT。图I中示出的主层压体4可包括由BalAlblGaclIndlN(0彡al彡1，0彡bl彡1，0彡Cl彡1，0^dl ^ I, al+bl+cl+dl=l)材料制成的沟道层4a和具有比沟道层4a大的带隙的由Ba2Alb2GBc2Ind2N(0彡a2彡1，0彡b2彡1，0彡c2彡1，0彡d2彡1，a2+b2+c2+d2=l)材料制成的电子供给层4b。在这方面，任一层可由单一组成或多种组成构成。特别地，为防止合金飞散和为降低在电流流动部分处的电阻，至少与电子供给层4b接触的沟道层4a部分优选由GaN材料制成。在与缓冲层相对侧上的沟道层4a部分具有低C浓度，并且该浓度优选设定在3X IO1Vcm3以下。这是因为由于该部分对应于电子器件的电流流动部分，优选该部分不包含阻碍导电性或弓I起电流崩溃的杂质。注意图I仅示出代表性实施方案的实例，并且本发明不限于该实施方案。例如，不会不利影响本发明效果的中间层或其它超晶格层可插入至各层之间，或者组成可呈梯度的。此外，氮化物膜、碳化物膜或Al层等可形成在基板表面上。实施例
(实施例I)(实验例I)在3英寸(111)面n-型Si单晶基板(Sb-掺杂，比电阻0. 015 Q cm，nm厚度600mm)上，将其中AlN和Ala25Gaa 75N顺序堆叠的初始生长层(AlN厚度100nm，Ala25Gaa75N厚度40nm)、第一超晶格层压体(20组AlN/GaN，AlN厚度2nm，GaN厚度6. 5nm)和第二超晶格层压体(100组AlN/Alai5Gaa85N，AlN厚度4nm，AlGaN厚度25nm)外延生长作为缓冲层。在该第二超晶格层压体上，GaN沟道层(厚度1.51!!!!)和Ala25Gaa75N电子供给层(厚度30nm)外延生长作为主层压体，从而生产具有HEMT结构的第III族氮化物外延层压基板。作为生长方法，采用使用TMA (三甲基铝)、TMG (三甲基镓)和氨水作为原料的MOCVD。氮气和氢气用于载气。各层的生长条件(压力、温度)如表I中所不。[表 I]
权利要求
1.ー种第III族氮化物外延层压基板，其包括 基板； 在所述基板上形成的缓冲层；和 通过在所述缓冲层上外延生长第III族氮化物层形成的主层压体， 其中所述缓冲层包括与所述基板接触的初始生长层，在所述初始生长层上形成的第一超晶格层压体，和在所述第一超晶格层压体上形成的第二超晶格层压体， 所述第一超晶格层压体包括5-20组由AlN材料制成的第一 AlN层和由GaN材料制成的第二 GaN层，所述第一 AlN层和所述第二 GaN层交替堆叠，并且每一组所述第一 AlN层和所述第二 GaN层具有小于44nm的厚度， 所述第二超晶格层压体包括多组由AlN材料或AlGaN材料制成的第一层和具有与所述第一层不同带隙的由AlGaN材料制成的第二层，所述第一层和所述第二层交替堆叠。
2.根据权利要求I所述的第III族氮化物外延层压基板，其中在所述第一超晶格层压体中每ー组所述第一 AlN层和所述第二 GaN层具有24nm以下的厚度，并且各所述第一 AlN层具有4nm以下的厚度。
3.根据权利要求2所述的第III族氮化物外延层压基板，其中在所述第一超晶格层压体中每ー组所述第一 AlN层和所述第二 GaN层具有小于10. 5nm的厚度，并且各所述第一AlN层具有小于4nm的厚度。
4.根据权利要求1-3任一项所述的第III族氮化物外延层压基板，其中在所述第二超晶格层压体中的所述第一层由AlN材料制成,所述第二层由AlxGayN(0〈x〈l, 0〈y〈l, x+y=l)材料制成。
5.根据权利要求1-4任一项所述的第III族氮化物外延层压基板，其中在所述第二超晶格层压体中所述第一层和所述第二层的组数在40-300的范围内。
6.根据权利要求1-5任一项所述的第III族氮化物外延层压基板，其中所述缓冲层是电绝缘性的，并且横向方向是电流流动方向。
7.根据权利要求1-6任一项所述的第III族氮化物外延层压基板，其中所述第二超晶格层压体的平均C浓度是I X IO1Vcm3以上。
8.根据权利要求1-7任一项所述的第III族氮化物外延层压基板，其中所述基板是Si单晶基板。
全文摘要
公开一种外延层压的第III族氮化物基板，其中可改进第III族氮化物半导体的结晶性而不增加基板翘曲量。具体公开一种包括以下的外延层压的第III族氮化物基板基板、在基板上形成的缓冲层和通过在缓冲层上外延生长第III族氮化物层而在缓冲层上形成的主层压体。所述基板特征在于缓冲层包括与基板接触的初始膜生长层、在初始膜生长层上形成的第一超晶格层压体和在第一超晶格层压体上形成的第二超晶格层压体，所述第一超晶格层压体通过以交替方式层压5-20层包括AlN材料的第一AlN层和相同数量的包括GaN材料的第二GaN层来生产，一对所述第一AlN层和所述第二GaN层具有小于44nm的厚度，所述第二超晶格层压体通过以交替方式层压多组包括AlN材料或AlGaN材料的第一层和具有与第一层带隙不同带隙的包括AlGaN材料的第二层来生产。
文档编号H01L29/812GK102714162SQ20108006050
公开日2012年10月3日 申请日期2010年11月4日 优先权日2009年11月4日
发明者柴田智彦, 清水成, 生田哲也 申请人:同和电子科技有限公司