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0 _Ga203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e -Ga203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0 _Ga203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e-Ga203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[3]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] e -Ga203基单晶基板，其主面的位错密度不超过1 X 10 3/cm2;以及
[0009] 氮化物半导体层，其包括外延生长在所述0 _Ga203基单晶基板上的A1 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，在所述0-Ga2O3基单晶基板和所述氮化物半导 体层之间还具有包括Al xGayInzN(0彡x彡1,0彡y彡1,0彡z彡1，x+y+z = 1)晶体的缓 冲层。
[0011] [3]根据[1]或[2]的半导体多层结构，其中所述氮化物半导体层包括GaN晶体。
[0012] 根据本发明的另一个实施方式，提供下面[4]中给出的半导体元件。
[0013] [4]一种半导体元件，包括根据[1]至[3]中的任一项的所述半导体多层结构。
[0014] 发明效果
[0015] 根据本发明的一个实施方式，可以提供一种包括0 _Ga203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】
[0016] 接下来，结合附图更详细地说明本发明，其中：
[0017] 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；
[0018] 图2是示出第一实施方式中的EFG晶体制造设备的垂直剖面图；
[0019] 图3是示出第一实施方式中的e -Ga203基单晶32生长期间的状态的立体图；
[0020] 图4是示出生长要被切割为籽晶的0 _Ga203基单晶36的状态的立体图；
[0021] 图5A和图5B是示出包含大约1.3X103/cm2的位错的0-Ga 2O3单晶基板的表面状 态和在其主面上外延生长的GaN层的表面状态的光学显微镜观察图像；
[0022] 图6A和图6B是示出包含大约1. 7X 103/cm2的位错的0 -Ga203单晶基板的表面状 态和在其主面上外延生长的GaN层的表面状态的光学显微镜观察图像；
[0023] 图7A和图7B是示出包含不超过lX102/cm2的位错的0-Ga 2O3单晶基板的表面状 态和在其主面上外延生长的GaN层的表面状态的光学显微镜观察图像；
[0024] 图8是示出在0 _Ga203单晶基板的表面上的坑状缺陷密度与GaN层的表面上的丘 状缺陷密度之间关系的图；
[0025] 图9A和图9B是示出GaN层的表面上进行TEM观察的位置的光学显微镜观察图 像；
[0026] 图10是示出图9A和图9B中所示的区域中的具有GaN层的0 _Ga203单晶基板的 剖面的TEM观察图像；
[0027] 图11是示出第二实施方式中的LED元件的垂直剖面图；
[0028] 图12A、图12B和图12C是分别示出使用氮化物半导体层42的无丘状缺陷的区域 形成的LED元件、使用具有少量丘状缺陷的区域形成的LED元件以及使用具有很多丘状缺 陷的区域形成的LED元件的表面的光学显微镜图像；以及
[0029] 图13是示出LED元件中丘状缺陷密度与漏电流的大小之间关系的图。
【具体实施方式】
[0030] 第一实施方式
[0031] (半导体多层结构的构成）
[0032] 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0 _Ga203基单晶基板1和通过外延晶体生长形成在0 -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f3-Ga 203基单晶基板1和氮化物 半导体层42之间还设置缓冲层41，以减小-Ga20 3基单晶基板1和氮化物半导体层42之 间的晶格失配。
[0033] 0 _Ga203基单晶基板1由|3 -Ga 203基单晶形成。在此|3 -Ga 203基单晶是|3 -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0 -Ga203单晶。
[0034] 0 _Ga203基晶体具有属于单斜晶系的0 -gallia结构，并且不含杂质的0 _Ga203 晶体的典型晶格常数男
，a = y = 90°以及|3 =103. 8。。
[0035] 0_Ga2O3基单晶基板1的主面的取向不限于特定取向，例如是（-201)、（101)、 (310)、（3-10)或（100)。-Ga 203基单晶基板1的厚度例如是700 ym。
[0036] 并且无论主面4的面取向如何，0 _Ga203基单晶基板1的主面4的位错密度都不 超过lX103/ cm2,这意味着所包含的位错非常少。该位错密度是根据f3-Ga203基单晶基板1 的主面4的坑状缺陷密度获得的。本申请的发明人已经确认，0-Ga 2O3基单晶基板1的表 面4的位错密度与坑状缺陷密度基本相同。
[0037] 上述坑状缺陷密度是在0 _Ga203基单晶基板1的（-201)取向的主面4的中心取 得的光学显微镜观察图像上测得的。面取向不是（-201)而例如是（101)、（310)或（3-10) 的0 -Ga203基单晶基板1的主面4的位错密度与（-201)取向的主面4的位错密度也基本 相同。
[0038] 当0 _Ga203基单晶基板的表面存在位错时，位错部分通常优先被蚀刻，并且基板 表面被优先蚀刻的部分在抛光处理如CMP (Chemical Mechanical Polishing :化学机械抛 光）之后或者在用酸清洗之后呈现为坑状缺陷。另外，即使在上述处理中不出现坑状缺陷， 由于位错部分被用于在0 _Ga203基单晶基板上外延生长氮化物半导体层的还原气体如NH3 或N2蚀刻，也被考虑形成了坑状缺陷。
[0039] 如稍后所述，在0 _Ga203基单晶基板的表面上的坑状缺陷上生长的氮化物半导体 层的表面上形成丘状缺陷（具有大约lym高度的凸部）。由于使用丘状缺陷部分会引起问 题，如漏电，应该避免这种情况，所以具有丘状缺陷的氮化物半导体层只有小面积可用于制 造半导体元件，这导致产率降低。
[0040] 如稍后所述，0 _Ga203基单晶基板1的表面的坑状缺陷密度与氮化物半导体层42 的表面的丘状缺陷密度之间存在对应关系，并且需要使用具有较少坑状缺陷，即，具有较少 位错的0_Ga 2O3基单晶基板1来形成具有较少坑状缺陷的氮化物半导体层42。另外，对于 制造发光元件或半导体元件如晶体管来说，氮化物半导体层42上的丘状缺陷密度需要不 超过 1 X 103/cm2。
[0041] 缓冲层41由AlxGayIn zN(0彡x彡1,0彡y彡1,0彡z彡1，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0 _Ga203基单晶基板1上。缓冲层41可以 包含导电杂质，如Si。
[0042] 另外，在AlxGayIn zN晶体当中，A1N晶体（x = l，y = z = 0)特别适合于形成缓冲 层41。当缓冲层41由A1N晶体形成时，0 -Ga203基单晶基板1和氮化物半导体层42之间 的附着力进一步增加。缓冲层41的厚度例如