半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)及半導(dǎo)體元件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)及半導(dǎo)體元件。
【背景技術(shù)】
[0002] 具有0 _Ga203單晶基板和通過外延生長形成于其上的氮化物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體 多層結(jié)構(gòu)是已知的（參見例如JP-A-2013-251439)。
[0003] JP-A-2013-251439還公開了使用該半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)形成的半導(dǎo)體元件，如LED元 件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 在使用具有e -Ga203基單晶基板和通過外延生長形成于其上的氮化物半導(dǎo)體層 的半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)制造諸如發(fā)光元件和晶體管的半導(dǎo)體元件時(shí)，重要的是在0 _Ga203基單 晶基板上生長高質(zhì)量的氮化物半導(dǎo)體層，以減小半導(dǎo)體裝置中的漏電流并且提高產(chǎn)率和可 靠性。
[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種包括e-Ga203基單晶基板和形成于其上的具有高晶體 質(zhì)量的氮化物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)以及包括這種半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體元件。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，提供下面[1]至[3]中給出的半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)。
[0007] [1]一種半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)，包括：
[0008] e -Ga203基單晶基板，其主面的位錯(cuò)密度不超過1 X 10 3/cm2;以及
[0009] 氮化物半導(dǎo)體層，其包括外延生長在所述0 _Ga203基單晶基板上的A1 xGayInzN(0 <x<l，0<y<l，0<z<l，x+y+z = 1)晶體。
[0010] [2]根據(jù)[1]的半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)，在所述0-Ga2O3基單晶基板和所述氮化物半導(dǎo) 體層之間還具有包括Al xGayInzN(0彡x彡1,0彡y彡1,0彡z彡1，x+y+z = 1)晶體的緩 沖層。
[0011] [3]根據(jù)[1]或[2]的半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)，其中所述氮化物半導(dǎo)體層包括GaN晶體。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式，提供下面[4]中給出的半導(dǎo)體元件。
[0013] [4]一種半導(dǎo)體元件，包括根據(jù)[1]至[3]中的任一項(xiàng)的所述半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)。
[0014] 發(fā)明效果
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，可以提供一種包括0 _Ga203基單晶基板和形成于其 上的具有高晶體質(zhì)量的氮化物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)以及包括該半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)的 半導(dǎo)體元件。
【附圖說明】
[0016] 接下來，結(jié)合附圖更詳細(xì)地說明本發(fā)明，其中：
[0017] 圖1是示出第一實(shí)施方式中的半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)的垂直剖面圖；
[0018] 圖2是示出第一實(shí)施方式中的EFG晶體制造設(shè)備的垂直剖面圖；
[0019] 圖3是示出第一實(shí)施方式中的e -Ga203基單晶32生長期間的狀態(tài)的立體圖；
[0020] 圖4是示出生長要被切割為籽晶的0 _Ga203基單晶36的狀態(tài)的立體圖；
[0021] 圖5A和圖5B是示出包含大約1.3X103/cm2的位錯(cuò)的0-Ga 2O3單晶基板的表面狀 態(tài)和在其主面上外延生長的GaN層的表面狀態(tài)的光學(xué)顯微鏡觀察圖像；
[0022] 圖6A和圖6B是示出包含大約1. 7X 103/cm2的位錯(cuò)的0 -Ga203單晶基板的表面狀 態(tài)和在其主面上外延生長的GaN層的表面狀態(tài)的光學(xué)顯微鏡觀察圖像；
[0023] 圖7A和圖7B是示出包含不超過lX102/cm2的位錯(cuò)的0-Ga 2O3單晶基板的表面狀 態(tài)和在其主面上外延生長的GaN層的表面狀態(tài)的光學(xué)顯微鏡觀察圖像；
[0024] 圖8是示出在0 _Ga203單晶基板的表面上的坑狀缺陷密度與GaN層的表面上的丘 狀缺陷密度之間關(guān)系的圖；
[0025] 圖9A和圖9B是示出GaN層的表面上進(jìn)行TEM觀察的位置的光學(xué)顯微鏡觀察圖 像；
[0026] 圖10是示出圖9A和圖9B中所示的區(qū)域中的具有GaN層的0 _Ga203單晶基板的 剖面的TEM觀察圖像；
[0027] 圖11是示出第二實(shí)施方式中的LED元件的垂直剖面圖；
[0028] 圖12A、圖12B和圖12C是分別示出使用氮化物半導(dǎo)體層42的無丘狀缺陷的區(qū)域 形成的LED元件、使用具有少量丘狀缺陷的區(qū)域形成的LED元件以及使用具有很多丘狀缺 陷的區(qū)域形成的LED元件的表面的光學(xué)顯微鏡圖像；以及
[0029] 圖13是示出LED元件中丘狀缺陷密度與漏電流的大小之間關(guān)系的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 第一實(shí)施方式
[0031] (半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)的構(gòu)成）
[0032] 圖1是示出第一實(shí)施方式中的半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)40的垂直剖面圖。半導(dǎo)體多層結(jié) 構(gòu)40具有0 _Ga203基單晶基板1和通過外延晶體生長形成在0 -Ga 203基單晶基板1的主 面4上的氮化物半導(dǎo)體層42。優(yōu)選地，如圖1中所示，在f3-Ga 203基單晶基板1和氮化物 半導(dǎo)體層42之間還設(shè)置緩沖層41，以減小-Ga20 3基單晶基板1和氮化物半導(dǎo)體層42之 間的晶格失配。
[0033] 0 _Ga203基單晶基板1由|3 -Ga 203基單晶形成。在此|3 -Ga 203基單晶是|3 -Ga 203 單晶或者摻雜有諸如Mg，F(xiàn)e，Cu，Ag，Zn，Cd，Al，In, Si, Ge，Sn或Nb元素的0 -Ga203單晶。
[0034] 0 _Ga203基晶體具有屬于單斜晶系的0 -gallia結(jié)構(gòu)，并且不含雜質(zhì)的0 _Ga203 晶體的典型晶格常數(shù)男
，a = y = 90°以及|3 =103. 8。。
[0035] 0_Ga2O3基單晶基板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基單晶基板1的厚度例如是700 ym。
[0036] 并且無論主面4的面取向如何，0 _Ga203基單晶基板1的主面4的位錯(cuò)密度都不 超過lX103/ cm2,這意味著所包含的位錯(cuò)非常少。該位錯(cuò)密度是根據(jù)f3-Ga203基單晶基板1 的主面4的坑狀缺陷密度獲得的。本申請的發(fā)明人已經(jīng)確認(rèn)，0-Ga 2O3基單晶基板1的表 面4的位錯(cuò)密度與坑狀缺陷密度基本相同。
[0037] 上述坑狀缺陷密度是在0 _Ga203基單晶基板1的（-201)取向的主面4的中心取 得的光學(xué)顯微鏡觀察圖像上測得的。面取向不是（-201)而例如是（101)、（310)或（3-10) 的0 -Ga203基單晶基板1的主面4的位錯(cuò)密度與（-201)取向的主面4的位錯(cuò)密度也基本 相同。
[0038] 當(dāng)0 _Ga203基單晶基板的表面存在位錯(cuò)時(shí)，位錯(cuò)部分通常優(yōu)先被蝕刻，并且基板 表面被優(yōu)先蝕刻的部分在拋光處理如CMP (Chemical Mechanical Polishing :化學(xué)機(jī)械拋 光）之后或者在用酸清洗之后呈現(xiàn)為坑狀缺陷。另外，即使在上述處理中不出現(xiàn)坑狀缺陷， 由于位錯(cuò)部分被用于在0 _Ga203基單晶基板上外延生長氮化物半導(dǎo)體層的還原氣體如NH3 或N2蝕刻，也被考慮形成了坑狀缺陷。
[0039] 如稍后所述，在0 _Ga203基單晶基板的表面上的坑狀缺陷上生長的氮化物半導(dǎo)體 層的表面上形成丘狀缺陷（具有大約lym高度的凸部）。由于使用丘狀缺陷部分會(huì)引起問 題，如漏電，應(yīng)該避免這種情況，所以具有丘狀缺陷的氮化物半導(dǎo)體層只有小面積可用于制 造半導(dǎo)體元件，這導(dǎo)致產(chǎn)率降低。
[0040] 如稍后所述，0 _Ga203基單晶基板1的表面的坑狀缺陷密度與氮化物半導(dǎo)體層42 的表面的丘狀缺陷密度之間存在對應(yīng)關(guān)系，并且需要使用具有較少坑狀缺陷，即，具有較少 位錯(cuò)的0_Ga 2O3基單晶基板1來形成具有較少坑狀缺陷的氮化物半導(dǎo)體層42。另外，對于 制造發(fā)光元件或半導(dǎo)體元件如晶體管來說，氮化物半導(dǎo)體層42上的丘狀缺陷密度需要不 超過 1 X 103/cm2。
[0041] 緩沖層41由AlxGayIn zN(0彡x彡1,0彡y彡1,0彡z彡1，x+y+z = 1)晶體形成。 緩沖層41可以以島圖案或者以膜的形式形成在0 _Ga203基單晶基板1上。緩沖層41可以 包含導(dǎo)電雜質(zhì)，如Si。
[0042] 另外，在AlxGayIn zN晶體當(dāng)中，A1N晶體（x = l，y = z = 0)特別適合于形成緩沖 層41。當(dāng)緩沖層41由A1N晶體形成時(shí)，0 -Ga203基單晶基板1和氮化物半導(dǎo)體層42之間 的附著力進(jìn)一步增加。緩沖層41的厚度例如