第iii族氮化物外延基板及其製造方法

2023-08-13 16:39:56

第iii族氮化物外延基板及其製造方法
【專利摘要】本發明提供了第III族氮化物外延基板，其中使用基板抑制在器件形成步驟中產生裂紋；以及所述第III族氮化物外延基板的製造方法。本發明的第III族氮化物外延基板(10)的特徵在於具有：Si基板(11)；與所述Si基板(11)接觸的初始層(14)；和形成於所述初始層(14)上的超晶格層壓體(15)，並且所述超晶格層壓體(15)具有多組如下的層壓體：每個層壓體順序地具有由Al組成比大於0.5且1以下的AlGaN構成的第一層(15A1(15B1))和由Al組成比大於0且0.5以下的AlGaN構成的第二層(15A2(15B2))。所述第III族氮化物外延基板的特徵還在於，所述第二層的Al組成比朝遠離所述基板的一側逐漸降低。
【專利說明】第N I族氮化物外延基板及其製造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及第III族氮化物外延基板及其製造方法。更特別地，本發明涉及可抑制在器件形成過程中產生破裂的第III族氮化物外延基板及其製造方法。
【背景技術】
[0002]近年來，一般而言，由N與Al、Ga和In等的化合物製成的第III族氮化物半導體廣泛用於發光元件和電子器件用元件等。此類器件的特性極大地依賴於第III族氮化物半導體的結晶性，使得生長高結晶性第III族氮化物半導體的技術成為需要的。
[0003]第III族氮化物半導體通常通過在藍寶石基板上外延生長來形成。然而，藍寶石基板由於低的導熱率而具有差的散熱性，這不適用於生產大功率輸出器件。
[0004]因此，近年來已提出了使用矽基板(Si基板)作為第III族氮化物半導體的晶體生長用基板的技術。Si基板具有比上述藍寶石基板更好的散熱性，並因而適用於生產大功率輸出器件。此外，由於大基板便宜，因而它們在降低生產成本上是有優勢的。然而，像藍寶石基板一樣，Si基板具有與第III族氮化物半導體不同的晶格常數。因此，不預計直接在此類Si基板上生長第III族氮化物半導體來提供高結晶性的第III族氮化物半導體。
[0005]此外，第III族氮化物半導體與矽相比具有高的熱膨脹係數。因此，當該第III族氮化物半導體直接生長 在Si基板上時，在從晶體生長過程的高溫冷卻至室溫的過程中在第III族氮化物半導體中產生大的拉伸應變。這導致Si基板翹曲的問題，並導致第III族氮化物半導體中產生高密度裂紋。
[0006]因此，JP2007-67077A(PTLl)公開了在Si基板上製造高結晶性第III族氮化物半導體的技術，其中通過在矽基板和第III族氮化物半導體之間設置AlN類超晶格緩衝層而防止裂紋的產生。AlN類超晶格緩衝層具有多個交替堆疊的由AlxGahN(Al組成比x為0.5≤X≤I)製成的第一層和由AlyG&1_yN(Al組成比y為0.01≤y≤0.2)製成的第二層。
[0007]引用列表
[0008]專利文獻
[0009]PTLl JP2007-67077A

【發明內容】

[0010]發明要解決的問題
[0011]PTLl指出通過在原子水平上使氮化物半導體層的表面平滑來改善結晶性並防止裂紋的產生。在不僅在Si基板上形成包括超晶格的緩衝層而且還形成氮化物半導體層(主層壓體)的狀態下，意圖為防止在氮化物半導體層中的裂紋的產生。通過這種方式，常規地在形成氮化物半導體層之後的基板中防止在氮化物半導體層上的裂紋的產生已成為典型。
[0012]根據本發明人的研究，由於相對於Si基板的晶格常數小且熱膨脹係數大的緩衝層而造成的翹曲可通過由晶格常數和熱膨脹係數比緩衝層的那些大的主層壓體所造成的相反的翹曲抵消，以在無裂紋的狀態下在緩衝層上形成主層壓體，並減少翹曲。然而，即使在該情況下，本發明人發現隨後在其中形成電極、在主層壓體上形成用於單片化(singulation)的溝和輸送元件等的器件形成過程中，出現可能突然發生破裂和基板可能不期望地破裂成多個碎片的問題。換言之，常規的結構僅關注於防止器件形成前的晶片階段中的裂紋，而未考慮在隨後器件形成過程中的破裂。在本公開中，「破裂」字面上是指基板斷裂成多個碎片，「裂紋」是指不使基板斷裂成碎片的龜裂或裂痕。
[0013]本發明鑑於上述環境來構思，並且其目的為提供可抑制器件形成過程中產生破裂的第III族氮化物外延基板及其製造方法。
_4] 用於解決問題的方案
[0015]在進一步檢查如何實現上述目的時，本發明人得到了以下發現。具體地，本發明人發現，不論在包括超晶格的緩衝層上形成主層壓體的狀態下的翹曲的量級如何，如果在包括超晶格的緩衝層形成之後、在主層壓體的形成之前的翹曲大，則在器件形成過程中容易發生破裂。換言之，在器件形成過程中，例如在光刻時曝光精確度地對晶片施壓(外部應力的施加)，或加工氮化物半導體層的一部分而使應力平衡劣化(內部應力的集中)。此外，在輸送和定位期間受到衝擊，並在熱處理期間受到熱衝擊。為了能夠抵擋這類應力，不僅必須專注於減少由於在已形成主層壓體的狀態下的翹曲造成的外部應力的施加，而且還必須專注於將向主層壓體施加的內部應力減少至能夠抵抗外部應力的範圍以及增強耐衝擊性。另外，不能抑制器件形成過程中的破裂。因此，通過專注於緩衝層形成之後、主層壓體形成之前的翹曲，本發明人設想抑制在形成具有超晶格層壓體的緩衝層時的翹曲，以便抑制器件形成過程中的破裂。本發明人發現，該目的可利用下述結構來實現，從而完成本發明。
[0016]基於上述發現實現本發明，並且其主要特徵如下。
[0017](I) 一種第III族氮化物外延基板，其包括:Si基板；與Si基板接觸的初始層；和形成於初始層上的超晶格層壓體，所述超晶格層壓體包括多組如下的層壓體:各所述層壓體順次包括由Al組成比大於0.5且I以下的AlGaN製成的第一層和由Al組成比大於O且0.5以下的AlGaN製成的第二層，其中第二層的Al組成比隨著遠離基板而逐漸降低。
[0018](2)根據⑴所述的第III族氮化物外延基板，其中超晶格層壓體包括多個超晶格層，各所述超晶格層包括多組的第一層和由具有恆定Al組成比的AlGaN製成的第二層，所述第一層和所述第二層交替堆疊，和隨著超晶格層的位置距離Si基板越遠，所述超晶格層壓體中的各超晶格層的第二層的Al組成比越小。
[0019](3)根據(I)或⑵所述的第III族氮化物外延基板，其中離Si基板最近的第二層的Al組成比與離Si基板最遠的第二層的Al組成比之差為0.02以上。
[0020](4)根據(I)至(3)任一項所述的第III族氮化物外延基板，其中所述第一層為A1N。
[0021](5)根據⑴至(4)任一項所述的第III族氮化物外延基板，其中所述初始層包括AlN層和在AlN層上的AlGaN層，並且在初始層中的AlGaN層的Al組成比大於在第二層中離基板最近的AlGaN層的Al組成比。
[0022](6)根據⑴至(5)任一項所述的第III族氮化物外延基板，其進一步包括通過在超晶格層壓體上外延生長至少包括GaN層的第III族氮化物層所形成的主層壓體。
[0023](7)根據(I)至(6)任一項所述的第III族氮化物外延基板，其中在超晶格層壓體作為最上層的狀態下，下側產生凸起的翹曲量為130 μ m以下。[0024](8) 一種第III族氮化物外延基板的製造方法，其包括:第一步，在Si基板上形成與Si基板接觸的初始層；和第二步，在初始層上形成超晶格層壓體，所述超晶格層壓體包括多組如下的層壓體:各所述層壓體順次包括由Al組成比大於0.5且I以下的AlGaN製成的第一層和由Al組成比大於O且0.5以下的AlGaN製成的第二層，其中在第二步中，使所述第二層的Al組成比隨著遠離基板而逐漸降低。
[0025]發明的效果
[0026]根據本發明，通過第二層的Al組成比隨著遠離基板而逐漸降低，可抑制超晶格層壓體形成之後和主層壓體形成之前的基板的翹曲。結果，可抑制器件形成過程中的破裂的產生。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]下文將參考附圖進一步描述本發明，其中:
[0028]圖1為根據本發明的第III族氮化物外延基板10的示意性截面圖；和
[0029]圖2為根據本發明的另一第III族氮化物外延基板20的示意性截面圖。
【具體實施方式】
[0030]以下參考附圖更詳細地描述本發明。注意，在本公開中，當本發明實施方案的兩個第III族氮化物外延基板共享相同的結構組件時，一般設定末尾數字相同的附圖標記，且省略說明。此外，為便於說明，將基板的示意性截面圖沿厚度方向放大。
[0031](實施方案1:第III族氮化物外延基板10)
[0032]如圖1所示，作為本發明實施方案的第III族氮化物外延基板10包括Si基板11和形成於Si基板11上的緩衝層12。還可設置通過在緩衝層12上外延生長的第III族氮化物層形成的主層壓體13。緩衝層12包括與Si基板11接觸的初始層14，和形成於初始層14上的超晶格層壓體15，所述超晶格層壓體15包括多組如下的層壓體:各所述層壓體順次包括由Al組成比大於0.5且I以下的AlGaN製成的第一層和由Al組成比大於O且0.5以下的AlGaN製成的第二層。在本實施方案中，超晶格層壓體15包括兩個超晶格層:第一超晶格層15A和第二超晶格層15B。第一超晶格層15A包括，例如多組的由AlN製成的第一層15A1和由恆定的Al組成比0.10的AlaiGaa9N製成的第二層15A2，第一層15A1和第二層15A2交替堆疊。第二超晶格層15B包括，例如多組的由AlN製成的第一層15B1和由恆定的Al組成比0.05的Alatl5Gaa95N製成的第二層15B2，第一層15B1和第二層15B2交替堆疊。
[0033]Si基板11為Si單晶基板。面方向不特別限定，並可使用(111)、(100)或(110)面等。然而，為了生長第III族氮化物的(0001)面，優選(110)和(111)面。此外，為了實現具有良好表面平坦性的生長，優選使用(111)面。可使用P型或η型傳導型(conductivity),可適用0.001 Ω.cm-ΙΟΟΟΟΟΩ.αιι的任何電阻率。出於除了控制導電性以外的目的，Si基板還可包含雜質(C、0、N和Ge等)。基板的厚度考慮在各層外延生長後的翹曲量等而適當設定，並例如在500 μ m-2000 μ m的範圍內。
[0034]用於形成初始層14的典型材料包括AlGaN和A1N。特別地，使用AlN層用於初始層14與基板接觸的部分抑制與Si基板11的反應並改善縱向耐壓(withstand voltage)。初始層14不必具有沿厚度方向的均一組成，當其與基板接觸的部分為AlN層時，初始層14可為具有例如通過在AlN層上形成AlGaN層的不同組成的多層的層壓體，或其組成可漸變。在AlN與Si單晶基板之間的界面部分處可插入Si的氮化物、氧化物或碳化物等的薄膜，或通過AlN與此類膜反應獲得的薄膜。此外，對於初始層14，例如可以以不損害結晶品質的厚度形成無定形層或多晶層例如低溫緩衝層。初始層14的厚度例如在10nm-500nm的範圍內。原因是:當厚度小於IOnm時，由於作為上層原料的一部分的Ga與Si基板反應可能產生缺陷，而當厚度超過500nm時，裂紋可在初始層形成時產生。
[0035]在本實施方案中，第一超晶格層15A中第二層15A2的Al組成比為0.1，第二超晶格層15B中第二層15B2的Al組成比為0.05。因此，典型特徵在於，第二層的Al組成比隨著遠離Si基板11而降低。本發明人發現，在此類具有高Al組成比的AlGaN層(包括AlN)和低Al組成比的AlGaN層的超晶格層壓體中，使低Al組成比的AlGaN層的Al組成比隨著遠離基板而降低可抑制在已形成超晶格層壓體15的狀態下的基板的翹曲，即可抑制在超晶格層壓體15作為最上層的狀態下的翹曲。結果，在隨後由氮化物半導體層形成主層壓體，然後進行器件形成過程之後的階段，可抑制基板中的破裂的產生。
[0036]本發明不拘泥於理論，然而上述效果被認為是由於例如下述那些作用所實現的。具體地，由於形成超晶格層壓體的第III族氮化物半導體的熱膨脹係數遠遠大於Si基板的熱膨脹係數，但在Si基板上生長超晶格層壓體時，在從高溫生長過程冷卻至室溫的過程中，在超晶格層壓體中產生大的拉伸應變。由此，力沿著使Si基板側凸起的基板翹曲的方向起作用。下文中，使Si基板側凸起的翅曲稱作「下側產生凸起的翅曲(warpage yieldinga convex upper side) 」,相反地,使超晶格層壓體側凸起的翅曲稱作「上側產生凸起的翅曲」。由於AlGaN的Al組成比降低，材料本身固有的晶格常數已變大。因此，如在本發明中，當第二層的Al組成比隨著遠離基板而降低時，則隨著第二層距離基板更遠，即，更接近於上側，在該第二層下方存在更多的具有較小的晶格常數(晶格常數的差大)的層。在生長期間，面內晶格由此在收縮的同時生長。結果，在超晶格層壓體的生長期間(高溫狀態下)，在上側的第二層中的膜內壓縮應力的作用不斷增加，膜試圖膨脹。因此，力作用於基板，從而引起上側產生凸起的翹曲。因而，認為在高溫狀態期間用於上側產生凸起的翹曲的力(壓縮應力)與冷卻過程中用於下側產生凸起的翹曲的力(拉伸應力)相互抵消，抑制了在已形成超晶格層壓體15的狀態下的基板的翹曲。認為如果第二超晶格層15B中第二層15B2的Al組成比也為0.1，則高溫狀態下的壓縮應力將不足，引起大量拉伸應力殘留在已形成超晶格層壓體15的狀態下的基板中並導致在下側的大的翹曲。
[0037]當拉伸應力殘留在超晶格層壓體中時，即使翹曲在形成主層壓體之後受到抑制，主層壓體的壓縮應力和超晶格層壓體的拉伸應力簡單地相互抵消，大的拉伸應力仍作用於超晶格層壓體。因此，在器件形成過程中，如果例如通過蝕刻主層壓體而使主層壓體的膜厚度局部降低，則力的平衡在該部分局部地劣化，並且認為以該部分為起點產生破裂。然而，根據本發明，超晶格層壓體中的拉伸應力降低，因而不會產生此類破裂的起點，以至於可抑制器件形成過程中的破裂。
[0038]主層壓體13通過在緩衝層12上外延生長至少包括GaN的第III族氮化物層來形成。在本實施方案中，主層壓體13包括由GaN製成並形成於第二超晶格層15B上的溝道層16，和具有比溝道層大的帶隙且形成於溝道層16上的由AlGaN製成的電子供給層17。為了避免在2D電子氣體產生的部分的合金散布，如本實施方案所述，主層壓體13中的GaN層優選位於離電子供給層17的最遠的位置。直接在超晶格層壓體15上方的層優選具有比超晶格層壓體15中最上方的第二層低的Al組成的GaN或AlGaN，以使壓縮應力進入該層。在本發明中，主層壓體13的厚度優選在0.1 μ m-5 μ m的範圍內。原因是:當厚度小於0.1ym時，可產生諸如凹點(pit)等缺陷，而當厚度超過5μπι時，在主層壓體13中可能產生裂紋。溝道層16和電子供給層17的厚度可根據器件設計而適當設定。
[0039]本實施方案的第III族氮化物外延基板10可用於任何電子器件，並特別優選用於高電子遷移率電晶體(High Electron Mobility Transistor, HEMT)。
[0040]根據本發明的第III族氮化物外延基板10的器件形成的過程的實例包括在基板10上形成電極的過程、通過蝕刻形成溝以用於使氮化物半導體層單片化的過程、形成表面鈍化膜的過程和分離元件的過程等。在各過程中輸送元件。
[0041](實施方案2:第III族氮化物外延基板20)
[0042]如圖2所述，為本發明另一實施方案的第III族氮化物外延基板20包括Si基板21和形成於Si基板21上的緩衝層22。還可設置通過在緩衝層22上外延生長第III族氮化物層所形成的主層壓體23。緩衝層22包括與Si基板11接觸的初始層24，和形成於初始層24上的超晶格層壓體25，所述超晶格層壓體25包括多組如下的層壓體:各所述層壓體順次包括由Al組成比大於0.5且I以下的AlGaN製成的第一層和由Al組成比大於O且0.5以下的AlGaN製成的第二層。在本實施方案中，超晶格層壓體25包括5個超晶格層:第一超晶格層25A、第二超晶格層25B、第三超晶格層25C、第四超晶格層2?和第五超晶格層25E。第一超晶格層25A包括，例如多組的由AlN製成的第一層25A1和由恆定的Al組成比0.10的Ala Aaa9N製成的第二層25A2，第一層25A1和第二層25A2交替堆疊。第二超晶格層25B包括，例如多組的由AlN製成的第一層25B1和由恆定的Al組成比0.08的Alatl8Gaa92N製成的第二層25B2，第一層25B1和第二層25B2交替堆疊。第三超晶格層25C包括，例如多組的由AlN製成的第一層25C1和由恆定的Al組成比0.06的Ala06Gaa94N製成的第二層25C2，第一層25C1和第二層25C2交替堆疊。第四超晶格層2?包括，例如多組的由AlN製成的第一層25D1和由恆定的Al組成比0.04的Alatl4Gaa96N製成的第二層25D2,第一層25D1和第二層25D2交替堆疊。第五超晶格層25E包括，例如多組的由AlN製成的第一層25E1和由恆定的Al組成比0.02的Alatl2Gaa98N製成的第二層25E2，第一層25E1和第二層25E2交替堆疊。
[0043]同樣在本實施方案中，超晶格層25A至25E中第二層25A2至25E2的Al組成比隨著遠離Si基板21而降低如下:0.10>0.08>0.06>0.04>0.02。如在實施方案I中所述，可抑制在已形成超晶格層壓體25的狀態下的基板的翹曲。
[0044]Si基板21、初始層24、溝道層26和電子供給層27與實施方案I類似。
[0045](其它實施方案)
[0046]所有上述為典型實施方案的實例。本發明決不限於這些實施方案並且例如還包括諸如下述的實施方案。
[0047]在實施方案I和2的超晶格層壓體15和25中，示出其中設置多個超晶格層的實例。在各超晶格層中，第一層為A1N，在各超晶格層中由AlGaN製成的第二層的恆定Al組成比隨著遠離基板而降低。然而，可將下述例如用作超晶格層壓體中Al組成比的修改。[0048]例如，在通過多組的由AlN製成的第一層和由AlGaN製成的第二層形成的超晶格層壓體中，第一層和第二層交替堆疊，第二層的Al組成比可隨著遠離基板而逐漸降低。在本文中，「逐漸降低」是指連續或梯段地降低，除了由於如上所述多個超晶格層造成的第二層的Al組成比梯段地降低的情況以外，該術語包括某一第二層的Al組成比與其間隔著第一層相鄰的第二層的Al組成比連續降低的情況。在其中第二層連續降低的這種情況下，顯然也實現實施方案I中所述的效果。
[0049]在本發明中，第二層由Al組成比大於O且0.5以下的AlGaN製成，第一層由Al組成比大於0.5且I以下的AlGaN製成。因此，每個第二層具有比第一層低的Al組成比，無論第二層是否接近於或遠離元件。因此，在本發明中，第一層的組成(實施方案I和2中的AlN)不需要在離元件的任意距離處是相同的，多個第一層中的組成可在大於0.5且I以下的範圍內變化。
[0050]然而，在本發明中，如實施方案I和2所示，所有第一層優選由AlN製成。原因是:與相鄰的第二層的Al組成比之差由此被最大化，從而使應變緩衝效果最大化。
[0051]在本發明中，第二層不特別限定，只要第二層為Al組成比大於O且0.5以下的AlGaN即可。然而，在第二層中，離Si基板最近的AlGaN層的Al組成比X優選在0.08-0.5的範圍內。原因是:當X小於0.08時,可能不能保證足夠的縱向耐壓,而當X超過0.5時，應變緩衝效果變得不足，並可在超晶格層壓體中產生裂紋。
[0052]在本發明中，在第二層中離Si基板最遠的AlGaN層的Al組成比Y從未變為O。換言之，第二層決不由GaN製成。原因是:如果第二層由GaN製成，元件的縱向耐壓不能充分保證。此外，如果縱向耐壓特別重要，則從保證元件的縱向耐壓的角度，Y優選0.05以上。
[0053]在本發明中，關於在第二層中離Si基板最近的AlGaN層的Al組成比X與在第二層中離Si基板最遠的AlGaN層的Al組成比Y之間的關係，差(X-Y)優選0.02以上。原因是:如果差小於0.02，則抑制翹曲的效果可能不足。此外，差(X-Y)優選0.45以下，更優選0.2以下。
[0054]當初始層14包括AlN層和在AlN層上的AlGaN層時，初始層14中的AlGaN層的Al組成比Z優選大於在第二層中離Si基板最近的AlGaN層的Al組成比X。原因是:通過設定Z>X，可抑制超晶格層的拉伸應力，並且可抑制超晶格層壓體中的裂紋的產生。
[0055]在本說明書中，形成緩衝層的「AlGaN」可包括總計1%以下的其它第III族元素B和/或In。此外，可包括例如S1、H、O、C、Mg、As和P等的微量雜質。形成主層壓體的GaN和AlGaN可類似地包括總計1%以下的其它第III族元素。
[0056]在本發明中，超晶格層壓體中的一組層壓體(實施方案I和2中的第一層和第二層)的厚度因為組成的組合適當設定，並可例如為約lnm-100nm。第一層的厚度可設定為
0.5nm-200nm,第二層的厚度可設定為0.5nm_100nm。
[0057]在本發明中，超晶格層壓體中層壓體(第一層和第二層)的組數根據所需耐壓來適當設定，並可為例如40-300組。此外，全體超晶格層壓體的厚度優選Iym以上。原因是:當厚度為Ium以上時，在膜內產生的應力的總和變得足夠大，因而充分實現本發明的效果。
[0058](第III族氮化物外延基板的製造方法)
[0059]接下來，描述根據本發明的第III族氮化物外延基板的製造方法的實施方案。根據本發明的第III族氮化物外延基板的製造方法包括，例如如圖1所示，第一步，在Si基板11上形成與Si基板11接觸的初始層14，和第二步，在初始層14上形成超晶格層壓體15，所述超晶格層壓體15包括多組如下的層壓體:各所述層壓體順次包括由Al組成比大於0.5且I以下的AlGaN製成的第一層15A1 (15B1)和由Al組成比大於O且0.5以下的AlGaN製成的第二層15A2(15B2)。在第二步中，使第二層的Al組成比在第二超晶格層15B中比在第一超晶格層15A中降低得多，即隨著遠離Si基板11而逐漸降低。結果，可抑制在已形成超晶格層壓體15的狀態下的基板的翹曲，並且在隨後由氮化物半導體層形成主層壓體，然後進行器件形成過程之後的階段，可抑制破裂的產生。
[0060]公知的方法，例如MOCVD或MBE等，可用作本發明中各層的外延生長的方法。當形成AlGaN時的原料氣體的實例包括TMA(三甲基鋁)、TMG(三甲基鎵)和氨。膜中的Al組成比可通過控制TMA和TMG的混合比來控制。外延生長後的Al組成比和膜厚度還可使用公知的方法如TEM-EDS來評價。
[0061 ] 接下來，利用實施例進一步詳細描述本發明，然而本發明決不受限於下述實施例。
[0062]實施例
[0063](實施例1)
[0064]在6英寸(Ill)P-型Si單晶基板(B-摻雜，比電阻:0.02 Ω.cm，厚度:625 μ m)上，其中AlN(厚度:120nm)和Ala3Gaa7N(厚度:50nm)順次堆疊的初始層形成為緩衝層。隨後，在初始層上，外延生長具有50組交替堆疊的AlN(厚度:4.5nm)和Ala Aaa9N(厚度:2Inm)的第一超晶格層和具有50組交替堆疊的A1N(厚度:4.5nm)和Al0.05Ga0.95N(厚度:2Inm)的第二超晶格層，從而產生超晶格層壓體。隨後，在超晶格層壓體上，外延生長GaN溝道層(厚度:1.2 μ m)和Ala25Gaa75N電子供給層(厚度:30nm)，從而生產如實施方案I中的具有HEMT結構的第III族氮化物外延基板。該溝道層和電子供給層的組合稱作「半導體層I」。作為生長方法，使用利用TMA(三甲基鋁)、TMG(三甲基鎵)和氨作為原料的M0CVD。氮氣和氫氣作為載氣。各層的生長條件(壓力和溫度)在每一個情況下均設定為20kPa、1000°C和2000的V/III比。當生長`第二層時有機金屬氣體的供給量調整為與第一超晶格層和第二超晶格層各自的膜組成相同的摩爾比。
[0065]除了代替半導體層I，通過外延生長AlaCl2Gaa98N(厚度= IymhGaN溝道層(厚度:50nm)和Ala25Gaa75N電子供給層(厚度:30nm)來形成半導體層2以外，以如上所述類似的方式生產第III族氮化物外延基板。
[0066]此外，除了代替半導體層I，通過外延生長Alai5Gaa85N (厚度:1μπι)、GaN溝道層(厚度:20nm)和Ala25Gaa75N電子供給層(厚度:30nm)來形成半導體層3以外，以如上所述類似的方式生產第III族氮化物外延基板。
[0067](實施例2)
[0068]除了通過順次外延生長具有20組交替堆疊的AlN (厚度:4.5nm)和Ala ^aa9N (厚度:21nm)的第一超晶格層、具有20組交替堆疊的AlN(厚度:4.5nm)和AlaCl8Gaa92N(厚度:21nm)的第二超晶格層、具有20組交替堆疊的AlN(厚度:4.5nm)和Ala^5Gaa94N(厚度:21nm)的第三超晶格層、具有20組交替堆疊的AlN(厚度:4.5nm)和AlaCl4Gaa96N(厚度:2Inm)的第四超晶格層和具有20組交替堆疊的A1N(厚度:4.5nm)和Al0.02Ga0.98N(厚度:2Inm)的第五超晶格層來生產超晶格層壓體以外，以與實施例1類似的方式生產如實施方案2中的具有HEMT結構的三類第III族氮化物外延基板。生長溫度和生長壓力與實施例1的那些類似，通過適當控制TMA和TMG的混合比來進行第二層中Al組成比的控制。下述實施例和比較例同樣如此。
[0069](實施例3)
[0070]除了通過順次外延生長具有20組交替堆疊的A1N(厚度:4.5nm)和Alai4Gaa86N(厚度:21nm)的第一超晶格層、具有20組交替堆疊的AlN(厚度:4.5nm)和Alai3Gaa87N(厚度:21nm)的第二超晶格層、具有20組交替堆疊的AlN(厚度:4.5nm)和Alai2Gaa88N(厚度:21nm)的第三超晶格層、具有20組交替堆疊的AlN(厚度:4.5nm)和AlaHGaa89N(厚度:21nm)的第四超晶格層和具有20組交替堆疊的AlN(厚度:4.5nm)和Al0.Λ.90N(厚度:21nm)的第五超晶格層來生產超晶格層壓體以外，以與實施例1類似的方式生產具有HEMT結構的三類第III族氮化物外延基板。
[0071](比較例I)
[0072]除了通過外延生長100組交替堆疊的AlN(厚度:4.5nm)和Al。.^aa9N(厚度:2Inm)來生產超晶格層壓體以外，以與實施例1類似的方式生產根據比較例I的具有HEMT結構的三類第III族氮化物外延基板。
[0073](比較例2)
[0074]除了通過外延生長100組交替堆疊的AlN(厚度:4.5nm)和AlaCl5Gaa95N(厚度:2Inm)來生產超晶格層壓體以外，以與實施例1類似的方式生產根據比較例2的具有HEMT結構的三類第III族氮化物外延基板。
[0075](比較例3) [0076]除了通過外延生長100組交替堆疊的AlN(厚度:4.5nm)和GaN(厚度:21nm)來生產超晶格層壓體以外，以與實施例1類似的方式生產根據比較例3的具有HEMT結構的三類第III族氮化物外延基板。
[0077](比較例4)
[0078]除了通過順次外延生長具有50組交替堆疊的A1N(厚度:4.5nm)和Al0.05Ga0.95N(厚度:21nm)的第一超晶格層和具有50組交替堆疊的A1N(厚度:4.5nm)和Ala Aaa9N(厚度:21nm)的第二超晶格層來生產超晶格層壓體以外，以與實施例1類似的方式生產根據比較例4的具有HEMT結構的三類第III族氮化物外延基板。
[0079](評價1:基板翹曲的測量)
[0080]使用翹曲測量裝置(FT-900，由Nidek C0.，Ltd.生產)，基於光學幹涉方法，在形成超晶格層壓體之後和形成半導體層之前，根據SEMI標準測量基板的翹曲A。表1列出測量結果。本發明的「翹曲量」是指根據SEMI標準測量的量。形成三類半導體層之後的翹曲B也用相同的方法測量並列於表1。注意，在表1中，下側產生凸起的翹曲表示用負號表示，上側產生凸起的翹曲由正號「 + 」表示。
[0081](評價2:器件過程中破裂的測量)
[0082]製備10個實施例和比較例基板，並對這些基板進行下述器件形成過程。首先，在基板上形成電極，然後通過蝕刻形成溝用於使氮化物半導體層單片化。試驗各實施例和比較例的10個基板來確定其中產生破裂的數量。表1列出試驗結果。
[0083](評價3:縱向耐壓的測量)[0084]在電極供給層上形成80 μ m具有Ti/Au層狀結構的歐姆電極，並在歐姆電極外側蝕刻至50nm的厚度後，使Si基板的背面與金屬板接地，測量相對於電壓流經電極之間的電流值。在這點上，為了抑制空氣中的放電，使用絕緣油以使電極之間的絕緣。此外，為了消除向基板背面漏電(leakage)的影響，在基板下方設置絕緣板。在本實驗例中，縱向耐壓設定為沿縱向的電流值當轉換為對於歐姆電極面積的每單位面積的值時達到10_4A/Cm2時的電壓。
[0085][表 I]
[0086]
【權利要求】
1.一種第III族氮化物外延基板，其包括: Si基板； 與所述Si基板接觸的初始層；和 形成於所述初始層上的超晶格層壓體，所述超晶格層壓體包括多組如下的層壓體:各所述層壓體順次包括由Al組成比大於0.5且I以下的AlGaN製成的第一層和由Al組成比大於O且0.5以下的AlGaN製成的第二層，其中 所述第二層的Al組成比隨著遠離所述Si基板而逐漸降低。
2.根據權利要求1所述的第III族氮化物外延基板，其中 所述超晶格層壓體包括多個超晶格層，各所述超晶格層包含多組的所述第一層和由具有恆定Al組成比的AlGaN製成的第二層，所述第一層和所述第二層交替堆疊，和 隨著所述超晶格層的位置距離所述Si基板越遠，所述超晶格層壓體中的各超晶格層的第二層的Al組成比越小。
3.根據權利要求1或權利要求2所述的第III族氮化物外延基板，其中離所述Si基板最近的第二層的Al組成比與離所述Si基板最遠的第二層的Al組成比之差為0.02以上。
4.根據權利要求1至3任一項所述的第III族氮化物外延基板，其中所述第一層為A1N。
5.根據權利要求1至4任一項所述的第III族氮化物外延基板，其中所述初始層包括AlN層和所述AlN層上的AlGaN層，和在所述初始層中的所述AlGaN層的Al組成比大於在所述第二層中離所述基板最近的AlGaN層的Al組成比。
6.根據權利要求1至5任一項所述的第III族氮化物外延基板，其進一步包括通過在所述超晶格層壓體上外延生長至少包括GaN層的第III族氮化物層所形成的主層壓體。
7.根據權利要求1至6任一項所述的第III族氮化物外延基板，其中在所述超晶格層壓體作為最上層的狀態下，下側產生凸起的翹曲量為130 μ m以下。
8.—種第III族氮化物外延基板的製造方法，其包括: 第一步，在Si基板上形成與所述Si基板接觸的初始層；和 第二步，在所述初始層上形成超晶格層壓體，所述超晶格層壓體包括多組如下的層壓體:各所述層壓體順次包括由Al組成比大於0.5且I以下的AlGaN製成的第一層和由Al組成比大於O且0.5以下的AlGaN製成的第二層，其中 在所述第二步中，使所述第二層的Al組成比隨著遠離所述基板而逐漸降低。
【文檔編號】H01L29/812GK103782375SQ201280044074
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年7月11日 優先權日:2011年7月11日
【發明者】生田哲也, 柴田智彥 申請人:同和電子科技有限公司