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1、(10)申请公布号 CN 102870196 A (43)申请公布日 2013.01.09 CN 102870196 A *CN102870196A* (21)申请号 201180021537.0 (22)申请日 2011.06.07 2010-131020 2010.06.08 JP H01L 21/205(2006.01) H01L 21/338(2006.01) H01L 29/778(2006.01) H01L 29/812(2006.01) (71)申请人 日本碍子株式会社 地址 日本爱知县名古屋市 (72)发明人 三好实人 角谷茂明 市村干也 前原宗太 田中光浩 (74)专利代理机。
2、构 北京北翔知识产权代理有限 公司 11285 代理人 洪玉姬 杨勇 (54) 发明名称 外延基板以及外延基板的制造方法 (57) 摘要 本发明提供一种将硅基板作为基底基板且无 裂纹的外延基板。在作为 (111) 取向的单晶硅的 基底基板之上, 以使 (0001) 结晶面与基板面大致 平行的方式形成有 III 族氮化物层组, 其特征在 于, 所述外延基板包括 : 缓冲层, 其连续层叠多个 层叠单位 ; 结晶层, 形成在缓冲层之上。所述层叠 单位包括 : 组分调制层, 其通过重复交替层叠组 分不同的第一单位层和第二单位层而成, 从而内 部存在压缩应变 ; 末端层, 其形成在组分调制层 的最上部,。
3、 用于维持组分调制层内部存在的压缩 应变 ; 应变强化层, 形成在末端层之上, 用于强化 组分调制层内部存在的压缩应变。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2012.10.29 (86)PCT申请的申请数据 PCT/JP2011/063071 2011.06.07 (87)PCT申请的公布数据 WO2011/155496 JA 2011.12.15 (51)Int.Cl. 权利要求书 3 页 说明书 15 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 3 页 说明书 15 页 附图 3 页 1/3 页 2 1. 一种外延基板, 在。
4、作为 (111) 取向的单晶硅的基底基板之上, 以使 (0001) 结晶面与 所述基底基板的基板面大致平行的方式形成有 III 族氮化物层组, 其特征在于, 所述外延基板包括 : 缓冲层, 其连续层叠多个层叠单位, 结晶层, 形成在所述缓冲层之上 ; 所述层叠单位包括 : 组分调制层, 其通过重复交替层叠组分不同的第一单位层和第二单位层而成, 从而内 部存在压缩应变, 末端层, 其形成在所述组分调制层的最上部, 用于维持所述组分调制层内部存在的所 述压缩应变, 应变强化层, 形成在所述末端层之上, 用于强化所述组分调制层内部存在的所述压缩 应变。 2. 权利要求 1 所述的外延基板, 其特征在。
5、于, 与构成所述第一单位层的第一 III 族氮化物相比, 构成所述第二单位层的第二 III 族 氮化物在无应变状态下的面内晶格常数大, 各所述第二单位层相对于所述第一单位层形成共格状态。 3. 权利要求 2 所述的外延基板, 其特征在于, 所述末端层由所述第一 III 族氮化物形成为大于所述第一单位层的厚度。 4. 权利要求 3 所述的外延基板, 其特征在于, 所述应变强化层具有中间层, 所述中间层由第三 III 族氮化物构成, 并相对于所述末 端层形成共格状态。 5. 一种外延基板, 在作为 (111) 取向的单晶硅的基底基板之上, 以使 (0001) 结晶面与 所述基底基板的基板面大致平行。
6、的方式形成 III 族氮化物层组, 其特征在于, 所述外延基板包括 : 缓冲层, 其连续层叠多个层叠单位, 结晶层, 其形成在所述缓冲层之上, 由 III 族氮化物构成, 所述层叠单位包括 : 组分调制层, 重复交替层叠由组分不同的 III 族氮化物构成的第一单位层和第二单位 层而成, 并且与构成所述第一单位层的第一 III 族氮化物相比, 构成所述第二单位层的第 二 III 族氮化物在无应变状态下的面内晶格常数更大, 末端层, 形成在所述组分调制层的最上部, 由所述第一 III 族氮化物构成, 其厚度大于 所述第一单位层的厚度, 中间层, 其由第三 III 族氮化物构成 ; 在所述组分调制层。
7、中, 各所述第二单位层相对于所述第一单位层形成共格状态, 所述中间层相对于所述末端层形成共格状态。 6. 权利要求 1-5 中任一项所述的外延基板, 其特征在于, 所述第一单位层由 AlN 构成, 所述第二单位层由 AlxGa1-xN(0 x 0.25) 组分的 III 族氮化物构成, 其中 x 满足 0 x 0.25。 7. 权利要求 6 所述的外延基板, 其特征在于, 权 利 要 求 书 CN 102870196 A 2 2/3 页 3 所述中间层由 AlyGa1-yN 组分的 III 族氮化物形成为 100nm 以上、 500nm 以下的厚度, 其 中 y 满足 0 y 0.25。 8.。
8、 权利要求 6 或 7 所述的外延基板, 其特征在于, 所述第二单位层由 AlxGa1-xN 组分的 III 族氮化物构成, 其中 x 满足 0.1 x 0.25, 并且所述中间层由 AlyGa1-yN 组分的 III 族氮化物构成, 其中 y 满足 0.1 y 0.25。 9. 权利要求 8 所述的外延基板, 其特征在于, 所述第二单位层的组分和所述中间层的组分实质上相同。 10. 权利要求 1-9 中任一项所述的外延基板, 其特征在于, 所述外延基板还包括 : 第一基底层, 形成在所述基底基板之上, 并由 AlN 构成, 第二基底层, 形成在所述第一基底层之上, 并由 AlpGa1-pN 。
9、构成, 其中 p 满足 0 p 1 ; 所述第一基底层是由柱状结晶、 粒状结晶、 柱状畴或粒状畴中的至少一种构成的多结 晶含有缺陷层 ; 所述第一基底层和所述第二基底层之间的界面是三维凹凸面 ; 在所述第二基底层的正上方形成有所述缓冲层。 11. 一种外延基板的制造方法, 在作为 (111) 取向的单晶硅的基底基板之上, 形成使 (0001) 结晶面与所述基底基板的基板面大致平行的 III 族氮化物层组的半导体元件用外 延基板的制造方法, 其特征在于, 所述制造方法包括 : 形成缓冲层的缓冲层形成工序, 结晶层形成工序, 在所述缓冲层的上方形成由 III 族氮化物构成的结晶层 ; 所述缓冲层形。
10、成工序是连续多次反复进行层叠单位形成工序的工序, 包括 : 组分调制层形成工序, 通过重复交替层叠由组分不同的 III 族氮化物构成的第一单位 层和第二单位层, 从而形成组分调制层, 末端层形成工序, 在所述组分调制层的最上部形成末端层, 中间层形成工序, 在所述末端层之上形成中间层 ; 在所述组分调制层形成工序中, 以如下方式形成组分调制层 : 与构成所述第一单位层 的第一 III 族氮化物相比, 构成所述第二单位层的第二 III 族氮化物在无应变状态下的面 内晶格常数更大, 并且各所述第二单位层相对于所述第一单位层呈共格状态 ; 在所述末端层形成工序中, 由第一 III 族氮化物将所述末端。
11、层形成为大于所述第一单 位层的厚度 ; 在所述中间层形成工序中, 由第三 III 族氮化物将所述中间层形成为相对于所述末端 层呈共格状态。 12. 权利要求 11 所述的外延基板的制造方法, 其特征在于, 由AlN形成所述第一单位层, 由AlxGa1-xN组分的III族氮化物形成所述第二单位层, 其 中 x 满足 0 x 0.25。 13. 权利要求 12 所述的外延基板的制造方法, 其特征在于, 由 AlyGa1-yN 组分的 III 族氮化物将所述中间层形成为 100nm 以上、 500nm 以下的厚度, 其中 y 满足 0 y 0.25。 权 利 要 求 书 CN 102870196 A。
12、 3 3/3 页 4 14. 权利要求 12 或 13 所述的外延基板的制造方法, 其特征在于, 由 AlxGa1-xN 组分的 III 族氮化物形成所述第二单位层, 其中 x 满足 0.1 x 0.25, 并且由 AlyGa1-yN 组分的 III 族氮化物形成所述中间层, 其中 y 满足 0.1 y 0.25。 15. 权利要求 14 所述的外延基板的制造方法, 其特征在于, 所述第二单位层的组分和所述中间层的组分实质上相同。 16. 权利要求 11-15 中任一项所述的外延基板的制造方法, 其特征在于, 所述制造方法还包括 : 第一基底层形成工序, 在所述基底基板之上形成由 AlN 构成。
13、的第一基底层, 第二基底层形成工序, 在所述第一基底层之上形成由 AlpGa1-pN 构成的第二基底层, 其 中 p 满足 0 p 1 ; 在所述第一基底层形成工序中, 将所述第一基底层形成为多结晶含有缺陷层, 该多结 晶含有缺陷层由柱状或者粒状的结晶或畴中的至少一种构成且表面呈三维凹凸面 ; 在所述缓冲层形成工序中, 在所述第二基底层的正上方形成所述缓冲层。 权 利 要 求 书 CN 102870196 A 4 1/15 页 5 外延基板以及外延基板的制造方法 技术领域 0001 本发明涉及半导体元件用的外延基板, 尤其涉及使用 III 族氮化物构成的外延基 板。 背景技术 0002 氮化物。
14、半导体由于具有直接迁移型的宽带隙 (band gap)、 高绝缘击穿电场以及 高饱和电子速度, 所以作为 LED 或 LD 等的发光器件, 或 HEMT(High Electron Mobility Transistor)等高频率/大功率的电子器件用半导体材料而受到关注。 例如, 将由AlGaN构 成的势垒层和由 GaN 构成的沟道层层叠而成的 HEMT( 高电子迁移率晶体管 ) 元件是利用以 下特征的元件 : 根据氮化物材料特有的强极化效应 ( 自发极化效应和压电极化效应 ) 在层 叠界面 ( 异质界面 ) 上生成高浓度的二维电子气 (2DEG)( 例如, 参照非专利文献 1)。 0003 。
15、作为在 HEMT 元件用外延基板中采用的基底基板, 有时使用如 SiC 这样的组分与 III 族氮化物不同的单晶 ( 异种单晶 )。此时, 通常应变超晶格层或低温生长缓冲层等的缓 冲层作为初始生长层在基底基板之上形成。 由此, 在基底基板之上外延形成势垒层、 沟道层 以及缓冲层, 成为使用了由异种单晶构成的基底基板的 HEMT 元件用基板的最基本的构成 方式。 除此之外, 为了促进二维电子气的空间上的封闭性, 有时还在势垒层和沟道层之间设 置厚度为 1nm 左右的隔离层。隔离层由例如 AlN 等构成。进而, 为了控制 HEMT 元件用基板 的最表面的能级和改善与电极的接触特性, 有时还在势垒层。
16、之上形成例如由 n 型 GaN 层或 超晶格层构成的保护层。 0004 对于HEMT元件以及HEMT元件用的基板, 存在功率密度增大、 高效率化等与性能提 高相关的课题、 常闭动作化等与功能性增强相关的课题、 高可靠性和低成本化这些基本课 题等各种课题, 并针对每个课题做了不懈的努力。 0005 另一方面, 为了实现外延基板的低成本化, 进而实现硅系电路器件之间的集成化 等, 进行了如下研究和开发, 即, 在制作如上述这样的氮化物器件时将单晶硅用作基底基板 ( 例如, 参照专利文献 1 至专利文献 3, 以及非专利文献 2)。在作为 HEMT 元件用外延基板 的基底基板选择了如硅这样的导电性的。
17、材料的情形下, 从基底基板的背面赋予场板 (field plate) 效果, 因此可设计能够实现高耐电压和高速开关的 HEMT 元件。 0006 另外, 为了将 HEMT 元件用外延基板做成高耐电压结构, 已经公知增加沟道层和势 垒层的总膜厚或提高两层的绝缘击穿强度是有效的 ( 例如, 参照非专利文献 2)。 0007 另外, 还公知有如下的半导体器件的制造方法 : 在 Si 基底基板之上形成由 AlN 构 成的夹层, 接着, 以交替但整体产生凸弯曲的方式形成由 GaN 构成的第一半导体层和由 AlN 构成的第二半导体层, 并在之后降温时使这些层收缩, 其结果, 消除基板整体的弯曲 ( 例 如。
18、, 参照专利文献 4)。 0008 然而, 与使用蓝宝石基板或 SiC 基板的情形相比较, 已知由于如下原因在硅基板 上形成优质的氮化物膜是非常困难的。 0009 首先, 在硅和氮化物材料中, 在晶格常数的值上存在很大差异。 这成为在硅基板和 说 明 书 CN 102870196 A 5 2/15 页 6 生长膜的界面上发生失配位错 (misfit dislocation), 或在从核形成到生长的时机中促进 三维生长模式的主要原因。换言之, 成为阻碍形成位错密度小且表面平坦的良好的氮化物 外延膜的主要原因。 0010 另外, 与硅相比, 氮化物材料的热膨胀系数的值大, 因此, 在硅基板上以高温。
19、使氮 化物膜外延生长后, 在使温度降低至室温附近的过程中, 在氮化物膜内拉伸应力起作用。 其 结果, 在膜表面上容易产生裂纹, 并且基板容易产生较大弯曲。 0011 除此之外, 还已知在气相生长中的作为氮化物材料的原料气体的三甲基镓 (TMG : Trimethyl gallium) 容易形成硅和液相化合物, 而成为妨碍外延生长的主要原因。 0012 在使用专利文献 1 至专利文献 3 以及非专利文献 1 中所公开的现有技术的情形 下, 能够使 GaN 膜在硅基板上外延生长。然而, 所得到的 GaN 膜的结晶质量决不比将 SiC 或 蓝宝石用作基底基板的情形好。因此, 在使用现有技术来制作例如。
20、 HEMT 这样的电子器件的 情形下, 存在电子迁移率低、 断开时产生漏电流或耐压降低这样的问题。 0013 另外, 在专利文献 4 中所公开的方法中, 由于特意在器件制作的途中产生较大的 凸弯曲, 所以因层形成条件的不同, 有可能会在器件制作途中产生裂纹。 0014 现有技术文献 0015 专利文献 0016 专利文献 1 : 日本特开平 10-163528 号公报 0017 专利文献 2 : 日本特开 2004-349387 号公报 0018 专利文献 3 : 日本特开 2005-350321 号公报 0019 专利文献 4 : 日本特开 2009-289956 号公报 0020 非专利文。
21、献 0021 非 专 利 文 献 1 : Highly Reliable 250W GaN High ElectronMobility Transistor Power Amplifier Toshihide Kikkawa, Jpn.J.Appl.Phys.44, (2005), 4896. 0022 非专利文献 2 : High power AlGaN/GaN HFET with a highbreakdown voltage of over 1.8kV on 4inch Si substrates and thesuppresion of current collapse, Nariak。
22、i Ikeda, Syuusuke Kaya, Jiang Li, Yoshihiro Sato, Sadahiro Kato, Seikoh Yoshida, Proceedings of the 20th International Symposium on PowerSemicoductor Devices & IC s May 18-22, 2008Oralando, FL, pp.287-290 发明内容 0023 【发明要解决的课题】 0024 本发明是鉴于上述问题而提出的, 其目的在于, 提供一种将硅基板作为基底基板 且无裂纹的外延基板。 0025 【解决课题的方法】 0026 。
23、本发明是鉴于上述问题而提出的, 其目的在于, 提供一种将硅基板作为基底基板 且无裂纹的外延基板。 0027 为解决上述课题, 本发明的第一方案的外延基板, 在作为 (111) 取向的单晶硅的 基底基板之上, 以使(0001)结晶面与所述基底基板的基板面大致平行的方式形成有III族 氮化物层组, 其特征在于, 所述外延基板包括 : 缓冲层, 其连续层叠多个层叠单位, 结晶层, 说 明 书 CN 102870196 A 6 3/15 页 7 形成在所述缓冲层之上 ; 所述层叠单位包括 : 组分调制层, 其通过重复交替层叠组分不同 的第一单位层和第二单位层而成, 从而内部存在压缩应变, 末端层, 其。
24、形成在所述组分调制 层的最上部, 用于维持所述组分调制层内部存在的所述压缩应变, 应变强化层, 形成在所述 末端层之上, 用于强化所述组分调制层内部存在的所述压缩应变。 0028 在本发明的第二方案中, 在第一方案所述的外延基板的基础上, 与构成所述第一 单位层的第一 III 族氮化物相比, 构成所述第二单位层的第二 III 族氮化物在无应变状态 下的面内晶格常数大, 各所述第二单位层相对于所述第一单位层形成共格状态。 0029 本发明的第三方案中, 在第二方案所述的外延基板的基础上, 所述末端层由所述 第一 III 族氮化物形成为大于所述第一单位层的厚度。 0030 本发明的第四方案中, 在。
25、第三方案所述的外延基板的基础上, 所述应变强化层具 有中间层, 所述中间层由第三 III 族氮化物构成并相对于所述末端层形成共格状态。 0031 本发明的第五方案中, 在作为 (111) 取向的单晶硅的基底基板之上, 以使 (0001) 结晶面与所述基底基板的基板面大致平行的方式形成 III 族氮化物层组, 其特征在于, 所 述外延基板包括 : 缓冲层, 其连续层叠多个层叠单位, 结晶层, 其形成在所述缓冲层之上, 由 III 族氮化物构成, 所述层叠单位包括 : 组分调制层, 重复交替层叠由组分不同的 III 族氮 化物构成的第一单位层和第二单位层而成, 并且与构成所述第一单位层的第一 II。
26、I 族氮化 物相比, 构成所述第二单位层的第二 III 族氮化物在无应变状态下的面内晶格常数更大, 末端层, 形成在所述组分调制层的最上部, 由所述第一 III 族氮化物构成, 其厚度大于所述 第一单位层的厚度, 中间层, 其由第三 III 族氮化物构成 ; 在所述组分调制层中, 各所述第 二单位层相对于所述第一单位层形成共格状态, 所述中间层相对于所述末端层形成共格状 态。 0032 本发明的第六方案中, 在第一至第五方案中任一项所述的外延基板的基础上, 所 述第一单位层由 AlN 构成, 所述第二单位层由 AlxGa1-xN(0 x 0.25) 组分的 III 族氮化 物构成。 0033 。
27、本发明的第七方案中, 在第六方案所述的外延基板的基础上, 所述中间层由 AlyGa1-yN(0 y 0.25) 组分的 III 族氮化物形成为 100nm 以上、 500nm 以下的厚度。 0034 本发明的第八方案中, 在第六或第七方案所述的外延基板的基础上, 所述第二 单位层由 AlxGa1-xN(0.1 x 0.25) 组分的 III 族氮化物构成, 并且, 所述中间层由 AlyGa1-yN(0.1 y 0.25) 组分的 III 族氮化物构成。 0035 本发明的第九方案中, 在第八方案所述的外延基板的基础上, 所述第二单位层的 组分和所述中间层的组分实质上相同。 0036 本发明的第。
28、十方案中, 在第一至第九中任一项所述的方案所述的外延基板的基础 上, 包括 : 第一基底层, 形成在所述基底基板之上, 并由 AlN 构成, 第二基底层, 形成在所述 第一基底层之上, 并由 AlpGa1-pN(0 p 1) 构成 ; 所述第一基底层是由柱柱状结晶、 粒状 结晶、 柱状畴或粒状畴中的至少一种构成的多结晶含有缺陷层 ; 所述第一基底层和所述第 二基底层之间的界面是三维凹凸面 ; 在所述第二基底层的正上方形成有所述缓冲层。 0037 本发明的第十一方案中, 在作为 (111) 取向的单晶硅的基底基板之上, 形成使 (0001) 结晶面与所述基底基板的基板面大致平行的 III 族氮化。
29、物层组的半导体元件用外 延基板的制造方法, 其中所述制造方法包括 : 形成缓冲层的缓冲层形成工序, 结晶层形成工 说 明 书 CN 102870196 A 7 4/15 页 8 序, 在所述缓冲层的上方形成由 III 族氮化物构成的结晶层 ; 所述缓冲层形成工序是连续 多次反复进行层叠单位形成工序的工序, 该层叠单位形成工序包括 : 组分调制层形成工序, 通过重复交替层叠由组分不同的 III 族氮化物构成的第一单位层和第二单位层, 从而形成 组分调制层, 末端层形成工序, 在所述组分调制层的最上部将具有与第一单位层相同组分 的末端层形成为比所述第一单位层更厚的厚度, 中间层形成工序, 在所述末。
30、端层之上形成 中间层 ; 在所述组分调制层形成工序中, 以如下方式形成组分调制层 : 与构成所述第一单 位层的第一 III 族氮化物相比, 构成所述第二单位层的第二 III 族氮化物在无应变状态下 的面内晶格常数更大, 并且各所述第二单位层相对于所述第一单位层呈共格状态 ; 在所述 中间层形成工序中, 由第三 III 族氮化物将所述中间层形成为相对于所述末端层呈共格状 态。 0038 本发明的第十二方案中, 在第十一方案的外延基板的制造方法的基础上, 由 AlN 形成所述第一单位层, 由 AlxGa1-xN(0 x 0.25) 组分的 III 族氮化物形成所述第二单位 层。 0039 本发明的。
31、第十三方案中, 在第十二方案的外延基板的制造方法的基础上, 由 AlyGa1-yN(0 y 0.25) 组分的 III 族氮化物将中间层形成为 100nm 以上、 500nm 以下的厚 度。 0040 本发明的第十四方案中, 在第十二或第十三方案的外延基板的制造方法的基础 上, 由 AlxGa1-xN(0.1 x 0.25) 组分的 III 族氮化物形成所述第二单位层, 并且, 由 AlyGa1-yN(0.1 y 0.25) 组分的 III 族氮化物形成所述中间层。 0041 本发明的第十五方案中, 在第十四方案的外延基板的制造方法的基础上, 所述第 二单位层的组分和所述中间层的组分实质上相同。
32、。 0042 本发明的第十六方案中, 在第十一至第十五方案中任一项所述的外延基板的制造 方法的基础上, 具有 : 第一基底层形成工序, 在所述基底基板之上形成由 AlN 构成的第一基 底层, 第二基底层形成工序, 在所述第一基底层之上形成由 AlpGa1-pN(0 p 1) 构成的第 二基底层 ; 在所述第一基底层形成工序中, 将所述第一基底层形成为多结晶含有缺陷层, 该 多结晶含有缺陷层由柱状或者粒状的结晶或畴中的至少一种构成且表面呈三维凹凸面 ; 在 所述缓冲层形成工序中, 在所述第二基底层的正上方形成所述缓冲层。 0043 根据本发明的第一至第十六方案, 由于缓冲层中存在压缩应变, 所以。
33、由硅和 III 族氮化物之间的热膨胀系数差而产生的拉伸应力通过该压缩应变抵消。由此, 即使在将硅 基板用作基底基板的情形下, 也能够得到无裂纹、 弯曲小且结晶质量优良的外延基板。 0044 尤其是, 根据第八、 第九、 第十四以及第十五方案, 能够实现无裂纹、 弯曲小并且耐 电压性优良的外延基板。 0045 尤其是, 根据第十和第十六方案, 由于在低位错且表面平坦性良好的基底层之上 设置缓冲层, 所以缓冲层和结晶层等具有良好的结晶质量。 另一方面, 由于抑制了在第二基 底层中的应变能量的积累, 因此由缓冲层中含有的压缩应变而产生的拉伸应力的抵消效果 不会因在基底层中积累应变能量而受到阻碍。 附。
34、图说明 0046 图 1 是示意性地示出本发明的实施方式的外延基板 10 的构成的示意剖面图。 说 明 书 CN 102870196 A 8 5/15 页 9 0047 图 2 是示出在第一单位层 31 之上形成第二单位层 32 时的结晶晶格情况的模型 图。 0048 图 3 是绘制中间层 5 的厚度与直到形成中间层 5 为止的外延基板的弯曲量的关系 的图。 具体实施方案 0049 0050 图 1 是示意性地示出本发明的实施方式的外延基板 10 的构成的示意剖面图。 0051 外延基板 10 主要具有 : 基底基板 1、 基底层 2、 缓冲层 8 和功能层 9, 该缓冲层 8 分 别具有多个。
35、组分调制层 3、 末端层 4、 中间层 5。此外, 下面将在基底基板 1 之上形成的各层 总称为外延膜。另外, 为了便于说明, 有时也将 III 族元素中的 Al 的存在比率称为 Al 摩尔 分数。 0052 基底基板 1 是具有 p 型导电型的 (111) 面的单晶硅晶片。基底基板 1 的厚度没有 特别的限制, 但是为了便于处理, 优选使用具有数百 m 到数 mm 的厚度的基底基板 1。 0053 基底层 2、 组分调制层 3、 末端层 4、 中间层 5 和功能层 9 分别是通过外延生长 方法以 (0001) 结晶面与基底基板 1 的基板面大致平行的方式形成有纤锌矿型的 III 族 氮化物的。
36、层。通过有机金属化学气相生长法 (MOCVD 法 : metalorganic chemical vapor deposition) 来形成这些层是优选的一个例子。 0054 基底层 2 是为了在其上能够以良好的结晶质量形成上述各层而设置的层。具体地 说, 基底层2被设置为, 至少在其表面附近(在与组分调制层3之间的界面附近), 适当降低 位错密度并具有良好的结晶质量。由此, 在组分调制层 3 乃至在其之上形成的各层, 也得到 良好的结晶质量。 0055 在本实施方式中, 为了满足所述目的, 如下所示, 基底层2包括第一基底层2a和第 二基底层 2b。 0056 第一基底层 2a 是由 AlN。
37、 构成的层。第一基底层 2a 是由在与基底基板 1 的基板面 大致垂直的方向 ( 成膜方向 ) 上生长的多个微细柱状结晶等 ( 柱状结晶、 粒状结晶、 柱状 畴 (domain) 或粒状畴中的至少一种 ) 构成的层。换言之, 第一基底层 2a 是结晶性差的含 有多缺陷层, 在外延基板 10 的层叠方向上呈单轴取向, 但含有沿层叠方向的多个晶界或位 错。此外, 在本实施方式中, 为了便于说明, 有时也包括畴晶界或位错在内称为晶界。即使 第一基底层 2a 中的晶界的间隔大也就数十 nm 左右。 0057 具有所述结构的第一基底层 2a 如下形成 : (0002) 面的 X 射线摇摆曲线半辐值在 0。
38、.5度以上且1.1度以下, (10-10)面的X射线摇摆曲线半辐值在0.8度以上且1.1度以下, 其中, 该 (0002) 面的 X 射线摇摆曲线半辐值成为关于 c 轴倾斜成分的镶嵌性 (mosaicity) 的大小或螺旋位错的多少的指标, 并且, 该(10-10)面的X射线摇摆曲线半辐值成为关于将 c 轴作为旋转轴的结晶的旋转成分的镶嵌性的大小或刃型位错的多少的指标。 0058 另一方面, 第二基底层 2b 是在第一基底层 2a 的上方形成的由 AlpGa1-pN(0 p 1) 组分的 III 族氮化物构成的层。 0059 另外, 第一基底层 2a 与第二基底层 2b 之间的界面 I1( 第。
39、一基底层 2a 的表面 ) 为 反映了构成第一基底层 2a 的柱状结晶等的外形形状的三维凹凸面。例如, 在外延基板 10 说 明 书 CN 102870196 A 9 6/15 页 10 的 HAADF( 高角散射电子 ) 像中能够明确确认界面 I1 具有这样的形状。另外, HAADF 像是 通过扫描透射电子显微镜(STEM : scanning transmission electronmicroscopy)得到的被 高角度非弹性散射的电子的累积强度的映射像。在 HAADF 像中, 观察到像强度与原子序数 的平方成比例, 越是存在原子序数大的原子的部分越明亮(白), 因此观察到含有Ga的第二。
40、 基底层 2b 相对明亮, 不含 Ga 的第一基底层 2a 相对较暗。由此, 容易识别到两者的界面 I1 呈三维凹凸面。 0060 此外, 在图 1 的示意剖面中, 示出第一基底层 2a 的凸部 2c 大致呈等间隔, 但这只 不过是为了便于图示, 实际上凸部2c未必呈等间隔。 优选第一基底层2a形成为, 凸部2c的 密度在5109/cm2以上且51010/cm2以下, 凸部2c的平均间隔在45nm以上且140nm以下。 在满足这些范围的情形下, 能够形成结晶质量特别优良的功能层9。 另外, 在本实施方式中, 第一基底层 2a 的凸部 2c 是指在表面 ( 界面 I1) 上向上凸的部分的大致顶点。
41、位置。此外, 通过本发明的发明者的实验以及观察的结果, 确认形成凸部 2c 的侧壁的是 AlN 的 (10-11) 面或 (10-12) 面。 0061 要在第一基底层 2a 的表面上形成满足上述密度以及平均间隔的凸部 2c, 优选以 平均膜厚在 40nm 以上且 200nm 以下的方式形成第一基底层 2a。在平均膜厚小于 40nm 的 情形下, 难以形成如上述这样的凸部 2c 并难以实现 AlN 完全覆盖基板表面的状态。另一方 面, 若平均膜厚大于 200nm, 则由于开始进行 AlN 表面的平坦化, 所以难以形成如上述这样 的凸部 2c。 0062 此外, 虽然第一基底层 2a 的形成能够。
42、在规定的外延生长条件下实现, 但是用 AlN 形成第一基底层 2a 在如下两点是优选的, 第一点是不含有形成硅和液相化合物的 Ga, 第二 点是由于横向生长比较难以进行, 所以界面 I1 容易形成为三维凹凸面。 0063 在外延基板 10 中, 以如上述那样的方式使作为内部存在晶界的含有多缺陷层的 第一基底层 2a 位于基底基板 1 与第二基底层 2b 之间, 因此缓和了基底基板 1 与第二基底 层 2b 之间的晶格失配, 并抑制由所述晶格失配引起的应变能量的积累。关于上述的第一基 底层 2a 的 (0002) 面以及 (10-10) 面的 X 射线摇摆曲线半辐值的范围, 确定为适当抑制由 该。
43、晶界引起的应变能量的积累的范围。 0064 但是, 由于所述第一基底层2a的存在, 以第一基底层2a的柱状结晶等的晶界为起 点的非常多的位错向第二基底层 2b 传播。在本实施方式中, 通过将第一基底层 2a 与第二 基底层 2b 之间的界面 I1 如上述这样形成为三维凹凸面, 从而能够有效降低所述位错。 0065 通过将第一基底层 2a 与第二基底层 2b 之间的界面 I1 形成为三维凹凸面, 从而在 第一基底层 2a 上发生的大部分位错在从第一基底层 2a 向第二基底层 2b 传播 ( 贯通 ) 时, 于界面 I1 弯曲, 并在第二基底层 2b 的内部合体消失。其结果, 在以第一基底层 2a。
44、 为起点 的位错中的贯通第二基底层 2b 的位错为极少一部分。 0066 另外, 第二基底层 2b 优选如下形成, 即, 在其生长初期沿着第一基底层 2a 的表面 形状 ( 界面 I1 的形状 ) 形成, 但随着生长的进行, 其表面逐渐被平坦化, 最终具有 10nm 以 下的表面粗糙度。此外, 在本实施方式中, 表面粗糙度用通过 AFM( 原子力显微镜 ) 测量的 针对 5m5m 区域的平均粗糙度 ra 来表示。顺便说一下, 用横向生长比较容易进行的 至少含有 Ga 的组分的 III 族氮化物来形成第二基底层 2b, 在使第二基底层 2b 的表面平坦 性良好方面比较优选。 说 明 书 CN 1。
45、02870196 A 10 7/15 页 11 0067 另外, 第二基底层2b的平均厚度优选在40nm以上。 其原因在于, 在第二基底层2b 的平均厚度形成为小于 40nm 的情形下, 产生来自于第一基底层 2a 的凹凸不能充分被平坦 化, 或通过相互合体使传播到第二基底层 2b 的位错的消失不够充分等问题。此外, 在第二 基底层 2b 的平均厚度形成为 40nm 以上的情形下, 由于有效地降低位错密度和使表面平坦 化, 所以对于第二基底层 2b 的厚度的上限在技术上没有特别的限制, 但是从生产性的观点 考虑, 优选形成为数 m 以下左右的厚度。 0068 如上所述, 第二基底层 2b 的表。
46、面呈低位错且具有良好的平坦性, 所以在其上形成 的各层具有良好的结晶质量。 0069 缓冲层 8 具有连续层叠多个单位结构体 6( 层叠单位 ) 之间的结构, 多个单位结构 体 6 分别是将组分调制层 3、 末端层 4 和中间层 5 按该顺序层叠而成的。在图 1 中, 虽然例 示了具有 4 个单位结构体 6(6a、 6b、 6c、 6d) 的情形, 但是单位结构体 6 的数量不限于此。 0070 组分调制层3是具有超晶格结构的部位, 并且通过重复交替层叠第一单位层31和 第二单位层 32 而形成, 该第一单位层 31 和第二单位层 32 是不同组分的 2 种 III 族氮化物 层。此外, 将 。
47、1 个第一单位层 31 和 1 个第二单位层 32 的组称为配对层。 0071 第一单位层 31 和第二单位层 32 以满足如下这样关系的方式形成 : 与构成前者的 III 族氮化物相比, 构成后者的 III 族氮化物在无应变的状态 ( 块状态 ) 的面内晶格常数 ( 晶格长度 ) 较大。 0072 另外, 在组分调制层 3 中, 第二单位层 32 相对于第一单位层 31 形成共格状态 (coherent state)。另外, 与第一单位层 31 的厚度相比, 第二单位层 32 的厚度大。 0073 第一单位层 31 优选形成为 3nm-20nm 左右的厚度。典型地形成为 5nm-10nm 的。
48、厚 度。另一方面, 第二单位层 32 优选为 10nm-25nm 左右。另外, 配对层的重复数是 5- 数十左 右。 0074 优选第一单位层 31 由 AlN 构成, 第二单位层 32 由 AlxGa1-xN(0 x 0.25) 组分 的 III 族氮化物构成。 0075 末端层 4 是位于组分调制层 3 的最上部 ( 末端部 ) 并以与第一单位层 31 相同组 分的 III 族氮化物形成的层。末端层 4 形成为第一单位层 31 的厚度以上的厚度。并且, 末端层 4 形成为能够在其上形成共格状态中间层 5 的范围的厚度。具体地说, 优选形成为 20nm-100nm 左右的厚度。典型地, 形成。
49、为 20nm-50nm 的厚度。 0076 中间层 5 是由 III 族氮化物构成的层。构成中间层 5 的 III 族氮化物与构成第一 单位层 31 的 III 族氮化物相比, 在无应变的状态下的面内晶格常数大。例如, 中间层 5 由 AlyGa1-yN(0 y 0.25) 的组分的 III 族氮化物构成。中间层 5 相对于末端层 4 形成共格 状态。中间层 5 优选具有大致 100nm 以上且 500nm 以下的厚度。 0077 构成单位结构体 6 的组分调制层 3 中的配对层的数量和中间层 5 的实际的组分以 及厚度等是根据缓冲层 8 整体的形成方式决定的。另外, 第二单位层 32 和中间层 5 中的 Al 摩尔分数与外延基板 10 本身的耐电压性之间有关系。