[發明專利]III－V族化合物半導體晶體結構及其外延生長方法和半導體器件

無效

• 申請號: 02106903.4
• 申請日: 2002-03-06
• 公開（公告）號: CN1374683A
• 公開（公告）日: 2002-10-16
• 發明（設計）人: 倉本大;砂川晴夫
• 申請（專利權）人: 日本電氣株式會社
• 主分類號: H01L21/20
• 分類號: H01L21/20;H01L21/205
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司
• 代理人: 穆德駿,方挺

發明所屬領域

本發明涉及III-V族化合物半導體晶體結構、該III-V族化合物半導體晶體結構的外延生長方法和在III-V族化合物半導體襯底上的半導體器件。

相關技術說明

人們希望在包含相同的大塊半導體晶體的基材或襯底上生長外延層，來作為外延層，其中基材與外延層在物理特性如晶格常數和熱膨脹系數方面相同。這導致外延層晶體缺陷的減少并且還提高了外延層的質量。

以氮化鎵為基的大塊晶體具有高的氮分解(dissociation)壓力。因此，一般難以制備大尺寸的以氮化鎵為基的大塊晶體的晶片。以氮化鎵為基的大塊晶體在大約30-90cm²/Vs的范圍內由于較高的雜質濃度而一般具有低的電子遷移性。

本發明人已經用一種常規方法制備出以氮化鎵為基的大塊晶體，此方法在未決公開的日本專利申請No.11-251253中公開。圖1A至1E是按在該常規方法中所包含的步驟順序顯示的包含氮化鎵基底層的半導體襯底的部分剖視正面圖。

參考圖1A，將厚度為1.2微米的GaN膜112形成在藍寶石襯底111的(0001)晶面上。在GaN膜112的表面上形成一SiO₂膜。對該SiO₂膜執行光刻處理和接下來的濕腐蝕處理，以形成氧化硅掩模114。氧化硅掩模114覆蓋GaN膜112的表面。GaN膜112表面的未被覆蓋部分是生長區113。生長區113是寬度為5微米的條帶狀。氧化硅掩模114也是寬度為2微米的條帶狀。條帶狀生長區113和氧化硅掩模114具有縱向的方向<11-20>。

參考圖1B，通過氫化物汽相外延生長(HVPE)法在生長區113上生長GaN膜115。HVPE法采用了作為V族源材料的氯化鎵(GaCl)和氨。氯化鎵(GaCl)是通過將作為III族元素的鎵與氯化氫(HCl)反應而產生的。用二氯甲硅烷(SiH₂C1₂)作為n型摻雜劑。襯底111被設置在生長室內。在氫氣氛中將溫度升高至1000℃的生長溫度。在溫度穩定在生長溫度后，以20cc/min的流速提供氯化氫(HCl)5分鐘，從而在生長區113生長GaN膜115，其中GaN膜115具有(1-101)刻面的結構。

參考圖1C至圖1E，一直持續地饋送二氯甲硅烷(SiH₂C1₂)作為n型摻雜劑，以進一步生長GaN膜115，直到GaN膜115的厚度達到100微米。基于(1-101)-刻面的晶體生長的使得GaN膜115在掩模114上側向生長。這就是所謂的外延側向過生長。該生長方法允許得到大小為2英寸的無裂縫的晶片。所得到的晶片的錯位密度減小，并且摻雜濃度為5E17/cm³，遷移性為大約800cm²/V。

即使通過使用外延過度生長法減小了錯位密度，但錯位密度仍然達到了1E7/cm³。該錯位密度意味著GaN膜具有棱鏡形狀的微晶結構，其包含了大量的棱鏡形狀的微晶粒。該棱鏡形狀的微晶結構具有向晶體結構的c軸的傾斜，而在其c平面上的扭轉。因此，GaN膜具有鑲嵌晶體結構，其一般會造成電氣和光學特性的劣化。

可以通過使用X射線來測量傾斜角和扭轉角。如果不使用外延側向過生長法而將厚度為1.2微米的單GaN膜生長在藍寶石襯底上的低溫緩沖層上，則所測量的GaN膜的傾斜角為324秒，而所測得的扭轉角是1188秒。如果用外延側向過生長法而將厚度為140微米的GaN膜生長在藍寶石襯底上，則所測量的GaN膜傾斜角為180秒，而所測得的扭轉角是208秒。

使用外延側向過生長法帶來了以氮化鎵為基的層的晶體質量的提高。但是，基于氮化鎵的半導體層的晶體結構的傾斜角和扭轉角仍然要大于在氮化鎵基層生長于GaAs襯底或InP襯底上時的情況。

為了進一步改進半導體器件的電氣和光學特性，希望進一步減小基于氮化鎵的半導體層的晶體結構的傾斜角和扭轉角。

發明概述

因此，本發明的目的是提供一種能夠克服上述問題的形成III-V族化合物半導體層的新型方法。

本發明的又一個目的是提供一種形成具有高度完美的晶體結構的III-V族化合物半導體層的新型方法。

本發明的又一個目的是提供一種能夠克服上述問題的新型的III-V族化合物的半導體層。

本發明的又一個目的是提供一種具有高度完美的晶體結構的III-V族化合物的半導體層。