專利名稱：半導(dǎo)體層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體層，更具體地涉及可以獲得具有高結(jié)晶質(zhì)量的GaN系外延層的半導(dǎo)體層。
背景技術(shù)：
圖3表示常規(guī)半導(dǎo)體層。這種半導(dǎo)體層包括由Al2O3制成的Al2O3襯底11、在Al2O3襯底11表面上形成的AlN層12和利用MOCVD(金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積)法通過外延生長而在AlN層12上形成的GaN生長層13(例如參考JP 52-36117B)。
根據(jù)這種半導(dǎo)體層，AlN層12在Al2O3襯底11和GaN生長層13之間形成，因而可以減少晶格常數(shù)的不匹配從而減少缺陷晶體。
但是，根據(jù)常規(guī)半導(dǎo)體層，不能夠使得AlN層12和GaN生長層13的晶格常數(shù)相互完美相配，因此很難進(jìn)一步提高GaN生長層13的晶體質(zhì)量。另外，當(dāng)將常規(guī)半導(dǎo)體層應(yīng)用于發(fā)光元件時，發(fā)光層的晶態(tài)退化，并且發(fā)光效率下降。
因此，本發(fā)明的目的是提供可以獲得具有高結(jié)晶質(zhì)量的GaN系外延層的半導(dǎo)體層。

發(fā)明內(nèi)容
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供半導(dǎo)體層，其特征在于包括由Ga2O3系半導(dǎo)體制成的第一層和通過用氮原子置換第一層的部分或全部氧原子獲得的第二層。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層，通過用氮原子置換第一層的部分或全部氧原子獲得的第二層在由Ga2O3系半導(dǎo)體制成的第一層上形成，由此獲得由GaN系化合物半導(dǎo)體制成的具有高結(jié)晶度的第二層而不插入緩沖層。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案1的半導(dǎo)體層橫截面圖；圖2是表示制造根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案1的半導(dǎo)體層的工藝的流程圖；和圖3是常規(guī)半導(dǎo)體層的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式
下面將描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的半導(dǎo)體層。該實(shí)施方案由下列層構(gòu)成由Ga2O3系半導(dǎo)體制成的第一層，由GaN系化合物半導(dǎo)體制成并通過使第一層表面經(jīng)受氮化處理等從而用氮原子置換第一層的部分或全部氧原子以在第一層上獲得的第二層，和在第二層上由GaN系外延層制成的第三層。本文中，“Ga2O3系半導(dǎo)體”包含諸如Ga2O3、(InxGa1-x)2O3其中0≤x＜1、(AlxGa1-x)2O3其中0≤x＜1以及(InxAlyGa1-x-y)2O3其中0≤x＜1、0≤y＜1并且0≤x+y＜1的半導(dǎo)體，還包含均通過用于制備這種半導(dǎo)體而進(jìn)行的原子置換或原子缺陷來表現(xiàn)n-型導(dǎo)電特性或p-型導(dǎo)電特性的半導(dǎo)體。另外，“GaN系化合物半導(dǎo)體”和“GaN系外延層包含諸如GaN、InzGa1-zN其中0≤z＜1、AlzGa1-zN其中0≤z＜1以及InzAlpGa1-z-pN其中0≤z＜1、0≤p＜1并且0≤z+p＜1的半導(dǎo)體，還包含均通過用于制備這種半導(dǎo)體而進(jìn)行的原子置換或原子缺陷來表現(xiàn)n-型導(dǎo)電特性或p-型導(dǎo)電特性的半導(dǎo)體。
例如，作為第一實(shí)施例，第二層和第三層可以由相同的化合物半導(dǎo)體制成，如由Ga2O3制成第一層、由GaN制成第二層和由GaN制成第三層。另外，作為第二實(shí)施例，第二層和第三層也可以分別由不同的化合物半導(dǎo)體制成，如由Ga2O3制成第一層、由GaN制成第二層和由InzGa1-zN其中0≤z＜1制成第三層。而且，作為第三實(shí)施例，第二層和第三層還可以分別由不同的化合物半導(dǎo)體制成，并且也可以根據(jù)不同于在第一實(shí)施例和第二實(shí)施例中的組合來制作第一層和第二層，如由(InxGa1-x)2O3其中0≤x＜1制成第一層、由InzAlpGa1-z-pN其中0≤z＜1、0≤p＜1并且0≤z+p＜1制成第二層和由AlzGa1-zN其中0≤z＜1制成第三層。
根據(jù)實(shí)施方案，由于可以使得第二層和第三層的晶格常數(shù)相互匹配，或者可以使其相互非常接近，因此獲得具有高結(jié)晶質(zhì)量的GaN系外延層。
(實(shí)施方案1)圖1表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案1的半導(dǎo)體層。實(shí)施方案1的半導(dǎo)體層包括作為第一層的β-Ga2O3襯底1、作為第二層的大約2nm厚的GaN層2和作為第三層的GaN生長層3，其中，所述襯底1由β-Ga2O3單晶制成，所述GaN層2通過使β-Ga2O3襯底1表面經(jīng)受氮化處理而形成，所述GaN生長層3利用例如MOCVD法通過外延生長來形成在GaN層2上。在氮化處理中用氮原子置換β-Ga2O3襯底1的氧原子，由此形成GaN層2。
圖2表示制造半導(dǎo)體層的工藝。第一，利用FZ(懸浮區(qū))法制作β-Ga2O3襯底1(工藝a)。首先，制備β-Ga2O3種晶和β-Ga2O3多晶原料。
通過對解理面(cleaved face)加以利用等削減β-Ga2O3單晶從而獲得β-Ga2O3種晶，并且該種晶具有橫截面為正方形的棱柱形狀，并且其軸向符合a-軸<100>方向、b-軸<010>方向或c-軸<001>方向。
例如，將4N純度的Ga2O3粉末裝入橡膠管，在500MPa下冷壓，并在1500℃下燒結(jié)10小時，由此獲得β-Ga2O3多晶原料。
接下來，在二氧化硅管中，在1-2個大氣總壓力下在氮?dú)夂脱鯕饣旌蠚怏w(從100％氮?dú)庾優(yōu)?00％氧氣)環(huán)境中使β-Ga2O3種晶和β-Ga2O3多晶的頭部相互接觸。加熱使其接觸部分熔融，并冷卻β-Ga2O3多晶的已溶解物質(zhì)，由此產(chǎn)生β-Ga2O3單晶。當(dāng)在b-軸<010>方向生長為晶體時，β-Ga2O3單晶在(100)面具有強(qiáng)解理，因此沿著垂直于與(100)面平行的面的面來切削β-Ga2O3單晶，從而制作β-Ga2O3襯底1。順便而言，當(dāng)在a-軸<100>方向或c-軸<001>方向生長為晶體時，β-Ga2O3單晶在(100)面和(001)面具有弱解理。因此，所有面的可加工能力變得優(yōu)良，并因此不存在如上所述的對切削面的限制。
接下來，通過在60℃下在硝酸溶液中煮沸來蝕刻β-Ga2O3襯底1(工藝b)。然后將所得β-Ga2O3襯底1浸入乙醇中并經(jīng)受超聲波清洗(工藝c)。而且，在浸入水中并經(jīng)受超聲波清洗(工藝d)后，干燥β-Ga2O3襯底1(工藝e)并在MOCVD系統(tǒng)的生長室中在1000℃下進(jìn)行真空清洗(工藝f)從而清潔β-Ga2O3襯底1的表面。
接下來，對β-Ga2O3襯底1進(jìn)行氮化處理(工藝g)。也就是說，在MOCVD系統(tǒng)的生長室中在預(yù)定環(huán)境氣氛下加熱β-Ga2O3襯底1并持續(xù)預(yù)定的時間。適當(dāng)選擇環(huán)境氣氛(包括大氣)、加熱溫度和加熱時間，由此在β-Ga2O3襯底1表面上獲得所需的GaN層2。例如，在300托下在NH3環(huán)境中將β-Ga2O3襯底1在1050℃加熱5分鐘，由此在β-Ga2O3襯底1表面上形成大約2nm厚的薄GaN層2。
接著，利用MOCVD法生長GaN以獲得GaN生長層3(工藝h)。也就是說，當(dāng)MOCVD系統(tǒng)生長室中的壓力降到100托并且氨氣和三甲基鎵(TMG)被分別提供為生長室的N供應(yīng)原料和Ga供應(yīng)原料時，在GaN層2上生長例如約100nm厚的GaN生長層3。通過調(diào)整供應(yīng)原料的濃度、加熱溫度等可以控制GaN生長層的厚度。
在實(shí)施方案1中，當(dāng)三甲基鋁(TMA)與TMG一起供應(yīng)時，可以形成AlGaN層作為第二層來替代GaN層2。另外，當(dāng)三甲基銦(TMI)與TMG一起供應(yīng)時，可以形成InGaN層作為第二層來替代GaN層2。
根據(jù)實(shí)施方案1，得到了下列效果。
(1)由于獲得了具有高結(jié)晶度的β-Ga2O3襯底1，因此獲得了在該襯底上形成的總位錯密度(through dislocation density)低和結(jié)晶度高的GaN層2。而且，由于GaN層2和GaN生長層3的晶格常數(shù)互相匹配，并且GaN生長層3繼承GaN層(2)的高結(jié)晶度而生長，因此獲得總位錯密度更低且結(jié)晶度高的GaN生長層(3)。
(2)例如在n-型GaN生長層和p-型GaN生長層之間形成InGaN層，由此可以制作發(fā)光元件例如發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光。
(3)由于當(dāng)本發(fā)明應(yīng)用于發(fā)光元件時獲得了具有高結(jié)晶度的發(fā)光層，因此提高了發(fā)光效率。
(4)由于β-Ga2O3襯底1具有導(dǎo)電特性，因此當(dāng)制作發(fā)光元件時，可以采用電極從層結(jié)構(gòu)的豎直方向取出的立式結(jié)構(gòu)，并因此可以簡化層結(jié)構(gòu)以及制造工藝。
(5)由于β-Ga2O3襯底1具有半透明特性，因此光也可以從襯底側(cè)發(fā)出。
(6)由于真空清洗(工藝f)、氮化處理(工藝g)和GaN外延生長(工藝d)在MOCVD系統(tǒng)的生長室中連續(xù)進(jìn)行，因此可以有效地生產(chǎn)半導(dǎo)體層。
然而，也可以生長InGaN、AlGaN或InGaAlN來替代GaN生長層3。在InGaN和AlGaN的情況下，可以使得它們的晶格常數(shù)幾乎與GaN層2匹配。在InGaAlN的情況下，可以使得其晶格常數(shù)與GaN層2匹配。
例如，當(dāng)在薄膜GaN層2上形成Si摻雜GaN層、在Si摻雜GaN層上形成未摻雜InGaN層、在未摻雜InGaN層上形成Mg摻雜GaN層或AlGaN層時，獲得雙異型(double hetero type)發(fā)光元件。此時，當(dāng)交替形成In組成比例相互不同的阱層和阻擋層以形成未摻雜InGaN層時，獲得具有MQW(多量子阱層)的激光二極管元件。
另一方面，當(dāng)圖1中GaN層2和襯底1在GaN生長層3生長到預(yù)定厚度后被移除時，獲得GaN襯底。同樣，形成InGaN層、AlGaN層或InGaAlN層以替代GaN生長層3，由此可以得到相應(yīng)襯底。
另外，雖然FZ法被描述為β-Ga2O3襯底1的生長方法，但是也可以采用任意其它合適的生長方法例如EFG(固定型模生長法，Edge-defined Film-fed Growthmethod)法。而且，雖然MOCVD法被描述為GaN系外延層的生長方法，但是也可以采用任意其它合適的生長方法例如PLD(脈沖激光沉積)法。
此外，本發(fā)明的半導(dǎo)體層并不限于發(fā)光元件，并因此可應(yīng)用于多種半導(dǎo)體元件和部件。
工業(yè)適用性根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層，通過用氮原子置換第一層的部分或全部氧原子而獲得的第二層在由β-Ga2O3系半導(dǎo)體制成的第一層上形成，由此獲得由GaN系化合物半導(dǎo)體制成并具有高結(jié)晶度的第二層而不插入緩沖層。因此，當(dāng)在第二層上形成GaN系外延層時，可以使得第二層和GaN系外延層的晶格常數(shù)相互匹配，或者相互非常接近，并因此獲得具有高結(jié)晶質(zhì)量的GaN系外延層。
權(quán)利要求
1.半導(dǎo)體層，其特征在于包含由Ga2O3系半導(dǎo)體制成的第一層；和通過用氮原子置換所述第一層的部分或全部氧原子獲得的第二層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體層，其特征在于，所述第二層由GaN系化合物半導(dǎo)體制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體層，其特征在于，所述第一層是Ga2O3系單晶襯底。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體層，其特征在于，所述第一層由Ga2O3、(InxGa1-x)2O3其中0≤x＜1、(AlxGa1-x)2O3其中0≤x＜1、(InxAlyGa1-x-y)2O3其中0≤x＜1、0≤y＜1并且0≤x+y＜1等作為主要組分制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的半導(dǎo)體層，其特征在于，所述第二層由GaN、InzGa1-zN其中0≤z＜1、AlzGa1-zN其中0≤z＜1、InzAlpGa1-z-pN其中0≤z＜1、0≤p＜1并且0≤z+p＜1等作為主要組分制成。
6.半導(dǎo)體層，其特征在于包含由Ga2O3系半導(dǎo)體制成的第一層；由GaN系化合物半導(dǎo)體制成并通過用氮原子置換所述第一層的部分或全部氧原子獲得的第二層；和由GaN系外延層制成并在所述第二層上形成的第三層。
7.半導(dǎo)體層，其特征在于包含由Ga2O3系半導(dǎo)體制成的第一層；和由GaN系化合物半導(dǎo)體制成并在所述第一層上形成的第二層；
8.半導(dǎo)體層，其特征在于包含由Ga2O3系半導(dǎo)體制成的第一層；由GaN系化合物半導(dǎo)體制成并在所述第一層上形成的第二層；和由GaN系外延層制成并在所述第二層上形成的第三層。
全文摘要
一種能夠提供具有高產(chǎn)品質(zhì)量的GaN外延層的半導(dǎo)體層。這種半導(dǎo)體層包含由β－Ga
文檔編號H01L21/205GK1833310SQ200480022689
公開日2006年9月13日 申請日期2004年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月8日
發(fā)明者一之瀨升, 島村清史, 青木和夫, 恩卡納西翁·安東尼亞·加西亞·比略拉 申請人:株式會社光波