氮化物半導體元件和氮化物半導體晶片的制作方法
【專利說明】氮化物半導體元件和氮化物半導體晶片
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請基于并且要求保護于2014年I月15日提交的日本專利申請N0.2014-005040的優(yōu)先權(quán)的權(quán)益，通過引用的方式將該日本專利申請的全部內(nèi)容并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本文中所描述的實施例總體上涉及氮化物半導體元件和氮化物半導體晶片。
【背景技術(shù)】
[0004]發(fā)光二極管(LED)是使用氮化物半導體的半導體發(fā)光元件，其用于例如顯示設(shè)備、照明等。使用氮化物半導體的電子設(shè)備可以用作高速電子設(shè)備、功率設(shè)備等。
[0005]當在對大量生產(chǎn)具有較高適用性的硅襯底上形成這種氮化物半導體元件時，由于晶格常數(shù)與熱膨脹系數(shù)之間的差異，因而很容易出現(xiàn)缺陷和裂紋。需要用于在硅襯底上制造具有較少裂紋的高質(zhì)量晶體的技術(shù)。同樣，需要用于減少襯底的彎曲以提高元件特性和生產(chǎn)產(chǎn)量的技術(shù)。
【附圖說明】
[0006]圖1A至圖1D是示出根據(jù)第一實施例的氮化物半導體元件的示意圖；
[0007]圖2A至圖2D是示出根據(jù)第一實施例的另一個氮化物半導體元件的示意圖；
[0008]圖3A和圖3B是示出根據(jù)第一實施例的另一個氮化物半導體元件的曲線圖；
[0009]圖4是氮化物半導體元件的特性的曲線圖；
[0010]圖5是氮化物半導體元件的特性的曲線圖；
[0011]圖6是氮化物半導體元件的特性的曲線圖；
[0012]圖7A至圖7D是示出根據(jù)第二實施例的氮化物半導體元件的示意圖；
[0013]圖8A至圖8D是示出根據(jù)第一實施例的另一個氮化物半導體元件的示意圖；
[0014]圖9是根據(jù)第二實施例的氮化物半導體元件的曲線圖；
[0015]圖10是示出根據(jù)第二實施例的氮化物半導體元件的示意圖；
[0016]圖11是氮化物半導體元件的特性的曲線圖；
[0017]圖12是氮化物半導體元件的特性的曲線圖；
[0018]圖13A至圖13D是示出根據(jù)第三施例的氮化物半導體元件的示意圖；以及
[0019]圖14A至圖14D是示出根據(jù)第三實施例的另一個氮化物半導體元件的示意圖。
【具體實施方式】
[0020]根據(jù)一個實施例，氮化物半導體元件包括功能層和堆疊體。堆疊體包括GaN中間層、低Al成分層、高Al成分層和第一含Si層。低Al成分層包括具有第一 Al成分比的氮化物半導體。低Al成分層設(shè)置在GaN中間層與功能層之間。高Al成分層包括具有第二 Al成分比的氮化物半導體。高Al成分層設(shè)置在GaN中間層與低Al成分層之間。第二 Al成分比高于第一 Al成分比。第一含Si層設(shè)置在GaN中間層與高Al成分層之間。
[0021]根據(jù)一個實施例，氮化物半導體元件包括形成在堆疊體上的功能層。堆疊體包括GaN中間層、低Al成分層、高Al成分層和第一含Si層。低Al成分層包括具有第一 Al成分比的氮化物半導體。低Al成分層設(shè)置在GaN中間層與功能層之間。高Al成分層包括具有第二 Al成分比的氮化物半導體。高Al成分層設(shè)置在GaN中間層與低Al成分層之間。第二 Al成分比高于第一 Al成分比。第一含Si層設(shè)置在GaN中間層與高Al成分層之間。
[0022]根據(jù)一個實施例，氮化物半導體元件包括功能層和堆疊體。堆疊體包括GaN中間層、低Al成分層、高Al成分層和第二含Si層。低Al成分層包括具有第一 Al成分比的氮化物半導體。低Al成分層設(shè)置在GaN中間層與功能層之間。高Al成分層包括具有第二 Al成分比的氮化物半導體。高Al成分層設(shè)置在GaN中間層與低Al成分層之間。第二 Al成分比高于第一 Al成分比。第二含Si層設(shè)置在低Al成分層與高Al成分層之間。
[0023]根據(jù)一個實施例，氮化物半導體晶片包括襯底、功能層和堆疊體。堆疊體設(shè)置在襯底與功能層之間。堆疊體包括GaN中間層、低Al成分層、高Al成分層和第一含Si層。低Al成分層包括具有第一 Al成分比的氮化物半導體。低Al成分層設(shè)置在GaN中間層與功能層之間。高Al成分層包括具有第二 Al成分比的氮化物半導體。高Al成分層設(shè)置在GaN中間層與低Al成分層之間。第二 Al成分比高于第一 Al成分比。第一含Si層設(shè)置在GaN中間層與高Al成分層之間。
[0024]下文將參考附圖對各種實施例進行描述。
[0025]附圖是示意性或概念性的；并且部分的厚度與寬度之間的關(guān)系、部分之間的大小的比例等并不一定與它們的實際值相同。此外，即使對于相同的部分，在附圖之間示出的尺寸和/或比例也可以不同。
[0026]在本申請的附圖和說明書中，利用相似的附圖標記來表示與關(guān)于上一附圖所描述的那些部件相似的部件，并且視情況而省略【具體實施方式】。
[0027]第一實施例
[0028]實施例涉及氮化物半導體元件。根據(jù)實施例的氮化物半導體元件包括諸如半導體發(fā)光元件、半導體光接收元件、電子器件等的半導體器件。半導體發(fā)光元件包括例如發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)等。半導體光接收元件包括光電二極管(PD)等。電子器件包括例如高電子遷移率晶體管(HEMT)、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)、場效應晶體管(FET)、肖特基勢壘二極管(SBD)等。
[0029]圖1A至圖1D是示出根據(jù)第一實施例的氮化物半導體元件的示意圖。
[0030]圖1A是示出根據(jù)實施例的氮化物半導體元件110的示意截面圖。圖1B是堆疊體的Al成分比Cai的曲線圖。圖1C是堆疊體的生長溫度GT(形成溫度)的曲線圖。圖1D是堆疊體的a軸的晶格間距Ld的曲線圖。
[0031]如圖1A中所示，根據(jù)實施例的氮化物半導體元件110包括基礎(chǔ)層60、堆疊體50和功能層10。基礎(chǔ)層60具有主表面60a。堆疊體50設(shè)置在基礎(chǔ)層60的主表面60a與功能層10之間。例如，功能層10形成在堆疊體50上。堆疊體50包括第一堆疊單元50a。
[0032]在實施例中，功能層10具有選自例如發(fā)光功能、光電轉(zhuǎn)換機制和電流切換功能中的至少一種功能。
[0033]此處，將從基礎(chǔ)層60指向功能層10的方向看作Z軸方向。將垂直于Z軸的一個方向看作X軸方向。將垂直于Z軸方向和X軸方向的方向看作Y軸方向。功能層10沿著Z軸方向與堆疊體50堆疊。
[0034]在本申請的說明書中，“堆疊”不僅包括彼此接觸地重疊的狀態(tài)，而且還包括與插入其間的另一個層重疊的狀態(tài)。此外，“設(shè)置在…上”不僅包括直接接觸地設(shè)置，而且還包括設(shè)置有插入于其間的另一層。
[0035]在示例中，氮化物半導體元件110還包括襯底40。堆疊體50設(shè)置在襯底40與功能層10之間。基礎(chǔ)層60設(shè)置在襯底40與堆疊體50(例如，第一堆疊單元50a)之間。襯底40具有主表面40a。襯底40的主表面40a與基礎(chǔ)層60的主表面60a大體上平行。
[0036]襯底40包括例如硅。例如，襯底40是Si (111)襯底。在實施例中，在襯底40是硅襯底的情況下，襯底40的平面取向可能不是(111)平面，并且可能是例如(Iln)平面取向(η為整數(shù))或(100)平面。例如，有利的是(110)平面，因為硅襯底與氮化物半導體層之間的晶格失配較小。
[0037]襯底40可以是包括氧化物層的襯底。例如，襯底40可以是絕緣體上硅(SOI)襯底等。襯底40可以包括具有與功能層10的晶格常數(shù)不同的晶格常數(shù)的材料。襯底40可以包括具有與功能層10的熱膨脹系數(shù)不同的熱膨脹系數(shù)的材料。例如，襯底40可以是選自藍寶石、尖晶石、GaAs、InP、ZnO、Ge、SiGe、GaN、氮化鋁(AlN)和SiC的其中之一的襯底。
[0038]例如，基礎(chǔ)層60形成在襯底40上。AlGaN基礎(chǔ)層63形成在基礎(chǔ)層60上。堆疊體50形成在AlGaN基礎(chǔ)層63上。換言之，AlGaN基礎(chǔ)層63設(shè)置在襯底40與堆疊體50之間?；A(chǔ)層60設(shè)置在AlGaN基礎(chǔ)層63與襯底40之間。
[0039]功能層10形成在堆疊體50上。可以通過外延生長來執(zhí)行這些層的形成。例如，這些氮化物半導體層的主表面是(0001)平面(C平面)。
[0040]根據(jù)實施例的氮化物半導體元件包括形成在堆疊體50上的功能層10。存在如下情況，即，氮化物半導體元件用于在功能層10形成于堆疊體50上之后去除堆疊體50的至少一部分的狀態(tài)中。例如，氮化物半導體元件用于在去除了襯底40、基礎(chǔ)層60、AlGaN基礎(chǔ)層63、堆疊體50和功能層10的一部分的狀態(tài)中。
[0041]在氮化物半導體元件為發(fā)光元件的情況下，功能層10包括例如η型半導體層、發(fā)光層和P型半導體層。
[0042]基礎(chǔ)層60包括例如Α1Ν。例如，基礎(chǔ)層60包括AlN緩沖層62。AlN緩沖層62包括Al和N。有利的是AlN緩沖層62的厚度例如不小于10納米(nm)并且不大于400nm，例如，大約200nm。緩沖層不限于AlN層，并且可以使用GaN層。在將GaN層用作基礎(chǔ)層60的情況下，GaN層的厚度例如不小于1nm并且不大于50nm。GaN層厚度例如約為30nm?？梢詫⒅T如AlGaN、InGaN等的混合晶體用作基礎(chǔ)層60。
[0043]例如，將不易與襯底40 (硅襯底)發(fā)生化學反應的AlN用作與硅相接觸的基礎(chǔ)層60。由此，例如，易于解決由于硅與鎵之間的反應而發(fā)生的回熔蝕刻等的問題。用作基礎(chǔ)層60的AlN的至少一部分包括單晶是有利的。例如，可以通過在不低于1000°C的高溫下執(zhí)行AlN的外延生長來形成單晶AlN緩沖層62。在將硅襯底用作襯底40的情況下，氮化物半導體與硅襯底的熱膨脹系數(shù)之間的差大于氮化物半導體與除了硅之外的材料制作的襯底的熱膨脹系數(shù)之間的差。因此，在外延生長之后發(fā)生的襯底40的彎曲較大；并且容易出現(xiàn)裂紋。通過使用包括單晶的AlN層作為基礎(chǔ)層60，在外延生長中，在氮化物半導體內(nèi)部形成了應力(應變)；并且可以減少生長結(jié)束之后的襯底的彎曲。
[0044]在AlN緩沖層62中形成拉伸應力(應變)是有利的。通過在AlN緩沖層62中形成拉伸應力(應變)抑制了在襯底40與基礎(chǔ)層60之間的界面處的缺陷的形成。
[0045]基礎(chǔ)層60可以包括銦(In)。通過包括In的基礎(chǔ)層60，緩和了基礎(chǔ)層60與襯底40(硅襯底)之間的晶格失配；并且抑制了位錯的發(fā)生。在基礎(chǔ)層60包括In的情況下，在晶體生長中容易發(fā)生In的解吸反應。將In成分比設(shè)置為50%或更低是有利的。由此可以獲得具有良好平整度的基礎(chǔ)層60。
[0046]AlGaN基礎(chǔ)層63形成在AlN緩沖層62上。AlGaN基礎(chǔ)層63包括Al、Ga和N。
[0047]AlGaN基礎(chǔ)層63包括AlxGa1J (0<x ( I)。有利的是使AlGaN基礎(chǔ)層63的厚度例如不小于10nm并且不大于lOOOnm，例如，約為250nm。有利的是使AlGaN基礎(chǔ)層63的Al的成分比例如不小于0.1并且不大于0.9，例如，0.25。由AlGaN基礎(chǔ)層63進一步抑制了回熔蝕刻。由AlGaN基礎(chǔ)層63可以增大堆疊體50中形成的壓縮應力(應變)。
[0048]在堆疊有具有不同成分的多個氮化物半導體層的情況下，堆疊在頂部的氮化物半導體層(例如，AlGaN基礎(chǔ)層63)被形成為匹配形成在底部上的氮化物半導體層(例如，AlN緩沖層62)的晶格間距(晶格的長度)。因此，氮化物半導體層的實際晶格間距與無應變的晶格間距(晶格常數(shù))不同。
[0049]在本申請的說明書中，“晶格常數(shù)”指的是氮化物半導體的無應變的晶格間距。在本申請的說明書中，“晶格間距”指的是形成的氮化物半導體層的實際晶格的長度。晶格常數(shù)例如是物理性質(zhì)常數(shù)。晶格間距例如是包括在形成的氮化物半導體元件中的氮化物半導體層的實際晶格的長度。例如，通過X射線衍射測量來確定晶格間距。
[0050]AlGaN基礎(chǔ)層63的至少一部分具有結(jié)晶度。換言之，AlGaN基礎(chǔ)層63的至少一部分不是非結(jié)晶的，而是多晶或單晶。在單晶AlN緩沖層62上形成在垂直于堆疊方向的軸(方向)上具有大于AlN緩沖層62的晶格間距的晶格常數(shù)的AlGaN基礎(chǔ)層63。由此，在具有結(jié)晶度的AlGaN基礎(chǔ)層63內(nèi)部形成壓縮應力(應變)。垂直于形成壓縮應力(應變)的AlGaN基礎(chǔ)層63的堆置方向的軸(方向)上的晶格間距小于無應變的晶格間距(晶格常數(shù))。通過形成壓縮應力(應變)，可以減小在晶體生長之后的冷卻過程中由于氮化物半導體與硅襯底的熱膨脹系數(shù)之間的差而產(chǎn)生的拉伸應力(應變)。由此可以抑制