[发明专利]Ⅲ-V族氮化物系半导体衬底及其制造方法和Ⅲ-V族氮化物系半导体

说明书

本发明是申请号为200510064396.7、发明名称为“III-V族氮化物系半导体衬底及其制造方法和III-V族氮化物系半导体”、申请日为2005年4月15日的发明申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及III-V族氮化物系半导体衬底及其制造方法和III-V族氮化物系半导体，更具体地涉及表面的位错密度分布均匀的低位错的III-V族氮化物系半导体衬底及其制造方法，和在该半导体衬底上外延生长有氮化物系半导体层的III-V族氮化物系半导体。

背景技术

氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化镓铝(GaAlN)等的III-V族氮化物系半导体材料，由于其禁带宽度充分大、带间跃迁为直接跃迁型，所以盛行研究对短波长发光元件的应用。并且，由于电子的饱和漂移速度快，能够利用采用异质结的二元载气等，所以也期待应用于电子元件上。

构成这些元件的氮化物半导体层是采用有机金属气相生长法(MOVPE)、分子束气相生长法(MBE)、氢化物气相生长法(HVPE)等气相生长法，在底层衬底上通过进行外延生长而得到。但是，由于没有氮化物半导体层和晶格常数匹配的底层衬底，所以很难获得品质良好的生长层，导致得到的氮化物半导体层中含有许多晶格缺陷。晶格缺陷成为阻碍元件特性提高的因素，所以至今盛行进行降低氮化物半导体层中的晶格缺陷的研究。

作为获得晶格缺陷较少的III族元素氮化物系晶体的方法，已知在蓝宝石等异质衬底上形成低温堆积缓冲层(缓冲层)，在其上形成外延生长层的方法。使用低温堆积缓冲层的晶体生长法中，首先在蓝宝石等衬底上在500℃左右堆积AlN或GaN，形成非晶态膜至含有一部分多晶的连续膜。通过将其升温至1000℃附近，使一部分蒸发或者结晶化，形成密度高的晶体核。将其作为生长核而得到结晶性较好的GaN膜。但是，即使使用形成低温堆积缓冲层的方法，所得衬底上也存在相当程度的贯通位错或空孔等晶格缺陷，要想获得目前期望的高性能元件则不够充分。

鉴于上述情况，正在盛行研究使用GaN衬底作为晶体生长用衬底，并在其上形成构成元件部分的半导体多层膜的方法。本说明书中把晶体生长用GaN衬底叫做自支撑的GaN衬底(GaN自支撑衬底)。作为得到GaN自支撑衬底的方法，已知有ELO技术(Epitaxial Lateral Overgrowth，外延横向生长，如参考Appl.Phys.Lett.71(18)2638(1997))。ELO法是通过在底层衬底上形成具有开口部的掩膜并通过从开口部横向生长来得到位错少的GaN层的技术。特开平11-251253号公报中提出了使用该ELO法在蓝宝石衬底上形成GaN层后，通过刻蚀等去除蓝宝石衬底，得到GaN自支撑衬底的技术。

作为进一步发展ELO法的方法，开发出了FIELO法(小平面开始外延横向过生长(Facet-Initiated Epitaxial Lateral Overgrowth)：如参考A.Usui，et al.，Jpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997)pp.L899-L902)。FIELO法在使用硅掩膜进行选择性生长的方面与ELO法相同，不同点是在选择性生长时在掩膜开口部形成小平面。通过形成小平面，改变位错的扩散方向，减少到达外延生长层上面的贯通位错。如果采用FIELO法，如在蓝宝石等底层衬底上生长厚膜GaN层，然后去除底层衬底，则能够得到晶格缺陷较少的品质良好的GaN自支撑衬底。

还有，作为得到低位错的GaN自支撑衬底的方法，公开有DEEP法(采用具有逆向锥形坑的外延生长的位错消除法(Dislocation Elimination by theEpi-growth with Inverted-Pyramidal Pits)：如参照K.Motoki et al.，Jpn.J.Appl.Phys.Vol.40(2001)pp.L140-L143、特开2003-165799号公报)。DEEP法是通过在GaAs衬底上使用图案化的氮化硅等掩膜生长GaN，在晶体表面有意地形成多个被小平面包围的坑，在所述坑底部积累位错，使其他区域得以低位错的方法。

上述ELO法或DEEP法中，在晶体生长初期在晶体生长界面边产生小平面边生长晶体。在晶体生长中扩散的位错具有如果有小平面则会弯曲其进行方向的性质。就是利用该性质而使位错到达不了晶体表面，可以降低衬底表面的位错密度。还有，如果在晶体生长界面边产生被小平面包围的坑边生长晶体，则位错在坑底部高密度地积累。如果位错积累，则相互碰撞的位错消灭、或者形成位错环，还有望起到停止向表面进行的作用，能够进一步有效地减少位错密度。