半导体材料、其制造方法以及半导体器件技术

一种在ＳｉＣ衬底上具有由（０００１）－面梯层和（１１－２ｎ）－面台阶［ｎ≥０］构成的阶梯表面结构的半导体材料，使用该半导体材料的半导体器件以及制造该半导体材料的方法，其中在ＳｉＣ晶体的外延生长之前，在ＳｉＣ衬底上形成富－碳表面，富－碳表面满足比率Ｒ＝（Ｉ↓［２８４．５］／Ｉ↓［２８２．８］）＞０．２。其中当通过Ｘ－射线光电子能谱分析器（ＸＰＳ）测量时，Ｉ↓［２８２．８］（Ｉ↓［ＳｉＣ］）是在与化学计量ＳｉＣ有关的结合能（２８２．８ｅＶ左右）下具有峰值的Ｃｌｓ信号的积分强度，以及Ｉ↓［２８４．５］（ＩＣ）是在与石墨、ＳｉＣ↓［ｘ］（ｘ＞１）或Ｓｉ↓［ｙ］ＣＨ↓［１－ｙ］（ｙ＜１）有关的结合能（２８４．５ｅＶ左右）下具有峰值的Ｃｌｓ信号的积分强度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体材料、其制造方法以及半导体器件，具体，涉及有利地用于制造具有台阶-梯层结构的器件如量子线器件、光学器件以及电子器件的碳化硅基半导体材料、使用该半导体材料的半导体器件以及制造该半导体材料的方法。
技术介绍
考虑到改进半导体器件的迁移率和性能已研究了除硅以外的各种半导体材料。碳化硅(SiC)，与硅相比具有更大带隙的半导体材料，近年有希望应用于供电器件、高频器件等等。对于碳化硅衬底，广泛地使用4H-SiC或6H-SiC衬底，具体，具有(0001)面的衬底。为了通过执行外延生长工序，在该衬底上形成SiC薄膜，在通常使用4H-SiC衬底的情况下，与(0001)面倾斜的衬底作为标准面，例如，朝着[11-20]轴的方向倾斜8°的衬底，由此在该SiC衬底的表面上形成台阶-梯层图形。例如，已经公开了通过在1,430℃下，在HCl(0至0.1％)-添加的H2气氛中保持4H-SiC衬底15至30分钟，形成台阶-梯层结构的方法(参见，例如，H.Nakagawa等人的PRL 91(2003)226107-1-4)。关于上述方法，还公开了在提供包含Si和C的材料气体之后，通过间歇地提供包含-氮的气体，在SiC体衬底上淀积SiC薄膜的方法(例如，参见，日本专利申请特开(JP-A)号2003-234301)。重要的是通过在该台阶-梯层结构的阶梯图形上外延生长，可以形成SiC膜，以制造使用该台阶-梯层结构的器件，如量子线器件、光学器件和电子器件。但是，在常规技术中，在1,430℃的温度下，在衬底表面上形成阶梯图形，该温度低于4H-SiC外延生长的良好范围，由此由于由温度的增加引起的形变，该阶梯图形不能保持其结构。此外，通过间歇地提供含-氮气体淀积SiC薄膜的上述方法不打算在衬底表面上形成阶梯图形，而是用于消除阶梯图形，以在具有偏离角的上述衬底上生长SiC薄膜时，通过执行外延生长使该衬底表面平滑。还有待于建立在SiC衬底的表面上形成符合需要的阶梯图形的方法，特别是，显示出良好的周期性的阶梯图形，例如，具有等于或大于40nm的梯层宽度和等于或大于5nm的台阶高度的周期性阶梯图形。
技术实现思路
鉴于上述情况，本专利技术提供一种具有阶梯图形(台阶-梯层结构)的半导体材料，该阶梯图形是热稳定的且在周期性方面是优越的，提供其制造方法以及显示出良好的光-传播特性的半导体器件。本专利技术的第一方面提供一种具有由(0001)-面梯层和(11-2n)-面台阶构成的阶梯表面结构的半导体材料，该梯层具有等于或大于40nm的宽度，该台阶具有等于或大于5nm的高度，其中n≥0。本专利技术的第二方面提供一种使用上述半导体材料的半导体器件。本专利技术的第三方面提供一种制造半导体材料的方法，其中在通过执行外延生长，在其上形成SiC晶体表面之前，通过在含-碳气氛下加热，在具有朝着[11-20]方向倾斜等于或大于1°的 轴的SiC衬底上形成富-碳表面。附图说明图1是说明通过本专利技术形成的台阶-梯层结构的示意性视图。图2示出了通过由信号I282.8和信号I284.8构成的XPS测量的C1s能谱的例子，信号I282.8在与SiC有关的结合能(在282.8eV左右)下具有峰值，信号I284.8在与石墨或SiCx(x＞1)有关的结合能(在284.5eV左右)下具有峰值。图3示出了实施例中形成的台阶-梯层结构的AFM图像。图4是说明在例子3中制备的光波导管器件的结构的示意性剖面图。具体实施例方式本专利技术基于下述发现，即在其表面上执行SiC的外延生长之前，通过在含-碳气氛中，在具有朝着[11-20]方向倾斜等于或大于1°的 轴的SiC衬底上形成包含过量碳的表面，可以获得SiC的周期性台阶-梯层结构。为了实现上述目的，通过由具有等于或大于40nm的宽度的(0001)-面梯层和具有等于或大于5nm的高度的(11-2n)-面台阶构成的阶梯表面结构构成本专利技术的半导体材料，其中n≥0。根据本专利技术的半导体材料，形成这样的表面结构，该表面结构具有高度周期性的阶梯图形(台阶-梯层结构)，并且具有通过任意常规方法没有实现的这种大规模的台阶簇。因此，可以容易地获得波导结构或量子线结构，以及可以增强波导效率，由此可以有效地提高诸如工作速度和高温工作的性能，由此可以实现制造各种器件如波导器件和量子线器件的简化方法。阶梯图形形成为梯层具有等于或大于40nm的宽度以及具有等于或大于5nm的高度的台阶，这依据波导规则是有效的。通过使用根据本专利技术的半导体材料构成本专利技术的半导体器件。在制造半导体器件中，使用具有高度周期性的阶梯图形(台阶-梯层结构)的表面结构的半导体材料是有效的，该半导体器件的波导效率是优越的，以及诸如迁移率和高温工作效率方面是优越的，以及可以容易进行这种器件的制造方法。制造本专利技术的半导体材料的方法是其中通过在含-碳气氛下加热具有朝着[11-20]方向倾斜等于或大于1°的 轴的SiC衬底，以在衬底上形成富-碳表面，以及在其表面上外延地生长SiC晶体的方法。在制造本专利技术的半导体材料的方法中，通过加热具有朝着[11-20]方向倾斜等于或大于1°的 轴的衬底，可以在将形成阶梯图形的区域中形成富-碳表面，以及通过在该富-碳表面上执行SiC的外延生长，可以更容易地形成周期性的阶梯图形，如由具有等于或大于40nm的宽度的梯层和具有等于或大于5nm的高度的台阶构成的阶梯表面结构。本专利技术的富-碳表面优选是其中当通过X-射线光电子能谱分析器(XPS)测量时该表面，ISiC和IC的比率(IC/ISiC；＝R)大于0.2的表面，ISiC是与化学计量SiC有关的信号的积分强度、IC是与除与化学计量SiC有关信号以外的碳的信号的积分强度。具体地，其中根据通过X-射线光电子能谱分析器(XPS)测量的C1s信号，I282.8(ISiC)和I284.5(IC)的比率(I284.5/I282.8；＝R)大于0.2的表面可以有利地构成富-碳表面，I282.8(ISiC)是在与化学计量SiC有关的结合能(在282.8eV左右)下具有峰值的信号的积分强度，以及I284.5(IC)是在除与化学计量SiC有关的信号以外的与石墨、SiCx(x＞1)或SiyCH1-y(y＜1)有关的结合能(在284.5eV左右)下具有峰值的信号的积分强度。通过构成生长SiC晶体以便比率R大于0.2的表面，即，以便在该表面存在过量的碳(C)，容易进行周期性的阶梯图形的研制，由此可以形成具有优越的周期性和大带隙的阶梯图形(台阶-梯层结构)。优选在含等于或小于10％的含-碳气体的气氛中进行含-碳气氛下的加热。通过添加痕量的含-碳气体到诸如氢气的气氛中，以便含-碳气氛中的含-碳气体浓度在等于或小于10％的范围内，在富-碳表面上外延地生长SiC晶体，以及可以形成周期性的阶梯图形，这对于形成希望的表面是有利的。具有周期性的阶梯图形(台阶-梯层结构)的SiC衬底被有利地用于制造SiC基器件，如可以在高温下工作的器件。下面，将参考图1至图3详细描述制造本专利技术的半导体材料的方法的有利实施例，包括根据本专利技术的半导体材料的细节和使用该半导体材料的半导体器件。如图1所示，该实施例的半导体材料是具有阶梯图形(台阶-梯层结构)的SiC衬底，阶梯图形由(0001)-面梯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体材料，包括由（０００１）－面梯层和（１１－２ｎ）－面台阶构成的阶梯表面结构，其中ｎ≥０，梯层具有等于或大于４０ｎｍ的宽度，台阶具有等于或大于５ｎｍ的高度。

【技术特征摘要】
JP 2005-10-27 2005-3126281.一种半导体材料，包括由(0001)-面梯层和(11-2n)-面台阶构成的阶梯表面结构，其中n≥0，梯层具有等于或大于40nm的宽度，台阶具有等于或大于5nm的高度。2.根据权利要求1的半导体材料，其中台阶的高度等于或大于20nm。3.根据权利要求1的半导体材料，其中梯层的宽度等于或大于80nm。4.一种包括根据权利要求1的半导体材料的半导体器件。5.根据权利要求4的包括该半导体材料的半导体器件，还包括在其上顺序地层叠的非掺杂SiC层和N-掺杂SiC层。6.一种制造根据权利要求1的半导体材料的方法，其中在含-碳气氛中加热具有朝着[11-20]方向倾斜等于或大于1°的轴的SiC衬底，以形成富-碳表面，以及在其上外延地生长SiC晶体。7.根据权利要求6的制造半导体材料的方法，其中该SiC衬底是4H-SiC衬底。8.根据权利要求6的制造半导体材料的方法，其中该SiC衬底是6H-SiC衬底。9.根据权利要求6的制造半导体材料的方法，其中该SiC衬底是N-掺杂的SiC衬底。10.根据权利要求6的制造半导体材料的方法，其中当通过X-射线光电子能谱分析器(XPS)测量时，与化学计量SiC有关的Cls信号的积分强度ISiC和与除与化学计量SiC有关的Cls信号以外的与碳相关的Cls信号的积分强度Ic的...

【专利技术属性】
技术研发人员：关章宪，谷由加里，柴田典义，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，财团法人日本精细陶瓷中心，
类型：发明
国别省市：JP[日本]