專利名稱：Ⅲ族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)和電子器件等的
制造所使用的結(jié)晶性好的m族氮化物化合物半導(dǎo)體(以下，m族氮化物化
合物半導(dǎo)體規(guī)定為由AlGaInN表示的化合物半導(dǎo)體)疊層結(jié)構(gòu)體及其制造
方法。特別是涉及為了使結(jié)晶性好的m族氮化物化合物半導(dǎo)體晶體在藍(lán)寶 石基板上外延生長而可很好地使用的m族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體 及其制造方法。
背景技術(shù)：
m族氮化物化合物半導(dǎo)體，由于具有相當(dāng)于可見光到紫外光區(qū)的能量
直接遷移型的帶隙，能夠進(jìn)行高效率的發(fā)光，因此實(shí)現(xiàn)了作為LED和LD
的制品化。另外，作為電子器件也具有能得到以往的ni-v族化合物半導(dǎo)體 所不能得到的特性的電位。
m-v族(第三主族 第五主族)化合物半導(dǎo)體的單晶片尚未市售， m- v族化合物半導(dǎo)體一般是采用使不同的材料的單晶片上生長晶體的方 法。在這樣的異種基板與在其上面外延生長的ni族氮化物化合物半導(dǎo)體晶 體之間存在較大的晶格不整合(不一致)。例如，在藍(lán)寶石(ai2o3)與氮
化鎵(GaN )之間存在16%的晶格不整合，在SiC與氮化鎵之間存在6% 的晶格不整合。 一般在存在這樣的較大的晶格不整合時，難以使晶體在基 板上直接外延生長，即使生長也得不到結(jié)晶性良好的晶體。因此，在采用 金屬有才幾物化學(xué)氣相淀積法(MOCVD)在藍(lán)寶石單晶基板或SiC單晶基
板上使m族氮化物化合物半導(dǎo)體晶體外延生長的場合， 一般采用下述方法
如日本專利第3026087號公凈艮和日本特開平4-297023號公凈艮所述，首先在基板上堆積由氮化鋁(A1N) 、 AlGaN構(gòu)成的被稱為低溫緩沖層的層，在
高溫下在其上面使m族氮化物化合物半導(dǎo)體晶體外延生長。
另夕卜，日本特開2003-243302號公報、Journal of Crystal Growth, 1991 年，Vol.115, pp.628-633中記載了使用柱狀晶的集合組織的層作為緩沖層 的技術(shù)。這些文獻(xiàn)所公開的技術(shù)，與上述的現(xiàn)有技術(shù)同樣在成膜時采用了 MOCVD法。MOCVD法適合于以高的生長速度形成高品質(zhì)的結(jié)晶膜，但 要均勻性良好地形成柱狀晶那樣的結(jié)構(gòu)的膜，濺射法等的使用等離子體化 了的金屬原料的成膜法較適合。另外，這些文獻(xiàn)沒有關(guān)于柱狀晶密度的記 述。
另外，關(guān)于采用MOCVD以外的方法形成緩沖層的技術(shù)也有幾個報 告。例如，日本特公平5-86646號公報記載了在采用高頻濺射法成膜的緩 沖層上，采用MOCVD使相同組成的晶體生長的技術(shù)。然而，在日本專利 第3440873號公報和日本專利第3700492號公報中記載了 若只采用該日 本特公平5-86646號公報所述的技術(shù)不能夠穩(wěn)定地得到良好的晶體的內(nèi)容。 為了穩(wěn)定地得到良好的晶體，日本專利第3440873號公報記載了在緩沖層 生長后，在包含氨和氫的混合氣體中進(jìn)行退火^^重要；日本專利第3700492 號公報記載了在400。C以上的溫度下采用DC濺射形成緩沖層很重要。
然而，上述特許公^^艮沒有記載希望在基板上形成怎樣的結(jié)晶性的層。 實(shí)際上根據(jù)本發(fā)明者潛心實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，若只為上述特許公報所述的條件，
不能穩(wěn)定地得到作為良好的晶體的m族氮化物化合物半導(dǎo)體晶體。
另外，關(guān)于基板，日本專利第3440873號公報和日本專利第3700492 號公報中，舉出了藍(lán)寶石、硅、碳化硅、氧化鋅、磷化鎵、砷化鎵、氧化
鎂、氧化錳和m族氮化物系化合物半導(dǎo)體單晶等，其中記載了藍(lán)寶石的a
面基板最適合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在形成m族氮化物化合物半導(dǎo)層時，使用控制了結(jié)構(gòu) 的緩沖層，穩(wěn)定地得到良好結(jié)晶性的m族氮化物化合物半導(dǎo)體層。本發(fā)明的另 一 目的是提供一種上述的控制了結(jié)構(gòu)的緩沖層的高效率的 制造方法。
本發(fā)明提供下述發(fā)明。
(1) 一種m族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體，其特征在于，在基板 上具備由m族氮化物化合物半導(dǎo)體形成的第一層和與該第一層鄰接的由in 族氮化物化合物半導(dǎo)體形成的第二層，該第一層含有晶界面清晰的柱狀晶，
其密度為lxl03個/nm2 lxl()5個/nm2。
(2) 根據(jù)上述(i)所述的m族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體，其
中，第一層覆蓋了基板表面的至少90%。
(3) 根據(jù)上述(i)或(2)所述的in族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)
體，其中，晶界面清晰的柱狀晶的寬度為lnm 50nm。
u)根據(jù)上述(3)所述的ni族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體，其
中，晶界面清晰的柱狀晶的寬度為2nm 30nm。
(5) 根據(jù)上述(i) ~ (4)的任一項(xiàng)所述的m族氮化物化合物半導(dǎo)體
疊層結(jié)構(gòu)體，其中，第一層的厚度為10nm 500nm。
(6) 根據(jù)上述(5)所述的III族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體，其 中，第一層的厚度為20nm ~ 100nm。
(7 )根據(jù)上述(1) ~ ( 6 )的任一項(xiàng)所述III族氮化物化合物半導(dǎo)體疊 層結(jié)構(gòu)體，其中，第一層是含有Al的III族氮化物化合物半導(dǎo)體。
(8) 根據(jù)上述(7)所述的m族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體，其
中，第一層由A1N形成。
(9) 才艮據(jù)上述(i) ~ (8)的任一項(xiàng)所述的in族氮化物化合物半導(dǎo)體
疊層結(jié)構(gòu)體，其中，第二層為AlGaN。
(10) 根據(jù)上述(1) ~ (8)的任一項(xiàng)所述的IH族氮化物化合物半導(dǎo) 體疊層結(jié)構(gòu)體，其中，第二層為GaN。
(11) 根據(jù)上述(1) ~ (10 )的任一項(xiàng)所述的IE族氮化物化合物半導(dǎo) 體疊層結(jié)構(gòu)體，其中，形成第一層的III族氮化物化合物半導(dǎo)體和形成第二 層的EI族氮化物化合物半導(dǎo)體是不同的材料。(12) 根據(jù)上述(ii)所述的ni族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體，
其中，第一層為A1N，并且第二層為GaN。
(13) 4艮據(jù)上述(i) ~ (12)的任一項(xiàng)所述的m族氮化物化合物半導(dǎo)
體疊層結(jié)構(gòu)體，其中，基板由選自藍(lán)寶石、SiC、硅、氧化鋅、氧化鎂、氧 化錳、氧化鋯、氧化錳鋅鐵、氧化鎂鋁、硼化鋯、氧化鎵、氧化銦、氧化 鋰鎵、氧化鋰鋁、氧化釹鎵、氧化鑭鍶鋁鉭、氧化鍶鈦、氧化鈦、鉿、鴒 和鉬中的材料構(gòu)成。
(14) 一種m族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體的制造方法，其特征 在于，利用等離子體將m族金屬原料和含有氮元素的氣體活化使其反應(yīng)， 由此在基板上形成含有m族氮化物化合物半導(dǎo)體的柱狀晶的第一層，然后 形成與該第一層鄰接的由m族氮化物化合物半導(dǎo)體形成的第二層。
(is)根據(jù)上述(14)所述的m族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體的
制造方法，第一層的成膜法是選自濺射、PLD、 PED和CVD中的一種。
(16) 根據(jù)上述(is)所述的in族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體的
制造方法，第一層的成膜法是濺射法。
(17) 根椐上述(16)所述的ni族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體的 制造方法，第一層的成膜法是一邊使氮源在反應(yīng)器內(nèi)流通一邊進(jìn)行的反應(yīng) 性濺射。
(18) 根據(jù)上述(17)所述的m族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體的 制造方法，第 一 層的成膜法是利用氨作為氮源的濺射法。
(19) 根據(jù)上述(17)所述的m族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體的 制造方法，第 一 層的成膜法是利用氮?dú)庾鳛榈吹臑R射法。
(20) 根據(jù)上述(16) ~ (19)的任一項(xiàng)所述的m族氮化物化合物半
導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體的制造方法，第一層的成膜法是RF濺射法。
(21) 根據(jù)上述(20)所述的m族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體的
制造方法，第一層的成膜法是一邊使陰極的磁鐵的位置移動一邊進(jìn)行的RF 賊射法。
(22) 根據(jù)上述(16) ~ (21)的任一項(xiàng)所述的III族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體的制造方法，形成第一層時的基板溫度為400°C~800°C。
(23) 根據(jù)上述(14) ~ (22)的任一項(xiàng)所述的m族氮化物化合物半 導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體的制造方法，第二層的成膜法是MOCVD法。
(24) 根據(jù)上述(14) ~ (22)的任一項(xiàng)所述的m族氮化物化合物半 導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體的制造方法，第二層的成膜法是反應(yīng)性濺射法。
(25) 根據(jù)上述(14) ~ (24)的任一項(xiàng)所述的m族氮化物化合物半 導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體的制造方法，形成笫二層時的基板溫度為卯0。C以上。
(26) —種III族氮化物化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件，包括上述(l) ~ (13)
的任一項(xiàng)所述的m族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體。
(27) —種燈，包括上述(26)所述的m族氮化物化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件。
本發(fā)明的in族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體，具備由結(jié)晶性良好的 ni族氮化物化合物半導(dǎo)體形成的表層，因此使用它制造的LED等ni族氮化 物化合物半導(dǎo)體元件具有良好的特性。另外，本發(fā)明的ni族氮化物化合物 半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體的制造方法，由于采用利用等離子體將原料活化的方法 形成第一層，因此能夠以短時間得到均勻性良好的結(jié)晶膜，生產(chǎn)效率得到 改進(jìn)。


圖1是表示在本發(fā)明的實(shí)施例2中制造的半導(dǎo)體發(fā)光元件用的具有外 延層結(jié)構(gòu)的外延晶片的截面的模式圖。
圖2是表示在本發(fā)明的實(shí)施例2中制造的半導(dǎo)體發(fā)光元件的電極結(jié)構(gòu) 的平面圖。
圖3是在本發(fā)明的實(shí)施例1中制造的III族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié) 構(gòu)的第一層的平面TEM照片。 圖4是模式地表示圖3的圖。
圖5是在本發(fā)明的實(shí)施例1中制造的ni族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)
構(gòu)體的截面TEM照片。圖6是^^莫式地表示圖5的圖。
圖7是在本發(fā)明的比較例中制造的m族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)
體的第一層的平面TEM照片。 圖8是才莫式地表示圖7的圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的ni族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體，是在基板上使m族氮 化物化合物半導(dǎo)體晶體外延生長時，基^1上作為第一層使用了含有晶界面 清晰的柱狀晶的層的疊層結(jié)構(gòu)體。柱狀晶清晰的界面，起到用于在其正上 方制膜的第二層的發(fā)生的晶種的作用，能夠以適度的密度發(fā)生晶種。在所 發(fā)生的晶種逐漸地進(jìn)行橫向生長的過程中，位錯被環(huán)化而減少，能夠形成 低位錯的良好結(jié)晶性的層。
可以認(rèn)為在柱狀晶的界面產(chǎn)生臺階差，成為活性點(diǎn)，發(fā)生晶種，還可 以認(rèn)為在界面部分產(chǎn)生微小的間隙從而發(fā)生晶種。以怎樣的機(jī)理發(fā)生晶種 的詳細(xì)情況還不能夠特定。
本發(fā)明中所說的晶界面清晰的柱狀晶，是從平面方向觀察的場合形成 以六邊形為基調(diào)的截面形狀，具有清晰的晶界面的晶粒。有時層的全部由 該晶粒填埋，還有時分散地存在于不具有清晰的晶界面的層中。
圖3是從平面方向觀察本發(fā)明的實(shí)施例i所制造的m族氮化物化合物
半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體的第一層的TEM照片。圖4是模式地表示圖3的圖。 判明由具有以六邊形為基調(diào)的截面形狀的清晰的晶界面包圍的晶粒，以點(diǎn) 狀存在于不具有清晰的界面的結(jié)晶層中。大小按直徑計為5nm 10nm左 右。其密度在以ljun包圍的正方形中為5000個左右，(照片為85nmxl20nm 的范圍，在其中，可看到47個晶界面清晰的柱狀晶)。
本說明書所公開的技術(shù)中，晶界面清晰的柱狀晶的適宜密度，在以ljim 包圍的正方形中是1000個-100000個左右。當(dāng)為其以上的密度時，過多 地含有結(jié)晶的界面，相當(dāng)于結(jié)晶性低。其結(jié)果，笫二層的結(jié)晶性不能提高。 而當(dāng)為其以下的密度時，結(jié)晶的界面過少，第二層的結(jié)晶性也不能提高。更優(yōu)選為1500個~ 50000個，特別優(yōu)選為2000個~ 10000個。
例如，圖7是從平面方向觀察本發(fā)明的比較例i所制造的ni族氮化物
化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體的第一層的TEM照片。圖8是模式地表示圖7 的圖。如圖7所示的TEM像那樣，使用只含有在1^11112中具有500個左右 的清晰界面的柱狀晶的A1N結(jié)晶層作為第 一層的場合，不能得到良好的結(jié) 晶性的第二層。在嚴(yán)重的場合，第二層不成為鏡狀表面而呈白濁。由這樣 的m族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體制造的LED，在其上面層疊的n型 層、發(fā)光層和p型層的結(jié)晶性也差，發(fā)生漏電流，ESD耐性和老化特性差。
如上所述，第 一層中所含的柱狀晶是否是具有清晰的界面的柱狀晶， 能夠由平面TEM照片判斷。另夕卜，其密度也可以由平面TEM照片進(jìn)行測 定。
再者，所謂柱狀晶，是指作為縱截面形狀為柱狀的晶體，是否為柱狀 可以由截面TEM照片判斷。圖5是本發(fā)明的實(shí)施例1所制造的m族氮化 物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體的與圖3大致同一位置的截面的TEM照片， 圖6是模式地表示圖5的圖。第一層被圖6中實(shí)線所示的界面分割開，位 于界面與界面之間的一個個的結(jié)晶塊呈六邊形的柱形狀。
所謂較多地含有晶界面清晰的柱狀晶的結(jié)晶層，意指相對于基板面的 晶格面很整齊一致的晶體的集合體。在為相對于基板面的晶格面稍微傾斜 的晶體的集合體的場合，晶體彼此可連續(xù)地連接，因此形成晶界面不清晰 的集合體。
這樣的結(jié)晶性特性，反映在X射線測定的結(jié)果上。由一般的二晶體X 射線搖擺曲線測定與基板平行的(0002)面的晶格常數(shù)的場合，半值寬小 相當(dāng)于是本發(fā)明所規(guī)定的較多地含有晶界面清晰的柱狀晶的集合體。因此， 優(yōu)選第一層的(0002)面的X射線搖擺曲線測定的半值寬為0.5度以下， 更優(yōu)選為0.1度以下。
在本發(fā)明中，為了使第二層成為良好的結(jié)晶性，必須適當(dāng)?shù)乜刂浦鶢?晶的一個個晶粒的寬度。具體地，各柱狀晶的寬度優(yōu)選為0.1nm 100nm 間的值。更優(yōu)選為lnm 70nm之間的值。此外，柱狀晶的晶界面的密度較重要，因此優(yōu)選柱狀晶的大小在某個一定的范圍，以使得晶界面的密度
在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。例如，各柱狀晶的寬度優(yōu)選為lnm 50nm之間的值， 更優(yōu)選為2nm-30nm之間的值，特別優(yōu)選為3nm ~ 20nm之間的值。
各柱狀晶的寬度能夠由上迷平面TEM照片容易地測定。即，在圖4 中，各柱狀晶的徑是各柱狀晶的寬度。例如，柱狀晶A的寬度為a，柱狀 晶B的寬度為b。觀察圖3也可判明，各柱狀晶的寬度并不是能夠精密地 規(guī)定的值，而是具有某種程度的分布。因此，即使各柱狀晶的寬度脫離上 述范圍的晶體有幾個百分比左右，也并不對本發(fā)明的效果造成影響。優(yōu)選 90%以上在上述范圍內(nèi)。
另外，第一層的層厚優(yōu)選為10nm 500nm。當(dāng)比其薄時，不能夠充分 地發(fā)揮作為緩沖層的作用，當(dāng)比其厚時功能也沒有變化，因此只是無謂地 延長處理時間。更優(yōu)選層厚為20nm 100nm。第一層的層厚也可以由上述 截面TEM照片容易地測定。
包含這樣的柱狀晶的第一層(緩沖層)，優(yōu)選沒有間隙地覆蓋基板上。 第一層不覆蓋基板從而基板的表面一部分露出時，由于在第一層上成膜的 第二層和在基板上直接成膜的第二層，晶體的晶格常數(shù)不同，因此未成為 均一的晶體。作為結(jié)果，產(chǎn)生凸起和凹坑。
為此，第一層必須覆蓋基板表面的至少60%。更優(yōu)選為覆蓋80%以上， 最優(yōu)選覆蓋90%以上。
第一層覆蓋基板的比例，可以由上述截面TEM照片進(jìn)行測定。特別 是第一層與第二層的材料不同的場合，通過使用EDS等與M面平行地掃 描基板與層的界面，也可以估算出沒有形成第一層的區(qū)域的比例。另外， 還可以通過準(zhǔn)備只形成了第一層的試樣，采用AFM等方法測定基板露出 的面積。本發(fā)明中由上述截面TEM照片測定。
作為構(gòu)成第一層的材料，只要是由通式AlGalnN表示的III族氮化物化 合物半導(dǎo)體，則可以使用任何的材料。此外，還可以含有作為V族的As、 P。但是，其中優(yōu)選為含有Al的組成。另外，特別優(yōu)選為GaAlN, Al組 分優(yōu)選為50%以上。此外，通過使其為AIN,能夠高效率地形成為柱狀晶集合體，因而更優(yōu)選。
作為第 一層的制膜方法，可以沒有任何問題地利用作為m族氮化物化 合物半導(dǎo)體的結(jié)晶生長方法而 一般已知的方法。 一般所使用的結(jié)晶生長方
法有MOCVD法、MBE法、賊射法和HVPE法等。
特別是通過利用等離子體將m族金屬原料和含有氮元素的氣體活化、 使其反應(yīng)來進(jìn)行成膜的方法，由于容易生成晶界面清晰的柱狀晶因而優(yōu)選。
作為將m族金屬原料等離子體化的成膜方法，已知有濺射、PLD、 PED 和CVD等。作為產(chǎn)生等離子體的方法有在特定的真空度下施加高電壓 引起放電的濺射法；通過照射高能密度的激光來使之發(fā)生的PLD法；以及， 通過照射電子束而使其發(fā)生的PED法，其中，濺射法由于最簡便，容易以 適度的密度發(fā)生晶界面清晰的柱狀晶，還適于大量生產(chǎn)，因此是優(yōu)選的方 法。DC濺射法由于招致靶表面的充電，成膜速度不穩(wěn)定的可能性高，因 此優(yōu)選脈沖DC濺射或RF賊射法。
濺射法中，通過將等離子體封入磁場內(nèi)來提高效率一般已實(shí)用化，作 為避免充電的方法，優(yōu)選使磁鐵的位置在靶內(nèi)移動。具體的運(yùn)動方法可根 據(jù)裝置進(jìn)行選擇，可以使其搖動或使其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。通過這樣的操作，能夠 形成以適宜的密度具有晶界面清晰的柱狀晶的第 一層。
根據(jù)本發(fā)明者的實(shí)驗(yàn)判明，成膜時的基板溫度優(yōu)選為300~800°C。當(dāng) 為其以下的溫度時，第一層不能夠覆蓋基板整個面，有時基板面露出。當(dāng) 為其以上的溫度時，金屬原料的遷移變得活躍，難以形成晶界面清晰的柱 狀晶，不適合作為第一層。更優(yōu)選為400~800°C。
采用濺射法形成第一層的場合，重要的參數(shù)除了基板溫度以外，還有 爐內(nèi)的壓力和氮分壓。爐內(nèi)的壓力優(yōu)選為0.3Pa以上。當(dāng)為該值之下的壓 力時，氮的存在量少，被濺射的金屬不成為氮化物而附著。壓力的上限沒 有特別限定，但不用說需要是能夠發(fā)生等離子體的程度的低壓。氮流量相 對于氮和氬的流量的比，優(yōu)選氮為20%~90%。當(dāng)為其以下的流量比時， 賊射金屬以金屬態(tài)附著，當(dāng)為其以上的流量比時，氬的量少，賊射速度降 低。特別優(yōu)選氮為25%~70%。通過^f吏用這些條件，能夠形成以所希望的密度含有晶界面清晰的柱狀 晶的笫一層。
成膜速度優(yōu)選為0.01nm/秒 10nm/秒。當(dāng)為其以上的速度時，膜不成 為結(jié)晶體而成為非晶。當(dāng)為其以下的成膜速度時，膜不成為層而生長成島 狀，不能夠覆蓋基板的表面。
在想要采用將in族金屬原料等離子體化的成膜法，形成混晶作為第一 層時，既有起初就使成為靶的金屬為金屬材料的混合物(可以未必形成合 金)的方法，還可以采取準(zhǔn)備由不同的材料形成的2個靶，同時地進(jìn)行濺 射的方法。 一般地，如果想形成已決定的組成的膜，則使用混合材料的靶， 如果想形成組成不同的幾種膜，則將多個靶設(shè)置在室內(nèi)。
作為本技術(shù)所使用的氮原料，可以沒有任何問題地使用一般所知的化 合物，特別是氨和氮，由于容易操作且可比較價廉地得到，因此優(yōu)選。氨 分解效率也高，能夠以高的生長速度成膜，但反應(yīng)性和毒性高，需要除害 設(shè)備和氣體檢測器，需使反應(yīng)裝置所用的構(gòu)件的材料為化學(xué)穩(wěn)定性高的材 料，在上述等等方面需要研究。相反當(dāng)使用氮作為原料時，裝置簡單，但 得不到高的反應(yīng)速度。通過電場、熱等來分解氮后導(dǎo)入裝置的方法，雖然 比使用氨時差，但能夠得到可利用的程度的成膜速度，如果考慮與裝置成 分的兼顧，則是最適合的氮源。
構(gòu)成笫二層的材料不需要與笫一層相同。
本發(fā)明者實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，作為第二層的材料優(yōu)選含有Ga的m族氮化物。 需要通過移動使位錯環(huán)化，以避免原樣地繼承作為晶界面清晰的柱狀晶的 集合體的笫一層的結(jié)晶性，所謂容易發(fā)生位錯環(huán)化的材料，是含有Ga的 氮化物。特別優(yōu)選AlGaN， GaN也適合。
第二層的厚度沒有特別的限制， 一般優(yōu)選為0.5fim 20nm的范圍。在 0.5jim以下時，有時上述位4普的環(huán)化不充分，在20pm以上時功能沒有變 化，只會無謂地延長處理時間。優(yōu)選為lnm-15nm。
第二層，根據(jù)需要既可以形成為摻雜有摻雜物的結(jié)構(gòu)，又可以形成為 不摻雜的結(jié)構(gòu)。使用導(dǎo)電性基板的場合，對第二層進(jìn)行摻雜使層結(jié)構(gòu)中可沿縱向流通電流，因此優(yōu)選形成為在芯片的兩面附帶電極的結(jié)構(gòu)。使用絕 緣性基板的場合，采取在芯片的相同的面形成電極的芯片結(jié)構(gòu)，因此M 正上方的層為不摻雜的晶體時結(jié)晶性良好。
層疊第二層的方法沒有特別限定。只要是能夠產(chǎn)生如上所述的位錯環(huán)
化的結(jié)晶生長方法就沒有問題。特別是MOCVD法、MBE法和VPE法， 一般地能夠產(chǎn)生這樣的遷移，因此可形成良好的結(jié)晶性的膜，因此優(yōu)選。 其中，MOCVD法能夠得到結(jié)晶性最好的膜因而優(yōu)選。
另夕卜，還能夠采用濺射法形成第二層。濺射法的場合，與MOCVD法 和MBE法相比，可簡^更地制造裝置。
第一層成膜后、第二層成膜前的退火并不特別需要。 但是，采用MOCVD、 MBE和VPE等的氣相化學(xué)成膜方法實(shí)施第二 成膜的場合， 一般地經(jīng)過不伴有成膜的升溫過程和溫度的穩(wěn)定化過程。在 這些過程中，流通V族的原料氣體的情況較多，因此作為結(jié)果有產(chǎn)生退火 效果的可能性。然而，這并未特別地利用退火的效果，而是一般公知的技 術(shù)。
另外，此時流通的載氣可以無問題地使用一般的載氣。即，可以使用 在MOCVD等氣相化學(xué)成膜法中廣泛使用的氫、氮。然而，在化學(xué)上較有 活性的氫中的升溫有可能損害結(jié)晶性和晶體表面的平坦性，不長時間地進(jìn) 行為好。
形成笫二層時的基^L溫度優(yōu)選為80(TC以上?；鍦囟雀邥r容易發(fā)生 原子的遷移，容易進(jìn)行位錯的環(huán)化。更優(yōu)選為900。C以上，特別優(yōu)選為 IOO(TC以上。
不用說，成膜需為低于晶體分解的溫度的溫度。1200'C以上的溫度不 適合作為第二層的生長溫度。
作為本發(fā)明中可使用的基板， 一般地只要是能夠形成m族氮化物化合
物半導(dǎo)體晶體膜的基板，則可以使用任何的材料。例如是藍(lán)寶石、SiC、硅、
氧化鋅、氧化鎂、氧化錳、氧化鋯、氧化錳鋅鐵、氧化鎂鋁、硼化鋯、氧 化鎵、氧化銦、氧化鋰鎵、氧化鋰鋁、氧化釹鎵、氧化鑭鍶鋁鉭、氧化鍶鈦、氧化鈦、鉿、鵠和鉬等。
對于當(dāng)采用不使用氨的方法形成第一層、采用使用氨的方法形成第二 層時，可知由于在高溫下與氨接觸而引起化學(xué)改性的氧化物基板和金屬基 板等，由于第一層作為涂層發(fā)揮作用，因此具有防止化學(xué)改質(zhì)的效果，可 作為有效的成膜方法應(yīng)用。
基板，優(yōu)選進(jìn)行濕式的前處理。例如對于硅基板，進(jìn)行熟知的RCA 清洗方法等，使表面形成氫末端，從而成為穩(wěn)定的工藝。
另外，可以在向反應(yīng)器中導(dǎo)入后，采用濺射等的方法進(jìn)行前處理。具 體地，可通過置于Ar、 N2的等離子體中來修整表面。例如，通過使Ar氣、 N2氣等的等離子體作用于基板表面，可除去附著在表面上的有機(jī)物、氧化 物。該場合通過在基板與室間施加電壓，等離子體粒子就高效地作用于基 板。
在第二層的上面層疊具有功能性的半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)，可制成各種的半 導(dǎo)體元件。
例如，形成用于發(fā)光元件的疊層結(jié)構(gòu)的場合，有摻雜了 Si、 Ge和Sn 等n型摻雜物的n型導(dǎo)電性層、摻雜了鎂等p型摻雜物的p型導(dǎo)電性層等。 作為材料，發(fā)光層等廣泛地使用InGaN，覆層等可使用AlGaN。
作為器件，除了發(fā)光元件以外，還可用于激光元件和受光元件等的光 電轉(zhuǎn)換元件、或者HBT和HEMT等電子器件等。這些半導(dǎo)體元件已知多
數(shù)的各種結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體元件，本發(fā)明的m族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)
體的在第二層上層疊的元件結(jié)構(gòu)，包括這些周知的元件結(jié)構(gòu)在內(nèi)沒有任何 限制。
特別是發(fā)光元件的場合，可將由本技術(shù)制造的元件封裝，制成燈使用。 另外，還知道通過與熒光體組合來改變發(fā)光色的技術(shù)，可以沒有任何問題 地利用它。例如，通過適當(dāng)?shù)剡x定焚光體，可以由發(fā)光元件得到長波長的 發(fā)光，通過使發(fā)光元件自身的發(fā)光波長和由焚光體轉(zhuǎn)換的波長混合，可以 形成為白色的組件。實(shí)施例
以下基于實(shí)施例具體地說明本發(fā)明。然而，本發(fā)明不只限于這些實(shí)施例。
實(shí)施例1
本實(shí)施例中，在c面藍(lán)寶石基板上，作為第一層采用RF'踐射法形成
由A1N形成的含有晶界面清晰的柱狀晶的層，在第一層上，作為第二層采
用MOCVD法形成由GaN形成的層。
首先，只將一面鏡面研磨成能夠用于外延生長的程度的c面藍(lán)寶石基
板，不特別地進(jìn)行濕式的前處理就導(dǎo)入到濺射機(jī)中。使用的濺射機(jī)具有高
頻式電源，并具有可在靶內(nèi)使磁鐵的位置移動的機(jī)構(gòu)。
起初，在賊射裝置內(nèi)將基板加熱到750°C，以15sccm的流量導(dǎo)入氮?dú)?br> 后，將室內(nèi)的壓力保持在0.08Pa,對基板側(cè)施加50W的高頻偏壓，通過
暴露在氮等離子體中來洗滌基板表面。
接著，導(dǎo)入氬和氮?dú)夂?，使基板溫度降?00°C。對金屬A1靶側(cè)施加
2000W的高頻偏壓，將爐內(nèi)的壓力保持在0.5Pa，在流通氬氣15sccm、氮
氣5sccm的條件(氮相對于氣體全體的比為25% )下，在藍(lán)寶石基板上形
成A1N膜。生長速度為0.12nm/秒。
耙內(nèi)的f茲鐵，在基板洗涂時和成膜時都使其搖動。 形成50nm的AlN后，停止發(fā)生等離子體，使基^1溫度降低。 接著，將從濺射機(jī)中取出的基板導(dǎo)入到MOCVD爐中。 導(dǎo)入后，含有GaN層的試樣的制造是采用MOCVD法按以下的步驟
進(jìn)行。首先，將藍(lán)寶石基板導(dǎo)入反應(yīng)爐中。藍(lán)寶石基板在經(jīng)氮?dú)庵脫Q的手
套箱中，載置在加熱用的碳制基座上。
流通氮?dú)夂?，使加熱器工作，使基板溫度升溫?15(TC。確認(rèn)在U50。C
下溫度穩(wěn)定后，打開氨配管的閥，開始向爐內(nèi)流通氨。接著向反應(yīng)爐內(nèi)供
給含有三甲基鎵(TMGa)蒸氣的氫，開始使藍(lán)寶石基板上附著構(gòu)成第二
層的m族氮化物化合物半導(dǎo)體的工序。氨的量進(jìn)行了調(diào)節(jié)使得v族元素/m
族元素比為6000。進(jìn)行約1小時的上述的GaN層生長后，切換TMGa配管的閥，結(jié)束向反應(yīng)爐供給原料，停止生長。結(jié)束GaN層的生長后，停止 對加熱器通電，將基板的溫度降溫到室溫。
采用以上的工序制造了在藍(lán)寶石基板上形成具有晶界面清晰的柱狀晶 結(jié)構(gòu)的A1N的第一層，并在該第一層上形成非摻雜的2pm膜厚的GaN層
的本發(fā)明的in族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體。取出的基板呈無色透明
的鏡面狀。
接著，進(jìn)行了釆用上述的方法進(jìn)行生長的非摻雜GaN層的四晶體X 射線搖擺曲線(XRC)測定。該測定的結(jié)果，采用本發(fā)明的方法制造的非 摻雜GaN層，在(0002 )面的測定中顯示出半值寬50 arcsec，對于(10-10 ) 面而言，顯示出半值寬250 arcsec。
另外，使用透射型電子顯微鏡(TEM)觀察了制得的疊層結(jié)構(gòu)體的截 面。圖5是其TEM照片，圖6是模式地表示圖5的圖。由這些圖判明， 在藍(lán)寶石基板與由氮化鎵形成的笫二層之間，觀察到在與基板面大致垂直 的方向具有多個晶界面的由A1N膜形成的第一層。膜厚為50nm左右?？?認(rèn)為該層是含有縱長的柱狀晶的層。另外，第一層覆蓋了基板整個面。
此外，通過濺射形成第一層時，制造了在同一室內(nèi)同時地只形成第一 層的試樣。由透射型電子顯微鏡(TEM)觀察了所得到的試樣的A1N層的 平面。圖3是其TEM照片，圖4是模式地表示圖3的圖。由這些圖判明， 第一層以5xl(^個/fm^左右的密度含有晶界面清晰的大小為5nm 10nm 左右的六棱柱狀的晶體。
采用該相同試樣測定了第一層的二晶體X射線搖擺曲線，在(0002) 面的測定中，顯示出半值寬0.07度。
實(shí)施例2
本實(shí)施例中，對使用本發(fā)明的m族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體的 ni族氮化物化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造進(jìn)行說明。本實(shí)施例中，釆用與
實(shí)施例1相同的條件，在遍及6nm而制造的非摻雜GaN晶體(第二層) 上，形成以Si為摻雜物的ii型接觸層等，最終制造了圖1所示的半導(dǎo)體發(fā) 光元件用的具有外延層結(jié)構(gòu)的外延晶片，即，外延晶片具有下述結(jié)構(gòu)在具有c面的藍(lán)寶石基板9上采用與實(shí)施例1所述的方法相同的生長方法形 成的含有晶界面清晰的柱狀晶結(jié)構(gòu)的厚度50nm的A1N層8 (第一層)上， 從基板側(cè)順序地層疊下述層，所述層為厚度6nm的非摻雜GaN層7(第 二層)；具有l(wèi)xlO"cm—s的電子濃度的厚度2nm的Si摻雜GaN層6;具 有l(wèi)xl018cnr3的電子濃度的厚度200A的In(uGaG.9N覆層5;始于GaN勢 壘層終于GaN勢壘層的多量子阱結(jié)構(gòu)20，其中該結(jié)構(gòu)包括層厚為160A的 6層的GaN勢壘層3和層厚為30A的5層的非摻雜的In^Ga^N阱層4; 厚度50A的摻雜Mg的Al(uGao.9N覆層2;膜厚0.2nm的摻雜Mg的 Al0.02Ga0.98N層1 。
具有上述的半導(dǎo)體發(fā)光元件結(jié)構(gòu)的外延層的晶片的制造，對于Si摻雜 GaN層6以后的疊層，使用與在實(shí)施例1中使用的裝置相同的MOCVD 裝置，與實(shí)施例1中的第二層的成膜同樣地進(jìn)行。
根據(jù)以上的步驟，制造了半導(dǎo)體發(fā)光元件用的具有外延層結(jié)構(gòu)的外延 晶片。在此，Mg摻雜Al(U)2Gao.98N層，即使不進(jìn)行用于將p型載流子活化 用的退火處理也顯示出p型。
接著，使用在上述的藍(lán)寶石基板上層疊有外延層的外延晶片，制造了 作為半導(dǎo)體發(fā)光元件的一種的發(fā)光二極管。圖2是本實(shí)施例所制造的發(fā)光
二極管的電極結(jié)構(gòu)的平面圖。圖中，10是n側(cè)電極，ll是用于形成n側(cè) 電極的Si摻雜GaN層6的露出面，12是p電極焊盤，13是透光性p電極。 對于制作的晶片，采用公知的光刻技術(shù)，在Mg摻雜Alo.Q2Gao.98N層 的表面上，形成由ITO形成的透光性p電極13、和具有在其上從p電極 13的表面?zhèn)软樞虻貙盈B了 Cr、 Ti和Au的結(jié)構(gòu)的p電極焊盤12，制成了 p側(cè)電極。然后，對晶片進(jìn)行干蝕刻，使Si摻雜GaN層的形成n側(cè)電極 的部分ll露出，在露出的部分制作了從半導(dǎo)體側(cè)順序地包括Cr、 Ti和Au 這三層的n側(cè)電極10。通過這些作業(yè)，在晶片上制作了具有圖2所示形狀 的電極。
對于這樣形成p側(cè)和n側(cè)的電極的晶片，將藍(lán)寶石基板的背面進(jìn)行磨 削和研磨，形成為鏡面狀面。然后將該晶片切成350nm見方的片，使電極朝上栽置在引線框上，采用金線與引線框連接，制成發(fā)光二極管，如上所
述制造的發(fā)光二極管的p側(cè)和n側(cè)的電極間流通正向電流，結(jié)果在20mA 電流下的正向電壓為3.0V。另外，通過p側(cè)的透光性電極X5L察發(fā)光，結(jié)果 發(fā)光波長為470nm,發(fā)光輸出功率在電流20mA下顯示15mw。由制作的 晶片的大致整個面制作的發(fā)光二極管，可以沒有偏差地得到這樣的發(fā)光二 極管的特性。 比較例1
本比較例，在a面藍(lán)寶石基板上，作為第一層采用DC濺射法形成A1N 層，再在其上作為第二層采用MOCVD法形成GaN層。濺射時的基板溫 度為500°C 。膜厚等與實(shí)施例1相同。
結(jié)果，采用MOCVD法使GaN層生長后，從反應(yīng)裝置中取出的晶片 的表面呈白濁，表面可發(fā)現(xiàn)多個凹坑。
采用與實(shí)施例1同樣的方法觀察該工藝中的第一層的結(jié)果示于圖7。 圖8是模式地表示圖7的圖。由這些圖判明，釆用DC濺射成膜的由A1N 形成的第一層，晶界面清晰的柱狀晶的密度為5xl0S個/ni^左右，判明并 沒有以本發(fā)明M^定的密度含有晶界面清晰的柱狀晶。
使用該相同試樣，測定第一層的二晶體X射線搖擺曲線的結(jié)果,(0002) 面的測定顯示出半值寬0.7度。
實(shí)施例3
本實(shí)施例，采用旋轉(zhuǎn)陰極式的RF濺射法，在藍(lán)寶石c面基板上形成 由A1N形成的含有晶界面清晰的柱狀晶的層作為第一層，在第一層上采用 MOCVD法形成GaN層作為第二層，在第二層上形成與實(shí)施例2相同的 LED用外延層。濺射時的M溫度為700°C,其他的條件與實(shí)施例2相同。
結(jié)果，采用MOCVD法使LED用外延層生長后，從反應(yīng)裝置中取出 的晶片的表面為鏡面。
采用與實(shí)施例1同樣的方法觀察第一層的結(jié)果，采用RF濺射成膜的 由A1N形成的第一層，含有各晶體的寬度為5-10nm左右、密度為5xl03 個/fim2左右的晶界面清晰的柱狀晶。將如上所述地制造的晶片，與實(shí)施例2同樣地制成發(fā)光二極管芯片， 在電極間流通正向電流的結(jié)果，在電流20mA下的正向電壓為3.1V。另外， 通過p側(cè)的透光性電極觀察發(fā)光的結(jié)果，發(fā)光波長為460nm，發(fā)光輸出功 率在20mA下顯示13mw。由制作的晶片的大致整個面制造的發(fā)光二極管， 可以沒有偏差地得到這樣的發(fā)光二極管的特性。
實(shí)施例4
本實(shí)施例中，釆用旋轉(zhuǎn)陰極式的RF賊射法，在Si (111)基板上形成 由AlGaN形成的含有晶界面清晰的柱狀晶的層作為第一層，再在第一層上 采用MOCVD法形成摻雜Si的AlGaN層作為第二層，再在第二層上形成 與實(shí)施例2相同的LED用外延層。第一層的Al組分為70%,第二層的 Al組分為15%。濺射時的基板溫度為500°C。其他的條件與實(shí)施例2相同。
結(jié)果，采用MOCVD法使LED用外延層生長后，從反應(yīng)裝置中取出 的晶片的表面為鏡面。
采用與實(shí)施例1同樣的方法觀察了第一層。采用RF濺射成膜的AlGaN 層，含有各晶體的寬度為20nm左右、密度為2xl(^個/nn^左右的晶界面 清晰的柱狀晶。
將如上所述地制造的晶片與實(shí)施例2同樣地制成發(fā)光二極管芯片。此 時在疊層結(jié)構(gòu)側(cè)與基板側(cè)的上下設(shè)置電極，在電極間流通正向電流，結(jié)果 在電流20mA下的正向電壓為2.9V。另外，通過p側(cè)的透光性電極觀察發(fā) 光的結(jié)果，發(fā)光波長為460nm，發(fā)光輸出功率在電流20mA下顯示10mV。 由制造的晶片的大致整個面制造的發(fā)光二極管，可沒有偏差地得到這樣的 發(fā)光二極管特性。
實(shí)施例5
本實(shí)施例中，采用由C02激光器激發(fā)靶的PLD法，在ZnO ( 0001 ) 基板上形成由GaN形成的含有晶界面清晰的柱狀晶的層作為第一層，再在 第一層上采用MOCVD法形成摻雜Ge的AlGaN層作為笫二層，再在第 二層上形成與實(shí)施例2相同的LED用外延層。第二層的Al組分為10%。 笫一層成膜時的基片反溫度為750°C。另外，此時由于試著制造了 525nm附近的綠色LED，因此增大了發(fā)光層成膜時的In原料的流量。
結(jié)果，采用MOCVD法使LED用外延層生長后，從反應(yīng)裝置中取出
的晶片的表面為鏡面。
采用與實(shí)施例1同樣的方法觀察了第一層，采用PLD法成膜的GaN
層，含有各晶體的寬度為5nm左右、密度為5xl()S個/ni^左右的晶界面清
晰的柱狀晶。
將如上所迷制造的晶片與實(shí)施例2同樣地制成發(fā)光二極管芯片。與實(shí) 施例4同樣地將電極設(shè)置在疊層結(jié)構(gòu)側(cè)與基板側(cè)的上下。在電極間流通正 向電流的結(jié)果，在電流20mA下的正向電壓為3.3V。另外，通過p側(cè)的透 光性電極觀察發(fā)光的結(jié)果，發(fā)光波長為525nm，發(fā)光輸出功率在電流20mA 下顯示10mw。由制造的晶片的大致整個面制造的發(fā)光二極管，可沒有偏 差地得到這樣的發(fā)光二極管特性。
實(shí)施例6
本實(shí)施例中，對使用了本發(fā)明的ni族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體 的m族氮化物化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法進(jìn)行說明。本實(shí)施例中，
采用與實(shí)施例1相同的條件在遍及6nm而制造的非摻雜GaN晶體(第二 層)上，形成以Ge為摻雜物的n型接觸層等，最終制造了具有圖l所示 的半導(dǎo)體發(fā)光元件用的外延層結(jié)構(gòu)的外延晶片。即，外延晶片具有下述結(jié)
構(gòu)在具有c面的藍(lán)寶石基板9上采用與實(shí)施例1所述的方法相同的生長 方法形成的具有柱狀晶結(jié)構(gòu)的厚度50pm的A1N層8 (第一層)上，從基 板側(cè)順序地層疊下述層，所述層為厚度6jim的非摻雜GaN層7 (第二 層)；具有l(wèi)xl019Cm—3的電子濃度的2jim的Ge摻雜GaN層6;具有 lxl018cm-3的電子濃度的200A的In(uGaG.9N覆層5;始于GaN勢壘層終 于GaN勢壘層的多量子阱結(jié)構(gòu)20，其中該結(jié)構(gòu)包括層厚為160A的6層的 GaN勢壘層3和層厚為30A的5層的非摻雜的In().2Ga。.8N阱層4;厚度50A 的摻雜Mg的Alo.，Gao.9N覆層2;膜厚(Ujim的摻雜Mg的Alo.Q2Gao.98N 層l。
另外，將本實(shí)施例中制造的半導(dǎo)體發(fā)光元件的電極結(jié)構(gòu)的平面圖示于圖2。圖中，10是n側(cè)電極，ll是用于形成n電極的Ge摻雜GaN層6 的露出面，12是p電極焊盤，13是透光性p電極。
采用MOCVD法按以下的步驟進(jìn)行具有上述的半導(dǎo)體發(fā)光元件結(jié)構(gòu) 的外延層的晶片的制造。直到在藍(lán)寶石基板上形成具有柱狀晶結(jié)構(gòu)的A1N 層(第一層)8采用了與實(shí)施例l相同的步驟。
其后的疊層結(jié)構(gòu)的層疊，也使用與實(shí)施例1中使用的裝置相同的 MOCVD裝置，與實(shí)施例1中的第二層的成膜同樣地進(jìn)行。
片，在此，Mg摻雜Al。.o2Gac.98N層即使不進(jìn)行用于將p型載流子活化的退 火處理也顯示出p型。
接著，使用在上述的藍(lán)寶石基板上層疊有外延層結(jié)構(gòu)的外延晶片制作 了作為半導(dǎo)體發(fā)光元件的一種的發(fā)光二極管。對制作的晶片，采用公知的 光刻技術(shù)在Mg摻雜Alo.o2Geo.9sN層的表面上，形成由ITO形成的透明p 電極13和具有在其上面從表面?zhèn)软樞虻貙盈B了鈦、鋁和金的結(jié)構(gòu)的p電極 焊盤12，制為p側(cè)電極。然后，對晶片進(jìn)行干蝕刻，使Ge摻雜GaN層的 形成n側(cè)電才及的部分ll露出，在露出的部分上制作了包括Ni、 Al、 Ti和 Au這4層的n側(cè)電極10。通過這些作業(yè)，在晶片上制作了具有圖2所示 形狀的電極。
對這樣地形成p側(cè)和n側(cè)的電極的晶片，將藍(lán)寶石基板的背面進(jìn)行磨 削和研磨，形成為鏡面狀的面。然后，將該晶片切成350nm見方的正方形 片，^f吏電極朝上地載置在引線框上，采用金線與引線框連接，制成發(fā)光元 件。在這樣地制造的發(fā)光二極管的p側(cè)和n側(cè)的電極間流通正向電流，結(jié) 果在電流20mA下的正向電壓為3.0V。另夕卜，通過p側(cè)的透光性電才及觀察 發(fā)光的結(jié)果，發(fā)光波長為470nm，發(fā)光輸出功率顯示15mw。由制作的晶 片的大致整個面制造的發(fā)光二極管，可沒有偏差地得到這樣的發(fā)光二極管 特性。
實(shí)施例7
本實(shí)施例中，采用RF濺射法在c面藍(lán)寶石基板上形成AlGaN層作為第一層，再在第一層上采用MOCVD法形成AlGaN層作為第二層。'減射 時的M溫度為300°C,其他的條件與實(shí)施例1相同。第一層與第二層的 Al的組分相同，Al為20%。
結(jié)果，采用MOCVD法使AlGaN層生長后，從反應(yīng)裝置中取出的晶 片的表面為鏡面，但由光學(xué)顯微鏡觀察，含有微細(xì)的凹凸。
采用截面TEM法觀察了該晶片。采用RF濺射成膜的AlGaN層為柱 狀晶，但到處都有未形成A1N的部分，不是連續(xù)膜，只覆蓋了基板的約60%。
與實(shí)施例6同樣地將如上所述地制造的晶片制成發(fā)光二極管芯片。在 電才及間流通正向電流的結(jié)果，在電流20mA下的正向電壓為2.9V。該值過 低，顯示出漏電。另外，通過p側(cè)的透光性電極觀察發(fā)光的結(jié)果，發(fā)光波 長為460nm,發(fā)光輸出功率只顯示出7mw。
實(shí)施例8
本實(shí)施例中，采用由C02激光器激發(fā)靶的PLD法在ZnO ( 0001 )基 板上形成GaN的柱狀晶的集合體作為第一層，再在笫一層上采用MOCVD 法形成摻雜Ge的AlGaN層作為第二層，再在笫二層上形成與實(shí)施例6相 同的LED結(jié)構(gòu)。第二層的Al組分為10%。賊射時的基^反溫度為750°C。 另外，本次由于試著制造525nm附近的綠色LED,因此增大了發(fā)光層的 In原料的流量。
結(jié)果，采用MOCVD法使LED疊層結(jié)構(gòu)生長后，從反應(yīng)裝置中取出 的晶片的表面為鏡面。
采用截面TEM法觀察了該晶片。采用PLD法成膜的GaN層，含有 各晶體的寬度為5nm左右的柱狀晶。另外，第一層覆蓋了基板整個面。
將這樣地制造的晶片制成發(fā)光二極管芯片。與實(shí)施例9同樣地將電極 設(shè)置在疊層結(jié)構(gòu)側(cè)與基板側(cè)的上下。在電極間流通正向電流的結(jié)果，在電 流20mA下的正向電壓為3.3V。另外，通過p側(cè)的透光性電極觀察發(fā)光的 結(jié)果，發(fā)光波長為525nm，發(fā)光輸出功率顯示10mw。由制作的晶片的大 致整個面制造的發(fā)光二極管，可沒有偏差地得到這樣的發(fā)光二極管特性。產(chǎn)業(yè)上的利用可能性
本發(fā)明的m族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體，具有包含具有良好的 結(jié)晶性的ni族氮化物化合物半導(dǎo)體晶體的表面層。因此，通過在該疊層結(jié) 構(gòu)體的上面進(jìn)一步形成具有功能的m族氮化物化合物半導(dǎo)體晶體層，能夠 制造具有優(yōu)異的特性的發(fā)光二極管、激光二極管或電子器件等半導(dǎo)體元件。
本發(fā)明中表示數(shù)值范圍的"以上"和"以下"均包括本數(shù)。
權(quán)利要求
1. 一種III族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體，其特征在于，在基板上具備由III族氮化物化合物半導(dǎo)體形成的第一層和與該第一層鄰接的由III族氮化物化合物半導(dǎo)體形成的第二層，該第一層含有晶界面清晰的柱狀晶，其密度為1×103個/μm2～1×105個/μm2。
2. 根據(jù)權(quán)利要求i所述的m族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體，其中，第一層覆蓋了基板表面的至少90%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求i所述的m族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體，其中，晶界面清晰的柱狀晶的寬度為lnm~50nm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的ni族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體，其中，晶界面清晰的柱狀晶的寬度為2nm~30nm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求i所述的m族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體，其中，第一層的厚度為10nm~500nm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的m族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體，其中，第一層的厚度為20nm ~ lOOnm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求i所述m族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體，其中， 第一層是含有Ai的ni族氮化物化合物半導(dǎo)體。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所迷的m族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體，其中，第一層由AIN形成。
9. 根據(jù)權(quán)利要求i所述的m族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體，其中，第二層為AlGaN。
10. 根據(jù)權(quán)利要求i所述的in族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體，其中，第二層為GaN。
11. 根據(jù)權(quán)利要求i所述的in族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體，其 中，形成第一層的m族氮化物化合物半導(dǎo)體和形成第二層的ni族氮化物化 合物半導(dǎo)體是不同的材料。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ii所述的ni族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體，其中，第一層為AIN，并且第二層為GaN。
13. 根據(jù)權(quán)利要求i或2所述的m族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體，其中，基板由選自藍(lán)寶石、SiC、硅、氧化鋅、氧化鎂、氧化錳、氧化鋯、氧化錳鋅鐵、氧化鎂鋁、硼化鋯、氧化鎵、氧化銦、氧化鋰鎵、氣化鋰鋁、 氧化釹鎵、氧化鑭鍶鋁鉭、氧化鍶鈦、氧化鈦、鉿、鴒和鉬中的材料構(gòu)成。
14. 一種m族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體的制造方法，其特征在 于，利用等離子體將m族金屬原料和含有氮元素的氣體活化使其反應(yīng)，由 此在基板上形成含有m族氮化物化合物半導(dǎo)體的柱狀晶的第一層，然后形 成與該第 一層鄰接的由m族氮化物化合物半導(dǎo)體形成的第二層。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的ni族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體的制造方法，第一層的成膜法是選自濺射、PLD、 PED和CVD中的一種。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的ITT族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體的制 造方法，第一層的成膜法是濺射法。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的ni族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體的制 造方法，第一層的成膜法是一邊使氮源在反應(yīng)器內(nèi)流通一邊進(jìn)行的反應(yīng)性 濺射。
18,根據(jù)權(quán)利要求17所述的m族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體的制 造方法，第一層的成膜法是利用氨作為氮源的濺射法。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的m族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體的制 造方法，第一層的成膜法是利用氮?dú)庾鳛榈吹臑R射法。
20. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的ni族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體的制造方法，第一層的成膜法是RF濺射法。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的m族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體的制造方法，第一層的成膜法是一邊使陰極的磁鐵的位置移動一邊進(jìn)行的RF賊射法。
22. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的III族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體的制 造方法，形成第一層時的基板溫度為400。C ~ 800°C。
23. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的m族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體的制造方法，第二層的成膜法是MOCVD法。
24. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的m族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體的制造方法，第二層的成膜法是反應(yīng)性濺射法。
25. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的m族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體的制造方法，形成第二層時的基板溫度為900。C以上。
26. —種m族氮化物化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件，包括權(quán)利要求l所述的 ni族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體。
27. —種燈，包括權(quán)利要求26所述的IE族氮化物化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件。
全文摘要
本發(fā)明的目的是在異種基板上穩(wěn)定地得到層疊了良好結(jié)晶性的III族氮化物化合物半導(dǎo)體層的III族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體。本發(fā)明的III族氮化物化合物半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)體，其特征在于，在基板上具備由III族氮化物化合物半導(dǎo)體形成的第一層和與該第一層鄰接的由III族氮化物化合物半導(dǎo)體形成的第二層，該第一層含有晶界面清晰的柱狀晶，其密度為1×10³個/μm²～1×10⁵個/μm²。
文檔編號H01L33/16GK101438429SQ200780016568
公開日2009年5月20日 申請日期2007年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月10日
發(fā)明者三木久幸, 佐佐木保正, 加治亙章, 塙健三, 橫山泰典, 酒井浩光 申請人:昭和電工株式會社