第iii族氮化物半導(dǎo)體外延基板和第iii族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件以及它們的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及第III族氮化物半導(dǎo)體外延基板和第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件W 及它們的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，一般而言，由Al、Ga、In等與N的化合物構(gòu)成的第III族氮化物半導(dǎo)體被廣 泛用于發(fā)光元件、電子裝置用元件等。運(yùn)樣的裝置的特性受第ΠΙ族氮化物半導(dǎo)體的原子級(jí) 別的表面平坦性影響大，因此需求用于使表面平坦性優(yōu)異的第III族氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)的 技術(shù)。
[0003] 第III族氮化物半導(dǎo)體通過(guò)在由藍(lán)寶石、SiC、Si或GaAs等構(gòu)成的基板上外延生長(zhǎng) 來(lái)形成。但是，第III族氮化物半導(dǎo)體和運(yùn)些基板的晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)較大不同。因此， 在運(yùn)些基板上使第III族氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)的情況下，由于晶格失配、熱膨脹系數(shù)的差異等 種種理由，基板上形成的第ΠΙ族氮化物半導(dǎo)體的應(yīng)變變大，難W得到原子級(jí)別優(yōu)異的表面 平坦性。因此可知，在基板上的GaN緩沖層滲雜高濃度的Si來(lái)形成高濃度Si滲雜GaN緩沖層， 在其之上形成氮化物半導(dǎo)體層，由此能夠減少位錯(cuò)。
[0004] 例如，專利文獻(xiàn)1公開(kāi)了氮化物半導(dǎo)體，其具有基板、該基板上的Si濃度為4 X l〇i9cm-3W上的Si滲雜GaN緩沖層、和該Si滲雜GaN緩沖層上的利用外延生長(zhǎng)法形成的具有 單晶的結(jié)晶結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體層。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0006] 專利文獻(xiàn)
[0007] 專利文獻(xiàn)1:日本特開(kāi)2004-47764號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引發(fā)明要解決的問(wèn)題
[0009] 根據(jù)專利文獻(xiàn)1，向基板滲雜高濃度的Si的結(jié)果、GaN的生長(zhǎng)方式由通常的2維的生 長(zhǎng)方式變化為3維的島狀生長(zhǎng)方式。其結(jié)果是:將Si滲雜GaN層的島狀結(jié)構(gòu)通過(guò)氮化物半導(dǎo) 體的生長(zhǎng)來(lái)嵌入、使表面平坦化時(shí)，相對(duì)于基板表面沿垂直方向傳播的位錯(cuò)的傳播方向在 嵌入生長(zhǎng)的過(guò)程中在橫方向變化，其結(jié)果為出現(xiàn)在最外表面的位錯(cuò)的密度大幅地減少。但 是，近年來(lái)，第ΠΙ族氮化物半導(dǎo)體需求更高的結(jié)晶性，因此，需求表面平坦性更優(yōu)異的第 III族氮化物半導(dǎo)體外延基板和使用了它的第ΙΠ 族氮化物半導(dǎo)體W及它們的制造方法。
[0010] 近年，已知通過(guò)使由A1N構(gòu)成的緩沖層介于基板上，能得到可W形成具有更高結(jié)晶 性的第ΠΙ族氮化物半導(dǎo)體的第III族氮化物半導(dǎo)體外延基板。但是已知:與專利文獻(xiàn)1公開(kāi) 的向GaN層滲雜Si相比，向由A1N構(gòu)成的緩沖層滲雜Si (W下，將滲雜了Si的由A1N組成構(gòu)成 的緩沖層稱為"Si滲雜A1N緩沖層"）時(shí)，即使是少量的Si滲雜，因 Si滲雜A1N緩沖層表面而產(chǎn) 生睹峭的凹凸面，W往避免Si滲雜。但是根據(jù)本發(fā)明人等研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在基板上的非滲雜 AIN層、在該非滲雜AIN層上的具有2.0 Xl〇i9/cm3W上的Si濃度且厚度為4皿W上的Si滲雜 A1N緩沖層、和在該Si滲雜A1N緩沖層上的超晶格層疊體，能夠得到表面平坦性優(yōu)異的第III 族氮化物半導(dǎo)體外延基板。
[0011] W往就避免向A1N緩沖層的Si滲雜，不如通過(guò)進(jìn)行大量的Si滲雜，使Si滲雜A1N緩 沖層具有2.0Xl〇i9/cm 3W上的Si濃度且厚度設(shè)為4nmW上，由此提高原子級(jí)別的表面平坦 性。但是，根據(jù)本發(fā)明人等進(jìn)行的更深入的研究，在制作于如此得到的表面平坦性優(yōu)異的第 III族氮化物半導(dǎo)體外延基板上依次形成η型包層、活性層及P型包層下，將它們統(tǒng)稱為 "元件形成層"）而成的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件時(shí)，發(fā)現(xiàn)第III族氮化物半導(dǎo)體外延 基板即使具有優(yōu)異的表面平坦性，EL(電致發(fā)光，Electroluminescence)光譜形狀有時(shí)也為 雙峰。此處，"雙峰"是指在活性層發(fā)光的理論上的發(fā)光波長(zhǎng)之外，在長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)也發(fā)現(xiàn)強(qiáng)發(fā)光 的現(xiàn)象。光譜形狀為雙峰時(shí)，由于目的波長(zhǎng)W外的能量消耗導(dǎo)致內(nèi)部量子效率低，并且包 含作為發(fā)光元件所必需的發(fā)光波長(zhǎng)W外的波長(zhǎng)成分，不能用作通常的發(fā)光元件。光譜形 狀為雙峰，不適合作為發(fā)光元件。另外，發(fā)明人等進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)Si濃度與Si滲雜Α1Ν 緩沖層厚度的關(guān)系，有時(shí)在第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件產(chǎn)生裂紋。此處，裂紋產(chǎn)生則是 元件損壞的原因，因此有裂紋的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件作為發(fā)光元件是不適宜的。 需要說(shuō)明的是，"裂紋"是指不分割基板程度的裂縫、龜裂。
[0012] 因此，本發(fā)明鑒于上述各課題，目的在于提供即使是基板上具有滲雜了 Si的由A1N 構(gòu)成的緩沖層的情況下，也抑制裂紋產(chǎn)生、光譜形狀為雙峰的問(wèn)題，并且表面平坦性優(yōu)異 的第III族氮化物半導(dǎo)體外延基板和使用了它的第III族氮化物半導(dǎo)體W及它們的制造方 法。
[001引用于解決問(wèn)題的方案
[0014] 本發(fā)明人等對(duì)向基板上的Α1Ν層的Si滲雜條件進(jìn)行深入研究，發(fā)現(xiàn)將Si滲雜Α1Ν緩 沖層的Si濃度設(shè)為2.OXl〇i9/cm 3、且將其厚度設(shè)為4~10皿，由此表面平坦性優(yōu)異并且能夠 抑制上述裂紋和雙峰，從而完成本發(fā)明。本發(fā)明是基于運(yùn)樣的見(jiàn)解而做出的，本發(fā)明的要旨 構(gòu)成如下所述。
[0015] (1)-種第ΙΠ 族氮化物半導(dǎo)體外延基板，其特征在于，其具有：至少表面部分由 A1N構(gòu)成的基板、在該基板上形成的非滲雜A1N層、在該非滲雜A1N層上形成的Si滲雜A1N緩 沖層、和在該Si滲雜A1N緩沖層上形成的超晶格層疊體，
[0016] 前述Si滲雜A1N緩沖層具有2.0Xl〇i9/cm3W上的Si濃度，且厚度為4~lOnm。
[0017] (2)根據(jù)（1)所述的第HI族氮化物半導(dǎo)體外延基板，其中，前述超晶格層疊體是在 前述Si滲雜A1N緩沖層上層疊結(jié)晶生長(zhǎng)方向的平均組成X為0.9<x含1的高含A1層(AlxGai-χΝ)，進(jìn)而交替層疊 η組結(jié)晶生長(zhǎng)方向的平均組成y為0<^x的低含A1層(AlyGai-yN)與前述高 含A1層(此處，η為滿足4含η含10的整數(shù))而成的，
[0018] 從前述Si滲雜Α1Ν緩沖層側(cè)數(shù)第1層至第(η-2)層的前述低含Α1層具有第1厚度，第 (η-1)層的前述低含Α1層具有比前述第1厚度更厚的第2厚度，第η層的前述低含Α1層具有前 述第2厚度W上的第3厚度。
[0019] (3)根據(jù)(2)所述的第III族氮化物半導(dǎo)體外延基板，其中，前述低含Α1層為Α1組成 沿結(jié)晶生長(zhǎng)方向減少的組成傾斜層。
[0020] (4)根據(jù)上述(2)或(3)所述的第III族氮化物半導(dǎo)體外延基板，其中，前述高含Α1 層為AIN層(x = 1)。
[0021] (5)根據(jù)上述(2)~(4)中任一項(xiàng)所述的第III族氮化物半導(dǎo)體外延基板，其中，前 述第3厚度比前述第2厚度更厚。
[0022] (6)根據(jù)上述(2)~（5)中任一項(xiàng)所述的第III族氮化物半導(dǎo)體外延基板，其中，前 述高含A1層具有相等厚度。
[0023] (7)-種第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其具有上述(1)~(6)中任一項(xiàng)所述的第 III族氮化物半導(dǎo)體外延基板、W及在該基板上依次具有的η型包層、活性層和P型包層。
[0024] (8)-種第III族氮化物半導(dǎo)體外延基板的制造方法，其特征在于，所述方法具有 下述工序:在至少表面部分由Α1Ν構(gòu)成的基板上形成非滲雜Α1Ν層的工序、在該非滲雜Α1Ν層 上形成Si滲雜Α1Ν緩沖層的工序、和在該Si滲雜Α1Ν緩沖層上形成超晶格層疊體的工序，
[0025] 在形成前述Si滲雜A1N緩沖層的工序時(shí)，滲雜Si使得Si濃度達(dá)到2.0 X l〇i9/cm3 W 上，且將前述Si滲雜A1N緩沖層的厚度制成4~lOnm。
[0026] (9)-種第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法，其具有在上述(8)所述的第 III族氮化物半導(dǎo)體外延基板上進(jìn)一步依次形成η型包層、活性層和P型包層的工序。
[0027] 發(fā)明的效果
[0028] 根據(jù)本發(fā)明，調(diào)節(jié)了向基板上的Α1Ν層的Si滲雜條件，因此能夠提供抑制裂紋產(chǎn) 生、光譜形狀為雙峰的問(wèn)題，且表面平坦性更優(yōu)異的第ΠΙ族氮化物半導(dǎo)體外延基板和使 用了它的第ΙΠ 族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件W及它們的制造方法。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 圖1為按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的第ΙΠ 族氮化物半導(dǎo)體外延基板100的截面示 意圖。
[0030] 圖2為按照本發(fā)明的適宜的實(shí)施方式的第III族氮化物半導(dǎo)體外延基板200的截面 示意圖。
[0031] 圖3為圖2的第ΙΠ 族氮化物半導(dǎo)體外延基板200中的第1層疊體221的放大圖。
[0032] 圖4為按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的在第III族氮化物半導(dǎo)體外延基板100上設(shè)置 元件形成層130而形成的第ΙΠ 族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件150的一個(gè)例子。
[0033 ]圖5為示出本發(fā)明的第III族氮化物半導(dǎo)體外延基板100的制造方法中，TMG (Ξ甲 基嫁)和ΤΜΑ(Ξ甲基侶）的混合比的經(jīng)時(shí)變化的一個(gè)例子的圖。
[0034] 圖6為示出本發(fā)明的第III族氮化物半導(dǎo)體外延基板100的制造方法中，TMG和ΤΜΑ 的混合比的經(jīng)時(shí)變化的一個(gè)例子的圖。
[0035] 圖7為說(shuō)明翅曲量(S0RI)的定義的基板的截面示意圖。
[0036] 圖8為示出實(shí)施例1(試行例1)所述的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的倒易晶格 映像的圖。
[0037] 圖9為示出比較例3(試行例6)所述的第III族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的倒易晶格 映像的圖。
[0038] 圖10為示出實(shí)施例1(試行例1)所述的第ΙΠ 族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的化光譜的 譜圖。
[0039] 圖11為示出比較例2(試行例5)所述的第ΙΠ 族氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的光譜的 譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040] W下，針對(duì)本發(fā)明的第III族氮化物半導(dǎo)體外延基板的實(shí)施方式，邊參照附圖邊進(jìn) 行說(shuō)明。需要說(shuō)明的是，圖1、圖2、圖3W及圖4中，為了說(shuō)明方便，與實(shí)際厚度的比例有所不 同，將各層的厚度相對(duì)于基板夸張地示出。另外，圖1、圖2W及圖4中，省略了超晶格層疊體 120、220的層疊結(jié)構(gòu)的一部分。進(jìn)而，在同一構(gòu)成要素中，原則上附W同一參考編號(hào)，省略說(shuō) 明。
[0041] 此處，本說(shuō)明書(shū)中在單純地記作"AlGaN"的情況下，是指第III族元素(Al、Ga的總 計(jì)）與N的化學(xué)組成比為1:1、且第III族元素 A1與Ga的比率是不定的任意的化合物。通過(guò)記 作"AlGaN"，不排除為A1N或GaN。另外，該化合物中的第ΙΠ 族元素中的A1組成的比率在結(jié)晶 生長(zhǎng)方向不變化的情況下，特別地稱為"A1含有率"。需要說(shuō)明的是，本發(fā)明中的由A1N構(gòu)成 的層和表面部分均為單晶的A1N層，例如不是W在900°CW下的低溫下生長(zhǎng)的多晶、無(wú)定形 作為主體的A1N層。
[0042] 如圖1所示，本發(fā)明的一實(shí)施方式的第ΙΠ 族氮化物半導(dǎo)體外延基板100具有:至少 表面部分由A1N構(gòu)成的基板112、在該基板112上形成的非滲雜A1N層114、在該非滲雜A1N層 114上形成的Si滲雜A1N緩沖層116、和在該Si滲雜A1N緩沖層116上形成的超晶格層疊體 120。此處，重要的是:Si滲雜A1N緩沖層116具有2.0Xl〇i 9/cm3W上的Si濃度，且其厚度(也 稱為"膜厚"）為4~lOnm。
[0043] 就至少表面部分由A1N構(gòu)成的基板112而言，可列舉出在由藍(lán)寶石、SiC、Si、金剛 石、A1等金屬構(gòu)成的基板上形成了 A1