氮化物半導體基板的製作方法

2024-04-07 22:16:05

專利名稱：氮化物半導體基板的製作方法
技術領域：
本發明涉及氮化物半導體基板。
背景技術：
近年來，使用氮化物半導體(GaN、 AlGaN、 InAlGaN系)的發光 二極體(LED)以及半導體雷射器(LD)等被廣泛使用。然而，為了 謀求發光波長的短波長化，有必要在包層中使用與活性層的帶間隙差 較大的AlN摩爾分數較高的AlGaN等。此外，在LD的情況下，為了 進行光的約束，需要A1N摩爾分數更高且厚度更大的包層。
然而，在用於形成這樣的器件的氮化物半導體基板上，A1N摩爾 分數較高的AlGaN的晶格間距較小，與晶格間距相對較大的GaN相比， 晶格間距的差異變大。為此，若在平坦的GaN層上直接使AlGaN層結 晶生長，則由於AlGaN層與GaN層的晶格不匹配，使得在AlGaN層 內產生拉伸應力，當超過某一臨界膜厚時，則產生裂紋。此外，由於 作為基底層的GaN層的晶格缺陷較多，因此也會產生諸如在GaN層上 結晶生長的AlGaN層中產生較多結晶缺陷(位錯)的問題。
為了解決上述問題，開發了如圖23及圖24所示的專利文獻1所 記載的技術。圖23為氮化物半導體基板1'的平面圖，圖24為圖23所 示的氮化物半導體基板l'的XXIV-XXIV箭頭方向上的截面圖。氮化物 半導體基板1'由基板2'、 A1N緩衝層3'、第一GaN層4'、第二 GaN層 6'、 AlGaN埋入層7'構成。在第一 GaN層4'的上面形成條紋的Si02掩 模5'的基礎上，通過使第二 GaN層6'選擇性地生長(ELO)，第二 GaN 層6'成為沿厚度方向的截面基本上為三角形狀的刻面(facet)。另外， 由於結晶缺陷(位錯，dislocation)沿著生長方向，因此當GaN從不存 在掩模5'的部分在掩模上進行橫向生長時，第二 GaN層6'中的位錯也 成為沿橫向的位錯。在埋入生長於該第二 GaN層6'上的AlGaN層7' 的上面，雖然在與第二GaN層6'的凹凸的頂部以及凹部相對應的部分殘留有位錯a'，但其它部分成為低缺陷(低位錯)區域R，且可以防止 產生裂紋。
專利文獻1:日本特開2005-235911號公報

發明內容
然而，在專利文獻l中，抑制裂紋的防止效果依然不充分。此外， 雖然探討了在第二 GaN層6'的上面形成低溫生長的A1N等中間層的結 構，然而終究不能充分防止裂紋。本發明者們經過潛心的研究發現， 在這些技術中，如圖25所示，由於呈條紋狀且截面基本上為三角形狀 的第二GaN層6'(條紋圖案)的斜面61'沿條紋延伸的方向(Y方向) 設置，因此在這裡埋入生長的A1N摩爾分數高的AlGaN層7'的結晶的 橫向生長向量只有與條紋延伸的方向垂直的方向(X方向)，壓縮應力 作用在該方向上，從而基於第二 GaN層6'和AlGaN層7'的晶格常數的 差異在AlGaN層7'內產生的伸縮應力得到緩和，然而在Y方向上則沒 有得到緩和，由此在X方向上產生裂紋。
本發明者基於這樣的見解，進一步深入研究的結果發現通過在 截面為三角形狀的條紋圖案的斜面上形成凹凸面，使得埋入層的橫向 生長向量還具有在條紋的延伸方向(Y方向)上的分量，就可以抑制 在任意方向上的裂紋，從而得到解決上述問題的本發明。即本發明的 目的在於提供一種可以防止裂紋的產生且位錯密度也有能減少的氮化 物半導體基板。
本發明的氮化物半導體基板的特徵在於，具備GaN系半導體層和 在GaN系半導體層上形成的由AlGaN或InGaN形成的埋入層，GaN 系半導體層具有多個突出的條紋，在條紋的兩個側面分別具有凹凸面。
換言之，該氮化物半導體基板的特徵在於，具備GaN系半導體層 和埋入層，其中，GaN系半導體層在基底層上生長，沿厚度方向的截 面基本上為三角形狀，且該GaN系半導體層呈周期性的條紋狀，在條 紋的斜面上設置有凹凸面；埋入層形成在GaN系半導體層上且由 AlGaN或InGaN形成。其中，"基本上為三角形狀"是指具有三個角部 的圖形，這些角部也可以為曲線，也可以通過切掉這些角部當中的一 個角部而形成五邊形的梯形。此外，如果含有基本上為三角形狀的圖形，只要是將生長的前端部作為上述角部含有且具有2個邊的圖形， 則通過將相鄰的多個三角形狀在橫向相連，隱藏剩下的一邊的輪廓即 可。g卩，只要GaN系半導體的表面基本上為三角波狀即可。
根據本發明，在基底層的上面形成的GaN系半導體層，其沿厚度 方向的截面基本上為三角形狀，且該GaN系半導體層呈周期性的條紋 狀，在條紋的斜面上設置有凹凸面。該凹凸面使得條紋的斜面也具有 條紋的延伸方向以外的面。為此，在GaN系半導體層上生長且由AlGaN 或InAlGaN形成的埋入層的橫向生長向量，不僅具有與條紋延伸的方 向相垂直的分量，也具有在條紋延伸方向上的分量。由此，引起埋入 層內裂紋的應力在任意方向上都得到緩和，從而可以抑制裂紋的產生。 此外，由於GaN系半導體層的沿厚度方向的截面基本上為三角形狀， 因此在GaN系半導體層以及埋入層中，基於橫向生長而減少了在埋入 層上面的位錯。
此外，在本發明中，在GaN系半導體層的條紋斜面上的凹凸面是 基本上沿著條紋斜面的傾斜度的斜面，且由多個小斜面形成，該小斜 面的垂線方向在水平截面上遍及多個方向的情況下，由於由AlGaN或 InAlGaN形成的埋入層的橫向生長向量幾乎遍布水平方向上的所有方 位，因此使埋入層內的應力緩和進一步均勻，可以充分抑制裂紋的產 生。
此外，在本發明中，若將條紋的間距設為L、將在GaN系半導體 層的大致三角形狀頂部的凹凸面的凹凸尺寸的平均值Have以及標準差 Hsd設為0.0048L/4《Hsd、 Have《L/10的情況下(其中，凹凸尺寸為 從該頂部的在間距方向上的凹凸尺寸)，即使由AlGaN或InAlGaN形 成的埋入層的A1N摩爾分數在20%以上的材料，也可以充分緩和應力， 且作為GaN系半導體層的三角刻面的頂面的平坦部的影響小的材料， 可以在埋入層中充分抑制裂紋的產生並減少位錯。
利用本發明，氮化物半導體基板可以在幾乎整個面上降低位錯密 度，防止裂紋的產生，使用該基板的半導體器件具有優異的光學特性 和導電性等。


圖1為氮化物半導體基板的平面圖。
圖2為圖1所示的氮化物半導體基板的縱截面圖。
圖3為第二GaN系半導體層的立體圖。
圖4為第二 GaN系半導體層的立體圖。
圖5為實施方式所涉及的第二 GaN系半導體層頂面附近的水平截 面圖。
圖6為比較例所涉及的第二 GaN系半導體層頂面附近的水平截面圖。
圖7為實施方式所涉及的第二 GaN系半導體層的一部分頂面附近 的水平截面圖。
圖8為用於說明實施方式所涉及的橫向生長向量的圖。 圖9為用於說明比較例所涉及的橫向生長向量的圖。 圖IO為用於說明實施方式所涉及的橫向生長向量的圖。 圖11為用於說明比較例所涉及的橫向生長向量的圖。 圖12為第二GaN系半導體層的平面圖。
圖13為第二 GaN系半導體層的xni-xin箭頭方向上的斷面圖。
圖14為實施方式所涉及的凹凸面62的凹凸平均尺寸Have的說明圖。
圖15為實施方式所涉及的氮化物半導體基板的縱截面圖。 圖16為拍攝實施方式所涉及的第二 GaN系半導體層的照片。 圖17為拍攝實施方式所涉及的第二GaN系半導體層的照片。 圖18為拍攝實施方式所涉及的第二GaN系半導體層的照片。 圖19為使用氮化物半導體基板的發光元件的縱截面圖。 圖20為示意實施方式所涉及的各層的材料的表。 圖21為其它實施方式所涉及的氮化物半導體基板的平面圖。 圖22為圖21所示的氮化物半導體基板的縱截面圖。 圖23為比較例所涉及的氮化物半導體基板的平面圖。 圖24為圖31所示的氮化物半導體基板的縱截面圖。 圖25為比較例所涉及的第二 GaN系半導體層的立體圖。 符號說明
1:氮化物半導體基板 2:基板 3:緩衝層
74:第一GaN系半導體層5:掩模6:第二GaN系半導體層
61:斜面 62:凹凸面(小斜面)63:平坦面7:埋入層 a:位錯 b:橫向生長向量
Have:間距方向上的始於頂部的凹凸尺寸的平均值 Hsd:間距方向上的始於頂部的凹凸尺寸的標準差 L:第二GaN系半導體層的條紋的間距
具體實施例方式
以下，基於

實施方式所涉及的氮化物半導體基板。在說 明中，對同一要素使用相同的符號並省略重複的說明。
圖1為實施方式所涉及的氮化物半導體基板1的平面圖。圖2為
圖i所示的氮化物半導體基板i的n-n箭頭方向上的截面圖。
在由藍寶石形成的基板2的上面，作為緩衝層3，形成有低溫生長 的膜厚25nm的GaN。在其上層，作為第一 GaN系半導體層，形成有 成為基底層的第一GaN層4。第一GaN層4的膜厚比緩衝層3厚，為 2.5jiim。在第一GaN層4的上面，設置有多個條紋狀的掩模5。掩模5 由膜厚300nm、寬3pm的Si02膜形成，在垂直於紙面的方向上延伸。 掩模5的條紋的間距為6pm。
在具有條紋狀的掩模5的第一 GaN層4上，形成有第二 GaN層6。 第二 GaN層6為截面具有基本上為三角形狀的小平面(刻面，facet) 的第二GaN系半導體層(條紋圖案)。第二GaN層6從作為基底層的 第一GaN層4的上面開始生長。在此，由於在第一GaN層4的表面上 設置有條紋狀的掩模5，因此從掩模5之間的第一 GaN層4的部位開 始生長的GaN在掩模5的上方朝向橫向(水平方向)生長，在掩模5 的寬度方向(X軸方向)的中央部合為一體。
此外，由於第二GaN層6在厚度方向(圖2的Z軸正方向)上的 生長速度大於在掩模5之間的中央部分的生長速度，因此沿厚度方向 (Z軸)的XZ截面(垂直於條紋的長度方向(Y軸)的截面)成為大 致三角形狀的刻面。該條文的的間距與掩模5相同，為6pm。
在第二GaN層6的上層直接形成有作為埋入層的AlGaN層7。由 於第二 GaN層6具有斜面，因此AlGaN層7以該斜面為基點發生橫向生長，在其厚度增加的同時，上表面變得平坦，從而埋住第二GaN層 6的三角刻面。AlGaN層7的膜厚約為8.4pm (將下部視為平坦時的換 算值)，在其上面，如圖1所示，與針對比較例說明的圖23以及圖24 的情況相同，雖然在與第二 GaN層6的頂部和谷部相對應的部分多少 殘留有結晶缺陷的位錯a，然而其它部分為低缺陷(低位錯)區域。此 外，本實施方式中各層的厚度不限於上述的值。
在此，在第二 GaN層6的三角刻面的斜邊(斜面)61上形成有凹 凸面62，因此與圖25所示的比較例大不相同。
圖3為第二GaN層6的立體圖。
如圖3所示，在構成條紋圖案的1個三稜柱圖案的斜面61上，形 成有多個由凹凸形成的凹凸面62。凹凸面62由大致沿著條紋的斜面的 傾斜度的多個小斜面構成。在圖中僅示意了右側斜面，但是在左側斜 面上也同樣形成有凹凸面62。三稜柱圖案具有如圖3所示的頂部尖且 幾乎未形成有平坦面的情形以及如圖4所示的在頂部形成有平坦面63 的情形。
圖5表示沿圖3 (圖4的情況也同樣)中的虛線的頂部附近的V-V 水平截面圖，圖6表示比較例的沿圖25中的虛線的頂部附近的VI-VI 水平截面圖。
在圖6的比較例中，由於斜面61'為沿著條紋的延伸方向(Y軸方 向)的平坦面，因此在水平截面中與斜面垂直的直線成為與條紋的延 伸方向垂直的方向(X軸方向)。為此，由在第二 GaN層6'上進行橫 向生長而形成的AlGaN層7'的橫向(水平方向)上的生長向量b'全部 沿X軸方向。因此，在AlGaN層7'內，壓縮應力作用在X軸方向上， 由此，因第二 GaN層6'與A1N摩爾分數高的AlGaN層7'的晶格常數 的不同而導致的拉伸應力得到緩和，而在Y軸方向上未得到緩和，從 而沿X軸方向產生裂紋。
相對於此，在圖5所示的本實施方式中，沿圖3及圖4所示的條 紋的斜面61設置有多個小斜面62，在水平截面(XY截面)中垂直於 小斜面62的直線遍及多個方向，以幾乎覆蓋全方位的方式延伸。為此， 由在第二 GaN層6上進行橫向生長而形成的AlGaN層7的橫向生長向 量b朝向多個方向。因此，在AlGaN層7內，壓縮應力的作用方向幾乎遍及全方位，因第二 GaN層6與A1N摩爾分數高的AlGaN層7的 晶格常數的不同而導致的拉伸應力得到緩和，可以抑制在任意方向上 的裂紋的產生。
利用圖7 圖12進一步說明AlGaN層7的橫向生長向量。
圖7為實施方式所涉及的第二 GaN系半導體層的一部分頂面附近 的水平截面圖。如圖7所示，對水平面內橫向生長向量b，取向量b 的X方向分量bx和Y方向分量by。
圖8為用於說明實施方式所涉及的橫向生長向量的圖。在本實施 方式中，如圖8所示，由於第二GaN層6的小斜面62，存在X方向分 量bx和Y方向分量by兩者。
圖9為比較例所涉及的與條紋的延伸方向垂直的面(XZ平面)中 的截面圖。而如圖9所示，在比較例中，橫向生長向量b'只有與條紋 的延伸方向垂直的方向(X方向)的分量。
圖10為從圖8中的X方向看到的條紋圖案的側面圖。在本實施方 式中，如圖10所示，還存在朝向紙面的兩個橫向方向的向量分量by。 在圖8及圖10所示的實施方式中，表示三角刻面的斜面61上的凹凸 結構從三角刻面的頂部直至底部均為大致相同形狀的情況，然而，凹 凸結構的形狀可以有各種變化，也可以為在1個小斜面62上該斜面的 法線方向發生變化的結構。
圖11為從圖9中的XI方向看到的條紋圖案的側面圖。如圖11所 示，在比較例中，橫向生長向量b'只有垂直於紙面的向外方向(X軸 負方向)的向量分量，因此不能充分緩和Y方向的變形。
以下，利用圖12以及圖13說明第二 GaN層6的條紋間距L和凹 凸尺寸。
圖12為示意第二 GaN層6的頂部的凹凸面62的第二 GaN層6 的平面圖。圖13為圖12所示第二 GaN層6的XIII-XIII箭頭方向上的 斷面圖。
其中，由於凹凸面62為斜面狀，因此凹凸的褶皺幾乎連續至三角 刻面在底部合為一體的部分為止，而在圖12中，僅僅記載了頂部上面 的凹凸面62的線。此外，中心線C1、 C2為位於三角刻面的Z軸正方 向的前端的頂點(頂面)的中心線。
10在本實施方式中，條紋狀的三角刻面的條紋間距L為6pm，然而 不局限於該數值。在此，優選為0.5 50nm的範圍。若小於0.5pm， 則三角刻面的三角形狀的尺寸也變小，不能充分抑制由在其上形成的 埋入層的橫向生長所導致的裂紋的產生，也不能充分減少缺陷。而若L 大於50^im，則三角刻面的三角形狀的尺寸變大，膜厚也增大，因此結 晶生長所需要的時間過長，基板的製造不具有實用性。從這樣的觀點 出發，進一步優選L為2 10nm的範圍。
圖14為用於說明凹凸面的所述條紋間距L方向(水平方向且與條 紋的延伸方向(Y軸)垂直的方向(X軸))上的凹凸尺寸的圖，為模 式地示意圖12的頂部上面的凹凸面62的右側邊的圖。如圖所示，在 從三角刻面的中心線Cl稍微離開的地方存在凹凸面62的頂和谷。另 外，該圖為如圖4所示，在頂部明確地存在平坦部63的情況，而在如 圖3所示的幾乎不存在平坦部的情況下，在圖12 14中，多數凹凸面 62的谷基本上與三角刻面的中心線的位置一致。
在圖14中，若設從中心線Cl至各個頂和谷的長度為Hp H2、 -Hn、 HN (N為頂和谷的總數，為自然數)，則其平均值Have 和標準差Hsd如下式所示。
Have=Hn的平均值^1/N)' E Hn
Hsd=Hn的標準差^(l/N)'HHn-Have)Y2
於是，平均值Have相當於，將凹凸面弄平而得到的平坦面(以圖 14的虛線示意)距離條紋中心線C1的寬度。標準差Hsd相當於，從 表示上述平坦面的位置的Have計算的凹凸的頂或谷的統計學上的寬 度，標準差Hsd的2倍相當於凹凸的平均寬度。就條紋間距L方向上 的凹凸尺寸而言，優選其上限為Have《L/10，優選其下限為0.0048L/4 《Hsd。
平均值Have大意味著圖4所示的頂部的平坦面63的X軸方向的 寬度大，雖然第二GaN層6的三角刻面基本上為三角形狀，然而也可 以為五邊形的梯形。在該平坦面63上存在結晶缺陷(位錯)，在其上 面生長的埋入層7從平坦面63開始不在進行橫向生長而向上方生長， 因此結晶缺陷向上方傳遞，且隨著平坦面63的面積比例的增加，未被 緩和的應力的比例也增加。為此，從這樣的觀點出發，希望平坦面63的面積在第二GaN層6 的水平面的總面積(第二 GaN層6的在XY平面上的截面面積的最大 值)中所佔比例較小，為了使埋入層7中的位錯充分減少和得到充分 的抑制裂紋的效果，優選為所佔比例為20%以下。另外，由於平坦面 63佔總面積的比例為相對於平均值Have的L/2的比例，因此優選平均 值Have為L/10以下。
以下討論下限值。AlN相對於GaN的晶格不匹配的比例，例如在 結晶軸A軸的方向上為-2.4。/。。為此，當AlGaN層7在第二 GaN層6 上橫向生長的情況下，晶格不匹配的比例與摩爾分數相應，當A1N摩 爾分數為20%的情況下晶格不匹配的比例為-0.48%，當A1N摩爾分數 為30%的情況下晶格不匹配的比例為-0.72%。在始於凹凸面的橫向生 長中，為了如圖12 圖13所示緩和L/2寬度區域的應力，需要至少與 不匹配比例相當的平均凹凸寬度。這樣，如上所述，標準差Hsd相當 於凹凸的頂或谷的統計學上的寬度，平均的凹凸面的寬度為Hsd的2 倍。此外，作為用於與各種器件相對應的基板，優選對至少A1N摩爾 分數為20。/。以上的埋入層得到足夠的應力緩和的效果。為此，優選2Hsd 》(L/2) .0.0048，即Hsd為0.0048L/4以上。
如上所述，上述的氮化物半導體基板具有GaN系半導體層6和在 GaN系半導體層6上形成的由AlGaN或InAlGaN形成的埋入層7， GaN 系半導體層6具有多個突出的條紋，在條紋的兩個側面61分別具有凹 凸面62。
此外，在設定XYZ直角坐標系的情況下，GaN系半導體層6的厚 度方向為Z軸方向，GaN系半導體層6的條紋沿Y軸延伸，設通過鄰 接的條紋的X軸方向的中心點且沿Y軸延伸的中心線C1、 C2之間的 距離為L，則1個凹凸面62與XY平面的相交線距中心線Cl的距離 的平均值Have以及標準差Hsd滿足上述不等式關係，在這種情況下， 可以充分抑制埋入層7中的位錯和裂紋的產生。
以下，參照圖15說明本實施方式的氮化物半導體基板1的製造方 法。依次進行以下的(1) (5)的工序。
1)第一GaN層生長工序首先，利用有機金屬氣相沉積(MOCVD)法在可以結晶生長的空 間(MOCVD室)內導入藍寶石基板2，使MOCVD室內成為氫氣氣 氛。然後，對藍寶石基板2在105(TC進行5分鐘的熱處理，淨化基板 2的表面。這樣，通過在適宜的條件下進行熱處理，除去藍寶石基板2 表面的汙染物質。
此後，將藍寶石基板2的溫度降低至475°C，提供含三甲基鎵 (TMG)的III族原料氣體以及含氨氣(NH3)的氮原料氣體等，在藍 寶石基板2上使作為膜厚為25nm的緩衝層3的低溫生長GaN層生長。 然後，將基板溫度升溫至1075°C，提供含三甲基鎵的III族原料氣體以 及含氨氣(NH3)的氮原料氣體等，在緩衝層3上使膜厚比緩衝層3 厚的GaN層4 (膜厚為2.5pm)生長。
(2) 掩模形成工序
從MOCVD室取出在(1)中得到的基板，導入到可以利用等離子 體CVD實施成膜的空間(等離子體CVD室)內並予以固定。然後， 將膜厚為300nm的Si02膜沉積在基板上。接著，利用常用的光刻 (Photolithography)技術以及蝕刻技術加工Si02膜，形成具有X軸方 向的寬度為3pm、間距為6pm的周期的絕緣性條紋圖案，並將該Si02 的條紋圖案作為掩模5。另外，雖然以GaN[l-100]方向作為條紋的方 向，然而條紋的方向也可以沿其它的結晶方向。此後，再次將形成有 Si02條紋的掩模5的基板導入到MOCVD生長室內並予以固定，使 MOCVD室成為氨氣氣氛，在1075。C進行5分鐘的熱處理。
(3) 第二GaN層形成工序
此後，利用與形成第一 GaN層4時同樣的原料氣體，形成第二 GaN 層6的三角刻面結構。GaN結晶從掩模5之間的露出第一 GaN層的部 分開始生長，在掩模5上向橫向(紙的左右方向)彎曲並持續生長， 在掩模5的寬度方向的中央部分彼此合為一體。這樣，由於掩模5之 間的中央部分的厚度方向(紙面向上的方向)的生長速度較大，因此 形成具有條紋圖案的第二 GaN層6，其中該條紋圖案具有XZ截面形
狀基本上為三角形狀的刻面。此外，如前所述，該基本上為三角形狀 的三角刻面還包括頂部具有平坦部分的梯形狀的刻面。此外，由於結 晶缺陷(位錯)向結晶的生長方向彎曲，因此如圖15所示，結晶缺陷
13(位錯)a主要存在於三角刻面的頂部與谷部。此時，將生長壓力的範 圍設定為76 760Torr (lxl05 lxl06Pa)、將基板溫度設定在850
ioocrc的範圍內，並且控制各氣體流量，從而可以形成在側面具有凹 凸面結構的三角刻面結構。
圖16、 17以及18為在本實施方式中利用上述各條件實際形成的 第二GaN層6的照片。在第二GaN層6上，形成有具有基本上為三角 形狀的刻面的條紋圖案，在各斜面61上形成有凹凸面62 (小斜面)。 在圖16中，也可以觀察頂部的平坦面63。在此，由於條紋的間距為6pm， 因此雖然上述優選範圍的凹凸尺寸為7nm《Hsd、 Have《600nm，但從 照片上看，平均值Have為lOOnm左右，標準偏差Hsd為8 33nm。
(4) 埋入層生長工序
將由工序(3)得到的基板升溫至1125°C，使膜厚為8.4pm的 Al0.2Gao.8N層7 (AlxlGaY1N系化合物層)生長。由此，GaN層6的三 角刻面結構被埋入到AlGaN層7內，基板的表面被平坦化，從而得到 氮化物半導體基板l。在此，該膜厚是換算為在平坦的基板上生長的情 況下的膜厚的值。此外，將生長壓力設為54Torr (7.2><103Pa)。
在該AlGaN層7的上面，如圖15所示，結晶缺陷(位錯)a存在 於三角刻面的頂和谷的部分，而在其它區域則為低位錯。此外，如上 所述，在AlGaN的橫向生長過程中，橫向生長向量不僅有與條紋延伸 方向垂直的分量，也具有沿條紋延伸方向的分量，因此成為開裂原因 的應力在任一方向上都得到緩和，從而可以抑制裂紋的產生。
(5) 半導體結構物製造工序
氮化物半導體基板1的製造工序如上所述，以下敘述在所得到的 基板1上製造半導體結構物的工序的一個例子。
圖19為由此製造的發光元件的截面圖。在由工序(4)所得到的 基板上，依次使如下所述的層進行生長厚度為3pm的摻雜了 Si的 Al0.2Gao.8N層(Si摻雜傳導層)8;厚度為250nrn的Al0.2Gao.8N層(第 一包層)9、AlGaN量子阱結構(活性層)10;厚度為20nm的Al。.35Gao.65N 層(載流子區塊層)11;厚度為250nm的摻雜了Mg的Alo.2Gao.8N層 (Mg摻雜包層)12;以及厚度為50nm的摻雜Mg的GaN層(傳導層) 13。此外，在傳導層13上形成P型透明電極14，在透明電極14上形 成P型電極15，在傳導層8的露出面上形成n型電極16，從而構成半 導體結構物。
在本實施方式中，作為使結晶生長的方法採用有機金屬氣相沉積 (MOCVD)法，然而本發明不局限於此，也可以利用分子束外延生長 (MBE)法、氫化物氣相外延生長(HVPE)法等的其它生長方法。此 外，在本實施方式中，作為氮原料氣體使用了含氨氣(NH3)的氣體， 作為III族原料氣體使用了含三甲基鎵(TMG)或三甲基鋁(TMA) 的氣體，然而本發明並不局限於此。此外，在上述半導體結構物的制 造工序中，作為n型摻雜原料氣體使用含矽烷(SiH4)的氣體，作為P 型摻雜原料氣體使用了含二茂鎂(Cp2Mg)的氣體，然而也可以使用 此外的氣體。
此外，在本實施方式中，GaN系半導體層4、 6由GaN形成，作 為埋入層7的AlGaN系半導體層由AlxlGaY1N形成，然而也可以分別 由Inz2AlX2GaY2N和InZ3AlX3GaY3N形成。其中，XI、 Yl、 X2、 Y2、 Z2、 X3、 Y3、 Z3為組分比。此外，基板2也不局限於藍寶石，緩衝 層3也不局限於低溫GaN層，掩模5也不局限於Si02。這些各種材料 的選擇方式記載在圖20中。此外，在此，除基板2、第二GaN系半導 體層6、埋入層7之外，對其組合與使用次數沒有限制。
圖21為這樣的氮化物半導體基板的平面圖，圖22為圖21所示的 氮化物半導體基板的XXn-XXII箭頭方向上的截面圖。在由GaN形成 的基板2上不經由緩衝層而直接形成Si02的掩模5，在其上形成截面 具有三角刻面的作為第二 GaN系半導體層的GaN層6，在其上形成 AlGaN層7。這是在圖20中作如下選擇的情況作為基板選擇GaN、 作為緩衝層選擇"無插入"、作為掩模5選擇Si02、作為第一 GaN系 半導體層4選擇"無插入"、作為第二 GaN系半導體層6選擇GaN、 以及作為埋入層7選擇AlGaN。在該情況下，作為GaN系半導體層的 GaN層6的基底變為GaN基板2。
此外，在本實施方式中，在第一GaN層4和第二GaN層6之間未 形成有緩衝層，然而也可以在其間設置緩衝層。即，在工序(2)中得 到的形成有掩模5的基板上，在基板溫度為475'C的條件下使膜厚為25nrn的緩衝層生長。此後，形成GaN的三角刻面結構。此時，與上 述實施方式同樣，通過控制生長壓力、基板溫度、各氣體流量，可以 形成在側面具有凹凸的三角刻面結構。
此外，作為本實施方式的其它例子，也可以在藍寶石基板2上直 接形成Si02的條紋掩模5之後，使低溫GaN緩衝層生長，在其上形成 截面具有三角刻面的作為第二 GaN系半導體層的GaN層6，再形成 AlGaN層7的埋入層。這是在圖20中作如下選擇的情況作為基板2 選擇藍寶石、作為緩衝層3選擇"低溫GaN緩衝層"、作為掩模5選 擇Si02、作為第一GaN系半導體層4選擇"無插入"、作為第二GaN 系半導體層6選擇GaN、以及作為埋入層7選擇AlGaN。在該情況下， GaN系半導體層即GaN層6的基底層是藍寶石基板2和在其上形成的 低溫GaN緩衝層。
此外，在本實施方式中，在截面基本上為三角形狀的第二GaN系 半導體層6的上面，直接使AlGaN層或InAlGaN層7生長，由於在其 間沒有其它的中間層，不僅可以簡化製造工序，而且可以減少因中間 層導致而產生新的結晶缺陷的可能性。然而，當例如埋入層7中的A1N 摩爾分數為50%以上，與第二 GaN系半導體層6之間的晶格常數的差 異更大時，除了利用三角刻面的凹凸面來抑制裂紋的之外，也可以在 第二GaN系半導體層6的上面形成用於抑制裂紋的中間層。作為這樣 的中間層，可以使用例如在300 800'C下沉積的A1N中間層(通式為 InbAlaGai.a.bN)、在同樣低溫生長的A1N中間層的上部層疊AlGaN變形 抑制層的材料。
權利要求
1.氮化物半導體基板，其特徵在於，具有GaN系半導體層，該GaN系半導體層在基底層上生長，沿厚度方向的截面基本上為三角形狀，且所述GaN系半導體層呈周期性的條紋狀，在該條紋的斜面上設置有凹凸面；以及在所述GaN系半導體層上形成的由AlGaN或InAlGaN形成的埋入層。
2. 如權利要求1所述的氮化物半導體基板，其特徵在於， 所述凹凸面為基本上沿著所述條紋的斜面的傾斜度的斜面，且由多個小斜面形成，所述小斜面的垂線方向在水平截面上遍及多個方向。
3. 如權利要求1所述的氮化物半導體基板，其特徵在於， 當設所述條紋的間距為L時，在所述GaN系半導體層的大致三角形狀頂部的所述凹凸面的凹凸尺寸的平均值Have以及標準差Hsd滿 足0.0048L/4《Hsd， Have《L/10，其中，所述凹凸尺寸為從所述頂部計算的在所述間距方向上的尺
4. 氮化物半導體基板，其特徵在於， 具有GaN系半導體層；以及在所述GaN系半導體層上形成的由AlGaN或InAlGaN形成的埋 入層，所述GaN系半導體層具有多個突出的條紋， 在所述條紋的兩側面分別具有凹凸面。
5. 如權利要求4所述的氮化物半導體基板，其特徵在於，在設定XYZ直角坐標系的情況下，所述GaN系半導體層的厚度方向為Z軸方向，所述GaN系半導體層的條紋沿Y軸延伸，設通過鄰接的所述條紋的X軸方向的中心點且沿Y軸延伸的中心 線之間的距離為L，1個所述凹凸面與XY平面的相交線離所述中心線的距離的平均值 Have以及標準差Hsd滿足(0.0048L/4《Hsd，Have《L/10。
全文摘要
本發明涉及一種氮化物半導體基板(1)，其具有GaN系半導體層(6)和在GaN系半導體層6上形成的由AlGaN或InAlGaN形成的埋入層(7)，其中，GaN系半導體層(6)是在基底層(4)上生長、沿厚度方向的截面基本上為三角形狀、且GaN系半導體層(6)呈周期性的條紋狀、在條紋的斜面上設置有凹凸面(62)的層。
文檔編號H01L21/205GK101617388SQ20088000579
公開日2009年12月30日 申請日期2008年3月17日 優先權日2007年3月22日
發明者吉田治正, 桑原正和, 高木康文 申請人:浜松光子學株式會社