含有鋁的氮化物中間層的製造方法、氮化物層的製造方法和氮化物半導體元件的製造方法

2023-08-09 18:38:36

專利名稱：含有鋁的氮化物中間層的製造方法、氮化物層的製造方法和氮化物半導體元件的製造方法
技術領域：
本發明涉及含有鋁的氮化物中間層的製造方法、氮化物層的製造方法和氮化物 半導體元件的製造方法。
背景技術：
由於含有氮的III-V族化合物半導體(III族氮化物半導體)具有與從紅外到紫外 區域波長的光能量相當的禁帶寬度，所以作為發出具有從紅外到紫外區域波長的光的發 光元件或具有接受該區域波長的光的受光元件的材料是有用的。III族氮化物半導體由於構成III族氮化物半導體的原子之間的結合強、絕緣破壞 電壓高、飽和電子速度大，所以作為耐高溫、高輸出、高頻的電晶體等電子器件的材料 也是有用的。且III族氮化物半導體作為幾乎對於環境無害，且容易處理的材料也被關注。

如上所述，為了使用良好的材料即III族氮化物半導體來製作實用的氮化物半導 體元件，就需要在規定的基板上層積由III族氮化物半導體的薄膜構成的III族氮化物半導 體層來形成規定的元件結構。在此，作為基板，最合適的是使用具有能夠在基板上使III族氮化物半導體直接 生長的晶格常數和熱膨脹係數的由III族氮化物半導體構成的基板，作為由III族氮化物半 導體構成的基板例如優選使用氮化鎵(GaN)基板等。但現狀是GaN基板其尺寸小到直徑2英寸以下，且價格非常高，所以不實用。因此，現狀是作為氮化物半導體元件製作用的基板而使用與III族氮化物半導體 晶格常數差和熱膨脹係數差大的藍寶石基板和炭化矽(SiC)基板等。在藍寶石基板與代表性的III族氮化物半導體即GaN之間存在有約16%左右的晶 格常數差。SiC基板與GaN之間存在有約6%左右的晶格常數差。在基板與在其上生長 的III族氮化物半導體之間存在有這樣大的晶格常數差的情況下，一般難於使由III族氮化 物半導體構成的晶體在基板上外延生長。例如直接使GaN晶體在藍寶石基板上外延生長 時，GaN晶體的立體生長不可避免，有不能得到具有平坦表面的GaN晶體的問題。於是，為了消除基板與III族氮化物半導體之間的晶格常數差而一般進行在基板 與III族氮化物半導體之間形成被稱為所謂緩衝層的層。例如在特開平02-229476號公報(專利文獻1)中就記載有在藍寶石基板上把 AlN的緩衝層利用MOVPE法形成後，使由AlxGai_xN構成的III族氮化物半導體生長的方法。但即使是專利文獻1記載的方法，也難於再現性良好地得到具有平坦表面的 AlN緩衝層。這認為是在利用MOVPE法形成AlN的緩衝層時，作為原料氣體而使用的 三甲基鋁(TMA)氣體和氨氣(NH3)在氣相中容易反應的緣故。因此，在專利文獻1記載的方法中，難於使表面平坦且缺陷密度小的高質量的、由AlxGai_xN構成的III族氮化物半導體在AlN緩衝層上再現性良好地生長。例如被日本特開昭60-173829號公報(專利文獻2)公開有在藍寶石基板上利 用施加直流偏壓的高頻濺射法來形成AlxGai_xN(0 < χ<1)緩衝層的方法。但通過專利文獻2記載的方法在AlxGai_xN(0 < χ<1 =緩衝層上形成的III族氮 化物半導體，如日本特開2000-286202號公報(專利文獻3)的段落
和日本特開 2001-094150號公報(專利文獻4)的段落
所記載的那樣，不具有良好的結晶性。於是，在專利文獻3中提出有把利用DC磁控濺射法形成的由III族氮化物 半導體構成的緩衝層在氫氣和氨氣的混合氣體環境下進行熱處理的方法，在專利文獻4 中提出有在被升溫到400°C以上的藍寶石基板上利用DC磁控濺射法來形成50埃以上 3000埃以下膜厚度的、由III族氮化物半導體構成的緩衝層的方法。在日本特開2008-034444號公報(專利文獻5)提出有在被加熱到750 °C的藍 寶石基板上利用高頻濺射法來形成由AlN柱狀晶構成的緩衝層的方法。但利用上述專利文獻3 5記載的方法，形成由III族氮化物半導體構成的緩衝 層，在該緩衝層上形成III族氮化物半導體層時也不能再現性良好地形成具有良好結晶性 的III族氮化物半導體層，其結果是不能再現性良好地製作具有良好特性的氮化物半導體 元件。

發明內容

鑑於上述情況，本發明的目的在於提供一種能夠使具有良好結晶性的氮化物層 再現性良好地形成在其上方的含有鋁的氮化物中間層的製造方法、該氮化物層的製造方 法和使用該氮化物層的氮化物半導體元件的製造方法。本發明的第一形態能夠提供含有鋁的氮化物中間層的製造方法，包括把基板 和含有鋁的靶電極隔開IOOmm以上250mm以下的距離來配置的工序、通過在基板與靶電 極之間利用以連續DC方式施加電壓而進行的DC磁控濺射法而在基板表面上形成含有鋁 的氮化物中間層的工序。在此，在本發明第一形態的含有鋁的氮化物中間層的製造方法中，優選在基板 和靶電極的配置工序與形成含有鋁的氮化物中間層的工序之間，還包括有向基板與靶電 極之間導入氮氣的工序。在本發明第一形態的含有鋁的氮化物中間層製造方法中，優選在基板和靶電極 的配置工序中把靶電極相對基板傾斜地來配置基板和靶電極。本發明的第二形態能夠提供含有鋁的氮化物中間層的製造方法，包括把基板 和含有鋁的靶電極隔開間隔配置的工序、向基板與靶電極之間導入氮氣的工序、通過在 基板與靶電極之間利用以連續DC方式施加電壓而進行的DC磁控濺射法而在基板表面上 形成含有鋁的氮化物中間層的工序。在此，在本發明第二形態的含有鋁的氮化物中間層的製造方法中，優選在基板 和靶電極的配置工序中把靶電極相對基板傾斜地來配置基板和靶電極。本發明的第三形態能夠提供含有鋁的氮化物中間層的製造方法，包括把基板 和含有鋁的靶電極隔開間隔而使靶電極相對基板傾斜配置的工序、通過在基板與靶電極 之間利用以連續DC方式施加電壓而進行的DC磁控濺射法而在基板表面上形成含有鋁的氮化物中間層的工序。 本發明的第四形態能夠提供氮化物層的製造方法，包括把基板和含有鋁的靶 電極隔開IOOmm以上250mm以下的距離來配置的工序、通過在基板與靶電極之間利用以 連續DC方式施加電壓而進行的DC磁控濺射法而在基板表面上形成含有鋁的氮化物中間 層的工序、在含有鋁的氮化物中間層上形成氮化物層的工序。在此，本發明第四形態的氮化物層的製造方法，優選在基板和靶電極的配置工 序與形成含有鋁的氮化物中間層的工序之間，還包括有向基板與靶電極之間導入氮氣的工序。在本發明第四形態的氮化物層的製造方法中，優選在基板和靶電極的配置工序 中把靶電極相對基板傾斜地來配置基板和靶電極。本發明的第五形態能夠提供氮化物層的製造方法，包括把基板和含有鋁的靶 電極隔開間隔配置的工序、向基板與靶電極之間導入氮氣的工序、通過在基板與靶電極 之間利用以連續DC方式施加電壓而進行的DC磁控濺射法而在基板表面上形成含有鋁的 氮化物中間層的工序、在含有鋁的氮化物中間層上形成氮化物層的工序。在此，在本發明第五形態的氮化物層的製造方法中，優選在基板和靶電極的配 置工序中把靶電極相對基板傾斜地來配置基板和靶電極。本發明的第六形態能夠提供氮化物層的製造方法，包括把基板和含有鋁的靶 電極隔開間隔而使靶電極相對基板傾斜配置的工序、通過在基板與靶電極之間利用以連 續DC方式施加電壓而進行的DC磁控濺射法而在基板表面上形成含有鋁的氮化物中間層 的工序、在含有鋁的氮化物中間層上形成氮化物層的工序。本發明的第七形態能夠提供氮化物半導體元件的製造方法，包括把基板和含 有鋁的靶電極隔開IOOmm以上250mm以下的距離來配置的工序、通過在基板與靶電極之 間利用以連續DC方式施加電壓而進行的DC磁控濺射法而在基板表面上形成含有鋁的氮 化物中間層的工序、在含有鋁的氮化物中間層上形成氮化物半導體層的工序。在此，本發明第七形態的氮化物半導體元件的製造方法，優選在基板和靶電極 的配置工序與形成含有鋁的氮化物中間層的工序之間，還包括有向基板與靶電極之間導 入氮氣的工序。在本發明第七形態的氮化物半導體元件的製造方法中，優選在基板和靶電極的 配置工序中把靶電極相對基板傾斜地來配置基板和靶電極。本發明的第八形態能夠提供氮化物半導體元件的製造方法，包括把基板和含 有鋁的靶電極隔開間隔配置的工序、向基板與靶電極之間導入氮氣的工序、通過在基板 與靶電極之間利用以連續DC方式施加電壓而進行的DC磁控濺射法而在基板表面上形 成含有鋁的氮化物中間層的工序、在含有鋁的氮化物中間層上形成氮化物半導體層的工序。在此，在本發明第八形態的氮化物半導體元件的製造方法中，優選在基板和靶 電極的配置工序中把靶電極相對基板傾斜地來配置基板和靶電極。本發明的第九形態能夠提供氮化物半導體元件的製造方法，包括把基板和含 有鋁的靶電極隔開間隔而使靶電極相對基板傾斜配置的工序、通過在基板與靶電極之間 利用以連續DC方式施加電壓而進行的DC磁控濺射法而在基板表面上形成含有鋁的氮化物中間層的工序、在含有鋁的氮化物中間層上形成氮化物半導體層的工序。根據本發明，能夠提供一種含有鋁的氮化物中間層的製造方法、該氮化物層的 製造方法和使用該氮化物層的氮化物半導體元件的製造方法，可使具有良好結晶性的氮 化物層再現性良好地形成在該含有鋁的氮化物中間層的上方。本發明的上述和其他的目的、特點、方面和優點從附圖和下面的關於本發明的 相關詳細說明就能夠明了。


圖1是本發明的氮化物半導體元件的一例即實施例1的氮化物半導體發光二極體 元件的示意性剖視圖；圖2是把實施例1的氮化物半導體發光二極體元件製造方法一例的製造工序一部 分圖解的示意性剖視圖；圖3是用於在基板表面上層積含有鋁的氮化物中間層的DC磁控濺射裝置一例的 示意性結構圖；圖4是用於在基板表面上層積含有鋁的氮化物中間層的DC磁控濺射裝置其他一 例的示意性結構圖；圖5是用於在基板表面上層積含有鋁的氮化物中間層的DC磁控濺射裝置又其他 一例的示意性結構圖；圖6是把實施例1的氮化物半導體發光二極體元件製造方法一例的製造工序一部 分圖解的示意性剖視圖；圖7是把實施例1的氮化物半導體發光二極體元件製造方法一例的製造工序一部 分圖解的示意性剖視圖；圖8是把實施例1的氮化物半導體發光二極體元件製造方法一例的製造工序一部 分圖解的示意性剖視圖；圖9是使用實施例1的氮化物半導體發光二極體元件的發光裝置一例的示意性剖 視圖；圖10是本發明氮化物半導體元件的其他一例即實施例2的氮化物半導體雷射元 件的示意性剖視圖；圖11是把實施例2的氮化物半導體雷射元件製造方法一例的製造工序一部分圖 解的示意性剖視圖；圖12是把實施例2的氮化物半導體雷射元件製造方法一例的製造工序一部分圖 解的示意性剖視圖；圖13是本發明氮化物半導體元件的其他一例即實施例3的氮化物半導體電晶體 元件的示意性剖視圖；圖14是把實施例3的氮化物半導體電晶體元件製造方法一例的製造工序一部分 圖解的示意性剖視圖；圖15是把實驗例1 15的氮化物半導體發光二極體元件製造方法的製造工序一 部分圖解的示意性剖視圖；圖16是在實驗例1 8和13 15的形成AlN緩衝層所使用的DC磁控濺射裝置的示意性結構圖；圖17是把實驗例1 15的氮化物半導體發光二極體元件製造方法的製造工序一 部分圖解的示意性剖視圖；圖18是把實驗例1 15的氮化物半導體發光二極體元件製造方法的製造工序一 部分圖解的示意性剖視圖；圖19是把實驗例1 15的氮化物半導體發光二極體元件製造方法的製造工序一 部分圖解的示意性剖視圖；圖20是把實驗例1 15的氮化物半導體發光二極體元件製造方法的製造工序一 部分圖解的示意性剖視圖；圖21是把實驗例1 15的氮化物半導體發光二極體元件製造方法的製造工序一 部分圖解的示意性剖視圖； 圖22是在實驗例9 12的形成AlN緩衝層所使用的DC磁控濺射裝置的示意性 結構圖；圖23是表示實驗例1 8的GaN基底層的(004)面中X射線搖擺曲線的半幅值 (arcsec)、 與Al靶電極表面中心和藍寶石基板c面的最短距離d(mm)之間關係的圖。
具體實施例方式以下說明本發明的實施例。在本發明的附圖中，同一參照符號表示同一部分或 相當的部分。圖1表示本發明的氮化物半導體元件的一例即實施例1的氮化物半導體發光二極 管元件的示意性剖視圖。在此，實施例1的氮化物半導體發光二極體元件100具備基板1、與基板1的 表面相接設置的含有鋁的氮化物中間層2、與含有鋁的氮化物中間層2的表面相接設置的 氮化物半導體基底層3、與氮化物半導體基底層3的表面相接設置的η型氮化物半導體接 觸層4、與η型氮化物半導體接觸層4的表面相接設置的η型氮化物半導體包層5、與η 型氮化物半導體包層5的表面相接設置的氮化物半導體活性層6、與氮化物半導體活性層 6的表面相接設置的ρ型氮化物半導體包層7、與ρ型氮化物半導體包層7的表面相接設 置的ρ型氮化物半導體接觸層8、與ρ型氮化物半導體接觸層8的表面相接設置的透光性 電極層9。且與η型氮化物半導體接觸層4的露出表面相接地設置有η側電極11，與透 光性電極層9的表面相接地設置有ρ側電極10。以下，說明實施例1的氮化物半導體發光二極體元件100的製造方法的一例。首先如圖2的示意性剖視圖所示，在基板1的表面上層積含有鋁的氮化物中間層 2。在此，含有鋁的氮化物中間層2是通過在基板1與靶電極之間利用以連續DC方式施 加電壓而進行的DC磁控濺射法而形成。圖3表示用於在基板1表面上層積含有鋁的氮化物中間層2的DC磁控濺射裝置 一例的示意性結構。在此，DC磁控濺射裝置具備反應室21、設置在反應室21內部下方的加熱器 23、與加熱器23相對設置的陰極28、把反應室21內部的氣體向反應室21外部釋放的排氣口邪。
加熱器23被加熱器支撐體M所支撐。陰極28具有由鋁構成的Al靶電極沈和 被磁鐵支撐體四支撐的磁鐵27。反應室21上連接有用於向反應室21內部供給氬氣的 Ar氣供給管30和用於向反應室21內部供給氮氣的N2氣供給管31。
在向基板1的表面上層積含有鋁的氮化物中間層2時，首先在以上結構的DC磁 控濺射裝置內部的加熱器23上設置基板1。把基板1配置成使基板1的生長面(含有鋁 的氮化物中間層2生長的面)與Al靶電極沈的表面相對且隔開規定距離d。
作為基板1例如能夠使用由具有a面、c面、m面或r面等露出面的藍寶石 (Al2O3)單晶、尖晶石(MgAl2O4)單晶、ZnO單晶、LiAlO2單晶、LiGaO2單晶、MgO單 晶、幻單晶、^iC單晶、GaAs單晶、AlN單晶、GaN單晶或ZrB2等硼化物單晶等構成 的基板。基板1生長面的面方位沒有特別的限定，能夠恰當地使用正基板(^ ^ 7卜基 板)或被付與了偏斜角的基板等，特別是作為基板1而使用由藍寶石單晶構成的藍寶石基 板，在藍寶石基板的c面上形成後述的含有鋁的氮化物中間層2時，由於能夠層積由晶粒 整齊排列的柱狀晶集合體構成的、結晶性良好的含有鋁的氮化物中間層2的傾向變大， 因此優選。
上述的距離d是指Al靶電極沈表面的中心與基板1的生長面之間的最短距離， 該距離d優選是IOOmm以上250mm以下，更優選是120mm以上210mm以下，最優選是 150mm以上180mm以下。這是由於利用DC磁控濺射法在層積含有鋁的氮化物中間層 2時要向基板1供給高能量的反應籽晶，把上述距離d設定成IOOmm以上時，能夠縮小 上述反應籽晶給予基板1生長面的損傷，把上述距離d設定成250mm以下時，容易產生 等離子放電，而且含有鋁的氮化物中間層2的形成速度也變快，因此，具有如下傾向， 即，能夠層積由向基板1生長面的法線方向(垂直方向)伸長的晶粒整齊排列的柱狀晶集 合體構成的、結晶性良好的含有鋁的氮化物中間層2。因此，通過使氮化物層在這種結晶 性良好的含有鋁的氮化物中間層2表面上生長而能夠再現性良好地得到位錯密度低的結 晶性良好的氮化物層(本實施例的氮化物半導體基底層幻，進而能夠再現性良好地製作 具有良好特性的氮化物半導體元件。
由於在把上述距離d設定成120mm以上210mm以下時，特別是設定成150mm 以上180mm以下時，由於能夠層積結晶性更好的含有鋁的氮化物中間層2，所以在這種 含有鋁的氮化物中間層2的表面上能夠再現性良好地使位錯密度低且結晶性更良好的氮 化物層生長的傾向大，進而能夠再現性良好地製作具有更良好特性的氮化物半導體元件 的傾向大。
接著，向反應室21內部從Ar氣供給管30供給氬氣，且從N2氣供給管31供給 氮氣，由此，向基板1與Al靶電極沈之間導入氬氣和氮氣。且通過在基板1與Al靶電 極26之間利用連續DC方式(DC-continuous方式)施加電壓而在基板1與Al靶電極沈 之間產生氬氣和氮氣的等離子。由此，通過進行Al靶電極沈的濺射而在基板1的表面 上層積由鋁和氮的化合物構成的含有鋁的氮化物中間層2。連續DC方式是在Al靶電極 26的濺射中把規定大小的直流電壓(方向不隨時間變化的電壓)向基板1與Al靶電極沈 之間連續施加的方式。
在此，向反應室21內部供給的氣體中優選氮氣所佔的體積比率(氮比率是50%以上，更優選是75%以上，最優選是100% (僅供給氮氣)。在上述氮比率是 50%以上的情況下，特別是75%以上的情況下，由於能夠抑制向含有鋁的氮化物中間層 2中進入的雜質的量，所以能夠提高含有鋁的氮化物中間層2的結晶性。在上述氮比率是 100%的情況下，由於向反應室21內部僅供給氮氣，所以能夠使含有鋁的氮化物中間層2 的結晶性更加提高。在這種結晶性良好的含有鋁的氮化物中間層2的表面上使氮化物層 生長時，有能夠再現性良好地得到位錯密度低且結晶性良好的氮化物層的傾向，進而能 夠再現性良好地製作具有良好特性的氮化物半導體元件的傾向變大。
上面說明了向反應室21內部供給氬氣和氮氣的情況，但並不限定於此，例如也 可以把氮氣的至少一部分置換成氨氣，也可以把氬氣的至少一部分置換成氫氣。
圖4表示用於在基板1表面上層積含有鋁的氮化物中間層2的DC磁控濺射裝置 其他一例的示意性結構。圖4所示結構的DC磁控濺射裝置的特點是在基板1與Al靶電 極沈之間隔開間隔地把Al靶電極沈相對基板1的生長面傾斜而配置。
在此，把Al靶電極沈配置成相對基板1生長面的法線方向僅傾斜角度θ。在 此，從層積結晶性良好的含有鋁的氮化物中間層2的觀點出發，優選角度θ是10°以上 45°以下，更優選是20°以上45°以下。
在這樣使基板1與Al靶電極沈之間隔開間隔而把Al靶電極沈相對基板1的生 長面傾斜配置的狀態下，通過在基板1與Al靶電極沈之間利用連續DC方式施加電壓的 DC磁控濺射法來層積含有鋁的氮化物中間層2時，能夠減少在層積含有鋁的氮化物中間 層2時向基板1供給的高能量反應籽晶對基板1生長面的損傷，因此，有能夠層積結晶性 良好的含有鋁的氮化物中間層2的傾向。
通過把Al靶電極沈相對基板1的生長面傾斜配置，使基板1生長面內的含有鋁 的氮化物中間層2的厚度均勻性和結晶性的均勻性提高，因此，使基板1生長面內的氮化 物半導體元件特性的均勻性提高，有提高氮化物半導體元件合格品率的傾向。
特別是基板1生長面的口徑以IOOmmG英寸)、125mm(5英寸)、150mm(6英 寸)的方式依次增大時，則有上述提高均勻性的效果就越發顯著的傾向。
在圖4所示結構的DC磁控濺射裝置中，Al靶電極沈表面的中心與基板1生長 面之間的最短距離d也是優選IOOmm以上250mm以下，更優選是120mm以上210mm以 下，最優選是150mm以上180mm以下。通過在圖4所示結構的DC磁控濺射裝置中， 也把上述最短距離d如上述那樣設定，由於上述的理由而更有能夠層積結晶性良好的含 有鋁的氮化物中間層2的傾向。
在圖4所示結構的DC磁控濺射裝置中，向反應室21內部供給的氣體中優選氮氣 所佔的體積比率(氮比率％)是50%以上，更優選是75%以上，最優選是100% (僅 供給氮氣)。通過在圖4所示結構的DC磁控濺射裝置中，也把向反應室21內部供給的 氣體的氮比率如上述那樣設定，由於上述的理由而更有能夠層積結晶性良好的含有鋁的 氮化物中間層2的傾向。
圖5表示用於在基板1表面上層積含有鋁的氮化物中間層2的DC磁控濺射裝置 其他一例的示意性結構。圖5所示結構的DC磁控濺射裝置的特徵在於，具備與基板 1隔開間隔且相對基板1的生長面傾斜配置的具有第一 Al靶電極2 的第一陰極28a和 與基板1隔開間隔且相對基板1的生長面傾斜配置的具有第二 Al靶電極^b的第二陰極28b。
在此，第一陰極觀&具有第一Al靶電極^a、被第一磁鐵支撐體^a支撐的第 一磁鐵27a。第二陰極2 具有第二 Al靶電極^5b、被第二磁鐵支撐體29b支撐的第 二磁鐵27b。
把第一 Al靶電極2 配置成相對基板1生長面的法線方向傾斜角度θ 1。在 此，從層積結晶性良好的含有鋁的氮化物中間層2的觀點出發，優選角度θ 1是10°以上 45°以下，更優選是20°以上45°以下。
把第二 Al靶電極2 配置成相對基板1的生長面的法線方向傾斜角度θ 2。在 此，從層積結晶性良好的含有鋁的氮化物中間層2的觀點出發，優選角度θ 2是10°以上 45°以下，更優選是20°以上45°以下。
從層積結晶性良好的含有鋁的氮化物中間層2的觀點出發，優選把上述角度θ 1 或θ 2中的任一個設定為上述範圍，更優選把Θ1和θ 2這雙方設定為上述範圍。
圖5說明了設置兩個相對基板的生長面傾斜配置的Al靶電極的DC磁控濺射裝 置，但從提高含有鋁的氮化物中間層2的成膜速度的觀點出發，把相對基板的生長面傾 斜配置的Al靶電極例如可以增設到三個、四個、五個等。
在圖5所示結構的DC磁控濺射裝置中，第一 Al靶電極2 表面的中心與基板1 生長面之間的最短距離dl優選是IOOmm以上250mm以下，更優選是120mm以上210mm 以下，最優選是150mm以上180mm以下。通過在圖5所示結構的DC磁控濺射裝置中， 把上述最短距離dl如上述那樣設定，由於上述的理由而具有能夠層積結晶性更良好的含 有鋁的氮化物中間層2的傾向。
在圖5所示結構的DC磁控濺射裝置中，第二 Al靶電極2 表面的中心與基板 1的生長面之間的最短距離d2優選是IOOmm以上250mm以下，更優選是120mm以上 210mm以下，最優選是150mm以上180mm以下。通過在圖5所示結構的DC磁控濺射 裝置中，把上述最短距離d2如上述那樣設定，由於上述的理由而具有能夠層積結晶性更 良好的含有鋁的氮化物中間層2的傾向。
從層積結晶性良好的含有鋁的氮化物中間層2的觀點出發，優選把上述最短距 離dl或d2中的任一個設定為上述範圍，更優選把dl和d2這雙方設定為上述範圍。
在圖5所示結構的DC磁控濺射裝置中，向反應室21內部供給的氣體中優選氮氣 所佔的體積比率(氮比率％)是50%以上，更優選是75%以上，最優選是100% (僅 供給氮氣)。通過在圖5所示結構的DC磁控濺射裝置中，也如上述那樣設定向反應室 21內部供給的氣體的氮比率，由於上述的理由而具有能夠層積結晶性更良好的含有鋁的 氮化物中間層2的傾向。
如上所述，本實施例中在基板與靶電極之間通過利用連續DC方式施加電壓的 DC磁控濺射法來層積含有鋁的氮化物中間層時，通過採用以下(a) (c)的至少一個條 件，就能夠在基板的生長面上層積由向基板生長面的法線方向(垂直方向)伸長的晶粒整 齊排列的柱狀晶集合體構成的良好結晶性的含有鋁的氮化物中間層。通過使氮化物層在 這種結晶性良好的含有鋁的氮化物中間層表面上生長而能夠再現性良好地得到位錯密度 低且結晶性良好的氮化物層，進而能夠再現性良好地製作具有良好特性的氮化物半導體 元件。11
(a)把靶電極表面的中心與基板生長面之間的最短距離設定成IOOmm以上 250mm以下，更優選設定成120mm以上210mm以下，最優選設定成150mm以上180mm 以下。
(b)把向DC磁控濺射裝置供給的氣體中氮氣所佔的體積比率(氮比率％ )設 定成50%以上，更優選設定成75%以上，最優選設定成100% (僅供給氮氣)。
(c)把靶電極相對基板的生長面傾斜配置。
為了在基板的生長面上層積結晶性良好的含有鋁的氮化物中間層，只要採用上 述條件(a) (c)中的任一個條件即可，但為了得到結晶性更良好的含有鋁的氮化物中間 層，則優選採用上述條件(a) (c)中的任兩個條件，最優選採用上述條件(a) (c)中 的所有條件。
含有鋁的氮化物中間層2優選把基板1的生長面無間隙地覆蓋。在基板1的生 長面從含有鋁的氮化物中間層2露出的情況下，有可能在含有鋁的氮化物中間層2上形成 的氮化物層中產生小突起(hillock)或凹坑(pit)。
作為含有鋁的氮化物中間層2例如能夠層積由AlxtlGaytlN表示的氮化物半導體構 成的氮化物半導體層(0眾0《1、0<y0<U x0+y0 ^ 1),特別是從得到由向基板1生長面的 法線方向伸長的晶粒整齊排列的柱狀晶集合體構成的結晶性良好的含有鋁的氮化物中間 層2的觀點出發，優選層積由AlN表示的氮化物半導體(氮化鋁)構成的氮化物半導體層。
優選把在基板1的生長面上層積的含有鋁的氮化物中間層2的厚度設定在5nm以 上IOOnm以下。在含有鋁的氮化物中間層2的厚度不到5nm的情況下，有可能含有鋁的 氮化物中間層2作為緩衝層的功能不能充分發揮。在含有鋁的氮化物中間層2的厚度超 過IOOnm的情況下，有可能作為緩衝層的功能沒有提高而僅僅形成含有鋁的氮化物中間 層2的時間變長。從使含有鋁的氮化物中間層2在面內均勻發揮作為緩衝層的功能的觀 點出發，優選把含有鋁的氮化物中間層2的厚度設定在IOnm以上50nm以下。
優選把層積含有鋁的氮化物中間層2時的基板1的溫度設定在300°C以上1000°C 以下。在層積含有鋁的氮化物中間層2時的基板1的溫度不到300°C的情況下，含有鋁 的氮化物中間層2不能把基板1生長面的整個面覆蓋，基板1生長面的一部分有可能從 含有鋁的氮化物中間層2露出。在層積含有鋁的氮化物中間層2時的基板1的溫度超過 1000°C的情況下，在基板1的生長面原料的遷移過於活躍，形成的含有鋁的氮化物中間 層2與其說是柱狀晶的集合體還不如說是接近單晶體的膜，含有鋁的氮化物中間層2的作 為緩衝層的功能有可能降低。
在層積含有鋁的氮化物中間層2時優選反應室21內部的壓力是0.2 以上。在 層積含有鋁的氮化物中間層2時反應室21內部的壓力不到0.2Pa的情況下，反應室21內 部的氮量變少，從Al靶電極沈濺射的鋁有可能以不成為氮化物的狀態向基板1的生長面 附著。在層積含有鋁的氮化物中間層2時，反應室21內部的壓力上限沒有特別的限定， 只要使在反應室21內部能夠產生等離子程度的壓力就可。
由於在層積含有鋁的氮化物中間層2時希望在反應室21的內部不存在雜質，所 以從得到具有良好結晶性的含有鋁的氮化物中間層2的觀點出發，優選濺射前的反應室 21內部的壓力是IXlQ-3Pa以下。
含有鋁的氮化物中間層2的形成速度優選是O.Olnm/秒以上Inm/秒以下。在含 有鋁的氮化物中間層2的形成速度不到O.Olnm/秒的情況下，則不能使含有鋁的氮化物中 間層2在基板1的生長面上均勻擴展生長而是生長成島狀，含有鋁的氮化物中間層2不能 均勻覆蓋基板1的生長面，基板1的生長面有可能從含有鋁的氮化物中間層2露出。在 含有鋁的氮化物中間層2的形成速度超過Inm/秒的情況下，含有鋁的氮化物中間層2成 為非晶體，有可能在含有鋁的氮化物中間層2上不能生長位錯密度小且具有良好結晶性 的氮化物層。
對於含有鋁的氮化物中間層2層積前的基板1的生長面也可以進行前處理。在 此，作為基板1的生長面的前處理的一例，能夠舉出通過進行與對矽基板經常進行的同 樣的RCA洗淨處理來對基板1的生長面進行氫終端化的處理。由此，有在基板1的生長 面上能夠再現性良好地層積結晶性良好的含有鋁的氮化物中間層2的傾向。
作為基板1生長面的前處理的其他一例，能夠舉出把基板1的生長面暴露在氮氣 等離子中的處理。由此，把附著在基板1生長面的有機物或氧化物等異物除去，有能夠 調整基板1生長面狀態的傾向。特別是在基板1是藍寶石基板的情況下，通過把基板1 的生長面暴露在氮氣等離子中而使基板1的生長面被氮化，有使在基板1的生長面上層積 的含有鋁的氮化物中間層2容易在面內均勻形成的傾向。
接著如圖6的示意性剖視圖所示，利用MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法在含有鋁的氮化物中間層2的表面上層積氮化物半導體基底層3。
在此，作為氮化物半導體基底層3例如能夠層積由以AlxlGaylInzlN表示的III族 氮化物半導體構成的氮化物半導體層(0《xl《l、0<yl<U 0<zl<U xl+yl+zl ^ 0),為了 不使由柱狀晶集合體構成的含有鋁的氮化物中間層2中的位錯等晶體缺陷繼續，作為III 族元素而優選包含Ga的。為了不使含有鋁的氮化物中間層2中的位錯繼續而需要在與含 有鋁的氮化物中間層2的界面附近使位錯形成位錯環，在把氮化物半導體基底層3由包含 Ga的III族氮化物半導體構成的情況下，容易產生位錯環。因此，通過使用由包含Ga的 III族氮化物半導體構成的氮化物半導體基底層3，在與含有鋁的氮化物中間層2的界面附 近形成位錯環而封閉，能夠抑制位錯從含有鋁的氮化物中間層2向氮化物半導體基底層3 繼續。特別是在氮化物半導體基底層3是由以AlxlGaylNO) < xl < 1、0 < yl < 1表示 的III族氮化物半導體構成的情況下，特別是由GaN構成的情況下，由於能夠在與含有鋁 的氮化物中間層2的界面附近形成位錯環而封閉，所以有能夠得到位錯密度小且具有良 好結晶性的氮化物半導體基底層3的傾向。
也可以在層積氮化物半導體基底層3前對含有鋁的氮化物中間層2的表面進行熱 處理。通過該熱處理，有能夠謀求提高含有鋁的氮化物中間層2表面的清潔化和結晶性 的傾向。該熱處理例如能夠在使用MOCVD法的MOCVD裝置內進行，作為熱處理時的 環境氣體例如能夠使用氫氣、氮氣等。為了防止在上述熱處理時含有鋁的氮化物中間層 2的分解，也可以向熱處理時的環境氣體混合氨氣。上述熱處理例如能夠在900°C以上 1250°C以下的溫度例如進行1分鐘以上60分鐘以下的時間。
氮化物半導體基底層3中也可以以IXlO17cm3以上IXlO19cm3以下的範圍摻雜 η型摻雜劑，但從維持良好結晶性的觀點出發，優選氮化物半導體基底層3不摻雜。作為 η型摻雜劑例如能夠使用矽、鍺和錫等，特別優選使用矽和/或鍺。
層積氮化物半導體基底層3時的基板1的溫度優選800°C以上1250°C以下，更優 選1000°C以上1250°C以下。在層積氮化物半導體基底層3時的基板1的溫度是800°C以 上1250°C以下時，特別是在1000°C以上1250°C以下時，有能夠使結晶性良好的氮化物半 導體基底層3生長的傾向。
如圖7的示意性剖視圖所示，通過MOCVD法在氮化物半導體基底層3的表面上 把η型氮化物半導體接觸層4、η型氮化物半導體包層5、氮化物半導體活性層6、ρ型氮 化物半導體包層7和ρ型氮化物半導體接觸層8按照該順序層積而形成層積層。
在此，作為η型氮化物半導體接觸層4，例如能夠層積由Alx2Gay2Inz2N表示的III 族氮化物半導體構成的氮化物半導體層(0《x2《l、0<y2<U 0<z2<U x2+y2+z2 ^ 0)中摻 雜有η型摻雜劑的層等。
特別是η型氮化物半導體接觸層4優選是在由Alx2Gai_x2N (0<χ2<1、優選 0<χ2<0.5,更優選0《χ2《0.1)表示的III族氮化物半導體中、作為η型摻雜劑而摻雜矽的氮 化物半導體層。
η型摻雜劑向η型氮化物半導體接觸層4摻雜的濃度，從維持與η側電極11良 好的歐姆接觸、抑制在η型氮化物半導體接觸層4中產生裂紋和維持良好結晶性的觀點出 發，優選是5 X IO17cm 3以上5 X IO19Cm 3以下的範圍。
氮化物半導體基底層3和η型氮化物半導體接觸層4的合計厚度，從維持這些 層良好結晶性的觀點出發，優選是4μιη以上20μιη以下，更優選是4 μ m以上15 μ m以 下，最優選是6μιη以上15μιη以下。在氮化物半導體基底層3和η型氮化物半導體接 觸層4的合計厚度不到4μιη的情況下，有可能這些層的結晶性惡化，或在這些層的表面 產生凹坑(pit)。另一方面，在氮化物半導體基底層3和η型氮化物半導體接觸層4的合 計厚度超過15 μ m的情況下，有可能基板1的翹曲變大而招致元件的成品率降低。在氮 化物半導體基底層3和η型氮化物半導體接觸層4的合計厚度是4μιη以上15μιη以下 時，特別是在6 μ m以上15 μ m以下的情況時，能夠使這些層的結晶性良好，而且有能夠 有效防止基板1的翹曲變大而元件收穫率降低的傾向。這些層的合計厚度中，η型氮化 物半導體接觸層4的厚度上限沒有特別的限定。
作為η型氮化物半導體包層5，例如能夠層積由Alx3Gay3Inz3N表示的III族氮化 物半導體構成的氮化物半導體層(0《x3《l、0<y3<U 0<z3<U x3+y3+z3 ^ 0)中摻雜有η 型摻雜劑的層等。η型氮化物半導體包層5也可以是使由III族氮化物半導體構成的多個 氮化物半導體層構成異質結結構或超晶格結構。η型氮化物半導體包層5的厚度沒有特 別的限定。優選是0.005 μ m以上0.5 μ m以下，更優選是0.005 μ m以上0.1 μ m以下。 關於η型摻雜劑向η型氮化物半導體包層5摻雜的濃度，從維持良好結晶性和降低元件動 作電壓的觀點出發，優選是IX IO17cm 3以上IX IO2tlcm3以下，更優選是IX IO18cm 3以上 IXlO19Cm3 以下。
在氮化物半導體活性層6例如具有單一量子阱(SQW)結構的情況下，作為氮化 物半導體活性層6例如能夠使用由Gai_z4Inz4N表示的III族氮化物半導體構成的氮化物半導 體層(0 < z4 < 0.4 =作為量子阱層。氮化物半導體活性層6的厚度沒有特別的限定，從 提高發光輸出的觀點出發，優選是Inm以上IOnm以下，更優選是Inm以上6nm以下。
在氮化物半導體活性層6例如由單一量子阱6QW)結構構成的情況下，該單一14量子阱中把Gah4Inz4N表示的III族氮化物半導體構成的氮化物半導體層(0 < Z4 < 0.4 = 設定成是量子阱層，為了成為希望的發光波長而要控制氮化物半導體活性層6的In組成 和厚度。但一方面在形成氮化物半導體活性層6時若基板1的溫度低，則有可能結晶性惡 化，而另一方面在形成氮化物半導體活性層6時，若基板1的溫度高，則有可能InN的升 華變顯著，L·!向固相中的進入效率降低而hi組成變動。因此，在形成單一量子阱6QW) 結構構成的氮化物半導體活性層6時，其中把Gai_z4Inz4N表示的III族氮化物半導體構成 的氮化物半導體層(0 < z4 < 0.4)設定成阱層，優選基板1的溫度是700°C以上900°C以 下，更優選是750°C以上850°C以下。
作為氮化物半導體活性層6，例如也可以把Gai_z4Inz4N表示的III族氮化物半導 體構成的氮化物半導體層(0 < z4 < 0.4 =設定成量子阱層，把比該阱層禁帶寬度大的 由Alx5Gay5Inz5N表示的氮化物半導體構成的氮化物半導體層(O^ckl、0<y5<U 0<z5<U x5+y5+z5 Φ 0)作為量子勢壘層而逐層交替層積，從而構成多重量子阱(MQW)。也可以 向上述量子阱層和/或量子勢壘層摻雜η型或ρ型的摻雜劑。
作為ρ型氮化物半導體包層7，例如能夠層積向由Alx6Gay6Inz6N表示的III族氮化 物半導體構成的氮化物半導體層(0眾6《1、0<y6<U 0<z6<U x6+y6+Z6興0)摻雜有ρ型 摻雜劑的層等。特別優選層積向由Alx6Gai_x6N表示的III族氮化物半導體構成的氮化物半 導體層(O < χ6<0.4,優選0.1眾6《0.3 =摻雜ρ型摻雜劑的層。作為ρ型摻雜劑例如能夠使用鎂等。
ρ型氮化物半導體包層7的禁帶寬度，從向氮化物半導體活性層6封閉光的觀點 出發，優選比氮化物半導體活性層6的禁帶寬度大。ρ型氮化物半導體包層7的厚度沒有 特別的限定。優選是0.01 μ m以上0.4 μ m以下，更優選是0.02 μ m以上0.1 μ m以下。 從得到結晶性良好的ρ型氮化物半導體包層7的觀點出發，向ρ型氮化物半導體包層7摻 雜的ρ型摻雜劑的濃度，優選是1 X IO18Cm 3以上1 X IO21cm 3以下，更優選是1 X IO19cm3 以上IXlO2tlcm3以下。
作為ρ型氮化物半導體接觸層8，例如能夠層積向由Alx7Gay7Inz7N表示的III族氮 化物半導體構成的氮化物半導體層(0眾7《1、0<y7<U 0<z7<U x7+y7+z7興0)摻雜ρ型 摻雜劑的層等，特別是從維持良好結晶性和得到良好歐姆接觸的觀點出發，優選使用向 GaN層摻雜有ρ型摻雜劑的層。
ρ型摻雜劑向ρ型氮化物半導體接觸層8摻雜的濃度，從維持良好的歐姆接 觸、抑制在P型氮化物半導體接觸層8產生裂紋和維持良好結晶性的觀點出發，優選是 IX IO18Cm 3以上IX IO21Cm 3以下的範圍，更優選是5Χ IO19cm 3以上5Χ IO2tlcm 3以下的 範圍。ρ型氮化物半導體接觸層8的厚度沒有特別的限定，從提高氮化物半導體發光二極 管元件100發光輸出的觀點出發，優選是0.01 μ m以上0.5 μ m以下，更優選是0.05 μ m 以上0.2μιη以下。
在上述η型氮化物半導體接觸層4、η型氮化物半導體包層5、氮化物半導體活 性層6、ρ型氮化物半導體包層7和ρ型氮化物半導體接觸層8分別由III族氮化物半導體 構成的情況下，能夠把這些層例如如下地通過MOCVD法來層積。
即向MOCVD裝置的反應爐內部供給例如從由三甲基鎵(TMG)、三甲基鋁 (TMA)和三甲基銦(TMI)構成的群中選擇的至少一個III族元素的有機金屬原料氣體和例如氨等的氮原料氣體，通過使它們熱分解並反應而能夠進行層積。
在把η型摻雜劑即矽進行摻雜時，向MOCVD裝置的反應爐內部例如把矽烷 (SiH4)作為摻雜氣體而加入上述原料氣體供給，則能夠把矽進行摻雜。
在把ρ型摻雜劑即鎂進行摻雜時，向MOCVD裝置的反應爐內部例如把二茂鎂 (CP2Mg)作為摻雜氣體而加入上述原料氣體來供給，則能夠把鎂進行摻雜。
接著如圖8的示意性剖視圖所示，在ρ型氮化物半導體接觸層8的表面上例如形 成由ITO Ctndium Tin Oxide)構成的透光性電極層9後，在透光性電極層9的表面上形成 ρ側電極10。然後，把形成ρ側電極10後的層積體的一部分通過腐蝕除去，使η型氮化 物半導體接觸層4表面的一部分露出。
然後如圖1所示，在η型氮化物半導體接觸層4露出的表面上形成η側電極11， 由此能夠製作實施例1的氮化物半導體發光二極體元件100。
如上所述，在以上製作的實施例1的氮化物半導體發光二極體元件100中，由於 在由向基板1生長面的法線方向(垂直方向)伸長的晶粒整齊排列的柱狀晶集合體構成的 結晶性良好的含有鋁的氮化物中間層2表面上，按照順序層積氮化物半導體基底層3、η 型氮化物半導體接觸層4、η型氮化物半導體包層5、氮化物半導體活性層6、ρ型氮化物 半導體包層7和ρ型氮化物半導體接觸層8，所以在含有鋁的氮化物中間層2的表面上層 積的這些層位錯密度低且具有良好的結晶性。因此，由這種具有良好結晶性的層形成的 實施例1的氮化物半導體發光二極體元件100動作電壓低，成為發光輸出高的元件。
圖9表示使用實施例1的氮化物半導體發光二極體元件100的發光裝置一例的示 意性剖視圖。在此，圖9所示結構的發光裝置200具有把實施例1的氮化物半導體發光 二極體元件100設置在第一引線框41上的結構。把氮化物半導體發光二極體元件100的 ρ側電極10和第一引線框41由第一金屬線45電連接，且把氮化物半導體發光二極體元件 100的η側電極11和第二引線框42由第二金屬線44電連接。進而用透明的封固樹脂43 把氮化物半導體發光二極體元件100封固，發光裝置200被設定成炮彈型的形狀。
圖9所示結構的發光裝置由於使用了實施例1的氮化物半導體發光二極體元件 100，所以能夠製作動作電壓低且發光輸出高的發光裝置。

本實施例的特點是不是製作氮化物半導體發光二極體元件，而是製作氮化物 半導體雷射元件。
圖10表示本發明的氮化物半導體元件的其他一例即實施例2的氮化物半導體激 光元件的示意性剖視圖。
實施例2的氮化物半導體雷射元件中，在基板1的表面上按照順序層積含有鋁的 氮化物中間層2、氮化物半導體基底層3、η型氮化物半導體包層Μ、η型氮化物半導體 光引導層陽、氮化物半導體活性層56、氮化物半導體保護層57、ρ型氮化物半導體光引 導層58、ρ型氮化物半導體包層59和ρ型氮化物半導體接觸層60。把ρ型氮化物半導 體包層59的上面和ρ型氮化物半導體接觸層60的側面分別覆蓋地形成有絕緣膜61。與 η型氮化物半導體包層M的露出表面相接地設置有η側電極11，與ρ型氮化物半導體接 觸層60的露出表面相接地設置有ρ側電極10。
以下，說明實施例2的氮化物半導體雷射元件製造方法的一例。首先，如圖11的示意性剖視圖所示，與實施例1同樣地在基板1的生長面上按照順序層積含有鋁的氮化 物中間層2和氮化物半導體基底層3後，利用MOCVD法按順序層積η型氮化物半導體 包層Μ、η型氮化物半導體光引導層55、氮化物半導體活性層56、氮化物半導體保護層 57、ρ型氮化物半導體光引導層58、ρ型氮化物半導體包層59和ρ型氮化物半導體接觸 層60而形成層積體。
在此，作為η型氮化物半導體包層Μ，例如能夠層積向由Alx8Gay8Inz8N表示的III 族氮化物半導體構成的氮化物半導體層(0《x8《l、0<y8<U 0<z8<U X8+y8+z8興0)摻雜 η型摻雜劑的層等。
作為η型氮化物半導體光引導層55，例如能夠層積向由Alx9Gay9Inz9N表示的III 族氮化物半導體構成的氮化物半導體層(0《x9《l、0<y9<U 0<z9<U X9+y9+z9興0)摻雜 η型摻雜劑的層等。
作為氮化物半導體活性層56，例如能夠把組成彼此不同的、由AlxiciGayiciInzltlN 表示的III族氮化物半導體構成的氮化物半導體層(0《xl0《l、0<yl0<U 0<zl0<U xlO+ylO+zlO ^ 0)和由AlxllGayllInzllN表示的III族氮化物半導體構成的氮化物半導體層 (0<xll<U 0<yll<U 0<zll<U xll+yll+zll乒0)逐層交替層積的層等進行層積。
作為氮化物半導體保護層57，例如能夠層積由Alxl2Gayl2Inzl2N表示的III族氮化 物半導體構成的氮化物半導體層(0《xl2《l、0<yl2<U 0<zl2<U xl2+yl2+zl2乒0)等。
作為ρ型氮化物半導體光引導層58，例如能夠層積向由Alxl3Gayl3Inzl3N表 示的III族氮化物半導體構成的氮化物半導體層(0《xl3《l、0<yl3<l、0<ζ13<1、 xl3+yl3+zl3 Φ 0)摻雜有ρ型摻雜劑的層等。
作為ρ型氮化物半導體包層59例如能夠層積向由Alxl4Gayl4Inzl4N表示的III族氮 化物半導體構成的氮化物半導體層(0《xl4《l、0<yl4<U 0<zl4<U xl4+yl4+zl4乒0)摻 雜有ρ型摻雜劑的層等。
作為ρ型氮化物半導體接觸層60例如能夠層積向由Alxl5Gayl5Inzl5N表示的III族 氮化物半導體構成的氮化物半導體層(O^xlkl、0<yl5<U 0<zl5<U xl5+yl5+zl5 ^ 0) 摻雜有ρ型摻雜劑的層等。
接著如圖12的示意性剖視圖所示，把圖11所示層積體的ρ型氮化物半導體包層 59和ρ型氮化物半導體接觸層60的各自一部分通過腐蝕等除去，使ρ型氮化物半導體包 層59表面的一部分露出，而且通過把圖11所示層積體的一部分利用腐蝕等除去而使η型 氮化物半導體包層M表面的一部分露出。
然後如圖10所示，使ρ型氮化物半導體接觸層60的表面露出而把ρ型氮化物半 導體包層59的露出表面覆蓋地形成例如由氧化矽構成的絕緣膜61。且在η型氮化物半導 體包層M的露出表面上形成η側電極11，在絕緣膜61上形成與ρ型氮化物半導體接觸層 60相接的ρ側電極10，由此，能夠製作實施例2的氮化物半導體雷射元件。
在此，在實施例2的氮化物半導體雷射元件中也與實施例1同樣地通過在基板與 靶電極之間利用連續DC方式施加電壓的DC磁控濺射法來層積含有鋁的氮化物中間層2 時，通過採用上述(a) (c)的至少一個條件，而把由向基板1生長面的法線方向伸長的 晶粒整齊排列的柱狀晶集合體構成的結晶性良好的含有鋁的氮化物中間層2在基板1的生 長面上層積。且在這種具有良好結晶性的含有鋁的氮化物中間層2表面上使氮化物半導體基底層3、η型氮化物半導體包層Μ、η型氮化物半導體光引導層55、氮化物半導體活 性層56、氮化物半導體保護層57、ρ型氮化物半導體光引導層58、ρ型氮化物半導體包 層59和ρ型氮化物半導體接觸層60按照該順序生長。
因此，實施例2的氮化物半導體雷射元件，由於也能夠把在含有鋁的氮化物中 間層2表面上層積的各個層變成位錯密度低且具有高結晶性的層，所以能夠製作動作電 壓低而發光輸出高的元件。

本實施例的特點是不是製作氮化物半導體發光二極體元件或氮化物半導體激 光元件等發光器件，而是製作電子器件的一例即氮化物半導體電晶體元件。
圖13表示本發明的氮化物半導體元件的其他一例即實施例3的氮化物半導體晶 體管元件的示意性剖視圖。
在此，實施例3的氮化物半導體電晶體元件中，在基板1的生長面上按順序層積 含有鋁的氮化物中間層2和氮化物半導體基底層3，在氮化物半導體基底層3的表面上層 積由非摻雜GaN等構成的氮化物半導體電子移動層71，在氮化物半導體電子移動層71的 表面上層積由η型AlGaN等構成的η型氮化物半導體電子供給層72。且在η型氮化物半 導體電子供給層72的表面上形成源極電極74、漏極電極75和柵極電極73。
以下，說明實施例3的氮化物半導體電晶體元件製造方法的一例。首先與實施 例1同樣地，在基板1的生長面上按順序層積含有鋁的氮化物中間層2和氮化物半導體基 底層3ο
接著，如圖14的示意性剖視圖所示，利用MOCVD法在氮化物半導體基底層3 的表面上層積氮化物半導體電子移動層71，在氮化物半導體電子移動層71的表面上層積 η型氮化物半導體電子供給層72。
然後如圖13所示，在η型氮化物半導體電子供給層72的表面上分別形成源極電 極74、漏極電極75和柵極電極73，由此，能夠製作實施例3的氮化物半導體電晶體元 件。
在此，在實施例3的氮化物半導體電晶體元件中也與實施例1同樣地通過在基 板與靶電極之間利用連續DC方式施加電壓的DC磁控濺射法來層積含有鋁的氮化物中間 層2時，通過採用上述(a) (c)的至少一個條件，而把由向基板1生長面的法線方向伸 長的晶粒整齊排列的柱狀晶集合體構成的結晶性良好的含有鋁的氮化物中間層2在基板1 的生長面上層積。且在這種具有良好結晶性的含有鋁的氮化物中間層2表面上按順序生 長氮化物半導體基底層3、氮化物半導體電子移動層71和η型氮化物半導體電子供給層 72。
因此，實施例3的氮化物半導體電晶體元件，由於也能夠將在含有鋁的氮化物 中間層2表面上層積的各個層變成位錯密度低且結晶性良好的層，所以能夠製作電子移 動度等特性提高的元件。

首先，把圖15的示意性剖視圖所示的藍寶石基板101設置在圖16所示的利用連 續DC方式進行施加電壓的DC磁控濺射裝置的反應室21內部的加熱器23上。
在此，使藍寶石基板101的c面與Al靶電極沈的表面相對，且使Al靶電極沈的表面中心與藍寶石基板101的c面的最短距離d成為50mm來設置藍寶石基板101。然 後，通過加熱器23把藍寶石基板101加熱到500°C的溫度。
然後，向DC磁控濺射裝置的反應室21內部以20SCCm的流量僅供給氮氣後，把 藍寶石基板101的溫度維持在500°C。
在藍寶石基板101與Al靶電極沈之間利用連續DC方式施加3000W的偏壓以 生成氮等離子。接著，把反應室21內部的壓力保持在0.5Pa，通過向反應室21內部以 20sccm的流量供給氮氣(相對全部氣體氮氣的體積比率是100% )，通過利用連續DC方 式進行施加電壓的DC磁控濺射法的反應性濺射，如圖17的示意性剖視圖所示，在藍寶 石基板101的c面上層積由氮化鋁(AlN)的柱狀晶集合體構成的厚度25nm的AlN緩衝層 102。這時的AlN緩衝層102的形成速度是0.04nm/秒。
圖16所示的DC磁控濺射裝置的陰極28中的磁鐵27在藍寶石基板101的c面 的氮化過程中和AlN緩衝層102的層積過程中的所有情況下都在搖動。AlN緩衝層102 的層積按照預先測定的AlN緩衝層102的成膜速度而僅進行規定時間，在AlN緩衝層102 的厚度成為25nm時，則停止氮等離子而把藍寶石基板101的溫度降低。將進行濺射的反 應室21的內部壓力是lX10_4pa以下。
接著，把層積AlN緩衝層102後的藍寶石基板101從DC磁控濺射裝置的反應 室21取出，設置在MOCVD裝置的反應爐內部。在此，為了以高頻感應加熱式加熱器 進行加熱而把層積AlN緩衝層102後的藍寶石基板101設置在石墨制的基座上。在把層 積AlN緩衝層102後的藍寶石基板101以電阻加熱式加熱器進行加熱的情況下，則把層積 AlN緩衝層102後的藍寶石基板101設置在石墨制基座上設置的石英制託盤上。
然後，在向反應爐內部一邊供給氨氣一邊作為載體氣體而供給氮氣和氫氣的狀 態下，把藍寶石基板101的溫度以約15分鐘上升到1125°C。在此，把反應爐內部的壓 力設定為常壓，把載體氣體即氫氣和氮氣的流量比(氫氣的流量/氮氣的流量)設定為 50/50。在確認藍寶石基板101的溫度穩定在1125°C後，開始把TMG氣體向反應爐內部 供給，如圖18的示意性剖視圖所示，在AlN緩衝層102的表面上利用MOCVD法來層積 厚度5μιη的由非摻雜GaN構成的GaN基底層103。向反應爐內部供給氨氣，以使V族 元素相對III族元素的摩爾比(V族元素的摩爾數/III族元素的摩爾數)成為1500。
然後，把層積了 GaN基底層103之後的藍寶石基板101從反應爐取出。使用薄 膜X射線衍射法來測定GaN基底層103的X射線搖擺曲線(X B 口 ^ * >夕『力一 < )， 且從該X射線搖擺曲線來計算GaN基底層103的(004)面中X射線搖擺曲線的半幅值 (arcsec)。把該結果表示在表1。如表1所示，實驗例1的GaN基底層103的(004)面 中X射線搖擺曲線的半幅值是382(arcSeC)。
接著，把藍寶石基板101的溫度設定成1125°C，把矽烷氣體向反應爐內部供給 並使幻的摻雜濃度成為lX1019cm3，如圖19的示意性剖視圖所示，在GaN基底層103的 表面上利用MOCVD法層積了厚度3 μ m的幻摻雜η型GaN接觸層104。
接著，在停止向反應爐內部供給TMG氣體和氫氣後，把藍寶石基板101的溫度 降低到800°C。且在確認反應爐內部的狀態穩定後，作為原料氣體而向反應爐內部供給 TMG氣體、TMI氣體和氨氣，進而把矽烷氣體向反應爐內部供給並使&的摻雜濃度成 為IXlO18cm3,如圖19的示意性剖視圖所示，在η型GaN接觸層104的表面上層積厚度8nm的&摻雜η型InatllGa α99Ν勢壘層105。
接著，在停止矽烷氣體的供給後，通過供給TMG氣體和TMI氣體而把由 IncuGaa9N構成的量子阱層層積3nm的厚度。
反覆以上的量子勢壘層和量子阱層的形成工序，如圖19所示，把七層由η型 GaN構成的量子勢壘層和六層由IncuGiia9N構成的量子阱層逐層交替層積，把這樣的多重 量子阱層結構的MQW活性層106在η型IncuilGaa99N勢壘層105的表面上層積。
接著，把藍寶石基板101的溫度上升到1100°C，把載體氣體從氮氣變更成氫 氣。向反應爐內部供給TMG氣體、TMA氣體和CT2Mg氣體，在之後持續兩分鐘的供給 後，停止TMG氣體和TMA氣體的供給。由此，如圖19所示，在MQW活性層106的 表面上層積厚度為20nm的Mg摻雜ρ型Ala2Giia8N包層107。
接著，把藍寶石基板101的溫度保持在1100°C，且一邊向反應爐內部供給氨氣 一邊停止TMA氣體的供給。然後，變更向反應爐內部的TMG氣體和CT2Mg氣體的供 給量，如圖19所示，在ρ型Ala2Giia8N包層107的表面上層積厚度為0.2 μ m的Mg摻雜 ρ型GaN接觸層108。
在層積ρ型GaN接觸層108後馬上停止向加熱器通電，且把向反應爐內部供給 的載體氣體從氫氣變更成氮氣。且在確認藍寶石基板101的溫度在300°C以下後，把層積 有上述層的藍寶石基板101從反應爐取出。
接著，如圖19所示，在ρ型GaN接觸層108的表面上形成ITO層109後，在ITO層109的表面上按順序層積鈦層、鋁層和金層，形成ρ側焊盤電極110。
接著，如圖20的示意性剖視圖所示，把形成ρ側焊盤電極110後的層積體的一 部分通過幹蝕刻除去，使η型GaN接觸層104的表面的一部分露出。
然後，如圖21的示意性剖視圖所示，在η型GaN接觸層104的露出的表面上按 順序層積鎳層、鋁層、鈦層和金層，形成η側焊盤電極111。
然後，把藍寶石基板101的背面進行磨削和研磨使之成為鏡面狀後，把藍寶石 基板101分割成350 μ m見方的正方形晶片，製作實驗例1的氮化物半導體發光二極體元 件。
當使以上製作的實驗例1的氮化物半導體發光二極體元件的ρ側焊盤電極110 和η側焊盤電極111之間有20mA的順向電流流動時，則20mA順向電流的順向電壓是 3.3V。該順向電壓與氮化物半導體發光二極體元件的動作電壓相當。通過ITO層109觀 察實驗例1的氮化物半導體發光二極體元件的發光，結果是其發光波長是445nm，發光輸 出是22.3mW。把這些結果表示在表1。

實驗例2 8中，除了把Al靶電極沈的表面中心和藍寶石基板101的c面的最短 距離d分別設定為75mm (實驗例2)、100mm (實驗例3)、150mm (實驗例4)、180mm (實 驗例5)、210mm(實驗例6)、250mm(實驗例7)和^0mm(實驗例8)以外，與實驗例1 同樣地形成AlN緩衝層102和GaN基底層103，計算GaN基底層103的(004)面中X射 線搖擺曲線的半幅值(arcsec)。把其結果表示在表1。如表1所示，實驗例2 8中的 GaN基底層103的(004)面中X射線搖擺曲線的半幅值(arcsec)分別是273 (實驗例2)、 42 (實驗例3)、40 (實驗例4)、34 (實驗例5)、40 (實驗例6)、50 (實驗例7)和242 (實20驗例8)。
實驗例2 8中，除了上述變更以外則與實驗例1同樣地分別製作氮化物半導體 發光二極體元件(實驗例2 8的氮化物半導體發光二極體元件)。對於實驗例2 8的 各個氮化物半導體發光二極體元件測定了順向電流為20mA情況下的順向電壓、發光波 長和發光輸出。把其結果表示在表1。
如表1所示，實驗例2 8的氮化物半導體發光二極體元件的順向電流為20mA 情況下的順向電壓分別是3.2V(實驗例2)、3.0V(實驗例3)、2.9V(實驗例4)、2.9V(實 驗例5)、3.0V(實驗例6)、3.0V(實驗例7)、3.2V (實驗例8)。
如表1所示，實驗例2 8的氮化物半導體發光二極體元件的發光波長分別是 447nm(實驗例 2)、448nm(實驗例 3)、445nm(實驗例 4)、448nm(實驗例 5)、447nm (實 驗例6)、448nm(實驗例7)、450nm(實驗例8)。
如表1所示，實驗例2 8的氮化物半導體發光二極體元件的發光輸出分別是 23.8mW(實驗例 2)、25.0mW(實驗例 3)、25.8mW(實驗例 4)、25.5mW(實驗例 5)、 25.1mW(實驗例 6)、M.8mW(實驗例 7)、23.1mW(實驗例 8)。

實驗例9 12中，除了使用圖22所示結構的利用連續DC方式進行施加電壓的 DC磁控濺射裝置把Al靶電極相對藍寶石基板101的c面法線方向的傾斜角度分別設定成 10° (實驗例9)、20° (實驗例10)、45° (實驗例11)和50° (實驗例12)以外，與實 驗例1同樣地形成AlN緩衝層102和GaN基底層103，計算GaN基底層103的(004)面 中X射線搖擺曲線的半幅值(arcsec)。把其結果表示在表1。如表1所示，實驗例9 12中的GaN基底層103的(004)面中X射線搖擺曲線的半幅值(arcsec)分別是40(實驗 例9)、33 (實驗例10)、35 (實驗例11)和180 (實驗例12)。
實驗例9 12中，除了上述變更以外則與實驗例1同樣地分別製作氮化物半導 體發光二極體元件(實驗例9 12的氮化物半導體發光二極體元件)。對於實驗例9 12的各個氮化物半導體發光二極體元件測定了 20mA順向電流的順向電壓、發光波長和 發光輸出。把其結果表示在表1。
如表1所示，實驗例9 12的氮化物半導體發光二極體元件的20mA順向電流 的順向電壓分別是3.0V(實驗例9)、2.9V(實驗例10)、3.0V(實驗例11)、3.2V(實驗例 12)。
如表1所示，實驗例9 12的氮化物半導體發光二極體元件的發光波長分別是 449nm(實驗例 9)、45 Inm (實驗例 10)、448nm(實驗例 11)、447nm(實驗例 12)。
如表1所示，實驗例9 12的氮化物半導體發光二極體元件的發光輸出分別是 25.0mW(實驗例 9)、25.6mW(實驗例 10)、M.8mW(實驗例 11)、22.2mW(實驗例 12)。

實驗例13 15中，除了把向圖16所示的反應室21內部供給的氣體設定為氮氣 和氬氣和混合氣體以外，與實驗例1同樣地形成AlN緩衝層102和GaN基底層103，計 算GaN基底層103的(004)面中X射線搖擺曲線的半幅值(arcsec)。把其結果表示在表 1。實驗例13 15中，向反應室21內部供給的氣體中氮氣所佔的體積比率(氮比率) 分別是75% (實驗例13), 50% (實驗例14), 25% (實驗例15)。如表1所示，實驗例13 15中的GaN基底層103的(004)面中X射線搖擺曲線的半幅值(arcsec)分別是 77 (實驗例13)、222 (實驗例14)和422 (實驗例15)。
實驗例13 15中，除了上述變更以外則與實驗例1同樣地分別製作氮化物半 導體發光二極體元件(實驗例13 15的氮化物半導體發光二極體元件)。對於實驗例 13 15的各個氮化物半導體發光二極體元件測定了 20mA順向電流的順向電壓、發光波 長和發光輸出。把其結果表示在表1。
如表1所示，實驗例13 15的氮化物半導體發光二極體元件的20mA順向電流 的順向電壓分別是3.1V(實驗例13)、3.2V(實驗例14)、3.3V(實驗例15)。
如表1所示，實驗例13 15的氮化物半導體發光二極體元件的發光波長分別是 447nm(實驗例 13)、448nm(實驗例 14)、449nm(實驗例 15)。
如表1所示，實驗例13 15的氮化物半導體發光二極體元件的發光輸出分別是 24.3mW(實驗例 13)、22.ImW (實驗例 14)、21.5mW(實驗例 15)。
[表1]
權利要求
1.一種含有鋁的氮化物中間層的製造方法，其特徵在於，包括把基板和含有鋁的 靶電極隔開100mm以上250_以下的距離來配置的工序、通過在所述基板與所述靶電極之間利用以連續DC方式施加電壓而進行的DC磁控濺 射法而在所述基板表面上形成含有鋁的氮化物中間層的工序。
2.如權利要求1所述的含有鋁的氮化物中間層的製造方法，其特徵在於，在所述基板 和所述靶電極的配置工序與形成所述含有鋁的氮化物中間層的工序之間，還包括有向所 述基板與所述靶電極之間導入氮氣的工序。
3.如權利要求1所述的含有鋁的氮化物中間層的製造方法，其特徵在於，在所述基板 和所述靶電極的配置工序中把所述靶電極相對所述基板傾斜地來配置所述基板和所述靶 電極。
4.一種含有鋁的氮化物中間層的製造方法，其特徵在於，包括把基板和含有鋁的 靶電極隔開間隔配置的工序、向所述基板與所述靶電極之間導入氮氣的工序、通過在所述基板與所述靶電極之間利用以連續DC方式施加電壓而進行的DC磁控濺 射法而在所述基板表面上形成含有鋁的氮化物中間層的工序。
5.如權利要求4所述的含有鋁的氮化物中間層的製造方法，其特徵在於，在所述基板 和所述靶電極的配置工序中把所述靶電極相對所述基板傾斜地來配置所述基板和所述靶 電極。
6.—種含有鋁的氮化物中間層的製造方法，其特徵在於，包括把基板和含有鋁的 靶電極隔開間隔而使所述靶電極相對所述基板傾斜配置的工序、通過在所述基板與所述靶電極之間利用以連續DC方式施加電壓而進行的DC磁控濺 射法而在所述基板表面上形成含有鋁的氮化物中間層的工序。
7.—種氮化物層的製造方法，其特徵在於，包括把基板和含有鋁的靶電極隔開 100mm以上250mm以下的距離來配置的工序、通過在所述基板與所述靶電極之間利用以連續DC方式施加電壓而進行的DC磁控濺 射法而在所述基板表面上形成含有鋁的氮化物中間層的工序、在所述含有鋁的氮化物中間層上形成氮化物層的工序。
8.如權利要求7所述的氮化物層的製造方法，其特徵在於，在所述基板和所述靶電極 的配置工序與形成所述含有鋁的氮化物中間層的工序之間，還包括有向所述基板與所述 靶電極之間導入氮氣的工序。
9.如權利要求7所述的氮化物層的製造方法，其特徵在於，在所述基板和所述靶電極 的配置工序中把所述靶電極相對所述基板傾斜地來配置所述基板和所述靶電極。
10.—種氮化物層的製造方法，其特徵在於，包括把基板和含有鋁的靶電極隔開間 隔配置的工序、向所述基板與所述靶電極之間導入氮氣的工序、通過在所述基板與所述靶電極之間利用以連續DC方式施加電壓而進行的DC磁控濺 射法而在所述基板表面上形成含有鋁的氮化物中間層的工序、在所述含有鋁的氮化物中間層上形成氮化物層的工序。
11.如權利要求10所述的氮化物層的製造方法，其特徵在於，在所述基板和所述靶電極的配置工序中把所述靶電極相對所述基板傾斜地來配置所述基板和所述靶電極。
12.—種氮化物層的製造方法，其特徵在於，包括把基板和含有鋁的靶電極隔開間 隔而使所述靶電極相對所述基板傾斜配置的工序、通過在所述基板與所述靶電極之間利用以連續DC方式施加電壓而進行的DC磁控濺 射法而在所述基板表面上形成含有鋁的氮化物中間層的工序、在所述含有鋁的氮化物中間層上形成氮化物層的工序。
13.—種氮化物半導體元件的製造方法，其特徵在於，包括把基板和含有鋁的靶電 極隔開100mm以上250mm以下的距離來配置的工序、通過在所述基板與所述靶電極之間利用以連續DC方式施加電壓而進行的DC磁控濺 射法而在所述基板表面上形成含有鋁的氮化物中間層的工序、在所述含有鋁的氮化物中間層上形成氮化物半導體層的工序。
14.如權利要求13所述的氮化物半導體元件的製造方法，其特徵在於，在所述基板和 所述靶電極的配置工序與形成所述含有鋁的氮化物中間層的工序之間，還包括有向所述 基板與所述靶電極之間導入氮氣的工序。
15.如權利要求13所述的氮化物半導體元件的製造方法，其特徵在於，在所述基板和 所述靶電極的配置工序中把所述靶電極相對所述基板傾斜地來配置所述基板和所述靶電 極。
16.—種氮化物半導體元件的製造方法，其特徵在於，包括把基板和含有鋁的靶電 極隔開間隔配置的工序、向所述基板與所述靶電極之間導入氮氣的工序、通過在所述基板與所述靶電極之間利用以連續DC方式施加電壓而進行的DC磁控濺 射法而在所述基板表面上形成含有鋁的氮化物中間層的工序、在所述含有鋁的氮化物中間層上形成氮化物半導體層的工序。
17.如權利要求16所述的氮化物半導體元件的製造方法，其特徵在於，在所述基板和 所述靶電極的配置工序中把所述靶電極相對所述基板傾斜地來配置所述基板和所述靶電 極。
18.—種氮化物半導體元件的製造方法，其特徵在於，包括把基板和含有鋁的靶電 極隔開間隔而使所述靶電極相對所述基板傾斜配置的工序、通過在所述基板與所述靶電極之間利用以連續DC方式施加電壓而進行的DC磁控濺 射法而在所述基板表面上形成含有鋁的氮化物中間層的工序、在所述含有鋁的氮化物中間層上形成氮化物半導體層的工序。
全文摘要
本發明涉及一種含有鋁的氮化物中間層的製造方法、氮化物層的製造方法和氮化物半導體元件的製造方法，在利用以連續DC方式施加電壓而進行的DC磁控濺射法來層積含有鋁的氮化物中間層時，採用以下(1)～(3)中的至少一個條件。(1)把靶電極表面的中心與基板生長面之間的最短距離設定成100mm以上250mm以下。(2)使用氮氣作為向DC磁控濺射裝置供給的氣體。(3)把靶電極相對基板的生長面傾斜配置。
文檔編號H01L33/00GK102024887SQ20101028275
公開日2011年4月20日 申請日期2010年9月13日 優先權日2009年9月11日
發明者內海孝昭, 荒木正浩, 阪田昌彥 申請人:夏普株式會社