III 族氮化物半导体元件、 外延衬底及制作 III 族氮化物半 导体元件的方法 【技术领域】
本发明涉及 III 族氮化物半导体元件、 外延衬底及制作 III 族氮化物半导体元件 的方法。背景技术
在非专利文献 1 中， 记载了斜切在 m 面 GaN 衬底中的影响。实验使用在 [000-1] 方向上具有斜切角度的 (1-100) 面 GaN 衬底进行。斜切角为 0.45、 0.75、 5.4 及 9.6 度。表 面形态随着斜切角度的增大而得到改善。
在非专利文献 2 中， 记载了 m 面 GaN 上的棱锥形状的凸起 ( ヒルロツク )。若使斜 切角在从 a 轴朝向 c- 轴的方向上从 0 度改变至 10 度， 则可减少凸起。
在非专利文献 3 中， 关于在 m 面 GaN 衬底上制作的 InGaN/GaN 发光二极管的光学 特性， 记载了 GaN 衬底的晶轴的倾斜。 在非专利文献 4 中， 记载了在半极性 (11-22) 面 GaN 衬底上形成的 InGaN/GaN 量 子阱结构。
现有技术文献
非专利文献
非 专 利 文 献 1： Hisashi Yamada et al.， Jpn.J.Appl.Phys.Vol.46， No.46， (2007)， pp.L1117-L1119
非专利文献 2 ： A.Hirai et al.， Appl.Phys.Lett.91， 191906(2007)
非 专 利 文 献 3： Hisashi Yamada et al.， J.Crystal Growth， 310， (2008)， pp.4968-4971
非专利文献 4 ： M.Ueda et al.， Appl.Phys.Lett.89211907(2006)
发明内容 在 GaN 等 III 族氮化镓基半导体衬底的半极性面 GaN 上外延生长的 GaN 膜， 其表 面形态并不良好。根据本发明人的发现， 半极性氮化镓基半导体上的外延生长显示出与 c 面、 m 面、 a 面等面取向的结晶面上的生长不同的状态。
根据本发明人的实验， 半极性氮化镓基半导体的外延膜的表面形态出现凹坑等较 大的凹部。半极性面上的凹坑具有与 c 面上的凹坑不同的形状。外延膜的半极性面上的凹 坑， 其形状不具有对称性， 开口形状为显示出较大纵横比的横长或纵长的形状。因此， 半极 性面上的凹坑在外延膜表面上对较大的区域造成影响。
根据本发明人的研究， 半极性面上的凹坑在半导体元件中使漏电流增加。 此外， 如 果电极形成在包含上述凹坑的表面形态的外延膜上， 则正向及逆向施加电压时， 会由于该 形态异常而产生漏电。进而， 发光元件中发光的波长半高宽增大。
本发明的目的在于提供包含具有良好的表面形态的半极性外延膜的 III 族氮化
物半导体元件， 此外， 本发明的目的在于提供用于该 III 族氮化物半导体元件的外延衬底， 进而， 本发明的目的在于提供制作该 III 族氮化物半导体元件的方法。
本发明的一个方面的 III 族氮化物半导体元件包括 ： (a) 支撑基体， 其包含 III 族 氮化物半导体， 且具有沿着与基准轴正交的第一基准平面延伸的主面， 所述基准轴相对于 该 III 族氮化物半导体的 c 轴以规定的角度 ALPHA 倾斜 ； 和 (b) 外延半导体区域， 其设置在 所述支撑基体的所述主面上。所述外延半导体区域包含多个氮化镓基半导体层， 所述基准 轴沿着从该 III 族氮化物半导体的 c 轴朝向 m 轴及 a 轴中的任意一轴的第一晶轴的方向以 10 度以上且小于 80 度的范围的第一角度 ALPHA1 倾斜， 所述基准轴沿着从该 III 族氮化物 半导体的 c 轴朝向 m 轴及 a 轴中的任意另一轴的第一晶轴的方向以 -0.30 度以上且 +0.30 度以下的范围的第二角度 ALPHA2 倾斜， 所述规定的角度、 所述第一角度及所述第二角度具 2 2 1/2 有 ALPHA ＝ (ALPHA1 +ALPHA2 ) 的关系， 所述外延半导体区域的最表面的形态包含多个凹 4 -2 坑， 所述凹坑的凹坑密度为 5×10 cm 以下。
本发明的另一方面为一种用于 III 族氮化物半导体元件的外延衬底。该外延衬底 包括 ： (a) 衬底， 其包含 III 族氮化物半导体， 且具有沿着与基准轴正交的第一基准平面延 伸的主面， 所述基准轴相对于该 III 族氮化物半导体的 c 轴以规定的角度 ALPHA 倾斜 ； 和 (b) 外延半导体区域， 其设置在所述衬底的所述主面上。 所述外延半导体区域包含多个氮化 镓基半导体层， 所述基准轴沿着从该 III 族氮化物半导体的 c 轴朝向 m 轴及 a 轴中的任意 一轴的第一晶轴的方向以 10 度以上且小于 80 度的范围的第一角度 ALPHA1 倾斜， 所述基准 轴沿着从该 III 族氮化物半导体的 c 轴朝向 m 轴及 a 轴中的任意另一轴的第二晶轴的方向 以 -0.30 度以上且 +0.30 度以下的范围的第二角度 ALPHA2 倾斜， 所述规定的角度、 所述第 2 2 1/2 一角度及所述第二角度具有 ALPHA ＝ (ALPHA1 +ALPHA2 ) 的关系， 所述外延半导体区域的 4 -2 最表面形态包含多个凹坑， 所述凹坑的凹坑密度为 5×10 cm 以下。
在上述方面的 III 族氮化物半导体元件及外延衬底中， 第二角度 ALPHA2 的值 在 -0.30 度以上且 +0.30 度以下的范围内。在设置于半极性面的基底上的外延半导体区 域中， 因 c 轴相对于上述晶轴的倾斜方向发生少许变化而引起的凹坑生成及其扩大得到抑 制。因此， 外延半导体区域可向半极性的外延膜提供良好的表面形态。
本发明的再一方面为一种制作 III 族氮化物半导体元件的方法。 该方法包括 ： (a) 准备衬底的步骤， 所述衬底包含 III 族氮化物半导体， 且具有沿着与基准轴正交的第一基 准平面延伸的主面， 所述基准轴相对于该 III 族氮化物半导体的 c 轴以规定的角度 ALPHA 倾斜 ； 和 (b) 在所述衬底的所述主面上生长包含多个氮化镓基半导体层的外延半导体区 域的步骤。所述外延半导体区域包含多个氮化镓基半导体层， 所述基准轴沿着从该 III 族 氮化物半导体的 c 轴朝向 m 轴及 a 轴中的任意一轴的第一晶轴的方向以 10 度以上且小 于 80 度的范围的第一角度 ALPHA1 倾斜， 所述基准轴沿着从该 III 族氮化物半导体的 c 轴 朝向 m 轴及 a 轴中的任意另一轴的第二晶轴的方向以 -0.30 度以上且 +0.30 度以下的范 围的第二角度 ALPHA2 倾斜， 所述规定的角度、 所述第一角度及所述第二角度具有 ALPHA ＝ 2 2 1/2 (ALPHA1 +ALPHA2 ) 的关系， 所述外延半导体区域的最表面的形态包含多个凹坑， 所述凹 4 -2 坑的凹坑密度为 5×10 cm 以下。
根据该方面， 第二角度 ALPHA2 的值在 -0.30 度以上且 +0.30 度以下的范围内。在 半极性面的基底上生长外延半导体区域时， 可抑制因 c 轴相对于所述晶轴的倾斜方向发生少许变化而引起的凹坑生成及其扩大。因此， 在 III 族氮化物半导体元件的制作中， 可向半 极性的外延膜提供良好的表面形态。
在上述方面的发明中， 在所述凹坑的开口中， 第一方向上的第一开口宽度小于与 该第一方向正交的第二方向上的第二开口宽度， 所述第一方向由第二基准平面与该凹坑的 交叉规定， 所述第二基准平面由该 III 族氮化物半导体的 c 轴与所述第一晶轴规定。根据 本发明， 半极性面上的凹坑具有与 c 面上的凹坑不同的形状。外延膜的半极性面上的凹坑， 其形状不具有对称性， 形成为显示出较大纵横比的横长或纵长的形状。 因此， 半极性面上的 凹坑在外延膜表面上对较大的区域造成影响， 因此， 凹坑密度的降低可有效地扩大良好形 态的表面。
在上述方面的发明中， 所述外延半导体区域的膜厚为 2μm 以上。根据本发明， 认 为半极性面上的上述凹坑的原因在于以穿透位错等结晶缺陷为起点而产生的生长异常。 当 外延半导体区域的膜厚达到上述值左右时， 生长异常的频率会对凹坑密度的增大造成影 响。多数生长异常会在外延半导体区域的最表面引起形态异常。穿透位错有从例如基底的 氮化物区域延续而来的穿透位错。
在上述方面的发明中， 所述多个凹坑中的一部分具有 100nm 以上的深度。根据本 发明， 凹坑是生长异常在生长中延续至外延半导体区域的表面而产生的。深凹坑会对半导 体元件的电特性造成影响。 在上述方面的发明中， 所述第一角度可为 63 度以上且小于 80 度。根据本发明， 在 上述角度范围的外延半导体区域的表面上， 与其他角度范围相比， 凹坑密度具有增加的倾 向。
在上述方面的发明中， 所述第一角度优选在 -0.10 度以上且 +0.10 度以下的范围 内。根据本发明， 第一角度在上述范围内时， 有利于凹坑密度的降低。
在上述方面的发明中， 所述凹坑密度可为 5×103cm-2 以下。根据本发明， 可提供具 有良好凹坑密度的外延半导体区域。
在上述方面的发明中， 所述外延半导体区域可包含 InGaN 层， 且所述第一角度可 为 70 度以上且小于 80 度。根据本发明， 可制作高 In 组成的 InGaN 层， 并且在该 InGaN 层 中可降低凹坑密度。
在上述方面的发明中， 所述第一角度可为 72 度以上且小于 78 度。根据本发明， 可 制作高 In 组成及低 In 偏析的 InGaN 层， 并且在该 InGaN 层中可降低凹坑密度。
在上述方面的 III 族氮化物半导体元件中， 还可包括与所述外延半导体区域形成 接触的电极。根据本发明， 可向 III 族氮化物半导体元件提供能减少由上述凹坑所引起的 漏电流的电极。
在上述方面的发明中， 所述外延半导体区域可包含第一导电型氮化镓基半导体 层、 第二导电型氮化镓基半导体层及发光层， 且所述发光层可设置在所述第一导电型氮化 镓基半导体层与所述第二导电型氮化镓基半导体层之间。根据本发明， 在外延半导体区域 的生长中， 凹坑由某小面构成， 用于外延半导体区域的氮化镓基半导体不仅生长在原来的 生长面上， 还生长在凹坑的小面上。由于小面中构成元素的掺入与原来的生长面中该构成 元素的掺入不同， 因此， 在凹坑的附近， 构成元素的组成产生变化。尤其是在发光层的生长 中， 由于小面中构成元素 ( 例如铟 ) 的掺入与原来的生长面中的掺入不同， 因此， 在凹坑的
附近， 构成元素的组成产生变化， 这使发射光谱的半高宽增加。
在上述方面的发明中， 所述支撑基体或衬底的所述 III 族氮化物半导体优选为 GaN。根据本发明， 可在 GaN 区域上设置外延半导体区域， 并可减少凹坑密度以外的结晶质 量的下降。
在上述方面的发明中， 所述支撑基体或衬底的位错密度优选为 1×106cm-2 以下。 根 据本发明， 可减少由基底的位错密度所引起的凹坑生成。
本发明的再一方面的 III 族氮化物半导体元件的制作方法， 可还包括形成与所述 外延半导体区域形成接触的电极的步骤。 根据该方法， 可降低凹坑密度， 因此可减少位于电 极正下方的凹坑的数量。
本发明的上述目的及其他目的、 特征以及优点， 根据参照附图进行的本发明优选 实施方式的以下详细叙述可更易理解。
发明效果
根据本发明， 其目的在于提供包含具有良好表面形态的半极性外延膜的 III 族氮 化物半导体元件， 此外， 其目的在于提供用于该 III 族氮化物半导体元件的外延衬底， 进 而， 其目的在于提供制作该 III 族氮化物半导体元件的方法。 附图说明
图 1 是概略性地表示本实施方式的 III 族氮化物半导体元件及外延衬底的共同要素的图。 图 2 是概略性地表示作为 III 族氮化物半导体元件的发光元件的结构的图。
图 3 是表示包括制作本实施方式的 III 族氮化物半导体元件的方法中的主要步骤 的步骤流程的图。
图 4 是示意性地表示制作本实施方式的 III 族氮化物半导体元件的方法中的主要 步骤的图。
图 5 是表示半极性衬底上的 GaN 外延膜的最表面上出现的凹坑的图。
图 6 是表示半极性衬底上的 GaN 外延膜的最表面上出现的凹坑的图。
图 7 是表示生长在具有若干第二角度的主面的 GaN 衬底上的 GaN 外延膜的表面形 态的图。
图 8 是表示包含 InGaN 层的氮化镓基外延半导体区域的发光的面分布的图。
图 9 是表示使生长温度发生变化时的 GaN 外延膜的表面形态的图。
图 10 是示意性地表示从 c 轴向 m 轴方向以 75 度的角度倾斜的 (20-21) 面等半极 性面上的 GaN 生长的图。
图 11 是示意性地表示制作本实施方式的 III 族氮化物半导体发光元件的方法中 的主要步骤的图。
图 12 是概略性地表示实施例 2 中的半导体激光器的图。
标号说明
11a III 族氮化物半导体元件
11b 外延衬底
13 支撑基体
13a 支撑基体主面 13b 支撑基体背面 15 外延半导体区域 ALPHA、 ALPHA1、 ALPHA2 角度 Ax 基准轴 RSUB、 RCM 基准平面 Sc c 面 VC c 轴向量 15 外延半导体区域 15a 最表面 16a、 16b、 16c 氮化镓基半导体层 J1、 J2、 J3 结 17 第一导电型氮化镓基半导体层 19 第二导电型氮化镓基半导体层 21 发光层 23 有源层 25 光导层 27 光导层 23a 势垒层 23b 阱层 29a 电极 51 衬底 51a 衬底主面 53 外延半导体区域 55n 型氮化镓基半导体区域 57 发光层 59p 型氮化镓基半导体区域具体实施方式
通过参照作为例示给出的附图来考虑以下详细叙述， 可容易地理解本发明的发 现。接下来， 参照附图， 对本发明的 III 族氮化物半导体元件及外延衬底、 以及制作 III 族 氮化物半导体元件及外延衬底的方法的实施方式进行说明。可能的情况下， 对于同一部分 附注同一标号。
图 1 是概略性地表示本实施方式的 III 族氮化物半导体元件及外延衬底的共同要 素的图。III 族氮化物半导体元件 11a 包括支撑基体 13 及外延半导体区域 15， 此外， 在外 延衬底 11b 中使用衬底 14 代替支撑基体 13。在后续说明中， 参照 III 族氮化物半导体元件 11a， 对 III 族氮化物半导体元件 11a 及外延衬底 11b 进行说明。支撑基体 13 可包含 III 族氮化物半导体， 例如包含 GaN、 InGaN、 AlGaN、 AlN 等。支撑基体 13 具有主面 13a 及背面 13b， 背面 13b 为主面 13a 的相反侧的面。支撑基体 13 的主面 13a 沿着与基准轴 Ax 正交的第一基准平面 RSUB 延伸， 所述基准轴 Ax 相对于该 III 族氮化物半导体的 c 轴以规定的角度 ALPHA 倾斜。基准轴 Ax 沿着从该 III 族氮化物半导体的 c 轴朝向 m 轴及 a 轴中的任意一轴 的第一晶轴 ( 例如 m 轴 ) 的方向以 10 度以上且小于 80 度的范围内的第一角度 ALPHA1 倾 斜。因此， 主面 13a 显示出半极性。基准轴 Ax 沿着从该 III 族氮化物半导体的 c 轴朝向 m 轴及 a 轴中的任意另一轴的晶轴 ( 例如 a 轴 ) 的方向以 -0.30 度以上且 +0.30 度以下的范 围内的第二角度 ALPHA2 倾斜。第二基准平面 RCM 由 III 族氮化物半导体的 c 轴与晶轴 ( 例 如 m 轴 ) 规定。图 1 中， 绘出代表性的 c 面 Sc， 还绘出表示 c 轴方向的 c 轴向量 VC。本实 施例中， 基准轴 Ax 在主面 13a 的法线方向上延伸， 并与法线向量 VN 一并表示。
外延半导体区域 15 设置在支撑基体 13 的主面 13a 上。外延半导体区域 15 的最 表面 15a 的形态包含多个凹坑， 并且该凹坑的凹坑密度为 5×104cm-2 以下。本实施例中， 基 准轴 Ax 在最表面 15a 的法线方向上延伸。本实施例中， 外延半导体区域 15 可包含例如多 个氮化镓基半导体层 16a、 16b、 16c。氮化镓基半导体层 16a 与支撑基体 13 形成结 J1， 氮化 镓基半导体层 16b 与氮化镓基半导体层 16a 形成结 J2， 氮化镓基半导体层 16c 与氮化镓基 半导体层 16b 形成结 J3。氮化镓基半导体层 16a、 16b、 16c 是在支撑基体 13 上依次生长的 外延膜。
在 III 族氮化物半导体元件 11a 中， 第二角度 ALPHA2 的值在 -0.30 度以上且 +0.30 度以下的范围内。在半极性面的基底上生长外延半导体区域 15 时， 可抑制因 c 轴相对于上 述晶轴的倾斜方向发生少许变化而引起的凹坑生成。 因此， 在 III 族氮化物半导体元件 11a 及外延衬底 11b 的制作中， 可在半极性外延膜的表面 15a 上提供良好的表面形态。
在 III 族氮化物半导体元件 11a 中， 支撑基体 13( 外延衬底的衬底也与此相同 ) 的 III 族氮化物半导体优选为 GaN。 可在 GaN 区域上设置外延半导体区域， 并可减少凹坑密 度以外的结晶质量的下降。此外， 支撑基体 13( 外延衬底的衬底也与此相同 ) 的位错密度 6 -2 优选为 1×10 cm 以下。根据本发明， 可减少由基底的位错密度所引起的凹坑的生成。
图 2 是概略性地表示作为 III 族氮化物半导体元件 11a 的发光元件的结构的图。 发光元件例如可为激光二极管、 发光二极管。当 III 族氮化物半导体元件 11a 为发光元件 时， 如图 2 所示， 外延半导体区域 15 包含第一导电型氮化镓基半导体层 17、 第二导电型氮化 镓基半导体层 19 及发光层 21。发光层 21 可设置在第一导电型氮化镓基半导体层 17 与第 二导电型氮化镓基半导体层 19 之间。第一导电型氮化镓基半导体层 17 可包含例如 n 型覆 层， n 型覆层可包含例如 GaN、 AlGaN 及 InAlGaN 等。第二导电型氮化镓基半导体层 19 可包 含 p 型覆层， p 型覆层可包含例如 GaN、 AlGaN 及 InAlGaN 等。发光层 21 可包含例如量子阱 结构的有源层 23， 必要时， 发光层 21 可包含设置在第一导电型氮化镓基半导体层 17 与有源 层 23 之间的光导层 25， 光导层 25 可包含例如 GaN 层和 / 或 InGaN 层。发光层 21 可包含设 置在第二导电型氮化镓基半导体层 19 与有源层 23 之间的光导层 27， 光导层 27 可包含例如 GaN 层和 / 或 InGaN 层。有源层 23 可包含在基准轴 Ax 的方向上交替排列的势垒层 23a 及 阱层 23b。阱层 23b 可包含例如 InGaN 层， 势垒层 23a 可包含例如 GaN、 InGaN 层。
在外延半导体区域 15 的生长中， 凹坑由某小面构成， 用于外延半导体区域 15 的氮 化镓基半导体不仅生长在原来的生长面上， 还生长在凹坑的小面上。由于小面中构成元素 的掺入与原来的生长面中该构成元素的掺入不同， 因此在凹坑的附近， 构成元素的组成产 生变化。尤其是在发光层 21 的生长中， 由于小面中构成元素 ( 例如铟 ) 的掺入与原来的生长面中的掺入不同， 因此在凹坑的附近， 构成元素的组成产生变化， 这使发射光谱的半高宽 增加。
III 族氮化物半导体元件 11a 包含设置在外延半导体区域 15 的表面 15a 上的电极 29a， 电极 29a 可为与构成外延半导体区域 15 的最上层 15a 的接触层形成接触的阳极。由 于降低了凹坑密度， 因此可在 III 族氮化物半导体元件 11a 中提供减少上述凹坑所引起的 漏电流的电极 29a。此外， 可提供一种外延衬底， 其可在 III 族氮化物半导体元件 11a 中提 供可减少由凹坑引起的漏电流的电极 29a。 外延半导体区域 15 的最上层 15a 显示出可减少 漏电流的良好的表面形态。
III 族氮化物半导体元件 11a 可包含设置在支撑基体 13 的背面 13b 上的电极 29b， 且电极 29b 可为阴极。
在外延半导体区域 15 的最上层 15a 上的凹坑的开口中， 第一方向上的第一开口宽 度小于与该第一方向正交的第二方向上的第二开口宽度， 所述第一方向由该凹坑与基准平 面 RCM 的交叉规定。 半极性面上的凹坑具有与 c 面上的凹坑不同的形状。 外延膜的半极性面 上的凹坑， 其形状不具有对称性， 形成为显示出大于 1 的较大纵横比的横长或纵长的形状。 因此， 半极性面上的凹坑在外延膜表面对较大的区域造成影响， 因此， 凹坑密度的降低可有 效地扩大良好形态的表面。 外延半导体区域 15 的膜厚为 2μm 以上。认为半极性面上的上述凹坑的原因在于 以穿透位错等结晶缺陷为起点而产生的生长异常。当外延半导体区域 15 的膜厚达到上述 值左右时， 生长异常的频率会对凹坑密度的增大造成影响。多数生长异常会在外延半导体 区域 15 的最表面 15a 上引起形态异常。穿透位错有从例如基底的氮化物区域延续而来的 穿透位错。
多个凹坑中的一部分具有 100nm 以上的深度。凹坑是生长异常在生长中延续至外 延半导体区域 15 的表面 15a 而产生的。深凹坑会对半导体元件的电特性造成影响。
第一角度 ALPHA1 可为 63 度以上且小于 80 度。在该角度范围的外延半导体区域 15 的表面 15a 上， 与其他角度范围相比， 凹坑密度具有增加的倾向。另外， 外延半导体区域 可包含阱层等 InGaN 层。第一角度 ALPHA1 可为 70 度以上且小于 80 度。可制作高 In 组成 的 InGaN 层， 并且在该 InGaN 层中可降低凹坑密度。进而， 第一角度 ALPHA1 可为 72 度以上 且小于 78 度。可制作高 In 组成及低 In 偏析的 InGaN 层， 并且在该 InGaN 层中可降低凹坑 密度。
第二角度 ALPHA2 优选在 -0.10 度以上且 +0.10 度以下的范围内。当该角度在上 述范围内时， 有利于凹坑密度的降低。此外， 当凹坑密度为 5×103cm-2 以下时， 可提供具有 良好凹坑密度的外延半导体区域 15。
图 3 是表示包括制作本实施方式的 III 族氮化物半导体元件的方法中的主要步骤 的步骤流程的图。图 4 是示意性地表示制作本实施方式的 III 族氮化物半导体元件的方法 中的主要步骤的图。
在步骤 S 101 中， 如图 4 的 (a) 部分所示， 准备衬底 51。衬底 51 包含 III 族氮化 物半导体。衬底 51 的主面 51a 沿着与基准轴 Ax 正交的基准平面延伸， 所述基准轴 Ax 相对 于该 III 族氮化物半导体的 c 轴倾斜。基准轴 Ax 沿着从该 III 族氮化物半导体的 c 轴朝 向 m 轴及 a 轴中的任意一轴的晶轴的方向以第一角度 ALPHA1 倾斜， 且第一角度 ALPHA1 在
10 度以上且小于 80 度的范围内。而且， 基准轴 Ax 沿着从该 III 族氮化物半导体的 c 轴朝 向 m 轴及 a 轴中的任意另一轴的晶轴的方向以第二角度 ALPHA2 倾斜， 且第二角度 ALPHA2 在 -0.30 度以上且 +0.30 度以下的范围内。规定的角度 ALPHA、 第一角度 ALPHA1 及第二角 2 2 1/2 度具有 ALPHA ＝ (ALPHA1 +ALPHA2 ) 的关系。在后续说明中， 使用 GaN 衬底 ( 在后续说明 中参照为 “衬底 51” ) 作为衬底 51 的一例。
在步骤 S102 中， 将衬底 51 配置于生长炉 10 中后， 如图 4 的 (b) 部分所示， 使用生 长炉 10 对 GaN 衬底 51 进行热清洗。在摄氏 1050 度的温度下， 在生长炉 10 中通入包含 NH3 与 H2 的气体 G0， 进行 10 分钟的热处理。
接着， 使用有机金属气相生长法， 在衬底 51 上生长多个氮化镓基半导体层而制作 外延衬底。原料使用三甲基镓 (TMG)、 三甲基铝 (TMA)、 三甲基铟 (TMI)、 氨气 (NH3)。掺杂 剂气体使用硅烷 (SiH4) 及双环戊二烯镁 (CP2Mg)。
在步骤 S103 中， 如图 4 的 (c) 部分所示， 在衬底 51 的主面 51a 上生长外延半导体 区域 53。外延半导体区域 53 可包含例如一层或多层氮化镓基半导体层。由后续说明可知， 外延半导体区域 53 的最表面 53a 的形态包含多个凹坑， 且凹坑的凹坑密度为 5×104cm-2 以 下。 通过这些步骤， 制作用于 III 族氮化物半导体元件的外延衬底 11b。如图 1 所示， 该外延衬底 11b 包括衬底 14 及外延半导体区域 15。衬底 14 包含 III 族氮化物半导体， 且 其主面 14a 沿着与基准轴 Ax 正交的基准平面 RSUB 延伸， 所述基准轴 Ax 相对于该 III 族氮化 物半导体的 c 轴以规定的角度 ALPHA 倾斜。外延半导体区域 15 设置在衬底 14 的主面 14a 上。基准轴 Ax 沿着从该 III 族氮化物半导体的 c 轴朝向 m 轴及 a 轴中的任意一轴的第一 晶轴的方向以 10 度以上且小于 80 度的范围的第一角度 ALPHA1 倾斜。基准轴 Ax 沿着从该 III 族氮化物半导体的 c 轴朝向 m 轴及 a 轴中的任意另一轴的第二晶轴的方向以 -0.30 度 以上且 +0.30 度以下的范围的第二角度 ALPHA2 倾斜。规定的角度、 第一角度及第二角度具 2 2 1/2 有 ALPHA ＝ (ALPHA1 +ALPHA2 ) 的关系。外延半导体区域 15 的最表面 15a 的形态包含多 个凹坑， 且该凹坑的凹坑密度为 5×104cm-2 以下。
图 5 是表示半极性衬底上的 GaN 外延膜的最表面上出现的凹坑的图。参照图 5 的 (a) 部分， 与 200μm 的比例尺一同示出凹坑的形态。如图 5 的 (b) 部分所示， 观察到以位错 等晶格缺陷为基点的、 在单向上非对称生长的凹状的形态异常。图 5 的 (b) 部分中， 在纵轴 及横轴上示出 100μm 的比例尺。凹坑开口的尺寸为数十 μm 至数百 μm 左右。
图 6 是表示半极性衬底上的 GaN 外延膜的最表面上出现的凹坑的图。参照图 6 的 (a) 部分， 显示出外延膜的最表面上出现的凹坑的截面的形状。 该截面是沿图 6 的 (b) 部分 所示的线 CS 而截取的。该凹坑的深度为 100nm 以上， 还观察到数 μm 左右的更深的凹坑。 由于凹坑的开口具有较大的纵横比， 因此， 半极性面上的外延膜上所形成的凹坑与 c 面上 的外延膜上所形成的凹坑相比， 由凹坑所引起的异常波及到表面的较广范围。
( 实施例 1)
图 7 是表示生长在具有若干第二角度的主面的 GaN 衬底上的 GaN 外延膜的表面形 态的图。准备 3 种 GaN 衬底 S1、 S2、 S3。这些 GaN 衬底具有从六方晶系 GaN 的 c 面向 m 轴方 向以 75 度的角度倾斜的 GaN 主面， 该倾斜面表示为 (20-21) 面。所有主面均经镜面研磨。
外观照片、GaN 衬底、 第二角度、 第一角度 -75.09。
(a 轴方向 )、 (c 轴向 m 轴 )。
图 7 的 (a) 部分、 GaN 衬底 S1 ： 0.26、 -0.40。
图 7 的 (b) 部分、 GaN 衬底 S2 ： -0.12、 +0.40。
图 7 的 (c) 部分、 GaN 衬底 S3 ： -0.03、 +0.03。
角度的单位为 “度” 。
除了图 7 所示的 GaN 外延膜的实验以外， 各种实验均显示出， a 轴方向的微小角度 偏移越小， 形态越良好。而且， GaN 的表面形态对于与 a 轴方向的微小角度偏移相同程度的 c 轴方向的角度偏移并不敏感。
根据本发明人的实验， 第二角度 ALPHA2 可在 -0.30 度以上且 +0.30 度以下的范围 内。当该角度在上述范围内时， 可降低凹坑密度。另外， 当凹坑密度为 5×104cm-2 以下时， 可提供具有低凹坑密度的最表面的氮化镓基外延半导体区域。
根据本发明人的实验， 第二角度 ALPHA2 优选在 -0.10 度以上且 +0.10 度以下的范 围内。当该角度在上述范围内时， 有利于凹坑密度的降低。另外， 当凹坑密度为 5×103cm-2 以下时， 可提供具有良好凹坑密度的最表面的氮化镓基外延半导体区域。
图 8 是表示包含 InGaN 层的氮化镓基外延半导体区域的发光的面分布的图。参照 图 8 的 (a) 部分， 显示出在氮化镓基外延半导体区域的表面产生发光波长的微小差异， 发光 不均与横长的凹坑的位置一致。图 8 的 (b) 部分是示意性地表示凹坑 PIT 的截面的图。凹 坑的凹部分的侧面由某些小面 F1、 F2 形成。小面 F1、 F2 中铟的掺入与通常的生长面 G 中铟 的掺入不同， 因此在表面形态的正常部与异常部， 发光波长不同。因此， 发射光谱中的发光 波长的半高宽增大。而且， 在凹坑的凹部分中， 发光波长也由于小面的差异而不同。因此， 发射光谱中发光波长的半高宽进一步增大。 如图 9 的表面形态所示， 若降低生长温度， 则扭折 ( キンク ) 延伸方向的随机性提 高。因此， 不易产生由上述凹坑所引起的形态异常， 可改善 GaN 表面形态。
外观照片、 GaN 衬底、 第二角度、 第一角度 -75.09。
(a 轴方向 )、 (c 轴向 m 轴 )、 生长温度。
图 9 的 (a) 部分、 GaN 衬底 S1 ： -0.07、 -0.14、 摄氏 1050 度。
图 9 的 (b) 部分、 GaN 衬底 S2 ： -0.07、 -0-14、 摄氏 950 度。
角度的单位为 “度” 。
根据本发明人的实验， 当外延半导体区域的膜厚为 2μm 以上时， 半极性面上的上 述凹坑的产生变得显著。然而， 即使膜厚小于 2μm， 也并不全无凹坑的产生。认为外延半 导体区域 15 的膜厚达到上述值左右时， 生长异常的频率会对凹坑密度的增大造成影响。而 且， 多数生长异常会在外延半导体区域的最表面引起形态异常。穿透位错有从例如基底的 氮化物区域延续而来的穿透位错。本实施例中的 GaN 衬底的位错密度为 1×106cm-2 以下。
图 10 是示意性地表示在自 c 轴朝向 m 轴的方向上以 75 度的角度倾斜的 (20-21) 面等半极性面上的 GaN 生长的图。参照图 10 的 (a) 部分， 显示出较小的角度 ALPHA2 的半 极性面上的生长。 在较小的角度 ALPHA2 的半极性面上， 扭折在 <11-20> 方向或者 <-1-120> 方向上延伸。结果， 形成台阶 ( ステツプ ) 沿 <1-100> 方向延伸的生长。在朝向 a 轴方向 的角度 ALPHA2 的倾斜角度接近零度的半极性面上的生长中， 扭折的延伸方向基本上是随 机的。
参照图 10 的 (b) 部分， 显示出某种程度的较大角度 ALPHA2 的半极性面上的生长。 当朝向 a 轴方向的倾斜角大至某种程度时， 扭折在 a 轴的倾斜的方向上选择性地延伸。在 该生长中， 以自衬底开始的穿透位错等结晶缺陷为起点而产生生长异常时， 生长异常也变 为选择性的生长， 凹坑在单向上延伸。因此， 产生由凹坑引起的形态异常。
如上所述， 朝向 a 轴方向的角度 ALPHA2 的倾斜角接近零度时， 虽然产生凹坑， 但不 会像形成如图 5 的 (b) 部分所示的较大纵横比的开口那样， 非对称性地形成凹坑， 因此对于 表面形态的影响变小。
另外， 当角度 ALPHA1 不同于 75 度时， 虽然上述说明所例示的扭折及台阶的延伸方 向发生改变， 但不会以同样的机制产生形态异常。 根据本发明人的实验， 半极性面上的生长 对于角度 ALPHA2 的倾斜敏感， 由于较大的角度 ALPHA2 的倾斜而产生的凹坑是半极性所特 有的。
图 11 是示意性地表示制作本实施方式的 III 族氮化物半导体发光元件的方法中 的主要步骤的图。参照图 11， 说明制作半导体发光元件的方法。如上文所述， 在步骤 S103 中， 在衬底 51 的主面 51a 上生长外延半导体区域 53。首先， 在步骤 S103-1 中， 如图 11 的 (a) 部分所示， 形成 n 型氮化镓基半导体区域 55。为了形成 n 型氮化镓基半导体区域 55， 生 长例如 n 型覆层和 / 或缓冲层。n 型覆层可为 Si 掺杂 AlGaN、 InAlGaN、 GaN 等。此外， 缓冲 层可包含 InGaN 等。
接着， 在步骤 S103-2 中， 如图 11 的 (b) 部分所示， 形成发光层 57。为了形成发光 层 57， 生长量子阱结构的有源层。量子阱结构的阱层可包含例如 InGaN， 量子阱结构的势垒 层可包含例如 GaN 或 InGaN。可在形成有源层之前形成光导层。光导层可包含例如 GaN 层 及 InGaN 层， 必要时， 可在光导层的一部分中添加 n 型掺杂剂。可在形成 p 型氮化镓基半导 体区域 59 之前形成光导层。光导层可包含例如 GaN 层及 InGaN 层， 必要时， 可在光导层的 一部分中添加 p 型掺杂剂。另外， 当光导层包含多层半导体层时， 可在光导层内设置电子阻 挡层。
生长发光层 57 之后， 如图 11 的 (c) 部分所示， 形成 p 型氮化镓基半导体区域 59。 为了形成 p 型氮化镓基半导体区域 59， 生长例如电子阻挡层、 p 型覆层及 p 型接触层。电子 阻挡层可包含 AlGaN 层。p 型覆层可包含 Mg 掺杂 AlGaN、 InAlGaN 等。此外， p 型接触层可 包含 Mg 掺杂 AlGaN、 Mg 掺杂 GaN 等。通过这些步骤， 制作外延衬底 E。
在步骤 S104 中， 在外延衬底 E 上形成阳极及阴极。本实施例中， 在形成与 p 型接 触层接触的电极的同时， 在研磨衬底 51 的背面之后形成与该研磨面接触的电极。
( 实施例 2)
在具有半极性主面的 GaN 衬底上， 制作激光二极管结构 (LD1) 的外延衬底。作为 用于外延生长的原料， 使用三甲基镓 (TMG)、 三甲基铟 (TMI)、 三甲基铝 (TMA)、 氨气 (NH3)、 硅烷 (SiH4)、 双环戊二烯镁 (Cp2Mg)。
准备倾斜角在 63 度至小于 80 度的倾斜角范围内的 GaN 衬底 120。GaN 衬底 120 具有在六方晶系 GaN 中自与 c 轴正交的平面向 m 轴方向以 75 度的角度倾斜的主面， 该倾斜 面表示为 (20-21) 面。另外， 主面在 a 轴方向上以 0.05 度的角度倾斜。该主面也经过镜面 研磨。在下述条件下， 在该衬底 120 上进行外延生长。
首先， 将 GaN 衬底 120 设置在生长炉内。在摄氏 1050 度的温度及 27kPa 的炉内压力下， 边通入 NH3 与 H2 边进行 10 分钟热处理。通过由该热处理所引起的表面改性， 在 GaN 衬底 120 的表面形成由偏角所规定的平台 ( テラス ) 结构。该热处理之后， 生长 GaN 基半 导体区域。生长缓冲层 121a 后， 例如在摄氏 1050 度下将 TMG、 TMA、 NH3、 SiH4 供给至生长炉， 生长 n 型覆层 121b。n 型覆层 121b 为例如 Si 掺杂 AlGaN 层。AlGaN 层的厚度为例如 2 微 米， 其 Al 组成为例如 0.04。
接着， 在摄氏 840 度的衬底温度下， 将 TMG、 TMI、 NH3 供给至生长炉， 生长光导层 122a、 122b。光导层 122a 包含例如无掺杂 GaN 层， 其厚度为 50nm。光导层 122b 包含例如无 掺杂 InGaN 层， 其厚度为 65nm。
接着， 生长有源层 123。在摄氏 870 度的衬底温度下， 将 TMG、 NH3 供给至生长炉， 在 该势垒层生长温度下生长 GaN 基半导体的势垒层 123a。势垒层 123a 为例如无掺杂 GaN， 其 厚度为 15nm。在势垒层 123a 生长后， 中断生长， 将衬底温度从摄氏 870 度改变为摄氏 750 度。在改变后的阱层生长温度下， 将 TMG、 TMI、 NH3 供给至生长炉， 生长无掺杂 InGaN 阱层 123b。 其厚度为 3nm。 在阱层 123b 的生长后， 停止供给 TMI， 并且将 TMG、 NH3 供给至生长炉， 同时使衬底温度从摄氏 750 度改变为摄氏 870 度。在此改变过程中， 也生长无掺杂 GaN 势 垒层的一部分。温度改变结束后， 生长无掺杂 GaN 势垒层的剩余部分。GaN 势垒层 123b 的 厚度为 15nm。接着， 重复进行势垒层的生长、 温度改变、 阱层的生长， 形成 InGaN 阱层 123b、 GaN 势垒层 123a。
在摄氏 840 度的衬底温度下， 将 TMG、 TMI、 NH3 供给至生长炉， 在有源层 123 上生长 光导层 124a、 124b。光导层 124b 包含无掺杂 InGaN 层。光导层 124b 的厚度为 65nm， 其 In 组成为 0.02。另外， 光导层 124a 包含无掺杂 GaN 层。光导层 124a 的厚度为 50nm。本实施 例中， 在光导层 124b 上生长电子阻挡层 125 后， 生长光导层 124a。在光导层 124b 的生长后 停止供给 TMG 及 TMI， 使衬底温度上升至摄氏 1000 度。在此温度下， 将 TMG、 TMA、 NH3、 Cp2Mg 供给至生长炉， 生长电子阻挡层 125。电子阻挡层 125 为例如 AlGaN。电子阻挡层 125 的厚 度为例如 20nm， Al 组成为 0.12。
在光导层 124a 上生长 GaN 基半导体区域。在光导层 124a 的生长之后， 停止供给 TMG 及 TMI， 使衬底温度上升至摄氏 1000 度。在此温度下， 将 TMG、 TMA、 NH3、 Cp2Mg 供给至 生长炉， 生长 p 型覆层 126。p 型覆层 126 为例如 Al0.06Ga0.94N。p 型覆层 126 的厚度为例如 400nm， 其 Al 组成为 0.06。之后， 停止供给 TMA， 生长 p 型接触层。p 型接触层 127 包含例 如 GaN， 其厚度为例如 50nm。成膜后， 使生长炉的温度降低至室温， 制作外延衬底。外延衬 底的最表面具有所期望的形态。
在该外延衬底上形成电极。首先， 沉积二氧化硅膜等绝缘膜， 在该绝缘膜 128 上利 用光刻及蚀刻形成接触窗。接触窗为例如条纹形状， 其宽度为例如 10 微米。接着， 在p型 GaN 接触层上形成 p 电极 (Ni/Au)129a。之后， 形成 p 衬垫电极 (Ti/Au)。在外延衬底的背 面形成 n 电极 (Ti/Al)129b。进行电极退火 ( 例如， 摄氏 550 度、 1 分钟 ) 的步骤， 制作衬底 产物。
图 12 是概略性地表示实施例 2 中的半导体激光器的图。图 12 所示的半导体激光 器如下。
GaN 衬底 120 ： (20-21) 面 ； n 型缓冲层 121a ： Si 掺杂 GaN、 生长温度 1050 度、 厚度 1.5μm。n 型覆层 121b ： Si 掺杂 AlGaN、 生长温度 1050 度、 厚度 500nm、 Al 组成 0.04。
光导层 122a ： 无掺杂 GaN、 生长温度 840 度、 厚度 50nm。
光导层 122b ： 无掺杂 InGaN、 生长温度 840 度、 厚度 65nm、 In 组成 0.03。
有源层 123。
势垒层 123a ： 无掺杂 GaN、 生长温度 870 度、 厚度 15nm。
阱层 123b ： 无掺杂 InGaN、 生长温度 750 度、 厚度 3nm、 In 组成 0.22。
光导层 124b ： 无掺杂 InGaN、 生长温度 840 度、 厚度 65nm、 In 组成 0.03。
电子阻挡层 125 ： Mg 掺杂 AlGaN、 生长温度 1000 度、 厚度 20nm、 Al 组成 0.12。
光导层 124a ： 无掺杂 GaN、 生长温度 840 度、 厚度 50nm。
p 型覆层 126 ： Mg 掺杂 AlGaN、 生长温度 1000 度、 厚度 400nm、 Al 组成 0.06。
p 型接触层 127 ： Mg 掺杂 GaN、 生长温度 1000 度、 厚度 50nm。
将通过这些步骤制作的衬底产物以 800μm 的间隔在 a 面进行解理。在用于共振 器的 a 面解理面上形成包含 SiO2/TiO2 多层膜的反射膜， 从而制作增益导引型激光二极管。 前端面的反射率为 80％， 后端面的反射率为 95％。该激光二极管以 520nm 的振荡波长进行 振荡。其阈值电流为 20kA/cm2， 工作电压 ( 电流值 ： 1600mA) 为 7.2 伏。 如上所述， 根据本实施方式， 可提供具有良好表面形态的半极性外延膜的 III 族 氮化物半导体元件。此外， 可提供用于该 III 族氮化物半导体元件的外延衬底。进而， 可提 供制作该 III 族氮化物半导体元件及外延衬底的方法。
在优选实施方式中对本发明的原理进行了图示说明， 但本领域技术人员应当认识 到， 本发明可在不脱离其原理的范围内对配置及细节进行变更。本发明并不限定于本实施 方式所公开的特定构成。因此， 请求保护权利要求书请求的范围及根据其精神范围而得到 的所有修正及变更。
产业实用性
根据本实施方式， 提供包含具有良好表面形态的半极性外延膜的 III 族氮化物半 导体元件。 此外， 根据本实施方式， 提供用于该 III 族氮化物半导体元件的外延衬底。 进而， 根据本实施方式， 提供制作该 III 族氮化物半导体元件的方法。