氮化鋁基板及iii族氮化物層疊體的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種新型的氮化鋁基板。具體而言，涉及一種具有氮化鋁單晶層的新 型的氮化鋁基板，所述氮化鋁單晶層具有特定的傾斜的面作為主面。
【背景技術(shù)】
[0002] 氮化鋁是禁帶寬度大到約6. 2eV、且為直接躍迀型的半導(dǎo)體。由此，氮化鋁與屬于 III族氮化物的氮化鎵（GaN)、和氮化銦（InN)的混晶、特別是Al在III族元素中所占的比 例為50原子％以上的混晶（以下有時也稱作Al系III族氮化物單晶。）有望被用作紫外 光發(fā)光元件材料。
[0003] 為了形成紫外發(fā)光元件等半導(dǎo)體元件，需要在與η電極電接合的η形半導(dǎo)體層和 與P電極電接合的P形半導(dǎo)體層之間形成包含包層（clad-layer)、活性層等的層疊結(jié)構(gòu)。 此外，從發(fā)光效率的方面考慮，在任意一層中都為高的晶體品質(zhì)十分重要，即，晶體的位錯 或點缺陷少、以及晶體組成分布均勻、雜質(zhì)濃度低十分重要。
[0004] 為了形成具有高的晶體品質(zhì)的層疊結(jié)構(gòu)，不僅需要晶體排列的單一性，而且晶體 生長面的平坦性必須高。如果將生長面保持高平坦性地進(jìn)行晶體生長，在生長面內(nèi)就沒有 組成的波動，可以得到低雜質(zhì)濃度的膜。其結(jié)果是，可以制作高效率的發(fā)光元件。由于作為 發(fā)光層的量子阱層通常具有數(shù)nm單位的微細(xì)的結(jié)構(gòu)，因此量子阱層表面的平坦性尤其重 要。通過使表面平坦，就有望改善面內(nèi)的組成分布及雜質(zhì)濃度。
[0005] 關(guān)于生長面的平坦性，報告過幾個在使III族氮化物單晶在其表面生長的晶體生 長用基板中研宄其表面（主面）的偏斜角（Off angle)的例子。例如，已知有作為晶體生 長用基板使用藍(lán)寶石基板、在具有特定的偏斜角的藍(lán)寶石基板上使氮化鎵（GaN)生長的方 法（例如參照非專利文獻(xiàn)1)。另外，還已知有作為晶體生長用基板規(guī)定了碳化硅（SiC)基 板的偏斜角的例子（例如參照專利文獻(xiàn)1)。
[0006] 根據(jù)非專利文獻(xiàn)1，如果在以相對于c面（(0001)面）傾斜了 0· 5°?2°的面作 為主面的藍(lán)寶石基板上生長氮化鋁緩沖層、以及GaN層，則偏斜角越小，生長面的平坦性就 越是提高。這是因為，通過將基板表面相對于c面在恰當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)傾斜，就會在表面整齊地 排列分子臺階（以下簡稱為臺階），在基板上生長III族氮化物單晶時，提供給基板表面的 原子種容易被納入臺階中，可以得到平坦性高的優(yōu)質(zhì)的晶體。
[0007] 但是，由于藍(lán)寶石基板是與III族氮化物組成不同的異種基板，因此作為III族氮 化物的晶體生長用基板而言是不利的。這是因為，由于由藍(lán)寶石基板與III族氮化物的晶 格常數(shù)的失配導(dǎo)致的晶體缺陷、裂紋的產(chǎn)生，從而無法得到高品質(zhì)的晶體層。另外，使III 族氮化物在高溫下生長，然而熱膨脹系數(shù)與III族氮化物不同的藍(lán)寶石會產(chǎn)生熱膨脹差， 從這一點考慮也是不利的?；谙嗤睦碛桑琒iC基板也是不利的。特別是，該趨勢在使紫 外發(fā)光元件形成所必需的III族元素中Al所占的比例為50原子％以上的混晶的Al系III 族氮化物單晶生長的情況下會變得明顯。
[0008] 為此，還報告過將III族氮化物基板作為晶體生長用基板、并限定了其偏斜角的 例子（例如參照專利文獻(xiàn)2)。具體而言，記載了在與c面平行（相對于c面具有小于0. 05° 的范圍的偏斜角）、或相對于c面具有0.05°以上15°以下的范圍內(nèi)的偏斜角的III族氮 化物基板上外延生長半導(dǎo)體層的方法。報告顯示，通過實質(zhì)性地與c面平行，可以形成結(jié)晶 性良好的半導(dǎo)體層，獲得特性良好的器件。另一方面，報告顯示，通過設(shè)為0.05°以上15° 以下，可以形成缺陷少的半導(dǎo)體層。
[0009] 在該專利文獻(xiàn)2中，針對相對于c面具有0°以上15°以下的范圍內(nèi)的偏斜角的 III族氮化物基板進(jìn)行了記載，然而在實施例中，卻沒有明示該III族氮化物基板的偏斜 角。此外，在實施例中，給出了在利用化學(xué)機(jī)械研磨（CMP)將表面粗糙度（Ra)設(shè)為0.09? 0. 41nm的氮化鋁單晶基板上層疊了由Al的比例為20原子％以下的混晶構(gòu)成的半導(dǎo)體層的 例子。由于該實施例中得到的器件（在氮化鋁單晶基板上層疊了半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體元件） 具有高的光輸出（是特性良好的半導(dǎo)體器件），因此考慮使用與c面平行（相對于c面具有 小于0.05°的范圍的偏斜角）的氮化鋁單晶基板。
[0010] 在專利文獻(xiàn)3中，記載了相對于c面具有0. 03?1. 0°的偏斜角（Θ )、偏斜方向 相對于m軸方向的偏移角（φ)為0. 5?16°、在基板表面不包含-0.5°<φ< 〇.5°!的區(qū)域 的氮化物半導(dǎo)體自立基板，具體而言公開了 GaN基板。
[0011] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0012] 非專利文獻(xiàn)
[0013] 非專利文獻(xiàn) I :X. Q. Shen and Η. Okumura，Journal of Crystal Growth， 300(2007)75-78
[0014] 專利文獻(xiàn)I :日本特開平11-233391號公報
[0015] 專利文獻(xiàn)2 :日本特開2007-5526號公報
[0016] 專利文獻(xiàn)3 :日本特開2009-135441號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 發(fā)明所要解決的問題
[0018] 在制造深紫外發(fā)光元件的情況下，如前所述，需要含有Al的III族氮化物單晶的 混晶層（例如由AlGaN等構(gòu)成的混晶層）。該情況下，認(rèn)為通過作為層疊該混晶層的晶體 生長用基板使用晶格常數(shù)與該混晶層接近的氮化鋁單晶基板，就可以形成位錯非常少的高 品質(zhì)的發(fā)光元件層。Al的比例越高，例如在層疊由Al的比例為50原子％以上的Al系III 族氮化物單晶構(gòu)成的混晶層的情況下，使用氮化鋁單晶基板就越加有利。
[0019] 由此，本發(fā)明人等依照專利文獻(xiàn)2中記載的方法，在氮化鋁單晶基板上生長了由 Al的比例為50原子％以上的III族氮化物單晶構(gòu)成的混晶層。其結(jié)果是，判明在以下的 方面有改善的余地。具體而言，判明在將表面粗糙度（Ra)設(shè)為0.40nm以下、具有0°以上 15°以下的偏斜角的該氮化鋁單晶基板的表面（主面）上生長由Al的比例為50原子％ 以上的III族氮化物單晶構(gòu)成的混晶層后，會有混晶層的平坦性降低、混晶層的組成分布 的波動擴(kuò)大、或者雜質(zhì)濃度增大的情況。即發(fā)現(xiàn)，在生長由Al的比例為50原子％以上的 III族氮化物單晶構(gòu)成的混晶層的情況下，為了提高該混晶層的平滑性、使得組成分布更加 均勻、或者降低雜質(zhì)濃度，而不能直接應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)。特別是發(fā)現(xiàn)，與使用了與c面平行的 (相對于c面具有小于0. 05°的范圍的偏斜角的）氮化鋁單晶基板的情況相比，需要進(jìn)一 步改善混晶層的平坦性，另外，需要將混晶層進(jìn)行更加均勻的組成分布，或者需要降低雜質(zhì) 濃度。
[0020] 另外，在將具體地只例示出GaN基板的專利文獻(xiàn)3中記載的方法應(yīng)用于具有氮化 鋁單晶層的基板中后，結(jié)果判明，該情況下，也有混晶層的組成分布的波動擴(kuò)大、或者雜質(zhì) 濃度增大的情況。
[0021] 因而，本發(fā)明的目的在于，提供一種由氮化鋁構(gòu)成的基板，可以在其表面生長平坦 性良好、具有均勻的組成分布、且雜質(zhì)濃度低的高品質(zhì)的III族氮化物單晶層。
[0022] 特別是提供如下的氮化鋁基板，即，在生長滿足以Al^+wGaJrvB^其中，X、y 及z各自獨立地為0以上且小于0.5的有理數(shù)，X、7及z的和小于0.5。）表示的組成的 AlGaInBN層的情況下，能使生長層的生長面的平坦性高，生長層的組成分布均勻且雜質(zhì)濃 度低。
[0023] 此外，本發(fā)明的另一個目的在于，提供一種高品質(zhì)的發(fā)光元件。
[0024] 用于解決問題的方案
[0025] 本發(fā)明人等為了解決上述問題進(jìn)行了深入研宄。此外，考慮到熱膨脹等物理性質(zhì)， 對將由氮化鋁構(gòu)成的基板作為晶體生長用基板使用的情況下，可以生長高品質(zhì)的III族氮 化物單晶的條件進(jìn)行了各種研宄。其中，對由氮化鋁構(gòu)成的基板的生長晶體的面（晶體生 長面）的偏斜角進(jìn)行研宄后，發(fā)現(xiàn)通過比以往更加嚴(yán)格地控制氮化鋁基板的偏斜角，就可 以解決上述問題，從而完成了本發(fā)明。
[0026] S卩，第一項本發(fā)明為一種氮化鋁基板，是由氮化鋁構(gòu)成的基板，其特征在于，
[0027] 至少在表面具有以相對于纖鋅礦結(jié)構(gòu)的（0001)面在0.05°以上0.40°以下的范 圍內(nèi)向m軸方向傾斜的面作為主面的氮化鋁單晶層。在本發(fā)明的氮化鋁基板中，優(yōu)選所述 主面還在0.00°以上0.40°以下的范圍內(nèi)向a軸方向傾斜。
[0028] 另外，第二項本發(fā)明為一種III族氮化物層疊體，在所述氮化鋁單晶層的主面上， 具有滿足以其中，X、y及z各自獨立地為0以上且小于0. 5的有理數(shù)， X、y及Z的和小于0. 5。）表示的組成的AlGaInBN層。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明，可以容易地獲得如下的III族氮化物層疊體，其是具有AlGaInBN層 的ΙΠ 族氮化物層疊體，所述AlGaInBN層的組成為，在所述Al^yMGaxInyB zN中，X為大于 〇且小于〇. 5的有理數(shù)，y及z為0以上且小于0. 5的有理數(shù)，X、y及z的和大于0且小于 0. 5,在該AlGaInBN層的300K下的光致發(fā)光測定中，在4. 56eV以上且小于5. 96eV處觀測 到該AlGaInBN層的能帶端發(fā)光峰，該發(fā)光峰的半值寬度為225meV以下。
[0030] 另外，還可以得到如下的III族氮化物層疊體，即，在所述氮化鋁單晶層的主面 上，直接層疊 AlN層（在所述AV0^riGaxInyBzN中，X、y及Z為0)，在該AlN層的300K下 的光致發(fā)光測定中，該AlN結(jié)晶的能帶端發(fā)光峰的半值寬度為145meV以下，該AlN層的表 面粗糙度（Ra)為0.2nm以下。而且，所謂能帶端發(fā)光是因價電子帶的上端的空穴與導(dǎo)帶的 底部的電子復(fù)合而產(chǎn)生的晶體中所固有的發(fā)光，其發(fā)光能量反映出晶體的組成。
[0031] 另外，發(fā)光波長λ (nm)和與之對應(yīng)的能量E (eV)可以利用E = 1240/λ的公式進(jìn) 行轉(zhuǎn)換。
[0032] 此外，第三項本發(fā)明為一種III族氮化物半導(dǎo)體元件，其至少具有所述III族氮化 物層疊體中的氮化鋁單晶層、以及所述AlGaInBN層部分。
[0033] 發(fā)明的效果
[0034] 通過使用本發(fā)明的氮化鋁基板作為III族氮化物單晶層的晶體生長用基板，可以 提高該III族氮化物單晶層的生長面的平坦性。此外，可以使得III族氮化物單晶層的組成 分布更加均勻，形成雜質(zhì)濃度低的材料。其結(jié)果是，可以制造高品質(zhì)的發(fā)光元件。其中，本 發(fā)明的氮化鋁基板在其上生長晶格常數(shù)接近的滿足以其中，x、y及z各 自獨立地為0以上且小于0.5的有理數(shù)，x、y及z的和小于0.5。）表示的組成的AlGaInBN 層的情況下，會發(fā)揮特別優(yōu)異的效果。由此，具有本發(fā)明的氮化鋁基板的III族氮化物層疊 體可以作為深紫外發(fā)光元件使用。
【附圖說明】
[0035] 圖1是本發(fā)明的一個實施方式的氮化鋁基板的剖面圖。
[0036] 圖2是本發(fā)明的一個實施方式的III族氮化物半導(dǎo)體元件的剖面圖。
【具體實施方式】
[0037] 本發(fā)明提供一種氮化鋁基板，是由氮化鋁構(gòu)成的基板，在表面具有以具有特定的 偏斜角的面作為主面的氮化鋁單晶層。本發(fā)明