專利名稱：氮化物半導(dǎo)體元件和氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶層的生長方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用氮化物半導(dǎo)體的發(fā)光二極管(LED)和激光二極 管等的發(fā)光元件，HEMT等的晶體管元件等、使用氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶 層的半導(dǎo)體元件和該氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶層的生長方法。更加詳細來說， 即使在使氮化物半導(dǎo)體在與該氮化物半導(dǎo)體晶格不匹配的基板上生長 的情況下，也外延生長結(jié)晶性優(yōu)異的氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶層的方法和使 用該氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶層的氮化物半導(dǎo)體元件。
背景技術(shù)：
近年來，使用氮化物半導(dǎo)體的藍色系發(fā)光二極管(LED)和激光 二極管等的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件逐漸實用化。由于作為同型(homo) 生長基板的GaN基板非常昂貴，所以這種氮化物半導(dǎo)體層多在藍寶石 和SiC這樣的與氮化物半導(dǎo)體晶格不匹配的基板上生長。在此，所謂 與氮化物半導(dǎo)體晶格不匹配的基板是指具有(氮化物半導(dǎo)體與基板的a 軸方向的晶格常數(shù)之差)/(氮化物半導(dǎo)體的a軸方向晶格常數(shù))^0.5% 這樣關(guān)系的基板。所以，例如有如下方法在藍寶石基板上，在比結(jié) 晶生長的溫度更低的低溫下，形成非晶體狀的AlGaN系化合物(意味 著可以使Al和Ga之間的混晶比進行各種的變化，以下相同)等構(gòu)成 的低溫緩沖層，在其上，在結(jié)晶生長的高溫下，通過MOCVD法等使 氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶層外延生長而形成的方法。
作為設(shè)置有這種低溫緩沖層，再使氮化物半導(dǎo)體層外延生長的方 法，例如有使用MOCVD法在同一反應(yīng)爐內(nèi)，在比為了得到氮化物半 導(dǎo)體的單晶薄膜必須的結(jié)晶生長溫度(例如1020°C)更低的溫度(例 如50(TC)下，使非晶體狀的AlGaN系化合物層堆積，然后升溫至適 于結(jié)晶生長的溫度，以在這個過程中得到的小的結(jié)晶化的核為晶種而 使結(jié)晶生長的方法(例如，參照專利文獻1)。此外，作為其他方法， 還有以濺射法等不使用有機金屬化合物的方法形成非晶體狀的氮化物
半導(dǎo)體層(例如430°C)，在氫氣和氨氣的混合氣體的氣氛下進行熱處
理(1000 1250°C)，然后生長氮化物半導(dǎo)體層的方法(例如，參照專 利文獻2)。
專利文獻1:日本特開平4一297023號公報
專利文獻2:日本特開2000_286202號公報
如上所述，目前的氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶層的生長，是在與氮化物半 導(dǎo)體晶格不匹配的基板上生長，因此在基板上，首先形成非晶體狀的 低溫緩沖層后，使基板溫度升到外延生長的溫度，在低溫緩沖層上形 成結(jié)晶化了的核，以這個核作為晶種使氮化物半導(dǎo)體外延生長。所以， 存在高溫下不是在完全的單晶層上外延生長氮化物半導(dǎo)體層，而容易 在其上生長的氮化物半導(dǎo)體層上生成結(jié)晶缺陷的問題，即使形成發(fā)光 元件，閾值電流升高等也容易造成內(nèi)部量子效率的降低。
此外，在上述的同一個反應(yīng)爐內(nèi)，若進行低溫緩沖層和高溫外延 生長，由于不需要從空氣中取出基板而可以進行結(jié)晶層的生長，所以 具有可以連續(xù)形成緩沖層和外延生長層的優(yōu)點，另一方面則需要能夠 進行200 110(TC左右這樣大范圍的溫度控制的裝置構(gòu)成，加熱裝置需 要很大，存在裝置昂貴的問題。此外，在通過上述濺射形成低溫緩沖 層的方法中，由于在靶上發(fā)生的自偏壓，產(chǎn)生具有數(shù)十eV這樣高能量 的粒子，會對基板帶來損傷，所以只能制造具有空隙、柱狀結(jié)構(gòu)等的 特殊缺陷的膜，該缺陷在其上面生長的氮氧化物半導(dǎo)體層上表現(xiàn)為貫 通轉(zhuǎn)移，同樣具有不能外延生長結(jié)晶性能良好的氮化物半導(dǎo)體層的問 題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是為了解決上述的問題而進行的發(fā)明，其目的在于提供 氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件、晶體管元件等的氮化物半導(dǎo)體元件，其無須 形成非晶體狀的低溫緩沖層，在與氮化物半導(dǎo)體晶格不匹配的基板(也 包括通過氮化處理等在基板表面形成有氮化膜的基板)上直接形成直 接氮化物半導(dǎo)體的a軸和c軸兩者均對齊的單晶層的緩沖層，在該單 晶層的緩沖層上使氮化物半導(dǎo)體層外延生長而得到。
本分明的另一目的在于，提供一種在藍寶石基板等與氮化物半導(dǎo)
體晶格不匹配的基板表面上直接生長a軸和C軸對齊的氮化物半導(dǎo)體 單晶層的氮化物半導(dǎo)體層的生長方法。
本發(fā)明者對在與氮化物半導(dǎo)體晶格不匹配的基板上疊層氮化物半 導(dǎo)體的情況下，外延生長結(jié)晶缺陷和轉(zhuǎn)移少的氮化物半導(dǎo)體進行了潛 心研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)即使是像藍寶石那樣的與氮化物半導(dǎo)體晶格不匹配
的基板，利用PLD (Plasma Laser Deposition:等離子體激光沉積)法， 使升華了的飛散物一邊自由飛散一邊附著在基板表面上，例如通過預(yù) 先將基板溫度上升到500 100(TC左右，使得飛散的原子可以自由運 動，能夠生長c軸和a軸對齊的單晶層。還發(fā)現(xiàn)了通過在晶格不匹配 的基板上預(yù)先形成c軸和a軸對齊的單晶緩沖層，再通過MOCVD法 等的氣相成長法進一步外延生長氮化物半導(dǎo)體層，能夠生長結(jié)晶缺陷 和轉(zhuǎn)移少的氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶層。
在此，所謂氮化物半導(dǎo)體是指IIIA族元素的Ga與VA族元素的N 的化合物或者IIIA族元素的Ga的一部分或者全部被Al、 In等的其他 IIIA族元素置換的化合物和/或VA族元素的N的一部分被P、 As等的 其他VA族元素置換的化合物(氮化物)組成的半導(dǎo)體。
本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件具有與氮化物半導(dǎo)體晶格不匹配的 基板；和在該基板上生長的氮化物半導(dǎo)體層，在所述基板上直接設(shè)置 有單晶緩沖層，在該單晶緩沖層上使所述氮化物半導(dǎo)體層外延生長， 所述單晶緩沖層由AlxGayIni_x_yN (0^x^l、 0^y^l、 0^x+y〇l) 構(gòu)成，該AlxGayIn卜x—yN的a軸和c軸對齊。
在藍寶石基板的表面上，通過氮化處理形成氮化鋁膜，通過形成 在該氮化鋁膜上直接設(shè)置有由AlxGayIni-x-yN(0^x^l、0^y^l、0Sx +y^l)構(gòu)成的相同的單晶緩沖層的結(jié)構(gòu)，能夠控制利用PLD而進行 GaN生長等生長成GaN膜的極性，能夠制作電特性和光特性良好的 Ga極性膜。
在所述單晶緩沖層上生長的氮化物半導(dǎo)體被疊層以形成發(fā)光二極 管或激光二極管的發(fā)光層，構(gòu)成氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，由此能夠得 到內(nèi)部量子效率優(yōu)良的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件。此外，如果形成晶體 管元件，因為結(jié)晶性能非常優(yōu)秀，能夠得到漏電流小，耐壓優(yōu)良的高 速晶體管。
本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶層的生長方法，是在與氮化物半導(dǎo)體 晶格不匹配的基板上生長氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶層的方法，其特征在于，
使用PLD法，在所述基板的表面上生長單晶緩沖層，在該單晶緩沖層 上氣相生長氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶層，所述單晶緩沖層山AlxGayIni-、"N (0蕓x^1、 O當ySl、 O^x+y^l)構(gòu)成，該AlxGayIn|—x—yN的a軸和 c軸對齊。此時，優(yōu)選一邊向腔室內(nèi)供給氮氣、氨氣和氮等離子體中的 任一種以向腔室內(nèi)補給N—邊進行。
使用藍寶石基板作為所述基板，向所述藍寶石基板照射通過等離 子體生成的自由基氮，或者通過在包含N的反應(yīng)性氣體氛圍中對所述 藍寶石基板進行退火處理，由此，在所述藍寶石基板表面上形成氮化 膜，在該氮化膜上生長所述單晶緩沖層，由此減少氮化物半導(dǎo)體的殘 留載流子，能夠得到遷移率大的氮化物半導(dǎo)體層。
使所述基板溫度升高到500 1000°C，利用所述PLD法，進行所 述單晶緩沖層的生長，由此能夠在晶格不匹配的基板表面上生長氮化 物半導(dǎo)體層的單晶。
利用MOCVD法或者HVPE法，進行所述氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶層的 氣相生長，能夠容易地周密地控制生長層的組成，同時即使在使生長 層的組成小幅度地變化時，也不需要逐一改變靶，能夠簡單地控制組 成，因此優(yōu)選。
在權(quán)利要求4 7中任一項所述的氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶層的生長方法 中，通過使所述氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶層疊層以形成包含n型層和p型層 的發(fā)光層，能夠得到氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件。
氮化物半導(dǎo)體層一般多在不與晶格匹配的藍寶石和SiC等的基板 上生長，根據(jù)本發(fā)明，由于直接在基板表面上設(shè)置AlGaln系化合物的 單晶緩沖層，所以在其上面疊層的氮化物半導(dǎo)體層結(jié)晶缺陷和轉(zhuǎn)移少， 能夠作為結(jié)晶性優(yōu)良的半導(dǎo)體層進行外延生長。其結(jié)果是，能夠成為 載流子的遷移率大的氮化物半導(dǎo)體層，如果是半導(dǎo)體發(fā)光元件，能夠 使閾值的下降和內(nèi)部量子效率大幅提高，如果是HEMT等的晶體管， 能夠提高漏電流和耐壓特性。此外，根據(jù)本發(fā)明，為了在基板表面(包含通過基板的氮化處理 在基板表面上形成氮化膜時的氮化膜表面)上直接形成單晶的氮化物
半導(dǎo)體層(緩沖層)，使用PLD法，因此能夠生長結(jié)晶性能非常優(yōu)良 的氮化物半導(dǎo)體單晶緩沖層。即，雖然在濺射的情況下，如上所述，
通過在靶上產(chǎn)生的自偏壓，產(chǎn)生具有數(shù)十eV這樣高能量的粒子，會賦 予基板損傷，但是采用PLD法，通過向靶照射激光，使靶的構(gòu)成物質(zhì) 升華而飛散，附著在基板表面上。通過這種激光的照射而飛散的原子， 由于沒有加速電場，所以不會超過入射激光的能量而在基板上堆積。 因此，通過預(yù)先將基板溫度升高到氮化物的構(gòu)成元素可以自由移動的 溫度，能夠在氮化物的a軸和c軸自然對齊的單晶狀態(tài)下進行生長。 其結(jié)果是即使在與氮化物晶格不匹配的基板表面上也可以直接以單 晶的狀態(tài)生長。


圖1是本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件的一個實施方式的截面說明圖。 圖2是表示本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件的另一個實施方式的截面 說明圖。
圖3是表示形成圖1的單晶緩沖層的裝置的概念圖。 圖4是通過本發(fā)明形成的LED的結(jié)構(gòu)截面說明圖。 圖5是通過本發(fā)明形成的晶體管的結(jié)構(gòu)截面說明圖。
符號的說明
1藍寶石基板；2單晶緩沖層；3氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶層；4氮化鋁 膜；13高溫緩沖層；14n型層；15活性層；16p型層；17半導(dǎo)體疊層 部；18透光性導(dǎo)電層；19 p側(cè)電極；20 n側(cè)電極
具體實施例方式
下面， 一邊參照附圖一邊說明本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件和氮化 物半導(dǎo)體結(jié)晶層的生長方法。本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件，如圖1中 所示的一個實施方式的截面說明圖所示，在與氮化物半導(dǎo)體晶格不匹 配的基板1上生長氮化物半導(dǎo)體層3的情況下，在基板1上直接設(shè)置 單晶緩沖層2，在該單晶緩沖層2上使氮化物半導(dǎo)體層3外延生長而得 至U，所述單晶緩沖層2由AlxGayIni-x—yN (OSxSl， O^y^l, 0^x+
y^l)構(gòu)成，該AlxGayln,—x-yN的a軸和c軸對齊。
作為基板1，能夠使用與氮化物半導(dǎo)體晶格不匹配的材料構(gòu)成的大 塊(bulk)基板，例如可使用藍寶石、SiC、 Si、 GaAs等構(gòu)成的各種基 板。即，只要是GaN基板，即使不形成這樣的單晶緩沖層，也可以使 直接結(jié)晶性能優(yōu)良的氮化物半導(dǎo)體層外延生長，但是除了 GaN基板以 外的基板，例如藍寶石與GaN， a軸的晶格常數(shù)存在14%左右的差異， 并且，即使是SiC，與GaN之間也有3%左右的晶格不匹配，與氮化 物半導(dǎo)體的晶格不匹配比0.5%大許多。本發(fā)明的特征在于，即使使用 這樣的具有大于0.5%的偏差的晶格不匹配的基板，也可以生長結(jié)晶性 能優(yōu)良的氮化物半導(dǎo)體層，對于使用這種與氮化物半導(dǎo)體晶格不匹配 的基板是有意義的。
在該基板1的表面上，直接設(shè)置由AlxGayIn|—x-yN (OSxSl、 O當y芻l、 O^x+y^l)構(gòu)成、該AlxGayIni-x-yN的a軸和c軸對齊的 單晶緩沖層2。即，為了在藍寶石和SiC等的與氮化物半導(dǎo)體晶格不匹 配的基板上外延生長目前的氮化物半導(dǎo)體層，在400 500。C左右的低 溫下，首先形成由非結(jié)晶型的氮化物半導(dǎo)體層構(gòu)成的低溫緩沖層，然 后升高到60(TC以上的高溫后，形成核，以該核作為晶種外延生長，在 本發(fā)明中，其特征在于，在直接基板1的表面上生長AlxGayln,i"N層 單晶。該氮化物單晶緩沖層2，也可以通過以GaN、 AlGaN系化合物， A1N、 InGaN系化合物為主的與生長的氮化物半導(dǎo)體層容易晶格匹配的 氮化物半導(dǎo)體層形成。
為了使氮化物半導(dǎo)體單晶緩沖層2在晶格不匹配的基板上形成， 如上所述，能夠通過使用PLD法生長單晶緩沖層2，例如在圖3所示 的PLD法的概念說明圖，在腔室內(nèi)壓力在lxl(T6T0rr以下的真空腔室 (未圖示)內(nèi)使基板1與靶6相對配置，將基板1載置在加熱源9上， 將基板溫度維持在500 100(TC左右，優(yōu)選維持在700 卯0。C左右的 高溫，例如通過從真空腔室的石英窗向靶6照射振蕩波長為248nm的 KrF準分子激光器構(gòu)成的激光7，靶6的材料升華(ablation:溶蝕)， 形成光圈8，升華后的原子附著在基板1的表面，可以生長單晶緩沖層 2 (所以，這種PLD法也被稱為激光溶蝕法(laser ablation))。
作為靶，例如也可以使用GaN、 A1N、 AlGaN系化合物、InGaN
系化合物等的燒結(jié)體，通常可以用AlxGayIn|—x-yN(0^x^l， OSySl， O^x + y^l)的組成，能夠與在該單晶緩沖層上生長的氮化物半導(dǎo)體 結(jié)晶層的組成相對應(yīng)而確定。在這種情況下，由于In是不易進入的物 質(zhì)，組成容易變動，所以需要注意。此外，在形成GaN層的單晶薄膜 的情況下，也可以不使這樣的燒結(jié)體作為靶，通過以Ga金屬作為耙， 使其在氨或氮等離子體的氣體氛圍下升華，由此，生長GaN單晶緩沖 層。
在生長上述燒結(jié)體的單晶緩沖層的情況下，具體來說，例如將藍 寶石基板放入負載鎖定室，首先，以400。C左右的溫度加熱5 10分鐘 左右，使多余的水分等飛散掉。然后將基板1搬入到腔室內(nèi)，將基板 溫度設(shè)定在700 90(TC。此外，在生長A1N的情況下，優(yōu)選使基板溫 度升高到比GaN的情況下的高100 20(TC左右。這樣，通過向靶6照 射KrF準分子激光器的激光7，例如使靶6的GaN升華，可以在藍寶 石基板l的表面上堆積，形成單晶緩沖層2。若加長生長時間，能夠使 單晶層生長到所希望的厚度。
在這種情況下，由于GaN容易形成氮空穴，所以補充N容易形成 高品質(zhì)的膜。作為N的補充方法，有向腔室內(nèi)加入氮氣的方法、加入 氨氣的方法和加入氮等離子體的方法。在加氮氣、氨氣的情況下，如 果通過質(zhì)量流量控制器直接導(dǎo)入腔內(nèi)，能夠控制該量，在加入氮等離 子體的情況下，使用由RF等離子體使氣體活化的自由基單元。在任一 種情況下，優(yōu)選抑制生長中的腔室內(nèi)壓力不在lxl(^Torr左右以上(真 空度不變差)。
在這樣形成的由AlxGaylnh-yN構(gòu)成的單晶層的緩沖層上，生長單 層或多層的氮化物半導(dǎo)體層，利用氣相生長法形成半導(dǎo)體元件。作為 氣相生長法，雖然能夠利用PLD法由此持續(xù)生長，但是為了使導(dǎo)電方 式不同的半導(dǎo)體層或組成不同的半導(dǎo)體層連續(xù)生長，其每次的靶必須 能夠變更，特別是如半導(dǎo)體發(fā)光元件，疊層不同組成的半導(dǎo)體層的情 況下，優(yōu)選使用在同一裝置內(nèi)容易變更原材料的MOCVD (有機金屬 化學(xué)氣相生長)法或HVPE (氫化物氣相生長)法。但也可以使用其它 的MBE (分子束外延)法、PLD法等其他氣相生長法。
PLD法與濺射法相比，靶組成與薄膜組成的偏差小，而且與濺射
法不同，由于不產(chǎn)生由于自偏壓帶來的具有高能量的粒子，所以具有 能夠生長結(jié)晶薄膜的性質(zhì)。此外，PLD法是與物理蒸鍍相近的方法，
由于在升華材料中也存在GaN分子，所以如藍寶石基板那樣，即使使 用對于GaN潤濕性差的材料也能夠容易成膜，也可以保持裝置的高真 空而生長，所以不需在與氮化物半導(dǎo)體晶格不匹配的基板表面上形成 低溫緩沖層，能夠直接生長氮化物半導(dǎo)體層單晶。
圖2是表示本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件的另一個實施方式的、與 圖1相同的截面說明圖。這個例子是對藍寶石基板1的表面進行氮化 處理，使基板表面成為氮化膜層，單晶緩沖層2通過氮化鋁膜4而堆 積。具體來說，在基板1為藍寶石基板的情況下，在氨氣中，通過進 行700 130(TC左右的熱處理，或者通過以20(TC左右向藍寶石基板照 射等離子體氮，能夠使藍寶石基板1的表面形成薄的A1N膜的單晶層。
若在基板1的表面上形成這樣的A1N膜，能夠控制在其上面生長 的GaN層等的極性，提高膜的質(zhì)量。即，通常GaN在MOCVD法中 容易呈Ga極性，形成該極性殘留載流子會降低、遷移率提高，因此優(yōu) 選；而采用PLD法，則容易形成N極性，在其上面即使用MOCVD法 進行生長也容易呈N極性。但是，通過形成A1N膜，即使使用PLD法 生長，也呈Ga極性，在其上面生長的GaN系化合物層也呈Ga極性。
接下來，以氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的例子作為氮化物半導(dǎo)體元件 的具體例子進行說明。圖4所示的例子是LED的例子，在藍寶石基板 1的表面，通過上述方法形成由不摻雜的GaN構(gòu)成的單晶緩沖層2， 再利用MOCVD裝置，在其上面依次疊層形成不摻雜的半絕緣性的 GaN構(gòu)成的高溫緩沖層13為1 3pm左右，形成為1 5pm左右的摻 雜了 Si的AlGaN系化合物半導(dǎo)體層構(gòu)成的n型層14作為阻擋層(帶 隙能量大的層)，例如形成1 3nm的InQ.13GaQ.87N構(gòu)成的阱層、10 20nm的GaN構(gòu)成的勢壘層和0.05 0.3(im左右的3 8對疊層的多量 子井(MQW)結(jié)構(gòu)的活性層15、 p型的AlGaN系化合物半導(dǎo)體層構(gòu) 成的p型阻擋層(帶隙能量大的層)16a和p型GaN構(gòu)成的接觸層16b 而得的p型層16共0.2 lpm左右，由此形成半導(dǎo)體疊層部17。
在半導(dǎo)體疊層部17上設(shè)置有例如由ZnO等構(gòu)成，0.01 0.5pm左 右透光性導(dǎo)電層18，能夠與p型半導(dǎo)體層16電阻性接觸。該透光性導(dǎo)
電層18不僅限于ZnO，即使是ITO、 Ni和Au的2 100nm左右的薄 合金層，也可以使光透過并且使電流擴散到整個芯片。由此，在透光 性導(dǎo)電層18上的一部分，通過Ti和Au的疊層結(jié)構(gòu)，形成p側(cè)電極(上 部電極)19，在通過蝕刻除去了一部分半導(dǎo)體疊層部17而露出的n型 層14上通過Ti一Al合金等形成電阻性接觸用的n側(cè)電極(下部電極) 20。
此外，也可以沒有高溫緩沖層13，從載流子封入效果的觀點出發(fā)， n型層14和p型層16都優(yōu)選在活性層15側(cè)設(shè)置包含Al的層，但是也 可以只設(shè)置GaN層，可以分別形成包含其他的氮化物半導(dǎo)體層的2個 以上的復(fù)合層。另外，在這個例子中，雖然是活性層15被n型層14 和p型層16所夾持的雙異性(double hetero)結(jié)結(jié)構(gòu)，但是也可以是n 型層與p型層直接結(jié)合的pn結(jié)構(gòu)造。另外，在上述的例子中，由于是 使用藍寶石基板作為基板，不摻雜而形成單晶緩沖層2和高溫緩沖層 13，但是在使用SiC那樣的半導(dǎo)體基板作為基板1時，因為能夠從基 板1的背面取出一個電極，所以優(yōu)選形成與該基板的導(dǎo)電方式配合的 導(dǎo)電方式。此外，在上述例子中，雖然是LED的例子，也可以形成帶 狀的發(fā)光區(qū)域而同樣地形成激光二極管。
為了制造上述圖4所示結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光元件，在形成圖1所示 的單晶緩沖層2之后，將基板放入例如有機金屬化學(xué)氣相生長
(MOCVD )裝置內(nèi)，與載氣H2—起，供給三甲基鎵(TMG )、氨(NH3) \三甲基鋁(TMA)、三甲基銦(TMIn)等的反應(yīng)氣體和為n型時的摻 雜氣體SiH4，為p型時的摻雜氣體茂基鎂(Cp2Mg)或者二甲基鋅
(DMZn)等的必要氣體，在600 120(TC左右的高溫依次生長，能夠 以所需組成，形成所需厚度的所需導(dǎo)電方式的半導(dǎo)體層。
圖5是使用在上述基板表面上形成氮化物半導(dǎo)體的單晶緩沖層的 方法，構(gòu)成晶體管的截面說明圖。與發(fā)光元件的情況相同，將形成有 單晶緩沖層2的基板1放入MOCVD裝置，導(dǎo)入與上述相同的所需的 有機金屬氣體，依次地使不摻雜的GaN層23生長為4^im左右，n型 AlGaN系化合物電子渡越層24生長為10nm左右，不摻雜的AlGaN系 化合物層25生長為5nm左右，留下作為門長1.5)am左右的寬度通過蝕 刻除去不摻雜的AlGaN系化合物層25，使電子渡越層24露出。然后，
在通過蝕刻露出的電子渡越層24上用例如Ti膜和Au膜形成源電極26 和漏電極27，在不摻雜的AlGaN系化合物層25的表面上，例如通過 Pt膜和Au膜的疊層而形成柵電極28,構(gòu)成晶體管。在這種基板表面 上形成單晶緩沖層2，通過使GaN層在其上面生長，可以得到結(jié)晶性 能非常優(yōu)良的氮化物半導(dǎo)體層，可以得到漏電流小，耐壓優(yōu)良的高速 晶體管(HEMT)。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性
本發(fā)明能夠提高使用氮化物半導(dǎo)體的LED或激光二極管等的發(fā)光 元件，HEMT等的晶體管元件等的特性，能夠在利用這些半導(dǎo)體元件 的各種電子器件中利用。
權(quán)利要求
1.一種氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，具有與氮化物半導(dǎo)體晶格不匹配的基板；和在該基板上生長的氮化物半導(dǎo)體層，在所述基板上直接設(shè)置單晶緩沖層，在該單晶緩沖層上使所述氮化物半導(dǎo)體層外延生長而得到，所述單晶緩沖層由AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1、0≤y≤1、0≤x+y≤1)構(gòu)成，該AlxGayIn1-x-yN的a軸和c軸對齊。
2. —種氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，具有藍寶石基板；和 在該藍寶石基板上生長的氮化物半導(dǎo)體層，通過氮化處理在所述藍寶 石基板的表面上形成氮化鋁膜，在該氮化鋁膜上直接設(shè)置單晶緩沖層， 在該單晶緩沖層上使所述氮化物半導(dǎo)體層外延生長而得到，所述單晶緩沖層由AlxGayIn-x-yN (0^x^l、 0^y當l、 O^x+ySl)構(gòu)成，該 AlxGayln,—x—yN的a軸和c軸對齊。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，使 在所述單晶緩沖層上生長的氮化物半導(dǎo)體層疊層，以形成發(fā)光二極管 或激光二極管的發(fā)光層，構(gòu)成氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，使 在所述單晶緩沖層上生長的氮化物半導(dǎo)體疊層，以形成晶體管。
5. —種氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶層的生長方法，用于在與氮化物半導(dǎo)體 晶格不匹配的基板上生長氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶層，其特征在于，使用PLD 法，在所述基板的表面上生長單晶緩沖層，在該單晶緩沖層上氣相生 長氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶層，所述單晶緩沖層由AlxGayIniTyN (OSxSl、 O芻ySl、 O^x+y^l)構(gòu)成，該AlxGayln卜x-yN的a軸和c軸對齊。
6. 如權(quán)利要求5所述的氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶層的生長方法，其特征 在于，在生長所述AlxGayIni-x-yN的緩沖層時， 一邊向腔室內(nèi)供給氮氣、 氨氣和氮等離子體中的任一種以向腔室內(nèi)補充N—邊進行。
7. 如權(quán)利要求5或6所述的氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶層的生長方法，其 特征在于，使用藍寶石基板作為所述基板，向所述藍寶石基板照射通過等離子體生成的自由基氮，或者在包含N的反應(yīng)性氣體氣氛中對所述藍寶石基板進行退火處理，由此在所述藍寶石基板表面上形成氮化 膜，在該氮化膜上生長所述單晶緩沖層。
8. 如權(quán)利要求5 7中任一項所述的氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶層的生長 方法，其特征在于，使所述基板溫度升高到500 100(TC，進行所述單 晶緩沖層的生長。
9. 如權(quán)利要求5 8中任一項所述的氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶層的生長 方法，其特征在于，利用MOCVD法或者HVPE法，進行所述氮化物 半導(dǎo)體結(jié)晶層的氣相生長。
10. —種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的制法，其特征在于，在權(quán)利要 求5 9中任一項所述的氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶層的生長方法中，通過使所 述氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶層疊層，形成包含n型層和p型層的發(fā)光層，從 而形成發(fā)光元件。
全文摘要
本發(fā)明提供一種不需形成非晶體狀的低溫緩沖層，直接在基板上形成氮化物半導(dǎo)體的a軸和c軸兩者均對齊的單晶層，在該單晶層上使氮化物半導(dǎo)體層外延生長的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件、晶體管元件等的氮化物半導(dǎo)體元件，和直接生長該氮化物半導(dǎo)體單晶層的方法。在與氮化物半導(dǎo)體晶格不匹配的基板(1)上使氮化物半導(dǎo)體層(3)生長的情況下，在基板(1)上直接設(shè)置單晶緩沖層(2)，在該單晶緩沖層(2)上使氮化物半導(dǎo)體層(3)外延生長，該單晶緩沖層(2)由Al_xGa_yIn_1-x-yN(0≤x≤1、0≤y≤1、0≤x+y≤1)構(gòu)成，Al_xGa_yIn_1-x-yN的a軸和c軸對齊。
文檔編號H01L29/812GK101111945SQ20068000333
公開日2008年1月23日 申請日期2006年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月27日
發(fā)明者中原健, 田村謙太郎 申請人:羅姆股份有限公司