專利名稱：外延生長(zhǎng)用基板、GaN類半導(dǎo)體膜的制造方法、GaN類半導(dǎo)體膜、GaN類半導(dǎo)體發(fā)光元件的制 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適于制造包含c軸取向的GaN類半導(dǎo)體晶體的GaN類半導(dǎo)體膜的外延 生長(zhǎng)用基板，特別涉及外延生長(zhǎng)用表面為凹凸面的外延生長(zhǎng)用基板。另外，本發(fā)明還涉及使用上述外延生長(zhǎng)用基板的GaN類半導(dǎo)體膜的制造方法、利 用該制造方法得到的GaN類半導(dǎo)體膜、以及使用該GaN類半導(dǎo)體膜的GaN類半導(dǎo)體發(fā)光元 件的制造方法。此外，本發(fā)明還涉及包含上述外延生長(zhǎng)用基板的GaN類半導(dǎo)體發(fā)光元件。
背景技術(shù)：
GaN類半導(dǎo)體是以通式AlaInbGa1TbN(0彡a彡1、0彡b彡1、0彡a+b彡1)表示 的化合物半導(dǎo)體，其也被稱作第3族氮化物半導(dǎo)體、氮化物類半導(dǎo)體等。通過(guò)在基板上形成 由GaN類半導(dǎo)體構(gòu)成的pn結(jié)型的發(fā)光元件結(jié)構(gòu)而得到的LED (發(fā)光二極管)、LD (激光二極 管)等GaN類半導(dǎo)體發(fā)光元件已付諸實(shí)用，并作為用于顯示裝置、照明裝置的光源而逐漸得 到普及。在GaN類半導(dǎo)體發(fā)光元件中，用于LD制造的主要是GaN單晶基板，另一方面，用于 LED制造的主要是藍(lán)寶石單晶基板。在由GaN或藍(lán)寶石構(gòu)成的單晶基板上，可使具有各種取 向性的GaN類半導(dǎo)體晶體發(fā)生外延生長(zhǎng)，但在目前已付諸實(shí)用的GaN類半導(dǎo)體發(fā)光元件中 使用的是c軸取向的GaN類半導(dǎo)體晶體。藍(lán)寶石單晶基板包括c面基板、a面基板、r面基 板等，但適于c軸取向的GaN類半導(dǎo)體晶體的制造的，是c面基板。需要說(shuō)明的是，被稱為 c面基板的基板包括具有相對(duì)于c面稍傾斜的表面的基板(被賦予了所謂傾斜角的基板)， 這在當(dāng)前，是本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的常識(shí)(對(duì)于a面基板、r面基板等也同樣)。在c面藍(lán)寶石基板上經(jīng)外延生長(zhǎng)而得到的GaN類半導(dǎo)體晶體中高密度地包含因 晶格失配而引起的位錯(cuò)缺陷。作為解決該問(wèn)題的方法之一，已開發(fā)出下述外延生長(zhǎng)技術(shù) (LEPS ；Lateral Epitaxy on a Patterned Substrate (圖形襯底橫向外延技術(shù)))通過(guò)利 用蝕刻等方法對(duì)基板表面進(jìn)行加工以獲得凹凸面，從而使GaN類半導(dǎo)體晶體產(chǎn)生橫向生長(zhǎng) 模式(專利文獻(xiàn)1、專利文獻(xiàn)2)。此外，已知使用使半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng)的表面為凹凸面的藍(lán)寶 石基板(以下也稱為“藍(lán)寶石加工基板(Patterned Sapphire Substrate)”)來(lái)形成GaN類 半導(dǎo)體發(fā)光元件時(shí)，除了取得位錯(cuò)缺陷的降低效果之外，還能夠獲得提高出光效率的效果 (專利文獻(xiàn)3)。專利文獻(xiàn)1 國(guó)際公開第2000/55893號(hào)小冊(cè)子專利文獻(xiàn)2 國(guó)際公開第2002/23604號(hào)小冊(cè)子專利文獻(xiàn)3 國(guó)際公開第2002/75821號(hào)小冊(cè)子

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的課題對(duì)于GaN類半導(dǎo)體發(fā)光元件，不僅要求擴(kuò)大其用途，還要求實(shí)現(xiàn)其發(fā)光效率的進(jìn) 一步提高。這些要求對(duì)于使用了藍(lán)寶石單晶基板、硅單晶基板等廉價(jià)基板的通用品也不例 外。為了提高發(fā)光效率，必須要使構(gòu)成發(fā)光元件的GaN類半導(dǎo)體晶體、尤其要使構(gòu)成發(fā)光部 的GaN類半導(dǎo)體晶體中所含的晶格缺陷的密度進(jìn)一步降低。此外，將發(fā)光元件內(nèi)部產(chǎn)生的 光更有效地導(dǎo)出至元件外部、即提高出光效率也是很重要的。本發(fā)明就是在上述背景下完成的，其主要目的在于提供一種外延生長(zhǎng)用基板，所 述外延生長(zhǎng)用基板具備新穎的凹凸面圖案，這樣的凹凸面圖案能夠有助于GaN類半導(dǎo)體發(fā) 光元件的發(fā)光效率的改善。解決問(wèn)題的方法使c軸取向的GaN類半導(dǎo)體晶體在由不同于GaN類半導(dǎo)體的材料形成的基板上 進(jìn)行外延生長(zhǎng)時(shí)，如果采用使c軸方向的生長(zhǎng)適當(dāng)優(yōu)于垂直于c軸的方向的生長(zhǎng)(橫向生 長(zhǎng))的生長(zhǎng)條件，則可在生長(zhǎng)初期在基板表面上形成不計(jì)其數(shù)的具有<1-101>面等傾斜側(cè) 面(小面，facet)的微細(xì)三維晶體。該三維晶體經(jīng)過(guò)進(jìn)一步生長(zhǎng)，不久，這些三維晶體之間 將發(fā)生會(huì)合并形成合體。此時(shí)，會(huì)發(fā)生生長(zhǎng)模式的變化，晶體生長(zhǎng)面呈二維化(平坦化)， 與此同時(shí)，在晶體內(nèi)部沿c軸方向傳播的位錯(cuò)線發(fā)生向橫向方向的彎曲。其結(jié)果，會(huì)使達(dá)到 最終所得膜的表面的貫通位錯(cuò)密度減少。上述生長(zhǎng)條件可通過(guò)用以進(jìn)行生長(zhǎng)參數(shù)(載氣種 類、生長(zhǎng)壓力、生長(zhǎng)溫度等)最優(yōu)化的反復(fù)試驗(yàn)方法(試行錯(cuò)誤)來(lái)找出。但即使采用上述生長(zhǎng)條件，由于在外延生長(zhǎng)用表面為平坦面的基板上，三維晶體 之間的合體會(huì)加速進(jìn)行，因而會(huì)導(dǎo)致生長(zhǎng)面的二維化在短時(shí)間內(nèi)完成，基于上述機(jī)理的位 錯(cuò)減少無(wú)法充分進(jìn)行。另一方面，在外延生長(zhǎng)用表面為凹凸面的基板、即利用高度差從空間 上將可進(jìn)行晶體生長(zhǎng)的區(qū)域分割開的基板上，由于在各區(qū)域生長(zhǎng)的三維晶體之間的合體受 到阻礙，因此可使生長(zhǎng)面的二維化變得緩慢，這樣一來(lái)，基于上述機(jī)理的位錯(cuò)減少效果可得 以長(zhǎng)期持續(xù)。本發(fā)明經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于外延生長(zhǎng)用表面為凹凸面的基板，通過(guò)設(shè)法活用其凹凸 面的圖案，能夠進(jìn)一步提高利用該基板獲得的上述位錯(cuò)減少效果。本發(fā)明基于上述發(fā)現(xiàn)而 完成。根據(jù)本發(fā)明，提供具有下述結(jié)構(gòu)的外延生長(zhǎng)用基板一種外延生長(zhǎng)用基板，其至少在表層部分具有由不同于GaN類半導(dǎo)體的材料構(gòu)成 的單晶部，并具有包含多個(gè)凸部和多個(gè)生長(zhǎng)空間的凹凸面作為其外延生長(zhǎng)用表面，其中，所 述多個(gè)凸部的排列使得每個(gè)凸部分別在相隔120度的不同方向上具有3個(gè)最接近的其它凸 部；所述多個(gè)生長(zhǎng)空間中的每個(gè)生長(zhǎng)空間被6個(gè)上述凸部所包圍，上述單晶部至少在上述生長(zhǎng)空間處露出，由此可從上述生長(zhǎng)空間中生長(zhǎng)出c軸取 向的GaN類半導(dǎo)體晶體。本發(fā)明的上述外延生長(zhǎng)用基板的第一特征在于在外延生長(zhǎng)用表面上設(shè)置有由6 個(gè)凸部包圍的生長(zhǎng)空間(相當(dāng)于凹部的底面)，并可從該空間中生長(zhǎng)出c軸取向的GaN類半 導(dǎo)體晶體。上述凸部呈二維排布，且每個(gè)凸部分別在相隔120度的不同方向上具有3個(gè)最接近的其它凸部，因此上述生長(zhǎng)空間的形狀為正六邊形或近似正六邊形的形狀。這樣一來(lái)， 在使c軸方向的生長(zhǎng)適當(dāng)優(yōu)于橫向生長(zhǎng)的生長(zhǎng)條件下，在該基板上使GaN類半導(dǎo)體晶體生 長(zhǎng)時(shí)，在每個(gè)生長(zhǎng)空間中將會(huì)形成與生長(zhǎng)空間的尺寸相適應(yīng)的六棱錐狀或六角錐臺(tái)狀的三 維晶體。具有這類形狀的晶體，因其側(cè)面面積與體積之比較大，因而其晶體生長(zhǎng)面在進(jìn)行二 維化時(shí)會(huì)產(chǎn)生良好的位錯(cuò)減少效果。其理由在于，伴隨該生長(zhǎng)模式變化而改變傳播方向的 是在形成三維晶體的過(guò)程中達(dá)到其側(cè)面的位錯(cuò)線。本發(fā)明的上述外延生長(zhǎng)用基板的第二特征在于確定外延生長(zhǎng)用表面的凹凸圖 案，以使上述生長(zhǎng)空間的配置達(dá)到最密。由此，在采用上述生長(zhǎng)條件時(shí)，可使在外延生長(zhǎng)用 表面上形成的六棱錐狀或六角錐臺(tái)狀晶體的密度達(dá)到最大，因此其晶體生長(zhǎng)面在進(jìn)行二維 化時(shí)所產(chǎn)生的位錯(cuò)減少效果也會(huì)達(dá)到最大。另一方面，還可以使單晶部在凸部上露出，以使凸部上也容許進(jìn)行外延生長(zhǎng)，但由 于凸部上晶體所能夠采取的形狀限制小，因而GaN類半導(dǎo)體晶體會(huì)顯示出自發(fā)地呈現(xiàn)能量 穩(wěn)定的棱錐狀或角錐臺(tái)狀的傾向。在本發(fā)明的上述外延生長(zhǎng)用基板中，如上所述，最密地配置有被6個(gè)凸部包圍的 生長(zhǎng)空間，而這也使外延生長(zhǎng)用表面上凹部和凸部的邊界、即高度差的密度得以最大化。在 高度差處，會(huì)發(fā)生光的散射或漫反射，因而可使包含該外延生長(zhǎng)用基板而構(gòu)成的GaN類半 導(dǎo)體發(fā)光元件顯示出優(yōu)異的出光效率。上述生長(zhǎng)空間的優(yōu)選形狀為正六邊形。這是由于，c軸取向的GaN類半導(dǎo)體晶體 在進(jìn)行三維生長(zhǎng)時(shí)，容易作為能量穩(wěn)定的形狀而采取的形狀是六棱錐狀或六角錐臺(tái)狀。使 生長(zhǎng)空間為正六邊形時(shí)，可穩(wěn)定地形成與該生長(zhǎng)空間的形狀相適應(yīng)的六棱錐狀或六角錐臺(tái) 狀的GaN類半導(dǎo)體晶體，因而晶體生長(zhǎng)面的二維化將變得最為緩慢。由此，可使基于上述機(jī) 理的位錯(cuò)減少效果實(shí)現(xiàn)最為長(zhǎng)久的持續(xù)。需要指出的是，上述生長(zhǎng)空間的形狀為正六邊形時(shí)，對(duì)基板表面進(jìn)行俯視觀察時(shí)， 由凸部和生長(zhǎng)空間所形成的圖案呈竹籃孔圖案。作為一個(gè)實(shí)施方式，上述凹凸面可通過(guò)使用設(shè)有正六邊形開口部的竹籃孔圖案的 蝕刻掩模對(duì)單晶部進(jìn)行干法刻蝕加工而形成。根據(jù)加工條件的不同，即使使用竹籃孔圖案 的蝕刻掩模，也可能出現(xiàn)因加工中蝕刻掩模發(fā)生變形而導(dǎo)致形成的凹凸面的圖案偏離理想 的竹籃孔圖案的情況。在本發(fā)明的上述外延生長(zhǎng)用基板中，上述單晶部可僅存在于基板的表層部分。另 外，本發(fā)明的上述外延生長(zhǎng)用基板可以是整體上由一個(gè)單晶構(gòu)成的單晶基板。作為優(yōu)選的 實(shí)施方式，上述外延生長(zhǎng)用基板為利用干法刻蝕加工使表面成為凹凸面的單晶藍(lán)寶石基 板、尤其優(yōu)選為c面藍(lán)寶石基板。對(duì)于c軸取向的GaN類半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng)為六棱錐狀或六角錘臺(tái)狀的情況，其側(cè)面 易成為r面(可以認(rèn)為，側(cè)面成為r面的生長(zhǎng)條件窗口比側(cè)面成為其它面的生長(zhǎng)條件窗口 更寬)。因此，作為外延生長(zhǎng)用基板的優(yōu)選實(shí)施方式，具有下述結(jié)構(gòu)將相鄰的2個(gè)上述生 長(zhǎng)空間的中心彼此連接而得到的直線平行于從生長(zhǎng)空間生長(zhǎng)出的c軸取向的GaN類半導(dǎo)體 晶體的a軸。這是由于，如果采取上述結(jié)構(gòu)，在形成以r面為側(cè)面的六棱錐狀或六角錘臺(tái)狀 晶體時(shí)，晶體形狀適應(yīng)于生長(zhǎng)空間的形狀。在本發(fā)明的上述外延生長(zhǎng)用基板中，設(shè)置在外延生長(zhǎng)用表面的凸部的表面可以
6是不會(huì)使GaN類半導(dǎo)體晶體進(jìn)行生長(zhǎng)的表面。例如，凸部的表面可以由在EL0(EpitaXial Lateral Overgrowth，橫向外延過(guò)生長(zhǎng))法中用于生長(zhǎng)掩模的材料，即非晶質(zhì)氧化硅、氮化 硅形成?；蛘?，也可以在凸部表面吸附非表面活性(anti-surfactant)物質(zhì)。還包括下述 情況通過(guò)使凸部表面成為向外側(cè)膨脹的曲面，來(lái)抑制在該表面上進(jìn)行的GaN類半導(dǎo)體晶 體的生長(zhǎng)。發(fā)明的效果通過(guò)使用本發(fā)明的外延生長(zhǎng)用基板，可形成適于發(fā)光元件且位錯(cuò)密度低的高品質(zhì) GaN類半導(dǎo)體膜。此外，通過(guò)使GaN類半導(dǎo)體發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)中含有本發(fā)明的外延生長(zhǎng)用基板，可 獲得高出光效率、優(yōu)異的發(fā)光功率，因此可適宜地將其用于照明等要求高功率的用途。


圖1是用來(lái)說(shuō)明制作實(shí)施例的外延生長(zhǎng)用基板時(shí)作為蝕刻掩模使用的光致抗蝕 劑膜的圖案的圖。圖2是從正上方觀察實(shí)施例的外延生長(zhǎng)用基板的凹凸面時(shí)的SEM圖像。圖3是示出實(shí)施例的外延生長(zhǎng)用基板上GaN晶體的生長(zhǎng)情況的SEM圖像。圖4是示出實(shí)施例的外延生長(zhǎng)用基板上GaN晶體的生長(zhǎng)情況的SEM圖像。圖5是由形成于實(shí)施例的外延生長(zhǎng)用基板上的GaN類半導(dǎo)體構(gòu)成的外延層的截面 SEM圖像。圖6是由形成于實(shí)施例的外延生長(zhǎng)用基板上的GaN類半導(dǎo)體構(gòu)成的外延層的截面 的陰極射線發(fā)光圖像。圖7是由形成于實(shí)施例的外延生長(zhǎng)用基板上的GaN類半導(dǎo)體構(gòu)成的外延層的表面 的陰極射線發(fā)光圖像。圖8示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中涉及的外延生長(zhǎng)用基板的結(jié)構(gòu)的圖，圖8 (a)為 俯視圖，圖8(b)為圖8(a)中X-Y線位置處的剖面圖。圖9是用來(lái)說(shuō)明外延生長(zhǎng)用表面上凸部排列的圖。
圖10是示出本發(fā)明的一 個(gè)實(shí)施方式中涉及的外延生長(zhǎng)用基板的結(jié)構(gòu)的俯視圖。
圖11是示出本發(fā)明的一 個(gè)實(shí)施方式中涉及的外延生長(zhǎng)用基板的結(jié)構(gòu)的俯視圖。
圖12是示出本發(fā)明的一-個(gè)實(shí)施方式中涉及的GaN類半導(dǎo)體發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
符號(hào)說(shuō)明
1外延生長(zhǎng)用基板
2GaN類半導(dǎo)體發(fā)光元件
11凸部
12生長(zhǎng)空間
21外延生長(zhǎng)用基板
22非摻雜層
23η型接觸層
24η型包覆(clad)層
25有源層26p型包覆層27p型接觸層28正側(cè)電極
具體實(shí)施例方式(外延生長(zhǎng)用基板)圖8示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中的外延生長(zhǎng)用基板的結(jié)構(gòu)。圖8(a)是從正 上方觀察到的基板的外延生長(zhǎng)用表面的俯視圖，圖8(b)是圖8(a)中X-Y線位置處的剖面 圖。外延生長(zhǎng)用基板1的表層部分具有由不同于GaN類半導(dǎo)體的材料構(gòu)成的單晶部 la，在被制成凹凸面的外延生長(zhǎng)用表面上，排列有多個(gè)凸部11，同時(shí)還設(shè)置有多個(gè)生長(zhǎng)空間 12，其中，每個(gè)生長(zhǎng)空間均被6個(gè)凸部11所包圍。結(jié)合圖9對(duì)凸部11的排列進(jìn)行說(shuō)明任 一凸部11均如圖9中的凸部110那樣，分別在相隔120度的不同方向A、方向B、及方向C 上具有3個(gè)與之最為接近的其它凸部111、112、113。生長(zhǎng)空間12的表面為單晶部Ia的露出面，通過(guò)將該表面作為特定的晶面，可實(shí)現(xiàn) 從生長(zhǎng)空間12處進(jìn)行c軸取向的GaN類半導(dǎo)體晶體的外延生長(zhǎng)。作為如上所述的晶面，可 參見公知技術(shù)的記載，而作為其實(shí)例，包括藍(lán)寶石的c面、藍(lán)寶石的a面、6H-SiC的(0001) 面、鎂尖晶石的(111)面、硅的(111)面、ZnO的c面等。在圖8的實(shí)例中，凸部的上表面Ila的形狀為正三角形，對(duì)該形狀并無(wú)限制，只要 基本上具有三重軸對(duì)稱性(3回回転対稱性)的形狀即可。圖10及圖11是當(dāng)使凸部上表 面形狀為除正三角形以外的其它形狀時(shí)，從正上方觀察到的外延生長(zhǎng)用基板的凹凸面的俯 視圖。當(dāng)使凸部11的上表面Ila為正三角形或近似正三角形的形狀時(shí)，其頂點(diǎn)間距離 (對(duì)于正三角形的情況，等于其一邊的邊長(zhǎng))優(yōu)選為0. 5 μ m 5 μ m，更優(yōu)選為1 μ m 3 μ m， 尤其優(yōu)選為1. 5 μ m 2. 5 μ m。如果該距離過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致能夠在外延生長(zhǎng)用表面形成的生 長(zhǎng)空間12的個(gè)數(shù)密度降低，由此，不僅會(huì)引起位錯(cuò)減少效果的降低，而且對(duì)于在該基板上 形成發(fā)光元件的情況，還無(wú)法獲得充分的出光效果。凸部11的側(cè)面lib與生長(zhǎng)空間12的表面所成的角度θ優(yōu)選為45度 90度、更 優(yōu)選為60度 90度、尤其優(yōu)選為70度 90度。如果該角度θ過(guò)小，則會(huì)導(dǎo)致生長(zhǎng)空間 12的輪廓變得不清楚，這樣一來(lái)，會(huì)導(dǎo)致晶體從生長(zhǎng)空間12露出，容易進(jìn)行二維生長(zhǎng)，進(jìn)而 引起位錯(cuò)減少效果降低。凸部11的高度h優(yōu)選為0. 2μπι 5μπι，更優(yōu)選為0. 5μπι 3μπι，尤其優(yōu)選為 Ιμπι 2μπι。如果凸部11的高度h過(guò)小，則會(huì)導(dǎo)致生長(zhǎng)空間12的輪廓變得不清楚，這樣 一來(lái)，會(huì)導(dǎo)致晶體從生長(zhǎng)空間12露出，容易進(jìn)行二維生長(zhǎng)，進(jìn)而引起位錯(cuò)減少效果降低。當(dāng) 凸部11的高度h較小時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致由凸部11引起的光的散射及漫反射程度減小。而如果 凸部11的高度h過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致在凹凸面上進(jìn)行外延生長(zhǎng)的晶體的生長(zhǎng)面達(dá)到二維化所需 的生長(zhǎng)時(shí)間變得過(guò)長(zhǎng)。(GaN類半導(dǎo)體發(fā)光元件)
8
圖12示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中的GaN類半導(dǎo)體發(fā)光元件的剖面圖。在該GaN 類半導(dǎo)體發(fā)光元件2的外延生長(zhǎng)用基板21上，隔著緩沖層(無(wú)圖示)依次具有由GaN類半 導(dǎo)體晶體構(gòu)成的非摻雜層22、n型接觸層23、n型包覆層24、有源層25、p型包覆層26、p型 接觸層27;并在ρ型接觸層27上形成有包含正歐姆電極(正* 一 S ,々電極)28a和焊盤 (bonding pad) 28b的正側(cè)電極28 ；另外，在經(jīng)過(guò)干法刻蝕加工而使其部分露出的η型接觸 層23的表面上，形成有兼作歐姆電極和焊盤的負(fù)側(cè)電極29。外延生長(zhǎng)用基板21是實(shí)施了本發(fā)明而得到的基板，該基板至少在其表層部分具 有由不同于GaN類半導(dǎo)體的材料構(gòu)成的單晶部，并具有包含多個(gè)凸部和多個(gè)生長(zhǎng)空間的凹 凸面作為其外延生長(zhǎng)用表面，所述多個(gè)凸部的排列使得每個(gè)凸部分別在相隔120度的不同 方向上具有3個(gè)最接近的其它凸部，且所述多個(gè)生長(zhǎng)空間中的每個(gè)生長(zhǎng)空間均被6個(gè)上述 凸部所包圍，另外，上述單晶部至少在上述生長(zhǎng)空間露出。從非摻雜層22到ρ型接觸層27 的GaN類半導(dǎo)體晶體層在該基板21上呈c軸取向地進(jìn)行外延生長(zhǎng)。非摻雜層22是不含有有意添加的雜質(zhì)的、膜厚2 μ m 6 μ m的GaN層。η型接觸 層23是摻雜了作為η型雜質(zhì)的Si (硅)、且載流子濃度為1 X IO18CnT3 2X IO19CnT3、膜厚 為2 μ m 6 μ m的GaN層。η型包覆層24是摻雜了作為η型雜質(zhì)的Si、且載流子濃度為 1 X IO17CnT3 5Χ 1018cnT3、膜厚為 IOnm 500nm 的 AlGaN 層或 InGaN 層。有源層 25 具有 多量子阱結(jié)構(gòu)，該多量子阱結(jié)構(gòu)由膜厚Inm IOnm的InxlGai_xlN(0 < xl ^ 1)阱層和膜厚 Inm 20nm的Inx2Gai_x2N(0 ^ x2 < xl)勢(shì)壘層(障壁層)交替層疊而成。有源層的勢(shì)壘層 中優(yōu)選摻雜Si，并且，對(duì)于發(fā)光波長(zhǎng)小于400nm的情況，優(yōu)選用包含AlN的混晶來(lái)形成阱層 和/或勢(shì)壘層。ρ型包覆層26是以1 X IO19CnT3 5X 102°cm_3的濃度摻雜有Mg(鎂)、且膜 厚為 IOnm 200nm 的 AlylGai_ylN(0. 05 < yl 彡 0. 4)層。ρ 型接觸層 27 是以 5 X IO19CnT3 5 X IO2W的濃度摻雜有Mg (鎂)、且膜厚為20nm 200nm的Aly2Gai_y2N(0彡yl彡0. 05)。正歐姆電極28a優(yōu)選由ITO(錮錫氧化物)、氧化銦、氧化錫、氧化鋅、ΙΖ0(銦鋅氧 化物)等透明導(dǎo)電性氧化物形成。作為焊盤28b，優(yōu)選由Al、Ag、Ni或鉬族金屬形成其與正 歐姆電極相接觸的部分，并由Au形成其表層部。而對(duì)于負(fù)電極29，優(yōu)選由Al、Ti、W或透明 導(dǎo)電性氧化物形成其與η型接觸層23相接觸的部分，并由Au形成其表層部。實(shí)施例以下，結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更為具體的說(shuō)明。(實(shí)施例1)在單面經(jīng)過(guò)了鏡面加工(外延生長(zhǎng)用)的直徑2英寸的c面藍(lán)寶石基板的經(jīng)過(guò)鏡 面加工的一面上，形成了蝕刻掩模用光致抗蝕劑膜。接著，利用光刻技術(shù)將該光致抗蝕劑膜 成形為圖1中完全被涂成黑色的部分所呈現(xiàn)的圖案。如圖1所示，在由三角形T和六角形H 所構(gòu)成的圖案中，三角形T是面積全部相等的正三角形，六角形H是面積全部相等的正六邊 形，并且這些六邊形的配置使各六邊形的中心位于三角晶格的晶格結(jié)點(diǎn)上。由三角形T和 六邊形H構(gòu)成的上述圖案被稱為竹籃孔圖案。將光致抗蝕劑膜圖案的方向確定為使三角形 的各邊與藍(lán)寶石的m軸相平行的方向，并將三角形各邊的邊長(zhǎng)設(shè)定為2 μ m。對(duì)光致抗蝕劑膜進(jìn)行圖案化之后，利用反應(yīng)性離子蝕刻(RIE)法在基板表面未被 光致抗蝕劑膜覆蓋的部分形成了深I(lǐng)ym的凹部。此時(shí)，使RIE的選擇比為0.9。S卩，使藍(lán)寶 石的蝕刻速度為光致抗蝕劑膜的蝕刻速度的0. 9倍。
形成凹部后，利用脫膜(remover)液從基板上除去光致抗蝕劑膜，然后再將經(jīng)過(guò) 加工的基板表面暴露在氧等離子體中以將其殘?jiān)餐耆?。從正上方?duì)由此得到的藍(lán)寶 石加工基板的凹凸面進(jìn)行觀察而得到的SEM圖像如圖2所示。從上方觀察時(shí)可知，具有與 蝕刻掩模的圖案相對(duì)應(yīng)的凸部圖案的凹凸面圖案的凸部、即具有正三角形上表面的三棱柱 狀或三角錐臺(tái)狀的凸部與將凸部間分隔開的正六邊形空間(每個(gè)空間被6個(gè)凸部包圍)形 成了呈竹籃孔圖案設(shè)置的凹凸面圖案。(實(shí)施例2)將實(shí)施例1中制作的藍(lán)寶石加工基板設(shè)置于MOVPE裝置的生長(zhǎng)爐內(nèi)，通過(guò)在氫氣 氛圍中加熱來(lái)進(jìn)行表面清潔，然后將基板溫度降至400°C，從而在凹凸面上生長(zhǎng)出IOnm的 AlGaN低溫緩沖層。接著，使基板溫度升高至可進(jìn)行單晶生長(zhǎng)的溫度，使用三甲基鎵(TMG)作為第3族 原料、并使用氨作為第5族原料，使非摻雜GaN進(jìn)行生長(zhǎng)。此時(shí)，供給至生長(zhǎng)爐內(nèi)的氣體量 為氮?dú)?0slm、氫氣20slm、氨IOslm;并且TMG的供給量為200μπιΟ1/分鐘。將生長(zhǎng)時(shí)間 設(shè)定為在通常的平坦基板上生長(zhǎng)1 μ m所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。對(duì)這樣生長(zhǎng)了 GaN晶體的晶片表面進(jìn)行斜向觀察，其SEM圖像如圖3所示。另夕卜， 以更高倍率對(duì)同一表面進(jìn)行觀察所得到的SEM圖像如圖4所示。由這些SEM圖像可知，從 形成在基板表面的凸部的上表面、和將凸部間分隔開的正六邊形空間(由6個(gè)凸部包圍的 空間)分別發(fā)生了 GaN晶體的生長(zhǎng)，所述GaN晶體為具有相對(duì)于基板的厚度方向傾斜的側(cè) 面的小面結(jié)構(gòu)的晶體。(實(shí)施例3)在實(shí)施例1中制作的藍(lán)寶石加工基板上，按照與實(shí)施例2相同的方法使非摻雜GaN 晶體生長(zhǎng)。其中，在實(shí)施例2中將非摻雜GaN晶體的生長(zhǎng)時(shí)間設(shè)定為在通常的平坦基板上 生長(zhǎng)Iym所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，但在本實(shí)施例3中，將該生長(zhǎng)時(shí)間設(shè)定為在通常的平坦基板上生 長(zhǎng)4μπι所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。盡管本實(shí)施例中采用了與實(shí)施例2相同的生長(zhǎng)條件，但由于如上所 述地延長(zhǎng)了生長(zhǎng)時(shí)間，因而使得非摻雜GaN晶體的生長(zhǎng)面變得平坦。接著，在進(jìn)行了非摻雜GaN晶體的生長(zhǎng)之后，為了形成發(fā)光元件結(jié)構(gòu)，依次進(jìn)行了 下述各層的生長(zhǎng)摻雜Si的GaN層(兼作包覆層和接觸層)、InGaN/GaN有源層、以及摻雜 Mg的AlGaN層。對(duì)于摻雜Si的GaN層，使其Si濃度為5 X 1018cm_3、膜厚為4 μ m。對(duì)于InGaN/ GaN有源層，使其為由InGaN阱層和GaN勢(shì)壘層交替層疊而成的多量子阱結(jié)構(gòu)。對(duì)于摻雜Mg 的AlGaN層，使其為在由Ala 09Ga0.91N構(gòu)成的厚170nm的包覆層上層疊了由Ala 03Ga0.97N構(gòu)成 的厚40nm的接觸層的兩層結(jié)構(gòu)。使上述制作的外延晶片斷裂，并對(duì)其外延生長(zhǎng)層部分的截面進(jìn)行了 SEM觀察，如 圖5所示，確認(rèn)到了非摻雜GaN晶體的生長(zhǎng)，其中，該生長(zhǎng)的非摻雜GaN晶體填充于藍(lán)寶石 加工基板的凹部。另外，獲得了外延生長(zhǎng)層部分的截面的陰極射線發(fā)光圖像(CL像)，如圖 6所示，在與藍(lán)寶石加工基板的各凹部相鄰的部分上，明確地觀察到了與周圍亮度不同的三 角形區(qū)域。由此可知在非摻雜GaN晶體的生長(zhǎng)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)在藍(lán)寶石加工基板的各正六邊 形狀空間上生長(zhǎng)出六棱錐狀晶體的狀態(tài)，發(fā)生了生長(zhǎng)面的平坦化。此外，獲得的外延生長(zhǎng)層表面的陰極射線發(fā)光圖像如圖7所示，存在位錯(cuò)缺陷的 部分所顯示出的暗點(diǎn)(因發(fā)光復(fù)合的效率局部較低而表現(xiàn)為較暗的部分)呈分散狀態(tài)，而這種分散與藍(lán)寶石加工基板的凹凸面圖案無(wú)關(guān)。該結(jié)果與實(shí)施例2中的SEM觀察結(jié)果(圖 3、圖4)非常吻合。即，在非摻雜GaN層的生長(zhǎng)初期階段，為了從藍(lán)寶石加工基板的凸部上 表面和正六邊形狀空間分別生長(zhǎng)出小面結(jié)構(gòu)的晶體，在其后的生長(zhǎng)面平坦化過(guò)程中，在凸 部上表面和正六邊形狀空間這兩者的上方發(fā)生了位錯(cuò)線的彎曲，其結(jié)果，導(dǎo)致到達(dá)外延層 表面的位錯(cuò)線的分布不再反映藍(lán)寶石加工基板的凹凸面圖案。另外，外延層表面的所述暗 點(diǎn)的面密度( 位錯(cuò)缺陷的密度)的值較低，為lX108cnT2。(實(shí)施例4)在實(shí)施例3中制作的外延晶片的各元件形成部形成了正負(fù)電極。并在Alatl3Gaa97N 接觸層上形成了作為正歐姆電極的ITO膜，在其歐姆電極的一部分上形成金屬制的焊盤。 在利用RIE實(shí)現(xiàn)了部分露出的摻雜Si的GaN層表面上形成兼作歐姆電極和焊盤的負(fù)側(cè)電 極。電極形成后，對(duì)藍(lán)寶石加工基板的背面進(jìn)行拋光，以使晶片的厚度減至100 μ m以下，并 在此基礎(chǔ)上，利用劃線器(scriber)將晶片分割為各元件形成部，由此得到了 350 μ m見方 的板狀GaN類半導(dǎo)體發(fā)光元件芯片。隔著輔助座(submoimt)將該發(fā)光元件芯片倒裝式安 裝在晶體管管座(stem)上，并利用積分球?qū)β阈酒瑴y(cè)定通以20mA電流時(shí)的發(fā)光功率，結(jié)果 顯示出15mW這樣的高值。(比較例)除了使光致抗蝕劑膜的圖案為將直徑2 μ m的圓設(shè)置于三角晶格的晶格結(jié)點(diǎn)的圖 案以外，按照與實(shí)施例1相同的方法制作了藍(lán)寶石加工基板。在上述圖案中，使相鄰2個(gè)圓 的中心之間的距離為4 μ m。所得藍(lán)寶石加工基板的表面為凹凸面，該凹凸面是將上表面的 直徑略小于底面直徑的多個(gè)圓錐臺(tái)狀的凸部設(shè)置在三角晶格的晶格結(jié)點(diǎn)上的凹凸面。除了 使用該藍(lán)寶石加工基板以外，按照與實(shí)施例3相同的方法制作了外延晶片，并考察了其外 延層表面的位錯(cuò)缺陷的密度，結(jié)果為2X 108cnT2。另外，除了使用該藍(lán)寶石加工基板以外，按 照與實(shí)施例4相同的方法制作了發(fā)光元件芯片，并測(cè)定了其發(fā)光功率，結(jié)果為13mW。本發(fā)明并不限于說(shuō)明書及附圖中明確記載的實(shí)施方式或?qū)嵤├?，在不破壞本發(fā)明 的要點(diǎn)的范圍內(nèi)可以作出各種變更。本申請(qǐng)基于2008年2月15日提交的日本專利申請(qǐng)(特愿2008-034275號(hào))而提 出，其內(nèi)容作為參考引入到本申請(qǐng)中。
權(quán)利要求
一種外延生長(zhǎng)用基板，該基板至少在表層部分具有由不同于GaN類半導(dǎo)體的材料構(gòu)成的單晶部，并且具有包含多個(gè)凸部和多個(gè)生長(zhǎng)空間的凹凸面作為其外延生長(zhǎng)用表面，其中，所述多個(gè)凸部的排列使得每個(gè)凸部分別在相隔120度的不同方向上具有3個(gè)最接近的其它凸部；所述多個(gè)生長(zhǎng)空間中的每個(gè)生長(zhǎng)空間被6個(gè)上述凸部所包圍，上述單晶部的至少在上述生長(zhǎng)空間處露出，由此能夠從上述生長(zhǎng)空間中生長(zhǎng)出c軸取向的GaN類半導(dǎo)體晶體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外延生長(zhǎng)用基板，其中，對(duì)所述外延生長(zhǎng)用表面進(jìn)行俯視觀 察時(shí)，所述凸部和所述生長(zhǎng)空間呈竹籃孔圖案。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外延生長(zhǎng)用基板，其中，所述外延生長(zhǎng)用表面是通過(guò)使用設(shè) 有正六邊形開口部的竹籃孔圖案的蝕刻掩模對(duì)所述單晶部表面進(jìn)行干法刻蝕加工而形成 的凹凸面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的外延生長(zhǎng)用基板，其中，所述凸部為所述單晶部 的一部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的外延生長(zhǎng)用基板，其中，至少所述單晶部由藍(lán)寶 石構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的外延生長(zhǎng)用基板，其中，包含表層部分在內(nèi)的整個(gè)基板由單 晶藍(lán)寶石構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的外延生長(zhǎng)用基板，其是通過(guò)對(duì)c面藍(lán)寶石基板進(jìn)行干法刻蝕 加工來(lái)形成所述外延生長(zhǎng)用表面而得到的。
8.—種外延生長(zhǎng)用基板，其是通過(guò)對(duì)c面藍(lán)寶石基板進(jìn)行干法刻蝕加工而形成的，且 該基板具有由凸部和生長(zhǎng)空間配置而成的、俯視觀察時(shí)呈竹籃孔圖案的凹凸面作為外延生 長(zhǎng)用表面，其中，所述凸部是具有基本呈正三角形的上表面的三棱柱狀或三角錐臺(tái)狀凸部； 所述生長(zhǎng)空間是被6個(gè)上述凸部所包圍的正六邊形的生長(zhǎng)空間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1 8中任一項(xiàng)所述的外延生長(zhǎng)用基板，其中，由2個(gè)相鄰的所述生長(zhǎng) 空間的中心彼此連接而成的直線平行于從所述生長(zhǎng)空間生長(zhǎng)出的c軸取向的GaN類半導(dǎo)體 晶體的a軸。
10.一種GaN類半導(dǎo)體膜的制造方法，該方法包括使c軸取向的GaN類半導(dǎo)體晶體在權(quán) 利要求1 9中任一項(xiàng)所述的外延生長(zhǎng)用基板上進(jìn)行外延生長(zhǎng)的晶體生長(zhǎng)步驟。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制造方法，其中，所述晶體生長(zhǎng)步驟包含形成下述結(jié)構(gòu)體 的步驟，所述結(jié)構(gòu)體是在所述外延生長(zhǎng)用基板的每個(gè)所述生長(zhǎng)空間中各形成一個(gè)六棱錐狀 或六角錐臺(tái)狀GaN類半導(dǎo)體晶體而得到的結(jié)構(gòu)體。
12.—種GaN類半導(dǎo)體膜，其是利用權(quán)利要求11所述的制造方法制造的。
13.一種GaN類半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法，該制造方法包括如下步驟通過(guò)進(jìn)行外延 生長(zhǎng)在權(quán)利要求12所述的GaN類半導(dǎo)體膜上形成至少包含有源層和用以?shī)A持該有源層的 兩個(gè)包覆層的多個(gè)GaN類半導(dǎo)體晶體層。
14.一種GaN類半導(dǎo)體發(fā)光元件，其具有權(quán)利要求1 9中任一項(xiàng)所述的外延生長(zhǎng)用基 板、和使c軸取向的GaN類半導(dǎo)體晶體在該基板上進(jìn)行外延生長(zhǎng)而形成的GaN類半導(dǎo)體膜， 其中，該GaN類半導(dǎo)體膜含有至少包含有源層和用以?shī)A持該有源層的兩個(gè)包覆層的多個(gè)GaN 類半導(dǎo)體晶體層。
全文摘要
本發(fā)明的外延生長(zhǎng)用基板至少在表層部分具有由不同于GaN類半導(dǎo)體的材料構(gòu)成的單晶部；并且具有包含多個(gè)凸部和多個(gè)生長(zhǎng)空間的凹凸面作為其外延生長(zhǎng)用表面，其中，所述多個(gè)凸部的排列使得每個(gè)凸部分別在相隔120度的不同方向上具有3個(gè)最接近的其它凸部；所述多個(gè)生長(zhǎng)空間中的每個(gè)生長(zhǎng)空間被6個(gè)上述凸部所包圍；上述單晶部至少在上述生長(zhǎng)空間處露出，并可由此實(shí)現(xiàn)從上述生長(zhǎng)空間中生長(zhǎng)出c軸取向的GaN類半導(dǎo)體晶體。
文檔編號(hào)H01L33/00GK101939820SQ20098010432
公開日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2009年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月15日
發(fā)明者中井輝久, 岡川廣明, 工藤?gòu)V光, 金成珍 申請(qǐng)人:三菱化學(xué)株式會(huì)社