[发明专利]氮化物半导体元件和氮化物半导体结晶层的生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及使用氮化物半导体的发光二极管(LED)和激光二极管等的发光元件，HEMT等的晶体管元件等、使用氮化物半导体结晶层的半导体元件和该氮化物半导体结晶层的生长方法。更加详细来说，即使在使氮化物半导体在与该氮化物半导体晶格不匹配的基板上生长的情况下，也外延生长结晶性优异的氮化物半导体结晶层的方法和使用该氮化物半导体结晶层的氮化物半导体元件。

背景技术

近年来，使用氮化物半导体的蓝色系发光二极管(LED)和激光二极管等的氮化物半导体发光元件逐渐实用化。由于作为同型(homo)生长基板的GaN基板非常昂贵，所以这种氮化物半导体层多在蓝宝石和SiC这样的与氮化物半导体晶格不匹配的基板上生长。在此，所谓与氮化物半导体晶格不匹配的基板是指具有(氮化物半导体与基板的a轴方向的晶格常数之差)/(氮化物半导体的a轴方向晶格常数)≥0.5％这样关系的基板。所以，例如有如下方法：在蓝宝石基板上，在比结晶生长的温度更低的低温下，形成非晶体状的AlGaN系化合物(意味着可以使Al和Ga之间的混晶比进行各种的变化，以下相同)等构成的低温缓冲层，在其上，在结晶生长的高温下，通过MOCVD法等使氮化物半导体结晶层外延生长而形成的方法。

作为设置有这种低温缓冲层，再使氮化物半导体层外延生长的方法，例如有使用MOCVD法在同一反应炉内，在比为了得到氮化物半导体的单晶薄膜必须的结晶生长温度(例如1020℃)更低的温度(例如500℃)下，使非晶体状的AlGaN系化合物层堆积，然后升温至适于结晶生长的温度，以在这个过程中得到的小的结晶化的核为晶种而使结晶生长的方法(例如，参照专利文献1)。此外，作为其他方法，还有以溅射法等不使用有机金属化合物的方法形成非晶体状的氮化物半导体层(例如430℃)，在氢气和氨气的混合气体的气氛下进行热处理(1000～1250℃)，然后生长氮化物半导体层的方法(例如，参照专利文献2)。

专利文献1：日本特开平4-297023号公报

专利文献2：日本特开2000-286202号公报

如上所述，目前的氮化物半导体结晶层的生长，是在与氮化物半导体晶格不匹配的基板上生长，因此在基板上，首先形成非晶体状的低温缓冲层后，使基板温度升到外延生长的温度，在低温缓冲层上形成结晶化了的核，以这个核作为晶种使氮化物半导体外延生长。所以，存在高温下不是在完全的单晶层上外延生长氮化物半导体层，而容易在其上生长的氮化物半导体层上生成结晶缺陷的问题，即使形成发光元件，阈值电流升高等也容易造成内部量子效率的降低。

此外，在上述的同一个反应炉内，若进行低温缓冲层和高温外延生长，由于不需要从空气中取出基板而可以进行结晶层的生长，所以具有可以连续形成缓冲层和外延生长层的优点，另一方面则需要能够进行200～1100℃左右这样大范围的温度控制的装置构成，加热装置需要很大，存在装置昂贵的问题。此外，在通过上述溅射形成低温缓冲层的方法中，由于在靶上发生的自偏压，产生具有数十eV这样高能量的粒子，会对基板带来损伤，所以只能制造具有空隙、柱状结构等的特殊缺陷的膜，该缺陷在其上面生长的氮氧化物半导体层上表现为贯通转移，同样具有不能外延生长结晶性能良好的氮化物半导体层的问题。

发明内容

本发明就是为了解决上述的问题而进行的发明，其目的在于提供氮化物半导体发光元件、晶体管元件等的氮化物半导体元件，其无须形成非晶体状的低温缓冲层，在与氮化物半导体晶格不匹配的基板(也包括通过氮化处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导体的a轴和c轴两者均对齐的单晶层的缓冲层，在该单晶层的缓冲层上使氮化物半导体层外延生长而得到。

本分明的另一目的在于，提供一种在蓝宝石基板等与氮化物半导体晶格不匹配的基板表面上直接生长a轴和c轴对齐的氮化物半导体单晶层的氮化物半导体层的生长方法。