[发明专利]氮化物半导体的晶体生长方法和半导体装置的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及使用了有机金属气相生长法的氮化物半导体的晶体生长方法。另外，本发明涉及氮化物系半导体元件的制造方法。本发明特别涉及从紫外到蓝色、绿色、橙色以及白色等整个可视范围的波长范围中的发光二极管、激光二极管等GaN系半导体发光元件。这种发光元件被期待应用于显示、照明以及光信息处理领域等。

背景技术

具有作为V族元素的氮(N)的氮化物半导体，根据其带隙的大小，被认为有希望作为短波长发光元件的材料。其中，包含作为III族元素的Ga的氮化镓系化合物半导体(GaN系半导体：Al_xGa_yIn_zN(0≤x，y，z≤1、x+y+z＝1)的研究盛行，蓝色发光二极管(LED)、绿色LED、以及将GaN系半导体作为材料的半导体激光器也被实用化。

GaN系半导体具有纤锌矿(wurtzite)型晶体结构。图1示意性地表示了GaN的单位晶格。Al_xGa_yIn_zN(0≤x，y，z≤1、x+y+z＝1)半导体的晶体是将图1所示的Ga的一部分置换为Al和/或In而得到的。

图2表示了纤锌矿型晶体结构的基本平移向量(primitive translation vectors)a₁、a₂、a₃、c。基本平移向量c在[0001]方向延伸，该方向称为“c轴”。与c轴垂直的面(plane)称为“c面”或“(0001)面”。并且，以Ga等III族元素结束的面称为“+c面”或“(0001)面”，以氮等V族元素结束的面称为“-c面”或“(000-1)面”，来进行区别。另外，也存在将“c轴”和“c面”分别表示为“C轴”和“C面”的情况。

在使用GaN系半导体来制作半导体元件的情况下，使用c面基板即在表面具有(0001)面的基板作为使GaN系半导体晶体生长的基板。然而，因为在c面上Ga原子和氮原子不存在于同一原子面上，所以形成极化(Electrical Polarization)。因此，“c面”也称为“极性面”。极化的结果，在活性层中的InGaN的量子井上沿着c轴方向产生压电电场。若在活性层上产生了这样的压电电场，则在活性层内的电子和孔的分布上产生位置偏差，因此由于载流子的量子限制斯塔克(Stark)效应，内部量子效率降低，若为半导体激光器，则引起阈值电流的增大，若为LED，则引起耗电量的增大和发光效率的降低。另外，在注入载流子密度上升的同时，发生压电电场的屏蔽，并产生发光波长的变化。

因此，为了解决这些课题，研究使用在表面具有非极性面，例如与[10-10]方向垂直的，称为m面的(10-10)面的基板(m面GaN系基板)。在此，在表示密勒指数的括号内的数字的左边附加的“-”代表“横线(Bar)”。m面如图2所示，是与c轴(基本平移向量c)平行的面，与c面正交。因为在m面中Ga原子和氮原子存在于同一原子面上，所以在与m面垂直的方向上不发生自发极化。其结果，若在与m面垂直的方向上形成半导体层叠结构，则在活性层上也不产生压电电场，因此能够解决上述课题。另外，m面是：(10-10)面、(-1010)面、(1-100)面、(-1100)面、(01-10)面、(0-110)面的总称。

另外，在本说明书中，将在与六方晶纤锌矿结构的X面(X＝c、m)垂直的方向上产生外延生长表述为“X面生长”。在X面生长中，将X面生称为“生长面”，将通过X面生长而形成的半导体的层称为“X面半导体层”。

专利文献1公开了通过X面生长而形成氮化化合物半导体层的方法。

专利文献1：日本特开2008-91488号公报

已知，若通过与以往的c面生长相同的生长方法，使GaN晶体层在m面GaN基板上生长，则根据生长的GaN层的厚度不同，而表面形态(morphology)发生很大变化。如同在后面详细说明的那样，在GaN层的厚度为5μm以下的情况下，在GaN层的表面形成阶地(terrace)状的形态和凹陷(pit)，并且在表面产生数μm左右的较大的高低差。若这样的高低差存在于GaN层的表面，则很难在其上同样地形成薄发光层(典型的厚度：3nm左右)。另外，在这样具有凹凸的面上形成电极并制作发光元件的情况下，因为半导体层的形成不充分，所以存在pn接合短路的情况。