[发明专利]Ⅲ族氮化物半导体外延基板

说明书

技术领域

本发明涉及III族氮化物半导体外延基板，尤其是涉及适合于紫外或深紫外区域的发光元件的III族氮化物半导体外延基板。

背景技术

一直以来，III族氮化物半导体，作为用于构成放射短波长可见光的发光二极管(LED)和激光二极管(LD)等的pn接合型结构的III族氮化物半导体发光元件的功能材料使用。该场合，为了提高发光层的品质，例如，在构成以氮化镓铟(GaInN)为发光层的呈蓝色带或绿色带的发光的LED时，在基板上形成数μm的氮化镓(GaN)(以下称为基底层)，在改善结晶性的同时，使光取出容易。另外，对于LD等的需要更好的结晶性的的器件的制作，为了进一步提高基底层的结晶性，可通过对基板或基底层进行加工而在其上沉积晶体来减少位错。而且，为了更进一步降低位错密度，使用了独立的GaN基板。

另一方面，发光层使用氮化镓、氮化铝镓或氮化铝的呈紫外或深紫外区域的发光的发光元件，由于GaN吸收360nm以下的波长，因此吸收从发光层放出的光，使发光效率降低。另外，GaN上的Al_yGa_1-yN(0＜y≤1)层，由于晶格常数差别和热膨胀系数差别而容易发生裂纹，成为制作器件的障碍。Al组成越大则该裂纹越显著，越是Al组成大的短波长器件则其影响越大。

为了解决该问题，需要在至少不吸收由发光层放出的光的物质上形成制作发光层。例如，以Al_y Ga_1-yN(0＜y≤1)层作为活性层的场合，作为基底层使用的Al_xGa_1-xN(0＜x≤1)层，必须是y＜x。因此，对于作为基底层使用的AlGaN，希望AlN摩尔分率尽可能高。然而，以往，越是AlN摩尔分率高的AlGaN，就越难以得到良好的晶体。这是因为AlN是作为物性的熔点高且蒸气压非常低的物质，即使在晶体生长中，与GaN晶体生长中的Ga原子相比，AlN生长时的Al原子也难以发生表面迁移，晶格难以整齐的缘故。

作为用于解决该问题的方法，在近年的采用MOVPE法、MBE法的晶体生长中，在SiC基板、蓝宝石基板上生长AlN的场合，采用通过交替地供给Al原料和N原料来促进Al原子迁移的方法，得到了高品质的AlN层(参照APPLlED PHYSICS LETTERS Vol.81，4392-4394，(2002))。然而，该方法存在晶体生长速度慢、生产率差的问题。

另外，作为用于改善晶体品质的方法，提出了以数周期～数百周期层叠异种的极薄膜层的方案(参照Journal of Crystal Growth Vol.298，345～348，(2007))，但由于进行数百周期层叠，因此仍然成为降低生产率的因素。因为在制作LED、LD之类的发光元件时需要相当的层厚，因此这样的方法不适合于制作发光元件。

由以上所述可知为了制作紫外或深紫外区域的发光元件，在蓝宝石、SiC基板上使生长速度较大地层叠数μm以上厚度的Al_xGa_1-xN(0＜x≤1)层是非常重要的技术。作为与该课题对应的手段，例如开发在蓝宝石基材上层叠有AlN的模式基板(参照日本专利第3768943号公报)。然而，该模式基板的场合，虽然在AlN层本身的结晶性上，C面晶面的面取向均一性非常好，但C轴的旋转方向的晶体取向均一性不能说是良好。另外具有下述特征：通过使用该模式基板，层叠于其上的GaN、较低AlN摩尔分率的AlGaN中可看到低位错效果，但随着AlN摩尔分率增高，低位错化的效果变小，难以得到良好的AlGaN晶体(参照Physical Status Solidi CVol.0，2444-2447(2003))。

总而言之，在以往的AlN模式基板上层叠GaN、或者使用独立的GaN基板的场合，GaN吸收由发光层放出的光。而且，当在GaN上沉积Al组成高的AlGaN时，由于晶格常数差别和热膨胀系数差别，在AlGaN层中产生裂纹等的对器件特性造成影响的特性劣化。