[发明专利]氮化物半导体的结晶生长方法和半导体装置的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及使用有机金属气相沉积法的氮化物半导体的结晶生长方法。另外，本发明还涉及氮化物系半导体装置的制造方法。本发明特别是涉及从紫外到蓝色、绿色、橙色和白色等整个可视区域的波长范围的发光二极管、激光二极管等的GaN系半导体发光元件。这样的发光元件被期待着向显示、照明和光信息处理领域等的应用。

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，有望被视为短波长发光元件的材料。其中，氮化镓系化合物半导体(GaN系半导体)的研究盛行，蓝色发光二级管(LED)、绿色LED和以GaN系半导体为材料的半导体激光器也得到实用化。

氮化镓系半导体具有纤锌矿型晶体结构。图1模式化地表示GaN的单位晶格。Al_aGa_bIn_cN(0≤a、b、c≤1，a+b+c＝1)半导体的结晶中，图1所示的Ga的一部分能够被置换成Al和/或In。

图2表示的是，为了以四指数表示法(六方晶指数)表示纤锌矿型晶体结构的面而被通常所使用的4个初基平移矢量(Primitive Translation Vector)a₁、a₂、a₃、c。初基平移矢量c在[0001]方向延长，该方向称为“c轴”。与c轴垂直的面(plane)被称为“c面”或“(0001)面”。还有，“c轴”和“c面”也有被分别表述为“C轴”和“C面”的情况。

在纤锌矿型晶体结构中，如图3所示，在c面以外也存在代表性的晶面取向。图3(a)表示(0001)面，图3(b)表示(10-10)面，图3(c)表示(11-20)面，图3(d)表示(11-12)面。在此，在表示密勒指数的括号内的数字的左侧附加的“-”意思是横线(bar)。(0001)面、(10-10)面、(11-20)面和(11-12)面分别是c面、m面、a面和r面。m面和a面是与c轴(初基平移矢量c)平行的“非极性面”，但r面是“半极性面”。

多年来，利用了氮化镓系化合物半导体的发光元件，能够通过“c面生长(c-plane growth)”制作。在本说明书是，所谓“X面生长”意思是，在与六方晶纤锌矿结构的X面(X＝c、m、a、r等)垂直的方向上发生外延生长。在X面生长中，有将X面称为“生长面”的情况。另外，也有将通过X面生长所形成的半导体的层称为“X面半导体层”的情况。

若利用由c面生长所形成的半导体层叠结构制造发光元件，则c面为极性面，因此在与c面垂直的方向(c轴方向)发生强烈的内部极化。发生极化的理由在于，在c面，GaN原子和N原子的位置偏离c轴方向。若这样的极化在发光部发生，则发生载流子的量子限制斯塔克效应。由于该效应，导致发光部内的载流子的发光再结合概率降低，因此发光效率降低。

因此，近年来，在m面和a面等非极性面或r面等半极性面上使氮化镓系化合物半导体生长这项研究活跃。如果能够选择非极性面作为生长面，则在发光部的层厚方向(结晶生长方向)就不会发生极化，因此也不会发生载流子的量子限制斯塔克效应，能够制作潜在意义上高效率的发光元件。生长面选择半极性面时，也能够大幅地减轻量子限制斯塔克效应的影响。

专利文献1公开有一种方法，其通过m生长形成氮化镓化合物半导体层。

先行技术文献

专利文献

专利文献1：特开2008-91488号公报

根据与现有的c面生长相同的生长方法可知，若在-r面GaN基板上使GaN结晶层生长，则由于生长的GaN层的厚度，导致表面形态发生巨大变化。如后面详细说明的，GaN层的厚度为5μm以下时，在GaN层的表面形成条纹状形态和凹坑，在表面产生数μm左右的很大的段差。若这样的段差存在于GaN层的表面，则在其上均匀地形成薄的发光层(代表性的厚度：3nm左右)就困难。另外，在这样的具有凹凸的面上形成电极而制作发光元件时，半导体层的形成不充分，因此存在pn接合短路的情况。

出于这些理由，为了通过-r面生长而实现发光元件，就需要将GaN层形成得很厚，以使表面不会产生段差。具体来说，需要使GaN层的厚度为5.0μm以上，更优选为7.5μm以上。根据如此生长得厚的GaN层，虽然能够确保表面的平坦性，但是制造的生产能力降低，因此对于量产化来说成为很大的障碍。

发明内容

本发明为了解决上述的课题而做，其目的在于，提供一种新的氮化物半导体层的形成方法，即使没有使GaN层生长得很厚，也能够确保GaN层的表面平坦性。