[发明专利]叠层体的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及利用有机金属气相生长法在蓝宝石基板上叠层III族氮化物单晶层的新叠层体及其制造方法。详细地说，涉及可使用于紫外线发光元件(发光二极管和激光二极管)、紫外线传感器等的新叠层体及其制造方法。

背景技术

含铝(Al)的III族氮化物半导体，在相当于波长200nm到360nm的紫外区域具有直接跃迁型的带结构，因此能够制造高效率的紫外线发光器件。

III族氮化物半导体器件利用有机金属气相生长法(MOCVD法)、分子束外延法(MBE法)、或卤化物气相外延法(HVPE法)等气相生长法，通过在单晶基板上结晶生长III族氮化物半导体薄膜制造。其中MOCVD法能够实现原子层水平的膜厚控制，而且能够得到比较高的生长速度，因此是工业上当前使用最多的方法。

制造上述紫外线发光器件的情况下，与含Al的III族氮化物半导体结晶在晶格常数及热膨胀系数上比较一致的基板不容易得到。因此通常在蓝宝石基板或碳化硅基板等不同种类的材料基板上形成含Al的III族氮化物半导体结晶。特别是在发光波长处于紫外区域的情况下，从透光性考虑广泛使用蓝宝石基板。

又，在含Al的III族氮化物半导体结晶中，存在处于表里关系的III族极性(例如III族氮化物为AlN的情况下为Al极性)与氮极性(N极性)这两种极性。为了得到良好的器件特性，最好是控制生长条件，使其在上述不同种类的材料基板上以III族极性面露出于最表面的状态生长(III族极性生长)。其理由是，III族极性生长的情况下，能够得到原子水平的平滑的结晶表面，而N极性生长的情况下，发生许多在结晶内混合存在III族极性和N极性的极性反转域(Domain)，与III族极性生长相比，结晶表面的表面粗度极端劣化(参照例如非专利文献1和2)。这种倾向特别是在使Al含量高的III族氮化物单晶、例如氮化铝(AlN)单晶生长时变得显著。

下面就AlN进一步对III族极性(Al极性)以及氮极性(N极性)进行详细说明。所谓Al极性，是以「0001」面或+C面作为结晶生长面的极性，以正四面体的中心(重心)存在铝(Al)原子，4个顶点存在氮(N)原子的正四面体结构为单位单元。而且，所谓Al极性生长，意味着一边形成这样的单位单元一边生长。而所谓N极性，是以「000-1」面或-C面为结晶生长面的极性，定义为以正四面体的中心(重心)存在N原子，4个顶点存在Al原子的正四面体结构为单位单元的极性。而所谓N极性生长意味着一边形成这样的单位定义一边生长。

又，将这些生长得到的结晶的物性面的特征加以比较显示，Al极性生长得到的结晶，其与蓝宝石基板接合的面的相反侧的「露出的表面」(Al极性面)的表面平滑性、耐化学药品性以及耐热性好，而N极性生长得到的结晶，其「露出的表面」(N极性面)的这些物性比Al极性面差。

如上所述，各极性面的这样的物性差异，对于AlN以外的III族氮化物单晶、特别是对于含AlN率高的III族氮化物单晶也基本相同，在蓝宝石基板上生长的III族氮化物(例如AlN)单晶是否III族极性生长，可简单地利用上述耐化学药品性的差异进行判别。也就是通过将叠层体(在蓝宝石基板上形成III族氮化物单晶层的叠层体)浸渍于氢氧化钾(KOH)等碱水溶液中，观察浸渍后结晶表面的溶解状态的蚀刻试验能够简单地加以判别。如果III族氮化物单晶层的表面是III族极性面，则耐碱水溶液腐蚀的性能好，因此不被蚀刻。另一方面，表面为N极性面的情况下，容易受到蚀刻。从而，观察这样的试验前后的表面，如果观察不到蚀刻痕迹，就可判定为III族极性生长，反之如果观察到明显的蚀刻痕迹，就可判定为N极性生长。

在蓝宝石基板上使III族氮化物半导体结晶生长时，为了实现III族极性生长，有必要有意地形成III族极性容易生长的状况、即III族原子接近过饱和的状况。形成这样的状况的具体方法，已经提出的有在蓝宝石基板上形成III族氮化物单晶层之前只提供III族原料(例如Al原料)的方法(参照例如非专利文献3)、或在使III族氮化物单晶层生长的初期阶段，在不提供氮源气体的状态下断续提供III族原料气体(例如Al原料)的方法(例如专利文献1)等。

专利文献1：日本特开2009-54782号公报

非专利文献1：APPLIED PHYSICS LETTERS(应用物理通信)Vol.83(2003)2811