[发明专利]外延膜形成方法、溅射设备、半导体发光元件的制造方法、半导体发光元件和照明装置

说明书

技术领域

本发明涉及外延膜形成方法、溅射设备、半导体发光元件的制造方法、半导体发光元件和照明装置，特别地涉及能够形成高品质外延膜的外延膜形成方法、使用该外延膜制造半导体发光元件的制造方法、溅射设备、半导体发光元件和照明装置。

背景技术

第Ⅲ族氮化物半导体是第ⅢB族元素(下文中简称为第Ⅲ族元素)的铝(Al)原子、镓(Ga)原子和铟(In)原子以及第ⅤB族元素(下文中简称为第Ⅴ族元素)的氮(N)原子的化合物半导体材料。也就是说，由氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)及其混晶(AlGaN、InGaN、InAlN、InGaAlN)获得的化合物半导体材料是第Ⅲ族氮化物半导体。

使用第Ⅲ族氮化物半导体的元件包括光学器件和电子器件，所述光学器件例如覆盖远紫外/可见光/近红外区域的宽波长区域的发光二极管(LED：发光二极管)、激光二极管(LD)、太阳能电池(PVSC：光伏太阳能电池)和光二极管(PD)等，所述电子器件例如用于高频/高输出应用的高电子迁移率晶体管(HEMT：高电子迁移率晶体管)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等。

为了实现如上的元件应用，需要在单晶基板上外延生长第Ⅲ族氮化物半导体薄膜，从而获得具有很少晶体缺陷的高品质单晶膜(外延膜)。然而，由于由第Ⅲ族氮化物半导体制成的单晶基板极其昂贵，除了一些应用之外不使用，单晶膜主要通过在异种基板上异质外延生长蓝宝石(α-Al₂O₃)、碳化硅(SiC)而获得。

对于外延生长该第Ⅲ族氮化物半导体薄膜，使用可获得高生产性和高品质外延膜的金属有机化学气相沉积(MOCVD)法。然而，所述MOCVD法具有生产成本高、可容易产生颗粒以及难以获得高收率等的问题。

另一方面，溅射法具有生产成本可抑制得低以及颗粒产生的可能性也低的特征。因此，如果第Ⅲ族氮化物半导体薄膜的膜形成方法的至少一部分可通过溅射法来替换，则可能能够解决上述问题的至少一部分。

然而，通过使用溅射法制作的第Ⅲ族氮化物半导体薄膜具有晶体品质趋于变得比通过使用MOCVD法制作的那些更差的问题。例如，在例如非专利文献1中公开了通过使用溅射法制作的第Ⅲ族氮化物半导体薄膜的结晶性。在非专利文献1中，通过使用高频磁控溅射法在α-Al₂O₃(0001)基板上外延生长具有c轴取向的GaN膜。非专利文献1述及在GaN(0002)面的X射线摇摆曲线(XRC)测量中，其半高宽(FWHM)为35.1弧分(2106弧秒)。该值与目前市售的α-Al₂O₃基板上的GaN膜相比是极其大的值，并且表明将稍后所述的倾斜的镶嵌扩展大以及晶体品质差。

此处，将简要描述用作表示晶体品质的指标的概念，即，(1)倾斜的镶嵌扩展，(2)扭曲的镶嵌扩展，以及(3)极性。(1)中倾斜的镶嵌扩展表示沿基板垂直方向的晶体取向的变化程度，(2)中扭曲的镶嵌扩展表示沿基板面内方向的晶体取向的变化程度。(3)中的极性是指晶体取向的术语，在c轴取向膜的情况下，存在两种生长模式，即，+c极性和-c极性。具有+c极性的生长对应于(0001)取向，具有-c极性的生长对应于(000-1)取向。

需要倾斜的镶嵌扩展和扭曲的镶嵌扩展小，以及极性统一地具有或者+c极性或者-c极性的具有良好结晶性的单晶。由于可容易地获得具有+c极性的具有良好形态学和优异结晶性的第Ⅲ族氮化物半导体薄膜，因此特别地，需要确立获得具有+c极性的第Ⅲ族氮化物半导体的方法。另一方面，为了通过溅射法获得高品质第Ⅲ族氮化物半导体薄膜，进行了许多尝试(参见专利文献1和2)。

专利文献1公开了实现较高品质第Ⅲ族氮化物半导体薄膜的方法，所述方法在通过使用溅射法在α-Al₂O₃基板上形成第Ⅲ族氮化物半导体薄膜(专利文献1中的AlN)前，对基板施加等离子体处理，或者特别公开了获得倾斜的镶嵌扩展极其小的第Ⅲ族氮化物半导体薄膜的方法。

此外，专利文献2公开了第Ⅲ族氮化物半导体(专利文献2中的第Ⅲ族氮化物化合物半导体)发光元件的制造方法，在该发光元件中通过溅射法在基板上形成由第Ⅲ族氮化物半导体(专利文献2中的第Ⅲ族氮化物化合物)制成的缓冲层(专利文献2中的中间层)，以及在由该第Ⅲ族氮化物半导体制成的缓冲层上依次层压设置有基底膜的n型半导体层、发光层和p型半导体层。