CN100421213C - Ⅲ族氮化物系化合物半导体的制造方法及ⅲ族氮化物系化合物半导体元件 - Google Patents

Ⅲ族氮化物系化合物半导体的制造方法及ⅲ族氮化物系化合物半导体元件 Download PDF

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Abstract

一种抑制螺位错的III族氮化物系化合物半导体。将GaN层(31)腐蚀成点状、条纹状或格栅状等小岛状态设置台阶，在底部形成掩膜(4)、厚度是其上面在比GaN层(31)的上面低的位置。以台阶上层的上面(31a)及侧面(31b)作为核，通过使GaN(32)横向外延成长把台阶部分填埋后、也能使在上方成长。这时GaN(32)横向外延成长的掩膜(4)的上部能制成抑制GaN层(31)具有的螺位错传播的区域。

Description

Ⅲ族氮化物系化合物半导体的制造方法及Ⅲ族氮化物系化合物半导体元件
技术领域
本发明涉及III族氮化物系化合物半导体的制造方法。特别涉及使用横向外延成长(ELO)成长的III族氮化物系化合物半导体的制造方法。所谓III族氮化物系化合物半导体是用一般式AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)表达的，包括例如AlN、GaN、InN这样的2元系，AlxGa1-xN、AlxIn1-xN、GaxIn1-xN(都是0＜x＜1)这样的3元系，AlxGayIn1-x-yN(0＜x＜1、0＜y＜1、0＜x+y＜1)这样的4元系。且本说明书中只要未特别事先说明而单提到III族氮化物系化合物半导体时，则也包括为把传导型设为p型或n型的掺了杂质的III族氮化物系化合物半导体。
背景技术
III族氮化物系化合物半导体在例如作为发光元件时，是发光光谱从紫外到红色的广泛范围内的直接跃变型半导体、应用于发光二极管(LED)和激光二极管(LD)等的发光元件。且由于其禁带宽度宽、能预期比使用其它半导体的元件在高温下有稳定动作，所以往FET等三极管的应用也在大力开发。且由于不以砷(As)为主成分，从环境方面考虑也期待着向一般的各种半导体应用开发。该III族氮化物系化合物半导体通常把兰宝石作为基板使用、在其上面形成。
发明内容
但当在兰宝石基板上形成III族氮化物系化合物半导体时因兰宝石与III族氮化物系化合物半导体的晶格常数不适配产生位错，因此有元件特性不好的问题。该不适配的位错是将半导体层在纵向(垂直于基板面的方向)贯通的螺位错，有III族氮化物系化合物半导体中109cm-2左右的位错传播的问题。这是将不同组成的III族氮化物系化合物半导体各层传播至最上层。这样有例如发光元件时LD的临界值电流、LD及LED的元件寿命等元件特性变坏的问题。即使其它的半导体元件由于有缺陷电子扩散，所以只是成为移动度(移动性)低的半导体元件而已。这些在使用其它基板时也一样。
对此用图23的模式图来说明。图23表示了基板91和其上形成的缓冲层92和又在其上形成的III族氮化物系化合物半导体层93。作为基板91是兰宝石等、作为缓冲层92是氮化铝(AlN)等现在被使用着。氮化铝(AlN)的缓冲层92是以缓和兰宝石基板91与III族氮化物系化合物半导体层93的不适配为目的设置的，但尽管如此也不能使位错的发生为零。螺位错901从该位错发生点900往纵向(垂直于基板面的方向)传播，其将缓冲层92、III族氮化物系化合物半导体层93也贯通。这样当把所希望的各种III族氮化物化合物半导体层积在III族氮化物系化合物半导体体层93的上层要形成半导体元件时，螺位错又将半导体元件从到达III族氮化物系化合物半导体层93表面的位错902向纵向传播。这样在现有技术中就有在形成III族氮化物系化合物半导体层时不能阻止位错传播的问题。
近年为防止螺位错正在开发使用横向成长的技术。这是在兰宝石基板或III族氮化物系化合物半导体层上形成掩膜，该掩膜由一部分形成了条纹状窗的氧化硅、钨等构成，以窗部的半导体为核在掩膜上横向成长。
且如被称为悬式(ペンデイォ)外延横向附生(ELO)的横向生长部分相对基板悬式形成的生长方法也正在开发。
但使用掩膜的ELO成长时由于掩膜高于成为结晶成长核的窗的部分，所以结晶成长以窗部的半导体为核在纵向一旦成长后就围绕掩膜在掩膜上横向成长。因此在掩膜角部位错、歪斜多有发生，在该部分发生的螺位错有抑制螺位错减少的问题。
且即使悬式ELO其成为结晶成长核的层的上面形成有掩膜，所以在该掩膜上回旋成长时，在角部同样有螺位错发生的问题。
本发明是为解决上述课题而开发的，其目的在于制造抑制发生螺位错的III族氮化物系化合物半导体。
为解决上述课题，本发明第一方面提供一种III族氮化物系化合物半导体的制造方法，在基板上通过外延成长而得到III族氮化物系化合物半导体，其特征在于，包括：通过腐蚀将基底层制成随着从基板面远离其水平截面积减小到接近于零的点状、条纹状或格栅状等小岛状态的工序，所述基底层至少由一层III族氮化物系化合物半导体构成，最上层为第一III族氮化物系化合物半导体；形成掩膜的工序，在所述第一III族氮化物系化合物半导体上仅使小岛状态的第一III族氮化物系化合物半导体的顶点附近露出；外延成长工序，以从所述掩膜露出的第一III族氮化物系化合物半导体顶点附近作为核使第二III族氮化物系化合物半导体纵向及横向外延成长。本说明书所说的基底层总体表示单层的III族氮化物系化合物半导体层的情况和至少包含一层III族氮化物系化合物半导体层。且这里所说的小岛状态是概念性叙述由腐蚀形成的台阶上层的状态、不一定是说各自分离的区域，将晶片上整体形成条纹状或格栅状等那样在非常广的范围内，使台阶的顶点部连续也可。台阶的侧面也不一定是说相对基板面及III族氮化物系化合物半导体表面形成斜面、也可以局部是垂直面或曲面。这时台阶的底部无底面、截面是V字状也可。所说的随着从基板面远离其水平截面积接近于零，下面要举具体例说明，但只要从顶点部随着高度变低，其水平截面积变粗、形状就可是任意的。这些只要不特别提及，在下面的方面中也一样。
本发明第二方面的特征在于，随着从基板面远离其水平截面积减小到接近于零的小岛状态是多个三棱柱横倒并列的状态。一例是图3的(c)，但本发明不限定于此。
本发明第三方面的特征是随着从基板面远离其水平截面积减小到接近于零的小岛状态是形成多个锥状小岛的状态。一例是棱锥为图3的(d)，但本发明不限定于此。
本发明第四方面的特征是第一III族氮化物系化合物半导体和第二III族氮化物系化合物半导体具有相同成分。这里所说的相同组成是指忽略不计掺杂质程度的差(克分子比不到百分之一的差)。
本发明第五方面的特征是掩膜是钨(W)和其它导电性金属。
本发明第六方面提供一种III族氮化物系化合物半导体元件，其特征是它是在用本发明第一至第五方面任意一项所述的III族氮化物系化合物半导体制造方法制造的III族氮化物系化合物半导体层上形成的。
本发明第七方面提供一种III族氮化物系化合物半导体发光元件，其特征是它是在用本发明第一至第五方面任意一项所述的III族氮化物系化合物半导体制造方法制造的III族氮化物系化合物半导体层上，通过层积不同的III族氮化物系化合物半导体层得到的。
本发明第八方面提供一种III族氮化物系化合物半导体基板的制造方法，其特征是在本发明第一至第五方面任意一项所述的III族氮化物系化合物半导体制造方法之上，通过从基板到掩膜大致全部除去来得到III族氮化物系化合物半导体基板。
为解决上述课题，本发明第九方面一种III族氮化物系化合物半导体的制造方法，在基板上通过外延成长而得到III族氮化物系化合物半导体，其特征在于，包括：设置台阶的工序，通过腐蚀把基底层制成点状、条纹状或格栅状等小岛状态，使所述基底层中间部的面或基板的面在底面上露出而设置台阶，所述基底层至少由一层III族氮化物系化合物半导体构成，最上层为第一III族氮化物系化合物半导体；形成掩膜的工序，在所述台阶的底部形成掩膜，使掩膜的上面位于低于最上层的上面的位置；外延成长工序，以通过腐蚀形成的点状、条纹状或格栅状等小岛状态的第一III族氮化物系化合物半导体台阶上层的上面及侧面作为核，使第二III族氮化物系化合物半导体纵向及横向外延成长。
且本说明书所说的基底层是总体表示单层的III族氮化物系化合物半导体层的情况和至少包含一层III族氮化物系化合物半导体层的多重层。且这里所说的小岛状态是概念性叙述由腐蚀形成的台阶上层的状态、不一定是说各自分离的区域，将晶片上整体形成条纹状或格栅状等那样在非常广的范围内使台阶的上层连续也可。且台阶的侧面也不一定是说相对基板面及III族氮化物系化合物半导体表面垂直的面，是斜面也可。这里台阶的底部无底面、截面是V字状也可。这些只要不特别提及，在下面的方面中也一样。
本发明第十方面的特征是在本发明第一方面所述III族氮化物系化合物半导体制造方法中，所述掩膜具有阻碍在其上III族氮化物系化合物半导体外延成长的作用。
本发明第十一方面的特征是台阶的侧面大致全部是{1120}面。
本发明第十二方面的特征是第一III族氮化物系化合物半导体和第二III族氮化物系化合物半导体是相同成分。这里所说的相同成分是指掺杂质程度的差(摩尔比不到百分之一的差)可忽略不计。
本发明第十三方面的特征是所述掩膜是导电性的掩膜，该导电性的掩膜是钨、氮化钛膜。
本发明第十四方面的特征是所述掩膜是硅氧化膜、硅氮化膜。
本发明第十五方面提供一种III族氮化物系化合物半导体元件，其特征是它是在用本发明第九方面至第十三方面任一项所述的III族氮化物系化合物半导体制造方法制造的III族氮化物系化合物半导体层的横向外延成长部分的上层形成。
本发明第十六方面是一种III族氮化物系化合物半导体发光元件，其特征是它是在用本发明第九方面至第十三方面任一项所述的III族氮化物系化合物半导体制造方法制造的III族氮化物系化合物半导体层的横向外延成长部分的上层，通过层积不同的III族氮化物系化合物半导体层得到的。
本发明第十七方面提供一种III族氮化物系化合物半导体的制造方法，其特征是它是在本发明第九方面至第十三方面任一项所述的III族氮化物系化合物半导体制造方法之上，通过将除横向外延成长部分的上层以外大致全部除去来得到III族氮化物系化合物半导体层。
本发明第十八方面提供一种用本发明第十六方面的方法得到的III族氮化物系化合物半导体基板。
参照图1及图2说明本发明的III族氮化物系化合物半导体制造方法的概要。图1及图2表示的图中有帮助理解用的基板1001及缓冲层1002，但本发明是从具有纵向螺位错的III族氮化物系化合物半导体得到具有减轻纵向螺位错区域的III族氮化物系化合物半导体层，基板1001及缓冲层1002并不是本发明必须的要素。下面通过缓冲层1002在基板1001面上形成的具有纵向(垂直于基板面的方向)螺位错的第一III族氮化物系化合物半导体层1031作为适用本发明的例，说明本发明作用效果的要点。
如图1(a)，将第一III族氮化物系化合物半导体层1031腐蚀成点状、条纹状或格栅状等的小岛状态，随着从基板1面远离，其水平截面积形成接近于零的形状。接着在第一III族氮化物系化合物半导体层1031上形成可腐蚀的掩膜1004(图1的(b))。接着仅选择掩膜1004覆盖第一III族氮化物系化合物半导体层1031顶部T的部分来腐蚀，使第一III族氮化物系化合物半导体层1031的顶部T露出(图1的(c))。接着以露出的第一III族氮化物系化合物半导体层1031的顶部T为核，使第二III族氮化物系化合物半导体1032纵及横向外延成长(图2的(d)、(e))。这时第二III族氮化物系化合物半导体1032只将传播的螺位错向露出的第一III族氮化物系化合物半导体层1031的顶部T部分传播，所以能减小其螺位错的密度。且初期的外延成长面若对基板是斜面的话(例如图2的(d)那样)，由于螺位错其传播方向不垂直于基板面，所以实质上第二III族氮化物系化合物半导体1032上面的部分能遮断螺位错的传播。
作为随着从基板面远离其水平截面积接近于零的小岛状态，将多个三棱柱横倒并列的(例如图3的(c))可以利用锥腐蚀容易地形成(本发明第二方面)。还有，作为随着从基板面远离，其水平截面积接近于零的小岛状态若是形成多个锥状小岛状态(例如图3的(d))的话，第一III族氮化物系化合物半导体层1031露出的顶部T部分的面积相对于基板面能非常地小(本发明第三方面)。
若第一III族氮化物系化合物半导体和第二III族氮化物系化合物半导体是相同组成的话，能容易地实现快速外延成长(本发明第四方面)。
若掩膜是用导电性金属形成的话，第一III族氮化物系化合物半导体和第二III族氮化物系化合物半导体都是导电性时，作为导电性的掩膜可从第一III族氮化物系化合物半导体向第二III族氮化物系化合物半导体导通(本发明第五方面)。
通过在用上述工序得到的III族氮化物系化合物半导体层上形成元件，可制成缺陷少并具有大移动度层的半导体元件(本发明第六方面)。通过在用上述工序得到的III族氮化物系化合物半导体层的上层形成发光元件，可制成元件寿命或LD的临界值被改善的发光元件(本发明第七方面)。
通过只将由上述工序得到的III族氮化物系化合物半导体层上横向外延成长部分1032从其它层分离，可得到位错等结晶缺陷明显抑制、结晶性良好的III族氮化物系化合物半导体(本发明第八方面)。所说的“大致全部除去”表示考虑制造上的简便，即使含有一部分螺位错的残余部分也包含在本发明中。
参照图12说明本发明的III族氮化物系化合物半导体制造方法的概要。图12表示的图中有技术方案说明及帮助理解用的基板1及缓冲层2，但本发明是从具有纵向螺位错的III族氮化物系化合物半导体得到具有减轻纵向螺位错区域的III族氮化物系化合物半导体层，缓冲层2并不是本发明必须的要素。下面用通过缓冲层2在基板1面上形成的具有纵向(垂直于基板面的方向)螺位错的第一III族氮化物系化合物半导体层31作为适用本发明的例，来说明本发明作用效果的要点。
如图12的(a)，将第一III族氮化物系化合物半导体层31腐蚀成点状、条纹状或格栅状等的小岛状态，设置台阶、形成基板1的面在底部露出。接着在该基板1的露出面上形成掩膜4。使该掩膜4的上面4a低于第一III族氮化物系化合物半导体层31的上面31a。这样以台阶上层的上面31a及侧面31b为核通过使第二III族氮化物系化合物半导体32纵及横向外延成长边填埋台阶部分，或边在与掩膜4的上面4a间形成间隙也能向上方成长。这时第二III族氮化物系化合物半导体32横向外延成长部分的上部，能制成被台阶部分减轻螺位错的区域，该台阶部分抑制、填埋或交联III族氮化物系化合物半导体层31具有的螺位错的传播。这样就以台阶的侧面为核直接实现横向成长。即现在使用掩膜的ELO中，比起掩膜成为结晶成长的核的部分只是掩膜厚度的部分厚。其结果是结晶成长先只补充该掩膜的厚度而纵向成长，之后在掩膜的上面回旋、横向成长。其结果由于在掩膜角部的回旋结晶出现歪斜，成为发生位错的原因。在本发明中，首先不是这种掩膜上的回旋成长，而是第二III族氮化物系化合物半导体32在掩膜上直接横方向地成长，所以结晶上不出现歪斜、不发生位错。由于在掩膜4上不是回旋的成长，可以说掩膜4与第二III族氮化物系化合物半导体32的结合是没有或微弱，所以不接受来自掩膜的歪斜。且也可使掩膜与第二III族氮化物系化合物半导体32间形成间隙、成长。形成间隙而成长时，能进而完全遮断来自掩膜的歪斜，从而能得到高质量的结晶。我们知道现在的在掩膜上回旋成长的ELO成长是从两侧的核成长起来的层在中央部合为一体，这时两侧的结晶轴有微妙的倾斜。该倾斜的发生通过掩膜4与第二III族氮化物系化合物半导体32间形成间隙可被防止。这样就能得到比现在更高质量的横向成长层。
横向成长部分其螺位错不向纵向传播。III族氮化物系化合物半导体层31及缓冲层2与第二III族氮化物系化合物半导体32由外延成长若几乎没有不连续面的话，用钨等导电体作掩膜时，与具有绝缘体等掩膜的相比较在向纵向(基板1面的法线方向)流通电流时，没有因不连续部分而产生的电阻。且能制成结构上也稳定的制品。
这时填埋台阶部分或交联台阶的第二III族氮化物系化合物半导体32不从台阶下层底部的基板1纵向外延成长或成长非常慢的话，从台阶侧面横向外延成长与从正对面台阶侧面的横向外延成长面的合为一体就相当地快。这时填埋或交联台阶部分的III族氮化物系化合物半导体32的上部完全不传播来自下层的螺位错。且台阶的侧面不一定必须垂直，但垂直时该侧面的螺位错密度非常低。从而由于是从该螺位错密度非常低的侧面横向成长，所以横向成长区域的螺位错密度明显减少。其结果是能制成非常良质的结晶区域。如图12(c)所示，横向成长的部分通过来自两侧的外延成长合为一体并进一步继续成长时，可得到成长得与基板面一样厚的第二III族氮化物系化合物半导体32。且台阶底部的面不必要是基板。即使在缓冲层2的上面露出，即使在第一III族氮化物系化合物半导体层31的某个深度停止腐蚀使该半导体层31的中间面露出也可。且即使将构成基底层的多层中的任意层的中间面作为底部露出也可，该基底层至少具有第一III族氮化物系化合物半导体31。
掩膜可使用多结晶硅、多结晶氮化物半导体等的多结晶半导体，氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)、氧化钛(TiOx)、氧化锆(ZrOx)等的氧化物、氮化物，钛(Ti)、钨(W)这样高融点金属的这些多层膜。掩膜上第二III族氮化物系化合物半导体32只要用难于纵成长的物质便可(本发明第十、十三方面)。
上述那样的快速横向外延成长在III族氮化物系化合物半导体层31的台阶侧面是{1120}面时可容易地实现(本发明第十一方面)。这时例如至少能将横向外延成长中的成长面上部保持为{1120}面不动。且第一III族氮化物系化合物半导体和第二III族氮化物系化合物半导体是同组成的话可容易实现快速横向外延成长(本发明第十二方面)。
通过以上方法可形成结构稳定的第二III族氮化物系化合物半导体32，抑制从第一III族氮化物系化合物半导体层31传播的螺位错。图12所示的是形成具有与基板面垂直侧面的台阶，但本发明不限于此、台阶的侧面是斜面也可。这时台阶的底部无底面、截面是V字状，在其上也可形成掩膜。这些在以下的说明中也一样。
用上述工序得到III族氮化物系化合物半导体层的横向外延成长部分通过在该部分的上层形成元件，可制成缺陷少并具有大移动度层的半导体元件(本发明第十五方面)。
用上述工序得到III族氮化物系化合物半导体层的横向外延成长部分通过在该部分的上层形成发光元件，可制成元件寿命或LD的临界值改善了的发光元件(本发明第十六方面)。
用上述工序得到III族氮化物系化合物半导体层的横向外延成长部分通过仅将该部分的上层从其它层分离，可得到位错等结晶缺陷被明显抑制、结晶性良好的III族氮化物系化合物半导体(本发明第十七、十八方面)。还可得到结晶性良好的III族氮化物系化合物半导体基板。所谓的“大致全部除去”是表示根据制造上的简便即使含有一部分螺位错的残余部分也包含在本发明中。
把如上述形成的第二III族氮化物系化合物半导体层中仅留下横向成长区域、把成为结晶成长核的区域腐蚀使基板露出，或如上述露出基底层的中间面，反复进行上述的横向成长也可。即在其露出面上掩膜是比成为结晶成长核的层低的状态，在该掩膜上进行第二横向成长便可。这时第二横向成长中成为结晶成长核的结晶是横向成长形成的、其螺位错密度非常低，所以以该结晶作为核横向成长的层也更加形成螺位错密度低的物质。这样在基板面上同样可得到横向成长的III族氮化物系化合物半导体。这些横向成长的反复次数是任意的。
将上述具有抑制螺位错区域的III族氮化物系化合物半导体除去例如基板1、缓冲层2及通过腐蚀设有台阶的螺位错未被抑制的部分，可制成III族氮化物系化合物半导体基板。可在其上面形成III族氮化物系化合物半导体元件，或可作为为形成更大的III族氮化物系化合物半导体结晶基板使用。作为除去方法除了机械化学抛光之外任意选择。
附图说明
图1是表示本发明第一实施例的III族氮化物系化合物半导体制造工序前半部的剖面图；
图2是表示本发明第一实施例的III族氮化物系化合物半导体制造工序后半部的剖面图；
图3是表示本发明腐蚀状态其它例的剖面图(a)及(b)，立体图(c)、(d)；
图4是表示本发明第二实施例的III族氮化物系化合物半导体制造工序前半部的剖面图；
图5是表示本发明第二实施例的III族氮化物系化合物半导体制造工序后半部的剖面图；
图6是表示本发明第四实施例的III族氮化物系化合物半导体发光元件构造的剖面图；
图7是表示本发明第五实施例的III族氮化物系化合物半导体发光元件构造的剖面图；
图8是表示本发明第六实施例的III族氮化物系化合物半导体发光元件制造工序前半部的剖面图；
图9是表示本发明第六实施例的III族氮化物系化合物半导体发光元件制造工序后半部的剖面图；
图10是表示本发明第六实施例的III族氮化物系化合物半导体发光元件构造的剖面图；
图11是表示本发明第七实施例的III族氮化物系化合物半导体发光元件构造的剖面图；
图12是表示本发明第八实施例的III族氮化物系化合物半导体制造工序的剖面图；
图13是表示本发明第九实施例的III族氮化物系化合物半导体制造工序的剖面图；
图14是表示本发明第十实施例的III族氮化物系化合物半导体制造工序的剖面图；
图15是表示本发明第十一实施例的III族氮化物系化合物半导体制造工序的剖面图；
图16是表示本发明第十二实施例的III族氮化物系化合物半导体发光元件构造的剖面图；
图17是表示本发明第十三实施例的III族氮化物系化合物半导体发光元件构造的剖面图；
图18是表示本发明第十四实施例的III族氮化物系化合物半导体发光元件制造工序一部分的剖面图；
图19是表示本发明第十四实施例的III族氮化物系化合物半导体发光元件构造的剖面图；
图20是表示本发明第十五实施例的III族氮化物系化合物半导体发光元件构造的剖面图；
图21是表示第一III族氮化物系化合物半导体腐蚀的其它实例的模式图；
图22是表示第一III族氮化物系化合物半导体腐蚀的其它实例的模式图；
图23是表示传播III族氮化物系化合物半导体的螺位错的剖面图。
具体实施方式
第一理想实施方式
图1及图2表示了本发明III族氮化物系化合物半导体制造方法实施例一例的概要。形成基板1001和缓冲层1002和第一III族氮化物系化合物半导体层1031，腐蚀成锥状(图1的(a))。顶点部T的顶角越小越好。接着在第一III族氮化物系化合物半导体层1031上通过例如喷镀形成可腐蚀的掩膜1004(图1的(b))。接着只选择掩膜1004上覆盖第一III族氮化物系化合物半导体层1031顶点部T的部分腐蚀，使第一III族氮化物系化合物半导体层1031的顶点部T露出(图1的(c))。使顶点部T露出的方法除掩膜1004的选择腐蚀法外可采用通过剥离法除去顶点部T的掩膜1004的方法。另外通过使用掩膜的蒸镀也可形成顶点部T不存在掩膜1004。接着以露出的第一III族氮化物系化合物半导体层1031的顶点部T为核使第二III族氮化物系化合物半导体1032纵及横向外延成长(图2的(d)、(e))。这时第二III族氮化物系化合物半导体1032只将传播的螺位错向露出的第一III族氮化物系化合物半导体层1031的顶点部T部分传播。即向第二III族氮化物系化合物半导体1032传播的螺位错仅是向第一III族氮化物系化合物半导体层1031的顶点部T部分传播的螺位错、其密度非常小。这由基板面的面积与第一III族氮化物系化合物半导体层1031顶点部T的面积(垂直于基板面投影时的正投影面积)的比来决定。即顶点部T的面积(垂直于基板面投影时的正投影面积)越小向第二III族氮化物系化合物半导体1032传播的螺位错就越减少。且顶点部T的顶角越小顶点部T的面积(垂直于基板面投影时正投影面积)就能越容易变小。
作为基底层，将基板上形成的缓冲层及在该缓冲层上外延成长的III族氮化物系化合物半导体层作为一个循环，也可以使用多个循环形成的层。全部通过从顶点部T的外延成长形成的III族氮化物系化合物半导体层1032可制成纵向传播的螺位错被抑制的区域。
第二理想实施方式
图12表示了本发明III族氮化物系化合物半导体制造方法实施例一例的概要。图12表示了使基板1露出的实例。在基板1上形成缓冲层2和第一III族氮化物系化合物半导体层31、腐蚀成沟渠状(图12的(a))。这时通过腐蚀产生台阶，未被腐蚀的面作为上层、形成侧面及台阶的底部(下层面)。侧面是例如{1120}面。接着仅在该台阶的低部形成厚度不高于台阶上层31a的掩膜4。该形成同样有用溅射等形成掩膜后再通过光刻法将其它部分除去的形成方法。且也可使用在台阶的上层31a上涂布保护层、同样地形成掩膜，将该掩膜剥离的剥离法。
接着在横向外延成长的条件下以台阶的侧面及上面为核进行第二III族氮化物系化合物半导体32的外延成长。若使用有机金属成长法，可容易地将成长面始终保持在{1120}面上横向外延成长。这样只要产生台阶侧面横向成长，第二III族氮化物系化合物半导体32的该部分就不传播来自掩膜4的螺位错(图12的(b))。这样通过设定腐蚀形状和横向外延成长条件使台阶两侧面的横向成长在被腐蚀部分的上方合为一体，可在被腐蚀的上部的第二III族氮化物系化合物半导体32上形成螺位错被抑制的区域(图12的(c))。图12(b)的横向成长工序中，通过使成长温度与压力及供给原料的III/V比最优化，可使横向成长非常快于纵向成长。
如图13，作为基底层，将基板上形成的缓冲层及在该缓冲层上外延成长的III族氮化物系化合物半导体层作为一个循环，也可将多个循环形成的层作为横向成长结晶的核使用。图13中表示了将缓冲层21、III族氮化物系化合物半导体层22、缓冲层23、III族氮化物系化合物半导体层31这样顺序形成，腐蚀III族氮化物系化合物半导体层31使缓冲层23在台阶底部露出的实例。该例中在该缓冲层23上形成掩膜4、其厚度不得高出残留的第一III族氮化物系化合物半导体层31的上面31a。而且制造方法也可以是在图13(a)的工序阶段，进行比III族氮化物系化合物半导体层31的厚度还深的腐蚀、使台阶的底部为缓冲层21，在该缓冲层21上以不从III族氮化物系化合物半导体层31的上面高出的厚度形成掩膜4(图14)。全都是在台阶的下层上方形成的III族氮化物系化合物半导体层32，其主要是以台阶上层的最上层III族氮化物系化合物半导体层31为核的横向外延成长而形成的，可制成纵向传播的螺位错被抑制的区域。另外，效果与已叙述的图12的情况相同。
上述发明的各自实施例中，可从下面之中分别任意选择任意组合使用。
在基板上形成顺次层积III族氮化物系化合物半导体时，作为基板可使用兰宝石、硅(Si)、碳化硅(SiC)、尖晶石(MgAl2O4)、ZnO、MgO及其它无机结晶基板、磷化镓或砷化镓类的III-V族化合物半导体或氮化镓(GaN)及其它III族氮化物系化合物半导体。
作为形成III族氮化物系化合物半导体层的方法优选有机金属气相成长法(MOCVD或MOVPE)，也可使用分子线气相成长法(MBE)、卤素气相成长法(Halide VPE)、液相成长法(LPE)，也可分别用不同的成长方法形成各层。
例如在兰宝石基板上层积III族氮化物系化合物半导体时，为结晶性形成良好优选形成为纠正与兰宝石基板的格栅不匹配的缓冲层。使用其它基板时也最好设置缓冲层。作为缓冲层比起低温下形成的III族氮化物系化合物半导体AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)最好使用AlxGa1-xN(0≤x≤1)。该缓冲层是单层也可、是组成等不同的多重层也可。缓冲层的形成方法是在380～420℃的低温下形成也可、相反在1000～1180℃的范围下用MOCVD法形成也可。也可使用CD磁控管喷镀装置，以高纯度金属铝和氮气为原材料通过反应喷镀法形成由AlN构成的缓冲层。同样可形成一般式AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1，组成比任意)的缓冲层。而且可使用蒸镀法、离子喷镀法、激光剥离法、ECR法。物理蒸镀法的缓冲层希望在200～600℃下进行。最好是在300～500℃、最理想的是在350～450℃。使用这些溅射法等的物理蒸镀法时，缓冲层的厚度希望为
Figure C0181059600171
Figure C0181059600172
进而希望最好是
Figure C0181059600173
而最最理想的是
Figure C0181059600174
作为多重层有例如由AlxGa1-xN(0≤x≤1)构成的层与GaN层交替形成、把组成相同的层的形成温度在例如600℃以下与1000℃以上交替形成等方法。当然把它们组合也可，多重层层积三种以上的III族氮化物系化合物半导体AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)也可。一般来说缓冲层是非晶体、中间层是单晶体。以缓冲层和中间层作为一个循环也可形成多个循环，以任意循环反复便可。反复越多结晶性越好。
缓冲层及上层的III族氮化物系化合物半导体其III族元素组成的一部分即使用硼(B)、铊(Tl)置换，氮组成的一部分即使用磷(P)、砷(As)、锑(Sb)、铋(Bi)置换实质上也能适用本发明。且掺杂质到即使组成中不能表示这些元素的程度也可。通过向例如组成中没有铟(In)、砷(As)的III族氮化物系化合物半导体AlxGa1-xN(0≤x≤1)中掺杂原子半径大于铝(Al)、镓(Ga)的铟(In)或原子半径大于氮(N)的砷(As)，将因氮原子脱落的结晶扩张变形用压缩变形校正、使结晶性变好也可。这时由于接受体杂质容易进入III族原子位置，所以可以随着生长得到P型晶体。这样通过使结晶性变好配合本发明也可将螺位错进而降至100乃至1000分之一的程度。缓冲层和III族氮化物系化合物半导体层在由二个循环以上形成的基底层时，把原子半径大于各III族氮化物系化合物半导体层中主要构成元素的元素掺杂更好。作为发光元件构成时最好是使用原来III族氮化物系化合物半导体的二元系或三元系。
形成n型III族氮化物系化合物半导体层时，作为n型杂质可添加Si、Ge、Se、Te、C等IV族元素或VI族元素。作为P型杂质可添加Zn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等II族元素或IV族元素。也可将这些多个地、或将n型杂质和P型杂质掺杂在同一层。
作为横向外延成长其成长面最好垂直于基板，但以对基板倾斜的小面成长也可。这时台阶的底部无底面、截面是V字状也可。若是垂直面，因为螺位错密度非常小，所以横向成长区域的结晶性提高。若是倾斜的小面，由于螺位错被弯曲、在横向成长区域虽也形成螺位错，但当在其上形成得厚时，并不向纵向延伸，所以在该横向区域形成的厚层其螺位错密度低。
作为横向外延成长最理想的是至少横向外延成长面的上部与基板面是垂直的，且最理想的是全部的III族氮化物系化合物半导体的{1120]面。
腐蚀时根据深度和宽度的关系设置台阶以通过横向外延成长填埋或交联。
如果将基底层制为多层，例如制成由AlN、AlxGa1-xN或AlxGayIn1-x-yN(x≠0)构成的层，将第一III族氮化物系化合物半导体制成GaN，由于AlN、AlxGa1-xN或AlxGayIn1-x-yN(x≠0)构成的层在含有Cl2、BCl3等氯的等离子体腐蚀时起停止层的作用，所以调整台阶的深度时方便。作为将缓冲层和III族氮化物系化合物半导体层反复任意循环的基底层其最上面的缓冲层，为使该层露出，腐蚀时也一样。这样可容易地设定抑制从掩膜的纵向成长、从而促进从第一III族氮化物系化合物半导体层侧面横向成长的条件。这可使台阶的设计变容易、台阶的深度变浅。认为在浅时从第一III族氮化物系化合物半导体层上面成长且是横向成长的成长过程成为支配状态。总之，在掩膜上横向成长是可能的。
基板上层积的III族氮化物系化合物半导体层的结晶轴方向可预想时，为了与III族氮化物系化合物半导体层的a面({1120}面)或m面({110}面)垂直，条纹状地实施掩膜或腐蚀是有用的。也可在小岛状、格栅状等上任意设计上述条纹及掩膜。横向外延成长面除与基板面垂直外，也可是对基板面是有斜角的成长面。作为III族氮化物系化合物半导体层的a面，在把(1120)面作成横向外延成长面时，例如使条纹的长度方向垂直于III族氮化物系化合物半导体层的m面即(1-100)面。例如将基板作为兰宝石的a面或c面时，由于通常都与兰宝石的m面在其上形成的III族氮化物系化合物半导体层的a面相同，所以与之配合进行腐蚀。制成点状、格栅状及其它小岛状时也最好将形成轮廓(侧壁)的各面作为{1120}面。
掩膜可采用多晶硅、多晶氮化物半导体等的多晶半导体，氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)、氧化钛(TiOx)、氧化锆(ZrOx)等的氧化物、氮化物，钛(Ti)、钨(W)这样的高融点金属这些多层膜。这些成膜方法除蒸镀、喷镀、CVD等气相成长法外可任意。其材料也可用于为残留第一III族氮化物系化合物半导体层而使用的掩膜。且腐蚀中使用的掩膜在横向成长时除去、使第一III族氮化物系化合物半导体层的上面露出。
腐蚀时最好是反应性离子腐蚀(RIE)，但可用任意腐蚀方法。作为并不形成具有垂直于基板面的侧面的台阶，也可通过各向异性腐蚀形成例如台阶的底部无底面、截面呈V字状。
这里可利用根据硬酚醛树脂保护膜的形状，反应性离子束腐蚀(RIBE)也达及硬酚醛树脂保护膜下部的性质。
腐蚀导电性金属掩膜时可使用硝酸系溶液的金属腐蚀。另外，将保护膜仅在III族氮化物系化合物半导体的顶点部形成，在蒸镀导电性金属掩膜后通过剥离各保护层除去导电性金属掩膜的一部分，仅使III族氮化物系化合物半导体的顶点部露出也可。
在具有上述螺位错被抑制区域的III族氮化物系化合物半导体的整体或以螺位错被抑制区域为中心，在其上部可形成FET、发光元件等的半导体元件。是发光元件时，其发光层除多重量子井式结构(MQW)、单一量子井式结构(SQW)外还有同质结构、异质经构、双重异质结构，也可通过Pin结或pn结等形成。
把上述螺位错被抑制的第二III族氮化物系化合物半导体32从例如基板1、缓冲层2、及第一III族氮化物系化合物半导体31、掩膜4分离可制成III族氮化物系化合物半导体基板。在该基板上可形成III族氮化物系化合物半导体元件，或可作为形成更大的III族氮化物系化合物半导体结晶的基板使用。除去方法除机械化学磨光外可任意。
下面根据发明的具体实施例进行说明。作为实施例虽举出发光元件，但本发明不限于下述实施例而是公开适用于任意元件的III族氮化物系化合物半导体的制造方法。
本发明的III族氮化物系化合物半导体是通过有机金属化合物气相成长法(以下表示为“MOVPE”)的气相成长制造。所用的气体是氨(NH3)和载体气(H2或N2)和三甲基镓(Ga(CH3)3，以下记作“TMG”)和三甲基铝(Al(CH3)3，以下记作“TMA)”、三甲基铟(In(CH3)3，以下记作“TMI”)、环戊二烯镁(Mg(C5H5)2，以下记作“Cp2Mg”)。
第一实施例
本实施例的工序表示在图1及图2。以通过有机洗净及热处理洗净的a面作为主面，使温度降低至400℃、按H210L/min、NH35L/min、TMA20μmol/min供给约3分钟，在单晶的兰宝石基板1001上形成约40nm厚的AlN缓冲层1002。接着将兰宝石基板1001的温度保持在1000℃、按H220L/min、NH310L/min、TMG 300μmol/min导入，形成膜厚约2μm的GaN层1031。
接着通过使用反应性离子束腐蚀(RIBE)的选择干腐蚀把GaN层1031腐蚀成截面的底边2μm、截面的高度2μm的横倒，使三棱柱并列状态(图1的(a))。这时三棱柱截面的角约为60度。底边的角度最好是从10度到80度、理想的是从30度到70度。接着将钨(W)溅射在整个面上形成掩膜1004(图1的(b))。
接着为了仅将截面的底边是2μm截面的高度是2μm的横倒三棱柱状的顶点部露出，将钨(W)构成的掩膜1004用硝酸系金属腐蚀液进行选择腐蚀(图1的(c))。这样使高度0.5μm的GaN层1031的顶点部T露出。且在GaN层1031的顶点部T上形成保护层后蒸镀金属掩膜、通过剥离除去仅在各保护层顶点部T附近金属掩膜，而只把GaN层1031的顶点部T露出也可。
接着将兰宝石基板1001的温度保持在1150℃、按H220L/min、NH310L/min、TMG 2μmol/min导入，以GaN层1031高度为0.5μm的顶点部T作为核，通过横向外延成长形成GaN层1032(图2的(d))。这样通过横向外延成长在掩膜1004的上方也被GaN层覆盖，表面平坦(图2的(e))。之后按H220L/min、NH310L/min、TMG 300μmol/min导入、使GaN层1032成长，将GaN层1031和GaN层1032制成合计3μm的厚度。GaN层1032与GaN层1031相比其螺位错被明显抑制。
第二实施例
如图4、图5所示本实施例采用了多重层构成的基底层。以通过有机洗净及热处理洗净的a面作为主面，使温度降低至400、按H210L/min、NH35L/min、TMA 20μmol/min供给约3分钟，在单晶兰宝石基板1001上形成约40nm厚的第一AlN层(第一缓冲层)1021。接着将兰宝石基板1001的温度保持在1000℃、按H220L/min、NH310L/min、TMG 300μmol/min导入，形成膜厚约0.3μm的GaN层(中间层)1022。接着将温度降低至400℃、按H210L/min、NH35L/min、TMA 20μmol/min供给约3分钟，形成约40nm厚的第二AlN层(第二缓冲层)1023。接着将兰宝石基板1001的温度保持在1000℃、按H220L/min、NH310L/min、TMG 300μmol/min导入，形成膜厚约1.5μm的GaN层1031。这样就形成了由膜厚约40nm的第一AlN层(第一缓冲层)1021、膜厚约0.3μm的GaN层(中间层)1022、膜厚约为40nm的第二AlN层(第二缓冲层)1023、膜厚约1.5μm的GaN层1031构成的基底层1020。一般来说缓冲层是非晶体、中间层是单晶体。将缓冲层和中间层作为一个循环、形成多个循环也可，以任意循环反复便可。反复越多结晶性越好。
接着与第一实施例相同，将基底层1020腐蚀成截面的底边2μm、截面的高度1.8μm的横倒三棱柱状，通过溅射形成钨掩膜1004后，用钨掩膜的选择腐蚀仅使GaN层1031高度为0.5μm的顶点部露出。
接着将兰宝石基板1001的温度保持在1150℃、按H220L/min、NH310L/min、TMG 2μmol/min导入，以GaN层1031高度为0.5μm的高度顶点部作为核通过横向外延成长形成GaN层1032，将GaN层1031和GaN层1032制成合计3μm的厚度。GaN层1032与GaN层1031相比其螺位错明显被抑制。
第三实施例
本实施例是在第一实施例中形成GaN层1031时，掺杂TMI而制成GaN:In层1031。掺杂铟(In)的量约为1×1016/cm3。之后与第一实施例大致相同地腐蚀、形成钨掩膜1004及通过选择腐蚀使GaN:In层1031的顶点部露出、进行GaN的横向外延成长。以GaN:In层1031为核横向成长的GaN层1032比第一实施例的其螺位错稍小。
第四实施例
在与第一实施例同样形成的晶片上如下形成图6所示的激光二极管(LD)1100。但在形成GaN层1032时导入硅烷(SiH4)，将GaN层1032制成由掺杂硅(Si)的n型GaN构成的层。且为了使图简单，将GaN层1031、钨掩膜4及GaN层1032合并地单记作GaN层1103。
在兰宝石基板1101、AlN构成的缓冲层1102、GaN层和钨掩膜和n型GaN层层积的GaN层1103构成的晶片上，形成了由掺杂硅(Si)的Al0.08Ga0.92N构成的n覆盖层1104、由掺杂硅(Si)的GaN构成的n导向层1105、MQW结构的发光层1106、由掺杂镁(Mg)的GaN构成的P导向层1107、由掺杂镁(Mg)的Al0.08Ga0.92N构成的P覆盖层1108、由掺杂镁(Mg)的GaN构成的P接触层1109。接着在P接触层1109上形成由金(Au)构成的电极1110A，腐蚀一部分直至露出GaN层和n型GaN层这双层的GaN1103，并形成由铝(Al)构成的电极1110B。激光二极管(LD)1100元件部的要部形成在GaN层1103横向外延成长区域上部的螺位错被抑制的区域。这样形成的激光二极管(LD)1100其元件寿命及发光效率明显提高。
第五实施例
在与第一实施例同样形成的晶片上，如下形成图7所示的发光二极管(LED)1200。但在形成GaN层1032时导入硅烷(SiH4)，将GaN层1032制成由掺杂硅(Si)的n型GaN构成的层。且为了使图简单将GaN层1031、钨掩膜1004及GaN层1032合并地单记作GaN层1203。
在兰宝石基板1201、AlN构成的缓冲层1202、GaN层和钨掩膜和n型GaN层层积的GaN层1203构成的晶片上形成了由掺杂硅(Si)的Al0.08Ga0.92N构成的n覆盖层1204、发光层1205、由掺杂镁(Mg)的Al0.08Ga0.92N构成的P覆盖层1206、由掺杂质镁(Mg)的GaN构成的P接触层1207。接着在P接触层1207上形成由金(Au)构成的电极1208A，腐蚀一部分直至露出GaN层和n型GaN层这双层的GaN层1203并形成由铝(Al)构成的电极1208B。这样形成的发光二极管(LED)1200其元件寿命及发光效率明显提高。
第六实施例
如图8、图9所示，本实施例中作为基板使用n型硅(Si)基板。用H210L/min、NH3 10L/min、TMG 100μmol/min、TMA 10μmol/min、H2气将硅烷(SiH4)稀释至0.86ppm，并以0.2μmol/min在温度1150℃下向n型硅(Si)基板1301上供给，形成由膜厚2μm掺杂硅(Si)的Al0.15Ga0.85N构成的层3021。接着通过使用反应性离子束腐蚀(RIBE)的选择干腐蚀腐蚀成截面底边的宽2μm、高度2μm的横倒三棱柱状。之后与第一实施例一样，形成钨掩膜1004、通过选择腐蚀使由Al0.15Ga0.85N构成的层3021的高度0.5μm的顶点部露出。
接着将n型硅基板1301的温度保持在1150℃，用H2 20L/min、NH310L/min、TMG 3μmol/min、TMA 0.2μmol/min、H2气将硅烷(SiH4)稀释并以4n mol/min供给，以n-Al0.15Ga0.85N层3021的高度0.5μm的顶点部作为核通过横向外延成长形成n-Al0.15Ga0.85N层3022。这样通过横向外延成长、钨掩膜1004上部也被覆盖、表面平坦后，用H2 10L/min、NH3 10L/min、TMG100μmol/min、TMA 10μmol/min、H2气将硅烷(SiH4)稀释并以0.2μmol/min供给、使n-Al0.15Ga0.85N层3022成长，把n-Al0.15Ga0.85N层3021和n-Al0.15Ga0.85N层3022制成合计3μm的厚度。以下把3μm厚度的n-Al0.15Ga0.85N层3021和钨掩膜1004和n-Al0.15Ga0.85N层3022合并地记为Al0.15Ga0.85N层1302。
如图10所示，如上述在n型硅基板1301上形成的n-Al0.15Ga0.85N层1302上形成了由掺杂硅(Si)的GaN构成的n导向层1303、MQW结构的发光层1304、由掺杂镁(Mg)的GaN构成的P导向层1305、由掺杂镁(Mg)的Al0.08Ga0.92N构成的P覆盖层1306、由掺杂镁(Mg)的GaN构成的P接触层1307。接着在P接触层1307上形成由金(Au)构成的电极1308A、在硅基板1301的背面形成由铝(Al)构成的电极1308B(图10)。激光二极管(LD)1300元件部的要部形成在n-Al0.15Ga0.85N层1302横向外延成长区域上部的螺位错被抑制的区域。这样形成的激光二极管(LD)1300其元件寿命及发光效率明显提高。
第七实施例
本实施例中作为基板也是使用n型硅(Si)基板。与第六实施例在n型硅基板1301上形成n-Al0.15Ga0.85N层1302一样，准备在n型硅基板1401上形成有n-Al0.15Ga0.85N层1402的晶片，形成发光层1403、由掺杂镁(Mg)的Al0.15Ga0.85N构成的P覆盖层1404。接着在P覆盖层1404上形成由金(Au)构成的电极1405A、在硅基板1401的背面形成由铝(AL)构成的电极1405B(图11)。这样形成的发光二极管(LED)1400其元件寿命及发光效率明显提高。
腐蚀的变形
如图3的(a)那样也可以腐蚀其底部为平面。且如图3的(b)，顶点部及其它壁面也可由曲面形成。
第八实施例
本实施例的工序示于图12。以通过有机洗净及热处理洗净的a面作为主面，使温度降低至400℃、按H2 10L/min、NH3 5L/min、TMA 20μmol/min供给约3分钟，在单晶的兰宝石基板1上形成约40nm厚的AlN缓冲层2。接着将兰宝石基板1的温度保持在1000℃、按H2 20L/min、NH3 10L/min、TMG 300μmol/min导入，形成膜厚约0.5μm的GaN层31。
使用硬酚醛树脂保护层掩膜、通过使用反应性离子腐蚀(RIE)的选择干腐蚀，腐蚀成宽度10μm、间隔10μm、深度0.5μm的条纹状。这样交替形成了GaN层31的宽度10μm、台阶0.5μm的上层和露出宽度10μm的基板1(图12的(a))。这时形成深度0.5μm台阶的侧面定为GaN层31的{1122}面。
接着同样地用喷镀形成二氧化硅膜(SiO2)。之后涂布保护层，经过光刻法工序在残留其二氧化硅膜的部分保留保护层、将未被保护膜覆盖的部分腐蚀。这样可得到图12(a)所示构造的晶片。
接着将兰宝石基板1的温度保持在1150℃、按H2 20L/min、NH310L/min、TMG 2μmol/min导入，以形成GaN层31的深度0.5μm台阶的侧面{1120}面作为核、通过横向外延成长形成GaN层32。这时台阶上面的纵成长几乎没有、来自底部掩膜4的纵成长则完全没有(图12的(b))。这样通过主要以{1120}面作为成长面的横向外延成长可得到或是台阶被填埋或是与掩膜4间有微小间隙的交联的结构、表面平坦(图12的(c))。之后以H220L/min、NH310L/min、TMG 300μmol/min导入，使GaN层32成长，把GaN层31和GaN层32制成合计3μm的厚度。GaN层32在GaN层31其深度0.5μm的台阶底部上方形成的部分与在台阶的上面上方形成的部分相比，其螺位错被明显抑制。
第九实施例
本实施例使用由图13那样的多重层构成的基底层。以通过有机洗净及热处理洗净的a面作为主面，使温度降低至400℃、按H2 10L/min、NH35L/min、TMA 20μmol/min供给约3分钟，在单晶兰宝石基板1上形成约40nm厚的第一AlN层(第一缓冲层)21。接着将兰宝石基板1的温度保持在1000℃、按H2 20L/min、NH3 10L/min、TMG 300μmol/min导入、形成膜厚约0.5μm的GaN层(中间层)22。接着将温度降低至400℃、按H2 10L/min、NH3 5L/min、TMA 20μmol/min供给约3分钟，形成约40nm厚的第二AlN层(第二缓冲层)23。接着将兰宝石基板1的温度保持在1000℃、按H2 20L/min、NH310L/min、TMG 300μmol/min导入，形成膜厚约0.5μm的GaN层31。这样就形成了由膜厚约40nm的第一AlN层(第一缓冲层)21、膜厚约0.3μm的GaN层(中间层)22、膜厚约40nm的第二AlN层(第二缓冲层)23、膜厚约0.5μm的GaN层31构成的基底层20。一般来说缓冲层是非晶体、中间层是单晶体。将缓冲层和中间层作为一个循环、形成多个循环也可，以任意循环反复便可。反复越多结晶性越好。
接着使用硬酚醛树脂保护层掩膜、通过使用反应性离子腐蚀(RIE)的选择干腐蚀，腐蚀成宽度10μm、间隔10μm、深度0.5μm的条纹状。这样就交替形成了GaN层31的宽度10μm、台阶0.5μm的上层和露出宽度10μm的第二AlN层23(下层的底部)(图13)。这时形成深度0.5μm台阶的侧面定为GaN层31的{1120}面。
接着用与上述第一实施例同样的方法在第二AlN层23上形成掩膜4。掩膜4的厚度是掩膜不超出于GaN层31之上的厚度。
接着将兰宝石基板1的温度保持在1150℃、按H2 20L/min、NH310L/min、TMG 2μmol/min导入，以形成的GaN层31的深度0.5μm台阶的侧面{1120}面作为核、通过横向外延成长形成GaN层32。这时从台阶上面的纵成长几乎没有。且在底部掩膜4上没有纵成长。这样通过主要以{1120}面作为成长面的横向外延成长可得到台阶被填埋或是交联结构的横向成长区域、表面平坦。之后以H2 20L/min、NH3 10L/min、TMG 300μmol/min导入，使GaN层32成长，把GaN层31和GaN层32制成合计3μm的厚度。GaN层32在GaN层31其深度0.5μm的台阶底部上方形成的部分与在台阶的上面上方形成的部分相比，其螺位错被明显抑制。
第十实施例
本实施例与第九实施例一样在兰宝石基板1上形成了由膜厚约40nm的第一AlN层(第一缓冲层)21、膜厚约0.3μm的GaN层(中间层)22、膜厚约40nm的第二AlN层(第二缓冲层)23、膜厚约0.5μm的GaN层31构成的基底层20之后，腐蚀约0.8μm，交替形成了以GaN 31作为最上层的宽度10μm、台阶0.8μm的上层和露出宽度10μm的第一AlN层21(下层的底部)(图14)。这时形成深度0.8μm台阶的侧面定为GaN层31、第二AlN层(第二缓冲层)23、GaN层(中间层)22的{1120}面。掩膜4形成的厚度不超出第一AlN层21上的GaN层31的上面。这样与第二实施例相同进行主要以{1120}面作为成长面的横向外延成长，在表面平坦后使GaN层32成长，把GaN层31和GaN层32制成合计3μm的厚度。GaN层32在GaN层31、第二AlN层(第二缓冲层)23及GaN层(中间层)22的深度约0.8μm的台阶底部掩膜4的上方形成的部分与在台阶的上面上方形成的部分相比，其螺位错被明显抑制。
第十一实施例
本实施例是在第八实施例形成GaN层31时掺杂TMI制成GaN:In层31。掺杂质铟(In)的量约1×1016/cm3。之后大致与第一实施例相同地腐蚀及进行GaN的横向外延成长(图15)。以GaN:In层31作为核横向成长的GaN层32比第一实施例的其螺位错稍小。且在GaN:In层31的上部纵向成长的GaN层32比第一实施例的其螺位错约降低至1/100。
第十二实施例
在与第八实施例同样形成的晶片上，在横向成长区域的上部如下形成图16所示的激光二极管(LD)1100。但在形成GaN层32时导入硅烷(SiH4)，将GaN层32制成由掺杂硅(Si)的n型GaN构成的层。且为了使图简单，将GaN层31和GaN层1032合并地单记为GaN层103。
在由兰宝石基板101、AlN构成的缓冲层102、GaN层和n型GaN层这双层GaN层103构成的晶片上形成了由掺杂硅(Si)的Al0.08Ga0.92N构成的n覆盖层104、由掺杂硅(Si)的GaN构成的n导向层105、MQW结构的发光层106、由掺杂镁(Mg)的GaN构成的P导向层107、由掺杂镁(Mg)的Al0.08Ga0.92N构成的P覆盖层108、由掺杂镁(Mg)的GaN构成的P接触层109。接着在P接触层109上形成由金(Au)构成的电极110A，腐蚀一部分直至露出GaN层和n型GaN层这双层的GaN层103并形成由铝(Al)构成的电极110B。激光二极管(LD)1100元件部的要部形成在GaN层103横向外延成长区域上部的螺位错被抑制的区域。这样形成的激光二极管(LD)100其元件寿命及发光效率明显提高。
第十三实施例
在与第八实施例同样形成的晶片上横向成长区域的上部如下形成图17所示的发光二极管(LED)200。但在形成GaN层32时导入硅烷(SiH4)，将GaN层32制成由掺杂质硅(Si)的n型GaN构成的层。且为了使图简单将GaN层31和GaN层32合并地单记为GaN层203。
在由兰宝石基板201、AlN构成的缓冲层202、GaN层和n型GaN层这双层GaN层203构成的晶片上形成了由掺杂硅(Si)的Al0.08Ga0.92N构成的n覆盖层204、发光层205、由掺杂镁(Mg)的Al0.08Ga0.92N构成的P覆盖层206、由掺杂镁(Mg)的GaN构成的P接触层207。接着在P接触层207上形成由金(Au)构成的电极208A，腐蚀一部分直至露出GaN层和n型GaN层这双层的GaN层203并形成由铝(Al)构成的电极208B。这样形成的发光二极管(LED)200其元件寿命及发光效率明显提高。
第十四实施例
本实施例中作为基板使用n型硅(Si)基板。用H2 10L/min、NH3 10L/min、TMG 100μmol/min、TMA 10μmol/min、H2气将硅烷(SiH4)稀释至0.86ppm并以0.2μmol/min在温度1150℃下向n型硅(Si)基板301上供给，形成由膜厚0.5μm掺杂硅(Si)的Al0.15Ga0.85N构成的层3021。接着使用硬酚醛树脂保护层掩膜、通过使用反应性离子腐蚀(RIE)的选择干腐蚀，腐蚀成宽度10μm、间距10μm、深度0.5μm的条纹状。这样n-Al0.15Ga0.85N层3021的宽10μm、台阶0.5μm的上层和n型硅基板301露出的宽10μm的下层(底部)就被交替形成了(图18的(a))。这时形成深度0.5μm台阶的侧面定为n-Al0.15Ga0.85N层3021的{1120}面。
接着在台阶底部形成由钨构成的掩膜，其厚度不超出由Al0.15Ga0.85N构成的层3021的上面。将n型硅基板301的温度保持在1150℃，用H2 20L/min、NH3 10L/min、TMG 2μmol/min、TMA 0.2μmol/min、H2气稀释硅烷(SiH4)并以4n mol/min供给，以形成的n-Al0.15Ga0.85N层3021的深度0.5μm台阶的侧面{1120}面作为核，通过横向外延成长形成n-Al0.15Ga0.85N层3022。这时从台阶上面和底部掩膜5的纵向外延成长几乎不发生(图18的(b))。这样通过主要以{1120}面作为成长面的横向外延成长，台阶被填埋或成为交联结构、表面平坦。之后用H2 10L/min、NH3 10L/min、TMG 100μmol/min、TMA10μmol/min、H2气稀释硅烷(SiH4)并以0.2μmol/min供给、使n-Al0.15Ga0.85N层3022成长，把n-Al0.15Ga0.85N层3021和n-Al0.15Ga0.85N层3022制成合计2μm的厚度(图18的(c))。以下将2μm厚度的n-Al0.15Ga0.85N层3021和n-Al0.15Ga0.85N层3022合并地记为n-Al0.15Ga0.85N层302。
在上述n型硅基板301上形成的n-Al0.15Ga0.85N层302上形成了由掺杂硅(Si)的GaN构成的n导向层303、MQW结构的发光层304、由掺杂质镁(Mg)的GaN构成的P导向层305、由掺杂质镁(Mg)的Al0.08Ga0.92N构成的P覆盖层306、由掺杂镁(Mg)的GaN构成的P接触层307。接着在P接触层307上形成由金(Au)构成的电极308A、在硅基板301的背面形成由铝(Al)构成的电极308B(图19)。激光二极管(LD)300元件部的要部形成在n-Al0.15Ga0.85N层302横向外延成长区域上部的螺位错被抑制的区域。这样形成的激光二极管(LD)300其元件寿命及发光效率明显提高。
第十五实施例
本实施例中作为基板也是使用n型硅(Si)基板。与第十四实施例在n型硅基板301上形成n-Al0.15Ga0.85N层302一样，准备在n型硅基板401上形成有n-Al0.15Ga0.85N层402的晶片，形成发光层403、由掺杂镁(Mg)的Al0.15Ga0.85N构成的P覆盖层404。接着在P覆盖层404上形成由金(Au)构成的电极404A、在硅基板401的背面形成由铝(AL)构成的电极405B(图20)。这样形成的发光二极管(LED)400其元件寿命及发光效率明显地提高。
应用
作为本发明的应用例将第二GaN层32中螺位错未被降低的区域再腐蚀、再使GaN层横向外延成长也是有用的。图21是第一GaN层31、第二GaN层32的腐蚀位置的模式图。如图21的(a)腐蚀成条纹状，形成台阶上层的GaN 31(图中斜线)的部分和B所示的台阶底部。掩膜4的形成与第八实施例相同。如图21的(b)，保留图21(a)中B所示的掩膜上填埋台阶的GaN32、腐蚀成条纹状，形成A所示的台阶的底部。仅在该低部再形成掩膜。该掩膜的厚度也不从基板上形成的层的最上面超出。这样当以GaN层33成为台阶上层的第二GaN层32作为核横向外延成长时，如图21的(c)，形成从GaN层31传播螺位错的部分即表示为31的区域、在横向外延成长的GaN层32的上部其螺位错被抑制的表示为32的区域、在横向外延成长的GaN层33的上部其螺位错被抑制的表示为33的区域。这样大致晶片的整个面能形成螺位错被降低的区域。且GaN层32的腐蚀深度任意便可。这样在整个面也可得到螺位错被抑制的III放氮化物系化合物半导体基板。
腐蚀的变形
图22是按三组的{1120}面形成小岛状台阶上层的例子。图22的(a)也表示了用三组的{1120)面形成的外周，但这是为了理解而简略化了的模式图，实际上小岛状台阶的上层每个晶片形成几千万个便可。图22的(a)中相对于小岛状台阶的上层，台阶的底部B具有三倍的面积。图22的(b)中相对于小岛状台阶的上层，台阶的底部B具有八倍的面积。
本发明表示了上述的实施例，但本发明的内容并不仅限定于上述实施例，只要按照本发明的精神、包括所有变形例。
本发明包括所有优先权主张基础的特许原2000年第99948号、特许原2000年第99949号的内容。

Claims (19)

1. 一种III族氮化物系化合物半导体的制造方法，通过在基板上外延成长而得到III族氮化物系化合物半导体，其特征在于，包括：通过腐蚀将基底层制成随着从基板面远离其水平截面积减小到接近于零的点状、条纹状或格栅状等小岛状态的工序，所述基底层至少由一层III族氮化物系化合物半导体构成，最上层为第一III族氮化物系化合物半导体；形成掩膜的工序，在所述第一III族氮化物系化合物半导体上仅使小岛状态的第一III族氮化物系化合物半导体的顶点附近露出；外延成长工序，以从所述掩膜露出的第一III族氮化物系化合物半导体顶点附近作为核使第二III族氮化物系化合物半导体纵向及横向外延成长。
2. 如权利要求1所述的III族氮化物系化合物半导体的制造方法，其特征在于，随着从基板面远离其水平截面积减小到接近于零的小岛状态是多个三棱柱横倒并列的状态。
3. 如权利要求1所述的III族氮化物系化合物半导体的制造方法，其特征在于，随着从基板面远离其水平截面积减小到接近于零的小岛状态是形成多个锥状小岛的状态。
4. 如权利要求1至3任一项所述的III族氮化物系化合物半导体的制造方法，其特征在于，所述第一III族氮化物系化合物半导体与所述第二III族氮化物系化合物半导体是相同成分。
5. 如权利要求1至3任一项所述的III族氮化物系化合物半导体的制造方法，其特征在于，所述掩膜是钨和其它导电性金属。
6. 一种III族氮化物系化合物半导体元件，其特征在于，是在用权利要求1至3任一项所述的III族氮化物系化合物半导体的制造方法制造的III族氮化物系化合物半导体层上形成的。
7. 一种III族氮化物系化合物半导体发光元件，其特征在于，是在用权利要求1至3任一项所述的III族氮化物系化合物半导体的制造方法制造的III族氮化物系化合物半导体层上通过层积不同的III族氮化物系化合物半导体层而得到的。
8. 一种III族氮化物系化合物半导体基板的制造方法，其特征在于，在权利要求1至3任一项所述的III族氮化物系化合物半导体的制造方法之上，通过大致全部除去所述基板到所述掩膜来得到III族氮化物系化合物半导体基板。
9. 一种III族氮化物系化合物半导体的制造方法，通过在基板上外延成长而得到III族氮化物系化合物半导体，其特征在于，包括：设置台阶的工序，通过腐蚀把基底层制成点状、条纹状或格栅状等小岛状态，使所述基底层中间部的面或基板的面在底面上露出而设置台阶，所述基底层至少由一层III族氮化物系化合物半导体构成，最上层为第一III族氮化物系化合物半导体；形成掩膜的工序，在所述台阶的所述底部形成掩膜，使掩膜的上面位于低于所述最上层的上面的位置；外延成长工序，以通过所述腐蚀形成的点状、条纹状或格栅状等小岛状态的所述第一III族氮化物系化合物半导体台阶上层的上面及侧面作为核，使第二III族氮化物系化合物半导体纵向及横向外延成长。
10. 如权利要求9所述的III族氮化物系化合物半导体的制造方法，其特征在于，所述掩膜具有阻碍III族氮化物系化合物半导体在其上外延成长的作用。
11. 如权利要求9或10所述的III族氮化物系化合物半导体的制造方法，其特征在于，所述台阶的侧面大致全部是{1120}面。
12. 如权利要求9或10所述的III族氮化物系化合物半导体的制造方法，其特征在于，所述第一III族氮化物系化合物半导体与所述第二III族氮化物系化合物半导体是相同成分。
13. 如权利要求9或10所述的III族氮化物系化合物半导体的制造方法，其特征在于，所述掩膜是导电性的掩膜。
14. 如权利要求13所述的III族氮化物系化合物半导体的制造方法，其特征在于，所述导电性的掩膜是钨、氮化钛膜。
15. 如权利要求9或10所述的III族氮化物系化合物半导体的制造方法，其特征在于，所述掩膜是硅氧化膜、硅氮化膜。
16. 一种III族氮化物系化合物半导体元件，其特征在于，是在用权利要求9或10所述的III族氮化物系化合物半导体的制造方法制造的所述III族氮化物系化合物半导体层的横向外延成长部分的上层形成的。
17. 一种III族氮化物系化合物半导体发光元件，其特征在于，是在用权利要求9或10所述的III族氮化物系化合物半导体的制造方法制造的所述III族氮化物系化合物半导体层的、横向外延成长部分的上层，通过层积不同的III族氮化物系化合物半导体层得到的。
18. 一种III族氮化物系化合物半导体基板的制造方法，其特征在于，在如权利要求9或10所述的III族氮化物系化合物半导体的制造方法之上，通过将除横向外延成长部分的上层以外大致全部除去来得到所述III族氮化物系化合物半导体基板。
19. 一种III族氮化物系化合物半导体基板，其特征在于，其是用权利要求18的方法得到的。
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