CN102474075A - Iii族氮化物半导体元件、外延衬底及制作iii族氮化物半导体元件的方法 - Google Patents

Iii族氮化物半导体元件、外延衬底及制作iii族氮化物半导体元件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供包含具有良好表面形态的半极性外延膜的III族氮化物半导体元件。包含III族氮化物半导体的支撑基体13的主面13a沿着与基准轴Ax正交的基准平面RSUB延伸，所述基准轴Ax相对于该III族氮化物半导体的c轴以规定的角度ALPHA倾斜。基准轴Ax沿着从该III族氮化物半导体的c轴朝向m轴的方向以10度以上且小于80度的范围内的第一角度ALPHA1倾斜。主面13a显示出半极性。基准轴Ax从该III族氮化物半导体的c轴向a轴的方向以-0.30度以上且+0.30度以下的范围内的第二角度ALPHA2倾斜。基准轴Ax在主面13a的法线方向上延伸。外延半导体区域15的最表面15a的形态包含多个凹坑，该凹坑的凹坑密度为5×104cm-2以下。

Description

III族氮化物半导体元件、外延衬底及制作III族氮化物半导体元件的方法
技术领域
本发明涉及III族氮化物半导体元件、外延衬底及制作III族氮化物半导体元件的方法。
背景技术
在非专利文献1中，记载了斜切在m面GaN衬底中的影响。实验使用在[000-1]方向上具有斜切角度的(1-100)面GaN衬底进行。斜切角为0.45、0.75、5.4及9.6度。表面形态随着斜切角度的增大而得到改善。
在非专利文献2中，记载了m面GaN上的棱锥形状的凸起(ヒルロツク)。若使斜切角在从a轴朝向c-轴的方向上从0度改变至10度，则可减少凸起。
在非专利文献3中，关于在m面GaN衬底上制作的InGaN/GaN发光二极管的光学特性，记载了GaN衬底的晶轴的倾斜。
在非专利文献4中，记载了在半极性(11-22)面GaN衬底上形成的InGaN/GaN量子阱结构。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：Hisashi Yamada et al.，Jpn.J.Appl.Phys.Vol.46，No.46，(2007)，pp.L1117-L1119
非专利文献2：A.Hirai et al.，Appl.Phys.Lett.91，191906(2007)
非专利文献3：Hisashi Yamada et al.，J.Crystal Growth，310，(2008)，pp.4968-4971
非专利文献4：M.Ueda et al.，Appl.Phys.Lett.89211907(2006)
发明内容
在GaN等III族氮化镓基半导体衬底的半极性面GaN上外延生长的GaN膜，其表面形态并不良好。根据本发明人的发现，半极性氮化镓基半导体上的外延生长显示出与c面、m面、a面等面取向的结晶面上的生长不同的状态。
根据本发明人的实验，半极性氮化镓基半导体的外延膜的表面形态出现凹坑等较大的凹部。半极性面上的凹坑具有与c面上的凹坑不同的形状。外延膜的半极性面上的凹坑，其形状不具有对称性，开口形状为显示出较大纵横比的横长或纵长的形状。因此，半极性面上的凹坑在外延膜表面上对较大的区域造成影响。
根据本发明人的研究，半极性面上的凹坑在半导体元件中使漏电流增加。此外，如果电极形成在包含上述凹坑的表面形态的外延膜上，则正向及逆向施加电压时，会由于该形态异常而产生漏电。进而，发光元件中发光的波长半高宽增大。
本发明的目的在于提供包含具有良好的表面形态的半极性外延膜的III族氮化物半导体元件，此外，本发明的目的在于提供用于该III族氮化物半导体元件的外延衬底，进而，本发明的目的在于提供制作该III族氮化物半导体元件的方法。
本发明的一个方面的III族氮化物半导体元件包括：(a)支撑基体，其包含III族氮化物半导体，且具有沿着与基准轴正交的第一基准平面延伸的主面，所述基准轴相对于该III族氮化物半导体的c轴以规定的角度ALPHA倾斜；和(b)外延半导体区域，其设置在所述支撑基体的所述主面上。所述外延半导体区域包含多个氮化镓基半导体层，所述基准轴沿着从该III族氮化物半导体的c轴朝向m轴及a轴中的任意一轴的第一晶轴的方向以10度以上且小于80度的范围的第一角度ALPHA1倾斜，所述基准轴沿着从该III族氮化物半导体的c轴朝向m轴及a轴中的任意另一轴的第一晶轴的方向以-0.30度以上且+0.30度以下的范围的第二角度ALPHA2倾斜，所述规定的角度、所述第一角度及所述第二角度具有ALPHA＝(ALPHA12+ALPHA22)1/2的关系，所述外延半导体区域的最表面的形态包含多个凹坑，所述凹坑的凹坑密度为5×104cm-2以下。
本发明的另一方面为一种用于III族氮化物半导体元件的外延衬底。该外延衬底包括：(a)衬底，其包含III族氮化物半导体，且具有沿着与基准轴正交的第一基准平面延伸的主面，所述基准轴相对于该III族氮化物半导体的c轴以规定的角度ALPHA倾斜；和(b)外延半导体区域，其设置在所述衬底的所述主面上。所述外延半导体区域包含多个氮化镓基半导体层，所述基准轴沿着从该III族氮化物半导体的c轴朝向m轴及a轴中的任意一轴的第一晶轴的方向以10度以上且小于80度的范围的第一角度ALPHA1倾斜，所述基准轴沿着从该III族氮化物半导体的c轴朝向m轴及a轴中的任意另一轴的第二晶轴的方向以-0.30度以上且+0.30度以下的范围的第二角度ALPHA2倾斜，所述规定的角度、所述第一角度及所述第二角度具有ALPHA＝(ALPHA12+ALPHA22)1/2的关系，所述外延半导体区域的最表面形态包含多个凹坑，所述凹坑的凹坑密度为5×104cm-2以下。
在上述方面的III族氮化物半导体元件及外延衬底中，第二角度ALPHA2的值在-0.30度以上且+0.30度以下的范围内。在设置于半极性面的基底上的外延半导体区域中，因c轴相对于上述晶轴的倾斜方向发生少许变化而引起的凹坑生成及其扩大得到抑制。因此，外延半导体区域可向半极性的外延膜提供良好的表面形态。
本发明的再一方面为一种制作III族氮化物半导体元件的方法。该方法包括：(a)准备衬底的步骤，所述衬底包含III族氮化物半导体，且具有沿着与基准轴正交的第一基准平面延伸的主面，所述基准轴相对于该III族氮化物半导体的c轴以规定的角度ALPHA倾斜；和(b)在所述衬底的所述主面上生长包含多个氮化镓基半导体层的外延半导体区域的步骤。所述外延半导体区域包含多个氮化镓基半导体层，所述基准轴沿着从该III族氮化物半导体的c轴朝向m轴及a轴中的任意一轴的第一晶轴的方向以10度以上且小于80度的范围的第一角度ALPHA1倾斜，所述基准轴沿着从该III族氮化物半导体的c轴朝向m轴及a轴中的任意另一轴的第二晶轴的方向以-0.30度以上且+0.30度以下的范围的第二角度ALPHA2倾斜，所述规定的角度、所述第一角度及所述第二角度具有ALPHA＝(ALPHA12+ALPHA22)1/2的关系，所述外延半导体区域的最表面的形态包含多个凹坑，所述凹坑的凹坑密度为5×104cm-2以下。
根据该方面，第二角度ALPHA2的值在-0.30度以上且+0.30度以下的范围内。在半极性面的基底上生长外延半导体区域时，可抑制因c轴相对于所述晶轴的倾斜方向发生少许变化而引起的凹坑生成及其扩大。因此，在III族氮化物半导体元件的制作中，可向半极性的外延膜提供良好的表面形态。
在上述方面的发明中，在所述凹坑的开口中，第一方向上的第一开口宽度小于与该第一方向正交的第二方向上的第二开口宽度，所述第一方向由第二基准平面与该凹坑的交叉规定，所述第二基准平面由该III族氮化物半导体的c轴与所述第一晶轴规定。根据本发明，半极性面上的凹坑具有与c面上的凹坑不同的形状。外延膜的半极性面上的凹坑，其形状不具有对称性，形成为显示出较大纵横比的横长或纵长的形状。因此，半极性面上的凹坑在外延膜表面上对较大的区域造成影响，因此，凹坑密度的降低可有效地扩大良好形态的表面。
在上述方面的发明中，所述外延半导体区域的膜厚为2μm以上。根据本发明，认为半极性面上的上述凹坑的原因在于以穿透位错等结晶缺陷为起点而产生的生长异常。当外延半导体区域的膜厚达到上述值左右时，生长异常的频率会对凹坑密度的增大造成影响。多数生长异常会在外延半导体区域的最表面引起形态异常。穿透位错有从例如基底的氮化物区域延续而来的穿透位错。
在上述方面的发明中，所述多个凹坑中的一部分具有100nm以上的深度。根据本发明，凹坑是生长异常在生长中延续至外延半导体区域的表面而产生的。深凹坑会对半导体元件的电特性造成影响。
在上述方面的发明中，所述第一角度可为63度以上且小于80度。根据本发明，在上述角度范围的外延半导体区域的表面上，与其他角度范围相比，凹坑密度具有增加的倾向。
在上述方面的发明中，所述第一角度优选在-0.10度以上且+0.10度以下的范围内。根据本发明，第一角度在上述范围内时，有利于凹坑密度的降低。
在上述方面的发明中，所述凹坑密度可为5×103cm-2以下。根据本发明，可提供具有良好凹坑密度的外延半导体区域。
在上述方面的发明中，所述外延半导体区域可包含InGaN层，且所述第一角度可为70度以上且小于80度。根据本发明，可制作高In组成的InGaN层，并且在该InGaN层中可降低凹坑密度。
在上述方面的发明中，所述第一角度可为72度以上且小于78度。根据本发明，可制作高In组成及低In偏析的InGaN层，并且在该InGaN层中可降低凹坑密度。
在上述方面的III族氮化物半导体元件中，还可包括与所述外延半导体区域形成接触的电极。根据本发明，可向III族氮化物半导体元件提供能减少由上述凹坑所引起的漏电流的电极。
在上述方面的发明中，所述外延半导体区域可包含第一导电型氮化镓基半导体层、第二导电型氮化镓基半导体层及发光层，且所述发光层可设置在所述第一导电型氮化镓基半导体层与所述第二导电型氮化镓基半导体层之间。根据本发明，在外延半导体区域的生长中，凹坑由某小面构成，用于外延半导体区域的氮化镓基半导体不仅生长在原来的生长面上，还生长在凹坑的小面上。由于小面中构成元素的掺入与原来的生长面中该构成元素的掺入不同，因此，在凹坑的附近，构成元素的组成产生变化。尤其是在发光层的生长中，由于小面中构成元素(例如铟)的掺入与原来的生长面中的掺入不同，因此，在凹坑的附近，构成元素的组成产生变化，这使发射光谱的半高宽增加。
在上述方面的发明中，所述支撑基体或衬底的所述III族氮化物半导体优选为GaN。根据本发明，可在GaN区域上设置外延半导体区域，并可减少凹坑密度以外的结晶质量的下降。
在上述方面的发明中，所述支撑基体或衬底的位错密度优选为1×106cm-2以下。根据本发明，可减少由基底的位错密度所引起的凹坑生成。
本发明的再一方面的III族氮化物半导体元件的制作方法，可还包括形成与所述外延半导体区域形成接触的电极的步骤。根据该方法，可降低凹坑密度，因此可减少位于电极正下方的凹坑的数量。
本发明的上述目的及其他目的、特征以及优点，根据参照附图进行的本发明优选实施方式的以下详细叙述可更易理解。
发明效果
根据本发明，其目的在于提供包含具有良好表面形态的半极性外延膜的III族氮化物半导体元件，此外，其目的在于提供用于该III族氮化物半导体元件的外延衬底，进而，其目的在于提供制作该III族氮化物半导体元件的方法。
附图说明
图1是概略性地表示本实施方式的III族氮化物半导体元件及外延衬底的共同要素的图。
图2是概略性地表示作为III族氮化物半导体元件的发光元件的结构的图。
图3是表示包括制作本实施方式的III族氮化物半导体元件的方法中的主要步骤的步骤流程的图。
图4是示意性地表示制作本实施方式的III族氮化物半导体元件的方法中的主要步骤的图。
图5是表示半极性衬底上的GaN外延膜的最表面上出现的凹坑的图。
图6是表示半极性衬底上的GaN外延膜的最表面上出现的凹坑的图。
图7是表示生长在具有若干第二角度的主面的GaN衬底上的GaN外延膜的表面形态的图。
图8是表示包含InGaN层的氮化镓基外延半导体区域的发光的面分布的图。
图9是表示使生长温度发生变化时的GaN外延膜的表面形态的图。
图10是示意性地表示从c轴向m轴方向以75度的角度倾斜的(20-21)面等半极性面上的GaN生长的图。
图11是示意性地表示制作本实施方式的III族氮化物半导体发光元件的方法中的主要步骤的图。
图12是概略性地表示实施例2中的半导体激光器的图。
标号说明
11a III族氮化物半导体元件
11b外延衬底
13支撑基体
13a支撑基体主面
13b支撑基体背面
15外延半导体区域
ALPHA、ALPHA1、ALPHA2角度
Ax基准轴
RSUB、RCM基准平面
Sc c面
VC c轴向量
15外延半导体区域
15a最表面
16a、16b、16c氮化镓基半导体层
J1、J2、J3结
17第一导电型氮化镓基半导体层
19第二导电型氮化镓基半导体层
21发光层
23有源层
25光导层
27光导层
23a势垒层
23b阱层
29a电极
51衬底
51a衬底主面
53外延半导体区域
55n型氮化镓基半导体区域
57发光层
59p型氮化镓基半导体区域
具体实施方式
通过参照作为例示给出的附图来考虑以下详细叙述，可容易地理解本发明的发现。接下来，参照附图，对本发明的III族氮化物半导体元件及外延衬底、以及制作III族氮化物半导体元件及外延衬底的方法的实施方式进行说明。可能的情况下，对于同一部分附注同一标号。
图1是概略性地表示本实施方式的III族氮化物半导体元件及外延衬底的共同要素的图。III族氮化物半导体元件11a包括支撑基体13及外延半导体区域15，此外，在外延衬底11b中使用衬底14代替支撑基体13。在后续说明中，参照III族氮化物半导体元件11a，对III族氮化物半导体元件11a及外延衬底11b进行说明。支撑基体13可包含III族氮化物半导体，例如包含GaN、InGaN、AlGaN、AlN等。支撑基体13具有主面13a及背面13b，背面13b为主面13a的相反侧的面。支撑基体13的主面13a沿着与基准轴Ax正交的第一基准平面RSUB延伸，所述基准轴Ax相对于该III族氮化物半导体的c轴以规定的角度ALPHA倾斜。基准轴Ax沿着从该III族氮化物半导体的c轴朝向m轴及a轴中的任意一轴的第一晶轴(例如m轴)的方向以10度以上且小于80度的范围内的第一角度ALPHA1倾斜。因此，主面13a显示出半极性。基准轴Ax沿着从该III族氮化物半导体的c轴朝向m轴及a轴中的任意另一轴的晶轴(例如a轴)的方向以-0.30度以上且+0.30度以下的范围内的第二角度ALPHA2倾斜。第二基准平面RCM由III族氮化物半导体的c轴与晶轴(例如m轴)规定。图1中，绘出代表性的c面Sc，还绘出表示c轴方向的c轴向量VC。本实施例中，基准轴Ax在主面13a的法线方向上延伸，并与法线向量VN一并表示。
外延半导体区域15设置在支撑基体13的主面13a上。外延半导体区域15的最表面15a的形态包含多个凹坑，并且该凹坑的凹坑密度为5×104cm-2以下。本实施例中，基准轴Ax在最表面15a的法线方向上延伸。本实施例中，外延半导体区域15可包含例如多个氮化镓基半导体层16a、16b、16c。氮化镓基半导体层16a与支撑基体13形成结J1，氮化镓基半导体层16b与氮化镓基半导体层16a形成结J2，氮化镓基半导体层16c与氮化镓基半导体层16b形成结J3。氮化镓基半导体层16a、16b、16c是在支撑基体13上依次生长的外延膜。
在III族氮化物半导体元件11a中，第二角度ALPHA2的值在-0.30度以上且+0.30度以下的范围内。在半极性面的基底上生长外延半导体区域15时，可抑制因c轴相对于上述晶轴的倾斜方向发生少许变化而引起的凹坑生成。因此，在III族氮化物半导体元件11a及外延衬底11b的制作中，可在半极性外延膜的表面15a上提供良好的表面形态。
在III族氮化物半导体元件11a中，支撑基体13(外延衬底的衬底也与此相同)的III族氮化物半导体优选为GaN。可在GaN区域上设置外延半导体区域，并可减少凹坑密度以外的结晶质量的下降。此外，支撑基体13(外延衬底的衬底也与此相同)的位错密度优选为1×106cm-2以下。根据本发明，可减少由基底的位错密度所引起的凹坑的生成。
图2是概略性地表示作为III族氮化物半导体元件11a的发光元件的结构的图。发光元件例如可为激光二极管、发光二极管。当III族氮化物半导体元件11a为发光元件时，如图2所示，外延半导体区域15包含第一导电型氮化镓基半导体层17、第二导电型氮化镓基半导体层19及发光层21。发光层21可设置在第一导电型氮化镓基半导体层17与第二导电型氮化镓基半导体层19之间。第一导电型氮化镓基半导体层17可包含例如n型覆层，n型覆层可包含例如GaN、AlGaN及InAlGaN等。第二导电型氮化镓基半导体层19可包含p型覆层，p型覆层可包含例如GaN、AlGaN及InAlGaN等。发光层21可包含例如量子阱结构的有源层23，必要时，发光层21可包含设置在第一导电型氮化镓基半导体层17与有源层23之间的光导层25，光导层25可包含例如GaN层和/或InGaN层。发光层21可包含设置在第二导电型氮化镓基半导体层19与有源层23之间的光导层27，光导层27可包含例如GaN层和/或InGaN层。有源层23可包含在基准轴Ax的方向上交替排列的势垒层23a及阱层23b。阱层23b可包含例如InGaN层，势垒层23a可包含例如GaN、InGaN层。
在外延半导体区域15的生长中，凹坑由某小面构成，用于外延半导体区域15的氮化镓基半导体不仅生长在原来的生长面上，还生长在凹坑的小面上。由于小面中构成元素的掺入与原来的生长面中该构成元素的掺入不同，因此在凹坑的附近，构成元素的组成产生变化。尤其是在发光层21的生长中，由于小面中构成元素(例如铟)的掺入与原来的生长面中的掺入不同，因此在凹坑的附近，构成元素的组成产生变化，这使发射光谱的半高宽增加。
III族氮化物半导体元件11a包含设置在外延半导体区域15的表面15a上的电极29a，电极29a可为与构成外延半导体区域15的最上层15a的接触层形成接触的阳极。由于降低了凹坑密度，因此可在III族氮化物半导体元件11a中提供减少上述凹坑所引起的漏电流的电极29a。此外，可提供一种外延衬底，其可在III族氮化物半导体元件11a中提供可减少由凹坑引起的漏电流的电极29a。外延半导体区域15的最上层15a显示出可减少漏电流的良好的表面形态。
III族氮化物半导体元件11a可包含设置在支撑基体13的背面13b上的电极29b，且电极29b可为阴极。
在外延半导体区域15的最上层15a上的凹坑的开口中，第一方向上的第一开口宽度小于与该第一方向正交的第二方向上的第二开口宽度，所述第一方向由该凹坑与基准平面RCM的交叉规定。半极性面上的凹坑具有与c面上的凹坑不同的形状。外延膜的半极性面上的凹坑，其形状不具有对称性，形成为显示出大于1的较大纵横比的横长或纵长的形状。因此，半极性面上的凹坑在外延膜表面对较大的区域造成影响，因此，凹坑密度的降低可有效地扩大良好形态的表面。
外延半导体区域15的膜厚为2μm以上。认为半极性面上的上述凹坑的原因在于以穿透位错等结晶缺陷为起点而产生的生长异常。当外延半导体区域15的膜厚达到上述值左右时，生长异常的频率会对凹坑密度的增大造成影响。多数生长异常会在外延半导体区域15的最表面15a上引起形态异常。穿透位错有从例如基底的氮化物区域延续而来的穿透位错。
多个凹坑中的一部分具有100nm以上的深度。凹坑是生长异常在生长中延续至外延半导体区域15的表面15a而产生的。深凹坑会对半导体元件的电特性造成影响。
第一角度ALPHA1可为63度以上且小于80度。在该角度范围的外延半导体区域15的表面15a上，与其他角度范围相比，凹坑密度具有增加的倾向。另外，外延半导体区域可包含阱层等InGaN层。第一角度ALPHA1可为70度以上且小于80度。可制作高In组成的InGaN层，并且在该InGaN层中可降低凹坑密度。进而，第一角度ALPHA1可为72度以上且小于78度。可制作高In组成及低In偏析的InGaN层，并且在该InGaN层中可降低凹坑密度。
第二角度ALPHA2优选在-0.10度以上且+0.10度以下的范围内。当该角度在上述范围内时，有利于凹坑密度的降低。此外，当凹坑密度为5×103cm-2以下时，可提供具有良好凹坑密度的外延半导体区域15。
图3是表示包括制作本实施方式的III族氮化物半导体元件的方法中的主要步骤的步骤流程的图。图4是示意性地表示制作本实施方式的III族氮化物半导体元件的方法中的主要步骤的图。
在步骤S 101中，如图4的(a)部分所示，准备衬底51。衬底51包含III族氮化物半导体。衬底51的主面51a沿着与基准轴Ax正交的基准平面延伸，所述基准轴Ax相对于该III族氮化物半导体的c轴倾斜。基准轴Ax沿着从该III族氮化物半导体的c轴朝向m轴及a轴中的任意一轴的晶轴的方向以第一角度ALPHA1倾斜，且第一角度ALPHA1在10度以上且小于80度的范围内。而且，基准轴Ax沿着从该III族氮化物半导体的c轴朝向m轴及a轴中的任意另一轴的晶轴的方向以第二角度ALPHA2倾斜，且第二角度ALPHA2在-0.30度以上且+0.30度以下的范围内。规定的角度ALPHA、第一角度ALPHA1及第二角度具有ALPHA＝(ALPHA12+ALPHA22)1/2的关系。在后续说明中，使用GaN衬底(在后续说明中参照为“衬底51”)作为衬底51的一例。
在步骤S102中，将衬底51配置于生长炉10中后，如图4的(b)部分所示，使用生长炉10对GaN衬底51进行热清洗。在摄氏1050度的温度下，在生长炉10中通入包含NH3与H2的气体G0，进行10分钟的热处理。
接着，使用有机金属气相生长法，在衬底51上生长多个氮化镓基半导体层而制作外延衬底。原料使用三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)、三甲基铟(TMI)、氨气(NH3)。掺杂剂气体使用硅烷(SiH4)及双环戊二烯镁(CP2Mg)。
在步骤S103中，如图4的(c)部分所示，在衬底51的主面51a上生长外延半导体区域53。外延半导体区域53可包含例如一层或多层氮化镓基半导体层。由后续说明可知，外延半导体区域53的最表面53a的形态包含多个凹坑，且凹坑的凹坑密度为5×104cm-2以下。
通过这些步骤，制作用于III族氮化物半导体元件的外延衬底11b。如图1所示，该外延衬底11b包括衬底14及外延半导体区域15。衬底14包含III族氮化物半导体，且其主面14a沿着与基准轴Ax正交的基准平面RSUB延伸，所述基准轴Ax相对于该III族氮化物半导体的c轴以规定的角度ALPHA倾斜。外延半导体区域15设置在衬底14的主面14a上。基准轴Ax沿着从该III族氮化物半导体的c轴朝向m轴及a轴中的任意一轴的第一晶轴的方向以10度以上且小于80度的范围的第一角度ALPHA1倾斜。基准轴Ax沿着从该III族氮化物半导体的c轴朝向m轴及a轴中的任意另一轴的第二晶轴的方向以-0.30度以上且+0.30度以下的范围的第二角度ALPHA2倾斜。规定的角度、第一角度及第二角度具有ALPHA＝(ALPHA12+ALPHA22)1/2的关系。外延半导体区域15的最表面15a的形态包含多个凹坑，且该凹坑的凹坑密度为5×104cm-2以下。
图5是表示半极性衬底上的GaN外延膜的最表面上出现的凹坑的图。参照图5的(a)部分，与200μm的比例尺一同示出凹坑的形态。如图5的(b)部分所示，观察到以位错等晶格缺陷为基点的、在单向上非对称生长的凹状的形态异常。图5的(b)部分中，在纵轴及横轴上示出100μm的比例尺。凹坑开口的尺寸为数十μm至数百μm左右。
图6是表示半极性衬底上的GaN外延膜的最表面上出现的凹坑的图。参照图6的(a)部分，显示出外延膜的最表面上出现的凹坑的截面的形状。该截面是沿图6的(b)部分所示的线CS而截取的。该凹坑的深度为100nm以上，还观察到数μm左右的更深的凹坑。由于凹坑的开口具有较大的纵横比，因此，半极性面上的外延膜上所形成的凹坑与c面上的外延膜上所形成的凹坑相比，由凹坑所引起的异常波及到表面的较广范围。
(实施例1)
图7是表示生长在具有若干第二角度的主面的GaN衬底上的GaN外延膜的表面形态的图。准备3种GaN衬底S1、S2、S3。这些GaN衬底具有从六方晶系GaN的c面向m轴方向以75度的角度倾斜的GaN主面，该倾斜面表示为(20-21)面。所有主面均经镜面研磨。
外观照片、 GaN衬底、第二角度、第一角度-75.09。
                      (a轴方向)、(c轴向m轴)。
图7的(a)部分、GaN衬底S1：  0.26、     -0.40。
图7的(b)部分、GaN衬底S2：  -0.12、    +0.40。
图7的(c)部分、GaN衬底S3：  -0.03、    +0.03。
角度的单位为“度”。
除了图7所示的GaN外延膜的实验以外，各种实验均显示出，a轴方向的微小角度偏移越小，形态越良好。而且，GaN的表面形态对于与a轴方向的微小角度偏移相同程度的c轴方向的角度偏移并不敏感。
根据本发明人的实验，第二角度ALPHA2可在-0.30度以上且+0.30度以下的范围内。当该角度在上述范围内时，可降低凹坑密度。另外，当凹坑密度为5×104cm-2以下时，可提供具有低凹坑密度的最表面的氮化镓基外延半导体区域。
根据本发明人的实验，第二角度ALPHA2优选在-0.10度以上且+0.10度以下的范围内。当该角度在上述范围内时，有利于凹坑密度的降低。另外，当凹坑密度为5×103cm-2以下时，可提供具有良好凹坑密度的最表面的氮化镓基外延半导体区域。
图8是表示包含InGaN层的氮化镓基外延半导体区域的发光的面分布的图。参照图8的(a)部分，显示出在氮化镓基外延半导体区域的表面产生发光波长的微小差异，发光不均与横长的凹坑的位置一致。图8的(b)部分是示意性地表示凹坑PIT的截面的图。凹坑的凹部分的侧面由某些小面F1、F2形成。小面F1、F2中铟的掺入与通常的生长面G中铟的掺入不同，因此在表面形态的正常部与异常部，发光波长不同。因此，发射光谱中的发光波长的半高宽增大。而且，在凹坑的凹部分中，发光波长也由于小面的差异而不同。因此，发射光谱中发光波长的半高宽进一步增大。
如图9的表面形态所示，若降低生长温度，则扭折(キンク)延伸方向的随机性提高。因此，不易产生由上述凹坑所引起的形态异常，可改善GaN表面形态。
外观照片、      GaN衬底、第二角度、第一角度-75.09。
                (a轴方向)、(c轴向m轴)、生长温度。
图9的(a)部分、   GaN衬底S1：-0.07、-0.14、摄氏1050度。
图9的(b)部分、   GaN衬底S2：-0.07、-0-14、摄氏950度。
角度的单位为“度”。
根据本发明人的实验，当外延半导体区域的膜厚为2μm以上时，半极性面上的上述凹坑的产生变得显著。然而，即使膜厚小于2μm，也并不全无凹坑的产生。认为外延半导体区域15的膜厚达到上述值左右时，生长异常的频率会对凹坑密度的增大造成影响。而且，多数生长异常会在外延半导体区域的最表面引起形态异常。穿透位错有从例如基底的氮化物区域延续而来的穿透位错。本实施例中的GaN衬底的位错密度为1×106cm-2以下。
图10是示意性地表示在自c轴朝向m轴的方向上以75度的角度倾斜的(20-21)面等半极性面上的GaN生长的图。参照图10的(a)部分，显示出较小的角度ALPHA2的半极性面上的生长。在较小的角度ALPHA2的半极性面上，扭折在<11-20>方向或者<-1-120>方向上延伸。结果，形成台阶(ステツプ)沿<1-100>方向延伸的生长。在朝向a轴方向的角度ALPHA2的倾斜角度接近零度的半极性面上的生长中，扭折的延伸方向基本上是随机的。
参照图10的(b)部分，显示出某种程度的较大角度ALPHA2的半极性面上的生长。当朝向a轴方向的倾斜角大至某种程度时，扭折在a轴的倾斜的方向上选择性地延伸。在该生长中，以自衬底开始的穿透位错等结晶缺陷为起点而产生生长异常时，生长异常也变为选择性的生长，凹坑在单向上延伸。因此，产生由凹坑引起的形态异常。
如上所述，朝向a轴方向的角度ALPHA2的倾斜角接近零度时，虽然产生凹坑，但不会像形成如图5的(b)部分所示的较大纵横比的开口那样，非对称性地形成凹坑，因此对于表面形态的影响变小。
另外，当角度ALPHA1不同于75度时，虽然上述说明所例示的扭折及台阶的延伸方向发生改变，但不会以同样的机制产生形态异常。根据本发明人的实验，半极性面上的生长对于角度ALPHA2的倾斜敏感，由于较大的角度ALPHA2的倾斜而产生的凹坑是半极性所特有的。
图11是示意性地表示制作本实施方式的III族氮化物半导体发光元件的方法中的主要步骤的图。参照图11，说明制作半导体发光元件的方法。如上文所述，在步骤S103中，在衬底51的主面51a上生长外延半导体区域53。首先，在步骤S103-1中，如图11的(a)部分所示，形成n型氮化镓基半导体区域55。为了形成n型氮化镓基半导体区域55，生长例如n型覆层和/或缓冲层。n型覆层可为Si掺杂AlGaN、InAlGaN、GaN等。此外，缓冲层可包含InGaN等。
接着，在步骤S103-2中，如图11的(b)部分所示，形成发光层57。为了形成发光层57，生长量子阱结构的有源层。量子阱结构的阱层可包含例如InGaN，量子阱结构的势垒层可包含例如GaN或InGaN。可在形成有源层之前形成光导层。光导层可包含例如GaN层及InGaN层，必要时，可在光导层的一部分中添加n型掺杂剂。可在形成p型氮化镓基半导体区域59之前形成光导层。光导层可包含例如GaN层及InGaN层，必要时，可在光导层的一部分中添加p型掺杂剂。另外，当光导层包含多层半导体层时，可在光导层内设置电子阻挡层。
生长发光层57之后，如图11的(c)部分所示，形成p型氮化镓基半导体区域59。为了形成p型氮化镓基半导体区域59，生长例如电子阻挡层、p型覆层及p型接触层。电子阻挡层可包含AlGaN层。p型覆层可包含Mg掺杂AlGaN、InAlGaN等。此外，p型接触层可包含Mg掺杂AlGaN、Mg掺杂GaN等。通过这些步骤，制作外延衬底E。
在步骤S104中，在外延衬底E上形成阳极及阴极。本实施例中，在形成与p型接触层接触的电极的同时，在研磨衬底51的背面之后形成与该研磨面接触的电极。
(实施例2)
在具有半极性主面的GaN衬底上，制作激光二极管结构(LD1)的外延衬底。作为用于外延生长的原料，使用三甲基镓(TMG)、三甲基铟(TMI)、三甲基铝(TMA)、氨气(NH3)、硅烷(SiH4)、双环戊二烯镁(Cp2Mg)。
准备倾斜角在63度至小于80度的倾斜角范围内的GaN衬底120。GaN衬底120具有在六方晶系GaN中自与c轴正交的平面向m轴方向以75度的角度倾斜的主面，该倾斜面表示为(20-21)面。另外，主面在a轴方向上以0.05度的角度倾斜。该主面也经过镜面研磨。在下述条件下，在该衬底120上进行外延生长。
首先，将GaN衬底120设置在生长炉内。在摄氏1050度的温度及27kPa的炉内压力下，边通入NH3与H2边进行10分钟热处理。通过由该热处理所引起的表面改性，在GaN衬底120的表面形成由偏角所规定的平台(テラス)结构。该热处理之后，生长GaN基半导体区域。生长缓冲层121a后，例如在摄氏1050度下将TMG、TMA、NH3、SiH4供给至生长炉，生长n型覆层121b。n型覆层121b为例如Si掺杂AlGaN层。AlGaN层的厚度为例如2微米，其Al组成为例如0.04。
接着，在摄氏840度的衬底温度下，将TMG、TMI、NH3供给至生长炉，生长光导层122a、122b。光导层122a包含例如无掺杂GaN层，其厚度为50nm。光导层122b包含例如无掺杂InGaN层，其厚度为65nm。
接着，生长有源层123。在摄氏870度的衬底温度下，将TMG、NH3供给至生长炉，在该势垒层生长温度下生长GaN基半导体的势垒层123a。势垒层123a为例如无掺杂GaN，其厚度为15nm。在势垒层123a生长后，中断生长，将衬底温度从摄氏870度改变为摄氏750度。在改变后的阱层生长温度下，将TMG、TMI、NH3供给至生长炉，生长无掺杂InGaN阱层123b。其厚度为3nm。在阱层123b的生长后，停止供给TMI，并且将TMG、NH3供给至生长炉，同时使衬底温度从摄氏750度改变为摄氏870度。在此改变过程中，也生长无掺杂GaN势垒层的一部分。温度改变结束后，生长无掺杂GaN势垒层的剩余部分。GaN势垒层123b的厚度为15nm。接着，重复进行势垒层的生长、温度改变、阱层的生长，形成InGaN阱层123b、GaN势垒层123a。
在摄氏840度的衬底温度下，将TMG、TMI、NH3供给至生长炉，在有源层123上生长光导层124a、124b。光导层124b包含无掺杂InGaN层。光导层124b的厚度为65nm，其In组成为0.02。另外，光导层124a包含无掺杂GaN层。光导层124a的厚度为50nm。本实施例中，在光导层124b上生长电子阻挡层125后，生长光导层124a。在光导层124b的生长后停止供给TMG及TMI，使衬底温度上升至摄氏1000度。在此温度下，将TMG、TMA、NH3、Cp2Mg供给至生长炉，生长电子阻挡层125。电子阻挡层125为例如AlGaN。电子阻挡层125的厚度为例如20nm，Al组成为0.12。
在光导层124a上生长GaN基半导体区域。在光导层124a的生长之后，停止供给TMG及TMI，使衬底温度上升至摄氏1000度。在此温度下，将TMG、TMA、NH3、Cp2Mg供给至生长炉，生长p型覆层126。p型覆层126为例如Al0.06Ga0.94N。p型覆层126的厚度为例如400nm，其Al组成为0.06。之后，停止供给TMA，生长p型接触层。p型接触层127包含例如GaN，其厚度为例如50nm。成膜后，使生长炉的温度降低至室温，制作外延衬底。外延衬底的最表面具有所期望的形态。
在该外延衬底上形成电极。首先，沉积二氧化硅膜等绝缘膜，在该绝缘膜128上利用光刻及蚀刻形成接触窗。接触窗为例如条纹形状，其宽度为例如10微米。接着，在p型GaN接触层上形成p电极(Ni/Au)129a。之后，形成p衬垫电极(Ti/Au)。在外延衬底的背面形成n电极(Ti/Al)129b。进行电极退火(例如，摄氏550度、1分钟)的步骤，制作衬底产物。
图12是概略性地表示实施例2中的半导体激光器的图。图12所示的半导体激光器如下。
GaN衬底120：(20-21)面；n型缓冲层121a：Si掺杂GaN、生长温度1050度、厚度1.5μm。
n型覆层121b：Si掺杂AlGaN、生长温度1050度、厚度500nm、Al组成0.04。
光导层122a：无掺杂GaN、生长温度840度、厚度50nm。
光导层122b：无掺杂InGaN、生长温度840度、厚度65nm、In组成0.03。
有源层123。
势垒层123a：无掺杂GaN、生长温度870度、厚度15nm。
阱层123b：无掺杂InGaN、生长温度750度、厚度3nm、In组成0.22。
光导层124b：无掺杂InGaN、生长温度840度、厚度65nm、In组成0.03。
电子阻挡层125：Mg掺杂AlGaN、生长温度1000度、厚度20nm、Al组成0.12。
光导层124a：无掺杂GaN、生长温度840度、厚度50nm。
p型覆层126：Mg掺杂AlGaN、生长温度1000度、厚度400nm、Al组成0.06。
p型接触层127：Mg掺杂GaN、生长温度1000度、厚度50nm。
将通过这些步骤制作的衬底产物以800μm的间隔在a面进行解理。在用于共振器的a面解理面上形成包含SiO2/TiO2多层膜的反射膜，从而制作增益导引型激光二极管。前端面的反射率为80％，后端面的反射率为95％。该激光二极管以520nm的振荡波长进行振荡。其阈值电流为20kA/cm2，工作电压(电流值：1600mA)为7.2伏。
如上所述，根据本实施方式，可提供具有良好表面形态的半极性外延膜的III族氮化物半导体元件。此外，可提供用于该III族氮化物半导体元件的外延衬底。进而，可提供制作该III族氮化物半导体元件及外延衬底的方法。
在优选实施方式中对本发明的原理进行了图示说明，但本领域技术人员应当认识到，本发明可在不脱离其原理的范围内对配置及细节进行变更。本发明并不限定于本实施方式所公开的特定构成。因此，请求保护权利要求书请求的范围及根据其精神范围而得到的所有修正及变更。
产业实用性
根据本实施方式，提供包含具有良好表面形态的半极性外延膜的III族氮化物半导体元件。此外，根据本实施方式，提供用于该III族氮化物半导体元件的外延衬底。进而，根据本实施方式，提供制作该III族氮化物半导体元件的方法。

Claims (24)

1.一种III族氮化物半导体元件，其中，
包括：
支撑基体，其包含III族氮化物半导体，且具有沿着与基准轴正交的第一基准平面延伸的主面，所述基准轴相对于该III族氮化物半导体的c轴以规定的角度ALPHA倾斜，和
外延半导体区域，其设置在所述支撑基体的所述主面上；
所述外延半导体区域包含多个氮化镓基半导体层，
所述基准轴沿着从该III族氮化物半导体的c轴朝向m轴及a轴中的任意一轴的第一晶轴的方向以10度以上且小于80度的范围的第一角度ALPHA1倾斜，
所述基准轴沿着从该III族氮化物半导体的c轴朝向m轴及a轴中的任意另一轴的第二晶轴的方向以-0.30度以上且+0.30度以下的范围的第二角度ALPHA2倾斜，
所述规定的角度、所述第一角度及所述第二角度具有ALPHA＝(ALPHA12+ALPHA22)1/2的关系，
所述外延半导体区域的最表面的形态包含多个凹坑，
所述凹坑的凹坑密度为5×104cm-2以下。
2.如权利要求1所述的III族氮化物半导体元件，其中，在所述凹坑的开口中，第一方向上的第一开口宽度小于与该第一方向正交的第二方向上的第二开口宽度，所述第一方向由第二基准平面与该凹坑的交叉规定，所述第二基准平面由该III族氮化物半导体的c轴与所述第一结晶规定。
3.如权利要求1或2所述的III族氮化物半导体元件，其中，所述外延半导体区域的膜厚为2μm以上。
4.如权利要求1至3中任一项所述的III族氮化物半导体元件，其中，所述多个凹坑中的一部分具有100nm以上的深度。
5.如权利要求1至4中任一项所述的III族氮化物半导体元件，其中，所述第一角度为63度以上且小于80度。
6.如权利要求1至5中任一项所述的III族氮化物半导体元件，其中，所述第二角度在-0.10度以上且+0.10度以下的范围内。
7.如权利要求1至6中任一项所述的III族氮化物半导体元件，其中，所述凹坑密度为5×103cm-2以下。
8.如权利要求1至7中任一项所述的III族氮化物半导体元件，其中，
所述外延半导体区域包含InGaN层，
所述第一角度为70度以上且小于80度。
9.如权利要求8所述的III族氮化物半导体元件，其中，所述第一角度为72度以上且小于78度。
10.如权利要求1至9中任一项所述的III族氮化物半导体元件，其中，还包括与所述外延半导体区域形成接触的电极。
11.如权利要求1至10中任一项所述的III族氮化物半导体元件，其中，
所述外延半导体区域包含第一导电型氮化镓基半导体层、第二导电型氮化镓基半导体层及发光层，且
所述发光层设置在所述第一导电型氮化镓基半导体层与所述第二导电型氮化镓基半导体层之间。
12.如权利要求1至11中任一项所述的III族氮化物半导体元件，其中，所述支撑基体的所述III族氮化物半导体为GaN。
13.如权利要求1至12中任一项所述的III族氮化物半导体元件，其中，所述支撑基体的位错密度为1×106cm-2以下。
14.一种外延衬底，用于III族氮化物半导体元件，其中，
包括：
衬底，其包含III族氮化物半导体，且具有沿着与基准轴正交的第一基准平面延伸的主面，所述基准轴相对于该III族氮化物半导体的c轴以规定的角度ALPHA倾斜，和
外延半导体区域，其设置在所述衬底的所述主面上；
所述外延半导体区域包含多个氮化镓基半导体层，
所述基准轴沿着从该III族氮化物半导体的c轴朝向m轴及a轴中的任意一轴的第一晶轴的方向以10度以上且小于80度的范围的第一角度ALPHA1倾斜，
所述基准轴沿着从该III族氮化物半导体的c轴朝向m轴及a轴中的任意另一轴的第二晶轴的方向以-0.30度以上且+0.30度以下的范围的第二角度ALPHA2倾斜，
所述规定的角度、所述第一角度及所述第二角度具有ALPHA＝(ALPHA12+ALPHA22)1/2的关系，
所述外延半导体区域的最表面的形态包含多个凹坑，
所述凹坑的凹坑密度为5×104cm-2以下。
15.如权利要求14所述的外延衬底，其中，在所述凹坑的开口中，第一方向上的第一开口宽度小于与该第一方向正交的第二方向上的第二开口宽度，所述第一方向由第二基准平面与该凹坑的交叉规定，所述第二基准平面由该III族氮化物半导体的c轴与所述第一结晶规定。
16.如权利要求14或15所述的外延衬底，其中，所述外延半导体区域的膜厚为2μm以上。
17.如权利要求14至16中任一项所述的外延衬底，其中，所述第一角度为63度以上且小于80度。
18.如权利要求14至17中任一项所述的外延衬底，其中，
所述外延半导体区域包含第一导电型氮化镓基半导体层、第二导电型氮化镓基半导体层及发光层，且
所述发光层设置在所述第一导电型氮化镓基半导体层与所述第二导电型氮化镓基半导体层之间。
19.如权利要求14至18中任一项所述的外延衬底，其中，所述衬底的所述III族氮化物半导体为GaN。
20.如权利要求14至19中任一项所述的外延衬底，其中，所述衬底的位错密度为1×106cm-2以下。
21.一种制作III族氮化物半导体元件的方法，其中，
包括：
准备衬底的步骤，所述衬底包含III族氮化物半导体，且具有沿着与基准轴正交的第一基准平面延伸的主面，所述基准轴相对于该III族氮化物半导体的c轴以规定的角度ALPHA倾斜，和
在所述衬底的所述主面上生长包含多个氮化镓基半导体层的外延半导体区域的步骤；
所述外延半导体区域包含多个氮化镓基半导体层，
所述基准轴沿着从该III族氮化物半导体的c轴朝向m轴及a轴中的任意一轴的第一晶轴的方向，以10度以上且小于80度的范围的第一角度ALPHA1倾斜，
所述基准轴沿着从该III族氮化物半导体的c轴朝向m轴及a轴中的任意另一轴的第二晶轴的方向，以-0.30度以上且+0.30度以下的范围的第二角度ALPHA2倾斜，
所述规定的角度、所述第一角度及所述第二角度具有ALPHA＝(ALPHA12+ALPHA22)1/2的关系，
所述外延半导体区域的最表面的形态包含多个凹坑，
所述凹坑的凹坑密度为5×104cm-2以下。
22.如权利要求21所述的制作III族氮化物半导体元件的方法，其中，还包括形成与所述外延半导体区域形成接触的电极的步骤。
23.如权利要求21或22所述的制作III族氮化物半导体元件的方法，其中，
所述外延半导体区域包含第一导电型氮化镓基半导体层、第二导电型氮化镓基半导体层及发光层，且
所述发光层设置在所述第一导电型氮化镓基半导体层与所述第二导电型氮化镓基半导体层之间。
24.如权利要求21、22或23所述的制作III族氮化物半导体元件的方法，其中，在所述凹坑的开口中，第一方向上的第一开口宽度小于与该第一方向正交的第二方向上的第二开口宽度，所述第一方向由第二基准平面与该凹坑的交叉规定，所述第二基准平面由该III族氮化物半导体的c轴与所述第一结晶规定。
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