CN105612276A - 外延生长用模板以及其制作方法、和氮化物半导体装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种外延生长用模板的制作方法，具有：将Ga原子分散提供到蓝宝石基板的表面的表面处理工序、和在所述蓝宝石基板上使AlN层外延生长的AlN生长工序，所述AlN层的除去从表面起到深度100nm为止的表面近旁区域以外的所述AlN层的内部区域中的能以二次离子质量分析法得到的Ga浓度在与所述蓝宝石基板的表面垂直的深度方向的浓度分布当中的得到所述Ga浓度的最大值的所述深度方向的位置，存在于从所述蓝宝石基板的界面到向所述AlN层侧离开400nm的位置为止的界面近旁区域内，所述Ga浓度的最大值为3×1017atoms/cm3以上、2×1020atoms/cm3以下。

Description

外延生长用模板以及其制作方法、和氮化物半导体装置
技术领域
本发明涉及成为使GaN系化合物半导体层(一般式：AlxGayInl-x-yN)外延生长的基底的外延生长用模板以及其制作方法、和GaN系氮化物半导体装置。
背景技术
一直以来，通过使多层结构的GaN系化合物半导体层在外延生长用模板上生长来制作发光二极管或半导体激光器等的GaN系氮化物半导体装置(例如参考非专利文献1)。在图7示出典型的现有的GaN系发光二极管的结晶层结构。在蓝宝石基板101上形成由AlN构成的基底层102，在以光刻和反应性离子蚀刻形成周期性的槽结构后形成ELO-AlN层103，在该ELO-AlN层103上依次层叠膜厚2μm的n型AlGaN的n型包覆层104、AlGaN/GaN多重量子阱活性层105、Al组成比高于多重量子阱活性层105的Al组成比的膜厚20nm的p型AlGaN的电子阻挡层106、膜厚50nm的p型AlGaN的p型包覆层107、膜厚20nm的p型GaN的接触层108，图7所示的发光二极管具有这样的层叠结构。多重量子阱活性层105具有将以膜厚8nm的AlGaN势垒层夹着膜厚2nm的GaN阱层的结构层叠5层的结构。在结晶生长后，直到n型包覆层104的一部分露出表面为止地蚀刻除去其上的多重量子阱活性层105、电子阻挡层106、p型包覆层107、以及接触层108，分别在接触层108的表面形成例如Ni/Au的p-电极109，在露出的n型包覆层104的表面形成例如Ti/Al/Ti/Au的n-电极110。将GaN阱层作为AlGaN阱层，通过使Al组成比或膜厚变化来进行发光波长的短波长化，或者通过添加In来进行发光波长的长波长化，能制作波长200nm到400nm程度的紫外区域的发光二极管。关于半导体激光器，也能用类似的构成制作。在图7所示的结晶层结构中，由蓝宝石基板101、AlN基底层102和ELO-AlN层103形成外延生长用模板。
该模板表面的结晶质量给形成于其上层的GaN系化合物半导体层的结晶质量带来直接影响，给作为结果而形成的发光元件等的特性带来大的影响。特别是在紫外线域的发光二极管或半导体激光器的制作中，期望使用穿透位错密度107/cm2以下、优选减低到106/cm2程度的模板。如图7所示那样，若在具有周期性的槽结构的AlN基底层102上用横向生长(ELO：EpitaxialLateralOvergrowth)法使ELO-AlN层103外延生长，在从槽与槽间的凸部平坦面生长的AlN层覆盖槽上方地横向生长的同时，从该平坦面生长的穿透位错也由于横向生长而汇集在槽上方，因此能大幅减低穿透位错密度。
但是，在图7所示的由蓝宝石基板、AlN基底层和ELO-AlN层构成的模板中，需要在使AlN基底层生长后，将试样(基板)暂时从外延生长用的反应室内取出，以光刻和反应性离子蚀刻在AlN基底层的表面形成周期性的槽结构。为此，不能使AlN基底层和ELO-AlN层连续生长，招致制造工序的烦杂化以及生产量的降低，成为制造成本高企的要因。
另一方面，为了省略结晶生长工序间的蚀刻加工来缓和制造工序的烦杂化以及生产量的降低，提出如下方法：在蓝宝石基板的表面直接以光刻和反应性离子蚀刻等形成周期性的槽结构，在该蓝宝石基板上直接形成ELO-AlN层来作为外延生长用模板(例如参考专利文献1、非专利文献2、非专利文献3)。由于为了在槽结构的基板表面使ELO-AlN层生长，需要使从槽底部生长的AlN层、和从槽与槽间的凸部平坦面横向生长的AlN层分离，因此优选形成在蓝宝石基板表面的槽较深，但由于蓝宝石基板蚀刻率，难以加工，因此需要在浅的槽结构中使低穿透位错密度的ELO-AlN层生长。
在蓝宝石基板上不用横向生长法地使AlN层生长的情况下，通过使用横向生长法而消除的问题显现，极难制作无裂纹、低穿透位错密度且结晶的表面性状良好的模板。
为此，作为在蓝宝石基板上不用横向生长法地使AlN层生长、来制作无裂纹、低穿透位错密度且结晶的表面性状良好的模板的方法，例如提出以下方法(参考非专利文献4)：将下述的AlN层设为多层结构，交替层叠连续提供Al原料的TMA(三甲基铝)并间歇提供N原料的NH3(氨)而生长的脉冲流AlN层、和分别连续提供TMAl和NH3而生长的连续AlN层。
先行技术文献
专利文献
专利文献1：专利第3455512号公报
非专利文献
非专利文献1：KentaroNagamatsu，etal.，“High-efficiencyAlGaN-basedUVlight-emittingdiodeonlaterallyovergrownAlN”，JournalofCrystalGrowth，310，pp.2326-2329，2008
非专利文献2：N.Nakano，etal.，“EpitaxiallateralovergrowthofALNlayersonpatternedsapphiresubstrates”，Phys.StatusSolidi(a)203，No.7，PP.1632-1635，2006
非专利文献3：J.Mei，etal.，“Dislocationgenerationatthecoalescenceofaluminumnitridelateralepitaxyonshallow-groovedsapphiresubstrates”，AppliedPhysicsLetters90，221909，2007
非专利文献4：H.Hirayama，etal.，“222-282nmAlGaNandInAlGaN-baseddeep-UVLEDsfabricatedonhigh-qualityAlNonsapphire”，Phys.StatusSolidiA206，No.6，1176-1182(2009)
发明的概要
发明要解决的课题
如上述那样，在蓝宝石基板上通过横向生长法使AlN层生长而形成的模板中，需要以蚀刻等在蓝宝石基板或ELO-AlN层的基底层形成槽结构，不管形成槽结构的对象怎样，都存在槽结构的形成所涉及的问题。
另外，在上述非专利文献4公开的方法中，在蓝宝石基板上不用横向生长法地使AlN层生长，虽然能制作无裂纹、低穿透位错密度且结晶的表面性状良好的模板，但需要在控制NH3的提供方法使核形成AlN层、和强调横向生长来掩埋该核形成AlN层的微小突起的被覆AlN层生长后，在其上连续提供原料来使AlN层高速生长，设为反复层叠该3层结构的多层结构，AlN层的生长时的控制烦杂化。
发明内容
本发明鉴于上述的问题点而提出，其目的在于制作具有在蓝宝石基板上使AlN层生长的结构的外延生长用模板，制作不用横向生长法或复杂的生长控制就能简便地使AlN层生长、并且无裂纹、低穿透位错密度且结晶的表面性状的良好的模板。
用于解决课题的手段
本申请发明者通过锐意研究，发现在AlN层的生长开始前或开始时，分散于蓝宝石基板的表面存在微量的Ga原子，通过使该基板与AlN层的界面近旁区域的Ga浓度为给定的范围内，在此基础上能不用横向生长法或复杂的原料提供法地使AlN层生长，来制作出无裂纹、低穿透位错密度且结晶的表面性状良好的模板，作出本申请发明。
为了达成上述目的，本发明提供模板的制作方法，是在蓝宝石基板的表面上具有AlN层、成为使GaN系化合物半导体层外延生长的基底的模板的制作方法，其特征在于，具有：将Ga原子分散提供到蓝宝石基板的表面的表面处理工序；和在所述蓝宝石基板上使AlN层外延生长的AlN生长工序，所述AlN层的除去从表面起到深度100nm为止表面近旁区域以外的所述AlN层的内部区域中的能以二次离子质量分析法得到的Ga浓度在与所述蓝宝石基板的表面垂直的深度方向的浓度分布当中的得到所述Ga浓度的最大值的所述深度方向的位置，存在于从所述蓝宝石基板的界面起到向所述AlN层侧离开400nm的位置为止的界面近旁区域内，所述Ga浓度的最大值为3×1017atoms/cm3以上、2×1020atoms/cm3以下。
进而，在上述特征的模板的制作方法的基础上，作为合适的1个方式，在所述表面处理工序中，对进行所述AlN生长工序的生长室内提供成为Ga的原料的化合物。
进而，在在上述特征的模板的制作方法的基础上，作为合适的1个方式，在所述表面处理工序的结束后、和所述表面处理工序的开始同时、或者在所述表面处理工序的中途的任意的定时，开始所述AlN生长工序。
进而，作为上述特征的模板的制作方法的合适的1个方式，在所述二次离子质量分析法中使用的一次离子种为O2 +。
进而，为了达成上述目的，本发明提供外延生长用模板，具备：在表面分散存在Ga原子的蓝宝石基板；和在所述蓝宝石基板上外延生长而成的AlN层，所述AlN层的除去从表面起到深度100nm为止的表面近旁区域以外的所述AlN层的内部区域中的能以二次离子质量分析法得到的Ga浓度在与所述蓝宝石基板的表面垂直的深度方向的浓度分布当中的得到所述Ga浓度的最大值的所述深度方向的位置，存在于从所述蓝宝石基板的界面起直到向所述AlN层侧离开400nm的位置为止的界面近旁区域内，所述Ga浓度的最大值为3×1017atoms/cm3以上、2×1020atoms/cm3以下。
进而，作为上述特征的外延生长用模板的合适的1个方式，在所述二次离子质量分析法中使用的一次离子种为O2 +。
进而，本发明提供氮化物半导体装置，其特征在于，具备：具备上述特征的外延生长用模板、和在所述模板上外延生长而成的1层以上的GaN系化合物半导体层。
发明的效果
根据上述特征的外延生长用模板以及其制作方法，作为成为使GaN系化合物半导体层外延生长的基底的模板，不用横向生长法或复杂的原料提供法，能简便地得到无裂纹、低穿透位错密度且结晶的表面性状良好的模板。
上述效果的理由虽不明确，但推测为：在蓝宝石基板的表面局部发生蓝宝石基板与AlN间的晶格失配引起的应力集中，在最终产生裂纹前，分散存在于蓝宝石基板的表面的微量且适量的Ga原子成为核，将该应力分散，其结果抑制了裂纹的产生。
以上的结果不会招致制造成本的高企，作为形成于上述特征的外延生长用模板的上层的GaN系化合物半导体层能稳定地得到高结晶质量的GaN系化合物半导体层，能谋求由该GaN系化合物半导体层构成的半导体元件的高性能化。
附图说明
图1是示意地表示本发明所涉及的外延生长用模板的制作方法的第1实施例的工序的工序截面图。
图2是示意地表示本发明所涉及的外延生长用模板的制作方法的第2实施例的工序的工序截面图。
图3是示意地表示本发明所涉及的外延生长用模板的制作方法的第3实施例的工序的工序截面图。
图4是汇总示出表示本发明所涉及的外延生长用模板的制作方法以及用与其类似的制作方法制作的模板的样本的表面性状的多个测定结果的一览表。
图5是表示图4所示的样本中的样本#15以及#17的Ga浓度分布的图。
图6是表示图4所示的样本中的样本#32～#34以及#39的Ga浓度分布的图。
图7是示意地表示典型的现有的GaN系发光二极管的结晶层结构的截面图。
具体实施方式
基于附图米说明本发明所涉及的外延生长用模板的制作方法(以下适宜称作「本制作方法」)以及包含在本发明所涉及的氮化物半导体装置中的外延生长用模板(以下适宜称作「本模板」)的实施方式。
图1(a)～(c)是示意地表示本制作方法的第1实施例(以下称作第1制作方法)的工序的工序截面图，图2(a)～(d)是示意地表示本制作方法的第2实施例(以下称作第2制作方法)的工序的工序截面图，图3(a)～(c)是示意地表示本制作方法的第3实施例(以下称作第3制作方法)的工序的工序截面图，分别表示本模板的制作中途和制作后的截面结构。另外，在图1～图3中，为了说明理解的容易而强调显示主要部分，图中各部的尺寸比不一定和实际一致。
首先，在第1～第3制作方法中，都是准备蓝宝石基板2并将其收容在使AlN层3外延生长的反应室内(未图示)(参考图1(a)、图2(a)、图3(a))。在本实施方式中，通过周知的有机金属化合物气相生长(MOVPE)使AlN层3外延生长。
在第1制作方法中，接下来将成为在MOVPE的Ga的原料(前体)的TMG(三甲基镓)以给定的流量以及时间提供到该反应室内，将Ga原子4分散提供到蓝宝石基板2的表面(表面处理工序：参考图1(b))。进而，在表面被提供了Ga原子4的蓝宝石基板2上，以周知的MOVPE使AlN层3外延生长(AlN生长工序：参考图1(c))。在第1制作方法的AlN生长工序中，贯穿处理期间停止TMG的提供。
在第2制作方法中，接下来将成为在MOVPE中的Ga的原料(前体)的TMG(三甲基镓)以给定的流量以及时间提供到该反应室内，将Ga原子4分散提供到蓝宝石基板2的表面(表面处理工序：参考图2(b)、(c))。和上述的第1制作方法的不同点在于，从表面处理工序的中途，其就在表面被提供Ga原子4的蓝宝石基板2上以周知的MOVPE使AlN层3外延生长(AlN生长工序：参考图2(c)、(d))。因此，在第2制作方法中，表面处理工序的结束前的一段时期和AlN生长工序的开始后的一段时期重合(参考图2(c))，在表面处理工序的结束后才停止TMG的提供。
在第3制作方法中，接下来将成为在MOVPE中的Ga的原料(前体)的TMG(三甲基镓)以给定的流量以及时间提供到该反应室内，将Ga原子4分散提供到蓝宝石基板2的表面(表面处理工序：参考图3(b))。和上述的第1以及第2制作方法的不同点在于，在表面处理工序的开始的同时，在表面被提供Ga原子4的蓝宝石基板2上以周知的MOVPE使AlN层3外延生长(AlN生长工序：参考图3(b)、(c))。因此，在第3制作方法中，表面处理工序的全期间和AlN生长工序的开始后的一段时期重合(图3(b)参考)，在表面处理工序的结束后才停止TMG的提供。
如图1(c)、图2(d)以及图3(c)所示那样，本模板1具备蓝宝石(0001)基板2和AlN层3而构成，在蓝宝石基板2的表面分散存在Ga原子4，Ga原子4的一部分从蓝宝石基板2的表面向A1N层3内以某种程度扩散而存在。在第1～第3制作方法的任意一个中，AlN层3内的除去表面起深度100nm为止的表面近旁区域以外的内部区域中的得到Ga浓度的深度方向(与蓝宝石基板2的表面垂直的方向)的浓度分布中Ga浓度的最大值的该深度方向的位置，存在于从蓝宝石基板2与AlN层3的界面起到向A1N层3侧离开400nm程度的位置为止的界面近旁区域内，调整TMG的提供量(例如流量、时间等，以使该Ga浓度的最大值成为3×1017atoms/cm3以上、2×1020atoms/cm3以下的合适范围内。另外，该Ga浓度的最大值相对于AlN层3低到杂质浓度级别，不是在AlN层3内与蓝宝石基板2的界面附近让AlGaN明确形成为均匀的层的级别。
用以上的要领，通过本制作方法来制作表面致密且平坦、无裂纹的外延生长用模板(本模板1)。
AlN层3的膜厚作为一例设定为1μm～10μm程度，AlN生长工序中的生长温度作为一例设定为比AlN的晶化温度高温的1230℃～1350℃的温度范围内，压力设定为50Torr以下程度。在本实施方式中，将Al以及N的原料(前体)的TMA(三甲基铝)和NH3(氨)都在给定的流量比(NH3/TMA)的范围内连续提供。另外，上述各设定条件的最佳值由于依赖于所使用的反应室等的装置而变化，因此对应于所使用的装置进行适宜调整。
在第2以及第3制作方法中，表面处理工序中的温度以及压力条件成为和AlN生长工序同样的条件，第1制作方法、以及第2制作方法中的AlN生长工序之前的部分的温度以及压力条件也能设为和AlN生长工序同样的条件，但例如也可以将压力条件设定为比AlN生长工序更高压(例如100Torr程度)。
以下对用第1～第3制作方法制作的本模板1的样本、和用仅表面处理工序中的TMG的提供条件和第1～第3制作方法不同的类似的制作方法(第1～第3类似制作方法)制作的样本评价其表面性状，参考附图来说明评价结果。用第1～第3制作方法制作的样本是表面性状良好、上述Ga浓度的最大值成为上述合适范围内(3×1017～2×1020atoms/cm3)的良品样本，用上述各类似制作方法制作的样本是产生了裂纹的表面性状不良、上述Ga浓度的最大值成为上述合适范围外(不足3×1017atoms/cm3或大于2×1020atoms/cm3)的不良样本。以下为了说明方便，将第1制作方法和第1类似制作方法总称为第1方法，将第2制作方法和第2类似制作方法总称为第2方法，将第3制作方法和第3类似制作方法总称为第3方法。
在本实施方式中，通过二次离子质量分析法测定AlN层3内的Ga浓度。其中，作为一次离子种使用氧离子(O2 +)。一般在离子质量分析法中，作为一次离子种使用铯离子(Cs+)或氧离子(O2 +)，但在本实施方式中使用基底水平(backgroundlevel)比AlN中的Ga的基底水平更低的氧离子。在一次离子种为铯离子的情况下，由于AlN中的Ga的基底水平成为2×1017～3×1017atoms/cm3，因此有不能正确测定Ga浓度的最大值的上述合适范围的下限附近或其以下的Ga浓度的问题。与此相对，在一次离子种为氧离子的情况下，由于AlN中的Ga的基底水平成为不足1×1017atoms/cm3(约4～8×1016atoms/cm3)，因此能测定上述合适范围的下限附近或其以下的Ga浓度。
另外，将AlN层3的表面起到深度100nm为止的表面近旁区域除外来求取AlN层3内的Ga浓度的最大值。这是因为，存在通过二次离子质量分析法测定的该表面近旁区域的Ga浓度受到附着于AlN层3的表面的氧化物等的物质或该表面的带电等的影响而不能正确测定的可能性。
由于氮浓度在成为规定上述的界面近旁区域的基准的蓝宝石基板2与AlN层3的界面较大地变化，因此能根据二次离子质量分析法测定的氮浓度的结果来掌握该界面的深度(深度方向的位置)。其中，界面的深度由于基体效应(matrixeffect)而会出现数10nm～100nm程度的误差。为此在本实施方式中，使界面近旁区域的范围长到400nm，比该误差更长，进而将Ga浓度的最大值作为评价的基准，由此即使规定界面近旁区域的界面的位置因该误差而在蓝宝石基板2内偏离，而在该界面的Ga浓度成为看上去小的值，也能正确评价界面近旁区域中的Ga浓度和本模板1的表面性状的关系。
在图4中表示：对以第1方法制作的样本#11～#17、以第2方法制作的样本#21～#23、以及以第3方法制作的样本#31～#39的各样本(都是2英寸晶圆)实施的、以X射线摇摆曲线(XRC)法解析各表面得到的倾斜分布(ω模式)和扭转分布(ψ模式)的各半值宽度FWHM(arcsec)的测定结果、以及有无裂纹的目视检查结果，并示出：对从上述各样本中的无裂纹的良品样本和有裂纹的不良样本中各自选择的一部分样本进行的Ga浓度的测定结果。图4中的Ga浓度的值表示除去表面近旁区域以外的AlN层3的内部区域中的Ga浓度的最大值和界面近旁区域内中的Ga浓度的最大值。另外，在图4所示的Ga浓度的测定中，由于没有进行氮浓度的测定，根据Ga浓度的变化来估计蓝宝石基板2与AlN层3的界面的位置。具体地，将根据从Ga浓度分布的图表以目视暂时设定的界面位置而确定的界面近旁区域内成为Ga浓度的最大值的二分之一值以上的最深的位置确定为界面的位置。
在样本#11～#17的表面处理工序(第1方法)中，TMG的提供在0.005～0.1sccm的范围内调整流量，进行30秒钟。在样本#21～#23的表面处理工序(第2方法)中，TMG的提供直到AlN生长工序开始为止都在0.005～0.4sccm的范围内调整流量，进行30秒间，在AlN生长工序的开始后，在0.005～0.1sccm的范围内调整流量，进行1分钟或10分钟。在样本#31～#39的表面处理工序(第3方法)中，TMG的提供在0.005～20sccm的范围内调整流量，进行1分钟或10分钟。不管在哪个样本中，AlN生长工序的AlN的生长速度都是约1.2μm/h，AlN层3的目标膜厚都是2μm，但在实际的AlN层3的膜厚中在样本间有某种程度的偏差。另外，在样本#21～#23以及样本#31～#39的表面处理工序中，由于在和AlN生长工序重复的1分钟或10分钟的期间AlN层3以约1.2μm/h的生长速度生长，因此其间生长的膜厚为约20nm或约200nm，AlN层3的该生长部分存在于界面近旁区域内。
根据图4所示的结果可知，在上述TMG的提供量的调整范围内，不管是第1～第3方法的哪种方法，都各自存在无裂纹的良品样本和有裂纹的不良样本。另外，作为一般的倾向，扭转分布的半值宽度FWHM小的样本成为无裂纹的良品样本的倾向更显著，但关于倾斜分布的半值宽度FWHM，和裂纹的有无间没有相关关系。
接下来，参考图5以及图6来说明通过二次离子质量分析法测定以第1制作方法制作的样本中的样本#15(良品样本)和以第1类似制作方法制作的样本#17(不良样本)、以及以第3制作方法制作的样本中的样本#32～#34(良品样本)和以第3类似制作方法制作的样本#39(不良样本)的AlN层3的深度方向(与蓝宝石基板2的表面垂直的方向)的Ga浓度分布的结果。在图5示出样本#15以及#17的除去上述表面近旁区域以外的区域的Ga浓度分布。在图6示出样本#32～#34以及#39的除去上述表面近旁区域以外的区域的Ga浓度分布。另外，在图5以及图6中，各个横轴表示AlN层3以及蓝宝石基板2的深度(深度方向的位置)，原点(0μm)表示根据上述的Ga浓度的变化求得的蓝宝石基板2与AlN层3的界面的位置，由于正方向是蓝宝石基板2的方向，因此AlN层3侧的深度以负值表示，蓝宝石基板2侧的深度以正值表示。由于样本间的上述界面的位置的偏差和AlN层3的实际的膜厚的偏差，各样本的AlN层3的表面近旁区域的位置各自不同。
在以第1方法制作的样本#15以及#17中，都将AlN生长工序前的TMG的提供量抑制得较低，将样本#15的流量设定为样本#17的5倍。
如图4以及图5所示那样，样本#15(良品样本)的Ga浓度分布在AlN层3的内部区域处于约1.34×1017atoms/cm3～8.54×1017atoms/cm3的范围内，在界面近旁区域内处于约2.28×1017atoms/cm3～8.54×1017atoms/cm3的范围内，AlN层3的内部区域的Ga浓度的最大值(约8.54×1017atoms/cm3)位于界面近旁区域内，位于超过上述合适范围(3×1017～2×1020atoms/cm3)的下限值而该合适范围内的靠下方的位置，成为无裂纹的良品样本。另外，在样本#15中，可知AlN层3的内部区域的Ga浓度平均是界面近旁区域比界面近旁区域以外更高。即，Ga原子较多存在于蓝宝石基板2与AlN层3的界面近旁。
与此相对，如图4以及图5所示那样，样本#17(不良样本)由于TMG的提供量少于样本#15，因此Ga浓度分布在AlN层3的内部区域处于约4.04×1016atoms/cm3～2.42×1017atoms/cm3的范围内，在界面近旁区域内处于约8.08×1016atoms/cm3～2.38×1017atoms/cm3的范围内，AlN层3的内部区域的Ga浓度的最大值(约2.42×1017atoms/cm3)不足上述合适范围(3×1017～2×1020atoms/cm3)的下限值，偏出该合适范围，并且也不位于界面近旁区域内，成为有裂纹的不良样本。另外，在样本#17中，Ga浓度分布在AlN层3的内部区域的全域大致平坦，未成为Ga原子较多存在于蓝宝石基板2与AlN层3的界面近旁的状态。
在以第3方法制作的样本#32～#34以及#39中，使表面处理工序中的TMG的提供量大幅变化，以使得AlN层3内的Ga浓度的最大值能从稍高于上述合适范围(3×1017～2×1020atoms/cm3)的下限值的值取到稍低于该合适范围的上限值的值、高于该合适范围的上限值的值。具体地，TMG的提供量按照#32、#33、#34、#39的顺序变大。
如图4以及图6所示那样，样本#32(良品样本)的Ga浓度分布在AlN层3的内部区域处于约1.44×1017atoms/cm3～6.30×1017atoms/cm3的范围内，在界面近旁区域内处于约1.67×1017atoms/cm3～6.30×1017atoms/cm3的范围内，AlN层3的内部区域的Ga浓度的最大值(约6.30×1017atoms/cm3)位于界面近旁区域内，超过上述合适范围(3×1017～2×1020atoms/cm3)的下限值而位于该合适范围内的靠下方的位置，成为无裂纹的良品样本。另外，在样本#32中，可知AlN层3的内部区域的Ga浓度平均是界面近旁区域高于界面近旁区域以外。即，Ga原子较多存在于蓝宝石基板2与AlN层3的界面近旁。
如图4以及图6所示那样，样本#33(良品样本)的Ga浓度分布在AlN层3的内部区域处于约3.08×1017atoms/cm3～2.96×1018atoms/cm3的范围内，在界面近旁区域内处于约4.52×1017atoms/cm3～2.96×1018atoms/cm3的范围内，AlN层3的内部区域的Ga浓度的最大值(约2.96×1018atoms/cm3)位于界面近旁区域内，是上述合适范围(3×1017～2×1020atoms/cm3)的下限值的约10倍，位于该合适范围内的中央的下方侧，成为无裂纹的良品样本。另外，在样本#33中，可知AlN层3的内部区域的Ga浓度是平均界面近旁区域比界面近旁区域以外更高。即，Ga原子较多存在于蓝宝石基板2与AlN层3的界面近旁。
如图4以及图6所示那样，样本#34(良品样本)的Ga浓度分布在AlN层3的内部区域处于约1.09×1018atoms/cm3～1.06×1020atoms/cm3的范围内，在界面近旁区域内处于约1.59×1018atoms/cm3～1.06×1020atoms/cm3的范围内，AlN层3的内部区域的Ga浓度的最大值(约1.06×1020atoms/cm3)位于界面近旁区域内，低于上述合适范围(3×1017～2×1020atoms/cm3)的上限值，位于该合适范围内的靠上方的位置，成为无裂纹的良品样本。另外，在样本#34中，可知AlN层3的内部区域的Ga浓度平均是界面近旁区域高于界面近旁区域以外。即，Ga原子较多存在于蓝宝石基板2与AlN层3的界面近旁。
如图4以及图6所示那样，样本#39(不良样本)的Ga浓度分布在AlN层3的内部区域处于约3.52×1017atoms/cm3～1.18×1021atoms/cm3的范围内，在界面近旁区域内处于约2.42×1018atoms/cm3～1.18×1021atoms/cm3的范围内，AlN层3的内部区域的Ga浓度的最大值(约1.18×1021atoms/cm3)位于界面近旁区域内，但超过上述合适范围(3×1017～2×1020atoms/cm3)的上限值而偏出该合适范围，成为有裂纹的不良样本。另外，在样本#39中，AlN层3的内部区域的Ga浓度集中在界面近旁区域，但和良品样本#34比较高了约10倍。
根据图4～图6所示的Ga浓度的测定结果可知，为了得到无裂纹的良品样本，Ga原子以适量的浓度分布存在于存在蓝宝石基板2与AlN层3的界面近旁、其结果分散存在于蓝宝石基板的表面以及其近旁这一点是重要的，可知，如此在AlN层3的生长前或同时对蓝宝石基板的表面提供Ga原子是重要的。更具体地，认为需要让AlN层3的除去表面近旁区域以外的内部区域的Ga浓度的最大值处于上述合适范围内(3×1017～2×1020atoms/cm3)，且成为该最大值的位置存在于界面近旁区域内。
进而，各良品样本#15、#32～#34的AlN层3的内部区域的成为Ga浓度的最大值的深度，确实是界面近旁区域内，但若更详细观察，则可知是存在于从蓝宝石基板2与AlN层3的界面起到向AlN层3侧离开300nm的位置为止的更接近于该界面的区域。假设界面位置的确定中有100nm程度的误差，上述Ga浓度成为最大值的深度也可以说确实是存在于界面近旁区域内。另外，各良品样本#15、#32～#34的Ga浓度分布旁证了Ga原子更多集中存在于蓝宝石基板2与AlN层3的界面近旁。
另外，也可以将该Ga浓度的最大值的上述合适范围的下限值设定在3×1017atoms/cm3～6×1017atoms/cm3之间。例如，该合适范围的下限值优选是4×1017atoms/cm3或5×1017atoms/cm3。另外，也可以将该Ga浓度的最大值的上述合适范围的上限值设定在1.1×1020atoms/cm3～2×1020atoms/cm3之间。例如优选是1.5×1020atoms/cm3或1.2×1020atoms/cm3。另外，也可以任意组合该下限值和上限值。
在上述说明中，明确了以第1制作方法制作的样本以及以第3制作方法制作的无裂纹的良品样本的Ga浓度分布，是AlN层3的除去表面近旁区域以外的内部区域的得到Ga浓度的最大值的深度方向的位置存在于上述界面近旁区域内，该Ga浓度的最大值存在于3×1017atoms/cm3以上、2×1020atoms/cm3以下的合适范围内，但关于以第2制作方法制作的样本的Ga浓度分布未进行测定。但是，第2制作方法如上述的说明所明确的那样，由于成为表面处理工序具备第1制作方法的表面处理工序和第3制作方法的表面处理工序两者的折衷构成，因此显然：通过适当地调整TMG的提供量，能和第1以及第3制作方法同样，能使AlN层3的除去表面近旁区域以外的内部区域的得到Ga浓度的最大值的深度方向的位置存在于上述界面近旁区域内，该Ga浓度的最大值存在于3×1017atoms/cm3以上、2×1020atoms/cm3以下的合适范围内。
以上详细说明了本制作方法以及本模板，但本发明的特征在于，在具备蓝宝石基板2、和在其上以外延生长形成的AlN层3而构成的成为使GaN系化合物半导体层外延生长的基底的模板、以及其制作方法中，除去上述表面近旁区域以外的AlN层3的内部区域中的以二次离子质量分析法得到的Ga浓度的深度方向的浓度分布中的获得最大值的深度方向的位置，存在于上述界面近旁区域内，该Ga浓度的最大值成为3×1017atoms/cm3以上、2×1020atoms/cm3以下，上述说明中所用的制作方法和条件等是用于说明的一例，这些条件等只要能使本发明具备上述特征即可，能适宜变更。
另外，在上述实施方式中，作为AlN层3的外延生长法设想MOVPE，作为将Ga原子4分散提供到蓝宝石基板2的表面的表面处理工序，在第1制作方法中，说明了在AlN生长工序前，以给定的流量以及时间将成为MOVPE中的Ga的原料(前体)的TMG提供到该反应室内的情况，在第2制作方法中，说明了在AlN生长工序前以及AlN生长工序开始后都进行该TMG的提供的情况，在第3制作方法中，说明了和AlN生长工序开始同时开始该TMG的提供的情况。但AlN层3的外延生长法并不限定于MOVPE，例如也可以使用氢化物VPE法。进而，表面处理工序也是只要能将Ga原子4分散提供到蓝宝石基板2的表面，使得到上述Ga浓度的最大值的深度存在于界面近旁区域内，使该Ga浓度的最大值成为上述合适范围内的方法即可，并不限定于上述第1～第3制作方法中例示的方法。在上述第1～第3制作方法中，表面处理工序说明了将蓝宝石基板2收入者反应室内后才开始的情况，但例如在将蓝宝石基板2收容在反应室内前将适量的Ga的原料预先提供到反应室内，也能起到同样的效果。
接下来，说明在以本制作方法制作的本模板1上使GaN系化合物半导体层外延生长而制作的氮化物半导体装置。由形成于本模板1上的GaN系化合物半导体层的层叠结构形成例如发光二极管、半导体激光器、开关元件、放大元件等的元件结构。本氮化物半导体装置的特征在于成为基底的本模板1，形成于其上的元件结构并没有特定的限定。在例如是发光二极管的情况下，作为元件结构例如将比图7例示的现有的发光二极管的ELO-AlN层103更上层部分的元件结构直接或隔着其它GaN系化合物半导体层层叠在本模板1上，由此制作作为氮化物半导体装置的发光二极管。
产业上的利用可能性
本发明所涉及的外延生长用模板以及其制作方法，能利用在发光二极管或半导体激光器等的GaN系氮化物半导体装置的制作中。
标号的说明
1外延生长用模板
2蓝宝石基板
3AlN层
4Ga原子

Claims (7)

1.一种模板的制作方法，是在蓝宝石基板的表面上具有AlN层、成为使GaN系化合物半导体层外延生长的基底的模板的制作方法，
模板的制作方法的特征在于，具有：
将Ga原子分散提供到蓝宝石基板的表面的表面处理工序；和
在所述蓝宝石基板上使AlN层外延生长的AlN生长工序，
所述AlN层的除去从表面起到深度100nm为止的表面近旁区域以外的所述AlN层的内部区域中的能以二次离子质量分析法得到的Ga浓度在与所述蓝宝石基板的表面垂直的深度方向的浓度分布当中的得到所述Ga浓度的最大值的所述深度方向的位置，存在于从所述蓝宝石基板的界面起向所述AlN层侧离开400nm的位置为止的界面近旁区域内，所述Ga浓度的最大值为3×1017atoms/cm3以上、2×1020atoms/cm3以下。
2.根据权利要求1所述的模板的制作方法，其特征在于，
在所述表面处理工序中，向进行所述AlN生长工序的生长室内提供成为Ga的原料的化合物。
3.根据权利要求1或2所述的模板的制作方法，其特征在于，
在所述表面处理工序的结束后、和所述表面处理工序的开始同时、或所述表面处理工序的中途的任意的定时，开始所述AlN生长工序。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的模板的制作方法，其特征在于，
在所述二次离子质量分析法中使用的一次离子种是O2 +。
5.一种外延生长用模板，其特征在于，具备：
在表面分散存在Ga原子的蓝宝石基板；和
在所述蓝宝石基板上外延生长而成的AlN层，
所述AlN层的除去从表面起直到深度100nm为止的表面近旁区域以外的所述AlN层的内部区域中的能以二次离子质量分析法得到的Ga浓度在与所述蓝宝石基板的表面垂直的深度方向的浓度分布当中的能得到所述Ga浓度的最大值的所述深度方向的位置，存在于从所述蓝宝石基板的界面起直到向所述AlN层侧离开400nm的位置为止的界面近旁区域内，所述Ga浓度的最大值为3×1017atoms/cm3以上、2×1020atoms/cm3以下。
6.根据权利要求5所述的外延生长用模板，其特征在于，
在所述二次离子质量分析法中使用的一次离子种为O2 +。
7.一种氮化物半导体装，其特征在于，具备：
权利要求5或6所述的外延生长用模板；和
在所述模板上外延生长而成的1层以上的GaN系化合物半导体层。
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