DE112013003237B4 - Sputterverfahren zum Bilden einer epitaktischen Schicht, Sputtervorrichtung, Herstellverfahren eines lichtemittierenden Halbleiterelements, lichtemittierendes Halbleiterelement und Beleuchtungsvorrichtung - Google Patents

Sputterverfahren zum Bilden einer epitaktischen Schicht, Sputtervorrichtung, Herstellverfahren eines lichtemittierenden Halbleiterelements, lichtemittierendes Halbleiterelement und Beleuchtungsvorrichtung Download PDF

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Abstract

Sputterverfahren zum Bilden einer epitaktischen Schicht auf einem Substrat (107), mit:Platzieren des Substrats (107) in einen Vakuumbehälter (101), in dem sich ein Target (108) mit einer Wurtzitstruktur und/oder ein Target (108) zum Bilden einer Schicht mit einer Wurtzitstruktur durch Abscheidung befindet;Anlegen einer Hochfrequenzenergie (106) an eine Targetelektrode (102), an der das Target (108) angebracht ist, und Anlegen einer hochfrequenten Vorspannungsenergie (130) an eine Substrathalterung (111), die das Substrat (107) hält, auf eine solche Weise, um eine Frequenzinterferenz zwischen der angelegten Hochfrequenzenergie (106) und der angelegten hochfrequenten Vorspannungsenergie (130) zu unterdrücken; undBilden der epitaktischen Schicht auf dem Substrat (107) durch Sputtern des Targets (108) mit durch die Hochfrequenzenergie (106) erzeugtem Plasma,dadurch gekennzeichnet, dassdas Bilden der epitaktischen Schicht ein Bewirken des Targets (108), durch Anlegen der Hochfrequenzenergie (106) an die Targetelektrode (102), ein Molekül (503) des Targets (108) abzugeben, während ein elektrisches Feld (E) durch Anlegen der hochfrequenten Vorspannungsenergie (130) an die Substrathalterung (111) erzeugt wird, das eine Polarisierung (P) von einer negativen Ladung zu einer positiven Ladung des Moleküls in Richtung des durch die Substrathalterung (111) gehaltenen Substrats (107) orientiert, umfasst.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sputterverfahren zum Bilden einer epitaktischen Schicht, eine Sputtervorrichtung, ein Herstellverfahren eines lichtemittierenden Halbleiterelements, ein lichtemittierendes Halbleiterelement und eine Beleuchtungsvorrichtung, und insbesondere ein Bildungsverfahren einer epitaktischen Schicht, das dazu fähig ist, eine hochqualitative epitaktische Schicht zu bilden, ein Herstellverfahren eines lichtemittierenden Halbleiterelements, das eine solche epitaktische Schicht verwendet, eine Sputtervorrichtung, ein lichtemittierendes Halbleiterelement und eine Beleuchtungsvorrichtung.
  • Stand der Technik
  • Gruppe-III-Nitridhalbleiter sind Verbindungshalbleitermaterialien eines Aluminium-(Al)-Atoms, eines Gallium-(Ga)-Atoms und eines Indium-(In)-Atoms, die Gruppe-IIIB-Elemente sind (nachstehend vereinfacht als III-Elemente bezeichnet), und eines Stickstoff-(N)-Atoms, das ein Gruppe-VB-Element ist (nachstehend vereinfacht als Gruppe-V-Element bezeichnet). Das heißt, dass Verbindungshalbleitermaterialien, die als Aluminiumnitrid (AIN), Galliumnitrid (GaN), Indiumnitrid (InN) und deren gemischte Kristalle (AlGaN, InGaN, InAlN, InGaAIN) enthalten werden, Gruppe-III-Nitridhalbleiter sind.
  • Elemente, welche die Gruppe-III-Nitridhalbleiter verwenden, umfassen optische Vorrichtungen, wie etwa lichtemittierende Dioden, die einen breiten Wellenlängenbereich über ferne Ultraviolett-/sichtbare/nahe Infrarot-Bereiche abdecken (LED: lichtemittierende Diode), Laserdioden (LD), Solarzellen (PVSC: photovoltaische Solarzelle), Fotodioden (PD), und dergleichen, sowie elektronische Vorrichtungen, wie etwa einen Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit für Hochfrequenz-/Hochleistungsanwendungen (HEMT: Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit), Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistor (MOSFET) und dergleichen.
  • Um Elementanwendungen wie vorstehend zu realisieren, ist es notwendig, epitaktisch eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht auf einem Einzelkristallsubstrat zu bilden bzw. wachsen, um eine hochqualitative Einzelkristallschicht mit wenigen Kristalldefekten (epitaktische Schicht) zu erhalten. Weil jedoch ein aus einem Gruppe-III-Nitridhalbleiter hergestelltes Einzelkristallsubstrat extrem teuer ist, wird dieses - ausgenommen einiger Anwendungen - nicht verwendet, und eine Einzelkristallschicht wird hauptsächlich durch hetero-epitaktisches Wachstum eines Saphirs (α-Al2O3), Siliziumcarbid (SiC) auf unterschiedlichen Substraten erhalten.
  • Für das epitaktische Wachstum einer solchen Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht wird ein metallorganisches chemisches Gasphasenabscheidungs-(MOCVD)-Verfahren verwendet, durch das eine hohe Produktivität und hochqualitative epitaktische Schichten erhalten werden können. Jedoch weist das MOCVD-Verfahren Probleme auf, nämlich dass Produktionskosten hoch sind, leicht Partikel erzeugt werden können, und es schwierig ist, eine große Ausbeute zu erlangen, und dergleichen.
  • Andererseits weist ein Zerstäubungs- bzw. Sputterverfahren Merkmale auf, nämlich dass Produktionskosten niedrig gehalten werden können und eine Partikelerzeugungswahrscheinlichkeit ebenso niedrig ist. Wenn daher mindestens ein Teil eines Schichtbildungsprozesses der Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht durch das Sputterverfahren ersetzt werden kann, ist es wahrscheinlich, dass zumindest ein Teil der vorstehend beschriebenen Probleme gelöst werden können.
  • Jedoch weist die durch Verwenden des Sputterverfahrens hergestellte Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht ein Problem auf, und zwar dass eine Kristallqualität dazu tendiert, schlechter zu werden als jene, die durch Verwenden des MOCVD-Verfahrens hergestellt wird. Beispielsweise sind Kristalline der durch Verwenden des Sputterverfahrens hergestellten Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht als Beispiel in der Druckschrift DAIGO, Y. und MUTSUKURA, N.: Synthesis of epitaxial GaN single-crystalline film by ultra high vacuum r.f. magnetron sputtering method. In: Thin Solid Films, Vol. 483, 2005, S. 38 - 43, offenbart. Dort wird eine GaN-Schicht mit X-Achsen-Orientierung epitaktisch auf einem α-Al2O3-(0001)-Substrat durch Verwenden eines Hochfrequenz-Magnetron-Sputterverfahrens aufgewachsen. Die Druckschrift beschreibt, dass bei einer Röntgen-Rocking-Kurven-(XRC)-Messung einer GaN-(0002)-Ebene deren volle Breite bei halbem Maximum (FWHM) 35,1 arcmin (2106 arcsec) beträgt. Dieser Wert ist ein extrem großer Wert im Vergleich mit einer GaN-Schicht auf dem α-Al2O3-Substrat, das gegenwärtig auf dem Markt verkauft wird, und gibt an, dass eine Mosaikexpansion einer Neigung, die später beschrieben wird, groß ist, und die Kristallqualität schlecht ist.
  • Hier werden kurz Konzepte, die als Indizes verwendet werden, die die Kristallqualität angeben, das heißt (1) Mosaikexpansion einer Neigung, (2) Mosaikexpansion einer Verdrehung und (3) Polarität, beschrieben. Die Mosaikexpansion einer Neigung in (1) gibt ein Ausmaß einer Variation der Kristallorientierung in einer Substratsenkrechtrichtung an, und die Mosaikexpansion einer Verdrehung in (2) gibt ein Ausmaß einer Variation der Kristallorientierung in einer Substratebenenrichtung an. Die Polarität in (3) ist ein Ausdruck, der eine Orientierung eines Kristalls bedeutet, und im Fall der C-Achsen-Orientierungsschicht gibt es zwei Typen von Wachstumsmodi, das heißt +c-Polarität und -c-Polarität. Das Wachstum mit der +c-Polarität entspricht einer (0001)-Orientierung, und das Wachstum mit der -c-Polarität entspricht der (000-1)-Orientierung.
  • Es ist für einen Einzelkristall mit bevorzugten Kristallinen notwendig, dass eine Mosaikexpansion einer Neigung und einer Verdrehung klein ist, und ebenso dass die Polarität gleichförmig entweder der +c-Polarität oder -c-Polarität ist. Weil eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht mit bevorzugter Morphologie und exzellenten Kristallinen mit der +c-Polarität einfach erhalten werden kann, ist insbesondere das Schaffen eines Prozesses des Erhaltens von Gruppe-III-Nitridhalbleitern mit der +c-Polarität nachgefragt. Andererseits wurden viele Bestrebungen durchgeführt, um eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht mit guter Qualität durch das Sputterverfahren zu erhalten (siehe Druckschriften WO 2009 / 096 270 A1 und JP 2008 - 109 084 A ).
  • Druckschrift WO 2009 / 096 270 A1 offenbart ein Verfahren des Realisierens von Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschichten höherer Qualität durch Anwenden einer Plasmaverarbeitung an einem Substrat, bevor eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht (AIN in Druckschrift WO 2009 / 096 270 A1 ) auf einem α-Al2O3Substrat durch Verwenden des Sputterverfahrens gebildet wird, oder insbesondere ein Verfahren des Erhaltens einer Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht mit extrem kleiner Mosaikexpansion einer Neigung.
  • Darüber hinaus offenbart die Druckschrift JP 2008 - 109 084 A ein Herstellverfahren eines Gruppe-III-Nitridhalbleiter-(Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter in Druckschrift JP 2008 - 109 084 A lichtemittierenden Elements, in dem eine Pufferschicht (eine Zwischenschicht in Druckschrift JP 2008 - 109 084 A ), die aus dem Gruppe-III-Nitridhalbleiter (Gruppe-III-Nitridverbindungshalbleiter in Druckschrift JP 2008 - 109 084 A auf einem Substrat durch das Sputterverfahren gebildet ist, und eine n-Typ-Halbleiterschicht, die mit einem Basisfilm ausgestattet ist, eine lichtemittierende Schicht, und eine p-Typ-Halbleiterschicht sequentiell auf der aus diesem Gruppe-III-Nitridhalbleiter hergestellten Pufferschicht laminiert sind.
  • Die Druckschrift JP 2008 - 109 084 A beschreibt als eine Prozedur zum Bilden der aus dem Gruppe-III-Nitridhalbleiter hergestellten Pufferschicht einen Vorbehandlungsprozess des Anwendens einer Plasmaverarbeitung an einem Substrat und einen Prozess des Abscheidens der aus dem Gruppe-III-Nitridhalbleiter hergestellten Pufferschicht durch ein Sputterverfahren anschließend des Vorbehandlungsprozesses. Darüber hinaus werden in der Druckschrift JP 2008 - 109 084 A als ein bevorzugter Modus das Substrat und die aus dem Gruppe-III-Nitridhalbleiter hergestellten Pufferschicht ein α-Al2O3Substrat und AIN verwendet, und als ein Abscheidungsverfahren der mit einer Basisschicht ausgestatteten n-Typ-Halbleiterschicht, der lichtemittierenden Schicht und der p-Typ-Halbleiterschicht, wird vorzugsweise das MOCVD-Verfahren verwendet.
  • Weiterer Stand der Technik gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist in den Druckschriften US 2009 / 0 315 046 A1 und US 6 214 162 B1 gezeigt.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß den bereits offenbarten Technologien des Standes der Technik (Druckschriften WO 2009 / 096 270 A1 und JP 2008 - 109 084 A ) wird ein Gruppe-III-Nitridhalbleiter mit kleiner Mosaikexpansion einer Neigung oder Verdrehung durch das Sputterverfahren erhalten. Jedoch offenbaren die Technologien des Standes der Technik kein Verfahren des Steuerns einer Polarität, und es besteht ein schwerwiegendes Problem des Verwendens des Sputterverfahrens als ein Herstellungsprozess eines Gruppe-III-Nitridhalbleiters.
  • Gegenwärtig, wenn eine AIN-Schicht auf einem α-Al2O3-Subtrat durch das Sputterverfahren durch Verwenden der in den Druckschriften WO 2009 / 096 270 A1 und JP 2008 - 109 084 A offenbarten Technologien gebildet wurde, konnte eine AIN-Schicht mit kleiner Mosaikexpansion einer Neigung oder eines Verdrehens erhalten werden, jedoch waren die +c-Polarität und die -c-Polarität bezüglich Polarität vermischt. Darüber hinaus gilt, dass wenn eine GaN-Schicht auf der AIN-Schicht aufgewachsen wurde, in der die +c-Polarität und die -c-Polarität durch das MOCVD-Verfahren gemischt wurden, keine GaN-Schicht mit hoher Qualität erhalten werden konnte. Darüber hinaus wurde ein lichtemittierendes Element durch Verwenden der erhaltenen GaN-Schicht hergestellt, jedoch konnten keine bevorzugten Emissionseigenschaften erhalten werden. Darüber hinaus wird ein Mischen der +c-Polarität und der -c-Polarität nicht reduziert, und es konnte keine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht mit +c-Polarität nur durch in den Druckschriften WO 2009 / 096 270 A1 und JP 2008 - 109 084 A offenbarten Technologien erhalten werden. Das heißt, dass obwohl die in den Druckschriften WO 2009 / 096 270 A1 und JP 2008 - 109 084 A offenbarten Technologien effektive Technologien sind, weil die Mosaikexpansion einer Neigung oder eines Verdrehens klein gehalten werden können, eine Vereinheitlichung der Polarität soweit wie möglich nachgefragt wird, um eine Gruppe-III-Halbleiternitridhalbleiterdünnschicht mit einer höheren Qualität zu erhalten.
  • Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der vorstehend beschriebenen Probleme gemacht, und weist eine Aufgabe auf, ein Bildungsverfahren einer epitaktischen Schicht, das dazu fähig ist, eine epitaktische Schicht mit verbessertem Vereinheitlichungsgrad der +c-Polarität (verbesserte (0001)-Orientierung) zu schaffen, und weiterhin ein Herstellungsverfahren eines lichtemittierenden Halbleiterelements durch Verwenden dieser eptitaktischen Schicht, eine Sputtervorrichtung, ein durch dieses Herstellungsverfahren hergestelltes lichtemittierendes Halbleiterelement, und eine Beleuchtungsvorrichtung bereitzustellen.
  • Die Erfinder haben als das Ergebnis einer eingehenden Prüfung herausgefunden, dass die Polarität einer epitaktischen Schicht durch eine hochfrequente Vorspannung von an eine in einer Substrathalterung eingebauten Vorspannungselektrode anlegten elektrischen Energie gesteuert werden kann, wie später beschrieben wird und in der vorliegenden Erfindung vollendet ist.
  • Die vorstehend beschriebene Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Sputterverfahren zum Bilden einer epitaktischen Schicht auf einem Substrat gemäß Patentanspruch 1, ein Herstellungsverfahren eines lichtemittierenden Halbleiterelements gemäß Patentanspruch 8, ein lichtemittierendes Halbleiterelement gemäß Patentanspruch 9, eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 10 und eine Sputtervorrichtung gemäß Patentanspruch 11 gelöst.
  • Weitere Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen gezeigt.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine epitaktische Schicht eines Halbleiters mit einer Wurtzitstruktur mit einem Gruppe-III-Nitridhalbleiter, in dem eine Mosaikexpansion einer Neigung oder einer Verdrehung klein ist, eine Mischung der +c-Polarität und -c-Polarität reduziert ist, und Vereinheitlichung der +c-Polarität verbessert ist, auf einem Substrat durch Verwenden des Sputterverfahrens hergestellt werden. Darüber hinaus können durch Verwenden der epitaktischen Halbleiterschicht mit der Wurtzitstruktur, die durch dieses Sputterverfahren hergestellt ist, Lichtemissionseigenschaften von lichtemittierenden Elementen, wie etwa LED und LD, verbessert werden.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Sektionsansicht einer Hochfrequenz-Sputtervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
    • 2 ist eine Darstellung, die ein erstes Konfigurationsbeispiel einer Substrathalterung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
    • 3 ist eine Darstellung, die ein zweites Konfigurationsbeispiel einer Substrathalterung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
    • 4. ist eine Darstellung, die ein drittes Konfigurationsbeispiel einer Substrathalterung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
    • 5 ist eine Darstellung, die ein Modell veranschaulicht, in dem eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht mit +c-Polarität gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gebildet ist.
    • 6 ist eine Sektionsansicht, die ein Beispiel einer LED-Struktur veranschaulicht, die durch Verwenden einer epitaktischen Schicht hergestellt wird, die durch ein Bildungsverfahren einer epitaktischen Schicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gebildet ist.
    • 7A ist eine Darstellung zum Erläutern einer Frequenzinterferenzunterdrückungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
    • 7B ist eine Darstellung zum Erläutern der Frequenzinterferenzunterdrückungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
    • 8 ist eine Darstellung, die ein viertes Konfigurationsbeispiel einer Substrathalterung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben. In den Figuren, die nachstehend beschrieben werden, sind gleiche Bezugszeichen Elementen mit gleichen Funktionen zugewiesen, und eine doppelte Erläuterung wird weggelassen.
  • Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass wenn eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht epitaktisch auf einem α-Al2O3-Substrat durch Verwenden eines Sputterverfahrens, wie etwa eines Hochfrequenz-Sputterverfahrens, aufgewachsen wird, beispielsweise das α-Al2O3-Substrat auf eine beliebige Temperatur durch eine mit einer Heizelektrode und einer Vorspannungselektrode ausgestattete Substrathalterung aufgeheizt wird, und anschließend eine Schicht des Gruppe-III-Nitridhalbleiters gebildet wird, während eine hochfrequente Vorspannungsenergie an die Vorspannungselektrode angelegt wird.
  • 1 ist eine schematische Konfigurationsdarstellung, die ein Beispiel einer Sputtervorrichtung veranschaulicht, die bei der Bildung einer Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird. In 1, die eine Sputtervorrichtung 1 veranschaulicht, bezeichnet Bezugszeichen 101 einen Vakuumbehälter, Bezugszeichen 102 bezeichnet eine Targetelektrode, Bezugszeichen 103 bezeichnet eine Vorspannungselektrode, Bezugszeichen 104 bezeichnet eine Heizelektrode, Bezugszeichen 105 bezeichnet eine Targetblende, Bezugszeichen 106 bezeichnet eine Hochfrequenz-Energiezufuhr zum Sputtern, Bezugszeichen 107 bezeichnet ein Substrat, Bezugszeichen 108 bezeichnet ein Target, Bezugszeichen 109 bezeichnet einen Gaseinbringmechanismus, Bezugszeichen 110 bezeichnet einen Evakuierungsmechanismus, Bezugszeichen 111 bezeichnet eine Substrathalterung, Bezugszeichen 112 bezeichnet einen Reflektor, Bezugszeichen 113 bezeichnet ein Isoliermaterial, Bezugszeichen 114 bezeichnet eine Kammerblende, Bezugszeichen 115 bezeichnet eine Magneteinheit, Bezugszeichen 116 bezeichnet einen Targetblendenhaltemechanismus, und Bezugszeichen 130 bezeichnet eine Hochfrequenz-Energiezufuhr zur Vorspannung. Bezugszeichen 111 in 1 ist eine Beliebige der Substrathalterungen 111a, 111b und 111c, die später beschrieben werden. Darüber hinaus kann als das Substrat 107 ein α-Al2O3Substrat (601) verwendet werden, das später beschrieben wird.
  • Der Vakuumbehälter 101 ist aus einem Metallelement gebildet, wie etwa einer Edelstahl und Aluminiumlegierung, und ist elektrisch geerdet. Darüber hinaus ist der Vakuumbehälter 101 mit einem Kühlungsmechanismus, der nicht gezeigt ist, ausgestattet, und der Kühlungsmechanismus verhindert oder reduziert einen Temperaturanstieg einer Wandfläche. Darüber hinaus ist der Vakuumbehälter 101 über eine Massendurchflusssteuerung, die nicht gezeigt ist, mit dem Gaseinbringmechanismus 109 verbunden, und ist mit dem Evakuierungsmechanismus 110 über ein nicht gezeigtes variables Leitventil verbunden.
  • Die Targetblende 105 ist an dem Vakuumbehälter 101 über den Targetblendenhaltemechanismus 116 montiert. Der Targetblendenhaltemechanismus 116 und die Targetblende 105 können aus einem Metallelement bestehen, wie etwa einer Edelstahl- und Aluminiumlegierung, und sind elektrisch mit dem Vakuumbehälter 101 verbunden.
  • Die Targetelektrode 102 ist am Vakuumbehälter 101 über das Isoliermaterial 113 montiert. Darüber hinaus ist das Target 108 an der Targetelektrode 102 angebracht, und die Targetelektrode 102 ist mit der Hochfrequenzenergiezufuhr 106 zum Sputtern über eine nicht gezeigte zugehörige Box verbunden. Das Target 108 kann direkt an der Targetelektrode 102 angebracht sein, oder kann an der Targetelektrode 102 über eine nicht gezeigte Bondingplatte angebracht sein, die aus einem Metallelement besteht, wie etwa Kupfer (Cu). Darüber hinaus kann das Target 108 ein Metalltarget sein, das zumindest eines von Al, Ga oder In enthält, oder ein Nitridtarget, das zumindest eines der vorstehend beschriebenen Gruppe-III-Elemente enthält. An der Targetelektrode 102 ist ein nicht gezeigter Kühlungsmechanismus zum Verhindern eines Temperaturanstiegs des Targets 108 bereitgestellt. Darüber hinaus beinhaltet die Targetelektrode 102 die Magneteinheit 115. Als zu der Targetelektrode 102 von der Hochfrequenzenergiezufuhr 106 zum Sputtern einzugebende Energie kann einfach industrielles 13,56 MHz verwendet werden, jedoch ist es ebenso möglich, eine Hochfrequenz einer anderen Frequenz zu verwenden, einen Gleichstrom auf einer Hochfrequenz zu überlagern, oder diese gepulst zu verwenden.
  • Die Kammerblende 114 ist am Vakuumbehälter 101 angebracht, und verhindert oder reduziert eine Adhäsion eines Films am Vakuumbehälter 101 während der Schichtbildung. Die Substrathalterung 111 weist die Heizelektrode 104 und die Vorspannungselektrode 103 darin auf. Mit der Heizelektrode 104 ist eine nichtgezeigte Energiezufuhr zum Heizen verbunden, während mit der Vorspannungselektrode 103 eine Hochfrequenzenergiezufuhr 130 zur Vorspannung über eine nichtgezeigte zugehörige Box verbunden ist.
  • Die 2 bis 4 veranschaulichen Konfigurationsbeispiele 111a, 111b bzw. 111c der Substrathalterung 111, und Bezugszeichen M in jeder Figur bezeichnet eine Substratplatzierungsfläche. In 2 (oder 3) bezeichnet Bezugszeichen 201 eine Basis, Bezugszeichen 202 bezeichnet eine Basisbeschichtung, Bezugszeichen 103a (oder Bezugzeichen 103b) bezeichnet eine Vorspannungselektrode, Bezugszeichen 104 bezeichnet die Heizelektrode, und Bezugszeichen 205 bezeichnet eine Überbeschichtung. Die Basis 201 besteht aus Graphit, und die Basisbeschichtung 202 und die Überbeschichtung 205 bestehen aus pyrolytischem Bohrnitrit (PBN), und die Vorspannungselektrode 103a) oder 103b) sowie die Heizelektrode 104 bestehen aus pyrolytischem Graphit (PG), und die Basisbeschichtung 202 und die Überbeschichtung 205, die aus PBN bestehen, sind die elektrische Materialien mit hohem Widerstand.
  • In 2 (oder 3) ist eine nicht gezeigte Energiezufuhr zum Aufheizen mit der Heizelektrode 104 verbunden. Joulewärme wird durch einen AC oder DC-Stromfluss durch die Heizelektrode 104 erzeugt, und das α-Al2O3-Substrat, das auf der Substrathalterung 111a (oder 111b) platziert ist, kann durch Infrarotstrahlen von der durch die Joulewärme aufgeheizte Substrathalterung aufgeheizt werden.
  • Darüber hinaus ist in 2 (oder 3) die Hochfrequenzenergiezufuhr 130 zur Vorspannung mit der Vorspannungselektrode 103a (oder 103b) über eine nicht gezeigte zugehörige Box verbunden. Durch Anlegen einer hochfrequenten Vorspannungsenergie an die Vorspannungselektrode 103a (oder 103b) während der Schichtbildung kann eine negative DC-Vorspannungsspannung an der Oberfläche des auf der Substrathalterung 111a (oder 111b) platzierten α-Al2O3Substrat erzeugt werden.
  • Es ist ebenso möglich, weiterhin eine Energiezufuhr für einen nicht gezeigte elektrostatische Einspannvorrichtung (ESC) mit der Vorspannungselektrode 103a (oder 103b) in 2 (oder 3) über eine nicht gezeigten Tiefpassfilter zu verbinden. In einem solchen Fall ist die Vorspannungselektrode 103a als elektrisch separierte Elektroden konfiguriert, wie durch Bezugszeichen A und Bezugszeichen B angegeben ist (eine ist eine erste Elektrode, während die andere eine zweite Elektrode ist), und ein Bipolar-ESC kann durch Anlegen von positiven bzw. negativen DC-Spannungen an die Elektroden realisiert werden. Auf diese Weise gilt, dass weil das α-Al2O3Substrat elektrostatisch an die Substrathalterung adsorbiert werden kann, das auf der Substrathalterung 111a platzierte das α-Al2O3-Substrat effizient aufgeheizt werden kann. Bezüglich auch der Substrathalterung 111b ist die Vorspannungselektrode 103b als elektrisch separierte Elektroden konfiguriert, wie durch Bezugszeichen C und Bezugszeichen D angegeben ist (eine ist eine erste Elektrode, während die andere eine zweite Elektrode ist), und ein Bipolar-ESC kann durch Anlegen von positiven bzw. negativen DC-Spannungen an die Elektroden realisiert werden.
  • 4 ist ein weiteres Konfigurationsbeispiel 111c der Substrathalterung 111. Bezugzeichen 401 bezeichnet eine Basis, Bezugzeichen 402 bezeichnet eine Basisbeschichtung, Bezugszeichen 403 bezeichnet eine gemeinsame Elektrode, Bezugszeichen 404 bezeichnet eine Rückseitenbeschichtung, und Bezugzeichen 405 bezeichnet eine Überbeschichtung. Die Basis 401 besteht aus Graphit, die Basisbeschichtung 402 und die Überbeschichtung 405 bestehen aus PBN, die gemeinsame Elektrode 403 und die Rückseitenbeschichtung 404 bestehen aus PG, und die Basisbeschichtung 402 und die Überbeschichtung 405, die aus PBN bestehen, sind die elektrische Materialien mit hohem Widerstand.
  • In 4 ist die Hochfrequenzenergiezufuhr 130 zur Vorspannung mit der gemeinsamen Elektrode 403 über eine zugehörige Box verbunden, und darüber hinaus ist eine nicht gezeigte Energiezufuhr zum Aufheizen über einen nicht gezeigten Tiefpassfilter verbunden.
  • In 4 fungiert die gemeinsame Elektrode 403 kollektiv als die Heizelektrode 104 und die Vorspannungselektrode 103a in 2. Durch Aufweisen eines AC- oder DC-Stromflusses von der Energiezufuhr zum Aufheizen zu der gemeinsamen Elektrode 403 produziert die Substarthalterung 111c Wärme, und das auf der Substrathalterung 111c platzierte das α-Al2O3Substrat wird durch die Infrarotstrahlen davon aufgeheizt. Darüber hinaus, durch weiteres Anlegen einer hochfrequenten Vorspannungsenergie von der Hochfrequenzenergiezufuhr zur Vorspannung in einen Zustand, in dem der Strom zum Aufheizen bewirkt wird, um durch die gemeinsame Elektrode 403 zu fließen, kann eine negative DC-Vorspannungsspannung auf der Oberfläche des das α-Al2O3Substrat erzeugt werden, während das auf der Substrathalterung 111c platzierte das α-Al2O3-Substrat aufgeheizt wird. Auf diese Weise kann der Effekt der vorliegenden Erfindung ebenso durch Verwenden der gemeinsamen Elektrode, in der die Heizelektrode und die Vorspannungselektrode integriert sind, erhalten werden.
  • In der Substarhalterung 111a mit einem in 2 veranschaulichten Aufbau wird Joulewärme, die von der Heizelektrode 104 erzeugt wird, zu der Seite der Substratplatzierungsoberfläche M durch die Basisbeschichtung 202, die Basis 201, die Überbeschichtung 205 und die Vorspannungselektrode 103a übertragen. Zu diesem Zeitpunkt, insbesondere weil die Basis 201 eine Rolle als eine Einwirkplatte spielt, kann eine hohe Einwirkungsfähigkeit leicht in der Substratebene erhalten werden.
  • Darüber hinaus wird in der Substrathalterung 111b mit einem in 3 veranschaulichten Aufbau die Vorspannungselektrode 103b aus einer im Wesentlichen plattenförmigen Elektrode (entsprechend Bezugszeichen C) an dem Mittelabschnitt, sowie einer im wesentlichen ringförmigen Elektrode (entsprechend Bezugszeichen D) an einen Außenumfangsteil gebildet. Daher spielt die Vorspannungselektrode 103b (insbesondere der Teil mit Bezugszeichen C) eine Rolle einer Einwirkplatte, und kann weiterhin die Einwirkfähigkeit in der Ebene weiterhin als die Substrathalterung 111a mit dem in 2 veranschaulichten Aufbau verbessern. Insbesondere, wenn das das α-Al2O3Substrat durch die ESC adsorbiert wird, kann eine Temperaturverteilung in Abhängigkeit auf eine Musterform der Vorspannungselektrode 103a in der Substrathalterung 111a mit dem in 2 veranschaulichten Aufbau erzeugt werden, jedoch kann bei dem Aufbau gemäß 3 ein solches Problem merklich verbessert werden.
  • Durch Verwenden des ESC kann eine Temperaturanstiegsgeschwindigkeit, nachdem das das α-Al2O3Substrat auf den Substrathalterungen 111a und 111b platziert wird, erhöht werden, und daher ist die Verwendung des ESC ein bevorzugter Modus bei einem Erreichen einer hohen Produktivität.
  • In der Substrathalterung 111c mit einem in 4 veranschaulichten Aufbau wird von der gemeinsamen Elektrode 403 erzeugte Joulewärme zu der Seite der Substratplatzierungsoberfläche M nicht durch die Basis 401 oder die Basisbeschichtung 402 übertragen. Daher, im Vergleich mit den in 2 und 3 veranschaulichten Substrathalterungen, ist es schwierig, eine hohe Einwirkfähigkeit zu erhalten. Anderseits gilt, dass weil das das α-Al2O3Substrat nicht über die Basis 401 oder die Basisbeschichtung 402 aufgeheizt wird, ein Temperaturgradient der Substratplatzierungsoberfläche M und der gemeinsamen Elektrode 403 klein wird, und das Substrat kann mit hoher Energieverwendungseffizienz ohne Verwenden des ESC aufgeheizt werden.
  • Das Material, das die in den 2 bis 4 veranschaulichten Substrathalterungen bildet, wird bevorzugt verwendet, weil eine Effizienz zum Aufheizen des α-Al2O3-Substrats höher als bei einer Infrarotlampe des Standes der Technik ist, jedoch ist dies keine Einschränkung, solange das das α-Al2O3Substrat auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizt werden kann.
  • Darüber hinaus ist die Substrathalterung nicht auf die Strukturen der vorstehend beschriebenen Substrathalterungen 111a, 111b und ein 111c beschränkt. Die Strukturen der vorstehend beschriebenen Substrathalterungen 111a, 111b und 111c sind bevorzugte Modi, da diese eine Einwirkfähigkeit und Energieverwendungseffizienz verbessern können, und daher kann die Struktur angemessen gemäß dem Zweck ausgewählt werden. Jedoch ist es gemäß der vorliegenden Erfindung wichtig, dass eine negative DC-Vorspannungsspannung auf der Oberfläche des das α-Al2O3-Substrats durch Anlegen einer hochfrequenten Vorspannungsenergie an die Vorspannungselektrode bei einer vorbestimmten Temperatur erzeugt wird, und als eine Folge kann eine epitaktische Schicht des Gruppe-III-Nitridhalbleiters mit einer Wurtzitstruktur mit +c-Polarität gebildet werden. Daher ist es nicht nötig zu erwähnen, dass eine beliebige Struktur an diesem Ausführungsbeispiel angewendet werden kann, solange die Struktur mit dem Kern der vorliegenden Erfindung übereinstimmt. Darüber hinaus gilt vorzugsweise, dass die Vorspannungselektroden 103a und 103b sowie die gemeinsame Elektrode 400a mit dielektrischen Materialien mit hohem Widerstand beschichtet sind. In einigen Fällen kann eine epitaktische Schicht mit +c-Polarität auch dann gebildet werden, wenn die Vorspannungselektroden 103a und 103b sowie die gemeinsame Elektrode 400a nicht mit den dielektrischen Materialen mit hohem Widerstand beschichtet sind. Jedoch können aufgeladene Partikel in einen Plasmaraum die vorstehenden Elektroden erreichen, und bewirken, dass die negativen DC-Vorspannungsspannungen schwanken. Eine solche Schwankung der negativen DC-Vorspannungsspannungen ist für eine stabile Bildung einer epitaktischen Schicht mit +c-Polarität ungewünscht.
  • 5 ist eine Modelldarstellung, die einen Mechanismus veranschaulicht, in dem die Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht mit +c-Polarität durch Anlegen einer hochfrequenten Vorspannungsenergie an die Vorspannungselektrode gebildet wird. In 5 bezeichnet Bezugszeichen 111 eine Beliebige der Substrathalterungen 111a, 111b und 111c, und Bezugszeichen 107 ist ein das α-Al2O3-Substrat, und Bezugszeichen 503 ist ein Nitridmolekühl.
  • 6 ist ein Beispiel einer Sektionsstruktur einer lichtemittierenden Diode (LED) als ein lichtemittierendes Halbleiterelement, das durch Verwenden des Herstellungsverfahrens der Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde. In 6 bezeichnet Bezugszeichen 601 ein das α-Al2O3-Substrat, Bezugszeichen 602 bezeichnet eine Pufferschicht, Bezugszeichen 603 bezeichnet eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterzwischenschicht, Bezugszeichen 604 bezeichnet eine n-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht, Bezugszeichen 605 bezeichnet eine aktive Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht, Bezugszeichen 606 bezeichnet eine p-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht, Bezugszeichen 607 bezeichnet eine transluzente Elektrode, Bezugzeichen 608 bezeichnet eine n-Typ-Elektrode, Bezugszeichen 609 bezeichnet eine p-Typ-Bondingfeldelektrode, und Bezugszeichen 610 bezeichnet eine Schutzschicht.
  • Als ein Material, aus dem die Pufferschicht 602 besteht, werden vorzugsweise AIN, AlGaN oder GaN verwendet, und als Material, das die Gruppe-III-Nitridhalbleiterzwischenschicht 603, die n-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht 604, die aktive Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht 605 und die p-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht 606 bildet, werden vorzugsweise AlGan, GaN und InGaN verwendet. Es gilt vorzugsweise, dass Silizium (Si) oder Germanium (Ge) mit einer extrem kleinen Menge zu dem vorstehend beschriebenen Material für die n-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht 604 hinzugefügt wird, bzw. dass Magnesium (Mg) oder Zink (Zn) mit einer extrem kleinen Menge in dem vorstehend beschriebenen Material für die p-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht 606 hinzugefügt wird, zum Ausführen einer Steuerung der Leitfähigkeit. Darüber hinaus bildet die aktive Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht 605 vorzugsweise einen multiplen Quantentopf (MQW)-Aufbau der vorstehend beschriebenen Materialien. Darüber hinaus kann eine Beleuchtungsvorrichtung durch Verwenden der vorstehend beschriebenen lichtemittierenden Diode (LED) konfiguriert sein.
  • Die 7A und 7B sind Darstellungen zum Erläutern einer Frequenzinterferenzunterdrückungseinrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 7A ist ein Beispiel einer Einrichtung zum Unterdrücken einer Frequenzinterferenz (Frequenzinterferenzunterdrückungseinrichtung), die später beschrieben wird, durch Verwenden von Hochfrequenzenergieversorgungen bei unterschiedlichen Frequenzen, wie die Hochfrequenzenergiezufuhr 106 zum Sputtern und die Hochfrequenzenergiezufuhr 130 zur Vorspannung. Die Bezugszeichen 701 und 702 bezeichnen zugehörige Boxen. Die Hochfrequenzenergie von der Hochfrequenzenergiezufuhr 106 zum Sputtern wird zu der Targetelektrode 102 mit einer reflektierten Welle zugeführt, die durch Verlaufen durch die zugehörige Box 701 reduziert wird, während die Hochfrequenzenergie von der Hochfrequenzenergiezufuhr 130 zur Vorspannung zu der Vorspannungselektrode 103 mit einer reflektierten Welle, die durch Verlaufen durch die zugehörige Box 702 reduziert wird, zugeführt wird. Die Hochfrequenzenergiezufuhr 106 zum Sputtern und die Hochfrequenzenergiezufuhr 130 zur Vorspannung sind eingestellt, um unterschiedliche Frequenzen aufzuweisen. Wenn beispielsweise die Frequenz der Hochfrequenzenergiezufuhr 106 zum Sputtern auf 13,56 MHz eingestellt ist, kann durch Verwenden einer Frequenz von 13,54 MHz oder 13,58 MHz als die Hochfrequenzenergiezufuhr 130 zur Vorspannung, die Frequenzinterferenz, die später beschrieben wird, unterdrückt werden.
  • 7B veranschaulicht ein Beispiel einer Einrichtung zum Unterdrücken einer Frequenzinterferenz, die später beschrieben wird (Frequenzinterferenzunterdrückungseinrichtung), durch Anpassen einer Phase der Hochfrequenzenergie von der Hochfrequenzenergiezufuhr 196 zum Sputtern, und von der Hochfrequenzenergiezufuhr 130 zur Vorspannung. In 7B bezeichnet Bezugszeichen 703 eine Phasensteuereinheit, Bezugszeichen 704 bezeichnet einen Hochfrequenzoszillator, und Bezugszeichen 705 sowie Bezugszeichen 706 bezeichnen Phasenanpassungsschaltungen. Die Hochfrequenzenergie von der Hochfrequenzenergiezufuhr 106 zum Sputtern wird zur Targetelektrode 102 mit einer reflektierten Welle, die durch Durchlaufen der zugehörigen Box 701 reduziert wird, zugeführt, während die Hochfrequenzenergie von der Hochfrequenzenergiezufuhr 130 zur Vorspannung zur Vorspannungselektrode 103 mit einer reflektierten Welle, die durch Durchlaufen der zugehörigen Box 702 reduziert wird, zugeführt.
  • Die Phasensteuerungseinheit 703 weist den Hochfrequenzoszillator 704 sowie die Phasenanpassungsschaltungen 705 und 706 auf, und kann eine Phase eines Hochfrequenzsignals vom Hochfrequenzoszillator 704 durch die Phasenanpassungsschaltungen 705 und 706 zum Ausgeben an eine externe Schaltung anpassen. Darüber hinaus ist ein Ausgabeabschnitt der Phasensteuerungseinheit 703 mit einem externen Eingabeanschlussabschnitt der Hochfrequenzenergiezufuhr 106 zum Sputtern und der Hochfrequenzenergiezufuhr 130 zur Vorspannung verbunden. Mit Hilfe eines Hochfrequenzsignals, das durch die Phasensteuerungseinheit 703 ausgegeben wird, und der angepassten Phase (das heißt, ein Hochfrequenzsignal, das durch den Hochfrequenzoszillator 704 oszilliert ist, und darüber hinaus ein Hochfrequenzsignal, dessen Phase durch die Phasenanpassungsschaltungen 705 und 706 angepasst ist), wird eine Phase der Hochfrequenzenergieausgabe von der Hochfrequenzenergiezufuhr 106 zum Sputtern und der Hochfrequenzenergiezufuhr 130 zur Vorspannung gesteuert. Beispielsweise kann durch Anpassen der Phasensteuerungseinheit 703 und durch Einstellen einer Phasendifferenz der Hochfrequenzenergieausgabe von der Hochfrequenzenergiezufuhr 106 zum Sputtern und der Hochfrequenzenergiezufuhr 130 zur Vorspannung auf eine Phasendifferenz von 180° oder dergleichen, eine Frequenzindifferenz, die später beschrieben wird, unterdrückt werden.
  • Um zu verhindern, dass eine Frequenzinterferenz, die später beschrieben wird, wie vorstehend beschrieben auftritt, sind ein Einstellen der zu der Targetelektrode 102 zugeführten Hochfrequenzenergie und der zu der Vorspannungselektrode 103 zugeführten Hochfrequenzenergie, um unterschiedliche Frequenzen aufzuweisen, oder Beibehalten der zu der Targetelektrode 102 zugeführten Hochfrequenzenergie und der zu der Vorspannungselektrode 103 zugeführten Hochfrequenzenergie bei der vorbestimmten Phasendifferenz, effektive Mittel. Um den Effekt der vorliegenden Erfindung mit hoher Reproduzierbarkeit zu erhalten, ist das Bereitstellen dieser Frequenzinterferenzunterdrückungseinrichtung extrem effektiv.
  • Ein Bildungsverfahren einer epitaktischen Schicht einer Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht durch Verwenden der Sputtervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend mit Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel wird eine epitaktische Schicht auf einem α-Al2O3Substrat durch ein Verfahren gebildet, das die nachfolgenden ersten bis vierten Schritte aufweist. In der nachfolgenden Beschreibung wird von der Substrathalterung 111 angenommen, sich auf eine beliebige der Substrathalterungen 111a, 111b, 111c zu beziehen, und von der Vorspannungselektrode 103 wird angenommen, sich auf die Vorspannungselektrode 103a oder 103b zu beziehen, oder diese ist eine gemeinsame Elektrode 403, die in einer beliebigen der Substrathalterungen 111 (111a, 111b und 111c) bereitgestellt ist.
  • Zunächst, als der erste Schritt, wird das Substrat 107 in den Vakuumbehälter 101 eingebracht, der durch den Evakuierungsmechanismus 110 bei einem vorbestimmten Druck gehalten wird. Zu diesem Zeitpunkt wird das Substrat (α-Al2O3-Substrat) 107 zum oberen Teil der Substrathalterung 111 durch einen nicht gezeigten Transportroboter transportiert, und wird an einem oberen Teil eines nicht gezeigten Hubbolzens, der aus der Substrathalterung 111 hervorragt, gehalten. Anschließend wird der Hubbolzen, der das Substrat 107 hält, abgesenkt, und das Substrat 107 wird auf der Substarthalterung 111 platziert.
  • Anschließend, als der zweite Schritt, wird eine an die Heizelektrode 104, die in der Substrathalterung 111 enthalten ist, anzulegende Spannung gesteuert, um das Substrat 107 auf einer vorbestimmten Temperatur zu halten. Zu diesem Zeitpunkt wird eine derartige Steuerung ausgeführt, dass die Temperatur der Substrathalterung 111 durch Verwenden eines (nicht gezeigten) Thermoelements, das in der Substrathalterung 111 enthalten ist, überwacht wird, oder die Temperatur der Substrathalterung 111 wird durch Verwenden eines nicht gezeigten Pyrometers überwacht, das in dem Vakuumbehälter 101 installiert ist, sodass die Temperaturen vorbestimmte Temperaturen werden.
  • Anschließend, als der dritte Schritt, wird entweder N2-Gas oder ein Mischgas aus einen N2-Gas und einen Edelgas in den Vakuumbehälter 101 aus dem das Gaseinbringmechanismus 109 eingebracht, und der Druck des Vakuumbehälters 101 wird durch eine (nicht gezeigte) Massendurchflusssteuerung und ein (nicht gezeigtes) variables Leitventil auf einen vorbestimmten Druck eingestellt.
  • Schließlich, als der vierte Schritt, wird durch Anlegen einer hochfrequenten Vorspannungsenergie an die Vorspannungselektrode 103, die in der Substrathalterung 111enthalten ist, und durch Anlegen einer Hochfrequenzenergie an das Target 108 durch die Hochfrequenzenergiezufuhr 106 zum Sputtern, Plasma an einer Frontfläche des Targets 108 erzeugt. Als eine Folge spuckt ein Ion in dem Plasma Elemente, die das Ziel 108 bilden, aus, und eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht wird auf den Substrat 107 durch ausgeworfene Elemente gebildet.
  • Der vorbestimmte Druck im ersten Schritt beträgt vorzugsweise weniger als 5 x 10-4 Pa, und wenn der Druck nicht kleiner als dieses ist, werden viele Verunreinigungen, wie etwa Sauerstoff und dergleichen, in die Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht eingebracht, und es ist schwierig, eine vorteilhafte epitaktische Schicht zu erhalten. Darüber hinaus ist die Temperatur der Substrathalterung 111 im ersten Schritt nicht insbesondere begrenzt, jedoch ist aus dem Gesichtspunkt der Produktivität vorzugsweise eine Temperatur zum Erhalten einer Substrattemperatur während der Schichtbildung eingestellt.
  • Die vorbestimmte Temperatur im zweiten Schritt ist vorzugsweise auf eine Schichtbildungstemperatur im vierten Schritt aus dem Gesichtspunkt der Produktivität eingestellt, und der bevorzugte Druck im dritten Schritt ist vorzugsweise auf einen Schichtbildungsdruck im vierten Schritt aus dem Gesichtspunkt der Produktivität eingestellt. Operationszeiten des zweiten Schritts und des dritten Schritts können ausgetauscht werden, oder diese können gleichzeitig ausgeführt werden. Darüber hinaus werden die im zweiten Schritt eingestellte Temperatur und der im dritten Schritt eingestellte Druck vorzugsweise beibehalten, zumindest bis der vierte Schritt gestartet wird, aus dem Gesichtspunkt der Produktivität.
  • Im vierten Schritt muss die hochfrequente Vorspannungsenergie, die an die Vorspannungselektrode 103 anzulegen ist, auf eine vorbestimmte Energie eingestellt sein, bei der eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht (eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht mit +c-Polarität) mit einem hohen Ausmaß einer einheitlichen +c-Polarität erhalten werden kann. Wenn die Energie zu klein ist, wird eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht gebildet, in der Polaritäten gemischt sind, während wenn die Energie zu groß ist, wird die Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht durch Kollision mit Hochenergiepartikeln beschädigt, und es kann keine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht mit guter Qualität erhalten werden.
  • In dieser Beschreibung wird eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht, in der keine -c-Polarität enthalten ist oder reduziert ist, das heißt, eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht, in der eine Mischung der +c-Polarität und der -c-Polarität reduziert ist, und ein Ausmaß der Vereinheitlichung der +c-Polarität hoch ist, als eine „Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht mit +c-Polarität“ bezeichnet.
  • Darüber hinaus ist die Substrattemperatur, wenn der vierte Schritt durchgeführt wird, vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 100 bis 1200 °C eingestellt, oder weiterhin vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 400 bis 1000 °C. Wenn diese kleiner als 100 °C ist, wird leicht eine Schicht gebildet, in der eine amorphe Struktur gemischt ist, während wenn diese höher als 1200 °C ist, wird eine Schicht selbst nicht gebildet oder selbst wenn eine Schicht gebildet wird, wird aufgrund von Wärmestress leicht eine epitaktische Schicht mit vielen Defekten erhalten. Darüber hinaus ist ein Schichtbildungsdruck vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 0,1 bis 100 mTorr (1,33 × 10-2 bis 1,33 × 101 Pa) eingestellt, oder ist weiterhin vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 0,1 bis 10 mTorr (1,33 × 10-1 bis 1,33 Pa) eingestellt.
  • Wenn dieser kleiner als 0,1 mTorr (1,33 × 10-2 Pa) ist, können leicht Hochenergiepartikel in die Substratoberfläche eintreten, und daher ist es schwierig, eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht mit guter Qualität zu erhalten, während wenn der Druck höher als 100 mTorr (1,33 × 101 Pa) ist, wird eine Schichtbildungsgeschwindigkeit extrem niedrig, was nicht bevorzugt ist. Wenn der vierte Schritt zu starten ist, ist es möglich, temporär den Druck des Vakuumbehälters 101 auf den Schichtbildungsdruck oder größer zu erhöhen, um die Erzeugung von Plasma an der Targetseite zu begünstigen. In diesem Fall kann der Schichtbildungsdruck durch temporäres Einbringen einer großen Gasdurchflussrate von mindestens einem Typ von Prozessgasen oder durch temporäres Senken eines Öffnungsgrades des (nicht gezeigten) variablen Leitungsventils erhöht werden.
  • Im vierten Schritt können der Zeitablauf zum Anlegen einer hochfrequenten Vorspannungsenergie zur Vorspannungselektrode 103 und der Zeitablauf zum Anlegen einer Hochfrequenzenergie an die Targetelektrode 102 gleichzeitig sein, oder können derart eingestellt sein, dass eine zuerst angelegt wird, und anschließend die andere angelegt wird. Wenn jedoch die Hochfrequenzenergie zu der Targetelektrode 102 anzulegen ist, muss zunächst die hochfrequente Vorspannungsenergie an die Vorspannungselektrode 103 angelegt werden, bevor eine Schichtbildungsfläche des α-AL2O3-Substrats 107 durch eine Kristallschicht bedeckt ist, die aus einem Gruppe-III-Nitridhalbleiter besteht.
  • Die Kristallschicht des Gruppe-III-Nitridhalbleiters, die in einem Zustand gebildet wird, in dem die hochfrequente Vorspannungsenergie nicht an die Vorspannungselektrode 103 angelegt wird, wird leicht in einen Zustand gebracht, in dem Polaritäten gemischt sind, oder einen Zustand einer -c-Polarität. Wenn ein Zustand auftritt, in dem die -c-Polarität gemischt ist, ist es schwierig, die Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht mit +c-Polarität zu erhalten, auch wenn danach die hochfrequente Vorspannungsenergie an die Vorspannungselektrode 103 angelegt wird. Wenn daher die Hochfrequenzenergie an die Targetelektrode 102 anzulegen ist, ist es zunächst vorzuziehen, dass die Hochfrequenzenergie an die Targetelektrode 102 angelegt wird, und unmittelbar nachdem Plasma an der Frontoberfläche des Targets erzeugt wird (das heißt, nachdem ein Sputtern gestartet ist), wird die hochfrequente Vorspannungsenergie an die Vorspannungselektrode 103 angelegt, jedoch bevor eine Kristallschicht, die aus dem Gruppe-III-Nitridhalbleiter besteht, auf dem α-AL2O3-Substrat 107 gebildet ist, wird die hochfrequente Vorspannungsenergie an die Vorspannungselektrode 103 angelegt.
  • Wenn die hochfrequente Vorspannungsenergie an die Vorspannungselektrode 103 anzulegen ist, wird zunächst Plasma an der Oberflächenseite des α-AL2O3-Substrats 107 während einer Periode, bis die Hochfrequenzenergie an die Targetelektrode 102 angelegt wird, erzeugt, und die Oberflächennitridierung des α-AL2O3-Substrats 107, die durch eine aktive Sorte, die ein N-Atom im Plasma enthält, verursacht wird, muss vermieden werden. Das liegt daran, dass wenn die Oberfläche des α-AL2O3-Substrats 107 nitridiert wird, wird leicht AIN mit -c-Polarität oder mit gemischter Polarität auf der Substratoberfläche ausgebildet, und auch wenn danach die Hochfrequenzenergie an die Targetelektrode 102 angelegt wird, um die Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht zu bilden, wird es schwierig, eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht mit +c-Polarität zu erhalten. Wenn daher die hochfrequente Vorspannungsenergie an die Vorspannungselektrode 103 anzulegen ist, ist es zunächst vorzuziehen, dass die Hochfrequenzenergie an die Targetelektrode 102 unmittelbar nachdem die hochfrequente Vorspannungsenergie an die Vorspannungselektrode 103 angelegt wird, anzulegen, und anschließend wird ein Sputtern gestartet.
  • Darüber hinaus ist es nicht notwendig zu erwähnen, dass vor dem ersten Schritt ein solcher Schritt bereitgestellt sein kann, in dem das Substrat 107 zu einer Vorbehandlungskammer (nicht gezeigt) zur thermischen Behandlung oder Plasmaverarbeitung des Substrats 107 bei einer Temperatur der Schichtbildungstemperatur oder größer transportiert wird. Wenn jedoch die Plasmaverarbeitung durchzuführen ist, ist es wichtig, eine Bedingung auszuwählen, in der eine AIN-Schicht mit gemischter Polarität oder eine AIN-Schicht mit -c-Polarität nicht auf der Oberfläche des α-AL2O3-Substrats gebildet wird.
  • Ein Mechanismus des Bildens einer Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht mit +c-Polarität durch die vorstehend beschriebenen ersten bis vierten Schritte wird nachstehend unter Verwendung von 5 beschrieben. Als der erste und zweite Schritt wird das α-AL2O3-Substrat 107 auf der Substrathalterung 111 platziert, sodass sich das Substrat bei einer vorbestimmten Temperatur befindet, und als der dritte Schritt wird entweder ein N2-Gas oder ein gemischtes Gas eines N2-Gases und eines Edelgases in den Vakuumbehälter eingebracht. Anschließend, als den vierten Schritt, wird eine hochfrequente Vorspannungsenergie an die Vorspannungselektrode angelegt, und ebenso wird ein Plasma an der Targetseite erzeugt, um so eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht zu bilden.
  • Wenn ein Metalltarget als ein Target im vierten Schritt verwendet wird, wird in Betracht gezogen, dass die Targetoberfläche durch eine aktive Sorte, die ein N-Atom enthält, nitridiert wird, und durch Sputtern der Oberfläche mit einem positiven Ion wird ein in 5 veranschaulichtes Nitridmolekül 503 von der Targetoberfläche emittiert, um die Oberfläche des α-AL2O3-Substrats 107 zu erreichen. Darüber hinaus, auch wenn ein Nitridtarget verwendet wird, wird berücksichtigt, dass durch Sputtern der Oberfläche mit einem positiven Ion ein in 5 veranschaulichtes Nitridmolekül 503 von der Targetoberfläche emittiert wird, um die Oberfläche des α-AL2O3-Substrats 107 zu erreichen. Ein Nitridmolekül 503 eines 2-Atom-Moleküls ist zur Vereinfachung in 5 veranschaulicht, jedoch ist das Molekül nicht auf ein 2-Atom-Molekül beschränkt, solange dieses ein Nitridmolekül ist.
  • In 5 wird eine hochfrequente Vorspannungsenergie an die Vorspannungselektrode 103 angelegt, und in einem Raum, der der Oberflächenseite des α-AL2O3-Substrats 107 gegenüber steht, werden ein Plasmabereich, der durch Bezugszeichen G angegeben ist, und ein Mantelbereich, der durch Bezugszeichen S angegeben ist, gebildet. Der Mantelbereich S ist zwischen dem Plasmabereich G und dem α-AL2O3-Substrat 107 ausgebildet.
  • Im Plasmabereich G sind Dichten einer positiven Ladung (positives Ion) und einer negativen Ladung (Elektron) im Wesentlichen gleich, und befinden sich im Wesentlichen in einem elektrisch neutralen Zustand. Darüber hinaus befindet sich der Plasmabereich G gewöhnlich in einem im Wesentlichen konstanten Potentialzustand (sogenanntes Plasmapotential), das bezüglich des Massepotentials positiv ist. Andererseits, weil sich ein positives Ion und ein Elektron bei der Leichtigkeit einer Weiterführung bezüglich einer Änderung des durch Anwenden der hochfrequenten Vorspannungsenergie erzeugten hochfrequenten elektrischen Feld unterscheiden, werden überschüssige Elektronen zu der Oberfläche des α-AL2O3-Substrats 107 zugeführt, und eine negative DC-Vorspannungsspannung wird erzeugt. Im Mantelbereich S wird ein elektrisches Feld, das durch Bezugszeichen E angegeben ist, in einer Richtung in Richtung der Oberfläche des α-AL2O3-Substrats 107 durch eine Potentialdifferenz zwischen dem negativen Potential auf der Oberfläche des α-AL2O3-Substrats 107, das wie vorstehend erzeugt wird, und dem Plasmapotential des Plasmabereichs G erzeugt. Die Größe dieses elektrischen Feldes E kann durch eine Größenordnung der hochfrequenten Vorspannungsenergie angepasst werden.
  • Als ein Modus der zu der Vorspannungselektrode 103 anzulegenden Energie ist eine Hochfrequenzenergie vorzuziehen. In dem Fall einer DC-Energie, weil das α-AL2O3-Substrat 107 ein Isoliermaterial ist, wird es schwierig, effektiv eine negative DC-Vorspannungsspannung auf der Oberfläche des α-AL2O3-Substrats 107 zu erzeugen, was nicht vorzuziehen ist.
  • Das Nitridmolekül 503 weist ein Gruppe-III-Element 503a und ein N-Atom 503b auf, und das Gruppe-III-Element 503a weist eine vorgespannte positive Ladung auf, und das N-Atom 503b weist eine vorgespannte negative Ladung auf. Das heißt, dass das Nitridmolekül 503 eine Polarisierung aufweist, die durch Bezugszeichen P angegeben ist. Dieses Nitridmolekül 503 wird betrachtet, um in zufälligen Richtungen in dem Plasmabereich G orientiert zu sein, wenn jedoch dieses den Mantelbereich S erreicht, wirkt das elektrische Feld E auf die Polarisierung P des Nitridmoleküls 503, und es wird erachtet, dass das Gruppe-III-Element 503a in der Richtung des α-AL2O3-Substrats orientiert wird, und dass das N-Atom 503b in der Richtung des Plasmabereichs G orientiert wird, das heißt, die Polarisierung P ist in der Richtung des α-AL2O3-Substrats orientiert.
  • Im Gruppe-III-Nitridhalbleiter mit +c-Polarität ist die Polarisierung P des Nitridmoleküls 503 zu der Richtung des α-AL2O3-Substrats orientiert. Das heißt, es wird erachtet, dass die Polarisierung P des Nitridmoleküls 503 zu der Richtung des α-AL2O3-Substrats durch das elektrische Feld E des Mantelbereichs S, das durch Anlegen der hochfrequenten Vorspannungsenergie erzeugt wird, orientiert wird, und mit Hilfe einer Absorption zu der α-AL2O3-Substrat-Oberfläche, während die Orientierung beibehalten wird, wird eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht mit +c-Polarität erhalten.
  • Auch wenn die hochfrequente Vorspannungsenergie an die Vorspannungselektrode 103 angelegt wird, wenn die hochfrequente Vorspannungsenergie niedrig ist, kann möglicherweise ein Gruppe-III-Nitridhalbleiter mit +c-Polarität nicht erhalten werden. Ein möglicher Grund dafür ist, dass das elektrische Feld E des Mantelbereichs S nicht ausreichend auf die Polarisierung P des Nitridmoleküls 503 wirkt, und scheitert, dessen Orientierung zu steuern.
  • Wenn darüber hinaus die hochfrequente Vorspannungsenergie zu groß ist, kann es sein, dass ein Gruppe-III-Nitridhalbleiter mit hoher Qualität nicht erhalten wird. Als Grund dafür wird in Betracht gezogen, dass das positive Ion in Plasma durch das elektrische Feld E in dem Mantelbereich S beschleunigt wird und gegen die Oberfläche des α-AL2O3-Substrats mit großer Energie kollidiert, und daher werden viele Defekte innerhalb der Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht gebildet.
  • Wie vorstehend beschrieben, um die Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht mit +c-Polarität zu erhalten, ist es notwendig, die Größenordnung der hochfrequenten Vorspannungsenergie, die an die Vorspannungselektrode 103 anzulegen ist, auf einen angemessenen Wert anzupassen. Ein optimaler Bereich dieser hochfrequenten Vorspannungsenergie ist abhängig von der internen Struktur der Sputtervorrichtung stark unterschiedlich, und daher muss eine optimale Bedingung für jede Vorrichtung erlangt werden.
  • Darüber hinaus ist eine als die hochfrequente Vorspannungsenergie verwendete Frequenz nicht insbesondere beschränkt, wenn jedoch die Frequenz der hochfrequenten Vorspannungsenergie und die Frequenz der Hochfrequenzenergie, die an das Target angelegt wird, miteinander übereinstimmen, kann leicht ein niederfrequentes Schlagphänomen, das durch Interferenz von Hochfrequenzenergie verursacht wird, auftreten, und eine Schichtbildungsbedingung kann ebenso beeinflusst werden (nachstehend wird dieses niederfrequente Schlagphänomen als Frequenzinterferenz bezeichnet). Wenn eine Frequenzinterferenz in diesem Ausführungsbeispiel auftritt, wird das Plasma instabil, und die an der Oberfläche des α-AL2O3-Substrats erzeugte DC-Vorspannungsspannung bleibt nicht länger stabil, und daher wird vorzugsweise Hochfrequenzenergie bei einer unterschiedlichen Frequenz verwendet. Durch Verwendung von 7A als ein Beispiel wird angenommen, dass eine Frequenz einer an die Targetelektrode 102 anzulegenden Hochfrequenzenergie (eine Frequenz der Hochfrequenzenergiezufuhr 106 zum Sputtern) 13,56 MHz beträgt, und durch Verwenden von 13,54 MHz oder 13,58 MHz für die Frequenz der hochfrequenten Vorspannungsenergie (Frequenz der Hochfrequenzenergiezufuhr 130 zur Vorspannung), die an die Vorspannungselektrode 103 anzulegen ist, kann die vorstehend beschriebene Frequenzinterferenz verhindert oder reduziert werden.
  • Darüber hinaus gilt, dass auch wenn die hochfrequente Vorspannungsenergie, die an die Vorspannungselektrode anzulegen ist, und die Hochfrequenzenergie, die an das Target anzulegen ist, eine gleiche Frequenz aufweisen, die vorstehend beschriebene Frequenzinterferenz durch Bewirken, dass die hochfrequente Vorspannungsenergie und die Hochfrequenzenergie um eine vorbestimmte Phasendifferenz phasenverschoben sind, unterdrückt werden kann. Durch Verwenden von 7B als ein Beispiel, wenn eine Phasendifferenz zwischen der hochfrequenten Vorspannungsenergie, die an die Vorspannungselektrode 103 anzulegen ist, und der Hochfrequenzenergie, die an die Targetelektrode 102 anzulegen ist, angepasst wird, um durch die Phasensteuerungseinheit 703 180° zu betragen, das heißt, wenn eine Anpassung durchgeführt wird, sodass eine positive Spitzenoberspannung der Hochfrequenzenergie an die Targetelektrode 102 angelegt wird, und gleichzeitig eine negative Spitzenoberspannung der hochfrequenten Vorspannungsenergie an die Vorspannungselektrode 103 angelegt wird, kann eine Frequenzinterferenz am effektivsten verhindert oder reduziert werden. Darüber hinaus kann die Phasendifferenz fein angepasst werden, sodass eine reflektierende Welle zu jeder der Hochfrequenzenergiezufuhren (Hochfrequenzenergiezufuhr zum Sputtern und Hochfrequenzenergiezufuhr zur Vorspannung) weiterhin reduziert wird. Das heißt, dass die Phasendifferenz nicht exakt 180° betragen muss, sondern kann ungefähr 180° betragen, was einen Bereich eines fein angepassten Ausmaßes um 180° abdeckt.
  • Darüber hinaus, auch im Fall einer anderen Phasendifferenz, kann diese problemlos verwendet werden, solange keine Frequenzinterferenz verursacht wird. Wenn eine Frequenzinterferenz wie vorstehend auftritt, wird das Plasma instabil, und eine reflektierende Welle zu jeder der Hochfrequenzenergiezufuhren (Hochfrequenzenergiezufuhr zum Sputtern und Hochfrequenzenergiezufuhr zur Vorspannung) kann leicht ansteigen, und daher gilt vorzugsweise, dass eine Anpassung auf eine solche Phasendifferenz durchgeführt wird, die die Frequenzinterferenz minimiert (vorzugsweise auf Null).
  • Auch wenn die hochfrequente Vorspannungsenergie nicht an die Vorspannungselektrode 103 angelegt wird, wird das elektrische Feld E in dem Mantelbereich S erzeugt, jedoch ist das elektrische Feld E, das zu diesem Zeitpunkt erzeugt wird, im Allgemeinen kleiner als jenes das erzeugt wird, wenn die hochfrequente Vorspannungsenergie angelegt wird. Daher ist der Grund, warum eine Nitridhalbleiterdünnschicht mit +c-Polarität nicht erhalten werden kann, wenn die hochfrequente Vorspannungsenergie nicht an die Vorspannungselektrode 103 angelegt wird, derart betrachtet, dass das elektrische Feld E des Mantelbereichs S nicht ausreichend auf die Polarisierung B des Nitridmoleküls 503 wirkt, und nicht dessen Orientierung steuern kann.
  • Wenn das Metalltarget 108 durch Plasma unter Verwendung eines gemischten Gases eines N2-Gases und eines Edelgases zu Sputtern ist, sollte ein Verhältnis in dem gemischten Gas des N2-Gases und des Edelgases derart gesteuert werden, dass eine Metallkomponente (Nicht-Nitridkomponente) nicht in der Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht mit einer großen Menge eingebracht wird. Wenn eine große Menge der Metallkomponente eingebracht wird, tendiert das Verhältnis eines Metallatoms oder des Gruppe-III-Elements, das von dem Target in einem Metallclusterzustand emittiert wird, dazu, um größer zu werden als das Nitridmolekül 503, und daher ist es wahrscheinlich, dass der Effekt der vorliegenden Erfindung nicht vollständig erhalten werden kann, auch wenn die hochfrequente Vorspannungsenergie an die Vorspannungselektrode 103 angelegt wird.
  • Als die epitaktische Schicht des durch das Verfahren in diesem Ausführungsbeispiel gebildeten Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht können die Pufferschicht 602, die Gruppe-III-Nitridhalbleiterzwischenschicht 603, die n-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht 604, die aktive Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht 605 und die p-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht 606, die in 6 veranschaulicht sind, genannt werden. Alle der vorstehend beschriebenen Schichten können durch Verwenden der Sputtervorrichtung (Bildungsverfahren einer epitaktischen Schicht) gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, oder nur eingeschränkte Schichten können durch Verwenden der Sputtervorrichtung (Bildungsverfahren einer epitaktischen Schicht) gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden.
  • Als ein erstes Beispiel in 6 gibt es beispielsweise ein Verfahren des Herstellens eines epitaktischen Wafers durch Herstellen der Pufferschicht 602 eines LED-Elements durch Verwenden der Sputtervorrichtung (Bildungsverfahren einer epitaktischen Schicht) gemäß der vorliegenden Erfindung, und anschließend sequenzielles Laminieren der Gruppe-III-Nitridhalbleiterzwischenschicht 603, der n-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht 604, der aktiven Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht 605 und der p-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht 606 durch Verwenden des MOCVD-Verfahrens.
  • Als ein zweites Beispiel gibt es ein Verfahren des Herstellens eines epitaktischen Wafers durch Herstellen der Pufferschicht 602 und der Gruppe-III-Nitridhalbleiterzwischenschicht 603 durch Verwenden der Sputtervorrichtung (Bildungsverfahren einer epitaktischen Schicht) gemäß der vorliegenden Erfindung, und anschließend durch sequenzielles Laminieren der n-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht 604, der aktiven Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht 605 und der p-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht 606 durch Verwenden des MOCVD-Verfahrens.
  • Als ein drittes Beispiel gibt es ein Verfahren des Herstellens eines epitaktischen Wafers durch Herstellen der Pufferschicht 602, der Gruppe-III-Nitridhalbleiterzwischenschicht 603 und der n-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht 604 durch Verwenden der Sputtervorrichtung (Bildungsverfahren einer epitaktischen Schicht) gemäß der vorliegenden Erfindung, und anschließend durch sequenzielles Laminieren der aktiven Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht 605 und der p-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht 606 durch Verwenden des MOCVD-Verfahrens.
  • Als ein viertes Beispiel gibt es ein Verfahren des Herstellens eines epitaktischen Wafers durch Herstellen der Pufferschicht 602, der Gruppe-III-Nitridhalbleiterzwischenschicht 603, der n-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht 604 und der aktiven Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht 605 durch Verwenden der Sputtervorrichtung (Bildungsverfahren einer epitaktischen Schicht) gemäß der vorliegenden Erfindung, und anschließend durch Herstellen der p-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht 606 durch Verwenden des MOCVD-Verfahrens.
  • Als ein fünftes Beispiel gibt es ein Verfahren des Herstellens eines epitaktischen Wafers durch Herstellen der Pufferschicht 602, der Gruppe-III-Nitridhalbleiterzwischenschicht 603, der n-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht 604, der aktiven Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht 605 und der p-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht 606 durch Verwenden der Sputtervorrichtung (Bildungsverfahren einer epitaktischen Schicht) gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Auf dem wie vorstehend erhaltenen epitaktischen Wafer kann durch Bilden der transluzenten Elektrode 607, der p-Typ-Bondingflächenelektrode 609, der n-Typ-Elektrode 608 und der Schutzschicht 610, wie in 6 veranschaulicht, durch Verwenden der Lithographietechnologie und RIE (reaktives Ionenätzen)-Technologie eine LED-Struktur erhalten werden. Das Material für die transluzente Elektrode 607, die p-Typ-Bondingflächenelektrode 609, die n-Typ-Elektrode 608 und die Schutzschicht 610 ist nicht insbesondere beschränkt, sondern in diesem technischen Gebiet bekannte Materialien können ohne Einschränkung verwendet werden.
  • (Beispiel)
  • (Erstes Beispiel)
  • Als ein erstes Beispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Beispiel beschrieben, in dem eine AIN-Schicht als die Pufferschicht 602 (siehe 6) auf einem α-AL2O3 (0001)-Substrat durch Verwenden des Schichtbildungsverfahren eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gebildet wird. Insbesondere wird ein Beispiel beschrieben, in dem die AIN-Schicht auf dem α-AL2O3 (0001)-Substrat durch Verwenden des Sputterverfahrens in einem Zustand gebildet wird, in dem die hochfrequente Vorspannungsenergie an die Vorspannungselektrode 103 angelegt wird. In diesem ersten Beispiel wird die AIN-Schicht durch Verwenden der Sputtervorrichtung gleich jener in 1 gebildet. Darüber hinaus sind die Frequenzen der Hochfrequenzenergie, die an die Targetelektrode 102 anzulegen ist, und die Hochfrequenzenergie, die an die Vorspannungselektrode 103 anzulegen ist, auf 13,56 MHz bzw. 13,54 MHz eingestellt.
  • Im ersten Beispiel wird zunächst das α-AL2O3 (0001)-Substrat zum Vakuumbehälter 101 transportiert, der bei 1 × 10-4 Pa oder weniger gehalten wird, und wird durch den ersten Schritt auf die Substrathalterung 111 platziert, und das Substrat wird auf 550 °C gehalten, was eine Schichtbildungstemperatur durch den zweiten Schritt ist. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Strom, der bewirkt wird, zu der Heizelektrode 104 zu fließen, derart gesteuert, dass ein Überwachungswert des in der Substrathalterung 111 enthaltenen Thermoelements 750 °C beträgt.
  • Anschließend wird durch den dritten Schritt ein gemischtes Gas eines N2-Gases und eines Ar-Gases eingebracht, sodass N2/(N2+Ar): 25 % realisiert wird, und der Druck des Vakuumbehälters 101 wird auf 3,75 mTorr (0,5 Pa) eingestellt. In diesem Zustand wird die hochfrequente Vorspannungsenergie bei 10 W an die Vorspannungselektrode 103 durch den vierten Schritt angelegt, und ebenso die Hochfrequenzenergie bei 2000 W von der Hochfrequenzenergiezufuhr 106 zum Sputtern an das Target 108, das aus Al-Metall besteht, angelegt. Daher wird eine AIN-Schicht mit einer Schichtdicke von 50 nm auf dem Substrat durch das Sputterverfahren gebildet. Es wird durch Röntgenfotoelektronenspektroskopie (XPS) bestätigt, dass die dabei erhaltene AIN-Schicht annähernd keine Al-Metallkomponenten enthält.
  • Was die Schichtbildungstemperatur in dem ersten Beispiel betrifft, wird eine Substrattemperaturmessung zuvor durchgeführt, durch Verwenden eines α-AL2O3 (0001)-Substrats, in dem das Thermoelement eingebettet ist, und anschließend wird die Schichtbildungstemperatur basierend auf einer Beziehung zwischen der erhaltenen Temperatur des α-AL2O3 (0001)-Substrats und dem erhaltenen Überwachungswert des in der Heizelement enthaltenen Thermoelements, das heißt, der von dem Heizelement erhaltenen Temperatur, eingestellt.
  • Im ersten Beispiel wird die hergestellte AIN-Schicht durch Röntgendiffraktions (XRD)-Messung in einem 2θ/ω-Abtastmodus bei einer symmetrischen Reflexionsposition, XRC-Messung in einem ω-Abtastmodus für die symmetrische Ebene, die XRC-Messung in einem Φ-Abtastmodus in einer ebenen internen Anordnung, und Koaxialeinschlagskollisionsionenstreuungsspektroskopie (CAICISS) -Messung evaluiert. Hier wird die XRC-Messung im 2θ/ω-Abtastmodus bei einer symmetrischen Reflexionsposition zum Überprüfen einer Kristallorientierung verwendet, und die XRC-Messung im ω-Abtastmodus für die symmetrische Ebene und die XRC-Messung im Φ-Abtastmodus in der ebenen internen Anordnung für die Evaluierung einer Mosaikexpansion einer Neigung und eines Verdrehens entsprechend verwendet. Darüber hinaus wird die CAICISS-Messung als Einrichtung zum Bestimmen der Polarität verwendet.
  • Zunächst wird die XRC-Messung im 2θ/ω-Abtastmodus bei einer symmetrischen Reflexionsposition für die in dem ersten Beispiel hergestellten AIN-Schicht unter Verwendung eines Messbereichs von 2θ=20 bis 60° durchgeführt, wobei nur die Fraktionsspitzen der AIN (0002)-Ebene und der α-AL2O3 (0006)-Ebene beobachtet werden, und die Fraktionsspitzen, die andere Gitterebenen des AIN angeben, werden nicht beobachtet. Aus dieser Tatsache ist bekannt, dass die erhaltene AIN-Schicht eine c-Achsenorientierung aufweist.
  • Anschließend wird die XRC-Messung im ω-Abtastmodus für die symmetrische Ebene (AIN (0002)-Ebene in dem ersten Beispiel) für die in dem ersten Beispiel hergestellte AIN-Schicht durchgeführt. Das FWHM des erhaltenen XRC-Profils beträgt 450 arcsec oder weniger, wenn sich ein Detektor in einem offenen Detektorzustand befindet, und beträgt 100 arcsec oder weniger, wenn ein Analysatorkristall in den Detektor eingebracht wird. Daher wird bestätigt, dass eine Mosaikexpansion der Neigung in der hergestellten AlN-Schicht klein ist. Darüber hinaus, abhängig von den Herstellbedingungen, werden jene mit dem FWHM bei 20 arcsec oder weniger in der XRC-Messung mit dem in dem Detektor eingebrachten Analysatorkristall ebenso erhalten.
  • Die XRC-Messung sollte durch den Detektor im offenen Detektorzustand durchgeführt werden, jedoch im Fall eines Musters mit einer kleinen Schichtdicke, wie in dem ersten Beispiel, expandiert der FWHM des XRC-Profils aufgrund eines Schichtdickeneffekts oder Gitterrelaxation, und eine genaue Evaluierung einer Mosaikexpansion wird schwierig. Daher wurde in den vergangenen Jahren der Fall mit dem in den Detektor eingebrachten Analysatorkristall ebenso in einem weiten Sinn wie vorstehend als die XRC-Messung gehandhabt. Wenn nicht anderweitig angegeben ist, wird nachstehend angenommen, dass bei der XRC-Messung der offene Detektorzustand verwendet wird.
  • Anschließend wird die XRC-Messung im Φ-Abtastmodus in der ebeneninternen Anordnung für die in dem ersten Beispiel hergestellte AIN-Schicht durchgeführt. Die AlN{10-10}-Ebene wird für die Messung verwendet. Es treten sechs Diffraktionsspitzen bei 60 °C Intervallen in dem erhaltenen XRC-Profil auf, und es wird bestätigt, dass die AIN-Schicht eine sechsfache Symmetrie aufweist, das heißt, dass die AIN-Schicht epitaktisch wächst. Darüber hinaus beträgt der FWHM, der aus der Diffraktionsspitze mit der maximalen Größenordnung gezogen wird, 2,0° oder weniger, und es ist bekannt, dass eine Mosaikexpansion eines Verdrehens der hergestellten AlN-Schicht relativ klein ist. Wenn das α-AL2O3 (0001)-Substrat und die ebene interne Kristallorientierung der AlN-Schicht verglichen werden, wird bestätigt, dass eine a-Achse der AIN-Schicht eine ebene interne Drehung bei 30° bezüglich der a-Achse des α-AL2O3 (0001)-Substrats durchführt. Dies gibt an, dass die AIN-Schicht mit einer im Wesentlichen epitaktischen Beziehung bei einem epitaktischen Wachstum der AIN-Schicht auf dem α-AL2O3 (0001)-Substrat gebildet ist.
  • Anschließend wird die CAICISS-Messung für die in dem ersten Beispiel hergestellte AIN-Schicht durchgeführt. Bei dieser Messung wird ein Al-Signal aus einer AIN [11-20]-Orientierung mit einem geänderten Einfallswinkel erfasst, und es ist bekannt, dass eine Spitze in der Umgebung des Einfallswinkels von 70° bei einer Einzelspitzenform erhalten wird. Dies gibt an, dass die erhaltene AIN-Schicht eine +c-Polarität aufweist.
  • Wie vorstehend beschrieben kann bestätigt werden, dass die in dem ersten Beispiel hergestellte AIN-Schicht eine c-achsen-orientierungsepitaktische Schicht mit +c-Polarität und kleiner Mosaikexpansion einer Neigung ist. Das heißt, dass gemäß der vorliegenden Erfindung klargestellt wird, dass eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht mit +c-Polarität erhalten werden konnte, während eine Mosaikexpansion einer Neigung und eines Verdrehens reduziert ist. Wenn das Experiment gleich dem ersten Beispiel mehrere Male wiederholt wird, kann bestätigt werden, dass eine Reproduzierbarkeit günstig ist.
  • (Zweites Beispiel)
  • Anschließend, als ein zweites Beispiel der vorliegenden Erfindung, wird ein Beispiel beschrieben, in dem eine AIN-Schicht, die durch Verwenden des Schichtbildungsverfahrens der Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, als eine Pufferschicht verwendet wird, und eine undotierte GaN-Schicht als die Gruppe-III-Nitridhalbleiterzwischenschicht 603 in 6 wird auf der Pufferschicht durch Verwenden des MOCVD-Verfahrens gebildet.
  • Die AIN-Schicht wird auf dem α-AL2O3 (0001)-Substrat durch Verwenden des Sputterverfahrens mit der gleichen Vorrichtung und Bedingungen wie jene in dem ersten Beispiel gebildet, und anschließend wird ein Wafer (Substrat) in die MOCVD-Vorrichtung eingebracht, um eine undotierte GaN-Schicht mit einer Schichtdicke von 5µm zu bilden.
  • Die Oberfläche der erhaltenen undotierten GaN-Schicht ist eine Spiegeloberfläche, und das Ergebnis der XRD-Messung im 20/ω-Abtastmodus bei einer symmetrischen Reflexionsposition gibt an, dass die undotierte GaN-Schicht eine c-Achsenorientierung aufweist. Anschließend werden die XRC-Messung im ω-Abtastmodus unter Verwendung der GaN(0002)-Ebene als die symmetrische Ebene sowie die XRC-Messung im Φ-Abtastmodus in der ebeneninternen Anordnung für die GaN {10-10}-Ebene durchgeführt, und es wird bestätigt, dass die FWHMs dieser Messungen 250 arcsec oder weniger bzw. 500 arcsec oder weniger betragen. Anhand dieser Tatsache ist bekannt, dass die erhaltene undotierte GaN-Schicht als ein hochqualitativer Kristall mit kleiner Mosaikexpansion einer Neigung und einer Verdrehung erhalten wird. Darüber hinaus wird anhand der CAICISS-Messung bestätigt, dass die Polarität der erhaltenen undotierten GaN-Schicht eine +c-Polarität ist. Es kann angenommen werden, dass dieses das Resultat ist, nämlich dass, wie in dem ersten Beispiel beschrieben ist, die Polarität der als die Pufferschicht verwendeten AIN-Schicht auf die +c-Polarität gesteuert werden kann, und daher übernimmt die auf der Pufferschicht gebildete undotierte GaN-Schicht ebenso die Polarität.
  • Wie vorstehend beschrieben kann durch Verwenden der AIN-Schicht, die durch Verwenden des Schichtbildungsverfahrens der Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, und auf die +c-Polarität als die Pufferschicht gesteuert wird, die durch Verwenden des MOCVD-Verfahrens auf der Pufferschicht gewachsenen undotierten GaN-Schicht als eine hochqualitative epitaktische Schicht erhalten werden, die auf eine +c-Polarität mit kleiner Mosaikexpansion gesteuert wird.
  • Das heißt, dass eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht mit +c-Polarität epitaktisch auf dem α-Al2O3Substrat aufgewachsen werden kann.
  • Im zweiten Beispiel wird die undotierte GaN-Schicht durch das MOCVD-Verfahren gebildet, jedoch kann ebenso ein ähnliches Ergebnis durch Verwenden des Sputterverfahrens erhalten werden. Wenn darüber hinaus das Experiment gleich dem zweiten Beispiel mehrere Male wiederholt wird, kann bestätigt werden, dass die Reproduzierbarkeit positiv ist.
  • (Drittes Beispiel)
  • Als ein drittes Beispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Beispiel beschrieben, in dem: Die AIN-Schicht, die durch Verwenden des Schichtbildungsverfahrens der Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, wird als eine Pufferschicht verwendet; die aus undotierten GaN hergestellte Gruppe-III-Nitridhalbleiterzwischenschicht, die aus Si dotierten GaN hergestellte n-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht, die aktive Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht mit einer MQW-Struktur von InGaN und GaN, sowie die aus Mg dotierten GaN hergestellte p-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht werden epitaktisch sequentiell auf der Pufferschicht durch Verwenden des MOCVD-Verfahrens aufgewachsen; anschließend werden die n-Typ-Elektrodenschicht, die transluzente Elektrode, die p-Typ-Elektrodenschicht und die Schutzschicht ausgebildet; und anschließend wird der Wafer durch Anreißen separiert, um ein LED-Element herzustellen.
  • Durch Verwenden des Sputterverfahrens wird die AIN-Schicht als die Pufferschicht 602 auf dem α-Al2O3- (0001) Substrat unter den gleichen Bedingungen wie jene des ersten Beispiels gebildet. Anschließend wird der Wafer in die MOCVD-Vorrichtung eingebracht, und die Gruppe-III-Nitridhalbleiterzwischenschicht 603, die aus undotierten GaN mit einer Schichtdicke 5µm besteht, und die n-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht 604, die aus Si dotierten GaN mit einer Schichtdicke von 2 µm gebildet ist, werden gebildet. Darüber hinaus werden die aktive Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht 605 mit der MQW-Struktur, die eine Laminatstruktur mit 5 Schichten von InGaN mit einer Schichtdicke von 3 nm und 6 Schichten von GaN mit einer Schichtdicke von 16 nm, die abwechselnd startend mit GaN und endend mit GaN laminiert sind, sowie die p-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht 606, die aus Mg dotierten GaN mit einer Schichtdicke von 200 nm gebildet ist, ausgebildet.
  • Auf dem erhaltenen epitaktischen Wafer werden die transluzente Elektrode 607, die p-Typ-Bondingflächenelektrode 609, die n-Typ-Elektrode 608 und die Schutzschicht 610 durch Verwenden der Lithographietechnologie und der RIE-Technologie wie in 6 veranschaulicht gebildet. In dem dritten Beispiel wird ITO (Indium-Zinnoxid) als die transluzente Elektrode verwendet, eine Struktur, in der Titan (Ti), Al und Gold (Au) laminiert sind, wird als p-Typ-Bondingflächenelektrode verwendet, eine Struktur, in der Nickel (Ni), Al, Ti und Au laminiert sind, wird als die n-Typ-Elektrode verwendet, und SiO2 wird als Schutzschicht verwendet.
  • Der Wafer, auf der die wie vorstehend erhaltene LED-Struktur ausgebildet ist, wird durch Anreißen in einen LED-Chip eines 350 µm Quadrates separiert, und dieser LED-Chip wird auf einem Stützrahmen bzw. Leadframe platziert, und wird durch einen Golddraht mit dem Stützrahmen verbunden, um ein LED-Element zu erhalten.
  • Wenn ein Vorwärtsstrom bewirkt wird, um durch die p-Typ-Bondingflächenelektrode und die n-Typ-Elektrode des erhaltenen LED-Elements zu fließen, zeigt das LED-Element vorteilhafte Emissionseigenschaften bei einem Strom von 20 mA einer Vorwärtsspannung von 3,0 V, einer Emissionswellenlänge von 470 nm, sowie einer Emissionsausgabe von 15 mW auf. Solche Eigenschaften werden ohne Variationen unter den LED-Elementen erhalten, die aus im Wesentlichen der gesamten Oberfläche des bearbeiteten Wafers hergestellt werden.
  • Wie vorstehend beschrieben konnte ein LED-Element mit bevorzugten Emissionseigenschaften durch Verwenden der AIN-Schicht als die Pufferschicht 602, die durch Verwenden des Schichtbildungsverfahrens der Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, erhalten werden, und dadurch auf die +c-Polarität gesteuert werden. In dem dritten Beispiel werden die Gruppe-III-Nitridhalbleiterzwischenschicht 603, die aus undotierten GaN besteht, die n-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht 604, die aus Si dotierten GaN besteht, die aktive Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht 605, die die MQW-Struktur von InGaN und GaN aufweist, sowie die p-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht 606, die aus Mg dotierten GaN hergestellt ist, durch das MOCVD-Verfahren gebildet, jedoch können die ähnlichen Ergebnisse erhalten werden, durch Herstellen dieser Schichten durch Verwenden des Sputterverfahrens. Wenn darüber hinaus das Experiment ähnlich dem dritten Beispiel mehrere Male wiederholt wird, kann bestätigt werden, dass die Reproduzierbarkeit günstig ist.
  • (Erstes Vergleichsbeispiel)
  • Als ein erstes Vergleichsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Beispiel beschrieben, in dem die AIN-Schicht als eine Pufferschicht auf dem α-Al2O3 (0001)-Substrat durch Verwenden des Sputterverfahrens ohne Anlegen der hochfrequenten Vorspannungsenergie an die Vorspannungsenergie gebildet ist, was das Unterscheidungsmerkmal der vorliegenden Erfindung ist. In dem ersten Vergleichsbeispiel wird die AIN-Schicht durch Verwenden der gleichen Sputtervorrichtung 1, Substrathalterung 111 und Schichtbildungsbedingungen wie jene in dem ersten Beispiel hergestellt, ausgenommen dass die hochfrequente Vorspannungsenergie nicht an die Vorspannungselektrode 103 angelegt wird. Darüber hinaus ist die Frequenz der Hochfrequenzenergie, die an die Target-Elektrode 102 anzulegen ist, auf 13,56 MHz eingestellt.
  • Die AIN-Schicht, die in dem ersten Vergleichsbeispiel hergestellt wird, wird in der XRD-Messung im 2θ/ω-Abtastmodus bei einer symmetrischen Reflexionsposition, der XRC-Messung im ω-Abtastmodus für die AIN (0002)-Ebene (wenn ein Analysatorkristall in den Detektor eingebracht wird, und sich in einem offenen Detektorzustand befindet), und der XRC-Messung in den Φ-Abtastmodus für die AIN {10-10}-Ebene, gemessen, und die Messergebnisse zeigen, dass eine epitaktische Schicht mit einer c-Achsenorientierung erhalten wird, wie bei der AIN-Schicht, die in dem ersten Beispiel erhalten wird, und eine Mosaikexpansion einer Neigung und einer Verdrehung befinden sich bei dem gleichen Ausmaß. Wenn andererseits die CAICISS-Messung für die in dem ersten Vergleichsbeispiel hergestellte AlN-Schicht durchgeführt wird, zeigt das Messergebnis, dass in der Schicht die +c-Polarität und -c-Polarität gemischt sind.
  • Wie vorstehend beschrieben, wenn eine Schicht ohne Anlegen einer hochfrequenten Vorspannungsenergie an die Vorspannungselektrode 103 gebildet wird, kann nicht die Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht mit +c-Polarität erhalten werden. Auch wenn das Experiment gleich diesem Vergleichsbeispiel mehrere Male wiederholt wird, ist es schwierig, die AlN-Schicht mit +c-Polarität zu erhalten.
  • (Zweites Vergleichsbeispiel)
  • Anschließend, als ein zweites Vergleichsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wird ein Beispiel beschrieben, in dem einer Pufferschicht aus AIN auf dem α-Al2O3 (0001)-Substrat durch Verwenden des Sputterverfahrens ohne Anlegen der hochfrequenten Vorspannungsenergie an die Vorspannungselektrode 103 gebildet ist, und eine undotierte GaN-Schicht als eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterzwischenschicht auf der Pufferschicht durch Verwenden des MOCVD-Verfahrens gebildet ist. Im zweiten Vergleichsbeispiel wird die aus AIN bestehende Pufferschicht durch Verwenden der gleichen Sputtervorrichtung 1, Substrathalterung 111 und Schichtbildungsbedingungen wie jene in dem ersten Vergleichbeispiel gebildet, und die undotierte GaN-Schicht wird unter den gleichen Bedingungen wie jene in dem zweiten Beispiel gebildet.
  • Eine Schicht einer aus AIN gebildeten Pufferschicht wird auf dem α-Al2O3 (0001)-Substrat durch Verwenden des Sputterverfahrens unter Verwendung dergleichen Sputtervorrichtung 1, Substrathalterung 111 und Schichtbildungsbedingungen wie jene in dem ersten Vergleichsbeispiel gebildet und anschließend wird der Wafer in die MOCVD-Vorrichtung eingebracht, und die undotierte GaN-Schicht mit einer Schichtdicke von 5 µm wird gebildet.
  • Die Oberfläche der erhaltenen undotierten GaN-Schicht ist trüb, und die XRD-Messung im 2θ/ω-Abtastmodus bei einer symmetrischen Reflexionsposition zeigt, dass die undotierte GaN-Schicht eine c-Achsenorientierung aufweist. Anschließend werden die XRC-Messung im ω-Abtastmodus unter Verwenden der GaN (0002)-Ebene als eine symmetrische Ebene, sowie die XRC-Messung im Φ-Abtastmodus für eine GaN {10-10}-Ebene in der ebenen internen Anordnung durchgeführt, und es wird bestätigt, dass die FWHMs dieser Messungen ungefähr 600 arcsec bzw. 1000 arcsec betragen. Anhand dieser Tatsache ist bekannt, dass die durch das zweite Vergleichsbeispiel erhaltene undotierte GaN-Schicht als ein Kristall mit niedriger Qualität mit einer Mosaikexpansion von Neigung und Verdrehung größer als jene der in dem zweiten Beispiel erhaltenen undotierten GaN-Schicht erhalten wird.
  • Darüber hinaus wird durch die CAICISS-Messung bestätigt, dass die erhaltene undotierte GaN-Schicht eine Schicht ist, in der eine +c-Polarität und -c-Polarität gemischt sind. Dies kann als das Ergebnis betrachtet werden, wie in dem ersten Vergleichsbeispiel erläutert ist, dass die aus AIN bestehende Pufferschicht eine Schicht ist, in der die +c-Polarität und die -c-Polarität gemischt sind, und daher übernimmt die auf der Pufferschicht gebildete undotierte GaN-Schicht die gemischte Polarität der Pufferschicht.
  • Wie vorstehend beschrieben, wenn die aus AIN bestehende Pufferschicht auf dem α-Al2O3 (0001)-Substrat durch Verwenden des Sputterverfahrens ohne Anlegen der hochfrequenten Vorspannungsenergie an die Vorspannungselektrode gebildet wird, die auf der Pufferschicht durch Verwenden des MOCVD-Verfahrens aufgewachsene undotierte GaN-Schicht als eine epitaktische Schicht mit niedriger Qualität erhalten wird. Obwohl die undotierte GaN-Schicht durch das MOCVD-Verfahren in dem zweiten Vergleichsbeispiel gebildet wird, kann gesehen werden, dass das gleiche Ergebnis auch dann erhalten wird, wenn das Sputterverfahren verwendet wird. Darüber hinaus gilt, dass auch wenn das Experiment gleich diesem Vergleichsbeispiel mehrere Male wiederholt wird, es schwierig ist, eine GaN-Schicht mit einer Spiegeloberfläche und bevorzugten Kristallinen zu erhalten.
  • (Drittes Vergleichsbeispiel)
  • Als ein drittes Vergleichsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Beispiel beschrieben, in dem eine aus AIN bestehende Pufferschicht auf dem α-Al2O3 (0001)-Substrat durch Verwenden des Sputterverfahrens ohne Anlegen der hochfrequenten Vorspannungsenergie an die Vorspannungselektrode gebildet wird, und auf der Pufferschicht sind, die aus undotierten GaN bestehende Gruppe-III-Nitridhalbleiterzwischenschicht, die aus Si dotierte GaN bestehende n-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht, die aktive Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht mit der NQW-Struktur von InGaN und GaN, sowie die aus Mg dotierte GaN bestehende p-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht epitaktisch sequentiell durch Verwenden des MOCVD-Verfahrens aufgewachsen; darüber hinaus, nach der n-Typ-Elektrodenschicht, werden die transluzente Elektrode, die p-Typ-Elektrodenschicht und die Schutzschicht gebildet, und anschließend wird der Wafer durch Anritzen separiert, um ein LED-Element herzustellen.
  • Das Schichtbildungsverfahren der aus AIN bestehenden Pufferschicht ist das gleiche wie jenes in dem ersten Vergleichsbeispiel, und die Materialien sowie das Schichtbildungsverfahren der aus undotiertem GaN bestehenden Gruppe-III-Nitridhalbleiterzwischenschicht, die aus Si dotierten GaN bestehende n-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht, die aktive Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht mit der NQW-Struktur von InGaN und GaN, sowie die aus Mg dotierte GaN p-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht, deren Schichten durch Verwenden des MOCVD-Verfahrens, sowie die n-Typ-Elektrodenschicht, die transluzente Elektrode, die p-Typ-Elektrodenschicht und die Schutzschicht, die danach ausgebildet werden, sowie der anschließende Schritt des Herstellens eines Elements, sind die gleichen wie jene in dem dritten Beispiel.
  • Wenn bewirkt wird, dass ein Vorwärtsstrom durch die p-Typ-Bondingflächenelektrode und die n-Typ-Elektrode des erhaltenen LED-Elements fließt, weist das LED-Element keine bevorzugten Diodeneigenschaften auf, und erreicht keine ausreichende Emissionsintensität in einem sichtbaren Lichtbereich, und dergleichen. Es ist schwierig, um bevorzugte Elementeigenschaften zu erhalten. Solche Eigenschaften werden ohne Variationen unter den LED-Elementen, die im Wesentlichen von der gesamten Oberfläche des bearbeiteten Wafers hergestellt werden, erhalten.
  • Wie vorstehend beschrieben ist es schwierig, ein LED-Element mit bevorzugten Emissionseigenschaften zu erhalten, wenn eine aus AIN bestehende Pufferschicht auf dem α-Al2O3 (0001)-Substrat durch Verwenden des Sputterverfahrens ohne Anlegen der hochfrequenten Vorspannungsenergie an die Vorspannungselektrode gebildet wird. In diesem Beispiel werden die aus undotierten GaN bestehende Gruppe-III-Nitridhalbleiterzwischenschicht, die aus Si dotierten GaN bestehende n-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht, die aktive Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht mit der NQW-Struktur von InGaN und GaN, sowie die aus Mg dotierten GaN bestehende p-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht durch Verwenden des MOCVD-Verfahrens gebildet. Auch durch Verwenden des Sputterverfahrens wird jedoch das gleiche Ergebnis erhalten. Darüber hinaus gilt, dass auch wenn das Experiment gleich diesem Vergleichsbeispiel mehrere Male wiederholt wird, es schwierig ist, ein LED-Element mit bevorzugten Emissionseigenschaften zu erhalten.
  • (Viertes Beispiel)
  • Als ein viertes Beispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Beispiel beschrieben, in dem eine AlN-Schicht auf dem α-Al2O3 (0001)-Substrat durch Verwenden des Schichtbildungsverfahrens der Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet wird, und durch Verwenden der gleichen Vorrichtung und Bedingungen wie jene in dem ersten Beispiel, ausgenommen dass die Hochfrequenzenergie, die an die Target-Elektrode 102 anzulegen ist, und die Hochfrequenzenergie, die an die Vorspannungselektrode 103 anzulegen ist, eingestellt sind, dass beide eine Frequenz von 13,56 MHz aufweisen, jedoch um 180° phasenverschoben sind.
  • Das Experiment des vierten Beispiels wird wiederholt durch geführt, und es wird bestätigt, dass eine AIN-Schicht mit +c-Polarität wie in dem ersten Beispiel mit guter Reproduzierbarkeit erhalten werden kann.
  • (Viertes Vergleichsbeispiel)
  • Als ein viertes Vergleichsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Beispiel beschrieben, in dem eine AlN-Schicht auf dem α-Al2O3 (0001)-Substrat durch Verwenden des Schichtbildungsverfahrens der Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet wird, sowie durch Verwenden der gleichen Vorrichtung und Bedingungen wie jene in dem ersten Beispiel, ausgenommen dass die Hochfrequenzenergie, die an die Targetelektrode 102 anzulegen ist, und die Hochfrequenzenergie, die an die Vorspannungselektrode 103 anzulegen ist, beide eingestellt sind, eine Frequenz von 13,56 MHz aufzuweisen. In dem vierten Vergleichsbeispiel werden die Phasen der an die Targetelektrode 102 anzulegenden Hochfrequenzenergie und an die Vorspannungselektrode 103 anzulegenden Hochfrequenzenergie nicht gesteuert.
  • Das Experiment des vierten Vergleichsbeispiels wird wiederholt durchgeführt. Wenn keine Frequenzinterferenz auftritt, wird eine AIN-Schicht mit +c-Polarität erhalten. Wenn jedoch die Frequenzinterferenz auftritt, ist es schwierig, die AIN-Schicht mit +c-Polarität zu erhalten.
  • Wie vorstehend bezüglich der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, ist es ein Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung, auf eine Idee des Anlegens der hochfrequenten Vorspannungsenergie eine Vorspannungselektrode bei der Ausbildung einer epitaktischen Schicht eines Gruppe-III-Nitridhalbleiters durch das Sputterverfahren zu fokussieren. Es ist eine beispiellose technische Idee, das elektrische Feld des Mantelbereichs S auf der Schichtbildungsoberflächenseite des Substrats mithilfe des Anlegens einer hochfrequenten Vorspannungsenergie an die Vorspannungselektrode zu erzeugen, um zu bewirken, dass das erzeugte elektrische Feld auf die Polarisierung der von dem Target ausgestoßenen Nitridmoleküle wirkt, um deren Orientierung zu steuern, und die Orientierung zu verwenden, um eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht mit +c-Polarität und einer Wurtzit-Kristallstruktur zu erhalten.
  • Darüber hinaus ist es ebenso eine beispiellose technische Idee, eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht mit +c-Polarität mit guter Reproduzierbarkeit durch Verhindern oder Reduzieren von niederfrequenten Schlägen, dass durch eine Interferenz zwischen der an die Targetelektrode angelegten Hochfrequenzenergie und der an die Vorspannungselektrode angelegten Hochfrequenzenergie verursacht hat wird, das heißt, eine Frequenzinterferenz, zu erhalten.
  • In der vorliegenden Erfindung, in Anbetracht der für die vorliegende Erfindung spezifischen technischen Ideen, sind die Heizelektrode und die Vorspannungselektrode auf der Substrathalterung bereitgestellt. Durch vorstehendes Konfigurieren der Substrathalterung, wie in den vorstehend beschriebenen ersten bis vierten Beispielen und den ersten bis vierten Vergleichsbeispielen veranschaulicht ist, kann eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht mit reduzierter Mosaikexpansion einer Neigung und einer Verdrehung mit +c-Polarität durch das Sputterverfahren gebildet werden.
  • Zusätzlich haben die Erfinder herausgefunden, dass die Anwendung der vorstehenden technischen Ideen bei dem Fall des Verwendens eines Substratsmaterials, wie etwa ein Si (111)-Substrat oder im Fall des Bildens eines Dünnschichtmaterials, wie etwa Zinkoxid (ZnO)-basierten Halbleiterschicht, ist ebenso wirksam, um eine hochqualitative epitaktische Schicht zu erhalten. Nachstehend werden Beispiele beschrieben, in denen: Eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht auf einem Si (111)-Substrat durch Verwenden des Schichtbildungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet wird (fünftes Vergleichsbeispiel); eine ZnO-basierte Halbleiterdünnschicht auf einem α-Al2O3 (0001)-Substrat durch Verwenden des Schichtbildungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet wird (sechstes Beispiel); und eine ZnO-basierte Halbleiterdünnschicht auf einem α-Al2O3 (0001)-Substrat ohne Verwenden des Schichtbildungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet wird (sechstes Vergleichsbeispiel).
  • (Fünftes Beispiel)
  • In einem fünften Beispiel wird eine AIN-Schicht durch Verwenden des gleichen Verfahrens und Bedingungen wie jene in dem ersten Beispiel gebildet, ausgenommen der Verwendung eines Si (111)-Substrats, in dem eine natürliche Oxidschicht von dessen Oberfläche durch Behandlung mit Flusssäure entfernt wird. In dem fünften Beispiel ist eine Schichtbildungstemperatur (550 °C) basierend auf einem Ergebnis einer Substrattemperaturmessung eingestellt, die zuvor durch Verwenden eines Si (111)-Substrats durchgeführt wird, in dem ein Thermoelement eingebettet ist.
  • Aus einer CAICISS-Messung und einer XRD-Messung kann bestätigt werden, dass eine AlN-Schicht, die auf dem Si (111)-Substrat in dem fünften Beispiel gebildet ist, als eine epitaktische Schicht mit +c-Polarität ausgebildet ist. Zusätzlich wird eine undotierte GaN-Schicht mit einer Schichtdicke von 2 µm auf der erhaltenen AlN-Schicht durch Verwenden des MOCVD-Verfahrens gebildet. Die erhaltene undotierte GaN-Schicht weist eine Spiegeloberfläche auf, und wird als eine Einzelkristallschicht mit c-Achsenorientierung erhalten.
  • Darüber hinaus werden ein LED-Element sowie ein HEMT-Element durch Verwenden der erhaltenen undotierten GaN-Schicht hergestellt. Dabei gilt, dass die erhaltenen Elementeigenschaften wie jene für das LED-Element und das HEMT-Element, die auf dem Si (111)-Substrat ausgebildet sind, vorteilhaft sind.
  • (Fünftes Vergleichsbeispiel)
  • In einem fünften Vergleichsbeispiel wird eine AIN-Schicht auf einen Si (111)-Substrat durch Verwenden des gleichen Verfahrens und Bedingungen wie jene in dem fünften Beispiel gebildet, ausgenommen dass die hochfrequente Vorspannungsenergie nicht an die Vorspannungselektrode angelegt wird, obwohl das Anlegen das Unterscheidungsmerkmal der vorliegenden Erfindung ist. Die folglich erhaltene AIN-Schicht ist eine epitaktische Schicht, in der die +c-Polarität und - c-Polarität gemischt sind. Darüber hinaus wird eine undotierte GaN-Schicht mit einer Schichtdicke von 2 µm auf der erhaltenen AlN-Schicht durch das MOCVD-Verfahren ausgebildet. Dabei gilt, dass die Oberfläche der erhaltenen undotierten GaN-Schicht trüb ist.
  • Weiterhin werden ein LED-Element und ein HEMT-Element durch Verwenden der erhaltenen undotierten GaN-Schicht hergestellt. In diesem Fall ist es schwierig, bevorzugte Elementeigenschaften beider Elemente zu erhalten.
  • Wie vorstehend beschrieben ist das Schichtbildungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ebenso ein extrem effektives Mittel zum Bilden einer Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht mit bevorzugter Kristallisierung mit +c-Polarität auf einem Si (111)-Substrat.
  • (Sechstes Beispiel)
  • In einem sechsten Beispiel wird eine ZnO-Schicht auf einem α-Al2O3 (0001)-Substrat mit den gleichen Verfahren und Bedingungen wie jene in dem ersten Beispiel gebildet, ausgenommen ein Targetmaterial, ein Prozessgas, eine Schichtbildungstemperatur und eine Schichtdicke. Das Targetmaterial ist ein Zn-Metall, das Prozessgas ist ein gemischtes Gas von O2 und Ar (O2/(O2+Ar): 25 % die Schichtbildungstemperatur beträgt 800 °C, und die Schichtdicke beträgt 100 nm.
  • Die ZnO-Schicht in dem sechsten Beispiel ist als eine epitaktische Schicht mit dem gleichen Kristallaufbau (Wurtzitstruktur) wie der Gruppe-III-Nitridhalbleiter gebildet, und mit der gleichen c-Achsen-Orientierung wie der Gruppe-III-Nitridhalbleiter, und die Polarität davon ist die +c- Polarität (Zn-Polarität). Darüber hinaus wird ein epitaktischer Wafer (LED-Struktur) mit einer Laminierschicht einer n-Typ-ZnO-Schicht und einer p-Typ-ZnO-Schicht auf der erhaltenen ZnO-Schicht durch Verwenden des MBE-Verfahrens ausgebildet, und anschließend wird ein LED-Element durch Verwenden der Lithographietechnologie, der RIE-Technologie, und dergleichen, hergestellt. Die erhaltenen Elementeigenschaften sind wie jene für das LED-Element unter Verwendung der ZnO-Schicht vorteilhaft.
  • Darüber hinaus wird in den sechsten Ausführungsbeispiel durch Verwenden des MOCVD-Verfahrens eine undotierte GaN-Schicht mit einer Schichtdicke von 2µm auf der ZnO-Schicht gebildet. Die erhaltene undotierte GaN-Schicht weist eine Spiegeloberfläche auf, und wird daher als eine einzelne Kristallschicht mit c-Achsenorientierung erhalten. Daher ist die ZnO-Schciht in dem sechsten Beispiel ebenso als eine Pufferschicht oder dergleichen bei der Herstellung von LED-Elementen unter Verwendung einer Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht verwendbar.
  • Wenn zusätzlich eine Mg-hinzugefügte-ZnO-Schicht (nachstehend als eine MgZnO-Schicht bezeichnet) durch das Schichtbildungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines aus einer Mg-Zn-Legierung bestehenden Target anstatt des Targets des Zn-Metalls, gebildet wird, kann die MgZnO-Schicht mit exzellenter Kristallisierung mit +c- Polarität wie in dem Fall der ZnO-Schicht erhalten werden. Was die MgZnO-Schicht betrifft, kann eine Bandspaltenergie in Abhängigkeit auf einer hinzugefügten Menge von Mg gesteuert werden. Wenn daher die MgZnO-Schicht als eine Lichtemissionsschicht verwendet wird, ist es möglich, ein LED-Element mit einer Emissionswellenlänge zu produzieren, die sich von jener des Elements unterscheidet, das nur unter Verwendung der ZnO-Schicht gebildet wurde.
  • (Sechstes Vergleichsbeispiel)
  • In einem sechsten Vergleichsbeispiel wird eine ZnO-Schicht auf einem α-Al2O3 (0001)-Substrats mit dem gleichen Verfahren und den Bedingungen wie jene in dem sechsten Ausführungsbeispiel gebildet, ausgenommen dass die hochfrequente Vorspannungsenergie nicht an die Vorspannungselektrode angelegt wird, obwohl das Anlegen das Unterscheidungsmerkmal der vorliegenden Erfindung ist. Die ZnO-Schicht in dem sechsten Vergleichsbeispiel wird als eine epitaktische Schicht mit c-Achsen-Orientierung wie in dem sechsten Beispiel erhalten, jedoch ist die Polarität davon eine Mischung der +c- Polarität (Zn-Polarität) und der -c-Polarität (O-Polarität). Darüber hinaus gilt, dass auch wenn ein LED-Element durch Verwenden der erhaltenen ZnO-Schicht wie in dem sechsten Beispiel hergestellt wird, es schwierig ist, bevorzugte Elementeigenschaften zu erhalten.
  • Wenn darüber hinaus eine undotierte GaN-Schicht mit einer Schichtdicke von 2 µm auf der ZnO-Schicht in dem sechsten Vergleichsbeispiel durch Verwenden des MOCVD-Verfahrens gebildet wird, ist die Oberfläche der erhaltenen undotierten GaN-Schicht trüb, und es ist schwierig die GaN-Schicht mit exzellenter Kristallisierung zu erhalten. Wenn dann eine MgZnO-Schicht durch Verwenden eines aus einer MgZn-Legierung bestehenden Target anstatt des Targets des Zn-Metalls gebildet wird, weißt die erhaltene MgZnO-Schicht einen Mischung der +c-Polarität und der -c-Polarität auf, und daher ist es schwierig, die MgZnO-Schicht mit exzellenter Kristallisierung zu erhalten.
  • Wie vorstehend beschrieben erzielt das Schichtbildungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhafte Effekte, auch wen ein zu bildendes Dünnschichtmaterial eine ZnO-basierte Halbleiterdünnschicht, wie etwa eine ZnO-Schicht oder eine MgZnO-Schicht ist, und ist ein extrem effektives Mittel zum Erhalten einer ZnO-basierten Halbleiterdünnschicht mit exzellenter Kristallisierung mit +c-Polarität.
  • Wenn hier das Experiment gleich dem sechsten Beispiel durch Verwenden eines Si (111)-Substrats durchgeführt wird, kann eine ZnO-basierte Halbleiterdünnschicht mit +c-Polarität ebenso auf dem Si (111)-Substrat erhalten werden. Wenn im Gegensatz dazu das Experiment gleich dem sechsten Vergleichsbeispiel durch Verwenden eines Si (111)-Substrats durchgeführt wird, ist die Polarität der erhaltenen ZnO-basierten Halbleiterdünnschicht eine Mischung der +c-Polarität und der -c-Polarität.
  • Es sei angemerkt, dass die bei dem Schichtbildungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendbaren Substrate nicht auf das α-Al2O3 (0001)-Substrat und das Si (111)-Substrat beschränkt sind.
  • Beispielsweise weisen das α-Al2O3 (0001)-Substrat und das Si (111)-Substrat eine epitaktische Beziehung mit einer Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht oder einer ZnO-basierten Halbleiterdünnschicht auf, jedoch weisen auf deren Substratoberflächen keine Kristallinformationen auf, die dazu fähig sind, die Polarität der Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht, die ZnO-basierte Halbleiterdünnschicht, oder dergleichen, zu steuern. In dieser Spezifikation bezieht sich ein Substrat auf ein Substart mit einer unpolaren Oberfläche.
  • Aufgrund dessen ist es ohne Verwenden eines Schichtbildungsverfahrens, das dazu fähig ist, die Polarität einer Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht oder einer ZnO-basierten Halbleiterdünnschicht, zu steuern, wie das Schichtbildungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, schwierig, eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht oder eine ZnO-basierte Halbleiterdünnschicht mit +c-Polarität auf einem Substrat mit einer unpolaren Oberfläche zu bilden. Jedoch ermöglicht die Verwendung des Schichtbildungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung, das eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht oder einer ZnO-basierten Halbleiterdünnschicht mit +c-Polarität selbst auf einen Substrat mit einer unpolaren Oberfläche gebildet werden kann. Als ein solches Substrat mit einer unpolaren Oberfläche gibt es ein Germanium-(Ge)-(111)-Substart, ein Si (111)-Substrat mit einer Oberfläche, auf der eine (111)-orientierte SiGe epitaktische Schicht gebildet ist, ein Si (111)-Substrat, in dem eine (111)-orientierte Kohlenstoff(C)-dotierte Si (111) epitaktische Schicht gebildet ist, und der Gleichen.
  • Um eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht oder ZnO-basierte Halbleiterdünnschicht mit +c-Polarität zu erhalten, werden im Wesentlichen und oftmals ein 4H-SiC (0001)-Substrat oder ein 6H-SiC (0001)-Substrat mit einer Substartoberfläche, die als eine Si-Oberfläche bezeichnet wird, ein GaN (0001)-Substrat mit einer als Ga-Oberfläche bezeichneten Substratoberfläche, und dergleichen. Die vorstehend genannten Substrate mit der Si-Oberfläche und der Ga-Oberfläche weisen jeweils eine epitaktische Beziehung einer Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht und einer ZnO-basierten Halbleiterdünnschicht auf, und weisen ebenso einen Substratoberfläche mit Kristallisierungsinformationen auf, die dazu fähig sind, die Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht und ZnO-basierte Halbleiterdünnschicht auf eine +c-Polarität zu steuern. Aufgrund dessen sind diese Substrate dadurch gekennzeichnet, dass eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht und eine ZnO-basierte Halbleiterdünnschicht mit +c-Polarität leicht ohne Verwenden einer speziellen Schichtbildungstechnologie, die zum Steuern der Polarität der Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht und der ZnO-basierten Halbleiterdünnschicht fähig ist, erhalten werden kann. In dieser Spezifikation wird ein solches Substrat mit einer epitaktischen Beziehung mit einer Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht und einer ZnO-basierten Halbleiterdünnschicht, die ebenso Kristallisierungsinformationen aufweist, die zum Steuern der Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht und der ZnO-basierten Halbleiterdünnschicht basierten Halbleiterdünnschicht auf die +c-Polarität fähig ist, als ein Substrat mit einer polaren Oberfläche bezeichnet.
  • Auf einem solchen Substart mit einer polaren Oberfläche kann eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht oder eine ZnO-basierte Halbleiterdünnschicht mit relativ hoher Qualität, bei der die +c-Polarität hochproportional vorhanden ist, auch ohne Verwenden des Schichtbildungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten werden. Jedoch ermöglich auch in dem Fall des Verwendens eines solchen Substrats, das Verwenden des Schichtbildungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht oder eine ZnO-basierte Halbleiterdünnschicht mit hoher Qualität zu erhalten, bei der die Vereinheitlichung der +c-Polarität weiterhin verbessert ist.
  • Durch Verwenden des vorstehenden Substrats mit der polaren Oberfläche besteht die Tendenz, dass eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht, eine ZnO-basierte Halbleiterdünnschicht, oder dergleichen, als eine epitaktische Schicht erhalten wird, die nahezu vollständig +c-polar ist. In einigen Fällen werden jedoch einige Regionen mit -c-Polarität (nachstehend als invertierter Domänenbereich bezeichnet) teilweise insbesondere bei der Initialstufe des Wachstums erzeugt, oder anderen Stufen. Die invertierte Domäne kann einen Defekt bilden, wie etwa eine Polaritätsinversionsgrenze, die an die Oberfläche der sich darüber befindliche Dünnschicht propagiert werden kann. Mit anderen Worten reduziert die Verwendung des Schichtbildungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung weiterhin die Wahrscheinlichkeit des Bildens einer solchen invertierten Domäne, und unterbindet weiterhin die Bildung eines Defekts, wie etwa eine Polaritätsinversionsgrenze. Daher kann gefolgert werden, dass der Effekt der vorliegenden Erfindung auch in dem Fall, des Verwendens eines Substrats mit einer polaren Oberfläche erhalten werden kann.
  • Solche Substrate mit einer epitaktischen Beziehung mit einer Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht und einer ZnO-basierten Halbleiterdünnschicht, und die eine unpolare Oberfläche oder eine polare Oberfläche aufweisen, werden kollektiv unter Verwendung des Begriffs eines Substrats zum epitaktischen Wachstum bezeichnet.
  • Das Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung ist die Fokussierung auf eine Idee des Anlegens einer hochfrequenten Vorspannungsenergie an eine Vorspannungselektrode bei der Bildung einer Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht oder einer ZnO-basierten Halbleiterdünnschicht mit einer Wurtzit-Kristallstruktur auf einen Substrat für epitaktisches Wachstum durch ein Sputterverfahren unter Verwendung eines Targets mit einer Wurtzitstruktur oder eines Targets zum Bilden einer Schicht mit einer Wurtzitstruktur durch Abscheidung. Es ist eine beispiellose technische Idee, das elektrische Feld des Mantelbereichs S auf der Schichtbildungsoberflächenseite des Substarts mit Hilfe des Anlegens der hochfrequenten Vorspannungsenergie an die Vorspannungselektrode zu erzeugen, um zu bewirken, dass das erzeugte elektrische Feld auf eine Polarisierung der von dem Target abgestoßenen Nitridmolekühle wirkt, um so deren Orientierung zu steuern, und um die Orientierung zu verwenden, eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht oder einer ZnO-basierten Halbleiterdünnschicht mit +c-Polarität und einer Wurtzit-Kristallstruktur zu erhalten. Es sei angemerkt, dass das Target mit der Wurtzitstruktur ein Target mit einer Wurtzitstruktur ist, wie etwa AIN, GaN oder ZnO, wohingegen das Target zum Bilden einer Schicht mit einer Wurtzitstruktur durch Ablagerung ein Metalltarget ist, wie etwa Al, Ga oder Zn, das eine Schicht mit einer Wurtzitstruktur auf einem Substrat bildet, das bei Vorhandenseins eines Reaktionsgas eines O2-Gases, eines N2-Gases, und degleichen, gesputtert wird.
  • Darüber hinaus ist ebenso eine beispiellose technische Idee, eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht oder eine ZnO-basierte Halbleiterdünnschicht mit +c-Polarität und einer Wurtzit-Kristallstruktur mit guter Reproduzierbarkeit durch Verhindern oder Reduzieren eines niederfrequenten Schlages, das durch eine Interferenz zwischen an der Targetelektrode angelegten Hochfrequenzenergie und der an die Vorspannungselektrode angelegten Hochfrequenzenergie, das heißt, einer Frequenzinterferenz, verursacht wird, zu erhalten .
  • Zusätzlich haben die vorliegenden Erfinder heraus gefunden, dass ein Anwenden der vorstehenden technischen Ideen in dem Fall, des Verwendens einer in 8 veranschaulichten Substratraumplatzierungshalterung 111d ebenso wirksam ist, eine hochqualitative epitaktische Schicht mit +c-Polarität zu erhalten. 8 veranschaulicht eine schematische Ansicht eines teilweisen Querschnitts der Substratraumplatzierungshalterung 111d. Die Substratraumplatzierungshalterung 111d ist dazu fähig, ein Substrat 804 weg von einer Substratplatzierungsoberfläche M einer Substrathalterung (beispielsweise 111c) um eine vorbestimmte Distanz zu platzieren. In 8 bezeichnet Bezugszeichen 802 einen aus einen Isolator bestehenden Substrathalteabschnitt, Bezugszeichen 803 bezeichnet einen Platzierungsabschnitt, der einstückig mit dem Substrathalteabschnitt 802 ausgebildet ist, Bezugszeichen P bezeichnet eine gegenüberstehende Substanzoberfläche der Substrathalterung 111c, Bezugszeichen d1 bezeichnet eine Aussparung zwischen dem Substrathalteabschnitt 802 und der gegenüber liegenden Substratoberfläche P, und Bezugszeichen d2 bezeichnet eine Aussparung zwischen dem Substart 804 und der gegenüber stehenden Substratoberfläche P. Im Übrigen ist die gegenüberstehende Substratoberfläche P in der Substratraumplatzierungshalterung 111d die gleiche Oberfläche wie die Substartplatzierungsoberfläche M in der in 4 gezeigten Substrathalterung 111c, jedoch wir diese Oberfläche als die gegenüberstehende Substratoberfläche P bezeichnet, weil das in der Substratraumplatzierungshalterung 111d platzierte Substrat 804 nicht in direktem Kontakt mit der Substrathalterung 111c steht.
  • Wie in 8 veranschaulicht ist, wird das Substrat 804 an dessen äußeren Umfangsteil durch den Substrathalteabschnitt 802 gehalten, und wird mit einem zwischen dem Substrat 804 und der gegenüberstehenden Substratoberfläche P frei gehaltenen Raum und einem zwischen dem Substrathalteabschnitt 802 und der gegenüberstehenden Substratoberfläche P frei gelassenen Raum gehalten. Die Distanz der Lücke d1 beträgt vorzugsweise 0,8 mm oder mehr, und die Lücke d2 beträgt vorzugsweise 0,5 mm oder mehr. Zusätzlich betragen die Lücke d1 und die Lücke d2 vorzugsweise 5 mm oder weniger, und weiterhin vorzugsweise 2 mm oder weniger. Dies liegt daran, dass wenn insbesondere die Lücke d2 zu breit eingestellt ist, Plasma im Raum zwischen dem Substrat 8804 und der gegenüber stehenden Substratoberfläche P erzeugt wird. Eine hochqualitative epitaktische Schicht mit +c-Polarität kann durch Bereitstellen der Lücke d1 und der Lücke d2 mit angemessenen Distanzen wie vorstehend beschrieben, sowie durch Verwenden des Schichtbildungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der eine Hochfrequenzinterferenz unterbunden wird, erhalten werden.
  • (Beispiel 7)
  • Als ein siebtes Beispiel wird nachstehend ein Beispiel beschrieben, in dem AIN-Schicht auf einem α-Al2O3 (0001)-Substrat durch Verwenden der in 8 veranschaulichten Substratraumplatzierungshalterung 111d gebildet wird, und anschließend wird eine undotierte GaN-Schicht durch das MOCVD-Verfahren gebildet. Insbesondere wird ein Beispiel beschrieben, in dem die AIN-Schicht auf den α-Al2O3 (0001)-Substrat durch ein Sputterverfahren, bei dem eine hochfrequente Vorspannungsenergie an eine nicht gezeigte gemeinsame Elektrode an der Substratraumplatzierungshalterung 111 d angelegt wird, gebildet wird, und anschließend wird das Substrat in die MOCVD-Vorrichtung eingebracht, um die undotierte Gan-Schicht mit einer Schichtdicke von 5 µm zu bilden. Es sei angemerkt, dass in dem siebten Beispiel die AIN-Schicht durch Verwenden der gleichen Vorrichtung Bedingungen wie jene dem ersten Beispiel gebildet wird, ausgenommen des Verwendens der in 8 veranschaulichten Substratraumplatzierungshalterung 111d, und die undotierte GaN-Schicht wird durch Verwenden des gleichen Schichtbildungsverfahrens und Schichtbildungsbedingungen wie jene in dem zweiten Ausführungsbeispiel gewachsen.
  • Es kann durch die CAICISS-Messung bestätigt werden, dass die in dem siebten Beispiel erhaltene AIN-Schicht als eine Schicht mit +C-Polarität gebildet ist, und es kann ebenso durch die XRC-Messungen der symmetrischen Ebene und auf gleicher Ebene bestätigt werden, dass diese als eine epitaktische Schicht mit c-Achsen-Orientierung mit einer kleinen Mosaikexpansion der Neigung und des Verdrehens gebildet ist. Wenn zusätzlich die undotierte GaN-Schicht auf der vorstehenden Aln-Schicht aufgewachsen wird, wird die epitaktische Schicht mit extrem exzellenter Kristallisierung erhalten. Die in dem siebten Beispiel erhaltene undotierte GaN-Schicht weist eine bessere Kristallqualität als eine undotierte GaN-Schicht auf, die durch das MOCVD-Verfahren aufgewachsen ist, nachdem eine AIN-Schicht auf einem α-Al2O3 (0001)-Substrat durch Verwenden des Sputterverfahrens ohne Anlegen der hochfrequenten Anspannungsenergie an die nicht gezeigte gemeinsamen Elektrode gebildet wird.
  • Hier gilt, in dem Fall, in dem der Außenumfangsteil eines Substrats wie in 8 veranschaulicht gehalten wird, es bevorzugt ist, einen Isolator für ein Material für den Substrathalteabschnitt und den Platzierungsabschnitt zu verwenden. Wenn ein leitfähiges Material verwendet wird, tendiert eine Polaritätsverteilung dazu, zwischen dem Außenumfangsteil des Substrats und einem Mittelabschnitt des Substrats zu variieren. Beispielsweise kann ein Problem entstehen, sodass die +c-Polarität an dem Mittelabschnitt des Substrats erhalten wird, während der äußere Umfangsabschnitt des Substrats eine gemischte Polarität aufwacht. Darüber hinaus gilt in dem Fall, in dem das Target an einer unteren Seite der Vorrichtung angeordnet ist, während die Substrathalterung an einer oberen Seite der Vorrichtung angeordnet ist, wird häufig beispielsweise ein Verfahren angewendet, bei dem der Außenumfangsabschnitt des Substrats direkt durch den Substrathalteabschnitt gehalten wird, oder in dem Substrat auf einem Einsatz mit einem Öffnungsabschnitt platziert wird und durch den Außenumfangsabschnitt des Öffnungsabschnitts gehalten wird, und eine Schicht wird auf der Oberfläche des Substrats von dem Öffnungsabschnitt des Einsatzes gebildet. In diesem Fall gilt ebenso vorzugsweise, dass der Substrathalteabschnitt zum Halten des Substrats aus einem Isolator besteht.
  • Weiterhin gilt, dass um eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht oder eine ZnO-basierte Halbleiterdünnschicht mit +c-Polarität auf einem Substrat mit einer unpolaren Oberfläche durch das Sputterverfahren zu bilden, dass das Schichtbildungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer Schichtbildung von zumindest einer auf dem Substrat gebildeten ersten Schicht angewendet werden muss. Dies liegt daran, dass wenn das Schichtbildungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung nicht bei der Schichtbildung der ersten Schicht angewendet wird, es sein kann, dass die erste Schicht eine gemischt Polarität oder -c-Polarität aufweist. Wenn die -c-Polarität in der ersten Schicht gemischt ist, ist es schwierig, eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterdünnschicht oder eine ZnO-basierte Halbleiterdünnschicht mit +c-Polarität bei der nachfolgenden Schichtbildung zu erhalten. Es sei angemerkt, dass die erste Schicht eine Filmschicht ist, die direkt auf dem Substrat ausgebildet ist, und der Pufferschicht 602 in 6 entspricht.

Claims (16)

  1. Sputterverfahren zum Bilden einer epitaktischen Schicht auf einem Substrat (107), mit: Platzieren des Substrats (107) in einen Vakuumbehälter (101), in dem sich ein Target (108) mit einer Wurtzitstruktur und/oder ein Target (108) zum Bilden einer Schicht mit einer Wurtzitstruktur durch Abscheidung befindet; Anlegen einer Hochfrequenzenergie (106) an eine Targetelektrode (102), an der das Target (108) angebracht ist, und Anlegen einer hochfrequenten Vorspannungsenergie (130) an eine Substrathalterung (111), die das Substrat (107) hält, auf eine solche Weise, um eine Frequenzinterferenz zwischen der angelegten Hochfrequenzenergie (106) und der angelegten hochfrequenten Vorspannungsenergie (130) zu unterdrücken; und Bilden der epitaktischen Schicht auf dem Substrat (107) durch Sputtern des Targets (108) mit durch die Hochfrequenzenergie (106) erzeugtem Plasma, dadurch gekennzeichnet, dass das Bilden der epitaktischen Schicht ein Bewirken des Targets (108), durch Anlegen der Hochfrequenzenergie (106) an die Targetelektrode (102), ein Molekül (503) des Targets (108) abzugeben, während ein elektrisches Feld (E) durch Anlegen der hochfrequenten Vorspannungsenergie (130) an die Substrathalterung (111) erzeugt wird, das eine Polarisierung (P) von einer negativen Ladung zu einer positiven Ladung des Moleküls in Richtung des durch die Substrathalterung (111) gehaltenen Substrats (107) orientiert, umfasst.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei während der Schichtbildung das Substrat (107) durch die Substrathalterung (111) auf eine bestimmte Temperatur aufgeheizt wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei bei Anlegen der Hochfrequenzenergie (106) und der hochfrequenten Vorspannungsenergie (130) die Frequenzinterferenz durch Einstellen der Hochfrequenzenergie (106) und der hochfrequenten Vorspannungsenergie (130) auf unterschiedliche Frequenzen unterdrückt wird.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei bei Anlegen der Hochfrequenzenergie (106) und der hochfrequenten Vorspannungsenergie (130) die Frequenzinterferenz durch Einstellen der Hochfrequenzenergie (106) und der hochfrequenten Vorspannungsenergie (130) auf eine gleiche Frequenz, sowie durch Einstellen einer Phasendifferenz zwischen der Hochfrequenzenergie (106) und der hochfrequenten Vorspannungsenergie (130) auf ungefähr 180°, unterdrückt wird.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Substrathalterung (111) eine Vorspannungselektrode (103) mit einer ersten Elektrode, an die eine DC-Spannung mit einer ersten Polarität anzulegen ist, und einer zweiten Elektrode, an die eine DC-Spannung mit einer sich von der ersten Polarität unterscheidenden zweiten Polarität anzulegen ist, umfasst, und die epitaktische Schicht auf dem Substrat (107) in einem Zustand gebildet wird, in dem die Substrathalterung (111) elektrostatisch das Substrat (107) durch Anlegen der DC-Spannungen an die erste Elektrode und die zweite Elektrode adsorbiert, und in dem die hochfrequente Vorspannungsenergie (130) an die erste Elektrode und die zweite Elektrode angelegt wird.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die hochfrequente Vorspannungsenergie (130) angelegt wird, nachdem die Hochfrequenzenergie (106) angelegt wird und bevor eine Schichtbildungsoberfläche des Substrats (107) mit einer aus einem Halbleiter mit einer Wurtzitstruktur bestehenden Kristallschicht bedeckt ist.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei eine Schicht mit der Wurtzitstruktur auf dem Substrat (107) in einem Zustand gebildet wird, in dem das Substrat (107) von einer dem Substrat (107) gegenüberstehenden Oberfläche der Substrathalterung (111) um eine vorbestimmte Distanz entfernt gehalten wird.
  8. Herstellungsverfahren eines lichtemittierenden Halbleiterelements, mit den Schritten: Bilden einer Pufferschicht (602) auf dem lichtemittierenden Halbleiterelement durch das Verfahren gemäß Anspruch 1.
  9. Lichtemittierendes Halbleiterelement, in dem zumindest eine Pufferschicht (602) eine Gruppe-III-Nitridhalbleiterzwischenschicht (603), eine n-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht (604), eine aktive Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht (605), eine p-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht (606) und eine tranzluzente Elektrode (607) in dieser Reihenfolge auf einem Substrat (107) laminiert sind, wobei mindestens eine Schicht der Pufferschicht (602) der Gruppe-IIINitridhalbleiterzwischenschicht (603) der n-Typ-Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht (604), der aktiven Gruppe-III-Nitridhalbleiterschicht (605), und der p-Typ-Gruppe-IIINitridhalbleiterschicht (606), durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 hergestellt ist.
  10. Beleuchtungsvorrichtung mit dem lichtemittierenden Halbleiterelement gemäß Anspruch 9.
  11. Sputtervorrichtung zum Ausführen des Verfahrens gemäß Anspruch 1, mit: einer Energieversorgung; einer Targetelektrode (102), auf der ein Target (108) platzierbar ist; einer Substrathalterung (111), auf der ein Substrat platzierbar ist, um der Targetelektrode (102) gegenüberzustehen, und die eine Heizelektrode sowie eine Vorspannungselektrode (103) umfasst; und einer Einrichtung zum Unterdrücken einer Frequenzinterferenz zwischen der an die Targetelektrode (102) angelegten Hochfrequenzenergie (106) und der an die Vorspannungselektrode (103) angelegten hochfrequenten Vorspannungsenergie (130) wenn die Schicht mit der Wurtzitstruktur durch das Schichtbildungsverfahren eines epitaktischen Filmes gemäß Anspruch 1 gebildet wird.
  12. Sputtervorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei die Frequenzinterferenzunterdrückungseinrichtung konfiguriert ist, die Hochfrequenzenergie (106) und die hochfrequente Vorspannungsenergie (130) auf unterschiedliche Frequenzen einzustellen.
  13. Sputtervorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei die Frequenzinterferenzunterdrückungseinrichtung konfiguriert ist, die Hochfrequenzenergie (106) und die hochfrequente Vorspannungsenergie (130) auf eine gleiche Frequenz einzustellen, und eine Phasendifferenz zwischen der Hochfrequenzenergie (106) und der hochfrequenten Vorspannungsenergie (130) auf ungefähr 180° einzustellen.
  14. Sputtervorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei, die Vorspannungselektrode (103) eine erste Elektrode, an die eine DC-Spannung mit einer ersten Polarität anzulegen ist, und eine zweite Elektrode, an die eine DC-Spannung mit einer sich von der ersten Polarität unterscheidenden zweiten Polarität anzulegen ist, aufweist, und die Energieversorgung konfiguriert ist, bei der Bildung der Schicht mit der Wurtzitstruktur durch das Bildungsverfahren eine epitaktischen Schicht gemäß Anspruch 1 die DC-Spannungen an die erste Elektrode und die zweite Elektrode anzulegen, um die Substrathalterung (111) zu bewirken, das Substrat (107) elektrostatisch zu adsorbieren, und die hochfrequente Vorspannungsenergie (130) an die erste Elektrode und die zweite Elektrode anzulegen.
  15. Sputtervorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei die Energievesorgung konfiguriert ist, bei der Bildung der Schicht mit der Wurtzitstruktur durch das Bildungsverfahren einer epitaktischen Schicht gemäß Anspruch 1 die hochfrequente Vorspannungsenergie (130) an die Vorspannungselektrode (103) anzulegen, nachdem die Hochfrequenzenergie (106) anlegt wird und bevor eine Schichtbildungsoberfläche des Substrats (107) mit einer aus einem Halbleiter mit einer Wurtzitstruktur bestehenden Kristallschicht bedeckt ist.
  16. Sputtervorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei die Substrathalterung (111) an einer unteren Seite der Targetelektrode (102) bezüglich der Schwerkraft in einem Vakuumbehälter angeordnet ist, und das Substrats (107) von einer dem Substrats (107) gegenüberstehenden Oberfläche der Substrathalterung (111) um eine vorbestimmte Distanz entfernt gehalten wird, während eine Schicht mit Wurtzitstruktur auf dem durch die Heizelektrode auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizten Substrats (107) aufgewachsen wird.
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