TWI352378B - - Google Patents
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1352378 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於氮化鎵基板、製造氮化鎵基板之製造方 法、氮化物半導體元件及製造氮化物半導體元件之方法。 【先前技術】 氮化鎵(GaN)係發光裝置用基板之有效材料。於文獻1(特 開2001-102307號公報)中揭示有氮化鎵製基板之製作。該製 作方法如在砷化鎵(GaAs)基板等之半導體單晶基板上生長 氮化鎵之單晶層後,除去砷化鎵基板而形成氮化鎵製之基 板。在其上製作半導體裝置之前,係在該基板上生長氮化 録蟲晶層’而形成氣化錄蠢晶基板。 如文獻2(特開2000- 340509號公報)所揭示,係生長包含 與氮化鎵基板相同組成之氮化鎵之氮化鎵之同質磊晶層作 為此種蟲晶層。此因’研究人貝考慮生長此種同質蟲晶層 可減少貫穿錯位等之缺陷。特別是因包含氮化鎵系之半導 體之雷射二極體,其貫穿錯位會影響元件壽命,因此需要 同質蟲晶層。 但是,在如此製作之氮化鎵基板上存在如下之問題。亦 即,氮化鎵基板表面被污染時,氮化鎵同質磊晶層無法正 常地生長於氮化鎵基板之該部分上。參照圖13來作說明。 在氮化鎵單晶製之基板40上生長氮化鎵同質磊晶層42,來 製作氮化鎵磊晶基板44時,氮化鎵同質磊晶層42無法正常 地生長於基板40表面40a中之一部分區域40b,而在該部分 產生凹坑(pits)。此等凹坑顯著損害該氮化鎵基板44表面之 94047-1000427.doc 1352378 平坦性。發明人發現造成此種凹坑之一種原因係污染物 質,污染物質係於製作基板40時附著於基板4〇a表面,而於 生長氮化鎵同質磊晶層42步驟前殘留於基板4〇上者。 揭示於文獻1所製作之氮化鎵基板表面有貫穿錯位密度 極向之巴域另一種原因係因結晶品質不足之缺陷(錯位) 以高密度而存在之區域。參照圖14A〜圖14D來作說明。如 圖14A所示,氮化鎵單晶製之基板4〇具有在z方向上延伸之 數個高密度缺陷區域40c。低密度缺陷區域4〇c被具有缺陷 密度遠高於低密度缺陷區域40(;之各個高密度缺陷區域4〇c 包圍。向密度缺陷區域4〇c係島狀,並分布於整個基板表 面。氮化鎵同質磊晶層432生長於基板4〇之表面4〇a上時, 氮化鎵半導體主要形成於低密度缺陷區域4〇c上,並且如圖 14C所示’無法完全生長於高密度缺陷區域4〇c上因而如 圖14D所示’在氮化鎵同質磊晶層42之表面上產生凹坑 42a。此等凹坑對磊晶基板44表面之平坦性影響極大。經本 發明人努力研究結果,發現可防止在磊晶層表面產生凹坑 之技術。 為求解決上述問題,本發明之目的在提供一種具有平坦 表面之氮化鎵磊晶基板及其製造方法,並提供一種氮化物 半導體元件及其製造方法。 【發明内容】 本發明之氮化鎵基板具備包含1個低缺陷區域與數個高 缺陷區域,而由氮化鎵單晶構成之基板,前述低缺陷區域 具有貫穿錯位之第一密度,各高缺陷區域具有貫穿錯位之 94047-1000427.doc 1352378 第一岔度’别述低缺陷區域包圍各個前述高缺陷區域,前 述同缺陷區域之前述第二密度大於前述低缺陷區域之前述 第密度,#述低缺陷區域及前述高缺陷區域露出於該氮 化鎵基板之表面,並具備:磊晶生長於前述氮化鎵基板之 刖述主面上之第一 AlxGai χΝ(〇<χ$ 1}之中間層;及磊晶生 長於前述AlxGai-xN中間層上之氮化鎵磊晶層。 本發明之氮化鎵基板具備:包含氮化鎵單晶之基板;磊 曰曰生長於前述基板上而包含第一 AlxGa〗.xN(0 < xg 1)之中 間層,及磊晶生長於前述第一 AlxGai xN中間層上而包含氮 化鎵之上層。 上述氮化鎵基板中’在基板與上層之間介有中間層。該 中間層包含AlGaN’發明人發現該AiGaN係生長於附著有污 染物質之區域及包含高缺陷區域之整個基板表面。因而中 間層在基板上正常生長,其生長面(亦即上面)平坦。由於中 間層之生長面平坦’因此蟲晶生長於中間層上之上層之生 長面亦成為平坦。 此外’上述氮化鎵基板中’前述基板之前述主面上之前 述高缺陷區域之密度亦可為100[個/cm2]以上。因而,即使 尚缺陷區域之密度較高時,採用上述氮化鎵基板仍可使中 間層及上層之生長面平坦。 此外’前述第一 AlxGa^N中間層包含碳,前述第一 AlxGa丨·ΧΝ中間層之碳濃度宜為lxl〇〗8cm-3以下。如此,可提 高中間層之電性特性。 此外’在前述第一 AlxGaNxN中間層内添加有摻雜物,前 94047-1000427.doc ~ 8m 1352378 述摻雜之中間層宜具有η型或p型之傳導性。如此,由於中 間層之電阻率降低,因此使用氮化鎵基板製作發光二極體 (LED)及異質接合雙極電晶體(HBT)等之縱型裝置時’此等 裝置特性提高。 此外,氮化鎵基板進一步具備:第二AlyGai_yN(〇Sy^l, y#x)中間層;及第三AlzGa丨·ζΝ(0$ζ$卜z/y)中間層;前述 第二及第三AlyGa^N中間層之組成與前述第一 AlxGai xN 中間層不同,前述第一 AlxGa^xN中間層、前述第二 AlyGa^yN中間層及前述第三AlzGa^N中間層宜配置成構成 超晶格構造。如此,藉由超晶格構造阻止貫穿錯位在氮化 鎵基板内傳播,因此成為具有良好結晶性之氮化鎵基板。 此外,氮化鎵基板宜進一步具備第四AlvGai.vN (0 S v $ 1,z/y)中間層,並進一步具備設於前述第一 AlxGa丨_XN中間層與前述.第四AlvGa!.vN中間層間之 IiiwGa〗 _WN(0 < w S 1)蠢晶層。如此藉由夹在中間層之間之 ΙηζΟ&1·ζΝ(0<ζ$1)磊晶層,可謀求氮化鎵基板進一步平坦 化。 此外,前述第一 AlxGa〗-xN ^間層宜包含厚度未達 (-5χ+1.2)μιη 之 AlxGabxNCiX χ< 0.24)。藉由中間層形成此 種厚度,可抑制中間層發生龜裂等缺陷。 本發明之製造氮化鎵基板之方法具備中間層形成步驟, 其係在包含1個低缺陷區域及數個高缺陷區域而由氮化鎵 構成之基板之前述主面上磊晶生長AlxGa^NCO < 1)中 間層,刖述低缺陷區域具有貫穿錯位之第一密度,各高缺 94047-1000427.doc 1352378 陷區域具有貫穿錯位之第二密度,前述低缺陷區域包圍各 個前述高缺陷區域’前述高缺陷區域之前述第二密度大於 前述低缺陷區域之前述第—密度,前述低缺陷區域及前述 高缺陷區域露出於該氮化鎵基板之表面,並具有上層形成 步驟’其係'在前述第AlxGai χΝ中間層上i晶生長包含氣 化嫁之上層。 此外,本發明之製造氮化鎵基板之方法具有:中間層形 成步驟,其係在包含氮化鎵單晶之基板上磊晶生長第一 1)中間層;及上層形成步驟,其係在前述 第一 AlxGai-xN中間層上磊晶生長包含氮化鎵之上層。 上述氮化鎵基板之製造方法中,於基板上堆疊包含氮化 鎵之上層之前,係於基板上堆疊包含A1GaN之中間層。經 本發明人發現構成中間層之AiGaN係生長於附著有污染物 質之區域及包含高缺陷區域之整個基板表面。因而堆疊至 基板上之中間層之生長面(亦即上面)成為平坦。而蠢晶生長 於此種生長面平坦之中間層上之上層之生長面亦成為平 坦。 此外’氮化鎵基板之製’造方法中,基板主面之高缺陷區 域之密度亦可為100 [個/cm2]以上。如此,即使高缺陷區域 之密度較高時’只要採用上述氮化鎵基板之製造方法,仍 可使中間層及上層之生長面平坦。 此外’前述第一 AlxGa^N中間層内宜含碳,前述第— AlxGa丨·ΧΝ中間層之碳濃度宜為1χι〇丨8cm-3以下。如此可提高 中間層之電性特性。 94047-1000427.doc •10- 1352378 此外’前述中間層形成步驟時宜添加摻雜物,使前述第 一 AlxGai.xN中間層形成η型或p型。如此,因中間層之電阻 率降低,所以使用氮化鎵基板製作發光二極體(LED)及異質 接合雙極電晶體(HBT)等之縱型裝置時,此等裝置特性提 高。 此外氮化鎵基板之製造方法進一步具備以下步驟:形 成第二AlyGa丨_yN(0$ 1,y/χ)中間層;及形成第三
AlzGa丨·ζΝ(0$ z$卜#y)中間層;前述第二及第三八^以丨小 中間層之組成與前述第一 AlxGai-xN中間層不同,前述第一 AlxGai_xN中間層、前述第二AlyGai yN中間層及前述第三 AlzGai-zN中間層宜配置成構成超晶格構造。如此,藉由所 形成之超晶格構造阻止貫穿錯位在氮化鎵基板内傳播,因 此可製作具有良好結晶性之氮化鎵基板。 此外,氮化蘇基板之製造方法宜進一步具備以下步驟: 形成第四AlvGaNvN(0< 1,2〇)中間層;及形成設於前 述第一 AlxGa〗.xN中間層與前述第四AlvGaNvN中間層間之 InwGai-wN(0 < 1}磊晶層。如此藉由夾在中間層之間之 磊晶層,可謀求氮化鎵基板進一步平坦 化。 此外’前述中間層形成步驟時,宜生長厚度未達 (-5χ+1·2)μηι 之前述第一 AlxGa 丨-XN(0< x< 0.24)中間層。藉 由中間層形成此種厚度,可抑制中間層發生龜裂等缺陷。 此外’氮化鎵基板之製造方法中,宜在80 kPa以上之壓力 下使前述中間層及前述上層生長。由於AlGaN係生長於附著 94047-1000427.doc 1352378 有污染物質之區域及包含高缺陷區域表面之整個基板表 面,因此即使在80 kPa以上之較高壓力下生長中間層,仍可 使中間層之生長面(亦即上面)平坦。因此,藉由在較高壓力 下使中間層及上層生長,可獲得結晶性佳之中間層及上層。 本發明之氮化物半導體元件具備包含1個低缺陷區域與 數個高缺陷區域,而由氮化鎵單晶構成之基板,前述低缺 陷區域具有貫穿錯位之第一密度,各高缺陷區域具有貫穿 錯位之第二密度’前述低缺陷區域包圍各個前述高缺陷區 域’則述尚缺陷區域之前述第二密度大於前述低缺陷區域 之前述第一密度’前述低缺陷區域及前述高缺陷區域露出 於該氮化鎵基板之表面’並具備磊晶生長於前述氮化鎵基 板之前述主面上之第一 1)之中間層;及具 倩6又於刖述AlxGa].xN中間層上之η型氮化物半導體區域及p 型氮化物半導體區域。 上述氮化物半導體元件在基板上設有中間層,發明人發 現AlGaN可生長於附著有污染物質之區域及包含高缺陷區 域之整個基板表面上。由於中間層包含磊晶生長於基板上 之AlGaN層,因此中間層正常生長於基板上,其生長面(亦 即上面)成為平坦。如此,由於中間層之生長面平坦,因此 形成於中間層上之n型氮化物半導體區域及p型氮化物半導 體區域之界面的平坦性提高,該氮化物半導體元件之裝置 特性(如發光量等)提高。 此外’上述氮化物半導體元件中,前述基板之前述主面 上之前述高缺陷區域之密度宜為1〇〇[個/cin2]以上。如此, 94047-1000427.doc 12 1352378 即使高缺陷區域之密度較高時,採用上述氮化物半導體, 仍可使中間層、η型氮化物半導體區域及㈣氮化物半導體 區域之生長面平坦。 此外上述氮化物半導體元件中,前述〇型氮化物半導體 區域或前述Ρ型氮化物半導體區域宜包含由磊晶生長於前 述中間層上之氮化鎵構成之上層。如此,即使因在基板表 面加工而存在微小之凹凸,該凹凸露出於中間層表面時, 藉由在中間層上磊晶生長上層而可使生長面平坦。因而, 由於除去上層之η型氮化物半導體區域及卩型氮化物半導體 區域之結晶性提高,因此裝置特性進一步提高。 此外,上述氮化物半導體元件宜在前述η型氮化物半導體 區域與前述ρ型氮化物半導體區域之間進一步具備發光 層,前述η型氮化物半導體區域及前述ρ型氮化物半導體區 域分別包含覆蓋層。如此,由於堆疊於生長面平坦之基板 上之η型及ρ型之覆蓋層與發光層之界面平坦性提高,因此 元件之發光待性提高》 此外,上述氮化物半導體元件中,前述發光層之發光區 域宜至少涵蓋於一部分之前述高缺陷區域上。採用上述氮 化物半導體時,不論高缺陷區域之位置為何均可使發光層 之界面平坦’因此,即使發光區域涵蓋於高缺陷區域上, 仍可進一步提高發光區域之結晶性。 此外’上述氮化物半導體元件中,前述中間層内宜含碳, 該中間層之碳濃度宜為1X1 〇 18cm_3以下。如此可提高中間層 之電性特性。 94047-1000427.doc 1352378 此外’上述氮化物半導體元件中,前述中間層宜添加換 雜物而具有η型或p型之傳導性》如此,由於中間層夕命 尽 < 電阻 率降低’因此該氮化物半導體元件之裝置特性進一步提^ 此外’氮化物半導體元件進一步具備:第二幻
八1yUai-yN (OSyS 1 ,y关X)中間層;及第三 AlzGai.zN(0各 ! 一=丄,Ζ关y) 中間層;前述第二及第三AlyGai-yN中間層之組成與前述第 一 AlxGai_xN中間層不同,前述第一 AlxGai-xN中間層、前述 第二AlyGa^yN中間層及前述第 三 AlzGabJST中間層宜配署 置成 構成超晶格構造。如此,藉由超晶格構造阻止貫穿錯位在 中間層内傳播,因此可形成具有良好結晶性之n型氮化物半 導體區域及ρ型氮化物半導體區域。
此外’氮化物半導體元件宜進一步具備第四AUGa^N (〇S 1,中間層,並進一步具備設於前述第— AlxGa^N中間層與前述第四AlvGa〗 vN中間層間之 InwGai.wN(0 < 1)磊晶層。如此藉由夾在中間層之間之
InzGa〗_zN(0<z$ 1)磊晶層,可謀求中間層進一步平坦化。 此外,前述中間層宜包含厚度未達(_5χ+1 2)μιη之
AlxGai-xN(0<x<〇.24)。藉由中間層形成此種厚度,可抑制 中間層發生龜裂等缺陷。 本發明之氮化物半導體元件之製造方法具備中間層形成 步驟,其係在包含1個低缺陷區域及數個高缺陷區域而由氮 化鎵構成之基板之前述主面上磊晶生長第一 AUGai χΝ(〇〈 I)中間層;前述低缺陷區域具有貫穿錯位之第一密度, 各尚缺陷區域具有貫穿錯位之第二密度,前述低缺陷區域 94047-1000427.doc -14- 1352378 包圍各個前述高缺陷區域,前述高缺陷區域之前述第二密 度j於前述低缺陷區域之前述第—密度,前述低缺陷區域 及前述高缺陷區域露出於該氮化鎵基板之表面,並具備半 導體區域形成步驟,其係在前述第一 AlxGai.xN中間層上形 成η型氮化物半導體區域及p型氮化物半導體區域,並且在 80 kPa以上之壓力下分別使前述中間層、前述口型氮化物半 導體區域及前述P型氮化物半導體區域生長。 上述氮化物半導體元件之製造方法中,係在基板上堆疊 包含A1GaN層之巾間層。由於A1GaN生長於附著有污染物^ 之區域及包含高缺陷區域之整個基板表面’因此即使在 80 kPa以上之較高壓力下使中間層生長,仍可使中間層之 生長面(亦即上面)平坦。因此,藉由在此種較高壓力下使各 層生長,可獲得結晶性佳之中間層、n型氮化物半導體區域 及P型氮化物半導體區域,氮化物半導體元件之裝置特性提 高。 此外,上述氮化物半導體元件之製造方法中,前述基板 之前述基板主面之高缺陷區域之密度亦可為1〇〇[個/cm2]以 上。如此,即使鬲缺陷區域之密度較高時,只要採用上述 氮化物半導體元件之製造方法,仍可使中間層、n型氮化物 半導體區域及p型氮化物半導體區域之生長面平坦。 此外,上述氮化物半導體元件之製造方法中,前述中間 層形成步驟時,宜生長厚度未達(_5χ+12)μηΐ2前述第1
AlxGa〗-xN(0<x< 0.24)。藉由中間層形成此種厚度,可抑制 中間層發生龜裂等缺陷。 94047-1000427.doc -15- 1352378 本發明提供一種可謀求表面平坦化之氮化鎵基板及其製 造方法’與氮化物半導體元件及其製造方法。 【實施方式】 以下參照附圖詳細說明本發明之氮化鎵基板及其製造方 法,與氮化物半導體元件及其製造方法之實施形態。儘可 能於圖式說明中’在相同要素上註記相同符號。 (第一種實施形態) 圖1係顯示用於製作本發明第一種實施形態之氮化鎵磊 晶基板之氣相生長裝置圖。該氣相生長裝置〗〇係具有氣體 流路形成於水平方向之石英製之流路12之所謂橫型之 MOCVD裴置。用於製作氮化鎵基板之基板丨4設置於具有加 熱器16之感應器18上之托盤20内,感應器18自由旋轉地支 樓基板14。 流路12係由.上游流路12A、中間流路12B及下游流路12C 構成。堆積氮化錄結晶用之氣體自上游流路12a之三層喷嘴 22導入’並在中間流路12B内之基板14之前混合。基板14 上之反應而產生之殘餘氣體自下游流路12C排出。 使用三甲基鎵(TMG)、三甲基鋁(TMA)及三甲基銦(TMI) 作為III族原料氣體。供給含氨(NH3)之氣體作為v族原料氣 體’此外供給含>5夕烧(SiH4)之氣體作為n型掺雜氣體,並供 給含環戊二烯基鎂(CpiMg)之氣體作為ρ型摻雜氣體。此等 氣體中之數個依需要自喷嘴22而供給至基板14上。並使用 氫氣(H2氣體)、氮氣(N2氣體)、及氫氣與氮氣之混合氣體等 作為載氣。切換閥(圖上未顯示)配置於喷嘴22及在該喷嘴22 94047-1000427.doc -16 - 1352378 内供給各III族原料氣體之數條管線之間,ΙΠ族原料氣體之 各流量係藉由控制該切換閥來調整。具體而言,切換閥係 將自管線送達之III族原料氣體流入送至噴嘴22之主要管線 與排氣用之虛擬管線之一方或兩者,來遮斷各ΠΙ族原料氣 體及使氣體流量穩定化。 其次,說明本實施形態使用之基板14。圖2Α係顯示氮化 鎵基板表面一部分之平面圖。圖2Β係顯示沿著圖2Α所示之 I-Ι線之基板14之剖面圖式。該基板14製造方式如下。具有 數個開口窗之掩模層形成於砷化鎵基板上,自其開口窗内 杈向生長氮化鎵。於橫向生長後,在王水中姓刻除去砷化 鎵基板。在基板14之表面與背面14a,14b上實施機械研磨, 而形成氮化鎵基板14。 此外,基板14表面具有貫穿錯位密度遠比其周圍高之數 個部分。如圖2B所示,基板14具有在z方向上延伸之高缺陷 區域14C。低缺陷區域包圍具有缺陷密度遠比低缺陷區域 14d之缺陷密度高之各個高缺陷區域I4c。在氮化鎵基板表 面點狀地分布有咼缺陷區域14c之上面。高缺陷區域14c之 貫穿錯位之平均密度約為低缺陷區域1牝之平均缺陷密度 之10倍。本實施形態之氮化鎵基板係由橫向生長所形成之 厚的氮化鎵層而形成》分別由數個小面(facet)構成之凹坑 於橫向生長中形成於氮化鎵層之表面。本實施形態之氮化 鎵基板之貫穿錯位及其他缺陷隨著厚的氮化鎵膜生長而集 中,因而形成上述錯位密度高之數個高缺陷區域。高缺陷 區域之貫穿錯位在氮化鎵基板之表面形成凹坑。此等凹坑 94047-1000427.doc 17 1352378 露出於該表面之島狀區域内。島狀形狀之高缺陷區域在整 個氮化鎵基板表面成不規則或隨機分布。高缺陷區域14(1之 平均密度在基板14之主面14a上,如為1〇〇 [個/cm2]以上, 1χ1〇5 [個/cm2]以下。高缺陷區域14c露出於氮化鎵基板之表 面,而在氮化鎵基板表面形成有高缺陷區域;低缺陷區域 14d露出於氮化鎵基板表面,而在氮化鎵基板表面形成低缺 陷區域。高缺陷區域之總面積佔整個氮化鎵基板表面之比 率如為1°/。以下。高缺陷區域14c之錯位密度如為3xi 〇7cm.2 以下’ lxl06cnT2以上。低缺陷區域i4d之錯位密度如為 5xl06cm·2以下。一種實施例係氮化鎵基板14之尺寸為1吋以 上。 其次’參照圖3A、圖3B及圖3C說明製作本實施形態之氮 化鎵基板之程序。圖3A〜圖3C係顯示製作氮化鎵磊晶基板 之程序圖。 首先’如圖3 A所示’包含氮化鎵單晶之基板丨4設置於流 路12内之感應器18上之托盤20内。氮化鎵單晶基板14具有 (0001)面之主面14a。在該基板14上生長蠢晶層之前,通過 喷嘴22而導入含氨氣之混合氣體,以含氨氣之混合氣體氣 氛填滿流路12内。而後’藉由加熱器16將感應器18及基板 12加熱至約ll〇〇c ’進行基板14之主面14a之潔淨化處理 (熱洗蘇)。具體而言,氨氣係在5 slm之條件下流入,氫氣 係在6 slm之條件下流入。如此在適當條件下進行熱洗滌。 藉由熱洗務除去基板表面(主面)14a之污染物質,並且基板 表面14a之平面度提高。 94047-1000427.doc -18- 1352378 其次,分別將基板14之溫度(基板溫度)保持在lioot, 將中間流路内之壓力保持在80 kPa以上。自喷嘴22將III族 原料氣體、V族原料氣體及摻雜氣體連同上述之載氣供給至 基板14上(中間層形成步驟,參照圖3(b)) 一種實施例係在 TMG 為 24.42 μιηοΐ/min,TMA 為 2·02 μπιοΐ/min 之條件下供給 23分鐘。氨氣以6 slm之流量流入,氫氣以8 slm之流量流 入。藉此’在基板14上生長膜厚為200 nm之包含AlxGa^xN (x=0.08)之中間層24。另外鋁之組成比X只須在〇< 1之範 圍内即可。此外’中間層24之厚度因改變中間層之生長條 件’而可自10 nm以上500 nm以下之厚度適切選擇,不過超 過其厚度時,極可能發生龜裂等之缺陷。如後述之實施例 中所示,本發明人發現鋁之組成比在〇 24之範圍内 時’只要中間層24之厚度未達(-5 x+1.2) μιη,即可抑制龜裂 等之缺陷。 如此’在氣化鎵單晶基板14上生長包含A1 GaN之中間層 24,而形成磊晶基板。A1GaN中間層24生長於整個表面14& 上,亦即生長於高缺陷區域及低缺陷區域上。另外,在氣 化鎵基板14上直接生長氮化鎵層時,基板14表面Ma之一部 分區域不進行正常之磊晶生長,而產生凹坑(參照圖13、圖 14),而明顯損害氮化鎵磊晶基板之表面平坦性。 發明人s忍為氮化鎵磊晶基板表面不適切之平坦性係因以 下原因造成:係因基板14製作中附著於主面14a上之污染物 質,及基板14之結晶性不足,經過努力研究結果,發現在 基板14上堆疊包含AlGaN之層(中間層24)時有效。亦即,中 94047-1000427.doc 1352378 間層24生長於整個包含附著有污染物質之基板表面區域及 尚缺陷區域14c之表面區域時,其表面24a成為平坦,且具 有良好之形態。另外,中間層24在其形成過程中雖含有碳, 不過其碳濃度低,而約為1x1018cm·3以下。其碳濃度可在約 1 X1013cm·3 以上。 在基板14上形成中間層24後’將基板溫度昇溫至 1150°C ’在80 kPa以上之壓力下使氮化鎵構成之上層26蠢 晶生長(上層形成步驟),氮化鎵磊晶晶圓之氮化鎵基板28 製作完成(參照圖3C)。如上所述’由於中間層24之表面24a 成為平坦,因此結晶性佳地磊晶生長於中間層24上之上層 26之表面26a(亦即氮化鎵磊晶基板28之表面)亦成為平坦。 使用氮化鎵磊晶基板28製作之發光裝置,進一步於基板 14之下面(背面)14b及上層26之上面26a包含電極30。 如以上說明,氮化鎵磊晶基板28中,在基板14與上層26 之間介有中間層24。該中間層24包含八1;£〇1;(1^〇<5^1, 本貫把形態為x=〇.〇8),整個基板表面i4a,亦即該AlGaN涵 蓋附著有污染物質之表面及高缺陷區域14c表面兩者而磊 晶生長。因而中間層24正常生長於基板14上,其生長表面 24a平坦。如此,因中間層24之生長表面2牦平坦,所以磊 晶生長於中間層24上之上層26之生長面26a亦成為平坦。 使中間層24具傳導性,來降低中間層24之電阻率時,於 中間層24之形成過程中,藉由掺雜以氫稀釋成1〇啊之矽 烷,並以2.5Sccm之條件流入,可求出載氣濃度為5xi〇Mcm·3 之η型十間層。此外,在中間層24之形成過程中,藉由摻雜 94047.1000427.doc •20· 1352378
Cp2Mg’並以0.0539 μπιο1/ιηίη之條件供給,可形成載氣濃 度為5xl〇〗7cm-3之ρ型中間層。為求提高ρ型載氣濃度,需要 對中間層24另外實施活化處理。氮化鎵磊晶基板28具有謀 求降低電阻率之中間層24時,於使用該氮化鎵磊晶基板28 來製作LED及ΗΒΤ等縱型之裝置時,此等裝置特性提高。 此外,如本實施形態所述’中間層24及上層26宜在8〇 kpa 以上之壓力下生長。由於AlGaN可在整個包含附著有污染 物質之區域之基板14之表面14a上生長,因此,即使在8〇 kPa 以上之較高壓力下使中間層24生長,仍可使中間層24之生 長表面24a平坦。因此藉由在此種較高壓力下使中間層24及 上層26生長’可獲得結晶性佳之中間層24及上層26。 此外,如前所述’基板14之主面14a上之高缺陷區域14c 进度亦可為100[個/cm2]以上。如此,即使高缺陷區域i4c 之密度較高時,採用本實施形態之氮化鎵基板28及其製造 方法’仍可使中間層24及上層26之生長表面平坦。 (第一變更例) 參照圖4A、圖4B、圖4C、圖4D、圖4E來說明與上述氮化 鎵基板不同態樣之氮化鎵基板及其製造方法。圖4 a〜圖4E 係顯示製作氮化鎵基板之程序圖。 首先藉由與上述氮化鎵磊晶基板28之製造方法相同之方 法’在基板14上堆疊中間層24 ^亦即係在裝置1〇之托盤2〇 内没置基板14成上面(主面)14a成為(0001)面,實施潔淨化 處理後(參照圖4A),在與上述條件相同或同等之特定條件 下供給TMG及TMA,並且流入氨氣及氫氣》藉此,在基板 94047-1000427.doc •21 - 1352378 14上生長膜厚為數nm之包含AlxGai_xN(x=0.16)之中間層 24a(參照圖4B)。 其次,操作位於噴嘴22上游之切換閥,不改變其他條件, 而僅遮斷供給至基板14上之TMA。藉此,在中間層24A上 堆疊包含氮化鎵(亦即八1)^31-)^(^ = 0))之膜厚約為數11111之 磊晶薄膜(第二中間層)32(參照圖4C)。而後,藉由操作此種 切換閥,而在磊晶薄膜32上交互堆疊中間層24A及磊晶薄膜 32而形成5層之超晶格構造(參照圖4D)。藉由在最上面之中 間層24A上磊晶生長上層26,與上述氮化鎵磊晶基板28不同 態樣之氮化鎵磊晶基板28A製作完成(參照圖4E)。 在具有包含與中間層24A之組成不同之AlyGai_yN (OS y‘ 1)構成之磊晶薄膜32與中間層24Λ之超晶格構造 (畸變超晶格構造)之氮化鎵磊晶基板28A中,超晶格構造阻 止貫穿錯位自基板14傳播至中間層24A之間。藉由超晶格構 造,該氮化鎵基板28A内之錯位密度降低,氮化鎵基板28A 之結晶性提高。因而可用於高品質之裝置製作。磊晶薄膜 3 2之材質並不限定於氮化鎵,而可選擇與中間層24A之組成 不同之AlyGai.yN(OSy$ 1)之組成。此外,以中間層24A與 磊晶薄膜32構成之超晶格構造並不限定於5層,亦可適切增 加或減少層數。 (第二變更例) 參照圖5A、圖5B、圖5C、圖5D、圖5E來說明與上述氮化 鎵磊晶基板不同態樣之氮化鎵磊晶基板及其製造方法。圖 5A〜圖5E係顯示製作氮化鎵磊晶基板之程序圖。 94047-1000427.doc -22- 1352378 首先,藉由與氮化鎵磊晶基板28之製造方法相同之方 法,在基板14上堆疊中間層24。亦即,係在裝置10之托盤 20内設置基板14。基板14具有(0001)面之上面14a。在基板 14上實施潔淨化處理(參照圖5A)。在TMG為24.42 μηιοΐ/min,TMA 為 2.02 μιηοΐ/min,基板溫度 1100°C 及壓力 80 kPa以上之條件下供給11.5分鐘,氨氣在6 slm之條件下 流入,氫氣在8 slm之條件下流入。藉此,在基板14上生長 膜厚為100 nm之包含AlxGaNxN(X=0_08)之中間層24B(參照 圖 5B)。 即使堆疊之層的材質係AlGaN,形成中間層24B之 AlGaN,由於異常磊晶生長之各種原因,而如圖5B所示, 有時異常生長於基板14上。因此,係在中間層24B上生長 InGaN磊晶層34。一種實施例,係在中間層24B上,於TMG 為 24.42 μιηοΐ/min,TMI為 1 1 · 1 6 μηιοΐ/min,基板溫度 830°C 及壓力80 kPa以上之條件下供給5分鐘,並且使氨氣為6 slm 條件下流入,氫氣為8 slm條件下流入,而在中間層24B上 生長膜厚為50 nm之包含InzGabZN(z=0.10)之InGaN蟲晶層 34(參照圖5C)。發明人新發現即使因基板表面Ma之污染嚴 重或高缺陷區域1 4c(參照圖2)表面之結晶品質顯著降低,中 間層24B異常生長而無法謀求充分平坦化時,藉由在其中間 層24B上生長包含InGaN之層,仍可提供具有比中間層24B 之平坦性更佳平坦性之生長面34a。 生長上面34a平坦之InGaN磊晶層34後,在其上以與中間 層24B相同之條件生長中間層24C(參照圖5D),在與上述之 94047-1000427.doc -23- 1352378 上層相同條件下磊晶生長上層26,氮化鎵基板28B之製作完 成(參照圖5E)。藉由在InGaN磊晶層34上堆疊中間層24C, 為求形成上層26而提高基板溫度時,可避免構成InGaN磊晶 層34之InGaN被分解之情形。 如以上說明,在中間層24E,24C之間具備InGaN磊晶層34 之該氮化鎵基板28B中,即使中間層24B異常生長而無法謀 求充分之表面平坦化時,氮化鎵蟲晶基板28B之上面26a仍 然平坦。變更中間層24B,24C之鋁濃度及InGaN磊晶層34 之銦濃度,亦可形成上述之超晶格構造。此外,依需要亦 可在中間層24B,24C與InGaN磊晶層34之間介有氮化鎵薄 膜。此等氮化鎵薄膜具有緩和因AlGaN與InGaN之晶格雜亂 而造成畸變之優點。 (第二種實施形態) 其次,參照圖6說明本發明第二種實施形態之氮化物半導 體元件及其製造方法。圖6顯示作為本實施形態之氮化物半 導體元件之發光元件1A之構造側面剖面圖。本實施形態之 發光元件1A如為藍色LED。 發光元件1A係由氮化鎵單晶構成,並包含具有主面46a 及背面46b之導電性基板46。基板46與基板14同樣地具有在 z方向上延伸之高缺陷區域14c。基板46之表面露出高缺陷 區域14c,並具有貫穿錯位密度大於周圍之低缺陷區域14d 之區域。高缺陷區域14c之區域點狀地分布於基板46表面。 高缺陷區域14c之貫穿錯位平均密度比低缺陷區域14d之貫 穿錯位平均密度高10倍以上。低缺陷區域14d包圍具有缺陷 94047-1000427.doc -24- 1352378 密度遠高於低缺陷區域之缺陷密度之各個高缺陷區域 14c。高缺陷區域14c亦可露出於基板表面46a之島狀區域, 而在基板46表面不規則或隨機配置。基板46上之高缺陷區 域14c之密度’尚缺陷區域14c及低缺陷區域I4d中之缺陷密 度,與高缺陷區域14c之表面積佔主面14a之面積之比率與 前述基板14相同。此外’發光元件ία包含:在基板46之主 面46a上依序磊晶生長之中間層48、η型氮化物半導體區域 53、發光層52及ρ型氮化物半導體區域55。發光元件ία包 含:設於基板46之背面46b上之陰極電極58Α;及設於ρ型氮 化物半導體區域55上之陽極電極58B。陰極電極58A係設於 高缺陷區域14c及低缺陷區域i4d兩者之上,提供第一載子 至兩者之區域。陽極電極58B設於高缺陷區域14c及低缺陷 區域14d兩者之上’提供第二載子至兩者之區域。高缺陷區 域46c之一部分位於陰極電極58a與陽極電極58B之間,來 自陰極電極5 8A及陽極電極58B之載子於區域52a中再結 合。 本實施形態中,中間層48包含在基板46之主面46a(如 (0001)面)上磊晶生長之AlxGai_xN(0< 1)層。此外,中間 層48内添加有n型之摻雜物。本實施形態中,中間層48之厚 度為50 nm。申間層48之厚度藉由改變中間層48之生長條 件’而可為10 nm以上50〇 nm以下之厚度,不過超過其厚度 時’極可能發生龜裂等缺陷。如後述之實施例所示,鋁之 組成比為〇<x<0.24時,中間層48之厚度未達(-5x+1.2)pm 時’可適切抑制龜裂等之缺陷。此外,中間層48内於其形 94047-1000427.doc •25- 1352378 成過程中含有碳,不過其碳濃度係在不影響發光元件1A之 電性特性之程度(lxl018cnT3以下)。 η型氮化物半導體區域53如包含η型緩衝層50之η型氮化 物半導體而構成。η型緩衝層50係本實施形態之上層。本實 施形態中之基板46、中間層48及η型緩衝層50可切斷第一種 實施形態之氮化鎵磊晶基板28而形成半導體晶片。η型緩衝 層50係在中間層48上蟲晶生長氮化蘇而形成,如添加有石夕 之η型掺雜物’而具有η型之導電性。此外,η型緩衝層50 具有折射率小於發光層52且帶隙變大之組成,對發光層52 發揮下部覆蓋之功能。本實施形態中之η型緩衝層50厚度如 為 2 μηι 〇 發光層52形成於η型氮化物半導體區域53上(本實施形態 係形成於η型緩衝層50上),藉由自η型氮化物半導體區域53 及Ρ型氮化物半導體區域55供給之載子(電子及電洞)再結 合’而於發光區域52a中產生光。本實施形態之發光層52形 成障壁層與井層交互堆疊之多重量子井構造。一種實施例 係各障壁層之厚度為15nm,各井層之厚度為3111〇。障壁層 及井層包含InGaN,藉由變更銦(ιη)之組成,障壁層之帶隙 大於井層之帶隙。 P型氮化物半導體區域55如包含卩型覆蓋層54及卩型接觸 層56之ρ型氮化物半導體之層。卩型覆蓋層54係在發光層μ 上站日a生長AlGaN而形成,如添加鎂之卩型摻雜物而具有ρ 型之導電性。此外,p型覆蓋層54具有折射率小於發光層52 且帶隙變大之組成,並發揮發光層52用之上部覆蓋之功 94047-1000427.doc -26- ^52378 能。本實施形態中,p型覆蓋層54之厚度如為2〇 nm。 接觸層56係電性連接p型覆蓋層54與陽極電極“^用 之層。卩型接觸層56係在p型覆蓋層54上磊晶生長氮化鎵而 形成,如添加鎂之P型摻雜物,而具有p型之導電性。本實 施形態中,p型接觸層56之厚度g15()nm。 陰極電極58A包含導電性材料,實現與基板46歐姆接觸。 此外,陽極電極58B包含透過發光層52中產生之光之導電性 材料,其至少一部分實現與P型氮化物半導體區域55 (本實 施形態中係與P型接觸層56)歐姆接觸。陽極電極58B之至少 一部分上亦可形成歐姆接觸。 其次,參照圖7A、圖7B '圖7C、圖7D、圖7E來說明製作 本實施形態之發光元件丨八之程序。圖7A〜圖7E係顯示製作 發光元件1A之程序圖。 首先作成第一種實施形態之氮化鎵基板28。具體而言, 係在圖1所示之流路12内之感應器18上之托盤2〇内設置氮 化鎵單晶基板14(參照圖7A)。其次,與第一種實施形態同 樣地進行基板14之主面14a之潔淨化處理(熱洗滌)。 繼續’在分別將基板14之溫度(基板溫度)保持在 l〇50°C ’將中間流路内之壓力保持在101 kPa狀態下,將ΙΠ 族原料氣體、V族原料氣體及摻雜氣體連同上述之載氣,自 喷嘴22供給至基板14上。具體而言,係在基板14上供給 TMG、TMA、氨氣及矽烷,而在基板14之主面14a上生長包 含η型之AlGaN之中間層24(中間層形成步驟,參照圖7B)。 並宜調整中間層24之生長條件,使中間層24之組成成為 94047-1000427.doc • 27- 1352378
AlxGahNCCX x< 0.24),此外,此時宜設定生長時間,使中 間層24之厚度成為未達(-5x+l .2) μιη。 繼續,分別將基板溫度保持在1 050°C,將中間流路内之 壓力保持在101 kPa,藉由將TMG、氨氣及矽烷供給至中間 層24上,使包含η型之氮化鎵而成為η型緩衝層之上層26在 中間層24上磊晶生長(參照圖7C)。如此作成具備基板14、 中間層24及上層26之氮化鎵磊晶基板28。 繼續,將基板溫度降低至800°C,藉由在上層26上供給 TMG、TMI及氨氣,使包含InGaN之發光層66磊晶生長於上 層26上。一種實施例係藉由周期性變更TMG、TMI及氨氣 之流量等,來形成包含障壁層及井層之量子井構造。繼續, 將基板溫度提高至l〇〇〇°C,藉由在發光層66上供給TMG、 TMA、氨氣及Cp2Mg,使包含p型之AlGaN之p型覆蓋層68 磊晶生長於發光層66上。繼續,將基板溫度保持在1000°C, 藉由在p型覆蓋層68上供給TMG、氨氣及Cp2Mg,使包含p 型之氮化鎵之p型接觸層70磊晶生長於p型覆蓋層68上(半 導體區域形成步驟,參照圖7D)。 繼續,自流路12内取出形成有發光層66、p型覆蓋層68 及p型接觸層70之氮化鎵磊晶基板28,藉由蒸鍍等分別在氮 化鎵磊晶基板28之背面上形成陰極電極58A,在p型接觸層 70上形成陽極電極58B。而後,分割氮化鎵磊晶基板28形成 元件單位之半導體晶片,完成具備基板46、中間層48、η 型緩衝層50、發光層52、ρ型覆蓋層54及ρ型接觸層56之發 光元件1Α(參照圖7Ε)。 94047-1000427.doc • 28 · 1352378 繼續說明以上說明之本實施形態之發光元件丨八及其製造 方法具有之效果。如第一種實施形態之說明中所述,在包 含氮化録單晶之基板上直接生長包含氮化鎵層時,基板表 面之一部分區域不進行正常之蟲晶生長而產生凹坑(參照 圖13圖14),而顯著損害中間層表面之平坦性。反之,本實 施形態之發光元件1A及其製造方法係在基板14(46)上生長 包含AlGaN之中間層24(48)。即使污染物質附著於基板46 表面之一部分或是高缺陷區域14c露出於表面區域時,由於 AlGaN生長於整個基板46之表面,因此仍可平坦形成中間 層48之表面48a。由於可將堆疊於中間層48上之各層之界面 (生長面)形成平坦,因此可提高發光元件丨八之發光量之裝 置特性。 此外,由於在整個基板14(46)表面,亦即亦在附著有污 染物質之區域或高缺陷區域14c之區域生長AlGaN,因此即 使在80kPa以上之較高壓力下生長中間層24(48),仍可平坦 地形成中間層48之表面48a。因此,即使在此種較高壓力下 生長堆疊於中間層48上之η型緩衝層50、發光層52、p型覆 蓋層54及ρ型接觸層56,仍可平坦地形成各層之界面,可在 較咼之壓力下生長此專層,藉此可提高各層之結晶性。因 此發光元件1Α之裝置特性提高。 此外,本實施形態之η型氮化物半導體區域53宜包含由磊 晶生長於中間層48上之氮化鎵構成之η型緩衝層5〇。藉由 型氮化物半導體區域53包含η型緩衝層5〇,即使因在其板 之主面46a上加工等而存在微小之凹凸,且該凹凸露出於中 94047-1000427.doc •29· 1352378 間層48之表面48a上時,藉由在中間相上蠢晶生長n型緩 衝層50,仍可使生長面(„型緩衝層5〇之表面)平坦。由於磊 晶生長於η型緩衝層50上之各屏夕处曰& ^ <合層之結晶性提高,因此發光元 件1Α之發光量等之裝置特性進—步提高。 此外,本實施形態之中間層48宜具有η型之傳導性。此 時’由於中間層48之電阻率降低,因此在陰極電極58Α與陽 極電極58Β之間設有基板46之縱型裝置之發光元件丨八中, 發光量之裝置特性進一步提高。本實施形態之中間層48摻 雜成η型’不過依元件構造亦可摻雜成ρ型。 此外,基板46之主面46a之高缺陷區域14c之密度與基板 14同樣地亦可為1〇〇[個/cm2]以上。即使高缺陷區域l4c之密 度較咼採用本貫施形態之發光元件1A及其製造方法,仍 可使中間層48及堆疊於中間層48上之各層之界面平坦。 此外’本實施形態中,發光層52之發光區域52a係涵蓋於 至少一部分之高缺陷區域14c上。發光元件ία之發光元件宜 使發光層52(特別是其中之發光區域52a)進一步提高晶性來 生長。但是’先前之發光元件不易結晶性佳地形成結晶缺 陷區域上之發光層’因此成為妨礙實現高亮度發光元件之 一個原因。反之’採用本實施形態之發光元件1A,無論基 板46上之高缺陷區域14c之配置為何,均可平坦地形成發光 層52之界面,因此,可提高發光層52之發光區域52a之結晶 性°發光區域52a係設於陰極電極58A與陽極電極58B之 間’並回應自陰極電極58A之供給面及陽極電極58B之供給 面供給之載子而產生光。陰極電極58 A之供給面及陽極電極 94047-1000427.doc •30· 1352378 5 8B之供給面於發光元件1A中接觸於各個半導體區域。高 缺陷區域14c則位於陰極電極58Α與陽極電極58Β之間。 須注意的是,本實施形態之中間層48與所謂覆蓋層不 同。本實施形態之發光元件1A之LED中,為求將光封閉在 發光層附近,而需要形成較厚之覆蓋層。如本實施形態之n 型緩衝層50之厚度成為2 μπι。而本實施形態之中間層48之 厚度成為50 nm。中間層48即使係比其薄之膜厚,仍可適切 發揮上述之效果。 其次’參照圖8說明與發光元件1A不同態樣之發光元件 1B。圖8係顯示發光元件1B構造之側面刳面圖。發光元件 1B與發光元件1A不同之處為中間層49之構造。發光元件1B 之中間層49以外之構造與上述發光元件ία相同,因此省略 詳細說明。 發光元件1B具備設於基板46之主面46a上之中間層49。中 間層49包含:交互堆疊之第一層49A及第二層49B。第一層 49A包含摻雜成n型之AlxGa丨-χΝ(0<χ$ 1),第二層49B包含 摻雜成π型之AlyGai_yN(〇S 1,y式X)。本實施形態之第一 層49A及第二層49B交互堆疊於基板46之主面46a上而構成 超晶格構造(畸變超晶格構造),其周期數為1〇。第一層49 A 及第一層49B之厚度如分別為1〇 nm。
此種發光元件1B之製造方法,除以下說明之外,與發光 元件1A相同,亦即製造發光元件⑺時,在形成中間層钧之 步驟中,於形成第一層49 A後,如操作位於喷嘴22(參照圖 1)之上游之切換閥,遮斷TMA之供給。藉此,在第一層49A 94047-1000427.doc •31 · 1352378 之上堆疊包含氮化鎵(亦即AlyGai.yN(y=0))之第二層49B。 而後藉由操作此種切換閥,交互堆疊第一層49A及第二層 49B ’而形成丨〇層之超晶格構造。 具備藉由第一層49A及第二層49B形成有超晶格構造(畸 變超晶格構造)之中間層49之上述發光元件1B中,係藉由超 晶格構造來阻止貫穿錯位自基板46傳播。藉此,η型氮化物 半導體區域53、發光層52及ρ型氮化物半導體區域55之錯位 密度降低’結晶性提高,因此可提高發光亮度提高等之裝 置特性。以第一層49八與第二層49Β構成之超晶格構造並不 限定於10層’亦可增加或減少層數。 其-人,參照圖9來說明與發光元件1 a及1Β不同態樣之發 光元件1C。圖9係顯示發光元件1(:之構造剖面圖。另外, 發光元件ic與發光元件丨八及13不同之處在於中間層51八及 5 ^之間具備InGaN磊晶層57。發光元件1C之InGaN磊晶層 57以外構造與上述發光元件以及叫目同’因此省略詳細說 明。 發光元件1C具備設於基板46之主面46a上之中間層51。中 間層5!係由第一層51A及第二層5lB構成。發光元件^且備 設於中間層51u51A與第二層51B間之inGaN蟲晶層 V。第—層51八及第二層加分別包含推雜“型之 挪〈…),InGaN蟲晶層57包含摻雜成n型之
InzGalfcZisi(〇 < z S 1) 〇 π發:二I,製造方法除以下說明外與發光元件以相 同亦即’在製造發光元件】C時,於形成t間層5】之步帮 94047-J000427.doc -32· 1352378 中’形成包含η型之AlGaN之第一層51A後,藉由將TMG、 TMI、.氨氣及矽烷供給至第一層5丨a上,使包含η型之 InzGai.zN(0<zSl)之inGaN羞晶層57生長。而後,藉由在 InGaN磊晶層57上生長η型之AlGaN而形成第二層51B。 圖9顯示異常生長結果所形成之第一層51A。在基板46上 之蟲晶生長’即使堆疊之層的材質係AlGaN,往往因各種 原因而如第一層51A地異常生長。發光元件ic係在第一層 5 1A上生長包含InzGai.zN(0 < z‘ 1)之InGaN磊晶層57。如 此’即使因基板46之主面46a被污染或高缺陷區域i4c表面 之結晶品質顯著降低,造成中間層51之第一層51A異常生長 而無法充分平坦化時,藉由在其第一層51A上生長包含 InGaN之層,仍可獲得平坦之表面57ae 繼續,顯示對第二種實施形態之實施例。 (第一種實施例) 首先’第一種實施例係作成發出藍色光之發光元件1A。 首先’將包含氮化鎵單晶之晶圓狀之基板14配置於感應 器18上之托盤20内,將流路12内之壓力(爐内壓力)保持在 101 kPa ’同時於流路12内導入氨氣及氫氣,將基板14之溫 度保持在1050 °C 10分鐘,來進行主面60a之洗滌。其次,分 別將基板溫度保持在1050°C,爐内壓力保持在101 kPa,於 流路12内導入TMA、TMG、氨氣及矽烷,生長包含厚度為 5 0 nm之η型Al0.07Ga0.93N之中間層24。而後,在保持基板溫 度及爐内壓力情況下,進一步生長包含厚度為2 μιη之η型氮 化鎵而成為η型緩衝層50之上層26,來作成氮化鎵磊晶基板 94047-1000427.doc •33· 28 » 28 »1352378 其次’將基板溫度降低至800°C,經過3周期交互生長包 含厚度為15 nm之InGaN之障壁層及包含厚度為3 nm之 InGaN之井層’而形成發光層66。而後,再度將基板溫度上 昇至1000°C於流路12内導入TMA、TMG、氨氣及Cp2Mg, 生長包含厚度為20 rim之p型Alo.uGaQ.sgN之p型覆蓋層68。 而後。導入TMG、氨氣及Cp2Mg,生長包含厚度為5〇 ηιη《 P型氮化鎵之p型接觸層70。 圖10係藉由微分干擾顯微鏡拍攝本實施例所作成之發光 元件1A之p型接觸層70表面之照片。如圖10所示,可知p型 接觸層7〇之表面凹凸減少而成為平坦之面。由於最上層之p 型接觸層70表面之狀態,係反映其下層之p型覆蓋層68、發 光層66及上層26之界面(生長面)之狀態,因此從圖1〇所示之 照片亦可推測p型覆蓋層68、發光層66及上層26之界面係平 坦。 而後’在氮化鎵基板2 8之背面形成陰極電極5 8A,在p型 接觸層70上形成陽極電極58B。而後,將氮化鎵基板28分割 成元件,來完成發光元件1A。於發光元件1A内連續流入電 流’而施加於裸晶片(進行封裝前之元件)時,電流值為2〇 mA時之發光波長為450 nm,可獲得發光量3mw。 進一步’本發明人於本實施例中,設定各種中間層48厚 度及紹組成比來嘗試製作發光元件1Α»圖11A係顯示就13 個厚度及鋁組成比作成之中間層48,調查有無龜裂(Crack) 結果之圖式。圖11A合併顯示中間層48之膜厚及自p]L波長 94047-1000427.doc •34- 1352378 導出之鋁組成比χ。 圖11Β係就圖11Α所示之13個中間層48,顯示厚度及鋁組 成比與有無龜裂之關係圖。參照圓11Β可知以直線Α(厚度= ·5χ+1.2,〇<χ<0·24)為邊界,中間層銘之有無龜裂明顯不 同。亦即,發現鋁組成比\在〇< χ< 〇 24之範圍内時,若中 間層48之厚度未達(_5χ+1 2) μιη,則不發生龜裂中間層料 適切生長。 (第二種實施例) 繼續,第二種實施例作成發出藍色光之發光元件⑺◊首 先,將基板14配置於托盤20内,並與第一種實施例同樣地 進行主面14a之洗滌。其次’分別將基板溫度保持在 1050C ’將爐内壓力保持在i〇ikPa,同時於流路12内導入 TMA、TMG、氨氣及矽烷,交互10周期堆疊厚度為1〇 nm 之η型Alo.MGao·86!^及厚度為1〇 nm之η型氮化鎵,而生長中 間層。而後’與第一種實施例同樣地生長η型緩衝層、發光 層'Ρ型覆蓋層及ρ型接觸層。藉由微分干擾顯微鏡觀察如 此生長之ρ型接觸層表面時,與第一種實施例同樣地,係平 坦地形成該表面。 而後’在基板14之背面形成陰極電極58Α,在ρ型接觸層 上形成陽極電極58Β。而後,將基板14分割成元件來完成發 光元件1Β。在如此作成之發光元件1Β内連續施加電流至裸 晶片時,電流值為20 mA時之發光波長為450 nm,可獲得發 光量5 mW。 (實驗例) 94047-1000427.doc -35· 1352378 繼續’顯示驗證上述各種實施例之效果用之比較例。此 處之比較例係作成不具中間層之發光元件。 首先將包含氮化鎵單晶之基板配置於感應器18上之托盤 20内,並與第一種實施例同樣地進行主面之洗滌。其次, 分別將基板溫度保持在1050它,將爐内壓力保持在1〇1 kPa,同時在流路12内導入TMG、氨氣及矽烷,生長厚度為 2 μπι之η型氮化鎵。而後,與第一種實施例同樣地依序生長 發光層、ρ型覆蓋層及ρ型接觸層。 圖12係藉由微分干擾顯微鏡拍攝本比較例作成之發光元 件之Ρ型接觸層表面之照片。如圖12所示,可知本實驗例之 Ρ型接觸層表面有許多凹凸,平坦性不佳。因此可推測ρ型 覆蓋層、發光層及η型緩衝層之界面之平坦性亦不佳。 而後,在基板之背面形成陰極電極,在接觸層上形成 陽極電極。而後’將基板分割成元件,來完成發光元件。 在如此作成之發光元件内連續流入電流而施加於裸晶片 時,電流值為20mA時之發光波長為450 nm,而僅可獲得發 光量lmW。藉此證明上述各種實施例藉由在基板上具備中 間層而可提高發光元件之裝置特性。 本發明並不限定於上述實施形態及實施例,而可作各種 變形。如構成中間層之AlxGa丨_XN(0 < xg 1)及AlyGa丨.yN (〇SyS 1)之組成並不限定於x=〇.〇8及x=〇.l6,y=0,而可適 切增減。此外,構成InGaN蟲晶層之InzGa^zN之組成並不限 定於z=0.10,在0<ζ$1之範圍内可適切_減。此外,基板 之材料除上述之單晶氮化鎵之外,即使使用多晶氮化鎵, 94047-1000427.doc -36 - 1352378 仍可適切獲得本發明之效果。 此外,上述第二種實施形態令,係於中間層上形成n型半 導體區域,而在其上央著活性層而形成?型半導體區域,不 過亦可在中間層上形成p型半導體區域,而在其上夾著活性 層形成n型半導體區域。 此外,上述第二種實施形態之本發明之氮化物半導體元 件係以發光元件為例’不過本發明並不限定於此,亦可適 切用於包含III族氮化物之具有㈣區域及ρ型區域之電晶體 在適切之實施形態中’係圖式顯示及說明本發明之原 理’不過該業者瞭解本發明在不脫離其原理範圍内,直配 置及細部内容可變[如電容比及電容器尺寸、電容值、 信號時間'檢測方法與控制信號數量及性f可依需要變 更。因此,就中請專利範圍及其精神範圍内之全部修正及 變更主張權利。 【圖式簡單說明】 圖1係顯示用於製作本發明第一種實施形態之氮化鎵基 板之氣相生長裝置圖。 圖2A係顯示氮化鎵基板表面—部分之平面圖。圖2B係顯 示氮化鎵基板,且係沿著圖2八所示之W線之剖面圖。 圖3A、圖3B、圖3C係顯示製作氮化嫁為晶基板之程序圖。 圖4A、圖4B、圖4C、圖4D、圖4E係顯示製作氮化鎵蟲晶 基板之程序圖。 圖5A、圖5B、圖5C、圖5D、 圖5E係顯示製作氮化鎵磊晶 94047-1000427.doc -37· 基板之程序圖。 ’、顯示本發明第二種實施形態之發光元件之剖面圖。 ®7A' ®7B、圖7C、_、圖_顯示製作氮化鎵磊晶 基板之程序圖。 圖8係顯示發光元件之剖面圖。 圖9係顯示發光元件之剖面圖。 圖1〇係藉由微分干擾顯微鏡拍攝來顯示第一種實施形態 中製作之發光元件之P型接觸層表面之圖式。 圖11係就13個中間層顯示中間層之鋁組成與厚度之關係 以及有無龜裂之圖式。 圖11B係就列於圖11Ai 13個中間層顯示中間層之鋁組 成與厚度之關係以及有無龜裂之圖式。 圖12係藉由微分干擾顯微鏡拍攝來顯示另一種製作之發 光元件之p型接觸層表面之圖式。 圖13係顯示氮化鎵蟲晶基板表面之剖面圖。 圖14A係顯示氮化鎵基板之剖面圖式。圖143、圖14(::' 圖14D係顯示在具有高缺陷區域之氮化鎵基板上生長氮化 鎵同質磊晶層之圖式。 【主要元件符號說明】 10 氣相生長裝置 12 流路 12A 上游流路 12B 中間流路 12C 下游流路 94047-1000427.doc •38· 1352378 14 基板 14a 主面 14b 背面 14c 南缺陷區域 14d 低缺陷區域 16 加熱器 18 感應器 20 托盤 22 噴嘴 24 中間層 24a 表面 24A 中間層 24B 中間層 24C 中間層 26 上層 26a 生長面 28 氮化嫁蟲晶基板 28A 氮化蘇蠢晶基板 28B 氮化鎵基板 30 電極 32 蠢晶溥膜 34 InGaN_^ 晶層 34a 生長面 40 基板 94047-1000427.doc •39- 1352378 40a 表面 40b 部分區域 40c 密度缺陷區域 42 氣化嫁同質蟲晶層 42a 凹坑 44 乳化錄蠢晶基板 46 基板 46a 主面 46b 背面 48 中間層 48a 表面 49 中間層 49A 第一層 49B 第二層 50 η型缓衝層 51 中間層 51A 第一層 51B 第二層 52 發光層 52a 區域 53 η型氮化物半導體區域 54 Ρ型覆蓋層 55 Ρ型氮化物半導體區域 56 Ρ型接觸層 94047-1000427.doc -40· 1352378 57 InGaN磊晶層 57a 表面 58A 陰極電極 58B 陽極電極 66 發光層 68 P型覆蓋層 70 P型接觸層 ΙΑ 發光元件 IB 發光元件 1C 發光元件 94047-1000427.doc •41 -
Claims (1)
1352378 十、申請專利範圍: 1. 一種氮化鎵基板,其具備:包含1個低缺陷區域與數個高 缺陷區域之氮化鎵單晶基板,前述低缺陷區域具有貫穿 錯位之第一密度,各高缺陷區域具有貫穿錯位之第二密 度,前述低缺陷區域包圍各個前述高缺陷區域,前述高 缺陷區域之前述第二密度大於前述低缺陷區域之前述第 一密度’前述低缺陷區域及各高缺陷區域露出於該氮化 嫁早晶基板之主面; 設於前述氮化鎵單晶基板之前述主面上之第一 AlxGai_xN(0< 1)之蟲晶申間層;及 設於前述AlxGa^N中間層上之氮化鎵磊晶層; 其中前述第一 AlxGa,_xN磊晶中間層包含碳,前述第一 AlxGai_xN磊晶中間層之碳濃度為ixi〇i8cm-3以下。 2. 如請求項1之氮化鎵基板,其中在前述氮化鎵單晶基板之 前述主面上,前述高缺陷區域之密度為1〇〇[個/crn2]以上。 3. —種氮化鎵基板,其具備: 氮化嫁早晶基板; 磊晶生長於前述氮化鎵單晶基板上之第一 AlxGaixN(〇 1)磊晶中間層;及 磊晶生長於前述第一 AlxGai_xN中間層上而包含氮化鎵 之上層; 其中前述第一 AlxGai.xN磊晶中間層包含碳,前述第一 AlxGai.xN磊晶中間層之碳濃度為1χ1〇丨8cm-3以下。 4_如吻求項1至3中任一項之氮化鎵基板,其中在前述第一 94047-1000427.doc 1352378 AlxGaKxN蟲晶中間層内添加有摻雜物,該摻雜之第一 A1xGaKxN磊晶中間層具有n型或p型之傳導性。 5·如請求項1至3中任一項之氮化鎵基板,其係進一步具 備.第二AlyGai-yN(〇^ yg i,羚χ)磊晶中間層;及 =三AUGakNOSzSi,蛘y)磊晶中間層; 刖4第二AlyGawN磊晶中間層及第三八“以丨zN磊晶中 1層之組成與别述第一八丨…心^磊晶中間層不同,前述 第AlxGa]_xN磊晶中間層、前述第二AlyGai yN磊晶中間 層及則述第二AlzGa^N磊晶中間層係配置成構成超晶格 構造。 如"月求項1至3中任一項之說化嫁基板,其係進一步具備 第四磊晶中間層, 並進一步具備設於前述第一 AlxGaixN磊晶中間層與前 述第四AUGa^N蟲晶中間層間之InvGa〗 vN(〇<vg J)蟲晶 層。 7. 如明求項1至3中任一項之氮化鎵基板,其中前述第一 AlXGai_xN磊晶中間層包含厚度未達(·5χ+ι 2)㈣之 AlxGa]-xN(〇< χ〈 〇 24) 〇 8. 一種製造11化鎵基板之方法,其具有:在包含1個低缺陷 區域及數個高缺陷區域之氮化鎵單晶基板之前述主面 上,磊晶生長第一AlxGa】_xN(0<Xgl)中間層之步驟;前 述低缺陷區域具有貫穿錯位之第一密纟,各高缺陷區域 具有貫穿錯位之第二密度,前述低缺陷區域包圍各個前 述尚缺Ρί3區域,前述高缺陷區域之前述第二密度大於前 94047-1000427.doc *2- 1352378 述低缺陷區域之前述第一密度,前述低缺陷區域及前述 高缺陷區域露出於該氮化鎵單晶基板之表面;及 將包3氣化録之上層蟲晶生長於前述第一 AlxGai_xN中 間層上之步驟; 其中前述第一 AlxGa^xN中間層内包含碳,前述第— AUGahNt間層之碳濃度為ixi〇18cin-3以下。 9. 如請求項8之氮化鎵基板之製造方法,其中前述氮化鎵單 晶基板之前述主面之高缺陷區域之密度為1〇〇[個/cin”以 上。 10. 一種氮化鎵基板之製造方法,其具有以下步驟: 在氮化鎵單晶基板上磊晶生長第一 AlxGai-xN(〇 < x各i) 中間層;及 在前述第一 Α1χ〇3^χΝ中間層上磊晶生長包含氮化鎵之 上層; 其中前述第一 Α1χ〇&1·χΝ中間層内包含碳,前述第— AlxGai.xN中間層之碳濃度為lxl〇i8cm-3以下。 11. 如請求項8至1〇中任一項之氮化鎵基板之製造方法,其中 於形成前述第一 AlxGai xN中間層時添加摻雜物,使前述 第一 AlxGa^N中間層形成n型或p型。 12. 如請求項8至10中任一項之氮化鎵基板之製造方法,其係 進一步具備以下步驟: 於形成前述第一 AlxGai-xN中間層後,形成第二 AlyGa 丨-yN(0蕊 ys 1 ’ y/χ)中間層;及 於形成前述第一 AlxGaNXN中間層後,形成第三 94047-1000427.doc 1352378 AlzGahls^OSzS 1,z^y)中間層; 前述第二AlyGai.yN中間層及第三AizGai_zN中間層之組 成與前述第一 AlxGaNxN中間層不同,前述第一AlxGai χΝ 中間層、前述第二AlyGai-yN中間層及前述第三AlzGai.zN 中間層係構成超晶格構造。 13. 14. 15. 16. 如請求項8至10中任一項之氮化鎵基板之製造方法,其係 進一步具備以下步驟: 形成第四AlvGa丨·νΝ(〇< 1,z#y)中間層;及 形成設於前述第一 AlxGaNxN中間層與前述第四 AlvGa〗.vN中間層間之InwGabwN(0< 〇磊晶層。 如請求項8至10中任一項之氮化鎵基板之製造方法,其中 前述第一 AlxGai_xN中間層包含厚度未達(·5χ+ι.2)μπΐ2 AlxGaj-xis^O < χ< 0.24)。 如請求項8至10中任一項之氮化鎵基板之製造方法,其中 前述第一 AlxGa〗-xN*間層及前述上層係在80 kPa以上之 壓力下生長。 一種氮化物半導體元件,其具備:包含1個低缺陷區域與 數個高缺陷區域之氮化鎵單晶基板,前述低缺陷區域具 有貫穿錯位之第一密度,各高缺陷區域具有貫穿錯位之 第二密度,前述低缺陷區域包圍各個前述高缺陷區域, 前述高缺陷區域之前述第二密度大於前述低缺陷區域之 前述第一密度,前述低缺陷區域及前述高缺陷區域露出 於該氮化鎵單晶基板之表面; 設於前述氮化鎵單晶基板之前述主面上之第一 94047-1000427.doc -4- 1352378 AlxGai.xN(0 <χ$1)遙晶中間層;及 設於前述第一 AlxGai-χΝ蠢晶中間層上之η型氮化物半 導體區域及ρ型氮化物半導體區域; 其中前述第一 AlxGa^xN磊晶中間層内含碳,該中間層 之碳濃度為lxl〇18cm·3以下。 17. 如請求項16之氮化物半導體元件,其中前述氮化鎵單晶 基板之前述主面上之前述高缺陷區域之密度為1〇〇[個 /cm2]以上。 18. 如請求項16或17之氮化物半導體元件,其中前述η型氮化 物半導體區域或前述ρ型氮化物半導體區域包含由磊晶 生長於前述第一 AUGahN中間層上之氮化鎵所成之上 層。 19. 如請求項16或17之氮化物半導體元件,其係在前述n型氮 化物半導體區域與前述ρ型氮化物半導體區域之間進一 步具備發光層; 别述η型氮化物半導體區域及前述ρ型氮化物半導體區 域分別包含覆蓋層。 20. 如請求項19之氮化物半導體元件,其係進一步具備:陰 極電極及陽極電極,前述氮化鎵單晶基板位於前述陰極 電極及前述陽極電極之間,前述發光層具有發光用之區 域,前述發光層之該區域設於至少一部分之前述高缺陷 區域上,前述區域位於前述陰極電極及前述陽極電極之 間。 21. 如請求項16或17之氮化物半導體元件,其中前述中間層 94047-1000427.doc 添加摻雜物而具有n型或p型之傳導性。 D月求項16或17之氮化物半導體元件,其係進一步具備: 第一 AlyGahyNOS y $ 1 ’ y矣x)磊晶中間層;及 第二Al^GabzNCOS 1,z襄y)磊晶中間層; 刖述第二AlyGa丨-yN磊晶中間層及第三AlzGa] zN磊晶中 間層之組成與前述第一 AlxGai χΝ磊晶中間層不同,前述 第AlxGa!-xN磊晶中間層、前述第二AlyGa^yN磊晶中間 層及别述第二AUGa^N磊晶中間層配置成構成超晶格構 造。 23. 如請求項16或17之氮化物半導體元件,其係進一步具備 第四AluGa丨-uN(0<u$l)磊晶中間層; 並進一步具備設於前述第一 AlxGaixN中間層與前述第 四AlvGa丨·VN中間層間之InwGa】 wNwswsu磊晶層。 24. 如請求項16或17之說化物半導體元件,其中前述中間層 包含厚度未達(-5x+1.2hn^AIxGa 丨·χΝ(〇<χ<〇24)。 25· -種氮化物半導體元件之製造方法,丨㈣:在包含“固 低缺陷區域及數個高缺陷區域之氮化鎵單晶基板之前述 主面上,磊晶生長第一 AlxGa〗_xN(0 < 1}中間層之步 騾;前述低缺陷區域具有貫穿錯位之第一密度,各高缺 陷區域具有貫穿錯位之第二密度,前述低缺:區域:圍 各個前述高缺陷區域,前述高缺陷區域之前述第二密度 大於前述低缺陷區域之前述第一密《,前4低缺陷區域 及前述高缺陷區域露出於該氮化鎵單晶基板之表面;及 在前述第一 A】xGai-xN中間層上形成n型氮化物半導體 94047-1000427.doc 1352378 區域及p型氮化物半導體區域之步驟; 並且在80 kPa以上之壓力下分別生長前述中間層、前述 Π型氮化物半導體區域及前述p型氮化物半導體區域· 其中别述第一 AlxGa^xN蟲晶中間層内含碳,該中間声 之碳濃度為lx1018cm·3以下。 26. 如凊求項25之氮化物半導體元件之製造方法,其中前述 氮化鎵單晶基板之前述主面之前述高缺陷區域之密度為 100[個 /cm2]以上。 27. 如請求項25或26之氮化物半導體元件之製造方法,其中 前述第一 AlxGa丨·ΧΝ中間層包含厚度未達(_5χ+1·2) μηΐ2 AUGabxNiiX χ< 0.24)。 94047-1000427.doc
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