TWI534861B - A template for epitaxial growth and a method for producing the same, and a nitride semiconductor device - Google Patents

A template for epitaxial growth and a method for producing the same, and a nitride semiconductor device Download PDF

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TWI534861B
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Akira Hirano
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Soko Kagaku Co Ltd
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Description

磊晶生長用模板及其製作方法以及氮化物半導體裝置
本發明係關於成為使GaN系化合物半導體層(一般式：AlxGayIn1-x-yN)磊晶生長之基底的磊晶生長用模板及其製作方法以及GaN系氮化物半導體裝置。
自以往，發光二極體或半導體雷射等之GaN系氮化物半導體裝置係藉由在磊晶生長用模板上生長多層構造之GaN系化合物半導體層而製作出(例如，參照非專利文獻1)。圖7表示典型上以往之GaN系發光二極體之結晶層構造。圖7所示之發光二極體係在藍寶石基板101上形成由AlN所構成之基底層102，以光微影技術和反應性離子蝕刻形成周期性之溝構造之後，形成ELO-AlN層103，具有在該ELO-AlN層103上，依序疊層膜厚2μm之n型AlGaN之n型包覆層104、AlGaN/GaN多量子井活性層105、Al組成比高於多量子井活性層105之膜厚為20nm的p型AlGaN之電子阻擋層106、膜厚為50nm之p型AlGaN之p型包覆層107、膜厚為20nm之p型GaN之接觸層108之疊層構造。多量子井活性層105具有疊層5 層以膜厚8nm之AlGaN障壁層夾著膜厚2nm之GaN井層之構造的構造。結晶生長後，蝕刻除去其上方之多量子井活性層105、電子阻擋層106、p型包覆層107及接觸層108至n型包覆層104之一部分表面露出為止，在接觸層108之表面形成例如Ni/Au之p-電極109，在露出之n型包覆層104之表面形成例如Ti/Al/Ti/Au之n-電極110。藉由將GaN井層當作AlGaN井層，使Al組成比或膜厚變化，進行發光波長之短波長化，或式藉由添加In，進行發光波長之長波長化，可以製作波長從200nm至400nm左右之紫外線區域之發光二極體。即使針對半導體雷射亦可以類似之構成製作。在圖7所示之結晶層構造中，藉由藍寶石基板101和AlN基底層102和ELO-AlN層103，形成磊晶生長用模板。
該模板表面之結晶品質直接對被形成在其上層之GaN系化合物半導體層之結晶品質造成影響，其結果，對所形成之發光元件等之特性影響很大。尤其，在紫外線區域之發光二極體或半導體雷射之製作中，以使用貫穿插排密度為107/cm2以下，較佳為降低至106/cm2左右之模板為理想。如圖7所示般，在具有周期性之溝構造的AlN基底層102上，當使用橫向生長(ELO：Epitaxial Lateral Overgrowth)法使ELO-AlN層103磊晶生長時，由於以從溝和溝之間的凸部平坦面生長之AlN層覆蓋溝上方之方式在橫方向生長，並且從該平坦面生長之貫穿插排也藉由橫方向生長被集中在溝上方，故大幅度降低貫穿插排 密度。
但是，在由圖7所示之藍寶石基板和AlN基底層和ELO-AlN層所構成之模板中，使AlN基底層生長之後，一旦從磊晶生長用之反應室內取出試料(基板)，必須以光微影技術和反應性離子蝕刻在AlN基底層之表面形成周期性之溝構造。因此，無法連續性地使AlN基底層和ELO-AlN層連續性地生長，會導致製造工程之繁雜化及處理量下降，成為製造成本高漲之主要原因。
另外，為了省略結晶生長工程間之蝕刻加工而緩和製造工程之繁雜化及處理量下降，提案有以光微影技術和反應性離子蝕刻等在藍寶石基板之表面直接形成周期性之溝構造，並在其藍寶石基板上直接形成ELO-AlN層使成為磊晶生長用模板之方法(例如，參照專利文獻1、非專利文獻2、非專利文獻3)。由於為了在溝構造之基板表面生長ELO-AlN層，從溝底部生長之AlN層，和從溝和溝之間的凸部平坦面橫向生長之AlN層必須分離，故形成在藍寶石基板表面之溝以越深越佳，但是由於藍寶石基板蝕刻率低加工困難，故在淺溝構造中，必須使低貫穿插排密度之ELO-AlN層生長。
於在藍寶石基板不使用橫向生長法而生長AlN層之情形下，顯然藉由使用橫向生長法被解消之問題被表露化，要製作無裂紋、低貫穿插排密度且結晶之表面性狀良好之模板極為困難。
在此，就以在藍寶石基板上不使用橫向生長 而生長AlN層，製作出無裂紋，低貫穿插排密度且結晶之表面性狀良好之模板的方法，提案有例如將下述AlN層設為交互疊層連續性地供給Al原料之TMA(三甲基鋁)，並間歇性供給N原料之NH3(氨)而生長之脈波流AlN層，和分別連續供給TMAl和NH3而生長之連續AlN層之多層構造的方法(參照非專利文獻4)。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特許第3455512號公報
[非專利文獻]
[非專利文獻1]Kentaro Nagamatsu, et al., “High-efficiency AlGaN-based UV light-emitting diode on laterally overgrown AlN”, Journal of Crystal Growth, 310 , pp.2326-2329, 2008
[非專利文獻2]N.Nakano, et al., “Epitaxial lateral overgrowth of ALN layers on patterned sapphire substrates”, Phys.Status Solidi (a)203, No.7, pp.1632-1635, 2006
[非專利文獻3]J.Mei, et al., “Dislocation generation at the coalescence of aluminum nitride lateral epitaxy on shallow-grooved sapphire substrates”, Applied Physics Letters 90, 221909, 2007
[非專利文獻4]H.Hirayama, et al., “222-282nm AlGaN and InAlGaN-based deep-UV LEDs fabricated on high-quality AlN on sapphire”, Phys.Status Solidi A 206, No. 6, 1176-1182 (2009)
如上述般，在藍寶石基板上藉由橫向生長法生長AlN層而形成的模板中，必須在藍寶石基板或ELO-AlN層之基底層藉由蝕刻等形成溝構造，不管形成溝構造之對象，存在與溝構造之形成有關之問題。
再者，在上述非專利文獻4中所揭示之方法中，藍寶石基板上不使用橫向生長法而生長AlN層，可製作出無裂紋，低貫穿插排密度且結晶之表面性狀良好之模板，但是必須控制NH3之供給方法而使核形成AlN層，和強調橫向生長掩埋該核形成AlN層之微小突起之覆蓋AlN層之後，使在其上方藉由連續供給原料之AlN層高速生長，使成為重覆疊層該3層構造之多層構造，AlN層之生長時之控制成為繁雜化。
本發明係鑒於上述問題點而創作出，其目的在於將具有再藍寶石基板上生長AlN層之構造的磊晶生長用模板，可以不使用橫向生長法或繁雜生長控制可以簡便地使AlN層生長，並且製作出無裂紋、低貫穿插排密度且結晶之表面性狀良好之模板。
本案發明者藉由精心研究，找出在AlN層生長開始前或開始時，分散在藍寶石基板之表面而存在微量之Ga原子，藉由其基板和AlN層之界面附近區域之Ga濃度為特定範圍內，在其上方，不使用橫向生長法或複雜原料供給法而使AlN層生長，依此可以製作出無裂紋，低貫穿插排密度且結晶之表面性狀良好之模板，而完成本案發明。
為了達成上述目的，本發明提供一種模板之製作方法，其係成為在藍寶石基板之表面上具有AlN層，並使GaN系化合物半導體層磊晶生長之基底的模板之製作方法，其特徵在於：具有對藍寶石基板之表面分散供給Ga原子之表面處理工程，和在上述藍寶石基板上使AlN層磊晶生長之AlN生長工程，取得在除了從上述AlN層之表面深達100nm的表面附近區域外的上述AlN層之內部區域中，藉由二次離子質譜分析法所取得之Ga濃度之垂直於上述藍寶石基板表面之深度方向的濃度分布中之上述Ga濃度之最大值的上述深度方向之位置，存在於從上述藍寶石基板之界面朝上述AlN層側間隔開400nm之位置的界面附近區域內，上述Ga濃度之最大值成為3×1017atoms/cm3以上、2×1020atoms/cm3以下。
並且，在上述特徵之模板之製作方法中，作為較佳之一態樣，在上述表面處理工程中，對進行上述 AlN生長工程之生長室內供給成為Ga之原料的化合物。
並且，在上述特徵之模板之製作方法中，作為較佳之一態樣，於上述表面處理工程之結束後、與上述表面處理工程之開始同時，或上述表面處理工程之途中之任一時序，開始上述AlN生長工程。
並且，作為上述特徵之模板之製作方法之較佳一態樣，在上述二次離子質譜分析法中所使用之一次離子種為O2 +。
並且，為了達成上述目的，本發明提供一種磊晶生長用模板，其特徵為：在表面分散存在Ga原子之藍寶石基板，和在上述藍寶石基板上磊晶生長而構成之AlN層，取得在除了從上述AlN層之表面深達100nm的表面附近區域外的上述AlN層之內部區域中，藉由二次離子質譜分析法所取得之Ga濃度之垂直於上述藍寶石基板表面之深度方向的濃度分布中之上述Ga濃度之最大值的上述深度方向之位置，存在於從上述藍寶石基板之界面朝上述AlN層側間隔開400nm之位置的界面附近區域內，上述Ga濃度之最大值成為3×1017atoms/cm3以上、2×1020atoms/cm3以下。
並且，作為上述特徵之磊晶生長用模板之較佳一態樣，在上述二次離子質譜分析法中所使用之一次離子種為O2 +。
又本發明提供一種氮化物半導體裝置，其特徵在於具備：具備上述特徵之磊晶生長用模板，和在上述 模板上磊晶生長而構成之一層以上之GaN系化合物半導體層。
若藉由上述特徵之磊晶生長用模板及其製作方法時，對成為使GaN系化合物半導體層磊晶生長之基底的模板而言，可以不使用橫向生長法或複雜之原料供給法，簡便地取得無裂紋，低貫穿插排密度且結晶之表面性狀良好者。
上述效果之理由並不明確，但是推測為由於藍寶石基板和AlN之間的晶格失配所產生之應力集中局部產生在藍寶石基板之表面，而到達至裂紋產生之前，分散存在於藍寶石基板之表面的微量且適量之Ga原子成為核，該應力被分散之結果，裂紋之產生被抑制。
由上述之結果，不會導致製造成本高漲，可以取得高結晶品質之形成在上述特徵之磊晶生長用模板之上層的GaN系化合物半導體層，謀求以該GaN系化合物半導體層所構成之半導體元件的高性能化。
1‧‧‧磊晶生長用模板
2‧‧‧藍寶石基板
3‧‧‧AlN層
4‧‧‧Ga原子
圖1為模式性表示與本發明有關之磊晶生長用模板之製作方法之第1實施例之工程的工程剖面圖。
圖2為模式性表示與本發明有關之磊晶生長用模板之 製作方法之第2實施例之工程的工程剖面圖。
圖3為模式性表示與本發明有關之磊晶生長用模板之製作方法之第3實施例之工程的工程剖面圖。
圖4為表示整理以與本發明有關之磊晶生長用模板之製作方法及與此類似之製作方法所製作出之模板之樣本之表面性狀之複數測定結果而予以表示之一覽表。
圖5為表示圖4所示之樣本內之樣本#15及#17之Ga濃度分布圖。
圖6為表示圖4所示之樣本內之樣本#32~#34及#39之Ga濃度分布圖。
圖7為模式性表示典型的以往GaN系發光二極體之結晶層構造的剖面圖。
根據與本發明有關之磊晶生長用模板之製作方法(以下，適當稱為「本製作方法」)及與本發明有關之氮化物半導體裝置所包含之磊晶生長用模板(以下，適當稱為「本模板」)之實施型態，根據圖面進行說明。
圖1(a)~(c)係模式性表示本製作方法之第1實施例(以下，稱為第1製作方法)之工程的工程剖面圖，圖2(a)~(d)為模式性表示本製作方法之第2實施例(以下，稱為第2製作方法)之工程的工程剖面圖，圖3(a)~(c)為模式性表示本製作方法之第3實施例(以下，稱為第3製作方法)之工程的工程剖面圖，分別表示本模板之製作 途中和製作後之剖面構造。並且，在圖1~圖3中，為了容易理解說明，強調重要部位而表示，圖中之各部之尺寸比不一定要與實際一致。
首先，即使在第1~第3製作方法中之任一中，準備藍寶石基板2，收容在使AlN層3磊晶生長之反應室內(無圖示)(參照圖1(a)、圖2(a)、圖(a))。在本實施型態中，AlN層3藉由眾知之有機金屬化合物氣相生長(MOVPE)進行磊晶生長。
在第1製作方法中，接著以特定之流量及時間將在MOVPE下成為Ga之原料(前驅體)之TMG(三甲基鎵)供給至該反應室內，並且對藍寶石基板2之表面分散供給Ga原子4(表面處理工程：參照圖1(b))。並且，藉由眾知之MOVPE使表面被供給Ga原子4之藍寶石基板2上磊晶生長AlN層3(AlN生長工程：參照圖1(c))。在第1製作方法之AlN生長工程中，通過處理期間停止TMG之供給。
在第2製作方法中，接著以特定之流量及時間將在MOVPE下成為Ga之原料(前驅體)之TMG(三甲基鎵)供給至該反應室內，並且對藍寶石基板2之表面分散供給Ga原子4(表面處理工程：參照圖2(b)、(c))。與上述第1製作方法不同之點係在表面被供給Ga原子4之藍寶石基板2上，從表面處理工程之途中，以眾知之MOVPE使AlN層3磊晶生長之點(AlN生長工程：參照圖2(c)、(d))。因此，在第2製作方法中，表面處理工程之 結束前之一時期和AlN生長工程之開始後之一時期重疊(參照圖2(c))，在表面處理工程之結束後停止TMG之供給。
在第3製作方法中，接著以特定之流量及時間將在MOVPE下成為Ga之原料(前驅體)之TMG(三甲基鎵)供給至該反應室內，並且對藍寶石基板2之表面分散供給Ga原子4(表面處理工程：參照圖3(b))。與上述第1及第2製作方法不同之點係在表面被供給Ga原子4之藍寶石基板2上，與表面處理工程之開始同時，以眾知之MOVPE使AlN層3磊晶生長之點(AlN生長工程：參照圖3(b)、(c))。因此，在第3製作方法中，表面處理工程之全期間和AlN生長工程之開始後之一時期重疊(參照圖3(b))，在表面處理工程之結束後停止TMG之供給。
如圖1(c)、圖2(d)及圖3(c)所示般，本模板1具備藍寶石(0001)基板2和AlN層3而構成，在藍寶石基板2之表面分散存在Ga原子4，Ga原子4之一部分從藍寶石基板2之表面朝向AlN層3內擴散某程度而存在。即使在第1~第3製作方法中之任一者中，取得在除了從AlN層3內之表面深達100nm的表面附近區域外的內部區域中之Ga濃度之深度方向(垂直於藍寶石基板2之表面的方向)的濃度分布中之Ga濃度之最大值的該深度方向之位置，存在於從藍寶石基板2和AlN層3之界面朝AlN層3側間隔開400nm左右之位置的界面附近區域內，並且TMG之供給量(例如，流量、時間等)被調整成該Ga濃度 之最大值成為3×1017atoms/cm3以上、2×1020atoms/cm3以下。並且，該Ga濃度之最大值相對於AlN層3，為雜質濃度位準之低位，並非以AlGaN均勻之層被明確形成在AlN層3內和藍寶石基板2的界面附近的位準。
在上述之要領中，藉由本製作方法，製作出表面緻密且平坦，無裂紋之磊晶生長用模板(本模板1)。
AlN層3之膜厚以一例而言，為1μm~10μm左右，AlN生長工程中之生長溫度以一例而言，被設定在較AlN之結晶化溫度高溫之1230℃~1350℃之溫度範圍內，壓力被設定成50Torr以下左右。在本實施型態中，屬於Al及N之原料(前軀體)之TMA(三甲基鋁)和NH3(氨)係在特定之流量比(NH3/TMA)之範圍內，任一者皆連續性地被供給。並且，上述各設定條件之最佳值因依存於所使用之反應室等之裝置而變化，故因應所使用之裝置而適當調整。
在第2及第3製作方法中，表面處理工程中之溫度及壓力條件成為與AlN生長工程同樣之條件，與第1製作方法及第2製作法中於AlN生長工程前之部分的溫度及壓力條件也可以設成與AlN生長工程相同之條件，但是例如壓力條件及使設定成較AlN生長工程高壓(例如，100Torr左右)亦可。
以下，針對以第1~第3製作方法所製作出之本模板1之樣本，和以僅第1~第3製作方法和表面處理工程中之TMG之供給條件不同之類似之製作方法(第1~ 第3類似製作方法)所製作出之樣本，參照圖面說明評估其表面性狀之結果。在第1~第3製作方法中所製作之樣本之表面性狀良好，為上述Ga濃度之最大值成為上述理想範圍內(3×1017~2×1020atoms/cm3)之良品樣本，以上述各類似製作方法中所製作出之樣本，產生裂紋之表面性狀不良，且上述Ga濃度之最大值成為上述理想範圍外(未滿3×1017atoms/cm3或大於2×1020atoms/cm3)之不良樣本。以下，為了方便說明，將第1製作方法和第1類似製作方法總稱為第1方法，將第2製作方法和第2類似製作方法總稱為第2方法，將第3製作方法和第3類似製作方法總稱為第3方法。
在本實施型態中，AlN層3內之Ga濃度藉由二次離子質譜分析法進行測定。但是，作為一次離子種，使用氧離子(O2 +)。一般而言，在離子質譜分析法中，使用銫離子(Cs+)或氧離子(O2 +)當作一次離子種，但在本實施型態中，使用AlN中之Ga之背景位準變得更低之氧離子。於一次離子種銫離子之時，因AlN中之Ga之背景位準成為2×1017~3×1017atoms/cm3，故有無法正確測定Ga濃度之最大值之上述理想範圍之下限附近或其以下之Ga濃度之問題點。對此，於一次離子種為氧離子之時，因在AlN中之Ga之背景位準成為1×1017atoms/cm3未滿(約4~8×1016atoms/cm3)，故可以測定上述理想範圍之下限附近或其以下之Ga濃度。
再者，除了從AlN層3之表面深達100nm之 表面附近區域外，求出AlN層3內之Ga濃度之最大值。該係因為藉由二次離子質譜分析法所測定之該表面附近區域之Ga濃度受到附著於AlN層3之表面之氧化物等之物質或該表面之帶電等之影響有可能無法正確進行測定之故。
成為規定上述界面附近區域之基準的藍寶石基板2和AlN層3之界面之深度(深度方向之位置)因在該界面氮濃度產生大變化，故可以從藉由二次離子質譜分析法所進行之氮濃度之測定結果把握。但是，界面之深度由於矩陣效果，能夠產生數10nm~100nm左右之誤差。因此，在本實施型態中，藉由將界面附近區域之範圍設為400nm較該誤差長，並且將Ga濃度之最大值設為評估基準，及使規定界面附近區域之界面之位置藉由該誤差在藍寶石基板2內偏離，在該界面之Ga濃度成為表觀上小的值，亦可以正確評估界面附近區域中Ga濃度與本模板1之表面性狀之關係。
圖4表示對以第1方法所製作出之樣本#11~#17、以第2方法所製作出之樣本#21~#23及以第3方法所製作出之樣本#31~#39之各樣本(任一者皆2吋晶圓)實施的以X射線搖擺曲線(XRC)法解析各表面之傾斜角分布(ω模式)，和扭轉分布(模式)之各半值寬FWHM(arcsec)之測量結果，及有無裂紋之目視檢查結果，並且表示對上述各樣本內之無裂紋的良品樣本和有裂紋之不良樣本中分別選擇出之一部分之樣本所進行之Ga濃度之測量結果。 圖4中之Ga濃度之值表示除表面附近區域之外的AlN層3之內部區域中之Ga濃度之最大值和界面附近區域內之Ga濃度之最大值。並且，在圖4所示之Ga濃度之測定中，因不進行氮濃度之測定，故藍寶石基板2和AlN層3之界面之位置從Ga濃度之變化推定。具體而言，將藉由從Ga濃度分布之曲線圖以目視暫時所設定之界面位置而決定之界面附近區域內成為Ga濃度之最大值之2分之1之值以上之最深位置，設定成界面之位置。
在樣本#11~#17之表面處理工程(第1方法)中，在0.005~0.1sccm之範圍調整流量，進行30秒間之TMG供給。在樣本#21~#23之表面處理工程(第2方法)中，至AlN生長工程開始為止，在0.005~0.4sccm之範圍調整流量，進行30秒間TMG之供給，AlN生長工程之開始後，在0.005~0.1sccm之範圍調整流量，進行1分鐘或10分鐘。在樣本#31~#39之表面處理工程(第3方法)中，在0.005~20sccm之範圍調整流量，進行1分鐘或10分鐘之TMG供給。即使在任一樣品中，AlN生長工程之AlN之生長速度約1.2μm/h，AlN層3之目標膜厚為2μm，實際的AlN層3之膜厚具有樣本間之程度的偏差。再者，在樣本#21~#23及樣本#31~#39之表面處理工程中，因與AlN生長工程重覆之1分鐘或10分鐘之間，AlN層3以約1.2μm/h之生長速度生長，故在其期間生長之膜厚約20nm或約200nm，AlN層3之該生長部分存在於界面附近區域內。
藉由圖4所示之結果，可知在上述TMG之供給量之調整範圍內，無論在第1~第3方法中之任一中，分別存在無裂紋之良品樣本和有裂紋之不良樣本。再者，就以一般之傾向而言，扭轉分布之半值寬FWHM小之樣本成為無裂紋之良品樣本之傾向明顯，針對傾斜分布之半值寬FWHM，可知與有無裂紋之間並無相關關係。
接著，針對以二次離子質譜分析法測量以第1製作方法所製作出之樣本之內的樣本#15(良品樣本)和以第1類似製作方法所製作之樣本#17(不良樣本)，及以第3製作方法所製作出之樣本之內的樣本#32~#34(良品樣本)和第3類似製作方法所製作之樣本#39(不良樣本)之AlN層3之深度方向(垂直於藍寶石基板2之表面的方向)之Ga濃度分布之結果，參照圖5及圖6進行說明。圖5表示除樣本#15及#17之上述表面附近區域之外的區域之Ga濃度分布。圖6表示除樣本#32~#34及#39之上述表面附近區域之外的區域之Ga濃度分布。並且，在圖5及圖6中，各橫軸表示AlN層3及藍寶石基板2之深度(深度方向之位置)，原點(0μm)表示從上述Ga濃度之變化求出之藍寶石基板2和AlN層3之界面之位置，正方向為藍寶石基板2之方向，以負值表示AlN層3側之深度，以正值表示藍寶石基板2側之深度。藉由樣本間之上述界面之位置的偏差和AlN層3之實際之膜厚之偏差，各樣本之AlN層3之表面附近區域之位置各不同。
在藉由第1方法所製作之樣本#15及#17中， AlN生長工程前之TMG之供給量皆被抑制成較低，樣本#15之流量設定成樣本#17之5倍。
如圖4及圖5所示般，樣本#15(良品樣本)之Ga濃度分布在AlN層3之內部區域中，係約1.34×1017atoms/cm3~8.54×1017atoms/cm3之範圍內，在界面附近區域內，係約2.28×1017atoms/cm3~8.54×1017atoms/cm3之範圍內，AlN層3之內部區域之Ga濃度之最大值(約8.54×1017atoms/cm3)位於界面附近區域內，超過上述理想範圍(3×1017~2×1020atoms/cm3)之下限值而位於該理想範圍內之靠近下方，成為無裂紋之良品樣本。再者，在樣本#15中，AlN層3之內部區域之Ga濃度係界面附近區域比界面附近區域以外平均比較高。即是，Ga原子存在於藍寶石基板2和AlN層3之界面附近比較多。
對此，如圖4及圖5所示般，樣本#17(不良樣本)較樣本#15之TMG之供給量少，Ga濃度分布在AlN層3之內部區域中，係約4.04×1016atoms/cm3~2.42×1017atoms/cm3之範圍內，在界面附近區域內，係約8.08×1016atoms/cm3~2.38×1017atoms/cm3之範圍內，AlN層3之內部區域之Ga濃度之最大值(約2.42×1017atoms/cm3)未滿上述理想範圍(3×1017~2×1020atoms/cm3)之下限值，偏離該理想範圍，並且也不位於界面附近區域內，成為有裂紋之不良樣本。再者，在樣本#17中，Ga濃度分布在AlN層3之內部區域之全區域中幾乎平坦，不會成為Ga原子存在於藍寶石基板2和AlN層3之界面附近 比較多之狀態。
在藉由第3方法所製作之樣本#32~#34及#39中，以AlN層3內之Ga濃度之最大值，可以從高於上述理想範圍(3×1017~2×1020atoms/cm3)之下限值些許的值，取得低於該理想範圍之上限值些許之值，高於該理想範圍之上限值之值之方式，使表面處理工程中之TMG之供給量大幅度變化。具體而言，TMG之供給量係以#32、#33、#34、#39之順序變大。
如圖4及圖6所示般，樣本#32(良品樣本)之Ga濃度分布在AlN層3之內部區域中，係約1.44×1017atoms/cm3~6.30×1017atoms/cm3之範圍內，在界面附近區域內，係約1.67×1017atoms/cm3~6.30×1017atoms/cm3之範圍內，AlN層3之內部區域之Ga濃度之最大值(約6.30×1017atoms/cm3)位於界面附近區域內，超過上述理想範圍(3×1017~2×1020atoms/cm3)之下限值而位於該理想範圍內之靠近下方，成為無裂紋之良品樣本。再者，在樣本#32中，AlN層3之內部區域之Ga濃度係界面附近區域比界面附近區域以外平均比較高。即是，Ga原子存在於藍寶石基板2和AlN層3之界面附近比較多。
如圖4及圖6所示般，樣本#33(良品樣本)之Ga濃度分布在AlN層3之內部區域中，係約3.08×1017atoms/cm3~2.96×1018atoms/cm3之範圍內，在界面附近區域內，係約4.52×1017atoms/cm3~2.96×1018atoms/cm3之範圍內，AlN層3之內部區域之Ga濃度之最大值(約 2.96×1018atoms/cm3)位於界面附近區域內，上述理想範圍(3×1017~2×1020atoms/cm3)之下限值的約10倍，位於較該理想範圍內之中央靠下方側，成為無裂紋之良品樣本。再者，在樣本#33中，AlN層3之內部區域之Ga濃度係界面附近區域比界面附近區域以外平均比較高。即是，Ga原子存在於藍寶石基板2和AlN層3之界面附近比較多。
如圖4及圖6所示般，樣本#34(良品樣本)之Ga濃度分布在AlN層3之內部區域中，係約1.09×1018atoms/cm3~1.06×1020atoms/cm3之範圍內，在界面附近區域內，係約1.59×1018atoms/cm3~1.06×1020atoms/cm3之範圍內，AlN層3之內部區域之Ga濃度之最大值(約1.06×1020atoms/cm3)位於界面附近區域內，低於上述理想範圍(3×1017~2×1020atoms/cm3)之上限值，位於該理想範圍內之靠近上方，成為無裂紋之良品樣本。再者，在樣本#34中，AlN層3之內部區域之Ga濃度係界面附近區域比界面附近區域以外平均比較高。即是，Ga原子存在於藍寶石基板2和AlN層3之界面附近比較多。
如圖4及圖6所示般，樣本#39(不良樣本)之Ga濃度分布在AlN層3之內部區域中，係約3.52×1017atoms/cm3~1.18×1021atoms/cm3之範圍內，在界面附近區域內，係約2.42×1018atoms/cm3~1.18×1021atoms/cm3之範圍內，AlN層3之內部區域之Ga濃度之最大值(約1.18×1021atoms/cm3)位於界面附近區域內，高於上述理想範圍(3×1017~2×1020atoms/cm3)之上限值而偏離該理想範 圍，成為具有裂紋之不良樣本。再者，樣本#39中，AlN層3之內部區域之Ga濃度集中於界面附近區域，比起良品樣本#34，變高約10倍。
藉由圖4~圖6所示之Ga濃度之測定結果，為了取得無裂紋之良品樣本，Ga原子以適量之濃度分布存在藍寶石基板2和AlN層3之界面附近，其結果，以分散存在於藍寶石基板之表面及其附近為重要，如此一來，可知於AlN層3之生長前或同時對藍寶石基板之表面供給Ga原子為重要。更具體而言，可想像除了AlN層3之表面附近區域外之內部區域之Ga濃度之最大值，在上述理想範圍內(3×1017~2×1020atoms/cm3)，並且成為該最大值之位置必須存在於界面附近區域內。
並且，各良品樣本#15、#32~#34之成為AlN層3之內部區域之Ga濃度之最大值的深度，確實為界面附近區域內，但是若更詳細觀看時，可知比起從藍寶石基板2和AlN層3之界面朝AlN層3側間隔開300nm之位置較接近於該界面之區域。可以說假設界面位置之特定有100nm左右之誤差，成為上述Ga濃度之最大值之深度確實存在於界面附近區域內。再者，各良品樣本#15、#32~#34之Ga濃度分布成為更多Ga原子集中在藍寶石基板2和AlN層3之界面附近的根據。
並且，該Ga濃度之最大值之上述理想範圍之下限值即使被設定在3×1017atoms/cm3~6×1017atoms/cm3之間亦可。例如，該理想範圍之下限值為 4×1017atoms/cm3，或5×1017atoms/cm3亦佳。並且，該Ga濃度之最大值之上述理想範圍之上限值即使被設定在1.1×1020atoms/cm3~2×1020atoms/cm3之間亦可。例如，1.5×1020atoms/cm3或1.2×1020atoms/cm3亦佳。並且，該下限值和上限值即使任意組合亦可。
在上述說明中，雖然將以第1製作方法中所製作出之樣本及第3製作方法所製作出之無裂紋之良品樣本之Ga濃度分布，設成取得除了AlN層3之表面附近區域之外的內部區域之Ga濃度之最大值的深度方向之位置，存在於上述界面附近區域內，該Ga濃度之最大值存在於成為3×1017atoms/cm3以上，2×1020atoms/cm3以下之理想範圍內，但是針對以第2製作方法所製作出之樣本之Ga濃度分布，不進行測定。但是，由於第2製作方法藉由上述說明顯然成為表面處理工程具備第1製作方法之表面處理工程和第3製作方法之表面處理工程雙方之折衷構成，故藉由適當調整TMG之供給量，顯然與第1及第3製作方法相同，取得除了AlN層3之表面附近區域之外的內部區域之Ga濃度之最大值的深度方向之位置，能夠存在於上述界面附近區域，且存在於該Ga濃度之最大值成為3×1017atoms/cm3以上，2×1020atoms/cm3以下之理想範圍內。
以上，雖然針對本製作方法及模板進行詳細說明，但是本發明之特徵係在成為使具備有藍寶石基板2，和在其上方藉由磊晶生長而被形成之AlN層3而構成 之GaN系化合物半導體層磊晶生長之基底的模板及其製作方法中，取得除了上述表面附近區域之外的AlN層3之內部區域中藉由二次離子質譜分析法所取得之Ga濃度之深度方向的濃度分布中之最大值的深度方向之位置，存在於上述界面附近區域內，該Ga濃度之最大值成為3×1017atoms/cm3以上，2×1020atoms/cm3以下之點，上述說明所使用之製作方法或條件等為用以說明之一例，該些條件等，以本發明具備上述特徵之範圍內，可做適當變更。
再者，在上述實施型態中，假設以MOVPE當作AlN層3之磊晶生長法，作為對藍寶石基板2之表面分散供給Ga原子4之表面處理工程，說明在第1製作工程中，於AlN生長工程前以特定流量及時間對該反應室內供給在MOVPE中成為Ga原料(前軀體)之TMG之情況，在第2製作方法中，也於AlN生長工程前及AlN生長工程開始後也進行該TMG之供給之情況，在第3製作方法中，與AlN生長工程開始同時開始該TMG之供給之情形。但是，AlN層3之磊晶生長法並不限定於MOVPE，例如即使使用氫化物VPE法亦可。並且，表面處理工程也係若可對藍寶石基板2之表面分散供給Ga原子4，取得上述Ga濃度之最大值之深度能夠存在於界面附近區域內，該Ga濃度之最大值成為上述理想範圍內的方法即可，並不限定於以上述第1~第3製作方法所例示之方法。在上述第1~第3製作方法中，表面處理工程雖然說明將藍寶石基板2收容在反應室內之後開始之情形，但是 於將藍寶石基板2收容至反應室內之前，即使將對反應室內供給適量之Ga原料亦可取得相同之效果。
接著，針對在以本製作方法所製作之本模板1上磊晶生長GaN系化合物半導體層而製作出之氮化物半導體裝置進行說明。藉由被形成在本模板1上之GaN系化合物半導體層之疊層構造，形成例如發光二極體、半導體雷射、開關元件、放大元件等之元件構造。本氮化物半導體裝置在成為基底之本模板1具有特徵，被形成在其上方之元件構造，並不限定於特定者。例如，於發光二極體之情況下，就以元件構造而言，將例如藉由較圖7所例示之以往之發光二極體之ELO-AlN層103上層部分之元件構造，直接或隔著其他GaN系化合物半導體層疊層在本模板1上，製作出氮化物半導體裝置之發光二極體。
[產業上之利用可行性]
與本發明有關之磊晶生長用模板及其製作方法可利用於發光二極體或半導體雷射等之GaN系氮化物半導體裝置之製作。
1‧‧‧磊晶生長用模板
2‧‧‧藍寶石基板
3‧‧‧AlN層
4‧‧‧Ga原子

Claims (8)

  1. 一種模板之製作方法，係成為在藍寶石基板之表面上具有AlN層，並使GaN系化合物半導體層磊晶生長之基底的模板之製作方法，其特徵在於：具有對藍寶石基板之表面分散供給Ga原子之表面處理工程，和在上述藍寶石基板上使AlN層磊晶生長之AlN生長工程，取得在除了從上述AlN層之表面深達100nm的表面附近區域外的上述AlN層之內部區域中，藉由二次離子質譜分析法所取得之Ga濃度之垂直於上述藍寶石基板表面之深度方向的濃度分布中之上述Ga濃度之最大值的上述深度方向之位置，存在於從上述藍寶石基板之界面朝上述AlN層側間隔開400nm之位置的界面附近區域內，上述Ga濃度之最大值成為3×1017atoms/cm3以上、2×1020atoms/cm3以下。
  2. 如請求項1所記載之模板之製作方法，其中在上述表面處理工程中，對進行上述AlN生長工程之生長室內，供給成為Ga之原料的化合物。
  3. 如請求項1所記載之模板之製作方法，其中於上述表面處理工程結束後、與上述表面處理工程開始同時，或是在上述表面處理工程之途中之任一時序開始上述AlN生長工程。
  4. 如請求項2所記載之模板之製作方法，其中 於上述表面處理工程結束後、與上述表面處理工程開始同時，或是在上述表面處理工程之途中之任一時序開始上述AlN生長工程。
  5. 如請求項1至4中之任一項所記載之模板之製作方法，其中在上述二次離子質譜分析法中所使用之一次離子種為O2 +。
  6. 一種磊晶生長用模板，其特徵為：具備在表面分散存在Ga原子之藍寶石基板，和在上述藍寶石基板上磊晶生長而構成之AlN層，取得在除了從上述AlN層之表面深達100nm的表面附近區域外的上述AlN層之內部區域中，藉由二次離子質譜分析法所取得之Ga濃度之垂直於上述藍寶石基板表面之深度方向的濃度分布中之上述Ga濃度之最大值的上述深度方向之位置，存在於從上述藍寶石基板之界面朝上述AlN層側間隔開400nm之位置的界面附近區域內，上述Ga濃度之最大值成為3×1017atoms/cm3以上、2×1020atoms/cm3以下。
  7. 如請求項6所記載之磊晶生長用模板，其中在上述二次離子質譜分析法中所使用之一次離子種為O2 +。
  8. 一種氮化物半導體裝置，其特徵為：具備如請求項6或7所記載之磊晶生長用模板，和在上述模板上磊晶生長而構成之一層以上之GaN系 化合物半導體層。
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