外延生长用模板以及其制作方法、和氮化物半导体装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及成为使GaN系化合物半导体层(一般式:AlxGayImtyN)外延生长的基底的外延生长用模板以及其制作方法、和GaN系氮化物半导体装置。
【背景技术】
[0002]—直以来，通过使多层结构的GaN系化合物半导体层在外延生长用模板上生长来制作发光二极管或半导体激光器等的GaN系氮化物半导体装置(例如参考非专利文献I)。在图7示出典型的现有的GaN系发光二极管的结晶层结构。在蓝宝石基板101上形成由AlN构成的基底层102，在以光刻和反应性离子蚀刻形成周期性的槽结构后形成ELO-AlN层103，在该ELO-AlN层103上依次层叠膜厚2μπι的η型AlGaN的η型包覆层104、AlGaN/GaN多重量子阱活性层105、A1组成比高于多重量子阱活性层105的Al组成比的膜厚20nm的P型AlGaN的电子阻挡层106、膜厚50nm的P型AlGaN的P型包覆层107、膜厚20nm的P型GaN的接触层108，图7所示的发光二极管具有这样的层叠结构。多重量子阱活性层105具有将以膜厚Snm的AlGaN势皇层夹着膜厚2nm的GaN阱层的结构层叠5层的结构。在结晶生长后，直到η型包覆层104的一部分露出表面为止地蚀刻除去其上的多重量子阱活性层105、电子阻挡层106、ρ型包覆层107、以及接触层108，分别在接触层108的表面形成例如Ni/Au的P-电极109，在露出的η型包覆层104的表面形成例如Ti/Al/Ti/Au的η-电极110。将GaN阱层作为AlGaN阱层，通过使Al组成比或膜厚变化来进行发光波长的短波长化，或者通过添加In来进行发光波长的长波长化，能制作波长200nm到400nm程度的紫外区域的发光二极管。关于半导体激光器，也能用类似的构成制作。在图7所示的结晶层结构中，由蓝宝石基板101、A1N基底层102和ELO-AlN层103形成外延生长用模板。
[0003]该模板表面的结晶质量给形成于其上层的GaN系化合物半导体层的结晶质量带来直接影响，给作为结果而形成的发光元件等的特性带来大的影响。特别是在紫外线域的发光二极管或半导体激光器的制作中，期望使用穿透位错密度107/cm2以下、优选减低到16/cm2程度的模板。如图7所示那样，若在具有周期性的槽结构的AlN基底层102上用横向生长(ELO:Epitaxial Lateral Overgrowth)法使EL0-A1N层103外延生长，在从槽与槽间的凸部平坦面生长的AlN层覆盖槽上方地横向生长的同时，从该平坦面生长的穿透位错也由于横向生长而汇集在槽上方，因此能大幅减低穿透位错密度。
[0004]但是，在图7所示的由蓝宝石基板、AlN基底层和ELO-AlN层构成的模板中，需要在使AlN基底层生长后，将试样(基板)暂时从外延生长用的反应室内取出，以光刻和反应性离子蚀刻在AlN基底层的表面形成周期性的槽结构。为此，不能使AlN基底层和ELO-AlN层连续生长，招致制造工序的烦杂化以及生产量的降低，成为制造成本高企的要因。
[0005]另一方面，为了省略结晶生长工序间的蚀刻加工来缓和制造工序的烦杂化以及生产量的降低，提出如下方法:在蓝宝石基板的表面直接以光刻和反应性离子蚀刻等形成周期性的槽结构，在该蓝宝石基板上直接形成ELO-AlN层来作为外延生长用模板(例如参考专利文献1、非专利文献2、非专利文献3)。由于为了在槽结构的基板表面使ELO-AlN层生长，需要使从槽底部生长的AlN层、和从槽与槽间的凸部平坦面横向生长的AlN层分离，因此优选形成在蓝宝石基板表面的槽较深，但由于蓝宝石基板蚀刻率，难以加工，因此需要在浅的槽结构中使低穿透位错密度的ELO-AlN层生长。
[0006]在蓝宝石基板上不用横向生长法地使AlN层生长的情况下，通过使用横向生长法而消除的问题显现，极难制作无裂纹、低穿透位错密度且结晶的表面性状良好的模板。
[0007]为此，作为在蓝宝石基板上不用横向生长法地使AlN层生长、来制作无裂纹、低穿透位错密度且结晶的表面性状良好的模板的方法，例如提出以下方法(参考非专利文献4):将下述的AlN层设为多层结构，交替层叠连续提供Al原料的TMA(三甲基铝)并间歇提供N原料的順3(氨)而生长的脉冲流AlN层、和分别连续提供TMAl和NH3而生长的连续AlN层。
[0008]先行技术文献
[0009]专利文献
[0010]专利文献1:专利第3455512号公报
[0011]非专利文献
[0012]非专利文献1:KentaroNagamatsu,et al.，“High-efficiency AlGaN-based UVlight-emitting d1de on laterally overgrown AIN”，Journal of Crystal Growth,310,pp.2326-2329,2008
[0013]非专利文献2:N.Nakano，et al.，“Epitaxial lateral overgrowth of ALNlayers onpatterned sapphire substrates，，，Phys.Status Sol idi (a)203，N0.7，PP.1632-1635,2006
[0014]非专利文献3:J.Mei，et al.，“Dislocat1n generat1n at the coalescenceof aluminum nitride lateral epitaxy on shallow-grooved sapphire substrates，，，Applied Physics Letters 90,221909,2007
[0015]非专利文献4:H.Hirayama，etal.，“222_282nmAlGaN and InAlGaN-based deep-UV LEDs fabricated on high-quality AlN on sapphire”，Phys.Status Solidi A 206，N0.6,1176-1182(2009)
[0016]发明的概要
[0017]发明要解决的课题
[0018]如上述那样，在蓝宝石基板上通过横向生长法使AlN层生长而形成的模板中，需要以蚀刻等在蓝宝石基板或EL0-A1N层的基底层形成槽结构，不管形成槽结构的对象怎样，都存在槽结构的形成所涉及的问题。
[0019]另外，在上述非专利文献4公开的方法中，在蓝宝石基板上不用横向生长法地使AlN层生长，虽然能制作无裂纹、低穿透位错密度且结晶的表面性状良好的模板，但需要在控制NH3的提供方法使核形成AlN层、和强调横向生长来掩埋该核形成AlN层的微小突起的被覆AlN层生长后，在其上连续提供原料来使AlN层高速生长，设为反复层叠该3层结构的多层结构，A1N层的生长时的控制烦杂化。
【发明内容】
[0020]本发明鉴于上述的问题点而提出，其目的在于制作具有在蓝宝石基板上使AlN层生长的结构的外延生长用模板，制作不用横向生长法或复杂的生长控制就能简便地使AlN层生长、并且无裂纹、低穿透位错密度且结晶的表面性状的良好的模板。
[0021]用于解决课题的手段
[0022]本申请发明者通过锐意研究，发现在AlN层的生长开始前或开始时，分散于蓝宝石基板的表面存在微量的Ga原子，通过使该基板与AlN层的界面近旁区域的Ga浓度为给定的范围内，在此基础上能不用横向生长法或复杂的原料提供法地使AlN层生长，来制作出无裂纹、低穿透位错密度且结晶的表面性状良好的模板，作出本申请发明。
[0023]为了达成上述目的，本发明提供模板的制作方法，是在蓝宝石基板的表面上具有AlN层、成为使GaN系化合物半导体层外延生长的基底的模板的制作方法，其特征在于，具有:将Ga原子分散提供到蓝宝石基板的表面的表面处理工序;和在所述蓝宝石基板上使AlN层外延生长的AlN生长工序，所述AlN层的除去从表面起到深度10nm为止表面近旁区域以外的所述AlN层的内部区域中的能以二次离子质量分析法得到的Ga浓度在与所述蓝宝石基板的表面垂直的深度方向的浓度分布当中的得到所述Ga浓度的最大值的所述深度方向的位置，存在于从所述蓝宝石基板的界面起到向所述AlN层侧离开400nm的位置为止的界面近旁区域内，所述Ga浓度的最大值为3X 1017atoms/cm3以上、2X 102Qatoms/cm3以下。
[0024]进而，在上述特征的模板的制作方法的基础上，作为合适的I个方式，在所述表面处理工序中，对进行所述AlN生长工序的生长室内提供成为Ga的原料的化合物。
[0025]进而，在在上述特征的模板的制作方法的基础上，作为合适的I个方式，在所述表面处理工序的结束后、和所述表面处理工序的开始同时、或者在所述表面处理工序的中途的任意的定时，开始所述AlN生长工序。
[0026]进而，作为上述特征的模板的制作方法的合适的I个方式，在所述二次离子质量分析法中使用的一次离子种为O2+。
[0027]进而，为了达成上述目的，本发明提供外延生长用模板，具备:在表面分散存在Ga原子的蓝宝石基板;和在所述蓝宝石基板上外延生长而成的AlN层，所述AlN层的除去从表面起到深度10nm为止的表面近旁区域以外的所述Al