氮化镓基外延晶片及外延晶片的制作方法

专利名称：氮化镓基外延晶片及外延晶片的制作方法
技术领域：
本发明涉及氮化镓基外延晶片及用于氮化镓基半导体发光器件的 外延晶片的制作方法。
背景技术：
在专利文献l (日本特开2005-159047号公报)中，记载了具有良 好晶体质量的氮化镓基半导体层的氮化镓基半导体元件。在半导体发 光器件的氮化镓支撑基体的主面上设置有氮化镓基半导体层。氮化镓 支撑基体的主面的法线与氮化镓支撑基体的C轴形成角度(称为斜角)。 随着氮化镓支撑基体的斜角接近0度，氮化镓基半导体层的表面上六 棱锥状突起变得越来越显著。另外，该角度优选小于2度。

发明内容
根据发明人的发现，在氮化镓衬底上制作包括含有m族元素铟的 氮化镓基半导体阱层、例如InGaN阱层的有源层(活性層)时，这些 氮化镓基半导体发光器件例如发光二极管的发光峰值波长分布。在蓝 宝石衬底上制作具有同样的量子阱结构的有源层的发光二极管时，这 些发光二极管的发光峰值波长不显示太大的分布幅度。即，根据该比 较，通过使用氮化镓衬底，氮化镓基半导体发光器件的发光峰值波长 的分布扩展。
发明人为了研究该分布的原因进行了各种实验，同时也进行了使 该分布縮小的研究。
本发明是鉴于以上事宜做出的，其目的在于提供外延晶片的制作 方法，所述外延晶片用于可以将设置在氮化镓衬底上的包含阱层的有源层的发光波长的分布縮小的结构的氮化镓基半导体发光器件，另外， 本发明的目的在于提供用于提供上述半导体器件的氮化镓基外延晶片。
本发明的一个方面涉及的氮化镓基外延晶片(窒化力，々厶系工匕° 夕年、乂"Y/P々工八)，具有(a)具有主面的氮化镓衬底，(b)在所述 氮化镓衬底的所述主面上生长的一个或多个氮化镓基半导体膜，和(C) 在所述氮化镓基半导体膜上生长的具有量子阱结构的有源层(活性層)。 所述有源层包含阱层，所述阱层包括含有III族元素铟的氮化镓基半导 体，所述主面的法线与所述氮化镓衬底的C轴所成的斜角(才7角；Off
angle)，在所述主面上分布，并且在从所述主面的边缘上的一点向该 边缘上的另一点的通过所述氮化镓衬底的所述主面的中心点的线段上 单调地增加。在从所述一点向所述另一点的所述线段上按顺序排列的n 个点处的所述阱层的n个铟含量(,y-々厶組成)，在所述线段上单 调地减少。所述n个点中所述阱层的n个膜厚，在所述线段上单调地 增加。
另外，本发明另一方面是制作用于氮化物半导体发光器件的外延 晶片的方法。该方法包括(a)在有机金属气相生长炉的支撑台(寸 i 7。夕；susceptor)上配置的多个氮化镓衬底的主面上使氮化镓基半导 体膜整体生长的步骤，(b)供给原料气，并使用有机金属气相生长炉 在所述氮化镓基半导体膜上形成具有量子阱结构的有源层的步骤，和 (c)使用有机金属气相生长炉在所述有源层上形成另一个氮化镓基半导 体膜的步骤。所述氮化镓基半导体膜和所述另一个氮化镓基半导体膜 中的一个中添加有n型掺杂剂，并且另一个中添加有p型掺杂剂。所 述有源层包含阱层，所述阱层包括含有III族元素铟的氮化镓基半导体。 各氮化镓衬底的所述主面的法线与所述氮化镓衬底的C轴所成的斜角， 在整个所述主面上分布，并且在从所述主面的边缘上的一点向该边缘 上的另一点的通过所述氮化镓衬底的所述主面的中心点的线段上单调 地增加。所述边缘上的所述一点处的斜角大于该边缘上的所述另一点处的斜角。所述阱层的生长在使所述支撑台旋转的同时进行。通过所 述原料气的供给和所述支撑台的旋转，产生与该原料气流的从上游向 下游的流动方向对应的、所述有源层的所述阱层的生长速度分布，所 述边缘上的所述一点位于所述生长速度分布大的一侧，并且所述另一 点位于所述生长速度分布小的一侧。
根据发明人的研究，衬底主面的斜角的分布影响铟含量。斜角的 影响在使氮化镓基半导体生长时是不可避免的。不过，从发明人的实 验发现，通过准备控制了主面的斜角分布的氮化镓衬底，受到原料气 流动的影响，斜角的影响部分消除。
使用生长炉进行用于氮化镓基外延晶片的晶体生长时，由于原料 气流动的影响，具有产生发光波长分布的可能性。但是，发明人的实 验和研究结果表明，这样的因素并不是主要原因。在重复的实验和研 究中，当着眼于蓝宝石衬底与氮化镓衬底的不同时，发现以下事项。 蓝宝石衬底，主面的法线与该C轴所成的斜角，相对于衬底中心部的 斜角0.15度在晶片面内在-0.1度 +0.1度的范围内分布。但是，氮化镓 衬底，由于其制造方法，使得氮化镓衬底主面的法线与该C轴所成的 斜角在主面整个面上分布。
鉴于以上事项，如果是氮化镓基外延晶片，则通过利用控制后的 斜角分布，在通过晶片中心且从主面的边缘上的一点向该边缘上的另 一点的线段上的斜角单调地变化。使用该氮化镓衬底并规定在所述线 段上按顺序排列的n个点时，这些n个点处的阱层的n个膜厚在线段 上单调地增加。另外，n个点处的n个铟含量在线段上单调地减少。在 该外延晶片上，可以使用氮化镓衬底使有源层的发光波长的分布縮小。
另外，鉴于以上事项，根据制作外延晶片的方法，通过支撑台旋 转可以提高晶体生长的均匀性。另外，通过支撑台的公转，可以将非 对称或者不均匀的原料气流的影响平均化。通过利用生长速度的分布和控制后的斜角分布，使用从主面的边缘上的一点向该边缘上的另一 点并通过晶片的中心的线段上的斜角单调地变化的氮化镓衬底，可以 将设置在氮化镓衬底上的包含阱层的有源层的发光波长分布縮小。
本发明中，在所述线段上排列有多个氮化物半导体发光器件，所 述多个氮化物半导体发光器件包含所述n个点中的任意一个。根据本 发明，可以将氮化物半导体器件中活性层的发光波长分布縮小。
本发明中，所述膜厚是在所述n个点处规定的平均值，所述平均 值可以由值S/L来规定，其中，S为在与从所述氮化镓衬底向所述有源 层的轴垂直的方向上、用预定的宽度在所述阱层的截面照片中规定的 阱层的截面积，L为所述预定的宽度。
本发明中，所述主面上的第1点处的斜角比所述主面上的第2点 处的斜角小，并且，所述第1点上的阱层膜厚比所述第2点上的阱层 膜厚薄，所述第1点和所述第2点位于相互不同的氮化物半导体发光 器件上。
本发明涉及的氮化镓基外延晶片中，所述线段的朝向与<1-100>和 <11-20>中任意一个晶体取向对应。这些晶体取向对于组合斜角分布和 阱宽度分布是优选的。
本发明涉及的氮化镓基外延晶片的一个优选方式中，所述氮化镓 衬底具有定向平面和由大致的圆弧(実質的&円弧)构成的边缘，所 述定向平面的取向与<1-100>和<11-20>中任意一个晶体取向对应。或者， 在本发明涉及的氮化镓基外延晶片的另一优选方式中，所述氮化镓衬 底具有大致圆形(実質的&円形)的边缘，所述氮化镓衬底包含与 <1-100>和<11-20>中任意一个晶体取向对应的标记(7—力；marker)。述主面的中心的轴的斜角分布的最大值和最小值的差优选为0.7度以 下。这些范围对于组合斜角分布和阱宽度分布是优选的。
另外，本发明涉及的制作方法的一个优选方式中，用于形成所述 有源层的原料气沿从所述有机金属气相生长炉的支撑台主面的一端横 穿另一端的方向供给，通过该原料气的供给，产生与所述流动方向对 应的所述有源层的所述阱层的生长速度分布。
对于该原料气流而言，可以使用斜角在从主面的边缘上的一点向 该边缘上的另一点的线段上单调地变化的氮化镓衬底。
本发明涉及的制作方法，可以进一步包括在所述支撑台上配置所 述氮化镓衬底的步骤。各氮化镓衬底的所述线段朝向规定的轴的方向。
通过以所述朝向在有机金属气相生长炉的支撑台上配置多个氮化 镓衬底，可以利用上述原料气的流动造成的影响来减小斜角分布的影 响。
本发明涉及的制作方法的另一优选方式中，用于形成所述有源层 的原料气，沿与所述支撑台的主面交叉的轴的方向供给，通过该原料 气的供给，产生与该原料气流的从上游向下游的流动方向对应的、所 述有源层的所述阱层的生长速度分布。
对于该原料气流，可以使用斜角在从主面的边缘上的一点向该边 缘上的另一点的线段上单调地变化的氮化镓衬底。
本发明涉及的制作方法中，所述支撑台具有在该支撑台的所述主
面上预定的圆周上设置的用于氮化镓衬底的多个导向装置(guide)， 所述支撑台的所述主面上各氮化镓衬底的所述线段朝向与所述圆周的 切线交叉的方向。交叉角例如为直角。通过在有机金属气相生长炉的支撑台上以所述朝向配置多个氮化 镓衬底，可以利用上述原料气的流动造成的影响来减小斜角分布的影 响。
本发明涉及的制作方法中，氮化镓衬底的中心点位于在支撑台上 预定的圆周上。中心点处的切线与氮化镓衬底上预定的线段交叉，优 选基本正交。
本发明的上述目的及其它目的、特征以及优点，通过以下参照附 图进行的本发明的优选实施方式的详细记载更加清楚。


图1是说明使用蓝宝石衬底的InGaN有源层生长的图。
图2是表示连接OF和AOF的线段上的、外延衬底El的光致发
光(PL)波长的分布的图。
图3表示使用PL测绘装置测定的PL分布图和PL分布的柱状图。 图4是表示通过中心C并且连接边缘上的AP点和BP点的线段上
的外延衬底E2的PL波长的分布的图。
图5表示使用PL测绘装置测定的PL分布图和PL分布的柱状图。 图6是表示通过中心C并且连接边缘上的AP点和BP点的线段上
的外延衬底E3的PL波长的分布图。
图7表示使用PL测绘装置测定的PL分布图和PL分布的柱状图。
图8是表示用于本发明实施方式的氮化镓基外延晶片的图。
图9是包含本发明的实施方式涉及的、氮化物半导体发光器件制
作方法的主要步骤的流程图。
图IO是概略表示一个优选方式的有机金属气相生长炉的图。 图11是概略表示另一个优选方式的有机金属气相生长炉的图。 图12是示意地表示在势垒层(障壁層)之间设置的各种阱层的图。 图13是表示在通过晶片中心的轴上具有斜角分布和阱层的膜厚分布的晶片的图。
图14是表示运算装置的显示装置所显示的图像及经二值化处理 的图像的图。
图15是表示显示外延晶片的多重量子阱结构的透射电子显微镜 图像的图。
图16是表示显示另一外延晶片的多重量子阱结构的透射电子显 微镜图像的图。
图17是表示显示再一外延晶片的多重量子阱结构的透射电子显
微镜图像的图。
图18是表示显示再一外延晶片的多重量子阱结构的透射电子显
微镜图像的图。
图19是表示显示外延晶片的多重量子阱结构的透射电子显微镜 图像和二值化图像的图。
具体实施例方式
本发明的发现通过参照例示的附图并考虑以下详细说明可以容易 地理解。接着，参照

本发明的氮化镓基外延晶片以及制作外 延晶片和氮化镓基半导体发光器件的方法涉及的实施方式。可能的情 况下，相同部分使用相同的符号。
(第一实施方式)
图1是说明使用蓝宝石的InGaN有源层生长的图。参照图1 (a)， 显示的是在有机金属气相生长炉11的支撑台13上配置的蓝宝石衬底 15的配置。蓝宝石衬底15以其定向平面(以下记作"OF")朝向支 撑台13的边缘的方式配置。参照图1 (b)，显示从蓝宝石衬底15的 "OF"通过中心点C的轴上的5个测定点的铟含量及InGaN层的生长 速度。图1 (b)中，"AOF"表示上述轴和衬底边缘的交点。如图1 (b)所示，发现铟含量从衬底的中心点C向边缘E稍微增加，但在衬 底主面上基本恒定。铟含量中的这种情况，是由于蓝宝石衬底主面上 无斜角分布而引起的。另一方面，InGaN的生长速度从AOF向OF单调地增加。生长速度中的这种情况，与生长炉中原料(从流道上游向 下游流动的原料)的流动相关联。
生长速度的增加导致阱层的厚度增加。阱层的膜厚增加和铟含量 增加共同使PL波长向长波长偏移。
如下所述，发明人使用氮化镓基半导体(gallium nitride based semiconductor)通过有机金属气相生长法制作例如称为发光二极管的发 光器件。作为用于有机金属气相生长的原料，使用三甲基镓(TMGa)、 三甲基铝(TMA1)、三甲基铟(TMIn)、氨(NH3)、硅烷(SiH4)、 环戊二烯基镁(Cp2Mg)。有机金属气相生长炉11的支撑台13上如 下配置衬底。
外延衬底 衬底的种类 衬底的朝向
El:蓝宝石衬底(0001) n-GaN模板 通常
E2: GaN (0001)衬底、斜角分布0.1-0.6度通常
E3: GaN (0001)衬底、斜角分布0.1-0.6度由通常旋转90度
蓝宝石衬底上，相对于蓝宝石衬底中心的斜角，衬底面内的斜角 非常好地控制为约-0.1度 约+0.1度。因此，斜角(衬底主面的法线与 C轴所成的角)没有在整个主面内分布。GaN (0001)衬底上，尽管使 衬底表面与(0001)面相符而制作衬底主面，但是斜角在整个主面内 分布。该斜角分布来源于GaN晶体的制作法。
进行这些衬底的热清洗。该清洗例如通过将炉内压力控制在 101kPa的同时在摄氏1050度下向炉内供给NH3和H2来进行。清洗时 间例如为IO分钟。
然后，进行AlGaN膜的淀积。向炉内供给TMGa、 TMA1、 NH3、 SiH4，使n-AlGaN膜在衬底上生长。膜厚例如为50nm，成膜温度例如为摄氏1050度。该AlGaN膜可以使GaN衬底表面存在的微观凹凸(roughness)变平坦。
之后，将炉内温度变更为摄氏1100度。而且，进行GaN膜的淀积。为了该膜的生长，向炉内供给TMGa、 NH3、 SiH4，使n-GaN膜在衬底上生长。膜厚例如为2000nm，平均成膜速度例如为每小时4微米。该GaN膜例如可以起到作为覆盖层或缓冲层的作用。
接着，形成量子阱结构。为了形成量子阱结构，向炉内供给TMGa、TMIn、 NH3，使InGaN膜在衬底上生长。使InGaN势垒层和InGaN阱层交替生长。InGaN势垒层例如为15nm，其组成例如为In謹Gao.99N。InGaN阱层例如为3nm，其组成例如为InQ.14Ga().86N。量子阱结构例如包括6周期。
然后，进行AlGaN膜的淀积。向炉内供给TMGa、 TMA1、 NH3、Cp2Mg，使p-AlGaN膜在衬底上生长。膜厚例如为20nm，成膜温度例如为摄氏1000度。该掺杂Mg的AlGaN膜，可以起到作为覆盖层或电子阻挡层(7"口、;/夕層；blocking layer)的作用。另外，进行GaN膜的淀积。向炉内供给TMGa、 NH3、 Cp2Mg，使p-GaN膜在衬底上生长。膜厚例如为50nm，成膜速度例如为摄氏1000度。该掺杂Mg的GaN膜，可以起到作为接触层的作用。
测定上述形成的外延衬底El、 E2、 E3的光致发光(PL)波长的分布。该测定中使用PL测绘装置。
图2是表示通过中心并且连接点OF和点AOF的线段上的外延衬底E1的PL波长分布的图。蓝宝石衬底的主面上的斜角基本恒定，例如为0.15度。图3表示使用PL测绘装置测定的PL分布图和PL分布的柱状图。柱状图表示测定点的波长与样品数的关系。PL波长的平均值为448.87nm，标准偏差为2.84nm。蓝宝石衬底的主面上没有斜角分布，但是通过比较大的阱层膜厚分布和比较小的铟含量分布的重叠，而产生PL波长的分布。
图4是表示通过中心C并且连接边缘上的点AP和点BP的线段上的外延衬底E2的PL波长分布的图。GaN衬底的主面上的斜角沿上述线段单调地变化，例如，最小值为0.2度，最大值为0.4度。图5表示使用PL测绘装置测定的PL分布图和PL分布的柱状图。柱状图表示测定点的波长与样品数的关系。PL波长的平均值为469.17nm，标准偏差为4.55nm。 GaN衬底主面上不可避免地存在斜角分布，量子阱结构中InGaN层的铟含量受到该斜角分布的影响，斜角大则铟含量小。另外，除了该影响，量子阱结构中InGaN层的膜厚还受到从流道的上游向下游的原料流动的影响。
图6是表示通过中心C并且连接边缘上的点AP与点BP的线段上的外延衬底E3的PL波长分布的图。GaN衬底的主面上的斜角沿上述线段单调地变化，例如，最小值为0.2度，最大值为0.4度。图7表示使用PL测绘装置测定的PL分布图和PL分布的柱状图。柱状图表示测定点的波长与样品数的关系。PL波长的平均值为466.91nm，标准偏差为2.76nm。 GaN衬底主面上不可避免地存在斜角分布，量子阱结构中InGaN层的铟含量受到该斜角分布的影响。另外，除了该影响，量子阱结构中InGaN层的膜厚还受到从流道的上游向下游的原料流动的影响，在斜角大的区域膜厚大。
外延衬底E2、 E3的GaN衬底共同具有相同的斜角分布，但是外延衬底E3的PL波长的标准偏差(2.76nm)比外延衬底E2的PL波长的标准偏差(4.55nm)小很多。这是因为利用GaN衬底主面上的斜角分布及原料流动引起的生长速度分布，使PL波长的分布縮小。
图8是表示用于本发明的实施方式的氮化镓基外延晶片的图。该氮化镓基外延晶片E4具有氮化镓衬底41、 一个或多个氮化镓基半导体膜43和有源层45。氮化镓基半导体膜43在氮化镓衬底主面41a上生长。有源层45在氮化镓基半导体膜上生长，并且具有量子阱结构47。量子阱结构47包含交替配置的阱层47a和势垒层47b。阱层47a包括含有III族元素铟的氮化镓基半导体。阱层47a的膜厚在主面41a的全体上分布。GaN衬底的氮化镓的C轴与GaN衬底主面的法线成的斜角在衬底主面41a上分布，同时如图6所示，在从衬底主面41a的边缘上的一点向该边缘上的另一点的线段上单调地变化。衬底主面41a上的第一点P1处的斜角(THETA1)比衬底主面41a上的第二点P2处的斜角(THETA2)小(THETA2> THETA1)、并且第一点Pl上的阱层47a的膜厚Dl比第二点P2上的阱层47a的膜厚D2薄(DKD2)。氮化镓基半导体膜43，例如，可以是n型覆盖层或缓冲层。必要时，氮化镓基外延晶片E4可以包含在有源层45上设置的一个或多个氮化镓基半导体膜，氮化镓基半导体膜可以包含例如p型覆盖层49和p型接触层51。
如前所述，当使用生长炉进行用于氮化镓基外延晶片的晶体生长时，受原料气流动的影响而产生发光波长的分布。考虑蓝宝石衬底与氮化镓衬底的不同时，蓝宝石衬底的主面上存在均匀的结晶面，但是在氮化镓衬底上斜角在整个主面上分布。
根据发明人的研究，GaN基半导体的铟含量受该斜角的分布的影响。斜角的影响在制作氮化镓基半导体时是不可避免的。不过，通过准备控制了主面的斜角分布的氮化镓衬底，通过原料气流动的影响可以部分消除斜角的影响，这是发明人在实验中发现的。
艮P,使用在从主面的边缘上的一点向该边缘上的另一点的线段上的斜角单调地变化的氮化镓衬底，可以使主面上第一点处的斜角小于
第二点处的斜角，并且可以使第一点上的阱层的膜厚比第二点上的阱层的膜厚薄。第一点和第二点位于相互不同的氮化镓半导体发光器件上。 16根据该氮化镓基外延晶片，能提供可以縮小设置在氮化镓衬底上的包含阱层的有源层的发光波长分布的结构的半导体器件。
在氮化镓基外延晶片上，线段的朝向与<1-100〉和<11-20〉中任意一个晶体取向对应。这些晶体取向在将斜角分布与阱宽度分布组合时是优选的。
在氮化镓基外延晶片的一个优选方式中，氮化镓衬底具有定向平
面和由大致的圆弧构成的边缘，定向平面的取向与<1-100>和<11-20>
中任意一个晶体取向对应。或者，氮化镓基外延晶片的另一优选方式
中，氮化镓衬底具有大致圆形的边缘，氮化镓衬底包含与与<1-100〉和<11-20>中任意一个晶体取向对应的标记。
在氮化镓基外延晶片上，沿通过氮化镓衬底的主面中心的轴的斜角分布的最大值与最小值的差优选为0.7度以下。这些范围对于斜角分布与阱宽度分布的组合是优选的。
(第二实施方式)
图9表示本发明的实施方式涉及的、包含氮化物半导体器件制作方法的主要步骤的流程图。参照流程图100，在步骤SIOI中，准备已经说明的具有斜角分布的GaN衬底。斜角在主面上分布，并且在从主面的边缘上的一点通过中心点向该边缘上的另一点的线段上单调地变化。斜角的极小点和极大点在衬底主面内不存在。连接某等值斜角的点的等斜角线，从GaN衬底的边缘的一点延伸到另一点，而且是曲线和/或线段。 一个实施例中，优选等斜角线的曲率半径大于GaN衬底的外形的曲率半径。除此之外，主面上的斜角分布非常平缓地变化。
图IO是概略表示一个优选方式的有机金属气相生长炉的图。步骤S103中，在有机金属气相生长炉的支撑台上以预定的配置放置GaN衬底27a、 27b和27c。如图10 (a)所示，从衬底主面的边缘上的某一点向该边缘上的另一点的所述线段，朝向同一方向。GaN衬底27a 27c各自的朝向，在图10 (a)所示的例中，由定向平面的取向表示。设定GaN衬底27a 27c在支撑台上的朝向，使得线段朝向从支撑台的边缘向支撑台的中心的方向。此时，通过GaN衬底27a 27c的中心的圆D与定向平面交叉。
有机金属气相生长炉21中，原料气在流道23中流动。支撑台25
的主面25a上，配置多个GaN衬底27a 27c。这些GaN衬底27a 27c
配置在主面25a的导向装置上。原料气(例如，用于形成有源层的原料
气)沿从有机金属气相生长炉21的支撑台25的主面25a的一端向另一
端横穿的方向(箭头A的方向)供给。通过该原料气的供给，如图IO
(b)所示，产生与生长的半导体层的原料流动方向对应的生长速度分
布。定向平面与生长速度分布相关联而取向。SP，通过原料气的供给
及支撑台的旋转，产生与原料气流的从上游向下游的流动方向对应的、
有源层的阱层的生长速度分布。设定GaN衬底27a 27c各自的朝向，
使得在其边缘上的一点位于生长速度分布大的一侧，并且另一点位于
生长速度分布小的一侧。由此，斜角的分布由生长速度分布导致的阱层膜厚分布部分地补偿。
半导体层的生长在使支撑台25旋转的同时进行。通过支撑台25的旋转，可以提高晶体生长的均匀性。另外，通过支撑台25的公转，可将非对称或者不均匀的原料气流的影响平均化。通过该旋转，如图10 (b)所示的生长速度分布成为图10 (c)所示的有效的生长速度分布。
对于该原料气流，可以使用在从衬底主面的边缘上的一点向该边缘上的另一点的通过衬底主面中心点的线段上的斜角单调地变化的氮化镓衬底27a 27c。设定各氮化镓衬底27a 27c的线段的朝向，使得与通过GaN衬底27a 27c的中心的圆D交叉。通过以该朝向将多个氮化镓衬底27a 27c配置在有机金属气相生长炉21的支撑台25上，可以利用上述原料气流动的影响縮小斜角分布的影响。在该线段上，斜角从衬底主面的边缘上的一点向另一点单调地增加，所述线段上的阱层的膜厚整体增加。
例如，在上述线段上按顺序排列的n个点处阱层的n个膜厚在该线段上单调地增加。另外，在线段上，排列有n个氮化物半导体发光器件。n个点分别位于n个氮化物半导体发光器件内。
在步骤S105中，在GaN衬底上使GaN基半导体膜生长。该GaN基半导体膜，在量子阱结构形成之前进行，作为GaN基半导体膜，例如淀积用于缓冲层或覆盖层的n型半导体。作为该半导体，可以使用GaN、 AlGaN、 AlInGaN等。
在步骤S107中，形成量子阱结构。为了形成量子阱结构，在步骤S107a中使阱层生长的同时在步骤S107b中使势垒层生长。必要时，在步骤S107c中重复阱层和势垒层的生长。阱层可以使含有III族元素铟的氮化镓基半导体生长，该氮化镓基半导体例如为GaN、 InGaN、AlInGaN等。受原料气流动的影响，阱层膜厚在主面上分布，并且铟含量的分布受斜角分布的影响。
如前所述，铟含量受该斜角分布的影响。斜角的影响在制作氮化镓基半导体时是不可避免的。不过，通过准备控制了主面上的斜角分布的氮化镓衬底，可以通过原料气流动的影响部分消除斜角的影响。
使用生长炉21进行用于氮化镓基外延晶片的晶体生长时，受原料气流动的影响，产生发光波长的分布。通过使用在从衬底主面的边缘上的一点向该边缘上的另一点的线段上的斜角单调地变化的氮化镓衬底，并且将衬底主面整体的斜角分布与原料气的流动的影响组合，可以减小该发光波长分布。其结果是，可以实现衬底主面上的第一点处的斜角小于第二点处的斜角，并且第一点上的阱层膜厚比第二点上的阱层膜厚薄的结构。因此，根据该氮化镓基外延晶片，能提供可以缩小设置在氮化镓衬底上的包含阱层的有源层的发光波长分布的结构的
半导体器件。
在步骤S109中，在量子阱结构上使GaN基半导体膜生长。作为GaN基半导体膜，例如，可以淀积用于覆盖层和接触层的p型半导体。作为该半导体，可以使用GaN、 AlGaN、 AlInGaN等。
在步骤Slll中，在接触层上形成例如称为阳极的第一电极，并且在GaN衬底的背面上形成例如称为阴极的第二电极。
图11是概略表示另一优选方式的有机金属气相生长炉的图。在步骤S103中，在有机金属气相生长炉的支撑台上以预定的配置放置GaN衬底37a、 37b和37c。如图11 (a)所示，从衬底主面的边缘上的某一点向该边缘上的另一点的线段，朝向原料气的流动方向。GaN衬底37a、37b、 37c各自的朝向，在图11 (a)所示的例中，由定向平面的取向表示。设定GaN衬底37a 37c在支撑台上的朝向，使得GaN衬底37a 37c的中心位于同一个圆D上。此时，线段朝向从支撑台的边缘向支撑台的中心的方向，并且圆D与定向平面交叉。
有机金属气相生长炉31中，原料气在流道33中流动。支撑台35的主面35a上，配置多个GaN衬底37a 37c。这些GaN衬底37a 37c配置在主面35a的导向装置上。原料气(例如，用于形成有源层的原料气)沿与支撑台35的主面35a交叉的轴B (箭头C的方向)供给。通过该原料气的供给，产生与该原料气的从上游向下游流动的方向对应的阱层生长速度分布。通过该原料气的供给，如图11 (b)所示，产生与生长的半导体层的原料流动方向对应的生长速度分布。定向平面与生长速度分布相关联而取向。半导体层的生长在使支撑台35旋转的同时进行。通过支撑台35
的旋转，可以提高晶体生长的均匀性。另外，通过支撑台35的公转，
可将非对称或者不均匀的原料气流的影响平均化。通过该旋转，如图
11 (b)所示的生长速度分布成为图11 (c)所示的有效的生长速度分布。
对于该原料气流，可以使用在从衬底主面的边缘上的一点向该边
缘上的另一点的线段上的斜角单调地变化的氮化镓衬底37a 37c。支撑 台35具有多个在该支撑台35的主面35a上规定的圆周D上设置的用 于氮化镓衬底的导向装置。支撑台35的主面35a上各氮化镓衬底 37a 37c的线段朝向与圆周D的切线交叉的线段的方向。
通过以所述朝向将多个氮化镓衬底37a 37c配置在有机金属气相 生长炉的支撑台上，可以利用上述原料气流动的影响縮小斜角分布的 影响。
根据发明人的观察，根据成膜条件，有时透射电子显微镜中阱层 的厚度在空间上波动。图12示意表示势垒层间设置的各种阱层。参照 图12 (a)，显示了膜厚基本没有波动的阱层的截面，阱层的上面基本 上平坦。该阱层的厚度DW例如为3nm。该厚度与使用斜线阴影区域 的面积S和阱层的宽度L、通过S/L计算的值(以下作为"平均厚度" 参照) 一致。参照图12 (b)，阱层的上面具有大致三角形截面的脊结 构的形态。该阱层的平均厚度例如S/L=2.5nm。参照图12 (c),阱层 的上面具有大致波形截面的脊结构的形态。该阱层的平均厚度例如 S/L-约2.5nm。参照图12 (d)，阱层的上面具有大致波形截面的脊结 构的形态，下侧的势垒层的上面具有大致波形截面的脊结构的形态。 该阱层的平均厚度例如S/I^约2nm。根据发明人的研究，即使形成这 样的平均厚度，也显示出基于生长速度分布的膜厚分布。InGaN层的 厚度平均值的计算，可以使用与上述的平均值不同的方法。200910178703.2
图13 (a)表示在通过晶片中心的轴上具有斜角分布的晶片。轴 Ax上的三个点Pl、 P2和P3的斜角分别是01=0.2度，62=0.4度，03=0.6 度。根据透射电子显微镜，在点P1附近观察到图13 (b)中示意地表 示的阱层，在点P3附近观察到图13 (c)中示意地表示的阱层。另外， 点Pl附近的InGaN阱层的铟含量比点P3附近InGaN阱层的铟含量大。 通过轴Ax上的三个点Pl、 P2、 P3的阱层求出参照图12说明的平均厚 度，平均厚度DWl = 1.5nm、 DW2=1.8nm、 DW3=2nm。 g口 ，平均厚度 DW1、 DW2、 DW3的值在轴Ax上单调地增加。另外，InGaN层的铟 含量按点P1、 P2和P3的顺序单调地减少。因此，即使阱层的膜厚具 有空间波动，通过使用平均厚度，在InGaN层的铟含量和InGaN层的 平均厚度之间也满足本实施方式所示的关系。
对由透射电子显微镜图像中的面积计算阱层平均值的方法的具体 例进行说明。在计算机运算装置中输入透射电子显微镜图像。显微镜 图像优选扫描型透射电子显微镜图像。图14 (a)表示运算装置的显示 装置所示的图像。调节显微镜图像的对比度，制作高对比度图像。进 行高对比度图像的二值化处理，同时根据需要在经二值化处理后的图 像上进行黑白反转。图14 (b)表示将阱层作为黑色区域进行显现的图 像。在运算装置中，指定面积计算区域进行面积计算。通过面积计算 区域的指定，提供阱层的横向宽度L，因此由计算的面积值S和横向宽 度L得到平均膜厚(S/L)。
图15~图18是显示几个外延晶片的多重量子阱结构的透射电子显 微镜图像。图15的显微镜图像中，显示了具有膜厚波动的阱层。目测 的最大膜厚为4.4nm，最小膜厚为0nm。通过运算装置计算的平均厚度 为1.86nm。图16的显微镜图像中，显示了大致均匀的阱层。目测的膜 厚为2.6nm。通过运算装置求出的平均厚度为2.86nm。图17的显微镜 图像中，显示了具有膜厚波动的阱层。目测的最大膜厚为3.3nm，最小 膜厚为Onm。通过运算装置求出的平均厚度为2.53nm。图18的显微镜 图像中，显示了具有膜厚波动的阱层。目测的最大膜厚为4.5nm，最小膜厚为0nm。通过运算装置求出的平均厚度为4.08nm。图19 (a) ~图 19 (d)分别表示图15 图18的二值化图像。为了明确归属，图19 (e) 图19 (f)显示出了进行二值化处理前的原图像。图15~图18分别是 图19 (e) 图19 (f)的放大图。
由此，通过向运算装置的输入处理、对比度处理、二值化处理、 面积计算区域的指定处理以及面积计算处理，可以计算平均厚度。
如上所述，根据本发明的实施方式，提供制作外延晶片的方法， 所述外延晶片用于可以将设置在氮化镓衬底上的包含阱层的有源层的 发光波长分布縮小的结构的氮化镓基半导体发光器件。另外，根据本 发明的实施方式，提供用于提供这样的半导体器件的氮化镓基外延晶 片。
在优选实施方式中图示说明了本发明的原理，但是，本领域技术 人员应该认识到可以在不偏离该原理的情况下变化配置及细节。本发 明不限于本实施方式所公开的特定的构成。另外，本实施方式中，对 于在支撑台上配置3片衬底的例子进行了说明，但是，也可以在支撑 台上配置比其多的更多个衬底。因此，对从权利要求书的范围及其精 神范围而来的全部修正和变更请求权利。
权利要求
1.一种氮化镓基外延晶片，其特征在于，具有具有主面的氮化镓衬底，在所述氮化镓衬底的所述主面上生长的一个或多个氮化镓基半导体膜，和在所述氮化镓基半导体膜上生长的具有量子阱结构的有源层；所述有源层包含阱层，所述阱层包括含有III族元素铟的氮化镓基半导体，所述主面的法线与所述氮化镓衬底的C轴所成的斜角，在所述主面上分布，并且在从所述主面的边缘上的一点向该边缘上的另一点的通过所述氮化镓衬底的所述主面的中心点的线段上单调地增加，在从所述一点向所述另一点的所述线段上按顺序排列的n个点处的所述阱层的n个铟含量，在所述线段上单调地减少，所述n个点处的所述阱层的n个膜厚，在所述线段上单调地增加。
2. 如权利要求l所述的氮化镓基外延晶片，其特征在于， 所述线段上排列有多个氮化物半导体发光器件， 所述多个氮化物半导体发光器件包含所述n个点中的任意一个。
3. 如权利要求1或2所述的氮化镓基外延晶片，其特征在于， 所述膜厚是在所述n个点处规定的平均值，所述平均值由值S/L来规定，其中，S为在与从所述氮化镓衬底 向所述有源层的轴垂直的方向上、用预定的宽度在所述阱层的截面照 片中规定的阱层的截面积，L为所述预定的宽度。
4. 如权利要求1至3中任一项所述的氮化镓基外延晶片，其特征 在于，所述主面上的第一点处的斜角比所述主面上的第二点处的斜角 小，并且，所述第一点上的阱层的膜厚比所述第二点上的阱层的膜厚薄，所述第一点和所述第二点位于相互不同的氮化物半导体发光器件 上。
5. 如权利要求1至4中任一项所述的氮化镓基外延晶片，其特征在于，规定所述线段，使得<1-100>和<11-20>中的任意一个晶轴和通过所述线段规定的基准平面与所述主面正交。
6. 如权利要求1至5中任一项所述的氮化镓基外延晶片，其特征 在于，所述氮化镓衬底具有定向平面和边缘，所述边缘由所述中心点规 定的大致的圆弧构成，所述定向平面的取向，与<1-100>和<11-20>中任意一个晶体取向对应。
7. 如权利要求1至6中任一项所述的氮化镓基外延晶片，其特征 在于，所述氮化镓衬底具有由所述中心点规定的大致圆形的边缘， 所述氮化镓衬底包含与<1-100>和<11-20〉中任意一个晶体取向对 应的标记。
8. 如权利要求1至7中任一项所述的氮化镓基外延晶片，其特征 在于，沿通过所述氮化镓衬底的所述主面的所述中心点的轴的斜角分 布的最大值和最小值的差为0.7度以下。
9. 一种制作用于氮化物半导体发光器件的外延晶片的方法，其特 征在于，包括以下步骤在有机金属气相生长炉的支撑台上配置的多个氮化镓衬底的主面 上使氮化镓基半导体膜整体生长的步骤，供给原料气，并使用有机金属气相生长炉在所述氮化镓基半导体膜上形成具有量子阱结构的有源层的步骤，和使用有机金属气相生长炉在所述有源层上形成另一个氮化镓基半 导体膜的步骤；所述氮化镓基半导体膜和所述另一个氮化镓基半导体膜中的一个 中添加有n型掺杂剂，并且另一个中添加有p型掺杂剂；所述有源层包含阱层，所述阱层包括含有III族元素铟的氮化镓基 半导体；各氮化镓衬底的所述主面的法线与所述氮化镓衬底的C轴所成的 斜角，在整个所述主面上分布，并且在从所述主面的边缘上的一点向 该边缘上的另一点的通过所述氮化镓衬底的所述主面的中心点的线段 上单调地增加；所述边缘上的所述一点处的斜角大于该边缘上的所述另一点处的斜角；所述阱层的生长在使所述支撑台旋转的同时进行； 通过所述原料气的供给和所述支撑台的旋转，产生与该原料气流 的从上游向下游的流动方向对应的、所述有源层的所述阱层的生长速 度分布，所述边缘上的所述一点位于所述生长速度分布大的一侧，并 且所述另一点位于所述生长速度分布小的一侧。
10. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述线段上按顺序排列的n个点处的所述阱层的n个膜厚是在 所述n个点处规定的平均值，所述膜厚在所述线段上单调地增加，所述平均值由值S/L来规定，其中，S为在与从所述氮化镓衬底 向所述有源层的轴垂直的方向上、用预定的宽度在所述阱层的截面照 片中规定的阱层的截面积，L为所述预定的宽度。
11. 如权利要求9或IO所述的方法，其特征在于，所述主面上的 第一点处的斜角小于所述主面上的第二点处的斜角，并且，所述第一 点上的阱层的膜厚比所述第二点上的阱层的膜厚薄，所述第一点和所述第二点位于相互不同的氮化物半导体发光器件上。
12.如权利要求9至11中任一项所述的方法，其特征在于，用于 形成所述有源层的原料气沿从所述支撑台的主面的一端向另一端横穿 的方向供给。
13.如权利要求9至12中任一项所述的方法，其特征在于，用于 形成所述有源层的原料气沿与所述支撑台的主面交叉的轴的方向供々A
14.如权利要求9至13中任一项所述的方法，其特征在于， 所述支撑台具有在该支撑台的所述主面上规定的圆周上设置的用于氮化镓衬底的多个导向装置，所述支撑台的所述主面上各氮化镓的所述线段，朝向与所述圆周的切线交叉的方向。
15.如权利要求9至14中任一项所述的方法，其特征在于，还包 括在所述支撑台上配置所述氮化镓衬底的步骤。
全文摘要
本发明提供氮化镓基外延晶片及外延晶片的制作方法。在氮化镓基外延晶片中，轴Ax上的三个点P1、P2和P3的斜角分别为θ1＝0.2度，θ2＝0.4度，θ3＝0.6度。另外，点P1附近的InGaN阱层的铟含量大于点P3附近的InGaN阱层的铟含量。在轴Ax上的三个点P1、P2、P3求出参照图12说明的阱层的平均厚度，阱层的平均厚度DW1、DW2、DW3的值在轴Ax上单调地增加。另外，InGaN层的铟含量按点P1、P2和P3的顺序单调地减少。因此，提供氮化镓基外延晶片，所述外延晶片用于提供可以缩小设置在氮化镓衬底上的包含阱层的有源层的发光波长分布的结构的半导体器件。
文档编号H01L21/205GK101685824SQ20091017870
公开日2010年3月31日 申请日期2009年9月25日 优先权日2008年9月26日
发明者上野昌纪, 中村孝夫, 善积祐介 申请人:住友电气工业株式会社