含有铝的氮化物中间层的制造方法、氮化物层的制造方法和氮化物半导体元件的制造方法

专利名称：含有铝的氮化物中间层的制造方法、氮化物层的制造方法和氮化物半导体元件的制造方法
技术领域：
本发明涉及含有铝的氮化物中间层的制造方法、氮化物层的制造方法和氮化物 半导体元件的制造方法。
背景技术：
由于含有氮的III-V族化合物半导体(III族氮化物半导体)具有与从红外到紫外 区域波长的光能量相当的禁带宽度，所以作为发出具有从红外到紫外区域波长的光的发 光元件或具有接受该区域波长的光的受光元件的材料是有用的。III族氮化物半导体由于构成III族氮化物半导体的原子之间的结合强、绝缘破坏 电压高、饱和电子速度大，所以作为耐高温、高输出、高频的晶体管等电子器件的材料 也是有用的。且III族氮化物半导体作为几乎对于环境无害，且容易处理的材料也被关注。

如上所述，为了使用良好的材料即III族氮化物半导体来制作实用的氮化物半导 体元件，就需要在规定的基板上层积由III族氮化物半导体的薄膜构成的III族氮化物半导 体层来形成规定的元件结构。在此，作为基板，最合适的是使用具有能够在基板上使III族氮化物半导体直接 生长的晶格常数和热膨胀系数的由III族氮化物半导体构成的基板，作为由III族氮化物半 导体构成的基板例如优选使用氮化镓(GaN)基板等。但现状是GaN基板其尺寸小到直径2英寸以下，且价格非常高，所以不实用。因此，现状是作为氮化物半导体元件制作用的基板而使用与III族氮化物半导体 晶格常数差和热膨胀系数差大的蓝宝石基板和炭化硅(SiC)基板等。在蓝宝石基板与代表性的III族氮化物半导体即GaN之间存在有约16%左右的晶 格常数差。SiC基板与GaN之间存在有约6%左右的晶格常数差。在基板与在其上生长 的III族氮化物半导体之间存在有这样大的晶格常数差的情况下，一般难于使由III族氮化 物半导体构成的晶体在基板上外延生长。例如直接使GaN晶体在蓝宝石基板上外延生长 时，GaN晶体的立体生长不可避免，有不能得到具有平坦表面的GaN晶体的问题。于是，为了消除基板与III族氮化物半导体之间的晶格常数差而一般进行在基板 与III族氮化物半导体之间形成被称为所谓缓冲层的层。例如在特开平02-229476号公报(专利文献1)中就记载有在蓝宝石基板上把 AlN的缓冲层利用MOVPE法形成后，使由AlxGai_xN构成的III族氮化物半导体生长的方法。但即使是专利文献1记载的方法，也难于再现性良好地得到具有平坦表面的 AlN缓冲层。这认为是在利用MOVPE法形成AlN的缓冲层时，作为原料气体而使用的 三甲基铝(TMA)气体和氨气(NH3)在气相中容易反应的缘故。因此，在专利文献1记载的方法中，难于使表面平坦且缺陷密度小的高质量的、由AlxGai_xN构成的III族氮化物半导体在AlN缓冲层上再现性良好地生长。例如被日本特开昭60-173829号公报(专利文献2)公开有在蓝宝石基板上利 用施加直流偏压的高频溅射法来形成AlxGai_xN(0 < χ<1)缓冲层的方法。但通过专利文献2记载的方法在AlxGai_xN(0 < χ<1 =缓冲层上形成的III族氮 化物半导体，如日本特开2000-286202号公报(专利文献3)的段落
和日本特开 2001-094150号公报(专利文献4)的段落
所记载的那样，不具有良好的结晶性。于是，在专利文献3中提出有把利用DC磁控溅射法形成的由III族氮化物 半导体构成的缓冲层在氢气和氨气的混合气体环境下进行热处理的方法，在专利文献4 中提出有在被升温到400°C以上的蓝宝石基板上利用DC磁控溅射法来形成50埃以上 3000埃以下膜厚度的、由III族氮化物半导体构成的缓冲层的方法。在日本特开2008-034444号公报(专利文献5)提出有在被加热到750 °C的蓝 宝石基板上利用高频溅射法来形成由AlN柱状晶构成的缓冲层的方法。但利用上述专利文献3 5记载的方法，形成由III族氮化物半导体构成的缓冲 层，在该缓冲层上形成III族氮化物半导体层时也不能再现性良好地形成具有良好结晶性 的III族氮化物半导体层，其结果是不能再现性良好地制作具有良好特性的氮化物半导体 元件。

发明内容

鉴于上述情况，本发明的目的在于提供一种能够使具有良好结晶性的氮化物层 再现性良好地形成在其上方的含有铝的氮化物中间层的制造方法、该氮化物层的制造方 法和使用该氮化物层的氮化物半导体元件的制造方法。本发明的第一形态能够提供含有铝的氮化物中间层的制造方法，包括把基板 和含有铝的靶电极隔开IOOmm以上250mm以下的距离来配置的工序、通过在基板与靶电 极之间利用以连续DC方式施加电压而进行的DC磁控溅射法而在基板表面上形成含有铝 的氮化物中间层的工序。在此，在本发明第一形态的含有铝的氮化物中间层的制造方法中，优选在基板 和靶电极的配置工序与形成含有铝的氮化物中间层的工序之间，还包括有向基板与靶电 极之间导入氮气的工序。在本发明第一形态的含有铝的氮化物中间层制造方法中，优选在基板和靶电极 的配置工序中把靶电极相对基板倾斜地来配置基板和靶电极。本发明的第二形态能够提供含有铝的氮化物中间层的制造方法，包括把基板 和含有铝的靶电极隔开间隔配置的工序、向基板与靶电极之间导入氮气的工序、通过在 基板与靶电极之间利用以连续DC方式施加电压而进行的DC磁控溅射法而在基板表面上 形成含有铝的氮化物中间层的工序。在此，在本发明第二形态的含有铝的氮化物中间层的制造方法中，优选在基板 和靶电极的配置工序中把靶电极相对基板倾斜地来配置基板和靶电极。本发明的第三形态能够提供含有铝的氮化物中间层的制造方法，包括把基板 和含有铝的靶电极隔开间隔而使靶电极相对基板倾斜配置的工序、通过在基板与靶电极 之间利用以连续DC方式施加电压而进行的DC磁控溅射法而在基板表面上形成含有铝的氮化物中间层的工序。 本发明的第四形态能够提供氮化物层的制造方法，包括把基板和含有铝的靶 电极隔开IOOmm以上250mm以下的距离来配置的工序、通过在基板与靶电极之间利用以 连续DC方式施加电压而进行的DC磁控溅射法而在基板表面上形成含有铝的氮化物中间 层的工序、在含有铝的氮化物中间层上形成氮化物层的工序。在此，本发明第四形态的氮化物层的制造方法，优选在基板和靶电极的配置工 序与形成含有铝的氮化物中间层的工序之间，还包括有向基板与靶电极之间导入氮气的工序。在本发明第四形态的氮化物层的制造方法中，优选在基板和靶电极的配置工序 中把靶电极相对基板倾斜地来配置基板和靶电极。本发明的第五形态能够提供氮化物层的制造方法，包括把基板和含有铝的靶 电极隔开间隔配置的工序、向基板与靶电极之间导入氮气的工序、通过在基板与靶电极 之间利用以连续DC方式施加电压而进行的DC磁控溅射法而在基板表面上形成含有铝的 氮化物中间层的工序、在含有铝的氮化物中间层上形成氮化物层的工序。在此，在本发明第五形态的氮化物层的制造方法中，优选在基板和靶电极的配 置工序中把靶电极相对基板倾斜地来配置基板和靶电极。本发明的第六形态能够提供氮化物层的制造方法，包括把基板和含有铝的靶 电极隔开间隔而使靶电极相对基板倾斜配置的工序、通过在基板与靶电极之间利用以连 续DC方式施加电压而进行的DC磁控溅射法而在基板表面上形成含有铝的氮化物中间层 的工序、在含有铝的氮化物中间层上形成氮化物层的工序。本发明的第七形态能够提供氮化物半导体元件的制造方法，包括把基板和含 有铝的靶电极隔开IOOmm以上250mm以下的距离来配置的工序、通过在基板与靶电极之 间利用以连续DC方式施加电压而进行的DC磁控溅射法而在基板表面上形成含有铝的氮 化物中间层的工序、在含有铝的氮化物中间层上形成氮化物半导体层的工序。在此，本发明第七形态的氮化物半导体元件的制造方法，优选在基板和靶电极 的配置工序与形成含有铝的氮化物中间层的工序之间，还包括有向基板与靶电极之间导 入氮气的工序。在本发明第七形态的氮化物半导体元件的制造方法中，优选在基板和靶电极的 配置工序中把靶电极相对基板倾斜地来配置基板和靶电极。本发明的第八形态能够提供氮化物半导体元件的制造方法，包括把基板和含 有铝的靶电极隔开间隔配置的工序、向基板与靶电极之间导入氮气的工序、通过在基板 与靶电极之间利用以连续DC方式施加电压而进行的DC磁控溅射法而在基板表面上形 成含有铝的氮化物中间层的工序、在含有铝的氮化物中间层上形成氮化物半导体层的工序。在此，在本发明第八形态的氮化物半导体元件的制造方法中，优选在基板和靶 电极的配置工序中把靶电极相对基板倾斜地来配置基板和靶电极。本发明的第九形态能够提供氮化物半导体元件的制造方法，包括把基板和含 有铝的靶电极隔开间隔而使靶电极相对基板倾斜配置的工序、通过在基板与靶电极之间 利用以连续DC方式施加电压而进行的DC磁控溅射法而在基板表面上形成含有铝的氮化物中间层的工序、在含有铝的氮化物中间层上形成氮化物半导体层的工序。根据本发明，能够提供一种含有铝的氮化物中间层的制造方法、该氮化物层的 制造方法和使用该氮化物层的氮化物半导体元件的制造方法，可使具有良好结晶性的氮 化物层再现性良好地形成在该含有铝的氮化物中间层的上方。本发明的上述和其他的目的、特点、方面和优点从附图和下面的关于本发明的 相关详细说明就能够明了。


图1是本发明的氮化物半导体元件的一例即实施例1的氮化物半导体发光二极管 元件的示意性剖视图；图2是把实施例1的氮化物半导体发光二极管元件制造方法一例的制造工序一部 分图解的示意性剖视图；图3是用于在基板表面上层积含有铝的氮化物中间层的DC磁控溅射装置一例的 示意性结构图；图4是用于在基板表面上层积含有铝的氮化物中间层的DC磁控溅射装置其他一 例的示意性结构图；图5是用于在基板表面上层积含有铝的氮化物中间层的DC磁控溅射装置又其他 一例的示意性结构图；图6是把实施例1的氮化物半导体发光二极管元件制造方法一例的制造工序一部 分图解的示意性剖视图；图7是把实施例1的氮化物半导体发光二极管元件制造方法一例的制造工序一部 分图解的示意性剖视图；图8是把实施例1的氮化物半导体发光二极管元件制造方法一例的制造工序一部 分图解的示意性剖视图；图9是使用实施例1的氮化物半导体发光二极管元件的发光装置一例的示意性剖 视图；图10是本发明氮化物半导体元件的其他一例即实施例2的氮化物半导体激光元 件的示意性剖视图；图11是把实施例2的氮化物半导体激光元件制造方法一例的制造工序一部分图 解的示意性剖视图；图12是把实施例2的氮化物半导体激光元件制造方法一例的制造工序一部分图 解的示意性剖视图；图13是本发明氮化物半导体元件的其他一例即实施例3的氮化物半导体晶体管 元件的示意性剖视图；图14是把实施例3的氮化物半导体晶体管元件制造方法一例的制造工序一部分 图解的示意性剖视图；图15是把实验例1 15的氮化物半导体发光二极管元件制造方法的制造工序一 部分图解的示意性剖视图；图16是在实验例1 8和13 15的形成AlN缓冲层所使用的DC磁控溅射装置的示意性结构图；图17是把实验例1 15的氮化物半导体发光二极管元件制造方法的制造工序一 部分图解的示意性剖视图；图18是把实验例1 15的氮化物半导体发光二极管元件制造方法的制造工序一 部分图解的示意性剖视图；图19是把实验例1 15的氮化物半导体发光二极管元件制造方法的制造工序一 部分图解的示意性剖视图；图20是把实验例1 15的氮化物半导体发光二极管元件制造方法的制造工序一 部分图解的示意性剖视图；图21是把实验例1 15的氮化物半导体发光二极管元件制造方法的制造工序一 部分图解的示意性剖视图； 图22是在实验例9 12的形成AlN缓冲层所使用的DC磁控溅射装置的示意性 结构图；图23是表示实验例1 8的GaN基底层的(004)面中X射线摇摆曲线的半幅值 (arcsec)、 与Al靶电极表面中心和蓝宝石基板c面的最短距离d(mm)之间关系的图。
具体实施例方式以下说明本发明的实施例。在本发明的附图中，同一参照符号表示同一部分或 相当的部分。<实施例1>图1表示本发明的氮化物半导体元件的一例即实施例1的氮化物半导体发光二极 管元件的示意性剖视图。在此，实施例1的氮化物半导体发光二极管元件100具备基板1、与基板1的 表面相接设置的含有铝的氮化物中间层2、与含有铝的氮化物中间层2的表面相接设置的 氮化物半导体基底层3、与氮化物半导体基底层3的表面相接设置的η型氮化物半导体接 触层4、与η型氮化物半导体接触层4的表面相接设置的η型氮化物半导体包层5、与η 型氮化物半导体包层5的表面相接设置的氮化物半导体活性层6、与氮化物半导体活性层 6的表面相接设置的ρ型氮化物半导体包层7、与ρ型氮化物半导体包层7的表面相接设 置的ρ型氮化物半导体接触层8、与ρ型氮化物半导体接触层8的表面相接设置的透光性 电极层9。且与η型氮化物半导体接触层4的露出表面相接地设置有η侧电极11，与透 光性电极层9的表面相接地设置有ρ侧电极10。以下，说明实施例1的氮化物半导体发光二极管元件100的制造方法的一例。首先如图2的示意性剖视图所示，在基板1的表面上层积含有铝的氮化物中间层 2。在此，含有铝的氮化物中间层2是通过在基板1与靶电极之间利用以连续DC方式施 加电压而进行的DC磁控溅射法而形成。图3表示用于在基板1表面上层积含有铝的氮化物中间层2的DC磁控溅射装置 一例的示意性结构。在此，DC磁控溅射装置具备反应室21、设置在反应室21内部下方的加热器 23、与加热器23相对设置的阴极28、把反应室21内部的气体向反应室21外部释放的排气口邪。
加热器23被加热器支撑体M所支撑。阴极28具有由铝构成的Al靶电极沈和 被磁铁支撑体四支撑的磁铁27。反应室21上连接有用于向反应室21内部供给氩气的 Ar气供给管30和用于向反应室21内部供给氮气的N2气供给管31。
在向基板1的表面上层积含有铝的氮化物中间层2时，首先在以上结构的DC磁 控溅射装置内部的加热器23上设置基板1。把基板1配置成使基板1的生长面(含有铝 的氮化物中间层2生长的面)与Al靶电极沈的表面相对且隔开规定距离d。
作为基板1例如能够使用由具有a面、c面、m面或r面等露出面的蓝宝石 (Al2O3)单晶、尖晶石(MgAl2O4)单晶、ZnO单晶、LiAlO2单晶、LiGaO2单晶、MgO单 晶、幻单晶、^iC单晶、GaAs单晶、AlN单晶、GaN单晶或ZrB2等硼化物单晶等构成 的基板。基板1生长面的面方位没有特别的限定，能够恰当地使用正基板(^ ^ 7卜基 板)或被付与了偏斜角的基板等，特别是作为基板1而使用由蓝宝石单晶构成的蓝宝石基 板，在蓝宝石基板的c面上形成后述的含有铝的氮化物中间层2时，由于能够层积由晶粒 整齐排列的柱状晶集合体构成的、结晶性良好的含有铝的氮化物中间层2的倾向变大， 因此优选。
上述的距离d是指Al靶电极沈表面的中心与基板1的生长面之间的最短距离， 该距离d优选是IOOmm以上250mm以下，更优选是120mm以上210mm以下，最优选是 150mm以上180mm以下。这是由于利用DC磁控溅射法在层积含有铝的氮化物中间层 2时要向基板1供给高能量的反应籽晶，把上述距离d设定成IOOmm以上时，能够缩小 上述反应籽晶给予基板1生长面的损伤，把上述距离d设定成250mm以下时，容易产生 等离子放电，而且含有铝的氮化物中间层2的形成速度也变快，因此，具有如下倾向， 即，能够层积由向基板1生长面的法线方向(垂直方向)伸长的晶粒整齐排列的柱状晶集 合体构成的、结晶性良好的含有铝的氮化物中间层2。因此，通过使氮化物层在这种结晶 性良好的含有铝的氮化物中间层2表面上生长而能够再现性良好地得到位错密度低的结 晶性良好的氮化物层(本实施例的氮化物半导体基底层幻，进而能够再现性良好地制作 具有良好特性的氮化物半导体元件。
由于在把上述距离d设定成120mm以上210mm以下时，特别是设定成150mm 以上180mm以下时，由于能够层积结晶性更好的含有铝的氮化物中间层2，所以在这种 含有铝的氮化物中间层2的表面上能够再现性良好地使位错密度低且结晶性更良好的氮 化物层生长的倾向大，进而能够再现性良好地制作具有更良好特性的氮化物半导体元件 的倾向大。
接着，向反应室21内部从Ar气供给管30供给氩气，且从N2气供给管31供给 氮气，由此，向基板1与Al靶电极沈之间导入氩气和氮气。且通过在基板1与Al靶电 极26之间利用连续DC方式(DC-continuous方式)施加电压而在基板1与Al靶电极沈 之间产生氩气和氮气的等离子。由此，通过进行Al靶电极沈的溅射而在基板1的表面 上层积由铝和氮的化合物构成的含有铝的氮化物中间层2。连续DC方式是在Al靶电极 26的溅射中把规定大小的直流电压(方向不随时间变化的电压)向基板1与Al靶电极沈 之间连续施加的方式。
在此，向反应室21内部供给的气体中优选氮气所占的体积比率(氮比率是50%以上，更优选是75%以上，最优选是100% (仅供给氮气)。在上述氮比率是 50%以上的情况下，特别是75%以上的情况下，由于能够抑制向含有铝的氮化物中间层 2中进入的杂质的量，所以能够提高含有铝的氮化物中间层2的结晶性。在上述氮比率是 100%的情况下，由于向反应室21内部仅供给氮气，所以能够使含有铝的氮化物中间层2 的结晶性更加提高。在这种结晶性良好的含有铝的氮化物中间层2的表面上使氮化物层 生长时，有能够再现性良好地得到位错密度低且结晶性良好的氮化物层的倾向，进而能 够再现性良好地制作具有良好特性的氮化物半导体元件的倾向变大。
上面说明了向反应室21内部供给氩气和氮气的情况，但并不限定于此，例如也 可以把氮气的至少一部分置换成氨气，也可以把氩气的至少一部分置换成氢气。
图4表示用于在基板1表面上层积含有铝的氮化物中间层2的DC磁控溅射装置 其他一例的示意性结构。图4所示结构的DC磁控溅射装置的特点是在基板1与Al靶电 极沈之间隔开间隔地把Al靶电极沈相对基板1的生长面倾斜而配置。
在此，把Al靶电极沈配置成相对基板1生长面的法线方向仅倾斜角度θ。在 此，从层积结晶性良好的含有铝的氮化物中间层2的观点出发，优选角度θ是10°以上 45°以下，更优选是20°以上45°以下。
在这样使基板1与Al靶电极沈之间隔开间隔而把Al靶电极沈相对基板1的生 长面倾斜配置的状态下，通过在基板1与Al靶电极沈之间利用连续DC方式施加电压的 DC磁控溅射法来层积含有铝的氮化物中间层2时，能够减少在层积含有铝的氮化物中间 层2时向基板1供给的高能量反应籽晶对基板1生长面的损伤，因此，有能够层积结晶性 良好的含有铝的氮化物中间层2的倾向。
通过把Al靶电极沈相对基板1的生长面倾斜配置，使基板1生长面内的含有铝 的氮化物中间层2的厚度均勻性和结晶性的均勻性提高，因此，使基板1生长面内的氮化 物半导体元件特性的均勻性提高，有提高氮化物半导体元件合格品率的倾向。
特别是基板1生长面的口径以IOOmmG英寸)、125mm(5英寸)、150mm(6英 寸)的方式依次增大时，则有上述提高均勻性的效果就越发显著的倾向。
在图4所示结构的DC磁控溅射装置中，Al靶电极沈表面的中心与基板1生长 面之间的最短距离d也是优选IOOmm以上250mm以下，更优选是120mm以上210mm以 下，最优选是150mm以上180mm以下。通过在图4所示结构的DC磁控溅射装置中， 也把上述最短距离d如上述那样设定，由于上述的理由而更有能够层积结晶性良好的含 有铝的氮化物中间层2的倾向。
在图4所示结构的DC磁控溅射装置中，向反应室21内部供给的气体中优选氮气 所占的体积比率(氮比率％)是50%以上，更优选是75%以上，最优选是100% (仅 供给氮气)。通过在图4所示结构的DC磁控溅射装置中，也把向反应室21内部供给的 气体的氮比率如上述那样设定，由于上述的理由而更有能够层积结晶性良好的含有铝的 氮化物中间层2的倾向。
图5表示用于在基板1表面上层积含有铝的氮化物中间层2的DC磁控溅射装置 其他一例的示意性结构。图5所示结构的DC磁控溅射装置的特征在于，具备与基板 1隔开间隔且相对基板1的生长面倾斜配置的具有第一 Al靶电极2 的第一阴极28a和 与基板1隔开间隔且相对基板1的生长面倾斜配置的具有第二 Al靶电极^b的第二阴极28b。
在此，第一阴极观&具有第一Al靶电极^a、被第一磁铁支撑体^a支撑的第 一磁铁27a。第二阴极2 具有第二 Al靶电极^5b、被第二磁铁支撑体29b支撑的第 二磁铁27b。
把第一 Al靶电极2 配置成相对基板1生长面的法线方向倾斜角度θ 1。在 此，从层积结晶性良好的含有铝的氮化物中间层2的观点出发，优选角度θ 1是10°以上 45°以下，更优选是20°以上45°以下。
把第二 Al靶电极2 配置成相对基板1的生长面的法线方向倾斜角度θ 2。在 此，从层积结晶性良好的含有铝的氮化物中间层2的观点出发，优选角度θ 2是10°以上 45°以下，更优选是20°以上45°以下。
从层积结晶性良好的含有铝的氮化物中间层2的观点出发，优选把上述角度θ 1 或θ 2中的任一个设定为上述范围，更优选把Θ1和θ 2这双方设定为上述范围。
图5说明了设置两个相对基板的生长面倾斜配置的Al靶电极的DC磁控溅射装 置，但从提高含有铝的氮化物中间层2的成膜速度的观点出发，把相对基板的生长面倾 斜配置的Al靶电极例如可以增设到三个、四个、五个等。
在图5所示结构的DC磁控溅射装置中，第一 Al靶电极2 表面的中心与基板1 生长面之间的最短距离dl优选是IOOmm以上250mm以下，更优选是120mm以上210mm 以下，最优选是150mm以上180mm以下。通过在图5所示结构的DC磁控溅射装置中， 把上述最短距离dl如上述那样设定，由于上述的理由而具有能够层积结晶性更良好的含 有铝的氮化物中间层2的倾向。
在图5所示结构的DC磁控溅射装置中，第二 Al靶电极2 表面的中心与基板 1的生长面之间的最短距离d2优选是IOOmm以上250mm以下，更优选是120mm以上 210mm以下，最优选是150mm以上180mm以下。通过在图5所示结构的DC磁控溅射 装置中，把上述最短距离d2如上述那样设定，由于上述的理由而具有能够层积结晶性更 良好的含有铝的氮化物中间层2的倾向。
从层积结晶性良好的含有铝的氮化物中间层2的观点出发，优选把上述最短距 离dl或d2中的任一个设定为上述范围，更优选把dl和d2这双方设定为上述范围。
在图5所示结构的DC磁控溅射装置中，向反应室21内部供给的气体中优选氮气 所占的体积比率(氮比率％)是50%以上，更优选是75%以上，最优选是100% (仅 供给氮气)。通过在图5所示结构的DC磁控溅射装置中，也如上述那样设定向反应室 21内部供给的气体的氮比率，由于上述的理由而具有能够层积结晶性更良好的含有铝的 氮化物中间层2的倾向。
如上所述，本实施例中在基板与靶电极之间通过利用连续DC方式施加电压的 DC磁控溅射法来层积含有铝的氮化物中间层时，通过采用以下(a) (c)的至少一个条 件，就能够在基板的生长面上层积由向基板生长面的法线方向(垂直方向)伸长的晶粒整 齐排列的柱状晶集合体构成的良好结晶性的含有铝的氮化物中间层。通过使氮化物层在 这种结晶性良好的含有铝的氮化物中间层表面上生长而能够再现性良好地得到位错密度 低且结晶性良好的氮化物层，进而能够再现性良好地制作具有良好特性的氮化物半导体 元件。11
(a)把靶电极表面的中心与基板生长面之间的最短距离设定成IOOmm以上 250mm以下，更优选设定成120mm以上210mm以下，最优选设定成150mm以上180mm 以下。
(b)把向DC磁控溅射装置供给的气体中氮气所占的体积比率(氮比率％ )设 定成50%以上，更优选设定成75%以上，最优选设定成100% (仅供给氮气)。
(c)把靶电极相对基板的生长面倾斜配置。
为了在基板的生长面上层积结晶性良好的含有铝的氮化物中间层，只要采用上 述条件(a) (c)中的任一个条件即可，但为了得到结晶性更良好的含有铝的氮化物中间 层，则优选采用上述条件(a) (c)中的任两个条件，最优选采用上述条件(a) (c)中 的所有条件。
含有铝的氮化物中间层2优选把基板1的生长面无间隙地覆盖。在基板1的生 长面从含有铝的氮化物中间层2露出的情况下，有可能在含有铝的氮化物中间层2上形成 的氮化物层中产生小突起(hillock)或凹坑(pit)。
作为含有铝的氮化物中间层2例如能够层积由AlxtlGaytlN表示的氮化物半导体构 成的氮化物半导体层(0众0《1、0<y0<U x0+y0 ^ 1),特别是从得到由向基板1生长面的 法线方向伸长的晶粒整齐排列的柱状晶集合体构成的结晶性良好的含有铝的氮化物中间 层2的观点出发，优选层积由AlN表示的氮化物半导体(氮化铝)构成的氮化物半导体层。
优选把在基板1的生长面上层积的含有铝的氮化物中间层2的厚度设定在5nm以 上IOOnm以下。在含有铝的氮化物中间层2的厚度不到5nm的情况下，有可能含有铝的 氮化物中间层2作为缓冲层的功能不能充分发挥。在含有铝的氮化物中间层2的厚度超 过IOOnm的情况下，有可能作为缓冲层的功能没有提高而仅仅形成含有铝的氮化物中间 层2的时间变长。从使含有铝的氮化物中间层2在面内均勻发挥作为缓冲层的功能的观 点出发，优选把含有铝的氮化物中间层2的厚度设定在IOnm以上50nm以下。
优选把层积含有铝的氮化物中间层2时的基板1的温度设定在300°C以上1000°C 以下。在层积含有铝的氮化物中间层2时的基板1的温度不到300°C的情况下，含有铝 的氮化物中间层2不能把基板1生长面的整个面覆盖，基板1生长面的一部分有可能从 含有铝的氮化物中间层2露出。在层积含有铝的氮化物中间层2时的基板1的温度超过 1000°C的情况下，在基板1的生长面原料的迁移过于活跃，形成的含有铝的氮化物中间 层2与其说是柱状晶的集合体还不如说是接近单晶体的膜，含有铝的氮化物中间层2的作 为缓冲层的功能有可能降低。
在层积含有铝的氮化物中间层2时优选反应室21内部的压力是0.2 以上。在 层积含有铝的氮化物中间层2时反应室21内部的压力不到0.2Pa的情况下，反应室21内 部的氮量变少，从Al靶电极沈溅射的铝有可能以不成为氮化物的状态向基板1的生长面 附着。在层积含有铝的氮化物中间层2时，反应室21内部的压力上限没有特别的限定， 只要使在反应室21内部能够产生等离子程度的压力就可。
由于在层积含有铝的氮化物中间层2时希望在反应室21的内部不存在杂质，所 以从得到具有良好结晶性的含有铝的氮化物中间层2的观点出发，优选溅射前的反应室 21内部的压力是IXlQ-3Pa以下。
含有铝的氮化物中间层2的形成速度优选是O.Olnm/秒以上Inm/秒以下。在含 有铝的氮化物中间层2的形成速度不到O.Olnm/秒的情况下，则不能使含有铝的氮化物中 间层2在基板1的生长面上均勻扩展生长而是生长成岛状，含有铝的氮化物中间层2不能 均勻覆盖基板1的生长面，基板1的生长面有可能从含有铝的氮化物中间层2露出。在 含有铝的氮化物中间层2的形成速度超过Inm/秒的情况下，含有铝的氮化物中间层2成 为非晶体，有可能在含有铝的氮化物中间层2上不能生长位错密度小且具有良好结晶性 的氮化物层。
对于含有铝的氮化物中间层2层积前的基板1的生长面也可以进行前处理。在 此，作为基板1的生长面的前处理的一例，能够举出通过进行与对硅基板经常进行的同 样的RCA洗净处理来对基板1的生长面进行氢终端化的处理。由此，有在基板1的生长 面上能够再现性良好地层积结晶性良好的含有铝的氮化物中间层2的倾向。
作为基板1生长面的前处理的其他一例，能够举出把基板1的生长面暴露在氮气 等离子中的处理。由此，把附着在基板1生长面的有机物或氧化物等异物除去，有能够 调整基板1生长面状态的倾向。特别是在基板1是蓝宝石基板的情况下，通过把基板1 的生长面暴露在氮气等离子中而使基板1的生长面被氮化，有使在基板1的生长面上层积 的含有铝的氮化物中间层2容易在面内均勻形成的倾向。
接着如图6的示意性剖视图所示，利用MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法在含有铝的氮化物中间层2的表面上层积氮化物半导体基底层3。
在此，作为氮化物半导体基底层3例如能够层积由以AlxlGaylInzlN表示的III族 氮化物半导体构成的氮化物半导体层(0《xl《l、0<yl<U 0<zl<U xl+yl+zl ^ 0),为了 不使由柱状晶集合体构成的含有铝的氮化物中间层2中的位错等晶体缺陷继续，作为III 族元素而优选包含Ga的。为了不使含有铝的氮化物中间层2中的位错继续而需要在与含 有铝的氮化物中间层2的界面附近使位错形成位错环，在把氮化物半导体基底层3由包含 Ga的III族氮化物半导体构成的情况下，容易产生位错环。因此，通过使用由包含Ga的 III族氮化物半导体构成的氮化物半导体基底层3，在与含有铝的氮化物中间层2的界面附 近形成位错环而封闭，能够抑制位错从含有铝的氮化物中间层2向氮化物半导体基底层3 继续。特别是在氮化物半导体基底层3是由以AlxlGaylNO) < xl < 1、0 < yl < 1表示 的III族氮化物半导体构成的情况下，特别是由GaN构成的情况下，由于能够在与含有铝 的氮化物中间层2的界面附近形成位错环而封闭，所以有能够得到位错密度小且具有良 好结晶性的氮化物半导体基底层3的倾向。
也可以在层积氮化物半导体基底层3前对含有铝的氮化物中间层2的表面进行热 处理。通过该热处理，有能够谋求提高含有铝的氮化物中间层2表面的清洁化和结晶性 的倾向。该热处理例如能够在使用MOCVD法的MOCVD装置内进行，作为热处理时的 环境气体例如能够使用氢气、氮气等。为了防止在上述热处理时含有铝的氮化物中间层 2的分解，也可以向热处理时的环境气体混合氨气。上述热处理例如能够在900°C以上 1250°C以下的温度例如进行1分钟以上60分钟以下的时间。
氮化物半导体基底层3中也可以以IXlO17cm3以上IXlO19cm3以下的范围掺杂 η型掺杂剂，但从维持良好结晶性的观点出发，优选氮化物半导体基底层3不掺杂。作为 η型掺杂剂例如能够使用硅、锗和锡等，特别优选使用硅和/或锗。
层积氮化物半导体基底层3时的基板1的温度优选800°C以上1250°C以下，更优 选1000°C以上1250°C以下。在层积氮化物半导体基底层3时的基板1的温度是800°C以 上1250°C以下时，特别是在1000°C以上1250°C以下时，有能够使结晶性良好的氮化物半 导体基底层3生长的倾向。
如图7的示意性剖视图所示，通过MOCVD法在氮化物半导体基底层3的表面上 把η型氮化物半导体接触层4、η型氮化物半导体包层5、氮化物半导体活性层6、ρ型氮 化物半导体包层7和ρ型氮化物半导体接触层8按照该顺序层积而形成层积层。
在此，作为η型氮化物半导体接触层4，例如能够层积由Alx2Gay2Inz2N表示的III 族氮化物半导体构成的氮化物半导体层(0《x2《l、0<y2<U 0<z2<U x2+y2+z2 ^ 0)中掺 杂有η型掺杂剂的层等。
特别是η型氮化物半导体接触层4优选是在由Alx2Gai_x2N (0<χ2<1、优选 0<χ2<0.5,更优选0《χ2《0.1)表示的III族氮化物半导体中、作为η型掺杂剂而掺杂硅的氮 化物半导体层。
η型掺杂剂向η型氮化物半导体接触层4掺杂的浓度，从维持与η侧电极11良 好的欧姆接触、抑制在η型氮化物半导体接触层4中产生裂纹和维持良好结晶性的观点出 发，优选是5 X IO17cm 3以上5 X IO19Cm 3以下的范围。
氮化物半导体基底层3和η型氮化物半导体接触层4的合计厚度，从维持这些 层良好结晶性的观点出发，优选是4μιη以上20μιη以下，更优选是4 μ m以上15 μ m以 下，最优选是6μιη以上15μιη以下。在氮化物半导体基底层3和η型氮化物半导体接 触层4的合计厚度不到4μιη的情况下，有可能这些层的结晶性恶化，或在这些层的表面 产生凹坑(pit)。另一方面，在氮化物半导体基底层3和η型氮化物半导体接触层4的合 计厚度超过15 μ m的情况下，有可能基板1的翘曲变大而招致元件的成品率降低。在氮 化物半导体基底层3和η型氮化物半导体接触层4的合计厚度是4μιη以上15μιη以下 时，特别是在6 μ m以上15 μ m以下的情况时，能够使这些层的结晶性良好，而且有能够 有效防止基板1的翘曲变大而元件收获率降低的倾向。这些层的合计厚度中，η型氮化 物半导体接触层4的厚度上限没有特别的限定。
作为η型氮化物半导体包层5，例如能够层积由Alx3Gay3Inz3N表示的III族氮化 物半导体构成的氮化物半导体层(0《x3《l、0<y3<U 0<z3<U x3+y3+z3 ^ 0)中掺杂有η 型掺杂剂的层等。η型氮化物半导体包层5也可以是使由III族氮化物半导体构成的多个 氮化物半导体层构成异质结结构或超晶格结构。η型氮化物半导体包层5的厚度没有特 别的限定。优选是0.005 μ m以上0.5 μ m以下，更优选是0.005 μ m以上0.1 μ m以下。 关于η型掺杂剂向η型氮化物半导体包层5掺杂的浓度，从维持良好结晶性和降低元件动 作电压的观点出发，优选是IX IO17cm 3以上IX IO2tlcm3以下，更优选是IX IO18cm 3以上 IXlO19Cm3 以下。
在氮化物半导体活性层6例如具有单一量子阱(SQW)结构的情况下，作为氮化 物半导体活性层6例如能够使用由Gai_z4Inz4N表示的III族氮化物半导体构成的氮化物半导 体层(0 < z4 < 0.4 =作为量子阱层。氮化物半导体活性层6的厚度没有特别的限定，从 提高发光输出的观点出发，优选是Inm以上IOnm以下，更优选是Inm以上6nm以下。
在氮化物半导体活性层6例如由单一量子阱6QW)结构构成的情况下，该单一14量子阱中把Gah4Inz4N表示的III族氮化物半导体构成的氮化物半导体层(0 < Z4 < 0.4 = 设定成是量子阱层，为了成为希望的发光波长而要控制氮化物半导体活性层6的In组成 和厚度。但一方面在形成氮化物半导体活性层6时若基板1的温度低，则有可能结晶性恶 化，而另一方面在形成氮化物半导体活性层6时，若基板1的温度高，则有可能InN的升 华变显著，L·!向固相中的进入效率降低而hi组成变动。因此，在形成单一量子阱6QW) 结构构成的氮化物半导体活性层6时，其中把Gai_z4Inz4N表示的III族氮化物半导体构成 的氮化物半导体层(0 < z4 < 0.4)设定成阱层，优选基板1的温度是700°C以上900°C以 下，更优选是750°C以上850°C以下。
作为氮化物半导体活性层6，例如也可以把Gai_z4Inz4N表示的III族氮化物半导 体构成的氮化物半导体层(0 < z4 < 0.4 =设定成量子阱层，把比该阱层禁带宽度大的 由Alx5Gay5Inz5N表示的氮化物半导体构成的氮化物半导体层(O^ckl、0<y5<U 0<z5<U x5+y5+z5 Φ 0)作为量子势垒层而逐层交替层积，从而构成多重量子阱(MQW)。也可以 向上述量子阱层和/或量子势垒层掺杂η型或ρ型的掺杂剂。
作为ρ型氮化物半导体包层7，例如能够层积向由Alx6Gay6Inz6N表示的III族氮化 物半导体构成的氮化物半导体层(0众6《1、0<y6<U 0<z6<U x6+y6+Z6兴0)掺杂有ρ型 掺杂剂的层等。特别优选层积向由Alx6Gai_x6N表示的III族氮化物半导体构成的氮化物半 导体层(O < χ6<0.4,优选0.1众6《0.3 =掺杂ρ型掺杂剂的层。作为ρ型掺杂剂例如能够使用镁等。
ρ型氮化物半导体包层7的禁带宽度，从向氮化物半导体活性层6封闭光的观点 出发，优选比氮化物半导体活性层6的禁带宽度大。ρ型氮化物半导体包层7的厚度没有 特别的限定。优选是0.01 μ m以上0.4 μ m以下，更优选是0.02 μ m以上0.1 μ m以下。 从得到结晶性良好的ρ型氮化物半导体包层7的观点出发，向ρ型氮化物半导体包层7掺 杂的ρ型掺杂剂的浓度，优选是1 X IO18Cm 3以上1 X IO21cm 3以下，更优选是1 X IO19cm3 以上IXlO2tlcm3以下。
作为ρ型氮化物半导体接触层8，例如能够层积向由Alx7Gay7Inz7N表示的III族氮 化物半导体构成的氮化物半导体层(0众7《1、0<y7<U 0<z7<U x7+y7+z7兴0)掺杂ρ型 掺杂剂的层等，特别是从维持良好结晶性和得到良好欧姆接触的观点出发，优选使用向 GaN层掺杂有ρ型掺杂剂的层。
ρ型掺杂剂向ρ型氮化物半导体接触层8掺杂的浓度，从维持良好的欧姆接 触、抑制在P型氮化物半导体接触层8产生裂纹和维持良好结晶性的观点出发，优选是 IX IO18Cm 3以上IX IO21Cm 3以下的范围，更优选是5Χ IO19cm 3以上5Χ IO2tlcm 3以下的 范围。ρ型氮化物半导体接触层8的厚度没有特别的限定，从提高氮化物半导体发光二极 管元件100发光输出的观点出发，优选是0.01 μ m以上0.5 μ m以下，更优选是0.05 μ m 以上0.2μιη以下。
在上述η型氮化物半导体接触层4、η型氮化物半导体包层5、氮化物半导体活 性层6、ρ型氮化物半导体包层7和ρ型氮化物半导体接触层8分别由III族氮化物半导体 构成的情况下，能够把这些层例如如下地通过MOCVD法来层积。
即向MOCVD装置的反应炉内部供给例如从由三甲基镓(TMG)、三甲基铝 (TMA)和三甲基铟(TMI)构成的群中选择的至少一个III族元素的有机金属原料气体和例如氨等的氮原料气体，通过使它们热分解并反应而能够进行层积。
在把η型掺杂剂即硅进行掺杂时，向MOCVD装置的反应炉内部例如把硅烷 (SiH4)作为掺杂气体而加入上述原料气体供给，则能够把硅进行掺杂。
在把ρ型掺杂剂即镁进行掺杂时，向MOCVD装置的反应炉内部例如把二茂镁 (CP2Mg)作为掺杂气体而加入上述原料气体来供给，则能够把镁进行掺杂。
接着如图8的示意性剖视图所示，在ρ型氮化物半导体接触层8的表面上例如形 成由ITO Ctndium Tin Oxide)构成的透光性电极层9后，在透光性电极层9的表面上形成 ρ侧电极10。然后，把形成ρ侧电极10后的层积体的一部分通过腐蚀除去，使η型氮化 物半导体接触层4表面的一部分露出。
然后如图1所示，在η型氮化物半导体接触层4露出的表面上形成η侧电极11， 由此能够制作实施例1的氮化物半导体发光二极管元件100。
如上所述，在以上制作的实施例1的氮化物半导体发光二极管元件100中，由于 在由向基板1生长面的法线方向(垂直方向)伸长的晶粒整齐排列的柱状晶集合体构成的 结晶性良好的含有铝的氮化物中间层2表面上，按照顺序层积氮化物半导体基底层3、η 型氮化物半导体接触层4、η型氮化物半导体包层5、氮化物半导体活性层6、ρ型氮化物 半导体包层7和ρ型氮化物半导体接触层8，所以在含有铝的氮化物中间层2的表面上层 积的这些层位错密度低且具有良好的结晶性。因此，由这种具有良好结晶性的层形成的 实施例1的氮化物半导体发光二极管元件100动作电压低，成为发光输出高的元件。
图9表示使用实施例1的氮化物半导体发光二极管元件100的发光装置一例的示 意性剖视图。在此，图9所示结构的发光装置200具有把实施例1的氮化物半导体发光 二极管元件100设置在第一引线框41上的结构。把氮化物半导体发光二极管元件100的 ρ侧电极10和第一引线框41由第一金属线45电连接，且把氮化物半导体发光二极管元件 100的η侧电极11和第二引线框42由第二金属线44电连接。进而用透明的封固树脂43 把氮化物半导体发光二极管元件100封固，发光装置200被设定成炮弹型的形状。
图9所示结构的发光装置由于使用了实施例1的氮化物半导体发光二极管元件 100，所以能够制作动作电压低且发光输出高的发光装置。
<实施例2>
本实施例的特点是不是制作氮化物半导体发光二极管元件，而是制作氮化物 半导体激光元件。
图10表示本发明的氮化物半导体元件的其他一例即实施例2的氮化物半导体激 光元件的示意性剖视图。
实施例2的氮化物半导体激光元件中，在基板1的表面上按照顺序层积含有铝的 氮化物中间层2、氮化物半导体基底层3、η型氮化物半导体包层Μ、η型氮化物半导体 光引导层阳、氮化物半导体活性层56、氮化物半导体保护层57、ρ型氮化物半导体光引 导层58、ρ型氮化物半导体包层59和ρ型氮化物半导体接触层60。把ρ型氮化物半导 体包层59的上面和ρ型氮化物半导体接触层60的侧面分别覆盖地形成有绝缘膜61。与 η型氮化物半导体包层M的露出表面相接地设置有η侧电极11，与ρ型氮化物半导体接 触层60的露出表面相接地设置有ρ侧电极10。
以下，说明实施例2的氮化物半导体激光元件制造方法的一例。首先，如图11的示意性剖视图所示，与实施例1同样地在基板1的生长面上按照顺序层积含有铝的氮化 物中间层2和氮化物半导体基底层3后，利用MOCVD法按顺序层积η型氮化物半导体 包层Μ、η型氮化物半导体光引导层55、氮化物半导体活性层56、氮化物半导体保护层 57、ρ型氮化物半导体光引导层58、ρ型氮化物半导体包层59和ρ型氮化物半导体接触 层60而形成层积体。
在此，作为η型氮化物半导体包层Μ，例如能够层积向由Alx8Gay8Inz8N表示的III 族氮化物半导体构成的氮化物半导体层(0《x8《l、0<y8<U 0<z8<U X8+y8+z8兴0)掺杂 η型掺杂剂的层等。
作为η型氮化物半导体光引导层55，例如能够层积向由Alx9Gay9Inz9N表示的III 族氮化物半导体构成的氮化物半导体层(0《x9《l、0<y9<U 0<z9<U X9+y9+z9兴0)掺杂 η型掺杂剂的层等。
作为氮化物半导体活性层56，例如能够把组成彼此不同的、由AlxiciGayiciInzltlN 表示的III族氮化物半导体构成的氮化物半导体层(0《xl0《l、0<yl0<U 0<zl0<U xlO+ylO+zlO ^ 0)和由AlxllGayllInzllN表示的III族氮化物半导体构成的氮化物半导体层 (0<xll<U 0<yll<U 0<zll<U xll+yll+zll乒0)逐层交替层积的层等进行层积。
作为氮化物半导体保护层57，例如能够层积由Alxl2Gayl2Inzl2N表示的III族氮化 物半导体构成的氮化物半导体层(0《xl2《l、0<yl2<U 0<zl2<U xl2+yl2+zl2乒0)等。
作为ρ型氮化物半导体光引导层58，例如能够层积向由Alxl3Gayl3Inzl3N表 示的III族氮化物半导体构成的氮化物半导体层(0《xl3《l、0<yl3<l、0<ζ13<1、 xl3+yl3+zl3 Φ 0)掺杂有ρ型掺杂剂的层等。
作为ρ型氮化物半导体包层59例如能够层积向由Alxl4Gayl4Inzl4N表示的III族氮 化物半导体构成的氮化物半导体层(0《xl4《l、0<yl4<U 0<zl4<U xl4+yl4+zl4乒0)掺 杂有ρ型掺杂剂的层等。
作为ρ型氮化物半导体接触层60例如能够层积向由Alxl5Gayl5Inzl5N表示的III族 氮化物半导体构成的氮化物半导体层(O^xlkl、0<yl5<U 0<zl5<U xl5+yl5+zl5 ^ 0) 掺杂有ρ型掺杂剂的层等。
接着如图12的示意性剖视图所示，把图11所示层积体的ρ型氮化物半导体包层 59和ρ型氮化物半导体接触层60的各自一部分通过腐蚀等除去，使ρ型氮化物半导体包 层59表面的一部分露出，而且通过把图11所示层积体的一部分利用腐蚀等除去而使η型 氮化物半导体包层M表面的一部分露出。
然后如图10所示，使ρ型氮化物半导体接触层60的表面露出而把ρ型氮化物半 导体包层59的露出表面覆盖地形成例如由氧化硅构成的绝缘膜61。且在η型氮化物半导 体包层M的露出表面上形成η侧电极11，在绝缘膜61上形成与ρ型氮化物半导体接触层 60相接的ρ侧电极10，由此，能够制作实施例2的氮化物半导体激光元件。
在此，在实施例2的氮化物半导体激光元件中也与实施例1同样地通过在基板与 靶电极之间利用连续DC方式施加电压的DC磁控溅射法来层积含有铝的氮化物中间层2 时，通过采用上述(a) (c)的至少一个条件，而把由向基板1生长面的法线方向伸长的 晶粒整齐排列的柱状晶集合体构成的结晶性良好的含有铝的氮化物中间层2在基板1的生 长面上层积。且在这种具有良好结晶性的含有铝的氮化物中间层2表面上使氮化物半导体基底层3、η型氮化物半导体包层Μ、η型氮化物半导体光引导层55、氮化物半导体活 性层56、氮化物半导体保护层57、ρ型氮化物半导体光引导层58、ρ型氮化物半导体包 层59和ρ型氮化物半导体接触层60按照该顺序生长。
因此，实施例2的氮化物半导体激光元件，由于也能够把在含有铝的氮化物中 间层2表面上层积的各个层变成位错密度低且具有高结晶性的层，所以能够制作动作电 压低而发光输出高的元件。
<实施例3>
本实施例的特点是不是制作氮化物半导体发光二极管元件或氮化物半导体激 光元件等发光器件，而是制作电子器件的一例即氮化物半导体晶体管元件。
图13表示本发明的氮化物半导体元件的其他一例即实施例3的氮化物半导体晶 体管元件的示意性剖视图。
在此，实施例3的氮化物半导体晶体管元件中，在基板1的生长面上按顺序层积 含有铝的氮化物中间层2和氮化物半导体基底层3，在氮化物半导体基底层3的表面上层 积由非掺杂GaN等构成的氮化物半导体电子移动层71，在氮化物半导体电子移动层71的 表面上层积由η型AlGaN等构成的η型氮化物半导体电子供给层72。且在η型氮化物半 导体电子供给层72的表面上形成源极电极74、漏极电极75和栅极电极73。
以下，说明实施例3的氮化物半导体晶体管元件制造方法的一例。首先与实施 例1同样地，在基板1的生长面上按顺序层积含有铝的氮化物中间层2和氮化物半导体基 底层3ο
接着，如图14的示意性剖视图所示，利用MOCVD法在氮化物半导体基底层3 的表面上层积氮化物半导体电子移动层71，在氮化物半导体电子移动层71的表面上层积 η型氮化物半导体电子供给层72。
然后如图13所示，在η型氮化物半导体电子供给层72的表面上分别形成源极电 极74、漏极电极75和栅极电极73，由此，能够制作实施例3的氮化物半导体晶体管元 件。
在此，在实施例3的氮化物半导体晶体管元件中也与实施例1同样地通过在基 板与靶电极之间利用连续DC方式施加电压的DC磁控溅射法来层积含有铝的氮化物中间 层2时，通过采用上述(a) (c)的至少一个条件，而把由向基板1生长面的法线方向伸 长的晶粒整齐排列的柱状晶集合体构成的结晶性良好的含有铝的氮化物中间层2在基板1 的生长面上层积。且在这种具有良好结晶性的含有铝的氮化物中间层2表面上按顺序生 长氮化物半导体基底层3、氮化物半导体电子移动层71和η型氮化物半导体电子供给层 72。
因此，实施例3的氮化物半导体晶体管元件，由于也能够将在含有铝的氮化物 中间层2表面上层积的各个层变成位错密度低且结晶性良好的层，所以能够制作电子移 动度等特性提高的元件。
<实验例1>
首先，把图15的示意性剖视图所示的蓝宝石基板101设置在图16所示的利用连 续DC方式进行施加电压的DC磁控溅射装置的反应室21内部的加热器23上。
在此，使蓝宝石基板101的c面与Al靶电极沈的表面相对，且使Al靶电极沈的表面中心与蓝宝石基板101的c面的最短距离d成为50mm来设置蓝宝石基板101。然 后，通过加热器23把蓝宝石基板101加热到500°C的温度。
然后，向DC磁控溅射装置的反应室21内部以20SCCm的流量仅供给氮气后，把 蓝宝石基板101的温度维持在500°C。
在蓝宝石基板101与Al靶电极沈之间利用连续DC方式施加3000W的偏压以 生成氮等离子。接着，把反应室21内部的压力保持在0.5Pa，通过向反应室21内部以 20sccm的流量供给氮气(相对全部气体氮气的体积比率是100% )，通过利用连续DC方 式进行施加电压的DC磁控溅射法的反应性溅射，如图17的示意性剖视图所示，在蓝宝 石基板101的c面上层积由氮化铝(AlN)的柱状晶集合体构成的厚度25nm的AlN缓冲层 102。这时的AlN缓冲层102的形成速度是0.04nm/秒。
图16所示的DC磁控溅射装置的阴极28中的磁铁27在蓝宝石基板101的c面 的氮化过程中和AlN缓冲层102的层积过程中的所有情况下都在摇动。AlN缓冲层102 的层积按照预先测定的AlN缓冲层102的成膜速度而仅进行规定时间，在AlN缓冲层102 的厚度成为25nm时，则停止氮等离子而把蓝宝石基板101的温度降低。将进行溅射的反 应室21的内部压力是lX10_4pa以下。
接着，把层积AlN缓冲层102后的蓝宝石基板101从DC磁控溅射装置的反应 室21取出，设置在MOCVD装置的反应炉内部。在此，为了以高频感应加热式加热器 进行加热而把层积AlN缓冲层102后的蓝宝石基板101设置在石墨制的基座上。在把层 积AlN缓冲层102后的蓝宝石基板101以电阻加热式加热器进行加热的情况下，则把层积 AlN缓冲层102后的蓝宝石基板101设置在石墨制基座上设置的石英制托盘上。
然后，在向反应炉内部一边供给氨气一边作为载体气体而供给氮气和氢气的状 态下，把蓝宝石基板101的温度以约15分钟上升到1125°C。在此，把反应炉内部的压 力设定为常压，把载体气体即氢气和氮气的流量比(氢气的流量/氮气的流量)设定为 50/50。在确认蓝宝石基板101的温度稳定在1125°C后，开始把TMG气体向反应炉内部 供给，如图18的示意性剖视图所示，在AlN缓冲层102的表面上利用MOCVD法来层积 厚度5μιη的由非掺杂GaN构成的GaN基底层103。向反应炉内部供给氨气，以使V族 元素相对III族元素的摩尔比(V族元素的摩尔数/III族元素的摩尔数)成为1500。
然后，把层积了 GaN基底层103之后的蓝宝石基板101从反应炉取出。使用薄 膜X射线衍射法来测定GaN基底层103的X射线摇摆曲线(X B 口 ^ * >夕‘力一 < )， 且从该X射线摇摆曲线来计算GaN基底层103的(004)面中X射线摇摆曲线的半幅值 (arcsec)。把该结果表示在表1。如表1所示，实验例1的GaN基底层103的(004)面 中X射线摇摆曲线的半幅值是382(arcSeC)。
接着，把蓝宝石基板101的温度设定成1125°C，把硅烷气体向反应炉内部供给 并使幻的掺杂浓度成为lX1019cm3，如图19的示意性剖视图所示，在GaN基底层103的 表面上利用MOCVD法层积了厚度3 μ m的幻掺杂η型GaN接触层104。
接着，在停止向反应炉内部供给TMG气体和氢气后，把蓝宝石基板101的温度 降低到800°C。且在确认反应炉内部的状态稳定后，作为原料气体而向反应炉内部供给 TMG气体、TMI气体和氨气，进而把硅烷气体向反应炉内部供给并使&的掺杂浓度成 为IXlO18cm3,如图19的示意性剖视图所示，在η型GaN接触层104的表面上层积厚度8nm的&掺杂η型InatllGa α99Ν势垒层105。
接着，在停止硅烷气体的供给后，通过供给TMG气体和TMI气体而把由 IncuGaa9N构成的量子阱层层积3nm的厚度。
反复以上的量子势垒层和量子阱层的形成工序，如图19所示，把七层由η型 GaN构成的量子势垒层和六层由IncuGiia9N构成的量子阱层逐层交替层积，把这样的多重 量子阱层结构的MQW活性层106在η型IncuilGaa99N势垒层105的表面上层积。
接着，把蓝宝石基板101的温度上升到1100°C，把载体气体从氮气变更成氢 气。向反应炉内部供给TMG气体、TMA气体和CT2Mg气体，在之后持续两分钟的供给 后，停止TMG气体和TMA气体的供给。由此，如图19所示，在MQW活性层106的 表面上层积厚度为20nm的Mg掺杂ρ型Ala2Giia8N包层107。
接着，把蓝宝石基板101的温度保持在1100°C，且一边向反应炉内部供给氨气 一边停止TMA气体的供给。然后，变更向反应炉内部的TMG气体和CT2Mg气体的供 给量，如图19所示，在ρ型Ala2Giia8N包层107的表面上层积厚度为0.2 μ m的Mg掺杂 ρ型GaN接触层108。
在层积ρ型GaN接触层108后马上停止向加热器通电，且把向反应炉内部供给 的载体气体从氢气变更成氮气。且在确认蓝宝石基板101的温度在300°C以下后，把层积 有上述层的蓝宝石基板101从反应炉取出。
接着，如图19所示，在ρ型GaN接触层108的表面上形成ITO层109后，在ITO层109的表面上按顺序层积钛层、铝层和金层，形成ρ侧焊盘电极110。
接着，如图20的示意性剖视图所示，把形成ρ侧焊盘电极110后的层积体的一 部分通过干蚀刻除去，使η型GaN接触层104的表面的一部分露出。
然后，如图21的示意性剖视图所示，在η型GaN接触层104的露出的表面上按 顺序层积镍层、铝层、钛层和金层，形成η侧焊盘电极111。
然后，把蓝宝石基板101的背面进行磨削和研磨使之成为镜面状后，把蓝宝石 基板101分割成350 μ m见方的正方形芯片，制作实验例1的氮化物半导体发光二极管元 件。
当使以上制作的实验例1的氮化物半导体发光二极管元件的ρ侧焊盘电极110 和η侧焊盘电极111之间有20mA的顺向电流流动时，则20mA顺向电流的顺向电压是 3.3V。该顺向电压与氮化物半导体发光二极管元件的动作电压相当。通过ITO层109观 察实验例1的氮化物半导体发光二极管元件的发光，结果是其发光波长是445nm，发光输 出是22.3mW。把这些结果表示在表1。
<实验例2 8>
实验例2 8中，除了把Al靶电极沈的表面中心和蓝宝石基板101的c面的最短 距离d分别设定为75mm (实验例2)、100mm (实验例3)、150mm (实验例4)、180mm (实 验例5)、210mm(实验例6)、250mm(实验例7)和^0mm(实验例8)以外，与实验例1 同样地形成AlN缓冲层102和GaN基底层103，计算GaN基底层103的(004)面中X射 线摇摆曲线的半幅值(arcsec)。把其结果表示在表1。如表1所示，实验例2 8中的 GaN基底层103的(004)面中X射线摇摆曲线的半幅值(arcsec)分别是273 (实验例2)、 42 (实验例3)、40 (实验例4)、34 (实验例5)、40 (实验例6)、50 (实验例7)和242 (实20验例8)。
实验例2 8中，除了上述变更以外则与实验例1同样地分别制作氮化物半导体 发光二极管元件(实验例2 8的氮化物半导体发光二极管元件)。对于实验例2 8的 各个氮化物半导体发光二极管元件测定了顺向电流为20mA情况下的顺向电压、发光波 长和发光输出。把其结果表示在表1。
如表1所示，实验例2 8的氮化物半导体发光二极管元件的顺向电流为20mA 情况下的顺向电压分别是3.2V(实验例2)、3.0V(实验例3)、2.9V(实验例4)、2.9V(实 验例5)、3.0V(实验例6)、3.0V(实验例7)、3.2V (实验例8)。
如表1所示，实验例2 8的氮化物半导体发光二极管元件的发光波长分别是 447nm(实验例 2)、448nm(实验例 3)、445nm(实验例 4)、448nm(实验例 5)、447nm (实 验例6)、448nm(实验例7)、450nm(实验例8)。
如表1所示，实验例2 8的氮化物半导体发光二极管元件的发光输出分别是 23.8mW(实验例 2)、25.0mW(实验例 3)、25.8mW(实验例 4)、25.5mW(实验例 5)、 25.1mW(实验例 6)、M.8mW(实验例 7)、23.1mW(实验例 8)。
<实验例9 12>
实验例9 12中，除了使用图22所示结构的利用连续DC方式进行施加电压的 DC磁控溅射装置把Al靶电极相对蓝宝石基板101的c面法线方向的倾斜角度分别设定成 10° (实验例9)、20° (实验例10)、45° (实验例11)和50° (实验例12)以外，与实 验例1同样地形成AlN缓冲层102和GaN基底层103，计算GaN基底层103的(004)面 中X射线摇摆曲线的半幅值(arcsec)。把其结果表示在表1。如表1所示，实验例9 12中的GaN基底层103的(004)面中X射线摇摆曲线的半幅值(arcsec)分别是40(实验 例9)、33 (实验例10)、35 (实验例11)和180 (实验例12)。
实验例9 12中，除了上述变更以外则与实验例1同样地分别制作氮化物半导 体发光二极管元件(实验例9 12的氮化物半导体发光二极管元件)。对于实验例9 12的各个氮化物半导体发光二极管元件测定了 20mA顺向电流的顺向电压、发光波长和 发光输出。把其结果表示在表1。
如表1所示，实验例9 12的氮化物半导体发光二极管元件的20mA顺向电流 的顺向电压分别是3.0V(实验例9)、2.9V(实验例10)、3.0V(实验例11)、3.2V(实验例 12)。
如表1所示，实验例9 12的氮化物半导体发光二极管元件的发光波长分别是 449nm(实验例 9)、45 Inm (实验例 10)、448nm(实验例 11)、447nm(实验例 12)。
如表1所示，实验例9 12的氮化物半导体发光二极管元件的发光输出分别是 25.0mW(实验例 9)、25.6mW(实验例 10)、M.8mW(实验例 11)、22.2mW(实验例 12)。
<实验例13 15>
实验例13 15中，除了把向图16所示的反应室21内部供给的气体设定为氮气 和氩气和混合气体以外，与实验例1同样地形成AlN缓冲层102和GaN基底层103，计 算GaN基底层103的(004)面中X射线摇摆曲线的半幅值(arcsec)。把其结果表示在表 1。实验例13 15中，向反应室21内部供给的气体中氮气所占的体积比率(氮比率) 分别是75% (实验例13), 50% (实验例14), 25% (实验例15)。如表1所示，实验例13 15中的GaN基底层103的(004)面中X射线摇摆曲线的半幅值(arcsec)分别是 77 (实验例13)、222 (实验例14)和422 (实验例15)。
实验例13 15中，除了上述变更以外则与实验例1同样地分别制作氮化物半 导体发光二极管元件(实验例13 15的氮化物半导体发光二极管元件)。对于实验例 13 15的各个氮化物半导体发光二极管元件测定了 20mA顺向电流的顺向电压、发光波 长和发光输出。把其结果表示在表1。
如表1所示，实验例13 15的氮化物半导体发光二极管元件的20mA顺向电流 的顺向电压分别是3.1V(实验例13)、3.2V(实验例14)、3.3V(实验例15)。
如表1所示，实验例13 15的氮化物半导体发光二极管元件的发光波长分别是 447nm(实验例 13)、448nm(实验例 14)、449nm(实验例 15)。
如表1所示，实验例13 15的氮化物半导体发光二极管元件的发光输出分别是 24.3mW(实验例 13)、22.ImW (实验例 14)、21.5mW(实验例 15)。
[表1]
权利要求
1.一种含有铝的氮化物中间层的制造方法，其特征在于，包括把基板和含有铝的 靶电极隔开100mm以上250_以下的距离来配置的工序、通过在所述基板与所述靶电极之间利用以连续DC方式施加电压而进行的DC磁控溅 射法而在所述基板表面上形成含有铝的氮化物中间层的工序。
2.如权利要求1所述的含有铝的氮化物中间层的制造方法，其特征在于，在所述基板 和所述靶电极的配置工序与形成所述含有铝的氮化物中间层的工序之间，还包括有向所 述基板与所述靶电极之间导入氮气的工序。
3.如权利要求1所述的含有铝的氮化物中间层的制造方法，其特征在于，在所述基板 和所述靶电极的配置工序中把所述靶电极相对所述基板倾斜地来配置所述基板和所述靶 电极。
4.一种含有铝的氮化物中间层的制造方法，其特征在于，包括把基板和含有铝的 靶电极隔开间隔配置的工序、向所述基板与所述靶电极之间导入氮气的工序、通过在所述基板与所述靶电极之间利用以连续DC方式施加电压而进行的DC磁控溅 射法而在所述基板表面上形成含有铝的氮化物中间层的工序。
5.如权利要求4所述的含有铝的氮化物中间层的制造方法，其特征在于，在所述基板 和所述靶电极的配置工序中把所述靶电极相对所述基板倾斜地来配置所述基板和所述靶 电极。
6.—种含有铝的氮化物中间层的制造方法，其特征在于，包括把基板和含有铝的 靶电极隔开间隔而使所述靶电极相对所述基板倾斜配置的工序、通过在所述基板与所述靶电极之间利用以连续DC方式施加电压而进行的DC磁控溅 射法而在所述基板表面上形成含有铝的氮化物中间层的工序。
7.—种氮化物层的制造方法，其特征在于，包括把基板和含有铝的靶电极隔开 100mm以上250mm以下的距离来配置的工序、通过在所述基板与所述靶电极之间利用以连续DC方式施加电压而进行的DC磁控溅 射法而在所述基板表面上形成含有铝的氮化物中间层的工序、在所述含有铝的氮化物中间层上形成氮化物层的工序。
8.如权利要求7所述的氮化物层的制造方法，其特征在于，在所述基板和所述靶电极 的配置工序与形成所述含有铝的氮化物中间层的工序之间，还包括有向所述基板与所述 靶电极之间导入氮气的工序。
9.如权利要求7所述的氮化物层的制造方法，其特征在于，在所述基板和所述靶电极 的配置工序中把所述靶电极相对所述基板倾斜地来配置所述基板和所述靶电极。
10.—种氮化物层的制造方法，其特征在于，包括把基板和含有铝的靶电极隔开间 隔配置的工序、向所述基板与所述靶电极之间导入氮气的工序、通过在所述基板与所述靶电极之间利用以连续DC方式施加电压而进行的DC磁控溅 射法而在所述基板表面上形成含有铝的氮化物中间层的工序、在所述含有铝的氮化物中间层上形成氮化物层的工序。
11.如权利要求10所述的氮化物层的制造方法，其特征在于，在所述基板和所述靶电极的配置工序中把所述靶电极相对所述基板倾斜地来配置所述基板和所述靶电极。
12.—种氮化物层的制造方法，其特征在于，包括把基板和含有铝的靶电极隔开间 隔而使所述靶电极相对所述基板倾斜配置的工序、通过在所述基板与所述靶电极之间利用以连续DC方式施加电压而进行的DC磁控溅 射法而在所述基板表面上形成含有铝的氮化物中间层的工序、在所述含有铝的氮化物中间层上形成氮化物层的工序。
13.—种氮化物半导体元件的制造方法，其特征在于，包括把基板和含有铝的靶电 极隔开100mm以上250mm以下的距离来配置的工序、通过在所述基板与所述靶电极之间利用以连续DC方式施加电压而进行的DC磁控溅 射法而在所述基板表面上形成含有铝的氮化物中间层的工序、在所述含有铝的氮化物中间层上形成氮化物半导体层的工序。
14.如权利要求13所述的氮化物半导体元件的制造方法，其特征在于，在所述基板和 所述靶电极的配置工序与形成所述含有铝的氮化物中间层的工序之间，还包括有向所述 基板与所述靶电极之间导入氮气的工序。
15.如权利要求13所述的氮化物半导体元件的制造方法，其特征在于，在所述基板和 所述靶电极的配置工序中把所述靶电极相对所述基板倾斜地来配置所述基板和所述靶电 极。
16.—种氮化物半导体元件的制造方法，其特征在于，包括把基板和含有铝的靶电 极隔开间隔配置的工序、向所述基板与所述靶电极之间导入氮气的工序、通过在所述基板与所述靶电极之间利用以连续DC方式施加电压而进行的DC磁控溅 射法而在所述基板表面上形成含有铝的氮化物中间层的工序、在所述含有铝的氮化物中间层上形成氮化物半导体层的工序。
17.如权利要求16所述的氮化物半导体元件的制造方法，其特征在于，在所述基板和 所述靶电极的配置工序中把所述靶电极相对所述基板倾斜地来配置所述基板和所述靶电 极。
18.—种氮化物半导体元件的制造方法，其特征在于，包括把基板和含有铝的靶电 极隔开间隔而使所述靶电极相对所述基板倾斜配置的工序、通过在所述基板与所述靶电极之间利用以连续DC方式施加电压而进行的DC磁控溅 射法而在所述基板表面上形成含有铝的氮化物中间层的工序、在所述含有铝的氮化物中间层上形成氮化物半导体层的工序。
全文摘要
本发明涉及一种含有铝的氮化物中间层的制造方法、氮化物层的制造方法和氮化物半导体元件的制造方法，在利用以连续DC方式施加电压而进行的DC磁控溅射法来层积含有铝的氮化物中间层时，采用以下(1)～(3)中的至少一个条件。(1)把靶电极表面的中心与基板生长面之间的最短距离设定成100mm以上250mm以下。(2)使用氮气作为向DC磁控溅射装置供给的气体。(3)把靶电极相对基板的生长面倾斜配置。
文档编号H01L33/00GK102024887SQ20101028275
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月13日 优先权日2009年9月11日
发明者内海孝昭, 荒木正浩, 阪田昌彦 申请人:夏普株式会社