外延膜形成方法、溅射设备、半导体发光元件的制造方法、半导体发光元件和照明装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及外延膜形成方法、溅射设备、半导体发光元件的制造方法、半导体发光元件和照明装置，特别地涉及能够形成高品质外延膜的外延膜形成方法、使用该外延膜制造半导体发光元件的制造方法、溅射设备、半导体发光元件和照明装置。
【背景技术】
[0002]第III族氮化物半导体是第III B族元素(下文中简称为第III族元素)的铝(Al)原子、镓(Ga)原子和铟(In)原子以及第V B族元素(下文中简称为第V族元素)的氮(N)原子的化合物半导体材料。也就是说，由氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)及其混晶(AlGaN、InGaN, InAlN, InGaAlN)获得的化合物半导体材料是第III族氮化物半导体。
[0003]使用第III族氮化物半导体的元件包括光学器件和电子器件，所述光学器件例如覆盖远紫外/可见光/近红外区域的宽波长区域的发光二极管(LED:发光二极管)、激光二极管(LD)、太阳能电池(PVSC:光伏太阳能电池)和光二极管(PD)等，所述电子器件例如用于高频/高输出应用的高电子迀移率晶体管(HEMT:高电子迀移率晶体管)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等。
[0004]为了实现如上的元件应用，需要在单晶基板上外延生长第III族氮化物半导体薄膜，从而获得具有很少晶体缺陷的高品质单晶膜(外延膜)。然而，由于由第III族氮化物半导体制成的单晶基板极其昂贵，除了一些应用之外不使用，单晶膜主要通过在异种基板上异质外延生长蓝宝石(Ct-Al2O3)、碳化硅(SiC)而获得。
[0005]对于外延生长该第III族氮化物半导体薄膜，使用可获得高生产性和高品质外延膜的金属有机化学气相沉积(MOCVD)法。然而，所述MOCVD法具有生产成本高、可容易产生颗粒以及难以获得高收率等的问题。
[0006]另一方面，溅射法具有生产成本可抑制得低以及颗粒产生的可能性也低的特征。因此，如果第III族氮化物半导体薄膜的膜形成方法的至少一部分可通过溅射法来替换，则可能能够解决上述问题的至少一部分。
[0007]然而，通过使用溅射法制作的第III族氮化物半导体薄膜具有晶体品质趋于变得比通过使用MOCVD法制作的那些更差的问题。例如，在例如非专利文献I中公开了通过使用溅射法制作的第III族氮化物半导体薄膜的结晶性。在非专利文献I中，通过使用高频磁控溅射法在Ct-Al2O3(OOOl)基板上外延生长具有c轴取向的GaN膜。非专利文献I述及在GaN (0002)面的X射线摇摆曲线(XRC)测量中，其半高宽(FWHM)为35.1弧分(2106弧秒)。该值与目前市售的a -Al2O3基板上的GaN膜相比是极其大的值，并且表明将稍后所述的倾斜的镶嵌扩展大以及晶体品质差。
[0008]此处，将简要描述用作表示晶体品质的指标的概念，S卩，(I)倾斜的镶嵌扩展，(2)扭曲的镶嵌扩展，以及(3)极性。(I)中倾斜的镶嵌扩展表示沿基板垂直方向的晶体取向的变化程度，(2)中扭曲的镶嵌扩展表示沿基板面内方向的晶体取向的变化程度。(3)中的极性是指晶体取向的术语，在C轴取向膜的情况下，存在两种生长模式，即，+C极性和-C极性。具有+C极性的生长对应于(OOOl)取向，具有-C极性的生长对应于(000-1)取向。
[0009]需要倾斜的镶嵌扩展和扭曲的镶嵌扩展小，以及极性统一地具有或者+c极性或者-C极性的具有良好结晶性的单晶。由于可容易地获得具有+c极性的具有良好形态学和优异结晶性的第III族氮化物半导体薄膜，因此特别地，需要确立获得具有+c极性的第III族氮化物半导体的方法。另一方面，为了通过溅射法获得高品质第III族氮化物半导体薄膜，进行了许多尝试(参见专利文献I和2)。
[0010]专利文献I公开了实现较高品质第III族氮化物半导体薄膜的方法，所述方法在通过使用溅射法在a -Al2O3基板上形成第III族氮化物半导体薄膜(专利文献I中的AlN)前，对基板施加等离子体处理，或者特别公开了获得倾斜的镶嵌扩展极其小的第III族氮化物半导体薄膜的方法。
[0011]此外，专利文献2公开了第III族氮化物半导体(专利文献2中的第III族氮化物化合物半导体)发光元件的制造方法，在该发光元件中通过溅射法在基板上形成由第III族氮化物半导体(专利文献2中的第III族氮化物化合物)制成的缓冲层(专利文献2中的中间层)，以及在由该第III族氮化物半导体制成的缓冲层上依次层压设置有基底膜的η型半导体层、发光层和P型半导体层。
[0012]专利文献2述及对基板施加等离子体处理的预处理过程以及在预处理过程后通过溅射法沉积由第III族氮化物半导体制成的缓冲层的过程，作为用于形成由第III族氮化物半导体制成的缓冲层的工序。此外，在专利文献2中，使用Al2O3基板和AlN作为基板和由第III族氮化物半导体制成的缓冲层的优选方式，以及优选使用MOCVD法作为设置有基底膜的η型半导体层、发光层和P型半导体层的沉积方法。
[0013]引文列表
[0014]专利文献
[0015]专利文献1:国际公布2009/096270
[0016]专利文献2:日本专利申请特开2008-109084
[0017]非专利文献
[0018]非专利文献1:Y.Daigo, N.Mutsukura, “Synthesis of epitaxial GaN single -crystalline film by ultra high vacuum r.f.magnetron sputtering method，，，ThinSolid Films 483 (2005)p38_43。
【发明内容】
[0019]根据已公开的现有技术(专利文献I和专利文献2)，通过溅射法获得倾斜的镶嵌扩展或扭曲的镶嵌扩展小的第III族氮化物半导体。然而，现有技术未公开控制极性的方法，采用溅射法作为第III族氮化物半导体的制造方法时存在严重问题。
[0020]实际上，当通过使用专利文献I和2中公开的技术通过溅射法在a -Al2O3基板上形成AlN膜时，会获得倾斜的镶嵌扩展或扭曲的镶嵌扩展小的AlN膜，但是关于极性混合了+c极性和-C极性。此外，当在通过MOCVD法混合+c极性和-C极性的AlN膜上生长GaN膜时，不会获得高品质GaN膜。此外，通过使用获得的GaN膜制作发光元件，但是不会获得有利的发光特性。因此，不减少+c极性和-C极性的混合，仅通过专利文献I和2中公开的技术不能获得具有+c极性的第III族氮化物半导体薄膜。也就是说，尽管专利文献I和2中公开的技术由于可使倾斜的镶嵌扩展或扭曲的镶嵌扩展小而是有效的技术，但是为了获得具有更高品质的第III族氮化物半导体薄膜，要求尽可能多的极性的统一。
[0021]鉴于上述问题进行本发明，其目的是提供能够制作+C极性的统一度提高(提高的(0001取向性))的外延膜的外延膜形成方法，还提供使用该外延膜制造半导体发光元件的方法，溅射设备、通过该制造方法制造的半导体发光元件，以及照明装置。
[0022]本发明人作为锐意研宄的结果获得了如下新发现:通过将高频偏置电源施加至内置于如将稍后所述的基板保持件中的偏置电极，可控制外延膜的极性，并完成本发明。
[0023]为了实现上述目的，根据本发明方面的外延膜形成方法是通过使用溅射法在基板上形成外延膜的外延膜形成方法，所述方法包括:将基板配置在设置有具有纤锌矿型结构的靶和通过膜形成用于形成具有纤锌矿型结构的膜的靶的至少之一的真空容器中；将高频电力施加至连接所述靶的靶电极，以及将高频偏置电力以抑制施加的高频电力与施加的高频偏置电力之间的频率干涉的方式施加至支承基板的基板保持件；以及通过用由高频电力产生的等离子体溅射靶在基板上形成外延膜。根据本发明另一方面的半导体发光元件的制造方法包括通过前述外延膜形成方法形成半导体发光元件的缓冲层的步骤。此外，根据本发明另一方面的半导体发光元件是如下半导体发光元件:其中在基板上至少形成缓冲层、第III族氮化物半导体中间层、η型第III族氮化物半导体层、第III族氮化物半导体活性层、ρ型第III族氮化物半导体层和透光性电极。通过前述外延膜形成方法制作缓冲层、第III族氮化物半导体中间层、η型第III族氮化物半导体层、第III族氮化物半导体活性层和ρ型第III族氮化物半导体层中的至少一层。根据本发明另一方面的照明装置包括前述半导体发光元件。
[0024]此外，根据本发明另一方面的溅射设备是用于执行前述外延膜形成方法的溅射设备，并且包括:电源；靶电极，其上能够配置靶；基板保持件，其上能够配置基板以面对靶电极并且包括加热器电极和偏置电极；以及频率干涉抑制手段，当通过前述外延膜形成方法形成具有纤锌矿型结构的膜时，频率干涉抑制手段用于抑制施加至靶电极的高频电力与施加至偏置电极的高频偏置电力之间的频率干涉。
[0025]根据本发明，可通过使用溅射法在基板上制作其中倾斜的镶嵌扩展或扭曲的镶嵌扩展小，减少+C极性和-C极性的混合，并且改进+C极性的统一度的包括第III族氮化物半导体的具有纤锌矿型结构的半导体的外延膜。此外，通过使用借助于该溅射法制作的具有纤锌矿型结构的半导体外延膜，可改进发光元件例如LED和LD的发光特性。
【附图说明】
[0026]图1是根据本发明一个实施方案的高频溅射设备的截面示意图。
[0027]图2是说明根据本发明一个实施方案的基板保持件的第一构造例的图。
[0028]图3是说明根据本发明一个实施方案的基板保持件的第二构造例的图。
[0029]图4是说明根据本发明一个实施方案的基板保持件的第三构造例的图。
[0030]图5是说明根据本发明一个实施方案形成具有+C极性的第III族氮化物半导体薄膜的模型的图。
[0031]图6是说明通过使用由根据本发明一个实施方案的外延膜形成方法形成的外延膜制作的LED结构的实例的截面图。
[0032]图7A是用于解释根据本发明一个实施方案的频率干涉抑制手段的图。
[0033]图7B是用于解释根据本发明一个实施方案的频率干涉抑制手段的图。
[0034]图8是说明根据本发明一个实施方案的基板保持件的第四构造例的图。
【具体实施方式】
[0035]以下将详细描述本发明的实施方案。在下述的图中，对具有相同功能的那些给出相同的附图标记并且将省略重复的解释。
[0036]本发明的主要特征在于，当通过使用溅射法例如高频溅射法在α -Α1203基板上外延生长第III族氮化物半导体薄膜时，例如，将α -Α1203基板通过设置有加热器电极和偏置电极的基板保持件加热至任意温度，然后，在将高频偏置电力施加至偏置电极的同时形成第III族氮化物半导体膜。将通过参考附图描述本发明。下述的构件和配置等为体现本发明的一个实例而不限制本发明，根据本发明的宗旨可以各种方式对其自然地改进。
[0037]图1是说明用于形成根据本发明实施方案的第III族氮化物半导体薄膜的溅射设备的实例的示意性构造图。在说明溅射设备I的图1中，分别地，附图标记101表示真空容器，附图标记102表示靶电极，附图标记103表示偏置电极，附图标记104表示加热器电极，附图标记105表示靶屏蔽，附图标记106表示用于溅射的高频电源，附图标记107表示基板，附图标记108表示靶，附图标记109表示气体导入机构，附图标记110表示排气机构，附图标记111表示基板保持件，附图标记112表示反射器，附图标记113表示绝缘材料，附图标记114表示室屏蔽，附图标记115表示磁体单元，附图标记116表示革El屏蔽保持机构，以及附图标记130表示用于偏置的高频电源。假定图1中的附图标记111是将稍后描述的基板保持件111a、Illb和Illc中的任意一种。此外，作为基板107，可使用稍后所述的a -Al2O3基板(601)。
[0038]真空容器101由例如不锈钢和铝合金等金属构件形成并且电接地。此外，真空容器101设置有冷却机构(未示出)，并且该冷却机构防止或降低壁表面升温。此外，真空容器101通过质量流量控制器(未示出)连接至气体导入机构109，并通过可变导阀(variableconductance valve)(未示出)连接至排气机构110。
[0039]靶屏蔽105通过靶屏蔽保持机构116安装至真空容器101上。靶屏蔽保持机构116和靶屏蔽105可由例如不锈钢和铝合金等金属构件制成并且电连接至真空容器101。
[0040]靶电极102通过绝缘材料113安装至真空容器101上。此外，靶108安装至靶电极102上，以及靶电极102通过匹配盒(未示出)连接至用于溅射的高频电源106。靶108可以直接安装至靶电极102上，或者可以通过由金属构件例如铜(Cu)制成的接合板(未示出)安装至靶电极102上。此外，靶108可以是包含Al、Ga或In的至少之一的金属勒，或者包含上述第III族元素的至少之一的氮化物靶。在靶电极10