第III族氮化物半导体薄膜。
[0068]第一步中的预定压力优选小于5X 10_4Pa，如果所述压力不小于5X 10_4Pa，则许多杂质例如氧等进入第III族氮化物半导体薄膜中，难以获得有利的外延膜。此外，第一步骤中的基板保持件111的温度不特别限制，但是从生产性的观点，优选设定在膜形成期间用于获得基板温度的温度。
[0069]从生产性的观点，优选将第二步骤中的预定温度设定为第四步骤中的膜形成温度，以及从生产性的观点，将第三步骤中的预定压力优选设定为第四步骤中的膜形成压力。第二步骤和第三步骤的操作时机可以交换或者第二步骤和第三步骤的操作时机可以同时进行。此外，从生产性的观点，优选至少保持第二步骤中设定的温度和第三步骤中设定的压力直至开始第四步。
[0070]在第四步骤中，施加至偏置电极103的高频偏置电力需要设定至可获得+c极性统一度高的第III族氮化物半导体膜(具有+C极性的第III族氮化物半导体薄膜)的预定电力。如果电力太小，则形成极性混合的第III族氮化物半导体薄膜，而如果电力太大，则通过与高能量粒子碰撞而损坏第III族氮化物半导体薄膜，不能获得良好品质的第III族氮化物半导体薄膜。
[0071]在此说明书中，-C极性不存在或降低的第III族氮化物半导体薄膜，即，+C极性与-C极性的混合降低且+C极性的统一度高的第III族氮化物半导体薄膜称作“具有+C极性的第III族氮化物半导体薄膜”。
[0072]此外，当进行第四步骤时的基板温度优选设定在100至1200°C范围内，或者更优选在400至1000°C范围内。如果所述基板温度低于100°c，则容易形成无定形结构混合的膜，而如果所述基板温度高于1200°c，则不形成膜本身，或者即使形成膜，也由于热应力导致容易获得具有许多缺陷的外延膜。此外，膜形成压力优选设定在0.1至100毫托(1.33 X 1-2Pa至1.33 X 11Pa)范围内，或者更优选设定在0.1至10毫托(1.33 X KT1Pa至1.33Pa)范围内。
[0073]如果膜形成压力低于0.1毫托(1.33 X 10_2Pa)，则高能量粒子可容易地进入基板表面，因此难以获得良好品质的第III族氮化物半导体薄膜，而如果膜形成压力高于100毫托(1.33X10^8)，则膜形成速度变得极其低，这是不优选的。当开始第四步骤时，可以暂时将真空容器101的压力升高至膜形成压力以上，从而促进在靶侧上产生等离子体。在这种情况下，通过暂时导入大气体流量的至少一种工艺气体或者通过暂时降低可变导阀(未示出)的开度，可升高膜形成压力。
[0074]在第四步骤中，将高频偏置电力施加至偏置电极103的时机和将高频电力施加至靶电极102的时机可以相同，或者可以设定为首先施加其一，然后施加另一个。然而，如果首先将高频电力施加至靶电极102，则在a -Al2O3基板107的膜形成表面被由第III族氮化物半导体制成的晶体层覆盖前，需要将高频偏置电力施加至偏置电极103。
[0075]容易使在高频偏置电力不施加至偏置电极103的状态下形成的第III族氮化物半导体的晶体层处于极性混合的状态下或者-C极性的状态下。如果出现-C极性混合的状态，则即使此后将高频偏置电力施加至偏置电极103，也难以获得具有+c极性的第III族氮化物半导体薄膜。因此，如果首先将高频电力施加至靶电极102，则优选将高频电力施加至靶电极102，以及在靶的前面上产生等离子体后即刻(即，开始溅射后)，将高频偏置电力施加至偏置电极103，以及在a -Al2O3基板107上形成由第III族氮化物半导体制成的晶体层前，将高频偏置电力施加至偏置电极103。
[0076]如果首先将高频偏置电力施加至偏置电极103，则在直至将高频电力施加至靶电极102的期间在a -Al2O3基板107的表面侧上产生等离子体，以及需要避免由在等离子体内包含N原子的活性种引起的a -Al2O3基板107的表面氮化。这是因为，如果α -Al 203基板107的表面氮化，则在基板表面上容易形成具有-C极性或者混合极性的Α1Ν，并且即使此后将高频电力施加至靶电极102从而形成第III族氮化物半导体薄膜，也变得难以获得具有+c极性的第III族氮化物半导体薄膜。因此，如果首先将高频偏置电力施加至偏置电极103，则优选在将高频偏置电力施加至偏置电极103后即刻将高频电力施加至靶电极102，然后开始溅射。
[0077]此外，不必说在第一步骤前，可以设置在膜形成温度以上的温度下将基板107输送至用于基板107的热处理或等离子体加工的预处理室(未示出)的步骤。然而，如果进行等离子体加工，则重要的是选择具有混合极性的AlN层或者具有-C极性的AlN层不形成在Ct-Al2O3基板的表面上的条件。
[0078]以下将通过使用图5描述通过上述第一至第四步骤形成具有+C极性的第III族氮化物半导体薄膜的机理。作为第一和第二步骤，将a -Al2O3基板107配置在基板保持件111上以使得基板处于预定温度下，作为第三步骤，将N2气或者N2气与稀有气体的混合气体导入至真空容器中。随后，作为第四步骤，将高频偏置电力施加至偏置电极，以及还在靶侧上产生等离子体从而形成第III族氮化物半导体薄膜。
[0079]如果金属靶用作第四步骤中的靶，则认为通过包含N原子的活性种氮化靶表面，并且通过用正离子溅射表面，将图5所示的氮化物分子503从靶表面发射从而到达a -Al2O3基板107的表面。此外，即使使用氮化物靶，也认为通过用正离子溅射表面，将图5中所示的氮化物分子503从靶表面发射从而到达a -Al2O3基板107的表面。为了简化，在图5中示出2原子分子的氮化物分子503，但是所述分子不限于2原子分子，只要其为氮化物分子即可。
[0080]在图5中，将高频偏置电力施加至偏置电极103，以及在面对a -Al2O3基板107的表面侧的空间中，形成由附图标记G所示的等离子体区域和由附图标记S所示的鞘区域。鞘区域S形成在等离子体区域G与a -Al2O3基板107之间。
[0081]在等离子体区域G中，正电荷(正离子)和负电荷(电子)的密度基本上相等并且基本上处于电中和状态下。此外，等离子体区域G通常处于相对于接地电位为正性的基本上恒定的电位状态(称为等离子体电位)。另一方面，由于正离子和电子在相对于由施加高频偏置电力产生的高频电场变化的易于追随性是不同的，因此过量的电子供给至α-Α1203基板107的表面，产生负的直流偏置电压。在鞘区域S中，通过如上产生的a -Al2O3基板107表面上的负电位与等离子体区域G的等离子体电位之间的电位差产生沿朝向a -Al2O3基板107表面的方向的由附图标记E所示的电场。该电场E的大小可通过高频偏置电力的幅度来调整。
[0082]作为施加至偏置电极103的电力模式，高频电力是优选的。在直流电力的情况下，由于a -Al2O3基板107是绝缘材料，因此变得难以在α -Al 203基板107的表面上有效地产生负的直流偏置电压，这是不优选的。
[0083]氮化物分子503具有第III族元素503a和N原子503b，第III族元素503a具有偏置的正电荷和N原子503b具有偏置的负电荷。也就是说，氮化物分子503具有由附图标记P所示的极化。认为该氮化物分子503在等离子体区域G沿任意方向取向，但是当其到达鞘区域S时，电场E对于氮化物分子503的极化P起作用，并且认为第III族元素503a沿a -Al2O3基板的方向取向并且N原子503b沿等离子体区域G的方向取向，也就是说，使极化P取向至a -Al2O3基板的方向。
[0084]在具有+c极性的第III族氮化物半导体中，使氮化物分子503的极化P取向至a -Al2O3基板的方向。也就是说，认为通过借助于施加高频偏置电力产生的鞘区域S的电场Ε，使氮化物分子503的极化P取向至a-Al2O3基板的方向，并且借助于保持取向的同时吸附至a -Al2O3基板，获得具有+c极性的第III族氮化物半导体薄膜。
[0085]即使将高频偏置电力施加至偏置电极103，如果高频偏置电力小，则也可能不会获得具有+C极性的第III族氮化物半导体薄膜。对此可能的原因在于鞘区域S的电场E对于氮化物分子503的极化P没有充分地起作用并且没有控制其取向。
[0086]此外，如果高频偏置电力太大，则可能不会获得高品质第III族氮化物半导体。认为其原因在于通过鞘区域S中的电场E加速等离子体中的正离子，并对具有大能量的a -Al2O3基板的表面碰撞，因此在第III族氮化物半导体薄膜内部形成许多缺陷。
[0087]如上所述，为了获得具有+C极性的第III族氮化物半导体薄膜，需要将施加至偏置电极103的高频偏置电力的幅度调整至适当值。主要取决于溅射设备的内部结构，该高频偏置电力的最优范围是不同的，因此需要获取对于各设备的最优条件。
[0088]此外，用作高频偏置电力的频率不特别限制，但是如果施加至靶的高频偏置电力的频率和高频电力的频率彼此匹配，则可容易发生由高频电力干涉引起的低频差拍(low-frequency beat)现象，还可能影响膜形成条件(下文中该低频差拍现象称作频率干涉)。如果在此实施方案中发生频率干涉，则等离子体变得不稳定以及在a -Al2O3基板的表面上产生的直流偏置电压不再变得稳定，因此优选使用不同频率下的高频电力。通过使用图7Α作为实例，假定施加至靶电极102的高频电力的频率(用于溅射的高频电源106的频率)为13.56MHz，通过对于施加至偏置电极103的高频偏置电力的频率(用于偏置的高频电源130的频率)使用13.54MHz或13.58MHz，可防止或降低上述频率干涉。
[0089]此外，即使施加至偏置电极的高频偏置电力和施加至靶的高频电力具有相同的频率，也可通过借助于预定相位差使高频偏置电力和高频电力异相来抑制上述频率干涉。通过使用图7B作为实例，如果通过相位控制单元703将施加至偏置电极103的高频偏置电力与施加至靶电极102的高频电力之间的相位差调整至180°，也就是说，如果进行调整以使得将高频电力的正峰顶电压施加至靶电极102，同时将高频偏置电力的负峰顶电压施加至偏置电极103，则最有效地防止或降低频率干涉。此外，可细微调整相位差以使得进一步降低对于各高频电源(用于溅射的高频电源和用于偏置的高频电源)的反射波。也就是说，相位差未必恰好为180°，但是可以是覆盖约180°的细微调整程度的范围的约180°。
[0090]此外，即使在其它相位差的情况下，其也可使用而没有问题，除非引起频率干涉。如果出现如上的频率干涉，则等离子体变得不稳定，可能容易增加对于各高频电源(用于溅射的高频电源和用于偏置的高频电源)的反射波，因此优选进行调整至使频率干涉(优选为零)最小化的相位差。
[0091]即使不将高频偏置电力施加至偏置电极103，也在鞘区域S中产生电场E，但是此时产生的电场E通常小于当施加高频偏置电力时产生的电场。因此，认为如果高频偏置电力不施加至偏置电极103则不能获得具有+c极性的氮化物半导体薄膜的原因在于，鞘区域S的电场E没有充分地对于氮化物分子503的极化P起作用以及不能控制其取向。
[0092]当通过使用N2气与稀有气体的混合气体的等离子体使金属靶108进行溅射时，应该控制队气与稀有气体的混合气体中的比率以使得金属组分(非氮化物组分)不被大量引入第III族氮化物半导体薄膜中。如果引入大量金属组分，则金属原子或以金属簇(metalcluster)的状态从靶放出的第III族元素的比率趋于变得大于氮化物分子503，因此可能的是即使将高频偏置电力施加至偏置电极103，也不能完全获得本发明的效果。
[0093]作为通过在此实施方案中形成的第III族氮化物半导体薄膜的外延膜，可引用图6中所述的缓冲层602、第III族氮化物半导体中间层603、η型第III族氮化物半导体层604、第III族氮化物半导体活性层605以及ρ型第III族氮化物半导体层606。全部上述层可以通过使用根据本发明的溅射设备(外延膜形成方法)来制作，或者仅仅有限的层可以通过使用根据本发明的溅射设备(外延膜形成方法)来制作。
[0094]作为第一实例，例如，存在如下制作外延晶片的方法:通过借助于使用根据本发明的溅射设备制作图6中LED元件的缓冲层602 (外延膜形成方法)，然后通过借助于使用MOCVD法依次层压第III族氮化物半导体中间层603、η型第III族氮化物半导体层604、第III族氮化物半导体活性层605以及ρ型第III族氮化物半导体层606。
[0095]作为第二实例，存在如下制作外延晶片的方法:通过借助于使用根据本发明的溅射设备制作缓冲层602和第III族氮化物半导体中间层603 (外延膜形成方法)，然后通过借助于使用MOCVD法依次层压η型第III族氮化物半导体层604、第III族氮化物半导体活性层605以及ρ型第III族氮化物半导体层606。
[0096]作为第三实例，存在如下制作外延晶片的方法:通过借助于使用根据本发明的溅射设备制作缓冲层602、第III族氮化物半导体中间层603和η型第III族氮化物半导体层604 (外延膜形成方法)，然