Ⅲ族氮化物半导体器件、外延衬底及Ⅲ族氮化物半导体器件的制作方法

专利名称：Ⅲ族氮化物半导体器件、外延衬底及Ⅲ族氮化物半导体器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及III族氮化物半导体器件、外延衬底及III族氮化物半导体器件的制
作方法。
背景技术：
在专利文献1中，记载了具有与氧浓度成比例的η型载流子的η型GaN。在原料气 体中包含氧，使GaN在GaAs衬底上外延生长。除去GaAs衬底，得到GaN自支撑膜。在专利文献2中，记载了生长氮化镓单晶的方法。根据该方法，可以将氧作为η型 掺杂剂混入。在专利文献3中，记载了 GaN基化合物半导体的制造方法。在填充容器内以至少 一部分为液体的方式填充GaN基化合物半导体制造用氨。该液相的氨中的水分浓度用傅立 叶变换红外分光法(FT-IR)测定为0. 5体积ppm以下。将该氨作为原料，在气体状态下导 入容纳有衬底的反应室内，在衬底上形成包含GaN基化合物的层。专利文献专利文献1 日本特开2000-044400号公报专利文献2 日本特开2002-373864号公报专利文献3 日本特开2004-363622号公报

发明内容
根据本发明人的发现，作为施主起作用的氧容易混入到氮化镓的非c面中。该现 象说明当在具有半极性或无极性的主面的氮化镓衬底上淀积氮化镓基半导体时，需要控 制氧浓度以使氧的意外混入不会损害器件特性。另一方面，氧容易混入到小面(facet)中， 这暗示了通过添加氧能够在氮化镓基半导体的生长中使非c面的生成稳定化的可能性。此 时，在氮化镓基半导体在氮化镓衬底的、具有半极性或无极性的主面上的生长中，氮化镓基 半导体根据其氧浓度而具有不同的结晶品质。从器件特性的方面考虑，当外延膜具有η型GaN衬底时使用的氧浓度时，如果考虑 到氧是氮化镓基半导体中的η型掺杂剂，则推测不能忽视半导体器件的电特性的变化。例 如，在半导体光器件中，根据在η型氮化镓基半导体层、发光层及P型氮化镓基中掺杂的氧 量，推测不能忽视器件的发光效率及电特性的变化。 本发明鉴于以上情况而做出，其目的在于提供包含具有良好表面形态的氮化镓基 半导体膜的III族氮化物半导体器件，另外，本发明的目的在于提供制作III族氮化物半导 体器件的方法，另外，本发明的目的还在于提供包含具有良好表面形态的氮化镓基半导体 膜的外延衬底。 本发明的一个方面的III族氮化物半导体器件，具备(a) III族氮化物半导体支 撑体，包含III族氮化物半导体，并且具有相对于与沿该III族氮化物半导体的C轴方向延
6伸的基准轴正交的基准平面形成有限角度的主面；和(b)氮化镓基半导体区域，设置在所 述III族氮化物半导体支撑体的所述主面上，并且具有5X IO16CnT3以上、5X IO18CnT3以下的 氧浓度。所述主面显示半极性或无极性中的任意一种特性，所述氮化镓基半导体区域包含 第一导电型氮化镓基半导体层。根据该III族氮化物半导体器件，当氮化镓基半导体区域设置在半极性面或无极 性面上并且氮化镓基半导体区域含有5 X IO16CnT3以上的氧时，氮化镓基半导体区域的表面 形态变得平坦。氮化镓基半导体区域的表面也与衬底主面的半极性面或无极性面相应地分 别显示半极性或无极性。氮化镓基半导体区域超过5X IO18CnT3以下的范围含有氧时，氮化 镓基半导体区域的结晶品质变差。另外，氮化镓基半导体区域含有1 X IO17CnT3以上的氧时， 氮化镓基半导体区域的表面形态变得更加平坦。本发明的III族氮化物半导体器件，具备(a) III族氮化物半导体支撑体，包含 III族氮化物半导体，并且具有相对于与沿该III族氮化物半导体的C轴方向延伸的基准轴 正交的基准平面形成有限角度的主面；(b)氮化镓基半导体区域，设置在所述III族氮化物 半导体支撑体的所述主面上，并且具有5X IO16CnT3以上、5X IO18CnT3以下的氧浓度；(c)有 源层，设置在所述氮化镓基半导体区域上，和(d)第二导电型氮化镓基半导体层，设置在所 述有源层上。所述主面显示半极性和无极性中的任意一种特性，所述氮化镓基半导体区域 包含第一导电型氮化镓基半导体层，所述有源层设置在所述第一导电型氮化镓基半导体层 与所述第二导电型氮化镓基半导体层之间。根据该III族氮化物半导体器件，当氮化镓基半导体区域设置在半极性面或无极 性面上并且氮化镓基半导体区域含有5 X IO16CnT3以上的氧时，氮化镓基半导体区域的表面 形态变得平坦。氮化镓基半导体区域的表面也与衬底主面的半极性面或无极性面相应地分 别显示半极性或无极性。氮化镓基半导体区域超过5X IO18CnT3以下的范围含有氧时，氮化 镓基半导体区域的结晶品质变差。根据上述范围的氧浓度，可以在表面形态良好的第一导 电型氮化镓基半导体层上设置有源层。另外，氮化镓基半导体区域含有IXlO17cnT3以上的 氧时，氮化镓基半导体区域的表面形态变得更加平坦。本发明的一个方面的III族氮化物半导体器件中，所述有源层的氧浓度可以 为5X IO16CnT3以上。根据该III族氮化物半导体器件，当有源层含有5X IO16CnT3以上的 氧时，有源层的表面形态变得平坦。另外，由于氧作为施主起作用，因此，当有源层含有 5X IO16Cm-3以上的氧时，还具有器件的驱动电压下降、有源层的压电场下降的效果。另外， 本发明的一个方面的III族氮化物半导体器件中，所述有源层的氧浓度可以为IXlO17cnT3 以上。根据该III族氮化物半导体器件，当有源层含有IX IO17CnT3以上的氧时，有源层的表 面形态变得更加平坦。本发明的一个方面的III族氮化物半导体器件中，所述有源层的氧浓度可以为 5X IO18Cm-3以下。根据该III族氮化物半导体器件，当有源层超过5X 1018cm_3以下的范围 含有氧时，有源层的结晶品质变差。另外，有源层超过5X IO18CnT3以下的范围含有氧时，由 有源层中的自由载流子吸收造成的光学损失增加。本发明的一个方面的III族氮化物半导体器件中，所述第二导电型氮化镓基半导 体层的氧浓度可以为5X IO16CnT3以上。根据该III族氮化物半导体器件，当第二导电型氮 化镓基半导体层中含有氧浓度为5X IO16CnT3以上的氧时，第二导电型氮化镓基半导体层的
7表面形态变得平坦。另外，本发明的一个方面的III族氮化物半导体器件中，所述第二导电 型氮化镓基半导体层的氧浓度可以为IXlO17cnT3以上。根据该III族氮化物半导体器件， 当第二导电型氮化镓基半导体层中含有氧浓度为IXlO17cnT3以上的氧时，第二导电型氮化 镓基半导体层的表面形态变得更加平坦。本发明的一个方面的III族氮化物半导体器件中，所述第二导电型氮化镓基半导 体层的氧浓度可以为5X IO18cnT3以下。根据该III族氮化物半导体器件，当第二导电型氮 化镓基半导体层超过5 X IO18CnT3以下的范围含有氧时，第二导电型氮化镓基半导体层的结 晶品质变差。另外，第二导电型氮化镓基半导体层超过5X IO18CnT3以下的范围含有氧时，第 二导电型氮化镓基半导体层的导电性变差。本发明的一个方面的III族氮化物半导体器件中，所述第一导电型氮化镓基半导 体层的碳浓度可以为5X IO18CnT3以下，所述第二导电型氮化镓基半导体层的碳浓度可以为 5X IO18Cm-3以下，并且所述有源层的碳浓度可以为5X IO18CnT3以下。根据该III族氮化物半 导体器件，当生长中不可避免地混入到氮化镓基半导体中的碳浓度高时，容易出现稳定的c 面小面。通过降低氮化镓基半导体的碳浓度，可以避免在氮化镓基半导体中产生小面。但 是，在此所说的碳浓度不包括在氮化镓基半导体生长后形成于表面上的污染物。本发明的一个方面的III族氮化物半导体器件，还可以具有另一个第二导电型氮 化镓基半导体层。所述第二导电型氮化镓基半导体层的带隙大于所述另一个第二导电型氮 化镓基半导体层的带隙，所述第二导电型氮化镓基半导体层的氧浓度大于所述有源层的氧 浓度，所述第二导电型氮化镓基半导体层设置在所述另一个第二导电型氮化镓基半导体层 与所述有源层之间，所述第二导电型氮化镓基半导体层与所述另一个第二导电型氮化镓基 半导体层形成结(junction)。根据该III族氮化物半导体器件，由于第二导电型氮化镓基半导体层的氧浓度大 于有源层的氧浓度，因此，第二导电型氮化镓基半导体层与另一个第二导电型氮化镓基半 导体层的结面变得平坦，因此，该界面处的散射损失减少。本发明的一个方面的III族氮化物半导体器件，还可以具有设置在所述有源层与 所述第二导电型氮化镓基半导体层之间的包含氮化镓基半导体的光导层。所述有源层沿相 对于所述基准平面倾斜的平面延伸，所述第二导电型氮化镓基半导体层为电子阻挡层。根据该III族氮化物半导体器件，由于在半极性面或无极性面上设置有源层、光 导层和第二导电型氮化镓基半导体层，因此，这些半导体层的压电场比c面上的半导体层 的压电场小。由于小的压电极化不易在该主面上产生载流子溢出(carrier overflow)，因 此，在P型半导体层中添加作为施主起作用的氧可以得到平坦化的效果。因此，除了通过添 加氧而形成具有平坦表面形态的P型半导体层之外，还可以提供高的载流子注入效率。本发明的III族氮化物半导体器件中，所述有源层包含交替排列的阱层和势垒 层，所述阱层的氧浓度可以为6X IO17CnT3以下。根据该III族氮化物半导体器件，当活性层 的氧浓度高时，由自由载流子吸收造成的光学损失增加。由于阱层的氧浓度为6X IO17CnT3 以下，因此可以避免有效的光学损失，另外，可以避免由于阱层的结晶品质下降导致的发光 效率的下降。本发明的一个方面的III族氮化物半导体器件中，所述主面的法线与所述基准轴 所成的角度可以为10度以上、170度以下。根据该III族氮化物半导体器件，非极性的贡献
8得到适当的发挥。该非极性表示半极性和无极性。本发明的一个方面的III族氮化物半导体器件中，所述主面的法线与所述基准轴 所成的角度可以为10度以上、80度以下，或者所述主面的法线与所述基准轴所成的角度可 以为100度以上、170度以下。根据该III族氮化物半导体器件，半极性或无极性的贡献得 到适当的发挥。本发明的一个方面的III族氮化物半导体器件中，所述主面的法线与所述基准轴 所成的角度可以为63度以上、80度以下，或者所述主面的法线与所述基准轴所成的角度可 以为100度以上、117度以下。根据该III族氮化物半导体器件，倾斜角(off angle)在上 述范围内时，压电极化特别小。因此，不易产生载流子溢出。本发明的另一方面，是用于III族氮化物半导体器件的外延晶片。外延晶片具 备(a) III族氮化物半导体衬底，包含III族氮化物半导体，并且具有相对于与沿该III族 氮化物半导体的c轴方向延伸的基准轴正交的基准平面形成有限角度的主面；(b)第一导 电型氮化镓基半导体区域，设置在所述III族氮化物半导体衬底的所述主面上，并且具有 5X IO16Cm-3以上、5X1018cm_3以下的氧浓度；(c)发光层，设置在所述第一导电型氮化镓基 半导体层上，和(d)第二导电型氮化镓基半导体层，设置在所述发光层上。所述主面显示半 极性和无极性中的任意一种特性。根据该外延晶片，当第一导电型氮化镓基半导体层设置在半极性面或无极性面上 并且第一导电型氮化镓基半导体层含有5X IO16CnT3以上的氧时，第一导电型氮化镓基半导 体层的表面形态变得平坦。可以在表面形态良好的第一导电型氮化镓基半导体层上设置发 光层。另外，第一导电型氮化镓基半导体层的表面也显示非极性。第一导电型氮化镓基半 导体层超过5X IO18CnT3以下的范围含有氧时，第一导电型氮化镓基半导体层的结晶品质变 差。本发明的另一方面的外延晶片，还可以具有另一个第二导电型氮化镓基半导体 层。所述第二导电型氮化镓基半导体层的带隙大于所述另一个第二导电型氮化镓基半导体 层的带隙，所述第二导电型氮化镓基半导体层的氧浓度大于所述发光层的氧浓度，所述第 二导电型氮化镓基半导体层设置在所述另一个第二导电型氮化镓基半导体层与所述发光 层之间，所述第二导电型氮化镓基半导体层与所述另一个第二导电型氮化镓基半导体层形 成结。根据该外延晶片，由于第二导电型氮化镓基半导体层的带隙大于另一个第二导电 型氮化镓基半导体层的带隙并且第二导电型氮化镓基半导体层设置在另一个第二导电型 氮化镓基半导体层与发光层之间，因此，第二导电型氮化镓基半导体层作为电子阻挡层起 作用，另外，另一个第二导电型氮化镓基半导体层作为包覆层起作用。由于第二导电型氮化 镓基半导体层的氧浓度大于发光层的氧浓度，因此，第二导电型氮化镓基半导体层与另一 个第二导电型氮化镓基半导体层的结的平坦性优良。通过该平坦性，第二导电型氮化镓基 半导体层与另一个第二导电型氮化镓基半导体层的界面处的光散射减少。本发明的另一方面的外延晶片中，所述第二导电型氮化镓基半导体层的氧浓度为 5X IO16Cm-3以上，且所述第二导电型氮化镓基半导体层的氧浓度为5X1018cm_3以下。所述 第二导电型氮化镓基半导体层是电子阻挡层，所述发光层包含具有交替排列的阱层和势垒 层的有源层，所述发光层还具备包含氮化镓基半导体的光导层，该光导层设置在所述有源层与所述第二导电型氮化镓基半导体层之间，所述发光层的所述光导层沿相对于所述基准 平面倾斜的平面延伸。另外，本发明的另一方面的外延晶片中，所述第二导电型氮化镓基半 导体层的氧浓度可以为IXlO17cnT3以上。根据该外延晶片，由于在半极性面或无极性面上设置有源层、光导层和第二导电 型氮化镓基半导体层，因此，这些半导体层的压电场比c面上的半导体层的压电场小。从载 流子补偿的观点考虑优选不在P型半导体层中添加施主杂质氧，但是，由于半极性面或无 极性面的压电极化小，因此，该衬底主面上的载流子溢出减少。因此，第二导电型氮化镓基 半导体层的氧浓度虽然为5X IO16CnT3以上、5X IO18CnT3以下，但是可以避免载流子注入效率 的下降。本发明的另一方面的外延晶片中，所述主面的法线与所述基准轴所成的角度可以 为10度以上、180度以下，或者所述主面的法线与所述基准轴所成的角度可以为100度以 上、170度以下。或者，本发明的另一方面的外延晶片中，所述主面的法线与所述基准轴所成 的角度相对于所述基准平面可以为63度以上、80度以下，或者所述主面的法线与所述基准 轴所成的角度相对于所述基准平面可以为100度以上、117度以下。本发明的再一方面，是制作III族氮化物半导体器件的方法。该方法包括以下工 序(a)准备包含III族氮化物半导体并且具有主面的III族氮化物半导体衬底的工序， (b)将III族原料和氮原料供给到生长炉中，在所述III族氮化物半导体衬底的所述主面上 生长具有5X IO16CnT3以上、5X IO18CnT3以下的氧浓度的第一导电型氮化镓基半导体层的工 序，(c)将III族原料和氮原料供给到所述生长炉中，在所述第一导电型氮化镓基半导体层 上生长发光层的工序，和(d)将III族原料和氮原料供给到所述生长炉中，在所述发光层上 生长第二导电型氮化镓基半导体层的工序。所述主面显示半极性和无极性中的任意一种特 性，所述第一导电型氮化镓基半导体层的氧以所述III族原料和所述氮原料中的至少一种 中所含的杂质的形式提供，所述III族氮化物半导体衬底的所述主面相对于与沿该III族 氮化物半导体的c轴方向延伸的基准轴正交的基准平面形成有限的角度。根据该方法，当在半极性面或无极性面上生长的氮化镓基半导体层含有 5X IO16Cm-3以上的氧时，该氮化镓基半导体层的表面形态变得平坦。因此，在第一导电型氮 化镓基半导体层的表面上不出现c面，氮化镓基半导体层的表面也显示与衬底主面对应的 极性。在半极性面上生长的氮化镓基半导体层超过5X IO18CnT3以下的范围含有氧时，该氮 化镓基半导体层的结晶品质变差。可以在表面形态良好的第一导电型氮化镓基半导体层上 进行发光层的生长。另外，氮化镓基半导体层含有1 X IO17CnT3以上的氧时，该氮化镓基半导 体层的表面形态变得更加平坦。本发明的方法中，所述氮原料包含氨，所述氮原料包含水作为杂质。所述发光层的 氧浓度为5X1016cm_3以上，且所述发光层的氧浓度为5X1018cm_3以下，所述第二导电型氮 化镓基半导体层的氧浓度为5X1016cnT3以上，且所述第二导电型氮化镓基半导体层的氧浓 度为5X IO18CnT3以下。优选所述第二导电型氮化镓基半导体层的氧浓度大于所述发光层的 氧浓度。根据该方法，在主面上进行含有氧的氮化镓基半导体的生长时，可以抑制在生长 中出现不符合该主面的极性取向的特定的小面(facet)。因此，表面形态变得平坦。另外， 在本发明的方法中，所述发光层的氧浓度可以为IXlO17cnT3以上。另外，本发明的方法中，以为5X IO18CnT3以下，所述第二导电型氮化镓基半导体层的氧浓度 可以为IXlO17cnT3以上。根据这些方法，表面形态变得更加平坦。在本发明的方法中，优选所述第二导电型氮化镓基半导体层的生长温度低于所述 第一导电型氮化镓基半导体层的生长温度。根据该方法，由于降低了第二导电型氮化镓基 半导体层的生长温度，因此发光层中的热应力减少。本发明的方法中，所述发光层可以包含InAlGaN层。InAlGaN层中，通过铝含量可 以调节氧浓度，通过In含量的调节可以得到适当的带隙。或者，本发明的方法中，所述发光 层可以包含InGaN层。本发明的方法中，可以使用含水量为500ppb%以下的氨作为所述氮原料。另外，本 发明的方法中，可以使用含水量为50ppb%以下的氨作为所述氮原料。另外，可以使用含水 量为lppb%以下的氨作为所述氮原料。本发明的方法中，使用设置在所述氮原料的原料源和所述生长炉之间的精制装置 调节所述氮原料的水分浓度后，将所述氮原料供给到所述生长炉中，所述氮原料可以包含 氨。在本发明的方法中，所述氮原料的所述水分浓度可以为lppb%以下。通过调节氮原料 中的水分浓度，可以控制半导体层中的氧浓度。同样，为了控制半导体层中的氧浓度，也可 以调节III族原料中的水分浓度。本发明的上述目的及其它目的、特征和优点，由以下参考附图进行的本发明的优 选实施方式的详细说明可以更容易地理解。发明效果如上所述，根据本发明的一个方面，可以提供包含具有良好表面形态的氮化镓基 半导体膜的III族氮化物半导体器件。另外，根据本发明的另一方面，可以提供制作该III 族氮化物半导体器件的方法。另外，根据本发明的再一方面，可以提供包含具有良好表面形 态的氮化镓基半导体膜的外延衬底。


图1是示意地表示本实施方式的III族氮化物半导体光器件的图。图2是示意地表示本实施方式的III族氮化物半导体光器件的图。图3是表示c面和半极性面上的有源层、光导层及ρ型氮化镓基半导体层的能带 图的图。图4是表示本实施方式的制作方法的主要工序中的产品的图。图5是表示本实施方式的制作方法的主要工序中的产品的图。图6是表示本实施方式的制作方法的主要工序中的产品的图。图7是表示本实施方式的制作方法的主要工序中的产品的图。图8是表示实施例1中的半导体激光器LDl的图。图9是表示显示半导体激光器LDl和半导体激光器LDCl的激光器结构的ρ型接 触层的表面形态的微分干涉显微镜图像的图。图10是表示实施例2的半导体激光器LD2的图。图11是表示绝对温度300度及绝对温度10度下测定的EL光谱的图。图12是表示实施例3的发光二极管的图。
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图13是表示实施例4的激光二极管的结构的图。图14是表示实施例4和比较例的ρ型接触层的表面形态的图。图15是表示实施例5的激光二极管的结构的图。图16是表示实施例4及其比较例的激光二极管的I-V特性的图。符号说明IlaUlb-III族氮化物半导体光器件、13··· III族氮化物半导体支撑体、15··· 氮化镓基半导体区域、17···有源层、19···氮化镓基半导体区域、Sc…基准平面、VC…c轴矢 量、VN…法线矢量、A。ff…倾斜角、21···第一导电型氮化镓基半导体层、23···氮化镓基半导体 层、25···氮化镓基半导体层、27···第二导电型氮化镓基半导体层、29a…阱层、29b…势垒层、 29…量子阱结构、31a、31b…结面、33···第一电极、35···第二电极
具体实施例方式本发明的见解通过参考作为例示给出的附图来思考以下详细说明可以容易地理 解。接着，参考附图对本发明的III族氮化物半导体器件、外延衬底以及外延衬底和III族 氮化物半导体器件的制作方法的实施方式进行说明。可能的情况下，同一部分使用同一符 号。在后续的说明中，作为半导体器件的一例，对半导体光器件进行说明。图1是示意地表示本实施方式的III族氮化物半导体光器件的图。图1所示的 III族氮化物半导体光器件，具有例如可以应用于发光二极管的结构。III族氮化物半导体 光器件Ila具备III族氮化物半导体支撑体13、氮化镓基半导体区域15、有源层17和氮 化镓基半导体区域19。III族氮化物半导体支撑体13包含例如GaN、InGaN, AlGaN等III 族氮化物半导体。III族氮化物半导体支撑体13包含主面13a和背面13b。III族氮化物 半导体支撑体13的主面13a显示非极性。该非极性表示半极性和无极性中的任意一种。III族氮化物半导体支撑体13具有无极性的主面13a时，主面13a可以是III族 氮化物半导体的a面、m面，或者可以是通过围绕c轴旋转而与a面或m面倾斜的面。III 族氮化物半导体支撑体13具有半极性的主面13a时，III族氮化物半导体支撑体13的主 面13a显示相对于与基准轴Cx正交的基准平面Sc倾斜的半极性，基准轴Cx沿III族氮化 物半导体的c轴方向延伸。基准平面Sc例如表示代表性的c面。基准平面Sc与c轴矢量VC正交，法线矢量 VN显示在主面13a上。c轴矢量VC相对于法线矢量VN形成角度A。ff&角度。该角度A。ff 称为相对于c面的倾斜角。参考图1，显示的是表示III族氮化物半导体的六方晶系的晶 轴a轴、m轴和c轴的结晶坐标系CR，六方晶的c面记作“(0001) ”，记作“(000-1)，，的面方 位相对于(0001)面朝向相反的方向。另外，正交坐标系S表示几何学坐标轴X、Y、Z。倾斜 的方向例如可以是a轴或m轴。氮化镓基半导体区域15、有源层17和氮化镓基半导体区域 19在非极性面主面上沿轴Ax排列。主面13a的法线矢量VN与基准轴Cx所成的角度相对 于基准平面Sc可以为10度以上、170度以下。氮化镓基半导体区域15设置在主面13a上。氮化镓基半导体区域15具有 5X IO16CnT3以上、5X IO18CnT3以下的氧浓度。氧浓度例如可以通过原料中的杂质浓度、衬底 的倾斜角、生长温度、混晶的组成等进行控制。另外，氮化镓基半导体区域15的氧浓度更优 选为IX IO17CnT3以上。氮化镓基半导体区域15可以包含一个或多个氮化镓基半导体层。本
12实施例中，氮化镓基半导体区域15包含第一导电型氮化镓基半导体层21和氮化镓基半导 体层23。氮化镓基半导体层21例如可以是η型半导体层，氮化镓基半导体层23例如可以 是缓冲层。第一导电型氮化镓基半导体层21例如包含η型氮化镓基半导体，η型氮化镓基 半导体中例如添加有η型掺杂剂硅。η型氮化镓基半导体例如可以包含GaN、AlGaN、InGaN、 InAlGaN等。氮化镓基半导体层23例如包含无掺杂的氮化镓基半导体。氮化镓基半导体例 如可以包含InGaN、InAlGaN、GaN等。氮化镓基半导体层23具有5X IO16CnT3以上的氧浓度 时，在氮化镓基半导体层23的主面上后续生长的有源层17的结晶品质变得良好。另外，氮 化镓基半导体层23与在该半导体层的主面上生长的氮化镓基半导体的界面良好。另外，氮 化镓基半导体层23具有lX1017cm_3以上的氧浓度时，在氮化镓基半导体层23的主面上后 续生长的有源层17的结晶品质变得更好。另外，氮化镓基半导体区域19可以包含一个或多个氮化镓基半导体层，本实施例 中，氮化镓基半导体区域19包含氮化镓基半导体层25和第二导电型氮化镓基半导体层27。 氮化镓基半导体层25例如可以包含无掺杂的或者ρ型氮化镓基半导体。第二导电型氮化 镓基半导体层27例如包含ρ型氮化镓基半导体，ρ型氮化镓基半导体中例如添加有ρ型掺 杂剂镁。ρ型氮化镓基半导体例如可以包含GaN、AlGaN、InAlGaN、InGaN等。第二导电型氮 化镓基半导体层25例如可以是电子阻挡层，氮化镓基半导体层27例如可以是ρ型接触层。 在氮化镓基半导体层21与氮化镓基半导体层27之间设置有有源层17。有源层17设置在 氮化镓基半导体区域15上，氮化镓基半导体区域19设置在有源层17上。根据该III族氮化物半导体光器件11a，当氮化镓基半导体区域15设置在主面 13a上并且氮化镓基半导体区域15含有5X IO16CnT3以上的氧时，氮化镓基半导体区域15 的主面15a的表面形态变得平坦。另外，氮化镓基半导体区域15含有IXlO17cnT3以上的 氧时，主面15a的表面形态变得更加平坦。因此，氮化镓基半导体区域15的表面15a上不 出现小面，氮化镓基半导体区域15的整个表面15a显示与衬底主面13a的极性特性(半极 性、无极性)对应的极性特性。氮化镓基半导体区域15超过5X IO18CnT3以下的范围含有氧 时，氮化镓基半导体区域15的结晶品质变差。在上述的氧浓度范围内，可以在表面形态良 好的氮化镓基半导体区域15上设置有源层17。因此，氮化镓基半导体区域15与有源层17 的界面31a变得平坦。氧的添加被认为使非c面的生成稳定化。因此，氮化镓基半导体区域15在主面上 的生长可以在保持生长面的非极性(半极性和无极性中的任意一种)的同时进行结晶生 长。结果，表面形态变得良好。作为氧的供给源，不排除作为掺杂剂有意添加的情况，但是， 通过对原料气体中所含的杂质量进行管理，可以利用原料气体的杂质。通过控制混入半极 性面或无极性面中的氧量，可以使作为有源层17的基底层的氮化镓基半导体区域的表面 形态变得平坦。有源层17含有5 X IO16CnT3以上的氧时，有源层17的表面形态变得平坦。活性层 17含有5X IO18CnT3以下的氧时，有源层17的结晶品质良好。通过有源层17的表面平坦性 的改善，可以减少发光二极管中的发光不均勻。另外，有源层含有IXlO17cnT3以上的氧时， 有源层17的表面形态变得更加平坦。通过进一步提高该平坦性，可以进一步减少发光二极 管中的发光不均勻。III族氮化物半导体光器件Ila的有源层17，可以具有包含交替排列的阱层29a
13和势垒层29b的量子阱结构29。阱层29a例如可以包含GaN、AlGaN、InGaN、InAlGaN等，势 垒层29b例如可以包含GaN、AlGaN、InGaN、InAlGaN等。有源层17的阱层29a的氧浓度可 以为6X IO17CnT3以下。阱层29a的氧浓度高时，由自由载流子吸收造成的光学损失增加。 由于阱层29a的氧浓度为6X IO17CnT3以下，因此可以避免光学损失，另外，可以避免由于阱 层29a的结晶品质下降造成的发光效率下降。另外，势垒层29b的氧浓度为阱层29a的氧 浓度以上时，势垒层29b的表面形态变得良好。可以在表面形态良好的势垒层29b上生长 阱层29a。有源层17可以包含InAlGaN层，该InAlGaN层可以作为阱层29a和/或势垒层 29b使用。InAlGaN层中，通过铝含量可以调节氧浓度，通过In含量的调节可以得到适当的 带隙。或者，有源层17可以包含InGaN层，该InGaN层可以作为阱层29a和/或势垒层29b 使用。InGaN层中，带隙的调节容易，氧浓度的调节通过原料的杂质浓度、生长温度等生长条 件来进行。有源层17的氧浓度为5 X IO16CnT3以上时，在有源层17的主面上后续生长的第二 导电型氮化镓基半导体层25、27的结晶品质变得良好。另外，有源层17与在该半导体层的 主面上生长的氮化镓基半导体的界面变得平坦。另外，有源层17的氧浓度为IXlO17cnT3以 上时，第二导电型氮化镓基半导体层25、27的结晶品质和上述的界面平坦性更加优良。氮化镓基半导体层25含有5 X IO16CnT3以上的氧时，氮化镓基半导体层25的表面 形态变得平坦。另外，氮化镓基半导体层25含有lX1017cm_3以上的氧时，氮化镓基半导体 层25的表面形态变得更加平坦。氮化镓基半导体层25的氧浓度可以为5X IO18CnT3以下。 超过5X IO18CnT3的氧浓度具有使氮化镓基半导体层25的结晶品质下降的可能性。另外，氮化镓基半导体层27含有5 X IO16CnT3以上的氧时，氮化镓基半导体层27的 表面形态变得平坦。另外，氮化镓基半导体层27含有IXlO17cnT3以上的氧时，氮化镓基半 导体层27的表面形态变得更加平坦。氮化镓基半导体层27的氧浓度可以为5X IO18CnT3以 下。超过5X IO18CnT3的氧浓度使氮化镓基半导体层27的结晶品质下降。氮化镓基半导体 层25的氧浓度大于氮化镓基半导体层27的氧浓度时，氮化镓基半导体层25的表面形态变 得平坦，因此，在其上形成的氮化镓基半导体层27的结晶品质变得优良。氮化镓基半导体 层25的氧浓度小于氮化镓基半导体层27的氧浓度时，氮化镓基半导体层25中氧对ρ型导 电的补偿的影响减小，载流子注入效率变得优良。设置在半极性面或无极性面上的氮化镓基半导体中，混入到氮化镓基半导体中的 碳浓度高时，容易出现稳定的c面小面。通过降低氮化镓基半导体的碳浓度，可以避免氮化 镓基半导体中小面的产生。因此，氮化镓基半导体层21、23的碳浓度优选为5X IO18CnT3以 下。氮化镓基半导体层25、27的碳浓度可以为5X IO18CnT3以下，有源层17的碳浓度可以为 5X1018cm_3以下。碳例如由有机金属原料供给。碳浓度可以通过原料中的杂质浓度、用于 掺杂碳的原料气体、衬底的倾斜角、生长温度、生长压力等进行控制。根据该III族氮化物半导体光器件11a，氮化镓基半导体层(例如，电子阻挡 层)25的带隙大于氮化镓基半导体层(例如，ρ型接触层)27的带隙，并且氮化镓基半导体 层25设置在氮化镓基半导体层27与有源层17之间。氮化镓基半导体层25与氮化镓基半 导体层27形成结31b。由于氮化镓基半导体层25的氧浓度大于有源层17的氧浓度，因此 结面31b变得平坦。
III族氮化物半导体光器件Ila中，在氮化镓基半导体层27上设置有第一电极 (例如阳极)33。由于氮化镓基半导体层25设置在平坦的结面31a上，因此氮化镓基半导 体层25具有良好的结晶品质。因此，提供良好的接触特性。III族氮化物半导体光器件Ila中，主面13a的角度A。ff相对于基准平面Sc可以 为10度以上、80度以下。主面13a的角度々。 相对于基准平面Sc可以为100度以上、170 度以下。根据该III族氮化物半导体光器件11a，半极性的贡献得到适当的发挥。在支撑 衬底13的背面13b上，设置有第二电极(例如阴极)35。另外，III族氮化物半导体光器件 Ila中，主面13a可以为无极性面。根据该III族氮化物半导体光器件11a，无极性的贡献 得到适当的发挥。III族氮化物半导体光器件Ila中，根据该III族氮化物半导体光器件11a，在主 面13a上设置有源层17及氮化镓基半导体层27，因此这些半导体层的压电场比c面上的半 导体层的压电场小。由于氧作为施主起作用，因此虽然优选不添加到P型半导体层中，但是 通过添加适当范围的氧，可以提供良好的接触特性。III族氮化物半导体光器件Ila中，倾斜的角度A。ff相对于基准平面Sc可以为63 度以上、80度以下。另外，角度乂 相对于基准平面Sc可以为100度以上、117度以下。根 据该III族氮化物半导体光器件11a，倾斜角在上述范围内时，压电极化特别小。图2是示意地表示本实施方式的III族氮化物半导体光器件的图。图2所示的 III族氮化物半导体光器件，具有例如可以应用于半导体激光器的结构。III族氮化物半导 体光器件lib具备III族氮化物半导体支撑体13、氮化镓基半导体区域15、发光层37和氮 化镓基半导体区域19。本实施例中，发光层37可以包含有源层17、第一和第二光导层39、 41。有源层17设置在第一光导层39与第二光导层41之间。光导层39、41包含氮化镓基 半导体，该氮化镓基半导体例如可以无掺杂。根据该III族氮化物半导体光器件11b，由于在半极性面或无极性面上设置有源 层17、光导层39、41和氮化镓基半导体层19，因此，如图3的(a)部分和图3的(b)部分所 示，这些半导体层的压电场比c面上的半导体层的压电场小。由于氧作为施主起作用，因此 虽然优选不添加到P型半导体层中，但是小的压电极化不易在半极性面或无极性面上产生 载流子溢出。因此，虽然氧浓度提高，但是可以抑制载流子注入效率的下降。第一和第二光导层39、41分别基于前述的理由而优选具有5X IO16CnT3以上的氧浓 度。第一和第二光导层39、41分别基于前述的理由而优选具有5X IO18CnT3以下的氧浓度。氮化镓基半导体区域19除了氮化镓基半导体层25、27之外，还可以包含另一个 第二导电型氮化镓基半导体层43。氮化镓基半导体层43例如包含ρ型氮化镓基半导体， P型氮化镓基半导体中例如添加有P型掺杂剂镁。P型氮化镓基半导体例如可以包含GaN、 AlGaN, InAlGaN等。氮化镓基半导体层43例如可以是ρ型包覆层。氮化镓基半导体区域15可以包含氮化镓基半导体层45。氮化镓基半导体层45例 如包含η型氮化镓基半导体，η型氮化镓基半导体中例如添加有η型掺杂剂硅。η型氮化镓 基半导体例如可以包含GaN、AlGaN、InAlGaN等。氮化镓基半导体层45例如可以是η型包 覆层。氮化镓基半导体层(例如η型包覆层)45与氮化镓基半导体层(例如ρ型包覆 层)43之间，设置有发光层37。氮化镓基半导体层45及氮化镓基半导体层43的折射率比光导层39、41的折射率小。氮化镓基半导体层45及氮化镓基半导体层43将光约束在发光 层37中。氮化镓基半导体层25的带隙大于氮化镓基半导体层43的带隙。氮化镓基半导体 层25与氮化镓基半导体层43形成结45a。氮化镓基半导体层25的氧浓度大于发光层37 的氧浓度时，结面45a变得平坦，因此，该界面45a处的散射损失减少。另外，发光层37与 氮化镓基半导体区域19形成结45c。另外，氮化镓基半导体区域15与发光层37形成结45b。由于氮化镓基半导体区 域15的氧浓度大于发光层37的氧浓度，因此氧化镓基半导体区域15的表面形态良好，另 外结45b变得平坦。因此，该界面45b处的散射损失减少。III族氮化物半导体光器件lib中，在氮化镓基半导体层27上设置有用于保护的 绝缘膜47。绝缘膜47具有条形开口 47a。绝缘膜47及开口 47a上设置有第一电极(例如 阳极)49a。支撑衬底13的背面13b上设置有第二电极(例如阴极)49b。由于氮化镓基半 导体层27设置在平坦形态的氮化镓基半导体层43上，因此氮化镓基半导体层27具有良好 的结晶品质，提供良好的接触特性。氮化镓基半导体层43与氮化镓基半导体层27形成结 45d。该结面45d是平坦的。III族氮化物半导体光器件lib中，倾斜的角度々。 相对于基准平面Sc在63度以 上、80度以下以及100度以上、117度以下的范围时，不易产生载流子溢出。该III族氮化物半导体光器件lib例如具有增益导引型激光二极管的结构。III 族氮化物半导体光器件lib可以具有一对端面50a、50b。端面50a、50b优选为用于形成谐 振腔的解理面。III族氮化物半导体光器件lib产生的激光L从端面50a、50b的一个射出。接着，对外延衬底及III族氮化物半导体光器件的制作方法进行说明。图4 图 7是表示上述制作方法的主要工序中的产品的图。通过有机金属气相生长法制作发光器件的外延结构。原料使用三甲基镓(TMG)、三 甲基铝(TMA)、三甲基铟(TMI)、氨(NH3)。作为掺杂剂气体，使用硅烷(SiH4)和二环戊二烯 基镁(CP2Mg)。后续的说明中，例如，作为具有半极性主面的III族氮化物半导体衬底，可以 使用六方晶系半极性氮化镓衬底。另外，例如，作为具有无极性主面的III族氮化物半导体 衬底，可以使用六方晶系无极性氮化镓衬底。以下的说明中，作为η型掺杂剂的氧以III族 原料及氮原料的至少一种中所含的杂质的形式提供。后续的说明中，参考六方晶系半极性 氮化镓衬底进行说明。工序SlOl中，如图4的(a)部分所示，准备氮化镓衬底。氮化镓衬底的主面从c 面以10 80度的角度向m面方向或a面方向倾斜。氮化镓衬底的主面的面积例如为25 平方毫米以上，该尺寸相当于例如5毫米见方。氮化镓衬底51的主面51a的尺寸例如优选 为2英寸以上。在反应炉10内设置GaN衬底51后，在工序S102中，如图4的(b)部分所 示，使用生长炉10进行GaN衬底51的热清洗。在1050°C的温度下，在生长炉10内通入含 有NH3和H2的气体GO的同时进行10分钟的热处理。在工序S103中，如图4的(c)部分所示，将包含III族原料和氮原料的原料气体Gl 供给到生长炉10中，在GaN衬底51的主面51a上，外延生长η型氮化镓基半导体区域53。 原料气体Gl例如包含TMG、TMA、NH3、SiH4。作为氮化镓基半导体区域53，例如，在1050°C的 温度下生长掺杂Si的AlGaN包覆层。该AlGaN层的厚度例如为2 μ m。氮化镓基半导体区域53的氧浓度例如在5X IO16CnT3以上、5X1018cm_3以下的范围内。根据该方法，在半极性 面上进行含有氧的氮化镓基半导体的生长时，抑制在生长中出现与半极性面不符合的特定 的小面。因此，表面形态变得平坦。在后续的生长中，通过氧的添加，也可以抑制在生长中 出现特定的小面。另外，氮化镓基半导体区域53的碳浓度为5X IO18CnT3以下时，可以避免 在氮化镓基半导体中产生小面。另外，氮化镓基半导体区域53的氧浓度例如为IXlO17cnT3 以上时，提供更平坦的表面形态及小面抑制。然后，将衬底温度降至840°C后，在工序S104中，如图5的(a)部分所示，将包含 III族原料和氮原料的原料气体G2供给到生长炉10中，外延生长无掺杂的InGaN光导层 55a。原料气体G2例如包含TMG、TMI、NH3。InGaN光导层55a的氧浓度例如在5 X IO16CnT3 以上、5X IO18CnT3以下的范围内。InGaN光导层55a的厚度为lOOnm。另夕卜，InGaN光导层 55a的氧浓度例如优选为IXlO17cnT3以上。接着，生长具有量子阱结构的有源层。该有源层的平均氧浓度为5X IO16cnT3以上， 并且有源层的平均氧浓度为5X IO18CnT3以下。另外，该平均氧浓度可以为IX IO17CnT3以上。 在工序S 105中，如图5的(b)部分所示，将包含III族原料和氮原料的原料气体G3供给 到生长炉10中，在840°C的衬底温度下，在InGaN光导层55a上生长GaN势垒层57。原料 气体G3例如包含TMG、NH30该GaN层57的厚度例如为15nm。之后，将衬底温度降至790°C后，在工序S106中，如图5的(c)部分所示，将包含 III族原料和氮原料的原料气体G4供给到生长炉10中，在GaN势垒层57上外延生长无掺 杂的InGaN阱层59。原料气体G4例如包含TMG、TMI、NH3。InGaN阱层59的氧浓度例如优 选为6 X IO1W以下。阱层59的厚度例如为3nm。之后，将衬底温度升至840°C后，生长厚度15nm的GaN垫垒层57。必要时，反复进 行势垒层57及阱层59的生长。进而，在工序S107中，在840°C的衬底温度下，将包含III 族原料和氮原料的原料气体G5供给到生长炉10中，与光导层55a同样地外延生长无掺杂 的InGaN光导层55b，如图6的(a)部分所示，制作有源层61及发光层63。发光层63的碳 浓度为5X IO18CnT3以下时，可以避免在氮化镓基半导体中产生小面。然后，将III族原料和氮原料供给到前述生长炉中，在发光层63上生长第二导电 型氮化镓基半导体区域。为此，在工序sio8中，将衬底温度升至ioocrc后，将包含πι族原 料和氮原料的原料气体G6导入到生长炉10中，如图6的(b)部分所示，在发光层63上外 延生长电子阻挡层65。原料气体G6例如包含TMG、TMA、NH3、CP2Mg。电子阻挡层65的厚度 例如为20nm。然后，在工序S109中，将包含III族原料和氮原料的原料气体G7导入到生长炉10 中，如图7的(a)部分所示，在电子阻挡层65上外延生长ρ型包覆层67。原料气体G7例如 包含TMG、TMA、NH3> CP2Mgo ρ型包覆层67的厚度例如为400nm。接着，在工序SllO中，将包含III族原料和氮原料的原料气体G8导入到生长炉10 中，如图7的(b)部分所示，在ρ型包覆层67上外延生长ρ型接触层69。原料气体G8例如 包含TMG、NH3、CP2Mgo ρ型接触层69的厚度例如为50nm。氮化镓基半导体层65、67、69的氧浓度为5 X IO16CnT3以上，并且氮化镓基半导体层 65、67、69的氧浓度为5X IO18CnT3以下。另夕卜，氧浓度可以为1 X 1017cm_3以上。氮化镓基半 导体层65、67、69的氧浓度优选大于发光层63的氧浓度。另外，氮化镓基半导体区域70的
17碳浓度为5X IO18CnT3以下时，可以避免在氮化镓基半导体中产生小面。在此，对发光层和η型氮化镓基半导体层的形态和氧掺杂进行说明。由于InGaN 阱层的生长温度低，原子不易迁移，因此具有呈岛状生长的倾向。另一方面，由于η型氮化 镓基半导体GaN、AlGaN的生长温度高，因此容易进行台阶流动生长(st印-flow growth)。 通过掺杂氧而使形态平坦化的效果与上述的岛状、台阶流动生长的生长模式不同。通过氧 的掺杂，半极性面变得稳定。例如在氮化镓的结晶生长中，认为c面是稳定的面，在半极性 面上的氮化镓的结晶生长中，容易生成作为小面的c面。在半极性面上的外延生长中，c面 的生成使形态变差。通过氧的掺杂，可以抑制在半极性面上的外延生长中使形态变差的小 面的生成。将衬底温度降至室温后，将外延衬底EPl从生长炉中取出。外延衬底EPl具备III 族氮化物半导体衬底51、第一导电型氮化镓基半导体区域53、发光层63和第二导电型氮化 镓基半导体区域70。根据该外延衬底EP1，当氮化镓基半导体区域53、70含有5X IO16CnT3 以上的氧时，氮化镓基半导体区域53、70的表面形态变得平坦。因此，氮化镓基半导体区域 53、70的表面上不出现c面，氮化镓基半导体区域53、70的表面也显示半极性。氮化镓基半 导体区域53、70含有IXlO17cnT3以上的氧时，上述的技术的贡献更加优良。氮化镓基半导 体区域53、70含有超过5X IO18CnT3以下的范围的氧时，氮化镓基半导体区域53、70的结晶 品质变差。可以在表面形态良好的氮化镓基半导体区域53上设置发光层63。在外延衬底EPl的P型氮化镓基半导体区域70上形成阳极，从而与P型接触层69 形成电连接，并且根据需要对衬底51的背面51b进行研磨后，在研磨的背面上形成阴极。这 些电极例如可以通过蒸镀来制作。η型氮化镓基半导体区域53的氧浓度大于发光层63及ρ型氮化镓基半导体区域 70的氧浓度时，在发光器件的外延膜层叠中半导体区域53最厚，因此对形态改善的贡献 大。由于氧为η型掺杂剂，因此通过氧的添加不会产生载流子补偿。发光层63的氧浓度低 时，发光层63的发光效率提高。由于氧为η型掺杂剂，因此ρ型氮化镓基半导体区域70的 氧浓度低时，氧添加对载流子补偿的影响小。发光层63的氧浓度大于ρ型氮化镓基半导体区域70的氧浓度时，发光层63的形 态改善有助于P型氮化镓基半导体区域70的结晶品质的改善。P型氮化镓基半导体区域 70的氧浓度低时，载流子浓度大。ρ型氮化镓基半导体区域70的氧浓度小于发光层63的氧浓度时，虽然通过镁 (Mg)的添加容易使平坦性受损，但是，通过氧的添加可以改善该半导体区域70的平坦性。 发光层63的氧浓度低时，发光层63的发光效率变得良好。降低ρ型氮化镓基半导体区域 70的生长温度而提高该半导体区域70的氧浓度时，发光层63中的热应力减少。ρ型氮化镓基半导体区域70的氧浓度大于η型氮化镓基半导体区域53的氧浓度 时，通过氧的添加可以改善该半导体区域70的平坦性。通过增加ρ型氮化镓基半导体区域 70的Al而提高氧浓度时，激光二极管的光约束性提高。降低ρ型氮化镓基半导体区域70 的生长温度而提高该半导体区域70的氧浓度时，发光层63中的热应力减少。(实施例1)制作激光二极管LD1。准备具有在m轴方向上以75度的角度θ 1倾斜的半极性 主面的GaN衬底71。该半极性主面相当于(20-21)面。将GaN衬底71配置到生长炉中
18后，向生长炉中供给氨(NH3)和氢气(H2),并将GaN衬底71保持在1050°C的气氛中。保持 时间为10分钟。该预处理(热清洗)后，将原料气体供给到生长炉中，制作以下的激光器 结构。首先，在1050°C下生长η型AlaMGaa96N包覆层72。将衬底温度降至840°C后，生长 In。. Jaa97N光导层73a。在Ina Jaa97N光导层73a上生长量子阱有源层74。进而，在840°C 的衬底温度下，在该有源层74上生长Inatl3Gaa97N光导层73b。将衬底温度升至1000°C后， 生长Al0.12Ga0.88N电子阻挡层78、p型Ala06Gaa94N包覆层75和ρ型GaN接触层76。该激光 器结构的光致发光波长位于450nm带。该激光器结构中，对表面形态影响最大的是位于GaN 衬底71的直接上面并且膜厚大的包覆层。该实施例中包覆层72的氧浓度为3X1017cm_3。 在接触层76上通过绝缘膜77的开口形成阳极并且在GaN衬底71的背面71b上形成阴极， 从而制作图8所示的半导体激光器LD1。在1150°C的生长温度下生长η型AlaC14Gaa96N包覆层，制作半导体激光器LDO。该 包覆层的氧浓度为9Χ 1016cnT3。图9的(a)部分表示半导体激光器LDl的激光器结构的ρ 型GaN接触层的表面形态。图9的(b)部分表示半导体激光器LDO的激光器结构的ρ型接 触层的表面形态。半导体激光器LDO的激光器结构的ρ型接触层显示良好的表面形态。在 包含氧浓度高的η型AlGaN包覆层的半导体激光器LDl中，认为半极性面变得稳定。由这 些激光器结构的比较可知，半导体激光器LDl的激光器结构显示更平坦的形态。(实施例2)制作激光二极管。准备具有在m轴方向上以75度的角度θ 2倾斜的半极性主面的 GaN衬底81。该半极性主面相当于(20-21)面。将GaN衬底81配置到生长炉中后，向生长 炉中供给氨(NH3)和氢气(H2),并将GaN衬底81保持在1050°C的气氛中。保持时间为10分 钟。该热清洗后，将原料气体供给到生长炉中，制作以下的激光器结构。首先，在1050°C下 生长η型Alatl4Gaa96N包覆层82。将衬底温度降至840°C后，生长厚度IOOnm的Inatl2Gaa98N 光导层83a。在光导层83a上生长量子阱有源层84。进而，在840°C的衬底温度下，在该有 源层84上生长Inatl2Gaa98N光导层83b。将衬底温度升至1000°C后，生长Ala 12Gaa88N电子 阻挡层85、ρ型Alatl6Gaa94N包覆层86和ρ型GaN接触层87。该激光器结构的光致发光波 长位于405nm带。在接触层87上通过绝缘膜(例如Si02)88的条形窗口(宽度ΙΟμπι)形成阳极 89a,并且在GaN衬底81的背面81a上形成阴极89b。之后，以800 μ m的间隔在a面上进行 解理，制作图10所示的增益导引型半导体激光器LD2。在该实施例中，η型包覆层的氧浓度为3X1017cm_3。量子阱有源层84的氧浓度 为2X1017cnT3。ρ型电子阻挡层85的氧浓度为lX1018cnT3。ρ型包覆层86的氧浓度为 7X IO1W30在该结构中，ρ层的氧浓度高于发光层的氧浓度。为了进行比较，在相同成膜条件下在c面GaN衬底上也制作了 LD结构。在相同 成膜条件下c面上的生长中，GaN基半导体中氧的混入量不同，氧浓度在整个外延层中均为 IXlO17Cm-3以下。另外，在m面上进行解理，制作具有谐振腔反射镜的增益导引型半导体激 光器LDC2 ο对这些半导体激光器LD2、LDC2施加2mA的电流，在绝对温度300度(300K)和绝 对温度10度(IOK)下测定电致发光(EL)。图11的(a)部分表示在绝对温度300度下测定 的EL光谱，图11的(b)部分表示在绝对温度10度下测定的EL光谱。EL光谱ELS (300)及ELS(IO)是对实施例的半导体激光器LD2测定的，EL光谱ELC (300)及ELC (10)是对比较例 的半导体激光器LDC2测定的。将温度300K及IOK下的EL光谱进行比较。在温度300K下， 半导体激光器LD2、LDC2的EL光谱ELS (300)和ELC (300)均在405nm附近具有来源于MQW 的峰。另一方面，在测定温度IOK下，实施例的半导体激光器LD2的EL光谱显示单一峰，而 比较例的半导体激光器LDC2除MQW峰以外还具有ρ型半导体层中的施主_受主对(DAP) 发光。这说明在比较例中，在空穴耗尽的低温下电子溢出到P型半导体层中。本实施例的半导体激光器LD2中，虽然ρ型半导体层中以高于发光层的浓度掺杂 有作为施主起作用的氧，但是仍显示良好的载流子注入效率。P型半导体层的平坦性容易 因Mg的添加而受损。但是，通过在适当的范围内添加氧，可以同时获得表面平坦性和载流 子注入效率。改善P型半导体层的平坦性、提高电子阻挡层/包覆层界面的陡峭性，使在半 导体激光器的谐振腔中传输的光的散射损失减小。(实施例3)制作发光二极管。准备具有在a轴方向上以18度的角度θ 3倾斜的半极性主面的 GaN衬底91。将GaN衬底91配置到生长炉中后，向生长炉中供给氨(NH3)和氢气(H2)，并将 GaN衬底91保持在1050°C的气氛中。保持时间为10分钟。该热清洗后，将原料气体供给 到生长炉中，制作以下的发光二极管结构。首先，在1050°C下生长厚度2μπι的η型GaN层 92。将衬底温度降至840°C后，生长Inao4Gaa96N缓冲层93。在厚度IOOnm的缓冲层93上 生长量子阱有源层94。具体而言，在840°C的衬底温度下生长厚度15nm的GaN势垒层94a， 并且在700°C的衬底温度下生长厚度3nm的InAlGaN阱层94b，从而形成有源层94。将衬 底温度升至1000°C后，在该有源层94上生长厚度20nm的ρ型Alai8Gaa82N电子阻挡层95 及厚度50nm的ρ型GaN接触层96。在接触层96上形成阳极(Ni/Au)97和平头电极(pad electrode) 99a,并且在衬底91的背面91b上形成阴极(Ti/Al)，制作图12所示的发光二极 管LED1。制作具有铟含量不同的InAlGaN阱层的发光二极管结构。考查阱层的氧浓度与光 输出的关系。LED结构In含量 Al含量氧浓度(cm_3) 光输出LEDl 0.18 02 XIO171LED2 0.19 0.03 4 XIO170.85LED3 0. 20 0. 06 IXlO180. 54为了得到405nm附近的发光波长，改变阱层的In含量。随着阱层中的氧浓度的增 加，发光输出下降。考虑这是氧的添加使阱层的结晶品质下降。阱层的Al容易吸附氧并且 在低温(In混入到阱层中的温度)下吸附的氧不易脱离，利用这一点来控制阱层的氧浓度。(实施例4)准备具有m面主面的GaN衬底。在该GaN衬底上制作激光二极管LD3。图13是表 示实施例4中的激光二极管的结构的图。将GaN衬底101配置到生长炉中后，向生长炉中 供给氨(NH3)和氢气(H2),在1050°C的气氛下进行热清洗后，与实施例1同样地在GaN衬底 101的无极性主面IOla上制作以下的激光器结构。Al0.04Ga0.96N 包覆层 102 :n 型、2 μ mInaci3Gaci 97N 光导层 103a 无掺杂、IOOnm有源层104 Inai8Gaa82N阱层(厚度3nm)/GaN势垒层(厚度15nm)
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Inatl3Gaa97N 光导层 103b 无掺杂、IOOnmAlai2Gaa88N 电子阻挡层 105 :p 型、20nmAl0.06Ga0.94N 包覆层 106 :p 型、400nmGaN 接触层 107 :p 型、50nm。在具有条形窗口(宽度10 μ m)的绝缘膜(例如SiO2) 108和接触层107上形成阳 极109a，并且在GaN衬底101的背面IOlb上形成阴极109b。之后，通过解理制作增益导引 型半导体激光器LD3。测定的结果是，该激光器结构的η型Alatl4Gaa96N包覆层102的氧浓度为 IXlO1W30该值大于用于比较的LD结构中的氧浓度2X1016cm_3。图14是表示实施例4 的P型接触层107和比较例的ρ型接触层的表面形态的图。将图14的(a)部分所示的ρ 型接触层表面与图14的(b)部分所示的ρ型接触层表面进行比较，实施例4的外延膜的表 面显示比较平坦的形态。另一方面，在比较例的外延膜的表面观察到沿与c轴正交的方向 延伸的许多小面。根据实施例4，认为即使对于无极性面，氧也具有稳定化效果。(实施例5)制作激光二极管LD4。图15是表示实施例5的激光二极管结构的图。准备具有在 m轴方向上以68度的角度θ 4倾斜的半极性主面的GaN衬底111。将GaN衬底111配置到 生长炉中后，向生长炉中供给氨(NH3)和氢气(H2),并将GaN衬底111保持在1050°C的气氛 中。该预处理后，将原料气体供给到生长炉中，制作以下的激光器结构。首先，在1050°C下 生长η型AlaQ4GaQ.96N包覆层112。将衬底温度降至840°C后，生长Inatl3Gaa97N光导层113a。 在Inatl3Gaa97N光导层113a上生长有源层114。进而，在840°C的衬底温度下，在该有源层 114上生长Inatl3Gaa97N光导层113b。将衬底温度升至1000°C后，生长Alai2Gaa88N电子阻 挡层115、p型Ala ^5Gaa94N包覆层116和ρ型GaN接触层117。该激光器结构的光致发光波 长位于450nm带。为了调节氮原料氨的水分浓度，在氮原料的供给源与生长炉之间设置精制装置。 使用该精制装置精制后，将氨作为氮原料供给到生长炉中。使用精制装置，可以将水分含 量500ppb%以下的氨作为氮原料供给到生长炉中。另外，使用精制装置，可以将水分含 量50ppb%以下的氨作为氮原料供给到生长炉中。另外，使用精制装置，可以将水分含量 Ippb %以下的氨作为氮原料供给到生长炉中。在该实施例中，将水分浓度50ppb%的氨作为 氮原料供给到生长炉中。根据测定，ρ型Alatl6Gaa94N包覆层的氧浓度为2X1017cm_3。为了进行比较，使用水 分浓度lppm%的氨作为氮原料。根据测定，该ρ型AlGaN层的氧浓度为8X1018cm_3。在实施例的LD结构中的ρ型GaN接触层117的表面上形成SiO2膜后，通过湿蚀刻 形成宽度10 μ m的条形窗口，设置保护膜118。通过蒸镀形成由Ni/Au构成的ρ电极119和 由Ti/Au构成的衰减电极。通过蒸镀在衬底背面Illb上形成由Ti/Au构成的η电极119b 和由Ti/Au构成的衰减电极。在比较例的LD结构中，也与本实施例同样地形成SiO2膜和 电极。之后，以800 μ m的间隔在a面上进行解理，制作增益导引型激光器。图16是表示实施例4和比较例的激光二极管的I-V特性的图。特性线IV1、IVC 分别表示实施例5及比较例的I-V特性。比较例的激光二极管的驱动电压显著高于实施例 5的激光二极管的驱动电压。这可能是因为在比较例的激光二极管中，由于氨的纯度低而使
21P型接触层的氧浓度变高，从而损害P型导电性。如上所述，根据本实施方式，可以提供包含具有良好表面形态的氮化镓基半导体 膜的III族氮化物半导体光器件。另外，根据本实施方式，可以提供该III族氮化物半导体 光器件的制作方法。另外，根据本实施方式，可以提供包含具有良好表面形态的氮化镓基半 导体膜的外延衬底。以上的说明中，参考半导体光器件对本实施方式进行了说明，但是，本发明也可以 应用于作为半导体器件的一例的III族氮化物半导体电子器件。因此，可以提供包含具有 良好表面形态的氮化镓基半导体膜的III族氮化物半导体电子器件。另外，根据本实施方 式，可以提供该III族氮化物半导体电子器件的制作方法。另外，根据本实施方式，可以提 供包含具有良好表面形态的氮化镓基半导体膜的外延衬底。在优选的实施方式中图示说明了本发明的原理，但是，本领域技术人员可以理解， 在不脱离本发明的原理的情况下本发明的配置和细节可以进行变更。本实施方式中，并非 将本发明限于本实施方式所公开的特定构成。另外，本实施方式中，虽然对使用有机金属气 相生长法的氮化物半导体的生长进行了例示性的说明，但是，本发明也可以应用于使用有 氧混入的分子束外延法的氮化物半导体生长。因此，请求保护权利要求书请求的范围以及 来自其精神范围的全部修正和变更。
2权利要求
一种III族氮化物半导体器件，其特征在于，具备III族氮化物半导体支撑体，包含III族氮化物半导体，并且具有相对于与沿该III族氮化物半导体的c轴方向延伸的基准轴正交的基准平面形成有限角度的主面；和氮化镓基半导体区域，设置在所述III族氮化物半导体支撑体的所述主面上，并且具有5×1016cm 3以上、5×1018cm 3以下的氧浓度，并且所述主面显示半极性或无极性中的任意一种特性，所述氮化镓基半导体区域包含第一导电型氮化镓基半导体层。
2.如权利要求1所述的III族氮化物半导体器件，其特征在于，还具备 设置在所述氮化镓基半导体区域上的有源层；和设置在所述有源层上的第二导电型氮化镓基半导体层，并且所述有源层设置在所述第一导电型氮化镓基半导体层与所述第二导电型氮化镓基半 导体层之间。
3.如权利要求2所述的III族氮化物半导体器件，其特征在于，所述有源层的氧浓度为 5X IO16Cm-3以上，且所述有源层的氧浓度为5X1018cm_3以下。
4.如权利要求2或3所述的III族氮化物半导体器件，其特征在于，所述第二导电型氮 化镓基半导体层的氧浓度为5X1016cnT3以上，且所述第二导电型氮化镓基半导体层的氧浓 度为5 X IO18CnT3以下。
5.如权利要求2至4中任一项所述的III族氮化物半导体器件，其特征在于， 所述第一导电型氮化镓基半导体层的碳浓度为5X IO18CnT3以下，所述第二导电型氮化镓基半导体层的碳浓度为5X IO18CnT3以下， 所述有源层的碳浓度为5X IO18CnT3以下。
6.如权利要求2至5中任一项所述的III族氮化物半导体器件，其特征在于， 所述第二导电型氮化镓基半导体层的氧浓度为5X IO16CnT3以上，所述有源层的氧浓度为5X IO16CnT3以上。
7.如权利要求2至6中任一项所述的III族氮化物半导体器件，其特征在于， 所述有源层包含交替排列的阱层和势垒层，所述阱层的氧浓度为6X IO17CnT3以下。
8.如权利要求2至7中任一项所述的III族氮化物半导体器件，其特征在于，还具备 另一个第二导电型氮化镓基半导体层，并且所述第二导电型氮化镓基半导体层的带隙大于所述另一个第二导电型氮化镓基半导 体层的带隙，所述第二导电型氮化镓基半导体层的氧浓度大于所述有源层的氧浓度， 所述第二导电型氮化镓基半导体层设置在所述另一个第二导电型氮化镓基半导体层 与所述有源层之间，所述第二导电型氮化镓基半导体层与所述另一个第二导电型氮化镓基半导体层形成结。
9.如权利要求2至8中任一项所述的III族氮化物半导体器件，其特征在于，还具备 设置在所述有源层与所述第二导电型氮化镓基半导体层之间的包含氮化镓基半导体的光导层，并且所述有源层沿相对于所述基准平面倾斜的平面延伸， 所述第二导电型氮化镓基半导体层为电子阻挡层。
10.如权利要求2至9中任一项所述的III族氮化物半导体器件，其特征在于，所述主 面的法线与所述基准轴所成的角度为10度以上、170度以下。
11.如权利要求2至10中任一项所述的III族氮化物半导体器件，其特征在于，所述主 面的法线与所述基准轴所成的角度在10度以上、80度以下的范围内及100度以上、170度 以下的范围内。
12.如权利要求2至11中任一项所述的III族氮化物半导体器件，其特征在于，所述主 面的法线与所述基准轴所成的角度在63度以上、80度以下的范围内及100度以上、117度 以下的范围内。
13.—种外延晶片，用于III族氮化物半导体器件，其特征在于，具备III族氮化物半导体衬底，包含III族氮化物半导体，并且具有相对于与沿该III族氮 化物半导体的c轴方向延伸的基准轴正交的基准平面形成有限角度的主面；第一导电型氮化镓基半导体层，设置在所述III族氮化物半导体衬底的所述主面上， 并且具有5 X IO16CnT3以上、5 X IO18CnT3以下的氧浓度；发光层，设置在所述第一导电型氮化镓基半导体层上；和 第二导电型氮化镓基半导体层，设置在所述发光层上，并且 所述主面显示半极性和无极性中的任意一种特性。
14.如权利要求13所述的外延晶片，其特征在于，还具备 另一个第二导电型氮化镓基半导体层，并且所述第二导电型氮化镓基半导体层的带隙大于所述另一个第二导电型氮化镓基半导 体层的带隙，所述第二导电型氮化镓基半导体层的氧浓度大于所述发光层的氧浓度， 所述第二导电型氮化镓基半导体层设置在所述另一个第二导电型氮化镓基半导体层 与所述发光层之间，所述第二导电型氮化镓基半导体层与所述另一个第二导电型氮化镓基半导体层形成结。
15.如权利要求13或14所述的外延晶片，其特征在于，所述第二导电型氮化镓基半导体层的氧浓度为5X1016cm_3以上，且所述第二导电型氮 化镓基半导体层的氧浓度为5X IO18cnT3以下，所述第二导电型氮化镓基半导体层为电子阻挡层， 所述发光层包含具有交替排列的阱层和势垒层的有源层，所述发光层还具备包含氮化镓基半导体的光导层，该光导层设置在所述有源层与所述 第二导电型氮化镓基半导体层之间，所述发光层的所述光导层沿相对于所述基准平面倾斜的平面延伸。
16.如权利要求13至15中任一项所述的外延晶片，其特征在于，所述主面的法线与所 述基准轴所成的角度为10度以上、170度以下。
17.如权利要求13至16中任一项所述的外延晶片，其特征在于，所述主面的法线与所 述基准轴所成的角度在10度以上、80度以下的范围内及100度以上、170度以下的范围内。
18.如权利要求13至17中任一项所述的外延晶片，其特征在于，所述主面的法线与所 述基准轴所成的角度在63度以上、80度以下的范围内及100度以上、117度以下的范围内。
19.一种方法，用于制作III族氮化物半导体器件，其特征在于，包括准备包含III族氮化物半导体并且具有主面的III族氮化物半导体衬底的工序； 将III族原料和氮原料供给到生长炉中，在所述III族氮化物半导体衬底的所述主面 上生长具有5X IO16CnT3以上、5X IO18CnT3以下的氧浓度的第一导电型氮化镓基半导体层的 工序；将III族原料和氮原料供给到所述生长炉中，在所述第一导电型氮化镓基半导体层上 生长发光层的工序；和将III族原料和氮原料供给到所述生长炉中，在所述发光层上生长第二导电型氮化镓 基半导体层的工序，并且所述主面显示半极性和无极性中的任意一种特性，所述第一导电型氮化镓基半导体层的氧以所述III族原料和所述氮原料中的至少任 意一种中所含的杂质的形式提供，所述III族氮化物半导体衬底的所述主面相对于与沿该III族氮化物半导体的C轴方 向延伸的基准轴正交的基准平面形成有限的角度。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于， 所述氮原料包含氨，所述氮原料包含水作为杂质，所述发光层的平均氧浓度为5X1016cm_3以上，且所述发光层的氧浓度为5X1018cm_3以下，所述第二导电型氮化镓基半导体层的氧浓度为5X1016cm_3以上，且所述第二导电型氮 化镓基半导体层的氧浓度为5X IO18cnT3以下，所述第二导电型氮化镓基半导体层的氧浓度大于所述发光层的氧浓度。
21.如权利要求19或20所述的方法，其特征在于，所述第二导电型氮化镓基半导体层 的生长温度低于所述第一导电型氮化镓基半导体层的生长温度。
22.如权利要求19至21中任一项所述的方法，其特征在于，所述发光层包含InGaN层。
23.如权利要求19至22中任一项所述的方法，其特征在于，所述主面的法线与所述基 准轴所成的角度为10度以上、170度以下。
24.如权利要求19至23中任一项所述的方法，其特征在于，所述主面的法线与所述基 准轴所成的角度在63度以上、80度以下的范围内及100度以上、117度以下的范围内。
25.如权利要求19至24中任一项所述的方法，其特征在于，使用设置在所述氮原料的原料源和所述生长炉之间的精制装置调节所述氮原料的水 分浓度后，将所述氮原料供给到所述生长炉中， 所述氮原料包含氨。
26.如权利要求19至25中任一项所述的方法，其特征在于，使用水分含量500ppb%& 下的氨作为所述氮原料。
27.如权利要求19至26中任一项所述的方法，其特征在于，使用水分含量 下的氨作为所述氮原料。
28.如权利要求19至27中任一项所述的方法，其特征在于，使用水分含量Ippb%以下 的氨作为所述氮原料。
29.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述氮原料的所述水分浓度为下。
全文摘要
本发明提供包含具有良好表面形态的氮化镓基半导体膜的III族氮化物半导体器件。III族氮化物半导体光器件(11a)具备III族氮化物半导体支撑体(13)、GaN基半导体区域(15)、有源层(17)和GaN基半导体区域(19)。III族氮化物半导体支撑体(13)的主面(13a)显示相对于与基准轴(Cx)正交的基准平面(Sc)倾斜的非极性，基准轴(Cx)沿III族氮化物半导体的c轴方向延伸。GaN基半导体区域(15)设置在半极性主面(13a)上。GaN基半导体区域(15)的GaN基半导体层(21)例如包含n型GaN基半导体，在n型GaN基半导体中添加有硅。GaN基半导体层(23)的氧浓度为5×1016cm-3以上时，在GaN基半导体层(23)的主面上后续生长的有源层(17)的结晶品质变得良好。
文档编号C30B29/38GK101919076SQ20098010086
公开日2010年12月15日 申请日期2009年4月24日 优先权日2009年3月11日
发明者上野昌纪, 中村孝夫, 京野孝史, 住友隆道, 善积祐介, 盐谷阳平, 秋田胜史 申请人:住友电气工业株式会社