[发明专利]氮化物半导体元件的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及氮化镓类化合物半导体的制造方法以及通过该制造方法制造的半导体发光元件。

背景技术

作为V族元素而具有氮素(N)的氮化物半导体根据其带隙(band gap)的大小，有望被视作短波长发光元件的材料。其中，尤其广泛地进行氮化镓类化合物半导体(GaN类半导体)的研究，以蓝色发光二极管(LED)、绿色LED以及以GaN类半导体为材料的半导体激光器也变得实用化。

氮化镓类半导体具有纤锌矿型结晶结构。图1示意性地表示GaN的单位晶格。在Al_aGa_bIn_CN(0≤a，b，c≤1，a+b+c＝1)半导体的结晶中，图1所示的Ga的一部分可替换为Al和/或In。

图2表示为了用4指数表述(六方晶系指数)来表示纤锌矿型结晶结构的面而一般使用的4个基本矢量a1、a2、a3、c。基本矢量c沿着[0001]方向延伸，该方向被称为“c轴”。垂直于c轴的面(plane)被称为“c面”或者“(0001)面”。另外，有时“c轴”和“c面”分别被书写为“C轴”和“C面”。

如图3所示，在纤锌矿型结晶结构中，除了c面以外，也存在代表性的结晶面方位。图3(a)表示(0001)面，图3(b)表示(10-10)面，图3(c)表示(11-20)面，图3(d)表示(10-12)面。这里，对表示密勒指数的括号内的数字的左边附加的“-”意味着“横杠(bar)”。(0001)面、(10-10)面、(11-20)面以及(10-12)面分别是c面、m面、a面以及r面。m面和a面是平行于c轴的“非极性面”，r面是“半极性面”。另外，m面是(10-10)面、(-1010)面、(1-100)面、(-1100)面、(01-10)面、(0-110)面的总称。

长年来，通过“c面生长(c-plane growth)”制造了利用氮化镓类化合物半导体的发光元件。在本说明书中，设“X面生长”意味着向垂直于六方晶格纤锌矿结构的X面(X＝c、m、a、r等)的方向产生外延生长的情况。在X面生长中，有时将X面称为“生长面”。此外，也有时将通过X面生长形成的半导体的层称为“X面半导体层”。

若使用通过c面生长形成的半导体叠层叠结构来制造发光元件，则在c面上，沿着-c方向产生因Ga原子和N原子的位置偏向c轴方向而产生的自发分极(Spontaneously Polarization)。相对于此，在发光层中使用的InGaN量子阱层中因偏离而在+c方向上产生压电分极，并产生载流子的量子限制斯塔克效应，所以被称为“极性面”。通过这个效应，发光部内的载流子的复合发光概率下降且内部量子效率降低，所以在半导体激光器中引起阈值电流的增大，若是LED，则引起功耗的增大或发光效率的降低。此外，与注入载流子密度的上升一同产生压电电场的屏蔽(screening)，还产生发光波长的变化。

因此，近年来，广泛地研究在m面或a面等非极性面或者r面等半极性面上使氮化镓类化合物半导体生长的技术。若能够将非极性面选作生长面，则由于在发光部的层厚方向(结晶生长方向)上不会产生分极，所以也不会产生量子约束斯塔克效应，能够制造潜在的高效率的发光元件。即使在将半极性面选作生长面的情况下，也能够大幅减轻量子约束斯塔克效应的贡献。

在专利文献1中，公开了基于包括In的原料气体的摩尔比(In供给摩尔比)以及关于结晶生长的温度(生长温度)和发光波长的特性图，获得In_xGa_1-xN(0＜x＜1)层中的最佳的生长条件的方法。在专利文献1的附图中，表示了横轴为相对于III族原料气体的In原料气体的摩尔比、纵轴为发光波长的曲线图。在该曲线图中，表示了将生长温度也考虑在内的特性曲线。

(先行专利文献)

专利文献1：(日本)特开平11-8407号公报

专利文献2：(日本)特表2007-537600号公报

发明内容

(发明要解决的课题)

专利文献1公开了In_xGa_1-xN(0＜x＜1)层的c面生长中的最佳条件决定方法。但是，不能将专利文献1公开的方法直接应用于非极性m面、a面或半极性r面的结晶生长中。即，不知道可应用于非极性m面、a面或半极性r面的生长条件最佳方法。