專利名稱：氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體及其制造方法、氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及含有Al作為構(gòu)成元素的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體及其制造方法、氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件。
背景技術(shù)：
在可見光 紫外線的波長區(qū)域發(fā)光的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件因低耗電、小型這樣的優(yōu)點(diǎn)而被期待向衛(wèi)生、醫(yī)療、エ業(yè)、照明、精密機(jī)械等的各種各樣的領(lǐng)域的應(yīng)用，并在藍(lán)色光的波長區(qū)域等一部分波長區(qū)域已實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。但是，就氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件而言，并不只是發(fā)藍(lán)色光的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元 件(以下稱為藍(lán)色發(fā)光二極管)，而是都在期待發(fā)光效率和光輸出功率的進(jìn)ー步提高。尤其是發(fā)紫外線波長區(qū)域的光的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件(以下稱為紫外發(fā)光二級管)，目前其外部量子效率和光輸出功率與藍(lán)色發(fā)光二級管相比顯著較差的問題已成實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的大障礙。作為外部量子效率和光輸出功率顯著較差的原因之一，可舉出發(fā)光層的發(fā)光效率(以下稱為內(nèi)部量子效率)低。在此需要說明的是由氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶構(gòu)成的發(fā)光層的內(nèi)部量子效率將受到貫穿式差排(Threading dislocations)的影響。在此,在貫穿式差排的位錯密度高時非福射復(fù)合成為主導(dǎo)，從而成為使內(nèi)部量子效率大幅降低的原因。將由對氮化物半導(dǎo)體的晶格不匹配較大的藍(lán)寶石等材料形成的基板作為外延生長用的單晶基板使用時，在生長界面上特別容易發(fā)生上述貫穿式差排。因而，為了得到貫穿式差排密度少的氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶，抑制生長初期的各構(gòu)成元素的行為成為非常重要的要素。尤其是與不含Al的氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶(尤其為GaN)相比，在含有Al的氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶(尤其為AlN)中尚未確立生長技術(shù)，存在相對高密度的貫穿式差排。因而，在制造氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶的構(gòu)成元素中必須含有Al的紫外線發(fā)光二級管時，與由以GaN為主體的氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶構(gòu)成的藍(lán)色發(fā)光二級管相比，在氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶內(nèi)存在更多的貫穿式差排，因此，發(fā)光效率低。因此，為了使具備波長為230nm 350nm的深紫外區(qū)域中室溫下發(fā)光的發(fā)光層的紫外發(fā)光二級管的發(fā)光效率提高，以實(shí)現(xiàn)形成于由藍(lán)寶石基板形成的單晶基板的ー個表面?zhèn)鹊木彌_層的高品質(zhì)化為目的，提出了將采用減壓MOVPE法形成的上述緩沖層形成為氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體，其中，所述氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體具有形成于單晶基板的所述ー個表面上的由AlN形成的多個島狀的核(以下稱為AlN核)；由通過連續(xù)地供給作為III族原料的TMAl的同時間歇性地(脈沖性地)供給作為V族原料的NH3而在單晶基板的上述ー個表面?zhèn)纫蕴盥馎lN核的間隙且覆蓋AlN核的方式形成的AlN層(脈沖供給AlN層)所形成的第I氮化物半導(dǎo)體層；以及，由通過同時連續(xù)地供給TMAl和NH3兩者而形成于第I氮化物半導(dǎo)體層上的AlN層(連續(xù)生長AlN層)所形成的第2氮化物半導(dǎo)體層(專利文獻(xiàn)I)。
專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I :日本特開2009-54780號公報

發(fā)明內(nèi)容
但是，在具備上述專利文獻(xiàn)I所述的以氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體作為緩沖層的紫外發(fā)光二級管中，雖然通過降低貫穿式差排密度而能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)光效率的提高，但上述專利文獻(xiàn)I未具體公開用于得到高品質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體的、單晶基板的上述ー個表面上的AlN核的密度(核密度)。與此相對，本申請發(fā)明人進(jìn)行了深入的研究，結(jié)果得到如下見解存在因單晶基板的上述ー個表面上的AlN核的密度而導(dǎo)致氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體和發(fā)光層的貫穿式差排密度的増加，從而難以獲得提高發(fā)光效率的效果的情況。本發(fā)明是鑒于上述理由而完成的，其目的在于提供ー種由含有Al作為構(gòu)成元素的氮化物半導(dǎo)體所形成的高品質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體及其制造方法，以及，以由含有Al作為構(gòu)成元素的氮化物半導(dǎo)體形成的高品質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體作為緩沖層 的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件。技術(shù)方案I的發(fā)明的特征在于，具備形成于單晶基板的ー個表面上且由含有Al作為構(gòu)成元素的氮化物半導(dǎo)體所形成的多個島狀的核；以填埋相鄰的前述核間的間隙并且覆蓋全部前述核的方式形成于前述單晶基板的前述ー個表面?zhèn)鹊?、含有Al作為構(gòu)成元素的第I氮化物半導(dǎo)體層；和形成于第I氮化物半導(dǎo)體層上且含有Al作為構(gòu)成元素的第2氮化物半導(dǎo)體層；其中，前述核的密度不超過6X IO9個cm—2。根據(jù)該發(fā)明，能夠得到由含有Al作為構(gòu)成元素的氮化物半導(dǎo)體形成的高品質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體。在此，伴隨著核生長的進(jìn)行，形成于單晶基板的前述ー個表面上的多個島狀的核的尺寸變大，進(jìn)而在與相鄰的核結(jié)合時，在結(jié)合界面容易產(chǎn)生貫穿式差排，但是通過將核的密度設(shè)在不超過6X IO9個cm—2的范圍，能夠減少結(jié)合界面，結(jié)果能夠減少相鄰的核相互結(jié)合時所產(chǎn)生的貫穿式差排，能夠得到貫穿式差排少的高品質(zhì)氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體。技術(shù)方案2的發(fā)明的特征在于，前述核的密度為lX106fcm_2以上。通過使核的密度處于I X IO6個Cm—2以上，能夠以小的膜厚形成前述第I氮化物半導(dǎo)體層以用于填埋核間的間隙并覆蓋全部的核。因而，通過使核的密度處于I X IO6個cm_2以上，能夠防止因膜厚變得過大而導(dǎo)致的裂縫的發(fā)生，并且，易于得到將核填埋且平坦的膜。技術(shù)方案3的發(fā)明的特征在于，前述核的密度為lX108fcm_2以上。在核的密度在該范圍內(nèi)時，相鄰的核的距離成為I Pm左右，因此，成為具有低位錯密度的同時，還易于得到平坦的膜。因而，能夠形成因位錯引起的非輻射復(fù)合中心少且具有良好的界面的高品質(zhì)發(fā)光層。技術(shù)方案4的發(fā)明根據(jù)技術(shù)方案I 3中任ー項(xiàng)所述的發(fā)明，其特征在于，前述核具有從前述單晶基板的前述ー個表面傾斜的面。根據(jù)該發(fā)明，前述核具有從前述單晶基板的前述ー個表面傾斜的面，因此，在形成前述第I氮化物半導(dǎo)體層時，向前述單晶基板的前述ー個表面的法線方向的生長受到抑制，變得易于向沿著前述ー個表面的橫方向進(jìn)行生長。貫穿式差排容易沿著生長方向出現(xiàn)，因此，與前述第I氮化物半導(dǎo)體層的生長方向相同地，其難以向前述單晶基板的前述ー個表面的法線方向延伸，而是向平行于前述ー個表面的方向彎曲，因此，與近旁的貫穿式差排形成位錯環(huán)，容易消失。結(jié)果能夠降低前述第2氮化物半導(dǎo)體層的表面的貫穿式差排的密度。技術(shù)方案5的發(fā)明根據(jù)技術(shù)方案I 4中任ー項(xiàng)所述的發(fā)明，其特征在于，構(gòu)成前述核的前述氮化物半導(dǎo)體為A1N。技術(shù)方案6的發(fā)明根據(jù)技術(shù)方案5所述的發(fā)明，其特征在于，前述第I氮化物半導(dǎo)體層和前述第2氮化物半導(dǎo)體層由AIN形成。根據(jù)該發(fā)明，形成前述核的前述氮化物半導(dǎo)體的構(gòu)成元素的數(shù)量少，因此，形成前述核時容易進(jìn)行控制。另外，AlN為帶隙能量大到6. 2eV的材料，因此，在前述第2氮化物半導(dǎo)體層的表面?zhèn)刃纬砂l(fā)紫外光的發(fā)光層而制造氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件(紫外發(fā)光二級管)時，能夠防止由發(fā)光層放射的紫外光被前述核所吸收，從而實(shí)現(xiàn)氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的外部量子效率的提高。 技術(shù)方案7的發(fā)明根據(jù)技術(shù)方案I 6中任ー項(xiàng)所述的發(fā)明，其特征在于，前述單晶基板為藍(lán)寶石基板，前述ー個表面相對于c面的偏角為0° 0.2°。根據(jù)該發(fā)明，通過使偏角處于該范圍，能夠使核的密度不超過6 X IO9個cm_2，能夠提供高品質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體。為了形成核而供給的原子在基板表面擴(kuò)散，在穩(wěn)定的場所成為結(jié)晶。在原子的擴(kuò)散距離足夠長時，特別容易以階地形成前述核。因而，前述單晶基板的偏角越小，階地寬變得越長，因此，易于降低核的密度。技術(shù)方案8所述的發(fā)明的特征在于，是氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體的制造方法，具有如下步驟步驟a，在將單晶基板配置于反應(yīng)爐內(nèi)的狀態(tài)下，采用減壓MOVPE法，在規(guī)定的基板溫度和規(guī)定的生長壓カ下，在將相對于Al的原料氣體的物質(zhì)量(amount ofsubstance)的N的原料氣體的物質(zhì)量之比設(shè)定為第I物質(zhì)量比的狀態(tài)下，向前述反應(yīng)爐內(nèi)供給Al的原料氣體和N的原料氣體，從而在前述單晶基板的ー個表面上形成由含有Al作為構(gòu)成元素的氮化物半導(dǎo)體形成的多個島狀的核；步驟b，在規(guī)定的基板溫度和規(guī)定的生長壓カ下，在將相對于Al的原料氣體的物質(zhì)量的N的原料氣體的物質(zhì)量之比設(shè)定為第2物質(zhì)量比的狀態(tài)下，向前述反應(yīng)爐內(nèi)供給Al的原料氣體與N的原料氣體，從而以填埋相鄰的前述核間的間隙且覆蓋全部的前述核的方式形成第I氮化物半導(dǎo)體層；步驟c，在規(guī)定的基板溫度和規(guī)定的生長壓カ下，在將相對于Al的原料氣體的物質(zhì)量的N的原料氣體的物質(zhì)量之比設(shè)定為第3物質(zhì)量比的狀態(tài)下，向前述反應(yīng)爐內(nèi)供給Al的原料氣體和N的原料氣體，從而在前述第I氮化物半導(dǎo)體層上形成第2氮化物半導(dǎo)體層；其中，前述第I氮化物半導(dǎo)體層與前述第2氮化物半導(dǎo)體層分別含有Al作為構(gòu)成元素，在前述各步驟a c中為相同的基板溫度，并且，相同地設(shè)定用于形成前述核、前述第I氮化物半導(dǎo)體層和前述第2氮化物半導(dǎo)體層的生長壓力。根據(jù)該發(fā)明，無需在每個布驟中改變基板溫度、生長壓カ就能夠形成核、半導(dǎo)體層，因此，能夠縮短制造時間，并且能夠防止相伴基板溫度、生長壓カ的變化的前述核和前述第I氮化物半導(dǎo)體層的劣化。技術(shù)方案9所述的發(fā)明根據(jù)技術(shù)方案8所述的制造方法，其特征在于，將前述步驟a中的前述第I物質(zhì)量比設(shè)定為10 1000。技術(shù)方案10所述的發(fā)明根據(jù)技術(shù)方案8或技術(shù)方案9所述的制造方法，其特征在于，將前述步驟b中的前述第2物質(zhì)量比設(shè)定為40 60。根據(jù)該發(fā)明，能夠防止因過剩地供給原料氣體的一方而導(dǎo)致的白濁。
技術(shù)方案11所述的發(fā)明根據(jù)技術(shù)方案8 10中任一項(xiàng)所述的制造方法，其特征在于，將前述步驟c中的前述第3物質(zhì)量比設(shè)定為I 100。根據(jù)該發(fā)明，能夠不使表面狀態(tài)惡化就形成第2氮化物半導(dǎo)體層。技術(shù)方案12所述的發(fā)明根據(jù)技術(shù)方案8 11中任一項(xiàng)所述的制造方法，其特征在于，前述步驟a中的Al的原料氣體的供給量在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為0. OlL/分鐘 0. IL/分鐘，前述步驟a中的N的原料氣體的供給量在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為0. OlL/分鐘 0. IL/分鐘。技術(shù)方案13所述的發(fā)明根據(jù)技術(shù)方案8 12中任一項(xiàng)所述的制造方法，其特征在于，前述步驟b中的Al的原料氣體的供給量在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為0. IL/分鐘 IL/分鐘，前述步驟b中的N的原料氣體的供給量在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為0. IL/分鐘 IL/分鐘。技術(shù)方案14所述的發(fā)明根據(jù)技術(shù)方案8 13中任一項(xiàng)所述的制造方法，其特征 在干，前述步驟c中的Al的原料氣體的供給量在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為0. IL/分鐘 IL/分鐘，前述步驟c中的N的原料氣體的供給量在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為0. OlL/分鐘 IL/分鐘。技術(shù)方案15所述的發(fā)明根據(jù)技術(shù)方案8 14中任一項(xiàng)所述的制造方法，其特征在于，在前述的各步驟a c中供給的Al的原料氣體為三甲基鋁。技術(shù)方案16所述的發(fā)明根據(jù)技術(shù)方案8 15中任一項(xiàng)所述的制造方法，其特征在于，在前述的各步驟a c中供給的N的原料氣體為NH3。技術(shù)方案17所述的發(fā)明根據(jù)技術(shù)方案8 16中任一項(xiàng)所述的制造方法，其特征在于，在前述的各步驟a c中供給的載氣為氫。技術(shù)方案18的發(fā)明根據(jù)技術(shù)方案8 17中任ー項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體的制造方法，其特征在于，將該基板溫度設(shè)定為1300°C 1500°C。根據(jù)該發(fā)明，在形成前述核時，與基板溫度低于1300°C的情況相比，附著于前述單晶基板的前述ー個表面的構(gòu)成元素的擴(kuò)散長度變長，因此，能夠降低前述核的密度，能夠容易地使前述核的密度不超過6 X IO9個cm—2，能夠提供由含有Al作為構(gòu)成元素的氮化物半導(dǎo)體形成的高品質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體。技術(shù)方案19的發(fā)明根據(jù)技術(shù)方8 18中任ー項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體的制造方法，其特征在于，在前述的各步驟a c中分別連續(xù)地供給作為前述AlN的成分的Al的原料氣體，并且，在前述步驟a和前述步驟b中分別間歇地供給作為前述AlN的成分的N的原料氣體。根據(jù)該發(fā)明，能夠更可靠地形成前述核、上述第I氮化物半導(dǎo)體層以及前述氮化物半導(dǎo)體層。技術(shù)方案20的發(fā)明是具備氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，該氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體包括形成于單晶基板的ー個表面上且由含有Al作為構(gòu)成元素的氮化物半導(dǎo)體形成的多個島狀的核；以填埋相鄰的前述核間的間隙且覆蓋全部的前述核的方式形成于前述單晶基板的前述ー個表面?zhèn)惹液蠥l作為構(gòu)成元素的第I氮化物半導(dǎo)體層；以及形成于前述第I氮化物半導(dǎo)體層上且含有Al作為構(gòu)成元素的第2氮化物半導(dǎo)體層。該氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件進(jìn)ー步具備形成于前述氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體上的n型氮化物半導(dǎo)體層；形成干前述n型氮化物半導(dǎo)體層上的發(fā)光層；和形成于前述發(fā)光層上的P型氮化物半導(dǎo)體層，并且，前述核的密度不超過6 X IO9個cm_2。根據(jù)該發(fā)明，能夠在貫穿式差排少的高品質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體上形成n型氮化物半導(dǎo)體層、發(fā)光層和P型氮化物半導(dǎo)體層的層疊結(jié)構(gòu)，因此，能夠形成高品質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體和發(fā)光層，能夠減少因貫穿式差排而產(chǎn)生的非輻射復(fù)合中心，其結(jié)果能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)光效率的提高。
在技術(shù)方案I的發(fā)明中，具有能夠得到由含有Al作為構(gòu)成元素的氮化物半導(dǎo)體形成的高品質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體這樣的效果。在技術(shù)方案8的發(fā)明中，具有能夠?qū)崿F(xiàn)可縮短制造時間并且能夠防止伴隨基板溫度、生長壓カ的變化發(fā)生的上述核和上述第I氮化物半導(dǎo)體層的劣化的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體的制造方法這樣的效果。在技術(shù)方案8、9的發(fā)明中，具有能夠提供由含有Al作為構(gòu)成元素的氮化物半導(dǎo)體形成的高品質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體這樣的效果。在技術(shù)方案20的發(fā)明中，具有能夠形成高品質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體和發(fā)光層，能夠減少因貫穿式差排產(chǎn)生的非輻射復(fù)合中心，其結(jié)果能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)光效率的提高這樣的效果。


圖IA為實(shí)施方式中的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的示意剖面圖。圖IB為實(shí)施方式中的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件要部示意剖面圖。圖2A表示在上面中所使用的單晶基板的ー個表面上形成有由含有Al作為構(gòu)成元素的氮化物半導(dǎo)體形成的多個核的表面狀態(tài)，是將基板溫度設(shè)為1300°C而形成的表面狀態(tài)的AFM像圖。圖2B表示在上面中所使用的單晶基板的ー個表面上形成有由含有Al作為構(gòu)成元素的氮化物半導(dǎo)體形成的多個核的表面狀態(tài)，是將基板溫度設(shè)為1000°C而形成的表面狀態(tài)的AFM像圖。圖3為在上面中所使用的單晶基板的ー個表面?zhèn)刃纬傻锇雽?dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體的實(shí)施例和比較例的X射線搖擺曲線圖。圖4為上面中的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體的表面的AFM像圖。
具體實(shí)施例方式本實(shí)施方式的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件為紫外發(fā)光二級管，如圖IA所示，在外延生長用的單晶基板I的ー個表面?zhèn)雀糁蠥l作為構(gòu)成元素的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體的緩沖層2形成n型氮化物半導(dǎo)體層3，在n型氮化物半導(dǎo)體層3的表面?zhèn)刃纬砂l(fā)光層4，在發(fā)光層4的表面?zhèn)刃纬蓀型氮化物半導(dǎo)體層5。應(yīng)予說明，雖然未圖示，但是在n型氮化物半導(dǎo)體層3上形成有陰極電極，在p型氮化物半導(dǎo)體層5上形成有陽極電扱。在此，作為單晶基板1，使用的是藍(lán)寶石基板。該單晶基板I具有(0001)面，S卩，具有相對于c面的偏角為0. 15°的上述ー個表面。緩沖層2是為了減少n型氮化物半導(dǎo)體層3的貫穿式差排并且減少n型氮化物半導(dǎo)體層3的殘余應(yīng)變而設(shè)計(jì)的。在此，如圖IB所示，構(gòu)成緩沖層2的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)具備形成于由藍(lán)寶石基板形成的單晶基板I的上述ー個表面上且由含有Al作為構(gòu)成元素的氮化物半導(dǎo)體AlN形成的多個島狀的核(生長核)2a，
以填埋相鄰的核2a間的間隙且覆蓋全部的核2a的方式形成于單晶基板I的上述ー個表面?zhèn)惹矣珊蠥l作為構(gòu)成元素的AlN層形成的第I氮化物半導(dǎo)體層2b，形成于第I氮化物半導(dǎo)體層2b上且由含有Al作為構(gòu)成元素的AlN層形成的第2氮化物半導(dǎo)體層2c。進(jìn)而，以使緩沖層2的膜厚變厚為目的，將該緩沖層2通過重復(fù)3次単元層而形成，其中，該單元層由多個島狀結(jié)晶2d和第3氮化物半導(dǎo)體層2c構(gòu)成，并且，所述島狀結(jié)晶2d是形成于第2氮化物半導(dǎo)體層2c上且由含有Al作為構(gòu)成元素的AlN形成的，所述第3氮化物半導(dǎo)體層2c是以填埋相鄰的島狀結(jié)晶2d間的間隙且覆蓋全部的島狀結(jié)晶2d的方式形成且由含有Al作為構(gòu)成元素的AlN層所形成的。在此，島狀結(jié)晶2d是通過使貫穿式差排彎曲而將相鄰的貫穿式差排成為環(huán)，從而以進(jìn)一歩減少貫穿式差排為目的進(jìn)行形成的。但是，因形成于單晶基板I的上述ー個表面上的核2a的效果而充分地減少了貫穿式差排，因此，到達(dá)島狀結(jié)晶2d的貫穿式差排極少。因而，通過島狀結(jié)晶2d減少貫穿式差排的效果由于能夠形成環(huán)的貫穿式差排極少的原因，與通過核2a減少貫穿式差排的效果相比特別小。應(yīng)予說明，在本實(shí)施方式中，將核2a的高度設(shè)定為30nm左右，將第I氮化物半導(dǎo)體層2b的膜厚設(shè)為500nm，將第2氮化物半導(dǎo)體層2c的膜厚設(shè)為I U m,將島狀結(jié)晶2d的高度設(shè)為IOnm左右，緩沖層2整體的膜厚達(dá)到4. 5 y m左右，但是上述值僅為一例，并沒有特別的限定。應(yīng)予說明，為了將少貫穿式差排、提高散熱性，緩沖層2整體的膜厚優(yōu)選被設(shè)定為變大。但是，若緩沖層2整體的膜厚變得過大，則因單晶基板I與緩沖層2的晶格不匹配而導(dǎo)致產(chǎn)生裂縫的可能性變高，因此，從制造時防止裂縫的產(chǎn)生的觀點(diǎn)看，優(yōu)選不超過10 Pm。另外，對于由島狀結(jié)晶2d和第2氮化物半導(dǎo)體層2c形成的單元層的層疊數(shù)量，只要不引起裂縫的產(chǎn)生就沒有特別的限定。另外，緩沖層2的氮化物半導(dǎo)體并不限于A1N，只要含有Al作為構(gòu)成元素即可，例如可以采用AlGaN、AlInN等。另外，緩沖層2只要至少具備多個核2a、第I氮化物半導(dǎo)體層2c和第2氮化物半導(dǎo)體層2c即可，上述的單元層不是必須設(shè)置的，但是從降低貫通位錯密度的觀點(diǎn)看優(yōu)選設(shè)置有単元層。如上述所述，形成有核2a和第I氮化物半導(dǎo)體層2b的單晶基板I的ー個表面的相對于c面的偏角為0.15°。即，在相對于c面的偏角在0° 0.2°的范圍內(nèi)的單晶基板I的ー個表面上形成核。為了形成核2a而供給的原子在單晶基板I的表面擴(kuò)散，在穩(wěn)定的場所形成結(jié)晶。在原子的擴(kuò)散距離足夠長時，特別易于以階地形成核2a。因而，如本實(shí)施方式所述，單晶基板I的偏角越小，階地寬變得越長，所以，易于減少核2a的密度，能夠提供高品質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體。若單晶基板I的偏角大于0.2°，則階地寬變短，因此，核2a的密度也增加，難以得到高品質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體。在緩沖層2的形成中，將由藍(lán)寶石基板形成的單晶基板I導(dǎo)入到MOVPE裝置的反應(yīng)爐內(nèi)，然后在保持反應(yīng)爐內(nèi)的壓カ為規(guī)定的生長壓カ(例如IOkPa 76Torr)的同時，使基板溫度上升到1300°C 1500°C的規(guī)定溫度(例如1300°C )，然后進(jìn)行規(guī)定時間(例如5分鐘)的加熱，從而浄化單晶基板I的上述ー個表面，然后，在保持基板溫度與上述規(guī)定溫度相同(例如1300°C)的狀態(tài)下，將作為鋁的原料(III族原料)的三甲基鋁(TMAl)的流量 設(shè)定為在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下0.02L/分鐘(20SCCM)，并且，將作為氮的原料(V族原料)的氨(NH3)的流量設(shè)定為在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下0. 02L/分鐘(20SCCM)，然后在向反應(yīng)爐內(nèi)流通TMAl的狀態(tài)下，向反應(yīng)爐內(nèi)間歇地(脈沖地)流通NH3，從而形成第I規(guī)定高度(例如30nm)的由AlN形成的多個島狀的核2a。在核2a的形成中，供給到反應(yīng)爐內(nèi)的三甲基鋁與氨的物質(zhì)量比在本實(shí)施方式中為32，被設(shè)定在10 1000的范圍內(nèi)。另外，在本發(fā)明中，供給到反應(yīng)爐內(nèi)的三甲基鋁與氨的流量并不限定為在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下0. 021/分鐘，可適當(dāng)?shù)卦O(shè)定在在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下
0.OlL/分鐘 0. IL/分鐘之間。在生長AlN時作為普通的原料使用的NH3和TMAl在被輸送至單晶基板I的過程中進(jìn)行反應(yīng)(寄生反應(yīng))，從而形成微粒子。另外，在連續(xù)地供給上述原料時，易于引起寄生反應(yīng)，微粒子也大量形成。而該微粒子的一部分將被供給到單晶基板I上，從而妨礙AlN的生長。因此，為了抑制寄生反應(yīng)而間歇地供給NH3。在此，作為分別輸送TMAl和NH3的載氣使用H2氣體。在形成了上述的核2a后的第I氮化物半導(dǎo)體層2b的形成中，在保持反應(yīng)爐內(nèi)的壓カ為上述規(guī)定的生長壓カ(即IOkPa 76Torr)的同時，保持基板溫度為上述規(guī)定溫度(即1300°C )，然后將TMAl的流量設(shè)定為0. 29L/分鐘(290SCCM)、將NH3的流量設(shè)定為0. 41/分鐘(400SCCM)，然后如同核2a的形成的情況，在向反應(yīng)爐內(nèi)流通TMAl的狀態(tài)下間歇地向 反應(yīng)爐內(nèi)流通NH3,從而使第I規(guī)定膜厚(例如500nm)的由AlN層形成的第I氮化物半導(dǎo)體層2b生長。在第I氮化物半導(dǎo)體層2b的形成中，被供給到反應(yīng)爐內(nèi)的三甲基鋁與氨的物質(zhì)量比在本實(shí)施方式中為50，被設(shè)定在40 60的范圍內(nèi)。通過將被供給到反應(yīng)爐內(nèi)的三甲基鋁與氨的物質(zhì)量比設(shè)定在40 60的范圍內(nèi)，能夠防止因過剩地供給原料氣體的一方而導(dǎo)致的白濁。另外，在本發(fā)明中，被供給到反應(yīng)爐內(nèi)的三甲基鋁與氨的流量并不限于上述值，可將它們適當(dāng)?shù)卦O(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下0. IL/分鐘 IL/分鐘間。在此，如同核2a的形成的情況，作為TMAl和NH3各自的載氣例如可使用H2氣體。另外，在第2氮化物半導(dǎo)體層2c的形成中，在保持反應(yīng)爐內(nèi)的壓カ為上述規(guī)定的生長壓カ(即IOkPa ^ 76Torr)的同時，保持基板溫度為上述規(guī)定溫度(即1300°C )，然后將TMAl的流量設(shè)定為0. 29L/分鐘(290SCCM)、將NH3的流量設(shè)定為0. 02L/分鐘(20SCCM)，然后同時連續(xù)地流通TMAl和NH3，從而形成第2規(guī)定膜厚(例如Iym)的由AlN層形成的第2氮化物半導(dǎo)體層2c。在第2氮化物半導(dǎo)體層2c的形成中，被供給到反應(yīng)爐內(nèi)的三甲基鋁與氨的物質(zhì)量比在本實(shí)施方式中為2. 5，被設(shè)定在I 100的范圍內(nèi)。通過將被供給到反應(yīng)爐內(nèi)的三甲基鋁與氨的物質(zhì)量比設(shè)定在I 100的范圍內(nèi)，從而能夠不使表面狀態(tài)惡化就形成第2氮化物半導(dǎo)體層2c。另外，在本發(fā)明中，被供給到反應(yīng)爐內(nèi)的三甲基鋁與氨的流量并不限于上述的值，可分別適當(dāng)設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下0. IL/分鐘 IL/分鐘、0. OlL/分鐘 IL/分鐘之間。在此，為了抑制寄生反應(yīng)，優(yōu)選間歇地流通NH3，但是由于產(chǎn)生不供給NH3的時間，所以與連續(xù)地供給的情況相比有可能降低生長速度。在本實(shí)施方式中需要將第2氮化物半導(dǎo)體層2c層疊為總計(jì)4 y m厚(層疊4次I y m)，因此，通過同時連續(xù)地流通TMAl和NH3的方法形成第2氮化物半導(dǎo)體層2c以使生長速度變大。在此，作為TMAl和NH3各自的載氣，例如可使用H2氣體。另外，在島狀結(jié)晶2d的形成中，保持基板溫度為上述規(guī)定溫度(例如1300°C )后，將TMAl的流量設(shè)定為0. 29L/分鐘(290SCCM)、將NH3的流量設(shè)定為0. 02L/分鐘(20SCCM)，然后，向反應(yīng)爐內(nèi)流通TMAl的狀態(tài)下，向反應(yīng)爐內(nèi)間歇地流通NH3，從而形成第2規(guī)定高度(例如IOnm)的由AlN形成的多個島狀結(jié)晶2d。在島狀結(jié)晶2d的形成中，被供給到反應(yīng)爐內(nèi)的三甲基鋁與氨的物質(zhì)量比在本實(shí)施方式中為2. 5，被設(shè)定在I 50的范圍內(nèi)。通過將被供給到反應(yīng)爐內(nèi)的三甲基鋁與氨的物質(zhì)量比設(shè)定在I 50的范圍內(nèi)，從而能夠不使表面狀態(tài)惡化就形成島狀結(jié)晶2d。另外，在本發(fā)明中，被供給到反應(yīng)爐內(nèi)的三甲基鋁和氨的流量并不限于上述的值，可以將它們適當(dāng)設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下0. IL/分鐘 IL/分鐘之間。在此，作為TMAl和NH3各自的載氣，例如可使用H2氣體。然后，重復(fù)形成第2氮化物半導(dǎo)體層2c的過程和形成島狀結(jié)晶2d的過程，使緩沖層2整體的膜厚達(dá)到第3規(guī)定膜厚(例如4.5pm)。其中，將緩沖層2的最表層設(shè)為第2氮化物半導(dǎo)體層2c。由上述的說明可知緩沖層2是通過適當(dāng)組合多種生長條件而形成具有多個核2a、第I氮化物半導(dǎo)體層2b、第2氮化物半導(dǎo)體層2c、多個島狀結(jié)晶2d的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)的。另外，在核2a、第I氮化物半導(dǎo)體層2b、第2氮化物半導(dǎo)體層2c的各自的形成中，設(shè)定為相同的基板溫度和相同的生長壓力。因而，在本實(shí)施方式中，不改變基板溫度、生長壓カ就能夠形成核2a、氮化物半導(dǎo)體層2b、氮化物半導(dǎo)體層2c，因此，能夠縮短制造時間，并且能夠防止伴隨基板溫度、生長壓カ的變化而產(chǎn)生的核2a和第I氮化物半導(dǎo)體層2b的劣化。進(jìn)而，在本實(shí)施方式中，設(shè)定的基板溫度在1300°C 1500°C的范圍內(nèi)，因此，與基板溫度低于1300°C的情況相比，能夠使附著于單晶基板I的上述ー個表面的構(gòu)成元素的擴(kuò)散長度變長，所以，能夠容易地使核2a的密度降低至不超過6X IO9個cm_2的程度。應(yīng)予說明，若基板溫度超過1500°C，則因載氣中的氫氣體而容易使作為單晶基板的藍(lán)寶石基板的上述ー個表面受到還原作用。其結(jié)果，藍(lán)寶石基板的上述ー個表面中的結(jié)晶狀態(tài)容易變化，結(jié)果難以形成核2a。另外，若基板溫度超過1500°C，則將對減壓MOPVE裝置的構(gòu)成要求高耐熱性，需要改變構(gòu)成，使用耐熱性構(gòu)件，因此，使成本變得很高。因而，本發(fā)明不適合在基板溫度超過1500°C的區(qū)域形成核2a。在此，在形成核2a、第I氮化物半導(dǎo)體層2b和島狀結(jié)晶2d時，采用的是在向反應(yīng)爐內(nèi)供給TMAl的同時間歇地流通NH3的生長方法，但并不限于此，例如可采用同時流通TMAl和NH3的生長方法(同時供給法)、交替流通TMAl和NH3的生長方法(交替供給法)
坐寸on型氮化物半導(dǎo)體層3用于向發(fā)光層4注入電子，由形成于緩沖層2上的摻Si的n型Ala55Gaa45N層構(gòu)成。在此,將n型氮化物半導(dǎo)體層3的膜厚設(shè)定為2iim,但并不限于此。另外，n型氮化物半導(dǎo)體層3并不限于單層結(jié)構(gòu)，可以為多層結(jié)構(gòu)，例如可以由第I緩沖層2上的摻Si的n型Ala7Gaa3N層與該n型Ala7Gaa3N層上的摻Si的n型Ala55Gaa45N層構(gòu)成。在此，作為n型氮化物半導(dǎo)體層3的生長條件，將生長溫度設(shè)為1200°C、將生長壓カ設(shè)為規(guī)定的壓カ(例如IOkPa)，作為鋁的原料使用TMA1、作為鎵的原料使用三甲基鎵(TMGa)、作為氮的原料使用NH3、作為賦予n型導(dǎo)電性的雜質(zhì)即硅的原料使用四こ基硅烷(TESi)，使用H2氣體作為用于輸送各原料的載氣。在此，將TESi的流量設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下0. 0009L/分鐘(0. 9SCCM)。應(yīng)予說明，對各原料沒有特別的限定，例如作為鎵的原料可以使用三こ基鎵(TEGa)、作為氮的原料可以使用肼衍生物、作為硅的原料可以使用單硅烷(SiH4)。另外，發(fā)光層4具有量子阱結(jié)構(gòu)，以使阱層4b的數(shù)量達(dá)到3為止交替層疊勢壘層4a與阱層4b。在此，發(fā)光層4中，由膜厚為8nm的Ala55Gaa45N層構(gòu)成勢壘層4a，由膜厚為2nm的Ala4Gaa6tlN層構(gòu)成阱層4b。應(yīng)予說明，勢壘層4a和阱層4b的各組成并不局限于此，可以根據(jù)所需的發(fā)光波長而適當(dāng)進(jìn)行設(shè)定。另外，發(fā)光層4中的阱層4b的數(shù)量并不特別限定為3，并不限定為具備多個阱層4b的多重量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光層4，可以采用將阱層4b設(shè)為I個的單一量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光層4。另外，對勢壘層4a和阱層4b的各膜厚也沒有特別的限定。另外，阱層與勢壘層的材料的組合也并不限于此，只要構(gòu)成元素中含有Al且?guī)赌芰啃∮贕aN即可。因而可以通過適當(dāng)調(diào)整組成而使用AlGalnN、AlInN。具體而言，作為阱層 / 勢壘層的組合，可舉出 AlGaN/AlGalnN、AlGaN/AlInN、AlGaNInN/AlGalnN、AlGaInN/AlGaN, AlGalnN/AlInN、AlInN/AlInN、AlInN/AlGaN、AlInN/AlGalnN。其中，為了發(fā)揮量子阱的功能，需要使勢壘層的帶隙能量大于阱層。作為發(fā)光層4的生長條件，將生長溫度設(shè)為與n型氮化物半導(dǎo)體層3相同的1200°C，將生長壓カ設(shè)為上述規(guī)定的生長壓カ(例如IOkPa)，作為鋁的原料使用TMA1、作為鎵的原料使用TMGa、作為氮的原料使用NH3。關(guān)于勢壘層4a的生長條件，除了不供給TESi之外，設(shè)定成與n型氮化物半導(dǎo)體層3的生長條件相同的條件。另外，關(guān)于阱層4b的生長條件，為了得到所需的組成，將III族原料中的TMAl的摩爾比([TMAl]/{[TMAl] + [TMGa]}) 設(shè)定為小于勢壘層4a的生長條件。應(yīng)予說明，在本實(shí)施方式中，在勢壘層4a中未摻雜雜質(zhì)，但并不限于此，可以摻雜不便勢壘層4a的結(jié)晶品質(zhì)劣化的程度的雜質(zhì)濃度的硅等的n型雜質(zhì)。p型氮化物半導(dǎo)體層5由形成于發(fā)光層4上的由摻Mg的p型AlGaN層形成的第Ip型氮化物半導(dǎo)體層5a、和形成于第Ip型氮化物半導(dǎo)體層5a上的由摻Mg的p型AlGaN層形成的第2p型氮化物半導(dǎo)體層5b、和形成于第2p型氮化物半導(dǎo)體層5b上的由摻Mg的p型GaN層形成的第3p型氮化物半導(dǎo)體層5c所構(gòu)成。在此,第Ip型氮化物半導(dǎo)體層5a和第2p型氮化物半導(dǎo)體層5b的各組成被設(shè)定成使第Ip型氮化物半導(dǎo)體層5a的帶隙能量大于第2p型氮化物半導(dǎo)體層5b的帶隙能量。另外，第2p型氮化物半導(dǎo)體層5b的組成被設(shè)定為使帶隙能量成為與發(fā)光層4的勢壘層4a相同。另外，p型氮化物半導(dǎo)體層5將第Ip型氮化物半導(dǎo)體層5a的膜厚設(shè)定為15nm、將第2p型氮化物半導(dǎo)體層5b的膜厚設(shè)定為50nm、將第3p型氮化物半導(dǎo)體層5c的膜厚設(shè)定為15nm，但并不限于上述膜厚。另外，在p型氮化物半導(dǎo)體層5中采用的氮化物半導(dǎo)體并沒有特別的限定，例如可以使用AlGalnN。另外，在第3p型氮化物半導(dǎo)體層5c中不僅可以使用AlGaInN,還可以使用InGaN。在此，作為p型氮化物半導(dǎo)體層5的第Ip型氮化物半導(dǎo)體層5a和第2p型氮化物半導(dǎo)體層5b的生長條件，將生長溫度設(shè)為1050°C、將生長壓カ設(shè)為上述規(guī)定的生長壓カ(在此為IOkPa)，作為鋁的原料使用TMA1、作為鎵的原料使用TMGa、作為氮的原料使用NH3、作為賦予P型導(dǎo)電性的雜質(zhì)即鎂的原料使用雙(環(huán)戊ニ烯)鎂(Cp2Mg),使用H2氣體作為用于輸送各原料的載氣。另外，第3p型氮化物半導(dǎo)體層5c的生長條件基本上與第2p型氮化物半導(dǎo)體層5b的生長條件相同，但是在停止供給TMAl的點(diǎn)上不同。在此，在第I 第3的P型氮化物半導(dǎo)體層5a 5c的任ー層的生長中，將Cp2Mg的流量設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下0. 021/分鐘(20SCCM)，根據(jù)第I 第3的p型氮化物半導(dǎo)體層5a 5c各自的組成適當(dāng)改變III族原料的摩爾比(流量比)。但是，為了確認(rèn)構(gòu)成緩沖層2的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)中的核2a的形成溫度(生長溫度)對形成于單晶基板I的上述ー個表面上的核2a的密度帶來的影響，對將在由藍(lán)寶石基板形成的單晶基板I的上述ー個表面(C面)上形成由AlN形成的多個核2a時的基板溫度設(shè)為不同的試樣，采用原子力顯微鏡(AFM)觀察其表面狀態(tài)。作為一例，圖2A表示將基板溫度設(shè)為1300°C，在單晶基板I的上述ー個表面上形成有多個核2a的試樣的AFM像圖；圖2B表示將基板溫度設(shè)為130 0°C，在單晶基板I的上述ー個表面上形成有多個核2a的試樣的AFM像圖。由圖2A、圖2B可確認(rèn)在將基板溫度設(shè)為1300°C、1000°C中的任一溫度吋，均在單晶基板I的上述ー個表面上形成島狀的核2a。另外，可確認(rèn)在任ー情況下，各核2a的表面的大部分由傾斜于生長面即c面的面所形成。進(jìn)而，如圖2B所示，在1000°C的基板溫度下形成的核2a的密度為3X 101°個cm_2，與此相對，如圖2A所示在1300°C的基板溫度下形成的核2a的密度為6 X IO9個cm_2，可看出后者的核2a的密度為前者的五分之一左右，相鄰的核2a相互間的結(jié)合界面變少。然后，就構(gòu)成緩沖層2的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體而言，制造將由AlN形成的核2a的形成溫度設(shè)為1300°C (即將核2a的密度設(shè)為6 X IO9個cm_2)，將第I氮化物半導(dǎo)體層2b、第2氮化物半導(dǎo)體層2c、島狀結(jié)晶2d各自設(shè)為A1N，將高度、膜厚等設(shè)為上述的數(shù)值例的實(shí)施例；將由AlN形成的核2a的形成溫度設(shè)為1000°C (即將核2a的密度設(shè)為3 X 101°個cm—2)，將第I氮化物半導(dǎo)體層2b、第2氮化物半導(dǎo)體層2c、島狀結(jié)晶2d各自設(shè)為A1N，將高度、膜厚等設(shè)為上述的數(shù)值例的比較例。對實(shí)施例、比較例各自的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體進(jìn)行反映混合位錯和刃狀位錯的密度的A1N(10-12)面的X射線衍射《掃描(表示結(jié)晶的c軸方向的搖擺程度的指標(biāo))，將其X射線搖擺曲線(X-Ra yRocking Curve XRC)圖示于圖3。由圖3可知，將核2a的密度設(shè)為3X 101°個cm_2的比較例的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體的XRC (點(diǎn)線)的半值寬為600arcSec，與此相対，將核2a的密度設(shè)為6 X IO9個cm_2的實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體的XRC(實(shí)線)的半值寬為440arcsec，與比較例相比，實(shí)施例的XRC的半值寬大幅減少，是混合位錯和刃狀位錯的密度降低的、貫穿式差排密度降低的高品質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)。另外，通過剖面TEM(Transmission Electron microscope)觀察等確認(rèn)了核 2a 的密度越小，貫穿式差排的密度越小。另ー方面，核2a的密度越小，相鄰的核2a間的間隔變得越大，填埋相鄰的核2a間的間隙且覆蓋全部的核2a的第I氮化物半導(dǎo)體層2b的膜厚變得越大。在此，若第I氮化物半導(dǎo)體層2b的膜厚變得過大，則產(chǎn)生因單晶基板與第I氮化物半導(dǎo)體層2b的晶格不匹配而導(dǎo)致的裂縫。在此，在以往的組合了使用選擇波長掩模而得的選擇波長與橫方向生長的結(jié)晶生長技術(shù)即橫向外延過生長法(Epitaxial LateralOvergrowth EL0)中，為了使相鄰的生長膜相互連接,使表面平坦的氮化物半導(dǎo)體層(GaN層)生長，生長膜厚需要與相鄰的選擇波長掩模的間隔相同。另外，在將含有Al作為構(gòu)成元素的第I氮化物半導(dǎo)體層2b在單晶基板的ー個表面?zhèn)犬愘|(zhì)外延生長時，若第I氮化物半導(dǎo)體層2b的膜厚超過10 u m,則產(chǎn)生因單晶基板I與第I氮化物半導(dǎo)體層2b的晶格不匹配所導(dǎo)致的裂縫的可能性變高，因此，從防止制造時的裂縫的產(chǎn)生的觀點(diǎn)看，相鄰的核2a間的間隔優(yōu)選為10 y m以下。并且，將相鄰的核2a的間隔設(shè)為10 y m時，核2a的密度為I X IO6個cnT2,因此優(yōu)選將核2a的密度設(shè)為lX106fcnT2以上。而且,優(yōu)選將核2a的密度設(shè)為I X IO8個cnT2以上以使核2a的間隔達(dá)到I y m以下。作為控制核2a的密度的參數(shù)，例如還可以考慮V/III比(V族原料與III族原料的摩爾比)、III族原料的供給量等。但是，為了使原子擴(kuò)散，需要利用基板溫度賦予運(yùn)動能量，如果運(yùn)動能量小，則例如即使使基板溫度以外的參數(shù)變化，也因?yàn)樵镜臄U(kuò)散距離短而無法控制成核2a的密度高的狀態(tài)。由此認(rèn)為基板溫度為最基本的參數(shù)，對核密度的控制帶來最強(qiáng)的影響。其次，圖4表示通過利用AFM觀察上述的實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體的表面狀態(tài)而得到AFM像圖。由圖4可知在氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體的表面未觀察到因多個島狀的核2a引起的凹凸結(jié)構(gòu)，得到了原子水平上平坦的膜。以上說明的本實(shí)施方式的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體具備形成于單晶基板I的上述ー個表面上且由含有Al作為構(gòu)成元素的氮化物半導(dǎo)體形成的多個島狀的核2a ;和以填埋相鄰的核2a間的間隙且覆蓋全部的核2a的方式形成于單晶基板I的上述ー個表面?zhèn)鹊?、含有Al作為構(gòu)成元素的第I氮化物半導(dǎo)體層2b ;和形成于第I氮化物半導(dǎo)體層2b上且含有Al作為構(gòu)成元素的第2氮化物半導(dǎo)體層2c ;并且，核2a的密度不超過6 X IO9個cm_2， 所以，能夠得到由含有Al作為構(gòu)成元素的氮化物半導(dǎo)體形成的高品質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體。在此，形成于單晶基板I的上述ー個表面上的多個島狀的核2a伴隨核2a的生長而尺寸變大，在與相鄰的核2a結(jié)合時，在結(jié)合界面易于產(chǎn)生貫穿式差排，但通過使核2a的密度不超過6X IO9個cm_2，能夠減少結(jié)合界面，結(jié)果能夠減少相鄰的核2a相互結(jié)合時產(chǎn)生的貫穿式差排，能夠得到貫穿式差排少的高品質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體。另外，在本實(shí)施方式的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體中，各核2a的表面的大部分形成為與生長面c面傾斜的面，因此，在形成第I氮化物半導(dǎo)體層2b時，抑制其向單晶基板I的上述ー個表面的法線方向(垂直方向)的生長，變得易于進(jìn)行向沿著上述ー個表面的橫方向的生長，易于沿著生長方向出現(xiàn)的貫穿式差排也與第I氮化物半導(dǎo)體層2b的生長方向同樣地難以向單晶基板I的上述ー個表面的法線方向延伸，且向平行于上述一個表面的方向彎曲，由此變得易干與近旁的貫穿式差排形成位錯環(huán)而消失，結(jié)果，能夠降低第2氮化物半導(dǎo)體層2c的表面的貫穿式差排的密度，能夠降低氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體的表面的貫穿式差排的密度。另外，在本實(shí)施方式的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體中，作為構(gòu)成核2a的氮化物半導(dǎo)體采用A1N，則能夠減少成為核2a的氮化物半導(dǎo)體的構(gòu)成元素的數(shù)量，因此，在進(jìn)行核2a的形成時容易控制。另外，AlN為帶隙能量大到6. 2eV的材料，因此，在第2氮化物半導(dǎo)體層2c的表面?zhèn)刃纬砂l(fā)光波長200 350nm的紫外光的發(fā)光層4而制造氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件(紫外發(fā)光二級管)吋，能夠防止從發(fā)光層4放射的紫外光被核2a吸收，實(shí)現(xiàn)氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的外部量子效率的提高。例如，GaN吸收上述波長區(qū)域的紫外光，成為降低外部量子效率的原因，因此，無法使用。另外，在本實(shí)施方式的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體的制造方法中，在采用減壓MOVPE法在單晶基板I的上述ー個表面上形成核2a時，在使核2a的密度不超過6X IO9個cm_2的基板溫度的條件下使核2a生長，因此，能夠通過基板溫度的條件控制核2a的密度，能夠提供由含有Al作為構(gòu)成元素的氮化物半導(dǎo)體形成的高品質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體。另夕卜，在本實(shí)施方式的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體的制造方法中，在采用減壓MOVPE法在單晶基板I的上述ー個表面上形成由AlN形成的核2a時，為了在使核2a的密度不超過6 X IO9個cm_2的基板溫度的條件下對核2a進(jìn)行生長，將該基板溫度設(shè)為1300°C以上，因此，在形成核2a時,與基板溫度低于1300°C的情況相比，附著于單晶基板I的上述ー個表面的構(gòu)成元素的擴(kuò)散長度變長，因此，能夠降低核2a的密度，能夠易于使核2a的密度不超過6X IO9個cm—2，能夠提供由含有Al作為構(gòu)成元素的氮化物半導(dǎo)體形成的高品質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體。另外，本實(shí)施方式的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件具備由上述的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體形成的緩沖層2、形成于該緩沖層2上的n型氮化物半導(dǎo)體層3、形成于該n型氮化物半導(dǎo)體層3上的發(fā)光層4、以及形成于該發(fā)光層4上的p型氮化物半導(dǎo)體層5，因此，能夠在由貫穿式差排少的高品質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)形成的緩沖層2上形成n型氮化物半導(dǎo)體層3、發(fā)光層4和p型氮化物半導(dǎo)體層5的層疊結(jié)構(gòu)，因此，能夠形成高品質(zhì)的緩沖層2和發(fā)光層4，能夠減少因貫穿式差排形成的非輻射復(fù)合中心，結(jié)果能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)光效率的提高。在上述實(shí)施方式中，作為氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體、具備該氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體作為緩沖層2的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法，例示了減壓MOVPE法，但并不限于 此，例如還可采用氫化物氣相生長法(HVPE法)、分子束生長法(MBE法)等的生長法。另外，在上述實(shí)施方式中，使用藍(lán)寶石基板作為單晶基板1，但是單晶基板I并不限定為監(jiān)寶石基板，例如可以使用尖晶石基板、娃基板、碳化娃基板、氧化鋒基板、憐化嫁基板、神化鎵基板、氧化鎂基板、硼化鋯基板、III族氮化物系半導(dǎo)體結(jié)晶基板等。另外，對于本發(fā)明的技術(shù)思想而言，只要能夠應(yīng)用上述實(shí)施方式中說明的基本構(gòu)成，就能夠使其應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)，進(jìn)行展開。另外，在上述實(shí)施方式的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件中，將發(fā)光層4的發(fā)光波長設(shè)定在250nm 300nm的范圍內(nèi)，因此，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)光波長為紫外區(qū)域的發(fā)光二級管，所以能夠作為汞燈、激元燈等的深紫外光源的代替光源使用。
權(quán)利要求
1.ー種氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體，其特征在于，具備形成于單晶基板的ー個表面上且由含有Al作為構(gòu)成元素的氮化物半導(dǎo)體形成的多個島狀的核，和以填埋相鄰的所述核間的間隙且覆蓋全部的所述核的方式形成于所述單晶基板的所述ー個表面?zhèn)鹊?、含有Al作為構(gòu)成元素的第I氮化物半導(dǎo)體層，和形成于所述第I氮化物半導(dǎo)體層上且含有Al作為構(gòu)成元素的第2氮化物半導(dǎo)體層；并且，所述核的密度不超過6X IO9個cm_2。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體，其特征在于，所述核的密度為I X IO6 個 CnT2 以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體，其特征在于，所述核的密度為I X IO8 個 CnT2 以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求I 3中任ー項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體，其特征在于，所述核具有傾斜于所述單晶基板的所述ー個表面的面。
5.根據(jù)權(quán)利要求I 4中任ー項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體，其特征在干，構(gòu)成所述核的所述氮化物半導(dǎo)體為A1N。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體，其特征在于，所述第I氮化物半導(dǎo)體層和所述第2氮化物半導(dǎo)體層是由AlN形成的。
7.根據(jù)權(quán)利要求I 6中任ー項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體，其特征在于，所述單晶基板為藍(lán)寶石基板，所述ー個表面相對于c面的偏角為0° 0. 2°。
8.ー種氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體的制造方法，其特征在于，具有如下步驟 步驟a，在將單晶基板配置于反應(yīng)爐內(nèi)的狀態(tài)下，使用減壓MOVPE法，在規(guī)定的基板溫度和規(guī)定的生長壓カ下，將相對于Al的原料氣體的物質(zhì)量的N的原料氣體的物質(zhì)量之比設(shè)定為第I物質(zhì)量比的狀態(tài)下，向所述反應(yīng)爐內(nèi)供給Al的原料氣體和N的原料氣體，從而在所述單晶基板的ー個表面上形成由含有Al作為構(gòu)成元素的氮化物半導(dǎo)體形成的多個島狀的核， 步驟b，在規(guī)定的基板溫度和規(guī)定的生長壓カ下，將相對于Al的原料氣體的物質(zhì)量的N的原料氣體的物質(zhì)量之比設(shè)定為第2物質(zhì)量比的狀態(tài)下，向所述反應(yīng)爐內(nèi)供給Al的原料氣體和N的原料氣體，從而以填埋相鄰的所述核間的間隙且覆蓋全部的所述核的方式形成第I氮化物半導(dǎo)體層，和 步驟c，在規(guī)定的基板溫度和規(guī)定的生長壓カ下，將相對于Al的原料氣體的物質(zhì)量的N的原料氣體的物質(zhì)量之比設(shè)定為第3物質(zhì)量比的狀態(tài)下，向所述反應(yīng)爐內(nèi)供給Al的原料氣體和N的原料氣體，從而在所述第I氮化物半導(dǎo)體層上形成第2氮化物半導(dǎo)體層； 其中，所述第I氮化物半導(dǎo)體層和所述第2氮化物半導(dǎo)體層分別含有Al作為構(gòu)成元素， 在所述各步驟a c中，基板溫度相同，并且，將用于形成所述核、所述第I氮化物半導(dǎo)體層和所述第2氮化物半導(dǎo)體層的生長壓カ設(shè)定為相同。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體的制造方法，其特征在干，將所述步驟a中的所述第I物質(zhì)量比設(shè)定為10 1000。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體的制造方法，其特征在于，將所述步驟b中的所述第2物質(zhì)量比設(shè)定為40 60。
11.根據(jù)權(quán)利要求8 10中任ー項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體的制造方法，其特征在于，將所述步驟C中的所述第3物質(zhì)量比設(shè)定為I 100。
12.根據(jù)權(quán)利要求8 11中任ー項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體的制造方法，其特征在于，所述步驟a中的所述Al的原料氣體的供給量在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為0. OlL/分鐘 0. IL/分鐘，所述步驟a中的所述N的原料氣體的供給量在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為0. OlL/分鐘 0. IL/分鐘。
13.根據(jù)權(quán)利要求8 12中任ー項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體的制造方法，其特征在于，所述步驟b中的所述Al的原料氣體的供給量在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為0. IL/分鐘 IL/分鐘，所述步驟b中的所述N的原料氣體的供給量在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為0. IL/分鐘 IL/分鐘。
14.根據(jù)權(quán)利要求8 13中任ー項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體的制造方法，其特征在于，所述步驟c中的所述Al的原料氣體的供給量在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為0. IL/分鐘 IL/分 鐘，所述步驟c中的所述N的原料氣體的供給量在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為0. OlL/分鐘 IL/分鐘。
15.根據(jù)權(quán)利要求8 14中任ー項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體的制造方法，其特征在于，在所述各步驟a c中供給的所述Al的原料氣體為三甲基鋁。
16.根據(jù)權(quán)利要求8 15中任ー項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體的制造方法，其特征在于，在所述各步驟a c中供給的所述N的原料氣體為順3。
17.根據(jù)權(quán)利要求8 16中任ー項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體的制造方法，其特征在于，在所述各步驟a c中供給的載氣為氫。
18.根據(jù)權(quán)利要求8 17中任一項(xiàng)所述的制造方法，其特征在于，所述基板溫度被設(shè)定為 1300°C 1500°C。
19.根據(jù)權(quán)利要求8 18中任ー項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體的制造方法，其特征在于，在所述各步驟a c中分別向反應(yīng)爐內(nèi)連續(xù)地供給作為所述AlN的成分的Al的原料氣體，并且，在所述步驟a和所述步驟b中分別間歇地供給作為所述AlN的成分的N的原料氣體。
20.ー種氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，具備以下的構(gòu)成 氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體，其包括形成于單晶基板的ー個表面上且由含有Al作為構(gòu)成元素的氮化物半導(dǎo)體形成的多個島狀的核，和以填埋相鄰的所述核間的間隙且覆蓋全部的所述核的方式在所述單晶基板的所述ー個表面?zhèn)刃纬傻暮蠥l作為構(gòu)成元素的第I氮化物半導(dǎo)體層，和形成于所述第I氮化物半導(dǎo)體層上且含有Al作為構(gòu)成元素的第2氮化物半導(dǎo)體層， n型氮化物半導(dǎo)體層，形成于所述氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)體上， 發(fā)光層，形成于所述n型氮化物半導(dǎo)體層上， P型氮化物半導(dǎo)體層，形成于所述發(fā)光層上； 其中，所述核的密度不超過6X IO9個cm_2。
全文摘要
本發(fā)明提供由含有Al作為構(gòu)成元素的氮化物半導(dǎo)體形成的高品質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)及其制造方法，以及作為緩沖層具備由含有Al作為構(gòu)成元素的氮化物半導(dǎo)體形成的高品質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件。本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體發(fā)光元件是在由藍(lán)寶石基板形成的單晶基板(1)的一個表面?zhèn)染哂芯彌_層(2)、n型氮化物半導(dǎo)體層(3)、發(fā)光層(4)和p型氮化物半導(dǎo)體層(5)的層疊結(jié)構(gòu)。構(gòu)成緩沖層(2)的氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)的特征在于，具備形成于單晶基板(1)的上述一個表面上且由AlN形成的多個島狀的核(2a)，和以填埋相鄰的核(2a)間的間隙且覆蓋全部的核(2a)的方式形成于單晶基板(1)的上述一個表面?zhèn)鹊挠葾lN層形成的第1氮化物半導(dǎo)體層(2b)，和形成于第1氮化物半導(dǎo)體層(2b)上的由AlN層形成的第2氮化物半導(dǎo)體層(2c)，并且，核(2a)的密度不超過6×109個cm-2。
文檔編號H01L33/32GK102656711SQ20108003942
公開日2012年9月5日 申請日期2010年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月7日
發(fā)明者平山秀樹, 椿健治, 藤川紗千惠, 高野隆好 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社