半導體層的制作方法

專利名稱：半導體層的制作方法
技術領域：
本發明涉及半導體層，更具體地涉及可以獲得具有高結晶質量的GaN系外延層 的半導體層。
背景技術：
圖3表示常規半導體層。這種半導體層包括由A1203制成的A1203襯底11 、在A1203 襯底11表面上形成的A1N層12和利用MOCVD (金屬有機化學氣相沉積)法通過 外延生長而在AIN層12上形成的GaN生長層13 (例如參考JP52-36117 B)。根據這種半導體層，AlN層12在Al203襯底ll和GaN生長層13之間形成，因而可以減少晶格常數的不匹配從而減少缺陷晶體。但是，根據常規半導體層，不能夠使得AlN層12和GaN生長層13的晶格常數 相互完美相配，因此很難進一步提髙GaN生長層13的晶體質量。另外，當將常規半 導體層應用于發光元件時，發光層的晶態退化，并且發光效率下降。因此，本發明的目的是提供可以獲得具有高結晶質量的GaN系外延層的半導體層。發明內容為了實現上述目的，本發明提供半導體層，其特征在于包括由Ga203系半導體制 成的第一層和通過用氮原子置換第一層的部分或全部氧原子獲得的第二層。根據本發明的半導體層，通過用氮原子置換第一層的部分或全部氧原子獲得的第 二層在由Ga203系半導體制成的第一層上形成，由此獲得由GaN系化合物半導體制成的具有高結晶度的第二層而不插入緩沖層。


圖1是根據本發明實施方案1的半導體層橫截面圖；圖2是表示制造根據本發明實施方案1的半導體層的工藝的流程圖；和圖3是常規半導體層的橫截面圖。
具體實施方式
下面將描述根據本發明實施方案的半導體層。該實施方案由下列層構成:由Ga203 系半導體制成的第一層，由GaN系化合物半導體制成并通過使第一層表面經受氮化 處理等從而用氮原子置換第一層的部分或全部氧原子以在第一層上獲得的第二層，和 在第二層上由GaN系外延層制成的第三層。本文中，"Ga203系半導體"包含諸如 Ga203、 (InxGaLx)203其中0^x<l、 (AlxGai-x)203其中0&<1以及(InxAlyGai陽")203其 中0&<1、 05y<l并且0Sx+y《的半導體，還包含均通過用于制備這種半導體而進行 的原子置換或原子缺陷來表現ii-型導電特性或p-型導電特性的半導體。另外，"GaN 系化合物半導體"和"GaN系外延層包含諸如GaN、 InzGai_zN其中0》<1、 AlzGai_zN 其中0^z<l以及InzAlpGai-z.pN其中0》<1、 0Sp<l并且05z+p<l的半導體，還包含 均通過用于制備這種半導體而進行的原子置換或原子缺陷來表現n-型導電特性或p-型導電特性的半導體。例如，作為第一實施例，第二層和第三層可以由相同的化合物半導體制成，如由 Ga20s制成第一層、由GaN制成第二層和由GaN制成第三層。另外，作為第二實施 例，第二層和第三層也可以分別由不同的化合物半導體制成，如由Ga203制成第一 層、由GaN制成第二層和由IiizGaLzN其中05z〈l制成第三層。而且，作為第三實 施例，第二層和第三層還可以分別由不同的化合物半導體制成，并且也可以根據不同 于在第一實施例和第二實施例中的組合來制作第一層和第二層，如由(hixGaLx)203其 中0^<1制成第一層、由lnzAlpGai-z-pN其中05z〈1、 0分<1并且0￡z+p<l制成第二 層和由AlzGai-zN其中0Sz<l制成第三層。根據實施方案，由于可以使得第二層和第三層的晶格常數相互匹配，或者可以使 其相互非常接近，因此獲得具有高結晶質量的GaN系外延層。(實施方案l)圖1表示根據本發明實施方案1的半導體層。實施方案1的半導體層包括作為第 一層的0 -Ga203襯底1、作為第二層的大約2nm厚的GaN層2和作為第三層的GaN 生長層3，其中，所述襯底l由P-Ga203單晶制成，所述GaN層2通過使e-Ga203 襯底1表面經受氮化處理而形成，所述GaN生長層3利用例如MOCVD法通過外延 生長來形成在GaN層2上。在氮化處理中用氮原子置換0 -0$1203襯底1的氧原子， 由此形成GaN層2。圖2表示制造半導體層的工藝。第一，利用FZ (懸浮區)法制作P-Ga203襯底 1 (工藝a)。首先，制備P-Ga203種晶和e-Ga203多晶原料。通過對解理面(cleaved face)加以利用等削減0-Ga203單晶從而獲得0-Ga203 種晶，并且該種晶具有橫截面為正方形的棱柱形狀，并且其軸向符合3-軸<100>方向、 b-軸OlO方向或0軸<001>方向。例如，將4N純度的Ga203粉末裝入橡膠管，在500MPa下冷壓，并在1500卩下 燒結10小時，由此獲得e-Ga203多晶原料。接下來，在二氧化硅管中，在1-2個大氣總壓力下在氮氣和氧氣混合氣體(從100 %氮氣變為100%氧氣)環境中使P-Ga203種晶和e-Ga203多晶的頭部相互接觸。 加熱使其接觸部分熔融，并冷卻e-Ga203多晶的已溶解物質，由此產生e-Ga203單 晶。當在1>-軸<010>方向生長為晶體時，e-Ga203單晶在(100)面具有強解理，因 此沿著垂直于與(100)面平行的面的面來切削e-Ga203單晶，從而制作e-Ga203 襯底1。順便而言，當在3-軸<100>方向或0軸<001>方向生長為晶體時，e-Ga2o3 單晶在(100)面和(001)面具有弱解理。因此，所有面的可加工能力變得優良，并 因此不存在如上所述的對切削面的限制。接下來，通過在60"下在硝酸溶液中煮沸來蝕刻e-Ga2O3襯底l (工藝b)。然 后將所得e-Ga203襯底l浸入乙醇中并經受超聲波清洗(工藝c)。而且，在浸入水中并經受超聲波清洗(工藝d)后，干燥e-Ga203襯底l (工藝e)并在MOCVD系 統的生長室中在IOOOIC下進行真空清洗(工藝f)從而清潔e-Ga203襯底l的表面。接下來，對P-Ga203襯底l進行氮化處理(工藝g)。也就是說，在MOCVD系 統的生長室中在預定環境氣氛下加熱e-Ga203襯底1并持續預定的時間。適當選擇 環境氣氛(包括大氣)、加熱溫度和加熱時間，由此在e-Ga203襯底l表面上獲得所 需的GaN層2。例如，在300托下在NH3環境中將e-Ga2O3襯底l在1050X:加熱5 分鐘，由此在e -Ga203襯底1表面上形成大約2nm厚的薄GaN層2。接著，利用MOCVD法生長GaN以獲得GaN生長層3 (工藝h)。也就是說，當 MOCVD系統生長室中的壓力降到100托并且氨氣和三甲基鎵(TMG)被分別提供 為生長室的N供應原料和Ga供應原料時，在GaN層2上生長例如約100nm厚的 GaN生長層3。通過調整供應原料的濃度、加熱溫度等可以控制GaN生長層的厚度。在實施方案1中，當三甲基鋁(TMA)與TMG—起供應時，可以形成AlGaN 層作為第二層來替代GaN層2。另外，當三甲基銦(TMI)與TMG —起供應時， 可以形成InGaN層作為第二層來替代GaN層2。根據實施方案l，得到了下列效果。(1) 由于獲得了具有高結晶度的P-Ga203襯底l，因此獲得了在該襯底上形成的 總位錯密度(through dislocation density)低和結晶度高的GaN層2。而且，由于 GaN層2和GaN生長層3的晶格常數互相匹配,并且GaN生長層3繼承GaN層(2) 的高結晶度而生長，因此獲得總位錯密度更低且結晶度髙的GaN生長層(3)。(2) 例如在ii-型GaN生長層和p-型GaN生長層之間形成InGaN層，由此可以 制作發光元件例如發光二極管或半導體激光。(3) 由于當本發明應用于發光元件時獲得了具有髙結晶度的發光層，因此提高 了發光效率。(4) 由于e-Ga203襯底l具有導電特性，因此當制作發光元件時，可以采用電 極從層結構的豎直方向取出的立式結構，并因此可以簡化層結構以及制造工藝。(5) 由于e-Ga203襯底l具有半透明特性，因此光也可以從襯底側發出。(6) 由于真空清洗(工藝f)、氮化處理(工藝g)和GaN外延生長(工藝d)在MOCVD系統的生長室中連續進行，因此可以有效地生產半導體層。然而，也可以生長InGaN、 AlGaN或InGaAlN來替代GaN生長層3。在InGaN和AlGaN的情況下，可以使得它們的晶格常數幾乎與GaN層2匹配。在InGaAlN的情況下，可以使得其晶格常數與GaN層2匹配。例如，當在薄膜GaN層2上形成Si摻雜GaN層、在Si摻雜GaN層上形成未摻雜InGaN層、在未摻雜InGaN層上形成Mg摻雜GaN層或AlGaN層時，獲得雙異型(double hetero type)發光元件。此時，當交替形成In組成比例相互不同的阱層和阻擋層以形成未摻雜InGaN層時，獲得具有MQW (多量子阱層)的激光二極管元件。另一方面，當圖1中GaN層2和襯底1在GaN生長層3生長到預定厚度后被移 除時，獲得GaN襯底。同樣，形成InGaN層、AlGaN層或InGaAlN層以替代GaN 生長層3，由此可以得到相應襯底。另外，雖然FZ法被描述為P -Ga203襯底1的生長方法，但是也可以采用任意其 它合適的生長方法例如EFG (固定型模生長法，Edge-defined Film-fed Growth method)法。而且，雖然MOCVD法被描述為GaN系外延層的生長方法，但是也 可以采用任意其它合適的生長方法例如PLD (脈沖激光沉積)法。此外，本發明的半導體層并不限于發光元件，并因此可應用于多種半導體元件和 部件。工業適用性根據本發明的半導體層，通過用氮原子置換第一層的部分或全部氧原子而獲得的 第二層在由P-Ga203系半導體制成的第一層上形成，由此獲得由GaN系化合物半導 體制成并具有高結晶度的第二層而不插入緩沖層。因此，當在第二層上形成GaN系 外延層時，可以使得第二層和GaN系外延層的晶格常數相互匹配，或者相互非常接 近，并因此獲得具有髙結晶質量的GaN系外延層。
權利要求
1.發光元件，其特征在于包含β-Ga2O3基板、在所述β-Ga2O3基板上形成的GaN系半導體層、以及在所述GaN系半導體上形成的雙異型發光層。
2. 根據權利要求1所述的發光元件，其特征在于，所述雙異型發光層包含Si摻雜 GaN層、在所述Si摻雜GaN層上形成的未摻雜InGaN層、以及在所述未摻雜 InGaN層上形成的Mg摻雜GaN層或Mg摻雜AlGaN層。
3. 發光元件，其特征在于包含e-Ga203基板、以及在所述P-Ga203基板上形成的 多量子阱層。
4. 根據權利要求3所述的發光元件，其特征在于，所述多量子阱層包含未摻雜 InGaN層的阱層、以及In組成比與所述阱層不同的未摻雜InGaN層的阻擋層。
5. 半導體基板的制作方法，其特征在于包含在e -08203基板上形成GaN系半導體層的步驟； 在所述GaN系半導體層上形成GaN系外延層的步驟；以及 從所述GaN系外延層削除所述6 -Ga203基板和所述GaN系半導體層，制作所述 GaN系外延層的基板的步驟。
6. 根據權利要求5所述的半導體基板的制作方法，其特征在于，所述GaN系外延層 是GaN層、InGaN層、AlGaN層、或InGaAlN層。
全文摘要
本發明提供發光元件及半導體基板的制作方法。該發光元件包含β-Ga₂O₃基板、在所述β-Ga₂O₃基板上形成的GaN系半導體層、以及在所述GaN系半導體上形成的雙異型發光層。該半導體基板的制作方法包含在β-Ga₂O₃基板上形成GaN系半導體層的步驟；在所述GaN系半導體層上形成GaN系外延層的步驟；以及從所述GaN系外延層削除所述β-Ga₂O₃基板和所述GaN系半導體層，制作所述GaN系外延層的基板的步驟。
文檔編號H01L21/205GK101257079SQ20081008938
公開日2008年9月3日 申請日期2004年8月4日 優先權日2003年8月8日
發明者一之瀨升, 島村清史, 恩卡納西翁·安東尼亞·加西亞·比略拉, 青木和夫 申請人:株式會社光波