第III族氮化物化合物半導體發光器件及其制造方法與流程

本發明涉及第III族氮化物化合物半導體發光器件及其制造方法。更詳細地，本發明涉及具有形成在GaN襯底上的第III族氮化物化合物半導體層的第III族氮化物化合物半導體發光器件及其制造方法。

背景技術：
用于制備半導體晶體的方法包括氣相外延法如金屬有機化學氣相沉積法(MOCVD)或鹵化物氣相外延法(HVPE)、分子束外延法(MBE)、脈沖濺射沉積法(PSD)以及液相外延法。例如，在借助于MOCVD法形成第III族氮化物化合物半導體的情況下，在生長襯底上形成每一層。經常使用的生長襯底的例子包括其上形成有緩沖層的藍寶石襯底(例如，參見JP-A-10-335757的第0020段和圖1)和自支撐GaN襯底(例如，參見JP-A-10-335757的第0116段和圖4)。

技術實現要素：
然而，不容易制造具有大的厚度和足夠強度的自支撐GaN襯底。因此，這樣的自支撐GaN襯底昂貴。因而，有時使用包括足夠厚的支承襯底和粘附到支承襯底上的薄GaN襯底的襯底。在此情況下，從薄的GaN襯底生長第III族氮化物化合物半導體。本發明人通過深入研究弄清楚了如下情況：在使用薄的GaN襯底作為生長襯底來生長n型InGaN層(應變松弛層)的情況下，位錯容易從n型GaN層發生。在下文中對細節進行了描述。氮化物化合物半導體發光器件的晶體隨著位錯的增加而具有差的品質。因此，在使用薄GaN襯底作為生長襯底的情況下，需要抑制位錯發生的技術。完成了本發明以解決現有技術的上述問題。相應地，本發明的一個目的是提供一種在薄GaN襯底上形成第III族氮化物化合物半導體層的過程中抑制應變松弛層中的位錯發生的第III族氮化物化合物半導體發光器 件及其制造方法。根據第一實施方案的第III族氮化物化合物半導體發光器件包括GaN襯底、支承GaN襯底的支承襯底、發光層、在GaN襯底與發光層之間形成的第一導電半導體層以及經由發光層在與第一導電半導體層相反的側面處形成的第二導電半導體層。GaN襯底具有在10nm至10μm的范圍內的厚度。第一導電半導體層包含InGaN層。該InGaN層具有在大于0％至3％的范圍內的In組成比率X。使用薄GaN襯底作為生長襯底來制造第III族氮化物化合物半導體發光器件。在第III族氮化物化合物半導體發光器件中，InGaN層中的In組成比率的值小。因此，薄GaN襯底與InGaN層之間的晶格常數的差異小。從而，能夠松弛由于晶格常數的差異而導致的應變集中。因此，能夠抑制由于應變集中而導致的位錯發生。換言之，即使使用薄GaN襯底，在InGaN層中也幾乎不發生由于應變而導致的位錯。在根據第二實施方案的第III族氮化物化合物半導體發光器件中，InGaN層為n型InGaN層。該n型InGaN層具有在0.1％至2％的范圍內的In組成比率X。當In組成比率X落入該范圍內時，能夠進一步抑制InGaN層中的位錯發生。根據第三實施方案的第III族氮化物化合物半導體發光器件為其中GaN襯底具有在100nm至200nm范圍內的厚度的第III族氮化物化合物半導體發光器件。即使GaN襯底的厚度小，也能夠抑制InGaN層中的位錯發生。根據第四實施方案的用于制造第III族氮化物化合物半導體發光器件的方法是一種包括下述步驟的方法：將GaN襯底固定到支承襯底的GaN襯底固定步驟、形成包含InGaN層的第一導電半導體層的第一導電半導體層形成步驟、形成發光層的發光層形成步驟以及形成具有與所述第一導電半導體層的極性不同的極性的第二導電半導體層的第二導電半導體層形成步驟。GaN襯底固定步驟使用具有在10nm至10μm的范圍內的厚度的GaN襯底。第一導電半導體層形成步驟形成具有在大于0％至3％的范圍內的In組成比率X的InGaN層。用于制造第III族氮化物化合物半導體發光器件的方法使用薄GaN襯底作為生長襯底。所形成的InGaN層的In組成比率具有小的值。因此，薄GaN襯底與InGaN層之間的晶格常數的差異小。結果，能夠松弛由于 晶格常數的差異而導致的應變集中。因此，能夠抑制由于應變集中而導致的位錯發生。換言之，即使使用薄的GaN襯底，在InGaN層中也幾乎不發生由于應變而導致的位錯。在根據第五實施方案的用于制造第III族氮化物化合物半導體發光器件的方法中，第一導電半導體層形成步驟形成n型InGaN層作為InGaN層。該n型InGaN層具有在0.1％至2％的范圍內的In組成比率X。當In組成比率X落入該范圍內時，能夠進一步抑制InGaN層中的位錯發生。在根據第六實施方案的用于制造第III族氮化物化合物半導體發光器件的方法中，所使用的GaN襯底具有在100nm至200nm范圍內的厚度。即使GaN襯底的厚度小，也能夠進一步抑制InGaN層中的位錯發生。根據本發明，提供了一種在薄GaN襯底上形成第III族氮化物化合物半導體層的過程中抑制應變松弛層中的位錯發生的第III族氮化物化合物半導體發光器件及其制造方法。附圖說明圖1是用于說明根據實施方案的第III族氮化物化合物半導體發光器件的視圖；圖2是用于說明根據實施方案的用于制造第III族氮化物化合物半導體發光器件的方法的一個視圖；圖3是用于說明根據實施方案的用于制造第III族氮化物化合物半導體發光器件的方法的另一視圖；圖4是具有在薄GaN襯底上具有6.5％的In組成比率的InGaN層的發光器件中的TEM照片；圖5是示出發光層中的InGaN層中的In組成比率改變時的總輻射通量的曲線圖，在所述發光層中每個半導體層均形成在薄GaN襯底上；圖6是示出流過發光器件的電流與發射波長的偏移量之間的關系的曲線圖；圖7是示出流過發光器件的電流與總輻射通量之間的關系的曲線圖；圖8是示出在其中n型InGaN層中的In組成比率為0.8％的發光器件中的n型InGaN層的位錯的陰極發光照片；圖9是示出在其中n型InGaN層中的In組成比率為0.8％的發光器件中的p型AlGaN層的位錯的陰極發光照片；圖10是示出在其中n型InGaN層中的In組成比率為6.5％的發光器件中的n型InGaN層的位錯的陰極發光照片；圖11是示出在其中n型InGaN層中的In組成比率為6.5％的發光器件中的p型AlGaN層的位錯的陰極發光照片；圖12是示出在其中每個半導體層形成在薄GaN襯底上的發光器件中的InGaN層中的In組成比率為0.8％時的光致發光照片；圖13是示出在其中每個半導體層形成在薄GaN襯底上的發光器件中的InGaN層中的In組成比率為3.0％時的光致發光照片；圖14是示出在其中每個半導體層形成在薄GaN襯底上的發光器件中的InGaN層中的In組成比率為6.5％時的光致發光照片。具體實施方式下面參考附圖對具體實施方案進行描述。然而，那些實施方案為示例性的實施例，本發明不限于那些實施方案。各附圖中所示出的每層的厚度為概念上的厚度，而未示出實際厚度。1.半導體發光器件參考圖1描述根據實施方案的發光器件100。發光器件100為包括第III族氮化物化合物半導體的半導體發光器件。如圖1所示，發光器件100包括支承襯底10、GaN襯底20、n型接觸層30、應變松弛層40、發光層50、p型覆層60以及p型接觸層70。發光器件100具有沿每層的厚度方向的用于露出n型接觸層30的非通孔。n型接觸層30具有形成在其上的n電極N1。p型接觸層70具有形成在其上的p電極P1。n型層形成在GaN襯底20與發光層50之間，p型層經由發光層50形成在與n型層相反的一側處。支承襯底10為用于為發光器件100提供強度的襯底。此外，支承襯底10為用于支承GaN襯底20的襯底。GaN襯底20為用于在其上方形成第III族氮化物化合物半導體層的生長襯底。GaN襯底20粘附到支承襯底10。n型接觸層30為實際上接觸n電極N1的層。n型接觸層30為包括n型GaN的層。n型接觸層30的Si濃度為1×1018/cm3或更大。n型接觸層30可以包括具有不同的載流子濃度的多個層。這樣的n型接觸層改善了與n電極的歐姆特性。應變松弛層40為用于使附加到發光層50的應變松弛的層。應變松弛層40為n型InGaN層。在下文中詳細地描述應變松弛層40中的In組成比率。在摻雜Si時，載流子層為1×1017/cm3或更小。發光層50為通過使電子和空穴復合來發光的層。發光層50具有包括重復層疊的單元層疊結構的多量子阱結構(MQW結構)。本文中所使用的單元層疊結構是指從底部依次層疊InGaN層、GaN層和AlGaN層的結構。單元層疊結構的重復次數為9次。重復次數可以在5次至12次的范圍內改變。重復次數可以是不同于此的數。此外，可以改變單元層疊結構中每個層的層疊次序。單元層疊結構本身能夠使用除了上述結構之外的單元層疊結構。在此情況下，可以自由地組合GaN、InGaN、AlGaN和AlInGaN。p型覆層60為用于防止電子擴散到p型接觸層70中的層。p型覆層60為包括p型AlGaN的層。可替代地，p型覆層60可以為通過使用包括p型InGaN的層和包括p型AlGaN的層作為單元結構并且重復地層疊該單元結構而獲得的層。例如，重復的次數為7次。重復的次數可以在3次至15次的范圍內。p型接觸層70為用于實現與p電極P1的歐姆接觸的層。p型接觸層70包括第一p型接觸層71和第二p型接觸層72。第一p型接觸層71和第二p型接觸層72各自為包括摻雜有Mg的p型GaN的層。在這些層中，將第一p型接觸層71定位成低于第二p型接觸層72的層。實際上接觸p電極P1的層為第二p型接觸層72。第一p型接觸層71中所摻雜的Mg的量在1×1019/cm3至1×1020/cm3的范圍內。Mg濃度的范圍為獲得高空穴濃度而不降低結晶度的范圍。在第二p型接觸層72中所摻雜的Mg的量在1×1020/cm3至1×1022/cm3的范圍內。因而，在第二p型接觸層72中所摻雜的Mg的量大于在第一p型接觸層71中所摻雜的Mg的量。2.在半導體發光器件中每個層的厚度下面描述了每個層的厚度。支承襯底10的厚度為例如2mm。該厚度可以在1mm至3mm的范圍內改變。GaN襯底20的厚度為例如150nm。該厚度在10nm至10μm的范圍內。該厚度可以在100nm至2000nm的范圍內改變。n型接觸層30具有20000埃的厚度，但是當然可以具有不同于該值的厚度。應變松弛層40具有1500埃的厚度，但是可以具有不同于該值的厚度。在應變松弛層40的厚度為1500埃的情況下總輻射通量的值(歸一化的Po)被認為是100％。在總輻射通量用作標準值的情況下，應變松弛層40的厚度在500埃至2500埃的范圍內以獲得為標準值的95％或更多的總輻射通量。此外，應變松弛層40的厚度在1000埃至2000埃的范圍內以獲得為標準值的99％或更多的總輻射通量。在發光層50中，InGaN層的厚度為32埃，GaN層的厚度為15埃，而AlGaN層的厚度為22.5埃。p型覆層60的厚度為100埃。第一p型接觸層71的厚度為800埃。第二p型接觸層72的厚度為50埃。當然，這些層可以具有不同于上述值的厚度。3.應變松弛層(n型InGaN層)中的In組成比率下面描述應變松弛層40(n型InGaN層)中的In組成比率。如表1所示，在應變松弛層40(n型InGaN層)中的In組成比率在大于0％至3％的范圍內。如表2所示，在應變松弛層40(n型InGaN層)中的In組成比率更優選地在0.1％至2.0％的范圍內。如表3所示，在應變松弛層40(n型InGaN層)中的In組成比率還更優選地在0.5％至1.5％的范圍內。在下文中對這些范圍進行詳細地描述。[表1]在應變松弛層中的In組成比率X：0％＜X≤3.0％[表2]在應變松弛層中的In組成比率X：0.1％≤X≤2.0％[表3]在應變松弛層中的In組成比率X：0.5％≤X≤1.5％4.半導體發光器件的制造方法下面描述用于制造根據實施方案的半導體發光器件的方法。4-1.(A)GaN襯底固定步驟GaN襯底20粘附到支承襯底10。為了實現該目的，使用了粘合劑。從而，獲得包括支承襯底10和粘附并固定到支承襯底10的GaN襯底20的襯底本體80，如圖2所示。4-2.(B)半導體層形成步驟外延地生長上述每層上的晶體。外延生長的方法使用金屬有機化學氣相沉積法(MOCVD)。也可以使用氣相外延法如鹵化物氣相外延法(HVPE)；分子束外延法(MBE)；液相外延法等。所使用的載氣為氫(H2)、氮(N2)或氫與氮的混合氣體(H2+N2)。氨氣(NH3)可用作氮源。三甲基鎵(Ga(CH3)3：在下文中稱為“TMG”)可用作Ga源。三甲基銦(In(CH3)3：在下文中稱為“TMI”)可用作In源。三甲基鋁(Al(CH3)3：在下文中稱為“TMA”)可用作Al源。硅烷(SiH4)可用作n型摻雜劑氣體。環戊二烯基鎂(Mg(C5H5)2：在下文中稱為“CP2Mg”)可用作p型摻雜劑氣體。4-2-1.(B-1)n型接觸層形成步驟在GaN層上形成n型接觸層30(參見圖3)。將襯底溫度增加至1100℃同時使氫氣(作為載氣)和氨氣流動。當襯底溫度達到1100℃時，供給TMG、氨氣和作為雜質氣體的硅烷。從而，形成n型接觸層30。4-2-2.(B-2)應變松弛層形成步驟在n型接觸層30上形成應變松弛層40。在應變松弛層40(n型InGaN層)中的In組成比率為表1至表3中所示的范圍，如前所述的。在形成n型InGaN層時，將襯底溫度設置成830℃并且供給硅烷、TMG、TMI和氨。4-2-3.(B-3)發光層形成步驟在應變松弛層40上形成發光層50。為了實現此目的，重復形成單元層疊結構。重復次數如前所述。單元層疊結構為從底部依次層疊InGaN層、GaN層和AlGaN層的結構。在750℃至800℃范圍內的生長溫度下生長InGaN層。為了實現此目的，供給TMI、TMG和氨的原料氣體。在850℃至950℃范圍內的生長溫度下生長AlGaN層。為了實現此目的，供給TMA、TMG和氨的原料氣體。4-2-4.(B-4)p型覆層形成步驟在發光層50上形成p型覆層60。在形成p型AlGaN層時，將襯底溫度設置成855℃并且供給CP2Mg、TMA、TMG和氨。p型覆層60可以為p型InGaN層和n型AlGaN層的重復結構。在此情況下，在形成p型InGaN層時，將襯底溫度設置成855℃并且供給CP2Mg、TMI、TMG和氨。4-2-5.(B-5)p型接觸層形成步驟在p型覆層60上形成p型接觸層70(參見圖3)。p型接觸層70為p型GaN。氮與氫的混合氣體用作載氣。CP2Mg、TMG和氨用作原料氣體。用于生長晶體的溫度在900℃至1050℃的范圍內。在形成第一p型接觸層71之后，形成第二p型接觸層72。從而，獲得如圖3所示的半導體層90。4-3.(C)電極形成步驟從p型接觸層70的表面進行干法蝕刻以形成到達n型接觸層30的一半的溝槽。在p型接觸層70上形成p電極P1。在p型接觸層70上形成包括ITO的層作為p電極P1。可以使用除了ITO之外的材料。可以使p電極的表面變粗糙。在露出的n型接觸層30上形成n電極N1。在n型接觸層30上依次形成Ni層和Au層作為n電極N1。這些電極的材料是示例性材料，并且電極的材料不限于上述材料。從而，制造圖1所示的發光器件100。5.實驗5-1.在使用薄生長襯底的情況下所產生的位錯下面描述在使用薄生長襯底的發光器件中的位錯。描述了薄GaN襯底用作生長襯底的情況。圖4是已經在薄GaN襯底上形成具有6.5％的In組成比率的n型InGaN層的情況下的TEM照片。如圖4所示，位錯從n型InGaN層發生。另一方面，在使用厚GaN襯底的情況下，不發生位錯。換言之，當使用薄GaN襯底時，易于從InGaN層發生位錯。下面對原因進行描述。具有低位錯密度的GaN襯底中的晶格缺陷小。為此，由于晶格缺陷導致的應變松弛的程度小。從而，在作為生長襯底的GaN襯底薄的情況下，難以減輕GaN襯底的GaN與InGaN層之間的晶格常數差異。因此，由于應變未能得到松弛而發生位錯。5-2.應變松弛層(n型InGaN層)中的In組成比率與總輻射通量之間的關系圖5示出了應變松弛層(n型InGaN層)中的In組成比率(GaInN：Si膜中的InN摩爾百分數(％))與總輻射通量(Po(任意單位))之間的關系。圖5中的水平軸示出在應變松弛層40(n型InGaN層)中的In組成比率。圖5中的垂直軸示出發光器件100的總輻射通量(Po)。在測量點中，當n型InGaN層中的In組成比率為0.8％時，總輻射通量具有最大值。該點表示為A。如圖5所示，在未包含In的情況下，與In組成比率為0.8％(點A)時的情況相比，總輻射通量略有降低。從而，在未包含In時，沒有獲得通過InGaN層使應變松弛的效果。另一方面，在In組成比率大于3％時，總輻射通量小。據認為原因是In組成比率過大，結果，待生長的半導體發光器件的結晶性差。原因是InGaN層中發生位錯的可能性，如圖4中所說明的。在圖5中的區域R1與表1中的In組成比率的范圍(0％＜X≤3.0％)對應。在區域R1的范圍內的總輻射通量為點A處的總輻射通量的98％或更多。在圖5中的區域R2與在表2中的In組成比率的范圍(0.1％≤X≤2.0％)對應。在區域R2的范圍內的總輻射通量為點A處的總輻射通量的99％或更多。在圖5中的區域R3與表3中的In組成比率的范圍(0.5％≤X≤1.5％)對應。在區域R3的范圍內的總輻射通量為點A處的總輻射 通量的99.5％或更多。5-3.電流與波長偏移量之間的關系圖6示出了顯示在應變松弛層40(n型InGaN層)中的In組成比率為0.8％時發光器件100中的發射波長的偏移量對電流的依賴性的曲線圖。圖6中的水平軸示出流過發光器件100中的電流(IF(mA))。圖6中的垂直軸示出發光器件100中的發射波長的偏移量(歸一化的波長偏移(nm))。圖6示出應變松弛層40為n型InGaN層(In組成比率：0.8％)和應變松弛層40為GaN層(In組成比率：0％)的情況。如圖6所示，與應變松弛層40為n型InGaN層的情況相比，應變松弛層40為GaN層的情況示出大的發射波長的偏移量。換言之，與應變松弛層40為GaN層的情況相比，應變松弛層40為n型InGaN層的情況顯示出小的發射波長的偏移量。因而，應變松弛層為n型InGaN層的情況不導致發射波長的不均勻性。這暗示當應變松弛層為n型InGaN層時，應變得到松弛并且此外應變松弛層中的位錯發生得到抑制。換言之，如前所述的半導體發光器件的結晶性良好。5-4.電流與總輻射通量之間的關系圖7示出了顯示在應變松弛層40(n型InGaN層)中的In組成比率為0.8％時發光器件100中的總輻射通量(Po)對電流的依賴性的曲線圖。圖7中的水平軸示出流過發光器件100的電流(IF(mA))。圖7中的垂直軸示出發光器件100中的總輻射通量(歸一化的Po(任意單位))。圖7示出應變松弛層40為n型InGaN層(In組成比率：0.8％)和應變松弛層40為GaN層(In組成比率：0％)的情況。如圖7所示，應變松弛層為n型InGaN層(In組成比率：0.8％)的情況顯示出總輻射通量(Po)對電流的良好依賴性。換言之，總輻射通量(歸一化的Po)幾乎與電流成比例。例如，當電流IF(mA)與總輻射通量(歸一化的Po)具有比例關系時，可以通過調節電流IF(mA)來控制發光器件100的亮度。在圖7中，與In組成比率為0％情況相比，在電流IF(mA)在約40mA至70mA的區域中，In組成比率為0.8％的情況顯示出小的相對于比例線的偏離。 換言之，與In組成比率為0％情況相比，In組成比率為0.8％的情況在控制發光器件100的亮度方面優異。因此，在流過大電流的情況下，應變松弛層為n型InGaN層的情況易于控制亮度。此結果表明：當應變松弛層為n型InGaN層時，應變被松弛并且此外抑制了應變松弛層中的位錯發生。換言之，如前所述的半導體發光器件的結晶性良好。5-5.陰極發光照片5-5-1.In組成比率為0.8％圖8和圖9示出了薄GaN襯底用作生長襯底時的發光器件的實驗結果。圖8是n型InGaN層的陰極發光照片。在此情況下，n型InGaN層中的In組成比率為0.8％。根據圖8，n型InGaN層的位錯密度為2×106cm-2。圖9是p型AlGaN層的陰極發光照片。在p型AlGaN層下方存在具有0.8％的In組成比率的n型InGaN層。根據圖9，p型AlGaN層的位錯密度為2×106cm-2。因而，n型InGaN層的位錯密度與p型AlGaN層的位錯密度具有相同的程度。換言之，從n型InGaN層到p型AlGaN層沒有觀察到位錯增加。5-5-2.In組成比率為6.5％圖10和圖11示出薄GaN襯底用作生長襯底時的發光器件的實驗結果。圖10是n型InGaN層的陰極發光照片。在此情況下，n型InGaN層中的In組成比率為6.5％。根據圖10，n型InGaN層的位錯密度為2×106cm-2。圖11是p型AlGaN層的陰極發光照片。在p型AlGaN層下面存在具有0.8％的In組成比率的n型InGaN層。根據圖11，p型AlGaN層的位錯密度為4×106cm-2。因而，p型AlGaN層的位錯密度是n型InGaN層的位錯密度的2倍。換言之，在n型AlGaN層之后的半導體層中的位錯增加。該結果與如圖4中所述的在n型InGaN層中發生位錯的情況不一致。5-6光致發光照片圖12至圖14示出了在改變應變松弛層40(n型InGaN層)中的In組成比率的情況下的光致發光照片。圖12是應變松弛層40(n型InGaN 層)中的In組成比率為0.8％時n型InGaN層的光致發光照片。在此情況下，幾乎觀察不到暗點。圖13是應變松弛層40(n型InGaN層)中的In組成比率為3.0％時n型InGaN層的光致發光照片。在此情況下，觀察到了暗點，但是暗點輕微。暗點密度為6.0×105/cm2。圖14是應變松弛層40(n型InGaN層)中的In組成比率為6.5％時n型InGaN層的光致發光照片。在此情況下，稍微觀察到暗點。暗點密度為1.2×106/cm2。換言之，在圖14的情況下的暗點密度是在圖13的情況下的暗點密度的2倍。6.修改實施例在本實施方案中，n型InGaN層用作應變松弛層40。然而，應變松弛層40可以具有超晶格結構。超晶格結構的實施例包括InGaN/GaN和AlInGaN/AlInGaN(包括AlInGaN/AlGaN的情況)。在nGaN/GaN的情況下，超晶格結構中的平均In組成比率Y0可以為0％＜Y0≤3％的范圍(表1的范圍)。平均In組成比率Y0也可以為表2和表3的范圍。在AlInGaN/AlInGaN的情況下，考慮到超晶格結構中的a軸或c軸的晶格常數，GaInN中的平均In組成比率Y1可以被調整到0％＜Y1≤3％的范圍(表1的范圍)。此外，Y1可以被調整到表2和表3的范圍。7.總結如上面詳細描述的，通過使用薄GaN襯底作為生長襯底來制造本實施方案的第III族氮化物化合物半導體發光器件。在第III族氮化物化合物半導體發光器件中，InGaN層中的In組成比率的值小。因此，薄GaN襯底與InGaN層之間的晶格常數的差異小。從而，能夠松弛由于晶格常數的差異而導致的應變集中。因此，能夠抑制由于應變集中而導致的位錯發生。換言之，即使使用薄GaN襯底，在InGaN層中也幾乎不發生由于應變而導致的位錯。本實施方案僅為示例性實例。因此，能夠在不背離要旨的范圍內進行各種改進和修改。在本實施方案中，金屬有機化學氣相沉積法(MOCVD)用作外延生長法。然而，也可以使用氣相外延法如鹵化物氣相外延法(HVPE)；分子束外延方法(MBE)；液相外延方法等。