Ⅲ族氮化物半導體器件、外延襯底及Ⅲ族氮化物半導體器件的制作方法

專利名稱：Ⅲ族氮化物半導體器件、外延襯底及Ⅲ族氮化物半導體器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及III族氮化物半導體器件、外延襯底及III族氮化物半導體器件的制
作方法。
背景技術：
在專利文獻1中，記載了具有與氧濃度成比例的η型載流子的η型GaN。在原料氣 體中包含氧，使GaN在GaAs襯底上外延生長。除去GaAs襯底，得到GaN自支撐膜。在專利文獻2中，記載了生長氮化鎵單晶的方法。根據該方法，可以將氧作為η型 摻雜劑混入。在專利文獻3中，記載了 GaN基化合物半導體的制造方法。在填充容器內以至少 一部分為液體的方式填充GaN基化合物半導體制造用氨。該液相的氨中的水分濃度用傅立 葉變換紅外分光法(FT-IR)測定為0. 5體積ppm以下。將該氨作為原料，在氣體狀態下導 入容納有襯底的反應室內，在襯底上形成包含GaN基化合物的層。專利文獻專利文獻1 日本特開2000-044400號公報專利文獻2 日本特開2002-373864號公報專利文獻3 日本特開2004-363622號公報

發明內容
根據本發明人的發現，作為施主起作用的氧容易混入到氮化鎵的非c面中。該現 象說明當在具有半極性或無極性的主面的氮化鎵襯底上淀積氮化鎵基半導體時，需要控 制氧濃度以使氧的意外混入不會損害器件特性。另一方面，氧容易混入到小面(facet)中， 這暗示了通過添加氧能夠在氮化鎵基半導體的生長中使非c面的生成穩定化的可能性。此 時，在氮化鎵基半導體在氮化鎵襯底的、具有半極性或無極性的主面上的生長中，氮化鎵基 半導體根據其氧濃度而具有不同的結晶品質。從器件特性的方面考慮，當外延膜具有η型GaN襯底時使用的氧濃度時，如果考慮 到氧是氮化鎵基半導體中的η型摻雜劑，則推測不能忽視半導體器件的電特性的變化。例 如，在半導體光器件中，根據在η型氮化鎵基半導體層、發光層及P型氮化鎵基中摻雜的氧 量，推測不能忽視器件的發光效率及電特性的變化。 本發明鑒于以上情況而做出，其目的在于提供包含具有良好表面形態的氮化鎵基 半導體膜的III族氮化物半導體器件，另外，本發明的目的在于提供制作III族氮化物半導 體器件的方法，另外，本發明的目的還在于提供包含具有良好表面形態的氮化鎵基半導體 膜的外延襯底。 本發明的一個方面的III族氮化物半導體器件，具備(a) III族氮化物半導體支 撐體，包含III族氮化物半導體，并且具有相對于與沿該III族氮化物半導體的C軸方向延
6伸的基準軸正交的基準平面形成有限角度的主面；和(b)氮化鎵基半導體區域，設置在所 述III族氮化物半導體支撐體的所述主面上，并且具有5X IO16CnT3以上、5X IO18CnT3以下的 氧濃度。所述主面顯示半極性或無極性中的任意一種特性，所述氮化鎵基半導體區域包含 第一導電型氮化鎵基半導體層。根據該III族氮化物半導體器件，當氮化鎵基半導體區域設置在半極性面或無極 性面上并且氮化鎵基半導體區域含有5 X IO16CnT3以上的氧時，氮化鎵基半導體區域的表面 形態變得平坦。氮化鎵基半導體區域的表面也與襯底主面的半極性面或無極性面相應地分 別顯示半極性或無極性。氮化鎵基半導體區域超過5X IO18CnT3以下的范圍含有氧時，氮化 鎵基半導體區域的結晶品質變差。另外，氮化鎵基半導體區域含有1 X IO17CnT3以上的氧時， 氮化鎵基半導體區域的表面形態變得更加平坦。本發明的III族氮化物半導體器件，具備(a) III族氮化物半導體支撐體，包含 III族氮化物半導體，并且具有相對于與沿該III族氮化物半導體的C軸方向延伸的基準軸 正交的基準平面形成有限角度的主面；(b)氮化鎵基半導體區域，設置在所述III族氮化物 半導體支撐體的所述主面上，并且具有5X IO16CnT3以上、5X IO18CnT3以下的氧濃度；(c)有 源層，設置在所述氮化鎵基半導體區域上，和(d)第二導電型氮化鎵基半導體層，設置在所 述有源層上。所述主面顯示半極性和無極性中的任意一種特性，所述氮化鎵基半導體區域 包含第一導電型氮化鎵基半導體層，所述有源層設置在所述第一導電型氮化鎵基半導體層 與所述第二導電型氮化鎵基半導體層之間。根據該III族氮化物半導體器件，當氮化鎵基半導體區域設置在半極性面或無極 性面上并且氮化鎵基半導體區域含有5 X IO16CnT3以上的氧時，氮化鎵基半導體區域的表面 形態變得平坦。氮化鎵基半導體區域的表面也與襯底主面的半極性面或無極性面相應地分 別顯示半極性或無極性。氮化鎵基半導體區域超過5X IO18CnT3以下的范圍含有氧時，氮化 鎵基半導體區域的結晶品質變差。根據上述范圍的氧濃度，可以在表面形態良好的第一導 電型氮化鎵基半導體層上設置有源層。另外，氮化鎵基半導體區域含有IXlO17cnT3以上的 氧時，氮化鎵基半導體區域的表面形態變得更加平坦。本發明的一個方面的III族氮化物半導體器件中，所述有源層的氧濃度可以 為5X IO16CnT3以上。根據該III族氮化物半導體器件，當有源層含有5X IO16CnT3以上的 氧時，有源層的表面形態變得平坦。另外，由于氧作為施主起作用，因此，當有源層含有 5X IO16Cm-3以上的氧時，還具有器件的驅動電壓下降、有源層的壓電場下降的效果。另外， 本發明的一個方面的III族氮化物半導體器件中，所述有源層的氧濃度可以為IXlO17cnT3 以上。根據該III族氮化物半導體器件，當有源層含有IX IO17CnT3以上的氧時，有源層的表 面形態變得更加平坦。本發明的一個方面的III族氮化物半導體器件中，所述有源層的氧濃度可以為 5X IO18Cm-3以下。根據該III族氮化物半導體器件，當有源層超過5X 1018cm_3以下的范圍 含有氧時，有源層的結晶品質變差。另外，有源層超過5X IO18CnT3以下的范圍含有氧時，由 有源層中的自由載流子吸收造成的光學損失增加。本發明的一個方面的III族氮化物半導體器件中，所述第二導電型氮化鎵基半導 體層的氧濃度可以為5X IO16CnT3以上。根據該III族氮化物半導體器件，當第二導電型氮 化鎵基半導體層中含有氧濃度為5X IO16CnT3以上的氧時，第二導電型氮化鎵基半導體層的
7表面形態變得平坦。另外，本發明的一個方面的III族氮化物半導體器件中，所述第二導電 型氮化鎵基半導體層的氧濃度可以為IXlO17cnT3以上。根據該III族氮化物半導體器件， 當第二導電型氮化鎵基半導體層中含有氧濃度為IXlO17cnT3以上的氧時，第二導電型氮化 鎵基半導體層的表面形態變得更加平坦。本發明的一個方面的III族氮化物半導體器件中，所述第二導電型氮化鎵基半導 體層的氧濃度可以為5X IO18cnT3以下。根據該III族氮化物半導體器件，當第二導電型氮 化鎵基半導體層超過5 X IO18CnT3以下的范圍含有氧時，第二導電型氮化鎵基半導體層的結 晶品質變差。另外，第二導電型氮化鎵基半導體層超過5X IO18CnT3以下的范圍含有氧時，第 二導電型氮化鎵基半導體層的導電性變差。本發明的一個方面的III族氮化物半導體器件中，所述第一導電型氮化鎵基半導 體層的碳濃度可以為5X IO18CnT3以下，所述第二導電型氮化鎵基半導體層的碳濃度可以為 5X IO18Cm-3以下，并且所述有源層的碳濃度可以為5X IO18CnT3以下。根據該III族氮化物半 導體器件，當生長中不可避免地混入到氮化鎵基半導體中的碳濃度高時，容易出現穩定的c 面小面。通過降低氮化鎵基半導體的碳濃度，可以避免在氮化鎵基半導體中產生小面。但 是，在此所說的碳濃度不包括在氮化鎵基半導體生長后形成于表面上的污染物。本發明的一個方面的III族氮化物半導體器件，還可以具有另一個第二導電型氮 化鎵基半導體層。所述第二導電型氮化鎵基半導體層的帶隙大于所述另一個第二導電型氮 化鎵基半導體層的帶隙，所述第二導電型氮化鎵基半導體層的氧濃度大于所述有源層的氧 濃度，所述第二導電型氮化鎵基半導體層設置在所述另一個第二導電型氮化鎵基半導體層 與所述有源層之間，所述第二導電型氮化鎵基半導體層與所述另一個第二導電型氮化鎵基 半導體層形成結(junction)。根據該III族氮化物半導體器件，由于第二導電型氮化鎵基半導體層的氧濃度大 于有源層的氧濃度，因此，第二導電型氮化鎵基半導體層與另一個第二導電型氮化鎵基半 導體層的結面變得平坦，因此，該界面處的散射損失減少。本發明的一個方面的III族氮化物半導體器件，還可以具有設置在所述有源層與 所述第二導電型氮化鎵基半導體層之間的包含氮化鎵基半導體的光導層。所述有源層沿相 對于所述基準平面傾斜的平面延伸，所述第二導電型氮化鎵基半導體層為電子阻擋層。根據該III族氮化物半導體器件，由于在半極性面或無極性面上設置有源層、光 導層和第二導電型氮化鎵基半導體層，因此，這些半導體層的壓電場比c面上的半導體層 的壓電場小。由于小的壓電極化不易在該主面上產生載流子溢出(carrier overflow)，因 此，在P型半導體層中添加作為施主起作用的氧可以得到平坦化的效果。因此，除了通過添 加氧而形成具有平坦表面形態的P型半導體層之外，還可以提供高的載流子注入效率。本發明的III族氮化物半導體器件中，所述有源層包含交替排列的阱層和勢壘 層，所述阱層的氧濃度可以為6X IO17CnT3以下。根據該III族氮化物半導體器件，當活性層 的氧濃度高時，由自由載流子吸收造成的光學損失增加。由于阱層的氧濃度為6X IO17CnT3 以下，因此可以避免有效的光學損失，另外，可以避免由于阱層的結晶品質下降導致的發光 效率的下降。本發明的一個方面的III族氮化物半導體器件中，所述主面的法線與所述基準軸 所成的角度可以為10度以上、170度以下。根據該III族氮化物半導體器件，非極性的貢獻
8得到適當的發揮。該非極性表示半極性和無極性。本發明的一個方面的III族氮化物半導體器件中，所述主面的法線與所述基準軸 所成的角度可以為10度以上、80度以下，或者所述主面的法線與所述基準軸所成的角度可 以為100度以上、170度以下。根據該III族氮化物半導體器件，半極性或無極性的貢獻得 到適當的發揮。本發明的一個方面的III族氮化物半導體器件中，所述主面的法線與所述基準軸 所成的角度可以為63度以上、80度以下，或者所述主面的法線與所述基準軸所成的角度可 以為100度以上、117度以下。根據該III族氮化物半導體器件，傾斜角(off angle)在上 述范圍內時，壓電極化特別小。因此，不易產生載流子溢出。本發明的另一方面，是用于III族氮化物半導體器件的外延晶片。外延晶片具 備(a) III族氮化物半導體襯底，包含III族氮化物半導體，并且具有相對于與沿該III族 氮化物半導體的c軸方向延伸的基準軸正交的基準平面形成有限角度的主面；(b)第一導 電型氮化鎵基半導體區域，設置在所述III族氮化物半導體襯底的所述主面上，并且具有 5X IO16Cm-3以上、5X1018cm_3以下的氧濃度；(c)發光層，設置在所述第一導電型氮化鎵基 半導體層上，和(d)第二導電型氮化鎵基半導體層，設置在所述發光層上。所述主面顯示半 極性和無極性中的任意一種特性。根據該外延晶片，當第一導電型氮化鎵基半導體層設置在半極性面或無極性面上 并且第一導電型氮化鎵基半導體層含有5X IO16CnT3以上的氧時，第一導電型氮化鎵基半導 體層的表面形態變得平坦。可以在表面形態良好的第一導電型氮化鎵基半導體層上設置發 光層。另外，第一導電型氮化鎵基半導體層的表面也顯示非極性。第一導電型氮化鎵基半 導體層超過5X IO18CnT3以下的范圍含有氧時，第一導電型氮化鎵基半導體層的結晶品質變 差。本發明的另一方面的外延晶片，還可以具有另一個第二導電型氮化鎵基半導體 層。所述第二導電型氮化鎵基半導體層的帶隙大于所述另一個第二導電型氮化鎵基半導體 層的帶隙，所述第二導電型氮化鎵基半導體層的氧濃度大于所述發光層的氧濃度，所述第 二導電型氮化鎵基半導體層設置在所述另一個第二導電型氮化鎵基半導體層與所述發光 層之間，所述第二導電型氮化鎵基半導體層與所述另一個第二導電型氮化鎵基半導體層形 成結。根據該外延晶片，由于第二導電型氮化鎵基半導體層的帶隙大于另一個第二導電 型氮化鎵基半導體層的帶隙并且第二導電型氮化鎵基半導體層設置在另一個第二導電型 氮化鎵基半導體層與發光層之間，因此，第二導電型氮化鎵基半導體層作為電子阻擋層起 作用，另外，另一個第二導電型氮化鎵基半導體層作為包覆層起作用。由于第二導電型氮化 鎵基半導體層的氧濃度大于發光層的氧濃度，因此，第二導電型氮化鎵基半導體層與另一 個第二導電型氮化鎵基半導體層的結的平坦性優良。通過該平坦性，第二導電型氮化鎵基 半導體層與另一個第二導電型氮化鎵基半導體層的界面處的光散射減少。本發明的另一方面的外延晶片中，所述第二導電型氮化鎵基半導體層的氧濃度為 5X IO16Cm-3以上，且所述第二導電型氮化鎵基半導體層的氧濃度為5X1018cm_3以下。所述 第二導電型氮化鎵基半導體層是電子阻擋層，所述發光層包含具有交替排列的阱層和勢壘 層的有源層，所述發光層還具備包含氮化鎵基半導體的光導層，該光導層設置在所述有源層與所述第二導電型氮化鎵基半導體層之間，所述發光層的所述光導層沿相對于所述基準 平面傾斜的平面延伸。另外，本發明的另一方面的外延晶片中，所述第二導電型氮化鎵基半 導體層的氧濃度可以為IXlO17cnT3以上。根據該外延晶片，由于在半極性面或無極性面上設置有源層、光導層和第二導電 型氮化鎵基半導體層，因此，這些半導體層的壓電場比c面上的半導體層的壓電場小。從載 流子補償的觀點考慮優選不在P型半導體層中添加施主雜質氧，但是，由于半極性面或無 極性面的壓電極化小，因此，該襯底主面上的載流子溢出減少。因此，第二導電型氮化鎵基 半導體層的氧濃度雖然為5X IO16CnT3以上、5X IO18CnT3以下，但是可以避免載流子注入效率 的下降。本發明的另一方面的外延晶片中，所述主面的法線與所述基準軸所成的角度可以 為10度以上、180度以下，或者所述主面的法線與所述基準軸所成的角度可以為100度以 上、170度以下。或者，本發明的另一方面的外延晶片中，所述主面的法線與所述基準軸所成 的角度相對于所述基準平面可以為63度以上、80度以下，或者所述主面的法線與所述基準 軸所成的角度相對于所述基準平面可以為100度以上、117度以下。本發明的再一方面，是制作III族氮化物半導體器件的方法。該方法包括以下工 序(a)準備包含III族氮化物半導體并且具有主面的III族氮化物半導體襯底的工序， (b)將III族原料和氮原料供給到生長爐中，在所述III族氮化物半導體襯底的所述主面上 生長具有5X IO16CnT3以上、5X IO18CnT3以下的氧濃度的第一導電型氮化鎵基半導體層的工 序，(c)將III族原料和氮原料供給到所述生長爐中，在所述第一導電型氮化鎵基半導體層 上生長發光層的工序，和(d)將III族原料和氮原料供給到所述生長爐中，在所述發光層上 生長第二導電型氮化鎵基半導體層的工序。所述主面顯示半極性和無極性中的任意一種特 性，所述第一導電型氮化鎵基半導體層的氧以所述III族原料和所述氮原料中的至少一種 中所含的雜質的形式提供，所述III族氮化物半導體襯底的所述主面相對于與沿該III族 氮化物半導體的c軸方向延伸的基準軸正交的基準平面形成有限的角度。根據該方法，當在半極性面或無極性面上生長的氮化鎵基半導體層含有 5X IO16Cm-3以上的氧時，該氮化鎵基半導體層的表面形態變得平坦。因此，在第一導電型氮 化鎵基半導體層的表面上不出現c面，氮化鎵基半導體層的表面也顯示與襯底主面對應的 極性。在半極性面上生長的氮化鎵基半導體層超過5X IO18CnT3以下的范圍含有氧時，該氮 化鎵基半導體層的結晶品質變差。可以在表面形態良好的第一導電型氮化鎵基半導體層上 進行發光層的生長。另外，氮化鎵基半導體層含有1 X IO17CnT3以上的氧時，該氮化鎵基半導 體層的表面形態變得更加平坦。本發明的方法中，所述氮原料包含氨，所述氮原料包含水作為雜質。所述發光層的 氧濃度為5X1016cm_3以上，且所述發光層的氧濃度為5X1018cm_3以下，所述第二導電型氮 化鎵基半導體層的氧濃度為5X1016cnT3以上，且所述第二導電型氮化鎵基半導體層的氧濃 度為5X IO18CnT3以下。優選所述第二導電型氮化鎵基半導體層的氧濃度大于所述發光層的 氧濃度。根據該方法，在主面上進行含有氧的氮化鎵基半導體的生長時，可以抑制在生長 中出現不符合該主面的極性取向的特定的小面(facet)。因此，表面形態變得平坦。另外， 在本發明的方法中，所述發光層的氧濃度可以為IXlO17cnT3以上。另外，本發明的方法中，以為5X IO18CnT3以下，所述第二導電型氮化鎵基半導體層的氧濃度 可以為IXlO17cnT3以上。根據這些方法，表面形態變得更加平坦。在本發明的方法中，優選所述第二導電型氮化鎵基半導體層的生長溫度低于所述 第一導電型氮化鎵基半導體層的生長溫度。根據該方法，由于降低了第二導電型氮化鎵基 半導體層的生長溫度，因此發光層中的熱應力減少。本發明的方法中，所述發光層可以包含InAlGaN層。InAlGaN層中，通過鋁含量可 以調節氧濃度，通過In含量的調節可以得到適當的帶隙。或者，本發明的方法中，所述發光 層可以包含InGaN層。本發明的方法中，可以使用含水量為500ppb%以下的氨作為所述氮原料。另外，本 發明的方法中，可以使用含水量為50ppb%以下的氨作為所述氮原料。另外，可以使用含水 量為lppb%以下的氨作為所述氮原料。本發明的方法中，使用設置在所述氮原料的原料源和所述生長爐之間的精制裝置 調節所述氮原料的水分濃度后，將所述氮原料供給到所述生長爐中，所述氮原料可以包含 氨。在本發明的方法中，所述氮原料的所述水分濃度可以為lppb%以下。通過調節氮原料 中的水分濃度，可以控制半導體層中的氧濃度。同樣，為了控制半導體層中的氧濃度，也可 以調節III族原料中的水分濃度。本發明的上述目的及其它目的、特征和優點，由以下參考附圖進行的本發明的優 選實施方式的詳細說明可以更容易地理解。發明效果如上所述，根據本發明的一個方面，可以提供包含具有良好表面形態的氮化鎵基 半導體膜的III族氮化物半導體器件。另外，根據本發明的另一方面，可以提供制作該III 族氮化物半導體器件的方法。另外，根據本發明的再一方面，可以提供包含具有良好表面形 態的氮化鎵基半導體膜的外延襯底。


圖1是示意地表示本實施方式的III族氮化物半導體光器件的圖。圖2是示意地表示本實施方式的III族氮化物半導體光器件的圖。圖3是表示c面和半極性面上的有源層、光導層及ρ型氮化鎵基半導體層的能帶 圖的圖。圖4是表示本實施方式的制作方法的主要工序中的產品的圖。圖5是表示本實施方式的制作方法的主要工序中的產品的圖。圖6是表示本實施方式的制作方法的主要工序中的產品的圖。圖7是表示本實施方式的制作方法的主要工序中的產品的圖。圖8是表示實施例1中的半導體激光器LDl的圖。圖9是表示顯示半導體激光器LDl和半導體激光器LDCl的激光器結構的ρ型接 觸層的表面形態的微分干涉顯微鏡圖像的圖。圖10是表示實施例2的半導體激光器LD2的圖。圖11是表示絕對溫度300度及絕對溫度10度下測定的EL光譜的圖。圖12是表示實施例3的發光二極管的圖。
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圖13是表示實施例4的激光二極管的結構的圖。圖14是表示實施例4和比較例的ρ型接觸層的表面形態的圖。圖15是表示實施例5的激光二極管的結構的圖。圖16是表示實施例4及其比較例的激光二極管的I-V特性的圖。符號說明IlaUlb-III族氮化物半導體光器件、13··· III族氮化物半導體支撐體、15··· 氮化鎵基半導體區域、17···有源層、19···氮化鎵基半導體區域、Sc…基準平面、VC…c軸矢 量、VN…法線矢量、A。ff…傾斜角、21···第一導電型氮化鎵基半導體層、23···氮化鎵基半導體 層、25···氮化鎵基半導體層、27···第二導電型氮化鎵基半導體層、29a…阱層、29b…勢壘層、 29…量子阱結構、31a、31b…結面、33···第一電極、35···第二電極
具體實施例方式本發明的見解通過參考作為例示給出的附圖來思考以下詳細說明可以容易地理 解。接著，參考附圖對本發明的III族氮化物半導體器件、外延襯底以及外延襯底和III族 氮化物半導體器件的制作方法的實施方式進行說明。可能的情況下，同一部分使用同一符 號。在后續的說明中，作為半導體器件的一例，對半導體光器件進行說明。圖1是示意地表示本實施方式的III族氮化物半導體光器件的圖。圖1所示的 III族氮化物半導體光器件，具有例如可以應用于發光二極管的結構。III族氮化物半導體 光器件Ila具備III族氮化物半導體支撐體13、氮化鎵基半導體區域15、有源層17和氮 化鎵基半導體區域19。III族氮化物半導體支撐體13包含例如GaN、InGaN, AlGaN等III 族氮化物半導體。III族氮化物半導體支撐體13包含主面13a和背面13b。III族氮化物 半導體支撐體13的主面13a顯示非極性。該非極性表示半極性和無極性中的任意一種。III族氮化物半導體支撐體13具有無極性的主面13a時，主面13a可以是III族 氮化物半導體的a面、m面，或者可以是通過圍繞c軸旋轉而與a面或m面傾斜的面。III 族氮化物半導體支撐體13具有半極性的主面13a時，III族氮化物半導體支撐體13的主 面13a顯示相對于與基準軸Cx正交的基準平面Sc傾斜的半極性，基準軸Cx沿III族氮化 物半導體的c軸方向延伸。基準平面Sc例如表示代表性的c面。基準平面Sc與c軸矢量VC正交，法線矢量 VN顯示在主面13a上。c軸矢量VC相對于法線矢量VN形成角度A。ff&角度。該角度A。ff 稱為相對于c面的傾斜角。參考圖1，顯示的是表示III族氮化物半導體的六方晶系的晶 軸a軸、m軸和c軸的結晶坐標系CR，六方晶的c面記作“(0001) ”，記作“(000-1)，，的面方 位相對于(0001)面朝向相反的方向。另外，正交坐標系S表示幾何學坐標軸X、Y、Z。傾斜 的方向例如可以是a軸或m軸。氮化鎵基半導體區域15、有源層17和氮化鎵基半導體區域 19在非極性面主面上沿軸Ax排列。主面13a的法線矢量VN與基準軸Cx所成的角度相對 于基準平面Sc可以為10度以上、170度以下。氮化鎵基半導體區域15設置在主面13a上。氮化鎵基半導體區域15具有 5X IO16CnT3以上、5X IO18CnT3以下的氧濃度。氧濃度例如可以通過原料中的雜質濃度、襯底 的傾斜角、生長溫度、混晶的組成等進行控制。另外，氮化鎵基半導體區域15的氧濃度更優 選為IX IO17CnT3以上。氮化鎵基半導體區域15可以包含一個或多個氮化鎵基半導體層。本
12實施例中，氮化鎵基半導體區域15包含第一導電型氮化鎵基半導體層21和氮化鎵基半導 體層23。氮化鎵基半導體層21例如可以是η型半導體層，氮化鎵基半導體層23例如可以 是緩沖層。第一導電型氮化鎵基半導體層21例如包含η型氮化鎵基半導體，η型氮化鎵基 半導體中例如添加有η型摻雜劑硅。η型氮化鎵基半導體例如可以包含GaN、AlGaN、InGaN、 InAlGaN等。氮化鎵基半導體層23例如包含無摻雜的氮化鎵基半導體。氮化鎵基半導體例 如可以包含InGaN、InAlGaN、GaN等。氮化鎵基半導體層23具有5X IO16CnT3以上的氧濃度 時，在氮化鎵基半導體層23的主面上后續生長的有源層17的結晶品質變得良好。另外，氮 化鎵基半導體層23與在該半導體層的主面上生長的氮化鎵基半導體的界面良好。另外，氮 化鎵基半導體層23具有lX1017cm_3以上的氧濃度時，在氮化鎵基半導體層23的主面上后 續生長的有源層17的結晶品質變得更好。另外，氮化鎵基半導體區域19可以包含一個或多個氮化鎵基半導體層，本實施例 中，氮化鎵基半導體區域19包含氮化鎵基半導體層25和第二導電型氮化鎵基半導體層27。 氮化鎵基半導體層25例如可以包含無摻雜的或者ρ型氮化鎵基半導體。第二導電型氮化 鎵基半導體層27例如包含ρ型氮化鎵基半導體，ρ型氮化鎵基半導體中例如添加有ρ型摻 雜劑鎂。ρ型氮化鎵基半導體例如可以包含GaN、AlGaN、InAlGaN、InGaN等。第二導電型氮 化鎵基半導體層25例如可以是電子阻擋層，氮化鎵基半導體層27例如可以是ρ型接觸層。 在氮化鎵基半導體層21與氮化鎵基半導體層27之間設置有有源層17。有源層17設置在 氮化鎵基半導體區域15上，氮化鎵基半導體區域19設置在有源層17上。根據該III族氮化物半導體光器件11a，當氮化鎵基半導體區域15設置在主面 13a上并且氮化鎵基半導體區域15含有5X IO16CnT3以上的氧時，氮化鎵基半導體區域15 的主面15a的表面形態變得平坦。另外，氮化鎵基半導體區域15含有IXlO17cnT3以上的 氧時，主面15a的表面形態變得更加平坦。因此，氮化鎵基半導體區域15的表面15a上不 出現小面，氮化鎵基半導體區域15的整個表面15a顯示與襯底主面13a的極性特性(半極 性、無極性)對應的極性特性。氮化鎵基半導體區域15超過5X IO18CnT3以下的范圍含有氧 時，氮化鎵基半導體區域15的結晶品質變差。在上述的氧濃度范圍內，可以在表面形態良 好的氮化鎵基半導體區域15上設置有源層17。因此，氮化鎵基半導體區域15與有源層17 的界面31a變得平坦。氧的添加被認為使非c面的生成穩定化。因此，氮化鎵基半導體區域15在主面上 的生長可以在保持生長面的非極性(半極性和無極性中的任意一種)的同時進行結晶生 長。結果，表面形態變得良好。作為氧的供給源，不排除作為摻雜劑有意添加的情況，但是， 通過對原料氣體中所含的雜質量進行管理，可以利用原料氣體的雜質。通過控制混入半極 性面或無極性面中的氧量，可以使作為有源層17的基底層的氮化鎵基半導體區域的表面 形態變得平坦。有源層17含有5 X IO16CnT3以上的氧時，有源層17的表面形態變得平坦。活性層 17含有5X IO18CnT3以下的氧時，有源層17的結晶品質良好。通過有源層17的表面平坦性 的改善，可以減少發光二極管中的發光不均勻。另外，有源層含有IXlO17cnT3以上的氧時， 有源層17的表面形態變得更加平坦。通過進一步提高該平坦性，可以進一步減少發光二極 管中的發光不均勻。III族氮化物半導體光器件Ila的有源層17，可以具有包含交替排列的阱層29a
13和勢壘層29b的量子阱結構29。阱層29a例如可以包含GaN、AlGaN、InGaN、InAlGaN等，勢 壘層29b例如可以包含GaN、AlGaN、InGaN、InAlGaN等。有源層17的阱層29a的氧濃度可 以為6X IO17CnT3以下。阱層29a的氧濃度高時，由自由載流子吸收造成的光學損失增加。 由于阱層29a的氧濃度為6X IO17CnT3以下，因此可以避免光學損失，另外，可以避免由于阱 層29a的結晶品質下降造成的發光效率下降。另外，勢壘層29b的氧濃度為阱層29a的氧 濃度以上時，勢壘層29b的表面形態變得良好。可以在表面形態良好的勢壘層29b上生長 阱層29a。有源層17可以包含InAlGaN層，該InAlGaN層可以作為阱層29a和/或勢壘層 29b使用。InAlGaN層中，通過鋁含量可以調節氧濃度，通過In含量的調節可以得到適當的 帶隙。或者，有源層17可以包含InGaN層，該InGaN層可以作為阱層29a和/或勢壘層29b 使用。InGaN層中，帶隙的調節容易，氧濃度的調節通過原料的雜質濃度、生長溫度等生長條 件來進行。有源層17的氧濃度為5 X IO16CnT3以上時，在有源層17的主面上后續生長的第二 導電型氮化鎵基半導體層25、27的結晶品質變得良好。另外，有源層17與在該半導體層的 主面上生長的氮化鎵基半導體的界面變得平坦。另外，有源層17的氧濃度為IXlO17cnT3以 上時，第二導電型氮化鎵基半導體層25、27的結晶品質和上述的界面平坦性更加優良。氮化鎵基半導體層25含有5 X IO16CnT3以上的氧時，氮化鎵基半導體層25的表面 形態變得平坦。另外，氮化鎵基半導體層25含有lX1017cm_3以上的氧時，氮化鎵基半導體 層25的表面形態變得更加平坦。氮化鎵基半導體層25的氧濃度可以為5X IO18CnT3以下。 超過5X IO18CnT3的氧濃度具有使氮化鎵基半導體層25的結晶品質下降的可能性。另外，氮化鎵基半導體層27含有5 X IO16CnT3以上的氧時，氮化鎵基半導體層27的 表面形態變得平坦。另外，氮化鎵基半導體層27含有IXlO17cnT3以上的氧時，氮化鎵基半 導體層27的表面形態變得更加平坦。氮化鎵基半導體層27的氧濃度可以為5X IO18CnT3以 下。超過5X IO18CnT3的氧濃度使氮化鎵基半導體層27的結晶品質下降。氮化鎵基半導體 層25的氧濃度大于氮化鎵基半導體層27的氧濃度時，氮化鎵基半導體層25的表面形態變 得平坦，因此，在其上形成的氮化鎵基半導體層27的結晶品質變得優良。氮化鎵基半導體 層25的氧濃度小于氮化鎵基半導體層27的氧濃度時，氮化鎵基半導體層25中氧對ρ型導 電的補償的影響減小，載流子注入效率變得優良。設置在半極性面或無極性面上的氮化鎵基半導體中，混入到氮化鎵基半導體中的 碳濃度高時，容易出現穩定的c面小面。通過降低氮化鎵基半導體的碳濃度，可以避免氮化 鎵基半導體中小面的產生。因此，氮化鎵基半導體層21、23的碳濃度優選為5X IO18CnT3以 下。氮化鎵基半導體層25、27的碳濃度可以為5X IO18CnT3以下，有源層17的碳濃度可以為 5X1018cm_3以下。碳例如由有機金屬原料供給。碳濃度可以通過原料中的雜質濃度、用于 摻雜碳的原料氣體、襯底的傾斜角、生長溫度、生長壓力等進行控制。根據該III族氮化物半導體光器件11a，氮化鎵基半導體層(例如，電子阻擋 層)25的帶隙大于氮化鎵基半導體層(例如，ρ型接觸層)27的帶隙，并且氮化鎵基半導體 層25設置在氮化鎵基半導體層27與有源層17之間。氮化鎵基半導體層25與氮化鎵基半 導體層27形成結31b。由于氮化鎵基半導體層25的氧濃度大于有源層17的氧濃度，因此 結面31b變得平坦。
III族氮化物半導體光器件Ila中，在氮化鎵基半導體層27上設置有第一電極 (例如陽極)33。由于氮化鎵基半導體層25設置在平坦的結面31a上，因此氮化鎵基半導 體層25具有良好的結晶品質。因此，提供良好的接觸特性。III族氮化物半導體光器件Ila中，主面13a的角度A。ff相對于基準平面Sc可以 為10度以上、80度以下。主面13a的角度々。 相對于基準平面Sc可以為100度以上、170 度以下。根據該III族氮化物半導體光器件11a，半極性的貢獻得到適當的發揮。在支撐 襯底13的背面13b上，設置有第二電極(例如陰極)35。另外，III族氮化物半導體光器件 Ila中，主面13a可以為無極性面。根據該III族氮化物半導體光器件11a，無極性的貢獻 得到適當的發揮。III族氮化物半導體光器件Ila中，根據該III族氮化物半導體光器件11a，在主 面13a上設置有源層17及氮化鎵基半導體層27，因此這些半導體層的壓電場比c面上的半 導體層的壓電場小。由于氧作為施主起作用，因此雖然優選不添加到P型半導體層中，但是 通過添加適當范圍的氧，可以提供良好的接觸特性。III族氮化物半導體光器件Ila中，傾斜的角度A。ff相對于基準平面Sc可以為63 度以上、80度以下。另外，角度乂 相對于基準平面Sc可以為100度以上、117度以下。根 據該III族氮化物半導體光器件11a，傾斜角在上述范圍內時，壓電極化特別小。圖2是示意地表示本實施方式的III族氮化物半導體光器件的圖。圖2所示的 III族氮化物半導體光器件，具有例如可以應用于半導體激光器的結構。III族氮化物半導 體光器件lib具備III族氮化物半導體支撐體13、氮化鎵基半導體區域15、發光層37和氮 化鎵基半導體區域19。本實施例中，發光層37可以包含有源層17、第一和第二光導層39、 41。有源層17設置在第一光導層39與第二光導層41之間。光導層39、41包含氮化鎵基 半導體，該氮化鎵基半導體例如可以無摻雜。根據該III族氮化物半導體光器件11b，由于在半極性面或無極性面上設置有源 層17、光導層39、41和氮化鎵基半導體層19，因此，如圖3的(a)部分和圖3的(b)部分所 示，這些半導體層的壓電場比c面上的半導體層的壓電場小。由于氧作為施主起作用，因此 雖然優選不添加到P型半導體層中，但是小的壓電極化不易在半極性面或無極性面上產生 載流子溢出。因此，雖然氧濃度提高，但是可以抑制載流子注入效率的下降。第一和第二光導層39、41分別基于前述的理由而優選具有5X IO16CnT3以上的氧濃 度。第一和第二光導層39、41分別基于前述的理由而優選具有5X IO18CnT3以下的氧濃度。氮化鎵基半導體區域19除了氮化鎵基半導體層25、27之外，還可以包含另一個 第二導電型氮化鎵基半導體層43。氮化鎵基半導體層43例如包含ρ型氮化鎵基半導體， P型氮化鎵基半導體中例如添加有P型摻雜劑鎂。P型氮化鎵基半導體例如可以包含GaN、 AlGaN, InAlGaN等。氮化鎵基半導體層43例如可以是ρ型包覆層。氮化鎵基半導體區域15可以包含氮化鎵基半導體層45。氮化鎵基半導體層45例 如包含η型氮化鎵基半導體，η型氮化鎵基半導體中例如添加有η型摻雜劑硅。η型氮化鎵 基半導體例如可以包含GaN、AlGaN、InAlGaN等。氮化鎵基半導體層45例如可以是η型包 覆層。氮化鎵基半導體層(例如η型包覆層)45與氮化鎵基半導體層(例如ρ型包覆 層)43之間，設置有發光層37。氮化鎵基半導體層45及氮化鎵基半導體層43的折射率比光導層39、41的折射率小。氮化鎵基半導體層45及氮化鎵基半導體層43將光約束在發光 層37中。氮化鎵基半導體層25的帶隙大于氮化鎵基半導體層43的帶隙。氮化鎵基半導體 層25與氮化鎵基半導體層43形成結45a。氮化鎵基半導體層25的氧濃度大于發光層37 的氧濃度時，結面45a變得平坦，因此，該界面45a處的散射損失減少。另外，發光層37與 氮化鎵基半導體區域19形成結45c。另外，氮化鎵基半導體區域15與發光層37形成結45b。由于氮化鎵基半導體區 域15的氧濃度大于發光層37的氧濃度，因此氧化鎵基半導體區域15的表面形態良好，另 外結45b變得平坦。因此，該界面45b處的散射損失減少。III族氮化物半導體光器件lib中，在氮化鎵基半導體層27上設置有用于保護的 絕緣膜47。絕緣膜47具有條形開口 47a。絕緣膜47及開口 47a上設置有第一電極(例如 陽極)49a。支撐襯底13的背面13b上設置有第二電極(例如陰極)49b。由于氮化鎵基半 導體層27設置在平坦形態的氮化鎵基半導體層43上，因此氮化鎵基半導體層27具有良好 的結晶品質，提供良好的接觸特性。氮化鎵基半導體層43與氮化鎵基半導體層27形成結 45d。該結面45d是平坦的。III族氮化物半導體光器件lib中，傾斜的角度々。 相對于基準平面Sc在63度以 上、80度以下以及100度以上、117度以下的范圍時，不易產生載流子溢出。該III族氮化物半導體光器件lib例如具有增益導引型激光二極管的結構。III 族氮化物半導體光器件lib可以具有一對端面50a、50b。端面50a、50b優選為用于形成諧 振腔的解理面。III族氮化物半導體光器件lib產生的激光L從端面50a、50b的一個射出。接著，對外延襯底及III族氮化物半導體光器件的制作方法進行說明。圖4 圖 7是表示上述制作方法的主要工序中的產品的圖。通過有機金屬氣相生長法制作發光器件的外延結構。原料使用三甲基鎵(TMG)、三 甲基鋁(TMA)、三甲基銦(TMI)、氨(NH3)。作為摻雜劑氣體，使用硅烷(SiH4)和二環戊二烯 基鎂(CP2Mg)。后續的說明中，例如，作為具有半極性主面的III族氮化物半導體襯底，可以 使用六方晶系半極性氮化鎵襯底。另外，例如，作為具有無極性主面的III族氮化物半導體 襯底，可以使用六方晶系無極性氮化鎵襯底。以下的說明中，作為η型摻雜劑的氧以III族 原料及氮原料的至少一種中所含的雜質的形式提供。后續的說明中，參考六方晶系半極性 氮化鎵襯底進行說明。工序SlOl中，如圖4的(a)部分所示，準備氮化鎵襯底。氮化鎵襯底的主面從c 面以10 80度的角度向m面方向或a面方向傾斜。氮化鎵襯底的主面的面積例如為25 平方毫米以上，該尺寸相當于例如5毫米見方。氮化鎵襯底51的主面51a的尺寸例如優選 為2英寸以上。在反應爐10內設置GaN襯底51后，在工序S102中，如圖4的(b)部分所 示，使用生長爐10進行GaN襯底51的熱清洗。在1050°C的溫度下，在生長爐10內通入含 有NH3和H2的氣體GO的同時進行10分鐘的熱處理。在工序S103中，如圖4的(c)部分所示，將包含III族原料和氮原料的原料氣體Gl 供給到生長爐10中，在GaN襯底51的主面51a上，外延生長η型氮化鎵基半導體區域53。 原料氣體Gl例如包含TMG、TMA、NH3、SiH4。作為氮化鎵基半導體區域53，例如，在1050°C的 溫度下生長摻雜Si的AlGaN包覆層。該AlGaN層的厚度例如為2 μ m。氮化鎵基半導體區域53的氧濃度例如在5X IO16CnT3以上、5X1018cm_3以下的范圍內。根據該方法，在半極性 面上進行含有氧的氮化鎵基半導體的生長時，抑制在生長中出現與半極性面不符合的特定 的小面。因此，表面形態變得平坦。在后續的生長中，通過氧的添加，也可以抑制在生長中 出現特定的小面。另外，氮化鎵基半導體區域53的碳濃度為5X IO18CnT3以下時，可以避免 在氮化鎵基半導體中產生小面。另外，氮化鎵基半導體區域53的氧濃度例如為IXlO17cnT3 以上時，提供更平坦的表面形態及小面抑制。然后，將襯底溫度降至840°C后，在工序S104中，如圖5的(a)部分所示，將包含 III族原料和氮原料的原料氣體G2供給到生長爐10中，外延生長無摻雜的InGaN光導層 55a。原料氣體G2例如包含TMG、TMI、NH3。InGaN光導層55a的氧濃度例如在5 X IO16CnT3 以上、5X IO18CnT3以下的范圍內。InGaN光導層55a的厚度為lOOnm。另夕卜，InGaN光導層 55a的氧濃度例如優選為IXlO17cnT3以上。接著，生長具有量子阱結構的有源層。該有源層的平均氧濃度為5X IO16cnT3以上， 并且有源層的平均氧濃度為5X IO18CnT3以下。另外，該平均氧濃度可以為IX IO17CnT3以上。 在工序S 105中，如圖5的(b)部分所示，將包含III族原料和氮原料的原料氣體G3供給 到生長爐10中，在840°C的襯底溫度下，在InGaN光導層55a上生長GaN勢壘層57。原料 氣體G3例如包含TMG、NH30該GaN層57的厚度例如為15nm。之后，將襯底溫度降至790°C后，在工序S106中，如圖5的(c)部分所示，將包含 III族原料和氮原料的原料氣體G4供給到生長爐10中，在GaN勢壘層57上外延生長無摻 雜的InGaN阱層59。原料氣體G4例如包含TMG、TMI、NH3。InGaN阱層59的氧濃度例如優 選為6 X IO1W以下。阱層59的厚度例如為3nm。之后，將襯底溫度升至840°C后，生長厚度15nm的GaN墊壘層57。必要時，反復進 行勢壘層57及阱層59的生長。進而，在工序S107中，在840°C的襯底溫度下，將包含III 族原料和氮原料的原料氣體G5供給到生長爐10中，與光導層55a同樣地外延生長無摻雜 的InGaN光導層55b，如圖6的(a)部分所示，制作有源層61及發光層63。發光層63的碳 濃度為5X IO18CnT3以下時，可以避免在氮化鎵基半導體中產生小面。然后，將III族原料和氮原料供給到前述生長爐中，在發光層63上生長第二導電 型氮化鎵基半導體區域。為此，在工序sio8中，將襯底溫度升至ioocrc后，將包含πι族原 料和氮原料的原料氣體G6導入到生長爐10中，如圖6的(b)部分所示，在發光層63上外 延生長電子阻擋層65。原料氣體G6例如包含TMG、TMA、NH3、CP2Mg。電子阻擋層65的厚度 例如為20nm。然后，在工序S109中，將包含III族原料和氮原料的原料氣體G7導入到生長爐10 中，如圖7的(a)部分所示，在電子阻擋層65上外延生長ρ型包覆層67。原料氣體G7例如 包含TMG、TMA、NH3> CP2Mgo ρ型包覆層67的厚度例如為400nm。接著，在工序SllO中，將包含III族原料和氮原料的原料氣體G8導入到生長爐10 中，如圖7的(b)部分所示，在ρ型包覆層67上外延生長ρ型接觸層69。原料氣體G8例如 包含TMG、NH3、CP2Mgo ρ型接觸層69的厚度例如為50nm。氮化鎵基半導體層65、67、69的氧濃度為5 X IO16CnT3以上，并且氮化鎵基半導體層 65、67、69的氧濃度為5X IO18CnT3以下。另夕卜，氧濃度可以為1 X 1017cm_3以上。氮化鎵基半 導體層65、67、69的氧濃度優選大于發光層63的氧濃度。另外，氮化鎵基半導體區域70的
17碳濃度為5X IO18CnT3以下時，可以避免在氮化鎵基半導體中產生小面。在此，對發光層和η型氮化鎵基半導體層的形態和氧摻雜進行說明。由于InGaN 阱層的生長溫度低，原子不易遷移，因此具有呈島狀生長的傾向。另一方面，由于η型氮化 鎵基半導體GaN、AlGaN的生長溫度高，因此容易進行臺階流動生長(st印-flow growth)。 通過摻雜氧而使形態平坦化的效果與上述的島狀、臺階流動生長的生長模式不同。通過氧 的摻雜，半極性面變得穩定。例如在氮化鎵的結晶生長中，認為c面是穩定的面，在半極性 面上的氮化鎵的結晶生長中，容易生成作為小面的c面。在半極性面上的外延生長中，c面 的生成使形態變差。通過氧的摻雜，可以抑制在半極性面上的外延生長中使形態變差的小 面的生成。將襯底溫度降至室溫后，將外延襯底EPl從生長爐中取出。外延襯底EPl具備III 族氮化物半導體襯底51、第一導電型氮化鎵基半導體區域53、發光層63和第二導電型氮化 鎵基半導體區域70。根據該外延襯底EP1，當氮化鎵基半導體區域53、70含有5X IO16CnT3 以上的氧時，氮化鎵基半導體區域53、70的表面形態變得平坦。因此，氮化鎵基半導體區域 53、70的表面上不出現c面，氮化鎵基半導體區域53、70的表面也顯示半極性。氮化鎵基半 導體區域53、70含有IXlO17cnT3以上的氧時，上述的技術的貢獻更加優良。氮化鎵基半導 體區域53、70含有超過5X IO18CnT3以下的范圍的氧時，氮化鎵基半導體區域53、70的結晶 品質變差。可以在表面形態良好的氮化鎵基半導體區域53上設置發光層63。在外延襯底EPl的P型氮化鎵基半導體區域70上形成陽極，從而與P型接觸層69 形成電連接，并且根據需要對襯底51的背面51b進行研磨后，在研磨的背面上形成陰極。這 些電極例如可以通過蒸鍍來制作。η型氮化鎵基半導體區域53的氧濃度大于發光層63及ρ型氮化鎵基半導體區域 70的氧濃度時，在發光器件的外延膜層疊中半導體區域53最厚，因此對形態改善的貢獻 大。由于氧為η型摻雜劑，因此通過氧的添加不會產生載流子補償。發光層63的氧濃度低 時，發光層63的發光效率提高。由于氧為η型摻雜劑，因此ρ型氮化鎵基半導體區域70的 氧濃度低時，氧添加對載流子補償的影響小。發光層63的氧濃度大于ρ型氮化鎵基半導體區域70的氧濃度時，發光層63的形 態改善有助于P型氮化鎵基半導體區域70的結晶品質的改善。P型氮化鎵基半導體區域 70的氧濃度低時，載流子濃度大。ρ型氮化鎵基半導體區域70的氧濃度小于發光層63的氧濃度時，雖然通過鎂 (Mg)的添加容易使平坦性受損，但是，通過氧的添加可以改善該半導體區域70的平坦性。 發光層63的氧濃度低時，發光層63的發光效率變得良好。降低ρ型氮化鎵基半導體區域 70的生長溫度而提高該半導體區域70的氧濃度時，發光層63中的熱應力減少。ρ型氮化鎵基半導體區域70的氧濃度大于η型氮化鎵基半導體區域53的氧濃度 時，通過氧的添加可以改善該半導體區域70的平坦性。通過增加ρ型氮化鎵基半導體區域 70的Al而提高氧濃度時，激光二極管的光約束性提高。降低ρ型氮化鎵基半導體區域70 的生長溫度而提高該半導體區域70的氧濃度時，發光層63中的熱應力減少。(實施例1)制作激光二極管LD1。準備具有在m軸方向上以75度的角度θ 1傾斜的半極性 主面的GaN襯底71。該半極性主面相當于(20-21)面。將GaN襯底71配置到生長爐中
18后，向生長爐中供給氨(NH3)和氫氣(H2),并將GaN襯底71保持在1050°C的氣氛中。保持 時間為10分鐘。該預處理(熱清洗)后，將原料氣體供給到生長爐中，制作以下的激光器 結構。首先，在1050°C下生長η型AlaMGaa96N包覆層72。將襯底溫度降至840°C后，生長 In。. Jaa97N光導層73a。在Ina Jaa97N光導層73a上生長量子阱有源層74。進而，在840°C 的襯底溫度下，在該有源層74上生長Inatl3Gaa97N光導層73b。將襯底溫度升至1000°C后， 生長Al0.12Ga0.88N電子阻擋層78、p型Ala06Gaa94N包覆層75和ρ型GaN接觸層76。該激光 器結構的光致發光波長位于450nm帶。該激光器結構中，對表面形態影響最大的是位于GaN 襯底71的直接上面并且膜厚大的包覆層。該實施例中包覆層72的氧濃度為3X1017cm_3。 在接觸層76上通過絕緣膜77的開口形成陽極并且在GaN襯底71的背面71b上形成陰極， 從而制作圖8所示的半導體激光器LD1。在1150°C的生長溫度下生長η型AlaC14Gaa96N包覆層，制作半導體激光器LDO。該 包覆層的氧濃度為9Χ 1016cnT3。圖9的(a)部分表示半導體激光器LDl的激光器結構的ρ 型GaN接觸層的表面形態。圖9的(b)部分表示半導體激光器LDO的激光器結構的ρ型接 觸層的表面形態。半導體激光器LDO的激光器結構的ρ型接觸層顯示良好的表面形態。在 包含氧濃度高的η型AlGaN包覆層的半導體激光器LDl中，認為半極性面變得穩定。由這 些激光器結構的比較可知，半導體激光器LDl的激光器結構顯示更平坦的形態。(實施例2)制作激光二極管。準備具有在m軸方向上以75度的角度θ 2傾斜的半極性主面的 GaN襯底81。該半極性主面相當于(20-21)面。將GaN襯底81配置到生長爐中后，向生長 爐中供給氨(NH3)和氫氣(H2),并將GaN襯底81保持在1050°C的氣氛中。保持時間為10分 鐘。該熱清洗后，將原料氣體供給到生長爐中，制作以下的激光器結構。首先，在1050°C下 生長η型Alatl4Gaa96N包覆層82。將襯底溫度降至840°C后，生長厚度IOOnm的Inatl2Gaa98N 光導層83a。在光導層83a上生長量子阱有源層84。進而，在840°C的襯底溫度下，在該有 源層84上生長Inatl2Gaa98N光導層83b。將襯底溫度升至1000°C后，生長Ala 12Gaa88N電子 阻擋層85、ρ型Alatl6Gaa94N包覆層86和ρ型GaN接觸層87。該激光器結構的光致發光波 長位于405nm帶。在接觸層87上通過絕緣膜(例如Si02)88的條形窗口(寬度ΙΟμπι)形成陽極 89a,并且在GaN襯底81的背面81a上形成陰極89b。之后，以800 μ m的間隔在a面上進行 解理，制作圖10所示的增益導引型半導體激光器LD2。在該實施例中，η型包覆層的氧濃度為3X1017cm_3。量子阱有源層84的氧濃度 為2X1017cnT3。ρ型電子阻擋層85的氧濃度為lX1018cnT3。ρ型包覆層86的氧濃度為 7X IO1W30在該結構中，ρ層的氧濃度高于發光層的氧濃度。為了進行比較，在相同成膜條件下在c面GaN襯底上也制作了 LD結構。在相同 成膜條件下c面上的生長中，GaN基半導體中氧的混入量不同，氧濃度在整個外延層中均為 IXlO17Cm-3以下。另外，在m面上進行解理，制作具有諧振腔反射鏡的增益導引型半導體激 光器LDC2 ο對這些半導體激光器LD2、LDC2施加2mA的電流，在絕對溫度300度(300K)和絕 對溫度10度(IOK)下測定電致發光(EL)。圖11的(a)部分表示在絕對溫度300度下測定 的EL光譜，圖11的(b)部分表示在絕對溫度10度下測定的EL光譜。EL光譜ELS (300)及ELS(IO)是對實施例的半導體激光器LD2測定的，EL光譜ELC (300)及ELC (10)是對比較例 的半導體激光器LDC2測定的。將溫度300K及IOK下的EL光譜進行比較。在溫度300K下， 半導體激光器LD2、LDC2的EL光譜ELS (300)和ELC (300)均在405nm附近具有來源于MQW 的峰。另一方面，在測定溫度IOK下，實施例的半導體激光器LD2的EL光譜顯示單一峰，而 比較例的半導體激光器LDC2除MQW峰以外還具有ρ型半導體層中的施主_受主對(DAP) 發光。這說明在比較例中，在空穴耗盡的低溫下電子溢出到P型半導體層中。本實施例的半導體激光器LD2中，雖然ρ型半導體層中以高于發光層的濃度摻雜 有作為施主起作用的氧，但是仍顯示良好的載流子注入效率。P型半導體層的平坦性容易 因Mg的添加而受損。但是，通過在適當的范圍內添加氧，可以同時獲得表面平坦性和載流 子注入效率。改善P型半導體層的平坦性、提高電子阻擋層/包覆層界面的陡峭性，使在半 導體激光器的諧振腔中傳輸的光的散射損失減小。(實施例3)制作發光二極管。準備具有在a軸方向上以18度的角度θ 3傾斜的半極性主面的 GaN襯底91。將GaN襯底91配置到生長爐中后，向生長爐中供給氨(NH3)和氫氣(H2)，并將 GaN襯底91保持在1050°C的氣氛中。保持時間為10分鐘。該熱清洗后，將原料氣體供給 到生長爐中，制作以下的發光二極管結構。首先，在1050°C下生長厚度2μπι的η型GaN層 92。將襯底溫度降至840°C后，生長Inao4Gaa96N緩沖層93。在厚度IOOnm的緩沖層93上 生長量子阱有源層94。具體而言，在840°C的襯底溫度下生長厚度15nm的GaN勢壘層94a， 并且在700°C的襯底溫度下生長厚度3nm的InAlGaN阱層94b，從而形成有源層94。將襯 底溫度升至1000°C后，在該有源層94上生長厚度20nm的ρ型Alai8Gaa82N電子阻擋層95 及厚度50nm的ρ型GaN接觸層96。在接觸層96上形成陽極(Ni/Au)97和平頭電極(pad electrode) 99a,并且在襯底91的背面91b上形成陰極(Ti/Al)，制作圖12所示的發光二極 管LED1。制作具有銦含量不同的InAlGaN阱層的發光二極管結構。考查阱層的氧濃度與光 輸出的關系。LED結構In含量 Al含量氧濃度(cm_3) 光輸出LEDl 0.18 02 XIO171LED2 0.19 0.03 4 XIO170.85LED3 0. 20 0. 06 IXlO180. 54為了得到405nm附近的發光波長，改變阱層的In含量。隨著阱層中的氧濃度的增 加，發光輸出下降。考慮這是氧的添加使阱層的結晶品質下降。阱層的Al容易吸附氧并且 在低溫(In混入到阱層中的溫度)下吸附的氧不易脫離，利用這一點來控制阱層的氧濃度。(實施例4)準備具有m面主面的GaN襯底。在該GaN襯底上制作激光二極管LD3。圖13是表 示實施例4中的激光二極管的結構的圖。將GaN襯底101配置到生長爐中后，向生長爐中 供給氨(NH3)和氫氣(H2),在1050°C的氣氛下進行熱清洗后，與實施例1同樣地在GaN襯底 101的無極性主面IOla上制作以下的激光器結構。Al0.04Ga0.96N 包覆層 102 :n 型、2 μ mInaci3Gaci 97N 光導層 103a 無摻雜、IOOnm有源層104 Inai8Gaa82N阱層(厚度3nm)/GaN勢壘層(厚度15nm)
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Inatl3Gaa97N 光導層 103b 無摻雜、IOOnmAlai2Gaa88N 電子阻擋層 105 :p 型、20nmAl0.06Ga0.94N 包覆層 106 :p 型、400nmGaN 接觸層 107 :p 型、50nm。在具有條形窗口(寬度10 μ m)的絕緣膜(例如SiO2) 108和接觸層107上形成陽 極109a，并且在GaN襯底101的背面IOlb上形成陰極109b。之后，通過解理制作增益導引 型半導體激光器LD3。測定的結果是，該激光器結構的η型Alatl4Gaa96N包覆層102的氧濃度為 IXlO1W30該值大于用于比較的LD結構中的氧濃度2X1016cm_3。圖14是表示實施例4 的P型接觸層107和比較例的ρ型接觸層的表面形態的圖。將圖14的(a)部分所示的ρ 型接觸層表面與圖14的(b)部分所示的ρ型接觸層表面進行比較，實施例4的外延膜的表 面顯示比較平坦的形態。另一方面，在比較例的外延膜的表面觀察到沿與c軸正交的方向 延伸的許多小面。根據實施例4，認為即使對于無極性面，氧也具有穩定化效果。(實施例5)制作激光二極管LD4。圖15是表示實施例5的激光二極管結構的圖。準備具有在 m軸方向上以68度的角度θ 4傾斜的半極性主面的GaN襯底111。將GaN襯底111配置到 生長爐中后，向生長爐中供給氨(NH3)和氫氣(H2),并將GaN襯底111保持在1050°C的氣氛 中。該預處理后，將原料氣體供給到生長爐中，制作以下的激光器結構。首先，在1050°C下 生長η型AlaQ4GaQ.96N包覆層112。將襯底溫度降至840°C后，生長Inatl3Gaa97N光導層113a。 在Inatl3Gaa97N光導層113a上生長有源層114。進而，在840°C的襯底溫度下，在該有源層 114上生長Inatl3Gaa97N光導層113b。將襯底溫度升至1000°C后，生長Alai2Gaa88N電子阻 擋層115、p型Ala ^5Gaa94N包覆層116和ρ型GaN接觸層117。該激光器結構的光致發光波 長位于450nm帶。為了調節氮原料氨的水分濃度，在氮原料的供給源與生長爐之間設置精制裝置。 使用該精制裝置精制后，將氨作為氮原料供給到生長爐中。使用精制裝置，可以將水分含 量500ppb%以下的氨作為氮原料供給到生長爐中。另外，使用精制裝置，可以將水分含 量50ppb%以下的氨作為氮原料供給到生長爐中。另外，使用精制裝置，可以將水分含量 Ippb %以下的氨作為氮原料供給到生長爐中。在該實施例中，將水分濃度50ppb%的氨作為 氮原料供給到生長爐中。根據測定，ρ型Alatl6Gaa94N包覆層的氧濃度為2X1017cm_3。為了進行比較，使用水 分濃度lppm%的氨作為氮原料。根據測定，該ρ型AlGaN層的氧濃度為8X1018cm_3。在實施例的LD結構中的ρ型GaN接觸層117的表面上形成SiO2膜后，通過濕蝕刻 形成寬度10 μ m的條形窗口，設置保護膜118。通過蒸鍍形成由Ni/Au構成的ρ電極119和 由Ti/Au構成的衰減電極。通過蒸鍍在襯底背面Illb上形成由Ti/Au構成的η電極119b 和由Ti/Au構成的衰減電極。在比較例的LD結構中，也與本實施例同樣地形成SiO2膜和 電極。之后，以800 μ m的間隔在a面上進行解理，制作增益導引型激光器。圖16是表示實施例4和比較例的激光二極管的I-V特性的圖。特性線IV1、IVC 分別表示實施例5及比較例的I-V特性。比較例的激光二極管的驅動電壓顯著高于實施例 5的激光二極管的驅動電壓。這可能是因為在比較例的激光二極管中，由于氨的純度低而使
21P型接觸層的氧濃度變高，從而損害P型導電性。如上所述，根據本實施方式，可以提供包含具有良好表面形態的氮化鎵基半導體 膜的III族氮化物半導體光器件。另外，根據本實施方式，可以提供該III族氮化物半導體 光器件的制作方法。另外，根據本實施方式，可以提供包含具有良好表面形態的氮化鎵基半 導體膜的外延襯底。以上的說明中，參考半導體光器件對本實施方式進行了說明，但是，本發明也可以 應用于作為半導體器件的一例的III族氮化物半導體電子器件。因此，可以提供包含具有 良好表面形態的氮化鎵基半導體膜的III族氮化物半導體電子器件。另外，根據本實施方 式，可以提供該III族氮化物半導體電子器件的制作方法。另外，根據本實施方式，可以提 供包含具有良好表面形態的氮化鎵基半導體膜的外延襯底。在優選的實施方式中圖示說明了本發明的原理，但是，本領域技術人員可以理解， 在不脫離本發明的原理的情況下本發明的配置和細節可以進行變更。本實施方式中，并非 將本發明限于本實施方式所公開的特定構成。另外，本實施方式中，雖然對使用有機金屬氣 相生長法的氮化物半導體的生長進行了例示性的說明，但是，本發明也可以應用于使用有 氧混入的分子束外延法的氮化物半導體生長。因此，請求保護權利要求書請求的范圍以及 來自其精神范圍的全部修正和變更。
2權利要求
一種III族氮化物半導體器件，其特征在于，具備III族氮化物半導體支撐體，包含III族氮化物半導體，并且具有相對于與沿該III族氮化物半導體的c軸方向延伸的基準軸正交的基準平面形成有限角度的主面；和氮化鎵基半導體區域，設置在所述III族氮化物半導體支撐體的所述主面上，并且具有5×1016cm 3以上、5×1018cm 3以下的氧濃度，并且所述主面顯示半極性或無極性中的任意一種特性，所述氮化鎵基半導體區域包含第一導電型氮化鎵基半導體層。
2.如權利要求1所述的III族氮化物半導體器件，其特征在于，還具備 設置在所述氮化鎵基半導體區域上的有源層；和設置在所述有源層上的第二導電型氮化鎵基半導體層，并且所述有源層設置在所述第一導電型氮化鎵基半導體層與所述第二導電型氮化鎵基半 導體層之間。
3.如權利要求2所述的III族氮化物半導體器件，其特征在于，所述有源層的氧濃度為 5X IO16Cm-3以上，且所述有源層的氧濃度為5X1018cm_3以下。
4.如權利要求2或3所述的III族氮化物半導體器件，其特征在于，所述第二導電型氮 化鎵基半導體層的氧濃度為5X1016cnT3以上，且所述第二導電型氮化鎵基半導體層的氧濃 度為5 X IO18CnT3以下。
5.如權利要求2至4中任一項所述的III族氮化物半導體器件，其特征在于， 所述第一導電型氮化鎵基半導體層的碳濃度為5X IO18CnT3以下，所述第二導電型氮化鎵基半導體層的碳濃度為5X IO18CnT3以下， 所述有源層的碳濃度為5X IO18CnT3以下。
6.如權利要求2至5中任一項所述的III族氮化物半導體器件，其特征在于， 所述第二導電型氮化鎵基半導體層的氧濃度為5X IO16CnT3以上，所述有源層的氧濃度為5X IO16CnT3以上。
7.如權利要求2至6中任一項所述的III族氮化物半導體器件，其特征在于， 所述有源層包含交替排列的阱層和勢壘層，所述阱層的氧濃度為6X IO17CnT3以下。
8.如權利要求2至7中任一項所述的III族氮化物半導體器件，其特征在于，還具備 另一個第二導電型氮化鎵基半導體層，并且所述第二導電型氮化鎵基半導體層的帶隙大于所述另一個第二導電型氮化鎵基半導 體層的帶隙，所述第二導電型氮化鎵基半導體層的氧濃度大于所述有源層的氧濃度， 所述第二導電型氮化鎵基半導體層設置在所述另一個第二導電型氮化鎵基半導體層 與所述有源層之間，所述第二導電型氮化鎵基半導體層與所述另一個第二導電型氮化鎵基半導體層形成結。
9.如權利要求2至8中任一項所述的III族氮化物半導體器件，其特征在于，還具備 設置在所述有源層與所述第二導電型氮化鎵基半導體層之間的包含氮化鎵基半導體的光導層，并且所述有源層沿相對于所述基準平面傾斜的平面延伸， 所述第二導電型氮化鎵基半導體層為電子阻擋層。
10.如權利要求2至9中任一項所述的III族氮化物半導體器件，其特征在于，所述主 面的法線與所述基準軸所成的角度為10度以上、170度以下。
11.如權利要求2至10中任一項所述的III族氮化物半導體器件，其特征在于，所述主 面的法線與所述基準軸所成的角度在10度以上、80度以下的范圍內及100度以上、170度 以下的范圍內。
12.如權利要求2至11中任一項所述的III族氮化物半導體器件，其特征在于，所述主 面的法線與所述基準軸所成的角度在63度以上、80度以下的范圍內及100度以上、117度 以下的范圍內。
13.—種外延晶片，用于III族氮化物半導體器件，其特征在于，具備III族氮化物半導體襯底，包含III族氮化物半導體，并且具有相對于與沿該III族氮 化物半導體的c軸方向延伸的基準軸正交的基準平面形成有限角度的主面；第一導電型氮化鎵基半導體層，設置在所述III族氮化物半導體襯底的所述主面上， 并且具有5 X IO16CnT3以上、5 X IO18CnT3以下的氧濃度；發光層，設置在所述第一導電型氮化鎵基半導體層上；和 第二導電型氮化鎵基半導體層，設置在所述發光層上，并且 所述主面顯示半極性和無極性中的任意一種特性。
14.如權利要求13所述的外延晶片，其特征在于，還具備 另一個第二導電型氮化鎵基半導體層，并且所述第二導電型氮化鎵基半導體層的帶隙大于所述另一個第二導電型氮化鎵基半導 體層的帶隙，所述第二導電型氮化鎵基半導體層的氧濃度大于所述發光層的氧濃度， 所述第二導電型氮化鎵基半導體層設置在所述另一個第二導電型氮化鎵基半導體層 與所述發光層之間，所述第二導電型氮化鎵基半導體層與所述另一個第二導電型氮化鎵基半導體層形成結。
15.如權利要求13或14所述的外延晶片，其特征在于，所述第二導電型氮化鎵基半導體層的氧濃度為5X1016cm_3以上，且所述第二導電型氮 化鎵基半導體層的氧濃度為5X IO18cnT3以下，所述第二導電型氮化鎵基半導體層為電子阻擋層， 所述發光層包含具有交替排列的阱層和勢壘層的有源層，所述發光層還具備包含氮化鎵基半導體的光導層，該光導層設置在所述有源層與所述 第二導電型氮化鎵基半導體層之間，所述發光層的所述光導層沿相對于所述基準平面傾斜的平面延伸。
16.如權利要求13至15中任一項所述的外延晶片，其特征在于，所述主面的法線與所 述基準軸所成的角度為10度以上、170度以下。
17.如權利要求13至16中任一項所述的外延晶片，其特征在于，所述主面的法線與所 述基準軸所成的角度在10度以上、80度以下的范圍內及100度以上、170度以下的范圍內。
18.如權利要求13至17中任一項所述的外延晶片，其特征在于，所述主面的法線與所 述基準軸所成的角度在63度以上、80度以下的范圍內及100度以上、117度以下的范圍內。
19.一種方法，用于制作III族氮化物半導體器件，其特征在于，包括準備包含III族氮化物半導體并且具有主面的III族氮化物半導體襯底的工序； 將III族原料和氮原料供給到生長爐中，在所述III族氮化物半導體襯底的所述主面 上生長具有5X IO16CnT3以上、5X IO18CnT3以下的氧濃度的第一導電型氮化鎵基半導體層的 工序；將III族原料和氮原料供給到所述生長爐中，在所述第一導電型氮化鎵基半導體層上 生長發光層的工序；和將III族原料和氮原料供給到所述生長爐中，在所述發光層上生長第二導電型氮化鎵 基半導體層的工序，并且所述主面顯示半極性和無極性中的任意一種特性，所述第一導電型氮化鎵基半導體層的氧以所述III族原料和所述氮原料中的至少任 意一種中所含的雜質的形式提供，所述III族氮化物半導體襯底的所述主面相對于與沿該III族氮化物半導體的C軸方 向延伸的基準軸正交的基準平面形成有限的角度。
20.如權利要求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為雜質，所述發光層的平均氧濃度為5X1016cm_3以上，且所述發光層的氧濃度為5X1018cm_3以下，所述第二導電型氮化鎵基半導體層的氧濃度為5X1016cm_3以上，且所述第二導電型氮 化鎵基半導體層的氧濃度為5X IO18cnT3以下，所述第二導電型氮化鎵基半導體層的氧濃度大于所述發光層的氧濃度。
21.如權利要求19或20所述的方法，其特征在于，所述第二導電型氮化鎵基半導體層 的生長溫度低于所述第一導電型氮化鎵基半導體層的生長溫度。
22.如權利要求19至21中任一項所述的方法，其特征在于，所述發光層包含InGaN層。
23.如權利要求19至22中任一項所述的方法，其特征在于，所述主面的法線與所述基 準軸所成的角度為10度以上、170度以下。
24.如權利要求19至23中任一項所述的方法，其特征在于，所述主面的法線與所述基 準軸所成的角度在63度以上、80度以下的范圍內及100度以上、117度以下的范圍內。
25.如權利要求19至24中任一項所述的方法，其特征在于，使用設置在所述氮原料的原料源和所述生長爐之間的精制裝置調節所述氮原料的水 分濃度后，將所述氮原料供給到所述生長爐中， 所述氮原料包含氨。
26.如權利要求19至25中任一項所述的方法，其特征在于，使用水分含量500ppb%& 下的氨作為所述氮原料。
27.如權利要求19至26中任一項所述的方法，其特征在于，使用水分含量 下的氨作為所述氮原料。
28.如權利要求19至27中任一項所述的方法，其特征在于，使用水分含量Ippb%以下 的氨作為所述氮原料。
29.如權利要求25所述的方法，其特征在于，所述氮原料的所述水分濃度為下。
全文摘要
本發明提供包含具有良好表面形態的氮化鎵基半導體膜的III族氮化物半導體器件。III族氮化物半導體光器件(11a)具備III族氮化物半導體支撐體(13)、GaN基半導體區域(15)、有源層(17)和GaN基半導體區域(19)。III族氮化物半導體支撐體(13)的主面(13a)顯示相對于與基準軸(Cx)正交的基準平面(Sc)傾斜的非極性，基準軸(Cx)沿III族氮化物半導體的c軸方向延伸。GaN基半導體區域(15)設置在半極性主面(13a)上。GaN基半導體區域(15)的GaN基半導體層(21)例如包含n型GaN基半導體，在n型GaN基半導體中添加有硅。GaN基半導體層(23)的氧濃度為5×1016cm-3以上時，在GaN基半導體層(23)的主面上后續生長的有源層(17)的結晶品質變得良好。
文檔編號C30B29/38GK101919076SQ20098010086
公開日2010年12月15日 申請日期2009年4月24日 優先權日2009年3月11日
發明者上野昌紀, 中村孝夫, 京野孝史, 住友隆道, 善積祐介, 鹽谷陽平, 秋田勝史 申請人:住友電氣工業株式會社