TWI258873B - Group III nitride semiconductor multilayer structure - Google Patents

Description

1258873 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於用以發光二極體（LED )、雷射二極體（ LD )、電子裝置等之製造的III族氮化物半導體積層物。 尤其是關於可緩和III族氮化物半導體生長用基板之加工條 件，且使用具有特定的表面粗糙度的基板之III族氮化物半 導體積層物。 【先前技術】

由於III族氮化物半導體係具有相當於由可見光至紫外 光域之能量的直接遷移型之帶隙，可提供高效率的發光， 因而作爲LED或LD的製品化已被付諸實施。並且具有在 氮化鋁鎵（AlGaN)與氮化艨（GaN)的雜鍵界面，會顯現 因III族氮化物半導體的特徵之壓電效應所引起之2維電子 層等，因而即使作爲電子裝置也能獲得以先前之III-V族 化合物半導體所不能獲得的特性之潛力。 然而，由於III族氮化物半導體在單結晶之生成溫度下 則有高達2,000氣壓的氮之離解壓力，以致單結晶之生長 困難，因而若欲如同其他之III-V族化合物半導體般用作 爲磊晶生長的基板而利用III族氮化物半導體之單結晶基板 時，就現狀而言，仍是困難。於是用作爲磊晶生長之基板 ，一向是使用由藍寶石（ai2o3 )單結晶或碳化矽（SiC ) 單結晶等之由異種材質所構成之基板。 在該等異種基板，與供磊晶生長在其上的III族氮化物 半導體結晶間則有很大的晶格失配存在。例如藍寶石（ •1258873

Al2〇3 )與氮化鎵（GaN )間則有16%，在Sic與氮化鎵間 則有6%之晶格失配存在。一般若有如此之大的晶格失配存 在時，如欲將結晶直接磊晶生長於基板上，則有困難，且 即使能生長也是不能獲得結晶性良好的結晶。於是欲以金 屬有機化學氣相生長（MOCVD )法使II族氮化物半導體結 晶磊晶生長於藍寶石單結晶基板或SiC單結晶基板上時， 則一向是採取如日本國專利第3 〇2 6 0 8 7號公報或特開平第 4-297023號公報所示，首先在基板上沉積由氮化鋁（A1N )或AlGaN所構成之被稱爲低溫緩衝層之層，然後在其上 以高溫使ΠΙ族氮化物半導體結晶磊晶生長之方法。 另外，除上述使用低溫緩衝層之生長方法以外，也有一 種例如如同日本國專利特開第2003-243302號公報般，在 加熱的基板上首先將氮元素/III族元素比設定爲1，000以下 (包括氮元素/ΠΙ族元素比爲0之情形）來供應III族原料 及氮源（氮元素/III族元素比若爲〇時，則僅爲III族原料 )，以形成ΠΙ族氮化物半導體後，使用III族原料與氮源 使III族氮化物半導體單結晶磊晶生長之方法的提案。 另一方面，關於基板，如欲製得表面平滑且具有優越的 結晶性之III族氮化物半導體，則被認爲必須使用表面粗糙 度非常小的基板，例如在日本國專利特開第2002-25 5 694 號公報則經將上述緩衝層設置於表面粗糙度爲以Rms値計 則爲〇· 1奈米以下、以Ra値計則爲0.06奈米以下之基板 上後，生長ΠΙ族氮化物半導體單結晶。然而，使用於ΠΙ 族氮化物半導體生長用基板的藍寶石或碳化砂，係硬度高 1258873 ，如欲使其表面粗糙度變得小則必須付出很大的勞力’ w 致有成本增加之問題。 另外，在日本國專利特開第2002-093726號公報’則爲 製得減少轉位密度的具有優越結晶性之ΠΙ族氮化物半導體 ，則將III族氮化物半導體單結晶生長於藉由設置遮罩而蝕 刻之方法將周期性之溝形成於表面的基板上。然而’設置 遮罩之措施將導致製程變得複雜，成本也會增加。 【發明內容】

本發明之目的係使用容易加工且低成本之基板’以提供 一種表面平滑且具有優越的結晶性之III族氮化物半導體積 層物及使用其積層物之ΠΙ族氮化物半導體發光元件。 如上所述，將ΙΠ族氮化物半導體單結晶磊晶生長於異 種基板時，一般則採用將例如在日本國專利第3026087號 公報、特開平第4-297023號公報及特開第2003 -243 302號 公報等所提案之首先在基板表面形成緩衝層，其後則在其 緩衝層上使ΙΠ族氮化物半導體單結晶磊晶生長之方法。 本發明人發現如上述隔著緩衝層而使III族氮化物半導 體單結晶磊晶生長時，與直接生長於基板之情形比較，若 使用ΙΠ族氮化物半導體單結晶容易向橫方向生長，且在基 板表面具有特定的平均深度之溝者時，則可抑制製造成本 同時可製得表面平滑的ΙΠ族氮化物半導體單結晶層而完成 本發明。 換言之，本發明係提供如下所述之發明。 (1 ) 一種ΙΠ族氮化物半導體積層物，其特徵爲其係在 1258873 基板上設置由 A1 x G a! _ x N ( 0 g x S 1 )之柱狀結晶 或島狀結晶所構成之緩衝層’且在該緩衝層上設 置 AlxInyGau-yNCOSxSl、〇$y$l、〇Sx + y ^ 1 )之單結晶層者，且基板表面係非周期性地具 有平均深度爲0.01〜5微米之溝。 (2 ) 如上述第（1 )項之111族氮化物半導體積層物’ 其中溝之平均深度爲ο.1〜1微米。

(3 ) 如上述第（1 )或（2 )項之III族氮化物半導體積 層物，其中基板爲藍寶石卓結晶或SiC卓結晶。 (4 ) 如上述第（1 )至（3 )項中任一項之III族氮化物 半導體積層物，其中緩衝層係含有柱狀結晶。 (5 ) 如上述第（1 )至（4 )項中任一項之III族氮化物 半導體積層物，其中緩衝層之厚度爲1〜100奈 米。 (6 ) 如上述第（1 )至（5 )項中任一項之ΠI族氮化物 半導體積層物，其中緩衝層係一面將氮元素/III 族兀素比設疋爲1，000以下（係包括氮元素/III族 元素比爲0之情形）而供應III族原料及氮源（在 氮元素/III族元素比爲〇之情形下則僅爲ΙΠ族原 料）一面形成者。 (7 ) 如上述第（1 )至（6 )項中任一項之III族氮化物 半導體積層物，其中單結晶層之厚度爲1〜20微 米。 (8 ) 如上述第（1 )至（7 )項中任一項之III族氮化物 1258873 半導體積層物，其中單結晶層係一面將氮元素/III 族元素比設定爲1，600〜3,200而供應III族原料 及氮源一面形成者。 (9 ) 如上述第（1 )至（8 )項中任一項之III族氮化物 半導體積層物，其中單結晶層係將基板溫度設定 爲1，000〜1，300°C之範圍所形成者。 (10) 如上述第（9 )項之III族氮化物半導體積層物， 其中基板溫度係在於1，〇 5 0〜1，2 0 0 °C之範圍。

(11) 一種III族氮化物半導體發光元件，其特徵爲在如 鲁 上述第（1 )至（10)項中任一項之ΠΙ族氮化物 半導體積層物之單結晶層上，設置包括η型層、 發光層及Ρ型層之III族氮化物半導體層，且負極 及正極係分別設置於特定位置。 - (12) 如上述第（1 1 )項之III族氮化物半導體發光元件 - ，其中III族氮化物半導體層係將η型層、發光層 及Ρ型層依此順序所設置，且負極及正極係分別 設置於該η型層及ρ型層。 β (13) 一種III族氮化物半導體用基板，其特徵爲在表面 非周期性地具有平均深度爲〇. 〇 1〜5微米之溝。 (14) 如上述第（13)項之III族氮化物半導體用基板， 其中溝之平均深度爲0.1〜1微米。 (15) 如上述第（13)或（1〇項之III族氮化物半導體 用基板，其中基板係藍寶石單結晶或SiC單結晶 1258873 '16) 一種nl族氮化物半導體積層物之製造方法，係包 括：一面將氮元素/III族元素比設定爲1，〇〇〇以下 (係包括氮元素/III族元素比爲〇之情形）而供 應III族原料及氮源（在氮元素/III族元素比爲〇 之情形下則僅爲III族原料）一面形成由AlxGai_ XN ( 0 g X ‘ 1 )所構成之緩衝層之步驟；與其後則 使用III族原料與氮源，在該緩衝層上使

AlxIiiyGai_x-yN ( 1、0 ^ y ^ 1、0 ^ χ + y〈 ！ )之單結晶層進行氣相生長之步驟。 (17) —種III族氮化物半導體積層物之製造方法，係包 括：在表面非周期性地具有平均深度爲0.0 1〜5 微米之溝且經予以加熱之基板上，在400〜6001 之基板溫度下供應ΠΙ族原料與氮源以形成由 AUGahN ( 0 S X S 1 )所構成之層，其後停止供 應III族原料，並在900〜1，000°C下施加熱處理 之緩衝層形成步驟；與其後則使用III族原料與氮 源，在該緩衝層上使AUIriyGa^x-yN ( 0 S X g 1、〇 Sy$l、O^x + y$l)之單結晶層進行氣相生長 之步驟。 若根據本發明，藉由在基板上設置由柱狀結晶或島狀結 晶的 AlxGai_xN ( 0 S X S 1 )所構成之層，並在其上使由 AlxInyGamN ( 〇$ 1、0$ 1、〇$ X + y ‘ 1 )單結晶 所構成之層進行嘉晶生長時，則即使在基板表面非周期性 地具有平均深度爲0.0 1〜5微米之溝的情形下’也可製得 -10 - •1258873 表面平滑且具有優越的結晶性之III族氮化物半導體。 換言之，若根據本發明，則在不必施加由晶錠切出的基 板之表面平滑化加工下以及可在不必經由簡單的平滑化加 工、或藉由設置遮罩的蝕刻來形成周期性的溝下，即可製 得表面平滑且具有優越的結晶性之III族氮化物半導體，因 此，可大幅度地簡化基板加工步驟，使得製造成本降低。 〔實施發明之最佳方式〕

本發明之III族氮化物半導體積層物之基板，係可在不 受到任何限制下使用藍寶石單結晶（Al2〇3 ; A面、C面、 Μ面、R面）、尖晶石單結晶（MgAl2〇4) 、ZnO單結晶、 L i A1 Ο 2單結晶、L i G a 0 2單結晶、M g Ο單結晶等之氧化物單 結晶，Si單結晶、SiC單結晶、GaAs單結晶、及Ζ;γΒ2等 之硼化物單結晶等習知基板材料。該等中較佳爲藍寶石單 結晶或S i C單結晶。並且，基板之面方位並無特殊限定。 另外，恰當的基板也可，賦予偏移（〇 ff )角之基板也可。 基板係一般由單結晶之晶錠切出成250〜1，000微米之厚 度，但是其時一定會在表面造成非周期性的溝狀加工傷。 在本發明中，較佳爲將存在於基板表面的該非周期性的溝 之平均深度限爲〇 · 〇 1〜5微米之範圍。溝之平均深度若大 於5微米時，則半導體積層物表面之平滑性將惡化，因而 不佳。相反地，若將溝之平均深度抑制成小於0.0 1微米時 ，則在加工上將耗時間，使得製造成本增加。溝之平均深 度更佳爲0.1〜1微米之範圍，特佳爲0.2〜0.5微米之範 圍 。 • 1258873 在本發明中所謂「非周期性地」係意謂各溝之方向非爲 一定，或是即使方向爲一定但是其間隔並非爲一定。第1 圖係經以實施例1所製得III族氮化物半導體積層物之剖面 之SEM照片（倍率爲2,000倍），第2圖係將第1圖以模 式表示之圖。在第2圖中係在A、B、C、D、E及F之6處 有溝存在，但是其間隔並非爲一定。

另外，在本發明中所謂「溝」係意謂在基板之剖面之 SEM照片中比基板表面之最高部（第2圖中之a)與最低 部（第2圖中之b)與中間面（第2圖中之c)爲低，且基 鲁 板面變成極小之部份。並且，溝之「平均深度」係意謂中 間面之深度（第2圖中之h )。 只要是基板表面之溝深度能符合上述範圍，則溝之寬度 與間隔係不致於大幅度地影響到半導體表面之平滑性。一 般而言，基板表面之溝寬度爲〇· 1〜1 0微米之範圍，溝間 . 隔爲5〜20微米之範圍。 由晶錠切出基板之方法，可在不受到任何限制下使用以 電解沉積鋼絲鋸作總括切割之方法，使用內徑（ID )式刀 β 片作個別切割之方法等之習知方法。其中由於以電解沉積 鋼絲鋸作總括切割之方法係以一次切斷步驟即可同時處理 許多片，因而較佳。 由晶錠切出之基板，其溝平均深度若爲5微米以上時， 則必要時也可施加藉由各種磨具例如金剛石磨輪的硏磨等 之定厚加工。 由晶錠切出之基板或受到定厚加工的基板，在其表面則 -12 - 1258873 有加工變質層存在。該加工變質層將對後續之緩衝層及單 結晶層之形成帶來不良影響之可能性是高，因而應予以除 去。 除去加工變質層之方法，可在不受到任何限制下使用一 般所採取之例如在800〜1，000°C下之熱氧化法、使用02 電漿等之犧牲氧化法、使用鹵素系氣體電漿之蝕刻法、在 1，5 00〜1，800 °C基板溫度下之表面昇華法及熱磷酸以及熔 融KOH等之蝕刻法等。

緩衝層雖然是由以AlxGa^N ( OS 1 )所表示之A1和 /或由Ga與N所構成之化合物，但是其組成係按照將生長 在其上之III族氮化物半導體單結晶而作適當選擇即可，地 可僅爲未含有Ga之A1N，或僅爲末含有A1之GaN。 緩衝層係以業者所周知之特定製法所形成。其一爲在經 予以加熱的基板上，一面將氮元素/III族元素比設定爲 1，000以下（係包括氮元素/ III族元素比爲0之情形）而供 應III族原料及氮源（在氮元素/III族元素比爲〇之情形時 則僅爲III族原料）一面形成由AlxGai-xN ( OS 1 )所構 成之緩衝層之方法，其詳細係例如已揭示於日本國專利特 開第200 3 -243 302號公報。在此所謂氮元素/III族元素比， 係意謂供應於基板上之氮源及III族原料之莫耳比。即使未 特別地供應氮源，但是氮將因附著於反應爐壁面、天花板 及承受器等的附著物之分解而獲得供應，所以也能形成出 由AlxGa^xNCOSxgl)所構成之層。 其他之方法是將基板溫度設定爲400〜600 °C左右之比較 1258873 低溫度，然後，在基板上供應III族原料與氮源以形成由 A1 x G a〗_ x N ( 0 ^ x $ 1 )所構成之層，其後停止供應〗π族原 料’並在9 0 0〜1 , 〇 〇 〇艽下實施稱爲結晶化的熱處理之方法 ’其詳細係以所謂低溫緩衝層而已在例如日本國專利第 3 02608 7號公報或特開平第4-297023號公報等中有所揭示

構成緩衝層之AlxGai_xN(0SxSl)若爲島狀結晶或柱 狀結晶時，則生長在其上的111族氮化物半導體單結晶之橫 方向生長將更加受到促進，因而較佳。 φ 所謂「島狀結晶」係意謂由寬度爲由1奈米至500奈米 、高度爲由5奈米至100奈米左右之島狀粒子塊所密集的 結晶塊之集合。即使爲如同島狀結晶之分佈並非爲過於緻 密，在結晶塊與結晶塊間看得到基板表面般之結構也不妨 。第3圖係實施例1之III族氮化物半導體積層物之剖面之 _ ΤΕΜ照片（倍率爲200萬倍），第4圖係將第3圖以模式 表示之圖。在第4圖中1 ' 2及3係分別爲島狀結晶。 所謂「柱狀結晶」係意謂由寬度爲由〇.1奈米至奈 I 米、高度爲由10奈米至5 00奈米左右的柱狀粒子所集合之 結晶。第5圖係實施例4的III族氮化物半導體積層物之剖 面之TE Μ照片（倍率爲5 0萬倍），第6圖係將第5圖以 模式表示之圖。第6圖中1 1、12及1 3係分別爲柱狀結晶 緩衝層之厚度係以1奈米以上爲佳。小於1奈米時’則 不能製得表面平滑的半導體積層物。更佳爲5奈米以上’ -14 - 1258873 進一步更佳爲1 0奈米以上。在柱狀結晶之情形下，則以Ο 奈米以上爲特別佳。膜厚之上限雖然不一定須加以限制， 但是即使設定爲2 0 0奈米以上’其上的氮化物半導體單結 晶之磊晶生長的膜厚相依性並非爲顯著。相反地’設定爲 必要以上之膜厚，將徒然增加生長所需之時間而已’因而 不佳。較佳爲1 〇〇奈米以下之膜厚即可°緩衝層若爲島狀 結晶或柱狀結晶時，則緩衝層與單結晶層之界面係一般呈 凹凸，但是以最高的部份視爲緩衝層之厚度。

用以以形成緩衝層之III族原料’係可以使用三甲基鋁 (ΤΜΑ )、三乙基鋁（TEA )、三級-丁基鋁、三甲基鎵（ TMG )、三乙基鎵（TEG )、三級-丁基鎵、及該等之混合 物。氮源係可以使用氨氣、聯氨類、嫌丙基胺類及該等之 混合物。載氣係可以使用氫、氮及該等之混合物。 供形成在緩衝層上之以通式AUIriyGanyN ( OS xS 1、〇 ^ y $ 1、〇 ^ x + y ^ 1 )所表示的單結晶層之組成係雖然可 按照目的之半導體元件來作適當的選擇，但是從向橫方向 生長之觀點來考量，則以未摻雜的或比較低濃度的11型之 摻矽（Si)、摻鍺（Ge)或視目的而以p型之摻鎂（Mg) 的 AlxInyGa 卜x_yN 爲佳。 如欲吸收基板表面之凹凸以製得具有平滑表面之半導體 積層物，單結晶層之厚度則需要某一程度，1微米以上爲 佳。更佳爲2微米以上，特佳爲8微米以上。上限雖然並 無，但是也應額慮到元件特性，太厚時，則只使增加成本 而已，在本發明，則只要有20微米即已足夠於製得良好的 1258873 平滑性。較佳爲1 〇微米以下。

AlxInyGa^.yNCOSxSl、osygi、0gx + 單糸士 晶之生長方法及條件係有各種方法及條件已爲眾所皆知， 只要能生長出A1 x I n y G a! _ x _ y N單結晶，則使用任何方法及 條件皆可以。

從促進向橫方向的生長之觀點來考慮，則基板溫度較佳 爲設定爲如1，〇〇〇〜l，300°c之高一些溫度，更佳爲設定爲 1，0 5 0〜1，2 0 0 °C。另外基於相同觀點，原料氣體之氮元素 /III族元素比也是以設定爲如1，600〜3,200之高一些比率 爲佳。

Al、Ga及N源係可使用與緩衝層之情形相同之原料。在 含有In的組成之情形時，可將三甲基銦（TMI )、三乙基 銦（TEI )、三級-丁基銦、環戊二烯基銦（CpUn )等用作 爲原料。 對本發明之III族氮化物半導體積層物再進一步形成各 種組成及結構的ΙΠ族氮化物半導體單結晶層，藉此，即可 製得目的的半導體元件。例如作爲目的之元件爲發光元件 時，則在本發明之ΠΙ族氮化物半導體積層物上再將由Iu 族氮化物半導體單結晶所構成之η型層、發光層及p型層 依此順序而積層，並依照常法使負極及正極分別設置於η 型層及Ρ型層，藉此即可製得。 基板若使用SiC單結晶時’則也可利用SiC單結晶之導 電性而將負極設置於基板。此種情形下，較佳爲對AlxGa^ XN ( OS 1 )單結晶層摻雜低濃度之Si或Ge等之η型摻 -16 - 1258873 質。 並且，也可將P型Sic單結晶用作爲基板，並對八1?(0&1_ XN ( 0 S X $ 1 )單結晶層摻雜Mg以作爲p型，並在其上將 p型層、發光層、η型層依此順序而積層’然後在基板設置 正極，在η型層設置負極以作爲發光元件。 【實施方式】 〔實施例〕 (實施例1 )

由n-SiC晶錠以#400之電解沉積鋼絲鋸予以總括切割成 厚度爲4 5 0微米之板狀以製得S i C單結晶基板。此時，則 在基板加工面在0.1微米以數條至10條左右之密度形成出 由非周期性溝所構成之加工傷。其溝之深度爲以最大-最小 之高低差計則爲1微米左右，亦即以平均深度計則爲0.5 微米左右。 以丙酮對該基板施加有機洗淨後，使用乾鈾刻裝置實施 表面之蝕刻處理，以除去加工變質層。其係使用氯系氣體 ，並以RF功率爲1 kW、偏壓爲300 W之條件下進行5分 鐘之蝕刻處理。平均蝕刻深度係設定爲2微米。結果雖然 在蝕刻處理前已存在的非周期性溝是仍然存在，但是已獲 得改善成以最大-最小高低差計則爲0.8微米，亦即，以平 均深度計則爲〇 . 4微米左右。 然後，經實施該使用氯系氣體的蝕刻處理之基板表面， 其蝕刻殘渣則再進一步在蝕刻裝置中實施使用氧的氧化處 理以除去表面之殘渣，同時施加碳化矽基板之表面氧化膜 1258873 形成處理。此氧化膜形成處理係在直至進行磊晶生長前的 氟酸處理爲止之期間，爲使基板表面保持成清淨所施加者 接著，說明使用上述基板，在其上使緩衝層及單結晶層 生長以製造本發明之III族氮化物半導體積層物之次序如下

經形成氧化膜之基扳係在放入磊晶生長裝置之前，以HF :H20 = 1 : 1之稀氟酸加以洗淨•乾燥，然後將基板擺置 於經塗敷SiC之石墨載具上後放入生長裝置。然後，在將 受到插裝在石墨載具的熱電偶所測溫·控制的生長裝置中 ，在氫氣流通狀態下升溫至l，l〇〇°C，以除去殘留於表面之 自然氧化膜。 經除去氧化膜後，則將溫度降低至60(TC，然後使作爲 III族原料而經在TMG中鼓泡之氫氣流通20 seem、使作爲 氮源之NH3以4 slm之流量流通10分鐘，其後則停止供應 ΙΠ族原料，使溫度上升於900 °C以處理5分鐘，以形成出 由GaN所構成之緩衝層。另外，「seem」係表示經換算成 標準狀態體積之cm3/min、「slm」係表示經換算成標準狀 態體積之Ι/min。 接著，將溫度升溫至1，1 〇〇 °C，然後作爲III族原料而供 應20 seem經在TMG中鼓泡之氫氣，作爲氮源而以4 slm 之流量供應NH3，以使GaN單結晶層生長4微米，以製得 本發明之ΠΙ族氮化物半導體積層物。此時之氮元素/III族 元素比爲1，600。GaN單結晶層之表面粗糙度以Ra値計則 1258873 爲2 0奈米，呈非常平滑的表面。 第1圖係經以本實施例所製得之III族氮化物半導體積 層物在倍率爲2,000倍下之剖面之SEM照片，第2圖係其 模式圖。由該等圖即可知，SiC基板表面之溝係呈非周期 性，其平均深度爲0.4微米。第3圖及第4圖係在倍率爲 2 00萬倍時之剖面之TEM照片與其模式圖。由該等圖即可 知緩衝層係島狀結晶，其厚度爲1 〇奈米。 (實施例2 )

除將GaN單結晶層之生長溫度變更爲l，〇〇〇°C之外’其 餘則與實施例1同樣地製得ΙΠ族氮化物半導體積層物。在 所製得之半導體積層物表面尙殘留一些孔洞’其表面粗糙 度如以Ra値計則爲100奈米，雖然比實施例1爲差’但是 具有足夠的平滑性。 (實施例3 ) 使用實施例1之ΠΙ族氮化物半導體積層物’並以業者 習知之方法製造GaN系具有46 0奈米發光波長之發光元件。 亦即，在實施例1，緊接著GaN單結晶層之生長’摻雜 劑使用SiH4積層由載子濃度爲lxl〇19/cm3之摻矽的GaN 層所構成之η型層。其後使基板溫度降低於75 0 °C ’作爲 發光層而積層由In〇.i6Ga〇.84N ( 3奈米厚度）/GaN ( 7奈米 厚度）之5周期所構成之MQW’然後再度升高基板溫度以 積層1〇〇奈米之由摻鎂的GaN層所構成之p型層。 然後，以通常微影照相術步驟興乾蝕刻步驟除去P型層 及發光層之一部份以使摻矽的n型層露出’然後形成由 1258873

Ti/Al所構成之負極，在剩下之P層上則形成由NiO/Au所 構成之透光性電極與由Au所構成的焊墊電極所構成之正極 ，以作爲發光元件。 經評估該發光元件之性能，結果在20 mA電流下發光輸 出爲4 mW，且順方向電壓爲3.2 V，顯現出良好性能。 (實施例4 )

在經由實施例1所切成爲板狀之基板，以#400金剛石磨 輪施加定厚加工至3 5 0微米，以改善其表面粗糙度。結果 在基板表面形成由未具有周期性·方向性的溝所構成之加 ® 工傷，其深度爲以最大-最小之高低差計則爲0.6微米左 右，亦即，以平均深度計則爲0.3微米，因此比較定厚加 工前獲得改善。 '

爲除去加工變質層，則使用24(TC之熱磷酸施加10分鐘 之蝕刻處理。基板表面之溝深度係以最大-最小高低差計 爲〇·4微米左右，亦即，以平均深度計則降低成0.2微米。 蝕刻後之基板係經水洗後則以熱氧化爐將氧化膜形成於其 表面。 緩衝層之形成係以日本國專利特開第2003 -243302號公 報所揭示之方法進行。亦即，直至基板表面上之自然氧化 膜除去過程係以與實施例1同樣地實施，其後則在保持基 板溫度爲1，1 〇〇 t之狀態下，打開氨配管之控制閥，開始使 氨流通於爐內。接著，同時切換TMG與TMA之配管的控 制閥，使含有TMG與TMA的蒸氣之氫氣供應於反應爐內 ’以在基板上形成爲AlGaN所構成之緩衝層。所供應的 -20 - 1258873 TMG與ΤΜ A之混合比，係加以調節成以莫耳比率計爲2 : 1，氨量則加以調節成氮元素/ π I族元素比爲8 5。 經處理6分鐘後，同時切換TMG與TMA之配管的控制 閥，停止對反應爐內供應含有TMG與TMA的蒸氣之氫氣 。接著，也停止供應氨，然後，以此狀態下保持3分鐘。經 3分鐘的退火後，切換氨配管之控制閥，對爐內再度開始供 應氨氣。在以此狀態使氨流通4分鐘之狀態下實施退火。

其次，進行厚度爲4微米的GaN單結晶層之形成，以製 得本發明之III族氮化物半導體積層物。GaN單結晶層之 β 生長係以下述次序進行，亦即，將基板溫度調節成 ，並以氫作爲載氣，以氮元素/III族元素比能成爲3,2 00之 方式以8 s 1 m之流量供應氨，以2 0 s c c m之流量供應含有 TMG的蒸氣之氫氣。並且又供應SiH4以摻雜矽。然而，Si * 濃度若太濃時^將導致結晶的縱方向生長速度增加’因而 - 將SiH4之流量調整成Si濃度爲比較低濃度之lxl〇18/cm3。

結果所製得之半導體積層物之GaN單結晶層表面粗糙度 ，係以Ra値計則爲20奈米之非常平滑者。另外，第5圖 及第6圖係本實施例之III族氮化物半導體積層物在倍率爲 50萬倍下之剖面之TEM照片與其模式圖。由該等圖即可 知緩衝層係柱狀結晶，且其厚度爲5 0奈米。 (實施例5 ) 使用實施例4之III族氮化物半導體積層物並與實施例3 同樣地製得發光元件。但是爲利用SiC基板之導電性，則 在SiC基板背面蒸鍍鎳以作爲負極。 -21 - 1258873 絰評估該發光元件之性能’結果在電流爲2 0 m A下發光 輸出爲4 m W、順方向電壓爲3 · 5 V，顯現出良好性能。 〔產業上之利用性〕 當將本發明之ΠΙ族氮化物半導體積層物利用於發光二 極體（LED )、雷射二極體（LD )、電子裝置等時，當可 簡化該等之製造步驟，使得製造成本降低低減，因而其在 產業上之利用價値非常大。 【圖式簡單說明】

第1圖係以實施例1所製得ΠΙ族氮化物半導體積層物 · 之剖面之SEM照片（倍率爲2,000倍）。 第2圖係將第1圖以模式表示之示意圖。 第3圖係以實施例1所製得III族氮化物半導體積層物 之剖面之TEM照片（倍率爲200萬倍）。 - 第4圖係將第3圖以模式表示之示意圖。 _ 第5圖係以實施例4所製得III族氮化物半導體積層物 之剖面之TEM照片（倍率爲50萬倍）。 第6圖係將第5圖以模式表不之不蒽圖。 € 【主要元件符號說明】 A、B、C、D、E、F 溝之位置 a 基板表面之最局部 b 基板表面之最低部 c 中間面 1、2、3 島狀結構 1 1、1 2、1 3 柱狀結晶 -22 -

Claims (1)

1258873 十、申請專利範圍： 1 · 一種ΠΙ族氮化物半導體積層物，其係在基板上設置由 AUGahN ( 0 ^ X ^ 1 )之柱狀結晶或島狀結晶所構成 之緩衝層，而在該緩衝層上設置AUInyGai+yN ( 〇 $ x $ 1 ' 0 S y S 1、0 S x + y S 1 )之單結晶層者，且基板 表面係非周期性地具有平均深度爲〇 . 〇 1〜5微米之溝 2 · 如申請專利範圍第1項之III族氮化物半導體積層物’

其中溝之平均深度爲0.1〜1微米。 3 · 如申請專利範圍第1項之III族氮化物半導體積層物’ 其中基板爲藍寶石單結晶或SiC單結晶。 4. 如申請專利範圍第1項之III族氮化物半導體積層物’ 其中緩衝層係含有柱狀結晶。 5 · 如申請專利範圍第1項之III族氮化物半導體積層物’ 其中緩衝層之厚度爲1〜100奈米。 6 . 如申請專利範圍第丨項之III族氮化物半導體積層物’ 其中緩衝層係一面將氮元素/111族元素比設定爲1，0 0 0 以下（係包括氮元素/III族元素比爲0之情形）而供 應III族原料及氮源（在氮元素/III族元素比爲0之情 形下則僅爲III族原料）一面形成者。 7 .如申請專利範圍第1項之III族氮化物半導體積層物’ 其中單結晶層之厚度爲1〜2 0微米。 8 .如申請專利範圍第1項之III族氮化物半導體積層物’ 其中單結晶層係一面將氮元素/III族兀素比3又疋爲 -23 - 1258873 1，6 00〜3，20 0而供應III族原料及氮源一面形成者。 9. 如申請專利範圍第1項之III族氮化物半導體積層物’ 其中單結晶層係將基板溫度設定爲1，000〜l,3 00°c之 範圍所形成者。 10.如申請專利範圍第9項之III族氮化物半導體積層物 其中基板溫度係在於1，〇5〇〜1，200°C之範圍。

1 1 . 一種III族氮化物半導體發光元件，其特徵爲在如申請 專利範圍第1至10項中任一項之ΠΙ族氮化物半導體 積層物之單結晶層上，設置包括η型層、發光層及p · 型層之III族氮化物半導體層，且負極及正極係分別設 置於特定位置。 1 2 .如申請專利範圍第1 1項之III族氮化物半導體發光元 件，其中π I族氮化物半導體層係將η型層、發光層及 - Ρ型層依此順序所設置，且負極及正極係分別設置於 該η型層及ρ型層。 13. —種III族氮化物半導體用基板，其特徵爲在表面非周 期性地具有平均深度爲〇.〇1〜5微米之溝。 H 1 4.如申請專利範圍第1 3項之III族氮化物半導體用基板 ，其中溝之平均深度爲0.1〜1微米。 1 5 ·如申請專利範圍第1 3項之III族氮化物半導體用基板 ，其中基板係藍寶石單結晶或SiC單結晶。 16. —種III族氮化物半導體積層物之製造方法，係包括： 一面將氮元素/III族元素比設定爲丨，000以下（係包括 氮元素/III族元素比爲0之情形）而供應III族原料及 -24 - '!258873 孰源（在氣兀素/ III族兀素比爲0之情形下則僅爲 族原料）一面形成由 AlxGauNCogx^i)所構成之 緩衝層之步驟；與其後則使用III族原料與氮源，在該 緩衝層上使 AUItiyGa^x-yN ( OSxg ii、〇gx + y S 1 )之單結晶層進行氣相生長之步驟。

17. —種III族氮化物半導體積層物之製造方法，係包括： 在表面非周期性地具有平均深度爲〇 . 〇 1〜5微米之溝 且經予以加熱之基板上，在4 0 0〜6 0 0。(：之基板溫度下 供應III族原料與氮源以形成由AUGahN ( OS 1 ) 所構成之層，其後停止供應ΙΠ族原料，並在900〜 1，〇〇〇 °C下施加熱處理之緩衝層形成步驟；與其後則使 用III族原料與氮源，在該緩衝層上使AlxInyGai_x yN (0$XS1、Ogygl、〇SX + ygl)之單結晶層進行 氣相生長之步驟。

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