[go: up one dir, main page]

CN110050330A - Iii族氮化物半导体 - Google Patents

Iii族氮化物半导体 Download PDF

Info

Publication number
CN110050330A
CN110050330A CN201880004481.XA CN201880004481A CN110050330A CN 110050330 A CN110050330 A CN 110050330A CN 201880004481 A CN201880004481 A CN 201880004481A CN 110050330 A CN110050330 A CN 110050330A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
concentration
gan
ingan
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201880004481.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN110050330B (zh
Inventor
石桥明彦
上田章雄
大野启
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Publication of CN110050330A publication Critical patent/CN110050330A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110050330B publication Critical patent/CN110050330B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/01—Manufacture or treatment
    • H10H20/011—Manufacture or treatment of bodies, e.g. forming semiconductor layers
    • H10H20/013—Manufacture or treatment of bodies, e.g. forming semiconductor layers having light-emitting regions comprising only Group III-V materials
    • H10H20/0133—Manufacture or treatment of bodies, e.g. forming semiconductor layers having light-emitting regions comprising only Group III-V materials with a substrate not being Group III-V materials
    • H10H20/01335—Manufacture or treatment of bodies, e.g. forming semiconductor layers having light-emitting regions comprising only Group III-V materials with a substrate not being Group III-V materials the light-emitting regions comprising nitride materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
    • C23C16/34—Nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B25/18—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/38—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/0242—Crystalline insulating materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439—Materials
    • H01L21/02455—Group 13/15 materials
    • H01L21/02458—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02494—Structure
    • H01L21/02496—Layer structure
    • H01L21/02505—Layer structure consisting of more than two layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02538—Group 13/15 materials
    • H01L21/0254—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/0257—Doping during depositing
    • H01L21/02573—Conductivity type
    • H01L21/02576—N-type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/0257—Doping during depositing
    • H01L21/02573—Conductivity type
    • H01L21/02579—P-type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/0262—Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/01—Manufacture or treatment
    • H10H20/011—Manufacture or treatment of bodies, e.g. forming semiconductor layers
    • H10H20/013—Manufacture or treatment of bodies, e.g. forming semiconductor layers having light-emitting regions comprising only Group III-V materials
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/01—Manufacture or treatment
    • H10H20/011—Manufacture or treatment of bodies, e.g. forming semiconductor layers
    • H10H20/013—Manufacture or treatment of bodies, e.g. forming semiconductor layers having light-emitting regions comprising only Group III-V materials
    • H10H20/0133—Manufacture or treatment of bodies, e.g. forming semiconductor layers having light-emitting regions comprising only Group III-V materials with a substrate not being Group III-V materials
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/81—Bodies
    • H10H20/815—Bodies having stress relaxation structures, e.g. buffer layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/81—Bodies
    • H10H20/8215—Bodies characterised by crystalline imperfections, e.g. dislocations; characterised by the distribution of dopants, e.g. delta-doping
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/81—Bodies
    • H10H20/822—Materials of the light-emitting regions
    • H10H20/824—Materials of the light-emitting regions comprising only Group III-V materials, e.g. GaP
    • H10H20/825—Materials of the light-emitting regions comprising only Group III-V materials, e.g. GaP containing nitrogen, e.g. GaN
    • H10H20/8252—Materials of the light-emitting regions comprising only Group III-V materials, e.g. GaP containing nitrogen, e.g. GaN characterised by the dopants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/305—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region characterised by the doping materials used in the laser structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/3403—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers having a strained layer structure in which the strain performs a special function, e.g. general strain effects, strain versus polarisation
    • H01S5/3406—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers having a strained layer structure in which the strain performs a special function, e.g. general strain effects, strain versus polarisation including strain compensation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34333—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer based on Ga(In)N or Ga(In)P, e.g. blue laser

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Led Devices (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

本发明提供一种高品质的III族氮化物半导体。该III族氮化物半导体具备：包含AlxGa1‑xN(0≤x＜1)的n‑GaN层；配置于所述n‑GaN层上且包含InGaN的InGaN层；配置于所述InGaN层上且包含n型的AlyGa1‑yN(0≤y＜1)的n‑AlGaN层；以及配置于所述n‑AlGaN层上的功能层，所述n‑GaN层的Mg浓度比所述n‑AlGaN层的Mg浓度大。

Description

III族氮化物半导体
技术领域
本发明涉及III族氮化物半导体。
背景技术
III族氮化物半导体通过使III族元素的Ga、Al、In等的组成变化，能够覆盖较宽的带隙。因此，广泛地使用于发光二极管(LED)、半导体激光二极管(LD)等光半导体器件、以及高频或高输出用途的电子器件等。这些器件一般是通过在蓝宝石基板上使III族氮化物半导体层外延生长来制作的。然而，由{(GaN的晶格常数-蓝宝石的晶格常数)/GaN的晶格常数}表示的、蓝宝石基板与作为III族氮化物半导体之一的GaN的晶格失配有13.8％。因此，有时进行外延生长的III族氮化物半导体内的缺陷密度变高、或在III族氮化物半导体产生裂缝。而且，现状为，这些成为使器件的特性或可靠性降低的主要原因。
以减少由于上述的晶格失配而引起的III族氮化物半导体层的缺陷或裂缝为目标的、在ScAlMgO4基板上使GaN外延生长的技术已被公开(专利文献1)。由{(GaN的晶格常数-ScAlMgO4的晶格常数)/GaN的晶格常数}表示的、ScAlMgO4与GaN的晶格失配较小，为-1.8％。因此，减少了在ScAlMgO4基板上外延生长的III族氮化物半导体中的缺陷的产生、裂缝的产生。因此，期待将该技术应用于高品质、高性能的III族氮化物半导体器件。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-178448号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，若在以ScAlMgO4基板为代表的、包含通式RAMgO4所表示的单晶体(通式中，R表示从由Sc、In、Y、以及镧系元素构成的组中选择的一个或多个三价元素，A表示从由Fe(III)、Ga、以及Al构成的组中选择的一个或多个三价元素)的基板上使III族氮化物半导体外延生长，则作为ScAlMgO4基板的构成元素的Mg会混入到III族氮化物半导体内。
另外，上述的ScAlMgO4基板的晶格常数接近GaN的晶格常数，但是，比GaN的晶格常数小。因此，如果使基板与在其之上外延生长的III族氮化物晶体之间的晶格常数之差较小，则能够得到更高品质的III族氮化物半导体晶体。
本发明是为了解决以上问题而完成的，其目的在于，提供高品质的III族氮化物半导体。
解决问题的方案
本发明的III族氮化物半导体的特征在于具备：包含AlxGa1-xN(0≤x＜1)的GaN层；配置于所述GaN层上且包含InGaN的InGaN层；配置于所述InGaN层上且包含AlyGa1-yN(0≤y＜1)的AlGaN层；以及配置于所述AlGaN层上的功能层，所述GaN层的Mg浓度比所述AlGaN层的Mg浓度大。
发明效果
在本发明中，通过在GaN层中适当地使Mg扩散来使GaN的晶格常数稍微变大，从而使GaN层的晶格常数接近功能层的晶格常数。由此，能够形成为功能层不易发生畸变且特性较高的III族氮化物半导体。另一方面，通过利用InGaN层抑制Mg向功能层侧扩散，从而能够提高功能层的结晶质量。由此，能够提供高品质的III族氮化物半导体。
附图说明
图1是表示包含本发明的实施方式1中的III族氮化物半导体的元件结构、以及特定层的杂质的浓度分布的图。
图2是表示包含本发明的实施方式2中的III族氮化物半导体的元件结构、以及特定层的杂质的浓度分布的图。
图3是表示本发明的实施方式1中的、n-InGaN层的Mg扩散抑制效果的Mg浓度分布的图。
图4是表示本发明的实施方式1的III族氮化物半导体内的Mg的扩散性的Mg浓度分布的图。
图5是表示本发明的实施方式1中的、基于二次离子质谱法(Secondary ION MassSpectrometry：SIMS)得到的III族氮化物半导体发光元件的杂质浓度以及构成元素(In)的二次离子强度的深度方向分布的图。
图6是包含本发明的实施方式3中的III族氮化物半导体的元件结构、以及Mg浓度分布的图。
标记说明
1、11、31、41、61：RAMgO4(ScAlMg O4)基板
2、32、42、51：n-GaN层
3、33、52：n-InGaN层
4、34：n-AlGaN层
5、53：InGaN发光层
6、54：p-AlGaN层
10、20：III族氮化物半导体
62：GaN第1缓冲层
63：InGaN扩散抑制层
64：GaN第2缓冲层
65：AlGaN背势垒层
66：GaN沟道层
67：AlGaN势垒层
68：p型GaN层
100、200：发光二极管
601：源极
602：栅极
603：漏极
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
(实施方式1)
作为本实施方式中使用的基板，可以例举包含由RAMgO4所表示的单晶体(通式中，R表示从由Sc、In、Y、以及镧系元素构成的组中选择的一个或多个三价元素，A表示从由Fe(III)、Ga、以及Al构成的组中选择的一个或多个三价元素)的RAMgO4基板。以下，以RAMgO4基板是ScAlMgO4基板的情况为例进行说明，但是，本实施方式中使用的基板不限于ScAlMgO4基板。
构成ScAlMgO4基板的ScAlMgO4单晶，是以岩盐型结构的ScO2层和六方晶结构的AlMgO2层交替地层叠而成的结构构成晶体，并能够以与石墨、六方晶BN同样的(0001)面劈开。ScAlMgO4的与GaN的晶格失配度{(GaN的晶格常数-ScAlMgO4的晶格常数)/GaN的晶格常数}为-1.8％，与蓝宝石基板等相比非常小(ScAlMgO4和GaN相比，GaN的晶格常数稍小)。另外，与GaN的热膨胀系数差{(GaN的热膨胀系数-ScAlMgO4的热膨胀系数)/GaN的热膨胀系数}为-10.9％左右。晶格失配度小对于减少结晶缺陷是有效的，通过使用ScAlMgO4基板，可期待低缺陷的III族氮化物半导体层的形成。
将包含本实施方式中的III族氮化物半导体10的发光二极管(LED)100的结构的一例示于图1(右图)。本实施方式的发光二极管100具有在ScAlMgO4基板1上配置有Si掺杂n-GaN层2、Si掺杂n-InGaN层3、Si掺杂n-AlGaN层4、InGaN发光层5、和p-AlGaN层6的结构。此外，图1中也示出了该发光二极管100内的从Si掺杂n-GaN层2到InGaN发光层5的杂质浓度分布(Mg及Si)(左图)。
另外，能够使用MOCVD法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有机金属气相生长法)，在ScAlMgO4基板上进行外延生长来形成本实施方式的发光二极管100(III族氮化物半导体10)。
以下，示出本实施方式的发光二极管100的形成方法的一例。但是，本实施方式不限于这些。作为用于形成各层的III族原料，例如，可以使用三甲基镓(TMG)、三甲基铟(TMI)、三甲基铝(TMA)，作为V族原料，例如可以使用氨(NH3)气。另外，作为载气例如可以使用氢或氮。
首先，优选在ScAlMgO4基板1上形成各层之前，将ScAlMgO4基板1导入到炉内，以1100℃在氢气环境中进行热清洁10分钟。通过热清洁，能够除掉在ScAlMgO4基板1表面附着的碳系的污物等。
之后，将ScAlMgO4基板1的表面温度降到425℃，向炉内供给TMG或氨等，在ScAlMgO4基板1上以低温形成缓冲层(未图示)。可以通过生长时间、供给的III族原料来对缓冲层的膜厚和组成进行调整。在此，作为缓冲层，形成包含GaN的、膜厚20nm的层。
在所述缓冲层形成后，使ScAlMgO4基板1的温度上升至1125℃，形成Si掺杂n-GaN层2(膜厚3μm)。在形成Si掺杂n-GaN层2时，不只是TMG或氨，作为Si掺杂用的原料气体，也将甲硅烷气体(SiH4)调整其摩尔比进行供给。在此，将所得到的n-GaN层2中的Si浓度设为大约3×1018cm-3。在本发明中，只要没有特别说明，“浓度”表示原子浓度。另外，将生长速度设为3μm/h左右。此外，在n-GaN层2的生长时，也可以供给TMA来使其成为n-AlGaN层。即，n-GaN层2由AlxGa1-xN构成(0≤x＜1)。
接着，停止供给TMG和SiH4，在氨、氢及氮混合气体环境中，使基板温度从1125℃降温到700℃。然后，在停止供给氢载气后，进一步追加供给TMG、TMI和SiH4，形成n-InGaN层3(膜厚30nm)。可以通过调整TMG和TMI的供给摩尔比来控制In的量。此外，本实施方式中，将n-InGaN层3设为掺杂了Si的层，但是，也可以在该层不掺杂Si。此外，在掺杂Si的情况下，可以将n-InGaN层3中的Si浓度设为与所述n-GaN层2相同的大约3×1018cm-3。另外，优选将n-InGaN层3中的In组成调整为5原子％以上且30原子％以下，更优选调整为大约10原子％。若In的浓度超过30原子％，则有时GaN和InGaN之间的晶格失配过大，结晶性降低，若低于5原子％，则有时不能得到抑制Mg扩散的效果。
接着，只停止供给TMI，并一边使GaN层(未图示)生长，一边使基板温度上升到1100℃。这是为了防止在升温过程中n-InGaN层3的In蒸发。在基板温度达到1100℃后，进一步供给氢载气及TMA，形成n-AlGaN层4(膜厚0.5μm)。可以将n-AlGaN层4中的Si浓度设为与所述n-GaN层2相同的大约3×1018cm-3。此外，根据LED的设计，也可以在n-AlGaN层4不含有Al。即，n-AlGaN层4由包含n型掺杂剂(在此，为Si)的AlyGa1-yN(0≤y＜1)构成。
接着，停止供给TMG、TMA、SiH4，在氨、氢及氮混合气体环境中，使基板温度从1100℃降温到750℃。然后，停止供给氢载气，进一步追加供给TMG和TMI，形成InGaN发光层5(膜厚30nm)。若将InGaN发光层5中的In组成设为7原子％左右，则在LED工作时，会发出450nm左右的蓝色光。InGaN发光层5可以是单一的InGaN层，也可以是将InGaN层和GaN层周期性地反复层叠而得到的多级量子阱。另外，InGaN发光层5是无掺杂，但只要是在大约3×1018cm-3以下，也可以掺杂有Si。
接着，只停止供给TMI，并一边使GaN层(未图示)生长一边使基板温度上升到1000℃。在基板温度达到1100℃后，加入氢载气和TMA、以及环戊二烯基镁(Cp2Mg)，形成Mg掺杂p-AlGaN层6(膜厚大约0.2μm)。可以将Mg浓度设为大约1×1019cm-3。
此外，在制作LED等器件的情况下，在Si掺杂n-GaN层2、n-InGaN层3、n-AlGaN层4的任意一层的一部分形成n电极(未图示)，但是，在将n电极形成在n-GaN层2的一部分的情况下，优选在Si浓度比Mg浓度高的区域(后述的第1区域)形成。
图1的左图(曲线图)是实际制作了包含本实施方式的III族氮化物半导体10的发光二极管100(LED)时的杂质浓度(Mg浓度及Si浓度)的分布。基于SIMS法(Secondary IONMass Spectrometry：二次离子质谱法)对Mg浓度进行了分析。在距ScAlMgO4基板1最近的n-GaN层2，与ScAlMgO4基板1相接的一侧的Mg浓度最高，为1×1019cm-3～1×1022cm-3左右。
另外，也制作了除了不具有n-InGaN层3以外，具有同样的结构的比较用的发光二极管，对其也计测了杂质浓度的分布。该发光二极管如图1左图(曲线图)中虚线所示的那样，随着从ScAlMgO4基板上离开，Mg浓度随着趋向表面而单调减少。这是因为构成ScAlMgO4基板1的Mg原子向在其上形成的III族氮化物半导体中扩散。如图1所示的那样，在不具有n-InGaN层3的比较用的发光二极管中，Mg原子扩散到InGaN发光层5中。已扩散的Mg原子在InGaN发光层5中形成填隙原子等点缺陷，成为非发光中心而使LED的发光效率降低。若发光效率降低，则器件工作时被电注入的载体变成热，导致发光层本身或电极的劣化等，成为可靠性恶化的原因。
相对于此，具有n-InGaN层3的本实施方式的发光二极管中，如图1的左图(曲线图)中实线所示的那样，自ScAlMgO4基板1的Mg原子的扩散在n-InGaN层3中被抑制，n-AlGaN层4中的Mg浓度与n-GaN层2中的Mg浓度相比大幅度地减少。因此，InGaN发光层5中的Mg浓度减少到SIMS法的检测极限的2～3×1016cm-3以下左右。也就是说，本实施方式中，由于n-InGaN层3抑制Mg的扩散，因此n-GaN层2的Mg浓度比n-AlGaN层4的Mg浓度大。
在此，n-AlGaN层4具有向InGaN发光层5高效地注入电子载体的功能。若在n-AlGaN层4存在较多Mg，则必然地Mg较多地向InGaN发光层5扩散。相对于此，若通过n-InGaN层3的扩散防止能力而使得Mg的扩散被抑制，则n-AlGaN层4中的Mg浓度变低，从而使得n-AlGaN层4的n型掺杂剂浓度比n-AlGaN层4的Mg浓度大。
本实施方式中，将所述Si掺杂n-GaN层2、n-InGaN层3、n-AlGaN层4的Si浓度都设为大约3×1018cm-3。另外，除了n-GaN层2的与ScAlMgO4基板1相接的一侧以外，Si浓度比扩散到层叠结构中的Mg浓度高。在以下的说明中，将n-GaN层2的ScAlMgO4基板1侧的、Si浓度比Mg浓度小的区域称为第2区域，将n-GaN层2的n-InGaN层3侧的、Si浓度比Mg浓度大的区域称为第1区域。
在此，在本实施方式中，如后述那样，可以将n-GaN层2的与ScAlMgO4基板1相接的一侧、即Mg浓度比Si浓度高的区域(第2区域)的膜厚设为大约2μm，但是，在不插入n-InGaN层3的情况下，无法使该膜厚成为较厚的膜厚，而是成为大约0.3μm左右。如前所述，n-InGaN层3中的厚度方向上的Mg浓度的减少率比n-GaN层2中的厚度方向上的Mg浓度的减少率大。因此，若配置了n-InGaN层3，则Mg向n-InGaN层3侧的扩散被阻止，Mg容易滞留在与n-InGaN层3相比距ScAlMgO4基板1较近的一侧。另一方面，在未配置n-InGaN层3的情况下，Mg容易向InGaN发光层5侧扩散，n-GaN层2的与ScAlMgO4基板1相接的一侧的Mg浓度降低，第2区域的膜厚减小。
关于Mg浓度的分布，使用图3更详细地进行说明。在图3中，示出如本实施方式那样具有n-InGaN层3作为扩散防止层的情况(实线)、以及不具有n-InGaN层3的情况(虚线)的基于SIMS法的Mg浓度分布的比较。制作出按照ScAlMgO4基板31/n-GaN层32/n-InGaN层33/n-AlGaN层34的顺序进行层叠而得到的层叠体(本实施方式的层叠体)、以及按照ScAlMgO4基板31/n-GaN层32/n-AlGaN层34的顺序进行层叠而得到的层叠体(参考例)，来对它们进行了比较。
在参考例中，如图3的虚线所示的那样，Mg浓度随着从ScAlMgO4基板31侧靠近n-AlGaN层34侧而单调减少。而且，在从ScAlMgO4基板31和n-GaN层32之间的边界面离开大约2μm的位置，Mg浓度减少到与已掺杂的Si同等的浓度(3×1018cm-3左右)。另一方面，在是本实施方式的具有n-InGaN层33的结构的情况下，如图3中实线所示的那样，Mg浓度随着从ScAlMgO4基板31侧靠近n-AlGaN层34侧而减少，但是，在n-InGaN层33大幅度地变化。n-InGaN层33和n-AlGaN层34之间的边界面处的Mg浓度为大约3×1017cm-3，与n-GaN层32和n-InGaN层33之间的边界面处的Mg浓度相比较，大约减少一位数。虽然未充分地弄清基于n-InGaN层33的Mg的扩散抑制效果，但是，能够作出如下推测，即，通过置换入与Ga相比原子半径较大的In原子，从而经由晶格间或者Ga原子位置的Mg的扩散被抑制。
另一方面，在图4中示出关于Mg原子向III族氮化物半导体的扩散，基于SIMS法计测Mg浓度的深度方向分布而得到的结果。准备了4个在ScAlMgO4基板41上隔着低温GaN缓冲层只是将n-GaN层42单层(5μm左右)层叠而得到的层叠体，对这些进行了评价。未形成InGaN层。如图4所示的那样，在n-GaN层42中，Mg浓度在ScAlMgO4基板41附近的一部分中有稍微增大的趋势，但是，随着从ScAlMgO4基板41离开，Mg浓度减少，在从ScAlMgO4基板41与n-GaN层42的边界面离开2μm的膜厚附近，减少到与作为本实施方式中的n型的掺杂剂的Si的浓度同等的浓度(2～3×1018cm-3)。一般地，已知GaN中的Mg原子具有受主杂质的电特性，其受主能级较深，电活化率为大约10％左右。因此，为了使得不因为补偿Mg而减少起因于Si的n型的载体浓度，优选将Mg浓度设为Si浓度的1/10左右。在Mg浓度为Si浓度的1/10的情况下，进行电活化的Mg的量为1/100(1％)。
在此，如果在膜厚2μm(Mg浓度成为Si浓度的同等以下的上述膜厚)以上的n-GaN层42上形成n-InGaN层3，则能够将进行电活化的Mg的量降低到如上述那样的1％左右。
另外，如前所述，GaN的晶格常数非常接近ScAlMgO4基板的晶格常数，但是比其稍小(晶格失配率：-1.8％)。如本实施方式那样，当在ScAlMgO4基板1上形成n-GaN层2的情况下，若在n-GaN层2扩散了1×1019cm-3以上的Mg，则晶格常数稍微变大，ScAlMgO4基板1和n-GaN层2的晶格常数更接近，在该ScAlMgO4基板1和n-GaN层2的边界面处的缺陷产生被抑制。另外，在本实施方式中，由于具有n-InGaN层33，因此，如图3所示的那样，在该部分Mg的扩散被限制。因此，n-GaN层32中的Mg浓度与没有n-InGaN层33的参考例相比较容易变高，晶格匹配性被进一步改善。如上所述，在本实施方式的结构中，n-GaN层2中的Mg浓度为1×1019cm-3以上的区域的膜厚容易变厚，例如，可以设为0.5～2.0μm(典型值为大约1.5μm)。该膜厚与参考例的n-GaN层2中的该膜厚(大约0.2μm)相比较大幅度地厚。此外，为了使n-GaN层2的第2区域中的晶格常数充分地大，优选，在n-GaN层2中，Mg浓度为1×1019cm-3以上的区域的膜厚为0.5μm以上，更优选为1μm以上。
若进一步通过Mg的扩散使得n-GaN层2等的晶格常数变大，则容易接近与GaN相比晶格常数较大的InGaN发光层5的晶格常数和n-AlGaN层4等的晶格常数。也就是说，根据本实施方式，在InGaN发光层5残留的畸变减少，从而发光特性提高。
此外，若n-GaN层2的第2区域中的Mg浓度超过1×1022cm-3，则GaN的结晶质量降低，因此不优选。由此，优选n-GaN层2的第2区域的Mg浓度为1×1019cm-3以上且1×1022cm-3以下。
这样，在本实施方式中，通过使用n-InGaN层3作为Mg的扩散防止层，从而能够抑制ScAlMgO4基板和n-GaN层2之间的边界面的缺陷，且同时抑制成为非发光中心的Mg原子的向InGaN发光层5的扩散。另外，尤其是通过将n-InGaN层3配置于从ScAlMgO4基板1和n-GaN层2之间的边界面离开2μm以上的位置，从而能够使之成为保持n型载体浓度的LED结构。
图5是将n-GaN层51、n-InGaN层52、InGaN发光层53、p-AlGaN层54层叠而成的发光二极管的杂质浓度的分布。该发光二极管中，使用n-InGaN层52作为Mg的扩散防止层。在图5中，示出在ScAlMgO4基板(未图示)制作的LED的InGaN发光层53周边处的杂质(Mg及Si)浓度(实线)、以及In原子的二次离子强度(与In浓度成比例；虚线)的深度方向分布。如图5所示的那样，对于从ScAlMgO4基板(未图示)扩散到n-GaN层51中的Mg原子(达到浓度＝3～4×1018cm-3)，可以确认在n-InGaN层52中扩散被抑制，InGaN发光层53中的Mg浓度减少到1016数量级。另一方面，LED的表面侧的p-AlGaN层54中，由于掺杂了Mg，因此Mg浓度为1～2×1019cm-3左右。另外，n-GaN层51中的Si浓度为大约5×1018cm-3，比ScAlMgO4基板扩散来的Mg的浓度(3～4×1018cm-3)高。此外，在图5中，为了方便，在InGaN发光层53和n-InGaN层52之间未配置AlGaN层，但是，即使在该位置形成AlGaN层，也能够得到同样的效果。另外，图5中放大了半导体装置中的InGaN发光层52附近，而未显示ScAlMgO4基板及n-GaN层51中的第2区域(ScAlMgO4基板侧的n型掺杂剂浓度比Mg浓度小的区域)。此外，可看出在InGaN发光层53中，Si浓度和Mg浓度大致相同，但是，都只是含有计测界限以下的微量，也可以解释为在InGaN发光层53中不含有Mg和Si。
此外，在本实施方式中，公开了对于Mg自ScAlMgO4基板的扩散的抑制，但是，本实施方式的效果不只在此，即使是在没有ScAlMgO4基板的情况下，在有意或无意地掺杂了Mg时，本实施方式也是有效的。
另外，若n-InGaN层3变得过厚，则在LED器件工作时，有可能损失对于来自发光层的光的吸收。因此，n-InGaN层3的膜厚优选比n-GaN层2或n-AlGaN层4的膜厚薄。另一方面，从在n-GaN层2中，使较多地含有Mg且晶格常数较大的区域(第2区域)的膜厚较厚(设为0.5μm以上)的观点考虑，优选n-InGaN层3不过度地薄。具体地，优选为3nm～100nm，更优选为10～80nm。
(实施方式2)
本实施方式的发光二极管200(III族氮化物半导体20)如图2所示的那样，具有在ScAlMgO4基板11上配置有Si掺杂n-GaN层2、Si掺杂n-InGaN层3、Si掺杂n-AlGaN层4、InGaN发光层5、和p-AlGaN层6的结构。此外，图2中也示出了该发光二极管200内的从Si掺杂n-GaN层2到InGaN发光层5的杂质浓度分布(Mg及Si)(左图)。另外，关于Si掺杂n-GaN层2、Si掺杂n-InGaN层3、Si掺杂n-AlGaN层4、InGaN发光层5、以及p-AlGaN层6，由于与实施方式1相同，因此省略关于这些的详细说明。
本实施方式中，在ScAlMgO4基板实施条纹状的凹凸加工。首先，在ScAlMgO4基板上堆积SiO2等电介质屏蔽层，在所述屏蔽层的上表面涂布抗蚀剂膜。之后，通过照相平版印刷法使所涂布的抗蚀剂膜形成为条纹状图案。由此，形成抗蚀剂图案。接着，将所述屏蔽层的一部分蚀刻除去，由此，在形成条纹状的凸部的同时，形成多个开口。例如通过进行干式蚀刻，在屏蔽层形成多个以截面宽度为大约3μm的开口部和截面宽度为大约12μm的凸部为1周期的周期结构。
接着，除去所述屏蔽，在具有凹凸的ScAlMgO4基板11上隔着低温GaN缓冲层(未图示)形成n-GaN层2。从所述具有凹凸的ScAlMgO4基板11的凸部向上方方向及横向生长GaN晶体。然后，在各凸部上形成的GaN晶体结合而成为平坦的n-GaN层2。其结果，在n-GaN层2与具有凹凸的ScAlMgO4基板11之间形成空洞部12。空洞部12上的GaN是横向生长的晶体，由于是以与作为异种基板的ScAlMgO4基板不接触的方式形成的，因此成为位错非常少的高品质的晶体。之后，通过将Si掺杂n-InGaN层3、Si掺杂n-AlGaN层4、InGaN发光层5、以及p-AlGaN层6层叠，得到本实施方式的发光二极管200。此外，n-InGaN层3以后的形成方法、结构与所述实施方式1相同。
通过使用该具有凹凸的ScAlMgO4基板，不只是减少位错，也具有在LED器件工作时由于该凹凸而使得光散射从而光向外部射出，提取效率提高的效果。
此外，ScAlMgO4基板的凹凸加工不只限于条纹状，即使是岛状加工等，也具有同样的效果，周期性也并不是必需的。
(其他)
此外，在上述实施方式中，对使用(0001)面ScAlMgO4基板的、GaN的+c面方向的生长进行了公开，但是，即使是-c面方向(N面)的生长，通过适当地调整GaN的生长条件，也能够得到同样的效果。另外，即使在使用将c轴向任意方向倾斜了0.2～5度左右的偏角基板的情况下，也能够得到同样的效果。
并且，在上述中，以基板是ScAlMgO4的情况为例进行了说明，但是，只要是由通式ScAlMgO4所表示的基板，就能够得到同样的效果。由RAMgO4所表示的基板是由通式ScAlMgO4所表示的大致单一结晶材料构成。在上述通式中，R表示从Sc、In、Y、以及镧系元素(原子序数67-71)中选择的一个或多个三价元素，A表示从Fe(III)、Ga、以及Al中选择的一个或多个三价元素。此外，大致单一结晶材料是指如下的结晶质固体，即，包含90原子％以上的构成外延生长面的ScAlMgO4，且关于任意的晶轴，在外延生长面的任意部分，该晶轴的朝向都相同。但是，将晶轴的朝向有局部性的改变的结晶、以及包含局部性的晶格缺陷的结晶，也视为单晶。此外，O为氧，Mg为镁。并且，如上所述，优选R为Sc、A为Al。
另外，对于构成III族氮化物的主要的III族元素金属，最优选为镓(Ga)，但是，例如也可以将铝(Al)、铟(In)、铊(Tl)等设为主要的III族元素金属。关于这些金属，可以仅使用一种，也可以并用两种以上。例如，也可以在n-InGaN层进一步含有铝(Al)。在该情况下，n-InGaN层的组成由AlsGatIn{1-(s+t)}N(其中，0≤s＜1、0≤t＜1、s+t＜1)表示。
另外，作为n型掺杂剂，不特别地进行限定，但是，除了Si以外，可以例举氧或Ge等。此外，在本实施例中，使用了MOCVD法，但是，作为外延生长方法，使用HVPE(Hydride VaporPhase Epitaxy，氢化物气相外延)法、OVPE(Oxygen Vapor Phase Epitaxy，氧气气相外延)法、溅射法、MBE(Molecular Beam Epitaxy，分子束外延)法等也能够得到同样的效果。
另外，以上，将在从ScAlMgO4基板到InGaN发光层之间形成的各层为n型的形态作为优选的例子进行了说明，但是，也可以将各层的掺杂剂未活化的形态包含在本发明的范围内。具体而言，图1或图2所示的GaN层2也可以由n型、p型、或i型中的任意一个构成。并且，AlGaN层4也可以由n型、p型、或i型中的任意一个构成。
即，本发明提供III族氮化物半导体，其具备：包含AlxGa1-xN(0≤x＜1)的GaN层；配置于所述GaN层上且包含InGaN的InGaN层；配置于所述InGaN层上且包含含有掺杂剂的AlyGa1-yN(0≤y＜1)的AlGaN层；以及配置于所述AlGaN层上的功能层，所述GaN层的Mg浓度比所述AlGaN层的Mg浓度大，所述AlGaN层的掺杂剂浓度比所述AlGaN层的Mg浓度大。
另外，如上述那样，优选，在GaN层包含掺杂剂的情况下，在InGaN层侧具有掺杂剂浓度比Mg浓度大的第1区域，在与第1区域相反的一侧具有掺杂剂浓度比Mg浓度小的第2区域。在该情况下，掺杂剂也可以是p型掺杂剂。
但是，如上述那样，优选，在AlGaN层4中所包含的掺杂剂是n型掺杂剂。进而，优选将Si作为n型掺杂剂。
另外，到此，对具备作为功能层的一例的InGaN发光层5的发光二极管进行了说明。然而，功能层不限定于InGaN发光层，可以设为各种半导体的功能层等。作为这样的半导体的一例，可以例举具备沟道层作为功能层的功率器件(后述的实施方式3)等。
(实施方式3)
本实施方式的功率器件具备：包含AlxGa1-xN(0≤x＜1)的GaN层；配置于所述GaN层上且包含InGaN的InGaN层；配置于所述InGaN层上且包含AlyGa1-yN(0≤y＜1)的AlGaN层；以及配置于所述AlGaN层上的作为功能层的一例的沟道层，所述GaN层的Mg浓度比所述AlGaN层的Mg浓度大，所述AlGaN层中的掺杂剂浓度比所述AlGaN层的Mg浓度大。
在此，在图6(右图)中示出本实施方式的功率器件的元件结构的一例。在ScAlMgO4基板61上配置有作为GaN层的一例的GaN第1缓冲层62，在其上配置有作为InGaN层的一例的InGaN扩散抑制层63。进而，在其上配置有GaN第2缓冲层64、AlGaN背势垒层65(Al组成例如为3％、膜厚例如为0.5μm)，作为功能层的一例的GaN沟道层66(膜厚例如为0.15μm)配置于其上。进而，在其上配置有AlGaN势垒层67(Al组成例如为20％、膜厚例如为0.05μm)。与实施方式1及2同样地，通过MOCVD法依次形成这些层叠结构。进而，在AlGaN势垒层67上配置有晶体管工作所需要的源极601、p型GaN层68及其上面的栅极602、漏极603各电极。
为了提高二维电子气体的迁移率，GaN沟道层66需要是杂质、缺陷较少的高品质且高电阻的层。这是因为，若在GaN沟道层66存在杂质或缺陷，则二维电子气体由于这些而散射，不能发挥所希望的功能。另外，在GaN沟道层66存在的杂质或缺陷在以下方面也成为问题，即，由于捕获因功率器件工作时的电压应力而被加速的电子，从而导致增大导通电阻等的电流崩塌。
在图6中用实线示出本实施方式的功率器件的从GaN第1缓冲层62到AlGaN势垒层67中的Mg浓度的分布(左图)。以与上述同样的方法计测了Mg浓度。如图6左图(曲线图)所示的那样，在InGaN扩散抑制层63中抑制了自ScAlMgO4基板61的Mg的扩散。这一点，根据与GaN第1缓冲层62中的Mg浓度相比，GaN第2缓冲层64中的Mg浓度非常少可知。也就是说，根据本实施方式的功率器件，可以将GaN沟道层66保持为没有杂质的高品质的层，可以最大限度地发挥作为沟道层的功能。
另外，在本实施方式的功率器件中，GaN第1缓冲层62的除了与ScAlMgO4基板61相接的一侧以外，掺杂剂浓度比扩散到层叠结构中的Mg浓度高。而且，在本实施方式的功率器件的GaN第1缓冲层62也形成有位于ScAlMgO4基板61侧的掺杂剂浓度比Mg浓度小的第2区域、以及位于GaN第1缓冲层62的InGaN扩散抑制层63侧的掺杂剂浓度比Mg浓度大的第1区域。
此外，在图6(左图)中还用虚线示出除了没有形成InGaN扩散抑制层63以外，具有同样的结构的功率器件的Mg浓度分布(比较例)。在该比较例中，Mg扩散到GaN沟道层66，引起导通电阻增加等特性的劣化。
在此，在本实施方式的功率器件中，也与上述的实施方式1及实施方式2的发光二极管同样地，通过Mg从ScAlMgO4基板61扩散到GaN第1缓冲层62，能够增大GaN的晶格常数。因此，通过减少在ScAlMgO4基板61和在其上生长的层(例如GaN沟道层66等)之间略微存在的晶格失配，能够减少来自于此的畸变。
在此，ScAlMgO4基板61上的GaN第1缓冲层62的典型膜厚是3μm左右，根据阴极射线发光(Cathodoluminescence，CL)法的暗点密度计算出的缺陷密度为大约5×107cm-2。另一方面，在使用了以往作为功率器件用的基板被较多使用的Si基板的情况下的缺陷密度是108～109cm-2。也就是说，本实施方式与使用以往的Si基板的情况相比，缺陷密度大幅度地变低。
在此，在本实施方式的功率器件中，为了确保高耐压，例如，也可以在AlGaN背势垒层65的全部或一部分的区域不掺杂Si等n型杂质。
此外，对于构成III族氮化物的主要的III族元素金属，最好是镓(Ga)，但是，例如也可以将铝(Al)、铟(In)、铊(Tl)等设为主要的III族元素金属。关于这些金属，可以仅使用一种，也可以并用两种以上。例如在含有铟的情况下，其组成由AlsGatIn{1-(s+t)}N(其中，0≤s＜1、0≤t＜1、s+t＜1)表示。
本申请主张基于2017年11月16日提出的日本专利申请特愿2017-220749号的优先权。该申请说明书及附图中记载的内容全部引用于本申请说明书中。
工业实用性
本发明的III族氮化物半导体能够提供晶格失配较小、也抑制了杂质从基板向发光层或沟道层等功能层的扩散的、高品质、高可靠性、高性能的III族氮化物器件。

Claims (10)

1.一种III族氮化物半导体，具备：
包含AlxGa1-xN的GaN层；
配置于所述GaN层上且包含InGaN的InGaN层；
配置于所述InGaN层上且包含含有掺杂剂的AlyGa1-yN的AlGaN层；以及
配置于所述AlGaN层上的功能层，
所述GaN层的Mg浓度比所述AlGaN层的Mg浓度大，
所述AlGaN层的掺杂剂浓度比所述AlGaN层的Mg浓度大，
其中，0≤x＜1，0≤y＜1。
2.如权利要求1所述的III族氮化物半导体，其中，
所述GaN层包含掺杂剂，且在所述InGaN层侧具有掺杂剂浓度比Mg浓度大的第1区域，在与所述第1区域相反的一侧具有掺杂剂浓度比Mg浓度小的第2区域。
3.如权利要求2所述的III族氮化物半导体，其中，
所述GaN层的所述第2区域的Mg浓度为1×1019cm-3以上且1×1022cm-3以下。
4.如权利要求2或3所述的III族氮化物半导体，其中，
所述GaN层的所述第2区域的厚度为0.5μm以上且2μm以下。
5.如权利要求1～4中任意一项所述的III族氮化物半导体，其中，
所述GaN层配置于基板上，
所述基板是包含通式RAMgO4所表示的单晶体的RAMgO4基板，通式中，R表示从由Sc、In、Y、以及镧系元素构成的组中选择的一个或多个三价元素，A表示从由Fe(III)、Ga、以及Al构成的组中选择的一个或多个三价元素。
6.如权利要求1～5中任意一项所述的III族氮化物半导体，其中，
所述InGaN层中的厚度方向的Mg浓度的减少率比所述GaN层中的厚度方向的Mg浓度的减少率大。
7.如权利要求1～6中任意一项所述的III族氮化物半导体，其中，
所述AlGaN层中所包含的所述掺杂剂为n型掺杂剂。
8.如权利要求7所述的III族氮化物半导体，其中，
所述n型掺杂剂是Si。
9.如权利要求1～8中任意一项所述的III族氮化物半导体，其中，
所述功能层是发光层。
10.如权利要求1～8中任意一项所述的III族氮化物半导体，其中，
所述功能层是沟道层。
CN201880004481.XA 2017-11-16 2018-10-23 Iii族氮化物半导体 Active CN110050330B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017220749 2017-11-16
JP2017-220749 2017-11-16
PCT/JP2018/039367 WO2019097963A1 (ja) 2017-11-16 2018-10-23 Ｉｉｉ族窒化物半導体

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110050330A true CN110050330A (zh) 2019-07-23
CN110050330B CN110050330B (zh) 2024-03-29

Family

ID=66537824

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880004481.XA Active CN110050330B (zh) 2017-11-16 2018-10-23 Iii族氮化物半导体

Country Status (6)

Country Link
US (1) US10886435B2 (zh)
EP (1) EP3712925B1 (zh)
JP (1) JP6633813B2 (zh)
KR (1) KR102553985B1 (zh)
CN (1) CN110050330B (zh)
WO (1) WO2019097963A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113906574A (zh) * 2019-06-10 2022-01-07 苏州晶湛半导体有限公司 半导体结构和半导体结构的制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1525578A (zh) * 1995-11-06 2004-09-01 ���ǻ�ѧ��ҵ��ʽ���� 氮化物半导体器件
JP2008251641A (ja) * 2007-03-29 2008-10-16 Toyoda Gosei Co Ltd Ｉｉｉ族窒化物半導体素子およびｉｉｉ族窒化物半導体素子の製造方法
CN107227490A (zh) * 2016-03-23 2017-10-03 松下知识产权经营株式会社 Iii族氮化物半导体及其制造方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5693963A (en) * 1994-09-19 1997-12-02 Kabushiki Kaisha Toshiba Compound semiconductor device with nitride
JP3722426B2 (ja) * 1994-09-19 2005-11-30 株式会社東芝 化合物半導体装置
US6495867B1 (en) * 2000-07-26 2002-12-17 Axt, Inc. InGaN/AlGaN/GaN multilayer buffer for growth of GaN on sapphire
KR100664986B1 (ko) * 2004-10-29 2007-01-09 삼성전기주식회사 나노로드를 이용한 질화물계 반도체 소자 및 그 제조 방법
JP2007214378A (ja) * 2006-02-09 2007-08-23 Rohm Co Ltd 窒化物系半導体素子
US20100308357A1 (en) * 2007-10-29 2010-12-09 Mitsubishi Chemical Corporation Semiconductor light emitting element and method for manufacturing the same
US10304997B2 (en) * 2010-11-02 2019-05-28 Lumileds Llc III-nitride light emitting device with a region including only ternary, quaternary, and/or quinary III-nitride layers
CN103237931A (zh) * 2011-08-10 2013-08-07 日本碍子株式会社 13族元素氮化物膜及其叠层体
JP6514915B2 (ja) 2014-02-28 2019-05-15 国立大学法人東北大学 単結晶基板の製造方法およびレーザ素子の製造方法
JP2017168783A (ja) * 2016-03-18 2017-09-21 国立大学法人東北大学 半導体装置およびその製造方法
JP6249250B2 (ja) * 2016-03-23 2017-12-20 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 Ｉｉｉ族窒化物半導体及びその製造方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1525578A (zh) * 1995-11-06 2004-09-01 ���ǻ�ѧ��ҵ��ʽ���� 氮化物半导体器件
JP2008251641A (ja) * 2007-03-29 2008-10-16 Toyoda Gosei Co Ltd Ｉｉｉ族窒化物半導体素子およびｉｉｉ族窒化物半導体素子の製造方法
CN107227490A (zh) * 2016-03-23 2017-10-03 松下知识产权经营株式会社 Iii族氮化物半导体及其制造方法

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2019097963A1 (ja) 2019-11-14
EP3712925B1 (en) 2024-10-16
EP3712925A1 (en) 2020-09-23
US20200075810A1 (en) 2020-03-05
KR20200083369A (ko) 2020-07-08
EP3712925A4 (en) 2020-11-25
KR102553985B1 (ko) 2023-07-10
WO2019097963A1 (ja) 2019-05-23
CN110050330B (zh) 2024-03-29
JP6633813B2 (ja) 2020-01-22
US10886435B2 (en) 2021-01-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11024769B2 (en) Group III nitride semiconductor light-emitting element and method of manufacturing same
JP3909811B2 (ja) 窒化物半導体素子及びその製造方法
US6720570B2 (en) Gallium nitride-based semiconductor light emitting device
TWI493753B (zh) Nitride semiconductor light emitting device and manufacturing method thereof
CN104272477B (zh) 氮化物半导体发光元件
CN110112269B (zh) 发光二极管外延片及其制备方法
JP2003229645A (ja) 量子井戸構造およびそれを用いた半導体素子ならびに半導体素子の製造方法
TW201011952A (en) Group iii nitride based semiconductor light emitting element and epitaxial wafer
CN102084504B (zh) 氮化物类半导体发光元件及其制造方法
JP4631884B2 (ja) 閃亜鉛鉱型窒化物半導体自立基板、閃亜鉛鉱型窒化物半導体自立基板の製造方法、及び閃亜鉛鉱型窒化物半導体自立基板を用いた発光装置
JP2003037289A (ja) 低駆動電圧のｉｉｉ族窒化物発光素子
CN102341922A (zh) 氮化物半导体元件及其制造方法
KR20120081249A (ko) 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법
JP2008263023A (ja) Ｉｉｉ−ｖ族化合物半導体の製造方法、ショットキーバリアダイオード、発光ダイオード、レーザダイオード、およびそれらの製造方法
US10580936B2 (en) Group III nitride semiconductor light-emitting device and production method therefor
US11984535B2 (en) III-nitride semiconductor light-emitting device comprising barrier layers and well layers and method of producing the same
JP2010040692A (ja) 窒化物系半導体素子及びその製造方法
TW201316548A (zh) 半導體發光裝置
CN110050330B (zh) Iii族氮化物半导体
JP2002289914A (ja) 窒化物半導体素子
KR20100025637A (ko) 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법
TWI545798B (zh) Nitride semiconductor light emitting device and manufacturing method thereof
TW201310827A (zh) 第ｉｉｉ族氮化物半導體雷射元件
US20240120440A1 (en) Semiconductor structure
JP2011029218A (ja) 窒化物半導体発光素子構造とその形成方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB02 Change of applicant information
CB02 Change of applicant information

Address after: Osaka, Japan

Applicant after: Panasonic Holding Co.,Ltd.

Address before: Osaka, Japan

Applicant before: Matsushita Electric Industrial Co.,Ltd.

GR01 Patent grant
GR01 Patent grant