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CN1271767C - 氮化物半导体器件制造方法 - Google Patents

氮化物半导体器件制造方法 Download PDF

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CN1271767C CNB200410032116XA CN200410032116A CN1271767C CN 1271767 C CN1271767 C CN 1271767C CN B200410032116X A CNB200410032116X A CN B200410032116XA CN 200410032116 A CN200410032116 A CN 200410032116A CN 1271767 C CN1271767 C CN 1271767C
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Abstract

首先，将衬底温度升高到1020℃，在由蓝宝石构成的衬底(11)上顺序生长由n型Al0.1Ga0.9N组成的n型包层(14)、由n型GaN组成的n型光波导层(15)、及由n型Al0.2Ga0.8N组成的、抑制n型光波导层(15)构成原子的再蒸发的平坦性维持层(16)。接着，停止III族原料气体供给，将衬底温度降低到780℃，与此同时将运载气体由氢气更换为氮气，然后选择性导入V族源NH3、III族源TMI和TMG生长具有多量子阱结构的有源层(17)。

Description

氮化物半导体器件制造方法
本申请是分案申请，其母案申请的申请号：99810355.1，申请日：1999.9.16，发明名称：氮化物半导体器件制造方法。
技术领域
本发明涉及短波长发光器件，尤其涉及GaN系半导体激光器等半导体器件制造方法。短波长发光器件在光信息处理领域有广阔应用前景。
背景技术
III-V族化合物半导体中，含有V族元素氮(N)的氮化物半导体，由于其禁带宽度比较大，极有希望用作短波长发光器件材料。其中氮化镓系化合物，例如，GaN系半导体由AlxGayInzN组成(0≤X，Y，Z≤1、X+Y+Z＝1)，当前，对这种氮化物半导体的研究非常活跃，蓝色及绿色发光二极管器件(LED)已经实用化。为实现光盘装置的大容量化，迫切需要振荡波长在400nm的半导体激光器，使用GaN系半导体的半导体激光器引人注目，现在正在向达到实用化水平进展。
下面，参照附图说明已有的GaN系半导体激光器。
图7示出确认有激光振荡的已有GaN系半导体激光器的断面结构。如图7所示，由蓝宝石构成的衬底101，在101衬底上用金属有机化合物气相生长法(MOVPE)生长的102、103、104、105、106、107、108、109等各层，其中102是缓冲层，它由GaN构成，以缓和101衬底及在101衬底上生长的GaN系半导体的晶格不匹配，103层是n型接触层，它由具有器件形成区及n侧电极形成区的n型GaN构成，在n型接触层103上的器件形成区域依次形成由n型AI0.07Ga0.93N构成的第一包层104，由n型GaN构成的第1光波导层105，由Ga1-xInxN/Ga1-yInyN(0＜y＜x＜1)叠层构成的多量子阱有源区106，由P型GaN构成的第二光波导层107，由P型AI0.07Ga0.93N构成的第二包层108，由P型GaN构成的P型接触层109等多层结构。
在第二包层108的上部形成宽3μm～10μm左右的脊形条108a，P型接触层109形成在脊形条108a上，此外，在P型接触层109及位于第二包层108上的脊形条108a的侧边区域，以及外延层的侧面都由绝缘膜110披覆。
在绝缘膜110上形成P侧电极111，该电极由Ni/Au叠层体构成并与P型接触层109接触，在n型接触层103上的n侧电极形成区内形成n侧电极112，该电极由Ti/Al叠层体构成。
具有这种构造的半导体激光器，将n侧电极112接地，P侧电极111加上电压后，就从多量子阱有源区106的P电极111侧注入空穴，与此同时由n侧电极112侧注入电子，由于注入的空穴及电子在多量子阱有源区106产生光学增益，引起振荡波长大约400nm的激光振荡。但是由于构成多量子阱有源层106的Ga1-xInxN/Ga1-yInyN的组成及膜厚不同，振荡波长不同。现在，本构造半导体激光器已实现室温以上连续振荡。
在这里，我们指明在用MOVPE方法生长含In的GaN系半导体(即由GaInN组成的半导体)时，结晶生长温度最好在800℃左右，载运气体最好用氮气(N2)。(Applied physics lettere vol 59 P2251(1991))。与此相反，生长由Al0.07Ga0.93N构成的包层104，108及由GaN构成的光波导层105，107等不含In的半导体层时，一般是生长温度在1000℃以上，载运气体用氢气(H2)。生长的工艺过程在特开平6-196757号及特开平6-177423号公报有详细论述。
以下说明其工艺过程的概要。
首先，将衬底101保持在反应室里，一面导入H2气，一面将衬底温度升高到1050℃进行热处理。然后，将衬底温度降到510℃后，将反应气体氨气(NH3)和三甲基镓(TMG)导入到衬底101上，生长由GaN组成的缓冲层102。
其次，停止导入TMG的同时将衬底温度升高到1030℃，以H2气为载运气体，将TMG，硅烷(SiH4)导入，生长由n型GaN构成的n型接触层103，然后，追加含Al的III族原料气体三甲基铝(TMA)生成由n型Al0.07Ga0.93N组成的第一包层104。
再在停止各种原料气体供应的同时将衬底温度降到800℃，接着，将载运气体由H2更换为N2，导入III族原料气体TMG和三甲基铟(TMI)，形成由Ga1-xInxN/Ga1-yInyN叠层体构成的多量子阱有源层106。
然后，停止供给III族原料气体，再一次将衬底温度升高到1020℃，与此同时再次将载运气体由N2更换为H2，导入TMG，TMA及P型掺杂剂(Cp2Mg)顺序生长由P型GaN组成的第二光波导层107、由P型Al0.07Ga0.93N组成的第二包层108和由P型GaN组成的P型接触层109。
此外，在有源层形成后的升温工艺时，为防止In从多量子阱有源层106再蒸发，有时形成一层由GaN组成的保护层(特开平9-186363号公报)或由Al0.2Ga0.8N组成的保护层(例如：Japanese Journal of Appliedphysics vol 35 P.L74，1996)。
但是，前面所述已有GaN系半导体激光器中，由于作为多量子阱有源层生长前的底层的n型接触层103或者第一包层104的品质退化常常引起在它上面生长的多量子阱有源层106的结晶品质下降，从而引起发光二极管及半导体激光器发光效率降低及阈值电流增大，其中103层由n型GaN组成，104层由n型Al0.07Ga0.93N组成(但是，在特开平6-196757号公报和特开平6-177423号公报中Al的组成是0.1)。
鉴于上述已有器件的问题，本发明的目的是提高有源区及该有源区周边区域结晶品质，从而实现动态特性优异的氮化物半导体器件。
发明内容
本发明提供了一种氮化物半导体器件制造方法，其特征在于，该方法包括：用规定的温度对衬底进行热处理的工序，在上述衬底上通过层叠形成多层的工序，使用第1运载气体，通过在上述多层的上面导入III族原料气体和V族原料气体，在上述多层上形成由第1氮化物半导体组成的半导体层的工序；通过在所述半导体层上导入含铝的III族原料气体、形成平坦性维持层以抑制所述半导体层构成原子的蒸发、维持所述半导体层表面平坦性的并且与上述半导体层相比含有更多的铝的由第2氮化物半导体组成的平坦性维持层的形成工序，其中，铝作为构成元素；停止上述III族原料的供应、从上述第1运载气体更换到第2运载气体的工序，使用上述第2运载气体、通过在所述平坦性维持层上导入III族原料气体和V族原料气体，形成由第3氮化物半导体组成的有源层的有源层形成工序。
本发明还提供了一种氮化物半导体器件制造方法，其特征在于，该方法包括：用规定的温度对衬底进行热处理的工序，在上述衬底上通过层叠形成多层的工序，使用第1运载气体、在上述多层上通过导入III族原料气体及V族原料气体，形成在上述多层上的由第1氮化物半导体构成的半导体层的形成工序；停止上述III族原料的供应、将所述第1运载气体更换为组成与该第1运载气体不同的第二运载气体的运载气体变更工序；使用第2运载气体、在所述半导体层上，通过导入III族原料气体及V族原料气体，形成在上述半导体层的上面的由第2氮化物半导体组成的有源层的形成工序；所述运载气体更换工序是在所述第1半导体层的周围气氛成为压力在1个大气压以上的含氮的条件下进行的工序。
也就是说，为达到上述目的，本发明的第1方面是在衬底和有源区之间形成半导体层的晶体生长时，设置一个平坦性维持层，以抑制该半导体层构成原子的蒸发，维持半导体层的表面平坦性，平坦性维持层由氮化物半导体构成。特别是在较高温度下生长的第一半导体层与比该第一半导体层较低温度下生长的第二半导体层之间设置一个上述的平坦性维持层。
本发明的第2方面是在形成第一半导体层工艺和形成第二半导体层工艺之间，遇到III族原料气体更换，发生III族原料气体一时停止或载运气体变更时，衬底的周围气氛要由1个气压以上的含氮元素气体构成，例如氨气。
本申请的发明者们对GaN系半导体器件的有源区及其周边区域结晶性降低的原因一一检讨后，得出结论如下：
即，生长含GaN系材料时，生长含In层(例如在图7中所示的多量子阱有源层106)和不含In层(例如图7中所示的包层104和波导层105等)时，相互的原料气体的运载气体不同。生长含In层时运载气体一般用氮气，而生长不含In层时运载气体一般用氢气。这样在形成半导体激光器那样由多层膜组成的器件时，必须每一层每一层更换运载气体。
此外，在生长含In的多量子阱有源层106和不含In的包层104时，为抑制In的蒸气压，含In层的生长温度必须低于不含In层的生长温度。
运载气体更换时，III族原料气体停止供给，衬底101上不生长新的结晶，处于平衡状态。在这种平衡状态下，在衬底温度达1000℃的高温状态或1个气压以下的压力状态下，将发生构成原子从已生长半导体层脱离的现象(再蒸发)。即，在原料气体更换的平衡状态下，由于构成原子从半导体结晶的生长界面脱离造成结晶品质的退化。
对此，在原料气体更换时的平衡状态下，作为防止构成原子从GaN系半导体结晶生长界面脱离的第一个解决手段，本申请的发明者们在底层的表面设置一层由含Al的氮化物半导体构成的平坦性维持层，由此可以使在底层上生长的有源层的结晶品质不发生退化。
进一步，在原料气体更换的平衡状态下，作为防止构成原子从半导体结晶生长界面脱离的第二个解决手段，将底层的周围气氛设置为含有加压状态的氮气气氛时，在底层上生长的有源层的结晶品质不发生退化。
以下，列举出具体的解决手段：
与本发明有关的第一种氮化物半导体器件制造方法具备以下各工序：作为第一解决问题手段，在衬底上形成由第一氮化物半导体构成的半导体层工序，和在半导体层上形成由第二氮化物半导体构成的平坦性维持层工序以及在平坦性维持层上形成由第3氮化物半导体构成的有源区工序。平坦性维持层由于抑制半导体层构成原子的蒸发能够维持半导体层的表面平坦性。
按照第一种氮化物半导体器件制造方法，在有源层形成之前，在作为有源层底层的半导体层上形成平坦性维持层，平坦性维持层抑制半导体层构成原子的蒸发、维持半导体层的表面平坦性，再在平坦性维持层上形成有源层，这样就能维持该有源层优良的结晶性。其结果，提高了半导体器件的动态特性，同时也确保器件的长期可靠性。
在第一种氮化物半导体器件制造方法中，最好在第二氮化物半导体中含有Al，在第三氮化物半导体中含有Ga及In。这样做，如后面所述，氮化铝(AIN)比氮化镓(GaN)的蒸气压还小，因此，平坦性维持层的构成原子难以蒸发，其结果，可以更好保护作为底层的半导体层。此外，由于构成有源层的第3氮化物半导体含有铟(In)，其能带间隙变窄，可确保在第3氮化物半导体上形成量子阱构造。
与本发明相关的第二种氮化物半导体器件制造方法具备以下各工序，作为第一解决手段，在衬底上，以第1生长温度生长由第1氮化物半导体构成的第1半导体层工序，在第1半导体层上形成由第2氮化物半导体构成的平坦性维持层工序、在平坦性维持层上以比第1生长温度更低的第2生长温度生长由第3氮化物半导体构成的第2半导体层工序。平坦性维持层抑制第1半导体层构成原子的蒸发，维持第1半导体层的表面平坦性。
按照第二种氮化物半导体器件制造方法，由于以第1生长温度，在第1半导体层上形成了维持第1半导体层表面平坦性的平坦性维持层，在温度由第1温变降到第2温度期间，能够抑制构成原子从第1半导体层表面的蒸发。因此，可以维持第1半导体层的结晶性及平坦性，这样在第1半导体层上形成第2半导体层作为有源区域时，由于维持该有源区优良的结晶性，可以提高半导体器件的动态特性，并确保半导体器件的长期可靠性。
在第一及第二种氮化物半导体器件制造方法中，第2氮化物半导体最好由AlxGa1-xN(0.1＜x≤1)构成。这样构成原子就不会从成为平坦性维持层的第2氮化物半导体再蒸发，因此，可以保证抑制在平坦性维持层下方形成的由第1氮化物半导体构成的半导体层的构成原子蒸发。
在第一及第二种氮化物半导体器件制造方法中，第2氮化物半导体最好由AlxGa1-xN(0.2≤x≤1)构成。这样，可以更能确保抑制在平坦性维持层下方形成的由第1氮化物半导体构成的半导体层的构成原子蒸发。
在第一及第二种氮化物半导体制造方法中，平坦性维持层的膜厚最好小于0.5μm，这样，平坦性维持层不发生裂纹。
与本发明有关的第三种氮化物半导体器件制造方法，具备以下各工序：作为第2解决手段，在衬底上导入III族原料气体与V族原料气体，在衬底上形成由第1氮化物半导体构成的第1半导体层的第1半导体层形成工序；停止导入III族原料气体的III族原料气体停止工序；在第1半导体层上导入III族原料气体及V族原料气体，在第1半导体层上形成由第2氮化物半导体构成的第2半导体层的第2半导体层形成工序。III族原料气体停止工序是包含着将第1半导体层周围气氛变成压力在1个大气压以上含氮气氛的工序。
按照第三种氮化物半导体器件制造方法，能够抑制第1半导体层的构成原子，特别是氮原子从第1半导体层的表面蒸发。由此，可以维持第1半导体层的结晶性和平坦性，这样在第1半导体层上形成第2半导体层时，能够维持该第2半导体层的优秀结晶性。其结果，如果用这样的第2半导体层作为有源区域时，因为维持了该有源区域优秀的结晶性，，可以确保半导体器件动态特性的提高和器件的长期可靠性。
与本发明相关的第四种氮化物半导体器件制造方法具备以下各工序：作为第2解决手段，在衬底上与第1运载气体同时导入III族及V族原料气体，在衬底上形成由第1氮化物半导体构成的第1半导体层的第1半导体层形成工序；将第1运载气体更换成组成与第1运载气体不同的第2运载气体的运载气体变更工序；在第1半导体层上与第2运载气体同时导入III族原料气体与V族原料气体，在第1半导体层上形成由第2氮化物半导体构成的第2半导体层的第2半导体层形成工序。运载气体变更工序是包含将第1半导体层的周围气氛变成压力为1个大气压以上的含氮气氛的工序。
按照第四种氮化物半导体器件制造方法，能够抑制第1半导体层的构成原子、特别是氮气原子从该第1半导体层表面的蒸发。由此，能够得到与第3氮化物半导体器件制造方法同样的效果。
附图说明
图1(a)～图1(c)示出与本发明第1实施方式相关的氮化物半导体器件制造方法工艺顺序的构成剖面图。
图2示出与本发明第1实施方式相关的氮化物半导体器件制造工艺顺序的构成剖面图。
图3(a)是与本发明第1实施方式相关的氮化物半导体器件的能带图。
图3(b)是与本发明第1实施方式的一个变形例子相关的氮化物半导体器件的能带图。
图4示出与本发明第1实施方式相关的氮化镓(GaN)和氮化铝(AIN)的平衡蒸气压与温度的关系。
图5(a)～图5(c)示出与本发明第2实施方式相关的氮化物半导体器件制造方法工艺顺序的构成剖面图。
图6示出与本发明第2实施方式相关的氮化物半导体器件制造工艺顺序的构成剖面图。
图7示出已有的GaN系量子阱半导体激光器的构成剖面图。
实施本发明的最佳方式
具体实施方式
第1实施方式
下面参照附图说明本发明的第1实施方式。
图1(a)～图1(c)及图2表示出与本发明第1实施方式相关的氮化物半导体器件——半导体激光器制造方法的工艺顺序构成剖面。
首先，如图1(a)所示，用MOVPE法对放置在反应室(图上未显示)内的蓝宝石衬底11在1000℃下进行热处理，然后将衬底温度降到500℃，运载气体用H2气、反应室的压力约300Torr(约0.4大气压)，将III族源TMG与氮气源NH3导入到衬底11上，在衬底11上生长由GaN组成的缓冲层12，缓冲层的作用是缓和衬底蓝宝石结晶与在蓝宝石单晶上生长的GaN系半导体结晶的晶格不匹配、抑制GaN系半导体结晶产生缺陷。
其次，将衬底温度升高到1020℃，导入含n型掺杂剂的SiH4、III族源TMG及氮气源NH3，生长n型接触层13，n型接触层13由n型GaN组成、包含器件形成区域和欧姆电极形成区域。接着、追加III族源TMA生长由n型Al0.1Ga0.9N组成的n型包层14，n型包层14的作用是在有源区上形成势垒，关闭住n型载流子。然后，停止TMA的导入，生长由n型GaN组成的n型光波导层15，它将把在有源区生成的发光关闭在波导中。而后，再导入TMA，生长由Al0.2Ga0.8N组成的平坦性维持层16，它的膜厚20nm，抑制n型光波导层15的组成原子再蒸发，维持n型光波导层15的表面平坦性。
接着，如图1(b)所示，停止III族原料气体供应，将衬底温变降到780℃，与此同时，将运载气体由H2气更换成N2气。然后，V族源用NH3，III族源选择性的导入TMI和TMG，生长有源层17。有源层17由导入TMG及TMI形成膜厚为2.5nm的Ga0.8In0.2N的阱层和仅导入TMG形成的膜厚为6.0nm的GaN势垒层17构成的多量子阱结构，这部分图上没有显示。此外，运载气体也可以采用隋性气体氩气(Ar)。
再，如图1(c)所示，一度停止导入III族原料气体及运载气体，同时将衬底11的温度升高到1020℃。接着将运载气体由N2换成H2，导入含有P型掺杂剂Cp2Mg的III族源TMG及氮气源NH3，在有源层17上生长P型波导层18，波导层18由P型GaN组成，它把有源层17内产生的发光限制在P型光波导层内。紧接着在III族源中追加TMA，生长P型包层19P型包层19由P型Al0.1Ga0.9N组成，在有源层17上形成势垒，限制住P型载流子。然后，再度停止TMA的导入，生长P型接触层20，它由P型GaN组成，与电极成欧姆接触。
再，如图2所示，将长好了各外延层的衬底11从反应室中取出，对P型接触层20和P型包层19进行腐蚀，在P型接触层20和P型包层19上形成条宽5μm的脊形条。接着，生长由二氧化硅(SiO2)组成的绝缘膜21，它生长在P型接触层20及P型包层19的侧壁、以及位在P形光波导层上面脊形条的P接触层20和P型包层19的侧方区域。
然后，用蒸发等方法在含有P型接触层20上面的区域形成P侧电极22，P电极由Ni/Au的多层体组成。此外，用掩膜将器件形成区域掩蔽后进行腐蚀，使在n型接触层13上的欧姆电极形成区域暴露出来，用蒸发等方法在该区域形成n侧电极23，n电极23由Ti/Al多层体组成。
这样形成的半导体激光器，n侧电极23接地，P侧电极22加上电压后在有源区17内，从P侧电极22注入空穴，从n侧电极23注入电子，注入的电子和空穴在有源层17内复合产生光学增益，产生振荡波长为405nm的激光振荡。
图3(a)示出与本实施方式相关的半导体激光器的能带图。在图3(a)中，与图2所示组成部分材料相对应的能量区域都标以相同的符号，如图3(a)所示，作为本实施方式的特征，由阱区17a和势垒区17b组成的有源区与其底下一层的n型光波导15之间，设有一个Al组分较通常高的平坦性维持层，其组分为Al0.2Ga0.8N。
通常，当高Al组分层设置在有源层17的下侧时，因为Al原子的原子半径比Ga小，AlGaN的晶格常数与GaN的晶格常数的偏差变大。由于热膨胀系数的差，在有源层17里易产生裂纹，有可能对器件特性带来坏的影响。但是，在本实施方式中，由于平坦性维持层16的膜厚仅20nm，比较小，可以防止裂纹发生，同时还能提高有源层17的结晶品质。此外，只要平坦性维持层16的膜厚小于0.5μm，可确认在平坦性维持层16中不产生裂纹。
下面就在GaInN/GaN叠层体组成的有源区17的下方设置高Al组分平坦性维持层16提高有源区17结晶品质的原因作一定性说明。
n型光波导层15成了有源层17的底层，在生长含In的有源层之前运载气体由H2更换为N2，同时，由于必须降低底层较高的生长温度，有源层17生长之前，在n型光波导层15的表面并没有III族原料的供给，仅仅吹的是高温气体，这种情况下像n型光波导层15那样不含Al的GaN系结晶层或Al组分很少的结晶层(例如，上述的特开平6-196757号公报所公开的Al0.1Ga0.9N结晶层)的情况下，产生组分原子从表面的再蒸发，造成结晶性恶化与平坦性的恶化。
图4表示GaN与AIN的平衡蒸气压与温度的关系图，即平衡蒸气压曲线，图4所示曲线是在氮气环境气氛情况下，如图4所示，在温度为1000℃时，平衡蒸气压如果不超过7500Torr(1气压是760Torr)GaN就不能做为固态稳定存在，相反的，在10-12Torr的减压状态下AIN也能以固体状态存在。因此，AlGaN混晶的平衡蒸气压曲线存在于GaN与AIN之间，随着AlGaN混晶中Al组分的增大，即使在1000℃的高温下它也能做为固体稳定存在。
但是，实际的GaN系半导体层生长时，存在NH3等气体，图4的曲线就有一些偏离。本申请的发明者们发现：AlGaN的Al组分X超过0.1的AlxGa1-xN混晶(0.1＜x≤1)就表现出抑制再蒸发的效果，理想的Al组分X是0.2以上(0.2≤X≤1)，这时可以确保抑制再蒸发，维持良好的结晶品质。
这样，由Al0.2Ga0.8N组成的平坦性维持层16可以维持良好的结晶品质，在平坦性维持层16上叠层生长的有源层17的结晶品质与不设平坦性维持层相比有明显的提高。
因此，在衬底11与有源层17间设有由Al0.2Ga0.8N组成平坦性维持层16的半导体激光器具有下述特征：
(1)由于平坦性维持层16及在它上面生长的半导体层的界面平坦性提高，不设平坦性维持层16时在含有GaInN的有源层17内常常看到的In的偏析被抑制，减少了半导体激光器的导波损失。
(2)在已有结构的GaN半导体层中，形成浅施主能级的氮空位达1019cm-3量级，半导体激光器的自由载流子损失增大，由于在本实施方式中设置了平坦性维持层16，自由载流子损失大大减低。
对设有平坦性维持层16的半导体激光器动态特性测定的结果表明，阈值电流与不设平坦性维持层16时相比降低了约1/2，寿命试验(可靠性试验)也大大提高。
如图3(a)的能带图所示，与本实施方式相关的平坦性维持层16最好与有源层17相邻生成，这是因为含In的有源层17和不含In的半导体层的各生长工序间运载气体的更换很多。图3(b)示出一个变形的例子，如图所示，也可以在有源层两侧，在n型光波导层15与有源层17之间设置第1平坦性维持层16A，在有源层17与P型光波导层18之间设置第2平坦性维持层16B。
还有，在本实施方式中，我们GaN系半导体激光器为例作了说明，但并不仅限于此，在形成发光二极管或电子器件的有源区时可获得同样的效果。例如，可使发光二极管发光效率大大提高，可使电子器件载流子迁移率明显增大。
此外，与本实施方式相关的制造方法，不仅仅局限于MOVPE法，也适用于H-VPE法，分子束外延(MBE)等一切氮化物半导体生长方法。
第2实施方式：
以下，参照附图说明本发明的第二实施方式。
图5(a)～图5(c)及图6示出了与本发明第2实施方式相关的氮化物半导体器件——半导体激光器工艺顺序剖面结构。
在第1实施方式中，为提高有源区的结晶品质，在有源区的下方设置了一个由氮化物半导体组成的新的平坦性维持层，在本实施方式中，并不设置新的氮化物半导体层，而采用适当的工艺条件提高有源区的品质，现就这种方法予以说明。
首先，如图5(a)所示，用MOVPE法，对放置在反应室里的蓝宝石衬底31进行1000℃的热处理。然后，将衬底温度降到500℃，运载气体主要用H2气，生长压力1000Torr(约1.3气压)、将III族源TMG和氮气源NH3导入到衬底31上，在衬底31上生长缓冲层32，它由GaN组成，以缓和构成衬底31的蓝宝石结晶与在衬底上生长的GaN系半导体结晶间的晶格不匹配，抑制GaN系半导体结晶内缺陷的发生。
其次，将衬底温度升到1020℃，导入含n型掺杂剂的SiH4、III族源TMG及氮气源NH3，首先在缓冲层32上生长n型接触层33，它由n型GaN组成、具有器件形成区及欧姆电极两个区域。随后追加III族源TMA，生长n型包层34，它由n型Al0.1Ga0.9N组成，在有源层内形成势垒将n型载流子限制在n型包层内。接着，停止导入TMA，生长n型光波导层35，它由n型GaN组成，将在有源层内产生的发光限制在n型光波导层。
再，如图5(b)所示，停上III族原料气体供给，将衬底温度降到820℃，与此同时，将运载气体由H2更换成N2，反应室的压力维持在1000Torr。随后，V族源采用NH3，III族源选择性的导入TMI和TMG，生长有源层36。与本实施方式相关的有源层36是由厚3.0nm的Ga0.8In0.2N阱层和厚7.5nm的GaN势垒层组成的多重量子阱结构，导入TMI时形成阱层，停止TMI导入时形成势垒层，这些在图中没有显示出。
再，如图5(c)所示，短暂停止III族原料气体和运载气体导入，同时将衬底温度31升高到1020℃，接着，将运载气体由N2更换为H2，导入含P型掺杂剂的Cp2Mg、III族源TMG和氮气源NH3，在有源层36上生长P型光波导层37。P型光波导层37由P型GaN组成，它将在有源层36内产生的发光限制在P型光波导层内。接着，追加III族源TMA，生长由P型Al0.1Ga0.9N组成的P型包层38，它在有源层36上形成势垒，以限制P型载流子。紧接着，再次停止TMA导入，生长P型接触层39，它由P型GaN组成，与电极成欧姆接触。
再，如图6所示，将已生长了各外延层的衬底31从反应室里取出，对P型接触层39和P型包层38进行腐蚀，将其制成宽5μm左右的脊形条，接着，生长二氧化硅(SiO2)形成绝缘膜40，绝缘膜40覆盖P型接触层39及P型包层38的侧壁，以及位于P型波导层37上的脊形条P型接触层区域和P型包层38侧面区域。
然后，在含有P接触层39上方区域，用蒸发法生成由Ni/Au叠层体组成的P侧电极41，在n型接触层33上，用腐蚀法使欧姆接触电极形成区暴露出来后，蒸发Ti/Al叠层体形成n侧电极42。
本实施方式的特点是：从缓冲层32到P型接触层39的各生长工艺都是在MOVPE装置的反应室里，在1000Torr的加压状态下进行的，其周围气氛是含氮气的气氛。
这样，在各半导体层的生长工艺间，在原料气体或运载气体更换时，如果处于加压状态，就可以维持各生长半导体层的表面结晶性及平坦性，特别是可以维持位在含In有源层36正下方的n型波导层35的高度结晶性和平坦性，其理由如下所述。
做为有源层36底层的n型光波导层35，在含In的有源层36生长工艺开始之前，运载气体由H2气更换成N2气，同时生长温度也必须由较高的底层温度降下来，有源层36生长之前n型光波导层35的表面并没有III族原料供给，仅仅吹的高温气体。这时，如果处于低压力状态，n型光波导层35发生再蒸发，氮空位等固有缺陷增加，产生平坦性下降。
本申请的发明者们发现，当更换原料气体或运送原料气体的运载气体时，使它周围的气氛成为含氮气的气氛(NH3)，而且压力在1000Torr(即超过一个大气压)的加压状态，就能使得底层组成原子的再蒸发变得困难，这样可以获得良好结晶品质。由n型GaN组成的n型光波导层35的表面平坦性及结晶品质明显改善，就使得在它上面生长的有源区36的结晶品质与通常压力下，即一个大气压(760Torr)或减压状态下生长的结晶相比，结晶品质大大提高。
进一步，在加压状态下生长GaInN结晶，GaInN结晶中的空位等固有缺陷就会减少。
GaInN混晶的生长，如前面所述的Appled physics letter vol59及特开平6-196757号公报所公开的那样，生长温度必须在800℃左右，比不含In层还要低，这是因为在GaInN中，InN特别容易分解。一方面，V族源NH3气体分解温度非常高，当温度为800℃时，氮原子不能有效的进入GaInN结晶中，就产生氮的空位。这样，固体InN与NH3气体的热分解就有相互平衡的关系。
采用本实施方式的制造方法，在加压状态下生长GaInN可以充分抑制固体InN的热分解，同时，导入到衬底31上方的NH3数量(密度)也增多，由NH3热分解产生的氮原子数也增加。根据我们的实验，在将NH3气体导入衬底31上的条件下生长GaInN混晶时，在超过1大气压的加压状态下，氮空位大大减低，通过光荧光等光学评价可以确认GaInN混晶(例如有源层36)的结晶性得到明显改善。
这样，用有关本实施方式的制造方法制造的半导体激光器的动态特性测定结果表明，其阈值电流仅为用已有方法制作的1/2。
还有，在本实施方式中，各半导体层的生长工艺和生长工艺间的更换工艺中都采用加压状态，也可以仅仅在更换工艺中采用加压状态。
本实施方式中，我们采用GaN系半导体激光器作为例子进行了说明，但不仅仅限于激光器，在发光二极管和电子器件的有源区形成时也有同样效果。
此外，采用第2实施方式的制造方法，制造具有第1实施方式平坦性维持层的半导体激光器，无疑可以得到具有更优秀结晶性的有源层。

Claims (1)

1.一种氮化物半导体器件制造方法，其特征在于，该方法包括：
用规定的温度对衬底进行热处理的工序，
在上述衬底上通过层叠形成多层的工序，
使用第1运载气体、在上述多层上通过导入III族原料气体及V族原料气体，形成在上述多层上的由第1氮化物半导体构成的半导体层的形成工序；
停止上述III族原料的供应、将所述第1运载气体更换为组成与该第1运载气体不同的第2运载气体的运载气体更换工序；
使用第2运载气体、在所述半导体层上，通过导入III族原料气体及V族原料气体，形成在所述半导体层的上面的由第2氮化物半导体组成的有源层的形成工序；
所述运载气体更换工序是在所述半导体层的周围气氛成为压力在1个大气压以上的含氮的条件下进行的工序。
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