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TW201013997A - Method for producing nitride semiconductor optical device and epitaxial wafer - Google Patents

Method for producing nitride semiconductor optical device and epitaxial wafer Download PDF

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TW201013997A
TW201013997A TW098126990A TW98126990A TW201013997A TW 201013997 A TW201013997 A TW 201013997A TW 098126990 A TW098126990 A TW 098126990A TW 98126990 A TW98126990 A TW 98126990A TW 201013997 A TW201013997 A TW 201013997A
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TW
Taiwan
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temperature
layer
growth
based semiconductor
main surface
Prior art date
Application number
TW098126990A
Other languages
English (en)
Inventor
Katsushi Akita
Yohei Enya
Takashi Kyono
Takamichi Sumitomo
Yusuke Yoshizumi
Masaki Ueno
Takao Nakamura
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries
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 Sumitomo Electric Industries filed Critical Sumitomo Electric Industries
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Description

201013997 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種製造氮化物半導體光元件之方法及製 造蠢晶晶圓之方法。 【先前技術】 於專利文獻1中揭示有一種氮化物半導體發光元件。於 其實施例中，發光二極體係於c面藍寶石基板及GaN基板 上製作。於製作氮化物半導體發光元件時，於攝氏750度 下成長厚度為2 nm之In〇.15Ga().85N井層之後，一面自攝氏 750度升溫至攝氏1050度，一面成長厚度為3 nm之GaN障 壁層，進而於攝氏1050度下成長厚度為12 nm之GaN障壁 層。發光二極體之峰值波長約為460 nm。 於專利文獻2中揭示有一種III族氮化物發光元件。III族 氮化物發光元件之發光層係形成於c面藍寶石基板上，包 含AlGaN障壁層與InGaN井層。AlGaN障壁層係於攝氏 1100度下成長，InGaN井層係於攝氏800度下成長。 於專利文獻3中揭示有一種III族氮化物發光元件。III族 氮化物發光元件之發光層係形成於a面藍寶石基板上，包 含GaN障壁層與InGaN井層。GaN障壁層係於攝氏900度下 成長，InGaN井層係於攝氏750度下成長。 於專利文獻4中揭示有一種形成於c面藍寶石基板上之發 光二極體。於製作發光二極體之活化層時，InGaN井層之 成長溫度與InGaN障壁層之成長溫度相同。該成長溫度為 攝氏800度。 142538.doc 201013997 於專利文獻5中揭示有一種形成於c面藍寶石基板上之發 光二極體。製作發光二極體之活化層時，InGa>J井層之成 長溫度與InGaN障壁層之成長溫度相同。該成長溫度為攝 氏750度。 [專利文獻1]曰本專利特開2002_43618號公報 • [專利文獻2]曰本專利特開平ι〇_〖2922號公報 [專利文獻3 ]曰本專利特開平1 〇_丨3 5 5丨4號公報 [專利文獻4]日本專利特開平〇6_268257號公報 籲 [專利文獻5]曰本專利特開平11-224972號公報 【發明内容】 於專利文獻4及專利文獻5之發光元件中，InGaN井層及 InGaN障壁層係於相同溫度下成長。另一方面，專利文獻2 及專利文獻3之InGaN井層及111(^>|障壁層係於不同溫度下 成長。然而，於井層成長後自井層之成長溫度向障壁層之 成長溫度升溫過程中，發生了井層之半導體結晶之分解。 由於該分解，井層之結晶品質劣化。 _ 於專利文獻1所示之方法中，井層成長後，於自井廣之 „ 成長溫度升溫至障壁層之成長溫度為止期間，成長GaN障 壁層。進而在到達障壁層之成長溫度後，成長其他之㈣ * 障壁層。 根據發明者等之見解，於氮化鎵系半導體之^面主面上 使井層成長時，在自井層成長溫度升溫至障壁層成長溫卢 為止期間、以及於障壁層成長溫度下使障壁層成長期間^ 發生了井層之半導體結晶之分解。此種現象於在半極性之 142538.doc 201013997 氮化鎵系半導體區域上成長含銦之氮化鎵系半導體之井層 時未觀察到。其係發明者之實驗所得。 本發明之目的在於提供一種藉由在氮化鎵系半導體區域 之半極性主面上使半導體成長來製造具有良好之發光特性 之氮化物系半導體光元件之方法。本發明之另一目的在於 提仏種製造用於該氮化物系半導體光元件之磊晶晶圓之 方法。 本發明之一態樣係製造氮化物系半導體光元件之方法。 該方法包括下述步驟： (a)—面使成長爐之溫度保持在井層成長溫度，一面於含有 半極之主面之氮化鎵系半導體區域上，成長用於活化層 之井層； w於上述井層之成長結束後’緊接著成長覆蓋上述井層之 主面之保護層； ⑷成長上述保護層之後’在上述保護層之主面上，於障壁 層成長溫度下成長用於上述活化層之障壁層； 上述保護層之厚度小於上述障壁層之厚度。上述障壁層 =溫度高於上述井層成長溫度。上述障壁層成長溫度為 述井層成長溫度之第1溫度以上，上述障壁層之成 =^述成長爐之溫度到達上述第"”時開始。上述 層之成長溫度為上述井層成長溫度以上、未達上述第 1溫度之溫度範圍。上述井層包括^ /達上34第 抽L . 汴層包括含銦之氮化鎵系半導 。上述障壁層包括具有較上述井層之帶隙 隙能量的氮化物半導體。上述保護層包括具有較上述:層 142538.doc 201013997 之帶隙能量更大之帶隙能量之氮化鎵系半導體。上述井層 之主面含有半極性面，上述保護層之主面含有半極性面， 上述障壁層之主面含有半極性面。 根據該方法，井層係於氮化鎵系半導體區域之主面（半 極）·生面）上成長。於該主面上之井層之成長結束後，緊接 著以覆蓋井層之主面之方式成長保護層。其後，障壁層係 於大於井層成長溫度之障壁層成長溫度下在保護層上成 長。
與在半極性面上成長之井層相比，於主面上成長之 井層之半導體結晶更易分解。因&，可藉由使用半極性面 上之井層來製造具有良好之發光特性之氮化物系半導體光 兀件。當I大於井層成長溫度之障壁層成長溫度下成長障 壁層時，井層被保護層覆i，故被保護層所覆蓋之井層之 分解與C面主面上之井層相比更小。 本發明之方法可進而包括於成長上述保護層之後，於不 進行半導體之成長之狀態下，而使上述成長爐之溫度自上 述井層成長溫度升溫至上述第】溫度之步驟。上述保護層 係於上述成長爐之溫度開始變更前，^與上述井層成長二 度相同之溫度下成長。 m 根據該方法，保護層係於成長爐之溫度開始變更前成 長。即，於在井層上成長保護層之後，成長爐之溫度開於 上升。井層於被保護層覆蓋之後，暴露於較井層之成長温 度更高之溫度下。 根據本發明之方法， 面使上述成長爐之温度自上述井 142538.doc 201013997 層成長温度開始升溫’—面使上述保護層成長。 根據該方法，於井層之成長結束之後緊接著使保護層成 長。該成長係一面使成長爐之溫度自井層成長溫度升溫一 面進行。即，與升溫之開始同時開始保護層之成長，故而 在高於井層成長溫度之溫度時，井層被保護層覆蓋。如此 被保護層所覆蓋之井層較未覆蓋之井層更難分解。另外， 如上所述，含有半極性主面之井層之半導體結晶之分解較 在C面主面上成長之井層更難發生。因此，本發明之包括 半極性面上之井層的氮化物系半導體光元件具有良好之發 光特性。 又’由於在升溫過程中進行保護層之成長，故而保護層 之結晶性會隨著成長之推進而變好。 於本發明之方法中，上述保護層係在使上述成長爐之溫 度自上述井層成長溫度向上述第】溫度變更之整個期間内 成長’上述障壁層係繼上述保護層之成長之後緊接著成 長。 根據該方法，於井層之成長結束後，緊接著—面使成長 爐之溫度自井層成長溫度向障壁層成長溫度以下之第U 度升溫’-面成長保護層。保護層之性能(保護井層之： 能）亦係藉由在較低溫度下成長之保護層之一部分來提 供。即使將不成長之剩餘溫度變更期間替換為成長半導體 層之期間’該保護能亦不會消失。即面成長保護層_ 面進行成長爐之溫度之上升，因此當井層暴露於較井層成 長溫度更高之溫度下時’可藉由保護層來覆蓋井層。另 142538.doc 201013997 外’含有顯示半極性之主面之井層的半導體結晶較於c面 主面上成長之井層之半導體結晶更難分解。又，由於在升 溫過程中進行保護層之成長，故而隨著保護層之成長推 進’保護層之結晶性會變好。 於本發月之方法中，—面使上述a長爐之溫度自上述井 層成長溫度向小於上述障壁層成長溫度之第2溫度升溫， 一面成長上述保護層。
該方法可進而包括於成長上述保護層之後，於不成長氮 化鎵系半導體之狀態下，而將上述成長爐之溫度自上述第 2溫度向上述第1溫度升溫之步驟。自上述井層成長溫度向 上述第2溫度升溫時之平均升溫速度亦可大於自上述第2溫 度向上述第1溫度升溫時之平均升溫速度。 <皿 根據該方法，於成長保護層之後將成長爐之溫度升溫。 保護層之成長係在-部分升溫期間内進行，且該期間之溫 度變更速度較大。因此’保護層會隨著成長期間經過，於 更高之溫度下成膜。因此，可成長結晶品質良好之保護 層0 於本發明之方法中，上诚暗 ^上迷障壁層成長溫度可保持為固 定。根據該方法’整個障壁層係於可獲得作為障壁層之性 能之成長溫度以上之溫度下成長。如此所得之障壁層會充 分地發揮其性能。X，藉由障壁層成長溫度保持為固定， 來防止障壁層成長溫度與井層成長溫度之差變大。 於本發明之方法中，可一面自上述第】溫度變更至大於 上述第1溫度之第3温度，-面成長上述障壁層之至少一部 142538.doc 201013997 分0 5方法’-面變更成長爐之温度，-面使障壁層之 厂部分成m’整個障壁層係於障壁層可獲得作 為障壁層之性能之成長溫度以上的溫度下成長。 明之方法中’自上述井層成長溫度向上述第1溫 :-日、之平均升溫速度可大於自上述第i溫度向上述第3 溫度升溫時之平均升溫速度。 根據該方法，自井層成長溫度向障壁層成長溫度之升溫 之大部分係在用於保護層之成長期間内進行。因此，當障 壁層之成長開始時’可充分地升高成長爐之溫度。 曰於本發月之方法中，上述保護層之成長時鎵原料之供給 量j於上述障壁層之成長時鎵原料之供給量。根據該方 法對應鎵原料之供給量來調整保護層及障壁層之成長速 度。 本發明之方法可進而包括準備包含六方晶系半導體 、o^+Ty)之基板之 步驟。上述基板之上述主面係以該六方晶系半導體之 {0001}面或{00(M}面為基準，以1〇度以上、85度以下之 範圍之角度傾斜。根據該方法，A 了提供半極性面，較好 的疋規疋成長用基板之主面之傾斜角。 本發明之方法可進而包括如下步驟：於上述成膜步驟 (於上述基板之主面上形成半導體之步驟）之前，藉由對上 述基板之上述主面進行熱處理，而於上述基板上形成經改 質之主面。上述熱處理係於含氨及氫之氣體環境中進行。 I42538.doc -10- 201013997 上述氮化鎵系半導體區域係設置於上述基板之上述經改質 之主面上。 根據該方法，可藉由調節主面之傾斜角度來形成半極性 之主面。該半極性主面具有與（;面主面不同之表面結構。 藉由在上述成膜步驟之前對基板之主面實施熱處理，於c 面主面上不可能發生之改質會於半極性之主面上發生。 本發明之方法可進而包括使第〗導電型氮化鎵系半導體 區域於上述基板上磊晶成長之步驟。上述第丨電型氮化鎵 系半導體區域之主面係以上述氮化鎵系半導體之{〇〇〇丨}面 或{000-1}面為基準，以大於50度、未達80度之範圍之角 度傾斜。 根據該方法’第1導電型氮化鎵系半導體區域之主面之 結構可藉由使基板主面傾斜而形成。當以基板之六方晶系 半導體InsAhGanTN半導體之{0001}面或{〇〇〇]丨面為基 準’以大於50度、未達80度之範圍之角度傾斜時，即當傾 斜角較大時，對含銦之氮化鎵系半導體之成長較好。 於本發明之方法中’上述基板包括沿著c軸方向延伸且 穿透錯位密度大於第1穿透錯位密度之複數個第1區域及 沿著c軸方向延伸且穿透錯位密度小於第1穿透錯位密度之 複數個第2區域，上述第丨及第2區域係交替配置，且在上 述基板之上述主面上出現有上述第1及第2區域。根據該方 法’穿透錯位密度更小之上述第2區域可用於半導體裝置 之製作。 於本發明之方法中，上述第2區域之上述穿透錯位密度 142538.doc 201013997 可未達lxio7 cm-2。根據該方法，可成長低錯位之活化 層。 於本發明之方法中，上述基板可包含GaN。根據該方 法’可實現結晶品質良好之磊晶成長。 於本發明之方法中，上述氮化鎵系半導體區域之上述主 面可向氮化鎵系半導體區域之a轴方向傾斜。根據該方 - 法，可進行m面上之解理。又，於本發明之方法中，上述 氮化鎵系半導體區域之上述主面可向氮化鎵系半導體區域 之m轴方向傾斜。根據該方法，銦之取入效率良好，其結 果為，可獲得良好之發光将性。此外，於本發明之方法 中，上述氮化鎵系半導體區域之上述主面可向氮化鎵系半 導體區域之<12·3〇>轴方向傾斜。 本發明之另一態樣係製造用於氮化物系半導體光元件之 磊晶晶圓之方法。該方法可包括如下步驟：（a)準備包含六 方晶系半導體InsAlTGai s TN(〇SSy、、叱S+T叫且 含有半極性之主面之基板；（b)在上述基板之主面上形成含 有半極性之主面之氮化鎵系半導體區域；（e)一面使成長爐 〇 之溫度保持在井層成長溫度，一面在上述氮化鎵系半導體 區域上成長用於活化層之井層；（d)成長覆蓋上述井層之主 - 面之保護層；（e)成長上述保護層之後，在上述保護層之主 · 面上於障壁層成長、溫度下成長用於上述活化層之障壁 層。上述保護層之厚度小於上述障壁層之厚度。上述障壁 成長溫度高於上述井層成長溫度。上述障壁層成長溫度為 大於上述井層成長溫度之第1溫度以上β上述障壁層之成 142538.doc -12· 201013997 長係於上述成長爐之溫度到達上述第丨溫度時開始。上述 保護層之成長溫度為上述井層成長溫度以上、未達上述第 1溫度之溫度範圍。上述井層包括含銦之氮化鎵系半導 體上述障壁層包括具有較上述井層之帶隙能量更大之帶 隙能量之氮化物半導體。上述保護層包括具有較上述井層 之帶隙能量更大之帶隙能量之氮化鎵系半導體，上述井層 之主面含有半極性面，上述保護層之主面含有半極性面， 上述障壁層之主面含有半極性面。
根據該方法，井層係於氮化鎵系半導體區域之主面（半 極陡面)上成長。於該主面上之井層之成長結束後，緊接 著以覆蓋井層之主面之方式成長保護層。其後，障壁層在 大於井層成長溫度之障壁層成長溫度下於保護層上成長。 在半極性主面上成長之井層與在c面主面上成長之井層 相比’井層之半導體結晶更難分解^在大於井層成長溫 度之障壁層成長溫度下成長障壁層時，於被保護層所覆蓋 之井層中，半極性面上之井層之分解較C面主面上之井層 另-方面’在C面主面上成長之井層與在半極性面上成 長之井層相比更易於發生分解。 因此’若根據該方法，則可製造具有良好之發光特性之 氮化物系半導體光元件。 本發明之方法可進而包括如下步驟：於上述成膜步驟 (於上述基板上形成半導體之步驟)之前，藉由對上述基板 之上述主面進行熱處理，而於上述基板上形I經改質之主 142538.doc -13· 201013997 面。上述熱處理係於含氨及氫之氣體環境中進行。上述基 板之上述主面係以該六方晶系半導體之{〇〇〇丨}面或{〇〇〇_ι} 面為基準，以大於50度、未達8〇度之範圍之角度傾斜。 根據該方法，可藉由調節主面之傾斜角度來形成半極性 之主面。半極性主面具有與〇面主面不同之表面結構。藉 由對半極性主面實施上述熱處理，該主面得到改質。此 外，該改質於c面主面上無法獲得。又，氮化鎵系半導體 區域之主面之結構可藉由基板主面之傾斜而形成。當以基 板之八方日日系半導體InsAlTGai-S_TN半導體之{〇〇〇1}面或 {000-1 }面為基準，以大於5〇度、未達8〇度之範圍之角度 傾斜時，即當傾斜角較大時，對含銦之氮化鎵系半導體之 成長較好。 本發明之上述目的及其他目的、特徵、及優點，將由參 …、隨附圖式來進行之本發明之較佳實施形態的以下詳細說 明而更容易獲得瞭解。 如以上說明，根據本發明，提供一種於氮化鎵系半導體 區域之半極性主面上製造具有良好之發光特性之氮化物系 半導體光兀件之方法，且提供一種製造用於該氮化物系半 導體光元件之磊晶晶圓之方法。 【實施方式】 本發明之見解藉由參照作為例示而表示之隨附圖式並考 慮以下之詳細說明，可容易地理解。接著，一面參照隨附 圖式，一面說明本發明之製造氮化物系半導體光元件之方 法及製造磊晶晶圓之方法之實施形態。於可能之情形時， I42538.doc -14· 201013997 對相同部分標附相同符號。於接下來之說明中，例如與 <0001>軸反向之結晶軸係以<000-1〉來表示。 (第1實施形態） 圖I〜圖4係表示本實施形態之製造氮化物系半導體光元 件之方法及製造磊晶晶圓之方法中之主要步驟的圖。 參照圖iA»於步驟S101t，準備用於製造氮化物系半 導體光元件及磊晶晶圓之基板Η。基板丨丨例如可包括六方 晶系半導體11^11^1-3.1^(0$8^1、〇$1[^1、〇各8+1^1)。 > 基板11含有主面lla及背面llb。圖“中，揭示有表示基板 11之六方晶系半導體之c軸方向之向量VC+及主面lla之法 線向量VN。向量VC +表示{0001}面之方向。向量vc_表示 朝向與向量VC+相反之方向，且表示…⑻」}面之方向。藉 由該基板11，成長用之主面具有傾斜角（偏離角）α，故而可 向基板11之主面11 a提供半極性。基板11之主面ha係以該 六方晶系半導體之{0001}面或{㈧^丨丨面為基準，以1〇度 _ 以上之角度傾斜，且以85度以下之角度傾斜。六方晶系半 導體例如可為GaN、A1N等。當主面lla之傾斜角為1〇度以 上時’可獲得充分之壓電電場降低效果。當主面Ua之傾 斜角為85度以下時，成長於其上之結晶品質良好。藉此， 可提供一種具有優異之發光特性之氮化物系半導體光元件 及·^晶晶回。 基板11之邊緣上之兩點間之距離的最大值可為45 mm以 上。該種基板例如稱為晶圓。基板11之背面111?可與基板 11之主面11 a實質上平行。又，當基板^包含時，可實 142538.doc 15· 201013997 現品質良好之結晶之磊晶成長。 於接下來之步驟中，在該基板11之主面lla上磊晶成長 半導體結晶（下述之步驟S103)。於上述傾斜角之主面lia上 所形成之磊晶半導體區域發揮作為成長活化層之底層之作 用。上述磊晶半導體區域係以其主面以自氮化鎵系半導體 之c面算起10度以上、85度以下之範圍之角度傾斜之方式 形成。
主面lla能以六方晶系半導體之{〇〇〇1}面或{〇〇〇1}面為 基準，以大於50度、未達80度之範圍之角度傾斜。主面 11 a之結構依賴於主面之傾斜。當以基板即六方晶系半導 體InsAlTGauiN半導體之{0001}面或{〇〇(M}面為基準， 以大於50度、未達8〇度之範圍之角度傾斜時（即當傾斜角 比較大時）’對含銦之氮化鎵系半導體之成長較好。具體 而言，當主面lla之傾斜角大於5〇度時，成長於其上之井 層之半導體結晶難以發生分解。當主面Ua之傾斜角未達 80度時，其上之結晶成長中銦的取入效率提高。 進而對主面lla之傾斜方向進行說 ❹ m a X α ισ; φ 11之六方晶系半導體之a軸方向傾斜時，於基板丨丨上製 之羞晶基板可進行m面上之解理。又，當主面山向基板 之六方晶系半導體2m軸方向傾斜時，其上之結晶成長 銦之取入效率提高，其結果為，可獲得良好之發光特性 此外，當主面lla向基板U之六方晶系半導體之〈2鲁 方向傾斜時，銦之取入效率進—步提高。 參照圖1B。將基板】】配置於成長爐10令。於步驟S1< 142538.doc -16· 201013997 中，一面向成長爐10供給氣體G0，一面對基板丨丨進行熱處 理’以形成經改質之主面11c。該熱處理可於含氨及氫之 氣體環境或含氮之氣體環境中進行。熱處理溫度τ〇例如可 為攝氏800度以上、12〇〇度以下《熱處理時間例如為1〇分 鐘左右。根據該步驟’藉由主面11a之傾斜，而在半極性 之主面上形成與c面主面不同之表面結構。藉由在成膜之 前對主面11a實施熱處理，而使半導體主面發生改質。該 改質於c面主面上未觀察到。包括氮化鎵系半導體之磊晶 成長膜沈積於經改質之主面11C上。 藉由該熱處理’於基板11之主面llc上形成微階 (microstep)。該微階包括複數個階面。微階之密度例如可 為2.0xl04 cm·1以上，且可為3 3x1〇7 cnrl。微階之高度例 如可為0.3 nm以上，且可為1〇 nm以下。微階之長度例如 可為0.3 nm以上，且可為5〇〇 nm ° 參照圖1C。於步驟S103中，使第！導電型氮化鎵系半導 體區域13在基板11之表面Uc上磊晶成長。為了該成長， 將原料氣體G1供給至成長爐10中。氮化鎵系半導體區域 之主面13a係以自氮化鎵系半導體之c面算起1〇度以上、 度以下之範圍之角度傾斜。又，繼承基板u之主面iu之 結構，於主面13a上形成有相同之微階。第丨導電型氮化鎵 系半導體區域13可包括一層或複數層氮化鎵系半導體層 (例如’氮化鎵系半導體層15、17、19)。例如，氮化録系 半導體層15、17、19可分別為^八犯❿層、n型㈣層及n 型InGaN層。氮化鎵系半導體層15、17、19於基板u之主 142538.doc •17· 201013997 面lie上依序磊晶成長。n型AiGaN層例如為覆蓋基板11之 整個表面之中間層，n型GaN層例如為用於供給載體之 層，η型InGaN層例如為用於活化層之緩衝層。 第1導電型氮化鎵系半導體區域之主面結構係因基板主 面之傾斜而提供。因此，於第丨導電型氮化鎵系半導體區 域13之磊晶成長中，主面13a係繼承底層基板丨丨之主面ne 之結構’對應於基板11中之偏離角，以該氮化鎵系半導體 之{0001}面或{000-1}面為基準傾斜。例如，當基板。之 主面lie之傾斜角為大於50度、未達8〇度之範圍時（即當傾 斜角比較大時），含銦之氮化鎵系半導體將於該基板上良 好地成長。 參照圖2、圖3及圖5。於下一步驟中，製作氮化物系半 導體發光元件之活化層（圖5中之21)。活化層21係以生成在 370 nm以上、650 nm以下之波長區域内具有峰值波長之發 光光譜之方式而設置。 以下，一面參照圖5，一面詳細說明製作活化層21之量 子井結構之順序。圖5係表示形成活化層時原料氣體及成 長爐溫度之變化的時序圖。成長爐之溫度係作為例如成長 爐之基座等之成長爐内之構件的溫度來監控。作為原料氣 體’係使用鎵源、銦源及氮源。鎵源、銦源及氮源分別為 例如TMG(trimethylgalUum，三甲基鎵）、TMI(trimethyUndium， 三曱基銦）及NH3。 如圖5所示，於時刻t0，成為活化層之底層之氮化鎵系 半導體之沈積結束。於時刻to〜tl之期間内，將成長爐！ 〇之 142538.doc -18· 201013997 溫度變更至用以用於活化層之半導體成長的溫度。
如圖2A所示，於步驟S1 04中，形成包括氮化鎵系半導 體之磊晶半導體區域23。磊晶半導體區域23係於緩衝層 (氮化鎵系半導體層19)上成長。磊晶半導體區域23例如為 用於活化層21之量子井結構之障壁層。該障壁層包括 IiiYGauNC銦組成Y : 〇$ 0 05，γ為變形組成），障壁 層可為GaN、InGaN及AlGaN等。障壁層之成長例如係於 攝氏700度以上、攝氏900度以下之溫度範圍内之成長溫度 TB下進行。於本實施例中，係將含鎵源及氮源之原料氣體 G2供給至成長爐10而成長GaN。該成長係於圖5中之時刻 U〜t2期間内於成長溫度Tb下成長。GaN障壁層Dbi之厚度 例如為15 nm。 於時刻t2，停止鎵原料之供給而使氮化鎵系半導體之沈 積停止。 磊晶半導體區域23係於主面13a上成長，故而磊晶半每
體區域23之表面繼承主面13a之表面結構。含有以自氮I 録系半導體之c面算起1〇度以上、85度以下之範圍之角名 傾斜之主面23a。 j 如圖2B所示，於步驟請5中，將成長爐之溫度自成長溫 度Tb變更至成長溫度Tw。溫度之變更係於圖$中之時刻 期間進行。在該變更期間巾，將例如氨等氮源氣體 ⑺供給至成長爐1G中。當障壁層成長時之氮源之供給量與 井層成長時氮源之供給量不同時，變更氮源之供給量，而 使之與井層成長時氮源之供給量相—致。於至少—部分該 142538.doc -19· 201013997 變更期間内，變更氮原料之流量。詳細而言，自障壁層成 長時之氮原料之流量變更為井層成長時之氮原料之流量。 該變更係於圖5之時刻t2〜t3之期間内進行。 於時刻t4 ’成長爐1〇之溫度到達井層之成長溫度Tw。 如圖2C所示，於步驟S106中，一面使成長爐1〇之溫度保 持在井層成長溫度，一面於磊晶半導體區域23之半極性主 面23a上，在時刻t4〜t5之期間内成長用於量子井結構之井 層25a。井層25a包括InxGabxN^銦組成X : 〇<χ< 1，X為變 形組成）等之含銦之氮化鎵系半導體。井層25a具有較障壁 層23之帶隙能量更小之帶隙能量。如圖5所示，井層25a之 成長溫度1^較成長溫度τΒ更低。於本實施例中，係將含鎵 源、銦源及氮源之原料氣體G4供給至成長爐1 〇而成長 InGaN。井層25a之主面係於磊晶半導體區域23之主面上磊 晶成長，故而井層25a之表面繼承磊晶半導體區域23之表 面結構。並且，對應於磊晶半導體區域23之主面之傾斜 角’以自氮化鎵系半導體之c面算起1〇度以上、85度以下 之範圍之角度傾斜。井層25 a之成長係例如於攝氏650度以 上、攝氏850度以下之溫度範圍内之成長溫度丁〜下進行。
InGaN井層之厚度Dw例如為2.5 nm。 於時刻t5，井層25a之成長結束。 如圖3A所示，於步驟8107中，井層25a之成長結束之 後’緊接著於井層25 a之主面上，以覆蓋該主面之方式在 溫度TP下成長保護層27a。保護層27a包括大於井層25a之 帶隙能量之氮化鎵系半導體。保護層27a可包括例如 142538.doc •20· 201013997
GaN、InGaN及AlGaN等。保護層27a包括例如inzGauN (銦組成Z : 0 S Z< 1，Z為變形組成）。又，保護層27a可包 括障壁層23之帶隙能量以下之氮化鎵系半導體。 於本實施例中，使用井層成長溫度丁〜作為溫度τΡ。因 此，保護層27a係一面使成長爐1〇之溫度保持在井層成長 溫度Tw ’一面於井層25a之半極性主面上在時刻t5〜t6之期 間内成長。保護層27a之成長係於井層25a之成長結束後緊 接著開始。藉此’在保護層不沈積之期間内使井層25a之 ® 表面不會暴露於在成長爐内之環境中。如圖5所示，保護 層27a之成長溫度Tw與井層25a之成長溫度tw相同。根據 該方法，保護層27a在成長爐10之溫度開始變更之前成 長，故而成長爐10之溫度上升係於在井層25a上成長保護 層27a之後開始。井層25a由保護層27a覆蓋之後暴露於高 溫下。 於本實施例中，將含鎵源及氮源之原料氣體G5供給至成 長爐10而成長GaN。保護層27a係於井層25a之主面上蟲晶 成長’故而保護層27a之表面繼承井層25a之表面纟i·構。對 應於該井層之主面之傾斜角，以自氮化鎵系半導體之e 面算起10度以上、85度以下之範圍之角度傾斜。保護層 • 27a之成長係於例如攝氏650度以上 '攝氏85〇以下之溫度 範圍内之成長溫度Tw下進行。保護層27a之厚度Dp小於障 壁層23之厚度DB，且保護層27a之厚度DP小於井層25a之厚 度Dw。保護層27a之厚度DP例如為1.0 nm。 於時刻t6 ’停止鎵原料之供給而使氮化鎵系半導體之、尤 142538.doc •21· 201013997 積停止。 如圖3B所示，於步驟議中，將成長爐1〇之 溫度Tw變更至成長溫度Τβ^度之變更係於圖長 一之期間内進行。在該變更期間中，將例如= 氮源胤體G6供給至成長爐1〇。當保護層2、成 供給量與障壁層成長時氮源之供給量不同時寺：源之 供給量’而使之與障壁層成長時氮源之供給量相源之 至少-部分該變更期間内，將氮原料之流量自保護層成= 時之氮原料之流量變更為障壁層成長時之氮原料之汽量 該變更係於圖5令之時刻㈣期間進行。該期間之：产變 更係隨著時間而減小溫度上升速度，時刻‘口期間之二 分布形成向上凸出之形狀。藉由該升溫分布可縮短:: 長溫度TB之前之到達穩定時間，其結果可抑制井層^之劣 化。此外’所謂到達穩定時間’係指至溫度到達某值，温 度穩定之前的時間。例如，於溫度上升期間内之一時刻之 前的前期間之溫度變化的平均速度大於上述時刻後之後期 間之溫度變化的平均速度，此處，平均速度係藉由用直線 連結期間之起點與終點而加以近似來獲得。 根據該方法，井層25a係於半極性之主面2Sa上成長。在 該主面23a上之井層25a之成長結束後，緊接著以覆蓋井層 25a之主面之方式成長保護層27a。其後，為了成長障壁 層’將成長爐ίο之溫度變更為大於井層成長溫度Tw之障壁 層成長溫度TB。另一方面，於c面主面上成長之井層之半 導體結晶之分解、即井層結晶與保護層結晶之混晶化或者 142538.doc -22· 201013997 井層結晶之In偏析，較在半極性面上成長之井層更易於發 生。因此，在成長井層25a之後，於溫度。下成長下一障 壁層時，被保護層27a所覆蓋之井層25a之半導體結晶之分 解較c面主面上之井層更小。因此，具有良好之發光特性 之氮化物系半導體光元件可在氮化鎵系半導體區域之半極 性面上製造。 於時刻t8 ’成長爐丨〇之升溫結束。 如圖3C所示，於步驟議中…面使成長爐10之溫度保 持在成長溫度TB ’ -面於時刻18，成長包括氮化鎵系半導 體之障壁層29a。 成長溫度τΒ高於成長溫度Tw。又，成長溫度^為可成 長具有良好之結晶品質之障壁層的第丨溫度Tr以上。當成 長爐之溫度到達溫度Tr時，開始障壁層29a之成長。 保護層27a、27b、27c之成長溫度Tp係在井層成長溫度 TW以上、第丨溫度Tr以下之溫度範圍内於本實施例中， 成長溫度TP與成長溫度Tw相同。障壁層29&之厚度大於 保護層27a之厚度Dp。可使既非井層亦非障壁層之保護層 27a變薄，使障壁層29a之厚度增大。於本實施例中，障辟
層，例如包括GaN，障壁層29a之厚度Db2例如為Μ I 障壁層29a係、於保護層27a之主面上蟲晶成長，故而障壁層 29a之主面係以自氮化鎵系半導體之c面算起⑺度以上“ 度以下之範圍之角度傾斜。障壁層29a之表面繼承井層η 之表面結構。 如圖从所示’與上述同樣地進行成長，形成活化層2卜 142538.doc •23- 201013997 於重複之步驟S110中，重複進行自溫度Tb向溫度Tw之降溫 (期間t9〜tl0~tll)、井層之成長（期間tU〜tl2)、保護層之成 長（期間tl2~tl3)、自溫度Tw向溫度τΒ之升溫（期間 tl3〜tl4~tl5)、及障壁層之成長（期間tl5〜tl6)，以完成量 子井結構。如圖5所示，量子井結構包括障壁層23、29a、 29b、29c ’ 井層 25a、25b、25c，及保護層 27a、27b、 27c ° 保護層27a〜27c之膜厚DP可分別為〇 5 nm以上、5 nm以 下。井層25a〜25c之膜厚可分別為1 nm以上、l〇 nm以下。 _ 又’ InxGai-XN井層25a、25b、25c之銦組成X可分別大於 0.01。井層253〜25<:之111)^&1_3(：^可小於〇.4。該範圍之銦組 成之InGaN之成長成為可能，從而可獲得波長37〇 nm以 上、650 nm以下之發光元件。亦可將保護層27a〜27c設為
GaN ’將障壁層23、29a、29b、29c設為InYGa丨-YN(銦組成 Υ : OS Y<1 ’ Υ為變形組成）。 若參照圖4B，則於步驟Slu中，在活化層21上磊晶成長 第2導電型氮化鎵系半導體區域31。該成長係使用成長爐❹ 而進仃，第2導電型氮化鎵系铸體區域31之成長溫度丁2 门；井層25a 25c之成長溫度Tw。第2導電型氮化鎵系半導 體區域31可包括例如電子阻擋層％、第ip型接觸㈣及帛 ㈣接觸層37°電子阻擋層33可包括例如A1GaN。p型接 觸層35 37可包括P型GaN。第2P型接觸層37之摻雜劑濃 度N37大於第1?型接觸層％之摻雜劑濃度。於本實施例 電子阻擋層33、p型接觸層35、37之成長溫度例如為 142538.doc •24· 201013997 攝氏1100度。於第2導電型氮化鎵系半導體區域31之形.成 之步驟中’圖4B所示之磊晶晶圓e完成。在必要之情形 時’可為了半導體雷射之光導而成長一對光導層。一對光 導層係夾於活化層間。該等光導層可包括例如InGaN或 GaN。 又，P型接觸層35、37之成長速度大於井層25a〜25c及障 壁層23、29a〜29c之成長速度。可縮短於形成活化層21之 後在較井層25a〜25c之成長溫度Tw更高之溫度下進行之p型 接觸層35、37之成長時間。 於蟲晶晶圓E中’第1導電型氮化鎵系半導體區域13 '活 化層21及第2導電型氮化鎵系半導體區域31可於基板^之 主面11 a之法線轴方向上排列。該基板丨丨之六方晶系半導 體之c轴方向與基板u之主面Ua之法線轴方向不同。磊晶 成長之成長方向為c軸方向，另一方面，該成長方向與層 疊在法線轴方向上之半導體層13、21、31之層疊方向不 同。 於下一步驟中，在磊晶晶圓E上形成電極。第1電極（例 如陽極電極）係形成於接觸層37上，並且第2電極（例如陰極 電極）係形成於基板背面lib上。 於電極形成之後，可進行解理來製作m面或a面作為共振 器面。製作將藉由解理而形成之m面或a面作為共振器面之 半導體雷射成為可能。又，基板n上之9軸傾斜方向與基 板π之氮化鎵系半導體之m軸或a軸之方向可在89度以上、 又乂下之範圍内。若自基板主面11a上之c面起向m軸或a 142538.doc •25- 201013997 轴方向傾斜之角度超過_1度以上、+1度以下之範圍，則作 為雷射之特性將變得顯著降低。此外，若磊晶半導體區域 23之半極性主面23a之傾斜方向為氮化鎵系半導體之爪轴方 向，則可將a面用作解理面。又，若半極性主面23a之傾斜 方向為氮化鎵系半導體之a轴方向，則可將更容易解理之瓜 面用作解理面。 圖ό係表示於實施形態中可使用之GaN基板之一結構的 圖。基板11可包括在c轴方向上延伸且穿透錯位密度大於 第1穿透錯位密度之複數個第丨區域12a、及在c轴方向上延 伸且穿透錯位密度小於第1穿透錯位密度之複數個第2區域 12b。在基板11之主面lla上出現有第丨及第2區域12&、 12b。於基板11之主面lla上，第！區域12a之寬度例如為3〇 微米，第2區域12b之寬度例如為370微米。第j及第2區域 12a、12b係在特定方向上交替配置。當基板包括氮化鎵 時，特定方向可為該氮化鎵之3軸方向。 第1區域12a為高錯位密度之缺陷集中區域之半導體部， 第2區域12b為低錯位密度之缺陷減少區域之半導體部。藉 由在基板11之低錯位密度之區域内製作氮化物系半導體發 光元件，可提高發光元件之發光效率、可靠性。若第2區 域12b之穿透錯位密度未達ΐχΐ 〇7 cm-2，則可獲得實用上具 有充分可靠性之半導體雷射。 (實施例1)偏離角 繼而說明本實施形態之實施例。使用有機金屬氣相成長 法來進行發光二極體（LED，light-emitting diode)之製作。 142538.doc -26- 201013997 作為用於有機金屬氣相成長之鎵原料、銦原料、鋁原料及 氮原料，分別係使用三曱基鎵（TMG)、三曱基銦（TMI)、 三甲基銘（TMA，trimethylaluminum)及氨。作為η型摻雜劑 及Ρ型摻雜劑，係使用SiH4及Cp2Mg。於圖7中表示有主要 之製造條件。準備GaN晶圓41。 繼而，一面參照圖7及圖8，一面說明LED結構之製作。 GaN晶圓41之主面相對於GaN晶圓41之c面以75度之角度傾 斜。將GaN晶圓41配置於成長爐内後，在氨及氫之環境中 進行熱處理。熱處理溫度為攝氏1050度，熱處理時間為10 分鐘左右。 於熱處理之後，將TMG(24.4 μιηοΐ/分）、ΤΜΑ(4·3 μπιοί/ 分）、NH3(5 slm)、SiH4供給至成長爐，在GaN晶圓41上， 於攝氏1100度下成長η型AlGaN層43。η型AlGaN層43之厚 度為50 nm。η型A1 GaN層43之成長速度為9.8 nm/分。η型 AlGaN層43之Α1組成為0.12。 其次，將 TMG(243.8 μπιοί/分）、NH3(7.5 slm)、SiH4供給 至成長爐，在n型AlGaN層43上，於攝氏950度下成長n型 GaN層45。η型GaN層45之厚度為2000 nm。η型GaN層45之 成長速度為129.6 nm/分。 其次，將 TMG(24.4 μπιοί/分）、ΤΜΙ(2.1 μπιοί/分）、 NH3(6 slm)、SiH4供給至成長爐，在η型GaN層45上，於攝 氏840度下成長η型InGaN層47。η型InGaN層47之厚度為 100 nm。η型InGaN層47之成長速度為6.7 nm/分。η型 InGaN層47之In組成為0.02。 142538.doc -27- 201013997 其次，成長活化層49。將TMG(24.4 μπιοί/分）、NH3(6 slm)供給至成長爐，在η型InGaN層47上，於攝氏870度下 成長非摻雜GaN層49a。非摻雜GaN層49a之厚度為15 nm。 非摻雜GaN層49a之成長速度為6.7 nm/分。 繼而，使成長爐之溫度自攝氏870度變更至攝氏745度。 將 TMG(15.6 μιηοΐ/分）、ΤΜΙ(58·0 μπιοί/分）、NH3(8 slm)供 給至成長爐，在非摻雜GaN層49a上於攝氏745度下成長非 摻雜InGaN層49b。非摻雜InGaN層49b之厚度為2.5 nm。非 摻雜InGaN層49b之成長速度為3.6 nm/分。非摻雜InGaN層 49b之In組成為0.20。 其次，一面使成長爐之溫度維持在攝氏745度，一面將 TMG(15.6 μπιοί/分）、NH3(8 slm)供給至成長爐，在非摻雜 InGaN層49b上於攝氏745度下成長非掺雜GaN層49c。非摻 雜GaN層49c之厚度為1 nm。GaN層49c之成長速度例如為 3.6 nm/分0 成長非摻雜GaN層49c之後，將成長爐之溫度自攝氏745 度變更至攝氏870度。其後，將TMG(24.4 μπιοί/分）、 NH3(6 slm)供給至成長爐，在非摻雜GaN層49c上於攝氏 870度下成長非摻雜GaN層49d。GaN層49d之厚度為14 nm。GaN層49d之成長速度為6.7 nm/分。 重複進行井層49b、保護層49c及障壁層49d之成長，形 成活化層 49。其後，將 TMG(13.0 μπιοί/分）、NH3(6 slm)供 給至成長爐，在活化層49上於攝氏870度下成長非摻雜 GaN層（N2-GaN層）51。GaN層 51之厚度為 3 nm。GaN層 51 142538.doc -28- 201013997 之成長速度為4.5 nm/分。又，將TMG(98.7 μιηοΐ/分）、 NH3(5 slm)供給至成長爐，在GaN層51上於攝氏1100度下 成長非摻雜GaN層53。GaN層53之厚度為10 nm。GaN層53 之成長速度為60.0nm/分。 其次，將 TMG(24.4 μηιοί/分）、ΤΜΑ(2.3 μηιοί/分）、 NH3(6 slm)、Cp2Mg供給至成長爐，在GaN層53上於攝氏 1100度下成長p型AlGaN層55。AlGaN層55之厚度為20 nm。AlGaN層55之成長速度為5.9 nm/分。p型AlGaN層55 ❿ 之A1組成為0.07。 將 TMG(98.7 μηιοί/分）、NH3(5 slm)、Cp2Mg 供給至成長 爐，在p型AlGaN層55上於攝氏1100度下成長p型GaN層 57。p型GaN層57之厚度為25 nm。GaN層57之成長速度為 58_2 nm/分。 又，將TMG(67_0 μηιοί/分）、NH3(5 slm)、Cp2Mg 供給至 成長爐，在P型GaN層57上於攝氏1100度下成長p型GaN層 59。p型GaN層59之厚度為25 nm。GaN層59之成長速度為 36.3 nm/分。藉由該等步驟而製作磊晶晶圓。於該磊晶晶 圓上形成陽極61 a及陰極61b。可獲得圖8所示之LED。圖8 中描繪有表示偏離角75度之c面Sc，並且顯示有c軸、a軸 ' 及m軸所表示之結晶座標系統CR以及X軸、Y軸及Z軸所表 示之位置座標系統S。Z軸為半導體層疊之方向，該方向與 c轴方向不同。 又，與GaN晶圓41不同，準備（0001)面藍寶石基板。利 用適合於該藍寶石基板之製造條件，成長與使用有GaN晶 142538.doc -29- 201013997 圓之磊晶晶圓之結構相同之半導體層疊結構。說明使用有 藍寶石基板之磊晶晶圓之主要製造條件等。將藍寶石基板 配置於成長爐内之後，在氫環境中進行熱處理。熱處理溫 度為攝氏1100度，熱處理時間為1〇分鐘左右。在熱處理之 後，將TMG(49 μιηοΐ/分）、NH3(5 slm)供給至成長爐，在藍 寶石基板上於攝氏500度下成長非摻雜GaN層。其次，將 TMG(243.8 μιηοΐ/分）、NH3(5.0 slm)、SiH4 供給至成長爐， 在非摻雜GaN層上於攝氏950度下成長η型GaN層^ n型GaN 層之厚度為5000 nm。η型GaN層之成長速度為129.6 nm/ 分。井層及保護層係於攝氏760度下成長。其他製造條件 與GaN基板上相同。 使用有GaN晶圓之磊晶晶圓與使用有藍寶石基板之磊晶 晶圓均於在井層上含有較薄（1 nm左右）之保護層之方面具 有相同構造。然而，該等磊晶晶圓之井層表面分別在半極 性面（偏離角75度）及c面之方面不同。測定該等磊晶晶圓之 光致發光光譜（PL，photoluminescence spectral)。圖 9係表 示在代表性之條件下所製作之發光元件之PL光譜pL1、 PL2的圖。此處表示該等PL光譜與井層之成膜條件。 PL名稱 PL1(半極性）： PL2(c 面）： 成膜溫度Tw成膜溫度τΡ半高全寬峰值波長 745 C 745°C 34 nm 508 ran 760〇C 760〇C 79 nm 507 nm 於該實施例之成長方法中’根據圖9之結果，保護層之 膜厚較薄’故升溫中之井層保護效果較弱。因此，於c面 上之井層上會發生半導體結晶之分解，PL光譜之半高全寬 142538.doc •30· 201013997 變寬。另一方面，偏離角75度之GaN晶圓上之井層與c面 上之井層相比，更難引起井層之分解，從而顯示良好之發 光特性。 (實施例2):雷射結構 準備GaN晶圓41。將GaN晶圓41配置於成長爐内之後， 在氨及氫之環境中進行熱處理。熱處理溫度為攝氏1100 度，熱處理時間約為10分鐘。 圖10中表示有主要之製造條件。 φ 於熱處理之後，將 TMG(98.7 μπιοί/分）、ΤΜΑ(8.2 μιηοΐ/ 分）、NH3(6 slm)、SiH4供給至成長爐，在GaN晶圓41上於 攝氏1150度下成長用於包覆層之η型AlGaN層81。η型 AlGaN層81之厚度為2000 nm。η型AlGaN層81之成長速度 為46.0 nm/分。η型AlGaN層81之A1組成為0.04。 其次，將TMG(98.7 μιηοΐ/分）、NH3(5 slm)、SiH4供給至 成長爐，在n型AlGaN層81上於攝氏1150度下成長n型GaN 層83。η型GaN層83之厚度為50 nm。η型GaN層83之成長速
A 度為58.0 nm/分。. 將 TMG(24.4 μπιοί/分）、ΤΜΙ(4.6 μπιοί/分）、NH3(6 slm) 供給至成長爐，在n型GaN層83上於攝氏840度下成長用於 ' 光導層之非摻雜InGaN層85a。非摻雜InGaN層85a之厚度 為50 nm。非摻雜η型InGaN層85a之成長速度為6.7 nm/ 分。非摻雜InGaN層85a之In組成為0.05。 成長活化層 87。將TMG(24.4 μπιοί/分）、ΤΜΙ(1·6 μιηοΐ/ 分）、NH3(6 slm)供給至成長爐，在非摻雜InGaN層85a上於 142538.doc 31 - 201013997 攝氏870度下成長用於障壁層之非摻雜InGaN層87a。非摻 雜InGaN層87a之厚度為15 nm。非摻雜InGaN層87a之成長 速度為6.7 nm/分。非掺雜InGaN層87a之In組成為0.01。 其次，將成長爐之溫度自攝氏870度變更至攝氏745度。 其後，將 TMG(15.6 μιηοΐ/分）、ΤΜΙ(29·0 μιηοΐ/分）、NH3(8 slm)供給至成長爐，在非摻雜InGaN層87a上於攝氏745度 下成長非摻雜InGaN層87b。非摻雜InGaN層87b之厚度為3 nm。非摻雜InGaN層87b之成長速度為3.1 nm/分。非摻雜 InGaN層87b之In組成為0.25。 其次，一面使成長爐之溫度維持在攝氏745度，一面將 TMG(15.6 μηιοί/分）、ΤΜΙ(0.3 μπιοί/分）、NH3(8 slm)供給 至成長爐，在非摻雜InGaN層87b上於攝氏745度下成長非 摻雜InGaN層87c。非摻雜InGaN層87c之厚度為1 nm。非 摻雜InGaN層87c之成長速度為3.1 nm/分。 於成長非摻雜InGaN層87c之後，將成長爐之溫度自攝氏 745度變更至攝氏870度。其後，將TMG(24.4 μιηοΐ/分）、 ΤΜΙ(1.6 μπιοί/分）、NH3(6 slm)供給至成長爐，在非摻雜 InGaN層87c上於攝氏870度下成長非摻雜InGaN層87d。非 摻雜InGaN層87d之厚度為14 nm。非摻雜InGaN層87d之成 長速度為6.7 nm/分。 重複進行井層87b、保護層87c及障壁層87d之成長，形 成活化層 87。其後，將 TMG(24.4 μπιοί/分）、TMI(4.6 μπιοί/分）、NH3(6 slm)供給至成長爐，在活化層87上於攝 氏840度下成長用於光導層之非摻雜InGaN層85b。非摻雜 142538.doc -32- 201013997
InGaN層85b之厚度為50 nm°非摻雜InGaN層851)之成長速 产為6 7 nm/分。其次，將TMG(98.7 kmol/分）、NH3(5 slm) 供給至成長爐’在葬捧雜InGaN層851?上於攝氏1100度下成 長非推雜GaN層（非摻雜GaN層）89。非摻雜GaN層89之厚度 為5〇 nm。非摻雜GaN層89之成長速度為58.0 nm/分。 其-欠，將 TMG(16.6 μπιοί/分）、ΤΜΑ(2.8 μπιοί/分）、 ' ΝΗ3(6 slm)、Cp2Mg供給至成長爐，在非摻雜GaN層89上 於攝氏1100度下成長i^A1GaN層91 ° p型AlGa]S^91之厚 φ 度為2〇 nm。P塑A1GaN層91之成長速度為4.9 nm/分°卩型
AlGaN層91之A1組成為〇.18。 將 TMG(36.6 μπιοί/分）、ΤΜΑ(3·0 μηιοί/分）、NH3(6 slm)、Cp2Mg供給至成長爐’在P型AlGaN層91上於攝氏 1100度下成長P型AlGaN層93。A1GaN層93之厚度為400 nm。AlGaN層93之成長速度為13.0 nm/分。又，將 TMG(34.1 μπιοί/分）、NH3(5 slm)、Cp2Mg供給至成長爐， 在p型AlGaN層93上於攝氏11 〇〇度下成長P型GaN層95。p型 _ GaN層95之厚度為50 nm。p型GaN層95之成長速度為18.0 nm/分。藉由該等步驟而製作磊晶晶圓。於該磊晶晶圓上 形成陽極97a及陰極97b。
經過以上之步驟，獲得圖11所示之半導體二極體。陽極 電極97a係經由含有1 〇微米寬之條狀窗口之絕緣骐而電性 連接於ρ型GaN層95。陽極電極97a包括Ni/Au，陰極97b包 括Ti/Al/Au。圖11中描繪有表示偏離角75度之c面Sc，並且 顯示有c軸、a轴及m軸所表示之結晶座標系統CR以及X 142538.doc •33- 201013997 軸、γ軸及z軸所表示之位置座標系統軸為半導體層 疊之方向，該方向係與c軸不同之方向。於、面_進行解 理，製作600微米長之雷射棒。振盪波長為52〇 ，臨界 電流為900 mA。 (第2實施形態） 參照圖12。圖12係表示形成活化|時原料氣體及成長爐 溫度之變化的時序圖。於本實施形態中，係製作氮化物系 半導體發光元件之活化層21a。以下，參照圖來詳細說明 製作活化層21a之量子井結構之次序。 所謂成長爐之溫度，係指例如成長爐之基座等之成長爐 内之構件的溫度於時制，成為活化層之底層之氛化嫁 系半導體之沈積結束。於時刻秦31之期間内，將成長爐 10之舰度變更至用以用於活化層之半導體成長之溫度。與 第1實施形態相同’在步驟8104中，形成包括氮化鎵系半 導體之蟲晶半導體區域23 m係於時刻心2期間在 成長溫度τΒ下成長。GaN障壁層Dbi之厚度例如為15 蟲晶半導龍域23之表面繼承主面13a之表面結構。於時 刻S2 ’停止鎵原料之供給而使氮化鎵系半導體之沈積停 止。於步驟S1〇5中，在成長井層之前，使成長爐之溫度自 成長溫度TB變更至成長溫度Tw。 溫度之變更係於時刻s2〜84期間進行。當障壁層之成長 時氮源之供給量與井層之成長時氮源之供給量不同時，於 時刻s2〜s3期間’變更氮源之供給量，而使之與井層之成 長時氮源之供給量相H_s4,成長爐1G之溫度到 142538.doc •34· 201013997 達井層之成長温度Tw。與第1實施形態相同，在步驟si〇6 中，一面使成長爐10之溫度保持在井層成長溫度Tw，一面 於半極性主面23a上在時刻S4〜S5之期間内成長用於量子井 結構之井層65a。由於井層65a在蟲晶半導體區域23之主面 上磊晶成長，故井層65a之表面繼承磊晶半導體區域23之 表面結構。又’井層65a之主面之傾斜角反映了蠢晶半導 體區域23之主面之傾斜角。該傾斜角係以自氮化鎵系半導 體之c面算起10度以上、85度以下之範圍之角度傾斜。 InGaN井層之厚度例如為4 nm。 於時刻s5 ’井層65a之成長結束。在步驟S2〇7中，自溫 度Tw向第2障壁層69a之成長溫度Tb變更。該升溫係於例如 時刻s5〜s6之期間内進行。為了防止在該升溫中井層65&之 劣化，以覆蓋井層65a之表面之方式成長保護層67a。在井 層65a之成長結束後，緊接著開始覆蓋井層65&之主面之保 護層67a之成長。保護層67a之成長期間之溫度變更係隨著 時間而減小溫度上升速度，於時刻s5〜s6期間之溫度分布 形成向上凸出之形狀。藉由該升溫分布，可縮短至成長溫 度TB之前之到達穩定時間，從而可抑制井層之劣化。 保護層67a與保護層27a相同，包括具有較井層65&之材 料更大之帶隙之氮化鎵系半導體。於時刻s5〜s6之整個期 間，磊晶成長包括上述氮化鎵系半導體之保護層"a。.保 護層⑺之厚度較障壁層，之厚度更薄。又，保護層67a 厚度較井層65a之厚度更薄。保護層67a以較障壁層6% 成長速度更小之成長速度纟I。例如，》咸少嫁原料之供 142538.doc 35· 201013997 給量來調整成長速度，並且於時刻S5〜S6之期間内減少氮 原料之供給量。於本實施例中，保護層67a係包括與磊晶 半導體區域23相同之材料，即GaN。亦可將保護層67a設 為GaN，將障壁層23設為InYGai_YN(銦組成Y : 0$ γ<!，γ 為變形組成）。保遵層67a之厚度Dp例如為2.5 nm。保護層 67a於井層65a之主面上磊晶成長，故保護層67a之表面繼 承井層65a之表面結構。 - 於步驟S208中，障壁層69a係繼保護層67a成長之後成 長。於時刻s6 ,成長爐1〇之升溫結束。在成長保護層27a ❹ 之後，一面使成長爐10之溫度保持在成長溫度Τβ，一面於 時刻s6〜s7，成長包括氮化鎵系半導體之障壁層。成長 溫度TB為可成長具有良好之結晶品質之障壁層之第！溫度 Tr以上。保護層67a〜67c之成長溫度心為井層成長溫度Tw 乂上第1 Λ度Tr以下之溫度範圍，於本實施例中保護層 67a〜67c之成長溫度Tp大於成長溫度Tw。障壁層之厚度 及井層65a之厚度Dw大於保護層67&之厚度可使2 非井層及障壁層之保護層67a變薄，使障壁層之厚度增0 大。於本實施例中，障壁層69a例如包括㈣，障壁層㈣ 之厚度dB2例如為125 nm。障壁層咖於保護層…之主面. 上磊晶成長，故障壁層69a之表面繼承井層65&之表面社 構。 、。 同樣地 、 12所示，形成活化層21a。於步驟S209 中重複進仃自溫度Tb向溫度〜之降溫（期間a〜^〜巧）、 井層之成長（期間s9 1〇)、自 }目/皿度Tw向溫度TB之升溫及保 142538.doc -36- 201013997 護層之成長（期問sl0〜sll)以及障壁層之成長（期間 sll〜sl2)，以完成量子井結構。如圖12所示，量子井妗構 包括障壁層23、69a~69c，井層65a〜65c，保護°層 67a〜67c。保護層67a〜67c之膜厚Dp例如為〇5 以i、$ nm以下。 根據該方法’於井層65a之成長結束後，緊接著成長保 護層67a。該成長係一面使成長爐1〇之溫度自成長溫度 向成長溫度Tb升溫，一面進行。一面成長保 67a〜67c’ 一面使成長爐1〇之溫度升溫，故含有顯示半極 性之主面的井層65a〜65c之半導體結晶的分解與在c面主面 上成長之井層相比更難發生。又，在升溫中進行保護層 67a〜67c之成長，故井層65a〜65c暴露在高溫下之期間縮 短。 、、 又，根據第1實施形態，井層25a〜25c之成長結束後，緊 接著在與井層成長溫度Tw相同之溫度下成長較薄之保護層 籲 27a〜27c。而且，可藉由在比較低之溫度下成長之保護層 67a來保護井層65a。因此，在升溫期間之後半段内，無論 是否成長保護層，保護層均發揮保護能力。 例如，亦可一面使成長爐1〇之溫度自成長溫度Tw向小於 成長溫度TB之中間溫度τΜ升溫，一面成長保護層。該方法 可進而設置如下步驟：於成長保護層之後，不成長氮化鎵 系半導體’而使成長爐10之溫度自上述中間溫度向成長 溫度ΤΒ升溫。在該溫度分布中，自成長溫度Tw向中間溫度 TM之平均升溫速度大於自中間溫度τΜ向成長溫度Tb之平 142538.doc •37- 201013997 均升溫速度。根據該方法，成長保護層之期間之溫度變更 速度較大，故而保護層會隨著成長期間推進，而於更高溫 度下成膜。因此，可成長結晶品質良好之保護層。 (實施例3):偏離角75度 準備GaN晶圓。GaN晶圓之主面相對於GaN晶圓之c面以 75度之角度傾斜。將GaN晶圓配置於成長爐内之後，在氨 及氫之環境中進行熱處理。熱處理溫度為攝氏1050度，熱 處理時間為10分鐘左右。活化層之成長條件除此以外，係 使用圖7所示之條件。 使用以下條件作為活化層之成膜條件。將TMG(24.4 μπιοί/分）、NH3(6 slm)供給至成長爐，在η型InGaN層上於 攝氏860度下成長非摻雜GaN層（障壁層）。GaN障壁層之厚 度為15 nm。該GaN層之成長速度為6.7 nm/分。 其次，使成長爐之溫度自攝氏860度變更至攝氏750度。 於溫度變更結束之後，在攝氏750度下，將TMG(15.6 μηιοί/分）、ΤΜΙ(58.0 μπιοί/分）、NH3(8 slm)供給至成長 爐，在GaN障壁層上成長非摻雜InGaN層（井層）。InGaN層 之厚度為4 nm。InGaN井層之成長速度為5 nm/分。η型 InGaN井層47之In組成為0.20。 於成長InGaN井層之後，一面使成長爐之溫度自攝氏750 度變更至攝氏860度，一面成長GaN保護層。原料氣體之 條件係將TMG(24.4 μπιοί/分）、NH3(6 slm)供給至成長爐。 GaN保護層之厚度為2.5 nm。GaN保護層之平均成長速度 為 0.8 nm/分。 142538.doc •38· 201013997 於成長GaN保護層之後，一面使成長爐之溫度保持在攝 氏860度，一面成長GaN障壁層。原料氣體之條件係將 TMG(24.4 μιηοΐ/分）、NH3(6 slm)供給至成長爐。GaN障壁 層之厚度為12_5 nm。GaN障壁層之平均成長速度為6.7 nm/分0 重複進行InGaN井層' GaN保護層及GaN障壁層之成 ‘ 長，形成活化層。其後，與實施例1同樣地製作p型氮化鎵 系半導體區域。 φ 又，與GaN晶圓不同，與實施例1同樣地準備（0001)面藍 寶石基板。利用適合於該藍寶石基板之製造條件，成長與 使用有GaN晶圓之蟲晶晶圓之結構相同之半導體層疊結 構。說明使用有藍寶石基板之磊晶晶圓之主要製造條件。 將藍寶石基板配置於成長爐内之後，在氫環境中進行熱處 理。熱處理溫度為攝氏1100度，熱處理時間為10分鐘左 右。在熱處理之後，將TMG(49 μιηοΐ/分）、NH3(5 slm)供給 至成長爐，在藍寶石基板上於攝氏500度下成長非摻雜 ® GaN層。其次，將 TMG(243.8 μιηοΐ/分）、ΝΗ3(5·0 slm)、 SiH4供給至成長爐，在非摻雜GaN層上於攝氏950度下成長 η型GaN層。η型GaN層之厚度為5000 nm。η型GaN層之成 • 長速度為129.6 nm/分。井層係於攝氏760度下成長。其他 製造條件與GaN基板上相同。 使用有GaN晶圓之蟲晶晶圓與使用有藍寶石基板之蟲晶 晶圓雖然均於在井層上含有在整個升溫期間内成長之保護 層（厚度為2.5 nm)之方面具有相同結構，然而，該等磊晶 142538.doc -39- 201013997 晶圓之井層之表面分別在半極性面（偏離角75度）及c面之方 面不同。測定該等磊晶晶圓之PL光譜。圖13係表示在代表 性之條件下所製作之發光元件之PL光譜PL3、PL4的圖。 此處表示該等PL光譜與井層之成膜條件。 PL名稱 成膜溫度Tw 成膜溫度TP 半高全寬峰值波長 PL3(半極性）： 750〇C 一 面升溫 30 nm 503 nm PL4(c面）： 760°C — 面升溫 53 nm 529 nm 於該實施例之成長方法中，若參照圖13A，則根據PL 1 與PL3之比較，顯示了藉由保護層之厚度增加，對於升溫 之保護能力得到提高。又，PL3之半高全寬較PL1之半高 全寬更狹窄，PL光譜較PL1更尖銳，且PL強度亦得到提 高。若參照圖13B，則根據PL3與PL4之比較，在c面上之 井層中會發生半導體結晶之分解，PL光譜之半高全寬變 寬。另一方面，偏離角75度之GaN晶圓上之井層與c面上 之井層相比，在井層中更難引起半導體結晶之分解，從而 顯示良好之發光特性。 (實施例4):偏離角58度 準備GaN晶圓。GaN晶圓之主面相對於該晶圓之c面以58 度之角度傾斜。於將GaN晶圓配置在成長爐内之後，在氨 及氫之環境中進行熱處理。熱處理溫度為攝氏1050度，熱 處理時間為10分鐘左右。活化層之成長條件除此以外，係 使用圖7所示之條件。 使用以下條件作為活化層之成膜條件。將TMG(24.4 μπιοί/分）、NH3(6 slm)供給至成長爐，在η型InGaN層上於 142538.doc -40- 201013997 攝氏860度下成長非摻雜GaN層（障壁層）。GaN障壁層之厚 度為1 5 nm。該GaN層之成長速度為6.7 nm/分。 其次，使成長爐之溫度自攝氏860度變更至攝氏770度。 於溫度變更結束之後，在攝氏770度下，將TMG(15.6 μιηοΐ/分）、ΤΜΙ(29.0 μιηοΐ/分）、NH3(8 slm)供給至成長 爐，在GaN障壁層上成長非摻雜InGaN層（井層）。InGaN層 之厚度為2.7 11111。111〇31<1'井層之成長速度為5 11111/分。11型 InGaN井層47之In組成為0.20。 於InGaN井層之成長後，一面使成長爐之溫度自攝氏770 度變更至攝氏860度，一面成長GaN保護層。原料氣體之 條件係將TMG(24.4 μιηοΐ/分）、NH3(6 slm)供給至成長爐。 GaN保護層之厚度為2.5 nm。GaN保護層之平均成長速度 為 0.8 nm/分。 於成長GaN保護層之後，一面使成長爐之溫度保持在攝 氏860度，一面成長GaN障壁層。原料氣體之條件係將 TMG(24.4 μπιοί/分）、NH3(6 slm)供給至成長爐。GaN 障壁 層之厚度為12.5 nm。GaN障壁層之平均成長速度為6.7 nm/分。 重複進行InGaN井層、GaN保護層及GaN障壁層之成 長，形成活化層。其後，與實施例1同樣地製作p型氮化鎵 系半導體區域。於圖14中表示PL光譜。 PL名稱 成膜溫度Tw 成膜溫度TP 半高全寬 峰值波長 PL5(半極性）： 770〇C 一面升溫 42 nm 506 nm PL4(c 面）： 760〇C 一面升溫 53 nm 529 nm 142538.doc -41 - 201013997 於該實施例之成長方法中，根據pu與pL5之比較，藉 由保沒層之厚度增加’對於升溫之保護能力得到提高。 又’ PL5之半高全寬較PL4之半高全寬更狹窄，Μ之光譜 形狀較PL4更穴銳，且PL強度亦得到提高。根據與⑴
之比較，在c面上之并廢由各政A
开層中會發生半導體結晶之分解，PL 光-3之半问王寬變宽。另一方面，偏離角Μ度之晶圓 上之井層與e面上之井層相比’在井層中更難引起半導體 結晶之分解，從而顯示良好之發光特性。 (第3實施形態） 於本實施形態中，係製作氮化物系半導體發光元件之活i 化層21b。以下’—面參照圖15，—面詳細說明製作活化 層21b之量子井結構之順序。圖15係表示活化層之形成時 原料氣體及成長爐溫度之變化的時序圖。 所謂成長爐之溫度，係指例如成長爐之基座等之成長爐 内之構件的溫度。於時刻⑽，成為活化層之底層之氮化鎵 系半導體之沈積結束。於時刻u〇〜ul之期間内將成長爐 10之溫度變更至用以用於活化層之半導體成長之溫度。與β 第1實施形態相同，在步驟8104中，形成包括氮化鎵系半 導體之磊晶半導體區域23 ^該成長係於時刻ul〜u2期間在 成長溫度τΒ下成長。GaN障壁層Dbi之厚度例如為15 磊aa半導體區域23之表面繼承主面13a之表面結構。於時 刻u2，停止鎵原料之供給而使氮化鎵系半導體之沈積停 止。於步驟S105中，成長井層之前，使成長爐之溫度自成 長溫度TB變更至成長溫度Tw。 142538.doc •42- 201013997 溫度之變更係於時刻U2〜U4期間進行。於時刻u2〜u3期 間’變更氮源之供給量，而使之與井層之成長時氛源之供 給量相一致。於時刻以，成長爐1〇之溫度到達井層之成長 溫度TW。與第〗實施形態相同，在步驟^⑽中一面使成 長爐10之溫度保持在井層成長溫度Tw，一面於半極性主面 23a上，在時刻u4〜u5i期間内成長用於量子井結構之井層 75a。井層75a係在磊晶半導體區域23之主面上磊晶成長，
故井層75a之表面繼承磊晶半導體區域23之表面結構。 InGaN井層之厚度Dw例如為3 nm。 於時刻U5，井層75a之成長結束。在步驟S3〇7中，使溫 度自溫度、向第2障壁層79a之成長溫度Τβ變更。該升溫係 於例如時刻U5〜U7之期間内進行。為了防止在該升溫中井 層75a之劣化’以覆蓋井層仏之表面之方式在時刻心6 之期間内成長保護層77a。在井層75a之成長結束後，緊接 著開始覆蓋井層75a之主面之保護層77a之成保護層 77a之成長期間之溫度變更係隨著時間而減小溫度上升速 度，於時刻u5〜u6之間之溫度分布形成向上凸出之形狀。 藉由該升溫分布，可縮短至成長溫度Tb之前之到達穩定時 間’從而可抑制井層之劣化。保護層77a與保護層W相 包括具有較井層75a之材料更大之帶隙之氮化嫁系半 導體。在時刻U5〜u6之整個期間，爲晶成長保護層W。保 護層Μ厚度較障壁層％之厚度更薄。又，保護層77a 之厚度較井層75a之厚度更薄。保護層％係以較障壁層 %之成長速度更小之成長速度成長。例如，於時刻心7 142538.doc -43· 201013997 之期間内減少氮原料之供給量，並且減少鎵原料之供給 量，來調整成長速度。於本實施例中，保護層77a包括與 磊晶半導體區域23相同之材料，即GaN。保護層77a之厚 度DP例如為丨.1 nm。保護層77a係於井層75a之主面上磊晶 成長，故保護層77a之表面繼承井層75a之表面結構。 於步驟S308中，障壁層79a係繼保護層77a成長之後成 長。於時刻u6，亦繼續進行成長爐1〇之升溫。在成長保護 層77a之後，一面使成長爐1〇之溫度向成長溫度Tb上升， 一面於時刻U6〜u7内成長包括氮化鎵系半導體之障壁層 79a。成長溫度τΒ為可成長具有良好之結晶品質之障壁層 之第1溫度tr以上。保護層77&、77b、77c之成長溫度Τρ為 井層成長溫度Tw以上、第i溫度Tr以下之溫度範圍内，於 本實施例中，保護層77a〜77c之成長溫度。大於成長溫度 TW。障壁層79a之厚度Db2大於保護層77a之厚度Dp。可使 並非井層及障壁層之保護層77a變薄’使障壁層之厚度 增大。於本實施例中，障壁層79a例如包括GaN，障壁層 79a之厚度Du例如為139 nm。障壁層79a係於保護層77&之 主面上磊晶成長，故障壁層793之表面繼承井層75a之表面 結構。 圖15所示同樣地繼續形成活化層21b。於步驟S309 中，重複進行自溫度Tb向溫度Tw之降溫（期間u7〜u8〜u9)、 井層之成長（期間u9〜ul0)、自溫度Tw向温度Tb之升溫及保 濩層之成長（期間ul0〜ull、ul3〜ul4)及障壁層之成長（期間 ull ul2 ul4〜ul5) ’以完成量子井結構。如圖15所示， 142538.doc 201013997 量子井結構包括障壁層23、79a〜79c，井層75a〜75c，保護 層77a〜77C。保護層77a〜77c之膜厚Dp例如可為〇5 nm以 上、5 nm以下。 於井層75a〜75c之成長結束後緊接著，保護層77a〜7乃分 別一面自成長溫度Tw向成長溫度TB升溫，一面成長。由於 面成長保護層77a〜77c，一面使成長爐1〇之溫度升溫， 故而含有顯示半極性之主面之井層75a〜75c之分解，較在c 面主面上成長之井層更難發生。又，於升溫過程中進行保 濩層77a〜77c及障壁層79a〜79c之成長，因此井層75a〜75c 暴露在咼溫下之時間縮短。在本實施形態之該溫度分布 中，自成長溫度Tw向溫度！^之平均升溫速度大於自溫度Tr 向成長溫度TB之平均升溫速度。根據該方法，使成長保護 層之期間之溫度變更速度較大，故保護層隨著成長期間之 經過而於更高溫度下成膜。 因此’可成長結晶品質良好之保護層。 (實施例5):偏離角75度 準備GaN晶圓。GaN晶圓之主面相對於該晶圓之c面以75 度之角度傾斜。於將GaN晶圓配置在成長爐内之後，在氨 及氫之環境中進行熱處理。熱處理溫度為攝氏1050度，熱 處理時間為10分鐘左右。活化層之成長條件除此以外，係 使用圖7所示之條件。 使用以下條件作為活化層之成膜條件。將tmg(24.4 μπιοί/刀）、NH3(6 slm)供給至成長爐，在11型InGaN層上於 攝氏870度下成長非摻雜GaN層（障壁層）。GaN障壁層之厚 142538.doc -45- 201013997 度為1 5 nm。該GaN層之成長速度為6·7 nm/分。 其次，使成長爐之溫度自攝氏870度變更至攝氏745度。 於溫度變更結束之後，在攝氏745度下，將TMG(15.6 μιηοΐ/分）、ΤΜΙ(58·0 μιηοΐ/分）、NH3(8 slm)供給至成長 爐，在GaN障壁層上成長非掺雜InGaN層（井層）。InGaN層 之厚度為4 nm。InGaN井層之成長速度為3.6 nm/分。η型 InGaN井層之In組成為0.20。 於成長InGaN井層之後，一面使成長爐之溫度自攝氏745 度變更至攝氏850度，一面成長GaN保護層。原料氣體之 條件係將TMG(24.4 μπιοί/分）、NH3(6 slm)供給至成長爐。 GaN保護層之厚度為1.1 nm。GaN保護層之平均成長速度 為 1.1 nm/分。 於成長GaN保護層之後，一面使成長爐之溫度自攝氏 850度變更至攝氏870度，一面成長GaN障壁層。原料氣體 之條件係將TMG(24.4 μπιοί/分）、NH3(6 slm)供給至成長 爐。GaN障壁層之厚度為13.9 nm。GaN障壁層之平均成長 速度為6.7 nm/分。 重複進行InGaN井層、GaN保護層及GaN障壁層之成 長，形成活化層。其後，與實施例1同樣地製作p型氮化鎵 系半導體區域。 又，與GaN晶圓不同，與實施例1同樣地準備（0001)面藍 寶石基板。利用適合於該藍寶石基板之製造條件，成長與 使用有GaN晶圓之磊晶晶圓之結構相同之半導體層疊結 構。說明使用有藍寶石基板之磊晶晶圓之主要製造條件。 142538.doc -46- 201013997 將藍寶石基板配置於成長爐内之後，在氫環境中進行熱處 理。熱處理溫度為攝氏11 00度，熱處理時間為10分鐘左 右。在熱處理之後，將TMG(49 μηιοί/分）、NH3(5 slm)供給 至成長爐，在藍寶石基板上於攝氏5 00度下成長非摻雜 GaN 層。其次，將 TMG(243.8 μπιοί/分）、NH3(5.0 slm)、 SiH4供給至成長爐，在非摻雜GaN層上於攝氏950度下成長 η型GaN層。η型GaN層之厚度為5000 nm。η型GaN層之成 長速度為129.6 nm/分。井層係於攝氏760度下成長《其他 • 製造條件與GaN基板上相同。 使用有GaN晶圓之磊晶晶圓與使用有藍寶石基板之磊晶 晶圓雖然均於在井層上含有保護層之方面具有相同結構， 然而’該等蠢晶晶圓之井層表面分別在半極性面（偏離角 75度）及c面之方面不同。測定該等磊晶晶圓之pl光譜。圖 1 6係表示在代表性之條件下所製作之發光元件之pl光譜 PL6、PL7的圖。此處表示該等pl光譜與井層之成膜條 件0 PL名稱 成膜溫度Tw成膜溫度τΡ半高全寬峰值波長 PL6(半極性）：745〇C —面升溫 35 nm 526 nm PL7(c面）· 760 C —面升溫 45 nm 531 nm 於該實施例之成長方法中，根據PLl與PL6之比較，藉 由保護層之厚度增加，對於升溫之保護能力得到提高。 又，若參照圖16 ’則PL6之半高全寬較PL7之半高全寬更 狹窄’ PL6之光譜形狀較PL7更尖銳，且pl強度亦得到提 高。若參照圖16 ’則根據PL6與PL7之比較，在c面上之井 142538.doc -47- 201013997 層中會發生半導體結晶之分解，PL光譜之半高全寬變寬。 另-方面’偏離角一N晶圓上之井層與=井 層相比，更難引起井層中半導體結晶之分解，從而顯示良 好之發光特性。由於在升溫過程中成長障壁層，故而可縮 短磊晶成長所必需之時間。此外，可抑制井層中半導體結 晶之分解。由於在溫度Tr以下之低溫下成長障壁層之一部 刀故c面基板上之量子井結構之結晶品質變得不佳，發 光特H X，藉由使用半極性面，壓電電場之影響減
圖17係表示銦獲取量之偏離角相依性之圖式。 資料名 偏離角 銦組成 P1 : 43度 4.3% P2 ： 62度 22.7% P3 ： 75度 19.6% P4 ： 90度 23.1% 在對於c面傾斜之主面之㈣晶圓中，_取4㈣』 於偏離角而發生變化。根據發明者等之見解，若偏離心
50度以上、未達8〇度，則鋼之獲取量較大。目此，可認; 即使InGaN井層暴露於高溫下，井層中亦難以發生半導; 結晶之分解。 可認為，在NH3環境中，在蠢晶成長過程中之最表面， 為ΝΗχ與最表面之ΙΠ族原子鍵結之狀態。於e面上該 僅能與i個職原子鍵結，故在e面上成長之ΐη(^容易發 生熱分解》另一方面，在半極性面上，ΝΗχ可與兩個以上 142538.doc -48- 201013997 之III族原子鍵結，且與兩個以上之III族原子鍵結之比例明 顯高於C面。因此，在半極性面上，構成元素彼此之鍵結 增強，與c面上之InGaN相比，更難發生半極性面上之 InGaN之熱分解。因此，半極性面上之InGaN井層之表面 與c面上之InGaN井層之表面不同。 又，在對應於大於50度、未達80度之範圍内之偏離角的 半導體面、例如（20-21)面中，由於階面寬度狹小，故而當 於階面上獲取到In時，不會發生充分之In遷移。因此，在 • 成長中斷過程中，亦容易停留於原子沈積時吸附In之場 所，從而難以發生井層之分解。 關於可利用之材料，將井層/保護層/障壁層之組合設為 例如以下者。當按井層/保護層/障壁層之順序記述時，可 例示 InGaN/InGaN/GaN、InGaN/GaN/InGaN、InGaN/InGaN/InGaN 等組合。 於較佳實施形態中，圖示並說明了本發明之原理，但業 者當可認識到，本發明可於不脫離上述原理之條件下對配 W 置及具體情況進行變更。本發明並不限定於本實施形態所 揭示之特定構成。因此，對來自於申請專利範圍及其精神 範圍之所有修正及變更申請權利。 【圖式簡單說明】 圖1A至C係表示本實拖形態之製造氮化物系半導體光元 件之方法及製造蠢晶晶圓之方法中之主要步驟的圖。 圖2A至C係表示本實施形態之製造氮化物系半導體光元 件之方法及製造蠢晶晶圓之方法中之主要步驟的圖。 142538.doc -49- 201013997 圖3 A至C係表示本實施形態之製造氮化物系半導體光元 件之方法及製造磊晶晶圓之方法中之主要步驟的圖。 圖4A及B係表示本實施形態之製造氮化物系半導體光元 件之方法及製造磊晶晶圓之方法中之主要步驟的圖。 圖5係表示第1實施形態中形成活化層時原料氣體及成長 爐溫度之變化的時序圖。 圖6係表示於實施形態中可使用之GaN基板之一結構的 圖。 圖7係表示實施例1之主要製造條件的圖。 圖8係表示實施例1之發光二極體之結構的圖。 圖9係表示實施例1之PL光譜的圖。 圖10係表示實施例2中之主要製造條件的圖。 圖11係表示實施例2之雷射二極體之結構的圖。 圖12係表示第2實施形態中形成活化層時原料氣體及成 長爐溫度之變化的時序圖。 圖13A及B係表示實施例3中之PL光譜的圖。 圖14係表示實施例4中之PL光譜的圖。 圖1 5係表示第3實施形態中形成活化層時原料氣體及成 長爐溫度之變化的時序圖。 圖16係表示實施例5中之PL光譜的圖。 圖17係表不沈積於自c轴向m轴方向規定之傾斜角（偏離 角）之GaN主面上的InGaN之In組成與偏離角之關係的圖。 【主要元件符號說明】 11 基板 142538.doc -50- 201013997 lla 11c 13 15、17、19 21、21a、21b 23 25a~25c 、 65a~65c 、 75a〜75c 27a~27c 、 67a~67c 、 77a〜77c 29a~29c、69a〜69c、79a〜79c 31 33 35 ' 37 基板主面 經改質之主面 第1導電型氮化鎵系半導 體區域 氮化鎵系半導體層 活化層 磊晶半導體區域 井層 保護層 障壁層 第2導電型氮化鎵系半導 體區域 電子阻擋層 P型接觸層 142538.doc -51 -

Claims (1)

  1. 201013997 七、申請專利範圍： 1' 一種製造氮化物系半導體光元件之方法，其特徵在於： 其包括如下步驟： 面使成長爐之溫度保持在井層成長溫度，一面於含 有半極性之主面之氮化鎵系半導體區域上，成長用於活 化層之井層； 於上述井層之成長結束後，緊接著成長覆蓋上述井層 之主面之保護層；以及 | 成長上述保護層之後，在上述保護層之主面上，於障 壁層成長溫度下成長用於上述活化層之障壁層；且 上述保護層之厚度小於上述障壁層之厚度； 上述障壁層成長溫度為大於上述井層成長溫度之第丄 溫度以上； 上述障壁層之成長係於上述成長爐之溫度達到上述第 1溫度時開始； 上述保護層之成長溫度處於上述井層成長溫度以上、 ® 未達上述第1溫度之溫度範圍； 上述井層包括含銦之氮化鎵系半導體； 上述障壁層包括具有較上述井層之帶隙能量更大之帶 隙能量之氮化物半導體； 上述保6蒦層包括具有較上述井層之帶隙能量更大之帶 隙能量之氮化鎵系半導體； 上述井層之主面含有半極性面； 上述保護層之主面含有半極性面； 142538.doc 201013997 上述障壁層之主面含有半極性面。 2_如請求項1之製造氮化物系半導體光元件之方法，其中 進而包括於成長上述保護層之後，於不進行成長之狀 態下’而使上述成長爐之溫度自上述井層成長溫度升溫 至上述第1溫度之步驟；且 上述保護層係於上述成長爐之溫度開始變更之前，於 與上述井層成長溫度相同之溫度下成長。 3. 如叫求項1之製造氮化物系半導體光元件之方法，其中 一面使上述成長爐之溫度自上述井層成長溫度開始升 溫’一面使上述保護層成長。 4. 如印求項3之製造氮化物系半導體光元件之方法其中 上述保護層係在使上述成長爐之溫度自上述井層成長 /JD度向上述第1溫度變更之整個期間内成長，且 上述障壁層係繼上述保護層之成長之後緊接著成長。 5‘如請求項3之製造氮化物系半導體光元件之方法，其中 上述保護層係在使上述成長爐之溫度自上述井層成長 溫度向小於上述障壁層成長溫度之第2溫度升溫期間之 至少一部分期間内成長； 該方法進而包括成長上述保護層之後，於不使氣化錄 系半導體成長之狀態下，而將上述成長爐之溫度自上述 第2溫度向上述第丨溫度升溫之步驟，·且 自上述井層成長溫度向上述第2溫度升温時之平均为 溫速度大於自上述第2溫度向上述第i溫度升溫時 升溫速度。 ^ 142538.doc 201013997 6·如，月求項_之製造氣化物系半導體光元件之方法，其 中上述障壁層成長溫度係保持固定。 7. 如„月求項i或2之製造氮化物系半導體光元件之方法其 中一面自上述第1溫度變更至大於上述第丨溫度之第3溫 .度，一面使上述障壁層之至少一部分成長。 8. 如請求項7之製造氮化物系半導體光元件之方法，其中 自上述井層成長溫度向上述第^盈度升溫時之平均升溫 速度大於自上述第丨溫度向上述第3溫度升溫時之平均升 溫速度。 9. 如請求項1或2之製造氮化物系半導體光元件之方法，其 中於成長上述保護層時之鎵原料的供給量小於上述障壁 層之成長時之鎵原料的供給量。 10. 如請求項1或2之製造氮化物系半導體光元件之方法，其中 進而包括準備包含六方晶系半導體InsAlTGai s τΝ (0SSS1、、es+Tg)之基板之步驟；且 _ 上述基板之上述主面係以該六方晶系半導體之{0001} 面或{000-1}面為基準，以10度以上、85度以下之範圍之 角度傾斜。 Π.如請求項10之製造氮化物系半導體光元件之方法，其中 進而包括在上述基板上形成半導體之前，對上述基板 之上述主面進行熱處理，藉此於上述基板上形成經改質 之主面之步驟； 上述熱處理係於含氨及氫之氣體環境中進行；且 上述氮化鎵系半導體區域係設於上述基板之上述經改 142538.doc 201013997 質之主面上。 12. 如請求項10之製造氮化物系半導體光元件之方法，其中 進而包括使第1導電型氮化鎵系半導體區域在上述基 板上磊晶成長之步驟；且 上述第1導電型氮化鎵系半導體區域之主面係以上述 氮*化鎵系半導體之{0001}面或{〇〇〇_〖}面為基準，以大於 50度、未達80度之範圍之角度傾斜。 13. 如請求項10之製造氮化物系半導體光元件之方法，其中 上述基板包括沿著c轴方向延伸、且穿透錯位密度大 於第1穿透錯位密度之複數個第1區域、以及沿著c轴方 向延伸、且穿透錯位密度小於第1穿透錯位密度之複數 個第2區域； 上述第1及第2區域係交替配置；且 在上述基板之上述主面上出現有上述第1及第2區域。 14. 如請求項1〇之製造氮化物系半導體光元件之方法，其中 上述第2區域之上述穿透錯位密度未達lxl 07 cm·2。 15. 如請求項1〇之製造氮化物系半導體光元件之方法，其中 上述基板包含GaN。 16. 如請求項1或2之製造氮化物系半導體光元件之方法，其 中上述氮化鎵系半導體區域之上述主面係向氮化鎵系半 導體區域之a軸方向傾斜。 17. 如請求項1或2之製造氮化物系半導體光元件之方法’其 中上述氮化鎵系半導體區域之上述主面係向氮化鎵系半 導體區域之m軸方向傾斜。 14253S.doc 201013997 18. 如請求項1或2之製造氮化物系半導體光元件之方法，其 中上述氮化嫁系半導體區域之上述主面係向氮化嫁系半 導體區域之<12-30>軸方向傾斜。 19. 一種製造蟲晶晶圓之方法，其特徵在於： 其係製造用於氮化物系半導體光元件之县晶晶圓者； 其包括如下步驟： 準備包含六方晶系半導體InsAlTGau.Tlv^OsSsi、 OSTS1、0SS+TS1)且含有半極性之主面之基板； 在上述基板之主面上形成含有半極性之主面之氮化 錄系半導體區域； 一面使成長爐之溫度保持在井層成長溫度，一面在 上述氮化鎵系半導體區域上，成長用於活化層之井 層； 成長覆蓋上述井層之主面之保護層；以及 成長上述保護層之後，在上述保護層之主面上於 障壁層成長溫度下成長用於上述活化層之障壁層；且 上述保護層之厚度小於上述障壁層之厚度； 上述障壁層成長蕰度為大於上述井層成長溫度之 1溫度以上； 上述障壁層之成長係於上述成長爐之溫度達到上述 第1溫度時開始； 上述保護層之成長溫度處於上述井層成長溫度以 上、未達上述第1溫度之溫度範圍； 上述井層包括含銦之氮化鎵系半導體，· 142538.doc 201013997 上述障壁層包括具有較上述井層之帶隙能量更大之 帶隙能量之氮化物半導體； 上述保護層包括具有較上述井層之帶隙能量更大之 帶隙能量之氮化鎵系半導體； 上述井層之主面含有半極性面； 上述保護層之主面含有半極性面； 上述障壁層之主面含有半極性面。 20.如請求項19之製造磊晶晶圓之方法，其中 進而包括在上述基板上形成半導體之前，對上述基板 之上述主面進行熱處理而於上述基板上形成經改質之主 面之步驟； 上述熱處理係於含氨及氫之氣髏環境中進行；且 上述基板之上述主面係以該六方晶系半導體之{0001} 面或{000-1}面為基準，以大於50度、未達80度之範圍之 角度傾斜。 142538.doc • 6 -
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