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TW201201408A - Semiconductor component and manufacturing method thereof - Google Patents

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TW201201408A
TW201201408A TW100106825A TW100106825A TW201201408A TW 201201408 A TW201201408 A TW 201201408A TW 100106825 A TW100106825 A TW 100106825A TW 100106825 A TW100106825 A TW 100106825A TW 201201408 A TW201201408 A TW 201201408A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
layer
type
semiconductor device
functional
buffer layer
Prior art date
Application number
TW100106825A
Other languages
English (en)
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TWI513044B (zh
Inventor
Yoshikazu Ooshika
Tetsuya Matsuura
Original Assignee
Dowa Electronics Materials 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 Dowa Electronics Materials Co Ltd filed Critical Dowa Electronics Materials Co Ltd
Publication of TW201201408A publication Critical patent/TW201201408A/zh
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Publication of TWI513044B publication Critical patent/TWI513044B/zh

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Description

201201408 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種半導體元件及其製造方法，尤其是 關於-種紫外光發光二極體或電子裝i等半導體元件及其 製造方法。 【先前技術】 近年來，可於殺菌、淨水、醫療、照明、高密度光記 錄等領域中較佳地使用之紫外光發光二極體（紫外光led) 或高電子遷移率電晶體（HEMT)之材料，已知有使用AiGaN 系薄膜而形成元件結構者。並且，.於此種使用AlGaN系薄 膜而形成元件結構之紫外光LED或HEMT卜為獲得高品 夤之AlGaN系薄膜而進行各種努力。 通常，紫外光LED包含以n型氮化物半導體層及p型 SI化物半導體層夾持發光層而構成之功能積層體為緩和 由氮化物半導體層與基板之不同晶格常數所引起之應變， 通爷於基板上經由緩衝層而形成功能積層體。ηεμτ亦具有 以氮化物半.導體層構成i型通道層及η型電子供給層而成之 功能積層體，為緩和由氮化物半導體層與基板之不同晶格 常數所引起之應變，通常於基板上經由緩衝層而形成功能 積層體。 又，於專利文獻1中，揭示有如下之氮化物半導體基 板：於基板上具備直接或經由以Α1Ν或AlGaN為主之i個 或複數個氬化物半導體層所形成之、添加有橫向成長促進 物質之以A1N或AlGaN為主之第i半導體層（緩衝層）， 201201408 且於其上部形成有包含氮化物半導體層之功能積層體。根 據該技術，藉由在緩衝層内促進橫向成長’並伴隨此促進 差排之結合，可降低出現於緩衝層表面之穿透差排。 [專利文獻1]日本特開2005 ~ 235908號公報 【發明内容】 ,於專利文獻1中，於緩衝層與η型A1〇.4Ga〇6N層之間 形成有一般之A1N低溫沈積緩衝層。然而，關於該等ain 低溫沈積緩衝層與n型A1〇4Ga“N層之間之八丨組成之關 係未作考察。又，該A1N低溫沈積緩衝層會降低設置於 其下之緩衝層之促進晶格弛豫之效果，由橫向成長所致之 結晶性之提高效果並不充分。 人’於緩衝層上形成盘該绥輪盛 取。4緩衝層不同組成之氮化物 導體層作為功能積層體之情形時，並未著眼於功能積層 之氮化物半導體層與緩衝層之晶格失配之問題。 衝層trr目的在於提供-種可解決上述問題，使經 積斧體之二之Γ品質有效地移至功能積層體而提高功 積層及結晶性之何M元件及Μ造方法。 發明人等為解決上述課題而銳 於基板上之緩衝層、盥自兮镑彳、，，。果舍現
。亥，破衝層側例如具有η型AlxG 之功-積層體的η型AUGa|_xN層之間 -y- 層（0客ζ<υ，言亥 AizGa, N%整居孫A zai_zNs^ Δ1 , α ζ 1_ζΝ 5周整層係含有ρ型雜曾，, …為功能積層體中最靠緩衝層側;° 層之Α!組成X的±〇〇 从以卜χ」 固藉此可使經緩衝層改善戈 4 201201408 結晶性及平坦性有效地移至功能積層體，從而完成本發明。 本發明係立足於上述見解者，其主旨構成如下所述。 (1) 一種半導體元件，其係於基板上具備緩衝層、與 含有複數個氮化物半導體層之功能積層體上述功能積層體 於上述緩衝層側具有η型或i型之第i之A]xGai _ 層（〇 S X < 1 )，於上述緩衝層與上述功能積層體之間包含A!組 成與上述第1之AlxGai - ΧΝ層大致相等之含有ρ型雜質之 AlzGa! - ΖΝ 調整 $ (χ-〇_〇5$ζ$χ+〇〇5、〇^ζ<1)。 (2) 如（1)之半導體元件，其中，上述基板為αιν 板模基板（template substrate)。 (3 )如（1 )或（2 )之半導體元件，其中，上述緩衝 層至少於上述功能積層體側包含AUGanN層（〇$邙幺 1)，且該AUGa丨-αΝ層之A1組成α與上述第i之AlxGa| -XN層之A1組成X的差為〇. 1以上。 (4) 如（1)或（2)之半導體元件，其中，上述第i 之AlxGa^N層為η型，且上述功能積層體於上述第上之 AlxGai-xN層上至少依序具有發光層及第2之八丨…〜^層 (〇 S y < 1 )。 (5) 如（1)或（2)之半導體元件，其中，於上述含 有P型雜質之AlzGai-zN調整層與上述第1之八丨力^以層 之間進一步具備未摻雜雜質之i型AlwGai_wN層（χ—〇 各 χ+ 〇.〇5、〇$ w< 1 ) 〇
(6) 如（5)之半導體元件，其中，上述含有p型雜 質之AlzGa〗-zN調整層與上述未摻雜雜質之1型AlwG〜—N 201201408 層滿足z < W之關係。 (7)如（1)或（2)之半導體元件’其中，上述含有 P型雜質之AlzGai — zN調整層之厚度為100〜15〇〇nm之範 圍。 8)如（1)或（2)之半導體元件’其中，上述含有 P 5L雜質之AlzGa〗-zN調整層摻雜有Mg，且Mg濃度為 5 X 1 016〜？ X 1 λ2〇 / 3 2x10 /cm3之範圍。 (9)如（1)或（2)之半導體元件，其中，上述第1 之AlxGai-xN層所含有之〇濃度未達2xl〇l8/cm3。 • ( 10 )如（1 )或（2 )之半導體元件，其中，上述緩 衝層包含有交替積層A1,GaiiN層（〇以以3)與剔 層也成超晶格結構而成之超晶格應變緩衝層。
11 ) 一種半導體元件之製造方法，係於基板上依序形 衝層、含有P型雜質之AlzGai-zN調整層（X - 0.05^ Z <Χ+〇.〇5、〇$Ζ<1)及包含有i型或η型AUGanN層（〇 客χ<1)之功能積層體。 根據本發明，於基板上之緩衝層、與功能積層體之η ，或1型之第1之AlxGa! - ΧΝ層（0$ χ< 1 )之間配設AizGai 调整層（0笔z< 1)，該AlzGai_zN調整層係含有p型雜 質邊A1組成z為第1之AixGai xN層之μ組成X之±〇 〇5 之範圍，藉此可使經緩衝層改善之平坦性及結晶性有效地 移至功能積層體，從而可提供一種具有平坦性及結晶性良 好之功能積層體之半導體元件及其製造方法。 【實施方式】 6 201201408 一面參照圖式一面說明依據本發明之半導體元件之實 施形態。 圖1係表示依據本發明之半導體元件丨〇〇之一例的模 式剖面圖。 ' 如圖1所示，依據本發明之半導體元件1〇〇係如下者， 其特徵在於，於基板1上具備緩衝層2、與含有複數個氮化 物半導體層之功能積層體3,該功能積層體3於緩衝層2側 包3 η型或i型之第^ Α1χ^_χΝ層（〇^〈〇4(圖i 中為η型）’且於緩衝層2與功能積層體3之間具備Μ組 成與第1 < AlxGai —χΝ層4大致相等之含有ρ型雜質之 AlzGai —ζΝ 調整層（卜 〇〇5 心sx+〇〇5 〇^< 下亦簡稱為「調整層5 )，藉由 ^ ° "旦性及結晶性有效地移至功能積層體3，由此可 使功能積層體3之平坦性及姓a 由匕叮 丨土久、，，。日日性變付良好。再 田 功能積層體3，将# τ έ·τλ ^ °月 、s带 糸才曰於咖或H贿等半導體元件中藉由 .ι入電流等而作為裝置發 曰 m】夕Λ1.广 平刀刀’即便調整層5與 第1 之 AlxGa 丨-XN 層（〇$χ<1) 5賦予作為裝置之功能。 鄰妾’亦不會對調整層 尤其是’藉由在緩衝層2與 設置含有Ρ型雜質……整層 等雜質自基板i向功能積層體3擴散，結果 出。又，由於調整層5含有 n發先輸 内促進橫“1坦一 ^•雜質因此可於調整層5 、促料向成長，提㈣整層5甚至其上各 進而，藉由將含有型雜質 曰 一 雅貝之AlzGai_zN調整層5之…組 201201408 成z设為η型AlxGa〗-XN層4之A1組成χ之±〇·〇5之範圍， 可使經緩衝層2及Ρ型AlzGai - ΖΝ調整層5改善之結晶性及 平坦性有效地移至η型AixGai _ χΝ層4，進而有效地移至其 上層。因此’依據本發明之半導體元件丨〇〇可獲得較高之 發光輸出。 此處’ Ρ型雜質較佳為Mg、Zn、Ca或Be，更佳為Mg 或Zn，尤佳為Mg。其原因在於，就對氮化物半導體之偏析 效果之蜆點而言’可使用Mg、Zn、Ca或Be作為ρ型雜質， 結杲Mg或Zn適合作為用以促進A1GaN或之橫向之 體成長的橫向晶體成長促進物質，纟中，就難以向其他 擴散之觀點而呂，Mg尤其適合作為橫向晶體成長促進物 質。又，所謂含有ρ型雜質之AlzGa|_zN調整層，不僅包括 P二雜質進行活化而形成P型AWai_zN調整層之情形，亦 雖L雜ρ型雜質但未進行活化處理之从Ga] zN調整
層 。 於第i之AlxGai、N層4為n型，功能積層體3較佳J 之Ρ型AlA^Gai、N層4上至少依序具有發光層6及第 元件藉由使層（i^y<1) 7。如此般所形成之發4 |丁棺田使經緩衝 功能積層體3，尤： 、，垣性及結晶性有效地移! 功能積層體3之:疋移至功能積層體3之發光層5… 輸出。. +坦性及結晶性變得良好，從而提高發另 進而 又， 包含 較佳為於調整層5與第丄 A1組成與第1之AlxGa]_ 之AlxGa丨_χΝ層4之間 χΝ層4大致相等之未摻 201201408 雜雜質之.（以下亦稱作「非摻雜」）i型AlwGai wN層（〇
Sw<l) 8。又’ s亥非推雜AlwGai-wN層8之Ai組成…較 佳為設為第1之AlxGai-xN層4之A1組成X之±〇 〇5之範 圍。其原因在於，可使經調整層5改善之結晶性及平坦性 更有效地移至第1之AlxGai-xN層4,進而更有效地移至其 上層，可進一步防止上述雜質之擴散；以及於第1之 -χΝ層4為n型之情形時不產生由pn接面引起之閘流體效 果0 更佳為可設為X—0_05gz< wgx+0 〇5。可根.據含有p 型雜質之AlzGa】-zN調整層5與i型八丨…^層8之A1 =成之關係而進一步適當緩和由緩衝層2之最靠功能積層 肽3側之層與第i之AlxGa|_xN層4之晶格常數差（X與下 述α之間之晶格常數差）引起的應變。若設^ χ—ο㈣z <ΜΧ+0.05之關係’則越為上部之層，^組成越大，晶 格常數相對變小，因此可藉由下部之層對積層於上部之層 、·、予拉伸應力。即，對〗型A“Gai _ wN層8之晶體成長施 :拉伸應力。因此，可對未摻雜p型雜質之i型A1U :丨8之晶體成長本身追加促進橫向成長之效果，可藉由丨 ,AUGanN yf 8進-步提高持續經改善之平坦性之 然而’若與x之組成差超過〇〇5,則有因於晶格常數 之應變而導致之龜裂之產生、或平坦性之惡化之虞。 此處’所謂未摻雜雜質之】型^㈣層，係指有意不 :、加特定之雜質之層（亦稱作非摻雜層）。理想的是，較佳 ‘、、、>成疋王不3雜質之半導體’但只要形成不會電性地作 201201408 為P型或η型而發揮功能之半導體亦可，可將載體密度較 小者（例如未達5x10iVcm3者）稱作土型。 調整層5之厚度較佳為1〇〇〜i5〇〇nm之範圍，更佳 100〜300nm。其月 a 认·μ· r~ 〜 、京因在於，右厚度未達lOOnm，則有無法 獲得充分之表面平土曰. 十—性之虞，右厚度超過I500nm，則有於 調整層表面產生龜裂之虚，於恒 ' 之虞右厚度超過300nm，則有於功 積層體產生龜裂之虞。 調整層5穆雜有鎂（Μ§)，Mg濃度較佳為5xl〇l6〜 2Xl〇2VCm3之範圍。其原因在於，若使用Mg作為P型雜 質，則可藉由促進調整層5之橫向成長而促進平坦化，又 若Mg濃度未達川^^，則有無法獲得充分之表面平 坦性之虞’若Mg濃度超過WO”—，則有瞬濃度過 度飽和，產生偏析，而使表面平坦性明顯受損之虞。 第1之AlxGa|、w 4中所含有之氧（〇)之濃度較佳 為未達 2Xl〇IVcm3,更佳為 lxl〇18/cm3 以下。11型 AUGai -XN層4.中所含有之氧例如係於基板1±附著有大氣中= 之狀態下’於其上進行積層之情形時等，由於該氧向上層 擴散而混入。該氧會導致發光元件之輸出降低，因此濃卢 更低為較佳。 丨又 級衝層2係擔任緩和由基板i與功能積層體3之間之 晶格失配或熱膨脹差引起之差排或應變進行之角色，可柜 據基板1與功能積層體3之種類而選擇公知者。於本發明 中’當緩衝層2與功能積層體3中之彼此最接近之層彼此 之A1組成不同’例如A1、组成相差0·1以上時特別有即， 10 201201408 層2之最靠功能積層體3側的(… ^杜之A1組成α與第1之AlxGai一^層4之A1組成X之 差較佳為0.1以上。 又-杜0 2可為單層亦可為複數層’更佳為使用超晶格。 斑為包含有交替積層AUGau層（O0SO_3) 1N層2b形成超晶格結構而成之超晶格應變緩衝層。 層（冷$0.3) 2a進而較佳為P型。其原因 ;，可提高晶格失配緩和與平坦性。 :晶格應變緩衝層之積層結構之-部分。又，雖未示於圖 ==可使用M0CVD法、_则法、咖法、麵法 於基板1與上述超晶格應變緩衝層之間設 所構成之層來作為初期層，該A1N所構成之層係使 猫日日成長於基板1上之例如
Am所構成之f Μ度·〜⑽㈣之範圍之 再者’關於形成超晶格應變緩衝層之各層之厚度，可 將Ρ型之各層例如設為〇1〜3_，較佳 •為設為2nma下，可將備|2b之各層例如設為〇1〜 9麵，較佳為設為0.9〜9nm。又，關於0AiiGa_N層 2a& AIN層2b之稽®料 . 與層…：f:2〇例如可 之、，且。叹為20〜70組，較佳為設為2〇〜5〇組。 其原因在於，若設為μ、+. 為上述積層數，則可充分抑制差排之產 生。將超晶格應變緩衝層視為A1GaN之情形時之叶管上之 A1組成通常係根據各層之…組成與厚度而計算。其；，所 謂上述緩衝層2與功能積層體3彼此相對之面之μ組成， 201201408 並非超晶格之計算上之A1組成，而係指無關厚度之實際之 面之A1組成。 再者’超晶格應變緩衝層較佳為於基板丨側^ ain所 構成之A1N層2b之厚度較厚（八⑴層孔之比例較大），至 η型AlxGa丨-小層4側相對於p型AhGai^N層以之 層2b之比例逐漸減少。其原因在於，若設為該構成，則可 獲得η型AlxGa|-xN層4之結晶性之進一步提高。 又，超晶格應變緩衝層整體實質上不具有導電性（例 如利用薄層電阻測定裝置所測定之電阻率為i〇i} cm/口 以上）’利用SIMS所測定之作為超晶格應變緩衝層整體之 雜質濃度較佳為bH)%- 3以下，更佳為7xl〇|7cm_3以 下。其原因在於，若雜質濃度超過lxl〇18cm_3,則有於氮 化物半導體元件引起閘流體不良之虞。 姓此處，由於通常難以向A1N層導入p型雜質，並伴隨 曰生之惡化，故而刻意不添加p型雜質於AIN層。相對 ； 由於本發明中之超晶格應變緩衝層不要求導電性， 因此A1N | 2b中之雜質量較佳為除了來自p型 N層 2 a夕 不可避免之雜質擴散部分以外，遠遠小於通常之 雜質摻雜量程度。 b處’ P型AU Gau N層2a ’可使用A1含有率較低為 處於召客0.3之範圍，且含有型雜質之層。 Ρ型雜質’例如可使用Mg、Zn、Ca或Be。該等Ρ 型雜質可藉由^A1 ^ 田在AUGa^N層2a之形成中與原料氣體同時 供給，. 〇 5者藉由間歇供給至A1N層2b上後形成AbGau 12 201201408 N層2a ’使p型雜質擴散至gun層2a中而使其包 含於AU GauN層2a中。又，p型AU Ga!- βΝ層2a中之 P型雜質之濃度例如可設為5xl〇〗6/cm3以上且未達2x1〇2〇 /cm3，較佳為設為7x1〇17〜1 7xl〇19/cm3，更佳為設為 7χ1018〜I.7x10i9/Cm3。 又’基板1可使用能夠於其上晶體成長ΙΠ族氮化物之 公知之異質基板。較佳為於藍寶石基底基板la上直接成長 單晶之A1N層lb而成之A1N板模基板或於藍寶石基底基板 la上直接成長單晶之AlGaN層lb而成之AlGaN板模基板。 S i基板亦較佳。 根據本發明人等之見解’可知於使用A1N板模基板之 情形時，相較於藍寶石基板，更容易產生上述大氣中之氧 (〇)之附著，故而必需抑制由附著之氧引起之功能積層體 3中之氧濃度上升。並且，亦發現，根據本發明之半導體元 件’藉由設置含有p型雜質之AlzGai - ZN調整層5，可有效 地抑制上述氧（0)擴散至功能積層體3。認為藉由具有含 有P型雜質之充分厚度之層，可抑制氧（〇 )之擴散。 η型AlxGai-xN層4較佳為使用Si等作為η型雜質， (其中 發光層6可使用由/ ==^ 7 ^
Wsi'osr + Mi)所構成之層，〜而卜^層 7較佳為使用Mg、Zn、Ca或Be等作為p型雜質。關於: 層之厚度’例如AlxGa丨-XN層4可洲·或ιιλλ J 0又為 〜1400nm， 發光層6可設為50〜8 Onm，p型 〜30〇nm。再者，該等層可藉由
AlyGa, —yN 層 7 可設為 2〇〇 使用已知之方法進行磊晶成 13 201201408 長而形成。 又，如圖1所示，可於p型AlyGa卜yN層7上設置p 側電極9 ’於露出一部分之n型A〗xGai — χΝ層4上設置η側 電極10。ρ側電極9，例如可使用利用真空蒸鍍法依序蒸鍍 含Ni膜及含Au膜而成之Ni Au電極’ η側電極ι 〇 ,例如 可使用利用真空蒸鍍法依序蒸鍍含Ti膜及含A1膜而成之 iiAl電極。 其次，一面參照圖式，一面對依據本發明之半導體元 件之製造方法的實施形態進行說明。 圖2係模式地表示依據本發明之半導體元件ι 〇 〇之製 造過裎中的積層結構之一例者。 依據本發明之半導體元件1〇〇之製造方法之特徵在 於，首先，如圖2所示，例如使用M〇CVD法於基板t 上依序形成緩衝層2、含有ρ型雜質之AlzGai_zN調整層（χ -^層（〇$χ<1) 4之功能積層體3,藉由具有該構成，可 使經緩衝層改善之平坦性及、结晶性#效地移i功能積層 體從而可提供一種具有平垣性及結晶性良好之功能積層 體之半導體元件. . 人於將上述半導體元件作為發光元件之情形時， 士圖1所不’使用乾式蝕刻〉去，對形成於調整層5上之至 乂 P里AlyGai-yN層7'發光層”及打型Α1χ(3υ層4 之〇卩刀）進行蝕刻，而使n型AixGa| _^層4之發光層6 側（® 1中為上側）露出一部分。並且，最後利用真空蒸 14 201201408
鍍去形成p側電極9及η側電極10，使η型AlxGai _ xN 4人Ρ型AlyGa!- yN層7電性連接，形成如圖1所示之半 體元件100。 層 導 並且’於如此般所製造之半導體元件100中，由於調 查層5中含有p型雜質，因此可促進調整層5之橫向晶體 成長，提高調整層5之平坦性及結晶性。藉此，由於形成 於5周整層5上之n型AlxGa〗-XN層4之平坦性及結晶性亦 侍到提高，因此進而其上之發光層ό及p型AlyGai-yN層7 之平坦性及結晶性亦得到提高，可獲得發光輸出較高之半 導體元件100。 本發明之氮化物半導體元件之η型AlxGai-xN層4亦 可形成為η—包覆層與η —接觸層之積層體，又，p型Aly(Jai _yN層7亦可形成為p—包覆層與p_接觸層之積層體。 以上對第1之AlxGa】-XN層為η型之情形進行了說明， 但本發明亦包括第1之AlxGai_xN層為非摻雜之i型之情 形。第1之AlxGa, - XN層為i型之情形時，例如將該i型 AlxGa! - XN層設為通道層，於其上設置系層作 為電子供給層，並於其上設置源極、閘極及汲極之3個電 極，藉此可製造HEMT結構之電子裝置。 上述内谷係表示本發明之實施形態之一例者，本發明 並非限定於該實施形態者，又，上述AlGaN層亦含有不可 避免地混入有大概1 %以下之In、B等者。 [實施例] 此處，為顯示本發明中之調整層5含有p型雜質之優 15 201201408 勢，以實驗之方式來表示於A1N上形 取p型AlGaN之愔形， 比起形成η型或"AlGaN層之情 平坦性。 了獲侍非常良好之 (實驗例1 ) 利用 MOCVD 法，於 古於A1N板模基板上使摻雜有Mg之p 聖 Al0.31Ga0 69N 層（厚度：丨 〇〇〇n 1ν1Λ,9 / 3、丄、= ^ 雜有 Mg，Mg 濃度： X 10iy/ crr^ )成長 (實驗例2 ) 利用M〇CVD法，於嫌板模基板上使換雜有Si〇 m〇.3lGa〇.69N 層（厚度—，播雜濃度 *ι〇ιί / cm3 )成長。 (實驗例3 ) 利用Μ Ο C V D法，於a ] n把描盆』 於A1N板模基板上使非摻雜之丨型
Al0.31Ga〇.69N 層（厚度：1〇〇〇nm)成長。 (評價1 ) 關於上述實驗例！之摻雜有Mg^八咖層 '上述實 驗例2之η型A1GaN層及上述實驗例3之ι型训心層之 各層’使用光學顯微鏡及原子力顯微鏡（afm)觀察表面， 根據藉由綱之測定所求出之算術平均㈣度^而評價 表面上之平坦性。 一圖3 (〇、（b)分別為以光學顯微鏡像（1〇〇〇倍）拍攝 實驗例1 & 2之表面之照片，由照片可明確，於相同視野 之範圍内實驗例i _未發現階差，但實驗例2中觀察到階 差。由此可知，於基板上使摻雜有Mg之A1〇.3丨Ga〇.一層成 16 201201408 長之實驗例！比於基板上使„型AlG3iGaQ69N層成長之實驗 例2,其表面更加平坦。關於實驗例3之表面，亦與實驗例 2同樣地確認到階差。 —又，根才虞AFM之測定結果，關於算術平均粗趟度以， 實驗例1中Ra=0_74nm，實驗例2中Ra= 6 32nm，實驗例 3中Ra=5.94nm。由此可知’與實驗例2《3相比，實驗 例1之表面非常平坦。 根據以上可知於人⑺上形成與八出之幻組成差較大之 η型AlGaN層之情形時’於n型層之表面形成凹凸， 相對於此，於A1N上形成與趟之A1組成差較大之換雜有
Mg之AlGaN層之情形時，摻雜有呦之八丨⑽層之表面變 得平坦。再者，關於非摻雜之MA1GaN [於直接成長 於Am上之情形時，亦可見到與n型αι&ν層相同程度之 表面平坦性之惡化。 (實施例1 ) 利用M〇CVD法’於A1N板模基板上積層A1N層（厚 ^27nm)料初期層後，依序蟲晶成長緩衝層（超晶格 應變緩衝層）、；f參雜λΛ ^ g作為促進平坦化之物質之P型 3 〇 69N °周整層（厚度：1〇〇nm，Mg 濃度：lxio1»/ ο:)、及非摻雜之i型A1〇35Ga〇65N層（厚度：Μ—)。 :’依序磊晶成長n型Α1〇 ▲❶Μ層（厚度：i3〇〇麵， 之:^ 濃度：1><li3lVem3)、發光層（發光波長為325nm 層^ Γ井結構’總厚度：Μ.5—、及P型AU—N 予度· 280nm’捧雜有Mg，濃度：ι 5χΐ〇ΐ9/^，而 17 201201408 。即，於 2被包含 形成功能積層體，於基板上形成磊晶成長積層體 本實施形態中，z=0.31、w=x=0.35、y=〇 32， 於x之±0·05之範圍，w與x相等，且z<w。 再者’超晶格應變緩衝層係設為如下結構：將第丨層 設為GaN層’依據積層將Aw層（厚度：9nm)與層 (厚度· 2.1nm)交替積層2〇組而成之超晶格積層體j、將 A1N層（厚度：2.7nm)與GaN層（厚度：21〜交替積 層30組而成之超晶格積層體π、及將A1N層（厚度：〇如爪） 與GaN | (厚度：2.lnm)交替積層5〇·5組而成之超晶格 積層體III (左述之0.5組係指自Α1Ν層開始至Am層終 止）’於GaN層（第1層）中添加Mg。 、 此處，緩衝層（超晶格應變緩衝層）中之功能積層體 側之最表面為A1N層，互相面對之缓衝層之功能積層體側 之A1組成〇：、與功能積層體之緩衝層側（n型 層）之A1組成X的差（χ)為1〇—〇35 = 〇65，大於 0·1。將超晶格層III視為AiGaN時之總計之八丨組成々算出 為〇.9nm/2.1nm=0.43e將超晶格應變緩衝層及p型 Al〇.35Ga〇_65N層之製作條件示於表i中。 18 201201408 [表i] 元件結構 A1組成 TMG (seem ) TMA (seem ) nh3 (slm) Cp2Mg (seem ) 摻雜有Mg之Ala31Ga〇.69N層 0.31 15 30 10 25 超晶格 應變緩衝層 超晶格層m 0 20 — 10 25 1 — 10 0.5 .— 超晶格層π 0 20 一 10 25 1 — 10 0.5 — 超晶格層I 0 20 — 10 25 1 — 10 0.5 — (比較例1) 除未形成摻雜有Mg之p型AlQ.31Ga().69N調整層以外， 形成與實施例1相同之磊晶成長積層體。 (實施例2 ) 除將非摻雜之i型AlGaN層之A1組成設為w=0.29， 將功能積層體中之η型AlGaN層之A1組成設為x = 0.29以 外’形成與實施例1相同之磊晶成長積層體。由於z = 〇 · 3 1， 因此於本實施例中’ z被包含於X之土〇 〇5之範圍，但z > w。 (實施例3) 除未形成非摻雜之i型Al〇.35Ga〇.65N層以外，形成與實 施例1相同之磊晶成長積層體。於本實施例中，z = 〇3丨、X =0.35。 (比較例2) 除將p型AlGaN調整層之A1組成設為z= 0.19以外， 形成與實施例3相同之磊晶成長積層體。於本比較例中， 由於仍為χ=0_35，因此z不被包含於X之土〇〇5之範圍。 19 201201408 (比較例3) 除將P型AlGaN調整層之Ai组成設為z=〇 4 形成與實施例3相同之蟲晶成長積層體。於本 : 由於仍為χ=0.35，因此z不； .(評價2)目此“破包含於…。.。5之範圍。 利用X射線繞射裝置對形成上述實施例卜3及比較例 1〜3之功能積層體之階段的樣品進行分析，將求 (瞻）…10-2)面之波峰之半值寬度之結果：於 表2中。再者，+值寬度越小結晶性越良好。關於比較例2, 由於功能積層體之表面產生龜裂，因此無法測定半值寬度。 [表2] 又 半值宽度（arcsec) (0002) (10-12) 比較例1 368 683 實施例1 334 528 實施例2 343 542 實施例3 Γ 355 619 比較例2 龜裂彦生 比較例3 366 663 (評價3 ) 關於上述實施例丨〜3及比較例以金剛石筆對成 長面進行劃線，將於構成功能積層體之η型AiGaN層露出 之點、及與該露出點相隔丨5mm之點處物理性地擠壓點狀 In而成形之2點作為n型及p型電極，製作簡易之氮化物 半導體元件。並且，使該等接觸探針，自背面射出A 通電後之光輸出，通過光纖向多通道分光器導光，對光譜 20 201201408 之波峰強度進行輸出換算求出發光輸出Po。發光波長均為 3 27nm。將結果示於表3中。再者，比較例2不發光。 [表3] 光輸出（mW) 比較例1 0.2 ' 實施例1 · 一 " 2.1 實施例2 1.7 實施例3 1.1 比較例2 一 不發光 0.3 — 比較例3 — 」 (抨價4 ) 關於上述實施例卜3及比較例卜3,於將超晶格應變 緩衝層成長後之表面反射率設為丨時，測定摻雜有Mg之 A1GaN調整層成長後、i型A1GaN層成長中、構成功能積層 體之η型AlGaN層成長中及發光層成長中之表面反射率。 為求出成長中之晶圓之表面反射率，準備可通過爐窗 向晶圓照射之③氣燈光源及光學系統構件，對晶圓照射光 源，對於反射之光’制分光光度計自受光部經由光纖而 實施測定。以事先研磨之藍寶石基板進行光軸調整，一併 貫施反射強度之測定。由該藍寶石基板之反射率與各成長 過程中所獲得之反射率求出相對反射強度。於表面平坦之 狀態下成長之情形即表面之平坦性較高之情形時，由於光 沿著自光源向受光部之光軸而通過，目此受光之光強度顯 不固定之值 '然而，於表面粗糙之狀態下成長之情形時， 由於光於晶圓上發生散射’ @此與平坦之狀態相比，受光 21 201201408 部之光择度變小。因而’藉由該測定系統，可以光強度之 時間變化之形式來測量於成長時之晶圓表面之狀態，可知 成長中之晶圓表面狀態之變化。於本測定中，以超晶格應 變干擾層成長時所獲得之對藍寶石相對強度為基準，以超 晶格應變干擾層相對強度將各成長層之對藍寶石相對強度 規格化。將該等結果示於表4中。再者，關於比較例2，由 於產生龜裂而無法測定》 [表4] 比較例1 實施例1 實施例2 實施例3 比較例2 比較例3 發光層 0.58 1.20 1.01 0.79 無法測定 0.59 0.67 0.95 1.00 η型AlGaN層 0.66 0.93 0.86 0.76 i型AlGaN層 0.66 0.93 0.86 p型AlGaN層 0.95 0.95 0.95 超晶格應變緩衝層 1.00 1.00 1.00 1.00 由表4可知，於比較例丨' 3中，無法於其後亦維持超 晶格應變緩衝層成長後之反射率，.隨著上層之積層，反射 率降低’但對於實施例1〜3，係比比較例1、3更可於其後 維持超晶格應變緩衝層成長後之反射率。一般認為其原因 在於，p型Al〇 nGao.^N調整層可使經緩衝層改善之平坦性 及結晶性有效地移至功能積層體。 再者，於實施例1之發光層中強度為丨.2，其原因在於， 由於發光層之A1組成降低，折射率變大，故而與爐内之環 境氣體之折射率（混合心與Hz而成之折射率，與大氣之折 射率大致相等）差變大，反射率變大。另一方面，於比較 例1、3中，發光層之反射率之值較n型A1GaN層更小明 22 201201408 顯為由表面粗糙引起之反射率降低。 (評價5 ) 關於上述實施例1及比較例1 ’利用SIMs進行雜質濃 度之測定。 實施例1之η型Al〇.35Ga〇.65N層及發光層中之氧（〇) 濃度為lxl018/cm3，比較例1之氧（〇)濃度為8χΐ〇18/ cm3。實施例2、3之n型AlGaN層及發光層中之氧（〇) 濃度亦與實施例1大致相同，為未達hiOU/cm3。由此， 藉由本發明之P型AlGaN調整層，可將其後所積層之層之 氧（〇)濃度降低至未達2xl018/cm3，從而可有助於發光 輸出之提高。 又，根據以上結果，可知依據本發明之半導體元件將 經緩衝層改善之平坦性及結晶性移至含有p型雜質之 Aim GaowN s周整層，並使調整層之a丨組成與其上之八丨〇^ 層之A1組成大致相等，藉此可將平坦性及結晶性亦移至其 上之^型或η型Al0.35Ga0.65N，進而藉由將平坦性及結晶性 亦移至功能積層體整體，可提高元件之發光輸出。又，根 據實施例i與實施例3.之比較，可知較佳為進而包含未換 雜雜質之！型AlwGai_wN層，根據實施例！與實施例 比較，可知更佳為z < w。 ‘可明確’於本實施例中所得之功能積層體中，其後萨 :乾式蝕刻法使構成功能積層體之n S AlGaN層露出―: 刀例如於η型AlGaN層形成n側電極，於p型Αΐ^ 上形成P側電極而製作半導體元件，藉此可獲得高輪出之 23 201201408 發光元件。 發現如實驗例2或實驗例3所示，若於A1N上使A1GaN 層直接成長’則其表面平坦性會惡化，但藉由以適當之A1 組成將本發明之含有p型雜質之A1(}aN調整層插入其間， 可使剔以層之表面變得平坦，其進而亦有助於結晶性之 提向。 藉由使用本發明之調整層，可提高其上之氮化物半導 體層之平坦性及結晶性一事，並不限於發光元件，亦可應 用於刪T等電子裝置等。即，例如藉由在超晶格緩_ ’、非牝雜之通道層之間’具有Al組成與通道層大致相等之 含有P型雜質之A1GaN層，可有效地移交經緩衝層改善之 平-淡與結曰曰性，從而可提高通道層及其上層之平坦性與 結晶性。 % [產業上之可利用性] 才據本發明’於基板上之緩衝層、與功能積層體之η -第1 之 AlxGa,-Xl^ ((^Χ< 1}之間配設 AlzGa, Z，-且層（（)SZ<1)，該AMU調整層係含有p型雜 組成z為第層之八丨組成… 效地：範圍，藉此可使經緩衝層改善之平坦性及結晶性有 性 徙而了棱供—種具有平坦性及結晶 之功能積層體之半導體元件及其製造方法。 【圖式簡單說明】 圖丨，表示依據本發明之丰道 圖 导體疋件1 〇〇之模式剖面圖。 2’表示依據本發明之半導體元件100之製造過程中 24 201201408 的積層結構之模式剖面圖。 圖3，（ a )、（ b )分別為以1 000倍拍攝實驗例1及2之 表面之光學顯微鏡照片。 【主要元件符號說明】 100 半導體元件 1 基板 la 藍寶石基板 lb A1N 或 AlGaN 層 2 緩衝層 2a p 型 Al/3 Gai — β N 層 2b A1N 層 3 功能積層體 4 η 型 AlxGai-XN 層 5 含有p型雜質之AlzGai-zN調整層 6 發光層 7 p 型 AlyGai-yN 層 8 未摻雜雜質之i型AUGa!- WN層 9 ρ側電極 10 η側電極 25

Claims (1)

  1. 201201408 七、申請專利範圍： 、與含有複 型之第1之 1. 一種半導體元件，其於基板上具備緩衝層 數個氮化物半導體層之功能積層體， 該功能積層體於該緩衝層側具有η型戈i AlxGai-xN 層（0$χ<1)， 於該緩衝層與該功能積層體之間，| ，、備A1組成與 1之AUGa^N層大致相等之含有p型雜質的八1 〇 、"第 整層（X-0.05$ x+〇.〇5、〇$ z< 1 )。 a,~zN 調 2.如申請專利範圍第1項之半導體元 丁 具中，該其4π 為 Α1Ν 板模基板（template substrate )。 土 3 ·如申請專利範圍第1或2項之半導體元 ✓、中’該 緩衝層至少於該功能積層體側包含AlaGai βΝ層（〇€ S 1 ) ’該Al« Ga丨-α Ν層之Α1組成α與該第i夕Λ丨r ^ixuai _ XN 層之A1組成x的差為〇.丨以上。 4.如申請專利範圍第丨或2項之半導體元件其中，該 第1之AlxGai-xN層為π型， 該功能積層體於該第i之AlxGai_xN層上至少依序具 有發光層及第2之AlyGa,-yN層（〇$ y< i )。 5 ·如申請專利範圍第1或2項之半導體元件，其中，於 該含有p型雜質之AlzGa,-zN調整層與該第i之AixGai_xN 層之間’進一步具備未摻雜雜質之i型AiwGai_wN層（x — 0.05^wSx+〇.〇5、〇$w<i)。 6.如申請專利範圍第5項之半導體元件，其中，該含有 P型雜質之AlzGa, — ZN調整層與該未摻雜雜質之{型AlwGa, 26 201201408 -WN層滿足z < w之關係。 7. 如申請專利範圍第1或2項之半導體元件，其中，該 含有P型雜質之AlzGa】-ZN調整層之厚度為100〜1500nm 之範圍。 8. 如申請專利範圍第1或2項之半導體元件，其中，該 含有P型雜質之AlzGai-zN調整層摻雜有Mg，Mg濃度為 5xl016 〜2xl 020/cm3 之範圍。 9. 如申請專利範圍第1或2項之半導體元件，其中，該 第1之AUGanN層所含有之Ο濃度未達2xl018/cm3。 I 〇·如申請專利範圍第1或2項之半導體元件，其中， 該緩衝層包含有交替積層Ab Ga,- β N層（0$冷$ 0.3 )與 A1N層形成超晶格結構而成之超晶格應變緩衝層。 II · 一種半導體元件之製造方法，係於基板上依序形成 緩衝層、含有p型雜質之AlzGa,-zN調整層（X—0.05Sz$ χ+0·05、0$ζ<1)及包含有 i 型或 η 型 AlxGa,- XN 層（0 Sx<l)之功能積層體。 27
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