專利名稱：Iii族氮化物外延基板以及使用該基板的深紫外發(fā)光元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及III族氮化物外延基板以及使用該基板的深紫外發(fā)光元件。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，一般由Al、Ga、In等與N的化合物構(gòu)成的III族氮化物半導(dǎo)體被廣泛用于發(fā)光元件、電子設(shè)備用元件等。由于這樣的設(shè)備的特性受到III族氮化物半導(dǎo)體的結(jié)晶性的較大影響，因而正在尋求用于使結(jié)晶性高的III族氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)的技術(shù)。通過(guò)在由藍(lán)寶石、SiC、Si或GaAs等形成的基板上外延生長(zhǎng)來(lái)形成III族氮化物半導(dǎo)體。然而，由于III族氮化物半導(dǎo)體與這些基板的晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)有較大差異，因而使III族氮化物半導(dǎo)體在這些基板上生長(zhǎng)時(shí)，對(duì)于生長(zhǎng)的III族氮化物半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)存在發(fā)生裂紋、凹坑(點(diǎn)狀缺陷)之類的問(wèn)題。因此，公知通過(guò)在基板上形成緩沖層后使III族氮化物半導(dǎo)體層外延生長(zhǎng)在該緩沖層上，從而利用緩沖層的應(yīng)變緩沖效果，可防止裂紋、凹坑的發(fā)生并使結(jié)晶性高的III族氮化物層生長(zhǎng)。專利文獻(xiàn)I公開(kāi)了一種在Si基板上制造結(jié)晶性高且防止了裂紋發(fā)生的III族氮化物半導(dǎo)體層的技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)在Si基板與III族氮化物半導(dǎo)體層之間設(shè)置AlN系超晶格緩沖層而實(shí)現(xiàn)，所述AlN系超晶格緩沖層交替地各多層層積有由AlxGahN (Al含有率x為0.5彡X彡I)形成的第一層和由AlyG&1_yN (Al含有率y為0.01彡y彡0.2)形成的第二層。另外，專利文獻(xiàn)2公開(kāi)了一種通過(guò)下述方法得到結(jié)晶性高的III族氮化物半導(dǎo)體層的技術(shù)，在Si基板上形成AlN緩沖層，在AlN緩沖層上依次形成使得Al含有率沿晶體生長(zhǎng)方向減少的傾斜組成的組成 傾斜層以及交替層積有高含Al層和低含Al層的超晶格復(fù)合層，在該超晶格復(fù)合層上形成III族氮化物半導(dǎo)體層。現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I日本特開(kāi)2007-67077號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2日本特開(kāi)2009-158804號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問(wèn)題本發(fā)明人正在研究深紫外發(fā)光元件，該發(fā)光元件使包含發(fā)出深紫外光的發(fā)光層且由AlGaN材料形成的活性層在由藍(lán)寶石、SiC形成的基板上外延生長(zhǎng)。為了獲得高發(fā)光功率輸出，需要使結(jié)晶性高的高品質(zhì)的活性層在基板上生長(zhǎng)。另外，本說(shuō)明書(shū)中“深紫外光”意指波長(zhǎng)20(T350nm的范圍內(nèi)的光。然而，根據(jù)本發(fā)明人的研究，明確了即使采用下述方法制作深紫外發(fā)光元件也無(wú)法得到足夠的發(fā)光功率輸出:不僅在Si基板上而且在由藍(lán)寶石、SiC形成的基板上形成專利文獻(xiàn)1、專利文獻(xiàn)2記載的緩沖層，進(jìn)而在該緩沖層上形成III族氮化物半導(dǎo)體層。深紫外發(fā)光元件作為能夠用在殺菌、凈水、醫(yī)療、照明、高密度光記錄等廣泛領(lǐng)域中的發(fā)光元件而近年來(lái)受到關(guān)注，并且正在尋求獲得更高的發(fā)光功率輸出。因此，本發(fā)明鑒于上述課題，目的在于提供能夠獲得提高了發(fā)光功率輸出的深紫外發(fā)光元件的III族氮化物外延基板、以及提高了發(fā)光功率輸出的深紫外發(fā)光元件。用于解決問(wèn)題的方案為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的要點(diǎn)構(gòu)成如下所述。(I) III族氮化物外延基板，其特征在于，其具有:基板，在該基板上形成的AlN緩沖層，在該緩沖層上依次形成的第一超晶格積層體和第二超晶格積層體，以及在該第二超晶格積層體上外延生長(zhǎng)的、包含含AlaGa1^N (0.03 ^ α )層的活性層的III族氮化物積層體；前述第一超晶格積層體交替含有由AlaGa1J^形成的第一層和由AlbGa1-J3N (0.9<b^ I)形成的第二層并且滿足α < a和a < b的條件；前述第二超晶格積層體重復(fù)含有由AlxGa1J形成的第三層、由AlyGa1J形成的第四層和由AlzGa1=N (0.9 < z ^ I)形成的第五層并且滿足α <χ和x<y<z的條件。(2)根據(jù)上述(I)記載的 III族氮化物外延基板，其滿足z-x ^ 0.20的條件。(3)根據(jù)上述(I)或(2)記載的III族氮化物外延基板，其中，在前述第一超晶格積層體和第二超晶格積層體中，相鄰的層的Al含有率差為0.05以上且0.40以下。(4)根據(jù)上述(I) (3)中任一項(xiàng)記載的III族氮化物外延基板，其中，y_x小于z-y ο(5)根據(jù)上述(I廣(4)中任一項(xiàng)記載的III族氮化物外延基板，其滿足0.20 ^ x
<0.90 和 0.60 彡 y < 0.95 的條件。(6)根據(jù)上述(I) (5)中任一項(xiàng)記載的III族氮化物外延基板，其滿足a > x的條件。(7)根據(jù)上述(I) (6)中任一項(xiàng)記載的III族氮化物外延基板，其中，前述基板是由藍(lán)寶石、SiC、金剛石中的任一材料形成的。(8)深紫外發(fā)光元件，其使用上述(I) (7)中任一項(xiàng)記載的III族氮化物外延基板。發(fā)明的效果采用本發(fā)明可以提供能夠獲得提高了發(fā)光功率輸出的深紫外發(fā)光元件的III族氮化物外延基板、以及提高了發(fā)光功率輸出的深紫外發(fā)光元件。


圖1是本發(fā)明的III族氮化物外延基板的示意截面圖。圖2A是用于說(shuō)明超晶格積層體的Al組成的示意圖，(a)對(duì)應(yīng)于實(shí)施例l，(b)、(c)分別對(duì)應(yīng)于比較例1、2。圖2B是用于說(shuō)明超晶格積層體的Al組成的示意圖，(a廣(C)分別對(duì)應(yīng)于比較例3 5。
圖3顯示單層AlGaN層在AlN模板基板上外延生長(zhǎng)時(shí)該AlGaN層的Al組成與結(jié)晶性的關(guān)系圖。附圖標(biāo)記說(shuō)明10III族氮化物外延基板12 基板14A1N 緩沖層16第一超晶格積層體16A 第一層(AlaGai_aN)16B 第二層(AlbGai_bN)18第二超晶格積層體18A 第三層(AlxGahN)18B 第四層(AlyGahN)18C 第五層(AlzGa1JO20III族氮化物積層體22η 型 AlGaN 層24活性層26ρ 型 AlGaN 層28ρ型GaN接觸層
具體實(shí)施例方式以下參照附圖對(duì)本發(fā)明的III族氮化物外延基板的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。圖1示意地表不了本發(fā)明的一種實(shí)施方式的III族氮化物外延基板10的截面結(jié)構(gòu)。III族氮化物外延基板10具有:基板12 ;在該基板12上形成的AlN緩沖層14 ;在該緩沖層14上依次形成的第一超晶格積層體16和第二超晶格積層體18 ;在該第二超晶格積層體18上外延生長(zhǎng)的III族氮化物積層體20?；?2優(yōu)選是對(duì)AlN緩沖層14、第一超晶格積層體16和第二超晶格積層體18(以下，將它們統(tǒng)稱為“緩沖層”。)賦予壓縮應(yīng)力的基板，作為這樣的基板12，可以列舉出由藍(lán)寶石、SiC、金剛石等形成的基板。另外，由于Si基板是對(duì)緩沖層賦予拉伸應(yīng)力的基板，因而不優(yōu)選作為本發(fā)明中使用的基板12。對(duì)緩沖層賦予壓縮應(yīng)力或賦予拉伸應(yīng)力取決于基板的材料與AlN緩沖層的晶格常數(shù)差和熱膨脹系數(shù)差。其中所指基板的晶格常數(shù)是使緩沖層生長(zhǎng)的面的晶格常數(shù)。例如，使用藍(lán)寶石基板時(shí)，由于藍(lán)寶石和AlN之中藍(lán)寶石的晶格常數(shù)大，所以在生長(zhǎng)中拉伸應(yīng)力作用于A1N，然而因?yàn)樗{(lán)寶石具有比AlN的熱膨脹系數(shù)大的熱膨脹系數(shù)，因此在使緩沖層外延生長(zhǎng)并進(jìn)行冷卻時(shí)，藍(lán)寶石基板過(guò)度收縮，從而強(qiáng)于成長(zhǎng)中的拉伸應(yīng)力以上的壓縮應(yīng)力作用于緩沖層。另外，使用SiC基板時(shí)，雖然SiC與AlN之間幾乎不存在熱膨脹系數(shù)差，但由于SiC具有比AlN的晶格常數(shù)小的晶格常數(shù)，所以壓縮應(yīng)力作用于緩沖層?；宓暮穸?、大小可以根據(jù)用途適當(dāng)選擇，一般與緩沖層的厚度相比非常厚。另外，使用的基板的晶面例如為(0001)面并且根據(jù)a軸長(zhǎng)比較晶格常數(shù)時(shí)，相對(duì)于AlN ( 3.1 lA ),藍(lán)寶石為(4.76A )、SiC 為(3.08A )。熱膨脹系數(shù)為 AlN (4.2)、藍(lán)寶石(7.5),SiC (4.2)(都是ppm/K)。III族氮化物積層體20包含含AlaGa1^N (0.03 ^ α )層的活性層24。本實(shí)施方式中，III族氮化物積層體20從第二超晶格積層體18側(cè)起順序包含η型AlGaN層22、活性層24、P型AlGaN層26和ρ型GaN接觸層28。η型AlGaN層22、ρ型AlGaN層26和ρ型GaN接觸層28可以使用MOCVD法等已知的方法通過(guò)外延生長(zhǎng)來(lái)形成。作為ρ型雜質(zhì)，可以例示出Be、Mg,作為η型雜質(zhì),可以例示出S1、Ge?；钚詫?4可以為例如使用AlGaN系材料形成多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)的發(fā)光層。該發(fā)光層可以采用MOCVD法等通過(guò)外延生長(zhǎng)來(lái)形成。本實(shí)施方式中，將多量子阱結(jié)構(gòu)的阱層設(shè)為AlaGa1^N (0.03彡α)層。該情況下，活性層24成為發(fā)出發(fā)光峰波長(zhǎng)為350nm以下的深紫外光的發(fā)光層。另外，AlGaN系的多量子阱結(jié)構(gòu)的情況下，主要可以通過(guò)阱層的Al含有率控制發(fā)光波長(zhǎng)，Al含有率越高則會(huì)發(fā)出波長(zhǎng)越短的光。例如，通過(guò)將阱層的Al含有率設(shè)為0.4，可以由活性層24發(fā)出280nm的深紫外光。對(duì)于各層的厚度不作特別地限定，例如，可以設(shè)定η型AlGaN層22為50(T5000nm、活性層 24 為 20 1000nm、ρ 型 AlGaN 層 26 為 2(T500nm、ρ 型 GaN 接觸層 28 為 l(T500nm。本發(fā)明的III族氮化物外延基板10的特征在于位于基板12與III族氮化物積層體20之間的緩沖層。緩沖層從基板12側(cè)起順序包含AlN緩沖層14、第一超晶格積層體16和第二超晶格積層體18。另外，第一超晶格積層體16交替含有由AlaGanN形成的第一層16A和由AlbGai_bN(0.9 < b彡I)形成的第二層16B并且滿足α < a和a < b的條件。此夕卜，第二超晶格積層體18重復(fù)含有由AlxGahN形成的第三層18A、由AlyG&1_yN形成的第四層18B和由AlzGa1=N (0.9 < z ^ I)形成的第五層18C并且滿足α <χ和x<y<z的條件。通過(guò)采用這樣的構(gòu)成，本發(fā)明起到能夠獲得提高了 III族氮化物外延基板10產(chǎn)生的發(fā)光功率輸出的深紫外發(fā)光元件這一顯著效果。以下涵蓋作用效 果地說(shuō)明采用這樣的構(gòu)成的技術(shù)意義。本發(fā)明人對(duì)下述超晶格緩沖進(jìn)行了各種研究，作為緩沖層的構(gòu)成，從基板12側(cè)起以AlN起始，其后交替積層了低Al組成的AlaGawN (第一層)和高Al組成的AlbGa1^N (a < b、0.9 < b彡1，第二層)。首先，關(guān)于圖2B (a)所示的交替形成有GaN (第一層)/AlN (第二層)的超晶格積層體，對(duì)于使GaN等小于3%的低Al組成的AlGaN層在該積層體之上生長(zhǎng)來(lái)說(shuō)是有效的。然而，對(duì)于使作為本發(fā)明對(duì)象的包含含AlaGa1^N (0.03^ α )層的活性層的III族氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)的情況，突顯出以下問(wèn)題。即，第一層的Al含有率小于阱層的Al含有率α，結(jié)果由于第一層的帶隙小于AlaGa1^N (0.03彡α )，因而活性層發(fā)出的光被第一層吸收，其結(jié)果發(fā)光功率輸出降低。為了使光吸收為最小限度而使第一層例如以0.2^0.3nm左右薄地形成時(shí)，無(wú)法充分地獲得應(yīng)變緩沖效果(后述的用超晶格積層體內(nèi)的拉伸應(yīng)力抵消源自基板的壓縮應(yīng)力的效果)，該情況下也得不到足夠的發(fā)光功率輸出。另外，像圖2A (b)所示的交互形成有Ala85Gaai5N (第一層)/Α1Ν (第二層)的超晶格積層體，第一層的Al含有率充分高于講層的Al含有率α?xí)r,不造成活性層發(fā)出的光被第一層吸收。然而，第一層與第二層的Al含有率的差變小，結(jié)果不能充分獲得應(yīng)變緩沖效果。因此，在該緩沖層上形成的III族氮化物積層體20的結(jié)晶性不足，得不到足夠的發(fā)光功率輸出。因此研究了:使第一層的Al含有率高于阱層的Al含有率α、且盡可能增大第一層與第二層的Al含有率的差的、圖2B (b)所不的交替形成有Ala53Gaa47N (第一層)/AlN(第二層)的超晶格積層體。然而該情況下，明確了第二層中會(huì)產(chǎn)生裂紋。推測(cè)這是由以下原因造成的。由于AlGaN的Al含有率越高，成長(zhǎng)時(shí)的表面平坦性越惡化，因而第一層具有平坦性較差的表面。在此認(rèn)為:形成與第一層相比較Al含有率的差大的第二層時(shí)，對(duì)第二層施加了較大的拉伸應(yīng)力，出現(xiàn)裂紋。第二層的裂紋貫穿至III族氮化物積層體20時(shí)，由于起不到發(fā)光元件的作用，因而不優(yōu)選。另外，圖2B (a)的情況，由于第一層的GaN的平坦性高，即使在其上積層AlN也不發(fā)生裂紋。另外，圖2A (b)的情況，雖然第一層的Ala85Gaai5N的平坦性不佳，但由于與第二層的Al含有率的差小，因而不會(huì)對(duì)第二層施加過(guò)大的拉伸應(yīng)力，同樣不發(fā)生裂紋。圖3是顯示在藍(lán)寶石基板上形成AlN緩沖層后的AlN模板基板上使單層AlGaN層外延生長(zhǎng)時(shí)該AlGaN層的Al組成與結(jié)晶性的關(guān)系圖。橫軸表示Al組成(％)，縱軸表示用X射線衍射裝置分析各樣品時(shí)相當(dāng)于(102)面的峰的半峰寬。該半峰寬越小，AlGaN層的結(jié)晶性越好。認(rèn)為隨著Al含有率由20%附近升高的結(jié)晶性惡化是平坦性的惡化造成的。另一方面，認(rèn)為隨著Al含有率由50%附近升高的結(jié)晶性變好是與AlN緩沖層的Al含有率差減小造成的。由圖3可知，對(duì)于與AlN層相接的情況，在XRC (102)成為約700以上的Al組成為4(Γ60%的范圍內(nèi)，難以獲得良好的結(jié)晶性。由此可知，與高Al組成的AlbGagN (0.9
<b ≤ 1)相接的AlGaN層的Al含有率優(yōu)選避免Al含有率差在大于0.4且小于0.6的范圍內(nèi)。如此本發(fā)明人得到下述結(jié)論:為了防止裂紋的發(fā)生、抑制光吸收并充分獲得應(yīng)變緩沖效果，單單采用截止目前般的2層交替形成的超晶格積層體是有局限的。且發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在2層交替形成的超晶格積層體的基礎(chǔ)上設(shè)置3層重復(fù)形成的特定的超晶格積層體，能夠?qū)崿F(xiàn)上述目的，從而完成本發(fā)明。

本實(shí)施方式的III族氮化物外延基板10中，對(duì)于第一超晶格積層體16,滿足α
<8和a < b的條件,對(duì)于第二超晶格積層體18,滿足α <χ和x<y<z的條件。S卩,超晶格積層體的各層都具有比阱層AlaGapaN的Al含有率α高的Al含有率。因此，能夠防止第一超晶格積層體16、第二超晶格積層體18吸收活性層發(fā)出的光。通過(guò)將第二超晶格積層體18設(shè)為從基板12側(cè)起Al組成依次升高的第三層18Α，第四層18Β，第五層18C的3層結(jié)構(gòu)，使得由第三層18Α對(duì)第四層18Β施加拉伸應(yīng)力，由第四層18Β對(duì)第五層18C施加拉伸應(yīng)力。如此，通過(guò)在I組之中分段地賦予多次拉伸應(yīng)力，與前述2層結(jié)構(gòu)相比較，能夠充分抵消受到來(lái)自基板12的壓縮應(yīng)力，可以促進(jìn)形成在第二超晶格積層體18上的III族氮化物半導(dǎo)體層20的橫向生長(zhǎng)。其結(jié)果，能夠得到結(jié)晶性更高的III族氮化物半導(dǎo)體層20。另外，通過(guò)將第二超晶格積層體18設(shè)為3層結(jié)構(gòu)，容易減小相鄰的層間的Al組成差。其結(jié)果，對(duì)第四層18Β和第五層18C施加的拉伸應(yīng)力并不會(huì)那么大，能夠防止這些層中拉伸應(yīng)力集中而發(fā)生裂紋。本發(fā)明并不受理論束縛，由于上述那樣的作用，因而認(rèn)為本實(shí)施方式的III族氮化物外延基板10體現(xiàn)能夠獲得提高了發(fā)光功率輸出的深紫外發(fā)光元件這一顯著效果。另外，如后述的情況，如圖2Α (C)地在交替形成有Ala85Gaai5N (第一層)/Α1Ν (第二層)的超晶格積層體之上形成交替形成有Ala66Gaa34N (第三層VAla85Gaai5N (第一層)的超晶格積層體，盡管含有Al含有率不同的3種層，形成在該超晶格積層體上的III族氮化物半導(dǎo)體層也不具有充分的結(jié)晶性，無(wú)法獲得高的發(fā)光功率輸出。此被認(rèn)為是下述原因造成的:由于如本實(shí)施方式地在超晶格積層體中用于分段地賦予拉伸應(yīng)力的Al組成差不足、或者并非在I組之中賦予多次拉伸應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，無(wú)法促進(jìn)III族氮化物半導(dǎo)體層的橫方向生長(zhǎng)。另外，同樣地如后述的情況，如圖2B (c)地不形成本實(shí)施方式的第一超晶格積層體16而只形成第二超晶格積層體18，形成在該超晶格積層體上的III族氮化物半導(dǎo)體層也不具有充分的結(jié)晶性，無(wú)法獲得高的發(fā)光功率輸出。由此可知，如本實(shí)施方式地在第一超晶格積層體16上形成第二超晶格積層體18是必需的。第一超晶格積層體16是為了在AlN緩沖層14上形成超晶格結(jié)構(gòu)所必需的。AlN緩沖層14具有大概30(T3000nm左右的厚度。此也是AlN緩沖層14自身為了獲得充分的結(jié)晶性和平坦性所必需的厚度。另一方面，第二超晶格積層體的各層的厚度最多為數(shù)ηπΓ數(shù)10nm。另外，第二超晶格積層體含有Al含有率低的第三層。因而存在下述情況，直接在AlN緩沖層14上形成第二超晶格積層體時(shí)，依據(jù)AlN緩沖層14的厚度，在形成第二超晶格積層體的初始階段中強(qiáng)大的拉伸應(yīng)力作用于第二超晶格積層體，會(huì)產(chǎn)生裂紋。然而，發(fā)光波長(zhǎng)越接近AlN的波長(zhǎng)(210nm)越?jīng)]有該制約，可以直接形成第二超晶格積層體。以下，對(duì)于第一超 晶格積層體16和第二超晶格積層體18的各層的優(yōu)選Al含有率進(jìn)行說(shuō)明。優(yōu)選滿足z-χ ^ 0.20的條件。ζ-χ小于0.20時(shí)，第二超晶格積層體的第二層18A與第五層18C的Al含有率差變小，有可能得不到充分的應(yīng)變緩沖效果。從確實(shí)地防止裂紋的發(fā)生的觀點(diǎn)考慮，在前述第一超晶格積層體和第二超晶格積層體中，相鄰的層的Al含有率差即b-a、z-y、y-x優(yōu)選為0.05以上且0.40以下。超過(guò)0.40時(shí)，對(duì)于圖3，如上所述地，對(duì)相鄰的層之中高Al含有率的層施加過(guò)大的拉伸應(yīng)力，由于結(jié)晶性差而有可能發(fā)生裂紋。另外，小于0.05時(shí)，難以依據(jù)Al組成差判別各層，并且作為超晶格積層體的效果也小。優(yōu)選y-x小于z-y。由此，對(duì)于圖3所示結(jié)晶性差的Al組成的范圍，可以進(jìn)一步減小相鄰的層的Al含有率差，能夠更確實(shí)地防止裂紋的發(fā)生。從充分獲得本發(fā)明的效果的觀點(diǎn)考慮，優(yōu)選第二超晶格積層體的第三層18A和第四層18B分別滿足0.20 < X < 0.90和0.60 < y < 0.95的條件。第一超晶格積層體的第一層16A優(yōu)選滿足a > x的條件，另外，更優(yōu)選滿足
0.60 ^ a < 0.95的條件。a小于0.60時(shí)，形成第二超晶格積層體時(shí)有可能產(chǎn)生裂紋。關(guān)于第一超晶格積層體16，可以適當(dāng)設(shè)定第一層16A和第二層16B的厚度以及積層體(第一層和第二層)的組數(shù)。第一超晶格積層體16優(yōu)選將各層16A、16B的厚度設(shè)定為
0.f50nm。另外，優(yōu)選Al含有率(Al組成比)越低、膜厚設(shè)計(jì)得越厚。組數(shù)例如可以設(shè)為I (Tioo 組。關(guān)于第二超晶格積層體18，可以適當(dāng)?shù)卦O(shè)定第三層18A、第四層18B和第五層18C的厚度、以及積層體(第三層、第四層和第五層)的組數(shù)。第二超晶格積層體18優(yōu)選將各層18A，18B, 18C的厚度設(shè)定為0.50nm。組數(shù)優(yōu)選設(shè)為1(Γ 00組、更優(yōu)選設(shè)為30 50組。如果設(shè)為10組以上，則能夠確實(shí)地獲得應(yīng)變緩沖效果，如果設(shè)為100組以下，則III族氮化物積層體20不易產(chǎn)生裂紋。第一超晶格積層體16的最靠基板12側(cè)的層以及最靠第二超晶格積層體18側(cè)的層可以為第一層16A也可以為第二層16B。另外,第一超晶格積層體16的最靠基板12側(cè)的層是由AlN形成的第二層時(shí)，可以將該第二層作為AlN緩沖層14。第一超晶格積層體16的最靠基板12側(cè)的層是第一層或AlN以外的第二層時(shí)，另外設(shè)置AlN緩沖層14。兩外，還可以使用在基板12上形成有AlN緩沖層14的AlN模板基板。該情況下，可以在AlN模板基板上再次形成AlN緩沖層14也可以不形成，在與使緩沖層外延生長(zhǎng)的爐另外的爐中形成AlN模板基板時(shí)，優(yōu)選再次形成AlN緩沖層14。第二超晶格積層體18的最靠第一超晶格積層體16側(cè)的層和最靠III族氮化物積層體20側(cè)的層可以為第三層18A、第四層18B、第五層18C的任一者，優(yōu)選使第三層18A與第一超晶格積層體16相接。另外，第二超晶格積層體18與第二超晶格積層體18上的III族氮化物積層體20之間可以有實(shí)施方式未記載的含Mg層、i型層等中間層、其它超晶格積層體，即便在該情況下，第二超晶格積層體18帶來(lái)的結(jié)晶性提高的效果也可適宜地起作用。本說(shuō)明書(shū)中，構(gòu)成緩沖層的“AlGaN”也可以含有總計(jì)1%以下的其它III族元素的B和/或In。另外，也可以含有例如S1、H、0、C、Mg、As、P等微量雜質(zhì)，還可以有意地添加部分Mg雜質(zhì)。此外，構(gòu)成III族氮化物積層體的GaN，AlGaN等同樣也可以含有總計(jì)1%以下的其它III族元素。作為本發(fā)明的各層的外延生長(zhǎng)方法，可以使用MOCVD法、MBE法等公知的方法。作為形成AlGaN時(shí)的原料氣體，可以列舉出TMA (三甲基鋁)、TMG (三甲基鎵)、氨氣，膜中Al含有率的控制可以通過(guò)控制TMA與TMG的混合比來(lái)進(jìn)行。另外，外延生長(zhǎng)后的Al含有率、膜厚的評(píng)價(jià)可以使用光學(xué)反射率法、TEM-EDS、光致發(fā)光等公知的方法。本實(shí)施方式的III族氮化物外延基板10可以用在深紫外發(fā)光元件中。例如可以去除部分III族氮化物半導(dǎo) 體層20，從而使η型AlGaN層22露出，在該露出的η型AlGaN層22以及ρ型GaN接觸層28之上分別配置η側(cè)電極和ρ側(cè)電極，形成臥式結(jié)構(gòu)的III族氮化物發(fā)光元件。另外，也可以在P型GaN接觸層28的上部形成接合層，與另外的支撐基板接合后，使用激光、化學(xué)剝離(chemical lift-off)法去除基板后,形成立式結(jié)構(gòu)的發(fā)光元件。以下，使用實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明，但本發(fā)明不不受到以下實(shí)施例的任何限定。[實(shí)施例](實(shí)施例1)準(zhǔn)備在藍(lán)寶石基板(厚度:430 μ m)上作為緩沖層形成有AlN層(厚度:0.8 μ m)的AlN I旲板基板。使圖2A (a)所不的第一超晶格積層體和第_■超晶格積層體在該AlN |旲板基板上依次外延生長(zhǎng)。第一超晶格積層體通過(guò)交替積層第一層(Ala85Gaa 15N、a=0.85，厚度:40nm)和第二層(AlN、b=l，厚度:7.2nm)而成。AlN模板基板上自第二層形成后積層了 15組第一層和第二層，圖2A Ca)中表述為15.5組。第二超晶格積層體通過(guò)重復(fù)積層第三層(Al0.75Ga0.25N、x=0.75,厚度:4nm)、第四層(Ala85Gaa 15N、y=0.85,厚度:17nm)、第五層(A1N、z=l，厚度:llnm)20組而成。其中，作為生長(zhǎng)方法，采用使用TMA(三甲基鋁)、TMG (三甲基鎵)、氨氣作為原料的MOCVD法。作為載氣，使用了氮?dú)?氫氣。第一 五層的生長(zhǎng)條件都設(shè)為壓力lOkPa、溫度1150°C。另外，通過(guò)控制TMA與TMG的供給比率變更各層的Al含有率。之后，使η型AlGaN層(Al含有率β:0.64、厚度:1480nm、摻雜劑:Si )、活性層(AlGaN系MQW層、厚度:270nm、阱層的Al含有率a:0.40)、ρ型AlGaN層(Al含有率:
0.75、.32的組成傾斜層、厚度:90nm、摻雜劑:Mg)、ρ型GaN接觸層(厚度:66nm、摻雜劑:Mg)在第二超晶格積層體上依次外延生長(zhǎng)，從而制作了實(shí)施例1的III族氮化物外延基板。來(lái)自于發(fā)光層的發(fā)光波長(zhǎng)為280nm。(實(shí)施例2)除了將第二超晶格積層體的組數(shù)變更為40組以外，按照與實(shí)施例1同樣的方法制作了實(shí)施例2的III族氮化物外延基板。(比較例I)除了將超晶格積層體變更為圖2A (b)所示的結(jié)構(gòu)以外，按照與實(shí)施例1同樣的方法制作了比較例I的III族氮化物外延基板。該超晶格積層體通過(guò)交替積層40組第一層(Al0.85Ga0.15N、a=0.85,厚度:15nm)和第二層(AIN、b=l,厚度:10nm)而成。AlN 模板基板上自第二層開(kāi)始形成。(比較例2)除了將超晶格積層體變更為圖2A (c)所示的結(jié)構(gòu)以外，按照與實(shí)施例1同樣的方法制作了比較例2的III族氮化物外延基板。該超晶格積層體由第一超晶格積層體和第二超晶格積層體形成。第一 超晶格積層體通過(guò)交替積層第一層(Ala85Gaa 15N、a=0.85,厚度:15nm)和第二層(AIN、b=l,厚度:10nm)而成。AlN模板基板上自第二層開(kāi)始形成,之后積層了 40組第一層和第二層，因而圖2A (c)中表述為40.5組。第二超晶格積層體自第一層開(kāi)始交替積層了 20組第一層(Ala85Gaa 15N、d=0.85，厚度:10nm)和第三層(Ala66Gaa34Ic=0.66,厚度:15nm)而成。(比較例3)除了將超晶格積層體變更為圖2B (a)所示的結(jié)構(gòu)以外，按照與實(shí)施例1同樣的方法制作了比較例3的III族氮化物外延基板。該超晶格積層體通過(guò)交替積層第一層(GaN、a=0，厚度:0.311111)和第二層(4^士=1，厚度:7.8nm)而成。AlN模板基板上自第二層開(kāi)始形成，之后，積層了 40組第一層和第二層，因而圖2B (a)中表述為40.5組。(比較例4)除了將超晶格積層體變更為圖2B (b)所示的結(jié)構(gòu)以外，按照與實(shí)施例1同樣的方法制作了比較例4的III族氮化物外延基板。該超晶格積層體通過(guò)交替積層第一層(Ala53GaQ.47N、a=0.53，厚度:10nm)和第二層(AlN、b=l，厚度:5nm)而成。AlN 模板基板上自第二層開(kāi)始形成，之后，積層了 40組第一層和第二層，因而圖2B (b)中表述為40.5組。(比較例5)除了將超晶格積層體變更為圖2B (C)所示的結(jié)構(gòu)以外，按照與實(shí)施例1同樣的方法制作了比較例5的III族氮化物外延基板。該比較例沒(méi)有形成實(shí)施例1中的第一超晶格積層體。(實(shí)施例3)使η型AlGaN層(Al含有率β:0.29、厚度:1680nm、摻雜劑:Si)、活性層(AlGaN系MQW層、厚度:290nm、阱層的Al含有率a:0.03)、ρ型AlGaN層(Al含有率:0.49 0.32的組成傾斜層、厚度:80nm、摻雜劑:Mg)、p型GaN接觸層(厚度:66nm、摻雜劑:Mg)在實(shí)施例1的第二超晶格積層體上依次外延生長(zhǎng)，制作了發(fā)光波長(zhǎng)為340nm的III族氮化物外延基板，除此之外，與實(shí)施例1同樣地操作。(實(shí)施例4)第一超晶格積層體交替積層了 15.5組第一層(Ala75Gaa25N、a=0.75，厚度:40nm)和第二層(AIN、b=l,厚度:7.2nm)，第二超晶格積層體重復(fù)積層了第三層(Ala4Gaa 6N、x=0.4,厚度:4nm)、第四層(Al0.65Ga0.35N、y=0.65,厚度:15nm)、第五層(AIN、z=l,厚度:5nm)20組，除此之外，與實(shí)施例3同樣地操作。(實(shí)施例5)在實(shí)施例3的第二超晶格積層體之上形成實(shí)施例4的第二超晶格積層體作為第三超晶格積層體，除此之外，與實(shí)施例3同樣地操作。(比較例6)使實(shí)施例3的η型AlGaN層、活性層、ρ型AlGaN層、ρ型GaN接觸層在比較例2的超晶格積層體之上依次外延生長(zhǎng)，制作了發(fā)光波長(zhǎng)為340nm的III族氮化物外延基板，除此之外，與比較例2同樣地操作。(評(píng)價(jià)1:n型AlGaN層的結(jié)晶性)對(duì)于各實(shí)施例、比較例的試樣，使用X射線衍射裝置(D8DISC0VER，Bruker AXS公司制)測(cè)定η型AlGaN層的(002)面和(102)面的半峰寬(FWHM)。該半峰寬是評(píng)價(jià)η-AlGaN層的結(jié)晶性的指標(biāo)，數(shù)值越低，結(jié)晶性越優(yōu)異。結(jié)果示于表I。(評(píng)價(jià)2:PL強(qiáng)度比)對(duì)于各實(shí)施例、比較例的試樣，使用PHOTON DesignCorporation制造的PL裝置實(shí)施PL測(cè)定(光致發(fā)光測(cè)定)。PL測(cè)定為:對(duì)試樣照射能量大于各半導(dǎo)體層的帶隙能的激光，將半導(dǎo)體層內(nèi)的電子一次激發(fā)至高能級(jí)，測(cè)定其回到原先的能級(jí)時(shí)發(fā)出的剩余的能量(以光能的形式放出)。光能可轉(zhuǎn)換為波長(zhǎng)。采用該測(cè)定可以評(píng)價(jià)各層的Al含有率、點(diǎn)缺陷量。此次測(cè)定中，Al含有率最低的發(fā)光層的PL發(fā)光波長(zhǎng)下的PL強(qiáng)度除以點(diǎn)缺陷的強(qiáng)度升高的波長(zhǎng)(495nm)下的PL強(qiáng)度，從而算出PL強(qiáng)度比。根據(jù)該P(yáng)L強(qiáng)度比可評(píng)價(jià)發(fā)光層的發(fā)光難易。這是因?yàn)辄c(diǎn)缺陷越多，缺陷造成的非發(fā)光量也越發(fā)增加，結(jié)果會(huì)使通電時(shí)的光輻射變小。本測(cè)定中使用了波長(zhǎng)為244nm且輸出功率為70mW的激光。結(jié)果示于表I。(評(píng)價(jià)3:發(fā)光功率輸出Po)對(duì)于各實(shí)施例、比較例的試樣，將在用金剛石筆將生長(zhǎng)面劃格使η型AlGaN層露出的點(diǎn)和距離該露出的點(diǎn)1.5mm的ρ型GaN接觸層上的點(diǎn)處物理按壓點(diǎn)狀I(lǐng)n成形后的2點(diǎn)作為n型和ρ型電極，從而制作了簡(jiǎn)易的氮化物半導(dǎo)體元件。然后，將探針與它們接觸，通電后由背面發(fā)出光福射，通過(guò)光纖引導(dǎo)至Hamamatsu Photonics K.K.制造的多通道型分光器中，將光譜的峰強(qiáng)度換算成W(瓦特)，從而求出發(fā)光功率輸出Po。結(jié)果示于表I。表I
權(quán)利要求
1.一種III族氮化物外延基板，其特征在于，其具有: 基板， 在該基板上形成的AlN緩沖層， 在該緩沖層上依次形成的第一超晶格積層體和第二超晶格積層體，以及 在該第二超晶格積層體上外延生長(zhǎng)的、包含含AlaGa1^N層的活性層的III族氮化物積層體，0.03 < α ； 所述第一超晶格積層體交替含有由AlaGa1J^形成的第一層和由AlbGa^bN形成的第二層并且滿足a < a和a < b的條件，0.9 < b ^ I ； 所述第二超晶格積層體重復(fù)含有由AlxGa1J形成的第三層、由AlyGa1J形成的第四層和由AlzGa1=N形成的第五層并且滿足α <χ和x<y<z的條件,0.9 < z彡I。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族氮化物外延基板，其滿足z-x^ 0.20的條件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的III族氮化物外延基板，其中，在所述第一超晶格積層體以及第二超晶格積層體中，相鄰的層的Al含有率差為0.05以上且0.40以下。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的III族氮化物外延基板，其中，y-x小于z-y。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的III族氮化物外延基板，其滿足0.20< X < 0.90和0.60 ^ y < 0.95 的條件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的III族氮化物外延基板，其滿足a> X的條件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的III族氮化物外延基板，其中，所述基板是由藍(lán)寶石、SiC、金剛石中的任一材料形成的。
8.一種深紫外發(fā)光元件，其使用權(quán)利要求Γ7中任一項(xiàng)所述的III族氮化物外延基板。
全文摘要
本發(fā)明提供能夠得到提高了發(fā)光功率輸出的深紫外發(fā)光元件的III族氮化物外延基板以及提高了發(fā)光功率輸出的深紫外發(fā)光元件。本發(fā)明的III族氮化物外延基板(10)依次具有基板(12)、AlN緩沖層(14)、第一超晶格積層體(16)、第二超晶格積層體(18)和III族氮化物積層體(20)。III族氮化物積層體(20)含有由AlαGa1-αN(0.03≤α)形成的活性層(24)。第一超晶格積層體(16)交替含有AlaGa1-aN層(16A)和AlbGa1-bN(0.9＜b≤1)層(16B)并且滿足α＜a和a＜b的條件。第二超晶格積層體(18)重復(fù)含有AlxGa1-xN層(18A)、AlyGa1-yN層(18B)和AlzGa1-zN(0.9＜z≤1)層(18C)并且滿足α＜x和x＜y＜z的條件。
文檔編號(hào)H01L33/32GK103208572SQ20131001176
公開(kāi)日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2013年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月13日
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