膜形成方法、真空處理設(shè)備、半導(dǎo)體發(fā)光元件制造方法、半導(dǎo)體發(fā)光元件和照明裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種可以借助于濺射法制備+c極性的外延膜的膜形成方法，和適于該膜形成方法的真空處理設(shè)備，進(jìn)一步提供使用該外延膜的半導(dǎo)體發(fā)光元件的生產(chǎn)方法以及通過(guò)該生產(chǎn)方法生產(chǎn)的半導(dǎo)體發(fā)光元件和照明裝置。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案為一種膜形成方法，所述方法在使用加熱器加熱至所需溫度的外延生長(zhǎng)用基板上通過(guò)濺射法而外延生長(zhǎng)具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體膜，其中，所述膜形成方法包括以下步驟。首先，將所述基板配置在具有所述加熱器的基板保持器上，以使所述基板距所述加熱器規(guī)定距離。其次在配置所述基板距所述加熱器規(guī)定距離的狀態(tài)下，將具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體膜的外延膜形成于所述基板上。
【專利說(shuō)明】膜形成方法、真空處理設(shè)備、半導(dǎo)體發(fā)光元件制造方法、半導(dǎo)體發(fā)光元件和照明裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及膜形成方法、真空處理設(shè)備、半導(dǎo)體發(fā)光元件制造方法、半導(dǎo)體發(fā)光元件和照明裝置，特別地涉及能夠形成高品質(zhì)外延膜的膜形成方法和真空處理設(shè)備，以及使用該外延膜的半導(dǎo)體發(fā)光元件制造方法、半導(dǎo)體發(fā)光元件和照明裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]第III族氮化物半導(dǎo)體是以任何為第IIIB族元素(下文中，簡(jiǎn)稱為第III族元素)的鋁(Al)原子、鎵(Ga)原子和銦(In)原子和為第VB族元素(下文中，簡(jiǎn)稱為第V族元素)的氮(N)原子的化合物，即氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)和氮化銦(InN)，以及其混合晶體(AlGaN、InGaN、InAlN和InGaAlN)的形式獲得的化合物半導(dǎo)體材料。此類第III族氮化物半導(dǎo)體是期望應(yīng)用于以下方面的材料:覆蓋遠(yuǎn)紫外線范圍-可見(jiàn)光范圍-近紅外范圍的寬波長(zhǎng)范圍的光學(xué)元件如發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)、太陽(yáng)能光伏電池(PVSC)和光電二極管(H))，以及高頻率、高輸出用途的電子元件如高電子遷移率晶體管(HEMT)和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
[0003]通常，為了實(shí)現(xiàn)如上所述的應(yīng)用，有必要在單晶基板上外延生長(zhǎng)第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜，從而獲得晶體缺陷少的高品質(zhì)單晶膜(外延膜)。為獲得這樣的外延膜，最期望的是通過(guò)使用與外延膜相同的材料制成的基板來(lái)進(jìn)行均勻外延生長(zhǎng)。
[0004]然而，由第III族氮化物半導(dǎo)體制成的單晶基板是極昂貴的，并且除了在一些應(yīng)用中外迄今為止尚未利用過(guò)。反而，單晶膜通過(guò)在不同種類材料(主要是藍(lán)寶石(a-Al2O3)或碳化硅(SiC))的基板上異質(zhì)外延生長(zhǎng)而獲得。特別地，C1-Al2O3基板是便宜的，并且大面積和高品質(zhì)的那些是可得的。因而，Q-Al2O3基板用于幾乎所有商購(gòu)可得的使用第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜的LED中。
[0005]同時(shí)，如上所述的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜的外延生長(zhǎng)使用能夠提供具有高品質(zhì)和生產(chǎn)性的外延膜的有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)。然而，MOCVD具有諸如需要高生產(chǎn)成本并具有形成顆粒的趨勢(shì)的問(wèn)題，導(dǎo)致難以得到高產(chǎn)率。
[0006]相比之下，濺射具有能夠節(jié)省生產(chǎn)成本和具有形成顆粒的低可能性的特性。因此，如果形成第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜的工藝的至少一部分可以用濺射取代，則可以解決至少部分以上問(wèn)題。
[0007]然而，通過(guò)濺射法制造的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜具有它們的晶體品質(zhì)傾向于比通過(guò)MOCVD制造的那些差的問(wèn)題。例如，NPLl公開(kāi)了通過(guò)使用濺射法制造的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜的結(jié)晶性。根據(jù)NPLl的記載，C-軸取向的GaN膜通過(guò)使用射頻磁控濺射而外延生長(zhǎng)在a-Al2O3(OOOl)基板上，并且對(duì)GaN(0002)面X-射線搖擺曲線(XRC)測(cè)量的半高寬(FWHM)為35.1弧分(2106角秒)。該值與目前商購(gòu)可得的a -Al2O3基板上的GaN膜相比是顯著大的值，表明稍后將描述的傾斜鑲嵌分布(mosaic spread)大且結(jié)晶品質(zhì)差。
[0008]換言之，為了采用濺射作為形成第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜的工藝，必要的是減少由第III族氮化物半導(dǎo)體制成的外延膜的鑲嵌分布以致能夠得到高結(jié)晶品質(zhì)。
[0009]同時(shí)，存在將傾斜鑲嵌分布(結(jié)晶取向沿垂直于基板的方向的偏移)和扭曲鑲嵌分布(結(jié)晶取向沿面內(nèi)方向的偏移)作為表明由第III族氮化物半導(dǎo)體制成的外延膜的結(jié)晶品質(zhì)的指數(shù)。圖10A-10D為由第III族氮化物半導(dǎo)體制成并沿C-軸方向外延生長(zhǎng)在a -Al2O3 (0001)基板上的晶體的示意圖。在圖1OA-1OD中，附圖標(biāo)記901是a -Al2O3(OOOl)基板；902-911是由第III族氮化物半導(dǎo)體制成的晶體；cf是由第III族氮化物半導(dǎo)體制成的各晶體的c軸取向；cs是a -Al2O3(0001)基板的c軸取向；af是由第III族氮化物半導(dǎo)體制成的各晶體的a軸取向；和as是a -Al2O3(OOOl)基板的a軸取向。
[0010]這里，圖1OA為示出由第III族氮化物半導(dǎo)體制成的晶體如何形成同時(shí)具有傾斜鑲嵌分布的鳥(niǎo)瞰圖，圖1OB示出部分晶體的截面結(jié)構(gòu)。如從這些附圖中可見(jiàn)的，由第III族氮化物半導(dǎo)體制成的各晶體902、903和904的c軸取向Cf基本上與基板的c軸取向Cs相平行，并且是沿與基板垂直的方向的最主要結(jié)晶取向。另一方面，形成由第III族氮化物半導(dǎo)體制成的各晶體905和906以致其c軸取向Cf稍微偏離沿與基板垂直的方向的主要結(jié)晶取向。此外，圖1OC為示出由第III族氮化物半導(dǎo)體制成的晶體如何形成同時(shí)具有扭曲鑲嵌分布的鳥(niǎo)瞰圖，和圖1OD示出其平面圖。如從這些附圖中可見(jiàn)的，由第III族氮化物半導(dǎo)體制成的各晶體907、908和909的a軸取向af是沿面內(nèi)方向的最主要結(jié)晶取向，因?yàn)樗鼈兿鄬?duì)于α-Α1203(0001)基板的a軸取向\的角度都大約為30°。另一方面，形成由第III族氮化物半導(dǎo)體制成的各晶體910和911以致其a軸取向af稍微偏離沿面內(nèi)方向的主要結(jié)晶取向。
[0011]如上所述從最主要結(jié)晶取向的偏離稱為鑲嵌分布。具體地，偏離沿與基板垂直的方向的結(jié)晶取向是指傾斜鑲嵌分布，而偏離沿面內(nèi)方向的結(jié)晶取向稱為扭曲鑲嵌分布。已知傾斜和扭曲鑲嵌分布與在第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜內(nèi)形成的缺陷如螺旋位錯(cuò)(screwdislocation)和刃型位錯(cuò)(edge dislocation)的密度相關(guān)聯(lián)。通過(guò)減少傾斜和扭曲鑲嵌分布，減少了上述缺陷密度，因而使得更容易獲得高品質(zhì)第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜。
[0012]注意可以借助對(duì)平行于基板表面形成的特定具體晶面(對(duì)稱面)或垂直于基板表面形成的特定晶面的XRC測(cè)量來(lái)獲得衍射峰，通過(guò)檢測(cè)所述衍射峰的FWHM來(lái)評(píng)價(jià)傾斜和扭曲鑲嵌分布的水平。
[0013]注意圖10A-10D和上述描述意欲通過(guò)簡(jiǎn)單的概念化的方法來(lái)描述傾斜和扭曲鑲嵌分布，并且不保證任何嚴(yán)密性(specificity)。例如，并不總是上述沿垂直于基板的方向的最主要結(jié)晶取向和上述沿面內(nèi)方向的最主要結(jié)晶取向與a-Al2O3(OOOl)基板的c軸和a軸取向完全一致的情況。此外，并不總是形成如在圖1OD中示出的兩個(gè)晶體之間的間隙的情況。重要的是鑲嵌分布表明偏離主要結(jié)晶取向的程度。
[0014]同時(shí)，通常，第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜包括如在圖11中示出的+c極性生長(zhǎng)型和-C極性生長(zhǎng)型。已知優(yōu)質(zhì)的外延膜通過(guò)+C極性生長(zhǎng)比通過(guò)-C極性生長(zhǎng)更易于獲得。因而，除了使用濺射作為形成第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜的工藝之外，還期望獲得+C極性外延膜。
[0015]在本說(shuō)明書(shū)中要注意的是，〃+c極性〃是對(duì)于AIN、GaN和InN分別意指Al極性、Ga極性和In極性的術(shù)語(yǔ)。此外，〃-c極性〃是意指N極性的術(shù)語(yǔ)。
[0016]迄今為止，已經(jīng)進(jìn)行許多方法以獲得優(yōu)質(zhì)的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜(參見(jiàn)PTLl 和 2)。
[0017]PTLl公開(kāi)了其中在第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜(PTL1中的AlN)通過(guò)使用濺射法形成于基板上之前，使Q-Al2O3基板進(jìn)行等離子處理以致第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜能夠?qū)崿F(xiàn)高品質(zhì)的方法，即特別地能夠獲得具有顯著小的傾斜鑲嵌分布的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜的方法。
[0018]此 外，PTL2公開(kāi)了制造第III族氮化物半導(dǎo)體(PTL2中的第III族氮化物半導(dǎo)體)發(fā)光元件的方法，其中將由第III族氮化物半導(dǎo)體(PTL2中的第III族氮化物)制成的緩沖層(PTL2中的中間層)通過(guò)濺射法形成于基板上，然后將包括底層膜的η-型半導(dǎo)體層、發(fā)光層和P-型半導(dǎo)體層順序堆疊在由第III族氮化物半導(dǎo)體制成的緩沖層上。
[0019]在PTL2中，形成由第III族氮化物半導(dǎo)體制成的緩沖層的工藝描述為包括:對(duì)基板進(jìn)行等離子處理的預(yù)處理步驟；和在預(yù)處理步驟之后通過(guò)濺射形成由第III族氮化物半導(dǎo)體制成的緩沖層的步驟。此外，在PTL2中，a -Al2O3基板和AlN分別用作基板和由第III族氮化物半導(dǎo)體制成的緩沖層的優(yōu)選形式，以及MOCVD優(yōu)選用作形成包括底層膜的η-型半導(dǎo)體層、發(fā)光層和P-型半導(dǎo)體層的方法。
[0020]引用列表
[0021]專利文獻(xiàn)
[0022]PTLl:國(guó)際專利申請(qǐng)?zhí)亻_(kāi)W02009/096270
[0023]PTL2:日本專利申請(qǐng)?zhí)亻_(kāi)2008-109084
[0024]非專利文獻(xiàn)
[0025]NPLl: Y.Daigo, N.Mutsukura, "Synthesis of epitaxial GaN 單晶 line 膜 byultra high vacuum r.f.magnetron sputtering method^, Thin Solid 膜 s483 (2005)p38-43.
【發(fā)明內(nèi)容】

[0026]發(fā)明要解決的問(wèn)題
[0027]如從以上清楚地看出，PTLl中記載的技術(shù)能夠減少傾斜鑲嵌分布并且似乎是有前途的技術(shù)。然而，該技術(shù)仍然存在要解決的問(wèn)題以通過(guò)使用濺射法形成更高品質(zhì)的外延膜。具體地，由于+c極性生長(zhǎng)使得形成如前所述的優(yōu)質(zhì)外延膜，期望在整個(gè)基板表面上形成+C極性第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜。然而，PTLl未提及具體手段用于獲得該期望的極性。本發(fā)明人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證PTLl中公開(kāi)的技術(shù)。結(jié)果顯示所得第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜作為具有小鑲嵌分布但+c極性和-C極性以混合狀態(tài)存在的外延膜而獲得。因此，顯而易見(jiàn)PTLl中公開(kāi)的技術(shù)本身不能提供+c極性第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜。
[0028]此外，PTL2中記載的技術(shù)由于以下點(diǎn)而不能說(shuō)是令人滿意的。具體地，PTL2沒(méi)有包括關(guān)于控制緩沖層的極性的方法的描述，所述緩沖層由第III族氮化物半導(dǎo)體制成并通過(guò)使用濺射法而形成。本發(fā)明人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證PTL2中公開(kāi)的技術(shù)。結(jié)果顯示所得發(fā)光元件不能具有良好的發(fā)光特性。
[0029]本發(fā)明人進(jìn)一步檢測(cè)上述PTL2的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中獲得的發(fā)光元件，并發(fā)現(xiàn)由第III族氮化物半導(dǎo)體制成并通過(guò)使用濺射法形成的緩沖層是其中+c極性和-C極性以混合狀態(tài)存在的外延膜。更具體地，即使當(dāng)包括底層膜的η-型半導(dǎo)體層、發(fā)光層和P-型半導(dǎo)體層通過(guò)MOCVD順序堆疊時(shí)，在元件內(nèi)形成大量缺陷如可歸因于由第III族氮化物半導(dǎo)體制成的緩沖層中的混合極性的存在所引起的反相疇界(inversion domain boundaries),并且降低發(fā)光特性。換言之，顯而易見(jiàn)PTL2中公開(kāi)的技術(shù)本身不能提供+C-極性第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜，因而本身不能提供具有良好發(fā)光特性的發(fā)光元件。
[0030]如上所述，PTLl和2中公開(kāi)的常規(guī)技術(shù)難以單獨(dú)控制第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜的極性，即難以單獨(dú)獲得+c極性外延膜和由此的更有利的發(fā)光元件。
[0031]此外，從上述PTLl和2的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的結(jié)果中，本發(fā)明人推斷當(dāng)通過(guò)使用濺射法制造的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜是其中存在混合極性的外延膜時(shí)，不可能避免由于缺陷如在元件內(nèi)形成的反相疇界而引起的元件特性的劣化。
[0032]鑒于上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供能夠通過(guò)濺射法制造+C極性外延膜的膜形成方法，和適合于該膜形成方法的真空處理設(shè)備，并且將進(jìn)一步提供使用該外延膜的半導(dǎo)體發(fā)光元件制造方法，以及通過(guò)該制造方法制造的半導(dǎo)體發(fā)光元件和照明裝置。
[0033]本發(fā)明人通過(guò)他們廣泛研究，作為獲得外延膜的極性受到基板如何安裝在基板保持器上的影響的新發(fā)現(xiàn)的結(jié)果完成了本發(fā)明。
[0034]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的第一方面是一種膜形成方法，所述方法在借助使用加熱器加熱至所需溫度的外延生長(zhǎng)用基板上通過(guò)濺射法而生長(zhǎng)纖鋅礦結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體薄膜，所述方法包括以下步驟:保持所述外延生長(zhǎng)用基板距所述加熱器的基板對(duì)向面規(guī)定距離；和在保持距所述基板對(duì)向面規(guī)定距離的狀態(tài)下，將纖鋅礦結(jié)構(gòu)的所述半導(dǎo)體薄膜形成于所述外延生長(zhǎng)用基板上。
[0035]此外，本發(fā)明的第二方面是一種膜形成方法，所述方法借助使用真空處理設(shè)備在外延生長(zhǎng)用基板上通過(guò)濺射法而形成纖鋅礦結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體薄膜的外延膜，所述真空處理設(shè)備包括:能夠抽真空的真空室；用于支承所述外延生長(zhǎng)用基板的基板保持部件；和能夠?qū)⑼ㄟ^(guò)所述基板保持部件保持的所述外延生長(zhǎng)用基板加熱至所需溫度的加熱器，其中在將通過(guò)所述基板保持部件保持的所述外延生長(zhǎng)用基板保持距所述加熱器的基板對(duì)向面規(guī)定距離的狀態(tài)下，將所述纖鋅礦結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體薄膜的外延膜形成于所述外延生長(zhǎng)用基板上。
[0036]此外，本發(fā)明的第三方面是一種真空處理設(shè)備，其包括:能夠抽真空的真空室；用于支承外延生長(zhǎng)用基板的基板保持部件；能夠?qū)⑼ㄟ^(guò)所述基板保持部件保持的所述外延生長(zhǎng)用基板加熱至所需溫度的加熱器；和設(shè)置在所述真空室內(nèi)并且可連接至靶材的靶材電極，其中將所述基板保持部件沿所述靶材電極的重力方向設(shè)置在所述真空室內(nèi)，所述基板保持部件保持所述外延生長(zhǎng)用基板距所述加熱器的基板對(duì)向面規(guī)定距離，從而進(jìn)行根據(jù)保持所述外延生長(zhǎng)用基板距所述加熱器的基板對(duì)向面規(guī)定距離的步驟。
[0037]根據(jù)本發(fā)明，具有小的傾斜和扭曲鑲嵌分布以及還具有+C極性的第III族氮化物半導(dǎo)體外延膜能夠通過(guò)使用濺射法制造在Q-Al2O3基板上。此外，發(fā)光元件如LED和LD的發(fā)光特性能夠通過(guò)使用借助于濺射法制造的該第III族氮化物半導(dǎo)體外延膜來(lái)改善。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0038]圖1為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的射頻濺射設(shè)備的示意性截面圖。
[0039]圖2為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的加熱器的示意性截面圖。
[0040]圖3為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的加熱器的另一示意性截面圖。[0041]圖4A為示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的加熱器電極的構(gòu)造實(shí)例的平面圖。
[0042]圖4B為示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的加熱器電極的構(gòu)造實(shí)例的平面圖。
[0043]圖5為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的加熱器和基板保持裝置的截面圖。
[0044]圖6為示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的基板保持裝置的第二構(gòu)造實(shí)例的截面圖。
[0045]圖7為示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的基板保持裝置的第三構(gòu)造實(shí)例的截面圖。
[0046]圖8為示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的保持器支承部的構(gòu)造實(shí)例的圖。
[0047]圖9為示出通過(guò)使用由根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的膜形成方法形成的外延膜而制造的LED結(jié)構(gòu)的實(shí)例的截面圖。
[0048]圖1OA為示出由第III族氮化物半導(dǎo)體制成的晶體的傾斜和扭曲鑲嵌分布的示意圖。
[0049]圖1OB為示出由所述第III族氮化物半導(dǎo)體制成的晶體的傾斜和扭曲鑲嵌分布的示意圖。
[0050]圖1OC為示出由第III族氮化物半導(dǎo)體制成的晶體的傾斜和扭曲鑲嵌分布的示意圖。
[0051]圖1OD為示出由所述第III族氮化物半導(dǎo)體制成的晶體的傾斜和扭曲鑲嵌分布的
示意圖。
[0052]圖11為示出第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜中的+c極性和-c極性的示意圖。
[0053]圖12為示出對(duì)根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜的CAICISS測(cè)量的測(cè)量結(jié)果的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0054]下文中，本發(fā)明的實(shí)施方案將參考附圖詳細(xì)地描述。注意在下述附圖中，具有相同功能的那些通過(guò)相同附圖標(biāo)記表示，并省略其重復(fù)的說(shuō)明。
[0055](實(shí)施方案)
[0056]根據(jù)本發(fā)明的主要特征在于:當(dāng)具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體薄膜(例如，具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜或ZnO類半導(dǎo)體薄膜)通過(guò)諸如射頻濺射法等的濺射而要外延生長(zhǎng)于后述外延生長(zhǎng)用基板(例如，具有非極性表面的基板(后述)例如a -Al2O3基板、Si基板或Ge基板)，和具有極性表面的基板(后述)例如4H-SiC基板)上時(shí)，在其中通過(guò)加熱器加熱的基板保持距加熱器的基板對(duì)向面規(guī)定距離的狀態(tài)下形成具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體膜。下文中，本發(fā)明將參考附圖來(lái)描述。注意下述構(gòu)件和配置僅是具體表現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)例，并不限定本發(fā)明。當(dāng)然，它們可以基于本發(fā)明的主旨以各種方式來(lái)改造。
[0057]圖1-9為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的真空處理設(shè)備(射頻濺射設(shè)備)和通過(guò)使用根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案形成的外延膜而制造的LED結(jié)構(gòu)的圖。圖1為射頻濺射設(shè)備的示意性截面圖。圖2為加熱器的示意性截面圖。圖3為加熱器的另一實(shí)例的示意性截面圖。圖4A和4B為示出加熱器電極的構(gòu)造實(shí)例的圖。圖5為加熱器和基板保持裝置的截面圖。圖6為示出基板保持裝置的第二構(gòu)造實(shí)例的圖。圖7為示出基板保持裝置的第三構(gòu)造實(shí)例的圖。圖8為支承基板保持裝置的部分的放大圖。圖9為通過(guò)使用形成的外延膜所制造的LED的結(jié)構(gòu)實(shí)例的截面圖。注意僅示出特定構(gòu)件以避免附圖復(fù)雜化。
[0058]圖1為用于形成根據(jù)本發(fā)明第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜的濺射設(shè)備的實(shí)例的示意性構(gòu)造圖。在示出濺射設(shè)備S的圖1中，附圖標(biāo)記101表示真空室；附圖標(biāo)記102表示靶材電極；附圖標(biāo)記99表示基板保持器；附圖標(biāo)記103表示加熱器；附圖標(biāo)記503表示基板保持裝置；附圖標(biāo)記105表示祀材護(hù)罩；附圖標(biāo)記106表示射頻電源；附圖標(biāo)記107表示基板；附圖標(biāo)記108表示靶材；附圖標(biāo)記109表示氣體引入機(jī)構(gòu)(mechanism);附圖標(biāo)記110表示排氣機(jī)構(gòu)；附圖標(biāo)記112表示反射器；附圖標(biāo)記113表示絕緣構(gòu)件；附圖標(biāo)記114表示室護(hù)罩(chamber shield);附圖標(biāo)記115表示磁體單元；附圖標(biāo)記116表示祀材護(hù)罩保持機(jī)構(gòu)；和附圖標(biāo)記203表示加熱器電極。此外，附圖標(biāo)記550為用于支承基板保持裝置503的保持器支承部。
[0059]真空室101由金屬如不銹鋼或鋁合金的構(gòu)件形成并且電接地。此外，在未示出的冷卻機(jī)構(gòu)的情況下，真空室101防止或減少其壁面溫度的增加。此外，將真空室101用其間未示出的物質(zhì)流量(mass flow)控制器連接至氣體引入機(jī)構(gòu)109,并且用其間未示出的可變導(dǎo)管(variable conductance valve)連接至排氣機(jī)構(gòu)110。
[0060]將靶材護(hù)罩105與真空室101之間利用靶材護(hù)罩保持機(jī)構(gòu)116連接。靶材護(hù)罩保持機(jī)構(gòu)116和靶材護(hù)罩105可以為金屬如不銹鋼或鋁合金的構(gòu)件，并且在與真空室101相同的DC電壓下。
[0061]將靶材電極102與真空室101之間利用絕緣構(gòu)件113連接。此外，將靶材108連接至靶材電極102，和將靶材電極102與射頻電源106之間利用未示出的匹配箱連接。可以將靶材108與靶材電極102直接連接或?qū)胁?08與靶材電極102之間利用未示出的接合板(bonding plate)連接,所述接合板由金屬如銅(Cu)的構(gòu)件形成。
[0062]此外，靶材108可以為包含Al、Ga和In的至少一種的金屬靶材或包含上述第III族元素的至少一種的氮化物靶材。靶材電極102包括未示出的用于防止靶材108的溫度增加的冷卻機(jī)構(gòu)。此外,磁體單元115位于靶材電極102中。作為射頻電源106，鑒于工業(yè)用途，容易利用在13.56MHz下的射頻電源。然而，可以使用在不同頻率下的射頻電源或在射頻波上疊加DC電流或以脈沖的形式使用這些。
[0063]將室護(hù)罩114連接至真空室101并防止在成膜期間膜粘合至真空室101。
[0064]基板保持器99包括加熱器103、基板保持裝置503和反射器112作為其主要組件。加熱器103具有內(nèi)置加熱器電極203?；灞３盅b置503至少在與基板接觸的部分中由絕緣構(gòu)件形成，并且通過(guò)反射器112或軸(未示出)等固定。通過(guò)在基板保持裝置503上保持基板107，基板107可以在基板107和加熱器103的基板對(duì)向面P之間設(shè)置有預(yù)定間隙。注意基板保持裝置503的具體實(shí)例將稍后描述。
[0065]在該實(shí)施方案中，如圖1中所示，在真空室101中，其上能夠設(shè)置靶材的靶材電極102設(shè)置在沿重力方向的上側(cè)，而基板保持器99設(shè)置在靶材電極102沿重力方向的下方。因而，基板保持裝置503在重力的幫助下能夠保持基板107。因此，通過(guò)將基板107簡(jiǎn)單安裝在基板保持裝置503的基板支承部(稍后提及的附圖標(biāo)記503a等)上，基板107的整個(gè)表面可以暴露于靶材108側(cè)，并且外延膜的形成可因此在基板107的整個(gè)表面上進(jìn)行。
[0066]該實(shí)施方案顯示其中靶材電極102設(shè)置在真空室101中沿重力方向的上側(cè)，和基板保持器99設(shè)置在靶材電極102沿重力方向下方的實(shí)例。然而，注意可以將基板保持器99配置在真空室101中沿重力方向的上側(cè)，和將靶材電極102設(shè)置在基板保持器99沿重力方向的下方。[0067]圖2和3示出加熱器103的結(jié)構(gòu)實(shí)例。圖2中，附圖標(biāo)記201是基材；附圖標(biāo)記202是底涂層；附圖標(biāo)記203是加熱器電極；附圖標(biāo)記204是背面涂層；和附圖標(biāo)記205是面涂層。注意附圖標(biāo)記P是面向通過(guò)后述基板保持裝置503保持的基板的加熱器103上表面(基板對(duì)向面)。
[0068]基材201是石墨。加熱器電極203和背面涂層204是熱解石墨(PG)。底涂層202和面涂層205是熱解氮化硼(PBN)。注意由PBN制成的底涂層202和面涂層205是高電阻材料。
[0069]通過(guò)上述構(gòu)造，加熱器103能夠發(fā)出在預(yù)定波長(zhǎng)范圍的紅外線，并由此加熱基板至所需溫度。
[0070]圖3為加熱器的另一構(gòu)造實(shí)例。附圖標(biāo)記301是基材；附圖標(biāo)記302是加熱器電極；附圖標(biāo)記303是背面涂層；和附圖標(biāo)記304是面涂層?；?01是氮化硼(BN)。加熱器電極302和背面涂層303是PG。面涂層304是PBN。注意由BN制成的基材301和由PBN制成的面涂層304是高電阻材料。
[0071]組成加熱器的上述材料優(yōu)選使用它們比常規(guī)紅外燈更高的效率加熱a -Al2O3基板的能力。然而，注意該材料不限于這些，只要它們能夠加熱Q-Al2O3基板至預(yù)定溫度即可。
[0072]圖4Α和4Β示出加熱器電極203 (或302)的構(gòu)造實(shí)例(平面圖)。位于加熱器103中的加熱器電極203 (或302)具有如圖4Α或4Β中示出的電極圖案。通過(guò)連接電源(未示出)至該電極圖案并對(duì)其施加DC或AC電壓，使電流流過(guò)加熱器電極203 (或302)，而由此產(chǎn)生的焦耳熱使加熱器103加熱。從加熱器103發(fā)出的紅外線加熱基板。
[0073]注意電極圖案不限于圖4Α和4Β。然而，通過(guò)使用如圖4Α或4Β中示出的電極圖案，熱量可以均勻供給至基板107的整個(gè)表面。出于這個(gè)原因，期望使用能夠盡可能均勻地將熱量施加至基板的整個(gè)表面的電極圖案。但是，當(dāng)本發(fā)明可以使用能夠?qū)崃烤鶆蚴┘又粱宓碾姌O圖案時(shí)，重要的是能夠形成+c極性外延膜，而電極圖案形成為何種形狀并不是重要的事情。因而，在該實(shí)施方案中，不用說(shuō)電極圖案不限于如圖4Α和4Β中示出的電極圖案，該實(shí)施方案能夠使用任何電極圖案。
[0074]在圖2和3中示出的加熱器103的各結(jié)構(gòu)實(shí)例中，通過(guò)附圖標(biāo)記P表示的加熱器103的基板對(duì)向面是加熱器電極203或302在其上形成有如圖4Α或4Β中示出的圖案的一側(cè)的表面。然而，加熱器103可以具有其中圖2或3中示出的加熱器103顛倒翻轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，即與在圖2和3中通過(guò)附圖標(biāo)記P表示的表面相對(duì)的表面可以用作基板對(duì)向面。在該情況下，基板通過(guò)背面涂層204或303加熱。這會(huì)降低基板加熱的電源效率，但背面涂層204或303也用于使得均勻加熱，這提供了將熱量均勻施加至基板的有利效果。
[0075]圖5為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的加熱器和基板保持裝置的截面圖(第一構(gòu)造實(shí)例)。圖5中，附圖標(biāo)記103是加熱器；附圖標(biāo)記203是加熱器電極；附圖標(biāo)記503是基板保持裝置；附圖標(biāo)記504是基板(未示出保持器支承部550)。基板保持裝置503通常是具有同樣截面的環(huán)形構(gòu)件，并且包括從下方(從沿重力方向的下側(cè)，即從加熱器103側(cè))接觸并支承基板外邊緣部的由絕緣構(gòu)件形成的基板支承部503a。基板支承部503a在其自身和加熱器103的基板對(duì)向面P之間配置有間隙dl。此外，在基板504和加熱器103的基板對(duì)向面P之間設(shè)置間隙d2。如上所述，設(shè)置基板支承部503a，以致在基板支承部503a上支承基板504的狀態(tài)下，基板504在其自身和加熱器103的基板對(duì)向面P之間設(shè)置有預(yù)定間隙(規(guī)定距離，例如，d2)。期望將0.4mm以上用于間隙dl(第二規(guī)定距離)，和期望將0.5mm以上用于間隙d2。
[0076]在間隙dl小于0.4mm的情況下，很可能形成在外周部分具有混合極性的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜。在間隙d2小于0.5mm的情況下，很可能形成在整個(gè)基板表面中具有混合極性的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜。因而，這些情況不是優(yōu)選的。
[0077]如上所述，在基板保持裝置503的下表面和加熱器103的基板對(duì)向面P之間設(shè)置
0.4mm以上的間隙dl。同樣,在基板504和加熱器103的基板對(duì)向面P之間設(shè)置0.5mm以上的間隙d2。
[0078]注意不優(yōu)選加寬間隙dl和d2太多，因?yàn)殚g隙dl和d2越寬，用加熱器103加熱基板504的效率越低。此外，當(dāng)間隙dl和d2，尤其是間隙d2加寬太多時(shí)，可以在加熱器103和基板504之間的空間中產(chǎn)生等離子，這可能會(huì)導(dǎo)致?lián)p失本發(fā)明的有利效果。因此，間隙dl和d2期望設(shè)定為5mm以下，更期望為2mm以下。
[0079]基板保持裝置的其他構(gòu)造實(shí)例將用圖6和7描述。
[0080]圖6為基板保持裝置的第二構(gòu)造實(shí)例。圖6中，附圖標(biāo)記504是基板，和附圖標(biāo)記603是基板保持裝置(未示出保持器支承部550)?；灞３盅b置603通常是具有同樣截面的環(huán)形構(gòu)件，并且包括:從下方保持基板504的由絕緣構(gòu)件形成的基板支承部603a ;和與基板支承部603a的外周一體化形成的安裝部603b。在將安裝部603b設(shè)置在加熱器103的基板對(duì)向面P上的情況下，在基板支承部603a的背面(面向加熱器103的一面)和加熱器103的基板對(duì)向面P之間設(shè)置間隙dl，和在基板504和加熱器103的基板對(duì)向面P之間設(shè)置間隙d2。期望將0.4mm以上用于間隙dl，和期望將0.5mm以上用于間隙d2。
[0081]圖7示出基板保持裝置的第三構(gòu)造實(shí)例。圖7中，附圖標(biāo)記504是基板，和附圖標(biāo)記703是基板保持裝置?；灞３盅b置703通常是具有同樣截面的環(huán)形構(gòu)件，并且包括第一基板保持單元704和第二基板保持單元705。第二基板保持單元705支承第一基板保持單元704的外周部。第二基板保持單元705由導(dǎo)電環(huán)形成，并且與未示出的射頻電源之間用未示出的匹配箱連接。因而，通過(guò)在包含氣體如N2或稀有氣體的氣氛中供給射頻電力至第二基板保持單元705，等離子能夠在基板附近產(chǎn)生并用于進(jìn)行對(duì)基板的表面處理。
[0082]此外，第一基板保持單元704包括從下方支承基板504的由絕緣構(gòu)件形成的基板支承部704a。在基板支承部704a的背面和加熱器103的基板對(duì)向面P之間設(shè)置間隙dl，和在基板504和加熱器103的基板對(duì)向面P之間設(shè)置間隙d2。期望將0.4mm以上用于間隙dl，和期望將0.5mm以上用于間隙d2。
[0083]這里，雖然在圖7中未示出保持器支承部750，但將其放大圖在圖8中示出。
[0084]圖8是基板保持裝置703用支承部(保持器支承部750)的放大圖。保持器支承部750具有支承第二基板保持單元705并包括導(dǎo)電構(gòu)件751、絕緣構(gòu)件753和不銹鋼管755作為其主要組件的結(jié)構(gòu)。將導(dǎo)電構(gòu)件751電連接至設(shè)置在真空室101外的射頻電源757和第二基板保持單元705。因而，將射頻電力從射頻電源757通過(guò)導(dǎo)電構(gòu)件751供給至第二基板保持單元705。導(dǎo)電構(gòu)件751覆蓋有絕緣構(gòu)件753和不銹鋼管755。此外，導(dǎo)電構(gòu)件751和真空室101之間的電絕緣也通過(guò)絕緣構(gòu)件753來(lái)確保。如上所述，構(gòu)造保持器支承部750以支承第二基板保持單元705，并且還供給電源至第二基板保持單元705。[0085]示于圖8的保持器支承部750具有包括用于供給射頻電力至第二基板保持單元705的導(dǎo)電構(gòu)件751的結(jié)構(gòu)。然而，注意導(dǎo)電構(gòu)件751對(duì)于支承基板保持裝置503或603的保持器支承部550 (參見(jiàn)圖1)是非必要的。
[0086]在基板保持裝置的第一至第三構(gòu)造實(shí)例(圖5-7)中，環(huán)形絕緣構(gòu)件用作基板支承部503a、603a和704a。然而，注意它們可以不是環(huán)形的。例如，各基板支承部503a、603a和704a可以為其中不形成開(kāi)口的板形絕緣構(gòu)件。在該情況下，當(dāng)然，基板支承部也在其自身和加熱器103之間設(shè)置有間隙(例如，dl)。但是，如在該實(shí)施方案中形成環(huán)形的基板支承部能夠使得基板107暴露于加熱器103，而基板107和加熱器103的基板對(duì)向面P設(shè)置有其間預(yù)定的間隙。這使得基板107有效地加熱。因而，將基板支承部形成為環(huán)形是優(yōu)選的模式。
[0087]此外，例如，石英、藍(lán)寶石或礬土等可以用于用作基板支承部503a、603a和704a的絕緣構(gòu)件。
[0088]作為加熱器103的結(jié)構(gòu)，可以使用圖2和3中示出的任何結(jié)構(gòu)，或者可以使用通過(guò)任何這些結(jié)構(gòu)顛倒翻轉(zhuǎn)而獲得的結(jié)構(gòu)。一些其他結(jié)構(gòu)可以代替使用，這是由于加熱器結(jié)構(gòu)在該實(shí)施方案中不是重要的事情。甚至可以使用其中在加熱器的基板對(duì)向面P上設(shè)置加熱器電極而頂部什么都沒(méi)有的加熱器結(jié)構(gòu)。
[0089]作為各基板保持裝置503、603和703的結(jié)構(gòu)，可以使用圖5、6和7中示出的任何結(jié)構(gòu)，或者可以代替使用具有一些其他結(jié)構(gòu)的基板保持裝置。在該實(shí)施方案中重要的是基板在第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜形成期間應(yīng)距加熱器的基板對(duì)向面P規(guī)定距離而設(shè)置。在該實(shí)施方案中，在加熱器的基板對(duì)向面P和基板之間的空間中存在間隙，但是即使當(dāng)絕緣構(gòu)件插入該間隙中時(shí)認(rèn)為也是可以獲得類似的有利效果的。因此，可以使用具有除了圖5-7中的那些之外的任何其他結(jié)構(gòu)的基板保持裝置，只要其為使得基板距加熱器的基板對(duì)向面P規(guī)定距離設(shè)置的結(jié)構(gòu)即可。例如，在包括通過(guò)上下移動(dòng)升降銷(lift pin)來(lái)操作基板所構(gòu)造的機(jī)構(gòu)的裝置的情況下，升降銷可以用于將基板保持在具有基板和加熱器103的基板對(duì)向面P之間的預(yù)定間隙的位置處。然而，在該情況下，膜進(jìn)入基板的外周和加熱器103之間的間隙并且粘附至加熱器103的基板對(duì)向面P，由此從加熱器103的輻射經(jīng)時(shí)改變。因而，該實(shí)施方案是期望的模式。
[0090]此外，在形成第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜之前，連接至圖7中示出的第二基板保持單元705 (第三構(gòu)造實(shí)例)的射頻電源757可以用于產(chǎn)生在基板附近的等離子并且除去組分如粘附至基板表面的水分和烴類。此外，作為加熱器電極的結(jié)構(gòu)，可以使用圖4A和4B*示出的任何圖案，或者可以如上所述使用一些其他結(jié)構(gòu)。
[0091]圖6中的結(jié)構(gòu)因其容易準(zhǔn)確控制基板和加熱器103的基板對(duì)向面P之間的間隙dl和d2而比圖5中的結(jié)構(gòu)優(yōu)選使用。此外，當(dāng)使用圖7中的結(jié)構(gòu)時(shí)，可以除去組分如粘附至基板表面的水分和烴類，因此改善第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜在結(jié)晶性方面的再現(xiàn)性。因而，優(yōu)選使用圖7中的結(jié)構(gòu)。
[0092]圖9為通過(guò)使用根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜的制造方法，作為半導(dǎo)體發(fā)光元件而制造的發(fā)光二極管(LED)的截面結(jié)構(gòu)的實(shí)例。圖9中，附圖標(biāo)記801是a -Al2O3基板；附圖標(biāo)記802是緩沖層；附圖標(biāo)記803是第III族氮化物半導(dǎo)體中間層；附圖標(biāo)記804是η-型第III族氮化物半導(dǎo)體層；附圖標(biāo)記805是第III族氮化物半導(dǎo)體活性層；附圖標(biāo)記806是P-型第III族氮化物半導(dǎo)體層；附圖標(biāo)記807是η-型電極；附圖標(biāo)記808是p-型結(jié)合片(bonding pad)電極；附圖標(biāo)記809是保護(hù)膜；和附圖標(biāo)記810是透光性電極。
[0093]作為具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的第III族氮化物半導(dǎo)體的AlN、AlGaN或GaN優(yōu)選用作緩沖層802中包含的材料。AlN、AlGaN和GaN優(yōu)選用作組成第III族氮化物半導(dǎo)體中間層803、η-型第III族氮化物半導(dǎo)體層804、第III族氮化物半導(dǎo)體活性層805和ρ-型第III族氮化物半導(dǎo)體層806的材料。關(guān)于η-型第III族氮化物半導(dǎo)體層804，其上述材料優(yōu)選摻雜有少量硅(Si)或鍺(Ge)。關(guān)于ρ-型第III族氮化物半導(dǎo)體層806，其上述材料優(yōu)選摻雜有少量鎂(Mg)或鋅(Zn)。在該方式中，它們的導(dǎo)電性可以得到控制。此外，作為第III族氮化物半導(dǎo)體活性層805，期望形成具有一些上述材料的多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)。另外，上述發(fā)光二極管(LED)可以用于形成照明裝置。
[0094]下文中，具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜的形成方法(外延形成方法)將參考附圖通過(guò)使用根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的濺射設(shè)備來(lái)描述。在該實(shí)施方案中，外延膜通過(guò)包括以下第一至第四步驟的方法形成于C1-Al2O3基板上。注意，雖然該實(shí)施方案將描述具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜的形成方法，但是顯然根據(jù)該實(shí)施方案的膜形成方法可以用于在Al2O3基板上形成ZnO類半導(dǎo)體薄膜。
[0095]首先，在第一步驟(基板輸送步驟)中，將基板107引入通過(guò)排氣機(jī)構(gòu)110維持至預(yù)定壓力的真空室101。在該步驟中，未示出的操作機(jī)器人運(yùn)送基板(a -Al2O3基板)107至加熱器103的上側(cè)并且將基板107安裝至從加熱器103突出的未示出的升降銷的頂部(基板輸送)。然后，降低保持基板107的升降銷，以致基板107設(shè)置在基板保持裝置503上。
[0096]隨后，在第二步驟(基板加熱步驟)中，基板107通過(guò)控制要施加至位于加熱器103中的加熱器電極203的電壓而維持在預(yù)定溫度下。在該步驟中，將位于加熱器103中的熱電偶(未示出)用于監(jiān)控加熱器103的溫度，或者將配置在真空室101中的未示出的高溫計(jì)用于監(jiān)控加熱器103的溫度，并且將該溫度控制在預(yù)定溫度。
[0097]隨后，在第三步驟中，將任何N2氣體、稀有氣體以及N2氣和稀有氣體的混合氣體通過(guò)氣體引入機(jī)構(gòu)109引入真空室101，并且真空室101中的壓力借助于質(zhì)量流量控制器(未示出)和可變導(dǎo)管(未示出)設(shè)定為預(yù)定壓力。
[0098]最后，在第四步驟(膜形成步驟)中，從射頻電源106供給射頻電力以在靶材108前產(chǎn)生射頻等離子，和使等離子中的離子濺射組成靶材108的元件，由此形成第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜。注意在使用金屬靶材作為靶材108的情況下，N2氣體或N2氣體和稀有氣體的混合氣體優(yōu)選用作處理氣體。在該情況下，將組成金屬靶材的第III族元素在包括靶材108表面、基板107表面以及靶材108和基板107之間的空間的區(qū)域的至少之一中氮化。結(jié)果，第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜形成于基板上。
[0099]另一方面，在使用氮化物靶材作為靶材108的情況下，優(yōu)選使用N2氣體、稀有氣體以及N2氣體和稀有氣體的混合氣體中的任一種。然后，從靶材表面以原子或氮化物分子的形式發(fā)出濺射的顆粒。將從靶材表面以原子形式發(fā)出的第III族元素在包括靶材108表面、基板107表面以及靶材108和基板107之間的空間的區(qū)域的至少之一中氮化。結(jié)果，第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜形成于基板上。另一方面，從靶材表面發(fā)出的大部分氮化物分子到達(dá)基板并形成第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜。
[0100]從靶材表面發(fā)出的部分氮化物分子有可能會(huì)在基板107表面或在靶材108和基板107之間的空間中解離。然而，通過(guò)解離產(chǎn)生的第III族元素至少在基板107表面或在靶材108和基板107之間的空間中再次氮化，并形成第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜。
[0101] 在第一步驟中的預(yù)定壓力期望低于5X 10_4Pa。當(dāng)預(yù)定壓力為5X 10_4Pa或超過(guò)5X IO-4Pa時(shí)，雜質(zhì)如氧進(jìn)入第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜，使得難以獲得優(yōu)質(zhì)外延膜。此外，在第一步驟中加熱器103的溫度不特別限定，但鑒于生產(chǎn)性期望設(shè)定為幫助獲得用于成膜時(shí)基板溫度的溫度。
[0102]在第二步驟中的預(yù)定溫度鑒于生產(chǎn)性期望設(shè)定為第四步驟中的成膜溫度。此外，在第三步驟中的預(yù)定溫度鑒于生產(chǎn)性期望設(shè)定為第四步驟中的成膜溫度?？梢宰儞Q進(jìn)行第二步驟和第三步驟的時(shí)機(jī)，或者可以同時(shí)進(jìn)行所述步驟。此外，鑒于生產(chǎn)性期望將在第二步驟中設(shè)定的溫度和在第三步驟中設(shè)定的壓力至少維持直到第四步驟開(kāi)始。
[0103]在第四步驟期間的基板溫度期望設(shè)定在100-1200°C的范圍內(nèi)，更期望在400-100(TC的范圍內(nèi)。在低于100°C的情況下，很可能形成的是其中無(wú)定形結(jié)構(gòu)以混合狀態(tài)存在的膜。在高于1200°c溫度的情況下，完全不形成膜，或者即使形成膜，很可能獲得的是具有許多歸因于熱應(yīng)力的缺陷的外延膜。此外，成膜壓力期望設(shè)定在0.1-100毫托(1.33 X IO-2Pa 至 1.33 X IO1Pa)的范圍內(nèi)，更期望在 1.0-10 毫托(1.33 X KT1Pa 至 1.33Pa)的范圍內(nèi)。
[0104]在低于0.1毫托(1.33 X 10?)的情況下，高能粒子很可能降落在基板表面上，使得難以獲得優(yōu)質(zhì)第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜。在高于100毫托(1.33X IO1Pa)壓力的情況下，成膜速度極低。因而，這些情況下是不優(yōu)選的。在開(kāi)始第四步驟時(shí)，可以暫時(shí)增加真空室101中的壓力至成膜壓力以上，從而利于等離子的產(chǎn)生。在該情況下，成膜壓力可以通過(guò)暫時(shí)增加在處理氣體中的至少一種氣體的流量來(lái)增加?？蛇x擇地,成膜壓力可以通過(guò)暫時(shí)減少可變導(dǎo)通閥門(conductance valve)(未示出)的開(kāi)口度來(lái)增加。
[0105]此外，在第一步驟之前，當(dāng)然，可以有運(yùn)送基板107至預(yù)處理室(未示出)和在等于或高于成膜溫度的溫度下對(duì)基板107進(jìn)行加熱處理或等離子處理的步驟。
[0106]通過(guò)根據(jù)該實(shí)施方案的方法形成的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜的外延膜實(shí)例包括圖9中示出的緩沖層802、第III族氮化物半導(dǎo)體中間層803、n-型第III族氮化物半導(dǎo)體層804、第III族氮化物半導(dǎo)體活性層805和ρ-型第III族氮化物半導(dǎo)體層806。所有這些層可以通過(guò)使用根據(jù)該實(shí)施方案的濺射設(shè)備(膜形成方法)來(lái)制造，還有，特定的一層或多層可以通過(guò)使用根據(jù)該實(shí)施方案的濺射設(shè)備(膜形成方法)來(lái)制造。
[0107]例如，作為圖9中LED元件用工藝的第一實(shí)例，方法包括通過(guò)使用根據(jù)該實(shí)施方案的濺射設(shè)備(膜形成方法)制造緩沖層802，然后通過(guò)使用MOCVD順序堆疊第III族氮化物半導(dǎo)體中間層803、η-型第III族氮化物半導(dǎo)體層804、第III族氮化物半導(dǎo)體活性層805和P-型第III族氮化物半導(dǎo)體層806,由此制造外延晶片。
[0108]此外，作為第二實(shí)例，方法包括通過(guò)使用根據(jù)該實(shí)施方案的濺射設(shè)備(膜形成方法)制造緩沖層802和第III族氮化物半導(dǎo)體中間層803，然后通過(guò)使用MOCVD順序堆疊η-型第III族氮化物半導(dǎo)體層804、第III族氮化物半導(dǎo)體活性層805和ρ-型第III族氮化物半導(dǎo)體層806，由此制造外延晶片。
[0109]作為第三實(shí)例，方法包括通過(guò)使用根據(jù)該實(shí)施方案的濺射設(shè)備(膜形成方法)制造緩沖層802、第III族氮化物半導(dǎo)體中間層803和η-型第III族氮化物半導(dǎo)體層804，然后通過(guò)使用MOCVD順序堆疊第III族氮化物半導(dǎo)體活性層805和ρ-型第III族氮化物半導(dǎo)體層806,由此制造外延晶片。
[0110]作為第四實(shí)例，方法包括通過(guò)使用根據(jù)該實(shí)施方案的濺射設(shè)備(膜形成方法)制造緩沖層802、第III族氮化物半導(dǎo)體中間層803、η-型第III族氮化物半導(dǎo)體層804和第III族氮化物半導(dǎo)體活性層805，然后通過(guò)使用MOCVD制造ρ-型第III族氮化物半導(dǎo)體層806，由此制造外延晶片。
[0111]作為第五實(shí)例，方法包括通過(guò)使用根據(jù)該實(shí)施方案的濺射設(shè)備(膜形成方法)制造緩沖層802、第III族氮化物半導(dǎo)體中間層803、η-型第III族氮化物半導(dǎo)體層804、第III族氮化物半導(dǎo)體活性層805和ρ-型第III族氮化物半導(dǎo)體層806，由此制造外延晶片。
[0112]將光刻技術(shù)和RIE (反應(yīng)性離子蝕刻)技術(shù)應(yīng)用于由此獲得的外延晶片，從而形成如圖9中所示的透光性電極810、ρ-型結(jié)合片電極808、η-型電極807和保護(hù)膜809。結(jié)果，能夠獲得LED結(jié)構(gòu)。注意透光性電極810、ρ-型結(jié)合片電極808、η-型電極807和保護(hù)膜809的材料不特別限定，可以使用該【技術(shù)領(lǐng)域】中公知的材料而沒(méi)有任何限定。
[0113](第一實(shí)施例)
[0114]作為本發(fā)明的第一實(shí)施例，將給出其中AlN膜通過(guò)使用根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜的形成方法形成于a -Al2O3(OOOl)基板上的實(shí)例的描述。更具體地，將給出其中通過(guò)在基板保持裝置的幫助下具有在基板和加熱器的基板對(duì)向面之間的間隙地安裝的C1-AI2O3(OOOI)基板上使用濺射而形成具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的AlN膜的實(shí)例的描述。注意在該實(shí)施例中，AlN膜通過(guò)使用與圖1中類似的濺射設(shè)備來(lái)形成。使用與圖2中類似的加熱器結(jié)構(gòu)、與圖4Α中類似的加熱器電極圖案和與圖5中類似的基板保持裝置。此外，圖5中基板支承部503a和加熱器103的基板對(duì)向面P之間的間隙dl設(shè)定為Imm,以及圖5中基板504和加熱器103的基板對(duì)向面P之間的間隙d2設(shè)定為 2mm。
[0115]在該實(shí)施例中，首先，在第一步驟中，將α-Α1203(0001)基板運(yùn)送至維持在IXlO-4Pa以下的真空室101，并且設(shè)置在基板保持裝置503上。在第二步驟中，基板維持在為第四步驟中成膜溫度的550°C下。在該步驟中，控制加熱器103以使位于其中的熱電偶的監(jiān)控值可為750°C。隨后，在第三步驟中，引入N2和Ar的混合氣體以使N2/(N2+Ar)為25%，并且真空室101中的壓力設(shè)定為在第四步驟中的成膜壓力3.75毫托(0.5Pa)。在該條件下，在第四步驟中，通過(guò)從射頻電源106施加2000W的射頻電力至由金屬Al制成的革巴材108來(lái)進(jìn)行濺射。結(jié)果，厚度為50nm的AlN膜形成于基板上。
[0116]注意在該實(shí)施例中成膜溫度通過(guò)對(duì)其中埋入熱電偶的a -Al2O3(OOOl)基板預(yù)先進(jìn)行基板溫度測(cè)量，并研究在該時(shí)刻C1-AI2O3(OOOI)基板的溫度和位于加熱器中的熱電偶監(jiān)控值即加熱器的溫度之間的關(guān)系來(lái)設(shè)定。
[0117]在該實(shí)施例中，由此制造的AlN膜通過(guò)以下來(lái)評(píng)價(jià):在對(duì)稱反射部位的2 θ /ω掃描模式的X-射線衍射(XRD)測(cè)量；對(duì)于對(duì)稱平面的ω掃描模式的XRC測(cè)量；面內(nèi)配置的Φ掃描模式的XRC測(cè)量；和同軸沖擊碰撞離子散射光譜(CAICISS)測(cè)量。這里，在對(duì)稱反射部位的2θ/ω掃描模式的XRD測(cè)量用于檢測(cè)結(jié)晶取向，對(duì)于對(duì)稱平面的ω掃描模式的XRC測(cè)量和關(guān)于面內(nèi)配置的9掃描模式的XRC測(cè)量分別用于評(píng)價(jià)傾斜和扭曲鑲嵌分布。此外，CAICISS測(cè)量用作確定極性的手段。
[0118]首先，將在該實(shí)施例中制造的AlN膜在2 Θ = 20-60°的測(cè)量范圍中進(jìn)行在對(duì)稱反射部位的2θ/ω掃描模式的XRD測(cè)量。結(jié)果，僅觀察到Α1Ν(0002)面和a-Al2O3(0006)面的衍射峰，未觀察到表明AlN的其他晶面的衍射峰。從該事實(shí)中，發(fā)現(xiàn)所得AlN膜沿C-軸方向取向。
[0119]接著，將根據(jù)該實(shí)施例的AlN膜進(jìn)行關(guān)于對(duì)稱平面的ω掃描模式的XRC測(cè)量。注意將Α1Ν(0002)面用于測(cè)量。在檢測(cè)器為處于開(kāi)放檢測(cè)器狀態(tài)的情況下所得XRC輪廓的FWHM為450角秒以下，在分析儀晶體插入檢測(cè)器中的情況下其為100角秒以下。因而，觀察到所制造的AlN膜的傾斜鑲嵌分布顯著小。此外，在其他制造條件下，在分析儀晶體插入檢測(cè)器中的情況下，在XRC測(cè)量中發(fā)現(xiàn)FWHM等于或小于20角秒的膜。
[0120]一般來(lái)說(shuō)，XRC測(cè)量應(yīng)在檢測(cè)器處于開(kāi)放檢測(cè)器狀態(tài)的情況下進(jìn)行。然而，在樣品具有如在該實(shí)施例中的小的膜厚的情況下，其厚度效應(yīng)和晶格弛豫加寬了 XRC輪廓的FWHM，由此使得難以進(jìn)行精確的鑲嵌分布評(píng)價(jià)。出于該原因，目前，如上所述將分析儀晶體插入檢測(cè)器中認(rèn)為是廣義上的XRC測(cè)量。在下文中，除非另有說(shuō)明，XRC測(cè)量通過(guò)使用開(kāi)放檢測(cè)器狀態(tài)來(lái)進(jìn)行。
[0121]接著，將根據(jù)該實(shí)施例的AlN膜進(jìn)行面內(nèi)配置的φ掃描模式的XRC測(cè)量。注意將Α1Ν{10-10}面用于測(cè)量。在所得XRC輪廓中，以60°間隔出現(xiàn)六個(gè)衍射峰。因而，觀察到AlN膜具有六角對(duì)稱，換言之，AlN膜是外延生長(zhǎng)的。此外，從最大強(qiáng)度的衍射峰求得FWHM為2.0°以下。因而，發(fā)現(xiàn)所制造的AlN膜的扭曲鑲嵌分布相對(duì)小。注意從C1-AI2O3(OOOI)基板和AlN膜之間的面內(nèi)結(jié)晶取向的比較中，觀察到AlN膜的a軸相對(duì)于a -Al2O3 (0001)基板的a軸沿面內(nèi)方向扭轉(zhuǎn)30°。這表明AlN膜以AlN膜外延生長(zhǎng)在α-Α1203(0001)基板上時(shí)所觀察到的常見(jiàn)外延關(guān)系形成。
[0122]圖12為對(duì)根據(jù)該實(shí)施例的AlN膜進(jìn)行的CAICISS測(cè)量的結(jié)果。在該測(cè)量中，在入射角從Α1Ν[11-20]方向變化的情況下檢測(cè)到Al信號(hào)?？梢?jiàn)在70°入射角周圍的峰以單一形式出現(xiàn)。該事實(shí)表明所得AlN膜具有+c極性(Al極性)。
[0123]從上述事實(shí)中，觀察到根據(jù)該實(shí)施例的AlN膜為具有+c極性(Al極性)以及還具有顯著小的傾斜鑲嵌分布的C-軸取向的外延膜。換言之，證實(shí)本發(fā)明能夠提供具有減少的傾斜和扭曲鑲嵌分布以及還具有+c極性的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜。
[0124]此外，在該實(shí)施例中，因?yàn)槿鐖D1中所示用于保持靶材的靶材電極102設(shè)置在沿重力方向的上側(cè)而基板保持器99設(shè)置在沿重力方向的下側(cè)，因而不需要用于保持基板107的用支承構(gòu)件(例如，支撐爪)等覆蓋一部分基板107的成膜表面。因而，基板107的整個(gè)成膜表面可暴露于靶材108。因此，根據(jù)該實(shí)施例，具有減少的傾斜和扭曲鑲嵌分布以及還具有均勻+c極性的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜能夠形成于基板107的整個(gè)成膜表面上。
[0125](第二實(shí)施例)
[0126]接著，作為本發(fā)明的第二實(shí)施例，給出其中通過(guò)使用根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜的形成方法制造作為緩沖層的具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的AlN膜，然后通過(guò)使用MOCVD在緩沖層上形成未摻雜GaN膜的實(shí)例的描述。
[0127]在與第一實(shí)施例相同的條件下在α-Α1203(0001)基板上通過(guò)使用濺射法形成AlN膜。然后，將晶片引入MOCVD設(shè)備中以形成膜厚為5μπι的未摻雜GaN膜。[0128]由此獲得的未摻雜GaN膜的表面為鏡面。在對(duì)稱反射部位的2θ /ω掃描模式的XRD測(cè)量顯示出未摻雜GaN膜沿C-軸方向取向。接著，進(jìn)行使用GaN(0002)面作為對(duì)稱平面的ω掃描模式的XRC測(cè)量和關(guān)于在面內(nèi)配置中GaN{10-10}面的Φ掃描模式的XRC測(cè)量。結(jié)果，觀察到測(cè)量中FWHM分別為250角秒以下和500角秒以下。從這些事實(shí)中，所得未摻雜GaN膜作為具有小的傾斜和扭曲鑲嵌分布的高品質(zhì)晶體而獲得。此外，從CAICISS測(cè)量中，觀察到所得未摻雜GaN膜的極性為+c極性(Ga極性)。可以認(rèn)為這是因?yàn)槿缭诘谝粚?shí)施例中描述的用作緩沖層的AlN膜的極性可以控制為+c極性，因此其上形成的未摻雜GaN膜也傳承該極性。
[0129]從上述事實(shí)中，當(dāng)通過(guò)使用根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜的形成方法制造作為緩沖層的控制為具有+c極性的AlN膜時(shí)，能夠獲得其上通過(guò)使用MOCVD生長(zhǎng)的未摻雜GaN膜作為具有小的鑲嵌分布和控制為具有+c極性的高品質(zhì)外延膜。換言之，+c極性的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜能夠外延生長(zhǎng)在a -Al2O3基板上。
[0130]注意，雖然在該實(shí)施例中通過(guò)MOCVD形成未摻雜GaN膜，但通過(guò)使用濺射法替代也能夠獲得類似的結(jié)果。
[0131](第三實(shí)施例)
[0132]作為本發(fā)明的第三實(shí)施例，給出以下實(shí)例的描述:其中通過(guò)使用根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜的形成方法制造作為緩沖層的具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的AlN膜；然后，由未摻雜GaN制成的第III族氮化物半導(dǎo)體中間層、由Si摻雜的GaN制成的η-型第III族氮化物半導(dǎo)體層、具有InGaN和GaN的MQW結(jié)構(gòu)的第III族氮化物半導(dǎo)體活性層和由Mg-摻雜的GaN制成的ρ-型第III族氮化物半導(dǎo)體層通過(guò)使用MOCVD順序地外延生長(zhǎng)在緩沖層上；進(jìn)一步地，形成η-型電極層、透光性電極、ρ-型電極層和保護(hù)膜；其后，晶片通過(guò)劃線(scribing)分割以制造LED元件。
[0133]在與第一實(shí)施例相同的條件下通過(guò)在α-Α1203(0001)基板上使用濺射而形成AlN膜。然后，將晶片引入MOCVD設(shè)備中以形成:膜厚為5μπι的由未摻雜GaN制成的第III族氮化物半導(dǎo)體中間層；和膜厚為2 μ m的由S1-摻雜的GaN制成的η-型第III族氮化物半導(dǎo)體層。此外，在MOCVD設(shè)備中，形成為具有以GaN開(kāi)始并以GaN結(jié)束的層狀結(jié)構(gòu)和其中各自膜厚為3nm的五層InGaN層和各自膜厚為16nm的六層GaN層交替堆疊的MQW結(jié)構(gòu)的第III族氮化物半導(dǎo)體活性層；和形成膜厚為200nm的由Mg-摻雜的GaN制成的ρ-型第III族氮化物半導(dǎo)體層。
[0134]將光刻技術(shù)和RIE技術(shù)應(yīng)用于由此獲得的外延晶片從而形成如圖9中所示的透光性電極810、P-型結(jié)合片電極808、η-型電極807和保護(hù)膜809。注意在該實(shí)施例中，ITO(銦-錫氧化物)用作透光性電極；其中鈦(Ti)、Al和金(Au)堆疊的結(jié)構(gòu)用作P-型結(jié)合片電極；其中鎳(Ni)、Al、Ti和Au堆疊的結(jié)構(gòu)用作η-型電極；和SiO2用作保護(hù)膜。
[0135]其中如上所述形成所得LED結(jié)構(gòu)的晶片通過(guò)劃線分割為尺寸為350 μ m2的LED芯片。然后，將各LED芯片安裝在引線框上并用金屬導(dǎo)線接線至引線框。結(jié)果，形成LED元件。
[0136]使正向電流在由此獲得的LED元件的ρ-型結(jié)合片電極和η-型電極之間流動(dòng)。結(jié)果，LED元件展示良好的發(fā)光特性，即，當(dāng)電流為20mA時(shí)，正向電壓3.0V，發(fā)光波長(zhǎng)470nm和發(fā)光輸出15mW。由所制造的晶片幾乎整個(gè)表面制造的LED元件中沒(méi)有變化地發(fā)現(xiàn)此類特征。[0137]從以上事實(shí)中，具有良好發(fā)光特性的LED元件能夠通過(guò)借助使用根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜的形成方法制造控制為具有+C極性的AlN膜作為緩沖層而獲得。在該實(shí)施例中，由未摻雜GaN制成的第III族氮化物半導(dǎo)體中間層、由S1-摻雜的GaN制成的η-型第III族氮化物半導(dǎo)體層、具有InGaN和GaN的MQW結(jié)構(gòu)的第III族氮化物半導(dǎo)體活性層和由Mg-摻雜的GaN制成的ρ-型第III族氮化物半導(dǎo)體層通過(guò)MOCVD來(lái)形成。然而，注意，通過(guò)使用濺射法代替制造這些層也能夠獲得類似的結(jié)果。
[0138](第一比較例)
[0139]作為本發(fā)明的第一比較例，給出其中通過(guò)在與加熱器接觸安裝的α-Α1203(0001)基板上使用濺射，即在不使用為本發(fā)明特征的基板保持裝置的情況下形成AlN膜的實(shí)例的描述。注意對(duì)于在該比較例中的AlN膜，除了基板安裝方式不同(在基板和加熱器之間具有間隙的情況下設(shè)置C1-AI2O3(OOOI)基板)以外，使用與第一實(shí)施例中那些相同的濺射設(shè)備、加熱器和加熱器電極。此外，關(guān)于AlN膜的成膜條件，也使用與第一實(shí)施例中那些相同的條件。
[0140]將根據(jù)該比較例的AlN膜進(jìn)行在對(duì)稱反射部位的2 θ / ω掃描模式的XRD測(cè)量、關(guān)于Α1Ν(0002)面的ω掃描模式的XRC測(cè)量(在其中分析儀晶體插入檢測(cè)器的狀態(tài)下和在開(kāi)放檢測(cè)器的狀態(tài)下)和關(guān)于Α1Ν{10-10}面的φ掃描模式的XRC測(cè)量。像根據(jù)第一實(shí)施
例的AlN膜一樣，獲得沿C-軸取向的外延膜，并且傾斜和扭曲鑲嵌分布幾乎相同。
[0141]另一方面，對(duì)根據(jù)該比較例的AlN膜進(jìn)行的CAICISS測(cè)量顯示出AlN膜為其中+c極性(Al極性)和-C極性(N極性)以混合狀態(tài)存在的膜。
[0142]上述事實(shí)表明當(dāng)a -Al2O3(OOOl)基板與加熱器接觸安裝時(shí)不能獲得+c_極性的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜。
[0143](第二比較例)
[0144]接著，作為本發(fā)明的第二比較例，給出其中由通過(guò)在與加熱器上側(cè)接觸安裝的a -Al2O3 (0001)基板上使用濺射而形成AlN制成的緩沖層,然后通過(guò)使用MOCVD在其上形成未摻雜GaN膜的實(shí)例的描述。注意在該比較例中，由AlN制成的緩沖層通過(guò)使用與第一比較例中那些相同的濺射設(shè)備、加熱器、加熱器電極和成膜條件來(lái)形成。未摻雜GaN膜在與第二實(shí)施例中那些類似的條件下形成。
[0145]由AlN制成的緩沖層在使用與第一比較例中那些相同的濺射設(shè)備、加熱器、加熱器電極和成膜條件的情況下通過(guò)使用濺射法形成于C1-AI2O3(OOOI)基板上。然后，將晶片引入MOCVD設(shè)備以形成膜厚為5 μ m的未摻雜GaN膜。
[0146]由此獲得的未摻雜GaN膜的表面看起來(lái)白濁(cloudy)，并且在對(duì)稱反射部位的2θ/ω掃描模式的XRD測(cè)量顯示出未摻雜GaN膜沿c-軸方向取向。接著，進(jìn)行關(guān)于為對(duì)稱平面的GaN(0002)面的ω掃描模式的XRC測(cè)量和關(guān)于沿平面排列的GaN{10_10}面的Φ掃描模式的XRC測(cè)量。結(jié)果，觀察到測(cè)量中FWHM分別為約360角秒和約1000角秒。從這些事實(shí)中，發(fā)現(xiàn)與第二實(shí)施例中獲得的未摻雜GaN膜相比，在該比較例中獲得的未摻雜GaN膜為具有更大的傾斜和扭曲鑲嵌分布的低品質(zhì)晶體。
[0147]此外，根據(jù)CAICISS測(cè)量，未摻雜GaN膜的極性為+c極性(Ga極性)和_c極性(N極性)在膜中以混合狀態(tài)存在的極性。如在第一比較例中已經(jīng)描述的，可以認(rèn)為這是因?yàn)橛葾lN制成的緩沖層為其中+c極性和-C極性以混合狀態(tài)存在的膜，因此其上形成的未摻雜GaN膜也傳承了混合極性。
[0148]從以上事實(shí)中，當(dāng)由AlN制成的緩沖層通過(guò)其中a-Al2O3(OOOl)基板與加熱器接觸安裝的濺射形成時(shí)，其上通過(guò)使用MOCVD生長(zhǎng)的未摻雜GaN膜作為低品質(zhì)外延膜獲得。注意，在該比較例中通過(guò)MOCVD形成未摻雜GaN膜，通過(guò)使用濺射法代替也能夠獲得類似結(jié)
果O
[0149](第三比較例)
[0150]作為本發(fā)明的第三比較例，給出以下實(shí)例的描述:其中由AlN制成的緩沖層通過(guò)其中a -Al2O3(OOOl)基板與加熱器接觸安裝的濺射來(lái)形成；然后，由未摻雜GaN制成的第III族氮化物半導(dǎo)體中間層、由Si摻雜的GaN制成的η-型第III族氮化物半導(dǎo)體層、具有InGaN和GaN的MQW結(jié)構(gòu)的第III族氮化物半導(dǎo)體活性層和由Mg-摻雜的GaN制成的P-型第III族氮化物半導(dǎo)體層通過(guò)使用MOCVD順序地外延生長(zhǎng)在緩沖層上；進(jìn)一步地，形成η-型電極層、透光性電極、P-型電極層和保護(hù)膜；其后，晶片通過(guò)劃線分割以制造LED元件。注意由AlN制成的緩沖層的形成方法類似于第一比較例中的形成方法。通過(guò)使用MOCVD形成的由未摻雜GaN制成的第III族氮化物半導(dǎo)體中間層、由Si摻雜的GaN制成的η-型第III族氮化物半導(dǎo)體層、具有InGaN和GaN的MQW結(jié)構(gòu)的第III族氮化物半導(dǎo)體活性層和由Mg-摻雜的GaN制成的ρ-型第III族氮化物半導(dǎo)體層全部類似于第三實(shí)施例中的那些。此外，其后形成的那些，即η-型電極層、透光性電極、ρ-型電極層和保護(hù)膜，各自的材料和成膜方法，以及形成元件的以下步驟全部類似于第三實(shí)施例中的那些。
[0151]使正向電流在由此獲得的LED元件的ρ-型結(jié)合片電極和η-型電極之間流動(dòng)。結(jié)果，從LED元件中未獲得良好的二極管特性。此外，所得元件特性差，以致例如，在可見(jiàn)區(qū)域中不能獲得充分的發(fā)光強(qiáng)度。在由幾乎所制造的晶片的全部表面制造的LED元件中發(fā)現(xiàn)類似特性。
[0152]上述事實(shí)表明當(dāng)由AlN制成的緩沖層通過(guò)其中a -Al2O3 (0001)基板與加熱器接觸安裝的濺射來(lái)形成時(shí)，不能獲得具有良好發(fā)光特性的LED元件。在該實(shí)施例中，通過(guò)MOCVD形成由未摻雜GaN制成的第III族氮化物半導(dǎo)體中間層、由Si摻雜的GaN制成的η-型第III族氮化物半導(dǎo)體層、具有InGaN和GaN的MQW結(jié)構(gòu)的第III族氮化物半導(dǎo)體活性層和由Mg-摻雜的GaN制成的ρ-型第III族氮化物半導(dǎo)體層。然而，注意，通過(guò)使用濺射法代替也能夠獲得類似結(jié)果。
[0153]如上所述，本發(fā)明的主要特征在于關(guān)注基板應(yīng)如何安裝以便在a -Al2O3基板上形成+c極性的第III族氮化物半導(dǎo)體外延膜。為獲得該具有均勻+c極性的外延膜，添加對(duì)基板保持器的改進(jìn)，具體地，將通過(guò)基板保持器保持的基板部位和基板保持器中包括的加熱器部位之間的關(guān)系設(shè)定為特定關(guān)系。這是在常規(guī)技術(shù)中未發(fā)現(xiàn)的技術(shù)思想。
[0154]本發(fā)明中，根據(jù)上述本發(fā)明獨(dú)特的技術(shù)思想，基板保持器設(shè)置有基板保持裝置(基板支承部)用于設(shè)置基板距加熱器的基板對(duì)向面規(guī)定距離，并且在第111族氮化物半導(dǎo)體薄膜的形成期間設(shè)定基板距加熱器的基板對(duì)向面。如在上述第一至第三實(shí)施例和第一至第三比較例中所示的，在以該方式構(gòu)造的基板保持器的情況下，具有減少的傾斜和扭曲鑲嵌分布以及還具有均勻+C極性的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜能夠通過(guò)濺射形成。
[0155]注意，雖然上述實(shí)施方案和實(shí)施例已經(jīng)示出僅將基板引入真空室的情況，但是基板也可以通過(guò)使用托盤(pán)來(lái)引入。根據(jù)本發(fā)明的思想，當(dāng)具有安裝于其上的基板的托盤(pán)設(shè)置在基板保持裝置上時(shí)，基板和具有安裝于其上的基板的托盤(pán)應(yīng)距加熱器規(guī)定距離來(lái)設(shè)置?？蛇x擇地，基板可以通過(guò)使用基板保持裝置503或603或基板支承部704作為托盤(pán)來(lái)引入。
[0156]此外，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)此外在使用基板材料例如Si(Ill)基板和形成薄膜材料例如氧化鋅(ZnO)類半導(dǎo)體薄膜的情況下，采用上述技術(shù)理念對(duì)于獲得高品質(zhì)外延膜也是有效的。下文中，將給出以下描述:其中通過(guò)使用根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的膜形成方法將具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的第III族氮化物半導(dǎo)體形成在Si(Ill)基板上的實(shí)施例(第四實(shí)施例)；其中未使用根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的膜形成方法而將第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜形成在Si (111)基板上的實(shí)施例(第四比較例)；其中通過(guò)使用根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的膜形成方法將具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO類半導(dǎo)體薄膜形成在C1-AI2O3(OOOI)基板上的實(shí)施例(第五實(shí)施例)；和其中未使用根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的膜形成方法而將ZnO類半導(dǎo)體薄膜形成在α-Α1203(0001)基板上的實(shí)施例(第五比較例)。
[0157](第四實(shí)施例)
[0158]在該實(shí)施例中，除了使用從其表面通過(guò)氫氟酸工序去除自然氧化膜的Si(Ill)基板之外，具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的AlN膜通過(guò)使用與第一實(shí)施例中的那些類似的方法和條件形成。注意，基于在其中埋入熱電偶的Si(Ill)基板上預(yù)先進(jìn)行的基板溫度測(cè)量結(jié)果來(lái)設(shè)定在該實(shí)施例中的成膜溫度(550°C )。
[0159]由CAICISS測(cè)量和XRD測(cè)量的結(jié)果確認(rèn)在該實(shí)施例中在Si (111)基板上形成的AlN膜作為+c極性的外延膜而形成。此外，當(dāng)通過(guò)使用MOCVD在所得AlN膜上形成膜厚為2 μ m的未摻雜的GaN膜時(shí)，由此獲得的未摻雜的GaN膜的表面看起來(lái)像鏡面，未摻雜的GaN膜作為沿c軸方向取向的單晶膜而獲得。
[0160]此外，LED元件和HEMT元件通過(guò)利用由此獲得的未摻雜的GaN膜來(lái)制作。結(jié)果，可以獲得被認(rèn)為對(duì)于Si (111)基板上的LED元件和HEMT元件相對(duì)良好的元件特性。
[0161](第四比較例)
[0162]在該比較例中，除了將基板與加熱器接觸安裝之外，AlN膜通過(guò)使用與第四實(shí)施例中的那些類似的方法和條件形成在Si (111)基板上。結(jié)果，由此獲得的AlN膜為其中+c極性和-C極性以混合狀態(tài)存在的外延膜。此外，當(dāng)通過(guò)使用MOCVD將膜厚為2 μ m的未摻雜的GaN膜形成在所得AlN膜上時(shí)，由此獲得的未摻雜的GaN膜的表面看起來(lái)是白濁的。
[0163]此外，當(dāng)LED元件和HEMT元件通過(guò)利用由此獲得的未摻雜的GaN膜來(lái)制作時(shí)，所述元件均未能獲得良好的元件特性。
[0164]如上所述，發(fā)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的膜形成方法，即，其中以基板遠(yuǎn)離加熱器安裝的狀態(tài)形成第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜的方法，在將具有+C極性此外還具有優(yōu)良的結(jié)晶度的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜形成在Si(Ill)基板上的情況下也是顯著有效的手段。
[0165](第五實(shí)施例)
[0166]在該實(shí)施例中，除了靶材、處理氣體、成膜溫度和膜厚度不同之外，通過(guò)使用與第一實(shí)施例中的那些類似的方法和條件將具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO膜形成在a -Al2O3(OOOl)基板上。祀材為金屬Zn,處理氣體為O2和Ar的混合氣體(O2/ (O2+Ar):25% ),成膜溫度為800°C，和膜厚為IOOnm.[0167]根據(jù)該實(shí)施例的ZnO膜具有類似于第III族氮化物半導(dǎo)體的那些結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)(纖鋅礦結(jié)構(gòu))，并作為與第III族氮化物半導(dǎo)體類似的沿C軸方向取向的外延膜形成，以及極性為+c極性(Zn極性)。此外，通過(guò)使用MBE將由η型ZnO膜和ρ型ZnO膜的堆疊膜形成的外延晶片(LED結(jié)構(gòu))形成在由此獲得的η型ZnO膜上。然后，通過(guò)使用光刻法技術(shù)和RIE技術(shù)等制作LED元件。
[0168]結(jié)果，可以獲得認(rèn)為對(duì)于使用ZnO膜的LED元件良好的元件特性。
[0169]此外，當(dāng)通過(guò)使用MOCVD將膜厚為2 μ m的未摻雜的GaN膜形成在根據(jù)該實(shí)施例的ZnO膜上時(shí)，由此獲得的未摻雜的GaN膜的表面看起來(lái)像鏡面，未摻雜的GaN膜作為沿c軸方向取向的單晶膜而獲得。因此，在使用第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜制造LED元件等時(shí)，根據(jù)該實(shí)施例的ZnO膜可以用作緩沖層。
[0170]此外，代替金屬Zn的靶體，可以使用由Mg-Zn合金制成的靶體以基于根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的膜形成方法來(lái)形成具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的Mg-摻雜的ZnO膜(下文中，MgZnO膜)。以該方式，也可以獲得像ZnO膜一樣的具有+c極性此外還具有優(yōu)良結(jié)晶度的MgZnO膜。MgZnO膜能夠根據(jù)Mn的摻雜量控制帶隙能量。因此，通過(guò)使用MgZnO膜作為發(fā)光層，可以實(shí)現(xiàn)具有不同于僅使用ZnO膜的情況的發(fā)光波長(zhǎng)的LED元件。
[0171](第五比較例)
[0172]在該比較例中，除了將基板與加熱器接觸安裝之外，通過(guò)使用與第五實(shí)施例中的那些類似的方法和條件將ZnO膜形成在α-Α1203(0001)基板上。根據(jù)該比較例的ZnO膜作為與第五實(shí)施例中一樣的沿c軸方向取向的外延膜而獲得，但極性為+c極性和-C極性(O極性)以混合狀態(tài)存在的極性。此外，以與第五實(shí)施例類似的方式通過(guò)利用由此獲得的ZnO膜來(lái)制作LED，但不能獲得良好的元件特性。
[0173]此外，當(dāng)通過(guò)使用MOCVD將膜厚為2 μ m的未摻雜的GaN膜形成在根據(jù)該比較例的ZnO膜上，由此獲得的未摻雜的GaN膜的表面看起來(lái)是白濁的。因此，不能獲得具有優(yōu)良結(jié)晶度的GaN膜。此外，當(dāng)MgZnO膜通過(guò)使用由Mg-Zn合金制成的靶體形成時(shí)，在由此獲得的MgZnO膜中+c極性和-C極性以混合狀態(tài)存在。
[0174]如上所述，在要形成的薄膜材料為ZnO類半導(dǎo)體薄膜例如ZnO膜或MgZnO膜的情況中，根據(jù)本發(fā)明的膜形成方法也是高度有效的。因此，根據(jù)本發(fā)明的膜形成方法是用于獲得具有+c極性此外還具有優(yōu)良的結(jié)晶度的ZnO類半導(dǎo)體薄膜的顯著有效的手段。
[0175]注意，即使通過(guò)使用Si(Ill)基板進(jìn)行類似于第五實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)，也能在Si (111)基板上獲得+c極性ZnO類半導(dǎo)體薄膜。此外，即使通過(guò)使用Si(Ill)基板進(jìn)行類似于第五比較例的實(shí)驗(yàn)，獲得的ZnO類半導(dǎo)體薄膜的極性仍為+c極性和-C極性以混合狀態(tài)存在的極性。
[0176]注意，可用于根據(jù)本發(fā)明的膜形成方法的基板不限于C1-AI2O3(OOOI)基板和Si(Ill)基板。
[0177]例如，雖然a -Al2O3(OOOl)基板和Si(Ill)基板與第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜和ZnO類半導(dǎo)體薄膜具有外延關(guān)系，但在它們的基板表面不具有使其可以控制第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜和ZnO類半導(dǎo)體薄膜的極性的晶體信息。在本說(shuō)明書(shū)中，這些基板將作為具有非極性表面的基板描述。
[0178]出于該原因，在不使用能夠控制具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜或ZnO類半導(dǎo)體薄膜的極性的像根據(jù)本發(fā)明的膜形成方法一樣的膜形成方法的情況下，難以在具有非極性表面的基板上獲得+C極性第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜或ZnO類半導(dǎo)體薄膜。然而，通過(guò)使用根據(jù)本發(fā)明的膜形成方法，具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)和+c極性的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜或ZnO類半導(dǎo)體薄膜即使在具有非極性表面的基板上也可以形成。
[0179]上述具有非極性表面的基板的實(shí)例包括鍺(Ge) (111)基板、表面形成具有(111)取向的SiGe外延膜的Si (111)基板、和其上形成具有(111)取向的摻雜有碳(C)的Si (111)外延膜的Si(Ill)基板等。
[0180]同時(shí)，具有稱作Si面的基板表面的4H_SiC (0001)基板和6H_SiC (0001)基板和具有稱作Ga面的基板表面的GaN(OOOl)基板等已通用于獲得+c極性第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜和Zn0類半導(dǎo)體薄膜。這些具有上述面的基板與在基板上形成的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜和ZnO類半導(dǎo)體薄膜具有外延關(guān)系，以及在它們的基板表面具有使其控制第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜和ZnO類半導(dǎo)體薄膜的極性為+c極性的晶體信息。因此，這些基板具有在不使用用于控制第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜或ZnO類半導(dǎo)體薄膜的極性的特定膜形成技術(shù)的情況下，可容易地獲得+c極性第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜或ZnO類半導(dǎo)體薄膜這樣的特征。注意，與第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜和ZnO類半導(dǎo)體薄膜具有外延關(guān)系此外還具有使其可以控制第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜和ZnO類半導(dǎo)體薄膜的的極性為+c極性的晶體信息的基板將作為具有極性表面的基板而描述。
[0181]在這些具有極性表面的基板上，在不使用根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的膜形成方法的情況下，可以獲得+c極性的存在比例大且具有相對(duì)高的品質(zhì)的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜和Zn0類半導(dǎo)體薄膜。然而，在使用此類基板的情況下，使用根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的膜形成方法也使其可以獲得具有更高品質(zhì)纖鋅礦結(jié)構(gòu)的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜或者ZnO類半導(dǎo)體薄膜。
[0182]在使用上述具有極性表面的基板的情況下，第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜或ZnO類半導(dǎo)體薄膜等可以作為具有基本上單一的+c極性的外延膜而容易地獲得。然而，小的-C極性的區(qū)域(下文中稱作反轉(zhuǎn)疇區(qū)域)有時(shí)在一些部分特別是在生長(zhǎng)的初期等形成。通過(guò)反轉(zhuǎn)疇區(qū)域，例如反相疇界(inversion domain boundaries)等的缺陷可能形成并散布至薄膜的表面。換言之，使用根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的膜形成方法進(jìn)一步降低此類反轉(zhuǎn)疇的形成的概率并進(jìn)一步抑制例如反相疇界等的缺陷的形成。因此，認(rèn)為即使在使用具有極性表面的基板的情況下也可獲得本發(fā)明的有利效果。
[0183]作為關(guān)于與第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜和ZnO類半導(dǎo)體薄膜具有外延關(guān)系此外還具有非極性表面或極性表面的上述基板的統(tǒng)稱，將使用術(shù)語(yǔ)"外延生長(zhǎng)用基板〃。
[0184]本發(fā)明的主要特征在于其側(cè)重于當(dāng)在外延生長(zhǎng)用基板上形成具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的第III族氮化物半導(dǎo)體薄膜或ZnO類半導(dǎo)體薄膜時(shí)，基板應(yīng)如何安裝。為了獲得具有均一+c極性的外延膜，對(duì)基板保持器增加改進(jìn)，特別地將通過(guò)基板保持器保持的基板的位置和在基板保持器中包括的加熱器的位置之間的關(guān)系設(shè)定為特定關(guān)系(根據(jù)其通過(guò)基板保持器保持基板同時(shí)與加熱器隔開(kāi)指定距離)。這是現(xiàn)有技術(shù)中未發(fā)現(xiàn)的技術(shù)理念。
【權(quán)利要求】
1.一種膜形成方法，所述方法在借助使用加熱器加熱至所需溫度的外延生長(zhǎng)用基板上，通過(guò)濺射法而生長(zhǎng)纖鋅礦結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體薄膜，所述方法包括以下步驟: 保持所述外延膜生長(zhǎng)用基板距所述加熱器的基板對(duì)向面規(guī)定距離；和在保持距所述基板對(duì)向面規(guī)定距離的狀態(tài)下，將所述纖鋅礦結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體薄膜形成于所述外延生長(zhǎng)用基板上。
2.一種膜形成方法，所述方法借助使用真空處理設(shè)備在外延生長(zhǎng)用基板上通過(guò)濺射法而形成纖鋅礦結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體薄膜的外延膜，所述真空處理設(shè)備包括:能夠抽真空的真空室；用于支承所述外延生長(zhǎng)用基板的基板保持部件；和能夠?qū)⑼ㄟ^(guò)所述基板保持部件保持的所述外延生長(zhǎng)用基板加熱至所需溫度的加熱器，其中 在將通過(guò)所述基板保持部件來(lái)保持的所述外延生長(zhǎng)用基板保持距所述加熱器的基板對(duì)向面規(guī)定距離的狀態(tài)下，將所述纖鋅礦結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體薄膜的外延膜形成于所述外延生長(zhǎng)用基板上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的膜形成方法，其包括: 基板輸送步驟:輸送所述外延生長(zhǎng)用基板并使所述基板保持部件以所述外延生長(zhǎng)用基板保持距所述加熱器的基板對(duì)向面規(guī)定距離的方式來(lái)保持所述外延生長(zhǎng)用基板； 基板加熱步驟:將在所述基板輸送步驟中通過(guò)所述基板保持部件保持的所述外延生長(zhǎng)用基板借助于所述加熱器加熱至所需溫度；和 成膜步驟:將所述纖鋅礦結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體薄膜的外延膜形成于在所述基板加熱步驟中加熱的外延生長(zhǎng)用基板上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的膜形成方法，其中在所述基板保持部件與所述外延生長(zhǎng)用基板沿重力方向的下側(cè)表面相接觸的狀態(tài)下，所述基板保持部件保持所述外延生長(zhǎng)用基板。
5.一種真空處理設(shè)備，其包括 能夠抽真空的真空室； 用于支承外延生長(zhǎng)用基板的基板保持部件； 能夠?qū)⑼ㄟ^(guò)所述基板保持部件保持的所述外延膜生長(zhǎng)用基板加熱至所需溫度的加熱器；和 設(shè)置在所述真空室內(nèi)并且可連接至靶材的靶材電極，其中將所述基板保持部件沿所述靶材電極的重力方向設(shè)置在所述真空室內(nèi)，和所述基板保持部件保持所述外延膜生長(zhǎng)用基板距所述加熱器的基板對(duì)向面規(guī)定距離，從而進(jìn)行根據(jù)權(quán)利要求1所述的保持所述外延膜生長(zhǎng)用基板距所述加熱器的基板對(duì)向面規(guī)定距離的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的真空處理設(shè)備，其中 所述基板保持部件包括基板支承部和安裝部，在成膜期間將所述基板支承部構(gòu)造為沿重力方向從下方支承所述外延膜生長(zhǎng)用基板的外緣部分，所述安裝部與所述基板支承部一體化形成并與所述加熱器相接觸地配置，和 在所述安裝部與所述加熱器相接觸地配置的狀態(tài)下，配置所述基板支承部距所述加熱器的基板對(duì)向面第二規(guī)定距離。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的真空處理設(shè)備，其中所述基板支承部是環(huán)形絕緣構(gòu)件，構(gòu)造所述環(huán)形絕緣構(gòu)件以支承所述外延膜生長(zhǎng)用基板的外緣部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的真空處理設(shè)備，其進(jìn)一步包括用于支承所述環(huán)形絕緣構(gòu)件的外周部分的環(huán)形導(dǎo)電構(gòu)件，其中 將射頻電力施加至所述環(huán)形導(dǎo)電構(gòu)件。
9.一種半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法，其包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜形成方法。
10.一種半導(dǎo)體發(fā)光元件，其包括通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜形成方法制造的纖鋅礦結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體薄膜的外延膜。
11.一種照明裝置，其包括根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件。
12.—種半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法，其包括根據(jù)權(quán)利要求2所述的膜形成方法。
13.一種半導(dǎo)體發(fā)光元件，其包括通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求2所述的膜形成方法制造的纖鋅礦結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體薄膜的外延膜。
14.一種照明裝置，其包括根據(jù)權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件。
【文檔編號(hào)】H01L33/28GK103918060SQ201280053158
【公開(kāi)日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2012年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月28日
【發(fā)明者】醍醐佳明 申請(qǐng)人:佳能安內(nèi)華股份有限公司