专利名称：Ⅲ族元素氮化物结晶半导体器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及III族元素氮化物结晶半导体器件(也称为III族元素氮化物晶体半导体器件)。
背景技术：
氮化镓(GaN)等III族元素氮化物化合物半导体(下面也有称之为III族元素氮化物半导体或GaN系半导体的场合)，作为发出蓝色光和紫外光的半导体元件的材料而引人注目。蓝色激光二极管(LD)应用于高密度光盘和显示器方面，而蓝色发光二极管(LED)应用于显示器和照明等方面。另外，紫外线LD在生物技术等方面的应用被寄予期望，紫外线LED作为荧光灯的紫外线源也被寄予期待。
LD和LED用III族元素氮化物半导体(例如GaN)的衬底，通常在蓝宝石衬底上，通过采用气相外延生长法使III族元素氮化物结晶异质外延生长而形成。用该方法得到的结晶的位错密度通常为108cm-2～109cm-2，位错密度的减少成了重要的课题。此外，为解决该课题，进行了降低位错密度的各种研究，例如开发了ELOG(Epitaxial lateralovergrowth)法。根据该方法，可将位错密度降至105cm-2～106cm-2左右，但制造工序复杂。
另一方面，研究了并非气相外延生长，而是在液相中进行结晶生长的方法。但是，在GaN和AlN等III族元素氮化物单晶的熔点下，氮的平衡蒸气压达10000atm(10000×1.013×105Pa)或以上，所以，以前为了在液相中生长GaN，需要在1200℃、8000atm(8000×1.013×105Pa)的条件下进行。与此相反，近年来，由于采用Na助熔剂，明确了可在750℃、50atm(50×1.013×105Pa)这样的比较低温低压下合成GaN。
最近，在含氨的氮气氛中，使Ga和Na的混合物在800℃、50atm(50×1.013×105Pa)下熔融，利用该熔融液在96小时的培养时间内，得到了最大尺寸为1.2mm左右的单晶(例如，参照特开2002-293696号公报)。
并且，也报告了在蓝宝石衬底上通过金属有机气相沉积(MOCVDMetalorganic Chemical Vapor Deposition)法成膜GaN结晶层后，再通过液相生长(LPELiquid Phase Epitaxy)法生长单晶的方法。
在使用碱金属及碱土类金属之中的至少一种作为助熔剂的氮化物结晶的液相生长方法中，杂质的混入是个问题。因为混入杂质时，会出现载流子密度等发生变化的情况。此外，作为助熔剂的碱金属和碱土类金属在半导体工艺中，是特别忌讳混入的一类元素。
发明内容
本发明的目的是提供一种在使用衬底制造的半导体器件中防止杂质扩散的技术，所述衬底是以碱金属及碱土类金属之中的至少一种为助熔剂，并在其中使III族元素氮化物的结晶生长。
为达成所述目的，本发明的III族元素氮化物结晶半导体器件，其是在III族元素氮化物结晶衬底上层叠有III族元素氮化物结晶层，其特征在于所述衬底是在含有碱金属及碱土类金属之中的至少一种的熔融液(助熔剂)中，通过使含有氮的气体中的氮和III族元素反应并结晶化而制成；在所述衬底上形成有薄膜层；在所述衬底中含有的杂质在所述薄膜层中的扩散系数比该杂质在所述衬底中的扩散系数更小。
本发明的半导体器件，由于在III族元素氮化物结晶衬底上形成薄膜层，在所述衬底中含有的杂质在所述薄膜层中的扩散系数比该杂质在所述衬底中的扩散系数更小，因而可防止所述衬底中含有的杂质扩散到III族元素氮化物结晶层中。
图1(a)～(c)为本发明的半导体器件的结构的一个示例的剖面图。
图2(a)～(d)为本发明的半导体器件的制造方法的一个示例的工序图。
图3(a)～(e)为本发明的半导体器件的制造方法的其它示例的工序图。
图4为本发明的半导体器件的制造方法中使用的制造装置的一个例子的结构图。
图5为表示本发明的半导体器件的其它例子的结构的剖面图。
图6为表示本发明的半导体器件的又一个其它例子的结构的剖面图。
图7为表示本发明的半导体器件的另一个其它例子的结构的剖面图。
图8(a)～(c)为本发明的半导体器件的制造方法的又一个其它示例的工序图。
具体实施例方式
在含有碱金属及碱土类金属之中的至少一种的助熔剂中使III族元素氮化物结晶生长而得到的结晶的一部分、例如存在贯通位错(如螺旋位错和刃型位错等)和晶格缺陷等情况下，在那里恐怕有碱金属及碱土类金属等混入的危险。本发明的特征是可以防止这样混入的碱金属及碱土类金属等的扩散。另外，在结晶中的贯通位错和晶格缺陷区域，恐怕有碱金属及碱土类金属尤其是Na和Li混入的危险，它们的扩散是由本发明者等首次发现的。该混入例如可由SIMS(Secondary ion massspectroscopy)得到确认。另外，观察将电子束照射在衬底上所产生的阴极发光将由此得到的暗点部分作为位错部分。
在本发明中，III族元素氮化物结晶衬底，可以是在含有碱金属及碱土类金属之中的至少一种的熔融液(助熔剂)中，使含有氮的气体中的氮和III族元素反应并结晶化而制造。例如，在将所述熔融液中生长为大型块状的III族元素氮化物结晶进行切片加工后，也可以作为所述衬底使用。
作为所述碱金属，可以举出Na、Li、K、Rb、Cs和Fr，作为所述碱土类金属，可以举出Ca、Mg、Sr、Be和Ba。它们既可以单独使用，也可以2种或以上并用。在它们之中优选使用Na、Li、Ca、Mg，特别优选并用Na和Li或将Na和Li单独使用。所述衬底例如在GaN衬底的情况下，优选并用Na和Li，在AlN衬底的情况下，优选Li、Na和Sn之中的一种和Ca并用。另外，所述熔融液作为助熔剂成分，加上碱金属和碱土类金属，也可以含有其它金属。作为所述金属，例如可举出Sn等。
作为所述III族元素，可以举出Ga、Al、In，优选Ga和Al，优选所述衬底的组成式为AluGavIn1-u-vN(其中0≤u≤1、0≤v≤1、u+v≤1)。此外，优选所述III族元素为Ga、所述衬底为GaN或优选所述III族元素为Al、所述衬底为AlN。
此外，所述衬底也可以是在预先准备的支持衬底上使III族元素氮化物结晶生长而成的。在此情况下，在所述支持衬底上形成籽晶层，所述籽晶层优选由与所述III族元素氮化物结晶衬底具有相同组成的结晶形成的。所述支持衬底，优选表面为(111)面的GaAs衬底、表面为(111)面的Si衬底、表面为(0001)面的蓝宝石衬底和表面为(0001)面的SiC衬底中的任意一种衬底。
在本发明中，作为所述衬底中含有的杂质，例如是来源于助熔剂成分的碱金属和碱土类金属、用于结晶制造的坩埚、反应容器及其它构件等的构成材料成分等物质。作为所述碱金属，可以举出Na、Li、K、Rb、Cs和Fr，作为所述碱土类金属可以举出Ca、Mg、Sr、Be和Ba。其中特别是Na、Li、Ca、Mg等，由于它们混入在所述衬底中，恐怕将给予例如III族元素氮化物结晶层的载流子密度以较大的影响。
在本发明中，在所述衬底中含有的杂质在所述薄膜层中的扩散系数比该杂质在所述衬底中的扩散系数更小，例如优选比所述衬底的所述衬底中含有的杂质的扩散系数小1个数量级或以上。另外，在所述薄膜层的所述衬底中含有的杂质的扩散系数，例如优选在1000℃、在1×10-16cm2/sec或以下，进一步优选为1×10-17cm2/sec或以下。所述杂质的扩散系数，可以通过SIMS进行评价。作为通过SIMS的评价方法，例如首先由SIMS分析衬底内含有的杂质，其次，在衬底表面通过离子注入来注入离子，再在设定的温度下实施热处理后，再通过SIMS分析衬底内含有的杂质，以处理前后的SIMS的分析结果为基础做成杂质的分布图，由此可以求出所述杂质的扩散系数。
作为所述薄膜层可以举出氮化硅(SiN)、氮化铝(AlN)、氮化铝镓(AlxGa1-xN(其中0≤x≤1))、碳化硅(SiC)、氮化锗(GeN2)、类金刚石、金刚石等，优选为氮化硅、氮化铝镓、氮化铝，进一步优选氮化铝镓。此外，作为所述衬底在使用由大量结晶形成的III族元素氮化物结晶衬底的情况下，薄膜层优选为氮化铝。
所述衬底例如在GaN衬底的情况下，薄膜层优选为氮化硅(SiN)、氮化铝(AlN)、氮化铝镓(AlxGa1-xN(其中0≤x≤1))以及碳化硅(SiC)之中的至少一种，进一步优选为氮化铝镓、氮化铝，特别优选为氮化铝镓。所述衬底例如在AlN衬底的情况下，薄膜层优选为金刚石。
所述薄膜层的厚度并没有特别的限制，例如为1nm～1000nm，优选为5nm～100nm，进一步优选为10nm～50nm。在所述薄膜层为氮化硅的情况下，优选其厚度为5nm或以下，进一步优选为3nm或以下。如果厚度为5nm或以下，则在所述薄膜层上III族元素氮化物结晶的生长不会受到妨害。
所述薄膜层的形成方法并没有特别的限制，可以根据形成材料做出适当的决定，例如可以举出电子回旋共振(ECR)溅射法、MOCVD法等。例如在形成氮化硅层的情况下，优选由电子回旋共振(ECR)溅射法来形成，在形成氮化铝层的情况下，优选由减压MOCVD法来形成。
对于所述结晶层优选其组成式为AluGavIn1-u-vN(其中0≤u≤1、0≤v≤1、u+v≤1)。所述结晶层优选例如通过MOCVD法等气相沉积法来形成。
下面就本发明的半导体器件的构成，以图1(a)～(c)为例加以说明。另外，在图1(a)～(c)中，在同一个地方标注同一符号。
如图1(a)所示，本发明的半导体器件是在III族元素氮化物结晶衬底13上，形成薄膜层15和III族元素氮化物结晶层18，并优选薄膜层15是在衬底13的整个表面上形成的。
此外，如图1(b)所示，在III族元素氮化物结晶衬底13上，当存在贯通位错14时，薄膜层15可以在与贯通位错14相对应的部分形成。如前所述，在贯通位错14的区域，恐怕存在杂质，所以通过在与之相对应的部分形成薄膜层15，可充分防止衬底13中含有的杂质向III族元素氮化物结晶的结晶层18扩散。
此外，如图1(c)所示，本发明的半导体器件在III族元素氮化物结晶衬底13和薄膜层15之间，也可以进一步形成III族元素氮化物结晶层18。
此外，本发明的半导体器件也可以在所述衬底上形成有所述薄膜层的同时，在所述半导体器件的侧面形成有薄膜层，或者仅在所述半导体器件的侧面形成有薄膜层而未在所述衬底上形成所述薄膜层。另外，所述半导体器件也可以分割成多个芯片，此时，在所述衬底上形成有所述薄膜层的同时，或代替所述薄膜层，优选在所述芯片的侧面形成薄膜层。这样通过在侧面形成薄膜层，也可以防止由于分割等而露出的芯片的侧面的例如碱金属等杂质的扩散。
本发明的半导体器件优选为激光二极管、发光二极管或场效应晶体管。
本发明的半导体器件的制造方法的一个例子，用图2加以说明。而且和图1一样，在同一个地方标注同一符号。
首先，如图2(a)所示，在蓝宝石衬底等支持衬底11上，形成组成式为AluGavIn1-u-vN(其中0≤u≤1、0≤v≤1、u+v≤1)的籽晶层12。籽晶层12成为种晶，优选例如用GaN或AluGa1-uN(其中0≤u≤1)等的结晶。籽晶层12，例如可通过MOCVD法、MBE法、HVPE法等方法来形成。在支持衬底11上，例如可以使用表面为(111)面的GaAs衬底、表面为(111)面的Si衬底、表面为(0001)面的蓝宝石衬底或表面为(0001)面的SiC衬底。另外，在支持衬底11和籽晶层12之间还可以含有其它的半导体层。
其次，如图2(b)所示，在含氮的气氛中(优选100atm(100×1.013×105Pa)或以下的加压气氛)，使含有碱金属及碱土类金属之中的至少一种、III族元素和含氮的熔融液与籽晶层12接触，在籽晶层12上生长LPE-GaN13a。此时，作为含有支持衬底11、籽晶层12及LPE-GaN13a的III族元素氮化物结晶衬底13。另外，形成LPE-GaN13a后，也可去除所述支持衬底11，通过去除了支持衬底11，可缓和LPE-GaN13a内的应变。作为去除方法可举出激光剥离、磨削加工和抛光加工等。
作为所述III族元素可以举出Ga、Al、In，优选Ga和Al。碱金属和碱土类金属通常作为助熔剂发挥作用，作为所述碱金属，例如Na、Li、K、Rb、Cs和Fr，作为所述碱土类金属例如Ca、Mg、Sr、Be和Ba，使用其中的至少一种即其中的一种或者是它们的混合物。作为含氮的气氛例如含有氮气和氨气之中的至少一种的含氮的气体气氛是可以适用的。
对于熔融液例如通过将材料投入坩埚加热来调制。调制完熔融液后，通过将熔融液成为过饱和状态而使III族元素氮化物结晶生长。材料的熔融和结晶生长，例如可在温度为700℃～1100℃左右、压力为1atm(1×1.013×105Pa)～50atm(50×1.013×105Pa)左右的条件下进行。根据该方法，可以得到组成式为AlxGayIn1-x-yN(其中0≤x≤1、0≤y≤1、x+y≤1)的III族元素氮化物结晶，例如GaN或组成式为AlxGa1-xN(其中0≤x≤1)的结晶。
如图2(c)所示，在液相生长的LPE-GaN13a中，恐怕会存在几个贯通位错14。特别是在选择性生长的情况下，从选择性形成的籽晶层向衬底的厚度方向恐怕会存在贯通位错14(例如螺旋位错和刃型位错等)，在该贯通位错14的区域，可能存在许多助熔剂成分和其它杂质。因此，在存在贯通位错14的部分，在液相生长的LPE-GaN13a的上部，例如形成氮化硅等薄膜层15。由此，可防止例如源于LPE-GaN13a的钠金属等的扩散。该薄膜层15，例如可使用电子回旋共振(ECR)溅射法来形成。
而且如图2(d)所示，例如通过MOCVD法形成的GaN层16和AlGaN层17，由此形成半导体激光器、发光二极管和高频器件等器件结构，从而可实现高可靠性的半导体器件。
另外，作为III族元素氮化物结晶衬底13使用GaN衬底，作为该衬底上的薄膜层15，也可以通过电子回旋共振(ECR)溅射法形成氮化硅层(例如厚度为3nm)或通过MOCVD法形成AlN层(例如厚度为100nm)。另外，通过上述MOCVD法AlN层的形成优选适用减压MOCVD法。而且在薄膜层15上，例如加热衬底使衬底温度达到大约1020℃～1100℃后，向衬底上供应三甲基镓(TMG)和NH3可形成n型GaN结晶。由于在n型GaN结晶上，形成了半导体激光器、发光二极管和高频器件等器件结构，从而可实现高可靠性的半导体器件。通过这样作为薄膜层的氮化硅层或氮化铝层的形成，就可以可防止存在于III族元素氮化物结晶衬底13中的钠等杂质向结晶层18的扩散。
下面用实施例进一步详细说明本发明。而且，以下的实施例中使用GaN结晶的III族元素氮化物半导体器件的制作加以说明，但例如AlxGa1-xN或AlN等的组成式为AlxGayIn1-x-yN(其中0≤x≤1、0≤y≤1、x+y≤1)的III族元素氮化物结晶也可以用同样的方法来形成。
实施例1实施例1为使用在选择性形成的籽晶层上以液相生长法生长的III族元素氮化物结晶制作半导体器件的例子。
首先，如图3(a)所示，加热使由蓝宝石组成的支持衬底21的温度达到约1020℃～1100℃后，通过向衬底上供应三甲基镓(TMG)和NH3，形成由GaN组成的半导体籽晶层22。
其次，通过光刻法，在半导体籽晶层22的表面上形成防蚀图形。下面如图3(b)所示，通过使用Cl2气的干法蚀刻，对半导体籽晶层22进行图形化处理。所述干法蚀刻，可以用电感耦合型反应性干法蚀刻(RIE)装置进行。
然后去除防蚀图形，形成半导体籽晶层22。并且，在半导体籽晶层22的侧面及支持衬底21的面上，还可以形成掩膜。而且在氮气氛下(优选在100atm(100×1.013×105Pa)或以下的加压气氛下)，在含有Ga、Na和氮的熔融液中，与半导体籽晶层22的表面接触，通过将熔融液维持在过饱和状态，如图3(c)所示，在半导体籽晶层22上使LPE-Ga23a选择性生长。此时，含有支持衬底21、籽晶层22及LPE-GaN23a而成为III族元素氮化物结晶衬底23。
图4表示III族元素氮化物结晶制作时使用的摇动型LPE装置的一个例子。该摇动型LPE装置300，具有不锈钢制的培养炉301，可以耐50atm(50×1.013×105Pa)的气压。在培养炉301上，配置有加热用的加热器302和热电偶303。坩埚固定台304配置在培养炉301内。在此安装有以转轴305为中心旋转的机构。在坩埚固定台304内，固定着由氮化硼(BN)或氧化铝(Al2O3)组成的坩埚306。在坩埚306内，配置有熔融液307和种晶308。通过使坩埚固定台304旋转，坩埚306内的熔融液左右移动，由此可搅拌熔融液。气氛压力通过流量调整器309调整。作为原料气体的氮气或氨气(NH3气体)和氮气的混合气体，由原料气罐(未图示)供给，由气体精制部去除杂质后送至培养炉301内。
下面对使用该装置的结晶生长的一个例子加以说明。
(1)首先，将Ga和作为助熔剂的Na，仅称取设定的量置于坩埚内。对于Ga优选使用纯度为99.9999％(6个9)或以上的Ga，对于Na是使用精制的Na。在He(N2、Ar、Ne、Xe等也可以)置换的手套式操作箱内使Na加热熔解，通过去除出现在表面层的氧化物等就可以精制Na。借助于区域熔炼法也可精制Na。区域熔炼法，通过在管内反复进行Na的熔解和固化，使杂质析出，通过该杂质的去除可提高Na的纯度。
(2)其次，为熔解坩埚内的原材料，将电炉内的温度上升至800℃。在该阶段，如图所示，种晶衬底不存在于熔融液中。为搅拌Ga和Na，以种晶衬底上不会附着熔融液的程度摇动坩埚。为防止GaN的氧化，作为气氛气体优选例如使用氮气。
(3)然后，以旋轴为中心使坩埚旋转并将种晶衬底置于熔融液中，开始结晶培养。
(4)结晶培养中，为搅拌熔融液，以每分钟1个周期的速度摇动坩埚。其中，培养中种晶衬底存在于熔融液中，使坩埚保持在800℃，压力保持在40atm(40×1.013×105Pa)，例如进行10个小时的LPE生长。
(5)培养结束后，象图示那样旋转坩埚，从熔融液取出衬底，降低熔融液温度。
用所述方法生长的GaN结晶的结果是从半导体籽晶层22开始结晶的生长，从半导体籽晶层向衬底表面可观测到贯通位错，而从半导体籽晶层横向生长的部分，可培养出良好的GaN单晶。另外，在横向生长的GaN结晶之间相遇的部分也观测到了位错。
根据该方法，不仅仅是Na，还可以使用Li、K、Ca、Sr或Ba助熔剂，或者使用碱金属和碱土类金属的混合助熔剂，也可以得到同样的效果。例如，Na和Ca的混合助熔剂，因为混入了10％左右的Ca，可在更低的压力下培养结晶。
其次，如图3(d)所示，例如通过电子回旋共振(ECR)溅射法在衬底(LPE-GaN23a)23上形成由氮化硅组成的薄膜层25。衬底23的表面，也可以通过机械加工(抛光加工)和机械化学抛光进行平整加工。在LPE-GaN23a中，如前所述，从半导体籽晶层22向衬底表面可观测到贯通位错24。另外，横向生长的GaN结晶之间相遇的部分也观测到了位错。通过SIMS进行杂质分析的结果是在贯通位错24的区域，例如存在许多钠之类的杂质。在存在贯通位错24的区域的衬底23的表面，形成了由氮化硅组成的薄膜层25。所述薄膜层，也可以是氮化铝、氮化铝镓、碳化硅、氮化锗或类金刚石来代替氮化硅。
而且，如图3(e)所示，例如通过MOCVD法形成GaN层26及AlGaN层27，由此可制作本发明的半导体器件。在使用由碱金属助熔剂法制作的GaN衬底制作半导体器件时，由此形成了薄膜层25，可以防止碱金属等向半导体激光器、发光二极管的发光部或FET晶体管的各电极部的扩散，从而可提高器件的特性。
虽然就使用形成了半导体籽晶层的衬底而使GaN结晶进行LPE生长的GaN衬底进行了说明，但也可以使用将以GaN结晶为籽晶进行大型块状生长的结晶进行切片加工而得到的GaN衬底。这样生长的结晶，由于不会有选择性生长，因而恐怕在随机产生的位错部分等含有碱金属或碱土类金属等杂质。为此，在整个衬底表面形成薄膜层，可防止杂质的扩散。
下面就制作场效应晶体管的方法以图5为基础加以说明。III族元素氮化物结晶衬底43，含有支持衬底41、籽晶层42以及LPE-GaN43a，由前述那样的液相生长得到的LPE-GaN43a表现出电阻例如为1010Ω或以上接近于绝缘体的特性。在该LPE-GaN43a的贯通位错44的区域，形成了作为薄膜层45的氮化硅层。之后，通过MOCVD法形成了GaN层46及AlGaN层47。而且，在上面形成源电极48、肖特基栅极49以及漏极50。通过向栅极49外加电压，控制GaN层46及AlGaN层47的界面形成的二维电子气体浓度，进行作为晶体管的动作。
根据本发明的方法形成的场效应晶体管，由于形成了薄膜层，绝缘性也较高，可降低晶体管动作时的漏电流，可实现高频特性优良的场效应晶体管。
实施例2图6表示了半导体激光器构成的一个例子。正如该图所表示的那样，首先，在形成了薄膜层(未图示)的GaN衬底51上，为使载流子密度在5×1018cm-3或以下，形成渗杂了Si的n型GaN组成的接触层52。GaN系的结晶(含Ga和N的结晶)，添加了作为杂质Si时Ga的空孔增加。由于这样的Ga的空孔容易扩散，因而在它上面制作器件时，在寿命等方面将产生不良的影响。为此，控制渗杂量以便使载流子密度为1×1019cm-3或以下，优选为3×1018cm-3或以下。
其次，在接触层52上，形成由n型Al0.07Ga0.93N组成的被覆层53和由n型GaN组成的光导层54。之后，形成作为活性层55的多重的量子井(MQW)，所述多重的量子井由组成为Ga0.8In0.2N的井层(厚度约3nm)和GaN组成的阻挡层(厚度为6nm)构成。进而形成由p型GaN组成的光导层56、由p型Al0.07Ga0.93N组成的被覆层57和由p型GaN组成的接触层58。这些层可以用公知的方法形成。半导体激光器500为双异质结型半导体激光器，MQW活性层55的含铟井层的禁带宽度，比含铝的n型和p型被覆层的禁带宽度更小。另一方面，对于光的折射率，活性层55的井层为最大，其次按光导层54、被覆层53的顺序减少。
在接触层58的部分上，形成构成宽度为2μm左右的电流注入区域的绝缘膜59。在p型被覆层57的部分和p型接触层58上，形成成为电流狭窄部的隆起部。
在p型接触层58的侧面，形成与接触层58进行欧姆接触的p侧电极60。在n型接触层52的侧面，形成与接触层52进行欧姆接触的n侧电极61。
实施例3图7表示半导体激光器的其它构成。在该图中，601表示支持衬底，602表示籽晶层，603表示LPE-GaN层，604表示贯通位错，605表示薄膜层，606表示GaN层，607表示n-GaN层，608表示n被覆层，609表示活性层，610表示隆起部，611表示p侧电极，612表示绝缘膜，614表示n侧电极，615表示选择性生长膜，616表示对称轴。如图所示，该装置组成激光振动部的隆起区域610在薄膜层605上，而且是在偏离薄膜层605的对称轴616的位置上形成的。在薄膜层605上进行气相生长的外延膜(GaN层606)，因为从没有薄膜层605的部分生长并大致靠近对称轴616上，所以在对称轴616上恐怕残存刃型位错。为此，希望隆起区域610偏离对称轴。
进行了对所述结构的半导体激光器的器件评价。对于得到的半导体激光器，当在p侧电极和n侧电极之间外加正向的设定电压时，在MQW活性层中从p侧电极注入空穴，从n侧电极注入电子，在MQW活性层中再结合产生光学增益，在振动波长404nm处发生激光振动。
此外，在本发明的半导体器件中可以使用的III族元素氮化物结晶衬底，不限于所述GaN单晶衬底，优选供给对在衬底上制作的光学器件的使用波长吸收少的衬底。为此，作为紫外线区域的半导体激光器和发光二极管用衬底，优选使用含铝多且短波区域光吸收少的AlxGa1-xN(0≤x≤1)单晶。
实施例4如图8(a)所示，以钠为助熔剂，在由液相生长制作的GaN衬底上进行外延生长，制作成按激光器结构加工并形成电极的半导体激光器的晶片。如图8(b)所示，将该晶片加工成条状。为控制激光共振器的反射率以及进行端面保护、进而防止钠的扩散，条的发光面上形成有涂层。在该涂层中，至少含有氮化硅层，以防止钠的扩散。另外，在该图中，在LPE-GaN衬底82上，形成器件结构83，进而也可形成电极84。其次，如图8(c)所示，将发光部的端面涂覆过的条进行芯片化。在分割的芯片侧面(分割面)85上，恐怕出现部分的由于位错或缺陷引起的钠杂质区域(未图示)，所以为防止钠的扩散，需要在分割面上也形成氮化硅等薄膜层。借此可大幅降低由钠的扩散引起的漏电流，可实现稳定的器件工作。另外，在该图中86表示发光面。
在此，使用氮化硅作为薄膜层，但氮化铝、碳化硅或类金刚石等也对钠具有较高的阻挡性，可有效地加以利用。
本发明可适用于例如激光二极管、发光二极管、场效应晶体管等各种半导体器件。
此外，在本发明的详细地说明事项中进行的具体实施形态或实施例，明确了本发明的技术内容，不能仅限于这样的具体例子进行狭义的解释，在本发明的主旨内，可以做各种变更后加以实施。
权利要求
1.一种在III族元素氮化物结晶衬底上层叠有III族元素氮化物结晶层的III族元素氮化物半导体器件，其特征在于所述衬底是在含有碱金属及碱土类金属之中的至少一种的熔融液中，通过使含有氮的气体中的氮和III族元素反应并结晶化而制成；在所述衬底上形成有薄膜层；在所述衬底中含有的杂质在所述薄膜层中的扩散系数比该杂质在所述衬底中的扩散系数更小。
2.根据权利要求1所记载的半导体器件，其中在所述衬底上存在贯通位错，在对应所述贯通位错的部分形成有所述薄膜层。
3.根据权利要求2所记载的半导体器件，其中在所述贯通位错的区域存在杂质，所述杂质为碱金属及碱土类金属之中的至少一种。
4.根据权利要求1所记载的半导体器件，其中所述杂质为Na及Li之中的至少一种。
5.根据权利要求1所记载的半导体器件，其中所述薄膜层是在所述衬底的整个表面上形成的。
6.根据权利要求1所记载的半导体器件，其中所述薄膜层是氮化硅。
7.根据权利要求6所记载的半导体器件，其中所述薄膜层的厚度为5nm或以下。
8.根据权利要求6所记载的半导体器件，其中所述薄膜层的厚度为3nm或以下。
9.根据权利要求1所记载的半导体器件，其中所述薄膜层是氮化铝、氮化铝镓以及碳化硅之中的至少一种，其中所述氮化铝镓的组成式为AlxGa1-xN，0≤x≤1。
10.根据权利要求1所记载的半导体器件，在所述衬底和所述结晶层之间形成有所述薄膜层。
11.根据权利要求10所记载的半导体器件，在所述衬底和所述薄膜层之间还形成有III族元素氮化物结晶层。
12.根据权利要求1所记载的半导体器件，其中所述结晶层是通过气相生长形成的。
13.根据权利要求1所记载的半导体器件，其中所述熔融液中的碱金属是Na、Li、K、Rb、Cs及Fr之中的至少一种。
14.根据权利要求1所记载的半导体器件，其中所述熔融液中的碱金属是Na及Li之中的至少一种。
15.根据权利要求1所记载的半导体器件，其中所述熔融液中的碱土类属是Ca及Mg之中的至少一种。
16.根据权利要求1所记载的半导体器件，其中所述III族元素是Ga、Al及In之中的至少一种。
17.根据权利要求1所记载的半导体器件，其中所述熔融液含有Na及Li之中的至少一种，所述衬底为氮化镓衬底，所述薄膜层是氮化铝、氮化铝镓以及碳化硅之中的至少一种，其中所述氮化铝镓的组成式为AlxGa1-xN，0≤x≤1。
18.根据权利要求17所记载的半导体器件，其中所述衬底含有Na及Li之中的至少一种的杂质。
19.根据权利要求1所记载的半导体器件，其中所述熔融液含有从Li、Na及Sn之中的至少一种和Ca，所述衬底为氮化铝衬底，所述薄膜层为金刚石。
20.根据权利要求19所记载的半导体器件，其中所述衬底含有Na及Li之中的至少一种的杂质。
21.根据权利要求1所记载的半导体器件，在所述衬底上形成有所述薄膜层的同时，在所述半导体器件的侧面形成有薄膜层，或者仅在所述半导体器件的侧面形成有薄膜层而未在所述衬底上形成所述薄膜层。
22.根据权利要求1所记载的半导体器件，其中所述半导体器件为激光二极管、发光二极管和场效应晶体管。
全文摘要
本发明提供一种防止碱金属扩散的半导体器件。在III族元素氮化物结晶衬底上层叠有III族元素氮化物结晶层的III族元素氮化物半导体器件中，所述衬底是在含有碱金属及碱土类金属之中的至少一种的熔融液中，通过使含有氮的气体中的所述氮和III族元素反应并结晶化而制成，在所述衬底上形成有薄膜层，其中，在所述衬底中含有的杂质在所述薄膜层中的扩散系数比该杂质在所述衬底中的扩散系数更小。
文档编号H01L21/20GK1610138SQ20041008609
公开日2005年4月27日 申请日期2004年10月20日 优先权日2003年10月20日
发明者北冈康夫, 峯本尚, 木户口勋, 塚本和芳 申请人:松下电器产业株式会社