ОСНОВАНИЕ, НИТРИДНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИЗЛУЧАЮЩИЙ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ОСНОВАНИЯ Российский патент 2019 года по МПК H01L33/32 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001]

Настоящее изобретение относится к основанию, включающему в себя сапфировую подложку, и к способу производства основания, и к нитридному полупроводниковому излучающему ультрафиолетовое излучение элементу, включающему в себя основание. В частности, настоящее изобретение относится к основанию для нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, который имеет пиковую длину волны излучения в ультрафиолетовой области, и к способу производства основания и нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002]

В качестве основания нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, включающего в себя нитридный полупроводник на основе AlGaN в активном слое, часто используется основание, в котором слой AlN эпитаксиально выращен на главной поверхности сапфировой подложки.

[0003]

В полупроводниковом светоизлучающем элементе, изготовленном последовательным эпитаксиальным выращиванием множества полупроводниковых слоев, кристалличность основного слоя полупроводниковой подложки будет иметь большое влияние на кристалличность последующего слоя полупроводника. Поэтому, кристалличность поверхности основания, которое имеет влияние на кристалличность всего полупроводникового светоизлучающего элемента, является особенно важной. Когда кристалличность поверхности основания улучшается, кристалличность каждого слоя полупроводника (в частности, активного слоя), включенного в полупроводниковый светоизлучающий элемент, также улучшается, и рекомбинация электронов и дырок, вызывающая излучение света, в меньшей степени сдерживается кристаллическими дефектами, приводя к лучшим характеристикам, таким как эффективность излучения света.

[0004]

Однако, имеется проблема в том, что в основании, произведенном эпитаксиальным выращиванием слоя AlN на главной поверхности сапфировой подложки, затруднительно получить слой AlN с хорошей кристалличностью вследствие рассогласования решеток сапфира и AlN, и вследствие затруднительной миграции атомов Al.

[0005]

Относительно этой проблемы, Патентные документы 1 и 2 и Непатентный документ 1 предлагают способ производства основания, в котором улучшена кристалличность слоя AlN посредством выбора временного режима подачи исходных газов во время выращивания слоя AlN. Далее, в связи с чертежами описывается способ производства основания, предложенный в Патентных документах 1 и 2 и Непатентном документе 1. На Фиг.14 показана схематическая диаграмма, иллюстрирующая обычный способ производства основания, и она является частью Фиг.3, описанного в основной специальной статье Hideki Hirayama, кто является одним из авторов-изобретателей Патентных документов 1 и 2 и одним из авторов Непатентного документа 1 (страницы 2-5 RIKEN NEWS, июнь 2011).

[0006]

Способ производства основания, предложенный в Патентных документах 1 и 2 и Непатентном документе 1, заключается, после первого формирования нескольких кристаллических зародышей AlN на главной поверхности сапфировой подложки (первая стадия на Фиг.14), в подаче исходного газа N (аммиак) импульсами, при непрерывной подаче исходного газа Al, тем самым, выращивая слой AlN, который заполняет пространство между кристаллическими зародышами AlN (вторая стадия на Фиг.14). Слой AlN, выращенный таким способом имеет меньше винтовых дислокаций, чем слой AlN, выращенный в виде пленки на главной поверхности сапфировой подложки. Затем, после этого, толщина пленки слоя AlN увеличивается, и поверхность делается плоской (третья стадия на Фиг.14). Следует отметить, что в способе производства основания, предложенном в Патентном документе 1 и Непатентном документе 1, исходные газы подаются, увеличивая толщину пленки слоя AlN, способом, подобным второй стадии на Фиг.14, тем самым, способствуя боковому росту кристаллов AlN (четвертая стадия на Фиг.14). Соответственно, поскольку слой AlN растет, винтовые дислокации, которые распространяются вверх, изгибаются в стороны, приводя к улучшению кристалличности на окончательной поверхности слоя AlN.

ДОКУМЕНТЫ ТЕХНИКИ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ

ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ

[0007]

Патентный документ 1: Публикация Японской Патентной Заявки No. 2009-54780

Патентный документ 2: WO 2013/005789

НЕПАТЕНТНЫЙ ДОКУМЕНТ

[0008]

Непатентный документ 1: Physica Status Solidi, A206, No. 6, 1176-1182 (2009)

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ПРОБЛЕМЫ, РЕШАЕМЫЕ В СООТВЕТСТВИИ С ИЗОБРЕТЕНИЕМ

[0009]

Однако, способ производства основания, предложенный в Патентных документах 1 и 2 и Непатентном документе 1, незначительно изменяет режим выращивания кристаллов AlN относительно обычного режима, и он ограничивается сокращением числа винтовых дислокаций, которые обычно рассматривались как причина уменьшения кристалличности слоя AlN, не приводя к существенному улучшению кристалличности слоя AlN.

[0010]

Поэтому, цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставить основание, которое существенно улучшает кристалличность слоя AlN, значительно изменив режим выращивания кристаллов AlN относительно обычного режима, и способ его производства, и нитридный полупроводниковый излучающий ультрафиолетовое излучение элемент, включающий в себя основание.

СРЕДСТВА РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ

[0011]

Для достижения вышеупомянутой цели, настоящее изобретение обеспечивает основание, содержащее: сапфировую подложку с одной из плоскости (0001) и плоскости, наклоненной на заданный угол относительно плоскости (0001), в качестве главной поверхности; и слой AlN, сформированный непосредственно на главной поверхности сапфировой подложки и составленный из кристаллов AlN, имеющих ориентационную взаимосвязь эпитаксиальных кристаллов с главной поверхностью, причем средний диаметр частиц кристаллов AlN слоя AlN толщиной 20 нм от главной поверхности составляет 100 нм или менее.

[0012]

Кроме того, в основании, средний диаметр частиц кристаллов AlN слоя AlN толщиной 20 нм от главной поверхности может составлять 75 нм или менее и может составлять 70 нм или менее. Кроме того, в основании, средний диаметр частиц кристаллов AlN слоя AlN толщиной 300 нм от главной поверхности может составлять 300 нм или менее.

[0013]

Кроме того, в основании, главная поверхность сапфировой подложки может быть плоскостью, наклоненной на 0,2° или более относительно плоскости (0001). С этим основанием могут быть легко получены кристаллы AlN, имеющие малый средний диаметр частиц, как описано выше.

[0014]

Кроме того, в основании, кристаллы AlN слоя AlN толщиной 300 нм от главной поверхности могут быть ориентированы вдоль +C-оси вверх относительно сапфировой подложки. С этим основанием, кристалличность слоя AlN может быть дополнительно улучшена.

[0015]

Кроме того, настоящее изобретение предоставляет нитридный полупроводниковый излучающий ультрафиолетовое излучение элемент, содержащий: основание; и часть структуры элемента, включающую в себя множество полупроводниковых слоев на основе AlGaN, уложенных стопой на основании.

[0016]

Кроме того, настоящее изобретение предоставляет способ производства основания, способ, содержащий этап эпитаксиального выращивания кристаллов AlN непосредственно на главной поверхности сапфировой подложки с одной из плоскости (0001) и плоскости, наклоненной на заданный угол относительно плоскости (0001), в качестве главной поверхности для формирования слоя AlN, причем этап включает в себя эпитаксиальное выращивание кристаллов AlN при таких условиях выращивания, когда средний диаметр частиц кристаллов AlN на поверхности слоя AlN, эпитаксиально выращенного от главной поверхности до толщины 20 нм, составляет 100 нм или менее.

[0017]

Кроме того, настоящее изобретение предоставляет способ производства основания, способ, содержащий этап эпитаксиального выращивания кристаллов AlN непосредственно на главной поверхности сапфировой подложки с одной из плоскости (0001) и плоскости, наклоненной на заданный угол относительно плоскости (0001), в качестве главной поверхности для формирования слоя AlN, причем этап включает в себя эпитаксиальное выращивание кристаллов AlN при таких условиях выращивания, когда средний диаметр частиц кристаллов AlN на поверхности слоя AlN составляет 100 нм или менее, когда слой AlN, покрывающий 90% или более главной поверхности, эпитаксиально выращен до толщины 20 нм.

[0018]

Кроме того, этап способа производства основания может включать в себя эпитаксиальное выращивание слоя AlN при таких условиях выращивания, когда средний диаметр частиц кристаллов AlN на поверхности слоя AlN, эпитаксиально выращенного от главной поверхности до толщины 300 нм, составляет 300 нм или менее.

[0019]

Кроме того, этап способа производства основания может включать в себя эпитаксиальное выращивание слоя AlN при таких условиях выращивания, что RMS значение поверхностной шероховатости слоя AlN, эпитаксиально выращенного от главной поверхности до толщины 20 нм, равно или менее чем RMS значение поверхностной шероховатости слоя AlN, эпитаксиально выращенного от главной поверхности до толщины 300 нм. Например, этап способа производства основания может включать в себя эпитаксиальное выращивание слоя AlN при таких условиях выращивания, что RMS значение поверхностной шероховатости слоя AlN, эпитаксиально выращенного от главной поверхности до толщины 20 нм, составляет 5 нм или менее, и может включать в себя эпитаксиальное выращивание слоя AlN при таких условиях выращивания, что RMS значение поверхностной шероховатости слоя AlN, эпитаксиально выращенного от главной поверхности до толщины 300 нм, составляет 10 нм или менее.

[0020]

Кроме того, этап способа производства основания может включать в себя эпитаксиальное выращивание слоя AlN при таких условиях выращивания, когда кристаллы AlN на поверхности слоя AlN, эпитаксиально выращенного от главной поверхности до толщины 300 нм, ориентированы вдоль +C-оси. Этим способом производства основания, кристалличность слоя AlN может быть дополнительно улучшена.

[0021]

Кроме того, этап способа производства основания может включать в себя установку температуры выращивания слоя AlN как 1150°C или выше, и 1300°C или ниже. Этим способом производства основания, кристаллы AlN могут быть соответственно эпитаксиально выращены на главной поверхности сапфировой подложки.

ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0022]

С основанием и способом производства основания, может быть существенно улучшена кристалличность слоя AlN, эпитаксиально выращенного на главной поверхности сапфировой подложки. Кроме того, нитридный полупроводниковый излучающий ультрафиолетовое излучение элемент, включающий в себя этот основание, которое улучшает кристалличность части структуры элемента, может улучшить характеристики, такие как эффективность излучения света.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0023]

На Фиг.1 изображен вид сечения главной части, схематично иллюстрирующий один пример структуры нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

Фиг.2 - вид в плане, схематично иллюстрирующий один пример структуры нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, показанного на Фиг.1, если рассматривать от верхней стороны Фиг.1.

Фиг.3 - AFM изображение слоя AlN, имеющего толщину 20 нм и выращенного на главной поверхности сапфировой подложки с углом наклона 0,2°.

Фиг.4 - AFM изображение слоя AlN, имеющего толщину 20 нм и выращенного на главной поверхности сапфировой подложки с углом наклона 0,5°.

Фиг.5 - AFM изображение слоя AlN, имеющего толщину 20 нм и выращенного на главной поверхности сапфировой подложки с углом наклона 1,0°.

Фиг.6 - таблицы, показывающие диаметр частиц кристаллов AlN, измеренный из AFM изображения слоя AlN, имеющего толщину 20 нм и выращенного на главной поверхности сапфировой подложки с углом наклона 0,2°.

Фиг.7 - таблицы, показывающие диаметр частиц кристаллов AlN, измеренный из AFM изображения слоя AlN, имеющего толщину 20 нм и выращенного на главной поверхности сапфировой подложки с углом наклона 0,5°.

Фиг.8 - таблицы, показывающие диаметр частиц кристаллов AlN, измеренный из AFM изображения слоя AlN, имеющего толщину 20 нм и выращенного на главной поверхности сапфировой подложки с углом наклона 1,0°.

Фиг.9 - таблицы, показывающие результаты измерения диаметра частиц кристаллов AlN, показанных на Фиг.6-8 вместе с диаметром частиц кристаллов AlN и RMS значениями поверхностной шероховатости слоя AlN измеренной устройством AFM.

Фиг.10 - AFM изображение слоя AlN, имеющего толщину 300 нм и выращенного на главной поверхности сапфировой подложки с углом наклона 0,2°, и таблица, показывающая диаметр частиц кристаллов AlN и RMS значения поверхностной шероховатости слоя AlN, измеренного устройством AFM.

Фиг.11 - AFM изображение слоя AlN, имеющего толщину 300 нм и выращенного на главной поверхности сапфировой подложки с углом наклона 1,0°, и таблица, показывающая диаметр частиц кристаллов AlN и RMS значения поверхностной шероховатости слоя AlN, измеренного устройством AFM.

Фиг.12A и 12B - диаграммы, показывающие сравнение слоя AlN в основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, и слоя AlN в обычном основании, описанном в Патентном документе 1 и Непатентном документе 1.

Фиг.13A и 13B - таблицы, показывающие результаты измерения способом XRC на плоскости (0002) слоя AlN в основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

Фиг.14 - схематическая диаграмма, иллюстрирующая обычный способ производства основания.

Фиг.15 - таблица, показывающая различие высот в области измерения слоя AlN толщиной 300 нм в основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

Фиг.16 - таблица, показывающая различие высот в области измерения слоя AlN с толщиной 20 нм и высоты с накопленной повторяемостью 90% в основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

Фиг.17A к 17C - диаграммы, показывающие один пример профиля высоты и гистограмма высоты слоя AlN с толщиной 20 нм в основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТА РЕАЛИЗАЦИИ

[0024]

При описании варианта реализации настоящего изобретения, ниже будет показан нитридный полупроводниковый излучающий ультрафиолетовое излучение элемент, который является светоизлучающим диодом, и способ его производства. Светоизлучающий диод включает в себя основание, включающее в себя сапфировую подложку, и часть структуры элемента, включающая в себя множество полупроводниковых слоев на основе AlGaN, уложенных стопой на основании. Светоизлучающий диод испускает свет, имеющий пиковую длину волны излучения 365 нм или менее (ультрафиолетовое излучение), при подаче на него электроэнергии. Следует отметить то, что полупроводник на основе AlGaN, который является материалом, составляющим каждый из полупроводниковых слоев на основе AlGaN, включенных в часть структуры элемента, относится к AlGaN, AlN, или GaN, или полупроводнику AlGaN, AlN, или GaN, содержащему малое количество примесей (например, Si, Мg, В, и т.п.). Далее, индексы, используемые для Al и Ga по мере необходимости отображают относительные отношения состава Al и Ga (например, Al_XGa_1-XN).

[0025]

Однако, поскольку настоящее изобретение главным образом относится к основанию, структура части структуры элемента на основании может быть любой структурой, и не ограничена структурой, приведенной в следующем разделе "Нитридный полупроводниковый излучающий ультрафиолетовое излучение элемент".

[0026]

<Нитридный полупроводниковый излучающий ультрафиолетовое излучение элемент>

Во-первых, в связи с чертежами будет описан один пример структуры нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. На Фиг.1 показан вид сечения главной части, схематично иллюстрирующий один пример структуры нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. На Фиг.2 показан вид в плане, схематично иллюстрирующий один пример структуры нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, показанного на Фиг.1, если его рассматривать с верхней стороны Фиг.1. Следует отметить, что поскольку Фиг.1 схематично иллюстрирует толщины подложки, полупроводниковые слои на основе AlGaN, и электроды (вертикальные длины на чертеже) для удобства иллюстрации, то чертеж на Фиг.1 не обязательно согласуется с фактическим соотношением размеров. Кроме того, в нижеследующем описании, полупроводник на основе AlGaN, не имеющий указания как полупроводник p-типа или n-типа, представляет собой нелегированный полупроводник, но даже нелегированный полупроводник может содержать малое количество примесей, которые неизбежно примешиваются.

[0027]

Как показано на Фиг.1 и 2, нитридный полупроводниковый излучающий ультрафиолетовое излучение элемент 1 в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения включает в себя основание 10, включающее в себя сапфировую подложку 11, и часть 20 структуры элемента, включающую в себя множество полупроводниковых слоев на основе AlGaN 21-24 и электроды 25 и 26. Этот нитридный полупроводниковый излучающий ультрафиолетовое излучение элемент 1 смонтирован (монтаж методом перевернутого кристалла) стороной части 20 структуры элемента (верхняя сторона на чертеже на Фиг.1) обращенной к монтажной основе, и направление выведения света находится на стороне основания 10 (нижняя сторона на чертеже на Фиг.1).

[0028]

Основание 10 включает в себя сапфировую подложку 11 с плоскостью (0001) или плоскостью, наклоненной на заданный угол (угол наклона) относительно плоскости (0001) как главной поверхности, и слой AlN 12, непосредственно сформированный на главной поверхности сапфировой подложки 11. Слой AlN 12 составлен из кристаллов AlN, эпитаксиально выращенных от главной поверхности сапфировой подложки 11, и эти кристаллы AlN имеют ориентационную взаимосвязь эпитаксиальных кристаллов с главной поверхностью сапфировой подложки 11. Конкретно, например, кристаллы AlN выращивают так, что направление оси C сапфировой подложки 11 (<0001> направление) и направление оси C кристаллов AlN взаимно ориентированы. Следует отметить, что кристаллы AlN, составляющие слой AlN 12, могут содержать малое количество Ga и других примесей. Кроме того, слой, составленный из полупроводника на основе Al_αGa_1-αN (1>α>0) может быть дополнительно сформирован на верхней поверхности слоя AlN 12.

[0029]

Часть 20 структуры элемента имеет структуру, в которой покрывающий слой 21 n-типа, активный слой 22, электронный запирающий слой 23, и контактный слой 24 p-типа эпитаксиально выращены и расположены стопой упорядоченно от стороны основания 10.

[0030]

Покрывающий слой 21 n-типа составлен из полупроводника n-типа на основе Al_XGa_1-XN (1≥X>0). Активный слой 22 имеет единственную или множественные структуры с квантовыми ямами, полученные чередующимся ламинированием одного или более слоев с квантовыми ямами, составленных из полупроводника на основе Al_Y1Ga_1-Y1N (X>Y1≥0) и одного или более запирающих слоев, составленных из Al_Y2Ga_1-Y2N (X≥Y2>Y1). Электронный запирающий слой 23 составлен из полупроводника p-типа на основе Al_ZGa_1-Z (1≥Z≥Y2). Контактный слой 24 p-типа составлен из полупроводника p-типа на основе Al_QGa_1-QN (Z>Q≥0).

[0031]

Кроме того, часть 20 структуры элемента включает в себя p-электрод 25, составленный из, например, Ni/Au и сформированный на верхней поверхности контактного слоя 24 p-типа, и n-электрода 26, составленного из, например, Ti/Al/Ti/Au и сформированного на верхней поверхности покрывающего слоя 21 n-типа в некоторой области, где покрывающий слой 21 n-типа раскрыт. Когда электропитание подано, так, что дырки поставляются от p-электрода 25, и электроны поставляются от n-электрода 26, поставляемые дырки и электроны достигают активного слоя 22 и рекомбинируют, испуская при этом свет.

[0032]

Далее описывается один пример способа производства нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента 1, показанного на Фиг.1.

[0033]

Во-первых, известным способом эпитаксиального выращивания, таким как эпитаксия металлоорганических соединений из газовой фазы (MOVPE) и молекулярная лучевая эпитаксия (MBE), слой AlN 12, включенный в основание 10, и полупроводниковые слои 21-24 на основе AlGaN, включенные в часть 20 структуры элемента, эпитаксиально выращиваются и последовательно располагаются стопой на сапфировой подложке 11. В это время, например, вводится Si как допирующая донорная примесь в слой n-типа, и например, Mg вводится как допирующая акцепторная примесь в слой p-типа.

[0034]

Затем, известным способом травления, таким как реактивное ионное травление, некоторая область расположенных стопой полупроводниковых слоев, как описано выше, выборочно протравливается для раскрытия покрывающего слоя n-типа 21 этой области. Тогда, известным способом формирования пленки, таким как способ электронно-лучевого напыления, формируется p-электрод 25 на контактном слое 24 p-типа в пределах области, которая не протравливается, и формируется n-электрод 26 на покрывающем слое 21 n-типа в пределах протравленной области. Следует отметить, что после формирования одного или обоих - p-электрода 25 и n-электрода 26, может быть выполнена термообработка известным способом термообработки, таким как быстрый термический отжиг (RTA).

[0035]

<Основание>

Далее, рассматривается вышеописанное основание 10. Следует отметить, что основание 10 в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения отличается слоем AlN 12, сформированным на главной поверхности сапфировой подложки 11, и любая сапфировая подложка может быть использована как сапфировая подложка 11, если только слой AlN 12 может быть эпитаксиально выращен (в частности, может быть выращен в направлении C-оси).

[0036]

Основание 10 в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения в значительной степени отличается от основания, предложенного в Патентных документах 1 и 2 и Непатентном документе 1 тем, что диаметр частиц кристаллов AlN, сформированных на главной поверхности сапфировой подложки 11, сделан как можно меньшим. Диаметр частиц кристаллов AlN определен в зависимости от различных условий выращивания, таких как, например, угол наклона и температура выращивания (температура подложки) сапфировой подложки 11, количества подачи и отношение подачи исходного материала (отношение V/III), и количество подачи несущего газа, и диаметр частиц может варьироваться в зависимости от используемого формирующего пленку устройства. Следует отметить, что как и в основании, предложенном в Патентных документах 1 и 2 и Непатентном документе 1, для формирования кристаллических зародышей AlN на сапфировой подложке и выращивания слоя AlN, так, чтобы заполнить пространство между кристаллическими зародышами AlN, для выращивания слоя AlN требуется специальный способ (импульсная подача аммиака); однако для получения как можно меньшего диаметра частиц отдельных кристаллов AlN, как в основании 10 в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, никакой специальный способ выращивания не требуется, но требуется, по меньшей мере, соответственно экспериментально исследовать, или как-то по-другому распознать, и использовать соответствующие условия выращивания, подходящие для используемого формирующего пленку устройства. Однако для выращивания слоя AlN, в частности, способом MOVPE, с точки зрения эпитаксиального выращивания кристаллов AlN соответственно на главной поверхности сапфировой подложки 11, предпочтительно установить температуру выращивания как 1150°C или выше, и 1300°C или ниже, и более предпочтительно - выше чем 1200°C и ниже чем 1300°C.

[0037]

На Фиг.3-5 показаны изображения в атомном силовом микроскопе (AFM) поверхности слоя AlN, выращенного до толщины 20 нм в основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. На Фиг.3 показано AFM изображение слоя AlN, имеющего толщину 20 нм и выращенного на главной поверхности сапфировой подложки с углом наклона 0,2°. На Фиг.4 показано AFM изображение слоя AlN, имеющего толщину 20 нм и выращенного на главной поверхности сапфировой подложки с углом наклона 0,5°. На Фиг.5 показано AFM изображение слоя AlN, имеющего толщину 20 нм и выращенного на главной поверхности сапфировой подложки с углом наклона 1,0°.

[0038]

На Фиг.6-9 приведены таблицы, показывающие диаметр частиц кристаллов AlN, измеренный из AFM изображений поверхности слоя AlN, выращенного до толщины 20 нм в основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. На Фиг.6 приведены таблицы, показывающие диаметр частиц кристаллов AlN, измеренный из AFM изображения слоя AlN, имеющего толщину 20 нм и выращенного на главной поверхности сапфировой подложки с углом наклона 0,2°. На Фиг.7 приведены таблицы, показывающие диаметр частиц кристаллов AlN, измеренный из AFM изображения слоя AlN, имеющего толщину 20 нм и выращенного на главной поверхности сапфировой подложки с углом наклона 0,5°. На Фиг.8 приведены таблицы, показывающие диаметр частиц кристаллов AlN, измеренный из AFM изображения слоя AlN, имеющего толщину 20 нм и выращенного на главной поверхности сапфировой подложки с углом наклона 1,0°. На Фиг.9 приведены таблицы, показывающие результаты измерения диаметра частиц кристаллов AlN, показанных на Фиг.6-8 вместе с диаметром частиц кристаллов AlN и среднеквадратичными значениями (RMS) поверхностной шероховатости слоя AlN, измеренные с помощью устройства AFM.

[0039]

Результаты измерения, показанные на Фиг.6-8 представляют собой результаты деления области измерения AFM изображения, имеющей размер 500 нм × 500 нм, на 25 малых областей 100 нм × 100 нм, и измерения один за другим диаметра частиц кристаллов AlN, включенных в каждую малую область. Следует отметить то, что кристалл AlN, располагаемый на границе малой области, является распределенным по малой области, в которую включен участок, равный или больший половины кристалла AlN, тогда как кристаллом AlN, располагаемым на границе области измерения пренебрегают, поскольку диаметр частиц не может быть измерен. Кроме того, поскольку кристалл AlN в изображении AFM обычно рассматривается как круглый или эллиптический (строго говоря, кристалл AlN рассматривается как имеющий форму близкую к шестиугольнику, и стороны (грани) видимы в некоторых частицах, но кристалл AlN представляется круглым или эллиптическим по причинам ограничения рабочих возможностей устройства AFM), среднее значение длины большей оси и длины меньшей оси определяется как диаметр частиц. Кроме того, как показано на Фиг.6-8, для каждого из трех типов образцов (пластины), имеющие угол наклона к сапфировой подложке 11 как 0,2°, 0,5°, и 1,0°, диаметр частиц кристаллов AlN измеряется из каждого AFM изображения различных областей измерения от 1 до 3 на пластине.

[0040]

На Фиг.9, средний диаметр частиц и среднеквадратичное отклонение "отдельных значений измерения" относятся к значениям, полученным измерением кристаллов AlN один за другим в изображениях AFM, как показано на Фиг.6-8. Вместе с тем, средний диаметр частиц, среднеквадратичное отклонение, и RMS значение поверхностной шероховатости из "измерительных значений устройства" являются значениями, измеренными с устройством AFM (зондовая измерительная установка: NanoNaviIIs, блок сканирующего зондового микроскопа: NanoCute, и программное обеспечение: NanoNaviStation версия 5,6B). Устройство AFM рассматривает, как одну частицу, одну замкнутую область, в которой высота в каждой точке измерения в области измерения равна или более заданной пороговой высоты (например, промежуточное значение, такое как среднее число и медианное число), регистрирует число частиц и общую площадь частиц, и вычисляет диаметр окружности, которая имеет среднюю площадь частиц, полученную делением общей площади частиц на число частиц, как средний диаметр частиц. Кроме того, это устройство AFM вычисляет среднеквадратичное отклонение площади частиц. Значение, полученное, преобразованием среднеквадратичного отклонения площади частицы в среднеквадратичное отклонение диаметра окружности является среднеквадратичным отклонением диаметра частиц "измерительного значения устройства" на Фиг.9. Кроме того, RMS значение поверхностной шероховатости является значением Rq, вычисленным нижеследующей формулой (1). Следует отметить, что в нижеследующей формуле (1), Z(i) - это высота в каждой точке измерения в области измерения, n - число точек измерения в области измерения, и Ze - среднее значение высоты в каждой точке измерения в области измерения.

[0041]

(1)

[0042]

Как показано на Фиг.3-5 и Фиг.6-8, в любом из образцов, в которых углы наклона к сапфировой подложке 1 составляют 0,2°, 0,5° и 1,0°, кристаллы AlN, имеющие диаметр частиц приблизительно 20 нм или более и 100 нм или менее, плотно упакованы. Кроме того, как показано на Фиг.9, средний диаметр частиц кристаллов AlN, полученных, измерением кристаллов AlN в изображении AFM одного за другим, и средний диаметр частиц кристаллов AlN, измеренных с устройством AFM, имеют подобные размеры, и можно сказать, что средние диаметры частиц кристаллов AlN, измеренные любым способом, являются соответственными значениями.

[0043]

На Фиг.10 и 11 показаны диаграммы, каждая из которых иллюстрирует AFM изображение слоя AlN, выращенного до толщины 300 нм, и диаметр частиц и RMS значение поверхностной шероховатости, измеренное с устройством AFM в основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. На Фиг.10 показано AFM изображение слоя AlN, имеющего толщину 300 нм и выращенного на главной поверхности сапфировой подложки с углом наклона 0,2°, и таблица, показывающая диаметр частиц кристаллов AlN и RMS значение поверхностной шероховатости слоя AlN, измеренного с устройством AFM. На Фиг.11 показано AFM изображение слоя AlN, имеющего толщину 300 нм и выращенного на главной поверхности сапфировой подложки с углом наклона 1,0°, и таблица, показывающая диаметр частиц кристаллов AlN и RMS значение поверхностной шероховатости слоя AlN, измеренное с устройством AFM.

[0044]

Здесь, в связи с чертежами, описывается результат сравнения слоя AlN в основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения и слоя AlN в обычном основании, описанном в Патентном документе 1 и Непатентном документе 1. На Фиг.12A и 12B показаны диаграммы, иллюстрирующие сравнение слоя AlN в основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения и слоя AlN в обычном основании, описанном в Патентном документе 1 и Непатентном документе 1. Следует отметить, что Фиг.12A представляет собой AFM изображение слоя AlN в обычном основании, описанном в Патентном документе 1 и Непатентном документе 1. На Фиг.12B показана диаграмма, иллюстрирующая сравнение, при том же самом размере (2 мкм × 2 мкм), изображения AFM слоя AlN в основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения (чертеж, в котором помещено множество AFM изображений из Фиг.3, и часть AFM изображения из Фиг.10) и AFM изображения слоя AlN в обычном основании, описанном в Патентном документе 1 и Непатентном документе 1 (часть AFM изображения из Фиг.12A).

[0045]

AFM изображение слоя AlN в обычном основании, описанном в Патентном документе 1 и Непатентном документе 1, показанное на Фиг.12A, представляет собой AFM изображение слоя зародышей AlN, сформированного на главной поверхности сапфировой подложки (слой на начальной стадии в слое AlN, имеющем толщину 300 нм, и вначале сформированный на главной поверхности сапфировой подложки), и соответствует состоянию основания на Фиг.3-5 (толщина: 20 нм) в соответствии с вариантом реализации настоящего приложения. В изображении AFM, показанном на Фиг.12A, некоторые кристаллы AlN объединены и вырастают до очень больших, приблизительно до нескольких микрон, и затруднительно измерить диаметр частиц перед объединением, но относительно малый кристалл AlN, который рассматривается как не объединенный, также имеет средний диаметр частиц приблизительно 1000 нм.

[0046]

Как будет очевидно из результатов сравнения AFM изображений, показанных на Фиг.12B, средний диаметр частиц кристаллов AlN в слое AlN основания в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения оказывается значительно меньшим, чем средний диаметр частиц кристаллов AlN в слое AlN основания, описанного в Патентном документе 1 и Непатентном документе 1.

[0047]

Конкретно, в основании, описанном в Патентном документе 1 и Непатентном документе 1, средний диаметр частиц кристаллов AlN в стадии начала выращивания слоя AlN составляет приблизительно 1000 нм. Кроме того, в основании, описанном в Патентном документе 1 и Непатентном документе 1, когда толщина слоя AlN становится равной 300 нм, множество кристаллов AlN полностью объединяются в состояние пленки, в котором не могут наблюдаться отдельные кристаллы. И напротив, в основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, средний диаметр частиц кристаллов AlN в стадии начала выращивания слоя AlN (толщина: 20 нм) - только приблизительно 50 нм. Кроме того, в основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, даже когда толщина слоя AlN становится 300 нм, индивидуальные кристаллы достаточно заметны, и средний диаметр частиц составляет приблизительно только 200 нм.

[0048]

Кроме того, в основании, описанном в Патентном документе 1 и Непатентном документе 1, предполагается, что RMS значение поверхностной шероховатости в стадии начала выращивания слоя AlN составляет 21,4 нм, и что RMS значение поверхностной шероховатости в стадии, когда толщина слоя AlN становится равной 300 нм, составляет значение между 21,4 нм и 8,2 нм (см. Фиг.4B Патентного документа 1). Вместе с тем, в основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, RMS значение поверхностной шероховатости в стадии начала выращивания слоя AlN (толщина: 20 нм) составляет приблизительно 3 нм, и RMS значение поверхностной шероховатости в стадии, когда толщина слоя AlN становится равной 300 нм, составляет приблизительно 5 нм. Поэтому, RMS значение поверхностной шероховатости в слое AlN основания в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения оказывается значительно меньшим, чем RMS значение поверхностной шероховатости в слое AlN основания, описанного в Патентном документе 1 и Непатентном документе 1.

[0049]

В частности, в основании, описанном в Патентном документе 1 и Непатентном документе 1, относительно большие кристаллические зародыши AlN выделяются всюду в стадии начала выращивания слоя AlN, и формируется подобный пленке слой AlN для заполнения пространства между кристаллическими зародышами AlN и, таким образом, RMS значение поверхностной шероховатости слоя AlN становится относительно большим. После этого, поскольку пространство между отдельными кристаллическими зародышами AlN полностью заполнено подобным пленке слоем AlN, RMS значение поверхностной шероховатости слоя AlN просто уменьшается по мере роста слоя AlN (увеличение толщины). Вместе с тем, в основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, поскольку мелкие начальные кристаллы AlN выращиваются в большом количестве и при высокой плотности, RMS значение поверхностной шероховатости в стадии начала выращивания слоя AlN становится относительно малым. После этого, поскольку отдельные AlN кристаллы объединяются или становятся крупными впоследствии, RMS значение поверхностной шероховатости слоя AlN в этой стадии (стадия, когда толщина слоя AlN становится равной 300 нм), равно или более, чем RMS значение поверхностной шероховатости слоя AlN в стадии начала выращивания.

[0050]

Как описано выше, режим выращивания кристаллов AlN в стадии начала выращивания слоя AlN существенно отличается для основания, описанного в Патентных документах 1 и 2 и Непатентном документе 1, и основания в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, и различие между ними видно по среднему диаметру частиц кристаллов AlN и RMS значению поверхностной шероховатости слоя AlN. Следует отметить, что даже с основанием в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, когда слой AlN выращивается дополнительно (толщина делается большей, чем 300 нм, например, 1 мкм или более, предпочтительно 2 мкм или более), кристаллы отдельных AlN постепенно объединяются и, наконец, получается подобный пленке слой AlN.

[0051]

Далее, в связи с чертежами описывается кристалличность слоя AlN в основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. На Фиг.13A и 13B приведены таблицы, показывающие результаты измерения способом рентгеновских кривых качания (XRC) на плоскости (0002) слоя AlN в основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. Следует отметить, что на Фиг.13A приведена таблица, показывающая результат измерения ω сканирования, Фиг.13B - это таблица, показывающая результат измерения 2θ-ω сканирования, и числовые значения, приведенные в каждой таблице - это средние значения полной ширины на половине максимума (FWHM) пика, соответствующего плоскости (0002). Кроме того, при измерении ω сканирования, показанного на Фиг.13A, если ориентация оси выполнена для выравнивания оси C образца (C ось сапфировой подложки и слоя AlNа) с осью зеркального отражения рентгена, то зеркальное отражение рентгена подложкой сапфира измеряется, и становится затруднительным измерить полную ширину на половине максимума для слоя AlN и, таким образом, измерение проводится без выполнения такого выравнивания оси.

[0052]

Как показано на Фиг.13A и 13B, в результатах измерения и ω сканирования и 2θ-ω сканирования, когда толщина слоя AlN составляет 20 нм, полная ширина на половине максимума плоскости (0002) составляет приблизительно 1000 arcsec. Также, как показано на Фиг.13B, в результате измерения 2θ-ω сканирования, когда толщина слоя AlN составляет 300 нм, полная ширина на половине максимума плоскости (0002) составляет приблизительно 100 arcsec.

[0053]

Обычно, полная ширина на половине максимума для плоскости (0002) в слое AlN, выращенном на плоскости (0001) сапфировой подложки приблизительно до нескольких микрометров, особенно не ограничивая диаметр частиц кристаллов AlN, составляет приблизительно 2000 arcsec. И напротив, Непатентный документ 1 сообщает, что полная ширина на половине максимума плоскости (0002) в слое AlN, выращенном до толщины 4,8 мкм улучшилась приблизительно до 200 arcsec формированием небольшого количества AlN кристаллических зародышей в стадии начала выращивания слоя AlN, выращивая подобный пленке слой AlN, заполняющий AlN кристаллические зародыши, и дополнительно способствующий боковому росту во время выращивания слоя AlN.

[0054]

По сравнению с этими обычными методиками, в основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, полная ширина на половине максимума для плоскости (0002) на стадии начала выращивания слоя AlN (толщина: 20 нм) составляет уже всего 1000 arcsec, и полная ширина на половине максимума для плоскости (0002) в слое AlN, выращенном до толщины 300 нм, оказывается меньшей, всего 100 arcsec. То есть, просто выращивая слой AlN приблизительно только до 300 нм, основание в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения может достигнуть кристалличности, равной или большей, чем кристалличность, которая не может быть достигнута без выращивания слоя AlN до толщины 4,8 мкм в основании, описанном в Патентном документе 1 и Непатентном документе 1. Кроме того, в основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, можно ожидать дополнительного улучшения кристалличности, выращивая слой AlN более плотным.

[0055]

Как описано выше, делая средний диаметр частиц кристаллов AlN, эпитаксиально выращенных на главной поверхности сапфировой подложки, достаточно меньшим, чем средний диаметр частиц кристаллов AlN в слое AlN основания, описанного в Патентном документе 1 и Непатентном документе 1 (кроме того, Патентном документе 2, в котором слой AlN сформирован подобным способом), кристалличность слоя AlN, эпитаксиально выращенного на главной поверхности сапфировой подложки, может быть существенно улучшена.

[0056]

Следует отметить, что рассматривая пределы среднего диаметра и отклонение среднего диаметра частиц и вариацию диаметра частиц кристаллов AlN в основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, показанного на Фиг.6-12, и расхождение диаметра частиц кристаллов AlN в каждом основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения и основании, описанном в Патентном документе 1 и Непатентном документе 1, и т.п., предполагается, что вышеупомянутый эффект может быть получен установлением среднего диаметра частиц кристаллов AlN как 100 нм или менее в стадии начала выращивания слоя AlN (толщина: 20 нм). В частности, на Фиг.6-8, поскольку среднее значение максимального значения диаметра частиц кристаллов AlN составляет самое большее приблизительно 75 нм, то предпочтительно установить средний диаметр частиц кристаллов AlN как 75 нм или менее, и более предпочтительно как 70 нм или менее. Также, предпочтительно установить средний диаметр частиц как 20 нм или более и, в частности, на Фиг.6-8, поскольку среднее значение минимального значения диаметра частиц кристаллов AlN составляет приблизительно 28 нм, более предпочтительно установить средний диаметр частиц кристаллов AlN как 28 нм или более. Аналогично, предполагается, что вышеупомянутый эффект может быть получен установлением среднего диаметра частиц кристаллов AlN в слое AlN, имеющем толщину 300 нм, как 300 нм или менее, и более предпочтительно установить средний диаметр частиц как 250 нм или менее. Также, предпочтительно установить этот средний диаметр частиц как 150 нм или более.

[0057]

Также, рассматривая RMS значение поверхностной шероховатости слоя AlN в основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, показанного на Фиг.9-12 и расхождение RMS значения поверхностной шероховатости слоя AlN в каждом основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения и основании, описанном в Патентном документе 1 и Непатентном документе 1, предполагается, что вышеупомянутый эффект может быть получен установлением RMS значения поверхностной шероховатости слоя AlN в стадии начала выращивания слоя AlN (толщина: 20 нм) как 5 нм или менее, и более предпочтительно установить это RMS значение как 4 нм или менее. Также, предпочтительно установить это RMS значение как 2 нм или более. Аналогично, предполагается, что вышеупомянутый эффект может быть получен установлением RMS значения поверхностной шероховатости слоя AlN, имеющего толщину 300 нм, как 10 нм или менее, и более предпочтительно установить RMS значение как 6 нм или менее. Также, предпочтительно установить это RMS значение как 4 нм или более.

[0058]

Следует отметить, что AlN, который имеет структуру вюрцита, имеет кристаллическую структуру, асимметричную в направлении C-оси (вертикально асимметричная кристаллическая структура, когда ось C выбрана как вертикальное направление), направление +C-оси (направление [0001]) и направление -C-оси (направление [000-1]) не эквивалентны, и +C плоскость (плоскость (0001): плоскость полярности Al) и -C плоскость (плоскость (000-1): плоскость полярности N), также не эквивалентны. Когда кристаллы AlN эпитаксиально выращиваются на плоскости (0001) сапфировой подложки, кристаллы AlN, растущие в направлении +C-оси и кристаллы AlN, растущие в направлении -C-оси, могут быть смешаны.

[0059]

Относительно этого, если кристаллы AlN, составляющие слой AlN, ориентированы по +C-оси к верхней стороне подложки (если главное направление роста кристаллов AlN - это направление +C оси и вся поверхность или большая часть (например, 80% или более, предпочтительно 90% или более) поверхности слоя AlN является +C плоскостью), то это предпочтительно, поскольку кристалличность слоя AlN может быть дополнительно улучшена.

[0060]

Как один из примеров способа получения кристаллов AlN, ориентированных по +C-оси, например, рассматривается способ, используемый в Applied Physics Express 4 (2011) 092102. Кроме того, например, когда слой AlN эпитаксиально выращен на сапфировой подложке способом MOVPE, начальной подачей исходного газа Al (например, TMA: Триметилалюминий), в то же самое время или ранее, чем исходный газ N (например, аммиак), рассматривается способ подавления чрезмерного азотирования главной поверхности сапфировой подложки и создания слоя AlN ориентированного по +C-оси. Следует отметить то, что основание в соответствии с вышеописанным вариантом реализации получено выращиванием слоя AlN последним способом, по меньшей мере, 50% поверхности слоя AlN, выращенного до толщины 20 нм от главной поверхности сапфировой подложки является +C плоскостью и, по меньшей мере, 80% поверхности слоя AlN, выращенного до толщины 300 нм - это +C плоскость (ориентированная по+C-оси).

[0061]

Также, в описанном выше варианте реализации, рассматривалось основание, имеющее угол наклона к сапфировой подложке 0,2°, 0,5°, и 1,0°; однако, пока могут быть получены кристаллы AlN, подобные вышеописанному варианту реализации, угол наклона к сапфировой подложке произволен. Однако, предпочтительно установить угол наклона как 0,2° или более, поскольку кристаллы AlN, подобные описанному выше варианту реализации, могут быть легко получены.

[0062]

<Различие между кристаллическими зародышами AlN в Патентных документах 1 и 2 и Непатентном документе 1, и мелкими кристаллами AlN, составляющими слой AlN в варианте реализации настоящего изобретения>

Далее описывается различие между кристаллическими зародышами AlN, сформированными перед выращиванием слоя AlN в Патентных документах 1 и 2 и Непатентном документе 1, и мелкими кристаллами AlN, составляющими слой AlN в варианте реализации настоящего изобретения.

[0063]

Вначале, как описано в связи с Фиг.14, в Патентных документах 1 и 2 и Непатентном документе 1, после того, как сформированы кристаллические зародыши AlN на главной поверхности сапфировой подложки (первая стадия на Фиг.14), формируется слой AlN для заполнения пространства между кристаллическими зародышами AlN (вторая стадия на Фиг.14). В это время, поскольку кристаллические зародыши AlN только рассеяны по главной поверхности сапфировой подложки, как показано в первой стадии на Фиг.14, в этой стадии кристаллические зародыши AlN не становятся "слоем", который достаточно покрывает главную поверхность сапфировой подложки.

[0064]

Например, в параграфе [0060] спецификации Патентного документа 2 описывается то, что "кристаллические зародыши AlN, имеющие диаметр 20-50 нм и высоту 20-40 нм формируются с плотностью приблизительно 200/мкм²". Здесь, даже при том, что предполагается фактически невозможная ситуация, в которой покрытие кристаллическими зародышами AlN максимизировано, то есть, все 200 кристаллических зародышей AlN содержатся в области 1 мкм² без недостатка, и все кристаллические зародыши AlN являются круглыми на виде в плане с диаметром 50 нм, общая площадь, занятая кристаллическими зародышами AlN оказывается меньше, чем 0,4 мкм², и покрытие оказывается меньше, чем 40%. Поэтому, в состоянии, когда формируются только кристаллические зародыши AlN, как в Патентных документах 1 и 2 и Непатентном документе 1, очевидно, что "слой" при этом формируется.

[0065]

В Патентных документах 1 и 2 и Непатентном документе 1, как показано во второй стадии на Фиг.14, когда подобные пленке кристаллы AlN, заполняющие пространство между кристаллическими зародышами AlN, формируется "слой", который достаточно покрывает главную поверхность сапфировой подложки. Затем, когда достигается вторая стадия на Фиг.14, поскольку формируются подобные пленке кристаллы AlN, имеющие очень большой средний диаметр частиц и сплавленные с кристаллическими зародышами AlN, как показано на Фиг.12, средний диаметр частиц кристаллов AlN, составляющих слой AlN, оказывается очень большим и составляет приблизительно 1000 нм.

[0066]

Также, в параграфе [0071] спецификации Патентного документа 2 описывается, что "было подтверждено, что кристаллические зародыши AlN 2a были объединены друг с другом, и слой AlN на одной поверхностной стороне монокристаллической подложки 1 был сглажен до некоторой степени. Здесь, плотность наблюдаемых кристаллических зародышей AlN 2a уменьшилась приблизительно до 100/мкм² и что диаметр кристаллических зародышей AlN 2a также увеличился приблизительно до 50-100 нм" Это означает, что во второй стадии на Фиг.14, толщина подобных пленке кристаллов AlN увеличилась, и часть кристаллических зародышей AlN заполнилась подобными пленке кристаллами AlN, и наблюдается верх оставшихся кристаллических зародышей AlN. Затем, в этом состоянии, поскольку присутствуют подобные пленке кристаллы AlN, имеющие большой средний диаметр частиц и сплавленные с кристаллическими зародышами AlN, как показано на Фиг.12, средний диаметр частиц кристаллов AlN, составляющих слой AlN оказывается очень большим и составляет приблизительно 1000 нм.

[0067]

И напротив, в основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, как становится очевидным из AFM изображений, показанных на Фиг.3-5, "слой", который достаточно покрывает главную поверхность сапфировой подложки, был уже сформирован, в то время как были сформированы мелкие кристаллы AlN, составляющие слой AlN. Это будет определенно описано ниже в связи с чертежами.

[0068]

На Фиг.15 приведена таблица, показывающая различие высот в области измерения слоя AlN толщиной 300 нм в основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. На Фиг.16 приведена таблица, показывающая различие высот в области измерения и высоты с накопленной повторяемостью 90%, где толщина слоя AlN составляет 20 нм в основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. Здесь, различие высот в области измерения представляет собой различие между высотой самого высокого возвышения в области измерения и высотой в самой низкой впадине в области измерения при измерении с вышеупомянутым устройством AFM. Кроме того, высота с накопленной повторяемостью 90% представляет собой высоту, когда совокупное общее количество достигает 90% в случае, когда высота в области измерения подсчитывается в порядке убывания высоты. Следует отметить, что на Фиг.15 различия высоты в области измерения слоя AlN толщиной 300 нм представляют собой значения, полученные из двух областей измерения, описанных в соответствующих таблицах на Фиг.10 и 11. Кроме того, на Фиг.16 различия высоты в области измерения и высот с накопленной повторяемостью 90% слоя AlN толщиной 20 нм представляют собой значения, полученные из двух областей измерения вне трех областей измерения, описанных в соответствующих таблицах на Фиг.6-8.

[0069]

На Фиг.17A-17C приведены диаграммы, показывающие один пример профиля высоты и гистограмму высоты слоя AlN толщиной 20 нм в основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, и показывающие детали области измерения первой строки в таблице, показанной на Фиг.16. Следует отметить, что Фиг.17A - это AFM изображение, Фиг.17B - это профиль высоты вдоль линии L в изображении AFM, показанном на Фиг.17A, и Фиг.17C - гистограмма высоты области измерения AFM изображения, показанного на Фиг.17A. Следует отметить, что область измерения AFM изображения, показанного на Фиг.17A - это та же самая область измерения AFM изображения, что и показанная на Фиг.3. Также, на Фиг.17C тонкая линия F1 отображает частотное распределение, тогда как темная линия F2 отображает совокупное частотное распределение.

[0070]

Как показано на Фиг.15, различие высот в области измерения слоя AlN толщиной 300 нм составляет приблизительно 40 нм, которое очевидно меньше, чем толщина слоя AlN. В этом случае, можно сказать, что кристаллы AlN с достаточной толщиной также присутствуют в самой глубокой впадине в области измерения. Поэтому, можно сказать, что в слое AlN толщиной 300 нм вся поверхность главной поверхности сапфировой подложки покрыта кристаллами AlN, и покрытие главной поверхности сапфировой подложки кристаллами AlN составляет 100%.

[0071]

Вместе с тем, как показано на Фиг.16, различие высот в области измерения слоя AlN толщиной 20 нм составляет приблизительно 20 нм, что сравнимо с толщиной слоя AlN. Поэтому, имеется вероятность того, что кристаллы AlN не присутствуют в самой глубокой впадине в области измерения. Однако, как показано на Фиг.16, высота с накопленной повторяемостью 90% слоя AlN толщиной 20 нм составляет приблизительно 5 нм. Здесь, полагая, что высота шага на главной поверхности сапфировой подложки, имеющего угол наклона, больший чем 0, составляет 0,22 нм, и что средняя шероховатость Ra главной поверхности составляет 0,1 нм или менее, даже если кристаллы AlN не присутствуют в самой глубокой впадине в области измерения, можно сказать, что имеется большая вероятность того, что кристаллы AlN присутствуют в участке, имеющем высоту 1 нм или более, и что имеется очень большая вероятность того, что кристаллы AlN присутствуют в участке, имеющем высоту 2 нм или более. Поэтому, можно сказать, что в основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения покрытие главной поверхности сапфировой подложки кристаллами AlN, тогда как сформирован слой AlN, имеющий толщину 20 нм, составляет 90% или более, и что "слой", который вполне покрывает главную поверхность сапфировой подложки, был сформирован.

[0072]

Фактически, в примере, показанном на Фиг.17A-17C, дно впадины не является плоским в профиле высоты на Фиг.17B. Также, в гистограмме высоты, показанной на Фиг.17C, высота с накопленной повторяемостью 90% достигает значения 5,30 нм, и накопленная повторяемость высоты до 1 нм (или даже 2 нм) представляет собой значение, очень близкое к 100%. Также, эта тенденция применима не только к области измерения, показанной на Фиг.17A к 17C (область измерения первой строки в таблице, показанной на Фиг.16), но также и к другой области измерения в таблице, показанной на Фиг.16 (область измерения в строках со второй до шестой в таблице, показанной на Фиг.16). Поэтому, в основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, даже если кристаллы AlN не присутствуют в самой глубокой впадине в области измерения, можно сказать, что кристаллы AlN достаточно покрывают главную поверхность сапфировой подложки.

[0073]

Кроме того, в основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, как описано выше, кристаллы AlN представляют собой "слой", вполне покрывающий главную поверхность сапфировой подложки, и как становится очевидным из AFM изображений, показанных на Фиг.3-5, и профиля высоты, показанного на Фиг.17B, смежные кристаллы AlN уже сталкиваются в этой точке. Поэтому в основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, даже если кристаллы AlN растут от состояния, показанного на Фиг.3-5 (состояние, когда слой AlN растет только до толщины 20 нм), средний диаметр частиц кристаллов AlN толщиной 20 нм от главной поверхности сапфировой подложки сильно не изменяется. Поэтому, в основании в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, средний диаметр частиц кристаллов AlN толщиной 20 нм от главной поверхности сапфировой подложки составляет 100 нм или менее (кроме того, 75 нм или менее).

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

[0074]

Настоящее изобретение может быть использовано для основания, включающего в себя сапфировую подложку и способ его производства, и нитридный полупроводниковый излучающий ультрафиолетовое излучение элемент, включающий в себя основание. В частности, настоящее изобретение является подходящим для использования в основании для нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, который имеет пиковую длину волны излучения в ультрафиолетовой области, и в способе его производства и производства нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента.

ОПИСАНИЕ СИМВОЛОВ

[0075]

1 нитридный полупроводниковый излучающий ультрафиолетовое излучение элемент

10 основание

11 сапфировая подложка

12 слой AlN

20 часть структуры элемента

21 покрывающий слой n-типа

22 активный слой

23 электронный запирающий слой

24 контактный слой p-типа

25 p-электрод

26 n-электрод

Основание нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, содержащее сапфировую подложку с одной из плоскости (0001) и плоскости, наклоненной на заданный угол относительно плоскости (0001), в качестве главной поверхности и слой AlN, сформированный непосредственно на главной поверхности сапфировой подложки и составленный из кристаллов AlN, имеющих ориентационную взаимосвязь эпитаксиальных кристаллов с главной поверхностью, причем средний диаметр частиц кристаллов AlN слоя AlN толщиной 20 нм от главной поверхности составляет 100 нм или менее. Изобретение обеспечивает возможность формирования основания нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента c улучшенной кристалличностью слоя AlN, за счет изменения режима выращивания кристаллов AlN относительно обычного режима. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Основание нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, содержащее:

сапфировую подложку с одной из плоскости (0001) и плоскости, наклоненной на заданный угол относительно плоскости (0001), в качестве главной поверхности; и

слой AlN, сформированный непосредственно на главной поверхности сапфировой подложки и составленный из кристаллов AlN, имеющих ориентационную взаимосвязь эпитаксиальных кристаллов с главной поверхностью,

причем

средний диаметр частиц кристаллов AlN слоя AlN толщиной 20 нм от главной поверхности составляет 100 нм или менее.

2. Основание по п. 1, причем средний диаметр частиц кристаллов AlN слоя AlN толщиной 20 нм от главной поверхности составляет 75 нм или менее.

3. Основание по п. 1, причем средний диаметр частиц кристаллов AlN слоя AlN толщиной 20 нм от главной поверхности составляет 70 нм или менее.

4. Основание по любому из пп. 1-3, причем средний диаметр частиц кристаллов AlN слоя AlN толщиной 300 нм от главной поверхности составляет 300 нм или менее.

5. Основание по любому из пп. 1-3, причем главная поверхность сапфировой подложки представляет собой плоскость, наклоненную на 0,2° или более относительно плоскости (0001).

6. Основание по любому из пп. 1-3, причем кристаллы AlN слоя AlN толщиной 300 нм от главной поверхности ориентированы вдоль +C-оси вверх относительно сапфировой подложки.

7. Нитридный полупроводниковый излучающий ультрафиолетовое излучение элемент, содержащий:

основание по любому из пп. 1-6; и

часть структуры элемента, включающую в себя множество полупроводниковых слоев на основе AlGaN, уложенных стопой на основании.

8. Способ производства основания нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, причем упомянутый способ содержит этап эпитаксиального выращивания кристаллов AlN непосредственно на главной поверхности сапфировой подложки с одной из плоскости (0001) и плоскости, наклоненной на заданный угол относительно плоскости (0001), в качестве главной поверхности для формирования слоя AlN,

причем

упомянутый этап включает в себя эпитаксиальное выращивание кристаллов AlN при таких условиях выращивания, когда средний диаметр частиц кристаллов AlN на поверхности слоя AlN, эпитаксиально выращенного от главной поверхности до толщины 20 нм, составляет 100 нм или менее.

9. Способ производства основания нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента, причем упомянутый способ содержит этап эпитаксиального выращивания кристаллов AlN непосредственно на главной поверхности сапфировой подложки с одной из плоскости (0001) и плоскости, наклоненной на заданный угол относительно плоскости (0001), в качестве главной поверхности для формирования слоя AlN,

причем

упомянутый этап включает в себя эпитаксиальное выращивание кристаллов AlN при таких условиях выращивания, когда средний диаметр частиц кристаллов AlN на поверхности слоя AlN составляет 100 нм или менее, когда слой AlN, покрывающий 90% или более главной поверхности, эпитаксиально выращен до толщины 20 нм.

10. Способ производства основания по п. 8 или 9, причем упомянутый этап включает в себя эпитаксиальное выращивание слоя AlN при таких условиях выращивания, когда средний диаметр частиц кристаллов AlN на поверхности слоя AlN, эпитаксиально выращенного от главной поверхности до толщины 300 нм, составляет 300 нм или менее.

11. Способ производства основания по п. 8 или 9, причем упомянутый этап включает в себя эпитаксиальное выращивание слоя AlN при таких условиях выращивания, когда RMS значение (среднеквадратичное значение) поверхностной шероховатости слоя AlN, эпитаксиально выращенного от главной поверхности до толщины 20 нм, равно или менее RMS значения поверхностной шероховатости слоя AlN, эпитаксиально выращенного от главной поверхности до толщины 300 нм.

12. Способ производства основания по п. 8 или 9, причем упомянутый этап включает в себя эпитаксиальное выращивание слоя AlN при таких условиях выращивания, когда RMS значение поверхностной шероховатости слоя AlN, эпитаксиально выращенного от главной поверхности до толщины 20 нм, составляет 5 нм или менее.

13. Способ производства основания по п. 8 или 9, причем упомянутый этап включает в себя эпитаксиальное выращивание слоя AlN при таких условиях выращивания, когда RMS значение поверхностной шероховатости слоя AlN, эпитаксиально выращенного от главной поверхности до толщины 300 нм, составляет 10 нм или менее.

14. Способ производства основания по п. 8 или 9, причем упомянутый этап включает в себя эпитаксиальное выращивание слоя AlN при таких условиях выращивания, когда кристаллы AlN на поверхности слоя AlN, эпитаксиально выращенного от главной поверхности до толщины 300 нм, ориентированы вдоль +C-оси.

15. Способ производства основания по п. 8 или 9, причем упомянутый этап включает в себя установку температуры выращивания слоя AlN на 1150°C или выше и 1300°C или ниже.