JP2003514392A - サファイア基板上に窒化ガリウム半導体層を製造するペンディオエピタキシャル方法およびそれにより製造された窒化ガリウム半導体構造体 - Google Patents
サファイア基板上に窒化ガリウム半導体層を製造するペンディオエピタキシャル方法およびそれにより製造された窒化ガリウム半導体構造体Info
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Abstract
Description
、窒化ガリウム半導体デバイスおよびそのための製造方法に関する。
ニックデバイスを含むがそれらに限定されないマイクロエレクトロニックデバイ
スのために広く研究されている。ここで用いられるように、窒化ガリウムは、窒
化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウムおよび窒化アルミニウムイン
ジウムガリウムのような窒化ガリウムの合金も含むことが理解されるであろう。
は、低欠陥密度を有する窒化ガリウム半導体層の製造である。欠陥密度に寄与す
る一つのものは、窒化ガリウム層が成長される基板であることが知られている。
したがって、窒化ガリウム層はサファイア基板上に成長されてきたが、それら自
身が炭化ケイ素基板上に形成された窒化アルミニウムバッファ層上に窒化ガリウ
ム層を成長させることにより欠陥密度を減少させることが知られている。これら
の進歩にかかわらず、欠陥密度を引き続き減少させることが望ましい。
る少なくとも一つの開口を含むマスクを形成し、この少なくとも一つの開口を通
しておよびマスク上に窒化ガリウムからなる下層を横方向成長させることにより
低欠陥密度の窒化ガリウム層を製造することも知られている。この技術はしばし
ば、「エピタキシャル横方向成長」(ELO)と呼ばれる。窒化ガリウムからな
る層は、窒化ガリウムがマスク上で会合してマスク上に単一の層を形成するまで
横方向成長させることができる。比較的低欠陥密度の窒化ガリウムの連続層を形
成するために、横方向成長された窒化ガリウム層上に、下層のマスクの開口から
ずれた少なくとも一つの開口を含む第2のマスクを形成することができる。次に
再びELOが第2のマスクの開口を通して行われ、それによって第2の低欠陥密
度の連続した窒化ガリウム層が成長される。その後、マイクロエレクトロニック
デバイスがこの第2の成長層に形成される。窒化ガリウムのELOは、例えば、
Appl.Phys.Lett.Vol.71,No.18,November 3,1997,pp.2638-2640の Namらによる有
機金属気相エピタキシーによる低欠陥密度GaN層の横方向エピタキシーという
題名の刊行物およびAppl.Phys.Lett.Vol.71,No.17,October 27,1997,pp.2472-24
74の Zhelevaらによる選択成長GaN構造体における横方向エピタキシーによる
転位密度の低減という題名の刊行物に記述されており、それらの開示が参考のた
めにここに挙げられる。
なくとも一つの側壁を規定することにより低欠陥密度の窒化ガリウムからなる層
を製造することも知られている。その後、この少なくとも一つの側壁から窒化ガ
リウムからなる層が横方向成長される。横方向成長は、好適には、横方向成長し
た層が溝と会合するまで行われる。横方向成長はまた、好適には、側壁から成長
される窒化ガリウム層が柱の頂上の上に横方向成長するまで続ける。横方向成長
を促進させ、窒化ガリウムの核生成および縦方向の成長を起こさせるために、柱
の頂上および/または溝の底をマスクすることができる。溝および/または柱の
側壁からの横方向成長は「ペンディオエピタキシー(pendeoepitaxy)」と呼ばれ
、例えば、Journal of Electronic Materials,Vol.28,No.4,February 1999,pp.L
5-L8の Zhelevaらによるペンディオエピタキシー:窒化ガリウム膜の横方向成長
の新しいアプローチという題名の刊行物およびApplied Physics Letters,Vol.75
,No.2,July 1999,pp.196-198の Linthicumらによる窒化ガリウム薄膜のペンディ
オエピタキシーという題名の刊行物に記述されており、それらの開示が参考のた
めにここに挙げられる。
のための比較的大きな低欠陥の窒化ガリウム層を提供することができる。しかし
ながら、窒化ガリウムデバイスの量産を制限する一つの問題は、炭化ケイ素基板
上への窒化ガリウム層の成長である。炭化ケイ素の増大する商業上の重要性にか
かわらず、炭化ケイ素基板はまだ比較的高価である。さらに、裏面からの光照射
が望まれる光学デバイスにおいて炭化ケイ素基板を使用することは、炭化ケイ素
は透明であるため、困難である。したがって、窒化ガリウムのマイクロエレクト
ロニック構造を製造するための下層の炭化ケイ素基板の使用は、窒化ガリウムデ
バイスのコストおよび/または応用に悪影響を与える。
柱の側壁を、溝底からの窒化ガリウムの縦方向成長が柱の窒化ガリウム側壁のペ
ンディオエピタキシャル成長と干渉するのを防止するために下層の窒化ガリウム
層および/またはサファイア基板を処理することによって、ペンディオエピタキ
シャルに成長させる。これによって、広く入手可能なサファイア基板を窒化ガリ
ウムのペンディオエピタキシーに使用することができ、それによって窒化ガリウ
ムデバイスのコストの低減および/または応用の幅の向上が可能となる。
層をエッチングして、下層の窒化ガリウム層における少なくとも一つの柱および
下層の窒化ガリウム層における少なくとも一つの柱を規定することによって製造
される。少なくとも一つの柱は、窒化ガリウム頂部および窒化ガリウム側壁を含
む。少なくとも一つの溝は溝底を含む。窒化ガリウム側壁は、少なくとも一つの
溝の中に横方向成長され、それによって窒化ガリウム半導体層を形成する。しか
しながら、横方向成長工程を実行する前に、溝底からの窒化ガリウムの成長が少
なくとも一つの柱の窒化ガリウム側壁の少なくとも一つの溝の中への横方向成長
と干渉するのを防止するために、サファイア基板および/または下層の窒化ガリ
ウム層が処理される。
ウムの縦方向成長が少なくとも一つの柱の窒化ガリウム側壁の少なくとも一つの
溝の中への横方向成長と干渉するのを防止するために、少なくとも一つの溝の下
まで十分に深くエッチングされる。その代わりに、あるいは、それに加えて、溝
底をマスクでマスクしてもよい。更に他の例では、下層の窒化ガリウム層は、サ
ファイア基板を露出させ、サファイア底を形成するために、選択的にエッチング
される。窒化ガリウム柱の頂部も、窒化ガリウム上と比較してその上の窒化ガリ
ウムの核生成を減少させるためにマスクしてもよい。成長後、少なくとも一つの
マイクロエレクトロニックデバイスが窒化ガリウム半導体層に形成される。
的に露出させ、下層の窒化ガリウム層に少なくとも一つの柱および少なくとも一
つの溝を規定するために、エッチングされる。少なくとも一つの柱はそれぞれ窒
化ガリウム頂部および窒化ガリウム側壁を含む。少なくとも一つの溝はサファイ
ア底を含む。少なくとも一つの柱の窒化ガリウム側壁は少なくとも一つの溝に横
方向成長され、それによって窒化ガリウム半導体層を形成する。
下層の窒化ガリウム層およびサファイア基板における少なくとも一つの柱ならび
に下層の窒化ガリウム層およびサファイア基板における少なくとも一つの溝を規
定するために、サファイア基板も同様にエッチングされる。少なくとも一つの柱
はそれぞれ窒化ガリウム頂部、窒化ガリウム側壁およびサファイア側壁を含む。
少なくとも一つの溝はサファイア底を含む。より好適には、サファイア底からの
窒化ガリウムの縦方向成長が、少なくとも一つの柱の窒化ガリウム側壁を少なく
とも一つの溝の中に横方向成長させる工程と干渉するのを防止するために、サフ
ァイア基板が十分に深くエッチングされる。例えば、サファイア底の幅に対する
サファイア側壁の高さの比は約1/4を超える。他の実施形態においては、サフ
ァイア底は、サファイア上と比較してその上の窒化ガリウムの核生成を減少させ
るマスクでマスクされる。
バッファ層を含む。エッチング工程の間、窒化ガリウム層および窒化アルミニウ
ムバッファ層は両者とも、サファイア基板を選択的に露出させるためにエッチン
グされる。他の実施形態においては、サファイア基板も、溝がサファイア基板に
延在するように、選択的にエッチングされる。
成長させることによってペンディオエピタキシャルに進行し、それによって窒化
ガリウム半導体層を形成する。ペンディオエピタキシャル成長の前に、窒化ガリ
ウム頂部は、窒化ガリウム上と比較してその上への窒化ガリウの核生成を減少さ
せるマスクでマスクされる。
ァイア基板を露出させる必要性がなくなる。すなわち、サファイア基板上の下層
の窒化ガリウム層は、下層の窒化ガリウムにおける少なくとも一つの柱および下
層の窒化ガリウム層における少なくとも一つの溝を規定するために、エッチング
される。少なくとも一つの柱は頂部および側壁を含み、少なくとも一つの溝は溝
底を含む。少なくとも一つの底はマスクでマスクされ、少なくとも一つの柱の側
壁は少なくとも一つの溝の中に横方向成長され、それによって窒化ガリウム半導
体層を形成する。上述のように、柱の頂部もマスクされる。好適には、少なくと
も一つの底および少なくとも一つの頂部が、例えば横方向頂部および底上にはマ
スクを形成するが、側壁上にはマスクを形成しない方向性堆積を行うことによっ
て、同時にマスクされる。上述したように、窒化アルミニウムバッファ層が存在
する時、それは柱および溝を規定するためにエッチングされ、あるいは、その窒
化アルミニウムバッファ層上にマスクが形成される。他の例では、溝底は窒化ガ
リウム層自身に位置し、窒化ガリウム溝底は上述のようにマスクされる。
このサファイア基板上の下層の窒化ガリウム層を含むことができる。下層の窒化
ガリウム層は、その中に少なくとも一つの柱および少なくとも一つの溝を含む。
少なくとも一つの柱は窒化ガリウム頂部および窒化ガリウム側壁を含む。少なく
とも一つの溝はサファイア底を含む。横方向の窒化ガリウム層は、少なくとも一
つの柱の窒化ガリウム側壁から少なくとも一つの溝に横方向に延在する。好まし
い実施形態においては、少なくとも一つの柱がそれぞれ窒化ガリウム頂部、窒化
ガリウム側壁およびサファイア側壁を含み、少なくとも一つの溝がサファイア底
を含むように、少なくとも一つの溝がサファイア基板に延在する。サファイア底
は、好適には、その上に縦方向の窒化ガリウム層がなく、サファイア底の幅に対
するサファイア側壁の高さの比が約1/4を超える。サファイア底上にマスクが
含まれてもよく、サファイア基板と下層の窒化ガリウム層との間に窒化アルミニ
ウムバッファ層も含まれてもよい。窒化ガリウム頂部の上にマスクが含まれても
よい。底の上のマスクおよび頂部の上のマスクは好適には同一材料からなる。
板およびこのサファイア基板上の下層の窒化ガリウム層を含むことができる。下
層の窒化ガリウム層は、その中に少なくとも一つの柱および少なくとも一つの溝
を含む。少なくとも一つの柱は、窒化ガリウム頂部および窒化ガリウム側壁を含
み、少なくとも一つの溝は溝底を含む。少なくとも一つの溝底の上にマスクが含
まれ、窒化ガリウム層は少なくとも一つの柱の窒化ガリウム側壁から少なくとも
一つの溝の中に横方向に延在する。好ましい実施形態においては、溝底はサファ
イア底である。マスクは、好適には溝底の上のマスクと同一材料からなる窒化ガ
リウム頂部の上に設けられる。上述のように、窒化アルミニウムバッファ層もま
た設けられる。少なくとも一つのマイクロエレクトロニックデバイスが窒化ガリ
ウム半導体層に形成される。
せるための基板としてサファイアを使用することができる。それによって、低コ
ストおよび/または高い入手可能性の窒化ガリウムデバイスが提供される。
説明する。この発明は、しかしながら、多くの異なる形態で実施することができ
、以下に述べる実施形態に限定されると解釈されてはならない。むしろ、これら
の実施形態は、この開示が完全かつ完璧で、当業者にこの発明の範囲を十分に伝
えるように、提供されるものである。図においては、明確さのために、層および
領域の厚さを誇張してある。全体を通して同様な符号は同様の要素を指す。層、
領域または基板のような要素が他の要素の「上」にあると言うときは、それは他
の要素の上に直接形成することもできるし、あるいは、介在する要素が存在して
もよいことが理解されるであろう。さらに、ここに説明し、図示する各実施形態
はその相補的な導電型の実施形態も同様に含むものである。
製造方法を説明する。図1に示すように、下層の窒化ガリウム層104が基板1
02上に成長される。基板102は、好適には(0001)(c面)方位、また
好適には窒化アルミニウムおよび/または窒化ガリウムバッファ層102bを含
むサファイア(Al2 O3 )基板102aを含む。ここで用いられる結晶学的な
指定の約束は当業者にとって周知であり、更に説明する必要はない。窒化ガリウ
ム層104は厚さが0.5μmと2.0μmとの間であり、コールドウォール縦
型誘導加熱有機金属気相エピタキシーシステムにおいて、26μmol/min
のトリエチルガリウム、1500sccmのアンモニアおよび3000sccm
の水素希釈ガスを用いて、サファイア基板102a上に成長された低温(600
℃)窒化アルミニウムバッファ層および/または低温(500℃)窒化ガリウム
バッファ層102bの上に1000℃で成長される。窒化アルミニウムバッファ
層を含むサファイア基板上の窒化ガリウム層の成長については、Appl.Phys.Lett
.42(5),March 1,1983,pp.427-429のYoshida らによるAlNコートサファイア基
板を用いて反応性分子線エピタキシーによりエピタキシャル成長されたGaN膜
の電気的およびルミネッセント特性の改善という題名の刊行物、Appl.Phys.Lett
.48(5),February 1986,pp.353-355 のAmano らによるAlNバッファ層を用いた
高品質GaN膜の有機金属気相エピタキシャル成長という題名の刊行物、J.Appl
.Phys.73(9),May 1,1993,pp.4700-4702 のKuzniaらによるサファイア基板上の高
品質単結晶GaNの成長に及ぼすバッファ層の影響という題名の刊行物、Japane
se Journal of Applied Physics,Vol.30,No.10A,October 1991,pp.L1705-L1707
のNakamuraらによるGaNバッファ層を用いたGaN成長という題名の刊行物、
および、Journal of Electronic Materials,Vol.24,No.4,1995,pp.269-273 のDo
verspikeによるC面およびA面サファイア上に成長されたGaN膜の性質に及ぼ
すGaNおよびAlNバッファ層の影響という題名の刊行物に記述されている。
その開示が参考のためにここに挙げられる。
05を含む。当業者により、側壁105は、「メサ(mesa)」、「ペデスタル(
pedestals)」または「カラム(column)」とも呼ばれる複数の間隔のあいた柱に
よって規定されていると考えてもよい。側壁105はまた、下層の窒化ガリウム
層104にある「井戸」とも呼ばれる複数の溝によって規定されていると考えて
もよい。側壁105はまた、一連の交互に並んだ溝107および柱106によっ
て規定されていると考えてもよい。更に、単一の柱106を設けてもよく、これ
はその単一の柱に隣接する少なくとも一つの溝107によって規定されていると
考えてもよい。側壁105を規定する柱106および溝107は、選択エッチン
グおよび/または選択エピタキシャル成長および/または他の従来技術によって
製造することができることが理解されるであろう。更に、側壁は基板102に対
して直交している必要はなく、それに対して傾斜していてもよいことも理解され
るであろう。最後に、側壁105は図1においては断面で示されているが、柱1
06および溝107は真っ直ぐなV形状または他の形状をした延びた領域を規定
することも理解されるであろう。図1に示すように、溝107は好適にはバッフ
ァ層102bおよび基板102aに延在し、その結果、続く窒化ガリウム成長は
溝底の上よりも側壁105上に優先的に起こる。
れて溝107の中に横方向の窒化ガリウム層108aを形成する。窒化ガリウム
の横方向成長は、1000−1100℃および45Torrで得られる。13−
39μmol/minの前駆体TEGおよび1500sccmのNH3 を300
0sccmのH2 希釈ガスと組み合わせて用いてもよい。窒化ガリウム合金が形
成されるならば、これに加えて例えばアルミニウムまたはインジウムの従来の前
駆体も用いてもよい。ここで用いられるように、「横方向(lateral)」という用
語は側壁105と直交する方向を意味する。側壁105からの横方向成長中に柱
106上にも何らかの縦方向成長が起こることも理解されるであろう。ここで用
いられるように、「縦方向(vertical)」という用語は側壁105と平行な方向
を意味する。
がサファイア上に核生成することが分かった。よって、窒化ガリウムの縦方向成
長がサファイアの溝底から起こり、これは、窒化ガリウム側壁の少なくとも一つ
の溝の中への横方向成長と干渉し得る。あるいは、アンモニアの存在により、サ
ファイアの表面の露出した領域は、窒化アルミニウムに変換される。不幸なこと
に、窒化ガリウムは窒化アルミニウム上で良好に核生成することができ、それに
よって溝底からの窒化ガリウムの縦方向成長が可能となり、これが窒化ガリウム
側壁の横方向成長と干渉し得る。
ムを成長させるために高い成長温度を用いることによって減少させることができ
、好適にはなくすことができる。例えば、従来の約1000℃の温度よりも約1
100℃の温度を用いてもよい。しかしながら、これでもなお、サファイア基板
の底の上への窒化ガリウムの核生成を防げない。
化ガリウムの縦方向成長が、少なくとも一つの柱の窒化ガリウム側壁を少なくと
も一つの溝の中に横方向成長させる工程と干渉するのを防止するために、十分に
深くエッチングされる。例えば、サファイア溝の幅xに対するサファイア側壁の
高さyの比は少なくとも1/4とされる。窒化ガリウムの成長中の横方向成長に
対する縦方向成長の比によって、他の比を用いてもよい。以下に述べる条件の下
で、窒化ガリウムの横方向成長速度を縦方向成長速度よりも速くすることができ
る。これらの条件の下で、および、十分に深い溝を用いて、柱からの側壁成長は
、サファイア基板上の窒化ガリウムの核生成を生じる溝内の縦方向窒化ガリウム
成長が横方向成長と干渉する前に、溝の上で会合することができる。
層の窒化ガリウム層104の上、特に柱106の上に縦方向成長が起きて縦方向
の窒化ガリウム層108bが形成される。縦方向成長の成長条件は、図2に関連
して説明したものと同じである。図3にも示されているように、溝107への継
続した縦方向成長が溝の底に起こる。ボイド109は好適には横方向窒化ガリウ
ム層108aと溝底107aとの間に残す。
会合して溝内に連続的な窒化ガリウム半導体層を形成するまで成長を続けること
ができる。全成長時間は約60分である。図5に示すように、その後横方向窒化
ガリウム半導体層108aにマイクロエレクトロニックデバイス110が形成さ
れる。縦方向窒化ガリウム層108bにもデバイスを形成してもよい。
体100を説明する。窒化ガリウム構造体100は基板102を含む。この基板
は、サファイア基板102aおよびこのサファイア基板102a上の窒化アルミ
ニウムバッファ層102bを含む。窒化アルミニウムおよび/または窒化ガリウ
ムバッファ層102bは約200−300Åである。
の上にも含まれている。下層の窒化ガリウム層104は、厚さが約0.5μmと
2.0μmとの間であり、有機金属気相エピタキシー(MOVPE)を用いて形
成される。下層の窒化ガリウム層は一般に、望ましくない比較的高い欠陥密度を
有する。例えば、約108 cm-2と1010cm-2との間の転位密度が下層の窒化
ガリウム層に存在する。これらの高い欠陥密度は、バッファ層102bと下層の
窒化ガリウム層104との間の格子定数の不整合および/または他の原因により
発生する。これらの高い欠陥密度は、下層の窒化ガリウム層104に形成される
マイクロエレクトロニックデバイスの性能に強い影響を与える。
および/または複数の溝107によって規定される複数の側壁105を含む。上
述のように、側壁は傾斜してもよく、種々の延びた形状であってもよい。柱10
6は窒化ガリウム頂部、窒化ガリウム側壁およびサファイア側壁を含み、少なく
とも一つの溝はサファイア底107aを含む。サファイア底107aは、好適に
はその上に縦方向の窒化ガリウム層がない。サファイア底の幅に対するサファイ
ア側壁の高さの比は好適には少なくとも1/4である。
層104の複数の側壁105から延在する。横方向窒化ガリウム層108aは、
有機金属気相エピタキシーを用いて、約1000−1100℃および45Tor
rで形成される。横方向窒化ガリウム層108aを形成するために、13−39
μmol/minのトリエチルガリウム(TEG)の前駆体および1500sc
cmのアンモニア(NH3 )を3000sccmのH2 希釈ガスと組み合わせて
用いてもよい。窒化ガリウム半導体構造体100は、柱106から縦方向に延在
する縦方向窒化ガリウム層108bも含む。
て溝内に連続的な横方向窒化ガリウム半導体層108aを形成する。下層の窒化
ガリウム層104における転位密度は一般的に、下層の窒化ガリウム層104か
ら縦方向のものと同一の密度を有する側壁105から横方向に伝播しないことが
分かった。よって、横方向窒化ガリウム層108aは、比較的低い欠陥密度、例
えば104 cm-2以下の欠陥密度を有することができる。したがって、横方向窒
化ガリウム層108bは、デバイス品質の窒化ガリウム半導体材料を形成する。
よって、図5に示すように、横方向窒化ガリウム半導体層108bにマイクロエ
レクトロニックデバイス110が形成される。横方向成長は側壁105から起こ
るので、図5の窒化ガリウム半導体構造体100を製造するためにマスクを用い
る必要がないことも理解されるであろう。
01が溝底107a´の上に形成される。溝底107a´上にマスク201を形
成する時、その溝はサファイア基板102aにエッチングする必要はない。むし
ろ、図6に示すように、溝は、窒化アルミニウムバッファ層102bを通しての
みエッチングされる。しかしながら、当業者により、図1に示すように、溝はサ
ファイア基板102aにもエッチングされ、サファイア基板における溝底107
aはマスク201でマスクされることが理解されるであろう。更に他の例におい
ては、溝は、図6に示すように窒化アルミニウムバッファ層102bを完全に貫
通してというよりも、窒化アルミニウムバッファ層102bの中に部分的にのみ
エッチングされる。更に別の例においては、溝は窒化アルミニウムバッファ層1
02bにエッチングされる必要はなく、むしろマスク201が窒化アルミニウム
バッファ層102bの露出した部分の上に形成される。更に別の例においては、
溝は窒化アルミニウムバッファ層に延在せず、むしろ窒化ガリウム層104の内
部で終端し、マスク201は窒化ガリウム底の上に形成される。最後に、マスク
201は窒化アルミニウムバッファ層102bと同一の厚さを有するように示さ
れているが、同一の厚さを有している必要はないことが理解されるであろう。む
しろ、それはより薄いか、より厚い。
テンのようないくつかの金属のようないくつかの非晶質および結晶質の材料の上
では、感知できるほどに核生成しないことが分かった。したがって、二酸化ケイ
素、窒化ケイ素および/またはタングステンのようなマスク材料を成長させるた
めに、熱的蒸着または電子ビーム蒸着のような「照準線」成長技術が用いられる
。窒化ガリウムはマスク上では明確には核生成しないので、柱の側壁からのみ成
長が開始するようにすることができる。図6−10の残りのプロセス工程は図1
−5のそれに対応し、ここで再び説明をする必要がない。
、サファイア基板102aは、図1−5に関連して説明したように、サファイア
底からの窒化ガリウムの縦方向成長が、少なくとも一つの柱の窒化ガリウム側壁
を少なくとも一つの溝内に横方向成長させる工程と干渉するのを防止するために
十分に深くエッチングされるが、ここで再び説明する必要はない。しかしながら
、図1−5と対照的に、図11−16においては、二酸化ケイ素、窒化ケイ素お
よび/またはタングステンマスク209のようなマスクが下層の窒化ガリウム層
104上に含まれる。マスク209は厚さが約1000Åまたはそれ以下の厚さ
を有し、二酸化ケイ素および/または窒化ケイ素の低圧化学気相成長(CVD)
を用いて下層の窒化ガリウム層104の上に形成される。あるいは、タングステ
ンを形成するために電子ビームまたは熱的蒸着が用いられる。マスク209は、
従来のフォトリソグラフィー技術を用いて、その中に開口のアレイが形成される
ようにパターニングされる。
グされ、下層の窒化ガリウム層104における複数の柱106およびそれらの間
の複数の溝107を規定する。柱のそれぞれは、側壁105およびその上にマス
ク209を有する頂部を含む。柱106および溝107は好適には上述のように
マスキングおよびエッチングによって形成されるが、柱は、下層の窒化ガリウム
層から柱を選択的に成長させ、次に柱の頂部の上にキャッピング層を形成するこ
とによっても形成されることが理解されるであろう。選択成長と選択エッチング
との組み合わせも用いられる。
されて、溝107内の横方向窒化ガリウム層108aを形成する。横方向成長は
上述のように進行する。柱106の頂部の上の成長および/または核生成はマス
ク209により減少し、好適にはなくなることが理解されるであろう。
のアレイを通じて横方向窒化ガリウム層108aの縦方向の成長が起きる。縦方
向成長の条件は、図12に関連して説明したものと同じである。
マスク209上に横方向成長が起きて、横方向窒化ガリウム層108bが形成さ
れる。この成長の成長条件は、図12に関連して説明したものと同じである。
で会合して溝内に連続的な横方向窒化ガリウム半導体層108aを形成するまで
成長を続けることができる。
09上で会合して連続的な横方向窒化ガリウム半導体層108bを形成するまで
成長を続けることができる。全成長時間は約60分である。単一の連続成長工程
が用いられる。図16に示すように、その後横方向窒化ガリウム半導体層108
aにマイクロエレクトロニックデバイス110が形成される。横方向窒化ガリウ
ム層108bにマイクロエレクトロニックデバイスを形成してもよい。
17−22は、図6−10に示されているように溝107の底の上のマスク20
1を、図11に示されているように柱106の頂部の上のマスク209と組み合
わせたものである。溝の底のマスク201および柱106の頂部の上のマスク2
09は、好適には同時に形成され、好適には同一の材料からなることが理解され
るであろう。したがって、例えば、二酸化ケイ素、窒化ケイ素および/またはタ
ングステンのような金属のようなマスク材料の熱的蒸着または電子ビーム蒸着の
ような照準線堆積技術が用いられる。エッチング工程の後にマスク材料が形成さ
れるならば、それは縦方向の表面、すなわち柱106の最表面および溝107の
底面(底)のみを覆う。窒化ガリウムは好適にはほとんど核生成せず、もしマス
ク201および209上で全く核生成しなければ、窒化ガリウムは好適には柱の
側壁105から成長するのみである。別の例では、マスク201および209は
、異なる材料からなり、および/または、異なる厚さである。図17−22の残
りの工程は図11−16と同様であり、再び詳細に説明する必要はない。
た窒化アルミニウム底、あるいは、層104の露出した窒化ガリウム底の上に形
成されることが理解されるであろう。言い換えると、溝は、窒化ガリウム層10
4を完全に貫通して窒化ガリウム層104に部分的に、窒化アルミニウム層10
2bを完全に貫通して窒化アルミニウムバッファ層102bに部分的に、および
/またはサファイア基板102aに部分的に、エッチングされる。更に、マスク
201の厚さは窒化アルミニウム層102bよりも薄いか厚い。したがって、窒
化ガリウム半導体層の成長のためにサファイア基板を用いることができ、それに
よって低コストおよび/または高い入手可能性が得られる。
用語が使用されたが、それらは一般的および記述的な意味で使用されたに過ぎず
、限定の目的ではなく、この発明の範囲は以下の請求項に記載される。
ニック構造体の断面図である。
ニック構造体の断面図である。
ニック構造体の断面図である。
ニック構造体の断面図である。
ニック構造体の断面図である。
ック構造体の断面図である。
ック構造体の断面図である。
ック構造体の断面図である。
ック構造体の断面図である。
ック構造体の断面図である。
ロニック構造体の断面図である。
ロニック構造体の断面図である。
ロニック構造体の断面図である。
ロニック構造体の断面図である。
ロニック構造体の断面図である。
ロニック構造体の断面図である。
ロニック構造体の断面図である。
ロニック構造体の断面図である。
ロニック構造体の断面図である。
ロニック構造体の断面図である。
ロニック構造体の断面図である。
ロニック構造体の断面図である。
Claims (48)
- 【請求項1】 サファイア基板上の下層の窒化ガリウム層をエッチングして
、上記サファイア基板を選択的に露出させるとともに、上記下層の窒化ガリウム
層に少なくとも一つの柱および少なくとも一つの溝を規定し、上記少なくとも一
つの柱はそれぞれ窒化ガリウム頂部および窒化ガリウム側壁を含み、上記少なく
とも一つの溝はサファイア底を含む工程と、 上記少なくとも一つの柱の上記窒化ガリウム側壁を上記少なくとも一つの溝に
横方向成長させ、それによって窒化ガリウム半導体層を形成する工程とを有する
窒化ガリウム半導体層の製造方法。 - 【請求項2】 上記エッチングする工程は、 上記サファイア基板上の上記下層の窒化ガリウム層および上記サファイア基板
をエッチングして、上記下層の窒化ガリウム層および上記サファイア基板におけ
る少なくとも一つの柱および上記下層の窒化ガリウム層および上記サファイア基
板における少なくとも一つの溝を規定し、上記少なくとも一つの柱はそれぞれ窒
化ガリウム頂部、窒化ガリウム側壁およびサファイア側壁を含み、上記少なくと
も一つの溝はサファイア底を含む工程を有することを特徴とする請求項1記載の
方法。 - 【請求項3】 上記エッチングする工程は、上記サファイア底からの窒化ガ
リウムの縦方向成長が、上記少なくとも一つの柱の上記窒化ガリウム側壁を上記
少なくとも一つの溝に横方向成長させる工程と干渉するのを防止するために、上
記サファイア基板を十分に深くエッチングする工程を有することを特徴とする請
求項2記載の方法。 - 【請求項4】 上記サファイア底の幅に対する上記サファイア側壁の高さの
比は約1/4を超えることを特徴とする請求項2記載の方法。 - 【請求項5】 上記エッチングする工程と上記横方向成長させる工程との間
に下記の工程 サファイア上と比較してその上の窒化ガリウムの核生成を減少させるマスクで
上記サファイア底をマスクする工程 が行われることを特徴とする請求項1記載の方法。 - 【請求項6】 上記エッチングする工程は、 上記サファイア基板上の上記下層の窒化ガリウム層ならびに窒化アルミニウム
および/または窒化ガリウムバッファ層をエッチングして、上記サファイア基板
を選択的に露出させるとともに、上記下層の窒化ガリウム層および上記バッファ
層における少なくとも一つの柱および上記下層の窒化ガリウム層および上記バッ
ファ層における少なくとも一つの溝を規定し、上記少なくとも一つの柱は窒化ガ
リウム頂部、窒化ガリウム側壁および窒化アルミニウム側壁を含み、上記少なく
とも一つの溝はサファイア底を含む工程を有することを特徴とする請求項1記載
の方法。 - 【請求項7】 上記エッチングする工程は、 上記サファイア基板上の上記下層の窒化ガリウム層および上記バッファ層なら
びに上記サファイア基板をエッチングして、上記サファイア基板を選択的に露出
させるとともに、上記下層の窒化ガリウム層、上記バッファ層および上記サファ
イア基板における少なくとも一つの柱ならびに上記下層の窒化ガリウム層、上記
バッファ層および上記サファイア基板における少なくとも一つの溝を規定し、上
記少なくとも一つの柱は窒化ガリウム頂部、窒化ガリウム側壁およびサファイア
側壁を含み、上記少なくとも一つの溝はサファイア底を含む工程を有することを
特徴とする請求項6記載の方法。 - 【請求項8】 上記横方向成長させる工程は、上記少なくとも一つの柱の上
記窒化ガリウム側壁を横方向成長させ、それによって窒化ガリウム半導体層を形
成する工程を有することを特徴とする請求項1記載の方法。 - 【請求項9】 上記横方向成長させる工程に先立って、上記窒化ガリウム頂
部を、窒化ガリウム上と比較してその上の窒化ガリウムの核生成を減少させるマ
スクでマスキングする工程を行い、 上記横方向成長させる工程は、上記少なくとも一つの柱の上記窒化ガリウム側
壁を上記マスク上に横方向成長させ、それによって窒化ガリウム半導体層を形成
する工程を有することを特徴とする請求項1記載の方法。 - 【請求項10】 上記横方向成長させる工程の後に上記窒化ガリウム半導体
層に少なくとも一つのマイクロエレクトロニックデバイスを形成する工程を行う
ことを特徴とする請求項1記載の方法。 - 【請求項11】 上記エッチングする工程に先立って、上記サファイア基板
上に上記下層の窒化ガリウム層を形成する工程を行うことを特徴とする請求項1
記載の方法。 - 【請求項12】 サファイア基板上の下層の窒化ガリウム層をエッチングし
て、上記下層の窒化ガリウム層における少なくとも一つの柱および上記下層の窒
化ガリウム層における少なくとも一つの溝を規定し、上記少なくとも一つの柱は
頂部および側壁を含み、上記少なくとも一つの溝は底を含む工程と、 上記少なくとも一つの底をマスクでマスキングする工程と、 上記少なくとも一つの柱の上記側壁を上記少なくとも一つの溝に横方向成長さ
せ、それによって窒化ガリウム半導体層を形成する工程とを有する窒化ガリウム
半導体層の製造方法。 - 【請求項13】 上記エッチングする工程は、上記下層の窒化ガリウム層を
エッチングして上記サファイア基板を露出させ、それによって少なくとも一つの
サファイア底を形成する工程を有し、 上記マスキングする工程は、上記少なくとも一つのサファイア底を、サファイ
ア上と比較してその上の窒化ガリウムの核生成を減少させるマスクでマスキング
する工程を有することを特徴とする請求項12記載の方法。 - 【請求項14】 上記少なくとも一つの頂部をマスクでマスキングする工程
を更に有することを特徴とする請求項13記載の方法。 - 【請求項15】 上記少なくとも一つの底をマスキングする工程および上記
少なくとも一つの頂部をマスキングする工程は同時に行われることを特徴とする
請求項14記載の方法。 - 【請求項16】 上記エッチングする工程は、 上記サファイア基板上の上記下層の窒化ガリウム層ならびに窒化アルミニウム
および/または窒化ガリウムバッファ層をエッチングして、上記下層の窒化ガリ
ウム層および上記バッファ層における少なくとも一つの柱ならびに上記下層の窒
化ガリウム層および上記バッファ層における少なくとも一つの溝を規定し、上記
少なくとも一つの柱は頂部および側壁を含み、上記少なくとも一つの溝は窒化ア
ルミニウム底を含むことを特徴とする請求項12記載の方法。 - 【請求項17】 上記マスキングする工程は、 上記サファイア基板上の上記下層の窒化ガリウム層ならびに窒化アルミニウム
および/または窒化ガリウムバッファ層ならびに上記サファイア基板をエッチン
グして、上記下層の窒化ガリウム層、上記バッファ層および上記サファイア基板
における少なくとも一つの柱ならびに上記下層の窒化ガリウム層、上記バッファ
層および上記サファイア基板における少なくとも一つの溝を規定し、上記少なく
とも一つの柱は頂部および側壁を含み、上記少なくとも一つの溝はサファイア底
を含むことを特徴とする請求項12記載の方法。 - 【請求項18】 上記横方向成長させる工程は、上記少なくとも一つの柱の
上記窒化ガリウム側壁を上記窒化ガリウム頂部上に横方向成長させ、それによっ
て窒化ガリウム半導体層を形成する工程を有することを特徴とする請求項12記
載の方法。 - 【請求項19】 上記横方向成長させる工程に先立って、上記窒化ガリウム
頂部を、窒化ガリウム上と比較してその上の窒化ガリウムの核生成を減少させる
マスクでマスキングする工程を行い、 上記横方向成長させる工程は、上記少なくとも一つの柱の上記窒化ガリウム側
壁を上記マスク上に横方向成長させ、それによって窒化ガリウム半導体層を形成
する工程を有することを特徴とする請求項12記載の方法。 - 【請求項20】 上記横方向成長させる工程の後に上記窒化ガリウム半導体
層に少なくとも一つのマイクロエレクトロニックデバイスを形成する工程を行う
ことを特徴とする請求項12記載の方法。 - 【請求項21】 上記エッチングする工程に先立って、上記サファイア基板
上に上記下層の窒化ガリウム層を形成する工程を行うことを特徴とする請求項1
2記載の方法。 - 【請求項22】 サファイア基板上の下層の窒化ガリウム層をエッチングし
て、上記下層の窒化ガリウム層における少なくとも一つの柱および上記下層の窒
化ガリウム層における少なくとも一つの溝を規定し、上記少なくとも一つの柱は
窒化ガリウム頂部および窒化ガリウム側壁を含み、上記少なくとも一つの溝は溝
底を含む工程と、 上記少なくとも一つの柱の上記窒化ガリウム側壁を上記少なくとも一つの溝に
横方向成長させ、それによって窒化ガリウム半導体層を形成する工程とを有し、 上記横方向成長させる工程に先立って、上記溝底からの窒化ガリウムの縦方向
成長が、上記少なくとも一つの柱の上記窒化ガリウム側壁を上記少なくとも一つ
の溝に横方向成長させる工程と干渉するのを防止するために、上記サファイア基
板および上記下層の窒化ガリウム層のうちの少なくとも一つを処理する工程を行
う窒化ガリウム半導体層の製造方法。 - 【請求項23】 上記処理する工程は、 サファイア底を形成し、上記サファイア底からの窒化ガリウムの縦方向成長が
上記少なくとも一つの柱の上記窒化ガリウム側壁を上記少なくとも一つの溝に横
方向成長させる工程と干渉するのを防止するために、上記少なくとも一つの溝の
下の上記サファイア基板を十分にエッチングする工程を有することを特徴とする
請求項22記載の方法。 - 【請求項24】 上記処理する工程は、上記溝底をマスクでマスキングする
工程を有することを特徴とする請求項22記載の方法。 - 【請求項25】 上記処理する工程は、上記下層の窒化ガリウム層を選択的
にエッチングして、上記サファイア基板を露出させ、サファイア底を形成するこ
とを特徴とする請求項22記載の方法。 - 【請求項26】 上記横方向成長させる工程は、上記少なくとも一つの柱の
上記窒化ガリウム側壁を上記窒化ガリウム頂部上に横方向成長させ、それによっ
て窒化ガリウム半導体層を形成することを特徴とする請求項22記載の方法。 - 【請求項27】 上記横方向成長させる工程に先立って、上記窒化ガリウム
頂部を、窒化ガリウム上と比較してその上の窒化ガリウムの核生成を減少させる
マスクでマスキングする工程を行い、 上記横方向成長させる工程は、上記少なくとも一つの柱の上記窒化ガリウム側
壁を上記マスク上に横方向成長させ、それによって窒化ガリウム半導体層を形成
する工程を有することを特徴とする請求項22記載の方法。 - 【請求項28】 上記横方向成長させる工程の後に上記窒化ガリウム半導体
層に少なくとも一つのマイクロエレクトロニックデバイスを形成する工程を行う
ことを特徴とする請求項22記載の方法。 - 【請求項29】 上記エッチングする工程に先立って、上記サファイア基板
上に上記下層の窒化ガリウム層を形成する工程を行うことを特徴とする請求項2
2記載の方法。 - 【請求項30】 サファイア基板と、 上記サファイア基板上の下層の窒化ガリウム層であって、上記下層の窒化ガリ
ウム層はその中に少なくとも一つの柱および少なくとも一つの溝を含み、上記少
なくとも一つの柱は窒化ガリウム頂部および窒化ガリウム側壁を含み、上記少な
くとも一つの溝はサファイア底を含むものと、 上記少なくとも一つの柱の上記窒化ガリウム側壁から上記少なくとも一つの溝
に横方向に延在する横方向窒化ガリウム層とを有する窒化ガリウム半導体構造体
。 - 【請求項31】 上記少なくとも一つの溝は、上記少なくとも一つの柱がそ
れぞれ窒化ガリウム頂部、窒化ガリウム側壁およびサファイア側壁を含み、上記
少なくとも一つの溝がサファイア底を含むように、上記サファイア基板に延在す
ることを特徴とする請求項30記載の構造体。 - 【請求項32】 上記サファイア底にはその上の縦方向窒化ガリウム層がな
いことを特徴とする請求項30記載の構造体。 - 【請求項33】 上記サファイア底の幅に対する上記サファイア側壁の高さ
の比は約1/4を超えることを特徴とする請求項30記載の構造体。 - 【請求項34】 上記サファイア底の上のマスクを更に有することを特徴と
する請求項30記載の構造体。 - 【請求項35】 上記サファイア基板と上記下層の窒化ガリウム層との間の
窒化アルミニウムおよび/または窒化ガリウムバッファ層を更に有し、上記少な
くとも一つの柱および上記少なくとも一つの溝は上記バッファ層を通って延在し
ていることを特徴とする請求項30記載の構造体。 - 【請求項36】 上記横方向窒化ガリウム層は更に上記窒化ガリウム頂部上
に延在し、それによって窒化ガリウム半導体層を形成していることを特徴とする
請求項30記載の構造体。 - 【請求項37】 上記窒化ガリウム頂部の上のマスクを更に有し、 上記横方向窒化ガリウム層は更に上記マスク上に延在し、それによって窒化ガ
リウム半導体層を形成していることを特徴とする請求項30記載の構造体。 - 【請求項38】 上記窒化ガリウム半導体層における少なくとも一つのマイ
クロエレクトロニックデバイスを更に有することを特徴とする請求項30記載の
構造体。 - 【請求項39】 サファイア基板と、 上記サファイア基板上の下層の窒化ガリウム層であって、上記下層の窒化ガリ
ウム層はその中に少なくとも一つの柱および少なくとも一つの溝を含み、上記少
なくとも一つの柱はそれぞれ窒化ガリウム頂部および窒化ガリウム側壁を含み、
上記少なくとも一つの溝は溝底を含むものと、 上記少なくとも一つの溝底の上のマスクと、 上記少なくとも一つの柱の上記窒化ガリウム側壁から上記少なくとも一つの溝
に横方向に延在する横方向窒化ガリウム層とを有する窒化ガリウム半導体構造体
。 - 【請求項40】 上記溝底はサファイア溝底であることを特徴とする請求項
39記載の構造体。 - 【請求項41】 上記マスクは第1のマスクであり、上記構造体は上記窒化
ガリウム頂部の上の第2のマスクを更に有することを特徴とする請求項39記載
の構造体。 - 【請求項42】 上記第1のマスクおよび上記第2のマスクは同一の材料か
らなることを特徴とする請求項41記載の構造体。 - 【請求項43】 上記サファイア基板と上記下層の窒化ガリウム層との間の
窒化アルミニウムバッファおよび/または窒化ガリウムバッファ層を更に有し、
上記少なくとも一つの柱および上記少なくとも一つの溝は上記バッファ層に延在
していることを特徴とする請求項39記載の構造体。 - 【請求項44】 上記サファイア基板と上記下層の窒化ガリウム層との間の
窒化アルミニウムバッファ層を更に有し、上記少なくとも一つの柱および上記少
なくとも一つの溝は上記バッファ層を通って延在していることを特徴とする請求
項39記載の構造体。 - 【請求項45】 上記サファイア基板と上記下層の窒化ガリウム層との間の
窒化アルミニウムバッファ層を更に有し、上記少なくとも一つの柱および上記少
なくとも一つの溝は上記バッファ層を通って上記サファイア基板に延在している
ことを特徴とする請求項39記載の構造体。 - 【請求項46】 上記横方向窒化ガリウム層は更に上記窒化ガリウム頂部上
に延在し、それによって窒化ガリウム半導体層を形成していることを特徴とする
請求項39記載の構造体。 - 【請求項47】 上記マスクは第1のマスクであり、上記構造体は上記窒化
ガリウム頂部の上の第2のマスクを更に有し、上記横方向窒化ガリウム層は更に
上記マスク上に延在し、それによって窒化ガリウム半導体層を形成していること
を特徴とする請求項39記載の構造体。 - 【請求項48】 上記窒化ガリウム半導体層における少なくとも一つのマイ
クロエレクトロニックデバイスを更に有することを特徴とする請求項39記載の
構造体。
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