JP2008501606A - Growth of flat and low dislocation density m-plane gallium nitride by hydride vapor deposition - Google Patents

Growth of flat and low dislocation density m-plane gallium nitride by hydride vapor deposition Download PDF

Info

Publication number
JP2008501606A
JP2008501606A JP2007515412A JP2007515412A JP2008501606A JP 2008501606 A JP2008501606 A JP 2008501606A JP 2007515412 A JP2007515412 A JP 2007515412A JP 2007515412 A JP2007515412 A JP 2007515412A JP 2008501606 A JP2008501606 A JP 2008501606A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
substrate
growth
gan
plane
film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2007515412A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5461773B2 (en
Inventor
ベンジャミン・エー・ハスケル
メルヴィン・ビー・マクローリン
スティーブン・ピー・デンバース
ジェームス・エス・スペック
修二 中村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
THE REGENTS OF THE UNIVERSITY OF CARIFORNIA
Japan Science and Technology Agency
National Institute of Japan Science and Technology Agency
Original Assignee
THE REGENTS OF THE UNIVERSITY OF CARIFORNIA
Japan Science and Technology Agency
National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by THE REGENTS OF THE UNIVERSITY OF CARIFORNIA, Japan Science and Technology Agency, National Institute of Japan Science and Technology Agency filed Critical THE REGENTS OF THE UNIVERSITY OF CARIFORNIA
Publication of JP2008501606A publication Critical patent/JP2008501606A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5461773B2 publication Critical patent/JP5461773B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/20—Deposition of semiconductor materials on a substrate, e.g. epitaxial growth solid phase epitaxy
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
    • C30B29/403—AIII-nitrides
    • C30B29/406—Gallium nitride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/02373—Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02378—Silicon carbide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/02387—Group 13/15 materials
    • H01L21/02389—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/0242—Crystalline insulating materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/02433—Crystal orientation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439—Materials
    • H01L21/02455—Group 13/15 materials
    • H01L21/02458—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02494—Structure
    • H01L21/02496—Layer structure
    • H01L21/02502—Layer structure consisting of two layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02538—Group 13/15 materials
    • H01L21/0254—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02609—Crystal orientation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/0262—Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/02636—Selective deposition, e.g. simultaneous growth of mono- and non-monocrystalline semiconductor materials
    • H01L21/02647—Lateral overgrowth
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005—Processes
    • H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
    • H01L33/0066—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
    • H01L33/007—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound comprising nitride compounds

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

【課題】非常に平坦性で完全な透明性と鏡面性をもつｍ面窒化ガリウム（ＧａＮ）膜を成長する方法。
【解決手段】本方法は、選択横方向成長技術によって構造欠陥密度の大幅な低減を実現する。高品質で、一様で、厚いｍ面ＧａＮ膜は分極のないデバイスの成長のための基板として用いるために作製される。
【選択図】図５A method for growing an m-plane gallium nitride (GaN) film having very flatness and complete transparency and specularity.
The method achieves a significant reduction in structural defect density by selective lateral growth techniques. A high quality, uniform, thick m-plane GaN film is fabricated for use as a substrate for growth of unpolarized devices.
[Selection] Figure 5

Description

関連出願の相互参照
本出願は米国特許法第１１９条（ｅ）に基づいて、本発明の譲受人に譲渡された以下の同時係属の米国特許出願の利益を主張するものである。 CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application is based on 35 USC §119 (e), which claims the benefit of U.S. patent application copending Assignee follows that to the assignee of the present invention.

ベンジャミン・Ａ．ハスケル（Ｂｅｎｊａｍｉｎ Ａ． Ｈａｓｋｅｌｌ）、メルヴィン Ｂ．マクローリン（Ｍｅｌｖｉｎ Ｂ． ＭｃＬａｕｒｉｎ）、スティーブン・Ｐ．デンバース（Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ． ＤｅｎＢａａｒｓ）、ジェームス・Ｓ．スペック（Ｊａｍｅｓ Ｓ． Ｓｐｅｃｋ）、中村修二（Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ）による米国特許仮出願第６０/５７６，６８５号、２００４年６月３日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦で低転位密度のｍ面窒化ガリウムの成長（ ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ ＲＥＤＵＣＥＤ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ ＤＥＮＳＩＴＹ Ｍ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．１１９−ＵＳ−Ｐ１
この出願は参照として本明細書中に組み込まれる。 Benjamin A. Benjamin A. Haskell, Melvin B. Macrovin (Melvin B. McLaurin), Stephen P. Denver (Steven P. DenBaars), James S. Spec (James S. Speck), US Patent Provisional Application No. 60 / 576,685 by Shuji Nakamura, filed on June 3, 2004, entitled "Flat and Low Dislocation Density by Hydride Vapor Deposition Method" (GROWTH OF PLANAR REDUCED DISLOCATION DENSITY M-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY), agent identification number 30794.119-US-P1
This application is incorporated herein by reference.

本出願は米国特許法第１１９、１２０及び／または３６５条に基づいて、本発明の譲受人に譲渡された以下７つの同時係属出願の一部継続出願であり、その利益を主張するものである。   This application is a continuation-in-part of the following seven co-pending applications assigned to the assignee of the present invention under US Patent Act 119, 120 and / or 365 and claims its benefit: .

（１）ベンジャミン・Ａ．ハスケル、マイケル・Ｄ．クレイブン（Ｍｉｃｈａｅｌ Ｄ．Ｃｒａｖｅｎ）、ポール・Ｔ．フィニ（Ｐａｕｌ Ｔ． Ｆｉｎｉ）、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１８号、２００３年７月１５日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長（ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＲＥＤＵＣＥＤ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ ＤＥＮＳＩＴＹ ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９３−ＷＯ−Ｕ１（２００３−２２４−２）。この出願は、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、マイケル・Ｄ．クレイブン、ポール・Ｔ．フィニ、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による米国特許仮出願第６０/４３３，８４３号、２００２年１２月１６日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長（ ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＲＥＤＵＣＥＤ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ ＤＥＮＳＩＴＹ ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９３−ＵＳ−Ｐ１（２００３−２２４−１）の優先権を主張する。   (1) Benjamin A. Haskell, Michael D. Michael D. Craven, Paul T. Paul T. Fini, Stephen P. Denver, James S. Spec, International Patent Application No. PCT / US03 / 21918 by Shuji Nakamura, filed on July 15, 2003, title of invention “Growth of Red DUCED DISLOCATION DENITYITY with low dislocation density by hydride vapor phase growth method NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITXY) ”, agent identification number 30794.93-WO-U1 (2003-224-2). This application is a Benjamin A. Haskell, Michael D. Craven, Paul T. Fini, Stephen P. Denver, James S. Spec, US Patent Provisional Application No. 60 / 433,843 by Shuji Nakamura, filed on Dec. 16, 2002, title of the invention “Growth of Red DUCED DISLOCATION (GROWTH OF REDUCED DISLOCATION) DENSYTY NON-POLAR GALLIUM NITride BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY), and the proxy identification number 30794.93-US-P1 (2003-224-1) is claimed.

（２）ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ポール・Ｔ．フィニ、松田成正（Ｓｈｉｇｅｍａｓａ Ｍａｔｓｕｄａ）、マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１６号、２００３年７月１５日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性a面窒化ガリウムの成長（ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ，ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ Ａ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９４−ＷＯ−Ｕ１（２００３−２２５−２）。この出願は、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ポール・Ｔ．フィニ、松田成正、マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による米国特許仮出願第６０/４３３，８４４号、２００２年１２月１６日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性a面窒化ガリウムの成長技術（ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＦＯＲ ＴＨＥ ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ，ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ Ａ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９４−ＵＳ−Ｐ１（２００３−２２５−１）の優先権を主張する。   (2) Benjamin A. Haskell, Paul T. Fini, Shigemasa Matsuda, Michael D. Craven, Steven P. Denver, James S. Spec, International Patent Application No. PCT / US03 / 21916 by Shuji Nakamura, filed Jul. 15, 2003, title of invention “Growth of Planar, NON -POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITXY) ", agent identification number 30794.94-WO-U1 (2003-225-2). This application is a Benjamin A. Haskell, Paul T. Fini, Shigemasa Matsuda, Michael D. Craven, Steven P. Denver, James S. Spec, U.S. Provisional Application No. 60 / 433,844 by Shuji Nakamura, filed on Dec. 16, 2002, title of the invention "TECHNIQUE FOR THE THE GROWTH OF PLANAR, NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITride BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITXY), and the proxy identification number 30794.94-US-P1 (2003-225-1).

（３）マイケル・Ｄ．クレイブン、ジェームス・Ｓ．スペックによる米国特許出願第１０／４１３，６９１号、２００３年４月１５日出願、発明の名称「有機金属気相成長法によって成長させた非極性a面窒化ガリウム薄膜（ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ Ａ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭＳ ＧＲＯＷＮ ＢＹ ＭＥＴＡＬＯＲＧＡＮＩＣ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＶＡＰＯＲ ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ）」、代理人識別番号３０７９４．１００−ＵＳ−Ｕ１（２００２−２９４−２）。この出願は、マイケル・Ｄ．クレイブン、ステーシア・ケラー（Ｓｔａｃｉａ Ｋｅｌｌｅｒ）、スティーブン・Ｐ．デンバース、タル・マーガリス（Ｔａｌ Ｍａｒｇａｌｉｔｈ）、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二、ウメシュ・Ｋ．ミシュラ（Ｕｍｅｓｈ Ｋ． Ｍｉｓｈｒａ）による米国特許仮出願第６０/３７２，９０９号、２００２年４月１５日出願、発明の名称「非極性窒化ガリウム系薄膜およびヘテロ構造材料（ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＡＳＥＤ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭＳ ＡＮＤ ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ）」、代理人識別番号３０７９４．９５−ＵＳ−Ｐ１（２００２−２９４／３０１／３０３）の優先権を主張する。   (3) Michael D. Craven, James S. US Patent Application No. 10 / 413,691 by Spec, filed Apr. 15, 2003, title of invention: Non-polar a-plane gallium nitride thin film (NON-POLAR A-PLANE GALLIUM "NITRIDE THIN FILMS GROWN BY METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION" ", agent identification number 30794.100-US-U1 (2002-294-2). This application is filed by Michael D. Craven, Stacia Keller, Steven P. Denver, Tal Margarith, James S. Spec, Shuji Nakamura, Umesh K. U.S. Provisional Application No. 60 / 372,909, filed Apr. 15, 2002, U.S. Patent Application No. 60 / 372,909 by Umesh K. Mishra, entitled “NON-POLLAR GALLIUM NITRIDE BASED THIN” "FILMS AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS)", claiming priority of agent identification number 30794.95-US-P1 (2002-294 / 301/303).

（４）マイケル・Ｄ．クレイブン、ステーシア・ケラー、スティーブン・Ｐ．デンバース、タル・マーガリス、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二、ウメシュ・Ｋ．ミシュラによる米国特許出願第１０／４１３，６９０号、２００３年４月１５日出願、発明の名称「非極性（Ａｌ、Ｂ、Ｉｎ、Ｇａ)Ｎ量子井戸およびヘテロ構造材料およびデバイス（ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ （Ａｌ，Ｂ，Ｉｎ，Ｇａ)Ｎ ＱＵＡＮＴＵＭ ＷＥＬＬ ＡＮＤ ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＡＮＤ ＤＥＶＩＣＥＳ）」、代理人識別番号３０７９４．１０１−ＵＳ−Ｕ１（２００２−３０１−２）。この出願は、マイケル・Ｄ．クレイブン、ステーシア・ケラー、スティーブン・Ｐ．デンバース、タル・マーガリス、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二、ウメシュ・Ｋ．ミシュラによる米国特許仮出願第６０/３７２，９０９号、２００２年４月１５日出願、発明の名称「非極性窒化ガリウム系薄膜およびヘテロ構造材料（ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＡＳＥＤ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭＳ ＡＮＤ ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ）」、代理人識別番号３０７９４．９５−ＵＳ−Ｐ１（２００２−２９４／３０１／３０３）の優先権を主張する。   (4) Michael D. Craven, Stacia Keller, Steven P. Denver, Tal Margaris, James S. Spec, Shuji Nakamura, Umesh K. US Patent Application No. 10 / 413,690 by Michela, filed Apr. 15, 2003, entitled “Nonpolar (Al, B, In, Ga) N Quantum Wells and Heterostructure Materials and Devices (NON-POLAR ( Al, B, In, Ga) N QUANTUM WELL AND HETEROSTUCTURE MATERIALS AND DEVICES) ", agent identification number 30794.101-US-U1 (2002-301-2). This application is filed by Michael D. Craven, Stacia Keller, Steven P. Denver, Tal Margaris, James S. Spec, Shuji Nakamura, Umesh K. US Patent Provisional Application No. 60 / 372,909 by Michela, filed Apr. 15, 2002, entitled “NON-POLAL GALLIUM NITRIDE BASED THIN FILMS AND HETEROSTURTURE MATERIALS” Claims the priority of agent identification number 30794.95-US-P1 (2002-294 / 301/303).

（５）マイケル・Ｄ．クレイブン、ステーシア・ケラー、スティーブン・Ｐ．デンバース、タル・マーガリス、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二、ウメシュ・Ｋ．ミシュラによる米国特許出願第１０／４１３，９１３号、２００３年４月１５日出願、発明の名称「非極性窒化ガリウム薄膜における転位の低減（ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ ＲＥＤＵＣＴＩＯＮ ＩＮ ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭＳ）」、代理人識別番号３０７９４．１０２−ＵＳ−Ｕ１（２００２−３０３−２）。この出願は、マイケル・Ｄ．クレイブン、ステーシア・ケラー、スティーブン・Ｐ．デンバース、タル・マーガリス、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二、ウメシュ・Ｋ．ミシュラによる米国特許仮出願第６０/３７２，９０９号、２００２年４月１５日出願、発明の名称「無極性窒化ガリウム系薄膜およびヘテロ構造材料（ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＡＳＥＤ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭＳ ＡＮＤ ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ）」、代理人識別番号３０７９４．９５−ＵＳ−Ｐ１の優先権を主張する。   (5) Michael D. Craven, Stacia Keller, Steven P. Denver, Tal Margaris, James S. Spec, Shuji Nakamura, Umesh K. US Patent Application No. 10 / 413,913 by Michela, filed April 15, 2003, entitled "DISLOCATION REDUCTION IN NON-POLAR GALLIUM NITRIDE THIN FILMS" Identification number 30794.102-US-U1 (2002-303-2). This application is filed by Michael D. Craven, Stacia Keller, Steven P. Denver, Tal Margaris, James S. Spec, Shuji Nakamura, Umesh K. US Patent Provisional Application No. 60 / 372,909 by Michela, filed on Apr. 15, 2002, entitled “Non-Polar GALLIUM NITRIDE BASED THIN FILMS AND HETEROSTURE TURERIALS” , Claim priority of agent identification number 30794.95-US-P1.

（６）マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバースによる国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／３９３５５号、２００３年１２月１１日出願、発明の名称「非極性（Ａｌ、Ｂ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ量子井戸（ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ （Ａｌ，Ｂ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ ＱＵＡＮＴＵＭ ＷＥＬＬＳ）」、代理人識別番号３０７９４．１０４−ＷＯ−０１（２００３−５２９−１）。この出願は、上記特許出願ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１８号（３０７９４．９３−ＷＯ−Ｕ１）、第ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１６号（３０７９４．９４−ＷＯ−Ｕ１）、第１０／４１３，６９１号（３０７９４．１００−ＵＳ−Ｕ１）、第１０／４１３，６９０号（３０７９４．１０１−ＵＳ−Ｕ１）、第１０／４１３，９１３号（３０７９４．１０２−ＵＳ−Ｕ１）の一部継続出願である。   (6) Michael D. Craven, Steven P. International Patent Application No. PCT / US03 / 39355 by Denvers, filed December 11, 2003, entitled “Non-Polar (Al, B, In, Ga) N Quantum Well (NON-POLAR (Al, B, In, Ga) N QUANTUM WELLS) ", agent identification number 30794.104-WO-01 (2003-529-1). This application includes the above-mentioned patent applications PCT / US03 / 21918 (30794.93-WO-U1), PCT / US03 / 21916 (30794.94-WO-U1), 10 / 413,691 (30794. 100-US-U1), 10 / 413,690 (30794.101-US-U1), and 10 / 413,913 (30794.102-US-U1).

（７）アーパン・チャクラボーティ（Ａｒｐａｎ Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ）、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ステーシア・ケラー、ジェームス・Ｓ．スペック、スティーブン・Ｐ．デンバース、中村修二、ウメシュ・Ｋ．ミシュラによる米国特許出願第１１／１２３，８０５号、２００５年５月６日出願、発明の名称「有機金属気相成長法による非極性窒化インジウムガリウム薄膜、ヘテロ構造物、およびデバイスの製作（ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＯＦ ＮＯＮＰＯＬＡＲ ＩＮＤＩＵＭ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭＳ，ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ ＡＮＤ ＤＥＶＩＣＥＳ ＢＹ ＭＥＴＡＬＯＲＧＡＮＩＣ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＶＡＰＯＲ ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ）」、代理人識別番号３０７９４．１１７−ＵＳ−Ｕ１（２００４−４９５−２）。この出願は、アーパン・チャクラボーティ、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ステーシア・ケラー、ジェームス・Ｓ．スペック、スティーブン・Ｐ．デンバース、中村修二、ウメシュ・Ｋ．ミシュラによる米国特許仮出願第６０/５６９，７４９号、２００４年５月１０日出願、発明の名称「有機金属気相成長法による非極性インジウムガリウム薄膜、ヘテロ構造物およびデバイスの製作（ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＯＦ ＮＯＮＰＯＬＡＲ ＩＮＧＡＮ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭＳ， ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ ＡＮＤ ＤＥＶＩＣＥＳ ＢＹ ＭＥＴＡＬＯＲＧＡＮＩＣ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＶＡＰＯＲ ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ）」、代理人識別番号３０７９４．１１７−ＵＳ−Ｐ１（２００４−４９５）の優先権を主張する。   (7) Arpan Chakraborty, Benjamin A. Haskell, Stacia Keller, James S. Spec, Stephen P. Denver, Shuji Nakamura, Umesh K. US patent application Ser. No. 11 / 123,805 by Michela, filed May 6, 2005, entitled “Manufacturing Nonpolar Indium Gallium Nitride Thin Films, Heterostructures, and Devices by Metal Organic Vapor Deposition” NONPOLAR INDIUM GALLIUM NITRIDE THIN FILMS, HETEROSTRUCTURES AND DEVICES BY METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION), agent identification number 30794.117-US-U1 (2004-4). This application is filed by Apan Chakraborty, Benjamin A. Haskell, Stacia Keller, James S. Spec, Stephen P. Denver, Shuji Nakamura, Umesh K. US Patent Provisional Application No. 60 / 569,749 by Michela, filed on May 10, 2004, entitled “Nonpolar Indium Gallium Thin Film, Heterostructure and Device Fabrication by Metalorganic Chemical Vapor Deposition” INGAN THIN FILMS, HETEROSTRUCTURES AND DEVICES BY METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION), attorney identification number 30794.117-US-P1 (2004-495).

これら全ての出願は参照として本明細書中に組み込まれる。
１．本発明の技術分野
本発明は化合物半導体の成長とデバイス作製に関するものである。より具体的には、本発明は、ハイドライド気相成長法による平坦なｍ面ＧａＮ膜の直接成長や、または低転位密度を達成するためこれに引き続き選択的にＧａＮ膜の選択横方向成長（ｌａｔｅｒａｌ ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）を用いた、平坦なｍ面窒化ガリウム（ＧａＮ）膜の成長と作製に関するものである。 All these applications are incorporated herein by reference.
1. TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to compound semiconductor growth and device fabrication. More specifically, the present invention relates to a direct growth of a flat m-plane GaN film by hydride vapor phase epitaxy, or a selective lateral growth of a GaN film subsequently to achieve a low dislocation density. The present invention relates to the growth and fabrication of flat m-plane gallium nitride (GaN) films using epitaxial overgrowth).

２．関連技術の説明
(注：本願明細書は様々な文献を参照している。これら文献それぞれは以下の「参考文献」と題されたセクションに見出せる。これら文献のそれぞれは参照としてここに組み込まれているものとする。)
窒化ガリウム（ＧａＮ）ならびにアルミニウム及びインジウムを含むその３元および４元の化合物(ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ)の有用性は、可視及び紫外の光電子デバイスや高性能電子デバイスの作製に対して十分に確立されてきている。これらのデバイスは通常は分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、あるいはハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法などの成長技術によってエピタキシャル成長される。 2. Explanation of related technology
(Note: This application refers to various documents, each of which can be found in the section entitled “References” below, each of which is incorporated herein by reference. .)
The usefulness of gallium nitride (GaN) and its ternary and quaternary compounds containing aluminum and indium (AlGaN, InGaN, AlInGaN) is well established for the fabrication of visible and ultraviolet optoelectronic and high performance electronic devices Has been. These devices are usually epitaxially grown by growth techniques such as molecular beam epitaxy (MBE), metalorganic vapor phase epitaxy (MOCVD), or hydride vapor phase epitaxy (HVPE).

ＧａＮとその合金は六方晶系ウルツ鉱型結晶構造において最も安定である。その構造は相互に１２０°回転関係にある２つ（または３つ）の等価な基底面軸（ａ軸）によって示され、これらの軸はすべて主軸のｃ軸に垂直である。図１は一般的な六方晶系ウルツ鉱型結晶構造１００の概略図であり、重要な面１０２、１０４、１０６、１０８と、軸１１０、１１２、１１４、１１６を図中に示す。ここで、塗りつぶされたパターンは重要な面１０２、１０４、１０６を示すことを意図するものであり、構造１００の材料を表すものではない。ＩＩＩ族元素原子と窒素原子は結晶のｃ軸に沿って交互にｃ面を占める。ウルツ鉱型構造に含まれる対称要素はＩＩＩ族窒化物がこのｃ軸に沿ってバルクの自発分極を有することを示す。さらに、ウルツ鉱型結晶構造は対称中心がないので、ウルツ鉱型窒化物は結晶ｃ軸に沿ってさらに圧電分極を示す。電子および光電子デバイス用の現状の窒化物技術は極性ｃ方向に沿って成長した窒化物薄膜を用いている。しかしながら、ＩＩＩ族窒化物系の光電子及び電子デバイスにおける従来のｃ面量子井戸構造は強い圧電分極及び自発分極の存在によって望ましくない量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）を示すことになる。ｃ方向に沿った強い組み込み（ｂｕｉｌｔ−ｉｎ）電界のために電子と正孔は空間的に分離してしまい、それがためにキャリアの再結合効率が制限され、振動子強度が低下し、発光がレッド・シフトを起こすことになってしまう。   GaN and its alloys are most stable in the hexagonal wurtzite crystal structure. The structure is shown by two (or three) equivalent basal plane axes (a-axis) that are in a 120 ° rotational relationship to each other, all of which are perpendicular to the c-axis of the main axis. FIG. 1 is a schematic diagram of a typical hexagonal wurtzite crystal structure 100, with important faces 102, 104, 106, 108 and axes 110, 112, 114, 116 shown in the figure. Here, the filled pattern is intended to show important faces 102, 104, 106 and does not represent the material of the structure 100. Group III element atoms and nitrogen atoms occupy the c-plane alternately along the c-axis of the crystal. Symmetric elements contained in the wurtzite structure indicate that the group III nitride has bulk spontaneous polarization along this c-axis. Furthermore, since the wurtzite crystal structure has no center of symmetry, the wurtzite nitride exhibits further piezoelectric polarization along the crystal c-axis. Current nitride technology for electronic and optoelectronic devices uses nitride thin films grown along the polar c-direction. However, conventional c-plane quantum well structures in III-nitride-based optoelectronic and electronic devices will exhibit undesirable quantum confined Stark effect (QCSE) due to the presence of strong piezoelectric and spontaneous polarization. Electrons and holes are spatially separated due to the strong built-in electric field along the c direction, which limits the carrier recombination efficiency, reduces the oscillator strength, and emits light. Will cause a red shift.

ＧａＮ光電子デバイスにおける自発分極および圧電分極の効果を取り除く可能性のある１つの方法は結晶の非極性面上にデバイスを成長することである。そのような面はＧａとＮ原子を同数ずつ含み、電荷中性である。更に、引き続き成長する非極性層は相互に等価であり、それゆえに、バルク結晶は成長方向に沿って分極しない。ＧａＮにおける対称等価な非極性面の２つのファミリーは、まとめてa面と呼ばれる｛１１−２０｝ファミリーと、まとめてｍ面と呼ばれる｛１−１００｝ファミリーである。   One method that can eliminate the effects of spontaneous and piezoelectric polarization in GaN optoelectronic devices is to grow the device on non-polar faces of the crystal. Such planes contain the same number of Ga and N atoms and are charge neutral. Furthermore, the subsequently growing nonpolar layers are equivalent to each other, and therefore the bulk crystal is not polarized along the growth direction. Two families of symmetric equivalent nonpolar planes in GaN are the {11-20} family, collectively referred to as the a-plane, and the {1-100} family, collectively referred to as the m-plane.

実際に、例えば＜１１−２０＞ａ方向または＜１−１００＞ｍ方向のような非極性成長方向を用いた（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎの量子井戸構造は、極性軸が膜の成長面内にあり、量子井戸のヘテロ界面に平行であるので、ウルツ鉱型窒化物構造において分極が誘起する電界効果を除去することが出来る有効な手段を提供するものであるということが示された。非極性の電子および光電子デバイスの作製における利用可能性から、過去数年間、非極性（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎの成長は大きな関心を集めている。最近では、アルミン酸リチウム基板上にプラズマ支援ＭＢＥにより作製した非極性ｍ面ＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸、及びＭＢＥ及びＭＯＣＶＤの両方を用いてｒ面サファイア基板上に成長した非極性ａ面ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）には成長方向に沿っての分極電界が存在しないことが示された。更に最近では、スン（Ｓｕｎ）ら［非特許文献１］及びガードナー（Ｇａｒｄｎｅｒ）ら［非特許文献２］はそれぞれ、ＭＢＥ及びＭＯＣＶＤ法によってｍ面ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造をヘテロエピタキシャル成長した。チトニス（Ｃｈｉｔｎｉｓ）ら［非特許文献３］はａ面ＩｎＧａＮ／ＧａＮ構造をＭＯＣＶＤで成長した。もっとも大事なこととして、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の研究者ら、すなわちチャクラボーティー（Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ）ら［非特許文献４］はごく最近、低欠陥密度のＨＶＰＥ成長ａ面ＧａＮをテンプレートとして用いて、低欠陥密度ａ面ＩｎＧａＮ／ＧａＮデバイスを成長することによる大きな利点を実証した。本文献は、非極性ＩＩＩ族窒化物発光ダイオード（ＬＥＤ）及びレーザ・ダイオード（ＬＤ）は極性のものに比較してはるかに良好な特性を持つ可能性があることを確立した。   Actually, the quantum well structure of (Al, Ga, In, B) N using a nonpolar growth direction such as the <11-20> a direction or the <1-100> m direction has a polar axis of the film. Since it is in the growth plane and parallel to the heterointerface of the quantum well, it has been shown to provide an effective means of eliminating the field effect induced by polarization in wurtzite nitride structures. It was. The growth of nonpolar (Al, Ga, In) N has been of great interest over the past few years due to its availability in the fabrication of nonpolar electronic and optoelectronic devices. Recently, nonpolar m-plane AlGaN / GaN quantum wells fabricated by plasma-assisted MBE on lithium aluminate substrates and nonpolar a-plane AlGaN / GaN multiples grown on r-plane sapphire substrates using both MBE and MOCVD. It was shown that there is no polarization electric field along the growth direction in the quantum well (MQW). More recently, Sun et al. [Non-Patent Document 1] and Gardner et al. [Non-Patent Document 2] heteroepitaxially grown m-plane InGaN / GaN quantum well structures by MBE and MOCVD methods, respectively. Chitnis et al. [Non-Patent Document 3] have grown an a-plane InGaN / GaN structure by MOCVD. Most importantly, researchers at the University of California, Santa Barbara, namely Chakraborty et al. [Non-Patent Document 4], recently used HVPE-grown a-plane GaN with a low defect density as a template. Demonstrating the great advantages of growing defect density a-plane InGaN / GaN devices. This document has established that non-polar III-nitride light emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs) may have much better properties compared to polar ones.

ＧａＮのバルク結晶は入手できないので、単純に結晶をカットして、続くデバイスの再成長のための結晶表面を作り出すことは出来ない。全てのＧａＮ膜は最初はヘテロエピタキシャル成長され、すなわちＧａＮと適度に格子整合する異種基板上に成長させる。近年、多くの研究グループが、自立（ｆｒｅｅ−ｓｔａｎｄｉｎｇ）ＧａＮ基板を得て、それをデバイスのホモエピタキシャル再成長用に用いるために、その異種基板を取り除くに十分な厚さ（＞２００μｍ）のＧａＮ膜をヘテロエピタキシャル成長するための手段としてＨＶＰＥ法を用いることが可能であることを認識してきた。ＨＶＰＥはＭＯＣＶＤに比べて１桁から２桁大きな成長速度を持ち、ＭＢＥよりは３桁も大きな成長速度を有するという利点があり、これはＨＶＰＥを基板作製の魅力的な技術とする長所である。   Since GaN bulk crystals are not available, it is not possible to simply cut the crystal to create a crystal surface for subsequent device regrowth. All GaN films are initially heteroepitaxially grown, that is, grown on dissimilar substrates that are reasonably lattice matched to GaN. In recent years, many research groups have obtained a free-standing GaN substrate that is thick enough (> 200 μm) to remove the dissimilar substrate to use it for homoepitaxial regrowth of the device. It has been recognized that the HVPE method can be used as a means for heteroepitaxially growing films. HVPE has the advantage that it has a growth rate that is one to two orders of magnitude higher than that of MOCVD, and has a growth rate that is three orders of magnitude greater than that of MBE.

窒化物のヘテロエピタキシャル成長における一つの甚だしく不利な点は、基板とエピタキシャル薄膜間の界面に構造欠陥が発生することである。重要で、影響の大きい欠陥の主要なタイプは貫通転位と積層欠陥の２つである。極性ｃ面ＧａＮ膜において転位と積層欠陥の低減を達成する主要な手段は、選択横方向成長（ｌａｔｅｒａｌ ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）（ＬＥＯ、ＥＬＯ、またはＥＬＯＧ）、選択領域エピタキシー、およびＰＥＮＤＥＯエピタキシー(登録商標)を含むいろいろな横方向オーバーグロース技術を用いることである。これらのプロセスの大事な点は、垂直成長よりも横方向成長が容易になるようにすることによって、転位が薄膜表面を垂直に伝播することを妨げるか抑えることである。このような転位低減技術はＨＶＰＥとＭＯＣＶＤによってｃ面ＧａＮ成長に対して精力的に開発されてきた。   One significant disadvantage in heteroepitaxial growth of nitride is the occurrence of structural defects at the interface between the substrate and the epitaxial thin film. There are two main types of defects that are important and have high impact: threading dislocations and stacking faults. The main means of achieving dislocations and stacking fault reduction in polar c-plane GaN films are the lateral epitaxial overgrowth (LEO, ELO, or ELOG), selective area epitaxy, and PENDEO epitaxy®. Using a variety of lateral overgrowth techniques. The key to these processes is to prevent or suppress dislocations from propagating vertically on the thin film surface by making lateral growth easier than vertical growth. Such dislocation reduction technology has been vigorously developed for c-plane GaN growth by HVPE and MOCVD.

ごく最近になってＧａＮの横方向成長技術はａ面膜に対して実証された。クレイブン（Ｃｒａｖｅｎ）ら［非特許文献５］は薄いａ面ＧａＮテンプレート層の上に誘電体マスクを用いてＭＯＣＶＤによってＬＥＯを行うことに成功した。発明者らのグループはこれに続き、ＨＶＰＥによるａ面ＧａＮ成長のＬＥＯ技術を開発した［非特許文献６］。しかしながら今日までｍ面ＧａＮに対してはそのようなプロセスは開発も実証もされていない。   More recently, lateral growth technology for GaN has been demonstrated for a-plane films. Craven et al. [Non-Patent Document 5] succeeded in performing LEO by MOCVD using a dielectric mask on a thin a-plane GaN template layer. The inventors' group subsequently developed LEO technology for a-plane GaN growth by HVPE [Non-Patent Document 6]. However, to date, no such process has been developed or demonstrated for m-plane GaN.

本発明は、このような課題を克服し、ＨＶＰＥによる高品質ｍ面ＧａＮの成長技術を初めて提供するものである。
Ｓｕｎ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８３（２５）５１７８（２００３） Ｇａｒｄｎｅｒ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８６,１１１１０１（２００５） Ｃｈｉｔｎｉｓ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８４（１８）３６６３（２００４） Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ ｅｔ ａｌ．, Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８５（２２）５１４３（２００４） Ｃｒａｖｅｎ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８１（７）１２０１（２００２） Ｈａｓｋｅｌｌ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８３（４）６４４（２００３） The present invention overcomes such problems and provides for the first time a technique for growing high-quality m-plane GaN by HVPE.
Sun et al. , Appl. Phys. Lett. 83 (25) 5178 (2003) Gardner et al. , Appl. Phys. Lett. 86,111101 (2005) Chitnis et al. , Appl. Phys. Lett. 84 (18) 3663 (2004) Chakraborty et al. , Appl. Phys. Lett. 85 (22) 5143 (2004) Craven et al. , Appl. Phys. Lett. 81 (7) 1201 (2002) Haskell et al. , Appl. Phys. Lett. 83 (4) 644 (2003)

本発明は非常に平坦で完全な透明性と鏡面性を持ったｍ面ＧａＮ膜を成長する方法を提供するものである。本方法は選択横方向成長技術によって構造欠陥密度を大幅に低減することができる。高品質で、一様な、厚いｍ面ＧａＮ膜が製作でき、分極のないデバイス成長のための基板として用いることができる。   The present invention provides a method of growing an m-plane GaN film that is very flat and has complete transparency and specularity. The method can significantly reduce the structural defect density by selective lateral growth techniques. A high-quality, uniform, thick m-plane GaN film can be produced and used as a substrate for device growth without polarization.

以下、図面を参照する。対応する部分には一貫して同じ参照番号を付与する。   Hereinafter, reference is made to the drawings. Corresponding parts are given the same reference numbers throughout.

以下の好ましい実施の形態の説明では、添付の図面を参照する。添付の図面は、本明細書の一部を形成し、本発明を実施することができる特定の実施例を例示するために示す。本発明の範囲を逸脱することなく、その他の実施形態を利用してもよく、構造上の変化を施しても良いことは明らかである。   In the following description of preferred embodiments, reference is made to the accompanying drawings. The accompanying drawings form part of this specification and are shown to illustrate certain embodiments in which the invention can be practiced. It will be apparent that other embodiments may be utilized and structural changes may be made without departing from the scope of the invention.

概要
非極性ｍ面｛１−１００｝窒化物半導体を成長させることによって、ウルツ鉱型構造ＩＩＩ族窒化物のデバイス構造における分極の影響を取り除く手段が得られる。現状の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎデバイスは、極性［０００１］ｃ方向に成長されるため、そこでは光電子デバイスの主たる伝導方向に沿って電荷分離が起こる。その結果生じる分極電界は現状のデバイスの性能を低下させる。このようなデバイスを非極性方向に沿って成長させればデバイス性能を著しく改善することが出来る。 General Growth of non-polar m-plane {1-100} nitride semiconductors provides a means to eliminate polarization effects in the device structure of wurtzite group III-nitrides. Current (Ga, Al, In, B) N devices are grown in the polar [0001] c direction, where charge separation occurs along the main conduction direction of the optoelectronic device. The resulting polarization field reduces the performance of current devices. If such a device is grown along the non-polar direction, the device performance can be remarkably improved.

ｍ面ＧａＮ厚膜を成長するためのこれまでの努力では、ピット、ノッチ、及びクラックなどのバルク欠陥を高密度に含んだ、欠陥の多いエピ層しか出来なかった。このような膜はまた非常に不均一で、デバイス層作製のためのホモエピタキシャル再成長における基板として用いるには適さなかった。本発明は、厚い非極性ｍ面ＧａＮ膜の成長において、これまでに観察された問題を解決するものであり、ピット、Ｖ字型欠陥、矢印欠陥（ａｒｒｏｗｈｅａｄ ｄｅｆｅｃｔｓ）、貫通転位、及び積層欠陥を除去することを含むものである。本発明は、非常に平坦で、完全な透明性と鏡面性を持つｍ面ＧａＮ膜を成長できることをはじめて実証するものである。更に本発明は、選択横方向成長法によって構造欠陥密度の大幅な低減を実現する方法を提供するものである。本発明によりはじめて、高品質で、一様な、厚いｍ面ＧａＮ膜が製作でき、分極のないデバイス成長のための基板として使用することが出来る。   Previous efforts to grow m-plane GaN thick films have only resulted in a defect-rich epilayer containing high density bulk defects such as pits, notches and cracks. Such films were also very non-uniform and were not suitable for use as substrates in homoepitaxial regrowth for device layer fabrication. The present invention solves the problems observed so far in the growth of thick non-polar m-plane GaN films, including pits, V-shaped defects, arrowhead defects, threading dislocations, and stacking faults. Including removal. The present invention demonstrates for the first time that m-plane GaN films can be grown that are very flat and have complete transparency and specularity. Furthermore, the present invention provides a method for realizing a significant reduction in structural defect density by a selective lateral growth method. Only by the present invention can a high-quality, uniform, thick m-plane GaN film be produced and used as a substrate for device growth without polarization.

本発明は、高品質、低欠陥密度、非極性ｍ面｛１−１００｝ＧａＮを製作する比較的簡単な手段を提供するものである。現在ＧａＮ薄膜はバルク結晶が入手できないのでヘテロエピタキシャル成長しなければならないし、この成長工程のための完全に格子整合された基板も存在しない。従来のヘテロエピタキシャル成長では格子不整合の結果、成長したＧａＮ膜は本来的に欠陥の多いものであり、一般には１０８ｃｍ−２以上に及ぶ転位密度を含むものである。選択横方向成長法を用いる一連の成長技術はｃ面（０００１）及び最近ではａ面｛１１−２０｝ＧａＮ成長において開発されてきて、転位密度の大幅な低減を実現してきた。本発明は異種基板上に成長したｍ面ＧａＮにおける膜品質の大幅な改良を実現する手段を提供し、加えて、いかなる成長技術を用いても達成されたことのないｍ面ＧａＮの選択横方向成長にはじめて成功した、その実行方法を提供するものである。本発明の結果として、大幅に低減した欠陥密度を持ち、厚い非極性ｍ面ＧａＮ膜を成長すること、及びそれに引き続いて、改良された特性を持つ電子及び光電子デバイスを様々な成長技術を用いて成長するためにそれを用いることが今や可能となった。 The present invention provides a relatively simple means of fabricating high quality, low defect density, non-polar m-plane {1-100} GaN. Since GaN thin films are not currently available in bulk crystals, they must be heteroepitaxially grown, and there is no fully lattice matched substrate for this growth process. As a result of lattice mismatch in conventional heteroepitaxial growth, the grown GaN film is inherently many defects, and generally includes a dislocation density of 10 8 cm −2 or more. A series of growth techniques using the selective lateral growth method have been developed in c-plane (0001) and recently a-plane {11-20} GaN growth to achieve a significant reduction in dislocation density. The present invention provides a means to achieve significant improvements in film quality in m-plane GaN grown on heterogeneous substrates, and in addition, selective lateral orientation of m-plane GaN that has never been achieved using any growth technique. It provides the first successful way to grow. As a result of the present invention, it is possible to grow thick non-polar m-plane GaN films with significantly reduced defect density, and subsequently to develop electronic and optoelectronic devices with improved characteristics using various growth techniques. It is now possible to use it to grow.

技術説明
本発明は平坦なｍ面ＧａＮ膜とその自立層をＨＶＰＥによって製作する方法を提供するものである。低い成長圧力と水素を含むキャリア・ガスを用いて、本発明は異種基板から非極性ｍ面ＧａＮの直接成長とその表面安定化を実証した。本発明は更に、マスク層を通した基板からの選択横方向成長よって、ｍ面ＧａＮにおける貫通転位と積層欠陥の密度を低減させる手法を提供するものである。 Technical Description The present invention provides a method of fabricating a flat m-plane GaN film and its free-standing layer by HVPE. Using a low growth pressure and a carrier gas containing hydrogen, the present invention has demonstrated the direct growth of non-polar m-plane GaN from different substrates and its surface stabilization. The present invention further provides a technique for reducing the density of threading dislocations and stacking faults in m-plane GaN by selective lateral growth from the substrate through the mask layer.

平坦なｍ面ＧａＮの直接成長
本発明は平坦なｍ面ＧａＮ膜のＨＶＰＥ法による直接成長方法をはじめて提供するものである。その成長プロセスは次の特許文献に記載されたａ面ＧａＮ成長の場合と似ている。
ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ポール・Ｔ．フィニ、松田成正、マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１６号、２００３年７月１５日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性a面窒化ガリウムの成長（ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ，ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ Ａ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９４−ＷＯ−Ｕ１。この出願は、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ポール・Ｔ．フィニ、松田成正、マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による米国特許仮出願第６０/４３３，８４４号、２００２年１２月１６日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性a面窒化ガリウムの成長技術（ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＦＯＲ ＴＨＥ ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ，ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ Ａ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９４−ＵＳ−Ｐ１（２００３−２２５−１）の優先権を主張する。両出願とも参照として本明細書中に組み込まれる。 Direct growth of flat m-plane GaN The present invention provides for the first time a direct growth method of a flat m-plane GaN film by the HVPE method. The growth process is similar to the case of a-plane GaN growth described in the following patent document.
Benjamin A. Haskell, Paul T. Fini, Shigemasa Matsuda, Michael D. Craven, Steven P. Denver, James S. Spec, International Patent Application No. PCT / US03 / 21916 by Shuji Nakamura, filed Jul. 15, 2003, title of invention “Growth of Planar, NON -POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY) ", agent identification number 30794.94-WO-U1. This application is a Benjamin A. Haskell, Paul T. Fini, Shigemasa Matsuda, Michael D. Craven, Steven P. Denver, James S. Spec, U.S. Provisional Application No. 60 / 433,844 by Shuji Nakamura, filed on Dec. 16, 2002, name of invention "Technology for Growth of Flat Nonpolar a-Plane Gallium Nitride by Hydride Vapor Deposition (TECHNIQUE FOR THE) GROWTH OF PLANAR, NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITride BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITXY), and the proxy identification number 30794.94-US-P1 (2003-225-1). Both applications are incorporated herein by reference.

本発明はＨＶＰＥ法による｛１−１００｝ＧａＮ作製の様々な成長シーケンスに適用できる。従来の金属ソースＨＶＰＥ法は気相の塩化水素（ＨＣｌ）のような（ただし、これに限定されるわけではない）ハロゲン化物化合物と金属ガリウムを、７００℃を超える温度で反応させて一塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を形成する過程を含む。このＧａＣｌは一般的には窒素、水素、ヘリウム、またはアルゴンであるキャリア・ガスによって基板へ運ばれる。基板への輸送中に、または基板にて、または排気流の中において、ＧａＣｌはアンモニア（ＮＨ３)と反応してＧａＮを形成する。基板で起こる反応は基板／成長膜表面上にＧａＮを生成して、その結果、結晶成長が起こることになる。 The present invention can be applied to various growth sequences for producing {1-100} GaN by the HVPE method. Conventional metal source HVPE processes gallium monochloride by reacting a halide compound such as (but not limited to) gaseous hydrogen chloride (HCl) with metal gallium at a temperature above 700 ° C. A process of forming (GaCl). This GaCl is carried to the substrate by a carrier gas, typically nitrogen, hydrogen, helium, or argon. During transport to the substrate, or at the substrate or in the exhaust stream, GaCl reacts with ammonia (NH 3 ) to form GaN. The reaction occurring at the substrate produces GaN on the substrate / growth film surface, resulting in crystal growth.

本発明は平坦なＧａＮ膜を得るために、いくつかの成長パラメータの組み合わせを用いる。
１．これに限るものではないが、例えばｍ面６Ｈ−ＳｉＣ基板、ｍ面４Ｈ−ＳｉＣ基板、（１００）γ−ＬｉＡｌＯ２基板、またはｍ−（Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｂ）Ｎテンプレート層で覆われた上記の基板のどれかの適当な基板を用いること。本発明では、これら全ての基板について成功することを実証した。
２．反応器内の１つ以上のガス流の内、最終的な成長段階においてキャリアガスとして一部分は水素（Ｈ２）を用いること。
３．成膜の最終工程／段階で反応器内を大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）より下の減圧とすること。 The present invention uses a combination of several growth parameters to obtain a flat GaN film.
1. Although not limited to this, for example, it is covered with an m-plane 6H—SiC substrate, an m-plane 4H—SiC substrate, a (100) γ-LiAlO 2 substrate, or an m- (In, Al, Ga, B) N template layer. Use one of the above substrates. The present invention has demonstrated success with all these substrates.
2. Of one or more gas streams in the reactor, hydrogen (H 2 ) is partially used as a carrier gas in the final growth stage.
3. Reduce the pressure in the reactor below atmospheric pressure (760 Torr) in the final process / stage of film formation.

プロセス工程
図２は本発明の好ましい実施形態による、平坦なｍ面ＧａＮ膜をハイドライド気相成長法で直接成長する工程を示すフローチャートである。この工程は高品質で平坦なｍ面ＧａＮ膜を通常の３ゾーン水平流のＨＶＰＥシステムを用いて作製する場合の典型的な成長シーケンスを備えている。正確なシーケンスは以下に記すように選択される基板によって変わる。 Process Step FIG. 2 is a flowchart showing a step of directly growing a flat m-plane GaN film by hydride vapor phase epitaxy according to a preferred embodiment of the present invention. This process comprises a typical growth sequence for producing a high quality flat m-plane GaN film using a normal three zone horizontal flow HVPE system. The exact sequence depends on the substrate selected as described below.

ブロック２００は、ｅｘ ｓｉｔｕクリーニングは施さないで基板を反応器に装着する工程を表している。好ましい実施形態においては、基板はｍ面６Ｈ−ＳｉＣ基板、ｍ面４Ｈ−ＳｉＣ基板、（１００）γ−ＬｉＡｌＯ２基板、またはｍ−（Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｂ）Ｎテンプレート層で覆われた上記の基板のどれかである。 Block 200 represents the step of loading the substrate into the reactor without performing ex situ cleaning. In a preferred embodiment, the substrate is covered with an m-plane 6H—SiC substrate, an m-plane 4H—SiC substrate, a (100) γ-LiAlO 2 substrate, or an m- (In, Al, Ga, B) N template layer. Any of the above substrates.

ブロック２０２は、反応器を加熱する前に酸素と水蒸気の濃度を下げるために、反応器を排気して、代わりに反応器に精製した窒素（Ｎ２）ガスを充填する工程を表す。系の酸素と水蒸気の濃度を更に下げるために、通常はこの工程を繰り返す。 Block 202 represents the step of evacuating the reactor and filling it with purified nitrogen (N 2 ) gas in order to reduce the oxygen and water vapor concentrations prior to heating the reactor. This step is usually repeated to further reduce the oxygen and water vapor concentrations of the system.

ブロック２０４は系の全ての流路にＨ２とＮ２の混合ガスを流しながら、反応器を成長温度である約１，０４０℃に加熱する工程を表す。基板がｍ面（Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｂ）Ｎテンプレート層で覆われている場合は、テンプレートが分解するのを防ぐために反応器を加熱する段階でガス流の中に少量のＮＨ３を含ませることが一般に望ましい。また、テンプレート層を用いる場合はブロック２０４の前にブロック２０８、すなわち減圧工程を実行することで膜の高品質化が達成される。 Block 204 represents the step of heating the reactor to a growth temperature of about 1,040 ° C. while flowing a mixed gas of H 2 and N 2 through all the channels of the system. If the substrate is covered with an m-plane (In, Al, Ga, B) N template layer, a small amount of NH 3 is included in the gas stream during the heating of the reactor to prevent the template from decomposing. It is generally desirable to Further, when the template layer is used, the quality of the film can be improved by executing the block 208, that is, the decompression step before the block 204.

ブロック２０６は反応器が成長温度に到達したときに行う基板の窒化処理の工程を表す。ここで窒化処理は基板の表面を窒化するために反応器の中のガス流に無水アンモニア（ＮＨ３)を加える工程を含む。基板の窒化処理の工程は９００℃より高い温度で行われる。この工程はＬｉＡｌＯ２基板を用いる場合には実行することが大いに望ましいが、一方、ＳｉＣ基板を用いる場合には一般に不要であり、除いてもよい。 Block 206 represents the step of nitriding the substrate performed when the reactor reaches the growth temperature. Here, the nitriding treatment includes a step of adding anhydrous ammonia (NH 3 ) to the gas flow in the reactor in order to nitride the surface of the substrate. The process of nitriding the substrate is performed at a temperature higher than 900 ° C. While this step is highly desirable when using a LiAlO 2 substrate, it is generally unnecessary and may be eliminated when using a SiC substrate.

ブロック２０８は反応器の圧力を望ましい成膜圧力まで低下させる工程を示す。好ましい実施形態では、所望の成膜圧力は大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）より下であり、より具体的には所望の成膜圧力は５から１００Ｔｏｒｒの範囲である。好ましい実施形態では所望の成膜圧力は約７６Ｔｏｒｒである。   Block 208 represents the step of reducing the reactor pressure to the desired deposition pressure. In a preferred embodiment, the desired deposition pressure is below atmospheric pressure (760 Torr), more specifically the desired deposition pressure is in the range of 5 to 100 Torr. In a preferred embodiment, the desired deposition pressure is about 76 Torr.

ブロック２１０は基板の上に低温バッファや核生成層を一切用いることなく、直接ｍ面ＧａＮ膜の成長を開始するために、気体である塩化水素（ＨＣｌ）をガリウム（Ｇａ）ソースへ流し始める工程を表している。通常の金属ソースＨＶＰＥ法は気体ＨＣｌのような（ただし、これに限定するものではない）ハロゲン化物化合物と金属Ｇａの７００℃を超える温度でのその場（ｉｎ ｓｉｔｕ）反応を含み、一塩化ガリウム（ＧａＣｌ)のような金属のハライド種を形成する。   Block 210 starts flowing gaseous hydrogen chloride (HCl) to a gallium (Ga) source to directly start the growth of the m-plane GaN film without using any low temperature buffer or nucleation layer on the substrate. Represents. Conventional metal source HVPE methods include in situ reactions of halide compounds such as (but not limited to) gaseous HCl with metallic Ga at temperatures in excess of 700 ° C. and include gallium monochloride. A metal halide species such as (GaCl) is formed.

ブロック２１２では、反応器中の1つ以上のガス流の中に少なくとも一部分は水素（Ｈ２）を含むキャリア・ガスによって、ＧａＣｌを基板へ輸送する工程を表している。キャリア・ガスは窒素、ヘリウム、またはアルゴン、またはその他の非反応性希ガスも含んでいてよい。基板への輸送中、または基板にて、または排気流の中において、ＧａＣｌはＮＨ３と反応してＧａＮを形成する。基板上で反応が生じることで基板上にＧａＮが生成され、結果として結晶成長が起こることになる。典型的なＶ族／ＩＩＩ族比（ＮＨ３とＧａＣｌのモル比）はこのプロセスでは１〜５０である。Ｇａソースの下流に補足的にＨＣｌを注入したり、あるいはＨＣｌとＧａソースとの反応が完全でなかったりするため、ＮＨ３／ＨＣｌ比は必ずしもＶ族／ＩＩＩ族比に等しくないことに注意されたい。 Block 212 represents the step of transporting GaCl to the substrate by a carrier gas that includes at least a portion of hydrogen (H 2 ) in one or more gas streams in the reactor. The carrier gas may also include nitrogen, helium, or argon, or other non-reactive noble gases. During transport to the substrate, at the substrate, or in the exhaust stream, GaCl reacts with NH 3 to form GaN. As a reaction occurs on the substrate, GaN is generated on the substrate, resulting in crystal growth. Typical group V / III ratio (NH 3 to GaCl molar ratio) is 1-50 in this process. It should be noted that the NH 3 / HCl ratio is not necessarily equal to the group V / III ratio because HCl is supplementarily injected downstream of the Ga source or the reaction between HCl and the Ga source is not complete. I want.

ブロック２１４は、所望の成長時間が過ぎた後に、気体ＨＣｌの流れを遮断して反応器圧力を元に戻し、反応器の温度を室温に下げる工程を示す。遮断の工程は更にガス流の中にＮＨ３を含ませて、反応器温度が低下する間にＧａＮ膜の分解が起こるのを防止する工程を含む。反応器圧力は大気圧に戻してもよく、あるいは或る低い圧力に保っても良く、冷却は例えば５から７６０Ｔｏｒｒの間の圧力で行われる。 Block 214 illustrates the step of shutting off the gaseous HCl flow to restore reactor pressure and lowering the reactor temperature to room temperature after the desired growth time has elapsed. The blocking step further includes the step of including NH 3 in the gas stream to prevent decomposition of the GaN film while the reactor temperature is lowered. The reactor pressure may be returned to atmospheric pressure or kept at some low pressure, and cooling is performed at a pressure between, for example, 5 and 760 Torr.

典型的なＧａＮ膜の成長速度はこのプロセスでは1から４００μｍ／ｈである。この成長速度は、ソースと基板の温度、システム中の様々な気体の流速、反応器の形状、その他を含むが、これに限定されるわけではない多数の成長パラメータに依存していて、それは平坦なｍ面ＧａＮ膜を成長する範囲内で、かなり広い領域にわたって変化させることが出来る。これらパラメータのほとんど全ての好適値は成長反応器の形状に対して固有である。   A typical GaN film growth rate is 1 to 400 μm / h for this process. This growth rate depends on a number of growth parameters including, but not limited to, source and substrate temperatures, various gas flow rates in the system, reactor geometry, etc. As long as an m-plane GaN film is grown, it can be changed over a considerably wide area. Almost all preferred values for these parameters are specific to the growth reactor geometry.

上記のプロセス工程における「最終成長段階」についての記述は、上記の条件を用いた適切な時間の工程で成長段階を終了することによって、他の条件では凸凹していたり欠陥の多い膜であったものを平坦化することが可能であるという観察結果を指している。成長の初期段階では膜品質や形態に関わらず、ｍ面配向物質が成長する任意の成長パラメータを取り込んでよい。   The description of the “final growth stage” in the above process steps is a film that is uneven or has many defects in other conditions by ending the growth stage at the appropriate time step using the above conditions. It refers to the observation that things can be flattened. In the initial stage of growth, any growth parameter for growing the m-plane alignment material may be taken in regardless of the film quality or form.

好ましくは、上記プロセス工程で平坦なｍ面ＧａＮ膜を作製する。
更に、この方法を用いて作製されるデバイスはレーザ・ダイオード、発光ダイオード及びトランジスタを含んでいる。 Preferably, a flat m-plane GaN film is produced by the above process steps.
In addition, devices made using this method include laser diodes, light emitting diodes, and transistors.

実験結果
上述された成長パラメータの組み合わせを用いると、平坦なｍ面ＧａＮ膜を常に成長することができた。図３（ａ）は（１００）γ−ＬｉＡｌＯ２基板上に成長したｍ面ＧａＮ膜のノマルスキー光学コントラスト顕微鏡写真を示す。この試料は３２％のＮ２、５８％のＨ２、残りはＮＨ３とＨＣｌを用いて、Ｖ族：ＩＩＩ族比が１５．８である条件で成長したものである。成長圧力は７０Ｔｏｒｒであり、基板温度は８６２℃であった。顕微鏡像には本発明を用いないで以前に成長したｍ面ＧａＮ膜に特徴的であったピットやクラックのようなバルク欠陥は見当たらない。表面はナノメータ寸法の起伏をもった、非結晶学的な流れ形状を示している。図３（ｂ）はこの同じ試料の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像を示す。縞模様の形状はＭＢＥ成長されたｍ面ＧａＮ膜に共通して見られるが、この表面は以前に報告されたどのものよりもはるかに平坦である。ＡＦＭ像の右下象限に見られる波状の形状は以前の文献には報告されていない。この形状は膜中の螺旋転位の特徴を持った貫通転位の存在と関係するものと思われる。この表面の凹凸の自乗平均根（ＲＭＳ）は２５μｍ2の面積内で１４．１Åであり、それは同じ技術によってｒ−面Ａｌ２Ｏ３上に成長したａ面ＧａＮ膜と同程度である。 Experimental Results Using the combination of growth parameters described above, a flat m-plane GaN film could always be grown. FIG. 3A shows a Nomarski optical contrast micrograph of an m-plane GaN film grown on a (100) γ-LiAlO 2 substrate. This sample was grown using 32% N 2 , 58% H 2 , and the rest NH 3 and HCl under conditions where the Group V: Group III ratio was 15.8. The growth pressure was 70 Torr and the substrate temperature was 862 ° C. The microscopic image does not show bulk defects such as pits and cracks characteristic of the m-plane GaN film grown before without using the present invention. The surface exhibits a non-crystallographic flow shape with nanometer undulations. FIG. 3 (b) shows an atomic force microscope (AFM) image of this same sample. Although the striped shape is commonly seen in MBE grown m-plane GaN films, this surface is much flatter than any previously reported. The wavy shape seen in the lower right quadrant of the AFM image has not been reported in previous literature. This shape seems to be related to the existence of threading dislocations with the characteristic of screw dislocations in the film. The root mean square (RMS) of this surface irregularity is 14.1 cm within an area of 25 μm 2 , which is comparable to an a-plane GaN film grown on r-plane Al 2 O 3 by the same technique.

ｍ面ＧａＮの選択横方向成長
上記技術はＨＶＰＥによって平坦なｍ面ＧａＮ膜を成長する手段をはじめて提供するものである。これらの膜はスムーズで平坦である一方、まだ貫通転位や基底面積層欠陥を高密度に含む。実際に、そのような直接成長した試料の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真は貫通転位と積層欠陥の密度がそれぞれ４×１０９ｃｍ−２と２×１０５ｃｍ−１であることを明確に示している。そのような構造欠陥が存在すると、そのデバイス性能は、低い欠陥密度のｍ面ＧａＮを用いて達成されるであろう性能に比べて劣化することになる。本発明はＬＥＯによってｍ面ＧａＮ膜の構造欠陥密度を低減する方法を更に含むものである。 Selective lateral growth of m-plane GaN The above technique provides for the first time means for growing a flat m-plane GaN film by HVPE. While these films are smooth and flat, they still contain high density of threading dislocations and base area layer defects. In fact, transmission electron microscope (TEM) pictures of such directly grown samples clearly show that the density of threading dislocations and stacking faults is 4 × 10 9 cm −2 and 2 × 10 5 cm −1 , respectively. ing. The presence of such structural defects will degrade the device performance compared to the performance that would be achieved using low defect density m-plane GaN. The present invention further includes a method of reducing the structural defect density of the m-plane GaN film by LEO.

本発明は次の特許文献によって開示されたａ面ＧａＮ薄膜における欠陥低減のために開発された技術に密接に関連するものである。
ベンジャミン・Ａ．ハスケル、マイケル・Ｄ．クレイブン、ポール・Ｔ．フィニ、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１８号、２００３年７月１５日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長（ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＲＥＤＵＣＥＤ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ ＤＥＮＳＩＴＹ ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９３−ＷＯ−Ｕ１（２００３−２２４−２）。この出願は、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、マイケル・Ｄ．クレイブン、ポール・Ｔ．フィニ、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による米国特許仮出願第６０/４３３，８４３号、２００２年１２月１６日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長（ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＲＥＤＵＣＥＤ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ ＤＥＮＳＩＴＹ ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９３−ＵＳ−Ｐ１（２００３−２２４−１）の優先権を主張する。両出願とも参照として本明細書中に組み込まれる。 The present invention is closely related to the technology developed for reducing defects in the a-plane GaN thin film disclosed by the following patent document.
Benjamin A. Haskell, Michael D. Craven, Paul T. Fini, Stephen P. Denver, James S. Spec, International Patent Application No. PCT / US03 / 21918 by Shuji Nakamura, filed on July 15, 2003, title of invention “Growth of Red DUCED DISLOCATION DENITYITY with Low Dislocation Density by Hydride Vapor Deposition Method” NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITXY) ”, agent identification number 30794.93-WO-U1 (2003-224-2). This application is a Benjamin A. Haskell, Michael D. Craven, Paul T. Fini, Stephen P. Denver, James S. Spec, U.S. Provisional Application No. 60 / 433,843 by Shuji Nakamura, filed on Dec. 16, 2002, title of invention "Growth of Red Disduced DISLOCATION GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSYTY NON-POLAR GALLIUM NITride BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY), and the proxy identification number 30794.93-US-P1 (2003-224-1) is claimed. Both applications are incorporated herein by reference.

本発明はいくつかの重要な要素に依るものである。
１．ｍ面ＳｉＣ上のＡｌＮバッファ層上に成長したｍ面ＧａＮテンプレートのような（ただし、これに限るわけではない）適当な基板またはテンプレートを用いること。
２．テンプレートまたは基板上に多孔質のマスクを成膜すること。このマスクは、誘電体層を成膜してパターニングした場合のように一様なものであっても、または、薄い多孔質の金属性またはセラミックのマスクを成膜する場合のように不均一なものであっても良い。マスクは各種のｉｎ ｓｉｔｕ技術またはｅｘ ｓｉｔｕ技術によって成膜してよい。
３．（７６０Ｔｏｒｒより低い）低圧で（Ａｌ、Ｂ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎを成膜すること。
４．基板／テンプレートが成長中に曝されるガス流として大部分がＨ２である気体を用いること。 The present invention relies on several important factors.
1. Use a suitable substrate or template such as (but not limited to) an m-plane GaN template grown on an AlN buffer layer on m-plane SiC.
2. Depositing a porous mask on a template or substrate. This mask may be uniform, such as when a dielectric layer is deposited and patterned, or it may be non-uniform, such as when a thin porous metallic or ceramic mask is deposited. It may be a thing. The mask may be deposited by various in situ or ex situ techniques.
3. Deposit (Al, B, In, Ga) N at low pressure (lower than 760 Torr).
4). Use a gas that is mostly H 2 as the gas flow to which the substrate / template is exposed during growth.

プロセス工程
図４は、本発明の好ましい実施形態により、ＧａＮ膜の選択横方向成長によって、平坦なｍ面ＧａＮ膜における貫通転位と欠陥の密度を低減する工程を示すフローチャートである。これらの工程は基板上に成膜したマスクをパターニングする工程（以下のブロック４００から４０８まで）とＨＶＰＥ法を用いて基板からＧａＮ膜のＬＥＯ成長を行う工程（以下のブロック４１０から４２０まで）を備えていて、そこではパターニングされたマスクによって覆われていない基板の部分にのみＧａＮ膜が核成長し、ＧａＮ膜がパターニングされたマスクの中の開口部から垂直に成長し、次にＧａＮ膜はパターニングされたマスクの上を基板表面を横切って横方向に拡がる。 Process Step FIG. 4 is a flowchart showing steps of reducing threading dislocations and defect density in a flat m-plane GaN film by selective lateral growth of the GaN film according to a preferred embodiment of the present invention. These steps include a step of patterning a mask formed on the substrate (from the following blocks 400 to 408) and a step of performing LEO growth of the GaN film from the substrate using the HVPE method (from the following blocks 410 to 420). A GaN film nucleates only on those portions of the substrate that are not covered by the patterned mask, and the GaN film grows vertically from the openings in the patterned mask, and then the GaN film is Spread over the patterned mask laterally across the substrate surface.

ブロック４００はｍ面６Ｈ−ＳｉＣ基板上のＡｌＮバッファ層上にＭＢＥで成長したｍ面ＧａＮテンプレートのような（ただし、これに限るわけではない）適当な基板またはテンプレートの上に〜１３５０Å厚のＳｉＯ２膜を成膜する工程を表している。ここでＳｉＯ２膜は誘電体マスクの基礎となるものである。好ましい実施形態では、パターニングされたマスクは誘電体膜であり、基板はｍ面６Ｈ−ＳｉＣ基板であるが、その他の物質を同様に用いてもよく、例えばパターニングされたマスクとして金属材料を、あるいは基板としてサファイアを用いてもよい。 Block 400 is a ˜1350 Å thick SiO 2 layer on a suitable substrate or template such as (but not limited to) an m-plane GaN template grown by MBE on an AlN buffer layer on an m-plane 6H—SiC substrate. A process of forming two films is shown. Here, the SiO 2 film is the basis of the dielectric mask. In a preferred embodiment, the patterned mask is a dielectric film and the substrate is an m-plane 6H-SiC substrate, but other materials may be used as well, such as a metal material as the patterned mask, or Sapphire may be used as the substrate.

ブロック４０２はＳｉＯ２膜上にフォトレジスト層を成膜し、成膜したフォトレジスト層を通常のフォトリソグラフィー処理工程を用いてパターニングする工程を表している。一実施形態では、パターンは５μｍ幅の開口によって隔てられた３５μｍ幅のストライプを備えている。 Block 402 represents a step of forming a photoresist layer on the SiO 2 film and patterning the formed photoresist layer using a normal photolithography process. In one embodiment, the pattern comprises 35 μm wide stripes separated by 5 μm wide openings.

ブロック４０４はパターニングされたフォトレジスト層によって露出したＳｉＯ２膜の部分をすべて、基板を緩衝フッ化水素（ＨＦ）酸に2分間浸漬することによってエッチング除去する工程を表している。 Block 404 represents the step of etching away all portions of the SiO 2 film exposed by the patterned photoresist layer by immersing the substrate in buffered hydrofluoric acid (HF) acid for 2 minutes.

ブロック４０６は、残留しているフォトレジスト層の部分を、アセトンを用いて取り除く工程を表している。   Block 406 represents the step of removing the remaining portion of the photoresist layer with acetone.

ブロック４０８は基板をアセトン、イソプロピール・アルコール、および脱イオン水を用いて洗浄する工程を表している。   Block 408 represents the step of cleaning the substrate with acetone, isopropyl alcohol, and deionized water.

乾燥後、５μｍ幅の開口によって隔てられた３５μｍ幅のストライプを有するようパターニングされたＳｉＯ２膜を備えたパターンマスクで基板は覆われている。 After drying, the substrate is covered with a pattern mask comprising a SiO 2 film patterned to have a 35 μm wide stripe separated by a 5 μm wide opening.

好ましくはマスクは多孔質である。さらに、マスクは誘電体層を成膜してパターニングする場合のように一様なものであっても、また、薄い多孔質の金属性またはセラミックのマスクを成膜する場合のように不均一なものであっても良い。マスクは様々なｉｎ ｓｉｔｕ技術またはｅｘ ｓｉｔｕ技術によって成膜してよい。   Preferably the mask is porous. In addition, the mask may be uniform, such as when a dielectric layer is deposited and patterned, or it may be non-uniform, such as when a thin porous metallic or ceramic mask is deposited. It may be a thing. The mask may be deposited by various in situ or ex situ techniques.

次に続くブロックは、ＨＶＰＥ法を用いて基板上へＧａＮ膜を選択横方向成長する工程を表す。ここで、ＧａＮ膜はパターニングされたマスクによって露出した部分のみに核生成し、ＧａＮ膜はパターニングされたマスク内の開口部から垂直に成長し、次いでＧａＮ膜はパターニングされたマスクの上を基板表面を横切るように横方向に拡がり、最終的には隣接するＧａＮストライプと合体する。選択横方向成長は、ほぼ大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）である低成長圧力を用い、一部分は水素を含むキャリアガスを利用する。横方向成長プロセスの成長条件は、ＨＶＰＥ法を用いる高品質で平坦なｍ面ＧａＮ成長について上記した条件と非常に似ている。   The next block represents a step of selectively laterally growing a GaN film on the substrate using the HVPE method. Here, the GaN film nucleates only in the portion exposed by the patterned mask, the GaN film grows vertically from the opening in the patterned mask, and then the GaN film grows on the patterned mask over the substrate surface. Extends laterally so as to cross and eventually merge with adjacent GaN stripes. Selective lateral growth uses a low growth pressure that is approximately atmospheric pressure (760 Torr), and uses a carrier gas containing hydrogen in part. The growth conditions for the lateral growth process are very similar to those described above for high quality flat m-plane GaN growth using the HVPE method.

これらの工程とその成長パラメータは、本発明の譲受人に譲渡された以下の同時係属出願に更に詳しく記載されている。
ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ポール・Ｔ．フィニ、松田成正、マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１６号、２００３年７月１５日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性a面窒化ガリウムの成長（ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ，ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ Ａ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９４−ＷＯ−Ｕ１。この出願は本発明の譲受人に譲渡された以下の2つの同時係属出願の優先権を主張する。
ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ポール・Ｔ．フィニ、松田成正、マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による米国特許仮出願第６０/４３３，８４４号、２００２年１２月１６日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性a面窒化ガリウムの成長技術（ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＦＯＲ ＴＨＥ ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ，ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ Ａ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９４−ＵＳ−Ｐ１；および
ベンジャミン・Ａ．ハスケル、マイケル・Ｄ．クレイブン、ポール・Ｔ．フィニ、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による米国特許仮出願第６０/４３３，８４３号、２００２年１２月１６日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長（ ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＲＥＤＵＣＥＤ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ ＤＥＮＳＩＴＹ ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９３−ＵＳ−Ｐ１。 These steps and their growth parameters are described in more detail in the following copending application assigned to the assignee of the present invention.
Benjamin A. Haskell, Paul T. Fini, Shigemasa Matsuda, Michael D. Craven, Steven P. Denver, James S. Spec, International Patent Application No. PCT / US03 / 21916 by Shuji Nakamura, filed Jul. 15, 2003, title of invention “Growth of Planar, NON -POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY) ", agent identification number 30794.94-WO-U1. This application claims the priority of the following two co-pending applications assigned to the assignee of the present invention:
Benjamin A. Haskell, Paul T. Fini, Shigemasa Matsuda, Michael D. Craven, Steven P. Denver, James S. Spec, U.S. Provisional Application No. 60 / 433,844 by Shuji Nakamura, filed on Dec. 16, 2002, name of invention "Technology for Growth of Flat Nonpolar a-Plane Gallium Nitride by Hydride Vapor Deposition (TECHNIQUE FOR THE) GROWTH OF PLANAR, NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITride BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPIXY), agent identification number 30794.94-US-P1; and Benjamin A. Haskell, Michael D. Craven, Paul T. Fini, Stephen P. Denver, James S. Spec, US Patent Provisional Application No. 60 / 433,843 by Shuji Nakamura, filed on Dec. 16, 2002, title of the invention “Growth of Red DUCED DISLOCATION (GROWTH OF REDUCED DISLOCATION) "DENSITY NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY)", agent identification number 30794.93-US-P1.

これら全ての出願とも参照として本明細書に組み込まれる。   All these applications are incorporated herein by reference.

ブロック４１０は反応器に基板を装着する工程を表す。   Block 410 represents the step of loading the substrate into the reactor.

ブロック４１２は、反応器中の酸素濃度を下げるために、反応器を排気し、代わりに反応器に精製した窒素（Ｎ２）ガスを充填する工程を表す。反応器内の酸素濃度を更に下げるために、しばしばこの工程を繰り返す。 Block 412 represents the step of evacuating the reactor and, instead, filling the reactor with purified nitrogen (N 2 ) gas to reduce the oxygen concentration in the reactor. This process is often repeated to further reduce the oxygen concentration in the reactor.

ブロック４１４は成長室に低圧でＨ２とＮ２とＮＨ３の混合ガスを流しながら、反応器を成長温度である約１，０４０℃に加熱する工程を表す。好ましい実施形態では、所望の成膜圧力は大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）より下であり、一般的には３００Ｔｏｒｒより下である。より具体的には、所望の成膜圧力は５から１００Ｔｏｒｒの範囲に制限され、７６Ｔｏｒｒに設定されても良い。 Block 414 represents the step of heating the reactor to a growth temperature of about 1,040 ° C. while flowing a gas mixture of H 2 , N 2 and NH 3 at a low pressure in the growth chamber. In a preferred embodiment, the desired deposition pressure is below atmospheric pressure (760 Torr) and generally below 300 Torr. More specifically, the desired film forming pressure is limited to a range of 5 to 100 Torr, and may be set to 76 Torr.

ブロック４１６は基板の上に低温バッファや核生成層を一切用いることなく、直接ｍ面ＧａＮ膜の成長を開始するために、気体である塩化水素（ＨＣｌ）をガリウム（Ｇａ）ソースへ流し始める工程を表している。通常の金属ソースＨＶＰＥ法は気体ＨＣｌのような（ただし、これに限定するものではない）ハロゲン化物化合物と金属Ｇａの７００℃を超える温度でのその場（ｉｎ ｓｉｔｕ）反応を含み、一塩化ガリウム（ＧａＣｌ)を形成する。   Block 416 starts flowing hydrogen chloride (HCl), which is a gas, to a gallium (Ga) source in order to start the growth of the m-plane GaN film directly without using any low temperature buffer or nucleation layer on the substrate. Represents. Conventional metal source HVPE methods include in situ reactions of halide compounds such as (but not limited to) gaseous HCl with metallic Ga at temperatures in excess of 700 ° C. and include gallium monochloride. (GaCl) is formed.

ブロック４１８では、反応器中の1つ以上のガス流の中に少なくとも一部分は水素（Ｈ２）を含むキャリア・ガスによって、ＧａＣｌを基板へ輸送する工程を表している。一実施形態では、キャリア・ガスは主として水素であってもよく、他の実施形態では、キャリア・ガスは水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、またはその他の不活性ガスの混合物を含む。基板へ輸送中、または基板にて、または排気流の中において、ＧａＣｌはＮＨ３と反応してＧａＮを形成する。基板上で反応が生じることで基板上にＧａＮが生成され、その結果、結晶成長が起こることになる。典型的なＶ族／ＩＩＩ族比はこのプロセスでは１〜５０である。Ｇａソースの下流に補足的にＨＣｌを注入したり、あるいはＨＣｌとＧａソースとの反応が完全でなかったりするため、ＮＨ３／ＨＣｌ比は必ずしもＶ族／ＩＩＩ族比に等しくないことに注意されたい。 Block 418 represents the step of transporting GaCl to the substrate by a carrier gas that includes at least a portion of hydrogen (H 2 ) in one or more gas streams in the reactor. In one embodiment, the carrier gas may be primarily hydrogen, and in other embodiments, the carrier gas comprises a mixture of hydrogen, nitrogen, argon, helium, or other inert gas. During transport to the substrate, at the substrate, or in the exhaust stream, GaCl reacts with NH 3 to form GaN. Reaction occurs on the substrate to generate GaN on the substrate, resulting in crystal growth. Typical group V / III ratios are 1-50 in this process. It should be noted that the NH 3 / HCl ratio is not necessarily equal to the group V / III ratio because HCl is supplementarily injected downstream of the Ga source or the reaction between HCl and the Ga source is not complete. I want.

ブロック４２０は、所望の成長時間が過ぎた後に、気体ＨＣｌの流れを遮断して反応器の温度を室温に下げる工程を示す。基板温度が６００℃以下に下がるまでは反応器は低圧に保たれるのが一般的には良いが、反応器圧力をこのとき大気圧に戻すという選択もある。遮断の工程は更に、ガス流の中にＮＨ３を含ませて、反応器温度が低下する間にＧａＮ膜の分解が起こるのを防止する工程を含む。 Block 420 illustrates the step of shutting down the gaseous HCl flow and lowering the reactor temperature to room temperature after the desired growth time has passed. It is generally good to keep the reactor at a low pressure until the substrate temperature drops below 600 ° C., but there is also the option of returning the reactor pressure to atmospheric pressure at this time. The blocking step further includes the step of including NH 3 in the gas stream to prevent decomposition of the GaN film while the reactor temperature is lowered.

好ましくは、上記のプロセス工程でテンプレートから平坦なｍ面ＧａＮ膜の選択横方向成長を行う。更に、上記プロセス工程は自立ｍ面ＧａＮ膜または基板の製造に用いられる。しかしながら、本発明はいかなる（Ａｌ、Ｂ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ膜の成膜も含んでよい。更に、この方法を用いて製造されるデバイスはレーザ・ダイオード、発光ダイオード及びトランジスタを含む。   Preferably, the selective lateral growth of a flat m-plane GaN film is performed from the template in the above process steps. Furthermore, the above process steps are used for the production of free-standing m-plane GaN films or substrates. However, the present invention may include the formation of any (Al, B, In, Ga) N film. In addition, devices manufactured using this method include laser diodes, light emitting diodes, and transistors.

実験結果
本発明の実験例では、ｍ面ＧａＮテンプレートはｍ面６Ｈ−ＳｉＣ上にＭＢＥで成長したＡｌＮバッファ層を用いて成長された。つぎにＧａＮテンプレート表面上に〜１３５０Å厚のＳｉＯ２層を成膜した。従来のフォトリソグラフィー技術と５％ＨＦ溶液中のウェット・エッチングを用いて、ＳｉＯ２層中に平行なストライプの開口部の配列をパターニングした。最初の実験では、この平行なストライプはＧａＮ[０００１]または［１１−２０］のいずれかに沿って配向している。アセトンとイソプロパノールでウェハを超音波洗浄した後、パターニングされたウェハは水平ＨＶＰＥ反応器に装着される。試料は６２．５Ｔｏｒｒの圧力下で、５２％のＮ２，４２％のＨ２および６％のＮＨ３の雰囲気中で８５０から１０７５℃の範囲の成膜温度まで加熱される。試料が所望の成長温度に到達すると、反応器内のガス流はＶ族：ＩＩＩ族比が１３．１である、３８％のＮ2，５７％のＨ2、残りはＮＨ3とＨＣｌに切り替えられる。所望の成長時間が経過した後に、反応器中へのＨＣｌ流は停止され、加熱炉は遮断され、試料はＮＨ3が存在する低圧力下で６００℃より低い温度まで冷却される。６００℃より低い温度では、雰囲気は切り替えられてＮ２だけとなり、試料は室温まで冷却される。 Experimental Results In the experimental example of the present invention, the m-plane GaN template was grown using an AlN buffer layer grown by MBE on m-plane 6H-SiC. Next, a SiO 2 layer having a thickness of ˜1350 mm was formed on the surface of the GaN template. The array of parallel stripe openings was patterned in the SiO 2 layer using conventional photolithography techniques and wet etching in 5% HF solution. In the first experiment, the parallel stripes are oriented along either GaN [0001] or [11-20]. After ultrasonic cleaning of the wafer with acetone and isopropanol, the patterned wafer is mounted in a horizontal HVPE reactor. The sample is heated to a deposition temperature in the range of 850 to 1075 ° C. in an atmosphere of 52% N 2 , 42% H 2 and 6% NH 3 under a pressure of 62.5 Torr. When the sample reaches the desired growth temperature, the gas flow in the reactor is switched to 38% N 2 , 57% H 2 with a V: III ratio of 13.1, the rest being NH 3 and HCl. It is done. After the desired growth time has elapsed, the HCl flow into the reactor is stopped, the furnace is shut off, and the sample is cooled to a temperature below 600 ° C. under low pressure where NH 3 is present. At temperatures below 600 ° C., the atmosphere is switched to only N 2 and the sample is cooled to room temperature.

＜０００１＞方向に沿った平行なマスクストライプを用いた選択横方向成長プロセスの概略を図５（ａ）に示す。この図において、５００は基板／テンプレート，５０２はＳｉＯ２マスク、５０４はｍ面ＧａＮ表面を示す。成長過程では、ｍ面ＧａＮ膜５０４は基板／テンプレート材料５００の露出した部分からのみ成長し、マスク５０２上に、基板５００表面を横切って横方向に拡がる。横方向に成長しているＧａＮ膜５０４は、露出した窓５０６領域から垂直に成長しているＧａＮ５０４に比べて、翼領域５０８においては低い貫通転位密度を示している。図５（ｂ）は平行ストライプのマスク配置５０２が代わって＜１１−２０＞に沿っている場合の対応する過程を示している。この配置では２つの非対称な翼が形成される。Ｇａ面の翼５１０には貫通転位も積層欠陥も両方とも無いが、窒素面の翼５１２と５１４には貫通転位は無いものの、積層欠陥がある。両方共に貫通転位は窓材料中にはあっても選択横方向成長した材料５０４中では取り除かれている。 An outline of a selective lateral growth process using parallel mask stripes along the <0001> direction is shown in FIG. In this figure, 500 is the substrate / template, 502 is the SiO 2 mask, and 504 is the m-plane GaN surface. In the growth process, the m-plane GaN film 504 grows only from the exposed portion of the substrate / template material 500 and spreads laterally on the mask 502 across the surface of the substrate 500. The laterally grown GaN film 504 exhibits a lower threading dislocation density in the blade region 508 than the GaN 504 grown vertically from the exposed window 506 region. FIG. 5B shows the corresponding process when the parallel stripe mask arrangement 502 is instead along <11-20>. In this arrangement, two asymmetric wings are formed. The Ga surface blade 510 has neither threading dislocations nor stacking faults, but the nitrogen surface blades 512 and 514 have stacking defects, although they do not have threading dislocations. In both cases, threading dislocations are removed in the selectively laterally grown material 504 even though they are in the window material.

この技術で成長したいくつかのｍ面ＧａＮストライプの例を図６（ａ）に示す。これらのストライプは＜０００１＞方向に沿って配向したＳｉＯ２マスクの幅略５μｍの窓を通して成長し、約４０μｍの幅に横方向に拡がったものである。この成長を十分な時間続けると、このストライプは隣接するストライプと合体して、図７（ａ）に示すような、連続したｍ面ＧａＮ表面を形成することになる。合体した膜は、垂直方向から横方向への成長に変わることによって、転位がブロックされたり、屈げられたりして、選択横方向成長の領域では低転位密度を持つことになる。この低減された欠陥密度は図７（ｂ）に示す全波長カソードルミネッセンス（ＣＬ）像によって確認される。ＣＬ像は暗くて欠陥の多い窓領域と、より明るい、選択横方向成長の翼領域とを明からにしている。選択横方向成長した材料中では低転位密度であるために、選択横方向成長した材料はより強い発光を示す。このように、本発明は非極性ｍ面ＧａＮ膜における構造欠陥密度の低減に有効な手段を提供するものである。転位の屈曲は図７（ｅ）と（ｆ）に示す断面ＳＥＭ像およびＣＬ像にて更に観察できる。 Examples of several m-plane GaN stripes grown by this technique are shown in FIG. These stripes grow through a window having a width of about 5 μm in a SiO 2 mask oriented along the <0001> direction and extend laterally to a width of about 40 μm. If this growth is continued for a sufficient period of time, the stripes merge with adjacent stripes to form a continuous m-plane GaN surface as shown in FIG. The merged film has a low dislocation density in the region of selective lateral growth because dislocations are blocked or bent by changing from vertical to lateral growth. This reduced defect density is confirmed by the full-wavelength cathodoluminescence (CL) image shown in FIG. The CL image reveals a dark, defect-prone window region and a brighter, selectively laterally grown wing region. Due to the low dislocation density in the material grown in the selective lateral direction, the material grown in the selective lateral direction exhibits stronger light emission. Thus, the present invention provides an effective means for reducing the density of structural defects in a nonpolar m-plane GaN film. Dislocation bending can be further observed in the cross-sectional SEM image and CL image shown in FIGS.

ｍ面ＧａＮＬＥＯストライプの第２の例を図６（ｂ）に示す。この場合、＜１１−２０＞方向に沿って配向している平行なＳｉＯ２ストライプを用いている。図６（ａ）に示したストライプと比べて、＜１１−２０＞方向に沿って配向しているストライプは、側面は垂直なｃ面を示し、非対称な横方向成長速度を示す。Ｇａ面の翼は転位と積層欠陥が無く、一方Ｎ面の翼は転位だけが無い。＜１１−２０＞に配向しているストライプを使用して成長した、スムーズな、合体した膜を図７（ｃ）に示す。低欠陥密度であることが図７（ｄ）に示した平面ＣＬ像でもまた明らかであり、この像では欠陥の多い窓領域は暗く、低欠陥密度の翼領域は明るく見えている。Ｎ面の翼は積層欠陥を含むにもかかわらず、積層欠陥はＧａＮにおける発光再結合効率を著しく落とすことにはならないので、その発光は窓領域のそれよりもはるかに強い。 A second example of the m-plane GaNLEO stripe is shown in FIG. In this case, parallel SiO 2 stripes oriented along the <11-20> direction are used. Compared with the stripe shown in FIG. 6 (a), the stripe oriented along the <11-20> direction shows a vertical c-plane on the side surface and exhibits an asymmetric lateral growth rate. Ga face blades are free of dislocations and stacking faults, while N face blades are free of dislocations. A smooth, coalesced film grown using stripes oriented in <11-20> is shown in FIG. It is also clear from the plane CL image shown in FIG. 7D that the defect density is low. In this image, the window area with many defects is dark and the blade area with low defect density appears bright. Even though the N-plane wing contains stacking faults, the stacking faults do not significantly reduce the luminescence recombination efficiency in GaN, so the emission is much stronger than that in the window region.

図８（ａ），８（ｂ）および８（ｃ）は本発明によって提供された欠陥低減技術を用いた場合及び用いない場合の局所的な表面形態を比較する図である。図８（ａ）はいかなる形式の欠陥低減法も用いないで成長したｍ面ＧａＮ膜の最もスムーズなもののＡＦＭ像を示している。この表面は以前に科学論文に報告されたどの表面よりもはるかにスムーズであり、ＲＭＳ凹凸は２５μｍ２の面積にわたって８Åである。図８（ｂ）に示したＡＦＭ像もｍ面ＧａＮ表面の５×５μｍ像であるが、本発明による＜０００１＞方向に沿ったストライプを使用して成長した試料の選択横方向成長領域から撮ったものである。転位の終端による波状の形状は除去されており、表面凹凸は６Åに低下した。この凹凸は非常に高品質の極性ｃ面ＧａＮ膜と同等である。図８（ｃ）はｍ面ＧａＮ膜の他のＡＦＭ像であり、この場合、ＧａＮの＜１１−２０＞方向に沿って平行に配向しているＳｉＯ２ストライプを取り入れたＬＥＯ試料の選択横方向成長された翼の1つから撮ったものである。表面形態ははるかに一様であり、最高品質のｃ面ＧａＮ膜に見られるものと酷似した形態を示している。この表面のＲＭＳ凹凸はたった５．３１Åであり、非ＬＥＯ表面に比べて３４％の低減／改良である。このように、本発明はよりスムーズなｍ面ＧａＮ表面を提供するために用いることが出来て、デバイス品質を高めるものとなる。 8 (a), 8 (b) and 8 (c) are diagrams for comparing local surface forms with and without using the defect reduction technique provided by the present invention. FIG. 8 (a) shows an AFM image of the smoothest m-plane GaN film grown without using any type of defect reduction method. This surface is much smoother than any surface previously reported in scientific papers, and the RMS roughness is 8 mm over an area of 25 μm 2 . The AFM image shown in FIG. 8B is also a 5 × 5 μm image of the m-plane GaN surface, but was taken from the selected lateral growth region of the sample grown using the stripe along the <0001> direction according to the present invention. It is a thing. The wavy shape at the end of the dislocation was removed, and the surface roughness was reduced to 6 mm. This unevenness is equivalent to a very high quality polar c-plane GaN film. FIG. 8C is another AFM image of the m-plane GaN film. In this case, the selected lateral direction of the LEO sample incorporating SiO 2 stripes oriented in parallel along the <11-20> direction of GaN. Taken from one of the grown wings. The surface morphology is much more uniform, showing a morphology very similar to that found in the highest quality c-plane GaN films. The RMS roughness on this surface is only 5.31 mm, a 34% reduction / improvement compared to non-LEO surfaces. As described above, the present invention can be used to provide a smoother m-plane GaN surface, which improves device quality.

高品質ｍ面ＧａＮの成長とそれに続く欠陥低減に関する本発明の好ましい実施形態は次のことを含んでいる。
１．（１００）γ−ＬｉＡｌＯ２または（１−１００）ＳｉＣ（六方晶多形のいずれか）のような（ただし、これに限るものではない）適当な基板、または適当な基板上のｍ面ＩＩＩ−Ｎ膜からなるテンプレートを用いること。
２．反応器内の1つ以上のガス流にＧａＮ成膜段階のキャリア・ガスとして一部分は水素を用いること。
３．成膜のＧａＮ成長段階において、７６０Ｔｏｒｒより低い低反応器圧力を用いること。
４．下地のＩＩＩ−Ｎテンプレート層または基板を露出できるような、開口部またはストライプを含む１３００Å厚のＳｉＯ２マスクのような薄いマスク層を成膜する工程を含む欠陥低減技術を取り入れること。
５．横方向に拡がって低欠陥密度ＧａＮを作製するために、マスク層を通してｍ面ＧａＮ膜を成長すること。 Preferred embodiments of the present invention relating to the growth of high quality m-plane GaN and subsequent defect reduction include the following.
1. A suitable substrate such as (but not limited to) (100) γ-LiAlO 2 or (1-100) SiC (either hexagonal polymorph), or m-plane III- on a suitable substrate Use a template made of N film.
2. Use hydrogen as part of the carrier gas for the GaN deposition stage in one or more gas streams in the reactor.
3. Use a low reactor pressure lower than 760 Torr during the GaN growth phase of deposition.
4). Incorporating defect reduction techniques that include depositing a thin mask layer, such as a 1300 Å thick SiO 2 mask, that includes openings or stripes to expose the underlying III-N template layer or substrate.
5. Growing an m-plane GaN film through the mask layer to spread laterally to produce low defect density GaN.

例として、予めＭＢＥ法によってｍ面ＡｌＮ膜を被覆した、５００μｍ厚の研磨したｍ面ＳｉＣ基板上に１３００Å厚のＳｉＯ２膜を成膜する。通常のフォトリソグラフィ工程を用いて、５μｍ幅の開口部で分離された３５μｍ幅のストライプを含んだフォトレジスト層をパターニングする。ウェハを次に緩衝フッ化水素酸に２分間浸漬して、露出したＳｉＯ２を完全にエッチング除去する。残されたフォトレジストをアセトンで取り除き、ウェハをアセトン、イソプロピル・アルコール及び脱イオン水中で洗浄する。乾燥後、５μｍ幅の開口部で分離された３５μｍ幅のＳｉＯ２ストライプで被覆されているｍ面ＳｉＣ基板上のｍ面ＡｌＮ薄膜からなるウェハは、成長のために反応器内に装着される。成長過程では、ＧａＮは露出したＡｌＮ上にだけ核生成し、マスクの開口部を通して垂直に成長する。そこで膜はＳｉＯ２ストライプ上を横方向に広がり、最終的には隣接するＧａＮストライプと合体する。 As an example, a 1300 mm thick SiO 2 film is formed on a 500 μm thick polished m-plane SiC substrate that has been previously coated with an m-plane AlN film by MBE. Using a normal photolithography process, a photoresist layer including a 35 μm wide stripe separated by a 5 μm wide opening is patterned. The wafer is then immersed in buffered hydrofluoric acid for 2 minutes to completely etch away the exposed SiO 2 . The remaining photoresist is removed with acetone and the wafer is cleaned in acetone, isopropyl alcohol and deionized water. After drying, a wafer consisting of an m-plane AlN thin film on an m-plane SiC substrate covered with 35 μm wide SiO 2 stripes separated by 5 μm wide openings is loaded into the reactor for growth. In the growth process, GaN nucleates only on the exposed AlN and grows vertically through the mask openings. The film then spreads laterally over the SiO 2 stripe and eventually merges with the adjacent GaN stripe.

可能な変更と変形
好ましい実施形態として、平坦なｍ面ＧａＮを成長し、その後、選択横方向成長プロセスによってｍ面ＧａＮの品質を改良する方法を説明した。（１００）γ−ＬｉＡｌＯ２、（１−１００）４Ｈ−ＳｉＣおよび（１−１００）６Ｈ−ＳｉＣを含む、いくつかの基板材料が本発明を実行するのに有効であることが証明された。自立ｍ面ＧａＮ、自立ｍ面ＡｌＮ、ＳｉＣの他の多形、ミスカットのｍ面Ａｌ２Ｏ３、前述したいずれかの基板のミスカット変形物を含む（ただし、これに限るわけではない）他の適当な基板材料を本発明の実施において用いてもよい。横方向成長過程における基板も、平坦なｍ面ＧａＮの成長に適したいずれかの基板、またはＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮのテンプレート層、他のテンプレート材料で被覆された上記基板のいずれかから選ぶことが出来る。様々な成長技術によって低温または成長温度で成膜した核生成層はまた、この技術を用いて次に続くＨＶＰＥ法による選択横方向成長に用いてもよい。基板の選択は反応器加熱段階での最適なガス条件に影響を及ぼす。ＬｉＡｌＯ２のようなある種の基板に対してはアンモニアを含む雰囲気内で昇温するのが好ましく、一方ＳｉＣはアンモニアが存在する中での昇温では悪影響を受ける。特にＧａＮテンプレート上での再成長時は、低圧力で成長温度まで昇温するのが好ましい。本発明の技術範囲を逸脱することなしに昇温条件は大幅に変更されてもよい。 Possible Changes and Variations As a preferred embodiment, a method for growing flat m-plane GaN and then improving the quality of m-plane GaN by a selective lateral growth process has been described. Several substrate materials have proven effective for practicing the present invention, including (100) γ-LiAlO 2 , (1-100) 4H—SiC and (1-100) 6H—SiC. Includes (but is not limited to) self-standing m-plane GaN, free-standing m-plane AlN, other polymorphs of SiC, miscut m-plane Al 2 O 3 , and any of the aforementioned miscut variants of the substrate. Other suitable substrate materials may be used in the practice of the present invention. The substrate in the lateral growth process can also be selected from any substrate suitable for flat m-plane GaN growth, or a GaN, AlN, AlGaN template layer, or any of the above substrates coated with other template materials. I can do it. Nucleation layers deposited at low temperatures or growth temperatures by various growth techniques may also be used for subsequent selective lateral growth by the HVPE method using this technique. The choice of substrate affects the optimum gas conditions in the reactor heating stage. For certain substrates such as LiAlO 2 , it is preferable to raise the temperature in an atmosphere containing ammonia, while SiC is adversely affected by the temperature rise in the presence of ammonia. In particular, at the time of regrowth on the GaN template, it is preferable to raise the temperature to a growth temperature with a low pressure. The temperature raising conditions may be changed significantly without departing from the technical scope of the present invention.

これとは別に、様々なマスク材料、マスク成膜技術、及びパターニング方法を、本発明の結果を著しく変えることなしに本発明の実施で用いることが出来る。そのような成膜の方法としては、（例えばチタニウムやタングステンのような）金属マスクを蒸着する方法、広範囲の酸化物及びＳｉＮｘを含む誘電体マスクをスパッタ成膜する方法、及び酸化物、窒化物、あるいはフッ化物マスクを化学気相成膜する方法を含むが、これに限定するものではない。マスクは上記のようにｅｘ ｓｉｔｕ技術で成膜してもよいし、ｉｎ ｓｉｔｕ成膜しても良い。例として、単一の、ソースを3つ含むＨＶＰＥ反応器を用いて、ｍ−ＳｉＣ基板上にＡｌＮバッファを成膜して、つぎに本明細書で説明した発明を用いて薄いＧａＮ膜を成長し，そして薄いＳｉＮｘマスクを成膜して、それを通して低欠陥密度のｍ面ＧａＮを成長することが出来る。この例ではマスクはＳｉＮｘの不規則的な島からなっているが、フォトリソグラフィによって形成された一様なマスクと同じ目的にかなう。これとは別に、金属Ｔｉ膜は自立ｍ面ＧａＮ基板上に蒸着でき、ＨＶＰＥ成長システム内に装着され、ＮＨ３中でアニールされて同様に多孔質のマスク層を形成する。 Alternatively, various mask materials, mask deposition techniques, and patterning methods can be used in the practice of the present invention without significantly changing the results of the present invention. Such deposition methods include vapor deposition of a metal mask (eg, titanium or tungsten), sputtering of a dielectric mask containing a wide range of oxides and SiN x , and oxide, nitridation. Including, but not limited to, a method of chemical vapor deposition of an oxide or fluoride mask. As described above, the mask may be formed by the ex situ technique or may be formed in situ. As an example, a single HVPE reactor with three sources is used to deposit an AlN buffer on an m-SiC substrate, and then a thin GaN film is grown using the invention described herein. A thin SiN x mask can then be deposited through which low defect density m-plane GaN can be grown. In this example, the mask consists of irregular islands of SiN x , but serves the same purpose as a uniform mask formed by photolithography. Alternatively, a metal Ti film can be deposited on a free-standing m-plane GaN substrate, mounted in an HVPE growth system, and annealed in NH 3 to form a porous mask layer as well.

他の代替方法としては、基板上にパターンマスクを成膜するのではなく、たとえば、反応性イオンエッチング法を用いてパターンを基板またはテンプレート材料の中へエッチングする方法がある。このような方法では、基板内の溝の深さと幅を選択して、エッチングされない平坦部から横に成長している膜が、溝の底から成長しているＧａＮが溝の上端部に達する前に合体するようにすべきである。この技術は、カンチレバーエピタキシーとして知られるが、極性ｃ面ＧａＮ成長において実証されているものであり、本発明においても適用可能ある。残っている基板またはテンプレートの柱の上表面は、カンチレバーエピタキシーのようにコーティングされないままでもよく、あるいは側壁選択横方向成長のように、露出した側壁からの成長を促進するためにマスク材料で被覆されてもよい。   Another alternative is to etch the pattern into the substrate or template material using, for example, reactive ion etching rather than depositing a pattern mask on the substrate. In such a method, the depth and width of the groove in the substrate is selected, and the film that grows laterally from the flat part that is not etched before the GaN growing from the bottom of the groove reaches the upper end of the groove. Should be merged into This technique, known as cantilever epitaxy, has been demonstrated in polar c-plane GaN growth and is applicable in the present invention. The top surface of the remaining substrate or template column can remain uncoated as in cantilever epitaxy, or it can be coated with a mask material to promote growth from exposed sidewalls, such as sidewall selective lateral growth. May be.

誘電体マスクの形状は横方向に成長している膜の挙動に重要な影響を及ぼす。本発明の有効性を確立する段階では、基板に対して様々な方向を持つストライプを含んだマスクが用いられた。各形状の開口部からの成長の挙動は異なるが、マスク形状の選択は本発明の実施結果を基本的に変えるものではないということが示された。このように、ＧａＮの核生成を促進する領域とＧａＮの核生成を抑制する領域を含むマスクならどのようなものでも形状によらずに取り込むことが出来る。   The shape of the dielectric mask has an important influence on the behavior of the laterally growing film. In the stage of establishing the effectiveness of the present invention, a mask including stripes having various directions with respect to the substrate was used. Although the growth behavior from the openings of each shape is different, it has been shown that the selection of the mask shape does not fundamentally change the results of implementation of the present invention. Thus, any mask including a region that promotes nucleation of GaN and a region that suppresses nucleation of GaN can be incorporated regardless of shape.

反応器の形状と設計は本発明の実施に影響を与える。非極性ＧａＮを首尾よく横方向成長するために必要な成長パラメータは反応器によって変わる。そのような変化は本発明の一般的な実施形態を基本的に変えるものではない。   The shape and design of the reactor will affect the practice of the present invention. The growth parameters required for successful lateral growth of nonpolar GaN vary from reactor to reactor. Such changes do not fundamentally change the general embodiment of the invention.

更に、一般的には横方向成長過程を膜合体点まで続けるのが望ましいが、合体は本発明の実施のための必要条件ではない。本発明者らは、合体前の選択横方向成長の非極性ＧａＮストライプまたは支柱が非常に望まれるような多くの応用形態を予想してきた。それ故に、この開示は合体した場合及び合体前の選択横方向成長非極性ＧａＮ膜のどちらにも適用される。   In addition, it is generally desirable to continue the lateral growth process up to the film coalescence point, but coalescence is not a requirement for the practice of the present invention. The inventors have envisioned many applications where non-polar GaN stripes or struts of selective lateral growth prior to coalescence are highly desirable. Therefore, this disclosure applies to both the merged and preselected merged laterally grown nonpolar GaN films.

本発明はＨＶＰＥ法による平坦なｍ面ＧａＮの成長に焦点を当ててきた。しかしながら本発明はＩｎＧａＮおよびＡｌＧａＮを含む（ただし、これに限るわけではない）ｍ面ＩＩＩ−Ｎ合金の成長にも適用できる。非極性ＧａＮ膜に一部Ａｌ、Ｉｎ、またはＢを取り込むことは本発明の実施形態を基本的に変えるものではない。一般に、上記の議論で「ＧａＮ」について述べている記述はどれも、より一般的な窒化物化合物であるＡｌｘＩｎｙＧａｚＢｎＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｎ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＋n＝１）で置き換えが出来る。また、本発明の範囲を逸脱することなしに、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｍｇ、およびＦｅのような（ただし、これに限るわけではない）添加ドーパントを本発明に記述された膜に取り込むことが出来る。 The present invention has focused on the growth of flat m-plane GaN by the HVPE method. However, the present invention is also applicable to the growth of m-plane III-N alloys that include (but are not limited to) InGaN and AlGaN. Incorporating a part of Al, In, or B into the nonpolar GaN film does not fundamentally change the embodiment of the present invention. In general, any statement that mentions “GaN” in the above discussion is more general nitride compound Al x In y Ga z B n N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, 0 ≦ n ≦ 1, x + y + z + n = 1). Also, additional dopants such as (but not limited to) Si, Zn, Mg, and Fe can be incorporated into the films described in the present invention without departing from the scope of the present invention.

本発明の実施形態は、温度および／または圧力が変化する、または異なる窒化物組成を持つというような多重成長工程を含んでいてもよい。そのような多重工程成長過程は、本明細書に説明した本発明に基本的に用いることができる。   Embodiments of the present invention may include multiple growth processes such as temperature and / or pressure changing or having different nitride compositions. Such a multi-step growth process can basically be used in the present invention described herein.

更に、本発明はＨＶＰＥ法を用いた成長技術を説明してきた。非極性ＩＩＩ−Ｎ膜の成長に関する発明者らの研究では、単純な変形を行うだけで、本明細書に説明したＧａＮの横方向成長技術はＭＯＣＶＤによるｍ−ＧａＮの成長にも同じように適用できることを確立した。   Furthermore, the present invention has described a growth technique using the HVPE method. In our study on the growth of non-polar III-N films, the GaN lateral growth technique described here is equally applicable to the growth of m-GaN by MOCVD, with a simple modification. Established what can be done.

利点および改善点
本発明は、平坦な高品質非極性ｍ面ＧａＮおよびＨＶＰＥ法によるｍ面ＧａＮの選択横方向成長に関するはじめての報告である。ｍ面ＧａＮの横方向成長に関しては、いかなる技術を用いたものもこれまでの文献に報告されていない。 Advantages and Improvements The present invention is the first report on the selective lateral growth of flat high quality non-polar m-plane GaN and m-plane GaN by the HVPE method. Regarding the lateral growth of m-plane GaN, no technique using any technique has been reported so far.

大部分が水素であるキャリア・ガスを用いての低圧力成長を応用することで、ＨＶＰＥ法による平坦なｍ面ＧａＮ膜の成長を初めて可能にした。基板上にヘテロエピタキシャル成長した非極性ＧａＮ膜に比べて、この発見に基づいてかなりの欠陥低減と膜品質改良を可能にしたことによって本発明は次のように発展する。このような低減された欠陥密度をもつ非極性ＧａＮは、この技術を用いて成長したテンプレート膜上に続いて成長させた電子、光電子、及び電気機械的デバイスの改良に役立つであろう。本明細書で説明した選択横方向成長膜は、剥離して自立基板とすることができる厚い非極性ＧａＮ膜における転位密度を低減するための優れた手段を更に提供する。   By applying low-pressure growth using a carrier gas that is mostly hydrogen, it was possible for the first time to grow a flat m-plane GaN film by the HVPE method. Compared to a nonpolar GaN film heteroepitaxially grown on a substrate, the present invention develops as follows by enabling a considerable defect reduction and film quality improvement based on this discovery. Nonpolar GaN with such a reduced defect density would help improve the electronic, photoelectron and electromechanical devices subsequently grown on template films grown using this technique. The selective laterally grown films described herein further provide an excellent means for reducing dislocation density in thick non-polar GaN films that can be peeled off to become free-standing substrates.

参考文献
以下の参考文献は、参照として本明細書に組み込まれる。
１．Ｒ．Ｒ．Ｖａｎｆｌｅｅｔ， ｅｔ ａｌ．，“Ｄｅｆｅｃｔｓ ｉｎ ｍ−ｆａｃｅ ＧａＮ ｆｉｌｍｓ ｇｒｏｗｎ ｂｙ ｈａｌｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ ｏｎ ＬｉＡｌＯ２，” Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，８３（６）１１３９（２００３）
２．Ｐ．Ｗａｌｔｅｒｅｉｔ， ｅｔ ａｌ．，“Ｎｉｔｒｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ｆｒｅｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｆｉｅｌｄｓ ｆｏｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｗｈｉｔｅ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ，” Ｎａｔｕｒｅ（４０６）８６５（２０００）
３．Ｙ．Ｓｕｎ ｅｔ ａｌ．，“Ｉｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ ｉｎ Ｍ−ｐｌａｎｅ （Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ／ＧａＮ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，” Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８３（２５）５１７８（２００３）
４．Ｇａｒｄｎｅｒ ｅｔ ａｌ．，“Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｉｎ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｏｆ ｍ−ｐｌａｎｅ ＩｎＧａＮ−ＧａＮ ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ，” Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８６，１１１１０１（２００５）
５．Ｃｈｉｔｎｉｓ ｅｔ ａｌ．，“Ｖｉｓｉｂｌｅ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ ｕｓｉｎｇ ａ−ｐｌａｎｅ ＧａＮ−ＩｎＧａＮ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌｓ ｏｖｅｒ ｒ−ｐｌａｎｅ ｓａｐｐｈｉｒｅ，” Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８４（１８）３６６３（２００４）
６．Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ ｅｔ ａｌ．，“Ｎｏｎｐｏｌａｒ ＩｎＧａＮ ／ＧａＮ ｅｍｉｔｔｅｒｓ ｏｎ ｒｅｄｕｃｅｄ−ｄｅｆｅｃｔ ｌａｔｅｒａｌ ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ ｏｖｅｒｇｒｏｗｎ ａ−ｐｌａｎｅ ＧａＮ ｗｉｔｈ ｄｒｉｖｅ−ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｐｅａｋ，” Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８５（２２）５１４３（２００４）
７．Ｃｒａｖｅｎ ｅｔ ａｌ．，“Ｔｈｒｅａｄｉｎｇ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｖｉａ ｌａｔｅｒａｌｌｙ ｏｖｅｒｇｒｏｗｎ ｎｏｎｐｏｌａｒ （１１−２０）ａ−ｐｌａｎｅ ＧａＮ，” Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８１（７）１２０１（２００２）
８．Ｈａｓｋｅｌｌ ｅｔ ａｌ．，“Ｄｅｆｅｃｔ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ （１１−２０） ａ−ｐｌａｎｅ ｇａｌｌｉｕｍ ｎｉｔｒｉｄｅ ｖｉａ ｌａｔｅｒａｌ ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ ｂｙ ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ，” Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８３（４）６４４（２００３）
結論
これで本発明の好ましい実施形態の説明を終える。本発明の一つ以上の実施形態に関する上記の記述は例示および説明のために示された。開示の形態そのものによって本発明を包括または限定することを意図するものではない。多くの変更と変形が上記の教示に照らして可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなく、本明細書に添付の請求項によって限定されるものである。 References The following references are incorporated herein by reference.
1. R. R. Vanfleet, et al. "Defects in m-face GaN films grown by halide vapor phase epitaxy on LiAlO 2 ," Appl. Phys. Lett. , 83 (6) 1139 (2003)
2. P. Walterite, et al. , “Nitride semiconductors free of electrostatic fields for efficient white-emitting diodes,” Nature (406) 865 (2000)
3. Y. Sun et al. “In surface segregation in M-plane (In, Ga) N / GaN multiple quantum well structures,” Appl. Phys. Lett. 83 (25) 5178 (2003)
4). Gardner et al. , "Polarization anisotropy in the electroluminescence of m-plane InGaN-GaN multiple-quantum-well light-emitting diodes," Appl. Phys. Lett. 86, 111101 (2005)
5. Chitnis et al. "Visible light-emitting diodes a-plane GaN-InGaN multiple quantum wells over r-plane sapphire," Appl. Phys. Lett. 84 (18) 3663 (2004)
6). Chakraborty et al. , “Nonpolar InGaN / GaN emitters on reduced-defect lateral epitaxially over-a-plane GaN with drive-current independence electroluminescence.” Phys. Lett. 85 (22) 5143 (2004)
7). Craven et al. , “Threading distribution reduction via laterally over nonpolar (11-20) a-plane GaN,” Appl. Phys. Lett. 81 (7) 1201 (2002)
8). Haskell et al. , “Defect reduction in (11-20) a-plane gallium nitride via epitaxy over the growth by hydrogen phase epitaxy,” Appl. Phys. Lett. 83 (4) 644 (2003)
Conclusion This concludes the description of the preferred embodiment of the present invention. The foregoing description of one or more embodiments of the invention has been presented for purposes of illustration and description. It is not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise form disclosed. Many modifications and variations are possible in light of the above teaching. It is intended that the scope of the invention be limited not by this detailed description, but rather by the claims appended hereto.

一般的な六方晶結晶構造と重要な結晶面の概略図である。1 is a schematic diagram of a general hexagonal crystal structure and important crystal planes. 本発明の好ましい実施形態による、ＨＶＰＥ法を用いた平坦なｍ面ＧａＮ膜を直接成長するための工程を示すフローチャートである。4 is a flowchart illustrating a process for directly growing a flat m-plane GaN film using HVPE according to a preferred embodiment of the present invention. 図３（ａ）は本発明を用いて達成した一様で平坦な表面形態を示すＬｉＡｌＯ２基板上に成長したｍ面ＧａＮ膜のノマルスキー光学コントラスト顕微鏡写真であり、図３（ｂ）はその表面の原子間力顕微鏡像である。FIG. 3A is a Nomarski optical contrast micrograph of an m-plane GaN film grown on a LiAlO 2 substrate showing a uniform and flat surface morphology achieved using the present invention, and FIG. It is an atomic force microscope image of. 本発明の好ましい実施形態による、ＧａＮ膜の選択横方向成長を通して平坦なｍ面ＧａＮ膜中の貫通転位と欠陥の密度を低減させる工程を示すフローチャートである。6 is a flowchart illustrating steps for reducing threading dislocations and defect density in a flat m-plane GaN film through selective lateral growth of the GaN film, according to a preferred embodiment of the present invention. 図５（ａ）は＜０００１＞方向ＳｉＯ２ストライプを用いたｍ面ＧａＮの選択横方向成長プロセスの概略図、図５（ｂ）は＜１１−２０＞方向ＳｉＯ２ストライプを用いたｍ面ＧａＮの横方向成長プロセスの概略図である。5A is a schematic diagram of a selective lateral growth process of m-plane GaN using <0001> direction SiO 2 stripes, and FIG. 5B is an m-plane GaN using <11-20> direction SiO 2 stripes. FIG. 2 is a schematic diagram of a lateral growth process of FIG. 図６（ａ）は＜０００１＞方向ｍ面ＧａＮ選択横方向成長ストライプの傾斜断面図であり、図６（ｂ）は＜１１−２０＞方向ＧａＮストライプの断面図である。FIG. 6A is an inclined sectional view of a <0001> direction m-plane GaN selective laterally grown stripe, and FIG. 6B is a sectional view of a <11-20> direction GaN stripe. 図７（ａ）と図７（ｃ）はそれぞれ＜０００１＞と＜１１−２０＞方向のストライプから成長して合体した選択横方向成長ストライプの平面走査型電子顕微鏡像であり、図７（ｂ）と図７（ｄ）は図７（ａ）と図７（ｃ）にて示した表面に対応するカソードルミネッセンス（ＣＬ）像であり、それぞれ窓と翼の領域を示している。図７（ｅ）は＜０００１＞方向に沿って伸びているｍ面ＧａＮストライプの断面ＳＥＭ像であり、図７（ｆ）は図７（ｅ）にて示したストライプに対応するＣＬ像である。7 (a) and 7 (c) are planar scanning electron microscope images of selected laterally grown stripes grown from and merged with stripes in the <0001> and <11-20> directions, respectively. ) And FIG. 7 (d) are cathodoluminescence (CL) images corresponding to the surfaces shown in FIG. 7 (a) and FIG. 7 (c), respectively showing the window and blade regions. FIG. 7E is a cross-sectional SEM image of an m-plane GaN stripe extending along the <0001> direction, and FIG. 7F is a CL image corresponding to the stripe shown in FIG. . 図８（ａ）、図８（ｂ）および図８（ｃ）はｍ面ＧａＮ表面の５×５μｍ原子間力顕微鏡像であり、図８（ａ）は欠陥低減を目指したものではない、この開示の第１の部分に記述された技術を用いて成長した表面を示し、図８（ｂ）および図８（ｃ）は本発明をもちいて成長した選択横方向成長ｍ面ＧａＮ膜の翼の部分の表面を示す。8 (a), 8 (b) and 8 (c) are 5 × 5 μm atomic force microscope images of the m-plane GaN surface, and FIG. 8 (a) is not intended to reduce defects. FIG. 8 (b) and FIG. 8 (c) show a surface grown using the technique described in the first part of the disclosure, and FIGS. 8 (b) and 8 (c) show the blades of a selectively laterally grown m-plane GaN film grown using the present invention. The surface of the part is shown.

Claims (19)

（ａ）ハイドライド気相成長法によって平坦なｍ面ＧａＮ膜を直接成長させる工程、および
（ｂ）前記ＧａＮ膜の選択横方向成長を行って、前記平坦なｍ面ＧａＮ膜中の貫通転位と欠陥の密度を低減する工程
を備えたことを特徴とする、平坦なｍ面窒化ガリウム（ＧａＮ）膜を成長する方法。 (A) a step of directly growing a flat m-plane GaN film by hydride vapor phase epitaxy; and (b) a selective lateral growth of the GaN film to cause threading dislocations and defects in the flat m-plane GaN film. A method for growing a flat m-plane gallium nitride (GaN) film, comprising the step of reducing the density of the substrate. 前記平坦なｍ面ＧａＮ膜は分極を含まないデバイスの成長のための基板として用いる目的で製作されることを特徴とする請求項１に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the planar m-plane GaN film is fabricated for use as a substrate for growth of devices that do not include polarization. 前記平坦なｍ面ＧａＮ膜の直接成長は、ｍ面ＳｉＣ、（１００）γ−ＬｉＡｌＯ２を含む基板、またはｍ面（Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｂ）Ｎテンプレート層で覆われた基板上で行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。 The flat m-plane GaN film is directly grown on a substrate containing m-plane SiC, (100) γ-LiAlO 2 , or a substrate covered with an m-plane (In, Al, Ga, B) N template layer. The method of claim 1, wherein: 前記工程（ａ）は、
（１）基板を反応器に装着する工程、
（２）成長室に水素（Ｈ２）と窒素（Ｎ２）の混合ガスを流しながら、前記反応器を成長温度まで加熱する工程、
（３）前記反応器の圧力を大気圧よりも低い、所望の成膜圧力まで下げる工程、
（４）前記基板上に前記平坦なｍ面ＧａＮ膜の直接成長を開始するために、気体の塩化水素（ＨＣｌ）をガリウム（Ｇａ）源へ流し始める工程であって、前記気体ＨＣｌは前記Ｇａと反応して一塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を形成する工程、
（５）少なくとも一部分は水素（Ｈ２）を含むキャリア・ガスを用いて前記ＧａＣｌを前記基板へ輸送する工程であって、前記ＧａＮ膜を形成するように前記ＧａＣｌが前記基板上でアンモニア（ＮＨ３)と反応する工程、および
（６）所望の成長時間が経った後で前記気体ＨＣｌの流れを遮断し、前記反応器の圧力を大気圧に戻し、前期反応器の温度を室温に下げる工程、
を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。 The step (a)
(1) A step of attaching the substrate to the reactor,
(2) heating the reactor to a growth temperature while flowing a mixed gas of hydrogen (H 2 ) and nitrogen (N 2 ) through the growth chamber;
(3) lowering the pressure of the reactor to a desired film formation pressure lower than atmospheric pressure;
(4) Initiating flow of gaseous hydrogen chloride (HCl) to a gallium (Ga) source to initiate direct growth of the flat m-plane GaN film on the substrate, wherein the gaseous HCl is the Ga Forming gallium monochloride (GaCl) by reacting with
(5) A step of transporting the GaCl to the substrate using a carrier gas containing hydrogen (H 2 ) at least partially, and the GaCl is formed on the substrate to form ammonia (NH) so as to form the GaN film. 3 ) reacting with (6), and (6) shutting off the flow of the gaseous HCl after a desired growth time has elapsed, returning the pressure of the reactor to atmospheric pressure, and lowering the temperature of the previous reactor to room temperature. ,
The method of claim 1, further comprising: 前記基板が低温または前記成長温度で成膜された核生成層で被覆されていることを特徴とする請求項４に記載の方法。   The method according to claim 4, wherein the substrate is coated with a nucleation layer deposited at a low temperature or at the growth temperature. 前記反応器内のガス流に無水アンモニア（ＮＨ３)を加えて前記基板を窒化する工程を更に備えていることを特徴とする請求項４に記載の方法。 The method of claim 4, further comprising adding anhydrous ammonia (NH 3 ) to the gas flow in the reactor to nitride the substrate. 前記工程（６）は、前記反応器の温度が低下する間に前記ＧａＮ薄膜が分解することを防ぐために、ガス流に無水アンモニア（ＮＨ３)を含ませる工程を更に備えることを特徴とする請求項４に記載の方法。 The step (6) further comprises a step of including anhydrous ammonia (NH 3 ) in the gas flow to prevent the GaN thin film from being decomposed while the temperature of the reactor is lowered. Item 5. The method according to Item 4. 前記工程（６）は、低圧で前記基板を冷却する工程を更に備えることを特徴とする請求項４に記載の方法。   The method of claim 4, wherein the step (6) further comprises cooling the substrate at a low pressure. 前記工程（ｂ）は、
（１）基板上に成膜されたマスクをパターニングする工程、および
（２）前記基板から前記ＧａＮ膜の選択横方向成長をハイドライド気相成長法を用いて行う工程を更に備え、前記ＧａＮ膜が前記パターニングされたマスクで覆われていない前記基板の部分の上にだけ核生成し、前記ＧａＮ薄膜が前記パターニングされたマスクの開口部を通して垂直に成長し、その後前記ＧａＮ膜がパターニングされたマスクの上を横に基板の表面を横切って拡がることを特徴とする請求項１に記載の方法。 The step (b)
(1) a step of patterning a mask formed on the substrate; and (2) a step of performing selective lateral growth of the GaN film from the substrate using a hydride vapor phase growth method. Nucleation occurs only on those portions of the substrate that are not covered by the patterned mask, and the GaN thin film is grown vertically through the openings in the patterned mask, after which the GaN film is formed on the patterned mask. 2. The method of claim 1, wherein the method extends across the surface of the substrate across the top. 前記選択横方向成長はほぼ大気圧またはそれ未満の成長圧力と、一部分は水素を含むキャリア・ガスとを利用することを特徴とする請求項９に記載の方法。   10. The method of claim 9, wherein the selective lateral growth utilizes a growth pressure of about atmospheric pressure or less and a carrier gas comprising a portion of hydrogen. 前記キャリア・ガスが主として水素であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。   The method of claim 10, wherein the carrier gas is primarily hydrogen. 前記キャリア・ガスが水素と窒素、アルゴンまたはヘリウムの混合ガスを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。   The method of claim 11, wherein the carrier gas comprises a gas mixture of hydrogen and nitrogen, argon or helium. 前記選択横方向成長は前記ＧａＮ膜における貫通転位密度を低減することを特徴とする請求項９に記載の方法。   The method of claim 9, wherein the selective lateral growth reduces threading dislocation density in the GaN film. 前記パターニングされたマスクは金属材料または誘電性材料を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。   The method of claim 9, wherein the patterned mask comprises a metal material or a dielectric material. 前記工程（１）は、
（１）前記基板上に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）膜を成膜する工程、
（２）前記二酸化ケイ素膜上のフォトレジスト層をパターニングする工程、
（３）前記パターニングされたフォトレジスト層によって露出した前記二酸化ケイ素膜の全ての部分をエッチング除去する工程、
（４）前記フォトレジスト層の残留部分を取り除く工程、および
（５）前記基板を洗浄する工程
を備えることを特徴とする請求項９に記載の方法。 The step (1)
(1) forming a silicon dioxide (SiO 2 ) film on the substrate;
(2) patterning a photoresist layer on the silicon dioxide film,
(3) etching away all portions of the silicon dioxide film exposed by the patterned photoresist layer;
The method of claim 9, comprising: (4) removing a remaining portion of the photoresist layer; and (5) cleaning the substrate. 前記基板は低温または前記成長温度で成膜した核生成層で被覆されていることを特徴とする請求項９に記載の方法。   The method of claim 9, wherein the substrate is coated with a nucleation layer deposited at a low temperature or at the growth temperature. 前記ＧａＮ膜の選択横方向成長は、
（１）基板またはテンプレートから支柱またはストライプをエッチングする工程、および
（２）前記支柱またはストライプから横に成長させる工程
を備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。 The selective lateral growth of the GaN film is
The method of claim 1, comprising: (1) etching a post or stripe from a substrate or template; and (2) growing laterally from the post or stripe. 前記ＧａＮ膜の選択横方向成長は、
（１）基板またはテンプレートから支柱またはストライプをエッチングする工程、
（２）前記支柱またはストライプの上面をマスクする工程、および
（３）前記支柱またはストライプの前記マスクされた上面の露出した部分から横方向に成長させる工程
を備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。 The selective lateral growth of the GaN film is
(1) A step of etching a pillar or stripe from a substrate or template,
2. The method of claim 1, comprising: (2) masking an upper surface of the pillar or stripe; and (3) laterally growing from an exposed portion of the masked upper surface of the pillar or stripe. The method described. 先行する請求項のいずれかを用いて作製されるデバイス。   A device made using any of the preceding claims.
JP2007515412A 2004-06-03 2005-05-31 Growth of flat and low dislocation density m-plane gallium nitride by hydride vapor deposition Expired - Fee Related JP5461773B2 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US57668504P 2004-06-03 2004-06-03
US60/576,685 2004-06-03
PCT/US2005/018823 WO2005122267A2 (en) 2004-06-03 2005-05-31 Growth of planar reduced dislocation density m-plane gallium nitride by hydride vapor phase epitaxy

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2008501606A true JP2008501606A (en) 2008-01-24
JP5461773B2 JP5461773B2 (en) 2014-04-02

Family

ID=35503823

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007515412A Expired - Fee Related JP5461773B2 (en) 2004-06-03 2005-05-31 Growth of flat and low dislocation density m-plane gallium nitride by hydride vapor deposition

Country Status (3)

Country Link
JP (1) JP5461773B2 (en)
KR (2) KR101332391B1 (en)
WO (1) WO2005122267A2 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010030877A (en) * 2008-07-03 2010-02-12 Furukawa Co Ltd Group iii nitride semiconductor substrate and method for producing the same
WO2010100699A1 (en) * 2009-03-06 2010-09-10 パナソニック株式会社 Crystal growth process for nitride semiconductor, and method for manufacturing semiconductor device
WO2014097931A1 (en) * 2012-12-17 2014-06-26 三菱化学株式会社 Gallium nitride substrate, and method for producing nitride semiconductor crystal
JP5891390B2 (en) * 2012-10-05 2016-03-23 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 Nitride semiconductor structure, laminated structure, and nitride semiconductor light emitting device
JP2021519743A (en) * 2018-03-30 2021-08-12 ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニアＴｈｅ Ｒｅｇｅｎｔｓ Ｏｆ Ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｏｆ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ Non-polar and semi-polar device fabrication method using epitaxial transverse overgrowth

Families Citing this family (33)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8324660B2 (en) 2005-05-17 2012-12-04 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Lattice-mismatched semiconductor structures with reduced dislocation defect densities and related methods for device fabrication
EP2595175B1 (en) * 2005-05-17 2019-04-17 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Method of fabricating a lattice-mismatched semiconductor structure with reduced dislocation defect densities
US9153645B2 (en) 2005-05-17 2015-10-06 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Lattice-mismatched semiconductor structures with reduced dislocation defect densities and related methods for device fabrication
US7777250B2 (en) 2006-03-24 2010-08-17 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Lattice-mismatched semiconductor structures and related methods for device fabrication
US9673044B2 (en) 2006-04-07 2017-06-06 Sixpoint Materials, Inc. Group III nitride substrates and their fabrication method
KR100809209B1 (en) * 2006-04-25 2008-02-29 삼성전기주식회사 METHOD OF GROWING NON-POLAR m-PLANE NITRIDE SEMICONDUCTOR
KR20090018106A (en) * 2006-05-09 2009-02-19 더 리전츠 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아 In-situ defect reduction techniques for nonpolar and semipolar (al, ga, in)n
JP4713426B2 (en) * 2006-08-30 2011-06-29 京セラ株式会社 Epitaxial substrate and vapor phase growth method
EP2062290B1 (en) 2006-09-07 2019-08-28 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Defect reduction using aspect ratio trapping
US7875958B2 (en) 2006-09-27 2011-01-25 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Quantum tunneling devices and circuits with lattice-mismatched semiconductor structures
US8502263B2 (en) 2006-10-19 2013-08-06 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Light-emitter-based devices with lattice-mismatched semiconductor structures
JP2008108924A (en) * 2006-10-26 2008-05-08 Matsushita Electric Works Ltd Compound semiconductor light-emitting element, illumination apparatus employing the same and manufacturing method of compound semiconductor light-emitting element
KR100860709B1 (en) 2006-12-21 2008-09-26 주식회사 실트론 Method of growing GaN layer for manufacturing Light Emitting Diode having enhanced light extraction characteristics, Method of manufacturing Light Emitting Diode using the same, and Light Emitting Diode device thereof
US8237151B2 (en) 2009-01-09 2012-08-07 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Diode-based devices and methods for making the same
US8304805B2 (en) 2009-01-09 2012-11-06 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Semiconductor diodes fabricated by aspect ratio trapping with coalesced films
WO2008124154A2 (en) 2007-04-09 2008-10-16 Amberwave Systems Corporation Photovoltaics on silicon
US7825328B2 (en) 2007-04-09 2010-11-02 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Nitride-based multi-junction solar cell modules and methods for making the same
US8329541B2 (en) 2007-06-15 2012-12-11 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. InP-based transistor fabrication
JP4825746B2 (en) * 2007-07-13 2011-11-30 日本碍子株式会社 Method for producing nonpolar group III nitride
JP4825745B2 (en) * 2007-07-13 2011-11-30 日本碍子株式会社 Method for producing nonpolar group III nitride
DE112008002387B4 (en) 2007-09-07 2022-04-07 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Structure of a multijunction solar cell, method of forming a photonic device, photovoltaic multijunction cell and photovoltaic multijunction cell device,
US8183667B2 (en) 2008-06-03 2012-05-22 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Epitaxial growth of crystalline material
US8274097B2 (en) 2008-07-01 2012-09-25 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Reduction of edge effects from aspect ratio trapping
US8981427B2 (en) 2008-07-15 2015-03-17 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Polishing of small composite semiconductor materials
JP5416212B2 (en) 2008-09-19 2014-02-12 台湾積體電路製造股▲ふん▼有限公司 Device formation by epitaxial layer growth
US20100072515A1 (en) 2008-09-19 2010-03-25 Amberwave Systems Corporation Fabrication and structures of crystalline material
US8253211B2 (en) 2008-09-24 2012-08-28 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Semiconductor sensor structures with reduced dislocation defect densities
CN102379046B (en) 2009-04-02 2015-06-17 台湾积体电路制造股份有限公司 Devices formed from a non-polar plane of a crystalline material and method of making the same
EP2461376A4 (en) 2009-11-12 2013-03-13 Panasonic Corp Gallium nitride compound semiconductor light-emitting element
WO2016090223A1 (en) * 2014-12-04 2016-06-09 Sixpoint Materials, Inc. Group iii nitride substrates and their fabrication method
KR20180077433A (en) * 2016-12-29 2018-07-09 주식회사 루미스탈 Nitride Semiconductor Device and Method for manufacturing thereof
CN112397604B (en) * 2020-11-18 2022-05-17 西安电子科技大学 PN junction ultraviolet detector based on m-plane 4H-SiC heteroepitaxy nonpolar AlGaN/BN and preparation method
CN114577659B (en) * 2022-01-26 2024-02-06 株洲科能新材料股份有限公司 Method for detecting gallium content in gallium nitride material

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10312971A (en) * 1997-03-13 1998-11-24 Nec Corp Iii-v compound semiconductor film and growth method, gan system semiconductor film and its formation, gan system semiconductor stacked structure and its formation, and gan system semiconductor element and its manufacture
JP2001308464A (en) * 2000-04-27 2001-11-02 Nec Corp Nitride semiconductor element, method for manufacturing nitride semiconductor crystal, and nitride semiconductor substrate
JP2002029897A (en) * 2000-07-10 2002-01-29 Sumitomo Electric Ind Ltd PRODUCTION PROCESS OF SINGLE CRYSTAL GaN SUBSTRATE AND SINGLE CRYSTAL GaN SUBSTRATE

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5679152A (en) * 1994-01-27 1997-10-21 Advanced Technology Materials, Inc. Method of making a single crystals Ga*N article
US6177292B1 (en) * 1996-12-05 2001-01-23 Lg Electronics Inc. Method for forming GaN semiconductor single crystal substrate and GaN diode with the substrate
US5926726A (en) * 1997-09-12 1999-07-20 Sdl, Inc. In-situ acceptor activation in group III-v nitride compound semiconductors
US6177057B1 (en) * 1999-02-09 2001-01-23 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Process for preparing bulk cubic gallium nitride

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10312971A (en) * 1997-03-13 1998-11-24 Nec Corp Iii-v compound semiconductor film and growth method, gan system semiconductor film and its formation, gan system semiconductor stacked structure and its formation, and gan system semiconductor element and its manufacture
JP2001308464A (en) * 2000-04-27 2001-11-02 Nec Corp Nitride semiconductor element, method for manufacturing nitride semiconductor crystal, and nitride semiconductor substrate
JP2002029897A (en) * 2000-07-10 2002-01-29 Sumitomo Electric Ind Ltd PRODUCTION PROCESS OF SINGLE CRYSTAL GaN SUBSTRATE AND SINGLE CRYSTAL GaN SUBSTRATE

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JPN6011017822; Ａ．　ＢＨＡＴＴＡＣＨＡＲＹＡ　ｅｔ　ａｌ．: 'Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ＧａＮ／ＡｌＧａＮ　ＭＱＷｓ　ｇｒｏｗｎ　ｈｏｍｏｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ　ｏｎ　（１-１００）　ａｎｄ　（０００１）　ＧａＮ' Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ Ｖｏｌ．　２５１, 2003, ｐ．　４８７-４９３ *
JPN7011001184; Ｂ．　Ａ．　ＨＡＳＫＥＬＬ　ｅｔ　ａｌ．: 'Ｄｅｆｅｃｔ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｉｎ　（１１-２０）　ａ-ｐｌａｎｅ　ｇａｌｌｉｕｍ　ｎｉｔｒｉｄｅ　ｖｉａ　ｌａｔｅｒａｌ　ｅｐｉｔａｘｉａｌ　ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ　ｂｙ　ｈｙｄｒｉｄｅ　ｖａｐｏ' Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．　８３，　Ｎｏ．　４, 20030728, ｐ．６４４-６４６ *

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010030877A (en) * 2008-07-03 2010-02-12 Furukawa Co Ltd Group iii nitride semiconductor substrate and method for producing the same
WO2010100699A1 (en) * 2009-03-06 2010-09-10 パナソニック株式会社 Crystal growth process for nitride semiconductor, and method for manufacturing semiconductor device
JP5891390B2 (en) * 2012-10-05 2016-03-23 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 Nitride semiconductor structure, laminated structure, and nitride semiconductor light emitting device
US9324913B2 (en) 2012-10-05 2016-04-26 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Nitride semiconductor structure, multilayer structure, and nitride semiconductor light-emitting element
WO2014097931A1 (en) * 2012-12-17 2014-06-26 三菱化学株式会社 Gallium nitride substrate, and method for producing nitride semiconductor crystal
JPWO2014097931A1 (en) * 2012-12-17 2017-01-12 三菱化学株式会社 Gallium nitride substrate and method of manufacturing nitride semiconductor crystal
US9673046B2 (en) 2012-12-17 2017-06-06 Mitsubishi Chemical Corporation Gallium nitride substrate and manufacturing method of nitride semiconductor crystal
JP2018087120A (en) * 2012-12-17 2018-06-07 三菱ケミカル株式会社 Gallium nitride substrate and method for manufacturing nitride semiconductor crystal
JP2019077614A (en) * 2012-12-17 2019-05-23 三菱ケミカル株式会社 Gallium nitride substrate and manufacturing method of nitride semiconductor crystal
US10734485B2 (en) 2012-12-17 2020-08-04 Mitsubishi Chemical Corporation Gallium nitride substrate and manufacturing method of nitride semiconductor crystal
US11670687B2 (en) 2012-12-17 2023-06-06 Mitsubishi Chemical Corporation Gallium nitride substrate and manufacturing method of nitride semiconductor crystal
JP2021519743A (en) * 2018-03-30 2021-08-12 ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニアＴｈｅ Ｒｅｇｅｎｔｓ Ｏｆ Ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｏｆ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ Non-polar and semi-polar device fabrication method using epitaxial transverse overgrowth

Also Published As

Publication number Publication date
KR101332391B1 (en) 2013-11-22
WO2005122267A3 (en) 2006-08-17
JP5461773B2 (en) 2014-04-02
KR20120046748A (en) 2012-05-10
KR20070051831A (en) 2007-05-18
WO2005122267A2 (en) 2005-12-22
WO2005122267A8 (en) 2007-01-11
KR101251443B1 (en) 2013-04-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5461773B2 (en) Growth of flat and low dislocation density m-plane gallium nitride by hydride vapor deposition
US7956360B2 (en) Growth of planar reduced dislocation density M-plane gallium nitride by hydride vapor phase epitaxy
US7208393B2 (en) Growth of planar reduced dislocation density m-plane gallium nitride by hydride vapor phase epitaxy
TWI445054B (en) Growth of reduced dislocation density non-polar gallium nitride by hydride vapor phase epitaxy
CN101138091B (en) Technique for the growth of planar semi-polar gallium nitride
US8148244B2 (en) Lateral growth method for defect reduction of semipolar nitride films
US20120068192A1 (en) CRYSTAL GROWTH OF M-PLANE AND SEMIPOLAR PLANES OF (Al, In, Ga, B)N ON VARIOUS SUBSTRATES
JP2003178984A (en) Iii group nitride semiconductor substrate, and method for manufacturing it
JP2002343728A (en) Gallium nitride crystalline substrate and method for manufacturing the same
JP2008543087A (en) Method and apparatus for growing flat nonpolar {1-100} m-plane gallium nitride by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD)
JP2005343713A (en) Group iii-v nitride-based semiconductor self-standing substrate, its producing method, and group iii-v nitride-based semiconductor
JP2009524251A (en) Method for promoting the growth of semipolar (Al, In, Ga, B) N via metalorganic chemical vapor deposition
JP2003257879A (en) 3-5 group compound semiconductor and method for preparing the same

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20080513

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20110426

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20110719

A602 Written permission of extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A602

Effective date: 20110726

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20110819

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120626

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120924

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711

Effective date: 20121015

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20121015

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20130709

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20130730

A911 Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20130909

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20131105

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20131126

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20140114

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20140116

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees