JP2010512301A - 様々な基板上の(Al,In,Ga,B)NのM面および半極性面の結晶成長 - Google Patents
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Abstract
Description
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優先権を主張するものである。
米国特許仮出願第60/869,701号、出願日2006年12月12日、発明者:キム クァン C(Kwang C Kim)ら、発明の名称「様々な基板上の(Al,In,Ga,B)NのM面および半極性面の結晶成長(CRYSTAL GROWTH OF M−PLANE AND SEMI−POLAR PLANES OF (Al,In,Ga,B)N ON VARIOUS SUBSTRATES)」、代理人整理番号30794.213−US−P1(2007−317−1)。
この出願は参照として本明細書中に組み込まれているものとする。
米国実用特許出願第10/581,940号、出願日2006年6月7日、発明者:テツオ フジイ(Tetsuo Fujii)、ヤン ガオ(Yan Gao)、イーブリン L.フー(Evelyn L.Hu)、およびシュウジ ナカムラ(Shuji Nakamura)、発明の名称「表面粗化による高効率窒化ガリウム・ベースの発光ダイオード(HIGHLY EFFICIENT GALLIUM NITRIDE BASED LIGHT EMITTING DIODES VIA SURFACE ROUGHENING)」、代理人整理番号30794.108−US−WO(2004−063)。この出願は米国特許法第365条(c)に基づいて以下の特許出願の優先権を主張するものである。
米国実用特許出願第xx/xxx,xxx号、出願日2007年12月11日、発明者:シュウジ ナカムラ、スティーブン P.デンバース、およびヒロクニ アサミズ(Hirokuni Asamizu)、発明の名称「透明な発光ダイオード(TRANSPARENT LIGHT EMITTING DIODES)」、代理人整理番号30794.211−US−U1(2007−282−2)。この出願は米国特許法第119条(e)に基づいて以下の特許出願の優先権を主張するものである。
米国実用特許出願第xx/xxx,xxx号、出願日2007年12月11日、発明者:マシュー C.シュミット(Mathew C.Schmidt)、キム クァン チューン(Kwang−Choong Kim)、佐藤 均、スティーブン P.デンバース、ジェームス S.スペック、およびシュウジ 中村、発明の名称「高特性無極性III族窒化物光デバイスの有機金属化学気相成長(MOCVD)法による成長(METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION (MOCVD) GROWTH OF HIGH PERFORMANCE NON−POLAR III−NITRIDE OPTICAL DEVICES)」、代理人整理番号30794.212−US−P1(2007−316−1)。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優先権を主張するものである。
本発明は、側壁横方向エピタキシャル・オーバーグロス(LEO)法による無極性m面の欠陥低減に関する。
2.関連技術の説明
可視光および紫外光の高出力、高動作特性の光電子デバイスでは、分子線ビーム・エピタキシ(MBE)法、有機金属化学気相成膜(MOCVD)法、またはハイドライド気相エピタキシ(HVPE)法を含む反応装置内のエピタキシャル成長技術が容易であるので、c面窒化ガリウム(GaN)が従来から用いられている。
概要
GaN材料の従来の成長技術は、GaNの成長方向が有極性のc方向であり、大きな欠陥密度をもたらすヘテロエピタキシを用いているため以下の2つの問題がある。
技術的記述
本発明は、誘電体マスクを通してエッチングされた窒化物材料の側壁からのLEO法を用いて、エッチングされたGaNの側壁上の成長開始と横方向エピタキシャル・オーバーグロスを促進することにより、無極性m面および半極性窒化物内の貫通転位密度を低減する。前述のように、積層欠陥は、垂直に向いた面の一つであるN面上にある。本発明は、また、異方性因子を用いて、すなわちGa−(0001)面上の大きな成長速度を促進しN−(000−1)面の成長速度を制限することによって積層欠陥密度を低下させる。本発明は、様々な成長条件および処理方法を用いて、誘電体マスク上での側壁からの無極性GaNの横方向成長と会合の実験を示す。
ステップ(a)では、基板100が示されている。典型的には、基板100はm面SiC基板であるが、本発明の範囲から逸脱することなく他の基板材料を用いることができる。ステップ(b)では、核生成層102が基板100上に成長される。典型的には、核生成層102はAlNであるが、本発明の範囲から逸脱することなく他の材料を用いることができる。テンプレート層104が核生成層102上に成長され、これは典型的には無極性m面GaNであるが、本発明の範囲から逸脱することなく他の材料を用いることができる。テンプレート層102は、後の成長ステップの結晶方位を定めるものである。
ステップ(d)では、フォトリソグラフィー法およびエッチング工程によって層106、104、および102がパターン化およびエッチングされる。GaNの窓領域108および側壁110を作るために、エッチング工程により、誘電体マスク106、m面GaNテンプレート層104、およびAlN核生成層102を含む開口の中のすべての材料を取り除かなければならない。そしてGaNテンプレート層104の側壁110は、新材料の成長にとって望ましい結晶方位を持つことになる。
実験結果
例として、m面SiC基板上にAlN核生成層を用いて0.2〜2μmの無極性m面GaN薄膜をMOCVD法で成膜し、テンプレートを形成する。このテンプレートは、SLEO処理後に平坦な側壁を得るために十分に平坦でクラックがないものであるべきである。我々の経験から、厚いm面GaNはストリエーションあるいはスレート形状であり、これは会合に影響を与える。しかしながら、薄いテンプレートは、成長開始場所または側壁上の横方向成長を乏しくさせる。最適な厚さのテンプレートとSLEO法を用いるのが好ましい。代替として、このテンプレートをMBE法で成膜してもよい。このテンプレート上にプラズマ増殖化学気相成膜法(PECVD)で厚さ200〜2000ÅのSiO2薄膜が成膜される。<11−20>方向に沿っている平行なストライプのマスク・パターンが、従来のフォトリソグラフィー技術を用いてSiO2薄膜へ転写される。この実験では、2μm幅の開口で隔てられた8μm幅のストライプが用いられる。PRマスクを用いて、開口領域内のSiO2、GaNおよびAlNが基板までドライ・エッチングされる。このエッチング工程は、HClとHFを用いたウェット・エッチングに置き換えてもよい。マスクをパターン化したのち、試料はPRを取り除くために溶剤で洗浄され、MOCVDを用いた選択的エピタキシ再成長のための装置に装填される。
図3(a)は平坦なテンプレートのAFM像を示し、m面GaNがm面SiC基板上に直接成長していることを示す。平坦なテンプレートの自乗平均平方根(RMS)の粗さ、例えば、GaN層の粗さは13.8nmである。図3(b)は、SLEO法成長のテンプレートのAFM像を示し、RMSの粗さは、上表面(図1のステップ(f)の層112の上面)では1.15nmに低下している。SLEO法成長m面GaNにおける粗さの低下は、SLEO法で成長した材料(層112)の欠陥低減のためであり、平坦に成長したGaNではスレート状、またはストリエーション形態がよく見られる。「翼」領域は表面114上の層112であり、一方、「窓」領域は窓108の中に成長した層112の部分である。 典型的には、層112が成長した後は、テンプレート層104とおよび層112の上表面は、109cm−2未満の転位密度と105cm−1未満の積層欠陥密度を示す。
図4(a)は完全に会合したSLEO法成長のテンプレート(層112)の断面像であり、図4(b)は局在化した積層欠陥を示すために図4(a)の長方形領域からの拡大図である。図4(c)および図4(d)は、転位密度を示すための平面像である。図4(a)および図4(b)では、積層欠陥(暗い線)は窓108の端部を除いて消えている。図4(c)および図4(d)では、転位もまた、窓領域108の端部にのみ示されている。
図6は、平坦なテンプレートと完全に会合したSLEO法成長のテンプレートに対するフォトルミネッセンス(PL)測定結果である。SLEO法を用いると、欠陥が低減し、バンド端発光がより強くなるため、PL強度が14倍増加する。線600は、m−GaNテンプレート上に直接成長した多重量子井戸(MQW)構造のフォトルミネッセンスを示し、線602は、本発明によるm面SLEO法による基板上に成長したMQW構造を示す。
図7(a)は、MOCVD法またはHVPE法で会合が達成された直後の粗い表面の例であり、図7(b)は、層112上の表面平坦化が完成したときの例である。表面平坦化は、層112に対して前記した成長条件を用いて更なるMOCVD成長を行って達成される。表面平坦化は、MOCVD法またはHVPE法または他の成長技術で層112をさらに長い時間成長することによって起こる。層112をさらに長い時間成長することで、表面品質の改善とその結果、デバイス品質と歩留まりの改善が可能となる。
改良と変形の可能性
好ましい実施形態において、無極性m面GaNテンプレートのエッチングされた側壁からの横方向エピタキシャル・オーバーグロス工程を記述してきた。会合または表面平坦性は、基板のミスカット方位によって影響される。最初のテンプレートの成長または会合は、MOCVD法、HVPE法、またはMBE法により発生させることができる。
利点と改良点
本発明は、m面無極性GaNのSLEO法成長の成功を示す。これにより出来上がったデバイスにおける分極効果を阻止しながら無極性または半極性III族窒化物材料において最も簡単な様式で最も効率よく転位の存在を低減することが出来る。
現在のところ、GaN薄膜は、バルク結晶の入手困難性のためにヘテロエピタキシャルに成長しなければならない。この成長工程のために完全に格子整合した基板は存在しない。結果として、本発明は、また、究極的にはホモエピタキシャル成長とするための自立のGaN基板の成長のためのベースとなる優れた材料を製造する。
参考文献
以下の参考文献は参照することによってここに取り込まれているものとする。
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結論
これで本発明の好ましい実施形態に関する記述を終える。
Claims (15)
- III族窒化物材料において貫通転位密度を低減する方法であって、
基板上に核生成層を成長するステップと、
前記核生成層上にテンプレート層を成長するステップであって、前記テンプレート層が結晶方位を規定することを特徴とするステップと、
前記テンプレート層上に上表面をもつマスクを成膜するステップと、
前記マスク、前記テンプレート層、および前記核生成層をエッチングするステップであって、前記結晶方位が、前記テンプレート層上で前記エッチングによって作られる複数の窓内に露出することを特徴とするステップと、
前記複数の窓内にIII族窒化物層を成長するステップであって、前記III族窒化物層の前記成長が、前記上表面に達すると、前記III族窒化物層は前記上表面に沿って成長し、第1の窓内の成長が第2の窓の成長と交差点で会合して、前記III族窒化物層のほぼ平坦な上表面を作ることを特徴とするステップと、
前記III族窒化物層の前記ほぼ平坦な上表面を、前記III族窒化物層が低減した貫通転位密度を持つように平坦化するステップとを備えたことを特徴とする方法。 - 前記III族窒化物層の前記ほぼ平坦な上表面は、m面であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記III族窒化物層は、無極性材料であることを特徴とする請求項2に記載の方法。
- 前記マスクの前記上表面に沿って横方向に成長する前記III族窒化物層は、前記窓から垂直に成長する前記III族窒化物材料を遮断することを特徴とする請求項3に記載の方法。
- 前記窓は、引き続く横方向成長ステップにおいて平坦な側壁を作るように軸合わせされることを特徴とする請求項3に記載の方法。
- 前記テンプレート層は、競合する横方向と垂直方向の成長速度の比を相殺するために前記窓のサイズに応じて伸縮した厚さを持つことを特徴とする請求項3に記載の方法。
- 前記窓内に成長している前記III族窒化物材料が、前記側壁の前記上面に完全に到達する以前に、前記上表面に沿って成長している前記III族窒化物層が会合するために、前記エッチングするステップは、1つ以上のエッチング深さにて行われることを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 会合の後に前記III族窒化物層の成長方法を変えるステップを更に備えることを特徴とする請求項7に記載の方法。
- 前記III族窒化物層は、1000〜1250℃の温度範囲で、かつ、20〜760Torrの範囲の反応装置圧力で成長されることを特徴とする請求項3に記載の方法。
- 前記III族窒化物層は、成長の色々な段階で100〜3500の範囲のV/III比を持ち、かつ、横方向成長速度は、垂直方向成長速度よりも大きいことを特徴とする請求項9に記載の方法。
- 前記トレンチの前記底面上に更なるマスクを成膜することにより、前記トレンチの前記底面からの成長を防ぐステップを更に備えることを特徴とする請求項3に記載の方法。
- 請求項1に記載の方法を用いて作られるデバイス。
- 前記III族窒化物層の前記上表面の粗さの二乗平均平方根(RMS)は13.8nm未満であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記テンプレート層は全面積に亘って、転位密度が109cm−2未満、積層欠陥密度が105cm−1未満であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記III族窒化物層は無極性材料であることを特徴とする請求項2に記載の方法。
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