JP2013544027A - 基板およびエピ層パターン化によるｉｉｉ族窒化物ヘテロ構造歪み緩和制限 - Google Patents

基板およびエピ層パターン化によるｉｉｉ族窒化物ヘテロ構造歪み緩和制限 Download PDF

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Abstract

半極性ＩＩＩ族窒化物素子のための基板を加工する方法であって、半極性ＩＩＩ族窒化物基板またはエピ層の表面上に１つ以上のメサをパターン化および形成し、それによって、貫通転位滑りの方向に沿って寸法ｌを有するメサのそれぞれを含む半極性ＩＩＩ族窒化物基板またはエピ層のパターン化表面を形成するステップを備え、貫通転位滑りは、ヘテロエピタキシャルおよびコヒーレントに基板またはエピ層の非パターン化表面上に堆積されたＩＩＩ族窒化物層から生じる。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ａｎｕｒａｇ Ｔｙａｇｉ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによる同時係属および譲受人共通の米国仮特許出願第６１／４０６，８７６号（名称「ＬＩＭＩＴＩＮＧ ＳＴＲＡＩＮ ＲＥＬＡＸＡＴＩＯＮ ＩＮ ＩＩＩ−ＮＩＴＲＩＤＥ ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ ＢＹ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥ ＡＮＤ ＥＰＩＴＡＸＩＡＬ ＬＡＹＥＲ ＰＡＴＴＥＲＮＩＮＧ」、２０１０年１０月２６日出願、代理人整理番号３０７９４．３８７−ＵＳ−Ｐ１（２０１０−８０４））の米国特許法第１１９条第（ｅ）項の利益を主張し、この出願は、本明細書に参照することによって援用される。
本願は、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ａｎｕｒａｇ Ｔｙａｇｉ、Ａｌｅｘｅｙ Ｒｏｍａｎｏｖ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＳｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓによる同時係属および譲受人共通の米国実用特許出願第ｘｘ／ｘｘｘ，ｘｘｘ号（名称「ＶＩＣＩＮＡＬ ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ ＩＩＩ−ＮＩＴＲＩＤＥ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ ＴＯ ＣＯＭＰＥＮＳＡＴＥ ＴＩＬＴ ＦＯ ＲＥＬＡＸＥＤ ＨＥＴＥＲＯ−ＥＰＩＴＡＸＩＡＬ ＬＡＹＥＲ」、同日出願、代理人整理番号３０７９４．３８６−ＵＳ−Ｕ１（２０１０−９７３））に関連し、この出願は、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ａｎｕｒａｇ Ｔｙａｇｉ、Ａｌｅｘｅｙ Ｒｏｍａｎｏｖ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＳｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓによる同時係属および譲受人共通の米国仮特許出願第６１／４０６，８９９号（名称「ＶＩＣＩＮＡＬ ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ ＩＩＩ−ＮＩＴＲＩＤＥ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ ＴＯ ＣＯＭＰＥＮＳＡＴＥ ＴＩＬＴ ＦＯ ＲＥＬＡＸＥＤ ＨＥＴＥＲＯ−ＥＰＩＴＡＸＩＡＬ ＬＡＹＥＲ」、２０１０年１０月２６日出願、代理人整理番号３０７９４．３８６−ＵＳ−Ｐ１（２０１０−９７３））の米国特許法第１１９条第（ｅ）項の利益を主張し、この出願は、本明細書に参照することによって援用される。
（１．発明の分野）
本発明は、基板／エピ層をパターン化することによって、ＩＩＩ族窒化物基板／エピ層上に成長させられるヘテロエピタキシャルＩＩＩ族窒化物層の歪み緩和を制限する方法に関する。
（２．関連技術についての記述）
（注：本願は、明細書の全体を通して示されるように、角括弧内の１つ以上の参照番号、例えば［ｘ］によっていくつかの異なる刊行物を参照する。これらの参照番号による順序で示されるこれらの異なる刊行物の一覧は、以下の「参考文献」という表題の項に見出すことができる。これらの刊行物のそれぞれは、参照することにより本明細書に組み込まれる。）
非極性／半極性ＩＩＩ族窒化物基板上における光電子素子の成長によってもたらされる多くの利点にもかかわらず、不整合ヘテロ界面［１（非特許文献１）、２（非特許文献２）］におけるミスフィット転位（ＭＤ）形成は、素子製造業者が予期される本来の利点を完全に実現することを困難にする可能性がある。半極性ＩＩＩ族窒化物系素子の場合、既存の貫通転位の滑りを介した応力緩和が、下層基板／膜上にコヒーレントに成長させられ得る、歪みヘテロエピタキシャル膜の組成／厚さを制限する可能性がある。これは、ひいては、素子設計空間、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）／レーザダイオード（ＬＤ）のための放出波長範囲を制限する可能性がある。
加えて、ＬＤに対する性能も、より薄い／より低い組成の導波（一般的には、ＩｎＧａＮ）およびクラッド層（一般的には、ＡｌＧａＮ）によって提供される不良光学導波のため、影響を受ける可能性がある。本発明は、前述の滑りプロセスによる応力緩和を制限する方法を提供し、したがって、素子設計空間に関する制約を低減させ、より厚い／より高い組成の歪みＩＩＩ族窒化物合金エピタキシャル層の採用を可能にする。提案される素子は、種々の商業、産業、または科学用途のための光学源として使用することができる。これらの非極性または半極性窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザは、ｃ面窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザと同一用途において可用性を見出すことが予期され得る。これらの用途として、固体投写型ディスプレイ、高分解能プリンタ、高密度光学データ記憶システム、次世代ＤＶＤプレーヤ、高効率固体照明、光学感知用途、および医療用途が、挙げられる。
Ｔｙａｇｉ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ９５，２５１９０５（２００９） Ｙｏｕｎｇ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ３，０１１００４（２０１０）
開示される発明は、基板／エピ層をパターン化することによって、ＩＩＩ族窒化物基板／エピ層上に成長させられるヘテロエピタキシャルＩＩＩ族窒化物層の歪み緩和を制限するための方法を提供する。本発明は、パターン化ＩＩＩ族窒化物基板上における素子の成長および加工をさらに含む。
前述の先行技術における制限を克服するために、および本明細書の熟読および理解によって明白となるであろう他の制限を克服するために、本発明は、１０６ｃｍ−２以上の貫通転位密度を有する半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板あるいはエピ層を備える半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物素子と、基板またはエピ層上に成長させられる半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物素子層を備え、１０４ｃｍ−２以下のミスフィット転位密度を有するヘテロ構造とについて説明する。
半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板あるいはエピ層は、貫通転位滑りの方向に沿って寸法ｌを有する１つ以上のメサを備え、それによって、半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板あるいはエピ層のパターン化表面を形成することができ、ヘテロ構造は、ヘテロエピタキシャルおよびコヒーレントにパターン化表面上に成長させられる。
寸法ｌは、１０マイクロメートルから１ミリメートルまでの間にあることができる。
ヘテロ構造の層のうちの少なくとも１つは、半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板またはエピ層と異なるＩＩＩ族窒化物組成を有することができる。
ヘテロ構造とパターン化表面との間のヘテロ界面は、半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板あるいはエピ層の非パターン化表面上にヘテロエピタキシャルおよびコヒーレントに成長させられる半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造から生じるミスフィット転位密度と比較して、少なくとも１０分の１または少なくとも１０００分の１に縮小されたミスフィット転位密度を含むことができる。
半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物素子層のうちの１つ以上は、（１）半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板あるいはエピ層の非パターン化表面上に成長させられる半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物素子層、または（２）半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板の異なるパターン化表面上に成長させられる半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物素子層と比較して、より厚く、より高い合金組成を有することができる。
素子は、非極性または半極性ＩＩＩ族窒化物発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザダイオード（ＬＤ）のための素子構造を備えることができ、素子構造は、ヘテロ構造と、緑色波長以上の波長に対応する１つ以上の波長におけるピーク強度、または５００ｎｍ以上の波長におけるピーク強度を有する光を放出する１つ以上の活性層とを含む。
活性層は、ＬＥＤまたはＬＤが、それらの波長を有する光を放出するように、十分に厚く、かつ十分に高インジウム組成を有するＩＩＩ族窒化物インジウム含有層を備えることができる。
素子構造は、ＬＤまたはＬＥＤのための導波および／またはクラッド層として機能するために、十分に厚く、かつそのような組成を有するＩＩＩ族窒化物層を備える、導波および／またはクラッド層を備えることができる。
活性層および導波層は、ＧａＮ障壁層を有する１つ以上のＩｎＧａＮ量子井戸を備えることができ、クラッド層は、交互するＡｌＧａＮとＧａＮ層との１つ以上の周期を備えることができる。
半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物素子層のうちの１つ以上は、半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板あるいはエピ層の非パターン化表面上に堆積された１つ以上の半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物層に対する（例えば、Ｍａｔｔｈｅｗｓ Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ）臨界厚を上回る厚さを有することができる。
本発明はさらに、半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板あるいはエピ層の表面上に、１つ以上のメサをパターン化および形成し、それによって、半極性ＩＩＩ族窒化物基板またはエピ層のパターン化表面を形成するステップを備え、メサはそれぞれ、貫通転位滑りの方向に沿って寸法ｌを有し、貫通転位滑りは、半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板あるいはエピ層の非パターン化表面上にヘテロエピタキシャルおよびコヒーレントに堆積されたＩＩＩ族窒化物層から生じる、半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物素子のための基板を加工する方法を開示する。
ＩＩＩ族窒化物基板の既存の貫通転位密度は、少なくとも１０５ｃｍ−２または１０５から１０７ｃｍ−２であることができる。
全体を通して類似参照数字が対応する部品を表す図面を参照する。
図１は、［１］から得られた半極性（１１−２２）ＧａＮ基板上に成長させられた歪みヘテロエピタキシャル（Ａｌ，Ｉｎ）ＧａＮ層の例示的場合のＴＤ滑りによるＭＤ形成を例示する斜視概略図である。 図２は、本発明の１つ以上の実施形態による、基板またはエピ層上にパターン化されたメサの上面図（ａ）および側面図（ｂ）を例示する。 図３は、本発明の１つ以上の実施形態による、素子を加工する方法を例示するフロー図である。 図４は、本発明の１つ以上の実施形態による、ＩＩＩ族窒化物基板またはエピ層上の素子のヘテロ構造層の断面概略図である。 図５は、本発明の１つ以上の実施形態による、非極性ＩＩＩ族窒化物基板またはエピ層上の素子のヘテロ構造層の断面概略図である。 図６は、本発明の１つ以上の実施形態による、パターン化基板上に成長させられるｆ素子構造の断面概略図である。
以下の発明を実施するための形態において、本明細書の一部を形成し、および本発明が実践され得る特定の実施形態を例示目的で示す添付図面を参照する。本開示の範囲から逸脱することなく、他の実施形態が用いられてもよく、また、構造的な変更が行われてもよいことを理解されたい。
（概略）
最先端の市販のＩＩＩ族窒化物素子は、ＩＩＩ族窒化物基板上におけるヘテロエピタキシャル膜のコヒーレント成長に基づいている。前述のように、これは、歪みＩＩＩ族窒化物膜の厚さ／組成を制限し、および素子設計空間を制限する。より高い組成の歪みエピ層の使用は、ヘテロ界面におけるＭＤの形成につながり、素子性能を劣化させ得る［１］。本発明は、既存の貫通転位（ＴＤ）の滑り長を制限することによって、ＭＤ形成プロセスに対する回避策を提供する。
（命名法）
ＧａＮ、ならびにアルミニウムおよびインジウムを組み込んでいるその三元および四元化合物（ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ）は、一般に、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ、ＩＩＩ窒化物、ＩＩＩ族窒化物、窒化物、Ａｌ（１−ｘ−ｙ）ＩｎｙＧａｘＮ（但し、０＜ｘ＜１および０＜ｙ＜１である）、または本明細書で使用されるようなＡｌＩｎＧａＮといった用語を使用して呼ばれる。これらすべての用語は、同等であることが意図され、単一の種、Ａｌ、Ｇａ、およびＩｎのそれぞれの窒化物、ならびにそのようなＩＩＩ族金属種の二元、三元、および四元化合物を含むと広義に解釈される。したがって、これらの用語は、そのような命名法に含まれる種として、化合物ＡｌＮ、ＧａＮ、およびＩｎＮ、ならびに三元化合物ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、およびＡｌＩｎＮ、および四元化合物ＡｌＧａＩｎＮを包含する。（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ）の構成種のうちの２つ以上が存在する場合、（組成に存在する（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ）の構成種のそれぞれを表す相対モル分率に関して）化学量論的割合および「化学量論外」割合を含むすべての可能な組成を、本発明の広義の範囲内で採用することができる。したがって、主にＧａＮ材料に関する、以降の本発明の論議は、種々の他の（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎの材料種の形成に適用可能であることが理解されるであろう。さらに、本発明の範囲内の（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎの材料は、微量のドーパントおよび／または他の不純物あるいは包含物質をさらに含んでもよい。バロン（Ｂ）もまた、含まれてもよい。
用語「クラッド層を持たないＡｌｘＧａ１−ｘＮ」は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮ超格子、バルクＡｌｘＧａ１−ｘＮ、またはＡｌＮ等のＡｌの任意のモル分率を含有する導波クラッド層の欠如を示す。光学誘導のために使用されない他の層は、ある程度の量のＡｌ（例えば、１０％未満のＡｌ含有量）を含有してもよい。例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ電子遮断層が存在してもよい。
ＧａＮまたはＩＩＩ族窒化物系光電子素子内の自発および圧電分極効果を排除する１つのアプローチは、結晶の非極性面上でＩＩＩ族素子を成長させることである。そのような面は、等しい数のＧａ（またはＩＩＩ族原子）およびＮ原子を含有し、電荷中性である。さらに、後続非極性層は相互に等価であって、したがって、バルク結晶は成長方向に沿って分極されないであろう。ＧａＮ内の対称等価非極性面の２つのそのような族は、集合的にａ面として知られている｛１１−２０｝族、および集合的にｍ面として知られている｛１−１００｝族である。したがって、非極性ＩＩＩ族窒化物は、ＩＩＩ族窒化物の（０００１）ｃ軸に垂直な方向に沿って成長させられる。
（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎの素子内における分極効果を低減させる別のアプローチは、結晶の半極性面上で素子を成長させることである。用語「半極性面」（また、「半極面」とも称される）は、ｃ面、ａ面、またはｍ面として分類することができない任意の面を指すために使用することができる。結晶学的用語では、半極性面は、少なくとも２つの非ゼロのｈ、ｉ、ｋミラー指数、および１つの非ゼロのｌミラー係数を有する任意の面を含んでもよい。
（技術説明）
半極性ＩＩＩ族窒化物へテロエピタキシの場合、有意な応力緩和が既存のＴＤの滑りによって実現され得る。図１は、半極性（１１−２２）ＧａＮ基板１０２上に成長させられる歪みヘテロエピタキシャル（Ａｌ，Ｉｎ）ＧａＮ層１００の例示的な場合に対して、ＴＤ滑りによるＭＤ形成を例示する斜視概略図である。ＭＤ線方向は、滑り面１０４（基底面スリップに対して（０００１）である）と、図１の場合、面内ｍ軸［１−１００］に対応する成長面１０６との交差点に対応する。また、（Ａｌ，Ｉｎ）ＧａＮ層１００とＧａＮ基板１０２との間のヘテロ界面１０８、その上に層１００が堆積される、基板１０２の非パターン化表面１１０、ならびに（１１−２２）および（１−１−２３）の方向も示されている。
簡単な推定として、最大ＭＤ密度
は、以下の
よって求められ、式中、ｌは、ＴＤの滑り長であり、
は、既存のＴＤ密度である。交差ＭＤまたは他の滑りに対する障害物の不在下においては、ｌは、基底スリップの場合、（０００１）ｃ面１０４と成長面１０６との交点に対応するはずである投影滑り方向におけるウエハ寸法に対応するはずである。一般的には、半極性ＧａＮ基板１０２は、ｃ面ＧａＮブールからの横断線であって、一般的なウエハ寸法は、約１ｃｍ×１ｃｍである。したがって、
、または最小ＭＤ間隔は、約１００オングストローム（Å）であって、約〜２％の塑性緩和に対応する（塑性緩和に付随する緩和されたミスフィット歪みは、
によって求められ、式中、
は、ヘテロ界面１０８に平行なＭＤ Ｂｕｒｇｅｒｓベクトルのエッジ成分である）。
本発明は、ＭＤ密度、従って、応力緩和が、ＴＤの走り長に直接依存することに留意する。このことは、本発明が、ＴＤの走り／滑り長を制限することによって、応力緩和を制限することを可能にする。これを達成するための便宜的方法は、基板／エピ層上に「メサ」をパターン化することである。これは、図２（ａ）および２（ｂ）（再び、（１１−２２）の例示的場合）に例示されており、メサ２００ａ、２００ｂ、および２００ｃが、（１１−２２）ＧａＮ基板２０２の表面にパターン化され、基板２０２のパターン化表面２０４を形成する。図２（ａ）−（ｂ）では、ｌ１、ｌ２、およびｌ３は、図２（ａ）および２（ｂ）に図示される３つのメサ２００ａ、２００ｂ、および２００ｃのそれぞれに対して、ＴＤ滑り方向（ｍ軸［１−１００］、ＭＤ線方向と同一）に平行なメサ寸法である。また、メサ２００ａ−２００ｃの高さｈ（〜０．５マイクロメートル）、ＴＤ滑り方向（同様に示される、［１−１００］ｍ軸方向に平行
である）の方向に沿って、長さＬ（〜１センチメートル）を有する基板２０２の表面領域、および［−１−１２３］方向（ｃ軸投影に平行である）も示されている。
ＴＤ滑り方向において、〜１０μｍから〜１ｍｍまでのメサ寸法を使用することによって、ＴＤ滑り長およびＭＤ密度は、〜１０３分の１から〜１０分の１まで低減されることができ、その結果、ただほんのわずかなミスフィット緩和だけがＴＤ滑りによって達成され得る。このことは、本発明が、不整合ヘテロ界面において、高密度ＭＤを生成することなく、より高い合金組成および／またはより大きい厚さを有する歪みエピタキシャル層を成長させることを可能にする（既存のＴＤに起因するＭＤ密度は、
に制限され、式中、ｌは、滑り方向に平行なメサ寸法に対応する）。前述のように、このことは、より広い、より柔軟な素子設計空間を可能にし、素子に対する性能改善につながる。
図３は、本発明の一実施形態に含まれるステップを概説する流れ図である。
本発明は、ブロック３００に例示されるように、半極性ＩＩＩ族窒化物基板またはエピ層（基板上に成長させられる）から開始する。基板／エピ層に対する既存のＴＤ密度は、一般的には、１０５−１０７ｃｍ−２の範囲内にあるであろう。
ブロック３０２は、メサのパターン化を表し、基板／エピ層は、次いで、従来のリソグラフィック技法を使用して、所望のメサパターンを有する好適なマスク（フォトレジストまたは誘電体のいずれか）によって被覆される。メサ／マスクパターンは、任意の形状をとることができるが、重要な寸法は、滑り方向（式１におけるｌ）に平行なパターンのサイズであり、それが最大ＭＤ密度（既存のＴＤによる）を決定するからである。本発明は、フォトレジスト／誘電体マスクを使用するパターン化に限定されない（他の方法もまた、使用されてもよい）。
ブロック３０４は、メサエッチングを表し、基板／エピ層は、次いで、好適な深さ（＞５０ｎｍ、例えば、０．１−１０μｍが一般的なエッチング深さである）までエッチングされ、メサ構造を形成し、続いて、マスクが除去される（ブロック３０６）。エッチングは、湿式または乾式エッチングを含むことができるが、それらに限定されない。
メサ側壁および場は、随意に、誘電体によって被覆されてもよく、露出された基板／エピ層表面は、次いで、素子エピタキシャル構造のエピタキシャル再成長（ブロック３１０）に先立って、ブロック３０８に表されるように、原位置外または原位置での洗浄または調製を受けてもよい。
図４は、基板またはエピ層４０２上のＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造４００を例示しており、ヘテロ構造層内における
および歪み緩和
は、
であり、ｃ投影方向および半極性のａまたはｍ方向もまた示されている。
図５は、非極性基板５０２またはエピ層の基板パターン化によって、非極性ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造（ヘテロ構造層５００を備える）内の歪み緩和を制限するステップを例示する。また、ＭＤ、ＩＩＩ族窒化物のｃ方向５０４、ヘテロ構造層５００の成長方向５０６、およびＩＩＩ族窒化物のｍ方向またはａ方向５０８も示されている。１０６ｃｍ−２ＴＤを有する、ｌ＝１ｃｍの幅のウエハまたは基板５０２は、関係
を使用して、１０６ＭＤ／ｃｍ２となる。ｌが１００マイクロメートルまたは１０−２ｃｍまで低減される場合、ＭＤ密度は、１０４ＭＤ／ｃｍ２まで低減されることができる。
（素子実施形態）
図１（ａ）−（ｂ）、図２（ａ）−（ｂ）、図５、および図６は、種々の素子実施形態を例示する。
図５は、１０６ｃｍ−２以上の貫通転位密度を有する半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板５０２あるいはエピ層と、半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板５０２あるいはエピ層上に（例えば、コヒーレントおよび／またはヘテロエピタキシャルに）成長させられた素子層（または、半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物層あるいは素子層５００ａ、５００ｂを備えるヘテロ構造５００）等の１つ以上の半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物層５００ａ、５００ｂとを例示しており、ヘテロ構造５００または層５００ａ、５００ｂは、１０４ｃｍ−２以下のミスフィット転位密度を有する。
基板５０２、２０２は、バルクＩＩＩ族窒化物またはＩＩＩ族窒化物の膜であることができる。基板は、基板上に（例えば、サファイア、スピネル、または炭化ケイ素等の異質基板上にヘテロエピタキシャルに）成長させられる初期半極性ＩＩＩ族窒化物（例えば、鋳型）層またはエピ層５０２、２０２を備えることができる。
図２（ａ）、図２（ｂ）、および図５は、半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板２０２、５０２あるいはエピ層が、貫通転位滑りの方向に沿って寸法ｌを有する１つ以上のメサ２００ａを備え、それによって、半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板あるいはエピ層５０２、２０２のパターン化表面２０４（基板の表面２０４は、メサ２００ａ−ｃを備える）を形成することができることを例示する。ヘテロ構造５００または層５００ａ−ｂは、パターン化表面２０４上にヘテロエピタキシャルおよび／またはコヒーレントに成長させられる。
貫通転位滑りは、一般的には、非極性または半極性ＩＩＩ族窒化物基板１０２あるいはエピ層の非パターン化表面１１０上にヘテロエピタキシャルおよびコヒーレントに堆積されたヘテロ構造の非極性または半極性ＩＩＩ族窒化物層１００から生じる（図１参照）。パターン化表面２０４の使用は、貫通転位滑り量を低減または削減することができる。
寸法ｌは、１０マイクロメートルから１ミリメートルまでの間にあることができるが、それに限定されない。メサ２００ａは、限定されないが、正方形または長方形形状（上部から見て）を含む種々の形状を有することができる。
層５００ａ−ｂのうちの少なくとも１つは、非極性または半極性ＩＩＩ族窒化物基板５０２あるいはエピ層と異なるＩＩＩ族窒化物組成を有することができる。
ヘテロ構造５００、または層５００ａ−ｂと、パターン化表面２０４との間のヘテロ界面５１０は、非極性または半極性ＩＩＩ族窒化物基板またはエピ層１０２の非パターン化表面１１０上にヘテロエピタキシャルおよび／またはコヒーレントに成長させられる半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造１００から生じるミスフィット転位密度と比較して、少なくとも１０分の１または少なくとも１０００分の１に低減されたミスフィット転位（ＭＤ）密度を含むことができる。
図６は、パターン化表面２０４上に堆積され得る素子層を備える素子構造６００を例示しており、素子構造６００または素子層は、光を放出する非極性または半極性ＩＩＩ族窒化物発光ダイオード（ＬＥＤ）あるいはレーザダイオード（ＬＤ）のためのものである。素子構造６００は、緑色波長以上の波長に対応する１つ以上の波長（例えば、黄色または赤色光）におけるピーク強度、または５００ｎｍ以上の波長におけるピーク強度を有する光を放出するヘテロ構造５００、または層５００ａ−ｂ、または１つ以上の活性層６０２を含む。ヘテロ構造５００の層５００ａ−ｂは、活性層６０２であることができる。
本発明は、特定の波長において放出する素子に限定されず、素子は、他の波長において放出することができる。素子は、例えば、青色、黄色、または赤色発光素子であることができる。
活性層６０２は、インジウムを含む１つ以上の非極性または半極性ＩＩＩ族窒化物層を備えることができる。非極性または半極性ＩＩＩ族窒化物素子層５００ａ−ｂあるいは活性層６０２は、発光素子が所望の波長を有する光を放出するように十分に厚く、十分に高いインジウム組成を有することができる。１つまたは複数の発光活性層６０２は、ＩｎＧａＮ層、例えば、ＧａＮ障壁を有する１つ以上のＩｎＧａＮ量子井戸を含むことができる。ＩｎＧａＮ量子井戸は、例えば、少なくとも７％、少なくとも１０％、少なくとも１６％、または少なくとも３０％のインジウム組成、および４ナノメートル超（例えば、５ｎｍ）、少なくとも５ｎｍ、または少なくとも８ｎｍの厚さを有することができる。しかしながら、量子井戸厚はまた、４ｎｍ未満であってもよいが、一般的には、２ｎｍの厚さを上回る。
半極性または非極性発光素子構造６００の半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物素子層はさらに、ＬＤまたはＬＥＤの活性層６０２によって放出される光に対して、導波／クラッド層として機能するために、十分に厚く、ある組成を有するｎ型導波層６０４ａおよびｐ型導波層６０４ｂおよび／またはｎ型クラッド層６０６ａおよびｐ型クラッド６０６ｂ層を含むことができる。導波層６０４ａ−ｂは、例えば、少なくとも７％、または少なくとも３０％のインジウム組成を備えることができる。
導波層６０４ａ、６０４ｂは、ＧａＮ障壁層を有する１つ以上のＩｎＧａＮ量子井戸を備えることができ、クラッド層６０６ａ、６０６ｂは、例えば、交互するＡｌＧａＮとＧａＮ層との１つ以上の周期を備えることができる。素子構造は、クラッド層を持たないＡｌＧａＮであることができる。
素子構造６００は、ＡｌＧａＮ遮断層６０８およびＧａＮ層６１０をさらに備えることができる。図６は、レーザダイオード構造を例示するが、構造は、発光ダイオード構造を形成するために、必要に応じて修正されることができる。
ＩＩＩ族窒化物半極性または非極性素子層５００ａ−ｂのうちの１つ以上は、半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物素子層あるいは基板の他方と格子不整合であるか、および／または異なる組成を有するヘテロ構造または層であることができる。例えば、素子層は、ＧａＮ基板上の（Ａｌ，Ｉｎ）ＧａＮ層であることができる。例えば、素子層は、ＩｎＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層であることができ、ヘテロ界面は、ＩｎＧａＮ層とＡｌＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層、またはＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との間にある。
半極性または半極性ＩＩＩ族窒化物素子層５００ａ、５００ｂのうちの１つ以上は、非極性または半極性ＩＩＩ族窒化物基板１０２の非パターン化表面１１０上のその臨界厚以上の厚さを有することができる。
平衡臨界厚は、層／基板界面において、１つのミスフィット転位を形成することがエネルギー的に好ましい場合に対応する。
実験的または動力学的な臨界厚は、常に幾分または有意に平衡臨界厚を上回る。しかしながら、臨界厚が平衡または動力学的な臨界厚であるかどうかにかかわらず、臨界厚は、層が完全にコヒーレントから部分的に緩和された状態に変形する厚さに対応する。
臨界厚の別の実施例は、Ｍａｔｔｈｅｗｓ Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ臨界厚［４］である。
例えば、全活性層６００の総厚６１２（例えば、多重量子井戸積層厚）は、非パターン化表面１１０上の活性層に対する臨界厚以上であることができる。ｎ型またはｐ型導波層６０４ａ、６０４ｂの総厚６１４は、非パターン化表面１１０上の導波層６０４ａ、６０４ｂに対する臨界厚以上であることができる。ｎ型またはｐ型クラッド層６０６ａ、６０６ｂの総厚６１６は、非パターン化表面１１０上のクラッド層６０６ａ、６０６ｂに対する臨界厚以上であることができる。
しかしながら、パターン化表面２０４の使用によって、層６０２、６０４ａ、６０４ｂ、および６０６ｂ、６０６ａは、コヒーレントに成長させられることができる。層Ｙ上に成長させられる層Ｘに対して、コヒーレント成長の場合、Ｘの面内格子定数は、下層Ｙと同一であるように制約される。Ｘが完全に緩和される場合、Ｘの格子定数は、その本来の（すなわち、いかなる歪みも存在しない）値をとる。Ｘが、Ｙに対してコヒーレントでもなく、完全に緩和もされていない場合、部分的に緩和されているとみなされる。ある場合には、基板は、いくつかの残留歪みを有する場合がある。
この方法を使用する素子構造は、より広い利用可能な素子設計空間の可能性に対して、異なり得る（例えば、より高い組成／より厚い合金層を有する欠陥のないコヒーレント構造）。
素子層５００ａ−ｂのうちの１つ以上は、素子層５００ａ−ｂの全部またはそのうちの１つ以上を備える膜が、非パターン化基板上の緩和のための膜の臨界厚以上を有するように、十分な厚さおよび／または組成を有することができる。
半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物素子層５００ａ、５００ｂのうちの１つ以上は、半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板あるいはエピ層の非パターン化もしくは異なるパターン化表面上に成長させられる半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物素子層と比較して、より厚く、より高い合金組成（例えば、より多くのＡｌ、Ｉｎ、および／またはＢ、または非ガリウム要素）を有することができる。
故に、本発明の１つ以上の実施形態は、基板またはエピ層をパターン化するステップと、パターン化基板２０２上にＩＩＩ族窒化物層５００を成長させるステップとを備える、ＩＩＩ族窒化物基板またはエピ層上に成長させられるヘテロエピタキシャルＩＩＩ族窒化物層５００の歪み緩和を制限する方法を例示する。
本発明の実施形態は、パターン化表面２０４上の素子層５００ａ、５００ｂを成長、処理、および／または接触させ、限定されないが、ＬＥＤ、トランジスタ、太陽電池、またはＬＤを含む、任意の電子または光電子素子を加工するステップを含む。
（可能性として考えられる修正）
基板／エピ層は、代替技法、例えば、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）／分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）／化学気相成長法（ＣＶＤ）／有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）／アモノサーマル法等を使用して成長させることができる。エッチングされたメサをパターン化するためのプロセスフローは、異なり得る。例えば、ポジ型／ネガ型フォトレジスト、種々の誘電性マスク（ＳｉＯ２、窒化ケイ素等）が、エッチング（例えば、乾式／湿式エッチング）のために採用することができる。
種々のエッチング化学作用および／または洗浄手順も、代替として、採用することができる。素子エピタキシャル再成長は、種々の成長法、例えば、ＨＶＰＥ、ＭＢＥ、ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、またはアモノサーマル成長法等を使用して、またはそれらを組み合わせて行うことができる。加えて、ＭＤがピラミッド状／柱状スリップによって形成される場合、ＭＤの線方向は、適宜、変化するであろう。したがって、メサ寸法は、適宜、修正される必要があるであろう。すべての場合において、ｌ（式１において）は、滑り方向におけるＴＤ走り長に対応し、その結果の寸法となる。
（利点および改良点）
本発明は、ＩＩＩ族窒化物基板上に成長させられる電子および光電子素子（例えば、ＬＥＤ、ＬＤ、太陽電池、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）等）に適用可能である。
本発明は、半極性ＩＩＩ族窒化物へテロエピタキシにおける応力緩和を制限する方法を提供し、したがって、より厚い／より高い組成の合金エピ層を組み込む拡張素子設計空間を提供する。ＬＥＤまたはＬＤの場合、拡張放出波長、例えば、緑色、黄色、および赤色ＬＥＤならびにＬＤを利用することができる。有意に改善された光学導波は、より厚い／より高い組成導波およびクラッド層を使用することによって、ＬＤに対して達成することができる。
最先端の半極性ＩＩＩ族窒化物素子は、（一般的には、〜１０６ｃｍ−２のＴＤ密度を有するＨＶＰＥによって成長させられた）未処理状態のＧａＮ基板上に成長させられる。前述のように、これは、〜２％のミスフィット応力を緩和するために十分な既存のＴＤが存在することを含意する。代替として、式１を参照すると、ＭＤ密度はまた、ＴＤ密度を低減することによって制限することができる。実際、５×１０４ｃｍ−２のＴＤ密度を有するアモノサーマル法によって成長させられたＧａＮ基板が報告されている［３］。しかしながら、そのような基板は、容易には利用することが可能ではなく、ＴＤ密度は、成長法および成長条件に大いに依存する。市販のＨＶＰＥ成長ＧａＮ基板は、一般的な〜１０６ｃｍ−２のＴＤ密度を有する。対照的に、本発明は、可変のＴＤ密度によって基板／エピ層に適用することができ、したがって、既存のＴＤ密度によって制限されない。したがって、本発明は、制約がほとんどなく、広く適用可能である。
（参考文献）
以下の参考文献は、参照することにより本明細書にその全体が組み込まれる。
［１］Ｔｙａｇｉ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ９５，２５１９０５（２００９）
［２］Ｙｏｕｎｇ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ３，０１１００４（２０１０）
［３］Ｋｕｃｈａｒｓｋｉ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ９５，１３１１１９（２００９）．
［４］Ｊ．Ｍａｔｔｈｅｗｓ ａｎｄ Ａ．Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ，Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ ３２ ２６５（１９７６）．
（結論）
これは、本発明の好適な実施形態の説明を締めくくるものである。本発明の１つ以上の実施形態の上述の説明は、図解および説明のために示したものである。この記述は、網羅的であること、または本発明を開示された形態に限定することを意図したものではない。上述の教示に照らして、多数の修正および変形が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によって限定されるのではなく、むしろ本明細書に添付された請求項によって限定されることを意図する。

Claims (25)

  1. 半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物素子であって、
    該素子は、
    １０６ｃｍ−２以上の貫通転位密度を有する半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板あるいはエピ層と、
    半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物素子層を備え、該半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板あるいはエピ層上に成長させられるヘテロ構造であって、該へテロ構造は、１０４ｃｍ−２以下のミスフィット転位密度を有する、ヘテロ構造と
    を備える、素子。
  2. 前記半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板あるいはエピ層は、貫通転位滑りの方向に沿って寸法ｌを有する１つ以上のメサを備え、それによって、該半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板あるいはエピ層のパターン化表面を形成し、
    該ヘテロ構造は、該パターン化表面上にヘテロエピタキシャルおよびコヒーレントに成長させられる、請求項１に記載の素子。
  3. ｌは、１０マイクロメートルから１ミリメートルまでの間にある、請求項２に記載の素子。
  4. 前記ヘテロ構造の層のうちの少なくとも１つは、前記半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板あるいはエピ層と異なるＩＩＩ族窒化物組成を有する、請求項２に記載の素子。
  5. 前記ヘテロ構造と前記パターン化表面との間のヘテロ界面は、前記半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板あるいはエピ層の非パターン化表面上にヘテロエピタキシャルおよびコヒーレントに成長させられる半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造から生じるミスフィット転位密度と比較して、少なくとも１０分の１に縮小されたミスフィット転位密度を含む、請求項２に記載の素子。
  6. 前記ヘテロ構造と前記パターン化表面との間のヘテロ界面は、前記半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板あるいはエピ層の非パターン化表面上にヘテロエピタキシャルおよびコヒーレントに成長させられる半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造から生じるミスフィット転位密度と比較して、少なくとも１，０００分の１に縮小されたミスフィット転位密度を含む、請求項２に記載の素子。
  7. 前記半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物素子層のうちの１つ以上は、
    半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板あるいはエピ層の非パターン化表面上に成長させられる半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物素子層、または
    該半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板の異なるパターン化表面上に成長させられる半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物素子層
    と比較して、より厚く、より高い合金組成を有する、請求項１に記載の素子。
  8. 前記パターン化表面上に素子構造をさらに備え、
    該素子構造は、非極性または半極性ＩＩＩ族窒化物発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザダイオード（ＬＤ）に対するものであり、
    該素子構造は、前記ヘテロ構造と、光を放出する１つ以上の活性層とを含み、該光は、緑色波長以上の波長に対応する１つ以上の波長におけるピーク強度、または５００ｎｍ以上の波長におけるピーク強度を有する、請求項１に記載の素子。
  9. 前記活性層は、前記ＬＥＤまたはＬＤが前記波長を有する前記光を放出するように、十分に厚く、十分に高いインジウム組成を有するＩＩＩ族窒化物インジウム含有層を備える、請求項８に記載の素子。
  10. 前記素子構造は、導波層を備え、該導波層は、十分に厚く、ある組成を有するＩＩＩ族窒化物層を備えることにより、前記ＬＤまたはＬＥＤのための導波層として機能するか、または、
    該素子構造は、導波およびクラッド層を備え、該導波およびクラッド層は、十分に厚く、ある組成を有するＩＩＩ族窒化物層を備えることにより、該ＬＤまたはＬＥＤのための導波およびクラッド層として機能する、請求項９に記載の素子。
  11. 前記活性層および前記導波層は、ＧａＮ障壁層を有する１つ以上のＩｎＧａＮ量子井戸を備え、前記クラッド層は、交互するＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との１つ以上の周期を備える、請求項１１に記載の素子。
  12. 前記半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物素子層のうちの１つ以上は、前記半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物素子層を備える膜が、緩和のために該膜の臨界厚近傍以上の厚さを有するように、十分な厚さおよび組成を有し、
    該臨界厚は、半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板あるいはエピ層の非パターン化表面上に堆積される１つ以上の半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物素子層に対するものである、請求項１に記載の素子。
  13. 半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物素子のための基板を加工する方法であって、
    該方法は、
    半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板あるいはエピ層の表面上に１つ以上のメサをパターン化および形成し、それによって、該半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板あるいはエピ層のパターン化表面を形成することを備え、
    該メサの各々は、貫通転位滑りの方向に沿って寸法ｌを有し、該貫通転位滑りは、半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板あるいはエピ層の非パターン化表面上にヘテロエピタキシャルおよびコヒーレントに堆積される半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物層から生じる、方法。
  14. 前記非極性または半極性ＩＩＩ族窒化物基板の既存の貫通転位密度は、少なくとも１０５ｃｍ−２、または１０５と１０７ｃｍ−２との間にある、請求項１３に記載の方法。
  15. ｌは、１０μｍと１ｍｍとの間にある、請求項１３に記載の方法。
  16. 半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物素子層を備えるヘテロ構造を前記パターン化表面上にコヒーレントに成長させることをさらに備え、該半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物層のうちの少なくとも１つは、前記非極性または半極性ＩＩＩ族窒化物基板あるいはエピ層と異なるＩＩＩ族窒化物組成を有する、請求項１３に記載の方法。
  17. 前記ヘテロ構造と前記パターン化表面との間のヘテロ界面は、前記半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板あるいはエピ層の非パターン化表面上にヘテロエピタキシャルおよびコヒーレントに成長させられる半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造から生じるミスフィット転位密度と比較して、少なくとも１０分の１に縮小されたミスフィット転位密度を含む、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記ヘテロ構造と前記パターン化表面との間のヘテロ界面は、前記半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板あるいはエピ層の非パターン化表面上にヘテロエピタキシャルおよびコヒーレントに成長させられる半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造から生じるミスフィット転位密度と比較して、少なくとも１，０００分の１に縮小されたミスフィット転位密度を含む、請求項１６に記載の方法。
  19. 前記半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物素子層のうちの１つ以上は、
    半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板あるいはエピ層の軸上表面上に成長させられる半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物素子層、または
    該半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板の異なる近接表面上に成長させられる半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物素子層
    と比較して、より厚く、より高い合金組成を有する、請求項１６に記載の方法。
  20. 非極性または半極性ＩＩＩ族窒化物発光ダイオード（ＬＥＤ）あるいはレーザダイオード（ＬＤ）のための非極性または半極性ＩＩＩ族窒化物層を備える素子構造を前記パターン化表面上に成長させることをさらに備え、
    該素子構造は、前記ヘテロ構造および光を放出する１つ以上の活性層を含み、該光は、緑色波長以上の波長に対応する１つ以上の波長におけるピーク強度、または５００ｎｍ以上の波長におけるピーク強度を有する、請求項１６に記載の方法。
  21. 前記活性層は、前記ＬＥＤまたはＬＤが前記波長を有する前記光を放出するように、十分に厚く、十分に高いインジウム組成を有するＩＩＩ族窒化物インジウム含有層を備える、請求項２０に記載の方法。
  22. 前記素子構造は、導波層を備え、該導波層は、十分に厚く、ある組成を有するＩＩＩ族窒化物層を備えることにより、前記ＬＤまたはＬＥＤのための導波層として機能するか、または、
    該素子構造は、導波およびクラッド層を備え、該導波およびクラッド層は、十分に厚く、ある組成を有するＩＩＩ族窒化物層を備えることにより、該ＬＤまたはＬＥＤのための導波およびクラッド層として機能する、請求項２１に記載の方法。
  23. 前記活性層および前記導波層は、ＧａＮ障壁層を有する１つ以上のＩｎＧａＮ量子井戸を備え、前記クラッド層は、交互するＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との１つ以上の周期を備える、請求項２２に記載の方法。
  24. 前記半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物素子層のうちの１つ以上は、前記半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物素子層を備える膜が緩和のために該膜の臨界厚近傍以上の厚さを有するように、十分に大きい厚さおよび組成を有し、
    該臨界厚は、半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板あるいはエピ層の非パターン化表面上に堆積された１つ以上の半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物素子層に対するものである、請求項１３に記載の方法。
  25. 半極性ＩＩＩ族窒化物素子のための基板であって、
    該基板は、
    半極性ＩＩＩ族窒化物基板またはエピ層の表面上に１つ以上のメサを備え、該メサは、該半極性ＩＩＩ族窒化物基板またはエピ層のパターン化表面を形成し、
    該メサの各々は、貫通転位滑りの方向に沿って寸法ｌを含む、基板。
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