JP2014099658A - ミスカット基板上に成長した平面型非極性m平面iii族窒化物薄膜 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板のミスカット角上に成長する非極性III族窒化物薄膜。<000−1>方向に向かうミスカット角は、0.75°以上であり、<000−1>方向に向かう27°未満である。表面起伏は、抑えられ、面のある角錐を備え得る。薄膜を用いて製作されるデバイスもまた開示される。非極性III族窒化物薄膜の表面起伏を抑えるために非極性III族窒化物薄膜が成長する基板のミスカット角を選択することを包含する方法を用いて製作される、滑らかな表面形態構造を有する非極性III族窒化物薄膜。非極性III族窒化物薄膜が成長する基板のミスカット角上に成長する滑らかな表面形態構造を有する薄膜上に成長する非極性III族窒化物ベースのデバイス。ミスカット角はまた、非極性薄膜からの長波長発光を達成するために選択され得る。
【選択図】図4
Description
本出願は、35 U.S.C.Section 119(e)の下における、以下の同時係属中で同一人に譲渡された出願の利益を主張する。すなわち、
Kenji Iso、Hisashi Yamada、Makoto Saito、Asako Hirai、Steven P.DenBaars、James S.Speck、およびShuji Nakamuraによって2007年8月8日に出願され、名称が「PLANAR NONPOLAR M−PLANE GROUP III−NITRIDE FILMS GROWN ON MISCUT SUBSTRATES」であり、代理人の整理番号30794.249−US−P1(2008−004−1)である、米国仮特許出願第60/954,744号、および
Hisashi Yamada、Kenji Iso、Makoto Saito、Asako Hirai、Steven P.DenBaars、James S.Speck、およびShuji Nakamuraによって2007年8月8日に出願され、名称が「III−NITRIDE FILMS GROWN ON MISCUT SUBSTRATES」であり、代理人の整理番号30794.248−US−P1(2008−062−1)である、米国仮特許出願第60/954,767号であり、
これらの出願は、本明細書に参考として援用される。
Hisashi Yamada、Kenji Iso、およびShuji Nakamuraによって本出願と同日に出願され、名称が「NONPOLAR III−NITRIDE LIGHT EMITTING DIODES WITH LONG WAVELENGTH EMISSION」であり、代理人の整理番号30794.247−US−U1(2008−063−2)である、米国出願第xx/xxx,xxx号であり、該出願は、Hisashi Yamada、Kenji Iso、およびShuji Nakamuraによって2007年8月8日に出願され、名称が「NONPOLAR III NITRIDE LIGHT EMITTING DIODES WITH LONG WAVELENGTH EMISSION」であり、代理人の整理番号30794.247−US−P1(2008−063−1)である、米国仮出願第60/954,770号の利益を主張し、
これらの出願は、本明細書に参考として援用される。
(1.発明の分野)
本発明は、(1)平面型非極性m平面薄膜の成長のための技術に関し、より詳細には表面起伏が全くない原子的に滑らかなm−GaN薄膜の成長のための技術に関し、そして(2)InGaN/GaN発光ダイオード(LED)およびレーザダイオード(LD)に関し、より具体的には、放射波長がミスカット角度を選択することによって制御され得るミスカット基板上に成長するIII族窒化物薄膜に関する。
窒化ガリウム(GaN)ならびにアルミニウムおよびインジウムを含んでいるGaNの三元化合物および四元化合物(AlGaN、InGaN、AlInGaN)の有用性は、可視および紫外の光電子デバイスおよび高出力電子デバイスの製作のために十分に確立されている。これらの化合物は、本明細書において、III族窒化物、もしくはIII族窒化物、もしくは単に窒化物と呼ばれるか、または命名法(Al、B、Ga、In)Nによって表される。これらの化合物から作られるデバイスは典型的には、分子線エピタキシー(MBE)、金属・有機化学気相成長(MOCVD)、および水素化気相エピタキシー(HVPE)を含む成長技術を用いてエピタキシャル成長させられる。
上記の先行技術の制限を克服し、本明細書を読み理解するとすぐ明らかになる他の制限を克服するために、本発明は、非極性III族窒化物薄膜の表面起伏を抑えるために非極性III族窒化物薄膜が成長する基板のミスカット角を選択することによって、肉眼で見える表面起伏が全くない原子的に滑らかな表面を有する平面型非極性III族窒化物を成長させる方法を開示する。
例えば、本願発明は以下の項目を提供する。
(項目1)
基板のミスカット上に成長した非極性III族窒化物薄膜であって、該基板の該ミスカットは、該基板の非極性平面に対するミスカット角の角度に置かれた表面を提供し、該非極性III族窒化物薄膜成長の上部表面は、該表面に実質的に平行である、非極性III族窒化物薄膜。
(項目2)
前記ミスカット角は、c方向に向かう、項目1に記載の薄膜。
(項目3)
前記c方向は、<000−1>方向である、項目2に記載の薄膜。
(項目4)
前記基板は、窒化ガリウム(GaN)である、項目1に記載の薄膜。
(項目5)
<000−1>方向に向かう前記ミスカット角は0.75°以上、27°未満であり、前記非極性面はm平面である、項目1に記載の薄膜。
(項目6)
前記上部表面は、前記非極性III族窒化物薄膜の表面起伏を抑えるために、該非極性III族窒化物薄膜が成長する前記基板の前記ミスカット角を選択することによって決定される滑らかな表面形態構造を有する、項目1に記載の薄膜。
(項目7)
前記ミスカット角は、1000マイクロメートルの長さにわたる、前記薄膜の前記上部表面上の1つ以上の起伏の平方自乗平均(RMS)振幅高さが60nm以下であるようなミスカット角である、項目6に記載の薄膜。
(項目8)
前記ミスカット角は、1000マイクロメートルの長さにわたる、前記薄膜の上部表面上の1つ以上の起伏の最大振幅高さが109nm以下であるようなミスカット角である、項目6に記載の薄膜。
(項目9)
前記薄膜にIII族窒化物発光層をさらに備え、前記ミスカット角は、該発光層へのインジウム含有を増加させるように選択され、その結果、該発光層によって放射された光のピーク波長は少なくとも425nmに増加させられる、項目1に記載の薄膜。
(項目10)
前記薄膜中にIII族窒化物発光層をさらに備え、光のピーク波長は活性層を通過する入射電流に応答して該活性層によって放射され、該活性層の合金組成物、前記非極性平面、および前記ミスカット角は、該活性層の極性を減少させるように選択され、その結果、該ピーク波長は入射電流の範囲に対して0.7nmのピーク波長内に一定のままである、項目1に記載の薄膜。
(項目11)
前記電流の範囲は、前記放射された光の強度の範囲を生成し、該強度の範囲の最大強度は、該強度の範囲の最小強度の少なくとも37倍である、項目11に記載の薄膜。
(項目12)
項目1の薄膜を用いて製作されたデバイス。
(項目13)
前記デバイスは、該デバイスの成長に十分に滑らかな表面形態構造を有する、項目1の前記薄膜上に成長する、項目12に記載のデバイス。
(項目14)
III族窒化物薄膜を製作する方法であって、
非極性平面に対するミスカット角の角度に置かれた基板の表面である該基板のミスカットを提供することと、
該基板の該表面上にIII族窒化物薄膜を成長させることであって、その結果、該非極性III族窒化物薄膜成長の上部表面は、該基板の該表面に実質的に平行である、ことと
を包含する、方法。
(項目15)
光を生成する方法であって、
基板のミスカット上に成長する非極性III族窒化物薄膜から光を放射することであって、該基板の該ミスカットは、非極性平面に対するミスカット角の角度に置かれた該基板の表面であり、該III族窒化物薄膜成長の上部表面は、該基板に実質的に平行である、ことを包含する、方法。
好ましい実施形態の以下の説明において、本明細書の一部を形成しかつ本発明が実施され得る特定の実施形態が例示として示される添付の図面が参照される。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態が利用され得、そして構造上の変更がなされ得ることは理解されるべきである。
本発明は、非極性III族窒化物薄膜の滑らかな表面形態構造を得る方法を説明する。具体的には、非極性III族窒化物薄膜の表面起伏は、非極性III族窒化物薄膜が成長する基板のミスカット角を制御することによって抑えられる。
(滑らかなIII族窒化物薄膜を成長させるためにミスカットを用いること)
本発明の第1の実施形態は、平面型非極性III族窒化物薄膜を成長させる方法を包含する。特に本発明は、成長プロセスにおいてミスカット基板を利用する。例えば、肉眼的かつ原子的に平面型の{10−10}GaNの成長ために、基板が正しい方向にミスカット角を有することが決定的に重要である。
図1は、<000−1>方向に向かう様々なミスカット角を有する固定されていないm−GaN基板上に成長したm平面GaN薄膜の表面の光学顕微鏡写真を示す。名目上軸上にある基板上に成長した{10−10}GaN薄膜は、4面の角錐から成る肉眼で見える表面起伏を有することが見出された。これらの角錐面は、図1(a)および図1(b)に示されるように、典型的には、a、c+およびc−の方向に傾斜しており、図1(a)は0.01°のミスカット角を有し、図1(b)は0.45°のミスカット角を有する。図1(c)、1(d)、1(e)、および図1(f)に示されるように、0.75°以上のミスカット角を有する基板上の表面は滑らかな形態構造を有することが見出され、図1(c)は0.75°のミスカット角を有し、図1(d)は5.4°のミスカット角を有し、図1(e)は9.6°のミスカット角を有し、そして図1(f)は27°のミスカット角を有する。
図4は、基板406(例えば、窒化ガリウム)のミスカット404上の非極性III族窒化物薄膜成長402のc方向400に沿う断面概略図であり、基板406のミスカット404は非極性平面412に対するミスカット角410の角度に置かれた基板406の表面408を提供し、III族窒化物薄膜成長402の上部表面414は基板406の表面408に実質的に平行であり、そしてミスカット角410はc方向400の方(例えば、<000−1>方向)に向かう。表面414は非極性平面であり得る。
本発明の第2の実施形態もまた、成長プロセスにおいてミスカット基板を利用するIII族窒化物薄膜を備えている。この実施形態において、基板が適切な方向にミスカット角を有しInGaN薄膜のIn含有を高めることが決定的に重要である。
LEDからのエレクトロルミネセンス(EL)スペクトルが図5に示される。測定は、20mA(DC)の順方向電流で室温で実行された。軸上m平面(0.01°)および
<000−1>の方への0.45°ミスカット上に成長するInGaN/GaN MQWの放射スペクトルは、390〜395nmの近辺で単一のピーク放射を示した。440nmの近辺における放射強度が0.75°から<000−1>方向へミスカット角を増加させることによって増加させられるように見えたことが見出された。各ミスカット基板上の薄膜の、20mAで測定されたピーク放射波長は、0.01°、0.45°、0.75°、1.7°、5.4°、9.6°および27°のミス配向角(またはミスカット角)のそれぞれに対して、391nm、396nm、396nm、495nm、454n、440nm、および443nmであった。0.75°のミスカット角に対するデータが421nmの波長において第2のピークを有することもまた見出された。この波長(421nm)は、他の波長(440〜452nm)より短かった。しかしながら、これは、2インチウェーハホルダにおける成長温度変化によって引き起こされる。従って、0.75°以上のミスカット角を有する基板によって長い波長放射を得ることが可能である。矢印502によって示されるように、仮想の垂直線500の右のスペクトルは、ミスカット角θ≧0.75°を有する基板上のLEDに対して得られた。
図4はまた、発光層430bを通過する入射電流に応答して、光のピーク波長を放射し得るIII族窒化物発光活性層430bを例示する。発光層の430b合金組成物(インジウム組成物または内容を含む)、および/または特定の非極性平面412、および/またはミスカット角410は、層430bの分極を減少させるように選択され得、その結果、ピーク波長は、図6および図7に示されるように、入射電流の範囲に対して実質的に一定のままである。
上記のミスカットGaNの固定されていない基板406に加えて、m平面SiC、ZnOおよびγ−LiAlO2などの異質の基板406もまた、開始材料として用いられ得る。非極性III族窒化物化合物の成長に適した任意の基板が用いられ得る。但しバッファ層が必要となり得る。
軸上m平面GaNエピタキシャル層は、その表面上に角錐形状の機構徴426を常に有する。結晶ミスカット方向400および角度410を制御することによって、特別に滑らかな表面414が得られ得、従って高品質デバイス構造430a、430bが達成され得る。
これは、本発明の好ましい実施形態の説明の結論を下す。本発明の1つ以上の実施形態の前述の説明は、例示および説明のために提示された。網羅的であることまたは開示された正確な形態に本発明を限定することは意図されない。上記の教示を考慮して多く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、逆に本明細書に添付された特許請求の範囲によって限定されることが意図される。
Claims (16)
- 非極性III族窒化物薄膜を製作する方法であって、
非極性III族窒化物薄膜が成長される基板の表面のミスカット角を選択して、該非極性III族窒化物薄膜の表面起伏を抑えることによって、該非極性III族窒化物薄膜の上部表面の表面形態構造を制御することであって、該基板の表面は、非極性平面に対して該ミスカット角の角度に置かれている、ことと、
該基板の表面上に該非極性III族窒化物薄膜を成長させることであって、その結果、該非極性III族窒化物薄膜の上部表面は、該基板の表面に対して実質的に平行である、ことと
を含む、方法。 - 前記選択するステップは、
前記非極性III族窒化物薄膜の上部表面に対する表面形態構造の期待される表面粗さを決定することと、
該非極性III族窒化物薄膜が成長される前記基板の表面の前記ミスカット角を選択して、該非極性III族窒化物薄膜の表面起伏を抑えることによって、該非極性III族窒化物薄膜の上部表面の表面形態構造の期待される粗さを獲得することと
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 前記非極性III族窒化物薄膜の上部表面の表面形態構造を評価して、前記期待された粗さが獲得されたことを確認することをさらに含む、請求項2に記載の方法。
- 前記ミスカット角はC方向に向かう、請求項1に記載の方法。
- 前記C方向は、<000−1>方向である、請求項4に記載の方法。
- 前記<000−1>方向に向かうミスカット角は、0.75度以上で27度未満であり、前記非極性平面はm平面である、請求項5に記載の方法。
- 前記ミスカット角は、前記非極性III族窒化物薄膜の上部表面上の1つ以上の表面起伏の平方自乗平均(RMS)振幅高さが、1000マイクロメートルの長さにわたり、60nm以下であるように選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記ミスカット角は、前記非極性III族窒化物薄膜の上部表面上の1つ以上の表面起伏の最大振幅高さが、1000マイクロメートルの長さにわたり、109nm以下であるように選択される、請求項1に記載の方法。
- 請求項1に記載の方法を用いて製作された非極性III族窒化物薄膜。
- 非極性III族窒化物薄膜を製作する方法であって、
基板のミスカットを提供することであって、該基板のミスカットは、非極性平面に対してミスカット角の角度に置かれた基板の表面である、ことと、
非極性III族窒化物薄膜の上部表面が該基板の表面に対して実質的に平行となるように、該基板の表面上に該非極性III族窒化物薄膜を成長させることと
を含み、
該上部表面は、該非極性III族窒化物薄膜の表面起伏を抑えるために、該非極性III族窒化物薄膜が成長される該基板のミスカット角を選択することによって決定される滑らかな表面形態構造を有する、方法。 - 前記ミスカット角はC方向に向かう、請求項10に記載の方法。
- 前記C方向は、<000−1>方向である、請求項11に記載の方法。
- 前記<000−1>方向に向かうミスカット角は、0.75度以上で27度未満であり、前記非極性平面はm平面である、請求項12に記載の方法。
- 前記ミスカット角は、前記非極性III族窒化物薄膜の上部表面上の1つ以上の表面起伏の平方自乗平均(RMS)振幅高さが、1000マイクロメートルの長さにわたり、60nm以下であるように選択される、請求項10に記載の方法。
- 前記ミスカット角は、前記非極性III族窒化物薄膜の上部表面上の1つ以上の表面起伏の最大振幅高さが、1000マイクロメートルの長さにわたり、109nm以下であるように選択される、請求項10に記載の方法。
- 請求項10に記載の方法を用いて製作された非極性III族窒化物薄膜。
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