JP2014111527A - Iii族金属窒化物結晶およびその形成方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ウルツ鉱結晶構造を有し、最大寸法が約10ミリメートルを超える第1の大面積表面を含み、前記第1の大面積表面は、局所的にほぼ線状の貫通転位アレイのパターンを含むことを特徴とするアモノサーマルIII族金属窒化物結晶。前記III族金属窒化物結晶は、基板、III族金属源、鉱化剤およびアンモニアを密封可能なコンテナ内に配置し、前記基板上に一次元または二次元アレイ状開口部を形成した後、400℃を超える温度まで加熱することで、III族金属窒化物を前記二次元アレイ状開口部を通して前記パターンマスク層上に横方向に成長させ、接合させてパターン状のアモノサーマルIII族金属窒化物層を形成する。ついで、基板を除去して、自立のアモノサーマルIII族金属窒化物結晶を形成する処理方法。
【選択図】なし
Description
上記から、結晶成長を向上させるための技術が強く望まれていることが分かる。
本明細書および添付図面を参照すれば、本開示の本質および利点についてのさらなる理解を得ることができる。
et al., Microelectronics Reliability, 2003, 43(12), 1987〜1991)。高出力用途では、GaNデバイスにおいて効率が低下することがあり、電流密度が上昇する(ドループとして知られている)。転位密度とLEDにおけるドループの大きさとの間には、相関があることが示されている(Schubert
et al., Applied Physics Letters, 2007, 91(23), 231114)。GaNレーザダイオードの場合、転位密度と平均故障時間(MTTF)との間に負の相関があることが文献によって多く確認されている(Tomiya
et al., IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2004, 10(6),
1277〜1286)。このような負の相関は、転位に沿った不純物拡散に起因すると考えられる(Orita
et al., IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings, 2009, 736〜740)。電子デバイスの場合、転位が漏れ電流を大幅に上昇させることが分かっており(Kaun
et al., Applied Physics Express, 2011, 4(2), 024101)、また、HEMT構造ではデバイス寿命が低下する(Tapajna
et al., Applied Physics Letters, 2011, 99(22), 223501〜223503)。エピタキシャル薄膜成長用基板材料としてバルクGaNを用いることによる主な利点の1つとして、膜中の貫通転位密度が大幅に低下する点がある。そのため、バルクGaN基板中の転位密度は、デバイス効率および信頼性に大きな影響を与える。
et al., Journal of Crystal Growth, 2008, 310(5), 959〜965)。このような格子不整合は、0.001Aのオーダであり、2.5×10−4のオーダの歪みに相当する。HVPEGaNとアモノサーマルGaNとの間の格子不整合はより大きく(例えば、ほぼ0.003A)、8×10−4のオーダの歪みに相当する。これらの歪みレベルは小さくみえるかもしれないものの、より小さな値であっても、Matthews−Blakeslee臨界厚さに換算すると、わずか約0.8マイクロメートルになる。この厚さを超えた場合、そうなるためのエネルギー的に許容できない機構が存在すれば、バルクオンHVPEGaN層構造は転位形成に起因してエネルギーが低減することがある。転位生成によるエネルギー緩和が不可能である場合、より肉厚の層においては、亀裂形成に起因して緩和が発生することがある。Matthews−Klokholm公式を用いると、亀裂の発生することがある臨界厚さは、550℃でHVPEGaN上に成長させたアモノサーマル膜の場合、実際の歪みに応じて3〜10マイクロメートルである。例えば、約0.1ミリメートルより肉厚の層、約0.2ミリメートルの肉厚の層、約0.5ミリメートルより肉厚の層、約1ミリメートルより肉厚の層、約2ミリメートルより肉厚の層、または約5ミリメートルより肉厚の層の場合、HVPEGaN種晶上のアモノサーマルGaN層に亀裂が発生することがある。
特定の実施形態では、パターンマスク層(単数または複数)を基板101の前面および後面の両方の上に堆積させる。
図13は、高品質のIII族金属窒化物結晶の作製方法を示すフローチャートである。
さらなる実施形態は、その作製方法および利用方法を含む。以下の実施形態のうちの任意のものを多様な改変例で実施することができる。
特定の方法において、基板は、単結晶III族金属窒化物、ガリウム含有窒化物または窒化ガリウムを含む。
特定の実施形態において、光電子デバイスは照明器具に組み込まれる。
特定の実施形態において、本方法はさらに、接合面を実質的に含まない領域上に少なくともp型電極を配置することを含む。
102 大面積表面
103 フォトレジスト層
111 パターンマスク層
219 接合面
413 自立のアモノサーマルIII族金属窒化物ブール
431 自立のアモノサーマルIII族金属窒化物ウェーハ
Claims (31)
- ウルツ鉱結晶構造を有し、
最大寸法が約10ミリメートルを超える第1の大面積表面を含み、
前記第1の大面積表面は、局所的にほぼ線状の貫通転位アレイのパターンを含むことを特徴とするアモノサーマルIII族金属窒化物結晶。 - ガリウム、アルミニウム、インジウムおよびこれらのいずれかの組合せから選択されたIII族金属と、
窒素とを含む請求項1記載のアモノサーマルIII族金属窒化物結晶。 - 前記第1の大面積表面は、
対称なx線ロッキングカーブ半値全幅が約200秒角未満であり、
Hの不純物濃度が約1017cm−3より高く、
Li、Na、K、F、Cl、BrおよびIのうちの少なくとも1つについて、較正された二次イオン質量分析法によって定量化した不純物濃度が約1015cm−3より高いことを特徴とする請求項1記載のアモノサーマルIII族金属窒化物結晶。 - 前記局所的にほぼ線状のアレイ内の貫通転位の密度は、約5cm−1〜約105cm−1であり、
前記パターンは、
少なくとも1つのピッチ寸法が約5マイクロメートル〜約20ミリメートルであり、
前記局所的にほぼ線状のアレイの間の領域は、貫通転位密度が約105cm−2未満であり、積層欠陥密度が約103cm−1未満であることを特徴とする請求項1記載のアモノサーマルIII族金属窒化物結晶。 - 実質的なウルツ鉱結晶構造を有し、
ガリウム、アルミニウム、インジウムおよびこれらのいずれかの組合せから選択されたIII族金属、ならびに窒素を含み、
最大寸法が約10ミリメートルを超える第1の大面積表面を含む自立のアモノサーマルIII族金属窒化物結晶であって、
前記第1の大面積表面は、
対称なx線ロッキングカーブ半値全幅が約200秒角未満であり、
Hの不純物濃度が約1017cm−3より高く、
Li、Na、K、F、Cl、BrおよびIのうちの少なくとも1つについて、較正された二次イオン質量分析法によって定量化した不純物濃度が約1015cm−3より高く、
前記第1の大面積表面は、局所的にほぼ線状の貫通転位アレイのパターンを含み、該貫通転移の密度は、約5cm−1〜約105cm−1であり、該パターンは、
少なくとも1つのピッチ寸法が約5マイクロメートル〜約20ミリメートルであり、
前記局所的にほぼ線状のアレイの間の領域は、貫通転位密度が約105cm−2を下回り、積層欠陥密度が約103cm−1を下回ることを特徴とするアモノサーマルIII族金属窒化物結晶。 - 前記第1の大面積表面の結晶方位が{10−10}m面の5度以内であることを特徴とする請求項5記載のアモノサーマルIII族金属窒化物結晶。
- 前記第1の大面積表面の結晶方位が(0001)+c面の5度以内であるか、または(000−1)−c面の5度以内であることを特徴とする請求項5記載のアモノサーマルIII族金属窒化物結晶。
- 前記第1の大面積表面の結晶方位は、{60−6±1}、{50−5±1}、{40−4±1}、{30−3±1}、{50−5±2}、{70−7±3}、{20−2±1}、{30−3±2}、{40−4±3}、{50−5±4}、{10−1±1}、{10−1±2}、{10−1±3}、{21−3±1}および{30−3±4}から選択された半極性方位の5度以内であることを特徴とする請求項5記載のアモノサーマルIII族金属窒化物結晶。
- 前記第1の大面積表面は、酸素(O)、水素(H)、ならびにフッ素(F)および塩素(Cl)のうちの少なくとも一方の不純物濃度がそれぞれ、約1×1016cm−3〜約1×1019cm−3、約1×1016cm−3〜約2×1019cm−3、ならびに約1×1015cm−3〜約1×1019cm−3であることを特徴とする請求項5記載のアモノサーマルIII族金属窒化物結晶。
- 前記第1の大面積表面は、酸素(O)、水素(H)、フッ素(F)、ならびにナトリウム(Na)およびカリウム(K)のうちの少なくとも一方の不純物濃度がそれぞれ、約1×1016cm−3〜約1×1019cm−3、約1×1016cm−3〜約2×1019cm−3、ならびに約3×1015cm−3〜約1×1018cm−3であることを特徴とする請求項5記載のアモノサーマルIII族金属窒化物結晶。
- 前記貫通転位密度および前記積層欠陥密度は、前記第1の大面積表面を溶液中または溶融フラックス中においてエッチングすることによって決まり、前記溶液は、ポリリン酸を形成するように長期熱処理によって調整されたH3PO4、H3PO4のうちの1つ以上を含み、前記溶融フラックスは、NaOHおよびKOHのうちの1つ以上を含み、前記エッチングは、約100℃〜約500℃の温度で約5分と約5時間の間の時間にわたって行われ、前記温度および前記時間は、直径約1マイクロメートル〜約25マイクロメートルエッチピットが形成されるように選択する請求項5記載のアモノサーマルIII族金属窒化物結晶。
- 前記実質的なウルツ鉱結晶構造は、他の結晶構造を実質的に含まず、該他の結晶構造は、前記実質的なウルツ鉱結晶構造に対して体積が約1%未満である請求項5記載のアモノサーマルIII族金属窒化物結晶。
- 前記結晶が実質的に亀裂を含まない請求項5記載のアモノサーマルIII族金属窒化物結晶。
- 前記パターンを二次元六角形、正方形、矩形、台形、三角形および一次元線状から選択した請求項5記載のアモノサーマルIII族金属窒化物結晶。
- 前記局所的にほぼ線状のアレイは、前記大面積表面における<10−10>、<11−20>および[000±1]選択された結晶面、ならびに該結晶面の延長から約5度以内に配向されている請求項5記載のアモノサーマルIII族金属窒化物結晶。
- 前記パターンのピッチ寸法は約200マイクロメートル〜約5ミリメートルであることを特徴とする請求項5記載のアモノサーマルIII族金属窒化物結晶。
- 前記パターンにおける前記貫通転位の線密度は約1×103cm−1未満である請求項5記載のアモノサーマルIII族金属窒化物結晶。
- 前記第1の大面積表面は、対称なx線方向ロッキングカーブの半値全幅値が約100秒角未満であり、全体的転位密度が約105cm−2未満であり、前記局所的な貫通転位のほぼ線状のアレイの間の領域内の転位密度が約104cm−2未満であることを特徴とする請求項5記載のアモノサーマルIII族金属窒化物結晶。
- 前記積層欠陥密度が約1cm−1を下回る請求項5記載のアモノサーマルIII族金属窒化物結晶。
- 前記結晶はさらに、第2の大面積表面を含み、
該第2の大面積表面は、前記第1の大面積表面に対して実質的に平行であり、
前記結晶は、前記第1の大面積表面と前記第2の大面積表面との間の厚さが約0.1ミリメートル〜約1ミリメートルであり、総厚のバラツキが約10マイクロメートル未満であり、巨視的湾曲部が約50マイクロメートル未満であることを特徴とする請求項5記載のアモノサーマルIII族金属窒化物結晶。 - Li、Na、K、F、Cl、BrおよびIのうちの少なくとも1つの不純物濃度が約1016cm−3を超える請求項5記載のアモノサーマルIII族金属窒化物結晶。
- Hの不純物濃度が約1018cm−3を超える請求項5記載のアモノサーマルIII族金属窒化物結晶。
- Hの不純物濃度とOの不純物濃度との間の比は約1.1〜約100である請求項5記載のアモノサーマルIII族金属窒化物結晶。
- 実質的なウルツ鉱結晶構造を有し、
ガリウム、アルミニウム、インジウムおよびこれらのいずれかの組合せから選択されたIII族金属、ならびに窒素を含み、
最大寸法が約10ミリメートルを超える第1の大面積表面を含む自立のアモノサーマルIII族金属窒化物結晶であって、
前記第1の大面積表面は、対称なx線ロッキングカーブ半値全幅が約200秒角未満であり、Hの不純物濃度が約1017cm−3より高く、Li、Na、K、F、Cl、BrおよびIのうちの少なくとも1つについて、較正された二次イオン質量分析法によって定量化した不純物濃度が約1015cm−3より高く、
前記第1の大面積表面は、少なくとも1つの方向において貫通転位の密度が周期的に少なくとも2倍、変化する領域を含み、該変化の周期は、約5マイクロメートル〜約20ミリメートルであることを特徴とするアモノサーマルIII族金属窒化物結晶。 - 前記第1の大面積表面は、少なくとも1つの方向において貫通転位密度が周期的に少なくとも10倍変化する領域を含み、該変化の周期は、約200マイクロメートル〜約5ミリメートルである請求項24記載のアモノサーマルIII族金属窒化物結晶。
- 単結晶III族金属窒化物、ガリウム含有窒化物、窒化ガリウム、サファイア、炭化ケイ素、ガリウムヒ化物、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム合金、MgAl2O4スピネル、ZnO、ZrB2、BP、InP、AlON、ScAlMgO4、YFeZnO4、MgO、Fe2NiO4、LiGa5O8、Na2MoO4、Na2WO4、In2CdO4、アルミン酸リチウム(LiAlO2)、LiGaO2、Ca8La2(PO4)6O2、およびアルミニウム窒化物(AlN)のうちの1つから選択された基板を用意し、
該基板上にパターンマスク層を堆積させ、
該パターンマスク層は、接着層、拡散バリア層および不活性層のうちの1つ以上を含み、
前記パターンマスク層は、厚さが10ナノメートル〜100マイクロメートルであり、
前記パターンマスク層は一次元または二次元アレイ状開口部を含むガリウム含有窒化物結晶形成方法であって、該方法は、
前記基板、III族金属源、鉱化剤およびアンモニアを密封可能なコンテナ内に配置し、
該密封可能なコンテナを400℃を超える温度まで加熱することで、III族金属窒化物を前記二次元アレイ状開口部を通して前記パターンマスク層上に横方向に成長させ、接合させてパターン状のアモノサーマルIII族金属窒化物層を形成するガリウム含有窒化物結晶形成方法。 - 前記パターンマスク層は、Ti、TiN、TiNy、TiSi2、Ta、TaNy、Al、Ge、AlxGey、Cu、Si、Cr、V、Ni、W、TiWx、TiWxNy、TiWxSizNy、TiC、TiCN、Pd、Rh、Cr、Au、Ag、Pt、Pd、Rh、Ru、Ir、Ni、Cr、V、TiおよびTaのうちの1つ以上を含む請求項26記載のガリウム含有窒化物結晶形成方法。
- 前記パターン状のアモノサーマルIII族金属窒化物層をさらなるバルク結晶成長のための種として用い、
III族金属窒化物ブールを形成し、
該ブールをスライシングして1つ以上のIII族金属窒化物ウェーハを形成する請求項26記載のガリウム含有窒化物結晶形成方法。 - 前記III族金属窒化物ウェーハを半導体構体に組み込み、該半導体構体は、少なくとも1つのAlxInyGa(1−x−y)Nエピタキシャル層を含み、ただし0≦x、y、x+y≦1である請求項28記載のガリウム含有窒化物結晶形成方法。
- 窒化ガリウムベースの電子デバイスまたは光電子デバイスの一部を前記半導体構体の一部から形成し、該窒化ガリウムベースの電子デバイスまたは光電子デバイスは、発光ダイオード、レーザダイオード、光検出器、アバランシェフォトダイオード、光電池、太陽電池、光電気化学水分解用セル、トランジスタ、整流器およびサイリスタ、トランジスタ、整流器、ショットキー整流器、サイリスタ、PINダイオード、金属・半導体・金属ダイオード、高電子移動度トランジスタ、金属半導体電界効果トランジスタ、金属酸化膜電界効果トランジスタ、金属酸化膜半導体電界効果パワートランジスタ、金属絶縁膜半導体電界効果パワートランジスタ、バイポーラ接合トランジスタ、金属絶縁膜電界効果トランジスタ、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ、絶縁ゲートバイポーラパワートランジスタ、垂直接合型電界効果パワートランジスタ、カスコードスイッチ、インナサブバンドエミッタ、量子井戸赤外光検出器、量子ドット赤外光検出器のうちの1つ以上を含む請求項29記載のガリウム含有窒化物結晶形成方法。
- 窒化ガリウムベースの発光ダイオードをランプ、照明器具または照明用備品に組み込む含む請求項29に記載のガリウム含有窒化物結晶形成方法。
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