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Description
(関連出願への相互参照)
本出願は、2012年8月24日に出願された、Tadao Hashimoto,Edward Letts,およびSierra Hoffの「BISMUTH−DOPED SEMI−INSULATING GROUP III NITRIDE WAFER AND ITS PRODUCTION METHOD」とう題名の米国出願第61/693,122号(attorney docket number SIXPOI−013USPRV1)に対して優先権の利益を主張する。上記出願は、以下に全てを提示するようにその全体として参照することによって本明細書において援用される。
本出願は、以下の米国特許出願:
2005年7月8日に出願された、Kenji Fujito,Tadao Hashimoto,およびShuji Nakamuraの「METHOD FOR GROWING GROUP III−NITRIDE CRYSTALS IN SUPERCRITICAL AMMONIA USING AN AUTOCLAVE」という題名のPCT特許出願第US2005/024239号(attorneys’ docket number 30794.0129−WO−01 (2005−339−1))、
米国特許法Section 119(e)下で、2006年4月7日に出願された、Tadao Hashimoto,Makoto Saito,およびShuji Nakamuraの「METHOD FOR GROWING LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS IN SUPERCRITICAL AMMONIA AND LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS」という題名の米国仮特許出願第60/790,310号(attorneys docket number 30794.179−US−P1 (2006−204))の利益を主張する、2007年4月6日に出願された、Tadao Hashimoto,Makoto Saito,およびShuji Nakamuraの「METHOD FOR GROWING LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS IN SUPERCRITICAL AMMONIA AND LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS」という題名の米国特許出願第11/784,339号(attorneys docket number 30794.179−US−U1 (2006−204))、
2007年9月19日に出願された、Tadao HashimotoおよびShuji Nakamuraの「GALLIUM NITRIDE BULK CRYSTALS AND THEIR GROWTH METHOD」という題名の米国特許出願第60/973,662号(attorneys docket number 30794.244−US−P1 (2007−809−1))、
2007年10月25日に出願された、Tadao Hashimotoの「METHOD FOR GROWING GROUP III−NITRIDE CRYSTALS IN A MIXTURE OF SUPERCRITICAL AMMONIA AND NITROGEN, AND GROUP III−NITRIDE CRYSTALS GROWN THEREBY」という題名の米国特許出願第11/977,661号(attorneys docket number 30794.253−US−U1 (2007−774−2))、
2008年2月25日に出願された、Tadao Hashimoto,Edward
Letts,Masanori Ikariの「METHOD FOR PRODUCING GROUP III−NITRIDE WAFERS AND GROUP III−NITRIDE WAFERS」という題名の米国特許出願第61/067,117号(attorneys docket number 62158−30002.00)、
2008年6月4日に出願された、Edward Letts,Tadao Hashimoto,Masanori Ikariの「METHODS FOR PRODUCING IMPROVED CRYSTALLINITY GROUP III−NITRIDE CRYSTALS FROM INITIAL GROUP III−NITRIDE SEED BY AMMONOTHERMAL GROWTH」という題名の米国特許出願第61/058,900号(attorneys docket number 62158−30004.00)、
2008年6月4日に出願された、Tadao Hashimoto,Edward Letts,Masanori Ikariの「HIGH−PRESSURE VESSEL FOR GROWING GROUP III NITRIDE CRYSTALS AND METHOD OF GROWING GROUP III NITRIDE CRYSTALS USING HIGH−PRESSURE VESSEL AND GROUP III NITRIDE CRYSTAL」という題名の米国特許出願第61/058,910号(attorneys docket number 62158−30005.00)、
2008年6月12日に出願された、Tadao Hashimoto, Masanori Ikari, Edward Lettsの「METHOD FOR TESTING III−NITRIDE WAFERS AND III−NITRIDE WAFERS WITH TEST DATA」という題名の米国特許出願第61/131,917号(attorneys docket number 62158−30006.00)
に関連する。上記出願は、以下に全てを提示するようにそれらの全体として参照することによって援用される。
本出願は、2012年8月24日に出願された、Tadao Hashimoto,Edward Letts,およびSierra Hoffの「BISMUTH−DOPED SEMI−INSULATING GROUP III NITRIDE WAFER AND ITS PRODUCTION METHOD」とう題名の米国出願第61/693,122号(attorney docket number SIXPOI−013USPRV1)に対して優先権の利益を主張する。上記出願は、以下に全てを提示するようにその全体として参照することによって本明細書において援用される。
本出願は、以下の米国特許出願:
2005年7月8日に出願された、Kenji Fujito,Tadao Hashimoto,およびShuji Nakamuraの「METHOD FOR GROWING GROUP III−NITRIDE CRYSTALS IN SUPERCRITICAL AMMONIA USING AN AUTOCLAVE」という題名のPCT特許出願第US2005/024239号(attorneys’ docket number 30794.0129−WO−01 (2005−339−1))、
米国特許法Section 119(e)下で、2006年4月7日に出願された、Tadao Hashimoto,Makoto Saito,およびShuji Nakamuraの「METHOD FOR GROWING LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS IN SUPERCRITICAL AMMONIA AND LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS」という題名の米国仮特許出願第60/790,310号(attorneys docket number 30794.179−US−P1 (2006−204))の利益を主張する、2007年4月6日に出願された、Tadao Hashimoto,Makoto Saito,およびShuji Nakamuraの「METHOD FOR GROWING LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS IN SUPERCRITICAL AMMONIA AND LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS」という題名の米国特許出願第11/784,339号(attorneys docket number 30794.179−US−U1 (2006−204))、
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2007年10月25日に出願された、Tadao Hashimotoの「METHOD FOR GROWING GROUP III−NITRIDE CRYSTALS IN A MIXTURE OF SUPERCRITICAL AMMONIA AND NITROGEN, AND GROUP III−NITRIDE CRYSTALS GROWN THEREBY」という題名の米国特許出願第11/977,661号(attorneys docket number 30794.253−US−U1 (2007−774−2))、
2008年2月25日に出願された、Tadao Hashimoto,Edward
Letts,Masanori Ikariの「METHOD FOR PRODUCING GROUP III−NITRIDE WAFERS AND GROUP III−NITRIDE WAFERS」という題名の米国特許出願第61/067,117号(attorneys docket number 62158−30002.00)、
2008年6月4日に出願された、Edward Letts,Tadao Hashimoto,Masanori Ikariの「METHODS FOR PRODUCING IMPROVED CRYSTALLINITY GROUP III−NITRIDE CRYSTALS FROM INITIAL GROUP III−NITRIDE SEED BY AMMONOTHERMAL GROWTH」という題名の米国特許出願第61/058,900号(attorneys docket number 62158−30004.00)、
2008年6月4日に出願された、Tadao Hashimoto,Edward Letts,Masanori Ikariの「HIGH−PRESSURE VESSEL FOR GROWING GROUP III NITRIDE CRYSTALS AND METHOD OF GROWING GROUP III NITRIDE CRYSTALS USING HIGH−PRESSURE VESSEL AND GROUP III NITRIDE CRYSTAL」という題名の米国特許出願第61/058,910号(attorneys docket number 62158−30005.00)、
2008年6月12日に出願された、Tadao Hashimoto, Masanori Ikari, Edward Lettsの「METHOD FOR TESTING III−NITRIDE WAFERS AND III−NITRIDE WAFERS WITH TEST DATA」という題名の米国特許出願第61/131,917号(attorneys docket number 62158−30006.00)
に関連する。上記出願は、以下に全てを提示するようにそれらの全体として参照することによって援用される。
(背景)
発明分野
本発明は、トランジスタ等の電子素子を含む、種々の素子のために使用される半導体ウエハに関する。より具体的には、本発明は、III族窒化物から成る化合物半導体ウエハに関する。
発明分野
本発明は、トランジスタ等の電子素子を含む、種々の素子のために使用される半導体ウエハに関する。より具体的には、本発明は、III族窒化物から成る化合物半導体ウエハに関する。
現存テクノロジーの説明
(注:本特許出願は、括弧内の数字、例えば、[x]を用いて示されるように、いくつかの刊行物および特許を参照する。これらの刊行物および特許の一覧は、「参考文献」という表題の項に見出すことができる。)
(注:本特許出願は、括弧内の数字、例えば、[x]を用いて示されるように、いくつかの刊行物および特許を参照する。これらの刊行物および特許の一覧は、「参考文献」という表題の項に見出すことができる。)
窒化ガリウム(GaN)およびその関連III族窒化物合金は、マイクロ波電力トランジスタおよびソーラー・ブラインド型光検出器等の種々の電子素子のための重要な材料である。しかしながら、これらの素子の大部分は、GaNウエハが、ヘテロエピタキシャル基板と比較して、非常に高価であるため、サファイアおよび炭化ケイ素等の異種基板(または、ウエハ)上にエピタキシャルに成長される。III族窒化物のヘテロエピタキシャル成長は、著しく欠陥またはさらに亀裂がある膜を生じさせ、高電力マイクロ波トランジスタ等の高性能電子素子の実現を妨害する。
へテロエピタキシによって生じるあらゆる基本問題を解決するために、バルクIII族窒化物結晶インゴットからスライスされたIII族窒化物ウエハを利用することが不可欠である。素子の大部分に関して、GaNウエハは、ウエハの伝導性を制御することが比較的に容易であり、GaNウエハが、素子層と最小格子/熱不整合を提供するであろうため、好ましい。しかしながら、高融点および高温における高窒素蒸気圧のため、GaN結晶インゴットを成長させることは困難である。現在、市販のGaNウエハの大部分は、水素化物気相エピタキシ(HVPE)と呼ばれる方法によって生産される。HVPEは、気相法であり、転位密度を105cm−2未満に低減させることが困難である。
転位および/または粒界の密度が未満105cm−2である、高品質GaNウエハを得るために、アモノサーマル成長と呼ばれる新しい方法が、開発されている[1−6]。最近は、105cm−2未満の転位および/または粒界の密度を有する高品質GaNウエハが、アモノサーマル成長によって得られることができる。しかしながら、アモノサーマル法によって成長されたGaNインゴットは、典型的には、n−型伝導性を示し、高電子移動度トランジスタ(HEMT)に好ましくない。高周波数動作のため、伝導性基板は、基板を通して高レベルの静電容量損失を生じさせる。トランジスタの性能を改善するために、半絶縁ウエハが、非常に求められる。
(発明の要約)
本発明は、ビスマス(Bi)でドープされたGaxAlyIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦x+y≦1)の半絶縁ウエハを開示する。半絶縁ウエハは、抵抗率104オーム・cm以上を有する。III族窒化物の単結晶インゴットを得ることは非常に困難であるが、アモノサーマル法は、105cm−2未満の転位/粒界の密度を有するIII族窒化物の高配向多結晶インゴットを成長させることができる。
例えば、本願発明は以下の項目を提供する。
(項目1)
半絶縁ウエハであって、前記半絶縁ウエハは、10mm2を上回る表面積および200ミクロンを上回る厚さを有するGaxAlyIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦x+y≦1)を備え、前記GaxAlyIn1−x−yNは、ビスマスでドープされる、半絶縁ウエハ。
(項目2)
前記ウエハの抵抗率は、104オーム・cmを上回る、項目1に記載の半絶縁ウエハ。(項目3)
前記結晶は、超臨界アンモニア中で成長されたGaxAlyIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦x+y≦1)のバルクインゴットをスライスすることによって加工される、項目1または項目2に記載の半絶縁ウエハ。
(項目4)
前記ウエハは、105cm−2未満の線欠陥および粒界の密度を伴う、GaxAlyIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦x+y≦1)の高配向多結晶または単結晶を備える、項目1−3のいずれかに記載の半絶縁ウエハ。
(項目5)
前記ウエハは、GaNである、項目1−4のいずれかに記載の半絶縁ウエハ。
(項目6)
ビスマスでドープされた前記GaxAlyIn1−x−yNは、約104オーム・cmを上回る抵抗率を有する、項目1−5のいずれかに記載の半絶縁ウエハ。
(項目7)
ビスマスでドープされた前記GaxAlyIn1−x−yNは、105cm−2未満の転位および/または粒界の密度を有する、項目1−6のいずれかに記載の半絶縁ウエハ。(項目8)
ビスマスでドープされた前記GaxAlyIn1−x−yNは、III族窒化物基板上の層である、項目1−7のいずれかに記載の半絶縁ウエハ。
(項目9)
前記ウエハは、前記ウエハ全体を通して、ビスマスでドープされたGaxAlyIn1−x−yNを備える、項目1−7のいずれかに記載の半絶縁ウエハ。
(項目10)
項目1−9のいずれかのウエハ上に形成される、電子、光学、または光電子素子。
(項目11)
10mm2を上回る表面積および200ミクロンを上回る厚さを有する、ビスマスでドープされたIII族窒化物バルク結晶を成長させる方法であって、前記方法は、
(a)III族含有原料を高圧反応器内に設置することと、
(b)鉱化剤を前記高圧反応器内に設置することと、
(c)少なくとも1つのシード結晶を前記高圧反応器内に設置することと、
(d)ビスマス含有ドーパントを前記高圧反応器内に設置することと、
(e)アンモニアを前記高圧反応器内に設置することと、
(f)前記高圧反応器を密閉することと、
(g)十分な熱を前記アンモニアに提供し、アンモニアの超臨界状態を生成することと、
(h)III族窒化物を前記シード結晶上に結晶化させることと
を含む、方法。
(項目12)
前記ビスマス含有ドーパントは、金属ビスマスおよびビスマスでドープされたIII族窒化物から選択される、項目11に記載の方法。
(項目13)
前記シード結晶上に結晶化されるIII族窒化物は、GaNである、項目11または項目12に記載の方法。
(項目14)
前記シード結晶は、GaNである、項目11−13のいずれかに記載の方法。
(項目15)
前記鉱化剤は、アルカリ金属を含有する、項目11−14のいずれかに記載の方法。
(項目16)
前記鉱化剤は、ナトリウムを含有する、項目11−15のいずれかに記載の方法。
(項目17)
前記結晶化されたIII族窒化物が半絶縁であるように、十分な量の前記ビスマス含有ドーパントが存在する、項目11−16のいずれかに記載の方法。
(項目18)
ビスマスでドープされたIII族窒化物半絶縁ウエハを加工する方法であって、前記方法は、項目11−17のいずれかに記載のようにビスマスでドープされたIII族窒化物バルク結晶を成長させることと、前記バルク結晶をスライスし、前記ウエハを形成することとを含む、方法。
(項目19)
素子が加工されることになる前記ウエハの表面を研磨することをさらに含む、項目18に記載の方法。
本発明は、ビスマス(Bi)でドープされたGaxAlyIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦x+y≦1)の半絶縁ウエハを開示する。半絶縁ウエハは、抵抗率104オーム・cm以上を有する。III族窒化物の単結晶インゴットを得ることは非常に困難であるが、アモノサーマル法は、105cm−2未満の転位/粒界の密度を有するIII族窒化物の高配向多結晶インゴットを成長させることができる。
例えば、本願発明は以下の項目を提供する。
(項目1)
半絶縁ウエハであって、前記半絶縁ウエハは、10mm2を上回る表面積および200ミクロンを上回る厚さを有するGaxAlyIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦x+y≦1)を備え、前記GaxAlyIn1−x−yNは、ビスマスでドープされる、半絶縁ウエハ。
(項目2)
前記ウエハの抵抗率は、104オーム・cmを上回る、項目1に記載の半絶縁ウエハ。(項目3)
前記結晶は、超臨界アンモニア中で成長されたGaxAlyIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦x+y≦1)のバルクインゴットをスライスすることによって加工される、項目1または項目2に記載の半絶縁ウエハ。
(項目4)
前記ウエハは、105cm−2未満の線欠陥および粒界の密度を伴う、GaxAlyIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦x+y≦1)の高配向多結晶または単結晶を備える、項目1−3のいずれかに記載の半絶縁ウエハ。
(項目5)
前記ウエハは、GaNである、項目1−4のいずれかに記載の半絶縁ウエハ。
(項目6)
ビスマスでドープされた前記GaxAlyIn1−x−yNは、約104オーム・cmを上回る抵抗率を有する、項目1−5のいずれかに記載の半絶縁ウエハ。
(項目7)
ビスマスでドープされた前記GaxAlyIn1−x−yNは、105cm−2未満の転位および/または粒界の密度を有する、項目1−6のいずれかに記載の半絶縁ウエハ。(項目8)
ビスマスでドープされた前記GaxAlyIn1−x−yNは、III族窒化物基板上の層である、項目1−7のいずれかに記載の半絶縁ウエハ。
(項目9)
前記ウエハは、前記ウエハ全体を通して、ビスマスでドープされたGaxAlyIn1−x−yNを備える、項目1−7のいずれかに記載の半絶縁ウエハ。
(項目10)
項目1−9のいずれかのウエハ上に形成される、電子、光学、または光電子素子。
(項目11)
10mm2を上回る表面積および200ミクロンを上回る厚さを有する、ビスマスでドープされたIII族窒化物バルク結晶を成長させる方法であって、前記方法は、
(a)III族含有原料を高圧反応器内に設置することと、
(b)鉱化剤を前記高圧反応器内に設置することと、
(c)少なくとも1つのシード結晶を前記高圧反応器内に設置することと、
(d)ビスマス含有ドーパントを前記高圧反応器内に設置することと、
(e)アンモニアを前記高圧反応器内に設置することと、
(f)前記高圧反応器を密閉することと、
(g)十分な熱を前記アンモニアに提供し、アンモニアの超臨界状態を生成することと、
(h)III族窒化物を前記シード結晶上に結晶化させることと
を含む、方法。
(項目12)
前記ビスマス含有ドーパントは、金属ビスマスおよびビスマスでドープされたIII族窒化物から選択される、項目11に記載の方法。
(項目13)
前記シード結晶上に結晶化されるIII族窒化物は、GaNである、項目11または項目12に記載の方法。
(項目14)
前記シード結晶は、GaNである、項目11−13のいずれかに記載の方法。
(項目15)
前記鉱化剤は、アルカリ金属を含有する、項目11−14のいずれかに記載の方法。
(項目16)
前記鉱化剤は、ナトリウムを含有する、項目11−15のいずれかに記載の方法。
(項目17)
前記結晶化されたIII族窒化物が半絶縁であるように、十分な量の前記ビスマス含有ドーパントが存在する、項目11−16のいずれかに記載の方法。
(項目18)
ビスマスでドープされたIII族窒化物半絶縁ウエハを加工する方法であって、前記方法は、項目11−17のいずれかに記載のようにビスマスでドープされたIII族窒化物バルク結晶を成長させることと、前記バルク結晶をスライスし、前記ウエハを形成することとを含む、方法。
(項目19)
素子が加工されることになる前記ウエハの表面を研磨することをさらに含む、項目18に記載の方法。
ここで、類似参照番号が全体を通して対応する部品を表す図面を参照する。
(発明の詳細な説明)
概要
本発明の半絶縁基板は、高電子移動度トランジスタ(HEMT)等のGaN系高周波数トランジスタの加工に好適な特性を提供する。III族窒化物の単結晶基板の欠如のため、GaN系高周波数トランジスタが、いわゆる、サファイア、シリコン、および炭化ケイ素等のヘテロエピタキシャル基板上に加工されている。ヘテロエピタキシャル基板は、III族窒化物と化学的および物理的に異なるため、素子は、ヘテロエピタキシャル基板と素子層との間の界面に生成される高密度の転位(108〜1010cm−2)を含有する。そのような転位は、素子の性能および信頼性を劣化させ、したがって、GaNおよびAlN等の単結晶III族窒化物から成る基板が、開発されている。現在、市販のGaN基板の大部分は、ハイドライド気相エピタキシ(HVPE)を使用して生産されるが、そのプロセスは、転位密度を105cm−2未満まで低減させることが困難である。HVPE−GaN基板の転位密度は、ヘテロエピタキシャル基板上のGaN膜より数桁小さいが、転位密度は、依然として、電子機器内の典型的シリコン素子より数桁大きい。より高い素子性能を達成するために、より低い転位密度が、要求される。105cm−2未満の転位密度を達成するために、超臨界アンモニアを利用する、アモノサーマル成長が、現在までに開発されている。現在、アモノサーマル法は、105cm−2未満の転位密度を伴うGaNウエハを生産することができる。しかしながら、アモノサーマル成長は、典型的には、高レベルの電子を伴う結晶を生産し、したがって、基板は、n型またはn+型である。トランジスタ用途のための低欠陥アモノサーマルウエハを使用するために、抵抗率を増加させることが必要である。
概要
本発明の半絶縁基板は、高電子移動度トランジスタ(HEMT)等のGaN系高周波数トランジスタの加工に好適な特性を提供する。III族窒化物の単結晶基板の欠如のため、GaN系高周波数トランジスタが、いわゆる、サファイア、シリコン、および炭化ケイ素等のヘテロエピタキシャル基板上に加工されている。ヘテロエピタキシャル基板は、III族窒化物と化学的および物理的に異なるため、素子は、ヘテロエピタキシャル基板と素子層との間の界面に生成される高密度の転位(108〜1010cm−2)を含有する。そのような転位は、素子の性能および信頼性を劣化させ、したがって、GaNおよびAlN等の単結晶III族窒化物から成る基板が、開発されている。現在、市販のGaN基板の大部分は、ハイドライド気相エピタキシ(HVPE)を使用して生産されるが、そのプロセスは、転位密度を105cm−2未満まで低減させることが困難である。HVPE−GaN基板の転位密度は、ヘテロエピタキシャル基板上のGaN膜より数桁小さいが、転位密度は、依然として、電子機器内の典型的シリコン素子より数桁大きい。より高い素子性能を達成するために、より低い転位密度が、要求される。105cm−2未満の転位密度を達成するために、超臨界アンモニアを利用する、アモノサーマル成長が、現在までに開発されている。現在、アモノサーマル法は、105cm−2未満の転位密度を伴うGaNウエハを生産することができる。しかしながら、アモノサーマル成長は、典型的には、高レベルの電子を伴う結晶を生産し、したがって、基板は、n型またはn+型である。トランジスタ用途のための低欠陥アモノサーマルウエハを使用するために、抵抗率を増加させることが必要である。
本発明の技術説明
半絶縁基板の本発明は、アモノサーマル成長によって、低転位III族基板の利点を最大限にすることが予想される。半絶縁GaN系基板を得るために、遷移金属のドープが、提案されている[7]。しかしながら、開示される方法は、HVPEに焦点を当て、105cm−2未満の転位密度を有する高品質バルク結晶には適用可能ではない。低転位III族窒化物バルク結晶を達成するために、アモノサーマル法等のバルク成長法が、使用されなければならない。しかしながら、遷移金属のドープ効率は、アモノサーマル成長では、効率的ではない。したがって、アモノサーマル法と互換性があり、III族窒化物基板内で半絶縁特性を実現するであろう、新しいドーパントを探した。研究を通して、Biがアモノサーマル成長におけるドープに好適であることを見出した。
半絶縁基板の本発明は、アモノサーマル成長によって、低転位III族基板の利点を最大限にすることが予想される。半絶縁GaN系基板を得るために、遷移金属のドープが、提案されている[7]。しかしながら、開示される方法は、HVPEに焦点を当て、105cm−2未満の転位密度を有する高品質バルク結晶には適用可能ではない。低転位III族窒化物バルク結晶を達成するために、アモノサーマル法等のバルク成長法が、使用されなければならない。しかしながら、遷移金属のドープ効率は、アモノサーマル成長では、効率的ではない。したがって、アモノサーマル法と互換性があり、III族窒化物基板内で半絶縁特性を実現するであろう、新しいドーパントを探した。研究を通して、Biがアモノサーマル成長におけるドープに好適であることを見出した。
Biでドープされた半絶縁III族窒化物ウエハを調製するための典型的プロセスフローは、図1に表される。アモノサーマル法または他のバルク成長法(フラックス法、高圧溶液成長等)を使用することによって、BiでドープされたIII族窒化物バルク結晶が、成長される。BiでドープされたIII族窒化物バルク結晶は、ウエハにスライスされるために十分に大きくあるべきである。また、BiでドープされたIII族窒化物バルク結晶は、105cm−2未満の転位および/または粒界の密度を伴う高配向多結晶または単結晶であるべきである。BiでドープされたIII族窒化物バルク結晶は、複数のワイヤソーを用いて、ウエハにスライスされ、次いで、ウエハは、研削、ラップ仕上げ、および研磨によって仕上げられる。アモノサーマル法等のバルク成長法を使用することによって、105cm−2未満の転位密度が、達成されることができる。商業使用のために、直径が1インチより大きく、200ミクロンより厚い基板が、好ましい。素子層または構造が形成される表面は、原子レベルまで研磨される。研磨プロセスは、典型的には、ダイヤモンドツールを用いた研削と、ダイヤモンドスラリーを用いたラップ仕上げと、コロイド状シリカを用いた研磨とから成る。仕上げられたウエハは、随意に、仕上げ表面を化学的、物理的、および/または機械的損傷から保護するための保護層を有することができる。
(実施例1)
GaNのバルク結晶が、原料としての多結晶GaN、溶媒としての超臨界アンモニア、鉱化剤としてのナトリウム(アンモニア内に対して4.5mol%)、およびドーパントとしての元素Bi(原料に対して6%)を使用して、アモノサーマル法を用いて成長された。元素Biは、鉱化剤とともに設置された。成長温度は、500〜600℃であり、成長は、4日に及んだ。200ミクロンを超える厚さのGaNが、c−平面GaNシード結晶上に成長された[図2]。結晶のサイズは、約10mm2であった。結晶品質は、X線回折を用いて特性評価された。002回折の半値全幅(FWHM)は、231秒角であり、201回折のFWHMは、485秒角であった。011、110、013、020、112、004、022、121、006等の他の平面からの回折は、測定されないが、同様の数のFWHMが、予想される。Biドープを用いても、結晶品質は、著しく劣化されなかった。GaN結晶の抵抗率が、2プローブ法を用いて測定された。プローブの分離は、2.5mmであり、印加された電圧は、10Vであった。回路を通る電流は、電流計の検出限界(10マイクロA)を下回った。本実験から、抵抗率104オーム・cm以上であると推定した。図2に示されるように、結晶色は、暗茶色または黒色であった。明らかに、光学吸収係数は、可視波長範囲全体を通して、10cm−1より高い。転位密度は、本特定の結晶上で測定されなかったが、X線FWHMに基づいて、転位密度が約105cm−2以下であると推定する。
GaNのバルク結晶が、原料としての多結晶GaN、溶媒としての超臨界アンモニア、鉱化剤としてのナトリウム(アンモニア内に対して4.5mol%)、およびドーパントとしての元素Bi(原料に対して6%)を使用して、アモノサーマル法を用いて成長された。元素Biは、鉱化剤とともに設置された。成長温度は、500〜600℃であり、成長は、4日に及んだ。200ミクロンを超える厚さのGaNが、c−平面GaNシード結晶上に成長された[図2]。結晶のサイズは、約10mm2であった。結晶品質は、X線回折を用いて特性評価された。002回折の半値全幅(FWHM)は、231秒角であり、201回折のFWHMは、485秒角であった。011、110、013、020、112、004、022、121、006等の他の平面からの回折は、測定されないが、同様の数のFWHMが、予想される。Biドープを用いても、結晶品質は、著しく劣化されなかった。GaN結晶の抵抗率が、2プローブ法を用いて測定された。プローブの分離は、2.5mmであり、印加された電圧は、10Vであった。回路を通る電流は、電流計の検出限界(10マイクロA)を下回った。本実験から、抵抗率104オーム・cm以上であると推定した。図2に示されるように、結晶色は、暗茶色または黒色であった。明らかに、光学吸収係数は、可視波長範囲全体を通して、10cm−1より高い。転位密度は、本特定の結晶上で測定されなかったが、X線FWHMに基づいて、転位密度が約105cm−2以下であると推定する。
利点および改良点
本発明は、105cm−2を下回る転位密度を有する半絶縁III窒化物ウエハを提供する。Biは、アモノサーマル成長によって半絶縁III族窒化物バルク結晶を成長させるための効率的ドーパントである。Biの高濃度ドープを用いても、結晶品質は、著しく劣化しなかった。BiでドープされたIII族窒化物バルク結晶をスライスすることによって加工されたウエハは、HEMT等の電子素子に好適であることが予想される。
本発明は、105cm−2を下回る転位密度を有する半絶縁III窒化物ウエハを提供する。Biは、アモノサーマル成長によって半絶縁III族窒化物バルク結晶を成長させるための効率的ドーパントである。Biの高濃度ドープを用いても、結晶品質は、著しく劣化しなかった。BiでドープされたIII族窒化物バルク結晶をスライスすることによって加工されたウエハは、HEMT等の電子素子に好適であることが予想される。
可能性として考えられる修正
好ましい実施形態は、GaN基板を説明するが、基板は、AlN、AlGaN、InN、InGaN、またはGaAlInN等の種々の組成物のIII族窒化物合金であることができる。
好ましい実施形態は、GaN基板を説明するが、基板は、AlN、AlGaN、InN、InGaN、またはGaAlInN等の種々の組成物のIII族窒化物合金であることができる。
好ましい実施形態は、バルク成長法として、アモノサーマル成長を説明するが、高圧溶液成長、フラックス成長、水素化物気相エピタキシ、物理気相輸送、または昇華成長等の他の成長法も、使用されることができる。
好ましい実施形態は、c−平面GaNを説明するが、a−面、m−面、および種々の半極性表面等の他の配向もまた、使用されることができる。加えて、表面は、若干、これらの配向からミスカット(ずれてスライス)されることができる。
好ましい実施形態は、ドーパントとして金属Biを説明するが、Biでドープされた多結晶GaN、Biでドープされた非晶質GaN、Biでドープされた単結晶GaN等のBiでドープされたIII族窒化物も、ドープ濃度のより優れた制御のために使用されることができる。
BiでドープされたIII族窒化物結晶が、前述で論じられるが、硫黄、セレン、アンチモン、スズ、または鉛、あるいはこれらの任意の組み合わせ等の他の元素が、半絶縁III族窒化物結晶の代わりに、またはそのためのビスマスと組み合わせて、ドーパントとして作用してもよい。
参考文献
以下の参考文献は、参照することによって本明細書に組み込まれる。
[1]R. Dwilinski, R. Doradzinski, J. Garczynski, L. Sierzputowski, Y. Kanbara(米国特許第6,656,615号)
[2]R. Dwilinski, R. Doradzinski, J. Garczynski, L. Sierzputowski, Y. Kanbara(米国特許第7,132,730号)
[3]R. Dwilinski, R. Doradzinski, J. Garczynski, L. Sierzputowski, Y. Kanbara(米国特許第7,160,388号)
[4]K. Fujito, T. Hashimoto, S. Nakamura(国際特許出願第PCT/US2005/024239号、第WO07008198号)
[5]T. Hashimoto, M. Saito, S. Nakamura(国際特許出願第PCT/US2007/008743号、第WO07117689号。また、第US20070234946号、2007年4月6日出願の米国出願第11/784,339号も参照。)
[6]D’ Eyelyn(米国特許第7,078,731号)
[7]Vaudo, et al.,(米国特許第7,170,095号)
前述の参考文献はそれぞれ、特に、アモノサーマル法を作製、使用し、これらの窒化ガリウム基板を使用する方法の説明に関して、本明細書に完全に記載される場合と同様に、参照することによって全体として組み込まれる。
以下の参考文献は、参照することによって本明細書に組み込まれる。
[1]R. Dwilinski, R. Doradzinski, J. Garczynski, L. Sierzputowski, Y. Kanbara(米国特許第6,656,615号)
[2]R. Dwilinski, R. Doradzinski, J. Garczynski, L. Sierzputowski, Y. Kanbara(米国特許第7,132,730号)
[3]R. Dwilinski, R. Doradzinski, J. Garczynski, L. Sierzputowski, Y. Kanbara(米国特許第7,160,388号)
[4]K. Fujito, T. Hashimoto, S. Nakamura(国際特許出願第PCT/US2005/024239号、第WO07008198号)
[5]T. Hashimoto, M. Saito, S. Nakamura(国際特許出願第PCT/US2007/008743号、第WO07117689号。また、第US20070234946号、2007年4月6日出願の米国出願第11/784,339号も参照。)
[6]D’ Eyelyn(米国特許第7,078,731号)
[7]Vaudo, et al.,(米国特許第7,170,095号)
前述の参考文献はそれぞれ、特に、アモノサーマル法を作製、使用し、これらの窒化ガリウム基板を使用する方法の説明に関して、本明細書に完全に記載される場合と同様に、参照することによって全体として組み込まれる。
Claims (16)
- 半絶縁ウエハであって、前記半絶縁ウエハは、アモノサーマル法を用いて成長された結晶GaxAlyIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦x+y≦1)を備え、前記結晶Ga x Al y In 1−x−y Nは、10mm2を上回る表面積および200ミクロンを上回る厚さを有し、前記結晶GaxAlyIn1−x−yNは、前記ウエハを半絶縁にするために所定量のビスマスでドープされ、
前記ウエハの抵抗率は、10 4 オーム・cmを上回る、半絶縁ウエハ。 - 前記結晶は、超臨界アンモニア中で成長されたGaxAlyIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦x+y≦1)のバルクインゴットをスライスすることによって加工される、請求項1に記載の半絶縁ウエハ。
- 前記ウエハは、105cm−2未満の線欠陥および粒界の密度を伴う、高配向多結晶または単結晶のGaxAlyIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦x+y≦1)を備える、請求項1〜2のいずれかに記載の半絶縁ウエハ。
- 前記ウエハは、GaNである、請求項1〜3のいずれかに記載の半絶縁ウエハ。
- ビスマスでドープされた前記結晶GaxAlyIn1−x−yNは、105cm−2未満の転位および/または粒界の密度を有する、請求項1〜4のいずれかに記載の半絶縁ウエハ。
- ビスマスでドープされた前記結晶GaxAlyIn1−x−yNは、III族窒化物基板上の層である、請求項1〜5のいずれかに記載の半絶縁ウエハ。
- 前記ウエハは、前記ウエハ全体を通して、ビスマスでドープされた結晶GaxAlyIn1−x−yNを備える、請求項1〜5のいずれかに記載の半絶縁ウエハ。
- 請求項1〜7のいずれかのウエハ上に形成された電子素子または光学素子または光電子素子。
- 10mm2を上回る表面積および200ミクロンを上回る厚さを有する、ビスマスでドープされたIII族窒化物バルク結晶を成長させる方法であって、前記方法は、
(a)III族含有原料を高圧反応器内に設置することと、
(b)鉱化剤を前記高圧反応器内に設置することと、
(c)少なくとも1つのシード結晶を前記高圧反応器内に設置することと、
(d)所定量のビスマス含有ドーパントを前記高圧反応器内に設置することと、
(e)アンモニアを前記高圧反応器内に設置することと、
(f)前記高圧反応器を密閉することと、
(g)十分な熱を前記アンモニアに提供し、アンモニアの超臨界状態を生成することと、
(h)III族窒化物を前記シード結晶上に結晶化させることと
を含み、
前記結晶化されたIII族窒化物は、前記所定量のビスマス含有ドーパントに起因して半絶縁であり、
前記結晶化されたIII族窒化物の抵抗率は、10 4 オーム・cmを上回る、方法。 - 前記ビスマス含有ドーパントは、金属ビスマスおよびビスマスでドープされたIII族窒化物から選択される、請求項9に記載の方法。
- 前記シード結晶上に結晶化されるIII族窒化物は、GaNである、請求項9または請求項10に記載の方法。
- 前記シード結晶は、GaNである、請求項9〜11のいずれかに記載の方法。
- 前記鉱化剤は、アルカリ金属を含有する、請求項9〜12のいずれかに記載の方法。
- 前記鉱化剤は、ナトリウムを含有する、請求項9〜13のいずれかに記載の方法。
- ビスマスでドープされたIII族窒化物半絶縁ウエハを加工する方法であって、前記方法は、請求項9〜14のいずれかに記載のようにビスマスでドープされたIII族窒化物バルク結晶を成長させることと、前記バルク結晶をスライスすることにより、前記ウエハを形成することとを含む、方法。
- 素子が加工されることになる前記ウエハの表面を研磨することをさらに含む、請求項15に記載の方法。
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