JP2020145433A - 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
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。
図1Cは、パターンマスク層(単数または複数)111の開口部のいくつかの可能な配置構成の上面図えある。特定の実施形態において、パターンマスク層(単数または複数)111の開口部は、一次元(1D)アレイ状の開口部を含む。特定の実施形態において、パターンマスク層(単数または複数)111の開口部は、二次元(2D)アレイ状の開口部を含む。これらの開口部は、円形、正方形、矩形、三角形、六角形などでよく、開口部寸法または直径Wは約1マイクロメートル〜約5ミリメートルまたは約10マイクロメートル〜約500マイクロメートルでよい。これらの開口部は、六角形または正方形アレイ状に配置され、ピッチ寸法Lは、約5マイクロメートル〜約20ミリメートル、または約200マイクロメートル〜約5ミリメートルでよい。これらの開口部は、矩形、平行四辺形、六角形または台形アレイ状に配置されてよく、2つの直交方向におけるピッチ寸法L1およびL2は互いに異なっていてよい。開口部アレイは、線状または不規則であってもよい。パターンマスク層(単数または複数)111の開口部は、基板101の構体に位置合せして配置してよい。例えば、特定の実施形態において、表面102は六角形(例えば、(0001)または(000−1)結晶方位)である。パターンマスク層(単数または複数)111の開口部は2D六角形アレイを含み、これにより、最近接開口部間の間隔が表面102において<11−20>または<10−10>方向に対して平行となる。特定の実施形態において、表面102は非極性または半極性であり、パターンマスク層(単数または複数)111の開口部は2D正方形または矩形アレイを含み、これにより、最近接開口部間の間隔は、表面102上のc軸、m軸およびa軸のうちの2本の延長線に平行となる。特定の実施形態において、開口部のパターンは、基板101の構体に対して斜め方向に配置され、例えば、パターンマスク層(単数または複数)111の開口部を基板の高対称性の軸(例えば、表面102上のc軸、m軸またはa軸の延長線)に対して約1度および約44度だけ回転させる。特定の実施形態において、これらの開口部は、実質的に円形でなく、実質的に線状である。特定の実施形態において、これらの開口部は、幅Wおよび周期Lのスリットのアレイを含み、スリットは、基板101の全長に及んでいる。特定の実施形態において、これらのスリットの所定の長さW2は基板101の長さより短く、これらのスリットは、長さ周期L2を画成するように配置されている。スリットの隣接行は、図1Dに示すように、直接隣接配置するのではなく、横方向に互いにずれていてもよい。特定の実施形態において、これらのスリットの隣接行は、長手方向に互いにずれていてもよい。各スリットは、図1Dにも示すように、2つ以上の方向に配向されていてもよい。
特定の方法において、本方法はさらに、ソーイング、ラップ仕上げ、研削、研磨、化学機械研磨またはエッチングのうちの1つ以上をアモノサーマルIII族金属窒化物層に対して行うことを含む。
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 (37)
- ウルツ鉱結晶構造を有し、第1の表面と該第1の表面に対向する第2の表面を含む、第III族金属と窒素を含む第III族金属窒化物結晶と、
前記第1の表面の少なくとも一部を覆う、少なくとも1つのn型エピタキシャル層、少なくとも1つのAlInGaNエピタキシャル層、および、少なくとも1つのp型エピタキシャル層と、
前記p型エピタキシャル層の少なくとも一部上に配置された、p型電極と、
n型電極と、
を含むデバイスであって、
前記第2の表面は、103cm−1未満の積層欠陥の平均密度と、1017cm−3より高い不純物Hの濃度と、1015cm−3より高いLi、Na、K、F、Cl、BrおよびIのうちの少なくとも1つの不純物の濃度とを有し、
前記第2の表面は、複数の第1の領域を有し、該複数の第1の領域の各々が、5cm−1〜105cm−1の間の密度を有する貫通転位の局所的に略線状のアレイを含み、
前記第2の表面は、更に複数の第2の領域を含み、該複数の第2の領域の各々は、前記複数の第1の領域の隣接するペアの間に配置され、105cm−2未満の密度の貫通転位と、103cm−1未満の密度の積層欠陥を有し、
前記第2の表面は、更に複数の第3の領域を含み、該複数の第3の領域の各々は、前記第2の領域の内の1つの中、または、前記第2の領域の隣接するペアの領域の間に配置され、10マイクロメートルと500マイクロメートルとの間の範囲の最小寸法を有し、かつ、前記第2の領域の貫通転位密度よりも1桁以上高い貫通転位の密度を有することを特徴とするデバイス。 - 前記第III族金属が、ガリウム、アルミニウム、インジウム、及びこれらの組み合わせから選ばれることを特徴とする、請求項1記載のデバイス。
- 前記第2の表面が、102cm−2〜2×105cm−2の範囲の貫通転位の平均密度を有することを特徴とする、請求項1または2記載のデバイス。
- 前記第2の表面が、200秒角未満の対称なx線ロッキングカーブ半値全幅を有することを特徴とする、請求項1〜3のうちのいずれか1項に記載のデバイス。
- 前記AlInGaNエピタキシャル層が、単量子井戸、多量子井戸及びダブルヘテロ構造の内の少なくとも1つを含むことを特徴とする、請求項1〜4のうちのいずれか1項に記載のデバイス。
- 前記p型電極が、前記第2の領域に対向する前記第1の表面の領域を覆うが、前記第3の領域に対向する前記第1の表面の領域を覆わないことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載のデバイス。
- 前記p型電極が、前記第1の領域に対向する前記第1の表面の領域を覆わないことを特徴とする、請求項1〜6のうちのいずれか1項に記載のデバイス。
- 前記p型電極が、透明であることを特徴とする、請求項1〜7のうちのいずれか1項に記載のデバイス。
- メサをさらに含み、該メサが、前記p型電極を含むことを特徴とする、請求項1〜8のうちのいずれか1項に記載のデバイス。
- 前記n型電極が、前記第2の表面を覆うことを特徴とする、請求項1〜9のうちのいずれか1項に記載のデバイス。
- 前記n型電極が、前記n型エピタキシャル層を前記メサから第1の方向に所定の距離離れた位置において覆い、前記第1の方向は前記第1の表面に平行であることを特徴とする、請求項9記載のデバイス。
- 前記p型電極が、前記第1の領域に対向する前記第1の表面の領域を覆い、前記n型電極が、前記第3の領域を含む領域から選ばれた領域、および、前記第3の領域に対向する領域から選ばれた領域を覆うことを特徴とする、請求項1〜6および8〜11のうちのいずれか1項に記載のデバイス。
- 前記第1の表面が、{10−10}m面の5度以内である結晶方位を有することを特徴とする、請求項1〜12のうちのいずれか1項に記載のデバイス。
- 前記第1の表面が、(0001)+c面の5度以内であるか、または(000−1)−c面の5度以内であるの結晶方位を有することを特徴とする、請求項1〜12のうちのいずれか1項に記載のデバイス。
- 前記第1の表面が、{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1つの半極性方位から5°以内の結晶方位を有することを特徴とする、請求項1〜12のうちのいずれか1項に記載のデバイス。
- 前記第2の表面が、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、1×1016cm−3から1×1019cm−3の間の範囲、1×1017cm−3より高く2×1019cm−3以下の範囲、ならびに1×1015cm−3から1×1019cm−3の間の範囲にあることを特徴とする、請求項1〜15のうちのいずれか1項に記載のデバイス。
- 前記第2の表面が、酸素(O)、水素(H)、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、1×1016cm−3から1×1019cm−3の間の範囲、1×1017cm−3より高く2×1019cm−3以下の範囲、ならびに、3×1015cm−3から1×1018cm−3の間の範囲であることを特徴とする、請求項1〜15のうちのいずれか1項に記載のデバイス。
- 前記複数の第1の領域の前記局所的に略線状のアレイが、<10−10>、<11−20>及び<000±1>のうちから選択される結晶面の5度以内の方位を有し、前記第2の表面の前記結晶面上の突起であることを特徴とする、請求項1〜17のうちのいずれか1項に記載のデバイス。
- 前記第2の表面は、対称なx線方向ロッキングカーブの半値全幅値が100秒角未満であり、全体的貫通転位密度が105cm−2未満であり、
前記複数の第2の領域の前記貫通転位密度が104cm−2未満であることを特徴とする請求項1〜18のうちのいずれか1項に記載のデバイス。 - 前記第2の表面が、1cm−1未満の積層欠陥の平均密度を有することを特徴とする、請求項1〜19のうちのいずれか1項記載のデバイス。
- Li、Na、K、F、Cl、BrおよびIのうちの少なくとも1つの不純物についての前記不純物濃度が、1016cm−3より高いことを特徴とする請求項1〜20のうちのいずれか1項記載のデバイス。
- 不純物Hの濃度が1018cm−3より高いことを特徴とする請求項1〜21のうちのいずれか1項記載のデバイス。
- 不純物Hの濃度の不純物Oの濃度に対する比が1.1〜100であることを特徴とする、請求項1〜22のうちのいずれか1項記載のデバイス。
- 基板上にパターンマスク層を堆積させる工程であって、
該パターンマスク層は、接着層と、該接着層を覆う不活性層とを含み、前記基板は、単結晶の第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つから選択されるものであり、107cm−2未満の貫通転位密度および104cm−1未満の積層欠陥密度を有し、前記接着層は、Ti、TiN、TiNy、TiSi2、Ta、TaNy、Al、Ge、AlxGey、Cu、Si、Cr、V、Ni、W、TiWx、及びTiWxNyから選ばれる1つ以上を含み、1ナノメートル〜1マイクロメートルの間の厚さを有し、前記不活性層は、Au、Ag、Pt、Pd、Rh、Ru、Ir、Ni、Cr、V、Ti及びTaから選ばれる1以上を含み、10ナノメートル〜100マイクロメートルの間の厚さを有し、前記パターンマスク層は、前記不活性層および前記接着層を貫通する、1次元または2次元のアレイ状の複数の開口部を有する、工程;
前記基板を密封可能なコンテナ中に第III族金属源、鉱化剤組成物、及びアンモニアと共に配置する工程;
前記密封可能なコンテナを、400℃を超える温度に加熱することにより、アモノサーマル第III族金属窒化物を、前記パターンマスク層の前記複数の開口部の内部で、前記開口部を通して垂直方向に成長させ、続けて、前記パターンマスク層上を横方向に成長させ、第1のアモノサーマル第III族金属窒化物材料を形成する工程、
前記密封可能なコンテナを、50MPa超に加圧する工程、
前記第1のアモノサーマル第III族金属窒化物材料から、第1の自立の第III族金属窒化物ウエハまたは第1の自立の第III族金属窒化物の種晶を形成する工程、及び、
前記第1の自立の第III族金属窒化物ウエハの第1の表面の一部上に、あるいは、前記第1の自立の第III族金属窒化物の種晶に追加のバルク結晶成長プロセスを実施することにより調製された第2の自立の第III族金属窒化物ウエハの表面上に、デバイスを作製する工程、
を含む、デバイスを形成する方法。 - 前記第2の自立の第III族金属窒化物ウエハを調製する工程が、
前記第1の自立の第III族金属窒化物の種晶上に、更なるバルク結晶成長プロセスを実施して、第2の第III族金属窒化物のブールを形成する工程、および、
前記第2の第III族金属窒化物のブールをスライスして、1つ以上の自立の第III族金属窒化物ウエハを作成する工程、
を含む、請求項24に記載の方法。 - 更に、前記アモノサーマル第III族金属窒化物材料を前記パターンマスク層上に横方向に成長させ接合させることにより、パターン化されたアモノサーマル第III族金属窒化物層を形成する工程を含み、
前記接合により生じた1つ以上の面が、貫通転位の局所的に略線状のアレイのパターンを含み、前記貫通転位の密度が5cm−1〜105cm−1の範囲にあり、デバイスのアレイが、前記第1の自立の第III族金属窒化物ウエハの前記第1の表面上、または、前記第2の自立の第III族金属窒化物ウエハの前記表面上に、前記貫通転位の局所的に略線状のパターンに位置合わせされて形成されることを特徴とする、請求項24に記載の方法。 - 基板上にパターンマスク層を堆積させる工程であって、
該パターンマスク層は、接着層と、該接着層を覆う不活性層とを含み、前記基板は、単結晶の第III族金属窒化物であり、107cm−2未満の貫通転位密度を有し、前記接着層は、Ti、TiN、TiNy、TiSi2、Ta、TaNy、Al、Ge、AlxGey、Cu、Si、Cr、V、Ni、W、TiWx、及びTiWxNyから選ばれる1つ以上を含み、1ナノメートル〜1マイクロメートルの間の厚さを有し、前記不活性層は、Au、Ag、Pt、Pd、Rh、Ru、Ir、Ni、Cr、V、Ti及びTaから選ばれる1以上を含み、10ナノメートル〜100マイクロメートルの間の厚さを有し、前記パターンマスク層は、前記不活性層および前記接着層を貫通する、1次元または2次元のアレイ状の複数の開口部を有する、工程;
前記基板を密封可能なコンテナ中に第III族金属源、鉱化剤組成物、及びアンモニアと共に配置する工程;
前記密封可能なコンテナを、400℃を超える温度に加熱することにより、アモノサーマル第III族金属窒化物を、前記パターンマスク層の前記複数の開口部の内部で、前記開口部を通して垂直方向に成長させ、続けて、前記パターンマスク層上を横方向に成長させ、第1のアモノサーマル第III族金属窒化物材料を形成する工程、
前記密封可能なコンテナを、50MPa超に加圧する工程、
前記第1のアモノサーマル第III族金属窒化物材料から、第1の自立の第III族金属窒化物ウエハまたは第1の自立の第III族金属窒化物の種晶を形成する工程、及び、
前記第1の自立の第III族金属窒化物ウエハの第1の表面の一部上に、あるいは、前記第1の自立の第III族金属窒化物の種晶に追加のバルク結晶成長プロセスを実施することにより調製された第2の自立の第III族金属窒化物ウエハの表面上に、デバイスを作製する工程;
を含む、デバイスを形成する方法。 - 前記第2の自立の第III族金属窒化物ウエハを調製する工程が、
前記第1の自立の第III族金属窒化物の種晶上に、更なるバルク結晶成長プロセスを実施して、第2の第III族金属窒化物のブールを形成する工程、および、
前記第2の第III族金属窒化物のブールをスライスして、1つ以上の自立の第III族金属窒化物ウエハを作成する工程、
を含む、請求項27に記載の方法。 - 前記アモノサーマル第III族金属窒化物を、前記パターンマスク層上を横方向に成長させる工程が、さらに、
前記アモノサーマル第III族金属窒化物材料を前記パターンマスク層上に横方向に成長させ接合させることにより、パターン化されたアモノサーマル第III族金属窒化物層を形成する工程を含み、
前記接合により生じた1つ以上の面が、貫通転位の局所的に略線状のアレイのパターンを含み、前記貫通転位の密度が5cm−1〜105cm−1の範囲にあり、デバイスのアレイが、前記第1の自立の第III族金属窒化物ウエハの第1の表面上、または、前記第2の自立の第III族金属窒化物ウエハの第1の表面上に、前記貫通転位の局所的に略線状のパターンに位置合わせされて形成されることを特徴とする、請求項27に記載の方法。 - 前記基板が、ガリウム含有窒化物、窒化ガリウム、およびアルミニウム窒化物(AlN)のうちから選択される、請求項24〜29のうちのいずれか1項に記載の方法。
- 前記方法が、さらに、
少なくとも1つのn型エピタキシャル層、単量子井戸、多量子井戸及びダブルヘテロ構造の内の少なくとも1つを含む、AlInGaNエピタキシャル層、及び、前記第1の表面の少なくとも一部を覆う、p型エピタキシャル層を成長させる工程、および
p型電極を堆積させる工程、
を含み、
前記p型電極は、横方向に成長したアモノサーマル第III族金属窒化物材料を覆う前記第1の表面の領域を覆うが、垂直方向に成長したアモノサーマル第III族金属窒化物材料を覆わないことを特徴とする、請求項26または29に記載の方法。 - 前記p型電極が、前記貫通転位の局所的に略線状のアレイのパターンを覆わないことを特徴とする、請求項31に記載の方法。
- 前記p型電極が、透明であることを特徴とする、請求項31または32に記載の方法。
- 前記p型電極を含む、メサを形成する工程をさらに含む、請求項31〜33のうちのいずれか1項に記載の方法。
- 前記n型電極が、前記第1の表面に対向する第2の表面を覆うことを特徴とする、請求項31〜34のうちのいずれか1項に記載の方法。
- 前記n型電極が、前記n型エピタキシャル層を、前記メサから第1の方向に所定の距離離れた位置において覆い、前記第1の方向は前記第1の表面に平行であることを特徴とする、請求項34に記載の方法。
- 前記p型電極が、前記貫通転位の局所的に略線状のアレイのパターンの少なくとも一部を覆い、前記n型電極が、前記垂直方向に成長したアモノサーマル第III族金属窒化物の少なくとも一部を覆うことを特徴とする、請求項31に記載の方法。
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