JP5270348B2 - 有機金属化学気相成長法による半極性(Al,In,Ga,B)Nの成長促進法 - Google Patents
有機金属化学気相成長法による半極性(Al,In,Ga,B)Nの成長促進法 Download PDFInfo
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Description
本出願は米国特許法第119条(e)に基づいて、本発明の譲受人に譲渡された以下の同時係属の米国特許出願の利益を主張するものである。
この出願は参照として本明細書中に組み込まれているものとする。
上記出願は米国特許法第119条(e)に基づいて、次の特許文献の利益を主張している。
ロバート・M.ファレル(Robert M.Farrell)、トロイ・J.ベーカー、アーパン チャクラボーティ(Arpan Chakraborty)、ベンジャミン・A.ハスケル、P.モルガン・パチソン(P.Morgan Pattison)、ラジャット・シャーマ(Rajat Sharma)、ウメシュ・K.ミシュラ(Umesh K. Mishra)、スティーブン・P.デンバース、ジェームス・S.スペック、および中村修二による米国実用特許出願第11/444,946号、2006年6月1日出願、発明の名称「半極性(Ga,Al,In,B)N薄膜、ヘテロ構造およびデバイスの成長と作製のための方法及び装置(TECHNIQUE FOR THE GROWTH AND FABRICATION OF SEMIPOLAR(Ga,Al,In,B)N THIN FILMS,HETEROSTRUCTURES,AND DEVICES)」代理人整理番号30794.140−US−U1(2005−668−2);
上記出願は米国特許法第119条(e)に基づいて、次の特許文献の利益を主張している。
トロイ・J.ベーカー、ベンジャミン・A.ハスケル、ジェームス・S.スペック、および中村修二による米国実用特許出願第11/486,224、2006年7月13日出願、発明の名称「半極性窒化物薄膜の欠陥低減のための横方向成長方法(LATERAL GROWTH METHOD FOR DEFECT REDUCTION OF SEMI−POLAR NITRIDE FILMS)」代理人整理番号30794.141−US−U1(2005−672−2);
上記出願は米国特許法第119条(e)に基づいて、次の特許文献の利益を主張している。
ジョン・F.ケディング(John F.Kaeding)、マイケル・イザ、トロイ・J.ベーカー、サトー・ヒロシ(Hiroshi Sato)、ベンジャミン・A.ハスケル、ジェームス・S.スペック、スティーブン・P.デンバース、および中村修二による米国特許仮出願第60/760,739号、2006年1月20日出願、発明の名称「半極性(Al,In,Ga,B)Nの改良成長法(METHOD FOR IMPROVED GROWTH OF SEMIPOLAR (Al,In,Ga,B)N)」、代理人整理番号 30794.150−US−P1(2006−126−1);
サトー・ヒロシ、ジョン・F.ケディング、マイケル・イザ、トロイ・J.ベーカー、ベンジャミン・A.ハスケル、スティーブン・P.デンバース、および中村修二による米国特許仮出願第60/760,628号、2006年1月20日出願、発明の名称「有機金属化学気相成長法による半極性(Al,In,Ga,B)Nの成長促進方法(METHOD FOR ENHANCING GROWTH OF SEMIPOLAR (Al,In,Ga,B)N VIA METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION)」、代理人整理番号30794.159−US−P1(2006−178−1);
ジョン・F.ケディング、サトー・ヒロシ、マイケル・イザ、アサミズ・ヒロクニ(Hirokuni Asamizu)、ホン・ゾーン(Hong Zhong)、スティーブン・P.デンバース、および中村修二による米国特許仮出願第60/772,184号、2006年2月10日出願、発明の名称「半極性(Al,In,Ga,B)Nの導電性制御の方法(METHOD FOR CONDUCTIVITY CONTROL OF SEMIPOLAR (Al,In,Ga,B)N)」、代理人整理番号 30794.166−US−P1(2006−285−1);
ホン・ゾーン、ジョン・F.ケディング、ラジャット・シャーマ、ジェームス・S.スペック、スティーブン・P.デンバース、および中村修二による米国特許仮出願第 60/774,467号、2006年2月17日出願、発明の名称「半極性(Al,In,Ga,B)N光電子デバイスの成長方法(METHOD FOR GROWTH OF SEMIPOLAR (Al,ln,Ga,B)N OPTOELECTRONICS DEVICES)」、代理人整理番号 30794.173−US−P1(2006−422−1);
これらの出願は全て参照として本明細書中に組み込まれているものとする。
1.本発明の技術分野
本発明は半導体の材料と方法とデバイスとに関し、より具体的には有機金属化学気相成膜法によって半極性(A1,In,Ga,B)Nの成長を促進する方法に関するものである。
(注意:この出願は、本明細書を通じて、括弧で囲まれる1つ以上の参照番号、たとえば[参考文献x]で示された、多くの異なる刊行物を参照する。参照番号順に並べられたこれらの文献のリストは、以下の[参考文献]と書かれたセクションに示す。これらの刊行物はそれぞれ本明細書中に組み込まれる。)
窒化ガリウム(GaN)およびそのアルミニウムとインジウムを含む3元および4元化合物(AlGaN,InGaN,AlInGaN)の有用性は、可視光および紫外光の光電子デバイスおよび高出力電子デバイスの作製において十分に確立された。これらのデバイスは、通常は分子線エピタキシー(MBE)、有機金属化学気相成長法(MOCVD)、およびハイドライド気相エピタキシー(HVPE)を含む技術を用いてエピタキシャルに成長される。
[参考文献1]Nishizuka,K.,Applied Physics Letters,Vol.85 Number 15,11 October 2004.
[参考文献2]H.Amano,N.Sawaki,I.Akasaki and Y.Toyoda,Applied Physics Letters,Vol.48(1986)pp.353.
[参考文献3]S.Nakamura,Japanese Journal of Applied Physics,Vol.30,No.10A,October,1991,pp.L1705−L1707.
[参考文献4]D.D.Koleske,M.E.Coltrin,K.C.Cross,C.C.Mitchell,A.A.Allerman,Journal of crystal Growth Vol.273,(2004),pp.86.
[参考文献5]B.Moran,F.Wu,A.E.Romanov,U.K.Mishra,S.P.Denbaars,J.S.Speck,Journal of crystal Growth Vol.273,(2004),pp.38−47.
[参考文献6]米国特許第4,855,249号、1989年8月8日発行、発明者Akasakiらによる、発明の名称“Process for growing III−V compound semiconductors on sapphire using a buffer layer”。
[参考文献7]米国特許第5,741,724号、1998年4月21日発行、発明者Ramdaniらによる、 発明の名称“Method of growing gallium nitride on a spinel substrate”。
概要
本発明は、<011> 方向にミスカットした{100} MgAl2O4(スピネル)基板上にMOCVDを用いてデバイス品質の半極性で平坦な{10−11}窒化物半導体薄膜を成長するための方法を記述する。半極性窒化物半導体、たとえば{10−11}および{10−13}のGaNの成長は、ウルツ鉱型構造III族窒化物デバイス構造における分極の影響を低減する手段を提供する。窒化物という用語はGanAlxInyBzN(0≦n≦1、0≦x≦1、 0≦y≦1、0≦z≦1、n+x+y+z=1)という化学式を持つ(Ga,A1,In,B)N半導体の任意の合金組成を指している。
技術的に関する説明
本発明は、緩衝層あるいは核生成層を用いることによって半極性窒化物薄膜の成長を促進する方法である。この例は{10−11}GaN薄膜である。この実施例では、<011>方向にミスカットした{100}MgAl2O4スピネル基板が成長プロセスのために用いられる。平坦な半極性GaNを実現するためには、GaNの成長の前に高いアルミニウム組成を持つAlxInyGa1−x−yN核生成層を用いることが決定的に重要である。
処理工程
図1は、以下に記述する本発明の好ましい実施例による、スピネル基板上の半極性窒化ガリウム(GaN)薄膜の成長のためのMOCVD工程のステップを示すフローチャートである。
可能な変更と変形
本発明の技術範囲は、言及した特定の例だけでなくそれ以外も含まれる。図1に示した方法は、任意の半極性面上の全ての半導体窒化物に適合する。例えば、ブロック16では、ミスカット(100)スピネル基板上に{10−11}AlN、InN、AlGaN、InGaNあるいはAlInNを成長することが出来る。他の例は、ブロック16で{10−14}4H−SiCのような適当な基板を用いれば{10−12}窒化物を成長することができ、また、ミスカットm面Al2O3基板上に半極性で平坦な{11−22}を成長することが出来るということである。これらの例および他の可能性はまた、平坦な半極性薄膜の利点の全てを享受するものである。図1の方法は、ブロック14の窒化物の緩衝層あるいは核生成層を用いることにより半導体半極性窒化物薄膜を生成する任意の成長技術を含んでいる。
利点と改良点
現行の実施形態は、表面に垂直なc面を持つGaNを成長することである。この面は、デバイス特性にとっては致命的な自発分極と圧電分極を持っている。c面窒化物薄膜に対して半極性窒化物薄膜の利点は分極の低減とそれに関連するある種のデバイスの内部量子効率の上昇である。
参考文献
次の文献は参照として本明細書中に組み込まれているものとする。
[1]Nishizuka,K.,Applied Physics Letters,Vol.85 Number 15,11 October 2004.
この論文はELO材料の{11−12}GaN側壁についての研究論文である。
[2]H.Amano,N.Sawaki,I.Akasaki and Y.Toyoda,Applied Physics Letters,Vol.48(1986)pp.353.
この論文はc面GaN結晶品質の改良のためにAlN緩衝層を用いることを記している。
[3]S.Nakamura,Japanese Journal of Applied Physics,Vol.30,No.10A,October,1991,pp.L1705−L1707.
この論文はc面GaN結晶品質の改良のためにGaN緩衝層を用いることを記している。
[4]D.D.Koleske,M.E.Coltrin,K.C.Cross,C.C.Mitchell,A.A.Allerman,Journal of crystal Growth Vol.273,(2004),pp.86.
この論文はGaN緩衝層がサファイヤ基板上のc面GaNの形態変化に与える効果について記している。
[5]B.Moran,F.Wu,A.E.Romanov,U.K.Mishra,S.P.Denbaars,J.S.Speck,Journal of crystal Growth Vol.273,(2004),pp.38−47.
この論文はAlN緩衝層が炭化珪素基板上のc面GaNの形態変化に与える効果について記している。
[6]米国特許第4,855,249号、1989年8月8日発行、発明者Akasakiらによる、発明の名称“Process for growing III−V compound semiconductors on sapphire using a buffer layer”。
[7]米国特許第5,741,724号、1998年4月21日発行、発明者Ramdaniらによる、 発明の名称“Method of growing gallium nitride on a spinel substrate”。
結論
これで本発明の好ましい実施形態の説明を終える。本発明の1つ以上の実施形態に関する上記の記述は、例示と記載のために示された。開示の形態そのものによって本発明を包括または限定することを意図するものではない。多くの変更と変形が上記の教示に照らして可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなく、本明細書に添付の請求項によって限定されるものである。
Claims (20)
- 基板上に半極性III族窒化物膜を有機金属化学気相成長法(MOCVD)で成長する方法であって、
(a)基板上、または基板を覆うように窒化物の核生成層あるいは緩衝層を成長するステップと、
(b)前記窒化物の核生成層あるいは緩衝層上、または該核生成層あるいは緩衝層を覆うように半極性III族窒化物膜を成長するステップとを備え、前記半極性III族窒化物膜の成長表面は前記基板の表面に平行であり、前記半極性III族窒化物膜の一つ以上の特徴は、
前記半極性III族膜の5μm×5μmの面積あたりの表面凹凸が7nm未満であり、
前記半極性III族窒化物膜の微小構造品質は、x線回折で測定された0.43°未満の半値全幅(FWHM)を有するロッキング・カーブにより特徴づけられることを特徴とする方法。 - 前記窒化物の核生成層あるいは緩衝層は、x=1でy=0のAlx Iny Ga1-x-y Nを含んで構成されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記半極性III族窒化物膜は、組成変化または組成傾斜を有する複数の層を含んで構成されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記半極性III族窒化物膜は、(Al,Ga,In,B)Nの組成の異なる層を1つ以上の含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記半極性III族窒化物膜は、(Al,Ga,In,B)Nの組成の異なる層を含むヘテロ構造を備えることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記半極性III族窒化物膜は、実質的にFe、Si、およびMgからなる元素でドープされていることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記成長表面は10ミクロン幅の面積よりも大きいことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記半極性III族窒化物膜は、直径2インチの基板をカバーするように成長することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記核生成層あるいは緩衝層を成長する前に基板を窒化するステップを更に含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記半極性III族窒化物膜は、ハイドライド気相成長エピタキシー(HVPE)、有機金属化学気相成長法(MOCVD)、あるいは分子線エピタキシー(MBE)法による次の成長のためのテンプレートあるいは基板として用いられることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記成長表面上に作製される電子または光電子デバイスをさらに備えることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記成長表面は平坦で、前記半極性III族窒化物膜は窒化ガリウムであることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記半極性III族窒化物膜は{10−11}III窒化物であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記半極性III族窒化物膜は{10−12}III族窒化物であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記半極性III族窒化物膜は{10−14}III族窒化物であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記半極性III族窒化物膜は{10−13}III族窒化物であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記半極性III族窒化物膜は{20−21}III族窒化物であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記半極性III族窒化物膜は{11−22}III族窒化物であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記窒化物の核生成層あるいは緩衝層は、アルミニウム含有窒化物またはAlx Iny Ga1-x-y N(x>0および0≦y≦1)核生成層または緩衝層であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記表面凹凸が4nm未満であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
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