JP5461773B2 - Growth of m-plane gallium nitride low dislocation density in the flat by hydride vapor phase epitaxy - Google Patents

Growth of m-plane gallium nitride low dislocation density in the flat by hydride vapor phase epitaxy Download PDF

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Description

関連出願の相互参照 CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS
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。 This application is based on 35 USC §119 (e), which claims the benefit of U.S. patent application copending Assignee follows that to the assignee of the present invention.

ベンジャミン・A. Benjamin · A. ハスケル(Benjamin A. Haskell)、メルヴィン B. Haskell (Benjamin A. Haskell), Melvin B. マクローリン(Melvin B. McLaurin)、スティーブン・P. McLoughlin (Melvin B. McLaurin), Steven · P. デンバース(Steven P. DenBaars)、ジェームス・S. Danvers (Steven P. DenBaars), James · S. スペック(James S. Speck)、中村修二(Shuji Nakamura)による米国特許仮出願第60/576,685号、2004年6月3日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦で低転位密度のm面窒化ガリウムの成長( GROWTH OF PLANAR REDUCED DISLOCATION DENSITY M−PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY)」、代理人識別番号30794.119−US−P1 Spec (James S. Speck), US Provisional Patent Application No. 60 / 576,685 No. by Shuji Nakamura (Shuji Nakamura), low dislocation density in the flat by June 3, 2004, entitled "hydride vapor phase growth method of the invention density m-plane growth of gallium nitride (gROWTH oF PLANAR REDUCED DISLOCATION DENSITY M-pLANE gALLIUM nITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY) ", Attorney identification number 30794.119-US-P1
この出願は参照として本明細書中に組み込まれる。 This application is incorporated herein by reference.

本出願は米国特許法第119、120及び/または365条に基づいて、本発明の譲受人に譲渡された以下7つの同時係属出願の一部継続出願であり、その利益を主張するものである。 This application is based on the first 119, 120 and / or 365 Article USC, a continuation-in-part application of co-pending application assignee seven below to the assignee of the present invention, which claims the benefit .

(1)ベンジャミン・A. (1) Benjamin · A. ハスケル、マイケル・D. Haskell, Michael · D. クレイブン(Michael D.Craven)、ポール・T. Craven (Michael D.Craven), Paul · T. フィニ(Paul T. Fini)、スティーブン・P. Fini (Paul T. Fini), Steven · P. デンバース、ジェームス・S. Danvers, James · S. スペック、中村修二による国際特許出願第PCT/US03/21918号、2003年7月15日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長(GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON−POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY)」、代理人識別番号30794.93−WO−U1(2003−224−2)。 Specs, International Patent Application No. PCT / US03 / 21918 by Shuji Nakamura, July 15, 2003, entitled "hydride vapor phase epitaxy by the dislocation density of the low of the non-polar gallium nitride growth of the invention (GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY) ", attorney identification number 30794.93-WO-U1 (2003-224-2). この出願は、ベンジャミン・A. This application, Benjamin · A. ハスケル、マイケル・D. Haskell, Michael · D. クレイブン、ポール・T. Craven, Paul · T. フィニ、スティーブン・P. Fini, Steven · P. デンバース、ジェームス・S. Danvers, James · S. スペック、中村修二による米国特許仮出願第60/433,843号、2002年12月16日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長( GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON−POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY)」、代理人識別番号30794.93−US−P1(2003−224−1)の優先権を主張する。 Spec, US Provisional Patent Application No. 60 / 433,843 by Shuji Nakamura, December 16, 2002, entitled "hydride vapor phase epitaxy by the dislocation density of the low of the non-polar gallium nitride growth of the invention (GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY) ", claims the priority of attorney identification number 30794.93-US-P1 (2003-224-1).

(2)ベンジャミン・A. (2) Benjamin · A. ハスケル、ポール・T. Haskell, Paul · T. フィニ、松田成正(Shigemasa Matsuda)、マイケル・D. Fini, Matsuda NaruTadashi (Shigemasa Matsuda), Michael · D. クレイブン、スティーブン・P. Craven, Steven · P. デンバース、ジェームス・S. Danvers, James · S. スペック、中村修二による国際特許出願第PCT/US03/21916号、2003年7月15日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性a面窒化ガリウムの成長(GROWTH OF PLANAR,NON−POLAR A−PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY)」、代理人識別番号30794.94−WO−U1(2003−225−2)。 Specs, Nakamura International Patent Application No. PCT / US03 / 21916 by Shuji, July 15, 2003, filed, flat non-polar a-plane gallium nitride growth by the name "hydride vapor phase epitaxy method of the invention (GROWTH OF PLANAR, NON -POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY) ", attorney identification number 30794.94-WO-U1 (2003-225-2). この出願は、ベンジャミン・A. This application, Benjamin · A. ハスケル、ポール・T. Haskell, Paul · T. フィニ、松田成正、マイケル・D. Fini, Matsuda NaruTadashi, Michael · D. クレイブン、スティーブン・P. Craven, Steven · P. デンバース、ジェームス・S. Danvers, James · S. スペック、中村修二による米国特許仮出願第60/433,844号、2002年12月16日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性a面窒化ガリウムの成長技術(TECHNIQUE FOR THE GROWTH OF PLANAR,NON−POLAR A−PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY)」、代理人識別番号30794.94−US−P1(2003−225−1)の優先権を主張する。 Spec, US Provisional Patent Application No. 60 / 433,844 by Shuji Nakamura, December 16, 2002, filed, entitled "hydride vapor phase growth method due to the flat non-polar a-plane gallium nitride growth techniques (TECHNIQUE FOR THE GROWTH oF PLANAR, NON-POLAR a-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY) ", claims the priority of attorney identification number 30794.94-US-P1 (2003-225-1).

(3)マイケル・D. (3) Michael · D. クレイブン、ジェームス・S. Craven, James · S. スペックによる米国特許出願第10/413,691号、2003年4月15日出願、発明の名称「有機金属気相成長法によって成長させた非極性a面窒化ガリウム薄膜(NON−POLAR A−PLANE GALLIUM NITRIDE THIN FILMS GROWN BY METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION)」、代理人識別番号30794.100−US−U1(2002−294−2)。 U.S. Patent Application No. 10 / 413,691 by specifications, April 15, 2003 application, the non-polar a-plane gallium nitride thin film grown by the name "metal organic chemical vapor deposition method of the invention (NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE THIN FILMS GROWN BY METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION) ", attorney identification number 30794.100-US-U1 (2002-294-2). この出願は、マイケル・D. This application, Michael · D. クレイブン、ステーシア・ケラー(Stacia Keller)、スティーブン・P. Craven, Suteshia Keller (Stacia Keller), Steven · P. デンバース、タル・マーガリス(Tal Margalith)、ジェームス・S. Danvers, Tal Magarisu (Tal Margalith), James · S. スペック、中村修二、ウメシュ・K. Specs, Shuji Nakamura, plum wine · K. ミシュラ(Umesh K. Mishra)による米国特許仮出願第60/372,909号、2002年4月15日出願、発明の名称「非極性窒化ガリウム系薄膜およびヘテロ構造材料(NON−POLAR GALLIUM NITRIDE BASED THIN FILMS AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS)」、代理人識別番号30794.95−US−P1(2002−294/301/303)の優先権を主張する。 Mishra (Umesh K. Mishra) according to US Provisional Patent Application No. 60 / 372,909, Apr. 15, 2002 filed, entitled "Non-polar GaN-based thin films and heterostructures material (NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BASED THIN FILMS aND HETEROSTRUCTURE MATERIALS) ", claims the priority of attorney identification number 30794.95-US-P1 (2002-294 / 301/303).

(4)マイケル・D. (4) Michael · D. クレイブン、ステーシア・ケラー、スティーブン・P. Craven, Suteshia Keller, Stephen · P. デンバース、タル・マーガリス、ジェームス・S. Danvers, Tal Magarisu, James · S. スペック、中村修二、ウメシュ・K. Specs, Shuji Nakamura, plum wine · K. ミシュラによる米国特許出願第10/413,690号、2003年4月15日出願、発明の名称「非極性(Al、B、In、Ga)N量子井戸およびヘテロ構造材料およびデバイス(NON−POLAR (Al,B,In,Ga)N QUANTUM WELL AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS AND DEVICES)」、代理人識別番号30794.101−US−U1(2002−301−2)。 U.S. Patent Application No. 10 / 413,690 by Mishra, April 15, 2003 filed, entitled "Non-polar (Al, B, In, Ga) N quantum wells and heterostructures materials and devices (NON-POLAR ( al, B, In, Ga) N QUANTUM WELL AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS AND DEVICES) ", Attorney identification number 30794.101-US-U1 (2002-301-2). この出願は、マイケル・D. This application, Michael · D. クレイブン、ステーシア・ケラー、スティーブン・P. Craven, Suteshia Keller, Stephen · P. デンバース、タル・マーガリス、ジェームス・S. Danvers, Tal Magarisu, James · S. スペック、中村修二、ウメシュ・K. Specs, Shuji Nakamura, plum wine · K. ミシュラによる米国特許仮出願第60/372,909号、2002年4月15日出願、発明の名称「非極性窒化ガリウム系薄膜およびヘテロ構造材料(NON−POLAR GALLIUM NITRIDE BASED THIN FILMS AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS)」、代理人識別番号30794.95−US−P1(2002−294/301/303)の優先権を主張する。 U.S. Provisional Patent Application No. 60 / 372,909 by Mishra, April 15, 2002 filed, entitled "Non-polar gallium nitride thin films and heterostructures material (NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BASED THIN FILMS AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS)" claims priority of Attorney identification number 30794.95-US-P1 (2002-294 / 301/303).

(5)マイケル・D. (5) Michael · D. クレイブン、ステーシア・ケラー、スティーブン・P. Craven, Suteshia Keller, Stephen · P. デンバース、タル・マーガリス、ジェームス・S. Danvers, Tal Magarisu, James · S. スペック、中村修二、ウメシュ・K. Specs, Shuji Nakamura, plum wine · K. ミシュラによる米国特許出願第10/413,913号、2003年4月15日出願、発明の名称「非極性窒化ガリウム薄膜における転位の低減(DISLOCATION REDUCTION IN NON−POLAR GALLIUM NITRIDE THIN FILMS)」、代理人識別番号30794.102−US−U1(2002−303−2)。 U.S. Patent Application No. 10 / 413,913 by Mishra, April 15, 2003 filed, entitled "Reduction of dislocations in the non-polar gallium nitride thin film (DISLOCATION REDUCTION IN NON-POLAR GALLIUM NITRIDE THIN FILMS)" attorneys identification number 30794.102-US-U1 (2002-303-2). この出願は、マイケル・D. This application, Michael · D. クレイブン、ステーシア・ケラー、スティーブン・P. Craven, Suteshia Keller, Stephen · P. デンバース、タル・マーガリス、ジェームス・S. Danvers, Tal Magarisu, James · S. スペック、中村修二、ウメシュ・K. Specs, Shuji Nakamura, plum wine · K. ミシュラによる米国特許仮出願第60/372,909号、2002年4月15日出願、発明の名称「無極性窒化ガリウム系薄膜およびヘテロ構造材料(NON−POLAR GALLIUM NITRIDE BASED THIN FILMS AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS)」、代理人識別番号30794.95−US−P1の優先権を主張する。 U.S. Provisional Patent Application No. 60 / 372,909 by Mishra, April 15, 2002 filed, entitled "nonpolar gallium nitride thin films and heterostructures material (NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BASED THIN FILMS AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS)" claims the priority of attorney identification number 30794.95-US-P1.

(6)マイケル・D. (6) Michael · D. クレイブン、スティーブン・P. Craven, Steven · P. デンバースによる国際特許出願第PCT/US03/39355号、2003年12月11日出願、発明の名称「非極性(Al、B、In、Ga)N量子井戸(NON−POLAR (Al,B,In,Ga)N QUANTUM WELLS)」、代理人識別番号30794.104−WO−01(2003−529−1)。 International Patent Application No. PCT / US03 / 39355 by Danvers, December 11, 2003, entitled "Non-polar invention (Al, B, In, Ga) N quantum well (NON-POLAR (Al, B, In, Ga) N QUANTUM WELLS) ", attorney identification number 30794.104-WO-01 (2003-529-1). この出願は、上記特許出願PCT/US03/21918号(30794.93−WO−U1)、第PCT/US03/21916号(30794.94−WO−U1)、第10/413,691号(30794.100−US−U1)、第10/413,690号(30794.101−US−U1)、第10/413,913号(30794.102−US−U1)の一部継続出願である。 This application, the patent application PCT / US03 / No. 21918 (30794.93-WO-U1), No. PCT / US03 / 21916 (30794.94-WO-U1), No. 10 / 413,691 (30,794. 100-US-U1), No. 10 / 413,690 (30794.101-US-U1), which is a continuation-in-part application of No. 10 / 413,913 (30794.102-US-U1).

(7)アーパン・チャクラボーティ(Arpan Chakraborty)、ベンジャミン・A. (7) Apan Chakra Bo tee (Arpan Chakraborty), Benjamin · A. ハスケル、ステーシア・ケラー、ジェームス・S. Haskell, Suteshia Keller, James · S. スペック、スティーブン・P. Spec, Steven · P. デンバース、中村修二、ウメシュ・K. Danvers, Shuji Nakamura, plum wine · K. ミシュラによる米国特許出願第11/123,805号、2005年5月6日出願、発明の名称「有機金属気相成長法による非極性窒化インジウムガリウム薄膜、ヘテロ構造物、およびデバイスの製作(FABRICATION OF NONPOLAR INDIUM GALLIUM NITRIDE THIN FILMS,HETEROSTRUCTURES AND DEVICES BY METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION)」、代理人識別番号30794.117−US−U1(2004−495−2)。 U.S. Patent Application No. 11 / 123,805 by Mishra, May 6, 2005 filed, non-polar indium gallium nitride thin films by the name "metal organic chemical vapor deposition method of the invention, heterostructures, and fabrication of the device (FABRICATION OF NONPOLAR INDIUM GALLIUM NITRIDE THIN FILMS, HETEROSTRUCTURES AND DEVICES BY METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION) ", attorney identification number 30794.117-US-U1 (2004-495-2). この出願は、アーパン・チャクラボーティ、ベンジャミン・A. This application, Apan Chakra Bo tea, Benjamin · A. ハスケル、ステーシア・ケラー、ジェームス・S. Haskell, Suteshia Keller, James · S. スペック、スティーブン・P. Spec, Steven · P. デンバース、中村修二、ウメシュ・K. Danvers, Shuji Nakamura, plum wine · K. ミシュラによる米国特許仮出願第60/569,749号、2004年5月10日出願、発明の名称「有機金属気相成長法による非極性インジウムガリウム薄膜、ヘテロ構造物およびデバイスの製作(FABRICATION OF NONPOLAR INGAN THIN FILMS, HETEROSTRUCTURES AND DEVICES BY METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION)」、代理人識別番号30794.117−US−P1(2004−495)の優先権を主張する。 U.S. Provisional Patent Application No. 60 / 569,749 by Mishra, May 10, 2004 application, the non-polar indium gallium thin films by name "metal organic chemical vapor deposition method of the invention, heterostructures and fabrication of devices (FABRICATION OF NONPOLAR INGAN THIN FILMS, HETEROSTRUCTURES aND DEVICES BY METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION) ", claims the priority of attorney identification number 30794.117-US-P1 (2004-495).

これら全ての出願は参照として本明細書中に組み込まれる。 All applications are incorporated herein by reference.
1. 1. 本発明の技術分野 本発明は化合物半導体の成長とデバイス作製に関するものである。 Technical Field of the Invention The present invention relates to growth and device fabrication of the compound semiconductor. より具体的には、本発明は、ハイドライド気相成長法による平坦なm面GaN膜の直接成長や、または低転位密度を達成するためこれに引き続き選択的にGaN膜の選択横方向成長(lateral epitaxial overgrowth)を用いた、平坦なm面窒化ガリウム(GaN)膜の成長と作製に関するものである。 More particularly, the present invention is directly grown and, or subsequently selectively the GaN film epitaxial lateral overgrowth in which to achieve a low dislocation density of the planar m-plane GaN films by hydride vapor phase epitaxy (lateral Epitaxial overgrowth) was used, it relates to making and growth of flat m-plane gallium nitride (GaN) film.

2. 2. 関連技術の説明 Description of the Related Art
(注:本願明細書は様々な文献を参照している。これら文献それぞれは以下の「参考文献」と題されたセクションに見出せる。これら文献のそれぞれは参照としてここに組み込まれているものとする。) (Note:.. Herein refer to various publications be found in each of these documents entitled following "References" section it is assumed that each of these references are incorporated herein by reference .)
窒化ガリウム(GaN)ならびにアルミニウム及びインジウムを含むその3元および4元の化合物(AlGaN、InGaN、AlInGaN)の有用性は、可視及び紫外の光電子デバイスや高性能電子デバイスの作製に対して十分に確立されてきている。 Gallium nitride (GaN) and its ternary including aluminum and indium and quaternary compounds (AlGaN, InGaN, AlInGaN) utility of the well established with respect to fabrication of visible and ultraviolet optoelectronic devices and high-performance electronic devices it has been. これらのデバイスは通常は分子線エピタキシー(MBE)、有機金属気相成長法(MOCVD)、あるいはハイドライド気相成長(HVPE)法などの成長技術によってエピタキシャル成長される。 These devices are usually molecular beam epitaxy (MBE), it is epitaxially grown by growth techniques such as metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), or hydride vapor phase epitaxy (HVPE).

GaNとその合金は六方晶系ウルツ鉱型結晶構造において最も安定である。 GaN and its alloys are most stable in the hexagonal wurtzite crystal structure. その構造は相互に120°回転関係にある2つ(または3つ)の等価な基底面軸(a軸)によって示され、これらの軸はすべて主軸のc軸に垂直である。 Its structure is shown by two in another 120 ° rotation relationship (or three) equivalent basal plane axes (a-axis), all these axes is perpendicular to the c axis of the spindle. 図1は一般的な六方晶系ウルツ鉱型結晶構造100の概略図であり、重要な面102、104、106、108と、軸110、112、114、116を図中に示す。 Figure 1 is a schematic diagram of a typical hexagonal wurtzite crystal structure 100, a significant surface 102, 104, 106, 108, showing the axial 110, 112, 114 in FIG. ここで、塗りつぶされたパターンは重要な面102、104、106を示すことを意図するものであり、構造100の材料を表すものではない。 Here, filled pattern is intended to show important aspects 102, 104, 106, do not represent the materials of construction 100. III族元素原子と窒素原子は結晶のc軸に沿って交互にc面を占める。 III group element and nitrogen atoms occupy c plane alternate along the c axis of the crystal. ウルツ鉱型構造に含まれる対称要素はIII族窒化物がこのc軸に沿ってバルクの自発分極を有することを示す。 Symmetry elements included in the wurtzite structure is shown to have a bulk spontaneous polarization along the III-nitride is the c-axis. さらに、ウルツ鉱型結晶構造は対称中心がないので、ウルツ鉱型窒化物は結晶c軸に沿ってさらに圧電分極を示す。 Further, the wurtzite crystal structure because there is no center of symmetry, wurtzite type nitride shows a further piezoelectric polarization along the crystal c axis. 電子および光電子デバイス用の現状の窒化物技術は極性c方向に沿って成長した窒化物薄膜を用いている。 State of nitride technology for electronic and optoelectronic devices employs nitride films grown along the polar c-direction. しかしながら、III族窒化物系の光電子及び電子デバイスにおける従来のc面量子井戸構造は強い圧電分極及び自発分極の存在によって望ましくない量子閉じ込めシュタルク効果(QCSE)を示すことになる。 However, conventional c-plane quantum well structures in optoelectronic and electronic devices Group III nitride will exhibit undesirable quantum-confined Stark effect due to the presence of a strong piezoelectric polarization and spontaneous polarization (QCSE). c方向に沿った強い組み込み(built−in)電界のために電子と正孔は空間的に分離してしまい、それがためにキャリアの再結合効率が制限され、振動子強度が低下し、発光がレッド・シフトを起こすことになってしまう。 Electrons and holes due to the strong built (built-in) field along the c direction causes spatially separated, it carrier recombination efficiency is limited because, oscillator strength is lowered, the light emitting There will supposed to cause a red-shift.

GaN光電子デバイスにおける自発分極および圧電分極の効果を取り除く可能性のある1つの方法は結晶の非極性面上にデバイスを成長することである。 One possible method of removing the effects of spontaneous polarization and piezoelectric polarization in GaN optoelectronic devices is to grow the devices on non-polar planes of the crystal. そのような面はGaとN原子を同数ずつ含み、電荷中性である。 Such planes contain the Ga and N atoms equal numbers, a charge neutral. 更に、引き続き成長する非極性層は相互に等価であり、それゆえに、バルク結晶は成長方向に沿って分極しない。 Furthermore, the continued non-polar layer grown is equivalent to one another, therefore, the bulk crystal will not be polarized along the growth direction. GaNにおける対称等価な非極性面の2つのファミリーは、まとめてa面と呼ばれる{11−20}ファミリーと、まとめてm面と呼ばれる{1−100}ファミリーである。 Two families of symmetry equivalent non-polar planes in GaN are collectively a {11-20} family, called a plane, a {1-100} family called collectively m plane.

実際に、例えば<11−20>a方向または<1−100>m方向のような非極性成長方向を用いた(Al、Ga、In、B)Nの量子井戸構造は、極性軸が膜の成長面内にあり、量子井戸のヘテロ界面に平行であるので、ウルツ鉱型窒化物構造において分極が誘起する電界効果を除去することが出来る有効な手段を提供するものであるということが示された。 Indeed, for example, <11-20> a direction or <1-100> m using a non-polar growth direction, such as direction (Al, Ga, In, B) quantum well structure of N-polar axis of the film There the growth plane, because it is parallel to the hetero-interface of the quantum well, is shown that is intended to provide an effective means that can be removed a field effect inducing polarization in wurtzite nitride structures It was. 非極性の電子および光電子デバイスの作製における利用可能性から、過去数年間、非極性(Al、Ga、In)Nの成長は大きな関心を集めている。 From availability in making non-polar electronic and optoelectronic devices, the past few years, the non-polar (Al, Ga, In) N growth has attracted great interest. 最近では、アルミン酸リチウム基板上にプラズマ支援MBEにより作製した非極性m面AlGaN/GaN量子井戸、及びMBE及びMOCVDの両方を用いてr面サファイア基板上に成長した非極性a面AlGaN/GaN多重量子井戸(MQW)には成長方向に沿っての分極電界が存在しないことが示された。 Recently, non-polar m-plane AlGaN / GaN quantum wells fabricated by plasma assisted MBE on lithium aluminate substrate, and a non-polar a-plane AlGaN / GaN multiple grown on r-plane sapphire substrate using both MBE and MOCVD the quantum well (MQW) was shown to be polarization field along the growth direction exists. 更に最近では、スン(Sun)ら[非特許文献1]及びガードナー(Gardner)ら[非特許文献2]はそれぞれ、MBE及びMOCVD法によってm面InGaN/GaN量子井戸構造をヘテロエピタキシャル成長した。 More recently, Sun (Sun) et al [Non-Patent Document 1] and Gardner (Gardner) et al [Non-patent Document 2], respectively, the m-plane InGaN / GaN quantum well structure was heteroepitaxial growth by MBE and MOCVD. チトニス(Chitnis)ら[非特許文献3]はa面InGaN/GaN構造をMOCVDで成長した。 Chitonisu (Chitnis) et al [Non-Patent Document 3] was grown by the MOCVD to a plane InGaN / GaN structure. もっとも大事なこととして、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の研究者ら、すなわちチャクラボーティー(Chakraborty)ら[非特許文献4]はごく最近、低欠陥密度のHVPE成長a面GaNをテンプレートとして用いて、低欠陥密度a面InGaN/GaNデバイスを成長することによる大きな利点を実証した。 Most importantly, researchers at University of California, Santa Barbara, i.e. chakras Bo tea (Chakraborty) et al [Non-Patent Document 4] is recently, using the HVPE growth a-plane GaN low defect density as a template, a low It demonstrated a significant advantage due to the growth of defect density a plane InGaN / GaN devices. 本文献は、非極性III族窒化物発光ダイオード(LED)及びレーザ・ダイオード(LD)は極性のものに比較してはるかに良好な特性を持つ可能性があることを確立した。 This document, nonpolar III-nitride light emitting diodes (LED) and laser diode (LD) has established that there is a possibility to have a much better properties compared to those of polarity.

GaNのバルク結晶は入手できないので、単純に結晶をカットして、続くデバイスの再成長のための結晶表面を作り出すことは出来ない。 Since the GaN bulk crystal is not available, then cut a simple crystal, it is not possible to produce a crystal surface for the re-growth of the subsequent device. 全てのGaN膜は最初はヘテロエピタキシャル成長され、すなわちGaNと適度に格子整合する異種基板上に成長させる。 All GaN film initially is heteroepitaxial growth, i.e. grown on a hetero substrate moderately lattice matched with GaN. 近年、多くの研究グループが、自立(free−standing)GaN基板を得て、それをデバイスのホモエピタキシャル再成長用に用いるために、その異種基板を取り除くに十分な厚さ(>200μm)のGaN膜をヘテロエピタキシャル成長するための手段としてHVPE法を用いることが可能であることを認識してきた。 Recently, a number of research groups, freestanding (free-standing) to give a GaN substrate, in order to use it for homo epitaxial regrowth of the device, GaN thick enough (> 200 [mu] m) to remove the foreign substrate the membrane has been recognized that it is possible to use the HVPE method as a means to grow heteroepitaxial. HVPEはMOCVDに比べて1桁から2桁大きな成長速度を持ち、MBEよりは3桁も大きな成長速度を有するという利点があり、これはHVPEを基板作製の魅力的な技術とする長所である。 HVPE has a 2 digit high growth rate from one digit as compared with the MOCVD, than MBE has the advantage of having three orders of magnitude larger growth rate, which is the advantage of the HVPE an attractive technology for substrate production.

窒化物のヘテロエピタキシャル成長における一つの甚だしく不利な点は、基板とエピタキシャル薄膜間の界面に構造欠陥が発生することである。 One severely disadvantage in heteroepitaxial growth of nitrides is that structural defects are generated at the interface between the substrate and the epitaxial film. 重要で、影響の大きい欠陥の主要なタイプは貫通転位と積層欠陥の2つである。 Important, the main types of defects greater impact are two of stacking faults and dislocations. 極性c面GaN膜において転位と積層欠陥の低減を達成する主要な手段は、選択横方向成長(lateral epitaxial overgrowth)(LEO、ELO、またはELOG)、選択領域エピタキシー、およびPENDEOエピタキシー(登録商標)を含むいろいろな横方向オーバーグロース技術を用いることである。 Primary means of achieving reduction in dislocations and stacking faults in a polar c-plane GaN film, epitaxial lateral overgrowth (lateral epitaxial overgrowth) (LEO, ELO, or ELOG), selection area epitaxy, and PENDEO epitaxy (R) it is to use a variety of lateral overgrowth techniques including. これらのプロセスの大事な点は、垂直成長よりも横方向成長が容易になるようにすることによって、転位が薄膜表面を垂直に伝播することを妨げるか抑えることである。 Important point of these processes, by ensuring that lateral growth is easier than the vertical growth is to suppress or prevent the dislocations propagating thin film surface vertically. このような転位低減技術はHVPEとMOCVDによってc面GaN成長に対して精力的に開発されてきた。 Such dislocation reduction techniques have been energetically developed for c-plane GaN grown by HVPE and MOCVD.

ごく最近になってGaNの横方向成長技術はa面膜に対して実証された。 GaN lateral growth technique Only recently has been demonstrated for a surface membrane. クレイブン(Craven)ら[非特許文献5]は薄いa面GaNテンプレート層の上に誘電体マスクを用いてMOCVDによってLEOを行うことに成功した。 Craven (Craven) et al [Non-Patent Document 5] succeeded in performing LEO by MOCVD using a dielectric mask on a thin a-plane GaN template layer. 発明者らのグループはこれに続き、HVPEによるa面GaN成長のLEO技術を開発した[非特許文献6]。 Group inventors Following this, we have developed a LEO art a-plane GaN growth by HVPE [Non-Patent Document 6]. しかしながら今日までm面GaNに対してはそのようなプロセスは開発も実証もされていない。 However, such a process for the m-plane GaN is neither demonstrated the development to date.

本発明は、このような課題を克服し、HVPEによる高品質m面GaNの成長技術を初めて提供するものである。 The present invention overcomes the above problems, there is provided the first time the growth technology of a high-quality m-plane GaN by HVPE.

本発明は非常に平坦で完全な透明性と鏡面性を持ったm面GaN膜を成長する方法を提供するものである。 The present invention provides a method for growing a m-plane GaN film having a very flat, full transparency and specular. 本方法は選択横方向成長技術によって構造欠陥密度を大幅に低減することができる。 This method can significantly reduce the structural defect density by selective lateral growth technique. 高品質で、一様な、厚いm面GaN膜が製作でき、分極のないデバイス成長のための基板として用いることができる。 High quality, uniform, can be manufactured thick m-plane GaN film can be used as a substrate for the polarizing devices without growth.

以下、図面を参照する。 Below, reference is made to the drawings. 対応する部分には一貫して同じ参照番号を付与する。 The corresponding parts provided with the same reference numbers consistently.

以下の好ましい実施の形態の説明では、添付の図面を参照する。 In the following description of preferred embodiments refers to the accompanying drawings. 添付の図面は、本明細書の一部を形成し、本発明を実施することができる特定の実施例を例示するために示す。 The accompanying drawings, which form a part hereof, show by way of illustration a specific embodiment that can implement the present invention. 本発明の範囲を逸脱することなく、その他の実施形態を利用してもよく、構造上の変化を施しても良いことは明らかである。 Without departing from the scope of the present invention may utilize other embodiments, it is apparent that it may be subjected to structural changes.

概要 Overview
非極性m面{1−100}窒化物半導体を成長させることによって、ウルツ鉱型構造III族窒化物のデバイス構造における分極の影響を取り除く手段が得られる。 By growing a non-polar m-plane {1-100} nitride semiconductor, a means to remove the influence of the polarization in the device structure of wurtzite structure III-nitride obtained. 現状の(Ga、Al、In、B)Nデバイスは、極性[0001]c方向に成長されるため、そこでは光電子デバイスの主たる伝導方向に沿って電荷分離が起こる。 The current (Ga, Al, In, B) N device, because it is grown in the polar [0001] c-direction, charge separation occurs along the principal conduction direction of an optoelectronic device therein. その結果生じる分極電界は現状のデバイスの性能を低下させる。 The resulting polarization field degrades the performance of the current state of the device. このようなデバイスを非極性方向に沿って成長させればデバイス性能を著しく改善することが出来る。 Such devices caused to grow along the polar direction if the device performance can be significantly improved.

m面GaN厚膜を成長するためのこれまでの努力では、ピット、ノッチ、及びクラックなどのバルク欠陥を高密度に含んだ、欠陥の多いエピ層しか出来なかった。 In previous efforts to grow the m-plane GaN thick film, pits, notches, and including a bulk defects such as cracks densely could only often defective epitaxial layer. このような膜はまた非常に不均一で、デバイス層作製のためのホモエピタキシャル再成長における基板として用いるには適さなかった。 Such films also are very heterogeneous, not suitable for use as a substrate in the homo-epitaxial regrowth for the device layer fabricated. 本発明は、厚い非極性m面GaN膜の成長において、これまでに観察された問題を解決するものであり、ピット、V字型欠陥、矢印欠陥(arrowhead defects)、貫通転位、及び積層欠陥を除去することを含むものである。 The present invention, in the growth of a thick non-polar m-plane GaN film, which solves the problems so far observed, pits, V-shaped defects, arrows defect (arrowhead defects), threading dislocations, and stacking faults it is intended to include the removal. 本発明は、非常に平坦で、完全な透明性と鏡面性を持つm面GaN膜を成長できることをはじめて実証するものである。 The present invention is very flat, but for the first time demonstrate that can be grown m-plane GaN film with full transparency and specular. 更に本発明は、選択横方向成長法によって構造欠陥密度の大幅な低減を実現する方法を提供するものである。 The present invention is to provide a method to achieve a significant reduction in structural defect density by selective lateral growth method. 本発明によりはじめて、高品質で、一様な、厚いm面GaN膜が製作でき、分極のないデバイス成長のための基板として使用することが出来る。 The first time by the present invention, high quality, uniform, thick m-plane GaN film can be manufactured, can be used as a substrate for the polarizing devices without growth.

本発明は、高品質、低欠陥密度、非極性m面{1−100}GaNを製作する比較的簡単な手段を提供するものである。 The present invention is to provide a high quality, low defect density, relatively simple means of making a non-polar m-plane {1-100} GaN. 現在GaN薄膜はバルク結晶が入手できないのでヘテロエピタキシャル成長しなければならないし、この成長工程のための完全に格子整合された基板も存在しない。 It must heteroepitaxial growth since GaN films currently bulk crystal not available, also no substrate was completely lattice-matched for this growth process. 従来のヘテロエピタキシャル成長では格子不整合の結果、成長したGaN膜は本来的に欠陥の多いものであり、一般には10 cm −2以上に及ぶ転位密度を含むものである。 In a conventional heteroepitaxial growth result of lattice mismatch, GaN film grown are those with many inherently defective, typically those comprising a dislocation density ranging 10 8 cm -2 or more. 選択横方向成長法を用いる一連の成長技術はc面(0001)及び最近ではa面{11−20}GaN成長において開発されてきて、転位密度の大幅な低減を実現してきた。 Selection lateral series of growth technique using a growth method c plane (0001) and more recently have been developed in a plane {11-20} GaN growth has been achieved a significant reduction in the dislocation density. 本発明は異種基板上に成長したm面GaNにおける膜品質の大幅な改良を実現する手段を提供し、加えて、いかなる成長技術を用いても達成されたことのないm面GaNの選択横方向成長にはじめて成功した、その実行方法を提供するものである。 The present invention provides a means of achieving a significant improvement in the film quality in the m-plane GaN grown on a heterogeneous substrate, in addition, selected lateral m-plane GaN has never been achieved with any growth technique the first time was successful growth, is intended to provide the execution method. 本発明の結果として、大幅に低減した欠陥密度を持ち、厚い非極性m面GaN膜を成長すること、及びそれに引き続いて、改良された特性を持つ電子及び光電子デバイスを様々な成長技術を用いて成長するためにそれを用いることが今や可能となった。 As a result of the present invention, has a defect density was significantly reduced, to grow a thick nonpolar m-plane GaN layer, and subsequently thereto, the electronic and optoelectronic devices having improved properties by using various growth techniques it has now become possible to use it in order to grow.

技術説明 Technical Description
本発明は平坦なm面GaN膜とその自立層をHVPEによって製作する方法を提供するものである。 The present invention provides a method of fabricating the HVPE its free-standing layers flat m-plane GaN layer. 低い成長圧力と水素を含むキャリア・ガスを用いて、本発明は異種基板から非極性m面GaNの直接成長とその表面安定化を実証した。 Using a carrier gas containing a low growth pressure of hydrogen, the present invention has been demonstrated directly Growth and passivation of the non-polar m-plane GaN from a heterogeneous substrate. 本発明は更に、マスク層を通した基板からの選択横方向成長よって、m面GaNにおける貫通転位と積層欠陥の密度を低減させる手法を提供するものである。 The present invention further thus lateral overgrowth from the substrate through the mask layer, there is provided a method of reducing the density of threading dislocations and stacking faults in the m-plane GaN.

平坦なm面GaNの直接成長 Direct growth of planar m-plane GaN
本発明は平坦なm面GaN膜のHVPE法による直接成長方法をはじめて提供するものである。 The present invention provides for the first time a direct growth method according to the HVPE method flat m-plane GaN layer. その成長プロセスは次の特許文献に記載されたa面GaN成長の場合と似ている。 Its growth process is similar to that of a-plane GaN growth is described in the following patent documents.
ベンジャミン・A. Benjamin · A. ハスケル、ポール・T. Haskell, Paul · T. フィニ、松田成正、マイケル・D. Fini, Matsuda NaruTadashi, Michael · D. クレイブン、スティーブン・P. Craven, Steven · P. デンバース、ジェームス・S. Danvers, James · S. スペック、中村修二による国際特許出願第PCT/US03/21916号、2003年7月15日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性a面窒化ガリウムの成長(GROWTH OF PLANAR,NON−POLAR A−PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY)」、代理人識別番号30794.94−WO−U1。 Specs, Nakamura International Patent Application No. PCT / US03 / 21916 by Shuji, July 15, 2003, filed, flat non-polar a-plane gallium nitride growth by the name "hydride vapor phase epitaxy method of the invention (GROWTH OF PLANAR, NON -POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY) ", attorney identification number 30794.94-WO-U1. この出願は、ベンジャミン・A. This application, Benjamin · A. ハスケル、ポール・T. Haskell, Paul · T. フィニ、松田成正、マイケル・D. Fini, Matsuda NaruTadashi, Michael · D. クレイブン、スティーブン・P. Craven, Steven · P. デンバース、ジェームス・S. Danvers, James · S. スペック、中村修二による米国特許仮出願第60/433,844号、2002年12月16日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性a面窒化ガリウムの成長技術(TECHNIQUE FOR THE GROWTH OF PLANAR,NON−POLAR A−PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY)」、代理人識別番号30794.94−US−P1(2003−225−1)の優先権を主張する。 Spec, US Provisional Patent Application No. 60 / 433,844 by Shuji Nakamura, December 16, 2002, filed, entitled "hydride vapor phase growth method due to the flat non-polar a-plane gallium nitride growth techniques (TECHNIQUE FOR THE GROWTH oF PLANAR, NON-POLAR a-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY) ", claims the priority of attorney identification number 30794.94-US-P1 (2003-225-1). 両出願とも参照として本明細書中に組み込まれる。 Both application are incorporated herein by reference.

本発明はHVPE法による{1−100}GaN作製の様々な成長シーケンスに適用できる。 The present invention is applicable to various growth sequence by HVPE method {1-100} GaN produced. 従来の金属ソースHVPE法は気相の塩化水素(HCl)のような(ただし、これに限定されるわけではない)ハロゲン化物化合物と金属ガリウムを、700℃を超える温度で反応させて一塩化ガリウム(GaCl)を形成する過程を含む。 Conventional metal source HVPE method, such as hydrogen chloride (HCl) gas phase (but not not be limited to) the halide compound and a metal gallium, single gallium chloride is reacted at temperatures above 700 ° C. It includes the step of forming a (GaCl). このGaClは一般的には窒素、水素、ヘリウム、またはアルゴンであるキャリア・ガスによって基板へ運ばれる。 The GaCl is generally nitrogen, hydrogen, carried helium or by a carrier gas is argon, to the substrate. 基板への輸送中に、または基板にて、または排気流の中において、GaClはアンモニア(NH )と反応してGaNを形成する。 During transport to the substrate, or in the substrate, or in the in the exhaust stream, GaCl to form a GaN react with ammonia (NH 3). 基板で起こる反応は基板/成長膜表面上にGaNを生成して、その結果、結晶成長が起こることになる。 The reaction occurring in the substrate generates a GaN on a substrate / growing film surface, resulting in the crystal growth occurs.

本発明は平坦なGaN膜を得るために、いくつかの成長パラメータの組み合わせを用いる。 The present invention is to obtain a flat GaN film, using a combination of several growth parameters.
1. 1. これに限るものではないが、例えばm面6H−SiC基板、m面4H−SiC基板、(100)γ−LiAlO 基板、またはm−(In、Al、Ga、B)Nテンプレート層で覆われた上記の基板のどれかの適当な基板を用いること。 But not exclusively, covered for example m-plane 6H-SiC substrate, m-plane 4H-SiC substrate, (100) γ-LiAlO 2 substrate or m-, (In, Al, Ga , B) in N template layer It was the use of any suitable substrate of the substrate. 本発明では、これら全ての基板について成功することを実証した。 In the present invention, it was demonstrated that successful for all of these substrates.
2. 2. 反応器内の1つ以上のガス流の内、最終的な成長段階においてキャリアガスとして一部分は水素(H )を用いること。 The one or more gas flow in the reactor, a portion as a carrier gas in the final growth stages using hydrogen (H 2).
3. 3. 成膜の最終工程/段階で反応器内を大気圧(760Torr)より下の減圧とすること。 The reactor in the final step / stage of deposition to a reduced pressure below atmospheric pressure (760 Torr).

プロセス工程 Process steps
図2は本発明の好ましい実施形態による、平坦なm面GaN膜をハイドライド気相成長法で直接成長する工程を示すフローチャートである。 2 according to a preferred embodiment of the present invention, it is a flowchart illustrating a process of growing a planar m-plane GaN film directly hydride vapor phase epitaxy. この工程は高品質で平坦なm面GaN膜を通常の3ゾーン水平流のHVPEシステムを用いて作製する場合の典型的な成長シーケンスを備えている。 This process has a typical growth sequence for fabricated using HVPE system normal three zones horizontal flow of flat m-plane GaN film at a high quality. 正確なシーケンスは以下に記すように選択される基板によって変わる。 The exact sequence will vary depending substrate selected as described below.

ブロック200は、ex situクリーニングは施さないで基板を反応器に装着する工程を表している。 Block 200 represents the step of mounting a substrate in the reactor without being subject ex situ cleaning. 好ましい実施形態においては、基板はm面6H−SiC基板、m面4H−SiC基板、(100)γ−LiAlO 基板、またはm−(In、Al、Ga、B)Nテンプレート層で覆われた上記の基板のどれかである。 In a preferred embodiment, the substrate is covered m-plane 6H-SiC substrate, m-plane 4H-SiC substrate, (100) γ-LiAlO 2 substrate or m-, (In, Al, Ga , B) in N template layer which is either of the above substrate.

ブロック202は、反応器を加熱する前に酸素と水蒸気の濃度を下げるために、反応器を排気して、代わりに反応器に精製した窒素(N )ガスを充填する工程を表す。 Block 202, in order to reduce the concentration of oxygen and water vapor prior to heating the reactor, the reactor was evacuated, nitrogen purified to the reactor in place (N 2) represents the step of filling the gas. 系の酸素と水蒸気の濃度を更に下げるために、通常はこの工程を繰り返す。 To further reduce the concentration of oxygen and water vapor system, usually the process is repeated.

ブロック204は系の全ての流路にH とN の混合ガスを流しながら、反応器を成長温度である約1,040℃に加熱する工程を表す。 Block 204 represents the step of heating all of the flow path of the system while flowing a mixed gas of H 2 and N 2, the reactor at about 1,040 ° C. a growth temperature. 基板がm面(In、Al、Ga、B)Nテンプレート層で覆われている場合は、テンプレートが分解するのを防ぐために反応器を加熱する段階でガス流の中に少量のNH を含ませることが一般に望ましい。 If the substrate is an m-plane (In, Al, Ga, B ) is covered with N template layer, including a small amount of NH 3 in the gas stream at a stage where the template is to heat the reactor to prevent the degradation so it is generally desirable. また、テンプレート層を用いる場合はブロック204の前にブロック208、すなわち減圧工程を実行することで膜の高品質化が達成される。 In the case of using a template layer block 208, i.e. quality of the film by executing the decompression process before block 204 is achieved.

ブロック206は反応器が成長温度に到達したときに行う基板の窒化処理の工程を表す。 Block 206 represents the step of nitriding of the substrate which is performed when the reactor reached the growth temperature. ここで窒化処理は基板の表面を窒化するために反応器の中のガス流に無水アンモニア(NH )を加える工程を含む。 Here nitriding process comprises adding anhydrous ammonia (NH 3) gas flow in the reactor for nitriding the surface of the substrate. 基板の窒化処理の工程は900℃より高い温度で行われる。 Step of nitriding of the substrate is performed at a temperature higher than 900 ° C.. この工程はLiAlO 基板を用いる場合には実行することが大いに望ましいが、一方、SiC基板を用いる場合には一般に不要であり、除いてもよい。 This step is highly desirable to be executed when using a LiAlO 2 substrate, whereas, in the case of using a SiC substrate is generally not necessary, may be omitted.

ブロック208は反応器の圧力を望ましい成膜圧力まで低下させる工程を示す。 Block 208 represents the step of reducing to a desired deposition pressure the pressure in the reactor. 好ましい実施形態では、所望の成膜圧力は大気圧(760Torr)より下であり、より具体的には所望の成膜圧力は5から100Torrの範囲である。 In a preferred embodiment, the desired deposition pressure is lower than atmospheric pressure (760 Torr), in the range of 100Torr from 5 desired deposition pressure is more specifically. 好ましい実施形態では所望の成膜圧力は約76Torrである。 Desired deposition pressure in the preferred embodiment is approximately 76 Torr.

ブロック210は基板の上に低温バッファや核生成層を一切用いることなく、直接m面GaN膜の成長を開始するために、気体である塩化水素(HCl)をガリウム(Ga)ソースへ流し始める工程を表している。 Block 210 without using any low-temperature buffer or nucleation layer on the substrate, in order to initiate the growth of the direct m-plane GaN layer, the step of the hydrogen chloride (HCl) is a gas starts to flow into the gallium (Ga) source a represents. 通常の金属ソースHVPE法は気体HClのような(ただし、これに限定するものではない)ハロゲン化物化合物と金属Gaの700℃を超える温度でのその場(in situ)反応を含み、一塩化ガリウム(GaCl)のような金属のハライド種を形成する。 Ordinary metal source HVPE method comprises in situ (in situ) reaction at temperatures above 700 ° C. gas HCl, such as (but not limited to) the halide compound and a metal Ga, one gallium chloride to form a halide of metals such as (GaCl).

ブロック212では、反応器中の1つ以上のガス流の中に少なくとも一部分は水素(H )を含むキャリア・ガスによって、GaClを基板へ輸送する工程を表している。 In block 212, at least a portion in one or more of the gas flow in the reactor by a carrier gas containing hydrogen (H 2), represents the step of transporting the GaCl to the substrate. キャリア・ガスは窒素、ヘリウム、またはアルゴン、またはその他の非反応性希ガスも含んでいてよい。 Carrier gas nitrogen, helium or argon, or may also include other non-reactive noble gases,. 基板への輸送中、または基板にて、または排気流の中において、GaClはNH と反応してGaNを形成する。 During transport to the substrate, or in the substrate, or in the in the exhaust stream, GaCl to form a GaN react with NH 3. 基板上で反応が生じることで基板上にGaNが生成され、結果として結晶成長が起こることになる。 GaN is generated on the substrate by the reaction on the substrate occurs, crystal growth will occur as a result. 典型的なV族/III族比(NH とGaClのモル比)はこのプロセスでは1〜50である。 Typical Group V / III group ratio (NH 3 and GaCl molar ratio) in this process is 1 to 50. Gaソースの下流に補足的にHClを注入したり、あるいはHClとGaソースとの反応が完全でなかったりするため、NH /HCl比は必ずしもV族/III族比に等しくないことに注意されたい。 Since or supplementary injection of HCl downstream of Ga source, or the reaction of HCl and Ga source or not complete, NH 3 / HCl ratio necessarily be noted that not equal to the group V / III group ratio Thailand.

ブロック214は、所望の成長時間が過ぎた後に、気体HClの流れを遮断して反応器圧力を元に戻し、反応器の温度を室温に下げる工程を示す。 Block 214, after the desired growth time has elapsed, and shut off the flow of gas HCl returned to the reactor pressure based on showing the step of lowering the room temperature of the reactor. 遮断の工程は更にガス流の中にNH を含ませて、反応器温度が低下する間にGaN膜の分解が起こるのを防止する工程を含む。 Blocking step is further moistened with NH 3 in the gas stream, comprising the step of preventing the decomposition of the GaN film takes place while the reactor temperature decreases. 反応器圧力は大気圧に戻してもよく、あるいは或る低い圧力に保っても良く、冷却は例えば5から760Torrの間の圧力で行われる。 The reactor pressure may be returned to atmospheric pressure, or may be maintained at a certain low pressure, cooling is performed at a pressure of between 760Torr 5, for example.

典型的なGaN膜の成長速度はこのプロセスでは1から400μm/hである。 Growth rate of a typical GaN film is from 1 400 [mu] m / h in this process. この成長速度は、ソースと基板の温度、システム中の様々な気体の流速、反応器の形状、その他を含むが、これに限定されるわけではない多数の成長パラメータに依存していて、それは平坦なm面GaN膜を成長する範囲内で、かなり広い領域にわたって変化させることが出来る。 The growth rate, the flow rate of the different gas sources and the temperature of the substrate, the system, reactor geometry, including other, be dependent on the number of growth parameters is not limited thereto, it is flat within the growing of a m-plane GaN film can be varied over a fairly wide area. これらパラメータのほとんど全ての好適値は成長反応器の形状に対して固有である。 Almost all of the preferred values ​​for these parameters are specific to the growth reactor geometry.

上記のプロセス工程における「最終成長段階」についての記述は、上記の条件を用いた適切な時間の工程で成長段階を終了することによって、他の条件では凸凹していたり欠陥の多い膜であったものを平坦化することが可能であるという観察結果を指している。 Description of "final growth stage" in the above process steps, by ending the growth stage at the appropriate time step using the conditions described above, were often membrane defects or are uneven in other conditions It refers to the observation that it is possible to flatten things. 成長の初期段階では膜品質や形態に関わらず、m面配向物質が成長する任意の成長パラメータを取り込んでよい。 Regardless film quality or form in the early stages of growth, may incorporate any growth parameters m-plane oriented material is grown.

好ましくは、上記プロセス工程で平坦なm面GaN膜を作製する。 Preferably, to produce a flat m-plane GaN film in the above process steps.
更に、この方法を用いて作製されるデバイスはレーザ・ダイオード、発光ダイオード及びトランジスタを含んでいる。 Additionally, devices made using this method includes a laser diode, light-emitting diodes and transistors.

実験結果 Experimental result
上述された成長パラメータの組み合わせを用いると、平坦なm面GaN膜を常に成長することができた。 When using a combination of the above-described growth parameters, it was possible to constantly growing planar m-plane GaN layer. 図3(a)は(100)γ−LiAlO 基板上に成長したm面GaN膜のノマルスキー光学コントラスト顕微鏡写真を示す。 3 (a) shows a Nomarski optical contrast micrograph of m-plane GaN film grown on (100) γ-LiAlO 2 substrate. この試料は32%のN 、58%のH 、残りはNH とHClを用いて、V族:III族比が15.8である条件で成長したものである。 This sample 32% N 2, 58% of the H 2, rest with NH 3 and HCl, V Group: III group ratio and is grown under conditions 15.8. 成長圧力は70Torrであり、基板温度は862℃であった。 Growth pressure was 70 Torr, the substrate temperature was 862 ° C.. 顕微鏡像には本発明を用いないで以前に成長したm面GaN膜に特徴的であったピットやクラックのようなバルク欠陥は見当たらない。 The microscope image bulk defects such as pits and cracks in the m-plane GaN film grown on previously without using the present invention was characterized in missing. 表面はナノメータ寸法の起伏をもった、非結晶学的な流れ形状を示している。 Surface with undulation of nanometer dimensions, shows a non-crystallographic flow shape. 図3(b)はこの同じ試料の原子間力顕微鏡(AFM)像を示す。 3 (b) shows the same sample of the atomic force microscope (AFM) images. 縞模様の形状はMBE成長されたm面GaN膜に共通して見られるが、この表面は以前に報告されたどのものよりもはるかに平坦である。 The shape of stripes commonly found on m-plane GaN films MBE growth, but this surface is much flatter than that any previously reported. AFM像の右下象限に見られる波状の形状は以前の文献には報告されていない。 Wavy shape seen in the lower right quadrant of the AFM image has not been previously reported in the literature. この形状は膜中の螺旋転位の特徴を持った貫通転位の存在と関係するものと思われる。 This shape is believed to be related to the presence of threading dislocations that have the characteristics of screw dislocations in the film. この表面の凹凸の自乗平均根(RMS)は25μm 2の面積内で14.1Åであり、それは同じ技術によってr−面Al 上に成長したa面GaN膜と同程度である。 Mean square root of the unevenness of the surface (RMS) is 14.1Å within an area of 25 [mu] m 2, which is a-plane GaN film comparable grown on r- plane Al 2 O 3 by the same technique.

m面GaNの選択横方向成長 m-plane GaN epitaxial lateral overgrowth
上記技術はHVPEによって平坦なm面GaN膜を成長する手段をはじめて提供するものである。 The above technique is intended to provide a means to grow a flat m-plane GaN layer by HVPE first time. これらの膜はスムーズで平坦である一方、まだ貫通転位や基底面積層欠陥を高密度に含む。 These films one smooth flat, still densely including threading dislocations and basal plane stacking defects. 実際に、そのような直接成長した試料の透過電子顕微鏡(TEM)写真は貫通転位と積層欠陥の密度がそれぞれ4×10 cm −2と2×10 cm −1であることを明確に示している。 Indeed, such a transmission electron microscope (TEM) photograph of directly grown samples clearly shows that the density of stacking faults and dislocations are each 4 × 10 9 cm -2 and 2 × 10 5 cm -1 ing. そのような構造欠陥が存在すると、そのデバイス性能は、低い欠陥密度のm面GaNを用いて達成されるであろう性能に比べて劣化することになる。 When such structural defects are present, the device performance will be degraded as compared with will be achieved by using the m-plane GaN low defect density performance. 本発明はLEOによってm面GaN膜の構造欠陥密度を低減する方法を更に含むものである。 The present invention further includes a method of reducing the structural defect density of m-plane GaN film by LEO.

本発明は次の特許文献によって開示されたa面GaN薄膜における欠陥低減のために開発された技術に密接に関連するものである。 The present invention is closely related to the technology developed for defect reduction in a-plane GaN film disclosed by the following patent documents.
ベンジャミン・A. Benjamin · A. ハスケル、マイケル・D. Haskell, Michael · D. クレイブン、ポール・T. Craven, Paul · T. フィニ、スティーブン・P. Fini, Steven · P. デンバース、ジェームス・S. Danvers, James · S. スペック、中村修二による国際特許出願第PCT/US03/21918号、2003年7月15日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長(GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON−POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY)」、代理人識別番号30794.93−WO−U1(2003−224−2)。 Specs, International Patent Application No. PCT / US03 / 21918 by Shuji Nakamura, July 15, 2003, entitled "hydride vapor phase epitaxy by the dislocation density of the low of the non-polar gallium nitride growth of the invention (GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY) ", attorney identification number 30794.93-WO-U1 (2003-224-2). この出願は、ベンジャミン・A. This application, Benjamin · A. ハスケル、マイケル・D. Haskell, Michael · D. クレイブン、ポール・T. Craven, Paul · T. フィニ、スティーブン・P. Fini, Steven · P. デンバース、ジェームス・S. Danvers, James · S. スペック、中村修二による米国特許仮出願第60/433,843号、2002年12月16日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長(GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON−POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY)」、代理人識別番号30794.93−US−P1(2003−224−1)の優先権を主張する。 Spec, US Provisional Patent Application No. 60 / 433,843 by Shuji Nakamura, December 16, 2002, entitled "hydride vapor phase epitaxy by the dislocation density of the low of the non-polar gallium nitride growth of the invention (GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY) ", claims the priority of attorney identification number 30794.93-US-P1 (2003-224-1). 両出願とも参照として本明細書中に組み込まれる。 Both application are incorporated herein by reference.

本発明はいくつかの重要な要素に依るものである。 The present invention is due to several key factors.
1. 1. m面SiC上のAlNバッファ層上に成長したm面GaNテンプレートのような(ただし、これに限るわけではない)適当な基板またはテンプレートを用いること。 Such as m-plane GaN template grown on the AlN buffer layer on the m-plane SiC (but not necessarily limited to) the use of a suitable substrate or template.
2. 2. テンプレートまたは基板上に多孔質のマスクを成膜すること。 Forming a film of mask porous template or substrate. このマスクは、誘電体層を成膜してパターニングした場合のように一様なものであっても、または、薄い多孔質の金属性またはセラミックのマスクを成膜する場合のように不均一なものであっても良い。 This mask, even those uniform as in the case of patterning by forming a dielectric layer, or, as in the case of forming a metallic or ceramic mask thin porous heterogeneous it may be the one. マスクは各種のin situ技術またはex situ技術によって成膜してよい。 The mask may be formed by a variety of in situ techniques or ex situ technology.
3. 3. (760Torrより低い)低圧で(Al、B、In、Ga)Nを成膜すること。 (Less than 760 Torr) at low pressure (Al, B, In, Ga) N forming a film of.
4. 4. 基板/テンプレートが成長中に曝されるガス流として大部分がH である気体を用いること。 Most as a gas stream in which the substrate / template is exposed during growth be used gas is H 2.

プロセス工程 Process steps
図4は、本発明の好ましい実施形態により、GaN膜の選択横方向成長によって、平坦なm面GaN膜における貫通転位と欠陥の密度を低減する工程を示すフローチャートである。 Figure 4 is a preferred embodiment of the present invention, the lateral overgrowth of GaN film is a flowchart illustrating a step of reducing the density of threading dislocations and defects in the flat m-plane GaN layer. これらの工程は基板上に成膜したマスクをパターニングする工程(以下のブロック400から408まで)とHVPE法を用いて基板からGaN膜のLEO成長を行う工程(以下のブロック410から420まで)を備えていて、そこではパターニングされたマスクによって覆われていない基板の部分にのみGaN膜が核成長し、GaN膜がパターニングされたマスクの中の開口部から垂直に成長し、次にGaN膜はパターニングされたマスクの上を基板表面を横切って横方向に拡がる。 These steps step of patterning a mask was formed on a substrate (from the block 410 to 420) (hereinafter from block 400 to 408) and the step of performing LEO growth of the GaN film from the substrate using a HVPE method They comprise, where GaN film is nucleation only on a portion of the substrate not covered by the patterned mask grows vertically from the opening in the mask GaN film is patterned, then the GaN film It spreads laterally over the patterned mask across the substrate surface.

ブロック400はm面6H−SiC基板上のAlNバッファ層上にMBEで成長したm面GaNテンプレートのような(ただし、これに限るわけではない)適当な基板またはテンプレートの上に〜1350Å厚のSiO 膜を成膜する工程を表している。 Block 400, such as m-plane GaN template grown by MBE on the AlN buffer layer on the m-plane 6H-SiC substrate (but not not be limited thereto) ~1350A thick SiO on a suitable substrate or template it represents a step of forming a 2 layer. ここでSiO 膜は誘電体マスクの基礎となるものである。 Here SiO 2 film is the foundation of the dielectric mask. 好ましい実施形態では、パターニングされたマスクは誘電体膜であり、基板はm面6H−SiC基板であるが、その他の物質を同様に用いてもよく、例えばパターニングされたマスクとして金属材料を、あるいは基板としてサファイアを用いてもよい。 In a preferred embodiment, the patterned mask is a dielectric film, but the substrate is an m-plane 6H-SiC substrate may be used other materials as well, the metal material as for example a patterned mask or, it may be used sapphire as the substrate.

ブロック402はSiO 膜上にフォトレジスト層を成膜し、成膜したフォトレジスト層を通常のフォトリソグラフィー処理工程を用いてパターニングする工程を表している。 Block 402 represents the step of patterning using a photoresist layer was deposited, the formed photoresist layer normal photolithography step on the SiO 2 film. 一実施形態では、パターンは5μm幅の開口によって隔てられた35μm幅のストライプを備えている。 In one embodiment, the pattern has a stripe of 35μm width separated by an opening of 5μm wide.

ブロック404はパターニングされたフォトレジスト層によって露出したSiO 膜の部分をすべて、基板を緩衝フッ化水素(HF)酸に2分間浸漬することによってエッチング除去する工程を表している。 Block 404 all parts of the SiO 2 film exposed by the patterned photoresist layer, which represents a step of removing etching by immersing for 2 minutes the substrate in a buffer hydrogen fluoride (HF) acid.

ブロック406は、残留しているフォトレジスト層の部分を、アセトンを用いて取り除く工程を表している。 Block 406, the portions of the photoresist layer remaining represents a step of removing using acetone.

ブロック408は基板をアセトン、イソプロピール・アルコール、および脱イオン水を用いて洗浄する工程を表している。 Block 408 represents the step of cleaning the substrate using acetone, isopropyl alcohol, and deionized water.

乾燥後、5μm幅の開口によって隔てられた35μm幅のストライプを有するようパターニングされたSiO 膜を備えたパターンマスクで基板は覆われている。 After drying, the substrate with patterned pattern mask having a SiO 2 film to have a stripe of 35μm width separated by an opening of 5μm width is covered.

好ましくはマスクは多孔質である。 Preferably the mask is porous. さらに、マスクは誘電体層を成膜してパターニングする場合のように一様なものであっても、また、薄い多孔質の金属性またはセラミックのマスクを成膜する場合のように不均一なものであっても良い。 Further, the mask may be one uniform as in the case of patterning by forming a dielectric layer, as in the case of forming a metallic or ceramic mask thin porous heterogeneous it may be the one. マスクは様々なin situ技術またはex situ技術によって成膜してよい。 The mask may be deposited by a variety of in situ techniques or ex situ technology.

次に続くブロックは、HVPE法を用いて基板上へGaN膜を選択横方向成長する工程を表す。 Subsequent blocks represent steps of lateral growth selecting a GaN film on a substrate using the HVPE method. ここで、GaN膜はパターニングされたマスクによって露出した部分のみに核生成し、GaN膜はパターニングされたマスク内の開口部から垂直に成長し、次いでGaN膜はパターニングされたマスクの上を基板表面を横切るように横方向に拡がり、最終的には隣接するGaNストライプと合体する。 Here, the GaN film nucleates only on a portion exposed by the patterned mask, the GaN film is patterned grown vertically from the opening in the mask, then the GaN film is patterned on the substrate surface of the mask spread laterally across the, eventually coalesce with adjacent GaN stripes. 選択横方向成長は、ほぼ大気圧(760Torr)である低成長圧力を用い、一部分は水素を含むキャリアガスを利用する。 Selective lateral growth, with a low growth pressure is approximately atmospheric pressure (760 Torr), a portion utilizes a carrier gas containing hydrogen. 横方向成長プロセスの成長条件は、HVPE法を用いる高品質で平坦なm面GaN成長について上記した条件と非常に似ている。 Growth conditions for the lateral growth process is very similar to the conditions described above for planar m-plane GaN growth with high quality using the HVPE method.

これらの工程とその成長パラメータは、本発明の譲受人に譲渡された以下の同時係属出願に更に詳しく記載されている。 These steps and their growth parameters are described in more detail in co-pending application assignee of the following, which is assigned to the present invention.
ベンジャミン・A. Benjamin · A. ハスケル、ポール・T. Haskell, Paul · T. フィニ、松田成正、マイケル・D. Fini, Matsuda NaruTadashi, Michael · D. クレイブン、スティーブン・P. Craven, Steven · P. デンバース、ジェームス・S. Danvers, James · S. スペック、中村修二による国際特許出願第PCT/US03/21916号、2003年7月15日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性a面窒化ガリウムの成長(GROWTH OF PLANAR,NON−POLAR A−PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY)」、代理人識別番号30794.94−WO−U1。 Specs, Nakamura International Patent Application No. PCT / US03 / 21916 by Shuji, July 15, 2003, filed, flat non-polar a-plane gallium nitride growth by the name "hydride vapor phase epitaxy method of the invention (GROWTH OF PLANAR, NON -POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY) ", attorney identification number 30794.94-WO-U1. この出願は本発明の譲受人に譲渡された以下の2つの同時係属出願の優先権を主張する。 This application claims priority to two copending Assignee less, which is assigned to the the present invention.
ベンジャミン・A. Benjamin · A. ハスケル、ポール・T. Haskell, Paul · T. フィニ、松田成正、マイケル・D. Fini, Matsuda NaruTadashi, Michael · D. クレイブン、スティーブン・P. Craven, Steven · P. デンバース、ジェームス・S. Danvers, James · S. スペック、中村修二による米国特許仮出願第60/433,844号、2002年12月16日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性a面窒化ガリウムの成長技術(TECHNIQUE FOR THE GROWTH OF PLANAR,NON−POLAR A−PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY)」、代理人識別番号30794.94−US−P1;およびベンジャミン・A. Spec, US Provisional Patent Application No. 60 / 433,844 by Shuji Nakamura, December 16, 2002, filed, entitled "hydride vapor phase growth method due to the flat non-polar a-plane gallium nitride growth techniques (TECHNIQUE FOR THE GROWTH OF PLANAR, NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY) ", Attorney identification number 30794.94-US-P1; and Benjamin · A. ハスケル、マイケル・D. Haskell, Michael · D. クレイブン、ポール・T. Craven, Paul · T. フィニ、スティーブン・P. Fini, Steven · P. デンバース、ジェームス・S. Danvers, James · S. スペック、中村修二による米国特許仮出願第60/433,843号、2002年12月16日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長( GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON−POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY)」、代理人識別番号30794.93−US−P1。 Spec, US Provisional Patent Application No. 60 / 433,843 by Shuji Nakamura, December 16, 2002, entitled "hydride vapor phase epitaxy by the dislocation density of the low of the non-polar gallium nitride growth of the invention (GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY) ", attorney identification number 30794.93-US-P1.

これら全ての出願とも参照として本明細書に組み込まれる。 With all of these application are incorporated herein by reference.

ブロック410は反応器に基板を装着する工程を表す。 Block 410 represents the step of mounting a substrate in the reactor.

ブロック412は、反応器中の酸素濃度を下げるために、反応器を排気し、代わりに反応器に精製した窒素(N )ガスを充填する工程を表す。 Block 412, in order to lower the oxygen concentration in the reactor, the reactor was evacuated, nitrogen purified to the reactor in place (N 2) represents the step of filling the gas. 反応器内の酸素濃度を更に下げるために、しばしばこの工程を繰り返す。 To further reduce the oxygen concentration in the reactor, often the process is repeated.

ブロック414は成長室に低圧でH とN とNH の混合ガスを流しながら、反応器を成長温度である約1,040℃に加熱する工程を表す。 Block 414 while flowing a mixed gas of H 2 and N 2 and NH 3 at low pressure in the growth chamber, it represents the step of heating the reactor to about 1,040 ° C. a growth temperature. 好ましい実施形態では、所望の成膜圧力は大気圧(760Torr)より下であり、一般的には300Torrより下である。 In a preferred embodiment, the desired deposition pressure is lower than atmospheric pressure (760 Torr), typically is below 300 Torr. より具体的には、所望の成膜圧力は5から100Torrの範囲に制限され、76Torrに設定されても良い。 More specifically, a desired deposition pressure is limited range of 5 to 100 Torr, it may be set to 76 Torr.

ブロック416は基板の上に低温バッファや核生成層を一切用いることなく、直接m面GaN膜の成長を開始するために、気体である塩化水素(HCl)をガリウム(Ga)ソースへ流し始める工程を表している。 Block 416 without using any low-temperature buffer or nucleation layer on the substrate, in order to initiate the growth of the direct m-plane GaN layer, the step of the hydrogen chloride (HCl) is a gas starts to flow into the gallium (Ga) source a represents. 通常の金属ソースHVPE法は気体HClのような(ただし、これに限定するものではない)ハロゲン化物化合物と金属Gaの700℃を超える温度でのその場(in situ)反応を含み、一塩化ガリウム(GaCl)を形成する。 Ordinary metal source HVPE method comprises in situ (in situ) reaction at temperatures above 700 ° C. gas HCl, such as (but not limited to) the halide compound and a metal Ga, one gallium chloride to form a (GaCl).

ブロック418では、反応器中の1つ以上のガス流の中に少なくとも一部分は水素(H )を含むキャリア・ガスによって、GaClを基板へ輸送する工程を表している。 In block 418, at least a portion in one or more of the gas flow in the reactor by a carrier gas containing hydrogen (H 2), represents the step of transporting the GaCl to the substrate. 一実施形態では、キャリア・ガスは主として水素であってもよく、他の実施形態では、キャリア・ガスは水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、またはその他の不活性ガスの混合物を含む。 In one embodiment, the carrier gas may be primarily hydrogen, in other embodiments, the carrier gas comprises hydrogen, nitrogen, argon, helium, or a mixture of other inert gases. 基板へ輸送中、または基板にて、または排気流の中において、GaClはNH と反応してGaNを形成する。 During transport to the substrate, or in the substrate, or in the in the exhaust stream, GaCl to form a GaN react with NH 3. 基板上で反応が生じることで基板上にGaNが生成され、その結果、結晶成長が起こることになる。 GaN is generated on the substrate by the reaction on the substrate occurs, resulting in the crystal growth occurs. 典型的なV族/III族比はこのプロセスでは1〜50である。 Typical Group V / III group ratio in this process is 1 to 50. Gaソースの下流に補足的にHClを注入したり、あるいはHClとGaソースとの反応が完全でなかったりするため、NH /HCl比は必ずしもV族/III族比に等しくないことに注意されたい。 Since or supplementary injection of HCl downstream of Ga source, or the reaction of HCl and Ga source or not complete, NH 3 / HCl ratio necessarily be noted that not equal to the group V / III group ratio Thailand.

ブロック420は、所望の成長時間が過ぎた後に、気体HClの流れを遮断して反応器の温度を室温に下げる工程を示す。 Block 420, after the desired growth time has passed, indicating a process of lowering the room temperature of the reactor was shut off the flow of gas HCl. 基板温度が600℃以下に下がるまでは反応器は低圧に保たれるのが一般的には良いが、反応器圧力をこのとき大気圧に戻すという選択もある。 The reactor until the substrate temperature drops to 600 ° C. or less good in general that is kept low, but may choose the reactor pressure returned to atmospheric pressure this time. 遮断の工程は更に、ガス流の中にNH を含ませて、反応器温度が低下する間にGaN膜の分解が起こるのを防止する工程を含む。 Blocking step further comprises the step of moistened with NH 3 in the gas stream to prevent the decomposition of GaN films occurs while the reactor temperature decreases.

好ましくは、上記のプロセス工程でテンプレートから平坦なm面GaN膜の選択横方向成長を行う。 Preferably, performing selective lateral growth of planar m-plane GaN film from a template in the above process steps. 更に、上記プロセス工程は自立m面GaN膜または基板の製造に用いられる。 Furthermore, the process steps used in the fabrication of free-standing m-plane GaN film or the substrate. しかしながら、本発明はいかなる(Al、B、In、Ga)N膜の成膜も含んでよい。 However, the present invention is any (Al, B, In, Ga) may also comprise N film. 更に、この方法を用いて製造されるデバイスはレーザ・ダイオード、発光ダイオード及びトランジスタを含む。 Furthermore, devices that are manufactured using this method includes a laser diode, light-emitting diodes and transistors.

実験結果 Experimental result
本発明の実験例では、m面GaNテンプレートはm面6H−SiC上にMBEで成長したAlNバッファ層を用いて成長された。 In the experimental example of the present invention, m-plane GaN template was grown using AlN buffer layer grown by the MBE on m-plane 6H-SiC. つぎにGaNテンプレート表面上に〜1350Å厚のSiO 層を成膜した。 Was then deposited SiO 2 layer ~1350Å thick GaN template surface. 従来のフォトリソグラフィー技術と5%HF溶液中のウェット・エッチングを用いて、SiO 層中に平行なストライプの開口部の配列をパターニングした。 Using conventional photolithographic techniques and 5% wet etch HF solution, it was patterned array of apertures parallel stripes SiO 2 layer in. 最初の実験では、この平行なストライプはGaN[0001]または[11−20]のいずれかに沿って配向している。 In the first experiment, the parallel stripes oriented along one of GaN [0001] or [11-20]. アセトンとイソプロパノールでウェハを超音波洗浄した後、パターニングされたウェハは水平HVPE反応器に装着される。 After ultrasonic cleaning wafer with acetone and isopropanol, patterned wafer is mounted on a horizontal HVPE reactor. 試料は62.5Torrの圧力下で、52%のN ,42%のH および6%のNH の雰囲気中で850から1075℃の範囲の成膜温度まで加熱される。 Samples under a pressure of 62.5Torr, is heated from 850 in 52% N 2, 42% of the atmosphere of H 2 and the 6% NH 3 to a film forming temperature in the range of 1075 ° C.. 試料が所望の成長温度に到達すると、反応器内のガス流はV族:III族比が13.1である、38%のN 2 ,57%のH 2 、残りはNH 3とHClに切り替えられる。 When the sample reaches the desired growth temperature, gas flow in the reactor Group V: III group ratio is 13.1, 38% of N 2, 57% of the H 2, the switching remains in the NH 3 and HCl It is. 所望の成長時間が経過した後に、反応器中へのHCl流は停止され、加熱炉は遮断され、試料はNH 3が存在する低圧力下で600℃より低い温度まで冷却される。 After the desired growth time has elapsed, the HCl flow into the reactor is stopped, the furnace is shut off, the sample is cooled to a temperature below 600 ° C. under a low pressure at which NH 3 is present. 600℃より低い温度では、雰囲気は切り替えられてN だけとなり、試料は室温まで冷却される。 At temperatures below 600 ° C., the atmosphere is switched becomes only N 2, the sample is cooled to room temperature.

<0001>方向に沿った平行なマスクストライプを用いた選択横方向成長プロセスの概略を図5(a)に示す。 The outline of the epitaxial lateral overgrowth process using parallel mask stripes along the <0001> direction shown in Figure 5 (a). この図において、500は基板/テンプレート,502はSiO マスク、504はm面GaN表面を示す。 In this figure, 500 is a substrate / template, 502 SiO 2 mask, 504 denotes a m-plane GaN surface. 成長過程では、m面GaN膜504は基板/テンプレート材料500の露出した部分からのみ成長し、マスク502上に、基板500表面を横切って横方向に拡がる。 The growth process, m-plane GaN layer 504 is only grown from the exposed portion of the substrate / template material 500, on the mask 502, it spreads laterally across the substrate 500 surface. 横方向に成長しているGaN膜504は、露出した窓506領域から垂直に成長しているGaN504に比べて、翼領域508においては低い貫通転位密度を示している。 GaN layer 504 is grown in the lateral direction, compared to GaN504 from the exposed window 506 area is growing vertically, it shows a low threading dislocation density in the wing region 508. 図5(b)は平行ストライプのマスク配置502が代わって<11−20>に沿っている場合の対応する過程を示している。 FIG. 5 (b) shows the corresponding process in the case where along <11-20> instead mask arrangement 502 parallel stripes. この配置では2つの非対称な翼が形成される。 Two asymmetrical wings in this arrangement are formed. Ga面の翼510には貫通転位も積層欠陥も両方とも無いが、窒素面の翼512と514には貫通転位は無いものの、積層欠陥がある。 Needless both threading dislocations also stacking defects in wing 510 of the Ga face, though not threading dislocations wings 512 and 514 of the N-face, there is a stacking fault. 両方共に貫通転位は窓材料中にはあっても選択横方向成長した材料504中では取り除かれている。 Threading dislocations in both the even during the window material in material 504 lateral overgrowth has been removed.

この技術で成長したいくつかのm面GaNストライプの例を図6(a)に示す。 Examples of some of the m-plane GaN stripes grown by this technique shown in Figure 6 (a). これらのストライプは<0001>方向に沿って配向したSiO マスクの幅略5μmの窓を通して成長し、約40μmの幅に横方向に拡がったものである。 These stripes grown through the windows of width approximately 5μm of SiO 2 mask oriented along the <0001> direction, in which spread laterally to a width of approximately 40 [mu] m. この成長を十分な時間続けると、このストライプは隣接するストライプと合体して、図7(a)に示すような、連続したm面GaN表面を形成することになる。 If this growth is continued for sufficient time, the stripes coalesce with adjacent stripes, as shown in FIG. 7 (a), will form a continuous m-plane GaN surface. 合体した膜は、垂直方向から横方向への成長に変わることによって、転位がブロックされたり、屈げられたりして、選択横方向成長の領域では低転位密度を持つことになる。 Coalesced film by varying the growth of the vertical to the horizontal direction, or dislocations are blocked, with or is 屈Ge, will have a low dislocation density in the region of the lateral overgrowth. この低減された欠陥密度は図7(b)に示す全波長カソードルミネッセンス(CL)像によって確認される。 This reduced defect density is confirmed by all the wavelengths cathodoluminescence (CL) image shown in FIG. 7 (b). CL像は暗くて欠陥の多い窓領域と、より明るい、選択横方向成長の翼領域とを明からにしている。 CL images and dark defects often window area, brighter, and the evident, the wing regions of the lateral overgrowth. 選択横方向成長した材料中では低転位密度であるために、選択横方向成長した材料はより強い発光を示す。 For the epitaxial lateral overgrowth material in a low dislocation density, lateral grown material selected show stronger emission. このように、本発明は非極性m面GaN膜における構造欠陥密度の低減に有効な手段を提供するものである。 Thus, the present invention provides an effective means to reduce the structural defect density in the non-polar m-plane GaN layer. 転位の屈曲は図7(e)と(f)に示す断面SEM像およびCL像にて更に観察できる。 Bending of dislocations can be further observed by cross-sectional SEM image and CL image shown in FIG. 7 and (e) (f).

m面GaNLEOストライプの第2の例を図6(b)に示す。 The second example of the m-plane GaNLEO stripes shown in Figure 6 (b). この場合、<11−20>方向に沿って配向している平行なSiO ストライプを用いている。 In this case, using a parallel SiO 2 stripes are oriented along the <11-20> direction. 図6(a)に示したストライプと比べて、<11−20>方向に沿って配向しているストライプは、側面は垂直なc面を示し、非対称な横方向成長速度を示す。 Compared with stripes shown in FIG. 6 (a), stripes are oriented along the <11-20> direction, side shows a vertical c-plane, showing the asymmetrical lateral growth rate. Ga面の翼は転位と積層欠陥が無く、一方N面の翼は転位だけが無い。 Wings of Ga-face is not dislocation and stacking faults, on the other hand wing of the N-face is not only dislocation. <11−20>に配向しているストライプを使用して成長した、スムーズな、合体した膜を図7(c)に示す。 <11-20> was grown using stripe oriented in the smooth, showing a film coalesced in FIG 7 (c). 低欠陥密度であることが図7(d)に示した平面CL像でもまた明らかであり、この像では欠陥の多い窓領域は暗く、低欠陥密度の翼領域は明るく見えている。 It is a low defect density is also evident in the plane CL image shown in FIG. 7 (d), more window regions defects in this image is dark, the wing regions of low defect density is seen brightly. N面の翼は積層欠陥を含むにもかかわらず、積層欠陥はGaNにおける発光再結合効率を著しく落とすことにはならないので、その発光は窓領域のそれよりもはるかに強い。 Wings N surface despite containing stacking faults, stacking faults since not to drop significantly radiative recombination efficiency of GaN, the emission is much stronger than that of the window region.

図8(a),8(b)および8(c)は本発明によって提供された欠陥低減技術を用いた場合及び用いない場合の局所的な表面形態を比較する図である。 Figure 8 (a), 8 (b) and 8 (c) is a diagram comparing the local surface form when with and without defect reduction technique provided by the present invention. 図8(a)はいかなる形式の欠陥低減法も用いないで成長したm面GaN膜の最もスムーズなもののAFM像を示している。 Figure 8 (a) shows an AFM image of the most smooth m-plane GaN film grown without using even defect reduction process any type. この表面は以前に科学論文に報告されたどの表面よりもはるかにスムーズであり、RMS凹凸は25μm の面積にわたって8Åである。 This surface is much smoother than any surface that is reported in the scientific literature previously, RMS irregularities are 8Å over an area of 25 [mu] m 2. 図8(b)に示したAFM像もm面GaN表面の5×5μm像であるが、本発明による<0001>方向に沿ったストライプを使用して成長した試料の選択横方向成長領域から撮ったものである。 While AFM image shown in FIG. 8 (b) is also a 5 × 5 [mu] m images of the m-plane GaN surface, taken from a selective lateral growth region of the sample grown using stripe along the <0001> direction according to the invention those were. 転位の終端による波状の形状は除去されており、表面凹凸は6Åに低下した。 Wavy shape due termination of dislocation is removed, the surface unevenness was reduced to 6 Å. この凹凸は非常に高品質の極性c面GaN膜と同等である。 This unevenness is equivalent to the polar c-plane GaN film with very high quality. 図8(c)はm面GaN膜の他のAFM像であり、この場合、GaNの<11−20>方向に沿って平行に配向しているSiO ストライプを取り入れたLEO試料の選択横方向成長された翼の1つから撮ったものである。 FIG. 8 (c) is another AFM image of m-plane GaN layer, In this case, the selection lateral LEO samples incorporating SiO 2 stripes are oriented in parallel along the <11-20> direction of GaN it was taken from one of the grown wings. 表面形態ははるかに一様であり、最高品質のc面GaN膜に見られるものと酷似した形態を示している。 The surface morphology is much more uniform, indicating a form very similar to those found in the c-plane GaN film of the highest quality. この表面のRMS凹凸はたった5.31Åであり、非LEO表面に比べて34%の低減/改良である。 RMS unevenness of the surface is only 5.31A, 34% reduction / improvement over non-LEO surface. このように、本発明はよりスムーズなm面GaN表面を提供するために用いることが出来て、デバイス品質を高めるものとなる。 Thus, the present invention is can be used to provide a smoother m-plane GaN surface, and which enhance the device quality.

高品質m面GaNの成長とそれに続く欠陥低減に関する本発明の好ましい実施形態は次のことを含んでいる。 A preferred embodiment of the present invention relates to growth and defect reduction followed by a high-quality m-plane GaN includes the following.
1. 1. (100)γ−LiAlO または(1−100)SiC(六方晶多形のいずれか)のような(ただし、これに限るものではない)適当な基板、または適当な基板上のm面III−N膜からなるテンプレートを用いること。 (100) gamma-LiAlO such as 2 or (1-100) SiC (either hexagonal polymorph) (but not limited to) a suitable substrate or suitable m-plane of the substrate, III- the use of a template consisting of N film.
2. 2. 反応器内の1つ以上のガス流にGaN成膜段階のキャリア・ガスとして一部分は水素を用いること。 In part the use of hydrogen as a carrier gas of GaN deposited state to one or more of the gas stream in the reactor.
3. 3. 成膜のGaN成長段階において、760Torrより低い低反応器圧力を用いること。 In GaN growth stage of the deposition, the use of low reactor pressures less than 760 Torr.
4. 4. 下地のIII−Nテンプレート層または基板を露出できるような、開口部またはストライプを含む1300Å厚のSiO マスクのような薄いマスク層を成膜する工程を含む欠陥低減技術を取り入れること。 That allows exposing the III-N template layer or underlying substrate, the incorporation of defect reduction technique comprises a step of forming a thin mask layer, such as a 1300Å thick SiO 2 mask containing openings or stripes.
5. 5. 横方向に拡がって低欠陥密度GaNを作製するために、マスク層を通してm面GaN膜を成長すること。 Spread laterally to produce a low-defect density GaN, to grow the m-plane GaN layer through a mask layer.

例として、予めMBE法によってm面AlN膜を被覆した、500μm厚の研磨したm面SiC基板上に1300Å厚のSiO 膜を成膜する。 As an example, pre-coated with m-plane AlN film by the MBE method, to deposit a 1300Å thick SiO 2 film 500μm thick polished m-plane SiC substrate. 通常のフォトリソグラフィ工程を用いて、5μm幅の開口部で分離された35μm幅のストライプを含んだフォトレジスト層をパターニングする。 Using the normal photolithography process to pattern the photoresist layer containing stripes separated 35μm width at the opening of 5μm wide. ウェハを次に緩衝フッ化水素酸に2分間浸漬して、露出したSiO を完全にエッチング除去する。 It was immersed 2 minutes wafer next buffer hydrofluoric acid, completely removed by etching SiO 2 exposed. 残されたフォトレジストをアセトンで取り除き、ウェハをアセトン、イソプロピル・アルコール及び脱イオン水中で洗浄する。 The remaining photoresist was removed with acetone, washing the wafer acetone, isopropyl alcohol and deionized water. 乾燥後、5μm幅の開口部で分離された35μm幅のSiO ストライプで被覆されているm面SiC基板上のm面AlN薄膜からなるウェハは、成長のために反応器内に装着される。 After drying, the wafer consisting of m-plane AlN thin film on the m-plane SiC substrate that has been coated with SiO 2 stripes separated 35μm width at the opening of 5μm width is mounted in the reactor for growth. 成長過程では、GaNは露出したAlN上にだけ核生成し、マスクの開口部を通して垂直に成長する。 The growth process, GaN is only nucleate on the AlN exposed, grow vertically through openings in the mask. そこで膜はSiO ストライプ上を横方向に広がり、最終的には隣接するGaNストライプと合体する。 So film spreads over the SiO 2 stripe laterally, eventually coalesce with adjacent GaN stripes.

可能な変更と変形 Possible modifications and variations
好ましい実施形態として、平坦なm面GaNを成長し、その後、選択横方向成長プロセスによってm面GaNの品質を改良する方法を説明した。 As a preferred embodiment, the growth of the planar m-plane GaN, then how to improve the quality of the m-plane GaN by epitaxial lateral overgrowth process. (100)γ−LiAlO 、(1−100)4H−SiCおよび(1−100)6H−SiCを含む、いくつかの基板材料が本発明を実行するのに有効であることが証明された。 (100) γ-LiAlO 2, (1-100) including a 4H-SiC and (1-100) 6H-SiC, some substrate materials has proven to be effective in the practice of this invention. 自立m面GaN、自立m面AlN、SiCの他の多形、ミスカットのm面Al 、前述したいずれかの基板のミスカット変形物を含む(ただし、これに限るわけではない)他の適当な基板材料を本発明の実施において用いてもよい。 Freestanding m-plane GaN, including free-standing m-plane AlN, other polymorphic forms of SiC, miscut of m-plane Al 2 O 3, miscut variations of any of the substrates described above (but not limited to) other suitable substrate materials may be used in the practice of the present invention. 横方向成長過程における基板も、平坦なm面GaNの成長に適したいずれかの基板、またはGaN、AlN、AlGaNのテンプレート層、他のテンプレート材料で被覆された上記基板のいずれかから選ぶことが出来る。 Even substrate in the lateral growth process, any substrate suitable for the growth of planar m-plane GaN or GaN, AlN, template layer of AlGaN, be chosen from any of the substrates coated with other templates materials, can. 様々な成長技術によって低温または成長温度で成膜した核生成層はまた、この技術を用いて次に続くHVPE法による選択横方向成長に用いてもよい。 Nucleation layer was deposited at a low temperature or the growth temperature by various growth techniques may also be used in the epitaxial lateral overgrowth by subsequent HVPE method using this technique. 基板の選択は反応器加熱段階での最適なガス条件に影響を及ぼす。 Selection of the substrate influences the optimum gas conditions in the reactor heating step. LiAlO のようなある種の基板に対してはアンモニアを含む雰囲気内で昇温するのが好ましく、一方SiCはアンモニアが存在する中での昇温では悪影響を受ける。 It is preferable to warm in an atmosphere containing ammonia to certain substrates, such as LiAlO 2, whereas SiC is adversely affected Atsushi Nobori of in the presence of ammonia. 特にGaNテンプレート上での再成長時は、低圧力で成長温度まで昇温するのが好ましい。 Especially when regrowth on GaN template, to warm to the growth temperature of low pressure is preferred. 本発明の技術範囲を逸脱することなしに昇温条件は大幅に変更されてもよい。 Heated conditions without departing from the scope of the present invention may be changed significantly.

これとは別に、様々なマスク材料、マスク成膜技術、及びパターニング方法を、本発明の結果を著しく変えることなしに本発明の実施で用いることが出来る。 Apart from this, various masking material, the mask film forming technique, and a patterning method can be used in the practice of the present invention without changing the result of the present invention significantly. そのような成膜の方法としては、(例えばチタニウムやタングステンのような)金属マスクを蒸着する方法、広範囲の酸化物及びSiN を含む誘電体マスクをスパッタ成膜する方法、及び酸化物、窒化物、あるいはフッ化物マスクを化学気相成膜する方法を含むが、これに限定するものではない。 As a method for such deposition, (e.g., such as titanium or tungsten) method for depositing a metal mask, a method of the dielectric mask is formed by sputtering, including a wide range of oxide and SiN x, and oxides, nitrides things, or is a fluoride mask comprises chemical vapor deposition method for film, not limited thereto. マスクは上記のようにex situ技術で成膜してもよいし、in situ成膜しても良い。 The mask may be formed in the ex situ technique as described above, may be in situ deposition. 例として、単一の、ソースを3つ含むHVPE反応器を用いて、m−SiC基板上にAlNバッファを成膜して、つぎに本明細書で説明した発明を用いて薄いGaN膜を成長し,そして薄いSiN マスクを成膜して、それを通して低欠陥密度のm面GaNを成長することが出来る。 As an example, a single, using HVPE reactor containing three sources, by forming an AlN buffer m-SiC substrate, then growing a thin GaN film by using the invention described herein and, and thin SiN x mask was deposited, it is possible to grow an m-plane GaN low defect density through it. この例ではマスクはSiN の不規則的な島からなっているが、フォトリソグラフィによって形成された一様なマスクと同じ目的にかなう。 In this example the mask is made from irregular islands of SiN x, serve the same purpose as uniform mask formed by photolithography. これとは別に、金属Ti膜は自立m面GaN基板上に蒸着でき、HVPE成長システム内に装着され、NH 中でアニールされて同様に多孔質のマスク層を形成する。 Alternatively, the metal Ti film can deposited freestanding m-plane GaN substrate, is mounted in the HVPE growth system, it is annealed in NH 3 to form a mask layer of likewise porous.

他の代替方法としては、基板上にパターンマスクを成膜するのではなく、たとえば、反応性イオンエッチング法を用いてパターンを基板またはテンプレート材料の中へエッチングする方法がある。 As another alternative method, instead of forming a patterned mask on the substrate, for example, there is a method of etching the pattern into the substrate or template material using a reactive ion etching method. このような方法では、基板内の溝の深さと幅を選択して、エッチングされない平坦部から横に成長している膜が、溝の底から成長しているGaNが溝の上端部に達する前に合体するようにすべきである。 In this way, by selecting the depth and width of the groove in the substrate, before the film has grown laterally from the flat portion which is not etched, is GaN that has grown from the bottom of the groove reaches the upper end of the groove it should be so as to coalesce into. この技術は、カンチレバーエピタキシーとして知られるが、極性c面GaN成長において実証されているものであり、本発明においても適用可能ある。 This technique is known as a cantilever epitaxy, which has been demonstrated in a polar c-plane GaN growth, also applicable in the present invention. 残っている基板またはテンプレートの柱の上表面は、カンチレバーエピタキシーのようにコーティングされないままでもよく、あるいは側壁選択横方向成長のように、露出した側壁からの成長を促進するためにマスク材料で被覆されてもよい。 The upper surface of the remaining substrate or template pillars may remain uncoated as cantilever epitaxy, or as sidewall lateral overgrowth, it is covered with a mask material for promoting the growth of the exposed sidewall it may be.

誘電体マスクの形状は横方向に成長している膜の挙動に重要な影響を及ぼす。 Shape of the dielectric mask is important to the behavior of the film that is grown in the lateral direction influence. 本発明の有効性を確立する段階では、基板に対して様々な方向を持つストライプを含んだマスクが用いられた。 In the step of establishing the effectiveness of the present invention, the mask is used which contains a stripe having a different direction with respect to the substrate. 各形状の開口部からの成長の挙動は異なるが、マスク形状の選択は本発明の実施結果を基本的に変えるものではないということが示された。 The behavior of the different but growth from the opening of the shape, the choice of mask shape has been shown that the implementation results of the present invention do not essentially alter. このように、GaNの核生成を促進する領域とGaNの核生成を抑制する領域を含むマスクならどのようなものでも形状によらずに取り込むことが出来る。 Thus, it is possible to incorporate without depending on the shape of any type if mask including a region inhibiting the nucleation region and GaN that promote nucleation of GaN.

反応器の形状と設計は本発明の実施に影響を与える。 Reactor configuration and design affect the practice of the present invention. 非極性GaNを首尾よく横方向成長するために必要な成長パラメータは反応器によって変わる。 Growth parameters required for lateral growth of non-polar GaN successfully varies with reactor. そのような変化は本発明の一般的な実施形態を基本的に変えるものではない。 Such change does not alter the general embodiment of the present invention basically.

更に、一般的には横方向成長過程を膜合体点まで続けるのが望ましいが、合体は本発明の実施のための必要条件ではない。 Furthermore, in general, but to continue the lateral growth process until film coalescence point is desired, coalescence is not a requirement for the practice of the present invention. 本発明者らは、合体前の選択横方向成長の非極性GaNストライプまたは支柱が非常に望まれるような多くの応用形態を予想してきた。 The present inventors have expected the many applications forms such as non-polar GaN stripes or post coalescence before epitaxial lateral overgrowth is highly desirable. それ故に、この開示は合体した場合及び合体前の選択横方向成長非極性GaN膜のどちらにも適用される。 Therefore, this disclosure applies to both lateral overgrowth nonpolar GaN film before and when combined coalesced.

本発明はHVPE法による平坦なm面GaNの成長に焦点を当ててきた。 The present invention has focused on the growth of planar m-plane GaN by HVPE method. しかしながら本発明はInGaNおよびAlGaNを含む(ただし、これに限るわけではない)m面III−N合金の成長にも適用できる。 However, the present invention comprises InGaN and AlGaN (where not limited to) can be applied to the growth of the m-plane III-N alloys. 非極性GaN膜に一部Al、In、またはBを取り込むことは本発明の実施形態を基本的に変えるものではない。 Some nonpolar GaN film Al, In or does not fundamentally alter the embodiments of the present invention incorporating B,. 一般に、上記の議論で「GaN」について述べている記述はどれも、より一般的な窒化物化合物であるAl In Ga N(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦n≦1、x+y+z+n=1)で置き換えが出来る。 In general, none above discussion description describes "GaN" is a more general nitride compound Al x In y Ga z B n N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ z ≦ 1,0 ≦ n ≦ 1, x + y + z + n = 1) a replacement can. また、本発明の範囲を逸脱することなしに、Si、Zn、Mg、およびFeのような(ただし、これに限るわけではない)添加ドーパントを本発明に記述された膜に取り込むことが出来る。 Further, without departing from the scope of the present invention, Si, Zn, Mg, and Fe, such as (but not limited to) can take the added dopant film described in the present invention.

本発明の実施形態は、温度および/または圧力が変化する、または異なる窒化物組成を持つというような多重成長工程を含んでいてもよい。 Embodiments of the present invention may contain multiple growth steps such as that having a temperature and / or pressure changes, or different nitride compositions. そのような多重工程成長過程は、本明細書に説明した本発明に基本的に用いることができる。 Such multi-step growth process can be used basically to the present invention described herein.

更に、本発明はHVPE法を用いた成長技術を説明してきた。 Furthermore, the present invention has been described growth technique using the HVPE method. 非極性III−N膜の成長に関する発明者らの研究では、単純な変形を行うだけで、本明細書に説明したGaNの横方向成長技術はMOCVDによるm−GaNの成長にも同じように適用できることを確立した。 The inventors studies on the growth of non-polar III-N layer, only by performing a simple variant, the lateral growth technique GaN described herein are applied as same to m-GaN growth by MOCVD It was established to be able to.

利点および改善点 Advantages and improvements
本発明は、平坦な高品質非極性m面GaNおよびHVPE法によるm面GaNの選択横方向成長に関するはじめての報告である。 The present invention is a first report on m-plane GaN epitaxial lateral overgrowth due to the flat high-quality non-polar m-plane GaN and HVPE method. m面GaNの横方向成長に関しては、いかなる技術を用いたものもこれまでの文献に報告されていない。 For the lateral growth of the m-plane GaN, it has been reported in the literature to date even those using any technique.

大部分が水素であるキャリア・ガスを用いての低圧力成長を応用することで、HVPE法による平坦なm面GaN膜の成長を初めて可能にした。 Mostly by applying a low pressure growth of using a carrier gas is hydrogen, and for the first time the growth of planar m-plane GaN film by HVPE method. 基板上にヘテロエピタキシャル成長した非極性GaN膜に比べて、この発見に基づいてかなりの欠陥低減と膜品質改良を可能にしたことによって本発明は次のように発展する。 Compared to the non-polar GaN film heteroepitaxial growth on a substrate, the present invention by which enables considerable defect reduction and film quality improvement based on this discovery to develop as follows. このような低減された欠陥密度をもつ非極性GaNは、この技術を用いて成長したテンプレート膜上に続いて成長させた電子、光電子、及び電気機械的デバイスの改良に役立つであろう。 Nonpolar GaN having such reduced defect density, electron grown subsequently on the template layer grown using this technique, optoelectronic, and will serve to improve the electromechanical device. 本明細書で説明した選択横方向成長膜は、剥離して自立基板とすることができる厚い非極性GaN膜における転位密度を低減するための優れた手段を更に提供する。 Epitaxial lateral overgrowth layer described herein further provide an excellent means for reducing the dislocation density in the thick nonpolar GaN film can be peeled off to free-standing substrate.

参考文献 Bibliography
以下の参考文献は、参照として本明細書に組み込まれる。 The following references are incorporated herein by reference.
1. 1. R. R. R. R. Vanfleet, et al. Vanfleet, et al. ,“Defects in m−face GaN films grown by halide vapor phase epitaxy on LiAlO ,” Appl. , "Defects in m-face GaN films grown by halide vapor phase epitaxy on LiAlO 2," Appl. Phys. Phys. Lett. Lett. ,83(6)1139(2003) , 83 (6) 1139 (2003)
2. 2. P. P. Waltereit, et al. Waltereit, et al. ,“Nitride semiconductors free of electrostatic fields for efficient white light−emitting diodes,” Nature(406)865(2000) , "Nitride semiconductors free of electrostatic fields for efficient white light-emitting diodes," Nature (406) 865 (2000)
3. 3. Y. Y. Sun et al. Sun et al. ,“In surface segregation in M−plane (In,Ga)N/GaN multiple quantum well structures,” Appl. , "In surface segregation in M-plane (In, Ga) N / GaN multiple quantum well structures," Appl. Phys. Phys. Lett. Lett. 83(25)5178(2003) 83 (25) 5178 (2003)
4. 4. Gardner et al. Gardner et al. ,“Polarization anisotropy in the electroluminescence of m−plane InGaN−GaN multiple−quantum−well light−emitting diodes,” Appl. , "Polarization anisotropy in the electroluminescence of m-plane InGaN-GaN multiple-quantum-well light-emitting diodes," Appl. Phys. Phys. Lett. Lett. 86,111101(2005) 86,111101 (2005)
5. 5. Chitnis et al. Chitnis et al. ,“Visible light−emitting diodes using a−plane GaN−InGaN multiple quantum wells over r−plane sapphire,” Appl. , "Visible light-emitting diodes using a-plane GaN-InGaN multiple quantum wells over r-plane sapphire," Appl. Phys. Phys. Lett. Lett. 84(18)3663(2004) 84 (18) 3663 (2004)
6. 6. Chakraborty et al. Chakraborty et al. ,“Nonpolar InGaN /GaN emitters on reduced−defect lateral epitaxially overgrown a−plane GaN with drive−current independent electroluminescence emission peak,” Appl. , "Nonpolar InGaN / GaN emitters on reduced-defect lateral epitaxially overgrown a-plane GaN with drive-current independent electroluminescence emission peak," Appl. Phys. Phys. Lett. Lett. 85(22)5143(2004) 85 (22) 5143 (2004)
7. 7. Craven et al. Craven et al. ,“Threading dislocation reduction via laterally overgrown nonpolar (11−20)a−plane GaN,” Appl. , "Threading dislocation reduction via laterally overgrown nonpolar (11-20) a-plane GaN," Appl. Phys. Phys. Lett. Lett. 81(7)1201(2002) 81 (7) 1201 (2002)
8. 8. Haskell et al. Haskell et al. ,“Defect reduction in (11−20) a−plane gallium nitride via lateral epitaxial overgrowth by hydride vapor phase epitaxy,” Appl. , "Defect reduction in (11-20) a-plane gallium nitride via lateral epitaxial overgrowth by hydride vapor phase epitaxy," Appl. Phys. Phys. Lett. Lett. 83(4)644(2003) 83 (4) 644 (2003)
結論 Conclusion
これで本発明の好ましい実施形態の説明を終える。 This concludes the description of the preferred embodiments of the present invention. 本発明の一つ以上の実施形態に関する上記の記述は例示および説明のために示された。 The foregoing description of one or more embodiments of the present invention has been presented for purposes of illustration and description. 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。 Not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise form disclosed. 多くの変更と変形が上記の教示に照らして可能である。 Many modifications and variations are possible in light of the above teachings. 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。 The scope of the invention is not by this detailed description is intended to be limited herein by the appended claims.

一般的な六方晶結晶構造と重要な結晶面の概略図である。 It is a schematic diagram of a typical hexagonal crystal structure and critical crystal planes. 本発明の好ましい実施形態による、HVPE法を用いた平坦なm面GaN膜を直接成長するための工程を示すフローチャートである。 According to a preferred embodiment of the present invention, it is a flowchart illustrating a process for growing a flat m-plane GaN film using the HVPE method directly. 図3(a)は本発明を用いて達成した一様で平坦な表面形態を示すLiAlO 基板上に成長したm面GaN膜のノマルスキー光学コントラスト顕微鏡写真であり、図3(b)はその表面の原子間力顕微鏡像である。 3 (a) is a Nomarski optical contrast micrograph of m-plane GaN film grown on a uniform and LiAlO 2 substrate showing a flat surface morphology was achieved using the present invention, FIG. 3 (b) the surface it is between the atomic force microscope image. 本発明の好ましい実施形態による、GaN膜の選択横方向成長を通して平坦なm面GaN膜中の貫通転位と欠陥の密度を低減させる工程を示すフローチャートである。 According to a preferred embodiment of the present invention, it is a flowchart illustrating a process of reducing the density of threading dislocations and defects in flat m-plane GaN layer through epitaxial lateral overgrowth of GaN films. 図5(a)は<0001>方向SiO ストライプを用いたm面GaNの選択横方向成長プロセスの概略図、図5(b)は<11−20>方向SiO ストライプを用いたm面GaNの横方向成長プロセスの概略図である。 5 (a) is <0001> schematic diagram of a m-plane GaN epitaxial lateral overgrowth process using direction SiO 2 stripe, FIG. 5 (b) m-plane GaN with <11-20> direction SiO 2 stripe it is a schematic view of a lateral growth process. 図6(a)は<0001>方向m面GaN選択横方向成長ストライプの傾斜断面図であり、図6(b)は<11−20>方向GaNストライプの断面図である。 6 (a) is a oblique section view of <0001> direction m-plane GaN lateral overgrowth stripes, FIG. 6 (b) is a sectional view of the <11-20> direction GaN stripes. 図7(a)と図7(c)はそれぞれ<0001>と<11−20>方向のストライプから成長して合体した選択横方向成長ストライプの平面走査型電子顕微鏡像であり、図7(b)と図7(d)は図7(a)と図7(c)にて示した表面に対応するカソードルミネッセンス(CL)像であり、それぞれ窓と翼の領域を示している。 FIGS. 7 (a) and FIG. 7 (c) are each <0001> and <11-20> selected transverse plane scanning electron microscope image of the growth stripes coalesced grown from the direction of the stripe, FIG. 7 (b ) and FIG. 7 (d) is a cathodoluminescence (CL) images corresponding to the surface shown in FIGS. 7 (a) and FIG. 7 (c), the indicates a region of the window and the wing, respectively. 図7(e)は<0001>方向に沿って伸びているm面GaNストライプの断面SEM像であり、図7(f)は図7(e)にて示したストライプに対応するCL像である。 Figure 7 (e) is a cross-sectional SEM image of the m-plane GaN stripes extending along the <0001> direction, FIG. 7 (f) is a CL image corresponding to the stripes shown in FIG. 7 (e) . 図8(a)、図8(b)および図8(c)はm面GaN表面の5×5μm原子間力顕微鏡像であり、図8(a)は欠陥低減を目指したものではない、この開示の第1の部分に記述された技術を用いて成長した表面を示し、図8(b)および図8(c)は本発明をもちいて成長した選択横方向成長m面GaN膜の翼の部分の表面を示す。 FIG. 8 (a), the FIGS. 8 (b) and. 8 (c) is a force between 5 × 5 [mu] m atoms micrograph of m-plane GaN surface, FIG. 8 (a) Without aimed at defect reduction, this shows the growth surface using the described in the first part of the disclosed technology, and FIG. 8 (b) and FIG. 8 (c) of the wing lateral overgrowth m-plane GaN film grown using a present invention It shows the surface of the part.

Claims (17)

  1. (a)成長表面である平坦なm面GaN膜を得るための該m面表面平坦なm面GaN膜の直接成長を得る工程、および(b)前記成長表面からの前記m面GaN膜の引き続く選択横方向成長(LEO)を行うことにより、前記平坦なm面GaN膜中の貫通転位と欠陥の密度を低減し、かつ、RMS表面粗さが少なくとも5×5μmの面積にわたって6Å未満である工程を備えたことを特徴とする、平坦なm面窒化ガリウム(GaN) 膜を成長する方法。 (A) subsequent of said m-plane GaN film from obtaining a direct growth of the growth surface and is flat m-plane GaN film the m-plane surface flat m-plane GaN film to obtain, and (b) the growth surface by performing selective lateral growth (LEO), to reduce the density of threading dislocations and defects in the planar m-plane GaN layer, and, RMS surface roughness of less than 6Å over an area of ​​at least 5 × 5 [mu] m step characterized by comprising a method of growing a planar m-plane gallium nitride (GaN) film.
  2. 前記平坦なm面GaN膜は分極を含まないデバイスの成長のための基板として用いる目的で製作されることを特徴とする請求項1に記載の方法。 The method of claim 1 wherein the planar m-plane GaN film is characterized in that it is manufactured for the purpose of using as a substrate for the growth of free devices polarization.
  3. 前記平坦なm面GaN膜の直接成長は、m面SiC、(100)γ−LiAlO 2を含む基板、またはm面(In、Al、Ga、B)Nテンプレート層で覆われた基板上で行われることを特徴とする請求項2に記載の方法。 The direct growth of planar m-plane GaN layer, m plane SiC, (100) substrate comprising a gamma-LiAlO 2 or m-plane, (In, Al, Ga, B) line on a substrate covered with N template layer the method of claim 2, wherein the dividing.
  4. 前記直接成長を得る工程は、 Obtaining the direct growth,
    (1)基板を反応器に装着する工程、 (1) a step of mounting a substrate in the reactor,
    (2)成長室にアンモニア(NH 3 )、水素(H 2 )と窒素(N 2 )の混合ガスを流しながら、前記反応器を成長温度まで加熱する工程、 (2) ammonia (NH 3) to the growth chamber, while flowing a mixed gas of hydrogen (H 2) and nitrogen (N 2), heating the reactor to the growth temperature step,
    (3)前記反応器の圧力を大気圧よりも低い、所望の成膜圧力まで下げる工程、 (3) the lower than the pressure in the reactor atmospheric pressure, a process of lowering to the desired deposition pressure,
    (4)前記基板上に前記平坦なm面GaN膜の直接成長を開始するために、気体の塩化水素(HCl)をガリウム(Ga)源へ流し始める工程であって、前記気体HClは前記Gaと反応して一塩化ガリウム(GaCl)を形成する工程、 (4) to initiate the direct growth of the planar m-plane GaN layer on the substrate, a gas of hydrogen chloride (HCl) A step starts to flow into the gallium (Ga) source, the gas HCl is the Ga forming an gallium chloride (GaCl) by reaction with,
    (5)少なくとも一部分は水素(H 2 )を含むキャリア・ガスを用いて前記GaClを前記基板へ輸送する工程であって、前記平坦なm面GaN膜を形成するように前記GaClが前記基板上でアンモニア(NH 3 )と反応する工程、および(6)所望の成長時間が経った後で前記気体HClの流れを遮断し、前記反応器の圧力を大気圧に戻し、前記反応器の温度を室温に下げる工程、 (5) at least a portion is a step of transporting the GaCl to the substrate using the carrier gas containing hydrogen (H 2), the planar m-plane GaN film the GaCl to form said substrate step reacted with ammonia (NH 3) in, and (6) to block the flow of the gaseous HCl after passed the desired growth period, return the pressure of the reactor to atmospheric pressure, the temperature of the reactor step down to room temperature,
    を更に備えることを特徴とする請求項2に記載の方法。 Furthermore, the process according to claim 2, characterized in that it comprises a.
  5. 前記基板が低温または前記成長温度で成膜された核生成層で被覆されていることを特徴とする請求項4に記載の方法。 The method of claim 4, wherein the substrate is coated with the nucleation layer deposited at a low temperature or the growth temperature.
  6. 前記反応器内のガス流に無水アンモニア(NH 3 )を加えて前記基板を窒化する工程を更に備えていることを特徴とする請求項4に記載の方法。 The method of claim 4, characterized by further comprising a step of nitriding the substrate was added anhydrous ammonia (NH 3) into the gas flow in the reactor.
  7. 前記工程(6)は、前記反応器の温度が低下する間に前記GaN薄膜が分解することを防ぐために、ガス流に無水アンモニア(NH 3 )を含ませる工程を更に備えることを特徴とする請求項4に記載の方法。 The step (6), in order to prevent the GaN thin film is decomposed while the temperature of the reactor is lowered, claims and further comprising the step of including the anhydrous ammonia (NH 3) gas flow the method according to claim 4.
  8. 前記工程(6)は、低圧で前記基板を冷却する工程を更に備えることを特徴とする請求項4に記載の方法。 The step (6) A method according to claim 4, further comprising a step of cooling the substrate at low pressure.
  9. 前記選択横方向成長を行う工程は、 The step of performing the selective lateral growth,
    (1)前記直接成長の前記成長表面上に成膜されたマスクをパターニングする工程、および(2)前記直接成長の成長表面から前記GaN膜の選択横方向成長をハイドライド気相成長法を用いて行う工程を更に備え、GaNが前記パターニングされたマスクで覆われていない前記直接成長の成長表面の部分の上にだけ核生成し、前記GaNが前記パターニングされたマスクの開口部を通して垂直に成長し、その後前記GaNがパターニングされたマスクの上を横に前記平坦なm面GaN膜を形成するための前記直接成長の表面を横切って拡がることを特徴とする請求項2に記載の方法。 (1) a step of patterning a mask which is formed on the growth surface of the direct growth, and (2) the lateral overgrowth of the GaN film from the growth surface of the directly grown using hydride vapor phase epitaxy performing step further comprising a, GaN only nucleated on the portion of the patterned not covered by the mask the direct growth growth surface of the GaN grows vertically through openings in the patterned mask the method of claim 2, thereafter the GaN characterized in that the spread across the patterned the direct growth surface for forming the planar m-plane GaN layer next to the top of the mask.
  10. 前記選択横方向成長はほぼ大気圧またはそれ未満の成長圧力と、一部分は水素を含むキャリア・ガスとを利用することを特徴とする請求項9に記載の方法。 The method of claim 9 wherein the lateral overgrowth is substantially atmospheric or less growth pressure, in part, characterized in that use a carrier gas containing hydrogen.
  11. 前記キャリア・ガスが主として水素であることを特徴とする請求項10に記載の方法。 The method of claim 10, wherein the carrier gas is hydrogen predominantly.
  12. 前記キャリア・ガスが水素と窒素、アルゴンまたはヘリウムの混合ガスを含むことを特徴とする請求項11に記載の方法。 The method of claim 11, wherein the carrier gas is comprising a mixed gas of hydrogen and nitrogen, argon or helium.
  13. 前記パターニングされたマスクは金属材料または誘電性材料を含むことを特徴とする請求項9に記載の方法。 The method of claim 9 wherein the patterned mask is characterized in that it comprises a metallic material or a dielectric material.
  14. 前記工程(1)は、 Wherein step (1) is
    (1)前記直接成長の表面上に二酸化ケイ素(SiO 2 )膜を成膜する工程、 (1) the direct growth of silicon dioxide on the surface of the (SiO 2) step of forming a film,
    (2)前記二酸化ケイ素膜上のフォトレジスト層をパターニングする工程、 (2) patterning a photoresist layer on the silicon dioxide film,
    (3)前記パターニングされたフォトレジスト層によって露出した前記二酸化ケイ素膜の全ての部分をエッチング除去する工程、 (3) a step of etching away all portions of the silicon dioxide film exposed by the patterned photoresist layer,
    (4)前記フォトレジスト層の残留部分を取り除く工程、および (5)前記直接成長の表面を洗浄する工程を備えることを特徴とする請求項9に記載の方法。 (4) a step of removing the remaining portions of the photoresist layer, and (5) The method according to claim 9, characterized in that it comprises a step of washing the direct growth surface.
  15. 前記基板は低温または前記成長温度で成膜した核生成層で被覆されていることを特徴とする請求項9に記載の方法。 The substrate A method according to claim 9, characterized in that it is coated with the nucleation layer was deposited at a low temperature or the growth temperature.
  16. 前記直接成長および前記LEOは、ハイドライド気相成長法によるものであることを特徴とする請求項1に記載の方法。 The direct growth and the LEO A method according to claim 1, characterized in that due to hydride vapor phase epitaxy.
  17. 前記m面GaN膜の前記直接成長は鏡面性であり、ピットおよびクラックがなく、自立基板となるのに十分に厚いことを特徴とする請求項1に記載の方法。 Wherein the direct growth of m-plane GaN film is specular, without pits and cracks, the method according to claim 1, wherein the sufficiently thick to be self-supporting substrate.
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