JP5645887B2 - 半極性窒化物を備え、窒化物核生成層又はバッファ層に特徴を有するデバイス構造 - Google Patents

半極性窒化物を備え、窒化物核生成層又はバッファ層に特徴を有するデバイス構造 Download PDF

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Description

本発明は半極性窒化物を備え、窒化物核生成層又はバッファ層に特徴を有するデバイスとに関する。
関連出願の相互参照関係
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。
マイケル・イザ（ＭｉｃｈａｅｌＩｚａ）、トロイ・Ｊ．ベーカー（ＴｒｏｙＪ．Ｂａｋｅｒ）、ベンジャミン・Ａ．ハスケル（ＢｅｎｊａｍｉｎＡ．Ｈａｓｋｅｌｌ）、スティーブン・Ｐ．デンバース（ＳｔｅｖｅｎＰ．ＤｅｎＢａａｒｓ）、および中村修二（ＳｈｕｊｉＮａｋａｍｕｒａ）による米国特許仮出願第６０／７１５，４９１号、２００５年９月９日出願、発明の名称「有機金属化学気相成長法による半極性（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎの成長促進法（ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＥＮＨＡＮＣＩＮＧ ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ （Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ ＶＩＡ ＭＥＴＡＬＯＲＧＡＮＩＣ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＶＡＰＯＲ ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ）」、代理人整理番号３０７９４．１４４−ＵＳ−Ｐ１（２００５−７２２）；
この出願は参照として本明細書中に組み込まれているものとする。
本出願は本発明の譲受人に譲渡された以下の同時係属の出願と関連するものである。
トロイ・Ｊ．ベーカー、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ポール・Ｔ．フィニ（Ｐａｕl Ｔ．Ｆｉｎｉ）、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、および中村修二による米国実用特許出願第１１／３７２，９１４号、２００６年３月１０日出願、発明の名称「平坦な半極性窒化ガリウムの成長技術（ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＦＯＲ ＴＨＥ ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ）」、代理人整理番号３０７９４．１２８−ＵＳ−Ｕｌ（２００５−４７１−２）；
上記出願は米国特許法第１１９条（ｅ）に基づいて、次の特許文献の利益を主張している。
トロイ・Ｊ．ベーカー、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ポール・Ｔ．フィニ、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、および中村修二による米国特許仮出願第６０／６６０，２８３号、２００５年３月１０日出願、発明の名称「平坦な半極性窒化ガリウムの成長技術（ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＦＯＲ ＴＨＥ ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ ＳＥＭＩ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ）」、代理人整理番号３０７９４．１２８−ＵＳ−Ｐ１（２００５−４７１−１）；
ロバート・Ｍ．ファレル（Ｒｏｂｅｒｔ Ｍ．Ｆａｒｒｅｌｌ）、トロイ・Ｊ．ベーカー、アーパン チャクラボーティ（Ａｒｐａｎ Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ）、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、Ｐ．モルガン・パチソン（Ｐ．Ｍｏｒｇａｎ Ｐａｔｔｉｓｏｎ）、ラジャット・シャーマ（Ｒａｊａｔ Ｓｈａｒｍａ）、ウメシュ・Ｋ．ミシュラ（Ｕｍｅｓｈ Ｋ． Ｍｉｓｈｒａ）、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、および中村修二による米国実用特許出願第１１／４４４，９４６号、２００６年６月１日出願、発明の名称「半極性（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎ薄膜、ヘテロ構造およびデバイスの成長と作製のための方法及び装置（ＴＥＣＨＮＩＱＵＥＦＯＲ ＴＨＥ ＧＲＯＷＴＨ ＡＮＤ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＯＦ ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭＳ，ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ，ＡＮＤ ＤＥＶＩＣＥＳ）」代理人整理番号３０７９４．１４０−ＵＳ−Ｕ１( ２００５−６６８−２) ；
上記出願は米国特許法第１１９条（ｅ）に基づいて、次の特許文献の利益を主張している。
ロバート・Ｍ．ファレル、トロイ・Ｊ．ベーカー、アーパン チャクラボーティ、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、Ｐ．モルガン・パチソン、ラジャット・シャーマ、ウメシュ・Ｋ．ミシュラ、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、および中村修二による米国特許仮出願第６０／６８６，２４４号、２００５年６月１日出願、発明の名称「半極性（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎ薄膜、ヘテロ構造およびデバイスの成長と作製のための方法及び装置（ＴＥＣＨＮＩＱＵＥＦＯＲ ＴＨＥ ＧＲＯＷＴＨ ＡＮＤ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＯＦ ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ （Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭＳ，ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ，ＡＮＤ ＤＥＶＩＣＥＳ）」代理人識別番号３０７９４．１４０ ＵＳ−Ｐ１（２００５−６６８−１）；
トロイ・Ｊ．ベーカー、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ジェームス・Ｓ．スペック、および中村修二による米国実用特許出願第１１／４８６，２２４、２００６年７月１３日出願、発明の名称「半極性窒化物薄膜の欠陥低減のための横方向成長方法（ＬＡＴＥＲＡＬ ＧＲＯＷＴＨ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＤＥＦＥＣＴ ＲＥＤＵＣＴＩＯＮ ＯＦ ＳＥＭＩ−ＰＯＬＡＲ ＮＩＴＲＩＤＥ ＦＩＬＭＳ）」代理人整理番号３０７９４．１４１−ＵＳ−Ｕ１（２００５−６７２−２）；
上記出願は米国特許法第１１９条（ｅ）に基づいて、次の特許文献の利益を主張している。
トロイ・Ｊ．ベーカー、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ジェームス・Ｓ．スペック、および中村修二による米国特許仮出願第６０／６９８，７４９号、２００５年７月１３日出願、発明の名称「半極性窒化物薄膜の欠陥低減のための横方向成長方法（ＬＡＴＥＲＡＬ ＧＲＯＷＴＨ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＤＥＦＥＣＴ ＲＥＤＵＣＴＩＯＮ ＯＦ ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ ＮＩＴＲＩＤＥ ＦＩＬＭＳ）」、代理人整理番号３０７９４．１４１−ＵＳ−Ｐ１（２００５−６７２−１）；
ジョン・Ｆ．ケディング（ＪｏｈｎＦ．Ｋａｅｄｉｎｇ）、マイケル・イザ、トロイ・Ｊ．ベーカー、サトー・ヒロシ（ＨｉｒｏｓｈｉＳａｔｏ）、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ジェームス・Ｓ．スペック、スティーブン・Ｐ．デンバース、および中村修二による米国特許仮出願第６０／７６０，７３９号、２００６年１月２０日出願、発明の名称「半極性（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎの改良成長法（ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＩＭＰＲＯＶＥＤ ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ （Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ）」、代理人整理番号３０７９４．１５０−ＵＳ−Ｐ１（２００６−１２６−１）；
サトー・ヒロシ、ジョン・Ｆ．ケディング、マイケル・イザ、トロイ・Ｊ．ベーカー、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、スティーブン・Ｐ．デンバース、および中村修二による米国特許仮出願第６０／７６０，６２８号、２００６年１月２０日出願、発明の名称「有機金属化学気相成長法による半極性（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎの成長促進方法（ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＥＮＨＡＮＣＩＮＧ ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ （Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ ＶＩＡ ＭＥＴＡＬＯＲＧＡＮＩＣ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＶＡＰＯＲ ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ）」、代理人識別番号３０７９４．１５９−ＵＳ−Ｐ１（２００６−１７８−１）；
ジョン・Ｆ．ケディング、サトー・ヒロシ、マイケル・イザ、アサミズ・ヒロクニ（ＨｉｒｏｋｕｎｉＡｓａｍｉｚｕ）、ホン・ゾーン（ＨｏｎｇＺｈｏｎｇ）、スティーブン・Ｐ．デンバース、および中村修二による米国特許仮出願第６０／７７２，１８４号、２００６年２月１０日出願、発明の名称「半極性（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎの導電性制御の方法（ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＣＯＮＤＵＣＴＩＶＩＴＹ ＣＯＮＴＲＯＬ ＯＦ ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ （Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ）」、代理人整理番号３０７９４．１６６−ＵＳ−Ｐ１（２００６−２８５−１）；
ホン・ゾーン、ジョン・Ｆ．ケディング、ラジャット・シャーマ、ジェームス・Ｓ．スペック、スティーブン・Ｐ．デンバース、および中村修二による米国特許仮出願第６０／７７４，４６７号、２００６年２月１７日出願、発明の名称「半極性（Ａｌ，ｌｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ光電子デバイスの成長方法（ＭＥＴＨＯＤＦＯＲ ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ （Ａｌ，ｌｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＤＥＶＩＣＥＳ）」、代理人識別番号３０７９４．１７３−ＵＳ−Ｐ１（２００６−４２２−１）;
これらの出願は全て参照として本明細書中に組み込まれているものとする。
関連技術の説明
（注意：この出願は、本明細書を通じて、括弧で囲まれる１つ以上の参照番号、たとえば［参考文献ｘ］で示された、多くの異なる刊行物を参照する。参照番号順に並べられたこれらの文献のリストは、以下の［参考文献］と書かれたセクションに示す。これらの刊行物はそれぞれ本明細書中に組み込まれる。）
窒化ガリウム（ＧａＮ）およびそのアルミニウムとインジウムを含む３元および４元化合物（ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮ）の有用性は、可視光および紫外光の光電子デバイスおよび高出力電子デバイスの作製において十分に確立された。これらのデバイスは、通常は分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、およびハイドライド気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）を含む技術を用いてエピタキシャルに成長される。
ＧａＮとその合金は、六方晶ウルツ鉱型結晶構造が最も安定であり、その構造は単一のｃ軸に、全てが直交する、相互に１２０°回転した２つ（または３つの）等価な基底面軸（ａ軸）によって記述される。ＩＩＩ族元素と窒素元素は結晶のｃ軸に沿って交互にｃ面を占める。ウルツ鉱型構造に含まれる対称要素によれば、ＩＩＩ族窒化物はこのｃ軸に沿ってバルク自発分極を有し、またウルツ鉱型構造は圧電分極を示すことになる。
電子デバイスおよび光電子デバイスに関する現行の窒化物技術では有極性のｃ方向に沿って成長した窒化物薄膜が用いられる。しかしながら、ＩＩＩ族窒化物ベースの光電子および電子デバイスにおける従来のｃ面量子井戸構造は、強い圧電および自発分極の存在のために、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）により望ましくない影響を受ける。ｃ方向に沿った強い内部電界は、電子と正孔を空間的に分離させる原因となり、それが今度は、キャリア再結合効率の制限、振動子強度の低下、および発光のレッド・シフトを引き起こす。
ＧａＮ光電子デバイスにおける自発分極および圧電分極の影響を除去する方法の１つは、結晶の無極性面上にデバイスを成長することである。そのような面は同数のＧａとＮ原子を含み、電荷中性である。さらに、その次の無極性層は結晶学的にお互いに等価であるため、結晶は成長方向に沿って分極することはない。ＧａＮにおける対称等価な無極性面の２つのファミリーは、まとめてａ面として知られる｛１１−２０｝ファミリーと、まとめてｍ面として知られる｛１−１００｝ファミリーである。本発明の譲受人であるカリフォルニア大学の研究者らによってなされた進歩にもかかわらず、残念ながら、無極性窒化物の成長は依然として挑戦課題であり、ＩＩＩ族窒化物の工業界に広く採用されるまでにいたっていない。
ＧａＮ光電子デバイスにおける分極の影響を低減または除去するためのもう１つの方法は、デバイスを結晶の半極性面上に成長することである。半極性面という用語は、ミラー指数ｈ、ｉ、またはｊのうちの２つは０ではなく、ミラー指数ｌも０ではない広い範囲の面を指している。ｃ面ＧａＮヘテロエピタキシャルにおいて通常よく見られる半極性面のいくつかの例は、｛１１−２２｝、｛１０−１１｝および｛１０−１３｝面を含んでいる。これらはピットのファセットに見られる。これらの面は、また、本発明者らが平坦な薄膜の形態で成長した面と偶然に同じである。ウルツ鉱型結晶構造における半極性面の他の例は、｛１０−１２｝、｛２０−２１｝および｛１０−１４｝を含むが、これらに限定されない。窒化物結晶の分極ベクトルは、これらの面内にあるのではなく、これらの面に垂直でもなく、その面の面法線に対してある角度で傾いている。例えば、｛１０−１１｝と｛１０−１３｝面は、ｃ面に対してそれぞれ６２．９８°と３２．０６°である。
自発分極に加えて、窒化物に存在する分極の第２の形態は圧電分極である。これは、材料が圧縮ひずみか伸張ひずみを受けるときに起こるものであり、窒化物ヘテロ構造において異なる組成（およびそれゆえに異なる格子定数）の（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ層を成長するときに起こる。例えば、ＧａＮテンプレート上の薄いＡｌＧａＮ層は面内に伸張歪を持ち、ＧａＮテンプレート上の薄いＩｎＧａＮ層は面内に圧縮歪を持つが、これはどちらもＧａＮに格子整合するためである。それゆえに、ＧａＮ上のＩｎＧａＮ量子井戸では圧電分極は、ＩｎＧａＮとＧａＮの自発分極の方向とは反対方向を向いている。ＧａＮに格子整合したＡｌＧａＮ層では圧電分極は、ＡｌＧａＮとＧａＮの自発分極の方向と同じ方向を向いている。
ｃ面窒化物に対比して半極性面を用いる利点は、全分極が低減できるということである。特定の面上では、特定の合金組成において分極が０になることさえある。そのようなシナリオは将来の学術論文において詳しく議論されるであろう。重要な点は、分極がｃ面窒化物構造の場合に比べて低減するということである。
ＧａＮのバルク結晶は容易には入手できないので、結晶を単純に切断して引き続くデバイスの再成長に用いる表面を提供することはできない。一般的に、ＧａＮ薄膜は、まずヘテロエピタキシャルに、すなわちＧａＮにおおよそ格子整合する異種基板上に成長される。
半極性ＧａＮ面は、パターン化されたｃ面配向のストライプの側壁上にあることが実証された。非特許文献１は、この技術を用いて｛１１―２２｝ＩｎＧａＮ量子井戸を成長した。彼らは、半極性面｛１１−２２｝の内部量子効率がｃ面のそれよりも高いことも実証し、これは低減した分極に起因するものであるとした。
しかしながら、半極性面を実現するこの方法はエピタキシャル横方向オーバーグロス（ＥＬＯ）技術の副産物であり、本発明とは著しく異なる。ＥＬＯは、ＧａＮと他の半導体における欠陥を低減するために用いられる厄介な処理工程と成長方法であり、マスク材料のストライプをパターン化するステップを含む。マスク材料は、ＧａＮに対してはＳｉＯ2 の場合が多い。そこでＧａＮは、マスク間の開き窓から成長し、その後マスク上に成長する。そこで、連続した薄膜を形成するために、ＧａＮは横方向成長によって会合する。このストライプの結晶面は、成長パラメータによって制御できる。ストライプが会合する前に成長を止めると、小面積の半極性面が露出する。この面積はおよそ１０μｍ幅程度である。半極性面は、基板表面に平行ではない。このように、実現できる表面面積は小さすぎて半極性ＬＥＤを作製するために処理することは困難である。更に、傾いた面上にデバイス構造を形成することは、通常の面上にその構造を形成するのに比べるとはるかに困難である。また、全ての窒化物組成がＥＬＯプロセスに適合するわけではなく、広く行なわれているのはＧａＮのＥＬＯのみである。
核生成層、緩衝層、および／またはウェッティング層は、１９９０年代の初めから高品質の窒化物の成長において盛んに用いられてきた（非特許文献２、３）。この技術は、通常は厚い（１μｍ〜５μｍ）窒化物半導体材料の成膜の前に多結晶および／またはアモルファスの窒化物半導体材料の薄い層（５０Å〜２０００Å）を用いるという手法を用いる。ｃ面ＧａＮ薄膜のヘテロエピタキシャル成長における核生成層（ＮＬ）を用いることの利点は、十分に確立しているが、ＮＬが結晶品質を改良するメカニズムについては十分にはわかっていない。ＮＬが、高品質窒化物材料が成膜する結晶サイトを提供するものであると考えられている（非特許文献４、５）。その後の成膜によって、ＮＬなしに成膜された窒化物に比べると、結晶学的、電気的、および光学的特性が劇的に改良されることが示されている。
ＮＬの効用は、窒化物薄膜に対して盛んに立証されてきたが、それらは、（０００１）すなわちｃ面という結晶学的方向に成長された窒化物から構成されている（特許文献１、２）。特許文献２は、スピネル基板上に成長するｃ面ＧａＮの結晶品質を改良するために複数の緩衝層を用いることを実証した。この方法は本発明とはかなり異なり、この著者は、特許文献２に記述してあるように、（１１１）スピネルとは９％が格子不整であるｃ面ＧａＮの成長について記述している。それはまた、デバイス品質のｃ面ＧａＮを作製するために必要な、全部で４つの複数の緩衝層を含むため非常に厄介なものである。これに比べ、本発明は、半極性ＧａＮの改良のために単一の緩衝層を用いることを記述している。
ｃ面ＧａＮ薄膜の改良も特許文献１によって実証された。前記のとおり、この特定の結晶学的方向であるｃ方向における光電子デバイスおよび電子デバイスは、強い圧電および自発分極の存在により望ましくないＱＣＳＥ効果を受けてしまう。本発明は、半極性窒化物薄膜の品質の改良のために単一の緩衝層を用いる点で上記の方法とは異なるものである。
そこで、（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎの大面積が基板表面に平行である半極性窒化物の平坦な薄膜の成長について改良された方法に対するニーズが存在する。本発明はこのニーズを満たすものである。
米国特許第４，８５５，２４９号 米国特許第５，７４１，７２４号
Ｎｉｓｈｉｚｕｋａ，Ｋ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８５ Ｎｕｍｂｅｒ １５，１１ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２００４．この論文はＥＬＯ材料の｛１１−１２｝ＧａＮ側壁についての研究論文である。 Ｈ．Ａｍａｎｏ，Ｎ．Ｓａｗａｋｉ，Ｉ．Ａｋａｓａｋｉ ａｎｄ Ｙ．Ｔｏｙｏｄａ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．４８（１９８６）ｐｐ．３５３．この論文はｃ面ＧａＮ結晶品質の改良のためにＡｌＮ緩衝層を用いることを記している。 Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．３０，Ｎｏ．１０Ａ，Ｏｃｔｏｂｅｒ，１９９１，ｐｐ．Ｌ１７０５−Ｌ１７０７．この論文はｃ面ＧａＮ結晶品質の改良のためにＧａＮ緩衝層を用いることを記している。 Ｄ．Ｄ．Ｋｏｌｅｓｋｅ，Ｍ．Ｅ．Ｃｏｌｔｒｉｎ，Ｋ．Ｃ．Ｃｒｏｓｓ，Ｃ．Ｃ．Ｍｉｔｃｈｅｌｌ，Ａ．Ａ．Ａｌｌｅｒｍａｎ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ Ｖｏｌ．２７３，（２００４），ｐｐ．８６．この論文はＧａＮ緩衝層がサファイヤ基板上のｃ−面ＧａＮの形態変化に与える効果について記している。 Ｂ．Ｍｏｒａｎ，Ｆ．Ｗｕ，Ａ．Ｅ．Ｒｏｍａｎｏｖ，Ｕ．Ｋ．Ｍｉｓｈｒａ，Ｓ．Ｐ．Ｄｅｎｂａａｒｓ，Ｊ．Ｓ．Ｓｐｅｃｋ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ Ｖｏｌ．２７３，（２００４），ｐｐ．３８−４７．この論文はＡｌＮ緩衝層が炭化珪素基板上のｃ面ＧａＮの形態変化に与える効果について記している。
本発明は、デバイス構造であって、基板上の、またはこの基板を覆う窒化物の核生成層または緩衝層と、前記窒化物の核生成層または緩衝層上の、またはそれらを覆う半極性窒化物膜であって、この半極性ＩＩＩ族窒化物膜の成長表面は該基板の表面に平行である半極性窒化物膜とを備え、前記窒化物核生成層またはバッファ層の一つ以上の特徴が、前記半極性ＩＩＩ族窒化物膜の５μｍ×５μｍの面積あたりの表面凹凸が７ｎｍ未満であり、前記半極性ＩＩＩ族窒化物膜の微小構造品質は、ｘ線回折で測定された０．４３°未満の半値全幅（ＦＷＨＭ）を有するロッキング・カーブにより特徴づけられる。
具体的に、本発明は、基板上に有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて半極性窒化物半導体薄膜を成長するが、半極性窒化物半導体薄膜の成長の前に基板上に窒化物核生成層または緩衝層を成長させる。
核生成層あるいは緩衝層はＡｌx Ｉｎy Ｇａ1-x-y Ｎ（ｘ＝１およびｙ＝０）を含むものである。
半極性窒化物半導体薄膜は、変化する組成または傾斜する組成を持つ複数の層、異なる（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎの組成の層を含むヘテロ構造、異なる（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎの組成の１つ以上の層を含んでいる。半極性窒化物半導体薄膜は、Ｆｅ、Ｓｉ、およびＭｇのような元素でドープされていてもよい。
半極性窒化物半導体薄膜の成長表面は、基板表面に平行であり、成長表面は幅１０μｍの面積よりも大きい。例えば、半極性窒化物半導体薄膜は、直径２インチの基板をカバーするように成長される。
半極性窒化物半導体薄膜は、ハイドライド気相成長エピタキシー（ＨＶＰＥ）、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、および／または分子線エピタキシー（ＭＢＥ）のような方法による引き続く成長のための基板として用いてもよい。半極性窒化物半導体薄膜は、現状技術水準の窒化物半極性電子デバイスに必要な、改良された表面および結晶特性を有する。
前記方法を用いてデバイスが作製される。
以下、図面を参照し、対応する部分には一貫して同じ参照番号を付与する。
本発明の好ましい実施例のフローチャートである。 ｛１００｝スピネル上に成長したＧａＮの表面の顕微鏡写真である。 図２（ａ）では、ＧａＮはＡｌx Ｉｎy Ｇａ1-x-y Ｎ（ｘ＝０、ｙ＝０）核生成層上に成長し、図２（ｂ）ではＧａＮはＡｌx Ｉｎy Ｇａ1-x-y Ｎ（ｘ＝１、ｙ＝０）核生成層上に成長している。 ｛１００｝スピネル上に成長したＧａＮの表面の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像である。図３（ａ）では、ＧａＮはＨＶＰＥ法で、核生成層なしで成長され、図３（ｂ）では、ＧａＮはＭＯＣＶＤ法でＡｌx Ｉｎy Ｇａ1-x-y Ｎ（ｘ＝１、ｙ＝０）核生成層上に成長された。 ＭＯＣＶＤ法でＡｌx Ｉｎy Ｇａ1-x-y Ｎ（ｘ＝１、ｙ＝０）核生成層上に成長した半極性ＧａＮ薄膜のω−２θ（４００）Ｘ線回折（ＸＲＤ）走査である。
以下の好ましい実施形態の説明では、添付の図面を参照する。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。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よいことは明らかである。
概要
本発明は、＜０１１＞方向にミスカットした｛１００｝ＭｇＡｌ2 Ｏ4 （スピネル）基板上にＭＯＣＶＤを用いてデバイス品質の半極性で平坦な｛１０−１１｝窒化物半導体薄膜を成長するための方法を記述する。半極性窒化物半導体、たとえば｛１０−１１｝および｛１０−１３｝のＧａＮの成長は、ウルツ鉱型構造ＩＩＩ族窒化物デバイス構造における分極の影響を低減する手段を提供する。窒化物という用語はＧａn Ａｌx Ｉｎy Ｂz Ｎ（０≦ｎ≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｎ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）という化学式を持つ（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎ半導体の任意の合金組成を指している。
現行の窒化物デバイスは有極性の［０００１］ｃ方向に成長されるので、垂直デバイスの主電導方向に沿って電荷分離が生じる。その結果できる分極電界は、現行の技術水準の光電子デバイスの特性にとって致命的なものである。半極性方向に沿ってこれらのデバイスを成長すると、電導方向に沿っての内蔵電界を低減することによってデバイス特性を大幅に改良することが出来る。本発明は、有機金属化学気相成長法によって成長したときに得られる｛１０−１１｝ＩＩＩ族窒化物薄膜品質を向上させる手段を提供するものである。
技術的に関する説明
本発明は、緩衝層あるいは核生成層を用いることによって半極性窒化物薄膜の成長を促進する方法である。この例は｛１０−１１｝ＧａＮ薄膜である。この実施例では、＜０１１＞方向にミスカットした｛１００｝ＭｇＡｌ2 Ｏ4 スピネル基板が成長プロセスのために用いられる。平坦な半極性ＧａＮを実現するためには、ＧａＮの成長の前に高いアルミニウム組成を持つＡｌx Ｉｎy Ｇａ1-x-y Ｎ核生成層を用いることが決定的に重要である。
これらの薄膜は市販のＭＯＣＶＤシステムを用いて成長された。｛１０−１１｝ＧａＮの成長パラメータの一般的な概要は、圧力が１０ｔｏｒｒ〜１０００ｔｏｒｒ、温度は４００℃〜１４００℃である。圧力と温度におけるこの変化の範囲は、適当な基板を用いて半極性ＧａＮを成長するときの安定性を示す。エピタキシャルの関係および条件は反応装置の型式によらずに成立する。しかしながら、これらの面を成長するための反応装置の条件は個々の反応装置と成長方法（たとえば、ＨＶＰＥ、ＭＯＣＶＤ、およびＭＢＥ）によって変化する。
処理工程
図１は、以下に記述する本発明の好ましい実施例による、スピネル基板上の半極性窒化ガリウム（ＧａＮ）薄膜の成長のためのＭＯＣＶＤ工程のステップを示すフローチャートである。
ブロック１０は、基板をＭＯＣＶＤ反応装置の中へ装填するステップを表す。｛１０−１１｝ＧａＮの成長のために（１００）スピネル基板は、＜０１１＞方向にミスカットしたものを用いる。
ブロック１２は、基板を加熱するステップを表す。反応装置のヒータに通電され、基板の表面の窒化を促進する条件で、設定点である温度１１５０℃に向かって昇温する。一般に、窒素および／または水素および／またはアンモニアが大気圧下で基板上を流れる。
ブロック１４は、基板上に単一の核生成層あるいは緩衝層を成膜／成長するステップを示す。設定点温度に達したら、アンモニアの流量を０．１〜３. ０ｓｌｐｍに設定する。１〜２０分後に、反応装置の設定点温度を１１９０℃に上昇し、反応装置圧力を７６ｔｏｒｒに低減し、０から３ｓｃｃｍのトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）および／または２０ｓｃｃｍのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）および／または１２０ｓｃｃｍのトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を反応装置に導入して、基板上にＡｌx Ｉｎy Ｇａ1-x-y Ｎ核生成層または緩衝層の成長を開始する。１から４０分後にＡｌx Ｉｎy Ｇａ1-x-y Ｎ核生成層または緩衝層は望ましい厚さに到達する。Ａｌx ｌｎy Ｇａ1-x-y Ｎ核生成層または緩衝層のｘとｙの値は０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１の範囲である。核生成層または緩衝層の典型的な厚さは２０ｎｍ〜６００ｎｍであり、最適な厚さは〜２００ｎｍである。
ブロック１６は、半極性ＧａＮ薄膜を成膜／成長するステップを表す。この時点ではＴＭＡｌのガス流を遮断して、ＧａＮの成長の約１〜４時間の間、ＴＭＧａは９．５ｓｃｃｍに増加する。
ブロック１８は、基板を降温するステップを表す。ＧａＮが望ましい厚さに到達すると、ＴＭＧａのガス流を遮断し、ＧａＮ薄膜を保護する目的でアンモニアまたは窒素を流したまま反応装置を降温する。
ブロック２０は、最終結果が半極性（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ薄膜であることを示す。この半極性窒化物半導体薄膜は、ハイドライド気相成長エピタキシー（ＨＶＰＥ）、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、および／または分子線エピタキシー（ＭＢＥ）のような方法による、引き続く成長のための基板として用いられる。
デバイスは図１の方法を用いて作製される。
可能な変更と変形
本発明の技術範囲は、言及した特定の例だけでなくそれ以外も含まれる。図１に示した方法は、任意の半極性面上の全ての半導体窒化物に適合する。例えば、ブロック１６では、ミスカット（１００）スピネル基板上に｛１０−１１｝ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮあるいはＡｌＩｎＮを成長することが出来る。他の例は、ブロック１６で｛１０−１４｝４Ｈ−ＳｉＣのような適当な基板を用いれば｛１０−１２｝窒化物を成長することができ、また、ミスカットｍ面Ａｌ2 Ｏ3 基板上に半極性で平坦な｛１１−２２｝を成長することが出来るということである。これらの例および他の可能性はまた、平坦な半極性薄膜の利点の全てを享受するものである。図１の方法は、ブロック１４の窒化物の緩衝層あるいは核生成層を用いることにより半導体半極性窒化物薄膜を生成する任意の成長技術を含んでいる。
反応装置条件は反応装置の型式や設計によって変わる。図１における上記の成長は、半極性ＧａＮの成長にとって有用な条件であるとわかった条件の中の１組を記述したに過ぎない。このような薄膜が圧力、温度、ガス流量などのパラメータの広い範囲で成長でき、それらは全て平坦な半極性窒化物薄膜を生成するものであることも発見されてきた。
図１の成長工程において変形可能な他のステップがある。基板を窒化するステップは、いくつかの薄膜の表面形態を改良し、他の薄膜では成長する実際の面を決定することがわかった。しかしながら、これは任意の特定の成長技術に対して必要な場合と、必要でない場合がある。
図１における上記の成長は、ＡｌＩｎＧａＮ核生成層上でのＧａＮ薄膜の成長を含んでいる。しかしながら、ブロック１６では、任意の半極性窒化物半導体薄膜をブロック１４の核生成層上に成長出来る。半極性窒化物半導体薄膜は、変化する組成、あるいは傾斜した組成をもつ複数の層からなるものであってもよい。窒化物デバイスの大多数は、異なる（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎの組成の層を含むヘテロ構造を備えている。図１の方法は、ブロック１６のステップ中に任意の窒化物合金組成、任意の層の数、あるいはそれらの組み合わせを成長するために用いることも出来る。例えば、半極性窒化物半導体薄膜は異なる（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎの組成を持つ１つ以上の層を含んでもよい。Ｆｅ、ＳｉおよびＭｇのようなドーパントがしばしばブロック１６の窒化物層に導入される。これらドーパントと、および特に列挙はしていない他のドーパントは本発明の実施形態に適合する。
利点と改良点
現行の実施形態は、表面に垂直なｃ面を持つＧａＮを成長することである。この面は、デバイス特性にとっては致命的な自発分極と圧電分極を持っている。ｃ面窒化物薄膜に対して半極性窒化物薄膜の利点は分極の低減とそれに関連するある種のデバイスの内部量子効率の上昇である。
デバイスにおける分極の影響を完全に取り除くために、無極性面を用いることが出来る。しかしながら、この面は成長するのが非常に難しいため、無極性窒化物デバイスは、現在のところ製造されていない。無極性窒化物薄膜に対して、半極性窒化物薄膜の利点は成長の容易さである。半極性面は成長ができるパラメータ空間が広いということがわかっている。例えば、無極性面は大気圧下では成長しないが、半極性面は６２．５ｔｏｒｒから７６０ｔｏｒｒの範囲で成長することが実験的に示されていて、おそらくこれより更に広い範囲を持つと考えられる。
ＥＬＯ側壁に対して、図１の方法を用いて成長した平坦な半極性薄膜の利点は、表面積が大きく、ＬＥＤまたは他のデバイスに加工することが容易に出来ることである。他の利点は、ＥＬＯ側壁半極性面の場合とは異なり、図１の方法を用いた成長表面は基板表面に平行であるということである。例えば、試料はたいてい直径２インチの基板を覆うように成長するが、これは半極性窒化物の成長として以前に実証された数ミクロン幅（１０μｍ幅程度）の面積と対比すべきことである。
ブロック１６のＧａＮ成長に先立って、図１のブロック１４において形成されるｘ＝１およびｙ＝０のような大きなアルミニウム組成を持つＡｌx Ｉｎy Ｇａ1-x-y Ｎ核生成層を用いることにより、半極性ＧａＮ薄膜の結晶品質が劇的に改良されることが示された。これは図２（ａ）および図２（ｂ）の光学顕微鏡像からも明らかである。これらの光学顕微鏡像は、好ましい実施例において記述した緩衝層技術を導入することにより、表面品質と薄膜結晶品質が大幅に改良されることを示している。Ａｌx Ｉｎy Ｇａ1-x-y Ｎ（ｘ＝０、ｙ＝０）核生成層を用いた場合（図２（ａ））、ＧａＮ薄膜成長は実質的に多結晶であり、単結晶の成長方位がない。このように、薄膜は色々な方向に配向した多数の小さなＧａＮ結晶を持っている。この品質の薄膜は、電子デバイスの作製には用いることが出来ない。一方、Ａｌx Ｉｎy Ｇａ1-x-y Ｎ（ｘ＝１、ｙ＝０）核生成層を用いた場合（図２（ｂ））、結晶品質の実質的な改良が見られる。Ａｌx Ｉｎy Ｇａ1-x-y Ｎ（ｘ＝１、ｙ＝０）緩衝層を用いた半極性ＧａＮ薄膜は、現状技術の窒化物半極性電子デバイスに必要な表面および結晶特性を有する。このような特性とは結晶表面が平坦で、表面凹凸が小さく、また薄膜中に存在する結晶学的欠陥が少ないことである。
ＨＶＰＥ法によって成長した核生成層を持たないＧａＮ薄膜の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像とＭＯＣＶＤ法で成長したＡｌx Ｉｎy Ｇａ1-x-y Ｎ（ｘ＝１、ｙ＝０）核生成層を有する場合の像とをそれぞれ図３（ａ）および図３（ｂ）に示す（各ＡＦＭ像の右側に示した尺度が異なっていることに注意）。薄膜のナノスケールの表面凹凸の程度を表す像の自乗平均根（ＲＭＳ）の一般的な値はＨＶＰＥ法成長｛１０−１１｝ＧａＮ薄膜の５×５μｍ角の面積あたり７ｎｍ程度である。一方、ＭＯＣＶＤ法によって成長したＡｌx Ｉｎy Ｇａ1-x-y Ｎ（ｘ＝１、ｙ＝０）緩衝層付のＧａＮ薄膜に対しての代表的な値は、５×５μｍの面積あたり４ｎｍの程度である。このことは本発明の好ましい実施例において記述されたような、ＭＯＣＶＤによって成長したＡｌx Ｉｎy Ｇａ1-x-y Ｎ（ｘ＝１、ｙ＝０）緩衝層を用いた薄膜は、高品質半導体窒化物デバイスの作製に必要な、向上した表面品質を示すものである。
図４は軸上反射のω ２θ走査のＸ線回折（ＸＲＤ）である。この走査によって、本発明の好ましい実施形態において記述したように、ＭＯＣＶＤ法によって成長したＡｌx Ｉｎy Ｇａ1-x-y Ｎ（ｘ＝１、ｙ＝０）核生成層付の薄膜が実際に｛１０−１１｝半極性ＧａＮであることが確認される。薄膜のＧａＮ微小構造品質を評価するために、［０００２］すなわちｃ軸方向へロッキングしたＧａＮ｛１０−１１｝のＸＲＤω走査が行われた。薄膜微小構造品質の尺度である半値全幅（ＦＷＨＭ）は、緩衝層なしのＨＶＰＥ法で成長したＧａＮに対する［０００２］方向へロッキングしたＧａＮ｛１０−１１｝に対しては、一般的に０．７°である。一方、ＭＯＣＶＤ法で成長した、Ａｌx Ｉｎy Ｇａ1-x-y Ｎ（ｘ＝１、ｙ＝０）核生成層を用いて成長した｛１０−１１｝ＧａＮに対する値は０．４７°である。これらの値は、本発明の好ましい実施形態に記述したような、ＭＯＣＶＤ法によりＡｌx Ｉｎy Ｇａ1-x-y Ｎ（ｘ＝１、ｙ＝０）核生成層を用いて成長した半極性薄膜の微小構造特性が大幅に改良されたことを示している。
結論
これで本発明の好ましい実施形態の説明を終える。本発明の１つ以上の実施形態に関する上記の記述は、例示と記載のために示された。開示の形態そのものによって本発明を包括または限定することを意図するものではない。多くの変更と変形が上記の教示に照らして可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなく、本明細書に添付の請求項によって限定されるものである。

Claims (11)

  1. 基板上の、または該基板を覆う窒化物の核生成層または緩衝層と、
    前記窒化物の核生成層または緩衝層上の、またはそれらを覆う半極性ＩＩＩ族窒化物膜であって、該半極性ＩＩＩ族窒化物膜の成長表面は該基板の表面に平行である半極性ＩＩＩ族窒化物膜とを備え、
    前記窒化物核生成層または緩衝層の一つ以上の特徴が、
    前記半極性ＩＩＩ族窒化物膜の５μｍ×５μｍの面積あたりの表面凹凸が７ｎｍ未満であり、
    前記半極性ＩＩＩ族窒化物膜の微小構造品質は、ｘ線回折で測定された０．４３°未満の半値全幅（ＦＷＨＭ）を有するロッキング・カーブにより特徴づけられることを特徴とするデバイス構造。
  2. 前記成長表面は平坦で、前記半極性ＩＩＩ族窒化物膜は窒化ガリウムであることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス構造。
  3. 前記半極性ＩＩＩ族窒化物膜は｛１０−１１｝ＩＩＩ族窒化物であることを特徴とする、請求項２に記載のデバイス構造。
  4. 前記半極性ＩＩＩ族窒化物膜は｛１０−１２｝ＩＩＩ族窒化物であることを特徴とする、請求項２に記載のデバイス構造。
  5. 前記半極性ＩＩＩ族窒化物膜は｛１０−１４｝ＩＩＩ族窒化物であることを特徴とする、請求項２に記載のデバイス構造。
  6. 前記半極性ＩＩＩ族窒化物膜は｛１０−１３｝ＩＩＩ族窒化物であることを特徴とする、請求項２に記載のデバイス構造。
  7. 前記半極性ＩＩＩ族窒化物膜は｛２０−２１｝ＩＩＩ族窒化物であることを特徴とする、請求項２に記載のデバイス構造。
  8. 前記半極性ＩＩＩ族窒化物膜は｛１１−２２｝ＩＩＩ族窒化物であることを特徴とする、請求項２に記載のデバイス構造。
  9. 前記窒化物の核生成層あるいは緩衝層は、アルミニウム含有窒化物またはＡｌx Ｉｎy Ｇａ1-x-y Ｎ（ｘ＞０および０≦ｙ≦１）核生成層または緩衝層であることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス構造。
  10. 前記成長表面上に作製される電子または光電子デバイスをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス構造。
  11. 前記表面凹凸が４ｎｍ未満であることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス構造。
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