JP5739824B2 - 非極性または半極性(Ga、Al、In、B)N基板上に成長させられる素子 - Google Patents
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Description
本願は、同時係属で共通譲受人の下記の出願;
Robert M.Farrell、Michael Iza、James S.Speck、Steven P.DenBaars、およびShuji Nakamuraによる米国仮特許出願第61/156,710号(名称「METHOD OF IMPROVING SURFACE MORPHOLOGY OF (Ga,Al,In,B)N THIN FILMS AND DEVICES GROWN ON NONPOLAR OR SEMIPOLAR (Ga,Al,In,B)N SUBSTRATES」、2009年3月2日出願、代理人整理番号第30794.306−US−P1(2009−429−1)号);および
Robert M.Farrell、Michael Iza、James S.Speck、Steven P.DenBaars、およびShuji Nakamuraによる米国仮特許出願第61/184,535号(名称「METHOD OF IMPROVING SURFACE MORPHOLOGY OF (Ga,Al,In,B)N THIN FILMS AND DEVICES GROWN ON NONPOLAR OR SEMIPOLAR (Ga,Al,In,B)N SUBSTRATES」、2009年6月5日出願、代理人整理番号第0794.306−US−P2 (2009−429−2)号);
の米国特許法第119条第(e)項の利益を主張し、これらの出願は、本明細書に参考として援用される。
本発明は、半導体材料、方法、および素子に関し、より具体的には、非極性または半極性の窒化物発光ダイオード(LED)およびダイオードレーザの成長に関する。
(注:本願は、明細書の全体を通して示されるように、角括弧内の1つ以上の参照番号、例えば[Ref(s).x]によって多数の異なる刊行物を参照する。これらの参照番号による順序で示されるこれらの異なる刊行物の一覧は、以下の「参考文献」という表題の項に見出すことができる。これらの刊行物のそれぞれは、参照することによって本明細書に組み込まれる。)
窒化ガリウム(GaN)および(Ga、Al、In、B)N合金の有用性は、可視光および紫外線光電子素子ならびに高出力電子素子の加工に対して確立されている。最先端の窒化物薄膜、ヘテロ構造、および素子は、[0001]軸に沿って成長させられる。そのような膜の全分極は、自発および圧電分極寄与から構成され、その両方とも、図1(a)に例示されるように、ウルツ鉱窒化物結晶構造102の単極性[0001]軸100から生じる。窒化物ヘテロ構造が、疑似形態的に成長させられる場合、分極断絶が、表面(例えば、図1(a)に示される、c−面表面104)および結晶102内の界面に形成される。これらの断絶は、表面および界面におけるキャリアの蓄積または枯渇につながり、順に、電場を引き起こす。これらの分極誘導電場の方位は、窒化物薄膜およびヘテロ構造の典型的[0001]成長方向と一致するため、これらの場は、窒化物素子のエネルギーバンドを「傾動」させる効果を有する。
本発明は、例えば、以下の項目も提供する。
(項目1)
(Ga、Al、In、B)N薄膜を加工する方法であって、
(Ga、Al、In、B)N膜を非極性または半極性の(Ga、Al、In、B)N基板もしくはテンプレート上に直接成長させることと、
該成長ステップの間、キャリアガスを使用することであって、該キャリアガスの少なくとも一部は不活性ガスから構成される、ことと
を含む、方法。
(項目2)
前記基板またはテンプレートに、低指数の結晶方位から離れる方向のミスカットを提供することをさらに含む、項目1に記載の方法。
(項目3)
前記基板あるいはテンプレートは、m−面の基板あるいはテンプレートであって、前記ミスカットは、[000−1]方向に向かい、0.75°乃至1.50°のミスカット角度を有し、(Ga、Al、In、B)N膜は、該ミスカットの表面上に成長させられる、項目2に記載の方法。
(項目4)
前記不活性ガスは、N 2 、He、Ne、Ar、Kr、またはXeのうちの1つ以上から構成される、項目1に記載の方法。
(項目5)
1つ以上の素子層が、前記膜の上面に配置され、該素子層は、H 2 から構成され、前記キャリアガスの少なくとも一部によって成長させられる、項目1に記載の方法。
(項目6)
前記素子層は、前記素子の1つ以上のp型ドープ層を含み、該p型ドープ層は、H 2 から構成されている前記キャリアガスの少なくとも一部によって成長させられる、項目5に記載の方法。
(項目7)
非極性または半極性の(Ga、Al、In、B)Nの膜であって、
非極性または半極性の面である上面であって、該上面は、平面で光学的に平滑な領域を有することにより、該領域が、光学顕微鏡を使用して、400ナノメートル乃至600ナノメートルの光波長を用いて測定される場合、識別可能な非平面の表面起伏または特徴が無い、上面を備えており、該領域は、20ミリアンペアの駆動電流において少なくとも2ミリワットの出力強度を有する光を発する1つ以上の素子層のエピタキシャル析出のための基板としての使用に対して十分に大きい、膜。
(項目8)
前記領域は、ストライエーションが無い、項目7に記載の膜。
(項目9)
前記領域は、少なくとも100平方マイクロメートルである、項目7に記載の膜。
(項目10)
前記上面は、Ga、Al、In、B、およびNの原子の直径のオーダーの表面粗度を有して原子的に平滑である、項目9に記載の膜。
(項目11)
前記上面は、前記領域にわたって、0.5ナノメートル未満の二乗平均を有する表面粗度を有する、項目9に記載の膜。
(項目12)
前記上面は、前記領域にわたって、0.25ナノメートル未満の二乗平均を有する表面粗度を有する、項目9に記載の膜。
(項目13)
前記膜は、m−面基板の表面上に析出され、該m−面基板の表面は、[000−1]方向に向かい、0.75°乃至1.50°のミスカット角度を有するミスカットである、項目9に記載の膜。
(項目14)
前記上面の領域は、図2(a)−2(b)、3(a)−3(f)、4(a)−4(b)、5、6(a)−6(b)、7(a)−7(c)、8(a)−8(c)、または9(d)−9(f)に示される上面よりも平滑かつ平面である、項目7に記載の膜。
(項目15)
前記上面の領域は、密度8.4×10 2 cm −2 、大きさ10マイクロメートル、および勾配角度0.1°を有するピラミッド形小丘で特徴付けられた表面よりも平滑である、項目7に記載の膜。
(項目16)
前記上面の領域は、密度1.1×10 6 cm −2 を有する、ピラミッド形小丘で特徴付けられた表面よりも平滑である、項目7に記載の膜。
(項目17)
前記上面は、図7(d)−7(f)、8(d)−8(f)、または9(a)−9(c)に示される表面と少なくとも同程度に平滑である平滑度または表面粗度を有する、項目7に記載の膜。
(項目18)
前記膜は、m−面GaN膜であって、前記上面は、該m−面GaN膜のm−面である、項目7に記載の膜。
(項目19)
前記素子層は、前記膜の上面と少なくとも同程度に平滑である上面を有する、項目7に記載の膜。
(項目20)
前記上面の表面の平滑度または粗度は、成長した状態のままである、項目7に記載の膜。
非極性または半極性の窒化物LEDおよびダイオードレーザの実現は、窒化物LEDおよびダイオードレーザの製造可能性における多数の進歩を可能にする。非極性または半極性面上での窒化物LEDおよびダイオードレーザの成長は、重正孔および軽正孔バンドの異方性歪み誘導分裂を介して分極誘導電場を低減させ、有効正孔質量を減少させることによって、素子性能を大幅に改良することが可能である。分極誘導電場を低減させることによって、窒化物LEDにおける放射効率を増加させることが可能である。同様に、分極誘導電場を低減させ、有効正孔質量を減少させることによって、窒化物ダイオードレーザ内で光学利得を発生させるために必要な電流密度を低下させることが可能である。これは、窒化物LEDおよびダイオードレーザ内の加熱の大幅な低減につながり、素子製造業者にとって、より長い素子寿命およびより高い生産収率をもたらすことが可能となる。
本発明は、不活性キャリアガスを使用することによって、非極性または半極性の(Ga、Al、In、B)N基板上の(Ga、Al、In、B)N薄膜および素子の成長形態を改良する方法について説明する。本発明は、Mitsubishi Chemical Co.,Ltd.製自立型m−面GaN基板上にMOCVDによって成長させられたGaN薄膜および素子について、これらの効果を実験的に実証したものである。これらの基板は、HVPEによってc−方向に成長させられ、次いで、m−面表面を曝露するようにスライスされた。m−面表面は、化学的および機械的な表面処理法によって調製された。基板は、貫通転位密度5×106cm−2未満、キャリア濃度約1×1017cm−3、およびRMS表面粗度1nm未満を有する(製造業者によって測定)。
図16は、本発明の一実施形態による素子(例えば(Ga、Al、In、B)膜)を加工する方法を例示する工程図である。方法は、以下のステップを含み得る。
また、成長温度、成長圧力、V/III比、前駆体流量、および原材料等のMOCVD成長条件の変形例も、本発明の範囲から逸脱することなく、可能である。界面の質の制御は、プロセスの重要な側面であって、特定のリアクタ設計の流量切替え能力に直接関連する。成長条件の継続的な最適化によって、上述の非極性または半極性の(Ga、Al、In、B)N薄膜のより正確な組成および厚さの制御をもたらすことが可能である。
既存の実践は、極性[0001]c−方向に沿って、窒化物LEDおよびダイオードレーザを成長させることである。付随分極誘導電場および本質的に大きい有効正孔質量は、最先端のc−面窒化物LEDおよびダイオードレーザの性能に悪影響を及ぼす。非極性または半極性面上の窒化物LEDおよびダイオードレーザの成長は、分極効果を低減させ、有効正孔質量を減少させることによって、素子性能を大幅に改良可能である。
以下の参考文献は、参照することにより本明細書にその全体が組み込まれる。
Claims (31)
- III族窒化物膜を加工する方法であって、
有機金属化学気相成長法によって非極性または半極性のIII族窒化物膜をIII族窒化物の基板またはテンプレートの非極性または半極性の結晶方位を含む表面上に成長させること;および
該成長させる工程の間に成長条件およびキャリアガスを用いること、
とを含み、
該非極性または半極性の膜における第1の窒化ガリウム層の成長の間に該キャリアガスの少なくとも一部は、不活性ガスから構成され;
該キャリアガスの組成と、該非極性または半極性のIII族窒化物の基板またはテンプレートの該表面のミスカットの方向および大きさは、該非極性または半極性のIII族窒化物膜の表面形態に影響を及ぼすように選択され、これにより、該非極性または半極性のIII族窒化物膜の上面の、ピラミッド形小丘の形成および側方ストライエーションの形成を制御し;そして
該非極性または半極性のIII族窒化物膜の該上面は、非極性または半極性の面であり、成長させられたとき、少なくとも100平方マイクロメートルの領域にわたって0.5ナノメートル未満の二乗平均平方根を有する表面粗度を有する、方法。 - 前記上面は、前記領域にわたって0.25ナノメートル未満の二乗平均平方根を有する表面粗度を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記上面は、Ga、Al、In、B、およびNの原子の直径のオーダーの表面粗度を有して原子的に平滑である、請求項1に記載の方法。
- 前記基板またはテンプレートは、m−面窒化ガリウムのテンプレートまたは基板であり、前記膜は、非極性のm−面膜である、請求項1に記載の方法。
- 前記上面は、平面かつ光学的平滑領域を有し、前記領域には、400ナノメートル乃至600ナノメートルの光波長で光学顕微鏡を用いて測定される場合に、識別可能な非平面表面の起伏または特徴が無く、
該領域は、1つ以上の素子層のエピタキシャル析出のための基板として使用するためであり、該素子層は、20ミリアンペア駆動電流において、少なくとも2ミリワットの出力強度を有する光を発する、請求項1に記載の方法。 - 前記成長させることは、前記基板またはテンプレートのミスカット表面上である、請求項1に記載の方法。
- 前記基板またはテンプレートは、m−面の基板またはテンプレートであって、[000−1]方向に向かい、0.75°乃至1.50°のミスカット角度を有するミスカットを有し、前記非極性または半極性のIII族窒化物膜は、該ミスカットの表面上に成長させられる、請求項1に記載の方法。
- 前記不活性ガスは、N2、He、Ne、Ar、Kr、またはXeのうちの1つ以上から構成される、請求項1に記載の方法。
- 1つ以上の素子層が、前記膜の上面に配置され、該素子層は、H2から構成されている前記キャリアガスの少なくとも一部によって成長させられる、請求項1に記載の方法。
- 前記素子層は、素子の1つ以上のp型ドープ層を含み、該p型ドープ層は、H2から構成されている前記キャリアガスの少なくとも一部によって成長させられる、請求項9に記載の方法。
- 前記基板またはテンプレートに、前記結晶方位のミラー指数を増加するミスカットを提供することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 非極性または半極性のIII族窒化物の基板またはテンプレートの表面上の非極性または半極性のIII族窒化物膜と、
非極性または半極性の面である該非極性または半極性のIII族窒化物膜の上面と
を備える膜であって、
該上面は、成長させられたとき、少なくとも100平方マイクロメートルの領域にわたって0.5ナノメートル未満の二乗平均平方根を有する表面粗度を有し、
該上面は、密度1.1×10 6 cm −2 を有する、ピラミッド形小丘で特徴付けられた表面よりも平滑である、膜。 - 前記上面は、前記領域にわたって、0.25ナノメートル未満の二乗平均平方根を有する表面粗度を有する、請求項12に記載の膜。
- 前記上面は、Ga、Al、In、B、およびNの原子の直径のオーダーの表面粗度を有して原子的に平滑である、請求項12に記載の膜。
- 前記膜は、m−面窒化ガリウムの基板またはテンプレートの結晶方位上で成長させられ、該膜は、非極性のm−面膜である、請求項12に記載の膜。
- 前記上面は、平面かつ光学的平滑領域を備え、前記領域には、400ナノメートル乃至600ナノメートルの光波長で光学顕微鏡を用いて測定される場合に、識別可能な非平面表面の起伏または特徴が無く、
該領域は、1つ以上の素子層のエピタキシャル析出のための基板として使用するためであり、該素子層は、20ミリアンペア駆動電流において、少なくとも2ミリワットの出力強度を有する光を発する、請求項12に記載の膜。 - 前記領域には、ストライエーションが無い、請求項12に記載の膜。
- 前記膜は、m−面基板の表面上に析出され、該m−面基板の表面は、[000−1]方向に向かい、0.75°乃至1.50°のミスカット角度を有するミスカットである、請求項12に記載の膜。
- 前記上面の領域は、密度8.4×102cm−2、大きさ10マイクロメートル、および勾配角度0.1°を有するピラミッド形小丘で特徴付けられた表面よりも平滑である、請求項12に記載の膜。
- 前記膜は、m−面GaN膜であり、前記上面は、該m−面GaN膜のm−面である、請求項12に記載の膜。
- 前記膜が素子層を備えるか、または、素子層が該膜の上に成長させられており、
該素子層は、該膜の上面と少なくとも同程度に平滑である上面を有する、請求項12に記載の膜。 - 前記膜は、20ミリアンペアの直接駆動電流で少なくとも2ミリワットの出力パワーを有する光を発する1つ以上の素子層のエピタキシャル析出のための基板またはテンプレートであり、該出力パワーが該膜の裏面を通って測定される、請求項12に記載の膜。
- 前記基板は、窒化ガリウムである、請求項12に記載の膜。
- 前記膜は、窒化ガリウムである、請求項23に記載の膜。
- 前記膜は、半極性の窒化ガリウムである、請求項24に記載の膜。
- 前記膜は、非極性の窒化ガリウムである、請求項24に記載の膜。
- 前記膜は、少なくとも10マイクロメートルの厚さを有する窒化ガリウム膜である、請求項12に記載の膜。
- 前記表面粗度は、前記領域にわたって、0.134ナノメートルと0.5ナノメートルとの間の二乗平均平方根の表面粗度を有する、請求項12に記載の膜。
- 前記表面粗度は、前記領域にわたって、Ga、Al、In、B、およびNの原子の直径のオーダーと0.5ナノメートルとの間の二乗平均平方根の表面粗度を有する、請求項12に記載の膜。
- 前記基板が窒化ガリウムであり、そして前記膜が窒化ガリウムである、請求項1に記載の方法。
- 前記窒化ガリウムの膜が、前記領域にわたって0.134ナノメートルと0.5ナノメートルとの間の二乗平均平方根の表面粗度を有する、請求項30に記載の方法。
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