JP5892447B2 - Method for forming bulk III-nitride material on metal nitride growth template layer and structure formed by the method - Google Patents
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Description
[001]本発明の実施形態は、一般に、基板上にIII族窒化物材料を堆積させる方法、及びそうした方法によって形成される構造体に関する。より詳細には、本発明の実施形態は、金属窒化物材料を含む成長テンプレート層を含む基板上にIII族窒化物材料を堆積させるための方法、及びそうした方法によって形成される構造体に関する。 [001] Embodiments of the present invention generally relate to methods of depositing III-nitride material on a substrate and structures formed by such methods. More particularly, embodiments of the present invention relate to methods for depositing a group III nitride material on a substrate that includes a growth template layer that includes a metal nitride material, and structures formed by such methods.
[002]化学気相堆積(CVD)は、基板上に固形材料を堆積させるために使用される化学的な処理であり、半導体デバイスの製造において一般に用いられている。化学気相堆積処理においては、基板は、1つ又は複数の試薬ガスにさらされ、この試薬ガスが、結果として基板の表面上に固形材料を堆積させるように、反応し、分解し、又は反応と分解の両方を行う。 [002] Chemical vapor deposition (CVD) is a chemical process used to deposit solid materials on a substrate and is commonly used in the manufacture of semiconductor devices. In a chemical vapor deposition process, a substrate is exposed to one or more reagent gases that react, decompose, or react to result in depositing solid material on the surface of the substrate. And both disassembly.
[003]1つの特定のタイプのCVD処理は、当技術分野において気相エピタキシー(VPE)と呼ばれる。VPE処理では、基板は、反応チャンバ内で1つ又は複数の試薬気体にさらされ、この試薬気体が、結果として基板の表面上に固形材料をエピタキシャル堆積させるように、反応し、分解し、又は反応と分解の両方を行う。VPE処理は、III−V族半導体材料を堆積させるためにしばしば使用される。VPE処理における試薬気体のうちの1つがハロゲン化物気体を含む場合、この処理は、ハロゲン化物気相エピタキシー(HVPE)処理と呼ばれることがある。 [003] One particular type of CVD process is referred to in the art as vapor phase epitaxy (VPE). In VPE processing, a substrate is exposed to one or more reagent gases in a reaction chamber that reacts, decomposes, or results in epitaxial deposition of solid material on the surface of the substrate, or Perform both reaction and decomposition. VPE processing is often used to deposit III-V semiconductor materials. If one of the reagent gases in the VPE process includes a halide gas, this process may be referred to as a halide vapor phase epitaxy (HVPE) process.
[004]有機金属(MO)前駆体材料を反応チャンバ内で分解してIII族窒化物半導体材料を形成するVPE処理を使用して、窒化ガリウム(GaN)などのIII族窒化物半導体材料を形成することが当技術分野において知られている。そうした処理は、有機金属気相エピタキシー(MOVPE)処理としばしば呼ばれ、有機金属化学気相堆積(MOCVD)処理として特徴付けられることもある。そうしたMOVPE処理は、通常、所望のバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させる前に、いくつかの連続した前堆積処理を利用して行なわれる。これらの連続した前堆積処理には、成長基板(例えば、サファイア基板)の高温水素ベーク、成長基板の窒化処理、比較的低温での成長基板上でのIII族窒化物材料の核生成層の形成、比較的より高温での核生成層のアニール、核生成層の合体、及び、最後に、核生成層上へのバルクIII族窒化物材料層の成長を含むことができる。 [004] Forming a Group III nitride semiconductor material such as gallium nitride (GaN) using a VPE process that decomposes an organometallic (MO) precursor material in a reaction chamber to form a Group III nitride semiconductor material Is known in the art. Such a process is often referred to as a metal organic chemical vapor deposition (MOVPE) process and is sometimes characterized as a metal organic chemical vapor deposition (MOVCVD) process. Such MOVPE processes are typically performed using several successive predeposition processes prior to depositing the desired bulk III-nitride semiconductor material. These successive predeposition processes include high temperature hydrogen baking of the growth substrate (eg, sapphire substrate), nitridation of the growth substrate, and formation of a nucleation layer of group III nitride material on the growth substrate at a relatively low temperature. , Annealing of the nucleation layer at a relatively higher temperature, coalescence of the nucleation layer, and finally growth of a bulk III-nitride material layer on the nucleation layer.
[005]また、HVPE処理は、窒化ガリウム(GaN)などのIII族窒化物半導体材料を形成するためにも使用される。そうした処理においては、反応チャンバ内で約500℃〜約1,000℃の高温でガリウム一塩化物(GaCl)とアンモニア(NH3)との気相反応を行うことによって、結果として基板上にGaNのエピタキシャル成長を得ることができる。NH3は、標準的なNH3ガス源から供給されてもよい。一部の方法では、(標準的なHClガス源から供給することができる)塩化水素(HCl)ガスを加熱された液体ガリウム(Ga)上方を通過せることによってGaCl気体を供給して、反応チャンバ内においてインシチュー(in situ)でGaClを形成する。液体ガリウムは、約750℃〜約850℃の温度にまで加熱することができる。GaCl及びNH3は、半導体材料のウェーハなどの加熱された基板の表面に(例えば、表面上方に)導くことができる。Solomonらによる、2001年1月30日に発行された米国特許第6,179,913号は、そうしたシステム及び方法において使用するためのガス注入システムを開示している。 [005] HVPE processing is also used to form III-nitride semiconductor materials such as gallium nitride (GaN). In such a process, a gas phase reaction between gallium monochloride (GaCl) and ammonia (NH 3 ) is performed in the reaction chamber at a high temperature of about 500 ° C. to about 1,000 ° C., resulting in GaN on the substrate. Can be obtained. NH 3 may be supplied from a standard NH 3 gas source. In some methods, GaCl gas is supplied by passing hydrogen chloride (HCl) gas (which can be supplied from a standard HCl gas source) over heated liquid gallium (Ga) to produce a reaction chamber. In situ, GaCl is formed in situ. The liquid gallium can be heated to a temperature of about 750 ° C to about 850 ° C. GaCl and NH 3 can be directed (eg, above the surface) to the surface of a heated substrate, such as a wafer of semiconductor material. US Pat. No. 6,179,913 issued January 30, 2001 by Solomon et al. Discloses a gas injection system for use in such a system and method.
[006]バルクIII族窒化物半導体材料を形成するために使用されるMOVPE処理に関して、上で言及したいくつかの連続する前堆積処理を、HVPE堆積反応炉内で行うのが困難な場合がある。 [006] With respect to the MOVPE process used to form the bulk III-nitride semiconductor material, several consecutive pre-deposition processes referred to above may be difficult to perform in an HVPE deposition reactor. .
[007]本概要は、単純化された形態で、ある選択されたコンセプトを紹介するために提供され、このコンセプトは、本発明の一部の例示的な実施形態に関する以下の詳細な説明においてさらに説明される。本概要は、特許請求される主題の主な特徴、又は本質的な特徴を特定することは意図されておらず、特許請求される主題の範囲を限定するために使用されることも意図されていない。 [007] This summary is provided to introduce a selection of concepts in a simplified form that are further described below in the detailed description of some exemplary embodiments of the invention. Explained. This summary is not intended to identify key features or essential features of the claimed subject matter, nor is it intended to be used to limit the scope of the claimed subject matter. Absent.
[008]先に論じたように、核生成層上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させる前に成長基板上にIII族窒化物材料の核生成層を形成するために使用されるいくつかの連続する前堆積処理を、HVPE堆積反応炉内で行うのが困難な場合がある。その結果、バルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるために使用される既知のHVPE方法は、MOCVD処理を使用して、基板上にエクスシチュー(ex situ)で(すなわち別個のチャンバにおいて行なわれる別個の堆積処理において)堆積した金属窒化物材料の核生成層を含む成長基板を一般に利用してきた。その場合、所望のバルクIII族窒化物材料が、別個のチャンバにおいて行なわれる別個のHVPE処理において成長基板上に堆積される。 [008] As discussed above, some used to form a nucleation layer of III-nitride material on a growth substrate before depositing a bulk III-nitride semiconductor material on the nucleation layer It may be difficult to perform a continuous pre-deposition process in an HVPE deposition reactor. As a result, known HVPE methods used to deposit bulk III-nitride semiconductor materials use a MOCVD process and are ex situ on a substrate (ie, performed separately in a separate chamber). In general, a growth substrate comprising a nucleation layer of deposited metal nitride material has been utilized. In that case, the desired bulk III-nitride material is deposited on the growth substrate in a separate HVPE process performed in a separate chamber.
[009]一部の実施形態において、本発明は、成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させる方法を含む。金属窒化物核生成テンプレート層が基板上に形成されて成長基板を形成し、バルクIII族窒化物半導体材料が、ハロゲン化物気相エピタキシー(HVPE)処理を使用して、成長基板上に堆積される。成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップは、金属三塩化物及び金属四塩化物のうちの少なくとも1つを分解して金属塩化物III族前駆体気体を形成するサブステップ、及び金属塩化物III族前駆体気体をV族前駆体気体と反応させて成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を形成するサブステップを含むことができる。 [009] In some embodiments, the present invention includes a method of depositing a bulk III-nitride semiconductor material on a growth substrate. A metal nitride nucleation template layer is formed on the substrate to form a growth substrate, and a bulk III-nitride semiconductor material is deposited on the growth substrate using a halide vapor phase epitaxy (HVPE) process. . Depositing a bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate includes substeps of decomposing at least one of the metal trichloride and metal tetrachloride to form a metal chloride III precursor gas; And a sub-step of reacting the metal chloride group III precursor gas with the group V precursor gas to form a bulk group III nitride semiconductor material on the growth substrate.
[010]少なくとも一部の実施形態において、本発明は、MOCVD処理を使用して核生成テンプレート層をエクスシチューで形成することなく、HPVE処理を使用して成長基板上にバルクIII族窒化物材料を堆積させる方法を含む。 [010] In at least some embodiments, the present invention provides a bulk III-nitride material on a growth substrate using an HPVE process without forming a nucleation template layer ex-situ using an MOCVD process. A method of depositing.
[011]一部の実施形態において、本発明は、成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させる方法を含む。金属窒化物核生成テンプレート層が、第1のチャンバ内で非有機金属化学気相堆積(MOCVD)処理を使用して基板上に形成されて成長基板を形成し、バルクIII族窒化物半導体材料が、第2のチャンバ内でハロゲン化物気相エピタキシー(HVPE)処理を使用して、成長基板上に堆積される。成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップは、NH3、並びに金属三塩化物及び金属四塩化物のうちの少なくとも1つを第2のチャンバに向けて流すサブステップを含むことができる。 [011] In some embodiments, the present invention includes a method of depositing a bulk III-nitride semiconductor material on a growth substrate. A metal nitride nucleation template layer is formed on the substrate using a non-metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) process in a first chamber to form a growth substrate, and a bulk III-nitride semiconductor material is formed. And deposited on the growth substrate using a halide vapor phase epitaxy (HVPE) process in a second chamber. Depositing the bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate includes substeps of flowing NH 3 and at least one of metal trichloride and metal tetrachloride toward the second chamber. Can do.
[012]成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させる方法のさらなる実施形態において、金属窒化物核生成テンプレート層がチャンバ内で有機金属化学気相堆積(MOCVD)処理を使用して基板上に形成されて成長基板を形成し、バルクIII族窒化物半導体材料が、同一チャンバ内でハロゲン化物気相エピタキシー(HVPE)処理を使用して、成長基板上に堆積される。ハロゲン化物気相エピタキシー(HVPE)処理を使用して、成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップは、NH3、並びに金属三塩化物及び金属四塩化物のうちの少なくとも1つを同一チャンバへ向けて流すサブステップを含むことができる。 [012] In a further embodiment of the method of depositing a bulk III-nitride semiconductor material on a growth substrate, the metal nitride nucleation template layer is formed using a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) process in the chamber. Formed above to form a growth substrate, a bulk III-nitride semiconductor material is deposited on the growth substrate using a halide vapor phase epitaxy (HVPE) process in the same chamber. Depositing the bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate using a halide vapor phase epitaxy (HVPE) process comprises NH 3 and at least one of metal trichloride and metal tetrachloride. Can be included to flow toward the same chamber.
[013]成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させる方法のさらなる実施形態において、金属窒化物核生成テンプレート層がチャンバ内でハロゲン化物気相エピタキシー(HVPE)処理を使用して基板上に形成されて成長基板を形成し、バルクIII族窒化物半導体材料が同一チャンバ内でハロゲン化物気相エピタキシー(HVPE)処理を使用して、成長基板上に堆積される。ハロゲン化物気相エピタキシー(HVPE)処理を使用して、成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップは、NH3、並びに金属三塩化物及び金属四塩化物のうちの少なくとも1つを同一チャンバへ向けて流すサブステップを含むことができる。 [013] In a further embodiment of the method of depositing a bulk III-nitride semiconductor material on a growth substrate, a metal nitride nucleation template layer is formed on the substrate using a halide vapor phase epitaxy (HVPE) process in a chamber. Formed into a growth substrate, and a bulk III-nitride semiconductor material is deposited on the growth substrate using a halide vapor phase epitaxy (HVPE) process in the same chamber. Depositing the bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate using a halide vapor phase epitaxy (HVPE) process comprises NH 3 and at least one of metal trichloride and metal tetrachloride. Can be included to flow toward the same chamber.
[014]本発明のさらなる実施形態は、本明細書で開示される方法を使用して形成されるバルクIII族窒化物半導体材料を含む構造を含む。 [014] Further embodiments of the present invention include structures comprising bulk III-nitride semiconductor materials formed using the methods disclosed herein.
[015]本発明は、添付図面に示される本発明の例示的な実施形態の以下の詳細な説明を参照することによってより完全に理解することができる。 [015] The invention may be more fully understood by reference to the following detailed description of exemplary embodiments of the invention shown in the accompanying drawings.
[025]本明細書で提示される図は、任意の特定の構成要素、装置又はシステムについての実際の図面であることは意図されておらず、本発明の実施形態について説明するために用いられる、単に理想化された表現にすぎない。 [025] The figures presented herein are not intended to be actual drawings of any particular component, apparatus or system, and are used to describe embodiments of the present invention. It's just an idealized expression.
[026]いくつかの参照文献が本明細書で引用されるが、引用される参照文献のいずれも、本明細書でどのように特徴づけられているかにかかわらず、主題請求項の本発明に対する従来技術として本明細書で認めているわけではない。 [026] Although several references are cited herein, regardless of how any of the cited references are characterized herein, the subject claims It is not recognized as prior art in this specification.
[027]本明細書で使用されるとき、「III−V族半導体材料」という用語は、周期表のIIIA族からの1つ又は複数の元素(B、Al、Ga、In、及びTi)、並びに周期表のVA族からの1つ又は複数の元素(N、P、As、Sb、及びBi)で少なくとも主に構成される任意の半導体材料を意味し、含む。例えば、III−V族半導体材料は、GaN、GaP、GaAs、InN、InP、InAs、AlN、AlP、AlAs、InGaN、InGaP、InGaNPなどを含むが、これらには限定されない。 [027] As used herein, the term "III-V semiconductor material" refers to one or more elements (B, Al, Ga, In, and Ti) from group IIIA of the periodic table, And any semiconductor material composed at least primarily of one or more elements (N, P, As, Sb, and Bi) from Group VA of the periodic table. For example, group III-V semiconductor materials include, but are not limited to, GaN, GaP, GaAs, InN, InP, InAs, AlN, AlP, AlAs, InGaN, InGaP, InGaNP, and the like.
[028]本明細書で使用されるとき、「III族窒化物半導体材料」という用語は、周期表のIIIA族からの1つ又は複数の元素(B、Al、Ga、In、及びTi)、並びに窒素で少なくとも主に構成される任意のIII−V族半導体材料を意味し、含む。例えば、III族窒化物半導体材料は、GaN、InN、AlN、InGaN、GaAlN、GaAlN、InAlNなどを含む。 [028] As used herein, the term "Group III nitride semiconductor material" refers to one or more elements from Group IIIA of the periodic table (B, Al, Ga, In, and Ti), As well as any III-V semiconductor material composed at least primarily of nitrogen. For example, group III nitride semiconductor materials include GaN, InN, AlN, InGaN, GaAlN, GaAlN, InAlN, and the like.
[029]本明細書で使用されるとき、「金属窒化物」という用語は、金属と窒素の化合物を意味する。金属窒化物材料は、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、アルミニウム窒化ガリウム(AlxGa1−xN)、窒化チタン(TiN)、窒化ハフニウム(Hf)、窒化クロム(CrN)、窒化タングステン(WN)、及び窒化タンタル(TaN)を含むが、これらには限定されない。 [029] As used herein, the term "metal nitride" means a compound of metal and nitrogen. Metal nitride materials are aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), aluminum gallium nitride (Al x Ga 1-x N), titanium nitride (TiN), hafnium nitride (Hf), chromium nitride (CrN), nitride Including but not limited to tungsten (WN) and tantalum nitride (TaN).
[030]本明細書で使用されるとき、「化学気相堆積」及び「CVD」という用語は、同意語であり、反応チャンバ内で基板上に固形材料(複数可)を堆積させるために使用される任意の処理を意味し、含み、この反応チャンバ内で基板が1つ又は複数の試薬ガスにさらされ、結果として基板の表面上に固形材料(複数可)の堆積が得られるように、この試薬ガスが反応し、分解し、又は反応と分解の両方を行う。 [030] As used herein, the terms "chemical vapor deposition" and "CVD" are synonymous and are used to deposit solid material (s) on a substrate in a reaction chamber Any process that is performed, including, in this reaction chamber, the substrate is exposed to one or more reagent gases, resulting in the deposition of solid material (s) on the surface of the substrate, This reagent gas reacts and decomposes, or both reaction and decomposition occur.
[031]本明細書で使用されるとき、「気相エピタキシー」及び「VPE」という用語は、同意語であり、基板が1つ又は複数の試薬気体にさらされる任意のCVD処理を意味し、含み、結果として基板の表面上に固形材料(複数可)のエピタキシャル堆積が得られるように、この試薬気体が、反応し、分解し、又は反応と分解の両方を行う。 [031] As used herein, the terms "vapor phase epitaxy" and "VPE" are synonymous and mean any CVD process in which a substrate is exposed to one or more reagent gases; This reagent gas reacts, decomposes, or both reacts and decomposes so as to result in an epitaxial deposition of the solid material (s) on the surface of the substrate.
[032]本明細書で使用されるとき、「ハロゲン化物気相エピタキシー」及び「HVPE」という用語は、同意語であり、VPE処理において使用される少なくとも1つの試薬気体がハロゲン化物気体を含む任意のVPE処理を意味し、含む。 [032] As used herein, the terms "halide vapor phase epitaxy" and "HVPE" are synonymous and any at least one reagent gas used in the VPE process includes any halide gas. Means VPE processing.
[033]本明細書で使用されるとき、「有機金属」という用語は、少なくとも1つの金属元素、及び少なくとも1つの炭素を主成分とする配位子を含む有機化学種を含む任意の化合物を意味し、含む。有機金属は、当技術分野において「有機金属化合物」としばしば呼ばれ、そうした用語は、本開示の目的とっては同意語である。有機金属は、トリメチルガリウム(TMG)、トリエチルガリウム(TEG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリエチルアルミニウム(TEA)、テトラキスジエチルアミノチタン(TDEAT)、及びテトラキス(ジメチルアミド)チタニウム(TDMAT)を含むが、これらには限定されない。 [033] As used herein, the term "organometallic" refers to any compound comprising an organic species comprising at least one metal element and at least one carbon-based ligand. Means and includes. Organometallics are often referred to in the art as “organometallic compounds” and such terms are synonymous for the purposes of this disclosure. Organometals include trimethylgallium (TMG), triethylgallium (TEG), trimethylaluminum (TMA), triethylaluminum (TEA), tetrakisdiethylaminotitanium (TDEAT), and tetrakis (dimethylamido) titanium (TDMAT). It is not limited to.
[034]本明細書で使用されるとき、「有機金属気相エピタキシー」及び「MOVPE」という用語は、同意語であり、VPE処理において使用される少なくとも1つの試薬気体が有機金属気体を含む任意のVPE処理を意味し、含む。 [034] As used herein, the terms "organometallic vapor phase epitaxy" and "MOVPE" are synonymous and any at least one reagent gas used in a VPE process includes an organometallic gas. Means VPE processing.
[035]本明細書で使用されるとき、「非有機金属化学気相堆積処理」及び「非MOCVD処理」という用語は、同意語であり、MOCVD処理でない任意の堆積処理を意味し、含む。 [035] As used herein, the terms "non-organometallic chemical vapor deposition process" and "non-MOCVD process" are synonymous and mean and include any deposition process that is not a MOCVD process.
[036]本明細書で使用されるとき、「非有機金属気相エピタキシー処理」及び「非MOVPE処理」という用語は、同意語であり、MOVPE処理でない任意の堆積処理を意味し、含む。 [036] As used herein, the terms "non-organometallic vapor phase epitaxy process" and "non-MOVPE process" are synonymous and mean and include any deposition process that is not a MOVPE process.
[037]本明細書で使用されるとき、「ガス」という用語は、ガス(独立した形状も容積も有していない流体)、及び気体(拡散された液体、又は懸濁された固形物を含むガス)を含み、「ガス」及び「気体」という用語は、本明細書では同義的に使用される。 [037] As used herein, the term "gas" refers to gas (a fluid that does not have an independent shape or volume) and gas (a diffused liquid or suspended solid). The terms “gas” and “gas” are used interchangeably herein.
[038]図1〜図3は、本発明の実施形態による成長基板上へのバルクIII族窒化物半導体材料の堆積を示す。図1を参照すると、基板10が用意される。基板10は、略平面の円盤形状の本体、及び略円形の長方形などであってもよい。基板10は、当技術分野において「ダイ」又は「ウェーハ」と呼ばれるものを含むことができる。基板10は、少なくとも実質的に、均質材料12からなってもよい。材料12は、例えば、酸化物(例えば、二酸化けい素(SiO2)、若しくは酸化アルミニウム(Al2O3)(例えば、α−Al2O3であるサファイア))などのセラミック、又は窒化物(例えば、窒化けい素(Si3N4)、若しくは窒化ほう素(BN))を含むことができる。さらなる例として、材料12は、例えば、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、III−V族半導体材料などの半導体材料を含むことができる。一部の実施形態において、基板10の材料12は、少なくとも実質的に、単結晶材料12からなってもよい。さらに、そうした実施形態において、単結晶は選択された結晶学的配向を有することができ、それによって材料12の露出した主表面14が、材料12の単結晶の選択された結晶学的な面を含むことになる。非限定的な例として、基板10は、サファイア基板を含むように選択されてもよい。そうしたサファイア基板は、市販で入手可能である。
[038] FIGS. 1-3 illustrate the deposition of a bulk III-nitride semiconductor material on a growth substrate according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a
[039]図2を参照すると、露出した主表面14上に金属窒化物核生成テンプレート層18を形成して(例えば、堆積させて)成長基板20を形成することができる。本発明の方法の実施形態によると、いくつかの様々な方法で金属窒化物核生成テンプレート層18を基板上に形成することができ、これについて以下でさらに詳細に説明する。限定することなく一例を挙げると、金属窒化物核生成テンプレート層18が約2ナノメートル(2nm)〜約5ミクロン(5μm)の平均的な厚さT1を有するように、露出した主表面14上にテンプレート層18を堆積させることができる。
Referring to FIG. 2, a
[040]この金属窒化物核生成テンプレート層18を用いて、堆積されるバルクIII−V族半導体材料内の欠陥密度を望ましい密度に維持しながら、基板10一面にバルクIII−V族半導体材料を望ましい平均的な全厚さまで堆積させることができる。基板10の材料12の結晶格子構造と基板10一面に堆積されることになるバルクIII−V族半導体材料の結晶格子構造との差(この差は、しばしば当技術分野において「結晶格子不整合」と呼ばれる)により、バルクIII−V族半導体材料の結晶構造は、バルクIII−V族半導体材料が基板10の露出した主表面14上に直接堆積される場合には、比較的高い、望ましくない密度の転位などの欠陥を含む可能性がある。したがって、金属窒化物核生成テンプレート層18が基板10上に設けられ、バルクIII−V族半導体材料は、金属窒化物核生成テンプレート層18が、基板10とバルクIII−V族半導体材料との間の結晶格子不整合と比較して、基板10及び基板10一面に堆積されることになるバルクIII−V族半導体材料のそれぞれと相対的に低い結晶格子不整合を有するように選択される組成及び/又は微細構造を有することができる。言いかえれば、基板10と基板10一面に堆積されることになるバルクIII−V族半導体材料との間の結晶格子不整合をバッファーするために核生成テンプレート層を使用することができ、そうした核生成テンプレート層18は、当技術分野において「バッファー」層とも呼ばれる。さらに、バルクIII−V族半導体材料の核成長に対するシード層として核生成テンプレート層を使用することができ、そうした核生成テンプレート層18は、当技術分野において「シード」層とも呼ばれる。
[040] Using this metal nitride nucleation template layer 18, bulk III-V semiconductor material is deposited over the
[041]図3を参照すると、成長基板20を形成した後、HVPE処理を使用して金属窒化物核生成テンプレート層18の露出した主表面19上にバルクIII−V族半導体材料22を核生成し、堆積させることができる。図3の簡略化された図面において金属窒化物核生成テンプレート層18とバルクIII−V族半導体材料22との間に不連続な境界が見えるが、金属窒化物核生成テンプレート層18及びバルクIII−V族半導体材料22は、一部の実施形態において、少なくとも実質的に同一の組成を有することができ、金属窒化物核生成テンプレート層18とバルクIII−V族半導体材料22との間にいかなる不連続な境界も視覚化する又は別の方法で識別するのは、困難であり又は不可能でありうることに留意されたい。
[041] Referring to FIG. 3, after forming the
[042]限定ではなく一例を挙げると、バルクIII−V族半導体材料22を、成長基板20一面に少なくとも約5ミクロン(5μm)、少なくとも約7ミクロン(7μm)、少なくとも約10ミクロン(10μm)、少なくとも約20ミクロン(20μm)、又はさらには少なくとも約30ミクロン(30μm)の平均的な全厚さT2になるまで堆積させることができる。本発明の実施形態により作製される金属窒化物核生成テンプレート層18の存在によって、バルクIII−V族半導体材料22の露出した主表面23におけるバルクIII−V族半導体材料22内の転位密度を1平方センチメートル当たり約5×108個以下の密度に維持しながら、バルクIII−V族半導体材料22をそうした平均的な全厚さT2にまで堆積させることができる。
[042] By way of example and not limitation, bulk III-
[043]図4A及び図4Bは、本明細書で説明されるように、本発明の方法の実施形態において用いることができるHVPE堆積システム100の実施形態を概略的に示す簡略化された図である。非限定的な例として、堆積システム100は、Arenaらにより2009年9月10日に公開された米国特許出願公開第2009/0223442A1号、Arenaらにより2009年3月3日に出願された米国特許仮出願第61/157,112号、及びBertranにより2010年9月30日に出願された米国特許出願第12/894,724号のいずれかに記載されている堆積システムを備えることができる。図4A及び図4Bに示される堆積システム100は、(以下でさらに詳細に説明されるように)反応チャンバ102及び1つ又は複数のガス注入装置を含む。
[043] FIGS. 4A and 4B are simplified diagrams that schematically illustrate embodiments of an
[044]堆積システム100、より具体的には堆積システム100の反応チャンバ102についての以下の説明において、「長手の」及び「横断の」という用語は、図4A及び図4Bの視点から見た反応チャンバ102に対する方向を指すために使用され、長手方向は、図4Aの視点から見て垂直方向、及び図4Bの面の中に延びる方向であり、横断方向又は横方向は、図4A及び図4Bのそれぞれの視点から見て水平に延びる方向である。横断方向は、「反応炉を横切って」延びる方向とも呼ばれる。
[044] In the following description of the
[045]堆積システム100は、反応チャンバ102と、堆積システム100内で材料を堆積させるか又は別の方法で提供することが望まれる1つ又は複数の加工基板106(この基板は、初めは図1に示される基板10、又は図2に示される成長基板20を含むことができる)を支持するように構成された基板支持体構造104(例えば、支持台)とを含む。非限定的な例を挙げると、反応チャンバ102は、高さ約2インチ、幅約12インチ、及び長さ約20インチを有することができ、基板支持体構造104は、1つの8インチ加工基板106、1つの6インチ加工基板106、3つの4インチ加工基板106、又は8つの2インチ加工基板106を支持するように構成されてもよい。堆積システム100は、加熱素子108(図4B)をさらに含み、この加熱素子108を選択的に用いて堆積システム100を加熱し、それによって反応チャンバ102内の平均温度を堆積処理中に望ましい温度上昇の範囲内に制御することができる。加熱素子108は、例えば、抵抗加熱素子又は放射加熱素子を含むことができる。
[045] The
[046]図4Bに示されるように、基板支持体構造104は、スピンドル110に取り付けることができ、このスピンドル110は、スピンドル110、したがって反応チャンバ102内の基板支持体構造104を回転させるように構成された電気モータなどの駆動装置112に結合すること(例えば、直接構造的に結合する、磁気的に結合する、など)ができる。
[046] As shown in FIG. 4B, the
[047]一部の実施形態において、反応チャンバ102、基板支持体構造104、スピンドル110、及び反応チャンバ102内の任意の他の構成要素のうちの1つ又は複数は、耐熱性のセラミックス材料、例えば、セラミック酸化物(例えば、シリカ(石英)、アルミナ、ジルコニアなど)、カーバイド(例えば、炭化けい素、炭化ほう素など)、又は窒化物(例えば、窒化けい素、窒化ほう素など)で少なくとも実質的に構成されうる。
[047] In some embodiments, one or more of the
[048]堆積システム100は、反応チャンバ102内に1つ又は複数のガスを注入し、反応チャンバ102からガスを排出するために使用されるガス流動システムをさらに含む。図4Aを参照すると、堆積システム100は、それぞれのガス源128A、128B、128Cからのガスを運ぶ3つのガス流入導管114A、114B、114Cを含むことができる。ガス流入導管114A、114B、114Cそれぞれを通るガスの流れを選択的に制御するために、任意で、バルブ、背圧レギュレータ、及び質量流量コントローラのうちの1つ又は複数を備えることができる装置117A、117B、117Cを使用することができる。
[048] The
[049]一部の実施形態において、ガス源128A、128Bのうちの少なくとも1つは、米国特許出願公開第2009/0223442A1号に記載されている金属三塩化物、例えば、GaCl3、InCl3、又はAlCl3の外部源を備えることができる。GaCl3、InCl3、及びAlCl3は、それぞれ、例えば、Ga2Cl6、In2Cl6、及びAl2Cl6などの二量体の形態で存在することができる。したがって、ガス源128A、128のうちの少なくとも1つは、Ga2Cl6、In2Cl6、又はAl2Cl6などの二量体を含むことができる。非限定的な例として、ガス源128A、128Bのうちの1つ又は複数は、IIIA族前駆体成分としてGaCl3気体の質量流を供給することができる。ガス源128Cは、アンモニア(NH3)などのVA族前駆体の外部源を備えることができる。
[049] In some embodiments, at least one of the
[050]ガス源128A、128Bのうちの1つ又は複数がGaCl3源である、又はGaCl3源を含む実施形態において、GaCl3源は、少なくとも120℃(例えば、ほぼ130℃)の温度に維持された液体GaCl3の貯蔵容器を含み、液体GaCl3の蒸発速度を促進するための物理的手段を含むことができる。そうした物理的手段には、例えば、液体GaCl3を撹拌するように構成された装置、液体GaCl3を噴霧するように構成された装置、液体GaCl3上方にキャリアガスを迅速に流すように構成された装置、液体GaCl3を通るキャリアガスを泡立たせるように構成された装置、圧電装置などの超音波で液体GaCl3を分散させるように構成された装置などを含むことができる。非限定的な例として、He、N2、H2、若しくはAr、又はそれらの混合物(例えば、N2とH2の混合物)などのキャリアガスを、液体GaCl3を少なくとも120℃の温度に維持しながら、原料ガスが1つ又は複数のキャリアガスを含むことができるように液体GaCl3通して泡立たせることができる。 [050] Gas sources 128A, is one or more of GaCl 3 sources of 128B, or in embodiments comprising GaCl 3 source, the GaCl 3 source, to a temperature of at least 120 ° C. (e.g., about 130 ° C.) A maintained liquid GaCl 3 storage vessel may be included and physical means for promoting the evaporation rate of the liquid GaCl 3 may be included. Such physical means include, for example, an apparatus configured to agitate liquid GaCl 3 , an apparatus configured to spray liquid GaCl 3 , and configured to rapidly flow a carrier gas over liquid GaCl 3. A device configured to bubble carrier gas through liquid GaCl 3 , a device configured to disperse liquid GaCl 3 with ultrasound, such as a piezoelectric device, and the like. As a non-limiting example, a carrier gas such as He, N 2 , H 2 , or Ar, or a mixture thereof (eg, a mixture of N 2 and H 2 ) and liquid GaCl 3 are maintained at a temperature of at least 120 ° C. However, it can be bubbled through liquid GaCl 3 so that the source gas can contain one or more carrier gases.
[051]ガス注入装置150A、150Bのうちの1つ又は複数へのGaCl3気体の流束を、本発明の一部の実施形態において、制御することができる。例えば、キャリアガスが液体GaCl3を通って泡立てられる実施形態において、ガス源128A、128B、128CからのGaCl3の流束は、例えば、GaCl3の温度、GaCl3上方の圧力、及びGaCl3を通って泡立てられるキャリアガスの流量を含む1つ又は複数の要因に依存する。これらのパラメータのうちのいずれかによって、原則としてGaCl3の質量流束を制御することができるが、一部の実施形態においては、GaCl3の質量流束は、質量流量コントローラを使用して、キャリアガスの流量を変えることによって制御されてもよい。
[051]
[052]一部の実施形態において、ガス流入導管114A、114Bの温度は、ガス源128A、128Bとガス注入装置150A、150Bとの間で制御されうる。ガス流入導管114A、114B及び関連づけられている質量流量センサ、コントローラなどの温度は、ガス流入導管114A、114B内のガス(例えば、GaCl3気体)の凝結を防ぐために、それぞれのガス源128A、128Bからの出口の第1の温度(例えば、約120℃以上)から、ガス注入装置150A、150Bの第2の温度(例えば、約160℃以下)にまで徐々に増加してもよい。任意で、それぞれのガス源128A、128Bとガス注入装置150A、150Bとの間のガス流入導管114A、114Bの長さは、約90センチメートル(約3フィート)以下、約60センチメートル(約2フィート)以下、又はさらには約30センチメートル(約1フィート)以下とすることができる。原料ガスの圧力は、1つ又は複数の圧力制御システムを使用して制御されうる。
[052] In some embodiments, the temperature of the
[053]2つのガス流入導管114A、114Bのそれぞれは、任意で、2つのガス注入装置150A、150Bのそれぞれのガス注入装置にまで延びることができ、これに関しては以下で詳細に説明する。
[053] Each of the two
[054]さらなる実施形態において、堆積システム100は、2つ未満(すなわち、1つ)のガス流入導管、及びそれぞれのガス注入装置を含むことができ、又は、堆積システム100は、2つを超える(例えば、3つ、4つ、5つなどの)ガス流入導管、及びそれぞれのガス注入装置を含むことができる。
[054] In further embodiments, the
[055]図4A及び図4Bの実施形態において、ガス注入装置150A、150Bは、反応チャンバ102の外側にすべて位置する。しかし、他の実施形態においては、ガス注入装置150A、150Bは、すべて反応チャンバ102内に配置されてもよく、又は、少なくともガス注入装置150A、150Bの一部は、少なくとも部分的に反応チャンバ102を貫いて延びることができる。
[055] In the embodiment of FIGS. 4A and 4B, the
[056]堆積システム100は、反応チャンバ102の外部と内部との間の流体連通を提供する3つのガスポート116A、116B、116Cをさらに含むことができる。ガスポート116A、116B、116Cのそれぞれは、反応チャンバ102の側壁、天井、又は床部のうちの1つ又は複数を貫いて、ガス注入装置150A、150Bのそれぞれのガス注入装置と反応チャンバ102内のそれぞれのガス分散導管118A、118B、118Cとの間で、流体連通を提供することができる。
[056] The
[057]反応チャンバ102内のガス分散導管118A、118B、118Cは、エンクロージャ(密閉室)内の望ましい場所へガスを運ぶために使用されうる。ガス分散導管118A、118B、118Cは、基板支持体構造104上に搬送された加工基板106に対して選択された方向で、反応チャンバ102の内部へとガスを注入するように位置づけられ、構成されうる。ガス分散導管118A、118B、118Cによって運ばれたガス、例えば前駆体ガス及びキャリアガスは、反応チャンバ102を通って長手方向(図4Aの視点から垂直方向)に流れることができ、そこから、反応チャンバ102内で加工基板106に向かって長手方向に延びる方向であって、加工基板106の上部の露出した主表面と少なくとも実質的に平行な向きである方向に注入されうる。ガス分散導管118A、118B、118Cは、導管支持体治具を使用して、反応チャンバ102内の適位置に支持され保持されうる。
[057] The gas distribution conduits 118A, 118B, 118C in the
[058]ガス分散導管118A、118B、118Cの具体的なレイアウト及び構成は、本発明の実施形態において使用されうる多くのレイアウト及び構成のうちの単に1つにすぎず、反応チャンバ102のさらなる実施形態は、反応チャンバ102内のガス分散導管の様々な構成及びレイアウトを有することができる。
[058] The specific layout and configuration of the gas distribution conduits 118A, 118B, 118C is merely one of many layouts and configurations that may be used in embodiments of the present invention, and further implementation of the
[059]ガス分散導管118A、118B、118Cは、能動的に加熱されても、受動的に加熱されても、又は受動的及び能動的の両方で加熱されてもよい。例えば、熱発生素子(図示せず)を、ガス分散導管118A、118B、118Cの少なくとも一部に隣接して配置することができる。一部の実施形態において、ガス分散導管118A、118B、118Cは、加熱素子108(図4B)によって加熱される。任意で、受動熱伝達構造(例えば、黒体と同様に作用する材料を含む構造)を、反応チャンバ102内のガス分散導管118A、118B、118Cの少なくとも一部に隣接して又は近接して配置し、ガス分散導管118A、118B、118Cへの熱の伝達を改善することができる。
[059] The gas distribution conduits 118A, 118B, 118C may be actively heated, passively heated, or both passively and actively heated. For example, a heat generating element (not shown) can be placed adjacent to at least a portion of the gas distribution conduits 118A, 118B, 118C. In some embodiments, gas distribution conduits 118A, 118B, 118C are heated by heating element 108 (FIG. 4B). Optionally, a passive heat transfer structure (eg, a structure containing a material that acts like a black body) is placed adjacent to or in close proximity to at least a portion of the gas distribution conduits 118A, 118B, 118C in the
[060]受動熱伝達構造(例えば、黒体と同様に振る舞う材料を含む構造)を、例えば、2009年8月27日にArenaらにより公開された米国特許出願公開第2009/0214785A1号に開示されている反応チャンバ102内に設けることができる。例えば、(図4A及び図4Bにおいて破線によって表される)熱伝達板124を、熱伝達板124が反応チャンバ102を横切って基板支持体構造104及び基板支持体構造104によって支持された加工基板106上方に延びるように反応チャンバ102内に配置することができる。熱伝達板124は、(発熱体108などの)加熱素子からの放射を吸収し、吸収した熱をプロセスガスに再放射することによって、熱伝達板124の近くを流れるプロセスガスを熱運動させるのに役立ちうる。
[060] Passive heat transfer structures (eg, structures including materials that behave similarly to black bodies) are disclosed, for example, in US Patent Application Publication No. 2009 / 0214785A1 published by Arena et al. On Aug. 27, 2009. Can be provided in the
[061]そうした受動熱伝達構造は、反応チャンバ102の内部の熱の伝達を改善することができ、反応チャンバ102内の温度の均一性及び恒常性を改善することができる。受動熱伝達構造は、堆積システム100内で遭遇する可能性がある高温、腐食環境にも耐えることができる(1に近い)高い放射率値を有する材料(黒体材料)を含むことができる。そうした材料としては、例えば、窒化アルミニウム(AlN)、炭化けい素(SiC)、及び炭化ほう素(B4C)を含むことができ、これらは、それぞれ0.98、0.92、及び0.92の放射率値を有する。
[061] Such a passive heat transfer structure can improve heat transfer within the
[062]ガス状副産物、キャリアガス、及び任意の過剰前駆体ガスは、チャンバ出口126を通って反応チャンバ102から排出されうる。
[062] Gaseous by-products, carrier gas, and any excess precursor gas may be exhausted from
[063]先に言及したように、図4A及び図4Bの堆積システム100のガス注入装置150A、150Bのうちの1つ又は複数は、図5〜図7を参照して以下でさらに説明するガス注入装置であってよく、又はそのようなガス注入装置を含んでもよい。
[063] As previously mentioned, one or more of the
[064]一部の実施形態において、ガス注入装置150A、150Bは、2010年9月10日にArenaらによって公開された国際公開第2010/101715A1号パンフレットに開示されているガス注入装置を備えることができる。例えば、図5は、図4Aに示されるガス注入装置150A、150Bのうちの1つ又は両方に使用することができる熱運動化ガス注入装置160の透視図である。図6に示すように、ガス注入装置160は、導管162を含み、この導管162は、入口部分164、コイル巻きされた中央部分166、及び出口部分168を含む。原料ガス(例えば、GaCl3)、キャリアガス(例えば、H2、N2など)、又は原料ガスとキャリアガスの混合物は、入口部分164に供給されうる。これらの1つ又は複数のガスは、入口部分164から、コイル巻きされた中央部分166を通って、出口部分168から出て、反応チャンバ102(図4A)内へと流入する。少なくとも導管162のコイル巻きされた中央部分166は、さらに以下で詳細に論じるように、加熱されうる。導管162をコイル巻きすることによって、導管162が占有する物理的な空間の長さは、導管162を通り抜ける流路の実際の長さよりも著しく短くなる。別の言い方をすると、導管162の長さは、入口部分164と出口部分168間の最短距離より長くなる可能性がある。導管162は、他の構成を有することができる。例えば、導管162は、180°の角度で延びる曲線区間によって端部間で一緒に接続される複数の略平行な直線区間を含む蛇行構成を有することができる。
[064] In some embodiments, the
[065]導管162は、望ましい時間(すなわち、滞留時間)の間、導管162を流れるガスを加熱するように構成されてもよく、この時間は、導管162内の流路の断面積、導管162を通る原料ガスの流量、及び導管162の全体の長さの関数となりうる。さらに以下で詳細に論じるように、導管162は、1つ又は複数の能動又は受動加熱素子に近接して位置するように成形され、構成されうる。
[065] The
[066]図5に示すように、少なくとも導管162のコイル巻きされた中央部分166は、外側ハウジング170内に含まれてもよい。また、外側ハウジング170は、パージガスなどのガスに対する付加的なガス伝導導管として働くこともできる。例えば、図5に示すように、外側ハウジング170は、ハウジング入口172及びハウジング出口174を備えることができる。パージガスを、外側ハウジング170を通って、ハウジング入口172からハウジング出口174にまで流すようにすることができる。パージガスは、外側ハウジング170を通り抜けるときに、熱運動化ガス注入装置160によって加熱されうる。
[066] As shown in FIG. 5, at least a coiled
[067]導管162及び外側ハウジング170は、それらが使用中にさらされる高温において安定で不活性な耐火性材料を含むことができる。例えば、導管162及び外側ハウジング170は、石英から形成され、少なくとも実質的に石英で構成されてもよい。
[067]
[068]外側ハウジング170及び導管172のコイル巻きされた中央部分166のうちの1つ又は複数に近接して(例えば、隣接して)配置された能動熱生成素子を使用して、熱運動化ガス注入装置160を加熱することができる。能動加熱素子は、例えば、加熱ランプ、誘導性加熱素子、抵抗性加熱素子などの電気的な加熱素子などの放熱放射素子を含む。また、熱運動化ガス注入装置160は、熱そのものは生成しないが、熱運動化ガス注入装置160内で、及びその周囲で熱伝達を再分配し、反射し、又は他の方法で熱伝達に影響を与えるために使用される受動加熱素子を含むことができる。例えば、図5に示すように、熱運動化ガス注入装置160は、能動加熱素子180を含んでもよく、この能動加熱素子は、外側ハウジング170の外部を少なくとも部分的に取り囲む抵抗性加熱クランプシェルヒーター(clamp−shell heater)を備えることができる。したがって、導管162及び/又は外側ハウジング170を流れるガスは、能動加熱素子180によって加熱されうる。図5に示すように、能動的又は受動的となりうる任意選択の加熱素子182を外側ハウジング170内に配置することができる。図5に示すように、加熱素子182は、細長い円柱形状を有することができ、コイル162が巻かれる中央部分166を、加熱素子182の周りにコイル巻きすることができる。限定することなく例を挙げると、加熱素子182は、能動加熱素子180によって生成された熱を再分配するために使用される黒体材料を含むロッドを備えることができる。加熱素子182の存在によって、コイル162巻きされた中央部分166内部のガス及び外側ハウジング170内部のガスが能動加熱素子180によって加熱される効率を改善することができる。
[068] Thermal motion using an active heat generating element disposed proximate to (eg, adjacent to) one or more of the
[069]ガス源128A、128Bのうちの1つによって熱運動化ガス注入装置160に供給される原料ガスがGaCl3などの金属三塩化物及び水素キャリアガスH2を含む本発明の実施形態において、金属三塩化物及び水素ガスは、分解してGaCl及びHCl気体などの金属一塩化物気体を形成することができ、これらの気体は、導管162の出口部分168から出され、反応チャンバ102へ渡されうる。
[069] Gas sources 128A, in an embodiment of the present invention the raw material gas supplied to the thermalized
[070]さらなる実施形態において、ガス注入装置150A、150Bは、米国特許仮出願第12/894,724号に開示されているガス注入装置を備えてもよい。例えば、ガス注入装置150A、150Bは、例えば、液体ガリウム(Ga)、液体アルミニウム(Al)、若しくは液体インジウム(In)などの液体金属、又は他の元素、或いはトリメチルガリウム(TMG)、トリエチルガリウム(TEG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリエチルアルミニウム(TEA)、テトラキスジエチルアミノチタン(TDEAT)、テトラキス(ジメチルアミド)チタン(TDMAT)などの有機金属物質を保持するよう構成された貯蔵容器を備えることができる。さらなる実施形態において、貯蔵容器は、原料ガス(又は原料ガスの分解若しくは反応生成物)と反応するための固体試薬を保持するように構成されてもよい。例えば、貯蔵容器は、例えば、固体のけい素(Si)又は固体のマグネシウム(Mg)などの1つ又は複数の材料の固体容積を保持するように構成されてもよい。
[070] In a further embodiment,
[071]図6は、ガス注入装置200の透視図であり、このガス注入装置200を、図4Aに示すガス注入装置150A、150Bのうちの1つ又は両方に対して使用することができる。図6に示すように、ガス注入装置200は、入口202、出口204、熱運動化導管206、及び容器210を含む。容器210は、その中に液体試薬を保持するように構成される。例えば、液体ガリウム、液体インジウム、液体アルミニウムなどの液体金属、又は液体有機金属の物質を、容器210内に配置することができる。原料ガス(例えば、GaCl3)、キャリアガス(例えば、H2、N2など)、又は原料ガスとキャリアガスの混合物を入口202に供給することができる。これらの1つ又は複数のガスは、入口202から熱運動化導管206内へ流れることができる。熱運動化導管206は、望ましい時間(すなわち、滞留時間)の間、熱運動化導管206を流れるガスを加熱するように構成されえて、この時間は、熱運動化導管206内の流路の断面積、熱運動化導管206を通る原料ガスの流量、及び熱運動化導管206の全体の長さの関数となりうる。熱運動化導管206は、以下でさらに詳細に論じるように、1つ又は複数の能動又は受動加熱素子に近接して位置するように成形され、構成されうる。
[071] FIG. 6 is a perspective view of the
[072]さらに、熱運動化導管206は、熱運動化導管206によって占有される物理的な空間の長さが、熱運動化導管206を通る流路の実際の長さよりも実質的に短くなるように、1つ又は複数の曲線区間又は折り返し部を含むことができる。別の言い方をすると、熱運動化導管206の長さは、入口202と液体容器210との間の最短距離より長くてもよい。一部の実施形態において、熱運動化導管206の長さは、入口202と液体コンテナ210との間の最短距離の少なくとも約2倍、入口202と液体コンテナ210との間の最短距離の少なくとも約3倍、又はさらには入口202と液体コンテナ210との間の最短距離の少なくとも約4倍であってもよい。例えば、図6に示すように、熱運動化導管206は、蛇行構成を有することができ、この蛇行構成は、180°の角度で延びる曲線区間によって端部間で一緒に接続される複数の略平行な直線区間を含む。
[072] Further, the thermal
[073]熱運動化導管206は、例えば、石英などの耐火性材料で少なくとも実質的に構成される管を備えることができる。
[073] Thermal
[074]一部の実施形態において、ガスは、熱運動化導管206内で少なくとも部分的に分解する原料ガスを含むことができる。例えば、ガスがGaCl3の原料ガス、及びH2を含むキャリアガスを含む実施形態においては、原料ガスは、分解して、ガス状のGaCl、及び塩化水素(HCl)を形成することができる。
[074] In some embodiments, the gas can include a feed gas that decomposes at least partially within the thermal
[075]各ガスは、熱運動化導管206から容器210へ流入する。図7は、容器210の拡大部分切欠き図である。図7に示すように、容器210は、底壁212、頂壁214、及び少なくとも1つの側壁216を含む。図6及び図7の実施形態において、貯蔵容器は、略円筒形状を有し、それによって、底壁212及び頂壁214のそれぞれが、円形形状を有し、少なくとも実質的に平面であって、側壁216が少なくとも実質的に円筒形状(例えば、管形状)を有する。本発明のさらなる実施形態において、貯蔵容器は、代替の幾何学構成で構成されてもよい。底壁212、頂壁214、及び少なくとも1つの側壁216は、ともに中空本体を画成し、中空本体の内部が液体ガリウムなどの液体試薬又は有機金属物質を保持するための貯蔵容器を画成する。
[075] Each gas flows from the thermal
[076]中空容器210内の内部空間は、液体試薬で部分的に充填されてもよい。例えば、容器210は、図7の破線220によって示さるレベルまで液体試薬で充填されてもよく、それによってすき間又は空間222が容器210内の液体試薬上方に存在することになる。熱運動化導管206から流出するガスを、容器210内の液体試薬上方の空間222に注入することができる。非限定的な例として、熱運動化導管206から流出するガスは、底壁212を通り抜けて管224内に流入することができる。一部の実施形態において、管224は、容器210内へ延出する熱運動化導管206の一体化部分を構成することができる。管224は、液体容器内に配置された液体試薬を通り抜けて液体試薬上方の空間222に延びることができる。管224は、管224の端部が液体試薬上方を水平に延びるように、90度の屈曲部を備えることができる。
[076] The internal space within the
[077]図7に示すように、管224の円筒状の側壁を貫く開口が液体試薬の表面に面する側に設けられ、それによって管224を流れるガスが開口226を通って管224から出る。開口226を出たガスは、開口から出て液体試薬の表面方向に向けて導かれ、ガスの1つ又は複数の成分と液体試薬との間で反応を促進することができる。例えば、原料ガスがH2などのキャリアガス内で運ばれるGaCl3を含み、原料ガスが熱運動化導管206内で分解してガス状のGaCl、及び、例えば、塩化水素(HCl)などの塩素化種を含む実施形態において、液体容器内の液体試薬は、液体ガリウムを含むことができ、この液体ガリウムが熱運動化導管206内で生成された塩素化ガス(例えば、HCl)と反応して、さらなるガス状のGaClを形成することができる。容器210内の液体試薬上方の空間222内のガスは、出口ポート228を通って容器から流出することができる。例えば、出口ポート228は、管224の水平に延びる部分上方の容器の頂壁214に位置することができる。出口ポート228は、出口導管230に通じることができ、この出口導管230の端部がガス注入装置200の出口204を画成することができる。
[077] As shown in FIG. 7, an opening through the cylindrical side wall of
[078]さらなる実施形態において、熱運動化導管206から流出するガスを、容器210内の液体試薬内に注入することができ、それによってガスを、液体試薬を通って液体試薬上方の空間222内へと泡立たせることができる。
[078] In a further embodiment, gas exiting the thermal
[079]容器210の様々な構成要素は、例えば石英などの耐火性材料で少なくとも実質的に構成されてもよい。
[079] The various components of the
[080]GaClは、GaNを形成するための望ましい前駆体ガスとなりうる。したがって、例えば、(GaCl3及びH2を含む原料ガスを使用するシステムにおいて)GaCl3及びH2の熱分解によってもたらされる塩化水素ガス(HCl)などの過剰な塩素化種をさらなるGaClに変換することによって、反応チャンバ102に入る塩素化種の量を低減することができるので、過剰な塩素化種が、堆積されたGaN材料へ与える有害な影響を回避することができる。そうした有害な影響には、例えば、窒化ガリウム結晶格子内への塩素原子の混入、及び堆積されたGaN膜のクラック又は層間剥離が含まれうる。過剰な塩化水素ガス(HCl)が反応チャンバ内へ導入されることによって、塩化水素が反応チャンバ内のGaNに対するエッチャントとして作用し、それによって、GaNの成長速度を低減させ、又は成長を阻害さえすることがある。さらに、過剰な塩素化種を液体ガリウムと反応させてさらなるGaClを形成することによって、堆積装置100の効率を改善することができる。
[080] GaCl can be a desirable precursor gas for forming GaN. Thus, for example, to convert the excess chlorinating species, such as the additional GaCl (GaCl 3 and in a system using raw material gas containing H 2) GaCl 3 and hydrogen chloride gas caused by thermal decomposition of H 2 (HCl) This can reduce the amount of chlorinated species entering the
[081]図4A及び図4Bを参照して上で説明したHVPE成膜装置100は、図3を参照して上で説明したように、本発明の実施形態による成長基板20一面にバルクIII族窒化物半導体材料22を堆積させるために使用することができる。図8は、図4A及び図4Bの堆積装置100を使用して、成長基板20一面にバルクIII族窒化物半導体材料22を堆積させるために使用することができるHVPE堆積処理の非限定的な例を概略的に表すグラフである。図8に示す堆積処理は、例として提供され、他のHVPE堆積処理も成長基板20(図3)一面にバルクIII族窒化物半導体材料22を堆積させるために使用することができる。
[081] The HVPE
[082]図8を参照すると、例示の堆積処理は、時間tの関数として反応チャンバ102内の温度Tをプロットすることによって表されている。グラフに示すように、堆積処理は、10段階を含み、この10段階にはS1〜S10まで順次ラベルが付されている。S1〜S10の10段階それぞれにわたって、堆積処理の非限定的なプロセスパラメータが以下の表1に提供されている。
[083]図8及び表1に示すように、段階S1は、加工基板106を基板支持体構造104上に載せるロード段階である。基板支持体構造104上に加工基板106を載せた後に、反応チャンバ102にN2を含むパージガスを毎分10標準リットル(slm)の流量で流しながら、反応チャンバ102を大気圧で350℃の温度T1にまで加熱する。
[083] As shown in FIG. 8 and Table 1, step S1 is a loading step of placing the processed substrate 106 on the
[084]図8に示すように、安定化段階S2は、時間t1の時に始まり、30秒間にわたって持続する。安定化段階S2中に、反応チャンバ102にパージガスを流しながら、反応チャンバ102を、200Torrの圧力で400℃の温度T2にまで加熱する。パージガスは、15slmの流量のN2及び2slmの流量のH2を含む。
[084] As shown in FIG. 8, the stabilization operation S2 begins at time t 1, lasts for 30 seconds. During the stabilization phase S2, while flowing a purge gas into the
[085]ランプ段階S3は、時間t2の時に始まり、4.5分間にわたって持続する。ランプ段階S3に、反応チャンバ102は、温度T2から1025℃の温度T3にまで実質的に一定のランプレートで着実に連続的に加熱される。反応チャンバ102内の圧力は、ランプ段階S3中、200Torrに維持される。ランプ段階S3中に、NH3を含むV族原料ガスを1slmの流量で反応チャンバ102に流し、23slmの流量のN2及び16slmの流量のH2を含むパージガスを反応チャンバ102を通過させる。
[085] lamp operation S3 begins at time t 2, lasts for 4.5 minutes. The ramp step S3, the
[086]安定化段階S4は、時間t3の時に始まり、30秒間にわたって持続する。安定化段階S4中、反応チャンバ102は、1025℃の温度T3及び200Torrの圧力に維持される。安定化段階S4中、NH3を含むV族原料ガスを18slmの流量で反応チャンバ102に流し、23slmの流量のN2及び5slmの流量のH2を含むパージガスを反応チャンバ102を通過させる。
[086] stabilization operation S4 begins at time t 3, lasting for 30 seconds. In stabilization phase S4, the
[087]第1の堆積段階S5は、時間t4の時に始まり、5.0分間にわたって持続する。堆積段階S5中、反応チャンバ102は、1025℃の温度T3及び200Torrの圧力に維持される。堆積段階S5中、GaCl3を含むIII族原料ガスを、2.5slmの流量のN2及び0.8slmの流量のH2を含むキャリアガスとともに、毎分51標準立方センチメートル(sccm)の流量で反応チャンバに流す。NH3を含むV族原料ガスを、18slmの流量で反応チャンバ102に流す。また、23slmの流量のN2及び5slmの流量のH2を含むパージガスも、反応チャンバ102に流す。
[087] The first deposition step S5, the start at time t 4, persists for 5.0 minutes. During the deposition phase S5, the
[088]第2の堆積段階S6は、時間t5の時に始まり、20.0分間にわたって持続する。反応チャンバ102は、第2の堆積段階S6中、1025℃の温度T3及び200Torrの圧力に維持される。GaCl3III族原料ガスの流量を、堆積段階S6中に80sccmに増加させ、GaCl3は、2.5slmの流量のN2及び1.2slmの流量のH2を含むキャリアガスによって運ばれる。NH3を含むV族原料ガスを、18slmの流量で反応チャンバ102に流す。また、23slmの流量のN2及び5slmの流量のH2を含むパージガスも、第2の堆積段階S6中、反応チャンバ102に流す。
[088] The second deposition step S6 starts at time t 5, last for 20.0 minutes. The
[089]第1の堆積段階S5及び第2の堆積段階S6の少なくとも1つの期間に、HVPE処理において、バルクIII族窒化物半導体材料22を毎時少なくとも約10ミクロン(10μm)の速度で、又はさらには毎時少なくとも約20ミクロン(20μm)の速度で成長基板20一面に堆積させることができる。そうした堆積速度は、バルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるためにMOCVD処理を使用して付着させることができる堆積速度よりも著しく高い可能性がある。
[089] During at least one period of the first deposition stage S5 and the second deposition stage S6, in the HVPE process, the bulk III-
[090]アニール段階S7は、時間t6に始まり、20.0分間にわたって持続する。アニール段階S7中、反応チャンバ102は、1025℃の温度T3及び200Torrの圧力に維持される。アニール段階S7中、NH3を含むV族原料ガスを14slmの流量で反応チャンバ102に流し、23slmの流量のN2及び5slmの流量のH2を含むパージガスを反応チャンバ102を通過させる。
[090] annealing step S7, it starts the time t 6, persist for 20.0 minutes. Among annealing step S7, the
[091]ランプ段階S8は、時間t7の時に始まり、4.5分間にわたって持続する。ランプ段階S8中、反応チャンバ102は、温度T3から400℃の温度T2にまで実質的に一定のランプレートで着実に連続的に冷やされる。反応チャンバ102内の圧力は、ランプ段階S8中、200Torrに維持される。ランプ段階S8中、NH3を含むV族原料ガスを14slmの流量で反応チャンバ102に流し、23slmの流量のN2及び12slmの流量のH2を含むパージガスを反応チャンバ102を通過させる。
[091] Lamp step S8, starts at time t 7, persists for 4.5 minutes. Among lamp step S8, the
[092]パージ段階S9は、時間t8の時に始まり、5.0分間にわたって持続する。パージ段階S9中、反応チャンバ102は、400℃の温度T2に維持され、一方反応チャンバ102内の圧力は、200Torrから大気圧にまで下げられる。パージ段階S9中、16slmの流量のN2を含むパージガスを、反応チャンバ102を通過させる。
[092] Purge step S9 begins at time t 8, persists for 5.0 minutes. During the purge phase S9, the
[093]時間t9で、アンロード段階S10が始まり、加工基板106が反応チャンバ102から取り外されるまで持続する。アンロード段階S10中、反応チャンバ102は、350℃の温度T1にまで下げられ,その温度に維持され、圧力は大気圧に維持され、一方10slmの流量のN2を含むパージガスを反応チャンバ102を通過させる。
[093] At time t 9, begins unloading step S10, the processing substrate 106 is maintained until removed from the
[094]再び図1〜図3を参照すると、先に言及したように、本発明の方法の実施形態によると、MOCVD処理を使用して基板10上に金属窒化物核生成テンプレート層18をエクスシチューで(例えば、別の堆積装置を使用して、及び/又は別の反応チャンバ内で)形成することなく、(上記の処理など)HPVE処理を使用して成長基板20上にバルクIII族窒化物半導体材料22を堆積させることができる。
[094] Referring again to FIGS. 1-3, as previously mentioned, according to an embodiment of the method of the present invention, the metal nitride nucleation template layer 18 is exposed on the
[095]一部の実施形態において、第1の反応チャンバ内で非MOCVD処理を使用して、基板100上に金属窒化物核生成テンプレート層18(図2)を形成して成長基板20を形成し、第1の反応チャンバとは異なる第2の反応チャンバ内で、上記の処理など、HVPE処理を使用して、成長基板20上にバルクIII族窒化物半導体材料22を堆積する。例えば、金属窒化物核生成テンプレート層18(図2)は、窒化アルミニウム(AlN)及び窒化チタン(TiN)のうちの少なくとも1つを含み、プラズマ物理堆積処理(PEPVD)又はプラズマ化学堆積処理(PECVD)を使用して、基板100上に形成されうる。
[095] In some embodiments, a non-MOCVD process is used in the first reaction chamber to form the metal nitride nucleation template layer 18 (FIG. 2) on the
[096]限定することなく例を挙げると、金属窒化物核生成テンプレート層18は、窒化アルミニウム(AlN)を含み、プラズマ物理気相堆積(PEPVD)システム、及び2004年8月31日にCuomoらにより発行された米国特許第6,784,085号に開示されている方法を使用して作製されてもよい。例えば、基板100及びIII族金属ターゲットを(HVPE堆積装置100の反応チャンバ102とは別の)スパッタ堆積チャンバ内に装填することができる。アルゴンなどの適切な背景ガスを使用して、高エネルギープラズマ支援環境をスパッタ堆積チャンバ内に生成することができる。別の窒素を含有する原料ガスをチャンバ内へ導くことができる。加えて、又は代替として、プラズマを生成するために利用されるガスを、反応性原料ガスとして使用することができ、その場合には、背景ガスは、窒素種を供給することができる。III族金属ターゲットは、スパッタされて、III族金属原料気体を生成する。III族金属原料気体は、二原子窒素、窒素原子、窒素イオン、及び部分的にイオン化した窒素、並びにアンモニアなどの窒素含有化合物などの1つ又は複数種を含むことで特徴付けられる窒素含有ガスと結合する。その結果、III族金属及び窒素の成分を含む反応性気体種が、反応チャンバ内で生成され、基板10の露出した主表面14上に、及び主表面14一面に堆積される。堆積直後の(as−deposited)反応性気体種は、基板100上に堆積されて、図2の金属窒化物核生成テンプレート層18を生成する。一部の実施形態において、堆積直後の金属窒化物核生成テンプレート層18は、1つ又は複数の熱処理を受け、堆積直後の金属窒化物核生成テンプレート層18の結晶品質を改善することができる。例えば、堆積されたままの状態の金属窒化物材料は、多結晶及び/又は非晶質となる可能性があり、1つ又は複数の熱処理にさらされて、金属窒化物核生成テンプレート層18の結晶性を向上することができる。一部の実施形態において、1つ又は複数の熱処理は、急速熱アニール処理(RTA)処理を含むことができる。1つ又は複数の熱処理は、例えば、炉、急速熱アニールチャンバ及び化学気相堆積反応炉のうちの1つ又は複数において行なわれてもよい。限定ではなく例を挙げると、1つ又は複数の熱処理は、堆積直後の金属窒化物核生成テンプレート層18を、ほぼ600℃よりも高い、ほぼ800℃よりも大きな、又はさらにはほぼ1000℃よりも高い温度(複数可)にさらすことを含むことができる。堆積直後の金属窒化物核生成テンプレート層18を処理するための1つ又は複数の熱処理は、制御された気体雰囲気内で行なわれてもよい。例えば、気体雰囲気は、アンモニア、窒素、水素、及びアルゴンのうちの1つ又は複数を含むことができる。
[096] By way of example and not limitation, the metal nitride nucleation template layer 18 comprises aluminum nitride (AlN), a plasma physical vapor deposition (PEPVD) system, and Cuomo et al. And may be made using the method disclosed in US Pat. No. 6,784,085 issued by. For example, the
[097]金属窒化物核生成テンプレート層18は、任意選択で、既知のドーピング方法を使用して、1つ又は複数のドーパント元素でドープされてもよい。例えば、ドーパント含有ガスは、制御された状態で反応チャンバ内へ導入されうる。 [097] The metal nitride nucleation template layer 18 may optionally be doped with one or more dopant elements using known doping methods. For example, the dopant-containing gas can be introduced into the reaction chamber in a controlled manner.
[098]別の非限定的な例として、金属窒化物核生成テンプレート層18は、窒化チタン(TiN)を含むことができ、プラズマ化学気相成長(PECVD)システム、及び1997年3月11日にFosterらによって発行された米国特許第5,610,106号に開示されている方法を使用して作製されうる。例えば、基板10を、(HVPE堆積装置100の反応チャンバ102とは別の)化学気相堆積チャンバ内に装填することができる。無線周波数(RF)を生成するシャワヘッド/電極をCVDチャンバ内に設けることができ、反応性ガスを、シャワヘッド/電極を介して、基板10の方に向けてチャンバ内に送り込むことができる。反応性ガスは、四塩化チタン(TiCl4)、アンモニア(NH3)、及び希釈ガスを含む。希釈ガスは、水素、ヘリウム、アルゴン、及び窒素のうちの1つ又は複数を含むことができる。
[098] As another non-limiting example, the metal nitride nucleation template layer 18 can include titanium nitride (TiN), a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) system, and March 11, 1997. Can be made using the method disclosed in US Pat. No. 5,610,106 issued to Foster et al. For example, the
[099]活性イオンが基板10を打つように、基板10は、シャワヘッド/電極から約0.25〜3インチ離れて配置されうる。プラズマは、反応性ガスがシャワヘッド/電極を通過するときに、RFを生成するシャワヘッド/電極を使用して、反応性ガスから生成される。プラズマの反応性イオンが基板10を打つ。
[099] The
[0100]CVDチャンバの圧力は、約0.5Torrから約20Torrの間(例えば、約5Torr)に維持されうる。基板10は、堆積処理中、約400℃から約500℃(例えば450℃)の温度に維持されうる。基板10は、堆積処理中、基板10が載る支持体構造を加熱することにより加熱されうる。さらに、基板10が載る支持体構造は、堆積処理中、毎分約100回転以上(rpm)回転することができる。
[0100] The pressure in the CVD chamber may be maintained between about 0.5 Torr and about 20 Torr (eg, about 5 Torr). The
[0101]CVDチャンバ内の反応性ガスの濃度は、流量によって制御されうる。一般に、四塩化チタンを、約1sccmから約40sccm(例えば、約10sccm)の流量で導入することができる。TiCl4の分圧は、TiNを形成するのに十分に低くすべきである。TiCl4の分圧が高くなりすぎる場合は、TiNが形成されないことがある。全圧力が5Torrである場合、TiCl4の分圧は、0.02Torrより小さくてもよい(例えば、約0.01Torrから約0.001Torr)。さらに低い圧力(すなわち、約0.0001Torr)では、反応速度が著しく低下することがあり、ステップカバレージが許容しがたくなる場合がある。全圧力が5Torrを超えて増加すると、それに応じてTiCl4の分圧を増加させることができる。一般に、TiCl4に対するNH3の分子比は、約2:1(NH3対TiCl4)から約100:1(NH3対TiCl4)(例えば、約10:1)であってもよい。 [0101] The concentration of the reactive gas in the CVD chamber can be controlled by the flow rate. In general, titanium tetrachloride can be introduced at a flow rate between about 1 sccm and about 40 sccm (eg, about 10 sccm). The partial pressure of TiCl 4 should be low enough to form TiN. If the partial pressure of TiCl 4 becomes too high, TiN may not be formed. When the total pressure is 5 Torr, the TiCl 4 partial pressure may be less than 0.02 Torr (eg, about 0.01 Torr to about 0.001 Torr). At lower pressures (ie, about 0.0001 Torr), the reaction rate can be significantly reduced and step coverage can be unacceptable. As the total pressure increases above 5 Torr, the TiCl 4 partial pressure can be increased accordingly. In general, the molecular ratio of NH 3 for TiCl 4 is from about 2: 1 (NH 3 vs. TiCl 4) from about 100: 1 (NH 3 vs. TiCl 4) (e.g., about 10: 1) may be used.
[0102]金属窒化物核生成テンプレート層18を形成する方法のそうした実施形態に従って、金属窒化物核生成テンプレート層18を、約25ナノメートル以下(25nm)、又はさらに約10ナノメートル以下(10nm)の平均的な厚さT1を有するように形成することができ、バルクIII族窒化物半導体材料22を、金属窒化物核生成テンプレート層18上に、及びその層18一面に、少なくとも約2ミクロン(2μm)、少なくとも約5ミクロン(5μm)、又はさらには約10ミクロン以上(10μm)の平均的な厚さT2にまで堆積させることができる。
[0102] In accordance with such embodiments of the method of forming the metal nitride nucleation template layer 18, the metal nitride nucleation template layer 18 may be about 25 nanometers or less (25 nm), or even about 10 nanometers or less (10 nm). It can be formed to have an average thickness T 1 of, bulk III-
[0103]米国特許第6,784,085号に開示されているPEPVD堆積処理を使用して、サファイア基板上にAlN核生成テンプレート層を形成し、引き続いて、上記の処理など、HVPE堆積処理で金属三塩化物原料ガスを使用して、AlN核生成テンプレート層一面にバルクGaNを堆積させることによってサンプルを作製した。第1のサンプルでは、AlN核生成テンプレート層の露出した主表面19(図2)は、AlN結晶構造のA面に対して0.5°オフカットされ、AlN核生成テンプレート層は、約10ナノメートル(10nm)の平均的な厚さを有していた。第2のサンプルでは、AlN核生成テンプレート層の露出した主表面19(図2)は、AlN結晶構造のM面に対して0.25°オフカットされ、AlN核生成テンプレート層は、約25ナノメートル(25nm)の平均的な厚さを有していた。 [0103] A PEPVD deposition process disclosed in US Pat. No. 6,784,085 is used to form an AlN nucleation template layer on a sapphire substrate, followed by an HVPE deposition process, such as the process described above. Samples were prepared by depositing bulk GaN over the AlN nucleation template layer using a metal trichloride source gas. In the first sample, the exposed main surface 19 (FIG. 2) of the AlN nucleation template layer is cut off by 0.5 ° with respect to the A-plane of the AlN crystal structure, and the AlN nucleation template layer is about 10 nanometers. It had an average thickness of meters (10 nm). In the second sample, the exposed major surface 19 (FIG. 2) of the AlN nucleation template layer is cut off 0.25 ° with respect to the M-plane of the AlN crystal structure, and the AlN nucleation template layer is about 25 nanometers. It had an average thickness of meters (25 nm).
[0104]得られたバルクGaN材料の結晶品質は、X線回折(XRD)解析を使用して、測定され、その結晶品質は、従来のMOCVD技術を使用して形成されたバルクGaNに関し報告されている結晶品質と実質的に等価であることが分かった。さらに、バルクGaN材料の露出した主表面23の表面粗さを、成長基板のAlN核生成テンプレート層一面にバルクGaN材料を堆積した後に測定した。第1のサンプル(A面に対して0.5°オフカットされている10nmのAlN核生成テンプレート層)一面に堆積されたバルクGaN材料の露出した主表面が、第2のサンプル(M面に対して0.25°オフカットされている25nmのAlN核生成テンプレート層)一面に堆積されたバルクGaN材料の露出した主表面よりも平坦であることが観察された。特に、第1のサンプルは、約9.72nmの二乗平均平方根(RMS)表面粗さを示し、第2のサンプルは、約10.58nmのRMS表面粗さを示した。
[0104] The crystal quality of the resulting bulk GaN material was measured using X-ray diffraction (XRD) analysis, and the crystal quality was reported for bulk GaN formed using conventional MOCVD techniques. It was found to be substantially equivalent to the crystal quality. Furthermore, the surface roughness of the exposed
[0105]図1〜図3を再び参照して、さらなる実施形態において、金属窒化物核生成テンプレート層18(図2)は、引き続いてその層18一面にHVPE処理でバルクIII族窒化物半導体材料22を堆積させるために使用される同一反応チャンバ102(図4A及び図4B)内においてインシチューでMOCVD処理を使用して、基板100上に形成される。例えば、金属窒化物核生成テンプレート層18(図2)は、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)、アルミニウム窒化ガリウム(AlxGa1−xN)、及び窒化チタン(TiN)のうちの少なくとも1つを含むことができる。
[0105] Referring again to FIGS. 1-3, in a further embodiment, the metal nitride nucleation template layer 18 (FIG. 2) is subsequently bulk bulk III nitride semiconductor material by HVPE treatment over the layer 18. Formed on the
[0106]したがって、一部の実施形態において、図4A及び図4Bを参照して先に説明した堆積システム100は、MOCVD処理及びHVPE処理のそれぞれを行うことができ、それぞれを行うように構成されうる。図4Aを参照すると、限定ではなく例を挙げると、ガス源128A、128Bのうちの1つは、例えば、トリメチルガリウム(TMG)、トリエチルガリウム(TEG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリエチルアルミニウム(TEA)、テトラキスジエチルアミノチタン(TDEAT)、及びテトラキス(ジメチルアミド)チタン(TDMAT)のうちの1つ又は複数の有機金属の前駆体源を含むことができる。そうした実施形態において、キャリアガスを使用して、有機金属の前駆体を反応チャンバ内に運ぶことができるが、有機金属の前駆体源と併せて熱運動化ガス注入装置150A、150Cを利用する必要がない場合がある。例えば、キャリアガスが加熱した液体有機金属前駆体の貯蔵容器を通って泡立てられて有機金属の気体を形成することができ、その後、この有機金属の気体が反応チャンバ102へと流入することができる。有機金属の気体102は、反応チャンバ102内で分解し、結果として金属窒化物核生成テンプレート層18を加工基板106(例えば、図1に示す基板100)上に堆積させることができる。本明細書に記載する堆積システムを使用して、HVPE処理でバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるために使用される同一反応チャンバ102内においてインシチューで金属窒化物核生成テンプレート層18を形成するために使用することができるMOCVD方法は、例えば、2009年7月23日にChoiの名のもとに公開された米国特許出願公開第2009/0184398A1号において開示されている。
[0106] Thus, in some embodiments, the
[0107]そうした実施形態においては、金属窒化物核生成テンプレート層18は、約2分の1ナノメートル(0.5nm)から約2ミクロン(2μm)の平均的な厚さT1を有するように形成されえて、バルクIII族窒化物半導体材料22は、少なくとも約2ミクロン(2μm)、少なくとも約5ミクロン(5μm)、少なくとも約7ミクロン(7μm)、少なくとも約10ミクロン(10μm)、少なくとも約20ミクロン(20μm)、又はさらには少なくとも約30ミクロン(30μm)の平均的な厚さT2を有するように形成されうる。さらに、堆積されたバルクIII族窒化物半導体材料22の露出した主表面23は、一部の実施形態において、約2ナノメートル(2.0nm)以下(例えば約0.112nm)の二乗平均平方根表面粗さを有することができる。
[0107] In such an embodiment, the metal nitride nucleation template layer 18 has an average thickness T 1 of about one-half nanometer (0.5 nm) to about 2 microns (2 μm). The bulk III-
[0108]図1〜図3を再び参照すると、さらなる実施形態において、金属窒化物核生成テンプレート層18(図2)は、引き続いてその層18一面に本明細書に記載するHVPE処理でバルクIII族窒化物半導体材料22を堆積させるために使用される同一反応チャンバ102(図4A及び図4B)内においてインシチューでHVPE処理を使用して、基板100上に形成される。例えば、金属窒化物核生成テンプレート層18(図2)は、窒化アルミニウム(AlN)及び窒化チタン(TiN)のうちの少なくとも1つを含み、Chenらにより2001年4月24日に発行された米国特許第6,221,174号、及びArenaらの名のもとに2010年9月10日に公開された国際公開第2010/101715A1号パンフレットに開示されている方法を使用して形成されうる。
[0108] Referring again to FIGS. 1-3, in a further embodiment, the metal nitride nucleation template layer 18 (FIG. 2) is subsequently bulk III treated with the HVPE process described herein over the layer 18. Formed on the
[0109]図4Aを参照すると、原料ガス128AをHVPE処理での金属窒化物核生成テンプレート層18(図2)の形成において用いることができ、原料ガス128Bを続くHVPE処理でのバルクIII族窒化物半導体材料22の形成において用いることができる。
[0109] Referring to FIG. 4A, source gas 128A can be used in forming metal nitride nucleation template layer 18 (FIG. 2) in the HVPE process, and
[0110]非限定的な例として、金属窒化物核生成テンプレート層18(図2)は、窒化アルミニウム(AlN)を含むことができ、ガス源128Aは、AlCl3のガス源を含むことができる。AlCl3のガス源は、少なくとも190℃(例えば、ほぼ195℃)の温度、及び約2.5気圧の圧力に維持された液体AlCl3の貯蔵容器を含むことができ、任意で液体AlCl3の蒸発速度を向上させるための物理的手段を含んでもよい。そうした物理的手段には、例えば、液体AlCl3を撹拌するように構成された装置、液体AlCl3を噴霧するように構成された装置、キャリアガスを液体AlCl3上方で迅速に流すように構成された装置、液体AlCl3を通るキャリアガスを泡立てるように構成された装置、超音波で液体AlCl3を分散させるように構成された圧電装置などの装置などを含むことができる。非限定的な例として、液体AlCl3を少なくとも195℃の温度に維持しながら、He、N2、H2若しくはAr、又はそれらの混合物(例えば、N2とH2の混合物)などのキャリアガスを液体AlCl3を通して泡立てることができ、それによって、原料ガスが1つ又は複数のキャリアガスを含むこができる。任意で、AlCl3及びH2を含むキャリアガスを、熱運動化注入装置150Aに供給することができ、そこで、AlCl3が分解し、AlCl及びHClを形成することができる。HClは、熱運動化注入装置150A内に保持される液体アルミニウムと反応して、さらなるAlClを形成することができる。その後、ガスは、反応チャンバ102内へと導かれ、そこで、AlClは、ガス源128Cから供給されたNH3と反応して、基板上に及び基板一面にAlNを形成することができる。
[0110] As a non-limiting example, the metal nitride nucleation template layer 18 (FIG. 2) can include aluminum nitride (AlN), and the gas source 128A can include a gas source of AlCl 3. . Gas source AlCl 3 is at least 190 ° C. (e.g., about 195 ° C.) may comprise temperature, and the reservoir of liquid AlCl 3 which was maintained at a pressure of about 2.5 atm, optionally liquid AlCl 3 Physical means for improving the evaporation rate may be included. Such physical means include, for example, an apparatus configured to stir liquid AlCl 3 , an apparatus configured to spray liquid AlCl 3 , and configured to quickly flow a carrier gas over liquid AlCl 3. apparatus, an apparatus configured bubbling carrier gas through the liquid AlCl 3, and so forth apparatus such configured piezoelectric device to disperse liquid AlCl 3 with ultrasound. As a non-limiting example, a carrier gas such as He, N 2 , H 2 or Ar, or mixtures thereof (eg, a mixture of N 2 and H 2 ) while maintaining liquid AlCl 3 at a temperature of at least 195 ° C. Can be bubbled through liquid AlCl 3 , whereby the source gas can contain one or more carrier gases. Optionally, a carrier gas comprising AlCl 3 and H 2 can be supplied to the thermal
[0111]別の非限定的な例として、金属窒化物核生成テンプレート層18(図2)は、窒化チタン(TiN)を含むことができ、ガス源128Aは、TiCl4のガス源を含むことができる。TiCl4のガス源は、少なくとも80℃の温度に維持された液体TiCl4の貯蔵容器を含むことができ、任意で、上で論じた手段など、液体TiCl4の蒸発速度を向上させるための物理的手段を含んでもよい。非限定的な例として、液体TiCl4を少なくとも137℃の温度に維持しながら、He、N2、H2若しくはAr、又はそれらの混合物(例えば、N2とH2の混合物)などのキャリアガスを液体TiCl4を通して泡立て、それによって、原料ガスが1つ又は複数のキャリアガスを含むことができる。その後、TiCl4気体は、反応チャンバ102内へと導かれ、そこで、TiCl4は、ガス源128Cから供給されたNH3と反応して、基板上に及び基板一面にTiNを形成することができる。そうした処理におけるTiNを形成するためのプロセスパラメータに関連するさらなる詳細は、前述の米国特許第6,221,174号に見いだすことができる。
[0111] As another non-limiting example, the metal nitride nucleation template layer 18 (FIG. 2) can include titanium nitride (TiN), and the gas source 128A includes a TiCl 4 gas source. Can do. The TiCl 4 gas source can include a liquid TiCl 4 storage vessel maintained at a temperature of at least 80 ° C., and optionally physical to enhance the evaporation rate of the liquid TiCl 4 , such as the means discussed above. Means may be included. As a non-limiting example, a carrier gas such as He, N 2 , H 2 or Ar, or mixtures thereof (eg, a mixture of N 2 and H 2 ) while maintaining liquid TiCl 4 at a temperature of at least 137 ° C. Is bubbled through liquid TiCl 4 so that the source gas may contain one or more carrier gases. TiCl 4 gas is then directed into
[0112]上で論じたようにHVPE処理を使用して、反応チャンバ102内で金属窒化物核生成テンプレート層18を形成した後に、図3及び図8を参照して先に説明したように、バルクIII族窒化物半導体材料22を同一反応チャンバ102内でHVPE処理で形成することができる。バルクIII族窒化物半導体材料22は、金属窒化物核生成テンプレート層18を形成した後に且つ成長基板20上にバルクIII族窒化物半導体材料22を堆積させる前に、成長基板20を反応チャンバ102から取り除くことなく、金属窒化物核生成テンプレート層18を形成した後に成長基板20上に堆積されうる。
[0112] After forming the metal nitride nucleation template layer 18 in the
[0113]本発明の方法の実施形態によって、MOCVD処理を使用して金属窒化物核生成テンプレート層をエクスシチューで形成する必要なしに、バルクIII族窒化物半導体材料を作製することが可能になる。したがって、本発明の方法の少なくとも一部の実施形態は、バルクIII族窒化物半導体材料の形成において既に知られている方法と比較してよりコスト効率が良くなる可能性がある。 [0113] The method embodiments of the present invention allow bulk III-nitride semiconductor materials to be fabricated without the need to form metal nitride nucleation template layers ex situ using MOCVD processes. . Thus, at least some embodiments of the method of the present invention may be more cost effective than methods already known for forming bulk III-nitride semiconductor materials.
[0114]本発明のさらなる非限定的な例示の実施形態を以下に記載する。 [0114] Further non-limiting exemplary embodiments of the invention are described below.
[0115]実施形態1:成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させる方法であって、基板上に金属窒化物核生成テンプレート層を形成して成長基板を形成するステップと、ハロゲン化物気相エピタキシー(HVPE)処理を使用して、成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップとを含み、成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップが、金属三塩化物及び金属四塩化物のうちの少なくとも1つを分解して金属塩化物III族前駆体気体を形成するサブステップと、金属塩化物III族前駆体気体をV族前駆体気体と反応させて成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を形成するサブステップとを含む、方法。 [0115] Embodiment 1: A method of depositing a bulk III-nitride semiconductor material on a growth substrate, forming a growth substrate by forming a metal nitride nucleation template layer on the substrate, and a halide Depositing a bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate using a vapor phase epitaxy (HVPE) process, and depositing the bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate. A substep of decomposing at least one of chloride and metal tetrachloride to form a metal chloride group III precursor gas, and reacting the metal chloride group III precursor gas with a group V precursor gas; Forming a bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate.
[0116]実施形態2:基板上に金属窒化物核生成テンプレート層を形成するステップが非有機金属化学気相堆積(MOCVD)処理を使用して金属窒化物核生成テンプレート層を形成するサブステップを含む、実施形態1の方法。
[0116] Embodiment 2: The step of forming a metal nitride nucleation template layer on a substrate comprises forming a metal nitride nucleation template layer using a non-organometallic chemical vapor deposition (MOCVD) process. The method of
[0117]実施形態3:基板上に金属窒化物核生成テンプレート層を形成するステップがプラズマ化学気相堆積(PECVD)処理を使用して金属窒化物核生成テンプレート層を形成するサブステップを含む、実施形態1の方法。
[0117] Embodiment 3: Forming a metal nitride nucleation template layer on a substrate includes forming a metal nitride nucleation template layer using a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) process. The method of
[0118]実施形態4:プラズマ化学気相堆積(PECVD)処理を使用して金属窒化物核生成テンプレート層を形成するステップが、基板上に金属窒化物材料を堆積させるサブステップと、堆積させた金属窒化物材料を1つ又は複数の熱処理にさらして、堆積させた金属窒化物材料の結晶性を向上させるサブステップとを含む、実施形態3の方法。 [0118] Embodiment 4: Forming a metal nitride nucleation template layer using a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) process is deposited with a sub-step of depositing a metal nitride material on a substrate. The method of embodiment 3, comprising the step of subjecting the metal nitride material to one or more heat treatments to improve the crystallinity of the deposited metal nitride material.
[0119]実施形態5:堆積させた金属窒化物材料を1つ又は複数の熱処理にさらして、堆積させた金属窒化物材料の結晶性を向上させるステップが、堆積させた金属窒化物材料を急速熱アニール処理にさらすサブステップを含む、実施形態4の方法。
[0119] Embodiment 5: Exposing the deposited metal nitride material to one or more heat treatments to improve the crystallinity of the deposited metal nitride material rapidly causes the deposited metal nitride material to rapidly
[0120]実施形態6:基板上に金属窒化物核生成テンプレート層を形成するステップがハロゲン化物気相エピタキシー(HVPE)処理を使用して金属窒化物核生成テンプレート層を形成するサブステップを含む、実施形態1の方法。
[0120] Embodiment 6: The step of forming a metal nitride nucleation template layer on a substrate includes the sub-step of forming a metal nitride nucleation template layer using a halide vapor phase epitaxy (HVPE) process. The method of
[0121]実施形態7:ハロゲン化物気相エピタキシー(HVPE)処理を使用して金属窒化物核生成テンプレート層を形成するステップが、GaCl3、InCl3、AlCl3、及びTiCl4のうちの少なくとも1つを分解して三塩化物、二塩化物、及び一塩化物III族前駆体気体のうちの少なくとも1つを形成するサブステップと、III族前駆体気体をNH3前駆体気体と反応させて基板上に金属窒化物核生成テンプレート層を形成するサブステップとを含む、実施形態6の方法。 [0121] Embodiment 7: forming a halide vapor phase epitaxy (HVPE) metal nitride nucleation template layer using the process, GaCl 3, InCl 3, AlCl 3, and at least one of TiCl 4 A sub-step of cracking one to form at least one of a trichloride, dichloride, and monochloride group III precursor gas, and reacting the group III precursor gas with an NH 3 precursor gas. And forming a metal nitride nucleation template layer on the substrate.
[0122]実施形態8:第1のチャンバ内で金属窒化物核生成テンプレート層を形成するステップと、第2の異なるチャンバ内で成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるサブステップとをさらに含む、実施形態1〜7のいずれか1つの方法。 [0122] Embodiment 8: Forming a metal nitride nucleation template layer in a first chamber; Sub-step of depositing a bulk III-nitride semiconductor material on a growth substrate in a second different chamber; The method of any one of embodiments 1-7, further comprising:
[0123]実施形態9:チャンバ内で金属窒化物核生成テンプレート層を形成するステップと、金属窒化物核生成テンプレート層が形成されるチャンバ内で成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップとをさらに含む、実施形態1〜7のいずれか1つの方法。 [0123] Embodiment 9: Forming a metal nitride nucleation template layer in a chamber and depositing a bulk III-nitride semiconductor material on a growth substrate in the chamber in which the metal nitride nucleation template layer is formed The method of any one of embodiments 1-7, further comprising:
[0124]実施形態10:成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させる方法であって、第1のチャンバ内で非有機金属化学気相堆積(MOCVD)処理を使用して基板上に金属窒化物核生成テンプレート層を形成して成長基板を形成するステップと、第2のチャンバ内でハロゲン化物気相エピタキシー(HVPE)処理を使用して成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップとを含み、成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップがNH3、並びに金属三塩化物及び金属四塩化物のうちの少なくとも1つを第2のチャンバへ向けて流すサブステップを含む、方法。 [0124] Embodiment 10: A method of depositing a bulk III-nitride semiconductor material on a growth substrate, using a non-metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) process in a first chamber on the substrate. Forming a growth substrate by forming a metal nitride nucleation template layer; and using a halide vapor phase epitaxy (HVPE) process in a second chamber to form a bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate. and depositing, towards the step of depositing a bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate is at least one of NH 3, and metal trichloride and the metal tetrachloride to the second chamber A method comprising a flow sub-step.
[0125]実施形態11:サファイア基板を含むように基板を選択するステップをさらに含む実施形態10に記載の方法。
[0125] Embodiment 11: The method of
[0126]実施形態12:窒化アルミニウム及び窒化チタンのうちの少なくとも1つを含むように金属窒化物核生成テンプレート層を選択するステップをさらに含む、実施形態10又は実施形態11に記載の方法。
[0126] Embodiment 12: The method of
[0127]実施形態13:非有機金属化学気相堆積(MOCVD)処理を使用して、基板上に金属窒化物核生成テンプレート層を形成するステップが、プラズマ堆積処理を使用して、基板上に金属窒化物核生成テンプレート層を形成するサブステップを含む、実施形態10〜12のいずれか1つに記載の方法。 [0127] Embodiment 13: Forming a metal nitride nucleation template layer on a substrate using a non-organometallic chemical vapor deposition (MOCVD) process is performed on the substrate using a plasma deposition process. The method of any one of embodiments 10-12, comprising the substep of forming a metal nitride nucleation template layer.
[0128]実施形態14:成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップが、成長基板上にGaN、InN、AlN、InGaN、GaAlN、GaAlN、及びInAlNのうちの少なくとも1つを堆積させるサブステップを含む、実施形態10〜13のいずれか1つに記載の方法。
[0128] Embodiment 14: Depositing a bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate deposits at least one of GaN, InN, AlN, InGaN, GaAlN, GaAlN, and InAlN on the growth substrate.
[0129]実施形態15:成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップが、成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を毎時少なくとも約10ミクロン(10μm)の速度で堆積させるサブステップを含む、実施形態10〜14のいずれか1つに記載の方法。 [0129] Embodiment 15: Sub-depositing a bulk III-nitride semiconductor material on a growth substrate deposits a bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate at a rate of at least about 10 microns (10 μm) per hour. The method of any one of embodiments 10-14, comprising a step.
[0130]実施形態16:成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を毎時少なくとも約10ミクロン(10μm)の速度で堆積させるステップが、成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を毎時少なくとも約20ミクロン(20μm)の速度で堆積させるサブステップを含む、実施形態15に記載の方法。 [0130] Embodiment 16: Depositing a bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate at a rate of at least about 10 microns (10 μm) per hour comprises at least about a bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate per hour. Embodiment 16. The method of embodiment 15 comprising the substep of depositing at a rate of 20 microns (20 μm).
[0131]実施形態17:成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップが、成長基板上に少なくとも約2ミクロンの平均的な厚さを有するバルクIII族窒化物半導体材料の層を堆積させるサブステップを含む、実施形態10〜16のいずれか1つに記載の方法。 [0131] Embodiment 17: Depositing a bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate comprises depositing a layer of bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate having an average thickness of at least about 2 microns. Embodiment 17. The method according to any one of embodiments 10-16, comprising a sub-step of depositing.
[0132]実施形態18:基板上に金属窒化物核生成テンプレート層を形成するステップが、約50ナノメートル(50nm)以下の平均的な厚さを有するように金属窒化物核生成テンプレート層を形成するサブステップをさらに含む、実施形態10〜17のいずれか1つに記載の方法。
[0132] Embodiment 18: Forming a metal nitride nucleation template layer such that forming a metal nitride nucleation template layer on a substrate has an average thickness of about 50 nanometers (50 nm) or less. Embodiment 18. The method of any one of
[0133]実施形態19:約50ナノメートル(50nm)以下の平均的な厚さを有するように金属窒化物核生成テンプレート層を形成するステップが、約10ナノメートル以下(10nm)の平均的な厚さを有するように金属窒化物核生成テンプレート層を形成するサブステップ含む、実施形態18に記載の方法。 [0133] Embodiment 19: The step of forming the metal nitride nucleation template layer to have an average thickness of about 50 nanometers (50 nm) or less comprises an average of about 10 nanometers or less (10 nm) 19. The method of embodiment 18 comprising the substep of forming the metal nitride nucleation template layer to have a thickness.
[0134]実施形態20:NH3、並びに金属三塩化物及び金属四塩化物のうちの少なくとも1つを第2のチャンバに向けて流すステップが、GaCl3、InCl3、AlCl3、及びTiCl4のうちの少なくとも1つを第2のチャンバへ向けて流すサブステップを含む、実施形態10〜19のいずれか1つに記載の方法。 [0134] Embodiment 20: NH 3, as well as metal third step of passing at least one towards the second chamber of the chlorides and metal tetrachloride is, GaCl 3, InCl 3, AlCl 3, and TiCl 4 Embodiment 20. The method of any one of embodiments 10-19, comprising the sub-step of flowing at least one of the flow toward the second chamber.
[0135]実施形態21:NH3、並びに金属三塩化物及び金属四塩化物のうちの少なくとも1つを第2のチャンバへ向けて流すステップが、金属三塩化物及び金属四塩化物のうちの少なくとも1つを約100sccm以下の流量で第2のチャンバへ向けて流すサブステップをさらに含む、実施形態20に記載の方法。
[0135] Embodiment 21: NH 3, and flowing the at least one towards the second chamber of the metal trichloride and the metal tetrachloride is selected from metal trichloride and the metal tetrachloride 21. The method of
[0136]実施形態22:金属三塩化物及び金属四塩化物のうちの少なくとも1つを約100sccm以下の流量で第2のチャンバへ向けて流すステップが、金属三塩化物及び金属四塩化物のうちの少なくとも1つを約80sccm以下の流量で第2のチャンバへ向けて流すサブステップを含む、実施形態21に記載の方法。 [0136] Embodiment 22: flowing at least one of metal trichloride and metal tetrachloride toward the second chamber at a flow rate of about 100 sccm or less comprises the steps of metal trichloride and metal tetrachloride. 22. The method of embodiment 21, comprising the sub-step of flowing at least one of them towards the second chamber at a flow rate of about 80 sccm or less.
[0137]実施形態23:GaCl3を含むように金属三塩化物及び金属四塩化物のうちの少なくとも1つを選択するステップをさらに含む、実施形態20〜22のいずれか1つに記載の方法。 [0137] Embodiment 23: a metal trichloride to include GaCl 3 and further comprising the step of selecting at least one of the metal tetrachloride, according to any one of embodiments 20-22 method .
[0138]実施形態24:バルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップによって、結果として約10ナノメートル(10nm)以下の二乗平均平方根表面粗さを有する堆積させたバルクIII族窒化物半導体材料の露出した主表面が得られる、実施形態10〜23のいずれか1つに記載の方法。 [0138] Embodiment 24: The step of depositing a bulk III-nitride semiconductor material results in the deposition of a bulk III-nitride semiconductor material having a root mean square surface roughness of about 10 nanometers (10 nm) or less. Embodiment 24. The method of any one of embodiments 10-23, wherein an exposed major surface is obtained.
[0139]実施形態25:バルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップによって、結果として1平方センチメートル当たり約5〜9×108以下の平均転位密度を有する堆積させたバルクIII族窒化物半導体材料の露出した主表面が得られる、実施形態10〜24のいずれか1つに記載の方法。 [0139] Embodiment 25: The step of depositing a bulk III-nitride semiconductor material results in the deposition of a bulk III-nitride semiconductor material having an average dislocation density of less than or equal to about 5-9 x 10 8 per square centimeter. Embodiment 25. The method of any one of embodiments 10-24, wherein an exposed major surface is obtained.
[0140]実施形態26:成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させる方法であって、チャンバ内で有機金属化学気相堆積(MOCVD)処理を使用して基板上に金属窒化物核生成テンプレート層を形成して成長基板を形成するステップと、同一チャンバ内でハロゲン化物気相エピタキシー(HVPE)処理を使用して成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップとを含み、ハロゲン化物気相エピタキシー(HVPE)処理を使用して成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップが、NH3、並びに金属三塩化物及び金属四塩化物のうちの少なくとも1つを同一チャンバに向けて流すサブステップを含む、方法。 [0140] Embodiment 26: A method of depositing a bulk III-nitride semiconductor material on a growth substrate, wherein the metal nitride nuclei are deposited on the substrate using a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) process in a chamber Forming a production template layer to form a growth substrate and depositing a bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate using a halide vapor phase epitaxy (HVPE) process in the same chamber. Depositing a bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate using a halide vapor phase epitaxy (HVPE) process comprising NH 3 and at least one of metal trichloride and metal tetrachloride Including a sub-step of flowing toward the same chamber.
[0141]実施形態27:サファイア基板を含むように基板を選択するステップをさらに含む、実施形態26に記載の方法。 [0141] Embodiment 27: The method of embodiment 26, further comprising selecting the substrate to include a sapphire substrate.
[0142]実施形態28:窒化ガリウム、窒化アルミニウム、アルミニウム窒化ガリウム、窒化ハフニウム、窒化クロム、窒化タングステン、及び窒化チタンのうちの少なくとも1つを含むように金属窒化物核生成テンプレート層を選択するステップをさらに含む、実施形態26又は実施形態27に記載の方法。 [0142] Embodiment 28: Selecting a metal nitride nucleation template layer to include at least one of gallium nitride, aluminum nitride, aluminum gallium nitride, hafnium nitride, chromium nitride, tungsten nitride, and titanium nitride The method of embodiment 26 or embodiment 27, further comprising:
[0143]実施形態29:成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップが、成長基板上にGaN、InN、AlN、InGaN、GaAlN、GaAlN、及びInAlNのうちの少なくとも1つを堆積させるサブステップを含む、実施形態26〜28のいずれか1つに記載の方法。 [0143] Embodiment 29: Depositing a bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate deposits at least one of GaN, InN, AlN, InGaN, GaAlN, GaAlN, and InAlN on the growth substrate. 29. The method according to any one of embodiments 26-28, comprising the substep of:
[0144]実施形態30:成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップが、成長基板上に毎時少なくとも約10ミクロン(10μm)の速度でバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるサブステップを含む、実施形態26〜29のいずれか1つに記載の方法。 [0144] Embodiment 30: A step of depositing a bulk III-nitride semiconductor material on a growth substrate deposits a bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate at a rate of at least about 10 microns (10 μm) per hour. 30. The method of any one of embodiments 26-29, comprising a step.
[0145]実施形態31:成長基板上に毎時少なくとも約10ミクロン(10μm)の速度でバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップが、成長基板上に毎時少なくとも約20ミクロン(20μm)の速度でバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるサブステップを含む、実施形態30に記載の方法。 [0145] Embodiment 31: Depositing a bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate at a rate of at least about 10 microns (10 μm) per hour on the growth substrate at a rate of at least about 20 microns (20 μm) per hour Embodiment 31. The method of embodiment 30 comprising the substep of depositing a bulk III nitride semiconductor material.
[0146]実施形態32:成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップが、成長基板上に少なくとも約2ミクロン(2μm)の平均的な厚さを有するバルクIII族窒化物半導体材料の層を堆積させるサブステップを含む、実施形態26〜31のいずれか1つに記載の方法。 [0146] Embodiment 32: Bulk III-nitride semiconductor material wherein depositing bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate has an average thickness of at least about 2 microns (2 μm) on the growth substrate 32. The method of any one of embodiments 26-31, comprising the sub-step of depositing a layer of:
[0147]実施形態33:基板上に金属窒化物核生成テンプレート層を形成するステップが、約2分の1ナノメートル(0.5nm)から約2ミクロン(2.0μm)の平均的な厚さを有する金属窒化物核生成テンプレート層を形成するサブステップをさらに含む、実施形態26〜32のいずれか1つに記載の方法。 [0147] Embodiment 33: The step of forming a metal nitride nucleation template layer on a substrate comprises an average thickness of about one-half nanometer (0.5 nm) to about 2 microns (2.0 μm). 33. The method according to any one of embodiments 26-32, further comprising the substep of forming a metal nitride nucleation template layer having:
[0148]実施形態34:NH3、並びに金属三塩化物及び金属四塩化物のうちの少なくとも1つを同一チャンバに向けて流すステップが、GaCl3、InCl3、AlCl3、及びTiCl4のうちの少なくとも1つを同じチャンバに向けて流すサブステップを含む、実施形態26〜33のいずれか1つに記載の方法。 [0148] Embodiment 34: NH 3, and the step of flowing at least one towards the same chamber of the metal trichloride and the metal tetrachloride is, GaCl 3, InCl 3, AlCl 3, and of TiCl 4 34. The method of any one of embodiments 26-33, comprising the substep of flowing at least one of the
[0149]実施形態35:GaCl3、InCl3、AlCl3、及びTiCl4のうちの少なくとも1つを同一チャンバに向けて流すステップが、GaCl3、InCl3、AlCl3、及びTiCl4のうちの少なくとも1つを約100sccm以下の流量で同一チャンバへ向けて流すサブステップをさらに含む、実施形態34に記載の方法。 [0149] Embodiment 35: GaCl 3, InCl 3, AlCl 3, and the step of flowing at least one towards the same chamber of the TiCl 4 is, GaCl 3, InCl 3, AlCl 3, and of the TiCl 4 35. The method of embodiment 34, further comprising the sub-step of flowing at least one toward the same chamber at a flow rate of about 100 seem or less.
[0150]実施形態36:GaCl3、InCl3、AlCl3、及びTiCl4のうちの少なくとも1つを約100sccm以下の流量で同一チャンバに向けて流すステップが、GaCl3、InCl3、AlCl3、及びTiCl4のうちの少なくとも1つを約80sccm以下の流量で同一チャンバへ向けて流すサブステップを含む、実施形態35に記載の方法。 [0150] Embodiment 36: flowing at least one of GaCl 3 , InCl 3 , AlCl 3 , and TiCl 4 toward the same chamber at a flow rate of about 100 sccm or less comprising GaCl 3 , InCl 3 , AlCl 3 , 36. The method of embodiment 35, comprising the step of flowing at least one of TiCl 4 and TiCl 4 toward the same chamber at a flow rate of about 80 sccm or less.
[0151]実施形態37:GaCl3を含むように金属三塩化物及び金属四塩化物のうちの少なくとも1つを選択するステップをさらに含む、実施形態26〜36のいずれか1つに記載の方法。 [0151] Embodiment 37: a metal trichloride to include GaCl 3 and further comprising the step of selecting at least one of the metal tetrachloride, according to any one of embodiments 26-36 method .
[0152]実施形態38:バルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップによって、結果として約2ナノメートル(2.0nm)以下の二乗平均平方根表面粗さを有する堆積させたバルクIII族窒化物半導体材料の露出した主表面が得られる、実施形態26〜37のいずれか1つに記載の方法。 [0152] Embodiment 38: Depositing bulk III-nitride semiconductor material by depositing bulk III-nitride semiconductor material, resulting in a root mean square surface roughness of about 2 nanometers (2.0 nm) or less 38. The method according to any one of embodiments 26-37, wherein an exposed major surface of the material is obtained.
[0153]実施形態39:バルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップにより、結果として1平方センチメートル当たり約5×108以下の平均転位密度を有する堆積させたバルクIII族窒化物半導体材料の露出した主表面が得られる、実施形態26〜38のいずれか1つに記載の方法。 [0153] Embodiment 39: Depositing a bulk III-nitride semiconductor material results in exposing a deposited bulk III-nitride semiconductor material having an average dislocation density of less than or equal to about 5 × 10 8 per square centimeter 39. A method according to any one of embodiments 26-38, wherein a major surface is obtained.
[0154]実施形態40:成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させる方法であって、チャンバ内でハロゲン化物気相エピタキシー(HVPE)処理を使用して基板上に金属窒化物核生成テンプレート層を形成して成長基板を形成するステップと、同一チャンバ内でハロゲン化物気相エピタキシー(HVPE)処理を使用して成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップとを含み、ハロゲン化物気相エピタキシー(HVPE)処理を使用して成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップが、NH3、並びに金属三塩化物及び金属四塩化物のうちの少なくとも1つを同一チャンバへ向けて流すサブステップを含む、方法。 [0154] Embodiment 40: A method of depositing a bulk III-nitride semiconductor material on a growth substrate, using a halide vapor phase epitaxy (HVPE) process in a chamber to produce metal nitride nuclei on the substrate Forming a template layer to form a growth substrate; and depositing a bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate using a halide vapor phase epitaxy (HVPE) process in the same chamber; Depositing a bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate using a halide vapor phase epitaxy (HVPE) process comprises NH 3 and at least one of metal trichloride and metal tetrachloride. A method comprising the substep of flowing towards the same chamber.
[0155]実施形態41:サファイア基板を含むように基板を選択するステップをさらに含む実施形態40に記載の方法。 [0155] Embodiment 41: The method of embodiment 40, further comprising selecting the substrate to include a sapphire substrate.
[0156]実施形態42:窒化アルミニウム及び窒化チタンのうちの少なくとも1つを含むように金属窒化物核生成テンプレート層を選択するステップをさらに含む、実施形態40又は実施形態41に記載の方法。 [0156] Embodiment 42: The method of embodiment 40 or embodiment 41, further comprising selecting the metal nitride nucleation template layer to include at least one of aluminum nitride and titanium nitride.
[0157]実施形態43:成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップが、成長基板上にGaN、InN、AlN、InGaN、GaAlN、GaAlN、及びInAlNのうちの少なくとも1つを堆積させるサブステップを含む、実施形態40〜42のいずれか1つに記載の方法。 [0157] Embodiment 43: Depositing a bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate deposits at least one of GaN, InN, AlN, InGaN, GaAlN, GaAlN, and InAlN on the growth substrate. 43. The method of any one of embodiments 40-42, comprising the substep of:
[0158]実施形態44:成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップが、成長基板上に毎時少なくとも約10ミクロン(10μm)の速度でバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるサブステップを含む、実施形態40〜43のいずれか1つに記載の方法。 [0158] Embodiment 44: A step of depositing a bulk III-nitride semiconductor material on a growth substrate depositing a bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate at a rate of at least about 10 microns (10 μm) per hour. 45. A method according to any one of embodiments 40-43, comprising steps.
[0159]実施形態45:成長基板上に毎時少なくとも約10ミクロン(10μm)の速度でバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップが、成長基板上に毎時少なくとも約20ミクロン(20μm)の速度でバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるサブステップを含む、実施形態44に記載の方法。 [0159] Embodiment 45: depositing a bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate at a rate of at least about 10 microns (10 μm) per hour on the growth substrate at a rate of at least about 20 microns (20 μm) per hour 45. The method of embodiment 44, comprising the substep of depositing a bulk III nitride semiconductor material.
[0160]実施形態46:成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップが、成長基板上に少なくとも約2ミクロン(2μm)の平均的な厚さを有するバルクIII族窒化物半導体材料の層を堆積させるサブステップを含む、実施形態40〜45のいずれか1つに記載の方法。 [0160] Embodiment 46: Bulk III-nitride semiconductor material wherein depositing bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate has an average thickness of at least about 2 microns (2 μm) on the growth substrate 46. The method according to any one of embodiments 40-45, comprising the substep of depositing a layer of:
[0161]実施形態47:基板上に金属窒化物核生成テンプレート層を形成するステップが、約50ナノメートル(50nm)以下の平均的な厚さを有する金属窒化物核生成テンプレート層を形成するサブステップをさらに含む、実施形態40〜46のいずれか1つに記載の方法。 [0161] Embodiment 47: A step of forming a metal nitride nucleation template layer on a substrate forms a metal nitride nucleation template layer having an average thickness of about 50 nanometers (50 nm) or less. 47. The method according to any one of embodiments 40-46, further comprising a step.
[0162]実施形態48:NH3、並びに金属三塩化物及び金属四塩化物のうちの少なくとも1つを同一チャンバへ向けて流すステップが、約100sccm以下の流量で金属三塩化物及び金属四塩化物のうちの少なくとも1つを同一チャンバへ向けて流すサブステップをさらに含む、実施形態47に記載の方法。 [0162] Embodiment 48: NH 3, and the step of flowing at least one towards the same chamber of the metal trichloride and the metal tetrachloride is a metal trichloride in the following flow rate of about 100sccm and metal tetrachloride 48. The method of embodiment 47, further comprising the substep of flowing at least one of the objects towards the same chamber.
[0163]実施形態49:約100sccm以下の流量で金属三塩化物及び金属四塩化物のうちの少なくとも1つを同一チャンバへ向けて流すステップが、約80sccm以下の流量で金属三塩化物及び金属四塩化物のうちの少なくとも1つを同一チャンバへ向けて流すサブステップを含む、実施形態48に記載の方法。 [0163] Embodiment 49: flowing at least one of metal trichloride and metal tetrachloride toward the same chamber at a flow rate of about 100 sccm or less, wherein metal trichloride and metal at a flow rate of about 80 sccm or less 49. The method of embodiment 48, comprising the substep of flowing at least one of the tetrachlorides toward the same chamber.
[0164]実施形態50:GaCl3、InCl3、AlCl3、及びTiCl4のうちの少なくとも1つを含むように金属三塩化物及び金属四塩化物のうちの少なくとも1つを選択するステップをさらに含む、実施形態40〜49のいずれか1つに記載の方法。 [0164] Embodiment 50: GaCl 3, InCl 3, AlCl 3, and further the step of selecting at least one of a metal trichloride and the metal tetrachloride to include at least one of TiCl 4 50. The method of any one of embodiments 40-49, comprising.
[0165]実施形態51:バルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップによって、結果として約10ナノメートル(10.0nm)以下の二乗平均平方根表面粗さを有する堆積させたバルクIII族窒化物半導体材料の露出した主表面が得られる、実施形態40〜50のいずれか1つに記載の方法。 [0165] Embodiment 51: Depositing a bulk III-nitride semiconductor material with a step of depositing a bulk III-nitride semiconductor material resulting in a root mean square surface roughness of about 10 nanometers (10.0 nm) or less The method according to any one of embodiments 40-50, wherein an exposed major surface of the material is obtained.
[0166]実施形態52:バルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップによって、結果として1平方センチメートル当たり約5×108以下の平均転位密度を有する堆積させたバルクIII族窒化物半導体材料の露出した主表面が得られる、実施形態40〜51のいずれか1つに記載の方法。 [0166] Embodiment 52: Depositing a bulk III-nitride semiconductor material results in exposing the deposited bulk III-nitride semiconductor material having an average dislocation density of about 5 × 10 8 or less per square centimeter 52. The method according to any one of embodiments 40-51, wherein a major surface is obtained.
[0167]実施形態53:同一チャンバ内でハロゲン化物気相エピタキシー(HVPE)処理を使用して成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップが、基板上に金属窒化物核生成テンプレート層を形成して成長基板を形成した後に、且つ成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させる前に、同一チャンバから成長基板を取り除くことなしに、成長基板上にバルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるサブステップを含む、実施形態40〜52のいずれか1つに記載の方法。
[0167] Embodiment 53: Depositing a bulk III-nitride semiconductor material on a growth substrate using a halide vapor phase epitaxy (HVPE) process in the same chamber comprises a metal nitride nucleation template on the substrate. After forming the layer and forming the growth substrate and before depositing the bulk III nitride semiconductor material on the growth substrate, the bulk III nitride on the growth substrate without removing the growth substrate from the
[0168]実施形態54:実施形態1〜53のいずれか1つに記載される方法により作製される、バルクIII族窒化物半導体材料を含む構造体。
[54] Embodiment 54: A structure comprising a bulk III-nitride semiconductor material made by the method described in any one of embodiments 1-53.
Claims (5)
基板上に金属窒化物核生成テンプレート層を形成して前記成長基板を形成するステップと、
ハロゲン化物気相エピタキシー(HVPE)処理を使用して、前記成長基板上に前記バルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップと
を含み、
前記成長基板上に前記バルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップが、
金属三塩化物及び金属四塩化物のうちの少なくとも1つをHVPE堆積システムの反応チャンバ内への導入前に分解して金属塩化物III族前駆体気体を形成するサブステップと、
前記金属塩化物III族前駆体気体を前記反応チャンバ内へ導入し、前記反応チャンバ内で前記金属塩化物III族前駆体気体をV族前駆体気体と反応させて、前記成長基板上に前記バルクIII族窒化物半導体材料を形成するサブステップと、
を含み、
前記基板上に前記金属窒化物核生成テンプレート層を形成するステップが、プラズマ化学気相堆積(PECVD)処理を使用して、前記金属窒化物核生成テンプレート層を形成するサブステップを含む、方法。 A method of depositing a bulk III-nitride semiconductor material on a growth substrate, comprising:
Forming a metal nitride nucleation template layer on a substrate to form the growth substrate;
Depositing the bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate using a halide vapor phase epitaxy (HVPE) process;
Depositing the bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate;
Substeps of decomposing at least one of metal trichloride and metal tetrachloride prior to introduction into the reaction chamber of the HVPE deposition system to form a metal chloride group III precursor gas;
The metal chloride group III precursor gas is introduced into the reaction chamber, the metal chloride group III precursor gas is reacted with the group V precursor gas in the reaction chamber, and the bulk on the growth substrate. A sub-step of forming a group III nitride semiconductor material;
Including
Forming the metal nitride nucleation template layer on the substrate comprises forming the metal nitride nucleation template layer using a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) process;
前記基板上に金属窒化物材料を堆積させるサブステップと、
前記堆積させた金属窒化物材料を1つ又は複数の熱処理にさらして、前記堆積させた金属窒化物材料の結晶性を向上させるサブステップと
を含む、請求項1に記載の方法。 Forming the metal nitride nucleation template layer using the plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) process;
Depositing a metal nitride material on the substrate;
The method of claim 1, comprising: subjecting the deposited metal nitride material to one or more heat treatments to improve the crystallinity of the deposited metal nitride material.
第2の異なるチャンバ内で前記成長基板上に前記バルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップと
をさらに含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。 Forming the metal nitride nucleation template layer in a first chamber;
Depositing the bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate in a second different chamber.
前記金属窒化物核生成テンプレート層が形成される前記チャンバ内で前記成長基板上に前記バルクIII族窒化物半導体材料を堆積させるステップと
をさらに含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。 Forming the metal nitride nucleation template layer in a chamber;
Depositing the bulk III-nitride semiconductor material on the growth substrate in the chamber in which the metal nitride nucleation template layer is formed. the method of.
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