JP6541229B2 - 窒化ガリウムおよび金属酸化物の複合基板 - Google Patents
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Description
本出願は、2012年8月23日に出願された、「COMPOSITE SUBSTRATE OF GALLIUM NITRIDE AND METAL OXIDE」とう題名の米国出願第61/692,411号(発明者:Tadao Hashimoto)に対して優先権の利益を主張する。上記出願は、以下に全てを提示するようにその全体として参照することによって援用される。
本出願は、以下の米国特許出願:
2005年7月8日に出願された、Kenji Fujito,Tadao Hashimoto,およびShuji Nakamuraの「METHOD FOR GROWING GROUP III−NITRIDE CRYSTALS IN SUPERCRITICAL AMMONIA USING AN AUTOCLAVE」という題名のPCT特許出願第US2005/024239号(attorneys’ docket number 30794.0129−WO−01 (2005−339−1))、
米国特許法Section 119(e)下で、2006年4月7日に出願された、Tadao Hashimoto,Makoto Saito,およびShuji Nakamuraの「METHOD FOR GROWING LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS IN SUPERCRITICAL AMMONIA AND LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS」という題名の米国仮特許出願第60/790,310号(attorneys docket number 30794.179−US−P1 (2006−204))の利益を主張する、2007年4月6日に出願された、Tadao Hashimoto,Makoto Saito,およびShuji Nakamuraの「METHOD FOR GROWING LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS IN SUPERCRITICAL AMMONIA AND LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS」という題名の米国特許出願第11/784,339号(attorneys docket number 30794.179−US−U1 (2006−204))、
2007年9月19日に出願された、Tadao HashimotoおよびShuji Nakamuraの「GALLIUM NITRIDE BULK CRYSTALS AND THEIR GROWTH METHOD」という題名の米国特許出願第60/973,662号(attorneys docket number 30794.244−US−P1 (2007−809−1))、
2007年10月25日に出願された、Tadao Hashimotoの「METHOD FOR GROWING GROUP III−NITRIDE CRYSTALS IN A MIXTURE OF SUPERCRITICAL AMMONIA AND NITROGEN, AND GROUP III−NITRIDE CRYSTALS GROWN THEREBY」という題名の米国特許出願第11/977,661号(attorneys docket number 30794.253−US−U1 (2007−774−2))、
2008年2月25日に出願された、Tadao Hashimoto,Edward Letts,Masanori Ikariの「METHOD FOR PRODUCING GROUP III−NITRIDE WAFERS AND GROUP III−NITRIDE WAFERS」という題名の米国特許出願第61/067,117号(attorneys docket number 62158−30002.00)、
2008年6月4日に出願された、Edward Letts,Tadao Hashimoto,Masanori Ikariの「METHODS FOR PRODUCING IMPROVED CRYSTALLINITY GROUP III−NITRIDE CRYSTALS FROM INITIAL GROUP III−NITRIDE SEED BY AMMONOTHERMAL GROWTH」という題名の米国特許出願第61/058,900号(attorneys docket number 62158−30004.00)、
2008年6月4日に出願された、Tadao Hashimoto,Edward Letts,Masanori Ikariの「HIGH−PRESSURE VESSEL FOR GROWING GROUP III NITRIDE CRYSTALS AND METHOD OF GROWING GROUP III NITRIDE CRYSTALS USING HIGH−PRESSURE VESSEL AND GROUP III NITRIDE CRYSTAL」という題名の米国特許出願第61/058,910号(attorneys docket number 62158−30005.00)、
2008年6月12日に出願された、Tadao Hashimoto, Masanori Ikari, Edward Lettsの「METHOD FOR TESTING III−NITRIDE WAFERS AND III−NITRIDE WAFERS WITH TEST DATA」という題名の米国特許出願第61/131,917号(attorneys docket number 62158−30006.00)
に関連する。上記出願の全ては、以下に全てを提示するようにそれらの全体として参照することによって援用される。
発明の分野
本発明は、発光ダイオード(LED)およびレーザダイオード(LD)等の光電子素子ならびにトランジスタ等の電子素子を含む、種々の素子のために使用される、半導体基板に関する。より具体的には、本発明は、ガリウムを含むIII族窒化物から成る、化合物半導体基板に関する。
(注:本特許出願は、括弧内の数字、例えば、[x]を用いて示されるように、いくつかの刊行物および特許を参照する。これらの刊行物および特許の一覧は、「参考文献」という表題の項に見出すことができる。)
本発明は、基板表面の品質と関連付けられた問題を解決する、新規複合基板を開示する。複合基板は、GaxAlyIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦x+y≦1)から成る第1の層と、金属酸化物から成る第2の層とを備える、少なくとも2つの層を有し、第2の層は、素子の堆積反応器内において高温で原位置エッチングを用いて除去されることができる。金属酸化物層は、素子層または構造が堆積されるまで、第1の層の保護層として作用するように設計される。金属酸化物層は、アンモニア等の反応性ガスを用いた原位置エッチングを通して、素子の堆積反応器内で除去され得るように設計される。
概要
本発明の複合基板は、LED、LD、トランジスタ、および光検出器等の種々の光電子および電子素子を加工するための好適な表面を提供する。多くの光電子および電子素子は、III族窒化物合金(すなわち、GaN、AlN、およびInNの合金)の薄膜を用いて加工される。III族窒化物の単結晶基板の欠如のため、これらの素子は、いわゆる、サファイアおよび炭化ケイ素等のヘテロエピタキシャル基板上に加工される。ヘテロエピタキシャル基板は、III族窒化物と化学的および物理的に異なるため、素子は、ヘテロエピタキシャル基板と素子層との間の界面に生成される高密度の転位(108〜1010cm−2)を含有する。そのような転位は、素子の性能および信頼性を劣化させ、したがって、GaNおよびAlN等の結晶III族窒化物から成る基板が、開発されている。現在、市販のGaN基板の大部分は、HVPEを用いて生産されるが、転位密度を105cm−2未満に低減させることが困難である。HVPE−GaN基板の転位密度は、ヘテロエピタキシャル基板上のGaN膜より数桁小さいが、転位密度は、依然として、電子機器内の典型的シリコン素子より数桁大きい。より高い素子性能を達成するために、より低い転位密度が、要求される。105cm−2未満の転位密度を達成するために、超臨界アンモニアを利用する、アモノサーマル成長が、これまで開発されている。現在、アモノサーマル法は、105cm−2未満の転位密度を伴うGaN基板を生産することができる。しかしながら、転位密度がより低くなるとき、基板と素子層との間の界面の品質は、界面の品質が不良である場合、新しい転位が生成されるため、高性能を達成するためにより重要となる。本発明の複合基板は、高温で原位置エッチングによって除去されることができる、III族窒化物の第1の層に取着された金属酸化物層を提供することによって、LED、LD、トランジスタ、および光検出器等の種々の光電子および電子素子を加工するための好適な表面を提供することができる。
複合基板の本発明は、金属酸化物層[図1−2]を素子が加工される表面上に取着することによって、低転位III族基板[図1−1](例えば、GaN)の利点を最大限にすることが予想される。III族窒化物基板の表面上の金属酸化物層は、素子層が上に堆積されるまで、III族窒化物基板の表面を機械的、物理的、および/または化学的損傷から保護する。
酸化亜鉛層が、水熱堆積を用いて300℃で105cm−2未満の転位密度を有するc−平面GaN基板のGa−極性表面上に堆積されることができる。第1の層の厚さは、約300ミクロンであることができ、第2の層の厚さは、1ミクロンであることができる。酸化亜鉛層は、基板温度を漸増させながら、MOCVD反応器内のアンモニア流下でエッチングされることができる。漸増時間が、全酸化亜鉛層を除去するために十分に長くない場合、基板は、GaN層が露出されるまで、アンモニア雰囲気下で約1050℃に維持される。このように、GaN基板と素子層との間の界面は、平滑であることができ、新しい転位の生成は、回避されることができる。
シリコン酸化物層が、スピンコーティング技法を用いて、105cm−2未満の転位密度を有するc−平面GaN基板のGa−極性表面上に堆積されることができる。スピンコーティングされた複合基板は、約150℃で焼成される。第1の層の厚さは、約300ミクロンであることができ、第2の層の厚さは、10ミクロンであることができる。シリコン酸化物層が、低温で形成される場合、層は、基板温度を漸増させながら、MOCVD反応器内のアンモニア流下でエッチングされることができる。漸増時間が、全シリコン酸化物層を除去するために十分に長くない場合、基板は、GaN層が露出されるまで、アンモニア雰囲気下で約1050℃に維持される。このように、GaN基板と素子層との間の界面は、平滑であることができ、新しい転位の生成は、回避されることができる。
ガリウム酸化物層が、酸エッチングを用いて、105cm−2未満の転位密度を有するc−平面GaN基板のGa−極性表面上に形成されることができる。第1の層の厚さは、約300ミクロンであることができ、第2の層の厚さは、数単分子層であることができる。ガリウム酸化物層は、基板温度を漸増させながら、MOCVD反応器内のアンモニア流下でエッチングされることができる。漸増時間が、全ガリウム酸化物層を除去するために十分に長くない場合、基板は、GaN層が露出されるまで、アンモニア雰囲気下で約1050℃に維持される。このように、GaN基板と素子層との間の界面は、平滑であることができ、新しい転位の生成は、回避されることができる。
ガリウム酸化物およびシリコン酸化物層の混合物が、105cm−2未満の転位密度を有するc−平面GaN基板のGa−極性表面の研磨プロセスの間に形成されることができる。研磨プロセスでは、コロイド状シリカが、シリコン酸化物薄層を形成するために使用される。第1の層の厚さは、約300ミクロンであることができ、第2の層の厚さは、数単分子層であることができる。ガリウム酸化物およびシリコン酸化物層の混合物は、基板温度を漸増させながら、MOCVD反応器内のアンモニア流下でエッチングされることができる。漸増時間が、全酸化物層を除去するために十分に長くない場合、基板は、GaN層が露出されるまで、アンモニア雰囲気下で約1050℃に維持される。このように、GaN基板と素子層との間の界面は、平滑であることができ、新しい転位の生成は、回避されることができる。
III族窒化物基板の微細な研磨を用いても、基板の表面は、化学汚染物質から汚れる、物理的損傷から擦過される、または種々の理由から損なわれ得る。複合基板の本発明は、第2の層をIII族窒化物基板上に設置し、素子層の堆積が開始するまで、III族窒化物の表面を化学的および/または物理的に保護することによって、III族窒化物基板と素子層との間に平滑界面を提供することができる。
好ましい実施形態は、GaN基板を説明するが、基板は、AlN、AlGaN、InN、InGaN、またはGaAlInN等の種々の組成物のIII族窒化物合金であることができる。
以下の参考文献は、参照することによって本明細書に組み込まれる。
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[6]D’ Eyelyn(米国特許第7,078,731号)
前述の参考文献はそれぞれ、特に、アモノサーマル法を作製、使用し、これらの窒化ガリウム基板を使用する方法の説明に関して、本明細書に完全に記載される場合と同様に、参照することによって全体として組み込まれる。
(段落1)
素子加工のための複合基板であって、上記複合基板は、GaxAlyIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦x+y≦1)から成る第1の層と、上記第1の層の1つの表面に取着された第2の層とを備え、上記第2の層は、金属酸化物から成り、素子加工反応器内で原位置エッチングによって除去されることができる、複合基板。
(段落2)
素子加工のための複合基板であって、上記複合基板は、GaxAlyIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦x+y≦1)から成る第1の層と、上記第1の層の1つの表面に取着された第2の層とを備え、上記第2の層は、金属酸化物から成り、素子加工反応器内で原位置エッチングによって部分的に除去されることができ、さらに、上記金属酸化物の一部は、貫通転位の終端点または積層欠陥の終端線に選択的に残り、局所マスクとして作用し、上記貫通転位または積層欠陥の伝搬を防止する、複合基板。
(段落3)
上記第2の層は、アンモニアを用いて、1050℃以下でエッチングすることによって除去されることができる、段落1および2に記載の素子のための複合基板。
(段落4)
上記金属酸化物は、少なくとも、ガリウム、アルミニウム、インジウム、亜鉛、マグネシウム、カルシウム、ナトリウム、シリコン、スズ、またはチタンの酸化物を含有する、段落1−3に記載の素子のための複合基板。
(段落5)
上記第2の層は、2以上の原子層である、段落1−4に記載の素子のための複合基板。
(段落6)
上記第2の層の厚さは、X線光電子分光法を用いて検出されるほど十分に大きい、段落5に記載の素子のための複合基板。
(段落7)
上記第1の層は、高配向多結晶または単結晶GaNである、段落1から6に記載の素子のための複合基板。
(段落8)
上記結晶GaNの転位および粒界の密度は、105cm−2未満である、段落7に記載の素子のための複合基板。
(段落9)
上記第2の層は、上記第1の層のガリウム面上にある、段落7に記載の素子のための複合基板。
(段落10)
上記第2の層は、上記第1の層の窒素面上にある、段落7に記載の素子のための複合基板。
(段落11)
上記第2の層は、上記第1の層の非極性m−面またはa−面上にある、段落7に記載の素子のための複合基板。
(段落12)
上記第2の層は、上記第1の層のガリウム側半極性面上にある、段落7に記載の素子のための複合基板。
(段落13)
上記第2の層は、上記第1の層の窒素側半極性面上にある、段落7に記載の素子のための複合基板。
(段落14)
上記第2の層は、上記第1の層上に意図的に形成される、段落1から13に記載の素子のための複合基板。
(段落15)
III族窒化物ウエハの表面を保護する方法であって、上記方法は、上記ウエハの面上に保護層を形成することを含み、上記保護層は、上記ウエハの保管の間、上記面を大気酸化から保護するために十分な厚さを有する、方法。
(段落16)
光学、電子、または光電子素子を作製する方法であって、上記方法は、堆積反応器内で保護層をIII族窒化物ウエハの面から除去することと、続いて、電子、光学、または光電子素子が形成される、第1の電子、光学、または光電子材料を堆積することとを含む、方法。
Claims (11)
- 素子加工のための複合基板であって、前記複合基板は、高配向多結晶または単結晶GaxAlyIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦x+y≦1)から成る第1の層と、前記第1の層の表面に取着された第2の層とを備え、前記第2の層は、金属酸化物から成り、前記金属酸化物は、前記第1の層を部分的または完全に被覆し、素子加工反応器内で原位置エッチングによって除去されることができ、前記第2の層は、亜鉛酸化物を含み、前記第2の層は、前記複合基板の保管の間、前記第1の層の大気酸化を防止するために必要とされる厚さを有し、前記第2の層は、前記第1の層の表面が露出されるまでアンモニアを用いて1050℃以下での前記原位置エッチングによって除去されることができ、
前記高配向多結晶または単結晶GaxAlyIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦x+y≦1)の転位密度および粒界密度は、105cm−2未満である、複合基板。 - 前記金属酸化物は、2以上の原子層厚である、請求項1に記載の複合基板。
- 前記金属酸化物の厚さは、X線光電子分光法を用いて検出されるほど十分に大きい、請求項2に記載の複合基板。
- 前記金属酸化物は、前記第1の層のガリウム面上にある、請求項1に記載の複合基板。
- 前記金属酸化物は、前記第1の層の窒素面上にある、請求項1に記載の複合基板。
- 前記金属酸化物は、前記第1の層の非極性m−面またはa−面上にある、請求項1に記載の複合基板。
- 前記金属酸化物は、前記第1の層のガリウム側半極性面上にある、請求項1に記載の複合基板。
- 前記金属酸化物は、前記第1の層の窒素側半極性面上にある、請求項1に記載の複合基板。
- 前記金属酸化物は、前記第1の層上に堆積され、したがって、前記第1の層上に意図的に形成される、請求項1から8のいずれかに記載の複合基板。
- 高配向多結晶または単結晶III族窒化物ウエハの表面を保護する方法であって、前記方法は、前記ウエハの面上に保護層を形成することを含み、前記保護層は、前記ウエハの保管の間、前記ウエハの前記面を大気酸化から保護するために必要とされる厚さを有し、前記保護層は、前記ウエハの前記面が露出されるまでアンモニアを用いて1050℃以下での原位置エッチングによって除去されることができ、前記保護層は、亜鉛酸化物を含み、
前記ウエハの転位密度および粒界密度は、105cm−2未満である、方法。 - 光学、電子、または光電子素子を作製する方法であって、前記方法は、堆積反応器内で保護層を高配向多結晶または単結晶III族窒化物ウエハの面から除去することと、続いて、電子、光学、または光電子素子が形成される、第1の電子、光学、または光電子材料を堆積することとを含み、前記保護層は、亜鉛酸化物を含み、前記保護層は、前記ウエハの保管の間、前記ウエハの前記面を大気酸化から保護するために必要とされる厚さを有し、前記保護層は、前記ウエハの前記面が露出されるまでアンモニアを用いて1050℃以下での原位置エッチングによって除去されることができ、
前記ウエハの転位密度および粒界密度は、105cm−2未満である、方法。
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