JPH10247626A - スピネル基板上に窒化ガリウムを成長させる方法 - Google Patents

スピネル基板上に窒化ガリウムを成長させる方法

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JPH10247626A
JPH10247626A JP1193298A JP1193298A JPH10247626A JP H10247626 A JPH10247626 A JP H10247626A JP 1193298 A JP1193298 A JP 1193298A JP 1193298 A JP1193298 A JP 1193298A JP H10247626 A JPH10247626 A JP H10247626A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数のバッファ層を利用するスピネル基板上
に窒化ガリウムを低コストにて成長させる方法であっ
て、スピネル基板に係る格子不整合の割合および転移密
度を削減する方法を提供する。 【解決手段】 支持基板１２を準備し、支持基板１２の
その一表面１３上に複数のバッファ層１４を位置付け、
スピネル基板上に窒化ガリウムを成長させる。複数のバ
ッファ層は、スピネル基板に対して不整合の割合の低い
アルミニウムオキシナイトライド（ALON）から成る第１
バッファ層１５を含む。第２バッファ層１６は第１バッ
ファ層上に位置付けられ、低い転位密度の結晶化ALONか
ら成る複数層１７を含む。窒化アルミニウムから成る第
３バッファ層１８が第２バッファ層上に位置付けられ、
窒化ガリウムから成る第４バッファ層２０が第３バッフ
ァ層上に位置付けられる。光子的デバイス構造等が第４
バッファ層上に製造される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一般に支持基板上にデバ
イスのベースとなる窒化ガリウムの製造に関し、特にス
ピネル基板構成要素上にデバイスのベースとなる窒化ガ
リウムの製造に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】デバ
イスの基になる窒化ガリウム、およびデバイスに利用さ
れるその合金（例えば、窒化アルミニウムガリウムイン
ジウム（indium gallium aluminum nitride））が、紫
外／青色光放射デバイスにおける適用および高いパワー
高温高周波数の適用にとって非常に重要である。代表的
には、窒化ガリウム、およびその合金は、サファイア
（a-Al2O3）から成る支持基板上に成長せられる。代表
的に、窒化ガリウムはサファイア基板上に成長せられる
にもかかわらず、窒化ガルウムとサファイアとの間に約
14％もの格子不整合（lattice mismatch）があるという
問題が存在する。最近、MgAl2O4から成る支持基板（通
常、スピネル基板材料と呼ばれている）が、より小さな
格子不整合であるため、非常に多くの注目をあびてい
る。そのスピネル材料は、窒化ガルウムとの間に9％の
格子不整合を有するにとどまるという報告がある。さら
に、サファイアと異なり、スピネルは、立方体であり、
ミラーファセット構成（mirror facet formation）のた
め切断できる。
【０００３】サファイアに比較して、スピネル基板を利
用する場合格子不整合は減少するが、比較的多くの格子
不整合が残る。さらに、サファイア基板上に成長させた
場合、窒化ガリウムの転移密度は、約10E9/cm2であると
報告されている。スピネル基板を使用する利点というの
は、そのスピネル基板を利用した場合、より低い転移密
度が達成され得るということである。
【０００４】現在、高輝度の青色／緑色、赤色、並びに
10E13/cm2までの平面キャリア密度（sheet carrier den
sity）および約1000cm2/v・sの移動度（mobility）を有
する窒化ガリウム／窒化ガリウムアルミニウムMOSFET
が、報告されている。比較的に、レーザダイオードおよ
び高移動度MOSFETの基となる窒化ガリウムは、既に達成
されているはずである。スピネル基板上に窒化ガリウム
材料およびその合金を成長させる方法であって、格子不
整合のパーセントおよび転移密度をさらに削減するため
に提供される方法が、デバイスの基となる窒化ガリウム
の光学的および電気的特性に大きな影響を与えることを
確信する。
【０００５】従って、基板上に窒化ガリウムを成長させ
る方法の必要性が存在し、その方法により、低パーセン
テージの格子不整合および転移密度を達成するであろ
う。
【０００６】本発明の目的は、スピネル基板上に窒化ガ
リウムを成長させる、新規であり、改良された方法を提
供することである。
【０００７】他の本発明の目的は、複数のバッファ層を
利用するスピネル基板上に窒化ガリウムを成長させる方
法であって、それによってスピネル基板に係る格子不整
合のパーセントのさらなる削減を目的とするところの方
法、を提供することである。
【０００８】さらに他の本発明の目的は、スピネル基板
上に窒化ガリウムを成長させる方法であって、それによ
って転移密度を結果的に削減するところの方法を提供す
ることである。
【０００９】他の本発明の目的は、比較的改良された、
製造コストを削減したスピネル基板上に窒化ガリウムを
成長させる方法を提供することである。
【００１０】
【好適実施例の詳細な説明】図面、特に図１には、本発
明に従ったデバイス１０を基にした窒化ガリウムの形成
の初期段階が、図示されている。デバイス１０を基にし
た窒化ガリウムを構成する様々な層を形成するために適
切な材料である基板１２が、準備される。一般に、デバ
イス１０を基にした窒化ガリウムは、いくつかの所定範
囲または所定領域（例えば、第１バッファ層１５、第２
バッファ層１６、第３バッファ層１８および第４バッフ
ァ層２０を含み、複数の層から構成される複数のバッフ
ァ層１４）から形成される。図２に見られるように、番
号２２として参照される光子的（photonic）デバイス構
造、電子的デバイス構造または光学的導波構造（optica
l waveguide structure） のうちいずれかが、第４バッ
ファ層２０上に、位置付けられる。合わせて、より詳細
には、支持基板１２上に成長せられる材料を基に高質の
窒化ガリウムを製造し、一方で、格子不整合を低く維持
し、並びに転移密度を減少させ、範囲内にとどめる（co
nfine）ように、複数のバッファ層１４が形成される。
【００１１】この実施例において、基板１２は、スピネ
ル基板材料であり、より詳細には、支持基板１２は、酸
化アルミニウムマグネシウム（MgAl2O4）物質から成
る。それによって、スピネル基板１２は、バッファ層１
４および光子的、電子的または光学的導波デバイス構造
２２内に含まれる窒化ガリウム材料の格子不整合率を低
く成すことを可能にした。
【００１２】支持基板１２（より詳細には、スピネル支
持基板）上の硬質窒化ガリウム材料を位置付けるため
に、スピネル支持基板１２の表面１３に二次元的カバレ
ージまたは成長を開始するのは非常に困難（critical）
である。これらの高質な不整合材料のこのような二次元
的成長を達成すべく、第１バッファ層１５は、スピネル
支持基板１２上に低温で成長せられ、核形成層（nuclea
tion layer）として供給され得る。第１バッファ層１５
は、30モルのAlNを含有する、薄い100〜200オングスト
ロームの厚さの単結晶アルミニウムオキシナイトライド
（ALON）を含む。第１バッファ層１５は、MOCVDまたは
他の適切なエピタキシャル成長法を使用して、支持基板
１２の表面１３上に成長せられる。代表的に、どのよう
な適切なエピタキシャルデポジション法（例えば、分子
線エピタキシ法（MBE）、メタルオーガニック化学蒸着
法（metal organic chemical vapor deposition(MOCV
D)）など）が、要求される複数層構造（multiple layer
ed structure）（例えば、第１バッファ層１５、複数の
層１７から成る第２バッファ層１６、第３バッファ層１
８、第４バッファ層２０およびデバイス１０の基になる
窒化ガリウムのデバイス構造２２）を位置付けるのに使
用される。また、これらの層の多くは、粉状物質（アル
ミニウムオキシナイトライド（aluminum oxynitrid
e）、結晶化アルミニウムオキシナイトライド（graded
aluminum oxynitride） 、窒化アルミニウム、窒化ガリ
ウムおよび窒化アルミニウムガリウムインジウム（indi
um gallium aluminum nitride））から成ることを理解
されたい。エピタキシャルデポジションがデバイス１０
を構成する複数の層を製造するために広範囲に亘って使
用されることも理解されたい。
【００１３】上述のとおり、第１バッファ層１５は、一
般に、アルミニウムオキシナイトライド（ALON）から成
り、デバイス構造１０のスピネル支持基板１２の核形成
層として役立つ。ALONは、転移密度をケタ違いに削減す
ることができる。ALONは、AlNモル分率とは異なる窒化
アルミニウムおよび酸化アルミニウムから成る結晶であ
る。実施例としては、30モルの窒化アルミニウムを含有
するALONの格子定数は、スピネル支持基板１２と1.5％
以下の格子不整合しか有さない。その実施例において
は、より詳細な構成要素にある率の構成成分が与えられ
た場合、実施例としてのみ考慮されるべきであり、これ
らの実施例から大きく変更し得るが、それらも本発明の
一部であることをさらに理解されたい。代表的に、第１
バッファ層１５は、100〜200オングストロームの範囲の
厚さに製造され、窒化ガリウムデバイス構造１０を構成
する連続した複数層のエピタキシャル成長を促進するの
に役立つ。
【００１４】次に、第２バッファ層１６が、第１バッフ
ァ層１５の表面に成長せられる。第２バッファ層１６
は、アルミニウムオキシナイトライド材料から成る複数
の合成結晶化層（composition graded layers）１７を
含む。第２バッファ層１６のその厚さ（より詳細には、
複数の結晶化層１７）は、一番低い転移密度に最適化さ
れる。従って、代表的に、窒化アルミニウムモル分率
は、線形状に、若しくは放物線状に増加する。第２バッ
ファ層１６は、結晶化層１７に亘って酸素含有量を減少
させることによって、ALONxから純粋なAlNにより構成し
得る結晶化層１７を含み得る。
【００１５】第３バッファ層１８が、第２バッファ層１
６の表面上に位置付けられる。第３バッファ層１８は、
代表的に、窒化アルミニウム物質から成り、数百オング
ストロームオーダーの厚さに成長せられる。窒化ガリウ
ムから成る第４バッファ層２０が、第３バッファ層１８
の表面上に成長せられる。合わせて、複数のバッファ層
１５、１６、１８および２０は、転移密度を削減し、範
囲内にとどめるのに役立ち、このように、高質の窒化ガ
ルウムを可能にすることは、スピネル基板１２上に成長
せられる材料に基づく。複数のバッファ層１４の厚さお
よび結晶化レベル（grading level）が正確に制御され
なければならないことを理解されたい。設計パラメータ
のわずかな誤差が、第４バッファ層２０上に位置付けら
れる光学的導波構造、光子的または電子的デバイス構造
２２の機能に影響を与え得る。さらには、最終製造イー
ルドに影響を与え得る。
【００１６】図２には、本発明に開示された方法に従っ
て製造された完成したデバイス構造１０を図示する。図
示されているのは、スピネル支持基板１２および複数の
バッファ層１４（より詳細には第１バッファ層１５、第
２バッファ層１６、第３バッファ層１８および第４バッ
ファ層２０）から構成される。一旦、そのバッファ層１
４が成長すると、窒化アルミニウムガリウムインジウム
の光子的デバイス構造、電子的デバイス構造または光学
的導波構造（番号２０として参照される）が、第３バッ
ファ層１８の表面に位置付けられる。光子的デバイス構
造２２が、レーザデバイス構造（例えば、垂直キャビテ
ィ表面放射レーザ（vertical cavity surface emitting
laser））、光放射デバイス構造（例えば、有機または
無機LED）、検知構造（detector structure）（例え
ば、モニタレーザエミッション（monitor laser emissi
ons）、などの製造を含むものとして、開示されてい
る。電子的デバイス構造２２は、電界効果トランジスタ
構造、モジュレーションドープド（modulation doped）
電界効果トランジスタ（MOFET）構造、高電子移動度（h
igh electron mobilikty）トランジスタ（HEMT）、ヘテ
ロジャンクション電界効果トランジスタ（HFMT）などの
製造を含むものとして開示されている。
【００１７】従って、開示されているものは、スピネル
基板上の材料を基に高質窒化ガリウムを製造する方法で
ある。含有窒化ガリウム物質との約1.5％の格子不整合
しかもたらさないスピネル支持基板上の複数のバッファ
層を位置付けることによる本発明の方法によって、デバ
イスが製造される。さらに、スピネル支持基板が複数の
バッファ層と共に、実質的に転移密度を削減し、範囲に
とどめ、このようにして、スピネル基板上に高質窒化ガ
リウム物質の成長を可能にする。さらに、その構造は、
複数のバッファ層表面上の、窒化アルミニウムガリウム
インジウム光子的デバイス構造、電子的デバイス構造ま
たは光学的導波構造、の位置付けを含む。
【００１８】開示された方法の様々な段階は、説明の目
的のために、特定の順序にて施されてきたが、開示され
た方法の様々な段階は、特定の明細書における他の段階
と置き換えたり、並びに／若しくは組み込むことができ
ることを理解されたい。そのことは、その開示された方
法におけるそのような変更の全ては、完全に本発明の請
求の範囲内に含まれることを意味する。
【００１９】開示された方法に従って製造される本発明
の特定の実施例を記述し、示したが、さらなる変更、改
変が、当業者に容易に考え得る。故に、本発明は示され
た特定の形態にとらわれることなく、そして全ての変更
は本発明の範囲とその精神から逸脱することがないこと
を意味する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従った基板構成要素上に成長せられる
窒化ガリウム材料を有するデバイス構造を基に窒化ガリ
ウムの成長の様々な段階を図示した図。
【図２】本発明に従った基板構成要素上に成長せられる
窒化ガリウム材料を有するデバイス構造を基に窒化ガリ
ウムの成長の様々な段階を図示した図。
【符号の説明】
１０ デバイス １２ 酸化アルミニウムマグネシウム支持基板 １３ 一表面 １４ 複数のバッファ層 １５ 第１バッファ層 １６ 第２バッファ層 １７ 合成結晶化層 １８ 第３バッファ層 １９ ドープされた領域 ２０ 第４バッファ層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ペイジ・エム・ホルム アメリカ合衆国アリゾナ州フェニックス、 サウス・48ス・ストリート13021

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板上に窒化ガリウムを成長させる方法
    であって：一表面（１３）を有する支持基板（１２）を
    準備する段階；当該支持基板（１２）の一表面（１３）
    上に複数のバッファ層（１４）を位置付ける段階であっ
    て、当該バッファ層（１４）は、アルミニウムオキシナ
    イトライド材料、結晶化アルミニウムオキシナイトライ
    ド、窒化アルミニウムおよび窒化ガリウムから構成され
    るところの段階；および前記複数のバッファ層（１４）
    の表面上に、光子的デバイス構造、電子的デバイス構造
    および光学的導波構造（２２）のうちのいずれかを製造
    する段階；から構成されることを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 基板上に窒化ガリウムを成長させる方法
    であって：一表面（１３）を有する酸化アルミニウムマ
    グネシウム支持基板（１２）を準備する段階；当該酸化
    アルミニウムマグネシウム支持基板（１２）の一表面
    （１３）上に第１バッファ層（１５）を位置付ける段
    階；当該第１バッファ層（１５）上に第２バッファ層
    （１６）を位置付ける段階であって、複数の層（１７）
    を含む前記第２バッファ層（１６）を形成し、並びに前
    記第１バッファ層（１５）に隣接して当該複数の層（１
    ７）を位置付ける、ところの段階；前記第２バッファ層
    （１６）上に第３バッファ層（１８）を位置付ける段
    階；当該第３バッファ層（１８）上に第４バッファ層
    （２０）を位置付ける段階；および当該第４バッファ層
    （２０）上に、光子的デバイス構造（２２）、電子的デ
    バイス構造（２２）および光学的導波構造（２２）のい
    ずれかを製造する段階；から構成されることを特徴とす
    る方法。
  3. 【請求項３】 基板上に窒化ガリウムを成長させる方法
    であって：一表面（１３）を有する酸化アルミニウムマ
    グネシウム支持基板（１２）を準備する段階；当該酸化
    アルミニウムマグネシウム支持基板（１２）の一表面
    （１３）上に第１バッファ層（１５）を位置付ける段階
    であって、当該第１バッファ層（１５）はアルミニウム
    オキシナイトライド材料を含むところの段階；当該第１
    バッファ層（１５）上に第２バッファ層（１６）を位置
    付ける段階であって、結晶化アルミニウムオキシナイト
    ライドから成る複数の層（１７）を含む前記第２バッフ
    ァ層（１６）を形成し、かつ前記第１バッファ層（１
    ５）のアルミニウムオキシナイトライド材料に隣接して
    結晶化アルミニウムオキシナイトライドから成る当該複
    数の層（１７）を位置付ける、ところの段階；前記第２
    バッファ層（１６）上に第３バッファ層（１８）を位置
    付ける段階であって、当該第３バッファ層（１８）は窒
    化アルミニウム材料を含むところの段階；当該第３バッ
    ファ層（１８）上に第４バッファ層（２０）を位置付け
    る段階であって、当該第３バッファ層（１８）は窒化ガ
    リウム材料を含むところの段階；および当該第４バッフ
    ァ層（２０）の窒化ガリウム材料上に、光子的デバイス
    構造（２２）、電子的デバイス構造（２２）および光学
    的導波構造（２２）のいずれかを製造する段階；から構
    成されることを特徴とする方法。
JP1193298A 1996-12-27 1998-01-05 スピネル基板上に窒化ガリウムを成長させる方法 Pending JPH10247626A (ja)

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US774819 1996-12-27
US08/774,819 US5741724A (en) 1996-12-27 1996-12-27 Method of growing gallium nitride on a spinel substrate

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JPH10247626A true JPH10247626A (ja) 1998-09-14

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ID=25102401

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JP1193298A Pending JPH10247626A (ja) 1996-12-27 1998-01-05 スピネル基板上に窒化ガリウムを成長させる方法

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US (1) US5741724A (ja)
JP (1) JPH10247626A (ja)
KR (1) KR100503693B1 (ja)

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