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ハイドライド気相成長方法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長 実績あり

国内特許コード P110003445
整理番号 E067P02
掲載日 2011年6月21日
出願番号 特願2004-564676
公表番号 特表2006-510227
登録番号 特許第4486506号
出願日 平成15年7月15日(2003.7.15)
公表日 平成18年3月23日(2006.3.23)
登録日 平成22年4月2日(2010.4.2)
国際出願番号 US2003021918
国際公開番号 WO2004061909
国際出願日 平成15年7月15日(2003.7.15)
国際公開日 平成16年7月22日(2004.7.22)
優先権データ
  • 60/433,843 (2002.12.16) US
  • 60/433,844 (2002.12.16) US
発明者
  • ベンジャミン・エー・ハスケル
  • マイケル・ディー・クレイブン
  • ポール・ティー・フィニ
  • スティーブン・ピー・デンバース
  • ジェームス・エス・スペック
  • 中村 修二
出願人
  • ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア
  • 独立行政法人科学技術振興機構
発明の名称 ハイドライド気相成長方法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長 実績あり
発明の概要

ハイドライド気相成長法(HVPE)を用いた無極性a面窒化ガリウム(GaN)膜のエピタキシャル横方向オーバーグロース(LEO)により、欠陥密度を著しく低減させる。

従来技術、競合技術の概要


2. 関連技術の説明
(注:本出願は多くの異なる特許、出願明細書および/または刊行物を参照しており、これらは、1から順に付けた参考文献番号を用いて本明細書に記載する。これらの参考文献番号順に並べた種々の刊行物のリストを「参考文献」とタイトルをつけたセクションに示す。これらの刊行物は、それぞれ参照として本明細書中に組込まれる。)



窒化ガリウム(GaN)、ならびにアルミニウムおよびインジウムが組込まれている窒化ガリウムの三元および四元化合物(AlGaN,InGaN,AlInGaN)の有用性は、可視および紫外オプトエレクトロニクス素子および高性能電子素子の製造の分野で定評がある(参考文献1~3参照)。このような素子は、典型的には、分子線エピタキシー(MBE)、有機金属化学気相成長(MOCVD)またはハイドライド気相成長(HVPE)が含まれる成長技術によって、基板に対し層ごとに配向するようエピタキシャル成長させる。



GaNおよびその合金は六方晶系ウルツ鉱型結晶構造の時最も安定している。この構造の結晶は、120°回転対称の二つ(または三つ)の等価な基底面軸(a軸)によって示され、この軸はすべて、主軸のc軸に垂直である。図1は一般的な六方晶系ウルツ鉱型結晶構造100の概略図であり、重要な面102,104,106,108のほか、軸110,112,114,116を図中に示す。



ウルツ鉱型結晶構造100にガリウム原子および窒素原子が配置されることによって、c軸に垂直などの原子の面も一種類の原子のみを含むことになる。c軸に沿う平面毎に各原子が配置されるので、その結果、各平面は一種類の原子、GaまたはNのみを含むことになる。電気的中性を維持するために、GaN結晶は、窒素原子のみを含む一つのc面(N面)、およびガリウム原子のみを含む一つのc面(Ga面)で終端する。その結果、GaN結晶はc軸に沿って分極されている。これらの結晶の自発分極はバルク性質であり、結晶の構造および組成に依存する。



平坦なGa側c面の成長は比較的容易であるため、ほぼすべてのGaN系素子は、極軸であるc軸と平行に成長する。この成長方向の弊害は、結晶が自発分極するために、各材料層の中で電子および正孔が層の対向面に分離してしまうことである。さらに、隣接する層の界面における歪みによって圧電分極が生じるため、量子ヘテロ構造内にさらに電荷分離が発生する。このような分極効果は、発光オプトエレクトロニクス素子の動作に必要な電子および正孔の相互作用の可能性を低下させる。c軸配向の素子に特徴的な分極効果を除くことができれば、GaN発光素子の効率が向上すると考えられる。



GaNのオプトエレクトロニクス素子中の圧電分極効果を除くことのできる方策の一つとして、結晶の無極性平面上に素子を成長させることが考えられる(参考文献4~6参照)。このような平面は、GaおよびNの原子を同数含み、電気的に中性である。さらに、順次形成される無極性層は相互に等価であるので、バルク結晶が成長方向に沿って分極することはない。GaNの対称性が等価である無極性平面の一例を挙げると、{11-20}平面群があり、a面と総称されている。高電子移動度トランジスタのような電子素子上、または可視および紫外のレーザーダイオードおよび発光ダイオードのようなオプトエレクトロニクス素子上のa面基板上で成長させることにより、c面GaN上に同様に成長させた素子と比較して、素子性能を著しく向上させることができた。



GaNのバルク結晶は、結晶を単に切断するだけでは、素子をその上に再成長させるための面を出すことができないので、利用不可能である。すべてのGaN膜は、最初にヘテロエピタキシャル成長、つまりGaNと適切に格子整合できるような異質基板上に成長させる。近年、多くの研究グループによって、HVPEを利用して十分に厚い(>200μm)c面GaN膜をヘテロエピタキシャル成長により堆積させ、異質基板を不要にすることができるようになり、これによってMBEおよびMOCVDによるホモエピタキシャル素子の再成長に使用することのできる自立GaN基板を得ることができるようになった(参考文献7~8参照)。



HVPEには、MOCVDより1から2オーダー、およびMBEより3オーダー程度、成長速度が大きいという長所があり、このため、基板作製に大変好ましい技術となる利点が得られる。



HVPEによる平坦なa面GaNの成長について最近実例が報告されている。たとえば、本出願と同日出願され本発明の譲受人に譲渡された同時係属の、ベンジャミン・A.ハスケル、ポール・T.フィニ、松田成正、マイケル・D.クレイブン、スティーブン・P.デンバース、ジェームス・S.スペック、中村修二による国際出願第PCT/US03/-----号、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性a面窒化ガリウムの成長(GROWTH OF PLANAR,NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY)」、代理人識別番号30794.94-WO-U1に記載されており、この出願は本発明の譲受人に譲渡された同時係属の米国特許仮出願、ベンジャミン・A.ハスケル、ポール・T.フィニ、松田成正、マイケル・D.クレイブン、スティーブン・P.デンバース、ジェームス・S.スペック、中村修二による第60/433,844号、2002年12月16日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性a面窒化ガリウムの成長技術(TECHNIQUE FOR THE GROWTH OF PLANAR,NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY)」、代理人識別番号30794.94-US-P1;およびベンジャミン・A.ハスケル、マイケル・D.クレイブン、ポール・T.フィニ、スティーブン・P.デンバース、ジェームス・S.スペック、中村修二による第60/433,843号、2002年12月16日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長(GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY)」、代理人識別番号30794.93-US-P1;の優先権を主張し、上記出願は参照として本明細書中に組込まれる(参考文献9~10参照)。



本研究は無極性GaN素子の成長を実現する技術を示しているが、a-GaN膜を直接成長させると比較的高い密度の欠陥が現れるので、完全な基板上にホモエピタキシャル成長させることによって得られるであろうものと比較すると、連続的に成長させた素子の効率が低下してしまう。素子性能を改善するためにGaN膜中の転位密度を低下させる取り組みがますます増えている。



拡張型の欠陥として重大なのは、主に貫通転位と積層欠陥の二種類である。極性c面GaN膜中の転位密度および積層欠陥密度の低減を達成する主要な手段は、エピタキシャル横方向オーバーグロース(LEO、ELOまたはELOG)、選択成長エピタキシーおよびPENDEO(登録商標)エピタキシーが含まれる種々の横方向オーバーグロース技術を使用することである。これらのプロセスの最も重要な特質は、垂直成長より横方向成長を優先することによって、膜表面に垂直な方向に転位が広がらないように転位を阻害または阻止することである。このような転位低減技術が、HVPEおよびMOCVDによるc面GaN成長のために広く開発されている(参考文献11~18参照)。



最近になって、GaN横方向成長技術のa面膜への適用が実証された。クレイブン(Craven)らが、誘電性マスクを使用し、薄いa面GaNテンプレート層の上でMOCVDによってLEOを実施することに成功した(参考文献19参照)。



しかしながら、a面GaNのHVPEに基づくLEOはこれまで達成されていない。このため、高品質で、欠陥密度が低く、無極性のa面{11-20}GaN膜の成長方法が当該技術分野において求められている。より具体的には、横方向オーバーグロースを使用し、そのようなGaN膜をHVPEによって成長させる方法が当該技術分野において求められている。本発明はこの要求を満たすものである。

産業上の利用分野


関連出願の相互参照
本出願は、本発明の譲受人に譲渡された以下の同時係属の米国特許仮出願の優先権を主張する。



ベンジャミン・A.ハスケル(Benjamin A.Haskell)、マイケル・D.クレイブン(Michael D.Craven)、ポール・T.フィニ(Paul T.Fini)、スティーブン・P.デンバース(Steven P.DenBaars)、ジェームス・S.スペック(James S.Speck)、中村修二(Shuji Nakamura)による第60/433,843号、2002年12月16日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長(GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY)」、代理人識別番号30794.93-US-P1;および



ベンジャミン・A.ハスケル、ポール・T.フィニ、松田成正(Shigemasa Matsuda)、マイケル・D.クレイブン、スティーブン・P.デンバース、ジェームス・S.スペック、中村修二による第60/433,844号、2002年12月16日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性a面窒化ガリウムの成長技術(TECHNIQUE FOR THE GROWTH OF PLANAR,NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY)」、代理人識別番号30794.94-US-P1。



両出願とも参照として本明細書中に組込まれる。



本出願は、本出願と同日出願され本発明の譲受人に譲渡された同時係属の、ベンジャミン・A.ハスケル、ポール・T.フィニ、松田成正、マイケル・D.クレイブン、スティーブン・P.デンバース、ジェームス・S.スペック、中村修二による国際出願第PCT/US03/-----号、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性a面窒化ガリウムの成長(GROWTH OF PLANAR,A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY)」、代理人識別番号30794.94-WO-U1に関し、この出願は本発明の譲受人に譲渡された同時係属の米国特許仮出願、ベンジャミン・A.ハスケル、ポール・T.フィニ、松田成正、マイケル・D.クレイブン、スティーブン・P.デンバース、ジェームス・S.スペック、中村修二による第60/433,844号、2002年12月16日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性a面窒化ガリウムの成長技術(TECHNIQUE FOR THE GROWTH OF PLANAR,NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY)」、代理人識別番号30794.94-US-P1;およびベンジャミン・A.ハスケル、マイケル・D.クレイブン、ポール・T.フィニ、スティーブン・P.デンバース、ジェームス・S.スペック、中村修二による第60/433,843号、2002年12月16日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長(GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY)」、代理人識別番号30794.93-US-P1;の優先権を主張し、上記出願は参照として本明細書中に組込まれる。



1. 本発明の技術分野
本発明は半導体材料、方法および素子に関し、より具体的にはハイドライド気相成長法(HVPE)による転位密度の低い無極性窒化ガリウム(GaN)の成長に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】 平坦な無極性窒化ガリウム(GaN)膜のエピタキシャル横方向オーバーグロースを実施する方法であって、
(a)基板に堆積されているマスクをパターニングする工程、および
(b)ハイドライド気相成長法を使用して前記基板から前記平坦な無極性GaN膜のエピタキシャル横方向オーバーグロースを実施する工程を含み、前記パターニングされたマスクによって覆われていない前記基板の部分上にのみ前記平坦な無極性GaN膜は核を形成し、前記平坦な無極性GaN膜は、前記パターニングされたマスクの開口部を通って垂直に成長し、次に前記平坦な無極性GaN膜は、前記パターニングされたマスク上および前記基板の表面上にわたって横方向に広がることにより、平坦な無極性GaN面である上面となることを特徴とする方法。
【請求項2】 前記エピタキシャル横方向オーバーグロースは、ほぼ大気圧(760Torr)またはそれ以下の成長圧力を利用し、少量の水素を含むキャリアガスを利用することを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項3】 前記成長圧力が300Torr未満であることを特徴とする請求項に記載の方法。
【請求項4】 前記成長圧力が5から100Torrの範囲であることを特徴とする請求項に記載の方法。
【請求項5】 前記キャリアガスが主に水素であることを特徴とする請求項に記載の方法。
【請求項6】 前記キャリアガスが、水素と、窒素、アルゴンまたはヘリウムとの混合物を含むことを特徴とする請求項に記載の方法。
【請求項7】 前記エピタキシャル横方向オーバーグロースは前記平坦な無極性GaN膜中の貫通転位密度を低減させることを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項8】 前記基板はサファイアを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項9】 前記パターニングされたマスクは金属材料から成ることを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項10】 前記パターニングされたマスクは誘電材料から成ることを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項11】 前記パターニングされたマスクは、該マスクの下にある前記基板にアクセスできるようなアパーチャまたはストライプを含む二酸化ケイ素(SiO2 )マスクであることを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項12】 前記パターニング工程は、
前記基板に二酸化ケイ素(SiO2 )膜を堆積する工程、
前記二酸化ケイ素膜上にフォトレジスト層をパターニングする工程、
パターニングされた前記フォトレジスト層によって露出している二酸化ケイ素膜のすべての部分をエッチングして取り除く工程、
前記フォトレジスト層の残渣部分を除去する工程、および
前記基板を洗浄する工程
を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項13】 前記基板は、GaN、窒化アルミニウム(AlN)、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)または他の薄膜のテンプレート層で覆われることを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項14】 前記基板は自立a面GaN、a面窒化アルミニウム(AlN)またはa面窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)のウェハであることを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項15】 前記基板は、低温または成長温度で堆積された核形成層で覆われることを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項16】 請求項1に記載の方法を使用して製造される自立a面GaN膜または基板。
【請求項17】 請求項1に記載の方法を使用して製造される素子。
【請求項18】 前記素子はレーザーダイオード、発光ダイオードまたはトランジスタであることを特徴とする請求項17に記載の素子。
【請求項19】 基板から成長させる平坦な無極性窒化ガリウム(GaN)膜のエピタキシャル横方向オーバーグロースであって、
(a)基板に堆積されている誘電性マスクをパターニングする工程、および
(b)ハイドライド気相成長法を使用して前記基板から前記平坦な無極性GaN膜のエピタキシャル横方向オーバーグロースを実施する工程を含み、前記パターニングされた誘電性マスクによって露出している前記基板の部分上でのみ前記平坦な無極性GaN膜は核を形成し、前記平坦な無極性GaN膜は、前記パターニングされた誘電性マスクの開口部を通って垂直に成長し、次に前記GaN膜は、前記パターニングされた誘電性マスク上および前記基板の表面上にわたって横方向に広がることにより、平坦な無極性GaN面である上面となる工程
を含むプロセスを使用して得られることを特徴とするエピタキシャル横方向オーバーグロース。
【請求項20】 前記平坦な無極性GaN膜は、鋭い垂直の側壁を作り出すために、前記パターニングされたマスク上および前記基板の表面上にわたって横方向に広がることを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項21】 前記平坦な無極性GaN膜は、鋭い垂直の側壁を作り出すために、前記パターニングされた誘電性マスク上および前記基板の表面上にわたって横方向に広がることを特徴とする請求項19に記載のエピタキシャル横方向オーバーグロース。
【請求項22】 前記平坦な無極性GaNは、自立無極性GaN基板を形成するのに十分な厚さに成長されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項23】 前記平坦な無極性GaN膜は、自立無極性GaN基板を形成するのに十分な厚さであることを特徴とする請求項19に記載のエピタキシャル横方向オーバーグロース。
産業区分
  • 固体素子
国際特許分類(IPC)
Fターム
出願権利状態 権利存続中
参考情報 (研究プロジェクト等) ERATO 中村不均一結晶プロジェクト 領域
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