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非極性(Al、B、In、Ga)N量子井戸 実績あり

国内特許コード P110003583
整理番号 E067P03
掲載日 2011年6月23日
出願番号 特願2005-512863
公表番号 特表2007-524983
登録番号 特許第5096677号
出願日 平成15年12月11日(2003.12.11)
公表日 平成19年8月30日(2007.8.30)
登録日 平成24年9月28日(2012.9.28)
国際出願番号 US2003039355
国際公開番号 WO2005064643
国際出願日 平成15年12月11日(2003.12.11)
国際公開日 平成17年7月14日(2005.7.14)
発明者
  • クレイブン, マイケル ディー.
  • デンバース, スティーブン ピー.
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
  • 国立研究開発法人科学技術振興機構
発明の名称 非極性(Al、B、In、Ga)N量子井戸 実績あり
発明の概要 非極性a面GaN/(A1、B、In、Ga)N多重量子井戸(MQW)を製造する方法。a面MQWは、有機金属化学気相成長法(MOCVD)によって適切なGaN/サファイアテンプレート層上に成長し、井戸幅は20Å~70Åの範囲である。a面MQWからの室温光ルミネセンス(PL)放射エネルギーは、自己無頓着ポアソン-シュレディンガー(SCPS)計算を使用してモデリングされた正方井戸傾向を伴った。最適PL放射強度は、a面MQWについて52Åの量子井戸幅で得られる。
従来技術、競合技術の概要


(2.関連技術の説明)
(注記:本出願は、本明細書全体にわたって示したような多くの異なる刊行物を、1以上の参照番号により参照する。これらの参照番号によって整理されたこれらの異なる刊行物の一覧表は、以下の表題「参考文献」の節に見出され得る。これらの刊行物の各々は、本明細書中に参考として援用される)。



現在、技術水準における窒化物ベースのエピタキシャルデバイス構造が、熱力学的に安定なウルツ鉱(Al、Ga、In)N単位セルの極性c軸に沿って成長させられる。窒化物の強い分極率(polarization constant)[非特許文献1]に起因して、ヘテロ構造内の界面分極不連続は、強い内部電場を生成する固定シート電荷に関連する。これらの「組込み(built-in)」分極誘導電場は、量子井戸活性領域を使用するオプトエレクトロニクデバイスの性能を制限する。詳細には、電子の空間的分離および内部磁界により生じる正孔波動関数(すなわち、量子閉じ込めシュタルク効果(QCSE)は、遷移の振動子強度を減少させ、最終的に、量子井戸の再結合効率を制限する[非特許文献2]。非極性方向に沿った窒化物結晶の成長は、窒化物ベースの量子構造を生成する有効な手段を提供する。この窒化物ベースの構造は、極性軸が薄膜の成長面内に存在するので、これらの強い分極誘導電場より影響を受けない。



【数1】


m面GaN/AlGaN多重量子井戸(MQW)構造は、アルミン酸リチウム基板を使用してプラズマ補助分子線エピタキシ(MBE)によって最初に実証された[非特許文献3]。この最初の実証以来、水素化物気相エピタキシ(HVPE)により成長した何にも支持されていない(free-standing)m面GaN構造は、続いての、MBE[非特許文献4]および有機金属化学気相成長法(MOCVD)[非特許文献5]の両方によるエピタキシャルなGaN/AlGaN MQWの成長のために使用された。m面に加えて、研究の努力により、MBE[非特許文献6]およびMOCVD[非特許文献7]の両方によりr面サファイア基板上に成長したa面GaN/AlGaN MQW構造が調べられている。これらの構造の光学的特性評価は、非極性量子井戸は分極誘導電場により影響を受けないということを示している。



本発明は、GaN量子井戸幅に対するa面GaN/AlGaN MQW放射の依存を記載する。さらに、MOCVD成長a面MQWおよびMOCVD成長c面MQWに対するGaN井戸幅の範囲の研究は、非極性配向に独特な放射特性の指標を提供する。
【非特許文献1】
F.Bernardini,V.FiorentiniおよびD. Vanderbilt,「Phys.Rev.」1997年,第B56巻,R10024
【非特許文献2】
T.Takeuchi,H.AmanoおよびI.Akasaki,Jpn.「J.Appl.Phys.」2000年,第39巻,第413号
【非特許文献3】
P.Waltereit,O.Brandt,A.Trampert,H.T.Grahn,J.Menniger,M.Ramsteiner,M.ReicheおよびK.H.Ploog,「Nature」,2000年,第406巻,第865号
【非特許文献4】
A.Bhattacharyya,I.Friel,S.Iyer,T.C.Chen,W.Li,J.Cabalu,Y.Fedyunin,K.F.Ludwig,T.D.Moustakas,H.P.Maruska,D.W.Hill,J.J.Gallagher,M.C.ChouおよびB.Chai,「J.Cryst.Growth」,2003年,第251巻,第487号
【非特許文献5】
E.Kuokstis,C.Q.Chen,M.E.Gaevski,W.H.Sun,J.W.Yang,G.Simin,M.A.Khan,H.P.Maruska,D.W.Hill,M.C.Chou,J.J.GallagherおよびB.Chai,「Appl.Phys.Lett.」,2002年,第81巻,第4130号
【非特許文献6】
H.M.Ng,「Appl.Phys.Lett.」,2002年,第80巻,第4369号
【非特許文献7】
M.D.Craven,S.H.Lim,F.Wu,J.S.SpeckおよびS.P.DenBaars,「Appl.Phys.Lett.」,2002年,第81巻,第469号

産業上の利用分野


(関連出願の相互参照)
本出願は、以下の同時継続特許出願および同一人に譲渡された特許出願の一部継続出願である:
国際特許出願第PCT/US03/21918号(2003年7月15日出願、Benjamin A.Haskell、Michael D.Craven、Paul T.Fini、Steven P.DenBaars、James S.SpeckおよびShuji Nakamura、発明の名称「GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY」、代理人整理番号30794.93-WO-U1、この出願は、米国仮特許出願番号第60/433,843号(2002年12月16日出願、Benjamin A.Haskell、Michael D.Craven、Paul T.Fini、Steven P.DenBaars、James S.SpeckおよびShuji Nakamura、発明の名称「GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY」、代理人整理番号30794.93-US-P1)の優先権を主張する);
国際特許出願第PCT/US03/21916号(2003年7月15日出願、Benjamin A.Haskell、Paul T.Fini、Shigemasa Matsuda、Michael D.Craven、Steven P.DenBaars、James S.SpeckおよびShuji Nakamura、発明の名称「GROWTH OF PLANAR,NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY」、代理人整理番号30794.94-WO-U1、この出願は、米国仮特許出願番号第60/433,844号(2002年12月16日出願、Benjamin A.Haskell、Paul T.Fini、Shigemasa Matsuda、Michael D.Craven、Steven P.DenBaars、James S.SpeckおよびShuji Nakamura、発明の名称「TECHNIQUE FOR THE GROWTH OF PLANAR,NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY」、代理人整理番号30794.94-US-P1)の優先権を主張する);
米国特許出願番号第10/413,691号(2003年4月15日出願、Michael D.CravenおよびJames S.Speck、発明の名称「NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE THIN FILMS GROWN BY METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION」、代理人整理番号30794.100-US-U1、この出願は、米国仮特許出願第60/372,909号(2002年4月15日出願、Michael D.Craven、Stacia Keller、Steven P.DenBaars、Tal Margalith、James S.Speck、Shuji NakamuraおよびUmesh K.Mishra、発明の名称「NON- POLAR GALLIUM NITRIDE BASED THIN FILMS AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS」、代理人整理番号30794.95-US-P1)の優先権を主張する);
米国特許出願番号第10/413,690号(2003年4月15日出願、Michael D.Craven、Stacia Keller、Steven P.DenBaars、Tal Margalith、James S.Speck、Shuji NakamuraおよびUmesh K.Mishra、発明の名称「NON-POLAR(Al,B,In,Ga)N QUANTUM WELL AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS AND DEVICES、代理人整理番号30794.101-US-U1、この出願は、米国仮特許出願番号第60/372,909号(2002年4月15日出願、Michael D.Craven、Stacia Keller、Steven P.DenBaars、Tal Margalith、James S.Speck、Shuji NakamuraおよびUmesh K.Mishra、発明の名称「NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BASED THIN FILMS AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS」、代理人整理番号30794.95-US-P1)の優先権を主張する);
米国特許出願番号第10/413,913号(2003年4月15日出願、Michael D.Craven、Stacia Keller、Steven P.DenBaars、Tal Margalith、James S.Speck、Shuji NakamuraおよびUmesh K.Mishra、発明の名称「DISLOCATION REDUCTION IN NON-POLAR GALLIUM NITRIDE THIN FILMS」、代理人整理番号30794.102-US-U1、この出願は、米国仮特許出願番号第60/372,909号(2002年4月15日出願、Michael D.Craven、Stacia Keller、Steven P.DenBaars、Tal Margalith、James S.Speck、Shuji NakamuraおよびUmesh K.Mishra、発明の名称「NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BASED THIN FILMS AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS」、代理人整理番号30794.95-US-P1)の優先権を主張する);
これら出願の全ては、本明細書中に参考として援用される。



(1.発明の分野)
本発明は、半導体材料、方法およびデバイスに関し、より具体的には、非極性(Al、B、In、Ga)N量子井戸に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
窒化物半導体デバイスを形成する方法であって、以下:
(a)1以上の非極性窒化ガリウム(GaN)層を基板上に成長させることにより、非極性面である非極性GaN層の成長表面を得る工程;および
(b)1以上の非極性III族窒化物層を、該非極性GaN層の成長表面上に成長させ、少なくとも1つの非極性量子井戸を形成する工程であって、同じ放射波長で、非極性量子井戸の光ルミネセンス(PL)ピーク強度に要求される量子井戸幅が、極性c面量子井戸の光ルミネセンス(PL)ピーク強度に要求される量子井戸幅よりも大きい工程、を包含する方法。

【請求項2】
請求項1に記載の方法であって、ここで最大放射強度が、50Åより大きい非極性量子井戸の量子井戸幅と関連する、方法。

【請求項3】
前記非極性量子井戸が、最適量子井戸幅約52Åを有する、請求項1に記載の方法。

【請求項4】
請求項1に記載の方法であって、ここで前記GaN層の抵抗性の性質が、室温でのバンド端放射を抑制し、前記量子井戸からのみの放射を生じる、方法。

【請求項5】
請求項1に記載の方法であって、前記基板がr-面サファイア基板である、方法。

【請求項6】
請求項1に記載の方法であって、ここで前記成長工程(a)が:
(1)前記基板をアニールする工程;
(2)該基板上に窒化物ベースの核生成層を堆積させる工程;
(3)該核生成層上に前記GaN層を成長させる工程;および
(4)窒素過圧下で該GaNを冷却する工程、
を包含する、方法。

【請求項7】
請求項1に記載の方法であって、ここで前記成長工程が、有機金属化学気相成長法(MOCVD)、分子線エピタキシー(MBE)、液相エピタキシー(LPE)、水素化学気相エピタキシー(HVPE)、昇華およびプラズマ昂進化学気相成長法(PECVD)を含む群より選択される方法により実施される、方法。

【請求項8】
請求項1に記載の方法を使用して製造されるデバイスであって、前記非極性量子井戸を含む発光活性層を有するオプトエレクトロニクデバイスである、デバイス。

【請求項9】
基板上に成長する1以上の非極性窒化ガリウム(GaN)層と、該GaN層の成長表面上に成長される、1以上の非極性III族窒化物層から形成される1以上の非極性量子井戸とからなる窒化物半導体デバイスであって、ここで該窒化物半導体デバイスが、以下:
(a)1以上の非極性窒化ガリウム(GaN)層を基板上に成長させ、非極性面である該非極性GaN層の成長表面を得る工程;および
(b)1以上の非極性III族窒化物層を、該非極性GaN層の成長表面から成長させ、少なくとも1つの非極性量子井戸を形成する工程であって、同じ放射波長で、該非極性量子井戸の光ルミネセンス(PL)ピーク強度に要求される量子井戸幅が、極性c面量子井戸の光ルミネセンス(PL)ピーク強度に要求される量子井戸幅より大きいことを特徴とする工程、を使用して製造される、デバイス。

【請求項10】
窒化物半導体デバイスであって、
(a)基板上で成長し、非極性面である非極性GaN層の成長表面を得る1以上の非極性窒化ガリウム(GaN)層;および
(b)該非極性GaN層の成長表面上に成長し、少なくとも1つの非極性量子井戸を形成する1以上の非極性III族窒化物層から形成される1以上の非極性量子井戸、を含み、同じ放射波長で、前記非極性量子井戸の光ルミネセンス(PL)ピーク強度に要求される量子井戸幅が、極性c面量子井戸の光ルミネセンス(PL)ピーク強度に要求される量子井戸幅より大きい、デバイス。

【請求項11】
前記非極性量子井戸の前記量子井戸幅が約20Å~約70Åの範囲である、請求項1記載の方法。

【請求項12】
前記非極性量子井戸が1以上のGaN井戸層および1以上のAlaNバリア層を含み、該バリア層はドーパント濃度が2×1018cm-3のシリコンをドープされる、請求項1記載の方法。

【請求項13】
最大放射強度が50Åより大きい非極性量子井戸の量子井戸幅と関連する、請求項10記載のデバイス。

【請求項14】
前記非極性量子井戸が、最適幅52Åを有する、請求項10記載のデバイス。

【請求項15】
前記基板がr-面サファイア基板である、請求項10記載のデバイス。

【請求項16】
前記非極性量子井戸の前記量子井戸が、約20Å~70Åの範囲の幅を有する、請求項10記載のデバイス。

【請求項17】
前記非極性量子井戸が1以上のGaN井戸層および1以上のAlaNバリア層を含み、該バリア層はドーパント濃度が2×1018cm-3のシリコンをドープされる、請求項10記載のデバイス。
国際特許分類(IPC)
Fターム
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出願権利状態 登録
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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