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安熱法による成長で作製された、窒素面またはM面GaN基板を用いた光電子デバイスと電子デバイス 実績あり

国内特許コード P110004414
整理番号 E067P32
掲載日 2011年7月13日
出願番号 特願2009-516560
公表番号 特表2009-541997
登録番号 特許第5604102号
出願日 平成19年6月20日(2007.6.20)
公表日 平成21年11月26日(2009.11.26)
登録日 平成26年8月29日(2014.8.29)
国際出願番号 US2007014383
国際公開番号 WO2007149487
国際出願日 平成19年6月20日(2007.6.20)
国際公開日 平成19年12月27日(2007.12.27)
優先権データ
  • 60/815,507 (2006.6.21) US
発明者
  • 橋本 忠朗
  • 佐藤 均
  • シュウジ・ナカムラ
出願人
  • 国立研究開発法人科学技術振興機構
発明の名称 安熱法による成長で作製された、窒素面またはM面GaN基板を用いた光電子デバイスと電子デバイス 実績あり
発明の概要 安熱法という成長技術を用いて、窒素面またはM面を有するIII-V族窒化物薄膜を成長する方法が開示される。この方法は、耐圧釜を用いるステップと、耐圧釜を加熱するステップと、耐圧釜にアンモニアを導入するステップとを含み、平坦な窒素面またはM面の窒化ガリウムの薄膜及びバルクGaNを作製する。
従来技術、競合技術の概要



1.本発明の技術分野

本発明は、安熱法による成長技術を用いた窒素面の窒化ガリウム(GaN)またはM面の窒化ガリウムの成長方法と材料に関するものである。

2.関連技術の説明

窒化ガリウム(GaN)およびそのアルミニウムとインジウムを含む3元及び4元合金(AlGaN、InGaN、AlInGaN)の有用性は、可視光及び紫外光の光電子デバイス及び大電力電子デバイスの作製に関して確立されてきた。これらのデバイスは、通常はサファイヤ及び炭化珪素のような異種基板上に、有機金属化学気相成長法(MOCVD)及び分子線エピタキシャル法(MBE)のような気相エピタキシャル成長(VPE)技術を用いてエピタキシャルに成長される。デバイス層の成長は、通常はMOCVDまたはMBE反応装置の中で基板上にバッファ層を成長することによって開始される。バッファ層は、引き続くデバイス層の成長のために適当なGaNまたはAlNの平坦な表面を実現する。しかしながら、有極性窒素(窒素面)方向に沿って成長すると、VPE成長時に表面が粗くなってしまうため、バッファ層は通常は有極性Ga面(Ga面)である。





市販のGaNベースのデバイスは、全て有極性Ga表面(C面のGa面、(0001)面としても知られる面)上に成長される。しかしながら、最近では有極性窒素面(C面の窒素面、(000-1)面としても知られる面)上のデバイスに多くの利点があることを指摘するいくつかの研究がある。また、(10-10)面としても知られるM面上に成長したデバイスは、有極性Ga面または有極性窒素面上のデバイスよりも更なる利点を持つことが指摘されてきた。





有極性窒素面(窒素面)上の成長の第1の大きな利点はp型ドーピングである。MgをドープしたGaNの有極性Ga面(Ga面)上の成長では、薄膜の分極が局所的に有極性窒素面(窒素面)の方向に反転し始める。この現象は反転ドメインとして知られ、Mgの濃度がある限界を超えたときに起こる。この反転ドメインは表面の平坦性を劣化させるため、有極性Ga面(Ga面)上の薄膜は、その正孔濃度が制限されている。Mgの高濃度ドーピングは有極性窒素面(窒素面)上の成長を優位にする。そのため、有極性窒素面(窒素面)を持つ基板を用いることにより、より高濃度のMgが得られ、それにより高い正孔濃度が得られると期待される。p型伝導性の高い光電子デバイスは、デバイスの直列抵抗を低減し、その効率を改善する。





第2の大きな利点は反転分極電荷である。現在、GaNベースの高電子移動度トランジスタ(HEMT)は入手可能であるが、多くの未解決問題があるため、その使用状況は非常に制限されている。現在入手可能なGaNベースのHEMTは、ゲートのリークが大きく、通常はディプリーション・モードのデバイスである。窒素面のGaN上に成長したトランジスタは、ゲートのリークの少ないデバイスを実現する。エンハンスメント・モード(ノーマリー・オフ・モード)で動作するデバイスは、電力スイッチング・デバイス、低分散デバイス、及びキャリア閉じ込めの改良において重要である。





M面光デバイスの主要な利点の一つは、分極電界が存在しないために発光効率がより高いことである。M面光デバイスの他の主要な利点は、光学的に活性な層により多くのInが含まれるため、それによってより長波長での発光ができることである。このことにより緑色、黄色、及び赤色LEDさえ可能となる。





これらの利点があるにも関わらず、現行の技術は、有極性窒素面(窒素面)の表面またはM面表面の表面平坦性が乏しいために、有極性Ga面(Ga面)上のデバイスに限定されている。それ故、超高輝度LED、低閾値電流レーザ・ダイオード(LD)、高電力、高速トランジスタ、及び高電力スイッチング・トランジスタのような次世代高性能デバイスを実現するためには、有極性窒素面(窒素面)またはM面GaNの平坦な表面を得るための新しい技術が必要になる。

産業上の利用分野



関連出願との相互参照関係

本出願は次の出願と関係している。





橋本 忠朗(Tadao Hashimoto)らによる、米国特許仮出願第60/790,310号、2006年4月7日出願、発明の名称「超臨界アンモニア中での大表面積窒化ガリウム結晶の成長方法および大表面積窒化ガリウム結晶(A METHOD FOR GROWING LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS IN SUPERCRITICAL AMMONIA AND LARGE SURFACE AREA GALLIUM NITRIDE CRYSTALS)」代理人整理番号30794.0179USP1;

この出願は、参照として本明細書中に組み込まれているものとする。





本出願は米国特許法第119条(e)に基づいて、以下の米国特許出願の優先権を主張するものである。





橋本 忠朗、佐藤 均(Hitoshi Sato)、およびシュウジ ナカムラ(Shuji Nakamura)による、米国特許仮出願第60/815,507号、2006年6月21日出願、発明の名称「安熱法による成長法を用いて作製したN面GaN基板を用いた光電子デバイスおよび電子デバイス(OPTO-ELECTRONIC AND ELECTRONIC DEVICES USING N-FACE GaN SUBSTRATE PREPARED WITH AMMONOTHERMAL GROWTH)」、代理人整理番号30794.184-US-P1(2006-666)

この出願は、参照として本明細書中に組み込まれているものとする。

特許請求の範囲 【請求項1】
GaN層を備えた電子デバイスであって、前記GaN層はGaN基板のM面上を覆い、前記GaN基板はGaN種上に安熱法により成長されたGaNバルク結晶からなり、成長した前記M面は安熱法により成長されたGaNバルク結晶の成長したGa面表面よりも平坦であることを特徴とする電子デバイス。

【請求項2】
前記GaN層のM面の表面を覆うAlGaN層と、前記AlGaN層を覆う第2のGaN層とを更に備え、電子が前記AlGaN層と前記第2のGaN層の前記第2GaN層との界面の、前記第2のGaN層側で誘起されることを特徴とする、請求項に記載の電子デバイス。

【請求項3】
GaN基板のM面の表面を覆う複数のn型III族窒化物層であって、前記GaN基板はGaN種上に安熱法により成長されたGaNバルク結晶からなり、成長した前記M面表面は安熱法により成長されたGaNバルク結晶の成長したGa面表面より平坦であることを特徴とするn型III族窒化物層と、
前記複数のn型III族窒化物層を覆う少なくとも一つのIII族窒化物の発光する活性層と、
前記活性層を覆うMgがドープされた、少なくとも一つのp型III族窒化物層とを備えることを特徴とする光電子デバイス。

【請求項4】
前記Mgがドープされた層の濃度は1021cm-3より高いことを特徴とする、請求項に記載の光電子デバイス。

【請求項5】
GaN基板のM面表面上に成長したIII族窒化物層であって、前記GaN基板はGaN種上に安熱法により成長されたGaNバルク結晶からなり、成長したM面表面は安熱法により成長されたGaNバルク結晶の成長したGa面表面より平坦であり、前記III族窒化物層は、前記III族窒化物層の成長の結果として直接露出したM面(10-10)を含むことを特徴とするIII族窒化物層。

【請求項6】
前記成長は、安熱法による成長であることを特徴とする、請求項に記載のIII族窒化物層。

【請求項7】
前記M面は、前記基板表面に対して傾いていることを特徴とする、請求項に記載のIII族窒化物層。

【請求項8】
前記M面は、前記基板表面に対して10度未満の角度で傾いていることを特徴とする、請求項に記載のIII族窒化物層。

【請求項9】
前記M面は、少なくとも一つの更なるIII族窒化物層の直接成長を受け入れることを特徴とする、請求項に記載のIII族窒化物層。

【請求項10】
前記少なくとも一つの更なるIII族窒化物層は、少なくとも一つのMgがドープされた層を含み、前記Mgがドープされた層の濃度は1021cm-3より高いことを特徴とする、請求項に記載のIII族窒化物層。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2009516560thum.jpg
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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