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半極性(Al,In,Ga,B)NまたはIII族窒化物の結晶

国内特許コード P130008499
整理番号 E067P25D1
掲載日 2013年1月23日
出願番号 特願2012-206551
公開番号 特開2013-010689
登録番号 特許第5838523号
出願日 平成24年9月20日(2012.9.20)
公開日 平成25年1月17日(2013.1.17)
登録日 平成27年11月20日(2015.11.20)
優先権データ
  • 60/760,739 (2006.1.20) US
発明者
  • ジョン・エフ・ケディング
  • マイケル・イザ
  • トロイ・ジェー・ベーカー
  • 佐藤 均
  • ベンジャミン・エー・ハスケル
  • ジェームス・エス・スペック
  • スティーブン・ピー・デンバース
  • シュウジ・ナカムラ
  • 李 東宣
出願人
  • 国立研究開発法人科学技術振興機構
発明の名称 半極性(Al,In,Ga,B)NまたはIII族窒化物の結晶
発明の概要 【課題】故意にミスカットした基板を用いることにより、半極性(Al,In,Ga、B)NまたはIII族窒化物および該結晶の成長方向に垂直な表面からなる結晶である。
【解決手段】具体的には、結晶は、(Al,In,Ga,B)NまたはIII族窒化物および該結晶の成長方向に垂直な表面からなる結晶であって、該表面は少なくとも幅10μmであり、半極性方位を有し、 該結晶はx線回折により測定される半値全幅(FWHM)が0.55°未満であるロッキング・カーブにより特徴づけられる結晶品質を有することを特徴とする結晶を提供する。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要



関連技術の説明

(この出願は本明細書を通して、例えば[x]のように、1つ以上の参照番号を括弧内に示した多くの異なる刊行物と特許文献を参照する。この参照番号潤に並べたこれらの異なる刊行物と特許文献のリストは以下の「先行技術文献」と題されたセクションに見出すことができる。これらの刊行物と特許文献のそれぞれは参考として本明細書に組み込まれているものとする。)

窒化ガリウム(GaN)およびアルミニウムとインジウムを含むその3元および4元化合物(AlGaN,InGaN,AlInGaN)の有用性は可視光および紫外光の光電子デバイスと高出力電子デバイスの作製について十分確立してきた。これらのデバイスは、通常分子線エピタキシー(MBE)、有機金属化学気相成膜法(MOCVD)、およびハイドライド気相エピタキシー(HVPE)法を含む成長技術を用いてエピタキシャルに成長される。





GaNとその合金は六方晶ウルツ鉱型結晶構造をとるときに最も安定であり、この構造は、単一のc軸に対して全てが直交する、お互いに120°回転した2つ(または3つ)の等価な基底面軸(a軸)によって表される。III族元素と窒素元素は結晶のc軸に沿って交互にc-面を占有する。ウルツ鉱型構造に含まれる対称要素によれば、III族窒化物はc-軸に沿ってバルク自発分極を有し、かつウルツ鉱型構造は圧電分極を示す。





電子デバイスや光電子デバイスに対する現行の窒化物技術は極性のc-方向に沿って成長した窒化物薄膜をもちいている。しかしながら、III族窒化物ベースの光電子デバイスおよび電子デバイスにおける従来のc-面を用いた量子井戸構造は、強い圧電分極および自発分極の存在によって量子閉じ込めシュタルク効果(QCSE)の望ましくない影響を受ける。c-方向に沿った強い内部電界が電子と正孔の空間分離を引き起こし、それが今度は、キャリアの再結合効率の制限、振動子強度の低減、および発光のレッド・シフトを引き起こすことになる。





GaN光電子デバイスにおける自発分極および圧電分極の影響を除去する1つの方法は、結晶の無極性面上にデバイスを成長することである。そのような面はGa原子とN原子とを同数含み、電荷中性である。更に、その次の無極性層はお互いに結晶学的に等価であり、それゆえ、結晶は成長方向に沿って分極することはない。GaNにおける対称等価な無極性面の2つのファミリーは、まとめてa-面として知られる{11-20}ファミリーと、まとめてm-面として知られる{1-100}ファミリーである。残念なことには、本発明の譲受人であるカリフォルニア大学の研究者らによる進展にもかかわらず、無極性窒化物の成長はなお挑戦課題であり、III族窒化物業界において広く採用されるまでには至っていない。





GaN光電子デバイスにおける分極の影響を低減またはできれば取り除くための他の方法は、デバイスを結晶の半極性面上に成長することである。半極性面という用語は、ミラー(Miller)指数h、i、kのなかで0でない値を2つ含み、かつミラー指数lも0でないような広い範囲の面を指すために用いられる。c-面GaNへテロエピタキシャル成長においてしばしば見られる半極性面のいくつかの例は、溝のファセットに見られるような{11-22}、{10-11}および{10-13}面を含む。これらの面は本発明者らが平坦な薄膜の形状で成長した面と偶然同じ面でもある。ウルツ鉱型結晶構造における半極性面の他の例は{10-12}、{20-21}、および{10-14}を含むが、これに限定されるものではない。窒化物結晶の分極ベクトルはそのような面内に在るのではなく、その面に垂直でもなく、そのような面の表面法線に対してある角度をなして傾いて存在する。例えば、{10-11}と{10-13}面はc-面に対してそれぞれ62.98°と32.06°をなしている。





自発分極に加えて、窒化物に存在する分極の第2の形態は圧電分極である。これは該材料が圧縮歪または伸張歪を受けたときに起こるものであり、異なる組成を持つ(それ故に異なる格子定数を持つ)(Al,In,Ga,B)N層が窒化物へテロ構造内に成長するような場合に起こりうる。例えば、GaNテンプレート上の歪を受けたAlGaN層は面内に伸張歪を持ち、GaNテンプレート上の歪を受けたInGaN層は面内に圧縮歪を持つが、これはどちらもGaNに格子整合するためのものである。それ故に、GaN上のInGaN量子井戸では、圧電分極は、InGaNおよびGaNの自発分極とは反対方向を向いている。GaNに格子整合したAlGaN層では、圧電分極は、AlGaNおよびGaNの自発分極と同じ方向を向いている。





c-面窒化物と比して半極性面を用いることの利点は、全文曲が低減することである。特定の面上で、特定の合金組成に対しては、分極がゼロになることさえある。重要な点は、c-面窒化物構造に比べて分極が低減することである。

GaNのバルク結晶は容易には入手で着ないので、結晶を単純に切断して引き続くデバイスの再成長用の表面を用意することは出来ない。一般に、GaN薄膜は、最初はヘテロエピタキシャルに成長される、すなわち、GaNとほぼ格子整合が取れた異種基板上に成長される。よく用いられる基板材料は、サファイヤ(Al2 3 )とスピネル(MgAl2 4 )である。





そのような基板材料の大きな結晶は、熟練した当業者によって作製されてもよい。結晶はそこで基板ウェーハに切断され、そのウェーハ表面は通常はミラー指数(hkl)によって規定される特定の結晶学的方位を持つ。通常は、上に成膜される材料の結晶の対称性に整合した、定指数の結晶方位が選ばれる。例えば、六方晶の面内対称性を持つ(0001)サファイヤ基板が、やはり六方晶の面内対称性を持つ通常の極性窒化物層の成長のために用いられる。基板と成膜される層との間に結晶学的関係が存在する場合をエピタキシーと呼ぶ。





更に、異種基板上に窒化物層をヘテロエピタキシャル成長するには、まずはじめに数原子からなる小さな核から始めねばならない。平坦な原子表面上に形成される核のエネルギーは、ステップまたはキンクが核の表面エネルギーを最小にするので、原子ステップまたはキンクに成長する核のエネルギーに比べて高い。低指数面(hkl)から基板結晶を故意にミスカットすることで、ステップ・エッジやキンクを生成する。このようなミスカット表面方位を微傾斜表面と呼ぶ。





図1は原子ステップまたはキンクを持つ微傾斜表面を概略的にあらわしたものを示す。表面法線nと、gで現される主結晶方位[nvw]とがなす角度としてミスカット角度βを定義する。基板は、熟練した当業者によってバルク結晶から特定のミスカット角度の大きさを持って切断される。更に、ミスカットベクトルgの方向は、特定の面内の結晶学的な方向[nvw]に対して図1における角度αで記したように規定される。





半極性GaN面はパターン化されたc-面上の方向付けされたストライプの側壁上で実施された。ニシズカら非特許文献1はこの技術を用いて{11-22}InGaN量子井戸を成長した。彼らは半極性面{11-22}の内部量子効率が、分極低減の結果として、c-面のそれよりも高いことを示した。

しかしながら、半極性面を製作するためのニシズカらの方法は、それがエピタキシャル横方向成長(ELO)技術の副産物に依存するものであるので、本発明のものとは劇的に異なる。ELOは、GaNおよび他の半導体において欠陥を低減するために用いられる面倒な処理技術と成長の方法である。それは、GaNの場合はしばしば2酸化シリコン(SiO2 )であるマスク材料のストライプをパターン化する工程を含む。次にマスク間の開いた窓からGaNを成長し、次いでマスク上を成長させる。連続した薄膜を形成するために、GaNを次に横方向成長によって合体させる。これらのストライプのファセットは、成長パラメータによって制御することができる。ストライプが合体する前に成長を止めると、そのときに通常せいぜい10μm幅の小面積の半極性面が露出する。しかし、この実現可能な表面の面積は、処理して半極性LEDにするには小さすぎる。更に、該半極性面は基板表面に平行ではなく、そのため傾いたファセット上にデバイス構造を形成するのは、通常の面上にこれらの構造を形成するのに比べて著しく困難となる。また、全ての窒化物組成がELOプロセスと融合するものではなく、それ故、GaNのELOだけが広く実用化されている。





本発明は、故意にミスカットした基板を用いることによって、(Al、In、Ga、B)Nの大きな面積が基板表面に平行となるような、半極性窒化物の平坦な薄膜を成長することを可能とする結晶を開示するものである。たとえば、試料はしばしば2インチ径の基板上に成長されるが、これは半極性窒化物の成長において以前に実施された数ミクロン幅の面積に対比すべきものである。





厚いc-面GaN結晶をHVPE法で成長し、引き続いて{11-22}面上で切断して研磨したという論文が発表されている非特許文献2。次いでこの面上に発光ダイオードが成長された。しかしながら、半極性デバイスを作製するためのこの方法は、本発明の好ましい実施形態とは著しく異なる。上記方法はバルクGaN基板を用いていて、GaN半極性表面が露出されて、引き続きデバイス構造の成膜のために用いられるものであり、別名ホモエピタキシャル技術として知られているものである。本発明の好ましい実施形態の鍵となる特徴の1つは、異種材料の基板を半極性窒化物薄膜の作製に用いる、ヘテロエピタキシャルプロセスを用いるものである。本発明が上記方法と更に異なる点は、全面に亘って半極性薄膜となる、大きな、通常は2インチのウェーハを用いることができる点である。これは、大きな面積を持つGaN結晶が得られないために、半極性薄膜が通常ではたったの4mm×10mmのサイズである上記方法とは非常に対照的である。





半極性方位をもつ(Al、In、Ga)N薄膜の成長は半導体結晶の全分極を除去するものではない。しかしながら、半極性方位をもつ(Al、In、Ga)N薄膜の成長は、これらの層から作製される半導体デバイス構造の成長方向に沿っての全分極における不連続性を緩和する。半導体薄膜のエピタキシャル成長の過程で、表面形態および/または結晶品質の改善のために故意にミスカットした基板が用いられてきた。GaNの場合では、例えばヒラマツら[非特許文献3]或いはグルドウスキーら非特許文献4を参照のこと。しかしながら、(Al、In、Ga)Nへテロ構造における分極に関係する影響を緩和する目的で、(Al、In、Ga)N半導体薄膜中の分極電界の相対的な方位を制御するために故意に行うミスカットを用いることはなかった。





ミスカット基板は一般的に半導体薄膜の成長のために用いられてきた。これは、半導体薄膜のホモエピタキシャル成長にもヘテロエピタキシャル成長おいても同じである。

産業上の利用分野



本発明は半極性(Al,In,Ga,B)NまたはIII族窒化物の結晶に関するものである。

関連出願の相互参照関係

本出願は米国特許法第119条(e)に基づいて、本発明の譲受人に譲渡された以下の同時継続の米国特許出願の優先権を主張するものである。

ジョン・ケディング(John Kaeding)、マイケル・イザ(Michael Iza)、トロイ・J・ベーカー(Troy J.Baker)、佐藤均(Hitoshi Sato)、ベンジャミン・A.ハスケル(Benjamin A.Haskell)、ジェームス・S.スペック(James S.Speck)、スティーブン・P.デンバース(Steven P.DenBaars)、および中村修二(Shuji Nakamura)による米国特許仮出願第60/760,739号、2006年1月20日出願、発明の名称「半極性(Al,In,Ga,B)Nの成長の改良法(METHOD FOR IMPROVED GROWTH OF SEMIPOLAR (Al,In,Ga,B)N」、代理人整理番号 30794.150-US-P1(2006-126);

この出願は参照として本明細書に組み込まれているものとする。





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出願と関係するものである。

トロイ・J.ベーカー、ベンジャミン・A.ハスケル、ポール・T.フィニ(Paul T.Fini)、スティーブン・P.デンバース、ジェームス・S.スペック、および中村修二による米国特許出願第11/372,914号、2006年3月10日出願、発明の名称「平坦な半極性窒化ガリウムの成長技術(TECHINIQUE FOR THE GROWTH OF PLANAR SEMI-POLAR GALLIUM NITRIDE)」、代理人整理番号30794.128-US-U1(2005-471);この出願は米国特許第119条(e)に基づいて次の出願の優先権を主張するものである。トロイ・J.ベーカー、ベンジャミン・A.ハスケル、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、および中村修二による米国特許仮出願第60/660,283号、2005年3月10日出願、発明の名称「平坦な半極性窒化ガリウムの成長技術(TECHNIQUE FOR THE GROWTH OF PLANAR SEMI-POLAR GALLIUM NITRIDE)」、代理人整理番号30794.12-US-P1(2005-471)。





ロバート・M.ファレル・ジュニア(Robert M.Farrell,Jr.)、トロイ・J.ベーカー、アーパン・チャクラボーティ(Arpan Chakraborty)、ベンジャミン・A.ハスケル、P.モルガン・パチソン(P.Morgan Pattison)、ラジャット・シャーマ(Rajat Sharma)、ウメシュ・K.ミシュラ(Umesh K.Mishra)、スティーブン・P.デンバース、ジェームス・S.スペック、および中村修二による米国特許出願第11/444,946号、2006年6月1日出願、発明の名称「半極性(Ga,Al,In,B)N薄膜、ヘテロ構造およびデバイスの成長と作製のための技術(TECHNIEQUE FOR THE GROWTH AND FABRICATION OF SEMIPOLAR(Ga,Al,In,B)N THIN FILMS,HETEROSTRUCTURES,AND DEVICES)」、代理人整理番号30794.140-US-U1(2005-668);この出願は米国特許法第119条(e)に基づいて次の出願の優先権を主張するものである。ロバート・M.ファレル・ジュニア、トロイ・J.ベーカー、アーパン・チャクラボーティ、ベンジャミン・A.ハスケル、P.モルガン・パチソン、ラジャット・シャーマ、ウメシュ・K.ミシュラ、スティーブン・P.デンバース、ジェームス・S.スペック、および中村修二による米国特許仮出願第60/686,244号、2005年6月1日出願、発明の名称「半極性(Ga,Al,In,B)N薄膜、ヘテロ構造およびデバイスの成長と作製のための技術(TECHNIQUE FOR THE GROWTH AND FABRICATION OF SEMIPOLAR(Ga,Al,In,B)N THIN FILMS,HETEROSTRUCTURES,AND DEVICES)」代理人整理番号30794.140 USーP1(2005-668);

トロイ・J.ベーカー、ベンジャミン・A.ハスケル、ジェームス・S.スペック、および中村修二による米国特許出願第11/486,224、2006年7月13日出願、発明の名称「半導体窒化物薄膜の欠陥低減のための横方向成長法(LATERAL GROWTH METHOD FOR DEFECT REDUCTION OF SEMIPOLAR NITRIDE FILMS)」、代理人整理番号30794.141-US-U1(2005-672);この出願は米国特許法第119条(e)に基づいて次の出願の優先権を主張するものである。トロイ・J.ベーカー、ベンジャミン・A.ハスケル、ジェームス・S.スペック、および中村修二による米国特許仮出願第60/698,749号、2005年7月13日出願、発明の名称「半極性窒化物薄膜の欠陥低減のための横方向成長法(LATERAL GROWTH METHOD FOR DEFECT REDUCTION OF SEMIPOLAR NITRIDE FILMS)」、代理人整理番号30794.144-US-P1(2005-72);

マイケル・イザ、トロイ・J.ベーカー、ベンジャミン・A.ハスケル、スティーブン・P.デンバース、および中村修二による米国特許出願第11/517,797号、2006年9月8日出願、発明の名称「有機金属化学気相成膜法による半極性(Al,In,Ga,B)Nの成長促進法(METHOD FOR ENHANCING GROWTH OF SEMIPOLAR(Al,In,Ga,B)n VIA METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION)」、代理人整理番号30794.144-US-P1(2005-722);この出願は米国特許法第119条(e)に基づいて次の出願の優先権を主張するものである。マイケル・イザ、トロイ・J.ベーカー、ベンジャミン・A.ハスケル、スティーブン・P.デンバース、および中村修二による米国特許仮出願第60/715,491号、2005年9月9日出願、発明の名称「有機金属化学気相成膜法による半極性(Al,In,Ga,B)Nの成長促進法(METHOD FOR ENHANCING GROWTH OF SEMIPOLAR(Al,In,Ga,B)n VIA METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION)」、代理人整理番号30794.144-US-P1(2005-722);

シダース・ラジャン(Siddharth Rajan)、チャン・ソー・ス(Chang Soo Suh)、ジェームス・S.スペック、およびウメシュ・K.ミシュラによる米国特許出願第11/523,286号、2006年9月18日出願、発明の名称「N極性窒化アルミニウム・ガリウム/窒化ガリウムのエンハンスメント・モード電界効果トランジスタ(N-POLAR ALUMINUM GALLIUM NITRIDE/GALLIUM NITRIDE ENHANCEMENT-MODE FIELD EFFECT TRANSISTOR)」、代理人整理番号30794.148-US-U1(2006-107);この出願は米国特許法第119条(e)に基づいて次の出願の優先権を主張するものである。シダース・ラジャン、チャン・ソー・ス、ジェームス・S.スペック、およびウメシュ・K.ミシュラによる米国特許出願第60/717,996号、2005年9月16日出願、発明の名称「N極性窒化アルミニウム・ガリウム/窒化ガリウムのエンハンスメント・モード電界効果トランジスタ(N-POLAR ALUMINUM GALLIUM NITRIDE/GALLIUM NITRIDE ENHANCEMENT-MODE FIELD EFFECT TRANSISTOR)」、代理人整理番号30794.148-US-P1(2006-107);

佐藤均、ジョン・ケディング、マイケル・イザ、トロイ・J.ベーカー、ベンジャミン・A.ハスケル、スティーブン・P.デンバース、および中村修二による米国特許出願第 / , 号、本出願と同日出願、発明の名称「有機金属化学気相成膜法による半極性(Al,In,Ga,B)Nの成長促進法(METHOD FOR ENHANCING GROWTH OF SEMIPOLAR(Al,In,Ga,B)N VIA METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION)」、代理人整理番号30794.159-US-U1(2006-178);この出願は米国特許法第119条(e)に基づいて次の出願のゆうせんけんを 主張するものである。佐藤均、ジョン・ケディング、マイケル・イザ、トロイ・J.ベーカー、ベンジャミン・A.ハスケル、スティーブン・P.デンバース、および中村修二による米国特許仮出願第60/760,628号、2006年1月20日出願、発明の名称「有機金属化学気相成膜法による半極性(Al,In,Ga,B)Nの成長促進法(METHOD FOR ENHANCING GROWTH OF SEMIPOLAR(Al,In,Ga,B)N VIA METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION)」、代理人整理番号30794.159-US-P1(2006-178);

ジョン・F.ケディング、佐藤均、マイケル・イザ、アサミズ・ヒロクニ(Hirokuni Asamizu)、ホン・ゾーン(Hong Zhong)、スティーブン・P.デンバース、および中村修二による米国特許仮出願第60/772,184号、2006年2月10日出願、発明の名称「半極性(Al,In,Ga,B)Nの導電性制御の方法(METHOD FOR CONDUCTIVITY CONTROL OF SEMIPOLAR(Al,In,Ga,B)N)」、代理人整理番号30794.166-US-P1(2006-285);

ホン・ゾーン、ジョン・F.ケディング,ラジャット・シャーマ、ジェームス・S.スペック、スティーブン・P.デンバース、および中村修二による米国特許仮出願第60/774,467号、2006年2月17日出願、発明の名称「半極性(Al,In,Ga,B)N光電子デバイスの成長方法(METHOD FOR GROWTH OF SEMIPOLAR(Al,In,Ga,B)N OPTOELECTRONICS DEVICES)」、代理人整理番号30794.173-US-P1(2006-422);

アーパン・チャクラボーティ、クワン・チュン・キム(Kwang-Choong Kim)、スティーブン・P.デンバース、ジェームス・S.スペック、およびウメシュ・K.ミシュラによる米国特許仮出願第60/798,933号、2006年5月9日出願、発明の名称「その場窒化シリコン・ナノマスク法を用いた無極性および半極性窒化ガリウム薄膜における欠陥低減方法(TECHNIQUE FOR DEFECT REDUCTION IN NONPOLAR AND SEMIPOLAR GALLIUM NITRIDE FILMS USING IN-SITU SILICON NITRIDE NANOMASKING)」、代理人整理番号30794.180-US-P1(2006-530);

ニコラス・A.フィヒテンバウム(Nicholas A.Fichtenbaum)、ウメシュ・K.ミシュラ、カール・J.ノイフェルト(Carl J.Neufeld)およびステーシア・ケラー(Stacia Keller)による米国特許仮出願第60/809,774号、2006年5月31日、発明の名称「N極性ナノピラーおよびナノストライプ・アレイ上の再成長により形成した光電子デバイス(OPTOELECTRONIC DEVICES FORMED BY REGROWTH ON N-POLAR AND NANOSTRIPE ARRAYS)」、代理人整理番号30794.182-US-P1(2006-638);

ステーシア・ケラー、ウメシュ・K.ミシュラ、およびニコラス・A.フィヒテンバウムによる、米国特許仮出願第60/866,035号、2006年11月15日出願、発明の名称「有機金属化学気相成長法を用いた高品質N面GaN,InNおよびAlNおよびこれらの合金のヘテロエピタキシャル成長方法(METHOD FOR HETEROEPITAXIAL GROWTH OF HIGH-QUALITY N-FACE GaN,InN,and AlN AND THEIR ALLOYS BY METAL ORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION)」、代理人整理番号30794.207-US-P1(2007-121);

スティーブン・P.デンバース、マシュー・C.シュミット(Mathew C.Schmidt)、クワン・チュン・キム、ジェームス・S.スペック、および中村修二による米国特許仮出願第60/869,540号、2006年12月11日出願、発明の名称「無極性(m面)および半極性発光デバイス(NON-POLAR(M-PLANE)AND SEMI-POLAR EMITTING DEVICES)」、代理人整理番号30794.213-US-P1(2007-317);および

クワン・チュン・キム、マシュー・C.シュミット(Mathew C.Schmidt)、フェン・ウー(Feng Wu)、アサコ・ヒライ(Asako Hirai)、メルビン・B.マクローリン(Melvin B.MacLaurin)、スティーブン・P.デンバース、中村修二およびジェームス・S.スペックによる米国特許仮出願第60/869,701、2006年12月12日出願、発明の名称「各種基板上の(Al,In,Ga,B)Nのm面および半極性面の結晶成長(CRYSTAL GROWTH OF M-PLANE AND SEMIPOLAR PLANES OF (Al,In,Ga,B)N ON VARIOUS SUBSTRATES)」代理人整理番号30794.214-US-P1(2007-334);

これらすべての出願は参照として本明細書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】
窒化ガリウム結晶であって、基板の結晶方位上に成長する窒化ガリウム(GaN)と、
GaNの成長方向に垂直で半極性方位を有する表面を備え、
該表面は少なくとも幅10μmであり
前記GaNが、<011>方向にミスカットした{100}MgAl2 4 スピネル基板上に成膜した{10-11}GaN膜あるいは<0001>方向にミスカットした{1-100}Al2 3 サファイア基板上に成膜した{11-22}GaN膜であって、前記GaN膜はx線回折により測定される軸上半値全幅(FWHM)が0.55°以下であるロッキング・カーブにより特徴づけられる結晶品質を有することを特徴とする窒化ガリウム結晶。

【請求項2】
前記FWHMは900アークセカンド(arcsecond)未満であることを特徴とする、請求項1に記載の窒化ガリウム結晶。

【請求項3】
前記表面は平坦であることを特徴とする、請求項1に記載の窒化ガリウム結晶。

【請求項4】
前記表面は前記結晶の最大の表面であることを特徴とする、請求項1に記載の窒化ガリウム結晶。

【請求項5】
前記{11-22}GaN膜の結晶品質は、前記表面上に作製されたIII族窒化物発光デバイスが220μWより大きい出力で発光するような結晶品質であることを特徴とする、請求項1に記載の窒化ガリウム結晶。

【請求項6】
単一の結晶学的ドメインを含むことを特徴とする、請求項1に記載の窒化ガリウム結晶。

【請求項7】
前記結晶方位は前記スピネル基板または前記サファイア基板のミスカットした表面であり、
該ミスカットした表面はFWHMが0.55°以下である大きさおよび方向を有することを特徴とする、請求項1に記載の窒化ガリウム結晶。

【請求項8】
前記基板の前記ミスカットした表面は、前記基板の低指数結晶方位からミスカットしたものであることを特徴とする、請求項1に記載の窒化ガリウム結晶。

【請求項9】
前記ミスカットした表面は、前記基板の主要な結晶方位に対するミスカット角度に向けられ、
該ミスカット角度が0.5°~20°の間であることを特徴とする、請求項1に記載の窒化ガリウム結晶。

【請求項10】
前記窒化ガリウム結晶は<011>方向にミスカットした{100}MgAl2 4 スピネル基板の前記ミスカットした表面上にあり、前記ミスカット角度が0.5°~3°の間であることを特徴とする、請求項1に記載の窒化ガリウム結晶。

【請求項11】
前記結晶は前記基板上にヘテロエピタキシャルに成膜されることを特徴とする、請求項1に記載の窒化ガリウム結晶。

【請求項12】
前記ミスカットした表面は、故意にミスカットした表面であることを特徴とする、請求項1に記載の窒化ガリウム結晶。

【請求項13】
前記半極性方位は{11-22}であることを特徴とする、請求項1または2に記載の窒化ガリウム結晶。

【請求項14】
前記半極性方位は{10-11}であることを特徴とする、請求項1または10に記載の窒化ガリウム結晶。

【請求項15】
前記半極性方位は{10-12}であることを特徴とする、請求項1に記載の窒化ガリウム結晶。

【請求項16】
前記半極性方位は{10-13}であることを特徴とする、請求項1に記載の窒化ガリウム結晶。

【請求項17】
さらに前記窒化ガリウム(GaN)の前記表面上に作製されるIII族窒化物発光デバイスを備え、該発光デバイスの出力パワーは50~380μWを含む、または出力パワーは50~380μWの範囲であることを特徴とする、請求項1に記載の窒化ガリウム結晶。

【請求項18】
前記表面は4mm×10mmよりも大きい面積を有することを特徴とする、請求項1に記載の窒化ガリウム結晶。

【請求項19】
前記結晶品質は、前記出力パワーを50μWより大きく増加させることを特徴とする、請求項1に記載の窒化ガリウム結晶。

【請求項20】
前記半値全幅(FWHM)は、725~1980アークセカンドの間であることを特徴とする、請求項1または13記載の窒化ガリウム結晶。

【請求項21】
前記半値全幅(FWHM)は0.4875°~0.55°の間であることを特徴とする、請求項1または14記載の窒化ガリウム結晶。

【請求項22】
前記窒化ガリウム結晶は<0001>方向にミスカットされ、ミスカット角度が-0.5°~20°の間である{1-100}サファイア基板の前記ミスカットした表面上にあることを特徴とする、請求項7に記載の窒化ガリウム結晶。

【請求項23】
前記GaN結晶は前記基板のカットまたはミスカットした表面を備える前記結晶方位上または上方のGaN膜であり、
該GaN膜の欠陥密度は低減され、
前記表面は、前記カットまたはミスカットした表面とは異なる前記基板の結晶方位上に成膜されるGaN膜と比較して滑らかであることを特徴とする、請求項1に記載の窒化ガリウム結晶。

【請求項24】
さらに前記GaN膜上のまたは前記GaN膜を含むIII族窒化物発光デバイスを備え、前記カットまたはミスカットした表面とは異なる前記基板の結晶方位上に作製した同様のデバイスよりも明るい発光を示すことを特徴とする、請求項23に記載の窒化ガリウム結晶。

【請求項25】
窒化ガリウム結晶の作製方法であって、
板の結晶方位上に半極性方位を有する窒化ガリウム(GaN)を成長するステップを備え、
GaNの成長方向に垂直な表面は半極性方位を有し、
該表面は少なくとも幅10μmであり
前記GaNが、<011>方向にミスカットした{100}MgAl2 4 スピネル基板上に成膜した{10-11}GaN膜あるいは<0001>方向にミスカットした{1-100}Al2 3 サファイア基板上に成膜した{11-22}GaN膜であって、前記GaN膜はx線回折により測定される軸上半値全幅(FWHM)が0.55°以下であるロッキング・カーブにより特徴づけられる結晶品質を有することを特徴とする窒化ガリウム結晶の作製方法。

【請求項26】
前記成長するステップは、10torrと1000torrの間の成長圧力および400℃と1400℃の間の成長温度、および、アンモニアおよびガリウムを含む流れを用いて有機金属化学気相成膜法またはハイドライド気相エピタキシーによって行われることを特徴とする、請求項25に記載の窒化ガリウム結晶の作製方法。
産業区分
  • 処理操作
  • 半導体
  • 固体素子
  • 表面処理
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2012206551thum.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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