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(In Japanese)有機金属気相成長法による非極性窒化インジウムガリウム薄膜、ヘテロ構造物およびデバイスの製作

Patent code P110004092
File No. E067P18
Posted date Jul 6, 2011
Application number P2007-513224
Publication number of japanese translations of PCT international publication for patent applications P2007-537600A
Patent number P5379973
Date of filing May 6, 2005
Date of national publication of the translated version (of PCT application) Dec 20, 2007
Date of registration Oct 4, 2013
International application number US2005015774
International publication number WO2005112123
Date of international filing May 6, 2005
Date of international publication Nov 24, 2005
Priority data
  • 60/569749 (May 10, 2004) US
Inventor
  • (In Japanese)アーパン・チャクラボーティ
  • (In Japanese)ベンジャミン・エー・ハスケル
  • (In Japanese)ステーシア・ケラー
  • (In Japanese)ジェームス・エス・スペック
  • (In Japanese)スティーブン・ピー・デンバース
  • (In Japanese)中村 修二
  • (In Japanese)ウメシュ・ケー・ミシュラ
Applicant
  • (In Japanese)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
  • (In Japanese)国立研究開発法人科学技術振興機構
Title (In Japanese)有機金属気相成長法による非極性窒化インジウムガリウム薄膜、ヘテロ構造物およびデバイスの製作
Abstract (In Japanese)
【課題】
 有機金属気相成長法による非極性窒化インジウムガリウム薄膜、ヘテロ構造物およびデバイスの製作方法を提供する。
【解決手段】
  有機金属気相成長法(MOCVD)を用いる非極性窒化インジウムガリウム(InGaN)膜ならびに非極性InGaNを含んだデバイス構造物の製作のための方法。本方法は、非極性InGaN/GaN紫色および近紫外発光ダイオードおよびレーザ・ダイオードを製作するために用いられる。
【選択図】
 図2
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

可視および紫外オプトエレクトロニクス・デバイスおよび高性能エレクトロニクス・デバイスの製作のための窒化ガリウム(GaN)ならびにアルミニウムおよびインジウムを組み込んだ窒化ガリウム三元および四元化合物(AlGaN、InGaN、AlInGaN)の有用性は定評がある。これらのデバイスは通常、分子線エピタキシー(MBE)、有機金属気相成長法(MOCVD)またはハイドライド気相成長法(HVPE)などの成長技術によってエピタキシャル成長させる。

GaNおよびGaN合金は、六方晶系ウルツ鉱型結晶構造で最も安定となる。この構造は、互いに120°回転関係にある二つ(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の他、軸110、112、114、116を図中に示す。図で、塗りつぶしパターンは、重要な面102、104および106を示すものであり、構造100の材料を表すものではない。III族元素原子と窒素原子は、結晶のc軸方向にc面を交互に占める。ウルツ鉱型構造物中に含まれる対称要素によって、III族窒化物はこのc軸方向にバルクの自発分極を有する。さらに、ウルツ鉱型結晶構造は非中心対称性を有するので、ウルツ鉱型窒化物は、結晶のc軸に沿ってさらに圧電分極を示す可能性もあり、実際に示す。現行のエレクトロニクス・デバイスおよびオプトエレクトロニクス・デバイス用窒化物技術では、極性c方向に成長させた窒化物膜を使用する。しかし、III族窒化物系オプトエレクトロニクス・デバイスおよびエレクトロニクス・デバイス中の従来のc面量子井戸構造は、強い圧電分極および自発分極の存在に起因する望ましくない量子閉じ込めシュタルク効果(QCSE)の問題を有する。c方向の強い組み込み電場によって、電子と正孔とが空間的に分離され、それが今度はキャリア再結合効率を抑制し、振動子強度を低下させ、発光を赤色シフトさせる。

非極性成長方向、例えば<11-20>a方向または<1-100>m方向を使用する(Al、Ga、In)N量子井戸構造は、極性軸が膜の成長面内にあり、従って量子井戸のヘテロ界面と平行になるので、ウルツ鉱型窒化物構造物中の分極誘起電場効果を取り除く有効な手段を提供する。過去数年間、非極性(Al、Ga、In)Nの成長は、非極性エレクトロニクス・デバイスおよびオプトエレクトロニクス・デバイスの製作における利用可能性から、大きな関心を集めてきた。最近、アルミン酸リチウム基板上にプラズマ支援MBEによって成長させた非極性m面AlGaN/GaN量子井戸と、r面サファイア基板上にMBEとMOCVDとの両方によって成長させた非極性a面AlGaN/GaN多重量子井戸(MQW)によって、成長方向に沿って分極場がないことが実証された。従って、非極性III族窒化物発光ダイオード(LED)およびレーザ・ダイオード(LD)は、極性の対応物と比べると著しく優れた性能を有する可能性がある。

残念ながら、非極性InGaNの成長は非常に難しいことが証明されている。実際、文献を見ても、非極性InGaNの成長に成功した報告は二つしかない。スン(Sun)ら[非特許文献1]は、MBEによって最大10%のInを含むm面InGaN/GaN量子井戸構造を成長させ、チトニス(Chitnis)ら[非特許文献2]は、MOCVDによってa面InGaN/GaN量子井戸構造を成長させた。スンらの論文[非特許文献1]は、研究材料の構造特性と光ルミネッセンス特性とを中心に検討しているが、検討したInGaN膜の品質が実用的なデバイスを製作するのに十分であるとは示唆していない。チトニスらの論文[非特許文献2]には非極性GaN/InGaN発光ダイオード構造物が記載されている。しかし、かれらの論文に示された限られたデータから、かれらの非極性InGaN材料の品質が極めて低かったことが示唆される。実際、チトニスらのデバイスは、注入電流を変化させると発光強度が大きくシフトし、ダイオード電流-電圧特性も良好でなく、デバイスを試験するために電流注入をパルス化しなければならなかったほど極端な有害加熱効果を示した。これら低い特性が不十分な材料品質によるものである可能性は高い。

非極性InGaNの成長に成功した例がないのは、いくつかの理由によるものと考えられる。第一に、InGaNと利用可能な基板との間の格子不整合が大きいため、InGaNヘテロエピタキシーが非常に困難である。第二に、高温でInが成長面から脱離する傾向があるため、InGaNは、通常GaNと比較して低温で成長させなければならない。残念ながら、非極性窒化物は、通常900℃より高温、さらに多くの場合1050℃より高温というInが表面から容易に脱離する温度で成長させられる。第三に、高品質の非極性窒化物は、a面およびm面を傾斜小面に対して安定にするために、通常、減圧(<100Torr)で成長させられる。しかし、In取り込みを促進し、炭素取り込みを減らすためには、c面InGaNを大気圧で成長させる方がよいことが既に広く報告されている。

本発明は、これらの課題を克服し、MOCVDによって高品質InGaN膜と、InGaNを含んだデバイスを初めて作り出す。
【非特許文献1】
Y.Sun, et al.,“Nonpolar InxGa1-I/GaN (1-100) multiple quantum wells grown on γ-LiAlO2(100) by plasma assisted molecular beam epitaxy,”Phys Rev.B,67,41306(2003)
【非特許文献2】
Chitnis, et al.,“Visible light-emitting diodes using a‐plane GaN-InGaN multiple quantum wells over r‐plane sapphire,”Appl.Phys.Lett.,84,3663(2004)

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、化合物半導体の成長およびデバイス製作に関する。より具体的には、本発明は、有機金属気相成長法(MOCVD)による窒化インジウムガリウム(InGaN)を含んだエレクトロニクス・デバイスおよびオプトエレクトロニクス・デバイスの成長および製作に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
非極性オプトエレクトロニクスまたはエレクトロニクスヘテロ構造物またはデバイスを製作する方法であって、
(a)貫通転位密度が5×106 cm-2未満および積層欠陥密度3×103 cm-1未満の非極性III族窒化物基板またはテンプレートを準備する工程、
(b)前記III族窒化物基板、テンプレート、または前記III族窒化物基板またはテンプレート上にある、またはそれらを覆う一つ以上のIII族窒化物層上に一つ以上の非極性インジウム含有III族窒化物層を成長させる工程であって、少なくとも一つの該非極性インジウム含有III族窒化物層は一つ以上の第1の圧力および一つ以上の第1の温度で、窒素を含むキャリアガスを用いて成長される活性層である工程、
(c)前記非極性インジウム含有III族窒化物層上に窒化物層を成長させ、該窒化物層が後に続く層の成長中のインジウム脱離抵抗を提供する工程、および
(d)前記窒化物層上に一つ以上の非極性p型GaN層を、20~150Torrの間の一つ以上の第2の圧力および900℃より高温の第2の温度成長させる工程であって、キャリアガス、該一つ以上の第2の圧力、および該一つ以上の第2の温度が非極性III族窒化物の成長のために最適化されることを特徴とする工程と
(i)前記一つ以上の第1の圧力は前記第2の圧力よりも高く、前記第2の温度は前記第1の温度よりも高く、
(ii)前記非極性インジウム含有III族窒化物層を含む前記非極性オプトエレクトロニクスまたはエレクトロニクスデバイスまたはヘテロ構造物の材料品質が、室温で少なくとも20mAの直流および22A/cm2 から111A/cm2 のすべての範囲の電流密度に応じてデバイスが機能するような材料品質であり
(iii)前記工程(b)~(d)における成長は、非極性結晶方向に沿っており、前記工程(a)~(d)により直流密度に応じてデバイスまたはヘテロ構造物の加熱が低減されることを特徴とする工程を含むことを特徴とする方法。

【請求項2】
 
前記インジウム含有III族窒化物層を大気圧で、前記非極性インジウム含有III族窒化物層中のインジウム取り込みを促進し、インジウム脱離を減少させ、点欠陥の濃度を減少させるために選択された前記一つ以上の第1の圧力および前記一つ以上の第2の温度を含む成長条件下で成長させることを特徴とする請求項1に記載の方法。

【請求項3】
 
前記インジウム含有III族窒化物層が、一つ以上の量子井戸ヘテロ構造物を形成することを特徴とする請求項1に記載の方法。

【請求項4】
 
前記インジウム含有III族窒化物層上に一つ以上の非ドープ非極性GaN障壁層を成長させることを特徴とする請求項1に記載の方法。

【請求項5】
 
前記非ドープ非極性GaN障壁層を大気圧で成長させることを特徴とする請求項4に記載の方法。

【請求項6】
 
前記窒化物層がGaNを含むキャッピング層であることを特徴とする請求項1に記載の方法。

【請求項7】
 
非極性窒化インジウムガリウム(InGaN)系発光ヘテロ構造物およびデバイスを製作する方法であって、
(a)貫通転位密度が5×106 cm-2未満および積層欠陥密度が3×103 cm-1未満の非極性III族窒化物基板またはテンプレートを準備する工程、
(b)前記基板またはテンプレート上に、600~850Torrの間の一つ以上の圧力で、非ドープGaN障壁層を含むGaN障壁を有する複数の非極性InGaN多重量子井戸(MQW)層を成長させる工程、
(c)p型GaN層の成長中にInが脱離することを防ぐために、前記非極性InGaN層上に一つ以上の温度で窒化ガリウム(GaN)キャッピング層を成長させる工程、
(d)前記非ドープGaN障壁上、および前記MQWおよび前記基板またはテンプレートの間に前記工程(b)の一つ以上の圧力よりも低い圧力でn型およびp型GaN層を成長させる工程であって、
(i)前記成長における圧力および温度は、前記非極性InGaN層を含む前記非極性デバイスまたはヘテロ構造物が、室温で少なくとも20mAの直流および22A/cm2 ら111A/cm2 のすべての範囲の直流密度に応じて機能するような圧力および温度であり、
(ii)前記直流密度に応じた発光デバイスから放射される光の外部量子効率の減少が、最大外部量子効率と比べて、少なくとも111A/cm2 の電流密度でわずか20%であり、
(iii)前記工程(b)~(d)における成長は、非極性結晶方向に沿っており、前記工程(a)~(d)により、前記直流密度に応じて前記発光ヘテロ構造およびデバイスにおける加熱が低減されることを特徴とする工程を含むことを特徴とする方法。

【請求項8】
 
前記滑らかで低い欠陥密度のIII族窒化物基板またはテンプレートは、GaN、窒化アルミニウム(AlN)または窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)基板であることを特徴とする請求項1に記載の方法。

【請求項9】
 
前記基板は、自立a面GaNウエハ、自立m面GaNウエハ、自立a面AlNウエハ、自立m面AlNウエハ、バルクa面GaNウエハ、バルクm面GaNウエハ、バルクa面AlNウエハまたはバルクm面AlNウエハを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。

【請求項10】
 
ハイドライド気相成長法(HVPE)によって前記テンプレートを成長させることを特徴とする請求項1に記載の方法。

【請求項11】
 
前記テンプレートが、ハイドライド気相成長(HVPE)エピタキシャル横方向オーバーグロース(LEO)させたa面またはm面GaNテンプレートを含むことを特徴とする請求項10に記載の方法。

【請求項12】
 
前記テンプレートが、有機金属気相成長法(MOCVD)によって成長させた平坦な非極性a面GaNテンプレート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】
 
低温GaN核形成層工程と、高温GaN成長工程とを含む二段階プロセスによって、前記a面GaNテンプレートをr面サファイア基板上に成長させることを特徴とする請求項12に記載の方法。

【請求項14】
 
前記成長工程(b)が、前記基板またはテンプレート上に900℃未満の低い温度で非極性InGaN層を成長させる工程を含むことを特徴とする請求項7に記載の方法。

【請求項15】
 
前記成長工程(b)が、N2 キャリア・ガスを用いて前記非極性InGaN層中のインジウム(In)取り込みを促進し、In脱離を減少させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項7に記載の方法。

【請求項16】
 
前記成長工程(b)が、ほぼ大気圧で前記基板またはテンプレート上に複数の非極性InGaN層を成長させてInGaN膜品質を改善し、炭素取り込み量を減少させることを含むことを特徴とする請求項7に記載の方法。

【請求項17】
 
600~850Torrで前記InGaN/GaN多重量子井戸を成長させ、前記非極性インジウム含有III族窒化物層中のインジウム取り込みを促進し、インジウム脱離を減少させ、点欠陥の濃度を減少させるために選択された前記一つ以上の第1の圧力および前記一つ以上の第2の温度を含む成長条件下で前記非極性インジウム含有III族窒化物層を成長させることを特徴とする請求項7に記載の方法。

【請求項18】
 
20~150Torrで前記キャッピング層および障壁層を除く前記n型およびp型GaN層を成長させることを特徴とする請求項7に記載の方法。

【請求項19】
 
前記非極性III族窒化物基板またはテンプレートはエピタキシャル成長された非極性表面である上面を有する最初の非極性III族基板またはテンプレートであり、前記非極性インジウム含有III族窒化物層は該上面上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20】
 
前記非極性インジウム含有III族窒化物層はInGaN層であり、
前記活性層はn型GaN層とp型GaN層の間にあり、
記p型GaN層と前記活性層のにアルミニウム含有III族窒化物層があり、
前記デバイスは少なくとも278A/cm2 以下の電流密度に応じて機能することを特徴とする請求項1に記載の方法。

【請求項21】
 
前記窒化物層は、後に続く層の成長中に前記非極性インジウム含有III族窒化物層からInが脱離することを防ぐキャッピング層であって、
前記デバイスは、一つ以上の前記キャッピング層、前記一つ以上の第1の圧力、前記キャリアガス、前記貫通転位密度、および前記積層欠陥密度なしに成長された発光デバイスと比べて、111A/cm2 の直流密度で飽和しない、または飽和が少ない出力電力を有する発光デバイスである、または
前記デバイスは、直流が少なくとも22A/cm2 から111A/cm2 へ増加したとき、p-n接合の抵抗が増加しない前記非極性インジウム含有III族窒化物層を含むp-n接合からなる、または
前記p-n接合の直列抵抗はわずか7.8Ωであることを特徴とする請求項1に記載の方法。

【請求項22】
 
前記デバイスまたはヘテロ構造物は発光ダイオード(LED)またはレーザ・ダイオード(LD)を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。

【請求項23】
 
前記デバイスまたはヘテロ構造物は360nm~600nmの間の波長を有する光を放射することを特徴とする請求項22に記載の方法。

【請求項24】
 
前記圧力および温度はLEDまたはLDが少なくとも0.4%の外部量子効率(EQE)で、少なくとも111A/cm2 の電流密度での外部量子効率の減少が、最大外部量子効率と比べてわずか20%で発光する圧力および温度であることを特徴とする請求項22に記載の方法。

【請求項25】
 
前記圧力および温度はLEDまたLDが少なくとも11A/cm2 から111A/cm2 の範囲にわたって線幅が25nm未満である1.5mWの光出力を放射することができる圧力および温度であることを特徴とする請求項22に記載の方法。

【請求項26】
 
前記上面はバルク結晶から切り出されたものではないことを特徴とする請求項22に記載の方法。

【請求項27】
 
前記LEDまたはLDは前記直流密度が少なくとも11A/cm2 から111A/cm2 へ増加したとき、発光ピークの青色シフトなしに発光することを特徴とする請求項22記載の方法。

【請求項28】
 
前記非極性III族窒化物基板またはテンプレートは転位密度が5×106 cm-2未満、積層欠陥密度3×103 cm-1未満であり、
インジウム含有III族窒化物層が前記非極性インジウム含有III族窒化物層中のインジウム取り込みを促進し、インジウム脱離を減少させ、点欠陥の濃度を減少させるために選択された前記一つ以上の第1の圧力および前記一つ以上の第2の温度を含む成長条件下で成長されることを特徴とする請求項19記載の方法。

【請求項29】
 
前記非極性窒化物テンプレートまたは基板は貫通転位密度が5×106 cm-2未満、積層欠陥密度が3×103 cm-1未満のGaNであることを特徴とする請求項19記載の方法。

【請求項30】
 
前記デバイスまたはヘテロ構造物は有機金属気相成長法(MOCVD)によって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31】
 
前記非極性III族基板またはテンプレートはハイドライド気相成長法により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32】
 
前記非極性インジウム含有III族窒化物層および前記窒化物層はN2 キャリアガスを用いて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33】
 
前記非極性インジウム含有III族窒化物層および前記窒化物層は600~850Torrの前記第1の圧力で900℃以下の前記第1の温度でハイドライド気相成長法により成長されることを特徴とする請求項1記載の方法。

【請求項34】
 
20~150Torrで前記窒化物および活性層のための障壁層を除く前記n型およびp型(Al,Ga,)N層を成長させることを特徴とする請求項1記載の方法。

【請求項35】
 
貫通転位密度が5×106 cm-2未満、積層欠陥密度3×103 cm-1未満である非極性III族窒化物テンプレートまたは基板の成長表面上に非極性結晶方向に沿って成長する一つ以上の非極性インジウム含有III族エピタキシャル層からなるp-n接合からなり、該p-n接合が、
少なくとも11A/cm2 から111A/cm2 の範囲の直流密度で機能し、11A/cm2 から111A/cm2 で前記p-n接合の抵抗が増加しない、または、
前記p-n接合の直列抵抗がわずか7.8Ωである、または、
最大外部量子効率と比べて、少なくとも111A/cm2 の電流密度での外部量子効率の減少がわずか20%であることにより特徴づけられる材料品質からなるオプトエレクトロニクスまたはエレクトロニクスデバイス構造。

【請求項36】
 
前記非極性インジウム含有III族エピタキシャル層上の窒化物キャッピング層であって、後に続く層の成長中に前記非極性インジウム含有III族窒化物層からInが脱離することを防ぐキャッピング層と、
前記窒化物キャッピング層上の一つ以上の非極性アルミニウム含有またはガリウム含有III族窒化物層をさらに含むことを特徴とする請求項35に記載のデバイス構造。

【請求項37】
 
前記非極性窒化物テンプレートまたは基板は貫通転位密度が5×106 cm-2未満、積層欠陥密度が3×103 cm-1未満のGaNであることを特徴とする請求項35に記載のデバイス構造。

【請求項38】
 
前記非極性窒化物テンプレートまたは基板はGaN,AlNまたはAlGaN基板であることを特徴とする請求項35に記載のデバイス構造。

【請求項39】
 
前記インジウム含有III族エピタキシャル層はInGaN層であり、前記デバイスは少なくとも278A/cm2 の電流密度に応じて機能することを特徴とする請求項35に記載のデバイス構造。

【請求項40】
 
貫通転位密度が5×106 cm-2未満、積層欠陥密度3×103 cm-1未満である非極性III族窒化物テンプレートまたは基板上の成長表面上に非極性結晶方向に沿って成長された一つ以上の非極性インジウム含有III族窒化物エピタキシャル層からなるトランジスタデバイス構造。

【請求項41】
 
前記デバイスは360nm~600nm間の発光波長を有する発光ダイオード(LED)またはレーザ・ダイオード(LD)であることを特徴とする請求項35に記載のデバイス構造。

【請求項42】
 
LEDまたはLDの外部量子効率(EQE)が少なくとも0.4%で発光し、最大外部量子効率と比べて、111A/cm2 の電流密度での外部量子効率の減少がわずか20%であることを特徴とする請求項41に記載のデバイス構造。

【請求項43】
 
前記LEDまたはLDは線幅が25nm未満である1.5mWの光出力を放射することができることを特徴とする請求項41に記載のデバイス構造。

【請求項44】
 
前記LEDまたはLDは前記直流密度が22A/cm2 から111A/cm2 の範囲で増加したとき、発光ピークの青色シフトなしに発光することを特徴とする請求項41に記載のデバイス構造。

【請求項45】
 
前記成長表面はバルク結晶から切り出されたものではないことを特徴とする請求項35に記載のデバイス構造。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2007513224thum.jpg
State of application right Registered
Reference ( R and D project ) ERATO NAKAMURA Inhomogeneous Crystal AREA
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