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(In Japanese)有機金属化学気相成長法による半極性(Al,In,Ga,B)Nの成長促進法 achieved

Patent code P110004296
File No. E067P23
Posted date Jul 11, 2011
Application number P2008-530223
Publication number of japanese translations of PCT international publication for patent applications P2009-508336A
Patent number P5270348
Date of filing Sep 8, 2006
Date of national publication of the translated version (of PCT application) Feb 26, 2009
Date of registration May 17, 2013
International application number US2006035012
International publication number WO2007030709
Date of international filing Sep 8, 2006
Date of international publication Mar 15, 2007
Priority data
  • 60/715491 (Sep 9, 2005) US
Inventor
  • (In Japanese)マイケル・イザ
  • (In Japanese)トロイ・ジェー・ベーカー
  • (In Japanese)ベンジャミン・エー・ハスケル
  • (In Japanese)スティーブン・ピー・デンバース
  • (In Japanese)シュウジ・ナカムラ
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)有機金属化学気相成長法による半極性(Al,In,Ga,B)Nの成長促進法 achieved
Abstract (In Japanese)半極性窒化物半導体薄膜の成長の前に基板上に、窒化物の核生成層または緩衝層を成長することを特徴とする、基板上に有機金属化学気相成長法 (MOCVD)によって半極性窒化物半導体薄膜を成長するための方法。
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

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および高出力電子デバイスの作製において十分に確立された。これらのデバイスは、通常は分子線エピタキシー(MBE)、有機金属化学気相成長法(MOCVD)、およびハイドライド気相エピタキシー(HVPE)を含む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が最も安定であり、その構造は単一のc軸に、全てが直交する、相互に120°回転した2つ(または3つの)等価な基底面軸(a軸)によって記述される。III族元素と窒素元素は結晶のc軸に沿って交互にc面を占める。ウルツ鉱型構造に含まれる対称要素によれば、III族窒化物はこのc軸に沿ってバルク自発分極を有し、またウルツ鉱型構造は圧電分極を示すことになる。

電子デバイスおよび光電子デバイスに関する現行の窒化物技術では有極性のc方向に沿って成長した窒化物薄膜が用いられる。しかしながら、III族窒化物ベースの光電子および電子デバイスにおける従来のc面量子井戸構造は、強い圧電および自発分極の存在のために、量子閉じ込めシュタルク効果(QCSE)により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は、電子と正孔を空間的に分離させる原因となり、それが今度は、キャリア再結合効率の制限、振動子強度の低下、および発光のレッド・シフトを引き起こす。

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方法の1つは、結晶の無極性面上にデバイスを成長することである。そのような面は同数のGaとN原子を含み、電荷中性である。さらに、その次の無極性層は結晶学的にお互いに等価であるため、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。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ってなされた進歩にもかかわらず、残念ながら、無極性窒化物の成長は依然として挑戦課題であり、III族窒化物の工業界に広く採用されるまでにいたっていない。

GaN光電子デバイスにおける分極の影響を低減または除去するためのもう1つの方法は、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、ミラー指数h、i、またはjのうちの2つは0ではなく、ミラー指数lも0ではない広い範囲の面を指している。c面GaNヘテロエピタキシャルにおいて通常よく見られる半極性面のいくつかの例は、{11-22}、{10-11}および{10-13}面を含んでいる。これらはピットのファセットに見られる。これらの面は、また、本発明者らが平坦な薄膜の形態で成長した面と偶然に同じである。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、これらに限定されない。窒化物結晶の分極ベクトルは、これらの面内にあるのではなく、これらの面に垂直でもなく、その面の面法線に対してある角度で傾いている。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°である。

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、材料が圧縮ひずみか伸張ひずみを受けるときに起こるものであり、窒化物ヘテロ構造において異なる組成(およびそれゆえに異なる格子定数)の(Al,In,Ga,B)N 層を成長するときに起こる。例えば、GaNテンプレート上の薄いAlGaN層は面内に伸張歪を持ち、GaNテンプレート上の薄い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である。それゆえに、GaN上のInGaN量子井戸では圧電分極は、InGaNとGaNの自発分極の方向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とGaNの自発分極の方向と同じ方向を向いている。

c面窒化物に対比して半極性面を用いる利点は、全分極が低減できるということである。特定の面上では、特定の合金組成において分極が0になることさえある。そのようなシナリオは将来の学術論文において詳しく議論されるであろう。重要な点は、分極がc面窒化物構造の場合に比べて低減するということである。

GaNのバルク結晶は容易には入手できないので、結晶を単純に切断して引き続くデバイスの再成長に用いる表面を提供することはできない。一般的に、GaN薄膜は、まずヘテロエピタキシャルに、すなわちGaNにおおよそ格子整合する異種基板上に成長される。

半極性GaN面は、パターン化されたc面配向のストライプの側壁上にあることが実証された。ニシズカら[参考文献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c面のそれよりも高いことも実証し、これは低減した分極に起因するものであるとした。

しかしながら、半極性面を実現するこの方法はエピタキシャル横方向オーバーグロス(ELO)技術の副産物であり、本発明とは著しく異なる。ELOは、GaNと他の半導体における欠陥を低減するために用いられる厄介な処理工程と成長方法であり、マスク材料のストライプをパターン化するステップを含む。マスク材料は、GaNに対してはSiO2の場合が多い。そこでGaNは、マスク間の開き窓から成長し、その後マスク上に成長する。そこで、連続した薄膜を形成するために、GaNは横方向成長によって会合する。このストライプの結晶面は、成長パラメータによって制御できる。ストライプが会合する前に成長を止めると、小面積の半極性面が露出する。この面積は10μm幅程度に過ぎず、半極性面は基板表面に平行ではない。このように、実現できる表面面積は小さすぎて半極性LEDを作製するために処理することは困難である。更に、傾いた面上にデバイス構造を形成することは、通常の面上にその構造を形成するのに比べるとはるかに困難である。また、全ての窒化物組成がELOプロセスに適合するわけではなく、広く行なわれているのはGaNのELOのみである。

核生成層、緩衝層、および/またはウェッティング層は、1990年代の初めから高品質の窒化物の成長において盛んに用いられてきた[参考文献2、3]。この技術は、通常は厚い(1μm~5μm)窒化物半導体材料の成膜の前に多結晶および/またはアモルファスの窒化物半導体材料の薄い層(50Å~2000Å)を用いるという手法を用いる。c面GaN薄膜のヘテロエピタキシャル成長における核生成層(NL)を用いることの利点は、十分に確立しているが、NLが結晶品質を改良するメカニズムについては十分にはわかっていない。NLが、高品質窒化物材料が成膜する結晶サイトを提供するものであると考えられている[参考文献4、5]。その後の成膜によって、NLなしに成膜された窒化物に比べると、結晶学的、電気的、および光学的特性が劇的に改良されることが示されている。

NLの効用は、窒化物薄膜に対して盛んに立証されてきたが、それらは、(0001)すなわちc面という結晶学的方向に成長された窒化物から構成されている[参考文献6、7]。ラムダニ(Ramdani)ら[参考文献7]は、スピネル基板上に成長するc面GaNの結晶品質を改良するために複数の緩衝層を用いることを実証した。この方法は本発明とはかなり異なり、この著者は、参考文献[参考文献7]に記述してあるように、(111)スピネルとは9%が格子不整であるc面GaNの成長について記述している。それはまた、デバイス品質のc面GaNを作製するために必要な、全部で4つの複数の緩衝層を含むため非常に厄介なものである。これに比べ、本発明は、半極性GaNの改良のために単一の緩衝層を用いることを記述している。

c面GaN薄膜の改良もアカサキら[参考文献6]によって実証された。前記のとおり、この特定の結晶学的方向であるc方向における光電子デバイスおよび電子デバイスは、強い圧電および自発分極の存在により望ましくないQCSE効果を受けてしまう。本発明は、半極性窒化物薄膜の品質の改良のために単一の緩衝層を用いる点で上記の方法とは異なるものである。

そこで、(Al,In,Ga,B)Nの大面積が基板表面に平行である半極性窒化物の平坦な薄膜の成長について改良された方法に対するニーズが存在する。本発明はこのニーズを満たすものである。
[参考文献1]Nishizuka,K.,Applied Physics Letters,Vol.85 Number 15,11 October 2004.
[参考文献2]H.Amano,N.Sawaki,I.Akasaki and Y.Toyoda,Applied Physics Letters,Vol.48(1986)pp.353.
[参考文献3]S.Nakamura,Japanese Journal of Applied Physics,Vol.30,No.10A,October,1991,pp.L1705-L1707.
[参考文献4]D.D.Koleske,M.E.Coltrin,K.C.Cross,C.C.Mitchell,A.A.Allerman,Journal of crystal Growth Vol.273,(2004),pp.86.
[参考文献5]B.Moran,F.Wu,A.E.Romanov,U.K.Mishra,S.P.Denbaars,J.S.Speck,Journal of crystal Growth Vol.273,(2004),pp.38-47.
[参考文献6]米国特許第4,855,249号、1989年8月8日発行、発明者Akasakiらによる、発明の名称“Process for growing III-V compound semiconductors on sapphire using a buffer layer”。
[参考文献7]米国特許第5,741,724号、1998年4月21日発行、発明者Ramdaniらによる、 発明の名称“Method of growing gallium nitride on a spinel substrate”。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は半導体の材料と方法とデバイスとに関し、より具体的には有機金属化学気相成膜法によって半極性(A1,In,Ga,B)Nの成長を促進する方法に関するものである。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
基板上に半極性III族窒化物膜を有機金属化学気相成長法(MOCVD)で成長する方法であって、
(a)基板上、または基板を覆うように窒化物の核生成層あるいは緩衝層を成長するステップと、
(b)前記窒化物の核生成層あるいは緩衝層上、または該核生成層あるいは緩衝層を覆うように半極性III族窒化物膜を成長するステップとを備え、前記半極性III族窒化物膜の成長表面は前記基板の表面に平行であり、前記半極性III族窒化物膜の一つ以上の特徴は、
前記半極性III族膜の5μm×5μmの面積あたりの表面凹凸が7nm未満であり、
前記半極性III族窒化物膜の微小構造品質は、x線回折で測定された0.43°未満の半値全幅(FWHM)を有するロッキング・カーブにより特徴づけられることを特徴とする方法。

【請求項2】
 
前記窒化物の核生成層あるいは緩衝層は、x=1でy=0のAlx Iny Ga1-x-y Nを含んで構成されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。

【請求項3】
 
前記半極性III族窒化物膜は、組成変化または組成傾斜を有する複数の層を含んで構成されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。

【請求項4】
 
前記半極性III族窒化物膜は、(Al,Ga,In,B)Nの組成の異なる層を1つ以上の含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。

【請求項5】
 
前記半極性III族窒化物膜は、(Al,Ga,In,B)Nの組成の異なる層を含むヘテロ構造を備えることを特徴とする、請求項1に記載の方法。

【請求項6】
 
前記半極性III族窒化物膜は、実質的にFe、Si、およびMgからなる元素でドープされていることを特徴とする、請求項1に記載の方法。

【請求項7】
 
前記成長表面は10ミクロン幅の面積よりも大きいことを特徴とする、請求項1に記載の方法。

【請求項8】
 
前記半極性III族窒化物膜は、直径2インチの基板をカバーするように成長することを特徴とする、請求項1に記載の方法。

【請求項9】
 
前記核生成層あるいは緩衝層を成長する前に基板を窒化するステップを更に含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。

【請求項10】
 
前記半極性III族窒化物膜は、ハイドライド気相成長エピタキシー(HVPE)、有機金属化学気相成長法(MOCVD)、あるいは分子線エピタキシー(MBE)法による次の成長のためのテンプレートあるいは基板として用いられることを特徴とする、請求項1に記載の方法。

【請求項11】
 
前記成長表面上に作製される電子または光電子デバイスをさらに備えることを特徴とする、請求項1に記載の方法。

【請求項12】
 
前記成長表面は平坦で、前記半極性III族窒化物膜は窒化ガリウムであることを特徴とする、請求項1に記載の方法。

【請求項13】
 
前記半極性III族窒化物膜は{10-11}III窒化物であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。

【請求項14】
 
前記半極性III族窒化物膜は{10-12}III族窒化物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】
 
前記半極性III族窒化物膜は{10-14}III族窒化物であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。

【請求項16】
 
前記半極性III族窒化物膜は{10-13}III族窒化物であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。

【請求項17】
 
前記半極性III族窒化物膜は{20-21}III族窒化物であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。

【請求項18】
 
前記半極性III族窒化物膜は{11-22}III族窒化物であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。

【請求項19】
 
前記窒化物の核生成層あるいは緩衝層は、アルミニウム含有窒化物またはAlx Iny Ga1-x-y N(x>0および0≦y≦1)核生成層または緩衝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20】
 
前記表面凹凸が4nm未満であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2008530223thum.jpg
State of application right Registered
Reference ( R and D project ) ERATO NAKAMURA Inhomogeneous Crystal AREA
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