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JP4486506B2 - ハイドライド気相成長方法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長 - Google Patents
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JP4486506B2 - ハイドライド気相成長方法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長 - Google Patents

ハイドライド気相成長方法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長 Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
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米国特許仮出願の優先権を主張する。
ベンジャミン・Ａ．ハスケル（Ｂｅｎｊａｍｉｎ Ａ．Ｈａｓｋｅｌｌ）、マイケル・Ｄ．クレイブン（Ｍｉｃｈａｅｌ Ｄ．Ｃｒａｖｅｎ）、ポール・Ｔ．フィニ（Ｐａｕｌ Ｔ．Ｆｉｎｉ）、スティーブン・Ｐ．デンバース（Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ）、ジェームス・Ｓ．スペック（Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ）、中村修二（Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ）による第６０／４３３，８４３号、２００２年１２月１６日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長（ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＲＥＤＵＣＥＤ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ ＤＥＮＳＩＴＹ ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９３−ＵＳ−Ｐ１；および
ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ポール・Ｔ．フィニ、松田成正（Ｓｈｉｇｅｍａｓａ Ｍａｔｓｕｄａ）、マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による第６０／４３３，８４４号、２００２年１２月１６日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性ａ面窒化ガリウムの成長技術（ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＦＯＲ ＴＨＥ ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ，ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ Ａ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９４−ＵＳ−Ｐ１。
両出願とも参照として本明細書中に組込まれる。
本出願は、本出願と同日出願され本発明の譲受人に譲渡された同時係属の、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ポール・Ｔ．フィニ、松田成正、マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／−−−−−号、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性ａ面窒化ガリウムの成長（ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ，Ａ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９４−ＷＯ−Ｕ１に関し、この出願は本発明の譲受人に譲渡された同時係属の米国特許仮出願、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ポール・Ｔ．フィニ、松田成正、マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による第６０／４３３，８４４号、２００２年１２月１６日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性ａ面窒化ガリウムの成長技術（ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＦＯＲ ＴＨＥ ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ，ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ Ａ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９４−ＵＳ−Ｐ１；およびベンジャミン・Ａ．ハスケル、マイケル・Ｄ．クレイブン、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、中村修二による第６０／４３３，８４３号、２００２年１２月１６日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長（ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＲＥＤＵＣＥＤ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ ＤＥＮＳＩＴＹ ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９３−ＵＳ−Ｐ１；の優先権を主張し、上記出願は参照として本明細書中に組込まれる。
１． 本発明の技術分野
本発明は半導体材料、方法および素子に関し、より具体的にはハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）による転位密度の低い無極性窒化ガリウム（ＧａＮ）の成長に関する。
２． 関連技術の説明
（注：本出願は多くの異なる特許、出願明細書および／または刊行物を参照しており、これらは、１から順に付けた参考文献番号を用いて本明細書に記載する。これらの参考文献番号順に並べた種々の刊行物のリストを「参考文献」とタイトルをつけたセクションに示す。これらの刊行物は、それぞれ参照として本明細書中に組込まれる。）
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が組込まれている窒化ガリウムの三元および四元化合物（ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮ）の有用性は、可視および紫外オプトエレクトロニクス素子および高性能電子素子の製造の分野で定評がある（参考文献１〜３参照）。このような素子は、典型的には、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）またはハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）が含まれる成長技術によって、基板に対し層ごとに配向するようエピタキシャル成長させる。
ＧａＮおよびその合金は六方晶系ウルツ鉱型結晶構造の時最も安定している。この構造の結晶は、１２０°回転対称の二つ（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は一般的な六方晶系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のほか、軸１１０，１１２，１１４，１１６を図中に示す。
ウルツ鉱型結晶構造１００にガリウム原子および窒素原子が配置されることによって、ｃ軸に垂直などの原子の面も一種類の原子のみを含むことになる。ｃ軸に沿う平面毎に各原子が配置されるので、その結果、各平面は一種類の原子、ＧａまたはＮのみを含むことになる。電気的中性を維持するために、ＧａＮ結晶は、窒素原子のみを含む一つのｃ面（Ｎ面）、およびガリウム原子のみを含む一つのｃ面（Ｇａ面）で終端する。その結果、ＧａＮ結晶はｃ軸に沿って分極されている。これらの結晶の自発分極はバルク性質であり、結晶の構造および組成に依存する。
平坦なＧａ側ｃ面の成長は比較的容易であるため、ほぼすべてのＧａＮ系素子は、極軸であるｃ軸と平行に成長する。この成長方向の弊害は、結晶が自発分極するために、各材料層の中で電子および正孔が層の対向面に分離してしまうことである。さらに、隣接する層の界面における歪みによって圧電分極が生じるため、量子ヘテロ構造内にさらに電荷分離が発生する。このような分極効果は、発光オプトエレクトロニクス素子の動作に必要な電子および正孔の相互作用の可能性を低下させる。ｃ軸配向の素子に特徴的な分極効果を除くことができれば、ＧａＮ発光素子の効率が向上すると考えられる。
ＧａＮのオプトエレクトロニクス素子中の圧電分極効果を除くことのできる方策の一つとして、結晶の無極性平面上に素子を成長させることが考えられる（参考文献４〜６参照）。このような平面は、ＧａおよびＮの原子を同数含み、電気的に中性である。さらに、順次形成される無極性層は相互に等価であるので、バルク結晶が成長方向に沿って分極することはない。ＧａＮの対称性が等価である無極性平面の一例を挙げると、｛１１−２０｝平面群があり、ａ面と総称されている。高電子移動度トランジスタのような電子素子上、または可視および紫外のレーザーダイオードおよび発光ダイオードのようなオプトエレクトロニクス素子上のａ面基板上で成長させることにより、ｃ面ＧａＮ上に同様に成長させた素子と比較して、素子性能を著しく向上させることができた。
ＧａＮのバルク結晶は、結晶を単に切断するだけでは、素子をその上に再成長させるための面を出すことができないので、利用不可能である。すべてのＧａＮ膜は、最初にヘテロエピタキシャル成長、つまりＧａＮと適切に格子整合できるような異質基板上に成長させる。近年、多くの研究グループによって、ＨＶＰＥを利用して十分に厚い（＞２００μｍ）ｃ面ＧａＮ膜をヘテロエピタキシャル成長により堆積させ、異質基板を不要にすることができるようになり、これによってＭＢＥおよびＭＯＣＶＤによるホモエピタキシャル素子の再成長に使用することのできる自立ＧａＮ基板を得ることができるようになった（参考文献７〜８参照）。
ＨＶＰＥには、ＭＯＣＶＤより１から２オーダー、およびＭＢＥより３オーダー程度、成長速度が大きいという長所があり、このため、基板作製に大変好ましい技術となる利点が得られる。
ＨＶＰＥによる平坦なａ面ＧａＮの成長について最近実例が報告されている。たとえば、本出願と同日出願され本発明の譲受人に譲渡された同時係属の、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ポール・Ｔ．フィニ、松田成正、マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／−−−−−号、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性ａ面窒化ガリウムの成長（ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ，ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ Ａ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９４−ＷＯ−Ｕ１に記載されており、この出願は本発明の譲受人に譲渡された同時係属の米国特許仮出願、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ポール・Ｔ．フィニ、松田成正、マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による第６０／４３３，８４４号、２００２年１２月１６日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性ａ面窒化ガリウムの成長技術（ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＦＯＲ ＴＨＥ ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ，ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ Ａ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９４−ＵＳ−Ｐ１；およびベンジャミン・Ａ．ハスケル、マイケル・Ｄ．クレイブン、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、中村修二による第６０／４３３，８４３号、２００２年１２月１６日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長（ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＲＥＤＵＣＥＤ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ ＤＥＮＳＩＴＹ ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９３−ＵＳ−Ｐ１；の優先権を主張し、上記出願は参照として本明細書中に組込まれる（参考文献９〜１０参照）。
本研究は無極性ＧａＮ素子の成長を実現する技術を示しているが、ａ−ＧａＮ膜を直接成長させると比較的高い密度の欠陥が現れるので、完全な基板上にホモエピタキシャル成長させることによって得られるであろうものと比較すると、連続的に成長させた素子の効率が低下してしまう。素子性能を改善するためにＧａＮ膜中の転位密度を低下させる取り組みがますます増えている。
拡張型の欠陥として重大なのは、主に貫通転位と積層欠陥の二種類である。極性ｃ面ＧａＮ膜中の転位密度および積層欠陥密度の低減を達成する主要な手段は、エピタキシャル横方向オーバーグロース（ＬＥＯ、ＥＬＯまたはＥＬＯＧ）、選択成長エピタキシーおよびＰＥＮＤＥＯ（登録商標）エピタキシーが含まれる種々の横方向オーバーグロース技術を使用することである。これらのプロセスの最も重要な特質は、垂直成長より横方向成長を優先することによって、膜表面に垂直な方向に転位が広がらないように転位を阻害または阻止することである。このような転位低減技術が、ＨＶＰＥおよびＭＯＣＶＤによるｃ面ＧａＮ成長のために広く開発されている（参考文献１１〜１８参照）。
最近になって、ＧａＮ横方向成長技術のａ面膜への適用が実証された。クレイブン（Ｃｒａｖｅｎ）らが、誘電性マスクを使用し、薄いａ面ＧａＮテンプレート層の上でＭＯＣＶＤによってＬＥＯを実施することに成功した（参考文献１９参照）。
しかしながら、ａ面ＧａＮのＨＶＰＥに基づくＬＥＯはこれまで達成されていない。このため、高品質で、欠陥密度が低く、無極性のａ面｛１１−２０｝ＧａＮ膜の成長方法が当該技術分野において求められている。より具体的には、横方向オーバーグロースを使用し、そのようなＧａＮ膜をＨＶＰＥによって成長させる方法が当該技術分野において求められている。本発明はこの要求を満たすものである。
本発明は、平坦な無極性ａ面ＧａＮ膜のエピタキシャル横方向オーバーグロースを実施する方法を開示し、本方法は、（ａ）基板に堆積されているマスクをパターニングする工程、および（ｂ）ハイドライド気相成長法を使用して基板からＧａＮ膜のエピタキシャル横方向オーバーグロースを実施する工程を含み、パターニングされたマスクによって覆われていない基板の部分上にのみＧａＮ膜は核を形成し、ＧａＮ膜は、パターニングされたマスクの開口部を通って垂直に成長し、次にＧａＮ膜は、パターニングされたマスク上および基板の表面上にわたって横方向に広がる。エピタキシャル横方向オーバーグロースはＧａＮ膜中の貫通転位密度を低減させる。
以下、図面を参照する。類似部分には一貫して同じ参照番号を付与する。
好ましい実施形態について添付の図面を参照して以下記載するが、図面は本記載の一部をなし、本発明を実施することのできる特定の実施形態を例示するために示されている。なお、本発明の範囲を逸脱することなく、例示以外の実施形態を使用することができ、構造を変化させることができることは明らかである。
概要
本発明は、ＬＥＯを使用するＨＶＰＥ成長の無極性ａ面ＧａＮ膜の貫通転位密度を低減させるものである。低い成長圧力を用い、少量の水素を含むキャリアガスを利用することによって、異種基板から直接無極性ＧａＮ膜を横方向成長させることができる。種々の手段の一手段によってパターンマスクを基板上に付着させる。次に、基板をＨＶＰＥリアクタに載置し、基板材料が露出している領域からのみａ−ＧａＮ膜を成長させ、マスク上および基板表面上にわたって横方向に広げる。
均一の基板上に直接成長した無極性ＧａＮ膜と比較すると、本発明は欠陥を大幅に低減することができ、膜質を改善することができる。このように欠陥密度の低い無極性ＧａＮ膜が得られるので、本技術によってテンプレート膜を成長させ、テンプレート膜上に電子素子、オプトエレクトロニクス素子および電気機械素子を順次成長させると、素子を改善することができる。さらに、本明細書に記載の横方向オーバーグロース膜は、剥離して自立基板を形成することのできる厚い無極性ＧａＮ膜中の転位密度を低減させる優れた手段となりうる。
転位を低減させる本発明の好ましい実施形態は、以下のものを含む。
１． 下にあるサファイア基板にアクセスできるようなアパーチャまたはストライプを内部に含む二酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）マスクとともに、ｒ面サファイア（Ａ１2 Ｏ3 ）基板のようなパターニング基板を使用する。
２． サファイア基板上に平坦な無極性ＧａＮ膜を得る条件に従い無極性ＧａＮ膜を成長させる。
プロセス工程
図２は本発明の好ましい実施形態による平坦な無極性ａ面ＧａＮ膜のエピタキシャル横方向オーバーグロースを実施する方法を示すフローチャートである。これらの工程は、基板上に堆積されているマスクをパターニングする工程（下記のブロック２００〜２０８）、およびハイドライド気相成長法を使用し基板からＧａＮ膜のエピタキシャル横方向オーバーグロースを実施する（下記のブロック２１０〜２２４）工程を含み、パターニングされたマスクによって覆われていない基板部分上でのみＧａＮ膜は核を形成し、ＧａＮ膜は、パターニングされたマスクの開口部を通って垂直に成長し、次にＧａＮ膜は、パターニングされたマスク上および基板の表面上にわたって横方向に広がる。
ブロック２００は、研磨した４３０μｍ厚のｒ面（１−１０２）サファイア基板に１３００Å厚のＳｉＯ2 膜を堆積する工程を表す。このＳｉＯ2 膜は誘電性マスクの土台を提供するためのものである。好ましい実施形態では、パターニングされたマスクは誘電体であり、基板はｒ面サファイア基板であるが、他の材料を使用してもよく、たとえばパターンマスクに金属材料を、または基板に炭化ケイ素（ＳｉＣ）を使用してもよい。
ブロック２０２は、ＳｉＯ2 膜上にフォトレジスト層を堆積し、従来のフォトリソグラフィ処理工程を使用して、堆積したフォトレジスト層をパターニングする工程を表す。一実施形態では、パターンは５μｍ幅の開口によって隔てられている３５μｍ幅のストライプを備える。
ブロック２０４は、緩衝化フッ化水素（ＨＦ）酸に２分間基板を浸漬することにより、パターニングされたフォトレジスト層によって露出しているＳｉＯ2 膜の部分すべてをエッチングして取り除く工程を表す。
ブロック２０６は、アセトンを使用し、フォトレジスト層の残渣部分を除去する工程を表す。
ブロック２０８は、アセトン、イソプロピルアルコールおよび脱イオン水を使用して、基板を洗浄する工程を表す。
乾燥後、基板は、５μｍ幅の開口部によって隔てられている３５μｍ幅のストライプを有するようパターニングされたＳｉＯ2 膜を備えるパターンマスクによって覆われている。
次に続くブロックは、ＨＶＰＥを使用して基板からＧａＮ膜のエピタキシャル横方向オーバーグロースを実施する工程を表す。ここでＧａＮ膜は、パターンマスクによって露出している基板の部分上でのみ核を形成し、ＧａＮ膜は、パターンマスクの開口部を通って垂直に成長し、次にＧａＮ膜は、パターンマスク上、および基板表面上にわたって横方向に広がり、結果として隣接するＧａＮストライプと接合する。エピタキシャル横方向オーバーグロースは、ほぼ大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）である低成長圧力を用い、少量の水素を含むキャリアガスを利用する。
これらの工程、およびその成長パラメータの詳細は、本出願と同日出願され本発明の譲受人に譲渡された同時係属のベンジャミン・Ａ．ハスケル、ポール・Ｔ．フィニ、松田成正、マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／−−−−−号、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性ａ面窒化ガリウムの成長（ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ，ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９４−ＷＯ−Ｕ１の明細書に示されており、この出願は本発明の譲受人に譲渡された同時係属の米国特許仮出願、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ポール・Ｔ．フィニ、松田成正、マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による第６０／４３３，８４４号、２００２年１２月１６日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性ａ面窒化ガリウムの成長技術（ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＦＯＲ ＴＨＥ ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ，ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ Ａ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９４−ＵＳ−Ｐ１；およびベンジャミン・Ａ．ハスケル、マイケル・Ｄ．クレイブン、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、中村修二による第６０／４３３，８４３号、２００２年１２月１６日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長（ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＲＥＤＵＣＥＤ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ ＤＥＮＳＩＴＹ ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９３−ＵＳ−Ｐ１；の優先権を主張し、上記出願は参照として本明細書中に組込まれる。さらに参考文献９〜１０を参照すること。
ブロック２１０は、リアクタに基板を載置する工程を表す。
ブロック２１２は、リアクタを排気し、代わりに精製窒素（Ｎ2 ）ガスをリアクタに注入して、内部の酸素濃度を低下させる工程を表す。この工程を何回も繰り返し、リアクタ内の残留酸素濃度を低下させる。
ブロック２１４は、システム内の全チャネルにＨ2 およびＮ2 の混合物を流すとともに、ほぼ１０４０℃の成長温度にリアクタを加熱する工程を表す。
ブロック２１６は、リアクタが成長温度に達した後サファイア基板を窒化する工程を表す。窒化工程は、リアクタ中のガス流に無水アンモニア（ＮＨ3 ）を加え、サファイア基板の表面を窒化することを含む。
ブロック２１８は、リアクタの圧力を所望の堆積圧力にまで減圧する工程を表す。好ましい実施形態では、所望の堆積圧力は大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）未満であり、一般に３００Ｔｏｒｒ未満である。より具体的には、所望の堆積圧力は５〜１００Ｔｏｒｒの範囲に限定してもよく、７６Ｔｏｒｒに設定してもよい。
ブロック２２０は、低温バッファまたは核形成層を全く使用せずに、サファイア基板上で直接ａ面ＧａＮ膜の成長を開始させるために、ガリウム（Ｇａ）ソースへ塩化水素（ＨＣｌ）ガスを流し始める工程を表す。従来の金属ソースＨＶＰＥには、７００℃を超える温度でＨＣｌガスを金属Ｇａと反応させ一塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を形成させるなど（しかしこれに限定されない）ハロゲン化合物の装置内反応が含まれる。
ブロック２２２は、リアクタ中のガス流の一つ以上に少なくとも少量の水素（Ｈ2 ）を含むキャリアガスによって基板にＧａＣｌを移送する工程を表す。一実施形態では、キャリアガスの大部分を水素が占めるようにすることもできる一方、他の実施形態では、キャリアガスは水素と窒素、アルゴン、ヘリウムまたは他の不活性ガスの混合物を含む。基板への移送中、基板上、または排気流中のいずれかで、ＧａＣｌがＮＨ3 と反応し、ＧａＮ膜を形成する。基板において反応が生じることで基板上でＧａＮ膜が生成され、これによって結晶成長が起きる可能性がある。このプロセスの典型的なＶ／III 比は、１〜５０である。なお、Ｇａソースの下流に補足のＨＣｌを注入するため、またはＨＣｌとＧａソースとの反応が不完全であるため、ＮＨ3 ／ＨＣｌ比をＶ／III 比に等しくする必要はない。
ブロック２２４は、所望の成長時間が経過した後、ＨＣｌガス流を中断し、リアクタの温度を室温にまで低下させ、リアクタ圧力を大気圧に戻す工程を表す。この冷却段階中の系の圧力は、大気圧であっても、それより低下させておいてもよい。この中断工程はさらに、リアクタの温度の低下中にＧａＮ膜の分解を防ぐようにガス流にＮＨ3 を含ませることを含む。
好ましくは、上記プロセスの工程によって、平坦な無極性ａ面窒化ガリウム（ＧａＮ）膜を基板からエピタキシャル横方向オーバーグロースさせる。さらに、上記プロセスの工程は自立ａ面ＧａＮ膜または基板を製造するために使用される。この方法を使用し製造される素子には、レーザーダイオード、発光ダイオードおよびトランジスタが含まれる。
実験結果
本発明者らによる実験では、種々の誘電性マスクパターンを利用し、８〜１２５μｍ厚の完全に接合している無極性ＧａＮ膜を作製した。オーバーグロース領域のナノメータースケールのピット密度は３×１０6 ｃｍ-2未満であった。これに対し、直接成長させたａ面ＧａＮ膜では〜１０10ｃｍ-2であった。オーバーグロース部分の陰極線ルミネセンス（ＣＬ）は、ウィング部分と比較すると、光度が４倍増加していることがわかった。Ｘ線ロッキングカーブをみると、測定感度の範囲内では、膜にはウィングの傾斜はないことがわかった。非ＬＥＯのａ面ＧａＮの基底面積層欠陥密度および貫通転位密度は、それぞれ１０5 ｃｍ-1、１０9 ｃｍ-2を示す一方、ＬＥＯ材料には、実質上拡張型欠陥がなかった。ウィング領域の基底面積層欠陥および貫通転位密度は、それぞれサンプリング限界の約〜５×１０6 ｃｍ-2および３×１０3 ｃｍ-1以下であった。
図３は、上記記載のプロセスを使用して成長させたａ面ＧａＮストライプの断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。このストライプは、ＳｉＯ2 マスク中の５μｍ幅のウィンドウを通って成長し、ＳｉＯマスクの上を約３０μｍ幅まで横方向に広がった。この成長が十分な時間続けば、このストライプは隣接するストライプと接合し連続的なａ面ＧａＮ面を形成することになる。接合した膜は、マスクによって転位が阻止されるので、または成長が垂直方向から横方向に転換することによって転位が曲がるので、オーバーグロース領域の転位密度および積層欠陥密度が低くなる（なお端が欠けているストライプは人為的な切断によるものである）。
プラズマ増強化学蒸着によって堆積した約〜１３００Å厚のＳｉＯ2 層に対して従来のフォトリソグラフィ処理およびウェットエッチングを利用し、ＬＥＯプロセス用のマスクを作製した。種々のマスク設計が開発され、たとえば複数の環状アパーチャ、［０００１］GaN 方向に配向した平行ストライプ、［１−１００］GaN 方向に配向した平行ストライプ、［１−１０２］GaN 方向に配向した平行ストライプ、「荷馬車の車輪」パターンのような非平行ストライプの配列がある。ＬＥＯ成長プロセスは、従来の３ゾーン式水平フロー式ＨＶＰＥシステムによって実施した（参考文献９参照）。垂直方向の典型的な成長速度は、約〜１０４０℃の基板温度で１時間当たり１６から５０μｍであった。種々のマスク形状から接合膜が得られ、特に、［１−１００］配向のストライプの周期的な配列からなるマスクを使用すると、５０ｍｍ直径の複数のａ面ＧａＮウェハを完全に接合させることができた。
図４（ａ）は、以下に説明する試料に使用された［１−１００］ストライプ形状の概略図である。成長を中断した時点で、（０００１）Ｇａ面のウィングの進み具合は（０００−１）Ｎ面のウィングよりおよそ６倍速いことがわかった。この比率は、ＨＶＰＥ成長の（０００−１）ウィングの相対成長速度がＧａＮのＭＯＣＶＤ成長よりもある程度速いことを示しており、Ｎ面成長に対するＧａ面成長の比率は約〜１０である（参考文献１９参照）。｛０００１｝面間の横方向成長速度の差が大きいことから得られた利点の一つに、ウィンドウ領域のＮ面側に向かって接合面がずれ、不完全な接合面によって中断されることのない広いウィング領域を得られたことが挙げられる。
図４（ｂ）は、［１−１００］配向のストライプが形成されている２０μｍ厚の接合ＬＥＯ膜のＮｏｍａｒｓｋｉ（商標）（ノマルスキ）型光学顕微鏡によるコントラスト像を示す。画像の上部に「鱗」状の特徴がかすかに見られることから、膜表面に焦点が合っていることが分かるが、ＳｉＯ2 からの屈折率コントラストにより焦点から外れているマスクパターンを観察することができる。
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を利用してａ面ＬＥＯ膜のウィンドウおよびウィングの領域の表面形態を比較した。図４（ｃ）は、二つのストライプが接合している１０×１０μｍのＡＦＭトポグラフを示す。ウィンドウ領域は、窪みのある物質の暗いバンドの様に見えており、ウィンドウの左におよそ１μｍの接合面があった。画像の左側にはっきりと現れているＧａ面ウィングは、３×１０6 ｃｍ-2未満の平均ピット密度を示し、ウィンドウ領域の約〜１０9 ｃｍと比較すると、良質な表面特性を有していた。２乗平均平方根（ＲＭＳ）粗さは、ウィンドウ領域では１．３ｎｍであったのに対し、ウィング領域では０．９ｎｍ未満であった。
図５（ａ）および（ｂ）は、［１−１００］GaN-配向ＳｉＯ2 ストライプの周期的配列がパターニングされたＬＥＯウェハの断面のＳＥＭ画像である。図５（ａ）の傾斜した断面は、横方向成長の間および接合の直前に［１−１００］配向のストライプに対して広がる鋭い垂直の｛０００１｝側壁を図示する。図５（ｂ）は、接合している四つのＧａＮストライプの断面図を示す。帯電効果によって生じる膜−テンプレートの界面のコントラスト差によってのみ、ウィンドウおよびウィング領域を区別することができる。図５（ｃ）は、接合膜の平面のＳＥＭ画像であり、こちらもＧａＮ［１−１００］配向ＳｉＯ2 ストライプのマスクと共に示されている。表面は、弱い不規則なリッジが少しみられるほかは、平坦で、ほとんど特徴がなかった。図５（ｄ）の対応するＣＬ画像では、これらのリッジが散乱のために暗線としてはっきりと示されていた。図５（ｄ）は、３６５ｎｍのＧａＮバンド端で画像化された図５（ｃ）の表面のＣＬ画像であり、より高い光度を有することを示す淡い灰色が見られた。ＣＬ画像中のウィンドウ領域は暗い垂直のバンドとしてはっきりと示されている。接合面がウィンドウに接近しているため、［１−１００］ストライプを使用すると比較的欠陥のない大きな領域が得られ、素子を作製するのに十分な表面積を得ることができる。＜０００１＞方向に沿って配向されている狭く暗いストライプは、表面の特徴に相当するものではなかったと考えられる。このルミネセンスの減少の原因は現在研究中であるが、予備的に透過型電子顕微鏡法（ＴＥＭ）を行ったところ、プリズムの｛１−１００｝面の上にある積層欠陥のクラスターがこれらの暗線の主な原因であると思われる。
ａ面ＬＥＯ膜の構造的性質をＸ線回折（ＸＲＤ）およびＴＥＭによって調べた。ＬＥＯストライプ方向に垂直にとった１１−２０ＧａＮ反射のＸ線ロッキングカーブは単一ピークであり、測定可能な範囲の傾斜は接合膜中にないことが示された。ｒ面サファイア上に直接成長した平坦なａ面ＧａＮ膜と比較すると、ＬＥＯ膜ではオンアクシス反射およびオフアクシス反射が両方とも狭くなることが観察された（参考文献１９参照）。１１−２０反射および１０−１０反射に対する典型的な半値全幅（ＦＷＨＭ）は、それぞれ７５０および１２５０ａｒｃｓｅｃであった。
図６（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、１−１００および０１−１０のｇベクトルで画像化したＬＥＯ膜の平面および断面のＴＥＭ画像をそれぞれ示す。ＡＦＭおよびＣＬからの観察と合致して、ウィンドウ領域は高い貫通転位（約〜９×１０9 ｃｍ-2）および基底面積層欠陥（約〜４×１０5 ｃｍ-1）密度を示した。対照的に、Ｇａ面ウィング領域は、実質的に転位、積層欠陥のどちらも存在せず、それぞれ画像のサンプリング限界である約５×１０6 ｃｍ-2および約３×１０3 ｃｍ-1以下の密度を示した。またＮ面ウィング領域は、基底面積層欠陥およびショックレーの部分転位による欠陥が広がっているままで止まっていたが、貫通転位がなかった。
上記の結果から、ＨＶＰＥとともにＬＥＯを実施することによってａ面ＧａＮの形態的欠陥および構造的欠陥の実質的な低減を容易に達成することができると実証された。オーバーグロースＧａＮの貫通転位密度が低減されるとともに、表面の形態およびルミネセンスも非ＬＥＯの平坦なａ面ＧａＮに比べ著しく改善される。ＨＶＰＥによって達成することのできる成長速度と同等の高い成長速度をＬＥＯに組み込めば、高品質の無極性窒化ガリウム基板を製造する際都合がよい。
参考文献
以下の参考文献を参照として本明細書中に組み込む。
Ｔ．Ｎｉｓｈｉｄａ ａｎｄ Ｎ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ，Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔ．Ｓｏｌ．（ａ），１８８（１），１１３（２００１）． Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ，Ｇ．Ｆａｓｏｌ，ａｎｄ Ｓ．Ｊ．Ｐｅａｒｔｏｎ，Ｔｈｅ Ｂｌｕｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，２０００． Ｌ．Ｆ．Ｅａｓｔｍａｎ ａｎｄ Ｕ．Ｋ．Ｍｉｓｈｒａ，ＩＥＥＥ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ，３９（５），２８（２００２）． Ｐ．Ｗａｌｔｅｒｅｉｔ，Ｏ．Ｂｒａｎｄｔ，Ａ．Ｔｒａｍｐｅｒｔ，Ｈ．Ｔ．Ｇｒａｈｎ，Ｊ．Ｍｅｎｎｉｇｅｒ，Ｍ．Ｒａｍｓｔｅｉｎｅｒ，Ｍ．Ｒｅｉｃｈｅ，ａｎｄ Ｋ．Ｈ．Ｐｌｏｏｇ，Ｎａｔｕｒｅ（Ｌｏｎｄｏｎ），４０６，８６５（２０００）． Ｍ．Ｄ．Ｃｒａｖｅｎ，Ｐ．Ｗａｌｔｅｒｅｉｔ，Ｆ．Ｗｕ，Ｊ．Ｓ．Ｓｐｅｃｋ，ａｎｄ Ｓ．Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，４２（３Ａ）Ｌ２３５（２００３）． Ｈ．Ｍ．Ｎｇ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，８０（２３）４３６９（２００２）． Ｋ．Ｍｏｔｏｋｉ，Ｔ．Ｏｋａｈｉｓａ，Ｎ．Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ，Ｍ．Ｍａｔｓｕｓｈｉｍａ，Ｈ．Ｋｉｍｕｒａ，Ｈ．Ｋａｓａｉ，Ｋ．Ｔａｋｅｍｏｔｏ，Ｋ．Ｕｅｍａｔｓｕ，Ｔ．Ｈｉｒａｎｏ，Ｍ．Ｎａｋａｙａｍａ，Ｓ．Ｎａｋａｈａｔａ，Ｍ．Ｕｅｎｏ，Ｄ．Ｈａｒａ，Ｙ．Ｋｕｍａｇａｉ，Ａ．Ｋｏｕｋｉｔｓｕ，ａｎｄ Ｈ．Ｓｅｋｉ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｐａｒｔ ２，４０（２Ｂ），Ｌ１４０（２００１）． Ｔ．Ｐａｓｋｏｖａ，Ｐ．Ｐ．Ｐａｓｋｏｖ，Ｖ．Ｄａｒａｋｃｈｉｅｖａ，Ｓ．Ｔｕｎｇａｓｍｉｔａ，Ｊ．Ｂｉｒｃｈ，ａｎｄ Ｂ．Ｍｏｎｅｍａｒ，Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔ．Ｓｏｌ．（ａ）１８３（１）１９７（２００１）． Ｂ．Ａ．Ｈａｓｋｅｌｌ，Ｆ．Ｗｕ，Ｍ．Ｄ．Ｃｒａｖｅｎ，Ｓ．Ｍａｔｓｕｄａ，Ｐ．Ｔ．Ｆｉｎｉ，Ｓ．Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ，Ｊ．Ｓ．Ｓｐｅｃｋ，ａｎｄ Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ，Ｓｕｂｍｉｔｔｅｄ ｆｏｒ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ Ｆ．Ｗｕ，Ｍ．Ｄ．Ｃｒａｖｅｎ，Ｓ．Ｈ．Ｌｉｍ，ａｎｄ Ｊ．Ｓ．Ｓｐｅｃｋ，ｓｕｂｍｉｔｔｅｄ ｆｏｒ ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ． Ｔ．Ｓ．Ｚｈｅｌｅｖａ，Ｎ．Ｏｋ−Ｈｙｕｎ，Ｍ．Ｄ．Ｂｒｅｍｓｅｒ，ａｎｄ Ｒ．Ｆ．Ｄａｖｉｓ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７１（１７），２４７２（１９９７）． Ｎ．Ｏｋ−Ｈｙｕｎ，Ｍ．Ｄ．Ｂｒｅｍｓｅｒ，Ｔ．Ｓ．Ｚｈｅｌｅｖａ，ａｎｄ Ｒ．Ｆ．Ｄａｖｉｓ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７１（１８）２６３８（１９９７）． Ｈ．Ｍａｒｃｈａｎｄ，Ｊ．Ｐ．Ｉｂｂｅｔｓｏｎ，Ｐ．Ｔ．Ｆｉｎｉ，Ｐ．Ｋｏｚｏｄｏｙ，Ｓ．Ｋｅｌｌｅｒ，Ｓ．ＤｅｎＢａａｒｓ，Ｊ．Ｓ．Ｓｐｅｃｋ，ａｎｄ Ｕ．Ｋ．Ｍｉｓｈｒａ，ＭＲＳ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｊ．Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．Ｒｅｓ．３，３（１９９８）． Ｈ．Ｍａｒｃｈａｎｄ，Ｘ．Ｈ．Ｗｕ，Ｊ．Ｐ．Ｉｂｂｅｔｓｏｎ，Ｐ．Ｔ．Ｆｉｎｉ，Ｐ．Ｋｏｚｏｄｏｙ，Ｓ．Ｋｅｌｌｅｒ，Ｊ．Ｓ．Ｓｐｅｃｋ，Ｓ．Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ，ａｎｄ Ｕ．Ｋ．Ｍｉｓｈｒａ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７３（６）７４７（１９９８）． Ａ．Ｓａｋａｉ，Ｈ．Ｓｕｎａｋａｗａ，Ａ．Ｋｉｍｕｒａ，ａｎｄ Ａ．Ｕｓｕｉ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７６（４）４４２（２０００）． Ｏ．Ｐａｒｉｌｌａｕｄ，Ｖ．Ｗａｇｎｅｒ，Ｈ．Ｂｕ（ウムラウト付き）ｈｌｍａｎ，ａｎｄ Ｍ．Ｉｌｅｇｅｍｓ，ＭＲＳ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｊ．Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．Ｒｅｓ．，３，４０（１９９８）． Ｇ．Ｎａｔａｆ，Ｂ．Ｂｅａｕｍｏｎｔ，Ａ．Ｂｏｕｉｌｌｅ，Ｓ．Ｈａｆｆｏｕｚ，Ｍ．Ｖａｉｌｌｅ，ａｎｄ Ｐ．Ｇｉｂａｒｔ，Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ，１９２，７３（１９９８）． Ｈ．Ｔｓｕｃｈｉｙａ，Ｋ．Ｓｕｎａｂａ，Ｔ．Ｓｕｅｍａｓｕ，ａｎｄ Ｆ．Ｈａｓｅｇａｗａ，Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ，１８９／９０，３９５（１９９８）． Ｍ．Ｄ．Ｃｒａｖｅｎ，Ｓ．Ｈ．Ｌｉｍ，Ｆ．Ｗｕ，Ｊ．Ｓ．Ｓｐｅｃｋ，ａｎｄ Ｓ．Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，８１（７）１２０２（２００２）．
結論
本発明の好ましい実施形態の説明をまとめる。以下、本発明を実施するためのいくつかの代替実施形態について記載する。
好ましい実施形態では、ａ面ＧａＮをパターニングされたサファイア基板から直接成長させる直接ワンステップ式横方向オーバーグロースプロセスについて記載している。本発明を実施するとき、基板材料としてａ面炭化ケイ素が挙げられるが、これに限定されるものではない、他の好適な基板材料を使用してもよい。
また、横方向成長プロセス用の基板は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮまたはそれ以外の薄膜の「テンプレート」層で覆われている適切な基板からなっていてもよい。本発明を実施する際の実施可能な技術として、このようなテンプレートを使用し、順次再成長させることを確立した。
種々の成長技術によって低温で、または成長温度もしくはそれ以上の温度で堆積した核形成層を利用し、本技術を使用するＨＶＰＥによって順次横方向オーバーグロースさせてもよい。
好ましい実施形態では、主に水素を含むキャリアガスを利用する。少量の水素が成長表面上に存在しなければならないが、その他のガスがキャリアガス流中に存在してもよく、たとえば窒素、アルゴンまたはヘリウムを含む（しかしこれに限定されるものではない）。
さらに、本発明を実施する際、種々のマスク材料、マスク堆積技術およびパターニング方法を本発明の結果を著しく変化させることなく使用することができる。実際、二酸化ケイ素および窒化シリコンのような誘電材料、およびチタンのような金属材料はいずれも、本発明を実施する際のマスクとして利用することができる。
別の代替法は、反応性イオンエッチングなどによって基板上にパターンマスクを堆積する代わりに、基板材料にパターンをエッチングすることである。このような方法では、トレンチの底から成長するＧａＮがトレンチの上端部に達する前に、未エッチングの平坦域から横方向に成長する膜が接合するように、基板のトレンチの深さおよび幅のほか、系の圧力、特にアンモニア分圧を選択する必要がある。カンチレバーエピタキシーとして公知であるこの技術は、極性ｃ面ＧａＮ成長に対して実証されている技術であって、本発明に適合するものと考えられる。
本明細書中に記載のマスクパターンの形状は、横方向に成長している膜の挙動に大きく影響を及ぼす。種々のサイズ、形および間隔のアパーチャを使用し、さらに基板に対し種々の配向をもつストライプを含むマスクが使用された。それぞれの形の開口部からの成長挙動は異なるが、マスク形状は基本的に本発明の実施に変化をもたらさないことが示された。したがって、ＧａＮ核形成が優先される領域およびＧａＮ核形成が阻まれている領域をそれぞれいくつか含むマスクであれば、形状に関わらず使用可能である。
次に示す文献において議論されているように、リアクタ形状および設計は本発明の実施に影響を及ぼすものと考えられる。本出願と同日出願され本発明の譲受人に譲渡された同時係属のベンジャミン・Ａ．ハスケル、ポール・Ｔ．フィニ、松田成正、マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／−−−−−号、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性ａ面窒化ガリウムの成長（ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ，ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ Ａ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９４−ＷＯ−Ｕ１、この出願は本発明の譲受人に譲渡された同時係属の米国特許仮出願、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ポール・Ｔ．フィニ、松田成正、マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による第６０／４３３，８４４号、２００２年１２月１６日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性ａ面窒化ガリウムの成長技術（ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＦＯＲ ＴＨＥ ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ，ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ Ａ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９４−ＵＳ−Ｐ１；およびベンジャミン・Ａ．ハスケル、マイケル・Ｄ．クレイブン、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、中村修二による第６０／４３３，８４３号、２００２年１２月１６日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長（ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＲＥＤＵＣＥＤ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ ＤＥＮＳＩＴＹ ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９３−ＵＳ−Ｐ１；の優先権を主張し、上記出願は参照として本明細書中に組込まれる。しかし、無極性ＧａＮの横方向オーバーグロースを成功させるために必要な成長パラメータが、リアクタによって変わることもあることを指摘しておかなければならない。このような変更は、基本的に本発明の一般的な実施を変えるものではない。
さらに、一般に、膜が接合するポイントまで横方向成長プロセスを継続することが望ましいが、接合は本発明の要件ではない。実際、接合しない横方向オーバーグロースの無極性ＧａＮストライプまたはピラーがより望まれる用途が多くあるものと予想される。したがって、本発明は接合および未接合の横方向オーバーグロースの無極性ＧａＮ膜の両方に当てはまる。
最後に、本明細書に記載のプロセスを拡張し、複数のウェハを成長させることもできる。特に、多数のウェハ上に膜を同時に成長させるときに本発明を実施することができる。
要約すれば、本発明は、ＨＶＰＥによって成長させた無極性ＧａＮの欠陥低減について記載するものであり、これによって、膜品質が著しく改善され、無極性素子を順次作製するための改良されたＧａＮ基板層を作製することができる。
以上、本発明の一つ以上の実施形態を例示および説明のために示した。開示の形態そのものによって本発明を包括または限定することを意図するものではない。上記の教示に鑑みて、多くの変更および変形が可能である。本発明の範囲は、この詳細な記載によってではなく、添付の請求項によって限定されるものである。
一般的な六方晶系ウルツ鉱結晶構造の概略図であり、図中、重要な平面およびその軸を特定して示す。 本発明の好ましい実施形態による平坦な無極性ａ面窒化ガリウム（ＧａＮ）膜のエピタキシャル横方向オーバーグロースを実施する方法を示すフローチャートである。 ａ面ＧａＮストライプの断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。 本発明にかかるストライプの形状を示す図であり、図４（ａ）は［１−１００］ストライプの形状の概略図、図４（ｂ）は、［１−１００］配向のストライプを伴って形成されている２０μｍ厚の接合ＬＥＯ膜の光学顕微鏡によるコントラスト像であり、図４（ｃ）は、接合された二つのストライプの原子間力顕微鏡の１０×１０μｍトポグラフである。 本発明にかかるＬＥＯウェハ、接合膜及びＬＥＯ膜に関する画像であり、図５（ａ）は、［１−１００］GaN-配向のＳｉＯ2 ストライプの周期的配列がパターニングされているＬＥＯウェハの断面のＳＥＭ画像であり、図５（ｂ）は、［１−１００］GaN-配向のＳｉＯ2 ストライプの周期的配列がパターニングされているＬＥＯウェハの断面のＳＥＭ画像であり、図５（ｃ）は、接合膜の平面のＳＥＭ画像であり、図５（ｄ）は、接合膜の陰極線ルミネセンス（ＣＬ）画像である。 本発明のＴＥＭ画像であり、図６（ａ）は、１−１００のｇベクトルで画像化したＬＥＯ膜の平面のＴＥＭ画像、図６（ｂ）は、０１−１０のｇベクトルで画像化したＬＥＯ膜の平面のＴＥＭ画像、図６（ｃ）は、０１−１０のｇベクトルで画像化したＬＥＯ膜の断面のＴＥＭ画像を示す。

Claims (23)

  1. 平坦な無極性窒化ガリウム（ＧａＮ）膜のエピタキシャル横方向オーバーグロースを実施する方法であって、
    （ａ）基板に堆積されているマスクをパターニングする工程、および
    （ｂ）ハイドライド気相成長法を使用して前記基板から前記平坦な無極性ＧａＮ膜のエピタキシャル横方向オーバーグロースを実施する工程を含み、前記パターニングされたマスクによって覆われていない前記基板の部分上にのみ前記平坦な無極性ＧａＮ膜は核を形成し、前記平坦な無極性ＧａＮ膜は、前記パターニングされたマスクの開口部を通って垂直に成長し、次に前記平坦な無極性ＧａＮ膜は、前記パターニングされたマスク上および前記基板の表面上にわたって横方向に広がることにより、平坦な無極性ＧａＮ面である上面となることを特徴とする方法。
  2. 前記エピタキシャル横方向オーバーグロースは、ほぼ大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）またはそれ以下の成長圧力を利用し、少量の水素を含むキャリアガスを利用することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記成長圧力が３００Ｔｏｒｒ未満であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
  4. 前記成長圧力が５から１００Ｔｏｒｒの範囲であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
  5. 前記キャリアガスが主に水素であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
  6. 前記キャリアガスが、水素と、窒素、アルゴンまたはヘリウムとの混合物を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
  7. 前記エピタキシャル横方向オーバーグロースは前記平坦な無極性ＧａＮ膜中の貫通転位密度を低減させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  8. 前記基板はサファイアを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  9. 前記パターニングされたマスクは金属材料から成ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  10. 前記パターニングされたマスクは誘電材料から成ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  11. 前記パターニングされたマスクは、該マスクの下にある前記基板にアクセスできるようなアパーチャまたはストライプを含む二酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）マスクであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  12. 前記パターニング工程は、
    前記基板に二酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）膜を堆積する工程、
    前記二酸化ケイ素膜上にフォトレジスト層をパターニングする工程、
    パターニングされた前記フォトレジスト層によって露出している二酸化ケイ素膜のすべての部分をエッチングして取り除く工程、
    前記フォトレジスト層の残渣部分を除去する工程、および
    前記基板を洗浄する工程
    を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  13. 前記基板は、ＧａＮ、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）または他の薄膜のテンプレート層で覆われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  14. 前記基板は自立ａ面ＧａＮ、ａ面窒化アルミニウム（ＡｌＮ）またはａ面窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）のウェハであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  15. 前記基板は、低温または成長温度で堆積された核形成層で覆われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  16. 請求項１に記載の方法を使用して製造される自立ａ面ＧａＮ膜または基板。
  17. 請求項１に記載の方法を使用して製造される素子。
  18. 前記素子はレーザーダイオード、発光ダイオードまたはトランジスタであることを特徴とする請求項１７に記載の素子。
  19. 基板から成長させる平坦な無極性窒化ガリウム（ＧａＮ）膜のエピタキシャル横方向オーバーグロースであって、
    （ａ）基板に堆積されている誘電性マスクをパターニングする工程、および
    （ｂ）ハイドライド気相成長法を使用して前記基板から前記平坦な無極性ＧａＮ膜のエピタキシャル横方向オーバーグロースを実施する工程を含み、前記パターニングされた誘電性マスクによって露出している前記基板の部分上でのみ前記平坦な無極性ＧａＮ膜は核を形成し、前記平坦な無極性ＧａＮ膜は、前記パターニングされた誘電性マスクの開口部を通って垂直に成長し、次に前記ＧａＮ膜は、前記パターニングされた誘電性マスク上および前記基板の表面上にわたって横方向に広がることにより、平坦な無極性ＧａＮ面である上面となる工程
    を含むプロセスを使用して得られることを特徴とするエピタキシャル横方向オーバーグロース。
  20. 前記平坦な無極性ＧａＮ膜は、鋭い垂直の側壁を作り出すために、前記パターニングされたマスク上および前記基板の表面上にわたって横方向に広がることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  21. 前記平坦な無極性ＧａＮ膜は、鋭い垂直の側壁を作り出すために、前記パターニングされた誘電性マスク上および前記基板の表面上にわたって横方向に広がることを特徴とする請求項１９に記載のエピタキシャル横方向オーバーグロース。
  22. 前記平坦な無極性ＧａＮは、自立無極性ＧａＮ基板を形成するのに十分な厚さに成長されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  23. 前記平坦な無極性ＧａＮ膜は、自立無極性ＧａＮ基板を形成するのに十分な厚さであることを特徴とする請求項１９に記載のエピタキシャル横方向オーバーグロース。
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