(57)【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１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３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５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６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７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６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９に記載のＩＩＩ族窒化物層。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【背景技術】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記のような従来技術における制限を克服するために、また、本明細書を読んで理解して明らかになる他の制限を克服するために、本発明は、安熱法による成長技術を用いて、窒素面またはＭ面のＧａＮを成長するための方法を開示する。
【００１２】
要約すると、本発明は、直接成長したＣ面の窒素面（０００−１）またはＭ面（１０−１０）を有するデバイスと成長方法を記述する。ここではＧａＮに関して記述されるが、本発明の教示は、任意のＩＩＩ族窒化物材料に対して利点がある。
【００１３】
本発明による電子デバイスは、ＧａＮ層を備え、ＧａＮ層は、オフ角が１０度未満のＧａＮ層の有極性窒素面（０００−１）またはＭ面（１０−１０）の表面を用いることによって作製されることを特徴とし、有極性窒素面（０００−１）の表面またはＭ面（１０−１０）の表面は、安熱法という成長技術を用いて作製されることを特徴とする。
【００１４】
そのようなデバイスは、任意で７６０Ｔｏｒｒ未満の圧力下で作製されたＧａＮと、該ＧａＮ層の有極性窒素面またはＭ面の表面と結合したＡｌＧａＮ層と、該ＡｌＧａＮ層に結合した第２のＧａＮ層とを更に備え、電子が該ＡｌＧａＮ層と該第２のＧａＮ層との間の界面の、第２のＧａＮ層側に誘起される。
【００１５】
本発明による光電子デバイスは、安熱法による成長方法で作製された、オフ角が１０度未満の有極性窒素面またはＭ面表面を有する、導電性のＧａＮ基板と、該ＧａＮ基板の有極性窒素面またはＭ面の表面に結合した複数のｎ型ＩＩＩ族窒化物層と、該複数のｎ型ＩＩＩ族窒化物層と結合した、少なくとも一つのＩＩＩ族窒化物の発光する活性層と、該活性層に結合した、Ｍｇのドーピングを有する少なくとも一つのｐ型ＩＩＩ族窒化物層とを備える。
【００１６】
このようなデバイスは、任意で少なくとも一つのＭｇがドープされた層を更に備え、該Ｍｇがドープされた層の濃度が１０21ｃｍ-3より高く、厚さは０．１μｍより厚いことを特徴とする。
【００１７】
本発明によって有極性窒素面（０００−１）またはＭ面（１０−１０）の窒化ガリウム(ＧａＮ)を直接成長する方法は、ＧａＮの窒素面（０００−１）またはＭ面（１０−１０）が露出したＧａＮの種結晶を耐圧釜へ設置するステップと、鉱化剤を耐圧釜へ設置するステップと、原料を耐圧釜へ設置するステップと、アンモニアを耐圧釜へ添加するステップと、耐圧釜を加熱するステップとを備える。
【００１８】
このような方法は、任意でＮａＮＨ2、ＫＮＨ2、ＬｉＮＨ2、ＮＨ4Ｃｌ、ＮＨ4Ｂｒ、およびＮＨ4Ｉを含むグループから選択される鉱化剤と、金属Ｇａを含む原料と、帯域に分けて加熱され、第１の帯域は第１の温度に加熱され、第２の帯域は第２の温度に加熱される耐圧釜とを備え、該原料は第１の帯域に設置され、ＧａＮの窒素面（０００−１）またはＭ面（１０−１０）が露出した該ＧａＮの種結晶は第２の帯域に設置される。
【００１９】
本発明によるＩＩＩ族窒化物層は、基板上に成長したＩＩＩ族窒化物層を備え、該ＩＩＩ族窒化物層は、ＩＩＩ族窒化物層の成長の結果として直接露出した、Ｃ面の窒素面（０００−１）またはＭ面（１０−１０）を含むことを特徴としている。
【００２０】
このような層は、任意で安熱法による成長をさらに含み、該Ｃ面の窒素面（０００−１）またはＭ面（１０−１０）が実質的に基板の表面と共平面であり、該Ｃ面の窒素面（０００−１）またはＭ面（１０−１０）は基板表面に対して傾いていて、該Ｃ面の窒素面（０００−１）またはＭ面（１０−１０）は基板の表面に対して１０度未満の角度で傾いていて、該Ｃ面の窒素面（０００−１）またはＭ面（１０−１０）は、少なくとも一つの更なるＩＩＩ族窒化物層の成長を直接受け入れ、該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がドープされた層であって、該Ｍｇがドープされた層の濃度が１０21ｃｍ-3より高く、厚さは０．１μｍより厚いことを特徴とするＭｇがドープされた層を含む。
【００２１】
本発明は、安熱法による成長方法を用いて作製したＮ面またはＭ面のＧａＮ基板を用いることによって、既存のデバイスよりも高性能を持つ、発光ダイオード(ＬＥＤ)及びレーザダイオード(ＬＤ)のような光電子デバイス、および、高電子移動度トランジスタ(ＨＥＭＴ)、電界効果トランジスタ(ＦＥＴ)及びヘテロバイポーラ・トランジスタ(ＨＢＴ)のような電子デバイスを提供する。Ｎ面またはＭ面のＧａＮ基板を用いればよりよい特性が提供されるが、現時点では、市販のＧａＮ関連デバイスは全てＧａＮ基板のＧａ面上に製作されている。これは、サファイヤまたはＳｉＣのような異種基板上のＧａＮテンプレートの成長がＧａ面上の成長を有利にし、通常は窒素面またはＭ面上の成長の表面分布が粗くなり、処理と更なる成長がより困難になるためである。安熱法による成長方法を用いた窒素面またはＭ面上の成長は、Ｇａ面上の成長よりも平坦な表面を実現する。有極性窒素面(窒素面)またはＭ面の基板の平坦な表面を用いることにより、ＧａＮ及びその関連合金からなる様々な光電子デバイスおよび電子デバイスの特性を改善することができる。
【００２２】
以下、図面を参照し、対応する部分には一貫して同じ参照番号を付与する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下の好ましい実施形態に関する説明では、本発明が実施される特定の実施形態が言及される。本発明の技術範囲から逸脱することなしに、他の実施形態を用いてもよく、また構造的な変化を行ってもよいことは明らかである。
結晶学
図１(ａ)および図１(ｂ)は、六方晶ＧａＮにおいて重要な結晶学的な方位と面を示す概略図である。これらの概略図は、六方晶ウルツ鉱型ＧａＮ構造において重要な様々な結晶学的成長方向と面も示す。斜線などが施されたパターンは、重要な面を示すものであり、構造の材料を表すものではない。
【００２４】
図１(ａ)はｃ面１００の上面図を示し、方向ａ１を１０２、ａ２を１０４、およびａ３を１０６として、ウルツ鉱型結晶の方位を示す。方位１０８と１１０も結晶方位を補助的に示すものであり、それぞれ＜１０−１０＞と＜１１−２０＞方向を示している。
【００２５】
図１（ｂ）はウルツ鉱型結晶の等測図を示す。結晶のｃ面のＧａ面（０００１）は、面１１２として示されている。結晶のｃ面の窒素面（０００−１）は、面１１４として示されている。明瞭にするために、ａ面を１１６、ｍ面を１１８、およびｒ面を１２０として示している。
【００２６】
成長の窓(圧力、温度、および前駆体の流量)が大きく安定しているため、ｃ面(Ｇａ面、（０００１）)のＧａＮを成長することは比較的容易である。それ故に、ほぼすべてのＧａＮベースのデバイスは、この有極性のｃ軸に沿って成長される。しかしながら、ｃ面成長の結果、各材料層において、層の対向する面への電子と正孔が分離してしまう。更に、隣接する層間の界面における歪は圧電分極を引き起こし、更なる電荷分離を誘起する。
成長室
図２は、本発明の実施形態による耐圧釜の概略図を示す。
【００２７】
耐圧釜 (２００)は、耐圧釜蓋(２０２)、耐圧釜ねじ(２０４)、ガスケット(２０６)、内室(２０８)、アンモニア開放口(２１０)、アンモニア導入口(２１２)、内室仕切板(２１４)、及び内室蓋(２１６)を備える。
【００２８】
上記のように、本発明の目的は、超臨界アンモニア中で大きな高品質ＧａＮ結晶を高い成長速度で成長する方法を提供することである。ＧａＮのバルク結晶は、一般的に金属Ｇａまたは多結晶ＧａＮであるＧａを含む原材料を用いて、超臨界アンモニア中で成長される。
【００２９】
垂直の方向に沿って長い寸法を有する耐圧釜 (２００)は、３００℃を超える温度で高圧のアンモニアを含むために用いられる。アンモニアの圧力は１．５ｋｂａｒより高くなるので、耐圧釜(２００)の壁厚は少なくとも１インチでなければならない。
【００３０】
大きな結晶を成長させるために、耐圧釜 (２００)の内径を５ｃｍより大きく設計する。耐圧釜(２００)は高圧かつ大きい断面であるので、耐圧釜(２００)の蓋(２０２)を閉じるためのねじ(２０４)を締めるために必要なトルクは非常に高い。３００℃より高い温度で高い圧力を維持するためには、Ｎｉ−Ｃｒベースの超合金が耐圧釜(２００)の材料として用いられる。しかしながら、Ｎｉ−Ｃｒにより、蓋(２０２)のねじ(２０４)は、ＧａＮを成長する熱サイクルの後で動かなくなる。耐圧釜 (２００)が冷却した後、蓋(２０２)のねじ(２０４)を緩めるために必要なトルクは、水力レンチの最大トルクを容易に超える。
【００３１】
それ故に、耐圧釜(２００)を冷却する前に蓋(２０２)のねじ(２０４)を緩めることが必要である。冷却する前に蓋(２０２)のねじ(２０４)を緩めるために、高圧のアンモニアはＧａＮ成長後の加熱条件下で開放される。耐圧釜(２００)は、高圧力バルブ付きアンモニア開放口(２１０)を備えている。成長反応によって生成したＨ2がアンモニア開放口(２１０)の管の内部に留まり、それによる開放口(２１０)の故障を防ぐために、アンモニア開放口(２１０)は耐圧釜(２００)の最上部に置かれる。
【００３２】
内室(２０８)は、安全に操作し、純粋な結晶を成長するために用いられる。大きなＧａＮ結晶を成長するための耐圧釜 (２００)の全体積は非常に大きいので、１００ｇより多い量の無水アンモニア液が必要となる。アンモニア開放口(２１０)を通して耐圧釜(２００)へのアンモニアの直接供給は、高圧バルブのコンダクタンスが非常に小さいために非常に時間がかかるので、アンモニア開放口(２１０)よりもコンダクタンスが大きいアンモニア導入口(２１２)を備えた内室(２０８)を用いる必要がある。このようにして、原材料として用いるＧａを含む材料と、種結晶として用いるＧａＮ単結晶と、鉱化剤と、アンモニアとを重量の大きい耐圧釜(２００)の外側に装填することができる。
【００３３】
内室(２０８)は、内室(２０８)を耐圧釜(２００)の縦方向に沿って２つの領域に分割する仕切板(２１４)を備えている。これらの領域は上部領域および底部領域と呼ばれる。Ｇａを含む材料は通常は上部領域に装填され、ＧａＮ単結晶は、通常は底部領域に設置される。アルカリ金属またはアルカリ土類金属を含む鉱化剤も内室(２０８)内に装填される。更に、通常は金属ＩｎであるＩｎを含む材料が、ＧａＮの成長速度を速くするために添加されるのが好ましい。すべての固体材料を内室(２０８)内に装填後、内室(２０８)の蓋(２１６)が閉められる。内室(２０８)のアンモニア導入口(２１２)を通してアンモニアが供給される。アンモニアを充填後、アンモニア導入口(２１２)が気密性のねじで閉められる。このようにして、全ての固体材料とアンモニアが、酸素と湿気に汚染されることなく内室(２０８)に装填できる。
【００３４】
既存技術においては、通常は鉱化剤としてＫＮＨ2、ＮａＮＨ2、ＬｉＮＨ2、Ｋ，Ｎａ，Ｌｉが用いられる。Ｉ族アルカリ金属を含む鉱化剤を用いるとＩ族アルカリ金属の汚染によりＧａＮ結晶に色がついてしまうので、代わりにＣａ(ＮＨ2)2、Ｍｇ(ＮＨ2)2、Ｂａ(ＮＨ2)2、Ｃａ3Ｎ2、Ｍｇ3Ｎ2、ＭｇＣｌ2、ＣａＣｌ2、ＭｇＢｒ2、ＣａＢｒ2、ＭｇＩ2、またはＣａＩ2のようなＩＩ族アルカリ土類化合物を用いることが好ましい。ＧａＮの成長速度を速くするために、金属ＩｎのようなＩｎを含む材料を添加してもよい。
【００３５】
全ての必要な材料を内室(２０８)内へ装填した後、内室(２０８)は耐圧釜(２００)の中へ移送される。内室(２０８)は、加熱条件下でアンモニアを開放するように設計されていて、高圧のアンモニアは耐圧釜(２００)内に含まれる。耐圧釜(２００)は多重帯域に分かれたヒータで加熱され、上部領域と底部領域の間で温度差が設定される。このようにして、原材料は超臨界アンモニア内に溶解し、種結晶へ輸送され、ＧａＮ が種結晶上に結晶化する。
【００３６】
既存技術においては、内室材料としてＮｉ−Ｃｒの超合金が用いられる。しかしながら、Ｎｉ−Ｃｒの超合金により、成長したＧａＮは汚染される。様々な金属を用いた耐腐食性の実験に基づくと、バナジウムとバナジウム・ベースの合金が内室(２０８)の材料として、あるいは内室(２０８)の内部被覆の材料として適している。
【００３７】
内室は、内室(２０８)を耐圧釜の縦方向に沿って２つの領域に分割する仕切板(２１４)を備えている。２つの領域は、上部領域および底部領域として知られる。大きなサイズの高圧容器は高圧を保持するために厚い壁を有するため、１枚だけの仕切板でこの２つの領域の間に十分な温度差を設定することは難しい。従って、複数の仕切板を用いることが好ましい。
【００３８】
金属Ｇａまたは多結晶ＧａＮのようなＧａを含む原材料(２１８)は内室の上部領域(２１８)内に置かれ、単結晶ＧａＮのような種結晶(２２０)は内室(２０８)の底部領域(２２２)に置かれる。
【００３９】
反応を促進するために、鉱化剤とよばれる少量の化学薬品が添加される。既存技術では、基礎的条件を得るために、通常はＫＮＨ2、ＮａＮＨ2、ＬｉＮＨ2、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉを用いる。Ｉ族アルカリ金属を含む鉱化剤の代わりに、Ｃａ(ＮＨ2)2、Ｍｇ(ＮＨ2)2、Ｂａ(ＮＨ2)2、Ｃａ3Ｎ2、Ｍｇ3Ｎ2、ＭｇＣｌ2、ＣａＣｌ2、ＭｇＢｒ2、ＣａＢｒ2、ＭｇＩ2、またはＣａＩ2のようなＩＩ族アルカリ土類化合物を用いることにより、成長したＧａＮ結晶がアルカリ金属により汚染されるを予防する。更に、本発明では、金属ＩｎのようなＩｎを含む材料がＧａＮの成長速度を増大させるために添加される。
【００４０】
内室(２０８)はアンモニアで充填され、耐圧釜(２００)内へ装填され、耐圧釜(２００)は外部から、上部領域(２２０)と底部領域(２２４)の間で設定された温度差まで、多重帯域ヒータによって加熱される。
【００４１】
本発明による耐圧釜(２００)を用いて、適当に加熱し、そして耐圧釜(２００)へ添加される材料(２１８、２２２)を用いることにより、デバイス品質である露出した窒素面またはＭ面を持つＧａＮを直接成長することができる。これにより、成長したＧａＮの剥離および／または劈開を行って窒素面またはＭ面を露出させたり、デバイス層の成長の前に粗い窒素面またはＭ面を加工したりするのではなく、ＧａＮデバイスを直接加工することができる。この処理ステップを減らすことにより、ＧａＮデバイス全体の経費を削減し、同時にそのようなデバイスの生産にかかる時間を低減し、そのようなデバイスの歩留まりを向上する。
工程の流れ
図３は工程のフローチャートである。
【００４２】
本発明の目的は、有極性窒素面(窒素面)ＧａＮまたはＭ面ＧａＮの平坦な表面を基板として用いることによって、高性能な光電子デバイスおよび電子デバイスを提供することである。ボックス３００は、平坦な有極性窒素面(窒素面)ＧａＮまたはＭ面ＧａＮの基板を本明細書に記載された安熱法成長によって成長するステップを示す。ボックス３００によって示された安熱法による成長は、ＧａＮの有極性窒素面(窒素面)をもつ薄膜またはＭ面をもつ薄膜の成長、またはバルクのＧａＮの成長ために用いることが出来る。薄膜成長の場合に、ボックス３０２は、ＶＰＥ反応装置に収まるように、基板を整形し、裏面エッチングするステップを表す。更に、ボックス３０２はデバイス層を成長する前に、ボックス３００で成長した有極性窒素面(窒素面)またはＭ面の表面を溶剤で洗浄し、必要な場合には表面研磨、表面の角度研摩、または表面エッチングを行うステップを示す。
【００４３】
バルク成長の場合は、ボックス３０４は、箱３００で成長したバルク結晶からＧａＮ基板を薄片に切り出すステップを示し、引き続く適当な表面研磨と処理を更に示す。次に、ボックス３０６は、ＭＯＣＶＤまたはＭＢＥのような従来の気相エピタキシャル成長法を用いて、有極性窒素面(窒素面)またはＭ面の表面上にデバイス層を成長するステップを表す。露出した窒素面またはＭ面がちょうどＣ面１１４内にあるか、またはＧａＮの表面がその面からオフ角２５度以下、通常は１０度以下で少しずれていてもよい。最後に、ボックス３０８は、半導体処理工程を用いてデバイス構造を作製する工程を示す。
【００４４】
このように、本発明により、ＩＩＩ族窒化物の層の成長の結果として直接現れるＣ面の窒素面（０００−１）またはＭ面（１０−１０）を備えることを特徴とするＩＩＩ族窒化物の層を基板上に成長させることができる。窒素面またはＭ面を直接露出させるということは、レーザ・リフトオフ、切り出し、または剥離技術を用いて基板から窒素面またはＭ面を分離するのではなく、窒素面またはＭ面が安熱法による成長工程の結果として露出することを意味する。更に、本発明は、先行技術に記述された側壁横方向エピタキシャル成長(ＳＬＥＯ)または横方向エピタキシャル成長(ＬＥＯ)技術におけるような実質的に垂直方向ではなく、窒素面またはＭ面は、基板面と実質的に同一平面となることを意図している。しかしながら、種結晶に少しミス・カットがある場合は、窒素面またはＭ面は、上記のように２５度程度、基板面とは少し不一致となる。
【００４５】
本発明によって成長したＣ面の窒素面（０００−１）またはＭ面（１０−１０）を有するＩＩＩ族窒化物層は、少なくとも一つの更なるＩＩＩ族窒化物層の成長を直接受け入れる。成長を直接受け入れるということは、通常は本発明によって成長したＩＩＩ族窒化物層は、層を平坦化する更なる処理を行うことなく、例えば、ＩｎＧａＮ層や更なるＧａＮ層などの更なる層を成長するために用いることができるということを意味している。本発明の方法とデバイスが用いられる時は、通常Ｃ面の窒素面（０００−１）またはＭ面（１０−１０）を用意するために、ドライ・エッチング、ウェット・エッチング、または研磨を必要としない。
【００４６】
本明細書には安熱法による成長に関して記述したが、本発明の技術範囲を逸脱することなしに、他の成長技術も、本明細書に記述した安熱法による成長技術と併せて、または安熱法による成長技術に代わって用いることもできる。
デバイス例
図４は、有極性窒素面(窒素面)またはＭ面基板上のＭｇの高濃度ドープ層を用いたＬＥＤの例を示す。有極性窒素面(窒素面)またはＭ面の表面を用いることによって、Ｍｇのドーピング・レベルが反転ドメインの形成によって制限されなくなる。この構造は直列抵抗がより低いため、発光効率の向上につながる。
【００４７】
基板４００は、本明細書中に開示した安熱法による方法を用いて成長したものである。基板４００は、次の成長ステップの表面である有極性窒素面(窒素面)またはＭ面の表面４０２とともに成長される。次に、ｎ型ＧａＮ層４０４が、ＶＰＥまたは他の成長技術を用いて、有極性窒素面(窒素面)またはＭ面の表面４０２上に成長される。次に、活性層４０６がｎ型層４０４上に成長される。この活性層４０６は発光する材料の層である。次に、高濃度ドープ層４０８が活性層４０６上に成長される。高濃度ドープ層４０８は、通常は高濃度ドープｐ型ＧａＮ層であり、Ｍｇがドープされ、厚さは０．１μｍより厚く、Ｍｇのドーピング・レベルは通常は１０20ｃｍ-3を超え、時には１０21ｃｍ-3を超える。アノード４１０及びカソード４１２は、ＬＥＤであるデバイス４１４の電極として働く。
【００４８】
図５は、安熱法による方法によって成長したＧａＮの有極性窒素面(窒素面)の平坦な表面を利用したＨＥＭＴを示す。基板５００は、図２に示したように、本明細書中に開示した安熱法による方法を用いて成長したものである。基板５００は、次の成長ステップのための表面である有極性窒素面(窒素面)の表面５０２とともに成長される。次に、アンドープＡｌＧａＮ層５０４が、ＶＰＥまたは他の成長技術を用いて有極性窒素面(窒素面)の表面５０２上に成長される。次に、アンドープＧａＮ層５０６が、アンドープＡｌＧａＮ層５０４上に成長される。ここで、層５０６は、ＨＥＭＴの電荷走行層として動作する。次に、アンドープＡｌＧａＮゲート層５０８が層５０６上に成長される。ゲート電極５１０、ソース電極５１２及びドレイン電極５１４がＨＥＭＴであるデバイス５１６の電極として動作する。
【００４９】
有極性Ｇａ面(Ｇａ面)のＧａＮを用いた従来のＨＥＭＴ構造とは異なり、電子のシート電荷５１８は、ＡｌＧａＮ層５０４の下ではなく、ＡｌＧａＮ層５０４の上に誘起される。それ故、誘起した電荷は、基板５００へ漏れ出ることは無い。また、ゲート電極５１０の下のＡｌＧａＮ層５０８は内部電界を変形して、ゲートの下の電子を掃き出すようになる。一方、ソース５１２及びドレイン５１４領域下の電子はそのまま維持される。これにより、有極性Ｇａ面(Ｇａ面)の表面上に成長したＧａＮ/ＡｌＧａＮ系では得られなかった、エンハンスメント・モードのＨＥＭＴ(ノーマリー・オフ・モードの)デバイス５１６を可能にする。
実験結果
実施例１（安熱法による、金属Ｇａを用いた平坦な有極性窒素面(窒素面)をもつＧａＮの成長）
約３ｃｍ×４ｃｍの大表面積のＧａＮ種結晶、約５ｍｍ×５ｍｍの小表面積のＧａＮ種結晶、４０ｇの金属Ｇａ、ＮａＮＨ2(アンモニアに対して１ｍｏｌ％)、ＮａＩ(アンモニアに対して０．０５ｍｏｌ％)、１．０ｇの金属Ｉｎ、および１１４．３ｇの無水液体アンモニアを内室に装填した。内室２０８を内径が約５ｃｍの耐圧釜２００内へ移送した後、耐圧釜２００を６２５℃(上部領域２２０)と６７５℃(底部領域２２４)に加熱した。その結果の最高圧力は３１，５０５ｐｓｉ(２．２ｋｂａｒ)であった。耐圧釜２００をこの高温で１日間保持し、１日後にアンモニアを開放した。本発明の方法により耐圧釜２００内で成長したＧａＮ結晶を図６（ａ）および図６（ｂ）に示す。図６（ａ）は、有極性窒素面(窒素面)の表面を示し、図６（ｂ）は、有極性Ｇａ面(Ｇａ面)の表面を示す。安熱法による成長層(図４および図５の層４００および／または５００)の厚さは約４０μｍであった。図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、窒素面はＧａ面に比べてより平坦であった。この平坦な表面は、気相成長法によって引き続くデバイスの作製に適している。
【００５０】
図６（ａ）に示した窒素面は、引き続いて処理をすることなしに、図４〜図５に記したデバイス層の成長ができる。それ故に、本発明の方法によって製作されたＧａＮウェーハは、デバイス作製のために剥離したり基板を取り除いてｃ面の窒素面を露出させたりする必要は無い。
実施例２（安熱法による、多結晶ＧａＮを用いた平坦な有極性窒素面(窒素面)をもつＧａＮの成長）
約５ｍｍ×５ｍｍのサイズのＧａＮ種結晶、約１２０ｇの多結晶ＧａＮ、ＮａＮＨ2(アンモニアに対して３ｍｏｌ％)、および１０１．３ｇの無水液体アンモニアを内室に装填した。内室２０８を内径が約５ｃｍの耐圧釜２００内へ移送した後、耐圧釜２００を５５０℃(上部領域２２０)と６７５℃(底部領域２２４)に加熱した。その結果の最高圧力は２７，６８６ｐｓｉ(１．９ｋｂａｒ)であった。耐圧釜２００をこの高温で１０日間保持し、１０日後にアンモニアを開放した。約２．５〜２．６μｍのＧａＮ薄膜が種結晶上に成長した。出来上がったＧａＮ 結晶の走査型電子顕微鏡像を図７（ａ）と図７（ｂ）に示す。図７（ａ）は窒素面を示し、図７（ｂ）はＧａ面を示す。実験１と同様に、有極性窒素面(窒素面)の表面は、有極性Ｇａ面(Ｇａ面)よりも平坦である。図７（ａ）に示した窒素面は、図４〜図５に記述したようなデバイス層の直接成長ができる程度に十分平坦である。
実施例３(安熱法による、多結晶ＧａＮを用いた平坦なＭ面をもつＧａＮの成長)
約３ｍｍ×３ｍｍのサイズのＭ面ＧａＮ種結晶、約１００ｇの多結晶ＧａＮ、ＮａＮＨ2(アンモニアに対して３．８ｍｏｌ％)、および１０１．５ｇの無水液体アンモニアを内室に装填した。内室２０８を内径が約５ｃｍの耐圧釜２００内へ移送した後、耐圧釜２００を５１０℃(上部領域２２０)と７００℃(底部領域２２４)に加熱した。その結果の最高圧力は２７，９８６ｐｓｉ(１．９ｋｂａｒ)であった。耐圧釜２００をこの高温で８３日間保持し、８３日後にアンモニアを開放した。平坦なＭ面ＧａＮがＭ面ＧａＮ種結晶上に成長した。図７（ｃ）は、成長したＭ面ＧａＮの写真を示す。
実施例４(安熱法で作製した有極性窒素面(窒素面)ＧａＮ上の、ＭＯＣＶＤを用いた平坦な有極性窒素面(窒素面)をもつＧａＮの成長)
実験１で成長した窒素面ＧａＮ上にＭＯＣＶＤ法を用いてＧａＮ薄膜を成長した。成長に先立って、基板の裏面(Ｇａ面)を、研磨機を用いて約４００μｍまで薄くした。トリメチルガリウムとアンモニアを原料ガスとしてＧａＮ薄膜を低圧で成長した。トリメチルガリウムとアンモニアの流速は、それぞれ１８μｍｏｌ/分と３リットル／分であった。基板温度は１，１８５℃であり、反応装置内圧力は７６Ｔｏｒｒであった。通常、成長圧力は７６０Ｔｏｒｒ未満であり、典型的には約１００Ｔｏｒｒである。図８に示すように、１時間の成長後、Ｃ面のＮ面の平坦な表面が直接露出した約１μｍ厚のＧａＮ層が得られた。
好ましい実施形態に関する改良と変形の可能性
安熱法によるＧａＮ薄膜成長が例に示されたが、安熱法により成長したバルクＧａＮ結晶から薄く切り出したＧａＮ基板もまた、高性能光電子デバイス及び電子デバイスのために用いることが出来る。実験例に用いた鉱化剤はＮａＮＨ2であったが、ＫＮＨ2、ＬｉＮＨ2、ＮＨ4Ｃｌ、ＮＨ4Ｂｒ、ＮＨ4Ｉなどのような他の鉱化剤も、平坦な有極性窒素面(窒素面)をもつＧａＮを成長するために用いることができる。
利点
既存の方法とデバイスでは、有極性Ｇａ面(Ｇａ面)の表面がデバイス作製に用いられている。有極性Ｇａ面(Ｇａ面)の表面を用いることは、性質的に欠点があり、出来上がる光電子デバイス及び電子デバイスの性能が制限される。しかしながら、有極性窒素面(窒素面)またはＭ面デバイスの利点が予想されるにも関わらず、既存の成長方法は、引き続く成長とデバイス処理工程のための平坦な有極性窒素面(窒素面)またはＭ面をもつ表面を実現することができない。
【００５１】
本発明では、安熱法による成長方法は、引き続くデバイス作製に適した平坦な有極性窒素面(窒素面)またはＭ面の表面を実現することが示された。本発明の安熱法による方法で作製した有極性窒素面(窒素面)またはＭ面の表面を用いることによって、あらゆる種類の光電子デバイスと電子デバイスの性能を改善することができる。また、本発明では窒素面またはＭ面を露出させるためのチップの貼り合せおよび剥離の工程が必要なくなるため、工程のステップを減らすことができる。
工程図
図９は、本発明を実行するために用いられる工程の概略を示す工程図である。
【００５２】
ボックス９００は、ＧａＮの露出した窒素面またはＭ面を持つＧａＮの種結晶を耐圧釜に設置するステップを表す。
【００５３】
ボックス９０２は、鉱化剤を耐圧釜内に設置するステップを表す。
【００５４】
ボックス９０４は、原料を耐圧釜内に設置するステップを表す。
【００５５】
ボックス９０６は、アンモニアを耐圧釜内に添加するステップを表す。
【００５６】
ボックス９０８は、耐圧釜を加熱するステップを表す。
結論
要約すると、本発明は、Ｃ面の窒素面(０００−１)またはＭ面(１０−１０)を直接成長する方法とデバイスを記述している。本明細書ではＧａＮに関してして記述したが、本発明の技術は、任意のＩＩＩ族窒化物材料に対して利点がある。
【００５７】
本発明による電子デバイスはＧａＮ層を備え、該ＧａＮ層はオフ角が１０度未満の有極性窒素面（０００−１）を持つＧａＮ層を利用して作製され、有極性窒素面（０００−１）は安熱法による成長技術を用いて作製されることを特徴とする。
【００５８】
そのようなデバイスは、任意で７６０Ｔｏｒｒ未満の圧力下で作製されたＧａＮと、該ＧａＮ層の有極性窒素面の表面に結合したＡｌＧａＮ層と、該ＡｌＧａＮ層に結合した第２のＧａＮ層とを更に備え、電子が該ＡｌＧａＮ層と該第２のＧａＮ層の界面の該第２のＧａＮ層側に誘起されることを特徴とする。
【００５９】
本発明による光電子デバイスは、安熱法による成長方法を用いて作製された、有極性窒素面またはＭ面の表面を持ち、オフ角が１０度未満である導電性のＧａＮ基板と、該ＧａＮ基板の該有極性窒素面またはＭ面の表面に結合した複数のｎ型ＩＩＩ族窒化物層と、該複数のｎ型ＩＩＩ族窒化物層に結合した、少なくとも一つのＩＩＩ族窒化物の発光する活性層と、および該活性層に結合した、Ｍｇドーピングを有する少なくとも一つのｐ型ＩＩＩ族窒化物層とを備える。
【００６０】
そのようなデバイスは、任意で少なくとも一つのＭｇがドープされた層を更に備え、該Ｍｇがドープされた層の濃度は１０21ｃｍ-3より高く、厚さは０．１μｍより厚いことを特徴とする。
【００６１】
本発明によって有極性窒素面（０００−１）またはＭ面の窒化ガリウム(ＧａＮ)を直接成長する方法は、ＧａＮの露出した窒素面（０００−１）またはＭ面を持つＧａＮの種結晶を耐圧釜に設置するステップと、鉱化剤を耐圧釜に設置するステップと、原料を耐圧釜に設置するステップ、アンモニアを耐圧釜に添加するステップ、および耐圧釜を加熱するステップを備える。
【００６２】
このような方法は、任意でＮａＮＨ2、ＫＮＨ2、ＬｉＮＨ2、ＮＨ4Ｃｌ、ＮＨ4Ｂｒ、およびＮＨ4Ｉを含むグループから選択される鉱化剤と、金属Ｇａを含む原料と、帯域に分けて加熱される耐圧釜であって、第１の帯域は第１の温度に加熱され、第２の帯域は第２の温度に加熱され、原料は第１の帯域に置かれ、露出したＧａＮの窒素面（０００−１）またはＭ面を有するＧａＮの種結晶は第２の帯域に置かれることを特徴とする耐圧釜とを更に備える。
【００６３】
本発明によるＩＩＩ族窒化物層は、基板上に成長したＩＩＩ族窒化物層を備え、該ＩＩＩ族窒化物層は、ＩＩＩ族窒化物層の成長の結果として直接露出したＣ面の窒素面（０００−１）またはＭ面（１０−１０）を備えることを特徴とする。
【００６４】
そのような層は、任意で安熱法による成長である成長を備え、Ｃ面の窒素面（０００−１）またはＭ面（１０−１０）が基板の表面と実質的に共平面であり、Ｃ面の窒素面（０００−１）またはＭ面（１０−１０）が基板の表面に対して傾いていて、Ｃ面の窒素面（０００−１）またはＭ面（１０−１０）が基板の表面に関して１０度未満の角度で傾いていて、Ｃ面の窒素面（０００−１）またはＭ面（１０−１０）が少なくとも一つの更なるＩＩＩ族窒化物の層の成長を直接受け入れ、該少なくとも一つの更なるＩＩＩ族窒化物の層は少なくとも一つのＭｇがドープされた層を含み、Ｍｇがドープされた層の濃度が１０21ｃｍ-3より高く、Ｍｇがドープされた層の厚さは０．１μｍより厚いことを特徴とする。
【００６５】
これで本発明の好ましい実施形態の記述は終わる。本発明の一つ以上の実施形態に関する上記の記述は例示と記載のために示された。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。上記の教示に照らして多くの変更と変形が可能である。本発明の技術範囲はこの詳細な説明によってではなく、本発明に添付の請求項によって限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】図１（ａ）は、六方晶ＧａＮにおいて重要な結晶学的方向と面の概略図である。図１（ｂ）は、六方晶ＧａＮにおいて重要な結晶学的方向と面の概略図である。
【図２】本発明の実施形態による耐圧釜の概略図である。
【図３】工程のフローチャートである。
【図４】有極性窒素面(窒素面)の基板上の高濃度ドープのＭｇ層を用いたＬＥＤの一例を示す。
【図５】安熱法による方法によって成長した、平坦なＧａＮの有極性窒素面(窒素面)の表面を利用したＨＥＭＴを示す。
【図６】図６（ａ）は本発明による第１の方法で成長したＧａＮ結晶を示す。図６（ｂ）は本発明による第１の方法で成長したＧａＮ結晶を示す。
【図７】図７（ａ）は本発明による第２の方法で成長したＧａＮ結晶を示す。図７（ｂ）は本発明による第２の方法で成長したＧａＮ結晶を示す。図７（ｃ）は成長したＭ面ＧａＮの写真を示す。
【図８】図４（ａ）のＧａＮ結晶上に成長した、平坦表面を有する厚さ１μｍのＧａＮ層を示す。
【図９】本発明を実行するために用いられるステップの概要を示す工程図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図９】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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