(57)【要約】【課題】  平坦な半極性窒化物薄膜の大面積が基板の表面に平行であるような、ミスカットスピネル基板上への平坦な半極性窒化物薄膜の成長方法を提供すること。【解決手段】  平坦な薄膜と基板は（１）特定の方向にミスカットした｛１００｝スピネル基板上に成長した｛１０−１１｝窒化ガリウム (ＧａＮ）、（２）｛１１０｝スピネル基板上に成長した｛１０−１３｝窒化ガリウム (ＧａＮ）、（３）｛１−１００｝サファイヤ基板上に成長した｛１１−２２｝窒化ガリウム (ＧａＮ）、および（４）｛１−１００｝サファイヤ基板上に成長した｛１０−１３｝窒化ガリウム (ＧａＮ）を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面上に成長される半極性窒化物薄膜であって、
前記半極性窒化物薄膜は（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ薄膜またはＩＩＩ族窒化物薄膜であり、
前記半極性窒化物薄膜の成長表面は成長しても平坦で安定であり、
前記半極性窒化物薄膜の前記成長表面は、前記基板の表面に平行な少なくとも１０ｍｍ×１０ｍｍの表面積を有し、
前記平坦な半極性窒化物薄膜は、ｃ面極性窒化物薄膜上に成長したデバイス層と比べて、前記半極性薄膜上に成長したデバイス層における分極が低減し、該分極はデバイス層から生じ、前記薄膜は非同一の組成である故に格子定数が異なることを特徴とする前記半極性窒化物薄膜からなる窒化物デバイス。
【請求項２】
前記半極性窒化物薄膜が｛１０−１３｝ＧａＮ薄膜であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物デバイス。
【請求項３】
前記半極性窒化物薄膜が｛２０−２１｝窒化物薄膜であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物デバイス。
【請求項４】
前記半極性窒化物薄膜が｛１０−１４｝窒化物薄膜であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物デバイス。
【請求項５】
前記半極性窒化物薄膜が｛１０−１２｝窒化物薄膜であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物デバイス。
【請求項６】
前記半極性窒化物薄膜が｛１０−１１｝窒化物ガリウムであることを特徴とする、請求項６に記載の窒化物デバイス。
【請求項７】
前記基板が＜０１１＞方向にミスカットされた（１００）スピネル基板であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物デバイス。
【請求項８】
前記半極性窒化物薄膜が｛１１−２２｝ＧａＮ薄膜であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物デバイス。
【請求項９】
前記基板が（１−１００）サファイヤ基板であることを特徴とする、請求項８に記載の窒化物デバイス。
【請求項１０】
前記基板が（１−１００）サファイヤ基板であることを特徴とする、請求項２に記載の窒化物デバイス。
【請求項１１】
前記基板が（１１０）スピネル基板であることを特徴とする、請求項２に記載の窒化物デバイス。
【請求項１２】
前記半極性窒化物薄膜が窒化ガリウム（ＧａＮ）膜であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物デバイス。
【請求項１３】
前記平坦な半極性ＧａＮ薄膜上に一つ以上のデバイス層をさらに備える請求項１に記載の窒化物デバイスであって、
前記デバイス層が（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）ＮまたはＩＩＩ族窒化物からなり、
前記デバイス層がｎ型層またはｐ型層からなり、
前記デバイス層が、ｃ面極性ＧａＮ薄膜上のデバイス層と比べて圧電分極を含む分極の合計が低減することを特徴とするデバイス層であることを特徴とする窒化物デバイス。
【請求項１４】
前記表面積上に緑色発光ダイオード層をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物デバイス。
【請求項１５】
前記半極性薄膜の前記表面積が少なくとも直径５０ｍｍ（２インチ）であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物デバイス。
【請求項１６】
前記半極性薄膜が半極性光電子または電子デバイスの基板であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物デバイス。
【請求項１７】
前記薄膜が単結晶であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物デバイス。
【請求項１８】
酸素除去のために排気されて、その後、窒素で充填されている反応装置内へ基板を装着する工程と、
炉のスイッチを入れて、前記基板表面の窒化を促進する条件下で前記反応装置の温度を上昇する工程と、
大気圧で前記基板上へ窒素、水素、またはアンモニアのガスを流す工程と、
前記炉が設定温度に達したら反応装置の圧力を低下させる工程と、
前記反応装置の圧力が下がった後で、アンモニアを流し、窒化ガリウム（ＧａＮ）の成長を開始するためにガリウム（Ｇａ）上へ塩化水素（ＨＣｌ）を流し始めることによりＧａＮの成長を行う工程であって、平坦な半極性窒化物膜が前記基板表面に平行になるように成長される工程、および
前記ＨＣｌの流れを止めて、ＧａＮを保護するためにアンモニアを流しながら前記反応装置を冷却する、ＧａＮ成長後の前記反応装置の冷却工程とを備える窒化物薄膜を成長する方法。
【請求項１９】
前記基板が反応装置に装着される前にミスカットされていることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
｛１１−２２｝ＧａＮを成長するために、窒化が低温で起こるように、前記炉を前記成長温度へ昇温しながらアンモニアを流すことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
｛１０−１３｝ＧａＮを成長するために、前記昇温過程では水素と窒素だけを流し、前記基板はその後、成長温度にてアンモニアガスを流され高温窒化を受けることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
基板の表面上に半極性窒化物薄膜を成長する工程であって、
前記半極性窒化物薄膜が（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ薄膜またはＩＩＩ族窒化物薄膜であり、
前記半極性窒化物薄膜の成長表面が成長しても平坦で安定であり、
前記半極性窒化物薄膜の前記成長表面が前記基板の表面に平行で少なくとも１０ｍｍ×１０ｍｍの表面積を有し、前記半極性窒化物薄膜は、ｃ面極性窒化物薄膜上に成長したデバイス層と比べて、前記半極性薄膜上に成長したデバイス層における分極が低減し、該分極はデバイス層から生じ、前記薄膜は非同一の組成である故に格子定数が異なるという成長条件下で成長する工程を備えることを特徴とする、窒化物デバイスの作製方法。
【請求項２３】
前記半極性ＩＩＩ族窒化物層を成長する工程が、
（ａ）基板および該基板の表面の方位を、前記半極性ＩＩＩ族窒化物層の所望の半極性方位に基づいて選択する工程と、
（ｂ）前記基板を反応装置の中に装着する工程と、
（ｃ）前記反応装置を昇温する工程と、
（ｄ）前記昇温する工程中に、前記基板の表面上にガスの組み合わせを流す工程であって、
（ｉ）前記ガスの組み合わせがアンモニア、水素、および窒素のうち一つ以上からなり、
（ｉｉ）前記ガスの組み合わせが前記基板および前記所望の半極性方位に基づいて選択されることを特徴とする工程と、
（ｅ）成長温度に達したら気相成長法または蒸着を用いて前記基板の表面上に前記半極性ＩＩＩ族窒化物層を成長する工程であって、前記半極性ＩＩＩ族窒化物層は平坦かつ安定で、前記半極性窒化物層は前記基板に平行で表面積が少なくとも１０ｍｍ×１０ｍｍである工程とを備えることを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
（ｆ）前記基板がサファイヤで、前記表面が該サファイヤの｛１−１００｝表面であるとき、
（ｉ）前記ガス流が、｛１０−１３｝ＧａＮである平坦な半極性ＧａＮ薄膜を得るために前記成長温度で前記アンモニアが流されるように前記反応装置を前記成長温度へ昇温しながら流される前記窒素および前記水素からなる、または、
（ｉｉ）前記ガス流が、｛１１−２２｝ＧａＮである平坦な前記半極性ＧａＮ薄膜を得るために前記アンモニアが低温で流されるように前記反応装置を前記成長温度へ昇温しながら流される前記アンモニアからなり、
（ｇ）前記基板がスピネル基板であり、前記表面が前記スピネルの｛１１０｝表面であるとき、｛１０−１３｝ＧａＮである平坦な前記半極性ＧａＮ薄膜を得るために、前記スピネルの表面の窒化を促進する条件下で前記温度を上昇し、
（ｈ）前記基板がスピネル基板であり、前記表面が＜０１１＞方向にミスカットされた前記スピネルの｛１００｝表面であるとき、｛１０−１１｝ＧａＮである平坦な半極性ＧａＮ薄膜を得るために、前記スピネルの表面の窒化を促進する条件下で前記温度を上昇することを特徴とする、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記半極性窒化物薄膜は窒化ガリウムであることを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
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係属の米国特許出願の優先権を主張するものである。
【０００２】
トロイ・Ｊ．ベーカー（Ｔｒｏｙ  Ｊ．Ｂａｋｅｒ）、ベンジャミン・Ａ．ハスケル（Ｂｅｎｊａｍｉｎ  Ａ．Ｈａｓｋｅｌｌ）、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）および中村修二（Ｓｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ）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「平坦な半極性ガリウム窒化物の成長技術（ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ  ＦＯＲ  ＴＨＥ  ＧＲＯＷＴＨ  ＯＦ  ＰＬＡＮＡＲ  ＳＥＭＩ−ＰＯＬＡＲ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ）」、代理人整理番号３０７９４．１２８−ＵＳ−Ｐ１この出願は参照として本明細書に組み込まれる。
【０００３】
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特許出願と関係するものである。
【０００４】
ロバート・Ｍ．ファレル（Ｒｏｂｅｒｔ  Ｍ．Ｆａｒｒｅｌｌ）、トロイ・Ｊ．ベーカー、アーパン・チャクラボーティー（Ａｒｐａｎ  Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ）、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薄膜へテロ構造およびデバイスの成長ならびに製作方法（ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ  ＦＯＲ  ＴＨＥ  ＧＲＯＷＴＨ  ＡＮＤ  ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ  ＯＦ  ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ  （Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎ  ＴＨＩＮ  ＦＩＬＭＳ，ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ，ＡＮＤ  ＤＥＶＩＣＥＳ）」、代理人識別番号３０７９４．１４０−ＵＳ−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３０７９４．１４１−ＵＳ−Ｐ１（２００５−６７２）
マイケル・イザ（Ｍｉｃｈａｅｌ  Ｉｚａ）、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「有機金属気相成長法による半極性（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）
ジョン・Ｆ．ケイディング（Ｊｏｈｎ  Ｆ．Ｋａｅｄｉｎｇ）、マイケル・イザ、トロイ・Ｊ．ベーカー、サトー・ヒトシ（Ｈｉｔｏｓｈｉ  Ｓａｔｏ）、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、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６０／７６０，７３９号、２００６年１月２０日出願、発明の名称「半極性（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎの改良成長法（ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＩＭＰＲＯＶＥＤ  ＧＲＯＷＴＨ  ＯＦ  ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ  （Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ）」、代理人整理番号３０７９４．１５０−ＵＳ−Ｐ１（２００６−１２６）
サトー・ヒトシ、ジョン・Ｆ．ケイディング、マイケル・イザ、トロイ・Ｊ．ベーカー（Ｔｒｏｙ  Ｊ．Ｂａｋｅｒ）、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「有機金属気相成長法による半極性（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．ケイディング、サトー・ヒトシ、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．ケイディング、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（ＭＥＴＨＯＤＦＯＲ  ＧＲＯＷＴＨ  ＯＦ  ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ  （Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ  ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ  ＤＥＶＩＣＥＳ）」、代理人整理番号３０７９４．１７３−ＵＳ−Ｐ１（２００６−４２２）；
ベンジャミン・Ａ．ハスケル、マイケル・Ｄ．クレイブン（Ｍｉｃｈａｅｌ  Ｄ．Ｃｒａｖｅｎ）、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出願第１０／５３７，６４４号、２００５年６月６日出願、発明の名称「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（ＧＲＯＷＴＨ  ＯＦ  ＲＥＤＵＣＥＤ  ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ  ＤＥＮＳＩＴＹ  ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＢＹ  ＨＹＤＲＩＤＥ  ＶＡＰＯＲ  ＰＨＡＳＥ  ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人整理番号３０７９４．９３−ＵＳ−ＷＯ（２００３−２２４−２）。この出願は米国特許法第３６５条（ｃ）に基づいて以下の国際特許出願の優先権を主張するものである。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、中村修二による国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１８、２００３年７月１５日出願、発明の名称「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（ＧＲＯＷＴＨ  ＯＦ  ＲＥＤＵＣＥＤ  ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ  ＤＥＮＳＩＴＹ  ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＢＹ  ＨＹＤＲＩＤＥ  ＶＡＰＯＲ  ＰＨＡＳＥ  ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人整理番号３０７９４．９３−ＷＯ−Ｕ１（２００３−２２４−２）。この出願は米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、次の米国特許仮出願の優先権を主張している。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、中村修二による米国特許仮出願第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方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  ＲＥＤＵＣＥＤＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮＤＥＮＳＩＴＹ  ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＢＹ  ＨＹＤＲＩＤＥ  ＶＡＰＯＲ  ＰＨＡＳＥ  ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人整理番号３０７９４．９３−ＵＳ−Ｐ１（２００３−２２４−１）
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．スペックおよび中村修二による米国特許出願第１０／５３７，３８５号、２００５年６月３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（ＧＲＯＷＴＨ  ＯＦ  ＰＬＡＮＡＲ, ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ  Ａ−ＰＬＡＮＥ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＢＹ  ＨＹＤＲＩＤＥ  ＶＡＰＯＲ  ＰＨＡＳＥ  ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人整理番号３０７９４．９４−ＵＳ−ＷＯ（２００３−２２５−２) 。この出願は米国特許法第３６５条（ｃ）に基づいて、以下の特許出願の利益を主張するものである。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．スペックおよび中村修二による国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１６、２００３年７月１５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（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（２００３−２２５−２）この出願は米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、次の米国特許仮出願の優先権を主張している。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．スペックおよび中村修二による米国特許仮出願第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（ＴＥＣＨＮＩＱＵＥＦＯＲＴＨＥＧＲＯＷＴＨ  ＯＦ  ＰＬＡＮＡＲ，ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ  Ａ−ＰＬＡＮＥ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＢＹ  ＨＹＤＲＩＤＥ  ＶＡＰＯＲ  ＰＨＡＳＥ  ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人整理番号３０７９４．９４−ＵＳ−Ｐ１（２００３−２２５−１）
マイケル・Ｄ．クレイブン、ジェームス・Ｓ．スペックによる米国特許出願第１０／４１３，６９１号、２００３年４月１５日出願、発明の名称「有機金属気相成長法により成長した非極性ａ面窒化ガリウム薄膜（ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ  Ａ−ＰＬＡＮＥ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥＴＨＩＮＦＩＬＭＳＧＲＯＷＮＢＹＭＥＴＡＬＯＲＧＡＮＩＣＣＨＥＭＩＣＡＬＶＡＰＯＲＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ）」、代理人整理番号３０７９４．１００−ＵＳ−Ｕ１（２００２−２９４−２）。この出願は米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、次の特許文献の優先権を主張している。マイケル・Ｄ．クレイブン、ステーシア・ケラー（Ｓｔａｃｉａ  Ｋｅｌｌｅｒ）、スティーブン・Ｐ．デンバース、タル・マーガリス（Ｔａｌ  Ｍａｒｇａｌｉｔｈ）、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二、ウメシュ・Ｋ．ミシュラによる米国特許仮出願第６０／３７２，９０９号、２００２年４月１５日出願、発明の名称「非極性窒化ガリウム系の薄膜およびヘテロ構造材料（ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＢＡＳＥＤＴＨＩＮＦＩＬＭＳＡＮＤＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＭＡＴＥＲＩＡＬＳ）」、代理人整理番号３０７９４．９５−ＵＳ−Ｐ１（２００２−２９４／３０１／３０３）
マイケル・Ｄ．クレイブン、ステーシア・ケラー、スティーブン・Ｐ．デンバース、タル・マーガリス、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二、ウメシュ・Ｋ．ミシュラによる米国特許出願第１０／４１３，６９０、２００３年４月１５日出願、発明の名称「非極性（Ａｌ，Ｂ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ量子井戸とヘテロ構造材料及びデバイス（ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ  （Ａｌ，Ｂ，Ｉｎ，Ｇａ）ＮＱＵＡＮＴＵＭＷＥＬＬＡＮＤＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＭＡＴＥＲＩＡＬＳＡＮＤＤＥＶＩＣＥＳ）」、代理人整理番号３０７９４．１０１−ＵＳ−Ｕ１（２００２−３０１−２）。この出願は米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、次の米国特許仮出願の優先権を主張している。マイケル・Ｄ．クレイブン、ステーシア・ケラー、スティーブン・Ｐ．デンバース、タル・マーガリス、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二、ウメシュ・Ｋ．ミシュラによる米国特許仮出願第６０／３７２，９０９号、２００２年４月１５日出願、発明の名称「非極性窒化ガリウム系の薄膜およびヘテロ構造材料（ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＢＡＳＥＤＴＨＩＮＦＩＬＭＳＡＮＤＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＭＡＴＥＲＩＡＬＳ）」、代理人整理番号３０７９４．９５−ＵＳ−Ｐ１（２００２−２９４／３０１／３０３）、
マイケル・Ｄ．クレイブン、ステーシア・ケラー、スティーブン・Ｐ．デンバース、タル・マーガリス、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二、ウメシュ・Ｋ．ミシュラによる米国特許出願第１０／４１３，９１３、２００３年４月１５日出願、発明の名称「非極性窒化ガリウム薄膜における転位の低減（ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮＲＥＤＵＣＴＩＯＮＩＮＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ  ＧＡＬＬＩＵＭＮＩＴＲＩＤＥＴＨＩＮＦＩＬＭＳ）」、代理人整理番号３０７９４．１０２−ＵＳ−Ｕ１（２００２−３０３−２）。この出願は米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、次の米国特許仮出願の優先権を主張している。マイケル・Ｄ．クレイブン、ステーシア・ケラー、スティーブン・Ｐ．デンバース、タル・マーガリス、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二、ウメシュ・Ｋ．ミシュラによる米国特許仮出願第６０／３７２，９０９号、２００２年４月１５日出願、発明の名称「非極性窒化ガリウム系の薄膜とヘテロ構造材料（ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＢＡＳＥＤＴＨＩＮＦＩＬＭＳＡＮＤＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＭＡＴＥＲＩＡＬＳ）」、代理人整理番号３０７９４．９５−ＵＳ−Ｐ１
マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバースによる国際特許出願第ＰＴＣ／ＵＳ０３／３９３５５、２００３年１２月１１日出願、発明の名称「非極性（Ａｌ，Ｂ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ量子井戸（ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ（Ａｌ，Ｂ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ  ＱＵＡＮＴＵＭ  ＷＥＬＬＳ）」、代理人整理番号３０７９４．１０４−ＷＯ−０１（２００３−５２９−１）。この出願は上記特許出願ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１８（３０７９４．９３−ＷＯ−Ｕ１），ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１６（３０７９４．９４−ＷＯ−Ｕ１），１０／４１３，６９１（３０７９４．１００−ＵＳ−Ｕ１），１０／４１３，６９０（３０７９４．１０１−ＵＳ−Ｕ１）、１０／４１３，９１３（３０７９４．１０２−ＵＳ−Ｕ１）の一部継続出願である。
【０００５】
これらの出願の全ては参照として本明細書に組み込まれているものとする。
１．本発明の技術分野
本発明は平坦な半極性窒化ガリウムの成長技術に関するものである。
【背景技術】
【０００６】
２．関連技術の説明
窒化ガリウム（ＧａＮ）およびアルミニウムとインジウムを組み込んだ窒化ガリウムの３元、４元化合物（ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ）の有用性は可視および紫外の光電子デバイスおよび高性能電子デバイスの作製に関して十分に確立している。これらのデバイスは通常は分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、およびハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）を含む成長技術を用いてエピタキシャルに成長される。
【０００７】
ＧａＮおよびその合金は六方晶系ウルツ鉱型結晶構造において最も安定である。この構造は相互に１２０°回転関係にある２つ（あるいは３つ）の等価な基底面軸（ａ軸）によって表わされ、これらの軸はすべて主軸のｃ軸に直交する。III 族原子と窒素原子が結晶のｃ軸方向に交互にｃ面を占有する。ウルツ鉱型構造に含まれる対称要素の示すところによれば、III 族窒化物はｃ軸に沿ってバルクの自発分極をもち、またウルツァイト構造は圧電分極を示す。
【０００８】
電子デバイスおよび光電子デバイスのための現行の窒化物技術は極性のあるｃ方向に沿って成長する窒化物薄膜を用いている。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分極および自発分極の存在によって望ましくない量子閉じ込めＳｔａｒｋ効果（ＱＣＳＥ）を示すことになる。ｃ軸方向強い内蔵電界は電子と正孔の空間分離を引き起こし、そのため、キャリアの再結合効率の制限、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。
【０００９】
ＧａＮ光電子デバイスにおける自発分極および圧電分極の効果を除くひとつの方法は、デバイスを結晶の非極性面上に成長することである。そのような面はＧａ原子とＮ原子を等しい数だけ含み、電荷中性である。さらに、引き続く非極性層はお互いに等価であるために、バルク結晶は成長方向に沿って分極しない。ＧａＮにおけるこのような２つの対称等価な非極性面ファミリーは、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。例えば、上記で相互参照とした出願に記述されているようなカリフォルニア大学の研究者によってなされた進展にもかかわらず、残念ながら、非極性ＧａＮの成長はまだ挑戦すべき課題が残っており、未だにIII 族窒化物の産業で広く採用されるには至っていない。
【００１０】
ＧａＮ光電子デバイスにおける分極の効果を低減あるいは、可能ならば除去するための他の方法は、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、Ｍｉｌｌｅｒ指数ｈ、ｉ、ｋのうちの２つがゼロでなく、Ｍｉｌｌｅｒ指数ｌもゼロではない色々な面のことをいう。ｃ面ＧａＮへテロエピタキシーにおいて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｝面などであり、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ことのある面と偶然同じである。ウルツ鉱型結晶構造の半極性面の他の例は｛１０−１２｝、｛２０−２１｝および｛１０−１４｝であるが、これら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はなく、またそのような面に垂直でもなく、むしろ面の表面法線に対していくらか傾いた角度で存在している。たとえば、｛１０−１１｝と｛１０−１３｝はｃ面に対してそれぞれ６２．９８°と３２．０６°である。
【００１１】
分極の他の原因は圧電分極である。これは、非同一の組成の（それ故に格子定数が異なる）（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ層が窒化物へテロ構造において成長されるときに起こるような、材料が圧縮または引張り歪を受ける場合に起こる。例えば、ＧａＮテンプレート上の薄いＡｌＧａＮ層は面内引張り歪をもち、ＧａＮテンプレート上の薄いＩｎＧａＮ層は面内圧縮歪をもつ。これらは共にＧａＮに格子整合するために生じるものである。それ故に、ＧａＮ上のＩｎＧａＮ量子井戸に対しては、圧電分極の向きはＩｎＧａＮやＧａＮの自発分極の向きと反対である。ＧａＮに格子整合したＡｌＧａＮ層は圧電分極の向きがＡｌＧａＮやＧａＮの自発分極の向きと同一である。
【００１２】
ｃ面窒化物を用いることに対して半極性面を用いることが有する利点は分極の合計が低減することである。特定の面上に特殊な合金組成を用いれば分極をゼロにすることさえ出来る。そのようなシナリオは将来出版される科学雑誌において詳しく議論されるであろう。重要なことはｃ面窒化物構造に比べて分極が低減するであろうということである。
【００１３】
ＧａＮのバルク結晶は入手できない。それゆえ結晶を単純に切断して、引き続くデバイスの再成長のために表面を出すのは不可能である。一般的にはＧａＮ薄膜は、最初はヘテロエピタキシーで、即ちＧａＮと適度な格子整合を有する別の基板結晶上に成長される。
【００１４】
半極性ＧａＮ面はｃ面に配向したストライプにパターン形成された側壁上に作製されてきた。ニシヅカら（非特許文献１）はこの技術によって｛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面の内部量子効率より高く、それが分極の低減によるものであることも実証した。
【００１５】
しかしながら、半極性面を作製するこの方法はエピタキシャル横方向成長（ＥＬＯ）からの加工品であり、本発明のそれに比べて著しく異なる。ＥＬＯはＧａＮやその他の半導体の欠陥を低減するために用いられている。マスク材料のストライプをパターン形成する工程を含み、ＧａＮのマスク材料にはしばしはＳｉＯ2 が用いられる。ＧａＮはマスク間の開口窓から成長し、やがてマスク上に成長する。ＧａＮはそこで横方向成長によって合体して連続した膜を形成する。こ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できる。ストライプが合体する前に成長を止めると小面積の半極性面を露出させることが出来る。表面積はせいぜい幅１０μｍ程度である。さらに、半極性面は基板表面に平行ではない。加えて、この表面積は半極性ＬＥＤへ加工するには小さすぎる。さらには、傾斜面にデバイス構造を作製することは、通常の面上にデバイス構造を形成するのに比べてはるかに困難である。
【００１６】
本発明は、大面積（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ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技術を記述している。例えば、試料はしばしば１０ｍｍ×１０ｍｍ或いは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成長の前例である数μｍ幅の面積と対比すべきものである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】Ｎｉｓｈｉｚｕｋａ，Ｋ．，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８５，Ｎｏ．１５，１１  Ｏｃｔｏｂｅｒ，２００４）
【非特許文献２】Ｔａｋｅｕｃｈｉ，Ｔｅｔｓｕｙａ，Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．３９，（２０００），ｐｐ．４１３−４１６．
【非特許文献３】Ｔ．Ｊ．Ｂａｋｅｒ，Ｂ．Ａ．Ｈａｓｋｅｌｌ，Ｆ．Ｗｕ，Ｊ．Ｓ．Ｓｐｅｃｋ，ａｎｄ  Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ，“Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｐｌａｎａｒ  Ｓｅｍｉｐｏｌａｒ  Ｇａｌｌｉｕｍ  Ｎｉｒｉｄｅ  Ｆｉｌｍｓ  ｏｎ  Ｓｐｉｎｅｌ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ，”Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．４４，Ｎｏ．２９，（２００５），Ｌ９２０．
【非特許文献４】Ａ．Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ，Ｔ．Ｊ．Ｂａｋｅｒ，Ｂ．Ａ．Ｈａｓｋｅｌｌ，Ｆ．Ｗｕ，Ｊ．Ｓ．Ｓｐｅｃｋ，Ｓ．Ｐ．Ｄｅｎｂａａｒｓ，Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ，ａｎｄ  Ｕ．Ｋ．Ｍｉｓｈｒａ，“Ｍｉｌｌｉｗａｔｔ  Ｐｏｗｅｒ  Ｂｌｕｅ  ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅｓ  ｏｎ  Ｓｅｍｉｐｏｌａｒ  ＧａＮ  Ｔｅｍｐｌａｔｅｓ，”
【非特許文献５】Ｒ．Ｓｈａｒｍａ，Ｐ．Ｍ．Ｐａｔｔｉｓｏｎ，Ｈ．Ｍａｓｕｉ，Ｒ．Ｍ．Ｆａｒｒｅｌｌ，Ｔ．Ｊ．Ｂａｋｅｒ，Ｂ．Ａ．Ｈａｓｓｋｅｌｌ，Ｆ．Ｗｕ，Ｓ．Ｐ．Ｄｅｎｂａａｒｓ，Ｊ．Ｓ．Ｓｐｅｃｋ，ａｎｄ  Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ，“Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  Ｓｅｍｉｐｏｌａｒ（１０−１−３）ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  Ｇｒｅｅｎ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ，”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８７，２３１１１０（２００５）．
【非特許文献６】Ｔ．Ｊ．Ｂａｋｅｒ，Ｂ．Ａ．Ｈａｓｋｅｌｌ，Ｆ．Ｗｕ，Ｊ．Ｓ．Ｓｐｅｃｋ，  ａｎｄ  Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ，“Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｐｌａｎａｒ  Ｓｅｍｉｐｏｌａｒ  Ｇａｌｌｉｕｍ  Ｎｉｔｒｉｄｅ  Ｆｉｌｍｓ  ｏｎ  Ｓａｐｐｈｉｒｅ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ，”Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．６，（２００６），Ｌ１５４．
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、ＧａＮの｛１０−１１｝、｛１０−１３｝、および｛１１−２２｝平面薄膜のような、平坦な薄膜として半極性窒化物を成長する方法を記述するものである。半極性窒化物半導体の成長はウルツ鉱型構造III 族窒化物のデバイス構造における分極効果を低減する手段を提供するものである。
【００１９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】ミスカットを施した（１００）スピネル上に成長したＧａＮの光学顕微鏡写真である。図１Ａはミスカットなし、図１Ｂは＜０１０＞方向にミスカット、図１Ｃは＜０１１＞方向にミスカットされたものを示す。
【図２】本発明の好ましい実施形態における処理工程を表すフローチャートである。
【図３】はＨＶＰＥ法によって成長した｛１０−１１｝ＧａＮテンプレート上にＭＯＣＶＤ法で成長したＬＥＤの写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下の好ましい実施の形態の説明では、添付の図面を参照する。添付の図面は、本明細書の一部を形成し、本発明を実施することができる特定の実施例を例示するために示す。本発明の範囲を逸脱することなく、その他の実施形態を利用してもよく、構造上の変化を施してもよいことは明らかである。
【００２２】
概要
例えばＧａＮの｛１０−１１｝、｛１０−１３｝、および｛１１−２２｝面のような半極性窒化物半導体の成長はウルツ鉱型構造III 族窒化物デバイス構造における分極効果を低減する手段を提供するものである。窒化物という半導体用語は（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎと、これら半導体の全ての合金組成を指すものである。現行の窒化物デバイスは極性のある［０００１］ｃ方向に成長されているが、結果的に、垂直型のデバイスの、主に電流の流れる方向に沿って電荷分離が生じる。その結果生じる分極電界は現状技術水準の光電子デバイスの性能にとって不利益となる。半極性方向に沿ってこれらのデバイスを成長すれば、電流の流れる方向に沿っての内蔵電界を低減することによってデバイス特性を著しく改善することが出来る。
【００２３】
今日まで、デバイス層、テンプレート、またはデバイス成長における基板として用いるために適した、半極性窒化物の大面積，高品質薄膜成長を可能とする手段は存在しなかった。本発明の新規性は、半極性窒化物を平坦な薄膜として成長できる技術を確立したことである。証拠として、発明者らはＧａＮの｛１０−１１｝、｛１０−１３｝、および｛１１−２２｝の平坦な薄膜を成長した。しかしながらこの構想の範囲は単にこの例に限定されるものではない。本構想は窒化物の全ての半極性平坦薄膜に関係するものである。
【００２４】
技術に関する説明
本発明は、平坦な窒化物薄膜を成長するための方法を含み、そこでは大面積の半極性窒化物が基板表面に平行である。この例は｛１０−１１｝および｛１０−１３｝ＧａＮ薄膜である。この特定の実施例ではＭｇＡｌ2 Ｏ4 スピネル基板が成長プロセスに用いられる。｛１０−１１｝ＧａＮの成長のためには、スピネルが適切なる方向にミスカットされていることが決定的に重要である。軸上（ｏｎ−ａｘｉｓ）であり、＜００１＞の方向へミスカットした｛１００｝スピネル上に成長した｛１０−１１｝ＧａＮはお互いに９０°をなす２つのドメインを持つ。これは図１Ａ（ミスカット無し）と図１Ｂ（＜０１０＞方向にミスカット）に示した（１００）スピネル上のＧａＮの光学顕微鏡写真によって明らかである。
【００２５】
しかしながら、図１Ｃ（＜０１１＞方向にミスカット）に示す（１００）スピネル上のＧａＮの光学顕微鏡写真が示すように、＜０１１＞方向にミスカットした｛１００｝スピネル上には｛１０−１１｝単結晶ＧａＮが成長する。Ｘ線回折（ＸＲＤ）を用いた結果、＜０１１＞方向にミスカットした（１００）スピネル上に成長した薄膜は単結晶であり、軸上、または＜０１０＞方向にミスカットした上に成長した薄膜は２つのドメインを持っていることを確認した。
【００２６】
｛１０−１３｝単結晶ＧａＮは公称軸上（ｎｏｍｉｎａｌｌｙ  ｏｎ−ａｘｉｓ）（故意にミスカットはしていない）｛１１０｝スピネル上に成長した。ＸＲＤを用いた結果、｛１０−１３｝ＧａＮは単結晶であることを確認した。
【００２７】
また、｛１１−２２｝ＧａＮおよび｛１０−１３｝ＧａＮの平坦な薄膜がｍ面サファイヤ｛１−１００｝Ａｌ2 Ｏ3 上で成長した。同じエピタキシャル材料の２つの異なる面の成長のために１つの基板が用いられるのは半導体の成長には珍しいことである。しかしながら、ＧａＮの成長の前に、異なる温度でアンモニアを流すことによって面は再現性よく選択される。再びＸＲＤを用いて、この薄膜が単結晶であることを確認した。
【００２８】
このように、以下の平坦な半極性窒化物薄膜の４つの例を実験的に証明した。
１）特定の方向（＜００１＞、＜０１０＞および＜０１１＞）にミスカットした｛１００｝スピネル上の｛１０−１１｝ＧａＮ
２）｛１１０｝スピネル上の｛１０−１３｝ＧａＮ
３）｛１−１００｝サファイヤ上の｛１１−２２｝ＧａＮ
４）｛１−１００｝サファイヤ上の｛１０−１３｝ＧａＮ
これらの薄膜はカリフォルニア大学サンタ・バーバラ校の中村修二研究室内のＨＶＰＥシステムを用いて成長した。｛１０−１１｝と｛１０−１３｝の両者に対する成長パラメータの概要は、圧力が１０ｔｏｒｒから１，０００ｔｏｒｒの間であり、温度が９００℃から１，２００℃の間であるということである。このように圧力範囲が広いということは、特別の基板上に成長する場合、これらの面が非常に安定であることを示す。反応装置のタイプによらずにエピタキシャルの関係が正しく成立するはずである。しかしながら、このような面を成長するための反応装置の条件は個々の反応装置および成長方法（例えば、ＨＶＰＥ，ＭＯＣＶＤ，およびＭＢＥ）に従って変化するだろう。
【００２９】
処理工程
図２は本発明の好ましい実施形態の処理工程を示すフローチャートである。具体的には、この処理工程は大面積の平坦な半極性窒化物薄膜が基板表面に平行であるような、平坦な半極性窒化物薄膜を成長する方法を備えている。
【００３０】
ブロック１０は基板を準備する選択的工程を表す。たとえば、準備工程が基板のミスカットを行う工程を含む。｛１０−１１｝ＧａＮの成長のためには＜０１１＞方向（＜０１０＞と＜０１１＞を含み得る）にミスカットした（１００）スピネル基板が用いられる。｛１０−１３｝ＧａＮの成長には軸上（１１０）スピネル基板が用いられる。（１１０）スピネルはいかなる方向にミスカットされていても、あるいはミスカットされていなくても良いが、（１００）スピネル上に｛１０−１１｝ＧａＮを成長する場合には必要であったミスカットは必ずしも必要ではない。
【００３１】
ブロック１２は基板をＨＶＰＥ反応装置の中に装着する工程を表す。反応装置は酸素を除去するために少なくとも９Ｅ−２ｔｏｒｒまで排気し、その後窒素ガスで充填する。
【００３２】
ブロック１４は、基板表面の窒化を促進する条件Ｆで、炉のスイッチを入れて炉を昇温する工程を表す。
【００３３】
ブロック１６はガスを流す工程をあらわす。この工程では一般的には窒素、水素、および／またはアンモニアを大気圧で基板上に流す。
【００３４】
ブロック１８は反応装置の中の圧力を下げる工程を表す。炉の設定点は１０００℃であり、この温度に到達すると炉内の圧力は６２．５ｔｏｒｒに下げられる。
【００３５】
ブロック２０はＧａＮの成長を行う工程を表す。圧力が低下した後、アンモニアの流量を１．０ｓｌｐｍ（１分間あたりの標準リットル）に設定し、Ｇａ（ガリウム）上にＨＣｌ（塩化水素）を流量７５ｓｃｃｍ（１分間あたりの標準立方センチメートル）で流すことによってＧａＮの成長を開始する。
【００３６】
ブロック２２は炉の温度を下げる工程を示す。２０分から６０分間のＧａＮ成長が終わった後で、ＨＣｌのガス流を止めて、ＧａＮ薄膜を保護するためにアンモニアを流しながら炉を降温する。
【００３７】
これらの工程の結果として（少なくとも１０ｍｍ×１０ｍｍ、または２インチ径の）大表面積の平坦な半極性窒化物薄膜が基板表面に平行であるような、平坦な半極性窒化物薄膜を得られる。
【００３８】
処理工程はスピネル基板に関して説明されたが、｛１１−２２｝ＧａＮまたは｛１０−１３｝ＧａＮを成長するためにｍ面サファイヤを用いることも出来る。その処理は上記処理工程と１点を除いて同一である。｛１１−２２｝ＧａＮの成長のためには、炉を成長温度へ昇温しながらアンモニアを流す。このようにして窒化が低温で起こる。｛１０−１３｝ＧａＮ成長のために選択すべきことは、昇温過程中に水素と窒素だけを流すことである。次いで基板は成長温度においてアンモニアガスを流され高温窒化を受けることになる。
【００３９】
ＨＶＰＥシステムを用いて半極性薄膜を成長した後、ブロック２２はＭＯＣＶＤまたはＭＢＥを用いて基板上にデバイス層を成長する工程を表す。この工程は通常は窒化物層にｎ型とｐ型のドーピングを行う工程と、再成長層に１つまたは数個の量子井戸を成長する工程とを含む。この工程で、クリーンルーム内での標準のＬＥＤ加工法を用いてＬＥＤが作られる。
【００４０】
図３はＨＶＰＥによって成長した｛１０−１１｝ＧａＮテンプレート上にＭＯＣＶＤによって成長した緑色ＬＥＤの写真である。具体的には、テンプレートは前記のＨＶＰＥ成長処理によって成長し、ＬＥＤ構造はＭＯＣＶＤによって成長した。これは初めての｛１０−１１｝ＧａＮのＬＥＤである。
可能な変更と変形
本発明の技術範囲がカバーするのは、引用した特定の実施例のみではない。この構想は全ての半極性面上の全ての窒化物に関係している。例えば、ミスカット（１００）スピネル基板上に｛１０−１１｝ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＮを成長することが出来る。他の例としては、適当な基板が見つかれば｛１０−１２｝窒化物を成長させることが出来る。これらの例や他の可能性は尚、半極性薄膜の持つ全ての利点を保持している。
【００４１】
カリフォルニア大学サンタ・バーバラ校の中村修二研究室においてなされた研究は、ＨＶＰＥを用いてなされた。しかしながら、窒化物の半極性面の直接成長はＭＯＣＶＤおよびＭＢＥを用いても可能である。ｍ面サファイヤ上のＧａＮの例において見られたように変化することがあるにしても、エピタキシャルの関係はほとんどの成長方法で同じである。例えば、ＭＯＣＶＤ成長｛１０−１１｝ＧａＮのＬＥＤはＨＶＰＥテンプレートを用いないでミスカット（１００）スピネル上に直接成長させることが出来る。この構想は平坦な半極性窒化物薄膜を生成するいかなる成長方法もカバーするものである。
【００４２】
反応装置の条件は反応装置のタイプやデザインによって変わる。ここに記載された成長は、半極性ＧａＮの成長にとって有用な条件であるということが分かった１組の条件についての記載に過ぎない。これらの薄膜は圧力、温度、ガス流量などのパラメータの広い範囲で成長し、全てが平坦な半極性窒化物薄膜を生成するということも発見された。
【００４３】
成長処理の中で他にも変えることができる工程がある。核生成層はわれわれの反応装置の条件では不必要であった。しかし他の反応装置では核生成層を用いることが必要である場合もあるし、必要でない場合もある。これはＧａＮ薄膜の成長においてはよくあることである。基板の窒化工程によっていくつかの薄膜では表面形状が改善し、他の薄膜では実際に成長する面を決定することも分かってきた。しかしながらこの工程は特定の成長技術に対して必要であったり、或いは不必要であったりする。
利点と改良点
現在の技術は表面がｃ面を持つＧａＮを成長するものである。この面は自発分極と圧電分極を持ち、これらはデバイス特性にとって有害である。ｃ面窒化物薄膜に対して半極性面窒化物薄膜が有する利点は分極の低減であり、ある種のデバイスにおいてはそれと関係する内部量子効率の増加である。
【００４４】
デバイスにおける分極効果を完全に除去するために非極性面を用いることが考えられる。しかしながらこれらの面は成長が非常に困難であり、そのため非極性窒化物デバイスは今日生産されてはいない。非極性窒化物薄膜に対して半極性窒化物薄膜が有する利点は成長の容易さにある。半極性面は成長パラメータの幅が広いということが分かっている。例えば、非極性面は大気圧下では成長しないが、半極性面は６２．５ｔｏｒｒから７６０ｔｏｒｒまでで成長することが実験的に証明されており、おそらくこれよりもさらに広い範囲で成長すると考えられる。｛１−１００｝ＧａＮは低圧で成長するが、他の条件は同じにして圧力を７６０ｔｏｒｒに増加するとｃ面ＧａＮが成長してしまう。これは多分２つの面に対する単位格子の輪郭に関係するものであろう。｛１１−２０｝ＧａＮの更なる困難性はＩｎＧａＮデバイスに必要なＩｎを組み込むことである。Ｉｎの組み込みに関しては｛１０−１１｝ＧａＮのほうがはるかに有利であることが実験結果より分かっている。
【００４５】
ＥＬＯ側壁に対して平坦な半極性薄膜が有する利点は、ＬＥＤや他のデバイスに加工できる表面積が大きいことである。他の利点は、ＥＬＯ側壁の半極性面とは違って、成長表面が基板表面と平行である点である。
【００４６】
要約すると、本発明は平坦な半極性窒化物薄膜が成長可能であることを確立した。このことを４つの別々の場合に対して実験的に確認した。前記した利点は全ての平坦な半極性薄膜に関係する。
【００４７】
結論
これで本発明の好ましい実施形態の説明を終える。本発明の１つ以上の実施例に関する上記の記述は例示と記載のために示されたものである。本発明を開示した形態そのものによって包括または限定することを意図するものではない。多くの変更と変形が上記の教示に照らして可能である。本発明の範囲はこの詳細な説明に限定しようとするものではなく、添付の請求項によって限定しようとするものである。
【図２】
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【図１】
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【図３】
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