(57)【要約】【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
2007537600.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非極性窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）系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）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を準備する工程、
（ｂ）前記基板またはテンプレート上に一つ以上の非極性ＩｎＧａＮ層を成長させる工程、
（ｃ）後に続く層の成長中にＩｎが脱離することを防ぐために前記非極性ＩｎＧａＮ層上に薄い低温窒化物キャッピング層を成長させる工程、および
（ｄ）前記キャッピング層上に低圧で一つ以上の非極性ｎ型およびｐ型（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層を成長させる工程
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ＩｎＧａＮ層を大気圧または大気圧近傍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ＩｎＧａＮ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ＩｎＧａＮ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障壁層を大気圧または大気圧近傍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】
前記キャッピング層がＧａＮを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法を用いて製作されたデバイス。
【請求項８】
非極性窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）系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）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を準備する工程、
（ｂ）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層上に薄い低温窒化ガリウム（ＧａＮ）キャッピング層を成長させる工程、
（ｄ）前記ＧａＮキャッピング層上に大気圧または大気圧近傍で一つ以上のＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）を成長させる工程、
（ｅ）前記ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸上に大気圧または大気圧近傍で非ドープＧａＮ障壁を成長させる工程、および
（ｆ）前記非ドープＧａＮ障壁上に低圧で一つ以上のｎ型およびｐ型（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層を成長させる工程
を含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
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８に記載の方法。
【請求項１０】
前記基板は、低欠陥密度の自立ａ面ＧａＮウエハ、低欠陥密度の自立ｍ面ＧａＮウエハ、低欠陥密度の自立ａ面ＡｌＮウエハ、低欠陥密度の自立ｍ面ＡｌＮウエハ、低欠陥密度のバルクａ面ＧａＮウエハ、低欠陥密度のバルクｍ面ＧａＮウエハ、低欠陥密度のバルクａ面ＡｌＮウエハまたは低欠陥密度のバルクｍ面ＡｌＮウエハを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
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８に記載の方法。
【請求項１２】
前記テンプレートが、低欠陥密度の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１１に記載の方法。
【請求項１３】
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８に記載の方法。
【請求項１４】
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１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記成長工程（ｂ）が、前記基板またはテンプレート上に約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８に記載の方法。
【請求項１６】
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８に記載の方法。
【請求項１７】
前記成長工程（ｂ）が、ほぼ大気圧またはその近傍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８に記載の方法。
【請求項１８】
約６００〜８５０Ｔｏｒｒまたはその近傍で前記ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸を成長させることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１９】
約２０〜１５０Ｔｏｒｒまたはその近傍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（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層を成長させることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項２０】
請求項８に記載の方法を用いて製作されるデバイス。
【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）にもとづいて、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。この出願は参照として本明細書に組み込まれる。
【０００２】
アーパン・チャクラボーティ（Ａｒｐａｎ  Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ）、ベンジャミン・エー・ハスケル（Ｂｅｎｊａｍｉｎ  Ａ．Ｈａｓｋｅｌｌ）、ステーシア・ケラー（Ｓｔａｃｉａ  Ｋｅｌｌｅｒ）、ジェームス・エス・スペック（Ｊａｍｅｓ  Ｓ．Ｓｐｅｃｋ）、スティーブン・ピー・デンバース（Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ）、中村修二（Ｓｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ）およびウメシュ・ケー・ミシュラ（Ｕｍｅｓｈ  Ｋ．Ｍｉｓｈｒａ）による米国特許仮出願第６０／５６９，７４９号、２００４年５月１０日出願、発明の名称「有機金属気相成長方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（ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ  ＯＦ  ＮＯＮＰＯＬＡＲ  ＩｎＧａＮ  ＴＨＩＮ  ＦＩＬＭＳ，ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ  ＡＮＤ  ＤＥＶＩＣＥＳ  ＢＹ  ＭＥＴＡＬＯＲＧＡＮＩＣ  ＣＨＥＭＩＣＡＬ  ＶＡＰＯＲ  ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ）」、代理人整理番号３０７９４．１１７−ＵＳ−Ｐ１。
【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出願の関連出願である。
【０００４】
ベンジャミン・エー・ハスケル、マイケル・ディー・クレイブン（Ｍｉｃｈａｅｌ  Ｄ．Ｃｒａｖｅｎ）、ポール・ティー・フィニ（Ｐａｕｌ  Ｔ．Ｆｉｎｉ）、スティーブン・ピー・デンバース、ジェームス・エス・スペックおよび中村修二による国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１８号、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、ベンジャミン・エー・ハスケル、マイケル・ディー・クレイブン、ポール・ティー・フィニ、スティーブン・ピー・デンバース、ジェームス・エス・スペックおよび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」、代理人整理番号３０７９４．９３−ＵＳ−Ｐ１（２００３−２２４−１）の優先権を主張する。
【０００５】
ベンジャミン・エー・ハスケル、ポール・ティー・フィニ、松田成正（Ｓｈｉｇｅｍａｓａ  Ｍａｔｓｕｄａ）、マイケル・ディー・クレイブン、スティーブン・ピー・デンバース、ジェームス・エス・スペックおよび中村修二による国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１６号、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）」、代理人整理番号３０７９４．９４−ＷＯ−Ｕ１（２００３−２２５−２）。この出願は、ベンジャミン・エー・ハスケル、ポール・ティー・フィニ、松田成正、マイケル・ディー・クレイブン、スティーブン・ピー・デンバース、ジェームス・エス・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（ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ  ＦＯＲ  ＴＨＥ  ＧＲＯＷＴＨ  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）の優先権を主張する。
【０００６】
マイケル・ディー・クレイブンおよびジェームス・エス・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って成長させた非極性ａ面窒化ガリウム薄膜（ＮＯＮ‐ＰＯＬＡＲ  Ａ‐ＰＬＡＮＥ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＴＨＩＮ  ＦＩＬＭＳ  ＧＲＯＷＮ  ＢＹ  ＭＥＴＡＬＯＲＧＡＮＩＣ  ＣＨＥＭＩＣＡＬ  ＶＡＰＯＲ  ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ）」、代理人整理番号３０７９４．１００−ＵＳ−Ｕ１（２００２−２９４−２）。この出願は、マイケル・ディー・クレイブン、ステーシア・ケラー、スティーブン・ピー・デンバース、タル・マーガリス（Ｔａｌ  Ｍａｒｇａｌｉｔｈ）、ジェームス・エス・スペック、中村修二およびウメシュ・ケー・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薄膜およびヘテロ構造材料（ＮＯＮ‐ＰＯＬＡＲ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＢＡＳＥＤ  ＴＨＩＮ  ＦＩＬＭＳ  ＡＮＤ  ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ）」、代理人整理番号３０７９４．９５−ＵＳ−Ｐ１（２００２−２９４／３０１／３０３）の優先権を主張する。
【０００７】
マイケル・ディー・クレイブン、ステーシア・ケラー、スティーブン・ピー・デンバース、タル・マーガリス、ジェームス・エス・スペック、中村修二およびウメシュ・ケー・ミシュラによる米国特許出願番号１０／４１３，６９０号、２００３年４月１５日出願、発明の名称「非極性（Ａｌ、Ｂ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ量子井戸およびヘテロ構造材料およびデバイス（ＮＯＮ‐ＰＯＬＡＲ  （Ａｌ，Ｂ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ  ＱＵＡＮＴＵＭ  ＷＥＬＬ  ＡＮＤ  ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ  ＡＮＤ  ＤＥＶＩＣＥＳ）」、代理人整理番号３０７９４．１０１−ＵＳ−Ｕ１（２００２−３０１−２）。この出願は、マイケル・ディー・クレイブン、ステーシア・ケラー、スティーブン・ピー・デンバース、タル・マーガリス、ジェームス・エス・スペック、中村修二およびウメシュ・ケー・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薄膜およびヘテロ構造材料」、代理人整理番号３０７９４．９５−ＵＳ−Ｐ１（２００２−２９４／３０１／３０３）の優先権を主張する。
【０００８】
マイケル・ディー・クレイブン、ステーシア・ケラー、スティーブン・ピー・デンバース、タル・マーガリス、ジェームス・エス・スペック、中村修二およびウメシュ・ケー・ミシュラによる米国特許出願第１０／４１３，９１３号、２００３年４月１５日出願、発明の名称「非極性窒化ガリウム薄膜中の転位減少法（ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ  ＲＥＤＵＣＴＩＯＮ  ＩＮ  ＮＯＮ‐ＰＯＬＡＲ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＴＨＩＮ  ＦＩＬＭＳ）」、代理人整理番号３０７９４．１０２−ＵＳ−Ｕ１（２００２−３０３−２）。この出願は、マイケル・ディー・クレイブン、ステーシア・ケラー、スティーブン・ピー・デンバース、タル・マーガリス、ジェームス・エス・スペック、中村修二およびウメシュ・ケー・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薄膜およびヘテロ構造材料」、代理人整理番号３０７９４．９５−ＵＳ−Ｐ１の優先権を主張する。
【０００９】
マイケル・ディー・クレイブンおよびスティーブン・ピー・デンバースによる国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／３９３５５号、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（ＮＯＮＰＯＬＡＲ  （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、上記特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１８号（第３０７９４．９３−ＷＯ−Ｕ１号）、第ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１６号（第３０７９４．９４−ＷＯ−Ｕ１号）、第１０／４１３，６９１号（第３０７９４．１００−ＵＳ−Ｕ１号）、第１０／４１３，６９０号（第３０７９４．１０１−ＵＳ−Ｕ１号）、第１０／４１３，９１３号（第３０７９４．１０２−ＵＳ−Ｕ１号）の一部継続出願である。
【００１０】
ベンジャミン・エー・ハスケル、メルヴィン・ビー・マクラリン（Ｍｅｌｖｉｎ  Ｂ．ＭｃＬａｕｒｉｎ）、スティーブン・ピー・デンバース、ジェームス・エス・スペックおよび中村修二による米国特許仮出願第６０／５７６，６８５号、２００４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で低い転位密度のｍ面窒化ガリウムの成長（ＧＲＯＷＴＨ  ＯＦ  ＰＬＡＮＡＲ  ＲＥＤＵＣＥＤ  ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ  ＤＥＮＳＩＴＹ  Ｍ‐ＰＬＡＮＥ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＢＹ  ＨＹＤＲＩＤＥ  ＶＡＰＯＲ  ＰＨＡＳＥ  ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人整理番号３０７９４．１１９−ＵＳ−Ｐ１。
【００１１】
トロイ・ジェイ・ベイカー（Ｔｒｏｙ  Ｊ．Ｂａｋｅｒ）、ベンジャミン・エー・ハスケル、ポール・ティー・フィニ、スティーブン・ピー・デンバース、ジェームス・エス・スペックおよび中村修二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「平坦な半極性窒化ガリウムの成長技術（ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ  ＦＯＲ  ＴＨＥ  ＧＲＯＷＴＨ  ＯＦ  ＰＬＡＮＡＲ  ＳＥＭＩ−ＰＯＬＡＲ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ）」、代理人整理番号３０７９４．１２８−ＵＳ−Ｐ１。
【００１２】
以上の出願は、参照としてすべて本明細書に組み込む。
【００１３】
資金援助を受けた研究に関する記述
本発明は、スタンレー電気株式会社（Ｓｔａｎｌｅｙ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏ．，Ｌｔｄ．）、三菱化学株式会社（Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｒｐ．）、ローム株式会社（Ｒｏｈｍ  Ｃｏ．，Ｌｔｄ．）、クリー社（Ｃｒｅｅ，Ｉｎｃ．）、松下電工株式会社（Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｗｏｒｋｓ，Ｌｔｄ．）、松下電器産業株式会社（Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｃｏ．，Ｌｔｄ．）およびソウル半導体株式会社（Ｓｅｏｕｌ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｃｏ．，Ｌｔｄ．）を含む、ザ・ユニバーシティ・オブ・カリフォルニア・サンタ・バーバラ・ソリッド・ステート・ライティング・アンド・ディスプレイ・センター（Ｔｈｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ  Ｓａｎｔａ  Ｂａｒｂａｒａ  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｌｉｇｈｔｉｎｇ  ａｎｄ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｃｅｎｔｅｒ）会員会社からの援助のもとで行なわれた。
１．本発明の技術分野
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。
【背景技術】
【００１４】
２．関連技術の説明
（注：本出願は、明細書全体にわたって括弧で囲まれる参照番号、例えば［参考文献ｘ］で示されるように、複数のさまざまな刊行物を参照する。下記の「参考文献」と題するセクションに、これらの参照番号順に並べた種々の刊行物のリストを示す。これらの刊行物はそれぞれ参照として本明細書に組み込まれる。）
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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）
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記で説明した従来技術の限界を克服し、本明細書を読み、理解すれば自明となるその他の限界を克服するために、本発明では、高品質インジウム（Ｉｎ）を含んだエピタキシャル層と、平坦な非極性ＩｎＧａＮ膜を備えるヘテロ構造物およびデバイスとを製作するための方法を記載する。本方法では、ＭＯＣＶＤを用いて非極性ＩｎＧａＮ／ＧａＮ紫色および近紫外発光ダイオードおよびレーザー・ダイオードを実現する。
【００２１】
以下、図面を参照する。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】
【００２２】
以下の好ましい実施形態の説明では、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形態を例示するために示す。本発明の範囲から逸脱することなく、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。
【００２３】
概要
非極性窒化物半導体を成長させることによって、ウルツ鉱型構造ＩＩＩ族窒化物デバイス中の分極効果を取り除く手段が得られる。現行の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎデバイスは、極性［０００１］ｃ方向に成長させられるため、ヘテロ構造物中に電荷分離が起こる。生じた分極場は、特にオプトエレクトロニクス・デバイスの場合に、現行の最高技術水準のデバイスの性能を低下させる。そのようなデバイスを非極性方向に成長させれば、デバイス性能は著しく改善される。
【００２４】
これまで、ＩｎＧａＮを含んだ高品質ＩＩＩ族窒化物またはＩＩＩ族窒化物系ヘテロ構造物を非極性方向に成長させるための手段はまったく存在しなかった。それに対して、本発明は、非極性ＩｎＧａＮ膜、ならびに非極性ＩｎＧａＮ含有デバイス構造物の製作を可能にする。この技術によって、表面粗さが大きいこと、Ｉｎ取り込み量が少ないこと、およびＩｎＧａＮヘテロ構造中のＩｎが脱離することに関連する従来の問題を克服した。ＭＯＣＶＤに立脚する本発明を利用して、最初の非極性ＩｎＧａＮ／ＧａＮ紫色ＬＥＤを実現した。本発明は、非極性ＧａＮ系可視および近紫外ＬＥＤおよびＬＤの製造を初めて可能にするものである。
【００２５】
技術説明
本発明は、高品質なＩｎを含んだエピタキシャル層と、同層を含むヘテロ構造物およびデバイスを製作するための手法である。ＭＯＣＶＤによって優れた平坦な非極性ＩｎＧａＮ膜を成長させ、同じ技法によって機能性の非極性ＩｎＧａＮを含んだデバイスを製作した。この特定の実証には、ａ面配向ＩｎＧａＮ系量子井戸の製作を含んでいるが、ｍ面窒化物成長に関する研究によって、本明細書で説明する技法がｍ面ＩｎＧａＮ／ＧａＮデバイスの成長にも広く適用できることが示されている。
【００２６】
ＭＯＣＶＤによって平坦な非極性ａ面ＧａＮテンプレートを成長させた。このテンプレート成長の詳細は、上記で示し、参照として本明細書に組み込まれる、本発明の譲受人に譲渡された同時係属特許出願第１０／４１３，６９１号（３０７９４．１００−ＵＳ−Ｕ１）およびＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１６（３０７９４．９４−ＷＯ−Ｕ１）に開示される。これらのａ面ＧａＮテンプレートはほぼ格子整合した層を提供し、その上に非極性ＩｎＧａＮ膜を再成長させることができる。
【００２７】
高速度回転する高温垂直反応器中でＭＯＣＶＤ成長を実行した。３００ｒｐｍの回転速度を使用した。Ｇａ、Ｉｎ、ＭｇおよびＳｉ源として用いた前駆体は、それぞれ、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ビス−シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）およびジシランであった。高純度アンモニアを窒素源として用いた。低温（６２０〜６５０℃）ＧａＮ核形成層工程と、高温（１１３０〜１１８０℃）ＧａＮ成長工程とを含む二段階プロセスによって、ｒ面サファイア基板上にａ面ＧａＮテンプレートを成長させる。Ｖ族／ＩＩＩ族比として６５０と６７０との間を用いる。反射分光法を用いるその場（ｉｎ−ｓｉｔｕ）厚さ測定によって測定されるＧａＮ成長速度は、４〜６Å／秒の範囲である。ＵＩＤのＧａＮ成長の間、１０ｓｌｐｍの全流量を使用する。
【００２８】
上記成長手順によって、非極性ＩｎＧａＮを成長させることの実用性を確立した。本発明は、非極性ＩｎＧａＮ系のＬＥＤの成長および製作を目的とする。
【００２９】
図２は、本発明の好ましい実施形態によるプロセス工程を説明するフローチャートであり、図３は、本発明の好ましい実施形態によって製作される非極性発光ダイオードの概略断面図である。
【００３０】
ブロック２００は、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を準備する工程を表す。その例として、例えば、このブロックは、厚さが１０μｍで低い転位密度を有し、ＨＶＰＥによってエピタキシャル横方向オーバーグロースされた（ＬＥＯ）ａ面ＧａＮテンプレート３０２をｒ面サファイア基板３００上に製作することを表してもよい。上記に示し、参照として本明細書に組み込まれる、本発明の譲受人に譲渡された同時係属特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１８（３０７９４．９３−ＷＯ−Ｕ１）に、ＨＶＰＥを利用するＬＥＯプロセスの詳細が開示されている。
【００３１】
テンプレート３００はＧａＮであるが、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）を含んでもよい。さらに、ａ面配向ＧａＮテンプレート３００について記載しているが、ｍ面ＧａＮテンプレートも製作することができる。
【００３２】
ＬＥＯプロセス用のマスクは、ＧａＮ＜１−１００＞方向と平行に配向した２μｍ幅の窓開口部で分離された平行な８μｍ幅ＳｉＯ２ストライプを備える。Ｇａ面とＮ面との｛０００１｝翼の横方向成長速度の比は〜６：１であり、その結果、窓と融合の前線との間に約６．５μｍ幅の無欠陥オーバーグロース領域が生じる。同等な試料の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察によれば、オーバーグロース領域中の貫通転位および基底面積層欠陥密度は、それぞれ〜５×１０６ｃｍ−２および３×１０３ｃｍ−１未満であった。
【００３３】
ブロック２０２は、垂直ＭＯＣＶＤ反応器で実行され、２×１０１８ｃｍ−３の電子濃度を有するＳｉをドーピングした２．２μｍのｎ‐ＧａＮ基層３０４で開始される再成長を表す。この層は、通常のａ面ＧａＮ成長条件（例えば、基板温度１０５０〜１１５０℃、系内圧力４０〜１００Ｔｏｒｒ、Ｈ２キャリア・ガス、Ｖ族／ＩＩＩ族〜１００）下で堆積させる。その結果、ＭＯＣＶＤによって成長させた平坦な非極性ａ面ＧａＮテンプレートを備える基板が得られる。
【００３４】
あるいは、滑らかで低い欠陥密度のＩＩＩ族窒化物基板を準備してもよい。そのような基板は、低欠陥密度の自立（ｆｒｅｅ−ｓｔａｎｄｉｎｇ）ａ面ＧａＮウエハ、低欠陥密度の自立ｍ面ＧａＮウエハ、低欠陥密度の自立ａ面ＡｌＮウエハ、低欠陥密度の自立ｍ面ＡｌＮウエハ、低欠陥密度のバルクａ面ＧａＮウエハ、低欠陥密度のバルクｍ面ＧａＮウエハ、低欠陥密度のバルクａ面ＡｌＮウエハまたは低欠陥密度のバルクｍ面ＡｌＮウエハを含む。
【００３５】
さまざまな方法、特にハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）によって、ＡｌＧａＮなどの合金基板を成長させることも可能である。本発明を実施するために用いられる基板は、任意の非極性ＡｌＧａＮまたはその他のＩＩＩ族窒化物基板でよい。
【００３６】
ブロック２０４は、低温、大気圧でＮ２キャリア・ガスを用いるデバイス用ＩｎＧａＮ／ＧａＮ活性領域３０６の堆積を表す。このブロックは、（１）低温（約９００℃またはその近傍）でＮ２キャリア・ガスを用いて基板またはテンプレート上に非極性ＩｎＧａＮ層を成長させ、Ｉｎ取り込みを促進し、Ｉｎ脱離を減少させる工程であって、大気圧近く（約７６０Ｔｏｒｒまたはその近傍）でＩｎＧａＮ層を成長させてＩｎＧａＮ膜品質を改善し、炭素取りこみ量を減少させる工程、（２）非極性ＩｎＧａＮ層の上に薄い低温ＧａＮキャッピング層を成長させて、後で行うｐ型ＧａＮ層の成長の間のＩｎ脱離を防止する工程、および（３）大気圧近く（約６００〜８５０Ｔｏｒｒまたはその近傍）でＧａＮキャッピング層の上に一つ以上のＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）を成長させる工程を含む。
【００３７】
Ｎ２キャリア・ガスの使用は、ＩｎＧａＮ膜中へより多くＩｎを取り込むために重要である。比較的低い成長温度とすることによって、Ｉｎ取り込みが促進され、成長面からのＩｎ脱離速度が低下する。さらに、大気圧を使用するとＩｎＧａＮ膜品質が改善され、膜中への炭素取り込み量が減り、活性領域中の非放射点欠陥の濃度が減少する。
【００３８】
好ましくは、活性領域３０６は、１６ｎｍのＳｉドープＧａＮ障壁と４ｎｍのＩｎ０．１７Ｇａ０．８３Ｎ量子井戸とを有する５周期のＭＱＷの積層で構成される。この工程では０．４Å／秒という比較的高い成長速度を用いて滑らかなＩｎＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面を保証し、ひいてはデバイスの光学性能を改善する。
【００３９】
ブロック２０６は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮのＭＱＷ構造物３０６の上に大気圧またはその近傍で非ドープＧａＮ障壁３０８を成長させる工程を表す。より詳細には、このブロックは、後で成長中に活性領域３０６からＩｎＧａＮが脱離するのを予防するために、低温で１６ｎｍの非ドープ〔または不作為でドープされた（ｕｎｉｎｔｅｎｔｉｏｎａｌｌｙ  ｄｏｐｅｄ）（ＵＩＤ）〕ＧａＮ障壁３０８を堆積させてＩｎＧａＮのＭＱＷ構造物３０６にキャップする工程を表す。
【００４０】
ブロック２０８は、非ドープＧａＮ障壁３０８の上に低圧（約２０〜１５０Ｔｏｒｒまたはその近傍）で一つ以上のｎ型およびｐ型（Ａｌ、Ｇａ）Ｎ層３１０を成長させる工程を表す。より詳細には、このブロックは、高温（〜１１００℃）および低圧（〜７０Ｔｏｒｒ）で６×１０１７ｃｍ−３の正孔濃度を有する０．３μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ層３１０の堆積を表し、ｐ型ＧａＮ成長には１６ｓｌｐｍの全流量を使用する。
【００４１】
ブロック２１０は、４０ｎｍの高濃度ドープｐ＋‐ＧａＮ層３１２の堆積を表す。この層３１２は、構造物のためのキャップとして作用する。
【００４２】
最後に、ブロック２１２は、デバイスのためのｐ‐ＧａＮ接点としてのＰｄ／Ａｕ接点３１４およびｎ‐ＧａＮ接点としてのＡｌ／Ａｕ接点３１６の堆積を表す。
【００４３】
これらのプロセス工程の最終結果として、非極性ＩｎＧａＮ系ヘテロ構造物およびデバイスが得られる。より詳細には、これらのプロセス工程の最終結果として、ＩｎＧａＮのＬＥＤまたはＬＤが得られる。
【００４４】
実験結果
光学顕微鏡法および光ルミネッセンス（ＰＬ）測定によって、ａｓ−ｇｒｏｗｎの試料を検討した。塩素ベースの反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって３００×３００μｍ２ダイオードメサを定めた。ｐ‐ＧａＮおよびｎ‐ＧａＮ接点としてＰｄ／Ａｕ（３／２００ｎｍ）およびＡｌ／Ａｕ（３０／２００ｎｍ）をそれぞれ用いた。デバイスのウエハ上の探測によって、ダイオードの電気特性およびルミネセンス特性を測定した。ヒューレット・パッカード（Ｈｅｗｌｅｔｔ‐Ｐａｃｋａｒｄ）４１４５Ｂ半導体パラメータ・アナライザを用いて、図４に示されるＩ‐Ｖ測定を実行した。直流（ＤＣ）条件下の相対光出力測定値は、サファイア基板を通して較正済み大面積Ｓｉフォトダイオードへの背面発光によって得た。図５および６にそれぞれ示すように、ＬＥＤの発光スペクトルおよび光出力放出を駆動電流の関数として測定した。すべての測定は、室温で実行した。
【００４５】
上記で説明したデバイス構造物は、機能するＩｎＧａＮ系ＬＥＤの最初の報告となる。ダイオードのＩ‐Ｖ曲線（図４）は３．３Ｖの順電圧を示し、直列抵抗値は７．８Ωと低かった。同一の条件下で平坦なａ面ＧａＮテンプレート上に成長させた非極性ａ面ＧａＮのｐ−ｎ接合ダイオードは、同様な順電圧を示したが、直列抵抗値は約３０Ωと高かった。これらのＬＥＤ中の直列抵抗が低かったのは、ＬＥＯによるＧａＮテンプレートの無欠陥オーバーグロース領域中の高い電気伝導率に起因する。
【００４６】
このデバイスのエレクトロルミネセンス（ＥＬ）スペクトルを、直流駆動電流の関数として調べた。１０から２５０ｍＡの範囲の駆動電流で発光スペクトルを測定した。このデバイスは、すべての駆動電流に対し４１３．５ｎｍの紫色スペクトル域で発光し、線幅広がりは最小限であった（図５）。ａｓ−ｇｒｏｗｎ試料のＰＬスペクトルは、強い量子井戸発光を４１２ｎｍで示し、線幅は２５ｎｍと狭かった。駆動電流を増加させても発光ピークの青色シフトは観測されず、この波長域および同様な駆動電流域で動作するｃ面ＬＥＤでは通常青色シフトが観測されるのと対照的である。線幅は、２０ｍＡでの最小値２３．５ｎｍから始まり、２５０ｍＡでの２７．５ｎｍまで駆動電流とともにほぼ線形に増加した。駆動電流の増加に伴うこの最小限の線幅広がりは、この電流領域でデバイス加熱が低かったことを示唆する。
【００４７】
次に、直流駆動電流に対する出力電力の依存性を測定した。駆動電流を１０ｍＡから２００ｍＡに近い電流レベルで飽和するまで増加させると、出力電力は増大したが線形にならなかった。出力電力は加熱効果によって飽和し、それによって量子効率を低下させるもととなる。２０ｍＡ順電流での出力電力は２４０μＷであり、０．４％の外部量子効率（ＥＱＥ）に対応した。２００ｍＡの駆動電流の場合には、１．５ｍＷにも達する高い直流出力が測定された。ＥＱＥは、駆動電流が増加するにつれて増加し、３０ｍＡで０．４２％の最大値に達したが、その後順電流が３０ｍＡを超えて増加すると急速に減少した。これらのＬＥＤのＥＱＥが低い理由は、一部はｐ型接点の低い反射率のせいであり、一部は光を放出しないＬＥＯの「暗い」欠陥窓領域のせいである。上記で説明したデバイス構造物は、概念の実証を構成し、非最適化デバイスである点に注意すべきである。テンプレート／基層およびＬＥＤ構造物のすべての態様の最適化によって、ＥＱＥの顕著な改善を行うことができると予想される。
【００４８】
重要な特徴
上記で説明した非極性ＬＥＤ構造物の技術説明は、広範囲の非極性ＩｎＧａＮ系ヘテロ構造物およびデバイスの製作および成長に関するいくつかの重要な特徴を含む。これらの重要な特徴は、以下を含む。
【００４９】
１．ＨＶＰＥによるＬＥＯのａ面またはｍ面ＧａＮテンプレートなど（これらに限定されるわけではない）、滑らかで低い欠陥密度のＧａＮ基板またはテンプレートを使用する。
【００５０】
２．Ｎ２キャリア・ガスを用いて低温（〜９００℃未満）で非極性ＩｎＧａＮを成長させてＩｎ取り込みを促進し、Ｉｎ脱離を減少させる。
【００５１】
３．大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）またはその近傍で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。
【００５２】
４．薄い低温ＧａＮキャッピング層を用いてｐ型ＧａＮ堆積時にＩｎ脱離を防ぐ。
【００５３】
５．大気圧またはその近傍（〜６００〜８５０Ｔｏｒｒ）でＩｎＧａＮ／ＧａＮのＭＱＷおよび非ドープＧａＮ障壁を成長させ、一方、低圧（４０〜８０Ｔｏｒｒ）でｎ型およびｐ型ＧａＮを成長させる。
【００５４】
実施形態の可能な変更形および変化形
好ましい実施形態では、非極性方向に平坦で高品質なＩｎＧａＮ膜およびヘテロ構造物を成長させることができるプロセスを説明した。上記の技術説明のセクションでは特に、ａ面ＧａＮデバイスに関して説明した（すなわち、成長方向は、ＧａＮ＜１１−２０＞方向であった）。しかし、研究の結果、ａ面窒化物のための成長方法は、通常、ｍ面窒化物成長にも利用可能であるかまたは容易に適合させ得ることが証明された。従って、このプロセスは、ウルツ鉱型構造の＜１１−２０＞または＜１−１００＞のどちらの方向に成長させる膜および構造物にも適用できる。
【００５５】
上記で説明したＩｎＧａＮ膜のための基層は、ｒ面Ａｌ２Ｏ３上に成長させたＭＯＣＶＤ成長ａ面ＧａＮテンプレートであった。同様に、重要な特徴のセクションで説明したデバイス構造物には、ｒ面Ａｌ２Ｏ３上に成長させたＨＶＰＥ成長ＬＥＯのａ面ＧａＮ層を利用した。本発明の実施においては、実質的にその本質を変えることなく別の基板を用いることができる。例えば、どちらのプロセスの基層も、ＭＢＥ、ＭＯＣＶＤまたはＨＶＰＥによってａ面ＳｉＣ基板上に成長させたａ面ＧａＮ膜を含んでよい。他の利用可能な基板の選択肢としては、ａ面６Ｈ−ＳｉＣ、ｍ面６Ｈ−ＳｉＣ、ａ面４Ｈ−ＳｉＣ、ｍ面４Ｈ−ＳｉＣ、非極性ＧａＮを生じる他のＳｉＣ多形および配向、ａ面ＺｎＯ、ｍ面ＺｎＯ、（１００）ＬｉＡｌＯ２、（１００）ＭｇＡｌ２Ｏ４、自立ａ面ＧａＮ、自立ＡｌＧａＮ、自立ＡｌＮまたはこれらの基板のミスカット変化形を含むが、それらに限定されない。これらの基板は、非極性ＩｎＧａＮデバイス成長の前にそれらの上にＧａＮテンプレート層を成長させることを必ずしも必要としない。ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ等の基層は、適当なその場欠陥低減技術を組み込んでいても、組み込んでいなくても、デバイス成長プロセスの始めに堆積させることができる。しかし、一般には、膜品質およびデバイス性能は、欠陥密度の低い（すなわち、１×１０９転位／ｃｍ２および１×１０４積層欠陥／ｃｍ−１未満）窒化物テンプレート／基層の使用によって改善される。本発明中で用いられるエピタキシャル横方向オーバーグロースプロセスは、これらのレベル未満の欠陥密度を実現する。
【００５６】
好ましい実施形態では、特にＩｎＧａＮおよびＧａＮ層を含むＬＥＤ構造物に関して記載する。しかし、本発明は、任意のまたはすべての層におけるアルミニウム（Ａｌ）の取り込みについても利用可能である。一般的に言って、本発明によって成長させた層はどれも化学式（ＡｌｘＩｎｙＧａｚ）Ｎ、（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で記述される組成を有し得る。任意のまたはすべての層は、選択により別のドーパントを含むことができ、依然、本発明の範囲内に属する。この別のドーパントにはＺｎ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｏ等を含むが、それらに限定されるわけではない
上記で説明したデバイスのキャッピング層および障壁層はＧａＮで構成される。しかし、これらの層のそれぞれは、選択により、適当なキャリア閉じ込めを提供する、またはキャッピング層の場合、適当なＩｎ脱離抵抗を提供する、任意の非極性ＡｌＩｎＧａＮ組成を含むことができる。
【００５７】
上記で説明したデバイス構造物中のＧａＮおよびＩｎＧａＮ層の厚さは、本発明の好ましい実施形態から基本的に逸脱することなく、実質的に変化してよい。同様に、層組成を変えてアルミニウムおよび／またはホウ素を含めて電子バンド構造を変えてもよい。ドーピング・プロファイルを変化させたり、構造物の電気的および光学的性質を調整してもよい。本発明の範囲内で、構造物中に追加の層を挿入してもよく、層を取り除いてもよく、または、構造物中の量子井戸の数を変化させてもよい。例えば、ＵＩＤ型ＧａＮキャッピング層の厚さを減らし、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮ電子遮蔽層を含めると、ＬＥＤデバイス性能を著しく改善することができると考えられる。
【００５８】
上記の技術説明のセクションで説明した厳密な成長条件も拡張してよい。許容できる成長条件は、反応器の構成の配置に依存して反応器ごとに変化する。本発明の実施においては、さまざまな温度、圧力範囲、前駆体／反応体選択、Ｖ族／ＩＩＩ族比、キャリア・ガスおよびフロー条件を用いてもよいことを理解すれば、本発明で異なる設計の反応器を使用することができる。
【００５９】
上記のように、本明細書で説明したデバイスは、ＬＥＤを含む。しかし、本発明は、ＩｎＧａＮを含む非極性ＩｎＧａＮ膜および構造物の一般的な成長に適用できるものであり、ＬＥＤ構造物に限定されるとみなすべきでない。本発明は、３６０ｎｍ〜６００ｎｍ間の波長を有する非極性窒化物系ＬＥＤおよび類似の波長範囲で動作する非極性窒化物系レーザ・ダイオードを含むが、それらに限定されない広範なデバイスの設計および製作に顕著な利点を提供する。本発明を用いて、通常のｃ面ＩｎＧａＮ系レーザ・ダイオードに要求されるより低い透明キャリア密度を有する非極性歪み単一量子井戸レーザ・ダイオードを製作することができる。本発明によって製作される非極性ＩｎＧａＮ系レーザ・ダイオードは、重い正孔バンドおよび軽い正孔バンドの異方性歪み誘起分裂に関連する低い正孔有効質量の恩恵を受ける。ｃ面ＩＩＩ族窒化物デバイスでは通常実現することができない低い有効正孔質量によって、ｃ面レーザ・ダイオードに比べてレーザ発振のためのしきい値電流密度が減少する。正孔有効質量が低いと、正孔移動度が高くなり、ひいては非極性ｐ型ＧａＮの電気伝導率が高くなる。エレクトロニクス・デバイスも本発明の利益を受ける。ヘテロ構造バイポーラ・トランジスタなどのバイポーラ・エレクトロニクス・デバイスの製作で、非極性ｐ型ＧａＮの移動度が高いという利点を使用することができる。非極性窒化物中のｐ型電気伝導率が高いことによって、ｐ−ｎ接合ダイオードおよびＬＥＤ中の直列抵抗が低くなる。従って、ＩｎＧａＮ中の高い飽和電子速度による優れた高周波性能を特徴とする、高周波（ＲＦ）分散の減少した非極性ＩｎＧａＮチャネルＭＯＤＦＥＴを製作することができる。
【００６０】
既存の実施方法に対する利点および改善点、ならびに新しいと考えられる特徴
本明細書中の背景技術および技術説明の各セクションで、本発明の新規な特徴の多くを詳述した。重要な特徴のセクションで特定した重要な点は、非極性ＩｎＧａＮの成長における最も重要で新規な要素を構成する。本発明は、ヘテロ構造中の滑らかな、くぼみのないＩｎＧａＮ層の成長を可能にすることによって、高品質非極性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・デバイスの製作を初めて可能にする。
【００６１】
チトニスらの、ＭＯＣＶＤによって成長させたＩｎＧａＮ／ＧａＮのＬＥＤに関する最近の開示［非特許文献２］は、本発明に最も近い比較例を提供する。チトニスらの開示と比較した本発明の最も重要な改善点は以下の通りである。
【００６２】
１．高品質で欠陥密度の低い基板／テンプレート／基層の使用。チトニスらの直接成長方法は、ｒ面サファイア基板上でのａ面ＧａＮテンプレート層の堆積を含む。しかし、チトニスらのプロセスは、貫通転位または積層欠陥密度をそれぞれ〜１０９ｃｍ−２および〜１０５ｃｍ−１未満に減少させる有効な手段をまったく含んでいない。チトニスらのＩｎＧａＮ層中ではこれらの構造欠陥が伝播し、おそらくＩｎＧａＮ層の形態、層構造の品質およびデバイス性能の劣化の原因となる。本発明は、テンプレート層中に欠陥減少技術を利用して材料品質およびデバイス性能を改善している。
【００６３】
２．ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸およびＧａＮキャッピング層成長のための大気圧または大気圧近傍の成長条件の使用。この大気圧工程によって、量子井戸中へのインジウム取り込みを促進し、炭素汚染を減少させ、チトニスらの結果と比較してデバイス性能を改善する。
【００６４】
３．低温、大気圧で、窒素をキャリア・ガスとして用いて成長させたＧａＮキャッピング層を含むこと。チトニスらのデバイス構造物は、低温キャッピング層をまったく含まない。チトニスらの量子井戸は、ｐ‐ＡｌＧａＮ層を量子井戸領域の上に直接成長させるために成長温度を上げたため、劣化した可能性が高い。本明細書で説明した種類のキャッピング層を含むことによって、量子井戸領域が保護され、デバイス品質が改善される。
【００６５】
これらの改善点のどれをとっても、従来技術と比較して、ＩｎＧａＮ系エレクトロニクス・デバイスおよびオプトエレクトロニクス・デバイスの製作に顕著な利点を提供する。これらの三つの重要な要素を組み合わせることによって、はるかに優れたＩｎＧａＮ層品質およびデバイス性能が得られ、非極性ＩＩＩ族窒化物デバイス成長の最先端技術の著しい進歩を表す。
【００６６】
参考文献
以下の参考文献は、参照として本明細書に組み込まれる。
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）この論文は、文献中で非極性ＩｎＧａＮの成長を報告した二件しかない論文のもう一方であり、ここではＭＢＥによって実行された。
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）
３．Ｓ．Ｊ．Ｐｅａｒｔｏｎ，  ｅｔ  ａｌ．，“ＧａＮ：Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｄｅｆｅｃｔｓ，ａｎｄ  ｄｅｖｉｃｅｓ，”Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，８６，１（１９９９）この総説は、ｃ面ＧａＮ技術の概要を紹介している。
４．Ｔ．Ｔａｋｅｕｃｈｉ，  ｅｔ  ａｌ．，“Ｑｕａｎｔｕｍ‐Ｃｏｎｆｉｎｅｄ  Ｓｔａｒｋ  Ｅｆｆｅｃｔ  ｄｕｅ  ｔｏ  Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｆｉｅｌｄｓ  ｉｎ  ＧａＩｎＮ  Ｓｔｒａｉｎｅｄ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌｓ，”Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｐａｒｔ２，３６，Ｌ３８２（１９９７）この論文は、極性ｃ面ＩｎＧａＮデバイス中の有害電場の大きさを定量化している。この電場は、本発明によって製作される非極性デバイスでは取り除かれる。
５．Ｄ．Ｍｉｌｌｅｒ，  ｅｔ  ａｌ．，“Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｆｉｅｌｄ  ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ  ｏｆ  ｏｐｔｉｃａｌ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ｎｅａｒ  ｔｈｅ  ｂａｎｄ  ｇａｐ  ｏｆ  ｑｕａｎｔｕｍ‐ｗｅｌｌ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，”Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ，３２，１０４３（１９８５）この論文は、オプトエレクトロニクス・デバイスに対する電場およびＱＣＳＥの効果を論じている。
６．Ｆ．Ｂｅｍａｒｄｉｎｉ，  ｅｔ  ａｌ．，“Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｏｎｓｔａｎｔｓ  ｏｆ  ＩＩＩ‐Ｖ  ｎｉｔｒｉｄｅｓ，”Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ，５６，Ｒ１００２４（１９９７）この論文は、窒化物半導体中の実質圧電係数の計算法を示している。
７．Ｊ．Ｓ．Ｉｍ，  ｅｔ  ａｌ．，“Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ  ｓｔｒｅｎｇｔｈ  ｄｕｅ  ｔｏ  ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｆｉｅｌｄｓ  ｉｎ  ＧａＮ／ＡｌｘＧａ１−ｘＮ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌｓ，”Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ，５７，Ｒ９４３５（１９９８）この論文は、分極効果に起因する極性ｃ面ＧａＮ系デバイスの効率の減少について記載している。拡張によって、本発明において説明したデバイスなどの非極性デバイスは、これらの効果を受けることなく、より高い理論的効率を実現することができる。
８．Ｍ．Ｄ．Ｃｒａｖｅｎ，  ｅｔ  ａｌ．，“Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｎｏｎｐｏｌａｒ（１１−２０）  ａ‐ｐｌａｎｅ  ＧａＮ  ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍｓ  ｇｒｏｗｎ  ｏｎ  （１−１０２）  ｒ‐ｐｌａｎｅ  ｓａｐｐｈｉｒｅ，”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，８１，４６９（２００２）この論文は、カリフォルニア大学サンタ・バーバラ（ＵＣＳＢ）における非極性ＧａＮのＭＯＣＶＤ成長に関し、最初に公表された開示である。
９．Ｐ．Ｗａｌｔｅｒｅｉｔ，  ｅｔ  ａｌ．，“Ｎｉｔｒｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ  ｆｒｅｅ  ｏｆ  ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  ｆｉｅｌｄｓ  ｆｏｒ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｗｈｉｔｅ  ｌｉｇｈｔ‐ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅｓ，”Ｎａｔｕｒｅ（Ｌｏｎｄｏｎ）４０６，８６５（２０００）この論文は、ＬｉＡｌＯ２上に成長させたｍ面ＧａＮ中の分極場の除去に関する最初に公開された実証であった。
１０．Ｈ．Ｍ．Ｎｇ，“Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ‐ｂｅａｍ  ｅｐｉｔａｘｙ  ｏｆ  ＧａＮ／ＡｌｘＧａ１−ｘＮ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌｓ  ｏｎ  Ｒ‐ｐｌａｎｅ（１０−１２）  ｓａｐｐｈｉｒｅ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ，”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８０，４３６９（２００２）。この論文は、ＭＢＥによって成長させた非極性ＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子ヘテロ構造の数少ない報告の一つを表す。
１１．Ｍ．Ｄ．Ｃｒａｖｅｎ，  ｅｔ  ａｌ．，“Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ‐ｐｌａｎｅ  ＧａＮ／（Ａｌ，Ｇａ）Ｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌｓ  Ｇｒｏｗｎ  ｖｉａ  Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，”Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｐａｒｔ  ２，４２，Ｌ２３５（２００３）。この論文は、ＭＯＣＶＤ成長されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子ヘテロ構造物の構造的性質を説明する最初のものである。
１２．Ｂ．Ａ．Ｈａｓｋｅｌｌ，  ｅｔ  ａｌ．，“Ｄｅｆｅｃｔ  ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｉｎ  （１１−２０）  ａ‐ｐｌａｎｅ  ｇａｌｌｉｕｍ  ｎｉｔｒｉｄｅ  ｖｉａ  ｌａｔｅｒａｌ  ｅｐｉｔａｘｉａｌ  ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ  ｂｙ  ｈｙｄｒｉｄｅ  ｖａｐｏｒ  ｐｈａｓｅ  ｅｐｉｔａｘｙ，”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，８３，６４４（２００３）この論文は、本発明で説明したデバイス用のテンプレートを作り出すために用いられるＨＶＰＥによるＬＥＯプロセスについて記載している。
１３．Ｔ．Ｍｕｋａｉ  ａｎｄ  Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ，“Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  ＩｎＧａＮ  ａｎｄ  ＧａＮ  Ｓｉｎｇｌｅ‐Ｑｕａｎｔｕｍ‐Ｗｅｌｌ‐Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  Ｌｉｇｈｔ‐Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅｓ  Ｇｒｏｗｎ  ｏｎ  Ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ  Ｌａｔｅｒａｌｌｙ  Ｏｖｅｒｇｒｏｗｎ  ＧａＮ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ，”Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｐａｒｔ１，３８，５７３５（１９９９）この論文は、ＬＥＯ基板上のＩｎＧａＮ／ＧａＮ活性領域を用いる紫外線ＬＥＤの製作について記載している。
１４．Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ  ａｎｄ  Ｇ．Ｆａｓｏｌ，Ｔｈｅ  Ｂｌｕｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ，（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，  Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ，  １９９７）この本は、ｃ面ＧａＮオプトエレクトロニクス技術の概要を紹介する。
１５．Ｌ．Ｃｏｌｄｒｅｎ  ａｎｄ  Ｓ．Ｃｏｒｚｉｎｅ，Ｄｉｏｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ  ａｎｄ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，（Ｗｉｌｅｙ  Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ，  １９９５）１６０〜１７８頁および付録１１に、歪み量子井戸レーザの設計に関する理論がある。この本は、ヒ化物およびリン化物系オプトエレクトロニクス・デバイスを中心に取り扱っているが、本発明を用いて設計される非極性ＩｎＧａＮ系歪み単一量子井戸レーザの場合にも同じ理論が成立するはずである。
【００６７】
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、この詳細な説明によってではなく、本明細書に添付の請求項によって限定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】六方晶系ウルツ鉱型結晶構造およびその軸を示す図である。
【図２】本発明の好ましい実施形態によるプロセス工程を説明するフローチャートである。
【図３】本非極性発光ダイオードの概略断面図である。
【図４】本非極性ＬＥＤの電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性のグラフである。
【図５】種々の駆動電流に対するエレクトロルミネセンス（ＥＬ）スペクトルのグラフであり、挿入図は駆動電流の関数としてのＥＬ線幅を示す。
【図６】駆動電流の関数としてのウエハ上出力パワーおよびＬＥＤの外部量子効率（ＥＱＥ）のグラフである。
【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６】
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【国際調査報告】
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