(57)【要約】  本発明は、極性が制御されたＩＩＩ族窒化物の薄膜、及びこのような極性が制御された薄膜で被覆された基板の製造方法を提供する。詳細には、本発明は、ＩＩＩ族極性の薄膜、Ｎ極性の薄膜、又はＩＩＩ族極性部分とＮ極性部分の両方が的確な位置に選択的にパターン化された薄膜の成長を促進するために基板表面を最適化する基板前処理ステップを提供する。本発明の方法は、特に、ＣＶＤ法での使用に好適である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）表面を有する基板と、
（ｂ）前記基板表面に堆積したＩＩＩ族窒化物の薄膜と
を備えた被覆基板であって、
前記ＩＩＩ族窒化物の薄膜がＮ極性であり、且つ前記堆積した薄膜の表面粗さがｒｍｓで約８ｎｍ未満である被覆基板。
【請求項２】
前記基板がｃ面サファイア基板を含む請求項１に記載の被覆基板。
【請求項３】
前記ＩＩＩ族窒化物の薄膜がＣＶＤにより堆積される請求項１に記載の被覆基板。
【請求項４】
（ａ）表面を有する基板と、
（ｂ）前記基板表面に選択的にパターン化されて堆積し、ＩＩＩ族極性の部分とＮ極性の部分との両方を含むＩＩＩ族窒化物の薄膜と
を備えた被覆基板であって、
前記堆積した薄膜の表面粗さが、この薄膜のＩＩＩ族極性部分とＮ極性部分の両方にわたって、ｒｍｓで約８ｎｍ未満である被覆基板。
【請求項５】
前記基板がｃ面サファイアを含む請求項４に記載の被覆基板。
【請求項６】
前記選択的にパターン化されたＩＩＩ族窒化物の薄膜がＣＶＤにより堆積される請求項４に記載の被覆基板。
【請求項７】
２つの極性をもつＩＩＩ族窒化物の薄膜を同時に堆積するための露出した表面を有する基板の製造方法であって、
（ａ）基板に第一の窒化処理を施して、この基板の前記露出面を窒化層で被覆するステップと、
（ｂ）前記窒化層を有する前記基板の表面にバッファ層を設けるステップと、
（ｃ）前記バッファ層をアニール処理するステップと、
（ｄ）前記基板表面から前記バッファ層の一部を選択的に除去することで、前記基板表面の一部を露出させることを含む、前記基板表面を選択的にパターン化するステップと、
（ｅ）場合により、前記選択的にパターン化した基板表面をアニール処理するステップと、
（ｆ）前記基板表面の一部が露出した窒化層で被覆され、前記基板表面の残りの部分が露出したバッファ層で被覆されるように、前記基板に第二の窒化処理を施すステップと
を含む方法。
【請求項８】
前記基板がｃ面サファイアを含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
外部源から実質的に水素ガスを導入しない請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
外部源から水素ガスを導入するのを完全に回避する請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記第一及び第二の窒化ステップが、不活性ガスで希釈されたアンモニアを供給することを含む請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記不活性ガスが窒素ガスを含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第一及び第二窒化ステップが、それぞれ約８００℃より高い温度で実施される請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記第一及び第二窒化ステップが、それぞれ約５分より短い時間にわたり実施される請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記バッファ層を約１０ｎｍ〜約１００ｎｍの厚さで設ける請求項７に記載の方法。
【請求項１６】
前記アニールステップが、不活性ガスで希釈されたアンモニアを供給することを含む請求項７に記載の方法。
【請求項１７】
前記不活性ガスが窒素ガスを含む請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記アニールステップが約９５０℃〜約１１００℃の温度で実施される請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記アニールステップが約５分〜約３０分の時間にわたり実施される請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
露出面を有する基板上に二つの極性をもつＩＩＩ族窒化物の薄膜を堆積させる方法であって、
（ａ）前記基板に第１の窒化処理を施し、この基板の露出面を窒化層で被覆するステップと、
（ｂ）前記窒化層を有する前記基板の表面へバッファ層を設けるステップと、
（ｃ）前記バッファ層をアニール処理するステップと、
（ｄ）前記基板表面から前記バッファ層の一部を選択的に除去することを含む、前記基板表面を選択的にパターン化するステップと、
（ｅ）場合により、前記選択的にパターン化された基板表面をアニール処理するステップと、
（ｆ）前記基板の一部が露出した窒化層で被覆され、前記基板表面の残りの部分が露出したバッファ層で被覆されるように、前記基板に第二の窒化処理を施すステップと、
（ｇ）前記露出した窒化層の基板部分に堆積した薄膜がＮ極性となり、前記露出したバッファ層の基板部分に堆積した薄膜がＩＩＩ族極性となるように、前記基板上にＩＩＩ族窒化物の薄膜を堆積させるステップと
を含む方法。
【請求項２１】
前記ＩＩＩ族窒化物薄膜を堆積させるステップが、ＣＶＤを含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
外部源から実質的に水素ガスを導入しない請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
外部源から水素ガスを導入することを完全に回避する請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
不活性ガスとして、キャリアと希釈剤の両方を使用する請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
前記不活性ガスが窒素ガスを含む請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
窒素前駆体／ＩＩＩ族前駆体の割合が、約１０００未満である請求項２０に記載の方法。
【請求項２７】
前記第一及び第二窒化ステップが、不活性ガスで希釈されたアンモニアを、約８００℃より高い温度で、約５分未満の時間にわたって基板に供給することを含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２８】
前記バッファ層を約１０ｎｍ〜約１００ｎｍの厚さで設ける請求項２０に記載の方法。
【請求項２９】
前記アニールステップが、不活性ガスで希釈されたアンモニアを、約９５０℃〜約１１００℃の温度で、約５分〜約３０分の時間にわたって基板に供給することを含む請求項２０に記載の方法。
【請求項３０】
前記Ｎ極性薄膜及び前記ＩＩＩ族極性薄膜が、それぞれほぼ同じ速度で堆積する請求項２０に記載の方法。
【請求項３１】
前記ＩＩＩ族窒化物薄膜の堆積では物質移動が制限されている請求項２０に記載の方法。
【請求項３２】
請求項２０に記載の方法により製造される二つの極性をもつＩＩＩ族窒化物の薄膜。
【請求項３３】
前記薄膜の表面粗さが、この薄膜のＮ極性部分とＩＩＩ族極性部分にわたって、ｒｍｓで約８ｎｍ未満である請求項３２に記載の二極性ＩＩＩ族窒化物薄膜。
【請求項３４】
露出面を有する基板上にＩＩＩ族窒化物の薄膜を堆積させる方法であって、
（ａ）前記基板を窒化処理して、この基板の前記露出面を窒化層で被覆するステップであって、この窒化処理が、不活性ガスで希釈されたアンモニアを供給することを含み、この窒化処理が、約８００℃より高い温度で、約５分未満の時間にわたり実施されるステップと、
（ｂ）前記窒化層を有する前記基板の表面にＩＩＩ族窒化物の薄膜を堆積させ、この堆積した薄膜をＮ極性にするステップであって、この堆積ステップが、窒素前駆体／ＩＩＩ族前駆体の割合を約１０００未満として、ＩＩＩ族金属前駆体と窒化物前駆体を不活性ガスからなるキャリアと共に供給することを含むステップと
を含み、前記堆積した薄膜の表面粗さが、ｒｍｓで約８ｎｍ未満である方法。
【請求項３５】
前記ＩＩＩ族窒化物薄膜を堆積させるステップが、ＣＶＤを含む請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
外部源から実質的に水素ガスを導入しない請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
外部源から水素ガスを導入するのを完全に回避する請求項３４に記載の方法。
【請求項３８】
露出面を有する基板上にＩＩＩ族窒化物の薄膜を堆積させる方法であって、
（ａ）前記基板を窒化処理して、この基板の前記露出面を窒化層で被覆するステップであって、この窒化処理が、不活性ガスで希釈されたアンモニアを供給することを含み、この窒化処理が、約８００℃より高い温度で、約５分未満の時間にわたって実施されるステップと、
（ｂ）前記窒化層を有する前記基板の表面にバッファ層を約１０ｎｍ〜約１００ｎｍの厚さで設けるステップと、
（ｃ）前記バッファ層が設けられた前記基板をアニール処理するステップであって、このアニール処理が、不活性ガスで希釈されたアンモニアを供給することを含み、このアニール処理が、約９５０℃〜１１００℃の温度で、約５分〜約３０分の時間にわたって実施されるステップと、
（ｄ）前記アニールしたバッファ層を有する前記基板の表面にＩＩＩ族窒化物薄膜を堆積させ、この堆積した薄膜をＩＩＩ族極性にするステップであって、この堆積ステップが、窒素前駆体／ＩＩＩ族前駆体の割合を約１０００未満として、ＩＩＩ族金属前駆体と窒素前駆体を不活性ガスからなるキャリアと共に供給することを含むステップと
を含み、前記堆積した薄膜の表面粗さが、ｒｍｓで約８ｎｍ未満である方法。
【請求項３９】
外部源から実質的に水素ガスを導入しない請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
外部源から水素ガスを導入するのを完全に回避する請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
前記ＩＩＩ族窒化物薄膜を堆積させるステップが、ＣＶＤを含む請求項３８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［連邦政府により支援された研究又は開発］
本発明の根拠となる研究は、海軍研究所（ＯＮＲ）からの資金、助成金番号Ｎ０００１４−０１−１−０３０１により一部支援された。米国政府は、本発明の主題に関心がある。
【０００２】
本発明は、極性が制御されたＩＩＩ族窒化物の薄膜、そのような薄膜で被覆された基板、及びそのような薄膜の製造方法に関する。具体的には、本発明は、ＣＶＤ等の堆積法により製造されたＩＩＩ族窒化物薄膜の極性を制御し、かつそのような方法により製造されたＩＩＩ族窒化物に基づく横方向極性（lateral polarity）のヘテロ構造物及びホモ構造物を提供する。
【背景技術】
【０００３】
ＩＩＩ族窒化物で被覆された基板は、電気部品製造におけるその実用性のためますます重視されてきている。例えば、ＩＩＩ族窒化物に基づく半導体は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、特にブルーレザーダイオード、並びに高出力、高温エレクトロニクスの製造に使用するための主要材料となってきている。ＩＩＩ族窒化物コーティングは、極めて有用かつ用途が広いことが判明していると同時に、製造が少々難しいことも判明している。そのようなコーティングの成長は、一般に、エピタキシャル法、例えば有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）又は分子線エピタキシー（ＭＢＥ）による。
【０００４】
ＩＩＩ族窒化物薄膜を堆積するエピタキシャル法に、支障が無いわけではない。例えば、エピタキシャル成長は、単結晶のＩＩＩ族窒化物基板又は成長すべきＩＩＩ族窒化物薄膜と同じ格子定数を有する高品質の単結晶基板の欠落により阻害されることがある。窒化物のエピタキシャル成長は、サファイア又は炭化ケイ素基板上に遂行されることが多い。しかしながら、そのような基板を用いてすら、窒化物エピ層と基板との間の格子不整合のため問題が生じ得る。
【０００５】
ＩＩＩ族窒化物薄膜の特性は、薄膜の極性配向（polarity orientation）に依存して、変化することも公知である。ウルツ鉱型結晶構造に結晶化するＩＩＩ族窒化物薄膜は、図１に示すように、（０００１）方向に配向する極性軸を有する。極性は、ＩＩＩ族窒化物の非中心対称の結晶構造から生じる。ＩＩＩ族窒化物の最も一般的な成長方向は、（０００１）底面に垂直であり、この底面では、原子が、間隔の狭い、六角形の２層からなる二重層で配置されている。この二重層の１つは、カチオンを含有し、他はアニオンを含有しているので、図１に示すように、二重層は、極性面（polar face）を有する。ＩＩＩ族原子の３本の結合が基板に向かい、単結合が基板と反対方向に向く極性構造は、一般に、ＩＩＩ族極性と称される。従って、ＩＩＩ族原子の３本の結合が基板と反対方向に向き、単結合が基板に向かう、その鏡像構造は、一般に、窒素極性（即ちＮ極性）と称される。多面基板、例えばサファイアを使用すると、極性配向は、基板面に関して記述することもできる。例えば、ｃ面サファイアを基板として使用すると、図２に示すように、ＩＩＩ族極性配向は、＋ｃ配向と称することができ、他方Ｎ極性配向は、−ｃ配向と称することができる。
【０００６】
各配向は、薄膜を構成する種のどちらか１つで終了し得る（例えば、ＧａＮ薄膜中のガリウム又は窒素）ので、極性配向を、薄膜成分の表面終端と混同すべきではない。むしろ、極性配向は、自発分極ベクトルの方向を決定し、従って、表面／界面に誘発された電荷タイプを決定する。圧電分極と共に、分極誘発電荷は、被覆基板の電気及び光学特性に影響する。巨視的及び微視的スケールでの極性配向の制御は、両タイプの配向を組み合わせた性質を活用するのに好ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＩＩＩ族窒化物薄膜及びそのような薄膜を組み込んだ部品は実用性があり、薄膜の極性配向に固有の種々の特性があるので、極性の制御されたＩＩＩ族窒化物薄膜を製造する方法を有するのは好ましい。更に、二極性（dual polarity）のＩＩＩ族窒化物薄膜を製造する方法を有するのは有益であろう。そのような方法並びに特定の極性配向のＩＩＩ族窒化物薄膜で被覆された基板が、本発明により提供される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、極性の制御されたＩＩＩ族窒化物薄膜及びコーティングが極性制御（controlled polarity）薄膜を構成する被覆基板を製造する方法を提供する。本発明の方法は、化学蒸着（ＣＶＤ）成長技術に関連して、特に有用である。本発明はＩＩＩ族極性薄膜、Ｎ極性薄膜又は二極性薄膜の製造を可能にする。そのような多様性は、適切な基板前処理と適切な成長条件を特定し、かつ選択することにより実現される。意想外にも、各タイプの極性の平滑薄膜が、本発明により得られ、また同一成長条件下で、両タイプの極性に関し同一の成長速度も得られる。
【０００９】
１態様では、本発明の対象は、露出面を備えた基板上へのＩＩＩ族窒化物薄膜の堆積法である。具体的には、この方法は、薄膜がＩＩＩ族極性薄膜又はＮ極性薄膜のどちらかとして選択的に成長できるような、極性制御ＩＩＩ族窒化物薄膜の堆積を可能にする。意想外にも、そのような極性制御は、単独の堆積法、例えばＣＶＤ、により達成することができる。
【００１０】
本発明のこの態様の特定の一実施形態では、この方法は、基板の窒化を遂行し、窒化層で基板の露出面を被覆することを含む。有利には、窒化は、アンモニア（好ましくは、本発明により好適なガス、例えば窒素ガス、で希釈されている）の供給を含み、約８００℃より高温で、約５分未満の時間実施する。この実施形態による方法は、更に、窒化物層をその上に備えた基板表面上に、堆積薄膜がＮ極性であるように、ＩＩＩ族窒化物薄膜を堆積させることを含む。好ましくは、堆積ステップは、窒素前駆体／ＩＩＩ族前駆体の割合が約１０００未満であるように、不活性ガスからなるキャリアと共にＩＩＩ族金属前駆体及び窒素前駆体を供給することを含む。有利には、本発明のこの実施形態により、堆積薄膜は、約８ｎｍ未満のｒｍｓ粗さを有する。
【００１１】
本発明の更に他の実施形態により、露出面を備えた基板上にＩＩＩ族窒化物薄膜を堆積させる方法が提供される。この実施形態において、前記方法は、基板に窒化を施し、基板の露出面を窒化層で被覆するステップと、窒化層をその上に有する基板表面へバッファ層を施与するステップと、バッファ層がその上に施与された基板をアニール処理するステップと、アニールされたバッファ層をその上に備えた基板表面にＩＩＩ族窒化物薄膜を、堆積薄膜がＩＩＩ族極性であるように、堆積させるステップとを含む。好ましくは、窒化ステップは、不活性ガスで希釈されたアンモニアの供給を含み、約８００℃より高温で、約１０分未満の時間実施される。更に、バッファ層は、約１０ｎｍ〜約１００ｎｍの厚さに施与されるのが好ましい。有利には、アニールステップは、不活性ガスで希釈されたアンモニアの供給を含み、約９５０℃〜約１１００℃の温度で、約５分〜約３０分の時間実施される。更に、堆積ステップは、窒素前駆体／ＩＩＩ族前駆体の割合が約１０００未満であるように、ＩＩＩ族金属前駆体及び窒素前駆体を供給することを含み、各前駆体は、不活性ガスキャリア中に供給されている。本発明のこの実施形態は、有利には、堆積薄膜が、約８ｎｍ未満、好ましくは約１ｎｍ未満のｒｍｓ粗さを有することを可能にする。
【００１２】
基板に施与されるＩＩＩ族窒化物の極性を制御する新規能力は、本発明のさらにもう１つの態様のもととなり、その態様では、二極性のＩＩＩ族窒化物薄膜（即ち、単一方法により基板上に堆積された薄膜であり、この薄膜の一部がＩＩＩ族極性であり、薄膜の残り部分がＮ極性である）の製造が可能である。基板表面の特に前処理された部分上にＩＩＩ族極性の成長を促進し、かつ基板の特に前処理された別の部分上にＮ極性の成長を促進するユニークな基板前処理方法により、そのような方法が可能である。
【００１３】
従って、一実施形態において、本発明の対象は、二極性ＩＩＩ族窒化物薄膜の同時堆積のための露出面を有する基板を製造する方法である。詳細には、この方法は、以下のステップ：基板に第１の窒化処理を実施し、基板の露出面を窒化層で被覆するステップと、窒化層をその上に有する基板表面へバッファ層（例えば窒化アルミニウムバッファ層）を施与するステップと、基板に施与されたバッファ層をアニール処理するステップと、基板表面からバッファ層の一部を選択的に除去して、基板表面の一部を露出させることにより、基板表面を選択的にパターン化するステップと、場合により、選択的にパターン化された基板表面をアニール処理するステップと、基板表面の一部を露出窒化層でカバーし、残りの基板表面部分が露出バッファ層でカバーされたままにするように、基板に第二の窒化処理を施すステップとを含む。この方法は、第一窒化の前に基板をＨ2アニール処理するステップを更に含む。
【００１４】
本発明の別の実施形態において、露出基板表面上に二極性ＩＩＩ族窒化物薄膜を堆積させる方法が提供される。詳細には、この方法は、基板に第１の窒化処理を実施し、基板の露出面を窒化層で被覆するステップと、窒化層をその上に有する基板表面へバッファ層（例えば窒化アルミニウムバッファ層）を施与するステップと、基板へ施与されたバッファ層をアニール処理するステップと、基板表面からバッファ層の一部を選択的に除去し、基板の一部を露出させることにより、基板表面を選択的にパターン化するステップと、場合により、選択的にパターン化された基板表面をアニール処理するステップと、基板表面の一部が露出された窒化層でカバーされ、残りの基板表面部分が露出バッファ層でカバーされるように、基板に第二の窒化処理を実施するステップと、露出窒化層を有する基板部分上に堆積された薄膜はＮ極性であり、露出バッファ層を有する基板部分上に堆積された薄膜はＩＩＩ族極性であるように、基板上にＩＩＩ族窒化物薄膜を堆積させるステップと、を含む。
【００１５】
１つの特定の実施形態では、本発明の方法は、実質的に水素ガスを外部源から（即ち、キャリア又は希釈剤として）導入しないことを、特に、特徴とする。その代わりに、窒素ガス又は別の不活性ガスを、基板表面の前処理及びＩＩＩ族窒化物薄膜堆積において、キャリア又は希釈剤として使用する。別の実施形態では、本発明は、ＩＩＩ族前駆体に対する窒素前駆体（例えばアンモニア）の割合が、約１０００未満、好ましくは約５００未満であることを特徴とする。
【００１６】
本発明は、更に、二極性薄膜を製造する際に、薄膜のＩＩＩ族極性部分及び薄膜のＮ極性部分がそれぞれほぼ同一速度で堆積することを特徴とする。特に、ＩＩＩ族窒化物薄膜の堆積では、物質移動が制限され、これは、恐らく、キャリア又は希釈剤としての不活性ガスの使用並びに導入水素ガス不在が原因であり、温度の増加と共に堆積を緩慢にする。
【００１７】
本発明の更にもう１つの態様では、表面を有する基板と、その基板表面に堆積されたＩＩＩ族窒化物薄膜とを含む被覆基板が提供される。本発明のこの態様の特定の一実施形態では、ＩＩＩ族窒化物薄膜はＮ極性である。更に、本発明のこの実施形態により、Ｎ極性薄膜は、約８ｎｍ未満、好ましくは約３ｎｍ未満のｒｍｓ粗さを有するほどに適度に平滑である。
【００１８】
本発明の別の実施形態により、ＩＩＩ族窒化物薄膜は選択的にパターン化されており、二極性薄膜は、基板表面上に選択的にパターン化された少なくとも１つのＩＩＩ族極性部分と少なくとも１つのＮ極性部分とを含む。本発明のこの実施形態により、薄膜のＩＩＩ族極性部分とＮ極性部分の双方は、適度に平滑であり、薄膜は、約８ｎｍ未満、好ましくは約３ｎｍ未満のｒｍｓ粗さを有する。
【００１９】
本発明を、このように一般的用語で記述してきたが、次に、添付図面を参照して、本発明を説明する。なお、図面は、必ずしも原寸通りに描かれていない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、添付図面を参照して、本発明をより詳細に説明するが、本発明の全ての実施形態を示すわけではない。実際、本発明は、様々な態様で実施することができ、本発明は、本明細書中に記載した実施形態に限定されると解釈すべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が、適用される法的要件を満たすために提供するものである。同一の符号は、明細書を通じて同一の構成を示す。本明細書及び添付した特許請求の範囲において使用する単数形の「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」は、文脈が別に明白に指示しない限り、複数の対象を含む。
【００２１】
本発明は、極性が制御されたＩＩＩ族窒化物の薄膜を提供し、また、そのような薄膜を基板上に堆積する方法を提供する。本発明は、詳細には、ＣＶＤにより製造されたＩＩＩ族窒化物薄膜の極性を制御するためのスキームを提供する。ＩＩＩ族窒化物薄膜の現在の堆積法では、薄膜の極性配向を制御する能力や、表面平滑度などの薄膜の物理的性質を制御する能力に限界がある。しかしながら、本発明の方法は、薄膜の極性配向の制御を可能にする（即ち、作成者は、ＩＩＩ族極性の薄膜、Ｎ極性の薄膜又は正確にパターン化された二極性の薄膜を堆積させることができる）。よって、本発明によれば、極性が制御されたＩＩＩ族窒化物の薄膜を製造することが可能である。意想外にも、ＩＩＩ族極性又はＮ極性といった極性が制御された薄膜を、同じ一般タイプの堆積法により製造することができる。
【００２２】
本発明によれば、ＩＩＩ族窒化物に基づく横方向極性のホモ構造物及びヘテロ構造物を製造することも可能である。多数のタイプのデバイス構造物は、不正確にヘテロ構造物と呼ばれることが多いが、この用語は、正確には、１以上のタイプの材料又は化合物を含む構造物を示す。例えば、ＡｌＧａＮ及びＧａＮを含む薄膜は、正確にはヘテロ構造物と呼ばれる。それとは逆に、ただ１つの化合物、例えばＧａＮからなる構造物は、たとえその構造物が、別に、ドープされた部分を有するか（例えばｎ−ＧａＮ／ｐ−ＧａＮ構造）又は異なる極性部分を有する（例えば、Ｇａ極性ＧａＮ／Ｎ極性ＧａＮ）場合でも、正確には、ホモ構造物と呼ばれる。本発明は、多様なタイプのホモ構造物及びヘテロ構造物を製造するのに、特に好適である。
【００２３】
本明細書中に記載するＩＩＩ族窒化物とは、周期表のＩＩＩ族として一般に分類される元素の窒化物を示すと理解され、特に、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）の窒化物を示す。本開示中の具体例は、特定のＩＩＩ族窒化物、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）に言及することができる。更に、単純にするために、一般に本発明は、特定のＩＩＩ族窒化物に関して記載することもできるが、特定のＩＩＩ族窒化物への言及又は一般にこれに関連する記述は、本発明の範囲を限定することを意図しない。むしろ、本発明は、広く全てのＩＩＩ族窒化物及びそれらの合金の薄膜に関し、また、そのような薄膜を基板上に堆積（又は成長）する方法に関する。
【００２４】
多種多様な基板を、本発明に係るＩＩＩ族窒化物薄膜の製造に使用することができる。前述したように、窒化物薄膜と基板との間の格子不整合は、良質薄膜の成長に障害となることもある。本発明の方法は、薄膜の品質を改良し、薄膜の極性を制御するのに有益な基板前処理の特定と、その実施から得られる良質薄膜の製造に、特に有用である。本発明により提供される有益な基板前処理では、多様な基板を使用でき、かつ基板前処理により、基板を適切に調整することができる。
【００２５】
ＣＶＤなどの薄膜成長法に一般に使用される基板は、本発明でも使用することができる。例えばサファイア及び炭化ケイ素は、両方とも本発明に係る基板として有用である。特に、本発明は、ｃ面サファイアウェーハ基板上のＩＩＩ族窒化物薄膜の成長に関連させて本明細書中で説明される。このような説明は、本発明を完全に開示する目的と、説明を簡潔にする目的のために行なわれる。しかしながら、本発明を、特定の基板、例えばサファイアを使用することに限定するような意図はなく、当然、他の可能な基板も本発明に包含される。例えば本発明に係る基板は、窒化アルミニウムや窒化ガリウムなどのＩＩＩ族窒化物の材料の少なくとも１つから形成されたウェーハを含んでも良い。
【００２６】
本発明の方法は、特に、ＣＶＤプロセスに関連して、終始、記載されている。本発明に係る有用なＣＶＤの特定のタイプには、有機金属化学気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ）、有機金属化学気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）及びハイドライド気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）がある。特に、ＭＯＶＰＥは、ＩＩＩ族窒化物のエピタキシャル成長のための定評のある技術であり、かつ層厚の微調整、界面構造、材料組成及び不純物濃度を含む非常に要求の多い仕様書によって、薄膜及び関連デバイスの製造に有用である。本発明の方法は、特に、ＣＶＤ、詳細にはＭＯＣＶＤ、ＨＶＰＥ及びＭＯＶＰＥと関連して使用するのに好適であるが、本発明はそのような方法に限定されるものではない。むしろ、本発明の方法は、当業者に想定されるような基板上に薄膜を堆積させるのに有用な他の方法でも実施できることが意図される。
【００２７】
窒素リッチ条件及びＣＶＤに付随する比較的高い基板温度が、ｃ面サファイア基板上に、常に、＋ｃ配向薄膜（即ちＩＩＩ族極性薄膜）を製造すると、当該技術分野では一般に考えられている。対照的に、−ｃ配向薄膜（Ｎ極性薄膜）は、歴史的に、ＭＢＥによってのみ成長した。成長技術としてＭＢＥを使用する技術的難点のため、そのようなデバイスの技術的進歩は阻まれた。最近の研究が示したように、−ｃ配向薄膜は、他の方法、例えばＭＯＣＶＤ、により成長するが、薄膜品質及び厳密な極性制御が、当技術にいまだ欠けている。
【００２８】
当技術で公知のＮ極性ＧａＮ薄膜は、六角形ピラミッドを特色とする粗面形態を特徴とするが、当技術で公知のＧａ極性薄膜は、通常は、鏡面外観を有する。混合極性薄膜（両方の極性の小さいドメインを含有する薄膜）は、単一薄膜と区別するのが難しく、従って、表面形態だけでは薄膜極性は明白に同定されない。数種の技術を使用して、ＧａＮ薄膜の極性配向を同定した。最も容易であるが、有害な技術では、各極性表面の種々の化学的反応性を使用する。Ｇａ極性表面は、表面へと広がる欠陥場所以外は、化学的腐食液の大半に耐性があるが、Ｎ極性面は、ＫＯＨ／Ｈ2Ｏ溶液又はＫＯＨ／ＮａＯＨ共晶に対し反応性である。
【００２９】
Ｇａ極性薄膜とＮ極性薄膜の化学的反応性の違いが、薄膜の腐食速度にまさに影響するように、各極性に観察される成長速度も異なることが認識される。Ｇａ極性面は、Ｎ極性面より一般に迅速に成長する。成長速度のこの差は、ＣＶＤプロセスで観察されるのみならず、一般に、ＧａＮ及びＡｌＮのバルク成長でも観察される。二極性ヘテロ構造中では、より迅速に成長するＧａ極性が、競合するＮ極性ドメインを上回るので、より迅速に成長するＧａ極性は望ましくない。これらの限界を克服する能力が、他の利点と同様に、本発明により提供される。
【００３０】
本発明は、制御された極性配向のＩＩＩ族窒化物薄膜の製法を提供する。詳細には、本発明は、ユニークな一連の基板前処理ステップを特徴とする薄膜製造法を提供し、これらステップは、ＩＩＩ族極性薄膜又はＮ極性薄膜を製造するＩＩＩ族窒化物薄膜堆積法で使用する基板の製造に選択的に使用できる。更に、各極性配向のＩＩＩ族窒化物薄膜は、約８ｎｍ未満、好ましくは約３ｎｍ未満のｒｍｓ粗さを有する平滑薄膜として堆積でき、更に詳細に下記に記載される。
【００３１】
本発明によれば、ＩＩＩ族極性薄膜を堆積できるだけと一般にみなされたＭＯＣＶＤなどの薄膜堆積法を使用する場合ですら、基板前処理を最適化して、特定の極性配向の薄膜堆積を促進するように基板を特異的に調整することにより、堆積薄膜の極性配向を制御する能力が得られる。
【００３２】
Ｎ極性ＩＩＩ族窒化物薄膜の成長を促進するために基板を調整するのに特に有用である、本発明により確立された基板前処理方法は、基板の迅速かつ高温の窒化を遂行するステップを含む。本発明により露出基板表面が適切に窒化されるならば、公知ＣＶＤ法により、ＩＩＩ族窒化物薄膜が、制御されたＮ極性配向で堆積することができる。
【００３３】
ＩＩＩ族極性ＩＩＩ族窒化物薄膜の成長を促進するために基板を調整するのに特に有用である、本発明により確立された基板前処理方法は、露出基板表面の窒化、バッファ層、好ましくは、最適化された厚さのバッファ層の施与、及びバッファ層のアニールを含む。この３ステップのそれぞれは、一般に本発明で記載されるように実施することができる。
【００３４】
上記したように、本発明は、新規で有用な、従来より進歩した薄膜堆積法を提供し、その方法では、単独タイプの堆積法、例えばＣＶＤを使用して、制御された極性様式で薄膜が堆積し得る。従って、単独かつ一般的な方法で、ＩＩＩ族極性薄膜、Ｎ極性薄膜、又は二極性（ＩＩＩ族極性及びＮ極性の両方）薄膜を、単に基板前処理ステップを最適化することにより、製造することができる。前の記載では、特定の基板前処理ステップを利用するＣＶＤ法によるＩＩＩ族極性薄膜又はＮ極性薄膜の制御された製造を検討した。以下の記述は、基板前処理ステップのユニークな組み合わせを利用する、二極性薄膜の製造を検討する。従って、以下の基板前処理ステップの記述は、前記の制御された単極性薄膜にもあてはまることが認識される。
【００３５】
一実施形態では、本発明は、二極性ＩＩＩ族窒化物薄膜の同時堆積のための基板を製造する方法を提供する。特定の一実施形態では、ＩＩＩ族窒化物薄膜はＧａＮ薄膜である。二極性ＧａＮ薄膜は、窒化処理、バッファ層堆積及びバッファ層アニール時間からなる系統的基板処理により得ることができる。ほんの数秒のみ続く窒化処理の後であっても、ＧａＮ薄膜が、この窒化基板上に堆積されると、Ｎ極性薄膜を得ることができる。Ｇａ極性ＧａＮ薄膜は、形成するバッファ層の厚さを最適化するとともに、適切なアニール条件を用いることによって、得ることができる。逆に、不適切に処理されたバッファ層上のＧａＮ薄膜は、Ｎ極性又は混合極性の薄膜となる。
【００３６】
二極性薄膜の同時堆積用の基板の製造において、本方法は、基板に第１の窒化処理を実施することを含む。窒化処理は、反応性窒素を供給する環境中に露出した基板表面の高温アニールであると一般に理解されており、これによって、基板の露出面に窒素が反応する。反応性窒素を供給する窒素源であれば、本発明にはどれも有用であろう。好ましい実施形態では、窒素源は、ＮＨ3である。使用できる他の窒素源の非限定的な例には、アミン有機化合物やヒドラジン化合物がある。
【００３７】
本発明は特に、ＩＩＩ族窒化物薄膜の製法が、実質的に水素を外部源から導入しないように実施されることを特徴とする。特に、本明細書中に記載される窒化処理及びアニールステップは、好ましくは、実質的な量の水素ガスを導入せずに実施される。従来公知のＩＩＩ族窒化物薄膜の堆積法は、Ｈ2ガスを使用する。具体的には、そのような従来公知の方法は、希釈剤、キャリア又はその両方として、Ｈ2ガスを使用する。しかしながら、本発明は、Ｈ2ガスの導入が実質的又は完全に回避される点で、従来技術とは異なる。
【００３８】
当業者に認識されるように、本発明方法の間に実施される反応は、特に、ＮＨ3が反応体の際に、Ｈ2ガスの形成に至ることができる。そのようなＨ2ガスの現場形成は、Ｈ2ガスの導入回避に関連する前記陳述に鑑み、完全に考慮される。従って、本方法の反応から起きるＨ2ガスの現場形成は、本発明により包含され、実質的にＨ2ガスは外部源から導入されないという本発明の有利な実施形態を限定しない。言い換えると、本発明によりＨ2ガスは現場形成され得るが、希釈剤又はキャリアガスとして使用されるＨ2ガスを、外部源から特に導入しないのが好ましい。そのため、Ｈ2ガスは、外部源から全く導入されないか又は実質的に導入されないという選択は、起き得るＨ2ガスの現場形成により限定されない。
【００３９】
本明細書中に使用されるように、「実質的にＨ2ガス無し」というフレーズは、水素は存在するが、ほんの少量のみ、特に、従来の堆積法により通常予期される量よりはるかに少ない量であるという状態を包含することを意図する。従って、実質的に、Ｈ2ガスを導入しない方法は、例えば希釈剤又はキャリア等のガスの使用を包含すると理解され、但し、ガスは、約５容積％未満、好ましくは約２容積％未満、最も好ましくは約１容積％未満のＨ2ガスを含む。特に好ましい実施形態では、本発明の方法は、Ｈ2ガスの導入が完全に回避されるように実施される。特に、方法の窒化及びアニールステップは、外部源からのＨ2ガス導入が完全に回避されるように実施されるのが好ましい。
【００４０】
例えばキャリア又は希釈剤としての使用のために、Ｈ2ガスを添加するのは、本発明の実行に不必要であるが、あまり好ましくない実施形態では、本発明の方法により、１０容積％までのＨ2ガス、又は２０容積％のＨ2ガスですら導入することができる。しかしながら、そのような実施形態は、Ｈ2ガスの量が増加するとプロセスに必要なＮＨ3の量を増加させることを要するので、あまり好ましくない。
【００４１】
前記を鑑みて、希釈剤及びキャリアの両方として不活性ガスを本発明方法にわたり使用するのが好ましい。本発明に係るＨ2ガスの替わりとして、本明細書中に記載される反応パラメータ以内で不活性であるガスは何れも使用できる。本明細書中に使用されるように、不活性ガスは、本方法で使用される露出基板表面、ＩＩＩ族前駆体又は窒素前駆体と反応しない任意のガスを示すことを意図する。特に、不活性ガスとして一般に公知の任意のガス、例えばＶＩＩＩ族希ガス、を使用することができた。
【００４２】
好ましい実施形態において、窒素ガスを不活性ガスとして使用する。Ｎ2は、化学的に、比較的不活性と理解されるが、当業者には、特定の条件下で（例えば高熱下である種の金属に対して）、Ｎ2ガスは反応性でありうると認識されている。本発明により、Ｎ2ガスは、本発明方法の反応を妨害しないという点において、不活性であると理解される。そのため、本明細書中に使用されるように、「不活性」というフレーズは、Ｎ2ガスを包含することを意図する。更に、簡単にするために、本発明に係る不活性ガスの使用は、Ｎ2の使用と特別に関連して、本明細書中にさらに詳細に記載できる。しかしながら、そのような記述には、本発明をそのような実施形態に限定する意図はない。むしろ本発明は、本明細書中に記載のどの不活性ガスも包含することを完全に意図する。
【００４３】
そのため、本発明における窒化は、反応性窒素源が、Ｎ2で希釈されていることを特徴とし、Ｎ2は、Ｇａ極性又はＮ極性の平滑なＧａＮ薄膜の、後からの堆積を促進するのに特に有用である。第１の窒化処理は、約８００℃以上の温度で実施される。好ましくは、温度は約８５０℃より高く、更に好ましくは、約９００℃より高く、最も好ましくは約９５０℃より高い。
【００４４】
前記したように、窒化層の存在は、Ｎ極性薄膜の堆積に必要である。窒化層の正確な化学的性質は、基板に依存する。ｃ面サファイア基板（即ちＡｌ2Ｏ3）を用いると、窒化は、露出基板表面上にＡｌＮ単層を生じる。単層は、窒化表面上のＮ極性薄膜形成を促進するのに特異的であり、単層は、特に、サファイア表面上へのＡｌ−Ｏ−Ｎ結合から形成される。どのようにＡｌ−Ｏ−Ｎ窒化層がＮ極性薄膜形成を促進するかの根拠となる理論は、完全には理解されないが、本発明により、そのような窒化層が、平滑なＮ極性薄膜を形成するのに必要であることは理解される。従って、窒化は、基板の完全な窒化を確実にするのに十分な時間実施すべきである。しかしながら、窒化時間を限定するのは有益である。露出基板面の過剰の窒化は、多様な積層型ＡｌＮ層の形成をもたらすこともあり、これは、後で施与されるＮ極性ＧａＮ薄膜が粗面形態を有する原因となり得るので、本発明では望ましくない。
【００４５】
平滑なＮ極性薄膜を成長させるのに有益な窒化期間は、基板タイプ及び反応パラメータに依存して変化し得る。特に、窒化期間は、前記の窒化温度並びに反応性窒素源の濃度及び源に依存する。窒化は、約２０分未満の時間実施すべきである。好ましくは、窒化は、約１５分未満、更に好ましくは約１０分未満、更により好ましくは約６分未満、更に一層好ましくは約３分未満、最も好ましくは約２分未満の時間、実施する。一実施形態では、窒化は、アンモニア環境中で約９５５℃の温度で、約２分間実施する。
【００４６】
唯一の希釈剤としてのＮ2の使用は、モザイク構造の粗ＧａＮ薄膜を生じるという公知技術の観点から、希釈剤及びキャリアの両方として不活性ガスを使用することの利点は、意想外である。本発明における唯一の希釈剤としての不活性ガスの使用は、Ｇａ極性薄膜及びＮ極性薄膜において、類似の堆積速度を促進するのに有用であることも判明した。ＭＯＣＶＤによりＧａＮ薄膜を製造する従来の方法は、唯一の希釈剤としてＨ2を使用する。そのような方法では、Ｇａ極性薄膜は、Ｎ極性薄膜より迅速に堆積することが報告されていた。不活性ガスを唯一の希釈剤として使用する場合、堆積速度は、標準堆積温度で、ほぼ一定であるが、Ｈ2下では、成長速度は温度と共に減少することが立証されていた。本発明は、物質移動が限定された堆積を示し、これは、２つの極性の間の化学反応性の差を回避し、かつ２つの極性の堆積速度を同一にするために必要である。
【００４７】
露出基板表面の窒化の間、不活性ガス希釈剤が、反応性窒素源、例えばＮＨ3、の固有分圧を保持するのに有用な量で存在するのは好ましい。一実施形態では、反応性窒素源としてＮＨ3を使用し、かつ当業者に容易に推定できるように、ＮＨ3分圧は好ましくは露出基板面との反応に有用なレベルに保持される。特定の実施形態では、ＮＨ3分圧は、不活性ガス、例えばＮ2、を、不活性ガスに対するＮＨ3の比が、ほぼ１：１であるような量で供給して保持される。
【００４８】
窒化後、バッファ層を基板に施与する。バッファ層は、Ｇａ極性薄膜の堆積を促進するのに有益な任意の材料を含むことができる。例えば、バッファ層は、それ自体が、窒化物層、特にＩＩＩ族窒化物層を含んでよい。本発明の特別な一実施形態では、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）バッファ層が、窒化基板上に施与される。別の実施形態では、バッファ層は、ＧａＮ層である。本発明に係る有用なバッファ層は、好ましくは、非中心対称性であり、かつ被覆すべき層にぴったり格子整合している。本発明により有用な他のバッファ層の非限定例には、ＡｌＧａＮ合金がある。
【００４９】
基板露出面の窒化後に施与されたＡｌＮバッファ層は、窒化の間に形成されるＡｌＮ単層とは異なる。前記のように、露出サファイア基板面の高温窒化から形成された薄いＡｌＮ単層は、実際にＡｌ−Ｏ−Ｎ結合から形成され、そのような結合タイプの薄層は、平滑なＮ極性ＧａＮ薄膜堆積を促進するのに有益である。それに反して、より厚い低温バッファ層、例えばＡｌＮバッファ層、は、Ｇａ極性ＧａＮ薄膜堆積を促進するのに有益である。そのようなＧａ極性ＧａＮ薄膜堆積の促進は、ＡｌＮバッファ層のより大きな厚さ並びに層内の完全なＡｌ−Ｎ結合（即ち、窒化層内にＡｌ−Ｏ−Ｎ結合が形成されない）の両方から生じる。
【００５０】
既に言及したように、バッファ層、例えばＡｌＮ、の存在が、Ｇａ極性薄膜堆積を引き起こすのに必要である。しかしながら、バッファ層の存在だけでは、良質の、制御されたＧａ極性配向の薄膜堆積を保証するには不十分である。そのような制御された堆積を保証するために、バッファ堆積ステップの時間と温度の両方を最適化して、最適化された厚さのバッファ層を形成することが効果的である。
【００５１】
窒化層をその上に備えた基板表面にバッファ層を施与するステップは、バッファ層前駆体を比較的低温で、特定の時間供給して、所望の厚さのバッファ層を施与するステップを含む。ＩＩＩ族窒化物をバッファ層として使用できるが、本発明は、これに限定はされず、更にまた、Ｇａ極性ＩＩＩ族窒化物薄膜の堆積を促進するための格子整合構造を提供するのに好適な他のタイプのバッファ材料を包含することができる。バッファ層が窒化物を含む場合、本明細書中に前記したような反応性窒素源を使用することができる。バッファ層が、ＩＩＩ族窒化物である場合、ＩＩＩ族前駆体、特にＧａ前駆体、Ａｌ前駆体又はＩｎ前駆体を使用することができる。特定の一実施形態では、ＩＩＩ族前駆体は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を含み、窒素前駆体は、ＮＨ3である。更に別のＩＩＩ族前駆体の非限定例には、トリエチルアルミニウムがあり、さらに別の窒素前駆体の非限定例には、ヒドラジンとアミンがある。本発明は他のそのような窒素前駆体を使用でき、かつ包含するが、簡単にするために、本発明は、窒素前駆体の例としてのＮＨ3の使用に関連して本明細書中で更に完全に記載される。当業者が、本明細書中に提供される教示を用い、ＮＨ3例に基づいて他の窒素前駆体で本発明を実施できることが予期される。ＩＩＩ族前駆体に対する窒素前駆体のモル比は、好ましくは約１００００〜約４００００、更に好ましくは約１５０００〜約３５０００、最も好ましくは約２００００〜約３００００である。
【００５２】
窒化ステップにおけるように、本方法は、特に、不活性ガス、例えばＮ2、を、バッファ層前駆体用の希釈剤及びキャリアとして使用するが、窒素前駆体の分圧は、Ｎ2存在量に依存しないことを特徴とする。Ｎ2は、このステップでは、反応器の総圧に影響するだけである。従って、Ｎ2は、好ましくは、反応器の所望の総圧を維持するのに有用な量で存在する。一実施形態では、反応器総圧は、約２０Ｔｏｒｒである。
【００５３】
本発明の1実施形態では、バッファ層堆積温度は、約５００℃〜約７５０℃である。好ましくは、バッファ層堆積温度は、約５２５℃〜約７２５℃、更に好ましくは約５５０℃〜約７００℃、最も好ましくは約５７５℃〜約６７５℃である。
【００５４】
バッファ層堆積が実施される時間は、バッファ層堆積温度に依存し得る。一般に、バッファ層堆積時間は、様々に変化し、所定の温度で、好ましい厚さのバッファ層の堆積を可能にする。好ましくは、バッファ層堆積時間は、約２分〜約２０分、更に好ましくは約５分〜約１５分、最も好ましくは約７分〜約１２分である。前記範囲は、本発明の好ましい実施形態について指針を与えるために記載されるが、本発明は、特定の堆積温度で、最も有用な厚さのバッファ層の堆積に有益であるとして前に挙げた時間より多少長いか短いバッファ層堆積時間を包含すると理解されるべきである。
【００５５】
従って、バッファ層堆積時間及び温度は、好ましい厚さを有するバッファ層が、窒化層をその上に備えた基板表面へ施与されるように、最適化することができる。好ましくは、基板表面に施与されたバッファ層は、厚さ約１０ｎｍ〜約１００ｎｍ、更に好ましくは厚さ約１５ｎｍ〜約７５ｎｍ、最も好ましくは厚さ約１５ｎｍ〜約５０ｎｍである。特定の1実施形態では、バッファ層厚さは、約２０ｎｍ〜約４０ｎｍである。
【００５６】
バッファ層を基板表面に施与した後、本方法は、バッファ層をアニール処理するステップを含む。バッファ層パラメータの最適化の他に、バッファ層アニールステップを適切に最適化することも好ましく、特に、平滑なＧａ極性配向ＧａＮ薄膜の後期堆積を保証するために好ましい。従って、バッファ層を施与し、これをアニール処理するステップを適切にやりとげることにより、堆積ＧａＮ薄膜の極性を制御することが可能である。
【００５７】
本発明により、適切に施与され、アニールされたバッファ層は、鏡面表面形態のＧａ極性薄膜を生じる。不十分な厚さのバッファ層の施与又はバッファ層の過度のアニールは、極性の混じったＧａＮ薄膜を堆積し得る。過乗なアニールは、バッファ層の昇華ももたらし、バッファ層の一部又は全てをも損失する結果となる。混合極性薄膜では、薄膜全体にわたり両方の極性の小ドメインが、一般に、不規則に混ざっている。混合極性薄膜は、制御されていない二極性を示す薄膜例である。混合極性薄膜は、一般に粗表面形態を有するＮ極性薄膜と区別できず、かつＮ極性薄膜に対してより緩慢なエッチング速度を示すだけである。過乗なアニールは、更に、前に施与されたバッファ層の完全な損失をもたらすこともあり、Ｎ極性ＧａＮ薄膜堆積を生じる。これら好ましくない状況の全てで、生じたＧａＮ薄膜は、粗表面形態を有し、これは、本発明の方法を使用して得られた、所望のＧａ極性ＧａＮ薄膜の鏡面表面とは正反対である。
【００５８】
バッファ層のアニールステップは、一般に、高温で、特定の期間、反応性窒素前駆体の流れを供給することを含む。反応性窒素前駆体として、公知の源、例えば本明細書中に前記したものを挙げることができる。好ましい実施形態では、窒素前駆体は、ＮＨ3である。窒化ステップと同様に、不活性ガス、例えばＮ2、は、平滑なＧａＮ薄膜堆積を促進するのに有益な表面構造形成を促す希釈剤として使用される。好ましくは、Ｎ2に対するＮＨ3の割合が、特定の範囲内に保持されるように、Ｎ2が供給される。
【００５９】
本発明の一実施形態では、バッファ層のアニールの間の温度は、約５００℃〜約１１５０℃である。特に、アニールステップは、温度範囲の下端温度ではじまり、最終アニール温度まで傾斜させることができる。あるいは、アニールの大半は、特定の温度範囲内で実施され得る。そのような実施形態では、アニール温度は、好ましくは約９００℃〜約１１２５℃、更に好ましくは約９５０℃〜約１１００℃、最も好ましくは１０００℃〜約１１００℃である。
【００６０】
アニールステップを実施する期間は、アニール温度に依存し得る。好ましくは、アニール時間は、約５分〜約３０分、更に好ましくは約７分〜約２５分、最も好ましくは約１０分〜約２０分である。当然ながら、アニール時間は、アニール温度に依存し得ると理解される。
【００６１】
前記のＮＨ3：Ｎ2の比は、反応パラメータの総セットに基づき、多様であってよい。特定の一実施形態では、アニールは、１．６ｓｌｍのＮ2を０．４ｓｌｍのＮＨ3と併用して、約２０Ｔｏｒｒの反応器総圧を用い、約１０３０℃の温度で、約１０分間実施される。
【００６２】
適切に施与され、アニールされたバッファ層を備えた窒化基板表面は、平滑なＧａ極性ＧａＮ薄膜の堆積を促進する状態にある。しかしながら、二極性ＧａＮ薄膜の同時堆積用の基板を製造するためには、基板表面の所定部分を平滑なＮ極性ＧａＮ薄膜の堆積を促進する状態にするように、基板面上のアニールされたバッファ層を選択的にパターン化することが必要である。
【００６３】
バッファ層を選択的にパターン化するステップは、一般に、基板表面からバッファ層の一部を選択的に除去すると同時に、基板表面上のバッファ層の少なくとも一部を保持することを含む。好ましくは、パターン化は、所定の方法により、ＧａＮ薄膜中の所定の位置のＧａ極性及びＮ極性の両方の存在から生じるユニークな特性を示す被覆基板の製造を促進できる。そのようなパターン化（即ち、バッファ層の一部の選択的除去）は、バッファ層、詳細にはＩＩＩ族−Ｖ族バッファ層、更に詳細には特にＩＩＩ族窒化物、例えばＡｌ
エラー 2Ｎ又はＧａＮ、を除去するのに当技術で有用と認められる任意の方法により実施できる。本発明の一実施形態では、バッファ層の一部を選択的に除去するステップは、蒸着金属マスクを使用して、バッファ層への金属マスクの接着を高め、除去から守ることを含む。好ましくは、金属マスクは、チタンマスクである。金属マスクで保護されていないバッファ層部分を除去するために、強塩基を使用できる。特定の一実施形態では、６０℃の６Ｍ  ＫＯＨを基板に１分間適用して、保護されていないバッファ層を除去し、露出基板表面（例えば裸サファイア）を露呈させる。次いで、金属マスクを慣用の方法により除去して、バッファ層がその一部をまだ被覆する、選択的にパターン化された基板表面が現れる。
【００６４】
場合により、選択的にパターン化された基板表面をもう１度アニール処理することができる。そのような、場合によるアニールステップは、更なる基板前処理のための安定な温度まで迅速な温度上昇を促進するのに特に有用である。前記の基板表面パターン化は、一般に、実験施設内で行われる。特定の一実施形態で、反応器温度はほぼ室温まで降下され、基板が取り出され、前記のようにして選択的にパターン化され、選択的にパターン化された基板は再び、プロセスの継続のために反応器中に置かれる。バッファ層の引き続きのアニールのために、温度立ち上げ（ramp-up）を実施する。好ましくは、温度立ち上げは、迅速に行われ、特に約１５分未満、更に好ましくは約１０分未満、最も好ましくは約５分の時間行われる。このアニールステップにおいて、より長い時間は勧められず、より長時間のアニールは、バッファ層厚さで反対の変化を生じ得る（例えばバッファ層の分解）。このステップは、一般に、実際のアニールステップというよりむしろ温度傾斜ステップと呼ぶことができる。例えば、このステップは、露出基板表面の制御されない窒化が回避できるために、窒素源を使用しない点で、前に記載のアニールステップとは異なる。
【００６５】
次に、二極性ＩＩＩ族窒化物薄膜の同時堆積のための基板の製造において、製法は、基板に第二の窒化処理を実施することを含む。特にこの第二の窒化処理は、基板表面の一部に露出した窒化層を設けると同時に、残りの基板表面部分を、露出したバッファ層で被覆されたままにしておくために有用である。
【００６６】
第二窒化処理におけるプロセスステップ及び条件は、一般に、第一窒化ステップにおいて概説した窒化ステップと類似する。本発明の特定の一実施形態では、第二の窒化処理は、約９５０℃より高い温度で、約５分より短い時間にわたり、不活性ガスで希釈された反応性窒素前駆体、例えばＮＨ3を供給するステップを含む。この場合も先と同様に、不活性ガスは、窒素源の規定の分圧を維持するのに有用な量で存在するのが好ましい。特定の一実施形態では、この窒化ステップは、約１０００℃〜約１０５０℃の温度で実行され、本明細書中に記載の薄膜堆積ステップへの移行を促進する。
【００６７】
前記の表面準備ステップの他に、追加のステップが、二極性ＩＩＩ族窒化物薄膜の同時堆積用基板を製造するのに、有用なこともある。例えば、１つ以上の基板クリーニングステップ又は追加の基板アニールステップが有用なこともある。一実施形態では、前記第一窒化ステップの前に、約９００℃〜約１２００℃の温度で、約１分〜約２０分の時間、基板を真空アニール処理する。更に、本発明により、第一窒化ステップの前に、真空アニールされた基板を、Ｎ2で希釈されたＨ2（好ましくは約１：１の割合で）を供給して、約９００℃〜約１２００℃の温度で、約１分〜約２０分の時間、Ｈ2クリーンする。ＩＩＩ族窒化物薄膜の堆積のための基板を、例えば、当業者により承認できるＣＶＤにより、製造するのに有用である追加のステップも、本発明により包含される。前記されたように、Ｈ2クリーニングステップは任意であり、かつ本発明方法の残りのステップが、実質的にＨ2ガスを導入せず、最も好ましくは、Ｈ2ガスの導入を完全に回避するという優先を変更しない。
【００６８】
前記ステップにより製造された基板は、二極性ＩＩＩ族窒化物薄膜の堆積に、特に好適である。選択的にパターン化された基板は、特に、平滑なＮ極性ＩＩＩ族窒化物薄膜の堆積を促進するために用意された、露出窒化層でカバーされた基板表面部分を有する。更に、選択的にパターン化された基板は、特に、平滑なＩＩＩ族極性ＩＩＩ族窒化物薄膜の堆積を促進するために用意された、露出バッファ層でカバーされた基板表面の部分を有する。そのため、平滑で二極性のＩＩＩ族窒化物薄膜が、製造基板上に、薄膜堆積法により容易に堆積する。
【００６９】
本発明は、更に、二極性ＩＩＩ族窒化物薄膜の製法を提供する。具体的には、二極性薄膜は、ＩＩＩ族極性領域１つ以上とＮ極性領域１つ以上の所定の配置に従って、選択的にパターン化される。図３は、本発明により製造された制御された極性薄膜を図示する。具体的には、図は、ＧａＮ薄膜の光学顕微鏡写真を示し、この薄膜では、正確に位置決めし、正確なサイズにされたストライプのＧａ極性（＋ｃ）ＧａＮ薄膜が、Ｎ極性（−ｃ）ＧａＮ薄膜に包囲されている。本発明の方法は、例えば、図３に見られるように、２つの極性配向が同時に堆積されるように、薄膜が基板上に堆積できるという点で、特に有用である。更に、両方の極性配向が同一堆積速度で堆積され、かつ両方の極性配向がスムーズであるように堆積することが可能である。
【００７０】
本発明は、基板上にＩＩＩ族窒化物薄膜を堆積、成長又は施与する複数の方法を含むことができる。本発明は、特に、ＣＶＤ法、例えばＭＯＶＰＥ、に適している。当技術分野で一般に理解されるように、ＭＯＶＰＥは、ＩＩＩ族有機金属化合物と、Ｖ族元素の水素
化物とを、高温で反応させて、以下の一般式：
ＭＲ3＋ＨＸ3⇔ＭＸ＋３ＲＨ
［式中、ＭはＩＩＩ族金属であり、Ｘは、Ｖ族元素であり、Ｒは、有機配位子、例えばＣ
Ｈ3又はＣ2Ｈ5である］によりＩＩＩ族−Ｖ族化合物を生じることを含む。ＭＯＶＰＥ
に使用される一般的ＩＩＩ族成分前駆体には、Ｇａ（ＣＨ3）3、Ｇａ（Ｃ2Ｈ5）3、Ａｌ（ＣＨ3）3、Ａｌ（Ｃ2Ｈ5）3、Ｉｎ（ＣＨ3）3があるが、これらに限定はされない。ＭＯＶＰＥに使用される一般的Ｖ族成分前駆体には、ＮＨ3、ＰＨ3及びＡｓＨ
3があるが、これらに限定はされない。ＭＯＶＰＥは、Ｔｉｓｃｈｌｅｒ，Ｍ．Ａ．，“Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ−Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ”，ＩＢＭ  Ｊ．Ｒｅｓ．Ｄｅｖｅｌｏｐ．，３４（６），１９９０年１１月に、更に完全に記載され、これは、参照することにより本明細書の一部を構成する。
【００７１】
ＩＩＩ族窒化物薄膜を基板上に堆積させるための本発明の方法は、慣用の堆積法を用いる場合のように、ドーパント１種以上の使用を包含できる。ドーパントは、堆積プロセスの間に、ＩＩＩ族窒化物薄膜に（意図的に又は意図せず）組み入れられる不純物であることが一般に理解される。ドーパントは、生じる薄膜の電気的特性を変更するために薄膜中に含まれ得る。ドーパントタイプには、所謂ｐ型、即ちアクセプター元素及びｎ型、即ちドナー元素がある。例えば半導体部品の製造などの堆積法に一般に使用されるドナー元素には、ケイ素、硫黄、セレニウム、錫、及びテルリウムがある。一般的アクセプター元素には、炭素、亜鉛及びマグネシウムがある。そのようなドーパント並びにＩＩＩ族窒化物薄膜堆積法に有用であると当業者に一般に認識される他の添加剤も、本発明により使用することができる。本発明により有用な、好ましいドナー及びアクセプターの非限定例は、それぞれケイ素及びマグネシウムである。
【００７２】
基板上に堆積されたＩＩＩ−Ｖ族薄膜の電気特性がその成長パラメータに直接に関係す
るので、ＩＩＩ−Ｖ族薄膜を製造するのに使用される前駆体のモル分率は、特定の材料及
び構造物を製造するために正確に制御せねばならない。ＭＯＶＰＥは、気相の前駆体を、薄膜がその上に堆積される予定の基板を容れた反応チャンバ（しばしば石英容器）に搬送するようにデザインされた反応器中で行うことができる。液体中に気体キャリアをあわ立てることにより、一般に液体である有機金属（metalorganics）を反応チャンバに移送する。一般に、従来技術では、キャリアガスとして、Ｈ2が使用される。しかしながら、意想外にも、本明細書中に記載されるように、本発明は、キャリアガス及びまた希釈剤として不活性ガスを使用することにより、同じ速度で堆積された平滑なＮ極性及びＩＩＩ族極性薄膜の製造を可能にする。従って、ＩＩＩ族窒化物薄膜の堆積は、Ｈ2ガスが、実質的に外部源から導入されないような条件下で実施される。Ｈ2ガスの導入は完全に回避されるのが好ましい。
【００７３】
一実施形態では、本発明は、露出面を備えた基板上にＩＩＩ族窒化物薄膜を堆積させる方法を提供する。特に、この方法は、露出基板表面上にＧａＮ薄膜を堆積させることを含む。本発明に係るＧａＮ薄膜の堆積に関わる原子種として、Ｇａ、ＮＨ3、Ｈ2、ＲＨ（例えばＣＨ4又はＣ2Ｈ6）及びＮ2を挙げることができる。気体−固体界面として成長するＧａＮ薄膜表面は、次式：
Ｇａ（ｇ）＋ＮＨ3（ｇ）→ＧａＮ（ｓ）＋３／２Ｈ2（ｇ）
により表すことができる。Ｇａ種は、前記式によりＮＨ3と直接に反応する。ＧａＮ薄膜は基板表面上に堆積され、Ｈ2は、反応副産物として生じる。ＧａＮの堆積が、堆積反応器中のＨ2分圧により影響されることが報告されてきた。反応体を（当技術で従来記載される）反応チャンバに搬送する輸送ガスとしてのＨ2の使用は、Ｈ2分圧を増加させる。Ｈ2分圧を増加させた結果として、ＮＨ3及びＨ2希釈剤の解離から生じる原子及び分子水素との反応を介してＧａＮの強化された腐食が起こる。従って、Ｈ2がＧａＮ薄膜堆積においてキャリア又は希釈剤として使用される場合、ＩＩＩ族成分に対するＶ族成分の高
いモル比を保持すべきことが一般に容認されている。例えば、２０００より大きいＶ／Ｉ
ＩＩ比は、一般に、Ｈ2を使用する場合のＩＩＩ族窒化物薄膜堆積のために必要とみなされる。
【００７４】
本発明は、キャリア及び希釈剤の両方として不活性ガスを使用する（そしてそれによりＨ2ガスの導入を回避する）ことは、予期せずして、堆積プロセスを改良し、改良された性質のＩＩＩ族窒化物の製造を可能にするという発見を特徴とする。詳細には、不活性ガスを、Ｈ2ガスの代替として使用する。不活性ガスによる希釈は、反応系における水素分圧を減じる。そのため、はるかに低いＶ／ＩＩＩ比を達成でき、これは、本発明に係るＧ
ａ極性配向及びＮ極性配向の平滑ＧａＮ薄膜の製造を可能にする。これは、窒素前駆体として使用すべきＮＨ3量を著しく減じることを可能にする点で特に有利であり、この減少は、プロセス費用の著しい減少と相関する。
【００７５】
従って、本発明は、Ｈ2ガス不在（即ち、導入Ｈ2ガスの実質的不含又は導入Ｈ2ガスの完全に不含）下に制御ＩＩＩ族窒化物薄膜の製造を可能にすることを、特に、特徴とすることができる。本発明の一実施形態では、ＧａＮ薄膜の堆積が、約１０００未満の窒素前駆体／ＩＩＩ族前駆体比を用いて実施される。他の実施形態では、ＧａＮ薄膜の堆積は、約５００未満の窒素前駆体／ＩＩＩ族前駆体比を用いて実施される。本発明の更に他の実施形態では、窒素前駆体／ＩＩＩ族前駆体比は、約１００以下である。特定の一実施形態では、窒素前駆体／ＩＩＩ族前駆体比は、約６０〜約８０である。
【００７６】
本発明によれば、キャリア及び希釈剤の両方としての不活性ガス、例えば、Ｎ2ガス、の使用は、ＧａＮ薄膜の堆積を最適化して、Ｇａ極性薄膜及びＮ極性薄膜の成長速度を等しくするために、更に有利である。現在公知の堆積法、例えば慣用のＭＯＣＶＤ下では、Ｎ極性ＧａＮ薄膜は（粗表面形態を有するほかに）、Ｇａ極性配向薄膜より緩慢な速度で堆積される。高温ＧａＮ薄膜堆積条件で、Ｎ2環境中で実施される場合、薄膜堆積速度は温度に依存しない。対照的に、Ｈ2環境を使用する場合、ＧａＮ薄膜堆積速度は、温度が増加すると共に減少する。事実、Ｈ2環境下に、９００℃〜１１００℃の温度で、堆積速度はほぼ５０％まで減じる。従って、Ｎ2環境下で、ＧａＮ薄膜堆積は、物質移動限定であるが、他方、Ｈ2環境下で、ＧａＮ薄膜堆積は、反応速度限定である（即ち動力学的に制限される）。化学蒸着法などの方法に関連して、高品質薄膜が、好ましくは、物質移動限定領域に支配される温度で製造される。強力な物質移動限定成長は、ＧａＮ薄膜のＧａ極性配向及びＮ極性配向の化学的反応性の差異を回避し、かつ２つの極性の成長速度を同一にするために必要である。キャリア及び希釈剤としての不活性ガス、例えばＮ2ガス、の使用は、平滑なＮ極性ＧａＮ薄膜の堆積をもたらし、かつＮ極性薄膜及びＧａ極性薄膜両方に関して同一の堆積速度ももたらす。
【００７７】
（最も簡単なケースでは）ＩＩＩ族窒化物薄膜の堆積速度は、薄膜が堆積される基板表面に形成されるガス境界層を通るＩＩＩ族原子搬送種の拡散により制限されることが示された。本発明の一実施形態により使用される特定の反応器の形状に関連して、堆積速度（即ち成長速度）は、次式：
【数１】
2008540315.tif 000002
［式中、Ｇは、成長速度であり、ｆiは、ＩＩＩ族原子搬送種の流量であり、ｆTは、総質量流量である］により表すことができる。この等式は、使用される標準プロセス条件に相当する標準状態（０）を基準とする。種々の成長条件の組に関連して前記式を使用して計算される、総流量の逆平方根の関数としての規格化成長速度を、物質移動限定堆積の証拠として使用することができる。本発明の方法を使用する場合、規格化成長速度と種々の成長条件に関する総流量の逆平方根との間に直線関係がある。この一次従属は、キャリア及び希釈剤としてＮ2ガスを使用する本発明に係る成長では、物質移動が限定されることを示す。従って、Ｎ2環境を使用する本発明により堆積される、ＩＩＩ族窒化物薄膜のＩＩＩ族極性及びＮ極性の両方が、成長条件に無関係に同一速度で堆積されるであろう。
【００７８】
このことにより、更に、本発明は、慣用の薄膜堆積プロセスによれば、Ｎ極性薄膜とＧａ極性薄膜は、１０倍ほども異なる別々の成長速度を有するという点で、他の薄膜堆積法と区別される。しかしながら、本発明により、Ｎ極性薄膜とＧａ極性薄膜は、２つの薄膜極性に関する成長速度が約２０％未満だけ異なるような、実質的に類似の速度で、同時に成長することができる。好ましくは、２つの薄膜極性に関する成長速度は、約１５％未満、最も好ましくは約１０％未満異なる。特定の一実施形態では、Ｎ極性薄膜とＧａ極性薄膜は、それぞれ、約１．２μｍ／ｈｒ（実験的不正確約±０．１μｍ／ｈｒを含む）の速度で同時に成長した。
【００７９】
一般に当技術で証明されるように、Ｎ極性ＧａＮ薄膜は、六角形ピラミッドを特色とする粗表面形態を特徴とする。しかしながら、上で証明されたように、本発明は、Ｎ極性配向並びにＩＩＩ族極性配向で平滑であるＩＩＩ族窒化物薄膜を提供する能力において、特に有利である。本明細書中に使用される平滑度は、最小化された表面粗さを示すことを意図する。用語の一般的使用では、平滑面は、連続して平坦な表面である。ＩＩＩ族窒化物薄膜に関連して、平滑度は、視覚での検査だけでは容易に決定されない。従って、本発明に係る平滑なＩＩＩ族窒化物薄膜は、二乗平均平方根（ｒｍｓ）粗さにより定義される最小表面粗さを有する薄膜である。
【００８０】
ｒｍｓスケールで評価される粗さは、表面規格が正確な範囲内にあることが要求される光学分野及び他の技術分野、例えばエレクトロニクスで一般に承認され、しばしば使用されるパラメータである。所定の表面についてｒｍｓ粗さを決定する際に、表面トポグラフィーを表面プロフィル、ｚ（ｘ）、として表すことができる。表面トポグラフィーは、一般に、平均線から特定の距離逸脱した一連の頂上と谷である。平均線からの頂上と谷の距離が大きくなるほど、表面は粗になる。表面プロフィルにおいて、ｚは、測定される表面上の線に沿った、特定の位置での平均線からの距離を表し、ｘは、線に沿ったｒｍｓ粗さを決定するのに評価された測定番号を表す。従って、ｒｍｓ粗さ（Ｒｑ）は、表面プロフィル、ｚ（ｘ）、の平均線からの標準偏差と定義される。これは、次式：
【数２】
2008540315.tif 000003
［式中、Ｌは、ｘ方向に沿った表面プロフィルの長さである］により計算される。ｒｍｓ粗さは、一般に、文書標準のＲｑにより示され、特定の分野、例えば光学分野、では、記号δで表されることが多い。ほぼ全ての最新機器では、表面プロフィルｚ（ｘ）が、点ｚiのデジタル化セットにより、密接に近似されているので、前記式は、現実面では、そのデジタル等式：
【数３】
2008540315.tif 000004
［式中、Ｎは、測定表面プロフィル中のデータ点の数である］と置き換えることができる。
【００８１】
ナノメートルスケールで表面粗さを測定できる種々のプロファイリング技術を利用できる。そのような技術例には、スタイルスベース（stylusbased）のプロファイリング、位相シフト干渉顕微鏡、ノマルスキー（Nomarski）プロファイリング、及び原子間力顕微鏡法（ＡＦＭ）がある。これらの方法の内、ＡＦＭは、一般に１ｎｍ未満の、最高の横方向分解能を生じると、しばしば認識されている。表面粗さ評価は、更に、Ｖｏｒｂｕｒｇｅｒ，Ｔ．，Ｆｕ，Ｊ．，ａｎｄ  Ｏｒｊｉ，Ｎ．，“Ｉｎ  ｔｈｅ  Ｒｏｕｇｈ”，ＳＰＩＥ’ｓ  ｏｅ  Ｍａｇａｚｉｎｅ，２（３），Ｍａｒｃｈ  ２００２，ｐ．３１〜３４により記載され、これは、参照することにより本明細書の一部を構成する。
【００８２】
前記議論から認識できるように、本発明の方法は、被覆基板を製造するのに特に好適である。本発明の被覆基板は、基板表面上のＩＩＩ族窒化物薄膜の制御された極性と、Ｎ極性配向の薄膜の平滑度の両方を特徴とする。このことは、平滑薄膜がＩＩＩ族極性薄膜でのみ達成可能である従来製造のＩＩＩ族窒化物薄膜と異なる。Ｎ極性薄膜を製造する従来の方法は、約１００ｎｍのオーダーのｒｍｓ粗さを有する薄膜を生じた。本発明により、約１０ｎｍ未満、好ましくは約８ｎｍ未満、更に好ましくは約４ｎｍ未満、最も好ましくは約２ｎｍ未満のｒｍｓ粗さを有するＮ極性ＩＩＩ族窒化物薄膜を製造することができる。
【００８３】
別の実施形態では、本発明は、約１０ｎｍ未満、好ましくは約８ｎｍ未満のｒｍｓ粗さを有するＩＩＩ族極性薄膜を製造するのに有用である。更に好ましくは、ＩＩＩ族極性薄膜は、約４ｎｍ未満、更に一層好ましくは約２ｎｍ未満のｒｍｓを有する。特定の一実施形態では、約１ｎｍ未満のｒｍｓ粗さを有するＩＩＩ族極性薄膜を製造することができる。
【００８４】
別の実施形態では、本発明は被覆基板を提供し、コーティングは、基板の露出表面上に選択的にパターン化されている二極性のＩＩＩ族窒化物薄膜を構成する。この場合も同様に、二極性ＩＩＩ族窒化物薄膜は、特に、薄膜表面が薄膜のＩＩＩ族極性部分及びＮ極性部分の両方にわたり平滑であることを特徴とする。
【００８５】
本発明に係る二極性ＩＩＩ族窒化物薄膜の一実施形態を図４に示す。図４は、基板表面の一部分にあるバッファ層の上に堆積したＩＩＩ族極性薄膜と、バッファ層が無い基板表面の別の部分の上に堆積したＮ極性薄膜とを備えたｃ面サファイア基板を図示している。このような二極性薄膜被覆基板は、横方向極性のホモ構造物又はヘテロ構造物の製造に、特に有用である。横方向極性テンプレートは、自発分極又は帯電を調節し、この自発分極又は帯電は、ＩＩＩ族窒化物をベースとするデバイスの電気的及び光学的特性に強い影響を与える。従って、本発明により提供される二極性薄膜は、電流装置の改良に有用であり、かつ本発明の二極性薄膜のユニークな特性が生かされた新規な光学及び電気機器の製造に有用である。例えば、横方向ＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮへテロ構造の２次元電子ガスを有する領域間のトンネル接合バリアとして、配向ドメイン間の境界を生かす電子機器を製造することができよう。更に、本発明に係る横方向極性へテロ構造物を製造する能力は、ＩＩＩ族窒化物系薄膜内での更なる技術的進歩も可能にする。
【００８６】
本発明に係る二極性薄膜は、３次元ホモ構造及びヘテロ構造を可能にする能力において更に有利である。例えば、本発明の被覆基板は、ＧａＮ基板上に堆積されたＧａＮ薄膜を含むことができよう。更に、多様なＧａＮ堆積層を製造することができよう。そのような３次元、極性制御構造は、本発明の二極性薄膜に関連して、前記したものを上回る更なる利点を提供しよう。
【００８７】
本発明により製造される二極性薄膜は、正確に形成された横方向ｐ−ｎ接合を有する薄膜を製造する能力において、更に有益であり、ｐ−ｎ接合は、ｐ型材料又はｎ型材料のみからとは異なる特性を有する材料を提供する。更に、そのような材料が、相補形金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）技術で特に有用な材料を生じ得る。
【００８８】
本発明に係るＮ極性薄膜は、意図せずドープされ、約１×１０18ｃｍ-3のキャリア濃度を有するｎタイプとなるが、他方、本発明に係るＧａ極性薄膜は、約１×１０16ｃｍ-3未満の最大キャリア濃度で絶縁している。本発明により製造され得る横方向極性構造において、Ｎ極性領域は、極めて導電性のままであるが、Ｇａ極性領域は、絶縁のままである。従って、ヘテロ構造物は、特定の結果を得るように制御された方法でドーピングすることができる内因性半導体薄膜であってよい。
【実施例】
【００８９】
（例１）
「ｃ面サファイア上に横方向ＧａＮベース二極性構造物を製造するためのＭＯＶＰＥプロセス」
本発明の一実施形態により、横方向二極性ＧａＮ薄膜が、ｃ面サファイア上に成長した。サファイア基板は、露出基板表面を１０８０℃で１０分間真空アニールを施し、その後、基板表面をＨ2：Ｎ2比１：１を使用して水素ガスにより、反応器圧２０Ｔｏｒｒ、１０８０℃で１０分間クリーニングして準備した。
【００９０】
基板表面の窒化は、ＮＨ3：Ｎ2比１：１を使用して、反応器圧２０Ｔｏｒｒ、９５５℃で２分間実行した。次いで、ＡｌＮバッファ層を窒化基板表面に施与した。アルミニウム及び窒素源として、ＴＭＡ及びＮＨ3をそれぞれ使用した（Ｖ／ＩＩＩ比、２４５００
）。堆積は、２ｓｌｍのＮＨ3及び３ｓｌｍのＮ2を総流量６．０１ｓｌｍで用いて、反応器圧２０Ｔｏｒｒ、６４０℃の温度で１０．５分間実施した。バッファ層は、０．４ｓｌｍのＮＨ3及び１．６ｓｌｍのＮ2を用いて、反応器圧２０Ｔｏｒｒ、１０３０℃で１０分間アニールした。反応器が７０℃／分の割合で室温に冷却される間、これらの条件を維持した。
【００９１】
パターン化のために、冷却基板を反応器から取り出した。バッファ層を保持したい基板部分に蒸着Ｔｉマスクを適用し、基板を、６Ｍ  ＫＯＨに６０℃で１分間曝し、露出ＡｌＮバッファを除去して、裸サファイア基板を露出させた。Ｔｉマスクをはずし、選択的にパターン化された基板を反応器に再装入した。
【００９２】
反応器の総圧２０Ｔｏｒｒで、１ｓｌｍのＮ2を供給しながら、反応器温度を２７０℃／分の割合で１０３０℃まで上げた。選択的にパターン化された基板に、ＮＨ3：Ｎ2比１：１を使用して、反応器圧２０Ｔｏｒｒ、１０３０℃で１分間、第二窒化を施した。このようにして、二極性ＧａＮ薄膜の堆積のために、基板を準備した。
【００９３】
ＧａＮ薄膜堆積は、Ｖ／ＩＩＩ比５００、総流量２．１５ｓｌｍで、０．４ｓｌｍのＮ
Ｈ3、１．６ｓｌｍのＮ2及びＴＥＧを用いて実施した。反応器温度は、１０３０℃であり、反応器圧は２０Ｔｏｒｒであった。前処理した基板を用いた、これらの堆積条件から、薄膜のＧａ極性部分及び薄膜のＮ極性部分の両方について、成長速度１．２μｍ／ｈｒが生じた。反応器は、０．４ｓｌｍのＮＨ3及び１．６ｓｌｍのＮ2を使用し、反応器圧２０Ｔｏｒｒで、３０℃／分の割合で冷却した。Ｇａ極性薄膜（＋ｃ）は、露出ＡｌＮバッファ層を有する基板部分上に堆積し、Ｎ極性薄膜（−ｃ）は、露出窒化層を有する基板部分上に堆積した。薄膜は、一般に、Ｇａ極性部分及びＮ極性部分の両方にわたり平滑であることを特徴とし、ｒｍｓ粗さ約１ｎｍを有する。
【００９４】
（例２）
「極性制御ＧａＮ薄膜のｃ面サファイア上への製造」
堆積薄膜の極性配向を制御する最適化パラメータを決定する特定のプロセス条件下で、ＭＯＣＶＤにより、多様なＧａＮ薄膜を製造した。全ての薄膜を縦型、冷却壁、ＲＦ加熱、低圧反応器中で製造した。反応器基本圧は１×１０-7Ｔｏｒｒであった。Ｇａ、Ａｌ、及びＮ前駆体として、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）及びＮＨ3をそれぞれ使用した。製造の最中に使用される唯一の輸送ガス（キャリア）は、Ｎ2であり、しかるべきステップでは、唯一の希釈剤としても使用された。コーティング用基板は、直径２インチの（０００１）配向サファイアウェーハであった。
【００９５】
基板ウェーハは、最初に、Ｈ2中、１０９０℃で真空アニールして、基板をクリーンにした。Ｈ2は、クリーニングには使用するが、被覆基板の製造の最中には、系中に導入しなかった。７個の別々の被覆基板を、下記の特定の基板前処理ステップにより製造した。次いで各基板に、標準条件下で、ＧａＮ薄膜堆積を施し、引き続き、ＫＯＨ中で湿式エッチングを施し、別々に被覆された基板の極性配向を決定した。標準堆積条件は、総圧２０ＴｏｒｒでＴＥＧ流量３６μｍｏｌ／分、ＮＨ3流量０．４ｓｌｍ、及び全プロセス流量２．１５ｓｌｍからなった。高温ＧａＮ堆積は、１０３０℃で行った。これらの条件は、窒化物／ＩＩＩ族比５００及び成長速度１．２μｍ／ｈを与えた。プロセスステップ、極性配向及び各サンプルの腐食テストの結果は、下記表１に記載する。
【００９６】
（サンプルＡ〜Ｄ）
基板製造は、９３０℃で、ＮＨ3：Ｎ2比１：１での窒化から構成された。窒化時間は、以下のスケジュールに従い変化させる。サンプルＡ−３０秒、サンプルＢ−１分、サンプルＣ−２分、サンプルＤ−５分。ＧａＮ薄膜堆積前に、他の基板前処理は行わなかった。
【００９７】
（サンプルＥ）
サンプルＥは、基板前処理を行わず、ＧａＮ薄膜は清浄サファイア基板表面上に直接に堆積させた。
【００９８】
（サンプルＦ〜Ｇ）
サンプルＦとＧそれぞれに９３０℃で、２分間持続してＮＨ3：Ｎ2比１：１での窒化を施した。ＮＨ3とＮ2（１：１比）を、窒化物／ＩＩＩ族比２４５００を得るのに必要な量で存在するＴＭＡと共に使用して、ＡｌＮバッファ層をそれぞれのサンプルに施した。バッファ層堆積を、温度６００℃でほぼ５〜１０分間実施して、所望のバッファ層厚さを得た。サンプルＦでは、ＡｌＮバッファ層を、厚さ４０ｎｍで施与した。サンプルＧでは、ＡｌＮバッファ層を２０ｎｍの厚さに施与した。両サンプルは、０．４ｓｌｍのＮＨ3及び１．６ｓｌｍのＮ2を使用し、２０分間アニールした。アニールステップは、バッファ層堆積後直ちに始め、アニール温度は、アニールステップの継続の間、６００℃から１０３０℃まで増加させた。
【００９９】
【表１】
2008540315.tif 000005
【０１００】
表１から判明するように、７つの個々のサンプルは、一般に、４タイプの被覆基板を生じた。事前に前処理された基板表面を有さないサファイア基板上に直接に成長したＧａＮ薄膜は、Ｇａ極性を示した（サンプルＥ）。ＫＯＨでの処理は、基板からの薄膜離昇（lift-off）を生じた。これは、ＧａＮ薄膜とサファイア基板表面との間の格子不整合を示すと思われる。その結果、ＫＯＨは、薄膜と基板表面との間の界面を攻撃し、この界面は、高密度の積層欠陥及び転位を蓄積した。これが示すのは、Ｇａ極性薄膜は、表面前処理されていないサファイア基板上に堆積できるが、そのような堆積薄膜は、薄膜の安定した結合を示さないことである。
【０１０１】
残りの６つのサンプル（Ａ〜ＤとＦ〜Ｇ）では、全てのサンプルに基板表面窒化を施した。サンプルＡ〜Ｄでは、バッファ層を施与せず、ＧａＮ薄膜は直接に窒化層上に堆積した。本発明により予期されたように、これらのサンプルのそれぞれは、Ｎ極性ＧａＮ薄膜（ｒｍｓ粗さは約２ｎｍから約２．５ｎｍまで変化）の堆積を生じた。サンプルＦとＧは、双方とも同一条件下で窒化され、ＡｌＮバッファ層が施され、同一条件下でバッファ層がアニールされた。サンプルは、バッファ層厚さのみ異なった。サンプルＧでは、ＫＯＨ処理は、混合極性配向を示す表面腐食を生じた。サンプルＦでは、より厚いバッファ層を有し、純粋Ｇａ極性薄膜が堆積し、表面はＫＯＨに対し不活性であった。
【０１０２】
前述してきた教示を享受する当業者は、本明細書に記載した本発明の多くの変更及び他の実施形態を思いつくであろう。よって、当然、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されず、このような変更及び他の実施形態が本発明の範囲内に含まれることを意図している。特定の用語が明細書において使用されているが、これらは、一般的かつ記述的意味でのみ使用され、限定を目的とするものではない。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】ＩＩＩ族窒化物薄膜に一般に見られるような極性軸を有するウルツ鉱型結晶構造を示す。
【図２】基板に対するＩＩＩ族窒化物結晶の特定の極性配向を示す。
【図３】線状のＧａ極性薄膜がＮ極性薄膜に囲まれている本発明の一実施形態により製造された二極性の薄膜を示す。
【図４】バッファ層上に堆積されたＧａ極性層と基板上に堆積されたＮ極性層を有する本発明の一実施形態に係る二極性の薄膜を示す立体図である。
【図１】
2008540315.tif 000006
【図２】
2008540315.tif 000007
【図３】
2008540315.tif 000008
【図４】
2008540315.tif 000009
【国際調査報告】
2008540315.tif 000010
2008540315.tif 000011
2008540315.tif 000012