(57)【要約】より高い不純物濃度のアルカリ金属を保有する六方晶系ウルツ鉱基板を使用することによって、低い不純物濃度のアルカリ金属を伴う六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層を得る方法であって、エピタキシャル層がその上に成長させられる基板の表面は、ｃ面とは異なる結晶面を有する方法。本発明の１つ以上の実施形態による、六方晶系ウルツ鉱基板上に成長させられる六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、六方晶系ウルツ鉱基板中のアルカリ金属の不純物濃度よりも低い、六方晶系ウルツ鉱型層中のアルカリ金属の不純物濃度を有し、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、ｃ面とは異なる結晶面を有する六方晶系ウルツ鉱基板の表面上に成長させられる。
2011523931.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低い不純物濃度のアルカリ金属を有する六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層を得る方法であって、
より高い不純物濃度のアルカリ金属を保有する六方晶系ウルツ鉱基板を使用することと、
該六方晶系ウルツ鉱基板の表面上に該六方晶系ウルツ鉱エピタキシャル層を成長させることであって、該表面はｃ面とは異なる結晶面を有する、ことと
を含む、方法。
【請求項２】
前記結晶面は、ｍ面、ａ面、または該ｍ面と該ａ面との間の任意のオフ配向面である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記結晶面は、半極性面である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記六方晶系ウルツ鉱基板は、＜１１−２０＞、［０００１］、［０００−１］、および＜１−１００＞方向に沿う１つ以上のオフ配向を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、Ｇａを含有する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、ＩＩＩ族窒化物層である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記エピタキシャル層の前記六方晶系ウルツ鉱基板は、少なくとも１つのアルカリ金属を含有する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、前記六方晶系ウルツ鉱基板と比較して、低減した濃度のアルカリ金属を含有する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、各々の存在するアルカリ金属に対して、１０１６原子／ｃｍ３未満のアルカリ金属濃度を保有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、アルカリ金属に対して、１０１６原子／ｃｍ３未満のアルカリ金属濃度を保有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の方法によって生成される前記六方晶系ウルツ鉱エピタキシャル層を使用する、デバイス。
【請求項１２】
請求項１に記載の方法を使用して製造される、エピタキシャルフィルム。
【請求項１３】
前記六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、または水素化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）によって成長させられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記六方晶系ウルツ鉱基板は、アンモノサーマル法によって生成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記六方晶系ウルツ鉱基板の前記結晶面は、前記六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層におけるアルカリ金属の不純物濃度を制御するように選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
六方晶系ウルツ鉱基板上に成長させられる六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層であって、
該六方晶系ウルツ鉱基板中のアルカリ金属の不純物濃度よりも低い、該六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層中の該アルカリ金属の不純物濃度を含み、該六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、ｃ面とは異なる結晶面を有する該六方晶系ウルツ鉱基板の表面上に成長させられる、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層。
【請求項１７】
前記基板表面は、ｍ面、ａ面、または該ｍ面と該ａ面との間のオフ配向面のうちのいずれか１つである結晶面を有する、請求項１６に記載の六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層。
【請求項１８】
前記基板表面は、半極性面である結晶面を有する、請求項１６に記載の六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層。
【請求項１９】
前記基板は、＜１１−２０＞、［０００１］、［０００−１］、または＜１−１００＞方向に沿った１つ以上のオフ配向を有する、請求項１６に記載の六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層。
【請求項２０】
前記六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、Ｇａを含有する、請求項１６に記載の六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層。
【請求項２１】
前記六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、ＩＩＩ族窒化物層である、請求項１６に記載の六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層。
【請求項２２】
前記基板は、少なくとも１つのアルカリ金属を含有する、請求項１６に記載の六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層。
【請求項２３】
前記六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、前記基板と比較して、低減した濃度のアルカリ金属を含有する、請求項１６に記載の六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層。
【請求項２４】
前記六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、各々の存在するアルカリ金属に対して、１０１６原子／ｃｍ３未満のアルカリ金属濃度を保有する、請求項１６に記載の六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層。
【請求項２５】
前記六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、存在するアルカリ金属に対して、１０１６原子／ｃｍ３未満のアルカリ金属濃度を保有する、請求項１６に記載の六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層。
【請求項２６】
請求項１６に記載のエピタキシャル層を使用する、六方晶系ウルツ鉱型デバイス。
【請求項２７】
前記六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、または水素化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）によって成長させられる、請求項１６に記載の六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層。
【請求項２８】
前記エピタキシャル層の前記基板は、アンモノサーマル法によって生成される、請求項１６に記載の六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層。
【請求項２９】
前記六方晶系ウルツ鉱基板の前記結晶面は、前記六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層におけるアルカリ金属の不純物濃度を制御するように選択される、請求項１６に記載の六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層。
【請求項３０】
ある濃度のアルカリ金属を含む六方晶系ウルツ鉱基板上に成長させられる六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層であって、ｃ面配向を有するエピタキシャル層は、該ｃ面配向以外の配向を有するエピタキシャル層よりも高いアルカリ金属濃度を有する、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層。
【請求項３１】
比較的高い不純物濃度のアルカリ金属を保有する六方晶系ウルツ鉱基板上に、比較的低い不純物濃度の該アルカリ金属を伴う六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層を得る方法であって、
ｃ面配向以外の結晶面配向を有する該基板の表面上に、該六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層を成長させることを含む、方法。
【請求項３２】
前記結晶面配向は、非極性配向または半極性配向である、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、ＩＩＩ族窒化物層である、請求項３０に記載の方法。
【請求項３４】
前記基板は、アンモノサーマル法によって生成される、請求項３０に記載の方法。
【請求項３５】
前記六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、または水素化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）によって成長させられる、請求項３０に記載の方法。
【請求項３６】
請求項３０に記載の方法を使用して製造される、エピタキシャル層。
【請求項３７】
請求項３６に記載のエピタキシャル層を含むか、または使用する、デバイス。
【請求項３８】
比較的高い不純物濃度のアルカリ金属を保有する六方晶系ウルツ鉱基板上の、比較的低い不純物濃度のアルカリ金属を保有する六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層であって、該六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、ｃ面配向以外の結晶面配向を有する該六方晶系ウルツ鉱基板の表面上に成長させられる、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層。
【請求項３９】
前記結晶面配向は、非極性配向または半極性配向である、請求項３８に記載のエピタキシャル層。
【請求項４０】
前記六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、ＩＩＩ族窒化物層である、請求項３８に記載のエピタキシャル層。
【請求項４１】
前記基板は、アンモノサーマル法によって生成される、請求項３８に記載のエピタキシャル層。
【請求項４２】
前記六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、または水素化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）によって成長させられる、請求項３８に記載のエピタキシャル層。
【請求項４３】
請求項３８に記載のエピタキシャル層を含むか、または使用する、デバイス。
【請求項４４】
第１の不純物濃度のアルカリ金属を保有する六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層を成長させる方法であって、
該第１の不純物濃度のアルカリ金属よりも高い第２の不純物濃度のアルカリ金属を保有する六方晶系ウルツ鉱基板上に、該六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層を成長させることと、
該第１の不純物濃度のアルカリ金属を制御するように、該六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層を成長させるための該六方晶系ウルツ鉱基板の成長表面を選択することと
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、次の同時係属かつ共通譲受人の米国特許出願：
Ｍａｋｏｔｏ  Ｓａｉｔｏらによる米国特許出願第６１／０５６，７２４号（名称「ＨＥＸＡＧＯＮＡＬ  ＷＵＲＴＺＩＴＥ  ＴＹＰＥ  ＥＰＩＴＡＸＩＡＬ  ＬＡＹＥＲ  ＰＯＳＳＥＳＳＩＮＧ  Ａ  ＬＯＷ  ＡＬＫＡＬＩ−ＭＥＴＡＬ  ＣＯＮＣＥＮＴＴＲＡＴＩＯＮ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＯＦ  ＣＲＥＡＴＩＮＧ  ＴＨＥ  ＳＡＭＥ」、２００８年５月２８日出願）の米国特許法第１１９条第（ｅ）項の優先権の利益を主張し、この出願は、本明細書に参考として援用される。
【０００２】
本願は、次の同時係属かつ共通譲受人の米国特許出願：
Ｔａｄａｏ  Ｈａｓｈｉｍｏｔｏらによる米国仮特許出願第６０／７９０，３１０号（名称「Ａ  ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＧＲＯＷＩＮＧ  ＬＡＲＧＥ  ＳＵＲＦＡＣＥ  ＡＲＥＡ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＣＲＹＳＴＡＬＳ  ＩＮ  ＳＵＰＥＲＣＲＩＴＩＣＡＬ  ＡＭＭＯＮＩＡ  ＡＮＤ  ＬＡＲＧＥ  ＳＵＲＦＡＣＥ  ＡＲＥＡ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＣＲＹＳＴＡＬＳ」、２００６年４月７日出願、代理人整理番号３０７９４．０１７９ＵＳＰ１）；
Ｔａｄａｏ  Ｈａｓｈｉｍｏｔｏ、Ｈｉｔｏｓｈｉ  Ｓａｔｏ、およびＳｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａによる米国特許出願第１１／７６５，６２９号（名称「ＯＰＴＯ−ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ  ＡＮＤ  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ  ＤＥＶＩＣＥＳ  ＵＳＩＮＧ  Ｎ−ＦＡＣＥ  ＧａＮ  ＳＵＢＳＴＲＡＴＥ  ＰＲＥＰＡＲＥＤ  ＷＩＴＨ  ＡＭＭＯＮＯＴＨＥＲＭＡＬ  ＧＲＯＷＴＨ」、２００７年６月２０日出願、代理人整理番号３０７９４．１８４−ＵＳ−Ｐ１（２００６−６６６））；
Ｆｒｅｄｅｒｉｃｋ  Ｆ．Ｌａｎｇｅ、Ｊｉｎ  Ｈｙｅｏｋ  Ｋｉｍ、Ｄａｎｉｅｌ  Ｂ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎ、およびＳｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓによる米国仮特許出願第６０／８２１，５５８号（名称「ＨＹＤＲＯＴＨＥＲＭＡＬ  ＳＹＮＴＨＥＳＩＳ  ＯＦ  ＴＲＡＮＳＰＡＲＥＮＴ  ＣＯＮＤＵＣＴＩＮＧ  ＺｎＯ  ＨＥＴＥＲＯＥＰＩＴＡＸＩＡＬ  ＦＩＬＭＳ  ＯＮ  ＧａＮ  ＩＮ  ＷＡＴＥＲ  ＡＴ  ９０Ｃ」、２００６年８月４日出願、代理人整理番号３０７９４．１９２−ＵＳ−Ｐ１  （２００７−０４８−１））；
Ｆｒｅｄｅｒｉｃｋ  Ｆ．Ｌａｎｇｅ、Ｊｉｎ  Ｈｙｅｏｋ  Ｋｉｍ、Ｄａｎｉｅｌ  Ｂ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎ、およびＳｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓによる米国仮特許出願第６０／９１１，２１３号（名称「ＨＹＤＲＯＴＨＥＲＭＡＬ  ＳＹＮＴＨＥＳＩＳ  ＯＦ  ＴＲＡＮＳＰＡＲＥＮＴ  ＣＯＮＤＵＣＴＩＮＧ  ＺｎＯ  ＨＥＴＥＲＯＥＰＩＴＡＸＩＡＬ  ＦＩＬＭＳ  ＯＮ  ＧａＮ  ＩＮ  ＷＡＴＥＲ  ＡＴ  ９０Ｃ」、２００７年４月１１日出願、代理人整理番号３０７９４．１９２−ＵＳ−Ｐ２（２００７−０４８−２））；
Ｓｉｄｄｈａ  Ｐｉｍｐｕｔｋａｒらによる米国仮特許出願第６１／１１２，５６０号（名称「ＲＥＡＣＴＯＲ  ＤＥＳＩＧＮＳ  ＦＯＲ  ＵＳＥ  ＩＮ  ＡＭＭＯＮＯＴＨＥＲＭＡＬ  ＧＲＯＷＴＨ  ＯＦ  ＧＲＯＵＰ−ＩＩＩ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＣＲＹＳＴＡＬＳ」、２００８年１１月７日出願、代理人整理番号３０７９４．２９６−ＵＳ−Ｐ１（２００９−２８３−１））；
Ｓｉｄｄｈａ  Ｐｉｍｐｕｔｋａｒらによる米国仮特許出願第６１／１１２，５５２号（名称「ＮＯＶＥＬ  ＶＥＳＳＥＬ  ＤＥＳＩＧＮＳ  ＡＮＤ  ＲＥＬＡＴＩＶＥ  ＰＬＡＣＥＭＥＮＴＳ  ＯＦ  ＴＨＥ  ＳＯＵＲＣＥ  ＭＡＴＥＲＩＡＬ  ＡＮＤ  ＳＥＥＤ  ＣＲＹＳＴＡＬＳ  ＷＩＴＨ  ＲＥＳＰＥＣＴ  ＴＯ  ＴＨＥ  ＶＥＳＳＥＬ  ＦＯＲ  ＴＨＥ  ＡＭＭＯＮＯＴＨＥＲＭＡＬ  ＧＲＯＷＴＨ  ＯＦ  ＧＲＯＵＰ−ＩＩＩ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＣＲＹＳＴＡＬＳ」、２００８年１１月７日出願、代理人整理番号３０７９４．２９７−ＵＳ−Ｐ１（２００９−２８４−１））；
Ｓｉｄｄｈａ  Ｐｉｍｐｕｔｋａｒらによる米国仮特許出願第６１／１１２，５５８号（名称「ＡＤＤＩＴＩＯＮ  ＯＦ  ＨＹＤＲＯＧＥＮ  ＡＮＤ／ＯＲ  ＮＩＴＲＯＧＥＮ  ＣＯＮＴＡＩＮＩＮＧ  ＣＯＭＰＯＵＮＤＳ  ＴＯ  ＴＨＥ  ＮＩＴＲＯＧＥＮ−ＣＯＮＴＡＩＮＩＮＧ  ＳＯＬＶＥＮＴ  ＵＳＥＤ  ＤＵＲＩＮＧ  ＴＨＥ  ＡＭＭＯＮＯＴＨＥＲＭＡＬ  ＧＲＯＷＴＨ  ＯＦ  ＧＲＯＵＰ−ＩＩＩ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＣＲＹＳＴＡＬＳ  ＴＯ  ＯＦＦＳＥＴ  ＴＨＥ  ＤＥＣＯＭＰＯＳＩＴＩＯＮ  ＯＦ  ＴＨＥ  ＮＩＴＲＯＧＥＮ−ＣＯＮＴＡＩＮＩＮＧ  ＳＯＬＶＥＮＴ  ＡＮＤ／ＯＲ  ＭＡＳＳ  ＬＯＳＳ  ＤＵＥ  ＴＯ  ＤＩＦＦＵＳＩＯＮ  ＯＦ  ＨＹＤＲＯＧＥＮ  ＯＵＴ  ＯＦ  ＴＨＥ  ＣＬＯＳＥＤ  ＶＥＳＳＥＬ」、２００８年１１月７日出願、代理人整理番号３０７９４．２９８−ＵＳ−Ｐ１（２００９−２８６−１））；
Ｓｉｄｄｈａ  Ｐｉｍｐｕｔｋａｒらによる米国仮特許出願第６１／１１２，５４５号（名称「ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ  ＲＥＬＡＴＩＶＥ  ＧＲＯＷＴＨ  ＲＡＴＥＳ  ＯＦ  ＤＩＦＦＥＲＥＮＴ  ＥＸＰＯＳＥＤ  ＣＲＹＳＴＡＬＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＦＡＣＥＴＳ  ＯＦ  Ａ  ＧＲＯＵＰ−ＩＩＩ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＣＲＹＳＴＡＬ  ＤＵＲＩＮＧ  ＴＨＥ  ＡＭＭＯＮＯＴＨＥＲＭＡＬ  ＧＲＯＷＴＨ  ＯＦ  Ａ  ＧＲＯＵＰ−ＩＩＩ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＣＲＹＳＴＡＬ」、２００８年１１月７日出願、代理人整理番号３０７９４．２９９−ＵＳ−Ｐ１（２００９−２８７−１））；および、
Ｓｉｄｄｈａ  Ｐｉｍｐｕｔｋａｒらによる米国仮特許出願第Ｎｏ．６１／１１２，５５０号（名称「ＵＳＩＮＧ  ＢＯＲＯＮ−ＣＯＮＴＡＩＮＩＮＧ  ＣＯＭＰＯＵＮＤＳ，ＧＡＳＳＥＳ  ＡＮＤ  ＦＬＵＩＤＳ  ＤＵＲＩＮＧ  ＡＭＭＯＮＯＴＨＥＲＭＡＬ  ＧＲＯＷＴＨ  ＯＦ  ＧＲＯＵＰ−ＩＩＩ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＣＲＹＳＴＡＬＳ」、２００８年１１月７日出願、代理人整理番号３０７９４．３００−ＵＳ−Ｐ１（２００９−２８８−１））；
に関連し、これらの出願のすべては、本明細書に参考として援用される。
【０００３】
（１．技術分野）
本発明は、低不純物の六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層、より具体的には、六方晶系ウルツ鉱基板上に成長させられる低アルカリ金属エピタキシャル層、および低不純物含量六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層を生成するための方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
（２．関連技術の説明）
可視および紫外光電子デバイス、ならびに高出力電子デバイスの製造において、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取り入れたその三元および四元化合物（ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ）の有用性が確立されている。これらのデバイスは、典型的には、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、および水素化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）等の成長技術を用いてエピタキシャルに成長させられる。
【０００５】
ＧａＮおよびその合金は、六方晶系ウルツ鉱構造において最も安定であるが、この構造は互いに対して１２０°回転した２つ（または３つ）の等価な底面軸（ａ軸）によって説明され、これらの軸はすべて唯一のｃ軸に対して垂直である。ＩＩＩ族および窒素の原子が、結晶のｃ軸に沿って、交互するｃ面を占める。ウルツ鉱構造内に含まれる対称要素は、ＩＩＩ族窒化物がこのｃ軸に沿ったバルクの自発分極を有し、ウルツ鉱構造が圧電分極を示すことを決定付ける。
【０００６】
電子および光電子デバイス用の窒化物の最新技術では、極性のｃ方向に沿って成長した窒化物膜が使用されている。しかし、ＩＩＩ族窒化物をベースとした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、強い圧電的および自発的分極が存在するために、望ましくない量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）を受ける。ｃ方向に沿った強い内蔵された電場により電子およびホールの空間的分離が生じ、これによってキャリア再結合の効率が低減されて、振動子強度が下がり、エミッションの赤色シフトがもたらされる。
【０００７】
ＧａＮ光電子デバイスにおける自発および圧電分極効果を排除または低減するための１つの手法は、デバイスを結晶の非極性または半極性面において成長させることである。最近、非極性および半極性デバイスの利点を確認した報告がいくつか発表されている。それらのほとんどは、これらのデバイスの製造には高品質の基板が不可欠であることを示している。歴史的には、デバイスを製造するために、ＳｉＣ、スピネル、サファイア等多くの外部基板が使用されてきたが、外部基板上のデバイスのへテロエピタキシーによってもたらされる高い欠陥密度に起因して、デバイス品質は低かった。
【０００８】
したがって、高品質でコストパフォーマンスの高いＧａＮ基板が、ホモエピタキシャル成長および非極性および半極性デバイスの産業化のために必要である。１つの手法は、非極性および半極性デバイスの生産にＨＶＰＥ  ＧａＮ基板を利用することであるが、基板ウエハサイズが制限され、また生産コストが非常に高い。
【０００９】
現在、ＧａＮ単結晶基板の成長のために様々な方法が探求されている。多くの手法において、１つ以上のアルカリ金属が必要とされ、成長システムに意図的に添加されるが、例えば、超臨界アンモニア中でのＧａＮの成長のためにナトリウムおよび／またはカリウムが添加され、ナトリウムは、ナトリウムフラックス法によるＧａＮの成長において重要な構成要素である。この成長環境へのアルカリ金属の添加は、成長したＧａＮ結晶に、成長プロセス中に使用されるアルカリ金属を典型的には高濃度で含有させ、このことは、基板中のアルカリ金属がデバイス成長中にエピタキシャル層に拡散し、デバイスの電気特性および性能に悪影響を与える可能性を大幅に増加させる。
【００１０】
本発明は、低濃度のアルカリ金属を保有する六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層を提供する。本発明はまた、基板の適切な結晶面を選択することで、基板からエピタキシャルフィルムへのアルカリ金属の拡散を最小化することによる、これらの低い不純物含量のエピタキシャルフィルムを生成する方法を提供する。
【００１１】
「半極性面」という用語は、２つの非ゼロのミラー指数ｈ、ｉ、またはｋと、非ゼロのミラー指数ｌとを有する様々な面を指すために使用することができる。「非極性面」という用語は、２つの非ゼロのミラー指数ｈ、ｉ、またはｋと、ゼロのミラー指数ｌとを有する様々な面を指すために使用することができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の従来技術における制約を克服し、かつ本明細書の熟読および理解によって明白となるような他の制約をも克服するために、本発明は、低アルカリ金属濃度を有する六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層、およびこの六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層を作製するための方法を開示する。
【００１３】
アンモノサーマル法、またはＮａフラックス法等、大面積の六方晶系ウルツ鉱単結晶基板を製造するためのいくつかの方法がある。これらの方法うちのいくつかにおいては、アルカリ金属が不可欠であり、成長プロセスにおいて意図的に使用される。一方、アルカリ金属は、デバイスの電気特性に悪影響を及ぼし得るため、これらの方法を用いて生成された基板上に成長したデバイスにおいてアルカリ金属は望ましくない。しかしながら、本発明は、デバイス層におけるアルカリ金属の濃度が最小化され得ることを確認しており、このことは、デバイス製造者および基板製造者の両方にとって有益である。
【００１４】
本発明は、低濃度のアルカリ金属を含有するエピタキシャル層およびエピタキシャル層へのアルカリ金属の混入を最小化するための方法を開示する。本発明は、基板からエピタキシャル層へのアルカリ金属の拡散が、基板表面の結晶面に大きく依存することを見出した。
【００１５】
本発明は、低い不純物濃度のアルカリ金属を保有する六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層を作製するための方法、層、デバイス、および装置を含む。本発明の１つ以上の実施形態による方法は、比較的より高い不純物濃度のアルカリ金属を保有する六方晶系ウルツ鉱基板を使用するステップと、六方晶系ウルツ鉱基板の表面上に六方晶系ウルツ鉱エピタキシャル層を成長させるステップであって、その表面は、ｃ面とは異なる結晶面を有する、ステップとを含む。
【００１６】
そのような方法は、さらに随意で、ｍ面、ａ面、ｍ面とａ面との間のオフ配向（ｏｆｆ−ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）面のうちの任意の１つ、ｍ面、ａ面、または、１つ以上のオフ配向が＜１１−２０＞、［０００１］、［０００−１］、および／もしくは＜１−１００＞方向に沿ったｍ面とａ面との間のオフ配向面のうちの任意の１つ、半極性面、結晶面を含み、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、ガリウム（Ｇａ）を含有し、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、ＩＩＩ族窒化物層であり、エピタキシャル層の六方晶系ウルツ鉱基板は、少なくとも１つのアルカリ金属を含有し、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、六方晶系ウルツ鉱基板と比較して、低減した濃度のアルカリ金属を含有し、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、それぞれの存在するアルカリ金属に対して、１０１６原子／ｃｍ３未満のアルカリ金属濃度を有し、デバイスまたはエピタキシャルフィルムは、請求項１に記載の方法によって生成された六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層を使用し、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、または水素化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）によって成長させられ、六方晶系ウルツ鉱基板は、アンモノサーマル法によって生成され、六方晶系ウルツ鉱基板の結晶面は、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層におけるアルカリ金属の不純物濃度を制御するように選択される。
【００１７】
本発明の１つ以上の実施形態による、六方晶系ウルツ鉱基板上に成長させられる六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、六方晶系ウルツ鉱基板中のアルカリ金属の不純物濃度よりも低い、六方晶系ウルツ鉱型層中のアルカリ金属の不純物濃度を有し、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、ｃ面とは異なる結晶面を有する六方晶系ウルツ鉱基板の表面上に成長させられる。
【００１８】
そのような六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、さらに任意に、ｍ面、ａ面、ｍ面とａ面との間のオフ配向面のうちの任意の１つである結晶面、半極性面、または、ｍ面、ａ面もしくは１つ以上のオフ配向が、＜１１−２０＞、［０００１］、［０００−１］、および／もしくは＜１−１００＞方向に沿ったｍ面とａ面との間のオフ配向面のうちの任意の１つである結晶面を有する六方晶ウルツ鉱基板を含み、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、ガリウム（Ｇａ）を含有し、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、ＩＩＩ族窒化物層であり、基板は少なくとも１つのアルカリ金属を含有し、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、基板と比較して低減した濃度のアルカリ金属を含有し、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、各々の存在するアルカリ金属に対して、１０１６原子／ｃｍ３未満のアルカリ金属濃度を有し、デバイスはエピタキシャル層を使用し、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、または水素化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）によって成長させられ、エピタキシャル層の基板は、アンモノサーマル法によって生成され、六方晶系ウルツ鉱基板の結晶面は、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層におけるアルカリ金属の不純物濃度を制御するように選択される。
【００１９】
本発明の１つ以上の実施形態による、六方晶系ウルツ鉱基板上に成長させられる六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、ある濃度のアルカリ金属を含み、ｃ面配向を有するエピタキシャルは、ｃ面配向以外の配向を有するエピタキシャル層よりも低いアルカリ金属濃度を有する。
【００２０】
本発明の１つ以上の実施形態による、比較的高い不純物濃度のアルカリ金属を保有する六方晶系ウルツ鉱基板上で、比較的低い不純物濃度のアルカリ金属を伴う六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層を得るための方法は、ｃ面配向以外の結晶面配向を有する基板の表面上に、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層を成長させるステップを含む。
【００２１】
そのような方法は、さらに任意に、非極性配向または半極性配向である結晶面配向を含み、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、ＩＩＩ族窒化物層であり、基板は、アンモノサーマル法によって生成され、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、または水素化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）によって成長させられ、この方法を用いて製造されたエピタキシャル層、およびこのエピタキシャル層を含むデバイス低濃度のアルカリ金属を保有する六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層が含まれる。
【００２２】
本発明の１つ以上の実施形態による六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、比較的高い不純物濃度のアルカリ金属を保有する六方晶系ウルツ鉱基板上の、比較的低い不純物濃度のアルカリ金属を有し、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、ｃ面配向以外の結晶面配向を有する六方晶系ウルツ鉱基板の表面上に成長させられる。
【００２３】
そのような層は、さらに任意に、非極性配向または半極性配向である結晶面配向を含み、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、ＩＩＩ族窒化物層であり、基板は、アンモノサーマル法によって生成され、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、または水素化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）によって成長させられ、またこのエピタキシャル層を含むデバイスが含まれる。
【００２４】
本発明の１つ以上の実施形態による、第１の不純物濃度のアルカリ金属を保有する六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層を成長させる方法は、第１の不純物濃度のアルカリ金属よりも高い第２の不純物濃度のアルカリ金属を保有する六方晶系ウルツ鉱基板上に、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層を成長させるステップと、第１の不純物濃度のアルカリ金属を制御するように、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層を成長させるための六方晶系ウルツ鉱基板の成長表面を選択するステップとを含む。
【００２５】
本発明は、従来のＭＯＣＶＤによるＧａＮバッファ層および発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイス構造の成長の基板として、ｃ面およびｍ面ＧａＮ基板を使用したが、それらは両方とも同様のレベルのアルカリ金属（３×１０１８原子／ｃｍ３）を含有する。両方の面に対して活性層成長条件が最適化されたが、ＧａＮバッファ層（基板上に成長させる第１の層）成長条件は、両方の面で非常に類似していた。バッファ層の成長温度は、ｃ面およびｍ面バッファ層の両方に対して約１１００℃であった。成長後、本発明は、各基板面に対して、ＭＯＣＶＤ成長中に基板からエピタキシャルフィルム内に生じたアルカリ金属拡散を明確に比較することができた。ＭＯＣＶＤ成長系にナトリウム（アルカリ金属）は使用されないため比較は可能であり、したがって、エピタキシャル層において観察されたナトリウム濃度は、基板からエピタキシャルフィルムへのアルカリ金属の拡散の結果であると認識される。アルカリ金属の濃度を決定するために、各ウエハに対して二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）による不純物分析を行った。ｍ面エピタキシャル層におけるナトリウム濃度は、４×１０１４原子／ｃｍ３であったが、これは基板における濃度よりもほぼ４倍低い。一方、ｃ面エピタキシャル層は、８×１０１６原子／ｃｍ３の濃度のナトリウムを含有していたが、これはｍ面エピタキシャル層における濃度よりも２桁を超えて高い。これは、本発明において、適切な成長面を選択することによって、基板からエピタキシャル層への不純物の拡散が最小化され得ることの例を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
次に、図面を参照する（同一参照番号は、全体を通して対応する部品を表す）。
【図１】図１Ａ−１Ｄは、六方晶系ウルツ鉱基板の成長を示す図である。
【図２】図２Ａ−２Ｄは、本発明の１つ以上の実施形態による、基板およびエピタキシャル層の成長を示す図である。
【図３】図３は、ｃ面エピタキシャル層およびアルカリ金属含有基板のＳＩＭＳ深さプロファイルである。
【図４】図４は、ｍ面エピタキシャル層およびアルカリ金属含有基板のＳＩＭＳ深さプロファイルである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
好ましい実施形態の以下の説明では、本明細書の一部を形成し、本発明が実践され得る特定の実施形態の一例として示される添付の図面が参照される。他の実施形態が利用されてもよく、構造的変化は、本発明の範囲から逸脱することなく成され得ることを理解されたい。
【００２８】
（概要）
本発明は、低不純物の六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層、より具体的には、六方晶系ウルツ鉱基板上に成長させられた低アルカリ金属エピタキシャル層を提供する。本発明はまた、エピタキシャル層へのアルカリ金属の混入を最小化するための技術を開示する。
【００２９】
超臨界アンモニア中でＩＩＩ族窒化物結晶を成長させるための方法が提案され、実証されている。この方法は、低い構造欠陥密度を含むたわみのないＧａＮ基板を、コスト効率良く生成することが期待される。この手法の潜在的な１つの欠点は、基本的なアンモノサーマルプロセスにおいて、成長系にアルカリ金属（例えば、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、リチウム（Ｌｉ）等）が意図的に使用されるという点である。これは、基板成長中にＧａＮ基板に非意図的に混入されるアルカリ金属が、エピタキシャル成長中にエピタキシャル層内に拡散し、その結果、エピタキシャル層の電気特性が低下するという重大なリスクをもたらす。
【００３０】
本発明は、エピタキシャル層へのアルカリ金属の拡散が、基板の結晶面に大きく依存し、したがって効果的に抑制され得ることを見出した。
【００３１】
（技術説明）
本発明は、低濃度のアルカリ金属を含有する六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層を提供する。本発明はまた、エピタキシャル層へのアルカリ金属の混入を最小化するための方法を含む。具体的には、本発明は、ＧａＮ結晶内のアルカリ金属拡散の方向依存性を利用する。エピタキシャル層へのアルカリ金属の混入を最小化するには、適切な成長面を選択することが重要である。
【００３２】
図１Ａ〜１Ｄは、ウルツ鉱基板の成長を示す。
【００３３】
典型的には、基板１０２およびバッファ層１０４は、ウルツ鉱層１０６の原子テンプレートとして提供される。基板１０２は、典型的には、サファイア、炭化ケイ素、またはその他の材料であり、バッファ層１０４は、典型的には、成長を開始するための適切な格子整合をウルツ鉱層１０６に提供するために使用される。ウルツ鉱層１０６は、典型的には、ｃ面方向１０７に成長し、ｃ面表面１０８は、バッファ層１０４の表面の反対側にある。バッファ層１０４およびウルツ鉱層１０６は、典型的には、ＭＯＣＶＤ、ＨＶＰＥ、ＭＢＥ、またはその他のエピタキシャル成長技術を用いて成長させられる。
【００３４】
次いで、ウルツ鉱層１０６は、任意に、次の層の横方向成長を促進する表面１０８をウルツ鉱層１０６上に形成するために、フォトリソグラフィーまたはその他のエッチング技術によって加工される。層１０６として説明されているが、次の層の横方向成長を促進するために、同様の加工をウルツ鉱種結晶１０６に行うことができる。しかしながら、種結晶１０６が直接使用される場合、典型的には、基板１０２およびバッファ層１０４は、次の層の横方向成長を促進するために必要ではない。したがって、基板１０２およびバッファ層１０４は、図１Ｃ〜１Ｄに示されていないが、成長を開始するためにそのような基板１０２が使用されている場合は、バッファ層１０４および基板１０２がこれらの図において存在し得ることを理解されたい。
【００３５】
あるいは、ウルツ鉱層１０６は、任意に、加工されず、次の成長は、本質的に平坦な表面１０８上で生じる。しかしながら、この方法は、横方向エピタキシャル成長を利用しない。
【００３６】
次いで、層１１０がウルツ層１０６［ＭＳＯｆｆｉｃｅ１］の表面１０８上に成長させられる。層１１０は、典型的には、アンモノサーマル成長法、またはナトリウムフラックス法等の他のソルボサーマル法を用いて成長させられる。ソルボサーマル法は、多くの場合、プロセスにおいてアルカリ金属の使用を必要とする。基本的なアンモノサーマルプロセスでは、アルカリ金属は、アンモニアに対するＧａＮの溶解度を増加させるために、鉱化剤、例えばナトリウム、ナトリウムアミド、またはカリウムアミドの形態で使用される。
【００３７】
そのように、ソルボサーマル成長法は、層１１０への不要な不純物の可能性をまねく。典型的には、ドーパントと呼ばれる不純物は、層１１０の既知の制御可能な特性を形成するために、層１１０内に意図的に導入される。しかしながら、不要な不純物、特にアルカリ金属不純物は、層１１０の制御可能性、先験的な知識、ならびに電気的および機械的安定性を低減するので、そのような不純物は、層１１０の電気特性を低下させる。関連技術［１］は、層１１０中に５００ｐｐｍのアルカリ金属含量が許容されることを示しているが、多くのデバイスにおいては、そのような濃度はデバイスを非効率もしくは動作しない状態にするか、または寿命を短縮する。
【００３８】
図１Ｄは、基板として使用することが可能なウエハにスライスするのに十分な厚さの厚いウルツ鉱層１１０を示す。エピタキシャル層の成長にｃ面成長表面が望ましい場合、劈開面１１２が使用され、ウルツ鉱層１１０は、劈開面１１２に本質的に平行な切断を用いてスライスされる。これらの切断は、ウルツ鉱層１１０からウエハを生成し、次いでこれが、ｃ面成長方向のエピタキシャル層を受け入れるために必要に応じてさらに加工される。
【００３９】
ａ面またはｍ面の成長表面が望ましい場合は、ウルツ鉱層１１０は、劈開面１１２に垂直な、例えば劈開面１１４に平行な垂直切断を使用してスライスされる。半極性面の成長表面が望ましい場合、ウルツ鉱層１１０は、劈開面１１２と劈開面１１４との間の面に沿って、例えば劈開面１１６に平行な切断を使用してスライスされる。他の望ましい平面における成長表面を生成するために、他の劈開面もまた使用することができる。この場合も、これらの切断は、ウルツ鉱層１１０からウエハを生成し、次いで、これが、所望の面の成長方向のエピタキシャル層を受け入れるために必要に応じてさらに加工される。項目１１２、１１４、および１１６を識別するために「劈開面」という用語が使用されているが、この用語は、単にウルツ鉱層１１０の分離が特定の面または場所に沿って生じていることを定義するために使用される。「劈開面」という用語は、ウルツ鉱層１１０が劈開によって分割されることを示すことを意図しないが、劈開、エッチング、ダイシング、鋸切断、レーザスクライビング、ダイヤモンドスクライビング、これらの組合せ、または異なる分割プロセスによって分割され得る。
【００４０】
図２Ａ〜２Ｄは、本発明の１つ以上の実施形態によるウルツ鉱エピタキシャル層の成長のための代替方法を示す。
【００４１】
図２Ａは、ウルツ鉱種結晶２００を示す。図１Ｂの層１０６になされた変更とは異なり、ウルツ鉱種結晶２００は、横方向成長を形成するように修正されない。
【００４２】
ウルツ鉱層１１０は、図２Ｂに示されるように、典型的にはアンモノサーマル法であるソルボサーマル法によって、ウルツ鉱種結晶２００上に直接成長させられる。この場合も、基板として使用可能なウエハにスライスするのに十分な厚さの厚いウルツ鉱層１１０が、一実施形態においてｃ面方向に成長させられる。エピタキシャル層の成長に最終ｃ面成長表面が望ましい場合、劈開面１１２が使用され、ウルツ鉱層１１０は、劈開面１１２に本質的に平行な切断を用いてスライスされる。これらの切断は、ウルツ鉱層１１０からウエハを生成し、次いで、これが、ｃ面成長方向のエピタキシャル層を受け入れるために必要に応じてさらに加工される。
【００４３】
ａ面またはｍ面の成長表面が望ましい場合は、ウルツ鉱層１１０は、劈開面１１２に垂直な、例えば、劈開面１１４に平行な垂直切断を使用してスライスされる。半極性面の成長表面が望ましい場合、ウルツ鉱層１１０は、劈開面１１２と劈開面１１４との間の面に沿って、例えば、劈開面１１６に平行な切断を使用してスライスされる。他の望ましい平面における成長表面を生成するために、他の劈開面もまた使用することができる。この場合も、これらの切断は、ウルツ鉱層１１０からウエハを生成し、次いでこれが、所望の面の成長方向のエピタキシャル層を受け入れるために必要に応じてさらに加工される。図２Ｃは、層１１０の一部、つまり、エピタキシャル層２０２が基板２０２のｃ面上に成長させられるように、ｃ面配向を有する層１１０から切断された基板２０２を示す。図２Ｄは、層１１０の一部、つまり、エピタキシャル層２０８が基板２０６のｍ面上に成長させられるように、ｍ面配向を有する層１１０から切断された基板２０６を示す。層１１０の劈開面を変更することによって、本発明の範囲内において、エピタキシャル層２０４および２０８のその他の成長面も可能である。
【００４４】
エピタキシャル層２０４および２０８が成長させられると、ウルツ鉱基板２０２および２０６内に存在する不純物は、移動経路２１０および２１２によって示されるように、それぞれ、基板２０２および２０６からエピタキシャル層２０４および２０８に移動する。エピタキシャル層２０４および２０８、ならびに任意の次のエピタキシャル層またはその他の様式でエピタキシャル層２０４および２０８上に成長させられた層に、またはその層から作製された一部のデバイスにおいては、基板２０２および２０６からエピタキシャル層２０４および２０８に移動する不純物の濃度が重要となり得るが、他のデバイスにおいてはその濃度は無関係となり得る。本発明は、ウルツ鉱基板２０２および２０６の面の選択が、これらの不純物の移動、または移動の欠落に基づいて行うことを可能にする。移動は、材料の粒状構造に起因することが多い。典型的にｃ方向に沿って延在する結晶粒があり（ｃ面種上で核形成する場合）、これらの結晶粒間の境界は、アルカリ金属の拡散経路として機能する構造欠陥を有する。プロセスは、典型的には、パイプ拡散と呼ばれる。したがって、拡散はまた、これらの結晶粒の形成を低減または排除することによって最小化することができる。
【００４５】
本発明において、ＧａＮ基板２０２および２０６は、ナトリウムアミド鉱化剤を含む超臨界アンモニアを使用したアンモノサーマル法によってバルクＧａＮ結晶１１０を成長させることによって調製した。Ｎｉ−Ｃｒ超合金製の内径１インチのオートクレーブを使用した。ＧａＮ種結晶２００は、オートクレーブのより高温のゾーン（成長領域）に装填され、邪魔板がオートクレーブの中央に設置され、Ｎｉ−Ｃｒメッシュバスケットに含まれた多結晶ＧａＮ結晶は、オートクレーブのより低温のゾーン（栄養物領域）に設置された。栄養物多結晶ＧａＮは、ＨＶＰＥ法で合成した。次に、鉱化剤、この場合では、ナトリウムアミドを容器に加えた。本発明によれば、他の鉱化剤もまた使用することができる。次に容器を閉じた。上記装填プロセスはすべて、酸素および水の汚染を回避するために窒素グローブボックス内で行われた。
【００４６】
容器を閉じた後、液体窒素を用いて容器を冷却した。次いで高圧弁を含む特別の口からアンモニアを容器内に加えた。アンモニアの量は、流量計で監視し、必要量のアンモニアが容器内で濃縮された後に高圧弁を閉めた。アンモニアの量は、成長温度において必要な圧力が得られるように、この場合では５００〜６００℃で約２００ＭＰａが得られるように厳密に制御した。オートクレーブをアンモニアで充填した後、容器を抵抗加熱システム内に設置した。加熱システムは、それぞれ成長領域および栄養物領域に対応する下部ゾーンおよび上部ゾーンの２つの別個のゾーンを含んでいる。
【００４７】
栄養物ゾーン温度は、５００〜５５０℃の温度に維持し、成長ゾーン温度は、５５０〜６００℃に維持した。この温度勾配は、２つの領域間の溶解度の差を生成するとともに、栄養物移動のための容器内の対流を促進する。同時に、これらは、種結晶２００上のＧａＮ結晶１１０の成長をもたらす。ＧａＮ結晶１１０は、高さ約６、横方向寸法約５ｍｍに成長させた。成長後、２つのＧａＮバルク結晶２０２および２０６を切断および研磨し、ｃ面およびｍ面ＧａＮウエハ２０２および２０６を調製したが、ＧａＮウエハ２０２および２０６の厚さは、それぞれ約３５０ミクロンであった。次に、ＬＥＤ構造、例えば、エピタキシャル層２０４および２０８を、従来のＭＯＣＶＤによってこれらの調製された基板２０２および２０６上に成長させたが、ＬＥＤ構造は、エピタキシャル層２０４および２０８における層の１つであるＧａＮバッファ層上に成長させた。ｃ面およびｍ面上に成長させたＧａＮバッファ層は、同様の成長条件および約１１００℃の成長温度で生成させた。
【００４８】
エピタキシャルフィルム２０４および２０８の成長後、各ウエハ、例えば、エピタキシャルフィルム２０４および２０８に対してＳＩＭＳ不純物分析を行い、基板２０２および２０６ならびにエピタキシャルフィルム２０４および２０８の両方におけるアルカリ金属の濃度を決定した。
【００４９】
アルカリ金属、例えば、ナトリウムおよび／またはカリウムは、ウルツ鉱層１１０の作製プロセスにおいて、すなわち、ナトリウムアミド鉱化剤の使用を通じてのみ使用されたので、エピタキシャル層２０４および２０８に存在する任意のアルカリ金属不純物は、経路２１０および２１２を介した基板２０２および２０６からエピタキシャル層２０４および２０８へのこれらの不純物の移動によって存在するはずである。
【００５０】
エピタキシャル層２０４および２０８に対する基板２０２および２０６におけるアルカリ金属濃度の分析は、ｍ面エピタキシャル層２０８におけるナトリウム濃度が４×１０１４原子／ｃｍ３であり、ＧａＮ基板２０６における濃度よりほぼ４桁低いことを示している。一方、ｃ面エピタキシャル層２０４は、８×１０１６原子／ｃｍ３の濃度のナトリウムを含有していたが、これは、ｍ面エピタキシャル層２０８における濃度よりも２桁を超えて高い。したがって、本発明は、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層２０４および２０８の不純物特性がエピタキシャル層２０４および２０８の成長前に決定され得、この決定は、適切な劈開面１１２、１１４、１１６、または劈開面１１２と劈開面１１４との間の劈開面を選択することによってなされることを見出した。そのような選択によって、デバイスへの不純物混入を制御および最小化することができる。多くのデバイスは、六方晶系ウルツ鉱基板２０６上に優先的に成長させられたエピタキシャル層２０８を必要とし、基板の表面は、エピタキシャルフィルム内の不純物混入を低減するためにｃ面に垂直な結晶面（例えばｍ面）を有する。さらに、他の結晶面が、低い不純物拡散係数または高い不純物拡散係数を有し得る。したがって、所与の基板２０２または２０６の成長面は、所望の不純物混入を有する基板を生成するように選択することができる。おそらく、半極性面は、非極性面とｃ面との間の拡散速度を有すると思われるが、このことは、欠陥が依然としてウエハを通って延在していても、表面に達するまでより長い距離を進まなければならないからである。
【００５１】
（実験結果）
本発明は、従来のＭＯＣＶＤによるＧａＮバッファ層２０４および２０８発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイス構造の成長の基板として、ｃ面およびｍ面のＧａＮ基板２０２および２０６を使用したが、それらは両方とも同様のレベルのアルカリ金属（３×１０１８原子／ｃｍ３）を含有する。両方の面に対して活性層成長条件が最適化されたが、ＧａＮバッファ層２０４および２０８（基板２０２および２０６上に成長させる第１の層）成長条件は、両方の面で非常に類似していた。バッファ層２０４および２０８の成長温度は、ｃ面およびｍ面バッファ層２０４および２０８の両方に対して、それぞれ約１１００℃であった。
【００５２】
層２０４および２０８の成長後、本発明は、各基板面に対して、ＭＯＣＶＤ成長中に基板２０２および２０６からエピタキシャル層２０４および２０８に生じたアルカリ金属拡散を、明確に比較することができた。ＭＯＣＶＤ成長系にナトリウム（アルカリ金属）は使用されないので比較は可能であり、したがって、エピタキシャル層２０４および２０８において観察されたナトリウム濃度は、拡散経路２１０および２１２を介した基板２０２および２０６からエピタキシャルフィルム２０４および２０８へのアルカリ金属の拡散の結果であると認識される。
【００５３】
アルカリ金属の濃度を決定するために、各ウエハに対してＳＩＭＳによる不純物分析を行った。図３は、ｃ面エピタキシャル層２０４およびアルカリ金属含有基板２０２のＳＩＭＳ深さプロファイルを示し、図４は、ｍ面エピタキシャル層２０８およびアルカリ金属含有基板２０６のＳＩＭＳ深さプロファイルを示す。図３および４の両方において、アルカリ金属の濃度は、フィルム２０４および２０８ならびに基板２０２および２０６への深さの関数として表示されている。
【００５４】
図３において、ナトリウム濃度３００、カリウム濃度３０２、およびリチウム濃度３０４が示されている。ナトリウム濃度３００、カリウム濃度３０２、およびリチウム濃度３０４はすべて測定限界を有し、これは、それぞれナトリウム濃度限界３０６、カリウム濃度限界３０８、およびリチウム濃度限界３１０として示されている。エピタキシャル層２０４と基板２０２との間の界面３１２もまた示されている。
【００５５】
図４において、ナトリウム濃度４００、カリウム濃度４０２、およびリチウム濃度４０４が示されている。ナトリウム濃度４００、カリウム濃度４０２、およびリチウム濃度４０４は、すべて測定限界を有し、これは、それぞれナトリウム濃度限界４０６、カリウム濃度限界４０８、およびリチウム濃度限界４１０として示されている。エピタキシャル層２０８と基板２０６との間の界面４１２もまた示されている。
【００５６】
ＳＩＭＳ分析は、基板２０２および２０６からエピタキシャル層２０４および２０８へのアルカリ金属の拡散が、ｃ面基板２０２と比較してｍ面基板２０６において大きく低減されていることを明確に示している。この差は、アルカリ金属であるナトリウムに対して特に明白である。
【００５７】
ｍ面およびｃ面基板２０２および２０６の両方における初期ナトリウム濃度は、本質的に同じであり、３×１０１８原子／ｃｍ３であった。しかしながら、エピタキシャルフィルム２０４および２０８の成長後、ｍ面エピタキシャル層２０８におけるナトリウム濃度は４×１０１４原子／ｃｍ３であり、基板２０６における濃度よりもほぼ４桁低かった。一方、ｃ面エピタキシャル層２０４は、８×１０１６原子／ｃｍ３の濃度のナトリウムを含有していたが、これは、基板２０２からｃ方向に沿ってかなりの量のナトリウムの拡散が生じていることを示している。さらに、ｃ面エピタキシャルフィルム２０４における最終ナトリウム濃度は、ｍ面エピタキシャルフィルム２０８における濃度よりも２桁を超えて高い。さらに、別のアルカリ金属であるカリウムは、ｍ方向に沿って実質的により少ない拡散で同様の挙動を示している。
【００５８】
したがって、ＧａＮ基板２０２および２０６に存在するアルカリ金属またはその他の不純物の拡散が重要であるデバイスにおいて、ＧａＮ基板２０２および２０６の成長面、または結晶面は、層２０４および２０８、ならびに層２０４および２０８上において成長させられる次の層へのこれらの不純物の拡散を制御するように選択することができる。
【００５９】
（可能性として考えられる修正例および変形例）
好ましい実施形態は、アルカリ金属を含有するｍ面ＧａＮ基板上に成長させられた低不純物含量のＧａＮフィルムの一例を記述した。アルカリ金属含有ＧａＮ基板上でのＧａＮ成長を記述したが、本発明は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、およびそれらの合金、例えばＡｌＩｎＮおよびＡｌＧａＮ等を含むすべてのＩＩＩ族窒化物結晶およびエピタキシャル層の成長に好適である。さらに、エピタキシャルフィルムは、元素周期表の任意の族からの他の元素を含有してもよい。例えば、ケイ素（Ｓｉ）およびマグネシウム（Ｍｇ）を含むが、これらに限定されないドープ元素が、成長フィルムに混入されてもよい。
【００６０】
本発明は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＺｎＯ、およびそれらの合金を含むが、これらに限定されない任意のアルカリ金属含有または不純物含有の六方晶系ウルツ鉱基板を使用し得る。
【００６１】
エピタキシャルフィルム成長は、ＭＯＣＶＤによって実証されたが、ＭＢＥおよびＨＶＰＥ等の他のエピタキシャル成長技術を使用してエピタキシャルフィルムを成長させることができる。
【００６２】
本発明は、成長の結晶面がｃ面から離れる方向に（例えば、ｍ方向に沿って、または向かって）変動するに従って、アルカリ金属の拡散が低減されることを実験的に実証した。結果として、エピタキシャルｍ面層がｍ面基板上に低いアルカリ金属濃度で達成され得る。これは、ｍ面に対して実験的に実証されたが、本発明は、ｍ面、ａ面、およびｍ面とａ面との間のオフ配向面のいずれか１つを含む、任意の非極性面が本発明に従って利用され得ることを記述する。さらに、これらの面は、＜１１−２０＞、［０００１］、［０００−１］、および／または＜１−１００＞方向を含む任意の方向（複数を含む）に沿ってオフ配向していてもよい。さらに、アルカリ金属およびその他の不純物元素の主要な拡散経路がｃ方向に沿っていることが見出されたため、ｃ面に垂直な、またはほぼ垂直なすべての面が、本発明の基板として好適である。したがって、ｃ面ではない表面を有する任意の基板が、低減した不純物拡散を有する。この組に含まれるのはすべての半極性面であり、これらも本発明による基板に好適である。
【００６３】
本発明は、アルカリ金属に焦点を置いてきたが、他の不純物元素の拡散、および続くエピタキシャル層への混入も、本発明において説明された基板および方法を使用することにより最小化することができる。
【００６４】
本発明は、基本的なアンモノサーマル処理において典型的に使用されるアルカリ金属に焦点を置いてきたが、本発明における考えおよび概念は、酸性アンモノサーマル処理において使用される鉱化剤等のその他の元素に適用することができる。これらの鉱化剤は、その関連イオンとともに、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、およびアスタチンを含むハライド元素を含有し得る。
【００６５】
本発明は、デバイス内の構成要素であるエピタキシャル層を生成するために使用することができる。
【００６６】
（利点および改良点）
エピタキシャル成長用の基板として使用されるべき六方晶系ウルツ鉱単結晶の成長のために、様々な方法が探求されている。これらの手法のうちの研究および開発段階にあるものもあれば、すでに産業化されているものもある。ほとんどの手法において、１つ以上のアルカリ金属が必要とされ、成長システムに意図的に添加されるが、例えば、超臨界アンモニア中でのＧａＮの成長にナトリウムおよび／またはカリウムが添加され、ＺｎＯの水熱成長にリチウムおよび／またはカリウムが添加され、ナトリウムは、ナトリウムフラックス法によるＧａＮの成長において重要な構成要素である。この成長環境へのアルカリ金属の添加は、成長した六方晶系結晶に、成長プロセス中に使用されるアルカリ金属を典型的には高濃度で含有させ、これは、基板中のアルカリ金属がデバイス成長中にエピタキシャル層に拡散し、デバイスの電気特性および性能に悪影響を与える可能性を大幅に増加させる。
【００６７】
本発明は、エピタキシャル層へのアルカリ金属の拡散が、基板の結晶面に大きく依存し、したがって、非極性および半極性配向基板を利用することによって効果的に抑制され得ることを見出した。これらの基板は、不純物、特にアルカリ金属の混入が低減されながら、エピタキシャルデバイスが基板上に成長させられることを可能にするが、これは、不純物元素が、ｃ方向と比較して、非極性および半極性方向に沿って大きく拡散しないからである。これによって、高品質のデバイスが、高い信頼性をもって生産され得る。
【００６８】
（参考文献）
以下の参考文献は、参照により本明細書に組み込まれる。
１．  ２００７年２月２２日に公開された、Ｄｗｉｌｉｎｓｋｉらによる米国特許出願公開第２００７／００４０２４０Ａ１号、名称「Ｂｕｌｋ  ｎｉｔｒｉｄｅ  ｍｏｎｏ−ｃｒｙｓｔａｌ  ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  ｆｏｒ  ｅｐｉｔａｘｙ」、この出願公開は２００６年１０月３０日出願の米国特許出願第１１／５８９，０５８号に基づいている。
【００６９】
（結論）
本発明は、低不純物濃度のアルカリ金属を保有する六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層を作製するための方法、層、デバイス、および装置を含む。本発明の１つ以上の実施形態による方法は、より高い不純物濃度のアルカリ金属を保有する六方晶系ウルツ鉱基板を使用するステップと、六方晶系ウルツ鉱基板の表面上に六方晶系ウルツ鉱エピタキシャル層を成長させるステップとを含み、その表面は、ｃ面とは異なる結晶面を有する。
【００７０】
そのような方法は、さらに任意に、ｍ面、ａ面、ｍ面とａ面との間のオフ配向面のうちのいずれか１つ、半極性面、または、ｍ面、ａ面、もしくは、１つ以上のオフ配向が＜１１−２０＞、［０００１］、［０００−１］、および／もしくは＜１−１００＞方向に沿ったｍ面とａ面との間のオフ配向面のうちの任意の１つである結晶面を含み、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、ガリウム（Ｇａ）を含有し、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、ＩＩＩ族窒化物層であり、エピタキシャル層の六方晶系ウルツ鉱基板は、少なくとも１つのアルカリ金属を含有し、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、六方晶系ウルツ鉱基板と比較して、低減した濃度のアルカリ金属を含有し、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、それぞれの存在するアルカリ金属に対して、１０１６原子／ｃｍ３未満のアルカリ金属濃度を有し、デバイスまたはエピタキシャルフィルムは、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層を使用し、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、または水素化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）によって成長させられ、六方晶系ウルツ鉱基板は、アンモノサーマル法によって生成され、六方晶系ウルツ鉱基板の結晶面は、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層におけるアルカリ金属の不純物濃度を制御するように選択される。
【００７１】
本発明の１つ以上の実施形態による、六方晶系ウルツ鉱基板上に成長させられる六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、六方晶系ウルツ鉱基板中のアルカリ金属の不純物濃度よりも低い、六方晶系ウルツ鉱型層中のアルカリ金属の不純物濃度を有し、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、ｃ面とは異なる結晶面を有する六方晶系ウルツ鉱基板の表面上に成長させられる。
【００７２】
そのような六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、さらに任意に、ｍ面、ａ面、ｍ面とａ面との間のオフ配向面のうちのいずれか１つ、ｍ面、ａ面もしくは１つ以上のオフ配向が＜１１−２０＞、［０００１］、［０００−１］、および／もしくは＜１−１００＞方向に沿ったｍ面とａ面との間のオフ配向面のうちのいずれか１つ、半極性面である結晶面を有する六方晶ウルツ鉱基板を含み、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、ガリウム（Ｇａ）を含有し、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、ＩＩＩ族窒化物層であり、基板は少なくとも１つのアルカリ金属を含有し、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、基板と比較して、低減した濃度のアルカリ金属を含有し、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、各々の存在するアルカリ金属に対して、１０１６原子／ｃｍ３未満のアルカリ金属濃度を有し、デバイスは、エピタキシャル層を使用するデバイスが含まれ、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、または水素化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）によって成長させられ、エピタキシャル層の基板は、アンモノサーマル法によって生成され、六方晶系ウルツ鉱基板の結晶面は、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層におけるアルカリ金属の不純物濃度を制御するように選択される。
【００７３】
本発明の１つ以上の実施形態による、六方晶系ウルツ鉱基板上に成長させられる六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、ある濃度のアルカリ金属を含み、ｃ面配向を有するエピタキシャルは、ｃ面配向以外の配向を有するエピタキシャル層よりも低いアルカリ金属濃度を有する。
【００７４】
本発明の１つ以上の実施形態による、比較的高い不純物濃度のアルカリ金属を保有する六方晶系ウルツ鉱基板上に、比較的低い不純物濃度のアルカリ金属を伴う六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層を得るための方法は、ｃ面配向以外の結晶面配向を有する基板の表面上に、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層を成長させるステップを含む。
【００７５】
そのような方法は、さらに任意に、非極性配向または半極性配向である結晶面配向を含み、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、ＩＩＩ族窒化物層であり、基板は、アンモノサーマル法により生成され、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、または水素化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）により成長させられ、エピタキシャル層はこの方法を用いて製造され、およびデバイスはこのエピタキシャル層を含む。
【００７６】
本発明の１つ以上の実施形態による六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、比較的高い不純物濃度のアルカリ金属を保有する六方晶系ウルツ鉱基板上に成長させられる比較的低い不純物濃度のアルカリ金属を有し、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、ｃ面配向以外の結晶面配向を有する六方晶系ウルツ鉱基板の表面上に成長させられる。
【００７７】
そのような層は、さらに任意に、非極性配向または半極性配向である結晶面配向を含み、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、ＩＩＩ族窒化物層であり、基板は、アンモノサーマル法により生成され、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、または水素化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）によって成長させられ、またデバイスはこのエピタキシャル層を含む。
【００７８】
本発明の１つ以上の実施形態による、第１の不純物濃度のアルカリ金属を保有する六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層を成長させる方法は、第１の不純物濃度のアルカリ金属よりも高い第２の不純物濃度のアルカリ金属を保有する六方晶系ウルツ鉱基板上に、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層を成長させるステップと、第１の不純物濃度のアルカリ金属を制御するために、六方晶系ウルツ鉱型エピタキシャル層を成長させるための六方晶系ウルツ鉱基板の成長表面を選択するステップとを含む。
【００７９】
ここで、本発明の好ましい実施形態の説明を結論付ける。本発明の１つ以上の実施形態の上述の説明は、例示および説明の目的のために提示されている。本発明を包括的または開示されるまさにその形態に限定することを意図するものではない。多くの修正例および変形例が、上述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よって限定されるのではなく、添付の請求項および添付の請求項のすべての等価物によって限定されることが意図される。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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