(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層構造体であって、
エピタキシャル六方晶層と、
＜１１１＞面外配向を有しかつ半値全幅（ＦＷＨＭ）が約１２°以下である面内結晶テクスチャを有する立方材料の層と、
非単結晶基板と、を備える多層構造体。
【請求項２】
前記エピタキシャル六方晶層は、ＩＩＩ族窒化物半導体を含む、請求項１に記載の構造体。
【請求項３】
前記エピタキシャル六方晶層は、ＧａＮを含む、請求項２に記載の構造体。
【請求項４】
前記エピタキシャル六方晶層は、発光ダイオード（ＬＥＤ）用のテンプレート層を提供する、請求項１に記載の構造体。
【請求項５】
前記立方材料の層は、イオンビーム支援蒸着（ＩＢＡＤ）によってテクスチャ加工されている、請求項１に記載の構造体。
【請求項６】
前記非単結晶基板の性質は、非晶質、多結晶、フレキシブル、延性、金属、セラミック、ガラス、プラスチックおよびポリマーより成るグループから選択される、請求項１に記載の構造体。
【請求項７】
前記エピタキシャル六方晶層は、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、反応性スパッタリング、反応性蒸着または分子線エピタキシ（ＭＢＥ）を用いて成長された、請求項１に記載の構造体。
【請求項８】
前記非単結晶基板および前記エピタキシャル六方晶層の熱膨張係数は、約１２％以内である、請求項１に記載の構造体。
【請求項９】
前記非単結晶基板および前記エピタキシャル六方晶層の熱膨張係数は、約５％以内である、請求項８に記載の構造体。
【請求項１０】
前記エピタキシャル六方晶層は、ＧａＮを含み、かつ前記非単結晶基板は、モリブデン、タングステン、タンタル、これらの合金、Ｍｏ−ＣｕまたはＴＺＭを含む、請求項１に記載の構造体。
【請求項１１】
前記立方材料の層は、約８°以下のＦＷＨＭを有する面内結晶テクスチャを有する、請求項１に記載の構造体。
【請求項１２】
前記立方材料の層は、約５°以下のＦＷＨＭを有する面内結晶テクスチャを有する、請求項１１に記載の構造体。
【請求項１３】
前記立方材料の層は、ＭｇＯ、ＣｅＯ２、ビックスバイト構造、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、蛍石構造、ＴｉＮ、岩塩構造、ＣａＦ２、立方ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＳｃＯｘまたはＭｎ２Ｏ３より成るグループから選択される、請求項１に記載の構造体。
【請求項１４】
前記非単結晶基板と前記立方材料の層との間に配置される基層を含む、請求項１に記載の構造体。
【請求項１５】
前記基層は、非晶質Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、またはＳｉＯ２を含む、請求項１４に記載の構造体。
【請求項１６】
前記立方材料の層と前記エピタキシャル六方晶層との間に配置される１つまたは複数のエピタキシャルバッファ層を含む、請求項１に記載の構造体。
【請求項１７】
前記エピタキシャルバッファ層は、各々、前記立方材料の格子パラメータから前記エピタキシャル六方晶層の格子パラメータへの遷移を連続的に提供する格子パラメータを有する、請求項１６に記載の構造体。
【請求項１８】
前記エピタキシャル六方晶層は、ＧａＮを含み、かつ前記エピタキシャルバッファ層は、Ｓｃ２Ｏ３の層と、Ｚｒの層と、ＡｌＮの層とを含む、請求項１７に記載の構造体。
【請求項１９】
前記立方材料の層の前記面内結晶テクスチャの前記ＦＷＨＭは、前記エピタキシャル六方晶層の面内結晶テクスチャのＦＷＨＭより大きい、請求項１に記載の構造体。
【請求項２０】
請求項１に記載の前記多層構造体を含む電子または光電子デバイス。
【請求項２１】
ＬＥＤ、ＭＯＳＦＥＴ、ＭＥＳＦＥＴ、ＨＥＭＴ、ヘテロ接合ＦＥＴ、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、薄膜トランジスタ、センサ、メモリスタ、レーザダイオード（ＬＤ）、ＳＡＷデバイス、スピントロニクスデバイス、光検出器および光起電力（ＰＶ）ダイオードより成るグループから選択される、請求項２０に記載のデバイス。
【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、２０１５年２月１０日に提出された「ＩＢＡＤ−Ｔｅｘｔｕｒｅｄ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ  ｆｏｒ  Ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｇｒｏｕｐ−ＩＩＩ  Ｎｉｔｒｉｄｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｍａｋｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｓａｍｅ」と題する米国仮特許出願第６２／１１４，５０４号明細書、および２０１５年１２月３日に提出された「ＩＢＡＤ−Ｔｅｘｔｕｒｅｄ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ  ｆｏｒ  Ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｇｒｏｕｐ−ＩＩＩ  Ｎｉｔｒｉｄｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｍａｋｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｓａｍｅ」と題する米国仮特許出願第６２／２６２，８１５号明細書に対する優先権を主張し、かつこれらの利益を主張するものであり、これらの出願の明細書およびクレームは、本参照により本明細書に含まれる。
【０００２】
［連邦政府による資金提供を受けた研究開発］
米国政府は、本発明における一括払いライセンスを保有し、かつ限定的状況において、特許権者に対し、米国エネルギー高等研究計画局が裁定する援助協定第ＡＲ００００４４７号の条項により規定される妥当な条件に基づいて他者にライセンスを与えることを求める権利を有する。
【０００３】
本発明は、結晶配列がイオンビーム支援蒸着（ＩＢＡＤ）テクスチャリングプロセスによって形成される基板上の、窒化ガリウム（ＧａＮ）または他のＩＩＩ族窒化物（ＩＩＩ−Ｎ）半導体等の六方晶材料の層のエピタキシャル成長に関する。ある実施形態において、ＩＢＡＤテクスチャ加工層は、本質的に単結晶様である二軸配向薄膜または基板を調製するために使用される。これらのＩＢＡＤ薄膜またはテンプレートは、ＧａＮまたはＩＩＩ−Ｎエピタキシャル成長へと続く後続の任意選択のエピタキシャルバッファ層の蒸着をサポートする。イオンビームテクスチャ加工層上に、中間のエピタキシャルバッファ層を上に有するＩＩＩ−Ｎエピタキシを含む電子コンポーネント、およびその製造方法を開示する。
【０００４】
本発明の一実施形態は、ＧａＮエピタキシのためのテンプレートとしての二軸配向膜のためのイオンビーム支援蒸着（ＩＢＡＤ）テクスチャリングプロセスである。ＩＢＡＤプロセスは、低コスト、大面積のフレキシブル金属箔基板を、電子デバイス用の単結晶サファイアおよびシリコンの潜在的代替物として使用することを可能にする。エピタキシャルＧａＮ膜は、これらの加工されたフレキシブル基板上でＭＯＣＶＤプロセスによって成長され、これにより、スケールアップされたロールツーロール、シートツーシートまたは同様の加工プロセスの使用が有効化される。ＧａＮ膜は、数ミクロンの厚さを有し、１°未満の面内および面外配向を有する多結晶金属箔上に製造されている。多結晶金属箔上のエピタキシャルＧａＮ膜は、多重量子井戸発光ダイオード（ＬＥＤ）構造を作製するためのテンプレート層として使用され、エレクトロルミネセンスを首尾よく実証している。これらは、金属箔上に直接加工された最初のＬＥＤデバイスであって、ロールツーロールプロセスを用いてスケールアップすることができる。
【０００５】
［背景技術］
以下の論考では、幾つかの刊行物および引例を参照する場合があることに留意されたい。本明細書におけるこうした刊行物に関する論考は、背景としての科学的原則をより完全に説明するためのものであって、このような刊行物が特許性を判定するための先行技術であることを認めるものとして解釈されるべきではない。
【０００６】
２１世紀の始め、発光ダイオード（ＬＥＤ）は、世界が照明を実装する方法を革命的に変え始めた。ＬＥＤは、より効率的な光源であるだけでなく、他の光源より多くの異なる形態で実装され、かつそのスペクトルを用途に合わせて調整させ、ならびにやがては修正させる能力も持っている。しかし、いまだＬＥＤが完全に白熱灯および蛍光灯から取って代わることを押し止めている最大の障壁は、ＬＥＤ照明器具システムのコストである。ＬＥＤ照明は、照明市場への浸透においては大きく進歩しているが、現時点で最も注目されているのは、ニッチなハイエンド照明スペースにおいてであって、単純な蛍光管とはコスト競争が困難な商業照明における主流の用途からはまだ遠く外れている。ＬＥＤが全照明市場を席捲するためには、ＬＥＤ照明のコストは、さらに数桁も下がらなければならない。しかしながら、ＬＥＤチップおよびパッケージのコストは、この１０年間で既に数桁も大幅に下がっている、という事実がある。今日のパッケージＬＥＤのコストは、１０年前のＬＥＤパッケージ平均価格である５０ドル／ｋｌｍと比較して、０．５０ドル／ｋｌｍに満たないことすらある。現在の製造技術を以てすれば、コストをさらに２分の１または３分の１低減させる余地がある。大幅なコスト削減をさらに進めていくためには、ＬＥＤチップおよびパッケージの製造規模という重要な問題、ならびに照明器具システムの他の部品のコスト削減に取り組まなければならない。パッケージＬＥＤは、表面実装型デバイス（ＳＭＤ）として使用され、かつ典型的には、照明デバイスのピックアンドプレース（Ｐ＆Ｐ）技術によって実装される。Ｐ＆Ｐ機械は、ＳＭＤを機械的に実装する自動化方法である。ＳＭＤおよびＰ＆Ｐをなくすれば、ＬＥＤ照明器具が大幅に単純化され、よってコストが削減される。
【０００７】
半導体業界が半導体チップをスケールアップする方法は、基板サイズを２インチから４インチへと増分的に増大させることであり、現在は、６インチ単結晶ウェハに移行しつつある。今日の青色ＬＥＤ製造の大部分は、ＧａＮプラットフォーム・オン・サファイアを用いて行われている。高品質エピタキシャルＧａＮは、通常、サファイア上の有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ、時としてＯＭＶＰＥまたは有機金属気相エピタキシと呼ばれる）によって蒸着され、次に、これに続くエピタキシャルデバイス構造体の蒸着のためのプラットフォームとして使用される。
【０００８】
ＧａＮおよび関連のＩＩＩ族−Ｎ材料は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、および高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）等のトランジスタデバイスを含む多くの用途に使用される。今日のＧａＮ層の大部分は、サファイア、シリコン、炭化ケイ素または窒化ガリウムのような単結晶基板上にエピタキシャル蒸着される。しかしながら、単結晶基板は、シリコンウェハを除いて、典型的には剛性、高価であり、かつ１００ｍｍ未満の直径でしか容易に入手できない。単結晶基板の例外は、フレキシブル基板上の単結晶様薄膜のイオンビーム支援蒸着（ＩＢＡＤ）の開発である。過去１０年間、フレキシブル金属上の薄膜のＩＢＡＤテクスチャリングは、特に、電線用途のための長い超伝導結晶用に開発されてきた。
【０００９】
典型的には、ＧａＮを天然ではない単結晶基板上にＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）を用いて（即ち、ヘテロエピタキシャルに）成長させる場合、２段階の蒸着プロセスが使用され、これにより、初期ＧａＮ核形成層（ＮＬ）が比較的低温（５００−６００℃）で蒸着され、ＧａＮの核形成および進化が促進される。第２の段階では、次に完全に合体されたエピタキシャルＧａＮ層がより高い温度（＞１０００℃）で成長されてＮＬ上にデバイス品質のＧａＮ材料が取得される。ＧａＮ成長を格子整合した単結晶基板へと制限することにより、実際的な基板である高価で大きいサイズでは入手できない可能性があるサファイア（Ａｌ２Ｏ３）、ＳｉＣおよびバルクＧａＮの数が減少する。最近では、ＳｉがＧａＮエピタキシ用の単結晶基板として開発されていて、普及しつつある。サファイアの潜在的代替基板としてのＳｉの採用にも関わらず、大面積またはフレキシブル基板を必要とする実際的な用途には、金属および他の基板上への直接的なＧａＮ成長が望まれる。今までのところ、金属または他の非配向基板上に単結晶ＧａＮを直接成長させることは、エピタキシャルレジストリの欠如に起因してできていない。金属または他の非配向基板上のＧａＮは、成長したエピタキシャルＧａＮ層を異種基板上に転写することによって、またはグラフェン等の配向膜を転写し、かつグラフェン上にＧａＮを成長させることによって達成されている。
【００１０】
先行する蛍石におけるＩＢＡＤテクスチャリングは、展開されておらず、作業が容易でなく、かつＩＢＡＤテクスチャの幅は、面内ＦＷＨＭで１５°を超えていた。したがって、ＩＢＡＤ（１１１）は、＜１°の面内配向を有する高品質半導体材料を製造するに足る品質であるとは考えられていなかった。（１１１）ＩＢＡＤ上での半導体Ｓｉの最良の結果は、＞１０°の面内テクスチャＦＷＨＭおよび面外テクスチャ１．５°であった。したがって、ＩＢＡＤ上の典型的な半導体材料は、デバイスとしての品質が劣り、よって単結晶基板上の半導体と競合することができない。高品質ＬＥＤおよび他のデバイスは、生産されていない。ＧａＮデバイスを作製するこれまでの幾つかの試みは、結晶完全性およびキャリア移動度に関して材料の品質が不十分であったために成功していない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、エピタキシャル六方晶層と、＜１１１＞面外配向を有しかつ半値全幅（ＦＷＨＭ）が約１５°以下である面内結晶テクスチャを有する立方材料の層と、非単結晶基板と、を備える多層構造体である。エピタキシャル六方晶層は、好ましくは、ＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体を含む。エピタキシャル六方晶層は、好ましくは、発光ダイオード（ＬＥＤ）用のテンプレート層を提供する。立方材料の層は、好ましくは、イオンビーム支援蒸着（ＩＢＡＤ）によってテクスチャ加工されている。基板は、非晶質（アモルファス）、多結晶、フレキシブル、延性、金属、セラミック、ガラス、プラスチック、またはポリマーであってもよい。エピタキシャル六方晶層は、好ましくは、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、反応性スパッタリング、反応性蒸着または分子線エピタキシ（ＭＢＥ）を用いて成長される。基板およびエピタキシャル六方晶層の熱膨張係数は、好ましくは、約１２％以内、より好ましくは約５％以内である。エピタキシャル六方晶層がＧａＮを含んでいれば、基板は、好ましくは、モリブデン、タングステン、タンタル、これらの合金、Ｍｏ−ＣｕまたはＴＺＭを含む。立方材料の層は、好ましくは約１２°以下、より好ましくは約８°以下またはさらに好ましくは約５°以下のＦＷＨＭを有する面内結晶テクスチャを有する。立方材料の層は、好ましくは、ＭｇＯ、ＣｅＯ２、ビックスバイト構造、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、蛍石構造、ＴｉＮ、岩塩構造、ＣａＦ２、立方ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＳｃＯｘまたはＭｎ２Ｏ３を含む。構造体は、好ましくは、基板と立方材料の層との間に配置される基層を含む。基層は、好ましくは、非晶質Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３またはＳｉＯ２を含む。構造体は、好ましくは、立方材料の層とエピタキシャル六方晶層との間に配置される１つまたは複数のエピタキシャルバッファ層を含む。エピタキシャルバッファ層は、好ましくは、各々、立方材料の格子パラメータからエピタキシャル六方晶の格子パラメータへの遷移を連続的に提供する格子パラメータを有する。エピタキシャル六方晶層がＧａＮを含んでいれば、エピタキシャルバッファ層は、好ましくは、Ｓｃ２Ｏ３の層と、Ｚｒの層と、ＡｌＮの層とを含む。立方材料の層の面内テクスチャのＦＷＨＭは、場合により、エピタキシャル六方晶層の面内テクスチャのＦＷＨＭより大きい。また、本発明は、ＬＥＤ、ＭＯＳＦＥＴ、ＭＥＳＦＥＴ、ＨＥＭＴ、ヘテロ接合ＦＥＴ、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、薄膜トランジスタ、センサ、メモリスタ、レーザダイオード（ＬＤ）、ＳＡＷデバイス、スピントロニクスデバイス、光検出器または光起電力（ＰＶ）ダイオード等の、請求項１に記載の多層構造体を備える電子または光電子デバイスでもある。
【００１２】
本発明の目的、優位点および新規特徴、およびさらなる適用可能範囲は、部分的には、添付の図面に関連して行なう以下の詳細な説明に記載され、かつ部分的には、以下の説明を精査することによって当業者に明らかとなり、または、本発明を実施することによって知るところとなり得る。本発明の目的および優位点は、添付の特許請求の範囲において具体的に指摘されている手段および組合せによって実現されかつ達成され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
添付の図面は、本明細書に組み込まれてその一部を形成するものであり、本発明の実施形態の実施を例示し、かつ明細書本文と共に、本発明の原理を説明する役割を果たす。図面は、単に本発明の所定の実施形態を説明するためのものであって、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。
【００１４】
【図１】ＩＢＡＤテクスチャ加工層およびエピタキシャルバッファ層の上にあるエピタキシャルＧａＮを示す略図である。
【００１５】
【図２Ａ】ＩＢＡＤ−ＭｇＯの反射高エネルギー電子回折（ＲＨＥＥＤ）画像である。
【図２Ｂ】ホモエピＭｇＯ層の反射高エネルギー電子回折（ＲＨＥＥＤ）画像である。
【００１６】
【図３】金属テープ上のＩＢＡＤ−ＭｇＯ膜上に生成されたＭｇＯ膜のＸ線回折（ＸＲＤ）（２０２）極点図である。
【００１７】
【図４Ａ】ＩＢＡＤ−ＣｅＯ上のエピＣｅＯのＲＨＥＥＤ画像である。
【図４Ｂ】緩衝されたＩＢＡＤ−ＣｅＯの上のエピＧａＮのＲＨＥＥＤ画像である。
【００１８】
【図５】ＧＡＤＤＳエリア検出器におけるＸＲＤシータ−２シータ走査であり、ＧａＮ（００２）反射の輝点を示している。リングは、下にある金属基板からのものである。
【００１９】
【図６】γ−Ａｌ２Ｏ３緩衝金属テープ上のＧａＮ膜のＸＲＤ（１０１）極点図である。
【００２０】
【図７】金属テープ上のＩＢＡＤ−ＣｅＯ膜上に生成されたＣｅＯ２膜（２２０）極のＸ線回折極点図である。
【００２１】
【図８】金属テープ上のＩＢＡＤ−ＣｅＯ膜上に生成されたＧａＮ膜のＸ線回折（１０１）極点図である。
【００２２】
【図９Ａ】ＩＢＡＤ／金属テープ上のエピＧａＮ膜のＳＥＭ画像であり、アイランド合体の進行の始まりを示している。
【図９Ｂ】ＩＢＡＤ／金属テープ上のエピＧａＮ膜のＳＥＭ画像であり、アイランド合体の進行の途中を示している。
【図９Ｃ】ＩＢＡＤ／金属テープ上のエピＧａＮ膜のＳＥＭ画像であり、アイランド合体の進行の終わりを示している。
【００２３】
【図１０Ａ】金属箔上ＩＢＡＤテンプレートの上のＧａＮ層の光学像である。物理蒸着（ＰＶＤ）によって薄い（約１００ｎｍ）ＡｌＮ／ＧａＮが蒸着され、ＭＯＣＶＤ  ＧａＮ成長のシード層として使用された。
【図１０Ｂ】金属箔上ＩＢＡＤテンプレートの上のＧａＮ層の光学像である。物理蒸着（ＰＶＤ）によって薄い（約１００ｎｍ）ＡｌＮが蒸着され、ＭＯＣＶＤ  ＧａＮ成長のシード層として使用された。
【００２４】
【図１１】上部に平坦化層（ＳＤＰ）およびＩＢＡＤテクスチャ加工層を有する金属テープ上のエピＧａＮ膜のＴＥＭ断面である。
【００２５】
【図１２】酸化セリウム（１１１）のＩＢＡＤ蒸着中のＲＨＥＥＤ画像である。
【００２６】
【図１３】ＩＢＡＤ−酸化セリウム（１１１）上へのホモエピタキシャル酸化セリウム蒸着後のＲＨＥＥＤ画像である。
【００２７】
【図１４】酸化スカンジウム（１１１）のＩＢＡＤ蒸着中のＲＨＥＥＤ画像である。
【００２８】
【図１５】金属基板上ＩＢＡＤテンプレートの上に蒸着されたエピＧａＮ層の断面ＴＥＭ画像である。
【００２９】
【図１６】フレキシブル金属基板上ＩＢＡＤテンプレートの上に蒸着されたＬＥＤ構造体からのＬＥＤ発光を示す。
【００３０】
【図１７】金属テープ上ＩＢＡＤ−ＣｅＯ膜の上に生成されたＣｅＯ２膜のＸＲＤ極点図を示す。
【００３１】
【図１８Ａ】図１８Ｂとは異なる倍率におけるＩＢＡＤ／金属テープの上のエピＧａＮ膜のＳＥＭ画像である。
【図１８Ｂ】図１８Ａとは異なる倍率におけるＩＢＡＤ／金属テープの上のエピＧａＮ膜のＳＥＭ画像である。
【００３２】
【図１９Ａ】（１１１）面外配向による蒸着後のＩＢＡＤ−Ｓｃ２Ｏ３膜のＲＨＥＥＤ画像である（図１４の差し替え）。
【００３３】
【図１９Ｂ】ＩＢＡＤ−Ｓｃ２Ｏ３上にホモエピタキシャルＳｃ２Ｏ３層を蒸着した後のＲＨＥＥＤ画像である。
【００３４】
【図２０】多結晶金属箔上のＩＢＡＤテクスチャリングによって配向されたＳｃ２Ｏ３膜のＸ線シータ−２シータ走査である。
【００３５】
【図２１】Ｓｃ２Ｏ３二軸配向膜における（４４０）ピークのＸ線極点図である。
【００３６】
【図２２】基板を平坦化するためのＳＤＰプロセスの略図である。
【００３７】
【図２３】平坦化の実験結果を示す。
【００３８】
【図２４】サファイア、ＳｉおよびＩＢＡＤ＜１１１＞上ＧａＮのエピタキシャル構造を比較したものである。
【００３９】
【図２５】ＬＥＤ構造体断面の透過電子顕微鏡写真である。ＧａＮ層の上部に、ＬＥＤ構造が示されている。
【００４０】
【図２６】図２５よりも高い倍率を有する顕微鏡写真であって、ＧａＮ層上のＬＥＤ多重量子井戸構造ＩｎＧａＮ／ＧａＮを示す。より明るい領域は、ＩｎＧａＮを示す。
【００４１】
【図２７】サファイアの上（青色）および金属箔上ＩＢＡＤテンプレートの上（赤色）に作製されたＬＥＤのフォトルミネセンス（ＰＬ）データを示すグラフである。ＩＢＡＤ  ＬＥＤのＰＬピークは、サファイアＬＥＤよりも広く、強度が低い。この場合、ＩＢＡＤ  ＬＥＤは、サファイアＬＥＤの積分ＰＬ強度の約１５％である。
【００４２】
【図２８】単結晶サファイアの上および金属箔上に作製されたＩＢＡＤテンプレートの上に製造されたＬＥＤデバイスの光電流（ＬＩ）曲線を示すグラフである。
【００４３】
【図２９】図２８のＬＩ曲線からのＩＢＡＤ  ＬＥＤとサファイアＬＥＤとの強度比を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
本発明は、エピタキシャル膜のイオンビーム結晶配列を用いてＧａＮ生産をスケールアップするアプローチに関する。このプロセスは、イオンビーム支援蒸着（ＩＢＡＤ）と呼ばれることもあるが、実際には、ＩＢＡＤによる膜のテクスチャ加工を指す。ＩＢＡＤテクスチャリングは、異なる時間スケールまたは膜厚さで発生し得るが、好ましくは、最初の膜核生成および合体時に発生し、これは、核形成時イオンテクスチャリング（ＩＴａＮ）として知られる。これは、典型的には、蒸着物の最初の５−１０ｎｍ内で発生し、かつ極めて速いことが実証されていて、１秒未満の蒸着時間で発生してもよい。ＩＢＡＤテクスチャリングは、典型的にはフレキシブル金属箔である大面積基板上で実行することができる。あるいは、ＩＢＡＤテクスチャの形成は、フレキシブルガラス、セラミック、プラスチックまたはポリマー上で実行されてもよい。このプロセスは、ロールツーロール処理に適するスプール上に置くことができるフレキシブル基板を用いて、長尺へと容易にスケーラブルである。基板は、それ自体多結晶であってもよいが、好ましくは、その機械的性質ならびに熱的性質に合わせて選ばれる。したがって、箔の材料および厚さは、好ましくは、最終用途用に最適化される。薄箔は、好ましくは、フレキシブルかつ延性である。さらに、ＭＯＣＶＤ成長（利用される場合）は、高温で実行されることから、材料は、好ましくは、続いて蒸着される厚いＧａＮ層の熱膨張係数（ＣＴＥ）との優れた整合性を有する。ＧａＮには、好ましくは、モリブデンまたはタングステンまたはその合金が使用される。基板における格子整合の必要性をなくすことによって、より多様な基板が選択されてもよい。
【００４５】
本発明の実施形態は、ＧａＮ成長に関して報告されている既存の方法と比較して、多結晶性の市販の金属箔または非晶質ガラス等の、上にエピタキシャルＧａＮ膜が直に蒸着されかつ電子工学、光学および光電子工学、他を含む様々な用途に使用され得る非単結晶基板の使用を含む、新規なＧａＮ成長プロセスを基礎とする。幾つかの実施形態では、好ましくは、ＩＢＡＤプロセスによって生成される二軸配向されたテクスチャ加工層上に、幾つかの数十ｎｍ範囲の異なる均一厚さの膜が蒸着またはスパッタリングされる。平坦な基板としては、例えば非晶質ウェハ（ガラス等のアモルファス材料、または真空蒸着非晶質薄膜で被覆された単結晶ウェハ）または多結晶金属基板が使用されてもよい。金属基板には、熱膨張係数がＧａＮのそれに厳密に一致する材料、例えばモリブデン、タングステン、タンタルおよびこれらの合金等のエレメント、を利用することが好ましい。図１は、本発明の一実施形態を示す略図である。
【００４６】
金属上にＧａＮを置くプロセスは、典型的には、３つのステップ、即ち、１）ＳＤＰ、２）ＩＢＡＤ＋バッファ層、および３）ＭＯＣＶＤ  ＧａＮ、を含む。第１のステップは、溶液堆積平坦化（ＳＤＰ）である。これは、本質的には、複数のコーティングによって表面を平滑化または平坦化するように最適化されている化学溶液堆積（ＣＳＤ）である。実際には、５×５μｍスケール上の初期二乗平均平方根（ＲＭＳ）粗さ２０−１００ｎｍを、１０−３０回のコーティング後に約０．５ｎｍまで減少させることができる。図２２および図２３は、ＳＤＰプロセスの概略および結果を示している。ＳＤＰは、薄い蒸着のみを必要とするＩＢＡＤテクスチャリングプロセス用の基板、特にＩＴａＮ用の基板を作製する。ＩＴａＮは、典型的には、非常に滑らかな表面、すなわち２ｎｍ未満のＲＭＳ粗さを必要とし、テクスチャが滑らかなほどよい。基板を平滑化することに加えて、ＳＤＰは、ＩＢＡＤ層が蒸着される適切な基層材料を追加的に提供するように調整されてもよい。ＩＴａＮは、具体的には、基層内にイオンテクスチャリングが機能するための適切な化学的性質を必要とする。基板が十分に滑らかであれば、典型的には、ＳＤＰは不要である。
【００４７】
過去数十年に渡って、幾つかのＩＴａＮ材料が探究されてきたが、ほとんどの研究は、ＭｇＯに焦点を当てるものであった。ＩＢＡＤ−ＭｇＯは、＜１００＞面外配向を生成し、かつ上に立方材料を同じ配向で蒸着させることに適する。しかしながら、ウルツ鉱型ＧａＮ等の六方対称材料を蒸着するために、これは、互いに対して３０°回転された２つのエピタキシャル領域を生成することができる。立方材料から六方晶構造体へ移行するためには、図２４に示されているように、＜１１１＞配向が必要になる。これは、現在では、＜１１１＞配向Ｓｉ基板が使用されるＳｉ上のＧａＮ成長において一般的に行われている。面内配向の半値全幅（ＦＷＨＭ）に関する＜１１１＞ＩＢＡＤの品質は、ＧａＮを成長させるほど十分であったことはなく、ＩＢＡＤ−ＭｇＯにはほど遠い。ＩＢＡＤ−ＭｇＯは、ホモエピ層で１．５°ＦＷＨＭまで下がることが報告されている。ＣａＦ２で達成されている最良の＜１１１＞は、約１５°である。本発明の一実施形態は、約８°のＦＷＨＭ面内配向を有するＣｅＯ２を使用する。しかしながら、ＭＯＣＶＤを用いてＧａＮを成長させることにより、これは、ＧａＮ層において１°未満に改善された。合体して大きい粒子に成長する小さいシードで始まる、ＧａＮがＭＯＣＶＤによって成長する方法は、より質の悪いＩＢＡＤ構造に対応し、なおも高品質材料を達成する。したがって、ビックスバイト構造等の他のＩＢＡＤ材料が使用されてもよい。
【００４８】
ＩＢＡＤ層は、原則として、機能的なエピタキシャル層、例えばＧａＮ、を格子整合するように選択することができる。ＧａＮ格子へ近づくために、ＣｅＯ２の格子パラメータ３．８２６ÅからＧａＮの３．１８９Åへ遷移するエピタキシャルバッファ層を蒸着させることができる。中間の格子パラメータを有する多くの材料が使用されてもよい。ある実施形態では、Ｓｃ２Ｏ３およびＺｒがＡｌＮへ遷移する２つの中間層として使用される。次に、スパッタされたＡｌＮ表面が、ＧａＮ成長のシード層として使用される。これで、ＩＢＡＤテンプレートと呼ばれるこの完全な構造体を、エピタキシャルＧａＮ成長のためのテンプレートとして用いることができる。ＭＯＣＶＤ  ＧａＮは、ＡｌＮ上へ、またはＩＢＡＤテンプレートの上へ物理蒸着（ＰＶＤ）によって蒸着されたＧａＮ上へ直接成長される。
【００４９】
ある実施形態において、基板は、好ましくは所望される機能半導体材料に整合されるＣＴＥを有する金属箔を備える。基板上に、基層が蒸着され、ＩＢＡＤが有効化される。この層は、基板を平坦化し、かつ拡散障壁として作用するために使用することもできる。次には、ＩＢＡＤテクスチャ加工層、次いで１つまたは複数の中間バッファ層が蒸着される。最終層は、六方晶材料であり、好ましくはＩＩＩ−ＮまたはＺｎＯ等の半導体材料である。基板は、好ましくは、機能層または半導体層の熱膨張係数に可能な限り近く整合するように選択される。ＩＢＡＤ層は、好ましくは、半導体層の格子定数に可能な限り近く整合するように選択される。これにより、基板を選択する際の２つの特性の一致を切り離すことが可能になる。従来の単結晶基板では、十分に優れた格子整合を有する材料を使用しなければならず、他の性質を独立的に調整することができない。
【００５０】
ＩＢＡＤテクスチャリングに使用される基板の場合、所望される可撓性等の機械的特性、およびＣＴＥ（熱膨張係数）等の熱的性質を有する基板が選択されてもよく、次いで、所望される格子定数を有するＩＢＡＤ層が独立的に選択されてもよい。さらに、単結晶ブールサイズに限定されるものでない、大面積の基板が使用されてもよく、生産の極大面積へのスケールアップが有効化され、かつこれらの大面積上への、例えば印刷を介する集積デバイスの生産が有効化される。ロールツーロール（Ｒ２Ｒ）は、生産を極大面積へと（少量で）スケールアップする方法であるが、生産は、シートツーシート（Ｓ２Ｓ）でスケールアップされてもよい。また、基板およびＩＢＡＤ層は、異なる配向、格子不整合、他を有してもよく、本発明の多用性が大きく増大される。
【００５１】
本発明の一実施形態は、イオンビーム支援蒸着（ＩＢＡＤ）テクスチャ加工層上にエピタキシャル蒸着される単結晶様六方晶構造材料を含む。場合により、ＩＢＡＤ層と六方晶構造材料との間のエピタキシャル中間バッファ層が蒸着されてもよい。六方晶構造材料は、場合により、グラフェン、ＭｏＳ２、ＷＳ２、または他の二次元材料、またはＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、または別のＩＩＩ−Ｎ材料を含む。
ＩＢＡＤ層材料は、好ましくは、（１１１）配向に、上の六方晶材料の配列のための３回対称（３−ｆｏｌｄ  ｓｙｍｍｅｔｒｙ）を与える、蛍石またはビックスバイト構造材料等の立方構造を含む。
【００５２】
本発明の別の実施形態は、ビックスバイト構造材料、すなわちＳｃ２Ｏ３またはＹ２Ｏ３等の（Ｍｎ−Ｆｅ）２Ｏ３の構造の膜の、上に（１１１）面外配向および面内配向、好ましくは１５゜より優れた面内配向、より好ましくは１０°より優れた面内配向を有するイオンビームアライメントである。
【００５３】
本発明の実施形態は、Ｍｏ−Ｃｕ合金系等の、半導体との完全な整合を得るように金属を合金化することによって達成されるＩＢＡＤ用のＣＴＥ整合金属基板を含む。
【００５４】
本発明の実施形態は、非晶質Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＳｉＯｘを含むＩＢＡＤ蛍石またはビックスバイトのための基層（または平坦化層）を含み、これらの層は、化学溶液堆積により平坦化を生じるようにして（例えば、ＳＤＰ）蒸着されてもよい。
【００５５】
本発明の実施形態は、テクスチャ加工層を有する金属箔等のＩＢＡＤ基板上にエピタキシャルＩＩＩ−Ｎ材料を用いて製造される能動デバイスの集積化を含む。デバイスは、パターン化された幾つかの異なる可能な印刷技術、例えばスクリーン印刷またはインクジェット印刷を用いて印刷され、接点およびパッシブデバイスが、好ましくは後で上に印刷される。ディスプレイは、このＩＢＡＤ基板上へのＬＥＤデバイスの印刷を用いて製造されてもよい。ＬＥＤに統合される電源デバイスは、ＬＥＤデバイスの定電力、スイッチングまたは調光制御、または異なる色および異なる色温度を提供してもよい。
【００５６】
本発明の実施形態は、金属、セラミックまたはガラス（石英）等のＭＯＣＶＤの場合は１０００゜Ｃを超えるＧａＮ成長温度に耐え得るほぼあらゆる基板へ適用可能なＩＢＡＤテンプレート（４回対称および３回対称ＩＢＡＤ）を用いて非単結晶基板上へＧａＮを成長させるための新規方法である。ＧａＮベースデバイスの他の蒸着方法は、反応性蒸着（具体的には、ＭＢＥ）および反応性スパッタリングである。後者の方法は、蒸着および成長の間により低い温度を利用し、したがって、プラスチックおよびガラス等の単結晶ウェハでない非標準基板により敏感に反応する。熱膨張係数（ＣＴＥ）を整合させることにより、金属をＧａＮ成長の基板として理想的に使用することが可能になる。これらの金属には、例えば、モリブデン、タンタル、タングステン、およびＴＺＭ等のこれらの元素と他の元素との合金、モリブデンと少量のチタンおよびジルコニウムとの合金、またはモリブデン−銅合金が含まれる。これらの合金は、ＧａＮパワーエレクトロニクス等の導電性冷却を必要とする装置に有用な高い熱伝導率を示す。
【００５７】
エピタキシャルオーバレイヤを伴ってイオンビームテクスチャ加工層により形成されるＩＩＩ族窒化物のエピタキシャル膜を成長させるための実施形態基板は、イオンビーム二軸テクスチャリングに敏感に反応することが予め知られているＩＢＡＤ−ＭｇＯ、ＴｉＮまたは他の岩塩構造材料を含みしかもＩＢＡＤ−ＣｅＯ２（二酸化セリウム）または、ＩＢＡＤの間に（１１１）配向を形成するＣａＦ２、立方晶ＺｒＯ２、またはＨｆＯ２等の他の蛍石構造材料も含む、ＩＢＡＤ二軸配向テクスチャ加工層を含む。他の材料には、ＩＢＡＤ−ＳｃＯｘ（Ｓｃ２Ｏ３構造を有する）およびＹ２Ｏ３またはＭｎ２Ｏ３等のビックスバイト構造の他の酸化物または窒化物が含まれ、ビックスバイトは、蛍石構造の空孔規則化誘導体であり、かつ  ＡｌＮまたは他の窒化物等のＧａＮまたは他のＩＩＩ族窒化物化合物の成長に整合されるエピタキシャルオーバレイヤ（バッファ層）格子、またはＺｒまたはＨｆ等の元素金属層、または立方晶Ａｌ２Ｏ３等の酸化物、が含まれる。任意の表面に（１１１）配向を有する単結晶様立方体膜は、エピタキシャルＩＩＩ−ＮまたはＩｎＰ（１１１）等の他の六方晶構造半導体または半金属、遷移金属ダイカルコゲナイド（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  ｍｅｔａｌ  ｄｉｃｈａｌｏｇｅｎｉｄｅ）、およびインジウムガリウム亜鉛酸化物（ＩＧＺＯ）、イオンビームテクスチャ加工層を用いる層、を成長させるために製造されてもよい。これらの同じテクスチャ加工層は、ＩＢＡＤの他に傾斜基板蒸着または傾斜スパッタリング等の他の手段によって得られてもよい。ＩＩＩ−Ｎ層は、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、反応性蒸着、反応性スパッタリング、または他の方法によって成長されてもよい。金属基板は、イオンビームテクスチャ加工層を用いてフレキシブル金属箔または他の金属基板上へＩＩＩ−Ｎ層を生成するため使用されてもよく、金属基板は、モリブデン、タンタル、タングステンおよびこれらの元素と他の元素との合金等の材料を含む。ＩＩＩ−Ｎ層は、中イオンビーム支援蒸着（ＩＢＡＤ）テクスチャ加工層を中間に有するガラス基板上に成長されてもよい。ＩＢＡＤテンプレート基板上にエピタキシャルＩＩＩ−Ｎ材料を含む電子または光電子デバイスが製造されてもよく、このようなデバイスには、ＭＯＳＦＥＴ、ＭＥＳＦＥＴ、ＨＥＭＴ、ヘテロ接合ＦＥＴ、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、薄膜トランジスタ、センサ、メモリスタ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、ＳＡＷデバイス、スピントロニクスデバイス、光検出器、光起電力（ＰＶ）ダイオードが含まれる。さらに、これらのデバイスは、ＬＥＤベースのディスプレイ、ＬＥＤベースの照明製品、ＰＶセルおよびモジュール等の製品に使用されてもよい。
【００５８】
本発明の幾つかの実施形態は、ＬＥＤを製造するために金属の上に配列された層を作成するためのプロセス、イオン配列層上に作成されるＬＥＤ構造体、金属／非晶質平坦化層／（１１１）テクスチャ加工層／六方晶半導体層構造体、ビックスバイト材料のＩＢＡＤテクスチャリング、非晶質Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３またはＳｉＯ２等のＩＢＡＤ層のフレキシブル基板上に蒸着される基層、ＭＯＣＶＤ  ＧａＮの核形成層として使用されるＧａＮ  ＰＶＤ層、およびＭｏ−Ｃｕ合金等のＧａＮのＣＴＥに極めて厳密に整合するための金属合金基板である。
【００５９】
ＩＢＡＤテクスチャは、本発明の実施形態において１０°を下回るまで改善していて、ＧａＮ成長のためのバッファ層および高温ＭＯＣＶＤプロセスの追加的使用により、高品質デバイスの製造を有効化する遙かに高い品質、（＞１０゜ではなく）＜１°の面内ＦＷＨＭおよび（＜１．５°ではなく）０．５°未満の面外を有する、高品質のデバイスのＧａＮが生産される。本プロセスの実施形態においてエピタキシャルＧａＮが成長する方法は、Ｓｉおよび他の半導体のエピタキシャル成長とは根本的に異なる。これは、（１１１）イオンビーム支援蒸着（ＩＢＡＤ）テクスチャ加工層上に製造されるＩＩＩ−Ｎ材料（ＩｎＧａＮ等）から成る発光ダイオード（ＬＥＤ）等の能動デバイスが製造可能であることを意味する。
【００６０】
［実施例１］
ＧａＮおよび関連のＩＩＩ族窒化物材料のエピタキシャル成長のためのＩＢＡＤテンプレートの適用可能性を実証するために、ＭＯＶＰＥ（金属有機気相エピタキシ）としても知られるＧａＮのＭＯＣＶＤ成長を実行した。試料は、成長させる前に、Ｈ２フロー中で短時間加熱し、８００−１０００℃にした。５３０℃の基板温度においてＨ２およびＮ２プッシュフローを使用し、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）およびアンモニア（ＮＨ３）を使用してＧａＮ核形成層を成長させた。ＧａＮ  ＮＬの成長後、ＴＭＧａをオフにし、ウェハを１０５０℃までの温度で８分間ランプした。１０５０℃でＴＭＧａを１時間オンにし、２μｍ以下のＧａＮ膜を得た。成長の後、ウェハをＮＨ３、Ｈ２およびＮ２フロー内で冷却し、成長反応器から取り出した。
【００６１】
ＧａＮ成長のテンプレートについては、ＧａＮ成長に先行して基板を別々に作製した。ある実施形態では、ＩＢＡＤテクスチャ加工ＭｇＯ膜を利用した。これらの膜を、（１００）軸を面外にして配向し、表面上に正方形の４回対称格子を形成する。ＩＢＡＤ−ＭｇＯ膜は、まず、ＩＢＡＤテクスチャリングの基層である非晶質のＹ２Ｏ３表面上に蒸着された。イオンビーム支援蒸着（ＩＢＡＤ）中にＭｇＯを良好にテクスチャ加工するためには、平滑な表面を有することが重要であるが、これは、メタノールに溶解したアセテート前駆体を用いるＹ２Ｏ３またはＡｌ２Ｏ３の順次的な化学溶液堆積により得られる。このプロセスは、溶液堆積平坦化またはＳＤＰと呼ばれ、ＲＭＳ粗さ５０ｎｍの金属箔基板で開始するとＲＭＳ粗さ０．５ｎｍの滑らかな表面を生成することができる。次に、基板を、約３〜５Å秒の速度および入射角４５゜のＡｒイオンビームおよび７００−１０００ｅＶのイオンエネルギーでＭｇＯが蒸着される真空蒸着システムに入れた。蒸着は、典型的には、約１０−３０秒を要する。ＩＢＡＤに続いて、真空チャンバ内で４００−７００℃の基板温度における蒸発により、厚さ５０ｎｍのホモエピタキシャルＭｇＯ膜を蒸着させた。ＩＢＡＤプロセスおよびホモエピタキシャル蒸着の間、膜の結晶配列を検証するために、反射高エネルギー電子回折（ＲＨＥＥＤ）によって膜成長を監視した。図２は、ＩＢＡＤ後およびホモエピタキシャルＭｇＯ後のＭｇＯ膜のＲＨＥＥＤ画像を示す。図３は、高度の面内配列を実証する（２０２）ピークのＸ線極点図を示す。
【００６２】
ＩＢＡＤテンプレートの第２の実施形態では、ＩＢＡＤテクスチャ加工ＣｅＯ２テクスチャ加工膜を利用した。これらのＩＢＡＤ膜は、（１１１）軸を面外にして配向され、表面上に、ウルツ鉱型ＧａＮ、六方最密充填（ｈｃｐ）金属または他の３回対称（１１１）バッファ層等の六方晶構造材料の成長に適する３回対称格子を形成する。ＩＢＡＤ−ＣｅＯｘ膜を、ＩＢＡＤ  ＣｅＯｘの基層である非晶質Ａｌ２Ｏ３表面上で成長させた。他に、ＳｉＯｘおよびＹ２Ｏ３等の非晶質層も、ＩＢＡＤ−ＣｅＯｘに適する。ＭｇＯの場合と同様に、最良のテクスチャリングを得るためには、滑らかな表面を有することが重要であるが、これは、Ｙ２Ｏ３またはＡｌ２Ｏ３の順次的な化学溶液堆積平坦化（ＳＤＰ）によって生成された。複数のコーティングにより、ＲＭＳ粗さ５０ｎｍの金属箔基板から出発した場合の表面は、ＲＭＳ粗さ０．５ｎｍの滑らかさを達成することができる。次に、基板を真空蒸着システムに入れ、速度約３〜５Å／秒の電子ビーム蒸着および入射角４５゜のＡｒイオンビームおよび７００−１０００ｅＶのイオンエネルギーでＣｅＯ２を蒸着した。蒸着は、典型的には、約１０−３０秒を要した。ＩＢＡＤに続いて、真空チャンバ内で蒸発により、厚さ５０ｎｍのホモエピタキシャルＣｅＯ２膜を蒸着させた。ＩＢＡＤプロセスおよびホモエピタキシャル蒸着の間、膜の結晶配列を検証するために、反射高エネルギー電子回折（ＲＨＥＥＤ）によって膜成長を監視した。図４は、ＩＢＡＤ後およびホモエピタキシャルＣｅＯｘ後のＣｅＯｘ膜のＲＨＥＥＤ画像を示す。
【００６３】
真空中での蒸発によって、ＩＢＡＤテクスチャ加工基板上に幾つかの異なるエピタキシャルバッファ層を蒸着させた。ＣｅＯ２上のエピタキシャルＧａＮの成長は、２つの結晶格子における大きな格子不整合（ＧａＮの格子定数は、ＣｅＯ２（１１１）のそれより１６．７％小さい）に起因して困難であるが、適切な中間バッファ層を設けることにより、ＧａＮに近い格子整合へと遷移または段階的に変化していくことができる。これらの中間バッファ層は、（１１１）金属酸化物（ＺｒＯ２、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３等）、六方最密充填金属（Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｓｃ、他等）およびウルツ鉱または（１１１）金属窒化物（ＡｌＮ、ＺｒＮ、ＴｉＮ、他等）で構成した。エピタキシャルバッファ層の蒸着中は、ＲＨＥＥＤによって膜成長も監視し、結晶配列を検証した。図４Ｂは、バッファされたＩＢＡＤ上に成長したエピタキシャルＧａＮのＲＨＥＥＤ画像を示す。ＭＯＣＶＤ  ＧａＮ成長に関しては、金属酸化物、金属窒化物および元素金属を含む幾つかの中間エピタキシャルバッファ層を用いた。ＩＢＡＤ−ＭｇＯテンプレートでは、γ−Ａｌ２Ｏ３（立方晶酸化アルミニウム）およびＳｒＮ上にエピタキシャルＧａＮを成長させることに成功した。ＩＢＡＤ−ＣｅＯｘテンプレートでは、エピタキシャルＨｆおよびＡｌＮ上にＧａＮを成長させることに成功した。
【００６４】
図５は、多結晶金属基板上のＧａＮ膜の単結晶様性質に起因して鋭いＧａＮピークを示すＸ線回折ＧＡＤＤＳ  ２Ｄ検出器画像である。図６は、４回対称ＩＢＡＤ上に成長したＧａＮの（１０１）極点図を示す。 得られたＧａＮは、１２回対称（１０１）極点図を有する。これは、方形格子上に六方晶の２つの異なる対称配向があり、その結果、互いに対して３０°回転される２つの領域が生じるためである。これに対して、ＧａＮは、単一の領域内で、（１１１）立方配向等の３回対称ＩＢＡＤの上に成長する。図７は、３回対称ＩＢＡＤ極点図を示し、図８は、３回ＩＢＡＤ−ＣｅＯ上の６回対称ＧａＮを示す。このＧａＮ層の面内半値全幅は、１−２°である。面外のロッキングカーブは、ＩＢＡＤ／金属上ＧａＮで０．６−０．７°であり、ＩＢＡＤ／サファイアで０．３°である。
【００６５】
図９は、我々の３回ＩＢＡＤ（１１１）テンプレート上のエピタキシャルＧａＮ層の幾つかの電子顕微鏡写真を示す。このテンプレートは、ＨｆまたはＡｌＮの何れかの薄いバッファ層（５０ｎｍ未満）を含む。この事例において、ＧａＮ膜の被覆率は、粒子の合体が不完全であることから完全ではないが、ＧａＮメサ構造上に非常に滑らかな（原子的に滑らかな）表面を見ることができる。図１０は、パルスｄｃスパッタリングにより成長されたＡｌＮ層と共に、ＺｒまたはＨｆ等のエピタキシャル金属を含むダブルバッファ層構造上に成長されたエピタキシャルＧａＮの光学像を示す。この方法においては、ＡｌＮ上に、反応性蒸着によってＧａＮも成長されている。これまでのところは、これがＭＯＣＶＤによるＧａＮ層の最良の被覆率をもたらしている。 図１１は、透過電子顕微鏡で分析された膜の断面を示し、ＩＢＡＤ層および中間層のロバスト性ならびにＳＤＰ層の平滑化を見ることができる。エピタキシャル配列は、ＩＢＡＤ層からＧａＮ層内へと保存される。
【００６６】
図１２および図１３は、各々、ＩＢＡＤ蒸着の直後およびＩＢＡＤ−ＣｅＯ２上のホモエピタキシャルＣｅＯ２に続く、ＩＢＡＤ−ＣｅＯ２試料のＲＨＥＥＤ現場画像を示す。画像は、単結晶配向ならびに面内配列を示す。図１７は、ＣｅＯ２結晶層の面内配列を示す。
【００６７】
図１５は、厚いＧａＮ層を含む完全な構造を示す断面ＴＥＭ顕微鏡写真である。下から、粗い金属箔、ＳＤＰ平坦化の平滑層、続いてＩＢＡＤおよび後続のエピタキシャルバッファ層が見える。最上面は、非常に滑らかで、平面的および他のデバイス製造を可能にする。
【００６８】
図１６は、ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造と、金属箔上ＩＢＡＤテンプレート上のＧａＮ膜の上にエピタキシャル蒸着された上部のｐドープＧａＮ層とを含むＬＥＤ構造体からのエレクトロルミネセンス（ＥＬ）を示す。
【００６９】
図１８Ａ−図１８Ｂは、厚い（約５ミクロン）ＧａＮ膜のＳＥＭ顕微鏡写真を示す。典型的には、幾つかの欠陥もあるが、１００μｍのエリアに渡って滑らかなところもある。
【００７０】
図１９Ａ−図１９Ｂは、（１１１）配向を有する、ＩＢＡＤ−ＳＣ２Ｏ３上の各々、ＩＢＡＤ−Ｓｃ２Ｏ３、およびホモエピタキシャルＳＣ２Ｏ３のＲＨＥＥＤ画像を示す。ＣｅＯ２  ＩＢＡＤと同様に、（１１１）配向を有する層は、正当な条件下で、この場合はＣｅＯ２  ＩＢＡＤと同じ条件で、得ることができる。ＩＢＡＤ−Ｓｃ２Ｏ３テクスチャリングは、アモルファスＳＤＰ蒸着Ａｌ２Ｏ３層上に形成される。
【００７１】
図２０は、ＩＢＡＤ層上にホモエピタキシャル層を有するＩＢＡＤ−Ｓｃ２Ｏ３膜のシータ−２＊シータ走査を示す。右側の輝点は、Ｓｃ２Ｏ３の（２２２）反射であり、左側のリングは、多結晶金属基板を表す。目に見える主ピークは、（１１１）配向のＳｃ２Ｏ３材料によるものである。図２１は、３回対称性を有するＳｃ２Ｏ３の（４４０）極の極点図を示す。これらの２つのＸ線スキャンは、Ｓｃ２Ｏ３層の二軸配向を示す。
【００７２】
［実施例２］
ＩＢＡＤテンプレート上に、厚いＧａＮ層を蒸着させた。典型的には、ＧａＮの厚さは４−６マイクロメートルであり、図２５から分かるように、その上部はＳｉでｎドープされている。図２６に示されているように、ＧａＮ層上には、ＬＥＤ構造ｐｎ接合が、ＩｎＧａＮ層およびＧａＮ層の５層が交互する多層である多重量子井戸（ＭＱＷ）構造と共に成長される。ＭＱＷ上には、ｐドープされた電子ブロッキング層が存在し、Ｍｇでドープされたｐ−ＧａＮがこれに続く。このようなヘテロ構造は、業界でＬＥＤを製造するための標準である。
【００７３】
このようなＬＥＤデバイスのパフォーマンスを、業界における標準基板である単結晶サファイア上に製造されるＬＥＤと比較して測定した。結果を図２７−図２９に示す。比較は、フォトルミネセンス（ＰＬ）（デバイス上に光を照らす）およびエレクトロルミネセンス（ＥＬ）（デバイスに電流を通す）、光測定値を用いて行った。製造された最初のデバイスでは、ＰＬは、標準的なサファイアＬＥＤと比較して、ＩＢＡＤ  ＬＥＤにおいて１０〜４０％の光を示す。ＩＢＡＤ  ＬＥＤのＥＬは、サファイアＬＥＤの最大１２％（増大中）を示す。ＥＬデバイスの特性は、電流デバイスにおける短絡によるリークが支配的であるが、ＧａＮ層の材料品質の向上に伴ってパフォーマンスは著しく高まるはずである。
【００７４】
本発明を、開示した実施形態を具体的に参照して詳細に説明したが、他の実施形態も同じ結果を達成することができる。当業者には、本発明の変形および変更が明らかとなるであろうが、そのような変更および等価物は、全て発明の範囲に包含されることが意図されている。これまでに引用した全ての特許および刊行物の開示は、参照によりその全体が本開示に含まれる。
【図１】
0006739452.tif 000002
【図２Ａ】
0006739452.tif 000003
【図２Ｂ】
0006739452.tif 000004
【図３】
0006739452.tif 000005
【図４Ａ】
0006739452.tif 000006
【図４Ｂ】
0006739452.tif 000007
【図５】
0006739452.tif 000008
【図６】
0006739452.tif 000009
【図７】
0006739452.tif 000010
【図８】
0006739452.tif 000011
【図９Ａ】
0006739452.tif 000012
【図９Ｂ】
0006739452.tif 000013
【図９Ｃ】
0006739452.tif 000014
【図１０Ａ】
0006739452.tif 000015
【図１０Ｂ】
0006739452.tif 000016
【図１１】
0006739452.tif 000017
【図１２】
0006739452.tif 000018
【図１３】
0006739452.tif 000019
【図１４】
0006739452.tif 000020
【図１５】
0006739452.tif 000021
【図１６】
0006739452.tif 000022
【図１７】
0006739452.tif 000023
【図１８Ａ】
0006739452.tif 000024
【図１８Ｂ】
0006739452.tif 000025
【図１９Ａ】
0006739452.tif 000026
【図１９Ｂ】
0006739452.tif 000027
【図２０】
0006739452.tif 000028
【図２１】
0006739452.tif 000029
【図２２】
0006739452.tif 000030
【図２３】
0006739452.tif 000031
【図２４】
0006739452.tif 000032
【図２５】
0006739452.tif 000033
【図２６】
0006739452.tif 000034
【図２７】
0006739452.tif 000035
【図２８】
0006739452.tif 000036
【図２９】
0006739452.tif 000037