(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ガリウムの半導体層を製造する方法であって、
炭化ケイ素の基板（１０２）、前記炭化ケイ素の基板上の窒化ガリウム層（１０４）、及び前記炭化ケイ素の基板とは反対の側の前記窒化ガリウム層上のキャッピング層（１０９）を提供するステップであって、前記窒化ガリウム層が複数のポスト（１０６）と前記ポスト間の複数のトレンチ（１０７）とを含み、前記トレンチが前記キャッピング層内の複数の開口部を規定するステップと、
前記ポストの側壁（１０５）を前記トレンチ内に横方向に成長させ、これにより窒化ガリウムの半導体層（１０８ａ）を形成するステップと、
を備えており、
前記複数のトレンチが前記炭化ケイ素の基板内にトレンチのフロアを含み、
前記窒化ガリウム層は、前記炭化ケイ素の基板上にエピタキシャル成長によって形成され、前記窒化ガリウムの半導体層は、前記ポストの側壁を横方向にエピタキシャル成長させることによって形成される、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記横方向に成長させるステップが、前記横方向に成長した側壁が前記トレンチ内で融合（１０８ｃ）して、これにより、窒化ガリウムの半導体層を形成するまで、前記ポストの前記側壁を前記トレンチ内に横方向に成長させるステップを備えることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、前記横方向に成長させるステップが、前記トレンチ内の前記ポストの前記横方向に成長した側壁を、前記ポストの頂部上の前記キャッピング層上に横方向に過度成長させて、これにより、窒化ガリウムの半導体層を形成するステップを備えることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、前記横方向に成長させるステップが、前記トレンチ内の前記ポストの前記横方向に成長した側壁を、前記横方向に成長した側壁が前記キャッピング層上で融合するまで横方向に過度成長させて（１０８ｂ）、これにより、窒化ガリウムの半導体層を形成するステップを備えることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、前記横方向に成長させるステップの後に、前記窒化ガリウムの半導体層内にマイクロ電子ディバイス（１１０）を形成するステップが続くことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、前記横方向に成長させるステップが、金属有機化学気相エピタキシーを用いて前記ポストの前記側壁を前記トレンチ内に横方向に成長させるステップを備えることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法であって、前記窒化ガリウム層が欠陥密度を含み、かつ前記横方向に成長させるステップが前記ポストの前記側壁を前記トレンチ内に横方向に成長させて、これにより、前記欠陥密度よりも小さい欠陥密度の窒化ガリウムの半導体層を形成するステップを備えることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法であって、前記横方向に成長させるステップが、
前記ポストの前記側壁を、前記トレンチ内にかつ前記キャッピング層内の前記開口部を通って前記トレンチ内に横方向及び縦方向に成長させて、これにより、前記キャッピング層内の前記開口部を通って縦方向に伸びる前記トレンチ内に横方向の窒化ガリウム層（１０８ａ）を形成するステップと、
前記キャッピング層内の前記開口部を通って前記キャッピング層上に伸びる前記横方向の窒化ガリウム層を横方向に過度成長させて、これにより、過度成長した横方向の窒化ガリウム層（１０８ｂ）を形成するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、前記横方向の窒化ガリウム層を横方向に過度成長させるステップが、前記キャッピング層内の前記開口部を通って前記キャッピング層上に伸びる前記横方向の窒化ガリウム層を、前記過度成長した横方向の窒化ガリウム層が前記キャッピング層上で融合する（１０８ｄ）まで横方向に過度成長させて、これにより、連続し過度成長した横方向の窒化ガリウム層を形成するステップを備えることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の方法であって、前記横方向の窒化ガリウム層を横方向に過度成長させるステップの後に、前記過度成長した横方向の窒化ガリウムの半導体層内にマイクロ電子ディバイス（１１０）を形成するステップが続くことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項８に記載の方法であって、前記提供するステップが、
前記炭化ケイ素の基板上の基底の窒化ガリウム層を中に開口部のアレイを含むマスクを用いてマスクするステップと、
前記基底の窒化ガリウム層を前記開口部のアレイを通してエッチングして、前記基底の窒化ガリウム層内の、それぞれが側壁と上部にマスクを有する頂部とを含む複数のポスト及び前記ポスト間の複数のトレンチを規定して、キャッピング層を提供するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法であって、前記マスクするステップが、前記炭化ケイ素の基板上のバッファ層（１０２ｂ）上の基底の窒化ガリウム層を、中に開口部のアレイを含むマスクを用いてマスクするステップを備えることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載の方法であって、前記エッチングするステップが、前記基底の窒化ガリウム層及び前記炭化ケイ素の基板を前記開口部のアレイを通してエッチングして、前記基底の窒化ガリウム層内の、それぞれが側壁と上にマスクを有する頂部とを含む複数のポストと、前記ポスト間の、前記炭化ケイ素の基板内にトレンチのフロアを含む複数のトレンチとを規定するステップを備えることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の方法であって、前記エッチングするステップが、前記基底の窒化ガリウム層、前記バッファ層及び前記炭化ケイ素の基板を前記開口部のアレイを通してエッチングして、前記基底の窒化ガリウム層内の、それぞれが側壁と上部にマスクを有する頂部とを含む複数のポストと、前記ポスト間の、前記炭化ケイ素の基板内にトレンチのフロアを含む複数のトレンチとを規定するステップを備えることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項８に記載の方法であって、前記窒化ガリウム層が欠陥密度を含み、かつ前記横方向及び縦方向に成長させるステップが前記ポストの前記側壁を前記トレンチ内及び前記キャッピング層内の前記開口部を通して前記トレンチ内に横方向及び縦方向に成長させて、これにより、前記欠陥密度よりも小さい欠陥密度の横方向の窒化ガリウムの半導体層を形成するステップを備えることを特徴とする方法。
【請求項１６】
窒化ガリウム半導体の構造体（１００）であって、
炭化ケイ素の基板（１０２ａ）と、
それぞれが側壁（１０５）と頂部とを含み、かつそれらの間の複数のトレンチ（１０７）を規定する、前記炭化ケイ素の基板上の複数の窒化ガリウムのポスト（１０６）と、
前記ポストの前記頂部上のキャッピング層（１０９）と、
前記ポストの前記側壁から前記トレンチ内に横方向に伸びる横方向の窒化ガリウム層（１０８ａ）と、
を備え、
前記複数のトレンチが前記炭化ケイ素の基板内に伸び、
前記窒化ガリウムのポストは、前記炭化ケイ素の基板上にエピタキシャル成長によって形成され、前記窒化ガリウムの半導体層は、前記ポストの側壁を横方向にエピタキシャル成長させることによって形成される、ことを特徴とする構造体。
【請求項１７】
請求項１６に記載の構造体であって、前記横方向の窒化ガリウム層が、隣接した側壁間にそれらの間のトレンチを横切って伸びる連続した横方向の窒化ガリウム層（１０８ｃ）であることを特徴とする構造体。
【請求項１８】
請求項１６に記載の構造体であって、前記横方向の窒化ガリウム層が、前記トレンチ内で前記キャッピング層を超えて縦方向にも伸びることを特徴とする構造体。
【請求項１９】
請求項１８に記載の構造体であって、
前記横方向の窒化ガリウム層から前記キャッピング層上へ横方向に伸びる過度成長した横方向の窒化ガリウム層（１０８ｂ）をさらに備えることを特徴とする構造体。
【請求項２０】
請求項１９に記載の構造体であって、前記過度成長した横方向の窒化ガリウム層が、隣接した側壁間にそれらの間の前記キャッピング層を横切って伸びる連続し過度成長した横方向の窒化ガリウム層（１０８ｃ）であることを特徴とする構造体。
【請求項２１】
請求項１６に記載の構造体であって、前記横方向の窒化ガリウム層内に複数のマイクロ電子ディバイス（１１０）をさらに備えることを特徴とする構造体。
【請求項２２】
請求項１８に記載の構造体であって、前記トレンチ内で前記キャッピング層を超えて縦方向に伸びる前記横方向の窒化ガリウム層内に複数のマイクロ電子ディバイスをさらに備えることを特徴とする構造体。
【請求項２３】
請求項１９に記載の構造体であって、前記過度成長した横方向の窒化ガリウム層内に複数のマイクロ電子ディバイスをさらに備えることを特徴とする構造体。
【請求項２４】
請求項１６に記載の構造体であって、前記炭化ケイ素の基板と複数のポストとの間にバッファ層（１０２ｂ）をさらに備えることを特徴とする構造体。
【請求項２５】
請求項２４に記載の構造体であって、前記トレンチが前記バッファ層を通って前記炭化ケイ素の基板内に伸びることを特徴とする構造体。
【請求項２６】
請求項１６に記載の構造体であって、前記ポストには欠陥密度があり、かつ前記横方向の窒化ガリウム層の欠陥密度は前記ポストの欠陥密度よりも小さいことを特徴とする構造体。
【請求項２７】
請求項１９に記載の構造体であって、前記ポストには欠陥密度があり、かつ前記過度成長した横方向の窒化ガリウム層の欠陥密度は前記ポストの欠陥密度よりも小さいことを特徴とする構造体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（連邦政府後援による研究）
本発明は、海軍省研究契約番号（Office of Naval Research Contract Nos ）第N00014-96-1-0765号、N00014-98-1-0384号、及びN00014-98-10654号のもとで、政府の支援により行われた。政府は、本発明に対して特定の権利を持つことができる。
【０００２】
（発明の分野）
本発明はマイクロ電子ディバイス及びその製造方法に関し、より詳細には、窒化ガリウム半導体ディバイス及びその製造方法に関する。
【０００３】
（発明の背景）
窒化ガリウムは、トランジスタ、電界エミッタ、及び光電子ディバイスを含むマイクロ電子ディバイスに対して広く研究されているが、これらに限定されているわけではない。本願で使用されるように、窒化ガリウムには、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウム、及び窒化アルミニウムインジウムガリウムなどの窒化ガリウムの合金も含まれることは理解されよう。
【０００４】
窒化ガリウムベースのマイクロ電子ディバイスを製造する上での主な問題は、欠陥密度が小さい窒化ガリウムの半導体層を製造することである。欠陥密度に対する１つの誘因は、窒化ガリウム層が成長する基板にあることは周知である。このため、窒化ガリウム層がサファイア基板上で成長するが、窒化アルミニウムのバッファ層上で窒化ガリウム層を成長させることによって、欠陥密度が減少することは周知である。この窒化アルミニウムのバッファ層自体は、炭化ケイ素基板上に形成される。これらの進歩にも関わらず、欠陥密度を引き続き減少させることが望ましい。
【０００５】
マスク内の開口部を通して窒化ガリウムの構造体を製造することも周知である。例えば、電界エミッタのアレイを製造する場合、窒化ガリウムをストリップ状又は円形状の基板上に選択的に成長させることも周知である。例えば、Namらの、１９９６年１２月、Materials Research Societyの会報の、「Selective Growth of GaN and Al0.2Ga0.8N on GaN/AlN/6H-SiC(0001) Multilayer Substrates Via Organometallic Vapor Phase Epitaxy」と題する刊行物、及び日本の応用物理学会誌、第３６巻、第２号、No. 5A、１９９７年５月、ページL532〜L535の、「Growth of GaN and Al0.2Ga0.8N on Patterened Substrates via Organometallic Vapor Phase Epitaxy」と題する刊行物を参照のこと。これらの刊行物で開示されているように、望ましくないリッジ成長（ridge growth）すなわち横方向のオーバーグロースが、ある条件のもとで発生することがある。
公開されたＰＣＴ出願ＷＯ第９８／４７１７０号は、結晶欠陥が極めて少なく、基板として使用することができる窒化物半導体の結晶を成長させる方法を説明している。この方法には、主面を有すると共に窒化物半導体の材料とは異なる材料から作られた種々の基板を含む支持体上の表面を、選択的に露光するための複数の第１のウィンドウを備えた第１の選択的成長マスクを形成するステップと、ガス状のグループIII元素のソース及びガス状の窒化物のソースを用いて、ウィンドウから露光された支持体の表面から隣接するウィンドウ内に成長する窒化物半導体の結晶の部分が、選択的成長マスクの上面上で互いに接着するまで、窒化物半導体を成長させるステップとが含まれている。
【０００６】
（発明の要約）
従って、本発明の目的は、窒化ガリウムの半導体層を製造する改良された方法、及びそのようにして製造された改良された窒化ガリウム層を提供することである。
【０００７】
本発明の別の目的は、欠陥密度が小さい窒化ガリウムの半導体層を製造する方法、及びそのようにして製造された窒化ガリウムの半導体を提供することである。
【０００８】
本発明によれば、中に開口部のアレイを含むマスクを用いて炭化ケイ素の基板上の基底（underlying）の窒化ガリウム層をマスクして、この開口部のアレイを通してこの基底の窒化ガリウム層をエッチングし、この基底の窒化ガリウム層内の複数のポスト及びそれらの間の複数のトレンチを規定することによって、これらの及び他の目的が提供される。これらのポストはそれぞれ側壁及び上にマスクが付いた頂部を含んでいる。ポストの側壁は、トレンチ内に横方向に成長して、これにより、窒化ガリウムの半導体層を形成する。この横方向の成長の間に、マスクは核生成及びポストの頂部からの縦方向の成長を防止する。従って、成長はポストの側壁から吊り下げられたトレンチ内に、横方向に進行する。この成長の形成は、本願では、ラテン語の「つるす」又は「吊り下げる」からペンディオエピタキシ（pendeoepitaxy）と呼ばれる。マイクロ電子ディバイスを、窒化ガリウムの半導体層内に形成することができる。
【０００９】
本発明の別の態様によれば、ポストの側壁が、横方向に成長した側壁がトレンチ内に融合して、これにより窒化ガリウムの半導体層を形成するまで、トレンチ内に横方向に成長する。ポストの側壁からの横方向の成長は、窒化ガリウム層がマスク内の開口部を通って縦方向に成長し、またポストの頂部上のマスクの上に横方向に過度成長して、これにより窒化ガリウムの半導体層を形成するように継続することができる。横方向の過度成長は、成長した側壁がマスク上で融合して、これにより、連続した窒化ガリウムの半導体層を形成するまで継続することができる。マイクロ電子ディバイスを、連続した窒化ガリウムの半導体層内に形成することができる。
【００１０】
本発明によれば、転位欠陥はポストの側壁から横方向にほとんど伝搬しないので、ポストの横方向に成長した側壁には比較的欠陥がないことが見出されている。さらに、成長の間に、ポストの頂部上に縦方向に著しく成長することがマスクによって防止されるので、比較的欠陥がない横方向の成長が側壁からマスクの上に生じることが判明している。好ましいことに、ポストの頂部上で大きな核生成が行われることも防止される。これにより、過度成長した窒化ガリウムの半導体層には比較的欠陥がない。
【００１１】
従って、マスクは、側壁上にのみ生じるように窒化ガリウムをヘテロエピタキシャル成長させる、ポスト上のキャッピング層として機能する。窒化ガリウムのシード層のヘテロエピタキシャル成長に関連する欠陥は、マスクの下に押さえ込まれる。側壁からの成長と横方向の過度成長との組合わせを用いることによって、比較的欠陥がない窒化ガリウムの完全な融合層を、１つの再成長ステップでウェーハの表面全体にわたって製造することができる。
【００１２】
ペンディオエピタキシャル（pendeoepitaxial）窒化ガリウムの半導体層は、金属有機化学気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）を用いて横方向に成長させることができる。例えば、横方向の窒化ガリウム層は、約１０００〜１１００℃及び約４５トル（約６×１０4Ｐａ）においてトリエチルガリウム（ＴＥＧ）とアンモニア（ＮＨ3）の先駆物質を用いて、横方向に成長させることができる。約１３〜３９μモル／分のＴＥＧ及び約１５００ｓｃｃｍのＮＨ3を約３０００ｓｃｃｍのＨ2希釈剤と組み合わせて使用することが好ましい。温度が約１１００℃で約４５トル（約６×１０4Ｐａ）において、約２６μモル／分のＴＥＧ、約１５００ｓｃｃｍのＮＨ3、及び約３０００ｓｃｃｍのＨ2を使用することが最も好ましい。基底の窒化ガリウム層が６Ｈ−ＳｉＣ（０００１）などの基板上に形成され、この基板自体が窒化アルミニウムなどのバッファ層を上に含むことが好ましい。窒化ガリウムなどの他のバッファ層も使用することができる。多層基板や多層のバッファ層も使用することができる。
【００１３】
トレンチが側壁を規定するように、基底の窒化ガリウム層内にトレンチを形成することによって、側壁を含む基底の窒化ガリウム層を形成することができる。別の方法では、基底の窒化ガリウム層上に、側壁を含みトレンチを規定するマスクされたポストを形成することによって、側壁を形成することができる。一連の別のトレンチやマスクされたポストを形成して、複数の側壁を形成することが好ましい。上面がマスクされ側壁がマスクされないように、ポストが形成される。前述したように、マスキング及び選択的なエッチングによって、トレンチ及び／又はポストを形成することができる。あるいはまた、選択的なエピタキシャル成長、エッチングと成長との組合わせ、又は他の技術を使用することができる。マスクは、ポストの形成の後で、ポストの頂部に形成することができる。トレンチは、トレンチのフロアがバッファ層内にあり、また好ましくは、炭化ケイ素の基板内にあるように、バッファ層内及び／又は基板内に伸びることができる。
【００１４】
基底の窒化ガリウム層内のポストの側壁はトレンチ内に横方向に成長して、これにより、基底の窒化ガリウム層の欠陥密度よりも小さい欠陥密度の横方向の窒化ガリウム層を形成する。ポスト頂部からの縦方向の成長は、上のマスクによって少なくされ、好ましくは抑制されるが、いくつかの縦方向の成長がトレンチ内で起こることもある。横方向に成長した窒化ガリウム層は、より小さな欠陥密度を広めながら、マスク内の開口部を通って縦方向に成長する。縦方向の成長の高さがマスク内の開口部を通って伸びるので、より小さい欠陥密度を広めながら横方向の成長がマスク上で発生して、これにより、マスク上に過度成長した横方向の窒化ガリウム層を形成する。
【００１５】
本発明による窒化ガリウムの半導体の構造体は、炭化ケイ素基板とこの炭化ケイ素基板上の複数の窒化ガリウムのポストとを備えている。ポストはそれぞれ側壁と頂部とを含み、その間の複数のトレンチを規定している。キャッピング層をポストの頂部上に備えている。横方向の窒化ガリウム層が、ポストの側壁から横方向にトレンチ内に伸びている。この横方向の窒化ガリウム層は、ペンディオエピタキシャルの窒化ガリウム層と呼ぶこともできる。この横方向の窒化ガリウム層は、間にあるトレンチを横切って隣接する側壁間に伸びる連続した横方向の窒化ガリウム層とすることができる。
【００１６】
この横方向の窒化ガリウム層は、開口部のアレイを通って縦方向に伸びることもできる。キャッピング層上に横方向に伸びる、過度成長した横方向の窒化ガリウム層も設けることができる。この過度成長した横方向の窒化ガリウム層は、間にあるキャッピング層を横切って隣接する側壁間に伸びる、連続した過度成長した横方向の窒化ガリウム層とすることができる。
【００１７】
複数のマイクロ電子ディバイスを、横方向の窒化ガリウム層内及び／又は過度成長した横方向の窒化ガリウム層内に設けることができる。バッファ層を、炭化ケイ素の基板と複数のポストとの間に含めることができる。トレンチは、炭化ケイ素の基板内、バッファ層内、又はバッファ層を通過して炭化ケイ素の基板内に伸びることができる。窒化ガリウムのポストは欠陥密度があってもよく、横方向の窒化ガリウム層及び過度成長した横方向の窒化ガリウム層の欠陥密度は、ポストの欠陥密度よりも小さい。このため、欠陥密度が小さい窒化ガリウムの半導体層を作ることができ、これにより、高性能なマイクロ電子ディバイスを作ることができる。
【００１８】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
ここで、本発明の好ましい実施形態が示されている添付の図面を参照して、本発明を以下のようにより詳細に説明する。しかしながら、多くの種々の方式で本発明を具体化することができ、また本願に記載した実施形態に限定されるものとして本発明を解釈すべきではない。むしろ、この開示が綿密で完全であり、また発明の範囲を当業者に十分に伝えるように、これらの実施形態が提供される。図面においては、層や領域の厚さは、簡潔に説明するため誇張されている。全体を通して、同じ番号は同様のエレメントを指している。層、領域又は基板などのあるエレメントが別のエレメントの「上に」あると言われる場合、そのエレメントは別のエレメントの直接上にあるか、又は介在するエレメントが存在することもあることは理解されよう。さらに、本願で説明され図示されたそれぞれの実施形態には、その相補的な導電性タイプの実施形態も同様に含まれる。
【００１９】
ここで、図１〜図６を参照して、本発明による窒化ガリウム半導体の構造体を製造する方法を説明する。図１に示すように、基底の窒化ガリウム層１０４が基板１０２上に成長している。この基板１０２は、６Ｈ−ＳｉＣ（０００１）基板１０２ａと窒化アルミニウム又は別のバッファ層１０２ｂとを含むことができる。本願で使用される結晶学的な記号の規約については、この分野の技術を有するものには周知であり、これ以上説明する必要はない。基底の窒化ガリウム層１０４は、厚さが０．５〜２．０μｍの間にあり、高温（１１００℃）の窒化アルミニウムのバッファ層１０２ｂ上で１０００℃で成長させることができる。この窒化アルミニウムのバッファ層１０２ｂは、２６μモル／分のトリエチルガリウム、１５００ｓｃｃｍのアンモニア及び３０００ｓｃｃｍの水素溶液を用いるコールドウォール垂直及び誘導加熱の金属有機化学気相エピタキシーのシステム（inductively heated metalorganic vapor phase epitaxy system）で、６Ｈ−ＳｉＣ（０００１）基板１０２ａ上に蒸着された。この成長技術の別の詳細は、Weeksらの、応用物理レター（Applied Physics Letters）、第67巻、3号、1995年7月17日、ページ401〜403の、「GaN Thin Films Deposited Via Organometallic Vapor Phase Epitaxy on (6H)-SiC(0001) Using High-Temperature Monocrystalline AlN Buffer Layers」と題する出版物の中に見出すことができる。この出版物は、参照することによって本願に組み入れる。バッファ層を用いる又は用いない別の炭化ケイ素基板も、使用することができる。
【００２０】
図１の説明をさらに続けると、窒化ケイ素（ＳｉＮ）マスク１０９などのマスクが、基底の窒化ガリウム層１０４上に含まれている。このマスク１０９の厚さは約１０００Åであり、４１０℃において低圧化学蒸着法（ＣＶＤ）を用いて基底の窒化ガリウム層１０４上に形成することができる。このマスク１０９をパターン化して、従来のフォトリソグラフィ技術を用いて、中に開口部のアレイを提供する。
【００２１】
図１に示すように、基底の窒化ガリウム層を開口部のアレイを通ってエッチングして、基底の窒化ガリウム層１０４の中に複数のポスト１０６及びそれらの間の複数のトレンチ１０７を規定する。ポストはそれぞれ、側壁１０５及び上にマスク１０９を持つ頂部を含む。ポスト１０６及びトレンチ１０７は、前述したように、マスキング及びエッチングによって形成することが好ましいが、基底の窒化ガリウム層からポストを選択的に成長させ、次にポストの頂部にキャッピング層を形成することによって、ポストを形成することもできることは理解されよう。選択的な成長と選択的なエッチングの組合わせも使用することができる。
【００２２】
図１をさらに参照すると、基底の窒化ガリウム層１０４は複数の側壁１０５を中に含む。側壁１０５は、「メサ」、「ペデスタル」又は「カラム」と呼ぶこともできる、複数の間隔を空けたポスト１０６によって規定されると考えることができることは、この分野の技術を有するものには理解されよう。側壁１０５は、基底の窒化ガリウム層１０４内の「壁」とも呼ばれる、複数のトレンチ１０７によって規定されると考えることもできる。側壁１０５は、一連の別のトレンチ１０７及びポスト１０６によって規定されていると考えることもできる。前述したように、側壁１０５を規定するポスト１０６及びトレンチ１０７は、選択的なエッチング及び／又は選択的なエピタキシャル成長及び／又は他の従来の技術によって製造することができる。さらに、側壁は基板１０２に直交している必要はなく、それに斜めであっても良いことも理解されよう。
【００２３】
側壁１０５は図１では断面で示されているが、ポスト１０６及びトレンチ１０７は、Ｖ字形又は他の形状の直立した細長い領域を規定することができることも理解されよう。図１に示すように、トレンチ１０７は、後続の窒化ガリウムの成長がトレンチの床上ではなく側壁１０５上に優先的に起こるように、バッファ層１０２ｂ内また基板１０２ａ内に伸びることができる。他の実施形態においては、例えば、トレンチの幾何学的な配置及び窒化ガリウムの縦横の成長比率により、トレンチは基板１０２ａ内にまたバッファ層１０２ｂ内に伸びないことがある。
【００２４】
ここで図２を参照すると、基底の窒化ガリウム層１０４の側壁１０５が横方向に成長して、トレンチ１０７内に横方向の窒化ガリウム層１０８ａを形成する。横方向の窒化ガリウムの成長は、１０００〜１１００℃及び４５トル（約６×１０4Ｐａ）において得られる。１３〜３９μモル／分の先駆物質のＴＥＧ及び１５００ｓｃｃｍのＮＨ3を、３０００ｓｃｃｍのＨ2溶液と組み合わせて使用することができる。窒化ガリウムの合金が形成される場合、例えば、別の従来のアルミニウム又はインジウムの先駆物質も使用することができる。本願で使用するように、「横方向の」という用語は基板１０２の面に平行する方向を意味する。横方向の窒化ガリウム層１０８ａのいくらかの縦方向の成長は、側壁１０５からの横方向の成長の間に発生することができることも理解されよう。本願で使用するように、「縦方向の」という用語は側壁１０５に平行する方向を意味する。しかしながら、ポスト１０６の頂部の成長及び／又は核生成は、マスク１０９によって減少されまた好ましくは行われなくなる。
【００２５】
ここで図３を参照する。横方向の窒化ガリウム層１０８ａの連続した成長によって、開口部のアレイを通って横方向の窒化ガリウム層１０８ａの縦方向の成長が行われる。縦方向の成長についての成長条件は、図２に関連して説明されたように維持することができる。また図３に示すように、トレンチ１０７内への連続した縦方向の成長は、トレンチの底部でも発生する。
【００２６】
ここで図４を参照する。横方向の窒化ガリウム層１０８ａの連続した成長によって、マスク１０９上への過度成長が行われて、過度成長した横方向の窒化ガリウム層１０８ｂを形成する。過度成長についての成長条件は、図２に関連して説明したように維持することができる。
【００２７】
ここで図５を参照する。横方向の成長前部がトレンチ１０７内の界面１０８ｃで融合するまで成長を継続することができて、連続的な横方向の窒化ガリウムの半導体層１０８ａをトレンチ内に形成する。
【００２８】
さらに図５を参照する。横方向の過度成長前部がマスク１０９上の界面１０８ｄで融合するまで、成長を継続することができ、連続し過度成長した横方向の窒化ガリウムの半導体層１０８ｂを形成する。この全体的な成長時間は、約６０分である。単一の連続した成長ステップを使用することができる。図６に示すように、次に、マイクロ電子ディバイス１１０を、横方向の窒化ガリウムの半導体層１０８ａ内に形成することができる。マイクロ電子ディバイスを、過度成長した横方向の窒化ガリウム層１０８ｂ内に形成することもできる。
【００２９】
従って、図６では、本発明による窒化ガリウム半導体の構造体１００が示されている。この窒化ガリウムの構造体１００には、基板１０２が含まれている。この基板には、６Ｈ−ＳｉＣ（０００１）基板１０２ａと、炭化ケイ素基板１０２ａ上の窒化アルミニウムのバッファ層１０２ｂとが含まれることが好ましい。この窒化アルミニウムのバッファ層１０２ｂの厚さは０．０１μｍである。
【００３０】
基板１０２の製造は、この分野の技術を有するものには周知であり、これ以上説明する必要はない。炭化ケイ素基板の製造については、例えば、Palmourへの米国特許第4,865,685号、Davisらへの米国特許第34,861号、Kongらへの米国特許第4,912,064号、及びPalmourらへの米国特許第4,946,547号の中に記載されている。これらの開示内容は、参照することによって本明細書に組み込まれる。
【００３１】
基底の窒化ガリウム層１０４も、基板１０２ａに対向するバッファ層１０２ｂ上に含まれる。この基底の窒化ガリウム層１０４の厚さは、約０．５と２．０μｍとの間にあり、金属有機化学気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）を用いて形成することができる。この基底の窒化ガリウム層には、一般に、望ましくない比較的高い欠陥密度を有する。例えば、約１０8ｃｍ-2と１０10ｃｍ-2との間の転位密度が基底の窒化ガリウム層内で示される。これらの高い欠陥密度は、バッファ層１０２ｂと基底の窒化ガリウム層１０４との間の格子パラメータにおけるミスマッチ及び／又は他の原因の結果発生する。これらの高い欠陥密度は、基底の窒化ガリウム層１０４内に形成されたマイクロ電子ディバイスの性能に悪影響を与えることがある。
【００３２】
図６の説明をさらに続ける。基底の窒化ガリウム層１０４には、複数のポスト１０６及び／又は複数のトレンチ１０７によって規定される複数の側壁１０５が含まれる。前述したように、側壁は斜めでもまた様々な細長い形状であっても良い。これも前述したように、窒化ガリウムのポスト１０６は、マスク１０９などのキャッピング層でキャップされる。このキャッピング層は、炭化ケイ素で構成することが好ましい。
【００３３】
図６の説明を続ける。横方向の窒化ガリウム層１０８ａは、基底の窒化ガリウム層１０４の複数の側壁１０５から横方向及び縦方向に伸びる。過度成長した横方向の窒化ガリウム層１０８ｂは、横方向の窒化ガリウム層１０８ａから伸びる。横方向の窒化ガリウム層１０８ａ及び過度成長した横方向の窒化ガリウム層１０８ｂは、約１０００〜１１００℃及び約４５トル（約６×１０4Ｐａ）において金属有機化学気相エピタキシーを用いて形成することができる。約１３〜３９μモル／分のトリエチルガリウム（ＴＥＧ）及び約１５００ｓｃｃｍのアンモニア（ＮＨ3）の先駆物質を、約３０００ｓｃｃｍＨ2溶液と組み合わせて使用して、横方向の窒化ガリウム層１０８ａ及び過度成長した横方向の窒化ガリウム層１０８ｂを形成することができる。
【００３４】
図６に示すように、横方向の窒化ガリウム層１０８ａは界面１０８ｃで結合して、連続的な横方向の窒化ガリウムの半導体層１０８ａをトレンチ内に形成する。基底の窒化ガリウム層１０４内の転位密度は、一般に、基底の窒化ガリウム層１０４から縦方向に広がる密度と同じ密度で側壁１０５から横方向に伝搬することはないことが判明している。このため、横方向の窒化ガリウム層１０８ａは、例えば、１０4ｃｍ-2以下の比較的低い転位欠陥密度を持つことができる。実際的な観点からすると、これは欠陥がないと見なすことができる。従って、横方向の窒化ガリウム層１０８ａは、良質の窒化ガリウムの半導体材料によるディバイスを形成することができる。これにより、図６に示すように、マイクロ電子ディバイス１１０を、横方向の窒化ガリウム層１０８ａ内に形成することができる。
【００３５】
さらに図６を参照すると、過度成長した横方向の窒化ガリウム層１０８ｂが界面１０８ｄで融合して、連続した過度成長した横方向の窒化ガリウムの半導体層１０８ｂをマスク上に形成する。基底の窒化ガリウム層１０４内の転位密度及び横方向の窒化ガリウム層１０８ａの転位密度は、一般に、基底の窒化ガリウム層１０４及び横方向の窒化ガリウム層１０８ａから縦方向に広がる密度と同じ密度で横方向に伝搬することはないことが判明している。このため、過度成長した横方向の窒化ガリウム層１０８ｂも、例えば、１０4ｃｍ-2以下の比較的低い転位欠陥密度を持つことができる。従って、この過度成長した横方向の窒化ガリウム層１０８ｂも、良質の窒化ガリウムの半導体材料によるディバイスを形成することができる。これにより、図６に示すように、マイクロ電子ディバイス１１０を、横方向の窒化ガリウム層１０８ｂ内に形成することができる。
【００３６】
今度は図７及び図８を参照すると、本発明による窒化ガリウム半導体の構造体及び製造方法の別の実施形態がここで説明される。窒化ガリウムの構造体が、図１〜図６に関連してすでに説明したように、ポスト及びトレンチについて別の間隔及び寸法を用いて製造される。図７においては、小さい比率のポスト幅／トレンチ幅を使用して、別個の窒化ガリウムの構造体を作る。図８では、大きな比率のポスト幅／トレンチ幅を使用して、別の別個の窒化ガリウムの構造体を作る。
【００３７】
ここで図７を参照する。小さい比率のポスト幅／トレンチ幅を使用して、図７の窒化ガリウムの半導体の構造体を、図１〜図４に関連してすでに説明したように製造する。さらに図７を参照する。過度成長した横方向の前部がマスク１０９上の界面１０８ｄで融合するまで、成長を継続することができ、連続し過度成長した横方向の窒化ガリウムの半導体層をマスク１０９上に形成する。この全体的な成長時間は、約６０分である。図７に示すように、マイクロ電子ディバイス１１０を、過度成長した横方向の窒化ガリウムの半導体層１０８ｂ内に形成することができる。
【００３８】
ここで図８を参照する。大きい比率のポスト幅／トレンチ幅を使用して、図８の窒化ガリウムの半導体の構造体を、図１〜図４に関連してすでに説明したように製造する。さらに図８を参照する。過度成長した横方向の前部がトレンチ１０７内の界面１０８ｃで融合するまで、成長を継続することができ、連続した窒化ガリウムの半導体層１０８ａをトレンチ１０７内に形成する。この全体的な成長時間は、約６０分である。図８に示すように、マイクロ電子ディバイス１１０を、ペンディオエピタキシャルの窒化ガリウム層１０８ａ内に形成することができる。
【００３９】
【外１】
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【００４０】
【外２】
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【００４１】
【外３】
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【００４２】
【外４】
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【００４３】
【外５】
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【００４４】
【外６】
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【００４５】
連続した窒化ガリウムの半導体層は、極めて平坦でピットがない平面を有している。横方向に成長した窒化ガリウム層の表面は、平均ステップ高さが０．３２ｎｍのテラス構造を含む。このテラス構造は、横方向に成長した窒化ガリウムに関連付けることができる。その理由は、テラス構造は、一般に、窒化アルミニウムのバッファ層上にのみ成長したずっと大きな領域のフィルム内には含まれないからである。粗さの平方自乗平均の値は、基底の窒化ガリウム層１０４に対して得られた値と同様である。
【００４６】
基底の窒化ガリウム層１０４とバッファ層１０２ｂとの間の界面から始まるスレッディング転位（threading dislocations）は、基底の窒化ガリウム層１０４の上面に伝搬するように思われる。これらの領域内の転位密度は、約１０9ｃｍ-2である。対照してみると、スレッディング転位が横方向に容易に伝搬するとは思われない。むしろ、この横方向の窒化ガリウム領域１０８ａ及び過度成長した横方向の窒化ガリウム層１０８ｂには、数個の転位しか含まれていない。横方向の窒化ガリウム層１０８ａでは、これらの数個の転位は、再成長した領域内で９０゜湾曲した後の、縦方向のスレッディング転位の延長部を介して、（０００１）面に平行に形成される。これらの転位は、過度成長した窒化ガリウム層の頂面まで伝搬するとは思われない。
【００４７】
前述したように、選択的に成長させた窒化ガリウム層の形成メカニズムは横方向のエピタキシーである。このメカニズムの２つの主なステージは、横方向（ペンディオエピタキシャル）の成長と横方向の過度成長である。ペンディオエピタキシャル成長の間は、窒化ガリウムは縦方向及び横方向の両方に同時に成長する。蒸着した窒化ガリウムは、マスク１０９上で成長するよりも急速に側壁上で選択的に成長する。その理由は、明らかに、ガリウム原子の固着係数ｓが、窒化ガリウムの側壁（ｓ＝１）上ではマスク（ｓ＜＜１）上と比較するとはるかに大きいためである。Ｇａ又はＮ原子は、数の上ではまた窒化ガリウムの原子核を形成させるに十分な時間について、マスク及び基板面に容易には接着しない。それらの原子は蒸発するか、又はマスク及び基板表面に沿ってマスク又は基板の端部にまた側壁上に拡散する。横方向に過度成長する間は、窒化ガリウムは縦方向及び横方向の両方に同時に成長する。マスク上でペンディオエピタキシャル成長が起こると、Ｇａ又はＮ原子は、やはり、数の上ではまた窒化ガリウムの原子核を形成させるに十分な時間にたいして、マスク面に容易には接着しない。それらの原子はなお蒸発するか、又はマスク面に沿ってマスクの端部またペンディオエピタキシャルの窒化ガリウムの縦方向の面に拡散する。
【００４８】
窒化ガリウム上のガリウム及び窒素の表面拡散は、窒化ガリウムの選択的な成長の中で役割を演ずることができる。主な材料源は、気相から生じると思われる。このことは、ＴＥＧの流速が増加することによって、（０００１）頂面の成長速度を
【外７】
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側面よりも早く発達させて、このようにして横方向の成長をコントロールするという事実によって実証することができる。
【００４９】
結論として、ペンディオエピタキシャル及び横方向のエピタキシャルの過度成長を、基底のマスクされた窒化ガリウム層の側壁からＭＯＶＰＥを介して得ることができる。この成長は、側壁の配向性、成長温度、及びＴＥＧの流速に大きく依存する。転位密度が極めて低く表面が平坦でピットがない平面の領域を形成するための、ペンディオエピタキシャル成長すると共に横方向に過度成長した窒化ガリウム領域の融合は、約１１００℃及びＴＥＧの流速が約２６μモル／分において、幅が２μｍのポスト間の
【外８】
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方向に沿って延びる、幅が３μｍのトレンチによって達成することができる。側壁からＭＯＶＰＥを介しての窒化ガリウムのペンディオエピタキシャル及び横方向の過度成長を使用して、マイクロ電子ディバイス用の低い欠陥密度の領域を、薄膜の全表面にわたって得ることができる。
【００５０】
図面及び明細書の中で、本発明の典型的な好ましい実施形態を開示してきた。また、特定の用語を使用したが、一般的な説明する感覚でのみそれらの用語を用いたのであって、限定する目的のためではない。本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲において述べる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による窒化ガリウム半導体の構造体の、中間製造段階の間の断面図である。
【図２】  本発明による窒化ガリウム半導体の構造体の、中間製造段階の間の断面図である。
【図３】  本発明による窒化ガリウム半導体の構造体の、中間製造段階の間の断面図である。
【図４】  本発明による窒化ガリウム半導体の構造体の、中間製造段階の間の断面図である。
【図５】  本発明による窒化ガリウム半導体の構造体の、中間製造段階の間の断面図である。
【図６】  本発明による窒化ガリウム半導体の構造体の、中間製造段階の間の断面図である。
【図７】  本発明による窒化ガリウム半導体の構造体の、別の実施形態の断面図である。
【図８】  本発明による窒化ガリウム半導体の構造体の、別の実施形態の断面図である。
【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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【図７】
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【図８】
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