(57)【要約】異なる、かつ非直角の成長方向に、膜を互いの上部に重ねて成長させることによって、複数の膜を積み重ねるステップを含む、増加した表面積を有する高品質で自立型の無極性および半極性の窒化物基板を産生するための方法である。この方法は、（ａ）ＩＩＩ族窒化物を自立型（ＦＳ）ＩＩＩ族基板の第一面の上に成長させることであって、該ＩＩＩ族窒化物は無極性または半極性であり、該第一面は無極性または半極性の面であり、該ＦＳＩＩＩ族基板は、５００ミクロンを超える厚さを有する、ことと、（ｂ）該ＩＩＩ族窒化物の頂面を得るために、第二面に沿って該ＩＩＩ族窒化物をスライス、または研磨することであって、該第二面は無極性または半極性の面であり、該ＩＩＩ族窒化物の該頂面は、該無極性または半極性のＩＩＩ族窒化物基板を備える、こととを含む。
2010539732.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
増加した表面積を有する、無極性または半極性のＩＩＩ族窒化物基板を製造するための方法であって、
（ａ）ＩＩＩ族窒化物を自立型（ＦＳ）ＩＩＩ族基板の第一面の上に成長させることであって、該ＩＩＩ族窒化物は無極性または半極性であり、該第一面は無極性または半極性の面であり、該ＦＳＩＩＩ族基板は、５００ミクロンを超える厚さを有する、ことと、
（ｂ）該ＩＩＩ族窒化物の頂面を得るために、第二面に沿って該ＩＩＩ族窒化物をスライスまたは研磨することであって、該第二面は無極性または半極性の面であり、該ＩＩＩ族窒化物の該頂面は、該無極性または半極性のＩＩＩ族窒化物基板を備える、ことと
を含む、方法。
【請求項２】
前記第一面は半極性の面であり、前記第二面は無極性の面である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ＦＳＩＩＩ族窒化物基板上に積み重ねられた前記ＩＩＩ族窒化物と、該ＩＩＩ族窒化物および該ＦＳＩＩＩ族窒化物基板を含む前記頂面とを含む、前記無極性または半極性のＩＩＩ族窒化物基板を得るために、該ＩＩＩ族窒化物および該ＦＳＩＩＩ族窒化物基板をスライスまたは研磨することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ＩＩＩ族窒化物は、市販のＩＩＩ族窒化物基板よりも厚い、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
（１）前記第一面は、前記ＦＳＩＩＩ族窒化物基板のスライス表面であり、
（２）該スライス表面は、ｃ面に対して第一の角度にあり、かつ該ＩＩＩ族窒化物の成長方向を決定し、
（３）該スライス表面の幅は、該第一の角度の正弦で除した前記第一の基板の厚さである
請求項１に記載の方法。
【請求項６】
ＦＳＩＩＩ窒化物から前記第一の角度でスライスされた前記ＦＳＩＩＩ族窒化物をさらに備え、該ＦＳＩＩＩ族窒化物はｃ配向を有し、前記ｃ面は該ＦＳＩＩＩ族窒化物の表面である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ＩＩＩ族窒化物を前記スライスまたは研磨することは、前記第一面に対して第二の角度における、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記第一の角度と前記第二の角度との合計は、前記ＩＩＩ族窒化物の前記頂面の結晶配向を決定するように選択される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記合計は、９０度である、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第二面は無極性の面であり、前記成長方向は、前記ｃ面に対して直角である無極性の面の表面積と比較して該第二面の表面積を拡大するために、該ｃ面に対して非直角である、請求項５に記載の方法。
【請求項１１】
前記第二面は、前記ｃ面に対して直角である前記無極性の面の前記表面積よりも２ｈＭＡＸ２倍大きく、ｈＭＡＸ２は、前記ＩＩＩ族窒化物の厚さである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記第一面の表面積と比較して前記第二面の表面積を拡大するために、該第二面は、該第一面に対して非直角である、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の方法を使用して製造される素子。
【請求項１４】
増加した表面積を有する無極性および半極性の窒化物基板であって、
（ａ）自立型（ＦＳ）ＩＩＩ族基板の第一面上に成長させられるＩＩＩ族窒化物であって、該ＩＩＩ族窒化物は無極性または半極性であり、該第一面は無極性または半極性の面であり、該ＦＳＩＩＩ族基板は５００ミクロンを超える厚さを有する、ＩＩＩ族窒化物を備え、
（ｂ）該ＩＩＩ族窒化物は、該ＩＩＩ族窒化物の頂面を得るために、第二面に沿ってスライスまたは研磨され、該第二面は無極性または半極性の面であり、該ＩＩＩ族窒化物の該頂面は、該無極性または半極性のＩＩＩ族窒化物基板を備える、窒化物基板。
【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、同時係属であって同一人に譲渡された米国仮特許出願第６０／９７３，６５６号（２００７年９月１９日出願、名称「ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＩＮＣＲＥＡＳＩＮＧ  ＴＨＥ  ＡＲＥＡ  ＯＦ  ＮＯＮＰＯＬＡＲ  ＡＮＤ  ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ」、発明者（Ａｓａｋｏ  Ｈｉｒａｉ、Ｊａｍｅｓ  Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、およびＳｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ）、代理人整理番号３０７９４．２４２−ＵＳ−Ｐ１（２００７−６７５−１））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、その全体が本明細書に参考として援用される。
【０００２】
（１．発明の分野）
本発明は、大面積で高品質な自立型（ＦＳ）の無極性および半極性の窒化物基板を産生するための手法に関する。
【背景技術】
【０００３】
（２．関連技術の記述）
窒化ガリウム（ＧａＮ）、およびアルミニウムおよびインジウムを組み込んだその三元および四元化合物（ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ）の有用性が、可視および紫外光の電子素子および高出力の電子素子の製造について実証されてきた。これらの化合物は、本明細書では、ＩＩＩ族窒化物またはＩＩＩ−窒化物、あるいは単なる窒化物と呼ばれ、または（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ、またはＡｌ（１−ｘ−ｙ）ＩｎｙＧａｘＮ、ここで、０≦ｘ≦１および０≦ｙ≦１によって示される。これらの素子は、一般的に、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）、金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）、および水酸化物気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）を含む成長手法を使用して、エピタキシャルに成長させられる。
【０００４】
ＧａＮおよびその合金は、六方晶ウルツ鉱型結晶構造において最も安定しており、その構造は、互いに対して１２０度回転した２つ（または３つ）の等価な基底面軸（ａ軸）によって示され、その全てが固有のｃ軸に対して垂直である。ＩＩＩ族および窒素原子は、結晶のｃ軸に沿ってｃ面を交互に占有する。ウルツ鉱型構造に含まれる対称要素は、ＩＩＩ族窒化物がこのｃ軸に沿ってバルク自発分極を有し、また、ウルツ鉱型構造が固有の圧電分極を呈することを決定付ける。
【０００５】
現在の電子および光電子素子のための窒化物技術は、極性ｃ方向に沿って成長させる窒化物膜を利用している。しかしながら、ＩＩＩ族窒化物に基づく光電子および電子素子における従来のｃ面の量子井戸構造は、強力な圧電および自発分極の存在に起因する、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）が欠点である。ｃ方向に沿った強い内蔵電場は、電子およびホールの空間的分離を引き起こし、その結果、キャリア再結合効率の制限、振動子強度の低下、および赤方偏移放射を生じさせる。
【０００６】
ＧａＮ光電子素子における自発および圧電分極効果を排除する１つの手法は、結晶の非極性面上に素子を成長させることである。そのような面は、等しい数のＧａおよびＮ原子を含み、かつ電荷中立である。さらに、次の無極性層は、互いに等価であるので、バルク結晶が成長方向に沿って分極化されることはない。ＧａＮにおける対象等価の無極性面の２つのそのような族は、集合的にａ面として知られる｛１１−２０｝族、および集合的にｍ面として知られる｛１０−１０｝族である。残念なことに、窒化物業界の研究者によって進歩したにもかかわらず、高品質な無極性および半極性ＧａＮのヘテロエピタキシャル成長、および高性能な素子の製造には課題が残っており、ＩＩＩ族窒化物産業にはまだ広く採用されていない。他方では、高品質な無極性および半極性の自立型（ＦＳ）ＧａＮ基板上にホモエピタキシャル成長させる高性能な素子での成功にもかかわらず、基板面積が狭いために、ＩＩＩ族窒化物産業への広い採用を難しくしている。
【０００７】
他の分極の要因は、圧電分極である。これは、材料が圧縮または引張歪みを受ける時に生じるものであり、異なる組成物（したがって、異なる格子定数）の（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｂ）Ｎ層が窒化物へテロ構造で成長する時に生じ得る。例えば、ＧａＮテンプレート上の薄いＡｌＧａＮ層は、面内に引張歪みを有し、ＧａＮテンプレート上の薄いＩｎＧａＮ層は、面内に圧縮歪みを有することになるが、どちらもＧａＮへの格子整合に起因するものである。したがって、ＧａＮ上のＩｎＧａＮ量子井戸について、圧電分極は、ＩｎＧａＮおよびＧａＮの自発分極の方向とは反対の方向を示すことになる。ＧａＮに格子整合するＡｌＧａＮ層について、圧電分極は、ＡｌＧａＮおよびＧａＮの自発分極の方向と同じ方向を示すことになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ｃ面窒化物上で無極性または半極性の面を使用する利点は、全分極がゼロになる（無極性）か、または低減される（半極性）ことである。特定の面上、例えば半極性面上の特定の合金組成については、ゼロ分極であることもあり得る。本発明は、無極性および半極性の基板の増加した面積に対する必要性を満たす。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した従来技術の制限を克服し、かつ本明細書を読み取って理解した時に明らかとなる他の制限を克服するために、本発明は、複数のスライスおよび成長ステップを介して、大面積かつ高品質なＦＳ無極性および半極性窒化物基板を産生するための手法を説明する。１つの新規な特徴は、薄膜の成長ステップの成長方向を変化させることによって、無極性または半極性の基板の利用可能な表面積を幾何学的に増加させるステップを含む。
【００１０】
本発明は、増加した表面積を有する、無極性または半極性のＩＩＩ族窒化物基板を製作するための方法であって、（ａ）ＩＩＩ族窒化物をＦＳＩＩＩ族基板の第一面の上に成長させるステップであって、ＩＩＩ族窒化物は、無極性または半極性であり、第一面は、無極性または半極性の面であり、ＦＳＩＩＩ族基板は、５００ミクロンを超える代表的な厚さを有する、ステップと、（ｂ）第二面であるＩＩＩ族窒化物の頂面を得るように、第二面に沿ってＩＩＩ族窒化物をスライスまたは研磨するステップであって、ＩＩＩ族窒化物は、頂面を有するＩＩＩ族窒化物を含み、第二面は、無極性または半極性の面である、ステップとを含む方法を開示する。例えば、第一面は半極性の面であってもよく、第二面は無極性の面であってもよい。
【００１１】
一実施形態では、第一面は、ＦＳＩＩＩ族窒化物基板のスライス表面であり、スライス表面は、ｃ面に対して第一の角度にあり、かつＩＩＩ族窒化物の成長方向を決定し、スライス表面の幅は、第一の角度の正弦で割った第一の基板の厚さである。例えば、ＦＳＩＩＩ族窒化物基板は、ＦＳＩＩＩ窒化物から第一の角度でスライスされ、ＦＳＩＩＩ窒化物は、ｃ配向を有し、ｃ面は、ＦＳＩＩＩ族窒化物の表面である。別の実施形態では、ＩＩＩ族窒化物をスライスするか、または研磨するステップは、第一面に対して第二の角度にある。この場合、第一の角度と第二の角度との合計は、ＩＩＩ族窒化物基板の頂面の結晶配向を決定する。例えば、合計は、ｍ面配向を達成するように、９０度であってもよい。
【００１２】
さらに別の実施形態では、ＦＳＩＩＩ族窒化物基板上に積み重ねられたＩＩＩ族窒化物と、ＩＩＩ族窒化物およびＦＳＩＩＩ族窒化物基板を含む頂面とを含む、ＩＩＩ族窒化物基板を得るように、ＩＩＩ族窒化物およびＦＳＩＩＩ族窒化物を第二面に沿ってスライスする、または研磨する。
【００１３】
ＩＩＩ族窒化物の厚さは、市販のＩＩＩ族窒化物基板の厚さよりも厚くなり得る。
【００１４】
一般的に、第一面の表面積と比較して第二面の表面積を拡大するために、第二面は、ＦＳＩＩＩ族窒化物基板の第一面に対して実質的に非直角とすべきである。より具体的には、第二面が無極性の面となるよう選択された場合、成長方向は、ｃ面に対して直角である無極性の面の表面積と比較して、第二面の表面積を拡大するために、ｃ面に対して非直角とすべきである。計算は、第二面は、ｃ面に対して直角である無極性の面の表面積よりも少なくとも２ｈＭＡＸ２倍だけ大きくなり得、ｈＭＡＸ２は、ＩＩＩ族窒化物の厚さである。
【００１５】
本発明はさらに、当該方法を使用して製造される素子を開示する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
以下、同じ参照符号が対応する要素を示す、複数の図面を参照する。
【図１Ａ】図１（ａ）、１（ｂ）、１（ｃ）、１（ｄ）、１（ｅ）、１（ｆ）、および１（ｇ）は、ｃ面ＧａＮ（ＧａＮ−１）から開始して、半極性ＧａＮ（ＧａＮ−２，２’）を使用し、その結果として無極性ＦＳ基板（ＧａＮ−３）が得られる、２ステップのプロセスフローの一実施例を示す概略図であり、図中、角度θ１、θ２を最適化するための数値計算は、図３（ａ）〜（ｃ）によって示される。
【図１Ｂ】図１（ａ）、１（ｂ）、１（ｃ）、１（ｄ）、１（ｅ）、１（ｆ）、および１（ｇ）は、ｃ面ＧａＮ（ＧａＮ−１）から開始して、半極性ＧａＮ（ＧａＮ−２，２’）を使用し、その結果として無極性ＦＳ基板（ＧａＮ−３）が得られる、２ステップのプロセスフローの一実施例を示す概略図であり、図中、角度θ１、θ２を最適化するための数値計算は、図３（ａ）〜（ｃ）によって示される。
【図１Ｃ】図１（ａ）、１（ｂ）、１（ｃ）、１（ｄ）、１（ｅ）、１（ｆ）、および１（ｇ）は、ｃ面ＧａＮ（ＧａＮ−１）から開始して、半極性ＧａＮ（ＧａＮ−２，２’）を使用し、その結果として無極性ＦＳ基板（ＧａＮ−３）が得られる、２ステップのプロセスフローの一実施例を示す概略図であり、図中、角度θ１、θ２を最適化するための数値計算は、図３（ａ）〜（ｃ）によって示される。
【図１Ｄ】図１（ａ）、１（ｂ）、１（ｃ）、１（ｄ）、１（ｅ）、１（ｆ）、および１（ｇ）は、ｃ面ＧａＮ（ＧａＮ−１）から開始して、半極性ＧａＮ（ＧａＮ−２，２’）を使用し、その結果として無極性ＦＳ基板（ＧａＮ−３）が得られる、２ステップのプロセスフローの一実施例を示す概略図であり、図中、角度θ１、θ２を最適化するための数値計算は、図３（ａ）〜（ｃ）によって示される。
【図１Ｅ】図１（ａ）、１（ｂ）、１（ｃ）、１（ｄ）、１（ｅ）、１（ｆ）、および１（ｇ）は、ｃ面ＧａＮ（ＧａＮ−１）から開始して、半極性ＧａＮ（ＧａＮ−２，２’）を使用し、その結果として無極性ＦＳ基板（ＧａＮ−３）が得られる、２ステップのプロセスフローの一実施例を示す概略図であり、図中、角度θ１、θ２を最適化するための数値計算は、図３（ａ）〜（ｃ）によって示される。
【図１Ｆ】図１（ａ）、１（ｂ）、１（ｃ）、１（ｄ）、１（ｅ）、１（ｆ）、および１（ｇ）は、ｃ面ＧａＮ（ＧａＮ−１）から開始して、半極性ＧａＮ（ＧａＮ−２，２’）を使用し、その結果として無極性ＦＳ基板（ＧａＮ−３）が得られる、２ステップのプロセスフローの一実施例を示す概略図であり、図中、角度θ１、θ２を最適化するための数値計算は、図３（ａ）〜（ｃ）によって示される。
【図１Ｇ】図１（ａ）、１（ｂ）、１（ｃ）、１（ｄ）、１（ｅ）、１（ｆ）、および１（ｇ）は、ｃ面ＧａＮ（ＧａＮ−１）から開始して、半極性ＧａＮ（ＧａＮ−２，２’）を使用し、その結果として無極性ＦＳ基板（ＧａＮ−３）が得られる、２ステップのプロセスフローの一実施例を示す概略図であり、図中、角度θ１、θ２を最適化するための数値計算は、図３（ａ）〜（ｃ）によって示される。
【図２Ａ】図２（ａ）、２（ｂ）、２（ｃ）、２（ｄ）、２（ｅ）、２（ｆ）、および２（ｇ）は、ｃ面ＧａＮ（ＧａＮ−１）から開始して、半極性ＧａＮ（ＧａＮ−２，２’）を使用し、その結果として無極性ＦＳ基板（ＧａＮ−３）が得られる、２ステップのプロセスフローの別の実施例を示す概略図であり、図中、角度θ１、θ２を最適化するための数値計算は、図３（ｄ）によって示される。
【図２Ｂ】図２（ａ）、２（ｂ）、２（ｃ）、２（ｄ）、２（ｅ）、２（ｆ）、および２（ｇ）は、ｃ面ＧａＮ（ＧａＮ−１）から開始して、半極性ＧａＮ（ＧａＮ−２，２’）を使用し、その結果として無極性ＦＳ基板（ＧａＮ−３）が得られる、２ステップのプロセスフローの別の実施例を示す概略図であり、図中、角度θ１、θ２を最適化するための数値計算は、図３（ｄ）によって示される。
【図２Ｃ】図２（ａ）、２（ｂ）、２（ｃ）、２（ｄ）、２（ｅ）、２（ｆ）、および２（ｇ）は、ｃ面ＧａＮ（ＧａＮ−１）から開始して、半極性ＧａＮ（ＧａＮ−２，２’）を使用し、その結果として無極性ＦＳ基板（ＧａＮ−３）が得られる、２ステップのプロセスフローの別の実施例を示す概略図であり、図中、角度θ１、θ２を最適化するための数値計算は、図３（ｄ）によって示される。
【図２Ｄ】図２（ａ）、２（ｂ）、２（ｃ）、２（ｄ）、２（ｅ）、２（ｆ）、および２（ｇ）は、ｃ面ＧａＮ（ＧａＮ−１）から開始して、半極性ＧａＮ（ＧａＮ−２，２’）を使用し、その結果として無極性ＦＳ基板（ＧａＮ−３）が得られる、２ステップのプロセスフローの別の実施例を示す概略図であり、図中、角度θ１、θ２を最適化するための数値計算は、図３（ｄ）によって示される。
【図２Ｅ】図２（ａ）、２（ｂ）、２（ｃ）、２（ｄ）、２（ｅ）、２（ｆ）、および２（ｇ）は、ｃ面ＧａＮ（ＧａＮ−１）から開始して、半極性ＧａＮ（ＧａＮ−２，２’）を使用し、その結果として無極性ＦＳ基板（ＧａＮ−３）が得られる、２ステップのプロセスフローの別の実施例を示す概略図であり、図中、角度θ１、θ２を最適化するための数値計算は、図３（ｄ）によって示される。
【図２Ｆ】図２（ａ）、２（ｂ）、２（ｃ）、２（ｄ）、２（ｅ）、２（ｆ）、および２（ｇ）は、ｃ面ＧａＮ（ＧａＮ−１）から開始して、半極性ＧａＮ（ＧａＮ−２，２’）を使用し、その結果として無極性ＦＳ基板（ＧａＮ−３）が得られる、２ステップのプロセスフローの別の実施例を示す概略図であり、図中、角度θ１、θ２を最適化するための数値計算は、図３（ｄ）によって示される。
【図２Ｇ】図２（ａ）、２（ｂ）、２（ｃ）、２（ｄ）、２（ｅ）、２（ｆ）、および２（ｇ）は、ｃ面ＧａＮ（ＧａＮ−１）から開始して、半極性ＧａＮ（ＧａＮ−２，２’）を使用し、その結果として無極性ＦＳ基板（ＧａＮ−３）が得られる、２ステップのプロセスフローの別の実施例を示す概略図であり、図中、角度θ１、θ２を最適化するための数値計算は、図３（ｄ）によって示される。
【図３Ａ】図３（ａ）は、ｎの関数として、基底面に対する半極性面｛１０−１ｎ｝の計算角度θ（度）をプロットした図であり、図中、ｎ＝１、２、３、４、および５に対して、それぞれ、θ＝６１．９４３４度、４３．１７１５度、３２．０２２６度、２５．１２９５度、および２０．５６８６度である。
【図３Ｂ】図３（ｂ）は、ｎの関数として、実施例１について、ミリメートル（ｍｍ）を単位にしてｈ２ｈおよびｈ２ｗをプロットした図である。
【図３Ｃ】図３（ｃ）は、ｍｍを単位にしてｈ２をプロットした図であり、図中、ｎの関数として、ｈ２Ｈ≦ｈ２Ｗならばｈ２＝ｈ２Ｈであり、ｈ２Ｈ＞ｈ２Ｗならばｈ２＝ｈ２Ｗである。
【図３Ｄ】図３（ｄ）は、ｎの関数として、実施例２について、ｍｍを単位にして試料の幅ｈ２をプロットした図であり、図中、ｎ＝１、２、３、および４に対して、それぞれ、ｈ２＝７．３５１７２ｍｍ、８．６４６５５ｍｍ、９．２３９２ｍｍ、および９．５２６７５ｍｍである。
【図４】図４は、本発明の方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下の発明を実施するための最良の形態では、本発明の一部を形成し、本発明を実施することが可能な特定の実施形態を図示するために示される添付図面を参照する。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態が用いられてもよく、また、構造的な変更が行われてもよいことを理解されたい。
【００１８】
（概要）
従来、窒化物膜は、直径２インチ（約５０．８ｍｍ）の基板上でｃ方向に成長させられる。まだＧａＮのバルク結晶を利用することができないので、以降の素子再成長のために、単純に結晶を切断して、任意の大きい表面を提供することは不可能である。現在、市販のＦＳ  ＧａＮ基板は、ＨＶＰＥによってｃ方向に向かって成長させた厚膜からスライスされる断片である。ｃ面ＧａＮ厚膜の場合、スライス角度は、任意に選択した結晶面、すなわち、水平（ｃ面）、垂直（無極性面）、または基板表面に対する角度（半極性面）に応じて異なる。したがって、ＦＳ無極性または半極性のＧａＮ基板の基板面積は、成長させる結晶のｃ方向の厚さによって制限される。
【００１９】
無極性および半極性の窒化物半導体の成長、例えばＧａＮの｛１０−１０｝および｛１１−２０｝（それぞれ、無極性のｍ面およびａ面）、および｛１０−１１｝｛１０−１３｝、および｛１１−２２｝（半極性）面は、ウルツ鉱型構造のＩＩＩ族窒化物素子構造における分極効果を低減する手段を提供する。現在の窒化物素子は、極性［０００１］ｃ方向に成長させられるので、［０００１］ｃ方向に沿って量子井戸内に電荷分離が生じる。結果として生じる分極場は、現在の最先端の技術である光電子素子の性能に不利益である。無極性または半極性方向に沿ったこれらの素子の成長は、伝導方向に沿った内蔵電場を低減することによって、素子の性能を大幅に向上させ得る。
【００２０】
これまで、素子の成長における基板としての使用に好適な無極性および半極性の窒化物の、大面積かつ高品質なＦＳ  ＧａＮ基板を作製することに対して、いかなる手段も存在しなかった。本発明の新規な特徴は、ブール（ｂｏｕｌｅ）からスライスされた無極性および半極性ＦＳ窒化物基板の面積を増加させる、複数の成長ステップを伴う新しい幾何学的方法である。「ブール」という用語は、本発明を使用してその面積を拡大させた、最終的な結晶面以外の結晶方向に成長したバルク結晶を指す。例えば、本発明は、ＧａＮ基板のＦＳ｛１０−１０｝、｛１１−２０｝、｛１０−１１｝、｛１０−１３｝、および｛１１−２２｝面の拡張を説明する。しかしながら、本発明の範囲は、単にこれらの実施例だけに限定されない。本発明は、全ての窒化物の無極性および半極性の面に関する。
【００２１】
（技術的説明）
本発明は、ＦＳ  ＧａＮ基板の表面積を幾何学的に拡大するために、厚いＧａＮ成長の種々の成長方向（結晶面）と、その後のスライス角度とを組み合わせる。最終的な結晶面の表面積を拡大するために、事前の基板表面に対して非直角である、異なる成長方向を伴う複数の成長ステップを利用することは、半導体成長においては極めてまれである。
【００２２】
本発明は、図１（ａ）〜（ｇ）および図２（ａ）〜（ｇ）に示される実施例について、推定される面積増大を計算する。どちらの事例も、２ステップの成長／スライスプロセスを取り扱い、異種基板１０２上で欠陥低減したｃ面ＧａＮ成長（ＧａＮ−１）１００から始まり、半極性ＧａＮ成長（ＧａＮ−２、２’）１０６、１０８を経由して、ＦＳ無極性ＧａＮ（ＧａＮ−３）１０４の最終的な寸法を拡大する。
【００２３】
図１（ａ）〜（ｇ）および図２（ａ）〜（ｇ）は、増加した表面積を有する、無極性または半極性のＩＩＩ族窒化物基板１０４を製造するための方法を示しており、（ａ）ＩＩＩ族窒化物１０８を自立型（ＦＳ）ＩＩＩ族基板１０６の第一面１１０の上に成長させるステップであって、ＩＩＩ族窒化物１０８は、無極性または半極性であり、第一面１１０は、無極性または半極性の面であり、ＦＳＩＩＩ族基板１０６は、一般的に５００ミクロンを超える厚さｈＳ（しかし、他の厚さｈＳも可能である）を有する、ステップと、（ｂ）第二面１１２であるＩＩＩ族窒化物１０８の頂面を得るために、第二面１１２に沿ってＩＩＩ族窒化物１０８をスライスまたは研磨するステップであって、ＩＩＩ族窒化物基板１０４は、頂面を有するＩＩＩ族窒化物１０８を備え、第二面１１２は、無極性または半極性の面である、ステップとを含む。
【００２４】
一実施形態では、無極性または半極性の面１１０は、ＦＳＩＩＩ族基板１０６のスライス表面１１４であり、スライス表面１１４は、１つ以上のｃ面１１６ａ、１１６ｂに対して第一の角度θ１であり、かつ無極性または半極性のＩＩＩ族窒化物１０８の成長方向１１８（すなわち、例えば半極性方向、ｍ方向、またはａ方向）を決定し、スライス面１１４の幅ｈ１は、第一の角度θ１の正弦で割ったＦＳＩＩＩ族窒化物基板１０６の厚さｈＭＡＸ１である。ＦＳＩＩＩ族窒化物基板１０６は、ＦＳＩＩＩ族窒化物１００から第一の角度θ１でスライスされる場合もあり、ＦＳＩＩＩ族窒化物１００は、ｃ配向を有し、ｃ面１１６ａ、１１６ｂは、ＦＳＩＩＩ族窒化物１００の表面１２０ａ、１２０ｂである。
【００２５】
別の実施形態では、無極性または半極性のＩＩＩ族窒化物１０８のスライスまたは研磨は、ＦＳＩＩＩ族窒化物基板１０６の無極性または半極性面１１０に対して第二の角度θ２である。
【００２６】
さらに別の実施形態では、ＦＳＩＩＩ族窒化物基板１０６上に積み重ねられたＩＩＩ族窒化物１０８と、ＩＩＩ族窒化物１０８およびＦＳＩＩＩ族窒化物基板１０６を含む頂面と、を含む、ＩＩＩ族窒化物基板１０４を得るように、第二面１１２に沿ってＩＩＩ族窒化物１０８およびＦＳＩＩＩ族窒化物基板１０６をスライスする。
【００２７】
一般的に、第二面１１２は、第一の面１１０の表面積と比較して、第二面１１２の表面積を拡大するために、ＦＳＩＩＩ族窒化物基板１０６の第一面１１０に対して実質的に非直角とすべきである。より具体的には、第二面１１２が無極性面となるように選択された場合、成長方向１１８は、ｃ面１１６ｂ、１１６ａに対して直角である無極性面１２２の表面積と比較して、第二面１１２の表面積を拡大するために、ｃ面１１６ｂ、１１６ａに対して実質的に非直角である。実際に、後者の場合、計算では、第二面１１２が、ｃ面１１６ａ、１１６ｂに対して直角である無極性面１２２の表面積よりも２ｈＭＡＸ２倍大きい表面積を有し得ることを示している（ｈＭＡＸ２は、半極性ＩＩＩ族窒化物１０８の厚さである）。
【００２８】
（実施例１）
図１（ａ）〜（ｇ）は、本発明の好適な実施形態によるプロセスステップを示している。これらのプロセスステップは、以下を含む。
【００２９】
１．図１（ａ）に示されているように、基板１０２上で、ｃ面ＧａＮ成長（ＧａＮ−１）１００を、ｈＭＡＸ１の厚さまで厚くする。ここで、Φは、ＧａＮ−１ウエハ１００の直径、２インチ（約５０．８ｍｍ）である。
【００３０】
２．図１（ｂ）に示されているように、ｃ面ＧａＮ−１  １００の厚さｈＭＡＸ１を残して、基板１０２を取り除く。
【００３１】
３．図１（ｃ）に示されているように、表面１１４を有するスライス半極性基板ＧａＮ−２  １０６を形成するように、ｃ面ＧａＮ−１  １００から、半極性面１１０に沿って角度θ１で膜１２４をスライスする。これは、スライス半極性基板ＧａＮ−２  １０６の上面図である図１（ｄ）に示されているように、幅がｈ１＝ｈＭＡＸ１／ｓｉｎθ１である半極性面１１０である。
【００３２】
４．図１（ｅ）に示されているように、半極性成長ＧａＮ−２’１０８を形成するように、ＧａＮ−２  １０６の表面１１４上に厚さｈＭＡＸ２の半極性ＧａＮを成長させる（すなわち、半極性方向１１８に成長させて、ＧａＮ１０８の頂面１２６ａおよび底面１２６ｂを達成する。ここで、表面１２６ａ、１２６ｂは、半極性面１１０に平行な半極性面である）。
【００３３】
５．図１（ｆ）に示されているように、半極性面１１２に沿って角度θ２で半極性ＧａＮ成長ＧａＮ−２’１０８をスライスし、結果として、スライス基板ＧａＮ−３  １０４の上面図である図１（ｇ）に示されているように、スライス基板ＧａＮ−３  １０４を得る。スライス基板ＧａＮ−３  １０４は、ｈ２＝ｈＭＡＸ２／ｓｉｎθ２の幅を有する無極性面１１２である、頂面１２８を有する。
【００３４】
図１（ａ）〜（ｇ）は、図１（ｃ）に示されている半極性ＦＳ基板１０６の厚さｈＳが、市販の基板の通常の範囲内で、一般的に２５０〜４００μｍである時の事例を説明している。この場合、面積拡大は、ｈＭＡＸ２のおよそ２倍になるものと予想される。例えば、無極性面１１２である表面１２８の面積は、無極性面１２２の面積よりも２ＭＡＸ２倍大きいが、無極性面１２２は、ＧａＮ−１  １００を角度θ１でスライスし、ＧａＮ−２  １０６の表面１１４上に成長させ、角度θ２でＧａＮ−２  １０８をスライスすることによって作製しなかった、表面１３０である。
【００３５】
数値計算は、ｈＭＡＸ１＝ｈＭＡＸ２＝５ｍｍで、第一のスライス角度θ１が、＜０００１＞ｃ方向（すなわち、ｎ〜２）に向かってわずかなミスカットを伴う｛１０−１１｝半極性面１１２として選択され、ｎが｛１０−１ｎ｝で表される半極性面のミラー定数である時に、ＦＳ無極性ＧａＮ１０４の最大幅ｈ２が、約８ｍｍであることを明らかにした。
【００３６】
（実施例２）
図２（ａ）〜（ｇ）も同様に、本発明の好適な実施形態によるプロセスステップを示している。これらのプロセスステップは、
１．図２（ａ）に示されているように、基板１０２上で、ｃ面ＧａＮ成長（ＧａＮ−１）１００を、ｈＭＡＸ１の厚さまで厚くする。
【００３７】
２．図２（ｂ）に示されているように、ｃ面ＧａＮ−１  １００の厚さｈＭＡＸ１を残して、基板１０２を取り除く。
【００３８】
３．図２（ｃ）に示されているように、表面１１４を有するスライス半極性基板ＧａＮ−２  １０６を形成するように、ｃ面ＧａＮ−１  １００から、半極性面１１０に沿って角度θ１で膜１２４をスライスする。これは、スライス半極性基板ＧａＮ−２  １０６の上面図である図２（ｄ）に示されているように、幅がｈ１＝ｈＭＡＸ１／ｓｉｎθ１である半極性面１１０である。スライス半極性基板ＧａＮ−２  １０６は、高さｈＳを有する。
【００３９】
４．図２（ｅ）に示されているように、半極性成長ＧａＮ−２’１０８を形成するように、ＧａＮ−２  １０６の（半極性面１１０である）表面１１４上に厚さｈＭＡＸ２の半極性ＧａＮを成長させる（半極性方向１１８に沿って成長させて、半極性面１１０に対して平行な半極性面である頂面１２６ａを達成する）。
【００４０】
５．図２（ｆ）に示されているように、半極性面１１２に沿って角度θ２で半極性ＧａＮ成長ＧａＮ−２’１０８およびＧａＮ−２  １０６をスライスし、結果として、スライス基板ＧａＮ−３  １０４の上面図である図２（ｇ）に示されているように、スライス基板ＧａＮ−３  １０４を得る。スライス基板ＧａＮ−３  １０４は、次式で表される幅を有する無極性面１１２である、上面１２８を有する。
【００４１】
ｈ２＝（ｈＭＡＸ２＋ｈＳ）／ｓｉｎθ２
図２（ａ）〜（ｇ）は、図２（ｃ）に示されている半極性ＦＳ基板１０６の厚さｈＳが、上記の図１（ｃ）に示されている半極性ＦＳ基板１０６の厚さｈＳよりも厚くなり、よって、図２（ｇ）に示されている無極性ＧａＮ１０４最終的な寸法（すなわち、表面１２８の面積）が、図１（ｇ）に示されている表面１２８の面積よりも大きくなる時の事例を説明している。実施例２の数値計算（下記参照）は、図２（ａ）〜（ｇ）の場合のＦＳ無極性ＧａＮ１０４の最大幅ｈ２が、ｈＭＡＸ１＝ｈＭＡＸ２＝５ｍｍである時に、約９ｍｍとなり、商業的な素子製造に十分な幅の広さであることを明らかにした。図２（ｇ）には、ＧａＮ１０６とＧａＮ１０８との間のホモエピタキシャル界面１３０も示されている。
【００４２】
本発明に最も好都合な成長方法は、ＨＶＰＥであるが、これは、ｍｍ厚に成長中の貫通転位（ＴＤ）の消滅により、成長方向がｃ方向に向かう時に積み重ね欠陥を生じることなく、低ＴＤ密度（〜１０６ｃｍ−２）で結晶を産生することが証明されている。
【００４３】
本発明は、図１（ａ）〜（ｇ）および図２（ａ）〜（ｇ）に示されている実施例に限定されない。他の半極性面が関与する追加的な成長ステップにより、最終的な結晶面１１２の寸法がさらに拡大するであろう。無極性方向１１８に沿った成長１０８、１０６が無極性である場合、表面１１４、１２６ａ、１２６ｂは、無極性である。サファイア基板１０２は、図２（ｃ）のスライスステップの前に取り除いてもよいが、ＦＳ−ＧａＮ基板１０６は、図２（ｆ）のスライスステップの前に取り除かない。
【００４４】
（θ１およびθ２を最適化するための数値計算）
図３（ａ）は、ｎの関数として、半極性面｛１０−１ｎ｝の計算角度θをプロットし図であり、スライス角度θ１は、選択した半極性面１１０に対するθとなるように選択され、θは、ＧａＮ−１  １００のｃ面１１６ｂである基底面に対する角度であり、次式で表される（基底面とは、正方晶または六方晶構造において、主軸に対して垂直な面である）。
【００４５】
【数１】
2010539732.tif 000003
図３（ｂ）は、ｈ２Ｈ＝ｈＭＡＸ２／ｓｉｎθ２またはｈ２Ｗ＝ｈ１／ｃｏｓθ２、θ１＝θ、ｈ１＝ｈＭＡＸ１／ｓｉｎθ１、およびθ２＝９０°−θ１を用いて、ｎの関数として、実施例１についてｈ２Ｈおよびｈ２Ｗをプロットした図である。図３（ｃ）は、ｈ２をプロットした図であり、ｈ２Ｈ≦ｈ２Ｗならばｈ２＝ｈ２Ｈであり、ｈ２Ｈ＞ｈ２Ｗならばｈ２＝ｈ２Ｗである。
【００４６】
図３（ｄ）は、実施例２について試料の幅ｈ２をｍｍでプロットした図であり、ｈＳＭＡＸ＝ｈＭＡＸ１ｃｏｓθ−ｈＭＡＸ１ｓｉｎ２θ、およびｈ２＝（ｈＳＭＡＸ＋ｈＭＡＸ２）／ｓｉｎ（９０−θ）である。
【００４７】
（プロセスステップ）
図４は、本発明の方法を示すフローチャートである。ＦＳ  ＧａＮの面積拡大について、ブロック１３２に示されているように、軸上のｃ面（０００１）ＧａＮ１００の厚膜を、基板１０２上に最初に成長させる。ブロック１３４に示されているように、軸上またはミスカットのＦＳ半極性ＧａＮ基板１０６を、角度θ１でｃ−ＧａＮ厚膜１００からスライスし、次いで、ブロック１３６に示されているように、半極性面成長のために研磨する。次に、ブロック１３８に示されているように、半極性ＧａＮ１０８の厚膜を、上述したＦＳ半極性ＧａＮ基板１０６上に成長させる。ブロック１４０に示されているように、軸上またはミスカットのＦＳ無極性ＧａＮ基板１０４を、（本ステップでｍ面を産生し、θ１＋θ２＝９０°を満たすように）角度θ２で半極性ＧａＮ厚膜１０８（または１０８および１０６）からスライスし、次いで、ブロック１４２に示されているように、研磨してエピレディ表面１２８を生じさせる。ブロック１４４は、拡大した表面積１２８を伴う、無極性ＩＩＩ族窒化物基板１０４である、本方法の結果を示す。ここではｃ面ＧａＮ  １００を出発膜として選択したが、出発膜１００については他の結晶面１１６ａも可能である。このような事例では、成長／スライス／研磨シーケンスのプロセス繰り返し数、およびスライスステップの角度（例えば、θ１、θ２）を、表面１２８の所望の結晶配向１４６に応じて、適宜に変えなければならない。例えば、適宜に選択したθ１、θ２によって、ブロック１３８は、無極性ＧａＮ成長に関与し得、ブロック１４０は、半極性基板のスライスに関与し得る。したがって、第一の角度θ１および第二の角度θ２の合計は、頂面１２８の結晶配向１４６を決定し得る。厚さ１４８を有するＩＩＩ族窒化物１０４は、ＩＩＩ族窒化物１０６、１０８からスライスしてＦＳ基板とすることができる。
【００４８】
（可能な修正および変更）
本発明の範囲は、上記に列記した特定の実施例だけを網羅するものではない。本発明は、全ての窒化物に関連する。例えば、本発明は、欠陥密度を低減した、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、またはＡｌＩｎＮ  ＦＳ基板の面積を拡大し得る。それでも、これらの実施例および他の可能性は、本発明の利益の全てを受ける。
【００４９】
上述したプロセスステップは、単に、本発明をＦＳ  ＧａＮの幾何学的な面積拡大に適用する１つの方法について有用となることが予想される、一連の条件を説明したに過ぎない。最終的な非ｃ面の面積１２８を効果的に拡大し得る、他の可能なスライス角度が存在する。また、複数の結晶面に複数の成長ステップを用いて、最終的な結晶面１２８の面積拡大を達成することも可能であり、その全てが、大面積かつ欠陥を低減した無極性または半極性のＦＳ  ＧａＮ基板１０４を生成することになる。例えば、ｎ型層、ｐ型層、レーザー、発光ダイオード、またはトランジスタ活性層等の、無極性または半極性の素子層を、基板１０４の表面１２８上に成長させることができる。
【００５０】
無極性または半極性ＩＩＩ族窒化物１０８の厚さｈＭＡＸ２は、市販のＩＩＩ族窒化物基板の厚さよりも厚くすることができる。
【００５１】
（結び）
本節は、本発明の好適な実施形態の説明を結ぶものである。本発明の１つ以上の実施形態の上述の説明は、図解および説明のために示したものである。本記述は、本発明を完全なものとすること、または開示された精密な形態に限定することを意図するものではない。上述の教示を考慮すれば、多数の修正および変更が可能である。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、むしろ本明細書に添付された請求項によって限定されることを意図する。
【図１Ａ】
2010539732.tif 000004
【図１Ｂ】
2010539732.tif 000005
【図１Ｃ】
2010539732.tif 000006
【図１Ｄ】
2010539732.tif 000007
【図１Ｅ】
2010539732.tif 000008
【図１Ｆ】
2010539732.tif 000009
【図１Ｇ】
2010539732.tif 000010
【図２Ａ】
2010539732.tif 000011
【図２Ｂ】
2010539732.tif 000012
【図２Ｃ】
2010539732.tif 000013
【図２Ｄ】
2010539732.tif 000014
【図２Ｅ】
2010539732.tif 000015
【図２Ｆ】
2010539732.tif 000016
【図２Ｇ】
2010539732.tif 000017
【図３Ａ】
2010539732.tif 000018
【図３Ｂ】
2010539732.tif 000019
【図３Ｃ】
2010539732.tif 000020
【図３Ｄ】
2010539732.tif 000021
【図４】
2010539732.tif 000022
【国際調査報告】
2010539732.tif 000023