(57)【要約】表面のアンジュレーションを抑制するために、基板のミスカット角の上に成長した無極性ＩＩＩ族窒化物薄膜が提供される。該薄膜の表面モフォロジーは、α軸方向に向いたミスカット角によって改善され、該ミスカット角は、該α軸方向に向いた０．１５°以上のミスカット角と、該α軸方向に向いた３０°未満のミスカット角とを含む。一実施形態において、該ミスカット角は、該薄膜の上部表面上の１つ以上のアンジュレーションのステップ高さの二乗平均平方根（ＲＭＳ）が、１０００マイクロメートルの長さにわたって５０ｎｍ以下であるような角度であり、また該ミスカット角は、該薄膜の上部表面上の１つ以上のアンジュレーションのステップ高さの最大が、１０００マイクロメートルの長さにわたって６１ｎｍ以下であるような角度である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板のミスカット上に成長した無極性ＩＩＩ族窒化物薄膜であって、
該薄膜の上部表面は、無極性平面であり、
該ミスカットは、該基板の結晶面に関してミスカット角で傾けられた該基板の表面である、
薄膜。
【請求項２】
前記結晶面は、ｍ平面であり、
前記無極性ＩＩＩ族窒化物薄膜は、ｍ平面であり、
前記ミスカット角は、ａ軸方向に向き、該ａ軸方向に向いた０．１５°以上のミスカット角と、該ａ軸方向に向いた３０°未満のミスカット角とを含む、
請求項１に記載の薄膜。
【請求項３】
前記ミスカット角は、０．１５°以上である、請求項１に記載の薄膜。
【請求項４】
前記上部表面は、原子的に平滑またはプレーナである、請求項１に記載の薄膜。
【請求項５】
前記ミスカット角は、前記上部表面上の１つ以上のアンジュレーションのステップ高さの二乗平均平方根（ＲＭＳ）が１０００マイクロメートルの長さにわたって５０ｎｍ以下であるような角度である、請求項１に記載の薄膜。
【請求項６】
前記ミスカット角は、前記上部表面上の１つ以上のアンジュレーションのステップ高さの最大が１０００マイクロメートルの長さにわたって６１ｎｍ以下であるような角度である、請求項１に記載の薄膜。
【請求項７】
前記アンジュレーションは、ファセット化されたピラミッド形を備える、請求項６に記載の薄膜。
【請求項８】
前記結晶面は、無極性平面である、請求項１に記載の薄膜。
【請求項９】
前記ミスカット角は、前記薄膜が無極性であるように、十分に小さい、請求項１に記載の薄膜。
【請求項１０】
前記ミスカット角は、前記上部表面と、該上部表面上に堆積された１つ以上の層の１つ以上の表面とが量子井戸界面またはヘテロ接合界面に対して十分に平滑であるような角度である、請求項１に記載の薄膜。
【請求項１１】
前記薄膜は、基板またはテンプレートであり、前記上部表面は、デバイスクオリティの（Ａｌ，Ｂ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層のその後の該上部表面上での成長に適している、請求項１に記載の薄膜。
【請求項１２】
請求項１に記載の薄膜を用いて製作されたデバイス。
【請求項１３】
無極性ＩＩＩ族窒化物薄膜を成長させるための方法であって、
（ａ）基板のミスカット上に無極性ＩＩＩ族窒化物薄膜を成長させることであって、
該薄膜の上部表面は、無極性平面であり、
該ミスカットは、該基板の結晶面に関してミスカット角で傾けられた該基板の表面である、こと
を包含する、方法。
【請求項１４】
前記結晶面は、ｍ平面であり、
前記無極性ＩＩＩ族窒化物薄膜は、ｍ平面であり、
前記ミスカット角は、ａ軸方向に向き、該ａ軸方向に向いた０．１５°以上のミスカット角と、該ａ軸方向に向いた３０°未満のミスカット角とを含む、
請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ミスカット角は、０．１５°以上である、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記上部表面は、原子的に平滑またはプレーナである、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記ミスカット角は、前記上部表面上の１つ以上のアンジュレーションのステップ高さの二乗平均平方根（ＲＭＳ）が１０００マイクロメートルの長さにわたって５０ｎｍ以下であるような角度である、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記ミスカット角は、前記上部表面上の１つ以上のアンジュレーションのステップ高さの最大が１０００マイクロメートルの長さにわたって６１ｎｍ以下であるような角度である、請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記アンジュレーションは、ファセット化されたピラミッド形を備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記結晶面は、無極性平面である、請求項１３に記載の方法。
【請求項２１】
前記ミスカット角は、前記薄膜が無極性であるように、十分に小さい、請求項１３に記載の方法。
【請求項２２】
前記ミスカット角は、前記上部表面と、該上部表面上に堆積された１つ以上の層の１つ以上の表面とが量子井戸界面またはヘテロ接合界面に対して十分に平滑であるような角度である、請求項１３に記載の方法。
【請求項２３】
前記薄膜は、基板またはテンプレートであり、前記上部表面は、デバイスクオリティの（Ａｌ，Ｂ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層のその後の該上部表面上での成長に適している、請求項１３に記載の方法。
【請求項２４】
請求項１３に記載の方法を用いて製作された無極性ＩＩＩ族窒化物薄膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本出願は、同時係属中であり、そして同一人に譲渡された次の米国仮特許出願の利益を米国特許法第１１９条（ｅ）に基づいて主張するものである。該米国仮特許出願とは、Ａｓａｋｏ  Ｈｉｒａｉ、Ｚｈｏｎｇｙｕａｎ  Ｊｉａ、Ｍａｋｏｔｏ  Ｓａｉｔｏ、Ｈｉｓａｓｈｉ  Ｙａｍａｄａ、Ｋｅｎｊｉ  Ｉｓｏ、Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｓｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＪａｍｅｓ  Ｓ．Ｓｐｅｃｋによって２００７年６月１５日に出願された米国仮特許出願第６０／９４４，２０６号、発明の名称は「ＰＬＡＮＡＲ  ＮＯＮＰＯＬＡＲ  ｍ−ＰＬＡＮＥ  ＧＲＯＵＰ  ＩＩＩ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＦＩＬＭＳ  ＧＲＯＷＮ  ＯＮ  ＭＩＳＣＵＴ  ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ」、代理人整理番号３０７９４．２３８−ＵＳ−Ｐ１（２００７−６７４）であり、該出願は、参考として本明細書中に援用される。
【０００２】
上記出願は、以下の同時係属中であり、そして同一人に譲渡された米国特許出願と関連している。
【０００３】
Ｈｉｓａｓｈｉ  Ｙａｍａｄａ、Ｋｅｎｊｉ  Ｉｓｏ、およびＳｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａによって２００７年８月８日に出願された米国仮出願第６０／９５４，７７０号、発明の名称は「ＮＯＮＰＯＬＡＲ  ＩＩＩ−ＮＩＴＲＩＤＥ  ＬＩＧＨＴ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ  ＤＩＯＤＥＳ  ＷＩＴＨ  ＬＯＮＧ  ＷＡＶＥＬＥＮＧＴＨ  ＥＭＩＳＳＩＯＮ」、代理人整理番号３０７９４．２４７−ＵＳ−Ｐ１（２００８−０６３）。
【０００４】
Ｈｉｓａｓｈｉ  Ｙａｍａｄａ、Ｋｅｎｊｉ  Ｉｓｏ、Ｍａｋｏｔｏ  Ｓａｉｔｏ、Ａｓａｋｏ  Ｈｉｒａｉ、Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｊａｍｅｓ  Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、およびＳｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａによって２００７年８月８日に出願された米国仮出願第６０／９５４，７６７号、発明の名称は「ＩＩＩ−ＮＩＴＲＩＤＥ  ＦＩＬＭＳ  ＧＲＯＷＮ  ＯＮ  ＭＩＳＣＵＴ  ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ」、代理人整理番号３０７９４．２４８−ＵＳ−Ｐ１（２００８−０６２）。
【０００５】
Ｋｅｎｊｉ  Ｉｓｏ、Ｈｉｓａｓｈｉ  Ｙａｍａｄａ、Ｍａｋｏｔｏ  Ｓａｉｔｏ、Ａｓａｋｏ  Ｈｉｒａｉ、Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｊａｍｅｓ  Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、およびＳｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａによって２００７年８月８日に出願された米国仮出願第６０／９５４，７４４号、発明の名称は「ＰＬＡＮＡＲ  ＮＯＮＰＯＬＡＲ  Ｍ−ＰＬＡＮＥ  ＧＲＯＵＰ  ＩＩＩ−ＮＩＴＲＩＤＥ  ＦＩＬＭＳ  ＧＲＯＷＮ  ＯＮ  ＭＩＳＣＵＴ  ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ」、代理人整理番号３０７９４．２４９−ＵＳ−Ｐ１（２００８−００４）。
【０００６】
上記出願は、参考として本明細書中に援用される。
【０００７】
（１．発明の分野）
本発明は、無極性ｍ平面のプレーナ薄膜の成長技術に関し、より具体的には、何らの表面アンジュレーション（ｕｎｄｕｌａｔｉｏｎ）のない原子的に平滑なｍ−ＧａＮ薄膜の成長技術に関する。
【背景技術】
【０００８】
（２．従来技術の説明）
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結合させた、窒化ガリウムの三元化合物および四元化合物（ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ）の有用性は、可視光および紫外線の光電子デバイスおよび高出力電子デバイスの製作に対して十分に確立されてきた。これらの化合物は、ＩＩＩ族窒化物またはＩＩＩ族（ＩＩＩ−）窒化物または単に窒化物として、あるいは（Ａｌ，Ｂ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎという用語によって本明細書中に表されている。これらの化合物から作られるデバイスは、一般に、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、および水素化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）を含む成長技術を用いて、エピタキシャルに成長させられる。
【０００９】
ＧａＮおよびその合金は、六角形のウルツ鉱型結晶構造において最も安定しており、該結晶における該構造は、２つ（または３つ）の等価な底面軸によって表現され、該底面軸は、互い（ａ軸）に関して１２０°回転されており、該底面軸のすべてが一意の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軸に沿って交互のｃ平面を占有する。ウルツ鉱型構造に含まれている対称性要素は、ＩＩＩ族窒化物がこのｃ軸に沿ってバルクの自発分極を有することに影響し、ウルツ鉱型構造は、圧電性分極を示す。
【００１０】
電子デバイスおよび光電子デバイスに対する現行の窒化物技術は、極性のｃ方向に沿って成長した窒化物薄膜を利用する。しかしながら、従来のＩＩＩ族窒化物ベースの光電子デバイスおよび電子デバイス内のｃ平面量子井戸構造は、強い圧電性分極および自発分極の存在に起因する望ましくない量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）をこうむる。ｃ方向に沿った強い固有の電場が、電子とホールとの空間的分離を引き起こし、このことは次いで、制限されたキャリア再結合効率、低減された発振器強度、および赤方偏移された放出を起こす。
【００１１】
ＧａＮの光電子デバイス内の自発分極および圧電性分極の効果を取り除く１つのアプローチは、デバイスを結晶の無極性平面上に成長させることである。そのような平面は、同じ数のＧａ原子とＮ原子とを含んでおり、電荷が中性である。さらに、その後の無極性の層が互いに等価なので、バルク結晶が成長方向に沿って分極化されない。ＧａＮにおける対称性等価の（ｓｙｍｍｅｔｒｙ−ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ）無極性平面の２つのそのようなファミリーは、ａ平面として総称的に公知の｛１１−２０｝ファミリー、およびｍ平面として総称的に公知の｛１−１００｝ファミリーである。
【００１２】
分極の他の原因は、圧電性分極である。これは、異なる組成（それゆえ、種々の格子定数）の（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ層が、窒化物ヘテロ構造内で成長するときに起こり得るような、材料が圧縮ひずみまたは伸張ひずみを経験するときに起こる。例えば、ＧａＮテンプレート上の薄いＡｌＧａＮ層は、平面内（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）の伸張ひずみを有し、そしてＧａＮテンプレート上の薄いＩｎＧａＮ層は、平面内の圧縮ひずみを有しており、両方ともＧａＮに格子整合することに起因する。従って、ＧａＮ上のＩｎＧａＮ量子井戸に対して、圧電性分極は、ＩｎＧａＮおよびＧａＮの自発分極の方向と比べて逆の方向を向く。ＧａＮに格子整合したＡｌＧａＮ層に対して、圧電性分極は、ＡｌＧａＮおよびＧａＮの自発分極の方向と同じ方向を向く。
【００１３】
ｃ平面窒化物の上で無極性平面を用いる利点は、全体の分極が低減されることである。特定の平面上の特定の合金組成に対しては、ゼロの分極でさえも存在し得る。そのようなシナリオは、将来の科学論文において詳細に論じられる。重要な論点は、分極がｃ平面窒化物構造のそれに比べて低減されることである。
【００１４】
無極性ｍ平面ＧａＮ上の高性能光電子デバイスは実現されているが、ｍ平面無極性ＧａＮに対して平滑な表面を取得することが困難であることは公知である。ｍ平面ＧａＮ表面は一般に、ファセットというよりも巨視的な表面アンジュレーションによって被覆されている。表面アンジュレーションは有害である。なぜならば、表面アンジュレーションは、例えば、量子構造におけるファセットの形成をもたらし、そして結晶のファセットに依存する合金原子またはドーパントの不均質な結合などをもたらすからである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、無極性ｍ平面窒化物のプレーナ薄膜の成長技術を記載する。例えば、何らの表面アンジュレーションのない原子的に平滑なｍ−ＧａＮ薄膜が、本発明を用いて実証されている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
（発明の概要）
本発明は、何らの巨視的な表面アンジュレーションがない原子的に平滑な表面を有する、プレーナ無極性ＩＩＩ族窒化物薄膜を成長させるための方法を開示し、該方法は、該無極性ＩＩＩ族窒化物薄膜が成長する基板のミスカット（ｍｉｓｃｕｔ）角を選択することによって、該無極性ＩＩＩ族窒化物薄膜の該表面アンジュレーションを抑制する。該ミスカット角は、ａ軸方向に向いた平面内のミスカット角であり、該ミスカット角は、ａ軸方向に向いた０．１５°以上のミスカット角、およびａ軸方向に向いた３０°未満のミスカット角である。
【００１７】
本発明は、基板のミスカット上に成長した無極性ＩＩＩ族窒化物薄膜を開示しており、該薄膜の上部表面は、無極性平面であり、該ミスカットは、該基板の結晶面に関してミスカット角で傾けられた該基板の表面である。
【００１８】
上記ミスカット角は、０．１５°以上であり得る。上記結晶面はｍ平面であり得、上記無極性ＩＩＩ族窒化物薄膜はｍ平面であり得、そして該ミスカット角は、ａ軸方向に向き得、該ａ軸方向に向いた０．１５°以上のミスカット角と、該ａ軸方向に向いた３０°未満のミスカット角とを含み得る。上記上部表面は、原子的に平滑であるかまたはプレーナであり得る。該ミスカット角は、該上部表面上の１つ以上のアンジュレーションのステップ高さの二乗平均平方根（ＲＭＳ）が、１０００マイクロメートルの長さにわたって５０ｎｍ以下であるような角度であり得る。該ミスカット角は、該上部表面上の該アンジュレーションの最大のステップ高さが、１０００マイクロメートルの長さにわたって６１ｎｍ以下であるような角度であり得る。該アンジュレーションは、ファセット化されたピラミッド形を備え得る。
【００１９】
上記結晶面は、無極性平面であり得る。上記ミスカット角は、上記薄膜が無極性であるように、十分に小さくあり得る。該ミスカット角は、上記上部表面と、該上部表面上に堆積された１つ以上の層の１つ以上の表面とが、量子井戸界面またはヘテロ接合界面に対して十分に平滑であるような角度であり得る。
【００２０】
上記薄膜は、基板またはテンプレートであり得、上記上部表面は、該上部表面上のデバイスクオリティの（Ａｌ，Ｂ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層のその後の成長に適している。デバイスは、該薄膜を用いて製作され得る。
【００２１】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物を成長させるための方法を開示し、該方法は、無極性ＩＩＩ族窒化物薄膜を基板のミスカット上に成長させることを包含し、該ミスカットは、該基板の結晶面に関してミスカット角で傾けられた基板の表面を備えることにより、該無極性ＩＩＩ族窒化物薄膜の表面の平坦性を増大させる。該方法は、該無極性ＩＩＩ族窒化物薄膜の表面アンジュレーションを抑制するために、該ミスカット角を選択するステップをさらに含み得ることにより、該薄膜の平滑な表面モフォロジー（ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ）を達成する。該結晶面はｍ平面であり得、該無極性ＩＩＩ族窒化物薄膜はｍ平面であり得、そして該ミスカット角は、ａ軸方向に向き得、該ａ軸方向に向いた０．１５°以上のミスカット角と、該ａ軸方向に向いた３０°未満のミスカット角とを含み得る。無極性ＩＩＩ族窒化物薄膜は、該方法を用いて製作され得る。
【００２２】
本発明は、無極性ＩＩＩ族窒化物ベースのデバイスをさらに開示し、該デバイスは、基板のミスカット上に成長した平滑な表面モフォロジーを有する無極性ＩＩＩ族窒化物薄膜を備えている。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
同様な参照番号が、対応する部分を全体にわたって表す図面をここで参照する。
【図１ａ】図１（ａ）および図１（ｂ）は、ミスカット角を有する自立のｍ−ＧａＮ基板上の、ａ軸方向に沿ったＧａＮ薄膜の断面の概略図である。
【図１ｂ】図１（ａ）および図１（ｂ）は、ミスカット角を有する自立のｍ−ＧａＮ基板上の、ａ軸方向に沿ったＧａＮ薄膜の断面の概略図である。
【図２ａ】図２（ａ）、図２（ｂ）および図２（ｃ）は、様々なミスカット角を有する自立のｍ−ＧａＮ基板上に成長したｍ平面ＧａＮ薄膜表面の光学顕微鏡写真であり、ここで、図２（ａ）は、０．０１°のミスカット角を有する自立のｍ−ＧａＮ基板上に成長したｍ平面ＧａＮ薄膜の表面を示し、図２（ｂ）は、０．１５°のミスカット角を有する自立のｍ−ＧａＮ基板上に成長したｍ平面ＧａＮ薄膜の表面を示し、そして図２（ｃ）は、０．３０°のミスカット角を有する自立のｍ−ＧａＮ基板上に成長したｍ平面ＧａＮ薄膜の表面を示している。
【図２ｂ】図２（ａ）、図２（ｂ）および図２（ｃ）は、様々なミスカット角を有する自立のｍ−ＧａＮ基板上に成長したｍ平面ＧａＮ薄膜表面の光学顕微鏡写真であり、ここで、図２（ａ）は、０．０１°のミスカット角を有する自立のｍ−ＧａＮ基板上に成長したｍ平面ＧａＮ薄膜の表面を示し、図２（ｂ）は、０．１５°のミスカット角を有する自立のｍ−ＧａＮ基板上に成長したｍ平面ＧａＮ薄膜の表面を示し、そして図２（ｃ）は、０．３０°のミスカット角を有する自立のｍ−ＧａＮ基板上に成長したｍ平面ＧａＮ薄膜の表面を示している。
【図２ｃ】図２（ａ）、図２（ｂ）および図２（ｃ）は、様々なミスカット角を有する自立のｍ−ＧａＮ基板上に成長したｍ平面ＧａＮ薄膜表面の光学顕微鏡写真であり、ここで、図２（ａ）は、０．０１°のミスカット角を有する自立のｍ−ＧａＮ基板上に成長したｍ平面ＧａＮ薄膜の表面を示し、図２（ｂ）は、０．１５°のミスカット角を有する自立のｍ−ＧａＮ基板上に成長したｍ平面ＧａＮ薄膜の表面を示し、そして図２（ｃ）は、０．３０°のミスカット角を有する自立のｍ−ＧａＮ基板上に成長したｍ平面ＧａＮ薄膜の表面を示している。
【図３】図３は、様々なミスカット角の変化を有する自立のｍ−ＧａＮ基板上に成長したｍ平面ＧａＮのピラミッド形のステップ高さの測定値から数値化された二乗平均平方根（ＲＭＳ）値を示す。
【図４】図４は、様々なミスカット角の変化を有する自立のｍ−ＧａＮ基板上に成長したｍ平面ＧａＮ薄膜のステップ高さの測定値から数値化された最大の高さの値を示す。
【図５】図５は、本発明の方法を例示しているフローチャートである。
【図６】図６は、本発明に従った、デバイスの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
（発明の詳細な説明）
以下の好適な実施形態の説明において、本明細書の一部分を形成する添付の図面に対して参照がなされ、該図面においては、本発明が実施され得る特定の実施形態が例示のために示される。他の実施形態が利用され得、そして構造的な変更が、本発明の範囲を逸脱することなく行われ得ることは理解されるべきである。
【００２５】
（概観）
本発明の一実施形態は、無極性ＩＩＩ族窒化物薄膜に対する平滑な表面モフォロジーを取得する方法を記載している。特に、無極性ＩＩＩ族窒化物薄膜の表面のアンジュレーションは、無極性ＩＩＩ族窒化物薄膜が成長する基板のミスカット角を制御することによって抑制される。
【００２６】
現行の窒化物デバイスは、一般に、極性［０００１］のｃ方向に成長させられる。それは、縦型の（ｖｅｒｔｉｃａｌ）デバイスの主たる伝導方向に沿った電荷分離を結果としてもたらす。もたらされる分極電場は、現在の最先端技術水準の光電子デバイスの性能に対して有害である。
【００２７】
無極性の方向に沿うこれらのデバイスの成長は、伝導方向に沿った固有の電場を低減することによって、デバイス性能をかなり改善してきた。しかしながら、巨視的な表面アンジュレーションが、一般にデバイスの表面上に存在しており、その表面アンジュレーションは、続いての薄膜の成長に有害である。
【００２８】
今日まで、無極性ＩＩＩ族窒化物の薄膜は、よりよいデバイス層、テンプレート、またはデバイス成長用の基板を提供するが、巨視的な表面アンジュレーションなしに無極性ＩＩＩ族窒化物薄膜を成長させる手段が存在していなかった。本発明の新規の特徴は、無極性ＩＩＩ族窒化物薄膜が、ミスカット基板を介して巨視的、かつ原子的にプレーナ薄膜として成長させられ得ることである。その証として、本発明者らは、ＧａＮの｛１０−１０｝プレーナ薄膜を成長させている。しかしながら、本発明の範囲が、単にこれらの例に限定されず、本発明は、窒化物のすべての無極性プレーナ薄膜に関連しており、そしてそれらの薄膜が、ホモエピタキシャルであるか、またはヘテロエピタキシャルであるかにかかわらない。
【００２９】
（技術説明）
本発明は、成長プロセスにミスカット基板を利用する、プレーナ無極性ＩＩＩ族窒化物薄膜を成長させる方法を包含する。例えば、基板が、巨視的と原子的との両方においてプレーナ｛１０−１０｝ＧａＮの成長に対して適切な方向のミスカット角を有することは非常に重要である。
【００３０】
本発明におけるＧａＮ薄膜は、従来のＭＯＣＶＤ方法を用いて、ａ軸方向に沿ったミスカット角を有する自立のｍ−ＧａＮ基板上に成長させられている。ＧａＮの厚さは、５μｍであった。表面モフォロジーは、光学顕微鏡法、原子力顕微鏡法（ＡＦＭ）、およびステップ高さ測定法によって調査された。
【００３１】
図１（ａ）および１（ｂ）は、ｍ平面のミスカット基板上のａ軸方向に沿った、ＧａＮ薄膜の断面の概略図である。特に、図１（ａ）は、軸オン（ｏｎ−ａｘｉｓ）ｍ平面基板の表面１０４上のａ軸方向１０２に沿った、ＧａＮ薄膜１００の断面の概略図であり、ＧａＮ薄膜１００のピラミッド形ファセット１０６ａ、１０６ｂが、角度αを有する二等辺三角形を基板１０４上に形成し、そして図１（ｂ）は、ミスカット角θを有する基板の表面１１０上のａ軸方向１０２に沿った、ＧａＮ薄膜１０８の断面の概略図であり、ＧａＮ薄膜１０８のピラミッド形ファセット１１２ａ、１１２ｂが、基板の表面１１０上に角度βと角度γとを有している。基板のｍ平面１１４がまた、図１（ａ）および図１（ｂ）に示されている。
【００３２】
本発明者らは、ミスカット角に依存しない同一のファセットをＡＦＭによって確認している。従って、θは、次の式によって規定され、
β＝α−θ                      式（１）
γ＝α＋θ                      式（２）
θ＝（β−α）／２              式（３）
となる。
【００３３】
（実験結果）
名目上は軸オンである基板上に成長した｛１０−１０｝ＧａＮ薄膜は、４つのファセット化されたピラミッド形から成る巨視的な表面アンジュレーションを有することが見出されている。これらのピラミッド形ファセットは一般に、図２（ａ）および図２（ｂ）に示されるように、ａ方向、Ｃ＋およびＣ−方向に傾斜している。図２（ａ）が０．０１°のミスカット角を有しており、図２（ｂ）が０．１５°のミスカット角を有する。より平滑な表面が、ミスカット角を０．１５°まで増大することによって取得されることが見出されている。０．３０°のミスカット角を有する基板上の表面が、図２（ｃ）に示されるように、平滑なモフォロジーを有することもまた見出されている。
【００３４】
図３は、様々なミスカット角を有する基板上に成長したｍ平面ＧａＮのピラミッド形のステップ高さの測定値から数値化されたＲＭＳ値を示している。各ミスカット基板上の薄膜の１０００μｍの長さにわたるＲＭＳ値は、１８３ｎｍ、１２１ｎｍ、４７ｎｍ、７．３ｎｍ、１３ｎｍ、および１３ｎｍであり、それぞれ、０．０１°、０．０７５°、０．１５°、０．２２５°、０．３０°、および３０°のミス配向（ｍｉｓ−ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）角に対応している。該ＲＭＳ値は、ミスカット角を増大することによって減少することが見出されている。概して、５０ｎｍ未満のＲＭＳ値は、光電子デバイスおよび電子デバイス用に期待されている。従って、基板のミスカット角は、０．１５°以上であることが好ましい。
【００３５】
図４は、様々なミスカット角を有する基板上に成長したｍ平面ＧａＮのピラミッド形のステップ高さの測定値から数値化された最大のステップ高さの値を示している。各ミスカット基板上の薄膜の１０００μｍの長さにわたる最大のステップ高さの値は、９７４ｎｍ、４２７ｎｍ、６１ｎｍ、１４ｎｍ、１３ｎｍ、および２５ｎｍであり、それぞれ、０．０１°、０．０７５°、０．１５°、０．２２５°、０．３０°、および３０°のミス配向角に対応している。最大のステップ高さの値は、ミスカット角を増大することによって減少することが見出されている。図４から判断すると、基板のミスカット角は、０．１５°以上であることが好ましい。
【００３６】
（プロセスのステップ）
図５は、ＩＩＩ族窒化物層を成長させる方法を例示するフローチャートであり、以下のステップの１つ以上を包含している（図１（ａ）および図１（ｂ）もまた参照されたい）。
【００３７】
ブロック５００は、無極性ＩＩＩ族窒化物薄膜の表面アンジュレーションを抑制するために、ミスカット角θを選択するステップを表している。
【００３８】
ブロック５０２は、所望のミスカット角のミスカットを有する基板を取得するステップを表している。該ミスカットは、基板をスライスするか、または例えば、所望のミスカットを有する基板を選択することによって取得され得る。
【００３９】
ブロック５０４は、基板のミスカットの上に無極性ＩＩＩ族窒化物層を成長させるステップを表しており、該ミスカットは、無極性ＩＩＩ族窒化物薄膜１０８表面の平坦性を増大させるために、基板の結晶面１１４に関してミスカット角θで傾けられた基板の表面１１０を備えている。結晶面１１４はｍ平面であり得、無極性ＩＩＩ族窒化物薄膜１０８はｍ平面であり得、そしてミスカット角θは、ａ軸方向に向き得、ａ軸方向に向いた０．１５°以上のミスカット角と、ａ軸方向に向いた３０°未満のミスカット角とを含み得る。
【００４０】
ブロック５０６は、方法を用いて成長した無極性ＩＩＩ族窒化物ベースのデバイスまたは薄膜を表しており、例えば、基板のミスカット上に成長した、平滑な表面モフォロジーを有する無極性ＩＩＩ族窒化物薄膜を備え、該表面モフォロジーは、ミスカットがない場合よりも平滑である。
【００４１】
図６は、例えば、基板６０４のミスカット６０２ａ上に成長した無極性ＩＩＩ族窒化物薄膜６００の断面の概略図であり、薄膜６００の上部表面６０６は、無極性平面である。ミスカット６０２ａは、基板６０４の結晶面６１０に関してミスカット角６０８で傾けられた基板６０４の表面６０２ｂであり得る。結晶面６１０は、無極性平面であり得る。ミスカット角６０８は、薄膜６００が無極性であるかまたは無極性配向を有するように、任意の結晶面６１０（例えば、半極性平面またはｃ平面）からであり得る。
【００４２】
薄膜６００は、ＧａＮなどのｍ平面ＩＩＩ族窒化物無極性薄膜であり得、結晶面６１０はｍ平面であり得、そしてミスカット角６０８は、ａ軸方向６１２に向き得、ａ軸方向６１２に向いた０．１５°以上のミスカット角６０８と、ａ軸方向６１２に向いた３０°未満のミスカット角６０８とを含み得る。しかしながら、０．１５°を超え、そして３０°未満のミスカット角に対する角度の範囲はまた、他の無極性ＩＩＩ族窒化物材料薄膜６００（例えば、ａ平面またはｍ平面の（Ａｌ，Ｂ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ化合物）に対し、他の無極性の方向６１２のミスカットや他の無極性結晶面６１０に関しても当てはまるであろう。従って、ミスカット角６０８は、例えば、ミスカット角６０８が無極性薄膜６００を達成する限りは、任意の結晶面６１０に関して、または任意の方向６１２において、０．１５°以上で、かつ３０°未満であり得る。例えば、ミスカット角６０８は、薄膜６００が無極性であるように、十分に小さくあり得る。
【００４３】
薄膜６００、または薄膜６００の上部表面６０６は、表面アンジュレーション（図１（ｂ）の参照番号１１６）を含み得、該表面アンジュレーションは、ミスカット角６０８によって抑制され得る（概して、ミスカット角６０８を増大させることは、アンジュレーション１１６の抑制を増大させたり、平滑さと平坦性とを増大させたり、アンジュレーション１１６のステップ高さ１１８ａを低減したりする）。表面アンジュレーション１１６は、ファセット化されたピラミッド形を備え得る。ミスカット角６０８は、上部表面６０６上の１つ以上のアンジュレーション１１６のステップ高さ１１８ａの二乗平均平方根（ＲＭＳ）が、１０００マイクロメートルの長さにわたって、５０ｎｍ以下であるような角度であり得る。ミスカット角６０８は、上部表面６０６上のアンジュレーション１１６のステップ高さ１１８ａの最大が、１０００マイクロメートルの長さにわたって、６１ｎｍ以下であるような角度であり得る。表面アンジュレーション１１６は、アンジュレーション１１６のステップ高さ１１８ａが、ミスカットのない（１つ以上の）アンジュレーション１２０のステップ高さ１１８ｂ未満であるように、ミスカット角６０８によって抑制され得る。薄膜６００は、原子的に平滑か、プレーナか、平坦か、またはファセット化された上部表面６０６を備え得る。
【００４４】
表面アンジュレーション２００ａおよび２００ｂがまた、それぞれ、図２（ａ）および図２（ｂ）に示されている。図２（ｂ）において、ミスカット角θが増大され、それによって、表面アンジュレーション２００ｂが、表面アンジュレーション２００ａに比べて抑制される。図２（ｃ）において、ミスカット角θが、さらになお増大され、それによって、表面アンジュレーションが、いっそうさらに抑制されるか、または全く存在しない。
【００４５】
薄膜６００は、上部表面６０６上に堆積したＩＩＩ族窒化物６１４ａをさらに含み得る。ミスカット角６０８は、上部表面６０６、および／または上部表面６００上に成長した１つ以上の層６１４ａの（１つ以上の）表面６１４ｂが、量子井戸界面（例えば、量子井戸層と障壁層との間）またはヘテロ接合に対して、十分に平滑であるような角度であり得る。薄膜６００は、基板またはテンプレートであり得、上部表面６０６は、上部表面６０６上のデバイスクオリティの（Ａｌ，Ｂ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ化合物層６１４ａ（例えば、光電子デバイスまたはトランジスタデバイスの層）のその後の成長に対して十分に平滑であり得る。
【００４６】
薄膜６００は一般に、横方向エピタキシャル成長というよりも直接成長である。薄膜６００は、任意の厚さ（すなわち、厚い層か、または薄い層）を有している１つ以上の層であり得る。薄膜６００は、例えば、バルク結晶または自立基板であるように十分に厚くあり得る。
【００４７】
レーザダイオード、発光ダイオード、またはトランジスタなどのデバイス６１６が、薄膜６００を用いて製作され得る。例えば、薄膜６００はデバイス層を備え得る。あるいは、デバイス層６１４ａが、薄膜６００の表面上に堆積され得る。デバイス層６００、６１４ａは、例えば、ｐｎ接合層、活性層、量子井戸層、障壁層、またはヘテロ接合層であり得る。成長薄膜６００は、自立の成長または薄膜を提供するために基板６０４から取り外され得る。
【００４８】
（実施可能な修正および変形）
上記のミスカットＧａＮ自立基板に加えて、ｍ平面のＳｉＣ、ＺｎＯ、およびγ−ＬｉＡｌＯ２などの異質の基板が、スタート（ｓｔａｒｔｉｎｇ）材料としてもまた用いられ得る。
【００４９】
本発明は、ＧａＮ薄膜を用いて示されたが、ＡｌＮ、ＩｎＮまたは任意の関連する合金もまた用いられ得る。
【００５０】
本発明は、上記のＭＯＣＶＤエピタキシャル成長法に限定されず、ＨＶＰＥ、ＭＢＥなどの他の結晶成長法がまた用い得る。
【００５１】
さらに、当業者は、これらの技術、プロセス、材料などがまた、同様な結果を有する、ｃ軸方向などの他の方向のミスカット角に対して適用されることを認識するであろう。
【００５２】
（利点および改良点）
軸オンのｍ平面ＧａＮエピタキシャル層は、常にそれらの表面上に形作られたピラミッド形を有している。結晶のミスカット方向と角度とを制御することによって、平滑な表面が取得され得、従って、高品質のデバイス構造が達成され得る。
【００５３】
例えば、平滑な量子井戸界面を有するレーザダイオードは、デバイスの性能を向上させる。別の例において、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）またはヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）などのヘテロ構造エピデバイス用の平滑な界面は、キャリア散乱を低減し、二次元電子ガス（２ＤＥＧ）のより高い移動度を可能にする。全体として、本発明は、活性層の平坦性がデバイス性能に対して非常に重要な任意のデバイスの性能を向上させる。
【００５４】
さらに、ミスカット基板を介する向上されたステップフロー成長モードは、高いドーパント集中を有するＧａＮ薄膜において一般に観察される欠陥の生成および伝播を抑制し得る。さらに、これは、ｍ−ＧａＮの成長ウィンドウ（ｗｉｎｄｏｗ）を拡大し、成長ウィンドウの拡大は、製造中のよりよい歩留まりを結果としてもたらし、また任意の種類の横方向エピタキシャル成長、選択的領域成長、およびナノ構造の成長に対しても有用である。
【００５５】
（結び）
ここでは、本発明の好適な実施形態の説明を締めくくる。本発明の１つ以上の実施形態の上記の説明は、例示および説明の目的のために提示されている。それは、網羅的であることを意図しておらず、また開示された正にその形態に本発明を限定することをも意図していない。多くの修正および変形が、上記の教示を考慮すれば可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって制限されることが意図されている。
【図１（ａ）】
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【図１（ｂ）】
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【図２（ａ）】
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【図２（ｂ）】
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【図２（ｃ）】
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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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【国際調査報告】
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