(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア基板上の窒化ガリウム層をエッチングして、上記サファイア基板を選択的に露出させるとともに、上記窒化ガリウム層における少なくとも一つの柱および少なくとも一つの溝を規定し、上記少なくとも一つの柱はそれぞれ窒化ガリウム頂部および窒化ガリウム側壁を含み、上記少なくとも一つの溝はサファイア底を含む工程と、
マスクであってサファイア上と比較してこのマスク上の窒化ガリウムの核生成を減少させるもので上記サファイア底をマスクし、上記窒化ガリウム頂部はマスクでマスクしないで露出させる工程と、
上記少なくとも一つの柱の上記窒化ガリウム側壁を上記少なくとも一つの溝に横方向成長させ、かつこの横方向成長中に上記少なくとも一つの柱の上記窒化ガリウム頂部上に窒化ガリウムを縦方向成長させて窒化ガリウム半導体層を形成する工程とを有する窒化ガリウム半導体層の製造方法。
【請求項２】
サファイア基板上の窒化ガリウム層をエッチングして、上記窒化ガリウム層における少なくとも一つの柱および上記窒化ガリウム層における少なくとも一つの溝を規定し、上記少なくとも一つの柱はそれぞれ頂部および側壁を含み、上記少なくとも一つの溝は底を含む工程と、
上記少なくとも一つの底をマスクでマスクし、上記頂部はマスクでマスクしないで露出させる工程と、
上記少なくとも一つの柱の上記側壁を上記少なくとも一つの溝に横方向成長させ、かつこの横方向成長中に上記少なくとも一つの柱の上記頂部上に窒化ガリウムを縦方向成長させて窒化ガリウム半導体層を形成する工程とを有する窒化ガリウム半導体層の製造方法。
【請求項３】
上記サファイア基板上の窒化ガリウム層をエッチングして、上記窒化ガリウム層における少なくとも一つの柱および上記窒化ガリウム層における少なくとも一つの溝を規定し、上記少なくとも一つの柱はそれぞれ頂部および側壁を含み、上記少なくとも一つの溝は底を含む工程は、上記窒化ガリウム層をエッチングして上記サファイア基板を露出させて少なくとも一つのサファイア底を形成する工程を有し、
上記少なくとも一つの底をマスクでマスクし、上記頂部はマスクでマスクしないで露出させる工程は、上記少なくとも一つのサファイア底を、マスクであってサファイア上と比較してこのマスク上の窒化ガリウムの核生成を減少させるものでマスクする工程を有することを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
上記サファイア基板上の窒化ガリウム層をエッチングして、上記窒化ガリウム層における少なくとも一つの柱および上記窒化ガリウム層における少なくとも一つの溝を規定し、上記少なくとも一つの柱はそれぞれ頂部および側壁を含み、上記少なくとも一つの溝は底を含む工程は、
上記サファイア基板上の窒化アルミニウムおよび／または窒化ガリウムのバッファ層上の上記窒化ガリウム層および上記バッファ層をエッチングして、上記窒化ガリウム層および上記バッファ層における少なくとも一つの柱ならびに上記窒化ガリウム層および上記バッファ層における少なくとも一つの溝を規定し、上記少なくとも一つの柱は頂部および側壁を含み、上記少なくとも一つの溝は窒化アルミニウムおよび／または窒化ガリウム底を含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項５】
上記少なくとも一つの底をマスクでマスクし、上記頂部はマスクでマスクしないで露出させる工程は、
上記サファイア基板上の窒化アルミニウムおよび／または窒化ガリウムのバッファ層上の上記窒化ガリウム層、上記バッファ層および上記サファイア基板をエッチングして、上記窒化ガリウム層、上記バッファ層および上記サファイア基板における少なくとも一つの柱ならびに上記窒化ガリウム層、上記バッファ層および上記サファイア基板における少なくとも一つの溝を規定し、上記少なくとも一つの柱は頂部および側壁を含み、上記少なくとも一つの溝はサファイア底を含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
この発明は、マイクロエレクトロニックデバイスおよび製造方法に関し、特に、窒化ガリウム半導体デバイスおよびそのための製造方法に関する。
【０００２】
（背景技術）
窒化ガリウムは、トランジスタ、フィールドエミッタおよびオプトエレクトロニックデバイスを含むがそれらに限定されないマイクロエレクトロニックデバイスのために広く研究されている。ここで用いられるように、窒化ガリウムは、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウムおよび窒化アルミニウムインジウムガリウムのような窒化ガリウムの合金も含むことが理解されるであろう。
【０００３】
窒化ガリウム系マイクロエレクトロニックデバイスの製造における主要な問題は、低欠陥密度を有する窒化ガリウム半導体層の製造である。欠陥密度に寄与する一つのものは、窒化ガリウム層が成長される基板であることが知られている。したがって、窒化ガリウム層はサファイア基板上に成長されてきたが、それら自身が炭化ケイ素基板上に形成された窒化アルミニウムバッファ層上に窒化ガリウム層を成長させることにより欠陥密度を減少させることが知られている。これらの進歩にかかわらず、欠陥密度を引き続き減少させることが望ましい。
【０００４】
また、窒化ガリウムからなる層上にこの窒化ガリウムからなる下層を露出させる少なくとも一つの開口を含むマスクを形成し、この少なくとも一つの開口を通しておよびマスク上に窒化ガリウムからなる下層を横方向成長させることにより低欠陥密度の窒化ガリウム層を製造することも知られている。この技術はしばしば、「エピタキシャル横方向成長」（ＥＬＯ）と呼ばれる。窒化ガリウムからなる層は、窒化ガリウムがマスク上で会合してマスク上に単一の層を形成するまで横方向成長させることができる。比較的低欠陥密度の窒化ガリウムの連続層を形成するために、横方向成長された窒化ガリウム層上に、下層のマスクの開口からずれた少なくとも一つの開口を含む第２のマスクを形成することができる。次に再びＥＬＯが第２のマスクの開口を通して行われ、それによって第２の低欠陥密度の連続した窒化ガリウム層が成長される。その後、マイクロエレクトロニックデバイスがこの第２の成長層に形成される。窒化ガリウムのＥＬＯは、例えば、Appl.Phys.Lett.Vol.71,No.18,November 3,1997,pp.2638-2640の Namらによる有機金属気相エピタキシーによる低欠陥密度ＧａＮ層の横方向エピタキシーという題名の刊行物およびAppl.Phys.Lett.Vol.71,No.17,October 27,1997,pp.2472-2474の Zhelevaらによる選択成長ＧａＮ構造体における横方向エピタキシーによる転位密度の低減という題名の刊行物に記述されており、それらの開示が参考のためにここに挙げられる。
【０００５】
窒化ガリウムからなる下層に少なくとも一つの溝または柱を形成してそこに少なくとも一つの側壁を規定することにより低欠陥密度の窒化ガリウムからなる層を製造することも知られている。その後、この少なくとも一つの側壁から窒化ガリウムからなる層が横方向成長される。横方向成長は、好適には、横方向成長した層が溝と会合するまで行われる。横方向成長はまた、好適には、側壁から成長される窒化ガリウム層が柱の頂上の上に横方向成長するまで続ける。横方向成長を促進させ、窒化ガリウムの核生成および縦方向の成長を起こさせるために、柱の頂上および／または溝の底をマスクすることができる。溝および／または柱の側壁からの横方向成長は「ペンディオエピタキシー（pendeoepitaxy)」と呼ばれ、例えば、Journal of Electronic Materials,Vol.28,No.4,February 1999,pp.L5-L8の Zhelevaらによるペンディオエピタキシー：窒化ガリウム膜の横方向成長の新しいアプローチという題名の刊行物およびApplied Physics Letters,Vol.75,No.2,July 1999,pp.196-198の Linthicumらによる窒化ガリウム薄膜のペンディオエピタキシーという題名の刊行物に記述されており、それらの開示が参考のためにここに挙げられる。
【０００６】
ＥＬＯおよびペンディオエピタキシーは、マイクロエレクトロニクスへの応用のための比較的大きな低欠陥の窒化ガリウム層を提供することができる。しかしながら、窒化ガリウムデバイスの量産を制限する一つの問題は、炭化ケイ素基板上への窒化ガリウム層の成長である。炭化ケイ素の増大する商業上の重要性にかかわらず、炭化ケイ素基板はまだ比較的高価である。さらに、裏面からの光照射が望まれる光学デバイスにおいて炭化ケイ素基板を使用することは、炭化ケイ素は透明であるため、困難である。したがって、窒化ガリウムのマイクロエレクトロニック構造を製造するための下層の炭化ケイ素基板の使用は、窒化ガリウムデバイスのコストおよび／または応用に悪影響を与える。
【０００７】
（発明の開示）
本発明は、それ自身がサファイア基板上にある窒化ガリウム層における柱の側壁を、溝底からの窒化ガリウムの縦方向成長が柱の窒化ガリウム側壁のペンディオエピタキシャル成長と干渉するのを防止するためにこの窒化ガリウム層および／またはサファイア基板を処理することによって、ペンディオエピタキシャルに成長させる。これによって、広く入手可能なサファイア基板を窒化ガリウムのペンディオエピタキシーに使用することができ、それによって窒化ガリウムデバイスのコストの低減および／または応用の幅の向上が可能となる。
【０００８】
すなわち、窒化ガリウム半導体層は、サファイア基板上の窒化ガリウム層をエッチングして、この窒化ガリウム層における少なくとも一つの柱およびこの窒化ガリウム層における少なくとも一つの柱を規定することによって製造される。少なくとも一つの柱は、窒化ガリウム頂部および窒化ガリウム側壁を含む。少なくとも一つの溝は溝底を含む。窒化ガリウム側壁は、少なくとも一つの溝の中に横方向成長されて窒化ガリウム半導体層を形成する。しかしながら、横方向成長工程を実行する前に、溝底からの窒化ガリウムの成長が少なくとも一つの柱の窒化ガリウム側壁の少なくとも一つの溝の中への横方向成長と干渉するのを防止するために、サファイア基板および／または窒化ガリウム層が処理される。
【０００９】
サファイア基板は、サファイア底を形成し、そのサファイア底からの窒化ガリウムの縦方向成長が少なくとも一つの柱の窒化ガリウム側壁の少なくとも一つの溝の中への横方向成長と干渉するのを防止するために、少なくとも一つの溝の下まで十分に深くエッチングされる。その代わりに、あるいは、それに加えて、溝底をマスクでマスクしてもよい。更に他の例では、窒化ガリウム層は、サファイア基板を露出させ、サファイア底を形成するために、選択的にエッチングされる。窒化ガリウム柱の頂部も、窒化ガリウム上と比較してその上の窒化ガリウムの核生成を減少させるためにマスクしてもよい。成長後、少なくとも一つのマイクロエレクトロニックデバイスが窒化ガリウム半導体層に形成される。
【００１０】
更には、サファイア基板上の窒化ガリウム層は、サファイア基板を選択的に露出させ、この窒化ガリウム層に少なくとも一つの柱および少なくとも一つの溝を規定するために、エッチングされる。少なくとも一つの柱はそれぞれ窒化ガリウム頂部および窒化ガリウム側壁を含む。少なくとも一つの溝はサファイア底を含む。少なくとも一つの柱の窒化ガリウム側壁は少なくとも一つの溝に横方向成長されて窒化ガリウム半導体層を形成する。
【００１１】
好適には、サファイア基板上の窒化ガリウム層をエッチングする時に、この窒化ガリウム層およびサファイア基板における少なくとも一つの柱ならびにこの窒化ガリウム層およびサファイア基板における少なくとも一つの溝を規定するために、サファイア基板も同様にエッチングされる。少なくとも一つの柱はそれぞれ窒化ガリウム頂部、窒化ガリウム側壁およびサファイア側壁を含む。少なくとも一つの溝はサファイア底を含む。より好適には、サファイア底からの窒化ガリウムの縦方向成長が、少なくとも一つの柱の窒化ガリウム側壁を少なくとも一つの溝の中に横方向成長させる工程と干渉するのを防止するために、サファイア基板が十分に深くエッチングされる。例えば、サファイア底の幅に対するサファイア側壁の高さの比は約１／４を超える。他の実施形態においては、サファイア底は、サファイア上と比較してその上の窒化ガリウムの核生成を減少させるマスクでマスクされる。
【００１２】
更に他の実施形態においては、サファイア基板は、その上の窒化アルミニウムバッファ層を含む。エッチング工程の間、窒化ガリウム層および窒化アルミニウムバッファ層は両者とも、サファイア基板を選択的に露出させるためにエッチングされる。他の実施形態においては、サファイア基板も、溝がサファイア基板に延在するように、選択的にエッチングされる。
【００１３】
横方向成長は、好適には、窒化ガリウム側壁を窒化ガリウム頂部の上に横方向成長させることによってペンディオエピタキシャルに進行して窒化ガリウム半導体層を形成する。ペンディオエピタキシャル成長の前に、窒化ガリウム頂部は、窒化ガリウム上と比較してその上への窒化ガリウムの核生成を減少させるマスクでマスクされる。
【００１４】
本発明の他の側面によれば、溝底は、マスクでマスクされ、それによってサファイア基板を露出させる必要性がなくなる。すなわち、サファイア基板上の窒化ガリウム層は、この窒化ガリウム層における少なくとも一つの柱およびこの窒化ガリウム層における少なくとも一つの溝を規定するために、エッチングされる。少なくとも一つの柱は頂部および側壁を含み、少なくとも一つの溝は溝底を含む。少なくとも一つの底はマスクでマスクされ、少なくとも一つの柱の側壁は少なくとも一つの溝の中に横方向成長されて窒化ガリウム半導体層を形成する。上述のように、柱の頂部もマスクされる。好適には、少なくとも一つの底および少なくとも一つの頂部が、例えば横方向頂部および底上にはマスクを形成するが、側壁上にはマスクを形成しない方向性堆積を行うことによって、同時にマスクされる。上述したように、窒化アルミニウムバッファ層が存在する時、それは柱および溝を規定するためにエッチングされ、あるいは、その窒化アルミニウムバッファ層上にマスクが形成される。他の例では、溝底は窒化ガリウム層自身に位置し、窒化ガリウム溝底は上述のようにマスクされる。
【００１５】
本発明による窒化ガリウム半導体構造体の実施形態は、サファイア基板およびこのサファイア基板上の窒化ガリウム層を含むことができる。この窒化ガリウム層は、その中に少なくとも一つの柱および少なくとも一つの溝を含む。少なくとも一つの柱は窒化ガリウム頂部および窒化ガリウム側壁を含む。少なくとも一つの溝はサファイア底を含む。横方向の窒化ガリウム層は、少なくとも一つの柱の窒化ガリウム側壁から少なくとも一つの溝に横方向に延在する。好ましい実施形態においては、少なくとも一つの柱がそれぞれ窒化ガリウム頂部、窒化ガリウム側壁およびサファイア側壁を含み、少なくとも一つの溝がサファイア底を含むように、少なくとも一つの溝がサファイア基板に延在する。サファイア底は、好適には、その上に縦方向の窒化ガリウム層がなく、サファイア底の幅に対するサファイア側壁の高さの比が約１／４を超える。サファイア底上にマスクが含まれてもよく、サファイア基板と窒化ガリウム層との間に窒化アルミニウムバッファ層も含まれてもよい。窒化ガリウム頂部の上にマスクが含まれてもよい。底の上のマスクおよび頂部の上のマスクは好適には同一材料からなる。
【００１６】
本発明による窒化ガリウム半導体構造体の他の実施形態はまた、サファイア基板およびこのサファイア基板上の窒化ガリウム層を含むことができる。この窒化ガリウム層は、その中に少なくとも一つの柱および少なくとも一つの溝を含む。少なくとも一つの柱は、窒化ガリウム頂部および窒化ガリウム側壁を含み、少なくとも一つの溝は溝底を含む。少なくとも一つの溝底の上にマスクが含まれ、窒化ガリウム層は少なくとも一つの柱の窒化ガリウム側壁から少なくとも一つの溝の中に横方向に延在する。好ましい実施形態においては、溝底はサファイア底である。マスクは、好適には溝底の上のマスクと同一材料からなる窒化ガリウム頂部の上に設けられる。上述のように、窒化アルミニウムバッファ層もまた設けられる。少なくとも一つのマイクロエレクトロニックデバイスが窒化ガリウム半導体層に形成される。
【００１７】
したがって、低欠陥密度を有することができる窒化ガリウム半導体層を成長させるための基板としてサファイアを使用することができる。それによって、低コストおよび／または高い入手可能性の窒化ガリウムデバイスが提供される。
【００１８】
（発明を実施するための最良の形態）
以下、この発明の好適な実施形態について添付図面を参照しながらより完全に説明する。この発明は、しかしながら、多くの異なる形態で実施することができ、以下に述べる実施形態に限定されると解釈されてはならない。むしろ、これらの実施形態は、この開示が完全かつ完璧で、当業者にこの発明の範囲を十分に伝えるように、提供されるものである。図においては、明確さのために、層および領域の厚さを誇張してある。全体を通して同様な符号は同様の要素を指す。層、領域または基板のような要素が他の要素の「上」にあると言うときは、それは他の要素の上に直接形成することもできるし、あるいは、介在する要素が存在してもよいことが理解されるであろう。さらに、ここに説明し、図示する各実施形態はその相補的な導電型の実施形態も同様に含むものである。
【００１９】
図１−図５を参照して、本発明の実施形態による窒化ガリウム半導体構造体の製造方法を説明する。図１に示すように、下層の窒化ガリウム層１０４が基板１０２上に成長される。基板１０２は、好適には（０００１）（ｃ面）方位、また好適には窒化アルミニウムおよび／または窒化ガリウムバッファ層１０２ｂを含むサファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ）基板１０２ａを含む。ここで用いられる結晶学的な指定の約束は当業者にとって周知であり、更に説明する必要はない。窒化ガリウム層１０４は厚さが０．５μｍと２．０μｍとの間であり、コールドウォール縦型誘導加熱有機金属気相エピタキシーシステムにおいて、２６μｍｏｌ／ｍｉｎのトリエチルガリウム、１５００ｓｃｃｍのアンモニアおよび３０００ｓｃｃｍの水素希釈ガスを用いて、サファイア基板１０２ａ上に成長された低温（６００℃）窒化アルミニウムバッファ層および／または低温（５００℃）窒化ガリウムバッファ層１０２ｂの上に１０００℃で成長される。窒化アルミニウムバッファ層を含むサファイア基板上の窒化ガリウム層の成長については、Appl.Phys.Lett.42(5),March 1,1983,pp.427-429のYoshida らによるＡｌＮコートサファイア基板を用いて反応性分子線エピタキシーによりエピタキシャル成長されたＧａＮ膜の電気的およびルミネッセント特性の改善という題名の刊行物、Appl.Phys.Lett.48(5),February 1986,pp.353-355 のAmano らによるＡｌＮバッファ層を用いた高品質ＧａＮ膜の有機金属気相エピタキシャル成長という題名の刊行物、J.Appl.Phys.73(9),May 1,1993,pp.4700-4702 のKuzniaらによるサファイア基板上の高品質単結晶ＧａＮの成長に及ぼすバッファ層の影響という題名の刊行物、Japanese Journal of Applied Physics,Vol.30,No.10A,October 1991,pp.L1705-L1707のNakamuraらによるＧａＮバッファ層を用いたＧａＮ成長という題名の刊行物、および、Journal of Electronic Materials,Vol.24,No.4,1995,pp.269-273 のDoverspikeによるＣ面およびＡ面サファイア上に成長されたＧａＮ膜の性質に及ぼすＧａＮおよびＡｌＮバッファ層の影響という題名の刊行物に記述されている。その開示が参考のためにここに挙げられる。
【００２０】
更に図１を参照すると、下層の窒化ガリウム層１０４はその中に複数の側壁１０５を含む。当業者により、側壁１０５は、「メサ（mesa）」、「ペデスタル（pedestals)」または「カラム（column）」とも呼ばれる複数の間隔のあいた柱によって規定されていると考えてもよい。側壁１０５はまた、下層の窒化ガリウム層１０４にある「井戸」とも呼ばれる複数の溝によって規定されていると考えてもよい。側壁１０５はまた、一連の交互に並んだ溝１０７および柱１０６によって規定されていると考えてもよい。更に、単一の柱１０６を設けてもよく、これはその単一の柱に隣接する少なくとも一つの溝１０７によって規定されていると考えてもよい。側壁１０５を規定する柱１０６および溝１０７は、選択エッチングおよび／または選択エピタキシャル成長および／または他の従来技術によって製造することができることが理解されるであろう。更に、側壁は基板１０２に対して直交している必要はなく、それに対して傾斜していてもよいことも理解されるであろう。最後に、側壁１０５は図１においては断面で示されているが、柱１０６および溝１０７は真っ直ぐなＶ形状または他の形状をした延びた領域を規定することも理解されるであろう。図１に示すように、溝１０７は好適にはバッファ層１０２ｂおよび基板１０２ａに延在し、その結果、続く窒化ガリウム成長は溝底の上よりも側壁１０５上に優先的に起こる。
【００２１】
図２を参照すると、下層の窒化ガリウム層１０４の側壁１０５は横方向成長されて溝１０７の中に横方向の窒化ガリウム層１０８ａを形成する。窒化ガリウムの横方向成長は、１０００−１１００℃および４５Ｔｏｒｒで得られる。１３−３９μｍｏｌ／ｍｉｎの前駆体ＴＥＧおよび１５００ｓｃｃｍのＮＨ3 を３０００ｓｃｃｍのＨ2 希釈ガスと組み合わせて用いてもよい。窒化ガリウム合金が形成されるならば、これに加えて例えばアルミニウムまたはインジウムの従来の前駆体も用いてもよい。ここで用いられるように、「横方向（lateral)」という用語は側壁１０５と直交する方向を意味する。側壁１０５からの横方向成長中に柱１０６上にも何らかの縦方向成長が起こることも理解されるであろう。ここで用いられるように、「縦方向（vertical）」という用語は側壁１０５と平行な方向を意味する。
【００２２】
窒化ガリウムの成長中にサファイア基板が気相にさらされると、窒化ガリウムがサファイア上に核生成することが分かった。よって、窒化ガリウムの縦方向成長がサファイアの溝底から起こり、これは、窒化ガリウム側壁の少なくとも一つの溝の中への横方向成長と干渉し得る。あるいは、アンモニアの存在により、サファイアの表面の露出した領域は、窒化アルミニウムに変換される。不幸なことに、窒化ガリウムは窒化アルミニウム上で良好に核生成することができ、それによって溝底からの窒化ガリウムの縦方向成長が可能となり、これが窒化ガリウム側壁の横方向成長と干渉し得る。
【００２３】
サファイアの表面の露出した領域の窒化アルミニウムへの変換は、窒化ガリウムを成長させるために高い成長温度を用いることによって減少させることができ、好適にはなくすことができる。例えば、従来の約１０００℃の温度よりも約１１００℃の温度を用いてもよい。しかしながら、これでもなお、サファイア基板の底の上への窒化ガリウムの核生成を防げない。
【００２４】
再び図２を参照すると、本発明によれば、サファイアの溝底１０７ａからの窒化ガリウムの縦方向成長が、少なくとも一つの柱の窒化ガリウム側壁を少なくとも一つの溝の中に横方向成長させる工程と干渉するのを防止するために、十分に深くエッチングされる。例えば、サファイア溝の幅ｘに対するサファイア側壁の高さｙの比は少なくとも１／４とされる。窒化ガリウムの成長中の横方向成長に対する縦方向成長の比によって、他の比を用いてもよい。以下に述べる条件の下で、窒化ガリウムの横方向成長速度を縦方向成長速度よりも速くすることができる。これらの条件の下で、および、十分に深い溝を用いて、柱からの側壁成長は、サファイア基板上の窒化ガリウムの核生成を生じる溝内の縦方向窒化ガリウム成長が横方向成長と干渉する前に、溝の上で会合することができる。
【００２５】
次に図３を参照すると、横方向窒化ガリウム層１０８ａの成長を続けると、下層の窒化ガリウム層１０４の上、特に柱１０６の上に縦方向成長が起きて縦方向の窒化ガリウム層１０８ｂが形成される。縦方向成長の成長条件は、図２に関連して説明したものと同じである。図３にも示されているように、溝１０７への継続した縦方向成長が溝の底に起こる。ボイド１０９は好適には横方向窒化ガリウム層１０８ａと溝底１０７ａとの間に残す。
【００２６】
次に図４を参照すると、横方向成長の前部が界面１０８ｃにおける溝１０７で会合して溝内に連続的な窒化ガリウム半導体層を形成するまで成長を続けることができる。全成長時間は約６０分である。図５に示すように、その後横方向窒化ガリウム半導体層１０８ａにマイクロエレクトロニックデバイス１１０が形成される。縦方向窒化ガリウム層１０８ｂにもデバイスを形成してもよい。
【００２７】
したがって、図５において、本発明の実施形態による窒化ガリウム半導体構造体１００を説明する。窒化ガリウム構造体１００は基板１０２を含む。この基板は、サファイア基板１０２ａおよびこのサファイア基板１０２ａ上の窒化アルミニウムバッファ層１０２ｂを含む。窒化アルミニウムおよび／または窒化ガリウムバッファ層１０２ｂは約２００−３００Åである。
【００２８】
下層の窒化ガリウム層１０４は、基板１０２ａと反対側のバッファ層１０２ｂの上にも含まれている。下層の窒化ガリウム層１０４は、厚さが約０．５μｍと２．０μｍとの間であり、有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）を用いて形成される。下層の窒化ガリウム層は一般に、望ましくない比較的高い欠陥密度を有する。例えば、約１０8 ｃｍ-2と１０10ｃｍ-2との間の転位密度が下層の窒化ガリウム層に存在する。これらの高い欠陥密度は、バッファ層１０２ｂと下層の窒化ガリウム層１０４との間の格子定数の不整合および／または他の原因により発生する。これらの高い欠陥密度は、下層の窒化ガリウム層１０４に形成されるマイクロエレクトロニックデバイスの性能に強い影響を与える。
【００２９】
図５の説明を更に続けると、下層の窒化ガリウム層１０４は、複数の柱１０６および／または複数の溝１０７によって規定される複数の側壁１０５を含む。上述のように、側壁は傾斜してもよく、種々の延びた形状であってもよい。柱１０６は窒化ガリウム頂部、窒化ガリウム側壁およびサファイア側壁を含み、少なくとも一つの溝はサファイア底１０７ａを含む。サファイア底１０７ａは、好適にはその上に縦方向の窒化ガリウム層がない。サファイア底の幅に対するサファイア側壁の高さの比は好適には少なくとも１／４である。
【００３０】
図５の説明を続けると、横方向窒化ガリウム層１０８ａは下層の窒化ガリウム層１０４の複数の側壁１０５から延在する。横方向窒化ガリウム層１０８ａは、有機金属気相エピタキシーを用いて、約１０００−１１００℃および４５Ｔｏｒｒで形成される。横方向窒化ガリウム層１０８ａを形成するために、１３−３９μｍｏｌ／ｍｉｎのトリエチルガリウム（ＴＥＧ）の前駆体および１５００ｓｃｃｍのアンモニア（ＮＨ3 ）を３０００ｓｃｃｍのＨ2 希釈ガスと組み合わせて用いてもよい。窒化ガリウム半導体構造体１００は、柱１０６から縦方向に延在する縦方向窒化ガリウム層１０８ｂも含む。
【００３１】
図５に示すように、横方向窒化ガリウム層１０８ａは、界面１０８ｃで会合して溝内に連続的な横方向窒化ガリウム半導体層１０８ａを形成する。下層の窒化ガリウム層１０４における転位密度は一般的に、下層の窒化ガリウム層１０４から縦方向のものと同一の密度を有する側壁１０５から横方向に伝播しないことが分かった。よって、横方向窒化ガリウム層１０８ａは、比較的低い欠陥密度、例えば１０4 ｃｍ-2以下の欠陥密度を有することができる。したがって、横方向窒化ガリウム層１０８ｂは、デバイス品質の窒化ガリウム半導体材料を形成する。よって、図５に示すように、横方向窒化ガリウム半導体層１０８ｂにマイクロエレクトロニックデバイス１１０が形成される。横方向成長は側壁１０５から起こるので、図５の窒化ガリウム半導体構造体１００を製造するためにマスクを用いる必要がないことも理解されるであろう。
【００３２】
図６−１０は本発明による他の実施形態を示す。図６に示すように、マスク２０１が溝底１０７ａ´の上に形成される。溝底１０７ａ´上にマスク２０１を形成する時、その溝はサファイア基板１０２ａにエッチングする必要はない。むしろ、図６に示すように、溝は、窒化アルミニウムバッファ層１０２ｂを通してのみエッチングされる。しかしながら、当業者により、図１に示すように、溝はサファイア基板１０２ａにもエッチングされ、サファイア基板における溝底１０７ａはマスク２０１でマスクされることが理解されるであろう。更に他の例においては、溝は、図６に示すように窒化アルミニウムバッファ層１０２ｂを完全に貫通してというよりも、窒化アルミニウムバッファ層１０２ｂの中に部分的にのみエッチングされる。更に別の例においては、溝は窒化アルミニウムバッファ層１０２ｂにエッチングされる必要はなく、むしろマスク２０１が窒化アルミニウムバッファ層１０２ｂの露出した部分の上に形成される。更に別の例においては、溝は窒化アルミニウムバッファ層に延在せず、むしろ窒化ガリウム層１０４の内部で終端し、マスク２０１は窒化ガリウム底の上に形成される。最後に、マスク２０１は窒化アルミニウムバッファ層１０２ｂと同一の厚さを有するように示されているが、同一の厚さを有している必要はないことが理解されるであろう。むしろ、それはより薄いか、より厚い。
【００３３】
本発明によれば、窒化ガリウムは、二酸化ケイ素、窒化ケイ素およびタングステンのようないくつかの金属のようないくつかの非晶質および結晶質の材料の上では、感知できるほどに核生成しないことが分かった。したがって、二酸化ケイ素、窒化ケイ素および／またはタングステンのようなマスク材料を成長させるために、熱的蒸着または電子ビーム蒸着のような「照準線」成長技術が用いられる。窒化ガリウムはマスク上では明確には核生成しないので、柱の側壁からのみ成長が開始するようにすることができる。図６−１０の残りのプロセス工程は図１−５のそれに対応し、ここで再び説明をする必要がない。
【００３４】
図１１−１６は本発明による更に他の実施形態を示す。図１１−１６において、サファイア基板１０２ａは、図１−５に関連して説明したように、サファイア底からの窒化ガリウムの縦方向成長が、少なくとも一つの柱の窒化ガリウム側壁を少なくとも一つの溝内に横方向成長させる工程と干渉するのを防止するために十分に深くエッチングされるが、ここで再び説明する必要はない。しかしながら、図１−５と対照的に、図１１−１６においては、二酸化ケイ素、窒化ケイ素および／またはタングステンマスク２０９のようなマスクが下層の窒化ガリウム層１０４上に含まれる。マスク２０９は厚さが約１０００Åまたはそれ以下の厚さを有し、二酸化ケイ素および／または窒化ケイ素の低圧化学気相成長（ＣＶＤ）を用いて下層の窒化ガリウム層１０４の上に形成される。あるいは、タングステンを形成するために電子ビームまたは熱的蒸着が用いられる。マスク２０９は、従来のフォトリソグラフィー技術を用いて、その中に開口のアレイが形成されるようにパターニングされる。
【００３５】
図１１に示すように、下層の窒化ガリウム層が開口のアレイを通じてエッチングされ、下層の窒化ガリウム層１０４における複数の柱１０６およびそれらの間の複数の溝１０７を規定する。柱のそれぞれは、側壁１０５およびその上にマスク２０９を有する頂部を含む。柱１０６および溝１０７は好適には上述のようにマスキングおよびエッチングによって形成されるが、柱は、下層の窒化ガリウム層から柱を選択的に成長させ、次に柱の頂部の上にキャッピング層を形成することによっても形成されることが理解されるであろう。選択成長と選択エッチングとの組み合わせも用いられる。
【００３６】
図１２に示すように、下層の窒化ガリウム層１０４の側壁１０５は横方向成長されて、溝１０７内の横方向窒化ガリウム層１０８ａを形成する。横方向成長は上述のように進行する。柱１０６の頂部の上の成長および／または核生成はマスク２０９により減少し、好適にはなくなることが理解されるであろう。
【００３７】
図１３を参照すると、横方向窒化ガリウム層１０８ａの成長を続けると、開口のアレイを通じて横方向窒化ガリウム層１０８ａの縦方向の成長が起きる。縦方向成長の条件は、図１２に関連して説明したものと同じである。
【００３８】
次に図１４を参照すると、横方向窒化ガリウム層１０８ａの成長を続けると、マスク２０９上に横方向成長が起きて、横方向窒化ガリウム層１０８ｂが形成される。この成長の成長条件は、図１２に関連して説明したものと同じである。
【００３９】
次に図１５を参照すると、横方向成長の前部が界面１０８ｃにおける溝１０７で会合して溝内に連続的な横方向窒化ガリウム半導体層１０８ａを形成するまで成長を続けることができる。
【００４０】
更に図１５を参照すると、横方向成長の前部が界面１０８ｄにおけるマスク２０９上で会合して連続的な横方向窒化ガリウム半導体層１０８ｂを形成するまで成長を続けることができる。全成長時間は約６０分である。単一の連続成長工程が用いられる。図１６に示すように、その後横方向窒化ガリウム半導体層１０８ａにマイクロエレクトロニックデバイス１１０が形成される。横方向窒化ガリウム層１０８ｂにマイクロエレクトロニックデバイスを形成してもよい。
【００４１】
最後に、図１７−２２を参照して、本発明の更に他の実施形態を説明する。図１７−２２は、図６−１０に示されているように溝１０７の底の上のマスク２０１を、図１１に示されているように柱１０６の頂部の上のマスク２０９と組み合わせたものである。溝の底のマスク２０１および柱１０６の頂部の上のマスク２０９は、好適には同時に形成され、好適には同一の材料からなることが理解されるであろう。したがって、例えば、二酸化ケイ素、窒化ケイ素および／またはタングステンのような金属のようなマスク材料の熱的蒸着または電子ビーム蒸着のような照準線堆積技術が用いられる。エッチング工程の後にマスク材料が形成されるならば、それは縦方向の表面、すなわち柱１０６の最表面および溝１０７の底面（底）のみを覆う。窒化ガリウムは好適にはほとんど核生成せず、もしマスク２０１および２０９上で全く核生成しなければ、窒化ガリウムは好適には柱の側壁１０５から成長するのみである。別の例では、マスク２０１および２０９は、異なる材料からなり、および／または、異なる厚さである。図１７−２２の残りの工程は図１１−１６と同様であり、再び詳細に説明する必要はない。
【００４２】
マスク２０１は、基板１０２ａの露出したサファイア底、層１０２ｂの露出した窒化アルミニウム底、あるいは、層１０４の露出した窒化ガリウム底の上に形成されることが理解されるであろう。言い換えると、溝は、窒化ガリウム層１０４を完全に貫通して窒化ガリウム層１０４に部分的に、窒化アルミニウム層１０２ｂを完全に貫通して窒化アルミニウムバッファ層１０２ｂに部分的に、および／またはサファイア基板１０２ａに部分的に、エッチングされる。更に、マスク２０１の厚さは窒化アルミニウム層１０２ｂよりも薄いか厚い。したがって、窒化ガリウム半導体層の成長のためにサファイア基板を用いることができ、それによって低コストおよび／または高い入手可能性が得られる。
【００４３】
図面および明細書において、この発明の典型的な実施形態を開示した。特定の用語が使用されたが、それらは一般的および記述的な意味で使用されたに過ぎず、限定の目的ではなく、この発明の範囲は以下の請求項に記載される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による、中間製造工程の間の第１の窒化ガリウムマイクロエレクトロニック構造体の断面図である。
【図２】この発明による、中間製造工程の間の第１の窒化ガリウムマイクロエレクトロニック構造体の断面図である。
【図３】この発明による、中間製造工程の間の第１の窒化ガリウムマイクロエレクトロニック構造体の断面図である。
【図４】この発明による、中間製造工程の間の第１の窒化ガリウムマイクロエレクトロニック構造体の断面図である。
【図５】この発明による、中間製造工程の間の第１の窒化ガリウムマイクロエレクトロニック構造体の断面図である。
【図６】この発明による、中間製造工程の間の他の窒化ガリウムマイクロエレクトロニック構造体の断面図である。
【図７】この発明による、中間製造工程の間の他の窒化ガリウムマイクロエレクトロニック構造体の断面図である。
【図８】この発明による、中間製造工程の間の他の窒化ガリウムマイクロエレクトロニック構造体の断面図である。
【図９】この発明による、中間製造工程の間の他の窒化ガリウムマイクロエレクトロニック構造体の断面図である。
【図１０】この発明による、中間製造工程の間の他の窒化ガリウムマイクロエレクトロニック構造体の断面図である。
【図１１】この発明による、中間製造工程の間の更に他の窒化ガリウムマイクロエレクトロニック構造体の断面図である。
【図１２】この発明による、中間製造工程の間の更に他の窒化ガリウムマイクロエレクトロニック構造体の断面図である。
【図１３】この発明による、中間製造工程の間の更に他の窒化ガリウムマイクロエレクトロニック構造体の断面図である。
【図１４】この発明による、中間製造工程の間の更に他の窒化ガリウムマイクロエレクトロニック構造体の断面図である。
【図１５】この発明による、中間製造工程の間の更に他の窒化ガリウムマイクロエレクトロニック構造体の断面図である。
【図１６】この発明による、中間製造工程の間の更に他の窒化ガリウムマイクロエレクトロニック構造体の断面図である。
【図１７】この発明による、中間製造工程の間のなお他の窒化ガリウムマイクロエレクトロニック構造体の断面図である。
【図１８】この発明による、中間製造工程の間のなお他の窒化ガリウムマイクロエレクトロニック構造体の断面図である。
【図１９】この発明による、中間製造工程の間のなお他の窒化ガリウムマイクロエレクトロニック構造体の断面図である。
【図２０】この発明による、中間製造工程の間のなお他の窒化ガリウムマイクロエレクトロニック構造体の断面図である。
【図２１】この発明による、中間製造工程の間のなお他の窒化ガリウムマイクロエレクトロニック構造体の断面図である。
【図２２】この発明による、中間製造工程の間のなお他の窒化ガリウムマイクロエレクトロニック構造体の断面図である。
【符号の説明】
１００      窒化ガリウム半導体構造体
１０２      基板
１０２ａ    サファイア基板
１０４      下層の窒化ガリウム層
１０５      側壁
１０６      柱
１０７      溝
１０８ａ    横方向窒化ガリウム層
１０８ｂ    縦方向窒化ガリウム層
２０１      マスク
２０９      マスク
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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