(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上で窒化ガリウム系半導体構造を製造する方法であって、
少なくとも１つのトレンチと該トレンチに隣接している少なくとも１つの凸部との両方を含む基板上マスクであって、基板の凸部上において少なくとも１つの開口部を有する基板上マスクを形成するマスク形成ステップと、
該基板上マスクの開口部内において、基板の凸部上に緩衝層を成長させる緩衝層成長ステップと、
窒化ガリウム、及び窒化ガリウムのＩＩＩ族窒化物合金から成る群より選択されるエピタキシャル層を、緩衝層から上方に且つトレンチを横断して横方向に成長させるエピタキシャル層成長ステップと
を含むことを特徴とする製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の製造方法において、該方法はさらに、基板中に少なくとも１つのトレンチを形成し、それによって、該トレンチと該トレンチに直接に隣接する凸部との両方を画定するステップを含むことを特徴とする製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の製造方法において、緩衝層成長ステップにおいて、緩衝層は基板上マスクに比べて厚くなるまで成長されることを特徴とする製造方法。
【請求項４】
請求項１又は２記載の製造方法において、トレンチに隣接している凸部は少なくとも２つであり、エピタキシャル層成長ステップは、エピタキシャル層がトレンチを覆って合体するまで、エピタキシャル層を成長させることを特徴とする製造方法。
【請求項５】
請求項１又は２記載の製造方法において、マスク形成ステップは、マスクを形成するステップ及び次いで開口部を形成するステップを含むことを特徴とする製造方法。
【請求項６】
請求項１又は２記載の製造方法において、マスク形成ステップは、炭化珪素基板上にマスクを形成することを特徴とする製造方法。
【請求項７】
請求項２記載の製造方法において、トレンチ形成ステップは、基板中にトレンチをエッチングするステップを特徴とする製造方法。
【請求項８】
請求項７記載の製造方法において、エッチングするステップは、反応性イオンエッチングにより実行されることを特徴とする製造方法。
【請求項９】
請求項１又は２記載の製造方法において、緩衝層形成ステップは、気相エピタキシーを用いて緩衝層を形成するステップを含むことを特徴とする製造方法。
【請求項１０】
請求項１又は２記載の製造方法において、マスク形成ステップは、プラズマ増強化学気相成長、スパッタリング、反応性スパッタリング、電子ビーム蒸着及び熱酸化から成る群より選択される技術を用いて、マスクを形成することを特徴とする製造方法。
【請求項１１】
請求項７記載の製造方法において、
エッチングするステップは、炭化珪素基板中に複数の実質的に平行なトレンチをエッチングして、その間に該基板の各凸部を画定するステップを含み、
エピタキシャル層成長ステップは、窒化ガリウム、及び窒化ガリウムのＩＩＩ族窒化物合金から成る群より選択されるエピタキシャル層を、緩衝層から垂直方向及び水平方向に成長させ、かつ複数のトレンチを横断させて延ばすステップを含んでいる
ことを特徴とする製造方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の製造方法において、エピタキシャル層として窒化ガリウム層が選択され、該窒化ガリウム層の垂直方向及び水平方向の成長速度が、マスク上で形成することができる多結晶質材料が窒化ガリウム層の水平方向成長を妨害しない充分な速度に維持されることを特徴とする製造方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の製造方法において、窒化ガリウム層の水平方向の成長速度は、垂直方向の成長速度に等しいか又はそれを超える速度に維持されることを特徴とする製造方法。
【請求項１４】
請求項１２記載の製造方法において、窒化ガリウム層の水平方向の成長速度と垂直方向の成長速度との比を、１：１〜４．２：１に維持することを特徴とする製造方法。
【請求項１５】
請求項１２記載の製造方法において、窒化ガリウム層の水平方向の成長速度が垂直方向の成長速度の４．２倍を超えるように維持することを特徴とする製造方法。
【請求項１６】
請求項１３記載の製造方法において、水平方向の成長速度を、１時間当たり約２〜８ミクロンに維持することを特徴とする製造方法。
【請求項１７】
請求項１１記載の製造方法において、該方法は、プラズマ増強化学気相成長、スパッタリング、反応性スパッタリング、電子ビーム蒸着及び熱酸化から成る群より選択される技術を用いて、基板をマスキングするステップを含むことを特徴とする製造方法。
【請求項１８】
請求項１１記載の製造方法において、＜１１００＞方向にＳｉＣ基板の（０００１）表面をマスキングするステップを含むことを特徴とする製造方法。
【請求項１９】
請求項１１記載の製造方法において、緩衝層成長ステップは、ＡｌxＧａ1-xＮ（ただし、０≦ｘ≦１）の層を成長させるステップを含むことを特徴とする製造方法。
【請求項２０】
請求項１９記載の製造方法において、緩衝層が基板に対して導電性界面を形成することを特徴とする製造方法。
【請求項２１】
請求項１９記載の製造方法において、緩衝層成長ステップは、ソースガスとして、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、及びアンモニアを用いる気相エピタキシーによって、緩衝層を成長させることを特徴とする製造方法。
【請求項２２】
請求項１１記載の製造方法において、緩衝層成長ステップは、緩衝層をマスクに比べて厚くなるまで成長させることを特徴とする製造方法。
【請求項２３】
請求項１１記載の製造方法において、エピタキシャル層成長ステップは、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、及びアンモニアから成る群より選択される１種類以上のソースガスを用いる気相エピタキシーによって、エピタキシャル層を成長させることを特徴とする製造方法。
【請求項２４】
請求項１１記載の製造方法において、該方法は、トレンチされた基板をマスキングしながら窓を形成するステップを含むことを特徴とする製造方法。
【請求項２５】
半導体構造であって、
上表面を有する基板であって、上表面に形成され、間にトレンチを確定する少なくとも２つの凸部を有している基板と、
該基板の上表面の直上にあり、少なくとも２つの窓を有するマスクであって、基板の凸部の上表面の少なくとも一部分を露出する窓を有するマスクと、
窒化ガリウム及び窒化ガリウムのＩＩＩ族窒化物合金から成る群より選択され、マスクの窓から上方に且つマスクを横断して水平方向に延びて、窓の間において且つ該マスク上で核形成した多結晶質材料を覆って合体したオーバーグロースされたエピタキシャル層であって、マスクの窓から上方に、且つマスクを覆って水平方向に、マスクを横断して延びているエピタキシャル層と
を含んでいることを特徴とする半導体構造。
【請求項２６】
請求項２５記載の半導体構造において、マスクが耐熱性金属を含むことを特徴とする半導体構造。
【請求項２７】
請求項２５記載の半導体構造において、マスクが反射性であることを特徴とする半導体構造。
【請求項２８】
請求項２５記載の半導体構造において、マスクがブラッグ反射器であることを特徴とする半導体構造。
【請求項２９】
請求項２５記載の半導体構造において、マスクは、ＳｉXＮY、ＳｉＯ2、白金及びタングステンから成る群より選択されていることを特徴とする半導体構造。
【請求項３０】
請求項２５記載の半導体構造において、基板は、炭化珪素、サファイア、珪素、ひ化ガリウム及び酸化亜鉛から成る群より選択されていることを特徴とする半導体構造。
【請求項３１】
請求項２５記載の半導体構造において、基板が、炭化珪素であって、４Ｈ、６Ｈ、３Ｃ及び１５Ｒのポリタイプから成る群より選択されたポリタイプを有することを特徴とする半導体構造。
【請求項３２】
請求項２５記載の半導体構造において、該半導体構造はさらに、基板とエピタキシャル層との間に緩衝層を含むことを特徴とする半導体構造。
【請求項３３】
請求項３２記載の半導体構造において、緩衝層は該基板に対して導電性界面を形成することを特徴とする半導体構造。
【請求項３４】
請求項３２記載の半導体構造において、基板がサファイアを含み、緩衝層がＡｌxＧａ1-xＮ（ただし、０≦ｘ≦１）から形成されることを特徴とする半導体構造。
【請求項３５】
請求項２５記載の半導体構造において、該半導体構造は、マスク上に核形成された多結晶質材料を含むことを特徴とする半導体構造。
【請求項３６】
請求項２５記載の半導体構造において、核形成された多結晶質材料はトレンチの中にあることを特徴とする半導体構造。
【請求項３７】
請求項２５記載の半導体構造において、基板は、炭化珪素、サファイア、珪素、ひ化ガリウム及び酸化亜鉛から成る群より選択されていることを特徴とする半導体構造。
【請求項３８】
請求項２５記載の半導体構造において、基板は、炭化珪素及びサファイアから成る群より選択され、半導体構造がさらに、基板とエピタキシャル層との間に緩衝層を含むことを特徴とする半導体構造。
【請求項３９】
請求項２５記載の半導体構造において、マスクは、ＳｉXＮYを含むことを特徴とする半導体構造。
【請求項４０】
請求項２５記載の半導体構造において、エピタキシャル層の部分が、少なくとも１つのトレンチを覆って合体されていることを特徴とする半導体構造。
【請求項４１】
請求項２５記載の半導体構造において、マスクの窓において、基板上に緩衝層を含むことを特徴とする半導体構造。
【請求項４２】
請求項２５記載の半導体構造において、該半導体構造は、複数のトレンチと、複数の凸部とを含み、該凸部の少なくとも２つが、その中に該窓を有することを特徴とする半導体構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は、電子デバイス構造及びその作製方法に関するものであり、詳しくはＩＩＩ族窒化物半導体構造、及びペンデオエピタキシャルオーバーグロース及び横方向エピタキシャルオーバーグロース（pendeo− and lateral epitaxial overgrowth）によるその作製方法に関するものである。
【０００２】
背景
窒化ガリウム（ＧａＮ）は、青色発光ダイオードにおける活性層として有用であることが広く知られているワイドバンドギャップ半導体材料である。また、ＧａＮは、レーザーダイオード及び高速高出力トランジスタデバイスを含む他のマイクロ電子デバイスにおける使用に関しても研究されている。本明細書で用いる「窒化ガリウム」又は「ＧａＮ」とは、窒化ガリウム及びそのＩＩＩ族窒化物合金、例えば窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）及び窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）を意味している。
【０００３】
ＧａＮの高品質バルク結晶は、工業用には現在市販されていない。而して、ＧａＮ結晶は、典型的には、非ＧａＮ下地基板上を覆うヘテロエピタキシャル層として作製される。残念なことに、ＧａＮは、最も適する基板結晶に関してかなりの格子不整合を有する。例えば、ＧａＮは、サファイアに関して１５％の格子不整合を有し、炭化珪素に関して３．５％の格子不整合を有する。基板とエピタキシャル層との間の格子不整合によって、成長エピタキシャル層の中を伝搬し得る貫通転位が引き起こされる。窒化アルミニウム緩衝層を有する炭化珪素上で成長させるときでも、ＧａＮエピタキシャル層は、１０8／ｃｍ2超と概算される転位密度を示す。前記欠陥密度によって、例えばレーザーダイオードのような高度に敏感な電子デバイスにおけるＧａＮの有用性が制限される。
【０００４】
ＧａＮの横方向エピタキシャルオーバーグロース（ＬＥＯ）は、エピタキシャル成長ＧａＮ膜の転位密度を低減させる方法として最初に導入されたので、非常に興味深いテーマであった。本質的に、前記技術は、開口部のパターンを有するマスクでＧａＮの下地層をマスクする工程、及びＧａＮを前記マスク上へ且つ横方向に成長させる工程から成る。マスクを覆って横方向に成長したＧａＮ層の部分は、ＧａＮ下地層に比べて、又はマスク開口部の上方にあるＧａＮ層の部分に比べて、転位密度がはるかに低いことを見出した。本明細書で用いる「横方向」又は「水平」とは、基板の表面に対して一般的に平行な方向を意味しており、また「垂直」とは、基板の表面に対して一般的に平行な直角な方向を意味している。
【０００５】
従来のＬＥＯ法の１つの欠点は、ＧａＮ下地層を成長させ、そのＧａＮ層をマスクし、次に横方向の層を成長させるために、別個のプロセス工程が必要である点である。ＬＥＯの初期の態様では、望ましくない核形成が、低温において、ＧａＮ層の核形成中に、マスク上で起こると考えられるので、非ＧａＮ基板上にマスクを直接に配置しなかった。それにより、隣接横方向成長領域が合体するのが防止される（又は、合体が必要とされない場合、所望の距離で横方向に成長することが防止される）。マスクをＧａＮ層上に直接配置するとき、マスク上での望ましくない核形成は典型的には問題ではない。その理由は、低温核形成が必要ではなく、且つＧａＮの成長温度が、非常に高く、典型的には１０００℃を超えるからである。高温成長中、望ましくない核形成はマスク上では起こらない。その理由は、マスクに比べて窒化ガリウム表面上においては、ガリウム原子の粘着係数がはるかに高いからである。
【０００６】
この欠点は、ＬＥＯのための「一段（single step）」プロセスによって対処され、いくつかの成功が得られた。Shealy ら は、下地（underlying）ＳｉＣ基板又は下地サファイア基板を窒化珪素でマスクするプロセスを開示した。前記プロセスは、基板とマスクとの間にＧａＮの中間層を成長させる必要がないので、「一段」と呼ばれる。Shealyは、窒化珪素マスク上での核形成を最少にすると、マスクを覆って横方向に成長したＧａＮの比較的欠陥のない層が成長することを見出した。しかしながら、ある種の環境下では、マスク上での核形成を最少にする必要がないようにすることが望ましいが、それでもなお、一段プロセスでＧａＮの比較的欠陥のない層を成長させることができる。
【０００７】
本発明の目的及び概要
而して、マスク層上での核形成を最少にする必要がなく、一段プロセスで窒化ガリウムの比較的欠陥のない単結晶膜を作製する方法に関して当業においてニーズがある。
【０００８】
更に、導電性基板と窒化ガリウムのエピタキシャル層との間の電気的連絡を可能にする導電性緩衝層を提供するマスク層上での核形成を最少にする必要がない一段プロセスで窒化ガリウムの比較的欠陥のない単結晶膜を作製する方法に関して当業においてニーズがある。
【０００９】
本発明の目的は、マスク層上での核形成を最少にする必要がなく、一段プロセスで窒化ガリウムの比較的欠陥のない単結晶膜を作製する方法を提供することにある。
【００１０】
本発明の更なる目的は、導電性基板と窒化ガリウムのエピタキシャル層との間の電気的連絡を可能にする導電性緩衝層を提供するマスク層上での核形成を最少にする必要がなく、一段プロセスで窒化ガリウムの比較的欠陥のない単結晶膜を作製する方法を提供することにある。
【００１１】
上記及び他の目的は、基板上で窒化ガリウム系半導体構造を作製する方法によって達成される。前記方法は、直接に基板上において、その中に少なくとも１つの開口部を有するマスクを形成する工程、少なくとも１つの該開口部を通過させて緩衝層を成長させる工程、及び該緩衝層から上方に且つ該マスクを覆って横方向に窒化ガリウム層を成長させる工程を含む。マスクからの窒化ガリウムの成長中、窒化ガリウム層の垂直方向及び水平方向の成長速度は、該マスク上で核形成する多結晶質材料が窒化ガリウム層の横方向成長を妨害しない充分な速度に維持される。
【００１２】
別の態様では、本発明の方法は、基板において隣接トレンチを画定する少なくとも１つの凸部（raised portion）を形成する工程、及び基板上において、凸部の上表面を覆う少なくとも１つの開口部を有するマスクを形成する工程を含む。緩衝層は、凸部の上表面から成長させることができる。次に、窒化ガリウム層を、トレンチを覆うペンデオエピタキーによって横方向に成長させる。
【００１３】
別の態様では、本発明は、基板上に窒化ガリウム系半導体構造を提供する。前記構造は、基板と、該基板の上表面上に直接施用され、その中に少なくとも１つの窓を含むマスクとを含む。窒化ガリウムの成長層は、マスクの窓から上方へと且つマスクを覆うように横方向に延び、マスク上で多結晶質材料が核形成し成長した。
【００１４】
別の態様では、基板は、隣接トレンチを画定する少なくとも１つの凸部を含む。マスク構造を基板上に形成し、マスクの窓は凸部の上表面の一部を晒す。窒化ガリウムのオーバーグローさせた層は、マスク窓から上方へ、トレンチを覆うように且つマスクを横断して延び、マスク上で多結晶質材料が核形成し成長した。
【００１５】
以下、本発明の好ましい態様を示している添付の図面を参照することによって、本発明を更に完全に説明する。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具体化することができ、本明細書で記載される態様に限定されると解釈すべきではない。むしろこれらの態様は、この開示が、綿密で完全であって、当業者に対して本発明の範囲を完全に伝達するように提供される。同じ番号は同じ要素を指している。更に、図に示してある様々な層及び領域は概略図である。当業者に理解されるように、本明細書では、基板又は他の層「上」に形成された層は、基板上若しくは他の層上若しくは介在層（intervening layer）上に直接形成された層、又は基板上若しくは他の層上に形成された層を意味することができる。本明細書では、基板若しくは他の層「上に直接」形成された層は、介在層を用いずに基板上に形成された層、又は基板上若しくは他の層上に形成された層を意味する。本発明は、添付の図面に示されている相対的な大きさ及び間隔に限定されない。
【００１６】
基本的なＬＥＯ法は、A. Usui, et al., "Thick GaN epitaxial growth with low dislocation density by hydride vapor phase epitaxy," Jpn. J. Appl Phys. Vol. 36, pp. L899-902 (1997）で説明されている。ペンデオエピタキシャル法を含む様々なＬＥＯ法は、１９９８年２月２７日に出願された"Gallium Nitride Semiconductor Structures Including a Lateral Gallium Nitride Layer that Extends From an Underlying Gallium Nitride Layer"という名称の米国特許出願第０９／０３２，１９０号 ；１９９８年２月２７日に出願された"Gallium Nitride Semiconductor Structures Including Laterally Offset Patterned Layers"という名称の米国特許出願第０９／０３１，８４３号；１９９８年１１月２４日に出願された"Pendeoepitaxial Methods of Fabricating Gallium Nitride Semiconductor Layers on Silicon Carbide Substrates by Lateral Growth from Sidewalls of Masked Posts, and Gallium Nitride Semiconductor Structures Fabricated Thereby" という名称の米国特許出願第０９／１９８，７８４号；及び１９９８年６月１０日に出願された"Methods of Fabricating Gallium Nitride Semiconductor Layers by Lateral Growth from Sidewalls into Trenches, and Gallium Nitride Semiconductor Structures Fabricated Thereby,"という名称の米国特許出願第６０／０８８，７６１号で説明されており、前記特許出願のそれぞれの開示は参照として本明細書に取り入れられる。
【００１７】
図１には、ストライプ１４ａと１４ｂとを含むマスク層１４が堆積している基板１０が示してある。ストライプパターンは、どちらの側にも周期的に又は非周期的に続けることができるが、簡便のためにストライプ１４ａ及び１４ｂのみが図示してある。ストライプ１４ａ，１４ｂは、幅（ｗ）を有し，マスク開口部又は窓長（Ｌ）を有する窓６によって分離されていることを特徴とする。ストライプ１４ａのエッジと、ストライプ１４ｂの対応するエッジとの間の距離は，マスクパターンの周期（ｐ）として規定され、少なくともストライプ１４ａ及びストライプ１４ｂに関してはｐ＝ｗ＋Ｌである。
【００１８】
マスク層は、プラズマ増強化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）、スパッタリング、電子ビーム蒸着、熱酸化又は他の蒸着法を用いて堆積させ，次に、標準的なフォトリソグラフィー法を用いてパターン形成することができる。ＰＥＣＶＤ法は、Chapter 6 of S.M. Sze, VLSI Technology, 2nd ed., McGraw-Hill 1988において詳細に説明されている。フォトリソグラフィー法は当業において公知である。
【００１９】
図２に示してあるように，ストライプ１４ａ及び１４ｂは、好ましくは、（０００１）平面において、＜１１００＞結晶学的方向に沿って配向される。（本明細書で用いる結晶学的表記法（Crystallographic designation convention）は、当業において公知であり、更に説明する必要はない）マスク層１４は、窒化珪素（ＳｉXＮY）又は二酸化珪素（ＳｉＯ2）又は任意の他の適当なマスク材料を含むことができる。作製される構造が、例えばＬＥＤ又はレーザーダイオードのような光デバイスで用いることが意図される場合、マスク層１４は、アンモニアガス及び水素ガス中で安定であって、約１２００℃を超える融点を有し，及び所望の波長を反射する反射性又は耐熱性の金属（reflective or refractory metal）を含むことができる。前記金属としては、例えばタングステン（Ｗ）及び白金（Ｐｔ）が挙げられる。別法として，マスク層は、ＳｉXＮYとＳｉＯ2又は他の酸化物との交互層を含むことができるブラッグ反射器を含んでいても良いと考えられる。前記の設計は当業において公知である。
【００２０】
基板は、炭化珪素、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、珪素、ＺｎＯ、又は任意の他の同様に適当な基板であっても良い。炭化珪素基板は、多くの理由から有利である。炭化珪素は、より近い格子と熱膨張率の組合わせをＧａＮに対して提供し、熱的及び化学的に安定であり、自然劈開面（natural cleave plane）及び高い熱伝導率を有し、及び３８０ｎｍ以下の可視波長に対して透明である。また、炭化珪素は、導電性であって、縦型デバイス（vertical-geometry device）の作製が可能であるという卓越した利点を有する。炭化珪素基板は、４Ｈ，６Ｈ，３Ｃ又は１５Ｒのポリタイプを有することができる。しかしながら、好ましくは、基板は６Ｈ-ＳｉＣ（軸上）である。
【００２１】
基板１０の作製は当業者には公知である。炭化珪素基板の作製は、例えばPalmourらに与えられた米国特許第４，８６５，６８５号、Davisらに与えられた再発行特許第３４，８６１号、Kongらに与えられた第４，９１２，０６４号、及びPalmourらに与えられた第４，９４６，５４７号で説明されており、前記特許のそれぞれの開示は参照として本明細書に取り入れられる。サファイア基板及び珪素基板の作製は、当業において公知であり、詳細に説明する必要はない。
【００２２】
図３に関して、エピタキシャル層２０は、最初に基板１０の表面上に緩衝層１２を成長させることによって作製することができる。エピタキシャル層２０は、窒化ガリウム又はそのＩＩＩ族窒化物合金、例えば窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、又は窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）を含むことができる。ＳｉＣ基板に関して、緩衝層は、好ましくは、ＡｌxＧａ1-xＮ（式中、ｘは合金中に存在するアルミニウムのモル分率を表し、０＜ｘ≦１である）から成る層１２を含む。炭化珪素基板の場合、緩衝層１２は、１９９７年１０月７日に出願された"Group III Nitride Photonic Devices On Silicon Carbide Substrates with Conductive Buffer Interlayer Structure"という名称の同時に継続し共通に譲渡された米国特許出願第０８／９４４，５４７号で説明されている構造を有することができる。前記出願の開示は参照として本明細書に取り入れられる。
【００２３】
好ましくは、一番上の緩衝層は、Ａｌを９モル％ 〜 １２モル％含み、厚さは約１０００ 〜 ５０００Åである。緩衝層を堆積させる前に、米国特許出願第０８／９４４，５４７号で説明されているように、ＳｉＣ基板上にキャップされたＧａＮドット（capped GaN dot）を形成することによって、緩衝層１２をＳｉＣに対して導電性にすることができる。
【００２４】
サファイア基板又は珪素基板に関して、低温ＧａＮ，ＡｌＮ又はＡｌＧａＮ緩衝を成長させることができる。
図３に示してあるように、ＡｌＧａＮ緩衝層１２は、気相エピタキシー（ＶＰＥ）法、例えばヒドリド気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）、又は更に好ましくは有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）を用いてマスク開口部６から垂直に成長させることができる。好ましい態様では、緩衝層１２は、マスク層１４に比べて厚くなるまで成長させる。緩衝層１２を所望の厚さまで成長させたら、次に、エピタキシャル層２０を、ＶＰＥによって、好ましくは緩衝層を成長させたのと同じ運転又は工程で成長させる。
【００２５】
図３Ａに示してあるように、エピタキシャル層２０は、垂直方向に加えて横方向（すなわち、基板の面に対して平行）に成長させる。横方向成長フロント２２は、層２０が成長するにつれて、マスクストライプ１４の表面を横断する。
【００２６】
再び図３を参照されたい。１つの態様では、エピタキシャル層２０は、成長フロント２２が界面２４で合体して窒化ガリウムの連続層２０を形成するまで、横方向に成長する。しかしながら、成長フロントが隣接部分と合体しなかったとしても、ＧａＮの横方向にオーバーグロースさせた部分においてデバイスを作製することができるので、成長フロントがすべての用途のために合体する必要はない。図９に示してあるように、層２０の有用な部分は、隣接部分と合体させずに作製することができる。例えば、レーザーダイオードストライプは、合体しなかった層２０の領域において作製することができる。ＬＥＤを作製するためには、合体層が好ましい。例えば、幅２５０μで長さ２７５μのＬＥＤデバイスを、本発明にしたがって成長させた窒化ガリウムの合体層上で作製することができる。
【００２７】
緩衝層１２及びオーバーグロース層２０は、Ｈ2希釈剤中、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）及びアンモニア（ＮＨ3）前駆体を用いて成長させることができる。適当なＭＯＶＰＥ成長法は、T. Weeks et al., "GaN thin films deposited via organometallic vapor phase epitaxy on α（6H）−SiC（0001）using high−temperature monocrystalline AlN buffer layers," Appl. Phys. Let., Vol. 67, No. 3, July 1995, pp. 401−403で詳細に説明されている。
【００２８】
窒化ガリウムの層２０が成長している間、多結晶質ＡｌxＧａ1-xＮ３０の核形成及び成長が、マスクストライプ１４の暴露された上表面で典型的に起こり始める。図４に示してあるように、マスク上におけるＡｌxＧａ1-xＮの成長速度が速すぎる場合、層２０の横方向成長が妨害され、横方向にオーバーグロースされた材料の所望の幅を形成するのを層２０が妨害し、且つ／又は層２０が隣接領域と合体するのが妨害される。本質的には、マスク上多結晶質ＡｌxＧａ1-xＮ３０は、垂直方向に成長し、単結晶層２０の横方向成長をブロックする。
【００２９】
本発明者は、層２０の水平方向及び垂直方向の成長速度を制御することにより、多結晶質ＡｌxＧａ1-xＮ３０によって横方向成長層２０が妨害されるのを防止できることを発見した。層２０の垂直方向の成長速度と比較して、構造の形状にしたがって所定の量だけ、層２０の横方向成長速度を増大させることによって、マスク上の核形成にもかかわらず、所望の距離まで層２０を成長させることができる。
【００３０】
換言すれば、層２０の横方向成長速度を、垂直方向の成長速度に比べて充分に速い速度に維持すると、層２０が任意の多結晶質核形成を覆って成長し、且つマスク上で成長するので、マスク上核形成を制御する必要はなくなる。
【００３１】
特定の例として、横方向成長速度の垂直方向成長速度に対する割合を少なくとも１：１に維持することによって、約１０％のＡｌ濃度を有する核形成層から３０μの間隔を有するパターンにおいて、幅５μを有するストライプ上で横方向にオーバーグロースされるＧａＮ層を成長させることができることを発見した。横方向／垂直方向の成長速度比を４：１に維持することにより、幅２５μのストライプを有するマスクを覆ってＧａＮ層を成長させることができる。図５に示してあるように、横方向成長速度を充分な量だけ垂直方向成長速度を超えさせると、層２０の成長フロントは、ストライプ１４ａ及び１４ｂ上で成長している多結晶質ＡｌＧａＮが層２０をブロックするほど充分に大きく成長する前に、合体することができる。
【００３２】
関連のある成長因子を制御する機構を詳細に説明する。オーバーグロースされる層２０の横方向及び垂直方向の成長速度は、多くの因子によって制御される。１つの制御因子は、窓長（Ｌ）のストライプ間隔（ｐ）に対する割合として本明細書で規定される、いわゆる「充填率（fill factor）」である。所定の窓長にとって、充填率が高い（すなわち、所定の間隔に関して窓長が長い）と、垂直方向の成長速度が遅くなる。逆に、所定の窓長にとって、充填率が低いと、垂直方向の成長速度が増大する。横方向及び垂直方向の成長速度を制御するための他の因子は、成長温度、ソースガス流量、ソースガス窒素／ガリウム比、及び成長圧力である。
【００３３】
所望ならば、層２０の横方向に成長する成長フロント２２がマスクを覆って合体したら、成長条件を調整して、垂直方向の成長速度を増大させることができる。
【００３４】
用いられる特定のエピタキシャル成長反応器の構造に依存するが、本明細書で説明する速度に関する典型的な成長パラメーターを以下に要約する。
パラメーター                          値
成長温度                              １０６０ 〜 １１２０℃
成長圧力                              ５０ 〜 ２００トル
Ｎ／Ｇａ比                            ２５００
充填率                                ０．７１４ 〜 ０．８３３
横方向成長速度／垂直方向成長速度      １ 〜 ４．２
表１−典型的な成長パラメーター
好ましくは、約２ 〜 ８μ／時の横方向成長速度及び約１ 〜 ２μ／時の垂直方向成長速度を選択すべきである。充填率０．７１のためにストライプ幅１０μ、窓幅２５μ及び間隔３５μを有するＳｉXＮYストライプのパターン形成マスク上に、１１１０℃及び２００トルのＭＯＶＰＥによって層２０を成長させることにより、横方向成長速度６．３μ／時及び垂直方向成長速度１．５μ／時（４．２：１比）を達成することができる。層２０が成長している間のＮ／Ｇａ比は、好ましくは約２５００である。横方向成長速度の垂直方向成長速度に対する割合は４．２：１を超えることができる。
【００３５】
緩衝層を成長させるために、１５．５slpmのＨ2希釈剤中において、ＴＭＧを３４．８μモル／分、ＴＭＡを６．５μモル／分、及びアンモニアを１０slpmの流量で流すことができる。 緩衝層が所望の厚さまで成長したら、ＧａＮ層が所望の厚さに成長するまで、２２．５slpmのＨ2希釈剤中においてＴＭＧを３０９μモル／分及びアンモニアを１７slpmの流量で流すことによって層２０を成長させることができる。
【００３６】
充填率０．７１のためにストライプ幅１０μ、窓幅２５μ及び間隔３５μを有するＳｉXＮYストライプのパターン形成マスク上に、１０６０℃及び２００トルのＭＯＶＰＥによって層２０を成長させることにより、４．２μ／時の横方向及び垂直方向の成長速度（１：１比）を達成することができる。層２０の成長中におけるＮ／Ｇａ比は、好ましくは約２５００である。４．２：１を超える比を含む他の割合は、他の成長パラメーターを選択することによって達成することができる。
【００３７】
ペンデオエピタキシャル成長を用いる本発明の態様は図６に示してある。この態様では、基板１０をエッチングして、基板１０上において隣接する凹領域又はトレンチ１８を画定する少なくとも１つの凸部１５を形成する。図６には、標準的なフォトリソグラフィー法及び反応性イオンエッチングを用いて一対の凸部１５ａ，１５ｂをパターン形成した態様が図示してある。好ましくは、凸部１５の高さ（すなわち、トレンチ１８の深さ）は少なくとも１μである。次に、ＳｉXＮY，ＳｉＯ2又は任意の他の適当なマスクであっても良いマスク層１４を、基板１０の上表面上に堆積させる。凸部１５ａ，１５ｂの上表面上にはマスク開口部１６を作った。
【００３８】
この態様では、基板１０は、炭化珪素、サファイア、珪素、ひ化ガリウム、窒化ガリウム又は他のＩＩＩ族窒化物、例えば窒化アルミニウム又は窒化アルミニウムガリウムであっても良い。窒化アルミニウム基板の作製は、参照として本明細書に取り入れられるHunterらに与えられた米国特許第５，８５８，０８６号及び第５，９５４，８７４号で説明されている。窒化ガリウム基板は、非ＧａＮ基板上で窒化ガリウムの厚いエピタキシャル層を成長させることによって作製した。窒化ガリウムを得る他の方法は、 A. Usui, et al., "Thick GaN epitaxial growth with low dislocation density by hydride vapor phase epitaxy," Jpn. J. Appi. Phys. Vol. 36, pp. L899−902（1997）に要約されている。基板がＩＩＩ族窒化物であるとき、ホモエピタキシャル成長を用いても良いことは当業者には理解される。
【００３９】
図６に示してあるように、緩衝層が必要である場合は、ＡｌＧａＮ緩衝層１２を、ＭＯＶＰＥを用いて、マスク開口部（又は窓）から垂直に成長させることができる。好ましい態様では、緩衝層１２は、マスク層１４に比べて厚くなるまで成長させる。緩衝層１２が所望の厚さまで成長したら、次にペンデオエピタキシャル層２６を成長させる。ペンデオエピタキシャル層２６は、垂直方向に加えて、トレンチ１８を覆って横方向に（すなわち、基板の表面に対して平行に）成長する。
【００４０】
多結晶質ＧａＮ３０の核形成及び成長はマスク層１４上で起こることもできるが、トレンチ１８内で起こるので、ペンデオエピタキシャル層２６の横方向成長を妨害しない。
【００４１】
図１２は、本発明の態様にしたがって成長させたペンデオエピタキシャルＧａＮ層の横断面ＳＥＭである。多結晶質ＡｌＧａＮ材料は、トレンチ内に存在しているのが明確に認められるが、ＧａＮ層の横方向成長を妨害していない。
【００４２】
１μのトレンチの深さは例示であるということは容易に理解される。トレンチ１８は、所望ならば又は必要ならば、マスク上における多結晶質成長の速度又は成長されるペンデオエピタキシャル層の幅にしたがって、１μ未満又はそれを超える深さで作製することができる。
【００４３】
１つの態様では、ペンデオエピタキシャル層２６は、対向している成長フロント２２が界面２４で合体して窒化ガリウムの連続層２６を形成するまで、横方向に成長する。しかしながら、上記したように、成長フロント２２が隣接部分と合体しなくても、ＧａＮの横方向にオーバーグロースさせた部分においてデバイスを作製することができるので、成長フロント２２は、すべての用途のために合体する必要はない。
【００４４】
図１３は、本発明のこの態様にしたがって成長させた２つのペンデオエピタキシャルＧａＮストライプの平面ＳＥＭ像である。
図６に示してある態様に関して、マスク層１４を形成する別の方法は、図６Ａ及び図６Ｂに示してある。上記したように、凸部１５は、標準的なエッチング法を用いて形成することができる。典型的には、この方法は、エッチングマスク（etch mask）で基板の表面をパターン形成する工程、所望の深さまで基板をエッチングする工程、及びエッチングマスクを取り除く工程を含む。図６Ａに示してあるように、エッチングマスクを除去した後、マスク層１４を、ＰＥＣＶＤによって、基板１０の表面上に形成することができる。次に、窓１６をマスク１４の中に開けて、凸部１５の上表面を暴露する。
【００４５】
フォトリソグラフィー法の許容限界の故に、窓１６をマスク１４中に開けるとき、窓１６のエッジを凸部１５のエッジと整合させることは難しい。而して、凸部１５の上表面上においてマスク１４のいくらかのオーバーラップ１７が存在する。
【００４６】
マスク１４を形成する単純化法が図６Ｂに示してある。この方法では、エッチングマスク１９を、基板１０の表面に対して施用し、基板１０をエッチングしてトレンチ１８を形成する。トレンチ１８をエッチングした後、しかしエッチングマスク１９を除去する前に、マスク１４を堆積させる。この技術では、マスク１４は、好ましくは約５０〜２００Åの厚さの薄いマスク層を含む。マスク１４は、ＳｉXＮY、ＳｉＯ2、又は任意の他の適当なマスク材料を含むことができる。次に、エッチングマスク１９を除去し、凸部１５の上表面を晒す。マスク１４における窓１６のエッジは、それによって、凸部１５のエッジと自己整合される。而して、この技術によって、１つのマスキング工程のみが必要であり、フォトリソグラフィー法を用いて、マスク層１４において窓１６を開ける必要はない。
【００４７】
図７は、マスク上における結晶核形成によるＧａＮ層の横方向成長の妨害を示している横断面図ＳＥＭ像である。
図８は、下地マスク上にある微結晶がエピタキシャル成長を妨害した２つのＧａＮストライプに関する平面ＳＥＭ像である。
【００４８】
図９は、反射材マスク層を用いて、本発明の態様にしたがって成長させたＧａＮストライプの横断面ＳＥＭである。
図１０は、隣接領域がマスクを覆って合体するまで、本発明の態様にしたがって成長させたＧａＮストライプの横断面ＳＥＭである。
【００４９】
図１１は、Ｓｉ3Ｎ4マスクを覆う導電性緩衝層上に成長させたＧａＮ層の横断面ＳＥＭである。
図１４は、本発明にしたがって成長させたＧａＮ層の横断面ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）像である。観察された欠陥密度は、窓を覆う領域における約１０9／ｃｍ2から、マスクストライプの上の領域における約１０6／ｃｍ2まで概算で低下している。
【００５０】
実施例１：
０．７１５の充填率のためにストライプ幅１０μ、窓長２５μ及び間隔３５μを有するＳｉXＮYストライプのパターン形成マスクを、６Ｈ−ＳｉＣ基板に施用した。ストライプは、＜１１００＞方向に対して平行に配列した。トータルで８０分間、１０２０℃及び７６トルで、１５．５slpmのＨ2希釈剤中において、ＴＭＧを３４．８μモル／分、ＴＭＡを６．５μモル／分、及びアンモニアを１０slpmで流すことによるＭＯＶＰＥによって、厚さ０．５μのＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ緩衝層を成長させた。緩衝層を成長させた後、ＧａＮのエピタキシャル層を、４５分間、１１１０℃及び２００トルで、２２．５slpmのＨ2希釈剤中において、ＴＭＧを３０９μモル／分及びアンモニアを１７slpmで流すことによるＭＯＶＰＥによって成長させた。これらの条件下における横方向成長の垂直方向成長に対する割合は、約４．２：１であった。図１５は、得られたＧａＮ層の横断面のＳＥＭ像である。
【００５１】
実施例２：
０．７１５の充填率のためにストライプ幅１０μ、窓長２５μ及び間隔３５μを有するＳｉXＮYストライプのパターン形成マスクを、６Ｈ−ＳｉＣ基板に施用した。ストライプは、＜１１００＞方向に対して平行に配列した。トータルで８０分間、１０５０℃及び７６トルで、１５．５slpmのＨ2希釈剤中において、ＴＭＧを３４．８μモル／分、ＴＭＡを６．５μモル／分、及びアンモニアを１０slpmで流すことによるＭＯＶＰＥによって、厚さ０．５μのＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ緩衝層を成長させた。緩衝層を成長させた後、ＧａＮのエピタキシャル層を、１時間、１０６０℃及び２００トルで、２２．５slpmのＨ2希釈剤中において、ＴＭＧを３０９μモル／分及びアンモニアを１７slpmで流すことによるＭＯＶＰＥによって成長させた。これらの条件下における横方向成長の垂直方向成長に対する割合は、約１：１であった。図１６は、得られたＧａＮ層の横断面のＳＥＭ像である。
【００５２】
明細書及び図面において、限定としてではなく、例として含まれた本発明の好ましい及び例示的な態様について記載してきた。本発明の範囲は、添付の請求の範囲に記載してある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  その上にマスクをパターン形成した基板の横断面図である。
【図２】  その上にマスクをパターン形成した基板の平面図である。
【図３】  導電性緩衝層上にＬＥＯによってＧａＮ層をエピタキシャル成長させた基板の横断面図である。
図３Ａは、導電性緩衝層上にＬＥＯによってＧａＮ層をエピタキシャル成長させているが、合体していない基板の横断面図である。
【図４】  マスク上における過剰な核形成がＧａＮ層の横方向成長を妨げた基板の横断面図である。
【図５】  本発明の面にしたがってＧａＮ層をエピタキシャル成長させた基板の横断面図である。
【図６】  本発明の別の面にしたがってＧａＮ層をエピタキシャル成長させた基板の横断面図である。
図６Ａは、一対の凸部を形成し、マスク層を堆積させた基板の横断面図である。
図６Ｂは、セルフアライメント法を用いて、一対の凸部を形成し、マスク層を堆積させた基板の横断面図である。
【図７】  マスク上における結晶核形成によるＧａＮ層の横方向成長の妨害を示している横断面図ＳＥＭ像である。
【図８】  下地マスク上にある微結晶がエピタキシャル成長を妨害した２つのＧａＮストライプに関する平面ＳＥＭ像である。
【図９】  反射マスク層を用いて、本発明の態様にしたがって成長させたＧａＮストライプの横断面ＳＥＭである。
【図１０】  隣接領域が反射マスクを覆って合体するまで、本発明の態様にしたがって成長させたＧａＮストライプの横断面ＳＥＭである。
【図１１】  Ｓｉ3Ｎ4マスクを覆う導電性緩衝層上に成長させたＧａＮ層の横断面ＳＥＭである。
【図１２】  本発明の第二の態様にしたがって成長させたＧａＮ層の横断面ＳＥＭである。
【図１３】  本発明の第二の態様にしたがって成長させた２つのＧａＮストライプの平面ＳＥＭ像である。
【図１４】  本発明にしたがって成長させたＧａＮ層の横断面ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）像である。
【図１５】  横方向の水平方向に対する成長速度の割合を４．２：１に保ちながら、本発明の態様にしたがって成長させたＧａＮストライプの横断面ＳＥＭである。
【図１６】  横方向の水平方向に対する成長速度の割合を１：１に保ちながら、本発明の態様にしたがって成長させたＧａＮストライプの横断面ＳＥＭである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図８】
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【図７】
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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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