ハイドライド気相成長法による平坦で低転位密度のｍ面窒化ガリウムの成長
【課題】非常に平坦性で完全な透明性と鏡面性をもつｍ面窒化ガリウム（ＧａＮ）膜を成長する方法。
【解決手段】本方法は、選択横方向成長技術によって構造欠陥密度の大幅な低減を実現する。高品質で、一様で、厚いｍ面ＧａＮ膜は分極のないデバイスの成長のための基板として用いるために作製される。
【解決手段】本方法は、選択横方向成長技術によって構造欠陥密度の大幅な低減を実現する。高品質で、一様で、厚いｍ面ＧａＮ膜は分極のないデバイスの成長のための基板として用いるために作製される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は米国特許法第１１９条（ｅ）に基づいて、本発明の譲受人に譲渡された以下の同時係属の米国特許出願の利益を主張するものである。
【０００２】
ベンジャミン・Ａ．ハスケル（Ｂｅｎｊａｍｉｎ Ａ． Ｈａｓｋｅｌｌ）、メルヴィン Ｂ．マクローリン（Ｍｅｌｖｉｎ Ｂ． ＭｃＬａｕｒｉｎ）、スティーブン・Ｐ．デンバース（Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ． ＤｅｎＢａａｒｓ）、ジェームス・Ｓ．スペック（Ｊａｍｅｓ Ｓ． Ｓｐｅｃｋ）、中村修二（Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ）による米国特許仮出願第６０/５７６，６８５号、２００４年６月３日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦で低転位密度のｍ面窒化ガリウムの成長（ ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ ＲＥＤＵＣＥＤ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ ＤＥＮＳＩＴＹ Ｍ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．１１９−ＵＳ−Ｐ１
この出願は参照として本明細書中に組み込まれる。
【０００３】
本出願は米国特許法第１１９、１２０及び／または３６５条に基づいて、本発明の譲受人に譲渡された以下７つの同時係属出願の一部継続出願であり、その利益を主張するものである。
【０００４】
（１）ベンジャミン・Ａ．ハスケル、マイケル・Ｄ．クレイブン（Ｍｉｃｈａｅｌ Ｄ．Ｃｒａｖｅｎ）、ポール・Ｔ．フィニ（Ｐａｕｌ Ｔ． Ｆｉｎｉ）、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１８号、２００３年７月１５日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長（ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＲＥＤＵＣＥＤ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ ＤＥＮＳＩＴＹ ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９３−ＷＯ−Ｕ１（２００３−２２４−２）。この出願は、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、マイケル・Ｄ．クレイブン、ポール・Ｔ．フィニ、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による米国特許仮出願第６０/４３３，８４３号、２００２年１２月１６日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長（ ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＲＥＤＵＣＥＤ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ ＤＥＮＳＩＴＹ ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９３−ＵＳ−Ｐ１（２００３−２２４−１）の優先権を主張する。
【０００５】
（２）ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ポール・Ｔ．フィニ、松田成正（Ｓｈｉｇｅｍａｓａ Ｍａｔｓｕｄａ）、マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１６号、２００３年７月１５日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性a面窒化ガリウムの成長（ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ，ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ Ａ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９４−ＷＯ−Ｕ１（２００３−２２５−２）。この出願は、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ポール・Ｔ．フィニ、松田成正、マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による米国特許仮出願第６０/４３３，８４４号、２００２年１２月１６日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性a面窒化ガリウムの成長技術（ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＦＯＲ ＴＨＥ ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ，ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ Ａ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９４−ＵＳ−Ｐ１（２００３−２２５−１）の優先権を主張する。
【０００６】
（３）マイケル・Ｄ．クレイブン、ジェームス・Ｓ．スペックによる米国特許出願第１０／４１３，６９１号、２００３年４月１５日出願、発明の名称「有機金属気相成長法によって成長させた非極性a面窒化ガリウム薄膜（ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ Ａ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭＳ ＧＲＯＷＮ ＢＹ ＭＥＴＡＬＯＲＧＡＮＩＣ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＶＡＰＯＲ ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ）」、代理人識別番号３０７９４．１００−ＵＳ−Ｕ１（２００２−２９４−２）。この出願は、マイケル・Ｄ．クレイブン、ステーシア・ケラー（Ｓｔａｃｉａ Ｋｅｌｌｅｒ）、スティーブン・Ｐ．デンバース、タル・マーガリス（Ｔａｌ Ｍａｒｇａｌｉｔｈ）、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二、ウメシュ・Ｋ．ミシュラ（Ｕｍｅｓｈ Ｋ． Ｍｉｓｈｒａ）による米国特許仮出願第６０/３７２，９０９号、２００２年４月１５日出願、発明の名称「非極性窒化ガリウム系薄膜およびヘテロ構造材料（ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＡＳＥＤ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭＳ ＡＮＤ ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ）」、代理人識別番号３０７９４．９５−ＵＳ−Ｐ１（２００２−２９４／３０１／３０３）の優先権を主張する。
【０００７】
（４）マイケル・Ｄ．クレイブン、ステーシア・ケラー、スティーブン・Ｐ．デンバース、タル・マーガリス、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二、ウメシュ・Ｋ．ミシュラによる米国特許出願第１０／４１３，６９０号、２００３年４月１５日出願、発明の名称「非極性（Ａｌ、Ｂ、Ｉｎ、Ｇａ)Ｎ量子井戸およびヘテロ構造材料およびデバイス（ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ （Ａｌ，Ｂ，Ｉｎ，Ｇａ)Ｎ ＱＵＡＮＴＵＭ ＷＥＬＬ ＡＮＤ ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＡＮＤ ＤＥＶＩＣＥＳ）」、代理人識別番号３０７９４．１０１−ＵＳ−Ｕ１（２００２−３０１−２）。この出願は、マイケル・Ｄ．クレイブン、ステーシア・ケラー、スティーブン・Ｐ．デンバース、タル・マーガリス、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二、ウメシュ・Ｋ．ミシュラによる米国特許仮出願第６０/３７２，９０９号、２００２年４月１５日出願、発明の名称「非極性窒化ガリウム系薄膜およびヘテロ構造材料（ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＡＳＥＤ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭＳ ＡＮＤ ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ）」、代理人識別番号３０７９４．９５−ＵＳ−Ｐ１（２００２−２９４／３０１／３０３）の優先権を主張する。
【０００８】
（５）マイケル・Ｄ．クレイブン、ステーシア・ケラー、スティーブン・Ｐ．デンバース、タル・マーガリス、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二、ウメシュ・Ｋ．ミシュラによる米国特許出願第１０／４１３，９１３号、２００３年４月１５日出願、発明の名称「非極性窒化ガリウム薄膜における転位の低減（ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ ＲＥＤＵＣＴＩＯＮ ＩＮ ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭＳ）」、代理人識別番号３０７９４．１０２−ＵＳ−Ｕ１（２００２−３０３−２）。この出願は、マイケル・Ｄ．クレイブン、ステーシア・ケラー、スティーブン・Ｐ．デンバース、タル・マーガリス、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二、ウメシュ・Ｋ．ミシュラによる米国特許仮出願第６０/３７２，９０９号、２００２年４月１５日出願、発明の名称「無極性窒化ガリウム系薄膜およびヘテロ構造材料（ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＡＳＥＤ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭＳ ＡＮＤ ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ）」、代理人識別番号３０７９４．９５−ＵＳ−Ｐ１の優先権を主張する。
【０００９】
（６）マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバースによる国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／３９３５５号、２００３年１２月１１日出願、発明の名称「非極性（Ａｌ、Ｂ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ量子井戸（ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ （Ａｌ，Ｂ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ ＱＵＡＮＴＵＭ ＷＥＬＬＳ）」、代理人識別番号３０７９４．１０４−ＷＯ−０１（２００３−５２９−１）。この出願は、上記特許出願ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１８号（３０７９４．９３−ＷＯ−Ｕ１）、第ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１６号（３０７９４．９４−ＷＯ−Ｕ１）、第１０／４１３，６９１号（３０７９４．１００−ＵＳ−Ｕ１）、第１０／４１３，６９０号（３０７９４．１０１−ＵＳ−Ｕ１）、第１０／４１３，９１３号（３０７９４．１０２−ＵＳ−Ｕ１）の一部継続出願である。
【００１０】
（７）アーパン・チャクラボーティ（Ａｒｐａｎ Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ）、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ステーシア・ケラー、ジェームス・Ｓ．スペック、スティーブン・Ｐ．デンバース、中村修二、ウメシュ・Ｋ．ミシュラによる米国特許出願第１１／１２３，８０５号、２００５年５月６日出願、発明の名称「有機金属気相成長法による非極性窒化インジウムガリウム薄膜、ヘテロ構造物、およびデバイスの製作（ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＯＦ ＮＯＮＰＯＬＡＲ ＩＮＤＩＵＭ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭＳ，ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ ＡＮＤ ＤＥＶＩＣＥＳ ＢＹ ＭＥＴＡＬＯＲＧＡＮＩＣ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＶＡＰＯＲ ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ）」、代理人識別番号３０７９４．１１７−ＵＳ−Ｕ１（２００４−４９５−２）。この出願は、アーパン・チャクラボーティ、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ステーシア・ケラー、ジェームス・Ｓ．スペック、スティーブン・Ｐ．デンバース、中村修二、ウメシュ・Ｋ．ミシュラによる米国特許仮出願第６０/５６９，７４９号、２００４年５月１０日出願、発明の名称「有機金属気相成長法による非極性インジウムガリウム薄膜、ヘテロ構造物およびデバイスの製作（ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＯＦ ＮＯＮＰＯＬＡＲ ＩＮＧＡＮ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭＳ， ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ ＡＮＤ ＤＥＶＩＣＥＳ ＢＹ ＭＥＴＡＬＯＲＧＡＮＩＣ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＶＡＰＯＲ ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ）」、代理人識別番号３０７９４．１１７−ＵＳ−Ｐ１（２００４−４９５）の優先権を主張する。
【００１１】
これら全ての出願は参照として本明細書中に組み込まれる。
１．本発明の技術分野
本発明は化合物半導体の成長とデバイス作製に関するものである。より具体的には、本発明は、ハイドライド気相成長法による平坦なｍ面ＧａＮ膜の直接成長や、または低転位密度を達成するためこれに引き続き選択的にＧａＮ膜の選択横方向成長（ｌａｔｅｒａｌ ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）を用いた、平坦なｍ面窒化ガリウム（ＧａＮ）膜の成長と作製に関するものである。
【背景技術】
【００１２】
２．関連技術の説明
(注：本願明細書は様々な文献を参照している。これら文献それぞれは以下の「参考文献」と題されたセクションに見出せる。これら文献のそれぞれは参照としてここに組み込まれているものとする。)
窒化ガリウム（ＧａＮ）ならびにアルミニウム及びインジウムを含むその３元および４元の化合物(ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ)の有用性は、可視及び紫外の光電子デバイスや高性能電子デバイスの作製に対して十分に確立されてきている。これらのデバイスは通常は分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、あるいはハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法などの成長技術によってエピタキシャル成長される。
【００１３】
ＧａＮとその合金は六方晶系ウルツ鉱型結晶構造において最も安定である。その構造は相互に１２０°回転関係にある２つ（または３つ）の等価な基底面軸（ａ軸）によって示され、これらの軸はすべて主軸のｃ軸に垂直である。図１は一般的な六方晶系ウルツ鉱型結晶構造１００の概略図であり、重要な面１０２、１０４、１０６、１０８と、軸１１０、１１２、１１４、１１６を図中に示す。ここで、塗りつぶされたパターンは重要な面１０２、１０４、１０６を示すことを意図するものであり、構造１００の材料を表すものではない。ＩＩＩ族元素原子と窒素原子は結晶のｃ軸に沿って交互にｃ面を占める。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軸に沿ってバルクの自発分極を有することを示す。さらに、ウルツ鉱型結晶構造は対称中心がないので、ウルツ鉱型窒化物は結晶ｃ軸に沿ってさらに圧電分極を示す。電子および光電子デバイス用の現状の窒化物技術は極性ｃ方向に沿って成長した窒化物薄膜を用いている。しかしながら、ＩＩＩ族窒化物系の光電子及び電子デバイスにおける従来のｃ面量子井戸構造は強い圧電分極及び自発分極の存在によって望ましくない量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）を示すことになる。ｃ方向に沿った強い組み込み（ｂｕｉｌｔ−ｉｎ）電界のために電子と正孔は空間的に分離してしまい、それがためにキャリアの再結合効率が制限され、振動子強度が低下し、発光がレッド・シフトを起こすことになってしまう。
【００１４】
ＧａＮ光電子デバイスにおける自発分極および圧電分極の効果を取り除く可能性のある１つの方法は結晶の非極性面上にデバイスを成長することである。そのような面はＧａとＮ原子を同数ずつ含み、電荷中性である。更に、引き続き成長する非極性層は相互に等価であり、それゆえに、バルク結晶は成長方向に沿って分極しない。ＧａＮにおける対称等価な非極性面の２つのファミリーは、まとめてa面と呼ばれる｛１１−２０｝ファミリーと、まとめてｍ面と呼ばれる｛１−１００｝ファミリーである。
【００１５】
実際に、例えば＜１１−２０＞ａ方向または＜１−１００＞ｍ方向のような非極性成長方向を用いた（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎの量子井戸構造は、極性軸が膜の成長面内にあり、量子井戸のヘテロ界面に平行であるので、ウルツ鉱型窒化物構造において分極が誘起する電界効果を除去することが出来る有効な手段を提供するものであるということが示された。非極性の電子および光電子デバイスの作製における利用可能性から、過去数年間、非極性（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎの成長は大きな関心を集めている。最近では、アルミン酸リチウム基板上にプラズマ支援ＭＢＥにより作製した非極性ｍ面ＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸、及びＭＢＥ及びＭＯＣＶＤの両方を用いてｒ面サファイア基板上に成長した非極性ａ面ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）には成長方向に沿っての分極電界が存在しないことが示された。更に最近では、スン（Ｓｕｎ）ら［非特許文献１］及びガードナー（Ｇａｒｄｎｅｒ）ら［非特許文献２］はそれぞれ、ＭＢＥ及びＭＯＣＶＤ法によってｍ面ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造をヘテロエピタキシャル成長した。チトニス（Ｃｈｉｔｎｉｓ）ら［非特許文献３］はａ面ＩｎＧａＮ／ＧａＮ構造をＭＯＣＶＤで成長した。もっとも大事なこととして、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の研究者ら、すなわちチャクラボーティー（Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ）ら［非特許文献４］はごく最近、低欠陥密度のＨＶＰＥ成長ａ面ＧａＮをテンプレートとして用いて、低欠陥密度ａ面ＩｎＧａＮ／ＧａＮデバイスを成長することによる大きな利点を実証した。本文献は、非極性ＩＩＩ族窒化物発光ダイオード（ＬＥＤ）及びレーザ・ダイオード（ＬＤ）は極性のものに比較してはるかに良好な特性を持つ可能性があることを確立した。
【００１６】
ＧａＮのバルク結晶は入手できないので、単純に結晶をカットして、続くデバイスの再成長のための結晶表面を作り出すことは出来ない。全てのＧａＮ膜は最初はヘテロエピタキシャル成長され、すなわちＧａＮと適度に格子整合する異種基板上に成長させる。近年、多くの研究グループが、自立（ｆｒｅｅ−ｓｔａｎｄｉｎｇ）ＧａＮ基板を得て、それをデバイスのホモエピタキシャル再成長用に用いるために、その異種基板を取り除くに十分な厚さ（＞２００μｍ）のＧａＮ膜をヘテロエピタキシャル成長するための手段としてＨＶＰＥ法を用いることが可能であることを認識してきた。ＨＶＰＥはＭＯＣＶＤに比べて１桁から２桁大きな成長速度を持ち、ＭＢＥよりは３桁も大きな成長速度を有するという利点があり、これはＨＶＰＥを基板作製の魅力的な技術とする長所である。
【００１７】
窒化物のヘテロエピタキシャル成長における一つの甚だしく不利な点は、基板とエピタキシャル薄膜間の界面に構造欠陥が発生することである。重要で、影響の大きい欠陥の主要なタイプは貫通転位と積層欠陥の２つである。極性ｃ面ＧａＮ膜において転位と積層欠陥の低減を達成する主要な手段は、選択横方向成長（ｌａｔｅｒａｌ ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）（ＬＥＯ、ＥＬＯ、またはＥＬＯＧ）、選択領域エピタキシー、およびＰＥＮＤＥＯエピタキシー(登録商標)を含むいろいろな横方向オーバーグロース技術を用いることである。これらのプロセスの大事な点は、垂直成長よりも横方向成長が容易になるようにすることによって、転位が薄膜表面を垂直に伝播することを妨げるか抑えることである。このような転位低減技術はＨＶＰＥとＭＯＣＶＤによってｃ面ＧａＮ成長に対して精力的に開発されてきた。
【００１８】
ごく最近になってＧａＮの横方向成長技術はａ面膜に対して実証された。クレイブン（Ｃｒａｖｅｎ）ら［非特許文献５］は薄いａ面ＧａＮテンプレート層の上に誘電体マスクを用いてＭＯＣＶＤによってＬＥＯを行うことに成功した。発明者らのグループはこれに続き、ＨＶＰＥによるａ面ＧａＮ成長のＬＥＯ技術を開発した［非特許文献６］。しかしながら今日までｍ面ＧａＮに対してはそのようなプロセスは開発も実証もされていない。
【００１９】
本発明は、このような課題を克服し、ＨＶＰＥによる高品質ｍ面ＧａＮの成長技術を初めて提供するものである。
【非特許文献１】Ｓｕｎ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８３（２５）５１７８（２００３）
【非特許文献２】Ｇａｒｄｎｅｒ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８６,１１１１０１（２００５）
【非特許文献３】Ｃｈｉｔｎｉｓ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８４（１８）３６６３（２００４）
【非特許文献４】Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ ｅｔ ａｌ．, Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８５（２２）５１４３（２００４）
【非特許文献５】Ｃｒａｖｅｎ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８１（７）１２０１（２００２）
【非特許文献６】Ｈａｓｋｅｌｌ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８３（４）６４４（２００３）
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は非常に平坦で完全な透明性と鏡面性を持ったｍ面ＧａＮ膜を成長する方法を提供するものである。本方法は選択横方向成長技術によって構造欠陥密度を大幅に低減することができる。高品質で、一様な、厚いｍ面ＧａＮ膜が製作でき、分極のないデバイス成長のための基板として用いることができる。
【００２１】
以下、図面を参照する。対応する部分には一貫して同じ参照番号を付与する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下の好ましい実施の形態の説明では、添付の図面を参照する。添付の図面は、本明細書の一部を形成し、本発明を実施することができる特定の実施例を例示するために示す。本発明の範囲を逸脱することなく、その他の実施形態を利用してもよく、構造上の変化を施しても良いことは明らかである。
【００２３】
概要
非極性ｍ面｛１−１００｝窒化物半導体を成長させることによって、ウルツ鉱型構造ＩＩＩ族窒化物のデバイス構造における分極の影響を取り除く手段が得られる。現状の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎデバイスは、極性［０００１］ｃ方向に成長されるため、そこでは光電子デバイスの主たる伝導方向に沿って電荷分離が起こる。その結果生じる分極電界は現状のデバイスの性能を低下させる。このようなデバイスを非極性方向に沿って成長させればデバイス性能を著しく改善することが出来る。
【００２４】
ｍ面ＧａＮ厚膜を成長するためのこれまでの努力では、ピット、ノッチ、及びクラックなどのバルク欠陥を高密度に含んだ、欠陥の多いエピ層しか出来なかった。このような膜はまた非常に不均一で、デバイス層作製のためのホモエピタキシャル再成長における基板として用いるには適さなかった。本発明は、厚い非極性ｍ面ＧａＮ膜の成長において、これまでに観察された問題を解決するものであり、ピット、Ｖ字型欠陥、矢印欠陥（ａｒｒｏｗｈｅａｄ ｄｅｆｅｃｔｓ）、貫通転位、及び積層欠陥を除去することを含むものである。本発明は、非常に平坦で、完全な透明性と鏡面性を持つｍ面ＧａＮ膜を成長できることをはじめて実証するものである。更に本発明は、選択横方向成長法によって構造欠陥密度の大幅な低減を実現する方法を提供するものである。本発明によりはじめて、高品質で、一様な、厚いｍ面ＧａＮ膜が製作でき、分極のないデバイス成長のための基板として使用することが出来る。
【００２５】
本発明は、高品質、低欠陥密度、非極性ｍ面｛１−１００｝ＧａＮを製作する比較的簡単な手段を提供するものである。現在ＧａＮ薄膜はバルク結晶が入手できないのでヘテロエピタキシャル成長しなければならないし、この成長工程のための完全に格子整合された基板も存在しない。従来のヘテロエピタキシャル成長では格子不整合の結果、成長したＧａＮ膜は本来的に欠陥の多いものであり、一般には１０８ｃｍ−２以上に及ぶ転位密度を含むものである。選択横方向成長法を用いる一連の成長技術はｃ面（０００１）及び最近ではａ面｛１１−２０｝ＧａＮ成長において開発されてきて、転位密度の大幅な低減を実現してきた。本発明は異種基板上に成長したｍ面ＧａＮにおける膜品質の大幅な改良を実現する手段を提供し、加えて、いかなる成長技術を用いても達成されたことのないｍ面ＧａＮの選択横方向成長にはじめて成功した、その実行方法を提供するものである。本発明の結果として、大幅に低減した欠陥密度を持ち、厚い非極性ｍ面ＧａＮ膜を成長すること、及びそれに引き続いて、改良された特性を持つ電子及び光電子デバイスを様々な成長技術を用いて成長するためにそれを用いることが今や可能となった。
【００２６】
技術説明
本発明は平坦なｍ面ＧａＮ膜とその自立層をＨＶＰＥによって製作する方法を提供するものである。低い成長圧力と水素を含むキャリア・ガスを用いて、本発明は異種基板から非極性ｍ面ＧａＮの直接成長とその表面安定化を実証した。本発明は更に、マスク層を通した基板からの選択横方向成長よって、ｍ面ＧａＮにおける貫通転位と積層欠陥の密度を低減させる手法を提供するものである。
【００２７】
平坦なｍ面ＧａＮの直接成長
本発明は平坦なｍ面ＧａＮ膜のＨＶＰＥ法による直接成長方法をはじめて提供するものである。その成長プロセスは次の特許文献に記載されたａ面ＧａＮ成長の場合と似ている。
ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ポール・Ｔ．フィニ、松田成正、マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１６号、２００３年７月１５日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性a面窒化ガリウムの成長（ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ，ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ Ａ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９４−ＷＯ−Ｕ１。この出願は、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ポール・Ｔ．フィニ、松田成正、マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による米国特許仮出願第６０/４３３，８４４号、２００２年１２月１６日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性a面窒化ガリウムの成長技術（ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＦＯＲ ＴＨＥ ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ，ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ Ａ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９４−ＵＳ−Ｐ１（２００３−２２５−１）の優先権を主張する。両出願とも参照として本明細書中に組み込まれる。
【００２８】
本発明はＨＶＰＥ法による｛１−１００｝ＧａＮ作製の様々な成長シーケンスに適用できる。従来の金属ソースＨＶＰＥ法は気相の塩化水素（ＨＣｌ）のような（ただし、これに限定されるわけではない）ハロゲン化物化合物と金属ガリウムを、７００℃を超える温度で反応させて一塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を形成する過程を含む。このＧａＣｌは一般的には窒素、水素、ヘリウム、またはアルゴンであるキャリア・ガスによって基板へ運ばれる。基板への輸送中に、または基板にて、または排気流の中において、ＧａＣｌはアンモニア（ＮＨ３)と反応してＧａＮを形成する。基板で起こる反応は基板／成長膜表面上にＧａＮを生成して、その結果、結晶成長が起こることになる。
【００２９】
本発明は平坦なＧａＮ膜を得るために、いくつかの成長パラメータの組み合わせを用いる。
１．これに限るものではないが、例えばｍ面６Ｈ−ＳｉＣ基板、ｍ面４Ｈ−ＳｉＣ基板、（１００）γ−ＬｉＡｌＯ２基板、またはｍ−（Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｂ）Ｎテンプレート層で覆われた上記の基板のどれかの適当な基板を用いること。本発明では、これら全ての基板について成功することを実証した。
２．反応器内の１つ以上のガス流の内、最終的な成長段階においてキャリアガスとして一部分は水素（Ｈ２）を用いること。
３．成膜の最終工程／段階で反応器内を大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）より下の減圧とすること。
【００３０】
プロセス工程
図２は本発明の好ましい実施形態による、平坦なｍ面ＧａＮ膜をハイドライド気相成長法で直接成長する工程を示すフローチャートである。この工程は高品質で平坦なｍ面ＧａＮ膜を通常の３ゾーン水平流のＨＶＰＥシステムを用いて作製する場合の典型的な成長シーケンスを備えている。正確なシーケンスは以下に記すように選択される基板によって変わる。
【００３１】
ブロック２００は、ｅｘ ｓｉｔｕクリーニングは施さないで基板を反応器に装着する工程を表している。好ましい実施形態においては、基板はｍ面６Ｈ−ＳｉＣ基板、ｍ面４Ｈ−ＳｉＣ基板、（１００）γ−ＬｉＡｌＯ２基板、またはｍ−（Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｂ）Ｎテンプレート層で覆われた上記の基板のどれかである。
【００３２】
ブロック２０２は、反応器を加熱する前に酸素と水蒸気の濃度を下げるために、反応器を排気して、代わりに反応器に精製した窒素（Ｎ２）ガスを充填する工程を表す。系の酸素と水蒸気の濃度を更に下げるために、通常はこの工程を繰り返す。
【００３３】
ブロック２０４は系の全ての流路にＨ２とＮ２の混合ガスを流しながら、反応器を成長温度である約１，０４０℃に加熱する工程を表す。基板がｍ面（Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｂ）Ｎテンプレート層で覆われている場合は、テンプレートが分解するのを防ぐために反応器を加熱する段階でガス流の中に少量のＮＨ３を含ませることが一般に望ましい。また、テンプレート層を用いる場合はブロック２０４の前にブロック２０８、すなわち減圧工程を実行することで膜の高品質化が達成される。
【００３４】
ブロック２０６は反応器が成長温度に到達したときに行う基板の窒化処理の工程を表す。ここで窒化処理は基板の表面を窒化するために反応器の中のガス流に無水アンモニア（ＮＨ３)を加える工程を含む。基板の窒化処理の工程は９００℃より高い温度で行われる。この工程はＬｉＡｌＯ２基板を用いる場合には実行することが大いに望ましいが、一方、ＳｉＣ基板を用いる場合には一般に不要であり、除いてもよい。
【００３５】
ブロック２０８は反応器の圧力を望ましい成膜圧力まで低下させる工程を示す。好ましい実施形態では、所望の成膜圧力は大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）より下であり、より具体的には所望の成膜圧力は５から１００Ｔｏｒｒの範囲である。好ましい実施形態では所望の成膜圧力は約７６Ｔｏｒｒである。
【００３６】
ブロック２１０は基板の上に低温バッファや核生成層を一切用いることなく、直接ｍ面ＧａＮ膜の成長を開始するために、気体である塩化水素（ＨＣｌ）をガリウム（Ｇａ）ソースへ流し始める工程を表している。通常の金属ソースＨＶＰＥ法は気体ＨＣｌのような（ただし、これに限定するものではない）ハロゲン化物化合物と金属Ｇａの７００℃を超える温度でのその場（ｉｎ ｓｉｔｕ）反応を含み、一塩化ガリウム（ＧａＣｌ)のような金属のハライド種を形成する。
【００３７】
ブロック２１２では、反応器中の1つ以上のガス流の中に少なくとも一部分は水素（Ｈ２）を含むキャリア・ガスによって、ＧａＣｌを基板へ輸送する工程を表している。キャリア・ガスは窒素、ヘリウム、またはアルゴン、またはその他の非反応性希ガスも含んでいてよい。基板への輸送中、または基板にて、または排気流の中において、ＧａＣｌはＮＨ３と反応してＧａＮを形成する。基板上で反応が生じることで基板上にＧａＮが生成され、結果として結晶成長が起こることになる。典型的なＶ族／ＩＩＩ族比（ＮＨ３とＧａＣｌのモル比）はこのプロセスでは１〜５０である。Ｇａソースの下流に補足的にＨＣｌを注入したり、あるいはＨＣｌとＧａソースとの反応が完全でなかったりするため、ＮＨ３／ＨＣｌ比は必ずしもＶ族／ＩＩＩ族比に等しくないことに注意されたい。
【００３８】
ブロック２１４は、所望の成長時間が過ぎた後に、気体ＨＣｌの流れを遮断して反応器圧力を元に戻し、反応器の温度を室温に下げる工程を示す。遮断の工程は更にガス流の中にＮＨ３を含ませて、反応器温度が低下する間にＧａＮ膜の分解が起こるのを防止する工程を含む。反応器圧力は大気圧に戻してもよく、あるいは或る低い圧力に保っても良く、冷却は例えば５から７６０Ｔｏｒｒの間の圧力で行われる。
【００３９】
典型的なＧａＮ膜の成長速度はこのプロセスでは1から４００μｍ／ｈである。この成長速度は、ソースと基板の温度、システム中の様々な気体の流速、反応器の形状、その他を含むが、これに限定されるわけではない多数の成長パラメータに依存していて、それは平坦なｍ面ＧａＮ膜を成長する範囲内で、かなり広い領域にわたって変化させることが出来る。これらパラメータのほとんど全ての好適値は成長反応器の形状に対して固有である。
【００４０】
上記のプロセス工程における「最終成長段階」についての記述は、上記の条件を用いた適切な時間の工程で成長段階を終了することによって、他の条件では凸凹していたり欠陥の多い膜であったものを平坦化することが可能であるという観察結果を指している。成長の初期段階では膜品質や形態に関わらず、ｍ面配向物質が成長する任意の成長パラメータを取り込んでよい。
【００４１】
好ましくは、上記プロセス工程で平坦なｍ面ＧａＮ膜を作製する。
更に、この方法を用いて作製されるデバイスはレーザ・ダイオード、発光ダイオード及びトランジスタを含んでいる。
【００４２】
実験結果
上述された成長パラメータの組み合わせを用いると、平坦なｍ面ＧａＮ膜を常に成長することができた。図３（ａ）は（１００）γ−ＬｉＡｌＯ２基板上に成長したｍ面ＧａＮ膜のノマルスキー光学コントラスト顕微鏡写真を示す。この試料は３２％のＮ２、５８％のＨ２、残りはＮＨ３とＨＣｌを用いて、Ｖ族：ＩＩＩ族比が１５．８である条件で成長したものである。成長圧力は７０Ｔｏｒｒであり、基板温度は８６２℃であった。顕微鏡像には本発明を用いないで以前に成長したｍ面ＧａＮ膜に特徴的であったピットやクラックのようなバルク欠陥は見当たらない。表面はナノメータ寸法の起伏をもった、非結晶学的な流れ形状を示している。図３（ｂ）はこの同じ試料の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像を示す。縞模様の形状はＭＢＥ成長されたｍ面ＧａＮ膜に共通して見られるが、この表面は以前に報告されたどのものよりもはるかに平坦である。ＡＦＭ像の右下象限に見られる波状の形状は以前の文献には報告されていない。この形状は膜中の螺旋転位の特徴を持った貫通転位の存在と関係するものと思われる。この表面の凹凸の自乗平均根（ＲＭＳ）は２５μｍ2の面積内で１４．１Åであり、それは同じ技術によってｒ−面Ａｌ２Ｏ３上に成長したａ面ＧａＮ膜と同程度である。
【００４３】
ｍ面ＧａＮの選択横方向成長
上記技術はＨＶＰＥによって平坦なｍ面ＧａＮ膜を成長する手段をはじめて提供するものである。これらの膜はスムーズで平坦である一方、まだ貫通転位や基底面積層欠陥を高密度に含む。実際に、そのような直接成長した試料の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真は貫通転位と積層欠陥の密度がそれぞれ４×１０９ｃｍ−２と２×１０５ｃｍ−１であることを明確に示している。そのような構造欠陥が存在すると、そのデバイス性能は、低い欠陥密度のｍ面ＧａＮを用いて達成されるであろう性能に比べて劣化することになる。本発明はＬＥＯによってｍ面ＧａＮ膜の構造欠陥密度を低減する方法を更に含むものである。
【００４４】
本発明は次の特許文献によって開示されたａ面ＧａＮ薄膜における欠陥低減のために開発された技術に密接に関連するものである。
ベンジャミン・Ａ．ハスケル、マイケル・Ｄ．クレイブン、ポール・Ｔ．フィニ、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１８号、２００３年７月１５日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長（ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＲＥＤＵＣＥＤ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ ＤＥＮＳＩＴＹ ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９３−ＷＯ−Ｕ１（２００３−２２４−２）。この出願は、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、マイケル・Ｄ．クレイブン、ポール・Ｔ．フィニ、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による米国特許仮出願第６０/４３３，８４３号、２００２年１２月１６日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長（ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＲＥＤＵＣＥＤ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ ＤＥＮＳＩＴＹ ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９３−ＵＳ−Ｐ１（２００３−２２４−１）の優先権を主張する。両出願とも参照として本明細書中に組み込まれる。
【００４５】
本発明はいくつかの重要な要素に依るものである。
１．ｍ面ＳｉＣ上のＡｌＮバッファ層上に成長したｍ面ＧａＮテンプレートのような（ただし、これに限るわけではない）適当な基板またはテンプレートを用いること。
２．テンプレートまたは基板上に多孔質のマスクを成膜すること。このマスクは、誘電体層を成膜してパターニングした場合のように一様なものであっても、または、薄い多孔質の金属性またはセラミックのマスクを成膜する場合のように不均一なものであっても良い。マスクは各種のｉｎ ｓｉｔｕ技術またはｅｘ ｓｉｔｕ技術によって成膜してよい。
３．（７６０Ｔｏｒｒより低い）低圧で（Ａｌ、Ｂ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎを成膜すること。
４．基板／テンプレートが成長中に曝されるガス流として大部分がＨ２である気体を用いること。
【００４６】
プロセス工程
図４は、本発明の好ましい実施形態により、ＧａＮ膜の選択横方向成長によって、平坦なｍ面ＧａＮ膜における貫通転位と欠陥の密度を低減する工程を示すフローチャートである。これらの工程は基板上に成膜したマスクをパターニングする工程（以下のブロック４００から４０８まで）とＨＶＰＥ法を用いて基板からＧａＮ膜のＬＥＯ成長を行う工程（以下のブロック４１０から４２０まで）を備えていて、そこではパターニングされたマスクによって覆われていない基板の部分にのみＧａＮ膜が核成長し、ＧａＮ膜がパターニングされたマスクの中の開口部から垂直に成長し、次にＧａＮ膜はパターニングされたマスクの上を基板表面を横切って横方向に拡がる。
【００４７】
ブロック４００はｍ面６Ｈ−ＳｉＣ基板上のＡｌＮバッファ層上にＭＢＥで成長したｍ面ＧａＮテンプレートのような（ただし、これに限るわけではない）適当な基板またはテンプレートの上に〜１３５０Å厚のＳｉＯ２膜を成膜する工程を表している。ここでＳｉＯ２膜は誘電体マスクの基礎となるものである。好ましい実施形態では、パターニングされたマスクは誘電体膜であり、基板はｍ面６Ｈ−ＳｉＣ基板であるが、その他の物質を同様に用いてもよく、例えばパターニングされたマスクとして金属材料を、あるいは基板としてサファイアを用いてもよい。
【００４８】
ブロック４０２はＳｉＯ２膜上にフォトレジスト層を成膜し、成膜したフォトレジスト層を通常のフォトリソグラフィー処理工程を用いてパターニングする工程を表している。一実施形態では、パターンは５μｍ幅の開口によって隔てられた３５μｍ幅のストライプを備えている。
【００４９】
ブロック４０４はパターニングされたフォトレジスト層によって露出したＳｉＯ２膜の部分をすべて、基板を緩衝フッ化水素（ＨＦ）酸に2分間浸漬することによってエッチング除去する工程を表している。
【００５０】
ブロック４０６は、残留しているフォトレジスト層の部分を、アセトンを用いて取り除く工程を表している。
【００５１】
ブロック４０８は基板をアセトン、イソプロピール・アルコール、および脱イオン水を用いて洗浄する工程を表している。
【００５２】
乾燥後、５μｍ幅の開口によって隔てられた３５μｍ幅のストライプを有するようパターニングされたＳｉＯ２膜を備えたパターンマスクで基板は覆われている。
【００５３】
好ましくはマスクは多孔質である。さらに、マスクは誘電体層を成膜してパターニングする場合のように一様なものであっても、また、薄い多孔質の金属性またはセラミックのマスクを成膜する場合のように不均一なものであっても良い。マスクは様々なｉｎ ｓｉｔｕ技術またはｅｘ ｓｉｔｕ技術によって成膜してよい。
【００５４】
次に続くブロックは、ＨＶＰＥ法を用いて基板上へＧａＮ膜を選択横方向成長する工程を表す。ここで、ＧａＮ膜はパターニングされたマスクによって露出した部分のみに核生成し、ＧａＮ膜はパターニングされたマスク内の開口部から垂直に成長し、次いでＧａＮ膜はパターニングされたマスクの上を基板表面を横切るように横方向に拡がり、最終的には隣接するＧａＮストライプと合体する。選択横方向成長は、ほぼ大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）である低成長圧力を用い、一部分は水素を含むキャリアガスを利用する。横方向成長プロセスの成長条件は、ＨＶＰＥ法を用いる高品質で平坦なｍ面ＧａＮ成長について上記した条件と非常に似ている。
【００５５】
これらの工程とその成長パラメータは、本発明の譲受人に譲渡された以下の同時係属出願に更に詳しく記載されている。
ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ポール・Ｔ．フィニ、松田成正、マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１６号、２００３年７月１５日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性a面窒化ガリウムの成長（ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ，ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ Ａ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９４−ＷＯ−Ｕ１。この出願は本発明の譲受人に譲渡された以下の2つの同時係属出願の優先権を主張する。
ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ポール・Ｔ．フィニ、松田成正、マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による米国特許仮出願第６０/４３３，８４４号、２００２年１２月１６日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性a面窒化ガリウムの成長技術（ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＦＯＲ ＴＨＥ ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ，ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ Ａ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９４−ＵＳ−Ｐ１；および
ベンジャミン・Ａ．ハスケル、マイケル・Ｄ．クレイブン、ポール・Ｔ．フィニ、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による米国特許仮出願第６０/４３３，８４３号、２００２年１２月１６日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長（ ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＲＥＤＵＣＥＤ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ ＤＥＮＳＩＴＹ ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９３−ＵＳ−Ｐ１。
【００５６】
これら全ての出願とも参照として本明細書に組み込まれる。
【００５７】
ブロック４１０は反応器に基板を装着する工程を表す。
【００５８】
ブロック４１２は、反応器中の酸素濃度を下げるために、反応器を排気し、代わりに反応器に精製した窒素（Ｎ２）ガスを充填する工程を表す。反応器内の酸素濃度を更に下げるために、しばしばこの工程を繰り返す。
【００５９】
ブロック４１４は成長室に低圧でＨ２とＮ２とＮＨ３の混合ガスを流しながら、反応器を成長温度である約１，０４０℃に加熱する工程を表す。好ましい実施形態では、所望の成膜圧力は大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）より下であり、一般的には３００Ｔｏｒｒより下である。より具体的には、所望の成膜圧力は５から１００Ｔｏｒｒの範囲に制限され、７６Ｔｏｒｒに設定されても良い。
【００６０】
ブロック４１６は基板の上に低温バッファや核生成層を一切用いることなく、直接ｍ面ＧａＮ膜の成長を開始するために、気体である塩化水素（ＨＣｌ）をガリウム（Ｇａ）ソースへ流し始める工程を表している。通常の金属ソースＨＶＰＥ法は気体ＨＣｌのような（ただし、これに限定するものではない）ハロゲン化物化合物と金属Ｇａの７００℃を超える温度でのその場（ｉｎ ｓｉｔｕ）反応を含み、一塩化ガリウム（ＧａＣｌ)を形成する。
【００６１】
ブロック４１８では、反応器中の1つ以上のガス流の中に少なくとも一部分は水素（Ｈ２）を含むキャリア・ガスによって、ＧａＣｌを基板へ輸送する工程を表している。一実施形態では、キャリア・ガスは主として水素であってもよく、他の実施形態では、キャリア・ガスは水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、またはその他の不活性ガスの混合物を含む。基板へ輸送中、または基板にて、または排気流の中において、ＧａＣｌはＮＨ３と反応してＧａＮを形成する。基板上で反応が生じることで基板上にＧａＮが生成され、その結果、結晶成長が起こることになる。典型的なＶ族／ＩＩＩ族比はこのプロセスでは１〜５０である。Ｇａソースの下流に補足的にＨＣｌを注入したり、あるいはＨＣｌとＧａソースとの反応が完全でなかったりするため、ＮＨ３／ＨＣｌ比は必ずしもＶ族／ＩＩＩ族比に等しくないことに注意されたい。
【００６２】
ブロック４２０は、所望の成長時間が過ぎた後に、気体ＨＣｌの流れを遮断して反応器の温度を室温に下げる工程を示す。基板温度が６００℃以下に下がるまでは反応器は低圧に保たれるのが一般的には良いが、反応器圧力をこのとき大気圧に戻すという選択もある。遮断の工程は更に、ガス流の中にＮＨ３を含ませて、反応器温度が低下する間にＧａＮ膜の分解が起こるのを防止する工程を含む。
【００６３】
好ましくは、上記のプロセス工程でテンプレートから平坦なｍ面ＧａＮ膜の選択横方向成長を行う。更に、上記プロセス工程は自立ｍ面ＧａＮ膜または基板の製造に用いられる。しかしながら、本発明はいかなる（Ａｌ、Ｂ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ膜の成膜も含んでよい。更に、この方法を用いて製造されるデバイスはレーザ・ダイオード、発光ダイオード及びトランジスタを含む。
【００６４】
実験結果
本発明の実験例では、ｍ面ＧａＮテンプレートはｍ面６Ｈ−ＳｉＣ上にＭＢＥで成長したＡｌＮバッファ層を用いて成長された。つぎにＧａＮテンプレート表面上に〜１３５０Å厚のＳｉＯ２層を成膜した。従来のフォトリソグラフィー技術と５％ＨＦ溶液中のウェット・エッチングを用いて、ＳｉＯ２層中に平行なストライプの開口部の配列をパターニングした。最初の実験では、この平行なストライプはＧａＮ[０００１]または［１１−２０］のいずれかに沿って配向している。アセトンとイソプロパノールでウェハを超音波洗浄した後、パターニングされたウェハは水平ＨＶＰＥ反応器に装着される。試料は６２．５Ｔｏｒｒの圧力下で、５２％のＮ２，４２％のＨ２および６％のＮＨ３の雰囲気中で８５０から１０７５℃の範囲の成膜温度まで加熱される。試料が所望の成長温度に到達すると、反応器内のガス流はＶ族：ＩＩＩ族比が１３．１である、３８％のＮ2，５７％のＨ2、残りはＮＨ3とＨＣｌに切り替えられる。所望の成長時間が経過した後に、反応器中へのＨＣｌ流は停止され、加熱炉は遮断され、試料はＮＨ3が存在する低圧力下で６００℃より低い温度まで冷却される。６００℃より低い温度では、雰囲気は切り替えられてＮ２だけとなり、試料は室温まで冷却される。
【００６５】
＜０００１＞方向に沿った平行なマスクストライプを用いた選択横方向成長プロセスの概略を図５（ａ）に示す。この図において、５００は基板／テンプレート，５０２はＳｉＯ２マスク、５０４はｍ面ＧａＮ表面を示す。成長過程では、ｍ面ＧａＮ膜５０４は基板／テンプレート材料５００の露出した部分からのみ成長し、マスク５０２上に、基板５００表面を横切って横方向に拡がる。横方向に成長しているＧａＮ膜５０４は、露出した窓５０６領域から垂直に成長しているＧａＮ５０４に比べて、翼領域５０８においては低い貫通転位密度を示している。図５（ｂ）は平行ストライプのマスク配置５０２が代わって＜１１−２０＞に沿っている場合の対応する過程を示している。この配置では２つの非対称な翼が形成される。Ｇａ面の翼５１０には貫通転位も積層欠陥も両方とも無いが、窒素面の翼５１２と５１４には貫通転位は無いものの、積層欠陥がある。両方共に貫通転位は窓材料中にはあっても選択横方向成長した材料５０４中では取り除かれている。
【００６６】
この技術で成長したいくつかのｍ面ＧａＮストライプの例を図６（ａ）に示す。これらのストライプは＜０００１＞方向に沿って配向したＳｉＯ２マスクの幅略５μｍの窓を通して成長し、約４０μｍの幅に横方向に拡がったものである。この成長を十分な時間続けると、このストライプは隣接するストライプと合体して、図７（ａ）に示すような、連続したｍ面ＧａＮ表面を形成することになる。合体した膜は、垂直方向から横方向への成長に変わることによって、転位がブロックされたり、屈げられたりして、選択横方向成長の領域では低転位密度を持つことになる。この低減された欠陥密度は図７（ｂ）に示す全波長カソードルミネッセンス（ＣＬ）像によって確認される。ＣＬ像は暗くて欠陥の多い窓領域と、より明るい、選択横方向成長の翼領域とを明からにしている。選択横方向成長した材料中では低転位密度であるために、選択横方向成長した材料はより強い発光を示す。このように、本発明は非極性ｍ面ＧａＮ膜における構造欠陥密度の低減に有効な手段を提供するものである。転位の屈曲は図７（ｅ）と（ｆ）に示す断面ＳＥＭ像およびＣＬ像にて更に観察できる。
【００６７】
ｍ面ＧａＮＬＥＯストライプの第２の例を図６（ｂ）に示す。この場合、＜１１−２０＞方向に沿って配向している平行なＳｉＯ２ストライプを用いている。図６（ａ）に示したストライプと比べて、＜１１−２０＞方向に沿って配向しているストライプは、側面は垂直なｃ面を示し、非対称な横方向成長速度を示す。Ｇａ面の翼は転位と積層欠陥が無く、一方Ｎ面の翼は転位だけが無い。＜１１−２０＞に配向しているストライプを使用して成長した、スムーズな、合体した膜を図７（ｃ）に示す。低欠陥密度であることが図７（ｄ）に示した平面ＣＬ像でもまた明らかであり、この像では欠陥の多い窓領域は暗く、低欠陥密度の翼領域は明るく見えている。Ｎ面の翼は積層欠陥を含むにもかかわらず、積層欠陥はＧａＮにおける発光再結合効率を著しく落とすことにはならないので、その発光は窓領域のそれよりもはるかに強い。
【００６８】
図８（ａ），８（ｂ）および８（ｃ）は本発明によって提供された欠陥低減技術を用いた場合及び用いない場合の局所的な表面形態を比較する図である。図８（ａ）はいかなる形式の欠陥低減法も用いないで成長したｍ面ＧａＮ膜の最もスムーズなもののＡＦＭ像を示している。この表面は以前に科学論文に報告されたどの表面よりもはるかにスムーズであり、ＲＭＳ凹凸は２５μｍ２の面積にわたって８Åである。図８（ｂ）に示したＡＦＭ像もｍ面ＧａＮ表面の５×５μｍ像であるが、本発明による＜０００１＞方向に沿ったストライプを使用して成長した試料の選択横方向成長領域から撮ったものである。転位の終端による波状の形状は除去されており、表面凹凸は６Åに低下した。この凹凸は非常に高品質の極性ｃ面ＧａＮ膜と同等である。図８（ｃ）はｍ面ＧａＮ膜の他のＡＦＭ像であり、この場合、ＧａＮの＜１１−２０＞方向に沿って平行に配向しているＳｉＯ２ストライプを取り入れたＬＥＯ試料の選択横方向成長された翼の1つから撮ったものである。表面形態ははるかに一様であり、最高品質のｃ面ＧａＮ膜に見られるものと酷似した形態を示している。この表面のＲＭＳ凹凸はたった５．３１Åであり、非ＬＥＯ表面に比べて３４％の低減／改良である。このように、本発明はよりスムーズなｍ面ＧａＮ表面を提供するために用いることが出来て、デバイス品質を高めるものとなる。
【００６９】
高品質ｍ面ＧａＮの成長とそれに続く欠陥低減に関する本発明の好ましい実施形態は次のことを含んでいる。
１．（１００）γ−ＬｉＡｌＯ２または（１−１００）ＳｉＣ（六方晶多形のいずれか）のような（ただし、これに限るものではない）適当な基板、または適当な基板上のｍ面ＩＩＩ−Ｎ膜からなるテンプレートを用いること。
２．反応器内の1つ以上のガス流にＧａＮ成膜段階のキャリア・ガスとして一部分は水素を用いること。
３．成膜のＧａＮ成長段階において、７６０Ｔｏｒｒより低い低反応器圧力を用いること。
４．下地のＩＩＩ−Ｎテンプレート層または基板を露出できるような、開口部またはストライプを含む１３００Å厚のＳｉＯ２マスクのような薄いマスク層を成膜する工程を含む欠陥低減技術を取り入れること。
５．横方向に拡がって低欠陥密度ＧａＮを作製するために、マスク層を通してｍ面ＧａＮ膜を成長すること。
【００７０】
例として、予めＭＢＥ法によってｍ面ＡｌＮ膜を被覆した、５００μｍ厚の研磨したｍ面ＳｉＣ基板上に１３００Å厚のＳｉＯ２膜を成膜する。通常のフォトリソグラフィ工程を用いて、５μｍ幅の開口部で分離された３５μｍ幅のストライプを含んだフォトレジスト層をパターニングする。ウェハを次に緩衝フッ化水素酸に２分間浸漬して、露出したＳｉＯ２を完全にエッチング除去する。残されたフォトレジストをアセトンで取り除き、ウェハをアセトン、イソプロピル・アルコール及び脱イオン水中で洗浄する。乾燥後、５μｍ幅の開口部で分離された３５μｍ幅のＳｉＯ２ストライプで被覆されているｍ面ＳｉＣ基板上のｍ面ＡｌＮ薄膜からなるウェハは、成長のために反応器内に装着される。成長過程では、ＧａＮは露出したＡｌＮ上にだけ核生成し、マスクの開口部を通して垂直に成長する。そこで膜はＳｉＯ２ストライプ上を横方向に広がり、最終的には隣接するＧａＮストライプと合体する。
【００７１】
可能な変更と変形
好ましい実施形態として、平坦なｍ面ＧａＮを成長し、その後、選択横方向成長プロセスによってｍ面ＧａＮの品質を改良する方法を説明した。（１００）γ−ＬｉＡｌＯ２、（１−１００）４Ｈ−ＳｉＣおよび（１−１００）６Ｈ−ＳｉＣを含む、いくつかの基板材料が本発明を実行するのに有効であることが証明された。自立ｍ面ＧａＮ、自立ｍ面ＡｌＮ、ＳｉＣの他の多形、ミスカットのｍ面Ａｌ２Ｏ３、前述したいずれかの基板のミスカット変形物を含む（ただし、これに限るわけではない）他の適当な基板材料を本発明の実施において用いてもよい。横方向成長過程における基板も、平坦なｍ面ＧａＮの成長に適したいずれかの基板、またはＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮのテンプレート層、他のテンプレート材料で被覆された上記基板のいずれかから選ぶことが出来る。様々な成長技術によって低温または成長温度で成膜した核生成層はまた、この技術を用いて次に続くＨＶＰＥ法による選択横方向成長に用いてもよい。基板の選択は反応器加熱段階での最適なガス条件に影響を及ぼす。ＬｉＡｌＯ２のようなある種の基板に対してはアンモニアを含む雰囲気内で昇温するのが好ましく、一方ＳｉＣはアンモニアが存在する中での昇温では悪影響を受ける。特にＧａＮテンプレート上での再成長時は、低圧力で成長温度まで昇温するのが好ましい。本発明の技術範囲を逸脱することなしに昇温条件は大幅に変更されてもよい。
【００７２】
これとは別に、様々なマスク材料、マスク成膜技術、及びパターニング方法を、本発明の結果を著しく変えることなしに本発明の実施で用いることが出来る。そのような成膜の方法としては、（例えばチタニウムやタングステンのような）金属マスクを蒸着する方法、広範囲の酸化物及びＳｉＮｘを含む誘電体マスクをスパッタ成膜する方法、及び酸化物、窒化物、あるいはフッ化物マスクを化学気相成膜する方法を含むが、これに限定するものではない。マスクは上記のようにｅｘ ｓｉｔｕ技術で成膜してもよいし、ｉｎ ｓｉｔｕ成膜しても良い。例として、単一の、ソースを3つ含むＨＶＰＥ反応器を用いて、ｍ−ＳｉＣ基板上にＡｌＮバッファを成膜して、つぎに本明細書で説明した発明を用いて薄いＧａＮ膜を成長し，そして薄いＳｉＮｘマスクを成膜して、それを通して低欠陥密度のｍ面ＧａＮを成長することが出来る。この例ではマスクはＳｉＮｘの不規則的な島からなっているが、フォトリソグラフィによって形成された一様なマスクと同じ目的にかなう。これとは別に、金属Ｔｉ膜は自立ｍ面ＧａＮ基板上に蒸着でき、ＨＶＰＥ成長システム内に装着され、ＮＨ３中でアニールされて同様に多孔質のマスク層を形成する。
【００７３】
他の代替方法としては、基板上にパターンマスクを成膜するのではなく、たとえば、反応性イオンエッチング法を用いてパターンを基板またはテンプレート材料の中へエッチングする方法がある。このような方法では、基板内の溝の深さと幅を選択して、エッチングされない平坦部から横に成長している膜が、溝の底から成長しているＧａＮが溝の上端部に達する前に合体するようにすべきである。この技術は、カンチレバーエピタキシーとして知られるが、極性ｃ面ＧａＮ成長において実証されているものであり、本発明においても適用可能ある。残っている基板またはテンプレートの柱の上表面は、カンチレバーエピタキシーのようにコーティングされないままでもよく、あるいは側壁選択横方向成長のように、露出した側壁からの成長を促進するためにマスク材料で被覆されてもよい。
【００７４】
誘電体マスクの形状は横方向に成長している膜の挙動に重要な影響を及ぼす。本発明の有効性を確立する段階では、基板に対して様々な方向を持つストライプを含んだマスクが用いられた。各形状の開口部からの成長の挙動は異なるが、マスク形状の選択は本発明の実施結果を基本的に変えるものではないということが示された。このように、ＧａＮの核生成を促進する領域とＧａＮの核生成を抑制する領域を含むマスクならどのようなものでも形状によらずに取り込むことが出来る。
【００７５】
反応器の形状と設計は本発明の実施に影響を与える。非極性ＧａＮを首尾よく横方向成長するために必要な成長パラメータは反応器によって変わる。そのような変化は本発明の一般的な実施形態を基本的に変えるものではない。
【００７６】
更に、一般的には横方向成長過程を膜合体点まで続けるのが望ましいが、合体は本発明の実施のための必要条件ではない。本発明者らは、合体前の選択横方向成長の非極性ＧａＮストライプまたは支柱が非常に望まれるような多くの応用形態を予想してきた。それ故に、この開示は合体した場合及び合体前の選択横方向成長非極性ＧａＮ膜のどちらにも適用される。
【００７７】
本発明はＨＶＰＥ法による平坦なｍ面ＧａＮの成長に焦点を当ててきた。しかしながら本発明はＩｎＧａＮおよびＡｌＧａＮを含む（ただし、これに限るわけではない）ｍ面ＩＩＩ−Ｎ合金の成長にも適用できる。非極性ＧａＮ膜に一部Ａｌ、Ｉｎ、またはＢを取り込むことは本発明の実施形態を基本的に変えるものではない。一般に、上記の議論で「ＧａＮ」について述べている記述はどれも、より一般的な窒化物化合物であるＡｌｘＩｎｙＧａｚＢｎＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｎ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＋n＝１）で置き換えが出来る。また、本発明の範囲を逸脱することなしに、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｍｇ、およびＦｅのような（ただし、これに限るわけではない）添加ドーパントを本発明に記述された膜に取り込むことが出来る。
【００７８】
本発明の実施形態は、温度および／または圧力が変化する、または異なる窒化物組成を持つというような多重成長工程を含んでいてもよい。そのような多重工程成長過程は、本明細書に説明した本発明に基本的に用いることができる。
【００７９】
更に、本発明はＨＶＰＥ法を用いた成長技術を説明してきた。非極性ＩＩＩ−Ｎ膜の成長に関する発明者らの研究では、単純な変形を行うだけで、本明細書に説明したＧａＮの横方向成長技術はＭＯＣＶＤによるｍ−ＧａＮの成長にも同じように適用できることを確立した。
【００８０】
利点および改善点
本発明は、平坦な高品質非極性ｍ面ＧａＮおよびＨＶＰＥ法によるｍ面ＧａＮの選択横方向成長に関するはじめての報告である。ｍ面ＧａＮの横方向成長に関しては、いかなる技術を用いたものもこれまでの文献に報告されていない。
【００８１】
大部分が水素であるキャリア・ガスを用いての低圧力成長を応用することで、ＨＶＰＥ法による平坦なｍ面ＧａＮ膜の成長を初めて可能にした。基板上にヘテロエピタキシャル成長した非極性ＧａＮ膜に比べて、この発見に基づいてかなりの欠陥低減と膜品質改良を可能にしたことによって本発明は次のように発展する。このような低減された欠陥密度をもつ非極性ＧａＮは、この技術を用いて成長したテンプレート膜上に続いて成長させた電子、光電子、及び電気機械的デバイスの改良に役立つであろう。本明細書で説明した選択横方向成長膜は、剥離して自立基板とすることができる厚い非極性ＧａＮ膜における転位密度を低減するための優れた手段を更に提供する。
【００８２】
参考文献
以下の参考文献は、参照として本明細書に組み込まれる。
１．Ｒ．Ｒ．Ｖａｎｆｌｅｅｔ， ｅｔ ａｌ．，“Ｄｅｆｅｃｔｓ ｉｎ ｍ−ｆａｃｅ ＧａＮ ｆｉｌｍｓ ｇｒｏｗｎ ｂｙ ｈａｌｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ ｏｎ ＬｉＡｌＯ２，” Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，８３（６）１１３９（２００３）
２．Ｐ．Ｗａｌｔｅｒｅｉｔ， ｅｔ ａｌ．，“Ｎｉｔｒｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ｆｒｅｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｆｉｅｌｄｓ ｆｏｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｗｈｉｔｅ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ，” Ｎａｔｕｒｅ（４０６）８６５（２０００）
３．Ｙ．Ｓｕｎ ｅｔ ａｌ．，“Ｉｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ ｉｎ Ｍ−ｐｌａｎｅ （Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ／ＧａＮ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，” Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８３（２５）５１７８（２００３）
４．Ｇａｒｄｎｅｒ ｅｔ ａｌ．，“Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｉｎ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｏｆ ｍ−ｐｌａｎｅ ＩｎＧａＮ−ＧａＮ ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ，” Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８６，１１１１０１（２００５）
５．Ｃｈｉｔｎｉｓ ｅｔ ａｌ．，“Ｖｉｓｉｂｌｅ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ ｕｓｉｎｇ ａ−ｐｌａｎｅ ＧａＮ−ＩｎＧａＮ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌｓ ｏｖｅｒ ｒ−ｐｌａｎｅ ｓａｐｐｈｉｒｅ，” Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８４（１８）３６６３（２００４）
６．Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ ｅｔ ａｌ．，“Ｎｏｎｐｏｌａｒ ＩｎＧａＮ ／ＧａＮ ｅｍｉｔｔｅｒｓ ｏｎ ｒｅｄｕｃｅｄ−ｄｅｆｅｃｔ ｌａｔｅｒａｌ ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ ｏｖｅｒｇｒｏｗｎ ａ−ｐｌａｎｅ ＧａＮ ｗｉｔｈ ｄｒｉｖｅ−ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｐｅａｋ，” Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８５（２２）５１４３（２００４）
７．Ｃｒａｖｅｎ ｅｔ ａｌ．，“Ｔｈｒｅａｄｉｎｇ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｖｉａ ｌａｔｅｒａｌｌｙ ｏｖｅｒｇｒｏｗｎ ｎｏｎｐｏｌａｒ （１１−２０）ａ−ｐｌａｎｅ ＧａＮ，” Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８１（７）１２０１（２００２）
８．Ｈａｓｋｅｌｌ ｅｔ ａｌ．，“Ｄｅｆｅｃｔ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ （１１−２０） ａ−ｐｌａｎｅ ｇａｌｌｉｕｍ ｎｉｔｒｉｄｅ ｖｉａ ｌａｔｅｒａｌ ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ ｂｙ ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ，” Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８３（４）６４４（２００３）
結論
これで本発明の好ましい実施形態の説明を終える。本発明の一つ以上の実施形態に関する上記の記述は例示および説明のために示された。開示の形態そのものによって本発明を包括または限定することを意図するものではない。多くの変更と変形が上記の教示に照らして可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなく、本明細書に添付の請求項によって限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】一般的な六方晶結晶構造と重要な結晶面の概略図である。
【図２】本発明の好ましい実施形態による、ＨＶＰＥ法を用いた平坦なｍ面ＧａＮ膜を直接成長するための工程を示すフローチャートである。
【図３】図３（ａ）は本発明を用いて達成した一様で平坦な表面形態を示すＬｉＡｌＯ２基板上に成長したｍ面ＧａＮ膜のノマルスキー光学コントラスト顕微鏡写真であり、図３（ｂ）はその表面の原子間力顕微鏡像である。
【図４】本発明の好ましい実施形態による、ＧａＮ膜の選択横方向成長を通して平坦なｍ面ＧａＮ膜中の貫通転位と欠陥の密度を低減させる工程を示すフローチャートである。
【図５】図５（ａ）は＜０００１＞方向ＳｉＯ２ストライプを用いたｍ面ＧａＮの選択横方向成長プロセスの概略図、図５（ｂ）は＜１１−２０＞方向ＳｉＯ２ストライプを用いたｍ面ＧａＮの横方向成長プロセスの概略図である。
【図６】図６（ａ）は＜０００１＞方向ｍ面ＧａＮ選択横方向成長ストライプの傾斜断面図であり、図６（ｂ）は＜１１−２０＞方向ＧａＮストライプの断面図である。
【図７】図７（ａ）と図７（ｃ）はそれぞれ＜０００１＞と＜１１−２０＞方向のストライプから成長して合体した選択横方向成長ストライプの平面走査型電子顕微鏡像であり、図７（ｂ）と図７（ｄ）は図７（ａ）と図７（ｃ）にて示した表面に対応するカソードルミネッセンス（ＣＬ）像であり、それぞれ窓と翼の領域を示している。図７（ｅ）は＜０００１＞方向に沿って伸びているｍ面ＧａＮストライプの断面ＳＥＭ像であり、図７（ｆ）は図７（ｅ）にて示したストライプに対応するＣＬ像である。
【図８】図８（ａ）、図８（ｂ）および図８（ｃ）はｍ面ＧａＮ表面の５×５μｍ原子間力顕微鏡像であり、図８（ａ）は欠陥低減を目指したものではない、この開示の第１の部分に記述された技術を用いて成長した表面を示し、図８（ｂ）および図８（ｃ）は本発明をもちいて成長した選択横方向成長ｍ面ＧａＮ膜の翼の部分の表面を示す。
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は米国特許法第１１９条（ｅ）に基づいて、本発明の譲受人に譲渡された以下の同時係属の米国特許出願の利益を主張するものである。
【０００２】
ベンジャミン・Ａ．ハスケル（Ｂｅｎｊａｍｉｎ Ａ． Ｈａｓｋｅｌｌ）、メルヴィン Ｂ．マクローリン（Ｍｅｌｖｉｎ Ｂ． ＭｃＬａｕｒｉｎ）、スティーブン・Ｐ．デンバース（Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ． ＤｅｎＢａａｒｓ）、ジェームス・Ｓ．スペック（Ｊａｍｅｓ Ｓ． Ｓｐｅｃｋ）、中村修二（Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ）による米国特許仮出願第６０/５７６，６８５号、２００４年６月３日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦で低転位密度のｍ面窒化ガリウムの成長（ ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ ＲＥＤＵＣＥＤ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ ＤＥＮＳＩＴＹ Ｍ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．１１９−ＵＳ−Ｐ１
この出願は参照として本明細書中に組み込まれる。
【０００３】
本出願は米国特許法第１１９、１２０及び／または３６５条に基づいて、本発明の譲受人に譲渡された以下７つの同時係属出願の一部継続出願であり、その利益を主張するものである。
【０００４】
（１）ベンジャミン・Ａ．ハスケル、マイケル・Ｄ．クレイブン（Ｍｉｃｈａｅｌ Ｄ．Ｃｒａｖｅｎ）、ポール・Ｔ．フィニ（Ｐａｕｌ Ｔ． Ｆｉｎｉ）、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１８号、２００３年７月１５日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長（ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＲＥＤＵＣＥＤ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ ＤＥＮＳＩＴＹ ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９３−ＷＯ−Ｕ１（２００３−２２４−２）。この出願は、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、マイケル・Ｄ．クレイブン、ポール・Ｔ．フィニ、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による米国特許仮出願第６０/４３３，８４３号、２００２年１２月１６日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長（ ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＲＥＤＵＣＥＤ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ ＤＥＮＳＩＴＹ ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９３−ＵＳ−Ｐ１（２００３−２２４−１）の優先権を主張する。
【０００５】
（２）ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ポール・Ｔ．フィニ、松田成正（Ｓｈｉｇｅｍａｓａ Ｍａｔｓｕｄａ）、マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１６号、２００３年７月１５日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性a面窒化ガリウムの成長（ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ，ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ Ａ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９４−ＷＯ−Ｕ１（２００３−２２５−２）。この出願は、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ポール・Ｔ．フィニ、松田成正、マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による米国特許仮出願第６０/４３３，８４４号、２００２年１２月１６日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性a面窒化ガリウムの成長技術（ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＦＯＲ ＴＨＥ ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ，ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ Ａ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９４−ＵＳ−Ｐ１（２００３−２２５−１）の優先権を主張する。
【０００６】
（３）マイケル・Ｄ．クレイブン、ジェームス・Ｓ．スペックによる米国特許出願第１０／４１３，６９１号、２００３年４月１５日出願、発明の名称「有機金属気相成長法によって成長させた非極性a面窒化ガリウム薄膜（ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ Ａ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭＳ ＧＲＯＷＮ ＢＹ ＭＥＴＡＬＯＲＧＡＮＩＣ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＶＡＰＯＲ ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ）」、代理人識別番号３０７９４．１００−ＵＳ−Ｕ１（２００２−２９４−２）。この出願は、マイケル・Ｄ．クレイブン、ステーシア・ケラー（Ｓｔａｃｉａ Ｋｅｌｌｅｒ）、スティーブン・Ｐ．デンバース、タル・マーガリス（Ｔａｌ Ｍａｒｇａｌｉｔｈ）、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二、ウメシュ・Ｋ．ミシュラ（Ｕｍｅｓｈ Ｋ． Ｍｉｓｈｒａ）による米国特許仮出願第６０/３７２，９０９号、２００２年４月１５日出願、発明の名称「非極性窒化ガリウム系薄膜およびヘテロ構造材料（ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＡＳＥＤ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭＳ ＡＮＤ ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ）」、代理人識別番号３０７９４．９５−ＵＳ−Ｐ１（２００２−２９４／３０１／３０３）の優先権を主張する。
【０００７】
（４）マイケル・Ｄ．クレイブン、ステーシア・ケラー、スティーブン・Ｐ．デンバース、タル・マーガリス、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二、ウメシュ・Ｋ．ミシュラによる米国特許出願第１０／４１３，６９０号、２００３年４月１５日出願、発明の名称「非極性（Ａｌ、Ｂ、Ｉｎ、Ｇａ)Ｎ量子井戸およびヘテロ構造材料およびデバイス（ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ （Ａｌ，Ｂ，Ｉｎ，Ｇａ)Ｎ ＱＵＡＮＴＵＭ ＷＥＬＬ ＡＮＤ ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＡＮＤ ＤＥＶＩＣＥＳ）」、代理人識別番号３０７９４．１０１−ＵＳ−Ｕ１（２００２−３０１−２）。この出願は、マイケル・Ｄ．クレイブン、ステーシア・ケラー、スティーブン・Ｐ．デンバース、タル・マーガリス、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二、ウメシュ・Ｋ．ミシュラによる米国特許仮出願第６０/３７２，９０９号、２００２年４月１５日出願、発明の名称「非極性窒化ガリウム系薄膜およびヘテロ構造材料（ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＡＳＥＤ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭＳ ＡＮＤ ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ）」、代理人識別番号３０７９４．９５−ＵＳ−Ｐ１（２００２−２９４／３０１／３０３）の優先権を主張する。
【０００８】
（５）マイケル・Ｄ．クレイブン、ステーシア・ケラー、スティーブン・Ｐ．デンバース、タル・マーガリス、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二、ウメシュ・Ｋ．ミシュラによる米国特許出願第１０／４１３，９１３号、２００３年４月１５日出願、発明の名称「非極性窒化ガリウム薄膜における転位の低減（ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ ＲＥＤＵＣＴＩＯＮ ＩＮ ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭＳ）」、代理人識別番号３０７９４．１０２−ＵＳ−Ｕ１（２００２−３０３−２）。この出願は、マイケル・Ｄ．クレイブン、ステーシア・ケラー、スティーブン・Ｐ．デンバース、タル・マーガリス、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二、ウメシュ・Ｋ．ミシュラによる米国特許仮出願第６０/３７２，９０９号、２００２年４月１５日出願、発明の名称「無極性窒化ガリウム系薄膜およびヘテロ構造材料（ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＡＳＥＤ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭＳ ＡＮＤ ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ）」、代理人識別番号３０７９４．９５−ＵＳ−Ｐ１の優先権を主張する。
【０００９】
（６）マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバースによる国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／３９３５５号、２００３年１２月１１日出願、発明の名称「非極性（Ａｌ、Ｂ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ量子井戸（ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ （Ａｌ，Ｂ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ ＱＵＡＮＴＵＭ ＷＥＬＬＳ）」、代理人識別番号３０７９４．１０４−ＷＯ−０１（２００３−５２９−１）。この出願は、上記特許出願ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１８号（３０７９４．９３−ＷＯ−Ｕ１）、第ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１６号（３０７９４．９４−ＷＯ−Ｕ１）、第１０／４１３，６９１号（３０７９４．１００−ＵＳ−Ｕ１）、第１０／４１３，６９０号（３０７９４．１０１−ＵＳ−Ｕ１）、第１０／４１３，９１３号（３０７９４．１０２−ＵＳ−Ｕ１）の一部継続出願である。
【００１０】
（７）アーパン・チャクラボーティ（Ａｒｐａｎ Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ）、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ステーシア・ケラー、ジェームス・Ｓ．スペック、スティーブン・Ｐ．デンバース、中村修二、ウメシュ・Ｋ．ミシュラによる米国特許出願第１１／１２３，８０５号、２００５年５月６日出願、発明の名称「有機金属気相成長法による非極性窒化インジウムガリウム薄膜、ヘテロ構造物、およびデバイスの製作（ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＯＦ ＮＯＮＰＯＬＡＲ ＩＮＤＩＵＭ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭＳ，ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ ＡＮＤ ＤＥＶＩＣＥＳ ＢＹ ＭＥＴＡＬＯＲＧＡＮＩＣ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＶＡＰＯＲ ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ）」、代理人識別番号３０７９４．１１７−ＵＳ−Ｕ１（２００４−４９５−２）。この出願は、アーパン・チャクラボーティ、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ステーシア・ケラー、ジェームス・Ｓ．スペック、スティーブン・Ｐ．デンバース、中村修二、ウメシュ・Ｋ．ミシュラによる米国特許仮出願第６０/５６９，７４９号、２００４年５月１０日出願、発明の名称「有機金属気相成長法による非極性インジウムガリウム薄膜、ヘテロ構造物およびデバイスの製作（ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＯＦ ＮＯＮＰＯＬＡＲ ＩＮＧＡＮ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭＳ， ＨＥＴＥＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ ＡＮＤ ＤＥＶＩＣＥＳ ＢＹ ＭＥＴＡＬＯＲＧＡＮＩＣ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＶＡＰＯＲ ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ）」、代理人識別番号３０７９４．１１７−ＵＳ−Ｐ１（２００４−４９５）の優先権を主張する。
【００１１】
これら全ての出願は参照として本明細書中に組み込まれる。
１．本発明の技術分野
本発明は化合物半導体の成長とデバイス作製に関するものである。より具体的には、本発明は、ハイドライド気相成長法による平坦なｍ面ＧａＮ膜の直接成長や、または低転位密度を達成するためこれに引き続き選択的にＧａＮ膜の選択横方向成長（ｌａｔｅｒａｌ ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）を用いた、平坦なｍ面窒化ガリウム（ＧａＮ）膜の成長と作製に関するものである。
【背景技術】
【００１２】
２．関連技術の説明
(注：本願明細書は様々な文献を参照している。これら文献それぞれは以下の「参考文献」と題されたセクションに見出せる。これら文献のそれぞれは参照としてここに組み込まれているものとする。)
窒化ガリウム（ＧａＮ）ならびにアルミニウム及びインジウムを含むその３元および４元の化合物(ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ)の有用性は、可視及び紫外の光電子デバイスや高性能電子デバイスの作製に対して十分に確立されてきている。これらのデバイスは通常は分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、あるいはハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法などの成長技術によってエピタキシャル成長される。
【００１３】
ＧａＮとその合金は六方晶系ウルツ鉱型結晶構造において最も安定である。その構造は相互に１２０°回転関係にある２つ（または３つ）の等価な基底面軸（ａ軸）によって示され、これらの軸はすべて主軸のｃ軸に垂直である。図１は一般的な六方晶系ウルツ鉱型結晶構造１００の概略図であり、重要な面１０２、１０４、１０６、１０８と、軸１１０、１１２、１１４、１１６を図中に示す。ここで、塗りつぶされたパターンは重要な面１０２、１０４、１０６を示すことを意図するものであり、構造１００の材料を表すものではない。ＩＩＩ族元素原子と窒素原子は結晶のｃ軸に沿って交互にｃ面を占める。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軸に沿ってバルクの自発分極を有することを示す。さらに、ウルツ鉱型結晶構造は対称中心がないので、ウルツ鉱型窒化物は結晶ｃ軸に沿ってさらに圧電分極を示す。電子および光電子デバイス用の現状の窒化物技術は極性ｃ方向に沿って成長した窒化物薄膜を用いている。しかしながら、ＩＩＩ族窒化物系の光電子及び電子デバイスにおける従来のｃ面量子井戸構造は強い圧電分極及び自発分極の存在によって望ましくない量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）を示すことになる。ｃ方向に沿った強い組み込み（ｂｕｉｌｔ−ｉｎ）電界のために電子と正孔は空間的に分離してしまい、それがためにキャリアの再結合効率が制限され、振動子強度が低下し、発光がレッド・シフトを起こすことになってしまう。
【００１４】
ＧａＮ光電子デバイスにおける自発分極および圧電分極の効果を取り除く可能性のある１つの方法は結晶の非極性面上にデバイスを成長することである。そのような面はＧａとＮ原子を同数ずつ含み、電荷中性である。更に、引き続き成長する非極性層は相互に等価であり、それゆえに、バルク結晶は成長方向に沿って分極しない。ＧａＮにおける対称等価な非極性面の２つのファミリーは、まとめてa面と呼ばれる｛１１−２０｝ファミリーと、まとめてｍ面と呼ばれる｛１−１００｝ファミリーである。
【００１５】
実際に、例えば＜１１−２０＞ａ方向または＜１−１００＞ｍ方向のような非極性成長方向を用いた（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎの量子井戸構造は、極性軸が膜の成長面内にあり、量子井戸のヘテロ界面に平行であるので、ウルツ鉱型窒化物構造において分極が誘起する電界効果を除去することが出来る有効な手段を提供するものであるということが示された。非極性の電子および光電子デバイスの作製における利用可能性から、過去数年間、非極性（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎの成長は大きな関心を集めている。最近では、アルミン酸リチウム基板上にプラズマ支援ＭＢＥにより作製した非極性ｍ面ＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸、及びＭＢＥ及びＭＯＣＶＤの両方を用いてｒ面サファイア基板上に成長した非極性ａ面ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）には成長方向に沿っての分極電界が存在しないことが示された。更に最近では、スン（Ｓｕｎ）ら［非特許文献１］及びガードナー（Ｇａｒｄｎｅｒ）ら［非特許文献２］はそれぞれ、ＭＢＥ及びＭＯＣＶＤ法によってｍ面ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造をヘテロエピタキシャル成長した。チトニス（Ｃｈｉｔｎｉｓ）ら［非特許文献３］はａ面ＩｎＧａＮ／ＧａＮ構造をＭＯＣＶＤで成長した。もっとも大事なこととして、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の研究者ら、すなわちチャクラボーティー（Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ）ら［非特許文献４］はごく最近、低欠陥密度のＨＶＰＥ成長ａ面ＧａＮをテンプレートとして用いて、低欠陥密度ａ面ＩｎＧａＮ／ＧａＮデバイスを成長することによる大きな利点を実証した。本文献は、非極性ＩＩＩ族窒化物発光ダイオード（ＬＥＤ）及びレーザ・ダイオード（ＬＤ）は極性のものに比較してはるかに良好な特性を持つ可能性があることを確立した。
【００１６】
ＧａＮのバルク結晶は入手できないので、単純に結晶をカットして、続くデバイスの再成長のための結晶表面を作り出すことは出来ない。全てのＧａＮ膜は最初はヘテロエピタキシャル成長され、すなわちＧａＮと適度に格子整合する異種基板上に成長させる。近年、多くの研究グループが、自立（ｆｒｅｅ−ｓｔａｎｄｉｎｇ）ＧａＮ基板を得て、それをデバイスのホモエピタキシャル再成長用に用いるために、その異種基板を取り除くに十分な厚さ（＞２００μｍ）のＧａＮ膜をヘテロエピタキシャル成長するための手段としてＨＶＰＥ法を用いることが可能であることを認識してきた。ＨＶＰＥはＭＯＣＶＤに比べて１桁から２桁大きな成長速度を持ち、ＭＢＥよりは３桁も大きな成長速度を有するという利点があり、これはＨＶＰＥを基板作製の魅力的な技術とする長所である。
【００１７】
窒化物のヘテロエピタキシャル成長における一つの甚だしく不利な点は、基板とエピタキシャル薄膜間の界面に構造欠陥が発生することである。重要で、影響の大きい欠陥の主要なタイプは貫通転位と積層欠陥の２つである。極性ｃ面ＧａＮ膜において転位と積層欠陥の低減を達成する主要な手段は、選択横方向成長（ｌａｔｅｒａｌ ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）（ＬＥＯ、ＥＬＯ、またはＥＬＯＧ）、選択領域エピタキシー、およびＰＥＮＤＥＯエピタキシー(登録商標)を含むいろいろな横方向オーバーグロース技術を用いることである。これらのプロセスの大事な点は、垂直成長よりも横方向成長が容易になるようにすることによって、転位が薄膜表面を垂直に伝播することを妨げるか抑えることである。このような転位低減技術はＨＶＰＥとＭＯＣＶＤによってｃ面ＧａＮ成長に対して精力的に開発されてきた。
【００１８】
ごく最近になってＧａＮの横方向成長技術はａ面膜に対して実証された。クレイブン（Ｃｒａｖｅｎ）ら［非特許文献５］は薄いａ面ＧａＮテンプレート層の上に誘電体マスクを用いてＭＯＣＶＤによってＬＥＯを行うことに成功した。発明者らのグループはこれに続き、ＨＶＰＥによるａ面ＧａＮ成長のＬＥＯ技術を開発した［非特許文献６］。しかしながら今日までｍ面ＧａＮに対してはそのようなプロセスは開発も実証もされていない。
【００１９】
本発明は、このような課題を克服し、ＨＶＰＥによる高品質ｍ面ＧａＮの成長技術を初めて提供するものである。
【非特許文献１】Ｓｕｎ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８３（２５）５１７８（２００３）
【非特許文献２】Ｇａｒｄｎｅｒ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８６,１１１１０１（２００５）
【非特許文献３】Ｃｈｉｔｎｉｓ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８４（１８）３６６３（２００４）
【非特許文献４】Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ ｅｔ ａｌ．, Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８５（２２）５１４３（２００４）
【非特許文献５】Ｃｒａｖｅｎ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８１（７）１２０１（２００２）
【非特許文献６】Ｈａｓｋｅｌｌ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８３（４）６４４（２００３）
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は非常に平坦で完全な透明性と鏡面性を持ったｍ面ＧａＮ膜を成長する方法を提供するものである。本方法は選択横方向成長技術によって構造欠陥密度を大幅に低減することができる。高品質で、一様な、厚いｍ面ＧａＮ膜が製作でき、分極のないデバイス成長のための基板として用いることができる。
【００２１】
以下、図面を参照する。対応する部分には一貫して同じ参照番号を付与する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下の好ましい実施の形態の説明では、添付の図面を参照する。添付の図面は、本明細書の一部を形成し、本発明を実施することができる特定の実施例を例示するために示す。本発明の範囲を逸脱することなく、その他の実施形態を利用してもよく、構造上の変化を施しても良いことは明らかである。
【００２３】
概要
非極性ｍ面｛１−１００｝窒化物半導体を成長させることによって、ウルツ鉱型構造ＩＩＩ族窒化物のデバイス構造における分極の影響を取り除く手段が得られる。現状の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎデバイスは、極性［０００１］ｃ方向に成長されるため、そこでは光電子デバイスの主たる伝導方向に沿って電荷分離が起こる。その結果生じる分極電界は現状のデバイスの性能を低下させる。このようなデバイスを非極性方向に沿って成長させればデバイス性能を著しく改善することが出来る。
【００２４】
ｍ面ＧａＮ厚膜を成長するためのこれまでの努力では、ピット、ノッチ、及びクラックなどのバルク欠陥を高密度に含んだ、欠陥の多いエピ層しか出来なかった。このような膜はまた非常に不均一で、デバイス層作製のためのホモエピタキシャル再成長における基板として用いるには適さなかった。本発明は、厚い非極性ｍ面ＧａＮ膜の成長において、これまでに観察された問題を解決するものであり、ピット、Ｖ字型欠陥、矢印欠陥（ａｒｒｏｗｈｅａｄ ｄｅｆｅｃｔｓ）、貫通転位、及び積層欠陥を除去することを含むものである。本発明は、非常に平坦で、完全な透明性と鏡面性を持つｍ面ＧａＮ膜を成長できることをはじめて実証するものである。更に本発明は、選択横方向成長法によって構造欠陥密度の大幅な低減を実現する方法を提供するものである。本発明によりはじめて、高品質で、一様な、厚いｍ面ＧａＮ膜が製作でき、分極のないデバイス成長のための基板として使用することが出来る。
【００２５】
本発明は、高品質、低欠陥密度、非極性ｍ面｛１−１００｝ＧａＮを製作する比較的簡単な手段を提供するものである。現在ＧａＮ薄膜はバルク結晶が入手できないのでヘテロエピタキシャル成長しなければならないし、この成長工程のための完全に格子整合された基板も存在しない。従来のヘテロエピタキシャル成長では格子不整合の結果、成長したＧａＮ膜は本来的に欠陥の多いものであり、一般には１０８ｃｍ−２以上に及ぶ転位密度を含むものである。選択横方向成長法を用いる一連の成長技術はｃ面（０００１）及び最近ではａ面｛１１−２０｝ＧａＮ成長において開発されてきて、転位密度の大幅な低減を実現してきた。本発明は異種基板上に成長したｍ面ＧａＮにおける膜品質の大幅な改良を実現する手段を提供し、加えて、いかなる成長技術を用いても達成されたことのないｍ面ＧａＮの選択横方向成長にはじめて成功した、その実行方法を提供するものである。本発明の結果として、大幅に低減した欠陥密度を持ち、厚い非極性ｍ面ＧａＮ膜を成長すること、及びそれに引き続いて、改良された特性を持つ電子及び光電子デバイスを様々な成長技術を用いて成長するためにそれを用いることが今や可能となった。
【００２６】
技術説明
本発明は平坦なｍ面ＧａＮ膜とその自立層をＨＶＰＥによって製作する方法を提供するものである。低い成長圧力と水素を含むキャリア・ガスを用いて、本発明は異種基板から非極性ｍ面ＧａＮの直接成長とその表面安定化を実証した。本発明は更に、マスク層を通した基板からの選択横方向成長よって、ｍ面ＧａＮにおける貫通転位と積層欠陥の密度を低減させる手法を提供するものである。
【００２７】
平坦なｍ面ＧａＮの直接成長
本発明は平坦なｍ面ＧａＮ膜のＨＶＰＥ法による直接成長方法をはじめて提供するものである。その成長プロセスは次の特許文献に記載されたａ面ＧａＮ成長の場合と似ている。
ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ポール・Ｔ．フィニ、松田成正、マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１６号、２００３年７月１５日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性a面窒化ガリウムの成長（ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ，ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ Ａ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９４−ＷＯ−Ｕ１。この出願は、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ポール・Ｔ．フィニ、松田成正、マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による米国特許仮出願第６０/４３３，８４４号、２００２年１２月１６日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性a面窒化ガリウムの成長技術（ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＦＯＲ ＴＨＥ ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ，ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ Ａ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９４−ＵＳ−Ｐ１（２００３−２２５−１）の優先権を主張する。両出願とも参照として本明細書中に組み込まれる。
【００２８】
本発明はＨＶＰＥ法による｛１−１００｝ＧａＮ作製の様々な成長シーケンスに適用できる。従来の金属ソースＨＶＰＥ法は気相の塩化水素（ＨＣｌ）のような（ただし、これに限定されるわけではない）ハロゲン化物化合物と金属ガリウムを、７００℃を超える温度で反応させて一塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を形成する過程を含む。このＧａＣｌは一般的には窒素、水素、ヘリウム、またはアルゴンであるキャリア・ガスによって基板へ運ばれる。基板への輸送中に、または基板にて、または排気流の中において、ＧａＣｌはアンモニア（ＮＨ３)と反応してＧａＮを形成する。基板で起こる反応は基板／成長膜表面上にＧａＮを生成して、その結果、結晶成長が起こることになる。
【００２９】
本発明は平坦なＧａＮ膜を得るために、いくつかの成長パラメータの組み合わせを用いる。
１．これに限るものではないが、例えばｍ面６Ｈ−ＳｉＣ基板、ｍ面４Ｈ−ＳｉＣ基板、（１００）γ−ＬｉＡｌＯ２基板、またはｍ−（Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｂ）Ｎテンプレート層で覆われた上記の基板のどれかの適当な基板を用いること。本発明では、これら全ての基板について成功することを実証した。
２．反応器内の１つ以上のガス流の内、最終的な成長段階においてキャリアガスとして一部分は水素（Ｈ２）を用いること。
３．成膜の最終工程／段階で反応器内を大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）より下の減圧とすること。
【００３０】
プロセス工程
図２は本発明の好ましい実施形態による、平坦なｍ面ＧａＮ膜をハイドライド気相成長法で直接成長する工程を示すフローチャートである。この工程は高品質で平坦なｍ面ＧａＮ膜を通常の３ゾーン水平流のＨＶＰＥシステムを用いて作製する場合の典型的な成長シーケンスを備えている。正確なシーケンスは以下に記すように選択される基板によって変わる。
【００３１】
ブロック２００は、ｅｘ ｓｉｔｕクリーニングは施さないで基板を反応器に装着する工程を表している。好ましい実施形態においては、基板はｍ面６Ｈ−ＳｉＣ基板、ｍ面４Ｈ−ＳｉＣ基板、（１００）γ−ＬｉＡｌＯ２基板、またはｍ−（Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｂ）Ｎテンプレート層で覆われた上記の基板のどれかである。
【００３２】
ブロック２０２は、反応器を加熱する前に酸素と水蒸気の濃度を下げるために、反応器を排気して、代わりに反応器に精製した窒素（Ｎ２）ガスを充填する工程を表す。系の酸素と水蒸気の濃度を更に下げるために、通常はこの工程を繰り返す。
【００３３】
ブロック２０４は系の全ての流路にＨ２とＮ２の混合ガスを流しながら、反応器を成長温度である約１，０４０℃に加熱する工程を表す。基板がｍ面（Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｂ）Ｎテンプレート層で覆われている場合は、テンプレートが分解するのを防ぐために反応器を加熱する段階でガス流の中に少量のＮＨ３を含ませることが一般に望ましい。また、テンプレート層を用いる場合はブロック２０４の前にブロック２０８、すなわち減圧工程を実行することで膜の高品質化が達成される。
【００３４】
ブロック２０６は反応器が成長温度に到達したときに行う基板の窒化処理の工程を表す。ここで窒化処理は基板の表面を窒化するために反応器の中のガス流に無水アンモニア（ＮＨ３)を加える工程を含む。基板の窒化処理の工程は９００℃より高い温度で行われる。この工程はＬｉＡｌＯ２基板を用いる場合には実行することが大いに望ましいが、一方、ＳｉＣ基板を用いる場合には一般に不要であり、除いてもよい。
【００３５】
ブロック２０８は反応器の圧力を望ましい成膜圧力まで低下させる工程を示す。好ましい実施形態では、所望の成膜圧力は大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）より下であり、より具体的には所望の成膜圧力は５から１００Ｔｏｒｒの範囲である。好ましい実施形態では所望の成膜圧力は約７６Ｔｏｒｒである。
【００３６】
ブロック２１０は基板の上に低温バッファや核生成層を一切用いることなく、直接ｍ面ＧａＮ膜の成長を開始するために、気体である塩化水素（ＨＣｌ）をガリウム（Ｇａ）ソースへ流し始める工程を表している。通常の金属ソースＨＶＰＥ法は気体ＨＣｌのような（ただし、これに限定するものではない）ハロゲン化物化合物と金属Ｇａの７００℃を超える温度でのその場（ｉｎ ｓｉｔｕ）反応を含み、一塩化ガリウム（ＧａＣｌ)のような金属のハライド種を形成する。
【００３７】
ブロック２１２では、反応器中の1つ以上のガス流の中に少なくとも一部分は水素（Ｈ２）を含むキャリア・ガスによって、ＧａＣｌを基板へ輸送する工程を表している。キャリア・ガスは窒素、ヘリウム、またはアルゴン、またはその他の非反応性希ガスも含んでいてよい。基板への輸送中、または基板にて、または排気流の中において、ＧａＣｌはＮＨ３と反応してＧａＮを形成する。基板上で反応が生じることで基板上にＧａＮが生成され、結果として結晶成長が起こることになる。典型的なＶ族／ＩＩＩ族比（ＮＨ３とＧａＣｌのモル比）はこのプロセスでは１〜５０である。Ｇａソースの下流に補足的にＨＣｌを注入したり、あるいはＨＣｌとＧａソースとの反応が完全でなかったりするため、ＮＨ３／ＨＣｌ比は必ずしもＶ族／ＩＩＩ族比に等しくないことに注意されたい。
【００３８】
ブロック２１４は、所望の成長時間が過ぎた後に、気体ＨＣｌの流れを遮断して反応器圧力を元に戻し、反応器の温度を室温に下げる工程を示す。遮断の工程は更にガス流の中にＮＨ３を含ませて、反応器温度が低下する間にＧａＮ膜の分解が起こるのを防止する工程を含む。反応器圧力は大気圧に戻してもよく、あるいは或る低い圧力に保っても良く、冷却は例えば５から７６０Ｔｏｒｒの間の圧力で行われる。
【００３９】
典型的なＧａＮ膜の成長速度はこのプロセスでは1から４００μｍ／ｈである。この成長速度は、ソースと基板の温度、システム中の様々な気体の流速、反応器の形状、その他を含むが、これに限定されるわけではない多数の成長パラメータに依存していて、それは平坦なｍ面ＧａＮ膜を成長する範囲内で、かなり広い領域にわたって変化させることが出来る。これらパラメータのほとんど全ての好適値は成長反応器の形状に対して固有である。
【００４０】
上記のプロセス工程における「最終成長段階」についての記述は、上記の条件を用いた適切な時間の工程で成長段階を終了することによって、他の条件では凸凹していたり欠陥の多い膜であったものを平坦化することが可能であるという観察結果を指している。成長の初期段階では膜品質や形態に関わらず、ｍ面配向物質が成長する任意の成長パラメータを取り込んでよい。
【００４１】
好ましくは、上記プロセス工程で平坦なｍ面ＧａＮ膜を作製する。
更に、この方法を用いて作製されるデバイスはレーザ・ダイオード、発光ダイオード及びトランジスタを含んでいる。
【００４２】
実験結果
上述された成長パラメータの組み合わせを用いると、平坦なｍ面ＧａＮ膜を常に成長することができた。図３（ａ）は（１００）γ−ＬｉＡｌＯ２基板上に成長したｍ面ＧａＮ膜のノマルスキー光学コントラスト顕微鏡写真を示す。この試料は３２％のＮ２、５８％のＨ２、残りはＮＨ３とＨＣｌを用いて、Ｖ族：ＩＩＩ族比が１５．８である条件で成長したものである。成長圧力は７０Ｔｏｒｒであり、基板温度は８６２℃であった。顕微鏡像には本発明を用いないで以前に成長したｍ面ＧａＮ膜に特徴的であったピットやクラックのようなバルク欠陥は見当たらない。表面はナノメータ寸法の起伏をもった、非結晶学的な流れ形状を示している。図３（ｂ）はこの同じ試料の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像を示す。縞模様の形状はＭＢＥ成長されたｍ面ＧａＮ膜に共通して見られるが、この表面は以前に報告されたどのものよりもはるかに平坦である。ＡＦＭ像の右下象限に見られる波状の形状は以前の文献には報告されていない。この形状は膜中の螺旋転位の特徴を持った貫通転位の存在と関係するものと思われる。この表面の凹凸の自乗平均根（ＲＭＳ）は２５μｍ2の面積内で１４．１Åであり、それは同じ技術によってｒ−面Ａｌ２Ｏ３上に成長したａ面ＧａＮ膜と同程度である。
【００４３】
ｍ面ＧａＮの選択横方向成長
上記技術はＨＶＰＥによって平坦なｍ面ＧａＮ膜を成長する手段をはじめて提供するものである。これらの膜はスムーズで平坦である一方、まだ貫通転位や基底面積層欠陥を高密度に含む。実際に、そのような直接成長した試料の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真は貫通転位と積層欠陥の密度がそれぞれ４×１０９ｃｍ−２と２×１０５ｃｍ−１であることを明確に示している。そのような構造欠陥が存在すると、そのデバイス性能は、低い欠陥密度のｍ面ＧａＮを用いて達成されるであろう性能に比べて劣化することになる。本発明はＬＥＯによってｍ面ＧａＮ膜の構造欠陥密度を低減する方法を更に含むものである。
【００４４】
本発明は次の特許文献によって開示されたａ面ＧａＮ薄膜における欠陥低減のために開発された技術に密接に関連するものである。
ベンジャミン・Ａ．ハスケル、マイケル・Ｄ．クレイブン、ポール・Ｔ．フィニ、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１８号、２００３年７月１５日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長（ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＲＥＤＵＣＥＤ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ ＤＥＮＳＩＴＹ ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９３−ＷＯ−Ｕ１（２００３−２２４−２）。この出願は、ベンジャミン・Ａ．ハスケル、マイケル・Ｄ．クレイブン、ポール・Ｔ．フィニ、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による米国特許仮出願第６０/４３３，８４３号、２００２年１２月１６日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長（ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＲＥＤＵＣＥＤ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ ＤＥＮＳＩＴＹ ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９３−ＵＳ−Ｐ１（２００３−２２４−１）の優先権を主張する。両出願とも参照として本明細書中に組み込まれる。
【００４５】
本発明はいくつかの重要な要素に依るものである。
１．ｍ面ＳｉＣ上のＡｌＮバッファ層上に成長したｍ面ＧａＮテンプレートのような（ただし、これに限るわけではない）適当な基板またはテンプレートを用いること。
２．テンプレートまたは基板上に多孔質のマスクを成膜すること。このマスクは、誘電体層を成膜してパターニングした場合のように一様なものであっても、または、薄い多孔質の金属性またはセラミックのマスクを成膜する場合のように不均一なものであっても良い。マスクは各種のｉｎ ｓｉｔｕ技術またはｅｘ ｓｉｔｕ技術によって成膜してよい。
３．（７６０Ｔｏｒｒより低い）低圧で（Ａｌ、Ｂ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎを成膜すること。
４．基板／テンプレートが成長中に曝されるガス流として大部分がＨ２である気体を用いること。
【００４６】
プロセス工程
図４は、本発明の好ましい実施形態により、ＧａＮ膜の選択横方向成長によって、平坦なｍ面ＧａＮ膜における貫通転位と欠陥の密度を低減する工程を示すフローチャートである。これらの工程は基板上に成膜したマスクをパターニングする工程（以下のブロック４００から４０８まで）とＨＶＰＥ法を用いて基板からＧａＮ膜のＬＥＯ成長を行う工程（以下のブロック４１０から４２０まで）を備えていて、そこではパターニングされたマスクによって覆われていない基板の部分にのみＧａＮ膜が核成長し、ＧａＮ膜がパターニングされたマスクの中の開口部から垂直に成長し、次にＧａＮ膜はパターニングされたマスクの上を基板表面を横切って横方向に拡がる。
【００４７】
ブロック４００はｍ面６Ｈ−ＳｉＣ基板上のＡｌＮバッファ層上にＭＢＥで成長したｍ面ＧａＮテンプレートのような（ただし、これに限るわけではない）適当な基板またはテンプレートの上に〜１３５０Å厚のＳｉＯ２膜を成膜する工程を表している。ここでＳｉＯ２膜は誘電体マスクの基礎となるものである。好ましい実施形態では、パターニングされたマスクは誘電体膜であり、基板はｍ面６Ｈ−ＳｉＣ基板であるが、その他の物質を同様に用いてもよく、例えばパターニングされたマスクとして金属材料を、あるいは基板としてサファイアを用いてもよい。
【００４８】
ブロック４０２はＳｉＯ２膜上にフォトレジスト層を成膜し、成膜したフォトレジスト層を通常のフォトリソグラフィー処理工程を用いてパターニングする工程を表している。一実施形態では、パターンは５μｍ幅の開口によって隔てられた３５μｍ幅のストライプを備えている。
【００４９】
ブロック４０４はパターニングされたフォトレジスト層によって露出したＳｉＯ２膜の部分をすべて、基板を緩衝フッ化水素（ＨＦ）酸に2分間浸漬することによってエッチング除去する工程を表している。
【００５０】
ブロック４０６は、残留しているフォトレジスト層の部分を、アセトンを用いて取り除く工程を表している。
【００５１】
ブロック４０８は基板をアセトン、イソプロピール・アルコール、および脱イオン水を用いて洗浄する工程を表している。
【００５２】
乾燥後、５μｍ幅の開口によって隔てられた３５μｍ幅のストライプを有するようパターニングされたＳｉＯ２膜を備えたパターンマスクで基板は覆われている。
【００５３】
好ましくはマスクは多孔質である。さらに、マスクは誘電体層を成膜してパターニングする場合のように一様なものであっても、また、薄い多孔質の金属性またはセラミックのマスクを成膜する場合のように不均一なものであっても良い。マスクは様々なｉｎ ｓｉｔｕ技術またはｅｘ ｓｉｔｕ技術によって成膜してよい。
【００５４】
次に続くブロックは、ＨＶＰＥ法を用いて基板上へＧａＮ膜を選択横方向成長する工程を表す。ここで、ＧａＮ膜はパターニングされたマスクによって露出した部分のみに核生成し、ＧａＮ膜はパターニングされたマスク内の開口部から垂直に成長し、次いでＧａＮ膜はパターニングされたマスクの上を基板表面を横切るように横方向に拡がり、最終的には隣接するＧａＮストライプと合体する。選択横方向成長は、ほぼ大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）である低成長圧力を用い、一部分は水素を含むキャリアガスを利用する。横方向成長プロセスの成長条件は、ＨＶＰＥ法を用いる高品質で平坦なｍ面ＧａＮ成長について上記した条件と非常に似ている。
【００５５】
これらの工程とその成長パラメータは、本発明の譲受人に譲渡された以下の同時係属出願に更に詳しく記載されている。
ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ポール・Ｔ．フィニ、松田成正、マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／２１９１６号、２００３年７月１５日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性a面窒化ガリウムの成長（ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ，ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ Ａ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９４−ＷＯ−Ｕ１。この出願は本発明の譲受人に譲渡された以下の2つの同時係属出願の優先権を主張する。
ベンジャミン・Ａ．ハスケル、ポール・Ｔ．フィニ、松田成正、マイケル・Ｄ．クレイブン、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による米国特許仮出願第６０/４３３，８４４号、２００２年１２月１６日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による平坦な無極性a面窒化ガリウムの成長技術（ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＦＯＲ ＴＨＥ ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＰＬＡＮＡＲ，ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ Ａ−ＰＬＡＮＥ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９４−ＵＳ−Ｐ１；および
ベンジャミン・Ａ．ハスケル、マイケル・Ｄ．クレイブン、ポール・Ｔ．フィニ、スティーブン・Ｐ．デンバース、ジェームス・Ｓ．スペック、中村修二による米国特許仮出願第６０/４３３，８４３号、２００２年１２月１６日出願、発明の名称「ハイドライド気相成長法による転位密度の低い無極性窒化ガリウムの成長（ ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＲＥＤＵＣＥＤ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮ ＤＥＮＳＩＴＹ ＮＯＮ−ＰＯＬＡＲ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＹ ＨＹＤＲＩＤＥ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ ＥＰＩＴＡＸＹ）」、代理人識別番号３０７９４．９３−ＵＳ−Ｐ１。
【００５６】
これら全ての出願とも参照として本明細書に組み込まれる。
【００５７】
ブロック４１０は反応器に基板を装着する工程を表す。
【００５８】
ブロック４１２は、反応器中の酸素濃度を下げるために、反応器を排気し、代わりに反応器に精製した窒素（Ｎ２）ガスを充填する工程を表す。反応器内の酸素濃度を更に下げるために、しばしばこの工程を繰り返す。
【００５９】
ブロック４１４は成長室に低圧でＨ２とＮ２とＮＨ３の混合ガスを流しながら、反応器を成長温度である約１，０４０℃に加熱する工程を表す。好ましい実施形態では、所望の成膜圧力は大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）より下であり、一般的には３００Ｔｏｒｒより下である。より具体的には、所望の成膜圧力は５から１００Ｔｏｒｒの範囲に制限され、７６Ｔｏｒｒに設定されても良い。
【００６０】
ブロック４１６は基板の上に低温バッファや核生成層を一切用いることなく、直接ｍ面ＧａＮ膜の成長を開始するために、気体である塩化水素（ＨＣｌ）をガリウム（Ｇａ）ソースへ流し始める工程を表している。通常の金属ソースＨＶＰＥ法は気体ＨＣｌのような（ただし、これに限定するものではない）ハロゲン化物化合物と金属Ｇａの７００℃を超える温度でのその場（ｉｎ ｓｉｔｕ）反応を含み、一塩化ガリウム（ＧａＣｌ)を形成する。
【００６１】
ブロック４１８では、反応器中の1つ以上のガス流の中に少なくとも一部分は水素（Ｈ２）を含むキャリア・ガスによって、ＧａＣｌを基板へ輸送する工程を表している。一実施形態では、キャリア・ガスは主として水素であってもよく、他の実施形態では、キャリア・ガスは水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、またはその他の不活性ガスの混合物を含む。基板へ輸送中、または基板にて、または排気流の中において、ＧａＣｌはＮＨ３と反応してＧａＮを形成する。基板上で反応が生じることで基板上にＧａＮが生成され、その結果、結晶成長が起こることになる。典型的なＶ族／ＩＩＩ族比はこのプロセスでは１〜５０である。Ｇａソースの下流に補足的にＨＣｌを注入したり、あるいはＨＣｌとＧａソースとの反応が完全でなかったりするため、ＮＨ３／ＨＣｌ比は必ずしもＶ族／ＩＩＩ族比に等しくないことに注意されたい。
【００６２】
ブロック４２０は、所望の成長時間が過ぎた後に、気体ＨＣｌの流れを遮断して反応器の温度を室温に下げる工程を示す。基板温度が６００℃以下に下がるまでは反応器は低圧に保たれるのが一般的には良いが、反応器圧力をこのとき大気圧に戻すという選択もある。遮断の工程は更に、ガス流の中にＮＨ３を含ませて、反応器温度が低下する間にＧａＮ膜の分解が起こるのを防止する工程を含む。
【００６３】
好ましくは、上記のプロセス工程でテンプレートから平坦なｍ面ＧａＮ膜の選択横方向成長を行う。更に、上記プロセス工程は自立ｍ面ＧａＮ膜または基板の製造に用いられる。しかしながら、本発明はいかなる（Ａｌ、Ｂ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ膜の成膜も含んでよい。更に、この方法を用いて製造されるデバイスはレーザ・ダイオード、発光ダイオード及びトランジスタを含む。
【００６４】
実験結果
本発明の実験例では、ｍ面ＧａＮテンプレートはｍ面６Ｈ−ＳｉＣ上にＭＢＥで成長したＡｌＮバッファ層を用いて成長された。つぎにＧａＮテンプレート表面上に〜１３５０Å厚のＳｉＯ２層を成膜した。従来のフォトリソグラフィー技術と５％ＨＦ溶液中のウェット・エッチングを用いて、ＳｉＯ２層中に平行なストライプの開口部の配列をパターニングした。最初の実験では、この平行なストライプはＧａＮ[０００１]または［１１−２０］のいずれかに沿って配向している。アセトンとイソプロパノールでウェハを超音波洗浄した後、パターニングされたウェハは水平ＨＶＰＥ反応器に装着される。試料は６２．５Ｔｏｒｒの圧力下で、５２％のＮ２，４２％のＨ２および６％のＮＨ３の雰囲気中で８５０から１０７５℃の範囲の成膜温度まで加熱される。試料が所望の成長温度に到達すると、反応器内のガス流はＶ族：ＩＩＩ族比が１３．１である、３８％のＮ2，５７％のＨ2、残りはＮＨ3とＨＣｌに切り替えられる。所望の成長時間が経過した後に、反応器中へのＨＣｌ流は停止され、加熱炉は遮断され、試料はＮＨ3が存在する低圧力下で６００℃より低い温度まで冷却される。６００℃より低い温度では、雰囲気は切り替えられてＮ２だけとなり、試料は室温まで冷却される。
【００６５】
＜０００１＞方向に沿った平行なマスクストライプを用いた選択横方向成長プロセスの概略を図５（ａ）に示す。この図において、５００は基板／テンプレート，５０２はＳｉＯ２マスク、５０４はｍ面ＧａＮ表面を示す。成長過程では、ｍ面ＧａＮ膜５０４は基板／テンプレート材料５００の露出した部分からのみ成長し、マスク５０２上に、基板５００表面を横切って横方向に拡がる。横方向に成長しているＧａＮ膜５０４は、露出した窓５０６領域から垂直に成長しているＧａＮ５０４に比べて、翼領域５０８においては低い貫通転位密度を示している。図５（ｂ）は平行ストライプのマスク配置５０２が代わって＜１１−２０＞に沿っている場合の対応する過程を示している。この配置では２つの非対称な翼が形成される。Ｇａ面の翼５１０には貫通転位も積層欠陥も両方とも無いが、窒素面の翼５１２と５１４には貫通転位は無いものの、積層欠陥がある。両方共に貫通転位は窓材料中にはあっても選択横方向成長した材料５０４中では取り除かれている。
【００６６】
この技術で成長したいくつかのｍ面ＧａＮストライプの例を図６（ａ）に示す。これらのストライプは＜０００１＞方向に沿って配向したＳｉＯ２マスクの幅略５μｍの窓を通して成長し、約４０μｍの幅に横方向に拡がったものである。この成長を十分な時間続けると、このストライプは隣接するストライプと合体して、図７（ａ）に示すような、連続したｍ面ＧａＮ表面を形成することになる。合体した膜は、垂直方向から横方向への成長に変わることによって、転位がブロックされたり、屈げられたりして、選択横方向成長の領域では低転位密度を持つことになる。この低減された欠陥密度は図７（ｂ）に示す全波長カソードルミネッセンス（ＣＬ）像によって確認される。ＣＬ像は暗くて欠陥の多い窓領域と、より明るい、選択横方向成長の翼領域とを明からにしている。選択横方向成長した材料中では低転位密度であるために、選択横方向成長した材料はより強い発光を示す。このように、本発明は非極性ｍ面ＧａＮ膜における構造欠陥密度の低減に有効な手段を提供するものである。転位の屈曲は図７（ｅ）と（ｆ）に示す断面ＳＥＭ像およびＣＬ像にて更に観察できる。
【００６７】
ｍ面ＧａＮＬＥＯストライプの第２の例を図６（ｂ）に示す。この場合、＜１１−２０＞方向に沿って配向している平行なＳｉＯ２ストライプを用いている。図６（ａ）に示したストライプと比べて、＜１１−２０＞方向に沿って配向しているストライプは、側面は垂直なｃ面を示し、非対称な横方向成長速度を示す。Ｇａ面の翼は転位と積層欠陥が無く、一方Ｎ面の翼は転位だけが無い。＜１１−２０＞に配向しているストライプを使用して成長した、スムーズな、合体した膜を図７（ｃ）に示す。低欠陥密度であることが図７（ｄ）に示した平面ＣＬ像でもまた明らかであり、この像では欠陥の多い窓領域は暗く、低欠陥密度の翼領域は明るく見えている。Ｎ面の翼は積層欠陥を含むにもかかわらず、積層欠陥はＧａＮにおける発光再結合効率を著しく落とすことにはならないので、その発光は窓領域のそれよりもはるかに強い。
【００６８】
図８（ａ），８（ｂ）および８（ｃ）は本発明によって提供された欠陥低減技術を用いた場合及び用いない場合の局所的な表面形態を比較する図である。図８（ａ）はいかなる形式の欠陥低減法も用いないで成長したｍ面ＧａＮ膜の最もスムーズなもののＡＦＭ像を示している。この表面は以前に科学論文に報告されたどの表面よりもはるかにスムーズであり、ＲＭＳ凹凸は２５μｍ２の面積にわたって８Åである。図８（ｂ）に示したＡＦＭ像もｍ面ＧａＮ表面の５×５μｍ像であるが、本発明による＜０００１＞方向に沿ったストライプを使用して成長した試料の選択横方向成長領域から撮ったものである。転位の終端による波状の形状は除去されており、表面凹凸は６Åに低下した。この凹凸は非常に高品質の極性ｃ面ＧａＮ膜と同等である。図８（ｃ）はｍ面ＧａＮ膜の他のＡＦＭ像であり、この場合、ＧａＮの＜１１−２０＞方向に沿って平行に配向しているＳｉＯ２ストライプを取り入れたＬＥＯ試料の選択横方向成長された翼の1つから撮ったものである。表面形態ははるかに一様であり、最高品質のｃ面ＧａＮ膜に見られるものと酷似した形態を示している。この表面のＲＭＳ凹凸はたった５．３１Åであり、非ＬＥＯ表面に比べて３４％の低減／改良である。このように、本発明はよりスムーズなｍ面ＧａＮ表面を提供するために用いることが出来て、デバイス品質を高めるものとなる。
【００６９】
高品質ｍ面ＧａＮの成長とそれに続く欠陥低減に関する本発明の好ましい実施形態は次のことを含んでいる。
１．（１００）γ−ＬｉＡｌＯ２または（１−１００）ＳｉＣ（六方晶多形のいずれか）のような（ただし、これに限るものではない）適当な基板、または適当な基板上のｍ面ＩＩＩ−Ｎ膜からなるテンプレートを用いること。
２．反応器内の1つ以上のガス流にＧａＮ成膜段階のキャリア・ガスとして一部分は水素を用いること。
３．成膜のＧａＮ成長段階において、７６０Ｔｏｒｒより低い低反応器圧力を用いること。
４．下地のＩＩＩ−Ｎテンプレート層または基板を露出できるような、開口部またはストライプを含む１３００Å厚のＳｉＯ２マスクのような薄いマスク層を成膜する工程を含む欠陥低減技術を取り入れること。
５．横方向に拡がって低欠陥密度ＧａＮを作製するために、マスク層を通してｍ面ＧａＮ膜を成長すること。
【００７０】
例として、予めＭＢＥ法によってｍ面ＡｌＮ膜を被覆した、５００μｍ厚の研磨したｍ面ＳｉＣ基板上に１３００Å厚のＳｉＯ２膜を成膜する。通常のフォトリソグラフィ工程を用いて、５μｍ幅の開口部で分離された３５μｍ幅のストライプを含んだフォトレジスト層をパターニングする。ウェハを次に緩衝フッ化水素酸に２分間浸漬して、露出したＳｉＯ２を完全にエッチング除去する。残されたフォトレジストをアセトンで取り除き、ウェハをアセトン、イソプロピル・アルコール及び脱イオン水中で洗浄する。乾燥後、５μｍ幅の開口部で分離された３５μｍ幅のＳｉＯ２ストライプで被覆されているｍ面ＳｉＣ基板上のｍ面ＡｌＮ薄膜からなるウェハは、成長のために反応器内に装着される。成長過程では、ＧａＮは露出したＡｌＮ上にだけ核生成し、マスクの開口部を通して垂直に成長する。そこで膜はＳｉＯ２ストライプ上を横方向に広がり、最終的には隣接するＧａＮストライプと合体する。
【００７１】
可能な変更と変形
好ましい実施形態として、平坦なｍ面ＧａＮを成長し、その後、選択横方向成長プロセスによってｍ面ＧａＮの品質を改良する方法を説明した。（１００）γ−ＬｉＡｌＯ２、（１−１００）４Ｈ−ＳｉＣおよび（１−１００）６Ｈ−ＳｉＣを含む、いくつかの基板材料が本発明を実行するのに有効であることが証明された。自立ｍ面ＧａＮ、自立ｍ面ＡｌＮ、ＳｉＣの他の多形、ミスカットのｍ面Ａｌ２Ｏ３、前述したいずれかの基板のミスカット変形物を含む（ただし、これに限るわけではない）他の適当な基板材料を本発明の実施において用いてもよい。横方向成長過程における基板も、平坦なｍ面ＧａＮの成長に適したいずれかの基板、またはＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮのテンプレート層、他のテンプレート材料で被覆された上記基板のいずれかから選ぶことが出来る。様々な成長技術によって低温または成長温度で成膜した核生成層はまた、この技術を用いて次に続くＨＶＰＥ法による選択横方向成長に用いてもよい。基板の選択は反応器加熱段階での最適なガス条件に影響を及ぼす。ＬｉＡｌＯ２のようなある種の基板に対してはアンモニアを含む雰囲気内で昇温するのが好ましく、一方ＳｉＣはアンモニアが存在する中での昇温では悪影響を受ける。特にＧａＮテンプレート上での再成長時は、低圧力で成長温度まで昇温するのが好ましい。本発明の技術範囲を逸脱することなしに昇温条件は大幅に変更されてもよい。
【００７２】
これとは別に、様々なマスク材料、マスク成膜技術、及びパターニング方法を、本発明の結果を著しく変えることなしに本発明の実施で用いることが出来る。そのような成膜の方法としては、（例えばチタニウムやタングステンのような）金属マスクを蒸着する方法、広範囲の酸化物及びＳｉＮｘを含む誘電体マスクをスパッタ成膜する方法、及び酸化物、窒化物、あるいはフッ化物マスクを化学気相成膜する方法を含むが、これに限定するものではない。マスクは上記のようにｅｘ ｓｉｔｕ技術で成膜してもよいし、ｉｎ ｓｉｔｕ成膜しても良い。例として、単一の、ソースを3つ含むＨＶＰＥ反応器を用いて、ｍ−ＳｉＣ基板上にＡｌＮバッファを成膜して、つぎに本明細書で説明した発明を用いて薄いＧａＮ膜を成長し，そして薄いＳｉＮｘマスクを成膜して、それを通して低欠陥密度のｍ面ＧａＮを成長することが出来る。この例ではマスクはＳｉＮｘの不規則的な島からなっているが、フォトリソグラフィによって形成された一様なマスクと同じ目的にかなう。これとは別に、金属Ｔｉ膜は自立ｍ面ＧａＮ基板上に蒸着でき、ＨＶＰＥ成長システム内に装着され、ＮＨ３中でアニールされて同様に多孔質のマスク層を形成する。
【００７３】
他の代替方法としては、基板上にパターンマスクを成膜するのではなく、たとえば、反応性イオンエッチング法を用いてパターンを基板またはテンプレート材料の中へエッチングする方法がある。このような方法では、基板内の溝の深さと幅を選択して、エッチングされない平坦部から横に成長している膜が、溝の底から成長しているＧａＮが溝の上端部に達する前に合体するようにすべきである。この技術は、カンチレバーエピタキシーとして知られるが、極性ｃ面ＧａＮ成長において実証されているものであり、本発明においても適用可能ある。残っている基板またはテンプレートの柱の上表面は、カンチレバーエピタキシーのようにコーティングされないままでもよく、あるいは側壁選択横方向成長のように、露出した側壁からの成長を促進するためにマスク材料で被覆されてもよい。
【００７４】
誘電体マスクの形状は横方向に成長している膜の挙動に重要な影響を及ぼす。本発明の有効性を確立する段階では、基板に対して様々な方向を持つストライプを含んだマスクが用いられた。各形状の開口部からの成長の挙動は異なるが、マスク形状の選択は本発明の実施結果を基本的に変えるものではないということが示された。このように、ＧａＮの核生成を促進する領域とＧａＮの核生成を抑制する領域を含むマスクならどのようなものでも形状によらずに取り込むことが出来る。
【００７５】
反応器の形状と設計は本発明の実施に影響を与える。非極性ＧａＮを首尾よく横方向成長するために必要な成長パラメータは反応器によって変わる。そのような変化は本発明の一般的な実施形態を基本的に変えるものではない。
【００７６】
更に、一般的には横方向成長過程を膜合体点まで続けるのが望ましいが、合体は本発明の実施のための必要条件ではない。本発明者らは、合体前の選択横方向成長の非極性ＧａＮストライプまたは支柱が非常に望まれるような多くの応用形態を予想してきた。それ故に、この開示は合体した場合及び合体前の選択横方向成長非極性ＧａＮ膜のどちらにも適用される。
【００７７】
本発明はＨＶＰＥ法による平坦なｍ面ＧａＮの成長に焦点を当ててきた。しかしながら本発明はＩｎＧａＮおよびＡｌＧａＮを含む（ただし、これに限るわけではない）ｍ面ＩＩＩ−Ｎ合金の成長にも適用できる。非極性ＧａＮ膜に一部Ａｌ、Ｉｎ、またはＢを取り込むことは本発明の実施形態を基本的に変えるものではない。一般に、上記の議論で「ＧａＮ」について述べている記述はどれも、より一般的な窒化物化合物であるＡｌｘＩｎｙＧａｚＢｎＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｎ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＋n＝１）で置き換えが出来る。また、本発明の範囲を逸脱することなしに、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｍｇ、およびＦｅのような（ただし、これに限るわけではない）添加ドーパントを本発明に記述された膜に取り込むことが出来る。
【００７８】
本発明の実施形態は、温度および／または圧力が変化する、または異なる窒化物組成を持つというような多重成長工程を含んでいてもよい。そのような多重工程成長過程は、本明細書に説明した本発明に基本的に用いることができる。
【００７９】
更に、本発明はＨＶＰＥ法を用いた成長技術を説明してきた。非極性ＩＩＩ−Ｎ膜の成長に関する発明者らの研究では、単純な変形を行うだけで、本明細書に説明したＧａＮの横方向成長技術はＭＯＣＶＤによるｍ−ＧａＮの成長にも同じように適用できることを確立した。
【００８０】
利点および改善点
本発明は、平坦な高品質非極性ｍ面ＧａＮおよびＨＶＰＥ法によるｍ面ＧａＮの選択横方向成長に関するはじめての報告である。ｍ面ＧａＮの横方向成長に関しては、いかなる技術を用いたものもこれまでの文献に報告されていない。
【００８１】
大部分が水素であるキャリア・ガスを用いての低圧力成長を応用することで、ＨＶＰＥ法による平坦なｍ面ＧａＮ膜の成長を初めて可能にした。基板上にヘテロエピタキシャル成長した非極性ＧａＮ膜に比べて、この発見に基づいてかなりの欠陥低減と膜品質改良を可能にしたことによって本発明は次のように発展する。このような低減された欠陥密度をもつ非極性ＧａＮは、この技術を用いて成長したテンプレート膜上に続いて成長させた電子、光電子、及び電気機械的デバイスの改良に役立つであろう。本明細書で説明した選択横方向成長膜は、剥離して自立基板とすることができる厚い非極性ＧａＮ膜における転位密度を低減するための優れた手段を更に提供する。
【００８２】
参考文献
以下の参考文献は、参照として本明細書に組み込まれる。
１．Ｒ．Ｒ．Ｖａｎｆｌｅｅｔ， ｅｔ ａｌ．，“Ｄｅｆｅｃｔｓ ｉｎ ｍ−ｆａｃｅ ＧａＮ ｆｉｌｍｓ ｇｒｏｗｎ ｂｙ ｈａｌｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ ｏｎ ＬｉＡｌＯ２，” Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，８３（６）１１３９（２００３）
２．Ｐ．Ｗａｌｔｅｒｅｉｔ， ｅｔ ａｌ．，“Ｎｉｔｒｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ｆｒｅｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｆｉｅｌｄｓ ｆｏｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｗｈｉｔｅ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ，” Ｎａｔｕｒｅ（４０６）８６５（２０００）
３．Ｙ．Ｓｕｎ ｅｔ ａｌ．，“Ｉｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ ｉｎ Ｍ−ｐｌａｎｅ （Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ／ＧａＮ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，” Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８３（２５）５１７８（２００３）
４．Ｇａｒｄｎｅｒ ｅｔ ａｌ．，“Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｉｎ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｏｆ ｍ−ｐｌａｎｅ ＩｎＧａＮ−ＧａＮ ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ，” Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８６，１１１１０１（２００５）
５．Ｃｈｉｔｎｉｓ ｅｔ ａｌ．，“Ｖｉｓｉｂｌｅ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ ｕｓｉｎｇ ａ−ｐｌａｎｅ ＧａＮ−ＩｎＧａＮ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌｓ ｏｖｅｒ ｒ−ｐｌａｎｅ ｓａｐｐｈｉｒｅ，” Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８４（１８）３６６３（２００４）
６．Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ ｅｔ ａｌ．，“Ｎｏｎｐｏｌａｒ ＩｎＧａＮ ／ＧａＮ ｅｍｉｔｔｅｒｓ ｏｎ ｒｅｄｕｃｅｄ−ｄｅｆｅｃｔ ｌａｔｅｒａｌ ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ ｏｖｅｒｇｒｏｗｎ ａ−ｐｌａｎｅ ＧａＮ ｗｉｔｈ ｄｒｉｖｅ−ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｐｅａｋ，” Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８５（２２）５１４３（２００４）
７．Ｃｒａｖｅｎ ｅｔ ａｌ．，“Ｔｈｒｅａｄｉｎｇ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｖｉａ ｌａｔｅｒａｌｌｙ ｏｖｅｒｇｒｏｗｎ ｎｏｎｐｏｌａｒ （１１−２０）ａ−ｐｌａｎｅ ＧａＮ，” Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８１（７）１２０１（２００２）
８．Ｈａｓｋｅｌｌ ｅｔ ａｌ．，“Ｄｅｆｅｃｔ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ （１１−２０） ａ−ｐｌａｎｅ ｇａｌｌｉｕｍ ｎｉｔｒｉｄｅ ｖｉａ ｌａｔｅｒａｌ ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ ｂｙ ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ，” Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８３（４）６４４（２００３）
結論
これで本発明の好ましい実施形態の説明を終える。本発明の一つ以上の実施形態に関する上記の記述は例示および説明のために示された。開示の形態そのものによって本発明を包括または限定することを意図するものではない。多くの変更と変形が上記の教示に照らして可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなく、本明細書に添付の請求項によって限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】一般的な六方晶結晶構造と重要な結晶面の概略図である。
【図２】本発明の好ましい実施形態による、ＨＶＰＥ法を用いた平坦なｍ面ＧａＮ膜を直接成長するための工程を示すフローチャートである。
【図３】図３（ａ）は本発明を用いて達成した一様で平坦な表面形態を示すＬｉＡｌＯ２基板上に成長したｍ面ＧａＮ膜のノマルスキー光学コントラスト顕微鏡写真であり、図３（ｂ）はその表面の原子間力顕微鏡像である。
【図４】本発明の好ましい実施形態による、ＧａＮ膜の選択横方向成長を通して平坦なｍ面ＧａＮ膜中の貫通転位と欠陥の密度を低減させる工程を示すフローチャートである。
【図５】図５（ａ）は＜０００１＞方向ＳｉＯ２ストライプを用いたｍ面ＧａＮの選択横方向成長プロセスの概略図、図５（ｂ）は＜１１−２０＞方向ＳｉＯ２ストライプを用いたｍ面ＧａＮの横方向成長プロセスの概略図である。
【図６】図６（ａ）は＜０００１＞方向ｍ面ＧａＮ選択横方向成長ストライプの傾斜断面図であり、図６（ｂ）は＜１１−２０＞方向ＧａＮストライプの断面図である。
【図７】図７（ａ）と図７（ｃ）はそれぞれ＜０００１＞と＜１１−２０＞方向のストライプから成長して合体した選択横方向成長ストライプの平面走査型電子顕微鏡像であり、図７（ｂ）と図７（ｄ）は図７（ａ）と図７（ｃ）にて示した表面に対応するカソードルミネッセンス（ＣＬ）像であり、それぞれ窓と翼の領域を示している。図７（ｅ）は＜０００１＞方向に沿って伸びているｍ面ＧａＮストライプの断面ＳＥＭ像であり、図７（ｆ）は図７（ｅ）にて示したストライプに対応するＣＬ像である。
【図８】図８（ａ）、図８（ｂ）および図８（ｃ）はｍ面ＧａＮ表面の５×５μｍ原子間力顕微鏡像であり、図８（ａ）は欠陥低減を目指したものではない、この開示の第１の部分に記述された技術を用いて成長した表面を示し、図８（ｂ）および図８（ｃ）は本発明をもちいて成長した選択横方向成長ｍ面ＧａＮ膜の翼の部分の表面を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）ハイドライド気相成長法によって平坦なｍ面ＧａＮ膜を直接成長させる工程、および
（ｂ）前記ＧａＮ膜の選択横方向成長を行って、前記平坦なｍ面ＧａＮ膜中の貫通転位と欠陥の密度を低減する工程
を備えたことを特徴とする、平坦なｍ面窒化ガリウム（ＧａＮ）膜を成長する方法。
【請求項２】
前記平坦なｍ面ＧａＮ膜は分極を含まないデバイスの成長のための基板として用いる目的で製作されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記平坦なｍ面ＧａＮ膜の直接成長は、ｍ面ＳｉＣ、（１００）γ−ＬｉＡｌＯ２を含む基板、またはｍ面（Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｂ）Ｎテンプレート層で覆われた基板上で行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記工程（ａ）は、
（１）基板を反応器に装着する工程、
（２）成長室に水素（Ｈ２）と窒素（Ｎ２）の混合ガスを流しながら、前記反応器を成長温度まで加熱する工程、
（３）前記反応器の圧力を大気圧よりも低い、所望の成膜圧力まで下げる工程、
（４）前記基板上に前記平坦なｍ面ＧａＮ膜の直接成長を開始するために、気体の塩化水素（ＨＣｌ）をガリウム（Ｇａ）源へ流し始める工程であって、前記気体ＨＣｌは前記Ｇａと反応して一塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を形成する工程、
（５）少なくとも一部分は水素（Ｈ２）を含むキャリア・ガスを用いて前記ＧａＣｌを前記基板へ輸送する工程であって、前記ＧａＮ膜を形成するように前記ＧａＣｌが前記基板上でアンモニア（ＮＨ３)と反応する工程、および
（６）所望の成長時間が経った後で前記気体ＨＣｌの流れを遮断し、前記反応器の圧力を大気圧に戻し、前期反応器の温度を室温に下げる工程、
を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記基板が低温または前記成長温度で成膜された核生成層で被覆されていることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記反応器内のガス流に無水アンモニア（ＮＨ３)を加えて前記基板を窒化する工程を更に備えていることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記工程（６）は、前記反応器の温度が低下する間に前記ＧａＮ薄膜が分解することを防ぐために、ガス流に無水アンモニア（ＮＨ３)を含ませる工程を更に備えることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記工程（６）は、低圧で前記基板を冷却する工程を更に備えることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項９】
前記工程（ｂ）は、
（１）基板上に成膜されたマスクをパターニングする工程、および
（２）前記基板から前記ＧａＮ膜の選択横方向成長をハイドライド気相成長法を用いて行う工程を更に備え、前記ＧａＮ膜が前記パターニングされたマスクで覆われていない前記基板の部分の上にだけ核生成し、前記ＧａＮ薄膜が前記パターニングされたマスクの開口部を通して垂直に成長し、その後前記ＧａＮ膜がパターニングされたマスクの上を横に基板の表面を横切って拡がることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記選択横方向成長はほぼ大気圧またはそれ未満の成長圧力と、一部分は水素を含むキャリア・ガスとを利用することを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記キャリア・ガスが主として水素であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記キャリア・ガスが水素と窒素、アルゴンまたはヘリウムの混合ガスを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記選択横方向成長は前記ＧａＮ膜における貫通転位密度を低減することを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記パターニングされたマスクは金属材料または誘電性材料を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記工程（１）は、
（１）前記基板上に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）膜を成膜する工程、
（２）前記二酸化ケイ素膜上のフォトレジスト層をパターニングする工程、
（３）前記パターニングされたフォトレジスト層によって露出した前記二酸化ケイ素膜の全ての部分をエッチング除去する工程、
（４）前記フォトレジスト層の残留部分を取り除く工程、および
（５）前記基板を洗浄する工程
を備えることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
前記基板は低温または前記成長温度で成膜した核生成層で被覆されていることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１７】
前記ＧａＮ膜の選択横方向成長は、
（１）基板またはテンプレートから支柱またはストライプをエッチングする工程、および
（２）前記支柱またはストライプから横に成長させる工程
を備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記ＧａＮ膜の選択横方向成長は、
（１）基板またはテンプレートから支柱またはストライプをエッチングする工程、
（２）前記支柱またはストライプの上面をマスクする工程、および
（３）前記支柱またはストライプの前記マスクされた上面の露出した部分から横方向に成長させる工程
を備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
先行する請求項のいずれかを用いて作製されるデバイス。
【請求項１】
（ａ）ハイドライド気相成長法によって平坦なｍ面ＧａＮ膜を直接成長させる工程、および
（ｂ）前記ＧａＮ膜の選択横方向成長を行って、前記平坦なｍ面ＧａＮ膜中の貫通転位と欠陥の密度を低減する工程
を備えたことを特徴とする、平坦なｍ面窒化ガリウム（ＧａＮ）膜を成長する方法。
【請求項２】
前記平坦なｍ面ＧａＮ膜は分極を含まないデバイスの成長のための基板として用いる目的で製作されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記平坦なｍ面ＧａＮ膜の直接成長は、ｍ面ＳｉＣ、（１００）γ−ＬｉＡｌＯ２を含む基板、またはｍ面（Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｂ）Ｎテンプレート層で覆われた基板上で行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記工程（ａ）は、
（１）基板を反応器に装着する工程、
（２）成長室に水素（Ｈ２）と窒素（Ｎ２）の混合ガスを流しながら、前記反応器を成長温度まで加熱する工程、
（３）前記反応器の圧力を大気圧よりも低い、所望の成膜圧力まで下げる工程、
（４）前記基板上に前記平坦なｍ面ＧａＮ膜の直接成長を開始するために、気体の塩化水素（ＨＣｌ）をガリウム（Ｇａ）源へ流し始める工程であって、前記気体ＨＣｌは前記Ｇａと反応して一塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を形成する工程、
（５）少なくとも一部分は水素（Ｈ２）を含むキャリア・ガスを用いて前記ＧａＣｌを前記基板へ輸送する工程であって、前記ＧａＮ膜を形成するように前記ＧａＣｌが前記基板上でアンモニア（ＮＨ３)と反応する工程、および
（６）所望の成長時間が経った後で前記気体ＨＣｌの流れを遮断し、前記反応器の圧力を大気圧に戻し、前期反応器の温度を室温に下げる工程、
を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記基板が低温または前記成長温度で成膜された核生成層で被覆されていることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記反応器内のガス流に無水アンモニア（ＮＨ３)を加えて前記基板を窒化する工程を更に備えていることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記工程（６）は、前記反応器の温度が低下する間に前記ＧａＮ薄膜が分解することを防ぐために、ガス流に無水アンモニア（ＮＨ３)を含ませる工程を更に備えることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記工程（６）は、低圧で前記基板を冷却する工程を更に備えることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項９】
前記工程（ｂ）は、
（１）基板上に成膜されたマスクをパターニングする工程、および
（２）前記基板から前記ＧａＮ膜の選択横方向成長をハイドライド気相成長法を用いて行う工程を更に備え、前記ＧａＮ膜が前記パターニングされたマスクで覆われていない前記基板の部分の上にだけ核生成し、前記ＧａＮ薄膜が前記パターニングされたマスクの開口部を通して垂直に成長し、その後前記ＧａＮ膜がパターニングされたマスクの上を横に基板の表面を横切って拡がることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記選択横方向成長はほぼ大気圧またはそれ未満の成長圧力と、一部分は水素を含むキャリア・ガスとを利用することを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記キャリア・ガスが主として水素であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記キャリア・ガスが水素と窒素、アルゴンまたはヘリウムの混合ガスを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記選択横方向成長は前記ＧａＮ膜における貫通転位密度を低減することを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記パターニングされたマスクは金属材料または誘電性材料を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記工程（１）は、
（１）前記基板上に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）膜を成膜する工程、
（２）前記二酸化ケイ素膜上のフォトレジスト層をパターニングする工程、
（３）前記パターニングされたフォトレジスト層によって露出した前記二酸化ケイ素膜の全ての部分をエッチング除去する工程、
（４）前記フォトレジスト層の残留部分を取り除く工程、および
（５）前記基板を洗浄する工程
を備えることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
前記基板は低温または前記成長温度で成膜した核生成層で被覆されていることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１７】
前記ＧａＮ膜の選択横方向成長は、
（１）基板またはテンプレートから支柱またはストライプをエッチングする工程、および
（２）前記支柱またはストライプから横に成長させる工程
を備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記ＧａＮ膜の選択横方向成長は、
（１）基板またはテンプレートから支柱またはストライプをエッチングする工程、
（２）前記支柱またはストライプの上面をマスクする工程、および
（３）前記支柱またはストライプの前記マスクされた上面の露出した部分から横方向に成長させる工程
を備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
先行する請求項のいずれかを用いて作製されるデバイス。
【図１】
【図２】
【図４】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図４】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公表番号】特表２００８−５０１６０６（Ｐ２００８−５０１６０６Ａ）
【公表日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５１５４１２（Ｐ２００７−５１５４１２）
【出願日】平成１７年５月３１日（２００５．５．３１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０１８８２３
【国際公開番号】ＷＯ２００５／１２２２６７
【国際公開日】平成１７年１２月２２日（２００５．１２．２２）
【出願人】（５０００２７９３２）ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア (39)
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月３１日（２００５．５．３１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０１８８２３
【国際公開番号】ＷＯ２００５／１２２２６７
【国際公開日】平成１７年１２月２２日（２００５．１２．２２）
【出願人】（５０００２７９３２）ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア (39)
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【Ｆターム（参考）】
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