ミスカット基板上に成長した平面型非極性Ｍ平面ＩＩＩ族窒化物薄膜
基板のミスカット角上に成長する非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜。＜０００−１＞方向に向かうミスカット角は、０．７５°以上であり、＜０００−１＞方向に向かう２７°未満である。表面起伏は、抑えられ、面のある角錐を備え得る。薄膜を用いて製作されるデバイスもまた開示される。非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜の表面起伏を抑えるために非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜が成長する基板のミスカット角を選択することを包含する方法を用いて製作される、滑らかな表面形態構造を有する非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜。非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜が成長する基板のミスカット角上に成長する滑らかな表面形態構造を有する薄膜上に成長する非極性ＩＩＩ族窒化物ベースのデバイス。ミスカット角はまた、非極性薄膜からの長波長発光を達成するために選択され得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の参照）
本出願は、３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．Ｓｅｃｔｉｏｎ １１９（ｅ）の下における、以下の同時係属中で同一人に譲渡された出願の利益を主張する。すなわち、
Ｋｅｎｊｉ Ｉｓｏ、Ｈｉｓａｓｈｉ Ｙａｍａｄａ、Ｍａｋｏｔｏ Ｓａｉｔｏ、Ａｓａｋｏ Ｈｉｒａｉ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによって２００７年８月８日に出願され、名称が「ＰＬＡＮＡＲ ＮＯＮＰＯＬＡＲ Ｍ−ＰＬＡＮＥ ＧＲＯＵＰ ＩＩＩ−ＮＩＴＲＩＤＥ ＦＩＬＭＳ ＧＲＯＷＮ ＯＮ ＭＩＳＣＵＴ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ」であり、代理人の整理番号３０７９４．２４９−ＵＳ−Ｐ１（２００８−００４−１）である、米国仮特許出願第６０／９５４，７４４号、および
Ｈｉｓａｓｈｉ Ｙａｍａｄａ、Ｋｅｎｊｉ Ｉｓｏ、Ｍａｋｏｔｏ Ｓａｉｔｏ、Ａｓａｋｏ Ｈｉｒａｉ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによって２００７年８月８日に出願され、名称が「ＩＩＩ−ＮＩＴＲＩＤＥ ＦＩＬＭＳ ＧＲＯＷＮ ＯＮ ＭＩＳＣＵＴ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ」であり、代理人の整理番号３０７９４．２４８−ＵＳ−Ｐ１（２００８−０６２−１）である、米国仮特許出願第６０／９５４，７６７号であり、
これらの出願は、本明細書に参考として援用される。
【０００２】
本出願は、以下の同時係属中で同一人に譲渡された米国特許出願に関連する。すなわち、Ａｓａｋｏ Ｈｉｒａｉ、Ｚｈｏｎｇｙｕａｎ Ｊｉａ、Ｍａｋｏｔｏ Ｓａｉｔｏ、Ｈｉｓａｓｈｉ Ｙａｍａｄａ、Ｋｅｎｊｉ Ｉｓｏ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＪａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋによって２００８年６月１６日に出願され、名称が「ＰＬＡＮＡＲ ＮＯＮＰＯＬＡＲ Ｍ−ＰＬＡＮＥ ＧＲＯＵＰ ＩＩＩ ＮＩＴＲＩＤＥ ＦＩＬＭＳ ＧＲＯＷＮ ＯＮ ＭＩＳＣＵＴ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ」であり、代理人の整理番号３０７９４．２３８−ＵＳ−Ｐ１（２００７−６７４−２）である、米国出願第１２／１４０，０９６号であり、該出願は、Ａｓａｋｏ Ｈｉｒａｉ、Ｚｈｏｎｇｙｕａｎ Ｊｉａ、Ｍａｋｏｔｏ Ｓａｉｔｏ、Ｈｉｓａｓｈｉ Ｙａｍａｄａ、Ｋｅｎｊｉ Ｉｓｏ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＪａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋによって２００７年６月１５日に出願され、名称が「ＰＬＡＮＡＲ ＮＯＮＰＯＬＡＲ Ｍ−ＰＬＡＮＥ ＧＲＯＵＰ ＩＩＩ ＮＩＴＲＩＤＥ ＦＩＬＭＳ ＧＲＯＷＮ ＯＮ ＭＩＳＣＵＴ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ」であり、代理人の整理番号３０７９４．２３８−ＵＳ−Ｐ１（２００７−６７４−１）である、米国仮出願第６０／９４４，２０６号の利益を主張し、そして、
Ｈｉｓａｓｈｉ Ｙａｍａｄａ、Ｋｅｎｊｉ Ｉｓｏ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによって本出願と同日に出願され、名称が「ＮＯＮＰＯＬＡＲ ＩＩＩ−ＮＩＴＲＩＤＥ ＬＩＧＨＴ ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＩＯＤＥＳ ＷＩＴＨ ＬＯＮＧ ＷＡＶＥＬＥＮＧＴＨ ＥＭＩＳＳＩＯＮ」であり、代理人の整理番号３０７９４．２４７−ＵＳ−Ｕ１（２００８−０６３−２）である、米国出願第ｘｘ／ｘｘｘ，ｘｘｘ号であり、該出願は、Ｈｉｓａｓｈｉ Ｙａｍａｄａ、Ｋｅｎｊｉ Ｉｓｏ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによって２００７年８月８日に出願され、名称が「ＮＯＮＰＯＬＡＲ ＩＩＩ ＮＩＴＲＩＤＥ ＬＩＧＨＴ ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＩＯＤＥＳ ＷＩＴＨ ＬＯＮＧ ＷＡＶＥＬＥＮＧＴＨ ＥＭＩＳＳＩＯＮ」であり、代理人の整理番号３０７９４．２４７−ＵＳ−Ｐ１（２００８−０６３−１）である、米国仮出願第６０／９５４，７７０号の利益を主張し、
これらの出願は、本明細書に参考として援用される。
【０００３】
（発明の背景）
（１．発明の分野）
本発明は、（１）平面型非極性ｍ平面薄膜の成長のための技術に関し、より詳細には表面起伏が全くない原子的に滑らかなｍ−ＧａＮ薄膜の成長のための技術に関し、そして（２）ＩｎＧａＮ／ＧａＮ発光ダイオード（ＬＥＤ）およびレーザダイオード（ＬＤ）に関し、より具体的には、放射波長がミスカット角度を選択することによって制御され得るミスカット基板上に成長するＩＩＩ族窒化物薄膜に関する。
【背景技術】
【０００４】
（２．関連技術の説明）
窒化ガリウム（ＧａＮ）ならびにアルミニウムおよびインジウムを含んでいるＧａＮの三元化合物および四元化合物（ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ）の有用性は、可視および紫外の光電子デバイスおよび高出力電子デバイスの製作のために十分に確立されている。これらの化合物は、本明細書において、ＩＩＩ族窒化物、もしくはＩＩＩ族窒化物、もしくは単に窒化物と呼ばれるか、または命名法（Ａｌ、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎによって表される。これらの化合物から作られるデバイスは典型的には、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、金属・有機化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、および水素化気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）を含む成長技術を用いてエピタキシャル成長させられる。
【０００５】
ＧａＮおよび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しており、この場合、構造は、互いに対して１２０°回転させられた２個（または３個）の等価基底面軸（ａ軸）によって説明され、これらの軸のすべては、固有のｃ軸に垂直である。ＩＩＩ族および窒素原子は、結晶のｃ軸に沿って交互にある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軸に沿ってバルク自発分極を所有することを要求し、ウルツ鉱型構造は圧電分極を示す。
【０００６】
電子デバイスおよび光電子デバイスの現在の窒化物技術は、極性のｃ方向に沿って成長した窒化物薄膜を用いる。しかしながら、ＩＩＩ族窒化物ベースの光電子デバイスおよび電子デバイスにおける従来のｃ平面量子井戸構造は、強い圧電分極および自発分極の存在により、望ましくない量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）を被る。ｃ方向に沿った強い固有の電界は、電子および空孔の空間的分離を引き起こし、このことは今度は、キャリア再結合効率の制限、発振器強度の減少、および長波長シフト放射（ｒｅｄ−ｓｈｉｆｔｅｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）を生じさせる。
【０００７】
ＧａＮ光電子デバイスにおける自発分極効果および圧電分極効果を除去する１つのアプローチは、結晶の非極性平面上にデバイスを成長させることである。そのような平面は、等しい数のＧａ原子およびＮ原子を含み、電荷中立である。さらに、その後の非極性層は、互いに等価であり、それでバルク結晶は、成長方向に沿って分極されない。ＧａＮにおける対称−等価の非極性平面の２つのそのような族は、総称的にａ平面として公知の｛１１−２０｝族であり、総称的にｍ平面として公知の｛１−１００｝族である。
【０００８】
分極のもう一方の原因は、圧電分極である。これは、非類似の組成物（および従って異なる格子定数）の（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ層が窒化物ヘテロ構造で成長するときに起り得るように、材料が圧縮ひずみまたは引張りひずみを受けるとき、起る。例えば、ＧａＮ鋳型（ｔｅｍｐｌａｔｅ）上の薄いＡｌＧａＮ層は、平面内の引張りひずみを有し、ＧａＮ鋳型上の薄いＩｎＧａＮ層は、平面内の圧縮ひずみを有し、これらは両方ともＧａＮに整合する格子に起因する。従って、ＧａＮ上のＩｎＧａＮ量子井戸に対して圧電分極は、ＩｎＧａＮおよびＧａＮの自発分極の方向とは反対の方向に向く。ＧａＮに整合する格子のＡｌＧａＮ層に対して、圧電分極は、ＡｌＧａＮおよびＧａＮの自発分極の方向と同じ方向に向く。
【０００９】
ｃ平面窒化物の上に非極性平面を用いる利点は、総分極が減少させられることである。特定の平面上における特定の合金組成物に対してゼロ分極でさえもあり得る。そのようなシナリオは、将来の科学論文において詳細に論議されるであろう。重要な点は、ｃ平面窒化物構造の分極に比較して分極が減少させられることである。
【００１０】
非極性ｍ平面ＧａＮ上の高性能光電子デバイスが明示されてきたが、そのような材料において滑らかな表面を得ることが困難であることは公知である。ｍ平面ＧａＮ表面は、典型的には切子面またはむしろ肉眼で見える表面起伏で覆われている。表面起伏は有害である。なぜなら例えば表面起伏は、量子構造における切子面作成、および結晶切子面などに従って合金原子またはドーパントの不均一な含有をもたらすからである。
【００１１】
そのような非極性ｍ平面ＧａＮ上のＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷから長波長放射を得ることが困難であることも見出されてきた。これは、おそらくＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷの低Ｉｎ含有に起因する。同じ成長条件において、ｍ平面上に成長するデバイスの放射波長は典型的には４００ｎｍであり、一方、ｃ平面上に成長するデバイスの波長は４５０ｎｍである。成長温度を下げることは、Ｉｎ含有を増加させるが、結晶品質が劣化する。これは、青、緑、黄、および白のＬＥＤなどの用途に対して重大な問題である。
【００１２】
本発明は、ミスカット基板上に成長するＩＩＩ族窒化物薄膜の成長のための技術を説明する。例えば青放射は、ＭＱＷの劣化なしに得られた。本発明はまた、非極性ｍ平面窒化物の平面薄膜の成長のための技術を説明する。例えばまったく表面起伏のない原子的に滑らかなｍ−ＧａＮ薄膜が、本発明を用いて明示されてきた。従って本発明は、表面粗さ、放射波長およびインジウム含有がミスカット角の選択によって制御され得るミスカット基板上に成長するＩＩＩ族窒化物薄膜を説明する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
(発明の概要)
上記の先行技術の制限を克服し、本明細書を読み理解するとすぐ明らかになる他の制限を克服するために、本発明は、非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜の表面起伏を抑えるために非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜が成長する基板のミスカット角を選択することによって、肉眼で見える表面起伏が全くない原子的に滑らかな表面を有する平面型非極性ＩＩＩ族窒化物を成長させる方法を開示する。
【００１４】
ミスカット角は、ｃ軸方向（例えば、＜０００−１＞方向）に向かう平面内ミスカット角であり得、さらにミスカット角は、＜０００−１＞方向に向かう０．７５°以上のミスカット角（ｍ平面に対して）であり得、＜０００−１＞方向に向かう２７°未満のミスカット角（ｍ平面に対して）であり得る。
【００１５】
本発明は、基板のミスカット上に成長した非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜を開示し、基板のミスカットは、非極性平面に対するミスカット角の角度に置かれた基板の表面を提供し、ＩＩＩ族窒化物薄膜成長の上部表面は、表面に実質的に平行である。
【００１６】
上部表面の滑らかな表面形態構造は、非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜の表面起伏を抑えるために、非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜が成長する基板のミスカット角を選択することによって決定され得る。
【００１７】
ミスカット角は、１０００マイクロメートルの長さにわたる、薄膜の上部表面上の１つ以上の起伏の平方自乗平均（ＲＭＳ）振幅高さが６０ｎｍ以下であるようなミスカット角であり得る。ミスカット角は、１０００マイクロメートルの長さにわたる、薄膜の上部表面上の１つ以上の起伏の最大振幅高さが１０９ｎｍ以下であるようなミスカット角であり得る。
【００１８】
ミスカット角は、薄膜におけるＩＩＩ族窒化物発光層へのインジウム含有を増加させるように選択され得、その結果、発光層によって放射された光のピーク波長は少なくとも４２５ｎｍに増加させられる。
【００１９】
光のピーク波長は、活性層を通過する入射電流に応答して、薄膜におけるＩＩＩ族窒化物発光活性層によって放射され得、活性層の合金組成物、非極性平面、およびミスカット角は、活性層の分極を減少させるように選択され得、その結果、ピーク波長は入射電流の範囲に対して０．７ｎｍのピーク波長内で一定のままである。電流の範囲は、放射された光の強度の範囲を生成し得、最大強度は、最小強度の少なくとも３７倍であり得る。
【００２０】
デバイスは、薄膜を用いて製作され得る。デバイスは、デバイスの成長に十分に滑らかな表面形態構造を有する薄膜上に成長し得る。
【００２１】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物薄膜を製作する方法をさらに開示し、該方法は、非極性平面に対するミスカット角の角度に置かれた基板の表面である基板のミスカットを提供することと、基板のミスカット上にＩＩＩ族窒化物薄膜成長を成長させることであって、その結果、ＩＩＩ族窒化物薄膜成長の上部表面は、基板の表面に実質的に平行である、こととを包含する。
【００２２】
本発明は、光を放射する方法をさらに開示し、該方法は、基板のミスカット上に成長する非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜から光を放射することを包含し、基板のミスカットは、非極性平面に対するミスカット角の角度に置かれた基板の表面であり、ＩＩＩ族窒化物薄膜成長の上部表面は、表面に実質的に平行である。
【００２３】
ここで図面を参照すると、同様の参照番号は、全体を通じて対応する部品を表す。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１（ａ）〜図１（ｆ）は、＜０００−１＞に向かう様々なミスカットに対する、固定されていないｍ−ＧａＮ基板上に成長したｍ平面ＧａＮ薄膜の表面の光学マイクログラフである。
【図２】図２は、表面が成長するミスカット角の関数として、ｍ平面ＧａＮ表面の振幅高さ測定から評価される平方自乗平均（ＲＭＳ）値を示す。
【図３】図３は、表面が成長するミスカット角（＜０００−１＞に向かう）の関数として、ｍ平面ＧａＮ表面の振幅高さ測定から評価される最大振幅高さ値を示す。
【図４】図４は、基板のミスカット上のＩＩＩ族窒化物薄膜およびその後のデバイス層の断面概略図である。
【図５】図５は、種々のミスカット角（ミスカット角０．０１°、０．４５°、０．７５°、１．７°、５．４°、９．６°、および２７°）で成長したＬＥＤに対する、ミスカット基板上に成長したＬＥＤのエレクトロルミネセンススペクトルを示す。
【図６】図６は、θ＝５．４°のミスカット基板上に成長したＬＥＤのエレクトロルミネセンス（ＥＬ）スペクトルを示し、この場合、下から上まで、スペクトルは、１ｍＡ、２ｍＡ、５ｍＡ、１０ｍＡ、２０ｍＡ、３０ｍＡ、４０ｍＡ、５０ｍＡ、６０ｍＡ、７０ｍＡ、８０ｍＡ、９０ｍＡ、および１００ｍＡの入射電流に対するスペクトルである（すなわち、強度は、電流と共に増加する）。
【図７】図７は、θ＝５．４°ミスカット基板上に成長したデバイスの、電流対エレクトロルミネンス強度およびピーク波長を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（発明の詳細な説明）
好ましい実施形態の以下の説明において、本明細書の一部を形成しかつ本発明が実施され得る特定の実施形態が例示として示される添付の図面が参照される。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態が利用され得、そして構造上の変更がなされ得ることは理解されるべきである。
【００２６】
（概観）
本発明は、非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜の滑らかな表面形態構造を得る方法を説明する。具体的には、非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜の表面起伏は、非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜が成長する基板のミスカット角を制御することによって抑えられる。
【００２７】
現在の窒化物デバイスは、典型的には極性の［０００１］ｃ方向に成長し、このことは、結果として垂直デバイスにおける一次伝導方向に沿った電荷分離をもたらす。結果として生じる分極電界は、最新技術の光電子デバイスの性能に有害である。
【００２８】
非極性方向に沿ったこれらのデバイスの成長は、伝導方向に沿った固有の電界を減少させることによってデバイス性能を実質的に改善した。しかしながら、典型的には肉眼で見える表面起伏がデバイスの表面に存在し、このことは連続する薄膜成長に有害である。
【００２９】
肉眼で見える表面起伏がなく非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜を成長させる手段がデバイス成長のためのより良いデバイス層、鋳型、または基板を提供するが、現在までそのような薄膜を成長させる手段は全く存在しなかった。本発明の新規な特徴は、非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜がミスカット基板によって肉眼的にも原子的にも平面型の薄膜として成長し得ることである。証明として、本発明者らは、ＧａＮの｛１０−１０｝平面型薄膜を成長させた。しかしながら、本発明の範囲は、これらの例にのみ限定されるのではなく、本発明は、窒化物の非極性平面型薄膜がホモエピタキシャルであるかヘテロエピタキシャルであるかに関わらず、すべての窒化物の非極性平面型薄膜に関連がある。
【００３０】
本発明は、膜の放射波長がミスカット角度を選択することによって制御され得るミスカット基板上に成長するＩＩＩ族窒化物薄膜をさらに説明する。具体的には、ＩＩＩ族窒化物薄膜のＩｎ含有は、ＩＩＩ族窒化物薄膜が成長する基板のミスカット角を選択することによって高められる。
【００３１】
本発明以前、軸上ｍ平面上に成長するＬＥＤの放射波長は典型的には４００ｎｍであり、この波長は光学デバイスの用途を限定した。本発明の更なる新規の特徴は、ＩＩＩ族窒化物薄膜のＩｎ含有の向上がミスカット基板上の成長によって達成され得ることである。このことの証明として、本発明者らは、ミスカット基板上にＩｎＧａＮ／ＧａＮＩベースのＬＥＤを成長させた。軸上ｍ平面（１０−１０）上に成長する薄膜の放射波長は３９０ｎｍであり、一方、＜０００−１＞方向に向かう０．７５°以上の角度を有するミスカット上に成長する薄膜の放射波長は４４０ｎｍであった。
【００３２】
（技術的説明）
（滑らかなＩＩＩ族窒化物薄膜を成長させるためにミスカットを用いること）
本発明の第１の実施形態は、平面型非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜を成長させる方法を包含する。特に本発明は、成長プロセスにおいてミスカット基板を利用する。例えば、肉眼的かつ原子的に平面型の｛１０−１０｝ＧａＮの成長ために、基板が正しい方向にミスカット角を有することが決定的に重要である。
【００３３】
本発明の第１の実施形態において、ＧａＮ表面は、＜０００−１＞方向に向かうミスカット角を有する固定されていないＧａＮ基板上において従来のＭＯＣＶＤ法を用いて成長させられた。成長したＧａＮ膜の厚さは、５μｍであった。ミスカット基板は、ｃ平面ＧａＮバルク結晶を薄く切り取ることによって作製された。ｍ平面から＜０００−１＞の方へのミスカット角は、０．０１°、０．４５°、０．７５°、５．４°、９．６°および２７°であり、これらはＸ線解析（ＸＲＤ）によって測定された。試料は、２インチウェーハホルダ上の異なる位置における同じ一帯において成長した。表面形態構造は、光学顕微鏡使用および振幅高さ測定によって調査された。
【００３４】
（滑らかな薄膜の成長を示す実験の結果）
図１は、＜０００−１＞方向に向かう様々なミスカット角を有する固定されていないｍ−ＧａＮ基板上に成長したｍ平面ＧａＮ薄膜の表面の光学顕微鏡写真を示す。名目上軸上にある基板上に成長した｛１０−１０｝ＧａＮ薄膜は、４面の角錐から成る肉眼で見える表面起伏を有することが見出された。これらの角錐面は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示されるように、典型的には、ａ、ｃ＋およびｃ−の方向に傾斜しており、図１（ａ）は０．０１°のミスカット角を有し、図１（ｂ）は０．４５°のミスカット角を有する。図１（ｃ）、１（ｄ）、１（ｅ）、および図１（ｆ）に示されるように、０．７５°以上のミスカット角を有する基板上の表面は滑らかな形態構造を有することが見出され、図１（ｃ）は０．７５°のミスカット角を有し、図１（ｄ）は５．４°のミスカット角を有し、図１（ｅ）は９．６°のミスカット角を有し、そして図１（ｆ）は２７°のミスカット角を有する。
【００３５】
図２は、様々なミスカット角上に成長するｍ平面ＧａＮ表面の振幅高さ測定から評価された平方自乗平均（ＲＭＳ）値を示す。ミスカット基板の各々上の薄膜の１０００μｍの長さにわたるＲＭＳ粗さは、＜０００−１＞の方への０．０１°、０．４５°、０．７５°、５．４°、９．６°、および２７°のミスカット角に対して、それぞれ、３５６ｎｍ、１２８ｎｍ、５６ｎｍ、１９ｎｍ、１５ｎｍ、および１６ｎｍであった。ＲＭＳ値はミスカット角の増加と共に減少することが見出された。概して、６０ｎｍ未満のＲＭＳ値が、光電子デバイスおよび電子デバイスに対して予期される。従って、基板のミスカット角が０．７５°以上であることが好ましい。
【００３６】
図３は、＜０００−１＞の方への様々なミスカット角を有する基板上に成長するｍ平面ＧａＮ表面の振幅高さ測定から評価された最大振幅高さを示す。ミスカット基板の各々上の薄膜の１０００μｍの長さにわたる最大振幅高さ値は、＜０００−１＞の方への０．０１°、０．４５°、０．７５°、５．４°、９．６°、および２７°のミスカット角に対して、それぞれ、５００ｎｍ、１６８ｎｍ、１０９ｎｍ、９３ｎｍ、３３ｎｍ、および５２ｎｍであった。最大振幅高さ値は、ミスカット角の増加と共に減少することが見出された。図２から判断すると、基板のミスカット角は０．７５°以上であることが好ましい。
【００３７】
（デバイス構造）
図４は、基板４０６（例えば、窒化ガリウム）のミスカット４０４上の非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜成長４０２のｃ方向４００に沿う断面概略図であり、基板４０６のミスカット４０４は非極性平面４１２に対するミスカット角４１０の角度に置かれた基板４０６の表面４０８を提供し、ＩＩＩ族窒化物薄膜成長４０２の上部表面４１４は基板４０６の表面４０８に実質的に平行であり、そしてミスカット角４１０はｃ方向４００の方（例えば、＜０００−１＞方向）に向かう。表面４１４は非極性平面であり得る。
【００３８】
図４はまた、基板４０６の表面４０８（例えば、成長表面）上の非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜成長４０２を例示し、基板４０６の表面４０８は、基板４０６の結晶面４１８に対して方位角４１６にあり、非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜４０２の上部表面４１４は、ＧａＮ（またはＩＩＩ族窒化物）の非極性面（例えば、ａ平面またはｍ平面）４１２に対するミスカット角４１０の角度に置かれ、基板４０６の表面４０８に実質的に平行である。
【００３９】
本発明は、ミスカット角４１０および／またはミスカット角方向４００を変化させることによって、滑らかな薄膜４０２を達成する方法を開示する。ミスカット角４１０は、起伏４２０を抑えるために表面起伏４２０の方向４００の方に向けられ得る。非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜４０２の上部表面４１４は、滑らかな表面４１４形態構造を有し得、該形態構造は、非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜４０２の表面起伏４２０を抑えるために、非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜４０２が成長する基板４０６のミスカット角４１０を選択することによって、決定される。例えば、＜０００−１＞方向４００に向かうミスカット角４１０は、０．７５°以上のミスカット角であり得、＜０００−１＞方向４００に向かって２７°未満であり得る。ミスカット角４１０は、１０００マイクロメートルの長さ４２４（表面４１４の）にわたる、薄膜４０２の上部表面４１４上の１つ以上の起伏４２０のＲＭＳ振幅高さ４２２が６０ｎｍ以下であり得るようなミスカット角であり得る。ミスカット角４１０は、１０００マイクロメートルの長さ４２４にわたる、薄膜の上部表面４１４上の１つ以上の起伏４２０の最大振幅高さ４２２が１０９ｎｍ未満であり得るようなミスカット角であり得る。表面起伏４２０は、面のある角錐（すなわち面４２６を有する角錐）を備え得る。薄膜４０２の厚さ４２８は、いかなる特定の厚さ４２８にも限定されない。
【００４０】
他のデバイスが、薄膜４０２を用いて製作され得る。例えば、薄膜４０２は、その後のＩＩＩ族窒化物化合物成長のための基板または鋳型であり得る。非極性ＩＩＩ族窒化物Ｉベースのデバイス（例えば、量子井戸、バリヤー層、トランジスタ活性層、発光活性層、ｐ型層、およびｎ型層などのデバイス層４３０ａ、４３０ｂ）は、滑らかな表面４１４形態構造を有する薄膜４０２上に成長し得、薄膜４０２は、基板４０６のミスカット角４１０上に成長する。
【００４１】
ミスカット角４１０は、上部表面４１４上または非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜４０２内の表面起伏４２０を光学デバイスの成長に適したレベルまで抑えるために選択され得る。例えば、上部表面４１４上のデバイス層４３０ａ、４３０ｂのその後の成長は、デバイス層４３０ａの上部表面４３２、または量子井戸層界面もしくは発光層界面、またはエピタキシャル層界面となるのに十分に滑らかであるデバイス層４３０ａ、４３０ｂ間の界面４３４となり得る。起伏４２０は、除去され得る。表面４１４上における成長４３０ａ、４３０ｂ後に、表面４１４は界面４３６となる。
【００４２】
（ミスカットを用いて放射波長を制御すること）
本発明の第２の実施形態もまた、成長プロセスにおいてミスカット基板を利用するＩＩＩ族窒化物薄膜を備えている。この実施形態において、基板が適切な方向にミスカット角を有しＩｎＧａＮ薄膜のＩｎ含有を高めることが決定的に重要である。
【００４３】
本発明の第２の実施形態において、ＬＥＤデバイスのエピタキシャル層は、＜０００−１＞方向に向かうミスカット角を有する固定されていないＧａＮ基板上において従来のＭＯＣＶＤ法を用いて成長させられた。ミスカット基板は、ｃ平面ＧａＮバルク結晶を薄く切り取ることによって作製された。ｍ平面から＜０００−１＞の方へのミスカット角は、０．０１°、０．４５°、０．７５°、１．７°、５．４°、９．６°および２７°であり、Ｘ線解析（ＸＲＤ）によって測定された。試料は、２インチウェーハホルダ上の異なる位置における同じ一帯において成長した。ＬＥＤ構造は、５μｍ厚のＳｉドープ処理されたＧａＮ層と、６周期のＧａＮ／ＩｎＧａＮ ＭＱＷと、１５ｎｍ厚のドープ処理されないＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層と、０．３μｍ厚のＭｇドープ処理されたＧａＮとから構成される。ＭＱＷは、２．５ｎｍ ＩｎＧａＮ井戸と、２０ｎｍ ＧａＮバリヤーとを備えている。ＬＥＤ構造の結晶成長後、試料はｐ型活性のためにアニーリングされ、その後、ｎ型およびｐ型の金属化プロセスが実行された。ｐ接点は３００μｍの直径を有し、放射特性は室温で測定された。
【００４４】
（放射波長の制御を例示する実験結果）
ＬＥＤからのエレクトロルミネセンス（ＥＬ）スペクトルが図５に示される。測定は、２０ｍＡ（ＤＣ）の順方向電流で室温で実行された。軸上ｍ平面（０．０１°）および
＜０００−１＞の方への０．４５°ミスカット上に成長するＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷの放射スペクトルは、３９０〜３９５ｎｍの近辺で単一のピーク放射を示した。４４０ｎｍの近辺における放射強度が０．７５°から＜０００−１＞方向へミスカット角を増加させることによって増加させられるように見えたことが見出された。各ミスカット基板上の薄膜の、２０ｍＡで測定されたピーク放射波長は、０．０１°、０．４５°、０．７５°、１．７°、５．４°、９．６°および２７°のミス配向角（またはミスカット角）のそれぞれに対して、３９１ｎｍ、３９６ｎｍ、３９６ｎｍ、４９５ｎｍ、４５４ｎ、４４０ｎｍ、および４４３ｎｍであった。０．７５°のミスカット角に対するデータが４２１ｎｍの波長において第２のピークを有することもまた見出された。この波長（４２１ｎｍ）は、他の波長（４４０〜４５２ｎｍ）より短かった。しかしながら、これは、２インチウェーハホルダにおける成長温度変化によって引き起こされる。従って、０．７５°以上のミスカット角を有する基板によって長い波長放射を得ることが可能である。矢印５０２によって示されるように、仮想の垂直線５００の右のスペクトルは、ミスカット角θ≧０．７５°を有する基板上のＬＥＤに対して得られた。
【００４５】
このように、図５は、ミスカット角４１０θが選択され得（例えば、０．７５°以上）、薄膜４３８においてまたは薄膜４０２上においてＩＩＩ族窒化物発光層（ＧａＮバリヤー間に挟まれたＩｎＧａＮ量子井戸を備えている活性層４３０ｂなど）へのインジウム含有を増加させ得る方法を示し、その結果、発光層によって放射された光のピーク波長が、例えば４２５ｎｍ（少なくとも４２５ｎｍ）を超えて増加させられる。典型的には、発光は、発光層４３０ｂの伝導帯における量子井戸状態の電子と発光層４３０ｂの価電子帯における量子井戸状態の孔との間の電子空孔対（ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｈｏｌｅ ｐａｉｒ）の再結合に起因する。典型的には、活性層にインジウムが多ければ多いほど、活性層のバンドギャップが小さくなり、従って、より長い放射波長が活性層から達成され得る。
【００４６】
図６は、様々な入射電流に対して、５．４°のミスカット角を有する基板上に成長するＬＥＤのＥＬスペクトルを示す。全てのスペクトルが４５４ｎｍ近辺に単一のピーク波長を示すことが見出された。
【００４７】
入射電流の関数としてのＥＬ強度およびピーク波長は、図７に示される。ピーク波長は適用された範囲においてほとんど一定であり、分極の効果が実質的に減少させられたことを示した。
【００４８】
（デバイス構造）
図４はまた、発光層４３０ｂを通過する入射電流に応答して、光のピーク波長を放射し得るＩＩＩ族窒化物発光活性層４３０ｂを例示する。発光層の４３０ｂ合金組成物（インジウム組成物または内容を含む）、および／または特定の非極性平面４１２、および／またはミスカット角４１０は、層４３０ｂの分極を減少させるように選択され得、その結果、ピーク波長は、図６および図７に示されるように、入射電流の範囲に対して実質的に一定のままである。
【００４９】
例えば、ｍ平面４１２、５．４°のミスカット角４１０、および量子井戸のＩｎＧａＮ合金組成物を備えている発光活性層４３０ｂは、減少された分極を有する非極性発光層４３０ｂを生成し、その結果、活性層４３０ｂによって放射される光のピーク波長は、入射電流の範囲に対して０．７ｍｍのピーク波長内（しかし、これに限定されない）で一定のままである（またはこのことによって特徴づけられる）。入射電流の範囲は０〜１００ｍＡであり得るか、または入射電流の範囲は活性層４３０ｂによって放射される強度の範囲を生成するのに十分であり得、その結果、最大強度は最小強度の少なくとも３７倍である（すなわち、範囲内の最大電流は、最小電流によって生成される最小強度の少なくとも３７倍の最大強度を生成する）。しかしながら、例えば、ＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤにおいて典型的に用いられる電流範囲および強度範囲などの他の電流の範囲および強度の範囲が考察される。さらに、ピーク波長が電流または強度の範囲に対して一定のままである程度は、修正され得、発光層４３０ｂの分極および非極性の程度の尺度である（すなわち、ピーク波長が電流のより広い範囲にわたって一定のままであればあるほど、発光層４３０ｂは、より非極性である）。ピーク波長は、強度および電流の範囲にわたって実質的に一定のままであり得る。
【００５０】
この技術は、概して、非発光ＩＩＩ族窒化物層または受動（光学的にポンピングされた）層を含むＩＩＩ族窒化物薄膜の非極性を特徴づけるために用いられ得る。例えば、発光層４３０ｂと実質的に類似した合金組成および実質的に類似した非極性面４１２に対して実質的に類似したミスカット角４１０を有するＩＩＩ族窒化物層は、上記の発光層ＩＩＩ族窒化物層４３０ｂと同じ程度の非極性を有し得る。
【００５１】
デバイスは、ｐ型層４３０ａと、ｎ型層４０２とをさらに備え、活性層４３０ｂは、ｐ型層４３０ａとｎ型層４０２との間に少なくとも１つの（ＧａＮバリヤーによって挟まれた）非極性ＩｎＧａＮ量子井戸を備えている。ミスカット角４１０は、入射電流がｎ型層４０２とｐ型層４３０ａとの間を通過するとき、活性層４３０ｂが４２５ｎｍ（例えば）を超えるピーク波長を含む光を放射するように選択され得る。しかしながら、他の窒化物Ｉベースの量子井戸およびバリヤーもまた考察され得る。
【００５２】
（可能な修正および変形）
上記のミスカットＧａＮの固定されていない基板４０６に加えて、ｍ平面ＳｉＣ、ＺｎＯおよびγ−ＬｉＡｌＯ２などの異質の基板４０６もまた、開始材料として用いられ得る。非極性ＩＩＩ族窒化物化合物の成長に適した任意の基板が用いられ得る。但しバッファ層が必要となり得る。
【００５３】
本発明は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ薄膜４０２を用いて明示されたが、ＡｌＮ、ＩｎＮまたは任意の関係する合金（例えば、ＩＩＩ族窒化物化合物）もまた、用いられ得る。
【００５４】
本発明は、上記のＭＯＣＶＤエピタキシャル成長法に限定されないが、ＨＶＰＥ、ＭＢＥなどの他の結晶成長方法もまた用い得る。
【００５５】
さらに、当業者は、これらの技術、プロセス、材料、およびミスカット角などが、＜０００１＞方向、ａ軸方向などの他の方向４００でミスカット角に適用し、類似の結果を得ることを認識する。
【００５６】
薄膜４０２は、後の層４３０ａおよび４３０ｂのための基板であり得、または薄膜４３８自体は、デバイスまたはデバイス層４３０ａ、４３０ｂを備え得る。例えば、膜４０２は、ｎ型層（例えば、ｎ型ＧａＮ薄膜）を含み得、または薄膜４３８は、活性層４３０ｂ（例えば、発光層）と、ｐ型層４３０ａと、ｎ型層４０２とを備え得、活性層４３０ｂは、ｐ型層４３０ａとｎ型層４０２との間にある。どちらにしても、薄膜４０２、４３８は、基板４０６のミスカット４０４上の非極性ＩＩＩ族窒化物膜成長４０２、４３８であり、基板４０６のミスカット４０４は、非極性平面４１２に対するミスカット角４１０の角度に置かれた基板４０６の表面４０８であり、ＩＩＩ族窒化物薄膜成長４０２、４０８の上部表面４１４、４３２は、基板４０６の表面４０８に実質的に平行である。薄膜４３８内の層の界面４３４、４３６もまた、表面４０８に実質的に平行であり得る。
【００５７】
さらなる層が用いられ得、例えば、ｎ型層は薄膜４０２と活性層４３０ｂとの間のさらなる層であり得るか、またはさらなるバリヤー層（もしくはＡｌＧａＮ層）は、例えば、ｐ型層４３０ａと活性層４３０ｂとの間にあり得る。例えば、適切なｎ型接点およびｐ型接点が、それぞれｎ型層およびｐ型層に対して作られ得る。
【００５８】
ＬＥＤ構造の特定の例が上に提示されたが、本発明は、特定のデバイス構造に限定されない。
【００５９】
（利点および改良）
軸上ｍ平面ＧａＮエピタキシャル層は、その表面上に角錐形状の機構徴４２６を常に有する。結晶ミスカット方向４００および角度４１０を制御することによって、特別に滑らかな表面４１４が得られ得、従って高品質デバイス構造４３０ａ、４３０ｂが達成され得る。
【００６０】
例えば、滑らかな量子井戸界面４３４、４３６を有する層４３０ａ、４３０ｂを備えているレーザダイオードは、デバイスの性能を高める。別の例において、電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）または異質接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）などのヘテロ構造エピデバイスのための滑らかな界面４３４、４３６は、キャリア散乱を減少させ、二次元電子ガス（２ＤＥＧ）のより高い移動度を可能にする。全体として、本発明は、活性層平面度がデバイス性能にとって必須である任意のデバイスの性能を高める。
【００６１】
さらにミスカット基板による高められたステップフロー（ｓｔｅｐ−ｆｌｏｗ）成長モードは、典型的には高ドーパント濃度を有するＧａＮ薄膜において認められる欠陥の形成および伝達を抑え得る。さらに、このことは、ｍＧａＮの成長ウィンドーを拡大し、それが、結果として製造時のより良い産出高となり、またあらゆる種類の横方向のエピタキシャル過成長、選択的領域成長、およびモノ構造成長に対して有用である。
【００６２】
さらに本発明以前に、軸上ｍ平面ＧａＮエピタキシャル層上に成長したＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷの波長は、４００ｎｍ近辺に限定された。結晶ミスカットの方向および角度を制御することによって、Ｉｎ含有の増進が得られ得、従って構造の長波長放射が達成され得る。
【００６３】
例えば、分極効果のない青、緑、黄、および白のＬＥＤは、デバイスの性能を高める。別の例において、電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）または異質接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）などのＩｎ含有デバイスもまた、本発明の薄膜を用いて、高められたデバイス性能を有する。全体として、本発明は、任意のデバイスの性能を高める。
【００６４】
（結論）
これは、本発明の好ましい実施形態の説明の結論を下す。本発明の１つ以上の実施形態の前述の説明は、例示および説明のために提示された。網羅的であることまたは開示された正確な形態に本発明を限定することは意図されない。上記の教示を考慮して多くの修正および変形が可能である。本発明の範囲はこの詳細な説明によって限定されるのではなく、逆に本明細書に添付された特許請求の範囲によって限定されることが意図される。
【図１（ａ）】
【図１（ｂ）】
【図１（ｃ）】
【図１（ｄ）】
【図１（ｅ）】
【図１（ｆ）】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の参照）
本出願は、３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．Ｓｅｃｔｉｏｎ １１９（ｅ）の下における、以下の同時係属中で同一人に譲渡された出願の利益を主張する。すなわち、
Ｋｅｎｊｉ Ｉｓｏ、Ｈｉｓａｓｈｉ Ｙａｍａｄａ、Ｍａｋｏｔｏ Ｓａｉｔｏ、Ａｓａｋｏ Ｈｉｒａｉ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによって２００７年８月８日に出願され、名称が「ＰＬＡＮＡＲ ＮＯＮＰＯＬＡＲ Ｍ−ＰＬＡＮＥ ＧＲＯＵＰ ＩＩＩ−ＮＩＴＲＩＤＥ ＦＩＬＭＳ ＧＲＯＷＮ ＯＮ ＭＩＳＣＵＴ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ」であり、代理人の整理番号３０７９４．２４９−ＵＳ−Ｐ１（２００８−００４−１）である、米国仮特許出願第６０／９５４，７４４号、および
Ｈｉｓａｓｈｉ Ｙａｍａｄａ、Ｋｅｎｊｉ Ｉｓｏ、Ｍａｋｏｔｏ Ｓａｉｔｏ、Ａｓａｋｏ Ｈｉｒａｉ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによって２００７年８月８日に出願され、名称が「ＩＩＩ−ＮＩＴＲＩＤＥ ＦＩＬＭＳ ＧＲＯＷＮ ＯＮ ＭＩＳＣＵＴ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ」であり、代理人の整理番号３０７９４．２４８−ＵＳ−Ｐ１（２００８−０６２−１）である、米国仮特許出願第６０／９５４，７６７号であり、
これらの出願は、本明細書に参考として援用される。
【０００２】
本出願は、以下の同時係属中で同一人に譲渡された米国特許出願に関連する。すなわち、Ａｓａｋｏ Ｈｉｒａｉ、Ｚｈｏｎｇｙｕａｎ Ｊｉａ、Ｍａｋｏｔｏ Ｓａｉｔｏ、Ｈｉｓａｓｈｉ Ｙａｍａｄａ、Ｋｅｎｊｉ Ｉｓｏ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＪａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋによって２００８年６月１６日に出願され、名称が「ＰＬＡＮＡＲ ＮＯＮＰＯＬＡＲ Ｍ−ＰＬＡＮＥ ＧＲＯＵＰ ＩＩＩ ＮＩＴＲＩＤＥ ＦＩＬＭＳ ＧＲＯＷＮ ＯＮ ＭＩＳＣＵＴ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ」であり、代理人の整理番号３０７９４．２３８−ＵＳ−Ｐ１（２００７−６７４−２）である、米国出願第１２／１４０，０９６号であり、該出願は、Ａｓａｋｏ Ｈｉｒａｉ、Ｚｈｏｎｇｙｕａｎ Ｊｉａ、Ｍａｋｏｔｏ Ｓａｉｔｏ、Ｈｉｓａｓｈｉ Ｙａｍａｄａ、Ｋｅｎｊｉ Ｉｓｏ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＪａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋによって２００７年６月１５日に出願され、名称が「ＰＬＡＮＡＲ ＮＯＮＰＯＬＡＲ Ｍ−ＰＬＡＮＥ ＧＲＯＵＰ ＩＩＩ ＮＩＴＲＩＤＥ ＦＩＬＭＳ ＧＲＯＷＮ ＯＮ ＭＩＳＣＵＴ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ」であり、代理人の整理番号３０７９４．２３８−ＵＳ−Ｐ１（２００７−６７４−１）である、米国仮出願第６０／９４４，２０６号の利益を主張し、そして、
Ｈｉｓａｓｈｉ Ｙａｍａｄａ、Ｋｅｎｊｉ Ｉｓｏ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによって本出願と同日に出願され、名称が「ＮＯＮＰＯＬＡＲ ＩＩＩ−ＮＩＴＲＩＤＥ ＬＩＧＨＴ ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＩＯＤＥＳ ＷＩＴＨ ＬＯＮＧ ＷＡＶＥＬＥＮＧＴＨ ＥＭＩＳＳＩＯＮ」であり、代理人の整理番号３０７９４．２４７−ＵＳ−Ｕ１（２００８−０６３−２）である、米国出願第ｘｘ／ｘｘｘ，ｘｘｘ号であり、該出願は、Ｈｉｓａｓｈｉ Ｙａｍａｄａ、Ｋｅｎｊｉ Ｉｓｏ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによって２００７年８月８日に出願され、名称が「ＮＯＮＰＯＬＡＲ ＩＩＩ ＮＩＴＲＩＤＥ ＬＩＧＨＴ ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＩＯＤＥＳ ＷＩＴＨ ＬＯＮＧ ＷＡＶＥＬＥＮＧＴＨ ＥＭＩＳＳＩＯＮ」であり、代理人の整理番号３０７９４．２４７−ＵＳ−Ｐ１（２００８−０６３−１）である、米国仮出願第６０／９５４，７７０号の利益を主張し、
これらの出願は、本明細書に参考として援用される。
【０００３】
（発明の背景）
（１．発明の分野）
本発明は、（１）平面型非極性ｍ平面薄膜の成長のための技術に関し、より詳細には表面起伏が全くない原子的に滑らかなｍ−ＧａＮ薄膜の成長のための技術に関し、そして（２）ＩｎＧａＮ／ＧａＮ発光ダイオード（ＬＥＤ）およびレーザダイオード（ＬＤ）に関し、より具体的には、放射波長がミスカット角度を選択することによって制御され得るミスカット基板上に成長するＩＩＩ族窒化物薄膜に関する。
【背景技術】
【０００４】
（２．関連技術の説明）
窒化ガリウム（ＧａＮ）ならびにアルミニウムおよびインジウムを含んでいるＧａＮの三元化合物および四元化合物（ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ）の有用性は、可視および紫外の光電子デバイスおよび高出力電子デバイスの製作のために十分に確立されている。これらの化合物は、本明細書において、ＩＩＩ族窒化物、もしくはＩＩＩ族窒化物、もしくは単に窒化物と呼ばれるか、または命名法（Ａｌ、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎによって表される。これらの化合物から作られるデバイスは典型的には、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、金属・有機化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、および水素化気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）を含む成長技術を用いてエピタキシャル成長させられる。
【０００５】
ＧａＮおよび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しており、この場合、構造は、互いに対して１２０°回転させられた２個（または３個）の等価基底面軸（ａ軸）によって説明され、これらの軸のすべては、固有のｃ軸に垂直である。ＩＩＩ族および窒素原子は、結晶のｃ軸に沿って交互にある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軸に沿ってバルク自発分極を所有することを要求し、ウルツ鉱型構造は圧電分極を示す。
【０００６】
電子デバイスおよび光電子デバイスの現在の窒化物技術は、極性のｃ方向に沿って成長した窒化物薄膜を用いる。しかしながら、ＩＩＩ族窒化物ベースの光電子デバイスおよび電子デバイスにおける従来のｃ平面量子井戸構造は、強い圧電分極および自発分極の存在により、望ましくない量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）を被る。ｃ方向に沿った強い固有の電界は、電子および空孔の空間的分離を引き起こし、このことは今度は、キャリア再結合効率の制限、発振器強度の減少、および長波長シフト放射（ｒｅｄ−ｓｈｉｆｔｅｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）を生じさせる。
【０００７】
ＧａＮ光電子デバイスにおける自発分極効果および圧電分極効果を除去する１つのアプローチは、結晶の非極性平面上にデバイスを成長させることである。そのような平面は、等しい数のＧａ原子およびＮ原子を含み、電荷中立である。さらに、その後の非極性層は、互いに等価であり、それでバルク結晶は、成長方向に沿って分極されない。ＧａＮにおける対称−等価の非極性平面の２つのそのような族は、総称的にａ平面として公知の｛１１−２０｝族であり、総称的にｍ平面として公知の｛１−１００｝族である。
【０００８】
分極のもう一方の原因は、圧電分極である。これは、非類似の組成物（および従って異なる格子定数）の（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ層が窒化物ヘテロ構造で成長するときに起り得るように、材料が圧縮ひずみまたは引張りひずみを受けるとき、起る。例えば、ＧａＮ鋳型（ｔｅｍｐｌａｔｅ）上の薄いＡｌＧａＮ層は、平面内の引張りひずみを有し、ＧａＮ鋳型上の薄いＩｎＧａＮ層は、平面内の圧縮ひずみを有し、これらは両方ともＧａＮに整合する格子に起因する。従って、ＧａＮ上のＩｎＧａＮ量子井戸に対して圧電分極は、ＩｎＧａＮおよびＧａＮの自発分極の方向とは反対の方向に向く。ＧａＮに整合する格子のＡｌＧａＮ層に対して、圧電分極は、ＡｌＧａＮおよびＧａＮの自発分極の方向と同じ方向に向く。
【０００９】
ｃ平面窒化物の上に非極性平面を用いる利点は、総分極が減少させられることである。特定の平面上における特定の合金組成物に対してゼロ分極でさえもあり得る。そのようなシナリオは、将来の科学論文において詳細に論議されるであろう。重要な点は、ｃ平面窒化物構造の分極に比較して分極が減少させられることである。
【００１０】
非極性ｍ平面ＧａＮ上の高性能光電子デバイスが明示されてきたが、そのような材料において滑らかな表面を得ることが困難であることは公知である。ｍ平面ＧａＮ表面は、典型的には切子面またはむしろ肉眼で見える表面起伏で覆われている。表面起伏は有害である。なぜなら例えば表面起伏は、量子構造における切子面作成、および結晶切子面などに従って合金原子またはドーパントの不均一な含有をもたらすからである。
【００１１】
そのような非極性ｍ平面ＧａＮ上のＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷから長波長放射を得ることが困難であることも見出されてきた。これは、おそらくＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷの低Ｉｎ含有に起因する。同じ成長条件において、ｍ平面上に成長するデバイスの放射波長は典型的には４００ｎｍであり、一方、ｃ平面上に成長するデバイスの波長は４５０ｎｍである。成長温度を下げることは、Ｉｎ含有を増加させるが、結晶品質が劣化する。これは、青、緑、黄、および白のＬＥＤなどの用途に対して重大な問題である。
【００１２】
本発明は、ミスカット基板上に成長するＩＩＩ族窒化物薄膜の成長のための技術を説明する。例えば青放射は、ＭＱＷの劣化なしに得られた。本発明はまた、非極性ｍ平面窒化物の平面薄膜の成長のための技術を説明する。例えばまったく表面起伏のない原子的に滑らかなｍ−ＧａＮ薄膜が、本発明を用いて明示されてきた。従って本発明は、表面粗さ、放射波長およびインジウム含有がミスカット角の選択によって制御され得るミスカット基板上に成長するＩＩＩ族窒化物薄膜を説明する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
(発明の概要)
上記の先行技術の制限を克服し、本明細書を読み理解するとすぐ明らかになる他の制限を克服するために、本発明は、非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜の表面起伏を抑えるために非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜が成長する基板のミスカット角を選択することによって、肉眼で見える表面起伏が全くない原子的に滑らかな表面を有する平面型非極性ＩＩＩ族窒化物を成長させる方法を開示する。
【００１４】
ミスカット角は、ｃ軸方向（例えば、＜０００−１＞方向）に向かう平面内ミスカット角であり得、さらにミスカット角は、＜０００−１＞方向に向かう０．７５°以上のミスカット角（ｍ平面に対して）であり得、＜０００−１＞方向に向かう２７°未満のミスカット角（ｍ平面に対して）であり得る。
【００１５】
本発明は、基板のミスカット上に成長した非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜を開示し、基板のミスカットは、非極性平面に対するミスカット角の角度に置かれた基板の表面を提供し、ＩＩＩ族窒化物薄膜成長の上部表面は、表面に実質的に平行である。
【００１６】
上部表面の滑らかな表面形態構造は、非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜の表面起伏を抑えるために、非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜が成長する基板のミスカット角を選択することによって決定され得る。
【００１７】
ミスカット角は、１０００マイクロメートルの長さにわたる、薄膜の上部表面上の１つ以上の起伏の平方自乗平均（ＲＭＳ）振幅高さが６０ｎｍ以下であるようなミスカット角であり得る。ミスカット角は、１０００マイクロメートルの長さにわたる、薄膜の上部表面上の１つ以上の起伏の最大振幅高さが１０９ｎｍ以下であるようなミスカット角であり得る。
【００１８】
ミスカット角は、薄膜におけるＩＩＩ族窒化物発光層へのインジウム含有を増加させるように選択され得、その結果、発光層によって放射された光のピーク波長は少なくとも４２５ｎｍに増加させられる。
【００１９】
光のピーク波長は、活性層を通過する入射電流に応答して、薄膜におけるＩＩＩ族窒化物発光活性層によって放射され得、活性層の合金組成物、非極性平面、およびミスカット角は、活性層の分極を減少させるように選択され得、その結果、ピーク波長は入射電流の範囲に対して０．７ｎｍのピーク波長内で一定のままである。電流の範囲は、放射された光の強度の範囲を生成し得、最大強度は、最小強度の少なくとも３７倍であり得る。
【００２０】
デバイスは、薄膜を用いて製作され得る。デバイスは、デバイスの成長に十分に滑らかな表面形態構造を有する薄膜上に成長し得る。
【００２１】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物薄膜を製作する方法をさらに開示し、該方法は、非極性平面に対するミスカット角の角度に置かれた基板の表面である基板のミスカットを提供することと、基板のミスカット上にＩＩＩ族窒化物薄膜成長を成長させることであって、その結果、ＩＩＩ族窒化物薄膜成長の上部表面は、基板の表面に実質的に平行である、こととを包含する。
【００２２】
本発明は、光を放射する方法をさらに開示し、該方法は、基板のミスカット上に成長する非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜から光を放射することを包含し、基板のミスカットは、非極性平面に対するミスカット角の角度に置かれた基板の表面であり、ＩＩＩ族窒化物薄膜成長の上部表面は、表面に実質的に平行である。
【００２３】
ここで図面を参照すると、同様の参照番号は、全体を通じて対応する部品を表す。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１（ａ）〜図１（ｆ）は、＜０００−１＞に向かう様々なミスカットに対する、固定されていないｍ−ＧａＮ基板上に成長したｍ平面ＧａＮ薄膜の表面の光学マイクログラフである。
【図２】図２は、表面が成長するミスカット角の関数として、ｍ平面ＧａＮ表面の振幅高さ測定から評価される平方自乗平均（ＲＭＳ）値を示す。
【図３】図３は、表面が成長するミスカット角（＜０００−１＞に向かう）の関数として、ｍ平面ＧａＮ表面の振幅高さ測定から評価される最大振幅高さ値を示す。
【図４】図４は、基板のミスカット上のＩＩＩ族窒化物薄膜およびその後のデバイス層の断面概略図である。
【図５】図５は、種々のミスカット角（ミスカット角０．０１°、０．４５°、０．７５°、１．７°、５．４°、９．６°、および２７°）で成長したＬＥＤに対する、ミスカット基板上に成長したＬＥＤのエレクトロルミネセンススペクトルを示す。
【図６】図６は、θ＝５．４°のミスカット基板上に成長したＬＥＤのエレクトロルミネセンス（ＥＬ）スペクトルを示し、この場合、下から上まで、スペクトルは、１ｍＡ、２ｍＡ、５ｍＡ、１０ｍＡ、２０ｍＡ、３０ｍＡ、４０ｍＡ、５０ｍＡ、６０ｍＡ、７０ｍＡ、８０ｍＡ、９０ｍＡ、および１００ｍＡの入射電流に対するスペクトルである（すなわち、強度は、電流と共に増加する）。
【図７】図７は、θ＝５．４°ミスカット基板上に成長したデバイスの、電流対エレクトロルミネンス強度およびピーク波長を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（発明の詳細な説明）
好ましい実施形態の以下の説明において、本明細書の一部を形成しかつ本発明が実施され得る特定の実施形態が例示として示される添付の図面が参照される。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態が利用され得、そして構造上の変更がなされ得ることは理解されるべきである。
【００２６】
（概観）
本発明は、非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜の滑らかな表面形態構造を得る方法を説明する。具体的には、非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜の表面起伏は、非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜が成長する基板のミスカット角を制御することによって抑えられる。
【００２７】
現在の窒化物デバイスは、典型的には極性の［０００１］ｃ方向に成長し、このことは、結果として垂直デバイスにおける一次伝導方向に沿った電荷分離をもたらす。結果として生じる分極電界は、最新技術の光電子デバイスの性能に有害である。
【００２８】
非極性方向に沿ったこれらのデバイスの成長は、伝導方向に沿った固有の電界を減少させることによってデバイス性能を実質的に改善した。しかしながら、典型的には肉眼で見える表面起伏がデバイスの表面に存在し、このことは連続する薄膜成長に有害である。
【００２９】
肉眼で見える表面起伏がなく非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜を成長させる手段がデバイス成長のためのより良いデバイス層、鋳型、または基板を提供するが、現在までそのような薄膜を成長させる手段は全く存在しなかった。本発明の新規な特徴は、非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜がミスカット基板によって肉眼的にも原子的にも平面型の薄膜として成長し得ることである。証明として、本発明者らは、ＧａＮの｛１０−１０｝平面型薄膜を成長させた。しかしながら、本発明の範囲は、これらの例にのみ限定されるのではなく、本発明は、窒化物の非極性平面型薄膜がホモエピタキシャルであるかヘテロエピタキシャルであるかに関わらず、すべての窒化物の非極性平面型薄膜に関連がある。
【００３０】
本発明は、膜の放射波長がミスカット角度を選択することによって制御され得るミスカット基板上に成長するＩＩＩ族窒化物薄膜をさらに説明する。具体的には、ＩＩＩ族窒化物薄膜のＩｎ含有は、ＩＩＩ族窒化物薄膜が成長する基板のミスカット角を選択することによって高められる。
【００３１】
本発明以前、軸上ｍ平面上に成長するＬＥＤの放射波長は典型的には４００ｎｍであり、この波長は光学デバイスの用途を限定した。本発明の更なる新規の特徴は、ＩＩＩ族窒化物薄膜のＩｎ含有の向上がミスカット基板上の成長によって達成され得ることである。このことの証明として、本発明者らは、ミスカット基板上にＩｎＧａＮ／ＧａＮＩベースのＬＥＤを成長させた。軸上ｍ平面（１０−１０）上に成長する薄膜の放射波長は３９０ｎｍであり、一方、＜０００−１＞方向に向かう０．７５°以上の角度を有するミスカット上に成長する薄膜の放射波長は４４０ｎｍであった。
【００３２】
（技術的説明）
（滑らかなＩＩＩ族窒化物薄膜を成長させるためにミスカットを用いること）
本発明の第１の実施形態は、平面型非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜を成長させる方法を包含する。特に本発明は、成長プロセスにおいてミスカット基板を利用する。例えば、肉眼的かつ原子的に平面型の｛１０−１０｝ＧａＮの成長ために、基板が正しい方向にミスカット角を有することが決定的に重要である。
【００３３】
本発明の第１の実施形態において、ＧａＮ表面は、＜０００−１＞方向に向かうミスカット角を有する固定されていないＧａＮ基板上において従来のＭＯＣＶＤ法を用いて成長させられた。成長したＧａＮ膜の厚さは、５μｍであった。ミスカット基板は、ｃ平面ＧａＮバルク結晶を薄く切り取ることによって作製された。ｍ平面から＜０００−１＞の方へのミスカット角は、０．０１°、０．４５°、０．７５°、５．４°、９．６°および２７°であり、これらはＸ線解析（ＸＲＤ）によって測定された。試料は、２インチウェーハホルダ上の異なる位置における同じ一帯において成長した。表面形態構造は、光学顕微鏡使用および振幅高さ測定によって調査された。
【００３４】
（滑らかな薄膜の成長を示す実験の結果）
図１は、＜０００−１＞方向に向かう様々なミスカット角を有する固定されていないｍ−ＧａＮ基板上に成長したｍ平面ＧａＮ薄膜の表面の光学顕微鏡写真を示す。名目上軸上にある基板上に成長した｛１０−１０｝ＧａＮ薄膜は、４面の角錐から成る肉眼で見える表面起伏を有することが見出された。これらの角錐面は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示されるように、典型的には、ａ、ｃ＋およびｃ−の方向に傾斜しており、図１（ａ）は０．０１°のミスカット角を有し、図１（ｂ）は０．４５°のミスカット角を有する。図１（ｃ）、１（ｄ）、１（ｅ）、および図１（ｆ）に示されるように、０．７５°以上のミスカット角を有する基板上の表面は滑らかな形態構造を有することが見出され、図１（ｃ）は０．７５°のミスカット角を有し、図１（ｄ）は５．４°のミスカット角を有し、図１（ｅ）は９．６°のミスカット角を有し、そして図１（ｆ）は２７°のミスカット角を有する。
【００３５】
図２は、様々なミスカット角上に成長するｍ平面ＧａＮ表面の振幅高さ測定から評価された平方自乗平均（ＲＭＳ）値を示す。ミスカット基板の各々上の薄膜の１０００μｍの長さにわたるＲＭＳ粗さは、＜０００−１＞の方への０．０１°、０．４５°、０．７５°、５．４°、９．６°、および２７°のミスカット角に対して、それぞれ、３５６ｎｍ、１２８ｎｍ、５６ｎｍ、１９ｎｍ、１５ｎｍ、および１６ｎｍであった。ＲＭＳ値はミスカット角の増加と共に減少することが見出された。概して、６０ｎｍ未満のＲＭＳ値が、光電子デバイスおよび電子デバイスに対して予期される。従って、基板のミスカット角が０．７５°以上であることが好ましい。
【００３６】
図３は、＜０００−１＞の方への様々なミスカット角を有する基板上に成長するｍ平面ＧａＮ表面の振幅高さ測定から評価された最大振幅高さを示す。ミスカット基板の各々上の薄膜の１０００μｍの長さにわたる最大振幅高さ値は、＜０００−１＞の方への０．０１°、０．４５°、０．７５°、５．４°、９．６°、および２７°のミスカット角に対して、それぞれ、５００ｎｍ、１６８ｎｍ、１０９ｎｍ、９３ｎｍ、３３ｎｍ、および５２ｎｍであった。最大振幅高さ値は、ミスカット角の増加と共に減少することが見出された。図２から判断すると、基板のミスカット角は０．７５°以上であることが好ましい。
【００３７】
（デバイス構造）
図４は、基板４０６（例えば、窒化ガリウム）のミスカット４０４上の非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜成長４０２のｃ方向４００に沿う断面概略図であり、基板４０６のミスカット４０４は非極性平面４１２に対するミスカット角４１０の角度に置かれた基板４０６の表面４０８を提供し、ＩＩＩ族窒化物薄膜成長４０２の上部表面４１４は基板４０６の表面４０８に実質的に平行であり、そしてミスカット角４１０はｃ方向４００の方（例えば、＜０００−１＞方向）に向かう。表面４１４は非極性平面であり得る。
【００３８】
図４はまた、基板４０６の表面４０８（例えば、成長表面）上の非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜成長４０２を例示し、基板４０６の表面４０８は、基板４０６の結晶面４１８に対して方位角４１６にあり、非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜４０２の上部表面４１４は、ＧａＮ（またはＩＩＩ族窒化物）の非極性面（例えば、ａ平面またはｍ平面）４１２に対するミスカット角４１０の角度に置かれ、基板４０６の表面４０８に実質的に平行である。
【００３９】
本発明は、ミスカット角４１０および／またはミスカット角方向４００を変化させることによって、滑らかな薄膜４０２を達成する方法を開示する。ミスカット角４１０は、起伏４２０を抑えるために表面起伏４２０の方向４００の方に向けられ得る。非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜４０２の上部表面４１４は、滑らかな表面４１４形態構造を有し得、該形態構造は、非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜４０２の表面起伏４２０を抑えるために、非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜４０２が成長する基板４０６のミスカット角４１０を選択することによって、決定される。例えば、＜０００−１＞方向４００に向かうミスカット角４１０は、０．７５°以上のミスカット角であり得、＜０００−１＞方向４００に向かって２７°未満であり得る。ミスカット角４１０は、１０００マイクロメートルの長さ４２４（表面４１４の）にわたる、薄膜４０２の上部表面４１４上の１つ以上の起伏４２０のＲＭＳ振幅高さ４２２が６０ｎｍ以下であり得るようなミスカット角であり得る。ミスカット角４１０は、１０００マイクロメートルの長さ４２４にわたる、薄膜の上部表面４１４上の１つ以上の起伏４２０の最大振幅高さ４２２が１０９ｎｍ未満であり得るようなミスカット角であり得る。表面起伏４２０は、面のある角錐（すなわち面４２６を有する角錐）を備え得る。薄膜４０２の厚さ４２８は、いかなる特定の厚さ４２８にも限定されない。
【００４０】
他のデバイスが、薄膜４０２を用いて製作され得る。例えば、薄膜４０２は、その後のＩＩＩ族窒化物化合物成長のための基板または鋳型であり得る。非極性ＩＩＩ族窒化物Ｉベースのデバイス（例えば、量子井戸、バリヤー層、トランジスタ活性層、発光活性層、ｐ型層、およびｎ型層などのデバイス層４３０ａ、４３０ｂ）は、滑らかな表面４１４形態構造を有する薄膜４０２上に成長し得、薄膜４０２は、基板４０６のミスカット角４１０上に成長する。
【００４１】
ミスカット角４１０は、上部表面４１４上または非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜４０２内の表面起伏４２０を光学デバイスの成長に適したレベルまで抑えるために選択され得る。例えば、上部表面４１４上のデバイス層４３０ａ、４３０ｂのその後の成長は、デバイス層４３０ａの上部表面４３２、または量子井戸層界面もしくは発光層界面、またはエピタキシャル層界面となるのに十分に滑らかであるデバイス層４３０ａ、４３０ｂ間の界面４３４となり得る。起伏４２０は、除去され得る。表面４１４上における成長４３０ａ、４３０ｂ後に、表面４１４は界面４３６となる。
【００４２】
（ミスカットを用いて放射波長を制御すること）
本発明の第２の実施形態もまた、成長プロセスにおいてミスカット基板を利用するＩＩＩ族窒化物薄膜を備えている。この実施形態において、基板が適切な方向にミスカット角を有しＩｎＧａＮ薄膜のＩｎ含有を高めることが決定的に重要である。
【００４３】
本発明の第２の実施形態において、ＬＥＤデバイスのエピタキシャル層は、＜０００−１＞方向に向かうミスカット角を有する固定されていないＧａＮ基板上において従来のＭＯＣＶＤ法を用いて成長させられた。ミスカット基板は、ｃ平面ＧａＮバルク結晶を薄く切り取ることによって作製された。ｍ平面から＜０００−１＞の方へのミスカット角は、０．０１°、０．４５°、０．７５°、１．７°、５．４°、９．６°および２７°であり、Ｘ線解析（ＸＲＤ）によって測定された。試料は、２インチウェーハホルダ上の異なる位置における同じ一帯において成長した。ＬＥＤ構造は、５μｍ厚のＳｉドープ処理されたＧａＮ層と、６周期のＧａＮ／ＩｎＧａＮ ＭＱＷと、１５ｎｍ厚のドープ処理されないＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層と、０．３μｍ厚のＭｇドープ処理されたＧａＮとから構成される。ＭＱＷは、２．５ｎｍ ＩｎＧａＮ井戸と、２０ｎｍ ＧａＮバリヤーとを備えている。ＬＥＤ構造の結晶成長後、試料はｐ型活性のためにアニーリングされ、その後、ｎ型およびｐ型の金属化プロセスが実行された。ｐ接点は３００μｍの直径を有し、放射特性は室温で測定された。
【００４４】
（放射波長の制御を例示する実験結果）
ＬＥＤからのエレクトロルミネセンス（ＥＬ）スペクトルが図５に示される。測定は、２０ｍＡ（ＤＣ）の順方向電流で室温で実行された。軸上ｍ平面（０．０１°）および
＜０００−１＞の方への０．４５°ミスカット上に成長するＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷの放射スペクトルは、３９０〜３９５ｎｍの近辺で単一のピーク放射を示した。４４０ｎｍの近辺における放射強度が０．７５°から＜０００−１＞方向へミスカット角を増加させることによって増加させられるように見えたことが見出された。各ミスカット基板上の薄膜の、２０ｍＡで測定されたピーク放射波長は、０．０１°、０．４５°、０．７５°、１．７°、５．４°、９．６°および２７°のミス配向角（またはミスカット角）のそれぞれに対して、３９１ｎｍ、３９６ｎｍ、３９６ｎｍ、４９５ｎｍ、４５４ｎ、４４０ｎｍ、および４４３ｎｍであった。０．７５°のミスカット角に対するデータが４２１ｎｍの波長において第２のピークを有することもまた見出された。この波長（４２１ｎｍ）は、他の波長（４４０〜４５２ｎｍ）より短かった。しかしながら、これは、２インチウェーハホルダにおける成長温度変化によって引き起こされる。従って、０．７５°以上のミスカット角を有する基板によって長い波長放射を得ることが可能である。矢印５０２によって示されるように、仮想の垂直線５００の右のスペクトルは、ミスカット角θ≧０．７５°を有する基板上のＬＥＤに対して得られた。
【００４５】
このように、図５は、ミスカット角４１０θが選択され得（例えば、０．７５°以上）、薄膜４３８においてまたは薄膜４０２上においてＩＩＩ族窒化物発光層（ＧａＮバリヤー間に挟まれたＩｎＧａＮ量子井戸を備えている活性層４３０ｂなど）へのインジウム含有を増加させ得る方法を示し、その結果、発光層によって放射された光のピーク波長が、例えば４２５ｎｍ（少なくとも４２５ｎｍ）を超えて増加させられる。典型的には、発光は、発光層４３０ｂの伝導帯における量子井戸状態の電子と発光層４３０ｂの価電子帯における量子井戸状態の孔との間の電子空孔対（ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｈｏｌｅ ｐａｉｒ）の再結合に起因する。典型的には、活性層にインジウムが多ければ多いほど、活性層のバンドギャップが小さくなり、従って、より長い放射波長が活性層から達成され得る。
【００４６】
図６は、様々な入射電流に対して、５．４°のミスカット角を有する基板上に成長するＬＥＤのＥＬスペクトルを示す。全てのスペクトルが４５４ｎｍ近辺に単一のピーク波長を示すことが見出された。
【００４７】
入射電流の関数としてのＥＬ強度およびピーク波長は、図７に示される。ピーク波長は適用された範囲においてほとんど一定であり、分極の効果が実質的に減少させられたことを示した。
【００４８】
（デバイス構造）
図４はまた、発光層４３０ｂを通過する入射電流に応答して、光のピーク波長を放射し得るＩＩＩ族窒化物発光活性層４３０ｂを例示する。発光層の４３０ｂ合金組成物（インジウム組成物または内容を含む）、および／または特定の非極性平面４１２、および／またはミスカット角４１０は、層４３０ｂの分極を減少させるように選択され得、その結果、ピーク波長は、図６および図７に示されるように、入射電流の範囲に対して実質的に一定のままである。
【００４９】
例えば、ｍ平面４１２、５．４°のミスカット角４１０、および量子井戸のＩｎＧａＮ合金組成物を備えている発光活性層４３０ｂは、減少された分極を有する非極性発光層４３０ｂを生成し、その結果、活性層４３０ｂによって放射される光のピーク波長は、入射電流の範囲に対して０．７ｍｍのピーク波長内（しかし、これに限定されない）で一定のままである（またはこのことによって特徴づけられる）。入射電流の範囲は０〜１００ｍＡであり得るか、または入射電流の範囲は活性層４３０ｂによって放射される強度の範囲を生成するのに十分であり得、その結果、最大強度は最小強度の少なくとも３７倍である（すなわち、範囲内の最大電流は、最小電流によって生成される最小強度の少なくとも３７倍の最大強度を生成する）。しかしながら、例えば、ＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤにおいて典型的に用いられる電流範囲および強度範囲などの他の電流の範囲および強度の範囲が考察される。さらに、ピーク波長が電流または強度の範囲に対して一定のままである程度は、修正され得、発光層４３０ｂの分極および非極性の程度の尺度である（すなわち、ピーク波長が電流のより広い範囲にわたって一定のままであればあるほど、発光層４３０ｂは、より非極性である）。ピーク波長は、強度および電流の範囲にわたって実質的に一定のままであり得る。
【００５０】
この技術は、概して、非発光ＩＩＩ族窒化物層または受動（光学的にポンピングされた）層を含むＩＩＩ族窒化物薄膜の非極性を特徴づけるために用いられ得る。例えば、発光層４３０ｂと実質的に類似した合金組成および実質的に類似した非極性面４１２に対して実質的に類似したミスカット角４１０を有するＩＩＩ族窒化物層は、上記の発光層ＩＩＩ族窒化物層４３０ｂと同じ程度の非極性を有し得る。
【００５１】
デバイスは、ｐ型層４３０ａと、ｎ型層４０２とをさらに備え、活性層４３０ｂは、ｐ型層４３０ａとｎ型層４０２との間に少なくとも１つの（ＧａＮバリヤーによって挟まれた）非極性ＩｎＧａＮ量子井戸を備えている。ミスカット角４１０は、入射電流がｎ型層４０２とｐ型層４３０ａとの間を通過するとき、活性層４３０ｂが４２５ｎｍ（例えば）を超えるピーク波長を含む光を放射するように選択され得る。しかしながら、他の窒化物Ｉベースの量子井戸およびバリヤーもまた考察され得る。
【００５２】
（可能な修正および変形）
上記のミスカットＧａＮの固定されていない基板４０６に加えて、ｍ平面ＳｉＣ、ＺｎＯおよびγ−ＬｉＡｌＯ２などの異質の基板４０６もまた、開始材料として用いられ得る。非極性ＩＩＩ族窒化物化合物の成長に適した任意の基板が用いられ得る。但しバッファ層が必要となり得る。
【００５３】
本発明は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ薄膜４０２を用いて明示されたが、ＡｌＮ、ＩｎＮまたは任意の関係する合金（例えば、ＩＩＩ族窒化物化合物）もまた、用いられ得る。
【００５４】
本発明は、上記のＭＯＣＶＤエピタキシャル成長法に限定されないが、ＨＶＰＥ、ＭＢＥなどの他の結晶成長方法もまた用い得る。
【００５５】
さらに、当業者は、これらの技術、プロセス、材料、およびミスカット角などが、＜０００１＞方向、ａ軸方向などの他の方向４００でミスカット角に適用し、類似の結果を得ることを認識する。
【００５６】
薄膜４０２は、後の層４３０ａおよび４３０ｂのための基板であり得、または薄膜４３８自体は、デバイスまたはデバイス層４３０ａ、４３０ｂを備え得る。例えば、膜４０２は、ｎ型層（例えば、ｎ型ＧａＮ薄膜）を含み得、または薄膜４３８は、活性層４３０ｂ（例えば、発光層）と、ｐ型層４３０ａと、ｎ型層４０２とを備え得、活性層４３０ｂは、ｐ型層４３０ａとｎ型層４０２との間にある。どちらにしても、薄膜４０２、４３８は、基板４０６のミスカット４０４上の非極性ＩＩＩ族窒化物膜成長４０２、４３８であり、基板４０６のミスカット４０４は、非極性平面４１２に対するミスカット角４１０の角度に置かれた基板４０６の表面４０８であり、ＩＩＩ族窒化物薄膜成長４０２、４０８の上部表面４１４、４３２は、基板４０６の表面４０８に実質的に平行である。薄膜４３８内の層の界面４３４、４３６もまた、表面４０８に実質的に平行であり得る。
【００５７】
さらなる層が用いられ得、例えば、ｎ型層は薄膜４０２と活性層４３０ｂとの間のさらなる層であり得るか、またはさらなるバリヤー層（もしくはＡｌＧａＮ層）は、例えば、ｐ型層４３０ａと活性層４３０ｂとの間にあり得る。例えば、適切なｎ型接点およびｐ型接点が、それぞれｎ型層およびｐ型層に対して作られ得る。
【００５８】
ＬＥＤ構造の特定の例が上に提示されたが、本発明は、特定のデバイス構造に限定されない。
【００５９】
（利点および改良）
軸上ｍ平面ＧａＮエピタキシャル層は、その表面上に角錐形状の機構徴４２６を常に有する。結晶ミスカット方向４００および角度４１０を制御することによって、特別に滑らかな表面４１４が得られ得、従って高品質デバイス構造４３０ａ、４３０ｂが達成され得る。
【００６０】
例えば、滑らかな量子井戸界面４３４、４３６を有する層４３０ａ、４３０ｂを備えているレーザダイオードは、デバイスの性能を高める。別の例において、電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）または異質接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）などのヘテロ構造エピデバイスのための滑らかな界面４３４、４３６は、キャリア散乱を減少させ、二次元電子ガス（２ＤＥＧ）のより高い移動度を可能にする。全体として、本発明は、活性層平面度がデバイス性能にとって必須である任意のデバイスの性能を高める。
【００６１】
さらにミスカット基板による高められたステップフロー（ｓｔｅｐ−ｆｌｏｗ）成長モードは、典型的には高ドーパント濃度を有するＧａＮ薄膜において認められる欠陥の形成および伝達を抑え得る。さらに、このことは、ｍＧａＮの成長ウィンドーを拡大し、それが、結果として製造時のより良い産出高となり、またあらゆる種類の横方向のエピタキシャル過成長、選択的領域成長、およびモノ構造成長に対して有用である。
【００６２】
さらに本発明以前に、軸上ｍ平面ＧａＮエピタキシャル層上に成長したＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷの波長は、４００ｎｍ近辺に限定された。結晶ミスカットの方向および角度を制御することによって、Ｉｎ含有の増進が得られ得、従って構造の長波長放射が達成され得る。
【００６３】
例えば、分極効果のない青、緑、黄、および白のＬＥＤは、デバイスの性能を高める。別の例において、電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）または異質接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）などのＩｎ含有デバイスもまた、本発明の薄膜を用いて、高められたデバイス性能を有する。全体として、本発明は、任意のデバイスの性能を高める。
【００６４】
（結論）
これは、本発明の好ましい実施形態の説明の結論を下す。本発明の１つ以上の実施形態の前述の説明は、例示および説明のために提示された。網羅的であることまたは開示された正確な形態に本発明を限定することは意図されない。上記の教示を考慮して多くの修正および変形が可能である。本発明の範囲はこの詳細な説明によって限定されるのではなく、逆に本明細書に添付された特許請求の範囲によって限定されることが意図される。
【図１（ａ）】
【図１（ｂ）】
【図１（ｃ）】
【図１（ｄ）】
【図１（ｅ）】
【図１（ｆ）】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板のミスカット上に成長した非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜であって、該基板の該ミスカットは、該基板の非極性平面に対するミスカット角の角度に置かれた表面を提供し、該非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜成長の上部表面は、該表面に実質的に平行である、非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜。
【請求項２】
前記ミスカット角は、ｃ方向に向かう、請求項１に記載の薄膜。
【請求項３】
前記ｃ方向は、＜０００−１＞方向である、請求項２に記載の薄膜。
【請求項４】
前記基板は、窒化ガリウム（ＧａＮ）である、請求項１に記載の薄膜。
【請求項５】
＜０００−１＞方向に向かう前記ミスカット角は０．７５°以上、２７°未満であり、前記非極性面はｍ平面である、請求項１に記載の薄膜。
【請求項６】
前記上部表面は、前記非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜の表面起伏を抑えるために、該非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜が成長する前記基板の前記ミスカット角を選択することによって決定される滑らかな表面形態構造を有する、請求項１に記載の薄膜。
【請求項７】
前記ミスカット角は、１０００マイクロメートルの長さにわたる、前記薄膜の前記上部表面上の１つ以上の起伏の平方自乗平均（ＲＭＳ）振幅高さが６０ｎｍ以下であるようなミスカット角である、請求項６に記載の薄膜。
【請求項８】
前記ミスカット角は、１０００マイクロメートルの長さにわたる、前記薄膜の上部表面上の１つ以上の起伏の最大振幅高さが１０９ｎｍ以下であるようなミスカット角である、請求項６に記載の薄膜。
【請求項９】
前記薄膜にＩＩＩ族窒化物発光層をさらに備え、前記ミスカット角は、該発光層へのインジウム含有を増加させるように選択され、その結果、該発光層によって放射された光のピーク波長は少なくとも４２５ｎｍに増加させられる、請求項１に記載の薄膜。
【請求項１０】
前記薄膜中にＩＩＩ族窒化物発光層をさらに備え、光のピーク波長は活性層を通過する入射電流に応答して該活性層によって放射され、該活性層の合金組成物、前記非極性平面、および前記ミスカット角は、該活性層の極性を減少させるように選択され、その結果、該ピーク波長は入射電流の範囲に対して０．７ｎｍのピーク波長内に一定のままである、請求項１に記載の薄膜。
【請求項１１】
前記電流の範囲は、前記放射された光の強度の範囲を生成し、該強度の範囲の最大強度は、該強度の範囲の最小強度の少なくとも３７倍である、請求項１１に記載の薄膜。
【請求項１２】
請求項１の薄膜を用いて製作されたデバイス。
【請求項１３】
前記デバイスは、該デバイスの成長に十分に滑らかな表面形態構造を有する、請求項１の前記薄膜上に成長する、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
ＩＩＩ族窒化物薄膜を製作する方法であって、
非極性平面に対するミスカット角の角度に置かれた基板の表面である該基板のミスカットを提供することと、
該基板の該表面上にＩＩＩ族窒化物薄膜を成長させることであって、その結果、該非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜成長の上部表面は、該基板の該表面に実質的に平行である、ことと
を包含する、方法。
【請求項１５】
光を生成する方法であって、
基板のミスカット上に成長する非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜から光を放射することであって、該基板の該ミスカットは、非極性平面に対するミスカット角の角度に置かれた該基板の表面であり、該ＩＩＩ族窒化物薄膜成長の上部表面は、該基板に実質的に平行である、ことを包含する、方法。
【請求項１】
基板のミスカット上に成長した非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜であって、該基板の該ミスカットは、該基板の非極性平面に対するミスカット角の角度に置かれた表面を提供し、該非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜成長の上部表面は、該表面に実質的に平行である、非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜。
【請求項２】
前記ミスカット角は、ｃ方向に向かう、請求項１に記載の薄膜。
【請求項３】
前記ｃ方向は、＜０００−１＞方向である、請求項２に記載の薄膜。
【請求項４】
前記基板は、窒化ガリウム（ＧａＮ）である、請求項１に記載の薄膜。
【請求項５】
＜０００−１＞方向に向かう前記ミスカット角は０．７５°以上、２７°未満であり、前記非極性面はｍ平面である、請求項１に記載の薄膜。
【請求項６】
前記上部表面は、前記非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜の表面起伏を抑えるために、該非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜が成長する前記基板の前記ミスカット角を選択することによって決定される滑らかな表面形態構造を有する、請求項１に記載の薄膜。
【請求項７】
前記ミスカット角は、１０００マイクロメートルの長さにわたる、前記薄膜の前記上部表面上の１つ以上の起伏の平方自乗平均（ＲＭＳ）振幅高さが６０ｎｍ以下であるようなミスカット角である、請求項６に記載の薄膜。
【請求項８】
前記ミスカット角は、１０００マイクロメートルの長さにわたる、前記薄膜の上部表面上の１つ以上の起伏の最大振幅高さが１０９ｎｍ以下であるようなミスカット角である、請求項６に記載の薄膜。
【請求項９】
前記薄膜にＩＩＩ族窒化物発光層をさらに備え、前記ミスカット角は、該発光層へのインジウム含有を増加させるように選択され、その結果、該発光層によって放射された光のピーク波長は少なくとも４２５ｎｍに増加させられる、請求項１に記載の薄膜。
【請求項１０】
前記薄膜中にＩＩＩ族窒化物発光層をさらに備え、光のピーク波長は活性層を通過する入射電流に応答して該活性層によって放射され、該活性層の合金組成物、前記非極性平面、および前記ミスカット角は、該活性層の極性を減少させるように選択され、その結果、該ピーク波長は入射電流の範囲に対して０．７ｎｍのピーク波長内に一定のままである、請求項１に記載の薄膜。
【請求項１１】
前記電流の範囲は、前記放射された光の強度の範囲を生成し、該強度の範囲の最大強度は、該強度の範囲の最小強度の少なくとも３７倍である、請求項１１に記載の薄膜。
【請求項１２】
請求項１の薄膜を用いて製作されたデバイス。
【請求項１３】
前記デバイスは、該デバイスの成長に十分に滑らかな表面形態構造を有する、請求項１の前記薄膜上に成長する、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
ＩＩＩ族窒化物薄膜を製作する方法であって、
非極性平面に対するミスカット角の角度に置かれた基板の表面である該基板のミスカットを提供することと、
該基板の該表面上にＩＩＩ族窒化物薄膜を成長させることであって、その結果、該非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜成長の上部表面は、該基板の該表面に実質的に平行である、ことと
を包含する、方法。
【請求項１５】
光を生成する方法であって、
基板のミスカット上に成長する非極性ＩＩＩ族窒化物薄膜から光を放射することであって、該基板の該ミスカットは、非極性平面に対するミスカット角の角度に置かれた該基板の表面であり、該ＩＩＩ族窒化物薄膜成長の上部表面は、該基板に実質的に平行である、ことを包含する、方法。
【図２】
【図３】
【図４】
【図７】
【図５】
【図６】
【図３】
【図４】
【図７】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２０１０−５３６１８１（Ｐ２０１０−５３６１８１Ａ）
【公表日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５２０３３２（Ｐ２０１０−５２０３３２）
【出願日】平成２０年８月８日（２００８．８．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０７２６６９
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０２１２０１
【国際公開日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【出願人】（５９２１３０６９９）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 (364)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｒｅｇｅｎｔｓ ｏｆ Ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月８日（２００８．８．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０７２６６９
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０２１２０１
【国際公開日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【出願人】（５９２１３０６９９）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 (364)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｒｅｇｅｎｔｓ ｏｆ Ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ
【Ｆターム（参考）】
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