非極性または半極性（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板上に成長させられる素子
非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板上の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜の成長形態を改良する方法であって、（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜は、非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板あるいはテンプレート上に直接成長させられ、成長の際に使用されるキャリアガスの一部は、不活性ガスから構成される。非極性または半極性の窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザは、本発明によって成長させられる平滑（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜上に成長させられてもよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、同時係属で共通譲受人の下記の出願；
Ｒｏｂｅｒｔ Ｍ．Ｆａｒｒｅｌｌ、Ｍｉｃｈａｅｌ Ｉｚａ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによる米国仮特許出願第６１／１５６，７１０号（名称「ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＩＭＰＲＯＶＩＮＧ ＳＵＲＦＡＣＥ ＭＯＲＰＨＯＬＯＧＹ ＯＦ （Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭＳ ＡＮＤ ＤＥＶＩＣＥＳ ＧＲＯＷＮ ＯＮ ＮＯＮＰＯＬＡＲ ＯＲ ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ （Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ」、２００９年３月２日出願、代理人整理番号第３０７９４．３０６−ＵＳ−Ｐ１（２００９−４２９−１）号）；および
Ｒｏｂｅｒｔ Ｍ．Ｆａｒｒｅｌｌ、Ｍｉｃｈａｅｌ Ｉｚａ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによる米国仮特許出願第６１／１８４，５３５号（名称「ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＩＭＰＲＯＶＩＮＧ ＳＵＲＦＡＣＥ ＭＯＲＰＨＯＬＯＧＹ ＯＦ （Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭＳ ＡＮＤ ＤＥＶＩＣＥＳ ＧＲＯＷＮ ＯＮ ＮＯＮＰＯＬＡＲ ＯＲ ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ （Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ」、２００９年６月５日出願、代理人整理番号第０７９４．３０６−ＵＳ−Ｐ２ （２００９−４２９−２）号）；
の米国特許法第１１９条第（ｅ）項の利益を主張し、これらの出願は、本明細書に参考として援用される。
【０００２】
（１．発明の分野）
本発明は、半導体材料、方法、および素子に関し、より具体的には、非極性または半極性の窒化物発光ダイオード（ＬＥＤ）およびダイオードレーザの成長に関する。
【背景技術】
【０００３】
（２．関連技術の説明）
（注：本願は、明細書の全体を通して示されるように、角括弧内の１つ以上の参照番号、例えば［Ｒｅｆ（ｓ）．ｘ］によって多数の異なる刊行物を参照する。これらの参照番号による順序で示されるこれらの異なる刊行物の一覧は、以下の「参考文献」という表題の項に見出すことができる。これらの刊行物のそれぞれは、参照することによって本明細書に組み込まれる。）
窒化ガリウム（ＧａＮ）および（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ合金の有用性は、可視光および紫外線光電子素子ならびに高出力電子素子の加工に対して確立されている。最先端の窒化物薄膜、ヘテロ構造、および素子は、［０００１］軸に沿って成長させられる。そのような膜の全分極は、自発および圧電分極寄与から構成され、その両方とも、図１（ａ）に例示されるように、ウルツ鉱窒化物結晶構造１０２の単極性［０００１］軸１００から生じる。窒化物ヘテロ構造が、疑似形態的に成長させられる場合、分極断絶が、表面（例えば、図１（ａ）に示される、ｃ−面表面１０４）および結晶１０２内の界面に形成される。これらの断絶は、表面および界面におけるキャリアの蓄積または枯渇につながり、順に、電場を引き起こす。これらの分極誘導電場の方位は、窒化物薄膜およびヘテロ構造の典型的［０００１］成長方向と一致するため、これらの場は、窒化物素子のエネルギーバンドを「傾動」させる効果を有する。
【０００４】
ｃ−面ウルツ鉱窒化物量子井戸では、「傾動された」エネルギーバンドは、図１（ｂ）に例示されるように、電子波動関数１０６および正孔波動関数１０８を空間的に分離する。本空間電荷分離は、放射遷移の振動子強度を低減させ、放出波長を赤方偏移させる。これらの効果は、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）の現れであって、窒化物量子井戸に関して、徹底的に分析されている［参考文献５−８（非特許文献１−４）］。加えて、大規模分極誘導電場は、ドーパントおよび注入されたキャリアによって、部分的に遮蔽される可能性があり［参考文献９、１０（非特許文献５、６）］、放出特性を正確に設計することを困難にする。
【０００５】
さらに、疑似形態的の二軸性歪みは、ｃ−面ウルツ鉱窒化物量子井戸内における有効正孔質量の減少にほとんど影響を及ぼさないことが理論的に予測されている［参考文献１１（非特許文献７）］。これは、典型的ＩＩＩ−Ｖ閃亜鉛鉱型ＩｎＰ−系およびＧａＡｓ−系量子井戸と全く対照的であって、重正孔および軽正孔バンドの異方性歪み誘導分裂が、有効正孔質量の大幅な減少につながる。有効正孔質量の減少は、典型的ＩＩＩ−Ｖ閃亜鉛鉱型ＩｎＰ−およびＧａＡｓ−系量子井戸内の任意の所与のキャリア密度に対する擬フェルミ準位分離の大幅な増加につながる。擬フェルミ準位分離の本増加の直接的結果として、遥かに小さいキャリア密度が、光学利得を発生させるために必要とされる［参考文献１２（非特許文献８）］。しかしながら、ウルツ鉱窒化物結晶構造の場合、二軸性歪みｃ−面窒化物量子井戸における窒素原子の六方対称かつ小スピン軌道結合は、重正孔および軽正孔バンドのごくわずかな分裂をもたらす［参考文献１１（特許文献７）］。したがって、有効正孔質量は、二軸性歪みｃ−面窒化物量子井戸内の有効電子質量より遥かに大きいまま、非常に高電流の密度が、ｃ−面窒化物ダイオードレーザにおいて光学利得を発生させるために必要とされる。
【０００６】
窒化物素子内の分極効果を低下させるアプローチの１つは、結晶の非極性面上の素子を成長させることである。これらは、集合的にａ−面として知られる｛１１−２０｝面と、集合的にｍ−面として知られる｛１０−１０｝面とを含む。そのような面は、面当たり等しい数のガリウムおよび窒素原子を含有し、電荷中性である。後続非極性層は、相互に同等であって、したがって、バルク結晶は、成長方向に沿って分極されないであろう。
【０００７】
窒化物素子内の分極効果および有効正孔質量を減少させる別のアプローチは、結晶の半極性面上の素子を成長させることである。「半極性面」という用語は、ｃ−面、ａ−面、またはｍ−面として分類することができない、あらゆる面を指すために使用可能である。結晶学用語において、半極性面とは、少なくとも２つの非ゼロのｈ、ｉ、ｋミラー指数、および非ゼロのｌミラー係数である。後続非極性層は、相互に同等であって、したがって、バルク結晶は、成長方向に沿って、分極低下を有するであろう。
【０００８】
歪みｃ−面ＩｎｘＧａ１−ｘＮ量子井戸と異なり、歪み非極性または半極性ＩｎｘＧａ１−ｘＮ量子井戸は、重正孔および軽正孔バンドの異方性分裂を呈し、そのような構造に対する有効正孔質量の減少につながることが予測されている［参考文献１３（非特許文献９）］。圧縮歪みＩｎｘＧａ１−ｘＮ量子井戸に対する多体光学利得の自己無撞着計算は、ピーク利得が、有効正孔質量および正味量子井戸分極に非常に敏感であって、ピーク利得は、一般的成長方位とｃ−軸との間の角度の増加に伴って、劇的に上昇し、ｃ−軸に垂直な成長方位（すなわち、非極性面上）に対して、最大値に達することを示唆する［参考文献１４、１５（非特許文献１０、１１）］。
【０００９】
最後に、市販のｃ−面窒化物ＬＥＤは、その電界発光において、いかなる程度の光分極も呈さない。一方、非極性または半極性窒化物ＬＥＤは、その電界発光において、強力な光分極を実証している［参考文献１６−１８（非特許文献１２−１４）］。本光分極は、圧縮歪み非極性または半極性ＩｎｘＧａ１−ｘＮ量子井戸内の重正孔および軽正孔バンドの異方性歪み誘導分裂に起因し、異なる光学マトリクス要素の規模において、大幅な相違につながり得る。
【００１０】
しかしながら、最先端の非極性または半極性（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板は、独特な表面形態を呈する［参考文献２−４（非特許文献１５−１７）］。
【００１１】
図２（ａ）−（ｃ）は、［参考文献２（非特許文献１５）］から抜粋されたものであって、図２（ａ）および図２（ｂ）は、ｍ−面ｎ型ＧａＮ膜およびｍ−面ＬＥＤ構造の上面を示す、Ｎｏｍａｒｓｋｉ光学顕微鏡写真であって、それぞれ、ピラミッド形小丘２００を示しており、図２（ｃ）は、高さｈ、幅ｗ、および長さｌを有するピラミッド形小丘２００の断面を示す、概略図であって、ｍ−面ＧａＮ膜は、公称上の軸上ｍ−面ＧａＮ基板上に成長させられる。
【００１２】
図３（ａ）−（ｇ）もまた、［参考文献２（非特許文献１５）］から抜粋されたものであって、図３（ａ）は、４つのピラミッド面（２つのａ−傾斜面ａ１およびａ２と、２つのｃ−傾斜面ｃ＋およびｃ−）を示す、１０×１０μｍ２面積にわたるｎ型ＧａＮ膜の振幅像を示し、ピラミッドの勾配角度は、ａ−傾斜ピラミッド面に対して０．１°であって、ｃ−傾斜面に対して０．５°−０．６°であって、図３（ｂ）は、ｍ−面ＬＥＤ構造の振幅像であって、図３（ｃ）−（ｆ）は、それぞれ、図３（ｂ）におけるＬＥＤ構造のｃ−、ａ１、ａ２、およびｃ＋傾斜面に対する高さ像であって、図３（ｇ）は、微視的ピラミッドによって装飾されたａ−およびｃ＋傾斜小丘面を示す概略図である（図３（ｄ）、（ｅ）、および（ｆ）における小丘の平面図ならびに断面図）。
【００１３】
図４（ａ）−（ｂ）もまた、［参考文献２（特許文献１５）］から抜粋されたものであって、異なるミスカット方向およびミスカット角度を伴って、軸外基板上に成長させられたｍ−面ＧａＮ膜の一連のＮｏｍａｒｋｓｉ光学顕微鏡写真を示し、図４（ａ）では、ａ−ミスカット角度は、０．１°ずつ０°乃至０．３５°と０．５２°に及び（左から右に）、図４（ｂ）では、ｃ−ミスカット角度は、それぞれ、左から右に０．０１°、０．４５°、５．４°、および９．７°である。
【００１４】
図５は、［参考文献３（非特許文献１６）］から抜粋されたものであって、光学微分干渉顕微鏡によって観察された、レーザ構造のエピタキシャル成長後のｍ−面ＧａＮ基板の表面形態を示す。
【００１５】
図６（ａ）−（ｂ）は、［参考文献４（非特許文献１７）］から抜粋されたものであって、図６（ａ）および図６（ｂ）は、それぞれ、＜０００１＞方向に向かって、方位０．２°および２．２°を伴う、オフ角基板上に成長させられたｍ−面ＧａＮのＮｏｍａｒｓｋｉ光学顕微鏡写真である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】Ｔ．Ｔａｋｅｕｃｈｉ，Ｓ．Ｓｏｔａ，Ｍ．Ｋａｔｓｕｒａｇａｗａ，Ｍ．Ｋｏｍｏｒｉ，Ｈ．Ｔａｋｅｕｃｈｉ，Ｈ．Ａｍａｎｏ，ａｎｄ Ｉ．Ａｋａｓａｋｉ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，３６，Ｌ３８２（１９９７）．
【非特許文献２】Ｐ．Ｌｅｆｅｂｖｒｅ，Ａ．Ｍｏｒｅｌ，Ｍ．Ｇａｌｌａｒｔ，Ｔ．Ｔａｌｉｅｒｃｉｏ，Ｊ．Ａｌｌｅｇｒｅ，Ｂ．Ｇｉｌ，Ｈ．Ｍａｔｈｉｅｕ，Ｂ．Ｄａｍｉｌａｎｏ，Ｎ．Ｇｒａｎｄｊｅａｎ，ａｎｄ Ｊ．Ｍａｓｓｉｅｓ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７８，１２５２（２００１）．
【非特許文献３】Ｎ．Ｇｒａｎｄｊｅａｎ，Ｂ．Ｄａｍｉｌａｎｏ，Ｓ．Ｄａｌｍａｓｓｏ，Ｍ．Ｌｅｒｏｕｘ，Ｍ．Ｌａｕｇｔ，ａｎｄ Ｊ．Ｍａｓｓｉｅｓ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，８６，３７１４（１９９９）．
【非特許文献４】Ｊ．Ｓ．Ｉｍ，Ｈ．Ｋｏｌｌｍｅｒ，Ｊ．Ｏｆｆ，Ａ．Ｓｏｈｍｅｒ，Ｆ．Ｓｃｈｏｌｚ，ａｎｄ Ａ．Ｈａｎｇｌｅｉｔｅｒ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ，５７，Ｒ９４３５（１９９８）．
【非特許文献５】Ａ．Ｄｉ Ｃａｒｌｏ，Ｆ．Ｄｅｌｌａ Ｓａｌａ，Ｐ．Ｌｕｇｌｉ，Ｖ．Ｆｉｏｒｅｎｔｉｎｉ，ａｎｄ Ｆ．Ｂｅｒｎａｒｄｉｎｉ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７６，３９５０（２０００）．
【非特許文献６】Ｆ．Ｄｅｌｌａ Ｓａｌａ，Ａ．Ｄｉ Ｃａｒｌｏ，Ｐ．Ｌｕｇｌｉ，Ｆ．Ｂｅｒｎａｒｄｉｎｉ，Ｖ．Ｆｉｏｒｅｎｔｉｎｉ，Ｒ．Ｓｃｈｏｌｚ，ａｎｄ Ｊ．Ｍ．Ｊａｎｃｕ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７４，２００２（１９９９）．
【非特許文献７】Ｍ．Ｓｕｚｕｋｉ ａｎｄ Ｔ．Ｕｅｎｏｙａｍａ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，３５，１４２０（１９９６）．
【非特許文献８】Ｅ．Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ ａｎｄ Ｅ．Ｏ．Ｋａｎｅ，Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈ．，４，５０４（１９８６）．
【非特許文献９】Ｓ．Ｈ．Ｐａｒｋ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，９１，９９０４（２００２）．
【非特許文献１０】Ｓ．Ｈ．Ｐａｒｋ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ，４２，Ｌ１７０（２００３）．
【非特許文献１１】Ｓ．Ｈ．Ｐａｒｋ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，９３，９６６５（２００３）．
【非特許文献１２】Ｎ．Ｆ．Ｇａｒｄｎｅｒ，Ｊ．Ｃ．Ｋｉｍ，Ｊ．Ｊ．Ｗｉｅｒｅｒ，Ｙ．Ｃ．Ｓｈｅｎ，ａｎｄ Ｍ．Ｒ．Ｋｒａｍｅｓ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．，８６，１１１１０１（２００５）．
【非特許文献１３】Ｈ．Ｍａｓｕｉ，Ａ．Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ，Ｂ．Ａ．Ｈａｓｋｅｌｌ，Ｕ．Ｋ．Ｍｉｓｈｒａ，Ｊ．Ｓ．Ｓｐｅｃｋ，Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ，Ｓ．Ｐ．Ｄｅｎｂａａｒｓ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ，４４，Ｌ１３２９（２００５）．
【非特許文献１４】Ｔ．Ｋｏｙａｍａ，Ｔ．Ｏｎｕｍａ，Ｈ．Ｍａｓｕｉ，Ａ．Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ，Ｂ．Ａ．Ｈａｓｋｅｌｌ，Ｓ．Ｋｅｌｌｅｒ，Ｕ．Ｋ．Ｍｉｓｈｒａ，Ｊ．Ｓ．Ｓｐｅｃｋ，Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ，Ｓ．Ｐ．Ｄｅｎｂａａｒｓ，Ｔ．Ｓｏｔａ，Ｓ．Ｆ．Ｃｈｉｃｈｉｂｕ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，８９，０９１９０６（２００６）．
【非特許文献１５】Ａ．Ｈｉｒａｉ，Ｚ．Ｊｉａ，Ｍ．Ｃ．Ｓｃｈｍｉｄｔ，Ｒ．Ｍ．Ｆａｒｒｅｌｌ，Ｓ．Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ，Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ，Ｊ．Ｓ．Ｓｐｅｃｋ，Ｋ．Ｆｕｊｉｔｏ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，９１，１９１９０６（２００７）．
【非特許文献１６】Ｙ．Ｔｓｕｄａ，Ｍ．Ｏｈｔａ，Ｐ．Ｏ．Ｖａｃｃａｒｏ，Ｓ．Ｉｔｏ，Ｓ．Ｈｉｒｕｋａｗａ，Ｙ．Ｋａｗａｇｕｃｈｉ，Ｙ．Ｆｕｊｉｓｈｉｒｏ，Ｙ．Ｔａｋａｈｉｒａ，Ｙ．Ｕｅｔａ，Ｔ．Ｔａｋａｋｕｒａ，ａｎｄ Ｔ．Ｙｕａｓａ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｅｘｐｒｅｓｓ，１，０１１１０４（２００８）．
【非特許文献１７】Ｋ．Ｏｋａｍｏｔｏ，Ｈ．Ｏｈｔａ，Ｄ．Ｎａｋａｇａｗａ，Ｍ．Ｓｏｎｏｂｅ，Ｊ．Ｉｃｈｉｈａｒａ，ａｎｄ Ｈ．Ｔａｋａｓｕ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，４５，Ｌ１１９７（２００６）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
より平滑な非極性および半極性膜を提供する必要性が存在する。本発明は、この必要性を充足する。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、非極性または半極性（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板上における（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜の表面形態を改良するための方法について説明する。得られた平滑（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜は、高性能の非極性または半極性の窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザの成長のためのテンプレートとしての役割を果たすことが可能である。有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）および水素化物気相エピタキシ法（ＨＶＰＥ）等の一般的気相エピタキシ法を使用して、（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜を成長させることが可能である。しかしながら、本発明は、任意の他の好適な気相成長法による（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜成長にも、同等に適用可能である。
【００１９】
非極性または半極性の窒化物薄膜およびヘテロ構造の成長は、分極効果を低下させ、ウルツ鉱窒化物素子構造内の有効正孔質量を減少させる手段をもたらす。用語「窒化物」、「（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ」、または「ＩＩＩ−窒化物」とは、式ＧａｗＡｌｘＩｎｙＢｚＮ（式中、０≦ｗ≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、およびｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を有する（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ半導体の任意の合金組成を指す。現在市販のＬＥＤおよびダイオードレーザは、極性［０００１］ｃ−方向に沿って成長させられる。付随する分極誘導電場および本質的に大きい有効正孔質量は、最先端の窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザの性能に悪影響をもたらす。非極性または半極性面上におけるこれらの素子の成長は、分極誘導電場を低減させ、有効正孔質量を減少させることによって、素子性能を大幅に改良可能である。
【００２０】
サファイア上におけるｃ−面（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎの高温成長の場合、大部分のグループが、キャリアガスとして１００％Ｈ２の使用を報告している。典型的成長条件下では、キャリアガスとしての１００％Ｈ２の使用は、ｃ−面（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎエピタキシャル層に最小転位密度および最平滑エピタキシャル表面をもたらす［参考文献１］。しかしながら、典型的ｃ−面（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ成長条件が、非極性または半極性（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板上における（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎの再成長のために使用される場合、独特な表面形態が、生じ得る［参考文献２−４］。
【００２１】
本発明は、Ｎ２等の不活性キャリアガスを使用することによって、非極性または半極性（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板上の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜の成長形態を改良するための方法について説明する。例えば、本発明は、［参考文献２−４］で成長させられた膜と比較して、非極性および半極性膜の表面平滑度を改良可能である。
【００２２】
改良された表面形態は、非極性または半極性窒化物素子製造業者に対して、所与の素子内の個々の層の厚さ、組成、ドーピング、電気特性、および発光特性における、より優れた均一性を含むが、それらに限定されない、いくつかの利点をもたらし得る。さらに、平滑表面は、特に、非極性または半極性窒化物レーザダイオードに有益であって、光散乱損失の大幅な減少につながり得る。
【００２３】
したがって、上述の先行技術における制限を克服するために、かつ本明細書の熟読および理解に応じて明白となるであろう他の制限を克服するために、本発明は、非極性または半極性（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板あるいはテンプレート上に（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜を直接成長させるステップと、成長ステップの際、キャリアガスを使用するステップと、を備え、キャリアガスの少なくとも一部は、不活性ガスから成る、（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜を加工するための方法を開示する。
【００２４】
さらに、本方法は、基板またはテンプレートに、低指数の結晶方位から外れたミスカットを提供するステップを備えてもよい。例えば、基板またはテンプレートは、ｍ−面基板あるいはテンプレートであってもよく、ミスカットは、［０００−１］方向に向かって、０．７５°乃至１．５０°のミスカット角度を有してもよく、（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ膜は、ミスカットの表面上に成長させられてもよい。
【００２５】
不活性ガスは、窒素（Ｎ２）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、またはキセノン（Ｘｅ）のうちの１つ以上から成ってもよい。例えば、キャリアガスの一部または１００％が、不活性ガスであってもよい。
【００２６】
１つ以上の素子層が、膜の上面に析出されてもよく、素子層は、Ｈ２および／またはＮ２から成る、キャリアガスの少なくとも一部（または、１００％）によって、成長させられてもよい。１つ以上の素子層は、素子の１つ以上のｐ型ドープ層を備えてもよく、ｐ型ドープ層は、Ｈ２から成る、キャリアガスの少なくとも一部（または、１００％）によって、成長させられてもよい。
【００２７】
さらに、本発明は、非極性または半極性の面であって、平面かつ光学的平滑領域を有することによって、領域が、光学顕微鏡を使用して、４００ナノメートル乃至６００ナノメートルの光波長を用いて測定される場合、識別可能な非平面表面起伏または特徴が無い、上面を備え、領域が、上面の領域上に１つ以上の素子層のエピタキシャル析出のための基板として使用するために十分に大きく、素子層が、２０ミリアンペア（ｍＡ）駆動電流時、少なくとも２ミリワットの出力パワーを有する光を発する、非極性または半極性（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ膜を開示する。
【００２８】
領域は、ストライエーションが無くてもよい。
【００２９】
領域は、例えば、少なくとも１００平方マイクロメートルであってもよい。上面は、１００平方マイクロメートルの面積にわたって、上面におけるＧａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ、およびＮ原子の直径程度の表面粗度を伴って、原子的に平滑であってもよい。上面は、１００平方マイクロメートルの面積にわたって、０．５または０．２５ナノメートル（ｎｍ）未満の二乗平均平方根（ＲＭＳ）を伴う、表面粗度を有してもよい。
【００３０】
上面は、図２（ａ）、２（ｂ）、３（ａ）−３（ｆ）、４（ａ）−４（ｂ）、５、６（ａ）、６（ｂ）、７（ａ）−７（ｃ）、８（ａ）−８（ｃ）、または９（ｄ）−９（ｆ）に示される上面より平滑かつより平面であってもよい。上面は、密度８．４×１０２ｃｍ−２または１．１×１０６ｃｍ−２、サイズ１０マイクロメートル、および／または勾配角度０．１°を有する、ピラミッド形小丘で特徴付けられた表面よりも平滑であってもよい。上面は、図７（ｄ）−７（ｆ）、８（ｄ）−８（ｆ）、または９（ａ）−９（ｃ）に示される表面と少なくとも同程度平滑の平滑度あるいは表面粗度を有してもよい。
【００３１】
膜は、ｍ−面基板の表面上に析出されてもよく、ｍ−面基板の表面は、［０００−１］方向に向かって、０．７５°乃至１．５０°のミスカット角度を伴う、ミスカットであってもよい。
【００３２】
膜は、ｍ−面ＧａＮ膜であってもよく、上面は、ｍ−面ＧａＮ膜のｍ−面であってもよい。上面の表面平滑度または粗度は、典型的には、そのまま成長させられる。素子層の上面は、膜の上面と少なくとも同程度平滑であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
以下、同じ参照符号が対応する要素を示す、複数の図面を参照する。
【図１】図１（ａ）は、ウルツ鉱窒化物結晶構造の概略図であって、図１（ｂ）は、分極誘導電場による圧縮歪みＩｎｘＧａ１−ｘＮ量子井戸内のバンド屈曲の概略図であって、Ｅｃは、伝導バンドであって、Ｅｖは、価電子バンドである。
【図２】図２（ａ）−２（ｃ）、３（ａ）−３（ｇ）、４（ａ）−４（ｂ）、５および６（ａ）−６（ｂ）は、［参考文献２−４］において加工されたＧａＮ膜およびＬＥＤ構造の表面形態の画像である。
【図３】図２（ａ）−２（ｃ）、３（ａ）−３（ｇ）、４（ａ）−４（ｂ）、５および６（ａ）−６（ｂ）は、［参考文献２−４］において加工されたＧａＮ膜およびＬＥＤ構造の表面形態の画像である。
【図４】図２（ａ）−２（ｃ）、３（ａ）−３（ｇ）、４（ａ）−４（ｂ）、５および６（ａ）−６（ｂ）は、［参考文献２−４］において加工されたＧａＮ膜およびＬＥＤ構造の表面形態の画像である。
【図５】図２（ａ）−２（ｃ）、３（ａ）−３（ｇ）、４（ａ）−４（ｂ）、５および６（ａ）−６（ｂ）は、［参考文献２−４］において加工されたＧａＮ膜およびＬＥＤ構造の表面形態の画像である。
【図６】図２（ａ）−２（ｃ）、３（ａ）−３（ｇ）、４（ａ）−４（ｂ）、５および６（ａ）−６（ｂ）は、［参考文献２−４］において加工されたＧａＮ膜およびＬＥＤ構造の表面形態の画像である。
【図７】図７（ａ）−７（ｆ）および８（ａ）−８（ｆ）は、キャリアガスの効果と、自立型ｍ−面ＧａＮ基板上に成長させられたＧａＮ薄膜の表面形態上のミスカット角度を例示する、光学顕微鏡写真（縮尺：１２５マイクロメートル（μｍ））を備え、図７（ａ）−７（ｃ）および図８（ａ）−８（ｃ）は、Ｈ２キャリアガスによって加工され、図７（ｄ）−７（ｆ）および図８（ｄ）−８（ｆ）は、Ｎ２キャリアガスによって加工され、図７（ａ）および７（ｄ）は、−０．０５°ミスカットを伴う、基板上に加工され、図７（ｂ）および７（ｅ）は、０．４５°ミスカットを伴う、基板上に加工され、図７（ｃ）および７（ｆ）は、０．６１°ミスカットを伴う、基板上に加工され、図８（ａ）および８（ｄ）は、１．０３°ミスカットを伴う、基板上に加工され、図８（ｂ）および８（ｅ）は、１．８８°ミスカットを伴う、基板上に加工され、図８（ｃ）および８（ｆ）は、２．３０°ミスカットを伴う、基板上に加工され、すべてのミスカットは、［０００−１］方向に向かう。
【図８】図７（ａ）−７（ｆ）および８（ａ）−８（ｆ）は、キャリアガスの効果と、自立型ｍ−面ＧａＮ基板上に成長させられたＧａＮ薄膜の表面形態上のミスカット角度を例示する、光学顕微鏡写真（縮尺：１２５マイクロメートル（μｍ））を備え、図７（ａ）−７（ｃ）および図８（ａ）−８（ｃ）は、Ｈ２キャリアガスによって加工され、図７（ｄ）−７（ｆ）および図８（ｄ）−８（ｆ）は、Ｎ２キャリアガスによって加工され、図７（ａ）および７（ｄ）は、−０．０５°ミスカットを伴う、基板上に加工され、図７（ｂ）および７（ｅ）は、０．４５°ミスカットを伴う、基板上に加工され、図７（ｃ）および７（ｆ）は、０．６１°ミスカットを伴う、基板上に加工され、図８（ａ）および８（ｄ）は、１．０３°ミスカットを伴う、基板上に加工され、図８（ｂ）および８（ｅ）は、１．８８°ミスカットを伴う、基板上に加工され、図８（ｃ）および８（ｆ）は、２．３０°ミスカットを伴う、基板上に加工され、すべてのミスカットは、［０００−１］方向に向かう。
【図９】図９（ａ）−９（ｆ）は、原子準位表面形態上の［０００−１］ミスカットの効果を例示する、１０μｍ×１０μｍ原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）スキャンを備え、矢印は、＜０００１＞方向を示し、図９（ａ）−９（ｆ）におけるミスカット角度は、それぞれ、［０００−１］に向かって、−０．０６°、０．４５°、０．８９°１．８８°、２．３０°、および３．２４°であって、図９（ａ）−９（ｆ）におけるＲＭＳ粗度は、それぞれ、０．１３４ｎｍ、０．１７６ｎｍ、０．２２１ｎｍ、０．６２０ｎｍ、０．６２５ｎｍ、および１．６６５ｎｍである。
【図１０】図１０は、［０００−１］ミスカット角度（度）（すなわち、［０００−１］方向に向かうミスカット）の関数として、ＲＭＳ粗度（ｎｍ）を示し、１０マイクロメートル（μｍ）スキャン面積に対して、ピラミッド形小丘（四角形）、原子的平坦表面（円形）、および側方ストライエーション（菱形）をもたす、ミスカット角度を示し、各データ点は、３回のスキャンの平均である。
【図１１】図１１は、本発明によるＬＥＤ素子構造の断面概略図である。
【図１２】図１２は、３００μｍ×３００μｍサイズＬＥＤに対して、［０００−１］ミスカット角度（度）（すなわち、［０００−１］方向に向かうミスカット）の関数として、出力パワー（ミリワット、ｍＷ）を示す、グラフであって、データは、２０ｍＡ駆動電流で収集され、各データ点は、３つのデータ点の平均である。
【図１３】図１３は、３００μｍ×３００μｍサイズＬＥＤに対して、［０００−１］ミスカット（すなわち、［０００−１］方向に向かうミスカット）の関数として、電界発光（ＥＬ）ピーク波長（ｎｍ）を示す、グラフであって、データは、２０ｍＡ駆動電流で収集され、各データ点は、３つのデータ点の平均である。
【図１４】図１４は、３００μｍ×３００μｍサイズＬＥＤに対して、［０００−１］ミスカット（すなわち、［０００−１］方向に向かうミスカット）の関数として、ＥＬ半値全幅（ＦＷＨＭ）（ｎｍ）を示す、グラフであって、データは、２０ｍＡ駆動電流で収集され、各データ点は、３つのデータ点の平均である。
【図１５】図１５は、［０００−１］ミスカット（すなわち、［０００−１］方向に向かうミスカット）の関数として、順電圧（Ｖ）を示すグラフである。
【図１６】図１６は、本発明の方法を例示する工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下の発明を実施するための形態において、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を例示目的で示す添付図面を参照する。本開示の範囲から逸脱することなく、他の実施形態が用いられてもよく、また、構造的な変更が行われてもよいことを理解されたい。
【００３５】
（概要）
非極性または半極性の窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザの実現は、窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザの製造可能性における多数の進歩を可能にする。非極性または半極性面上での窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザの成長は、重正孔および軽正孔バンドの異方性歪み誘導分裂を介して分極誘導電場を低減させ、有効正孔質量を減少させることによって、素子性能を大幅に改良することが可能である。分極誘導電場を低減させることによって、窒化物ＬＥＤにおける放射効率を増加させることが可能である。同様に、分極誘導電場を低減させ、有効正孔質量を減少させることによって、窒化物ダイオードレーザ内で光学利得を発生させるために必要な電流密度を低下させることが可能である。これは、窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザ内の加熱の大幅な低減につながり、素子製造業者にとって、より長い素子寿命およびより高い生産収率をもたらすことが可能となる。
【００３６】
しかしながら、典型的には、非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板上に成長させられる（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜に対して観察される独特な表面形態によって［参考文献２−４］、素子製造業者が、非極性または半極性の窒化物素子の期待される利点を実現することは困難であろう。本発明は、非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板上の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜の表面形態を改良するための方法について説明する。改良された表面形態は、非極性または半極性の窒化物素子製造業者にとって、所与の素子内の個々の層の厚さ、組成、ドーピング、電気特性、および発光特性のより優れた均一性を含むが、それらに限定されないいくつかの利点につながり得る。したがって、本発明は、非極性または半極性の窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザの上述の効果の実現を可能にする。
【００３７】
本発明の目的は、改良された製造可能性および高性能を有する窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザを生成することである。提案される素子は、種々の商業、産業、または科学用途のための光源として使用されるであろう。これらの非極性または半極性の窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザは、ｃ−面窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザと同一用途における可用性を見出されることが期待され得る。これらの用途として、固体投写型ディスプレイ、高解像度プリンタ、高密度光学データ記憶システム、次世代ＤＶＤプレーヤ、高効率固体照明、光感知用途、および医療用途が挙げられる。
【００３８】
（技術説明）
本発明は、不活性キャリアガスを使用することによって、非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板上の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜および素子の成長形態を改良する方法について説明する。本発明は、Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．製自立型ｍ−面ＧａＮ基板上にＭＯＣＶＤによって成長させられたＧａＮ薄膜および素子について、これらの効果を実験的に実証したものである。これらの基板は、ＨＶＰＥによってｃ−方向に成長させられ、次いで、ｍ−面表面を曝露するようにスライスされた。ｍ−面表面は、化学的および機械的な表面処理法によって調製された。基板は、貫通転位密度５×１０６ｃｍ−２未満、キャリア濃度約１×１０１７ｃｍ−３、およびＲＭＳ表面粗度１ｎｍ未満を有する（製造業者によって測定）。
【００３９】
キャリアガスの変化以外、ＭＯＣＶＤ成長条件は、一般的には、ｃ−面（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜に対して使用されたものに非常に類似していた。すべてのＭＯＣＶＤ成長は、気圧（ＡＰ）、典型的なＶ／ＩＩＩ比（＞３０００）、および典型的な成長温度（＞１０００°Ｃ）で行われた。トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、アンモニア（ＮＨ３）、およびシラン（ＳｉＨ４）が、それぞれＧａ、Ｎ、およびＳｉ前駆体として使用された。表面形態上のキャリアガスの効果を判定するために、２つのＧａＮテンプレート成長が、異なるキャリアガスによって行われた。両成長に対して、［０００−１］方向におけるある範囲の意図的ミスカットを有するいくつかの自立型ｍ−面基板が、同時に、ＭＯＣＶＤリアクタ内に装填された。ＮＨ３およびキャリアガスから成る大気中において、試料を成長温度まで上昇させた後、約１０μｍ厚のＳｉドープＧａＮ薄膜が、自立型ｍ−面ＧａＮ基板の上部に成長させられた。ＧａＮ薄膜は、低温ＧａＮ核生成層を使用せず、自立型ｍ−面ＧａＮ基板の上部に直接高温で成長させられた。成長の過程において、すべてのキャリアガスおよび前駆体は、一定の流量に保持された。最後に、ＧａＮ薄膜の成長の終わりに、ＮＨ３およびＮ２から成る環境内において、試料を室温まで低下させた。
【００４０】
図７（ａ）−７（ｆ）および８（ａ）−８（ｆ）は、それぞれ、自立型ｍ−面ＧａＮ基板上に成長させられたＧａＮ薄膜の表面形態７００ａ、７００ｂ、７００ｃ、７００ｄ、７００ｅ、７００ｆ、８００ａ、８００ｂ、８００ｃ、８００ｄ、８００ｅ、および８００ｆ上のキャリアガスの効果ならびにミスカット角度を例示する光学顕微鏡写真を備えている。列挙された角度は、［０００−１］方向に向かう、基板のミスカットに対応する。それぞれ、図７（ａ）−７（ｃ）および図８（ａ）−８（ｃ）に示される試料７００ａ−ｃおよび８００ａ−ｃ（合計６つの試料）を、同時に自立型ｍ−面ＧａＮ基板をＭＯＣＶＤリアクタ内に装填し、１００％Ｈ２キャリアガスによって、ＧａＮ膜７００ａ−７００ｃおよび８００ａ−８００ｃを成長させることによって加工した一方、それぞれ、図７（ｄ）−７（ｆ）および図８（ｄ）−（ｆ）に示される試料７００ｄ−７００ｆならびに８００ｄ−８００ｆ（同様に、合計６つの試料）は、同時に、自立型ｍ−面ＧａＮ基板をＭＯＣＶＤリアクタ内に装填し、１００％Ｎ２キャリアガスによって、ＧａＮ膜７００ｄ−７００ｆおよび８００ｄ−８００ｆを成長させることによって加工された。顕微鏡写真から分かるように、キャリアガスの選択は、表面形態に相当な影響を及ぼした。０．６１°未満の小さな［０００−１］ミスカット角度を有する試料７００ａ−７００ｆに対して、Ｈ２キャリアガスの使用は、それぞれ、比較的に大きく、連続的ピラミッド形小丘７０４ａ、７０４ｂ、７０４ｃを有する表面７０２ａ、７０２ｂ、７０２ｃをもたらした［参考文献２］一方、Ｎ２キャリアガスの使用は、それぞれ、空間的に離間した中サイズのピラミッド形小丘７０６、７０８、７１０と、それぞれ、その間の領域を装飾する、非常に小さなピラミッド形小丘７１２、７１４、７１６とを有する表面７０２ｄ、７０２ｅ、および７０２ｆをもたらした。より大きな［０００−１］ミスカット角度に対して、Ｈ２キャリアガスの使用は、それぞれ、非常に粗いスレート状形態８０４ａ、８０４ｂ、８０４ｃを有する表面８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃをもたらした一方、Ｎ２キャリアガスの使用は、識別可能表面特徴の無い、光学的平滑表面８０２ｄ、８０２ｅ、８０２ｆをもたらした（例えば、表面８０２ｄ−８０２ｆの領域８０６にわたって）。
【００４１】
図９（ａ）−（ｆ）は、１０μｍ×１０μｍＡＦＭスキャンを含んでおり、それぞれ、ＧａＮ膜９０２ａ、９０２ｂ、９０２ｃ、９０２ｄ、９０２ｅ、および９０２ｆの原子準位表面形態９００ａ、９００ｂ、９００ｃ、９００ｄ、９００ｅ、ならびに９００ｆ上の［０００−１］ミスカットの効果を例示している。ピラミッド形小丘が存在する試料上では、ＡＦＭデータは、［０００−１］方向に対向するピラミッド形ファセットから収集されたが、その理由は、これが研究されるミスカットの方向であったためである。約１．５°より小さい［０００−１］ミスカット角度を有する基板上の膜９０２ａ−９０２ｃに対して、試料表面９００ａ−ｃは、原子準位規模で非常に平滑であったことが分かった。しかしながら、約１．５°より大きい［０００−１］ミスカット角度を有する基板上の膜９０２ｄ−９０２ｆに対しては、表面形態９００ｄ−９００ｆは、高密度の側方ストライエーション９０４、９０６、９０８によって支配された。
【００４２】
図１０は、［０００−１］ミスカット角度の関数として、ＲＭＳ粗度を示す。図１０から分かるように、ＲＭＳ粗度は、大部分が高密度の側方ストライエーション９０４、９０６、９０８に起因して、１．５°より大きい［０００−１］ミスカット角度に対して劇的に増加した。しかしながら、図７（ａ）−７（ｃ）に示されるように、角度０．６１°未満の［０００−１］ミスカットを有する試料７００ａ−７００ｆは、その原子準位平滑度にもかかわらず、高密度のピラミッド形小丘７０４ａ、７０４ｂ、７０４ｃ、７０６、７０８、７１０、７１２、７１４、７１６で被覆された。これらの理由から、本発明は、ｍ−面成長に対する任意の［０００−１］ミスカット角度は、０．７５°乃至１．５°の間のいずれかであると結論付ける。
【００４３】
平滑ＭＯＣＶＤ成長ＧａＮ膜（例えば、８００ｄ−８００ｆ）の実証後、図１１に示されるように、（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎレーザ構造が、高品質（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ素子を成長させるためのベースとしての平滑テンプレートとして、膜の実行可能性を確立するために、ＧａＮ膜の上面に成長させられた。
【００４４】
素子１１００成長に対して、［０００−１］方向に、角度１１０４（非極性面、例えば、ｍ−面１１０６に対して）を有するある範囲の意図的ミスカットを有するいくつかのＭＯＣＶＤ成長ＧａＮテンプレート１１０２が、同時に、ＭＯＣＶＤリアクタ内に装填された。ＮＨ３およびキャリアガスから成る大気中で、試料を成長温度まで上昇させた後、約２μｍ厚１１１０のＳｉドープＧａＮ薄膜１１０８が、１００％Ｎ２キャリアガス内において、ＧａＮテンプレート１１０２の上面に成長させられた。ＳｉドープＧａＮ層１１０８の成長後、８ｎｍ厚１１１４のＩｎＧａＮ壁１１１６および８ｎｍ厚１１１８ａ、１１１８ｂのＧａＮ障壁１１２０ａ、１１２０ｂを有する５周期多重量子井戸（ＭＱＷ）１１１２が、１００％Ｎ２キャリアガス内で成長させられた。次に、１５ｎｍ厚１１２２のＭｇドープｐ−ＡｌＧａＮ電子遮断層１１２４が、１００％Ｎ２キャリアガス内で成長させられた。最後に、７５０ｎｍ厚の１１２６Ｍｇドープｐ−ＧａＮ層１１２８および２０ｎｍ厚の１１３０Ｍｇドープｐ＋＋−ＧａＮ接触層１１３２が、１００％Ｈ２キャリアガス内で成長させられた。ｐ−ＧａＮ１１２８およびｐ＋＋−ＧａＮ接触層１１３２は、１００％Ｈ２キャリアガス内で成長させられたが、最終のエピタキシャル表面１１３４、１１３６は、１００％Ｎ２キャリアガス内で成長させられた下層の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ層１１０８、１１１６、１１２０ａ、１１２０ｂ、１１２４の表面１１３８、１１４０ａ、１１４０ｂ、１１４０ｃ、および１１４２に対して平滑な形態を維持した。ミスカットは、表面１１４６を有している。
【００４５】
ＭＯＣＶＤ成長後、レーザ構造１１００は、２００／３０００Å Ｐｄ／Ａｕ ｐ接点を有する３００μｍ×３００μｍＬＥＤに加工された。すべての測定は、注入電流２０ｍＡにおいて、ウエハ上のプロービングによって行われた。直流（ｄｃ）条件下での相対的な光強度測定は、較正された広域領域のＳｉ光ダイオード上へのＧａＮ基板１１０２を通した背面１１４４放出から得られた。図１２−１５は、テンプレートミスカットの関数として、レーザ構造の電気および光学特性を要約している。
【００４６】
図１２に示されるように、相対的な光強度は、テンプレートミスカットの増加に伴って若干減少した。しかしながら、この測定された出力パワーの減少は、テンプレート方位の増加に伴って表面粗度が減少することによる抽出効率の低下によるものであり得る。図１３および１４は、テンプレートミスカット１１０４の関数として、ＥＬスペクトルを要約している。図１３および１４に例示されるように、ＥＬピーク波長およびＥＬ ＦＷＨＭは、両方とも、テンプレートミスカットが増加しても全く均一のままであった。最後に、図１５に示されるように、２０ｍＡにおける順電圧は、ミスカット角度が増加しても、比較的に低く、一定のままであった。
【００４７】
本発明の一実施形態は、自立型の非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板上に（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜を成長させるステップを含む。しかしながら、本発明の範囲は、また、あらゆる可能性のある外来基板のあらゆる可能性のある結晶学的方位に成長させられた非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜も含む。
【００４８】
（プロセスステップ）
図１６は、本発明の一実施形態による素子（例えば（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）膜）を加工する方法を例示する工程図である。方法は、以下のステップを含み得る。
【００４９】
ブロック１６００は、非極性または半極性の基板あるいはテンプレートに低指数の結晶方位から外れたミスカットを提供するステップを表す。例えば、基板あるいはテンプレート１１０２は、一般的には、［０００−１］方向に向かう、０．７５°乃至１．５０°のミスカット角度１１０４を有するミスカットを有するｍ−面基板あるいはテンプレートである（ミスカットは、一般的には、ある規模、方向、および表面１１４６を有する）。基板は、（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板、例えば、自立型（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板であってもよい。（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板は、外来基板を厚い非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ層から除去することによって、またはバルク（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎインゴットまたはブールを個々の非極性または半極性（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎウエハに切成することによって、生成されてもよい。テンプレートは、（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎテンプレート、例えば、外来基板上にあってもよい。（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎテンプレートは、例えば、エピタキシャル側方成長法（ＥＬＯ）によって成長させられてもよい。
【００５０】
ブロック１６０２は、（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ（例えば、薄）膜を（例えば、直接）非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板あるいはテンプレート上に成長させるステップを表す。（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ膜１１０８は、非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板あるいはテンプレート１１０２の表面（例えば、表面１１４６を有するミスカット）上にあってもよい。
【００５１】
ブロック１６０４は、ブロック１１０２の成長ステップの際に、キャリアガスを使用するステップを表し、成長の際に使用されるキャリアガスの少なくとも一部は、不活性ガスから成る。不活性ガスは、Ｎ２、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、および／またはＸｅから成ってもよい。キャリアガスの１００％が、例えば、不活性ガスであってもよい。
【００５２】
キャリアガスの組成ならびに／あるいはミスカットの方向および／または規模は、（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜および／または任意の後続層の以下の特性のうちの少なくとも１つに影響を及ぼすように選択される。すなわち、表面形態、成長率、合金組成、発光特性、および電気特性である。
【００５３】
（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜は、可変または段階的な組成を有する複数の層を備えてもよい。（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜は、例えば、Ｇａ−極性面またはＮ−極性面上に成長させられてもよい。（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜は、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｚｎ、および／またはＭｇ等の要素によって、ドープされてもよい。しかしながら、また、（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜は、意図的に、ドープされなくてもよい。（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜は、核生成または緩衝層を含有してもよい。
【００５４】
ブロック１６０６は、先行ステップによって、加工された膜を表す。（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜は、例えば、ハイブリッド気相エピタキシ法（ＨＶＰＥ）、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、および／または分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）によって等、後続成長のための基板として使用されてもよい。
【００５５】
例えば、ブロック１６０６の膜１１０８は、平面かつ光学的平滑領域を有する非極性または半極性の面である上面１１３８を備える、非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ膜であってもよく、領域が、４００ｎｍ乃至６００ｎｍの光波長を有する光学顕微鏡によって測定される場合、識別可能な非平面表面の起伏または特徴２００、７０４ａ−ｃ、７０６、７０８、７１０、７１２、７１４、７１６が無く、領域は、上面１１３８の領域上の１つ以上の素子層のエピタキシャル析出１１１２、１１１６、１１２４、１１２８、１１３２のための基板として使用するために十分に大きく、素子層１１１６は、２０ミリアンペア駆動電流において、少なくとも２ミリワットの出力強度を有する光を発する。領域は、図８（ｄ）−（ｆ）に示される表面８０２ｄ−ｆの領域８０６、または図９（ａ）−（ｃ）に示される表面形態９００ａ−ｃの領域であって、例えば、少なくとも１００平方マイクロメートルであってもよい。
【００５６】
上面１１３８は、１００平方マイクロメートルの面積にわたって、上面１１３８におけるＧａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ、およびＮ原子の直径程度の表面粗度を伴って、原子的に平滑であってもよい。領域は、ストライエーション、例えば、側方ストライエーション９０４、９０６、９０８が無くてもよい。上面１１３８は、例えば、１００平方マイクロメートルの面積にわたって、ＲＭＳ０．５ｎｍまたは０．２５ｎｍ未満を有する表面粗度を有してもよい。
【００５７】
膜１１０８は、ｍ−面基板１１０２の表面１１４６上に析出されてもよく、表面１１４６は、［０００−１］方向に向かう、０．７５°乃至１．５０°のミスカット角度１１０４を有するｍ−面基板のミスカットであってもよい。
【００５８】
上面１１３８は、図２（ａ）−２（ｂ）、３（ａ）−３（ｆ）、４（ａ）−４（ｂ）、５、６（ａ）−６（ｂ）、７（ａ）−７（ｃ）、８（ａ）−８（ｃ）、および／または９（ｄ）−９（ｆ）に示される上面より平滑かつ平面であってもよい。例えば、上面１１３８は、図２（ａ）−２（ｂ）、３（ａ）−３（ｆ）、４（ａ）−４（ｂ）、５、６（ａ）−６（ｂ）、７（ａ）−７（ｃ）、８（ａ）−８（ｃ）、および／または９（ｄ）−９（ｆ）に示される表面と比較して、平面表面２０４、１１３８、８００ｄ−８００ｆに対して傾斜した表面２０２を有するより少ない（または、より小さい密度の）識別可能構造２００を有してもよい（例えば、識別可能構造は、ピラミッド形構造２００、小丘、特徴、表面起伏、または表面ストライエーションであり得る）。平面表面２０４、１１３８は、一般的には、基板表面１１４６と実質的に平行である。
【００５９】
上面１１３８は、図２（ａ）−２（ｂ）、３（ａ）−３（ｆ）、４（ａ）−４（ｂ）、５、６（ａ）−６（ｂ）、７（ａ）−７（ｃ）、８（ａ）−８（ｃ）、および／または９（ｄ）−９（ｆ）に示される表面起伏あるいはピラミッド形小丘と比較して、より小さい大きさの表面起伏、特徴、もしくはピラミッド形小丘を有してもよい。例えば、上面１１３８は、膜の上面より平滑であるか、または小さい表面粗度を有してもよく、その場合、ミスカット角度１１０４は、［０００−１］方向に０．７５より小さく、または［０００−１］方向に１．５０°を上回って離れる。
【００６０】
上面１１３８は、密度８．４×１０２ｃｍ−２または１．１×１０６ｃｍ−２、サイズ１０マイクロメートル、および／または勾配角度０．１°を有する、ピラミッド形小丘で特徴付けられた表面よりも平滑および平坦な平面であってもよい。例えば、上面１１３８は、図７（ｄ）−７（ｆ）、８（ｄ）−８（ｆ）、および／または９（ａ）−９（ｃ）に示される表面７０２ｄ−７０２ｆ、８０２ｄ−８０２ｆ、９００ａ−９００ｃと少なくとも同程度に平滑であるか、平滑度あるいは表面粗度を有してもよい。
【００６１】
膜は、ｍ−面ＧａＮ膜であってもよく、上面１１３８は、ＧａＮのｍ−面であってもよい。上述の上面の表面平滑度または粗度は、成長した状態のままである（ａｓ−ｇｒｏｗｎ）（すなわち、成長から直接生じる）が、表面処理（例えば、研磨／洗浄）は、成長後に行われてもよい。
【００６２】
ブロック１６０８は、ブロック１６０６の膜の上面１１３８上に、１つ以上の素子層１１１２、１１２４、１１２８、１１３２を析出（例えば、成長）させるステップを表す。素子層１１１２、１１２４、１１２８、１１３２は、Ｈ２から成るキャリアガスの少なくとも一部（または、１００％）によって、成長させられてもよい。１つ以上の素子層１１１２、１１２４、１１２８、１１３２は、Ｈ２から成るキャリアガスの少なくとも一部（または、１００％）によって成長させられ得る、１つ以上のｐ型ドープ層１１２４、１１２８、１１３２を備えてもよい。素子層１１１２、１１２４、１１２８、１１３２は、膜１１０８の上面１１３８と少なくとも同程度に平滑である、上面１１３４、１１３６、１１４０ｃを有してもよい。
【００６３】
ブロック１６１０は、先行ステップの最終結果、例えば、非極性または半極性のＬＥＤ、レーザ、またはトランジスタ等の素子（例えば、光電子素子）を表す。
【００６４】
（可能性のある修正例）
また、成長温度、成長圧力、Ｖ／ＩＩＩ比、前駆体流量、および原材料等のＭＯＣＶＤ成長条件の変形例も、本発明の範囲から逸脱することなく、可能である。界面の質の制御は、プロセスの重要な側面であって、特定のリアクタ設計の流量切替え能力に直接関連する。成長条件の継続的な最適化によって、上述の非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜のより正確な組成および厚さの制御をもたらすことが可能である。
【００６５】
上述の非極性のＧａＮ薄膜の表面形態は、１００％Ｎ２のキャリアガス内で膜を成長させることによって改良された。しかしながら、また、本発明の範囲は、キャリアガスの一部が不活性ガスから成る、任意のキャリアガス内における非極性または半極性の窒化物（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜の成長も網羅している。この不活性ガスは、Ｎ２、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、および／またはＸｅを含んでもよい。そのようなキャリアガスおよび本明細書に列挙されないその他の使用も本発明の範囲内である。
【００６６】
上述の薄膜は、自立型の非極性のＧａＮ基板上に直接成長させられた単一の均質および連続な層のＧａＮから成る。しかしながら、また、本発明の範囲は、可変または段階的組成を有する複数の層から成る（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜も網羅している。
【００６７】
また、付加的な不純物またはドーパントも、本発明に説明される非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜に組み込むことが可能である。例えば、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｓｉ、およびＺｎは、多くの場合、窒化物ヘテロ構造内の種々の層に追加され、それらおよび隣接する層の伝導特性を改変する。そのようなドーパントおよび本明細書に列挙されないその他の使用も、本発明の範囲内である。
【００６８】
また、本発明の範囲は、技術説明において引用される１つの非極性方位（ｍ−面）よりも多くを網羅する。この概念はまた、窒化物系半導体素子を成長させるために使用可能なあらゆる非極性および半極性面に関する。用語「非極性面」は、集合的にａ−面として知られる｛１１−２０｝面と、集合的にｍ−面として知られる｛１０−１０｝面とを含む。用語「半極性面」は、ｃ−面、ａ−面、またはｍ−面として分類不可能な任意の面を指すために使用することが可能である。結晶学的用語では、半極性面は、少なくとも２つの非ゼロのｈ、ｉ、またはｋミラー指数、および非ゼロのｌミラー係数を有する任意の面となるであろう。
【００６９】
また、本発明は、特定の結晶極性の選択も網羅する。波括弧｛｝の使用は、本書を通して、対称性同等面群を指す。したがって、｛１０−１２｝群は、（１０−１２）、（−１０１２）、（１−１０２）、（−１１０２）、（０１−１２）、および（０−１１２）面を含む。これらの面はすべて、Ｇａ−極性であって、結晶のｃ−軸が、基板からずれて指向することを意味する。同様に、｛１０−１−２｝群は、（１０−１−２）、（−１０１−２）、（１−１０−２）、（−１１０−２）、（０１−１−２）、および（０−１１−２）面を含む。これらの平面はすべて、Ｎ−極性であって、結晶のｃ−軸が、基板に向かって指向することを意味する。単一結晶群内の平面はすべて、本発明の目的に該当するが、極性の選択は、成長プロセスの挙動に影響を及ぼし得る。いくつかの用途では、Ｎ−極性半極性面上に成長させることが望ましい一方、他の場合では、Ｇａ−極性面上の成長が、好ましいであろう。両方の極性が、本発明の実践のために容認可能である。
【００７０】
さらに、自立型の非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板以外の基板が、（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜成長のために使用可能である。本発明の範囲は、あらゆる可能性のある外来基板のあらゆる可能性のある結晶学的方位上における非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜の成長を含む。これらの外来基板として、炭化ケイ素、窒化ガリウム、シリコン、酸化亜鉛、窒化ホウ素、アルミン酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ゲルマニウム、窒化アルミニウム、没食子酸リチウム、部分的置換スピネル、およびγ−ＬｉＡｌＯ２構造を共有する四成分正方晶酸化物を含むが、それらに限定されない。
【００７１】
さらに、非極性または半極性の窒化物核生成（または、緩衝）層および核生成層成長法における変形例も、本発明の実践のために容認可能である。核生成層の成長温度、成長圧力、方位、および組成は、後続非極性または半極性薄膜およびヘテロ構造の成長温度、成長圧力、方位、ならびに組成に整合する必要はない。本発明の範囲は、あらゆる可能性のある核生成層および核生成層成長法を使用して、あらゆる可能性のある基板上に非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜を成長させることを含む。
【００７２】
上述の非極性のＧａＮ薄膜は、自立型の非極性のＧａＮ基板上に成長させられた。しかしながら、また、本発明の範囲は、エピタキシャル側方成長法（ＥＬＯ）（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎテンプレート上に成長させられた非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜も網羅している。ＥＬＯ法は、後続エピタキシャル層内の貫通転位（ＴＤ）密度を減少させる方法である。ＴＤ密度の減少は、素子性能の改良につながり得る。ｃ−面窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザの場合、これらの改良として、出力パワーの増加、内部量子効率の上昇、素子寿命の延長、および閾値電流密度の減少が挙げられ得る［参考文献１９］。これらの利点は、ＥＬＯテンプレート上に成長させられたすべての非極性または半極性の窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザに関連するであろう。
【００７３】
上述の技術説明は、ＨＶＰＥによって、ｃ−方向に成長させられ、次いで、ｍ−面表面を曝露するようにスライスされた、自立型の非極性のＧａＮ基板上の非極性のＧａＮ薄膜の成長について論じた。また、自立型の非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板は、外来基板を厚い非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ層から除去することによって、バルク（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎインゴットまたはブールを個々の非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎウエハに切生することによって、あるいは任意の他の可能性のある結晶成長またはウエハ製造法によって、生成されてもよい。本発明の範囲は、あらゆる可能性のある結晶成長法およびウエハ製造法によって生成される、あらゆる可能性のある自立型非極性または半極性（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎウエハ上の非極性または半極性（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜の成長を含む。
【００７４】
（利点および改良点）
既存の実践は、極性［０００１］ｃ−方向に沿って、窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザを成長させることである。付随分極誘導電場および本質的に大きい有効正孔質量は、最先端のｃ−面窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザの性能に悪影響を及ぼす。非極性または半極性面上の窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザの成長は、分極効果を低減させ、有効正孔質量を減少させることによって、素子性能を大幅に改良可能である。
【００７５】
本発明は、非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板上の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜の表面形態を改良するための方法について説明する。これらの平滑（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜は、高性能の非極性または半極性の窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザの成長のためのテンプレートとしての役割を果たすことが可能である。サファイア上のｃ−面（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎの高温成長に対して、ほとんどのグループが、キャリアガスとして、１００％Ｈ２の使用を報告している。一般的な成長条件下では、キャリアガスとしての１００％Ｈ２の使用は、最小転位密度および最平滑エピタキシャル表面を有するｃ−面（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎエピタキシャル層をもたらす［参考文献１］。しかしながら、一般的なｃ−面（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ成長条件が、非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板上での（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎの再成長のために使用される場合、独特の表面形態が生じ得る［参考文献２−４］。本発明は、Ｎ２等の不活性キャリアガスを使用することによって、非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板上の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜の成長形態を改良するための方法について説明する。
【００７６】
改良された表面形態は、非極性または半極性の窒化物素子製造業者に対して、所与の素子内の個々の層の厚さ、組成、ドーピング、電気特性、および発光特性におけるより優れた均一性を含むがそれらに限定されない、いくつかの利点をもたらすことが可能である。さらに、平滑表面は、特に、非極性または半極性の窒化物レーザダイオードにとって有益であって、光学散乱損失の大幅な低減をもたらすことが可能である。
【００７７】
本発明の用途として、固体投写型ディスプレイ、高解像度プリンタ、高密度光学データ記憶システム、次世代ＤＶＤプレーヤ、高効率固体照明、光感知用途、および医療用途が挙げられる。
【００７８】
（参考文献）
以下の参考文献は、参照することにより本明細書にその全体が組み込まれる。
【００７９】
【表１−１】
【００８０】
【表１−２】
（結論）
これは、本発明の好適な実施形態の説明を締めくくるものである。本発明の１つ以上の実施形態の上述の説明は、図解および説明のために示したものである。この記述は、網羅的であること、または本発明を開示された形態に限定することを意図したものではない。上述の教示に照らして、多数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、むしろ本明細書に添付された請求項によって限定されることを意図する。
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、同時係属で共通譲受人の下記の出願；
Ｒｏｂｅｒｔ Ｍ．Ｆａｒｒｅｌｌ、Ｍｉｃｈａｅｌ Ｉｚａ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによる米国仮特許出願第６１／１５６，７１０号（名称「ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＩＭＰＲＯＶＩＮＧ ＳＵＲＦＡＣＥ ＭＯＲＰＨＯＬＯＧＹ ＯＦ （Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭＳ ＡＮＤ ＤＥＶＩＣＥＳ ＧＲＯＷＮ ＯＮ ＮＯＮＰＯＬＡＲ ＯＲ ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ （Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ」、２００９年３月２日出願、代理人整理番号第３０７９４．３０６−ＵＳ−Ｐ１（２００９−４２９−１）号）；および
Ｒｏｂｅｒｔ Ｍ．Ｆａｒｒｅｌｌ、Ｍｉｃｈａｅｌ Ｉｚａ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによる米国仮特許出願第６１／１８４，５３５号（名称「ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＩＭＰＲＯＶＩＮＧ ＳＵＲＦＡＣＥ ＭＯＲＰＨＯＬＯＧＹ ＯＦ （Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭＳ ＡＮＤ ＤＥＶＩＣＥＳ ＧＲＯＷＮ ＯＮ ＮＯＮＰＯＬＡＲ ＯＲ ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ （Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ」、２００９年６月５日出願、代理人整理番号第０７９４．３０６−ＵＳ−Ｐ２ （２００９−４２９−２）号）；
の米国特許法第１１９条第（ｅ）項の利益を主張し、これらの出願は、本明細書に参考として援用される。
【０００２】
（１．発明の分野）
本発明は、半導体材料、方法、および素子に関し、より具体的には、非極性または半極性の窒化物発光ダイオード（ＬＥＤ）およびダイオードレーザの成長に関する。
【背景技術】
【０００３】
（２．関連技術の説明）
（注：本願は、明細書の全体を通して示されるように、角括弧内の１つ以上の参照番号、例えば［Ｒｅｆ（ｓ）．ｘ］によって多数の異なる刊行物を参照する。これらの参照番号による順序で示されるこれらの異なる刊行物の一覧は、以下の「参考文献」という表題の項に見出すことができる。これらの刊行物のそれぞれは、参照することによって本明細書に組み込まれる。）
窒化ガリウム（ＧａＮ）および（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ合金の有用性は、可視光および紫外線光電子素子ならびに高出力電子素子の加工に対して確立されている。最先端の窒化物薄膜、ヘテロ構造、および素子は、［０００１］軸に沿って成長させられる。そのような膜の全分極は、自発および圧電分極寄与から構成され、その両方とも、図１（ａ）に例示されるように、ウルツ鉱窒化物結晶構造１０２の単極性［０００１］軸１００から生じる。窒化物ヘテロ構造が、疑似形態的に成長させられる場合、分極断絶が、表面（例えば、図１（ａ）に示される、ｃ−面表面１０４）および結晶１０２内の界面に形成される。これらの断絶は、表面および界面におけるキャリアの蓄積または枯渇につながり、順に、電場を引き起こす。これらの分極誘導電場の方位は、窒化物薄膜およびヘテロ構造の典型的［０００１］成長方向と一致するため、これらの場は、窒化物素子のエネルギーバンドを「傾動」させる効果を有する。
【０００４】
ｃ−面ウルツ鉱窒化物量子井戸では、「傾動された」エネルギーバンドは、図１（ｂ）に例示されるように、電子波動関数１０６および正孔波動関数１０８を空間的に分離する。本空間電荷分離は、放射遷移の振動子強度を低減させ、放出波長を赤方偏移させる。これらの効果は、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）の現れであって、窒化物量子井戸に関して、徹底的に分析されている［参考文献５−８（非特許文献１−４）］。加えて、大規模分極誘導電場は、ドーパントおよび注入されたキャリアによって、部分的に遮蔽される可能性があり［参考文献９、１０（非特許文献５、６）］、放出特性を正確に設計することを困難にする。
【０００５】
さらに、疑似形態的の二軸性歪みは、ｃ−面ウルツ鉱窒化物量子井戸内における有効正孔質量の減少にほとんど影響を及ぼさないことが理論的に予測されている［参考文献１１（非特許文献７）］。これは、典型的ＩＩＩ−Ｖ閃亜鉛鉱型ＩｎＰ−系およびＧａＡｓ−系量子井戸と全く対照的であって、重正孔および軽正孔バンドの異方性歪み誘導分裂が、有効正孔質量の大幅な減少につながる。有効正孔質量の減少は、典型的ＩＩＩ−Ｖ閃亜鉛鉱型ＩｎＰ−およびＧａＡｓ−系量子井戸内の任意の所与のキャリア密度に対する擬フェルミ準位分離の大幅な増加につながる。擬フェルミ準位分離の本増加の直接的結果として、遥かに小さいキャリア密度が、光学利得を発生させるために必要とされる［参考文献１２（非特許文献８）］。しかしながら、ウルツ鉱窒化物結晶構造の場合、二軸性歪みｃ−面窒化物量子井戸における窒素原子の六方対称かつ小スピン軌道結合は、重正孔および軽正孔バンドのごくわずかな分裂をもたらす［参考文献１１（特許文献７）］。したがって、有効正孔質量は、二軸性歪みｃ−面窒化物量子井戸内の有効電子質量より遥かに大きいまま、非常に高電流の密度が、ｃ−面窒化物ダイオードレーザにおいて光学利得を発生させるために必要とされる。
【０００６】
窒化物素子内の分極効果を低下させるアプローチの１つは、結晶の非極性面上の素子を成長させることである。これらは、集合的にａ−面として知られる｛１１−２０｝面と、集合的にｍ−面として知られる｛１０−１０｝面とを含む。そのような面は、面当たり等しい数のガリウムおよび窒素原子を含有し、電荷中性である。後続非極性層は、相互に同等であって、したがって、バルク結晶は、成長方向に沿って分極されないであろう。
【０００７】
窒化物素子内の分極効果および有効正孔質量を減少させる別のアプローチは、結晶の半極性面上の素子を成長させることである。「半極性面」という用語は、ｃ−面、ａ−面、またはｍ−面として分類することができない、あらゆる面を指すために使用可能である。結晶学用語において、半極性面とは、少なくとも２つの非ゼロのｈ、ｉ、ｋミラー指数、および非ゼロのｌミラー係数である。後続非極性層は、相互に同等であって、したがって、バルク結晶は、成長方向に沿って、分極低下を有するであろう。
【０００８】
歪みｃ−面ＩｎｘＧａ１−ｘＮ量子井戸と異なり、歪み非極性または半極性ＩｎｘＧａ１−ｘＮ量子井戸は、重正孔および軽正孔バンドの異方性分裂を呈し、そのような構造に対する有効正孔質量の減少につながることが予測されている［参考文献１３（非特許文献９）］。圧縮歪みＩｎｘＧａ１−ｘＮ量子井戸に対する多体光学利得の自己無撞着計算は、ピーク利得が、有効正孔質量および正味量子井戸分極に非常に敏感であって、ピーク利得は、一般的成長方位とｃ−軸との間の角度の増加に伴って、劇的に上昇し、ｃ−軸に垂直な成長方位（すなわち、非極性面上）に対して、最大値に達することを示唆する［参考文献１４、１５（非特許文献１０、１１）］。
【０００９】
最後に、市販のｃ−面窒化物ＬＥＤは、その電界発光において、いかなる程度の光分極も呈さない。一方、非極性または半極性窒化物ＬＥＤは、その電界発光において、強力な光分極を実証している［参考文献１６−１８（非特許文献１２−１４）］。本光分極は、圧縮歪み非極性または半極性ＩｎｘＧａ１−ｘＮ量子井戸内の重正孔および軽正孔バンドの異方性歪み誘導分裂に起因し、異なる光学マトリクス要素の規模において、大幅な相違につながり得る。
【００１０】
しかしながら、最先端の非極性または半極性（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板は、独特な表面形態を呈する［参考文献２−４（非特許文献１５−１７）］。
【００１１】
図２（ａ）−（ｃ）は、［参考文献２（非特許文献１５）］から抜粋されたものであって、図２（ａ）および図２（ｂ）は、ｍ−面ｎ型ＧａＮ膜およびｍ−面ＬＥＤ構造の上面を示す、Ｎｏｍａｒｓｋｉ光学顕微鏡写真であって、それぞれ、ピラミッド形小丘２００を示しており、図２（ｃ）は、高さｈ、幅ｗ、および長さｌを有するピラミッド形小丘２００の断面を示す、概略図であって、ｍ−面ＧａＮ膜は、公称上の軸上ｍ−面ＧａＮ基板上に成長させられる。
【００１２】
図３（ａ）−（ｇ）もまた、［参考文献２（非特許文献１５）］から抜粋されたものであって、図３（ａ）は、４つのピラミッド面（２つのａ−傾斜面ａ１およびａ２と、２つのｃ−傾斜面ｃ＋およびｃ−）を示す、１０×１０μｍ２面積にわたるｎ型ＧａＮ膜の振幅像を示し、ピラミッドの勾配角度は、ａ−傾斜ピラミッド面に対して０．１°であって、ｃ−傾斜面に対して０．５°−０．６°であって、図３（ｂ）は、ｍ−面ＬＥＤ構造の振幅像であって、図３（ｃ）−（ｆ）は、それぞれ、図３（ｂ）におけるＬＥＤ構造のｃ−、ａ１、ａ２、およびｃ＋傾斜面に対する高さ像であって、図３（ｇ）は、微視的ピラミッドによって装飾されたａ−およびｃ＋傾斜小丘面を示す概略図である（図３（ｄ）、（ｅ）、および（ｆ）における小丘の平面図ならびに断面図）。
【００１３】
図４（ａ）−（ｂ）もまた、［参考文献２（特許文献１５）］から抜粋されたものであって、異なるミスカット方向およびミスカット角度を伴って、軸外基板上に成長させられたｍ−面ＧａＮ膜の一連のＮｏｍａｒｋｓｉ光学顕微鏡写真を示し、図４（ａ）では、ａ−ミスカット角度は、０．１°ずつ０°乃至０．３５°と０．５２°に及び（左から右に）、図４（ｂ）では、ｃ−ミスカット角度は、それぞれ、左から右に０．０１°、０．４５°、５．４°、および９．７°である。
【００１４】
図５は、［参考文献３（非特許文献１６）］から抜粋されたものであって、光学微分干渉顕微鏡によって観察された、レーザ構造のエピタキシャル成長後のｍ−面ＧａＮ基板の表面形態を示す。
【００１５】
図６（ａ）−（ｂ）は、［参考文献４（非特許文献１７）］から抜粋されたものであって、図６（ａ）および図６（ｂ）は、それぞれ、＜０００１＞方向に向かって、方位０．２°および２．２°を伴う、オフ角基板上に成長させられたｍ−面ＧａＮのＮｏｍａｒｓｋｉ光学顕微鏡写真である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】Ｔ．Ｔａｋｅｕｃｈｉ，Ｓ．Ｓｏｔａ，Ｍ．Ｋａｔｓｕｒａｇａｗａ，Ｍ．Ｋｏｍｏｒｉ，Ｈ．Ｔａｋｅｕｃｈｉ，Ｈ．Ａｍａｎｏ，ａｎｄ Ｉ．Ａｋａｓａｋｉ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，３６，Ｌ３８２（１９９７）．
【非特許文献２】Ｐ．Ｌｅｆｅｂｖｒｅ，Ａ．Ｍｏｒｅｌ，Ｍ．Ｇａｌｌａｒｔ，Ｔ．Ｔａｌｉｅｒｃｉｏ，Ｊ．Ａｌｌｅｇｒｅ，Ｂ．Ｇｉｌ，Ｈ．Ｍａｔｈｉｅｕ，Ｂ．Ｄａｍｉｌａｎｏ，Ｎ．Ｇｒａｎｄｊｅａｎ，ａｎｄ Ｊ．Ｍａｓｓｉｅｓ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７８，１２５２（２００１）．
【非特許文献３】Ｎ．Ｇｒａｎｄｊｅａｎ，Ｂ．Ｄａｍｉｌａｎｏ，Ｓ．Ｄａｌｍａｓｓｏ，Ｍ．Ｌｅｒｏｕｘ，Ｍ．Ｌａｕｇｔ，ａｎｄ Ｊ．Ｍａｓｓｉｅｓ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，８６，３７１４（１９９９）．
【非特許文献４】Ｊ．Ｓ．Ｉｍ，Ｈ．Ｋｏｌｌｍｅｒ，Ｊ．Ｏｆｆ，Ａ．Ｓｏｈｍｅｒ，Ｆ．Ｓｃｈｏｌｚ，ａｎｄ Ａ．Ｈａｎｇｌｅｉｔｅｒ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ，５７，Ｒ９４３５（１９９８）．
【非特許文献５】Ａ．Ｄｉ Ｃａｒｌｏ，Ｆ．Ｄｅｌｌａ Ｓａｌａ，Ｐ．Ｌｕｇｌｉ，Ｖ．Ｆｉｏｒｅｎｔｉｎｉ，ａｎｄ Ｆ．Ｂｅｒｎａｒｄｉｎｉ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７６，３９５０（２０００）．
【非特許文献６】Ｆ．Ｄｅｌｌａ Ｓａｌａ，Ａ．Ｄｉ Ｃａｒｌｏ，Ｐ．Ｌｕｇｌｉ，Ｆ．Ｂｅｒｎａｒｄｉｎｉ，Ｖ．Ｆｉｏｒｅｎｔｉｎｉ，Ｒ．Ｓｃｈｏｌｚ，ａｎｄ Ｊ．Ｍ．Ｊａｎｃｕ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７４，２００２（１９９９）．
【非特許文献７】Ｍ．Ｓｕｚｕｋｉ ａｎｄ Ｔ．Ｕｅｎｏｙａｍａ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，３５，１４２０（１９９６）．
【非特許文献８】Ｅ．Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ ａｎｄ Ｅ．Ｏ．Ｋａｎｅ，Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈ．，４，５０４（１９８６）．
【非特許文献９】Ｓ．Ｈ．Ｐａｒｋ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，９１，９９０４（２００２）．
【非特許文献１０】Ｓ．Ｈ．Ｐａｒｋ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ，４２，Ｌ１７０（２００３）．
【非特許文献１１】Ｓ．Ｈ．Ｐａｒｋ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，９３，９６６５（２００３）．
【非特許文献１２】Ｎ．Ｆ．Ｇａｒｄｎｅｒ，Ｊ．Ｃ．Ｋｉｍ，Ｊ．Ｊ．Ｗｉｅｒｅｒ，Ｙ．Ｃ．Ｓｈｅｎ，ａｎｄ Ｍ．Ｒ．Ｋｒａｍｅｓ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．，８６，１１１１０１（２００５）．
【非特許文献１３】Ｈ．Ｍａｓｕｉ，Ａ．Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ，Ｂ．Ａ．Ｈａｓｋｅｌｌ，Ｕ．Ｋ．Ｍｉｓｈｒａ，Ｊ．Ｓ．Ｓｐｅｃｋ，Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ，Ｓ．Ｐ．Ｄｅｎｂａａｒｓ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ，４４，Ｌ１３２９（２００５）．
【非特許文献１４】Ｔ．Ｋｏｙａｍａ，Ｔ．Ｏｎｕｍａ，Ｈ．Ｍａｓｕｉ，Ａ．Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ，Ｂ．Ａ．Ｈａｓｋｅｌｌ，Ｓ．Ｋｅｌｌｅｒ，Ｕ．Ｋ．Ｍｉｓｈｒａ，Ｊ．Ｓ．Ｓｐｅｃｋ，Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ，Ｓ．Ｐ．Ｄｅｎｂａａｒｓ，Ｔ．Ｓｏｔａ，Ｓ．Ｆ．Ｃｈｉｃｈｉｂｕ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，８９，０９１９０６（２００６）．
【非特許文献１５】Ａ．Ｈｉｒａｉ，Ｚ．Ｊｉａ，Ｍ．Ｃ．Ｓｃｈｍｉｄｔ，Ｒ．Ｍ．Ｆａｒｒｅｌｌ，Ｓ．Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ，Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ，Ｊ．Ｓ．Ｓｐｅｃｋ，Ｋ．Ｆｕｊｉｔｏ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，９１，１９１９０６（２００７）．
【非特許文献１６】Ｙ．Ｔｓｕｄａ，Ｍ．Ｏｈｔａ，Ｐ．Ｏ．Ｖａｃｃａｒｏ，Ｓ．Ｉｔｏ，Ｓ．Ｈｉｒｕｋａｗａ，Ｙ．Ｋａｗａｇｕｃｈｉ，Ｙ．Ｆｕｊｉｓｈｉｒｏ，Ｙ．Ｔａｋａｈｉｒａ，Ｙ．Ｕｅｔａ，Ｔ．Ｔａｋａｋｕｒａ，ａｎｄ Ｔ．Ｙｕａｓａ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｅｘｐｒｅｓｓ，１，０１１１０４（２００８）．
【非特許文献１７】Ｋ．Ｏｋａｍｏｔｏ，Ｈ．Ｏｈｔａ，Ｄ．Ｎａｋａｇａｗａ，Ｍ．Ｓｏｎｏｂｅ，Ｊ．Ｉｃｈｉｈａｒａ，ａｎｄ Ｈ．Ｔａｋａｓｕ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，４５，Ｌ１１９７（２００６）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
より平滑な非極性および半極性膜を提供する必要性が存在する。本発明は、この必要性を充足する。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、非極性または半極性（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板上における（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜の表面形態を改良するための方法について説明する。得られた平滑（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜は、高性能の非極性または半極性の窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザの成長のためのテンプレートとしての役割を果たすことが可能である。有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）および水素化物気相エピタキシ法（ＨＶＰＥ）等の一般的気相エピタキシ法を使用して、（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜を成長させることが可能である。しかしながら、本発明は、任意の他の好適な気相成長法による（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜成長にも、同等に適用可能である。
【００１９】
非極性または半極性の窒化物薄膜およびヘテロ構造の成長は、分極効果を低下させ、ウルツ鉱窒化物素子構造内の有効正孔質量を減少させる手段をもたらす。用語「窒化物」、「（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ」、または「ＩＩＩ−窒化物」とは、式ＧａｗＡｌｘＩｎｙＢｚＮ（式中、０≦ｗ≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、およびｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を有する（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ半導体の任意の合金組成を指す。現在市販のＬＥＤおよびダイオードレーザは、極性［０００１］ｃ−方向に沿って成長させられる。付随する分極誘導電場および本質的に大きい有効正孔質量は、最先端の窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザの性能に悪影響をもたらす。非極性または半極性面上におけるこれらの素子の成長は、分極誘導電場を低減させ、有効正孔質量を減少させることによって、素子性能を大幅に改良可能である。
【００２０】
サファイア上におけるｃ−面（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎの高温成長の場合、大部分のグループが、キャリアガスとして１００％Ｈ２の使用を報告している。典型的成長条件下では、キャリアガスとしての１００％Ｈ２の使用は、ｃ−面（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎエピタキシャル層に最小転位密度および最平滑エピタキシャル表面をもたらす［参考文献１］。しかしながら、典型的ｃ−面（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ成長条件が、非極性または半極性（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板上における（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎの再成長のために使用される場合、独特な表面形態が、生じ得る［参考文献２−４］。
【００２１】
本発明は、Ｎ２等の不活性キャリアガスを使用することによって、非極性または半極性（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板上の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜の成長形態を改良するための方法について説明する。例えば、本発明は、［参考文献２−４］で成長させられた膜と比較して、非極性および半極性膜の表面平滑度を改良可能である。
【００２２】
改良された表面形態は、非極性または半極性窒化物素子製造業者に対して、所与の素子内の個々の層の厚さ、組成、ドーピング、電気特性、および発光特性における、より優れた均一性を含むが、それらに限定されない、いくつかの利点をもたらし得る。さらに、平滑表面は、特に、非極性または半極性窒化物レーザダイオードに有益であって、光散乱損失の大幅な減少につながり得る。
【００２３】
したがって、上述の先行技術における制限を克服するために、かつ本明細書の熟読および理解に応じて明白となるであろう他の制限を克服するために、本発明は、非極性または半極性（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板あるいはテンプレート上に（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜を直接成長させるステップと、成長ステップの際、キャリアガスを使用するステップと、を備え、キャリアガスの少なくとも一部は、不活性ガスから成る、（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜を加工するための方法を開示する。
【００２４】
さらに、本方法は、基板またはテンプレートに、低指数の結晶方位から外れたミスカットを提供するステップを備えてもよい。例えば、基板またはテンプレートは、ｍ−面基板あるいはテンプレートであってもよく、ミスカットは、［０００−１］方向に向かって、０．７５°乃至１．５０°のミスカット角度を有してもよく、（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ膜は、ミスカットの表面上に成長させられてもよい。
【００２５】
不活性ガスは、窒素（Ｎ２）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、またはキセノン（Ｘｅ）のうちの１つ以上から成ってもよい。例えば、キャリアガスの一部または１００％が、不活性ガスであってもよい。
【００２６】
１つ以上の素子層が、膜の上面に析出されてもよく、素子層は、Ｈ２および／またはＮ２から成る、キャリアガスの少なくとも一部（または、１００％）によって、成長させられてもよい。１つ以上の素子層は、素子の１つ以上のｐ型ドープ層を備えてもよく、ｐ型ドープ層は、Ｈ２から成る、キャリアガスの少なくとも一部（または、１００％）によって、成長させられてもよい。
【００２７】
さらに、本発明は、非極性または半極性の面であって、平面かつ光学的平滑領域を有することによって、領域が、光学顕微鏡を使用して、４００ナノメートル乃至６００ナノメートルの光波長を用いて測定される場合、識別可能な非平面表面起伏または特徴が無い、上面を備え、領域が、上面の領域上に１つ以上の素子層のエピタキシャル析出のための基板として使用するために十分に大きく、素子層が、２０ミリアンペア（ｍＡ）駆動電流時、少なくとも２ミリワットの出力パワーを有する光を発する、非極性または半極性（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ膜を開示する。
【００２８】
領域は、ストライエーションが無くてもよい。
【００２９】
領域は、例えば、少なくとも１００平方マイクロメートルであってもよい。上面は、１００平方マイクロメートルの面積にわたって、上面におけるＧａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ、およびＮ原子の直径程度の表面粗度を伴って、原子的に平滑であってもよい。上面は、１００平方マイクロメートルの面積にわたって、０．５または０．２５ナノメートル（ｎｍ）未満の二乗平均平方根（ＲＭＳ）を伴う、表面粗度を有してもよい。
【００３０】
上面は、図２（ａ）、２（ｂ）、３（ａ）−３（ｆ）、４（ａ）−４（ｂ）、５、６（ａ）、６（ｂ）、７（ａ）−７（ｃ）、８（ａ）−８（ｃ）、または９（ｄ）−９（ｆ）に示される上面より平滑かつより平面であってもよい。上面は、密度８．４×１０２ｃｍ−２または１．１×１０６ｃｍ−２、サイズ１０マイクロメートル、および／または勾配角度０．１°を有する、ピラミッド形小丘で特徴付けられた表面よりも平滑であってもよい。上面は、図７（ｄ）−７（ｆ）、８（ｄ）−８（ｆ）、または９（ａ）−９（ｃ）に示される表面と少なくとも同程度平滑の平滑度あるいは表面粗度を有してもよい。
【００３１】
膜は、ｍ−面基板の表面上に析出されてもよく、ｍ−面基板の表面は、［０００−１］方向に向かって、０．７５°乃至１．５０°のミスカット角度を伴う、ミスカットであってもよい。
【００３２】
膜は、ｍ−面ＧａＮ膜であってもよく、上面は、ｍ−面ＧａＮ膜のｍ−面であってもよい。上面の表面平滑度または粗度は、典型的には、そのまま成長させられる。素子層の上面は、膜の上面と少なくとも同程度平滑であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
以下、同じ参照符号が対応する要素を示す、複数の図面を参照する。
【図１】図１（ａ）は、ウルツ鉱窒化物結晶構造の概略図であって、図１（ｂ）は、分極誘導電場による圧縮歪みＩｎｘＧａ１−ｘＮ量子井戸内のバンド屈曲の概略図であって、Ｅｃは、伝導バンドであって、Ｅｖは、価電子バンドである。
【図２】図２（ａ）−２（ｃ）、３（ａ）−３（ｇ）、４（ａ）−４（ｂ）、５および６（ａ）−６（ｂ）は、［参考文献２−４］において加工されたＧａＮ膜およびＬＥＤ構造の表面形態の画像である。
【図３】図２（ａ）−２（ｃ）、３（ａ）−３（ｇ）、４（ａ）−４（ｂ）、５および６（ａ）−６（ｂ）は、［参考文献２−４］において加工されたＧａＮ膜およびＬＥＤ構造の表面形態の画像である。
【図４】図２（ａ）−２（ｃ）、３（ａ）−３（ｇ）、４（ａ）−４（ｂ）、５および６（ａ）−６（ｂ）は、［参考文献２−４］において加工されたＧａＮ膜およびＬＥＤ構造の表面形態の画像である。
【図５】図２（ａ）−２（ｃ）、３（ａ）−３（ｇ）、４（ａ）−４（ｂ）、５および６（ａ）−６（ｂ）は、［参考文献２−４］において加工されたＧａＮ膜およびＬＥＤ構造の表面形態の画像である。
【図６】図２（ａ）−２（ｃ）、３（ａ）−３（ｇ）、４（ａ）−４（ｂ）、５および６（ａ）−６（ｂ）は、［参考文献２−４］において加工されたＧａＮ膜およびＬＥＤ構造の表面形態の画像である。
【図７】図７（ａ）−７（ｆ）および８（ａ）−８（ｆ）は、キャリアガスの効果と、自立型ｍ−面ＧａＮ基板上に成長させられたＧａＮ薄膜の表面形態上のミスカット角度を例示する、光学顕微鏡写真（縮尺：１２５マイクロメートル（μｍ））を備え、図７（ａ）−７（ｃ）および図８（ａ）−８（ｃ）は、Ｈ２キャリアガスによって加工され、図７（ｄ）−７（ｆ）および図８（ｄ）−８（ｆ）は、Ｎ２キャリアガスによって加工され、図７（ａ）および７（ｄ）は、−０．０５°ミスカットを伴う、基板上に加工され、図７（ｂ）および７（ｅ）は、０．４５°ミスカットを伴う、基板上に加工され、図７（ｃ）および７（ｆ）は、０．６１°ミスカットを伴う、基板上に加工され、図８（ａ）および８（ｄ）は、１．０３°ミスカットを伴う、基板上に加工され、図８（ｂ）および８（ｅ）は、１．８８°ミスカットを伴う、基板上に加工され、図８（ｃ）および８（ｆ）は、２．３０°ミスカットを伴う、基板上に加工され、すべてのミスカットは、［０００−１］方向に向かう。
【図８】図７（ａ）−７（ｆ）および８（ａ）−８（ｆ）は、キャリアガスの効果と、自立型ｍ−面ＧａＮ基板上に成長させられたＧａＮ薄膜の表面形態上のミスカット角度を例示する、光学顕微鏡写真（縮尺：１２５マイクロメートル（μｍ））を備え、図７（ａ）−７（ｃ）および図８（ａ）−８（ｃ）は、Ｈ２キャリアガスによって加工され、図７（ｄ）−７（ｆ）および図８（ｄ）−８（ｆ）は、Ｎ２キャリアガスによって加工され、図７（ａ）および７（ｄ）は、−０．０５°ミスカットを伴う、基板上に加工され、図７（ｂ）および７（ｅ）は、０．４５°ミスカットを伴う、基板上に加工され、図７（ｃ）および７（ｆ）は、０．６１°ミスカットを伴う、基板上に加工され、図８（ａ）および８（ｄ）は、１．０３°ミスカットを伴う、基板上に加工され、図８（ｂ）および８（ｅ）は、１．８８°ミスカットを伴う、基板上に加工され、図８（ｃ）および８（ｆ）は、２．３０°ミスカットを伴う、基板上に加工され、すべてのミスカットは、［０００−１］方向に向かう。
【図９】図９（ａ）−９（ｆ）は、原子準位表面形態上の［０００−１］ミスカットの効果を例示する、１０μｍ×１０μｍ原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）スキャンを備え、矢印は、＜０００１＞方向を示し、図９（ａ）−９（ｆ）におけるミスカット角度は、それぞれ、［０００−１］に向かって、−０．０６°、０．４５°、０．８９°１．８８°、２．３０°、および３．２４°であって、図９（ａ）−９（ｆ）におけるＲＭＳ粗度は、それぞれ、０．１３４ｎｍ、０．１７６ｎｍ、０．２２１ｎｍ、０．６２０ｎｍ、０．６２５ｎｍ、および１．６６５ｎｍである。
【図１０】図１０は、［０００−１］ミスカット角度（度）（すなわち、［０００−１］方向に向かうミスカット）の関数として、ＲＭＳ粗度（ｎｍ）を示し、１０マイクロメートル（μｍ）スキャン面積に対して、ピラミッド形小丘（四角形）、原子的平坦表面（円形）、および側方ストライエーション（菱形）をもたす、ミスカット角度を示し、各データ点は、３回のスキャンの平均である。
【図１１】図１１は、本発明によるＬＥＤ素子構造の断面概略図である。
【図１２】図１２は、３００μｍ×３００μｍサイズＬＥＤに対して、［０００−１］ミスカット角度（度）（すなわち、［０００−１］方向に向かうミスカット）の関数として、出力パワー（ミリワット、ｍＷ）を示す、グラフであって、データは、２０ｍＡ駆動電流で収集され、各データ点は、３つのデータ点の平均である。
【図１３】図１３は、３００μｍ×３００μｍサイズＬＥＤに対して、［０００−１］ミスカット（すなわち、［０００−１］方向に向かうミスカット）の関数として、電界発光（ＥＬ）ピーク波長（ｎｍ）を示す、グラフであって、データは、２０ｍＡ駆動電流で収集され、各データ点は、３つのデータ点の平均である。
【図１４】図１４は、３００μｍ×３００μｍサイズＬＥＤに対して、［０００−１］ミスカット（すなわち、［０００−１］方向に向かうミスカット）の関数として、ＥＬ半値全幅（ＦＷＨＭ）（ｎｍ）を示す、グラフであって、データは、２０ｍＡ駆動電流で収集され、各データ点は、３つのデータ点の平均である。
【図１５】図１５は、［０００−１］ミスカット（すなわち、［０００−１］方向に向かうミスカット）の関数として、順電圧（Ｖ）を示すグラフである。
【図１６】図１６は、本発明の方法を例示する工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下の発明を実施するための形態において、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を例示目的で示す添付図面を参照する。本開示の範囲から逸脱することなく、他の実施形態が用いられてもよく、また、構造的な変更が行われてもよいことを理解されたい。
【００３５】
（概要）
非極性または半極性の窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザの実現は、窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザの製造可能性における多数の進歩を可能にする。非極性または半極性面上での窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザの成長は、重正孔および軽正孔バンドの異方性歪み誘導分裂を介して分極誘導電場を低減させ、有効正孔質量を減少させることによって、素子性能を大幅に改良することが可能である。分極誘導電場を低減させることによって、窒化物ＬＥＤにおける放射効率を増加させることが可能である。同様に、分極誘導電場を低減させ、有効正孔質量を減少させることによって、窒化物ダイオードレーザ内で光学利得を発生させるために必要な電流密度を低下させることが可能である。これは、窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザ内の加熱の大幅な低減につながり、素子製造業者にとって、より長い素子寿命およびより高い生産収率をもたらすことが可能となる。
【００３６】
しかしながら、典型的には、非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板上に成長させられる（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜に対して観察される独特な表面形態によって［参考文献２−４］、素子製造業者が、非極性または半極性の窒化物素子の期待される利点を実現することは困難であろう。本発明は、非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板上の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜の表面形態を改良するための方法について説明する。改良された表面形態は、非極性または半極性の窒化物素子製造業者にとって、所与の素子内の個々の層の厚さ、組成、ドーピング、電気特性、および発光特性のより優れた均一性を含むが、それらに限定されないいくつかの利点につながり得る。したがって、本発明は、非極性または半極性の窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザの上述の効果の実現を可能にする。
【００３７】
本発明の目的は、改良された製造可能性および高性能を有する窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザを生成することである。提案される素子は、種々の商業、産業、または科学用途のための光源として使用されるであろう。これらの非極性または半極性の窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザは、ｃ−面窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザと同一用途における可用性を見出されることが期待され得る。これらの用途として、固体投写型ディスプレイ、高解像度プリンタ、高密度光学データ記憶システム、次世代ＤＶＤプレーヤ、高効率固体照明、光感知用途、および医療用途が挙げられる。
【００３８】
（技術説明）
本発明は、不活性キャリアガスを使用することによって、非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板上の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜および素子の成長形態を改良する方法について説明する。本発明は、Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．製自立型ｍ−面ＧａＮ基板上にＭＯＣＶＤによって成長させられたＧａＮ薄膜および素子について、これらの効果を実験的に実証したものである。これらの基板は、ＨＶＰＥによってｃ−方向に成長させられ、次いで、ｍ−面表面を曝露するようにスライスされた。ｍ−面表面は、化学的および機械的な表面処理法によって調製された。基板は、貫通転位密度５×１０６ｃｍ−２未満、キャリア濃度約１×１０１７ｃｍ−３、およびＲＭＳ表面粗度１ｎｍ未満を有する（製造業者によって測定）。
【００３９】
キャリアガスの変化以外、ＭＯＣＶＤ成長条件は、一般的には、ｃ−面（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜に対して使用されたものに非常に類似していた。すべてのＭＯＣＶＤ成長は、気圧（ＡＰ）、典型的なＶ／ＩＩＩ比（＞３０００）、および典型的な成長温度（＞１０００°Ｃ）で行われた。トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、アンモニア（ＮＨ３）、およびシラン（ＳｉＨ４）が、それぞれＧａ、Ｎ、およびＳｉ前駆体として使用された。表面形態上のキャリアガスの効果を判定するために、２つのＧａＮテンプレート成長が、異なるキャリアガスによって行われた。両成長に対して、［０００−１］方向におけるある範囲の意図的ミスカットを有するいくつかの自立型ｍ−面基板が、同時に、ＭＯＣＶＤリアクタ内に装填された。ＮＨ３およびキャリアガスから成る大気中において、試料を成長温度まで上昇させた後、約１０μｍ厚のＳｉドープＧａＮ薄膜が、自立型ｍ−面ＧａＮ基板の上部に成長させられた。ＧａＮ薄膜は、低温ＧａＮ核生成層を使用せず、自立型ｍ−面ＧａＮ基板の上部に直接高温で成長させられた。成長の過程において、すべてのキャリアガスおよび前駆体は、一定の流量に保持された。最後に、ＧａＮ薄膜の成長の終わりに、ＮＨ３およびＮ２から成る環境内において、試料を室温まで低下させた。
【００４０】
図７（ａ）−７（ｆ）および８（ａ）−８（ｆ）は、それぞれ、自立型ｍ−面ＧａＮ基板上に成長させられたＧａＮ薄膜の表面形態７００ａ、７００ｂ、７００ｃ、７００ｄ、７００ｅ、７００ｆ、８００ａ、８００ｂ、８００ｃ、８００ｄ、８００ｅ、および８００ｆ上のキャリアガスの効果ならびにミスカット角度を例示する光学顕微鏡写真を備えている。列挙された角度は、［０００−１］方向に向かう、基板のミスカットに対応する。それぞれ、図７（ａ）−７（ｃ）および図８（ａ）−８（ｃ）に示される試料７００ａ−ｃおよび８００ａ−ｃ（合計６つの試料）を、同時に自立型ｍ−面ＧａＮ基板をＭＯＣＶＤリアクタ内に装填し、１００％Ｈ２キャリアガスによって、ＧａＮ膜７００ａ−７００ｃおよび８００ａ−８００ｃを成長させることによって加工した一方、それぞれ、図７（ｄ）−７（ｆ）および図８（ｄ）−（ｆ）に示される試料７００ｄ−７００ｆならびに８００ｄ−８００ｆ（同様に、合計６つの試料）は、同時に、自立型ｍ−面ＧａＮ基板をＭＯＣＶＤリアクタ内に装填し、１００％Ｎ２キャリアガスによって、ＧａＮ膜７００ｄ−７００ｆおよび８００ｄ−８００ｆを成長させることによって加工された。顕微鏡写真から分かるように、キャリアガスの選択は、表面形態に相当な影響を及ぼした。０．６１°未満の小さな［０００−１］ミスカット角度を有する試料７００ａ−７００ｆに対して、Ｈ２キャリアガスの使用は、それぞれ、比較的に大きく、連続的ピラミッド形小丘７０４ａ、７０４ｂ、７０４ｃを有する表面７０２ａ、７０２ｂ、７０２ｃをもたらした［参考文献２］一方、Ｎ２キャリアガスの使用は、それぞれ、空間的に離間した中サイズのピラミッド形小丘７０６、７０８、７１０と、それぞれ、その間の領域を装飾する、非常に小さなピラミッド形小丘７１２、７１４、７１６とを有する表面７０２ｄ、７０２ｅ、および７０２ｆをもたらした。より大きな［０００−１］ミスカット角度に対して、Ｈ２キャリアガスの使用は、それぞれ、非常に粗いスレート状形態８０４ａ、８０４ｂ、８０４ｃを有する表面８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃをもたらした一方、Ｎ２キャリアガスの使用は、識別可能表面特徴の無い、光学的平滑表面８０２ｄ、８０２ｅ、８０２ｆをもたらした（例えば、表面８０２ｄ−８０２ｆの領域８０６にわたって）。
【００４１】
図９（ａ）−（ｆ）は、１０μｍ×１０μｍＡＦＭスキャンを含んでおり、それぞれ、ＧａＮ膜９０２ａ、９０２ｂ、９０２ｃ、９０２ｄ、９０２ｅ、および９０２ｆの原子準位表面形態９００ａ、９００ｂ、９００ｃ、９００ｄ、９００ｅ、ならびに９００ｆ上の［０００−１］ミスカットの効果を例示している。ピラミッド形小丘が存在する試料上では、ＡＦＭデータは、［０００−１］方向に対向するピラミッド形ファセットから収集されたが、その理由は、これが研究されるミスカットの方向であったためである。約１．５°より小さい［０００−１］ミスカット角度を有する基板上の膜９０２ａ−９０２ｃに対して、試料表面９００ａ−ｃは、原子準位規模で非常に平滑であったことが分かった。しかしながら、約１．５°より大きい［０００−１］ミスカット角度を有する基板上の膜９０２ｄ−９０２ｆに対しては、表面形態９００ｄ−９００ｆは、高密度の側方ストライエーション９０４、９０６、９０８によって支配された。
【００４２】
図１０は、［０００−１］ミスカット角度の関数として、ＲＭＳ粗度を示す。図１０から分かるように、ＲＭＳ粗度は、大部分が高密度の側方ストライエーション９０４、９０６、９０８に起因して、１．５°より大きい［０００−１］ミスカット角度に対して劇的に増加した。しかしながら、図７（ａ）−７（ｃ）に示されるように、角度０．６１°未満の［０００−１］ミスカットを有する試料７００ａ−７００ｆは、その原子準位平滑度にもかかわらず、高密度のピラミッド形小丘７０４ａ、７０４ｂ、７０４ｃ、７０６、７０８、７１０、７１２、７１４、７１６で被覆された。これらの理由から、本発明は、ｍ−面成長に対する任意の［０００−１］ミスカット角度は、０．７５°乃至１．５°の間のいずれかであると結論付ける。
【００４３】
平滑ＭＯＣＶＤ成長ＧａＮ膜（例えば、８００ｄ−８００ｆ）の実証後、図１１に示されるように、（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎレーザ構造が、高品質（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ素子を成長させるためのベースとしての平滑テンプレートとして、膜の実行可能性を確立するために、ＧａＮ膜の上面に成長させられた。
【００４４】
素子１１００成長に対して、［０００−１］方向に、角度１１０４（非極性面、例えば、ｍ−面１１０６に対して）を有するある範囲の意図的ミスカットを有するいくつかのＭＯＣＶＤ成長ＧａＮテンプレート１１０２が、同時に、ＭＯＣＶＤリアクタ内に装填された。ＮＨ３およびキャリアガスから成る大気中で、試料を成長温度まで上昇させた後、約２μｍ厚１１１０のＳｉドープＧａＮ薄膜１１０８が、１００％Ｎ２キャリアガス内において、ＧａＮテンプレート１１０２の上面に成長させられた。ＳｉドープＧａＮ層１１０８の成長後、８ｎｍ厚１１１４のＩｎＧａＮ壁１１１６および８ｎｍ厚１１１８ａ、１１１８ｂのＧａＮ障壁１１２０ａ、１１２０ｂを有する５周期多重量子井戸（ＭＱＷ）１１１２が、１００％Ｎ２キャリアガス内で成長させられた。次に、１５ｎｍ厚１１２２のＭｇドープｐ−ＡｌＧａＮ電子遮断層１１２４が、１００％Ｎ２キャリアガス内で成長させられた。最後に、７５０ｎｍ厚の１１２６Ｍｇドープｐ−ＧａＮ層１１２８および２０ｎｍ厚の１１３０Ｍｇドープｐ＋＋−ＧａＮ接触層１１３２が、１００％Ｈ２キャリアガス内で成長させられた。ｐ−ＧａＮ１１２８およびｐ＋＋−ＧａＮ接触層１１３２は、１００％Ｈ２キャリアガス内で成長させられたが、最終のエピタキシャル表面１１３４、１１３６は、１００％Ｎ２キャリアガス内で成長させられた下層の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ層１１０８、１１１６、１１２０ａ、１１２０ｂ、１１２４の表面１１３８、１１４０ａ、１１４０ｂ、１１４０ｃ、および１１４２に対して平滑な形態を維持した。ミスカットは、表面１１４６を有している。
【００４５】
ＭＯＣＶＤ成長後、レーザ構造１１００は、２００／３０００Å Ｐｄ／Ａｕ ｐ接点を有する３００μｍ×３００μｍＬＥＤに加工された。すべての測定は、注入電流２０ｍＡにおいて、ウエハ上のプロービングによって行われた。直流（ｄｃ）条件下での相対的な光強度測定は、較正された広域領域のＳｉ光ダイオード上へのＧａＮ基板１１０２を通した背面１１４４放出から得られた。図１２−１５は、テンプレートミスカットの関数として、レーザ構造の電気および光学特性を要約している。
【００４６】
図１２に示されるように、相対的な光強度は、テンプレートミスカットの増加に伴って若干減少した。しかしながら、この測定された出力パワーの減少は、テンプレート方位の増加に伴って表面粗度が減少することによる抽出効率の低下によるものであり得る。図１３および１４は、テンプレートミスカット１１０４の関数として、ＥＬスペクトルを要約している。図１３および１４に例示されるように、ＥＬピーク波長およびＥＬ ＦＷＨＭは、両方とも、テンプレートミスカットが増加しても全く均一のままであった。最後に、図１５に示されるように、２０ｍＡにおける順電圧は、ミスカット角度が増加しても、比較的に低く、一定のままであった。
【００４７】
本発明の一実施形態は、自立型の非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板上に（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜を成長させるステップを含む。しかしながら、本発明の範囲は、また、あらゆる可能性のある外来基板のあらゆる可能性のある結晶学的方位に成長させられた非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜も含む。
【００４８】
（プロセスステップ）
図１６は、本発明の一実施形態による素子（例えば（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）膜）を加工する方法を例示する工程図である。方法は、以下のステップを含み得る。
【００４９】
ブロック１６００は、非極性または半極性の基板あるいはテンプレートに低指数の結晶方位から外れたミスカットを提供するステップを表す。例えば、基板あるいはテンプレート１１０２は、一般的には、［０００−１］方向に向かう、０．７５°乃至１．５０°のミスカット角度１１０４を有するミスカットを有するｍ−面基板あるいはテンプレートである（ミスカットは、一般的には、ある規模、方向、および表面１１４６を有する）。基板は、（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板、例えば、自立型（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板であってもよい。（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板は、外来基板を厚い非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ層から除去することによって、またはバルク（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎインゴットまたはブールを個々の非極性または半極性（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎウエハに切成することによって、生成されてもよい。テンプレートは、（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎテンプレート、例えば、外来基板上にあってもよい。（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎテンプレートは、例えば、エピタキシャル側方成長法（ＥＬＯ）によって成長させられてもよい。
【００５０】
ブロック１６０２は、（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ（例えば、薄）膜を（例えば、直接）非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板あるいはテンプレート上に成長させるステップを表す。（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ膜１１０８は、非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板あるいはテンプレート１１０２の表面（例えば、表面１１４６を有するミスカット）上にあってもよい。
【００５１】
ブロック１６０４は、ブロック１１０２の成長ステップの際に、キャリアガスを使用するステップを表し、成長の際に使用されるキャリアガスの少なくとも一部は、不活性ガスから成る。不活性ガスは、Ｎ２、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、および／またはＸｅから成ってもよい。キャリアガスの１００％が、例えば、不活性ガスであってもよい。
【００５２】
キャリアガスの組成ならびに／あるいはミスカットの方向および／または規模は、（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜および／または任意の後続層の以下の特性のうちの少なくとも１つに影響を及ぼすように選択される。すなわち、表面形態、成長率、合金組成、発光特性、および電気特性である。
【００５３】
（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜は、可変または段階的な組成を有する複数の層を備えてもよい。（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜は、例えば、Ｇａ−極性面またはＮ−極性面上に成長させられてもよい。（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜は、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｚｎ、および／またはＭｇ等の要素によって、ドープされてもよい。しかしながら、また、（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜は、意図的に、ドープされなくてもよい。（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜は、核生成または緩衝層を含有してもよい。
【００５４】
ブロック１６０６は、先行ステップによって、加工された膜を表す。（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜は、例えば、ハイブリッド気相エピタキシ法（ＨＶＰＥ）、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、および／または分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）によって等、後続成長のための基板として使用されてもよい。
【００５５】
例えば、ブロック１６０６の膜１１０８は、平面かつ光学的平滑領域を有する非極性または半極性の面である上面１１３８を備える、非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ膜であってもよく、領域が、４００ｎｍ乃至６００ｎｍの光波長を有する光学顕微鏡によって測定される場合、識別可能な非平面表面の起伏または特徴２００、７０４ａ−ｃ、７０６、７０８、７１０、７１２、７１４、７１６が無く、領域は、上面１１３８の領域上の１つ以上の素子層のエピタキシャル析出１１１２、１１１６、１１２４、１１２８、１１３２のための基板として使用するために十分に大きく、素子層１１１６は、２０ミリアンペア駆動電流において、少なくとも２ミリワットの出力強度を有する光を発する。領域は、図８（ｄ）−（ｆ）に示される表面８０２ｄ−ｆの領域８０６、または図９（ａ）−（ｃ）に示される表面形態９００ａ−ｃの領域であって、例えば、少なくとも１００平方マイクロメートルであってもよい。
【００５６】
上面１１３８は、１００平方マイクロメートルの面積にわたって、上面１１３８におけるＧａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ、およびＮ原子の直径程度の表面粗度を伴って、原子的に平滑であってもよい。領域は、ストライエーション、例えば、側方ストライエーション９０４、９０６、９０８が無くてもよい。上面１１３８は、例えば、１００平方マイクロメートルの面積にわたって、ＲＭＳ０．５ｎｍまたは０．２５ｎｍ未満を有する表面粗度を有してもよい。
【００５７】
膜１１０８は、ｍ−面基板１１０２の表面１１４６上に析出されてもよく、表面１１４６は、［０００−１］方向に向かう、０．７５°乃至１．５０°のミスカット角度１１０４を有するｍ−面基板のミスカットであってもよい。
【００５８】
上面１１３８は、図２（ａ）−２（ｂ）、３（ａ）−３（ｆ）、４（ａ）−４（ｂ）、５、６（ａ）−６（ｂ）、７（ａ）−７（ｃ）、８（ａ）−８（ｃ）、および／または９（ｄ）−９（ｆ）に示される上面より平滑かつ平面であってもよい。例えば、上面１１３８は、図２（ａ）−２（ｂ）、３（ａ）−３（ｆ）、４（ａ）−４（ｂ）、５、６（ａ）−６（ｂ）、７（ａ）−７（ｃ）、８（ａ）−８（ｃ）、および／または９（ｄ）−９（ｆ）に示される表面と比較して、平面表面２０４、１１３８、８００ｄ−８００ｆに対して傾斜した表面２０２を有するより少ない（または、より小さい密度の）識別可能構造２００を有してもよい（例えば、識別可能構造は、ピラミッド形構造２００、小丘、特徴、表面起伏、または表面ストライエーションであり得る）。平面表面２０４、１１３８は、一般的には、基板表面１１４６と実質的に平行である。
【００５９】
上面１１３８は、図２（ａ）−２（ｂ）、３（ａ）−３（ｆ）、４（ａ）−４（ｂ）、５、６（ａ）−６（ｂ）、７（ａ）−７（ｃ）、８（ａ）−８（ｃ）、および／または９（ｄ）−９（ｆ）に示される表面起伏あるいはピラミッド形小丘と比較して、より小さい大きさの表面起伏、特徴、もしくはピラミッド形小丘を有してもよい。例えば、上面１１３８は、膜の上面より平滑であるか、または小さい表面粗度を有してもよく、その場合、ミスカット角度１１０４は、［０００−１］方向に０．７５より小さく、または［０００−１］方向に１．５０°を上回って離れる。
【００６０】
上面１１３８は、密度８．４×１０２ｃｍ−２または１．１×１０６ｃｍ−２、サイズ１０マイクロメートル、および／または勾配角度０．１°を有する、ピラミッド形小丘で特徴付けられた表面よりも平滑および平坦な平面であってもよい。例えば、上面１１３８は、図７（ｄ）−７（ｆ）、８（ｄ）−８（ｆ）、および／または９（ａ）−９（ｃ）に示される表面７０２ｄ−７０２ｆ、８０２ｄ−８０２ｆ、９００ａ−９００ｃと少なくとも同程度に平滑であるか、平滑度あるいは表面粗度を有してもよい。
【００６１】
膜は、ｍ−面ＧａＮ膜であってもよく、上面１１３８は、ＧａＮのｍ−面であってもよい。上述の上面の表面平滑度または粗度は、成長した状態のままである（ａｓ−ｇｒｏｗｎ）（すなわち、成長から直接生じる）が、表面処理（例えば、研磨／洗浄）は、成長後に行われてもよい。
【００６２】
ブロック１６０８は、ブロック１６０６の膜の上面１１３８上に、１つ以上の素子層１１１２、１１２４、１１２８、１１３２を析出（例えば、成長）させるステップを表す。素子層１１１２、１１２４、１１２８、１１３２は、Ｈ２から成るキャリアガスの少なくとも一部（または、１００％）によって、成長させられてもよい。１つ以上の素子層１１１２、１１２４、１１２８、１１３２は、Ｈ２から成るキャリアガスの少なくとも一部（または、１００％）によって成長させられ得る、１つ以上のｐ型ドープ層１１２４、１１２８、１１３２を備えてもよい。素子層１１１２、１１２４、１１２８、１１３２は、膜１１０８の上面１１３８と少なくとも同程度に平滑である、上面１１３４、１１３６、１１４０ｃを有してもよい。
【００６３】
ブロック１６１０は、先行ステップの最終結果、例えば、非極性または半極性のＬＥＤ、レーザ、またはトランジスタ等の素子（例えば、光電子素子）を表す。
【００６４】
（可能性のある修正例）
また、成長温度、成長圧力、Ｖ／ＩＩＩ比、前駆体流量、および原材料等のＭＯＣＶＤ成長条件の変形例も、本発明の範囲から逸脱することなく、可能である。界面の質の制御は、プロセスの重要な側面であって、特定のリアクタ設計の流量切替え能力に直接関連する。成長条件の継続的な最適化によって、上述の非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜のより正確な組成および厚さの制御をもたらすことが可能である。
【００６５】
上述の非極性のＧａＮ薄膜の表面形態は、１００％Ｎ２のキャリアガス内で膜を成長させることによって改良された。しかしながら、また、本発明の範囲は、キャリアガスの一部が不活性ガスから成る、任意のキャリアガス内における非極性または半極性の窒化物（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜の成長も網羅している。この不活性ガスは、Ｎ２、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、および／またはＸｅを含んでもよい。そのようなキャリアガスおよび本明細書に列挙されないその他の使用も本発明の範囲内である。
【００６６】
上述の薄膜は、自立型の非極性のＧａＮ基板上に直接成長させられた単一の均質および連続な層のＧａＮから成る。しかしながら、また、本発明の範囲は、可変または段階的組成を有する複数の層から成る（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜も網羅している。
【００６７】
また、付加的な不純物またはドーパントも、本発明に説明される非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜に組み込むことが可能である。例えば、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｓｉ、およびＺｎは、多くの場合、窒化物ヘテロ構造内の種々の層に追加され、それらおよび隣接する層の伝導特性を改変する。そのようなドーパントおよび本明細書に列挙されないその他の使用も、本発明の範囲内である。
【００６８】
また、本発明の範囲は、技術説明において引用される１つの非極性方位（ｍ−面）よりも多くを網羅する。この概念はまた、窒化物系半導体素子を成長させるために使用可能なあらゆる非極性および半極性面に関する。用語「非極性面」は、集合的にａ−面として知られる｛１１−２０｝面と、集合的にｍ−面として知られる｛１０−１０｝面とを含む。用語「半極性面」は、ｃ−面、ａ−面、またはｍ−面として分類不可能な任意の面を指すために使用することが可能である。結晶学的用語では、半極性面は、少なくとも２つの非ゼロのｈ、ｉ、またはｋミラー指数、および非ゼロのｌミラー係数を有する任意の面となるであろう。
【００６９】
また、本発明は、特定の結晶極性の選択も網羅する。波括弧｛｝の使用は、本書を通して、対称性同等面群を指す。したがって、｛１０−１２｝群は、（１０−１２）、（−１０１２）、（１−１０２）、（−１１０２）、（０１−１２）、および（０−１１２）面を含む。これらの面はすべて、Ｇａ−極性であって、結晶のｃ−軸が、基板からずれて指向することを意味する。同様に、｛１０−１−２｝群は、（１０−１−２）、（−１０１−２）、（１−１０−２）、（−１１０−２）、（０１−１−２）、および（０−１１−２）面を含む。これらの平面はすべて、Ｎ−極性であって、結晶のｃ−軸が、基板に向かって指向することを意味する。単一結晶群内の平面はすべて、本発明の目的に該当するが、極性の選択は、成長プロセスの挙動に影響を及ぼし得る。いくつかの用途では、Ｎ−極性半極性面上に成長させることが望ましい一方、他の場合では、Ｇａ−極性面上の成長が、好ましいであろう。両方の極性が、本発明の実践のために容認可能である。
【００７０】
さらに、自立型の非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板以外の基板が、（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜成長のために使用可能である。本発明の範囲は、あらゆる可能性のある外来基板のあらゆる可能性のある結晶学的方位上における非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜の成長を含む。これらの外来基板として、炭化ケイ素、窒化ガリウム、シリコン、酸化亜鉛、窒化ホウ素、アルミン酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ゲルマニウム、窒化アルミニウム、没食子酸リチウム、部分的置換スピネル、およびγ−ＬｉＡｌＯ２構造を共有する四成分正方晶酸化物を含むが、それらに限定されない。
【００７１】
さらに、非極性または半極性の窒化物核生成（または、緩衝）層および核生成層成長法における変形例も、本発明の実践のために容認可能である。核生成層の成長温度、成長圧力、方位、および組成は、後続非極性または半極性薄膜およびヘテロ構造の成長温度、成長圧力、方位、ならびに組成に整合する必要はない。本発明の範囲は、あらゆる可能性のある核生成層および核生成層成長法を使用して、あらゆる可能性のある基板上に非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜を成長させることを含む。
【００７２】
上述の非極性のＧａＮ薄膜は、自立型の非極性のＧａＮ基板上に成長させられた。しかしながら、また、本発明の範囲は、エピタキシャル側方成長法（ＥＬＯ）（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎテンプレート上に成長させられた非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜も網羅している。ＥＬＯ法は、後続エピタキシャル層内の貫通転位（ＴＤ）密度を減少させる方法である。ＴＤ密度の減少は、素子性能の改良につながり得る。ｃ−面窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザの場合、これらの改良として、出力パワーの増加、内部量子効率の上昇、素子寿命の延長、および閾値電流密度の減少が挙げられ得る［参考文献１９］。これらの利点は、ＥＬＯテンプレート上に成長させられたすべての非極性または半極性の窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザに関連するであろう。
【００７３】
上述の技術説明は、ＨＶＰＥによって、ｃ−方向に成長させられ、次いで、ｍ−面表面を曝露するようにスライスされた、自立型の非極性のＧａＮ基板上の非極性のＧａＮ薄膜の成長について論じた。また、自立型の非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板は、外来基板を厚い非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ層から除去することによって、バルク（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎインゴットまたはブールを個々の非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎウエハに切生することによって、あるいは任意の他の可能性のある結晶成長またはウエハ製造法によって、生成されてもよい。本発明の範囲は、あらゆる可能性のある結晶成長法およびウエハ製造法によって生成される、あらゆる可能性のある自立型非極性または半極性（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎウエハ上の非極性または半極性（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜の成長を含む。
【００７４】
（利点および改良点）
既存の実践は、極性［０００１］ｃ−方向に沿って、窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザを成長させることである。付随分極誘導電場および本質的に大きい有効正孔質量は、最先端のｃ−面窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザの性能に悪影響を及ぼす。非極性または半極性面上の窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザの成長は、分極効果を低減させ、有効正孔質量を減少させることによって、素子性能を大幅に改良可能である。
【００７５】
本発明は、非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板上の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜の表面形態を改良するための方法について説明する。これらの平滑（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜は、高性能の非極性または半極性の窒化物ＬＥＤおよびダイオードレーザの成長のためのテンプレートとしての役割を果たすことが可能である。サファイア上のｃ−面（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎの高温成長に対して、ほとんどのグループが、キャリアガスとして、１００％Ｈ２の使用を報告している。一般的な成長条件下では、キャリアガスとしての１００％Ｈ２の使用は、最小転位密度および最平滑エピタキシャル表面を有するｃ−面（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎエピタキシャル層をもたらす［参考文献１］。しかしながら、一般的なｃ−面（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ成長条件が、非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板上での（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎの再成長のために使用される場合、独特の表面形態が生じ得る［参考文献２−４］。本発明は、Ｎ２等の不活性キャリアガスを使用することによって、非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板上の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜の成長形態を改良するための方法について説明する。
【００７６】
改良された表面形態は、非極性または半極性の窒化物素子製造業者に対して、所与の素子内の個々の層の厚さ、組成、ドーピング、電気特性、および発光特性におけるより優れた均一性を含むがそれらに限定されない、いくつかの利点をもたらすことが可能である。さらに、平滑表面は、特に、非極性または半極性の窒化物レーザダイオードにとって有益であって、光学散乱損失の大幅な低減をもたらすことが可能である。
【００７７】
本発明の用途として、固体投写型ディスプレイ、高解像度プリンタ、高密度光学データ記憶システム、次世代ＤＶＤプレーヤ、高効率固体照明、光感知用途、および医療用途が挙げられる。
【００７８】
（参考文献）
以下の参考文献は、参照することにより本明細書にその全体が組み込まれる。
【００７９】
【表１−１】
【００８０】
【表１−２】
（結論）
これは、本発明の好適な実施形態の説明を締めくくるものである。本発明の１つ以上の実施形態の上述の説明は、図解および説明のために示したものである。この記述は、網羅的であること、または本発明を開示された形態に限定することを意図したものではない。上述の教示に照らして、多数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、むしろ本明細書に添付された請求項によって限定されることを意図する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜を加工する方法であって、
（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ膜を非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板もしくはテンプレート上に直接成長させることと、
該成長ステップの間、キャリアガスを使用することであって、該キャリアガスの少なくとも一部は不活性ガスから構成される、ことと
を含む、方法。
【請求項２】
前記基板またはテンプレートに、低指数の結晶方位から離れる方向のミスカットを提供することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記基板あるいはテンプレートは、ｍ−面の基板あるいはテンプレートであって、前記ミスカットは、［０００−１］方向に向かい、０．７５°乃至１．５０°のミスカット角度を有し、（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ膜は、該ミスカットの表面上に成長させられる、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記不活性ガスは、Ｎ２、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、またはＸｅのうちの１つ以上から構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
１つ以上の素子層が、前記膜の上面に配置され、該素子層は、Ｈ２から構成され、前記キャリアガスの少なくとも一部によって成長させられる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記素子層は、前記素子の１つ以上のｐ型ドープ層を含み、該ｐ型ドープ層は、Ｈ２から構成されている前記キャリアガスの少なくとも一部によって成長させられる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎの膜であって、
非極性または半極性の面である上面であって、該上面は、平面で光学的に平滑な領域を有することにより、該領域が、光学顕微鏡を使用して、４００ナノメートル乃至６００ナノメートルの光波長を用いて測定される場合、識別可能な非平面の表面起伏または特徴が無い、上面を備えており、該領域は、２０ミリアンペアの駆動電流において少なくとも２ミリワットの出力強度を有する光を発する１つ以上の素子層のエピタキシャル析出のための基板としての使用に対して十分に大きい、膜。
【請求項８】
前記領域は、ストライエーションが無い、請求項７に記載の膜。
【請求項９】
前記領域は、少なくとも１００平方マイクロメートルである、請求項７に記載の膜。
【請求項１０】
前記上面は、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ、およびＮの原子の直径のオーダーの表面粗度を有して原子的に平滑である、請求項９に記載の膜。
【請求項１１】
前記上面は、前記領域にわたって、０．５ナノメートル未満の二乗平均を有する表面粗度を有する、請求項９に記載の膜。
【請求項１２】
前記上面は、前記領域にわたって、０．２５ナノメートル未満の二乗平均を有する表面粗度を有する、請求項９に記載の膜。
【請求項１３】
前記膜は、ｍ−面基板の表面上に析出され、該ｍ−面基板の表面は、［０００−１］方向に向かい、０．７５°乃至１．５０°のミスカット角度を有するミスカットである、請求項９に記載の膜。
【請求項１４】
前記上面の領域は、図２（ａ）−２（ｂ）、３（ａ）−３（ｆ）、４（ａ）−４（ｂ）、５、６（ａ）−６（ｂ）、７（ａ）−７（ｃ）、８（ａ）−８（ｃ）、または９（ｄ）−９（ｆ）に示される上面よりも平滑かつ平面である、請求項７に記載の膜。
【請求項１５】
前記上面の領域は、密度８．４×１０２ｃｍ−２、大きさ１０マイクロメートル、および勾配角度０．１°を有するピラミッド形小丘で特徴付けられた表面よりも平滑である、請求項７に記載の膜。
【請求項１６】
前記上面の領域は、密度１．１×１０６ｃｍ−２を有する、ピラミッド形小丘で特徴付けられた表面よりも平滑である、請求項７に記載の膜。
【請求項１７】
前記上面は、図７（ｄ）−７（ｆ）、８（ｄ）−８（ｆ）、または９（ａ）−９（ｃ）に示される表面と少なくとも同程度に平滑である平滑度または表面粗度を有する、請求項７に記載の膜。
【請求項１８】
前記膜は、ｍ−面ＧａＮ膜であって、前記上面は、該ｍ−面ＧａＮ膜のｍ−面である、請求項７に記載の膜。
【請求項１９】
前記素子層は、前記膜の上面と少なくとも同程度に平滑である上面を有する、請求項７に記載の膜。
【請求項２０】
前記上面の表面の平滑度または粗度は、成長した状態のままである、請求項７に記載の膜。
【請求項１】
（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ薄膜を加工する方法であって、
（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ膜を非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ基板もしくはテンプレート上に直接成長させることと、
該成長ステップの間、キャリアガスを使用することであって、該キャリアガスの少なくとも一部は不活性ガスから構成される、ことと
を含む、方法。
【請求項２】
前記基板またはテンプレートに、低指数の結晶方位から離れる方向のミスカットを提供することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記基板あるいはテンプレートは、ｍ−面の基板あるいはテンプレートであって、前記ミスカットは、［０００−１］方向に向かい、０．７５°乃至１．５０°のミスカット角度を有し、（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎ膜は、該ミスカットの表面上に成長させられる、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記不活性ガスは、Ｎ２、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、またはＸｅのうちの１つ以上から構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
１つ以上の素子層が、前記膜の上面に配置され、該素子層は、Ｈ２から構成され、前記キャリアガスの少なくとも一部によって成長させられる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記素子層は、前記素子の１つ以上のｐ型ドープ層を含み、該ｐ型ドープ層は、Ｈ２から構成されている前記キャリアガスの少なくとも一部によって成長させられる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
非極性または半極性の（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ）Ｎの膜であって、
非極性または半極性の面である上面であって、該上面は、平面で光学的に平滑な領域を有することにより、該領域が、光学顕微鏡を使用して、４００ナノメートル乃至６００ナノメートルの光波長を用いて測定される場合、識別可能な非平面の表面起伏または特徴が無い、上面を備えており、該領域は、２０ミリアンペアの駆動電流において少なくとも２ミリワットの出力強度を有する光を発する１つ以上の素子層のエピタキシャル析出のための基板としての使用に対して十分に大きい、膜。
【請求項８】
前記領域は、ストライエーションが無い、請求項７に記載の膜。
【請求項９】
前記領域は、少なくとも１００平方マイクロメートルである、請求項７に記載の膜。
【請求項１０】
前記上面は、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ、およびＮの原子の直径のオーダーの表面粗度を有して原子的に平滑である、請求項９に記載の膜。
【請求項１１】
前記上面は、前記領域にわたって、０．５ナノメートル未満の二乗平均を有する表面粗度を有する、請求項９に記載の膜。
【請求項１２】
前記上面は、前記領域にわたって、０．２５ナノメートル未満の二乗平均を有する表面粗度を有する、請求項９に記載の膜。
【請求項１３】
前記膜は、ｍ−面基板の表面上に析出され、該ｍ−面基板の表面は、［０００−１］方向に向かい、０．７５°乃至１．５０°のミスカット角度を有するミスカットである、請求項９に記載の膜。
【請求項１４】
前記上面の領域は、図２（ａ）−２（ｂ）、３（ａ）−３（ｆ）、４（ａ）−４（ｂ）、５、６（ａ）−６（ｂ）、７（ａ）−７（ｃ）、８（ａ）−８（ｃ）、または９（ｄ）−９（ｆ）に示される上面よりも平滑かつ平面である、請求項７に記載の膜。
【請求項１５】
前記上面の領域は、密度８．４×１０２ｃｍ−２、大きさ１０マイクロメートル、および勾配角度０．１°を有するピラミッド形小丘で特徴付けられた表面よりも平滑である、請求項７に記載の膜。
【請求項１６】
前記上面の領域は、密度１．１×１０６ｃｍ−２を有する、ピラミッド形小丘で特徴付けられた表面よりも平滑である、請求項７に記載の膜。
【請求項１７】
前記上面は、図７（ｄ）−７（ｆ）、８（ｄ）−８（ｆ）、または９（ａ）−９（ｃ）に示される表面と少なくとも同程度に平滑である平滑度または表面粗度を有する、請求項７に記載の膜。
【請求項１８】
前記膜は、ｍ−面ＧａＮ膜であって、前記上面は、該ｍ−面ＧａＮ膜のｍ−面である、請求項７に記載の膜。
【請求項１９】
前記素子層は、前記膜の上面と少なくとも同程度に平滑である上面を有する、請求項７に記載の膜。
【請求項２０】
前記上面の表面の平滑度または粗度は、成長した状態のままである、請求項７に記載の膜。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６（ａ）】
【図６（ｂ）】
【図７（ａ）】
【図７（ｂ）】
【図７（ｃ）】
【図７（ｄ）】
【図７（ｅ）】
【図７（ｆ）】
【図８（ａ）】
【図８（ｂ）】
【図８（ｃ）】
【図８（ｄ）】
【図８（ｅ）】
【図８（ｆ）】
【図９（ａ）】
【図９（ｂ）】
【図９（ｃ）】
【図９（ｄ）】
【図９（ｅ）】
【図９（ｆ）】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６（ａ）】
【図６（ｂ）】
【図７（ａ）】
【図７（ｂ）】
【図７（ｃ）】
【図７（ｄ）】
【図７（ｅ）】
【図７（ｆ）】
【図８（ａ）】
【図８（ｂ）】
【図８（ｃ）】
【図８（ｄ）】
【図８（ｅ）】
【図８（ｆ）】
【図９（ａ）】
【図９（ｂ）】
【図９（ｃ）】
【図９（ｄ）】
【図９（ｅ）】
【図９（ｆ）】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公表番号】特表２０１２−５１９３９４（Ｐ２０１２−５１９３９４Ａ）
【公表日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５５３０５２（Ｐ２０１１−５５３０５２）
【出願日】平成２２年３月２日（２０１０．３．２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０２５９５９
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１０１９４６
【国際公開日】平成２２年９月１０日（２０１０．９．１０）
【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２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２日（２０１０．３．２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０２５９５９
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１０１９４６
【国際公開日】平成２２年９月１０日（２０１０．９．１０）
【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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