ＩＩＩ族窒化物を有する装置及びＩＩＩ族窒化物を有する装置の製造方法
【課題】機械的にパターン形成されたＩＩＩ族窒化物の層を製造する方法を提供する。
【解決手段】本方法は結晶質基板を提供すること、および基板の平坦な表面上にＩＩＩ族窒化物の第１の層を形成することを含む。第１の層は単一極性であり、また基板の一部を露出する孔または溝のパターンを有する。次いで、本方法は、第１の層と基板の露出部の上に第２のＩＩＩ族窒化物の第２の層をエピタキシャル成長することを含む。第１および第２のＩＩＩ族窒化物は異なる合金組成物を有する。また、本方法は第２の層を塩基の水性溶液に曝し、第２層を機械的にパターン形成することも含む。
【解決手段】本方法は結晶質基板を提供すること、および基板の平坦な表面上にＩＩＩ族窒化物の第１の層を形成することを含む。第１の層は単一極性であり、また基板の一部を露出する孔または溝のパターンを有する。次いで、本方法は、第１の層と基板の露出部の上に第２のＩＩＩ族窒化物の第２の層をエピタキシャル成長することを含む。第１および第２のＩＩＩ族窒化物は異なる合金組成物を有する。また、本方法は第２の層を塩基の水性溶液に曝し、第２層を機械的にパターン形成することも含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶質ＩＩＩ族窒化物を組み込んだ電子デバイスおよび光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
結晶質ＩＩＩ族窒化物半導体は電子デバイスおよび光デバイスの両方に使用される。
電子デバイスに関しては、フィールド・エミッターを作るためにＩＩＩ族窒化物が使用されてきた。フィールド・エミッターは鋭い先端を有する伝導性構造体である。鋭い先端は充電されることに応答して高い電界を発生する。高い電界によって先端から電子が放出される。この理由から、フィールド・エミッターのアレイは蛍光体画像スクリーンを駆動することができる。
【０００３】
従来技術の一方法によって、ＩＩＩ族窒化物からフィールド・エミッターのアレイが製造されてきた。ＩＩＩ族窒化物はＩＩＩ族原子−窒素結合の安定性のため、化学的および機械的に安定している。その安定性はフィールド・エミッターのアレイを使用するデバイスには非常に好ましいことである。
【０００４】
従来技術の方法ではフィールド・エミッターはＩＩＩ族窒化物から成長させる。成長方法は、サファイア基板上に窒化ガリウム（ＧａＮ）層をエピタキシャル成長させて、ＧａＮ層上にＳｉＯ２マスクを形成し、マスクの円形窓の中にピラミッド状のＧａＮのフィールド・エミッターをエピタキシャル成長させることを含む。成長方法は均一なサイズのフィールド・エミッターを生成するが、フィールド・エミッターは非常に鋭い先端はもたない。より鋭い先端は高い電子放出速度および低い始動電圧を得るために望ましい。
【０００５】
光デバイスに関しては、ＩＩＩ族窒化物は高い屈折率を有する。高屈折率の材料は光子バンドギャップ構造を製造するのに望ましい。固定光子バンドギャプでは、それらの材料は低屈折率材料で作られた場合の構造よりも大きなフィーチャー寸法を備える光子バンドギャップ構造を作ることを可能にする。
【０００６】
平面光子バンドギャップ構造を作る一方法は、ＩＩＩ族窒化物の平滑な層をドライ・エッチングすることを含む。都合の悪いことに、ＩＩＩ族窒化物の化学的安定性によって、ドライ・エッチング剤のマスク材料に対するＩＩＩ族窒化物の選択性が低下する。この理由から、ドライ・エッチングはＩＩＩ族窒化物の層に深い表面浮き彫りを形成しない。その結果、ドライ・エッチング法はＩＩＩ族窒化物から薄い平面光子バンドギャップ構造しか形成しない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
都合の悪いことに、光は薄い平面構造には効率的に端部結合しない。このため、ＩＩＩ族窒化物からより高い表面浮き彫りを有する光子バンドギャップ構造を製造することのできる方法をもつことが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、機械的にパターン形成した表面は、その中に変形のアレイ、たとえば孔、溝、または物理的に粗い領域を有する。
さまざまな実施形態により、機械的にパターン形成した表面を備えるＩＩＩ族窒化物層を製造する方法が提供される。パターン形成した表面は、得られる構造に機能性を与える。製造方法は、強塩基による化学作用に対する窒素極性（Ｎ−極性）ＩＩＩ族窒化物層の感受性を利用する。この方法では、塩基性溶液を使用し、パターン形成された表面が形成されるようにＩＩＩ族窒化物層を湿式エッチングする。パターン形成した表面の具体例は光子バンドギャップ構造およびフィールド・エミッター・アレイを提供する。
【０００９】
第１の態様において、本発明は製造方法を特徴付ける。この方法は結晶質基板を提供すること、および基板の平坦な表面に第１のＩＩＩ族窒化物層を形成することを含む。第１の層は単一極性であり、また基板の一部を露出する孔または溝のパターンを有する。この方法は、第１層および基板の露出部の両方の上に第２のＩＩＩ族窒化物層をエピタキシャル成長させることを含む。第１および第２のＩＩＩ族窒化物は異なる合金組成物を有する。この方法は、第２層を塩基の水性溶液に曝して、第２層を機械的にパターン形成することを含む。
【００１０】
第２の態様において、本発明は機械的にパターン形成された表面を備える装置を特徴付ける。この装置は平坦な表面を有する結晶質基板および表面の一部に配置された複数のピラミッド状フィールド・エミッターを含む。この装置は、表面の他の部分に配置された第１のＩＩＩ族窒化物層と、第１のＩＩＩ族窒化物層の上に配置された第２のＩＩＩ族窒化物層とを含む。第２のＩＩＩ族窒化物層にはピラミッド状の表面構造はない。フィールド・エミッターは第２のＩＩＩ族窒化物を含む。第１および第２のＩＩＩ族窒化物は異なる合金組成物を有する。
【００１１】
第３の態様において、本発明は結晶質基板および基板の平坦な表面上に配置された機械的にパターン形成された第１のＩＩＩ族窒化物層を含む装置を特徴付ける。また、この装置は機械的にパターン形成された第１のＩＩＩ族窒化物層上に配置された第２のＩＩＩ族窒化物層を含む。第２のＩＩＩ族窒化物層はその中に柱状孔または溝のパターンを有する。第１および第２のＩＩＩ族窒化物は異なる合金組成物を有する。
図および文章において、同じ参照番号は同じ要素を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】ＩＩＩ族窒化物のフィールド・エミッター・アレイの平面構造を示す断面図である。
【図１Ｂ】ＩＩＩ族窒化物フィールド・エミッターのフィールド・エミッター・アレイの別の平面構造を示す断面図である。
【図１Ｃ】図１Ａまたは１Ｂのフィールド・エミッション・アレイを組み込んだ平坦な画像ディスプレイ・パネルを示す図である。
【図２】周期的な孔または溝を機械的にパターン形成したＩＩＩ族窒化物層を組み込んだ構造の断面図である。
【図２Ａ】図２で表される構造を組み込んだ光子バンドギャップ・デバイスの一実施形態の平面図である。
【図２Ｂ】図２で表される構造を組み込んだ光子バンドギャップ・デバイスの他の実施形態の平面図である。
【図２Ｃ】図２で表される構造を組み込んだ光子バンドギャップ・デバイスの他の実施形態の平面図である。
【図３】図１Ａ〜１Ｂ、２、２Ａ、２Ｂで示されるパターン形成したＩＩＩ族窒化物層を備える構造を製造する方法を示すフロー図である。
【図４】湿式エッチング時間の短い、図３の方法の実施形態によって作られた構造の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）斜視図である。
【図５】湿式エッチング時間が中間の長さである、図３の方法の実施形態によって作られた構造のＳＥＭ平面図である。
【図６】湿式エッチング時間の長い、図３の方法の実施形態によって作られた構造の平面ＳＥＭ図である。
【図７】図１Ａ〜１Ｂ、２、２Ａ、２Ｂで示されるパターン形成した層を備えるＧａＮ構造を製造する具体的な方法のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
ＩＩＩ族金属と窒素との間の結合の化学的な安定性によって、ＩＩＩ族窒化物半導体は多くのエッチング剤に対して化学的な抵抗性を有する。それにもかかわらず、強塩基の水性溶液はＩＩＩ族窒化物層の窒素極性表面をエッチングする。その湿式エッチングによって既に極性パターンが形成されたＩＩＩ族窒化物層を機械的にパターン形成することができる。パターン形成した表面の具体例は、図１Ａ〜１Ｂに示すフィールド・エミッター・アレイ、および図２、２Ａ、２Ｂに示す光子バンドギャップ構造を形成する。
【００１４】
図１Ａはフィールド・エミッター・アレイ１０Ａを示す。フィールド・エミッター・アレイ１０Ａは、基板１２と、横方向に内部分散した柱状の第１および第２領域１４、１５の規則的なパターンとを含む。第１および第２領域１４、１５は基板１２の平坦な表面を被覆する。基板１２は炭化ケイ素（ＳｉＣ）または（０００１）面サファイアなどの結晶質材料である。第１および第２領域１４、１５は、それぞれＩＩＩ族窒化物の（０００１）極性および
【数１】
極性形を含む。領域１４、１５のＩＩＩ族窒化物は、基板１２の平坦な表面１７と大幅に格子がずれている。
【００１５】
ＩＩＩ族窒化物の
【数２】
極性および（０００１）極性形はＮ極性および金属極性形と呼ばれる。Ｎ極性および金属極性形は反対の固有極性を有する。Ｎ極性および金属極性層の平坦な自由表面は、それぞれ窒素原子およびＩＩＩ族金属原子の層と終端している。
【００１６】
第１および第２柱状領域１４、１５は物理的に異なる表面を有し、したがって、基板１２上にＩＩＩ族窒化物の機械的にパターン形成された層を形成する。第１領域１４は１個または複数のＩＩＩ族窒化物の六辺形ピラミッド１６を含む。したがって、第１領域１４は非平坦な露出表面を有し、これは鋭い先端２０を含む。第２領域１５はＩＩＩ族窒化物の平滑な層を含み、ピラミッド状構造がない。したがって、第２領域の露出表面２２は平滑で平坦である。また、第２領域１５の表面２２は、第１領域１４内の最も高い先端２０よりも基板１２の平坦な表面１７のはるか上部にある。
【００１７】
第１領域１４の六辺形ピラミッド１６は鋭い頂点２０を有し、したがってフィールド・エミッターとして機能することができる。頂点先端２０の直径は１００ナノメートル（ｎｍ）未満である。ＩＩＩ族窒化物がＧａＮである実施形態では、ピラミッド１６は直径約２０ｎｍ〜３０ｎｍの先端２０を有し、平坦な表面１７と約５６°〜５８°の角度を作る面を有する。ピラミッド１６は６個の面、すなわち
【数３】
ファセットを有する。
【００１８】
単一の第１領域１４内で、六辺形ピラミッド１６および頂点先端２０の分布は不規則である。種々の第１領域１４は異なる数の六辺形ピラミッド１６を有することができる。内部分散の第２領域１５が同じ寸法および規則的な横方向の分布を有するので、第１領域１４の寸法は一定である。
【００１９】
第２領域１５において、第１のＩＩＩ族窒化物層は第２のＩＩＩ族窒化物から作られた非常に薄い層１８の上に乗っている。第２のＩＩＩ族窒化物は基板１２の平坦な表面１７と格子が大幅にずれている。さらに重要なことに、第２のＩＩＩ族窒化物は基板１２の表面１７上に金属極性で成長する。
【００２０】
図１Ｂはフィールド・エミッター・アレイ１０Ｂの代替実施形態を示す。フィールド・エミッター・アレイ１０Ｂは、基板１２と、図１Ａに関して既に説明した、横方向に内部分散した柱状の第１および第２領域１４、１５の規則的なパターンとを含む。フィールド・エミッター・アレイ１０Ｂでは、第２領域１４はフィールド・エミッター・アレイ１０Ａの場合のように孤立したピラミッド１６ではなく、重なり合う六辺形ピラミッド１６を含む。また、ピラミッド１６は寸法に範囲があり、図１Ａのフィールド・エミッター・アレイ１０Ａのように平坦な表面上に直接ではなく、Ｎ極性のＩＩＩ族窒化物の厚い層１９の上に乗っている。フィールド・エミッター・アレイ１０Ｂでは、六辺形ピラミッド１６はやはり鋭い頂点先端２０を有しており、したがって、フィールド・エミッターとして効率的に機能することができる。頂点先端２０は、第２領域１５の露出頂部表面２２よりもやはり低い。
【００２１】
図１Ｃは平坦な画像ディスプレイ・パネル２４の一実施形態を示す。ディスプレイ２４はフィールド・エミッター・アレイ１０、たとえば図１Ａおよび１Ｂのアレイ１０Ａまたは１０Ｂを組み込んでいる。また、ディスプレイ２４は金属電極２６と蛍光スクリーン２８も含む。金属電極２６はフィールド・エミッター・アレイの第２領域１５の平坦な頂部表面２２で支持されている。頂部表面２２は、先端２０自身よりも蛍光スクリーン２６により近い金属電極２６を面に沿って支持する。そのため、金属電極２６はフィールド・エミッター・アレイからの電子の放出を制御することができる。金属電極２６は、隣接する第１領域１４のフィールド・エミッターの制御ゲートとして機能する。金属電極２６を第２領域２２上に支持することによって、都合よいことに、電極を個々の先端２０上に自己配列する必要がなくなる。先端２０の位置は個々の第１領域１４中で不規則なので、その配列プロセスは複雑になるであろう。
【００２２】
図２は機械的にパターン形成された第１のＩＩＩ族窒化物層３２を有する他の構造３０を示す。層３２は、結晶質基板１２の平坦な表面、たとえばサファイア基板の（０００１）面上に配置される。層３２は同一の柱状孔または溝３４の規則的なアレイを含む。孔または溝３４は実質上矩形の断面を有し、層３２全体を横断する。層３２は機械的にパターン形成されたベース層１８の上に乗っている。ベース層１８は第１のＩＩＩ族窒化物とは異なる合金を有する第２の結晶質ＩＩＩ族窒化物である。ベース層１８は、平坦な表面１７上にＩＩＩ族金属極性であるようにエピタキシャル成長で配列する。
【００２３】
層１８と３２の対に関して、第２および第１のＩＩＩ族窒化物半導体の具体例では、ＡｌＮとＧａＮの対、またはＡｌＮとＡｌＧａＮの対である。
層３２の厚さはベース層１８の厚さよりも一般に１００〜１０，０００倍厚い。ＧａＮ層３２の具体例は３０μｍ以上の厚さを有し、ＡｌＮベース層１８はわずかに約２０ｎｍ〜３０ｎｍの厚さである。ベース層１８は、ベース層１８の上に配置される他の層の極性を配列するのに十分な厚さであればよい。
【００２４】
光デバイスにおいて、通常、層３２は平面導波管の光コアとして機能する。導波管は入力光３６を端部３７を経て受け取り、出力光３９を反対の端部３９を経て送達する。その層３２の光ファイバーおよび他の光導波管への端部結合は、層３２がより厚い実施形態においてより効率的である。したがって、このようなより厚い層３２によって標準的な光ファイバーおよび導波管への効率的な端部結合が可能になるので、層３２を比較的厚く、すなわち３０μｍ以上にできることは有利である。
【００２５】
パターン形成した厚い層３２は、たとえば厚い光子バンドギャップ構造にすることができる。厚い光子バンドギャップ構造は、ドライ・エッチングで作ることのできるより薄い光子バンドギャップ構造よりも効率的な光端部結合を提供する。
【００２６】
図２Ａおよび２Ｂは２種の平面光子バンドギャップ構造３０Ａ、３０Ｂを示している。構造３０Ａ、３０Ｂの断面図は図２に忠実に表されている。構造３０Ａおよび３０Ｂは金属極性のＩＩＩ族窒化物、すなわち（０００１）面のＩＩＩ族窒化物の層３２を含む。層３２は、図２に示された結晶質基板１２の頂部表面上に配置される。層３２は実質上同一の柱状形３４Ａ、３４Ｂのアレイに機械的にパターン形成される。柱状形３４Ａ、３４Ｂは、それぞれ構造３０Ａおよび３０Ｂの孔と溝である。
【００２７】
孔３４Ａと溝３４Ｂは、それぞれ１個および２個の独立した対称格子を有する規則的なアレイを形成する。このため、孔３４Ａと溝３４Ｂはそれぞれ層３２の屈折率の２次元および１次元的な周期的変調を形成する。屈折率変調は選択された格子長の光子バンドギャップ構造をアレイ中に形成する。媒体中への入力光の有効波長の１／４の奇数倍である格子長が、光子バンドギャップ構造を形成する。
【００２８】
図２Ｃは、孔とＩＩＩ族窒化物材料層が交換されている以外は図２Ａの光子バンドギャップ構造３０Ａに類似した光子バンドギャップ構造３０Ｃを示している。構造３０Ｃでは、ＩＩＩ族窒化物層３２Ｃは独立ピラーの２次元アレイである。ＩＩＩ族窒化物ピラーの間は相互接続された溝３４Ｃの２次元パターンである。溝３４Ｃはピラーを互いに分離する。
【００２９】
図３は、機械的にパターン形成されたＩＩＩ族窒化物層を備える構造、たとえば図１Ａ〜１Ｂ、２、２Ａ、または２Ｂで示した構造を製造する方法４０を示している。
方法４０は、結晶質基板の選択された平坦な表面上に、第１のＩＩＩ族窒化物の第１の金属極性層を形成することを含む（ステップ４２）。層の形成は、第１のＩＩＩ族窒化物のエピタキシャル成長を実施し、層をリソグラフで機械的にパターン形成することを含む。第１のＩＩＩ族窒化物の組成物は、エピタキシャル成長によって金属極性が形成されるように選択される。機械的なパターン形成によって、層を貫通して基板の一部を露出する同一の孔または溝の規則的なパターンが形成される。
【００３０】
次に、方法４０は、第１の層と基板の露出した部分の上に第２のＩＩＩ族窒化物のより厚い第２の層をエピタキシャル成長することを含む（ステップ４４）。第１層の上に第２層が金属極性で成長する。基板の露出部の上に第２層がＮ極性で成長する。第１および第２のＩＩＩ族窒化物は異なる合金組成物、たとえばＡｌＮおよびＧａＮを有し、基板と大幅に格子がずれている。
【００３１】
最終的に、方法４０は第２層を水酸化カリウム（ＫＯＨ）または水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）などの強塩基の水性溶液に曝すことを含む（ステップ４６）。水性溶液でＮ極性表面を選択的にエッチングすることによって第２層が機械的にパターン形成される。強塩基の水性溶液はＩＩＩ族窒化物の金属極性表面を大きくはエッチングしない。機械的なパターン形成の形状は品質的にエッチング時間とエッチング剤の濃度に依存する。
【００３２】
図４は、２モル濃度のＫＯＨの水性溶液で４５分間エッチングした縞状極性ＧａＮ５０の走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。ＧａＮ層は湿式エッチングの間約９０℃の温度に保った。
【００３３】
エッチングされたＧａＮ層５０はＮ極性のＧａＮ縞５２およびＧａ極性のＧａＮ縞５４を有する。比較的短いエッチングで、Ｇａ極性のＧａＮ縞５４から多くの材料を取り去ることなく、Ｎ極性のＧａＮ縞５２から多くの材料を取り去った。エッチングは、たとえば図１Ｂに示したように、Ｎ極性のＧａＮ縞５２中に高密度に集積された六辺形のＧａＮピラミッドからなる表面を形成する。ピラミッドは種々のサイズと直径約２０〜３０ｎｍ以下の鋭い頂点先端を有する。
【００３４】
測定によって、ピラミッドの密度ρΔがエッチング温度Ｔで、［ρΔ］−１＝［ρΔ０］−１ｅｘｐ（−Ｅａ／ｋＢＴ）（ｋＢはボルツマン定数である）のように変化することが示される。２モル濃度のＫＯＨ溶液、１５分間のエッチング、温度２５℃〜１００℃では、測定は活性化エネルギーＥａが約０．５８７ｅＶであることを示す。
【００３５】
本発明者等は、部分的には、エッチングされないＧａ極性ＧａＮ縞５４のために湿式ＫＯＨエッチングによって高密度の六辺形ＧａＮピラミッドが分布されるものと考えている。特に、Ｎ極性縞５２がＧａ極性縞で横方向に制限されているので、エッチング剤はその側壁面よりもＮ極性縞５２の頂部表面を攻撃する。Ｎ極性のＧａＮ縞５２が約７ミクロン（μｍ）の幅を有する場合、鋭い先端をもつ六辺形ＧａＮピラミッドの高密度集積がＫＯＨ湿式エッチングによって形成される。また、六辺形ピラミッドの高密度集積はＧａＮ表面の湿式ＫＯＨエッチングからも得られるものと考えられ、Ｎ極性のＧａＮ縞の幅は約１００μｍ以下である。しかし、制限のないＮ極性ＧａＮ表面を湿式ＫＯＨエッチングすることによって、鋭い先端をもつ六辺形ＧａＮピラミッドの高密度な集積が形成されるとは考えられない。
【００３６】
図５は、４モル濃度のＫＯＨの水性溶液で６０分間エッチングした縞状極性ＧａＮ層５０の走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。再び、ＧａＮ層は湿式エッチングの間約９０℃の温度に保った。
【００３７】
より強いエッチングによって、孤立した六辺形ＧａＮピラミッド５６以外すべての材料がＮ極性ＧａＮ縞５２から除去された。湿式エッチングは下地の結晶質サファイア基板で停止した。この中間の長さのエッチングは、少なくとも個々のＮ極性ＧａＮ縞５２の内部に図１Ａのそれに似たパターンを形成する。これらの領域内では六辺形ＧａＮピラミッド５６は不規則に分布する。
【００３８】
図６は、４モル濃度のＫＯＨ水性溶液で６０分間以上エッチングした縞状極性ＧａＮ層５０の走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。再び、ＧａＮ層は湿式エッチングの間２５℃〜１２５℃の温度、好ましくは約９０℃に保つ。
【００３９】
このより長いエッチングによって、元のＮ極性のＧａＮ縞５２を完全に取り除いた。結果として、実質上垂直な溝が、エッチングされないＧａ極性縞５４を分離した。湿式エッチング剤がＧａ極性ＧａＮ層の側壁をゆっくり攻撃するので、Ｇａ極性縞５４の側壁は完全な垂直ではない。４モル濃度以上のより高濃度のＫＯＨ水性溶液は、Ｇａ極性縞５４の露出した側部および端部表面を腐食しやすい。得られる構造は、図２、２Ａ、２Ｂの構造３０、３０Ａ、３０Ｂのように、パターン形成されたＩＩＩ族窒化物のＧａ極性層を有する。
【００４０】
図７は、図１Ａ、１Ｂ、２、２Ａ、２Ｂのように機械的にパターン形成されたＧａＮ構造を製造する方法６０を示す。方法６０は、平坦なサファイア成長基板を調製すること（ステップ６２）、基板上にＧａ極性で配列した層を成長させパターン形成すること（ステップ６４）、および配列層上に極性パターン形成されたＧａＮ層をエピタキシャル成長させること（ステップ６６）とを含む。また、方法６０は、ＧａＮ層を湿式エッチングして、Ｎ相領域中のＧａＮの選択的な除去によって機械的なパターンを形成すること（ステップ６８）を含む。
【００４１】
ステップ６２において、サファイア成長基板の調製は結晶質サファイア基板の（０００１）面の表面を洗浄することを含む。洗浄は表面を水性洗浄溶液中で１分間洗うことを含む。約９６重量％のＨ２ＳＯ４を有する第１の水性溶液と約３０重量％のＨ２Ｏ２を有する第２の水性溶液を混合して水性洗浄溶液が得られる。この混合では、第１溶液の約１０容量部を第２溶液の１容量部と混合する。洗浄は洗った表面を脱イオン水で洗浄し、次いでサファイア成長基板をスピン乾燥することも含む。
【００４２】
また、ステップ６２において、成長基板の調製は、分子ビーム・エピタキシャル（ＭＢＥ）装置中の緩衝チャンバー内で、約２００℃でサファイア基板を脱ガスすることも含む。脱ガスはチャンバー圧力が約５×１０−９トル以下になるまで続ける。脱ガスの後、サファイア基板をプラズマ援用ＭＢＥ装置の成長チャンバーに移す。
【００４３】
ステップ６４において、Ｇａ極性で配列した層の成長およびパターン形成は、サファイア基板上にＡｌＮ層のＭＢＥ成長を実施することを含む。ＭＢＥ成長を実施するには、成長チャンバーの温度を、分当たり約８℃の速度で約７２０℃の最終温度まで上昇させる。サファイア基板は、基板の背面に堆積した厚さ３００ｎｍのチタン層を用いて均一な温度に保たれる。
【００４４】
ＭＢＥ装置はＡｌＮ層を約２０ｎｍ〜３０ｎｍの厚さに成長させる。この薄いＡｌＮ層は、サファイア基板の露出した表面全体を被覆するのに十分な厚さである。１３３ ｂｏｕｌｅｖａｒｄ Ｎａｔｉｏｎａｌ、Ｂｏｉｔｅ Ｐｏｓｔａｌｅ ２３１，９２５０３ Ｒｕｅｉｌ Ｍａｌｍａｉｓｏｎ ＦｒａｎｃｅのＲｉｂｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製の分子ビーム・エピタキシャル成長装置モデル３２Ｐにおいて、成長条件は、Ａｌ放出室の温度が約１０５０℃、窒素流速約２ｓｃｃｍ、ＲＦ電力が約５００ワット（Ｗ）である。
【００４５】
ステップ６４において、パターン形成したＡｌＮ層１２の形成は、既に成長したＡｌＮ層上に約５０ｎｍの保護ＧａＮのＭＢＥ成長を実施することを含む（サブステップ６４ｂ）。ＧａＮ層は、続いてＭＢＥ成長チャンバーから基板を取り出す際に、下地のＡｌＮを酸化から保護する。ＧａＮ層の成長条件は、温度をＡｌ放出室ではなくＧａ放出室で上昇させることを除き、ＡｌＮ層のＭＢＥ成長のそれと類似している。この成長の間、Ｇａ放出室は約１０００℃〜約１０２０℃の温度である。
【００４６】
サファイア基板を約２００℃に冷却した後、ＧａＮ／ＡｌＮ層にサファイア基板の選択した部分を露出する規則的な窓のアレイのパターンをリソグラフによって形成する（サブステップ６４ｃ）。パターン形成ステップは、ＧａＮ層上にフォトレジストのマスクを形成し、次いで従来の塩素ベースのプラズマ・エッチングを実施し、ＧａＮ／ＡｌＮ層のマスクされない部分をエッチング除去することを含む。プラズマ・エッチングの条件例は、ＲＦ源電力が約３００〜５００ワット、電源バイアスが１００ボルト〜２００ボルト、塩素−アルゴン流速が約１０〜２５ｓｃｃｍ（流れの２０％〜５０％はアルゴンである）、ガス圧力が約１ミリトル〜約１０ミリトルである。プラズマ・エッチングはＧａＮで覆われたＡｌＮ領域の予備選択されたパターンを形成する。
【００４７】
プラズマ・エッチングの後、ＧａＮで覆われたＡｌＮ領域のパターンは水性ＨＣｌ溶液で洗浄し、脱イオン水で洗い、窒素を吹き付けて乾燥する。この水性洗浄溶液は約３６．５重量％〜約４８重量％のＨＣｌを含む。次いで、再び上記のステップを用いてサファイア基板をＭＢＥ装置に再導入する。
【００４８】
ステップ６６において、ＧａＮ層のエピタキシャル成長は、ＧａＮ層のプラズマＭＢＥ成長を約２μｍ以上の厚さまで実施することを含む。ＭＢＥ成長の間、装置の条件は、Ｇａ放出室の温度が約１０００℃〜約１０２０℃、窒素流速が約２ｓｃｃｍ、ＲＦ電力が約５００ワット（Ｗ）である。この成長の間、ＧａＮで覆ったＡｌＮ領域はＧａ極性のＧａＮの成長を開始し、サファイア基板１０の露出領域はＮ極性のＧａＮの成長を開始する。
【００４９】
ステップ６８において、異方性湿式エッチングはＧａＮ層と基板をＫＯＨの水性溶液に浸漬することを含む。湿式エッチングの例は、１〜４モル濃度のＫＯＨ水性溶液を使用し、エッチング時間は１００℃で約１５分間〜６０分間である。ＫＯＨの濃度およびエッチング時間は図４〜６に示すように、得られる機械的なパターンの品質上の形を決定する。湿式エッチングはＮ極性を有するＧａＮを選択的に除去する。やはり、４モル濃度のＫＯＨよりも強い塩基の水性溶液は、元のＧａＮ層のＧａ極性部の端部面を腐食する。
開示、図面、請求項から、本発明の他の実施形態は当業者には明らかであろう。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶質ＩＩＩ族窒化物を組み込んだ電子デバイスおよび光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
結晶質ＩＩＩ族窒化物半導体は電子デバイスおよび光デバイスの両方に使用される。
電子デバイスに関しては、フィールド・エミッターを作るためにＩＩＩ族窒化物が使用されてきた。フィールド・エミッターは鋭い先端を有する伝導性構造体である。鋭い先端は充電されることに応答して高い電界を発生する。高い電界によって先端から電子が放出される。この理由から、フィールド・エミッターのアレイは蛍光体画像スクリーンを駆動することができる。
【０００３】
従来技術の一方法によって、ＩＩＩ族窒化物からフィールド・エミッターのアレイが製造されてきた。ＩＩＩ族窒化物はＩＩＩ族原子−窒素結合の安定性のため、化学的および機械的に安定している。その安定性はフィールド・エミッターのアレイを使用するデバイスには非常に好ましいことである。
【０００４】
従来技術の方法ではフィールド・エミッターはＩＩＩ族窒化物から成長させる。成長方法は、サファイア基板上に窒化ガリウム（ＧａＮ）層をエピタキシャル成長させて、ＧａＮ層上にＳｉＯ２マスクを形成し、マスクの円形窓の中にピラミッド状のＧａＮのフィールド・エミッターをエピタキシャル成長させることを含む。成長方法は均一なサイズのフィールド・エミッターを生成するが、フィールド・エミッターは非常に鋭い先端はもたない。より鋭い先端は高い電子放出速度および低い始動電圧を得るために望ましい。
【０００５】
光デバイスに関しては、ＩＩＩ族窒化物は高い屈折率を有する。高屈折率の材料は光子バンドギャップ構造を製造するのに望ましい。固定光子バンドギャプでは、それらの材料は低屈折率材料で作られた場合の構造よりも大きなフィーチャー寸法を備える光子バンドギャップ構造を作ることを可能にする。
【０００６】
平面光子バンドギャップ構造を作る一方法は、ＩＩＩ族窒化物の平滑な層をドライ・エッチングすることを含む。都合の悪いことに、ＩＩＩ族窒化物の化学的安定性によって、ドライ・エッチング剤のマスク材料に対するＩＩＩ族窒化物の選択性が低下する。この理由から、ドライ・エッチングはＩＩＩ族窒化物の層に深い表面浮き彫りを形成しない。その結果、ドライ・エッチング法はＩＩＩ族窒化物から薄い平面光子バンドギャップ構造しか形成しない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
都合の悪いことに、光は薄い平面構造には効率的に端部結合しない。このため、ＩＩＩ族窒化物からより高い表面浮き彫りを有する光子バンドギャップ構造を製造することのできる方法をもつことが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、機械的にパターン形成した表面は、その中に変形のアレイ、たとえば孔、溝、または物理的に粗い領域を有する。
さまざまな実施形態により、機械的にパターン形成した表面を備えるＩＩＩ族窒化物層を製造する方法が提供される。パターン形成した表面は、得られる構造に機能性を与える。製造方法は、強塩基による化学作用に対する窒素極性（Ｎ−極性）ＩＩＩ族窒化物層の感受性を利用する。この方法では、塩基性溶液を使用し、パターン形成された表面が形成されるようにＩＩＩ族窒化物層を湿式エッチングする。パターン形成した表面の具体例は光子バンドギャップ構造およびフィールド・エミッター・アレイを提供する。
【０００９】
第１の態様において、本発明は製造方法を特徴付ける。この方法は結晶質基板を提供すること、および基板の平坦な表面に第１のＩＩＩ族窒化物層を形成することを含む。第１の層は単一極性であり、また基板の一部を露出する孔または溝のパターンを有する。この方法は、第１層および基板の露出部の両方の上に第２のＩＩＩ族窒化物層をエピタキシャル成長させることを含む。第１および第２のＩＩＩ族窒化物は異なる合金組成物を有する。この方法は、第２層を塩基の水性溶液に曝して、第２層を機械的にパターン形成することを含む。
【００１０】
第２の態様において、本発明は機械的にパターン形成された表面を備える装置を特徴付ける。この装置は平坦な表面を有する結晶質基板および表面の一部に配置された複数のピラミッド状フィールド・エミッターを含む。この装置は、表面の他の部分に配置された第１のＩＩＩ族窒化物層と、第１のＩＩＩ族窒化物層の上に配置された第２のＩＩＩ族窒化物層とを含む。第２のＩＩＩ族窒化物層にはピラミッド状の表面構造はない。フィールド・エミッターは第２のＩＩＩ族窒化物を含む。第１および第２のＩＩＩ族窒化物は異なる合金組成物を有する。
【００１１】
第３の態様において、本発明は結晶質基板および基板の平坦な表面上に配置された機械的にパターン形成された第１のＩＩＩ族窒化物層を含む装置を特徴付ける。また、この装置は機械的にパターン形成された第１のＩＩＩ族窒化物層上に配置された第２のＩＩＩ族窒化物層を含む。第２のＩＩＩ族窒化物層はその中に柱状孔または溝のパターンを有する。第１および第２のＩＩＩ族窒化物は異なる合金組成物を有する。
図および文章において、同じ参照番号は同じ要素を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】ＩＩＩ族窒化物のフィールド・エミッター・アレイの平面構造を示す断面図である。
【図１Ｂ】ＩＩＩ族窒化物フィールド・エミッターのフィールド・エミッター・アレイの別の平面構造を示す断面図である。
【図１Ｃ】図１Ａまたは１Ｂのフィールド・エミッション・アレイを組み込んだ平坦な画像ディスプレイ・パネルを示す図である。
【図２】周期的な孔または溝を機械的にパターン形成したＩＩＩ族窒化物層を組み込んだ構造の断面図である。
【図２Ａ】図２で表される構造を組み込んだ光子バンドギャップ・デバイスの一実施形態の平面図である。
【図２Ｂ】図２で表される構造を組み込んだ光子バンドギャップ・デバイスの他の実施形態の平面図である。
【図２Ｃ】図２で表される構造を組み込んだ光子バンドギャップ・デバイスの他の実施形態の平面図である。
【図３】図１Ａ〜１Ｂ、２、２Ａ、２Ｂで示されるパターン形成したＩＩＩ族窒化物層を備える構造を製造する方法を示すフロー図である。
【図４】湿式エッチング時間の短い、図３の方法の実施形態によって作られた構造の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）斜視図である。
【図５】湿式エッチング時間が中間の長さである、図３の方法の実施形態によって作られた構造のＳＥＭ平面図である。
【図６】湿式エッチング時間の長い、図３の方法の実施形態によって作られた構造の平面ＳＥＭ図である。
【図７】図１Ａ〜１Ｂ、２、２Ａ、２Ｂで示されるパターン形成した層を備えるＧａＮ構造を製造する具体的な方法のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
ＩＩＩ族金属と窒素との間の結合の化学的な安定性によって、ＩＩＩ族窒化物半導体は多くのエッチング剤に対して化学的な抵抗性を有する。それにもかかわらず、強塩基の水性溶液はＩＩＩ族窒化物層の窒素極性表面をエッチングする。その湿式エッチングによって既に極性パターンが形成されたＩＩＩ族窒化物層を機械的にパターン形成することができる。パターン形成した表面の具体例は、図１Ａ〜１Ｂに示すフィールド・エミッター・アレイ、および図２、２Ａ、２Ｂに示す光子バンドギャップ構造を形成する。
【００１４】
図１Ａはフィールド・エミッター・アレイ１０Ａを示す。フィールド・エミッター・アレイ１０Ａは、基板１２と、横方向に内部分散した柱状の第１および第２領域１４、１５の規則的なパターンとを含む。第１および第２領域１４、１５は基板１２の平坦な表面を被覆する。基板１２は炭化ケイ素（ＳｉＣ）または（０００１）面サファイアなどの結晶質材料である。第１および第２領域１４、１５は、それぞれＩＩＩ族窒化物の（０００１）極性および
【数１】
極性形を含む。領域１４、１５のＩＩＩ族窒化物は、基板１２の平坦な表面１７と大幅に格子がずれている。
【００１５】
ＩＩＩ族窒化物の
【数２】
極性および（０００１）極性形はＮ極性および金属極性形と呼ばれる。Ｎ極性および金属極性形は反対の固有極性を有する。Ｎ極性および金属極性層の平坦な自由表面は、それぞれ窒素原子およびＩＩＩ族金属原子の層と終端している。
【００１６】
第１および第２柱状領域１４、１５は物理的に異なる表面を有し、したがって、基板１２上にＩＩＩ族窒化物の機械的にパターン形成された層を形成する。第１領域１４は１個または複数のＩＩＩ族窒化物の六辺形ピラミッド１６を含む。したがって、第１領域１４は非平坦な露出表面を有し、これは鋭い先端２０を含む。第２領域１５はＩＩＩ族窒化物の平滑な層を含み、ピラミッド状構造がない。したがって、第２領域の露出表面２２は平滑で平坦である。また、第２領域１５の表面２２は、第１領域１４内の最も高い先端２０よりも基板１２の平坦な表面１７のはるか上部にある。
【００１７】
第１領域１４の六辺形ピラミッド１６は鋭い頂点２０を有し、したがってフィールド・エミッターとして機能することができる。頂点先端２０の直径は１００ナノメートル（ｎｍ）未満である。ＩＩＩ族窒化物がＧａＮである実施形態では、ピラミッド１６は直径約２０ｎｍ〜３０ｎｍの先端２０を有し、平坦な表面１７と約５６°〜５８°の角度を作る面を有する。ピラミッド１６は６個の面、すなわち
【数３】
ファセットを有する。
【００１８】
単一の第１領域１４内で、六辺形ピラミッド１６および頂点先端２０の分布は不規則である。種々の第１領域１４は異なる数の六辺形ピラミッド１６を有することができる。内部分散の第２領域１５が同じ寸法および規則的な横方向の分布を有するので、第１領域１４の寸法は一定である。
【００１９】
第２領域１５において、第１のＩＩＩ族窒化物層は第２のＩＩＩ族窒化物から作られた非常に薄い層１８の上に乗っている。第２のＩＩＩ族窒化物は基板１２の平坦な表面１７と格子が大幅にずれている。さらに重要なことに、第２のＩＩＩ族窒化物は基板１２の表面１７上に金属極性で成長する。
【００２０】
図１Ｂはフィールド・エミッター・アレイ１０Ｂの代替実施形態を示す。フィールド・エミッター・アレイ１０Ｂは、基板１２と、図１Ａに関して既に説明した、横方向に内部分散した柱状の第１および第２領域１４、１５の規則的なパターンとを含む。フィールド・エミッター・アレイ１０Ｂでは、第２領域１４はフィールド・エミッター・アレイ１０Ａの場合のように孤立したピラミッド１６ではなく、重なり合う六辺形ピラミッド１６を含む。また、ピラミッド１６は寸法に範囲があり、図１Ａのフィールド・エミッター・アレイ１０Ａのように平坦な表面上に直接ではなく、Ｎ極性のＩＩＩ族窒化物の厚い層１９の上に乗っている。フィールド・エミッター・アレイ１０Ｂでは、六辺形ピラミッド１６はやはり鋭い頂点先端２０を有しており、したがって、フィールド・エミッターとして効率的に機能することができる。頂点先端２０は、第２領域１５の露出頂部表面２２よりもやはり低い。
【００２１】
図１Ｃは平坦な画像ディスプレイ・パネル２４の一実施形態を示す。ディスプレイ２４はフィールド・エミッター・アレイ１０、たとえば図１Ａおよび１Ｂのアレイ１０Ａまたは１０Ｂを組み込んでいる。また、ディスプレイ２４は金属電極２６と蛍光スクリーン２８も含む。金属電極２６はフィールド・エミッター・アレイの第２領域１５の平坦な頂部表面２２で支持されている。頂部表面２２は、先端２０自身よりも蛍光スクリーン２６により近い金属電極２６を面に沿って支持する。そのため、金属電極２６はフィールド・エミッター・アレイからの電子の放出を制御することができる。金属電極２６は、隣接する第１領域１４のフィールド・エミッターの制御ゲートとして機能する。金属電極２６を第２領域２２上に支持することによって、都合よいことに、電極を個々の先端２０上に自己配列する必要がなくなる。先端２０の位置は個々の第１領域１４中で不規則なので、その配列プロセスは複雑になるであろう。
【００２２】
図２は機械的にパターン形成された第１のＩＩＩ族窒化物層３２を有する他の構造３０を示す。層３２は、結晶質基板１２の平坦な表面、たとえばサファイア基板の（０００１）面上に配置される。層３２は同一の柱状孔または溝３４の規則的なアレイを含む。孔または溝３４は実質上矩形の断面を有し、層３２全体を横断する。層３２は機械的にパターン形成されたベース層１８の上に乗っている。ベース層１８は第１のＩＩＩ族窒化物とは異なる合金を有する第２の結晶質ＩＩＩ族窒化物である。ベース層１８は、平坦な表面１７上にＩＩＩ族金属極性であるようにエピタキシャル成長で配列する。
【００２３】
層１８と３２の対に関して、第２および第１のＩＩＩ族窒化物半導体の具体例では、ＡｌＮとＧａＮの対、またはＡｌＮとＡｌＧａＮの対である。
層３２の厚さはベース層１８の厚さよりも一般に１００〜１０，０００倍厚い。ＧａＮ層３２の具体例は３０μｍ以上の厚さを有し、ＡｌＮベース層１８はわずかに約２０ｎｍ〜３０ｎｍの厚さである。ベース層１８は、ベース層１８の上に配置される他の層の極性を配列するのに十分な厚さであればよい。
【００２４】
光デバイスにおいて、通常、層３２は平面導波管の光コアとして機能する。導波管は入力光３６を端部３７を経て受け取り、出力光３９を反対の端部３９を経て送達する。その層３２の光ファイバーおよび他の光導波管への端部結合は、層３２がより厚い実施形態においてより効率的である。したがって、このようなより厚い層３２によって標準的な光ファイバーおよび導波管への効率的な端部結合が可能になるので、層３２を比較的厚く、すなわち３０μｍ以上にできることは有利である。
【００２５】
パターン形成した厚い層３２は、たとえば厚い光子バンドギャップ構造にすることができる。厚い光子バンドギャップ構造は、ドライ・エッチングで作ることのできるより薄い光子バンドギャップ構造よりも効率的な光端部結合を提供する。
【００２６】
図２Ａおよび２Ｂは２種の平面光子バンドギャップ構造３０Ａ、３０Ｂを示している。構造３０Ａ、３０Ｂの断面図は図２に忠実に表されている。構造３０Ａおよび３０Ｂは金属極性のＩＩＩ族窒化物、すなわち（０００１）面のＩＩＩ族窒化物の層３２を含む。層３２は、図２に示された結晶質基板１２の頂部表面上に配置される。層３２は実質上同一の柱状形３４Ａ、３４Ｂのアレイに機械的にパターン形成される。柱状形３４Ａ、３４Ｂは、それぞれ構造３０Ａおよび３０Ｂの孔と溝である。
【００２７】
孔３４Ａと溝３４Ｂは、それぞれ１個および２個の独立した対称格子を有する規則的なアレイを形成する。このため、孔３４Ａと溝３４Ｂはそれぞれ層３２の屈折率の２次元および１次元的な周期的変調を形成する。屈折率変調は選択された格子長の光子バンドギャップ構造をアレイ中に形成する。媒体中への入力光の有効波長の１／４の奇数倍である格子長が、光子バンドギャップ構造を形成する。
【００２８】
図２Ｃは、孔とＩＩＩ族窒化物材料層が交換されている以外は図２Ａの光子バンドギャップ構造３０Ａに類似した光子バンドギャップ構造３０Ｃを示している。構造３０Ｃでは、ＩＩＩ族窒化物層３２Ｃは独立ピラーの２次元アレイである。ＩＩＩ族窒化物ピラーの間は相互接続された溝３４Ｃの２次元パターンである。溝３４Ｃはピラーを互いに分離する。
【００２９】
図３は、機械的にパターン形成されたＩＩＩ族窒化物層を備える構造、たとえば図１Ａ〜１Ｂ、２、２Ａ、または２Ｂで示した構造を製造する方法４０を示している。
方法４０は、結晶質基板の選択された平坦な表面上に、第１のＩＩＩ族窒化物の第１の金属極性層を形成することを含む（ステップ４２）。層の形成は、第１のＩＩＩ族窒化物のエピタキシャル成長を実施し、層をリソグラフで機械的にパターン形成することを含む。第１のＩＩＩ族窒化物の組成物は、エピタキシャル成長によって金属極性が形成されるように選択される。機械的なパターン形成によって、層を貫通して基板の一部を露出する同一の孔または溝の規則的なパターンが形成される。
【００３０】
次に、方法４０は、第１の層と基板の露出した部分の上に第２のＩＩＩ族窒化物のより厚い第２の層をエピタキシャル成長することを含む（ステップ４４）。第１層の上に第２層が金属極性で成長する。基板の露出部の上に第２層がＮ極性で成長する。第１および第２のＩＩＩ族窒化物は異なる合金組成物、たとえばＡｌＮおよびＧａＮを有し、基板と大幅に格子がずれている。
【００３１】
最終的に、方法４０は第２層を水酸化カリウム（ＫＯＨ）または水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）などの強塩基の水性溶液に曝すことを含む（ステップ４６）。水性溶液でＮ極性表面を選択的にエッチングすることによって第２層が機械的にパターン形成される。強塩基の水性溶液はＩＩＩ族窒化物の金属極性表面を大きくはエッチングしない。機械的なパターン形成の形状は品質的にエッチング時間とエッチング剤の濃度に依存する。
【００３２】
図４は、２モル濃度のＫＯＨの水性溶液で４５分間エッチングした縞状極性ＧａＮ５０の走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。ＧａＮ層は湿式エッチングの間約９０℃の温度に保った。
【００３３】
エッチングされたＧａＮ層５０はＮ極性のＧａＮ縞５２およびＧａ極性のＧａＮ縞５４を有する。比較的短いエッチングで、Ｇａ極性のＧａＮ縞５４から多くの材料を取り去ることなく、Ｎ極性のＧａＮ縞５２から多くの材料を取り去った。エッチングは、たとえば図１Ｂに示したように、Ｎ極性のＧａＮ縞５２中に高密度に集積された六辺形のＧａＮピラミッドからなる表面を形成する。ピラミッドは種々のサイズと直径約２０〜３０ｎｍ以下の鋭い頂点先端を有する。
【００３４】
測定によって、ピラミッドの密度ρΔがエッチング温度Ｔで、［ρΔ］−１＝［ρΔ０］−１ｅｘｐ（−Ｅａ／ｋＢＴ）（ｋＢはボルツマン定数である）のように変化することが示される。２モル濃度のＫＯＨ溶液、１５分間のエッチング、温度２５℃〜１００℃では、測定は活性化エネルギーＥａが約０．５８７ｅＶであることを示す。
【００３５】
本発明者等は、部分的には、エッチングされないＧａ極性ＧａＮ縞５４のために湿式ＫＯＨエッチングによって高密度の六辺形ＧａＮピラミッドが分布されるものと考えている。特に、Ｎ極性縞５２がＧａ極性縞で横方向に制限されているので、エッチング剤はその側壁面よりもＮ極性縞５２の頂部表面を攻撃する。Ｎ極性のＧａＮ縞５２が約７ミクロン（μｍ）の幅を有する場合、鋭い先端をもつ六辺形ＧａＮピラミッドの高密度集積がＫＯＨ湿式エッチングによって形成される。また、六辺形ピラミッドの高密度集積はＧａＮ表面の湿式ＫＯＨエッチングからも得られるものと考えられ、Ｎ極性のＧａＮ縞の幅は約１００μｍ以下である。しかし、制限のないＮ極性ＧａＮ表面を湿式ＫＯＨエッチングすることによって、鋭い先端をもつ六辺形ＧａＮピラミッドの高密度な集積が形成されるとは考えられない。
【００３６】
図５は、４モル濃度のＫＯＨの水性溶液で６０分間エッチングした縞状極性ＧａＮ層５０の走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。再び、ＧａＮ層は湿式エッチングの間約９０℃の温度に保った。
【００３７】
より強いエッチングによって、孤立した六辺形ＧａＮピラミッド５６以外すべての材料がＮ極性ＧａＮ縞５２から除去された。湿式エッチングは下地の結晶質サファイア基板で停止した。この中間の長さのエッチングは、少なくとも個々のＮ極性ＧａＮ縞５２の内部に図１Ａのそれに似たパターンを形成する。これらの領域内では六辺形ＧａＮピラミッド５６は不規則に分布する。
【００３８】
図６は、４モル濃度のＫＯＨ水性溶液で６０分間以上エッチングした縞状極性ＧａＮ層５０の走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。再び、ＧａＮ層は湿式エッチングの間２５℃〜１２５℃の温度、好ましくは約９０℃に保つ。
【００３９】
このより長いエッチングによって、元のＮ極性のＧａＮ縞５２を完全に取り除いた。結果として、実質上垂直な溝が、エッチングされないＧａ極性縞５４を分離した。湿式エッチング剤がＧａ極性ＧａＮ層の側壁をゆっくり攻撃するので、Ｇａ極性縞５４の側壁は完全な垂直ではない。４モル濃度以上のより高濃度のＫＯＨ水性溶液は、Ｇａ極性縞５４の露出した側部および端部表面を腐食しやすい。得られる構造は、図２、２Ａ、２Ｂの構造３０、３０Ａ、３０Ｂのように、パターン形成されたＩＩＩ族窒化物のＧａ極性層を有する。
【００４０】
図７は、図１Ａ、１Ｂ、２、２Ａ、２Ｂのように機械的にパターン形成されたＧａＮ構造を製造する方法６０を示す。方法６０は、平坦なサファイア成長基板を調製すること（ステップ６２）、基板上にＧａ極性で配列した層を成長させパターン形成すること（ステップ６４）、および配列層上に極性パターン形成されたＧａＮ層をエピタキシャル成長させること（ステップ６６）とを含む。また、方法６０は、ＧａＮ層を湿式エッチングして、Ｎ相領域中のＧａＮの選択的な除去によって機械的なパターンを形成すること（ステップ６８）を含む。
【００４１】
ステップ６２において、サファイア成長基板の調製は結晶質サファイア基板の（０００１）面の表面を洗浄することを含む。洗浄は表面を水性洗浄溶液中で１分間洗うことを含む。約９６重量％のＨ２ＳＯ４を有する第１の水性溶液と約３０重量％のＨ２Ｏ２を有する第２の水性溶液を混合して水性洗浄溶液が得られる。この混合では、第１溶液の約１０容量部を第２溶液の１容量部と混合する。洗浄は洗った表面を脱イオン水で洗浄し、次いでサファイア成長基板をスピン乾燥することも含む。
【００４２】
また、ステップ６２において、成長基板の調製は、分子ビーム・エピタキシャル（ＭＢＥ）装置中の緩衝チャンバー内で、約２００℃でサファイア基板を脱ガスすることも含む。脱ガスはチャンバー圧力が約５×１０−９トル以下になるまで続ける。脱ガスの後、サファイア基板をプラズマ援用ＭＢＥ装置の成長チャンバーに移す。
【００４３】
ステップ６４において、Ｇａ極性で配列した層の成長およびパターン形成は、サファイア基板上にＡｌＮ層のＭＢＥ成長を実施することを含む。ＭＢＥ成長を実施するには、成長チャンバーの温度を、分当たり約８℃の速度で約７２０℃の最終温度まで上昇させる。サファイア基板は、基板の背面に堆積した厚さ３００ｎｍのチタン層を用いて均一な温度に保たれる。
【００４４】
ＭＢＥ装置はＡｌＮ層を約２０ｎｍ〜３０ｎｍの厚さに成長させる。この薄いＡｌＮ層は、サファイア基板の露出した表面全体を被覆するのに十分な厚さである。１３３ ｂｏｕｌｅｖａｒｄ Ｎａｔｉｏｎａｌ、Ｂｏｉｔｅ Ｐｏｓｔａｌｅ ２３１，９２５０３ Ｒｕｅｉｌ Ｍａｌｍａｉｓｏｎ ＦｒａｎｃｅのＲｉｂｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製の分子ビーム・エピタキシャル成長装置モデル３２Ｐにおいて、成長条件は、Ａｌ放出室の温度が約１０５０℃、窒素流速約２ｓｃｃｍ、ＲＦ電力が約５００ワット（Ｗ）である。
【００４５】
ステップ６４において、パターン形成したＡｌＮ層１２の形成は、既に成長したＡｌＮ層上に約５０ｎｍの保護ＧａＮのＭＢＥ成長を実施することを含む（サブステップ６４ｂ）。ＧａＮ層は、続いてＭＢＥ成長チャンバーから基板を取り出す際に、下地のＡｌＮを酸化から保護する。ＧａＮ層の成長条件は、温度をＡｌ放出室ではなくＧａ放出室で上昇させることを除き、ＡｌＮ層のＭＢＥ成長のそれと類似している。この成長の間、Ｇａ放出室は約１０００℃〜約１０２０℃の温度である。
【００４６】
サファイア基板を約２００℃に冷却した後、ＧａＮ／ＡｌＮ層にサファイア基板の選択した部分を露出する規則的な窓のアレイのパターンをリソグラフによって形成する（サブステップ６４ｃ）。パターン形成ステップは、ＧａＮ層上にフォトレジストのマスクを形成し、次いで従来の塩素ベースのプラズマ・エッチングを実施し、ＧａＮ／ＡｌＮ層のマスクされない部分をエッチング除去することを含む。プラズマ・エッチングの条件例は、ＲＦ源電力が約３００〜５００ワット、電源バイアスが１００ボルト〜２００ボルト、塩素−アルゴン流速が約１０〜２５ｓｃｃｍ（流れの２０％〜５０％はアルゴンである）、ガス圧力が約１ミリトル〜約１０ミリトルである。プラズマ・エッチングはＧａＮで覆われたＡｌＮ領域の予備選択されたパターンを形成する。
【００４７】
プラズマ・エッチングの後、ＧａＮで覆われたＡｌＮ領域のパターンは水性ＨＣｌ溶液で洗浄し、脱イオン水で洗い、窒素を吹き付けて乾燥する。この水性洗浄溶液は約３６．５重量％〜約４８重量％のＨＣｌを含む。次いで、再び上記のステップを用いてサファイア基板をＭＢＥ装置に再導入する。
【００４８】
ステップ６６において、ＧａＮ層のエピタキシャル成長は、ＧａＮ層のプラズマＭＢＥ成長を約２μｍ以上の厚さまで実施することを含む。ＭＢＥ成長の間、装置の条件は、Ｇａ放出室の温度が約１０００℃〜約１０２０℃、窒素流速が約２ｓｃｃｍ、ＲＦ電力が約５００ワット（Ｗ）である。この成長の間、ＧａＮで覆ったＡｌＮ領域はＧａ極性のＧａＮの成長を開始し、サファイア基板１０の露出領域はＮ極性のＧａＮの成長を開始する。
【００４９】
ステップ６８において、異方性湿式エッチングはＧａＮ層と基板をＫＯＨの水性溶液に浸漬することを含む。湿式エッチングの例は、１〜４モル濃度のＫＯＨ水性溶液を使用し、エッチング時間は１００℃で約１５分間〜６０分間である。ＫＯＨの濃度およびエッチング時間は図４〜６に示すように、得られる機械的なパターンの品質上の形を決定する。湿式エッチングはＮ極性を有するＧａＮを選択的に除去する。やはり、４モル濃度のＫＯＨよりも強い塩基の水性溶液は、元のＧａＮ層のＧａ極性部の端部面を腐食する。
開示、図面、請求項から、本発明の他の実施形態は当業者には明らかであろう。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造を製造する方法であって、
平坦な表面を有する結晶質基板を提供し、
前記結晶質基板の前記表面上にＩＩＩ族窒化物の結晶質層を形成し、そして、
前記結晶質層の第１の側腹領域の窒素極性表面から複数のピラミッドが形成され、前記ピラミッドは前記結晶質層の隣接する第２の側腹領域には生じないように、前記結晶質層を塩基の溶液に曝して前記結晶質層をエッチングすることを含み、前記第２の側腹領域は前記第１の側腹領域の間に位置し、
製造された構造は、前記結晶質層の前記第２の側腹領域の平坦な表面上に位置する金属電極を有する、方法。
【請求項２】
前記ＩＩＩ族窒化物はガリウムからなる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記結晶質層の形成は前記結晶質層のエピタキシャル成長を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ピラミッドが空間的に重なり合う、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
頂部表面を有するＩＩＩ族窒化物の層を含み、前記頂部表面は、前記ＩＩＩ族窒化物の複数のピラミッド構造を有し、前記ピラミッド構造が、窒素極性を有する前記頂部表面の一部に位置し、さらに、
前記ピラミッド構造を有する前記層の部分間の前記層の平坦な表面上に直接位置する金属電極を含み、前記頂部表面の前記ピラミッド構造は前記電極とは物理的に分離する、装置。
【請求項６】
前記ＩＩＩ族窒化物はガリウムからなる、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記ピラミッド構造が空間的に重なり合う、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記ピラミッド構造は不規則に分布する、請求項５に記載の装置。
【請求項９】
前記頂部表面と向かい合う蛍光スクリーンをさらに含む、請求項５に記載の装置。
【請求項１】
構造を製造する方法であって、
平坦な表面を有する結晶質基板を提供し、
前記結晶質基板の前記表面上にＩＩＩ族窒化物の結晶質層を形成し、そして、
前記結晶質層の第１の側腹領域の窒素極性表面から複数のピラミッドが形成され、前記ピラミッドは前記結晶質層の隣接する第２の側腹領域には生じないように、前記結晶質層を塩基の溶液に曝して前記結晶質層をエッチングすることを含み、前記第２の側腹領域は前記第１の側腹領域の間に位置し、
製造された構造は、前記結晶質層の前記第２の側腹領域の平坦な表面上に位置する金属電極を有する、方法。
【請求項２】
前記ＩＩＩ族窒化物はガリウムからなる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記結晶質層の形成は前記結晶質層のエピタキシャル成長を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ピラミッドが空間的に重なり合う、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
頂部表面を有するＩＩＩ族窒化物の層を含み、前記頂部表面は、前記ＩＩＩ族窒化物の複数のピラミッド構造を有し、前記ピラミッド構造が、窒素極性を有する前記頂部表面の一部に位置し、さらに、
前記ピラミッド構造を有する前記層の部分間の前記層の平坦な表面上に直接位置する金属電極を含み、前記頂部表面の前記ピラミッド構造は前記電極とは物理的に分離する、装置。
【請求項６】
前記ＩＩＩ族窒化物はガリウムからなる、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記ピラミッド構造が空間的に重なり合う、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記ピラミッド構造は不規則に分布する、請求項５に記載の装置。
【請求項９】
前記頂部表面と向かい合う蛍光スクリーンをさらに含む、請求項５に記載の装置。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３】
【図７】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３】
【図７】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２３３５３１（Ｐ２０１１−２３３５３１Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２７２８１（Ｐ２０１１−１２７２８１）
【出願日】平成２３年６月７日（２０１１．６．７）
【分割の表示】特願２００４−９２２７１（Ｐ２００４−９２２７１）の分割
【原出願日】平成１６年３月２６日（２００４．３．２６）
【出願人】（５９６０９２６９８）アルカテル−ルーセント ユーエスエー インコーポレーテッド (965)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月７日（２０１１．６．７）
【分割の表示】特願２００４−９２２７１（Ｐ２００４−９２２７１）の分割
【原出願日】平成１６年３月２６日（２００４．３．２６）
【出願人】（５９６０９２６９８）アルカテル−ルーセント ユーエスエー インコーポレーテッド (965)
【Ｆターム（参考）】
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