ＩＩＩ族窒化物テンプレート、ならびにそれを構成するための関連するヘテロ構造、デバイスおよび方法
テンプレート化基板は、ベース層と、ベース層上に配置されており、単結晶ＩＩＩ族窒化物を含む組成物を有している、テンプレート層とを含む。テンプレート層は、ベース層上にある連続副層と、第１の副層上のナノ円柱状副層とを含み、ナノ円柱状副層は、複数のナノスケール円柱を含む。上記ベース層は、サファイア、ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ、Ｓｉ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、およびＬｉＧａＯ２から成る群より選択される材料を含み得る。
【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、２００８年５月６日に出願された米国仮特許出願第６１／１２６，６８０号（名称「Ｇｒｏｕｐ ＩＩＩ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｐｕｔｔｅｒｅｄ Ｔｅｍｐｌａｔｅ ｆｏｒ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ ＩＩＩ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ， ａｎｄ Ｇｒｏｕｐ ＩＩＩ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ Ｔｅｍｐｌａｔｅ」の利益を主張し、この仮特許出願の内容は、その全体が本明細書において参照により援用される。
【０００２】
本発明は、概して、様々なヘテロ構造およびマイクロ電子デバイスの製造に有用なＩＩＩ族窒化物含有テンプレート、ならびにそのようなテンプレートに基づくヘテロ構造およびマイクロ電子デバイスに関する。具体的には、本発明は、ナノ円柱状テンプレート層を含む、テンプレート化基板に関連したヘテロ構造およびマイクロ電子デバイスに関する。
【背景技術】
【０００３】
最適な基板の選択は、高品質半導体材料のエピタキシャル成長における重要な因子であると考えられる。ＩＩＩ族窒化物デバイスのホモエピタキシャル成長のためのネイティブ窒化物基板の長年にわたる需要は、まだ満たされていない。代わりに、ヘテロエピタキシー（例えば、格子定数および熱膨張係数の不整合等）という周知の不利な結果をもたらすにもかかわらず、窒化物用途のほとんどに対して外部基板が利用されている。サファイアは、ＩＩＩ族窒化物層のヘテロエピタキシャル成長において最も一般的に使用されているベース基板である。サファイア基板に加えて、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、およびある特定の酸化物基板、例えばＬｉＡｌＯ２、ＭｇＡｌ２Ｏ４およびＭｇＯ等の他のいくつかの基板が集中的に研究されている。
【０００４】
利用可能な基板との格子不整合および熱膨張係数不整合がともに非常に大きいため、特に構造欠陥および残留歪みに関して、窒化物層の特性およびデバイス構造を改善し得るかどうかを決定するために、多くのグループにより成長最適化が検討されている。いくつかの成長手法が提案され、結晶品質およびデバイス性能の著しい改善をもたらすことが証明されている。これらの成長手法は、概して、３つの主要なグループ、すなわち（ｉ）多段階バッファ、（ｉｉ）複雑構造界面テンプレート（複雑パターン化構造）および（ｉｉｉ）異なる化合物の材料のテンプレート層に分類することができる。
【０００５】
多段階バッファ、または低温（ＬＴ）バッファは、原則的に、より高い温度（ＨＴ）への加熱中に再結晶化する１つの低温（ＬＴ）核形成層と、より高い温度で堆積される単結晶層とから成る。すなわち、核形成層を下の外部基板上に低温で成長させ、次いで単結晶層をより高い成長温度で堆積させる。次いで、デバイス構造をこの２段階バッファ構造上に堆積させることができる。これらのＬＴバッファには多くの異なる種類がある。それらは、材料の種類（ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ）、三元合金の組成、その厚さ、および使用する具体的な成長条件が異なる。さらに、バッファ層の対（ＬＴ核形成−ＨＴ単結晶）の数が、１つから複数まで変動し得る。第２の対、第３の対等のＬＴ層は、ＬＴ中間層と言われることが多い。これらの手法は、窒化物層の全体的な品質を改善することが証明されている。穴や亀裂がなく、または円柱状構造を有さない鏡面を有する層が達成されており、転位密度およびバックグラウンドキャリア濃度が著しく低減され、キャリア移動度が極めて増加し、発光特性が顕著に改善した。主要層の特性に対する低温バッファの影響の簡単な説明は、バッファが、続く高温窒化物層に欠陥の多い領域を誘引することである。この５０ｎｍ程度の損傷領域において、構造欠陥が横方向成長により急速に再結合し、最上部に高品質エピタキシャル層が形成する。商業的生産量において、異なるデバイス用途に対し異なる種類のＬＴバッファが最適化されている。
【０００６】
さらに転位密度を低減しデバイス性能を改善することを主な目標として、複雑構造界面テンプレートが提案されている。これらのテンプレートの製造は、異なる形状（ストライプ、六角形、楕円形開口）、異なる周期、および異なる厚さを有するパターンの形成を含む、いくつかの技術的プロセスステップを必要とする。これらのパターンは、それ自体ＬＴバッファ技術を使用することで成長させられる単結晶薄層で形成される単結晶層は、単結晶層の最上部に堆積された異なる材料（ＳｉＯ２、Ｗ、ＳｉＮ）のマスクにより選択的にエッチングされる。横方向エピタキシャル成長（ＥＬＯＧ）、選択領域成長（ＳＡＯＧ）、ペンデオエピタキシー等を含む、当業者に知られた複数の異なる手法がある。これらの成長技術は、特に横成長様式が支配的であるいくつかの領域において、転位密度の低減に非常に効果的であることが証明されている。しかしながら、同時に、異なる種類の転位および空隙等、合体が生じる別の領域においては、より多くの欠陥が形成されていた。さらに、低欠陥密度領域は、不純物混入の増加により、より高い伝導性を有するようになることが判明している。それにもかかわらず、低欠陥密度領域は、著しく改善された性能を有するデバイスの製造を可能にし、ある特定の種類の窒化物デバイスの半導体製造において現在広く使用されている。しかしながら、これらの技術は、未だに極めて複雑であり、時間を必要とし、高価である。
【０００７】
ＬＴバッファ手法が、低温で適度な成長を実現することができないことから望ましくないと考えられる場合、結晶品質およびデバイス性能を改善するという同じ主な目的で、代替材料のテンプレート単層が提案されている。例えば、ＧａＮの水素化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）において、ＬＴバッファ手法ではうまくいかず、結果として異なる技術により別個に堆積されたテンプレート層が必要とされている。ＺｎＯ、ＣｒＮ、ＴｉＮ、ＳｉＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ等のいくつかのテンプレート層が研究されている。これらの種類のテンプレート層は、特定の目的を達成するために異なる様式で作用するという想定の下に開発された。これらの種類のテンプレート層は、それらの主機能に基づき３つのグループに分類することができる。第１のグループは、外部基板上での良好な遷移を提供し、ＧａＮ層の良好な結晶品質をもたらし、また化学的に溶解して基板剥離をもたらし独立窒化物層を生成し得る、ＺｎＯおよびＣｒＮ等の層を含む。第２のグループは、アイランドおよび空隙欠陥の形成により加熱中および次の層成長の初期段階中に再結晶化する、ＴｉＮおよびＳｉＮ等の層を含む。したがって、それらは、歪みが蓄積して亀裂が生じ、好ましくは基板の自己分離をももたらす弱い界面領域を形成する。第３のグループは、対象となる主要層の良好な結晶品質を確実として最終構造中に残存する、２〜５μｍの厚さのＭＯＣＶＤ ＧａＮ層または１〜２μｍの厚さの反応性スパッタＡｌＮ層等の単結晶層テンプレートを含む。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記で概説したヘテロエピタキシャル手法は、結晶品質およびデバイス性能の改善を示しているが、プロセスステップの複雑な組み合わせを必要とし、また高価である。したがって、良好な結晶構造および改善されたデバイス性能を得るために、異なる外部基板と窒化物層との間を最適に整合させる、安価なテンプレートを提供することが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
全体的もしくは部分的に上記問題に対応するために、および／または当業者により観察され得たその他の問題に対応するために、本開示は、以下に記載する実施形態において一例として説明されるような、方法、プロセス、システム、装置、機器、および／またはデバイスを提供する。
【００１０】
一実施形態によれば、テンプレート化基板は、ベース層と、ベース層上に配置され、単結晶ＩＩＩ族窒化物を含む組成物を有するテンプレート層とを含む。テンプレート層は、ベース層上の連続副層と、第１の副層上のナノ円柱状副層とを含み、ナノ円柱状副層は、複数のナノスケール円柱を含む。
【００１１】
別の実施形態によれば、ヘテロ構造は、ベース層と、ベース層上に配置され、単結晶ＩＩＩ族窒化物を含む組成物を有するテンプレート層と、ＩＩＩ族窒化物含有成長層とを含む。テンプレート層は、ベース層上の連続副層と、第１の副層上のナノ円柱状副層とを含み、ナノ円柱状副層は、複数のナノスケール円柱を含む。ＩＩＩ族窒化物含有へテロ構造は、ナノ円柱状副層上に配置される。
【００１２】
別の実施形態によれば、マイクロ電子デバイスは、ベース層と、ベース層上に配置され、単結晶ＩＩＩ族窒化物を含む組成物を有するテンプレート層と、ＩＩＩ族窒化物含有デバイス構造とを含む。テンプレート層は、ベース層上の連続副層と、第１の副層上のナノ円柱状副層とを含み、ナノ円柱状副層は、複数のナノスケール円柱を含む。ＩＩＩ族窒化物含有デバイス構造は、ナノ円柱状副層上に配置される。
【００１３】
別の実施形態によれば、テンプレート化基板を製造するための方法が提供される。単結晶ＩＩＩ族窒化物含有テンプレート層は、真空蒸着により、ベース層上に連続副層を形成するステップにより、および連続副層上にナノ円柱状副層を形成するステップであって、ナノ円柱状副層は複数のナノスケール円柱を備えるステップにより、ベース層上に成長させられる。
【００１４】
別の実施形態によれば、ヘテロ構造を製造するための方法が提供される。単結晶ＩＩＩ族窒化物含有テンプレート層は、真空蒸着により、ベース層上に連続副層を形成するステップにより、および連続副層上にナノ円柱状副層を形成するステップであって、ナノ円柱状副層は複数のナノスケール円柱を備えるステップにより、ベース層上に成長させられる。ＩＩＩ族窒化物含有へテロ構造は、ナノ円柱状副層上に成長させられる。
【００１５】
別の実施形態によれば、マイクロ電子デバイスを製造するための方法が提供される。単結晶ＩＩＩ族窒化物含有テンプレート層は、真空蒸着により、ベース層上に連続副層を形成するステップにより、および連続副層上にナノ円柱状副層を形成するステップであって、ナノ円柱状副層は複数のナノスケール円柱を備えるステップにより、ベース層上に成長させられる。ＩＩＩ族窒化物含有デバイス構造は、ナノ円柱状副層上に成長させられる。
【００１６】
本発明の他のデバイス、装置、システム、方法、特徴および利点は、以下の図面および詳細な説明を検討すれば、当業者に明らかであり、または明らかとなる。すべてのそのような追加のシステム、方法、特徴および利点は、この説明に含まれ、本発明の範囲に含まれ、付随する特許請求の範囲により保護されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
本発明は、以下の図面を参照することによってより良く理解することができる。図中の構成要素は必ずしも正確な縮尺とは限らず、本発明の原理を示すことが強調される。図中、同様の数字は、異なる図全体にわたり対応する部分を示す。
【図１】図１は、一実施形態によるテンプレート化（またはテンプレート含有）基板の断面図である。
【図２】図２Ａは、その円柱状表面構造を示す代表的なナノ円柱状テンプレート層の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像（２次元面内図）である。図２Ｂは、その円柱状表面構造を示す代表的なナノ円柱状テンプレート層の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像（３次元）である。図２Ｃは、円柱状表面構造を示す代表的なナノ円柱状テンプレート層の表面にわたる、粗度ラインスキャン表面形状である。
【図３】図３Ａは、その結晶構造を示す代表的なナノ円柱状テンプレート層のＸ線回折（ＸＲＤ）φスキャンである。図３Ｂは、その結晶構造を示す代表的なナノ円柱状テンプレート層のＸＲＤ２θ／ωスキャンである。
【図４】図４Ａは、テンプレート層の異なる副層を示す代表的なナノ円柱状テンプレート層のＸＲＤωスキャンである。図４Ｂは、テンプレート層の異なる副層を示す代表的なナノ円柱状テンプレート層の逆格子空間マップ（ＲＳＭ）である。
【図５】図５Ａ、５Ｂおよび５Ｃは、異なる温度で堆積された代表的なナノ円柱状テンプレート層のＡＦＭ像である。
【図６】図６Ａ、６Ｂおよび６Ｃは、異なる厚さに堆積された代表的なナノ円柱状テンプレート層のＡＦＭ像である。
【図７】図７は、異なる厚さの代表的なナノ円柱状テンプレート層の対称００２反射付近の一連のＸＲＤ２θ／ωスキャンである。
【図８】図８は、異なる表面ミスカットを有するサファイア基板上に成長させた代表的なテンプレート層の、１組のＸＲＤ ＲＳＭである。
【図９】図９Ａおよび９Ｂは、それぞれＳｉＣおよびＳｉベース層上に成長させた代表的なテンプレート層のＡＦＭ像である。
【図１０】図１０Ａおよび１０Ｂは、それぞれＳｉＣおよびＳｉベース層上に成長させた代表的なテンプレート層のＲＳＭである。
【図１１】図１１Ａは、従来のＬＥＤデバイスの例の概略断面図である。図１１Ｂは、本発明の教示に従い製造されたＬＥＤデバイスの例の概略断面図である。
【図１２】図１２Ａは、上にマスクが堆積されパターン化されている、本明細書に教示されるようなテンプレート化基板の斜視図である。図１２Ｂは、エッチングおよびマスク除去後の図１２Ｂに示されるテンプレート化基板の斜視図である。
【図１３】図１３は、本明細書に教示されるようなテンプレート化基板を使用して標準的ＭＯＣＶＤ ＬＥＤデバイスを製造するのに必要なより短い時間（実線）を、従来のＬＴバッファ核形成プロセスを使用して同じＬＥＤデバイスを製造するのに必要なより長い時間（破線）と比較した、概略的なタイムスケジュールである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本開示の目的において、層（またはフィルム、領域、基板、コンポーネント、デバイス等）が別の層の「上」または「上方」にあると言及される場合、その層は、直接または実際に他の層の上（または上方）にあってもよく、あるいは、介在層（例えば、バッファ層、遷移層、中間層、犠牲層、エッチング停止層、マスク、電極、相互接続部、接点等）が存在してもよいことが理解される。別の層の「直接上」にある層とは、特に指定されない限り、介在層が存在しないことを意味する。また、層が別の層の「上」（または「上方」）にあると言及される場合、その層は、他の層の表面全体を覆ってもよく、または他の層のごく一部を覆ってもよいことが理解される。さらに、「〜上に形成される」または「〜上に配置される」等の用語は、材料移送、堆積、製造、表面処理、または物理的、化学的、もしくはイオン的な結合もしくは相互作用の特定の方法に関連していかなる制限も導入することを意図しないことが理解される。
【００１９】
特に指定されない限り、「ＩＩＩ族窒化物」という用語は、二元、三元、四元ＩＩＩ族窒化物系化合物、例えば、窒化ガリウム、窒化インジウム、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウム、窒化インジウムアルミニウム、および窒化アルミニウムインジウムガリウム、ならびに上記物質の、追加的ドーパント、不純物もしくは微量成分を含むまたは含まない合金、混合物、または組み合わせだけでなく、上記物質のすべての可能な結晶構造および形態、ならびに任意の誘導体または改質組成物等を示すことを意図する。特に指定されない限り、これらの化合物の化学量に制限はない。したがって、「ＩＩＩ族窒化物」という用語は、ＩＩＩ族窒化物および窒化物合金、すなわちＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦、０≦ｚ≦１）、または（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎを包含する。
【００２０】
本明細書で使用される場合。「ナノ円柱」または「ナノスケール円柱」という用語は、一般に、１μｍ未満の少なくとも１つの特性寸法を有する円柱状構造を指す。この文脈における特性寸法とは、円柱の高さ（例えば長さ寸法）または横寸法（例えば直径）を意味する。１つの制限されない例において、「ナノ円柱」または「ナノスケール円柱」は、約２０ｎｍ以下の高さ、または約１５０ｎｍ以下の横寸法を有する円柱状構造である。
【００２１】
図１は、一実施形態によるテンプレート化（またはテンプレート含有）基板１００の断面図である。テンプレート化基板１００はまた、テンプレートと呼ぶこともできる。テンプレート化基板１００は、その上にナノ円柱状テンプレート層１０８が成長させられるベース層１０４（またはベース基板）を含む。典型的な実施形態において、ベース層１０４およびテンプレート層１０８は、異なる材料を含み、したがってベース層１０４は、外部層または外部基板と呼ぶこともできる。典型的な実施形態において、ベース層１０４は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、６Ｈ−ＳｉＣもしくは４Ｈ−ＳｉＣ等の炭化ケイ素（ＳｉＣ）、またはケイ素（Ｓｉ）であってもよい。しかしながら、ベース層１０４は、これらに限定されないが、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）またはリチウムガレート（ＬｉＧａＯ２）等の他の組成物を含み得る。ベース層１０４用の他の可能な組成物には、ダイヤモンド、炭素（Ｃ）、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）、アルミン酸リチウム（ＬｉＡｌＯ２）、ＳｃＡｌＭｇＯ４、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ガラス、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）、炭化ＳＯＩ、ならびに他の様々な窒化物および酸化物が含まれる。さらに、ベース層１０４は、導電性、絶縁性、半絶縁性、ねじれ結合、コンプライアント、またはパターン化基板であってもよい。テンプレート層１０８は、ＩＩＩ族窒化物、すなわち上で定義したような（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎを含む組成物で構成されるか、それを有する。いくつかの好ましい実施形態において、テンプレート層１０８は、ＡｌＮまたはＧａＮである。
【００２２】
ベース層１０４は、対象となり得る任意の結晶方位またはオフカット（ミスカット）方位を有してもよい。所望により、その上にテンプレート層１０８を成長させるベース層１０４の結晶方位は、極性、非極性、または半極性窒化物へテロエピタキシー（例えばｃ面、ｍ面、ａ面、ｒ面等）を確実とするように選択され得る。本開示の譲受人に譲渡され、参照によりその全内容が本明細書に組み入れられる、米国特許出願公開第２００９／００８１８５７号を参照されたい。ベース層１０４は、テンプレート層１０８を成長させ、結果的にデバイス品質のテンプレート化基板１００を提供するのに好適な任意のサイズおよび形状を有し得る。制限されない例として、ベース層１０４は、円筒状もしくはディスク状であってもよく、または多角形もしくは角柱であってもよい。ベース層１０４のサイズは、一般に、成長方向における厚さ１１２、および概して厚さ１１２に対し垂直な横寸法１１６により特徴付けられる。図１の視点では、厚さ１１２の方向は垂直であるが、図１に示されるテンプレート化基板１００の方位は任意であり、単なる一例にすぎない。横寸法１１６は、ベース層１０４の形状に特徴的な任意の寸法である。例として、横寸法１１６は、円筒状もしくはディスク状ベース層１０４の場合には直径であってもよく、または多角形もしくは角柱ベース層１０４の場合には幅もしくは長さ（すなわち、２つの対向する側面もしくは角／頂点／頂部間の距離）であってもよい。いくつかの好ましい実施形態において、横寸法１１６は、様々なヘテロ構造およびデバイスの製造における使用に好適なサイズのテンプレート化基板１００の製造を容易化するために、２インチ以上である。
【００２３】
テンプレート層１０８は、本明細書に記載の構造をもたらす任意の技術によりベース層１０４上に成長させられる。典型的な実施形態において、テンプレート層１０８は、真空蒸着技術により成長させられる。いくつかの好ましい実施形態において、テンプレート層１０８は、物理気相成長法（ＰＶＤ）により成長させられるが、化学気相成長法（ＣＶＤ）等の他の技術が好適となり得る。いくつかの好ましい実施形態において、特にテンプレート層１０８がＡｌＮである場合、テンプレート層１０８は、スパッタリングにより、特にプラズマ助長（またはプラズマ支援）スパッタリングにより成長させられる。テンプレート層１０８は、成長方向における厚さ１２２および横寸法を有する。テンプレート層１０８の横寸法は、ベース層１０４の横寸法と同一の広がりを有し、したがって、いくつかの好ましい実施形態において、テンプレート層１０８の横寸法は、２インチ以上である。典型例では、テンプレート層１０８の厚さ１２２は、１００〜１０，０００Å（１０〜１０００ｎｍ）の範囲である。別の例では、テンプレート層１０８の厚さ１２２は、１００Åを超え、または１０，０００Å未満である。
【００２４】
本発明の教示によれば、テンプレート層１０８は、外部ベース層１０４と次に成長させられる窒化物層（図示せず）との間の良好な遷移を提供するように構造化される。テンプレート層１０８は、欠陥および歪みを蓄積し、それにより、次にテンプレート層１０８上に成長させられる任意のデバイス構造の良好な結晶品質をもたらすように構造化される。図１に示されるように、テンプレート層１０８は、２つの自己形成副層、つまり連続的形態を特徴とする第１の（または連続）副層１３０およびナノ円柱状形態を特徴とする第２の（またはナノ円柱状）副層１３４を含む。連続副層１３０およびナノ円柱状副層１３４はともに、単結晶形態を含んでもよい。連続副層１３０からナノ円柱状副層１３４への遷移は、横寸法において互いに離れた異なる円柱１３８の開始により特徴付けることができる。別の言い方をすれば、ナノ円柱状副層１３４から連続副層１３０への遷移は、円柱１３８の基部が融合する箇所で生じる。したがって、ナノ円柱状形態は、一般に、異なる円柱１３８の存在により特徴付けることができ、また連続形態は、一般に、円柱１３８の不在により特徴付けることができる。
【００２５】
ナノ円柱状副層１３４は、テンプレート層１０８の連続副層１３０から最上面１４２（すなわち、ナノ円柱状副層１３４の上面１４２）まで延在する複数のナノスケール円柱１３８を示す。典型的な実施例において、円柱１３８は、略円錐形である。すなわち、各円柱１３８は、連続副層１３０での円柱基部から、上面１４２での比較的鋭い円柱先端に向かって、先細りとなる。この文脈において、「鋭い先端」という用語は、円柱１３８が平坦な表面で終端せず、円柱先端の形状が、点または頂部を有するドームの形状であることを意味する。円柱先端の横寸法は、拡大による補助（例えばＡＦＭ）の下観察すると、円柱基部の横寸法よりも明らかに小さい。テンプレート層１０８の最上面１４２は、密集した（ナノメートルスケールの）円柱先端の集合体として特徴付けることができる。最上面１４２上に次の層を成長させる際、ナノ円柱状副層１３４は、歪み緩和、応力緩和、エピタキシャル成長の促進、およびより低い欠陥密度に寄与し得る。
【００２６】
任意の所与の試料テンプレート化基板１００に対して、円柱１３８の寸法（例えば、高さ、横寸法）は、１つの円柱１３８から別の円柱にかけて均一または実質的に均一であってもよく、あるいは、１つの円柱１３８から別の円柱にかけて変動してもよい。いくつかの制限されない例において、円柱１３８のそれぞれの基部における平均横寸法は、１０ｎｍから１５０ｎｍの範囲であり、円柱１３８の平均高さは、１ｎｍから２０ｎｍの範囲である。いくつかの例において、円柱１３８の横寸法は、直径と呼ぶことができる。この文脈において、「直径」という用語は、円柱１３８が略円形断面を有することを仮定している。しかしながら、円柱１３８は、「直径」が一般に上述の成長方向または厚さ方向を横断する方向の円柱１３８の特性寸法を包含する、すなわち直径または横寸法が図１の視点において水平方向に沿って生じるように、完全な円形断面を示さなくてもよいことが理解される。また、この文脈において、円柱１３８の高さは、一般に、成長方向または厚さ方向、すなわち図１の視点において垂直方向に対応する。
【００２７】
再び図１の視点での垂直方向において、連続副層１３０は、第１の厚さ１４６を有し、ナノ円柱状副層１３４は、第２の厚さ１４８を有する。典型的な実施形態において、連続副層１３０は、ナノ円柱状副層１３４よりも厚い。ナノ円柱状副層１３４の厚さ１４８は、円柱１３８の高さに対応する。したがって、いくつかの制限されない例において、ナノ円柱状副層１３４の厚さ１４８は、１ｎｍから２０ｎｍの範囲であり、テンプレート層１０８（連続副層１３０およびナノ円柱状副層１３４）の合計厚さ１２２は、１０〜１０００ｎｍの範囲である。
【００２８】
テンプレート化基板１００のある特定の例において、テンプレート層１０８の表面粗度は、０．２〜１０ｎｍ（ＲＭＳ）の範囲であってもよく、ナノ円柱状副層１３４の歪み値ｅｚｚは、０．２×１０−２から０．８×１０−２の範囲であってもよい。歪み値ｅｚｚは、層表面に垂直な成長の方向（ｚ方向）における歪みに対応し、円柱１３８に関連したピークのＸＲＤ測定値から計算される。表面粗度および歪み状態は、以下に示されるように制御され得る。テンプレート層１０８は、標準的Ｐｈｉｌｉｐｓ三軸回折計を使用して決定される、ナノ円柱状副層１３４に対しては１００〜５００秒、連続副層１３０に対しては５００〜２５００秒の範囲のロッキングカーブＦＷＨＭにより特徴付けられる結晶品質を有し得る。
【００２９】
本明細書に記載され図１に示されるテンプレート化基板１００は、様々な低欠陥密度ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層、ヘテロ構造およびデバイスの直接成長のための基板またはテンプレートとして使用することができる。一段階成長テンプレート層１０８は、外部組成物のベース層１０４と次に成長させられる窒化物構造との間の良好な整合を提供する。したがって、テンプレート基板１００の使用は、そのようなヘテロ構造またはデバイスが良好な結晶品質および優れた性能を有することを確実とする。テンプレート層１０８、特にナノ円柱状副層１３４の特定の特性（例えば円柱サイズ／表面形態、歪み等）は、任意の所望の設計または構造を有する次の窒化物デバイスエピタキシーに最適となるように調整することができる。さらに、テンプレート層１０８は比較的薄く、中間的成長条件（すなわち低温条件でも高温条件でもない）で、安価な成長チャンバを使用して安価な様式で迅速に成長させることができる。プロセス時間を短縮し、ＬＴバッファに関連する高価な試薬の必要性を回避することにより、テンプレート化基板１００は、より時間を要し高価である多段階ＬＴバッファ技術の望ましい代替として使用することができる。テンプレート化基板１００はまた、様々なデバイス用途のために複雑パターン核形成を含むデバイス構造内に組み込むことができる。
【００３０】
テンプレート層１０８は、上述のような２つの異なる副層１３０および１３４を含むが、テンプレート層１０８は一段階プロセスで形成される。つまり、２つの副層１３０および１３４は、同じ成長条件（例えば成長速度、成長温度、ガス圧、ガス流量、プラズマ操作パラメータ等）を使用して形成され、すなわち連続副層１３０からナノ円柱状副層１３４への遷移は、成長条件の変更を必要としない。この意味で、２つの副層１３０および１３４は、「自己形成性」であるとして特徴付けることができる。
【００３１】
テンプレート化基板１００の製造の１つの制限されない例は、次の通りである。ベース層１０４およびＩＩＩ族金属標的を、スパッタ蒸着チャンバ内に位置付ける。典型的には、ベース層１０４は、装填前に任意の好適な手段により清浄化され、次いで好適な基板ホルダ上に装着する。チャンバ内で、基板温度を制御するために、基板ホルダを好適な加熱デバイスと接触させてもよい。次いでチャンバを適切な真空圧までポンプで減圧する。例えばアルゴン（Ａｒ）等の背景ガスを使用して、エネルギープラズマをチャンバ内で生成する。プラズマの操作条件は、好適な値に設定することができる（例えば出力、周波数等）。別個の窒素含有ガスを、チャンバ内に流入させる。窒素含有ガスは、例えば、二原子窒素またはアンモニア（ＮＨ３）等の窒素含有化合物であってもよい。窒素含有ガスおよび追加的ガス（例えばプラズマ生成可能ガス（Ａｒ等）またはその他の種類のガス）の両方が使用される場合、操作条件は、混合ガス環境として特徴付けることができる。あるいは、窒素種を提供するために使用されるのと同じガスを使用してもプラズマを生成することができるが、この場合、別個の背景ガスは使用する必要はない。ガス流は、好適な流量制御器により制御することができる。次いで、ＩＩＩ族金属標的をスパッタリングして、ＩＩＩ族金属源蒸気を生成する。ＩＩＩ族金属源蒸気は、窒素含有ガスと合流し、ＩＩＩ族金属および窒素の成分を含む反応蒸気種がベース層１０４の表面上に堆積される。プロセス条件（例えば、成長速度、成長温度、ガス圧、ガス流量、プラズマ操作パラメータ等）は、必要に応じて、ナノ円柱状テンプレート層１０８の成長を促進するように制御され、テンプレート層１０８の組成および所望の具体的特性（例えば、歪み、表面粗度等）に依存する。ＡｌＮテンプレート層１０８の堆積を伴う具体的であるが制限されないある特定の例において、成長速度は比較的遅く、すなわち１μｍ／ｈｒ未満である。別の具体例において、成長温度は５００℃を超える。別の具体例において、ＡｌＮテンプレート層１０８は、混合ガス環境内で、１μｍ／ｈｒ未満の成長速度および５００℃を超える温度で成長させられる。本開示の別の場所に記載されるように、連続副層１３０およびナノ円柱状副層１３４は、プロセス条件を変更せずに形成され得る。また、テンプレート化基板１００は、いくつかのステップのみを必要とする完全にインサイチュのプロセスで、また従来のテンプレート製造プロセスの場合のように真空を破るかまたは余分なステップを行う必要なく製造される。
【００３２】
図２Ａから１０Ｂは、本発明の教示に従い製造されたテンプレート化基板１００の特定試料の分析を示している。これらの試料の製造において、ＡｌＮテンプレート層１０８は、プラズマ支援スパッタリングによりベース層１０４に成長させた。ベース層１０４は、サファイア、ＳｉＣまたはＳｉであった。
【００３３】
図２Ａは、その円柱状表面構造を示す代表的なナノ円柱状テンプレート層の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像（２次元面内図）である。図２Ｂは、同じナノ円柱状テンプレート層の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像（３次元の図）である。図２Ｃは、同じナノ円柱状テンプレート層の表面にわたる、粗度ラインスキャン表面形状である。円柱は、鋭い先端で終端するほぼ円錐形状を有するように示されている。円柱基部の平均横寸法は、１０〜１５０ｎｍで変動する。円柱の平均高さは、１〜２０ｎｍで変動する。したがって、この例におけるテンプレート層は、成長条件に依存する様々な円柱サイズを特徴とすることが分かる。一方、円柱サイズは、所与の試料の表面粗度を決定付ける。円柱により提供される上面の二乗平均平方根（ＲＭＳ）粗度は、成長させた様々な試料テンプレート化基板ＡＦＭ像から計算されるように、０．２〜１０ｎｍで変動する。
【００３４】
図３Ａは、その結晶構造を示す、図２Ａ〜２Ｃに示される同じナノ円柱状テンプレート層のＸ線回折（ＸＲＤ）φスキャンである。具体的には、図３Ａは、非対称１０−１３反射付近のＸＲＤφスキャンを示しており、３６０度の方位角範囲にわたり６つのピークを示し、したがってウルツ鉱結晶に典型的な６回対称を示唆している。図３Ｂは、同じくその結晶構造を示す同じナノ円柱状テンプレートのＸＲＤ２θ／ωスキャンである。具体的には、図３Ｂは、対称００２反射付近のＸＲＤ２θ／ωスキャンを示しており、広い２θ範囲において唯一のピークであり、したがってスパッタリングされた層の単結晶構造を示唆している。図３Ｂはまた、狭い半値全幅（ＦＷＨＭ）を示し、成長方向における大きなコヒーレント長および高い結晶品質を示唆している。図３Ｂはまた、より低角側に干渉縞として分析されるいくつかのピークを示しており、これは平行な界面を有する高結晶品質の比較的薄い層に典型的である。したがって、この例におけるテンプレート層は、高品質単結晶形態を特徴とすることが分かる。
【００３５】
図４Ａは、テンプレート層の異なる副層を明確に示す、図２Ａ〜２Ｃに示される同じナノ円柱状テンプレート層のＸＲＤωスキャンである。具体的には、図４Ａは、対称００２反射付近のＸＲＤωスキャンを示しており、ピークが２つのピークで構成されていることを示し、したがって高品質の副層ならびに転位および粒子の傾斜を含有する副層の存在を示す。図４Ａは、一段階成長テンプレート層が、２つの自己形成副層の複雑な下部構造を有することを実証している。図４Ｂは、テンプレート層の異なる副層を示す代表的なナノ円柱状テンプレート層の逆格子空間マップ（ＲＳＭ）である。具体的には、図４Ｂは、対称００２反射付近のＲＳＭである。図４Ｂは、より低い横散乱ベクトルにおいて伸長した低強度走向を示し、これは歪められた副層を示している。図４Ｂはまた、若干伸長した翼状部分を有する強く狭い主要ピークを示し、これは、初期の部分的緩和を受けた高品質の副層を示している。したがって、この例におけるテンプレート層は、ナノ円柱状副層における歪みが連続副層における歪みとは異なる、複雑な歪み状態を示すことを特徴とすることが分かる。
【００３６】
図５Ａ、５Ｂおよび５Ｃは、それぞれ、異なる温度、７５０℃、８５０℃および９５０℃で堆積された代表的なナノ円柱状テンプレート層のＡＦＭ像である。異なる成長温度では、平均円柱サイズ、ひいては表面粗度が変化することが分かる。このように、テンプレート層の表面粗度は、成長温度に強く依存し、したがってそれにより制御され得ることが分かる。このように、表面形態、この場合では表面粗度は、次に成長させるヘテロ構造およびデバイスのより良い結晶品質を得るように最適化することができる。
【００３７】
図６Ａ、６Ｂおよび６Ｃは、それぞれ、異なる厚さ、２５ｎｍ、３５０ｎｍおよび１０００ｎｍで堆積された代表的なナノ円柱状テンプレート層のＡＦＭ像である。異なる厚さでは、平均円柱サイズ、ひいては表面粗度が変化する。このように、テンプレート層の表面粗度は、堆積されるテンプレート材料の厚さに強く依存し、したがってそれにより制御され得ることが分かる。このように、表面形態、この場合では表面粗度は、次に成長させるヘテロ構造およびデバイスのより良い結晶品質を得るように最適化することができる。
【００３８】
図７は、それぞれ、異なる厚さ、２５ｎｍ、５０ｎｍ、３５０ｎｍ、１０００ｎｍ、および２０００ｎｍの代表的なナノ円柱状テンプレート層の対称００２反射付近の一連のＸＲＤ２θ／ωスキャンである。図７は、層の厚さの増加に伴ってピークのシフトおよびピーク非対称性の低下を示し、これは層の厚さの変化による歪みの変動を示している。ナノ円柱状副層における歪みｅｚｚは、成長させた様々な試料テンプレート化基板から計算されるように、０．２×１０−２から０．４×１０−２まで変動する。図７は、５００Åより薄いテンプレート層には高歪み副層が存在し、一方７００Åを超える厚さのテンプレート層には初期緩和を受けた副層が現れ、１０００Åより厚いテンプレート層には完全に緩和された副層が存在することを実証している。このように、テンプレート層における歪みは、堆積されるテンプレート材料の厚さに依存し、したがってそれにより制御され得ることが分かる。このように、歪みは、次に成長させられるヘテロ構造およびデバイスのより良い結晶品質を得るように最適化することができる。
【００３９】
図８は、それぞれ、異なる表面オフカット（またはミスカット）、具体的には０．０°、０．５°、１．０°および２．０°を有するサファイア基板上に成長させた代表的なテンプレート層の、１組のＸＲＤ ＲＳＭである。基板オフカットの角度の増加に伴い歪みが増加することが分かる。このように、テンプレート層における歪みは、その上にテンプレート層が堆積されるベース層のオフカットに依存し、したがってそれにより制御され得ることが分かる。このように、歪みは、次に成長させられるヘテロ構造およびデバイスのより良い結晶品質を得るように最適化することができる。
【００４０】
図９Ａおよび９Ｂは、それぞれＳｉＣベース層およびＳｉベース層上に成長させた代表的なテンプレート層のＡＦＭ像である。２つのテンプレート層は、その他の点では同様の成長条件下で成長させ、同様の構造（連続およびナノ円柱状副層）および同様の形態を有していた。しかしながら、それぞれのテンプレート層における円柱サイズは異なっている。したがって、テンプレート層の表面形態、具体的には円柱サイズ、ひいては表面粗度は、その上にテンプレート層が堆積されるベース層の組成に依存する。
【００４１】
図１０Ａおよび１０Ｂは、それぞれ図９Ａおよび９Ｂに示される同じＳｉＣおよびＳｉテンプレート層のＲＳＭである。図１０Ａおよび１０Ｂは、ＳｉＣおよびＳｉテンプレート層が完全に異なる歪み状態を有することを実証している。ＳｉＣベース層上のＡｌＮテンプレート層に対応する左のＲＳＭ（図１０Ａ）は、ＳｉＣおよびＡｌＮの２つの主要ピークを示している。図１０Ａは、２つの材料に関連した２つのマップの完全な垂直整合により表されるように、ＡｌＮの横方向格子パラメータがＳｉＣのそれと同様であることにより、高歪みテンプレート副層の存在を示している。Ｓｉベース層上のＡｌＮテンプレート層に対応する右側のＲＳＭ（図１０Ｂ）は、矢印により示されるような表面と平行な方向に著しく広がったＡｌＮからの単一のピークを示している。図１０Ｂは、ＳｉピークがＡｌＮピークと整合せず、実際に図１０Ｂに示されるマップ範囲外にあることから、テンプレート層における顕著な歪み緩和を示している。単層堆積テンプレートは、次に成長させるヘテロ構造のより良い結晶品質を得るために、ロッキングカーブの線幅が狭いように特徴付けられる。
【００４２】
図１１Ａは、従来のＬＥＤデバイス１６０の例の概略断面図である。ＬＥＤデバイス１６０は、サファイア基板１０４、サファイア基板１０４上に堆積されたＬＴバッファ構造１５２、およびＬＴバッファ構造１５２上に堆積されたＬＥＤデバイス構造１６２を含む。ＬＴバッファ構造１５２およびＬＥＤデバイス構造１６２は、典型的には、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）により成長させる。ＬＴバッファ構造１５２は、２．５μｍＧａＮ核形成層１５４がサファイア基板１０４上に堆積され、続いて未ドープＧａＮの０．５μｍ層１５６が堆積される、多段階核形成プロセスにより成長させる。ＬＥＤデバイス構造１６２は、Ｎ＋ＧａＮ（典型的には２μｍ）の層１６４、量子井戸層１６６（単一または多重量子井戸）、およびＰ＋ＧａＮの層１６８を含む。
【００４３】
それと比較して、図１１Ｂは、本発明の教示に従い製造されたＬＥＤデバイス１７０の例の概略断面図である。ＬＥＤデバイス１７０は、テンプレート化基板１００、およびテンプレート化基板１００上に堆積されたＬＥＤデバイス構造１６２を含む。テンプレート化基板１００は、本明細書に記載のようなベース層１０４およびテンプレート層１０８を含む。例として、制限することなく、テンプレート層１０８は、上述のようなＰＶＤにより堆積されたＡｌＮであってもよく、またはそれを含んでもよい。比較のためであって制限を意図せず、この例におけるベース層１０４はサファイア基板であり、ＬＥＤデバイス構造１６２は、図１１Ａに示す既知のＬＥＤデバイス１６０の場合のように、Ｎ＋ＧａＮ層１６４、量子井戸層１６６、およびＰ＋ＧａＮ層１６８を含む。ＬＥＤデバイス構造１６２は、ＭＯＣＶＤまたはその他の任意の好適な技術により成長させることができる。図１１Ｂに示されるＬＥＤデバイス１７０は、図１１Ａに示される既知のＬＥＤデバイス１６０と比較して、より複雑ではなくより安価な設計を有することが分かる。一段階テンプレート層１０８は、従来のＬＴバッファ１５２または他の任意の従来のバッファもしくは遷移層の代替物として使用することができる。
【００４４】
図１１Ｂは、本明細書に開示されるテンプレート化基板から製造され得る様々な種類のＬＥＤデバイスの単なる一例であることが理解される。より一般的には、ＬＥＤデバイスは、本明細書に開示されるテンプレート化基板１００から製造され得る様々な種類のマイクロ電子デバイスおよびヘテロ構造の単なる一例であることが理解される。本明細書で使用される場合、「マイクロ電子デバイス」という用語は、一般に、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、太陽電池、光検出器およびＵＶ検出器等の光電子デバイスだけでなく、生物学的または化学センサ、他の種類のセンサまたは検出器、電子または光学フィルタ、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、その他の種類のトランジスタ、その他の種類のダイオードおよび整流回路、微小電極アレイ、接着パッド、金属化素子、ならびに相互接続部等のデバイスおよびコンポーネントを包含する。したがて、本開示の実施形態は、追加のＩＩＩ族窒化物層を有するテンプレート化基板および／またはその上に製造されたＩＩＩ族窒化物系マイクロ電子デバイスを備える物品を含む。
【００４５】
一段階テンプレート層１０８はまた、マスク構成等の複雑パターン化構造を使用する製造技術とともに、従来のＬＴバッファの代替物として使用することができる。図１２Ａは、ベース層１０４と、マスク１８２（典型的には誘電体）が堆積されパターン化されたテンプレート層１０８とを含む、本明細書に教示されるようなテンプレート化基板１００の斜視図である。マスク材料は、テンプレート層１０８のナノ円柱状表面上、または中間エピタキシャルＩＩＩ族窒化物層１８４上に直接堆積させることができる。図１２Ｂは、任意の好適な技術によりエッチングおよびマスク除去が行われた後の、図１２Ｂに示されたテンプレート化基板１００の斜視図である。矢印で示されるように、エピタキシャルＩＩＩ族窒化物材料１８４は、例えば上記の背景の項で述べた技術等の様々な既知の成長／過剰成長技術に従い、垂直および横方向に成長させることができる。
【００４６】
図１３は、本明細書に教示されるようなテンプレート化基板１００を使用して標準的ＭＯＣＶＤ ＬＥＤデバイス（図１１Ｂに示されるもの等）を製造するのに必要なより短い時間（実線）を、従来のＬＴバッファ核形成プロセスを使用して同じＬＥＤデバイス（図１１Ａに示されるもの等）を製造するのに必要なより長い時間（破線）と比較した、概略的なタイムスケジュールである。本明細書で教示されるようなテンプレート層１０８の成長後のＬＥＤデバイス成長の開始は１３０２で示されている。従来のＬＴバッファ層の成長後のＬＥＤデバイス成長の開始は１３０４に示されているが、これは時間的にずっと遅い。プロセスラインは、時間の関数としての成長温度としてプロットされる。本明細書において教示されるプロセスは、いかなる低温ステップも必要としないことが分かる。従来のＬＴバッファ核形成プロセスのプロセスラインにおける下降は、ＬＴ核形成層の必要な成長に対応し、これは、その上のＬＥＤデバイスの成長を開始することができる前のＬＴバッファ構造の成長の完了に必要なより長い時間に寄与する。
【００４７】
示された例では、特定の用途において、必要に応じて、または所望により、不純物またはドーパントをＩＩＩ族窒化物層に導入するか、あるいはそれとともに堆積させることができる。Ｎ型、Ｐ型、半絶縁性、絶縁性、非極性、または半極性ＩＩＩ族窒化物層を、必要に応じて、または所望により、成長させることができる。
【００４８】
本発明の例は、いくつかの特定の成長シーケンスを使用する。これらの特定の成長プロセスは、例示目的を意図し、制限的ではないことを理解されたい。また、例において言及された成長条件は、例において使用された成長反応器に特定的であることに留意されたい。異なる反応器設計または反応器形状を使用した場合、同様の結果を得るために異なる条件を使用することが望ましい可能性がある。しかしながら、それでも一般的な傾向は同様である。
【００４９】
本発明の様々な態様または詳細は、本発明の範囲から逸脱せずに変更され得ることが理解される。さらに、前述の説明は例示のみを目的とし、制限を目的とせず、本発明は特許請求の範囲により定義される。
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、２００８年５月６日に出願された米国仮特許出願第６１／１２６，６８０号（名称「Ｇｒｏｕｐ ＩＩＩ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｐｕｔｔｅｒｅｄ Ｔｅｍｐｌａｔｅ ｆｏｒ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ ＩＩＩ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ， ａｎｄ Ｇｒｏｕｐ ＩＩＩ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ Ｔｅｍｐｌａｔｅ」の利益を主張し、この仮特許出願の内容は、その全体が本明細書において参照により援用される。
【０００２】
本発明は、概して、様々なヘテロ構造およびマイクロ電子デバイスの製造に有用なＩＩＩ族窒化物含有テンプレート、ならびにそのようなテンプレートに基づくヘテロ構造およびマイクロ電子デバイスに関する。具体的には、本発明は、ナノ円柱状テンプレート層を含む、テンプレート化基板に関連したヘテロ構造およびマイクロ電子デバイスに関する。
【背景技術】
【０００３】
最適な基板の選択は、高品質半導体材料のエピタキシャル成長における重要な因子であると考えられる。ＩＩＩ族窒化物デバイスのホモエピタキシャル成長のためのネイティブ窒化物基板の長年にわたる需要は、まだ満たされていない。代わりに、ヘテロエピタキシー（例えば、格子定数および熱膨張係数の不整合等）という周知の不利な結果をもたらすにもかかわらず、窒化物用途のほとんどに対して外部基板が利用されている。サファイアは、ＩＩＩ族窒化物層のヘテロエピタキシャル成長において最も一般的に使用されているベース基板である。サファイア基板に加えて、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、およびある特定の酸化物基板、例えばＬｉＡｌＯ２、ＭｇＡｌ２Ｏ４およびＭｇＯ等の他のいくつかの基板が集中的に研究されている。
【０００４】
利用可能な基板との格子不整合および熱膨張係数不整合がともに非常に大きいため、特に構造欠陥および残留歪みに関して、窒化物層の特性およびデバイス構造を改善し得るかどうかを決定するために、多くのグループにより成長最適化が検討されている。いくつかの成長手法が提案され、結晶品質およびデバイス性能の著しい改善をもたらすことが証明されている。これらの成長手法は、概して、３つの主要なグループ、すなわち（ｉ）多段階バッファ、（ｉｉ）複雑構造界面テンプレート（複雑パターン化構造）および（ｉｉｉ）異なる化合物の材料のテンプレート層に分類することができる。
【０００５】
多段階バッファ、または低温（ＬＴ）バッファは、原則的に、より高い温度（ＨＴ）への加熱中に再結晶化する１つの低温（ＬＴ）核形成層と、より高い温度で堆積される単結晶層とから成る。すなわち、核形成層を下の外部基板上に低温で成長させ、次いで単結晶層をより高い成長温度で堆積させる。次いで、デバイス構造をこの２段階バッファ構造上に堆積させることができる。これらのＬＴバッファには多くの異なる種類がある。それらは、材料の種類（ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ）、三元合金の組成、その厚さ、および使用する具体的な成長条件が異なる。さらに、バッファ層の対（ＬＴ核形成−ＨＴ単結晶）の数が、１つから複数まで変動し得る。第２の対、第３の対等のＬＴ層は、ＬＴ中間層と言われることが多い。これらの手法は、窒化物層の全体的な品質を改善することが証明されている。穴や亀裂がなく、または円柱状構造を有さない鏡面を有する層が達成されており、転位密度およびバックグラウンドキャリア濃度が著しく低減され、キャリア移動度が極めて増加し、発光特性が顕著に改善した。主要層の特性に対する低温バッファの影響の簡単な説明は、バッファが、続く高温窒化物層に欠陥の多い領域を誘引することである。この５０ｎｍ程度の損傷領域において、構造欠陥が横方向成長により急速に再結合し、最上部に高品質エピタキシャル層が形成する。商業的生産量において、異なるデバイス用途に対し異なる種類のＬＴバッファが最適化されている。
【０００６】
さらに転位密度を低減しデバイス性能を改善することを主な目標として、複雑構造界面テンプレートが提案されている。これらのテンプレートの製造は、異なる形状（ストライプ、六角形、楕円形開口）、異なる周期、および異なる厚さを有するパターンの形成を含む、いくつかの技術的プロセスステップを必要とする。これらのパターンは、それ自体ＬＴバッファ技術を使用することで成長させられる単結晶薄層で形成される単結晶層は、単結晶層の最上部に堆積された異なる材料（ＳｉＯ２、Ｗ、ＳｉＮ）のマスクにより選択的にエッチングされる。横方向エピタキシャル成長（ＥＬＯＧ）、選択領域成長（ＳＡＯＧ）、ペンデオエピタキシー等を含む、当業者に知られた複数の異なる手法がある。これらの成長技術は、特に横成長様式が支配的であるいくつかの領域において、転位密度の低減に非常に効果的であることが証明されている。しかしながら、同時に、異なる種類の転位および空隙等、合体が生じる別の領域においては、より多くの欠陥が形成されていた。さらに、低欠陥密度領域は、不純物混入の増加により、より高い伝導性を有するようになることが判明している。それにもかかわらず、低欠陥密度領域は、著しく改善された性能を有するデバイスの製造を可能にし、ある特定の種類の窒化物デバイスの半導体製造において現在広く使用されている。しかしながら、これらの技術は、未だに極めて複雑であり、時間を必要とし、高価である。
【０００７】
ＬＴバッファ手法が、低温で適度な成長を実現することができないことから望ましくないと考えられる場合、結晶品質およびデバイス性能を改善するという同じ主な目的で、代替材料のテンプレート単層が提案されている。例えば、ＧａＮの水素化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）において、ＬＴバッファ手法ではうまくいかず、結果として異なる技術により別個に堆積されたテンプレート層が必要とされている。ＺｎＯ、ＣｒＮ、ＴｉＮ、ＳｉＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ等のいくつかのテンプレート層が研究されている。これらの種類のテンプレート層は、特定の目的を達成するために異なる様式で作用するという想定の下に開発された。これらの種類のテンプレート層は、それらの主機能に基づき３つのグループに分類することができる。第１のグループは、外部基板上での良好な遷移を提供し、ＧａＮ層の良好な結晶品質をもたらし、また化学的に溶解して基板剥離をもたらし独立窒化物層を生成し得る、ＺｎＯおよびＣｒＮ等の層を含む。第２のグループは、アイランドおよび空隙欠陥の形成により加熱中および次の層成長の初期段階中に再結晶化する、ＴｉＮおよびＳｉＮ等の層を含む。したがって、それらは、歪みが蓄積して亀裂が生じ、好ましくは基板の自己分離をももたらす弱い界面領域を形成する。第３のグループは、対象となる主要層の良好な結晶品質を確実として最終構造中に残存する、２〜５μｍの厚さのＭＯＣＶＤ ＧａＮ層または１〜２μｍの厚さの反応性スパッタＡｌＮ層等の単結晶層テンプレートを含む。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記で概説したヘテロエピタキシャル手法は、結晶品質およびデバイス性能の改善を示しているが、プロセスステップの複雑な組み合わせを必要とし、また高価である。したがって、良好な結晶構造および改善されたデバイス性能を得るために、異なる外部基板と窒化物層との間を最適に整合させる、安価なテンプレートを提供することが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
全体的もしくは部分的に上記問題に対応するために、および／または当業者により観察され得たその他の問題に対応するために、本開示は、以下に記載する実施形態において一例として説明されるような、方法、プロセス、システム、装置、機器、および／またはデバイスを提供する。
【００１０】
一実施形態によれば、テンプレート化基板は、ベース層と、ベース層上に配置され、単結晶ＩＩＩ族窒化物を含む組成物を有するテンプレート層とを含む。テンプレート層は、ベース層上の連続副層と、第１の副層上のナノ円柱状副層とを含み、ナノ円柱状副層は、複数のナノスケール円柱を含む。
【００１１】
別の実施形態によれば、ヘテロ構造は、ベース層と、ベース層上に配置され、単結晶ＩＩＩ族窒化物を含む組成物を有するテンプレート層と、ＩＩＩ族窒化物含有成長層とを含む。テンプレート層は、ベース層上の連続副層と、第１の副層上のナノ円柱状副層とを含み、ナノ円柱状副層は、複数のナノスケール円柱を含む。ＩＩＩ族窒化物含有へテロ構造は、ナノ円柱状副層上に配置される。
【００１２】
別の実施形態によれば、マイクロ電子デバイスは、ベース層と、ベース層上に配置され、単結晶ＩＩＩ族窒化物を含む組成物を有するテンプレート層と、ＩＩＩ族窒化物含有デバイス構造とを含む。テンプレート層は、ベース層上の連続副層と、第１の副層上のナノ円柱状副層とを含み、ナノ円柱状副層は、複数のナノスケール円柱を含む。ＩＩＩ族窒化物含有デバイス構造は、ナノ円柱状副層上に配置される。
【００１３】
別の実施形態によれば、テンプレート化基板を製造するための方法が提供される。単結晶ＩＩＩ族窒化物含有テンプレート層は、真空蒸着により、ベース層上に連続副層を形成するステップにより、および連続副層上にナノ円柱状副層を形成するステップであって、ナノ円柱状副層は複数のナノスケール円柱を備えるステップにより、ベース層上に成長させられる。
【００１４】
別の実施形態によれば、ヘテロ構造を製造するための方法が提供される。単結晶ＩＩＩ族窒化物含有テンプレート層は、真空蒸着により、ベース層上に連続副層を形成するステップにより、および連続副層上にナノ円柱状副層を形成するステップであって、ナノ円柱状副層は複数のナノスケール円柱を備えるステップにより、ベース層上に成長させられる。ＩＩＩ族窒化物含有へテロ構造は、ナノ円柱状副層上に成長させられる。
【００１５】
別の実施形態によれば、マイクロ電子デバイスを製造するための方法が提供される。単結晶ＩＩＩ族窒化物含有テンプレート層は、真空蒸着により、ベース層上に連続副層を形成するステップにより、および連続副層上にナノ円柱状副層を形成するステップであって、ナノ円柱状副層は複数のナノスケール円柱を備えるステップにより、ベース層上に成長させられる。ＩＩＩ族窒化物含有デバイス構造は、ナノ円柱状副層上に成長させられる。
【００１６】
本発明の他のデバイス、装置、システム、方法、特徴および利点は、以下の図面および詳細な説明を検討すれば、当業者に明らかであり、または明らかとなる。すべてのそのような追加のシステム、方法、特徴および利点は、この説明に含まれ、本発明の範囲に含まれ、付随する特許請求の範囲により保護されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
本発明は、以下の図面を参照することによってより良く理解することができる。図中の構成要素は必ずしも正確な縮尺とは限らず、本発明の原理を示すことが強調される。図中、同様の数字は、異なる図全体にわたり対応する部分を示す。
【図１】図１は、一実施形態によるテンプレート化（またはテンプレート含有）基板の断面図である。
【図２】図２Ａは、その円柱状表面構造を示す代表的なナノ円柱状テンプレート層の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像（２次元面内図）である。図２Ｂは、その円柱状表面構造を示す代表的なナノ円柱状テンプレート層の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像（３次元）である。図２Ｃは、円柱状表面構造を示す代表的なナノ円柱状テンプレート層の表面にわたる、粗度ラインスキャン表面形状である。
【図３】図３Ａは、その結晶構造を示す代表的なナノ円柱状テンプレート層のＸ線回折（ＸＲＤ）φスキャンである。図３Ｂは、その結晶構造を示す代表的なナノ円柱状テンプレート層のＸＲＤ２θ／ωスキャンである。
【図４】図４Ａは、テンプレート層の異なる副層を示す代表的なナノ円柱状テンプレート層のＸＲＤωスキャンである。図４Ｂは、テンプレート層の異なる副層を示す代表的なナノ円柱状テンプレート層の逆格子空間マップ（ＲＳＭ）である。
【図５】図５Ａ、５Ｂおよび５Ｃは、異なる温度で堆積された代表的なナノ円柱状テンプレート層のＡＦＭ像である。
【図６】図６Ａ、６Ｂおよび６Ｃは、異なる厚さに堆積された代表的なナノ円柱状テンプレート層のＡＦＭ像である。
【図７】図７は、異なる厚さの代表的なナノ円柱状テンプレート層の対称００２反射付近の一連のＸＲＤ２θ／ωスキャンである。
【図８】図８は、異なる表面ミスカットを有するサファイア基板上に成長させた代表的なテンプレート層の、１組のＸＲＤ ＲＳＭである。
【図９】図９Ａおよび９Ｂは、それぞれＳｉＣおよびＳｉベース層上に成長させた代表的なテンプレート層のＡＦＭ像である。
【図１０】図１０Ａおよび１０Ｂは、それぞれＳｉＣおよびＳｉベース層上に成長させた代表的なテンプレート層のＲＳＭである。
【図１１】図１１Ａは、従来のＬＥＤデバイスの例の概略断面図である。図１１Ｂは、本発明の教示に従い製造されたＬＥＤデバイスの例の概略断面図である。
【図１２】図１２Ａは、上にマスクが堆積されパターン化されている、本明細書に教示されるようなテンプレート化基板の斜視図である。図１２Ｂは、エッチングおよびマスク除去後の図１２Ｂに示されるテンプレート化基板の斜視図である。
【図１３】図１３は、本明細書に教示されるようなテンプレート化基板を使用して標準的ＭＯＣＶＤ ＬＥＤデバイスを製造するのに必要なより短い時間（実線）を、従来のＬＴバッファ核形成プロセスを使用して同じＬＥＤデバイスを製造するのに必要なより長い時間（破線）と比較した、概略的なタイムスケジュールである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本開示の目的において、層（またはフィルム、領域、基板、コンポーネント、デバイス等）が別の層の「上」または「上方」にあると言及される場合、その層は、直接または実際に他の層の上（または上方）にあってもよく、あるいは、介在層（例えば、バッファ層、遷移層、中間層、犠牲層、エッチング停止層、マスク、電極、相互接続部、接点等）が存在してもよいことが理解される。別の層の「直接上」にある層とは、特に指定されない限り、介在層が存在しないことを意味する。また、層が別の層の「上」（または「上方」）にあると言及される場合、その層は、他の層の表面全体を覆ってもよく、または他の層のごく一部を覆ってもよいことが理解される。さらに、「〜上に形成される」または「〜上に配置される」等の用語は、材料移送、堆積、製造、表面処理、または物理的、化学的、もしくはイオン的な結合もしくは相互作用の特定の方法に関連していかなる制限も導入することを意図しないことが理解される。
【００１９】
特に指定されない限り、「ＩＩＩ族窒化物」という用語は、二元、三元、四元ＩＩＩ族窒化物系化合物、例えば、窒化ガリウム、窒化インジウム、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウム、窒化インジウムアルミニウム、および窒化アルミニウムインジウムガリウム、ならびに上記物質の、追加的ドーパント、不純物もしくは微量成分を含むまたは含まない合金、混合物、または組み合わせだけでなく、上記物質のすべての可能な結晶構造および形態、ならびに任意の誘導体または改質組成物等を示すことを意図する。特に指定されない限り、これらの化合物の化学量に制限はない。したがって、「ＩＩＩ族窒化物」という用語は、ＩＩＩ族窒化物および窒化物合金、すなわちＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦、０≦ｚ≦１）、または（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎを包含する。
【００２０】
本明細書で使用される場合。「ナノ円柱」または「ナノスケール円柱」という用語は、一般に、１μｍ未満の少なくとも１つの特性寸法を有する円柱状構造を指す。この文脈における特性寸法とは、円柱の高さ（例えば長さ寸法）または横寸法（例えば直径）を意味する。１つの制限されない例において、「ナノ円柱」または「ナノスケール円柱」は、約２０ｎｍ以下の高さ、または約１５０ｎｍ以下の横寸法を有する円柱状構造である。
【００２１】
図１は、一実施形態によるテンプレート化（またはテンプレート含有）基板１００の断面図である。テンプレート化基板１００はまた、テンプレートと呼ぶこともできる。テンプレート化基板１００は、その上にナノ円柱状テンプレート層１０８が成長させられるベース層１０４（またはベース基板）を含む。典型的な実施形態において、ベース層１０４およびテンプレート層１０８は、異なる材料を含み、したがってベース層１０４は、外部層または外部基板と呼ぶこともできる。典型的な実施形態において、ベース層１０４は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、６Ｈ−ＳｉＣもしくは４Ｈ−ＳｉＣ等の炭化ケイ素（ＳｉＣ）、またはケイ素（Ｓｉ）であってもよい。しかしながら、ベース層１０４は、これらに限定されないが、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）またはリチウムガレート（ＬｉＧａＯ２）等の他の組成物を含み得る。ベース層１０４用の他の可能な組成物には、ダイヤモンド、炭素（Ｃ）、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）、アルミン酸リチウム（ＬｉＡｌＯ２）、ＳｃＡｌＭｇＯ４、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ガラス、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）、炭化ＳＯＩ、ならびに他の様々な窒化物および酸化物が含まれる。さらに、ベース層１０４は、導電性、絶縁性、半絶縁性、ねじれ結合、コンプライアント、またはパターン化基板であってもよい。テンプレート層１０８は、ＩＩＩ族窒化物、すなわち上で定義したような（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎを含む組成物で構成されるか、それを有する。いくつかの好ましい実施形態において、テンプレート層１０８は、ＡｌＮまたはＧａＮである。
【００２２】
ベース層１０４は、対象となり得る任意の結晶方位またはオフカット（ミスカット）方位を有してもよい。所望により、その上にテンプレート層１０８を成長させるベース層１０４の結晶方位は、極性、非極性、または半極性窒化物へテロエピタキシー（例えばｃ面、ｍ面、ａ面、ｒ面等）を確実とするように選択され得る。本開示の譲受人に譲渡され、参照によりその全内容が本明細書に組み入れられる、米国特許出願公開第２００９／００８１８５７号を参照されたい。ベース層１０４は、テンプレート層１０８を成長させ、結果的にデバイス品質のテンプレート化基板１００を提供するのに好適な任意のサイズおよび形状を有し得る。制限されない例として、ベース層１０４は、円筒状もしくはディスク状であってもよく、または多角形もしくは角柱であってもよい。ベース層１０４のサイズは、一般に、成長方向における厚さ１１２、および概して厚さ１１２に対し垂直な横寸法１１６により特徴付けられる。図１の視点では、厚さ１１２の方向は垂直であるが、図１に示されるテンプレート化基板１００の方位は任意であり、単なる一例にすぎない。横寸法１１６は、ベース層１０４の形状に特徴的な任意の寸法である。例として、横寸法１１６は、円筒状もしくはディスク状ベース層１０４の場合には直径であってもよく、または多角形もしくは角柱ベース層１０４の場合には幅もしくは長さ（すなわち、２つの対向する側面もしくは角／頂点／頂部間の距離）であってもよい。いくつかの好ましい実施形態において、横寸法１１６は、様々なヘテロ構造およびデバイスの製造における使用に好適なサイズのテンプレート化基板１００の製造を容易化するために、２インチ以上である。
【００２３】
テンプレート層１０８は、本明細書に記載の構造をもたらす任意の技術によりベース層１０４上に成長させられる。典型的な実施形態において、テンプレート層１０８は、真空蒸着技術により成長させられる。いくつかの好ましい実施形態において、テンプレート層１０８は、物理気相成長法（ＰＶＤ）により成長させられるが、化学気相成長法（ＣＶＤ）等の他の技術が好適となり得る。いくつかの好ましい実施形態において、特にテンプレート層１０８がＡｌＮである場合、テンプレート層１０８は、スパッタリングにより、特にプラズマ助長（またはプラズマ支援）スパッタリングにより成長させられる。テンプレート層１０８は、成長方向における厚さ１２２および横寸法を有する。テンプレート層１０８の横寸法は、ベース層１０４の横寸法と同一の広がりを有し、したがって、いくつかの好ましい実施形態において、テンプレート層１０８の横寸法は、２インチ以上である。典型例では、テンプレート層１０８の厚さ１２２は、１００〜１０，０００Å（１０〜１０００ｎｍ）の範囲である。別の例では、テンプレート層１０８の厚さ１２２は、１００Åを超え、または１０，０００Å未満である。
【００２４】
本発明の教示によれば、テンプレート層１０８は、外部ベース層１０４と次に成長させられる窒化物層（図示せず）との間の良好な遷移を提供するように構造化される。テンプレート層１０８は、欠陥および歪みを蓄積し、それにより、次にテンプレート層１０８上に成長させられる任意のデバイス構造の良好な結晶品質をもたらすように構造化される。図１に示されるように、テンプレート層１０８は、２つの自己形成副層、つまり連続的形態を特徴とする第１の（または連続）副層１３０およびナノ円柱状形態を特徴とする第２の（またはナノ円柱状）副層１３４を含む。連続副層１３０およびナノ円柱状副層１３４はともに、単結晶形態を含んでもよい。連続副層１３０からナノ円柱状副層１３４への遷移は、横寸法において互いに離れた異なる円柱１３８の開始により特徴付けることができる。別の言い方をすれば、ナノ円柱状副層１３４から連続副層１３０への遷移は、円柱１３８の基部が融合する箇所で生じる。したがって、ナノ円柱状形態は、一般に、異なる円柱１３８の存在により特徴付けることができ、また連続形態は、一般に、円柱１３８の不在により特徴付けることができる。
【００２５】
ナノ円柱状副層１３４は、テンプレート層１０８の連続副層１３０から最上面１４２（すなわち、ナノ円柱状副層１３４の上面１４２）まで延在する複数のナノスケール円柱１３８を示す。典型的な実施例において、円柱１３８は、略円錐形である。すなわち、各円柱１３８は、連続副層１３０での円柱基部から、上面１４２での比較的鋭い円柱先端に向かって、先細りとなる。この文脈において、「鋭い先端」という用語は、円柱１３８が平坦な表面で終端せず、円柱先端の形状が、点または頂部を有するドームの形状であることを意味する。円柱先端の横寸法は、拡大による補助（例えばＡＦＭ）の下観察すると、円柱基部の横寸法よりも明らかに小さい。テンプレート層１０８の最上面１４２は、密集した（ナノメートルスケールの）円柱先端の集合体として特徴付けることができる。最上面１４２上に次の層を成長させる際、ナノ円柱状副層１３４は、歪み緩和、応力緩和、エピタキシャル成長の促進、およびより低い欠陥密度に寄与し得る。
【００２６】
任意の所与の試料テンプレート化基板１００に対して、円柱１３８の寸法（例えば、高さ、横寸法）は、１つの円柱１３８から別の円柱にかけて均一または実質的に均一であってもよく、あるいは、１つの円柱１３８から別の円柱にかけて変動してもよい。いくつかの制限されない例において、円柱１３８のそれぞれの基部における平均横寸法は、１０ｎｍから１５０ｎｍの範囲であり、円柱１３８の平均高さは、１ｎｍから２０ｎｍの範囲である。いくつかの例において、円柱１３８の横寸法は、直径と呼ぶことができる。この文脈において、「直径」という用語は、円柱１３８が略円形断面を有することを仮定している。しかしながら、円柱１３８は、「直径」が一般に上述の成長方向または厚さ方向を横断する方向の円柱１３８の特性寸法を包含する、すなわち直径または横寸法が図１の視点において水平方向に沿って生じるように、完全な円形断面を示さなくてもよいことが理解される。また、この文脈において、円柱１３８の高さは、一般に、成長方向または厚さ方向、すなわち図１の視点において垂直方向に対応する。
【００２７】
再び図１の視点での垂直方向において、連続副層１３０は、第１の厚さ１４６を有し、ナノ円柱状副層１３４は、第２の厚さ１４８を有する。典型的な実施形態において、連続副層１３０は、ナノ円柱状副層１３４よりも厚い。ナノ円柱状副層１３４の厚さ１４８は、円柱１３８の高さに対応する。したがって、いくつかの制限されない例において、ナノ円柱状副層１３４の厚さ１４８は、１ｎｍから２０ｎｍの範囲であり、テンプレート層１０８（連続副層１３０およびナノ円柱状副層１３４）の合計厚さ１２２は、１０〜１０００ｎｍの範囲である。
【００２８】
テンプレート化基板１００のある特定の例において、テンプレート層１０８の表面粗度は、０．２〜１０ｎｍ（ＲＭＳ）の範囲であってもよく、ナノ円柱状副層１３４の歪み値ｅｚｚは、０．２×１０−２から０．８×１０−２の範囲であってもよい。歪み値ｅｚｚは、層表面に垂直な成長の方向（ｚ方向）における歪みに対応し、円柱１３８に関連したピークのＸＲＤ測定値から計算される。表面粗度および歪み状態は、以下に示されるように制御され得る。テンプレート層１０８は、標準的Ｐｈｉｌｉｐｓ三軸回折計を使用して決定される、ナノ円柱状副層１３４に対しては１００〜５００秒、連続副層１３０に対しては５００〜２５００秒の範囲のロッキングカーブＦＷＨＭにより特徴付けられる結晶品質を有し得る。
【００２９】
本明細書に記載され図１に示されるテンプレート化基板１００は、様々な低欠陥密度ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層、ヘテロ構造およびデバイスの直接成長のための基板またはテンプレートとして使用することができる。一段階成長テンプレート層１０８は、外部組成物のベース層１０４と次に成長させられる窒化物構造との間の良好な整合を提供する。したがって、テンプレート基板１００の使用は、そのようなヘテロ構造またはデバイスが良好な結晶品質および優れた性能を有することを確実とする。テンプレート層１０８、特にナノ円柱状副層１３４の特定の特性（例えば円柱サイズ／表面形態、歪み等）は、任意の所望の設計または構造を有する次の窒化物デバイスエピタキシーに最適となるように調整することができる。さらに、テンプレート層１０８は比較的薄く、中間的成長条件（すなわち低温条件でも高温条件でもない）で、安価な成長チャンバを使用して安価な様式で迅速に成長させることができる。プロセス時間を短縮し、ＬＴバッファに関連する高価な試薬の必要性を回避することにより、テンプレート化基板１００は、より時間を要し高価である多段階ＬＴバッファ技術の望ましい代替として使用することができる。テンプレート化基板１００はまた、様々なデバイス用途のために複雑パターン核形成を含むデバイス構造内に組み込むことができる。
【００３０】
テンプレート層１０８は、上述のような２つの異なる副層１３０および１３４を含むが、テンプレート層１０８は一段階プロセスで形成される。つまり、２つの副層１３０および１３４は、同じ成長条件（例えば成長速度、成長温度、ガス圧、ガス流量、プラズマ操作パラメータ等）を使用して形成され、すなわち連続副層１３０からナノ円柱状副層１３４への遷移は、成長条件の変更を必要としない。この意味で、２つの副層１３０および１３４は、「自己形成性」であるとして特徴付けることができる。
【００３１】
テンプレート化基板１００の製造の１つの制限されない例は、次の通りである。ベース層１０４およびＩＩＩ族金属標的を、スパッタ蒸着チャンバ内に位置付ける。典型的には、ベース層１０４は、装填前に任意の好適な手段により清浄化され、次いで好適な基板ホルダ上に装着する。チャンバ内で、基板温度を制御するために、基板ホルダを好適な加熱デバイスと接触させてもよい。次いでチャンバを適切な真空圧までポンプで減圧する。例えばアルゴン（Ａｒ）等の背景ガスを使用して、エネルギープラズマをチャンバ内で生成する。プラズマの操作条件は、好適な値に設定することができる（例えば出力、周波数等）。別個の窒素含有ガスを、チャンバ内に流入させる。窒素含有ガスは、例えば、二原子窒素またはアンモニア（ＮＨ３）等の窒素含有化合物であってもよい。窒素含有ガスおよび追加的ガス（例えばプラズマ生成可能ガス（Ａｒ等）またはその他の種類のガス）の両方が使用される場合、操作条件は、混合ガス環境として特徴付けることができる。あるいは、窒素種を提供するために使用されるのと同じガスを使用してもプラズマを生成することができるが、この場合、別個の背景ガスは使用する必要はない。ガス流は、好適な流量制御器により制御することができる。次いで、ＩＩＩ族金属標的をスパッタリングして、ＩＩＩ族金属源蒸気を生成する。ＩＩＩ族金属源蒸気は、窒素含有ガスと合流し、ＩＩＩ族金属および窒素の成分を含む反応蒸気種がベース層１０４の表面上に堆積される。プロセス条件（例えば、成長速度、成長温度、ガス圧、ガス流量、プラズマ操作パラメータ等）は、必要に応じて、ナノ円柱状テンプレート層１０８の成長を促進するように制御され、テンプレート層１０８の組成および所望の具体的特性（例えば、歪み、表面粗度等）に依存する。ＡｌＮテンプレート層１０８の堆積を伴う具体的であるが制限されないある特定の例において、成長速度は比較的遅く、すなわち１μｍ／ｈｒ未満である。別の具体例において、成長温度は５００℃を超える。別の具体例において、ＡｌＮテンプレート層１０８は、混合ガス環境内で、１μｍ／ｈｒ未満の成長速度および５００℃を超える温度で成長させられる。本開示の別の場所に記載されるように、連続副層１３０およびナノ円柱状副層１３４は、プロセス条件を変更せずに形成され得る。また、テンプレート化基板１００は、いくつかのステップのみを必要とする完全にインサイチュのプロセスで、また従来のテンプレート製造プロセスの場合のように真空を破るかまたは余分なステップを行う必要なく製造される。
【００３２】
図２Ａから１０Ｂは、本発明の教示に従い製造されたテンプレート化基板１００の特定試料の分析を示している。これらの試料の製造において、ＡｌＮテンプレート層１０８は、プラズマ支援スパッタリングによりベース層１０４に成長させた。ベース層１０４は、サファイア、ＳｉＣまたはＳｉであった。
【００３３】
図２Ａは、その円柱状表面構造を示す代表的なナノ円柱状テンプレート層の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像（２次元面内図）である。図２Ｂは、同じナノ円柱状テンプレート層の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像（３次元の図）である。図２Ｃは、同じナノ円柱状テンプレート層の表面にわたる、粗度ラインスキャン表面形状である。円柱は、鋭い先端で終端するほぼ円錐形状を有するように示されている。円柱基部の平均横寸法は、１０〜１５０ｎｍで変動する。円柱の平均高さは、１〜２０ｎｍで変動する。したがって、この例におけるテンプレート層は、成長条件に依存する様々な円柱サイズを特徴とすることが分かる。一方、円柱サイズは、所与の試料の表面粗度を決定付ける。円柱により提供される上面の二乗平均平方根（ＲＭＳ）粗度は、成長させた様々な試料テンプレート化基板ＡＦＭ像から計算されるように、０．２〜１０ｎｍで変動する。
【００３４】
図３Ａは、その結晶構造を示す、図２Ａ〜２Ｃに示される同じナノ円柱状テンプレート層のＸ線回折（ＸＲＤ）φスキャンである。具体的には、図３Ａは、非対称１０−１３反射付近のＸＲＤφスキャンを示しており、３６０度の方位角範囲にわたり６つのピークを示し、したがってウルツ鉱結晶に典型的な６回対称を示唆している。図３Ｂは、同じくその結晶構造を示す同じナノ円柱状テンプレートのＸＲＤ２θ／ωスキャンである。具体的には、図３Ｂは、対称００２反射付近のＸＲＤ２θ／ωスキャンを示しており、広い２θ範囲において唯一のピークであり、したがってスパッタリングされた層の単結晶構造を示唆している。図３Ｂはまた、狭い半値全幅（ＦＷＨＭ）を示し、成長方向における大きなコヒーレント長および高い結晶品質を示唆している。図３Ｂはまた、より低角側に干渉縞として分析されるいくつかのピークを示しており、これは平行な界面を有する高結晶品質の比較的薄い層に典型的である。したがって、この例におけるテンプレート層は、高品質単結晶形態を特徴とすることが分かる。
【００３５】
図４Ａは、テンプレート層の異なる副層を明確に示す、図２Ａ〜２Ｃに示される同じナノ円柱状テンプレート層のＸＲＤωスキャンである。具体的には、図４Ａは、対称００２反射付近のＸＲＤωスキャンを示しており、ピークが２つのピークで構成されていることを示し、したがって高品質の副層ならびに転位および粒子の傾斜を含有する副層の存在を示す。図４Ａは、一段階成長テンプレート層が、２つの自己形成副層の複雑な下部構造を有することを実証している。図４Ｂは、テンプレート層の異なる副層を示す代表的なナノ円柱状テンプレート層の逆格子空間マップ（ＲＳＭ）である。具体的には、図４Ｂは、対称００２反射付近のＲＳＭである。図４Ｂは、より低い横散乱ベクトルにおいて伸長した低強度走向を示し、これは歪められた副層を示している。図４Ｂはまた、若干伸長した翼状部分を有する強く狭い主要ピークを示し、これは、初期の部分的緩和を受けた高品質の副層を示している。したがって、この例におけるテンプレート層は、ナノ円柱状副層における歪みが連続副層における歪みとは異なる、複雑な歪み状態を示すことを特徴とすることが分かる。
【００３６】
図５Ａ、５Ｂおよび５Ｃは、それぞれ、異なる温度、７５０℃、８５０℃および９５０℃で堆積された代表的なナノ円柱状テンプレート層のＡＦＭ像である。異なる成長温度では、平均円柱サイズ、ひいては表面粗度が変化することが分かる。このように、テンプレート層の表面粗度は、成長温度に強く依存し、したがってそれにより制御され得ることが分かる。このように、表面形態、この場合では表面粗度は、次に成長させるヘテロ構造およびデバイスのより良い結晶品質を得るように最適化することができる。
【００３７】
図６Ａ、６Ｂおよび６Ｃは、それぞれ、異なる厚さ、２５ｎｍ、３５０ｎｍおよび１０００ｎｍで堆積された代表的なナノ円柱状テンプレート層のＡＦＭ像である。異なる厚さでは、平均円柱サイズ、ひいては表面粗度が変化する。このように、テンプレート層の表面粗度は、堆積されるテンプレート材料の厚さに強く依存し、したがってそれにより制御され得ることが分かる。このように、表面形態、この場合では表面粗度は、次に成長させるヘテロ構造およびデバイスのより良い結晶品質を得るように最適化することができる。
【００３８】
図７は、それぞれ、異なる厚さ、２５ｎｍ、５０ｎｍ、３５０ｎｍ、１０００ｎｍ、および２０００ｎｍの代表的なナノ円柱状テンプレート層の対称００２反射付近の一連のＸＲＤ２θ／ωスキャンである。図７は、層の厚さの増加に伴ってピークのシフトおよびピーク非対称性の低下を示し、これは層の厚さの変化による歪みの変動を示している。ナノ円柱状副層における歪みｅｚｚは、成長させた様々な試料テンプレート化基板から計算されるように、０．２×１０−２から０．４×１０−２まで変動する。図７は、５００Åより薄いテンプレート層には高歪み副層が存在し、一方７００Åを超える厚さのテンプレート層には初期緩和を受けた副層が現れ、１０００Åより厚いテンプレート層には完全に緩和された副層が存在することを実証している。このように、テンプレート層における歪みは、堆積されるテンプレート材料の厚さに依存し、したがってそれにより制御され得ることが分かる。このように、歪みは、次に成長させられるヘテロ構造およびデバイスのより良い結晶品質を得るように最適化することができる。
【００３９】
図８は、それぞれ、異なる表面オフカット（またはミスカット）、具体的には０．０°、０．５°、１．０°および２．０°を有するサファイア基板上に成長させた代表的なテンプレート層の、１組のＸＲＤ ＲＳＭである。基板オフカットの角度の増加に伴い歪みが増加することが分かる。このように、テンプレート層における歪みは、その上にテンプレート層が堆積されるベース層のオフカットに依存し、したがってそれにより制御され得ることが分かる。このように、歪みは、次に成長させられるヘテロ構造およびデバイスのより良い結晶品質を得るように最適化することができる。
【００４０】
図９Ａおよび９Ｂは、それぞれＳｉＣベース層およびＳｉベース層上に成長させた代表的なテンプレート層のＡＦＭ像である。２つのテンプレート層は、その他の点では同様の成長条件下で成長させ、同様の構造（連続およびナノ円柱状副層）および同様の形態を有していた。しかしながら、それぞれのテンプレート層における円柱サイズは異なっている。したがって、テンプレート層の表面形態、具体的には円柱サイズ、ひいては表面粗度は、その上にテンプレート層が堆積されるベース層の組成に依存する。
【００４１】
図１０Ａおよび１０Ｂは、それぞれ図９Ａおよび９Ｂに示される同じＳｉＣおよびＳｉテンプレート層のＲＳＭである。図１０Ａおよび１０Ｂは、ＳｉＣおよびＳｉテンプレート層が完全に異なる歪み状態を有することを実証している。ＳｉＣベース層上のＡｌＮテンプレート層に対応する左のＲＳＭ（図１０Ａ）は、ＳｉＣおよびＡｌＮの２つの主要ピークを示している。図１０Ａは、２つの材料に関連した２つのマップの完全な垂直整合により表されるように、ＡｌＮの横方向格子パラメータがＳｉＣのそれと同様であることにより、高歪みテンプレート副層の存在を示している。Ｓｉベース層上のＡｌＮテンプレート層に対応する右側のＲＳＭ（図１０Ｂ）は、矢印により示されるような表面と平行な方向に著しく広がったＡｌＮからの単一のピークを示している。図１０Ｂは、ＳｉピークがＡｌＮピークと整合せず、実際に図１０Ｂに示されるマップ範囲外にあることから、テンプレート層における顕著な歪み緩和を示している。単層堆積テンプレートは、次に成長させるヘテロ構造のより良い結晶品質を得るために、ロッキングカーブの線幅が狭いように特徴付けられる。
【００４２】
図１１Ａは、従来のＬＥＤデバイス１６０の例の概略断面図である。ＬＥＤデバイス１６０は、サファイア基板１０４、サファイア基板１０４上に堆積されたＬＴバッファ構造１５２、およびＬＴバッファ構造１５２上に堆積されたＬＥＤデバイス構造１６２を含む。ＬＴバッファ構造１５２およびＬＥＤデバイス構造１６２は、典型的には、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）により成長させる。ＬＴバッファ構造１５２は、２．５μｍＧａＮ核形成層１５４がサファイア基板１０４上に堆積され、続いて未ドープＧａＮの０．５μｍ層１５６が堆積される、多段階核形成プロセスにより成長させる。ＬＥＤデバイス構造１６２は、Ｎ＋ＧａＮ（典型的には２μｍ）の層１６４、量子井戸層１６６（単一または多重量子井戸）、およびＰ＋ＧａＮの層１６８を含む。
【００４３】
それと比較して、図１１Ｂは、本発明の教示に従い製造されたＬＥＤデバイス１７０の例の概略断面図である。ＬＥＤデバイス１７０は、テンプレート化基板１００、およびテンプレート化基板１００上に堆積されたＬＥＤデバイス構造１６２を含む。テンプレート化基板１００は、本明細書に記載のようなベース層１０４およびテンプレート層１０８を含む。例として、制限することなく、テンプレート層１０８は、上述のようなＰＶＤにより堆積されたＡｌＮであってもよく、またはそれを含んでもよい。比較のためであって制限を意図せず、この例におけるベース層１０４はサファイア基板であり、ＬＥＤデバイス構造１６２は、図１１Ａに示す既知のＬＥＤデバイス１６０の場合のように、Ｎ＋ＧａＮ層１６４、量子井戸層１６６、およびＰ＋ＧａＮ層１６８を含む。ＬＥＤデバイス構造１６２は、ＭＯＣＶＤまたはその他の任意の好適な技術により成長させることができる。図１１Ｂに示されるＬＥＤデバイス１７０は、図１１Ａに示される既知のＬＥＤデバイス１６０と比較して、より複雑ではなくより安価な設計を有することが分かる。一段階テンプレート層１０８は、従来のＬＴバッファ１５２または他の任意の従来のバッファもしくは遷移層の代替物として使用することができる。
【００４４】
図１１Ｂは、本明細書に開示されるテンプレート化基板から製造され得る様々な種類のＬＥＤデバイスの単なる一例であることが理解される。より一般的には、ＬＥＤデバイスは、本明細書に開示されるテンプレート化基板１００から製造され得る様々な種類のマイクロ電子デバイスおよびヘテロ構造の単なる一例であることが理解される。本明細書で使用される場合、「マイクロ電子デバイス」という用語は、一般に、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、太陽電池、光検出器およびＵＶ検出器等の光電子デバイスだけでなく、生物学的または化学センサ、他の種類のセンサまたは検出器、電子または光学フィルタ、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、その他の種類のトランジスタ、その他の種類のダイオードおよび整流回路、微小電極アレイ、接着パッド、金属化素子、ならびに相互接続部等のデバイスおよびコンポーネントを包含する。したがて、本開示の実施形態は、追加のＩＩＩ族窒化物層を有するテンプレート化基板および／またはその上に製造されたＩＩＩ族窒化物系マイクロ電子デバイスを備える物品を含む。
【００４５】
一段階テンプレート層１０８はまた、マスク構成等の複雑パターン化構造を使用する製造技術とともに、従来のＬＴバッファの代替物として使用することができる。図１２Ａは、ベース層１０４と、マスク１８２（典型的には誘電体）が堆積されパターン化されたテンプレート層１０８とを含む、本明細書に教示されるようなテンプレート化基板１００の斜視図である。マスク材料は、テンプレート層１０８のナノ円柱状表面上、または中間エピタキシャルＩＩＩ族窒化物層１８４上に直接堆積させることができる。図１２Ｂは、任意の好適な技術によりエッチングおよびマスク除去が行われた後の、図１２Ｂに示されたテンプレート化基板１００の斜視図である。矢印で示されるように、エピタキシャルＩＩＩ族窒化物材料１８４は、例えば上記の背景の項で述べた技術等の様々な既知の成長／過剰成長技術に従い、垂直および横方向に成長させることができる。
【００４６】
図１３は、本明細書に教示されるようなテンプレート化基板１００を使用して標準的ＭＯＣＶＤ ＬＥＤデバイス（図１１Ｂに示されるもの等）を製造するのに必要なより短い時間（実線）を、従来のＬＴバッファ核形成プロセスを使用して同じＬＥＤデバイス（図１１Ａに示されるもの等）を製造するのに必要なより長い時間（破線）と比較した、概略的なタイムスケジュールである。本明細書で教示されるようなテンプレート層１０８の成長後のＬＥＤデバイス成長の開始は１３０２で示されている。従来のＬＴバッファ層の成長後のＬＥＤデバイス成長の開始は１３０４に示されているが、これは時間的にずっと遅い。プロセスラインは、時間の関数としての成長温度としてプロットされる。本明細書において教示されるプロセスは、いかなる低温ステップも必要としないことが分かる。従来のＬＴバッファ核形成プロセスのプロセスラインにおける下降は、ＬＴ核形成層の必要な成長に対応し、これは、その上のＬＥＤデバイスの成長を開始することができる前のＬＴバッファ構造の成長の完了に必要なより長い時間に寄与する。
【００４７】
示された例では、特定の用途において、必要に応じて、または所望により、不純物またはドーパントをＩＩＩ族窒化物層に導入するか、あるいはそれとともに堆積させることができる。Ｎ型、Ｐ型、半絶縁性、絶縁性、非極性、または半極性ＩＩＩ族窒化物層を、必要に応じて、または所望により、成長させることができる。
【００４８】
本発明の例は、いくつかの特定の成長シーケンスを使用する。これらの特定の成長プロセスは、例示目的を意図し、制限的ではないことを理解されたい。また、例において言及された成長条件は、例において使用された成長反応器に特定的であることに留意されたい。異なる反応器設計または反応器形状を使用した場合、同様の結果を得るために異なる条件を使用することが望ましい可能性がある。しかしながら、それでも一般的な傾向は同様である。
【００４９】
本発明の様々な態様または詳細は、本発明の範囲から逸脱せずに変更され得ることが理解される。さらに、前述の説明は例示のみを目的とし、制限を目的とせず、本発明は特許請求の範囲により定義される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース層と、
該ベース層上に配置され、単結晶ＩＩＩ族窒化物を含む組成物を有するテンプレート層であって、該テンプレート層は、該ベース層上の連続副層と、第１の副層上のナノ円柱状副層とを備え、該ナノ円柱状副層は、複数のナノスケール円柱を備える、テンプレート層と
を備える、テンプレート化基板。
【請求項２】
前記ベース層は、サファイア、ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ、Ｓｉ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、およびＬｉＧａＯ２から成る群より選択される材料を含む、請求項１に記載のテンプレート化基板。
【請求項３】
前記ベース層は、０度〜２度の範囲のオフカット方位を含む、請求項１に記載のテンプレート化基板。
【請求項４】
前記テンプレート層の前記組成物は、ＧａＮおよびＡｌＮから成る群より選択される、請求項１に記載のテンプレート化基板。
【請求項５】
前記ベース層は、サファイアである、請求項４に記載のテンプレート化基板。
【請求項６】
前記テンプレート層は、２インチ以上の横寸法を含む、請求項１に記載のテンプレート化基板。
【請求項７】
前記ベース層は、ウルツ鉱結晶構造を含む、請求項１に記載のテンプレート化基板。
【請求項８】
前記テンプレート層は、１０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の厚さを有する、請求項１に記載のテンプレート化基板。
【請求項９】
前記ナノ円柱状副層は、１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲の厚さを有する、請求項１に記載のテンプレート化基板。
【請求項１０】
前記連続副層は、第１の厚さを有し、前記ナノ円柱状副層は、該第１の厚さより小さい第２の厚さを有する、請求項１に記載のテンプレート化基板。
【請求項１１】
前記テンプレート層は、０．２ｎｍ〜１０ｎｍの範囲の表面粗度を有する、請求項１に記載のテンプレート化基板。
【請求項１２】
前記テンプレート層は、０．２×１０−２から０．８×１０−２の範囲の歪み値を有する、請求項１に記載のテンプレート化基板。
【請求項１３】
前記テンプレート層は、ナノ円柱状副層に対しては１００秒〜５００秒、連続副層に対しては５００秒〜２５００秒の範囲のロッキングカーブＦＷＨＭにより特徴付けられる、結晶品質を有する、請求項１に記載のテンプレート化基板。
【請求項１４】
前記円柱は、実質的に円錐形状を有し、それぞれの先端で終端する、請求項１に記載のテンプレート化基板。
【請求項１５】
前記円柱は、それぞれの横寸法を有する、それぞれの円柱基部を含み、前記円柱基部の平均横寸法は、１０ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲である、請求項１に記載のテンプレート化基板。
【請求項１６】
前記円柱は、それぞれの高さを有し、前記円柱の平均高さは、１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲である、請求項１に記載のテンプレート化基板。
【請求項１７】
ベース層と、
該ベース層上に配置され、単結晶ＩＩＩ族窒化物を含む組成物を有するテンプレート層であって、該テンプレート層は、該ベース層上の連続副層と、第１の副層上のナノ円柱状副層とを備え、該ナノ円柱状副層は、複数のナノスケール円柱を備える、テンプレート層と、
該ナノ円柱状副層上に配置されたＩＩＩ族窒化物含有へテロ構造と
を備える、ヘテロ構造。
【請求項１８】
テンプレート化基板を製造するための方法であって、
真空蒸着により、単結晶ＩＩＩ族窒化物含有テンプレート層をベース層上に成長させることを含み、該成長させることは、
該ベース層上に連続副層を形成することと、
該連続副層上にナノ円柱状副層を形成することであって、該ナノ円柱状副層は複数のナノスケール円柱を備える、ことと
を含む、方法。
【請求項１９】
前記テンプレート層は、スパッタリングにより成長させられる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記テンプレート層は、５００℃を超える温度において混合ガス環境内で達成される、１μｍ／ｈｒ未満の成長速度で成長させられる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記連続副層を形成することおよび前記ナノ円柱状副層を形成することは、同じ成長温度で行われる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記テンプレート層は、１０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の厚さまで成長させられる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
前記ナノ円柱状副層は、１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲の厚さまで形成される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２４】
前記円柱は、実質的に円錐形状を有し、それぞれの先端で終端する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２５】
前記円柱は、それぞれの横寸法を有する、それぞれの円柱基部を含み、該円柱基部の平均横寸法は、１０ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２６】
前記円柱は、それぞれの高さを有し、該円柱の平均高さは、１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２７】
前記テンプレート層が成長させられる成長温度、該テンプレート層が成長させられる厚さを制御することによる前記円柱のサイズ、および前記ベース層の組成から成る群より選択されるパラメータを制御することにより、該円柱のサイズを制御することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２８】
前記テンプレート層が成長させられる厚さ、前記ベース層のオフカット方位、および該ベース層の組成から成る群より選択されるパラメータを制御することにより、該テンプレート層の歪み値を制御することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２９】
前記ナノ円柱状副層上にＩＩＩ族窒化物含有エピタキシャル層を成長させることをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項３０】
請求項１８に記載の方法に従って製造される、テンプレート化基板。
【請求項１】
ベース層と、
該ベース層上に配置され、単結晶ＩＩＩ族窒化物を含む組成物を有するテンプレート層であって、該テンプレート層は、該ベース層上の連続副層と、第１の副層上のナノ円柱状副層とを備え、該ナノ円柱状副層は、複数のナノスケール円柱を備える、テンプレート層と
を備える、テンプレート化基板。
【請求項２】
前記ベース層は、サファイア、ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ、Ｓｉ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、およびＬｉＧａＯ２から成る群より選択される材料を含む、請求項１に記載のテンプレート化基板。
【請求項３】
前記ベース層は、０度〜２度の範囲のオフカット方位を含む、請求項１に記載のテンプレート化基板。
【請求項４】
前記テンプレート層の前記組成物は、ＧａＮおよびＡｌＮから成る群より選択される、請求項１に記載のテンプレート化基板。
【請求項５】
前記ベース層は、サファイアである、請求項４に記載のテンプレート化基板。
【請求項６】
前記テンプレート層は、２インチ以上の横寸法を含む、請求項１に記載のテンプレート化基板。
【請求項７】
前記ベース層は、ウルツ鉱結晶構造を含む、請求項１に記載のテンプレート化基板。
【請求項８】
前記テンプレート層は、１０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の厚さを有する、請求項１に記載のテンプレート化基板。
【請求項９】
前記ナノ円柱状副層は、１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲の厚さを有する、請求項１に記載のテンプレート化基板。
【請求項１０】
前記連続副層は、第１の厚さを有し、前記ナノ円柱状副層は、該第１の厚さより小さい第２の厚さを有する、請求項１に記載のテンプレート化基板。
【請求項１１】
前記テンプレート層は、０．２ｎｍ〜１０ｎｍの範囲の表面粗度を有する、請求項１に記載のテンプレート化基板。
【請求項１２】
前記テンプレート層は、０．２×１０−２から０．８×１０−２の範囲の歪み値を有する、請求項１に記載のテンプレート化基板。
【請求項１３】
前記テンプレート層は、ナノ円柱状副層に対しては１００秒〜５００秒、連続副層に対しては５００秒〜２５００秒の範囲のロッキングカーブＦＷＨＭにより特徴付けられる、結晶品質を有する、請求項１に記載のテンプレート化基板。
【請求項１４】
前記円柱は、実質的に円錐形状を有し、それぞれの先端で終端する、請求項１に記載のテンプレート化基板。
【請求項１５】
前記円柱は、それぞれの横寸法を有する、それぞれの円柱基部を含み、前記円柱基部の平均横寸法は、１０ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲である、請求項１に記載のテンプレート化基板。
【請求項１６】
前記円柱は、それぞれの高さを有し、前記円柱の平均高さは、１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲である、請求項１に記載のテンプレート化基板。
【請求項１７】
ベース層と、
該ベース層上に配置され、単結晶ＩＩＩ族窒化物を含む組成物を有するテンプレート層であって、該テンプレート層は、該ベース層上の連続副層と、第１の副層上のナノ円柱状副層とを備え、該ナノ円柱状副層は、複数のナノスケール円柱を備える、テンプレート層と、
該ナノ円柱状副層上に配置されたＩＩＩ族窒化物含有へテロ構造と
を備える、ヘテロ構造。
【請求項１８】
テンプレート化基板を製造するための方法であって、
真空蒸着により、単結晶ＩＩＩ族窒化物含有テンプレート層をベース層上に成長させることを含み、該成長させることは、
該ベース層上に連続副層を形成することと、
該連続副層上にナノ円柱状副層を形成することであって、該ナノ円柱状副層は複数のナノスケール円柱を備える、ことと
を含む、方法。
【請求項１９】
前記テンプレート層は、スパッタリングにより成長させられる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記テンプレート層は、５００℃を超える温度において混合ガス環境内で達成される、１μｍ／ｈｒ未満の成長速度で成長させられる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記連続副層を形成することおよび前記ナノ円柱状副層を形成することは、同じ成長温度で行われる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記テンプレート層は、１０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の厚さまで成長させられる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
前記ナノ円柱状副層は、１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲の厚さまで形成される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２４】
前記円柱は、実質的に円錐形状を有し、それぞれの先端で終端する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２５】
前記円柱は、それぞれの横寸法を有する、それぞれの円柱基部を含み、該円柱基部の平均横寸法は、１０ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２６】
前記円柱は、それぞれの高さを有し、該円柱の平均高さは、１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２７】
前記テンプレート層が成長させられる成長温度、該テンプレート層が成長させられる厚さを制御することによる前記円柱のサイズ、および前記ベース層の組成から成る群より選択されるパラメータを制御することにより、該円柱のサイズを制御することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２８】
前記テンプレート層が成長させられる厚さ、前記ベース層のオフカット方位、および該ベース層の組成から成る群より選択されるパラメータを制御することにより、該テンプレート層の歪み値を制御することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２９】
前記ナノ円柱状副層上にＩＩＩ族窒化物含有エピタキシャル層を成長させることをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項３０】
請求項１８に記載の方法に従って製造される、テンプレート化基板。
【図１】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公表番号】特表２０１１−５２４３２２（Ｐ２０１１−５２４３２２Ａ）
【公表日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５０８６２３（Ｐ２０１１−５０８６２３）
【出願日】平成２１年５月６日（２００９．５．６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０４２９４９
【国際公開番号】ＷＯ２００９／１３７５５６
【国際公開日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【出願人】（５１０２９５０６６）キマ テクノロジーズ， インコーポレイテッド (1)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月６日（２００９．５．６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０４２９４９
【国際公開番号】ＷＯ２００９／１３７５５６
【国際公開日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【出願人】（５１０２９５０６６）キマ テクノロジーズ， インコーポレイテッド (1)
【Ｆターム（参考）】
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