JP7000163B2 - 結晶基板上において、以下の材料:ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及びアルミニウム(Al)のうちの少なくとも1つを用いて得られる窒化物の半極性層を得ることを可能にする方法 - Google Patents
結晶基板上において、以下の材料:ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及びアルミニウム(Al)のうちの少なくとも1つを用いて得られる窒化物の半極性層を得ることを可能にする方法 Download PDFInfo
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-
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Description
-- “Fabrication and properties of semi-polar(1-101)and(11-22)InGaN/GaN light emitting diodes on patterned Si substrates”by T.Hikosaka et al.in phys.stat.sol.(c)5,No.6,2234-2237(2008)
-- “Growth of(1-0 1)GaN on a 7-degree off-oriented(0 0 1)Si substrate by selective MOVPE”by Honda et al.in J.Cryst.Growth 242 82-6(2002)
- 結晶基板の上面上において、第一の方向に延びる複数の平行な溝を得るステップであって、各溝は、少なくとも2つの対向する傾斜ファセットを含み、各溝は、連続的であり且つ前記第一の方向に延び、前記2つの対向するファセットのうちの少なくとも1つは、{111}結晶方向を有する、ステップと、
- {111}結晶方向を有する前記ファセットに対向するファセットがマスキングされ、且つ{111}結晶方向を有する前記ファセットがマスキングされないように、結晶基板の上面をマスキングするステップと、
- 前記層をエピタキシャル成長させるステップと
を含む。
- 溝の前記第一の方向に関して回転させた、すなわち傾斜させた後の第二の方向に延び、したがって連続する溝を中断して、それぞれ{111}結晶方向を有する個別のファセットを形成する複数の平行なトレンチをエッチングするステップ
も含む。
- {111}結晶方向を有し、且つ前記アレイを形成する前記個別のファセットから開始する、窒化アルミニウム(AlN)系材料の第一のエピタキシャル成長と、
- エピタキシャル成長後の前記窒化アルミニウム(AlN)系材料から開始する、窒化ガリウム(GaN)系材料の少なくとも1つの第二のエピタキシャル成長と
を含む。
- AlN:900~1400℃
- GaN:700~1300℃
- AlN:900~1500℃
- InGaN:400~900℃
- AlGaN:900~1300℃
- AlInN:600~1100℃
- AlInGaN:500~1000℃
- 基板は、第一の方向に延びる複数の平行な溝を含み、各溝は、それぞれ前記第一の方向に延びる連続的な線を形成する少なくとも2つの対向するファセットを含み、前記2つの対向するファセットのうちの少なくとも1つは、{111}結晶方向を有する。
- トレンチの集合を整列したファセットに関して斜めにエッチングし、整列したファセットの集合を{111}方向の個別のファセットのアレイに分割することにより、上面の新しい構造化を実行するステップと、
- {111}方向の個別のファセットのアレイから開始して前記材料の層を成長させるステップと
からなるステップをさらに含む。
結晶基板の上面上において、第一の方向に延びる複数の平行な溝を得るステップであって、各溝は、それぞれ前記第一の方向に延びる連続する線を形成する少なくとも2つの対向する傾斜したファセットを含み、前記2つの対向するファセットのうちの1つは、{111}結晶方向を有する、ステップと、
溝の前記第一の方向に関して回転された第二の方向に延びる複数の平行なトレンチをエッチングするステップであって、複数の平行なトレンチは、したがって、溝と共に、{111}結晶方向を有する複数の不連続的なファセットを画定する、ステップと、
{111}結晶方向を有する前記ファセットに対向するファセットがマスキングされ、且つ{111}結晶方向を有する前記ファセットがマスキングされないように、結晶基板の上面をマスキングするステップと、
{111}結晶方向を有する前記ファセットから開始して前記基材をエピタキシャル成長させるステップと
を含む。
- {111}結晶方向を有する個別のシリコン系のファセットから直接開始してAlNを成長させる第一のステップと、
- このAlの成長から開始してGaNを成長させる第二のステップと、
- GaNから開始してAlInGaN又はInNを成長させる第三のステップと
を含む。
- {111}結晶方向を有する個別のシリコン系のファセットから直接開始してAlNを成長させる第一のステップと、
- このAlの成長から開始してGaNを成長させる第二のステップと、
- GaNから開始してInAlNを成長させる第三のステップと
を含む。
- {111}結晶方向を有する個別のシリコン系のファセットから直接開始してAlNを成長させる第一のステップと、
- このAlNの成長から開始してAlGaNを成長させる第二のステップと
を含む。
ステップ1:例えば、SiO2からなる保護層430のクリーンな基板310への堆積。堆積される層の厚さは約10nmで十分であるが、調節されてもよい。SiO2の代わりにSiN又はTiNも使用してよい。
ステップ2:整列して切り取られた第一のマスクを用いたリソグラフィと樹脂の成長。
ステップ3:樹脂が依然として上にある間に、露出した保護層(SiO2又はSiN又はTiN)が、例えば、酸素の存在中にトリフルオロメタンプラズマ(CHF3/O2プラズマ)中でエッチングされる。その他のエッチング溶液も使用されてよい。このステップは、その後のKOH又はTMAHでの異方性ウェットエッチングのための開口を作ることを目的としている。別の解決策によれば、緩衝酸化物エッチング溶液(BOE)を使ってマスクを除去してもよい。
ステップ4:樹脂がアセトン及び酸素のプラズマを使って除去される。
ステップ5:KOH又はTMAHでのエッチングを開始し、図4aに示されるような完全又は不完全なV溝320を形成する所望の{111}ファセット330を形成する。
ステップ6:溝の形成された基板を塩化水素(HCl)で洗浄し、KOHの結晶残留物を表面から除去する。
ステップ7:SiO2又SiN又はTiNの保護マスクを、緩衝エッチング溶液BOEを使って除去し、したがって、図4bに示されるように、全シリコンの切欠き部のある基板を得る。
ステップ8:整列した第二のマスクを用いたリソグラフィ。マスクは、任意選択により、第一のマスクと同じであってもよいが、異なる向きで使用される。リソグラフィは、その結果、V溝の深さに応じて適応される。例えば、5μmの深さのV溝には200mJの露光エネルギーが必要となり、最終的により長い現像時間が必要となる。例えば、深さ1μmのより浅い溝の場合、120mJのオーダのより低い露光エネルギーが必要となる。上述の数字はまた、使用される樹脂の種類及び結果的に得られる厚さにも依存してよい。
次に、樹脂が現像される(図4c)。
ステップ9:パターンを形成し、マスクとして使用される樹脂から開始して、シリコンの異方性エッチングを六フッ化硫黄(SF6)(又はその他のエッチング溶液)の誘導結合プラズマ(ICP)中で実施し、直線の側壁を有するトレンチ450を形成する(図4d)。
ステップ10:アセトン及び酸素のプラズマを使って樹脂を除去する。
ステップ11:SiO2又はSiN又はTiNの角堆積を{111}面以外の全表面に実行し、1方向cへのエピタキシャル層の成長を強制する。
ステップ12:マスキングされていない{111}面から開始して、以下の材料:ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及びアルミニウム(Al)の少なくとも1つを用いて得られる窒化物の層をエピタキシャル成長させる。以下の材料:ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及びアルミニウム(Al)の少なくとも1つを用いて得られる前記窒化物の性質に応じて、第一の層、典型的にはAlNがファセット330’上に最初に成長する。
- 半極性成長速度:1nm/s
- +c方向への成長速度:2.5nm/s、すなわち半極性方向への成長速度の約2.5倍。
- 材料:V/IIIモル比は100~200である。この比は、できるだけ低く保持しなければならない。好ましい実施形態によれば、比V/IIIは440に略等しいが、440未満の数値でも同様の結果を得ることができ、2000までの数値に到達してもよい。これらの数値はまた、MOCVD(金属有機化学蒸着)リアクタの構成及び質量流量能力にも依存する。実験は、AIXTRON AG社製の直接制御(クローズカップルシャワーヘッドの省略CCS)方式のThomas Swanエピタキシリアクタを使って行った。
- 温度:有利には、温度は1000℃より高く保持される。これにより、結晶の品質を向上させることができる。それより低温ではファセットが波状になり得る。
- 圧力:圧力は、好ましくは、50~700mbarに保持される。しかしながら、圧力はリアクタの能力に依存する重要パラメータではないことがわかっている。
- V溝320のピッチp1:このピッチp1はまた、第一のレベルのリソグラフィの期間として定義されてもよい。好ましくは、これは50nm≦p1≦15μmとなるような範囲内である。これは、大きい面積での処理を容易にしながら、効果的に合体させることができる。溝320のピッチp1は、溝の幅454に、2つの連続する溝を分離する距離を加算したものである。ピッチp1は、基板310の底部に平行な平面、すなわち説明されている図面内で水平の平面内で測定される。
- トレンチ450のピッチp2:このピッチp2はまた、第二のレベルのリソグラフィの期間として定義されてもよい。典型的に、p2は、p1より2.5倍小さくなるように選択される。例えば、p1が10μmと等しくなるように選択されると、p2は4μm±30%に近くなければならない。有利には、この比によって全方向への同時合体が確実に行われる。その結果、好ましい実施形態によれば、V溝320のピッチとトレンチ450のピッチとは相応に調節される。トレンチ450のピッチp2は、トレンチの幅に、2つの連続するトレンチ450を分離する距離を加算したものである。ピッチp2は、基板310の底部に平行な、すなわち、説明されている図面内の水平な平面内で測定される。
- 以下の材料:ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及びアルミニウム(Al)のうちの少なくとも1つを用いて得られる窒化物のエピタキシャル成長がそこから開始するファセットの寸法:このファセットの寸法は、50nmからピッチ及び開口に依存する完全なV溝の数値までの範囲である。
Claims (30)
- 窒化物(N)と、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及びアルミニウム(Al)のうちの少なくとも1つとを含む少なくとも1つの材料の少なくとも1つの半極性層(480)を結晶基板(310)の上面上において得る方法であって、以下のステップ:
- 前記結晶基板(310)の前記上面上において、主として第一の方向に延びる複数の平行な溝(320、410、420)を得るステップであって、各溝(320、410、420)は、連続的であり、各溝(320、410、420)は、少なくとも2つの対向する傾斜ファセット(330、331)を含み、前記2つの対向するファセット(330、331)のうちの少なくとも1つ(330)は、{111}結晶方向を有する、ステップと、
- {111}結晶方向を有する前記ファセット(330)に対向する前記ファセット(331)がマスキングされ、且つ{111}結晶方向を有する前記ファセット(330)がマスキングされないように、前記結晶基板(310)の前記上面をマスキングするステップと、
- 前記半極性層(480)をエピタキシャル成長させるステップと
を含む、方法において、前記複数の平行な溝(320、410、420)を得る前記ステップの後、且つ前記半極性層(480)をエピタキシャル成長させる前記ステップの前に実行される以下のステップ:
- 前記溝(320、410、420)の前記第一の方向に関して回転させた後の第二の方向に延び、したがって前記連続する溝(320、410、420)を中断して、それぞれ{111}結晶方向を有する個別のファセット(330’)のアレイ(335)を形成する複数の平行なトレンチ(450)をエッチングするステップであって、前記トレンチ(450)及び前記溝(320、410、420)は、それぞれ底部(451)を有し、前記トレンチ(450)の前記底部(451)は、前記溝(320、410、420)の前記底部(411、421)と同じ深さ又はそれより下方に配置される、ステップ
も含むことと、
エピタキシャル成長させる前記ステップ中、前記材料は、{111}結晶方向を有し、且つ前記アレイ(335)を形成する前記個別のファセット(330’)から開始してのみ成長することとを特徴とする方法。 - 窒化物(N)と、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及びアルミニウム(Al)のうちの少なくとも1つとを含む前記材料のV/IIIモル比は、100~2000である、請求項1に記載の方法。
- 窒化物(N)と、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及びアルミニウム(Al)のうちの少なくとも1つとを含む前記材料の前記V/IIIモル比は、300~500、好ましくは380~420である、請求項2に記載の方法。
- {111}結晶方向を有する前記ファセット(330)に対向する前記ファセット(331)がマスキングされ、且つ{111}結晶方向を有する前記ファセット(330)がマスキングされないように、前記結晶基板(310)の前記上面をマスキングする前記ステップは、二酸化シリコン(SiO2)、窒化シリコン(SiN)、窒化チタン(TiN)のうちの少なくとも1つを含む材料のマスキング層(460)を堆積させるステップを含む、請求項1~3の何れか一項に記載の方法。
- 前記複数の平行な溝(320、410、420)が延びる前記第一の方向は、前記結晶基板(310)の前記上面の平面及び<111>面に共通の方向に対応する、請求項1~4の何れか一項に記載の方法。
- マスキング層(460)の堆積は、{111}結晶方向を有する前記ファセット(330)以外の、前記結晶基板(310)の前記上面全体がマスキングされるように、{111}結晶方向を有する前記ファセット(330)上で起こる堆積を防止するように堆積角度を調整したイオンビームスパッタリングで行われる、請求項1~5の何れか一項に記載の方法。
- 前記材料は、窒化ガリウム(GaN)系材料である、請求項1~6の何れか一項に記載の方法。
- 前記窒化ガリウム(GaN)系材料は、アルミニウム(Al)とインジウム(In)とをさらに含む任意の合金からなる、請求項1~7の何れか一項に記載の方法。
- 前記材料は、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム(InN)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)、窒化インジウムガリウム(InGaN)、窒化アルミニウムガリウムインジウム(AlGaInN)、窒化アルミニウムインジウム(AlInN)のうちの任意の1つである、請求項1~6の何れか一項に記載の方法。
- 前記溝は、完全なV字形溝(410)であり、前記2つの対向する傾斜ファセット(330、331)は、前記溝(410)の前記底部で接し、且つ一緒に前記溝(410)の前記底部(411)を画定する、請求項1~9の何れか一項に記載の方法。
- 前記溝(420)は、平坦な底部(421)を含み、前記2つの対向するファセット(330、331)は、前記溝(420)の前記底部(421)で接する、請求項1~7の何れか一項に記載の方法。
- エピタキシャル成長させる前記ステップ中、前記材料は、核の形態で成長し、前記核の合体は、前記半極性層(480)を形成し、前記トレンチ(450)及び溝(320)の寸法は、前記トレンチ(450)の前記底部(451)との接触又は少なくともその全部との接触がない前記核(480)の成長及び好ましくは合体を可能にするように構成される、請求項1~11の何れか一項に記載の方法。
- エピタキシャル成長させる前記ステップ中、前記材料は、核の形態で成長し、前記核の合体は、前記半極性層(480)を形成し、前記トレンチ(450)及び溝(320)の前記寸法は、少なくともいくつかの核と前記トレンチ(450)の前記底部(451)との間の間隔(500)を保ちながらの前記核(480)の成長及び好ましくは合体を可能にするように構成される、請求項1~12の何れか一項に記載の方法。
- {111}結晶方向を有する前記ファセット(330)の長さは、50nmより大きい、請求項1~13の何れか一項に記載の方法。
- 前記第一及び第二の方向は、40°より大きく、好ましくは50°~90°、好ましくは60°~90°である角度(470)を画定する、請求項1~14の何れか一項に記載の方法。
- 前記トレンチ(450)は、前記初期溝(320、410、420)に垂直にエッチングされる、請求項1~15の何れか一項に記載の方法。
- 前記トレンチ(450)は、前記溝(320、410、420)の深さより大きいか、又はそれと等しい深さ(452)を有する、請求項1~16の何れか一項に記載の方法。
- 前記トレンチ(450)は、垂直の側壁を有する、請求項1~17の何れか一項に記載の方法。
- 前記複数の平行な溝(320、410、420)は、50nm~20μm、好ましくは75nm~15μmであるピッチp1を有する、請求項1~18の何れか一項に記載の方法。
- 前記複数の平行なトレンチ(450)は、(p1*0.8)/2.5より大きく、好ましくは(p1*0.9)/2.5より大きいピッチp2を有する、請求項19に記載の方法。
- 前記複数の平行なトレンチ(450)は、1.1*p1より小さく、好ましくはp1より小さいピッチp2を有する、請求項19又は20に記載の方法。
- エピタキシャル成長させる前記ステップ中、前記基板(310)の温度は、700~1300℃、好ましくは900~1100℃に保持される、請求項1~21の何れか一項に記載の方法。
- エピタキシャル成長させる前記ステップ中、圧力は、30mbar~1500mbar、好ましくは50mbar~700mbarに保持される、請求項1~22の何れか一項に記載の方法。
- 前記複数の平行な溝(320、410、420)は、ピッチp1を有し、前記複数の平行なトレンチ(450)は、0.9*p1~1.1*p1であるピッチp2を有し、前記第一及び第二の方向によって画定される前記小さい角度(470)は、40°より大きく、好ましくは60°より大きい、請求項1~23の何れか一項に記載の方法。
- エピタキシャル成長させる前記ステップは、
- {111}結晶方向を有し、且つ前記アレイ(335)を形成する前記個別のファセット(330’)から開始する、窒化アルミニウム(AlN)系材料の第一のエピタキシャル成長と、
- エピタキシャル成長後の前記窒化アルミニウム(AlN)系材料から開始する、窒化ガリウム(GaN)系材料(480)の少なくとも1つの第二のエピタキシャル成長と
を含む、請求項1~24の何れか一項に記載の方法。 - 複数の平行なトレンチをエッチングする前記ステップは、前記複数の平行な溝(320、410、420)を得る前記ステップの後、且つ{111}結晶方向を有する前記ファセット(330)に対向する前記ファセットがマスキングされるように、前記結晶基板(310)の前記上面をマスキングする前記ステップの前に実行される、請求項1~25の何れか一項に記載の方法。
- 少なくとも緑色波長範囲で発光するように構成された少なくとも1つの発光ダイオード(LED)を製造する方法であって、窒化物(N)と、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及びアルミニウム(Al)のうちの少なくとも1つとを含む少なくとも1つの材料の半極性層(480)を結晶基板(310)の上面上において得るための、請求項1~26の何れか一項に記載の方法を含む、方法。
- 結晶基板と、前記結晶基板の上面上の、窒化物(N)と、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及びアルミニウム(Al)のうちの少なくとも1つとを含む少なくとも1つの材料の半極性層とを含むマイクロエレクトロニックデバイスであって、
- 前記基板は、第一の方向に延びる複数の平行な溝(を含み、各溝は、それぞれ前記第一の方向に延びる連続的な帯を形成する少なくとも2つの対向する傾斜ファセットを含み、前記2つの対向するファセットのうちの少なくとも1つは、{111}結晶方向を有する、マイクロエレクトロニックデバイスにおいて、
前記基板は、前記第一の方向とは平行ではない第二の方向に延びる複数の平行なトレンチも含み、
前記複数の平行な溝と前記複数の平行なトレンチとの組合せは、{111}結晶方向を有する個別のファセットのアレイを画定し、
前記トレンチ及び前記溝は、それぞれ底部を有し、前記トレンチの前記底部は、前記溝の前記底部より下方に配置され、
前記材料は、結晶方向を有する前記個別のファセットと直接接触し、
前記デバイスは、前記基板と前記材料との間に配置され、且つ結晶方向を有する前記個別のファセット以外の、前記基板の前記上面の全体を覆うマスキング層も含むことを特徴とするマイクロエレクトロニックデバイス。 - 前記複数の平行な溝(320、410、420)は、ピッチp1を有し、前記複数の平行なトレンチ(450)は、0.8*p1~1.2*p1であるピッチp2を有し、前記第一及び第二の方向によって画定される小さい角度(470)は、40°より大きく、好ましくは60°より大きい、請求項28に記載のマイクロエレクトロニックデバイス。
- 請求項28又は29に記載のマイクロエレクトロニックデバイスを含む発光ダイオード(LED)。
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