(57)【要約】  窒化ガリウム（ＧａＮ）に基づいた高周波数用途および高電力用途に専用の電子回路は、信頼性問題の影響を受けやすい。主要な理由は、原子スケールおよびマイクロメートルスケールでの合金無秩序を起源とする、これらの構造中の不均一な電子密度分布である。本発明は、好ましい結晶軸に沿って完全に順序よく配置されたＩＩＩ族元素の窒化物（Ｂａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）／Ｎに基づいた半導体構造を製造する手段を提供する。この構成を得るために、三元合金バリア層は、二元合金バリア層（５４、５５）の交互層で構成されたバリア層によって置き換えられる。これらの構造の組成中の変動がないことにより、電子輸送特性が改善され、その分布がさらに一様になる。
2008512863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
例えばＨＥＭＴ型トランジスタ構造のＨＥＭＴの製造のために使用される、周期律表中のＩＩＩ族およびＶ族の元素に基づいた半導体基板（６０）であって、支持材（５２）と、前記支持材上のチャネル層（５１）と、前記チャネル層上のバリア層（５３）とを備え、
前記バリア層（５３）は、第１と第２のＩＩＩ−Ｖ族二元半導体合金層（５４、５５）の原子スケールにおける交互層で構成されたことを特徴とする半導体基板。
【請求項２】
前記チャネル層は、第３と第４のＩＩＩ−Ｖ族二元半導体合金層の原子スケールにおける交互層を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体基板。
【請求項３】
前記半導体基板（６０）は、前記支持材（５２）と前記チャネル層（５１）との間にバッファ層（５６）をさらに備え、前記バッファ層（５６）は、第５と第６のＩＩＩ−Ｖ族二元半導体合金層の原子スケールにおける交互層を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体基板。
【請求項４】
前記バリア層、前記チャネル層、または前記バッファ層の前記交互層の各二元合金中の原子単一層数は、１層から２０層の間に含まれることを特徴とする請求項１、２または３に記載の半導体基板。
【請求項５】
前記バリア層、前記チャネル層、または前記バッファ層の前記交互層の各二元合金中の原子単一層数は、前記バリア層、前記チャネル層、または前記バッファ層の裏面上の第１の値と、前記バリア層、前記チャネル層、または前記バッファ層の表面上の第２の値との間で変化し、前記裏面は、前記表面よりも前記支持材（５２）に近いことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体基板。
【請求項６】
前記第１の値と第２の値は、１層から２０層の間に含まれることを特徴とする請求項５に記載の半導体基板。
【請求項７】
前記第１、第２、第３、第４、第５および第６の二元合金は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＢＮ、およびＩｎＮのうちから選択されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の半導体基板。
【請求項８】
前記バリア層は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体三元合金層をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の半導体基板。
【請求項９】
第１と第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体二元合金層の原子スケールにおける前記交互層は、前記支持材と前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体三元合金層との間に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の半導体基板。
【請求項１０】
前記バリア層は、複数のＩＩＩ−Ｖ族半導体三元合金層を備え、各ＩＩＩ−Ｖ族半導体三元合金層は、前記交互層のうちの前記第１の二元合金層と前記第２の二元合金層との間に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の半導体基板。
【請求項１１】
前記バリア層は、第１と第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体二元合金層の原子スケールにおける前記交互層上に前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体三元合金層をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の半導体基板。
【請求項１２】
前記チャネル層は、複数のＩＩＩ−Ｖ族半導体三元合金層をさらに備え、各ＩＩＩ−Ｖ族半導体三元合金層は、前記交互層のうちの前記第３の二元合金層と前記第４の二元合金層との間に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体基板。
【請求項１３】
前記二元合金層の２層の間に配置された前記各三元合金層中の原子単一層数は、１層から５層の間に含まれることを特徴とする請求項９ないし１２のいずれかに記載の半導体基板。
【請求項１４】
前記チャネル層は、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＢＮ、ＩｎＢＮ、またはＩｎＡｌＮの三元合金層で作製されることを特徴とする請求項１または３に記載の半導体基板。
【請求項１５】
前記チャネル層は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、またはＩｎＮの二元合金層で作製されていることを特徴とする請求項１または３に記載の半導体基板。
【請求項１６】
前記半導体基板（６０）は、前記支持材（５２）と前記チャネル層（５１）との間にバッファ層（５６）をさらに備え、前記バッファ層は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、またはＩｎＮの二元合金層で作製されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体基板。
【請求項１７】
前記半導体基板（６０）は、前記支持材（５２）と前記チャネル層（５１）との間にバッファ層（５６）をさらに備え、前記バッファ層は、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＢＮ、ＩｎＢＮ、またはＩｎＡｌＮの三元合金層で作製されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体基板。
【請求項１８】
前記支持材（５２）は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＡｌＮ、サファイア、およびＧａＮのうちから選択される材料で作製されていることを特徴とする請求項１ないし１７のいずれかに記載の半導体基板。
【請求項１９】
前記バリア層（５３）の厚みは、２ｎｍから５００ｎｍの間に含まれることを特徴とする請求項１ないし１８のいずれかに記載の半導体基板。
【請求項２０】
支持材（５２）と、前記支持材上のチャネル層（５１）と、前記チャネル層上のバリア層（５３）とを備える半導体基板（６０）の作製のための方法であって、以下のステップ（順序付けは定められていない）、すなわち
ｖｉ）第１の二元合金の少なくとも１つの原子単一層の堆積と、
ｖｉｉ）第２の二元合金の少なくとも１つの原子単一層の堆積と、
ｖｉｉｉ）必要とされる厚みが得られるまでの必要に応じたステップｉ）およびｉｉ）の反復とによる
ｂ．初期バリア層の生成
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２１】
前記初期バリア層中または前記初期バリア層上に少なくとも１層の三元合金層の生成のステップをさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記三元合金層の生成のステップは、三元合金層の堆積を含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記三元合金層の生成のステップは、ｉ）およびｉｉ）において堆積させられた第１および第２の二元合金の原子単一層の熱処理を含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記熱処理は、
０°Ｃから３００°Ｃの間の、第１および第２の二元合金の単一層の生成の温度よりも高い表面温度において、
１０-8トールから１０-1トールの間の真空下または超高真空下において、
１０-8トールから１ｋバールの圧力の間に含まれる圧力の、アンモニアＮＨ３、窒素分子Ｎ２、または水素分子Ｈ２を含むガス混合物流の下において、
ＮＨ３、Ｎ２またはＨ２のプラズマの存在中において、
前記第２の二元合金の少なくとも一部の堆積の後に実行されることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
ｉ）およびｉｉ）において堆積させられた第１および第２の二元合金の原子単一層の前記熱処理は、前記初期バリア層の生成のステップの後に行われることを特徴とする請求項２３または２４に記載の方法。
【請求項２６】
ＧａＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、またはＩｎＮの二元合金の堆積によるチャネル層の生成のステップをさらに含むことを特徴とする請求項２０ないし２５のいずれかに記載の方法。
【請求項２７】
ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＢＮ、ＩｎＢＮ、またはＩｎＡｌＮの三元合金の堆積によるチャネル層の生成のステップをさらに含むことを特徴とする請求項２０ないし２５のいずれかに記載の方法。
【請求項２８】
ｉｘ）第３の二元合金の原子単一層の堆積と、
ｘ）第４の二元合金の原子単一層の堆積と、
ｘｉ）必要とされる厚みが得られるまでの必要に応じたステップｉｖ）およびｖ）の反復とによる
チャネル層の生成のステップをさらに含むことを特徴とする請求項２０ないし２５のいずれかに記載の方法。
【請求項２９】
チャネル層の生成のステップは、ｉｖ）およびｖ）において堆積させられる第３および第４の二元合金の原子単一層の熱処理をさらに含み、前記熱処理は、
０°Ｃから３００°Ｃの間の、第３および第４の二元合金の単一層の生成の温度よりも高い表面温度において、
１０-8トールから１０-1トールの間の真空下または超高真空下において、
１０-8トールから１ｋバールの圧力の間に含まれる圧力の、アンモニアＮＨ３、窒素分子Ｎ２、または水素分子Ｈ２を含むガス混合物流の下において、
ＮＨ３、Ｎ２またはＨ２のプラズマの存在中において、
前記第４の二元合金の一部の堆積の前に実行されることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
ＧａＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、またはＩｎＮの二元合金の堆積によるバッファ層の生成のステップをさらに含むことを特徴とする請求項２０ないし２９のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品を作製する際に使用するための半導体基板の製造に関する。
【０００２】
本発明の技術分野は、一般に、窒化物に基づいた半導体材料層の支持材上での作製として説明することができる。
【背景技術】
【０００３】
周期律表中のＩＩＩ族元素の窒化物に基づいた半導体材料は、エレクトロニクス分野およびオプトエレクトロニクス分野においてますます重要な位置を占めている。
【０００４】
ＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）の製造を行うことを意図したこれらの材料は、高周波数用途および高電力用途の電子回路を作製するために使用される。
【０００５】
ＩＩＩ族元素の窒化物に基づいたかかる材料は、いくつかの利点を与える。一例として、これらの材料は、ヒ素に基づいた材料などの材料において知られているのとは異なり、材料をドーピングする必要がない。
【０００６】
図１には、ＩＩＩ−Ｎ、すなわちＩＩＩ族元素の窒化物（（Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ）／Ｎ）に基づいた半導体材料上に作製されたＨＥＭＴの一例が示されている。
【０００７】
その材料は、窒化ガリウム（ＧａＮ）で作製されたチャネル層２１上に成長させられた、ガリウムおよびアルミニウムの窒化物（ＡｌＧａＮ）で作製されたバリア層２０を備え、チャネル層２１自体は支持材２２上に成長させられている。
【０００８】
ＨＥＭＴトランジスタはまた、ＡｌＧａＮのバリア層２０の表面２５上にソース電極２３とドレイン電極２４とを備え、ソース電極２３とドレイン電極２４との間にグリッド電極２６を備える。
【０００９】
ＡｌＧａＮバリア層２０中のアルミニウムの存在に起因して、バリア層は、ＧａＮのチャネル層２１よりも広い禁制エネルギー帯（ｐｒｏｈｉｂｉｔｅｄ  ｅｎｅｒｇｙ  ｂａｎｄ）を有する。ＡｌＧａＮバリア層２０中のシリコン不純物は、結晶に電子を供給し、これらの電子は、ＡｌＧａＮバリア層２０とＧａＮチャネル層２１との間の境界面２８のすぐ下にある、最低電位を有する領域２７（量子井戸）中に蓄積する傾向がある。
【００１０】
これは、２ＤＥＧ（２次元電子ガス）を形成する電子シート２７を形成する。このガス中の電子の移動度は、これらの電子が、ＡｌＧａＮバリア層２０中に存在するシリコン原子から物理的に分離されているので高い。
【００１１】
ＩＩＩ−Ｎに基づいた半導体材料についての最初の研究は１９７０年代に行われたが、このタイプの材料の実際の利点は、ＧａＮチャネル層内におけるｐ型伝導が得られた後に初めて明らかとなり、その後、日亜化学工業株式会社により青色ダイオード（非特許文献１）が市販された。
【００１２】
２次元電子ガスを有するＡｌＧａＮ／ＧａＮ構造に基づいたデバイス（非特許文献４、［１１］）は、今や他の材料系（非特許文献２および３）における対応する製品よりもずっと良好な特性を有する。
【００１３】
ＩＩＩ−Ｎに基づいた半導体材料は、以下の特定の特徴を有する非常に革新的な半導体システムを形成する。それらの特徴は、
−０．８ｅＶから６．２ｅＶまで変化する禁制帯幅、
−ＡｌＧａＮの連続的な合金を作製し、それによって大きな自由度を有するヘテロ構造の生産を可能にする可能性、
−結晶欠陥の生成なしに複雑な構造を作製することができるようにする、窒化ガリウム（ＧａＮ）と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）との間の非常に弱い結晶メッシュパラメータ（ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｍｅｓｈ  ｐａｒａｍｅｔｅｒ）の不整合、すなわち
Δａ／ａ＝（ａGaN−ａAlN）／ａGaN＝１％
であって、
・ａGaNは、ＧａＮのメッシュパラメータであり、
・ａAlNは、ＡｌＮのメッシュパラメータであり、
・Δａ／ａは、メッシュパラメータの不整合（１％以下のメッシュパラメータ不整合は、擬似スードモルフィックコヒーレント成長（ｑｕａｓｉ  ｐｓｅｕｄｏｍｏｒｐｈｉｃ  ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｇｒｏｗｔｈ）の兆候である）である不整合、
−優れた電子特性（良好な電子移動度、高い飽和速度、高い破壊電界）、
−優れた熱的安定性および化学的安定性、
−良好な熱的特性（熱の放散）、および
−２次元電子ガス（２ＤＥＧ）中の大きな電荷移動を得るための強い分極電界の存在
である。
【００１４】
したがってＩＩＩ−Ｎに基づいた半導体材料は、とりわけ電荷キャリアの移動度と電荷密度に関して「従来の（ｃｌａｓｓｉｃａｌ）」ＩＩＩ−Ｖに基づいた半導体材料よりも良好な性能を有する。
【００１５】
電荷キャリアの移動度
材料の生産の観点から、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ構造の移動度と単位表面積当たりの電流密度は、４つの主要パラメータにより支配されることになる。それらは、
−層中の欠陥密度（非特許文献５）、
−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ境界面における表面粗さ（ＲＭＳ）と化学的粗さ（ＡｌＧａＮバリア層内の合金無秩序）（非特許文献６および７）、
−スペーサ（非ドープのポテンシャルバリア）を挿入して境界面における電子拡散を制限することにより調整することができる、電子ガス（２ＤＥＧ）から境界までの距離（非特許文献８）、および
−圧電電界に影響を及ぼす（ＡｌＧａＮ層およびＧａＮ層内の）ＨＥＭＴ構造内の歪みの状態（非特許文献９）（電荷移動に関与するウルツ鉱ヘテロ構造（非特許文献１０）には、強い自発分極電界も存在する）
である。
【００１６】
電荷密度
ＡｌＧａＮ／ＧａＮ構造において観察される例外的な電荷移動（ｎs〜１０２０−３×１０13ｃｍ-2）は、特定の分極電界、すなわち圧電分極電界によって引き起こされる。これは、圧電誘導高電子移動度トランジスタ（圧電性ＨＥＭＴ構造）とも呼ばれる。
【００１７】
ＡｌＧａＮ／ＧａＮ構造は、ウルツ鉱型六方晶系構造を有する。圧電電気分極は、このウルツ鉱構造の非中心対称性に由来する。
【００１８】
圧電分極現象を説明するモデルがいくつか存在する。最も簡単なものは、図２を参照して以下に簡単に要約されるＡｍｂａｃｈｅｒらのモデル（非特許文献９）である。このモデルから出発して、ＩＩＩ−Ｎベースの半導体材料上で作製されたトランジスタ構造の電荷密度に対してどの材料パラメータが影響を及ぼすかを決定することが可能である。
【００１９】
図２に、表面１または成長面中にＧａ（Ａｌ）層を備える基板が示されている。
【００２０】
この基板は、支持材２と、ＧａＮチャネル層３と、ＡｌＧａＮバリア層４とを備える。支持材２は、半導体または非半導体の材料である。例えば、支持材２は、ＳｉＣまたはＳｉで作製してもよい。ＧａＮチャネル層３は、支持材２の表面５上に堆積させられている。このＧａＮチャネル層３は、緩和させられている。ＡｌＧａＮバリア層４は、ＧａＮチャネル層３の表面６上に配置されている。ＡｌＧａＮバリア層４は、歪まされている。ＡｌＧａＮバリア層４は、ＡｌxＧａ1-xＮ型の合金であり、式中でｘはＡｌxＧａ1-xＮ合金のモル分率を表す。
【００２１】
外部電界が存在しない場合、軸［０００１］に沿ったＡｌxＧａ1-xＮ／ＧａＮ構造の総分極電界Ｐは、自発分極電界ＰSPとＡｌxＧａ1-xＮバリア層４内の歪みにより引き起こされる圧電分極電界ＰPEとの総和に等しい。
【００２２】
ＡｌxＧａ1-xＮバリア層４内の自発分極電界ＰSP（Ｘ）（非特許文献１０）は、窒化ガリウム（ＧａＮ）と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の自発分極定数の関数として表され、線形変化を仮定して、
ＰSP（ｘ）＝−０．５２ｘ−０．０２９Ｃ／ｍ2    （Ｉ）
と表される。式中でｘは、ＡｌxＧａ1-xＮ合金のモル分率を表す。
【００２３】
自発分極電界ＰSPの符号は、結晶の極性に依存することになる。従来の、表面（成長面）にガリウム層（アルミニウム、インジウム）を備える基板１の場合には、自発分極電界ＰSPは負である（換言すれば、成長軸［０００１］と反対である）。したがって、自発分極電界ＰSPは、成長面１から支持材２の方向に向かう。
【００２４】
ＡｌxＧａ1-xＮバリア層４内の圧電分極電界ＰPE（ｘ）は、合金ＡｌxＧａ1-xＮの圧電定数ｅ33（ｘ）およびｅ31（ｘ）の関数、すなわち
ＰPE（ｘ）＝ｅ33（ｘ）∈ｚｚ＋∈31（ｘ）（∈ｘｘ＋∈ｙｙ）    （２）
と表され、式中でｘは合金ＡｌxＧａ1-xＮのモル分率を表し、ｅ33（ｘ）およびｅ13（ｘ）は、ＡｌxＧａ1-xＮ合金の圧電定数であり、∈ｘｘ、∈ｙｙおよび∈ｚｚは、ＡｌxＧａ1-xＮ合金の長さ、幅および高さの変形を表す。
【００２５】
ＡｌxＧａ1-xＮの圧電定数ｅ33（ｘ）およびｅ13（ｘ）は、ＧａＮの圧電定数ｅ33およびｅ13とＡｌＮの圧電定数ｅ33およびｅ13とから計算される。
【００２６】
一例としてＧａＮおよびＡｌＮの圧電定数を与える表は、以下のようになる。
【００２７】
【表１】
2008512863.tif 000003
【００２８】
変形∈ijを、ＡｌxＧａ1-xＮ合金の弾性定数Ｃｉｊ（ｘ）と、ＧａＮチャネル層およびＡｌxＧａ1-xＮバリア層のメッシュパラメータの関数として式（２）において展開すると、その結果は、
【００２９】
【数１】
2008512863.tif 000004
【００３０】
となり、式中で、ａ0は、ＧａＮのメッシュパラメータを表し、ａ（ｘ）は、ＡｌxＧａ1-xＮ合金のメッシュパラメータを表し、Ｃ13（ｘ）およびＣ33（ｘ）は、ＡｌxＧａ1-xＮ合金の弾性定数を表す。
【００３１】
ＡｌxＧａ1-xＮ合金の弾性定数Ｃ13（ｘ）およびＣ33（ｘ）は、ｘの関数としての線形変化を仮定して、ＧａＮおよびＡｌＮの弾性定数Ｃ13およびＣ33から出発して計算される。文献中で一般的に使用されるＧａＮおよびＡｌＮの弾性定数Ｃ13およびＣ33の値は、Ｗｒｉｇｈｔ等によって与えられるものと同じである。これらの値は、実験データ、とりわけＧａＮについてのＰｏｌｉａｎ等によるデータとよく一致する。
【００３２】
一例として、ＧａＮおよびＡｌＮの弾性定数を与える表は、以下の通りである。
【００３３】
【表２】
2008512863.tif 000005
【００３４】
式（３）において、量「ｅ31（ｘ）−ｅ33（ｘ）×（Ｃ13（ｘ）／Ｃ33（ｘ））」は、全組成範囲について負である。その結果として、圧電分極ＰPE（ｘ）は、張力で歪まされたＡｌxＧａ1-xＮバリア層４では負になる。
【００３５】
ＡｌxＧａ1-xＮのバリア層とＧａＮのチャネル層との間のＡｌxＧａ1-xＮ／ＧａＮ境界面６における分極の不連続性は、ＡｌxＧａ1-xＮ／ＧａＮ境界面６に正の電荷分布を生成し、この境界面では密度は以下のように書かれる。  
σ＝Ｐ（ＡｌＧａＮ）−Ｐ（ＧａＮ）
σ＝ＰSP（ＡｌＧａＮ）−ＰPE（ＡｌＧａＮ）−ＰSP（ＧａＮ）    （４）
式（１）、（３）および（４）を使用して、歪まされた構造についての電荷密度σ／ｅが計算される（式中でｅ＝１．６×１０-19Ｃ）。
【００３６】
ＡｌxＧａ1-xＮバリア層中のアルミニウム含有率が５％から３０％の間である場合、分極によって引き起こされる電荷密度は、２×１０12ｃｍ-2から２×１０13ｃｍ-2の間である。
【００３７】
この高い正電荷について補償するために、２次元電子ガスがＡｌxＧａ1-xＮ／ＧａＮ境界面６に形成されることになる。したがって、バンド構造によって引き起こされる電荷に対する追加の寄与が存在する。
【００３８】
前述のＡｍｂａｃｈｅｒ等による簡単なモデルは、分極によって引き起こされる電荷密度と、ＡｌxＧａ1-xＮバリア層４中におけるアルミニウムの濃度との間の依存性を示す。
【００３９】
したがって、ＩＩＩ−Ｎベースの半導体材料から出発して得られるトランジスタ構造の電荷キャリア移動度と電荷密度特性は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ境界面における化学的粗さやＡｌＧａＮバリア中のアルミニウム濃度などのパラメータに依存する。これらのパラメータは、ＩＩＩ−Ｎに基づいた半導体材料を製造する方法に関連しており、そのような半導体材料上に作製されたトランジスタ構造の信頼性に関する問題を引き起こす。
【００４０】
図６ａは、ＩＩＩ−Ｎに基づいた従来技術の半導体材料を示す断面図である。この材料は、チャネル層４１上に従来のバリア層４０を備える。
【００４１】
従来技術の半導体材料の欠点は、バリア層４０中のＧａ原子とＡｌ原子の不均一な分布である。これは特に、拡散容量の点におけるＧａおよびＡｌの振る舞いの違い、ならびにこの振る舞いの違いの結果として生じる偏析効果（ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ  ｅｆｆｅｃｔ）に起因している。
【００４２】
バリア層４０中のＧａ原子とＡｌ原子のこの不均一な分布は、チャネル層４１とバリア層４０との間の境界面３９に圧電電界３８の不均一性を引き起こす。実際に、圧電電界の方向と強度は、バリア層４０中のＧａ原子とＡｌ原子の分布に局所的に依存する。
【００４３】
圧電電界の不均一性は、この境界面３９における電子密度の変動を引き起こす。結果として、このＡｌＧａＮバリア層を備える半導体材料上に作製されたトランジスタ構造によって出力される電力は、不均一に分布することになる。
【００４４】
さらに、Ｇａ原子とＡｌ原子の不均一な分布は、（とりわけ、チャネル層中に）電子分布の不均一性を引き起こす。
【００４５】
特許文献１は、ＡｌＮおよびＧａＮの各層が５から２０オングストロームの厚みの範囲にある、ＧａＮとＡｌＮの交互層を備えるバリア層を備える半導体構造を作製するための方法について説明している。
【００４６】
したがって、本発明の説明を読むと明らかになるように、特許文献１の実施形態は、より大きな材料層を作製するための二元材料の交互層を本発明と共有している。
【００４７】
特許文献１に開示された方法により、その構造内の電子移動度を増大させることが可能になる。
【００４８】
しかし、特許文献１は、（とりわけ、チャネル層中の）電子分布の均一性を増大させる課題には対処していない。
【００４９】
またこの点で、特許文献１によって開示される方法は、その構造の層内の電子分布の均一性を増大させるための解決方法を提供していない。この既知の方法は、本発明により提供されるような解決方法を示唆せず、本発明は均一性の課題に明確に対処し、またこの課題に処理する特定の手段を提供することが理解されるだろう。
【００５０】
さらに、特許文献１は、バリア層とチャネル層との間の境界面における圧電電界の均一性を増大させることを可能にしてはおらず、したがって、この境界面における電子密度の変動を制限することを可能にしてはいない。
【００５１】
他の方法が、異なる材料の基本層を交互に積層してより大きな層を作製することを開示していることにも留意することができる。
【００５２】
またこれらの既知の方法のいくつかは、本発明の１つの有利な特徴である、非常に薄い基本層を選択することも開示している。この観点から特許文献２を参照する。しかし、特許文献２に開示されているような既知の方法は、窒化物に基づいた材料の層ではなくて、ヒ化物に基づいた材料の層に対処している。
【００５３】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ０２／０９３６５０号明細書
【特許文献２】米国特許第６１００５４２号明細書
【非特許文献１】The blue laser diode, S. Nakamura, Springer 1999
【非特許文献２】K. Asano, Y. Miyoshi, K. Ishikura, Y. Nashiinoto, M. Kuzuhara, M. Mizuta, IEDM -1998) 59.
【非特許文献３】R.A. Sadler, S.T. Allen, T.S. Alcorn, W.L. Pribble, J. Surnakeris, J.W. Palmour, 56th Device Research Council (1998) 92.
【非特許文献４】S.T. Sheppard, K. Doverspike, W.L. Pribble, S.T. Allen, J.W. Palmour, L.T. Kehias, T.J. Jenkins, IEEE Elec. Dev. Lett. 20 (1999) 161
【非特許文献５】H.M. Ng., D. Doppalapudi, T. D. Moustakas, N.G. Weimann, L. F. Eastman, Appl. Phys. Lett. 73 (1998) 821.
【非特許文献６】S. Keller, G. Parish; P.T. Fini, S. Heikman, CH. Chen, N. Zhang, S.P. DenBaars, U.K. Mishra, J. Appl. Phys. 86 (1999) 5850.
【非特許文献７】I.P. Smorchkova, CR. Elsass, J.P. Ibbetson, R. Vetury, B. Heying, P. Fini, E. Haus, S.P. DenBaars, J.S. Speck, U.K. Mishra, J. Appl. Phys. 86 (1999) 4520.
【非特許文献８】H. Morkoc, Modulation doped AlGaAs/GaAs heterostructures in "The Technology and physics of molecular beam epitaxy, ed E.H.C. Perker, Plenium press 1985.
【非特許文献９】O. Ambacher, J. Smart, J.R. Shealy, N.G. Weinmann, K. Chu, M. Murphy, W.J. Schaff, L. F. Eastman, R. Dimitrov, L. Wittmer, M. Stutzmann, W. Rieger, J. Hilsenbeck, J. Appl. Phys. 85 (1999) 3222.
【非特許文献１０】F. Bernardini, V. Fiorentini, D. Vanderbilt, Phys. Rev. B 56 (1997) R10024.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００５４】
したがって、窒化物に基づいた層を有する構造を作製するための既存の方法は、いくつかの制限に関連するように思われる。本発明の全般的な目的は、これらの制限に対処することである。
【００５５】
またより正確には、本発明の目的は、電子分布の均一性、特にチャネル層内の均一性を増大させることである。
【００５６】
本発明の別の目的は、バリア層とチャネル層との間の境界面における圧電電界の均一性を増大させることであり、それによってこの境界面における電子密度を均一化することである。
【００５７】
本発明の別の目的は、ＩＩＩ−Ｎに基づいた半導体材料の電子特性を改善することであり、特にＩＩＩ−Ｎに基づいた半導体材料を製造する方法を改善することにより改善することである。
【課題を解決するための手段】
【００５８】
本発明は、たとえばＨＥＭＴ型トランジスタ構造のＨＥＭＴを製造するために使用すべき、支持材と、前記支持材上のチャネル層と、前記チャネル層上のバリア層とを備える周期律表中のＩＩＩおよびＶ族中の元素に基づいた半導体基板であって、前記バリア層は、第１のＩＩＩ−Ｖ二元半導体合金と第２のＩＩＩ−Ｖ二元半導体合金との、原子スケールにおける交互層で構成されていることを特徴とする半導体基板に関する。
【００５９】
したがって、以降でさらに明らかになるように、バリア層中の二元合金の交互層は、以下の利点、すなわち
−原子スケールで低減された合金無秩序と、
−ナノメートルスケールおよびミクロスコピックスケールにおける合金不均一性がないことと、
−特権的（ｐｒｉｖｉｌｅｇｅｄ）結晶軸による完全な合金秩序と、
−好ましい結晶軸に沿った最大圧電電界と、
−最適な電子圧電注入（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）と、
−非常に一様な単位表面積当たりの電子密度と、
−低減された合金無秩序に起因した、境界面と、バリア層内における低減された電子拡散と、
−どのような合金不均一性も存在しないことに起因した改善された構造信頼性と
を有する。
【００６０】
実際に、バリア層中におけるＧａ原子とＡｌ原子の分布を改善することにより、電子分布の均一性を増大させることができる。また、バリア層とチャネル層との間の境界面における圧電電界の均一性を増大させて、それによってこの境界面における電子密度を均一化することも可能となる。
【００６１】
より詳細には、
−チャネル層とバリア層との間の境界面における粗さのパラメータと、
−バリア層中のアルミニウム濃度の不均一性のパラメータと、
−チャネル層中のガリウム濃度の不均一性のパラメータと
を制限することにより、上述のように圧電電界の均一性を増大させることを可能となる。
【００６２】
さらに、層Ａが層Ｂの「上に」存在していると述べられるとき、層Ａは、直接に層Ｂの上にあってもよく、あるいは、層Ａは、層Ｂの上に配置され、１層または複数層の中間層によって前記層Ｂから分離されていてもよいことが以下から理解されるだろう。
【００６３】
また、層Ａが層Ｂの「上に」あると言われるとき、層Ａは、層Ｂの全表面を覆っていてもよく、あるいは前記層Ｂの一部分を覆っていてもよいことも理解されるだろう。
【００６４】
本発明による半導体の好ましい非限定的な態様は、以下の通りである。すなわち、
−チャネル層は、第３のＩＩＩ−Ｖ二元半導体合金と第４のＩＩＩ−Ｖ二元半導体合金との、原子スケールにおける交互層を備える。
−半導体基板は、支持材とチャネル層との間のバッファ層であって、第５のＩＩＩ−Ｖ二元半導体合金と第６のＩＩＩ−Ｖ二元半導体合金との、原子スケールにおける交互層を備えるバッファ層をさらに備える。
−バリア層、チャネル層、またはバッファ層の交互層のうちの各二元合金中の原子単一層の数は、１層から２０層の間に含まれる。
−バリア層、チャネル層、またはバッファ層の交互層のうちの各二元合金中の原子単一層の数は、バリア層、チャネル層、またはバッファ層の裏面上の第１の値と、バリア層、チャネル層、またはバッファ層の表面上の第２の値との間で変化し、前記裏面は、前記表面よりも支持材に近くなっている。
−これらの第１および第２の値は、１層から２０層の間に含まれる。
−第１、第２、第３、第４、第５および第６の二元合金は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＢＮ、およびＩｎＮのうちから選択される。
−バリア層は、ＩＩＩ−Ｖ半導体三元合金層をさらに備える。
−第１のＩＩＩ−Ｖ半導体二元合金と第２のＩＩＩ−Ｖ半導体二元合金の、原子スケールにおける交互層は、前記支持材と前記ＩＩＩ−Ｖ半導体三元合金層との間に配置される。
−バリア層は、複数のＩＩＩ−Ｖ半導体三元合金層を備え、各ＩＩＩ−Ｖ半導体三元合金層は、交互層のうちの第１の二元合金層と第２の二元合金層との間に配置されている。
−バリア層は、第１のＩＩＩ−Ｖ半導体二元合金層と第２のＩＩＩ−Ｖ半導体二元合金層の、原子スケールにおける交互層上にＩＩＩ−Ｖ半導体三元合金層をさらに備える。
−チャネル層は、各ＩＩＩ−Ｖ半導体三元合金層が、交互層のうちの第３の二元合金層と第４の二元合金層との間に配置されている複数のＩＩＩ−Ｖ半導体三元合金層をさらに備える。
−２層の二元合金層の間に配置された各三元合金層中の原子単一層の数は、１と５の間に含まれる。
−チャネル層は、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＢＮ、ＩｎＢＮ、またはＩｎＡｌＮの三元合金層で作製される。
−チャネル層は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、またはＩｎＮの二元合金層で作製される。
−半導体基板は、支持材とチャネル層との間の、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、またはＩｎＮの二元合金層で作製されているバッファ層をさらに備える。
−半導体基板は、支持材とチャネル層との間の、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＢＮ、ＩｎＢＮ、またはＩｎＡｌＮの三元合金層で作製されているバッファ層をさらに備える。
−支持材は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＡｌＮ、サファイア、およびＧａＮのうちから選択された材料で作製される。
−バリア層（５３）の厚みは、２ｎｍと５００ｎｍの間に含まれる。
【００６５】
本発明は、支持材と、前記支持材上のチャネル層と、前記チャネル層上のバリア層とを備える半導体基板の作製のための方法にも関し、本方法は、以下のステップ（順序は、定められていない）、すなわち
ｉ）第１の二元合金の少なくとも１つの原子単一層の堆積と、
ｉｉ）第２の二元合金の少なくとも１つの原子単一層の堆積と、
ｉｉｉ）必要とされる厚みが得られるまでの必要に応じたステップｉ）およびｉｉ）の反復とによる
ａ．初期バリア層の生成を含む。
【００６６】
以上の方法の一態様は、できるだけ均一なバリア層を得るために、半導体基板が、ＡｌＮ二元合金の単一層とＧａＮ二元合金の単一層を個別に適合させて得られるものであるということである。この点で、本発明は、単一層という詳細なスケールにおける構造に対処していることに留意することが重要であり、「単一層」の正確な定義については、本テキスト中においてさらに提供される。
【００６７】
本発明による方法の好ましいが非限定的な態様は、以下の通りである。すなわち、
−本方法は、初期バリア層中または初期バリア層上における少なくとも１層の三元合金層の生成のステップをさらに含む。
−前記三元合金層の生成のステップは、三元合金層の堆積を含む。
−前記三元合金層の生成のステップは、ｉ）およびｉｉ）において堆積させられる第１および第２の二元合金の原子単一層の熱処理を含む。
−その熱処理は、
−０°Ｃから３００°Ｃの間の、第１および第２の二元合金の単一層の生成の温度よりも高い表面温度において、
−１０-8トールから１０-1トールの間の真空下または超高真空下において、
−１０-8トールから１ｋバールの圧力の間に含まれる圧力の、アンモニアＮＨ３、窒素分子Ｎ２、または水素分子Ｈ２を含むガス混合物流の下において、
−ＮＨ３、Ｎ２またはＨ２のプラズマの存在中において、
第２の二元合金の少なくとも一部の堆積の後に実行される。
−ｉ）およびｉｉ）において堆積させられた第１および第２の二元合金の原子単一層の熱処理は、初期バリア層の生成のステップの後に行われる。
−本方法は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、またはＩｎＮの二元合金の堆積によるチャネル層の生成のステップをさらに含む。
−本方法は、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＢＮ、ＩｎＢＮ、またはＩｎＡｌＮの三元合金層の堆積によるチャネル層の生成のステップをさらに含む。
−本方法は、
ｉｖ）第３の二元合金の原子単一層の堆積と、
ｖ）第４の二元合金の原子単一層の堆積と
必要な厚みが得られるまでの必要に応じたステップｉｖ）およびｖ）の反復と
によるチャネル層の生成のステップをさらに含む。
−チャネル層の生成のステップは、ｉｖ）およびｖ）において堆積させられる、第３および第４の二元合金の原子単一層の熱処理をさらに含み、その熱処理は、
−０°Ｃから３００°Ｃの間の、第３および第４の二元合金の単一層の生成の温度よりも高い表面温度において、
−１０-8トールから１０-1トールの間の真空下または超高真空下において、
−１０-8トールから１ｋバールの圧力の間に含まれる圧力の、アンモニアＮＨ３、窒素分子Ｎ２、または水素分子Ｈ２を含むガス混合物流の下において、
−ＮＨ３、Ｎ２またはＨ２のプラズマの存在中において、
第４の二元合金の一部の堆積の前に実行される。
−本方法は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、またはＩｎＮの二元合金の堆積によるバッファ層の生成のステップをさらに含む。
【００６８】
本発明の他の特徴および利点は、純粋に例示的で非限定的な目的のために与えられ、添付図面を参照して読まれるべき以下の説明を読んだ後に明らかとなるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６９】
したがって、本発明の一目的は、改善されたＩＩＩ−Ｎに基づいた半導体材料を製造することができる方法を提供することであり、換言すれば最終的なトランジスタ構造の電荷密度および信頼性の観点で、その上に作製されるトランジスタ構造により良好な特性をもたらす材料を製造することができる方法を提供することである。
【００７０】
これが、出願人がトランジスタ構造の移動度、電荷密度、および構造の信頼性特性を制限するいくつかの材料パラメータを研究してきた目的である。
【００７１】
これらの材料パラメータは、境界面における粗さ、合金の変動（ａｌｌｏｙ  ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ）、および合金秩序である。
【００７２】
タイプ１の不均一性：境界面における粗さ
境界面における粗さは、物理的なものや化学的なものでありうる。ＩＩＩ−Ｎに基づいた半導体材料のＧａＮチャネル層中の電子の移動度は、特に化学的な粗さの影響を受けやすい。
【００７３】
化学的な粗さは、組成に依存し、三元材料（例えばＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌ  Ｎ、ＡｌＢＮ、ＧａＢＮ）がその構造中に導入されるとすぐに生じる。
【００７４】
図３は、ＧａＮチャネル層７とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎバリア層８との間の境界面９を示している。ＧａＮチャネル層７は、境界面９の下に配置され、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎバリア層８は、境界面９の上に配置されている。
【００７５】
境界面９の下に配置されたＧａＮチャネル層７の一部の原子１１は、境界面９の上にある。すなわち、それによってＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ／ＧａＮ境界面９には粗さの現象が存在することが分かる。
【００７６】
タイプ２の不均一性：合金の変動
図４は、ＡｌＧａＮのバリア層３０内のＩＩＩ−Ｎに基づいた半導体材料の不均一分布を示している。
【００７７】
凝集体が発生し成長するので、半導体材料の製造方法中のガリウム前駆体およびアルミニウム前駆体の表面拡散速度に起因して、凝集体が発生し成長するので、「ガリウム・リッチ」区域３１と、「アルミニウム・リッチ」区域３２がしばしば生成される。このタイプの欠陥を、合金の変動と呼ぶ。
【００７８】
合金の変動は、電子の移動度を低下させ、ＩＩＩ−Ｎに基づいた半導体材料で作製されるトランジスタの信頼性において重要な役割を果たす。
【００７９】
とりわけ、これらの合金の変動は、圧電電子注入を劣化させ、劣化した圧電電子注入は、不均一になり、半導体材料上に製造されるトランジスタのチャネル中の不均一な電荷密度を引き起こす。
【００８０】
トランジスタ中の電流密度が均一ではないので、合金の変動は、パワートランジスタの故障の主要な原因である。
【００８１】
タイプ３の不均一性：合金秩序
合金秩序は、合金の変動と同じタイプの欠陥であるが、原子スケールにおける欠陥である。
【００８２】
合金秩序は、成長パラメータに起因しており、三元材料の構成原子元素の部分的に秩序のある分布の結果である。
【００８３】
例えば、ＡｌＧａＮバリア層の場合には、「アルミニウム・リッチ」な原子平面が、「アルミニウムが欠乏した」原子平面と交互になっていることを観察することができる。
【００８４】
合金の平均組成は、ターゲットと対応し、秩序のある変動は原子レベルである。
【００８５】
合金秩序は、いくつかの結晶方向に現れる可能性がある。この合金秩序は、成長パラメータと歪みにより引き起こされる可能性がある。すべての場合に、合金秩序は、半導体材料に故意に導入されたのではない「自発的な」秩序である。したがって、合金秩序は、制御されておらず、不均一である。
【００８６】
図５ａは、ＡｌＧａＮバリア層の［１−１０１］非対称平面内の、換言すれば［０００１］成長軸に垂直な平面内の合金秩序を示している。「アルミニウム・リッチ」な原子平面３３と「アルミニウムが欠乏した」原子平面３４とを見ることができる。
【００８７】
合金秩序は、支持材が回転平面上に配置されるエピタキシ製造システムが使用されるときに、［１−１０１］非対称平面内に形成される。これは、半導体材料を製造するための方法において使用されるガスまたは分子混合物中のアルミニウムおよびガリウムのより速い欠乏（前駆体の制御されていないパラサイト反応（ｐａｒａｓｉｔｅ  ｒｅａｃｔｉｏｎ））に起因している。したがって、支持材は、「アルミニウム・リッチ」なガスまたは分子混合物、次いで「アルミニウムが欠乏した」ガスまたは分子混合物に交互にさらされることになる。
【００８８】
図５ｂは、ＡｌＧａＮバリア層の［００１］対称平面内の合金秩序を示している。「アルミニウム・リッチ」原子平面３５と「アルミニウムが欠乏した」原子平面３６とを見ることができる。
【００８９】
［００１］対称平面内の合金秩序は、不均一な歪み分布と、結晶表面の安定性の差に起因している。
【００９０】
タイプ１、タイプ２およびタイプ３の不均一性の影響
したがって、前述の３つの欠陥タイプ（境界面における粗さ、合金の変動、合金秩序）は、半導体材料を作製するために使用される方法に関連しており、そのような半導体材料上に作製されるトランジスタ構造についての信頼性の問題を引き起こす。
【００９１】
Ａｍｂａｃｈｅｒ等のモデルを使用してすでに示されているように、分極によって引き起こされる電荷密度は、ＡｌＧａＮバリア層中のアルミニウム濃度に非常に依存する。
【００９２】
アルミニウム濃度の＋／−０．２％の局所的変化により、電子密度を２×１０12ｃｍ-2以上変動させることが可能になる。
【００９３】
図６ａに示されるように、従来のＡｌＧａＮバリア層４０の場合では、バリア層４０とチャネル層４１との境界面３９における圧電電界３８の方向および強度は、バリア層４０中のＧａ原子とＡｌ原子の分布に局所的に依存することになり、このＧａ原子とＡｌ原子の分布は、この境界面３９における電子密度の変動を引き起こすことになる。
【００９４】
同様に、この標準的なＡｌＧａＮバリア層を備える半導体材料上に作製されるトランジスタ構造によって出力される電力は、不均一に分布させられることになる。
【００９５】
図６ｂに示されるように、理想的なバリア層４２についての圧電電界４４の平均値は、バリア層４２とチャネル層４５との間の境界面４３上の任意の点におけるこの電界の局所値に等しい。したがって、電子密度は、境界面４３において均一である。
【００９６】
このように、出願人は、前述の３つのタイプの不均一性を制限し、それによって半導体材料上に作製されたトランジスタ構造のより良好な特性を得るために、正しく秩序付けられたバリア層を備える半導体材料をもつことの重要性を示してきた。
【００９７】
正しく秩序付けられたバリア層を有する半導体材料を得るために、出願人は、従来技術によるＩＩＩ−Ｎに基づいた半導体材料内の三元合金で作製されたバリア層を、三元疑似合金で作製されたバリア層によって置き換えることにした。
【００９８】
本発明の目的では、三元「疑似合金」は、二元合金の原子単一層の交互層で構成された合金である。
【００９９】
本発明においては、二元合金の「単一層」は、ＩＩＩ族元素（すなわち、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ）で構成された１つの単原子平面と、窒素（Ｎ）で構成された１つの単原子平面とからなることが理解されるだろう。また、本発明において、１つの「単原子平面」は、１つの原子ステップに対応し、これはまた結晶構造の格子セルの半分にも対応することが理解されるだろう。
【０１００】
図７ａは、本発明の第１の実施形態による半導体材料５０を示している。
【０１０１】
この半導体材料５０は、支持材５２上のチャネル層５１と、チャネル層５１上の三元疑似合金で作製されたバリア層５３とを備える。
【０１０２】
支持材５２は、ＳｉＣで作製されている。しかし、この支持材は、シリコン、ＡｌＮ、サファイア、ＧａＮなど他の材料で作製することもできる。
【０１０３】
チャネル層５１は、ＧａＮの二元合金である。しかし、ＡｌＮ、ＢＮ（窒化ホウ素）、またはＩｎＮ（窒化インジウム）など別の材料をチャネル層５１として選択することもできる。
【０１０４】
チャネル層５１は、ＭＢＥ（分子線エピタキシ）法やＭＯＶＤ（有機金属化学気相成長）法などの当業者に知られている方法により、支持材上に堆積させられる。
【０１０５】
バリア層５３は、ＡｌＧａＮの三元疑似合金である。このバリア層５３は、ＧａＮの二元合金層５４とＡｌＮの二元合金層５５とを備える。これらのＧａＮ層およびＡｌＮ層は、交互になっており、一定の厚みを有する。
【０１０６】
ＧａＮで作製された第１の二元合金層５４（またはＡｌＮで作製された第２の二元合金層５５）のそれぞれは、ＧａＮ（またはＡｌＮ）の１つまたは複数の原子単一層で構成される。
【０１０７】
ＧａＮおよびＡｌＮのこれらの原子単一層は、可能な限り均一なバリア層を得るために個別に半導体材料中で適合させられる。
【０１０８】
図１２Ａから１２Ｄは、バリア層中のＧａおよびＡｌの異なる濃度についての本発明による半導体材料の粗さを示している。
【０１０９】
ＧａＮで作製された第１の二元合金層５４当たりの原子単一層数（ｎGaNと示される）は、１層から４０層の間で、好ましくは１層から２０層の間で、さらに好ましくは２層から１０層の間で変化する可能性がある。同様に、ＡｌＮで作製された第２の二元合金層５５当たりの原子単一層数（ｎAlNと示される）は、１層から４０層の間で、好ましくは１層から２０層の間で、さらに好ましくは２層から１０層の間で変化する可能性がある。
【０１１０】
特許文献２によって開示される方法など、既存の方法は、実際に非常に薄い基礎層の交互層を有する層を作製することに関与しており、この点でこれらの方法は、前述の単一層交互層との一部の類似性を提示していることを理解されたい。しかし、特許文献２は、ヒ化物に基づき窒化物には基づかない材料に対処しており、その交互層は、このようにして基礎層で構成されたさらに大きな層のドーピングを最大にすることを目的としている。特許文献２は、電子分布の均一性の課題に対処していない。実際に特許文献２は、非圧電構造に関するものである。当業者なら、非圧電性ヒ化物構造の層内の合金無秩序は、電子分布の均一性を害しないことを知っている。したがって、基礎層の交互層を備えるヒ化物に基づいた材料は、電子分布の均一性の課題に対処していない。
【０１１１】
特許文献１に開示された方法など、既存の方法は、特許文献１の第３節、７頁に述べられているように、「単一層」の交互層を有する諸層を作製することに実際に関与することも理解されたい。
【０１１２】
しかし、特許文献１において説明される「単一層」は、本発明の意味における単一層の定義からはかけ離れている。実際に、特許文献１中に説明されている「単一層」は、５から２０オングストロームの厚みの範囲内にあり（特許文献１、第３節、７頁参照）、この厚みは、原子単一層である、本発明の単一層に対して非常に厚くなっている。
【０１１３】
特許文献１は、構造内の電子移動度を増大させるという課題に対処している。
【０１１４】
しかし、特許文献１は、（特に、チャネル層中における）電子分布の均一性を増大させるという課題に対処してはいない。実際に、特許文献１は、本発明において定義されるような単一層を示唆してはいない（特許文献１において定義される「単一層」は、本発明の単一層としては非常に厚くなっている）。
【０１１５】
本発明に戻って、液相エピタキシ、気相エピタキシ、または分子線エピタキシなど、当業者に知られている製造方法を使用して、ＧａＮのチャネル層上にバリア層５３を成長させる。
【０１１６】
バリア層５３は、原子単一層数ｎGaNが、１層から４０層の間、好ましくは１層から２０層の間、さらに好ましくは２層から１０層の間にあるＧａＮの第１の二元合金層５４を堆積させることから開始して生成され、次のステップは、原子単一層数ｎAlNが、１層から４０層の間、好ましくは１層から２０層の間、さらに好ましくは２層から１０層の間にあるＡｌＮの第２の二元合金層を堆積させることである。
【０１１７】
次のステップは、２ｎｍと５００ｎｍとの間で変化する、バリア層５３の必要とされる厚みが得られるまで、ＧａＮの第１の二元合金層とＡｌＮの第２の二元合金層とを堆積させることである。
【０１１８】
図７ａに示される実施形態においては、原子単一層数ｎGaNとｎAlNとは等しい。しかし、原子単一層数ｎGaNとｎAlNとが異なっていてもよい。
【０１１９】
バリア層５３は、ＧａＮとＡｌＮとの交互層から成るので、ガリウムのガス前駆体または分子前駆体と、アルミニウムのガス前駆体または分子前駆体（あるいは、ガリウムとアルミニウム）とは、製造方法中に混合されず、また混合物欠乏現象も存在しない。
【０１２０】
したがって、合金の変動は、
−ナノメートルスケールおよびマイクロメートルスケール（タイプ１の不均一性）と、
−原子スケール（タイプ２の不均一性とタイプ３の不均一性）とに
制限される。
【０１２１】
したがって、バリア層５３の構造は、［０００１］成長軸に沿って完全に順序よく配置される。
【０１２２】
図６ｃに示されるように、これは、
−化学的粗さを制限し、その結果としてチャネル層９１とバリア層９２（このバリア層は、ＡｌＮ層９３とＧａＮ層９４との交互層から成る）との間の境界面９０における電子の拡散を制限し、
−平均値が、境界面９０上のすべての点における圧電電界９５の局所値に等しくなるように圧電電界分布を最適化する
という効果を有する。
【０１２３】
したがって、この電界による電子の注入が最適化される。さらに、引き起こされた圧電電界が均一であるので、２次元ガス（２ＤＥＧ）中に注入された電子分布は、均一である。
【０１２４】
その結果として、この構造は、２次元ガス（２ＤＥＧ）中に配置される電子の移動度および表面密度を最適化する手段を提供する。
【０１２５】
図８ａは、本発明によるバリア層の実施形態の一例を示している。この例においては、３２．２％のアルミニウムを含有する２０．５ｎｍの厚みのＡｌＧａＮのバリア層が、以下の三元疑似合金で作製されたバリア層によって置き換えられた。  
（ＡｌＮ  ｎAlN＝２／ＧａＮ  ｎGaN＝４）X=7
式中で、
−ｎAlNは、ＡｌＮの原子単一層数である。
−ＡｌＮ単一層の厚みは、ｅAlN＝０．２４８５ｎｍである。
−ｎGaNは、ＧａＮの原子単一層数である。
−ＧａＮ単一層の厚みは、ｅGaN＝０．２５９０ｎｍである。
−Ｘは、周期（ＡｌＮ  ｎAlN＝２／ＧａＮ  ｎGaN＝４）の数である。
−Ｙは、バリアの平均組成、すなわち
Ｙ＝ｎAlN／（ｎGaN＋ｎAlN）＝３２．２％
である。
−Ｅは、バリアの等価的厚み、すなわち
Ｅ＝Ｘ×（ｎAlN×ｅAlN＋ｎGaN×ｅGaN）＝２０．１ｎｍ
である。
【０１２６】
図８ｂは、本発明によるバリア層の実施形態の別の例を示すものである。この例においては、５０．０％のアルミニウムを含有するＡｌＧａＮのバリア層が、以下の
（ＡｌＮ  ｎAlN＝１／ＧａＮ  ｎGaN＝１）X=3
という三元疑似合金で作製されたバリア層によって置き換えられた。
【０１２７】
図７ｂは、本発明の第２の実施形態に従って作製された半導体材料６０を示している。
【０１２８】
この第２の実施形態においては、バッファ層５６が、チャネル層５１と支持材５２との間に挿入されている。
【０１２９】
バッファ層５６は、ＧａＮとＡｌＧａＮとのうちから選択された材料である。このバッファ層は、ＧａＮチャネル層の成長を促進する。このバッファ層は、ボンディングにより、あるいはエピタキシ法などの当業者に知られている他の方法によって堆積させられる。
【０１３０】
図７ｃに示される実施形態においては、バリア層５３は、原子単一層数ｎGaNが同じでないＧａＮ層５４’、５４’’、５４’’’を備える。
【０１３１】
層５４’、５４’’、５４’’’は、それぞれ８層、５層、および２層のＧａＮの原子単一層を備える。これらの層は、ＡｌＮ層５５’および５５’’と交互になっており、層５５’は、支持材から最も離れており、層５４’’’は、支持材に最も近くなっている。
【０１３２】
図７ｃの図においては、ＧａＮ層５４’、５４’’、５４’’’当たりの原子単一層数ｎGaNは、支持材５２からの距離が増大するにつれて、減少する。しかし、原子単一層数が、支持材５２からの距離が増大するにつれて増大するバリア層５３を有することも可能である。
【０１３３】
したがって、ＧａＮ層当たりの原子単一層数ｎGaNは、バリア層５３に沿って変化してもよい。
【０１３４】
同じことが、バリア層５３に沿って変化してもよいＡｌＮ層当たりの原子単一層数ｎAlNについても成り立つ。
【０１３５】
バリア層中においては、ＧａＮとＡｌＮの単一層数は、図７ｃに示されるように独立に変化してもよく、ここでＧａＮ層５４’、５４’’、５４’’’当たりの原子単一層数ｎＧａＮは変化するのに対して、ＡｌＮ層５５’および５５’’当たりの原子単一層数ｎＡｌＮは変化しない。
【０１３６】
単一層数ｎGaNおよびｎAlNは、バリア層に沿って同時に変化してもよい。例えば、原子単一層数ｎAlNは、支持材からの距離が増大するにつれてその原子単一層数が減少（または増大）するように変化してもよく、また原子単一層数ｎGaNは、支持材からの距離が増大するにつれてその原子単一層数が増大（または減少）するように変化してもよい。
【０１３７】
その結果として、各二元合金層の原子単一層数は、表面よりも支持材により近くなっている、バリア層の裏面上の第１の値と、バリア層の表面上の第２の値との間で変化してもよい。
【０１３８】
図７ｄは、第４の実施形態による半導体材料を示すものである。この半導体材料は、支持材５２と、バッファ層５６と、チャネル層５１と、バリア層５３とを備えている。
【０１３９】
この実施形態においては、バッファ層５６は、ＧａＮの二元合金５７とＡｌＮの二元合金５８との交互層で構成されたＡｌＧａＮの三元疑似合金である。
【０１４０】
バッファ層５６は、三元疑似合金バリア層（ｎGaNとｎAlNは、１層から４０層の間、好ましくは１層から２０層の間、さらに好ましくは２層から１０層の間であり、またおそらくバッファ層などに沿って変化する。）と同じ特性を有する。
【０１４１】
この実施形態においては、バッファ層５６は、２層のＡｌＮ層５８と交互になった２層のＧａＮ層５７を備える。
【０１４２】
さらに、ＧａＮ層５７当たりの原子単一層数ｎGaNは、バッファ層５６に沿って変化する。支持材に最も近いＧａＮ層５７は、２層の原子単一層を備えるが、支持材から最も遠いＧａＮ層は、４層の原子単一層を備える。
【０１４３】
ＡｌＮ層５８当たりの原子単一層数ｎAlNもまた、バッファ層５６に沿って変化することができる。支持材に最も近いＧａＮ層５７は、６層の原子単一層を備えるが、支持材から最も遠いＡｌＮ層は、３層の原子単一層を備える。
【０１４４】
したがって、図７ｄに示される実施形態においては、ＧａＮおよびＡｌＮ層当たりの原子単一層数は、バッファ層に沿って変化し、原子単一層数ｎAlNは、支持材からの距離が増大するにつれて、その原子単一層数が減少するように変化し、また原子単一層数ｎGaNは、支持材からの距離が増大するにつれて、その原子単一層数が増大するように変化する。
【０１４５】
原子単一層数ｎAlNおよびｎGaNは、図７ａに示されたバリア層についての場合と同様にバッファ層に沿って固定されてもよいことが読者には理解されよう。
【０１４６】
このバッファ層は、エピタキシ法（分子線エピタキシ、液相エピタキシ、気相エピタキシ）など、当業者に知られている製造方法によって得ることが可能である。
【０１４７】
要約すれば、ＡｌＧａＮ三元疑似合金で作製されるバリア層（５３）は、以下のように示される。  
（ＡｌＮ  ｎAlN／ＧａＮ  ｎGaN）ｘ
式中で、
・ｎAlNは、ＡｌＮ層の原子単一層数であり、ここで、１≦ｎAlN≦４０、好ましくは１≦ｎAlN≦２０、さらに好ましくは２≦ｎAlN≦１０であり、ここでｎAlNは、バリア層に沿って変化していてもよい。
・ｎGaNは、ＧａＮ層の原子単一層数であり、ここで、１≦ｎGaN≦４０、好ましくは１≦ｎGaN≦２０、さらに好ましくは２≦ｎGaN≦１０であり、ここでｎGaNは、バリア層に沿って変化していてもよい。
・Ｘは、ＧａＮとＡｌＮの層数である。
【０１４８】
ＩＩＩ−Ｎに基づいた半導体材料の電子特性をさらに改善するために、バリア層は、原子スケールでの二元合金層の交互層に加えて１層または複数層の三元合金層を備えていてもよい。
【０１４９】
出願人は、二元合金層の交互層を備えるバリア層内の三元合金層の存在が、圧電電界の均一性を改善し、また半導体材料の電荷キャリアの移動度を増大させることが可能であったことを指摘している。
【０１５０】
バリア層５３の生成は、前述と同じステップを含んでいてもよい。
【０１５１】
したがって、ＧａＮの第１の二元合金層５４の堆積と、ＡｌＮの第２の二元合金層５５の堆積と、バリア層５３について必要とされる厚みが得られるまで、ＧａＮとＡｌＮの層のこれらの堆積ステップの反復とにより、初期バリア層を生成することから開始することが可能である。
【０１５２】
さらに、初期バリア層中または初期バリア層上に１層または複数層の三元合金層の生成のステップが行われる。
【０１５３】
１層（または複数層）の三元合金層の生成のステップは、半導体基板の実施形態に従って変化する。
【０１５４】
図７ｅに示される一実施形態においては、バリア層５３は、ＡｌＧａＮの三元合金層８０と、ＧａＮの第１の二元合金５４とＡｌＮの第２の二元合金５５との（原子スケールにおける）交互層とを備える。
【０１５５】
原子スケールは、オングストロームのスケールであることが理解されよう。
【０１５６】
交互層のうちのＧａＮ（またはＡｌＮ）の各二元合金層は、１層から４０層の間、好ましくは１層から２０層の間、さらに好ましくは２層から１０層の間のＧａＮ（またはＡｌＮ）の原子単一層を備える。すべての場合において、交互層のうちのＧａＮ（またはＡｌＮ）の各二元合金層は、このＧａＮ（またはＡｌＮ）の二元合金のうちの少なくとも１層の原子単一層を備える。
【０１５７】
ＧａＮとＡｌＮの二元合金層５４、５５の交互層は、ＡｌＧａＮの三元合金層８０と支持材５２との間に配置される。換言すれば、ＡｌＧａＮの三元合金層８０は、ＧａＮとＡｌＮの二元合金層の交互層の最上部にある。
【０１５８】
ＧａＮとＡｌＮの二元合金層５４、５５の交互層の最上部上にある三元合金層８０の存在により、バリア層５３中におけるＧａＮとＡｌＮの二元合金５４、５５の原子スケールにおける交互層のおかげで得られる最適な電子注入の利点を保ちながら、特にオーミックコンタクトを作製することに関して、ＡｌＧａＮの三元合金層で作製されたバリア層を備える半導体材料について最適化された技術的方法との直接の互換性が可能になる。
【０１５９】
実際に、出願人は、バリア層５３中に秩序付けられた合金を有することの重要性が、バリア層とチャネル層５１との間の境界面からの距離が増大するにつれて減少することを指摘している。換言すれば、チャネル層５１とバリア層５３との間の境界面から遠くに配置された層中に合金無秩序を有する半導体材料は、チャネル層５１とバリア層５３との間の境界面の近くに配置された層中に合金無秩序を有する半導体材料に比べて、より良好な電荷キャリアの移動度と、より均一な圧電分極電界とを有する。
【０１６０】
図７ｅに示される半導体材料を得ることができるようにする、ＡｌＧａＮの三元合金層８０の生成のステップは、エピタキシによって生成される従来の三元合金層の堆積を含んでいる。
【０１６１】
本発明においては、「従来の三元合金層」とは、エピタキシャル成長のための適切な温度まで加熱された基板上で、（固体ソースの蒸発により、あるいはＧａＮとＡｌＮのガス前駆体の直接注入により得られる）原子流または分子流を残留圧力の低い室（残留圧力が１０-9トールから１０-14トールの間に含まれる超高真空）中で相互作用させることにより、エピタキシによって生成された三元合金層であることが理解されよう。
【０１６２】
図７ｆに示される別の実施形態においては、バリア層５３は、ＡｌＧａＮの複数の三元合金層７０を備える。これらのＡｌＧａＮの三元合金層７０は、ＧａＮとＡｌＮの二元合金層５４、５５の交互層中に配置される。
【０１６３】
ＧａＮとＡｌＮの二元合金層５４、５５の交互層中に層間挿入される、ＡｌＧａＮの三元合金層７０は、ＧａＮおよびＡｌＮの二元合金層５４、５５のＩＩＩ族元素の相互拡散（ｉｎｔｅｒｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）によって得られる。
【０１６４】
図１０は、図７ｆ中に示される実施形態からのバリア層の原子スケールにおける断面図である。ＧａＮ（またはＡｌＮ）の各二元合金層は、２層の原子単一層を備える。ＡｌＧａＮの各三元合金層は、１層の三元合金の原子単一層を備える。
【０１６５】
二元合金層５４と５５との間における三元合金層７０の存在により、バリア層５３中の激しい組成の変動を回避することが可能になる。これは、局所的圧電分極電界の均一性を改善する。この分極電界の均一化により、チャネル層５１とバリア層５３との間の境界面における電荷密度変動を減少させることが可能になる。
【０１６６】
図７ｆに示される複数の三元合金層７０の生成は、バリア層５３の生成のために堆積させられたＧａＮとＡｌＮの二元合金層５４、５５の少なくとも１つの交互層を生成した後の熱処理を含む。
【０１６７】
その熱処理は、バリア層５３の生成のステップの最後に（すなわち、ＧａＮの第１の二元合金５４とＡｌＮの第２の二元合金層の連続した堆積ステップの後に）実現することができる。
【０１６８】
この処理はまた、バリア層を生成するステップ中に実現することもできる。その場合には、熱処理は、いくつかの第２の二元合金の堆積ステップの前に実行される。
【０１６９】
例えば、作業者は、第１の二元合金（ＧａＮ）を堆積させ始めることができる。次いで、作業者は、第２の二元合金（ＡｌＮ）を堆積させることができる。次いで、作業者は、ＧａＮおよびＡｌＮの二元合金層５４、５５のＩＩＩ族元素のより良好な相互拡散を可能にする熱処理を実行することができる。非常に局所的な拡散が、典型的には１層から５層の材料単一層という距離で起こる可能性がある。
【０１７０】
熱処理は、少なくとも一部の二元合金の堆積の後に実行される。この処理についての典型的な条件は、
−０°Ｃから３００°Ｃの間の、第１および第２の二元合金の単一層の生成の温度よりも高い表面温度において、
−１０-8トールから１０-1トールの間の真空下または超高真空下において、
−１０-8トールから１ｋバールの圧力の間に含まれる圧力の、アンモニアＮＨ３、窒素分子Ｎ２、または水素分子Ｈ２を含むガス混合物流の下において、
−ＮＨ３、Ｎ２またはＨ２のプラズマの存在中において
である。
【０１７１】
次いで、ＡｌＧａＮの三元合金層７０が、ＧａＮの第１の二元合金層とＡｌＮの第２の二元合金層との間に配置されて得られる。この三元合金層は、１層から５層の三元合金単一層を備える。
【０１７２】
バリア層の厚みが、必要とされる厚みに相当しない場合には、ＧａＮ層の堆積が行われ、またＡｌＮ層の堆積が行われる。次いで、熱処理が実行され、その厚みが必要とされる厚みに相当するまで以下同様に行われる。
【０１７３】
第２の二元合金層の堆積後ごとに熱処理を系統的に実行しないことが選択されてもよいことが、読者には理解されよう。
【０１７４】
例えば、熱処理は、２回に１回行われてもよい。すなわち、熱処理は、二元合金層の２回の堆積が行われた後に実行される。
【０１７５】
熱処理はまた、初期のバリア層の生成ステップの終わりに、すなわち必要とされるバリア層の厚みが得られた後に、１回だけ実行されてもよい。
【０１７６】
さらに、熱処理を実行する前に、ＡｌＮまたはＳｉＮの追加層を堆積させて、熱処理中のバリア層５３の表面を安定化することも可能である。
【０１７７】
図７ｇには、本発明の別の実施形態による半導体材料が示されている。この実施形態においては、半導体材料は、図７に示された実施形態と同じ要素を備える。これらの同じ要素は、ＧａＮおよびＡｌＮの二元合金層５４、５５の交互層と、その交互層中に配置された複数の三元合金層７０である。
【０１７８】
さらに、図７ｇに示される実施形態は、その交互層の最上部上の従来の三元合金層を備える。これにより、図７ｅおよび７ｆに示される実施形態の利点を集めることが可能になる。
【０１７９】
当業者には、バリア層について説明された要素と同じ要素（二元合金の交互層など）を備えるチャネル層またはバッファ層を備える半導体材料を実現することが可能であることが理解されよう。三元疑似合金で作製されたチャネル層またはバッファ層をもつことにより、半導体材料中の電子分布の均一性を増大させることが可能になる。
【０１８０】
図９は、本発明による半導体材料の実現の一例を示すものである。この例においては、半導体は、
−Ｓｉ（シリコン）基板５２と、
−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ合金で作製されたバッファ層５６と、
−１５５オングストロームの厚みのＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ三元疑似合金で作製されたチャネル層と、
−１８４オングストロームの厚みの三元疑似合金Ａｌ0.32Ｇａ0.68Ｎで作製された二元合金層５４、５５の交互層と、
−５０オングストロームの厚みのＡｌ0.4Ｇａ0.6Ｎの従来の三元合金層８０と、
−２０オングストロームの厚みのＧａＮの二元合金層１９０と、
−３０オングストロームの厚みのＡｌＮの二元合金層１００と
を備える。
【０１８１】
図７ａから７ｇに示される異なる実施形態においては、チャネル層は、ＧａＮの二元合金で作製される。他の実施形態においては、チャネル層は、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＢＮ、ＩｎＢＮ、またはＩｎＡｌＮの三元疑似合金である。
【０１８２】
これらの他の実施形態においては、チャネル層は、バリア層の生成について説明された方法と類似した方法を使用して生成され、三元疑似合金を作製するための二元合金は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＢＮおよびＩｎＮのうちから選択される。
【０１８３】
チャネル層が三元疑似合金で作製されるときには、チャネル層は、三元疑似合金のバリア層と同じ特徴を備える（二元合金層当たりの原子単一層数は、１層から４０層の間、好ましくは１層から２０層の間、さらに好ましくは２層から１０層の間に含まれ、この層数は、チャネル層の厚みに沿って変化することが可能である）。三元疑似合金で作製されたチャネル層を有することにより、半導体材料の均一性（および特に電子分布）は、増大させられる。
【０１８４】
ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴ構造の表面形態は、一般にバリア中のＡｌ濃度の影響を受ける。
【０１８５】
本発明による半導体材料により、図１１に示されるように、バリア層（あるいはチャネル層またはバッファ層）中のアルミニウム濃度を増大させることが可能になる。
【０１８６】
実際に、チャネル層とバリア層との間の境界面における粗さを減少させることにより、その層中のＡｌ濃度を増大させることが可能である。
【０１８７】
実際には、層中の摂動（ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ）（電子密度の均一性）は、主としてＡｌ原子に起因している。したがって、所与の粗さに対して、本発明を用いてアルミニウム濃度を増大させることが可能である。
【０１８８】
図１１のＯＫデータポイントは、ＸＲＤによって測定された異なる厚みとアルミニウム濃度についての、Ｓｉの１１１基板上に成長させられた、本発明による構造に対応する。
【０１８９】
図１１に示されるように、厚いバリア層を（２３％のアルミニウムについて４１ｎｍまで）実現可能であるが、ほとんどの結果は、薄いバリア層に対応している。
【０１９０】
２０ｎｍから２７ｎｍの間に分布する典型的な厚みは、デバイス製造後に最良の結果を示している。
【０１９１】
２５ｎｍ未満の２８％〜３０％の範囲のアルミニウム濃度は、最適化されたオーミックコンタクトをもたらす標準的な仕様である。
【０１９２】
より高いＡｌ濃度（３２％以上）では、バリアの厚みは、１５〜２０ｎｍに低減させられる必要がある。
【０１９３】
図１１のクロスハッチ（Ｃｒｏｓｓ  Ｈａｔｃｈ）データポイントは、ＸＲＤによって測定された異なる厚みとアルミニウム濃度についての、本発明によるクロスハッチングされた構造に対応する。
【０１９４】
この場合には、ＡｌＧａＮバリアの緩和が起こり、表面上にマイクロクラックがもたらされる。
【０１９５】
このひずみ効果は、アルミニウム濃度がバリアの厚みに関してあまりにも高すぎるときに現れる。
【０１９６】
この傾向は、曲線５００によって与えられる。出願人は、この曲線５００より下のバリア層の厚み／Ａｌ％を指定することを推奨している。
【０１９７】
ＰＳＰデータポイントは、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎバッファ層上のひずみのあるＧａＮチャネルを有する、本発明によるスードモルフィック構造に対応する。
【０１９８】
図１１に示されるように、このようなスードモルフィック構造を用いて、厚いバリア層（２６ｎｍ）についてさえ、アルミニウムの４０％の濃度に到達することが可能である。
【０１９９】
図１２Ｅから１２Ｉは、ＡｌＧａＮバリア中に様々なアルミニウム濃度を有する、本発明による異なる構造の表面形態を示している。
【０２００】
図１２Ｅは、２５ｎｍに等しい厚みのＡｌＧａＮバリア中に２０％のアルミニウム濃度を有する、本発明による構造を示している。
【０２０１】
図１２Ｆは、２５ｎｍに等しい厚みのＡｌＧａＮバリア中に２５％のアルミニウム濃度を有する、本発明による構造を示している。
【０２０２】
図１２Ｇは、２５ｎｍに等しい厚みのＡｌＧａＮバリア中に３２％のアルミニウム濃度を有する、本発明による構造を示している。
【０２０３】
図１２Ｈは、２５ｎｍに等しい厚みのＡｌＧａＮバリア中に４０％のアルミニウム濃度を有する、本発明による構造を示している。
【０２０４】
図１２Ｉは、２６ｎｍに等しい厚みのＡｌＧａＮバリア中に３９％のアルミニウム濃度を有する、本発明による構造を示している。
【０２０５】
図１２Ｅから１２Ｉに示されるように、あらゆる層についての表面形態上には、違いが観察されない。
【０２０６】
図７ａから７ｇに示される異なる実施形態においては、バリア層は、ＡｌＧａＮの三元疑似合金である。他の実施形態においては、バリア層は、ＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）、ＡｌＢＮ（窒化アルミニウムホウ素）、ＩｎＢＮ（窒化インジウムホウ素）、またはＩｎＡｌＮ（窒化インジウムアルミニウム）の三元疑似合金である。これらの他の実施形態においては、三元疑似合金を作製する第１と第２の二元合金は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＢＮ、およびＩｎＮのうちから選択される。
【０２０７】
図１３は、本発明による別の実施形態を示すものである。
【０２０８】
この他の実施形態は、
−５００ｎｍの厚みを有する基板６００と、
−１０％の濃度のアルミニウムを含む１５００ｎｍの厚みを有するＡｌＧａＮテンプレート層６１０と、
−１５ｎｍの厚みを有するＧａＮチャネル層６２０と、
−５０％の濃度のアルミニウムを含む１１ｎｍの厚みを有するバリア層６３０と、
−２５％の濃度のアルミニウムを含む４ｎｍの厚みを有するＡｌＧａＮショットキー層６４０と、
−２ｎｍの厚みを有するＧａＮキャップ層６５０と
を備える。
【０２０９】
図１３に示される半導体材料のバリア層は、１層のＡｌＮの単一層（Ａｌの１つの単原子平面とＮの１つの単原子平面）と１層のＧａＮの単一層（Ｇａの１つの単原子平面とＮの１つの単原子平面）との交互層を備える。
【０２１０】
本発明は、秩序付けられた三元疑似合金を得ることを可能にする単一層の使用のおかげで、５０％のアルミニウム濃度を有するＡｌＧａＮ層（Ａｌ−Ｎ−Ｇａ−Ｎ）などのいくつかの利点を提供する。
【０２１１】
図１４は、特許文献１に説明された方法およびデバイスと比べた、本発明のいくつかの利点を示すものである。
【０２１２】
図１４において、
−Ａは、ＡｌＮ格子セル（Ａｌ−Ｎ−Ａｌ−Ｎ）を表し、
−Ｂは、ＧａＮ格子セル（Ｇａ−Ｎ−Ｇａ−Ｎ）を表し、
−Ｃは、ＡｌＧａＮ格子セル（Ａｌ−Ｎ−Ｇａ−Ｎ）を表す。
【０２１３】
本発明による、図１４の上部に示される交互層Ｃ−Ａ−Ｃ−Ｂ．．．により気付くことができるように、本発明により禁制帯図７３０の平滑化が可能になる。すなわち、
−エネルギー図が、平滑化され（Ｅｇは、合金の禁制帯のエネルギー、すなわちＥｇ（ＧａＮ）＝３．４ｅＶ、Ｅｇ（ＡｌＮ）＝６．２ｅＶ、Ｅｇ（ＡｌＧａＮ  ５０％）＝４．８ｅＶである）、
−構造中のひずみが、より信頼性の高いトランジスタ構造を得ることを可能にする、より良好な分布を表す。
【０２１４】
これに対して、特許文献１に説明される方法およびデバイスは、禁制帯図７３０の平滑化を可能にしてはいない。
【０２１５】
実際に、特許文献１に説明される方法は、（特許文献１で定義される「単一層」が厚いので）ＡｌＧａＮ格子セルＣ（Ａｌ−Ｎ−Ｇａ−Ｎ）を得ることを可能にしてはいない。したがって、特許文献１に説明される方法は、図１４の上部に示されるような交互層Ａ−Ｂ−Ａ−Ｂ．．．を得ることを可能にするだけである。
【０２１６】
実施形態７１０および７２０は、Ｃ層を備える本発明による半導体材料の２つの実施形態である。
【０２１７】
本発明の実施形態のいくつかの例について以上で詳細に説明したが、本明細書中に説明される新しい情報および利点の範囲を物理的に（ｐｈｙｓｉｃａｌｌｙ）逸脱することなく、多数の修正形態を作製することができることが当業者には簡単に理解されよう。したがって、このタイプのすべての修正形態が、添付の特許請求の範囲に定義される本発明の範囲内に含まれることになる。
【図面の簡単な説明】
【０２１８】
【図１】ＨＥＭＴ型トランジスタが作製される、ＩＩＩ族元素の窒化物に基づいた半導体材料の断面図である。
【図２】ＩＩＩ族元素の窒化物に基づいた半導体材料の断面図である。
【図３】従来技術の半導体材料の、二元材料と三元材料との間の境界面の断面図である。
【図４】従来技術の三元材料の断面図である。
【図５ａ】［００１］対称面における合金秩序を示す三元材料の断面図である。
【図５ｂ】［１−１０１］非対称面における合金秩序を示す、従来技術の三元材料の断面図である。
【図６ａ】従来技術の三元材料の場合における二元材料層および三元材料層の断面図である。
【図６ｂ】理想的な三元材料の場合における二元材料層および三元材料層の断面図である。
【図６ｃ】本発明による方法を使用して得られる二元材料および三元材料の断面図である。
【図７ａ】本発明による一実施形態の断面図である。
【図７ｂ】本発明による他の一実施形態の断面図である。
【図７ｃ】本発明による他の一実施形態の断面図である。
【図７ｄ】本発明による他の一実施形態の断面図である。
【図７ｅ】本発明による他の一実施形態の断面図である。
【図７ｆ】本発明による他の一実施形態の断面図である。
【図７ｇ】本発明による他の一実施形態の断面図である。
【図８ａ】本発明による方法によって得られる疑似合金三元材料の例の断面図である。
【図８ｂ】本発明による方法によって得られる疑似合金三元材料の例の断面図である。
【図９】本発明による半導体材料の例を示す図である。
【図１０】本発明によるバリア層の例を示す図である。
【図１１】本発明による異なる実施形態に関して、バリア層の厚みをＡｌ濃度の関数の形で示す図である。
【図１２Ａ】本発明による半導体材料の一実施形態の粗さを示す図である。
【図１２Ｂ】本発明による半導体材料の一実施形態の粗さを示す図である。
【図１２Ｃ】本発明による半導体材料の他の一実施形態の粗さを示す図である。
【図１２Ｄ】本発明による半導体材料の他の一実施形態の粗さを示す図である。
【図１２Ｅ】ＡｌＧａＮバリア（２５ｎｍの厚み）中における異なるアルミニウム濃度についての、本発明によるＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴ構造の異なる表面形態のうちの１つを示す図である。
【図１２Ｆ】ＡｌＧａＮバリア（２５ｎｍの厚み）中における異なるアルミニウム濃度についての、本発明によるＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴ構造の異なる表面形態のうちの１つを示す図である。
【図１２Ｇ】ＡｌＧａＮバリア（２５ｎｍの厚み）中における異なるアルミニウム濃度についての、本発明によるＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴ構造の異なる表面形態のうちの１つを示す図である。
【図１２Ｈ】ＡｌＧａＮバリア（２５ｎｍの厚み）中における異なるアルミニウム濃度についての、本発明によるＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴ構造の異なる表面形態のうちの１つを示す図である。
【図１２Ｉ】ＡｌＧａＮバリア（２５ｎｍの厚み）中における異なるアルミニウム濃度についての、本発明によるＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴ構造の異なる表面形態のうちの１つを示す図である。
【図１３】本発明による半導体材料の別の例を示す図である。
【図１４】本発明による２つの他の実施形態を示す図である。
【図１】
2008512863.tif 000006
【図２】
2008512863.tif 000007
【図３】
2008512863.tif 000008
【図４】
2008512863.tif 000009
【図５ａ】
2008512863.tif 000010
【図５ｂ】
2008512863.tif 000011
【図６ａ】
2008512863.tif 000012
【図６ｂ】
2008512863.tif 000013
【図６ｃ】
2008512863.tif 000014
【図７ａ】
2008512863.tif 000015
【図７ｂ】
2008512863.tif 000016
【図７ｃ】
2008512863.tif 000017
【図７ｄ】
2008512863.tif 000018
【図７ｅ】
2008512863.tif 000019
【図７ｆ】
2008512863.tif 000020
【図７ｇ】
2008512863.tif 000021
【図８ａ】
2008512863.tif 000022
【図８ｂ】
2008512863.tif 000023
【図９】
2008512863.tif 000024
【図１０】
2008512863.tif 000025
【図１１】
2008512863.tif 000026
【図１２Ａ】
2008512863.tif 000027
【図１２Ｂ】
2008512863.tif 000028
【図１２Ｃ】
2008512863.tif 000029
【図１２Ｄ】
2008512863.tif 000030
【図１２Ｅ】
2008512863.tif 000031
【図１２Ｆ】
2008512863.tif 000032
【図１２Ｇ】
2008512863.tif 000033
【図１２Ｈ】
2008512863.tif 000034
【図１２Ｉ】
2008512863.tif 000035
【図１３】
2008512863.tif 000036
【図１４】
2008512863.tif 000037
【国際調査報告】
2008512863.tif 000038
2008512863.tif 000039
2008512863.tif 000040