(57)【要約】シリコン基板を含むIII 族窒化物材料構造だけでなく、同構造に関連する方法についても記載される。構造の寄生損失を著しく小さくすることができ、これが性能向上として現れる。本発明の構造により形成される素子（ＲＦ素子のような）は、種々の利点の中でもとりわけ、高出力電力、高電力利得、及び高電力効率を有することができる。
2008522447.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１０２Ω−ｃｍ超の抵抗率を有し、かつ１０１７／ｃｍ３未満の最大自由キャリア濃度の上面領域を含むシリコン基板と、
シリコン基板の上面を覆うように形成されるIII 族窒化物材料領域とを備える半導体構造。
【請求項２】
シリコン基板は１０４Ω−ｃｍを超える抵抗率を有する請求項１記載の半導体構造。
【請求項３】
シリコン基板はバルク領域を上面領域の下に含み、バルク領域は上面領域よりも最大キャリア濃度が低い、請求項１記載の半導体構造。
【請求項４】
バルク領域には第１導電型のキャリアがドープされ、かつ上面領域には第２導電型のキャリアがドープされる、請求項３記載の半導体構造。
【請求項５】
バルク領域の最大キャリア濃度は１０１３／ｃｍ３未満である、請求項３記載の半導体構造。
【請求項６】
上面領域は、少なくとも１．０ミクロンの深さにまで延びる、請求項１記載の半導体構造。
【請求項７】
上面領域の最大キャリア濃度は１０１６／ｃｍ３未満である、請求項１記載の半導体構造。
【請求項８】
上面領域のキャリア濃度は上面から離れる方向に低くなる、請求項１記載の半導体構造。
【請求項９】
シリコン基板とIII 族窒化物材料領域との間に形成される窒化シリコン系材料層を更に備える、請求項１記載の半導体構造。
【請求項１０】
窒化シリコン系材料層は約１０オングストローム〜約５０オングストロームの膜厚を有する、請求項９記載の半導体構造。
【請求項１１】
III 族窒化物材料領域は窒化ガリウム層を含む、請求項１記載の半導体構造。
【請求項１２】
III 族窒化物材料領域は窒化アルミニウム層を含む、請求項１記載の半導体構造。
【請求項１３】
III 族窒化物材料領域は、シリコン基板と窒化ガリウム材料領域との間に形成される遷移層を含み、ガリウムの濃度はシリコン基板から離れる方向に高くなる、請求項１記載の半導体構造。
【請求項１４】
半導体構造はトランジスタである、請求項１記載の半導体構造。
【請求項１５】
上面領域はドーパントを含み、ドーパントの一部分によって自由キャリアが生成される、請求項１記載の半導体構造。
【請求項１６】
ドーパントはガリウム及びアルミニウムのうちの少なくとも一方を含む、請求項１記載の半導体構造。
【請求項１７】
ドーパントは活性種を含み、活性種が反応することによりIII 族窒化物材料領域が形成
される、請求項１記載の半導体構造。
【請求項１８】
シリコン基板と、
シリコン基板上に形成されるIII 族窒化物材料領域とを備える半導体構造であって、
前記半導体構造は１．０ｄＢ／ｍｍ未満の伝送線路損失を０〜５ＧＨｚの周波数範囲に渡って有する、半導体構造。
【請求項１９】
前記半導体構造は１．０ｄＢ／ｍｍ未満の伝送線路損失を０〜１５ＧＨｚの周波数範囲に渡って有する、請求項１８記載の半導体構造。
【請求項２０】
前記半導体構造は１．０ｄＢ／ｍｍ未満の伝送線路損失を０〜２６ＧＨｚの周波数範囲に渡って有する、請求項１８記載の半導体構造。
【請求項２１】
シリコン基板は１０２Ω−ｃｍ超の抵抗率を有する、請求項１８記載の半導体構造。
【請求項２２】
シリコン基板は１０４Ω−ｃｍ超の抵抗率を有する、請求項１８記載の半導体構造。
【請求項２３】
シリコン基板は、１０１７／ｃｍ３未満の最大自由キャリア濃度を有する上面領域を含む、請求項１８記載の半導体構造。
【請求項２４】
上面領域は１０１６／ｃｍ３未満の最大キャリア濃度を有する、請求項２３記載の半導体構造。
【請求項２５】
上面領域のキャリア濃度は上面から離れる方向に低くなる、請求項１８記載の半導体構造。
【請求項２６】
シリコン基板はバルク領域を上面領域の下に含み、バルク領域は上面領域よりも最大キャリア濃度が低い、請求項１８記載の半導体構造。
【請求項２７】
シリコン基板とIII 族窒化物材料領域との間に形成される窒化シリコン系材料層を更に備える、請求項１８記載の半導体構造。
【請求項２８】
III 族窒化物材料領域は窒化ガリウム層を含む、請求項１８記載の半導体構造。
【請求項２９】
III 族窒化物材料領域は窒化アルミニウム層を含む、請求項１８記載の半導体構造。
【請求項３０】
III 族窒化物材料領域は、シリコン基板と窒化ガリウム材料領域との間に形成される遷移層を含み、ガリウムの濃度はシリコン基板から離れる方向に高くなる、請求項１８記載の半導体構造。
【請求項３１】
上面領域はドーパントを含み、ドーパントの一部分によって自由キャリアが生成される、請求項１８記載の半導体構造。
【請求項３２】
ドーパントはガリウム及びアルミニウムのうちの少なくとも一方を含む、請求項３１記載の半導体構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概してIII 族窒化物材料に関し、より詳細にはシリコン基板からなる窒化ガリウム材料構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
III 族窒化物材料には、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、及びこれらの材料の該当する合金（例えば、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、及びＡｌＩｎＮ）が含まれる。詳細には、窒化ガリウム材料は窒化ガリウム（ＧａＮ）、及び当該材料の合金を含み、窒化ガリウムの合金として、窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）、窒化ガリウムインジウム（ＩｎＧａＮ）、及び窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）を挙げることができる。これらの材料は、高エネルギー準位にある電子の遷移を可能にする非常に大きなバンドギャップを有する半導体化合物である。このような電子の遷移によって、窒化ガリウム材料は、青色光を高効率に放出する機能、信号を高周波数で送信する機能、及び他の機能を含む多数の魅力的な特性を備えることになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
多くの用途において、III 族窒化物材料は基板の上に成長させる。しかしながら、III 族窒化物材料（例えば、窒化ガリウム材料）と多くの基板材料との間の特性の違いによって困難な課題が生じる。例えば、窒化ガリウム材料（例えば、ＧａＮ）は、多くの基板材料、特にシリコンとは異なる熱膨張係数（すなわち、熱膨張率）及び異なる格子定数を有する。これらの違いによって、シリコン上に成長する窒化ガリウム材料にクラックが形成され、そして／または他のタイプの欠陥が形成される。或る方法では、遷移層を使用してこれらの違いの影響を小さくして高品質窒化ガリウム材料をシリコン上に成長させる。しかしながら、これらの違い（及び他の違い）によって、シリコン基板上に形成される窒化ガリウム材料を含む構造及び素子の実用化が制限されている。
【０００４】
III 族窒化物材料（例えば、窒化ガリウム材料）は高周波数（例えば、ＲＦ）素子用途において研究がなされている。エネルギーが高周波数素子の中で不所望の機構によって消費される場合、素子の性能が劣化する恐れがある。これらの所謂寄生損失によって出力電力、電力利得、及び電力効率が低下する。従って一般的に、高周波数素子（及び他のタイプの素子）における寄生損失を小さくすることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、シリコン基板を含むIII 族窒化物材料（例えば、窒化ガリウム材料）構造、及び当該構造に関連する方法に一部関するものである。
一の態様では、半導体構造が提供される。本構造は、１０２Ω−ｃｍ超の抵抗率を有するシリコン基板を備える。シリコン基板は、１０１７／ｃｍ３未満の最大自由キャリア濃度を有する上面領域を含む。III 族窒化物材料領域はシリコン基板の上面を覆うように形成される。
【０００６】
別の態様では、半導体構造が提供される。本構造は、シリコン基板と、そしてシリコン基板上に形成されるIII 族窒化物材料領域と、を備える。本構造は１．０ｄＢ／ｍｍ未満の伝送線路損失を０〜５ＧＨｚの周波数範囲に渡って有する。
【０００７】
本発明の他の態様、実施形態、及び特徴は、本発明に付いての以下の詳細な説明を、添
付の図を参照しながら一読することにより明らかになる。添付の図は模式図であるので、寸法通りには描かれていない。これらの図では、種々の図に示される各々の同じ、またはほぼ同様の構成要素は単一の番号または記号によって示される。説明を簡単にするために、全ての図において全ての構成要素に記号を付す、ということはしていない。更に、図示がこの技術分野の当業者が本発明を理解するためには必要ではない、図示の本発明の各実施形態の構成要素の全てに関しても同様である。本明細書において参照することにより本明細書に組み込まれる全ての特許出願及び特許は、ここで参照することにより、これらの文献の内容全体が本明細書に組み込まれる。相容れない内容がある場合には、定義を含む本明細書が優先する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明は、シリコン基板を含むIII 族窒化物材料構造だけでなく、当該構造に関連する方法も提供する。導電寄生チャネルは、III 族窒化物材料（例えば、窒化ガリウム材料）をシリコン基板の上、特に高抵抗シリコン基板（例えば、１０２Ω−ｃｍ超の抵抗率を持つ基板）の上に成長させると生じることが判明している。寄生チャネルは通常、シリコン基板の上面に形成され、かつ構造の内部において不所望のエネルギー吸収機構となってしまう。以下に更に説明するように、本発明の方法では、このような寄生チャネルの形成及び／又は効果を制限する。結果として得られる構造の寄生損失を非常に小さくすることができ、この効果は性能向上に現われる。例えば、本発明の構造により形成される素子（ＲＦ素子のような）は、種々の利点の中でもとりわけ、高出力電力、高電力利得及び高電力効率（高周波数動作も）を示すことができる。
【０００９】
図１は、本発明の一の実施形態による半導体構造１０を示す。構造１０は、シリコン基板１４上に形成されるIII 族窒化物材料領域１２を含む。図示のように、一つ以上の層（例えば、層１６）を基板とIII 族窒化物材料領域との間に形成することができる。III 族窒化物材料領域は、種々の層の中でもとりわけ、中間層１８、遷移層２０、及び窒化ガリウム材料層２２を含む多数の層を含むことができる。図示の実施形態では、導電寄生チャネル２４は基板の上面２６に（または上面近傍に）形成される。以下に更に説明するように、導電寄生チャネルのキャリア濃度は本発明の方法により低くなる。従って、このチャネルの不所望の導通に関連する寄生損失は最小になる。
【００１０】
一の構造（例えば、層及び／又は素子）が別の構造（例えば、層または基板）の「上に（ｏｎ）」在る、または別の構造を「覆って（ｏｖｅｒ）」いる、と表現される場合、当該或る構造を別の構造の上に直接位置させることができる、または中間構造（例えば、層、エアギャップ）を更に設けることができる。別の構造の「上に直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ
ｏｎ）」配置される構造とは、中間構造が設けられないことを意味する。ここで、或る構造が別の構造の「上に（ｏｎ）」在る、または別の構造を「覆っている（ｏｖｅｒ）」と表現される場合、当該或る構造が別の構造の全体を、または別の構造の一部分を覆うことができることも理解されたい。
【００１１】
寄生チャネルは、層／領域（例えば、III 族窒化物材料領域）を基板上に成長させる前に、または成長させている間に、シリコン基板に何らかの拍子に導入されるドーパントが拡散することにより形成されると考えられる。以下に更に説明するように、ドーパントは、III 族窒化物材料領域の形成のための化学反応を引き起こすために使用される反応活性種から選択される元素（例えば、III 族元素（群）及び／又は窒素）を含むことができる。例えば、ドーパントはガリウム及び／又はアルミニウムとすることができるが、他のドーパントも寄生チャネルの形成に寄与し得ることを理解されたい。一旦、基板の中に拡散すると、ドーパントによって自由キャリア（すなわち、電子または正孔）が生成され、これらのキャリアは実際には、導電チャネルを基板表面に形成する。以下に更に説明するように、導電チャネルは、寄生損失が高抵抗シリコン基板上に形成される構造に生じる際に
特に重要な役割を果たす。
【００１２】
有利なことに、本発明の構造では寄生チャネル２４の自由キャリア濃度が低いので、寄生損失が上述のように小さくなる。例えば、最大自由キャリア濃度（またはキャリア濃度）は約１０１７／ｃｍ３未満とすることができる。或る実施形態では、最大自由キャリア濃度は約５×１０１６／ｃｍ３未満、または約１０１６／ｃｍ３未満とすることができる。或る実施形態では、最大自由キャリア濃度は約１０１５／ｃｍ３未満とすることもできる。特定の最大自由キャリア濃度は、以下に説明するように、キャリア濃度を低くするために使用される特定の方法を含む多数の要素によって変わる。自由キャリア濃度は、拡がり抵抗測定法（ＳＲＰ）及び２次イオン質量分光法（ＳＩＭＳ）を含む、この技術分野の当業者には公知の標準的な方法を使用して測定することができる。
【００１３】
寄生チャネルは上面領域に形成され、そして基板表面の下に深さ（ｄ）だけ食い込んで延びる。ほとんどの場合において、寄生チャネルは上面で延びるが、上面領域は、寄生チャネルになっていない薄い部分を上面に含むことができ、かつ寄生チャネルは当該部分の下に位置する、従って上面に近接することができる。一般的に、深さ（ｄ）は寄生チャネルの自由キャリア濃度がバルク基板の自由キャリア濃度に等しい上面からの距離である。従って、深さ（ｄ）はバルク基板の自由キャリア濃度に部分的に依存する。シリコン基板が高抵抗基板であるような実施形態では、自由キャリア濃度は約１０１４／ｃｍ３未満（例えば、１０１２／ｃｍ３）となり得る。通常の寄生チャネル深さは少なくとも１ミクロンであり、約５ミクロン未満とすることができる。
【００１４】
キャリア濃度が相対的に低い（例えば、約１０１４／ｃｍ３未満）寄生チャネルの一部分は、寄生チャネルが発生する場合には、素子性能には大きな影響を与える恐れはないことを理解されたい。
【００１５】
寄生チャネルの自由キャリア濃度は通常、基板上面からの距離とともに低くなる。例えば、図４Ａ〜５Ｂは、実施例１に関して更に説明するように、キャリア濃度対上面からの深さの関係を表わす分布である。本発明の一つの特徴は、自由キャリア濃度が所定の深さで低くなることである。例えば、基板表面から１．０ミクロンの深さでは、キャリア濃度は約１０１６／ｃｍ３未満とすることができ、或る場合においては約５×１０１５／ｃｍ３未満とすることができ、更に或る場合においては約１０１５／ｃｍ３未満とすることができる。深さ方向の分布は上述のＳＲＰ及びＳＩＭＳを使用して生成することができる。
【００１６】
上に説明したように、基板１４はシリコン基板である。本明細書において使用するように、シリコン基板とは、シリコン表面を含むいずれの基板を指すこともできる。適切なシリコン基板の例として、種々ある基板の中でも、全てがシリコンから成る基板（例えば、バルクシリコンウェハ）、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板、シリコンオンサファイア基板（ＳＯＳ）、及びＳＩＭＯＸ基板を挙げることができる。適切なシリコン基板として更に、シリコンウェハをダイヤモンド、ＡＩＮ、または他の多結晶材料のような別の材料に接着させた構成の基板を挙げることができる。異なる結晶方位を有するシリコン基板を使用することができるが、単一結晶シリコン基板が好ましい。或る場合においては、（１１１）シリコン基板が好ましい。他の場合においては、（１００）シリコン基板が好ましい。
【００１７】
或る好適な実施形態では、シリコン基板（または、別の材料の上に形成されるシリコン部分を含む複数の基板に関する基板の少なくともシリコン部分）は高抵抗基板である。例えば、シリコン基板（または、基板のシリコン部分）の抵抗率は約１０２Ω−ｃｍ以上とすることができる。或る場合では、基板（または、基板のシリコン部分）の抵抗率は約１０４Ω−ｃｍ以上とすることができる、または約１０５Ω−ｃｍ以上とすることもできる
。
【００１８】
高抵抗シリコン基板は、高周波数で動作する素子（例えば、ＲＦ素子）を形成するために使用される構造に特に好ましい。高抵抗とすることによって、所謂基板損失を小さくすることができ、この基板損失が生じると性能を劣化させてしまう。これらの基板損失によってシリコン基板の抵抗率が相対的に低くなり、抵抗率の低下は高周波数素子には好ましくない。
【００１９】
寄生チャネルは通常、従来の抵抗率（例えば、０．０１〜０．１Ω−ｃｍ）を有する基板を含む構造よりも、高抵抗シリコン基板を含む構造においてずっと大きな影響を及ぼすことが分かっている。従来の抵抗率を有するシリコン基板は通常、１０１８／ｃｍ３のオーダーのバルクキャリア濃度を有するので、上に説明したドーパント拡散現象によって基板表面のキャリア濃度が変化することはほとんどない、または全くない。従って、寄生チャネルはこのような基板には発生する恐れがない。それとは異なり、ドーパント拡散現象は、普通１０１４／ｃｍ３以下のオーダーのバルクキャリア濃度を有する高抵抗基板の表面領域のキャリア濃度に大きな影響を与える。これらの理由により、一般的に、高抵抗シリコン基板を含む構造の寄生チャネルの影響を小さくすることが一層重要となる。
【００２０】
図示の実施形態では、層１６は基板の上に直接形成される。以下に更に説明するように、層１６は反応活性種（例えば、Ａｌ，Ｇａ元素）を反応室に導入する前に形成することができ、これらの反応活性種は反応することによりIII 族窒化物材料領域を形成する。従って、層はバリアを形成し、このバリアは種々の機能の中でもとりわけ、ドーパントがシリコン基板表面に蓄積するのを制限する、または防止する機能を有する。シリコン基板表面に蓄積するドーパント濃度が低くなるので、シリコンへのドーパント拡散も小さくなり、これによって導電寄生チャネルの導電率が低くなる。しかしながら、或る場合においては、或る量のドーパントが層１６を通り抜けて基板に拡散する恐れがあることを理解されたい。
【００２１】
本発明の構造は、基板とIII 族窒化物材料領域との間に形成される層を含むことができる。従って、これらの場合においては、III 族窒化物材料領域は基板の上に直接形成することができる。或る場合においては、構造は基板とIII 族窒化物材料領域との間に一つよりも多くの層を含むことができる。
【００２２】
或る好適な実施形態では、層１６は窒化シリコン系材料のような窒化物系材料により形成される。窒化シリコン系材料は、非化学量論的窒化シリコン系化合物を含むいずれの窒化シリコン系化合物（例えば、種々の材料の中でもとりわけ、ＳｉＮ，及びＳｉ３Ｎ４，ＳｉＣＮのようなＳｉｘＮｙ）も含む。或る実施形態では、ＳｉＮ層が好ましい。層は、本発明の他の実施形態による他のタイプの材料により形成することも可能である。しかしながら、窒化シリコン系材料に関連する利点の全てがこれらの実施形態において得られなくなる可能性がある。
【００２３】
或る実施形態では、層１６が非晶質（すなわち、非結晶）結晶構造を有することが好ましい。或る実施形態では、層は単一結晶構造または多結晶構造を有することができる。
或る実施形態では、層１６が、特に非晶質材料及び／又は窒化シリコン系材料により形成される場合には非常に薄いことが好ましい。基板の上に直接形成される非常に薄い層は、基板と被覆層／領域（例えば、III 族窒化物材料領域）との間の格子定数差及び熱膨張率差に関連する歪みを吸収することができる。歪みをこのように吸収することによって、ミスフィット転位（及び他のタイプの欠陥）の発生を減らし、かつ被覆層／領域におけるクラックの発生を抑制する／防止することができる。
【００２４】
ドーパント拡散バリアとして機能することもできる適切な歪吸収層については、本出願と同じ譲受人が保有する同時係属中の、２００４年６月２８日出願の「窒化ガリウム材料及び同材料に関連する方法」と題する米国特許出願番号１０／８７９，７０３に記載されており、この文献を本明細書において参照することにより、この文献の内容が本明細書に組み込まれ、更に２００４年７月７日出願の「転位密度の低いIII 族窒化物材料及び同材料に関する方法」と題する米国特許出願番号１０／８８６，５０６に記載されており、この文献を参照することにより、この文献の内容が本明細書に組み込まれる。
【００２５】
或る実施形態では、層１６は約１００オングストローム未満の膜厚を、そして或る場合には、約５０オングストローム未満の膜厚を有する。層１６は約１０オングストローム超の膜厚を有することができ、以下に更に説明するように、この膜厚はこれらの実施形態では、歪み（例えば、格子定数差及び熱膨張率差から生じる）を吸収するために十分な厚さであり、かつこの膜厚によって、基板全体を被覆する層の形成が容易になる。他の実施形態では、層は、歪みを十分に吸収するために約２０オングストローム超の膜厚を有することができる。この層の適切な膜厚範囲は、上に説明した範囲によって定義される値の全てを含む（例えば、約１０オングストローム超かつ約１００オングストローム未満、及び約１０オングストローム超かつ約５０オングストローム未満など）。
【００２６】
或る場合においては、層１６の膜厚は層全体に渡って非常に均一である。例えば、これらの場合においては、層は歪吸収層全体に渡って、２５パーセント未満、または１０パーセント未満の膜厚均一性を有することができる。
【００２７】
以下に更に説明するように、或る実施形態では、窒化シリコン系化合物を有する構成の層は、シリコン基板の上面領域を窒化することにより形成することができる。すなわち、基板の表面領域をシリコンから窒化シリコン系材料に改質して層を形成することができる。本明細書において使用される表現のように、このような層は「基板の上に形成される」、「基板を覆って形成される」、「基板の上に直接形成される」と表現することができ、更に「基板を被覆する」と表現することができることを理解されたい。このような表現は、個別の層を基板の上面に堆積させる（例えば、個別の窒素ソース及びシリコンソースを使用して）ことにより形成され、かつ基板の表面領域を改質することにより形成されるというのではない層を指すこともできる。
【００２８】
図示の実施形態では、層１６は基板の上面のほぼ全体を被覆する。この構造はドーパント拡散を最小にし、かつ被覆領域における転位の発生を最小にするために好ましい。他の実施形態では、層は基板の上面の主要部分（例えば、上面領域の５０パーセント超または７５パーセント超）を被覆することができる。
【００２９】
図示のように、III 族窒化物材料領域１２は層１６の上に形成される。「領域」という用語は一つの層を指すことができる、または複数の層を指すことができることを理解されたい。従って、III 族窒化物材料領域は多数のIII 族窒化物材料層または単一のIII 族窒化物材料層を含むことができる。或る場合においては、III 族窒化物材料領域は、III 族窒化物材料以外の材料から成る層または要素を含むこともできる。
【００３０】
本明細書において使用するように、「III 族窒化物材料」という表現はIII 族元素−窒化物化合物の全てを指し、当該化合物として、窒化ボロン（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ），及び窒化タリウム（ＴｌＮ）だけでなく、III 族元素及びV 族元素を含む合金（例えば、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ，ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ，ＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ，ＡｌｙＩｎ（１−ｙ）Ｎ，ＧａＡｓａＰｂＮ（１−ａ−ｂ），ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）ＡｓａＰｂＮ（１−ａ−ｂ））などを挙げることができる。通常、砒素及び／又はリンは、これらの元
素が含まれる場合、低濃度である（すなわち、５重量％未満）。III 族窒化物材料はｎ型ドープ材料またはｐ型ドープ材料とすることができ、或いは真性材料とすることができる。
【００３１】
或る好適な実施形態では、III 族窒化物材料領域は以下に更に説明するように、窒化ガリウム材料を含む。本明細書において使用するように、「窒化ガリウム材料」という表現は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、及び窒化ガリウム合金の内のいずれかの合金を指し、窒化ガリウム合金として、種々の材料の中でもとりわけ、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ），窒化インジウムガリウム（ＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ），窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ），窒化ガリウム砒素リン（ＧａＡｓａＰｂＮ（１−ａ−ｂ））、窒化アルミニウムインジウムガリウム砒素リン（ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）ＡｓａＰｂＮ（１−ａ−ｂ））を挙げることができる。通常、砒素及び／又はリンは、これらの元素が含まれる場合、低濃度である（すなわち、５重量％未満）。或る好適な実施形態では、窒化ガリウム材料は高濃度のガリウムを含み、かつアルミニウム及び／又はインジウムをほとんど含まない、または全く含まない。高濃度のガリウムを含む実施形態では、和（ｘ＋ｙ）は０．４未満、０．２未満、０．１未満、またはこれらの値よりも小さい値とすることができる。或る場合においては、窒化ガリウム材料層がＧａＮの組成を有する（すなわち、ｘ＋ｙ＝０）ことが好ましい。窒化ガリウム材料はｎ型ドープ材料またはｐ型ドープ材料とすることができる、或いは真性材料とすることができる。適切な窒化ガリウム材料は、本出願の譲受人が保有する米国特許第６，６４９，２８７号に記載されており、この文献を参照することにより、この文献の内容が本明細書に組み込まれる。
【００３２】
図示の実施形態では、III 族窒化物材料領域は中間層１８を含む。しかしながら、中間層を設けるかどうかは任意であることを理解されたい。適切なIII 族窒化物材料中間層は、これらには制限されないが、窒化アルミニウム系材料（例えば、窒化アルミニウム、窒化アルミニウム合金）及び窒化ガリウム材料を含む。中間層は通常、一定の組成を有する。適切な中間層については、以下に更に説明することとし、そして例えば米国特許第６，６４９，２８７号に記載されており、この文献は上の説明において参照することにより、この文献の内容が本明細書に組み込まれている。
【００３３】
中間層は単一結晶構造を有することが好ましい。中間層は単一結晶構造を有すると有利であるが、これは、単一結晶構造を有することによって単一結晶層（例えば、窒化ガリウム材料層）を中間層の上に形成し易くなるからである。或る実施形態では、中間層は基板とは異なる結晶構造を有する。
【００３４】
中間層は単一結晶構造を有する必要はなく、非晶質構造または多結晶構造とすることができるが、単一結晶中間層に関連する利点の全てが得られなくなる可能性がある。
中間層はいずれかの適切な膜厚を有することができる。例えば、中間層は約１０ナノメートル〜５ミクロンの膜厚とすることができるが、他の膜厚を使用することもできる。
【００３５】
図示の実施形態では、遷移層２０は中間層の上に直接形成される。或る好適な実施形態では、遷移層もIII 族窒化物材料領域を含む。或る実施形態では、遷移層を組成傾斜III 族窒化物材料により形成することが好ましい。適切な組成傾斜層については、本出願と同じ譲受人が保有する米国特許第６，６４９，２８７号に記載されており、この文献は上の説明において参照することにより、この文献の内容が本明細書に組み込まれる。
【００３６】
組成傾斜遷移層は、層の少なくとも一部分に渡って変化する組成を有する。組成傾斜遷移層は、遷移層上に形成される窒化ガリウム材料領域におけるクラック発生を、窒化ガリウム材料の熱膨張率と基板（例えば、シリコン）の熱膨張率との差から生じる熱応力を小
さくすることにより低減させるために特に効果的である。組成傾斜遷移層は、III 族窒化物材料層（群）／領域（群）（例えば、窒化ガリウム材料層（群））におけるらせん転位の発生が少なくなるように機能することもできる。或る場合においては、組成傾斜遷移層は、混合転位密度及び刃状転位密度を低くするように機能することもできる。
【００３７】
一連の実施形態によれば、遷移層の組成に傾斜を付けることができ、かつ遷移層は窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ），窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ），及び窒化インジウムガリウム（ＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ）のような窒化ガリウム合金により形成することができる。これらの実施形態では、合金を構成する元素（例えば、Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ）の内の少なくとも一つの元素の濃度を、遷移層の膜厚の少なくとも一部分に渡って変化させる。遷移層がＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎの組成を有する場合、ｘ及び／又はｙを変えることができる。遷移層がＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎの組成を有する場合、ｘを変えることができる。遷移層がＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎの組成を有する場合、ｙを変えることができる。
【００３８】
或る好適な実施形態では、遷移層は、ガリウム濃度が裏面で低く、ガリウム濃度が前面で高くなるように濃度に傾斜を付けたガリウム濃度を有することが望ましい。このような遷移層は、被覆窒化ガリウム材料層内部の内部応力を緩和するために特に効果的であることが判明している。例えば、遷移層はＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎの組成を有することができ、この場合、ｘが遷移層の裏面から前面に向かって小さくなる（例えば、ｘは遷移層の裏面での値１から遷移層の前面での値０にまで小さくなる）。
【００３９】
或る好適な実施形態では、構造１０は窒化アルミニウム中間層及び組成傾斜遷移層を含む。或る好適な実施形態では、組成傾斜遷移層はＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎの組成を有することができ、この場合、ｘは遷移層の裏面での値１から遷移層の前面での値０にまで小さくなる。遷移層の組成には、例えば不連続に（例えば、階段状に）、または連続的に変わるように傾斜を付けることができる。或る不連続傾斜では、ＡｌＮ，Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎ，及びＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎの構成の組成が窒化ガリウム材料層に向かう方向に階段状に変化する。
【００４０】
ここで、或る場合には、遷移層２０は一定の組成を有し、かつ当該層の組成に傾斜を付けないようにすることができることを理解されたい。或る場合（例えば、基板がシリコン基板ではない場合）では、遷移層は一定の組成を有することができる。適切な組成物として、これらには制限されないが、窒化アルミニウム系材料（例えば、窒化アルミニウム、窒化アルミニウム合金）、及び窒化ガリウム材料を挙げることができる。組成が一定であるこれらの実施形態では、遷移層は上に説明した中間層と同様の構成とすることができる。
【００４１】
或る好適な実施形態では、III 族窒化物材料領域は窒化ガリウム材料層を含む。以下に更に説明するように、多くの場合、構造は一つよりも多くの窒化ガリウム材料層を含み、これらの層は部分的に素子の活性領域を構成する。
【００４２】
好適には、窒化ガリウム材料層２２はクラックサイズが小さい。上に説明したように、遷移層（特に、組成に傾斜を付ける場合の）及び／又は中間層によってクラック形成を抑制することができる。クラックサイズが小さい窒化ガリウム材料については、上の説明において参照することにより本明細書に組み込まれる米国特許第６，６４９，２８７号に記載されている。或る場合においては、窒化ガリウム材料領域は、０．００５μｍ／μｍ２未満のクラックサイズを有する。或る場合においては、窒化ガリウム材料領域は０．００１μｍ／μｍ２未満の非常に小さいクラックサイズを有する。或る場合においては、窒化ガリウム材料領域を、０．０００１μｍ／μｍ２未満のクラックサイズにより定義される
ほとんどクラックがない状態とすることが好ましい。
【００４３】
或る場合においては、窒化ガリウム材料層は単一結晶（すなわち、単結晶）構造を有する。或る場合においては、窒化ガリウム材料領域はウルツ鉱型（六方晶系）構造を有する一つ以上の層を含む。
【００４４】
窒化ガリウム材料層の膜厚、及び異なる層の数は少なくとも部分的に、構造が使用される用途により決定される。最低限の条件として、窒化ガリウム材料層（群）の合計膜厚は、所望の構造または素子の形成が可能になるような十分な大きさの値である。窒化ガリウム材料層（群）の合計膜厚は一般的に、必ずではないが、０．１ミクロン超である。他の場合においては、合計膜厚は２．０ミクロン超である、または５．０ミクロン超とすることもできる。
【００４５】
層１６、中間層１８、及び遷移層２０が通常、本発明の構造に基づいて形成される素子の活性領域の一部分（これらの層が一部分となることはできるが）となるという訳ではない。上に説明したように、これらの層を形成することにより窒化ガリウム材料層２２の堆積を容易にすることができる。しかしながら、或る場合においては、中間層及び／又は遷移層は、熱を半導体構造の活性領域から素子の動作中に除去し易くする熱拡散層としての機能を含む他の機能を有することができる。例えば、熱拡散層として機能する遷移層については、２００２年８月２９日に公開された「熱伝導領域を含む窒化ガリウム材料」と題する米国特許公開番号２００２−０１１７６９５に記載されており、この文献を本明細書において参照することにより、この文献の内容が本明細書に組み込まれる。
【００４６】
本発明の構造に基づいて形成される素子の活性領域は部分的に、一つ以上の窒化ガリウム材料層２２に形成することができる。例えば、構造は図２に示すように、かつ以下に更に説明するように、複数の窒化ガリウム材料層（例えば、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）を含むことができる。適切な窒化ガリウム材料層構造については、例えば２００３年１２月１７日に出願され、本出願と同じ譲受人が保有する同時係属中の、「電極決定層を含む窒化ガリウム材料素子、及び同素子の形成方法」と題する米国特許出願１０／７４０，３７６に記載されており、この文献を本明細書において参照することにより、この文献の内容が本明細書に組み込まれる。
【００４７】
図１に示す半導体構造は種々の半導体素子の基本構造を構成することができる。適切な素子は、これらには制限されないが、トランジスタ（例えば、ＦＥＴ）だけでなく、ＬＥＤ及びレーザダイオードを含む発光素子を挙げることができる。本発明の構造を、高周波数で動作する素子に使用すると特に有利である。これらの素子は活性領域を有し、活性領域は通常、少なくとも部分的にIII 族窒化物材料領域の内部に（例えば、一つ以上の窒化ガリウム材料層に）形成される。また、これらの素子は種々の他の機能層群及び／又は要素群（例えば、電極群）を含む。
【００４８】
例えば、図２は本発明の一の実施形態によるＦＥＴ素子３０を示している。素子３０はソース電極３４と、ドレイン電極３６と、そしてゲート電極３８と、を含み、これらの電極は一連の窒化ガリウム材料層（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）の上に形成される。素子は電極形成層４０も含み、この層は図示のように、窒化ガリウム材料領域の表面を保護し、そして被覆するパッシベーション層である。ビア４２は電極形成層４０内に形成され、電極形成層内には、ゲート電極の一部分が形成される。層１６は基板１４の上に直接形成され、かつ中間層１８は層１６の上に直接形成される。
【００４９】
或る実施形態では、層２２ｂの窒化ガリウム材料が層２２ａの窒化ガリウム材料のアルミニウム濃度よりも高いアルミニウム濃度を有することが好ましい。例えば、層２２ｂの
窒化ガリウム材料のｘの値は（上に説明した窒化ガリウム材料のいずれかを参照することにより）、層２２ａの窒化ガリウム材料のｘの値よりも大きい、０．０５〜１．０の間の値を有することができる、または層２２ａの窒化ガリウム材料のｘの値よりも大きい、０．０５〜０．５の間の値を有することができる。例えば、層２２ｂはＡｌ０．２６Ｇａ０．７４Ｎにより形成することができ、層２２ａはＧａＮにより形成することができる。アルミニウム濃度のこの差によって、非常に高い導電率を持つ領域（例えば、２次元電子ガス領域）を層２２ｂと層２２ａとの界面に形成することができる。図示の実施形態では、層２２ｃはＧａＮにより形成することができる。
【００５０】
ここで、本明細書において詳細には説明されない構造及び素子を含む他の構造及び素子は、本発明の技術範囲に含まれることを理解されたい。数ある違いの中でも大きな相違点として、他の構造は他の層及び／又は他の要素を含むことができる。
【００５１】
本発明の方法は、シリコン基板へのドーパントの拡散を少なくする方法を含み、拡散を少なくすることによって寄生チャネルのキャリア濃度を低くすることができる。ドーパントは通常、基板表面に蓄積した後に、またはドーパントが拡散して突き抜ける対象となる基板被覆層の表面に蓄積した後に基板に拡散する。従って、以下に更に説明するように、本方法では、基板（または被覆層）の表面へのドーパントの蓄積を少なくすることができる。
【００５２】
上に説明したように、基板に拡散するドーパントの供給源は、III 族窒化物材料領域を形成する際の反応に使用される反応活性種（例えば、ガリウム及び／又はアルミニウム）である。これらの反応活性種は基板（または、被覆層）の表面に、例えば基板が載置される反応チャンバに基板が搬入された後に、かつIII 族窒化物材料領域が基板の上に形成される前に蓄積する可能性がある。或る場合では、蓄積ドーパントは、例えば前の成長プロセスによって反応チャンバに残留する反応生成物である。同じように、或る場合では、ドーパントは、基板が反応チャンバに搬入される前に基板表面に蓄積する恐れがある。
【００５３】
本発明の方法では、従来の半導体処理技術を使用することができる。このような処理技術では普通、層を基板の上に真空状態のプロセスチャンバ内で成長させる。
或る方法では、基板表面を被覆層を成長させる前に、かつ通常は、基板をプロセスチャンバに搬入する前にクリーニングすることができる。基板表面をクリーニングして、処理中に基板に拡散する恐れのある残留ドーパントを除去することができる。例えば、基板は、バッファード酸化物エッチャント（ＢＯＥ）、フッ酸（ＨＦ）、ＲＣＡ洗浄液（この洗浄液は市販の独自開発のシリコン表面洗浄剤である）などのような湿式化学洗浄剤によりクリーニングすることができる。基板はこのような洗浄剤の混合物によりクリーニングすることもできる。シリコン基板の表面は、アセトン、メタノール、トリクロロエチレン、イソプロピルアルコールなどのような有機溶剤によりクリーニングして、表面から有機汚染物質を除去することができる。
【００５４】
或る実施形態においては、本発明の方法では、プロセスチャンバ内での残留ドーパント（例えば、残留反応生成物）の量を制御することができる。例えば、残留ドーパントの量は、基板をチャンバに搬入する前にチャンバを高温に加熱しながらガス（例えば、ＮＨ３）でパージすることにより減らすことができる。パージ操作は、反応チャンバの壁及び部品への反応生成物の堆積を最小にするように作用することが分かっている。
【００５５】
本発明の方法では、基板の表面領域にカウンタドーピングを行なって、基板に上述のように拡散するドーパントを補償することもできる。カウンタドーピングを行なって、寄生導電領域の正味キャリア濃度を低くする。例えば、基板に拡散するドーパントがｐ型（例えば、Ａｌ，Ｇａ）である場合、カウンタドーピング工程では、ｎ型ドーパントを表面領
域に導入する。
【００５６】
カウンタドーピング工程は多数の方法により行なうことができ、これらの方法では、カウンタドープエピタキシャル層を成長させ（例えば、ｅｘ−ｓｉｔｕ法で）、そして基板表面へのドーパントのカウンタ注入を行ない（または、逆導電型ドーパントを基板表面に拡散させる）、そして活性種を高エネルギーで注入して表面領域が非導電領域になるようにする。
【００５７】
窒化シリコン系材料（例えば、非晶質ＳｉＮ）層を基板表面に直接形成して拡散バリア（種々の機能の中でもとりわけ）として機能させる構成の実施形態では、この層はシリコン基板の上面を窒化することにより形成することができる。窒化プロセスでは、窒素がシリコン基板の上面領域と反応して窒化シリコン系材料層を形成する。上面は、シリコン基板を窒素ガスソースに高温で曝すことにより窒化することができる。例えば、アンモニアを、シリコン基板を載置するプロセスチャンバに導入することができる。プロセスチャンバ内の温度は約１０００℃〜約１１００℃とすることができ、そして圧力は約２０ｔｏｒｒ〜約４０ｔｏｒｒとすることができる（或る場合では、約３０ｔｏｒｒ）。窒素とシリコン基板の反応は、所望の膜厚を有する層を形成するために選択される反応時間に渡って進行する。
【００５８】
個別の窒素ソース及びシリコンソースを使用するプロセス（例えば、ＣＶＤプロセス）を含む他のプロセスを使用して窒化シリコン系材料層を形成することができることを理解されたい。更に、層１６を別のタイプの材料（窒化シリコン系材料以外の材料）により形成する場合、この技術分野で公知の他の堆積プロセスが使用される。
【００５９】
或る実施形態では、層１６は、構造の被覆層（例えば、III 族窒化物材料領域）とともにｉｎ−ｓｉｔｕで形成することができる。すなわち、この層は中間層（及び、或る場合には、後続の層）と同じ堆積工程の間に形成することができる。
【００６０】
III 族窒化物材料領域は公知の成長方法を使用して形成することができる。一の好適な方法によれば、中間層、遷移層、及び窒化ガリウム材料層を、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）プロセスを使用して成長させる。分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、及びハライド気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ）などを含む、この技術分野で公知の他の適切な方法を使用してこれらの層を堆積させることもできることを理解されたい。
【００６１】
一般的に、ＭＯＣＶＤプロセスでは、異なる反応性ソースガス（例えば、Ａｌソースガス，Ｇａソースガス，Ｎソースガス）をプロセスチャンバに導入し、そしてこれらのガスの間の反応を促進する条件を設定して層を形成する。反応は所望厚さの層が形成されるまで行なわれる。層の組成は以下に更に説明するように、ガス組成、ガス濃度、及び反応条件（例えば、温度及び圧力）を含む幾つかの要素によって制御することができる。
【００６２】
或る実施形態においては、本発明の方法では、III 族窒化物材料領域の核形成／成長条件を最適化する。これらの条件は、層１６（または層１６が設けられない場合には基板）の上へのIII 族窒化物材料領域（例えば、中間層１８）の成長が直ぐに（すなわち、III 族元素反応活性種及び反応活性窒素種を導入した直後に）始まるように選択される。III 族元素及び反応活性窒素種を導入し、そしてIII 族窒化物材料領域を成長させた後の時間を短くすることにより、基板（または被覆層）表面への反応活性種の蓄積を少なくする。これらの条件はまた、反応活性種（例えば、Ａｌ種、Ｇａ種）の滞留時間が短くなるように選択される。
【００６３】
この技術分野の当業者であれば、III 族窒化物材料の核形成が高速に行なわれるように
なる成長条件を選択する方法、及び反応活性種の滞留時間を短くする方法を理解することができる。これらの条件は、例えば核形成温度、基板加熱条件、反応活性種の反応速度及び／又は濃度を制御することにより所望の結果が得られるように選択することができる。例えば、一般的に、基板加熱時間を長くし、かつ反応活性ガスの反応速度を高くしてこれらの結果を達成することが望ましい。しかしながら、特定の成長条件は特定のプロセス及び反応炉によって変わる。
【００６４】
窒化シリコン系材料層を、窒素ソース（例えば、アンモニア）を反応チャンバに上述のように導入することにより成長させるプロセスでは、第２ソースガスは、選択遅延時間が窒素ソース導入後に経過した後に導入することができる。第２ソースは窒素ソースと反応して被覆層（例えば、III 族窒化物材料領域の中間層１８）を形成するので、層１６の成長が終了する。例えば、中間層が窒化アルミニウムにより形成される場合、アルミニウムソース（例えば、トリメチルアルミニウム）をチャンバに、選択時間が窒素ソース（例えば、アンモニア）導入後に経過した後に導入する。遅延時間は、層が所望膜厚に成長し、そして表面へのドーパントの蓄積が最も少なくなるように選択される。第２ソース（例えば、アルミニウムソース）と窒素ソースとの反応は、中間層を形成するために十分な時間に渡って進行することができる。中間層が単一結晶構造を有する場合、反応条件は適切に選択される。例えば、反応温度は７００℃超とすることができ、例えば約１０００℃〜約１１００℃とすることができる。或る場合には、例えば約５００℃〜約６００℃の温度を含む低い成長温度を使用することができる。
【００６５】
中間層、遷移層及び窒化ガリウム材料層（群）をＭＯＣＶＤ成長させるための適切なソースガスの例として、アルミニウムソースとしてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）またはトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、インジウムソースとしてのトリメチルインジウム（ＴＭＩ）またはトリエチルインジウム（ＴＥＩ）、ガリウムソースとしてのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、そして窒素ソースとしてのアンモニア（ＮＨ３）を挙げることができる。使用する特定のソースガスは、層の所望の組成によって変わる。例えば、アルミニウムソース（例えば、ＴＭＡまたはＴＥＡ）、ガリウムソース（ＴＭＧまたはＴＥＧ）、及び窒素ソースを使用してＡｌｘＧａ１−ｘＮ組成を有する膜を堆積させる。
【００６６】
ソースガスの流量、ソースガスの比、及びソースガスの絶対濃度を制御して所望の組成を有する遷移層及び窒化ガリウム材料領域を形成することができる。ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層を成長させる場合、通常のＴＭＡ流量は約５マイクロモル／分〜約５０マイクロモル／分であり、当該流量は或る場合においては約２０マイクロモル／分が好ましく、通常のＴＭＧ流量は約５マイクロモル／分〜約２５０マイクロモル／分であり、当該流量は或る場合においては約１１５マイクロモル／分が好ましく、そしてアンモニア流量は通常、約３ｓｌｐｍ〜約１０ｓｌｐｍである。本発明の方法では、ドーパントの蓄積を最も少なくするために特に有効であることが判明している非常に高い流量（及び非常に高いガス反応速度も）使用することができる。
【００６７】
反応温度は通常、約９００℃〜約１２００℃であり、そしてプロセス圧力は約１３３．３ Pa 〜101325 Pa(約１Ｔｏｒｒ〜約７６０Ｔｏｒｒ) である。ここで、プロセス条件、特に流量はプロセスシステム構成によって大きく変わることを理解されたい。通常、スループットの低いシステムでは、スループットの高いシステムよりも流量を小さくする必要がある。
【００６８】
組成傾斜遷移層を形成する場合、プロセスパラメータを適切に調整して組成傾斜を制御する必要がある。組成には、プロセス条件を変えて特定の組成が選択的に成長するようにすることにより傾斜を付けることができる。例えば、遷移層に取り込むガリウムを増やす
ことによりガリウム濃度を高くするために、ガリウムソース（例えば、ＴＭＧまたはＴＥＧ）の流量及び／又は濃度を高くする必要がある。同様にして、遷移層に取り込むアルミニウムを増やすことによりアルミニウム濃度を高くするために、アルミニウムソース（例えば、ＴＭＡまたはＴＥＡ）の流量及び／又は濃度を高くする必要がある。ソースの流量及び／又は濃度を高くする（または低くする）方法によって、組成に傾斜を付ける方法を制御することができる。他の実施形態では、温度及び／又は圧力を調整して特定の化合物を選択的に成長させる。ガリウムを選択的に遷移層に取り込むための成長温度及び圧力は、アルミニウムを選択的に遷移層に取り込むための成長温度及び圧力とは異なる。従って、組成には、温度及び圧力を適切に調整することにより傾斜を付けることができる。
【００６９】
しかしながら、一定の組成を有する遷移層または窒化ガリウム材料層（或いは、中間層）を堆積させる場合、プロセスパラメータを一定に維持して一定の組成を有する層が形成されるようにする。窒化ガリウム材料領域が、それぞれ異なる組成を有する一つよりも多くの窒化ガリウム材料層を含む場合、プロセスパラメータを適切な時点で変更して、形成される層の組成を変更することができる。
【００７０】
ここで、基板上の層群／領域群（すなわち、歪吸収層、中間層、遷移層、及び窒化ガリウム材料領域）の全てを同じプロセスにより成長させることができることを理解されたい。或いは、それぞれの層群／領域群は別々に成長させることができる。
【００７１】
説明したプロセスでは、層群／領域群（すなわち、歪吸収層、中間層、遷移層、及び窒化ガリウム材料領域）を垂直成長プロセスにより成長させる。すなわち、これらの層群／領域群を下地の層群／領域群（基板を含む）に対して垂直方向に成長させる。
【００７２】
しかしながら、本発明の他の実施形態（図示せず）では、窒化ガリウム材料層の少なくとも一部分を、例えば米国特許第６，０５１，８４９号に記載されているようなエピタキシャル横方向成長（ＬＥＯ）法、或いはＰＥＮＤＥＯ成長法を使用して成長させることが可能であり、このＰＥＮＤＥＯ成長法では、隣接するサイドウォールからの成長が融合するまで窒化ガリウム材料柱状構造のサイドウォールをトレンチ内に成長させて窒化ガリウム材料領域を形成するが、これについては、例えば米国特許第６，２６５，２８９号に記載されている。
【００７３】
本出願と同じ譲受人が保有する同時係属中の、２００３年１２月１７日出願の「電極形成層を含む窒化ガリウム材料素子、及び同素子を形成する方法」と題する文献であって、この文献を本明細書の上の説明において参照することにより、この文献の内容が本明細書に組み込まれることになる米国特許出願番号１０／７４０，３７６は更に、図２の実施形態に示す他の層及び要素を成長させるために使用される方法について記載している。
【００７４】
ここで、この技術分野の当業者には公知のように、他のプロセスを使用して本発明の構造及び素子を形成することができることも理解されたい。
上に説明したように、本発明の方法では、シリコン基板の表面に形成される寄生チャネルの自由キャリア濃度を低くする。結果として得られる構造の寄生損失を非常に小さくすることができるので性能が向上する。例えば、本発明の構造により形成される素子（ＲＦ素子のような）は、種々の利点の中でもとりわけ、高出力電力、高電力利得及び高電力効率を有することができる。
【００７５】
構造（図１に示す材料構造と同様の）の寄生損失を特徴付けるための一つの方法では、伝送線路損失を測定する。伝送線路損失測定法はこの技術分野の当業者には公知である。これらの測定法では、テスト構造の伝送線路への入力信号（例えば、ＲＦまたはマイクロ波）の電力レベルを測定し、そしてテスト構造からの出力信号の電力レベルを測定する。
伝送線路損失は入力信号電力レベルを出力信号電力レベルで除算した値である。伝送線路損失は通常、伝送線路の単位長さ当たりの損失ｄＢ／ｍｍとして表わされる。伝送線路は既知の寸法、既知のインピーダンスを有し、かつオーミック損失が絶対に大きな伝送損失を生じることがないほど十分に高い導電度を有する導体により形成することができる。伝送線路損失は信号周波数の関数として測定することができる。
【００７６】
材料構造（図１に示す材料構造と同様の）の伝送線路損失の測定に適する測定構造５０の例を図３に示す。図示の測定構造は５０オームのインピーダンスを有し、かつ１１０ミクロンの幅を有する中心導体線５２を含む。中心導体は金属ストリップ５２ａ及び５２ｂから７１ミクロンだけ離れている。領域５４は構造の露出表面領域である。これはテスト構造の一例であり、かつ他の適切な構造を使用することができることを理解されたい。
【００７７】
寄生チャネルの自由キャリア濃度が低くなるので、本発明の構造は伝送線路損失が非常に小さい。伝送線路損失は高周波数で、かつ広い周波数範囲に渡って小さくすることができる。例えば、本発明の構造は０〜５ＧＨｚまたは０〜１５ＧＨｚの周波数範囲に渡って１．０ｄＢ／ｍｍ未満の伝送線路損失を有する。或る実施形態では、本発明の構造は０〜２６ＧＨｚの周波数範囲に渡って１．０ｄＢ／ｍｍ未満の伝送線路損失を有し、そして或る場合には、０〜４０ＧＨｚの周波数範囲に渡って１．０ｄＢ／ｍｍ未満の伝送線路損失を有する。或る場合では、伝送線路損失は、上述した周波数範囲に渡って０．５ｄＢ／ｍｍ未満とすることができる。
【００７８】
伝送線路損失が小さいことは寄生損失が小さいことを示すが、伝送線路損失が小さいことにより、本発明の構造は、特に高周波数（例えば、ＲＦ）用途において魅力的な構造となる。
【００７９】
次の実施例は本発明を制限するものではない。
（実施例１）
この実施例では、本発明の方法に従って形成され、かつ自由キャリア濃度が低い寄生チャネルを含む構造を、従来の方法に従って形成され、かつ寄生チャネルの自由キャリア濃度を低くしていない構造と比較する。
【００８０】
両方の方法では、約１０４Ω−ｃｍ超の抵抗率を有する１００ｍｍのシリコン基板（１１１）を開始材料とした。両方の方法では、ＡｌＮ層を基板の上にＭＯＣＶＤ反応炉の中で、約１０３０℃の公称成長温度で成長させた。
【００８１】
従来の方法では、アルミニウムソースガスを反応チャンバに導入し、続いて窒素ソースガスを導入した。
本発明の方法では、アルミニウムソースガスを導入する前に、窒素ソースガスを反応チャンバに導入した。この方法によって、窒化シリコン層が基板の表面に直接形成され、この窒化シリコン層が上に説明したように、自由キャリアを基板に生成することができるドーパントの拡散バリアとして機能することができると考えられる。アルミニウムソースガス及び窒素ソースガスの流速も約２倍だけ大きくした。これにより、ＭＯＣＶＤ反応炉内の反応物質及び反応生成種の滞留時間を短くするという更に別の利点が得られる。基板加熱時間も従来の方法よりも短くした（例えば、７分から５分に）。
【００８２】
シリコン基板内部への深さの関数として表わされる自由キャリア濃度を、両方の構造に対してＳＲＰ及びＳＩＭＳを使用して測定した。図４Ａ及び４Ｂはそれぞれ、比較構造に関してＳＲＰ及びＳＩＭＳを使用して得られるキャリア濃度分布である。図５Ａ及び５Ｂはそれぞれ、本発明の構造に関してＳＲＰ及びＳＩＭＳを使用して得られるキャリア濃度分布である。
【００８３】
これらの分布は、バルクシリコンのキャリア濃度（例えば、１０１２／ｃｍ３）よりも高い自由キャリア濃度を有する寄生導電チャネルが両方の構造に形成されることを示唆している。本発明の構造は、約１０１６／ｃｍ３の最大自由キャリア濃度を寄生チャネルに有し、この密度は、従来の構造における約１０１８／ｃｍ３の最大自由キャリア濃度よりもずっと低い（約２桁）。この大きな差は基板内部への深さが深くなっても維持される。これらの差があるということは、本発明の構造の寄生損失が従来構造よりもずっと小さいことを意味する。
【００８４】
この実施例によって、本発明の方法が寄生導電チャネルの最大自由キャリア濃度を低くし、今度は、結果として得られる構造に関連する寄生損失を小さくするために有効であることを確認することができる。
（実施例２）
この実施例では、本発明の方法に従って形成される構造を、従来の方法に従って形成される構造と比較する。
【００８５】
両方の方法では、約１０４Ω−ｃｍ超の抵抗率を有する１００ｍｍのシリコン基板（１１１）を開始材料とした。両方の方法では、成長プロセスをＭＯＣＶＤ反応炉の中で、約１０３０℃の公称成長温度で行なった。両方の場合において、ＡｌＮ中間層をシリコン基板の上に成長させ、組成傾斜ＡｌＧａＮ遷移層を中間層の上に成長させ、ＧａＮ層を遷移層の上に成長させ、そしてＡｌＧａＮ層をＧａＮ層の上に成長させた。
【００８６】
従来の方法では、アルミニウムソースガスを反応チャンバに導入し、続いて窒素ソースガスを成長プロセスの開始時に導入した。
本発明の方法では、アルミニウムソースガスを導入する前に、窒素ソースガスを反応チャンバに導入した。この方法によって、窒化シリコン層が基板の表面に直接形成され、この窒化シリコン層が上に説明したように、自由キャリアを基板に生成することができるドーパントの拡散バリアとして機能することができると考えられる。アルミニウムソースガス及び窒素ソースガスの流速も約２倍だけ大きくした。これにより、ＭＯＣＶＤ反応炉内の反応物質及び反応生成種の滞留時間を短くするという更に別の利点が得られる。基板加熱時間も従来の方法よりも短くした（例えば、７分から５分に）。
【００８７】
両方の構造を更に処理して、図３に示し、かつ上に説明した構造と同様の伝送線路構造を形成した。伝送線路測定は、両方の構造に対して０〜１５ＧＨｚの周波数範囲に渡って行なった。伝送線路測定は更に、本発明の方法に従って形成される更に別の構造に対して０〜２６ＧＨｚの周波数範囲に渡って行なった。
【００８８】
図６は、本発明の方法に従って形成される構造に関する周波数（０〜１５ＧＨｚ）の関数としての伝送効率（Ａ）、及び従来方法に従って形成される構造に関する周波数（０〜１５ＧＨｚ）の関数としての伝送効率（Ｂ）を示している。図示のように、伝送効率（伝送線路の単位長さ当たりの損失ｄＢ／ｍｍで正規化されている）は、従来構造よりも本発明の構造に関して十分に高い（相対的に小さい負値を持つ）。本発明の構造に関する伝送効率は非常に安定していて周波数範囲全体に渡ってゼロに近い（−０．５ｄＢ／ｍｍより大きい）が、従来構造に関する伝送効率は周波数が高くなるにつれて大きく低下する。ここで、伝送線路損失は伝送効率の符号を反転させた値であることを理解されたい。従って、本発明の構造は周波数範囲全体に渡って伝送線路損失が非常に小さい（例えば、０．５ｄＢ／ｍｍ未満）。
【００８９】
図７は、本発明の方法に従って形成される構造に関する周波数（０〜２６ＧＨｚ）の関数としての伝送効率を示している。得られる結果は図６に示す結果と同様であるが、これ
らの結果は、伝送線路損失を更に広い周波数範囲に渡って小さくすることができることを示している。
【００９０】
この実施例によって、本発明の方法が、寄生損失を小さくする結果として伝送線路損失を小さくするために有効であることを確認することができる。従って、これらの構造を使用して形成される素子は高周波数用途において非常に魅力的である。
【００９１】
上述のようにして本発明の少なくとも一つの実施形態の幾つかの態様について説明してきたが、この技術分野の当業者であれば、種々の変更、変形、及び改良を容易に本発明に加え得ることが理解できるであろう。このような変更、変形、及び改良は本開示の一部分を構成するものであり、かつ本発明の技術思想及び技術範囲に含まれるものである。従って、これまでの記述及び図はほんの一例として提示される。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の一の実施形態によるシリコン基板上に形成されるIII 族窒化物材料領域を含む構造を示す断面図。
【図２】本発明の一の実施形態によるシリコン基板上に形成されるIII 族窒化物材料領域を含むトランジスタを示す断面図。
【図３】伝送線路測定構造を示す。
【図４Ａ】実施例１において説明される比較例の構造に使用して得られるそれぞれのキャリア濃度分布を示すＳＲＰプロファイル。
【図４Ｂ】実施例１において説明される比較例の構造に使用して得られるそれぞれのキャリア濃度分布を示すSIMSプロファイル。
【図５Ａ】実施例１において説明される本発明の構造に使用して得られるそれぞれのキャリア濃度分布を示すＳＲＰプロファイル。
【図５Ｂ】実施例１において説明される本発明の構造に使用して得られるそれぞれのキャリア濃度分布を示すSIMSプロファイル。
【図６】伝送効率対周波数の関係を、実施例２において説明される本発明の構造（線Ａ）及び比較例の構造（線Ｂ）と比べて示すグラフ。
【図７】伝送効率対周波数の関係を、実施例２において説明される本発明の構造に関して示すグラフ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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