(57)【要約】  本発明は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、０≦ｘ≦３）の組成を有する窒化物の無亀裂単結晶質層（５）を、該層中に引張応力を発生しそうな基材（１）上に形成する方法に関し、該方法は、ａ）該基材（１）上に核形成層（２）を形成する工程、ｂ）該核形成層（２）上に単結晶質中間層（３）を形成する工程、ｃ）該中間層（３）上に単結晶質種層（４）を形成する工程、ｄ）該種層（４）上にＡｌｘＧａ１−ｘＮ窒化物の単結晶質層（５）を形成する工程を含んでなる。この方法の特徴は、−中間層（３）の材料がアルミニウムおよびガリウム窒化物であり、−種層（４）の材料が、ホウ素含有量が０〜１０％であるＡｌＢＮ化合物であり、−種層（４）の厚さと中間層（３）の厚さとの比が０．０５〜１であり、−種層（４）を形成する温度が、該無亀裂単結晶質ＡｌｘＧａ１−ｘＮ窒化物層（５）を形成する温度より５０〜１５０℃高いことである。
2011515861.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、０≦ｘ≦３）の組成を有する窒化物の無亀裂単結晶質層（５）を、前記層中に引張応力を発生しそうな基材（１）上に形成する方法であって、前記方法が、
ａ）前記基材（１）上に核形成層（２）を形成する工程、
ｂ）前記核形成層（２）上に単結晶質中間層（３）を形成する工程、
ｃ）前記中間層（３）上に単結晶質種層（４）を形成する工程、
ｄ）前記種層（４）上にＡｌｘＧａ１−ｘＮ窒化物の単結晶質層（５）を形成する工程
を含んでなり、
−前記中間層材料（３）がアルミニウムおよびガリウム窒化物であり、
−前記種層（４）の材料が、ホウ素含有量が０〜１０％であるＡｌＢＮ化合物であり、
−前記種層（４）の厚さと前記中間層（３）の厚さとの間の比が０．０５〜１であり、
−前記種層（４）を形成する温度が、前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮの無亀裂単結晶質窒化物層（５）を形成する温度より５０〜１５０℃高いことを特徴とする、方法。
【請求項２】
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ窒化物の前記無亀裂単結晶質層（５）の厚さが８００ｎｍ〜７マイクロメートルである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記中間層（３）の厚さが２５０ｎｍ以上である、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記中間層（３）のアルミニウム含有量が１〜３５％、好ましくは６〜３０％である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記種層（４）の厚さと前記中間層（３）の厚さの比が０．２〜０．３５である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
分子線エピタキシーによる前記種層（４）を形成する温度が、前記無亀裂単結晶質窒化物層（５）を形成する温度より８０℃高い、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、０≦ｘ≦３）の組成を有する窒化物の無亀裂単結晶質層（５）および前記層中に引張応力を発生しそうな基材（１）を含んでなる構造であって、前記構造が、順に、
−前記基材（１）、
−核形成層（２）、
−単結晶質中間層（３）、
−単結晶質種層（４）、
−前記窒化物の単結晶質層（５）
を含んでなり、
−前記種層（４）が、ホウ素含有量が０〜１０％であるＡｌＢＮ化合物であり、
−前記種層（４）が、常温で８０％未満の弛緩率を与えることを特徴とする、構造。
【請求項８】
前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ窒化物の無亀裂単結晶質層（５）の厚さが８００ｎｍ〜７マイクロメートルである、請求項７に記載の構造。
【請求項９】
前記中間層（３）が、アルミニウムおよびガリウム窒化物であり、１〜３５％、好ましくは６〜３０％であるアルミニウム含有量を与える、請求項７または８に記載の構造。
【請求項１０】
前記種層（４）の厚さと前記中間層（３）の厚さの比が０．０５〜１、好ましくは０．２〜０．３５である、請求項７〜９のいずれか一項に記載の構造。
【請求項１１】
前記中間層（３）の厚さが２５０ｎｍ以上であり、前記種層（４）の厚さが３０〜２５０ｎｍである、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の構造。
【請求項１２】
前記種層（４）の常温における弛緩率が５０〜７５％である、請求項７〜１１のいずれか一項に記載の構造。
【請求項１３】
前記窒化物の無亀裂単結晶質層（５）が、アルミニウム３〜５％を含んでなり、前記構造が、前記層（５）上に、順に、
−厚さ５〜１００ｎｍのＧａＮであるチャネル層（７）、および
−ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮおよびＢＧａＮから選択された材料であるバリヤー層（６）
を含んでなる、請求項７〜１２のいずれか一項に記載の構造。
【請求項１４】
前記窒化物の無亀裂単結晶質層（５）上に、順に、
−ＳｃＮのチャネル層（７）、
−ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮおよびＢＧａＮから選択された材料であるバリヤー層（６）
を含んでなる、請求項７〜１２のいずれか一項に記載の構造。
【請求項１５】
前記無亀裂単結晶質層（５）が窒化ガリウムであり、前記構造が、前記層（５）上に、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮおよびＢＧａＮから選択された材料にあるバリヤー層（６）を含んでなる、請求項７〜１２のいずれか一項に記載の構造。
【請求項１６】
請求項７〜１２のいずれか一項に記載の構造を含んでなる、光起電力部品、エレクトロルミネセンスダイオード、Schottkyダイオード、レーザ、光学検出器、またはＭＥＭＳのような装置。
【請求項１７】
請求項７〜１５のいずれか一項に記載の構造を含んでなる電界効果トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平らで、かつ、亀裂の無い、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、ｘは０〜３である）の組成を有する窒化物の単結晶質層を、窒化物の層中に引張応力を発生しそうな基材上に形成する分野に属する。
【０００２】
これらの構造は、その後、エレクトロニクス、光学、オプト−エレクトロニクスまたは光起電力用途に使用されて、光起電力部品、エレクトロルミネセンスダイオード、Schottkyダイオード、レーザ、光学検出器、ＭＥＭＳ（「微小−電気−機械的装置」）、整流器および電界効果トランジスタ、例えばＨＥＭＴ（「高電子移動度トランジスタ」）またはＭＯＳ（「金属−酸化物−半導体トランジスタ」）トランジスタ、を形成する。
【背景技術】
【０００３】
窒化ガリウム（ＧａＮ）ホモエピタキシーは、天然ＧａＮ基材が存在しないために、今日まで達成できていない。従って、ヘテロエピタキシー、すなわち異なった性質を有する基材上における成長に頼る必要がある。
【０００４】
この目的には、ケイ素や炭化ケイ素のような基材が、ＧａＮとの格子パラメータが僅かに異なっているために、特に有望である。
【０００５】
しかし、そのような基材には、熱膨脹率（ＣＴＥ）が窒化ガリウムの熱膨脹率よりかなり小さいので、エピタキシー後の冷却の際に、窒化ガリウム層の中に引張応力が生じるという欠点がある。
【０００６】
窒化ガリウム層が厚い程、この応力が大きい。この応力が特定の閾を超えると、その材料は亀裂を形成することにより、弛緩する傾向がある。
【０００７】
亀裂は、層中の巨視的な損傷、すなわち層の表面に現れる不連続性、であり、電子装置の製造に使用できなくなる。
【０００８】
基材上に無亀裂窒化ガリウム単結晶質層を、引張応力を発生しそうな基材上に製造する方法が、ＷＯ０１／９５３８０から公知である。
【０００９】
図１に関して、この方法は、基材１０上に
−核形成層２０または緩衝層
−ＧａＮの第一層３０
−格子パラメータが窒化ガリウムの格子パラメータより小さい材料である、厚さが１００〜３００ｎｍである単結晶質中間層４０
−ＧａＮの厚い層５０
を順次形成することからなる。
【００１０】
中間層４０の機能は、窒化ガリウムを成長させるための種層になることである。窒化ガリウムは、事実、その下になる層の材料の格子パラメータと一致する。
【００１１】
中間層４０は、その格子パラメータが低いので、堆積温度で、上にある窒化ガリウム層５０の中に圧縮応力を与える。
【００１２】
この圧縮応力は、ＧａＮと基材との間の熱膨脹率の差により、冷却の際にＧａＮ中に生じた引張応力を相殺する。
【００１３】
先行技術では、中間層４０は、良品質のエピタキシーおよび応力のかかったＧａＮ層を可能にするために良好な結晶性品質を与えなければならない。ＧａＮが界面で弛緩しないためには、事実、中間層とＧａＮ層との間の界面が完全に平らであることが重要である。
【００１４】
従って、この方法は、今日約３μｍに達することがある厚さの層をケイ素基材上に製造することができる。
【００１５】
しかし、成長の際に、ＧａＮは、転位を形成することにより、部分的に弛緩するので、ＧａＮが成長できる厚さは限られている。特定の厚さを超えると、ＧａＮの層は、再び張力が作用し、冷却の際に亀裂を生じ易くなる。
【００１６】
従って、本発明の第一目的は、先行技術で達成できる層よりもさらに厚い窒化ガリウム層の形成を可能にすることである。典型的には、亀裂を生じることなく、好ましくは転位レベル５．１０９ｃｍ−２で、厚さが２μｍを超え、７μｍ以上に達することができる層を得ることを目標とする。
【００１７】
さらに、層の厚さがさらに増加する程、構造の上側表面でより大きな凹状曲率が観察される。ＧａＮ層中の引張応力が、事実、ケイ素基材中に凹状変形を誘発する。この現象は、ウェハ直径が大きい程、より多く認められる。ここで、この平面性の欠如は、電子または光電子部品を製造する時に、後に続く技術的工程で克服できなくなることがあるので、問題である。
【００１８】
従って、本発明の別の目的は、形成される窒化ガリウムの厚い層の平面性を改良することである。
【発明の概要】
【００１９】
本発明によれば、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、０≦ｘ≦３）の組成を有する窒化物の無亀裂単結晶質層を、該層中に引張応力を発生しそうな基材上に形成する方法であって、
ａ）該基材上に核形成層を形成する工程、
ｂ）該核形成層上に単結晶質中間層を形成する工程、
ｃ）該中間層上に単結晶質種層を形成する工程、
ｄ）該種層上にＡｌｘＧａ１−ｘＮ窒化物の単結晶質層を形成する工程
を含んでなる方法が提案される。
【００２０】
本方法の特徴は、
−中間層材料がアルミニウムおよびガリウム窒化物であり、
−種層材料が、ホウ素含有量が０〜１０％であるＡｌＢＮ化合物であり、
−種層の厚さと中間層の厚さとの間の比が０．０５〜１であり、
−種層を形成する温度が、該無亀裂単結晶質ＡｌｘＧａ１−ｘＮ窒化物層を形成する温度より５０〜１５０℃高いことである。
【００２１】
従って、無亀裂単結晶質ＡｌｘＧａ１−ｘＮ窒化物層の厚さは、８００ｎｍ〜７マイクロメートルでよい。
【００２２】
本発明の他の特に有利な特徴によれば、
−中間層の厚さが２５０ｎｍ以上であり、
−中間層のアルミニウム含有量が１〜３５％、好ましくは６〜３０％であり、
−基材がケイ素、ダイヤモンドまたは炭化ケイ素からなり、
−種層の厚さと中間層の厚さとの間の比が０．２〜０．３５であり、
−種層の厚さが３０〜２５０ｎｍであり、
−分子線エピタキシーによる種層形成の温度が、無亀裂単結晶質窒化物層を形成する温度より８０℃高いことである。
【００２３】
別の目的は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、０≦ｘ≦３）の組成を有する窒化物の無亀裂単結晶質層および該層中に引張応力を発生しそうな基材を含んでなる構造に関し、該構造は、順に、
−該基材、
−核形成層、
−単結晶質中間層、
−単結晶質種層、
−該窒化物の単結晶質層
を含んでなる。
【００２４】
この構造の特徴は、
−種層材料が、ホウ素含有量が０〜１０％であるＡｌＢＮ化合物であり、
−種層が、常温で８０％未満の弛緩率を与える
ことである。
【００２５】
その場合、無亀裂単結晶質ＡｌｘＧａ１−ｘＮ窒化物層の厚さは８００ｎｍ〜７マイクロメートルでよい。
【００２６】
本発明の別の好ましい特徴によれば、
−中間層が、アルミニウムおよびガリウム窒化物であり、１〜３５％、好ましくは６〜３０％のアルミニウム含有量を与え、
−種層の厚さと中間層の厚さとの間の比が０．０５〜１、好ましくは０．２〜０．３５であり、
−中間層の厚さが２５０ｎｍ以上であり、
−種層の厚さが３０〜２５０ｎｍであり、
−基材がケイ素、ダイヤモンドまたは炭化ケイ素からなり、
−種層の常温における弛緩率が５０〜７５％である。
【００２７】
特別な実施態様では、無亀裂単結晶質窒化物層が、アルミニウム３〜５％を含んでなり、該構造が、該層上に、順に
−厚さ５〜１００ｎｍのＧａＮであるチャネル層、および
−ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮおよびＢＧａＮから選択された材料であるバリヤー層
を含んでなる。
【００２８】
本発明の別の実施態様によれば、該構造は、無亀裂単結晶質窒化物層上に、順に
−ＳｃＮのチャネル層、および
−ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮおよびＢＧａＮから選択された材料であるバリヤー層
を含んでなる。
【００２９】
別の変形によれば、無亀裂単結晶質層は、窒化ガリウムであり、該構造は、該層上に、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮおよびＢＧａＮから選択された材料であるバリヤー層を含んでなる。
【００３０】
本発明は、上に説明した構造を含んでなる光起電力部品、エレクトロルミネセンスダイオード、Schottkyダイオード、レーザ、光学検出器またはＭＥＭＳにも関する。
【００３１】
最後に、本発明は、上記の構造を含んでなる電界効果トランジスタにも適用される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照しながら行う下記の詳細な説明から明らかである。
【図１】先行技術による窒化ガリウムの無亀裂層を含んでなる構造を示す。
【図２】本発明の構造を図式的に示す。
【図３】本発明の構造から構築された電子装置を示す。
【図４】本発明による電子装置の別の配置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
窒化ガリウムの無亀裂単結晶質層を、引張応力を発生しそうな基材上に製造する方法を以下に詳細に説明する。
【００３４】
この構造を構成する様々な単結晶質層を形成する工程は、エピタキシーにより行われる。従って、本願では、「堆積」および「成長」は、エピタキシーによる単結晶質層の形成を意味する。
【００３５】
本発明は、当業者には良く知られているあらゆる種類のエピタキシー、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属気相エピタキシー（ＯＭＶＰＥ）、またはＬＰＣＶＤ（低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）またはＨＶＰＥ（水素化物気相エピタキシー）にも適用される。
【００３６】
基材１は、ＧａＮ層中に引張応力を発生しそうな単結晶質材料、例えばケイ素、ダイヤモンドまたは炭化ケイ素、である。
【００３７】
この基材１上に、核形成層２を、格子パラメータが、基材の格子パラメータとＧａＮの格子パラメータとの中間にある材料で形成する。特に有利な様式では、核形成層が、厚さが４０ｎｍのオーダーにあるＡｌＮから製造される。基材材料との格子パラメータ不適合により、この層は、良好な（great）結晶性品質を示さない。
【００３８】
次いで、いわゆる「中間層」である単結晶質層３を核形成層２の上に成長させる。
【００３９】
次いで、中間層３の上に単結晶質種層４を成長させる。種層の材料は、典型的にはＡｌＮである。
【００４０】
最後に、単結晶質窒化ガリウム層５を、厚さ１００ｎｍ〜７マイクロメートル、好ましくは８００ｎｍ〜７マイクロメートルで成長させる。
【００４１】
これらの様々な成長工程の間、構造は、同じエピタキシー支持体中に止まることができ、その中で、パラメータ（化学種の性質、温度）が、成長させる材料に応じて変化する。しかし、必要に応じて、幾つかの装置で異なった材料のエピタキシーを進行させることができる。
【００４２】
核形成層２を、幾つかの異なった材料の層を堆積させることにより、形成することができる。従って、例えば組成が次第に変化する層を形成し、支持体の格子パラメータとその上の中間層３の格子パラメータとの間の格子パラメータを発達させることができる。これによって、より厚くてよく、従ってより優れた結晶品質を有することができる中間層３材料との格子不適合を低くすることができる。
【００４３】
中間層３材料は、典型的には三元合金ＡｌＧａＮであり、種層４の圧縮を誘発することができ、その中でアルミニウムの比率が１〜３５％、好ましくは６％を超える、および／または３０％未満である。
【００４４】
ＡｌＧａＮ中間層３中の好ましい最大アルミニウム含有量は、材料の望ましい結晶均質性（すなわち、あらゆる点で等しいアルミニウムおよびガリウムの含有量）と良好な結晶性を確保する堆積温度の折衷から選択する。
【００４５】
事実、中間層３のアルミニウム含有量が高い程、堆積温度を（アルミニウムを含まないＧａＮの層の堆積温度と比較して）高く、耐火性が非常に高い材料であるＡｌＮ（ＡｌＮ堆積に一般的に使用する温度は１３５０℃のオーダーにある）の堆積温度に近くすべきである。
【００４６】
しかし、揮発性が非常に高いガリウム元素の存在により、その蒸発の危険性無しにそのような高い温度に到達することはできない。
【００４７】
従って、十分な結晶均質性および良好な結晶性を得るのに好適な堆積温度を維持するためには、アルミニウム含有量は、好ましくは３５％未満である。非常に良好な結晶品質を得るには、アルミニウム含有量は、現状技術水準では約２０％にすべきである。
【００４８】
中間層３の厚さは、好ましくは２５０ｎｍを超える。
【００４９】
ケイ素の基材１、ＡｌＮの核形成層２で、ＡｌＧａＮの中間層３の厚さは、６００ｎｍに達することができる。他方、６００ｎｍの厚さを超えると、基材１と中間層３との間のＣＴＥの差により課せられる応力が、構造を冷却する時に中間層の亀裂を発生する危険性が生じる程になる。
【００５０】
ＡｌＧａＮの中間層３中に応力をあまり誘発しないＳｉＣから製造され基材１およびＡｌＮから製造された核形成層２では、層３は、亀裂を発生せずに、２マイクロメートルに達することができる。
【００５１】
ＡｌＧａＮの中間層３の影響は、多種多様である。
【００５２】
第一に、格子パラメータが、下にある核形成層２の、および上にある種層４のＡｌＮの格子パラメータに近い−先行技術で使用されるＧａＮの格子パラメータより近い。この格子パラメータにおける僅かな差により、この層中の転位の量が低減される。
【００５３】
さらに、アルミニウムの存在は、特にアルミニウム含有量が６％を超えた時に、中間層３を補強し、ＡｌＮ種層４により課せられる逆応力（backstress）に、ＧａＮよりも良く耐えられる。事実、ＧａＮは、高温で脆く、上にあるＡｌＮにより課せられる応力の影響下で、ガリウムの外拡散（exodiffusion）により破壊される傾向がある。
【００５４】
上記の点から、種層４の堆積温度を、中間層３を分解させずに、上昇させることができ、これによって種層４の材料の結晶品質を改良することができる。それでも、この種層４の堆積温度は、基材が分解する温度により制限される。ケイ素の場合、温度限界は約１３００℃にある。
【００５５】
最後に、中間層３の厚さが２５０ｎｍを超えると、この層は、転位を生じ、互いに取り消すので、種層４が上に堆積することになる種層４上の表面における結晶品質を改良することができる。その結果、より平滑なＡｌＧａＮ／ＡｌＮ界面が生じ、これがＡｌＮの仮像的（pseudomorphic）成長を促進する。弛緩と同義語である３Ｄ成長（すなわち、島の形態で）の可能性は、原子が再配置し、弛緩した結晶を形成するためのより高い自由度を提供する粗雑な界面との関係で、低下する。
【００５６】
逆に、２５０ｎｍ未満の中間層３は、平滑な界面を得るための十分な結晶化度に達することができず、種層４の材料中における高度の欠陥につながる。
【００５７】
層３および４は、種層４の厚さと中間層３の厚さとの比を０．０５〜１、好ましくは０．２〜０．３５にする必要がある。
【００５８】
この厚さの比は、種層４中に良好な応力を維持するのに必要である。事実、中間層３が、種層４の中に応力を課すには、種層４の厚さと適合する厚さを有する必要があることは、容易に理解できる。
【００５９】
種層４の厚さは、好ましくは３０〜２５０ｎｍである。
【００６０】
さらに、ＡｌＮ種層４の堆積温度は、上に来るＧａＮ層５の堆積温度より５０〜１５０℃高い。典型的には、ＡｌＮは、９２０℃のオーダーにある温度で堆積させ、ＧａＮは、約８００℃で堆積させる。
【００６１】
ＭＢＥにより、ＧａＮは従来７５０〜８３０℃で堆積させ、ＡｌＮは８０〜１５０℃高い温度で形成する。しかし、差が８０℃より少ない場合、種層中の弛緩率は十分ではなくなる。
【００６２】
ＯＭＶＰＥにより、ＡｌＮは、例えば、１０５０〜１２００℃、ＧａＮは、９５０〜１１００℃の温度で堆積させる。この技術により、堆積温度の差を５０℃まで低下させ、ＧａＮの層５の中に発生する応力に望ましい影響を及ぼすことができる。
【００６３】
上に説明したように、下にある中間層３の材料は温度に対する耐性が優れているので、種層４を非常に高い温度で成長させることができる。
【００６４】
しかし、ＡｌＧａＮから製造された層３のアルミニウム含有量が低い程、例えば８％である場合、その耐熱性は低くなり、層４の堆積温度とＧａＮから製造される層５の堆積温度との差はより大きくなり、ＡｌＧａＮ材料の解離を引き起こすことがある。この場合、１２０℃未満の差を維持するのが好ましい。
【００６５】
本方法のこれらの特別な条件により、幾つかの利点が得られる。
【００６６】
第一に、種層４の高い堆積温度は、その結晶化度を改良する。
【００６７】
さらに、ＧａＮの厚い層５を種層４の成長温度より低い温度で堆積させることにより、種層の格子パラメータが圧縮される。このＡｌＮ層の小さい格子パラメータにより、２種類の材料を同じ温度で堆積させた場合よりも、ＧａＮの厚い層５により大きな圧縮応力を生じることができる。
【００６８】
その結果、ＡｌＮ種層は、常温における弛緩率が８０％未満、好ましくは５０〜７５％になる。弛緩率とは、圧縮されたＡｌＮの格子パラメータとＡｌＮの格子パラメータの、弛緩した状態における比を意味する。圧縮は、層の表面に対して平行の平面（ｘ、ｙ）に沿って起こる。
【００６９】
従って、先行技術の方法と比較して、種層４は、より圧縮された状態にある。しかし、ＡｌＧａＮの中間層３を使用することにより、結晶品質が非常に優れた種層４が得られ、これによって、上に来る窒化ガリウムの層を、界面における弛緩を制限することにより、圧縮することができる。
【００７０】
その結果、ＧａＮの層５にさらに大きな圧縮応力が生じ、これによって、常温に戻った構造中における亀裂形成または湾曲無しに、この層の厚さを増加することができる。
【００７１】
弛緩率が８０％未満であるＡｌＮ種層を得ることが本発明実行の不可欠な条件である場合、本発明は、そのような層を得るための上に記載する特定の方法に制限されるものではない。従って、本発明の範囲から離れることなく、ＡｌＧａＮの材料以外の材料である中間層を使用し、上に来る種層中に８０％未満の弛緩率を生じる堆積条件を決定することができる。
【００７２】
最終的構造の曲率が、常温で厚い層５中の残留応力に直接関連しているので、基材によりＧａＮ上に課せられる引張応力を相殺させる本発明によれば、構造の応力および湾曲が低減される。本発明によれば、特に、４または６インチの直径に対して３０マイクロメートル未満の、好ましくは１０マイクロメートル未満の曲率が可能になる。
【００７３】
さらに、本発明は、窒化ガリウムの層の製造に限定されるものではなく、より一般的に、ガリウムおよびアルミニウム窒化物の層の製造に適用される。
【００７４】
従って、層の製造に対して同じパラメータプロセスを保持しながら、ＧａＮの層５中に３０％までのアルミニウムを取り入れることができる。
【００７５】
次いで、層５の組成物を、ｘが０〜０．３であるＡｌｘＧａ１−ｘＮの表現により処方することができる。
【００７６】
アルミニウム２０％を含んでなるＧａＮの層５の成長は、例えば厚さ３マイクロメートルで、亀裂無しに、温度８００℃で達成することができる。
【００７７】
さらに、１０％までのホウ素をＡｌＮ種層４で取り入れ（その場合、種層４は、ｘが０〜０．１である式Ａｌ１−ｘＧａＢｘＮにより表される組成を有する）、本発明に必要なこの層の特性および効果を保持することができる。
【００７８】
例えば、ＢＮ材料の格子パラメータがＡｌＮの格子パラメータより小さいので、Ｂ１０％を含んでなり（またはｘ＝０．１）、ＡｌＧａＮの中間層３上に堆積させた層４は、層５のＧａＮをさらに圧縮する。
【００７９】
ＢＮ材料は、ＡｌＮのように耐火性が非常に高い材料なので、Ａｌ１−ｘＧａＢｘＮは、高温で非常に良い結晶化度で堆積させることができ、層５のＧａＮの堆積温度との同じ差が可能である。
【００８０】
アルミニウムを含む中間層の使用により、ＡｌＮ種層中に高い圧縮応力が得られることは、材料の結晶構造中にコヒーレンス平面が存在することにより説明できる。これらのコヒーレンス平面は、問題とする界面の両側における材料の格子パラメータの倍数またはハーモニックスに相当する。
【００８１】
応力は、各格子のレベルで作用するのではなく、二つの隣接するコヒーレンス平面間に分布している。
【００８２】
ＧａＮと比較して、より低い格子パラメータを与えるＡｌＧａＮは、上にある種層４のＡｌＮの格子パラメータを異なったコヒーレンス平面により圧縮することができよう。
【００８３】
事実、中間層３と種層４との間にあるのは単純な格子適合ではなく、二つのコヒーレンス平面間の適合、界面の両側における格子パラメータの倍数であろう。
【００８４】
例えば、弛緩した状態では、ＧａＮである中間層３の格子パラメータは３．１８５Åであるのに対し、ＡｌＮである種層４の格子パラメータは３．１１Åである。
【００８５】
従って、界面の両側に、９７結晶格子ＧａＮおよび１００結晶格子のＡｌＮが二つのコヒーレンス平面間にあると仮定することにより、全てのＡｌＮ格子間に分布した２Åの残留応力が残り、従って、ＡｌＮ格子は非常に僅かに圧縮されている。
【００８６】
ＡｌＧａＮの中間層３では、コヒーレンス平面は、種層４の各ＡｌＮ格子に作用する残留応力が著しく大きくなる、すなわち２０％を超えるようなコヒーレンス平面である。
【００８７】
実験結果
ＧａＮの層は、亀裂無しに、少なくとも３μｍの厚さで成長することができ、堆積後の最終的な構造は、約８マイクロメートルの湾曲を、４および６インチ直径で、ＧａＮにおける転位レベル５．１０９ｃｍ−２未満で与える。
【００８８】
これらの結果は、下記の方法を実行することにより、得られる。
【００８９】
ケイ素基材１上に、ＡｌＮ核形成層２を、９００℃で、厚さ４０ｎｍにわたって堆積させる。
【００９０】
次いで、アルミニウム３％を含んでなるＡｌＧａＮの中間層３を、８００℃で、厚さ３００ｎｍにわたって堆積させる。
【００９１】
ＡｌＮ種層４を、９２０℃で１８０ｎｍの層が得られるまで、堆積させる。この層は、常温における弛緩率が７０％である。
【００９２】
次いで、ＧａＮの５マイクロメートルの厚い層５を、７８０℃で、成長速度１μｍ／ｈで、亀裂発生無しに堆積させる。
【００９３】
一変形では、ＡｌＧａＮの中間層３も、アルミニウム含有量１５％で厚さ５００ｎｍを与えることができ、一方、ＡｌＮ種層４は、厚さ１５０ｎｍを与え、非常に良好な応力を種層４中に残す。
【００９４】
当業者は、ＡｌＮ種層４の堆積の際に温度上昇を行い、９２０℃に達した後に、ＡｌＧａＮの中間層３を８００℃で堆積させることができる。
【００９５】
電子装置製造への応用
本発明は、電子またはエレクトロルミネセンス装置または高周波または高電力で作動する装置、例えば光起電力部品、エレクトロルミネセンスダイオード、Schottkyダイオード、レーザ、光学検出器、ＭＥＭＳ、ＨＥＭＴ型電界効果トランジスタ、または例えば整流器もしくはＭＯＳトランジスタの製造に有利に使用することができる。
【００９６】
図３に関して、電界効果トランジスタは、典型的には、ＧａＮの層５から−それがエピタキシーされる構造上に−形成され、ＧａＮ層５は、例えばＡｌＧａＮのバリヤー層６により覆われる。
【００９７】
ＧａＮ層５とＡｌＧａＮ層６との間の界面は、ヘテロ接合を構成し、そこではＧａＮが、ＡｌＧａＮの禁制帯より小さい禁制帯を有する。
【００９８】
ＧａＮ層５の、界面下にある上部はチャネル（図には示していない）を限定し、その中を、電子の二次元的ガスが循環できる。
【００９９】
ここで、第二のヘテロ接合、すなわち、中間層３と種層４との間のヘテロ接合、がこの装置の構造中存在する。
【０１００】
この第二ヘテロ接合は、電子を閉じ込める傾向があるポテンシャルウェルを構成し、潜在的に容量効果を創出する。
【０１０１】
この電子装置では、中間層３がＡｌＧａＮである冒頭に記載した先行技術におけるようなＧａＮではない−という事実により、第二ヘテロ接合のサイズを小さくすることができ、従って、電位容量効果を制限する。
【０１０２】
ＨＥＭＴ型トランジスタ（図３に示す）の場合、電子装置は、少なくとも一個のオーム接触電極８ａおよび一個のSchottky接触電極８ｂも含んでなり、オーム接触電極８ａは、好ましくはバリヤー層６の上に堆積させ、Schottky接触電極は、バリヤー層上に形成された表面層９の上に堆積させる。オーム接触電極は、総計２個になり、ソースおよびドレーン電極と呼ばれる。
【０１０３】
そのようなトランジスタを形成する第一の例では、アルミニウム含有量２０％のＡｌＧａＮの中間層３、および厚さ８００Åで、弛緩率６５％の種層４がＳｉＣ基材上に形成される。
【０１０４】
次いで、ＧａＮ層５を、厚さ１．５マイクロメートルにわたって亀裂形成無しに堆積させ、ＨＥＭＴトランジスタを形成する。
【０１０５】
図４に示す一変形では、本発明を、構造の材料が、上記の構造の材料とは異なった組成を有する電界効果トランジスタに適用することがでる。
【０１０６】
例えば、層５は、アルミニウム３〜５％のＡｌＧａＮからなり、厚さが１．８〜２．２ミクロンである。
【０１０７】
次いで、例えば厚さが５〜１００ｎｍのＧａＮのチャネル層７を、層５とＡｌＧａＮのバリヤー層６との間に挿入し、チャネル層７のＧａＮとバリヤー層６のＡｌＧａＮとの間の禁制帯の差により、ヘテロ接合にポテンシャルウェルを形成することができ、その中を、電子の二次元的ガスが循環できる。
【０１０８】
バリヤー層６は、アルミニウム２０〜７０％を含んでなり、厚さ５〜３０ｎｍを有するのが有利である。
【０１０９】
バリヤー層６中のアルミニウム含有量が高くなる（例えば３０％を超える）と、層中のアルミニウムの均質性を制御するのが困難になる。
【０１１０】
次いで、窒化アルミニウムの薄い層（これは低含有量のガリウムを含むことができる）および窒化ガリウムの薄い層（これは低含有量のアルミニウムを含むことができる）を、所望の厚さおよびＩＩＩ族元素含有量に達するまで、交互に配置することにより、バリヤー層６を形成するのが有利である。この種の薄い層の交互配置または積重は、当業者には、「超合金」または「超格子」の名称で公知である。
【０１１１】
あるいは、ＡｌＩｎＮのバリヤー層６を上記の構造上に、層５がＧａＮである場合には、層５の上に直接、または層５がアルミニウムを含む場合には、層５の上に前もって形成されたチャネル層７の上に、形成するのも有利である。
【０１１２】
事実、ＡｌＩｎＮ材料は、非常に大きなバンドギャップを与える。従って、この層は、ＧａＮおよび層５との、または適切であれば、チャネル層７とのヘテロ接合に深いウェルを促進する。
【０１１３】
さらに、この材料は、ＡｌＧａＮより遙かに大きい「自然の」圧電界を与える。
【０１１４】
この、材料の性質によって異なる自然圧電界は、構造の総圧電界に関与し、この圧電界は、バリヤー材料中の応力により「誘発される」。
【０１１５】
従って、ＡｌＩｎＮの自然圧電界は大きいので、材料を制限して総圧電界を増加させる必要が無い。この層は、弛緩した状態で堆積させることができ、電子ガスの密度に対して、ＡｌＧａＮのバリヤー層６と同じ効果を有することができる。弛緩した状態における成長により、結晶欠陥の形成を制限し、結晶界面の品質を向上させ、漏れ電流の形成を阻止することができる。
【０１１６】
ＧａＮ層５の上に、または適切であれば、ＧａＮチャネル層７の上に、ＡｌＩｎＮを堆積させることのもう一つの利点は、ＡｌＩｎＮ中のインジウム含有量に応じて、この材料がＧａＮと格子適合できることにある。例えば、インジウム１８％を含んでなるＡｌＩｎＮは、弛緩したＧａＮの格子パラメータを有する。ＧａＮが、ＡｌＧａＮの層３上で圧縮されている場合、その格子パラメータは低下するので、ＡｌＩｎＮのインジウム含有量を下げ、格子適合を保存するのが容易になる。
【０１１７】
別の利点は、ＡｌＩｎＮ材料が、高レベルのｎ型ドーピングで容易に製造できることにある。次いで、この材料を使用し、電子を保存し、二次元的電子ガスの密度を増加させることができる。
【０１１８】
好ましくは、電界効果トランジスタは、インジウム５〜２５％を含んでなるＡｌＩｎＮのバリヤー６から製造する。
【０１１９】
例えば１５〜３０％ホウ素を含んでなるＢＧａＮのバリヤー層６を、ＧａＮの層５の上、または適切であれば、ＧａＮのチャネル層７の上に形成することができる。この材料の利点は、ＢＮの格子パラメータが、ＡｌＮおよびＧａＮの格子パラメータより小さいので、バリヤー層６の材料がさらに圧縮されることである。
【０１２０】
従って、バリヤー層中の応力が大きい程、誘発される圧電界も大きく、電子ガスの密度がより高い。
【０１２１】
その場合、バリヤー層６の厚さを小さくし、ＧａＮ上の、標準的な厚さを有するＡｌＧａＮにより得られる圧電界に等しい圧電界を誘発することができる。構造の表面と電子チャネルとの間の距離は、低く、電子ガスの制御が改良される。
【０１２２】
別の実施態様では、ＡｌｘＧａ１−ｘＮの層５上にＳｃＮのチャネル層７を堆積させる。この二元材料は、三元材料より容易に形成され、非常に良好な結晶品質および均質な材料を得ることができる。その格子パラメータは、ＧａＮの格子パラメータに非常に近く（格子不適合が０．１％未満）、この材料をＧａＮの層５の上に成長させることにより、結晶欠陥の形成を抑制し、良好な結晶性界面が可能になる。
【０１２３】
この界面は、層５および７の材料が二元であるので、それだけ改良されており、元素の拡散が制限され、電界（field）が均質である。この効果は、例えばＡｌＮの二元材料のスペーサ層がチャネル層７とバリヤー６との間に挿入された場合に、さらに改良される。
【０１２４】
層５がアルミニウムを含む場合、格子パラメータの差のために、層７のＳｃＮ材料は拘束され、これによって、二次元的ガス電子の移動度が増加する。
【０１２５】
この材料のバンドギャップは２．３ｅＶであり、ＧａＮ／ＳｃＮおよびＳｃＮ／ＡｌＧａＮ界面で発生する電界に特に好適である。
【０１２６】
このチャネル７の厚さは５〜１００ｎｍでよく、バリヤー６の材料は、好適なヘテロ接合を得る要に選択する。この材料は、例えばＡｌＧａＮ、ＢＧａＮおよびＡｌＩｎＮである。
【図１】
2011515861.tif 000003
【図２】
2011515861.tif 000004
【図３】
2011515861.tif 000005
【図４】
2011515861.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成22年11月25日(2010.11.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、０≦ｘ≦３）の組成を有する窒化物の無亀裂単結晶質層（５）を、前記層中に引張応力を発生しそうな基材（１）上に形成する方法であって、前記方法が、
ａ）前記基材（１）上に核形成層（２）を形成する工程、
ｂ）前記核形成層（２）上に単結晶質中間層（３）を形成する工程、
ｃ）前記中間層（３）上に単結晶質種層（４）を形成する工程、
ｄ）前記種層（４）上にＡｌｘＧａ１−ｘＮ窒化物の単結晶質層（５）を形成する工程
を含んでなり、
−前記中間層材料（３）がアルミニウムおよびガリウム窒化物であり、
−前記種層（４）の材料が、ホウ素含有量が０〜１０％であるＡｌＢＮ化合物であり、
−前記種層（４）の厚さと前記中間層（３）の厚さとの間の比が０．０５〜１であり、
−前記種層（４）を形成する温度が、前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮの無亀裂単結晶質窒化物層（５）を形成する温度より５０〜１５０℃高いことを特徴とする、方法。
【請求項２】
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ窒化物の前記無亀裂単結晶質層（５）の厚さが８００ｎｍ〜７マイクロメートルである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記中間層（３）のアルミニウム含有量が１〜３５％、好ましくは６〜３０％である、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
分子線エピタキシーによる前記種層（４）を形成する温度が、前記無亀裂単結晶質窒化物層（５）を形成する温度より８０℃高い、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（式中、０≦ｘ≦３）の組成を有する窒化物の無亀裂単結晶質層（５）および前記層中に引張応力を発生しそうな基材（１）を含んでなる構造であって、前記構造が、順に、
−前記基材（１）、
−核形成層（２）、
−単結晶質中間層（３）、
−単結晶質種層（４）、
−前記窒化物の単結晶質層（５）
を含んでなり、
−前記種層（４）が、ホウ素含有量が０〜１０％であるＡｌＢＮ化合物であり、
−前記種層（４）が、常温で８０％未満の弛緩率を与えることを特徴とする、構造。
【請求項６】
前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ窒化物の無亀裂単結晶質層（５）の厚さが８００ｎｍ〜７マイクロメートルである、請求項５に記載の構造。
【請求項７】
前記中間層（３）が、アルミニウムおよびガリウム窒化物であり、１〜３５％、好ましくは６〜３０％であるアルミニウム含有量を与える、請求項５または６に記載の構造。
【請求項８】
前記種層（４）の厚さと前記中間層（３）の厚さの比が０．０５〜１、好ましくは０．２〜０．３５である、請求項５〜７のいずれか一項に記載の構造。
【請求項９】
前記中間層（３）の厚さが２５０ｎｍ以上であり、前記種層（４）の厚さが３０〜２５０ｎｍである、請求項５〜８のいずれか一項に記載の構造。
【請求項１０】
前記種層（４）の常温における弛緩率が５０〜７５％である、請求項５〜９のいずれか一項に記載の構造。
【請求項１１】
前記窒化物の無亀裂単結晶質層（５）が、アルミニウム３〜５％を含んでなり、前記構造が、前記層（５）上に、順に、
−厚さ５〜１００ｎｍのＧａＮであるチャネル層（７）、および
−ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮおよびＢＧａＮから選択された材料であるバリヤー層（６）
を含んでなる、請求項５〜１０のいずれか一項に記載の構造。
【請求項１２】
前記窒化物の無亀裂単結晶質層（５）上に、順に、
−ＳｃＮのチャネル層（７）、
−ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮおよびＢＧａＮから選択された材料であるバリヤー層（６）
を含んでなる、請求項５〜１０のいずれか一項に記載の構造。
【請求項１３】
前記無亀裂単結晶質層（５）が窒化ガリウムであり、前記構造が、前記層（５）上に、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮおよびＢＧａＮから選択された材料にあるバリヤー層（６）を含んでなる、請求項５〜１０のいずれか一項に記載の構造。
【請求項１４】
請求項５〜１０のいずれか一項に記載の構造を含んでなる、光起電力部品、エレクトロルミネセンスダイオード、Schottkyダイオード、レーザ、光学検出器、またはＭＥＭＳのような装置。
【請求項１５】
請求項５〜１３のいずれか一項に記載の構造を含んでなる電界効果トランジスタ。
【国際調査報告】
2011515861.tif 000007
2011515861.tif 000008
2011515861.tif 000009