(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮ層（１３）上に直接的に形成されたＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（１４）を備え、ｘが０．１０＜ｘ＜０．６０であるＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体（１’）を生成する方法であって、
第１のＧａ流量の第１のＧａ前駆体フローを供給する工程であり、前記ＧａＮ層が生成される工程と、
前記第１のＧａ前駆体フローを実質的に停止させる工程と、
第１のＡｌ前駆体フローを第１のＡｌ流量で供給する工程と、
前記ヘテロ構造体を提供するのに十分な時間の間、前記第１のＡｌ前駆体フローのみを、第１のＡｌ流量で、Ａｌの完全な単一層を提供するには不十分な量のＡｌが導入されるような時間にわたり維持する工程であり、前記ヘテロ構造体は、
−  １８００〜２３００ｃｍ２／Ｖｓの室温２ＤＥＧ移動度と、
−  ピンチオフ電圧の理論値とは０．５Ｖ以下だけ異なるピンチオフ電圧であり、前記ピンチオフ電圧の前記理論値は、前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の、ＸＲＤにより得られ、静電分析による完全空乏近似を意味する静電バンドダイアグラムに基づいて推定される、ピンチオフ電圧とを有する、工程と、
前記第１のＡｌ前駆体フローを実質的に停止させる工程と、
第２のＡｌ前駆体フローを第２のＡｌ流量で供給し、第２のＧａ前駆体フローを第２のＧａ流量で供給する工程であり、前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（１４）が形成され、  前記工程は、前記ＧａＮ層（１３）の厚さが、１４００〜４０００ｎｍとなるように行われ、  前記工程は、前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（１４）の厚さが、５〜３５ｎｍとなるように行われる、工程と、
を含む方法。
【請求項２】
ＮＨ３などの窒素前駆体フローを供給するさらなる工程を含み、前記窒素前駆体フローは、前記第１のＧａ前駆体フロー、前記第１のＡｌ前駆体フロー、前記第２のＧａ前駆体フローおよび前記第２のＡｌ前駆体フローのうちの少なくとも１つの供給中、維持される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ヘテロ構造体（１’）の前記ピンチオフ電圧の前記理論値は、ＸＲＤ測定値により求められる、前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（１４）の厚さおよびＡｌ濃度に基づいて推定される、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記ピンチオフ電圧の前記理論値、Ｖｐは、以下の公式により計算され、
【数１】
0006736577.tif 000018
、ここで、
【数２】
0006736577.tif 000019
すなわち、ＧａＮの総分極密度、ここで、Ｐｓｐ（ＧａＮ）＝−２．９×１０−６Ｃ／ｃｍ２、すなわち、ＧａＮの自発分極、ｑ＝１．６×１０−１９Ｃ、すなわち電荷定数であり、
ＰＴｏｔａｌ（ＡｌＧａＮ１）は、ＡｌＧａＮの総分極密度であり、ここで、ＡｌＧａＮがバリア層、すなわち、ＡｌとＧａの同時フロー時に形成される前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層であり、下式により求められ、
【数３】
0006736577.tif 000020
ここで、
Ｐｓｐ（ＡｌＧａＮ）＝ｘＰｓｐ（ＡｌＮ）＋（１−ｘ）Ｐｓｐ（ＧａＮ）−ｘ（１−ｘ）ｂ
すなわち、ＡｌＧａＮの自発分極密度、ここで、ｘが、ＸＲＤ測定値により求められるＡｌ含有率であり、Ｐｓｐ（ＡｌＮ）＝−８．１×１０−６Ｃ／ｃｍ２、すなわちＡｌＮの自発分極、Ｐｓｐ（ＧａＮ）＝−２．９×１０−６Ｃ／ｃｍ２、すなわちＧａＮの自発分極、ｂ＝−２．１×１０−６Ｃ／ｃｍ２、すなわちＡｌＧａＮ自発分極の湾曲係数であり、Ｐｐｚ（ＡｌＧａＮ１）がＡｌＧａＮの圧電分極であり、
ε（ＡｌＧａＮ）≒ε（ＧａＮ）−ｘ
すなわち単位ε０のＡｌＧａＮの誘電率、ここで、
ε（ＧａＮ）＝１０．０ε０、ＧａＮの誘電率、ε０＝８．８８４×１０−１４Ｆ／ｃｍ、すなわち真空の誘電率であり、
ｔＡｌＧａＮは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮのｃｍ厚さ、
【数４】
0006736577.tif 000021
、Ｎｉ  Ｓｃｈｏｔｔｋｙバリア高である、請求項１または３に記載の方法。
【請求項５】
前記第１のＧａ流量の前記第１のＧａ前駆体フローを停止させる前記工程と、第１のＡｌ流量の前記第１のＡｌ前駆体フローを供給する前記工程との間に、０〜５分待機する工程を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記第１のＧａ流量の前記第１のＧａ前駆体フローを停止させる前記工程と、第１のＡｌ流量の前記第１のＡｌ前駆体フローを供給する前記工程との間に、０〜１分待機する工程を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体（１’）は、金属有機化学気相成長法ＭＯＣＶＤにより成長させられる、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記ヘテロ構造体の成長時のＭＯＣＶＤ反応器内の圧力が、１０〜１０００ミリバールである、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記ヘテロ構造体の成長時の前記ＭＯＣＶＤ反応器内の温度が、９５０〜１１５０℃である、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、半導体素子用のＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体および同構造体を
生成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体は、卓越した高周波性能およびパワー処理性
能によって、非限定的に、高電子移動度トランジスタＨＥＭＴ（ヘテロ構造またはヘテロ
接合電界効果トランジスタＨＦＥＴとしても知られている）などの半導体素子における使
用の対象となる。
【０００３】
ここ２０年にわたってＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の輸送特性が集中的に
研究されてきた。大半の素子用途の対象となる高温状況（＞１００Ｋ）では、ＡｌｘＧａ
１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の界面近くに形成された二次元電子ガス（２ＤＥＧ）の移
動度が理論的に計算されており、最終的にはフォノン散乱により制限されることが示され
ている（Ｌ．Ｈｓｕ  ａｎｄ  Ｗ．Ｗａｌｕｋｉｅｗｉｃｚ，Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖ
ｉｅｗ  Ｂ５６，１５２０（１９９７）およびＬ．Ｈｓｕ  ａｎｄ  Ｗ．Ｗａｌｕｋｉｅ
ｗｉｃｚ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ８９，１７８３（
２００１））。
【０００４】
それにもかかわらず、実際には、合金不規則化および界面粗さを含む、物質の構造欠陥
に関連する他の有力な散乱メカニズムが、２ＤＥＧ移動度を事実上支配する場合がある。
【０００５】
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体については、２ＤＥＧ密度および結晶品質に
応じて、１３００〜１６００ｃｍ２／Ｖｓの室温２ＤＥＧ移動度が報告されている（Ｎ．
Ｍａｅｄａ  ｅｔ  ａｌ，Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ２３，２１１，（２０
０３）およびＶ．Ｍ．Ｐｏｌｙａｋｏｖ  ｅｔ  ａｌ，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ
Ｌｅｔｔｅｒｓ  ９７，１４２１１２（２０１０）。
【０００６】
ＧａＮ層とＡｌｘＧａ１−ｘＮ層との間に薄い（〜１〜２ｎｍ）窒化アルミニウム排他
（ＡｌＮｅｘ）層を挿入することによって、２ＤＥＧ移動度を〜２２００ｃｍ２／Ｖｓま
で増加させることができる（Ｒ．Ｓ．Ｂａｌｍｅｒ  ｅｔ  ａｌ，Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔ．
Ｓｏｌ．７，２３３１（２００３）、Ｘ．Ｗａｎｇ  ｅｔ  ａｌ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ
Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ  ２９８，８３５（２００７）、およびＵ．Ｆｏｒｓｂ
ｅｒｇ  ｅｔ  ａｌ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ  ３１１，
３００７（２００９））。この改良は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮ界面近くでの２ＤＥ
Ｇの封じ込め性の向上および合金不規則性の低下を伴い、ＡｌＧａＮバリアへの電子波動
関数浸透の低下を可能にし、もって、合金不規則性散乱を抑制するようになる。
【０００７】
ＡｌＮｅｘ排他層の挿入の欠点は、それが、その広範なバンドギャップ性によって、Ｈ
ＥＭＴ構造体の表面電位を高め、低オーミック接触を得ることを困難にする場合があるこ
とにある。低オーミック接触は、高周波用途では必須である。接触抵抗を０．５Ωｍｍ未
満に抑制するために、接点金属化処理のためのリセスをＡｌｘＧａ１−ｘＮバリア内に追
加エッチングすることが必要となる。
【０００８】
よって、移動度が高いが、先行技術のＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の不利
益を伴わない、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体および同構造体の生成方法の開
発が非常に望まれている。
【０００９】
その上、動作周波数が高く、トラップ効果および遅延効果が小さい素子をもたらす、半
導体素子用のＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の開発が非常に望まれている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本開示の目的は、改良されたＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体、特に、上述し
た特性のうちの１つ以上が改良されたＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体を提供す
ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、添付の独立請求項により定義されており、添付の従属請求項、以下の説明お
よび図面において実施形態について述べる。
【００１２】
第１の態様によれば、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体であって、ｘが０．１
０＜ｘ＜０．６０、好ましくは０．１３＜ｘ＜０．４０、最も好ましくは０．１５＜ｘ＜
０．２５であり、ＧａＮ層上に直接的に形成されたＡｌｘＧａ１−ｘＮ層を備えるヘテロ
構造体が提供される。ヘテロ構造体は、１８００〜２３００ｃｍ２／Ｖｓ、好ましくは１
９００〜２３００ｃｍ２／Ｖｓ、最も好ましくは２０００〜２３００ｃｍ２／Ｖｓの室温
２ＤＥＧ移動度と、ピンチオフ電圧の理論値とは０．５Ｖ以下、好ましくは０．４Ｖ以下
、０．３Ｖ以下、０．２５Ｖ以下、最も好ましくは０．２０Ｖ以下だけ異なるピンチオフ
電圧とを呈し、ピンチオフ電圧の理論値は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の
、ＸＲＤにより得られる静電バンドダイアグラムに基づいて推定される。
【００１３】
「ヘテロ構造体」は、本明細書では、２つ以上の異なる半導電性物質を備える構造体と
定義される。
【００１４】
「直接的に形成された」は、ヘテロ構造体が、測定できるほどの影響をヘテロ構造体に
及ぼすいかなる他の層（１つ以上）も含まないことを意味する。
【００１５】
「２ＤＥＧ移動度」は、電子ガスの移動が２つの次元で自由であるが、第３の次元では
固く制限される、移動度を意味する。
【００１６】
「室温」は、１６℃〜２７℃と定義することができる。
【００１７】
「ピンチオフ電圧」は、電界効果トランジスタの物質レベルでは、ヘテロ構造体内の２
ＤＥＧが完全に空乏する電圧を意味する。電界効果トランジスタの素子レベルでは、ソー
スとドレーンとの間の電流が、印可されたゲート電圧により同電極間のチャンネルが完全
に空乏していることにより阻止される電圧を意味する。
【００１８】
「静電バンドダイアグラム」は、静電分析による完全空乏近似を意味する。この近似は
、印可されたピンチオフ電圧Ｖｐにより２ＤＥＧが完全に空乏していると仮定することに
よって得られる。この分析は、例えば、表面からＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面までの、空乏領
域における電荷および電界の静電分布に基づく。
【００１９】
このヘテロ構造体による利益は、ヘテロ構造体の移動度を向上させるために、ＧａＮ層
とＡｌｘＧａ１−ｘＮ層との間にいわゆる排他層が必要とされないことにある。その上、
このヘテロ構造体を備える素子は、先行技術のヘテロ構造体と比べて、高い動作周波数お
よび僅かなトラップ効果および遅延効果を有することができる。
【００２０】
ヘテロ構造体のピンチオフ電圧の理論値は、ＸＲＤ測定値により求められる、ＡｌｘＧ
ａ１−ｘＮ層の厚さおよびＡｌ濃度に基づいて推定することができる。
【００２１】
ピンチオフ電圧Ｖｐは、以下の公式により計算することができ、
【数１】
0006736577.tif 000002
ここで、
【数２】
0006736577.tif 000003
、すなわち、ＧａＮの総分極密度、ここで、Ｐｓｐ（ＧａＮ）＝−２．９×１０−６Ｃ／ｃｍ２、すなわち、ＧａＮの自発分極、ｑ＝１．６×１０−１９Ｃ、すなわち電荷定数である。ＰＴｏｔａｌ（ＡｌＧａＮ）は、ＡｌＧａＮの総分極密度であり、ここで、ＡｌＧａＮがバリア層、すなわちＡｌとＧａの同時フロー時に形成されるＡｌｘＧａ１−ｘＮ層であり、下式により求められ、
【数３】
0006736577.tif 000004
、ここで、Ｐｓｐ（ＡｌＧａＮ）＝ｘＰｓｐ（ＡｌＮ）＋（１−ｘ）Ｐｓｐ（ＧａＮ）−ｘ（１−ｘ）ｂ、すなわち、ＡｌＧａＮの自発分極密度、ここで、ｘが、Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定値により求められるＡｌ含有率であり、Ｐｓｐ（ＡｌＮ）＝−８．１×１０−６Ｃ／ｃｍ２、すなわちＡｌＮの自発分極、Ｐｓｐ（ＧａＮ）＝−２．９×１０−６Ｃ／ｃｍ２、すなわちＧａＮの自発分極、ｂ＝−２．１×１０−６Ｃ／ｃｍ２、すなわちＡｌＧａＮ自発分極の湾曲係数である。Ｐｐｚ（ＡｌＧａＮ）は、ＡｌＧａＮの圧電分極であり、ε（ＡｌＧａＮ）≒ε（ＧａＮ）−ｘ、すなわち単位ε０のＡｌＧａＮの誘電率、ここで、ε（ＧａＮ）＝１０．０ε０、ＧａＮの誘電率、ε０＝８．８８４×１０−１４Ｆ／ｃｍ、すなわち真空の誘電率であり、ｔＡｌＧａＮは、ＡｌＧａＮのｃｍ厚さ、
【数４】
0006736577.tif 000005
、Ｓｃｈｏｔｔｋｙバリア高である。
【００２２】
ＧａＮとＡｌｘＧａ１−ｘＮとの遷移ゾーンの厚さに対するＡｌ濃度の傾きを、１ｎｍ
当り２０％より大であり、好ましくは０．７ｎｍ当り２０％より大であり、最も好ましく
は０．５ｎｍ当り２０％より大であるとすることができる。
【００２３】
「遷移ゾーン」は、本明細書では、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層とＧａＮ層との間のゾーン（
界面）を意味する。
【００２４】
ＧａＮ層の厚さを、１４００〜４０００ｎｍ、好ましくは１４００〜３０００ｎｍ、最
も好ましくは１４００〜２０００ｎｍとすることができる。
【００２５】
ＧａＮ層は、９８％〜１００％の純度を有することができる。
【００２６】
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層の厚さを、５〜３５ｎｍ、好ましくは１０〜３０ｎｍ、最も好ま
しくは１５〜２５ｎｍとすることができる。
【００２７】
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体は、２ＤＥＧ密度が、約０．６Ｅ＋１３〜約
１．４Ｅ＋１３ｃｍ−２である間、２ＤＥＧ移動度を、１８００ｃｍ２／Ｖ−ｓより大で
あり、好ましくは１８５０または１９００ｃｍ２／Ｖ−ｓより大であるを提示することが
できる。
【００２８】
第２の態様によれば、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体から形成された半導体
素子が提供される。
【００２９】
第３の態様によれば、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体から形成された高電子
移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）が提供される。
【００３０】
第４の態様によれば、ＧａＮ層上に直接的に形成されたＡｌｘＧａ１−ｘＮ層を備える
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体を生成する方法が提供される。方法は、第１の
Ｇａ流量の第１のＧａ前駆体フローを供給する工程であり、ＧａＮ層が生成される工程と
、Ｇａ前駆体フローを実質的に停止させる工程と、第１のＡｌ前駆体フローを第１のＡｌ
流量で供給する工程と、ヘテロ構造体を提供するのに十分な時間の間、第１のＡｌ前駆体
フローのみを維持する工程であり、ヘテロ構造体は、１８００〜２３００ｃｍ２／Ｖｓ、
好ましくは１９００〜２３００ｃｍ２／Ｖｓ、最も好ましくは２０００〜２３００ｃｍ２
／Ｖｓの室温２ＤＥＧ移動度と、ピンチオフ電圧の理論値とは０．５Ｖ以下、好ましくは
、０．４Ｖ以下、０．３Ｖ以下、０．２５Ｖ以下、最も好ましくは０．２０Ｖ以下だけ異
なるピンチオフ電圧であり、ピンチオフ電圧の理論値は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘ
テロ構造体の、ＸＲＤにより得られる静電バンドダイアグラムに基づいて推定される、ピ
ンチオフ電圧とを有する、工程と、第１のＡｌ前駆体フローを実質的に停止させる工程と
、第２のＡｌ前駆体フローを第２のＡｌ流量で供給し、第２のＧａ前駆体フローを第２の
Ｇａ流量で供給する工程であり、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層が形成される工程とを含む。
【００３１】
「実質的に停止させる」は、本明細書では、Ｇａフローの供給を、少なくとも９５％、
好ましくは少なくとも９９％、最も好ましくは少なくとも９９．９％だけ停止させること
を意味する。
【００３２】
「直接的に形成された」は、ヘテロ構造体が、測定できるほどの影響をヘテロ構造体に
及ぼすいかなる他の層も含まないことを意味する。
【００３３】
本方法の利益は、第１の態様によるＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体を提供で
きることにある。
【００３４】
Ａｌ前駆体フローを第１の流量で供給する利益は、ＧａＮとＡｌｘＧａ１−ｘＮとの間
のいわゆる鮮明なＡｌ含有遷移ゾーンまたは界面が形成され、よって、移動度が向上した
ヘテロ構造体がもたらされることにある。
【００３５】
第１のＡｌ前駆体流量および同流量が維持される時間は、互いに関して、および反応器
の、サイズなどの要因に関して選択される。つまり、反応器が大きいほど多くの流量およ
び／または長い時間が必要とされる。
【００３６】
方法は、ＮＨ３前駆体フローなどの窒素前駆体フローを供給するさらなる工程を含むこ
とができる。窒素前駆体フローは、第１のＧａ前駆体フロー、第１のＡｌ前駆体フロー、
第２のＧａ前駆体フローおよび第２のＡｌ前駆体フローのうちの少なくとも１つの供給中
、少なくとも部分的に維持されることができる。
【００３７】
用語「部分的に維持される」は、流量を上下調整できることを意味する。典型的に、上
述した工程の全体を通して、この窒素前駆体フローを維持することができる。例えば、工
程間の遷移に関連して、増加または減少させることができる。
【００３８】
第１のＡｌ前駆体フローは、第１のＡｌ流量で供給され、Ａｌの完全な単一層、好まし
くは、Ａｌの単一層の８０％未満、Ａｌの単一層の６０％未満、Ａｌの単一層の４０％未
満またはＡｌの単一層の２０％未満を提供するには不十分な量のＡｌが導入されるような
時間にわたり供給することができる。
【００３９】
「完全な単一層を提供するには不十分な」は、導入される物質の量が、下面を完全に覆
うには不十分であることを意味する。
【００４０】
ヘテロ構造体のピンチオフ電圧の理論値は、ＸＲＤ測定値により求められる、ＡｌｘＧ
ａ１−ｘＮ層の厚さおよびＡｌ濃度に基づいて推定することができる。
【００４１】
ピンチオフ電圧Ｖｐは、以下の公式により計算することができ、
【数５】
0006736577.tif 000006
、
ここで、
【数６】
0006736577.tif 000007
、すなわち、ＧａＮの総分極密度、ここで、Ｐｓｐ（ＧａＮ）＝−２．９×１０−６Ｃ／
ｃｍ２、すなわち、ＧａＮの自発分極、ｑ＝１．６×１０−１９Ｃ、すなわち電荷定数で
ある。ＰＴｏｔａｌ（ＡｌＧａＮ）は、ＡｌＧａＮの総分極密度であり、ここで、ＡｌＧａＮがバリア層、すなわちＡｌとＧａの同時フロー時に形成されるＡｌｘＧａ１−
ｘＮ層であり、下式により求められ、
【数７】
0006736577.tif 000008
、ここで、Ｐｓｐ（ＡｌＧａＮ）＝ｘＰｓｐ（ＡｌＮ）＋（１−ｘ）Ｐｓｐ（ＧａＮ）
−ｘ（１−ｘ）ｂ、すなわち、ＡｌＧａＮの自発分極密度、ここで、ｘが、Ｘ線回折（Ｘ
ＲＤ）測定値により求められるＡｌ含有率であり、Ｐｓｐ（ＡｌＮ）＝−８．１×１０−
６Ｃ／ｃｍ２、すなわちＡｌＮの自発分極、Ｐｓｐ（ＧａＮ）＝−２．９×１０−６Ｃ／
ｃｍ２、すなわちＧａＮの自発分極、ｂ＝−２．１×１０−６Ｃ／ｃｍ２、すなわちＡｌ
ＧａＮ自発分極の湾曲係数である。Ｐｐｚ（ＡｌＧａＮ）は、ＡｌＧａＮの圧電分極
であり、ε（ＡｌＧａＮ）≒ε（ＧａＮ）−ｘ、すなわち単位ε０のＡｌＧａＮの誘電
率、ここで、ε（ＧａＮ）＝１０．０ε０、ＧａＮの誘電率、ε０＝８．８８４×１０−
１４Ｆ／ｃｍ、すなわち真空の誘電率であり、ｔＡｌＧａＮは、ＡｌＧａＮのｃｍ厚さ、
【数８】
0006736577.tif 000009
、Ｓｃｈｏｔｔｋｙバリア高である。
【００４２】
方法は、第１の流量のＧａ前駆体フローを停止させる工程と、第１の流量のＡｌ前駆体
フローを供給する工程との間に、０〜５分、好ましくは０〜３分、最も好ましくは０〜１
分待機する工程を含むことができる。
【００４３】
待機の目的は、残留Ｇａを反応器から除去することにある。
【００４４】
工程は、ＧａＮ層の厚さが、１４００〜４０００ｎｍ、好ましくは１４００〜３０００
ｎｍ、最も好ましくは１４００〜２０００ｎｍとなるように行うことができる。
【００４５】
工程は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層の厚さが、５〜３５ｎｍ、好ましくは１０〜３０ｎｍ、
最も好ましくは１５〜２５ｎｍとなるように行うことができる。
【００４６】
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体は、金属有機化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）
により成長させることができる。
【００４７】
Ｇａ前駆体は、例えばＴＭＧａまたはＴＥＧａとすることができる。
【００４８】
Ａｌ前駆体は、例えばＴＭＡｌまたはＴＥＡとすることができる。
【００４９】
Ｇａ前駆体およびＡｌ前駆体のそれぞれが、Ａｒ、Ｈ２またはＮ２などの少なくとも１つのキャリアガスにより供給される。
【００５０】
ヘテロ構造体の成長時のＭＯＣＶＤ反応器内の圧力を、１０〜１０００ミリバール、好ましくは３０〜２００ミリバール、最も好ましくは５０〜１００ミリバールとすることができる。
【００５１】
ヘテロ構造体の成長時のＭＯＣＶＤ反応器内の温度を、９５０〜１１５０℃、好ましく
は１０００〜１１００℃、最も好ましくは１０２０〜１０８０℃とすることができる。
【００５２】
ＧａＮの成長速度を、２００ｎｍ／時間〜４０００ｎｍ／時間、好ましくは４００ｎｍ
／時間〜２０００ｎｍ／時間、最も好ましくは８００〜１５００ｎｍ／時間とすることが
できる。
【００５３】
ＡｌｘＧａ１−ｘＮの成長速度を、２００〜２０００ｎｍ／時間、好ましくは３００〜
１０００ｎｍ／時間、最も好ましくは４００〜８００ｎｍ／時間とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１ａ】ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体を備えるＨＥＭＴ構造体を概略的に図示している。
【図１ｂ】ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体を概略的に図示している。
【図２ａ】ぼやけた界面を伴うＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の高分解能走査型透過電子顕微鏡観察（ＳＴＥＭ）写真を示している。
【図２ｂ】ＡｌｘＧａ１−ｘＮとＧａＮとの間に挿入された排他層を伴うＡｌｘＧａ１−ｘＮ／Ｇａヘテロ構造体の高分解能走査型透過電子顕微鏡観察（ＳＴＥＭ）写真を示している。
【図２ｃ】鮮明な界面を伴うＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体のＳＴＥＭ写真を示している。
【図３】図２ａ〜図２ｃにおける異なる３つのＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の界面厚さに対するアルミニウム濃度のグラフを示している。
【図４】ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体のＴＭＡｌフロー時間に応じた移動度およびピンチオフ電圧を示している。
【図５】ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体のＴＭＡｌフロー時間に応じた２ＤＥＧ移動度を示している。
【図６】２ＤＥＧ密度に応じたＤＥＧ移動度（点）およびシート抵抗（三角）を示している。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
本明細書に開示する着想について、より詳細に説明する。最初に、半導体素子用のＡｌ
ｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体について議論し、その後に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／
ＧａＮヘテロ構造体を生成する方法について記述し、最後に、本方法により生成されたＡ
ｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の特徴付け結果について議論する。
【００５６】
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体
上述したように、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体は、高電子移動度トランジ
スタ（ＨＥＭＴ）素子などの半導体素子において使用することができる。図１ａは、下か
ら上に見ると、任意選択的な基板１１、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）核生成層１２、窒化
ガリウム（ＧａＮ）、バッファ層１３、窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ
）層１４、および最後にＧａＮまたは窒化ケイ素（ＳｉＮ）パッシベーション層１５を備
える、ＨＥＭＴ素子構造体の例を概略的に図示している。
【００５７】
窒化ガリウム層１３は、核生成層１２層に近いバッファと、窒化ガリウムアルミニウム層１４に近いスペーサ層とを備えてもよい。このような層は、当業者に知られているよう
にドーピングにより提供することができ、よって、ここでは、さらなる説明を必要としな
い。
【００５８】
ＳｉＣ基板は、その高い熱伝導特性によって、熱を効率的に抽出し、半導体素子内の温
度上昇を最小化するために使用することができる。ＳｉＣポリタイプは、例えば、４Ｈま
たは６Ｈとすることができる。代わりに、ケイ素、サファイア、Ｎ極ＧａＮまたはＧａ極
ＧａＮの基板を使用してもよい。
【００５９】
ＡｌＮ核生成層の一目的は、基板とＧａＮバッファ層との間の格子不整合を補うことと
、基板上のＧａＮバッファ層の高品質なエピタキシャル成長を得ることとにある。核生成
層の別の目的は、例えばその上のＧａＮの成長を可能にすることにある。ＧａＮは、Ｓｉ
Ｃなどの一部の基板上で二次元的に核生成しないので、ＧａＮを成長させることができる
ように、表面電位を変化させるためのＡｌＮ核生成層が必要となることがある。
【００６０】
ＧａＮバッファ層の目的は、厚層成長により構造体品質を発展させることと、半絶縁特
性を提示することとにある。ＧａＮスペーサ層は、潜在的なトラップ効果と、２ＤＥＧ移
動度に悪影響を及ぼす電離不純物の散乱とを防止する。
【００６１】
ＡｌＧａＮ層の目的は、２ＤＥＧ電子ガスを誘導することにある。
【００６２】
ＧａＮまたはＳｉＮパッシベーション層の目的は、ＨＥＭＴ構造体の表面状態を安定化
させることにあり、これは、表面状態が２ＤＥＧ密度に影響を及ぼすためである。ＧａＮ
またはＳｉＮパッシベーション層の使用によって、２ＤＥＧ密度を増減させることができ
るが、２ＤＥＧ移動度は大きく変化しない。
【００６３】
図１ｂには、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体を図示しており、ＧａＮ層１３
およびＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１４を示している。
【００６４】
ＧａＮ層内の酸素、ケイ素および／または炭素などの不純物の量は、典型的に約５・１
０１６ｃｍ−３未満、すなわち二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）の検出限界付近と少なく
することができる。
【００６５】
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層内の酸素、ケイ素および／または炭素などの不純物の量は、Ｇａ
Ｎ層と比べて多少多くてもよいが、このことは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層内の不純物がＡｌ
ｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の移動度に影響を及ぼし得ないので、重大な意味を
持たない。
【００６６】
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の成長方法
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体は、金属有機気相エピタキシ法（ＭＯＶＰＥ
）としても知られている金属有機化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により堆積させることが
できる。ＭＯＣＶＤすなわちＭＯＶＰＥは、気相前駆体の化学反応により基板に固体物質
を堆積させる化学気相蒸着法である。方法は、主として複雑な半導体多層構造体を成長さ
せるために使用される。
【００６７】
ＭＯＣＶＤでは、前駆体は、典型的に、ＮＨ３などの水素化合物ガスと組み合わされた
金属有機化合物である。ＧａＮの成長に使用する前駆体は、ＴＭＧａ、トリメチルガリウ
ム、すなわちＧａ（ＣＨ３）３、またはＴＥＧａ、トリエチルガリウム、すなわちＧａ（
Ｃ２Ｈ５）３、およびアンモニアＮＨ３とすることができる。ＡｌｘＧａ１−ｘＮの成長
に使用する前駆体は、例えば、ＴＭＧａまたはＴＥＧａ、ＮＨ３、およびＴＭＡｌ、トリ
メチルアルミニウム、すなわちＡｌ２（ＣＨ３）６またはトリエチルアルミニウム、ＴＥ
Ａ、すなわちＡｌ２（Ｃ２Ｈ５）６でもよい。
【００６８】
前駆体は、大抵キャリアガスによって、少なくとも１つの基板が配置されている反応器
チャンバ内に輸送される。前駆体（例えばＴＭＡｌまたはＴＭＧａ）バブリング装置を通
って流れるキャリアガス、例えばＨ２の流量は、ＡｌＮについては７０ｍｌ／分、ＧａＮ
については５０ｍｌ／分とすることができる。前駆体フローは、反応器までのさらなる輸
送のために５０ｌ／分のオーダーでありうる主キャリアガスフローと合流する。
【００６９】
反応中間物および副生成物を形成する前駆体の反応が、基板（１つ以上）の上またはそ
の付近で起きる。反応物質は、基板に吸着されて薄膜層を形成し、最後にＭＯＣＶＤシス
テム／反応器上のポンピングによって副生成物が基板から離れるように輸送される。
【００７０】
薄膜成長時のＭＯＣＶＤシステム内の圧力は、通常、数ミリバールから大気圧まで及ぶ
。
【００７１】
反応器チャンバは、低温壁型または高温壁型のいずれでもよい。低温壁反応器では、基
板は典型的に下から加熱され、反応器壁は基板よりも低温に保たれる。対照的に、高温壁
反応器では、反応器チャンバ全体、すなわち基板と反応器の両方が加熱される。
【００７２】
本開示で議論するＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の成長には、高温壁ＶＰ５
０８ＧＦＲ，Ａｉｘｔｒｏｎ反応器を使用した。反応器のバックグラウンド圧力は、〜１
・１０−４ミリバールである。（参照：Ｄｏｐｉｎｇ  ｏｆ  Ａｌ−ｃｏｎｔｅｎｔ  Ａ
ｌＧａＮ  ｇｒｏｗｎ  ｂｙ  ＭＯＣＶＤ，博士課程論文，Ｄ．Ｎｉｌｓｓｏｎ，２０１
４およびＷｉｋｉｐｅｄｉａ）。
【００７３】
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の成長
ＭＯＣＶＤによるＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の成長工程について、詳細
に記述する。
【００７４】
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体を表面に成長させる試料、例えば、ＨＥＭＴ
構造体の一部が、ＭＯＣＶＤ反応器（ＭＯＣＶＤの詳細については、上を参照）に挿入さ
れる。
【００７５】
ＭＯＣＶＤ反応器内の温度および圧力は、以下で議論する全ての生成工程中、一定とす
ることができる。例として、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の成長時のＭＯＣ
ＶＤ反応器内の温度を１０７０℃、圧力を５０ミリバールとしてもよい。
【００７６】
以下に記述する生成工程中、上述したように、Ｈ２、Ｎ２またはＡｒなどの少なくとも
１つのキャリアガスによって、Ｇａ前駆体およびＡｌ前駆体の一方または両方を反応器に
輸送することができる。
【００７７】
さらに、前駆体は、室温で供給されてもよい。代わりに、前駆体のうちの少なくとも１
つは、蒸気圧ひいては様々な層の成長速度を高めるために加熱されてもよい。
【００７８】
その上、以下で議論する工程では、前駆体容器のそれぞれと反応器との間に配置され得
る少なくとも１つの質量流コントローラによって、前駆体フローおよび／またはキャリア
ガスを制御することができる。
【００７９】
前駆体容器とＭＯＣＶＤ反応器との間に配置された少なくとも１つのバルブの開閉によ
って、ＭＯＣＶＤ反応器への前駆体の供給を制御することができる。手動またはコンピュ
ータ制御で開閉を行うことができる。
【００８０】
反応器に急に放出するガスの蓄積を取り除くために、主ランラインを迂回する副ライン
内に前駆体フローを導くことができる。この副ラインは通気ラインと呼ばれる。通気ライ
ンとランラインとの間には、ガスが主キャリアフローに切り替えられるときにフローが急
に放出することを避けるために、圧力バランスをもたらすことができる。
【００８１】
以下の全処理工程中、ＮＨ３のフローを供給することができる。全生成工程中、ＮＨ３
の流量、例えば２ｌ／分を一定に保ってもよい。
【００８２】
以下の順序で工程を行うことができる。
【００８３】
最初に、ＧａＮ層を成長させることができる。この層を生成するための前駆体は、Ｇａ
前駆体、例えばＴＭＧａと、アンモニアＮＨ３とすることができる。ＴＭＧａの純度は、
５Ｎより大であり、すなわち９９．９９９％とすることができる。ＮＨ３およびＧａ前駆
体の流量および時間は、様々な多くのパラメータ、例えば、反応器サイズ、試料／基板サ
イズ、前駆体のガス出口と試料／基板との間の距離、反応器のバックグラウンド圧力など
によって選択される。よって、フローの流量および時間は、様々な実験装置において変更
することができる。
【００８４】
Ｇａ前駆体の供給とＮＨ３の供給とを同時に開始することができる。代わりに、Ｇａ前
駆体の供給を開始する前に、ＮＨ３を供給してもよい。
【００８５】
例として、Ｇａ前駆体、例えばＴＭＧａを第１の流量、例えば３．２ｍｌ／分で反応器
に供給してもよい。ＮＨ３の流量は、上述したように２ｌ／分とすることができる。
【００８６】
これらの条件では、ＧａＮ層の成長速度を約１２００ｎｍ／時間とし、約１．６〜１．
８μｍ厚のＧａＮを生じさせることができる。
【００８７】
ＧａＮ層が所望の厚さに達した後に、ＭＯＣＶＤ反応器へのＧａ前駆体の供給を（実質
的に）停止させること、すなわちＧａ前駆体のフローを通気ラインに切り替えることによ
って、ＧａＮ層の成長が停止される。ＮＨ３のフローを上記したのと同じ流量、すなわち
２ｌ／分に保つことができる。
【００８８】
Ｇａの供給を（実質的に）停止させた後に、約０〜５分、通常は５〜６０秒の間待機す
る任意選択的な工程を行ってもよい。この工程の目的は、ＭＯＣＶＤ反応器／システム上
のポンピングによって、残留ガリウムが反応器から流れ去るようにすることにある。この
工程は、任意選択的なものであり、代わりに、待機を伴わずに次の工程に進んでもよい。
【００８９】
次の工程は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層の成長を開始させることである。最初に、Ａｌ前駆
体、例えばＴＭＡｌを第１の流量、いわゆるＡｌのプリフローで反応器に供給することが
できる。
【００９０】
このＴＭＡｌの「プリフロー」は、ＧａＮ層上のＡｌＮ層の形成を完了させないが、遷
移ゾーンにおけるＧａＮからＡｌＧａＮへのＡｌ含有量の急激な遷移を促すために供給さ
れる。
【００９１】
ＴＭＡｌの純度は、５Ｎより大であり、すなわち９９．９９９％とすることができる。
【００９２】
Ａｌ前駆体の流量およびフロー時間は、様々な多くのパラメータ、例えば、反応器サイ
ズ、試料／基板サイズ、前駆体のガス出口と試料／基板との間の距離、反応器のバックグ
ラウンド圧力などによって選択される。よって、フローの流量および時間は、様々な装置
において変更することができる。
【００９３】
好ましくは、ＡｌＮの１単一層未満、好ましくは、単一層の８０％未満、単一層の６０％未満または単一層の４０％未満または単一層の２０％未満が形成されるように、プリフローの時間および流量を選
択することができる。「ＡｌＮの単一層」の定義は、１層のＡｌＮにより表面が覆われる
ことである。ＡｌＮの１単一層は、約０．５０ｎｍの厚さを有する。
【００９４】
様々な流量およびフロー時間の例は、以下に述べる通りとすることができる。
【００９５】
０．２〜１．０ｎｍ／分、好ましくは＞０．５ｎｍ／分の成長速度（前駆体フローおよ
び反応器の特性に依存する）を達成するようにＡｌＮ前駆体を供給するときには、合計時
間を１時間未満、好ましくは、３０分未満、２０分未満、１０分未満、５分未満、３分未
満、９０秒未満、６０秒未満、４０秒未満または３０秒未満とすることができる。
【００９６】
０．２〜１．０ｎｍ／分、好ましくは０．５〜１．０ｎｍ／分の成長速度（前駆体フロ
ーおよび反応器の特性に依存する）を達成するようにＡｌＮ前駆体を供給するときには、
合計時間を５秒より大であり、好ましくは、１０秒より大であり、２０秒より大でありま
たは３０秒より大であるとすることができる。
【００９７】
例として、Ａｌ前駆体の第１の流量（いわゆるプリフロー）を０．２ｍｌ／分としても
よく、ＮＨ３の流量を上記したのと同じ、すなわち約２ｌ／分としてもよい。
【００９８】
Ａｌ前駆体のプリフローと第２のフローのために、異なる２つのバブリング装置が使用
される。プリフローの流量は、第２のフローの流量に依存しない。これによって、ＡｌＮ
の〜１ｎｍ／分の成長速度をもたらすことができる。
【００９９】
この工程（すなわちＡｌのプリフロー）を約２０〜３０秒間実施することができる。よ
って、フローを２０〜３０秒間維持した後に、例えば、Ａｌ前駆体に対するバルブを閉じ
ることによって、Ａｌ前駆体の供給が停止される。本開示では、Ａｌ前駆体を２０〜３０
秒間供給するこの工程は、「追加鮮明化工程」と呼ばれる。
【０１００】
次いで、Ａｌ前駆体とＧａ前駆体の両方をＭＯＣＶＤ反応器に供給することができる。
例えば、両方の前駆体に対するバルブを同時に開くことによって、前駆体を同時に供給す
ることができる。Ａｌ前駆体は、上で議論した第１のＡｌ流量（プリフロー）と同じでも
よく、異なってもよい第２の流量で供給することができる。例として、この工程で供給さ
れるＡｌの流量は、上記したのと同じ、すなわち０．２ｍｌ／分でもよい。第１のＧａ前
駆体流量と異なってもよい第２の流量でＧａ前駆体を供給することができ、例として、第
２のＧａＮ流量を１．２１ｍｌ／分としてもよい。第１のフローの流量は、第２のフロー
の流量に依存しない。
【０１０１】
最後に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層が所望の厚さに達すると、Ａｌ前駆体およびＧａ前駆体
の供給が停止される。好ましくは、このことは同時に行われる。ＮＨ３のフローは、停止
されてもよく、保たれてもよい。
【０１０２】
例として、これらの条件では、これによって、〜６ｎｍ／分のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（こ
こで、ｘ〜０．１８５）の成長速度と、約２１ｎｍの厚さとをもたらすことができる。
【０１０３】
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の特徴付け
高温壁ＭＯＣＶＤシステムによって、いずれも〜２８ｎｍの厚さの異なる３つのＡｌｘ
Ｇａ１−ｘＮ／ＧａＮ（ｘ〜０．１７）ヘテロ構造体Ｓ１、Ｓ２およびＳ３を４Ｈ半絶縁
性ＳｉＣ基板上で成長させた。高温壁ＭＯＣＶＤのシステムおよび方法の詳細については
、上で議論した。
【０１０４】
Ｓ１は、排他層ＡｌＮｅｘの挿入を伴わないＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体
であり、先行技術の方法により成長させられ、ぼやけた界面を生じさせる。
【０１０５】
Ｓ２は、Ｓ１と同じ方法により成長させられるが、ＡｌｘＧａ１−ｘＮとＧａＮとの間
に〜２ｎｍの排他層ＡｌＮｅｘ（高Ａｌ含有ＡｌＧａＮ）を挿入したＡｌｘＧａ１−ｘＮ
／ＧａＮヘテロ構造体である。
【０１０６】
Ｓ３は、本開示に記述する方法、すなわち、Ａｌ前駆体とＧａ前駆体とを同時に供給し
てＡｌｘＧａ１−ｘＮ層を生じさせる前に、Ａｌ前駆体のプリフローを約２０〜３０秒間
供給する、いわゆる追加鮮明化工程を伴う方法により成長させられたＡｌｘＧａ１−ｘＮ
／ＧａＮヘテロ構造体である。この追加工程は、Ｓ１のぼやけた界面よりも鮮明な界面を
生じさせる。
【０１０７】
２ＤＥＧ移動度は、典型的に、２ＤＥＧ密度の増加によって、特に、２ＤＥＧ密度が０
．６Ｅ＋１３ｃｍ−２より大でありに増加するときに低下する。例えば、Ｍａｅｄａ  ｅ
ｔ  ａｌ，Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ２３，２１１，（２００３）を参照）
。鮮明な界面によって、室温２ＤＥＧ移動度は、図６に示すように、０．６Ｅ＋１３から
１．４Ｅ＋１３ｃｍ−２までの広範な２ＤＥＧ密度で１９００ｃｍ２／Ｖ−ｓをかなり超
えてとどまることができる。
【０１０８】
ピンチオフ電圧などの半導体物質の特性を測定する技術は、例えば、Ｓｃｈｒｏｅｄｅ
ｒ，Ｄ．Ｋ．：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  ａｎｄ  Ｄｅｖｉｃｅ
Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ，Ｔｈｉｒｄ  Ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｗｉｌｅｙ−Ｉｎ
ｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ，２００６から知られている。
【０１０９】
２ＤＥＧ密度およびピンチオフ電圧を抽出するために、水銀プローブ容量電圧（ＣＶ）
測定により３つの試料Ｓ１〜Ｓ３を特徴付けた。シート抵抗（Ｒｓ）および２ＤＥＧ移動
度を測定するために、非接触渦電流法およびＬｅｈｉｇｈｔｏｎ（ＬＥＩ１６１０）移動
度システムをそれぞれ行った。
【０１１０】
異なる３つの試料Ｓ１〜Ｓ３の電気特性の概要を以下の表２の表に示している。
【０１１１】
【表１】
0006736577.tif 000010
試料Ｓ１と試料Ｓ２を比較すると、ＡｌＮｅｘ層の挿入によって、１６６９から２１９
０ｃｍ２／Ｖｓまで２ＤＥＧ移動度が期待通り大きく増加していることが明らかに見られ
る。しかし、２ＤＥＧ密度およびピンチオフ電圧も増加しており、ＡｌＮｅｘ層により提
供される厚さおよび分極強度を無視できないことを示している。
【０１１２】
一方、本明細書に開示する方法により生成された試料Ｓ３は、２１５４ｃｍ２／Ｖｓと
非常に高い移動度を呈する点を除いて、試料Ｓ１の電気特性とほぼ同一の電気特性を呈し
ている。この移動度の改良は、Ｓ１の６１２Ω／スクウェアからＳ３の４５０Ω／スクウ
ェアまで、３６％のＲｓの低下を招く。
【０１１３】
ここで観察される移動度の差が、前に示したように転位の散乱レベルの差と関連し得る
（Ｌ．Ｓ．Ｙｕ  ｅｔ  ａｌ，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，７３
，２３８（１９９８））可能性を除外するために、高分解能Ｘ線回折ロッキング曲線測定
を実施した。３つの試料の結晶品質が同様であることを確認した。全ての試料の（１０２
）ピークのロッキング曲線の半値全幅は、約２００ａｒｃｓｅｃである。
【０１１４】
この比較は、ＭＯＣＶＤにより成長させたＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の
２ＤＥＧ移動度をＡｌＮｅｘ層の挿入を伴わずに大幅に向上できることを示している。
【０１１５】
このように、本明細書の方法により生成されたＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造
体（試料Ｓ３）は、排他層を伴わない先行技術の方法により生成されたヘテロ構造体（試
料Ｓ１）と同じ低ピンチオフ電圧を呈するが、同構造体よりも低いシート抵抗を呈する。
【０１１６】
さらに、３つの試料Ｓ１〜Ｓ３のＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮ界面での構造特性を調査
するために、高分解能走査型透過電子顕微鏡観察（ＳＴＥＭ）を行った。
【０１１７】
分析の前に、標準的な研磨処理およびアルゴンイオン切削処理により試料を準備した。
【０１１８】
図２ａ〜図２ｃは、試料Ｓ１、Ｓ２およびＳ３のＳＴＥＭ画像をそれぞれ示しており、
破線がＥＤＸプロービング方向を示し、矢印が界面を指し示している。
【０１１９】
図２ａには、試料Ｓ１、すなわち、Ａｌのプリフローを供給する追加工程を伴わずに成
長させた、ぼやけた界面を伴うＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体のＳＴＥＭ写真
を示している。図２ｂは、試料Ｓ２、すなわち、排他層の挿入を伴うヘテロ構造体のＳＴ
ＥＭ写真を示している。図２ｃには、Ａｌのプリフローを供給する追加鮮明化工程を伴っ
て成長させた試料Ｓ３のＳＴＥＭ写真を示している。
【０１２０】
図２ａに見られるように、界面は不明瞭であり、この領域の元素組成が拡散した特性を
有することを示唆している。その上、この試料の界面、すなわちＡｌｘＧａ１−ｘＮとＧ
ａＮの間の遷移領域は、図２ｃに示した試料Ｓ３の界面よりも厚い。
【０１２１】
〜２ｎｍのＡｌＮｅｘ層を伴う試料Ｓ２は、図２ｃの試料Ｓ３のＡｌＮｅｘ／ＧａＮ界
面と同様かまたは同じである、図２ｂの鮮明なＡｌＮｅｘ／ＧａＮ界面を示している。さ
らに、図２ａと図２ｃを比較すると、試料Ｓ３は、Ｓ１の界面よりも鮮明なＡｌｘＧａ１
−ｘＮ／ＧａＮ界面を明らかに示している。
【０１２２】
ＧａＮ層からＡｌｘＧａ１−ｘＮ層またはＡｌＮｅｘ層までのアルミニウムのＥＤＸ信
号の遷移速度を表すことによって、用語「鮮明な」をより容易に視覚化することができる
。
【０１２３】
図３には、試料Ｓ１、Ｓ２およびＳ３の厚さに対するＥＤＸ線（Ａｌ濃度）を示してい
る。比較を容易にするために、３つの試料のＥＤＸスペクトルをｘ方向に互いに揃えた。
スペクトルは、Ａｌ濃度と共に、Ａｌ濃度がヘテロ構造体の形成時にどのように増加する
かを示している。試料Ｓ１のＡｌ濃度と試料Ｓ３のＡｌ濃度との増加を比較すると、Ｓ３
のＧａＮとＡｌｘＧａ１−ｘＮの間の遷移ゾーン（すなわち、Ａｌ含有量が増加し始める
とき）の傾きが急激であり、よって、より鮮明な界面を示していることが見られる。その
上、試料Ｓ１の傾きは、試料Ｓ３の傾きほど滑らかではなく、緩やかなＡｌ取り込みが、
拡散した非一様なＡｌ成長をもたらすことを示している。この非一様なＡｌ取り込みは、
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層の移動度に悪影響を及ぼすことがある。
【０１２４】
Ｓ１におけるＧａＮからＡｌＧａＮへのＡｌ遷移は、ＡｌＧａＮ層の設定Ａｌ含有量に
徐々に達するために〜１．５ｎｍである一方で、Ｓ３における遷移は、より滑らかであり
、５Å未満と急激である。よって、試料Ｓ１とＳ３の間に見られる移動度の差は、急激な
Ａｌの遷移と関連すると考えられる。この示唆は、高移動度の試料Ｓ３がＡｌｘＧａ１−
ｘＮ／ＧａＮ界面で急激なＡｌ遷移も呈するという事実により確認される。
【０１２５】
図３に見られるように、試料Ｓ２も、かなり急激かつ滑らかな傾きを示しており、高い
移動度を有することを示している。しかし、Ｓ２では、薄い高Ａｌ含有ＡｌｘＧａ１−ｘ
Ｎ層が形成された。対照的に、試料Ｓ３は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮとＧａＮの間に高Ａｌ含
有ＡｌＧａＮ層の形成を伴わずに、急であり滑らかな傾きを有する。
【０１２６】
ＡｌＧａＮ系ＨＥＭＴ構造体における界面制御
以下に議論する別の組の試料を準備した。ＸＲＤにより求められたｘ〜０．１９のＡｌ
ｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体を、同じ成長時間および前駆体流量を用いて１０７
０℃、５０ミリバールで成長させた。ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層の厚さは、〜２１ｎｍと求め
られた。
【０１２７】
ＧａＮの成長後にＴＭＡｌのプリフローをＮＨ３と共にＭＯＣＶＤ反応器に導入した。
Ａｌプリフローの時間を０〜７５秒で変化させた。これらの成長条件でのＡｌＮ成長速度
（ＡｌＮ核生成層の厚さから推定される）は、〜０．０３ｎｍ／秒と概算された。
【０１２８】
ＧａＮの成長後に残留Ｇａ前駆体を流し去るために成長を中断（本明細書では、任意選
択的な待機工程と定義される）させることによる、電気特性への著しい影響は観察されな
かった。
【０１２９】
Ａｌプリフロー工程を伴わない、すなわちＡｌプリフローが０秒である、先行技術によ
って、以下の表３における最初の４つの試料を成長させた。
【０１３０】
表に示す次の４つの試料については、様々なフロー時間のＡｌプリフローを導入した。
【０１３１】
表３に見られるように、ＴＭＡｌフロー時間≧３０秒での移動度は、約〜２２００ｃｍ
２／Ｖｓで飽和し、ＴＭＡｌフロー時間３０秒では、−２．１Ｖのピンチオフ電圧および
２２００ｃｍ２／Ｖｓの移動度が達成された。
【０１３２】
【表２】
0006736577.tif 000011
≧３０秒の長い時間Ａｌプリフローを供給すると、ピンチオフ電圧は、著しく増加し、
Ａｌ濃度が高すぎること、すなわちＡｌＮ層の形成が開始することを示している。
【０１３３】
表３に示す試料ＳＬ２、ＳＬ５、ＳＬ６、ＳＬ７およびＳＬ８の結果を、図４および図
５にも示している。図４は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体のＴＭＡｌフロー
時間に応じた密度およびピンチオフ電圧を示しており、図５は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／Ｇ
ａＮヘテロ構造体のＴＭＡｌフロー時間に応じた２ＤＥＧ移動度を示している。
【０１３４】
ピンチオフ電圧の理論計算
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体のピンチオフ電圧の理論値は、Ｘ線回折ＸＲ
Ｄにより得られる静電バンドダイアグラムにより求められる、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層の厚
さおよびＡｌ濃度に基づいて推定することができる。
【０１３５】
Ｖｐ／（ＡｌＧａＮの厚さ）＝−ｅ＊Ｎｓ／ε０εｒ
次いで、以下の式によりピンチオフ電圧の理論値を計算することができる。
【０１３６】
【数９】
0006736577.tif 000012
（１）
ここで、
【数１０】
0006736577.tif 000013
（２）
すなわち、ＧａＮの総分極密度、ここで、Ｐｓｐ（ＧａＮ）＝−２．９×１０−６Ｃ／
ｃｍ２、すなわち、ＧａＮの自発分極（Ｆ．Ｂｅｒｎａｒｄｉｎｉ  ｅｔ  ａｌ，Ｐｈｙ
ｓ．Ｒｅｖ．Ｂ５６（Ｒ１００２４−Ｒ１００２７））、ｑ＝１．６×１０−１９Ｃ、す
なわち電荷定数である。
【０１３７】
ＰＴｏｔａｌ（ＡｌＧａＮ）は、ＡｌＧａＮの総分極密度であり、ここで、ＡｌＧａＮがバリア層、すなわちＡｌとＧａの同時フロー時に形成されるＡｌｘＧａ１−ｘＮ
層であり、下式により求められ、
【数１１】
0006736577.tif 000014
（３）
ここで、
Ｐｓｐ（ＡｌＧａＮ）＝ｘＰｓｐ（ＡｌＮ）＋（１−ｘ）Ｐｓｐ（ＧａＮ）−ｘ（１
−ｘ）ｂ  （４）
すなわち、ＡｌＧａＮの自発分極密度、ここで、ｘが、Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定値によ
り求められるＡｌ含有率であり、Ｐｓｐ（ＡｌＮ）＝−８．１×１０−６Ｃ／ｃｍ２、す
なわちＡｌＮの自発分極、Ｐｓｐ（ＧａＮ）＝−２．９×１０−６Ｃ／ｃｍ２、すなわち
ＧａＮの自発分極、ｂ＝−２．１×１０−６Ｃ／ｃｍ２、すなわちＡｌＧａＮ自発分極の
湾曲係数であり（Ｆ．Ｂｅｒｎａｒｄｉｎｉ  ｅｔ  ａｌ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ５６（
Ｒ１００２４−Ｒ１００２７））、
Ｐｐｚ（ＡｌＧａＮ）は、ＡｌＧａＮの圧電分極である。
【０１３８】
ε（ＡｌＧａＮ）≒ε（ＧａＮ）−ｘ  （５）
すなわち、単位ε０のＡｌＧａＮの誘電率であり、ここで、
ε（ＧａＮ）＝１０．０ε０、ＧａＮの誘電率（Ｏ．Ａｍｂａｃｈｅｒ，Ｒ．Ｄｉｍｉ
ｔｒｏｖ，Ｗ．Ｒｉｅｇｅｒ  ｅｔ  ａｌ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．８５（１９９９）
，３２２２−３２３３、ε０＝８．８８４×１０−１４Ｆ／ｃｍ、すなわち真空の誘電率
であり、
ｔＡｌＧａＮは、ＡｌＧａＮのｃｍ厚さであり、
【数１２】
0006736577.tif 000015
、Ｎｉ  Ｓｃｈｏｔｔｋｙバリア高である（Ｌ．Ｓ．Ｙｕ  ｅｔ  ａｌ，Ａｐｐｌｉｅｄ
Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，７３，２３８（１９９８）を参照）。
【０１３９】
式１は、下式から導き出される。
【０１４０】
【数１３】
0006736577.tif 000016
、ここで、
移動度改良層、すなわち、Ａｌプリフロー時に形成される厚さＴ２の層、ここで、１ｎ
ｍ≦Ｔ２≦３ｎｍ、を有しない場合、ΔＥＣ（ＡｌＧａＮ２−ＧａＮ）＝０である。
【０１４１】
【数１４】
0006736577.tif 000017
ここで、ΔＥＣ（ＡｌＧａＮ−ＧａＮ）およびΔＥＣ（ＡｌＧａＮ２−ＧａＮ）は、
それぞれＡｌＧａＮバリア層および移動度改良層とＧａＮとの間の伝導バンドオフセット
であり、Ｅｆｉｅｌｄ（ＡｌＧａＮ）は、作り付け静電場である。
【０１４２】
実験／特徴付け詳細
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体は、２ＤＥＧ密度およびピンチオフ電圧を抽
出するために、水銀プローブ容量電圧（ＣＶ）測定値により特徴付けられた。非接触渦電
流法およびＬｅｈｉｇｈｔｏｎ（ＬＥＩ１６１０）移動度システムを使用して、シート抵
抗および２ＤＥＧ移動度をそれぞれ測定した。
【０１４３】
ＧａＮ層の厚さを白色干渉技術により測定した。測定値の分解能は１０ｎｍであった。
Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定値（詳細については、以下を参照）およびシミュレーションフィ
ッティングによって、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層の厚さを抽出した。
【０１４４】
ＸＲＤ特徴付けでは、ＨＥＭＴ試料またはウェハの構造を特徴付けるために、λ＝０．
１５４０６ｎｍのＣｕＫα１放射を有する高分解能Ｘ線回折計（Ｐｈｉｌｉｐｓ  Ｘ’Ｐ
ｅｒｔ  ＭＲＤ）を利用した。ＨＲ−ＸＲＤシステムは、ハイブリッドミラーおよび三軸
結晶を、〜０．００３°（〜１１ａｒｃｓｅｃ）の分解能を達成できる、一次光学系およ
び二次光学系としてそれぞれ備えている。ＡｌＧａＮバリアの厚さおよび組成は、試料ま
たはウェハの２θ／ω測定スペクトルから、ソフトウェアＥｐｉｔａｘｙを用いて２θ／
ω測定スペクトルのフィッティングを行うことによって、抽出することができる。
【０１４５】
ＸＲＤ測定値からＡｌ濃度の測定値を得て、層のＸＲＤスペクトルに基づいてＡｌ濃度
を推定した。ソフトウェアＥｐｉｔａｘｙを用いてＡｌＧａＮピーク位置を２θ／ω測定
スペクトルにフィッティングすることによって、Ａｌ濃度を求めた。
【０１４６】
ソフトウェアＥｐｉｔａｘｙを用いてＡｌＧａＮピークからのフリンジの間隔を２θ／
ωスペクトルにフィッティングすることによって、ＡｌＧａＮの厚さを求めた。
【０１４７】
高分解能走査型透過電子顕微鏡観察（ＳＴＥＭ）の測定は、３００ｋＶで動作する単色
化高輝度Ｓｃｈｏｔｔｋｙ電界放射電子銃（ＸＦＥＧ）を備える、画像プローブＣｓ収差
を補正したＦＥＩ  Ｔｉｔａｎ３  ６０−３００Ｓ／ＴＥＭにおいて行った。Ｓｕｐｅｒ
−Ｘ  ＥＤＸ分光計を用いてエネルギー分散Ｘ線（ＥＤＸ）測定を行うとともに、高角度
円環状暗視野（ＨＡＡＤＦ）検出器を用いて走査用ＴＥＭ（ＳＴＥＭ）画像を得た。
【図１ａ】
0006736577.tif 000022
【図１ｂ】
0006736577.tif 000023
【図２ａ】
0006736577.tif 000024
【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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