(57)【要約】  本発明の実施形態は、異種基板を有するＩＩＩ−Ｎデバイスに適合するバッファ構造を含む。バッファ構造は、第１のアルミニウム組成を有する第１のバッファ層と、第１のバッファ層上に形成され、第２のアルミニウム組成を有する第２のバッファ層とを備える。バッファ構造は、更に、第２の界面において第２のバッファ層上に形成され、第３のアルミニウム組成を有する第３のバッファ層を備える。第１のアルミニウム組成は、第１のバッファ層内で界面に向かって減少し、第２のアルミニウム組成は、第２のバッファ層に亘って、界面における第１のアルミニウム組成より高い。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ−Ｎ層構造体を形成する方法において、
第１の材料層上に、第１のアルミニウム組成を有し、前記第１の材料層に隣接する第１の側と、前記第１の側の反対側の第２の側とを有する第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層を形成するステップと、
前記第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層の第２の側に、第２のアルミニウム組成を有し、１５ｎｍより厚い第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層を形成するステップとを有し、
前記第１のアルミニウム組成は、前記第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘って実質的に一定であり、又は前記第１の側から前記第２の側に向かって減少し、
前記第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘る前記第２のアルミニウム組成は、前記第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層の第２の側における前記第１のアルミニウム組成より高い方法。
【請求項２】
前記第１の材料層は、基板である請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記基板を取り外し、前記ＩＩＩ−Ｎ層構造体の表面を露出させるステップを更に有する請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、１００ｎｍより厚い請求項１記載の方法。
【請求項５】
第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層を形成するステップを更に有し、前記第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、前記第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層と前記第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層との間に形成される請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記第１、第２又は第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層を形成するステップは、鉄（Ｆｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）及び炭素（Ｃ）からなるグループから選択された少なくとも１つ元素によって前記第１、第２又は第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層をドーピングするステップを含む請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、アルミニウムを含まず又は第３のアルミニウム組成を有し、前記第２のアルミニウム組成は、前記第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘って一定であり、前記第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘る前記第３のアルミニウム組成は、前記第２のアルミニウム組成より低い請求項５記載の方法。
【請求項８】
前記第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、アルミニウムを含まず又は第３のアルミニウム組成を有し、前記第２のアルミニウム組成は、前記第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘って非一様であり、前記第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘る前記第３のアルミニウム組成は、前記第２のアルミニウム組成の最低値より低い請求項５記載の方法。
【請求項９】
前記第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、前記第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層に隣接する第１の側と、前記第１の側の反対側の第２の側とを有し、前記第３のアルミニウム組成は、一定であり又は前記第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層の第１の側から前記第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層の第２の側に向かって減少する請求項５記載の方法。
【請求項１０】
前記第３のアルミニウム組成は、前記第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘ってゼロである請求項５記載の方法。
【請求項１１】
前記第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層上にアクティブデバイス層を形成するステップを更に有し、前記アクティブデバイス層は、ＩＩＩ−Ｎ半導体材料を含む請求項５記載の方法。
【請求項１２】
前記ＩＩＩ−Ｎ層構造体は、前記アクティブデバイス層内に電子半導体デバイスの導電チャネルを更に含み、前記導電チャネルは、前記第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層から少なくとも２０ｎｍ分離されている請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
電子半導体デバイスの電極を形成するステップを更に有し、前記電極は、前記導電チャネルに電気的に接続される請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層の側の上に第４のアルミニウム組成を有する第４のＩＩＩ−Ｎバッファ層を形成するステップを更に有し、前記第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、アルミニウムを含まず又は第３のアルミニウム組成を有し、前記第４のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘る第４のアルミニウム組成は、前記第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層の側に直接隣接する前記第３のアルミニウム組成より高い請求項５記載の方法。
【請求項１５】
前記第４のＩＩＩ−Ｎバッファ層の側の上に第５のアルミニウム組成を有する第５のＩＩＩ−Ｎバッファ層を形成するステップを更に有し、前記第５のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘る第５のアルミニウム組成は、前記第４のアルミニウム組成の最低値より低い請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記第４のＩＩＩ−Ｎバッファ層の厚さは、少なくとも２０ｎｍである請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記第４のＩＩＩ−Ｎバッファ層の厚さは、少なくとも５０ｎｍである請求項１４記載の方法。
【請求項１８】
第１の材料層上に形成され、第１のアルミニウム組成を有し、前記第１の材料層に隣接する第１の側と、前記第１の側の反対側の第２の側とを有する第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層と、
前記第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層の第２の側に形成され、第２のアルミニウム組成を有し、１５ｎｍより厚い第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層とを備え、
前記第１のアルミニウム組成は、前記第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層内で実質的に一定であり、又は第１の側から第２の側に向かって減少し、
前記第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘る前記第２のアルミニウム組成は、前記第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層の第２の側における前記第１のアルミニウム組成より高いＩＩＩ−Ｎ層構造体。
【請求項１９】
前記第１の材料層は、基板である請求項１８記載のＩＩＩ−Ｎ層構造体。
【請求項２０】
前記第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、１００ｎｍより厚い請求項１８記載のＩＩＩ−Ｎ層構造体。
【請求項２１】
前記第１の材料層は、異種基板である請求項１８記載のＩＩＩ−Ｎ層構造体。
【請求項２２】
前記第１のアルミニウム組成は、前記第１の側から前記第２の側に向かって単調に減少する請求項１８記載のＩＩＩ−Ｎ層構造体。
【請求項２３】
前記第１のアルミニウム組成は、前記第１の側から前記第２の側に向かって連続した傾斜で減少する請求項１８記載のＩＩＩ−Ｎ層構造体。
【請求項２４】
前記第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、アルミニウム組成が一定の第１の部分と、アルミニウム組成が第１の側から第２の側に向かって単調に減少する第２の部分とを含む請求項１８記載のＩＩＩ−Ｎ層構造体。
【請求項２５】
前記第１のアルミニウム組成は、第１の側から第２の側に向かって離散的に段階状に減少する請求項１８記載のＩＩＩ−Ｎ層構造体。
【請求項２６】
第３のアルミニウム組成を有する第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層を更に備え、前記第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、前記第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層と前記第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層との間にある請求項１８記載のＩＩＩ−Ｎ層構造体。
【請求項２７】
前記第１、第２又は第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、鉄（Ｆｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）及び炭素（Ｃ）からなるグループから選択された少なくとも１つ元素によってドーピングされている請求項２６記載のＩＩＩ−Ｎ層構造体。
【請求項２８】
前記第２のアルミニウム組成は、前記第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘って一定であり、前記第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘る前記第３のアルミニウム組成は、前記第２のアルミニウム組成より低い請求項２６記載のＩＩＩ−Ｎ層構造体。
【請求項２９】
前記第２のアルミニウム組成は、前記第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘って非一様であり、前記第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘る前記第３のアルミニウム組成は、前記第２のアルミニウム組成の最低値より低い請求項２６記載のＩＩＩ−Ｎ層構造体。
【請求項３０】
前記第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、前記第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層に隣接する第１の側と、前記第１の側の反対側の第２の側とを有し、前記第３のアルミニウム組成は、前記第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層の第１の側から前記第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層の第２の側に向かって減少する請求項２６記載のＩＩＩ−Ｎ層構造体。
【請求項３１】
前記第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、前記第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層に隣接する第１の側と、前記第１の側の反対側の第２の側とを有し、前記第３のアルミニウム組成は、前記第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層の第１の側から前記第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層の第２の側に向かって単調に減少する請求項２６記載のＩＩＩ−Ｎ層構造体。
【請求項３２】
前記第３のアルミニウム組成は、前記第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘って一定又はゼロである請求項２６記載のＩＩＩ−Ｎ層構造体。
【請求項３３】
前記第１、第２及び第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層の総厚は、３μｍより厚い請求項２６記載のＩＩＩ−Ｎ層構造体。
【請求項３４】
前記第１、第２及び第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層の総厚は、５μｍより厚い請求項２６記載のＩＩＩ−Ｎ層構造体。
【請求項３５】
前記第１、第２及び第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層の総厚は、７μｍより厚い請求項２６記載のＩＩＩ−Ｎ層構造体。
【請求項３６】
前記第１、第２及び第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、それぞれアルミニウム窒化ガリウムを含む請求項２６記載のＩＩＩ−Ｎ層構造体。
【請求項３７】
前記第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層上にアクティブデバイス層を含み、前記アクティブデバイス層は、ＩＩＩ−Ｎ半導体材料を含む請求項２６記載のＩＩＩ−Ｎ層構造体。
【請求項３８】
前記ＩＩＩ−Ｎ層構造体は、前記アクティブデバイス層内に電子半導体デバイスの導電チャネルを更に含み、前記導電チャネルは、前記第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層から少なくとも２０ｎｍ分離されている請求項３７記載のＩＩＩ−Ｎ層構造体。
【請求項３９】
電極を更に有し、前記電極は、前記導電チャネルに電気的に接続されている請求項３８記載のＩＩＩ−Ｎ層構造体。
【請求項４０】
請求項１８記載のＩＩＩ−Ｎ層構造体を備えるＩＩＩ−Ｎ半導体デバイス。
【請求項４１】
前記第１の材料層は、基板である請求項４０記載のＩＩＩ−Ｎ半導体デバイス。
【請求項４２】
前記基板は、シリコン、炭化シリコン及びサファイアからなるグループから選択された材料を含む請求項４１記載のＩＩＩ−Ｎ半導体デバイス。
【請求項４３】
第３のアルミニウム組成を有する第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層を更に備え、前記第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、前記第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層と前記第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層との間にある請求項４０記載のＩＩＩ−Ｎ半導体デバイス。
【請求項４４】
前記第２のアルミニウム組成は、前記第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘って一定又は非一様であり、前記第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘る前記第３のアルミニウム組成は、前記第２のアルミニウム組成の最低値より低い請求項４３記載のＩＩＩ−Ｎ半導体デバイス。
【請求項４５】
前記第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、１００ｎｍより厚い請求項４４記載のＩＩＩ−Ｎ半導体デバイス。
【請求項４６】
前記第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層上にアクティブデバイス層を含み、前記アクティブデバイス層は、ＩＩＩ−Ｎ半導体材料を含む請求項４５記載のＩＩＩ−Ｎ半導体デバイス。
【請求項４７】
前記アクティブデバイス層内に前記ＩＩＩ−Ｎ半導体デバイスの導電チャネルを含み、前記ＩＩＩ−Ｎ半導体デバイスは、電子デバイスである請求項４６記載のＩＩＩ−Ｎ半導体デバイス。
【請求項４８】
前記導電チャネルは、前記第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層から少なくとも２０ｎｍ分離されている請求項４７記載のＩＩＩ−Ｎ半導体デバイス。
【請求項４９】
前記電子デバイスは、トランジスタ又はダイオードである請求項４７記載のＩＩＩ−Ｎ半導体デバイス。
【請求項５０】
電極を更に有し、前記電極は、前記導電チャネルに電気的に接続されている請求項４７記載のＩＩＩ−Ｎ半導体デバイス。
【請求項５１】
前記第１、第２又は第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、鉄（Ｆｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）及び炭素（Ｃ）からなるグループから選択された少なくとも１つ元素がドーピングされている請求項４３記載のＩＩＩ−Ｎ半導体デバイス。
【請求項５２】
前記第１及び第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、アルミニウム窒化ガリウム又はホウ素アルミニウムインジウム窒化ガリウムを含む請求項４０記載のＩＩＩ−Ｎ半導体デバイス。
【請求項５３】
基板と、
前記基板上に形成され、第１のアルミニウム組成を有し、前記基板に隣接する第１の側と、前記第１の側の反対側の第２の側とを有する第１のＩＩＩ−Ｎ層と、
前記第１のＩＩＩ−Ｎ層の第２の側に形成され、第２のアルミニウム組成を有し、３０ｎｍより厚い第２のＩＩＩ−Ｎ層と、
前記第１のＩＩＩ−Ｎ層に対して前記第２のＩＩＩ−Ｎ層の反対側に形成され、第３のアルミニウム組成を有し、前記第２のＩＩＩ−Ｎ層に隣接する第１の側と、前記第１の側の反対側の第２の側とを有する第３のＩＩＩ−Ｎ層とを備え、
前記第１のアルミニウム組成は、前記第１のＩＩＩ−Ｎ層内で略々一定であり、又は前記第１のＩＩＩ−Ｎ層の第１の側から前記第１のＩＩＩ−Ｎ層の第２の側に向かって減少し、
前記第２のＩＩＩ−Ｎ層内の第２のアルミニウム組成は、前記第１のＩＩＩ−Ｎ層の第２の側における第１のアルミニウム組成より高く、
前記第３のＩＩＩ−Ｎ層の第１の側における前記第３のアルミニウム組成は、前記第２のアルミニウム組成の最低値より低いＩＩＩ−Ｎ構造体。
【請求項５４】
前記第３のＩＩＩ−Ｎ層に亘る前記第３のアルミニウム組成は、前記第２のアルミニウム組成の最低値より低い請求項５３記載のＩＩＩ−Ｎ構造体。
【請求項５５】
前記第２のＩＩＩ−Ｎ層の厚さは、１００ｎｍ以上である請求項５３記載のＩＩＩ−Ｎ構造体。
【請求項５６】
前記基板は、シリコン、ＳｉＣ又はサファイアを含む請求項５３記載のＩＩＩ−Ｎ構造体。
【請求項５７】
前記基板と前記第１のＩＩＩ−Ｎ層との間に形成された核形成層を更に備える請求項５３記載のＩＩＩ−Ｎ構造体。
【請求項５８】
前記第１のＩＩＩ−Ｎ層又は第２のＩＩＩ−Ｎ層は、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄを実質的に１として、ＢａＡｌｂＩｎｃＧａｄＮを含み、又はｘ＋ｙを実質的に１として、ＡｌｘＧａｙＮを含む請求項５３記載のＩＩＩ−Ｎ構造体。
【請求項５９】
前記第１のアルミニウム組成は、前記第１のＩＩＩ−Ｎ層の第１の側から前記第１のＩＩＩ−Ｎ層の第２の側に向かって単調に減少する請求項５３記載のＩＩＩ−Ｎ構造体。
【請求項６０】
前記第３のアルミニウム組成は、一定であり又は前記第３のＩＩＩ−Ｎ層の第１の側から前記第３のＩＩＩ−Ｎ層の第２の側に向かって単調に減少する請求項５９記載のＩＩＩ−Ｎ構造体。
【請求項６１】
前記第１、第２又は第３のＩＩＩ−Ｎ層は、鉄（Ｆｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）及び炭素（Ｃ）からなるグループから選択された少なくとも１つ元素がドーピングされている請求項５３記載のＩＩＩ−Ｎ構造体。
【請求項６２】
ＩＩＩ−Ｎ層構造体を形成する方法において、
第１の材料層上に、第１のアルミニウム組成を有し、前記第１の材料層に隣接する第１の側と、前記第１の側の反対側の第２の側とを有する第１のＩＩＩ−Ｎ層を形成するステップと、
前記第１のＩＩＩ−Ｎ層の第２の側に、第２のアルミニウム組成を有し、１５ｎｍより厚い第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層を形成するステップとを有し、
前記第１のアルミニウム組成は、前記第１の側から前記第２の側に向かって増加せず、
前記第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘る前記第２のアルミニウム組成は、前記第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層の第２の側における前記第１のアルミニウム組成より高い方法。
【請求項６３】
前記第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、３０ｎｍより厚い請求項６２記載の方法。
【請求項６４】
前記第１のアルミニウム組成は、前記第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層内で実質的に一定である請求項６２記載の方法。
【請求項６５】
前記第１のアルミニウム組成は、前記第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層の第１の側から前記第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層の第２の側に向かって減少する請求項６２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
ＩＩＩ族窒化物（ＩＩＩ−Ｎ）半導体のための大きな同種基板（native substrates）は、広く普及していないため、現在、ＩＩＩ−Ｎ膜、例えば、ＧａＮ及びその合金は、適切な非ＩＩＩ−Ｎ基板上で、ヘテロエピタキシーによって成長されている。通常、膜は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、炭化シリコン（ＳｉＣ）又はシリコン基板上で成長されている。シリコン基板は、コストが安く、入手が容易であり、ウエハサイズが大きく、熱特性が優れており、シリコンベースの電子部品と統合が容易であるために、ＩＩＩ−Ｎ層のための特に魅力的な基板候補となっている。しかしながら、シリコンとＩＩＩ−Ｎ材料との間の格子不整合及び熱膨張係数の不整合のために、シリコン基板上に直接堆積されるＩＩＩ−Ｎエピタキシャル層に正味引張応力（net tensile stress）が加わることが多い。
【０００２】
この不整合によって、層にクラックが生じ、したがって、構造的に適切な品質を有し、クラックがない厚いＩＩＩ−Ｎ層をシリコン基板上に成長させることは困難な場合がある。例えば、実質的な欠陥を生じさせることなく成長できるＩＩＩ−Ｎ層の最大の厚さには、制約がある。ＩＩＩ−Ｎ層を厚く成長させすぎると、冷却の際に層に加わる引張応力が大きくなり、層にクラックが生じることがある。ＩＩＩ−Ｎヘテロエピタキシャル層を用いる多くの用途では、適切な品質の非常に厚いＩＩＩ−Ｎ層を異種基板上に成長させる必要がある場合がある。
【技術分野】
【０００３】
本発明は、異種基板上に成長されるＩＩＩ族窒化物デバイスにおける応力管理のためのバッファ層設計に関する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一側面として、ＩＩＩ−Ｎ層構造体を形成する方法を開示する。方法は、第１の材料層上に、第１のアルミニウム組成を有する第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層を形成するステップを有し、第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、第１の材料層に隣接する第１の側と、第１の側の反対側の第２の側とを有する。方法は、更に、第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層の第２の側に第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層を形成するステップを有し、第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、第２のアルミニウム組成を有し、１５ｎｍより厚い。第１のアルミニウム組成は、第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘って実質的に一定であり、又は第１の側から第２の側に向かって減少し、第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘る第２のアルミニウム組成は、第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層の第２の側における第１のアルミニウム組成より高い。
【０００５】
他の側面として、ＩＩＩ−Ｎ層構造体を形成する方法を開示する。方法は、第１の材料層上に、第１のアルミニウム組成を有する第１のＩＩＩ−Ｎ層を形成するステップを有し、第１のＩＩＩ−Ｎ層は、第１の材料層に隣接する第１の側と、第１の側の反対側の第２の側とを有する。方法は、更に、第１のＩＩＩ−Ｎ層の第２の側に第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層を形成するステップを有し、第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、第２のアルミニウム組成を有し、１５ｎｍより厚い。第１のアルミニウム組成は、第１の側から第２の側に向かって増加せず、第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘る第２のアルミニウム組成は、第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層の第２の側における第１のアルミニウム組成より高い。
【０００６】
ここに開示する方法は、以下のステップ又は特徴の１つ以上を含むことができる。第１の材料層は、基板であってもよい。基板を取り外し、ＩＩＩ−Ｎ層構造体の表面を露出させてもよい。第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、３０ｎｍより厚くてもよく、１００ｎｍより厚くてもよい。第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層を形成してもよく、第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層と第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層との間に形成される。第１、第２又は第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層を形成するステップは、鉄（Ｆｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）及び炭素（Ｃ）からなるグループから選択された少なくとも１つ元素によって第１、第２又は第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層をドーピングするステップを含んでいてもよい。第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、アルミニウムを含まなくてもよく又は第３のアルミニウム組成を有していてもよく、第２のアルミニウム組成は、第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘って一定であり、第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘る第３のアルミニウム組成は、第２のアルミニウム組成より低い。第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、アルミニウムを含まなくてもよく又は第３のアルミニウム組成を有していてもよく、第２のアルミニウム組成は、第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘って非一様であり、第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘る第３のアルミニウム組成は、第２のアルミニウム組成の最低値より低い。第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層に隣接する第１の側と、第１の側の反対側の第２の側とを有していてもよく、第３のアルミニウム組成は、一定であり又は第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層の第１の側から第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層の第２の側に向かって減少する。第３のアルミニウム組成は、第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘ってゼロであってもよい。
【０００７】
第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層上にアクティブデバイス層を形成してもよく、アクティブデバイス層は、ＩＩＩ−Ｎ半導体材料を含み又はＩＩＩ−Ｎ半導体材料から形成される。ＩＩＩ−Ｎ層構造体は、アクティブデバイス層内に電子半導体デバイスの導電チャネルを更に含んでいてもよく、導電チャネルは、第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層から少なくとも２０ｎｍ分離されている。方法は、電子半導体デバイスの電極を形成するステップを更に有していてもよく、電極は、導電チャネルに電気的に接続される。第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層の側の上に第４のアルミニウム組成を有する第４のＩＩＩ−Ｎバッファ層を形成してもよく、第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、アルミニウムを含まず又は第３のアルミニウム組成を有し、第４のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘る第４のアルミニウム組成は、第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層の側に直接隣接する第３のアルミニウム組成より高い。第４のＩＩＩ−Ｎバッファ層の側の上に第５のアルミニウム組成を有する第５のＩＩＩ−Ｎバッファ層を形成してもよく、第５のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘る第５のアルミニウム組成は、第４のアルミニウム組成の最低値より低い。第４のＩＩＩ−Ｎバッファ層の厚さは、少なくとも２０ｎｍ又は少なくとも５０ｎｍである。第１のアルミニウム組成は、第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層内で実質的に一定であってもよい。第１のアルミニウム組成は、第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層の第１の側から第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層の第２の側に向かって減少してもよい。
【０００８】
他の側面として、ＩＩＩ−Ｎ層構造体を開示する。構造体は、第１の材料層上に形成され、第１のアルミニウム組成を有する第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層を備える。第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、第１の材料層に隣接する第１の側と、第１の側の反対側の第２の側とを有する。構造体は、更に、第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層の第２の側に形成された第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層を備える。第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、第２のアルミニウム組成を有し、１５ｎｍより厚い。第１のアルミニウム組成は、第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層内で実質的に一定であり、又は第１の側から第２の側に向かって減少し、第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘る第２のアルミニウム組成は、第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層の第２の側における第１のアルミニウム組成より高い。
【０００９】
更に他の側面として、ＩＩＩ−Ｎ構造体を開示する。構造体は、基板と、基板上に形成され、第１のアルミニウム組成を有する第１のＩＩＩ−Ｎ層を備える。第１のＩＩＩ−Ｎ層は、第１基板に隣接する第１の側と、第１の側の反対側の第２の側とを有する。構造体は、更に、第１のＩＩＩ−Ｎ層の第２の側に形成された第２のＩＩＩ−Ｎ層を有し、第２のＩＩＩ−Ｎ層は、第２のアルミニウム組成を有し、３０ｎｍより厚い。構造体は、更に、第１のＩＩＩ−Ｎ層に対して第２のＩＩＩ−Ｎ層の反対側に形成され、第３のアルミニウム組成を有する第３のＩＩＩ−Ｎ層を備える。第３のＩＩＩ−Ｎ層は、第２のＩＩＩ−Ｎ層に隣接する第１の側と、第１の側の反対側の第２の側とを有する。第１のアルミニウム組成は、第１のＩＩＩ−Ｎ層内で略々一定であり、又は第１のＩＩＩ−Ｎ層の第１の側から第１のＩＩＩ−Ｎ層の第２の側に向かって減少し、第２のＩＩＩ−Ｎ層内の第２のアルミニウム組成は、第１のＩＩＩ−Ｎ層の第２の側における第１のアルミニウム組成より高く、第３のＩＩＩ−Ｎ層の第１の側における第３のアルミニウム組成は、第２のアルミニウム組成の最低値より低い。
【００１０】
ここに開示するＩＩＩ−Ｎ構造は、以下の特徴の１つ以上を含むことができる。第１の材料層は、基板又は異種基板であってもよい。第２のＩＩＩ−Ｎ層又は第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、１００ｎｍより厚くてもよい。第１のアルミニウム組成は、第１の側から第２の側に向かって単調に減少してもよい。第１のアルミニウム組成は、第１の側から第２の側に向かって連続した傾斜で減少してもよい。第１のＩＩＩ−Ｎ層又は第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、アルミニウム組成が一定の第１の部分と、アルミニウム組成が第１の側から第２の側に向かって単調に減少する第２の部分とを含んでいてもよい。第１のアルミニウム組成は、第１の側から第２の側に向かって離散的に段階状に減少してもよい。構造体は、第３のアルミニウム組成を有する第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層を更に備えていてもよく、第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層と第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層との間にある。
【００１１】
第１、第２又は第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、鉄（Ｆｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）及び炭素（Ｃ）からなるグループから選択された少なくとも１つ元素によってドーピングされていてもよい。第２のアルミニウム組成は、第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘って一定であってもよく、第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘る第３のアルミニウム組成は、第２のアルミニウム組成より低くてもよい。第２のアルミニウム組成は、第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘って非一様であってもよく、第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘る第３のアルミニウム組成は、第２のアルミニウム組成の最低値より低くてもよい。第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層に隣接する第１の側と、第１の側の反対側の第２の側とを有していてもよく、第３のアルミニウム組成は、第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層の第１の側から第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層の第２の側に向かって減少する。第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層に隣接する第１の側と、第１の側の反対側の第２の側とを有していてもよく、第３のアルミニウム組成は、第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層の第１の側から第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層の第２の側に向かって単調に減少してもよい。第３のアルミニウム組成は、第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘って一定又はゼロであってもよい。
【００１２】
第１、第２及び第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層の総厚は、３μｍ、５μｍ又は７μｍより厚くてもよい。第１、第２及び第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、それぞれアルミニウム窒化ガリウム（aluminum gallium nitride）を含んでいてもよい。構造体は、第３のＩＩＩ−Ｎ層又はバッファ層上にアクティブデバイス層を含んでいてもよく、アクティブデバイス層は、ＩＩＩ−Ｎ半導体材料を含み又はＩＩＩ−Ｎ半導体材料から形成される。ＩＩＩ−Ｎ層構造体は、アクティブデバイス層内に電子半導体デバイスの導電チャネルを更に含んでいてもよく、導電チャネルは、第３のＩＩＩ−Ｎ層又はバッファ層から少なくとも２０ｎｍ分離されている。構造体は、電極を更に有していてもよく、電極は、導電チャネルに電気的に接続されている。ＩＩＩ−Ｎ半導体デバイスは、この構造体を含んでいてもよく、この構造体から形成してもよい。ＩＩＩ−Ｎ半導体デバイスの基板は、シリコン、炭化シリコン及びサファイアを含んでいてもよい。ＩＩＩ−Ｎ半導体デバイスは、第３のアルミニウム組成を有する第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層を更に備えていてもよく、第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、第１のＩＩＩ−Ｎバッファ層と第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層との間にある。ＩＩＩ−Ｎ半導体デバイスの第２のアルミニウム組成は、第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘って一定であってもよく又は非一様であってもよく、第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層に亘る第３のアルミニウム組成は、第２のアルミニウム組成の最低値より低くてもよい。ＩＩＩ−Ｎ半導体デバイスの第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、１００ｎｍより厚くてもよい。
【００１３】
ＩＩＩ−Ｎ半導体デバイスは、第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層上にアクティブデバイス層を更に含んでいてもよく、アクティブデバイス層は、ＩＩＩ−Ｎ半導体材料を含み又はＩＩＩ−Ｎ半導体材料から形成される。ＩＩＩ−Ｎ半導体デバイスは、アクティブデバイス層内に導電チャネルを含んでいてもよい。ＩＩＩ−Ｎ半導体デバイスは、電子デバイスであってもよい。ＩＩＩ−Ｎ半導体デバイスの導電チャネルは、第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層から少なくとも２０ｎｍ分離されていてもよい。ＩＩＩ−Ｎ半導体デバイスは、トランジスタ又はダイオードであってもよい。ＩＩＩ−Ｎ半導体デバイスは、電極を更に有していてもよく、電極は、導電チャネルに電気的に接続されている。
【００１４】
第１、第２又は第３のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、鉄（Ｆｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、炭素（Ｃ）又はこれらの組合せによってドーピングされていてもよい。第１及び第２のＩＩＩ−Ｎバッファ層は、アルミニウム窒化ガリウム（aluminum gallium nitride）又はホウ素アルミニウムインジウム窒化ガリウム（boron aluminum indium gallium nitride）を含んでいてもよく、又はこれらから形成してもよい。第３のＩＩＩ−Ｎ層又はバッファ層に亘る第３のアルミニウム組成は、第２のアルミニウム組成の最小値より低くてもよい。基板は、シリコン、ＳｉＣ又はサファイアを含んでいてもよく、これらから形成してもよい。構造体は、基板と第１のＩＩＩ−Ｎ層又はバッファ層との間に形成された核形成層を更に備えていてもよい。第１のＩＩＩ−Ｎ層又は第２のＩＩＩ−Ｎ層は、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄを実質的に１として、ＢａＡｌｂＩｎｃＧａｄＮを含んでいてもよい、又はｘ＋ｙを実質的に１として、ＡｌｘＧａｙＮを含んでいてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】バッファ構造体内のバッファ層の断面図である。
【図２】異種基板上に形成されたバッファ構造体のバッファ層の断面図である。
【図３】異種基板上に形成されたバッファ構造体のバッファ層の断面図である。
【図４】異種基板上に形成されたバッファ構造体のバッファ層の断面図である。
【図５】本発明に基づくバッファ層を含むバッファ構造を有するＩＩＩ−Ｎデバイスの具体例の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
複数の図面において、同様の要素には、同様の符号を付している。
【００１７】
本発明の実施形態は、半導体デバイス、特に異種基板（foreign substrate）上に形成され又は異種基板を含むＩＩＩ−Ｎデバイス又は半導体デバイスに適するバッファ層構造体を含む。異種基板上にＩＩＩ−Ｎ層が成長される場合、基板とＩＩＩ−Ｎエピタキシャル層との間の格子定数、熱膨張係数、化学的特性及び構造的特性の不整合によって、成長の間、層内に実質的な応力が生じ、成長の間、ＩＩＩ−Ｎ層に引張応力が加わることがある。更に、ＩＩＩ−Ｎ層と、ＩＩＩ−Ｎ層が成長され又は堆積される異種基板との間の熱膨張係数の不整合のために、層が、通常、７００℃〜１５００℃の範囲の成長温度から室温（すなわち、２５℃）に冷却される際に、ＩＩＩ−Ｎ層内に更なる応力が生じることがある。
【００１８】
同種でない基板（例えば、異種基板）、例えばＳｉＣ及びシリコン基板の熱膨張係数は、窒化ガリウム及びその合金の熱膨張係数より小さいために、異種基板上に成長されたＩＩＩ−Ｎ膜／スタックが成長温度から室温に冷却されると、ＩＩＩ−Ｎ膜内の応力は、引張応力が大きく及び／又は圧縮応力が小さくなる。室温において、ＩＩＩ−Ｎ膜内の引張応力が大きくなりすぎると、ＩＩＩ−Ｎ層内にクラック等の欠陥が生じることがある。したがって、基板上の最終的なＩＩＩ−Ｎ膜／スタックには、冷却の間に生じる引張応力を補償するために、成長温度において、十分な圧縮応力を加える必要がある。エピタキシャルＩＩＩ−Ｎ膜のクラックを防止するために、通常、冷却の直前に、成長温度において、十分高い圧縮応力を膜に加え、これによって、室温では、実質的に膜に応力が加わらないか又は膜に加わる圧縮応力が小さくなるようにする。しかしながら、成長の間の何れかの時点でＩＩＩ−Ｎ膜の応力が高くなりすぎると、成長の間にＩＩＩ−Ｎ膜内に転移（dislocation）又はアイランド形成等の欠陥が生じ、膜上に形成されるデバイスの性能が低下することがある。したがって、最終的なＩＩＩ−Ｎ膜に十分大きな圧縮応力を加え、膜が室温に冷却される際、実質的に膜に応力が加わらないか又は膜に加わる圧縮応力又は引張応力が小さくなるようにすることが望ましく、同時に、成長の間に生じる応力が、成長の何れに時点においても、膜に欠陥形成を引き起こす限界値を超えないようにすることが望ましい。
【００１９】
ＩＩＩ−Ｎ膜をシリコン基板上に成長させる場合、基板とエピタキシャル成長される膜との間の熱膨張係数の差が最大となるが、高品質のＩＩＩ−Ｎ膜を製造するための様々なバッファ層を用いた解決策が可能であり、例えば、基板に近い領域の窒化アルミニウム（ｘ＝１）から、基板から遠い領域の窒化ガリウム（ｘ＝０）まで、ＡｌｘＧａ１−ｘＮバッファ膜の組成を傾斜させ、バッファ構造内に薄い（例えば、１０ｎｍより薄い）ＡｌＮ又はＡｌＧａＮ中間層を堆積させ、薄い（例えば、１０ｎｍより）ＡｌＮ層を有するＡｌＮ−ＧａＮ超格子を挿入し、又は基板からの距離が遠くなるに従って、アルミニウム組成が段階的に減少するようにＡｌＧａＮバッファ層を成長させる。
【００２０】
基板からの距離が遠くなるにつれてアルミニウム組成が段階的に減少する傾斜したＡｌｘＧａ１−ｘＮバッファ層及びＡｌＧａＮバッファ層の場合、バッファ膜内のＡｌ組成ｘＡｌは、バッファ構造内の全ての部分において、一定のままであるか、又は基板から離れるにつれて単調に減少し、例えば、基板に隣接するＡｌＮ核形成層における１又は略々１から基板から最も遠いバッファ層の部分における０又は略々０まで減少する。薄いＡｌＮ又はＡｌＧａＮ中間層を含むバッファ構造又は薄いＡｌＮ層を有するＡｌＮ−ＧａＮ超格子を含むバッファ構造では、バッファ膜のＡｌ組成は、薄いＡｌＮ又はＡｌＧａＮ膜のそれぞれの底部界面（すなわち、基板に最も近い界面）を除き、一定のままであるか、又は基板から離れるにつれて単調に減少する。
【００２１】
多くの用途、例えば、大電力トランジスタ又はダイオード等の大電力ＩＩＩ族窒化物電子デバイスでは、例えば、表面漏れ電流を低減し、及び／又はデバイス降伏電圧を高めるために、全てのバッファ層の平均アルミニウム（Ａｌ）組成は、可能な限り大きいことが望ましい。しかしながら、バッファ構造内の厚い層に亘ってＡｌ組成を大きくしすぎると、バッファ構造内の材料特性が劣化することがある。
【００２２】
更に、多くの半導体デバイス用途では、デバイスアクティブ層の基底にあるＩＩＩ−Ｎバッファ層の総厚は、例えば、少なくとも３μｍ又は少なくとも５μｍ等、比較的厚くすることが望ましい。傾斜したＡｌｘＧａ１−ｘＮバッファ層、又は基板からの距離が大きくなるにつれてアルミニウム組成が段階的に減少する一連のＡｌＧａＮバッファ層を採用する層構造体では、ＩＩＩ−Ｎ層の圧縮応力は、ＩＩＩ−Ｎバッファ材料が多く堆積されるにつれて、一定に増加する。通常、十分厚いＩＩＩ−Ｎバッファ層が堆積又は成長される前に、応力レベルがクラック又は他の欠陥が生じる限界に達してしまう。したがって、幾つかの用途では、このようなＩＩＩ−Ｎ層構造体を採用した十分厚いＩＩＩ−Ｎバッファ構造を形成することができない。
【００２３】
ここで使用するＩＩＩ族窒化物又はＩＩＩ−Ｎ材料、層、デバイス、構造等の用語は、化学量論式ＡｌｘＩｎｙＧａｚＮで表される化合物半導体材料を含む材料、層、デバイス又は構造を意味し、ｘ＋ｙ＋ｚは、約１である。ここで、ｘ、ｙ及びｚは、それぞれＡｌ、Ｉｎ及びＧａの組成比率（fractional composition）である。「基板」とは、その上に半導体デバイスの更なる半導体材料層が堆積され、例えば、エピタキシャル成長される半導体材料層であり、基板に接触又は隣接して成長される半導体材料の結晶構造は、少なくとも部分的に基板の結晶構造に整合し、又は少なくとも部分的に基板の結晶構造によって定まる。第１の半導体材料上に第２の半導体材料をエピタキシャル成長させると、第１の半導体材料に接触又は隣接する第２の半導体材料の結晶構造は、少なくとも部分的に第１の半導体材料の結晶構造に整合し、又は少なくとも部分的に第１の半導体材料の結晶構造によって定まる。一方、第２の半導体材料が第１の半導体材料に接着又は接合される場合、２つの半導体材料の結晶構造は、通常、一致（整合）しない。
【００２４】
「異種基板（foreign substrate）」とは、組成及び／又は構造が基板上に成長される半導体材料と実質的に異なる材料から形成される基板であり、「同種基板（native substrate）」とは、組成及び／又は構造が基板上に成長される半導体材料と実質的に同じ材料から形成される基板である。ＩＩＩ−Ｎ材料の成長のために用いられる異種基板の具体例としては、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板、炭化シリコン（ＳｉＣ）基板、シリコン（Ｓｉ）基板、アモルファス又は多結晶窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板等がある。ＩＩＩ−Ｎ材料の成長のために用いられる同種基板の具体例としては、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板及び結晶ＡｌＮ基板等がある。
【００２５】
トランジスタ、ダイオード、レーザ、ＬＥＤ、光起電力電池又は他のデバイス等のデバイス内で用いられるＩＩＩ族窒化物半導体材料が異種基板上に形成される場合、例えば、アクティブ層内の欠陥を最小化し及び／又は半導体層構造体における応力を制御するために、通常、基板とアクティブな半導体素子層との間に１つ以上のＩＩＩ−Ｎバッファ層が基板上に成長される。トランジスタ及びダイオード等の電子半導体デバイスの場合、二次元電子ガス（２ＤＥＧ）等の導電性デバイスチャネルを含む層は、「チャネル層」と呼ばれる。多くの場合、電子デバイスの１つ以上の層が２ＤＥＧ又は他の導電チャネルを含むこともあるが、チャネル層は、オン状態デバイス電流が流れる層である。したがって、チャネル層内のデバイスチャネルは、デバイス電極（例えば、ソース電極、ドレイン電極、アノード電極又はカソード電極）の少なくとも１つに電気的に接続され、デバイス動作の間、デバイスチャネルからデバイス電極に電流が流れる。
【００２６】
チャネルを含む半導体層は、通常、（厚み方向に）チャネルと基板との間に存在する部分を含む。幾つかの場合、この部分は、２０ｎｍより厚い。このような場合、デバイス「チャネル層」は、厚み方向において２０ｎｍのデバイスチャネル内のデバイスチャネルを含む半導体層の一部を指す。
【００２７】
半導体電子デバイスのチャネル層は、チャネル層上（すなわち、基板から反対のチャネル層の側）に堆積又は形成される半導体層と共に、アウトプット（出力）電流特性に影響を与えることができるので、これらをまとめて「アクティブ層」と呼ぶ。幾つかの具体例では、電子半導体デバイスのアクティブ層は、基板から反対側の少なくとも１つの導電性デバイスチャネル上に形成される全ての半導体層を含む。他の具体例では、アクティブ半導体層は、少なくとも１つの導電性デバイスチャネルの上又は下にあり、（厚み方向において）デバイスチャネルから１００ｎｍ未満、５０ｎｍ未満、又は２０ｎｍ未満の全ての半導体層を含む。
【００２８】
レーザ、ＬＥＤ、光起電デバイス等の光学半導体デバイス又は光電子半導体デバイスの場合、アクティブ層は、デバイス動作の間に光を吸収又は放出するように設計された層を含む。また、アクティブ層は、放出層又は吸収層に光子又は電流キャリア（すなわち、電子及び／又は正孔）を閉じ込めるように設計されたクラッディング層及びミラー層等の層を含む。幾つかの具体例では、光学又は光電子半導体デバイスのアクティブ層は、光を吸収又は放出するように構成された何れかの半導体層からの距離が１μｍ未満、５００ｎｍ未満、２００ｎｍ未満、１００ｎｍ未満又は５０ｎｍ未満の全ての半導体層を含む。
【００２９】
ここで言う「バッファ層」とは、基板とデバイスアクティブ層との間に配置又は形成される半導体層である。幾つかの半導体デバイスの半導体材料構造は、単一のバッファ層を含み又は単一のバッファ層と共に形成され、他の半導体デバイスの半導体材料構造は、２つ以上のバッファ層を含み又は２つ以上のバッファ層と共に形成される。幾つかの具体例では、電子半導体デバイスのバッファ層は、基板と導電性デバイスチャネルとの間に配置又は形成される半導体層である（この場合、導電性デバイスチャネルは、デバイス電極に電気的に接続され又は電気的に接続されるように構成された半導体層内の導電領域であり、デバイス動作の間、電流は、デバイスチャネルからデバイス電極に又は逆方向に流れる）。このようなバッファ層は、２０ｎｍ以上、５０ｎｍ以上又は１００ｎｍ以上導電性デバイスチャネルから離される。他の具体例では、光学又は光電子半導体デバイスのバッファ層は、基板と光を吸収又は放出するように構成された半導体層との間で配置又は形成される半導体層であり、バッファ層と、光を吸収又は放出されるように構成された半導体層との間には、少なくとも１つ更なる層が含まれ、更なる層の厚さは、１μｍ以上、５００ｎｍ以上、２００ｎｍ以上、１００ｎｍ以上又は５０ｎｍ以上である。
【００３０】
図１は、基板及びバッファ構造１００の断面図である。バッファ層１５０は、基板１０１上に形成でき、基板１０１は、異種基板であってもよい。幾つかの具体例では、バッファ構造１００を形成した後に、基板１０１を取り除く。他の具体例では、基板１０１の除去の後に、基板１０１の除去によって露出した界面において、バッファ層１５０にキャリアウェハ（carrier wafer）を取り付ける（図示せず）。キャリアウェハは、半導体、金属又は絶縁体であってもよい。バッファ層１５０をキャリアウェハに取り付ける場合、通常、バッファ層の如何なる部分の結晶構造もキャリアウェハの結晶構造に整合しない。
【００３１】
バッファ構造１００の一実施形態は、第１のバッファ層１０２と、界面１０３において第１のバッファ層１０２上に形成された第２のバッファ層１０４と、第２の界面１０５において第２のバッファ層１０４上に形成された第３のバッファ層１０６とを含む。第１のバッファ層１０２は、第１のアルミニウム組成ｘ１（ｄ）を有し、第２のバッファ層１０４は、第２のアルミニウム組成ｘ２（ｄ）を有し、第３のバッファ層１０６は、第３のアルミニウム組成ｘ３（ｄ）を有する。Ａｌ組成ｘ１（ｄ）、ｘ２（ｄ）及びｘ３（ｄ）は、それぞれ一定であってもよく、基板からの距離ｄに応じて変化してもよい。
【００３２】
一実施形態においては、第１のバッファ層１０２の第１のアルミニウム組成ｘ１（ｄ）は、第１のバッファ層１０２内で界面１０３に向かって減少する。なお、第１のアルミニウム組成ｘ１（ｄ）は、連続的傾斜若しくは段階的傾斜、又は連続的傾斜と段階的傾斜の組合せによって、界面１０３に向かって単調に減少してもよい。また、第１のアルミニウム組成ｘ１（ｄ）は、界面に向かって、離散的な段階状に減少してもよい。例えば、ｘ１（ｄ）は、第１のバッファ層１０２の一部で一定であり、ある部分から他の部分にかけて突然減少してもよく、他の部分では連続的に減少してもよく、これらをどのように組合せてもよい。他の実施形態では、第１のアルミニウム組成ｘ１（ｄ）は、実質的に一定（例えば、層内での変化が０．０２未満）であり、又は第１のバッファ層内ではゼロである。
【００３３】
第２のバッファ層１０４に亘る第２のアルミニウム組成ｘ２（ｄ）は、界面１０３において、第１のアルミニウム組成より大きくてもよい［ｘ２（ｄ）＞ｘ１（ｄ１）］。例えば、ある具体例では、第２のアルミニウム組成は、第２のバッファ層１０４に亘って一定であり［ｘ２（ｄ）＝一定］、第３のバッファ層１０６の第３のアルミニウム組成ｘ３（ｄ）は、全ての部分で、第２のアルミニウム組成より低い［例えば、ｘ３（ｄ）＜ｘ２（ｄ）］。
【００３４】
これに代えて、第２のアルミニウム組成ｘ２（ｄ）は、第２のバッファ層１０４に亘って変化してもよく、第３のバッファ層１０６に亘る第３のアルミニウム組成ｘ３（ｄ）は、第２のアルミニウム組成の最低値より低くてもよい［例えば、全てのｄについて、ｘ３（ｄ）＜ｘ２（ｄ）］。第３のアルミニウム組成ｘ３（ｄ）は、第３のバッファ層１０６内で第２の界面１０５からｄ＝ｄ３に向かって減少してもよく、第３のバッファ層１０６に亘ってゼロであってもよい［ｘ３（ｄ）＝０］。第２のバッファ層１０４の厚さ（ｔ＝ｄ２−ｄ１）は、１５ｎｍ以上、２０ｎｍ以上、５０ｎｍ以上、１００ｎｍ以上又は２００ｎｍ以上であってもよい。
【００３５】
なお、第３のアルミニウム組成ｘ３（ｄ）は、第３のバッファ層１０６内で第２の界面１０５からｄ＝ｄ３に向かって単調に減少してもよい。これに代えて、第３のアルミニウム組成ｘ３（ｄ）は、第３のバッファ層１０６に亘って一定であってもよい。第１のバッファ層１０２、第２のバッファ層１０４及び第３のバッファ層１０６を含むバッファ層１５０の全体的な厚さは、３μｍ、５μｍ又は７μｍ以上であってもよい。
【００３６】
図１のバッファ構造１００は、以下のように設計することができる。基板から遠くなるにつれてアルミニウム組成が減少する第１のバッファ層１０２は、層１０２の厚さが増加するにつれて層１０２内の圧縮応力が上昇するように構成できる。第１のバッファ層１０２は、層に欠陥が形成されてしまう限界の厚さより薄い厚さに成長され、この後、層１０２上に第２のバッファ層１０４が堆積される。第２のバッファ層１０４の構造は、全体に亘って、アルミニウム組成が、層１０４に最も近いバッファ層１０２の部分のアルミニウム組成より高く、層１０４の厚さが大きくなるにつれて、第１のバッファ層１０２及び／又は第２のバッファ層１０４内の圧縮応力が減少するように構成できる。第２のバッファ層１０４は、層内に欠陥が形成されてしまう限界の厚さより薄いが、層１０２、１０４内の圧縮応力を実質的に低減するために十分な厚さに成長される。層１０４の最適の厚さは、層１０４の平均アルミニウム組成及び望まれるバッファ構造１５０の総厚に基づいて決定してもよい。例えば、バッファ層１５０の総厚が約３μｍである場合、層１０４は、１５ｎｍ以上、例えば、１５〜５００ｎｍであってもよい。バッファ層１５０の総厚が約５μｍである場合、層１０４は、２５又は５０ｎｍ以上、例えば、２５〜５００ｎｍであってもよい。バッファ層１５０の総厚が約７μｍである場合、層１０４は、１００又は２００ｎｍ以上、例えば、１００〜５００ｎｍであってもよい。
【００３７】
第２のバッファ層１０４の堆積の後、層１０４上に第３のバッファ層１０６が堆積される。第３のバッファ層１０６の構造は、アルミニウム組成が一定のままであり又は基板から離れるにつれて減少し、層１０６の厚さが大きくなるにつれて、バッファ層１５０内の圧縮応力が増加するように構成できる。バッファ層１０６及びバッファ層１０６上に成長される何らかのＩＩＩ−Ｎ層（例えば、アクティブデバイス層）は、成長温度において、バッファ層１５０の総圧縮応力が、室温への冷却によって亀裂及び他の欠陥が形成されないように十分高くなるが、過剰な圧縮応力によって欠陥が生じる程は高くならないような厚さに成長できる。
【００３８】
バッファ構造１００の窒化物材料は、層１０４を除くバッファ層１５０内で、基板１０１から離れるにつれて、アルミニウム組成の比率が減少するか、一定のままであるという特徴を有する。層１０４に亘るアルミニウム組成の比率は、界面１０３に直接隣接する層１０２のアルミニウム組成の比率より高くてもよく、層１０４は、層１０４の成長の直前に比べて、少なくとも層１０４の成長の直後にバッファ構造１５０内に生じる緊張（ｓｔｒａｉｎ）を実質的に低減するために十分な厚さを有することができる。バッファ層１５０の圧縮応力は、第２のバッファ層１０４の成長の間に低下するので、バッファ層１５０は、緊張による欠陥を生じることなく、このような緊張を抑制する層がない構造によって達成できる厚さより厚い総厚に成長させることができる。このようにして、厚いＩＩＩ−Ｎバッファ層を実現できる。更に、バッファ層１０４の高いＡｌ組成によって、バッファ層１５０全体の平均のＡｌ組成が高くなり、これは、トランジスタやダイオード等のデバイスにとって有利である場合がある。
【００３９】
バッファ層１０２、バッファ層１０４及び／又はバッファ層１０６の絶縁性を高め及び／又は二次元電子ガス（２ＤＥＧ）等の導電領域の形成を防止するために、これらの何れか又は全てにドーピングを行ってもよい。特に、バッファ層１０４を設けることによって、層１０４に隣接するバッファ層１０２内に導電チャネルが誘導されることがあり、これは、バッファ構造１００上に形成されるトランジスタ及びダイオードの性能に有害である場合がある。したがって、バッファ層１０２、１０４、１０６には、導電領域、導電チャネル又は２ＤＥＧが形成されないようにする必要がある場合がある。使用できるドーパントの具体例としては、鉄（Ｆｅ）、マグネシウム（ｍｇ）及びカーボン（Ｃ）等がある。
【００４０】
第１の層１０２、第２の層１０４及び第３の層１０６を含むバッファ構造１００の平均バンドギャップは、他のバッファ構造（例えば、単層又は二層バッファ構造）より高くすることができ、これにより、バッファ構造１００上に形成されるデバイスの動作の間の降伏電圧／電界を大きくし、及び／又は漏れ電流を小さくすることができる。
【００４１】
バッファ層１０２、１０４、１０６のそれぞれの特定の組成及び厚さは、通常、７００℃〜１５００℃の範囲である成長温度における層の成長の間、構造内の圧縮応力が、膜にクラック又は過度の圧縮応力に関連する他の欠陥を生じさせる値を超えないように選択できる。更に、バッファ層１０２、１０４、１０６のそれぞれの組成及び厚さは、冷却の直前の成長温度において、構造内のＩＩＩ−Ｎ層に加わる圧縮応力が十分に高く、構造が室温に冷却された後に、室温において、ＩＩＩ−Ｎ層に実質的に応力が加わらず、又はＩＩＩ−Ｎ層に僅かな圧縮応力又は引張応力しか加わらないように選択できる。
【００４２】
成長温度における過度の圧縮応力に関連する欠陥を防止するように製造され、冷却後の室温では、実質的に応力が加わらず、又は加わる圧縮応力又は引張応力が小さい層が形成された図１のバッファ層構造体１００の例示的な具体例を以下に示す。基板１０１は、ＳｉＣであり、層１０２は、厚さ１４５ｎｍのＡｌ０．３７Ｇａ０．６３Ｎであり、層１０４は、厚さ０．３７ｎｍのＡｌ０．５６Ｇａ０．４４Ｎであり、層１０６は、厚さ１５０ｎｍのＡｌ０．２９５Ｇａ０．７０５Ｎである。また、この構造では、ＳｉＣ基板と層１０２との間に厚さ１８０ｎｍのＡｌＮ核形成層を有する（図１には示していない）。この具体例では、層１０４のアルミニウム組成比率は、層１０２、１０６の両方の最大アルミニウム濃度の１．５倍以上であった。更に、層１０４は、層１０２、１０６のそれぞれより厚い。
【００４３】
図２は、異種基板２２０上に形成されたバッファ層２５０を有するバッファ構造２００の断面図である。バッファ層は、例えば、第１のアルミニウム組成の第１のＩＩＩ−Ｎ材料を有する第１のバッファ層２０２と、第２のアルミニウム組成の第２のＩＩＩ−Ｎ材料を有する第２のバッファ層２０４と、第３のバッファ層２０６とを含むことができる。第１のＩＩＩ−Ｎ材料は、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄを実質的に１として、ＢａＡｌｂＩｎｃＧａｄＮ、又はｘ＋ｙを実質的に１として、ＡｌｘＧａｙＮであってもよい。同様に、第２のＩＩＩ−Ｎ材料は、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄを実質的に１として、ＢａＡｌｂＩｎｃＧａｄＮ、又はｘ＋ｙを実質的に１として、ＡｌｘＧａｙＮであってもよい。バッファ層２０２、２０４、２０６のアルミニウム組成は、図１の例示的なバッファ層１０２、１０４、１０６について説明した通りである。
【００４４】
第１のバッファ層２０２は、基板２２０上に配設され、基板２２０は、シリコン、ＳｉＣ、サファイア又は他の適切な材料から形成してもよい。一実施形態においては、構造２００は、基板２２０と第１のバッファ層２０２との間に形成される核形成層２１０を含むことができる。
【００４５】
図３は、図１のバッファ構造１００と同様であるが、構造内にアルミニウム組成比率がより高い複数の層を含むバッファ構造の断面図である。バッファ構造３５０の第１のバッファ層３０２、第２のバッファ層３０４及び第３のバッファ層３０６は、それぞれ、図１のバッファ構造１５０のバッファ層１０２、バッファ層１０４及びバッファ層１０６と同じである。但し、バッファ層３５０は、更なる層３０８、３１０を含む。第４のバッファ層３０８に亘るアルミニウム組成比率は、層３０６、３０８の間で界面における又はこの界面に直接隣接する第３のバッファ層３０６のアルミニウム組成比率より高くすることができる。第５のバッファ層３１０に亘るアルミニウム組成比率は、層３０８、３１０の間の界面における又はこの界面に直接隣接する第４のバッファ層３０８のアルミニウム組成比率より低くすることができる。例えば、一具体例では、第４のバッファ層３０８内のアルミニウム組成比率は、層に亘って一定であり、第５のバッファ層３１０のアルミニウム組成比率は、何れの部分でも第４のバッファ層３０８より低い。
【００４６】
図３のバッファ構造は、以下のように設計することができる。バッファ層３０２、３０４、３０６は、まず、上述のように、構造内に欠陥が形成される限界の厚さを超えない厚さに成長される。次に、層３０６上に第４のバッファ層３０８を直接堆積させる。第４のバッファ層３０８の構造は、アルミニウム組成が、全体に亘って、層３０８に最も近いバッファ層３０６の部分のアルミニウム組成より高く、層３０８の厚さが増加するにつれて、第１、第２、第３のバッファ層の３０２、３０４、３０６の何れか又は全てにおける圧縮応力が減少するように構成できる。第４のバッファ層３０８は、層内に欠陥が形成される限界の厚さを超えないが、層３０２、層３０４及び／又は層３０６内の圧縮応力を実質的に減少させるために十分な厚さに成長される。層３０８の最適の厚さは、層３０８の平均アルミニウム組成、下位の層の組成及び厚さ、及び望まれるバッファ層３５０の総厚に基づいて決定してもよい。例えば、バッファ層３５０の総厚が約３μｍである場合、層３０８は、１５ｎｍ以上、例えば、１５〜５００ｎｍであってもよい。バッファ層３５０の総厚が約５μｍである場合、層３０８は、２５又は５０ｎｍ以上、例えば、２５〜５００ｎｍであってもよい。層の総厚が約７μｍである場合、層３０８は、１００又は２００ｎｍ以上、例えば、１００〜５００ｎｍであってもよい。
【００４７】
成長温度における過度の圧縮応力に関連する欠陥を防止するように製造され、冷却後の室温では、実質的に応力が加わらず、又は加わる圧縮応力又は引張応力が小さい層が形成された図３のバッファ層構造体に類似するバッファ層構造体の例示的な具体例を図４に示す。図４の層４０２、４０４、４０６、４０８、４１０は、それぞれ、図３の層３０２、３０４、３０６、３０８、３１０と同じである。図４の構造は、図３に示す層の全てを含むと共に、幾つかの更なる層を含む。図４に示す基板１０１は、ＳｉＣから形成し、層４０２は、厚さ１４５ｎｍのＡｌ０．３７Ｇａ０．６３Ｎから形成し、層４０４は、厚さ３７０ｎｍのＡｌ０．５６Ｇａ０．４４Ｎから形成し、層４０６は、厚さ１５０ｎｍのＡｌ０．２９５Ｇａ０．７０５Ｎから形成し、層４０８は、厚さ３７０ｎｍのＡｌ０．５６Ｇａ０．４４Ｎから形成し、層４１０は、厚さ１６０ｎｍのＡｌ０．２１５Ｇａ０．７８５Ｎから形成した。また、構造では、ＳｉＣ基板と層４０２との間に厚さ１８０ｎｍのＡｌＮ核形成層４０９を形成した。また、この構造は、層４１０の上に更なるバッファ層を備える。層４１０の直接上には、厚さ３７０ｎｍのＡｌ０．５６Ｇａ０．４４Ｎの層４１２を形成し、これに続いて、厚さ１９０ｎｍのＡｌ０．１４７Ｇａ０．８５３Ｎの層４１４、及び厚さ３７０ｎｍのＡｌ０．５６Ｇａ０．４４Ｎの層を形成した。最終的なＡｌ０．５６Ｇａ０．４４Ｎ層４１６の上には、厚さ１μｍ層の非意図的にドーピングされた（unintentionally doped）ＧａＮ４１８を形成し、続いて、ＡｌＧａＮバリア層４２０を形成し、ＡｌＧａＮバリア層４２０の厚さ及び組成は、ＧａＮ層とＡｌＧａＮバリア層との間の界面に隣接するＧａＮ層内に２ＤＥＧデバイスチャネル（図示せず）が誘起されるように選択した。そして、上述した構造から、高電子移動度トランジスタ（high electron mobility transistor：ＨＥＭＴ）を形成した。
【００４８】
上述したように、上の具体例は、４つのＡｌ０．５６Ｇａ０．４４Ｎ層を含み、これらの層の両側には、Ａｌ０．５６Ｇａ０．４４Ｎ層よりアルミニウム組成比率が低く、厚さが薄いＩＩＩ−Ｎ層が設けられている。更に、アルミニウム組成比率が０．５６より低いＡｌＧａＮ層（すなわち、層４０２、４０６、４１０、４１４）のそれぞれにおいて、アルミニウム組成は、ＳｉＣ基板から離れる方向に単調に減少する。例えば、層４０２のアルミニウム組成は、０．３７であり、層４０２より基板から遠い層４０６のアルミニウム組成は、０．２９５であり、層４０６より基板から遠い層４１０のアルミニウム組成は、０．２１５であり、層４１０より基板から遠い層４１４のアルミニウム組成は、０．１４７である。
【００４９】
図５は、本発明の実施形態に基づくバッファ層５５０を有するＩＩＩ−Ｎデバイス５００の具体例の断面図である。ＩＩＩ−Ｎ  ＨＥＭＴ構造は、基板５０１を含む基板５０１上に形成されたＡｌＮ又はＡｌｘＧａ１−ｘＮ等の任意の核形成層５０９及びバッファ層５５０を含む。核形成層５０９を用いることによって、基板上にＩＩＩ−Ｎ材料の核を形成することができ、基板に隣接又は接触するＩＩＩ−Ｎ材料の結晶構造は、少なくとも部分的に基板の結晶構造と整合し、又は少なくとも部分的に基板の結晶構造によって定まる。幾つかの具体例では、更なる応力制御のために、核形成層５０９上に応力制御層（図示せず）を設けてもよい。
【００５０】
デバイス構造は、更に、バッファ層５５０上に配設されたアクティブデバイス構造５６０を含み、アクティブデバイス構造は、例えば、ＧａＮ層であるチャネル層５２２と、チャネル層５２２上に形成されたＡｌｘＧａ１−ｘＮ層であるバリア層５２４とを含む。チャネル層５２２内には、チャネル層５２２とバリア層５２４との間の界面の近くに二次元電子ガス（２ＤＥＧ）チャネル５３５が誘起されている（図では点線で示す）。これに代えて、バッファ構造５５０上に形成されるアクティブデバイス層は、他のタイプのデバイス、例えば、レーザ、ダイオード、ＬＥＤ又は光起電力電池として使用されるように構成してもよい。
【００５１】
バッファ層５５０の成長又は堆積条件、並びに厚さ及び構造を慎重に制御することによって、チャネル層５２２と基板５０１との間の格子及び熱特性の不整合の負の効果を最小化することができる。一実施形態においては、バッファ層５５０は、上述のように、アルミニウム組成を有する第１のバッファ層５０２、第２のバッファ層５０４及び第３のバッファ層５０６を含み、各層の厚さは、応力制御のために設計されている。各層の相対的なアルミニウム組成については、図１の具体例におけるバッファ層１０２、１０４、１０６について説明した通りである。
【００５２】
包括的に言えば、デバイス５００の動作の間、第１のバッファ層５０２、第２のバッファ層５０４及び第３のバッファ層５０６には、移動キャリア（例えば、電子又は正孔）が存在せず、又は少なくとも実質的に自由電子が存在せず（但し、正孔はあってもよい。）、これによって、バッファ層５５０は、電気的に絶縁され、部分的に絶縁され、若しくは非導電性であり、又は極めて低いレベルのｎ型導電性を有する。更なる電気絶縁のために、例えば、鉄（Ｆｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）及び／又はカーボン（Ｃ）又は他のドーパントによって、バッファ層５０２、バッファ層５０４及び／又はバッファ層５０６の１つ以上をドーピングしてもよい。
【００５３】
デバイスは、更に、ソース電極５２６及びドレイン電極５３０を含むことでき、これらは、ゲート電極５２８を挟んで反対側に形成され、チャネル層５２２内の２ＤＥＧチャネル５３５に接触する。ゲート電極５２８は、ゲート領域、すなわち、ゲート電極５２８の下の２ＤＥＧチャネル５３５の一部を変調する。
【００５４】
包括的に言えば、デバイス５００は、エンハンスメント型ＦＥＴであってもよく、デプレション型ＦＥＴであってもよい。異種基板上に形成でき、バッファ層５０２、５０４、５０６を有するバッファ構造５５０を利用する典型的なＩＩＩ−Ｎデバイスの更なる具体例としては、以下に限定されるわけではないが、高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor：ＨＥＭＴ）、ＰＯＬＦＥＴ、ＭＥＳＦＥＴ、ＬＥＤ、ダイオードレーザ及び電流開口縦型電子トランジスタ（Current Aperture Vertical Electron Transistor：ＣＡＶＥＴ）等がある。
【００５５】
多くの具体例について説明した。但し、ここに説明した技術及びデバイスの精神及び範囲から逸脱することなく、様々な変更例を想到できることは明らかである。各具体例に示した特徴は、個別に用いてもよく、組み合わせて用いてもよい。したがって、他の具体例も特許請求の範囲に含まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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