(57)【要約】      （修正有）【課題】III族窒化物ベースのデバイス用の基板を改善して、デバイス中の転位密度をより低くし、デバイス性能を向上させる。【解決手段】シリコンカーボンの層１０２上に、シリコンカーボンゲルマニウムの層１０４を形成し、その上にIII族窒化物を含む電子デバイス１０６を形成する。デバイス１０６のIII族窒素化合物は、シリコンカーボンの層１０２とよりも、シリコンカーボンゲルマニウムの層１０４との方が良好に格子整合するので、転位密度は低くなり、デバイスもより厚くすることが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族窒化物材料系で形成される電子デバイスのための、シリコンカーボンゲルマニウム基板（１１０）を形成する方法（３００）であって、
シリコンカーボンの層（１０２）を形成し（３０２）、
前記シリコンカーボンの層（１０２）上にシリコンカーボンゲルマニウムの層（１０４）を形成し（３０４）、
前記シリコンカーボンゲルマニウムの層（１０４）の直ぐ上に、III族窒化物を含む電子デバイス（１０６）を形成する（３０６）、方法。
【請求項２】
前記シリコンカーボンゲルマニウム（１０４）の組成が、（Ｓｉ０．５−ｘＣ０．５−ｙ）Ｇｅｘ＋ｙ［０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦０．５］である、請求項１に記載の方法（３００）。
【請求項３】
前記シリコンカーボンゲルマニウム（１０４）の組成が、Ｓｉ０．３５Ｃ０．５Ｇｅ０．１５である、請求項２に記載の方法（３００）。
【請求項４】
前記シリコンカーボンゲルマニウムの層（１０４）が、シリコンカーボンが窒化ガリウムと整合するよりも良好に窒化ガリウムと格子整合する、請求項２に記載の方法（３００）。
【請求項５】
前記シリコンカーボンゲルマニウムの層（１０４）を、格子定数３．１９オングストローム（Å）（０．３１９ｎｍ）を有するように形成する、請求項２に記載の方法（３００）。
【請求項６】
III族窒化物材料系で形成される電子デバイスのための、シリコンカーボンゲルマニウム基板（１１０）であって、
シリコンカーボンの層（１０２）と、
前記シリコンカーボンの層（１０２）上に設けられている、（Ｓｉ０．５−ｘＣ０．５−ｙ）Ｇｅｘ＋ｙ［０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦０．５］の組成を有するシリコンカーボンゲルマニウムの層（１０４）と、
前記シリコンカーボンの層（１０４）の直ぐ上に設けられている、ガリウムおよび窒素を含む電子デバイス（１０６）とを備えている、シリコンカーボンゲルマニウム基板（１１０）。
【請求項７】
前記シリコンカーボンゲルマニウムの組成が、Ｓｉ０．４５Ｃ０．５Ｇｅ０．０５からＳｉ０．１０Ｃ０．５Ｇｅ０．４である、請求項６に記載の基板（１１０）。
【請求項８】
前記シリコンカーボンゲルマニウムの層（１０４）が、シリコンカーボンが窒化ガリウムと格子整合するよりも良好に窒化ガリウムと格子整合する、請求項７に記載の基板（１１０）。
【請求項９】
前記シリコンカーボンゲルマニウムの層（１０４）が、格子定数３．１９オングストローム（Å）（０．３１９ｎｍ）を有するように形成されている、請求項６に記載の基板（１１０）。
【請求項１０】
前記シリコンカーボンゲルマニウムの層（１０４）が、格子定数３．１１オングストローム（Å）（０．３１１ｎｍ）を有するように形成されている、請求項６に記載の基板（１１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物ベースのデバイスのための基板、およびそれを形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンカーバイド（ＳｉＣ）は、様々な電子デバイスおよび光学デバイス用の基板として使用されている。電子デバイスおよび光学デバイスの多くは、１種以上のIII族元素および窒素からなる、一般にIII族窒化物と呼ばれる層から形成されている。III族窒化物の１つには窒化ガリウムがある。通常、窒化ガリウム材料系を使用して形成されるデバイスは、例えば、トランジスタおよび発光デバイスである。窒化ガリウム材料系は、アルミニウム、ホウ素、ガリウムおよびインジウムと窒素との様々な組合せを使用して形成された合金を含む。これには、様々な二元最終化合物および三元最終化合物、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化ガリウムインジウム（ＧａＩｎＮ）等が含まれる。シリコンカーバイドは導電性であるので、窒化ガリウム材料系を使用して形成されるデバイスに対して望ましい基板となる。シリコンカーバイドは、窒化ガリウム材料系を使用して形成される材料に類似の結晶構造を有してはいるものの、シリコンカーバイドの格子定数は、窒化ガリウム材料系を使用して形成される材料の格子定数よりも小さい。窒化ガリウム材料を臨界厚みよりも厚く成長させる場合、シリコンカーバイドと窒化ガリウム材料系を使用して形成される材料との間の格子不整合によって、窒化ガリウム材料内で転位欠陥が生じる。この転位は、窒化ガリウムベースのデバイスの性能および信頼性を低下させる。
【０００３】
残念なことに、適切な電気的特性を示し、かつ窒化ガリウム材料系を使用して形成される材料に近い格子定数を有する基板は未だ開発されていない。したがって、シリコンカーバイド基板上に窒化ガリウム材料系で形成されるデバイスの開発においては、欠陥密度を低下させるべく、「ＥＬＯＧ」と呼ばれるエピタキシャル横行方向成長（epitaxial lateral overgrowth）のような精巧な成長手段を発展させることが必要とされている。ＥＬＯＧのような技術を用いて成長させても、シリコンカーバイド上に成長させた窒化ガリウム中の欠陥密度は、〜１０６／ｃｍ―２にはなる。窒化ガリウムベースの材料を使用して形成される材料に対してより良好に格子整合する基板を用いることによって、転位密度は低下しかつデバイス性能も改善された窒化ガリウム材料ベースの材料の成長が可能となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
III族窒化物ベースのデバイス用の基板を改善して、デバイス中の転位密度をより低くし、デバイス性能を向上させる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による態様は、III族窒化物材料系で形成される電子デバイスのための基板であって、シリコンカーボンの層と、このシリコンカーボンの層上に設けられたシリコンカーボンゲルマニウムの層とを備えている基板を提供し、シリコンカーボンの層およびシリコンカーボンゲルマニウムの層は、III族窒化物材料系で形成されるデバイスのための基板を形成している。
【０００６】
また、本発明による態様は、III族窒化物材料系で形成される電子デバイスのためのシリコンカーボンゲルマニウム基板を形成する方法も含む。この方法は、シリコンカーボンの層を形成し、このシリコンカーボンの層上にシリコンカーボンゲルマニウムの層を形成し、このシリコンカーボンの層の直ぐ上にIII族窒化物材料系で電子デバイスを形成することを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明のより深い理解のために、添付の図面を参照されたい。図面中の構成要素は、必ずしも縮尺通りではなく、本発明の原理を明確に示すことを目的として拡大して示したものもある。さらに、図面では、同様の参照番号は、複数の図面を通じて対応する同様の部材を指し示している。
【０００８】
基板と、窒化ガリウムベースの材料との間の格子不整合を減じる１つの手段は、シリコンカーバイド基板にゲルマニウムを添加することである。ゲルマニウムをシリコンカーバイド基板に添加することによって、基板の格子定数を大きくすることができる。ＳｉＣ：Ｇｅ合金の開発には技術的な課題も多く、これまでは、シリコンカーバイド結晶に組み込まれるゲルマニウムの量はごくわずかであった。Ｘ線回折のデータによれば、ＳｉＣ：Ｇｅの格子定数は、シリコンカーバイドに比べて確かに増大する。ＳｉＣ：Ｇｅの薄い層を電子デバイスに組み込み、シリコンカーバイドヘテロ構造デバイスを形成することが行われてきた。しかし、ゲルマニウムを使用して、III族窒化物、特に窒化ガリウム材料系を使用して形成されるデバイスに対してより良好に格子整合する基板を形成することは、これまで知られていなかった。
【０００９】
III族窒化物ベースのデバイスのためのシリコンカーボンゲルマニウム基板の態様として、窒化ガリウムベースのデバイスのための基板を形成することに関して説明するが、窒化ガリウムベースのデバイスの層と類似の格子定数を有する他の材料もこのシリコンカーボンゲルマニウム基板上に形成することができる。
【００１０】
図１は、本発明の一態様によるシリコンカーボンゲルマニウム基板上に形成された光電子デバイスを示す概略図である。光電子デバイス１００は、例えば、レーザもしくは発光ダイオードのような発光デバイスであってもよいし、III族窒化物、特に窒化ガリウムの材料系を使用して形成される別の任意の電子デバイスであってもよい。電子デバイス１００は、シリコンおよびカーボンからなる第１の基板層１０２を備えている。一態様では、第１の基板層１０２は、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）からなっている。第１の基板層１０２の面内（ａ軸）格子定数は、３．０８６オングストローム（Å）（０．３０８６ｎｍ）である。シリコンカーボンゲルマニウムからなる第２の基板層１０４は、第１の基板層１０２上に形成されている。一態様では、第２の基板層１０４は、（Ｓｉ０．５−ｘＣ０．５−ｙ）Ｇｅｘ＋ｙ［式中、０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦０．５］の組成を有するシリコンカーバイドゲルマニウム（ＳｉＣ：Ｇｅ）である。
【００１１】
特別な態様では、第２の基板層１０４の組成は、（Ｓｉ０．５−ｘＣ０．５−ｙ）Ｇｅｘ＋ｙであって、ゲルマニウムの含有量が約５％〜約４０％に変化するものとなっている。ｘおよびｙの値は、続いて設けられるデバイス層に対して所望の格子定数を提供するように選択される。一態様では、第２の基板層１０４の組成は、Ｓｉ０．３５Ｃ０．５Ｇｅ０．１５である。しかし、第２の基板層１０４の組成は、Ｓｉ０．４５Ｃ０．５Ｇｅ０．０５〜Ｓｉ０．１０Ｃ０．５Ｇｅ０．４の範囲（表示の下限および上限の値を含む）であってよい。ケイ素、炭素およびゲルマニウムの結合長に起因して、ゲルマニウムはケイ素と置換されるが、ゲルマニウムの一部が炭素と置換してもよい。第２の基板層１０４上に窒化ガリウムデバイスを続いて成長させるべき場合、第２の基板層１０４を（Ｓｉ０．５−ｘＣ０．５−ｙ）Ｇｅｘ＋ｙの組成で形成して、面内格子定数３．１９Å（０．３１９ｎｍ）を得ることが望ましい。第２の基板１０４上に窒化アルミニウムデバイスを続いて成長させるべき場合、第２の基板１０４を（Ｓｉ０．５−ｘＣ０．５−ｙ）Ｇｅｘ＋ｙの組成で形成して、面内格子定数３．１１Å（０．３１１ｎｍ）を得ることが望ましい。
【００１２】
第１の基板層１０２および第２の基板層１０４は、基板１１０を形成する。第２の基板層１０４は、窒化ガリウムまたは窒化ガリウム材料系で形成される別の材料の格子定数に極めて近似する格子定数を有している。一態様では、窒化ガリウム材料系を使用して形成される光電子デバイスは、基板１１０上に、しかも第２の基板層１０４の直ぐ上に形成される。これを、第２の基板層１０４上の層１０６として形成された窒化ガリウムデバイスとして図示する。典型的なデバイスは、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウムおよび窒素の様々な組成を有する多数の層からなる。この例では、窒化ガリウムの層１０６の格子定数は、３．１９Å（０．３１９ｎｍ）であり、この格子定数は、第２の基板層１０４の格子定数に良好に整合する。層１０４の材料と層１０６の材料との間での良好な格子整合によって、層１０６（および図示していないが続いて設けられる層）の窒化ガリウム材料を、窒化ガリウム層１０６をシリコンカーバイド層１０２の直ぐ上に成長させる場合に比べて、転位なしで厚く成長させることが可能となる。これによって、高い光学品質を有する窒化ガリウムベースのデバイスを基板１１０上に形成することができる。
【００１３】
第２の基板層１０４上で、転位が現れるまで形成できる層１０６の厚みは、シリコンカーバイドの層１０２の直ぐ上に形成した場合の厚みよりも大きい。このように、高い光学品質を有する窒化ガリウムベースのデバイスを形成することができる。ゲルマニウムを約５％〜約４０％含有している第２の基板層１０４と層１０６の窒化ガリウム材料との間の格子不整合は、第１の基板層１０２と層１０６の窒化ガリウム材料との間の格子不整合よりも著しく小さい。第２の基板層１０４と層１０６の窒化ガリウム材料との間での良好な格子整合によって、層１０６の材料を、層１０６を第１の基板層１０２の直ぐ上に成長させる場合よりも、転位なしで著しく厚く成長させることが可能となる。
【００１４】
図２は、図１の基板１１０上に形成される窒化ガリウムベースのレーザ構造の例を示す概略図である。導電性バッファ層２０２が、基板１１０上に形成されている。一態様では、この導電性バッファ層２０２は、比較的低い成長温度で窒化ガリウムから形成することができる。バッファ層２０２の上には、窒化ガリウムのｎ型層２０４が形成されている。一態様では、窒化ガリウム層２０４の厚みは、約１マイクロメートル（μｍ）である。窒化ガリウム層２０４上には、ｎ型クラッド層２０６が窒化アルミニウムガリウムから形成されている。このクラッド層２０６は、厚み約０．４μｍであり、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ［ｘ＝０．１２］を使用して形成されている。クラッド層２０６上には、導波層２０８が形成されている。この導波層２０８は、厚み約０．１μｍであり、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ［ｘ＝０．０６］を使用して形成されている。導波層２０８上には、窒化インジウムガリウム量子井戸層と窒化ガリウムバリア層とが交互に積層する活性領域２１０が形成されている。活性層が含む量子井戸の数は１つ以上であってよく、図示の例では８つの量子井戸を含んでいる。
【００１５】
導波層２１２は、活性領域２１０上に形成されている。この導波層２１２は、厚み約０．１μｍであり、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ［ｘ＝０．０６］を使用して形成されている。導波層２１２上には、ｐ型クラッド層２１４が形成されている。クラッド層２１４は、厚み０．４μｍであり、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ［ｘ＝０．１２］を使用して形成されている。クラッド層２１４上には、窒化ガリウムのｐ型層２１６が形成されている。一態様では、窒化ガリウム層２１６の厚みは約０．１μｍである。ｎ型コンタクト２１８が基板１１０上に、ｐ型コンタクト２２２が窒化ガリウムのｐ型層２１６上に形成されている。
【００１６】
図３は、基板上にデバイスを形成する本発明による例示的な方法を示すフローチャートである。ブロック３０２では、シリコンカーボンからなる第１の基板層１０２を形成する。一態様では、この第１の基板１０２は、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）である。ブロック３０４では、シリコンカーボンゲルマニウムからなる第２の基板層１０４を形成する。一態様では、第２の基板層１０４は、シリコンカーバイドゲルマニウム（ＳｉＣ：Ｇｅ）であり、（Ｓｉ０．５−ｘＣ０．５−ｙ）Ｇｅｘ＋ｙ［０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦０．５］の組成を有し、その格子定数は３．１９Å（０．３１９ｎｍ）である。第１の基板層１０２および第２の基板層１０４は、基板１１０を形成している。ブロック３０６では、III族窒化物、特に窒化ガリウムベースのデバイスを基板１１０上に、特に第２の基板層１０４の直ぐ上に形成する。窒化ガリウムベースのデバイスの層の格子定数は、第２の基板層１０４のＳｉＣ：Ｇｅ材料の格子定数と良好に整合する。第２の基板層１０４のＳｉＣ：Ｇｅ材料と窒化ガリウムベースのデバイスの材料との間で格子整合が得られることによって、基板１１０上に形成される窒化ガリウムベースの光電子デバイスの光学品質を高くすることが可能となる。
【００１７】
本開示では、例示的な態様を用いて本発明を詳細に説明した。しかし、特許請求の範囲によって規定される本発明は、上に説明した詳しい態様に制限されることはない。
【００１８】
以下に本発明の好ましい態様を示す。
１．III族窒化物材料系で形成される電子デバイスのための、シリコンカーボンゲルマニウム基板を形成する方法であって、
シリコンカーボンの層を形成し、
前記シリコンカーボンの層上にシリコンカーボンゲルマニウムの層を形成し、
前記シリコンカーボンゲルマニウムの層の直ぐ上に、III族窒化物を含む電子デバイスを形成する、方法。
２．前記シリコンカーボンゲルマニウムの組成が、（Ｓｉ０．５−ｘＣ０．５−ｙ）Ｇｅｘ＋ｙ［０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦０．５］である、上項１に記載の方法。
３．前記シリコンカーボンゲルマニウムの組成が、Ｓｉ０．３５Ｃ０．５Ｇｅ０．１５である、上項２に記載の方法。
４．前記シリコンカーボンゲルマニウムの層が、シリコンカーボンが窒化ガリウムと整合するよりも良好に窒化ガリウムに格子整合する、上項２に記載の方法。
５．前記シリコンカーボンゲルマニウムの層を、格子定数３．１９オングストローム（Å）（０．３１９ｎｍ）を有するように形成する、上項２に記載の方法。
６．前記シリコンカーボンゲルマニウムの層を、格子定数３．１１オングストローム（Å）（０．３１１ｎｍ）を有するように形成する、上項２に記載の方法。
７．前記シリコンカーボンゲルマニウムの組成が、（Ｓｉ０．５−ｘＣ０．５−ｙ）Ｇｅｘ＋ｙ［０．１≦ｘ≦０．４０、０．１≦ｙ≦０．４０］である、上項２に記載の方法。
８．III族窒化物材料系で形成される電子デバイスのための基板であって、
シリコンカーボンの層と、
前記シリコンカーボンの層上に設けられているシリコンカーボンゲルマニウムの層とを備えており、
前記シリコンカーボンの層および前記シリコンカーボンゲルマニウムの層が、III族窒化物材料系で形成されるデバイスのための基板を形成している、基板。
９．前記シリコンカーボンゲルマニウム層の直ぐ上に形成されている窒化ガリウム材料系で形成される電子デバイスをさらに備えている、上項８に記載の基板。
１０．電子デバイスが、光電子デバイスである、上項９に記載の基板。
１１．前記シリコンカーボンゲルマニウムの層の組成が、（Ｓｉ０．５−ｘＣ０．５−ｙ）Ｇｅｘ＋ｙ［０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦０．５］である、上項９に記載の基板。
１２．前記シリコンカーボンゲルマニウム層の組成が、Ｓｉ０．３５Ｃ０．５Ｇｅ０．１５である、上項１１に記載の基板。
１３．前記シリコンカーボンゲルマニウムの層が、前記シリコンカーボンの層が窒化ガリウムと整合するよりも良好に窒化ガリウムと格子整合する、上項１１に記載の基板。
１４．前記シリコンカーボンゲルマニウムの層の格子定数が、格子定数３．１９オングストローム（Å）（０．３１９ｎｍ）である、上項１１に記載の基板。
１５．前記シリコンカーボンゲルマニウムの層の格子定数が、格子定数３．１１オングストローム（Å）（０．３１１ｎｍ）である、上項１１に記載の基板。
１６．III族窒化物材料系で形成される電子デバイスのための、シリコンカーボンゲルマニウム基板であって、
シリコンカーボンの層と、
前記シリコンカーボンの層上に設けられている、（Ｓｉ０．５−ｘＣ０．５−ｙ）Ｇｅｘ＋ｙ［０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦０．５］の組成を有するシリコンカーボンゲルマニウムの層と、
前記シリコンカーボンの層の直ぐ上に設けられている、ガリウムおよび窒素を含む電子デバイスとを備えている、シリコンカーボンゲルマニウム基板。
１７．前記シリコンカーボンゲルマニウムの組成が、Ｓｉ０．４５Ｃ０．５Ｇｅ０．０５からＳｉ０．１０Ｃ０．５Ｇｅ０．４である、上項１６に記載の基板。
１８．前記シリコンカーボンゲルマニウムの層が、シリコンカーボンが窒化ガリウムと格子整合するよりも良好に窒化ガリウムと格子整合する、上項１７に記載の基板。
１９．前記シリコンカーボンゲルマニウムの層が、格子定数３．１９オングストローム（Å）（０．３１９ｎｍ）を有するように形成されている、上項１６に記載の基板。
２０．前記シリコンカーボンゲルマニウムの層が、格子定数３．１１オングストローム（Å）（０．３１１ｎｍ）を有するように形成されている、上項１６に記載の基板。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一態様によるシリコンカーボンゲルマニウム基板上に形成された光電子デバイスを示す概略図である。
【図２】図１の基板上に形成される例示的な窒化ガリウムベースのレーザの概略図である。
【図３】本発明による基板上にデバイスを形成する例示的な方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００２０】
１０２  シリコンカーボンの層
１０４  シリコンカーボンゲルマニウムの層
１０６  電子デバイス
１１０  シリコンカーボンゲルマニウム基板
３０２  シリコンカーボンの層を形成するステップ
３０４  シリコンカーボンゲルマニウムの層を形成するステップ
３０６  電子デバイスを形成するステップ
【図１】
2007036255.tif 000003
【図２】
2007036255.tif 000004
【図３】
2007036255.tif 000005