(57)【要約】エピタキシャルな、金属の遷移金属窒化物（ＴＭＮ）層を化合物半導体デバイス構造体内に組み込むための方法。ＴＭＮ層は、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）、並びに窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、及びそれらの様々な合金などの第ＩＩＩ族窒化物（ＩＩＩ−Ｎ類）などの対象となる関連半導体と類似する結晶構造を有する。加えて、ＴＭＮ層は、優れた熱安定性を有し、他の半導体材料を用いて、ｉｎ  ｓｉｔｕで蒸着することができ、そのためＴＭＮ層が半導体デバイス構造内に埋設されることを可能とし、半導体／金属／半導体のヘテロ構造及び超格子が作られる。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エピタキシャル金属の遷移金属窒化物（ＴＭＮ）層を半導体デバイス内に組み込むための方法であって、
遷移金属窒化物を含むエピタキシャル金属層を成長させることであって、前記エピタキシャル金属層は、前記半導体デバイスに電子的、光学的、及び光電子的機能のうちいずれか又はすべてを提供することと、
少なくとも１つの半導体層を成長させることであって、前記半導体は、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、又はその任意の組み合わせを含むことと、
を含み、
前記エピタキシャル金属層は、基板上に成長し、前記少なくとも１つの半導体層は、前記エピタキシャル金属層上に成長するか、又は
前記少なくとも１つの半導体層は、前記基板上に成長し、前記エピタキシャル金属層は、前記少なくとも１つの半導体層上に成長する方法。
【請求項２】
前記エピタキシャル金属層及び前記少なくとも１つの半導体層は、ｉｎ  ｓｉｔｕで成長する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記エピタキシャル金属層は、Ｔａ２Ｎ、Ｎｂ２Ｎ、又はその任意の組み合わせを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記エピタキシャル金属層は、ＴａＮｘ、ＮｂＮｘ、ＷＮｘ、若しくはΜοΝｘ、ＴＭＮ三元化合物、又はその任意の組み合わせを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記基板は、ＳｉＣ、シリコン、ＧａＮ、ＡｌＮ、又はサファイアを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記少なくとも１つの半導体層の上部に第２のエピタキシャル金属層をさらに含み、前記第２のエピタキシャル金属層は、前記エピタキシャル金属層とは異なる材料組成又は化学量論のものであってもよい、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
別の複数の層のエピタキシャル金属層及び半導体層をさらに含み、前記別の層は、異なる材料組成又は化学量論のものであってもよい、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
遷移金属窒化物を含むエピタキシャル金属層を成長させることであって、前記エピタキシャル金属層は、半導体デバイスに電子的、光学的、及び光電子的機能のうちいずれか又はすべてを提供することと、
少なくとも１つの半導体層を成長させることであって、前記半導体は、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、又はその任意の組み合わせを含むことと、
を含む方法により作製される半導体デバイスであって、
前記エピタキシャル金属層は、基板上に成長し、前記少なくとも１つの半導体層は、前記エピタキシャル金属層上に成長するか、又は
前記少なくとも１つの半導体層は、前記基板上に成長し、前記エピタキシャル金属層は、前記少なくとも１つの半導体層上に成長する、半導体デバイス。
【請求項９】
前記エピタキシャル金属層及び前記少なくとも１つの半導体層は、ｉｎ  ｓｉｔｕで成長する、請求項８に記載の半導体デバイス。
【請求項１０】
前記エピタキシャル金属層は、Ｔａ２Ｎ、Ｎｂ２Ｎ、又はその任意の組み合わせを含む、請求項８に記載の半導体デバイス。
【請求項１１】
前記エピタキシャル金属層は、ＴａＮｘ、ＮｂＮｘ、ＷＮｘ、若しくはＭｏＮｘ、ＴＭＮ三元化合物、又はその任意の組み合わせを含む、請求項８に記載の半導体デバイス。
【請求項１２】
前記基板は、ＳｉＣ、シリコン、ＧａＮ、ＡｌＮ、又はサファイアを含む、請求項８に記載の半導体デバイス。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの半導体層の上部に第２のエピタキシャル金属層をさらに含み、前記第２のエピタキシャル金属層は、前記エピタキシャル金属層とは異なる材料組成又は化学量論のものであってもよい、請求項８に記載の半導体デバイス。
【請求項１４】
別の複数の層のエピタキシャル金属層及び半導体層をさらに含み、前記別の層は、異なる材料組成又は化学量論のものであってもよい、請求項８に記載の半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物半導体デバイス構造内に、エピタキシャルな、金属の遷移金属窒化物層を組み込むことに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイス構造内にエピタキシャル金属を含有させる技術は、半導体と比較して金属の抵抗性が低く、専ら半導体のみに基づくヘテロ構造と比較してバンド構造工学における自由度が付随するため、そのような独特な構造による利点を得ることができるといった幅広い用途から注目されている。潜在的な用途としては、埋設オーミック又はショットキー接触、インターコネクト、アンテナ、又はグランド面を含み得る。エピタキシャル金属は、従来の多結晶金属接触と比較して、電気特性及び信頼度が向上し得る、従来のオーミック又はショットキー面接触として使用されてもよい。高濃度にドープされたｎ型又はｐ型半導体を金属に置き換える技術は、高濃度にドープされたｎ型又はｐ型層の基本的な機能が電荷の横方向の移動のための低抵抗路を提供することであり、金属の高い導電性により、接合部における空乏幅を減少させることができるデバイスにおける直列抵抗を減少させるために使用することができる。金属ベースのトランジスタ、共鳴トンネルダイオード若しくはトランジスタ、又はサブバンド間遷移に基づくものを含む光検出器などのデバイスのための金属量子井戸の形成を介した、電子デバイス及び光電子デバイスのための独特なヘテロ構造設計で、金属のバンド構造を利用することができる。反射性などの金属の光学的な諸特性は、光電子デバイスのための埋設ミラー又はクラッディング層として使用されることができよう。加えて、埋設金属は、新規のプラズモニックデバイス構造で使用されてもよい。複数の埋設金属層は、用途に応じて、すなわち、金属／半導体超格子を作るために、使用されてもよい。
【０００３】
半導体構造内にエピタキシャル金属層を含有させる技術は、隣接する１つ以上の半導体に適合する金属の好適な選出を要する。金属及び１つ以上の半導体は、金属／半導体の境界面及び上層内における欠陥形成を低減するため、類似する結晶構造及び面内格子定数を有しなければならない。さらに、金属は、材料のインターミキシングを防ぎ、明瞭な金属／半導体の境界面の形成を可能にするため、隣接する１つ以上の半導体と共に熱力学的に安定でなければならない。最後に、金属は、平坦で連続した膜の被覆、すなわち、２Ｄ又は凝塊形成のない平層毎の成長を可能にする様式で、半導体（及び、金属上の半導体）上で成長することができなければならない。理想的に言えば、金属及び半導体層は、材料表面及び境界面の一体性及び組成を維持するため、ｉｎ  ｓｉｔｕで蒸着されるべきである。
【０００４】
非常に多くの技術的に関連する半導体材料システムへのエピタキシャル金属層の形成が報告されており、Ｓｉ（Ｂｅａｎらの米国特許第４，４９２，９７１号（１９８５年１月８日）及びＬｉｎらの米国特許第５，０１０，０３７号（１９９１年４月２３日））と、第ＩＩＩ族−Ａｓ（Ｃｈａｎｇらの米国特許第３，９２９，５２７号（１９７５年１２月３０日）、Ｓａｎｄｓの米国特許第５，０７５，７５５号（１９９１年１２月２４日）、及びＰａｌｍｓｔｒｏｍらの「（１００）ＧａＡｓ上のＥｒＡｓのエピタキシャル成長（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  ＥｒＡｓ  ｏｎ  （１００）ＧａＡｓ）」（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ３５，２６０８−２６１０（１９８８）））と、第ＩＩＩ族−Ｓｂ（Ｇｏｌｄｉｎｇらの米国特許第５，４４９，５６１号（１９９５年９月１２日））とを含む。ＳｉＣ又はＩＩＩ−Ｎ類のためのエピタキシャル金属層については、ほとんど報告がなされていない。それら半導体は、高出力電子機器、高周波トランジスタ、発光ダイオード、及びレーザーを含む様々な電子的及び光電子的用途で使用される。略格子整合し、ＳｉＣの熱伝導率が優れていることから、ＩＩＩ−Ｎ半導体の成長も、一般的にＳｉＣ基板上で行われる。それら半導体に金属層を含有させる技術は、現行のデバイス性能を高め、デバイス設計の新たな道を切り開くであろう。
【０００５】
金属の上部にＩＩＩ−Ｎ材料を成長させるための方法はわずかに報告されている。しかし、それらの方法は、エピタキシャル金属／半導体ヘテロ構造を形成するための基準には適合しない。例えば、ＡｌＮは、音響共振器を作り上げるため、一般的にＡｌなどの金属電極上にスパッタリングされる（Ｋｌｉｎｅらの米国特許第４，５０２，９３２号（１９８５年３月５日））。この場合のＡｌＮは、スパッタリングされ、多くの粒界を含有しており、多くの電子的用途に適さない。Ｌｉｕ及び共同発明者は、１９９７年にＧａＮ上へのアルミニウムのエピタキシャル成長を報告した（Ｌｉｕらの「反射高速電子線回折及び原子間力顕微鏡により研究したＧａＮ上へのＡｌ膜のエピタキシー（Ｅｐｉｔａｘｙ  ｏｆ  Ａｌ  ｆｉｌｍｓ  ｏｎ  ＧａＮ  ｓｔｕｄｉｅｄ  ｂｙ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  ｈｉｇｈ−ｅｎｅｒｇｙ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  ａｔｏｍｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）」（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ７０，９９０（１９９７）））。Ａｌの融点が低いため、エピタキシーは、高品質な半導体オーバーグロースにとっては非常に低い温度である１５℃又は１５０℃で行われた。別の方法では、Ｐｔ層が、サファイア基板に蒸着され、続いて、有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）により蒸着されたＧａＮ又はＡｌＮが成長する（角谷らの米国特許第６，２３９，００５号（２００１年５月２９日））。ＰｔとＧａＮとで結晶構造が異なるため、目的とする光電子デバイスの作動に必要な結晶品質を得るためには、厚いＧａＮバッファ層を要する。このため、この方法は、多くの半導体デバイス構想、特に、金属量子井戸の形成に適用することから除外される。加えて、Ｐｔ及びＧａＮが、ＩＩＩ−Ｎ材料及びデバイスのための通常の成長及び処理温度よりも低い６００℃で熱力学的に安定でないことが推察されている（Ｍｏｈｎｅｙらの「遷移金属−Ｇａ−Ｎ系における推定相平衡−ＧａＮとの電気接触の重要性−（Ｅｓｔｉｍａｔｅｄ  ｐｈａｓｅ  ｅｑｕｉｌｉｂｒｉａ  ｉｎ  ｔｈｅ  ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  ｍｅｔａｌ−Ｇａ−Ｎ  ｓｙｓｔｅｍｓ：ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅｓ  ｆｏｒ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｃｏｎｔａｃｔｓ  ｔｏ  ＧａＮ）」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ２５，８１２−８１７（１９９６）））。同様の方法は、スパッタリングされたＡｌＮ層でコーティングされたＳｉ（１１１）基板上にスパッタリングすることにより蒸着されるＺｒＮ金属層を利用する（Ｏｌｉｖｅｒらによる米国特許出願第２０１０／０１７６３６９号（２０１０年７月１５日））。この場合もまた、ＺｒＮ（岩塩）とＧａＮ（ウルツ鉱）との間で結晶構造が異なり、境界面及びＧａＮに欠陥が生じるため、デバイス品質のＧａＮを得るためには、厚いＧａＮバッファ層を要する。同様に、Ｓｉ（１１１）上でのＧａＮの成長のため（Ｘｕらの「ＨｆＮバッファＳｉ（１１１）ウエハでのＧａＮ成長におけるエピタキシャル条件及び極性（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｐｏｌａｒｉｔｙ  ｉｎ  ＧａＮ  ｇｒｏｗｎ  ｏｎ  ａ  ＨｆＮ−ｂｕｆｆｅｒｅｄ  Ｓｉ  （１１１）  ｗａｆｅｒ）」（Ａ���ｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ８６，１８２１０４（２００５））及びＡｒｍｉｔａｇｅらの米国特許第６，９２９，８６７号（２００５年８月１６日））、及びＨｆＮ／ＧａＮ超格子のため（Ｚｈａｎｇらによる米国特許出願第２０１３／００４８９３９号（２０１３年２月２８日））のバッファ層として、ＨｆＮは使用されている。この場合もまた、ＨｆＮ層は岩塩であり、その次に蒸着される半導体において欠陥及び反転分域が生じる。金属のＴｉＮ及びＧａＮの多層は、反応性パルスレーザーデポジションを使用して蒸着されている（Ｒａｗａｔらの「反応性パルスレーザーデポジションによるＴｉＮ／ＧａＮ金属半導体多層の成長（Ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  ＴｉＮ／ＧａＮ  ｍｅｔａｌ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ  ｂｙ  ｒｅａｃｔｉｖｅ  ｐｕｌｓｅｄ  ｌａｓｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  １００，０６４９０１（２００６）））。この場合、ＴｉＮとＧａＮとは結晶構造が異なり、超格子を成長させたが、膜の構造は、柱状粒成長により、自然状態で多結晶であり、これは、多くの電子的及び光電子的用途に適さない。上記すべての場合において、金属層の選択は、エピタキシャルな金属／半導体ヘテロ構造の形成のための上述の要件を満たさない。近年、金属ＺｒＢ２上でのＧａＮのエピタキシャル成長が報告されている。ＧａＮ及びＺｒＢ２は、類似する格子定数及び熱伝導率を有しているが、２つの材料の化学的特性が異なるため、ＺｒＢ２上でのＧａＮの核形成には問題があり（Ａｒｍｉｔａｇｅらの「ＧａＮ成長用の基板としての用途に向けたｅｘ  ｓｉｔｕでのＨＦ溶液処理により調製されたＺｒＢ２（０００１）表面の特性評価（Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ＺｒＢ２  （０００１）  ｓｕｒｆａｃｅ  ｐｒｅｐａｒｅｄ  ｂｙ  ｅｘ  ｓｉｔｕ  ＨＦ  ｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｔｒｅａｔｍｅｎｔ  ｔｏｗａｒｄ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ａｓ  ａ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  ｆｏｒ  ＧａＮ  ｇｒｏｗｔｈ）」（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ６００，１４３９（２００６）））、境界面にＢＮが存在している場合、エピタキシーは生じないものであるため、表面の管理は、重要である（Ｗａｎｇらの「分子線エピタキシー法によるＺｒＢ２（０００１）／Ｓｉ（１１１）上でのＧａＮの成長における窒化物形成の効果（Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  ｎｉｔｒｉｄａｔｉｏｎ  ｏｎ  ｔｈｅ  ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  ＧａＮ  ｏｎ  ＺｒＢ２（０００１）／Ｓｉ（１１１）  ｂｙ  ｍｏｌｅｃｕｌａｒ−ｂｅａｍ  ｅｐｉｔａｘｙ）」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  １００，０３３５０６（２００６）））。
【発明の概要】
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、化合物半導体デバイス構造内に、エピタキシャルな、金属の遷移金属窒化物（ＴＭＮ）層を組み込むための方法を提供する。ＴＭＮ層は、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）、並びに窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、及びそれらの様々な合金などの第ＩＩＩ族窒化物（ＩＩＩ−Ｎ類）などの対象となる関連半導体と類似する結晶構造を有する。加えて、ＴＭＮ層は、優れた熱安定性を有し、他の半導体材料を用いて、ｉｎ  ｓｉｔｕで蒸着することができ、そのためＴＭＮ層が半導体デバイス構造内に埋設されることを可能とし、半導体／金属／半導体のヘテロ構造及び超格子が作られる。
【０００７】
本方法の１つの利点としては、金属と半導体との間で結晶構造が異なるため、及び／又は金属と半導体との間での熱安定性が欠けるため、またはそれらは化学的に不適合であるため、ＩＩＩ−Ｎ又はＳｉＣ半導体を使用する際には今日まで可能ではなかった、エピタキシャル金属／半導体ヘテロ構造の実用化を可能にすることが挙げられる。先に報告されたＩＩＩ−Ｎ類及び金属の組み込みは、すべて、特定の電子デバイスの用途では存立できない、粗悪な、多結晶ＩＩＩ−Ｎ半導体を製造している。本方法は、先の方法で実現不可能な単結晶ヘテロ構造を成し得る手段を提供する。ＳｉＣ基板上でのＩＩＩ−Ｎ半導体層のエピタキシャル成長は十分に理解される。単に境界面において第ＩＩＩ族原子を遷移金属（ＴＭ）に変えることにより、ＧａＮ／ＺｒＢ２系のような他のＩＩＩ−Ｎ／金属ヘテロ境界面又は基板での異なる化学物質が関与するその他のものにおいて生じることがある境界面の化学的複雑性を大幅に低減する。
【０００８】
本発明自体はもちろん、本発明のそれら及び他の特徴並びに利点は、以下の発明を実施するための形態、添付の特許請求の範囲、及び添付の図面を参照することにより、より理解できるようになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】１つ以上の半導体層下に埋設されるＴＭＮ金属層を有する基板の断面概略図である。
【図２】６Ｈ−ＳｉＣ基板上で成長した単層３０ｎｍＮｂ２Ｎ膜を示すＸＲＤデータを示す図である。
【図３】６Ｈ−ＳｉＣ基板上で成長したＮｂ２Ｎ膜の厚みの変化に対する抵抗率を示す図である。
【図４】６Ｈ−ＳｉＣ基板上で成長したＡｌＮ／Ｎｂ２Ｎ構造の高品質な材料を示すＸＲＤデータを示す図である。
【図５】６Ｈ−ＳｉＣ基板上で成長したＨＥＭＴ／Ｎｂ２Ｎ構造の高品質な材料を示すＸＲＤデータを示す図である。
【図６】複数のＴＭＮ層を有するデバイス構造を示す断面概略図である。
【図７】上部で成長したＴＭＮ層を有するデバイス構造を示す断面概略図である。
【図８】半導体／ＴＭＮ／半導体構造を有するデバイスを示す断面概略図である。
【図９】複数のＴＭＮ／半導体層を有するデバイス構造を示す断面概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の最良の形態は、図１に示すように、半導体デバイスにおけるエピタキシャル金属層として、遷移金属窒化物（ＴＭＮ）２を使用することに関与する。特に、窒化タンタル（Ｔａ２Ｎ）及び窒化ニオブ（Ｎｂ２Ｎ）は共に、ＳｉＣ及びＩＩＩ−Ｎ半導体との安定で、エピタキシャルな関係に必要な諸特性をもつ。Ｔａ２Ｎ、Ｎｂ２Ｎ、及び一般的に使用される４Ｈ又は６ＨポリタイプのＳｉＣの結晶構造は、六方晶であり、面内格子定数ａは、類似し、ａＳｉＣ＝３．０７３Å、ａＴａ２Ｎ＝３．０４１Å、ａＮｂ２Ｎ＝３．０５Åである。ＩＩＩ−Ｎ半導体、ＧａＮ及びＡｌＮも、Ｔａ２Ｎ及びＮｂ２Ｎと比較して、類似する結晶構造及び面内格子定数を有する。ＧａＮ及びＡｌＮの結晶構造は、ａＧａＮ＝３．１８９Å及びａＡｌＮ＝３．１１２Åのウルツ鉱型であり、それら材料は、その類似する結晶構造及び面内格子定数により、一般的に、４Ｈ−ＳｉＣ基板又は６Ｈ−ＳｉＣ基板上で成長する。Ｔａ２Ｎ及びＮｂ２Ｎの生成熱及び高い融点に基づき（＞２５００℃）、それら材料は、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）、原子層エピタキシー（ＡＬＥ）、スパッタリングなどの最も一般的に使用される成長方法に対する通常１２００℃を超えない通常の成長温度で、ＳｉＣ、ＡｌＮ、又はＧａＮと共に、熱力学安定性を維持することが予想される。加えて、Ｔａ２Ｎ及びＮｂ２Ｎの高い融点は、通常の成長温度における非常に薄い金属膜の凝塊形成の可能性を抑制する。
【００１１】
ＴＭＮ金属層２は、様々な既知の方法により成長することができるが、表面汚染又は酸化を防ぐため、ＴＭＮ２は、その次に成長する１つ以上の半導体層３と共にｉｎ  ｓｉｔｕで成長することが最良である。例えば、１つ以上の半導体層３を、ＭＢＥによって成長させた場合、直前に同一の成長チャンバでＴＭＮ層２を成長させるのが最良であるであろう。これは、電子線（ｅビーム）気化遷移金属源及び窒素プラズマを使用することにより実施することができよう。通常のＴＭフラックスは、０．００１ｎｍ／ｓ〜１．０ｎｍ／ｓの範囲、好ましくは、０．０１ｎｍ／ｓ〜０．１ｎｍ／ｓの範囲にあることがある。通常の反応性窒素フラックスは、０．００１〜１０．０ｎｍ／ｓの範囲、好ましくは、０．０１〜０．１ｎｍ／ｓの範囲にあることがある。入射フラックス及び基板温度がＴＭＮ相を調整するため、フラックスは、所望の相を作る標準的な技術を使用して選択されなければならない。ＭＢＥ蒸着処理は、作動電圧が３ｋＶ〜１０ｋＶの範囲、及びエミッション電流が５０ｍＡ〜１０００ｍＡの範囲、好ましくは、それぞれ８ｋＶ〜１０ｋＶ及び１００ｍＡ〜５００ｍＡの範囲で、ｅビーム源に対し適切な作動条件を設定することで成立する。同様に、反応性窒素は、アンモニアを含む発生源、ＲＦプラズマ源、ＥＣＲプラズマ源、冷陰極放電源、レーザーによる励起源、及びその他ものを使用して生成することができる。好ましい発生源は、供給源として、純窒素ガスを使用するＲＦプラズマ源である。ＲＦプラズマ源の作動条件は、発生源の特性、出射孔の配置、及び発生源から基板までの距離次第ではあるであろうが、通常は、０．０１ｓｃｃｍ〜２０ｓｃｃｍの範囲及び５０Ｗ〜６００ＷのＲＦ電力であり、好ましくは、０．１ｓｃｃｍ〜１０ｓｃｃｍ及び１００Ｗ〜５００Ｗの範囲である。ＴＭＮの結晶相は、ＭＢＥ成長中の基板の温度の適切な選択、並びにＴＭ及び反応性窒素フラックスの強度及び比率の調整を通じて、調整することができ、適切な化学量論を保証する。ＴＭＮエピタキシーのための基板温度は、対象となる基板及び特定の相、並びに存在し得る他の関連する制約（例えば、基板及び蒸着層の適合性）に依存して、２５℃〜１５００℃の範囲、好ましくは、３００℃〜１２００℃の範囲であり得る。エピタキシャル成長は、標準的な方法（つまり、同時にＴＭ及び反応性窒素源シャッターを開くことができるか、又は基板を、他のシャッターを開け成長をさせる前に調整された量の反応性窒素又はＴＭにさらすことができる）で開始される。同時にシャッターを開くことが好ましい方法である。成長をモニタリングし、標準的な方法でのＲＨＥＥＤストリーク間隔の計測を通じて結晶相を判定する通常の手段で、Ｉｎ−ｓｉｔｕでの反射高速電子線回析（ＲＨＥＥＤ）を使用することができる。ＴＭＮ２の成長の前に、基板１は、通常の洗浄及び前処理工程を受けるべきである。１つ以上の半導体層３は、任意で特定の材料系に限定されないが、本技術は、一般的にＳｉＣ基板上で成長する、ＩＩＩ−Ｎ材料系を使用するエピタキシャルデバイス構造の成長に適しているであろう。ＴＭＮ層でエピタキシャルに成長する六方晶ＩＩＩ−Ｎ膜の極性は、ＭＢＥによりＺｒＢ２上に成長したＧ���Ｎ及びＭＯＶＰＥによりサファイア上に成長したＧａＮと類似性のあるＴＭＮ膜上の適切な「核形成」層の使用により調整することができる。ＴＭＮ層上に核形成層がない場合、ＩＩＩ−Ｎ層は、通常、ＭＢＥにより成長するようなＮ極性を有する。
【００１２】
本技術は、６Ｈ−ＳｉＣ基板１上に成長するＮｂ２Ｎ  ２及び様々なＩＩＩ−Ｎ半導性３層のＭＢＥ成長を使用して実験的に証明されている。第１実施例において、３０ｎｍの厚さの単相、六方晶Ｎｂ２Ｎ膜２を６Ｈ−ＳｉＣ基板１のＳｉ面上で成長させた。図２のＸ線回析（ＸＲＤ）データは、高品質な単相Ｎｂ２Ｎ層を成し得たことを示す。３０ｎｍのＮｂ２Ｎ層のシート抵抗は、１２．５Ω／ｓｑ．であると計測され、金属抵抗率は３７．５μΩ・ｃｍであった。３０ｎｍのＮｂ２Ｎ層の二乗平均平方根（ＲＭＳ）粗さは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で計測して、０．５９ｎｍであった。図３のプロットは、膜が、まだ連続的であることを証明し、エピタキシャルＮｂ２Ｎが少なくとも４．４ｎｍの厚さまで導電性を維持することを証明する。低い抵抗率に加え、４．４ｎｍのＮｂ２Ｎ膜は、ＡＦＭで計測して、そのＲＭＳ粗さが０．１２ｎｍと平滑であり、非常に薄い金属層が有益であろう電子的及び光電子的用途において使用することができよう。所望の厚さのＮｂ２Ｎ  ２を得た後、その次に、１つ以上の半導体層３をＭＢＥにおける通常の成長条件下で成長させることができる。第２実施例においては、図１と同様の構造を成長させるが、６Ｈ−ＳｉＣ基板１上の１００ｎｍのＮｂ２Ｎ層２の上部に成長した５００ｎｍのＡｌＮ層３を有する。図４のＸＲＤデータは、半値全幅が２００ａｒｃｓｅｃのＡｌＮ層を有する、単結晶Ｎｂ２Ｎ層２及びＡｌＮ層３を示す。Ｎｂ２Ｎのシート抵抗は、４．０Ω／ｓｑ．又は４０μΩ・ｃｍの値で導電性を維持し、電位埋設電極として、その機能性を保持している。第３実施例において、６Ｈ−ＳｉＣ基板１上に３０ｎｍのＮｂ２Ｎ層２を蒸着した後、ＩＩＩ−Ｎ高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）構造を形成する半導体層３を、ＭＢＥによってｉｎ  ｓｉｔｕで蒸着した。図５に示すように、ＩＩＩ−Ｎ半導体層３は、Ｎｂ２Ｎ層２の上部に成長した１００ｎｍのＡｌＮ核形成層から構成され、１．３μｍのＧａＮバッファ層、４０％のＡｌ含有比を有する３０ｎｍのＡｌＧａＮバッファ層、及び３０ｎｍのＧａＮチャネルが続く。Ｎｂ２Ｎ層２の上部に成長したＩＩＩ−Ｎ層３は、Ｎ極性を有するため、図５に示すように、二次元電子ガス（２ＤＥＧ）チャネルが３０ｎｍのＡｌＧａＮ／３０ｎｍのＧａＮの境界面に配置される。図５のＸＲＤデータは、ＨＥＭＴ／Ｎｂ２Ｎ／６Ｈ−ＳｉＣ構造の各層の材料品質が高いことを示す。図５のＨＥＭＴサンプルの移動特性を、ホール効果測定を使用して、定量化した。２ＤＥＧの流動性、シート抵抗、及びキャリア濃度は、それぞれ、１３７５ｃｍ２／Ｖ・ｓ、３８５Ω／ｓｑ．、及び１．１８×１０１３ｃｍ−２であると計測された。それらの値は、６Ｈ−ＳｉＣ上に直接成長させた同様のＨＥＭＴ構造体の移動特性と同程度であり、高品質のＩＩＩ−Ｎ材料をＮｂ２Ｎ上に成長させることができることを証明する。加えて、３０ｎｍのＮｂ２Ｎ層２は、ＩＩＩ−Ｎデバイス層３の成長後、１５．７Ω／ｓｑ．のシート抵抗で導電性を維持する。
【００１３】
他の金属ＴＭＮ層もまた、六方晶のＳｉＣ又は六方晶のＩＩＩ−Ｎ半導体のものと近い格子定数の六方結晶相を有する、ＴａＮｘ、ＮｂＮｘ、ＷＮｘ、若しくはＭｏＮｘ、又は任意のＴＭＮ三元化合物を含んでもよい。また、立方対称性を有する金属ＴＭＮ層は、３Ｃ−ＳｉＣ及び立方晶ＩＩＩ−Ｎ半導体とほぼ格子整合することができる。例えば、立方晶δ−ＮｂＮｘ相（Ｆｍ３ｍ空間群、ａ＝０．４３８１１）及び立方晶ε´−ＴａＮｘ相（Ｆｍ３ｍ空間群、ａ＝０．４３５ｎｍ）は、３Ｃ−ＳｉＣ及びＧａＮと厳密に格子整合するため、六方晶のＴＭＮ類、ＳｉＣ、及びＩＩＩ−Ｎ類のための本特許出願における思想及び特許請求の範囲は、立方晶相のＴＭＮ類、ＳｉＣ、及びＩＩＩ−Ｎ材料へ容易に拡張することができる。基板もまた、ＳｉＣに限定されることなく、シリコン、ＧａＮ、ＡｌＮ、サファイア、又は他の任意の技術的に関連する基板をも含んでもよい。
【００１４】
デバイス構造体設計は、基板上にＴＭＮ層２を成長させ、続いて１つ以上の半導体層３を成長させることのみに限定されない。１つ以上のＴＭＮ層及び１つ以上の半導体層を、特定のデバイス設計に要する又はそれに有益な任意の手段で成長させることができる。これは、ＴＭＮ／半導体境界面の電子特性が各ＴＭＮ層で異なってもよく、図６に示すように、構造内にＮｂ２Ｎの１つの層２とＴａ２Ｎの別の層４とがある場合など、異なる組成であってもよい複数のＴＭＮ層を有することを含んでもよい。図７に示すように、ｉｎ  ｓｉｔｕで成長したエピタキシャルなオーミック又はショットキー接触として機能させるため、ＴＭＮ層２を、１つ以上の半導体層３の表面に成長させてもよい。別の実施例としては、図８に示すように、金属ベースのトランジスタとして使用するための、半導体３／ＴＭＮ層２／半導体３構造を含むことができるであろう。さらに別の実施例としては、図９に示すように、金属量子井戸を形成するための、複数層半導体３／ＴＭＮ２構造がある。
【００１５】
１つ以上のＴＭＮ及び半導体層の成長方法は、ＭＢＥに限定されず、スパッタリング、パルスレーザー蒸着、原子層エピタキシー（ＡＬＥ）又はＭＯＶＰＥなどの任意で既知の成長方法により蒸着されてもよい。ｉｎ  ｓｉｔｕ又はｉｎ  ｖａｃｕｏですべての層を蒸着することが好ましいが、その次の層を成長させる前に、自然酸化膜のない、汚染のない、さらなる成長のための表面を得るために表面の好適な洗浄を行えば、ｅｘ  ｓｉｔｕで層を蒸着してもよい。
【００１６】
上記記載は、本発明の好ましい実施形態のものである。本発明の精神及びより広い態様から逸脱することなく、上記教示の観点から、様々な修正形態及び変形形態の可能性がある。したがって、別段明記されない限り、特許請求の範囲に係る発明は、実施されてもよいことを理解されたい。例えば、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、又は「前記（ｓａｉｄ）」を使用した単数形の特許請求の範囲の構成要素への言及は、いずれも、構成要素を単数形に限定するものとして解釈されることを意図していない。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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