(57)【要約】【課題】最終的なIII-N層16に加わる歪を減少させもしくは調節する。【解決手段】シリコン基板10の表面と結晶格子整合する単結晶希土類酸化物層11がシリコン基板10に配置される。III-N材料の第１層12が希土類酸化物層11の表面に設置され、窒化アルミニウム（AlN）の中間層14がIII-N材料の第１層12の表面に設置される。そしてIII-N材料の付加的な層16が窒化アルミニウムの中間層14の表面に設置される。窒化アルミニウムの中間層14およびIII-N材料の付加的な層16の堆積は、n回繰り返される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板上で成長したIII-N材料であって、
単結晶シリコン基板と、
前記シリコン基板に配置され、前記シリコン基板の表面と実質的に結晶格子整合する単結晶希土類酸化物層と、
前記希土類酸化物層の表面に設置されたIII-N材料の第１層と、
前記III-N材料の第１層の表面に配置された、窒化アルミニウム（AlN）の中間層と、
前記窒化アルミニウムの中間層の表面に設置されたIII-N材料の付加的な層とを有し、
前記窒化アルミニウムの中間層および前記III-N材料の付加的な層は、最終的なIII-N層での歪を減少させもしくは調節するためn回繰り返されて形成された、III-N材料。
【請求項２】
前記希土類酸化物の単結晶層は、複数の希土類酸化物を含み、その１つが、複数の希土類酸化物になめらかにつながっているかまたは複数の希土類酸化物の中でステップ状に急激に変化している、請求項１に記載の、シリコン基板上で成長したIII-N材料。
【請求項３】
前記複数の希土類酸化物を含む組成は、前記シリコン基板に隣接して実質的にシリコンの２倍の格子面間隔に整合する結晶格子面間隔を有する第１の希土類酸化物と、前記酸化アルミニウム層に隣接して実質的に酸化アルミニウム層の結晶格子面間隔に整合する結晶格子面間隔を有する第２の希土類酸化物とを含む、請求項２に記載のシリコン基板上で成長したIII-N材料。
【請求項４】
前記III-N材料の層はLED構造およびHEMT構造から選ばれる一つの構造を含む、請求項１に記載のシリコン基板上で成長したIII-N材料。
【請求項５】
前記LED構造はi-GaN、n-GaN、活性層、電子ブロック層、またはp-GaNのうち少なくとも１つの層を含む、請求項４に記載のシリコン基板上で成長したIII-N材料。
【請求項６】
前記HEMT構造はi-GaN、AlN、AlGaN、またはGaNのうちから選ばれる少なくとも１つの層を含む、請求項４に記載のシリコン基板上で成長したIII-N材料。
【請求項７】
単結晶シリコン基板を用意し、
前記シリコン基板の表面と実質的に結晶格子整合する希土類酸化物の単結晶層を前記シリコン基板に成長もしくは堆積させ、
III-N材料の第１層を前記希土類酸化物層の表面に成長もしくは堆積させ、
窒化アルミニウム（AlN）の中間層を前記III-N材料の第１層に成長もしくは堆積させ、
III-N材料の付加的な層を前記窒化アルミニウムの層の表面に成長もしくは堆積させ、
最終的なIII-N層内の歪を減少させもしくは調節するため、前記窒化アルミニウムの中間層および前記III-N材料の付加的な層を成長もしくは堆積させるステップをn回繰り返す、シリコン基板上でIII-N材料を成長させる方法。
【請求項８】
前記希土類酸化物の単結晶層を成長もしくは堆積させるステップは、複数の希土類酸化物をつなぐためになめらかにつながった、または複数の希土類酸化物の中でステップ状に変化する複数の希土類酸化物の複合体を成長させもしくは堆積させることを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記複合物を成長もしくは堆積させるステップは、シリコンの２倍の格子面間隔にほぼ整合する結晶格子面間隔を有する第１の希土類酸化物をシリコン基板に隣接して成長もしくは堆積させることと、前記酸化アルミニウム層の結晶格子面間隔にほぼ整合している結晶格子面間隔を有する第２の希土類酸化物を前記酸化アルミニウム層に隣接して成長もしくは堆積させることとを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記窒化アルミニウムのコーティングを成長もしくは堆積させるステップは、前記窒化アルミニウムの層を厚さ約1ナノメートルから約10ナノメートルの範囲で成長させもしくは堆積させる、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記窒化アルミニウムの中間層を成長もしくは堆積させるステップは、層を厚さ約1ナノメートルから約10ナノメートルの範囲で成長もしくは堆積させる、請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記III-N材料の最終層を成長もしくは堆積させるステップは、LED構造をIII-Nの最終層上に成長もしくは堆積させることを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
前記III-N材料の最終層上に前記LED構造を成長させるステップは、i-GaN、n-GaN、活性層、電子ブロック層、またはp-GaNの１つを含む少なくとも一つの層を成長させることを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記III-N材料の最終層を成長もしくは堆積させるステップは、前記III-N材料の最終層上にHEMT構造を成長させることを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１５】
前記III-N材料の最終層上に前記HEMT構造を成長もしくは堆積させるステップは、i-GaN、AlN、AlGaN、またはGaNの１つを含む少なくとも一つの層を成長させることを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
シリコン基板上にGaN材料を成長させる方法であって、
単結晶シリコン基板を用意し、
前記シリコン基板の表面と実質的に結晶格子整合する希土類酸化物の単結晶層をシリコン基板にエピタキシャルに堆積させ、
GaNの第１層を前記希土類酸化物層の表面にエピタキシャルに堆積させ、
窒化アルミニウム（AlN）の中間層を前記第１のGaN層上にエピタキシャルに堆積させ、
GaNの付加的な層を前記窒化アルミニウム中間層の表面にエピタキシャルに堆積させ、
前記窒化アルミニウムの中間層およびIII-N材料の付加的な層をエピタキシャルに堆積させるステップを、前記III-N材料の各付加的な層内の歪、および最終的なIII-N層内の歪を減少させもしくは調節するためにn回繰り返す、方法。
【請求項１７】
前記III-N材料の最終層をエピタキシャルに堆積させるステップは、III-N材料の最終層上にLED構造またはHEMT構造を成長させることを含む、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、シリコン基板上のIII-N材料の成長に関し、より詳しくは一層または複数層の窒化アルミニウム中間層のIII-N内への取り込みに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体産業において、シリコン基板上にIII-N材料、例えばGaNを成長させることは、シリコンとGaNの間に大きい結晶格子不整合（-16.9%）および熱不整合（53%）があることが主な理由となって困難であることは公知である。そこで、ある種の一層または複数層のバッファ層が通常、シリコン基板の上に形成され、III-N材料がバッファ層上に成長する。通常、従来技術のバッファ層は形成するのに複雑、高価であるか、または結晶格子不整合のためGaNの中の歪を適切に減少させることができなかった。
【０００３】
数多くの成長プロセスの間に、理想的にはシリコン表面を露出させるべきではないことも公知である。シリコンとさまざまなMBEプロセス・ガス（すなわちN2プラズマ、NH3および金属Ga）との間に有害な反応が起こるからである。また、他の成長プロセス、例えばMOCVDプロセス・ガス（NH3、H2、TMGaなど）が用いられる場合も同様である。シリコンとプロセス・ガスとの反応の結果、H2によるシリコンのエッチング、窒素化合物NH3の形成、またはGa前駆体による激しい反応、泡の形成をもたらす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
バッファを採用する従来技術の多数は、シリコン基板を適切に保護できない。
【０００５】
従来技術に固有の前述の、そして他の欠点を克服することが望まれている。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、シリコン基板上のIII-N材料の成長に関して新規なおよび改良された方法を提供することである。
【０００７】
本発明の他の目的は、シリコン基板上のIII-N材料の成長に関して、プロセス・ガスによるシリコン基板への起こり得る損傷を除去するかもしくは低減させることができる新規なおよび改良された方法を提供することである。
【０００８】
本発明の他の目的は、シリコン基板上に成長した新しいおよび改良されたIII-N層を提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的は、シリコン基板上のIII-N層に形成される新規なおよび改良型のLED構造および／またはHEMT構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の所望の目的および態様は、単結晶希土類酸化物層が配置されたシリコン基板上に成長したIII-N材料によって達成される。前記希土類酸化物は、シリコン基板の表面と実質的に結晶格子整合している。前記III-N材料の第１層は、前記希土類酸化物層の表面に配置される。さらに窒化アルミニウム（AlN）の中間層が、前記III-N材料の第１層の表面に配置され、前記III-N材料の付加的な層が前記窒化アルミニウムの中間層の表面に配置される。最終的に形成されるIII-N層の歪を減少させもしくはそれを調整するために、前記窒化アルミニウムの中間層および前記III-N材料の付加的な層の配置は、n回繰り返される。
【００１１】
本発明の所望の目的および態様は、希土類酸化物の単一の結晶層をシリコン基板に成長させるかもしくは堆積させるステップを含むIII-N材料をシリコン基板上に成長させる好ましい方法に従って、さらに達成される。前記希土類酸化物層は、シリコン基板の表面と実質的に結晶格子整合している。当該方法は、III-N材料の第１層を前記希土類酸化物層の表面に成長させもしくは堆積させるステップ、窒化アルミニウム（AlN）の中間層を前記III-N材料の第１層に成長させもしくは堆積させるステップ、ならびに前記III-N材料の付加的な層を前記窒化アルミニウムの層の表面に成長させもしくは堆積させるステップ、をさらに含む。最終的なIII-N層の中の歪を減少させもしくは調整するために、前記窒化アルミニウムの中間層を成長もしくは堆積させるステップおよび前記III-N材料の付加的な層を成長もしくは堆積させるステップは、n回繰り返される。
【００１２】
前述のおよび更なる本発明の目的および利点は、図面に関連してなされる以下の本発明の好ましい実施例についての詳細な説明に基づき、当業者にとって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明にしたがってシリコン基板上にGaNを成長させる方法を説明するための簡略レイヤー図である。
【図２】LED構造が上に形成された図１のシリコン基板上のGaNを示す簡略レイヤー図である。
【図３】HEMT構造が上に形成された図１のシリコン基板上のGaNを示す簡略レイヤーである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、III-N材料、この好適な実施例ではGaNをシリコン基板10上に成長させる工程におけるいくつかの段階を表す簡略レイヤー図である。基板10は一般に公知で、半導体産業において用いられる標準的な周知の単結晶ウェーハまたはその部分であるかまたはあってもよいことが理解されよう。単結晶基板は、いかなる特定の結晶方位にも制限されなくて、例えば（111）シリコン、（110）シリコン、（100）シリコンまたは他のいかなる方位もしくはそこからの変化を含むことができる。Si（100）および（111）基板は、公称値から0度と10度との間のいかなる方向にも外れたさまざまな誤った切断を含むこともできる。しかしながら、この明細書にわたって、基板10として、更なる動作の簡略化のため、好適な（111）方位のものが例示される。
【００１５】
希土類酸化物（REO）の層11は、シリコン基板10にエピタキシャル成長される。さまざまな希土類酸化物は、ごくわずかな歪でシリコンと整合することができる結晶格子面間隔を有する。例えば、Gd2O3は10.81Åの結晶格子面間隔（a）を有し、Er2O3は10.55Åの結晶格子面間隔（a）を有し、Nd2O3は11.08Åの結晶格子面間隔（a）を有し、シリコンは10.86Åという２倍の格子間隔（2a）を有する。さらに、REO層11の結晶格子面間隔は、その構成物の組成を変化させることによって、可変できる。それはシリコンウエハの歪の調節（strain engineering）を可能にする。
【００１６】
通常、シリコン基板10に隣接する、または、それに最も近いREO材料は、シリコンの結晶間隔に最も近い結晶間隔を有するが、REOテンプレート11の逆の（上の）側に隣接するREO材料は、その表面に成長する材料の結晶間隔により近い結晶間隔を有する。歪の調節は、これらの基板上にIII-N材料が成長する間、生成される応力を緩和する。
【００１７】
典型例では、層11は、シリコン基板10にエピタキシャル成長するGd2O3を含み、逆の（上の）側に隣接してエピタキシャルに成長するEr2O3を含む。いずれの場合もREO材料は、２つの組成物をなめらかに接合する態様で成長することができ、または層11の組成および／もしくは構成要素の急激変化を作るように分離した態様で成長することもできる。また、２つの構成要素がこの例で用いられるが、他のおよび／または付加的な希土類酸化物をテンプレート11内に含めることができる。
【００１８】
希土類酸化物が、本発明の好適な成長プロセスで用いるMBEプロセス・ガス、すなわちN2プラズマ、NH3および金属Gaに対して不浸透性である点に留意する必要がある。また、例えば有機金属化学気相成長法MOCVDプロセスのような他の成長プロセスが用いられる場合、希土類酸化物はMOCVDプロセス・ガス（NH3、H2、TMGaなど）に対しても不浸透性である。プロセス・ガスとシリコンとの反応は、シリコン（H2）のエッチング、窒素化合物（NH3）の形成または激しい反応と泡の形成（Ga前駆体）などをもたらす。このように、REO層11によって、一般にすべての成長プロセス・ガスにより生じる損傷からシリコン基板10は保護されている。また、希土類酸化物層11は単一の連続組成で形成することもでき、または、それはなめらかに、直線状に、段階状にまたはいかなる類似の状態で変化することもできる。
【００１９】
窒化ガリウム（GaN）層12は、好ましくはMBEプロセスによって、希土類酸化物層11上にエピタキシャル成長される。通常、GaN層12は、厚さ50ナノメートルから100ナノメートルの範囲であるが、より厚くまたは、より薄い層を成長させることもできる。REO層11との結晶格子接合がまだ若干の歪を発生させ、GaN層12には若干の歪がまだ残るので、より薄いGaNの層12が好まれる。
【００２０】
さらに歪を減らすために、窒化アルミニウム（AlN）14の薄い中間層が、GaN層12にエピタキシャル成長される。好ましくは、AlN中間層14は厚さ約1ナノメートルから約10ナノメートルの範囲であり、ある応用において、より厚く形成しても、より薄く形成してもよい。また、AlN中間層14は、低温プロセスもしくは高温プロセスを使用して成長させることができる。
【００２１】
GaNの第２層16は、AlN中間層14上にエピタキシャル成長する。AlNの第２の中間層が２層目のGaN層16の上に成長する。そして、このプロセスはn回、すなわち、上のGaN層の歪が許容可能なレベルに減少するまで繰り返される。基本的に、GaNの成長の間に形成される歪はAlNの薄い中間層の挿入により制御される。それぞれの中間層は、続くGaN層が界面において非正規（pseudomorphic）な成長をすることにより生ずる圧縮応力を低下させることができる。最終的なGaNまたはIII-N層に加わる歪を減少させもしくは調節するために、n回工程（すなわち層14および層16の交互成長）を繰り返すことができる。また、AlNの次の中間層に成長するGaNの各付加的な層はより少ない歪を有するので、これらの各付加的な層を、必要に応じてより厚く成長させることができる点に留意する必要がある。
【００２２】
図２を参照して、III-N LED構造20が上に形成されたREO層11、GaN層12／AlN中間層14／GaN層16（n回繰り返される）が示されている。構造20は便宜のために単層として示すが、III-N LED構造20は例えば、i-GaN、n-GaN、活性層（例えばInGaN／GaN）、電子ブロック層、p-GaNおよび他の中間層を含むLED（特にフォトニックLED）素子の作製および性能向上のために使われる一つもしくは複数の典型層を含むことを理解すべきである。
【００２３】
図３を参照して、REO層11、GaN層12／AlN中間層14／GaN層16（n回繰り返される）が、その上に形成されたHEMT構造30とともに例示される。構造30は便宜のために単層として例示されるが、HEMT構造30は例えば、i-GaN、AlN、AlGaN、GaNおよび他の中間層を含むHEMT素子の作製および性能向上のために使用される一つもしくは複数の典型層を含むことを理解すべきである。
【００２４】
このように、シリコン基板上のIII-N材料の成長のための新規なおよび改良された方法および素子が開示された。III-N材料のための新規なおよび改良された方法は、シリコン基板上に実質的に結晶格子整合するREO層の成長および、歪を減少させまたは調節するためのIII-N材料における薄いAlN中間層の成長のn反復を含む。また、REO層は、プロセス・ガスがシリコン基板に損害を与える可能性を除去するかまたは非常に減少させる。新規なおよび改良型のLED構造および／またはHEMT構造は、シリコン基板上への新規な方法の適用によって、実質的に、シリコン基板に対して格子整合し、熱的にも整合する。
【００２５】
本願明細書において、実施例に対するさまざまな変更と改良が、当業者にわかるように説明のために選択されて示された。かかる改良および変形は、本発明の意図から逸脱しない範囲において、添付請求の範囲の公正な解釈によって評価され、本発明の範囲に含まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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