JP7013070B2 - シリコン基板上のＥｒＡＩＮバッファ上に成長したＩＩＩ－Ｎ材料 - Google Patents

Description

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、特にIII-N層に結晶格子整合するErAlNバッファの形成に関するものである。

半導体産業において、シリコンとGaNとの間の大きな結晶格子不整合(16.9%)および熱不整合(53%)が主な理由で、シリコン基板上にIII族-N材料（例えばGaN）を成長させることが困難であることが知られている。したがって、なんらかの種類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材料はバッファ層の上に成長する。通常、先行技術のバッファ層は、複雑であり作製するのが高価であるか、または結晶格子不整合からくるGaNの歪を減少させるのに適切とは言えなかった。

従来技術において、いくつかの試みが、シリコンまたは他の基板上にIII-V材料を含むさまざまなデバイスを成長させるためになされている。非特許文献１は、シリコン(111)基板上のSAW（弾性表面波）デバイスについて述べている。非特許文献２は、約310ナノメートルのUV光を増加型放射するためのシリコン基板(100)上のGd_xAl_1-ｘNの成長について述べている。特許文献１において、Birkhamは、GaN、AlNまたはZnOの任意のバッファを含む素子について述べている。基板がIII-V材料が直接成長することができる「適切な基板」である場合、バッファを除去できると記載されている（実施例は挙げられていない）。バッファ上に堆積される真性のGaNの絶縁体層は、絶縁特性を改善するために、希土類元素がドーピングされる。非特許文献３は、エルビウム添加非晶質AlNの陰極ルミネセンスについて述べている。

米国特許出願公開第2010/0308375号明細書

Shenkらによる"Grouth of Atomically smooth AlN films with a 5:4 Coincidence Interface"Materials Science and Engineering B59 (1999) 84-87 Chenらによる"Grouth and Optical Properties of Gadolinium Aluminum Nitride Thin Films"Phys. Status Solidi C9, No. 3-4, 1040-1042 (2012) Guruvmuruganらによる"Visible Cathodoluminescence of Er-doped Amorphous AlN Thin Films" Appl. Phys. Lett. 74, 3008 (1999)

これらの書類および刊行物の全てにおいて、光学用途を除けば希土類が、成長促進のために用いられるとは記載されていない。さらに、非特許文献３の中では、材料が非晶質なので結晶格子の一致は可能でないかまたは要求されない。

従って、前述した先行技術および特許文献に固有の、そしてさらに他の欠点を克服することは、非常に有益である。

簡潔に言えば、本発明の所望の目的および態様は、単結晶シリコンまたは単結晶サファイヤのいずれか１つを含む基板上のバッファの上に成長するIII-N材料において実現される。前記バッファは、基板上でエピタキシャルに成長したEr_xAl_1-ｘNまたは(RE1_yRE2_1-y)_xAl_1-xNのいずれか１つを含む単結晶合金である。例えば、前記RE1および／またはRE2として、格子定数と一致させるためにLu、Yb、Gdなどのような希土類金属を用いることができる。単結晶III-N材料の層がバッファの表面にエピタキシャルに成長し、前記単結晶合金は結晶格子が単結晶III-N材料の層にほぼ一致した格子定数を有する。III-N材料がGaNである場合、当該合金のための前記式のxは基板に隣接した位置で1より小さい値から単結晶GaNの層に隣接した位置で0.249に等しいかそれ以上の値までの範囲をとる。

本発明の所望の目的および態様は、シリコンまたはサファイヤのいずれか１つを含む単結晶基板を提供するステップを含む、基板上のバッファの上にIII-N材料を成長させる好ましい方法に従って、更に達成される。この方法は基板上に単結晶バッファをエピタキシャルに成長させることを更に含む。前記単結晶バッファは、Er_xAl_1-xNまたは(RE1_yRE2_1-y)_xAl_1-xNのいずれか１つを含む。この方法はさらに、バッファの表面上に単結晶III-N材料の層をエピタキシャルに成長させることを含む。前記単結晶合金のxの値は、単結晶III-N材料の層との界面で結晶格子が単結晶III-N材料の層と実質的に格子整合する格子定数を提供するように調整される。

本発明の前述のおよび更なる、ならびにより特定の目的および利点は、図面を参照した以下の本発明の好ましい実施例についての詳細な説明から当業者にとって明らかになる。

本発明に関して、III-N材料をシリコン基板上に成長させる方法を例示する簡略レイヤー図である。 本発明に関連する、GaNとさまざまな材料との間の結晶格子定数および不整合を例示する図表である。 本発明に関連するさまざまな材料のためのXRDデータを示すグラフである。 図１のシリコン基板上にIII-N材料を成長させる方法を例示する。 図１のシリコン基板上にIII-N材料を成長させる他の方法を例示する。

図１の簡略レイヤー図は、本発明による、シリコン基板10上にIII-N材料、好適な実施形態ではGaN、を成長させる処理におけるいくつかのステップを例示している。基板10は一般半導体工業において用いられている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。また、「基板」という用語は、単に支持物を指し、他の材料（例えば酸化物等）のベース層に配置されたシリコン含有材料の層であってもよい。単結晶基板は、いかなる特定の結晶学的方位にも制限されないが、(111)シリコンであってもよく、またはシリコン(11n) (n＞0)の定義の中で従来技術において使われるnであれば、他のいかなる方向または変化を含む、と理解されよう。しかしながら、この明細書の全体にわたって、基板10は、更なる処理を簡略化するため、(111)方向のものが好適に例示される。

シリコンは立方結晶学的方位を有し、多くの他のIII-N材料、例えばGaNは六角形の結晶学的方位を有する。立方晶の上にエピタキシャルに堆積される六方晶は通常、大きな格子不整合を生成する。大きな転位密度または結晶欠陥はデバイスの設計において材料の有用性を制限する。さらに、不整合およびそれに伴う転移密度または欠陥のため、III-Nの層の膜厚は厳密に制限される。なぜなら膜厚が大きいほど欠陥は拡がるからである。従って、２つの材料の異なる結晶の格子整合が困難であるか不可能である限り、単結晶シリコン基板上へ単結晶GaNを成長させることは困難であった。

本発明において、図１で図示したように、単結晶エルビウム－窒化アルミニウム(ErAlN)の電気的なバッファ11が、シリコン基板10上にエピタキシャルに成長している。例えばエルビウムが好適な希土類材料である一方、立方形に結晶するいかなる希土類材料も、例えばガドリニウムより大きい原子番号を有する希土類のいずれかを使うこともできる。また、例えばLaNおよびGaNのような窒化物は酸化物とは対照的に立方の岩塩型構造(cubic rock salt)を有するので、それらを構造の観点から用いることもできる。しかしながら、希土類窒化物の格子はより大きいので、より小さい格子を有するYbNまたはLuNが本発明に好適であるかもしれない。

単結晶エルビウム－窒化アルミニウム(ErAlN)は、好ましくはMBEによって、シリコン基板10にエピタキシャルに成長するが、その代わりに、利用される特定のアプリケーションおよび付加的な成長技術に応じて、有機金属化学気相成長法（MOCVD）または他の任意の技術によって成長させることもできる。更に、AlNの中の少量のエルビウムは置換型不純物となり、結晶構造を変えない。しかもそれによって、AlNを電気絶縁性にし、デバイス故障に結果としてなることがありえる基板を通る導電パスの発生を防ぐ。

単結晶ErAlNバッファ11のエピタキシャル成長は、以下の理由によって可能である。公知のように、AlNとシリコンの間には5：4の格子の一致(co-incidence)すなわちおよそ-1.2%のミスフィットもしくは不一致があり、それは転位密度の減少につながる。AlN格子にErを付加することによって、より良好な格子面間隔を達成するために、ミスフィット、すなわち基板10の-1.2%をほぼ下回るように微調整できる。このように、ErAlNバッファ11のEr含有量を変化させることによって、結晶格子面間隔を、実質的に、ごくわずかな歪でシリコン基板10に整合させることができる。

図２の図表には、本発明に関連するさまざまな材料（すなわちAlN、GaN、ErN、Er₂O₃およびSi）が、GaNを基準とするさまざまな材料の格子定数および不整合とともに示される。図３のグラフをも参照して、ErNは立方形に結晶し、AlNは六角形に結晶する。しかしながら、ErAlNは、低濃度のErによって六角形の結晶構造を保存する。

図２の表および図３のグラフから、ErNおよびAlNの合金化したものにより、GaNの格子定数に等しい格子定数（c平面）を有する材料の設計を実現することができるということもわかる。この合金の形は、Er_xAl_1-xNである。格子定数：a_alloy=a_ErN＋X)*(a_AlN-a_ErN）またはa_alloy=a_AlN＋X(a_ErN-a_AlN）は、両方とも、ベガード則(Vegard’s law)：a_alloy=a_ErN*X＋a_AlN*(1-X)から算出できる。a_x=0。0.249で合金の格子定数は3.189Åであり、それはGaNの格子定数に等しい（図２を参照）。多くの応用で若干の圧縮のまたは引張り応力がGaN層において要求されることがあるので、「実質的に、格子整合した」という用語はこの明細書において、厳密な格子整合と所望の応力を発生するための小さなパーセントの格子不整合との僅かな割合の間にすべてを含むように、定義される。

図４を参照して、シリコン基板10上に、上に記載した合金を成長させる方法を説明する。層11上に合金Er_xAl_1-xNを成長させるこの方法において、xは、基板10のまたは他の付加的なバッファ層（図示せず）の界面で、およびそれに近接した位置ないし領域で1(one)にセットされる。層11の膜厚が増加するにつれて、xの値は段階的に低下して、上側表面およびそれに隣接した位置ないし領域で最終的に0,249になる。ErN（すなわちx=1）とシリコン間の格子整合よりも近い格子整合が要求される場合、付加的な1または複数のバッファ層が、バッファ層11と基板10の間に含まれていてもよいことが理解されよう。この種の付加的なバッファ層は、例えば、Er₂O₃を含んでもよい。

図５に、バッファ層11の組成を変える他の方法が例示されている。この方法は、金属を調整する方法(metal modulated approach)を使用したいわゆるデジタル合金(digital alloy)である。一つの周期でErNの６つの時間パルスおよびAlNの４つの時間パルスを含むこの方法は、ErN：AlNの比率が6：4、すなわちx=0.6の結果をもたらす。

AlNは安定な六角形のウルツ鉱(wurtzite)構造を有する。そして、ErNは安定な立方岩塩型(rock-salt)構造を有する。しかしながら、立方のテンプレート層上に成長するときに、三元合金Er_xAl_1-xNの立方相がエピタキシャルに安定して成長できる点に注意することは、重要である。

上記の例がAlNを含む合金の中でのErNの使用に向けられる一方、その他のより一般的な合金（例えば(RE1_yRE2_1-y)_xAl_1-xNの形の合金）を用いることが可能であることを理解すべきである。RE1およびRE2は、yおよびScを加えたランタノイドから選ばれる異なる金属である。また、結晶格子整合用合金バッファが特殊応用においてサファイヤ基板上のGaNの成長のために用いられることが可能であることにも注意すべきである。例として、シリコン基板が使われるときに、合金Er_xAl_1-xNのxは1より小さい値から0.249またはそれ以上の値まで変化する。また、サファイヤ（すなわちAl₂O₃）基板が用いられるときに、xは0を超える値から0.249より小さな値まで変化する。

置かれた合金Er_xAl_1-xNまたは(RE1_yRE2_1-y)_xAl_1-xNの層11に対して、図１に図示するように、GaNの層12が、その表面にエピタキシャルに成長することができる。層11は層12のGaNと界面で格子整合するように設計されているので、層12は実質的に減少した転位密度を有し、かつ応力から実質的に解放される。また、実質的に減少した転位密度のため、層12の膜厚を、さまざまな電子装置および電子光装置の改良された製作のために、増加させることができる。

このようにして、単結晶III-N材料の成長のための新規なおよび改良された方法が開示された。このIII-N材料のための新規なおよび改良された方法は、GaN層の転位密度の減少に向けて応力をさらに減少させるかまたは調整するために、Er含有量を変化させた単結晶Er_xAl_1-xNまたは単結晶(RE1_yRE2_1-y)_xAl_1-xNといった実質的な結晶格子整合用の合金を成長させることを含む。また、前記バッファは、プロセスガスがシリコン基板に損傷を与えうるという問題を除去し、または非常に減少させる。

特殊な応用において、結晶格子が整合している合金に、(RE1_yRE2_1-y)_xAl_1-xNを含めることができる。また、基板は、サファイヤ上のシリコンであってもよい。

本願明細書において、例示の目的で選ばれた実施の各形態に対して、当業者であれば容易になし得るさまざまな変更と改良を加えることができる。かかる改良および変更は、本発明の精神から逸脱しない範囲において、添付の特許請求の範囲の公正な解釈によって、本発明に含まれる。

当業者が本発明を理解して実施できるように明確かつ簡潔な言葉で本発明を十分に説明した。本発明は以下のように請求される。

Claims (14)

1. 基板上のバッファに成長するIII-N材料を含む素子であって、
   単結晶シリコン基板と、
   前記単結晶シリコン基板上に配置された(RE1_yRE2_1-y)_xAl_1-xNを含む単結晶合金のバッファと、
   前記バッファの表面に配置された、ある第１の格子定数を有する単結晶III-N材料の層とを有し、
   前記RE1とRE2は、イットリウムおよびスカンジウムを加えたランタノイド系列から選ばれる互いに異なる金属であり、
   前記単結晶合金のｘが前記単結晶シリコン基板に隣接した位置で1より小さい値をとり、
   前記単結晶合金が前記単結晶シリコン基板の表面に対して実質的に結晶格子整合し、
   前記単結晶合金のｘは0.249またはそれより大きな値まで、前記バッファの厚み方向に沿って変化し、
   前記単結晶合金は、前記単結晶III-N材料の前記第１の格子定数に近似した第２の格子定数を有している、基板上のバッファに成長するIII-N材料を含む素子。
2. 前記III-N材料は、GaNを含み、3.189Aの前記第１の格子定数を有する、請求項１に記載の基板上のバッファに成長するIII-N材料を含む素子。
3. 前記単結晶合金はEr_xAl_1-xNを含み、前記xは前記基板に隣接する位置で1より小さい値から、前記バッファの厚み方向に沿って変化し、GaNの界面で0.249まで変化する、請求項２に記載の基板上のバッファに成長するIII-N材料を含む素子。
4. シリコン基板上のバッファに成長したIII-N材料を含む素子であって、
   単結晶シリコン基板と、
   前記基板に配置されるEr_xAl_1-xNにより定義される単結晶合金のバッファと、
   前記バッファの表面に配置される第１の格子定数を有する単結晶GaNの層とを含み、
   前記単結晶合金のxが、前記基板に隣接した位置で1より小さい値から単結晶GaNの層に隣接した位置で0.249もしくはそれより大きな値まで変化し、 前記単結晶合金が単結晶GaNの層に隣接した位置で、単結晶GaNの前記第１の格子定数に接近した第２の格子定数を有する、III-N材料を含む素子。
5. 基板上のバッファの上にIII-N材料を成長させる方法であって、
   シリコン単結晶基板を用意し、
   前記単結晶基板上に(RE1_yRE2_l-y)_xAl_1-xNを含む、単結晶合金のバッファをエピタキシャルに成長させ、ここにおいて前記RE1とRE2は、イットリウムおよびスカンジウムを加えたランタノイド系列から選ばれる異なる金属であり、前記ｘは前記バッファの全ての領域において１より小さい値をとり、
   前記バッファの表面上に第１の格子定数の単結晶III-N材料の層をエピタキシャルに成長させ、
   前記バッファをエピタキシャルに成長させる間、前記単結晶III-N材料の層との界面で、単結晶III-N材料の前記第１の格子定数に接近した第２の格子定数を提供するように前記単結晶合金のxを調整する、方法。
6. 前記単結晶合金におけるｘを調整するステップは前記単結晶基板に隣接した位置で前記単結晶合金のｘを1より小さい値から変化させ、単結晶III-N材料の層に隣接した位置で0.249またはそれより大きな値まで変化させる、請求項５に記載の方法。
7. 前記xを調整するステップは、前記単結晶基板に隣接した位置で前記xを第１の値から単結晶III-N材料の層に隣接した位置で第２の値まで線形に変化させることを含む、請求項５に記載の方法。
8. 前記ｘは、前記単結晶基板に隣接して第１の値から前記単結晶III-N材料の層に隣接して第２の値まで調整される、請求項５に記載の方法。
9. 前記単結晶合金のバッファを前記単結晶基板上にエピタキシャルに成長させるステップにおいて、Er_xAl_1-xNを成長させる、請求項５に記載の方法。
10. 前記単結晶III-Nの層をエピタキシャルに成長させるステップは、単結晶GaNの層をエピタキシャルに成長させることを含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記単結晶合金の中でｘを調整するステップは、前記単結晶基板に隣接した位置で１より小さい値から単結晶GaNの層に隣接した位置で0.249かそれより大きな値まで前記xを、前記バッファの厚み方向に沿って変化させるステップを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記xを変化させるステップは、前記単結晶基板に隣接した位置で1より小さい値から単結晶GaNの層に隣接した位置で0.249またはそれより大きな値まで線形にxを、前記バッファの厚み方向に沿って変化させることを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記単結晶合金のバッファはEr_xAl_1-xNを含む、請求項１に記載の基板上のバッファに成長するIII-N材料を含む素子。
14. 前記単結晶合金のバッファはEr_xAl_1-xNを含む、請求項５に記載の方法。

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