JP2005210097A - Method and device for depositing group-iii nitride material on silicon substrate - Google Patents

Method and device for depositing group-iii nitride material on silicon substrate Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a novel method for depositing a group-III nitride material on a silicon substrate. <P>SOLUTION: The present invention relates to a device having a substrate including a silicon substrate having a porous top layer, a second layer on the top layer formed of a Ge material, and the other layer on the second layer formed of a group-III nitride material. Further, the present invention relates to a method, an intermediate layer or a template device highly suitable to the epitaxial growth of a group-III nitride layer of high quality. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、シリコン基板上にIII族窒化物材料を成長させる方法及びその方法により得られる装置に関する。また、本発明は品質が改良されたエピタキシャル層を有する装置に関する。   The present invention relates to a method for growing a group III nitride material on a silicon substrate and an apparatus obtained by the method. The invention also relates to a device having an epitaxial layer with improved quality.

市販のGaN基板が不足しているため、今日GaNヘテロ構造を主にサファイア若しくはSiC上に成長させている。Siは非常に魅力的な基板であるため、ますます大きな興味が示されている。その主な利点は、熱伝導率が許容範囲にあること(SiCの熱伝導率の半分である。)及び大きな体積及び大きなウエハサイズで入手することができることである。サファイア及びSiC基板と比較した場合、Siの最も重要な利点は、非常にコストが低いということである。   Due to the lack of commercial GaN substrates, today GaN heterostructures are grown primarily on sapphire or SiC. Since Si is a very attractive substrate, it has shown increasing interest. Its main advantage is that the thermal conductivity is acceptable (half the thermal conductivity of SiC) and is available in large volumes and large wafer sizes. Compared to sapphire and SiC substrates, the most important advantage of Si is that it is very low cost.

Kuykendall(ナノレター2003,Vol.3,No.8,1063-10)は、例えば、MOCVDによりシリコン及びサファイア基板上にGaNナノワイヤを形成することを開示している。   Kuykendall (Nanoletter 2003, Vol. 3, No. 8, 1063-10) discloses forming GaN nanowires on silicon and sapphire substrates, for example, by MOCVD.

しかし、Si上に直接高品質のエピタキシャルGaN層を成長させることに関して直接的に記載されていない。   However, there is no direct description regarding growing a high quality epitaxial GaN layer directly on Si.

Si及びGaN間の格子不整合が大きいことにより、GaN層の転位密度が高くなる。サファイア上でGaNを成長させるために開発された適切な成長方法を適用することにより、この高い転位密度を劇的に減少させることができる。   Due to the large lattice mismatch between Si and GaN, the dislocation density of the GaN layer increases. This high dislocation density can be dramatically reduced by applying a suitable growth method developed for growing GaN on sapphire.

GaNとSiとの間の熱膨張係数の大きな相違により、成長温度から室温まで冷却する間に、GaNフィルム内に大きな引張応力が誘発され、それによりGaN層にクラックが発生する。クラック現象は、1μm以上の膜厚を有する層にとって問題となり、これにより、光電子装置の性能に対して弊害をもたらす。   Due to the large difference in thermal expansion coefficient between GaN and Si, a large tensile stress is induced in the GaN film while cooling from the growth temperature to room temperature, thereby causing cracks in the GaN layer. The crack phenomenon is a problem for a layer having a film thickness of 1 μm or more, and this adversely affects the performance of the optoelectronic device.

Si基板上に直接GaNを成長させることに対する他の問題点は、Ga及びSiのいわゆるメルトバックエッチングプロセスである。高温において、Ga及びSiは、合金を形成する。この合金は、強く速いエッチング反応を起こし、このエッチング反応によりこの基板及びGaN層を破壊する。これにより非常に荒い表面となる。   Another problem with growing GaN directly on a Si substrate is the so-called meltback etching process of Ga and Si. At high temperatures, Ga and Si form an alloy. This alloy causes a strong and fast etching reaction, which destroys the substrate and the GaN layer. This results in a very rough surface.

また、別の問題点は、Si基板上に酸化物が形成され、特別の注意が必要となることである。特別の注意とは、例えば、反応炉内にサンプルを導入する直前に基板上にGaNを成長させるため注意深く洗浄すること等である。   Another problem is that an oxide is formed on the Si substrate and requires special attention. Special care is, for example, careful cleaning to grow GaN on the substrate immediately before introducing the sample into the reactor.

Si上にGaNを成長させることに対する他の問題点は、基板が湾曲することである。GaNの層がSi上に形成された時、GaN層に発生した応力は、続いてSi基板にも応力を発生させる。このため、Si基板の変形若しくはいわゆる'湾曲'が発生することになる。   Another problem with growing GaN on Si is that the substrate is curved. When a GaN layer is formed on Si, the stress generated in the GaN layer subsequently generates stress in the Si substrate. For this reason, deformation of the Si substrate or so-called “curvature” occurs.

特許出願WO03/054939号明細書において、Aixtronは、シリコン基板等の非III-V基板上にIII-V基板を成長させる方法を開示している。III-Vバッファ層若しくはIII-Vジャーミネーション層(III-V germination layer)をMOCVDにより基板上に成長させる。   In patent application WO 03/054939, Aixtron discloses a method of growing a III-V substrate on a non-III-V substrate such as a silicon substrate. An III-V buffer layer or III-V germination layer is grown on the substrate by MOCVD.

活性GaN層の成長のため、Boufaden等は薄いAlN層を使用して、GaN及びポーラスSi/Si基板間において濡れ特性(wetting)を改良することを提案している(マイクロエレクトロニックジャーナル34(2003)843-848)。AlN層は、GaNとSiとの間の格子不整合を2.5%まで減少させる。また、Orita等は、ポーラスSi層(PS)及びGaNエピタキシャル層との間のAlNバッファ層をUS−A−6344375において提案している。   For the growth of active GaN layers, Boufaden et al. Suggests using thin AlN layers to improve wetting properties between GaN and porous Si / Si substrates (Microelectronic Journal 34 (2003)). 843-848). The AlN layer reduces the lattice mismatch between GaN and Si to 2.5%. Orita et al. Have proposed an AlN buffer layer between a porous Si layer (PS) and a GaN epitaxial layer in US-A-6344375.

クラック及び貫通転移(threading dislocation)を減少させる様々な方法を「Si層上のGaNベース装置(A.Krost,A.Dadgar,Phys.Stat.Sol.(a),Vol.194,Issue2,2002,pp.361
-375)」において参照できる。
Various methods for reducing cracking and threading dislocation are described in `` GaN-based devices on Si layers (A. Krost, A. Dadgar, Phys. Stat. Sol. (A), Vol. 194, Issue 2, 2002, pp.361
-375) ".

上述の問題を解決するために提案された様々な手段を2つのカテゴリーに分類することができる。完全にin-situな成長方法を使用したもの、およびex-situなプロセス工程が必要なものである。このex-situなプロセスは、次の成長工程に続く。前者のグループは、応力工学に基づき、クラックを防止し、そして活性GaN層に存在する貫通転位密度をできるだけ多く減少させる。前者のグループは、適切なシード層、スーパー層、若しくは中間層を使用する。後者のグループは、熱クラック及び貫通転移欠陥の幾何分布を制御することを目的とする。ELOG、ペンデオ(Pendeo)、カンチレバーエピタキシ(Cantilever
Epitaxy)の全てにより高品質の領域とすることができ、一方他の方法は、応力を発生させる全ての貫通転移及び/又はクラックを一カ所に集中させる。
WO03/054939 US−A−6344375 ナノレター2003,Vol.3,No.8,1063-10 マイクロエレクトロニックジャーナル34(2003)843-848 Phys.Stat.Sol.(a),Vol.194,Issue2,2002,pp.361-375)
Various means proposed to solve the above problems can be classified into two categories. One that uses a completely in-situ growth method and one that requires an ex-situ process step. This ex-situ process continues to the next growth step. The former group is based on stress engineering and prevents cracking and reduces the threading dislocation density present in the active GaN layer as much as possible. The former group uses an appropriate seed layer, super layer, or intermediate layer. The latter group aims to control the geometric distribution of thermal cracks and threading transition defects. ELOG, Pendeo, Cantilever Epitaxy (Cantilever
Epitaxy) can all be a high quality region, while other methods concentrate all the threading transitions and / or cracks that generate stress in one place.
WO03 / 054939 US-A-6344375 Nano Letter 2003, Vol. 3, No. 8, 1063-10 Microelectronic Journal 34 (2003) 843-848 (Phys.Stat.Sol. (A), Vol.194, Issue2,2002, pp.361-375)

本発明は、従来の解決手段の問題点を克服するための、シリコン基板上にIII族窒化物材料を成長させる新規な方法を提供することを目的とする。   It is an object of the present invention to provide a novel method for growing a group III nitride material on a silicon substrate to overcome the problems of conventional solutions.

また、本発明は、高品質のIII族窒化物エピタキシャル層を備える装置を提供することを目的とする。   Another object of the present invention is to provide an apparatus including a high-quality group III nitride epitaxial layer.

さらに、本発明は、上記高品質のIII族窒化物エピタキシャル層の成長のための、適切な中間テンプレートデバイスを提供することを目的とする。   It is a further object of the present invention to provide a suitable intermediate template device for the growth of the high quality group III nitride epitaxial layer.

第1発明では、
ポーラス最上層を有するシリコン基板を備える基板と、
上記最上層上に配置された、Ge材料からなる第2層と、
上記第2層の上のIII族窒化物材料からなる別の層とを備える装置を開示している。
In the first invention,
A substrate comprising a silicon substrate having a porous top layer;
A second layer of Ge material disposed on the top layer;
A device comprising a second layer of III-nitride material on the second layer.

本明細書の「ポーラス状の最上層」という用語により、他の最上層の中で、基本的にポーラスシリコン(PS)からなる最上層だけでなく、サブマイクロオーダでパターニングされた2次元的若しくは溝付きの(castellated)最上層などの人為的に作製されたポーラス材料からなる最上層をも意味する。   The term “porous top layer” is used herein to refer to, among other top layers, not only a top layer consisting essentially of porous silicon (PS), but also a two-dimensional or sub-patterned pattern. It also means a top layer made of artificially made porous material, such as a castellated top layer.

そのような「ポーラス状の最上層」により、荒くて、織り込まれた、非平面的な、好ましくは3D構造の表面さらにしなやかな骨格を与える。そのようなポーラス状の最上層の下にボイド、バブル、若しくは封入物(inclusion)が存在する可能性がある。ポーラス状の最上層の表面でポアを閉じることにより、ボイド、バブル、封入物若しくはマイクロポア等を形成することができる。   Such a “porous top layer” provides a rough, woven, non-planar, preferably 3D structured surface, and a supple skeleton. There may be voids, bubbles, or inclusions under such a porous top layer. By closing the pores on the surface of the porous uppermost layer, voids, bubbles, inclusions, micropores, or the like can be formed.

「ポーラス状の最上層」は、ポアの少なくとも一部(できれば略全部)が、上記最上層の表面において開口しているが、上記表面において上記ポアの少なくとも一部が閉じていてもよい。別の実施の形態では、全てのポアが閉じられ、ボイド、バブル、封入物若しくはマイクロポアを基板内に形成してもよい。   In the “porous uppermost layer”, at least a part (preferably substantially all) of the pores are open on the surface of the uppermost layer, but at least a part of the pores may be closed on the surface. In another embodiment, all pores may be closed and voids, bubbles, inclusions or micropores may be formed in the substrate.

第1発明のある実施の形態では、これ以前の実施の形態に記載された装置であって、上記ポーラス状最上層が、ボイド、封入物、バブル若しくはマイクロポア等の、少なくとも一部が閉じられたポアを有することを特徴とする装置を開示している。   In one embodiment of the first invention, there is provided the device described in the previous embodiments, wherein the porous top layer is at least partially closed such as a void, an enclosure, a bubble or a micropore. Disclosed is an apparatus characterized by having an open pore.

本発明の好ましい実施の形態に係るポーラス最上層に、空隙率の勾配が存在してもよい。ポアのサイズ及び/又はポアの量は、上記最上層の表面から離れる方向に増加することが好ましい。   A porosity gradient may be present in the porous top layer according to a preferred embodiment of the present invention. Preferably, the pore size and / or the amount of pores increases in a direction away from the surface of the top layer.

少なくとも2つの空隙率を有する最上層が好ましい。これは、本明細書において、異なる空隙率を有する少なくとも2つのサブ基板が上記最上層に存在することを意味する。この差異は、ポアのサイズ及び/又は量にある。   A top layer having at least two porosity is preferred. This means here that at least two sub-substrates with different porosity are present in the top layer. This difference is in the size and / or amount of the pores.

高い空隙率と低い空隙率を有する積層体を有してもよい。高い空隙率を有する層と低い空隙率を有する層とを入れ替えてもよい。小さなサイズのポアが存在すること、及び/又は少量のポアが存在すること(低空隙率)と比較して、高い空隙率は、大きなポアが存在すること、及び/又は大量のポアが存在することを意味する。高い空隙率及び低い空隙率の層を作製する方法は、この技術分野において知られている。   You may have a laminated body which has a high porosity and a low porosity. A layer having a high porosity and a layer having a low porosity may be interchanged. High porosity compared to the presence of small size pores and / or small amounts of pores (low porosity) means that there are large pores and / or large amounts of pores. Means that. Methods for making high porosity and low porosity layers are known in the art.

例えば、水素雰囲気における高温のアニールにより、高い空隙率のサブ基板の下に、シリコン基板に接触するように、分離した層を作製することが好ましい。この分離した層は、高い空隙率を有する層であり、機械的に非常に脆弱である。この層は、小さな機械的力により、即ち超音波処理若しくは引張り処理(pulling)により容易に破壊され得る(例えばEP1132952を参照のこと)。   For example, it is preferable to form a separated layer so as to be in contact with the silicon substrate under a high porosity sub-substrate by high-temperature annealing in a hydrogen atmosphere. This separated layer is a layer having a high porosity and is mechanically very fragile. This layer can easily be broken by a small mechanical force, ie by sonication or pulling (see eg EP1132952).

本発明に係るポーラス状最上層は、一般的に10%〜90%の空隙率を有する。このポーラス状最上層は、一般的に10nm〜10μm、10nm〜3μmの間の膜厚を有する。   The porous uppermost layer according to the present invention generally has a porosity of 10% to 90%. This porous uppermost layer generally has a thickness of between 10 nm and 10 μm, and between 10 nm and 3 μm.

本発明に係る「ポーラス状最上層」を、成長の後再び緩和させてもよい。さらに、応力解放によりエピタキシャル層をサブ基板から分離してもよい。   The “porous top layer” according to the invention may be relaxed again after growth. Furthermore, the epitaxial layer may be separated from the sub-substrate by releasing the stress.

「Ge材料からなる層」は、少なくともGeを含有する材料からなる層を意味する。   The “layer made of Ge material” means a layer made of a material containing at least Ge.

第1発明の好ましい実施の形態では、それ以前の実施の形態に記載した装置であって、上記第2層が、SiGe材料(少なくともSiGeを含む材料)からなることを特徴とする装置を開示している。この第2層はSiGe層であってもよい。Ge材料、好ましくはSiGe材料からなる層の組成は任意ではあるが濃度勾配が付けられている。上記(濃度勾配の付いた)第2層の材料中のGe濃度は、基板から離れる方向に増加することが好ましい。   In a preferred embodiment of the first invention, there is disclosed an apparatus described in the previous embodiments, wherein the second layer is made of a SiGe material (a material containing at least SiGe). ing. This second layer may be a SiGe layer. The composition of the layer of Ge material, preferably SiGe material, is arbitrary but has a concentration gradient. The Ge concentration in the second layer material (with a concentration gradient) is preferably increased in a direction away from the substrate.

第1発明の好ましい実施の形態では、これ以前の実施の形態のいずれかに記載した装置であって、III族窒化物材料に少なくともGaNが含まれることを特徴とする装置を開示している。第1発明の好ましい実施の形態では、これ以前の実施の形態のいずれかに記載された装置であって、III族窒化物材料がGaNであることを特徴とする装置を開示している。   A preferred embodiment of the first invention discloses an apparatus according to any of the previous embodiments, wherein the group III nitride material contains at least GaN. A preferred embodiment of the first invention discloses an apparatus according to any of the previous embodiments, wherein the group III nitride material is GaN.

別の実施の形態では、上記III族窒化物材料は、少なくともAlNを含んでいても良いし、若しくはAlNであってもよい。他に、例えば少なくともAlGaNを含有するIII族窒化物エピタキシャル層を成長させることも可能である。   In another embodiment, the group III nitride material may contain at least AlN or may be AlN. In addition, for example, a group III nitride epitaxial layer containing at least AlGaN can be grown.

好ましい実施の形態では、これ以前の実施の形態のいずれかに記載された装置であって、上記第2層が上記最上層と直接接触している装置を開示している。好ましい実施の形態では、それ以前の実施の形態に記載された装置であって、例えばGaN層等のIII族窒化物層が、上記第2層と直接接触している装置を開示している。   A preferred embodiment discloses a device as described in any of the previous embodiments, wherein the second layer is in direct contact with the top layer. In a preferred embodiment, the device described in the previous embodiments is disclosed wherein a group III nitride layer such as a GaN layer is in direct contact with the second layer.

第1発明のある実施の形態では、これ以前の実施の形態のいずれかに記載された装置であって、第2層(この第2層はSiGe等のGe材料からなる。)は、1nm〜1000nm若しくは2000nmの間の膜厚を、好ましくは1nm〜500nmの間の膜厚を、さらに好ましくは1nm〜300nmの間の膜厚を、さらに好ましくは10nm〜200nmの膜厚を有する装置を開示している。   In one embodiment of the first invention, the device according to any of the previous embodiments, wherein the second layer (which is made of a Ge material such as SiGe) is 1 nm to Disclosed is an apparatus having a film thickness between 1000 nm or 2000 nm, preferably between 1 nm and 500 nm, more preferably between 1 nm and 300 nm, and even more preferably between 10 nm and 200 nm. ing.

Ge材料層の膜厚は、1nm〜100nm、1nm〜50nm、1nm〜20nm、1nm〜15nm、1nm〜10nmであることが好ましい。Ge材料を含有する層の膜厚は、好ましくは1nm〜20nm、より好ましくは5nm〜15nm、最も好ましくは6nm〜12nmである。   The thickness of the Ge material layer is preferably 1 nm to 100 nm, 1 nm to 50 nm, 1 nm to 20 nm, 1 nm to 15 nm, 1 nm to 10 nm. The thickness of the layer containing the Ge material is preferably 1 nm to 20 nm, more preferably 5 nm to 15 nm, and most preferably 6 nm to 12 nm.

本発明に係る好ましい実施の形態では、本発明に係る装置であって、上記最上層が、本発明に係るポーラス状最上層であり、上記第2層がSiGe材料(例えばSiGe層)からなり、さらに別の層がGaN層であることを特徴とする装置を開示している。SiGe材料からなる層(例えばSiGe層)は、上記最上層と直接接触していることが好ましい。また、上記GaN層は、この第2層と直接接触していることが好ましい。ここに記載された実施の形態の第2層の膜厚は、1nm〜2μm、1nm〜1000nm、1nm〜500nm、1nm〜300nm、10nm〜200nmの間にあることが好ましい。   In a preferred embodiment according to the present invention, there is provided an apparatus according to the present invention, wherein the uppermost layer is a porous uppermost layer according to the present invention, and the second layer is made of a SiGe material (for example, a SiGe layer). An apparatus is disclosed in which the further layer is a GaN layer. The layer made of SiGe material (for example, SiGe layer) is preferably in direct contact with the uppermost layer. The GaN layer is preferably in direct contact with the second layer. The film thickness of the second layer of the embodiment described herein is preferably between 1 nm to 2 μm, 1 nm to 1000 nm, 1 nm to 500 nm, 1 nm to 300 nm, 10 nm to 200 nm.

上記最上層内のポアは、開口したポアであっても良いし、若しくは閉口したポア及び開口したポアを組み合わせたものが存在してもよい。本発明に係る他の特定の好ましい実施の形態では、本発明に係るポーラス状最上層は、少なくとも一部に閉じたポアを含み、上記第2層がSiGe材料(例えばSiGe層)からなり、上記別の層はGaN層であることを特徴とする装置である。実質的に全てのポア(ポアの70%、80%、90%若しくは95%以上)は、閉口したポアであってもよい。   The pores in the uppermost layer may be open pores, or a combination of closed pores and open pores may exist. In another particular preferred embodiment according to the invention, the porous top layer according to the invention comprises at least partly closed pores, the second layer is made of SiGe material (for example SiGe layer), The device is characterized in that the other layer is a GaN layer. Substantially all pores (70%, 80%, 90% or more than 95% of the pores) may be closed pores.

閉口したポアの具体例として、バブル、封入物、ボイド若しくはマイクロポアが含まれるが、これらに限定されるものではない。ポーラス状のSi基板におけるポアの初端の直径と比較して、マイクロポアは、大きさが減少する小さな直径を有する。これは、例えば、III族窒化物層の成長の前のアニール工程のためである。アニール工程の温度は、III族窒化物材料を成長させる工程の温度より高い。GaNの成長温度は、500〜1300℃、約1100℃、約1050℃である。一方、アニールのための温度は、1050℃以上、1100℃以上、好ましくは1100℃〜1200℃である。   Specific examples of closed pores include, but are not limited to, bubbles, inclusions, voids or micropores. Compared with the diameter of the first end of the pore in the porous Si substrate, the micropore has a small diameter that decreases in size. This is for example due to the annealing step prior to the growth of the group III nitride layer. The temperature of the annealing process is higher than the temperature of the process of growing the group III nitride material. The growth temperature of GaN is 500 to 1300 ° C, about 1100 ° C, and about 1050 ° C. On the other hand, the temperature for annealing is 1050 ° C. or higher, 1100 ° C. or higher, preferably 1100 ° C. to 1200 ° C.

本発明の好ましい実施の形態では、本発明に係る装置であって、第2層がGeからなる層であるか、若しくは濃度勾配の付いたSiGe層からなる層であり、さらに別の層がGaN層であることを特徴とする装置を開示している。濃度勾配の付いたSiGeにおけるGe濃度は、上記基板から離れる方向に増加することが好ましい。   In a preferred embodiment of the present invention, there is provided a device according to the present invention, wherein the second layer is a layer made of Ge or a layer made of a SiGe layer with a concentration gradient, and another layer is GaN. Disclosed is a device characterized by being a layer. The Ge concentration in SiGe with a concentration gradient is preferably increased in a direction away from the substrate.

以前の実施の形態のいずれかに記載された装置は、さらに中間層(第3層)を備えることが好ましい。この中間層は、第2層(Ge材料からなる層、例えばSiGe材料等)とIII族窒化物層(別の層)との間に存在する。この中間層は、III族窒化物層の成長のためのベースとして、若しくはIII族窒化物層の成長が開始する層として作用するように配置されていることが好ましい。この中間層は、核形成層の一種であることが好ましい。中間層は、1nm〜200nm、1nm〜100nm、1nm〜50nmの間の範囲の膜厚を有する層であってもよい。この中間層は、平坦な連続する層であっても良いし、若しくは例えばアイランドを有する不連続層であってもよい。この中間層はAlN層であってもよい。   The device described in any of the previous embodiments preferably further comprises an intermediate layer (third layer). This intermediate layer exists between the second layer (a layer made of a Ge material, such as a SiGe material) and the group III nitride layer (another layer). This intermediate layer is preferably arranged to act as a base for the growth of the group III nitride layer or as a layer from which the growth of the group III nitride layer starts. This intermediate layer is preferably a kind of nucleation layer. The intermediate layer may be a layer having a film thickness in the range of 1 nm to 200 nm, 1 nm to 100 nm, 1 nm to 50 nm. The intermediate layer may be a flat continuous layer or a discontinuous layer having, for example, islands. This intermediate layer may be an AlN layer.

本発明に係る他の実施の形態では、本発明に係る装置であって、上記第2層がGeからなる層であるか、若しくは濃度勾配の付いたSiGeからなる層であり、上記中間層はAlNからなる層であり、さらに上記別の層はGaN層であることを特徴とする装置を開示している。濃度勾配の付いたSiGeにおけるGe濃度は、上記基板から離れる方向に増加することが好ましい。本発明の他の実施の形態では、上記第2層がSiGeからなる層であり、上記別の層がAlNであることを特徴とする装置を開示している。   In another embodiment according to the present invention, there is provided an apparatus according to the present invention, wherein the second layer is a layer made of Ge or a layer made of SiGe with a concentration gradient, and the intermediate layer is An apparatus is disclosed, which is a layer made of AlN, and the other layer is a GaN layer. The Ge concentration in SiGe with a concentration gradient is preferably increased in a direction away from the substrate. In another embodiment of the present invention, an apparatus is disclosed in which the second layer is a layer made of SiGe and the other layer is AlN.

本発明は、これ以前の実施の形態のいずれかに記載された発明に係る装置を含む、FET、LED、レーザダイオード、HEMT(高電子移動度トランジスタ)若しくはヘテロ接合パイポーラトランジスタに関連する。   The present invention relates to a FET, LED, laser diode, HEMT (High Electron Mobility Transistor) or heterojunction bipolar transistor comprising a device according to the invention described in any of the previous embodiments.

第1発明の特定の実施の形態では、以前の実施の形態のいずれかに記載された装置であって、電子回路が上記シリコン基板上に集積された装置を開示している。上記装置には、III族窒化物層に形成された光学電子装置若しくはFETが含まれていても良い。   A particular embodiment of the first invention discloses an apparatus as described in any of the previous embodiments, wherein an electronic circuit is integrated on the silicon substrate. The device may include an optoelectronic device or FET formed in the group III nitride layer.

第2発明は、シリコン上にIII族窒化物材料を含む装置を作製する方法であって、
(定義されたような)ポーラス状の最上層を含むシリコン基板を準備する工程と、
上記ポーラス状の最上層を有する上記シリコン基板にGe含有物質を接触させ、それにより上記最上層上にGe材料層(第2層)を形成する工程と、
Ge材料層を有するシリコン基板にIII族元素含有物質及びN含有物質を接触させ、それにより上記第2層上にIII族窒化物材料からなる別の層を形成する工程とを含む方法に関する(図1参照)。
A second invention is a method of fabricating a device comprising a group III nitride material on silicon,
Providing a silicon substrate including a porous top layer (as defined);
Contacting a Ge-containing material with the silicon substrate having the porous top layer, thereby forming a Ge material layer (second layer) on the top layer;
Contacting a silicon substrate having a Ge material layer with a Group III element-containing material and an N-containing material, thereby forming another layer of Group III nitride material on the second layer (see FIG. 1).

第2発明の好ましい実施の形態では、これ以前の実施の形態のいずれかに記載された方法であって、上記方法が、Ge材料層を有するシリコン基板にIII族元素含有物質及びN含有物質を接触させる工程より前に、Ge材料からなる層を熱的にアニールする工程(図1の任意の工程)を含むことを特徴とする方法を開示している。熱的にアニールする工程は、500〜1300℃の間の温度で行うことが好ましく、500℃〜1100℃の間の温度で行うことがさらに好ましい。   In a preferred embodiment of the second invention, the method according to any of the previous embodiments, wherein the method includes adding a group III element-containing material and an N-containing material to a silicon substrate having a Ge material layer. Disclosed is a method characterized by including a step of thermally annealing a layer of Ge material (an optional step of FIG. 1) prior to the contacting step. The step of thermally annealing is preferably performed at a temperature between 500 ° C. and 1300 ° C., and more preferably performed at a temperature between 500 ° C. and 1100 ° C.

ポーラス状の最上層を有するシリコン基板にGe含有物質を接触させる工程を、プラズマ気相成長法(PECVD)、熱蒸着、閉空間蒸気伝達法(close space vapour transport)、若しくは分子ビームエピタキシ法により実行することが好ましい。   The step of contacting the Ge-containing material with the silicon substrate having a porous top layer is performed by plasma vapor deposition (PECVD), thermal evaporation, closed space vapor transport, or molecular beam epitaxy. It is preferable to do.

上記第2層の成長の後、予め決定された期間(即ち数時間、数週間、数ヶ月、数年)に亘って、この中間装置を保管してもよい。これは、保護雰囲気(N雰囲気等)の下この装置を保管する必要はない。これ以前の実施の形態のいずれかに記載された方法であって、上記最上層に第2層を形成する工程の後、中間装置が保管されることを特徴とする方法を開示している。 After the growth of the second layer, the intermediate device may be stored for a predetermined period of time (ie, hours, weeks, months, years). It is not necessary to store this device under a protective atmosphere (N 2 atmosphere or the like). A method as described in any of the previous embodiments, wherein the intermediate device is stored after the step of forming the second layer on the top layer.

Ge材料の層を含むシリコン基板にIII族元素含有物質及びN含有物質を接触させる工程を有機金属化学気相成長法(MOCVD)プロセスにより実行することが好ましい。この工程は、一般的に500℃〜1300℃の間の温度、1000℃〜1100℃の間の温度で実行し、1050℃で実行することが好ましい。別の実施の形態では、Ge材料層を有するシリコン基板にIII族元素含有物質及びN含有物質を接触させる工程を、分子ビームエピタキシ(MBE)若しくはハイドライド気相エピタキシー法(HVPE)により実行する。   The step of bringing the group III element-containing material and the N-containing material into contact with a silicon substrate including a layer of Ge material is preferably performed by a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) process. This step is generally performed at a temperature between 500 ° C. and 1300 ° C., a temperature between 1000 ° C. and 1100 ° C., and preferably at 1050 ° C. In another embodiment, the step of bringing a group III element-containing material and an N-containing material into contact with a silicon substrate having a Ge material layer is performed by molecular beam epitaxy (MBE) or hydride vapor phase epitaxy (HVPE).

別の実施の形態では、Ge材料層を有するシリコン基板にIII族元素含有物質及びN含有物質を接触させる工程に先行してアニール工程を行ってもよい。アニール工程により、安定な層を形成することができる。例えば、ポーラス状最上層及び第2層の構造体をアニール工程の間変化させてもよい。その結果として、Ge材料の層を有するシリコン基板にIII族元素含有物質及びN含有物質を接触させる工程の間、下地層は、構造的な変化(これに限定されるわけではないが、例えばポア構造の変化)に対して影響を受けにくい。また、アニール工程の後、第2層はSiGeからなる層となるであろう。   In another embodiment, the annealing step may be performed prior to the step of bringing the group III element-containing material and the N-containing material into contact with the silicon substrate having the Ge material layer. A stable layer can be formed by the annealing process. For example, the porous top layer and second layer structures may be changed during the annealing step. As a result, during the step of contacting the group III element-containing material and the N-containing material with a silicon substrate having a layer of Ge material, the underlying layer may change in structure (such as, but not limited to, pores). Less susceptible to structural changes). Also, after the annealing step, the second layer will be a layer made of SiGe.

第2発明の好ましい実施の形態では、これ以前の実施の形態のいずれかに記載された方法であって、III族元素がGaであることを特徴とする方法を開示している。最も好ましくは、III族窒化物はGaNである。III族窒化物材料はAlN若しくはAlGaNであってもよい。   A preferred embodiment of the second invention discloses the method described in any of the previous embodiments, wherein the group III element is Ga. Most preferably, the group III nitride is GaN. The group III nitride material may be AlN or AlGaN.

第2発明の他の好ましい実施の形態では、これ以前の実施の形態のいずれかに記載された方法であって、III族元素がAlであり、III族窒化物がAlNであることを特徴とする方法を開示している。   In another preferred embodiment of the second invention, the method according to any of the previous embodiments, wherein the group III element is Al and the group III nitride is AlN. The method of doing is disclosed.

第2発明の好ましい実施の形態では、これ以前の実施の形態のいずれかに記載された方法であって、上記方法が、上記のポーラス状最上層を有するシリコン基板にGe含有物質を接触させる工程と、上記のGe材料層を有するシリコン基板にIII族元素含有物質及びN含有物質を接触させる工程との間に、中間層を形成する工程を備えることを特徴とする方法を開示している。ここでは中間層AlN層を形成することが好ましい。   In a preferred embodiment of the second invention, the method according to any of the previous embodiments, wherein the method comprises contacting a Ge-containing material with a silicon substrate having the porous top layer. And a step of forming an intermediate layer between the step of bringing a group III element-containing substance and an N-containing substance into contact with the silicon substrate having the Ge material layer described above. Here, it is preferable to form an intermediate AlN layer.

MOCVDにより、MOCVD反応炉内において、900℃〜1200℃の間等の高温においてAlN層を成長させてもよい。別の実施の形態では、AlN層を、400℃〜900℃の間、500℃〜800℃の間等の低温で成長させ、その後、熱的アニール工程を行っても良い。   The AlN layer may be grown by MOCVD at a high temperature such as between 900 ° C. and 1200 ° C. in an MOCVD reactor. In another embodiment, the AlN layer may be grown at a low temperature, such as between 400 ° C. and 900 ° C., between 500 ° C. and 800 ° C., followed by a thermal annealing step.

第2発明の好ましい実施の形態では、GaN層等のIII族窒化物層の成長を500℃〜1300℃の間の異なる2つの温度で実行することを特徴とする方法を開示している。上記成長工程の第1工程は、より低温(例えば、400℃〜800℃の間の温度、400℃〜700℃の間の温度、400℃〜600℃の間の温度)で実行し、続いて、より高温(例えば、800℃〜1200℃の間の温度、800℃〜1100℃の間の温度、800℃〜1000℃の間の温度)で実行することが好ましい。   A preferred embodiment of the second invention discloses a method characterized in that the growth of a group III nitride layer such as a GaN layer is performed at two different temperatures between 500 ° C. and 1300 ° C. The first step of the growth step is performed at a lower temperature (eg, a temperature between 400 ° C. and 800 ° C., a temperature between 400 ° C. and 700 ° C., a temperature between 400 ° C. and 600 ° C.), and subsequently , Preferably at higher temperatures (e.g., temperatures between 800C and 1200C, temperatures between 800C and 1100C, temperatures between 800C and 1000C).

第3発明は、上記の方法のいずれかにより得られる装置に関する。本発明に係る上述の方法のいずれかにより得られる上記装置の具体例を、第1発明に係る部分で挙げている。   The third invention relates to an apparatus obtained by any of the above methods. Specific examples of the apparatus obtained by any of the above-described methods according to the present invention are given in the section according to the first invention.

第4発明は、III族窒化物材料の成長のための中間テンプレートデバイスを作製するための方法であって、
ポーラス状の最上層を含むシリコン基板を準備する工程と、
ポーラス状の最上層を含む上記シリコン基板にGe含有物質を接触させ、それにより上記最上層上に、Ge含有材料からなる第2層を形成する工程と、
続いてGe含有の材料からなる上記第2層を熱的にアニールする工程とを有することを特徴とする方法に関する。
A fourth invention is a method for making an intermediate template device for the growth of group III nitride materials,
Preparing a silicon substrate including a porous top layer;
Contacting the silicon-containing material with a porous top layer with a Ge-containing material, thereby forming a second layer of Ge-containing material on the top layer;
And thermally annealing the second layer made of a Ge-containing material.

異なる層を形成する方法、それらの組成及び膜厚に関する好ましい実施の形態を、本発明の第1から第3発明に係る部分に記載している。   Preferred embodiments relating to the method of forming the different layers, their composition and film thickness are described in the first to third aspects of the invention.

この方法により、III族窒化物材料の成長に最適のテンプレートデバイスとすることができる。上記テンプレートデバイスは、ポーラス状最上層、及び上記最上層上に第2層を有するシリコン基板を備え、上記第2層はGe含有材料からなることを特徴とする。上記最上層を、III族窒化物材料が上記第2層上に成長するように配置する。好ましい実施の形態では、最上層のポアの少なくとも一部が、閉口したポアであってもよい。さらに別の発明は、本発明に係るテンプレートデバイスを形成する方法により得られるテンプレートデバイスに関連する。   By this method, it is possible to obtain an optimum template device for the growth of the group III nitride material. The template device includes a porous top layer and a silicon substrate having a second layer on the top layer, and the second layer is made of a Ge-containing material. The top layer is arranged such that a group III nitride material grows on the second layer. In a preferred embodiment, at least a part of the uppermost pore may be a closed pore. Yet another invention relates to a template device obtained by the method of forming a template device according to the present invention.

本発明の別の発明は、III族窒化物材料の成長のための中間テンプレートデバイスの用途に関する。上記テンプレートデバイスは、ポーラス状の最上層、及び上記最上層上に第2層を有するシリコン基板を含む基板を有し、上記第2層はGe含有材料からなる。上記最上層を、III族窒化物材料が上記第2層上で成長するように配置することが好ましい。上記最上層のポアの少なくとも一部が、閉口したポアであっても良いし、若しくは直径が減少したポアであってもよい。可能性として考えられる膜厚及び/又は層の組成等は、第1発明及び第2発明の関連する部分に示した通りである。   Another invention of the present invention relates to the use of intermediate template devices for the growth of III-nitride materials. The template device includes a substrate including a porous top layer and a silicon substrate having a second layer on the top layer, and the second layer is made of a Ge-containing material. Preferably, the top layer is arranged so that the group III nitride material grows on the second layer. At least a part of the uppermost pore may be a closed pore or a pore having a reduced diameter. The possible film thickness and / or layer composition, etc. are as shown in the relevant parts of the first and second inventions.

本発明を以下に詳細に説明している。しかし、当業者であれば、本発明を実行するためのいくつかの他の同様な実施の形態若しくは他の方法に想到することができることは明らかである。   The present invention is described in detail below. However, it will be apparent to those skilled in the art that several other similar embodiments or other methods for carrying out the invention can be envisaged.

この発明では、ある層が他の層若しくは基板の「上に」あるというときにはその層が直接その他の層若しくは基板上にあることを意味し、ある層が他の層若しくは基板の「上方に」あるというときには中間層が存在することを意味する。ある層が他の層若しくは基板と「直接接触している」というときは、2つの層の間、若しくはその層と基板との間に中間層がないことを意味する。   In the present invention, when a layer is “on” another layer or substrate, it means that the layer is directly on the other layer or substrate, and a layer is “above” the other layer or substrate. When there is, it means that an intermediate layer exists. When a layer is “in direct contact” with another layer or substrate, it means that there is no intermediate layer between the two layers or between the layer and the substrate.

この発明では、III族窒化物材料は、元素の周期表のIII族元素の窒化物を含む材料である。III族窒化物材料はGaNであっても良い。ここで、GaNは、AlN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、GaAsPN、及び同様のもの(これらに限定されるものではない)等の少なくともGaNを有する材料であることは分かる。この発明に記載された装置は、III族材料の代わりに、ダイアモンド層を含んでいてもよい。   In the present invention, the group III nitride material is a material containing a nitride of a group III element in the periodic table of elements. The group III nitride material may be GaN. Here, it can be seen that GaN is a material having at least GaN such as, but not limited to, AlN, AlGaN, InGaN, AlInGaN, GaAsPN, and the like. The device described in this invention may include a diamond layer instead of a Group III material.

シリコン基板は、シリコンを含有する基板である。特定の実施の形態では、上記シリコン基板はシリコンウエハである。このシリコン基板は、本発明に係るポーラス状最上層(上述のように定義している。)を含んでいてもよい。   The silicon substrate is a substrate containing silicon. In a particular embodiment, the silicon substrate is a silicon wafer. This silicon substrate may include a porous uppermost layer (defined as described above) according to the present invention.

「溝付きの(castellated)」という用語により、主面における基板の断面が、急峻な丘部及び谷部により特徴付けられ、上記丘部の上面は平坦な台形表面部分を規定し、当該台形表面部分は谷部により形成されたギャップにより互いに離間されている。これらの台形部分のそれぞれは、台形の上面に沿った距離が、1μm以下、より好ましくは200Å以下、最も好ましくは100Å以下の最小横幅を有する。隣接する台形部は、少なくとも30Å、より好ましくは60Åの幅のギャップにより互いに離間されている。   By the term “castellated”, the cross-section of the substrate at the main surface is characterized by steep hills and valleys, the upper surface of the hills defining a flat trapezoidal surface portion, the trapezoidal surface The parts are separated from each other by a gap formed by a trough. Each of these trapezoidal portions has a minimum lateral width of 1 μm or less, more preferably 200 mm or less, and most preferably 100 mm or less along the upper surface of the trapezoid. Adjacent trapezoids are separated from each other by a gap having a width of at least 30 mm, more preferably 60 mm.

「2次元的にサブミクロンでパターニングされた」という用語により、表面が任意の形状の平坦な台形により特徴付けられ、それぞれの台形部分は、台形上面に沿った方向の最小横幅が1ミクロン以下の横幅を有し、溝部により形成されたギャップが台形部分の間に位置する。これは、Douglas等により記載されたナノメートルリソグラフィー(アプライドフィジックレター(1986),vol 48(10)676-678)等により得られる。   By the term “two-dimensionally submicron patterned”, the surface is characterized by a flat trapezoid of arbitrary shape, each trapezoidal portion having a minimum lateral width in the direction along the top surface of the trapezoid of less than 1 micron A gap having a lateral width and formed by the groove is located between the trapezoidal portions. This is obtained by nanometer lithography (Applied Physic Letter (1986), vol 48 (10) 676-678) described by Douglas et al.

本明細書における「ポア」という用語は、上述のように、「ギャップ」、「谷部」若しくは「溝部」まで拡張される。本発明に係るポーラス状最上層における「ポア」は、開口ポア、閉口ポアであっても良く、開口ポア及び閉口ポアを組み合わせたものが存在してもよい。このポアは、バブル、封入物、ボイド若しくはマクロポア等である。   In this specification, the term “pore” is extended to “gap”, “valley” or “groove” as described above. The “pore” in the porous uppermost layer according to the present invention may be an open pore or a closed pore, or a combination of an open pore and a closed pore may exist. This pore is a bubble, an inclusion, a void, a macropore, or the like.

第1発明では、ポーラス状の最上層を有するシリコン基板を備える基板と、
Ge材料からなる第2層と、
上記第2層上にIII族窒化物材料からなる別の層とを備える装置を開示している。
In the first invention, a substrate comprising a silicon substrate having a porous top layer;
A second layer of Ge material;
Disclosed is a device comprising another layer of Group III nitride material on the second layer.

上記第2層はSiGeを含んでいることが好ましい。III族窒化物材料は少なくともGaNを含むことが好ましい。III族窒化物材料はGaNであることが好ましい。別の実施の形態では、III族窒化物材料は少なくともAlNを含んでいてもよいし、AlNであってもよい。   The second layer preferably contains SiGe. The group III nitride material preferably contains at least GaN. The group III nitride material is preferably GaN. In another embodiment, the group III nitride material may contain at least AlN or may be AlN.

SiとIII族窒化物材料との間の格子不整合は非常に大きい。GeをSiに添加し、そしてアニール工程を実行することにより、より一層格子不整合の大きいSiGe層を形成する。   The lattice mismatch between Si and III-nitride material is very large. By adding Ge to Si and performing an annealing process, a SiGe layer having a larger lattice mismatch is formed.

また、2つの材料(SiとIII族窒化物材料)の間の熱膨張係数の相違は非常に大きく、そのためGaN成長後の冷却工程の間GaN層等のIII族窒化物層内における応力が過剰に大きくなる。   Also, the difference in thermal expansion coefficient between the two materials (Si and Group III nitride material) is very large, so excessive stress in the Group III nitride layer such as GaN layer during the cooling process after GaN growth Become bigger.

Si及びIII族窒化物材料好ましくはGaNの間の熱応力の相違は、SiGe層がSiとIII族窒化物材料との間に形成された時減少するであろう。結果的に、III族窒化物材料内のクラックの発生が減少する。   The difference in thermal stress between Si and Group III nitride material, preferably GaN, will be reduced when a SiGe layer is formed between Si and Group III nitride material. As a result, the occurrence of cracks in the group III nitride material is reduced.

上述のように、Ge材料層は熱応力を劇的に減少させ、また格子不整合を発生させない。実際この熱応力は、Si上にGaN等のIII族窒化物材料を成長させることに対する主な障害である。   As described above, the Ge material layer dramatically reduces thermal stress and does not generate lattice mismatch. In fact, this thermal stress is a major obstacle to growing group III nitride materials such as GaN on Si.

GaN層等のIII族窒化物材料内においてなお転移が起こるかもしれない。この問題は、本発明に係る非常に柔軟性を有するポーラス状Si層を使用することにより解決することができる。本発明に係るポーラス状Si層により、この基板を、シリコンとIII族窒化物層との間の大きな格子不整合に適応させることができ、それにより後者の層における転移密度を減少させることができる。さらに、本発明に係る基板を使用することにより、装置の冷却の間、III族窒化物層のクラックを防止することができる。さらに別の利点は、基板の「湾曲」を防止することである。   Transitions may still occur in III-nitride materials such as GaN layers. This problem can be solved by using a very flexible porous Si layer according to the present invention. The porous Si layer according to the invention makes it possible to adapt this substrate to a large lattice mismatch between the silicon and the group III nitride layer, thereby reducing the transition density in the latter layer. . Furthermore, by using the substrate according to the present invention, cracks in the group III nitride layer can be prevented during cooling of the device. Yet another advantage is to prevent “curving” of the substrate.

基板の選択(本発明に係るポーラス層を有するシリコン)に関しては直接事項ではない。ポーラス状のSiは熱的に不安定であり(それは高温において変形する可能性がある)、外気から湿気を吸収する可能性があるからである。   The selection of the substrate (silicon having a porous layer according to the present invention) is not a direct matter. This is because porous Si is thermally unstable (it may be deformed at high temperatures) and may absorb moisture from the outside air.

Ge材料層を、300℃〜800℃の温度で、好ましくは500℃の温度で成長させる。これは、この技術分野において標準的に使用されるAlN及びGaNの成長温度が高いのと対照的である。   The Ge material layer is grown at a temperature between 300 ° C. and 800 ° C., preferably at a temperature of 500 ° C. This is in contrast to the high growth temperatures of AlN and GaN that are typically used in this technical field.

他方、Ge層は、主に本発明に係るポーラス状Siの酸化を防止するための保護層として作用する。その結果、ポーラス状Si層の構造的な変形を防止する。本発明に係るシリコン基板上に直接成長させたGaN層若しくはAlN層は、ポーラス状Si基板の酸化を防止することができない。   On the other hand, the Ge layer mainly functions as a protective layer for preventing the oxidation of the porous Si according to the present invention. As a result, structural deformation of the porous Si layer is prevented. The GaN layer or AlN layer grown directly on the silicon substrate according to the present invention cannot prevent the oxidation of the porous Si substrate.

さらに、Geの還元温度は、ポーラス状のSiを、ボイドを有するバルク状Siに再結晶化させる臨界温度より非常に低い。一方、Siの還元温度は、この遷移温度をかなり上回る。ここでボイドは、ポーラス状のSiにおけるマイクロポアと見なすことができる。   Furthermore, the reduction temperature of Ge is much lower than the critical temperature at which porous Si is recrystallized into bulk Si having voids. On the other hand, the reduction temperature of Si is considerably higher than this transition temperature. Here, the void can be regarded as a micropore in porous Si.

Ge中間層によりSi基板の窒化を防止し、この界面においてアモルファスSiNx材料を全く形成しないか、若しくは少量しか形成させない。アモルファス状の薄いSiNx材料の形成は、装置の更なるエピタキシャル成長に対して最悪の欠点である。またGe中間層はGa及びSiの混合を減少させ、それによりメルトバックエッチングを防止する。   The Ge intermediate layer prevents nitridation of the Si substrate and does not form any amorphous SiNx material at this interface or only a small amount. The formation of amorphous thin SiNx material is the worst drawback for further epitaxial growth of the device. The Ge intermediate layer also reduces the mixing of Ga and Si, thereby preventing meltback etching.

本発明に係るGe材料からなる第2層の有利な効果は、Ge含有の非常に薄い層を、本発明に係る最上層を有するSi基板上に塗布する時に得られる。例えば、この最上層は、1nm〜20nm、5nm〜15nm、6nm〜12nmの間の膜厚を有する層である。   The advantageous effect of the second layer of Ge material according to the invention is obtained when a very thin layer containing Ge is applied on the Si substrate having the top layer according to the invention. For example, the uppermost layer is a layer having a film thickness between 1 nm to 20 nm, 5 nm to 15 nm, and 6 nm to 12 nm.

本発明に係る方法により得られる装置は、高品質の装置である。   The device obtained by the method according to the invention is a high quality device.

本発明に係る最上層を有するSi基板上のGe含有材料層により、高品質のワイドなバンドギャップを有するIII族窒化物半導体材料、特にGaNをエピタキシャル成長させるのに非常に適した表面を提供することができることが分かった。Ge層のないポーラス状でないSi基板上に成長させるのと比較して、結晶性が良好で、クラックが非常に少なく、湾曲部分が非常に減少した等の高品質のエピタキシャル層を得ることができた。   The Ge-containing material layer on the Si substrate with the top layer according to the present invention provides a surface that is very suitable for epitaxial growth of Group III nitride semiconductor materials with high quality wide band gap, especially GaN I found out that Compared with growth on a non-porous Si substrate without a Ge layer, it is possible to obtain a high-quality epitaxial layer with good crystallinity, very few cracks, and extremely reduced curved parts. It was.

本発明に係る好ましい装置を以下に記載している。   Preferred devices according to the present invention are described below.

その第1装置は、
ポーラス状の最上層を有するシリコン基板を備える基板と、
上記ポーラス状最上層上の、SiGe含有の材料からなる第2層と、
この第2層上のGaN層とを備える。
The first device is
A substrate comprising a silicon substrate having a porous top layer;
A second layer of SiGe-containing material on the porous top layer;
A GaN layer on the second layer.

上記ポーラス状層内のポアは、開口したポアであっても良いし、閉口したポアと開口したポアとを組み合わせたものであってもよい。   The pores in the porous layer may be open pores or a combination of closed pores and open pores.

本発明のある実施の形態では、SiGe材料層(少なくともSiGeを含有する材料)は、上記最上層と直接接触している。特定の実施の形態では、GaN層は、SiGe材料の層と直接接触している。上記第2層はSiGe層であることが好ましい。   In one embodiment of the invention, a SiGe material layer (a material containing at least SiGe) is in direct contact with the top layer. In certain embodiments, the GaN layer is in direct contact with the layer of SiGe material. The second layer is preferably a SiGe layer.

ここに記載した実施の形態におけるSiGe材料の層の膜厚は、1nm〜2μm、1nm〜1000nm、1nm〜500nm、1nm〜300nm、10nm〜200nmの間にある。   The film thickness of the layer of SiGe material in the embodiment described here is between 1 nm to 2 μm, 1 nm to 1000 nm, 1 nm to 500 nm, 1 nm to 300 nm, 10 nm to 200 nm.

他の好ましい装置は、
少なくとも一部に閉口したポアを備えるポーラス状最上層を有するシリコン基板を備える基板と、
上記ポーラス状最上層上の、SiGe含有の材料からなる第2層と、
この第2層上の、別のGaNとを備える。第2層はSiGe層であることが好ましい。
Other preferred devices are
A substrate comprising a silicon substrate having a porous top layer comprising a pore closed at least in part;
A second layer of SiGe-containing material on the porous top layer;
And another GaN on the second layer. The second layer is preferably a SiGe layer.

少なくとも一部に閉口したポア、例えばボイドを有する最上層を備えるシリコン基板を持つ基板を、例えばGaN層の成長と冷却の後に形成する。GaNの成長プロセスにおける第1工程(これはアニール工程である)の間、ポーラス状シリコン層を、ボイドを含むバルク状Siに変換する。   A substrate having a silicon substrate with a pore closed at least in part, for example, a top layer having voids, is formed, for example, after growth and cooling of the GaN layer. During the first step in the GaN growth process (which is an annealing step), the porous silicon layer is converted into bulk Si containing voids.

本発明は、III族窒化物材料層及び基板を含む装置を開示している。ある実施の形態では、この装置は、
ポーラス状の最上層を有するシリコン基板を備える基板と、
上記ポーラス状最上層上の、Ge層及び濃度勾配の付いたSiGe層からなる第2層と、
この第2層上のGaN層とを備える。
The present invention discloses an apparatus comprising a III-nitride material layer and a substrate. In one embodiment, the device is
A substrate comprising a silicon substrate having a porous top layer;
A second layer comprising a Ge layer and a SiGe layer with a concentration gradient on the porous top layer;
A GaN layer on the second layer.

Ge材料からなる第2層、例えばGe層若しくは濃度勾配の付いたSiGeからなる層等は、上記最上層に直接接触することが好ましい。上記濃度勾配の付いたSiGe内のGe濃度は、上記基板から離れる方向に増加することが好ましい。GaN層は、上記第2層と直接接触していることが好ましい。   A second layer made of Ge material, for example, a Ge layer or a layer made of SiGe with a concentration gradient, is preferably in direct contact with the uppermost layer. The Ge concentration in the SiGe with the concentration gradient is preferably increased in a direction away from the substrate. The GaN layer is preferably in direct contact with the second layer.

ポーラス状Si層及びGe層は拡散し、その結果少なくともその層のより低い部分、即ちSi基板近くの部分に、SiGe層、可能であれば濃度勾配の付いたSiGe層が形成される。   The porous Si layer and the Ge layer diffuse, resulting in the formation of a SiGe layer, possibly a gradient SiGe layer, at least in the lower part of the layer, ie in the vicinity of the Si substrate.

ここに記載された実施の形態におけるGe層若しくは濃度勾配の付いたSiGe層の膜厚は、1nm〜1000nm、1nm〜500nm、1nm〜300nm、10nm〜200nmの間にある。Ge層及び濃度勾配の付いたSiGe層の膜厚は、1nm〜100nm、1nm〜50nm、1nm〜20nm、1nm〜15nm、1nm〜10nmの間にあることがさらに好ましい。   The film thickness of the Ge layer or SiGe layer with a concentration gradient in the embodiments described herein is between 1 nm to 1000 nm, 1 nm to 500 nm, 1 nm to 300 nm, 10 nm to 200 nm. More preferably, the film thickness of the Ge layer and the SiGe layer with a concentration gradient is between 1 nm to 100 nm, 1 nm to 50 nm, 1 nm to 20 nm, 1 nm to 15 nm, and 1 nm to 10 nm.

本発明に係る基板の、上記実施の形態のいずれかに記載された基板は、高品質のワイドなバンドギャップを有するIII族窒化物半導体材料、特にGaNのエピタキシャル成長にとって非常に有益である。特に、アニール工程、及び/又は2つの工程(第1工程において低温で行われ、続いてより高温で成長させる。)においてIII族窒化物を成長させる工程を含む方法にしたがって準備された基板及び/又はGe層を含む基板は、これらの目的に対して非常に適当である。   The substrate according to the present invention described in any of the above embodiments is very useful for the epitaxial growth of III-nitride semiconductor materials having a wide band gap of high quality, in particular GaN. In particular, a substrate prepared according to a method comprising an annealing step and / or growing a group III nitride in two steps (performed at a low temperature in the first step and subsequently grown at a higher temperature) and / or Or a substrate comprising a Ge layer is very suitable for these purposes.

上述の装置の全ては、少なくともデバイス領域の一部であってもよい。この装置は、FET、LED、レーザダイオード、HEMT若しくはヘテロ接合バイポーラトランジスタの一部であってもよい。   All of the above devices may be at least part of the device area. This device may be part of a FET, LED, laser diode, HEMT or heterojunction bipolar transistor.

本発明の他の発明では、III族窒化物材料の成長のための例えばSi/pSi/SiGe基板の用途を開示している。ここで、pSiは本発明に係るポーラスSiを示す。テンプレートデバイスと呼ばれるSi/pSi/SiGe基板は、ポーラス状最上層と、上記最上層上のSiGe材料層(第2層)とを備えるシリコン基板を含む。「Si/pSi/SiGe基板」は、実際本発明において開示された全てのテンプレートデバイス、即ちGe材料(好ましくはSiGe層)からなる層を第2層として有するデバイスに関係する。   Another invention of the present invention discloses the use of eg Si / pSi / SiGe substrates for the growth of III-nitride materials. Here, pSi represents porous Si according to the present invention. A Si / pSi / SiGe substrate called a template device includes a silicon substrate comprising a porous top layer and a SiGe material layer (second layer) on the top layer. The “Si / pSi / SiGe substrate” actually relates to all the template devices disclosed in the present invention, ie devices having as a second layer a layer of Ge material (preferably a SiGe layer).

本発明に係るSi/pSi/SiGe基板を、III族窒化物材料の成長のために使用することにより、従来の課題に対する問題点を解決することができる。しかし、III族窒化物材料が成長するまで、好ましくはポアの少なくとも一部が閉じた、本発明のSi/pSi/SiGe基板を形成し保管してもよい。この保管は、数時間、数日、一ヶ月若しくはそれ以上の間であってもよい。   By using the Si / pSi / SiGe substrate according to the present invention for the growth of the group III nitride material, the problems with the conventional problems can be solved. However, the Si / pSi / SiGe substrate of the present invention may be formed and stored, preferably with at least a portion of the pores closed, until the III-nitride material is grown. This storage may be for hours, days, months or longer.

さらに別の発明では、上述のテンプレートデバイスを作製するための方法を開示している。この方法は、
ポーラス状の最上層を備えるシリコン基板を準備する工程と、
上記ポーラス状最上層を有する上記シリコン基板を、Ge含有の物質に接触させ、それにより上記最上層上に、Ge含有の材料からなる第2層を形成する工程と、
続いて、Ge含有の材料からなる上記層を熱的にアニールする工程とを含む。
In yet another invention, a method for making the template device described above is disclosed. This method
Preparing a silicon substrate with a porous top layer;
Contacting the silicon substrate having the porous top layer with a Ge-containing substance, thereby forming a second layer of a Ge-containing material on the top layer;
Subsequently, a step of thermally annealing the layer made of a Ge-containing material is included.

シリコン基板を準備する工程、及び上記シリコン基板にGe含有物質を接触させる工程を実行し、さらに結果として得られる基板を保管してもよい。上記Ge材料層を有する上記基板にIII族元素含有物質及びN含有物質を接触させる工程を、上記装置がさらに処理される必要があるとき実行してもよい。   A step of preparing a silicon substrate and a step of bringing a Ge-containing substance into contact with the silicon substrate may be performed, and the resulting substrate may be stored. The step of bringing the group III element-containing material and the N-containing material into contact with the substrate having the Ge material layer may be performed when the apparatus needs to be further processed.

上記アニール工程を、Ge材料の層を有する上記シリコン基板にIII族元素含有物質及びN含有物質を接触させる工程の前に実行することが好ましい。ある好ましい実施の形態ではIII族元素はGaである。別の実施の形態ではIII族元素はAlであってもよい。   The annealing step is preferably performed before the step of bringing the group III element-containing substance and the N-containing substance into contact with the silicon substrate having the Ge material layer. In certain preferred embodiments, the Group III element is Ga. In another embodiment, the group III element may be Al.

Ge材料層にIII族元素(例えばGa)含有物質を接触させる工程の前の、Ge材料層を熱的にアニールする工程により、Ge層上に形成された酸化物を取り除くことができ、そしてポーラス状Si最上層上にSiGe材料層、可能であれば濃度勾配の付いたSiGe材料を形成することができる。熱的アニール工程は、500℃〜1300℃、好ましくは500℃〜1100℃の間の温度で実行することが好ましい。   The step of thermally annealing the Ge material layer prior to the step of contacting the Ge material layer with a Group III element (eg, Ga) containing material can remove the oxide formed on the Ge layer and is porous. A SiGe material layer, preferably a SiGe material with a concentration gradient, can be formed on the uppermost Si-like layer. The thermal annealing step is preferably performed at a temperature between 500 ° C and 1300 ° C, preferably between 500 ° C and 1100 ° C.

ポーラス状最上層を有するシリコン基板にGe含有物質を接触させる工程により、上記ポーラス状最上層上にSiOが形成されることを防止することができる。従来技術(「室温におけるポーラスシリコンの雰囲気内投入」Canham等、J.Appl.Phys.70(1),1991年7月,pp422-431)により、新たにエッチングされたシリコン基板の、汚染されていない、フッ素処理された水素化物表面が、長い時間外気に曝されている間、汚染された自然酸化物に変換され、その結果構造特性が連続的に変更されるということが知られている。 By the step of bringing the Ge-containing material into contact with the silicon substrate having the porous uppermost layer, SiO 2 can be prevented from being formed on the porous uppermost layer. The newly etched silicon substrate has been contaminated by conventional technology ("Introduction of porous silicon in room temperature" Canham et al., J. Appl. Phys. 70 (1), July 1991, pp422-431). It is known that non-fluorinated hydride surfaces are converted to contaminated natural oxides during long periods of exposure to ambient air, resulting in a continuous change in structural properties.

本発明に係る方法は、さらにGe層を有する上記シリコン基板にIII族元素含有物質及びN含有物質を接触させ、それにより上記第2層上にIII族窒化物層を形成する工程を含んでいてもよい。   The method according to the present invention further includes a step of bringing a group III element-containing material and an N-containing material into contact with the silicon substrate having a Ge layer, thereby forming a group III nitride layer on the second layer. Also good.

本発明は、さらに上記Ge材料の第2層と、III族窒化物層(別の層)との間に中間(第3)層を形成する工程を含んでいてもよい。この中間層は、III族窒化物層の成長のためのベースとして、若しくはIII族窒化物層の成長が開始される層として有益であるように配置されていることが好ましい。この中間層は、1nm〜200nm、1nm〜100nm、1nm〜50nmの間の膜厚を有する層であってもよい。この中間層は、平坦な連続層若しくはアイランドを有する不連続な層であってもよい。この中間層は、AlN層であってもよい。   The present invention may further include a step of forming an intermediate (third) layer between the second layer of Ge material and the group III nitride layer (another layer). This intermediate layer is preferably arranged to be useful as a base for the growth of the group III nitride layer or as a layer from which the growth of the group III nitride layer is initiated. This intermediate layer may be a layer having a film thickness of 1 nm to 200 nm, 1 nm to 100 nm, 1 nm to 50 nm. This intermediate layer may be a flat continuous layer or a discontinuous layer with islands. This intermediate layer may be an AlN layer.

中間層AlNは、AlN上に成長されたGaN層内に適度な圧縮応力を誘発する可能性がある。これは、ヘテロ構造体の冷却の間、熱的な不整合による大きな熱的引張り応力を相殺し、さらにクラックを防止する。   The intermediate layer AlN can induce moderate compressive stress in the GaN layer grown on the AlN. This offsets the large thermal tensile stress due to thermal mismatch during cooling of the heterostructure and further prevents cracking.

AlN層の膜厚は、1nm〜2μm、10nm〜1000nm、10nm〜500nmの間にある。AlN層は、500℃〜900℃若しくは900℃〜1100℃の間の温度で成長する。   The film thickness of the AlN layer is between 1 nm to 2 μm, 10 nm to 1000 nm, 10 nm to 500 nm. The AlN layer is grown at a temperature between 500 ° C and 900 ° C or between 900 ° C and 1100 ° C.

プラズマ気相成長法(PECVD)、熱蒸着、閉空間蒸気伝達法若しくは分子ビームエピタキシにより、ポーラス状の最上層を有するシリコン基板にGe含有物質を接触させる工程を実行してもよい。   The step of bringing the Ge-containing material into contact with the silicon substrate having the porous top layer may be performed by plasma vapor deposition (PECVD), thermal evaporation, closed space vapor transfer, or molecular beam epitaxy.

Ge層の成長は一般的に数分かかる。ポーラス状シリコン基板を準備する工程の後、本発明に係るポーラス状最上層を有するこの基板を数秒、数分、数時間(2時間まで)、保護雰囲気(N雰囲気等)の下保管してもよく、それ以来Ge材料層が成長する。 The growth of the Ge layer generally takes several minutes. After the step of preparing the porous silicon substrate, the substrate having the porous uppermost layer according to the present invention is stored for several seconds, minutes, hours (up to 2 hours) under a protective atmosphere (such as N 2 atmosphere). Well, a Ge material layer has grown since then.

上記Ge層にIII族含有物質及びN含有物質を接触させ、それによりIII族窒化物層を成長させる工程のために、このウエハを有機金属化学気相成長(MOCVD)炉内に投入することが好ましい。また、このウエハをMBE炉若しくはHVPRE炉内に投入してもよい。成長の前に、例えばH雰囲気中で基板をアニールし、それにより酸化物を取り除く。このアニール工程の間、安定なエピタキシャルGeケイ化物層を形成する。 The wafer may be placed in a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) furnace for contacting the Ge layer with a Group III-containing material and an N-containing material, thereby growing a Group III nitride layer. preferable. Further, this wafer may be put into an MBE furnace or an HVPRE furnace. Prior to growth, the substrate is annealed, for example in an H 2 atmosphere, thereby removing the oxide. During this annealing step, a stable epitaxial Ge silicide layer is formed.

III族含有物質はTMGa(トリメチルガリウム)であっても良く、一方N含有物質はNHであっても良い。ある実施の形態では、上記Ge材料層にG含有物質及びN含有物質を接触させる工程を、500℃〜1300℃、好ましくは1000℃〜1100℃の間の温度で実行しても良い。 The group III-containing material may be TMGa (trimethylgallium), while the N-containing material may be NH 3 . In one embodiment, the step of bringing the G-containing substance and N-containing substance into contact with the Ge material layer may be performed at a temperature between 500 ° C. and 1300 ° C., preferably between 1000 ° C. and 1100 ° C.

別の実施の形態では、上記Ge材料層にIII族含有物質及びN含有物質を接触させる工程を、500℃〜1300℃の間の異なる2つの温度で実行しても良い。この工程の第1工程を、より低い温度(例えば、400℃〜800℃の間の温度)で実行し、続いてより高い温度(例えば800℃〜1200℃の間の温度)で実行しても良い。   In another embodiment, the step of bringing the group III-containing substance and the N-containing substance into contact with the Ge material layer may be performed at two different temperatures between 500C and 1300C. The first step of this step may be performed at a lower temperature (eg, a temperature between 400 ° C. and 800 ° C.) followed by a higher temperature (eg, a temperature between 800 ° C. and 1200 ° C.). good.

上記Ge材料層にIII族含有物質及びN含有物質を接触させる工程により、III族窒化物材料層を形成することができる。好ましい実施の形態では、III族窒化物材料層は、少なくともGaNを含む材料である。別の実施の形態では、III族窒化物材料層は、少なくともAlNを含む材料であってもよい。   A group III nitride material layer can be formed by the step of bringing a group III-containing substance and an N-containing substance into contact with the Ge material layer. In a preferred embodiment, the group III nitride material layer is a material containing at least GaN. In another embodiment, the group III nitride material layer may be a material containing at least AlN.

ある実施の形態では、Siウエハから開始して、当業者により知られた方法によりポーラス状に形成された基板を作製しても良い。   In some embodiments, starting from a Si wafer, a porous substrate may be fabricated by methods known to those skilled in the art.

ある実施の形態では、この最上層を、例えば濃縮フッ酸(HF)を用いて陽極酸化反応することによりポーラス状に形成しても良い。   In an embodiment, the uppermost layer may be formed into a porous shape by anodizing using, for example, concentrated hydrofluoric acid (HF).

2つの電極の装置(図2参照)を使用して、HFベース溶液中で陽極酸化を行うことによりポーラス状のSi(pSi)を得る。この2つの電極は、シリコン作用電極(24)及びプラチナ対極(23)を有する。界面活性剤として酢酸を添加し、それによりpSi形成の間に発生した水素バブルを効果的に取り除き、より均質のpSi層とすることができる。Si(111)基板(21)の陽極酸化の間、Si元素の電気化学的な溶解は、すでに形成されたpSiとSi基板との間の界面近傍で起こる。そのためpSi層の膜厚をエッチング時間で制御する。ポア形成のための適切なパラメータは、電流密度、基板のドーピングのタイプ、基板のドーピングレベル、電解液の濃度、見込まれるウエハの照度である。電極表面における正孔は、シリコンの溶解に必要とされるので、p型シリコンは暗闇の中でも容易にエッチングすることができ、一方、n型材料では照度を必要とする。10%〜90%の範囲にある空隙率を有し、10nm〜数μmの範囲で変化するポーラス層を容易に得ることができる。このプロセスにより、大きなウエハ領域上に均質なポーラス層を形成することができる。図2は、pSi形成のための設備を示している。21はシリコン基板を、22はテフロンビーカを、23はプラチナ電極を、24はシリコンアノードを、25はバック接点を示す。ある特定のプロセス条件は、
膜厚:280mm
抵抗率:0.01Wcm
化学溶液:2フッ酸/3酢酸
電流密度:75mA/cm
である。このプロセスにより、30%までの空隙率を有する1.7mmポーラスSi層となる。図4は、上述の方法により得られるポーラス状シリコン〔001〕に関連する。図5は、シリコン基板(53)、低空隙率層(51)、及び高空隙率層(52)を備えるポーラス状シリコン〔001〕基板を示している。図6a−fは、例えばEP1132652に記載されたHFベース溶液における陽極酸化反応によりシリコン〔001〕基板上にポーラス状最上層を形成する様々な工程を示している。数字61はシリコン基板を、62はポアを、63は反応のポイントを、64は水素分子を、65はその分子により作用を受けた流体力(hydrodynamic force)の方向を示している。
Porous Si (pSi) is obtained by anodizing in an HF base solution using a two-electrode apparatus (see FIG. 2). The two electrodes have a silicon working electrode (24) and a platinum counter electrode (23). Acetic acid can be added as a surfactant, thereby effectively removing hydrogen bubbles generated during the formation of pSi, resulting in a more homogeneous pSi layer. During the anodic oxidation of the Si (111) substrate (21), the electrochemical dissolution of the Si element takes place near the interface between the already formed pSi and the Si substrate. Therefore, the thickness of the pSi layer is controlled by the etching time. Appropriate parameters for pore formation are current density, substrate doping type, substrate doping level, electrolyte concentration, and expected wafer illumination. Since holes on the electrode surface are required for silicon dissolution, p-type silicon can be easily etched in the dark, while n-type materials require illuminance. A porous layer having a porosity in the range of 10% to 90% and changing in the range of 10 nm to several μm can be easily obtained. By this process, a homogeneous porous layer can be formed on a large wafer area. FIG. 2 shows an installation for pSi formation. 21 is a silicon substrate, 22 is a Teflon beaker, 23 is a platinum electrode, 24 is a silicon anode, and 25 is a back contact. Certain process conditions are:
Film thickness: 280mm
Resistivity: 0.01Wcm
Chemical solution: 2 hydrofluoric acid / 3 acetic acid
Current density: 75 mA / cm 2
It is. This process results in a 1.7 mm porous Si layer with a porosity of up to 30%. FIG. 4 relates to porous silicon [001] obtained by the method described above. FIG. 5 shows a porous silicon [001] substrate comprising a silicon substrate (53), a low porosity layer (51), and a high porosity layer (52). FIGS. 6a-f show various processes for forming a porous top layer on a silicon [001] substrate, for example by an anodic oxidation reaction in an HF base solution as described in EP1132652. Reference numeral 61 denotes a silicon substrate, 62 denotes a pore, 63 denotes a point of reaction, 64 denotes a hydrogen molecule, and 65 denotes a direction of a hydrodynamic force acted on by the molecule.

pSi形成の後、電解液の痕跡が残らなくなるまで、ウエハをDIウォータ内で徹底的にリンスする。この基板をその後Nで乾燥させ、直ぐに真空システム内に投入し、Ge層を成長させる。これは、ポーラス状のSiの酸化を起こさないことを意味する。Geを約500℃の適当な温度でプラズマCVDシステム内で成長させる。Geは10〜100nmの範囲の膜厚を有することとなる。PECVD Ge層のXRD分析から推測されるように、PECVDにより、Si基板の上面にエピタキシャルGe層が形成されている。図3は、反射率及びXRD測定を示している。このXRD測定は、pSi(111)の上面にGaNのエピタキシャル層が成長していることを示している。 After pSi formation, the wafer is rinsed thoroughly in DI water until no trace of electrolyte remains. The substrate is then dried with N 2 and immediately put into a vacuum system to grow a Ge layer. This means that porous Si is not oxidized. Ge is grown in a plasma CVD system at a suitable temperature of about 500 ° C. Ge will have a film thickness in the range of 10-100 nm. As estimated from the XRD analysis of the PECVD Ge layer, an epitaxial Ge layer is formed on the upper surface of the Si substrate by PECVD. FIG. 3 shows reflectance and XRD measurements. This XRD measurement shows that an epitaxial layer of GaN has grown on the upper surface of pSi (111).

この工程に続いて1125℃で脱気及びアニール工程を行い、その結果SiGe層を形成する。   This step is followed by a degassing and annealing step at 1125 ° C., resulting in the formation of a SiGe layer.

次の工程において、基板を、MOCVD炉内でTMAl及びNHに接触させ、そしてAlNの中間層を1100℃で形成する(率:7.5nm/min、膜厚200nm)。 In the next step, the substrate is contacted with TMAl and NH 3 in a MOCVD furnace, and an AlN intermediate layer is formed at 1100 ° C. (rate: 7.5 nm / min, film thickness 200 nm).

Ge層を成長させた後、この基板をMOCVD炉内に投入する。この基板を、1020℃でTMGa及びNHと接触させる(率10nm/min、膜厚1μm)。結果として得られる反射率(図3a)及びXRD測定(図3b)は、滑らかなGaNエピタキシャル層がポーラス状Si(111)の上面に形成されていることを示している。 After growing the Ge layer, the substrate is placed in a MOCVD furnace. This substrate is brought into contact with TMGa and NH 3 at 1020 ° C. (rate 10 nm / min, film thickness 1 μm). The resulting reflectance (FIG. 3a) and XRD measurements (FIG. 3b) show that a smooth GaN epitaxial layer is formed on the top surface of the porous Si (111).

図1は、本発明の(必須及び任意の)工程を示したフローチャートを示している。任意の工程は点線で示している。FIG. 1 shows a flowchart illustrating the (essential and optional) steps of the present invention. Optional steps are indicated by dotted lines. 図2は、pSi形成の構成を示している。FIG. 2 shows a configuration for forming pSi. 図3aは、時間を関数とした反射率を示している。図3bはXRD測定を示している。FIG. 3a shows the reflectivity as a function of time. FIG. 3b shows the XRD measurement. 図4は、低い空隙率から高い空隙率に勾配しているポーラス状シリコン基板を示している。FIG. 4 shows a porous silicon substrate that slopes from a low porosity to a high porosity. 図5は、シリコン基板(53)、低空隙率を有する層(51)及び高空隙率を有する層(52)を備えるポーラス状シリコン基板を示している。FIG. 5 shows a porous silicon substrate comprising a silicon substrate (53), a layer (51) having a low porosity and a layer (52) having a high porosity. 図6a−fは、例えばEP1132952に記載されたようなHFベースの溶液内で陽極酸化することにより、シリコン〔001〕基板上にポーラス最上層を形成する場合における様々な工程を示している。数字61はシリコン基板を、62はポアを、63は反応ポイントを、64は水素分子を、65はその分子により作用する流体力の方向を示している。FIGS. 6a-f show the various steps in forming a porous top layer on a silicon [001] substrate, for example by anodizing in an HF-based solution as described in EP1132952. Reference numeral 61 denotes a silicon substrate, 62 denotes a pore, 63 denotes a reaction point, 64 denotes a hydrogen molecule, and 65 denotes a direction of a fluid force acting on the molecule.

Claims (38)

ポーラス状の最上層を有するシリコン基板を含む基板と、
上記最上層の上に配置された、Ge材料からなる第2層と、
上記第2層上にあるIII族窒化物材料からなる別の層とを有する装置。
A substrate comprising a silicon substrate having a porous top layer;
A second layer of Ge material disposed on the top layer;
And another layer of Group III nitride material on the second layer.
上記第2層が少なくともSiGeを含む材料からなることを特徴とする請求項1記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the second layer is made of a material containing at least SiGe. 上記第2層がSiGe層であることを特徴とする請求項1又は2記載の装置。   3. A device according to claim 1, wherein the second layer is a SiGe layer. 上記第2層の組成が、濃度勾配を持っていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の装置。   4. The apparatus according to claim 1, wherein the composition of the second layer has a concentration gradient. 上記第2層の材料中のGe濃度が、上記基板から離れる方向に増加していることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の装置。   The device according to claim 1, wherein the Ge concentration in the material of the second layer increases in a direction away from the substrate. 上記III族窒化物材料が、GaN若しくはAlNであることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の装置。   6. The apparatus according to claim 1, wherein the group III nitride material is GaN or AlN. 上記第2層が、上記ポーラス状の最上層と直接接触していることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の装置。   The device according to claim 1, wherein the second layer is in direct contact with the porous uppermost layer. 上記第2層と上記別の層との間に配置された第3層をさらに備えることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の装置。   The device according to claim 1, further comprising a third layer disposed between the second layer and the another layer. 上記ポーラス状最上層が、少なくとも一部にバブル、ボイド、封入物若しくはマイクロポア等の閉口したポアを有することを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の装置。   The device according to any one of claims 1 to 8, wherein the porous uppermost layer has a closed pore such as a bubble, a void, an inclusion, or a micropore at least partially. 上記ポーラス状最上層が、10〜90%の間の空隙率を有することを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の装置。   10. A device according to any preceding claim, wherein the porous top layer has a porosity of between 10 and 90%. 上記ポーラス状最上層が、10nm〜3μmの間の膜厚を有することを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の装置。   The device according to any one of claims 1 to 10, wherein the porous uppermost layer has a film thickness of between 10 nm and 3 µm. 上記第2層が、1nm〜1000nmの間の膜厚を有することを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の装置。   The apparatus according to any one of claims 1 to 11, wherein the second layer has a film thickness between 1 nm and 1000 nm. 上記第2層が、1nm〜20nm、好ましくは5〜15nmの間の膜厚を有することを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載の装置。   Device according to any of the preceding claims, characterized in that the second layer has a thickness between 1 nm and 20 nm, preferably between 5 and 15 nm. 上記第2層がSiGe材料からなる層であり、さらに上記別の層がGaN層であることを特徴とする請求項1〜13のいずれかに記載の装置。   The device according to claim 1, wherein the second layer is a layer made of a SiGe material, and the another layer is a GaN layer. 上記ポーラス状最上層が、少なくとも一部に、バブル、ボイド、マイクロポア等の閉口したポアを含み、さらに上記第2層が、SiGe材料からなる層であり、上記別の層がGaN層であることを特徴とする請求項1〜14のいずれかに記載の装置。   The porous uppermost layer includes at least partly closed pores such as bubbles, voids, and micropores, the second layer is a layer made of SiGe material, and the other layer is a GaN layer. The device according to claim 1, wherein the device is a device. 上記第2層が、Geからなる層であるか、若しくは濃度勾配の付いたSiGeからなる層であり、上記濃度勾配の付いたSiGe層内のGe濃度が、上記基板から離れる方向に向かって増加しており、さらに上記別の層がGaN層であることを特徴とする請求項1〜14のいずれかに記載の装置。   The second layer is a layer made of Ge or a layer made of SiGe with a concentration gradient, and the Ge concentration in the SiGe layer with the concentration gradient increases in a direction away from the substrate. The device according to claim 1, wherein the another layer is a GaN layer. 請求項1〜16のいずれかに記載の装置を含むことを特徴とするFET、LED、レーザダイオード、HEMT若しくはヘテロ接合バイポーラトランジスタ。   An FET, LED, laser diode, HEMT or heterojunction bipolar transistor comprising the device according to claim 1. 電気回路が上記シリコン基板内に集積されていることを特徴とする請求項1〜17のいずれかに記載の装置。   The apparatus according to claim 1, wherein an electrical circuit is integrated in the silicon substrate. 光学電子素子若しくはFETが、III族窒化物層上に形成されていることを特徴とする請求項1〜18のいずれかに記載の装置。   The apparatus according to claim 1, wherein the optoelectronic element or the FET is formed on the group III nitride layer. シリコンの上にIII族窒化物材料を含む装置を作製する方法であって、
ポーラス状の最上層(すでに定義している。)を含むシリコン基板を準備する工程と、
上記ポーラス状の最上層を有するシリコン基板にGe含有物質を接触させ、それにより上記最上層上にGe材料の第2層を形成する工程と、
Ge材料の層を有するシリコン基板にIII族元素含有物質及びN含有物質を接触させ、それにより上記第2層上にIII族窒化物材料からなる別の層を形成する工程とを有することを特徴とする方法。
A method of fabricating a device comprising a group III nitride material on silicon, comprising:
Providing a silicon substrate including a porous top layer (which has already been defined);
Contacting a Ge-containing material with a silicon substrate having the porous top layer, thereby forming a second layer of Ge material on the top layer;
Contacting a silicon substrate having a layer of Ge material with a Group III element-containing substance and an N-containing substance, thereby forming another layer of Group III nitride material on the second layer. And how to.
上記Ge材料の層を有するシリコン基板にIII族元素含有物質及びN含有物質を接触させIII族窒化物材料の別の層を形成する工程の前に、上記Ge材料の第2層を熱的にアニールする工程を含むことを特徴とする請求項20記載の方法。   Prior to the step of contacting the group III element-containing material and the N-containing material with the silicon substrate having the layer of Ge material to form another layer of Group III nitride material, the second layer of Ge material is thermally removed. 21. The method of claim 20, comprising the step of annealing. 上記熱的アニール工程が、500℃〜1300℃の間の温度で実行されることを特徴とする請求項21記載の方法。   The method of claim 21, wherein the thermal annealing step is performed at a temperature between 500C and 1300C. 上記熱的アニール工程が、500℃〜1100℃の間の温度で実行されることを特徴とする請求項21若しくは22記載の方法。   The method according to claim 21 or 22, characterized in that the thermal annealing step is carried out at a temperature between 500C and 1100C. 上記のポーラス状の最上層を有するシリコン基板にGe含有物質を接触させる工程が、プラズマ気相成長法、熱蒸着、閉空間蒸気伝達法若しくは分子ビームエピタキシ法により実行されることを特徴とする請求項20〜23のいずれかに記載の方法。   The step of bringing the Ge-containing material into contact with the silicon substrate having the porous uppermost layer is performed by plasma vapor deposition, thermal evaporation, closed space vapor transfer, or molecular beam epitaxy. Item 24. The method according to any one of Items 20 to 23. 上記の最上層に第2層を形成する工程の後に、中間装置を保管することを特徴とする請求項20〜24のいずれかに記載の方法。   The method according to any one of claims 20 to 24, wherein the intermediate device is stored after the step of forming the second layer on the uppermost layer. 上記のGe材料の層を有するシリコン基板にIII族元素含有物質及びN含有物質を接触させる工程が、有機金属化学気相成長プロセスにより実行されることを特徴とする請求項20〜25のいずれかに記載の方法。   26. The step of bringing a group III element-containing substance and an N-containing substance into contact with the silicon substrate having the Ge material layer is performed by a metal organic chemical vapor deposition process. The method described in 1. 上記工程を500℃〜1300℃の間の温度で実行することを特徴とする請求項26記載の方法。   27. The method of claim 26, wherein the step is performed at a temperature between 500 <0> C and 1300 <0> C. 上記工程を1000℃〜1100℃の間の温度で実行することを特徴とする請求項26又は27記載の方法。   The method according to claim 26 or 27, wherein the step is performed at a temperature between 1000C and 1100C. 上記III族元素がGaであることを特徴とする請求項20〜28のいずれかに記載の方法。   The method according to any one of claims 20 to 28, wherein the group III element is Ga. 上記III族窒化物材料がGaNであることを特徴とする請求項20〜29のいずれかに記載の方法。   30. A method according to any of claims 20 to 29, wherein the group III nitride material is GaN. 上記III族元素がAlであることを特徴とする請求項20〜28のいずれかに記載の方法。   The method according to any one of claims 20 to 28, wherein the group III element is Al. 上記III族窒化物材料がAlNであることを特徴とする請求項20〜28のいずれか、若しくは請求項31に記載の方法。   The method according to any one of claims 20 to 28 or claim 31, wherein the group III nitride material is AlN. 上記のポーラス状の最上層を有するシリコン基板にGe含有物質を接触させる工程と、上記のGe材料層を有するシリコン基板にIII族元素含有物質及びN含有物質を接触させる工程との間に、AlN層等の中間層を形成する工程を備えることを特徴とする請求項20〜32のいずれかに記載の方法。   Between the step of bringing the Ge-containing material into contact with the silicon substrate having the porous uppermost layer and the step of bringing the Group III element-containing material and the N-containing material into contact with the silicon substrate having the Ge material layer. 33. A method according to any one of claims 20 to 32, comprising the step of forming an intermediate layer such as a layer. GaN層等のIII族窒化物層を成長させる工程が、500℃〜1300℃の間の2つの異なる温度で実行されることを特徴とする請求項20〜33のいずれかに記載の方法。   The method according to any one of claims 20 to 33, wherein the step of growing a group III nitride layer such as a GaN layer is performed at two different temperatures between 500C and 1300C. 上記成長工程の第1工程を400℃〜800℃の間の温度で実行し、続いて800℃〜1200℃の間の温度での工程を実行することを特徴とする請求項34記載の方法。   35. The method of claim 34, wherein the first step of the growth step is performed at a temperature between 400 <0> C and 800 <0> C, followed by a step at a temperature between 800 <0> C and 1200 <0> C. III族窒化物材料を成長させるためのテンプレートデバイスを作製するための方法であって、
ポーラス状の最上層を有するシリコン基板を準備する工程と、
ポーラス状の最上層を有するシリコン基板にGe含有物質を接触させ、それにより上記最上層上にGe含有材料からなる第2層を形成する工程と、
続いて、Ge含有材料からなる層を熱的にアニールする工程とを含むことを特徴とするテンプレートデバイス作製方法。
A method for making a template device for growing a III-nitride material comprising:
Preparing a silicon substrate having a porous top layer;
Contacting a Ge-containing material with a silicon substrate having a porous top layer, thereby forming a second layer of Ge-containing material on the top layer;
And a step of thermally annealing the layer made of the Ge-containing material.
好ましくはアニール工程の後、所定の時間の間、装置を保管する工程をさらに含むことを特徴とする請求項36記載のテンプレートデバイス作製方法。   37. The template device manufacturing method according to claim 36, further comprising a step of storing the apparatus for a predetermined time after the annealing step. III族窒化物材料の成長のためのテンプレートデバイスであって、
ポーラス状の最上層を有するシリコン基板を含む基板を備え、上記最上層上にGe含有材料からなる第2層を備えるテンプレートデバイスの用途。
A template device for the growth of group III nitride materials,
Use of a template device comprising a substrate including a silicon substrate having a porous uppermost layer, and comprising a second layer made of a Ge-containing material on the uppermost layer.
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