JP2015525484A - 低温における、立方晶系及び六方晶系InN並びにAlNを伴うその合金のプラズマ支援原子層エピタキシー法 - Google Patents

低温における、立方晶系及び六方晶系InN並びにAlNを伴うその合金のプラズマ支援原子層エピタキシー法 Download PDF

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Abstract

【解決手段】 300℃より低い温度においてパルス成長法を用いて、六方晶系及び/または立方晶系の窒化インジウム(InN)を成長させることによりInN材料を成長させるための方法が、本願において開示される。NaCl型相を有する面心立方格子結晶構造のInNを有する材料もまた、開示される。【選択図】 図3

Description

関連出願への相互参照
本出願は、2012年6月18日に出願された米国仮出願第61/661,016号の利益を主張する。
III窒化物半導体のうち、窒化インジウム(InN)は、最小の直接バンドギャップ、最大の電子飽和速度及び移動度、並びに最小の電子有効質量を有する。それは長い間、太陽電池、並びに高電子移動度及び高周波装置などの、光学、電気、及び光電子装置技術における応用のための魅力的な半導体材料であってきた。InNの最も熱力学的に安定な相はウルツ鉱型構造(六方晶系相)であるが、InAs/GaAs上での閃亜鉛鉱(立方晶系相)InNの成長が、プラズマ支援分子線エピタキシー法(MBE)により450℃において実証された。立方晶系InNは、その格子が等方性であるため、より小さいバンドギャップ及び優れた電子的特性を有し、またより低いフォノン散乱を有する。
1つの実施形態においては、窒化インジウム(InN)材料を成長させるための方法は、300℃より低い温度においてパルス成長法を用いて六方晶系及び/または立方晶系InNを成長させる工程を有する。
図1は、0.06秒のトリメチルインジウム(TMI)パルスを用いた場合の成長率(GR)及びIn/N比の変化を示す。 図2は、試料3つからのX線回折(XRD)ピークを描写する。すなわち、T=183℃でのGaN/Alテンプレート上(上)、並びにT=240℃(中)及びT=183℃(下)でのa−平面Al上のInN(60nm)である。 図3は、面心立方晶系(fcc)InN相の可能性のある構造、及び、それがどのようにa−平面サファイア単位格子に対して並ぶかの概略図を示す。 図4は、X線光電子分光法により決定されるAlIn1−xNにおけるAl含有量の変化を、全範囲のxにおいてAlN/InNサイクル比と共に描写する。AlN及びInN層は、請求項1〜5においてクレームされているように成長させられた。初めにGaN上にInNが、それからAlNが成長させられた。InN及びAlNの層数は、要求される含有Al濃度を得るために変化させられた。
定義
本発明を詳細に開示する前に、本明細書において使用される用語は、特定の実施形態を開示する目的のためであり、また限定することを必ずしも意図しないことが理解されるべきである。本願において開示される方法、構造、及び材料に類似した、修正が加えられた、または同等な多くのそれらが過度の実験なしに本発明の実施において用いられうるが、好ましい方法、構造、及び材料が本願において開示される。本発明を開示しクレームするにあたり、以下の用語が以下に述べられる定義に従って使用される。
本願において用いられる「低温」は、300℃より低い温度を意味し、また別に特定される場合は、280℃より低い、260℃より低い、240℃より低い、220℃より低い、200℃より低い、180℃より低い、及び以下同様、などのさらに低い温度を指すことができる。
インジウム前駆体は、トリメチルインジウム(TMI)、及び当技術分野で既知の他の物質を含む。
アルミニウム前駆体は、トリメチルアルミニウム(TMA)、及び当技術分野で既知の他の物質を含む。
本明細書及び添付の特許請求の範囲において用いられる単数形「a」、「an」、及び「the」は、趣意が明らかに別に規定しない限り複数形の参照対象を排除しない。
本願において用いられる用語「及び/または」は、1つまたはそれより多くの関連する列挙された項目のあらゆる及び全ての組み合わせを含む。
本願において用いられる用語「約」は、所定の数値的値または範囲と併せて使用される場合、その所定の値または範囲の±10%の範囲内までで、その所定の値または範囲よりもやや大きいまたはやや小さいことを示す。
開示
InN層は、Cambridge Nano Tech (CNT) Fiji 200原子層堆積/エピタキシー(ALE)システムを使用して、a−平面サファイア、半絶縁性Si(111)、及びGaN/サファイアテンプレート上に同時に成長させられた。サファイア基板は、絶縁体上のALE InN層の電気輸送特性の明確な特徴を確保するために使用された。ウェーハーは、あらゆる更なる表面の前処理の前に、溶剤洗浄され、また脱イオン(DI)水でゆすがれた。Si(111)、GaN/サファイア、及びサファイア表面はそれぞれ、HF、HF及び15%HCl、並びに溶剤で前処理された。成長は、超高純度(UHP)アルゴン(Ar)環境中で実施された。ex situ表面前処理の後、基板はInN成長の前に300ワットにおいて50sccmのNプラズマで処理された。異なる基板上に同時にInN薄膜を合成するため、約150から1100サイクルのALE堆積(以下参照)が用いられた。本段落で与えられたパラメータ値は例であり、他の値も可能である。
図1は、0.06秒のトリメチルインジウム(TMI)パルスを用いた場合の成長率(GR)及びIn/N比の変化を示す。160から183℃への温度上昇に伴い、GRは、0.83から0.73Åへと低下した。それは小さな温度幅に対しては一定のままで、220℃において0.51Åへと再び低下する。220〜260℃間のTに対しては、GRは一定のままである。220〜260℃間の温度範囲は、第二の原子層エピタキシー(ALE)幅である。第一低温ALE幅においてInN成長はNリッチ(In/N<1)であり、高温ALE幅についてはInリッチ(In/N>1)である。MBEで成長したInNについては、In/N比2.8±0.7が測定されている(Piper et al., J. Vac. Sci. Technol. A 23, 617 (2005)参照)。故に、ALE InNはより優れた化学量論性を有する。
図2は、試料3つからのXRDピークを描写する。すなわち、T=183℃でのGaN/Alテンプレート上(上)、並びにT=240℃(中)及びT=183℃(下)でのa−平面Al上のInN(60nm)である。下のプロット図中には、指標(200)及び(400)を有する面心立方晶系(FCC)構造、または指標(110)及び(220)を有するCsCl構造のいずれか一方に帰属させられうる一組のピークが存在する。本試料に対しては24時間長のラウエ回折(LD)パターンもまた、透過並びに斜入射反射モードで測定された。ラウエ斑点は両モードにおいて観察され、それは本試料が粉末/多結晶性性質ではなくエピタキシャルな性質を有することを示す。これは、Kα及びKα構成要素に分解した(挿入図)、下のプロット図中の二次ピークをもってもまた確認される。本ピークは、信号を増強するため15累積スキャンにより得られる。FWHM値は、一次及び二次ピークについて、それぞれ494及び371arc−secである。一次ピークは、2つのKα構成要素の合成績である。構造を確認するため、三次ピークが調査されたが、それはずっと大きい角度で生じかつ試料が厚さたった60nmであるため測定不可能であった。また、初めの2つのピークのd−間隔は、ICDDデータベース中のいかなるInN相とも一致しない。この結果は、183℃においてサファイア上のInNが高配向性エピタキシャル構造を有することを示唆する。データの更なる解析は、最初のピークのd間隔(6.68Å)が報告された国際回折データセンター(ICDD)データベース中のいかなる既知のInN相とも一致せず、代わりに以前に報告されたことのない面心立方晶系(FCC)構造に相当することを明らかにする。本XRDデータは、Cryst. Growth Des. 2013, 13, 1485−1490において開示される電子顕微鏡観察により確証され、その参照文献は本参照により本願に組み込まれる。
図3は、面心立方晶系(fcc)InN相単位格子の、a−平面サファイア基板単位格子に対する配置の概略図を示す。FCC構造を仮定して、InN薄膜の測定された格子パラメータからは、サファイアの面内のc方向では2.8%のミスマッチ、及びサファイアの面内のm方向では18.9%のミスマッチしか有さないことが見られる。これは、これがa−平面サファイア上に成長したInN薄膜の最も可能性のある相であることを示す更なる兆候である。
450℃におけるプラズマ支援分子線エピタキシー法(MBE)によるInAs/GaAs上の立方晶系InNの成長の先の報告(参照文献21参照)が存在するが、そのInNは本願において得られるNaCl型相ではなくZnS(閃亜鉛鉱)相を有することが実証される。
表1は、様々な材料を合成するための異なるパラメータ及びそれらの値を要約する。各ALEサイクルは、まず60msのトリメチルインジウム(TMI)パルス(それは経験的に自己制限的ALE成長モードとして知られ、より長いパルスは顕著により大きい成長を提供しない)から構成され、それがUHPアルゴン担体ガスの30及び100sccmの一定の流れに加えられた。各TMIパルスの後、表面がIn原子で飽和するように主要ポンプ弁が5秒間閉鎖された。インジウム飽和表面に窒素前駆体を提供するため、20秒間の300ワットNプラズマ露出が使用された。未反応前駆体を除去するため、堆積チャンバは、各パルスの後に10秒間UHPアルゴンを用いてパージされた。反応層チャックは抵抗加熱され、また温度は熱電対を用いて及びCNTによる高温計により較正された。与えられたパラメータの値は、例である。他の値も可能である。
AlInNのALE成長については、InN及びAlN層がデジタル合金の様式で層ごとに成長させられた。Al0.90In0.10Nを成長させるため、AlN及びInNが交互に成長させられた。InN2サイクル毎に対し1つのAlNでは、Al0.79In0.21Nが生じる。InN3サイクル毎に対し1つのAlNでは、Al0.68In0.32Nが生じる。故にInN及びAlNの層数の組み合わせを変化させることで、幅広い範囲のxに対してAlIn1−xN薄膜が原子層エピタキシー法により得られうる。斯くして、AlInN三元合金が全ての望まれる化学量論範囲に渡って実現される。これが完遂されたのは、これが初めてだと信じられている。与えられたパラメータの値は、例である。他の値も可能である。
Figure 2015525484
Figure 2015525484
本願において開示される技術は、ex situ及びin situ表面処理により低酸素不純度を有する結晶材料を提供することが予期される。さらに、原子の水素、窒素、水素と窒素との混合物、及び/またはアンモニアプラズマを用いるin situ表面処理が可能である。炭素不純度を制御するためには、ポンプ速度にあわせてパージ時間を変化させることも可能である。
結語
本願において言及される全ての文献は、その文献が引用された理由である特定の材料及び技法を開示かつ記述する目的で、本参照により本願に組み込まれる。
本発明はその好ましい実施形態に関連して開示されてきたが、本発明の真髄及び範囲から逸れることなく、具体的には開示されていない追加、削除、修正、及び代用がなされうることが当業者によって認識されるだろう。本願において用いられる用語は、それに関連して用語「手段」が明示的に使用されない限り、「means−plus−function」の専門用語であると解釈されるべきではない。
参照文献
以下の各々は本参照により本願に組み込まれ、それは特に、各々が引用された理由である示教のためである。
1. Y. Nanishi, Y. Saito, and T. Yamaguchi, Jpn. J. Appl. Phys. 42, 2549 (2003)、及び本文献中の参照文献。
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14. A. Yamamoto, T. Shin−ya, T. Sugiura, A. Hashimoto, J. Cryst. Growth, 189/190, 461 (1998).
15. J. G. Lozano, F. M. Morales, R. Garcia, D. Gonzalez, V. Lebedev, Ch. Y. Wang, V. Cimalla, and O Ambacher, Appl. Phys. Lett. 90, 091901 (2007).
16. A. Janotti and C, G. Van de Walle, Appl. Phys. Lett. 92, 032104 (2008).
17. L. F. J. Piper, T. D. Veal, M. Walker, I. Mahboob, C. F. McConville, H. Lu, and W. J. Schaff, J. Vac. Sci. Technol. A 23, 617 (2005)
18. C. G. Van de Walle, J. L. Lynos, and A. Janotti, Solidi A 207, 1024 (2010).
19. T. Matsuoka, H. Okamoto, M. Nakao, H. Harima, and E. Kurimoto, Appl. Phys. Lett. 81, 1246 (2002).
20. M. C. Lee, H. C. Lin, Y. C. Pan, C. K. Shu, J. Ou, W. H. Chen, and W. K. Chen, Appl. Phys. Lett. 73, 2606 (1998).
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Claims (19)

  1. 窒化インジウム(InN)材料を成長させる方法であって、300℃より低い温度においてパルス成長法を用いて六方晶系及び/または立方晶系InNを成長させる工程を有する、方法。
  2. 窒素前駆体としてNプラズマを使用する、請求項1記載の方法。
  3. インジウム前駆体としてトリメチルインジウムを使用する、請求項1記載の方法。
  4. 請求項1記載の方法において、前記六方晶系及び/または立方晶系InNが六方晶系InNまたは立方晶系InNのいずれかの均質的な相からなる、方法。
  5. 請求項1記載の方法において、前記六方晶系及び/または立方晶系InNの伝導度を制御するために、前記成長させる工程の間に前記温度が意図的に変化させられる、方法。
  6. 請求項1記載の方法であって、さらに、原子の水素、窒素、水素と窒素との混合物、及び/またはアンモニアプラズマによるin situ表面処理を有する、方法。
  7. 請求項1記載の方法であって、さらに、ポンプ速度にあわせたパージ時間の変化を有し、それにより炭素不純度の形成を制御する、方法。
  8. 前記温度が200℃より低い、請求項1記載の方法。
  9. 窒素前駆体としてNプラズマを使用する、請求項8記載の方法。
  10. 請求項8記載の方法において、前記六方晶系及び/または立方晶系InNが六方晶系InNまたは立方晶系InNのいずれかの均質的な相からなる、方法。
  11. 請求項8記載の方法において、前記六方晶系及び/または立方晶系InNの伝導度を制御するために、前記成長させる工程の間に前記温度が意図的に変化させられる、方法。
  12. 請求項8記載の方法であって、さらに、原子の水素、窒素、水素と窒素との混合物、及び/またはアンモニアプラズマによるin situ表面処理を有する、方法。
  13. 請求項8記載の方法であって、さらに、ポンプ速度にあわせたパージ時間の変化を有し、それにより炭素不純度の形成を制御する、方法。
  14. 請求項1記載の方法において、前記パルス成長法が、インジウム前駆体及び窒素前駆体の交互のパルスによる300℃より低い温度におけるAlIn1−xN薄膜のパルス成長を有する、方法。
  15. 前記窒素前駆体としてNプラズマを使用する、請求項14記載の方法。
  16. 前記薄膜が均質的な相を有する、請求項14記載の方法。
  17. 請求項14記載の方法であって、さらに、原子の水素、窒素、水素と窒素との混合物、及び/またはアンモニアプラズマによるin situ表面処理を有する、方法。
  18. 請求項14記載の方法において、さらに、ポンプ速度にあわせたパージ時間の変化を有し、それにより炭素不純度の形成を制御する、方法。
  19. NaCl型相を有する面心立方格子結晶構造のInNを有する、材料。
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