JP6736577B2 - ヘテロ構造体およびその生成方法 - Google Patents

Description

本開示は、半導体素子用のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体および同構造体を
生成する方法に関する。

Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体は、卓越した高周波性能およびパワー処理性
能によって、非限定的に、高電子移動度トランジスタＨＥＭＴ（ヘテロ構造またはヘテロ
接合電界効果トランジスタＨＦＥＴとしても知られている）などの半導体素子における使
用の対象となる。

ここ２０年にわたってＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の輸送特性が集中的に
研究されてきた。大半の素子用途の対象となる高温状況（＞１００Ｋ）では、Ａｌ_ｘＧａ
_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の界面近くに形成された二次元電子ガス（２ＤＥＧ）の移
動度が理論的に計算されており、最終的にはフォノン散乱により制限されることが示され
ている（Ｌ．Ｈｓｕ ａｎｄ Ｗ．Ｗａｌｕｋｉｅｗｉｃｚ，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖ
ｉｅｗ Ｂ５６，１５２０（１９９７）およびＬ．Ｈｓｕ ａｎｄ Ｗ．Ｗａｌｕｋｉｅ
ｗｉｃｚ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ８９，１７８３（
２００１））。

それにもかかわらず、実際には、合金不規則化および界面粗さを含む、物質の構造欠陥
に関連する他の有力な散乱メカニズムが、２ＤＥＧ移動度を事実上支配する場合がある。

Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体については、２ＤＥＧ密度および結晶品質に
応じて、１３００〜１６００ｃｍ^２／Ｖｓの室温２ＤＥＧ移動度が報告されている（Ｎ．
Ｍａｅｄａ ｅｔ ａｌ，Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ２３，２１１，（２０
０３）およびＶ．Ｍ．Ｐｏｌｙａｋｏｖ ｅｔ ａｌ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ
Ｌｅｔｔｅｒｓ ９７，１４２１１２（２０１０）。

ＧａＮ層とＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層との間に薄い（〜１〜２ｎｍ）窒化アルミニウム排他
（ＡｌＮ_ｅｘ）層を挿入することによって、２ＤＥＧ移動度を〜２２００ｃｍ^２／Ｖｓま
で増加させることができる（Ｒ．Ｓ．Ｂａｌｍｅｒ ｅｔ ａｌ，Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔ．
Ｓｏｌ．７，２３３１（２００３）、Ｘ．Ｗａｎｇ ｅｔ ａｌ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ
Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ２９８，８３５（２００７）、およびＵ．Ｆｏｒｓｂ
ｅｒｇ ｅｔ ａｌ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ３１１，
３００７（２００９））。この改良は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮ界面近くでの２ＤＥ
Ｇの封じ込め性の向上および合金不規則性の低下を伴い、ＡｌＧａＮバリアへの電子波動
関数浸透の低下を可能にし、もって、合金不規則性散乱を抑制するようになる。

ＡｌＮ_ｅｘ排他層の挿入の欠点は、それが、その広範なバンドギャップ性によって、Ｈ
ＥＭＴ構造体の表面電位を高め、低オーミック接触を得ることを困難にする場合があるこ
とにある。低オーミック接触は、高周波用途では必須である。接触抵抗を０．５Ωｍｍ未
満に抑制するために、接点金属化処理のためのリセスをＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバリア内に追
加エッチングすることが必要となる。

よって、移動度が高いが、先行技術のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の不利
益を伴わない、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体および同構造体の生成方法の開
発が非常に望まれている。

その上、動作周波数が高く、トラップ効果および遅延効果が小さい素子をもたらす、半
導体素子用のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の開発が非常に望まれている。

本開示の目的は、改良されたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体、特に、上述し
た特性のうちの１つ以上が改良されたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体を提供す
ることにある。

本発明は、添付の独立請求項により定義されており、添付の従属請求項、以下の説明お
よび図面において実施形態について述べる。

第１の態様によれば、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体であって、ｘが０．１
０＜ｘ＜０．６０、好ましくは０．１３＜ｘ＜０．４０、最も好ましくは０．１５＜ｘ＜
０．２５であり、ＧａＮ層上に直接的に形成されたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層を備えるヘテロ
構造体が提供される。ヘテロ構造体は、１８００〜２３００ｃｍ^２／Ｖｓ、好ましくは１
９００〜２３００ｃｍ^２／Ｖｓ、最も好ましくは２０００〜２３００ｃｍ^２／Ｖｓの室温
２ＤＥＧ移動度と、ピンチオフ電圧の理論値とは０．５Ｖ以下、好ましくは０．４Ｖ以下
、０．３Ｖ以下、０．２５Ｖ以下、最も好ましくは０．２０Ｖ以下だけ異なるピンチオフ
電圧とを呈し、ピンチオフ電圧の理論値は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の
、ＸＲＤにより得られる静電バンドダイアグラムに基づいて推定される。

「ヘテロ構造体」は、本明細書では、２つ以上の異なる半導電性物質を備える構造体と
定義される。

「直接的に形成された」は、ヘテロ構造体が、測定できるほどの影響をヘテロ構造体に
及ぼすいかなる他の層（１つ以上）も含まないことを意味する。

「２ＤＥＧ移動度」は、電子ガスの移動が２つの次元で自由であるが、第３の次元では
固く制限される、移動度を意味する。

「室温」は、１６℃〜２７℃と定義することができる。

「ピンチオフ電圧」は、電界効果トランジスタの物質レベルでは、ヘテロ構造体内の２
ＤＥＧが完全に空乏する電圧を意味する。電界効果トランジスタの素子レベルでは、ソー
スとドレーンとの間の電流が、印可されたゲート電圧により同電極間のチャンネルが完全
に空乏していることにより阻止される電圧を意味する。

「静電バンドダイアグラム」は、静電分析による完全空乏近似を意味する。この近似は
、印可されたピンチオフ電圧Ｖｐにより２ＤＥＧが完全に空乏していると仮定することに
よって得られる。この分析は、例えば、表面からＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面までの、空乏領
域における電荷および電界の静電分布に基づく。

このヘテロ構造体による利益は、ヘテロ構造体の移動度を向上させるために、ＧａＮ層
とＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層との間にいわゆる排他層が必要とされないことにある。その上、
このヘテロ構造体を備える素子は、先行技術のヘテロ構造体と比べて、高い動作周波数お
よび僅かなトラップ効果および遅延効果を有することができる。

ヘテロ構造体のピンチオフ電圧の理論値は、ＸＲＤ測定値により求められる、Ａｌ_ｘＧ
ａ_１−ｘＮ層の厚さおよびＡｌ濃度に基づいて推定することができる。

ピンチオフ電圧Ｖｐは、以下の公式により計算することができ、
ここで、
、すなわち、ＧａＮの総分極密度、ここで、Ｐ_{ｓｐ（ＧａＮ）}＝−２．９×１０^−６Ｃ／ｃｍ^２、すなわち、ＧａＮの自発分極、ｑ＝１．６×１０^−１９Ｃ、すなわち電荷定数である。Ｐ _{Ｔｏｔａｌ（ＡｌＧａＮ）} は、ＡｌＧａＮの総分極密度であり、ここで、ＡｌＧａＮがバリア層、すなわちＡｌとＧａの同時フロー時に形成されるＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層であり、下式により求められ、
、ここで、Ｐ _{ｓｐ（ＡｌＧａＮ）} ＝ｘＰ_{ｓｐ（ＡｌＮ）}＋（１−ｘ）Ｐ_{ｓｐ（ＧａＮ）}−ｘ（１−ｘ）ｂ、すなわち、ＡｌＧａＮの自発分極密度、ここで、ｘが、Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定値により求められるＡｌ含有率であり、Ｐ_{ｓｐ（ＡｌＮ）}＝−８．１×１０^−６Ｃ／ｃｍ^２、すなわちＡｌＮの自発分極、Ｐ_{ｓｐ（ＧａＮ）}＝−２．９×１０^−６Ｃ／ｃｍ^２、すなわちＧａＮの自発分極、ｂ＝−２．１×１０^−６Ｃ／ｃｍ^２、すなわちＡｌＧａＮ自発分極の湾曲係数である。Ｐ _{ｐｚ（ＡｌＧａＮ）} は、ＡｌＧａＮの圧電分極であり、ε _{（ＡｌＧａＮ）} ≒ε_{（ＧａＮ）}−ｘ、すなわち単位ε_０のＡｌＧａＮの誘電率、ここで、ε_{（ＧａＮ）}＝１０．０ε_０、ＧａＮの誘電率、ε_０＝８．８８４×１０^−１４Ｆ／ｃｍ、すなわち真空の誘電率であり、ｔ_{ＡｌＧａＮ}は、ＡｌＧａＮのｃｍ厚さ、
、Ｓｃｈｏｔｔｋｙバリア高である。

ＧａＮとＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮとの遷移ゾーンの厚さに対するＡｌ濃度の傾きを、１ｎｍ
当り２０％より大であり、好ましくは０．７ｎｍ当り２０％より大であり、最も好ましく
は０．５ｎｍ当り２０％より大であるとすることができる。

「遷移ゾーン」は、本明細書では、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層とＧａＮ層との間のゾーン（
界面）を意味する。

ＧａＮ層の厚さを、１４００〜４０００ｎｍ、好ましくは１４００〜３０００ｎｍ、最
も好ましくは１４００〜２０００ｎｍとすることができる。

ＧａＮ層は、９８％〜１００％の純度を有することができる。

Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層の厚さを、５〜３５ｎｍ、好ましくは１０〜３０ｎｍ、最も好ま
しくは１５〜２５ｎｍとすることができる。

Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体は、２ＤＥＧ密度が、約０．６Ｅ＋１３〜約
１．４Ｅ＋１３ｃｍ^−２である間、２ＤＥＧ移動度を、１８００ｃｍ^２／Ｖ−ｓより大で
あり、好ましくは１８５０または１９００ｃｍ^２／Ｖ−ｓより大であるを提示することが
できる。

第２の態様によれば、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体から形成された半導体
素子が提供される。

第３の態様によれば、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体から形成された高電子
移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）が提供される。

第４の態様によれば、ＧａＮ層上に直接的に形成されたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層を備える
Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体を生成する方法が提供される。方法は、第１の
Ｇａ流量の第１のＧａ前駆体フローを供給する工程であり、ＧａＮ層が生成される工程と
、Ｇａ前駆体フローを実質的に停止させる工程と、第１のＡｌ前駆体フローを第１のＡｌ
流量で供給する工程と、ヘテロ構造体を提供するのに十分な時間の間、第１のＡｌ前駆体
フローのみを維持する工程であり、ヘテロ構造体は、１８００〜２３００ｃｍ^２／Ｖｓ、
好ましくは１９００〜２３００ｃｍ^２／Ｖｓ、最も好ましくは２０００〜２３００ｃｍ^２
／Ｖｓの室温２ＤＥＧ移動度と、ピンチオフ電圧の理論値とは０．５Ｖ以下、好ましくは
、０．４Ｖ以下、０．３Ｖ以下、０．２５Ｖ以下、最も好ましくは０．２０Ｖ以下だけ異
なるピンチオフ電圧であり、ピンチオフ電圧の理論値は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘ
テロ構造体の、ＸＲＤにより得られる静電バンドダイアグラムに基づいて推定される、ピ
ンチオフ電圧とを有する、工程と、第１のＡｌ前駆体フローを実質的に停止させる工程と
、第２のＡｌ前駆体フローを第２のＡｌ流量で供給し、第２のＧａ前駆体フローを第２の
Ｇａ流量で供給する工程であり、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層が形成される工程とを含む。

「実質的に停止させる」は、本明細書では、Ｇａフローの供給を、少なくとも９５％、
好ましくは少なくとも９９％、最も好ましくは少なくとも９９．９％だけ停止させること
を意味する。

「直接的に形成された」は、ヘテロ構造体が、測定できるほどの影響をヘテロ構造体に
及ぼすいかなる他の層も含まないことを意味する。

本方法の利益は、第１の態様によるＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体を提供で
きることにある。

Ａｌ前駆体フローを第１の流量で供給する利益は、ＧａＮとＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮとの間
のいわゆる鮮明なＡｌ含有遷移ゾーンまたは界面が形成され、よって、移動度が向上した
ヘテロ構造体がもたらされることにある。

第１のＡｌ前駆体流量および同流量が維持される時間は、互いに関して、および反応器
の、サイズなどの要因に関して選択される。つまり、反応器が大きいほど多くの流量およ
び／または長い時間が必要とされる。

方法は、ＮＨ_３前駆体フローなどの窒素前駆体フローを供給するさらなる工程を含むこ
とができる。窒素前駆体フローは、第１のＧａ前駆体フロー、第１のＡｌ前駆体フロー、
第２のＧａ前駆体フローおよび第２のＡｌ前駆体フローのうちの少なくとも１つの供給中
、少なくとも部分的に維持されることができる。

用語「部分的に維持される」は、流量を上下調整できることを意味する。典型的に、上
述した工程の全体を通して、この窒素前駆体フローを維持することができる。例えば、工
程間の遷移に関連して、増加または減少させることができる。

第１のＡｌ前駆体フローは、第１のＡｌ流量で供給され、Ａｌの完全な単一層、好まし
くは、Ａｌの単一層の８０％未満、Ａｌの単一層の６０％未満、Ａｌの単一層の４０％未
満またはＡｌの単一層の２０％未満を提供するには不十分な量のＡｌが導入されるような
時間にわたり供給することができる。

「完全な単一層を提供するには不十分な」は、導入される物質の量が、下面を完全に覆
うには不十分であることを意味する。

ヘテロ構造体のピンチオフ電圧の理論値は、ＸＲＤ測定値により求められる、Ａｌ_ｘＧ
ａ_１−ｘＮ層の厚さおよびＡｌ濃度に基づいて推定することができる。

ピンチオフ電圧Ｖｐは、以下の公式により計算することができ、
、
ここで、
、すなわち、ＧａＮの総分極密度、ここで、Ｐ_{ｓｐ（ＧａＮ）}＝−２．９×１０^−６Ｃ／
ｃｍ^２、すなわち、ＧａＮの自発分極、ｑ＝１．６×１０^−１９Ｃ、すなわち電荷定数で
ある。Ｐ _{Ｔｏｔａｌ（ＡｌＧａＮ）} は、ＡｌＧａＮの総分極密度であり、ここで、ＡｌＧａＮがバリア層、すなわちＡｌとＧａの同時フロー時に形成されるＡｌ_ｘＧａ_１−
ｘＮ層であり、下式により求められ、
、ここで、Ｐ _{ｓｐ（ＡｌＧａＮ）} ＝ｘＰ_{ｓｐ（ＡｌＮ）}＋（１−ｘ）Ｐ_{ｓｐ（ＧａＮ）}
−ｘ（１−ｘ）ｂ、すなわち、ＡｌＧａＮの自発分極密度、ここで、ｘが、Ｘ線回折（Ｘ
ＲＤ）測定値により求められるＡｌ含有率であり、Ｐ_{ｓｐ（ＡｌＮ）}＝−８．１×１０^−
６Ｃ／ｃｍ^２、すなわちＡｌＮの自発分極、Ｐ_{ｓｐ（ＧａＮ）}＝−２．９×１０^−６Ｃ／
ｃｍ^２、すなわちＧａＮの自発分極、ｂ＝−２．１×１０^−６Ｃ／ｃｍ^２、すなわちＡｌ
ＧａＮ自発分極の湾曲係数である。Ｐ _{ｐｚ（ＡｌＧａＮ）} は、ＡｌＧａＮの圧電分極
であり、ε _{（ＡｌＧａＮ）} ≒ε_{（ＧａＮ）}−ｘ、すなわち単位ε_０のＡｌＧａＮの誘電
率、ここで、ε_{（ＧａＮ）}＝１０．０ε_０、ＧａＮの誘電率、ε_０＝８．８８４×１０^−
１４Ｆ／ｃｍ、すなわち真空の誘電率であり、ｔ_{ＡｌＧａＮ}は、ＡｌＧａＮのｃｍ厚さ、
、Ｓｃｈｏｔｔｋｙバリア高である。

方法は、第１の流量のＧａ前駆体フローを停止させる工程と、第１の流量のＡｌ前駆体
フローを供給する工程との間に、０〜５分、好ましくは０〜３分、最も好ましくは０〜１
分待機する工程を含むことができる。

待機の目的は、残留Ｇａを反応器から除去することにある。

工程は、ＧａＮ層の厚さが、１４００〜４０００ｎｍ、好ましくは１４００〜３０００
ｎｍ、最も好ましくは１４００〜２０００ｎｍとなるように行うことができる。

工程は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層の厚さが、５〜３５ｎｍ、好ましくは１０〜３０ｎｍ、
最も好ましくは１５〜２５ｎｍとなるように行うことができる。

Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体は、金属有機化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）
により成長させることができる。

Ｇａ前駆体は、例えばＴＭＧａまたはＴＥＧａとすることができる。

Ａｌ前駆体は、例えばＴＭＡｌまたはＴＥＡとすることができる。

Ｇａ前駆体およびＡｌ前駆体のそれぞれが、Ａｒ、Ｈ_２またはＮ_２などの少なくとも１つのキャリアガスにより供給される。

ヘテロ構造体の成長時のＭＯＣＶＤ反応器内の圧力を、１０〜１０００ミリバール、好ましくは３０〜２００ミリバール、最も好ましくは５０〜１００ミリバールとすることができる。

ヘテロ構造体の成長時のＭＯＣＶＤ反応器内の温度を、９５０〜１１５０℃、好ましく
は１０００〜１１００℃、最も好ましくは１０２０〜１０８０℃とすることができる。

ＧａＮの成長速度を、２００ｎｍ／時間〜４０００ｎｍ／時間、好ましくは４００ｎｍ
／時間〜２０００ｎｍ／時間、最も好ましくは８００〜１５００ｎｍ／時間とすることが
できる。

Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮの成長速度を、２００〜２０００ｎｍ／時間、好ましくは３００〜
１０００ｎｍ／時間、最も好ましくは４００〜８００ｎｍ／時間とすることができる。

Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体を備えるＨＥＭＴ構造体を概略的に図示している。 Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体を概略的に図示している。 ぼやけた界面を伴うＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の高分解能走査型透過電子顕微鏡観察（ＳＴＥＭ）写真を示している。 Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮとＧａＮとの間に挿入された排他層を伴うＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／Ｇａヘテロ構造体の高分解能走査型透過電子顕微鏡観察（ＳＴＥＭ）写真を示している。 鮮明な界面を伴うＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体のＳＴＥＭ写真を示している。 図２ａ〜図２ｃにおける異なる３つのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の界面厚さに対するアルミニウム濃度のグラフを示している。 Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体のＴＭＡｌフロー時間に応じた移動度およびピンチオフ電圧を示している。 Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体のＴＭＡｌフロー時間に応じた２ＤＥＧ移動度を示している。 ２ＤＥＧ密度に応じたＤＥＧ移動度（点）およびシート抵抗（三角）を示している。

本明細書に開示する着想について、より詳細に説明する。最初に、半導体素子用のＡｌ
_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体について議論し、その後に、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／
ＧａＮヘテロ構造体を生成する方法について記述し、最後に、本方法により生成されたＡ
ｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の特徴付け結果について議論する。

Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体
上述したように、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体は、高電子移動度トランジ
スタ（ＨＥＭＴ）素子などの半導体素子において使用することができる。図１ａは、下か
ら上に見ると、任意選択的な基板１１、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）核生成層１２、窒化
ガリウム（ＧａＮ）、バッファ層１３、窒化ガリウムアルミニウム（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ
）層１４、および最後にＧａＮまたは窒化ケイ素（ＳｉＮ）パッシベーション層１５を備
える、ＨＥＭＴ素子構造体の例を概略的に図示している。

窒化ガリウム層１３は、核生成層１２層に近いバッファと、窒化ガリウムアルミニウム層１４に近いスペーサ層とを備えてもよい。このような層は、当業者に知られているよう
にドーピングにより提供することができ、よって、ここでは、さらなる説明を必要としな
い。

ＳｉＣ基板は、その高い熱伝導特性によって、熱を効率的に抽出し、半導体素子内の温
度上昇を最小化するために使用することができる。ＳｉＣポリタイプは、例えば、４Ｈま
たは６Ｈとすることができる。代わりに、ケイ素、サファイア、Ｎ極ＧａＮまたはＧａ極
ＧａＮの基板を使用してもよい。

ＡｌＮ核生成層の一目的は、基板とＧａＮバッファ層との間の格子不整合を補うことと
、基板上のＧａＮバッファ層の高品質なエピタキシャル成長を得ることとにある。核生成
層の別の目的は、例えばその上のＧａＮの成長を可能にすることにある。ＧａＮは、Ｓｉ
Ｃなどの一部の基板上で二次元的に核生成しないので、ＧａＮを成長させることができる
ように、表面電位を変化させるためのＡｌＮ核生成層が必要となることがある。

ＧａＮバッファ層の目的は、厚層成長により構造体品質を発展させることと、半絶縁特
性を提示することとにある。ＧａＮスペーサ層は、潜在的なトラップ効果と、２ＤＥＧ移
動度に悪影響を及ぼす電離不純物の散乱とを防止する。

ＡｌＧａＮ層の目的は、２ＤＥＧ電子ガスを誘導することにある。

ＧａＮまたはＳｉＮパッシベーション層の目的は、ＨＥＭＴ構造体の表面状態を安定化
させることにあり、これは、表面状態が２ＤＥＧ密度に影響を及ぼすためである。ＧａＮ
またはＳｉＮパッシベーション層の使用によって、２ＤＥＧ密度を増減させることができ
るが、２ＤＥＧ移動度は大きく変化しない。

図１ｂには、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体を図示しており、ＧａＮ層１３
およびＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１４を示している。

ＧａＮ層内の酸素、ケイ素および／または炭素などの不純物の量は、典型的に約５・１
０^１６ｃｍ^−３未満、すなわち二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）の検出限界付近と少なく
することができる。

Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層内の酸素、ケイ素および／または炭素などの不純物の量は、Ｇａ
Ｎ層と比べて多少多くてもよいが、このことは、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層内の不純物がＡｌ
_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の移動度に影響を及ぼし得ないので、重大な意味を
持たない。

Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の成長方法
Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体は、金属有機気相エピタキシ法（ＭＯＶＰＥ
）としても知られている金属有機化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により堆積させることが
できる。ＭＯＣＶＤすなわちＭＯＶＰＥは、気相前駆体の化学反応により基板に固体物質
を堆積させる化学気相蒸着法である。方法は、主として複雑な半導体多層構造体を成長さ
せるために使用される。

ＭＯＣＶＤでは、前駆体は、典型的に、ＮＨ_３などの水素化合物ガスと組み合わされた
金属有機化合物である。ＧａＮの成長に使用する前駆体は、ＴＭＧａ、トリメチルガリウ
ム、すなわちＧａ（ＣＨ_３）_３、またはＴＥＧａ、トリエチルガリウム、すなわちＧａ（
Ｃ_２Ｈ_５）_３、およびアンモニアＮＨ_３とすることができる。Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮの成長
に使用する前駆体は、例えば、ＴＭＧａまたはＴＥＧａ、ＮＨ_３、およびＴＭＡｌ、トリ
メチルアルミニウム、すなわちＡｌ_２（ＣＨ_３）_６またはトリエチルアルミニウム、ＴＥ
Ａ、すなわちＡｌ_２（Ｃ_２Ｈ_５）_６でもよい。

前駆体は、大抵キャリアガスによって、少なくとも１つの基板が配置されている反応器
チャンバ内に輸送される。前駆体（例えばＴＭＡｌまたはＴＭＧａ）バブリング装置を通
って流れるキャリアガス、例えばＨ_２の流量は、ＡｌＮについては７０ｍｌ／分、ＧａＮ
については５０ｍｌ／分とすることができる。前駆体フローは、反応器までのさらなる輸
送のために５０ｌ／分のオーダーでありうる主キャリアガスフローと合流する。

反応中間物および副生成物を形成する前駆体の反応が、基板（１つ以上）の上またはそ
の付近で起きる。反応物質は、基板に吸着されて薄膜層を形成し、最後にＭＯＣＶＤシス
テム／反応器上のポンピングによって副生成物が基板から離れるように輸送される。

薄膜成長時のＭＯＣＶＤシステム内の圧力は、通常、数ミリバールから大気圧まで及ぶ
。

反応器チャンバは、低温壁型または高温壁型のいずれでもよい。低温壁反応器では、基
板は典型的に下から加熱され、反応器壁は基板よりも低温に保たれる。対照的に、高温壁
反応器では、反応器チャンバ全体、すなわち基板と反応器の両方が加熱される。

本開示で議論するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の成長には、高温壁ＶＰ５
０８ＧＦＲ，Ａｉｘｔｒｏｎ反応器を使用した。反応器のバックグラウンド圧力は、〜１
・１０^−４ミリバールである。（参照：Ｄｏｐｉｎｇ ｏｆ Ａｌ−ｃｏｎｔｅｎｔ Ａ
ｌＧａＮ ｇｒｏｗｎ ｂｙ ＭＯＣＶＤ，博士課程論文，Ｄ．Ｎｉｌｓｓｏｎ，２０１
４およびＷｉｋｉｐｅｄｉａ）。

Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の成長
ＭＯＣＶＤによるＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の成長工程について、詳細
に記述する。

Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体を表面に成長させる試料、例えば、ＨＥＭＴ
構造体の一部が、ＭＯＣＶＤ反応器（ＭＯＣＶＤの詳細については、上を参照）に挿入さ
れる。

ＭＯＣＶＤ反応器内の温度および圧力は、以下で議論する全ての生成工程中、一定とす
ることができる。例として、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の成長時のＭＯＣ
ＶＤ反応器内の温度を１０７０℃、圧力を５０ミリバールとしてもよい。

以下に記述する生成工程中、上述したように、Ｈ_２、Ｎ_２またはＡｒなどの少なくとも
１つのキャリアガスによって、Ｇａ前駆体およびＡｌ前駆体の一方または両方を反応器に
輸送することができる。

さらに、前駆体は、室温で供給されてもよい。代わりに、前駆体のうちの少なくとも１
つは、蒸気圧ひいては様々な層の成長速度を高めるために加熱されてもよい。

その上、以下で議論する工程では、前駆体容器のそれぞれと反応器との間に配置され得
る少なくとも１つの質量流コントローラによって、前駆体フローおよび／またはキャリア
ガスを制御することができる。

前駆体容器とＭＯＣＶＤ反応器との間に配置された少なくとも１つのバルブの開閉によ
って、ＭＯＣＶＤ反応器への前駆体の供給を制御することができる。手動またはコンピュ
ータ制御で開閉を行うことができる。

反応器に急に放出するガスの蓄積を取り除くために、主ランラインを迂回する副ライン
内に前駆体フローを導くことができる。この副ラインは通気ラインと呼ばれる。通気ライ
ンとランラインとの間には、ガスが主キャリアフローに切り替えられるときにフローが急
に放出することを避けるために、圧力バランスをもたらすことができる。

以下の全処理工程中、ＮＨ_３のフローを供給することができる。全生成工程中、ＮＨ_３
の流量、例えば２ｌ／分を一定に保ってもよい。

以下の順序で工程を行うことができる。

最初に、ＧａＮ層を成長させることができる。この層を生成するための前駆体は、Ｇａ
前駆体、例えばＴＭＧａと、アンモニアＮＨ_３とすることができる。ＴＭＧａの純度は、
５Ｎより大であり、すなわち９９．９９９％とすることができる。ＮＨ_３およびＧａ前駆
体の流量および時間は、様々な多くのパラメータ、例えば、反応器サイズ、試料／基板サ
イズ、前駆体のガス出口と試料／基板との間の距離、反応器のバックグラウンド圧力など
によって選択される。よって、フローの流量および時間は、様々な実験装置において変更
することができる。

Ｇａ前駆体の供給とＮＨ_３の供給とを同時に開始することができる。代わりに、Ｇａ前
駆体の供給を開始する前に、ＮＨ_３を供給してもよい。

例として、Ｇａ前駆体、例えばＴＭＧａを第１の流量、例えば３．２ｍｌ／分で反応器
に供給してもよい。ＮＨ_３の流量は、上述したように２ｌ／分とすることができる。

これらの条件では、ＧａＮ層の成長速度を約１２００ｎｍ／時間とし、約１．６〜１．
８μｍ厚のＧａＮを生じさせることができる。

ＧａＮ層が所望の厚さに達した後に、ＭＯＣＶＤ反応器へのＧａ前駆体の供給を（実質
的に）停止させること、すなわちＧａ前駆体のフローを通気ラインに切り替えることによ
って、ＧａＮ層の成長が停止される。ＮＨ_３のフローを上記したのと同じ流量、すなわち
２ｌ／分に保つことができる。

Ｇａの供給を（実質的に）停止させた後に、約０〜５分、通常は５〜６０秒の間待機す
る任意選択的な工程を行ってもよい。この工程の目的は、ＭＯＣＶＤ反応器／システム上
のポンピングによって、残留ガリウムが反応器から流れ去るようにすることにある。この
工程は、任意選択的なものであり、代わりに、待機を伴わずに次の工程に進んでもよい。

次の工程は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層の成長を開始させることである。最初に、Ａｌ前駆
体、例えばＴＭＡｌを第１の流量、いわゆるＡｌのプリフローで反応器に供給することが
できる。

このＴＭＡｌの「プリフロー」は、ＧａＮ層上のＡｌＮ層の形成を完了させないが、遷
移ゾーンにおけるＧａＮからＡｌＧａＮへのＡｌ含有量の急激な遷移を促すために供給さ
れる。

ＴＭＡｌの純度は、５Ｎより大であり、すなわち９９．９９９％とすることができる。

Ａｌ前駆体の流量およびフロー時間は、様々な多くのパラメータ、例えば、反応器サイ
ズ、試料／基板サイズ、前駆体のガス出口と試料／基板との間の距離、反応器のバックグ
ラウンド圧力などによって選択される。よって、フローの流量および時間は、様々な装置
において変更することができる。

好ましくは、ＡｌＮの１単一層未満、好ましくは、単一層の８０％未満、単一層の６０％未満または単一層の４０％未満または単一層の２０％未満が形成されるように、プリフローの時間および流量を選
択することができる。「ＡｌＮの単一層」の定義は、１層のＡｌＮにより表面が覆われる
ことである。ＡｌＮの１単一層は、約０．５０ｎｍの厚さを有する。

様々な流量およびフロー時間の例は、以下に述べる通りとすることができる。

０．２〜１．０ｎｍ／分、好ましくは＞０．５ｎｍ／分の成長速度（前駆体フローおよ
び反応器の特性に依存する）を達成するようにＡｌＮ前駆体を供給するときには、合計時
間を１時間未満、好ましくは、３０分未満、２０分未満、１０分未満、５分未満、３分未
満、９０秒未満、６０秒未満、４０秒未満または３０秒未満とすることができる。

０．２〜１．０ｎｍ／分、好ましくは０．５〜１．０ｎｍ／分の成長速度（前駆体フロ
ーおよび反応器の特性に依存する）を達成するようにＡｌＮ前駆体を供給するときには、
合計時間を５秒より大であり、好ましくは、１０秒より大であり、２０秒より大でありま
たは３０秒より大であるとすることができる。

例として、Ａｌ前駆体の第１の流量（いわゆるプリフロー）を０．２ｍｌ／分としても
よく、ＮＨ_３の流量を上記したのと同じ、すなわち約２ｌ／分としてもよい。

Ａｌ前駆体のプリフローと第２のフローのために、異なる２つのバブリング装置が使用
される。プリフローの流量は、第２のフローの流量に依存しない。これによって、ＡｌＮ
の〜１ｎｍ／分の成長速度をもたらすことができる。

この工程（すなわちＡｌのプリフロー）を約２０〜３０秒間実施することができる。よ
って、フローを２０〜３０秒間維持した後に、例えば、Ａｌ前駆体に対するバルブを閉じ
ることによって、Ａｌ前駆体の供給が停止される。本開示では、Ａｌ前駆体を２０〜３０
秒間供給するこの工程は、「追加鮮明化工程」と呼ばれる。

次いで、Ａｌ前駆体とＧａ前駆体の両方をＭＯＣＶＤ反応器に供給することができる。
例えば、両方の前駆体に対するバルブを同時に開くことによって、前駆体を同時に供給す
ることができる。Ａｌ前駆体は、上で議論した第１のＡｌ流量（プリフロー）と同じでも
よく、異なってもよい第２の流量で供給することができる。例として、この工程で供給さ
れるＡｌの流量は、上記したのと同じ、すなわち０．２ｍｌ／分でもよい。第１のＧａ前
駆体流量と異なってもよい第２の流量でＧａ前駆体を供給することができ、例として、第
２のＧａＮ流量を１．２１ｍｌ／分としてもよい。第１のフローの流量は、第２のフロー
の流量に依存しない。

最後に、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層が所望の厚さに達すると、Ａｌ前駆体およびＧａ前駆体
の供給が停止される。好ましくは、このことは同時に行われる。ＮＨ_３のフローは、停止
されてもよく、保たれてもよい。

例として、これらの条件では、これによって、〜６ｎｍ／分のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（こ
こで、ｘ〜０．１８５）の成長速度と、約２１ｎｍの厚さとをもたらすことができる。

Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の特徴付け
高温壁ＭＯＣＶＤシステムによって、いずれも〜２８ｎｍの厚さの異なる３つのＡｌ_ｘ
Ｇａ_１−ｘＮ／ＧａＮ（ｘ〜０．１７）ヘテロ構造体Ｓ１、Ｓ２およびＳ３を４Ｈ半絶縁
性ＳｉＣ基板上で成長させた。高温壁ＭＯＣＶＤのシステムおよび方法の詳細については
、上で議論した。

Ｓ１は、排他層ＡｌＮ_ｅｘの挿入を伴わないＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体
であり、先行技術の方法により成長させられ、ぼやけた界面を生じさせる。

Ｓ２は、Ｓ１と同じ方法により成長させられるが、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮとＧａＮとの間
に〜２ｎｍの排他層ＡｌＮ_ｅｘ（高Ａｌ含有ＡｌＧａＮ）を挿入したＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ
／ＧａＮヘテロ構造体である。

Ｓ３は、本開示に記述する方法、すなわち、Ａｌ前駆体とＧａ前駆体とを同時に供給し
てＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層を生じさせる前に、Ａｌ前駆体のプリフローを約２０〜３０秒間
供給する、いわゆる追加鮮明化工程を伴う方法により成長させられたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ
／ＧａＮヘテロ構造体である。この追加工程は、Ｓ１のぼやけた界面よりも鮮明な界面を
生じさせる。

２ＤＥＧ移動度は、典型的に、２ＤＥＧ密度の増加によって、特に、２ＤＥＧ密度が０
．６Ｅ＋１３ｃｍ^−２より大でありに増加するときに低下する。例えば、Ｍａｅｄａ ｅ
ｔ ａｌ，Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ２３，２１１，（２００３）を参照）
。鮮明な界面によって、室温２ＤＥＧ移動度は、図６に示すように、０．６Ｅ＋１３から
１．４Ｅ＋１３ｃｍ^−２までの広範な２ＤＥＧ密度で１９００ｃｍ^２／Ｖ−ｓをかなり超
えてとどまることができる。

ピンチオフ電圧などの半導体物質の特性を測定する技術は、例えば、Ｓｃｈｒｏｅｄｅ
ｒ，Ｄ．Ｋ．：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅ
Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ，Ｔｈｉｒｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｗｉｌｅｙ−Ｉｎ
ｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ，２００６から知られている。

２ＤＥＧ密度およびピンチオフ電圧を抽出するために、水銀プローブ容量電圧（ＣＶ）
測定により３つの試料Ｓ１〜Ｓ３を特徴付けた。シート抵抗（Ｒｓ）および２ＤＥＧ移動
度を測定するために、非接触渦電流法およびＬｅｈｉｇｈｔｏｎ（ＬＥＩ１６１０）移動
度システムをそれぞれ行った。

異なる３つの試料Ｓ１〜Ｓ３の電気特性の概要を以下の表２の表に示している。

試料Ｓ１と試料Ｓ２を比較すると、ＡｌＮ_ｅｘ層の挿入によって、１６６９から２１９
０ｃｍ^２／Ｖｓまで２ＤＥＧ移動度が期待通り大きく増加していることが明らかに見られ
る。しかし、２ＤＥＧ密度およびピンチオフ電圧も増加しており、ＡｌＮ_ｅｘ層により提
供される厚さおよび分極強度を無視できないことを示している。

一方、本明細書に開示する方法により生成された試料Ｓ３は、２１５４ｃｍ^２／Ｖｓと
非常に高い移動度を呈する点を除いて、試料Ｓ１の電気特性とほぼ同一の電気特性を呈し
ている。この移動度の改良は、Ｓ１の６１２Ω／スクウェアからＳ３の４５０Ω／スクウ
ェアまで、３６％のＲｓの低下を招く。

ここで観察される移動度の差が、前に示したように転位の散乱レベルの差と関連し得る
（Ｌ．Ｓ．Ｙｕ ｅｔ ａｌ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，７３
，２３８（１９９８））可能性を除外するために、高分解能Ｘ線回折ロッキング曲線測定
を実施した。３つの試料の結晶品質が同様であることを確認した。全ての試料の（１０２
）ピークのロッキング曲線の半値全幅は、約２００ａｒｃｓｅｃである。

この比較は、ＭＯＣＶＤにより成長させたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の
２ＤＥＧ移動度をＡｌＮ_ｅｘ層の挿入を伴わずに大幅に向上できることを示している。

このように、本明細書の方法により生成されたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造
体（試料Ｓ３）は、排他層を伴わない先行技術の方法により生成されたヘテロ構造体（試
料Ｓ１）と同じ低ピンチオフ電圧を呈するが、同構造体よりも低いシート抵抗を呈する。

さらに、３つの試料Ｓ１〜Ｓ３のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮ界面での構造特性を調査
するために、高分解能走査型透過電子顕微鏡観察（ＳＴＥＭ）を行った。

分析の前に、標準的な研磨処理およびアルゴンイオン切削処理により試料を準備した。

図２ａ〜図２ｃは、試料Ｓ１、Ｓ２およびＳ３のＳＴＥＭ画像をそれぞれ示しており、
破線がＥＤＸプロービング方向を示し、矢印が界面を指し示している。

図２ａには、試料Ｓ１、すなわち、Ａｌのプリフローを供給する追加工程を伴わずに成
長させた、ぼやけた界面を伴うＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体のＳＴＥＭ写真
を示している。図２ｂは、試料Ｓ２、すなわち、排他層の挿入を伴うヘテロ構造体のＳＴ
ＥＭ写真を示している。図２ｃには、Ａｌのプリフローを供給する追加鮮明化工程を伴っ
て成長させた試料Ｓ３のＳＴＥＭ写真を示している。

図２ａに見られるように、界面は不明瞭であり、この領域の元素組成が拡散した特性を
有することを示唆している。その上、この試料の界面、すなわちＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮとＧ
ａＮの間の遷移領域は、図２ｃに示した試料Ｓ３の界面よりも厚い。

〜２ｎｍのＡｌＮ_ｅｘ層を伴う試料Ｓ２は、図２ｃの試料Ｓ３のＡｌＮ_ｅｘ／ＧａＮ界
面と同様かまたは同じである、図２ｂの鮮明なＡｌＮ_ｅｘ／ＧａＮ界面を示している。さ
らに、図２ａと図２ｃを比較すると、試料Ｓ３は、Ｓ１の界面よりも鮮明なＡｌ_ｘＧａ_１
−ｘＮ／ＧａＮ界面を明らかに示している。

ＧａＮ層からＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層またはＡｌＮ_ｅｘ層までのアルミニウムのＥＤＸ信
号の遷移速度を表すことによって、用語「鮮明な」をより容易に視覚化することができる
。

図３には、試料Ｓ１、Ｓ２およびＳ３の厚さに対するＥＤＸ線（Ａｌ濃度）を示してい
る。比較を容易にするために、３つの試料のＥＤＸスペクトルをｘ方向に互いに揃えた。
スペクトルは、Ａｌ濃度と共に、Ａｌ濃度がヘテロ構造体の形成時にどのように増加する
かを示している。試料Ｓ１のＡｌ濃度と試料Ｓ３のＡｌ濃度との増加を比較すると、Ｓ３
のＧａＮとＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮの間の遷移ゾーン（すなわち、Ａｌ含有量が増加し始める
とき）の傾きが急激であり、よって、より鮮明な界面を示していることが見られる。その
上、試料Ｓ１の傾きは、試料Ｓ３の傾きほど滑らかではなく、緩やかなＡｌ取り込みが、
拡散した非一様なＡｌ成長をもたらすことを示している。この非一様なＡｌ取り込みは、
Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層の移動度に悪影響を及ぼすことがある。

Ｓ１におけるＧａＮからＡｌＧａＮへのＡｌ遷移は、ＡｌＧａＮ層の設定Ａｌ含有量に
徐々に達するために〜１．５ｎｍである一方で、Ｓ３における遷移は、より滑らかであり
、５Å未満と急激である。よって、試料Ｓ１とＳ３の間に見られる移動度の差は、急激な
Ａｌの遷移と関連すると考えられる。この示唆は、高移動度の試料Ｓ３がＡｌ_ｘＧａ_１−
ｘＮ／ＧａＮ界面で急激なＡｌ遷移も呈するという事実により確認される。

図３に見られるように、試料Ｓ２も、かなり急激かつ滑らかな傾きを示しており、高い
移動度を有することを示している。しかし、Ｓ２では、薄い高Ａｌ含有Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ
Ｎ層が形成された。対照的に、試料Ｓ３は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮとＧａＮの間に高Ａｌ含
有ＡｌＧａＮ層の形成を伴わずに、急であり滑らかな傾きを有する。

ＡｌＧａＮ系ＨＥＭＴ構造体における界面制御
以下に議論する別の組の試料を準備した。ＸＲＤにより求められたｘ〜０．１９のＡｌ
_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体を、同じ成長時間および前駆体流量を用いて１０７
０℃、５０ミリバールで成長させた。Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層の厚さは、〜２１ｎｍと求め
られた。

ＧａＮの成長後にＴＭＡｌのプリフローをＮＨ_３と共にＭＯＣＶＤ反応器に導入した。
Ａｌプリフローの時間を０〜７５秒で変化させた。これらの成長条件でのＡｌＮ成長速度
（ＡｌＮ核生成層の厚さから推定される）は、〜０．０３ｎｍ／秒と概算された。

ＧａＮの成長後に残留Ｇａ前駆体を流し去るために成長を中断（本明細書では、任意選
択的な待機工程と定義される）させることによる、電気特性への著しい影響は観察されな
かった。

Ａｌプリフロー工程を伴わない、すなわちＡｌプリフローが０秒である、先行技術によ
って、以下の表３における最初の４つの試料を成長させた。

表に示す次の４つの試料については、様々なフロー時間のＡｌプリフローを導入した。

表３に見られるように、ＴＭＡｌフロー時間≧３０秒での移動度は、約〜２２００ｃｍ
^２／Ｖｓで飽和し、ＴＭＡｌフロー時間３０秒では、−２．１Ｖのピンチオフ電圧および
２２００ｃｍ^２／Ｖｓの移動度が達成された。

≧３０秒の長い時間Ａｌプリフローを供給すると、ピンチオフ電圧は、著しく増加し、
Ａｌ濃度が高すぎること、すなわちＡｌＮ層の形成が開始することを示している。

表３に示す試料ＳＬ２、ＳＬ５、ＳＬ６、ＳＬ７およびＳＬ８の結果を、図４および図
５にも示している。図４は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体のＴＭＡｌフロー
時間に応じた密度およびピンチオフ電圧を示しており、図５は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／Ｇ
ａＮヘテロ構造体のＴＭＡｌフロー時間に応じた２ＤＥＧ移動度を示している。

ピンチオフ電圧の理論計算
Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体のピンチオフ電圧の理論値は、Ｘ線回折ＸＲ
Ｄにより得られる静電バンドダイアグラムにより求められる、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層の厚
さおよびＡｌ濃度に基づいて推定することができる。

Ｖｐ／（ＡｌＧａＮの厚さ）＝−ｅ＊Ｎｓ／ε_０ε_ｒ
次いで、以下の式によりピンチオフ電圧の理論値を計算することができる。

（１）
ここで、
（２）
すなわち、ＧａＮの総分極密度、ここで、Ｐ_{ｓｐ（ＧａＮ）}＝−２．９×１０^−６Ｃ／
ｃｍ^２、すなわち、ＧａＮの自発分極（Ｆ．Ｂｅｒｎａｒｄｉｎｉ ｅｔ ａｌ，Ｐｈｙ
ｓ．Ｒｅｖ．Ｂ５６（Ｒ１００２４−Ｒ１００２７））、ｑ＝１．６×１０^−１９Ｃ、す
なわち電荷定数である。

Ｐ _{Ｔｏｔａｌ（ＡｌＧａＮ）} は、ＡｌＧａＮの総分極密度であり、ここで、ＡｌＧａＮがバリア層、すなわちＡｌとＧａの同時フロー時に形成されるＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ
層であり、下式により求められ、
（３）
ここで、
Ｐ _{ｓｐ（ＡｌＧａＮ）} ＝ｘＰ_{ｓｐ（ＡｌＮ）}＋（１−ｘ）Ｐ_{ｓｐ（ＧａＮ）}−ｘ（１
−ｘ）ｂ （４）
すなわち、ＡｌＧａＮの自発分極密度、ここで、ｘが、Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定値によ
り求められるＡｌ含有率であり、Ｐ_{ｓｐ（ＡｌＮ）}＝−８．１×１０^−６Ｃ／ｃｍ^２、す
なわちＡｌＮの自発分極、Ｐ_{ｓｐ（ＧａＮ）}＝−２．９×１０^−６Ｃ／ｃｍ^２、すなわち
ＧａＮの自発分極、ｂ＝−２．１×１０^−６Ｃ／ｃｍ^２、すなわちＡｌＧａＮ自発分極の
湾曲係数であり（Ｆ．Ｂｅｒｎａｒｄｉｎｉ ｅｔ ａｌ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ５６（
Ｒ１００２４−Ｒ１００２７））、
Ｐ _{ｐｚ（ＡｌＧａＮ）} は、ＡｌＧａＮの圧電分極である。

ε _{（ＡｌＧａＮ）} ≒ε_{（ＧａＮ）}−ｘ （５）
すなわち、単位ε_０のＡｌＧａＮの誘電率であり、ここで、
ε_{（ＧａＮ）}＝１０．０ε_０、ＧａＮの誘電率（Ｏ．Ａｍｂａｃｈｅｒ，Ｒ．Ｄｉｍｉ
ｔｒｏｖ，Ｗ．Ｒｉｅｇｅｒ ｅｔ ａｌ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．８５（１９９９）
，３２２２−３２３３、ε_０＝８．８８４×１０^−１４Ｆ／ｃｍ、すなわち真空の誘電率
であり、
ｔ_{ＡｌＧａＮ}は、ＡｌＧａＮのｃｍ厚さであり、
、Ｎｉ Ｓｃｈｏｔｔｋｙバリア高である（Ｌ．Ｓ．Ｙｕ ｅｔ ａｌ，Ａｐｐｌｉｅｄ
Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，７３，２３８（１９９８）を参照）。

式１は、下式から導き出される。

、ここで、
移動度改良層、すなわち、Ａｌプリフロー時に形成される厚さＴ２の層、ここで、１ｎ
ｍ≦Ｔ２≦３ｎｍ、を有しない場合、ΔＥ_{Ｃ（ＡｌＧａＮ２−ＧａＮ）}＝０である。

ここで、ΔＥ _{Ｃ（ＡｌＧａＮ−ＧａＮ）} およびΔＥ_{Ｃ（ＡｌＧａＮ２−ＧａＮ）}は、
それぞれＡｌＧａＮバリア層および移動度改良層とＧａＮとの間の伝導バンドオフセット
であり、Ｅ _{ｆｉｅｌｄ（ＡｌＧａＮ）} は、作り付け静電場である。

実験／特徴付け詳細
Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体は、２ＤＥＧ密度およびピンチオフ電圧を抽
出するために、水銀プローブ容量電圧（ＣＶ）測定値により特徴付けられた。非接触渦電
流法およびＬｅｈｉｇｈｔｏｎ（ＬＥＩ１６１０）移動度システムを使用して、シート抵
抗および２ＤＥＧ移動度をそれぞれ測定した。

ＧａＮ層の厚さを白色干渉技術により測定した。測定値の分解能は１０ｎｍであった。
Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定値（詳細については、以下を参照）およびシミュレーションフィ
ッティングによって、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層の厚さを抽出した。

ＸＲＤ特徴付けでは、ＨＥＭＴ試料またはウェハの構造を特徴付けるために、λ＝０．
１５４０６ｎｍのＣｕＫ_α１放射を有する高分解能Ｘ線回折計（Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｘ’Ｐ
ｅｒｔ ＭＲＤ）を利用した。ＨＲ−ＸＲＤシステムは、ハイブリッドミラーおよび三軸
結晶を、〜０．００３°（〜１１ａｒｃｓｅｃ）の分解能を達成できる、一次光学系およ
び二次光学系としてそれぞれ備えている。ＡｌＧａＮバリアの厚さおよび組成は、試料ま
たはウェハの２θ／ω測定スペクトルから、ソフトウェアＥｐｉｔａｘｙを用いて２θ／
ω測定スペクトルのフィッティングを行うことによって、抽出することができる。

ＸＲＤ測定値からＡｌ濃度の測定値を得て、層のＸＲＤスペクトルに基づいてＡｌ濃度
を推定した。ソフトウェアＥｐｉｔａｘｙを用いてＡｌＧａＮピーク位置を２θ／ω測定
スペクトルにフィッティングすることによって、Ａｌ濃度を求めた。

ソフトウェアＥｐｉｔａｘｙを用いてＡｌＧａＮピークからのフリンジの間隔を２θ／
ωスペクトルにフィッティングすることによって、ＡｌＧａＮの厚さを求めた。

高分解能走査型透過電子顕微鏡観察（ＳＴＥＭ）の測定は、３００ｋＶで動作する単色
化高輝度Ｓｃｈｏｔｔｋｙ電界放射電子銃（ＸＦＥＧ）を備える、画像プローブＣｓ収差
を補正したＦＥＩ Ｔｉｔａｎ^３ ６０−３００Ｓ／ＴＥＭにおいて行った。Ｓｕｐｅｒ
−Ｘ ＥＤＸ分光計を用いてエネルギー分散Ｘ線（ＥＤＸ）測定を行うとともに、高角度
円環状暗視野（ＨＡＡＤＦ）検出器を用いて走査用ＴＥＭ（ＳＴＥＭ）画像を得た。

Claims (9)

1. ＧａＮ層（１３）上に直接的に形成されたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層（１４）を備え、ｘが０．１０＜ｘ＜０．６０であるＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体（１’）を生成する方法であって、
   第１のＧａ流量の第１のＧａ前駆体フローを供給する工程であり、前記ＧａＮ層が生成される工程と、
   前記第１のＧａ前駆体フローを実質的に停止させる工程と、
   第１のＡｌ前駆体フローを第１のＡｌ流量で供給する工程と、
   前記ヘテロ構造体を提供するのに十分な時間の間、前記第１のＡｌ前駆体フローのみを、第１のＡｌ流量で、Ａｌの完全な単一層を提供するには不十分な量のＡｌが導入されるような時間にわたり維持する工程であり、前記ヘテロ構造体は、
   − １８００〜２３００ｃｍ^２／Ｖｓの室温２ＤＥＧ移動度と、
   − ピンチオフ電圧の理論値とは０．５Ｖ以下だけ異なるピンチオフ電圧であり、前記ピンチオフ電圧の前記理論値は、前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体の、ＸＲＤにより得られ、静電分析による完全空乏近似を意味する静電バンドダイアグラムに基づいて推定される、ピンチオフ電圧とを有する、工程と、
   前記第１のＡｌ前駆体フローを実質的に停止させる工程と、
   第２のＡｌ前駆体フローを第２のＡｌ流量で供給し、第２のＧａ前駆体フローを第２のＧａ流量で供給する工程であり、前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層（１４）が形成され、 前記工程は、前記ＧａＮ層（１３）の厚さが、１４００〜４０００ｎｍとなるように行われ、 前記工程は、前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層（１４）の厚さが、５〜３５ｎｍとなるように行われる、工程と、
   を含む方法。
2. ＮＨ_３などの窒素前駆体フローを供給するさらなる工程を含み、前記窒素前駆体フローは、前記第１のＧａ前駆体フロー、前記第１のＡｌ前駆体フロー、前記第２のＧａ前駆体フローおよび前記第２のＡｌ前駆体フローのうちの少なくとも１つの供給中、維持される、請求項１に記載の方法。
3. 前記ヘテロ構造体（１’）の前記ピンチオフ電圧の前記理論値は、ＸＲＤ測定値により求められる、前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層（１４）の厚さおよびＡｌ濃度に基づいて推定される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記ピンチオフ電圧の前記理論値、Ｖｐは、以下の公式により計算され、
   、ここで、
   すなわち、ＧａＮの総分極密度、ここで、Ｐ_{ｓｐ（ＧａＮ）}＝−２．９×１０^−６Ｃ／ｃｍ^２、すなわち、ＧａＮの自発分極、ｑ＝１．６×１０^−１９Ｃ、すなわち電荷定数であり、
   Ｐ_{Ｔｏｔａｌ（ＡｌＧａＮ１）}は、ＡｌＧａＮの総分極密度であり、ここで、ＡｌＧａＮがバリア層、すなわち、ＡｌとＧａの同時フロー時に形成される前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層であり、下式により求められ、
   ここで、
   Ｐ_{ｓｐ（ＡｌＧａＮ）}＝ｘＰ_{ｓｐ（ＡｌＮ）}＋（１−ｘ）Ｐ_{ｓｐ（ＧａＮ）}−ｘ（１−ｘ）ｂ
   すなわち、ＡｌＧａＮの自発分極密度、ここで、ｘが、ＸＲＤ測定値により求められるＡｌ含有率であり、Ｐ_{ｓｐ（ＡｌＮ）}＝−８．１×１０^−６Ｃ／ｃｍ^２、すなわちＡｌＮの自発分極、Ｐ_{ｓｐ（ＧａＮ）}＝−２．９×１０^−６Ｃ／ｃｍ^２、すなわちＧａＮの自発分極、ｂ＝−２．１×１０^−６Ｃ／ｃｍ^２、すなわちＡｌＧａＮ自発分極の湾曲係数であり、Ｐ_{ｐｚ（ＡｌＧａＮ１）}がＡｌＧａＮの圧電分極であり、
   ε_{（ＡｌＧａＮ）}≒ε_{（ＧａＮ）}−ｘ
   すなわち単位ε_０のＡｌＧａＮの誘電率、ここで、
   ε_{（ＧａＮ）}＝１０．０ε_０、ＧａＮの誘電率、ε_０＝８．８８４×１０^−１４Ｆ／ｃｍ、すなわち真空の誘電率であり、
   ｔ_{ＡｌＧａＮ}は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮのｃｍ厚さ、
   、Ｎｉ Ｓｃｈｏｔｔｋｙバリア高である、請求項１または３に記載の方法。
5. 前記第１のＧａ流量の前記第１のＧａ前駆体フローを停止させる前記工程と、第１のＡｌ流量の前記第１のＡｌ前駆体フローを供給する前記工程との間に、０〜５分待機する工程を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記第１のＧａ流量の前記第１のＧａ前駆体フローを停止させる前記工程と、第１のＡｌ流量の前記第１のＡｌ前駆体フローを供給する前記工程との間に、０〜１分待機する工程を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮヘテロ構造体（１’）は、金属有機化学気相成長法ＭＯＣＶＤにより成長させられる、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記ヘテロ構造体の成長時のＭＯＣＶＤ反応器内の圧力が、１０〜１０００ミリバールである、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記ヘテロ構造体の成長時の前記ＭＯＣＶＤ反応器内の温度が、９５０〜１１５０℃である、請求項８に記載の方法。