特許 7039705 ＩＩＩ族窒化物合金の形成

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-03-11

(45)【発行日】2022-03-22

(54)【発明の名称】ＩＩＩ族窒化物合金の形成

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/205 20060101AFI20220314BHJP

【ＦＩ】

H01L21/205

【請求項の数】 20

(21)【出願番号】P 2020530579

(86)(22)【出願日】2018-12-04

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-02-18

(86)【国際出願番号】 IB2018059643

(87)【国際公開番号】W WO2019111161

(87)【国際公開日】2019-06-13

【審査請求日】2020-09-04

(31)【優先権主張番号】62/594,779

(32)【優先日】2017-12-05

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】319003493

【氏名又は名称】キング・アブドゥッラー・ユニバーシティ・オブ・サイエンス・アンド・テクノロジー

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】シャオハン・リ

(72)【発明者】

【氏名】カイカイ・リウ

【審査官】宇多川 勉

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１１／１０８０６３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２００７／０７７６６６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－０６９９７１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体デバイスを形成する方法であって、本方法は、
ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層が形成される基板を選択するステップ（１０５）と；
前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層の圧電分極を選択するステップ（１１０）と；
前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層の有効圧電係数を選択するステップ（１１５）と；
前記選択された有効圧電係数を満たすウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成が存在するかどうかを判定するステップ（１２０）と；
前記選択された基板および前記選択された有効圧電係数に基づいて、前記選択された圧電分極を満たす前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成から形成された層に関する厚さがあるかどうかを判定するステップ（１３０）と；
前記選択された有効圧電係数を満たす格子定数および前記選択された圧電分極を満たす前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成から形成される前記層に関する厚さを有するウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成が存在するという前記判定に応じて、前記選択された有効圧電係数を満たす前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成を含み且つ前記選択された圧電分極を満たす前記厚さを有する前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層を前記基板上に形成するステップ（１３５）と；
を含む、方法。

【請求項2】

前記選択された有効圧電係数を満たすウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成が存在しないと判定された場合、前記方法は：
調整された有効圧電係数を選択するステップと；
前記調整された圧電分極を満たす前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成から形成された前記層に関する厚さがあるかどうかを判定するステップと；
前記調整された有効圧電係数を満たす格子定数および前記調整された圧電分極を満たす前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成から形成された前記層に関する厚さを有するウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成があるという前記判定に応じて、前記調整された有効圧電係数を満たす前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成を含み且つ前記選択された圧電分極を満たす前記厚さを有する前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層を前記基板上に形成するステップと；
をさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記選択された圧電分極を満たす格子定数を有する前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成から形成された層に関する厚さがないと判定されたとき、前記方法が：
調整された有効圧電係数を選択するステップと；
前記調整された有効圧電係数を満たす格子定数を有する別のウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成が存在するかどうかを判定するステップと；
前記圧電分極を満たす前記別のウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成から形成された前記層に関する厚さがあるかどうかを判定するステップと；
前記調整された有効圧電係数を満たす格子定数および前記調整された圧電分極を満たす前記別のウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成から形成された前記層に関する厚さを有する別のウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成があるという前記判定に応じて、前記調整された有効圧電係数を満たす前記別のウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成を含み且つ前記選択された圧電分極を満たす前記厚さを有する前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層を前記基板上に形成するステップと；
をさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記選択された有効圧電係数を満たすウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成が存在するかどうかの前記判定は：
ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金Ａ_ｘＣ_１－ｘＮを選択するステップであって、ＡおよびＣは、ＩＩＩ族窒化物元素であり、ｘは、前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層における元素Ｃの量に対する元素Ａの量である、ステップと；
前記選択されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金Ａ_ｘＣ_１－ｘＮが、以下の式に基づいて前記選択された有効圧電係数

【数1】

を満たすかどうかを判定するステップと；
を含み、

【数2】

ｅ_３１（ｘ）およびｅ_３３（ｘ）は、前記選択されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金Ａ_ｘＣ_１－ｘＮの圧電定数であり、
Ｃ_１１（ｘ）およびＣ_１３（ｘ）は、選択されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金Ａ_ｘＣ_１－ｘＮの弾性定数であり、
Ｐ_ＳＰ（ｘ）は、前記選択されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金Ａ_ｘＣ_１－ｘＮを含むウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層の自発分極である、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記選択された有効圧電係数を満たすウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成が存在するかどうかの前記判定は：
複数の異なるウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成に関する有効圧電係数の関数として格子定数のグラフを生成するステップと；
前記グラフを使用して、前記複数の異なるウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成のうちのいずれかが前記選択された有効圧電係数を満たすかどうかを判定するステップと、を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記グラフを使用して、前記選択された有効圧電係数を満たす１つまたは複数のウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成に対応する格子定数を特定するステップをさらに含み、
前記特定された格子定数は、前記選択された圧電分極を満たす前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成から形成された前記層に関する層厚が存在するかどうかの判定に使用される、請求項５に記載の方法。

【請求項7】

前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層が、Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＮ、Ｉｎ_ｘＧａ_１－ｘＮ、Ｉｎ_ｘＡｌ_１－ｘＮ、Ｂ_ｘＡｌ_１－ｘＮ、またはＢ_ｘＧａ_１－ｘＮを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層は、有機金属気相成長法、分子線エピタキシー、または高温堆積後アニーリングを用いて前記基板上に形成される、請求項１に記載の方法。

【請求項9】

所望の有効圧電係数範囲内に有効圧電係数を有するウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層を形成するための方法であって、前記方法が：
前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層の組成に基づいて、前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層に関する有効圧電係数を判定するステップ（５０５）と；
前記判定された有効圧電係数が前記所望の有効圧電係数範囲内にあるかどうかを判定するステップ（５１０）と；
前記判定された有効圧電係数が前記所望の有効圧電係数範囲内にないという前記判定に応じて、前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層の前記組成を調整するステップ（５２５，５３５）であって、前記判定された有効圧電係数が前記所望の有効圧電係数範囲よりも大きいとき、ホウ素、ガリウム、またはインジウムの量が、前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層の前記調整された組成において増加され、前記判定された有効圧電係数が前記所望の有効圧電係数範囲よりも小さいとき、アルミニウムの量が、前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層の前記調整された組成において増加される、ステップと；
前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層の前記調整された組成を使用して、前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層を形成するステップ（５３０，５４０）と；
を含む、方法。

【請求項10】

前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層の前記有効圧電係数の前記判定は：
前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層のＩＩＩ族元素または複数のＩＩＩ族元素に基づいて、前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層の圧電定数を選択するステップと；
前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層の前記ＩＩＩ族元素または複数のＩＩＩ族元素に基づいて、前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層の弾性定数を選択するステップと；
前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層の前記ＩＩＩ族元素または複数のＩＩＩ族元素に基づいて、前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層の自発分極を選択するステップと；
前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層の前記ＩＩＩ族元素または複数のＩＩＩ族元素の特定の組成を判定するステップと；
を含み、
前記有効圧電係数は、前記選択された圧電定数、弾性定数、自発分極、および前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層の前記ＩＩＩ族元素または複数のＩＩＩ族元素の前記特定の組成に基づいて判定される、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記有効圧電係数が、以下の式に基づいて判定され、

【数3】

ｘは、ＩＩＩ族元素の量である、または、ｘは、前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層における前記複数のＩＩＩ族元素のうちの他の１つの量に対する前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層における前記複数のＩＩＩ族元素のうちの１つの量であり、
ｅ_３１（ｘ）およびｅ_３３（ｘ）は、前記ＩＩＩ族元素または複数のＩＩＩ族元素の前記特定の組成に関する圧電定数であり、
Ｃ_１１（ｘ）およびＣ_１３（ｘ）は、前記ＩＩＩ族元素または複数のＩＩＩ族元素の前記特定の組成に関する弾性定数であり、
Ｐ_ＳＰ（ｘ）は、前記ＩＩＩ族元素または複数のＩＩＩ族元素の前記特定の組成に関する前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層の自発分極である、請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層が基板上に形成される、請求項９に記載の方法。

【請求項13】

前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層が、基板なしで形成される、請求項９に記載の方法。

【請求項14】

前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層が、Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＮ、Ｉｎ_ｘＧａ_１－ｘＮ、Ｉｎ_ｘＡｌ_１－ｘＮ、Ｂ_ｘＡｌ_１－ｘＮ、またはＢ_ｘＧａ_１－ｘＮを含む、請求項９に記載の方法。

【請求項15】

前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層が、有機金属気相成長法、分子線エピタキシー、または高温堆積後アニーリングを使用して形成される、請求項９に記載の方法。

【請求項16】

半導体デバイスを形成するための方法であって、前記方法が：
ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層が形成される基板を選択するステップ（３０５）と；
前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金に関する圧電分極を選択するステップ（３１０）と；
前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層に関するウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成を選択するステップ（３１５）と；
前記選択された圧電分極を満たす前記選択されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成に関する歪み値があるかどうかを判定するステップ（３２０）；
前記選択された圧電分極を満たす前記選択されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成に関する歪み値があるという前記判定に応じて、前記形成されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層が前記歪み値を示すように、前記選択された基板上に前記選択されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成を有する前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層を形成するステップ（３３０）と；
を含む、方法。

【請求項17】

前記選択された圧電分極を満たす前記選択されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成に関する歪み値が存在しないと判定されたとき、前記方法が：
前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層に関する調整されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成を選択するステップと；
前記選択された圧電分極を満たす前記調整されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成に関する歪み値が存在するかどうかを判定するステップと；
前記選択された圧電分極を満たす前記調整されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成に関する歪み値があるという前記判定に応じて、前記形成されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層が前記歪み値を示すように、前記選択された基板上に前記調整されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成を有する前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層を形成するステップと；
をさらに含む、請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

前記選択された圧電分極を満たす前記選択されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成に関する歪み値が存在するかどうかの前記判定が、以下の式に基づく、請求項１６に記載の方法：

【数4】

【数5】

は前記選択された圧電分極であり、

【数6】

は前記選択されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成に基づく有効圧電係数であり、

【数7】

は歪みである。

【請求項19】

前記選択されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成がＡ_ｘＣ_１－ｘＮを含み、前記有効圧電係数

【数8】

が以下の式に基づいて判定される、請求項１８に記載の方法：

【数9】

ｅ_３１（ｘ）およびｅ_３３（ｘ）は、前記選択されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成Ａ_ｘＣ_１－ｘＮに関する圧電定数であり、
Ｃ_１１（ｘ）およびＣ_１３（ｘ）は、選択されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成Ａ_ｘＣ_１－ｘＮの弾性定数であり、
Ｐ_ＳＰ（ｘ）は、前記選択されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成Ａ_ｘＣ_１－ｘＮを含む前記ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層の自発分極である。

【請求項20】

前記選択されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成が、Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＮ、Ｉｎ_ｘＧａ_１－ｘＮ、Ｉｎ_ｘＡｌ_１－ｘＮ、Ｂ_ｘＡｌ_１－ｘＮ、またはＢ_ｘＧａ_１－ｘＮを含む、請求項１６に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
［０００１］ 本出願は、２０１７年１２月５日に出願された「ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＣＨＡＮＧＩＮＧ ＳＥＮＳＩＴＩＶＩＴＹ ＯＦ ＳＴＲＡＩＮ ＦＯＲ ＰＯＬＡＲＩＺＡＴＩＯＮ ＯＦ ＩＩＩ－ＮＩＴＲＩＤＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＡＮＤ ＨＥＴＥＲＯＪＵＮＣＴＩＯＮＳ」と題する米国仮特許出願第６２／５９４，７７９号の優先権を主張し、その開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

【背景技術】

【0002】

［０００２］ 開示される主題の実施形態は、概して、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層の有効圧電係数、歪み、および格子定数に基づいて、所望の全分極、または所望の圧電分極を有するＩＩＩ族窒化物合金層を形成するための方法に関する。

【0003】

［０００３］ ウルツ鉱（ＷＺ）ＩＩＩ族窒化物半導体およびそれらの合金は、可視および紫外線発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオードなどの光電子デバイス、ならびに高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）などの高出力デバイスにおける使用に特に有利である。ウルツ鉱構造の非対称性に起因して、ＩＩＩ族窒化物およびそれらのヘテロ接合は、強い自発分極（ＳＰ）および圧電（ＰＺ）分極を示すことができ、これは、半導体デバイスの動作に大きく影響し得る。例えば、ＬＥＤおよびレーザダイオードは、量子井戸（ＱＷ）内の内部分極場によって引き起こされる量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）に起因して、低減された放射再結合率および発光波長のシフトを有することができる。したがって、これらのタイプのデバイスでは、ヘテロ接合の界面におけるより小さい分極差が、量子閉じ込めシュタルク効果を有利には最小化または排除することができる。対照的に、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）は、強いキャリア閉じ込めおよび二次元電子ガス（２ＤＥＧ）の形成を生成するために、ヘテロ接合の界面において高い分極差を必要とする。

【0004】

［０００４］ ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層の分極は、層の自発分極および圧電分極に基づいて判定される。ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層の分極は、現在、正確ではない場合があるウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金の分極定数を使用して計算されている。具体的には、ほとんどの人々によって使用されるウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物三元合金の従来の分極定数は、２値材料定数の（すなわち、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、および窒化インジウム（ＩｎＮ）の）線形補間に基づく。しかしながら、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物三元合金（例えば、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＢＡｌＮ、及びＢＧａＮ）の自発分極及び圧電分極には、それぞれの二元材料組成物に対してかなりの非線形性が存在し得る。

【0005】

［０００５］ さらに、どの特定の要因がウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層の圧電分極に影響を及ぼすかは、現在のところ十分に理解されていない。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

［０００６］ したがって、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層の圧電分極に影響を及ぼす要因を特定して、これらの要因を用いて、所望の圧電分極、ひいては全分極を有するウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層を形成することができるようにすることが望ましい。

【課題を解決するための手段】

【0007】

［０００７］ 実施形態によれば、半導体デバイスを形成する方法がある。ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層が形成される基板が選択される。ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層に対して圧電分極が選択される。ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層に対して有効圧電係数が選択される。選択された有効圧電係数を満たすウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成が存在するかどうかが判定される。選択された基板および選択された有効圧電係数に基づいて、選択された圧電分極を満たすウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成から形成された層に関する厚さがあるかどうかも判定される。選択された有効圧電係数を満たす格子定数と、選択された圧電分極を満たすウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成から形成される層に関する厚さとを有するウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成が存在するという判定に応じて、選択された有効圧電係数を満たすウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成を含み且つ選択された圧電分極を満たす厚さを有する基板上にウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層が形成される。

【0008】

［０００８］ 別の実施形態によれば、所望の有効圧電係数範囲内の有効圧電係数を有するウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層を形成する方法がある。ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層の有効圧電係数は、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層の組成に基づいて判定される。次いで、判定された有効圧電係数が所望の有効圧電係数範囲内にあるかどうかが判定される。判定された有効圧電係数が所望の有効圧電係数範囲内にないという判定に応じて、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層の組成が調整される。判定された有効圧電係数が所望の有効圧電係数範囲よりも大きいウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層の、調整された組成において、ホウ素、ガリウム、またはインジウムの量が増加される。判定された有効圧電係数が所望の有効圧電係数範囲よりも小さい場合、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層の、調整された組成においてアルミニウムの量が増加される。ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層は、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層の、調整された組成を用いて形成される。

【0009】

［０００９］ さらなる実施形態によれば、半導体デバイスを形成する方法がある。ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層が形成される基板が選択される。ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金に対して圧電分極が選択される。ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成は、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層のために選択される。次に、選択された圧電分極を満たす選択されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成に関する歪み値が存在するかどうかが判定される。選択された圧電分極を満たす選択されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成に関する歪み値が存在するという判定に応じて、選択された基板上に、選択されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成を有するウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層が形成され、その結果、形成されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層が歪み値を示す。

【0010】

［００１０］ 本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面は、１つまたは複数の実施形態を示し、説明とともにこれらの実施形態を説明する。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】［００１１］ 実施形態によるウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層を形成する方法のフローチャートである。

【図2】［００１２］ 実施形態によるウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物材料の有効圧電係数を示すグラフである。

【図3】［００１３］ 実施形態によるウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層を形成する方法のフローチャートである。

【図4】［００１４］ 実施形態によるウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層を形成する方法のフローチャートである。

【図5】［００１５］ 実施形態によるウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層を形成する方法のフローチャートである。

【図6A】［００１６］ 実施形態による、異なる歪みおよび極性の下での自発分極および圧電分極を示すブロック図である。

【図6B】実施形態による、異なる歪みおよび極性の下での自発分極および圧電分極を示すブロック図である。

【図6C】実施形態による、異なる歪みおよび極性の下での自発分極および圧電分極を示すブロック図である。

【図6D】実施形態による、異なる歪みおよび極性の下での自発分極および圧電分極を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

［００１７］ 例示的な実施形態の以下の説明は、添付の図面を参照する。異なる図面における同じ参照番号は、同じまたは同様の要素を識別する。以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。以下の実施形態は、簡単にするために、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層の用語および構造に関して説明される。

【0013】

［００１８］ 本明細書を通して、「一実施形態」または「実施形態」への言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体を通して様々な場所において「一実施形態では」または「実施形態では」という語句が現れることは、必ずしも同じ実施形態を指しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態において任意の適切な方法で組み合わせることができる。

【0014】

［００１９］ 図１は、半導体デバイスを形成する方法のフローチャートである。最初に、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層が形成される基板が選択される（ステップ１０５）。基板としては、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板、サファイア基板等を用いることができる。次に、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層に関する圧電分極を選択する（ステップ１１０）。以下の式に反映されるように、圧電分極

【数1】

と自発分極

【数2】

との和は、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層

【数3】

の全分極を定義する。

【数4】

【0015】

［００２０］ 次に、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層に関する有効圧電係数が選択される（ステップ１１５）。以下の式に反映されるように、圧電分極

【数5】

は、Ｃ面における有効圧電係数

【数6】

と歪み

【数7】

との積によって表すことができる。

【数8】

【0016】

［００２１］ 次に、選択された有効圧電係数を満たすウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成があるかどうかが判定される（ステップ１２０）。この判定は、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金Ａ_ｘＣ_１－ｘＮの特定の組成に基づいて有効圧電係数

【数9】

を判定するために以下の式を使用することを含むことができる。

【数10】

【0017】

［００２２］ 式中、ｅ_３１は、圧電定数の内部歪み項であり、ｅ_３３は、圧電定数のクランプイオン項（内部パラメータμ_{ｆｉｘｅｄ}を使用して判定される）であり、ｅ_３１（ｘ）およびｅ_３３（ｘ）は、Ｃ／ｍ^２単位のウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層の圧電定数であり、Ｃ_１３（ｘ）およびＣ_３３（ｘ）は、ＧＰａ単位のウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層の弾性定数である。

【0018】

［００２３］ この議論の目的のために、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金Ａ_ｘＣ_１－ｘＮは、窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＮ）、窒化インジウムガリウム（Ｉｎ_ｘＧａ_１－ｘＮ）、窒化インジウムアルミニウム（Ｉｎ_ｘＡｌ_１－ｘＮ）、窒化ホウ素アルミニウム（Ｂ_ｘＡｌ_１－ｘＮ）、または窒化ホウ素ガリウム（Ｂ_ｘＧａ_１－ｘＮ）であり得る。したがって、Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＮ、Ｉｎ_ｘＧａ_１－ｘＮ、Ｉｎ_ｘＡｌ_１－ｘＮ、Ｂ_ｘＡｌ_１－ｘＮ、およびＢ_ｘＧａ_１－ｘＮの自発分極は、以下の式を使用して判定することができる。

【数11】

【数12】

【数13】

【数14】

【数15】

【0019】

［００２４］ Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＮ、Ｉｎ_ｘＧａ_１－ｘＮ、Ｉｎ_ｘＡｌ_１－ｘＮ、Ｂ_ｘＡｌ_１－ｘＮ、およびＢ_ｘＧａ_１－ｘＮの圧電定数ｅ_３１およびｅ_３３は、以下の式を用いて判定することができる。

【数16】

【数17】

【数18】

【数19】

【数20】

【数21】

【数22】

【数23】

【数24】

【数25】

【0020】

［００２５］ Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＮ、Ｉｎ_ｘＧａ_１－ｘＮ、Ｉｎ_ｘＡｌ_１－ｘＮ、Ｂ_ｘＡｌ_１－ｘＮ、およびＢ_ｘＧａ_１－ｘＮの弾性定数Ｃ_１３およびＣ_３３は、ベガードの法則および以下の式のような２値定数を使用して判定することができる。

【数26】

【数27】

【数28】

【数29】

【数30】

【数31】

【数32】

【数33】

【数34】

【数35】

【0021】

［００２６］ 選択された有効圧電係数を満たすウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成が存在するかどうかを判定するために上記の式を使用する代わりに、格子定数ａの変化対異なるウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成の有効圧電係数

【数36】

の変化のグラフを構築することができ、その一例を図２に示す。

【0022】

［００２７］ 図２のグラフは、いくつかの異なる組成（図では正方形、五角形、菱形、および円によって表される）について、完全緩和（すなわち、１００％緩和）におけるウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層の有効圧電係数

【数37】

および対応する格子定数

【数38】

を判定し、整合曲線２０５－２２５を作成することによって生成された。

【0023】

［００２８］ 曲線２０５は、ガリウムが窒化ホウ素添加され、窒化ホウ素（ＢＮ）から窒化ガリウム（ＧａＮ）に、およびその逆に移動するときの、組成物の格子定数

【数39】

の変化対有効圧電係数

【数40】

の変化を示す。曲線２１０は、インジウムが窒化ガリウムに添加され、窒化ガリウム（ＧａＮ）から窒化インジウム（ＩｎＮ）に、およびその逆に移動するときの、組成物の格子定数

【数41】

の変化対有効圧電係数

【数42】

の変化を示す。曲線２１５は、アルミニウムが窒化ガリウムに添加され、窒化ガリウム（ＧａＮ）から窒化アルミニウム（ＡｌＮ）に、およびその逆に移動するときの、組成物の格子定数

【数43】

の変化対有効圧電係数

【数44】

の変化を示す。曲線２２０は、アルミニウムが窒化ホウ素に添加され、窒化ホウ素（ＢＮ）から窒化アルミニウム（ＡｌＮ）に、およびその逆に移動するときの、組成物の格子定数

【数45】

の変化対有効圧電係数

【数46】

の変化を示す。曲線２２０は、インジウムが窒化アルミニウムに添加され、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から窒化インジウム（ＩｎＮ）に、およびその逆に移動するときの、組成物の格子定数

【数47】

の変化対有効圧電係数

【数48】

の変化を示す。

【0024】

［００２９］ 図２に示すように、異なる三元ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金は、様々な範囲の有効圧電係数を有する。

【数49】

より小さい有効圧電係数

【数50】

が所望される場合、ＢＧａＮおよびＩｎＧａＮをウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層として基板上に形成することができる。より大きな有効圧電係数

【数51】

が所望される場合、高いアルミニウム含有量のＢＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、またはＡｌＩｎＮをウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層として基板上に形成することができる。したがって、図２から理解されるように、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金中のアルミニウムの量を追加または増加させることによって、有効圧電係数

【数52】

を増加させることができる。さらに、低減された有効圧電係数

【数53】

が所望される場合、ホウ素、ガリウム、またはインジウムが、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金に添加または増加され得る。

【0025】

［００３０］ 図２のグラフを使用して有効圧電係数

【数54】

を満たす１つまたは複数のウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金を特定することは、ステップ１３０において格子定数

【数55】

が歪みに関連して使用されるため、特に有利である。

【0026】

［００３１］ 図１に戻ると、選択された圧電係数を満たすウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成がないと判定された場合（判定ステップ１２０からの「Ｎｏ」経路）、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層に対して、調整された有効圧電係数が選択され（ステップ１２５）、調整された有効圧電係数を満たす任意のウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成があるかどうかが判定される（ステップ１２０）。

【0027】

［００３２］ しかしながら、選択された圧電係数を満たす１つまたは複数のウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成が存在する場合（判定ステップ１２０からの「Ｙｅｓ」経路）、選択された圧電分極を満たす１つまたは複数のウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成のいずれかについて層に関する厚さが存在するかどうかが判定される（ステップ１３０）。この判定は、基板および基板と層との間の層の格子定数に応じて、厚さがウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層の歪みおよび緩和に影響を及ぼし得るために行われる。上述し、式（２）に反映されるように、圧電分極

【数56】

は、Ｃ面

【数57】

における有効圧電係数と歪み

【数58】

との積によって表される。歪み

【数59】

は以下の式で表すことができる。

【数60】

【0028】

［００３３］ ここで、

【数61】

は、特定の緩和度（０％≦緩和≦１００％）における格子定数であり、

【数62】

は、完全緩和（すなわち、１００％緩和）におけるウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層の格子定数である。この項

【数63】

は、特定の緩和度における格子定数であるので、

【数64】

の値は、少なくとも、選択された基板の組成に基づく。選択された基板がウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層と同じ材料および組成を含み、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層が基板上に直接成長する場合、

【数65】

の値は、典型的には、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層に関する厚さにかかわらず、基板の格子定数

【数66】

と同じである。選択された基板がウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層とは異なる材料または同じ材料の異なる組成を含み、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層が基板上に直接成長する場合、

【数67】

の値は、基板上に形成されるウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層に関する厚さに応じて変化する。具体的には、

【数68】

の値は、基板の格子定数（ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層が極めて薄い場合）とウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層の格子定数（ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層が極めて厚い場合、または臨界厚さを超える場合）との間の値である。

【0029】

［００３４］ したがって、完全緩和でのウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層の格子定数

【数69】

は、図２のグラフを使用して、以下の式を使用して、または_ｘ線回折および透過型電子顕微鏡などの他の方法によって判定することができる。ウルツ鉱ＢＡｌＮ、ウルツ鉱ＢＧａＮ、ウルツ鉱ＩｎＡｌＮ、ウルツ鉱ＡｌＧａＮ、およびウルツ鉱ＩｎＧａＮの格子定数は、以下のように計算することができる。

【数70】

【数71】

【数72】

【数73】

【数74】

【0030】

［００３５］ 本方法のこの段階では、基板、圧電分極、および有効圧電係数（または調整された有効圧電係数）が選択されており、有効圧電係数を満たす少なくとも１つのＩＩＩ族窒化物合金組成が特定されているので、ステップ１３０の判定は、基板およびウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層に関する厚さに基づく。なぜなら、これらは、特定の緩和度における格子定数ａを定義する変数だからである。

【0031】

［００３６］ 選択された圧電分極を満たす、ステップ１２０で特定された特定のウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成を有する層に関する厚さがない場合（判定ステップ１３０からの「Ｎｏ」経路）、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層の、調整された有効圧電係数が選択され（ステップ１２５）、調整された有効圧電係数を満たす任意のウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成があるかどうかが判定される（ステップ１２０）。

【0032】

［００３７］ しかしながら、選択された圧電分極を満たすステップ１２０で特定された特定のウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成を有する層に関する厚さがある場合（判定ステップ１３０からの「Ｙｅｓ」経路）、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成および対応する厚さを使用して、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層が形成される（ステップ１３５）。

【0033】

［００３８］ 図１の方法におけるウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層（またはウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層）の形成は、有機金属気相成長法、分子線エピタキシー、高温堆積後アニーリング、または任意の他の同様のプロセスを用いることができる。

【0034】

［００３９］ 図１は、ステップ１０５－１１５における選択が特定の順序で連続的に実行されることを示しているが、これらの選択は、異なる順序で行うことができ、および／または並行して実行することができる。

【0035】

［００４０］ 図３は、実施形態によるウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層を形成する方法のフローチャートである。図１の方法と同様に、図３の方法では、基板が選択され（ステップ３０５）、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層の圧電分極が選択される（３１０）。しかしながら、この方法では、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金の組成が選択される（ステップ３１５）。したがって、次いで、選択された圧電分極を満たす選択されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成に関する歪み値が存在するかどうかが判定される。この判定は、式（２）への式（２９）の代入である以下の式を使用することができる：

【数75】

【0036】

［００４１］ ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層の基板、圧電係数、および組成は既に選択されているので、歪み項ε_１に影響を及ぼし得る唯一の変数は、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層に関する厚さである（ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金および基板の材料および組成が異なると仮定する）。

【0037】

［００４２］ 選択された圧電分極を満たす選択されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成に関する歪み値がない場合（判定ステップ３２０からの「Ｎｏ」経路）、調整されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成が選択され（ステップ３２５）、選択された圧電分極を満たす調整されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成に関する歪み値があるかどうかが判定される（ステップ３２０）。しかしながら、選択された圧電分極を満たす選択された（または調整された）ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金の歪み値がある場合（判定ステップ３２０からの「Ｙｅｓ」経路）、（ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金および基板の組成が異なると仮定して）歪み値を達成する厚さを有する選択された（または調整された）ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金を使用して、選択された基板上にウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層が形成される（ステップ３３０）。

【0038】

［００４３］ 図３の方法におけるウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層（またはウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層）の形成は、有機金属気相成長法、分子線エピタキシー、高温堆積後アニーリング、または任意の他の同様のプロセスを用いることができる。

【0039】

［００４４］ 図３は、ステップ３０５－３１５における選択が特定の順序で連続的に実行されることを示しているが、これらの選択は、異なる順序で行うことができ、および／または並行して実行することができる。

【0040】

［００４５］ 図４は、実施形態によるウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層を形成する方法のフローチャートである。この方法では、基板、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層の全分極、およびウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層の組成を選択する（ステップ４０５－４１５）。次に、選択された全分極を満たす選択されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成に関する歪み値があるかどうかが判定される（ステップ４２０）。これは、式（１）への式（３５）の代入である以下の式を使用して判定することができる。

【数76】

【0041】

［００４６］ ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層の組成が選択され、したがって知られているので、自発分極

【数77】

は、式（４）～（８）を使用して判定することができ、有効分極係数

【数78】

は、式（３）～（２８）を使用して判定することができる。したがって、基板およびウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金が異なる組成を有すると仮定すると、歪みに影響を及ぼす唯一の変数は、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層に関する厚さである。

【0042】

［００４７］ 選択された全分極を満たす選択されたＩＩＩ族窒化物合金組成に関する歪み値がない場合（判定ステップ４２０からの「Ｎｏ」経路）、調整されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成が選択され（ステップ４２５）、次いで、選択された全分極を満たす調整されたウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成に関する歪み値があるかどうかが判定される（ステップ４２０）。しかしながら、選択された全分極を満たす選択された（または調整された）ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成が存在する場合（判定ステップ４２０からの「Ｙｅｓ」経路）、（ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金および基板の組成が異なると仮定して）歪み値を達成する厚さを有する選択された（または調整された）ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金組成を使用して、選択された基板上にウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層が形成される（ステップ４３０）。

【0043】

［００４８］ 図４の方法におけるウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層（またはウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層）の形成は、有機金属気相成長法、分子線エピタキシー、高温堆積後アニーリング、または任意の他の同様のプロセスを用いることができる。

【0044】

［００４９］ 図４は、ステップ４０５－４１５における選択が特定の順序で連続的に実行されることを示しているが、これらの選択は、異なる順序で行うことができ、および／または並行して実行することができる。

【0045】

［００５０］ ＩＩＩ族窒化物元素の特定の組成を有するウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層の有効圧電係数

【数79】

を判定することは有用であるが、特定の有効圧電係数または特定の有効圧電係数を有効圧電係数の所望の範囲内で達成するためにウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層の組成をどのように調整するかを判定することも有用である。図５は、そのような方法を示すフローチャートである。最初に、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層の有効圧電係数が、層の組成に基づいて判定され（ステップ５０５）、これは、式（３）～（２８）を使用して達成することができる。次に、この有効圧電係数が所望の有効圧電係数範囲内にあるかどうかが判定される（ステップ５１０）。所望の有効圧電係数範囲は、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層の意図される用途に基づいて選択することができる。したがって、例えば、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層が大量の圧電性を生成することが意図される場合、有効圧電係数範囲は、大きな有効圧電係数を包含するように選択され、逆もまた同様である。

【0046】

［００５１］ 判定された有効圧電係数が所望の範囲内である場合（判定ステップ５１０からの「Ｙｅｓ」経路）、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層は、層の組成に基づいて形成される（ステップ５１５）。しかしながら、判定された有効圧電係数が所望の範囲内にない場合（判定ステップ５１０からの「Ｎｏ」経路）、判定された有効圧電係数が所望の範囲よりも大きいか否かが判定される（ステップ５２０）。判定された有効圧電係数が所望の範囲よりも大きい場合（判定ステップ５２０からの「Ｙｅｓ」経路）、組成物中のホウ素、ガリウム、またはインジウムの量は、有効圧電係数を低減するように調整される（ステップ５２５）。ホウ素、ガリウム、またはインジウムの量の増加は、元の組成中にこれらの元素を含まないことから、調整された組成中にこれらの元素をいくらか含むことへの増加（単一のＩＩＩ族元素を含むウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層の初期組成の場合、三元ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層が形成される）、または初期組成中に既に存在していたホウ素、ガリウム、またはインジウムの初期量の増加（ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層の初期組成が既にＩＩＩ族元素を含む場合、そのＩＩＩ族元素の量が増加する）のいずれかであり得る。次に、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層は、所望の範囲内の有効圧電係数を示すように、調整された組成物を用いて形成される（ステップ５３０）。

【0047】

［００５２］ 有効圧電係数が所望の範囲未満である場合（判定ステップ５２０からの「Ｎｏ」経路）、組成物中のアルミニウムの量は、有効圧電係数を増加させるように調整される（ステップ５３５）。アルミニウムの量の増加は、元の組成中にアルミニウムを有さないことから、調整された組成中にいくらかの量のアルミニウムを有することへの増加（単一のＩＩＩ族元素を含むウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層の初期組成の場合、三元ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層が形成される）、または初期組成中に既に存在したアルミニウムの初期量の増加（ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層の初期組成がＩＩＩ族元素を既に含む場合、そのＩＩＩ族元素の量が減少する）のいずれかであり得る。次に、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層は、所望の範囲内の有効圧電係数を示すように、調整された組成物を用いて形成される（ステップ５４０）。

【0048】

［００５３］ 図５の方法におけるウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層（またはウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物合金層）の形成は、有機金属気相成長法、分子線エピタキシー、高温堆積後アニーリング、または任意の他の同様のプロセスを用いることができる。

【0049】

［００５４］ 特定の有効圧電係数を達成するために判定され得る組成物は、特定の形成技術では実現可能でない場合があるので、この方法は、歪みに対する所望の感度の範囲を用いる。実際には、特定の有効圧電係数値を達成することは必ずしも必要ではないが、代わりに、より大きいまたはより小さい圧電応答を提供する有効圧電係数を達成するために、有効圧電係数の範囲を識別することは、より大きい柔軟性を提供する。それにもかかわらず、図５の方法はまた、特定の有効圧電係数を達成するために使用されることができ、その場合、本方法における範囲への各参照は、所望される特定の有効圧電係数で置き換えられるであろう。

【0050】

［００５５］ 図５に関連する上記の議論は、電池などのエネルギー貯蔵デバイスとして実装され得る、または微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）に実装され得る、単一のウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層に対処する。具体的には、単一のウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層は、有効圧電係数を最適化することによって、エネルギー貯蔵デバイスとして動作するように最適化することができる。有効圧電係数の値が大きいほど、同じ歪み量に応じて発生する圧電性が大きい。したがって、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層の組成は、層が歪みに対して非常に敏感であるように選択することができ、したがって、得られるエネルギー貯蔵デバイスをエネルギー貯蔵目的のために最適化することができる。

【0051】

［００５６］ 図１、図３、および図４に関連する上記の説明は、基板上にウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層を形成することを含む。ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層のおよび基板の圧電分極および自発分極の挙動に関するいくつかの観察を、図６Ａ～６Ｄに関連して提示する。最初に図６Ａを参照すると、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層６０５が圧縮歪み下且つ金属極性に関して基板６１０上に形成されるとき、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層６０５の圧電分極Ｐ_ｐｚ，２は上向きであり、同じ方向を指す自発分極Ｐ_ｓｐ，２に追加する。図６Ｂに示すように、圧縮歪み下でＮ極性の場合、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層６０５の圧電分極Ｐ_ｐｚ，２は下向きであり、同じ方向を指す自発分極Ｐ_ｓｐ，２に追加する。

【0052】

［００５７］ ここで図６Ｃを参照すると、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層６０５が引張歪み下で且つ金属極性に関して基板６１０上に形成されるとき、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層６０５の圧電分極Ｐ_ｐｚ，２は下向きであり、反対方向を指す自発分極Ｐ_ｓｐ．２を相殺する。図６Ｄに示すように、引張歪み下で且つＮ極性に関して、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物層６０５の圧電分極Ｐ_ｐｚ，２は上向きであり、反対方向を指す自発分極Ｐ_ｓｐ，２を相殺する。したがって、図６Ａ～６Ｄから理解されるように、圧電分極は、圧縮歪み下で自発分極に加わり、圧電分極は、極性にかかわらず引張歪み下で自発分極を減少させる。

【0053】

［００５８］ これらの知見は、式（９）～（１８）に基づいている。具体的には、それらの式に基づいて、ＢＡｌＮおよびＢＧａＮ合金は、負または正であり得る圧電定数ｅ_３１と、負または正であり得る圧電定数ｅ_３３とを有することが理解され得る。ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＮはすべて、負である圧電定数ｅ_３１および正である圧電定数ｅ_３３を有する。これにより、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＩｎＡｌＮの有効圧電係数

【数80】

を確実に負にすることができる。

【0054】

［００５９］ 窒化ホウ素の自発分極は非常に大きいので、ＢＡｌＮおよびＢＧａＮの有効圧電係数

【数81】

も負である。負の有効圧電係数

【数82】

値を有するＩＩＩ族窒化物およびそれらの合金のすべては、自発分極値の非線形性に関する以前の結論と一致しており、これは、セル体積が伸張されるか、または材料がｃ面において引張下にあるときに分極が小さくなり、逆もまた同様であることを意味する。従って、自発分極及び圧電分極定数を有する分極特性は全体として、セル体積が分極値の判定要因であることを示す。これは、窒化物ベースの半導体デバイスの分極エンジニアリングに深く関係している。例えば、より小さい格子およびより大きい自発分極値を有する薄層が基板上に成長され、完全にゆがまされる場合、引張歪みは、体積希釈として作用することができ、潜在的に、誘導された負の圧電分極に起因して、エピタキシャル層と基板との間の分極差を０にすることができ、逆もまた同様である。

【0055】

［００６０］ 上記の議論は、特定のウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物三元合金に関する。これは、２つのＩＩＩ族窒化物元素を有する合金、ならびに、例えば、層を形成するプロセス中に一方または両方の層の一部になる汚染物質または不純物に起因してわずかな濃度で生じ得る追加の元素を有する合金、の両方を包含することが意図されることを認識されたい。これらの汚染物質または不純物は、典型的には、ＩＩＩ族窒化物三元合金層の全組成の０．１％未満を含む。さらに、当業者はまた、２つのＩＩＩ族元素に加えて、他のＩＩＩ族元素を含む他の元素がごくわずかな量で存在する場合、ＩＩＩ族窒化物合金を三元合金とみなす。当業者は、元素の０．１％以下の濃度を実質的でない量と考えるであろう。したがって、例えば、当業者は、三元合金としてＡｌ_ｘＧａ_{１－ｘ－ｙ}Ｉｎ_ｙＮ（式中、ｙ≦０．１％）を含む層を考えるであろう。なぜならそれが実質的でない量のインジウムを含むからである。同様に、ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物二元組成物は、依然として二元組成物と見なされながら、わずかな濃度の追加の元素を含むことができる。

【0056】

［００６１］ 開示される実施形態は、所望の有効圧電係数（または有効圧電係数の範囲）を示す少なくとも１つのＩＩＩ族窒化物合金層を有する半導体デバイスを形成するための方法を提供する。この説明は、本発明を限定するものではないことを理解されたい。逆に、例示的な実施形態は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨および範囲に含まれる代替形態、修正形態、および均等物を包含することが意図される。さらに、例示的な実施形態の詳細な説明では、請求される発明の包括的な理解を提供するために、多数の具体的な詳細が記載される。しかしながら、当業者は、様々な実施形態がそのような特定の詳細なしに実施され得ることを理解するであろう。

【0057】

［００６２］ 本例示的実施形態の特徴および要素は、特定の組み合わせで実施形態において説明されるが、各特徴または要素は、実施形態の他の特徴および要素を伴わずに単独で、または本明細書に開示される他の特徴および要素を伴って、もしくは伴わずに種々の組み合わせで使用されることができる。

【0058】

［００６３］ 本明細書は、開示された主題の例を使用して、任意のデバイスまたはシステムを作製および使用すること、ならびに任意の組み込まれた方法を実行することを含めて、当業者がそれを実施することを可能にする。主題の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者に想起される他の例を含み得る。そのような他の例は、特許請求の範囲内にあることが意図される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図6D】