JP2003068745A - 埋込みp型GaN層におけるアクセプタを活性化する方法 - Google Patents
埋込みp型GaN層におけるアクセプタを活性化する方法Info
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Abstract
供すること。 【解決手段】 水素を埋込み型のIII族窒化物化合物半
導体のp型層から外方拡散できるようにするために、ウ
ェハはp型層のトレンチを形成してp型層を露出させる
べくエッチングされる。エッチング後、ウェハはアニー
ルされる。アニール時間及び温度はp型層の露出させた
面の間隔及びp型層の厚さに依存する。水素はp型層を
通ってトレンチにより露出させた面から容易に拡散す
る。これによりアニール前のトレンチが形成されていな
いものより著しく伝導性が高い埋込みp型層が得られ
る。別の実施形態では、アクセプタドーピングIII-V族
p型層の表面は、上に位置するn型層によって覆われ
る。n型層の一部は、p型層の表面を露出させるために
エッチングされる。この後、p型層の露出させた面から
水素を外方拡散させてp型層の伝導性を増加させるため
に、アニールが実行される。
Description
V族半導体デバイスに関し、特に、発光ダイオード、レ
ーザーダイオードまたはヘテロ接合バイポーラトランジ
スタのようなデバイスにおける埋込み(buried)P型ガ
リウム窒化物層の抵抗率を低下させることに関する。
率を実現し高耐久性を有する、ソリッドステート光源で
ある。重要なクラスのIII-V族発光ダイオードは、典型
的にはIII族窒化物と省略されるような、V族の窒素
(N)を有するIII族原子(具体的には、In、Gaお
よびAl)の化合物に基づいている。III族窒化物化合
物の1つの族は、一般組成InxAlyGa1-x-yNを有
する。ここで、0≦(x、y)≦1であり、x+y≦1
である。この一般組成は、単にGaNとよばれる。III
族窒化物は、紫外線と、青色、緑色および黄色の波長を
含む可視光線との電磁スペクトルの大部分に及ぶ光を発
することができる。LEDの輝度および他の光学的性質を
向上させることは、重要な技術的な目標である。
タイプのLED10の一例を示しており、このLED
は、n−p−nトンネル接合LEDとよばれ、2つのn
型GaN層14および15の間に差し込まれたp型Ga
N層12を有する。これらの層12、14および15の
それぞれは、実際には、組成またはドーピングレベルを
変化させた個別のエピタキシャル層を多く含んでいる。
とよばれる。様々な層については、サファイア、SiC
またはその他のタイプの基層16の上にエピタキシャル
成長させる。n型層15およびp型層12は、多くドー
ピングされる。これらの2つの層により形成されるp−
n接合は、金属コンタクト20と21との間に電圧を印
加することにより、反転バイアスされる。これらの2つ
の層のドーピングレベルが非常に高い(>1019c
m-3)ので、空間電荷領域(space-charge region)間
にトンネルが低い反転バイアス電圧(<1V)で発生
し、この接続間に電流を流すことができる。
n接合を形成する。n型層14からの電子がp型層12
からの正孔と再結合する際には、所望の波長を有する光
子が、層12と14との間のp−n接合に配置された活
性領域から発せられる。基層16を含む様々な層は、実
質的に透明であるので、LED10により光が発せられ
る。
性領域を配置して、トンネル接合が層12および14に
より形成されうる。いずれの場合にも、この構造は、活
性領域の両面に低抵抗率を有する厚いn型層を用いる従
来のp−n接合LEDに比べて、優れた効果を有する。
この基本構造によって、GaNベースレーザーダイオー
ドの性能を向上させることができる。
T)もまたn−p−n構造を用いており、後述する問題
は、LED、レーザーおよびバイポーラトランジスタ構
造にも同様にあてはまる。図2は、基層23、n型Ga
Nコレクタ24、p型GaNベース25n型GaNエミ
ッタ26、ならびに、金属コンタクト27、28および
29を有する1つのタイプのHBT22を示す。エピタ
キシャル成長の間において、ベースコンタクト28領域
のためのベース25層の表面を露出させるべくエミッタ
26層をエッチングする前に、Mgをドーピングしたベ
ース25は、n型エミッタ26の下に埋め込まれる。
する総伝導電流がコンタクトに印加されるようにn型層
およびp型層の伝導率を高くすることは重要である。
は比較的に簡単であるが、低抵抗率を有するp型GaN
層を形成することは困難であることがわかっている。様
々なGaNエピタキシャル層を形成するための典型的な
処理では、NH3(アンモニア)ガスが、有機金属化学
気相成長法(MOCVD)の間においてチャンバの中に
導入されてN組成に寄与する一方、その他のガスが導入
されてIII族組成およびドーパントに寄与する。p型材
料を形成するために、ドーパントは、典型的にはマグネ
シウム(Mg)である。Mg原子はアクセプタともよば
れる。
成長させる間において、反応ガスから水素原子のいくつ
かは、アクセプタをドーピングしたエピタキシャル層に
組み込まれ、Mgアクセプタを有する複合体(comple
x)を形成する。ここで、Hは、最も隣接するN原子に
結合される。これにより、たいていのMgアクセプタが
パッシベート(passivate)され、これらのMgアクセ
プタの効果を効果的に中和され、p型であるが5×10
15cm-3未満の正孔濃度を有する著しく抵抗性を有する
層が残される。
半導体における意図しない水素(H)のパッシベーショ
ン(passivation)は、周知の現象である。水素のパッ
シベーションは、InP、GaAs、InAlGaPお
よびその他の座利用において観測されてきている。論
文"Hydrogen in III-V Device Structures"、Stephen S
tockmanおよびGregory Stillman、材料科学フォーラ
ム、ボリューム148-149(1994)、P501−536、
および、これに引用されている論文を参照のこと。
した層は、表面に存在する(すなわち、n型層の下に埋
め込まれていない)。この場合には、低抵抗率について
は、アクセプタをドーピングした材料におけるアクセプ
タを活性化するべく水素の存在しない環境で単にアニー
ルを行うことにより、下記のエピタキシャル成長により
実現することができる。これは、化合物半導体産業にお
ける製造工程の部分として一般的に用いられている。Ne
umark Rothschildに対する米国特許第5,252,499
号および日亜化学工業に対する米国特許第5,306,6
62号を参照されたし。GaN材料については、この熱
アニール処理は、高い抵抗率を有する絶縁材料をp型伝
導性に変換するために用いられる。
含むウェハがパターン付けおよびエッチングされた後、
いくつかのコンタクトを付与すべく金属化が行われる。
この後、個別のLEDは分離され、いくつかのデバイス
が実装される。
者は、Mgをドーピングした埋込み型の層を組み込んだ
トンネル接合LEDのようなデバイスでは、800℃を
超える温度でエピタキシャル構造をアニールしても、M
gアクセプタを適切に活性化することができない、とい
うことを発見した。別言すれば、アニールを施したp型
の埋込み型層は、低い抵抗率を有することができない。
は、材料の質が低下しうる。高温度アニールに受けたデ
バイスでは、実際、15〜20Vの初期順方向電圧が、
アニール後に、数ボルトだけ低減されたにすぎない。数
時間の高電流「ソーク(soak)」によって、抵抗性を有
するp型層における電子と正孔の再結合によるMgの活
性化に起因して、順方向電圧が約5Vだけ低減された。
しかしながら、この「ソーク」は、多くの理由により、
すなわち、バーンイン(burn-in)が必要とされるこ
と、完全な活性化を実現できないこと、順方向電圧は依
然として高いこと、残存する水素は逆効果(adverse ef
fects)を有しうること、および、潜在的な信頼性の問
題があることにより、望ましくない。p型層から水素を
外方拡散させるのに、高温での長いアニールが不適当で
ある1つの理由は、上に位置するn型層が、表面から逃
げる水素に対する障壁として機能することである。これ
に対する1つの理由は、デプレッション領域のn側で正
に帯電したイオンとp側で負に帯電したイオンとを形成
するp−n界面に形成されたデプレッション領域が存在
することである。水素は、p型半導体ではプロトン(H
+)として拡散するので、このp−n接合における内蔵
(built-in)電場は、正に帯電した水素イオンを抑圧し
て、水素が効率的に外方拡散することを防止する。加え
て、n型半導体における水素の拡散性は、極端に低い。
ラトランジスタ、および、p型埋込み層を組み込んだそ
の他の構造における、p型埋込み層の伝導性を増加させ
る技術が必要とされている。
は、III-V族埋込みp型層(アクセプタをドーピングし
た層)を組み込んだウェハは、p型層にトレンチを形成
して該p型層の面を露出させるためにエッチングされ
る。
いられる典型的な800℃の温度以下とすることができ
るアニール温度でアニールされる。アニールの長さは、
p型層の露出させた面の間隔に依存する。水素は、上に
位置するn型層ではなく、p型層を通ってトレンチによ
り露出させた面から容易に拡散する。この結果、従来技
術にかかるp型の埋込み層よりも伝導性の高いp型の埋
込み層が得られる。
ベース層(Mgドーピングベース層)がn型エミッタ層
の下に埋め込まれるようなヘテロ接合バイポーラトラン
ジスタにおけると同様に、n型エミッタ層は、Mgドー
ピングベース層の上部領域を露出させるようにエッチン
グされる。この露出させた領域については、後に形成さ
れる金属コンタクトとしてのコンタクト領域とすること
ができる。アニール工程は、Mgドーピングベース層全
体から上記露出させた領域を通って水素が外方拡散する
ことができるように、金属コンタクトが形成される前に
実行される。
めのどのような技術についても、p型層から水素を外方
拡散させるために、アニール工程に先行して実行するこ
とができる。
はその他の材料により形成された基層30を備えたウェ
ハの一部の断面図である。基層30については、透明ま
たは不透明とすることができる。AlGaNまたはその
他のIII-V族化合物半導体材料のような化合物により形
成されたn型層32が、典型的には有機金属化学気相成
長法(MOCVD)を用いて基層30の上に形成され
る。このようなエピタキシャル層を成長させることは、
従来より非常によく知られており、様々なガスを導入し
て、シリコンのようなn型ドーパントだけでなくIII-V
族化合物に寄与させることにより、実行される。これら
の層については、500℃―1100℃の範囲の温度ま
たはさらに高い温度で成長させる。このような成長処理
については、米国特許第5,729,029号および第
6,133,589号に記載されており、これらの特許は
引用により本明細書に含められる。
であり、結果として得られるLEDおよび基層材料の所
望特性に多少依存する。n型層32は、n型材料のいく
つかの層を含み、また、ドーピングされていない層を含
むことができる。
Nのp型層34が形成される。III-V族化合物について
の一般的なアクセプタドーパントは、マグネシウムであ
る。p型層34は、アクセプタをドーピングした材料の
いくつかの層を含むことができる。p型層34は、典型
的には、多くドーピングがなされ、5×1018cm-3よ
り高いMg濃度を実現する。
上にエピタキシャル成長させる。n型層36もまた多数
のn型層を含むことができる。
における窒素に寄与するための一般的なガスである。N
H3は、また、p型層34に入る自由水素(free hydrog
en)に寄与し、この自由水素がp型層34におけるたい
ていのMgアクセプタを活性化する。この結果、p型層
34は、抵抗性(約5000Ω-cm)を有することに
なり、たいていのデバイス構造で使用することができな
いものとなる。典型的にはアクセプタをドーピングした
層(アクセプタドーピング層)から水素を外方拡散させ
るために用いられる、水素の存在しない環境における非
対称成長(as-grown)エピタキシャルウェハに対する従
来のアニールは、p型層34の上に位置するn型層36
が水素の外方拡散を阻止することに起因して、効果的で
はない。
層34から逃がすための実現方法を提供するためには、
ウェハの表面は、図4に示すように従来の写真石版術技
術を用いてパターン付されエッチングされ、p型層34
の面40を露出させるべくトレンチ38が形成される。
一実施形態では、トレンチ38間のp型層34の幅は、
ほぼ1μm〜1000μmであり、p型層34の厚さ
(tp)は、ほぼ500オングストローム〜5μmであ
る。トレンチ間の各p型層部分の幅については、ダイス
および実装の後の最終的なLEDの幅より著しく小さく
することができるので、各LEDに多数のトレンチが存
在しうる。トレンチについては、図4に示すように引き
伸ばしたストリップとして形成することができ、また
は、任意の幾何学的外形(正方形または円形の穴、ヘビ
状パターン等)を用いて形成することができる。
ク、金属またはフォトレジストを用いた後、トレンチ3
8をエッチングするべくRIEエッチングが実行され
る。この後、マスクが除去され、ウェハは、十分な水素
がp型層34における露出させた面40を通って外方拡
散するまで、200〜900℃の間のアニール温度でア
ニールされる。一実施形態では、アニールは、10分間
800℃で実行される。アクセプタをドーピングした層
(アクセプタドーピング層)34(最初はp型であるが
高抵抗率を有する)は、ここでは、低抵抗率を有するp
型である。p型層34の露出させた面40から水素を外
方拡散させるためのアニールパラメータは、アスペクト
比(W/tp)に依存する。アニール工程は、典型的に
は、ほとんどすべての水素を外方拡散させる。アニール
前の初期正孔密度は、典型的には、約5×1015cm-3
であり、アニール後の最終的な正孔密度は、典型的に
は、1×1017cm-3より大きい。
面図である。図5に示すように、TiAlのようなコン
タクト金属44(点線で示されている)を堆積およびパ
ターン付けして、n型層36および32を有するオーミ
ックコンタクトにおいて金属ラインを形成する。図1を
参照して説明したように、上部n型層36は、p型層3
4に対して、反転バイアスされる。トンネル電流が接合
を通して流れることにより、p型層34は、上部n型層
36に印加されたバイアス電圧に効果的に結合すること
になる。順方向バイアス電圧が下部のp−n接合に印加
される。電子と正孔とが典型的にはn型層32の上部付
近に配置された活性領域で再結合する際に、光が発せら
れる。メタル44を接触させるためにワイヤボンドを用
いることができ、または、デバイスについては、金属4
4のまわりのボンディングパッドがサブマウント上のパ
ッドに直接半田付けされるようなフリップチップとする
ことができる。金属44を用いないさらなるトレンチ3
8を形成して、水素の外方拡散の助けとすることができ
る。
Dは、4ボルト未満の順方向電圧、および、トンネル接
合デバイスでも観測される最も均一なライトアップ(li
ght-up)パターンを有する。驚くべきことに、本技術
は、非常に大きなアスペクト比(W/tp)で動作する
ように思われる。この技術は、熱ダメージを最小化する
一方でより完全な活性化を実現する明らかな利益を有す
る。これは、アニールがより低い温度でより短い時間で
実行されるからかもしれない。この技術は、特に、HB
T、トンネル接合LEDまたはレーザのようなデバイス
を製造することに適用される。
まれたp型層に適用して説明してきたが、本発明は、ま
た、水素の外方拡散に対する障壁を形成する表面層を持
ったp型層を有数ル任意の構造にも適用することができ
るものである。このような障壁については、上に位置す
るn型層が存在しない場合でも起こる、表面準位誘導バ
ンドベンディング(surface-state-induced band-bendi
ng)とすることができる。
では上に位置するn型エミッタ26により水素の外方拡
散が阻止されるので埋め込み型と考えられる、アクセプ
タをドーピングしたGaNベース層25を示す。従来技
術では、アニールは、コンタクト領域を形成するための
n型エミッタ26のエッチングに先行して実行される。
よって、これまでは、構造をアニールすることによって
はベース層25からすべての水素を除去できなかったの
で、高抵抗率を有するp型ベース層25が形成されてい
た。
み型のGaNの層を有するデバイスを形成する際の中間
工程を示す。図6では、アクセプタをドーピングした埋
込み型のGaN層60は、上に位置するn型GaN層6
2をエッチングすることにより、露出される。この後、
層60の露出させた表面部分の上に金属コンタクト64
を形成することに先行して、露出させた表面部分を通し
て層60から水素を外方拡散させるために、400℃〜
900℃でのアニールが実行される。図6におけるアク
セプタをドーピングした層60の側面は、ウェハが未だ
ダイスされていないので、露出されていない。
6の技術は、アクセプタをドーピングした埋込み型の層
から水素を外方拡散させるために実行される。
ダイオード、p−n−pフォト検出器またはその他のデ
バイスを含む、多くのタイプの半導体デバイスのための
基礎となる。この構造は、また、高い電子移動度のトラ
ンジスタのような電子デバイスにおける並列伝導(para
llel-conduction)問題を防止するため使用されうる。
本発明の教示は、これらのデバイスのいずれにも適用す
ることが可能なものである。
も変更することが可能である。例えば、熱活性化処理
を、アクセプタの活性化の効率を増加させるために、ま
たは、400℃以下の温度での活性化を可能とするため
に、紫外線露光、電子ビーム衝撃、超音波振動、また
は、電磁放射に対する露光と組み合わせることができ
る。
については、特定の条件の元で非常に高い初期抵抗率
(さらには絶縁性)を有するように、成長させることが
できる。この場合、本発明の教示を依然として適用する
ことができる。
きたが、当業者であれば、本発明から逸脱することなく
本発明のさらに広い態様において変形および変更をする
ことが可能であり、したがって、別記請求項は、該請求
項の範囲内で、本発明の真の思想および範囲内に含まれ
るそういったあらゆる変形および変更を含むものであ
る。
示す断面図
n層の上に成長させたエピタキシャルウェハの一部を示
す断面図
層から水素を外方拡散させるためにウェハをアニールす
る前に埋込みp型層の面を露出させるべくエッチングさ
れる様子を示す図
す分離されたLEDを示す上面図
方拡散させるためにn型層をエッチングする前にアニー
ルされるGaN半導体構造の一部を示す断面図
Claims (27)
- 【請求項1】 半導体構造を形成する方法であって、 アクセプタを用いてドーピングされたIII-V族化合物半
導体層を形成してアクセプタをドーピングした層(アク
セプタドーピング層)を形成する工程であって、アクセ
プタの大部分が該アクセプタドーピング層における水素
により活性化される工程と、 前記アクセプタドーピング層にトレンチを形成する工程
であって、該アクセプタドーピング層の面を露出させる
工程と、 前記トレンチにより露出させた前記アクセプタドーピン
グ層の前記面を通して水素を外方拡散させるために該ア
クセプタドーピング層をアニールする工程であって、前
記アクセプタを活性化させて該アクセプタドーピング層
における正孔密度を増加させかつ該アクセプタドーピン
グ層の抵抗率を低下させる工程と、を備えることを特徴
とする方法。 - 【請求項2】 前記アニールする工程に先行して、前記
アクセプタドーピング層の上に位置するIII-V族のn型
ドーピング層を形成する工程を備える請求項1に記載の
方法。 - 【請求項3】 前記トレンチを形成する工程に先行し
て、前記III-V族のn型ドーピング層を形成する工程を
実行する請求項2に記載の方法。 - 【請求項4】 前記アクセプタドーピング層の下に位置
する第2のn型ドーピング層を形成する工程を備える請
求項2に記載の方法。 - 【請求項5】 前記トレンチを形成する工程は、ほぼ1
μm〜1000μmを隔ててトレンチを形成する工程を
備える請求項1に記載の方法。 - 【請求項6】 前記アクセプタドーピング層を形成する
工程は、ほぼ500オングストローム〜5μmの間の厚
さを有するアクセプタドーピング層を形成する工程を備
える請求項1に記載の方法。 - 【請求項7】 前記アニールは、実質的に前記水素のす
べてを外方拡散させる請求項1に記載の方法。 - 【請求項8】 前記アクセプタはマグネシウムを含む請
求項1に記載の方法。 - 【請求項9】 前記アニールする工程に先行して前記ア
クセプタドーピング層の上に位置するIII-V族n型ドー
ピング層を形成する工程を備え、前記半導体構造は発光
ダイオードを形成する請求項1に記載の方法。 - 【請求項10】 前記アクセプタドーピング層の下に位
置する第2のn型ドーピング層を形成して、トンネル接
合発光ダイオードを形成する工程を備える請求項9に記
載の方法。 - 【請求項11】 前記アニールに先行して前記アクセプ
タドーピング層の上に位置するIII-V族n型ドーピング
層を形成する工程と、 前記アクセプタドーピング層の下に位置する第2のドー
ピング層を形成して、ヘテロ接合バイポーラトランジス
タを形成する工程と、を備える請求項1に記載の方法。 - 【請求項12】 前記アニールは、ほぼ850℃未満の
温度で実行される請求項1に記載の方法。 - 【請求項13】 前記アニールは、ほぼ400℃〜60
0℃の間の温度で実行される請求項1に記載の方法。 - 【請求項14】 前記アクセプタドーピング層は、複数
の層を含む請求項1に記載の方法。 - 【請求項15】 アクセプタをドーピングしたIII-V族
化合物半導体層を含む埋込み層と、 前記埋込み層の表面の少なくとも一部の上に形成された
少なくとも1つの付加層と、 前記アクセプタドーピング層の面を露出させるために該
アクセプタドーピング層に形成された少なくとも1つの
トレンチと、を備え、 前記アクセプタドーピング層は、該アクセプタドーピン
グ層の前記面から水素を外方拡散させるためにアニール
され、前記アクセプタドーピング層内のアクセプタを活
性化させて前記アクセプタドーピング層における正孔密
度を増加させかつ該アクセプタドーピング層における抵
抗率を低下させることを特徴とする半導体構造。 - 【請求項16】 前記アクセプタドーピング層は、発光
ダイオードにおける層を形成する請求項15に記載の半
導体構造。 - 【請求項17】 前記アクセプタドーピング層は、ヘテ
ロ接合バイポーラトランジスタにおける層を形成する請
求項15に記載の半導体構造。 - 【請求項18】 前記アクセプタドーピング層は、トン
ネル接合発光ダイオードにおける層である請求項15に
記載の半導体構造。 - 【請求項19】 アクセプタを用いてドーピングされた
III-V族化合物半導体層を形成してアクセプタをドーピ
ングした層(アクセプタドーピング層)を形成する工程
であって、アクセプタの大部分が該アクセプタドーピン
グ層における水素により活性化される工程と、 前記アクセプタドーピング層の上に位置する第2の層を
形成する工程と、 前記第2の層をエッチングして前記アクセプタドーピン
グ層の一部を露出させる工程と、 少なくとも前記アクセプタドーピング層の前記露出させ
た部分を通して水素を外方拡散させるために該アクセプ
タドーピング層をアニールする工程であって、前記アク
セプタを活性化させて該アクセプタドーピング層におけ
る正孔の密度を増加させかつ該アクセプタドーピング層
の抵抗率を低下させる工程と、を含む処理により形成さ
れる半導体構造。 - 【請求項20】 前記アクセプタドーピング層をアニー
ルする工程の後、該アクセプタドーピング層の前記露出
させた部分の少なくとも一部の上に金属コンタクト層を
形成する工程により形成される請求項19に記載の半導
体構造。 - 【請求項21】 前記構造は発光ダイオードである請求
項19に記載の半導体構造。 - 【請求項22】 前記構造はヘテロ接合バイポーラトラ
ンジスタである請求項19に記載の半導体構造。 - 【請求項23】 前記アニールは、850℃以下の温度
で実行される請求項19に記載の半導体構造。 - 【請求項24】 前記アニールは、ほぼ400℃〜60
0℃の間の温度で実行される請求項19に記載の半導体
構造。 - 【請求項25】 III-V族半導体埋込み層の抵抗を低減
させる方法であって、 アクセプタを用いてドーピングされたIII-V族化合物半
導体層を形成して前記アクセプタをドーピングした層
(アクセプタドーピング層)を形成する工程であって、
アクセプタの大部分が前記アクセプタドーピング層にお
ける水素により活性化させる工程と、 前記アクセプタドーピング層の上に位置する第2の層を
形成する工程と、 前記第2の層をエッチングして前記アクセプタドーピン
グ層の一部を露出させる工程と、 少なくとも前記アクセプタドーピング層の前記露出させ
た部分を通して水素を外方拡散させるために該アクセプ
タドーピング層をアニールする工程であって、前記アク
セプタを活性化させて該アクセプタドーピング層におけ
る正孔の密度を増加させかつ該アクセプタドーピング層
の抵抗率を低下させる工程と、を備えたことを特徴とす
る方法。 - 【請求項26】 前記第2の層をエッチングする工程
は、前記アクセプタドーピング層にトレンチをエッチン
グする工程を備える請求項25に記載の方法。 - 【請求項27】 前記第2の層をエッチングする工程
は、前記第2の層をエッチングして前記アクセプタドー
ピング層の表面を露出させる工程を含む請求項25に記
載の方法。
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