JP4230715B2 - 光放射半導体素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体物質のドーピングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
III-Ｖ群は、周期表のIII及びＶ群から選択された要素を含む。特に、III群窒化半導体が、光電子素子応用のための光放射材として用いられる。III群窒化半導体はまた、高周波、高出力、及び／又は高温電子素子用に使用され得る。これらのタイプの半導体は、短い波長の可視光放射に必要とされる広いバンドギャップを持つ。既知のIII群窒化物と、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎのようなIII群の要素、及びＶ群要素Ｎを含む合金、が存在する。これらの材料は、基板上に蒸着され、ＬＥＤやレーザーダイオードを含む光電子素子に使用できる層構造を形成する。これらの素子は、広い帯域で可視光線を放射する。
【０００３】
そのようなIII-Ｖ族半導族の一つはＧａＮである。ＧａＮは、青色放射レーザーダイオードを製造するために用いられる、広いバンドギャップの半導体である。これらのレーザーダイオードには、ｎ型ドーピング及びｐ型ドーピングを持つ領域が必要とされる。Ｎ型ドーピングは通常、Ｇａ原子を置き換えてドナーとして動作するＳｉ原子を導入することによって、ＧａＮレーザーで達成される。Ｐ型ドーピングは通常、Ｇａサブ格子位置を占有してアクセプタとして動作するＭｇ原子を導入することによって、ＧａＮレーザーで達成される。アクティブ領域は、ｎ型領域とｐ型領域の間に位置する。
【０００４】
現在、半導体物質のドーピングレベルは、効率的な半導体素子動作に要求されるレベルより小さい。例えば、ｐ型ドーピングに起因するＧａＮのホール密度は、通常、１０18ｃｍ-3の数倍より小さい。複数のファクターが、ホール密度を制限し得る。一つのファクターは、Ｍｇ原子の低溶解度である。他のファクターはホールとＭｇアクセプタとの高結合エネルギーである。
【０００５】
【発明の概要】
本発明は、III-Ｖ族半導体物質の基板原子の原子半径（covalent radii）より小さい、あるいは、それより大きい原子半径を持つドーパント原子によってもたらされる、局所的応力を補償する、ドープされた物質及びドープするための方法を提供する。
【０００６】
種々の模範的実施例で、本発明による半導体構造は、基板上に形成された、III族窒化層のような少なくとも一つの、第１の、III-Ｖ族層を含む。少なくとも一つの第１のIII-Ｖ族層の少なくとも一部分は、ｎ型ドーパント及びｐ型ドーパントの一つによってドープされる。アクティブ層が、少なくとも一つの第１のIII-Ｖ族層上に接して（on）、あるいはその上に（over）形成される。少なくとも一つの第２のIII-Ｖ族層が、アクティブ層上に接して、あるいはその上に形成される。少なくとも一つの第２のIII-Ｖ族層の少なくとも一部分が、他の一つのｎ型ドーパント及びｐ型ドーパントによってドープされる。少なくとも一つの第１のIII-Ｖ族上に接して、あるいはその上に第１の電極が形成され、少なくとも一つの第２のIII-Ｖ族層上に接して、あるいはその上に第２の電極が形成される。ｐ型ドーパントは、第１のｐ型ドーパント及び第２のｐ型ドーパント及び等価不純物（isovalent impurity）のいずれか、あるいは双方を含む。第１のｐ型ドーパントは、その寸法が第２のｐ型ドーパント及び／又は等価不純物の一つの寸法と異なる原子半径を持つ。第１のｐ型ドーパントは、ベースIII族要素の原子半径より小さいか大きいかのいずれかの原子半径を持つ一方、第２のｐ型のドーパント及び／又は等価不純物のそれぞれは、それぞれ、ベースIII族要素の原子半径より大きいかあるいは小さい原子半径を持つ。
【０００７】
第１のｐ型ドーパントによってもたらされる局所的応力は、第２のｐ型ドーパント及び／又は等価不純物によってもたらされる局所的応力によって補償される。局所的応力が減らされるので、第１のｐ型ドーパントの密度が増加され得る。
【０００８】
本発明に係る半導体物質には、ｐ型ドーパントでドープされた少なくとも一つのIII−Ｖ族領域を含む半導体物質であって、上記ｐ型ドーパントは第１のｐ型ドーパント及び少なくとも一つの第２のｐ型ドーパント及び不純物を含み、上記第１のｐ型ドーパントは、上記第１のｐ型ドーパントによってもたらされる、上記少なくとも一つのIII-Ｖ族領域での局所的応力が、上記少なくとも一つの上記第２のｐ型ドーパント及び上記不純物によってもたらされる、上記少なくとも一つのIII-Ｖ族領域での局所的応力によって補償されるように、そして、上記少なくとも一つのIII-Ｖ族領域での、上記第１のｐ型ドーパントの密度が高められるように、各上記第２のｐ型ドーパント及び上記不純物の原子半径とサイズが異なった原子半径を持つ、半導体物質が含まれ、また、
ｎ型ドーパントでドープされた少なくとも一つのIII-Ｖ族領域を含む半導体物質であって、上記ｎ型ドーパントは第１のｎ型ドーパント及び少なくとも一つの第２のｎ型ドーパント及び不純物を含み、上記第１のｎ型ドーパントは、上記第１のｎ型ドーパントによってもたらされる、上記少なくとも一つのIII-Ｖ族領域での局所的応力が、上記少なくとも一つの上記第２のｎ型ドーパント及び上記不純物によってもたらされる、上記少なくとも一つのIII−Ｖ族領域での局所的応力によって補償されるように、そして、上記少なくとも一つのIII-Ｖ族領域での、上記第１のｎ型ドーパントの密度が高められるように、各上記第２のｎ型ドーパント及び上記不純物の原子半径とサイズが異なった原子半径を持つ、半導体物質が含まれる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下の本発明の模範的実施例の記述は、いかなるタイプの既知あるいは後に発見され得る半導体構造及び物質にも向けられ得ることが理解されなければならない。しかし、以下の本発明の模範的実施例は、窒化半導体物質及び窒化半導体物質を用いた光放射素子構造に向けられる。特に、以下の記述は、ＧａＮ半導体構造に向けられる。しかし、以下に記載される技術は、いかなる既知のあるいは後に発見される半導体化合物のｎ型あるいはｐ型のドーピングにも向けられ得ることを理解して欲しい。
【００１０】
以下の記述で、用語“ドーピング”及び“ドーパント”は、等価不純物のような不純物の、半導体物質への導入を含むように解釈されるべきであり、よって、ドナーあるいはアクセプタ物質の導入に限定されないように理解されるべきである。
【００１１】
図１は、本発明の一つの模範的実施例による、多層光放射素子構造100を示す。光放射素子構造100は、基板110を含み、これは、例えば、サファイアあるいはシリコン炭化物のような、いかなる既知のあるいは後に開発される物質によっても形成され得る。サファイアの場合には、光電子素子のためには、Ａ及びＣオリエンテッド（oriented）単一クリスタルサファイアが好ましい。基板110上に、第１のIII族窒化層120が形成される。ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、及びＡｌＧａＮのようなIII族窒化物は、短波長可視光放射に必要なバンドギャップに伴う特性を持つ。図１に示される、少なくとも第１のIII族窒化層120の一部分は、ｎ型ドープされた領域である。アクティブ層130は、第１のIII族窒化層120の上に接して、あるいはその上に形成される。アクティブ層のために、例えばＩｎＧａＮのような、いかなる適切な物質もが使用され得る。
【００１２】
第２のIII族窒化層140が、アクティブ層130の上に接してあるいはその上に、その後形成される。この第２のIII族窒化層140の少なくとも一部分はｐ型ドープされた領域である。第２のIII族窒化層140の上に接して、あるいはその上に、第１の電極150が形成される。第１のIII族窒化層120上に接して、あるいはその上に、第２の電極152が形成される。結果としての構造が図１に示され、これは、ｐ型III族窒化領域140とｎ型III族窒化領域120との間に閉じ込められたアクティブ層130を含む。
【００１３】
動作時には、第１の電極150と第２の電極152の間に電気ポテンシャルが印加される。導電バンドの電子は、ｎドープされたIII窒化層120から、アクティブ層130の、より低いエネルギー状態へ流れる。第１の電極150に印加された電圧は、ｐドープされたIII族層140の荷電子体ホールをアクティブ層130に流し込ませる。従って、ｎドープされたIII族窒化層120からの電子が、ｐドープされたIII族窒化層140からのホールと、アクティブ層130で結合する。アクティブ層130でのホールと電子の再結合によって、発光が起こる。
【００１４】
光放射素子構造100内で、多重閉じ込め、及び多重接触層、が提供され得る。従って、第１及び第２のIII族窒化層120及び140は説明用であり、光放射素子構造100内で形成され得るIII族窒化層の数を限定する意図は無い。
【００１５】
ｐ型ドーピングは、Ｍｇ原子のドーピングによって、ＧａＮ半導体で達成された。しかし、Ｍｇドーピングによって、所望のホール密度より少ないホール密度しか達成できなかった。
【００１６】
本発明で使用され得る、III−Ｖ族物質の一つの模範的実施例で、ＧａＮ半導体は、Ｂｅでｐドープされ、そして、Ｂｅのそれより大きい原子半径を持つ他のｐドーパントとともにコ・ドープ（co-doped）される。計算機による計算結果[ジェイ．ニューゲバウア 及び Ｃ．Ｇ．バン デ ワレ、ジェイ．アプレイケーション フィジックス 85、3003（1999）]は、ＧａＮ中のＢｅの溶解性が、Ｍｇのそれより大きくなり、Ｂｅのイオン化エネルギーが、Ｍｇのそれよりわずかに小さいことを示した。
【００１７】
形成エネルギー（formation energy）は、置換型アクセプターの溶解性を直接決定する。次に、形成エネルギーは、置換型アクセプターの最も近傍との結合の強度によって影響を受け、置換型アクセプターが置き換える原子と比較した置換型アクセプターのサイズによって影響を受ける。III族の位置でアクセプターが置換する場合には、その最も近傍はＶ族原子である。従って、Ｂｅの結合強度は、Ｂｅ3Ｎ2形成時の熱によって評価され得る。Ｂｅ3Ｎ2は、Ｍｇ3Ｎ2のそれよりも、非常に、より高い形成熱を持つ。Ｍｇ-Ｎと比較してＢｅ-Ｎ結合が強いほど、窒化ベースのＶ族半導体中のＭｇと比較して、Ｂｅの溶解性に好ましい影響を与える。
【００１８】
しかし、比較的低いＢｅの形成エネルギーが、比較的小さいＢｅの原子半径によって打ち消される。Ｇａの原子半径よりも、Ｂｅは非常に、より小さな原子半径を持つ。従って、ｐドーパントとしてのＢｅは、結果として、Ｎの最も近傍の相当の緩和（sizable relaxation）によって、Ｇａ-Ｎ格子での局所的歪みをもたらす。Ｂｅ原子によってもたらされる局所的な歪みは、エネルギー論的にコスト高となり（energetically costly）、Ｇｅ位置でのＢｅ原子の形成エネルギーを持ち上げる。結果として、Ｂｅによってのみドープされた、ＧａＮ中のＢｅ形成エネルギーは、実際には、Ｍｇのそれより僅か低いだけである。従って、Ｇａ位置上のＢｅの密度は、比較的低く抑えられる。
【００１９】
本発明によるIII−Ｖ族物質の一つの模範的実施例によれば、Ｇａ格子中の、より高いＢｅの密度は、少なくとも一つの第２の、より大きなｐドーパント及び／又は等価不純物を、Ｇａ-Ｎ格子のＧａ位置に導入することによって達成される。一般的に、少なくとも一つの、第２のｐドーパント及び／又は等価ドーパントあるいは不純物は、第１のｐ型ドーパントより大きい原子半径を持つ。このことは、第１のｐ型ドーパントが、ベースIII族要素の原子半径より小さい原子半径を持つ際に、特に有用である。この場合、種々の模範的実施例では、少なくとも一つの第２のｐ型ドーパント及び／又は原子ドーパントあるいは不純物が、ベースIII族要素の原子半径より大きい原子半径を持ち得る。Ｂｅ原子の小さなサイズは、このように、その近傍の他のドーパントの、より大きなサイズによって補償される。より大きなサイズの原子の応力補償によって、ドーパント複合体の、より低い形成エネルギーがもたらされる。従って、次に、Ｇａ格子のＢｅのより高い密度をもたらす。
【００２０】
代わりに、他の模範的実施例で、少なくとも一つの第２のｐ型ドーパント及び／又は等価ドーパントあるいは不純物が、第１のｐ型ドーパントより小さい原子半径を持つ。第１のｐ型ドーパントが、ベースIII族要素の原子半径より大きい原子半径を持つ際、これは特に有用である。この場合、種々の模範的実施例で、少なくとも一つの第２のｐ型ドーパント及び／又は等価ドーパントあるいは不純物が、これもまたベースIII族要素の原子半径より小さい、原子半径を持ち得る。
【００２１】
本発明によるIII−Ｖ族物質の一つの実施例に従って、Ｂｅとともにドーパントとして導入された等価不純物は、Ｉｎである。一つあるいはそれ以上のＩｎ原子を持ち、２番目に近い、近傍の位置に位置する、Ｂｅ原子を含む複合体の形成エネルギーは、隔離されたＢｅ原子のそれより、更に低い。Ｉｎの付加による形成エネルギーの減少は、Ｇａ格子でのＢｅ密度を高める。Ｂｅ-Ｎ-Ｉｎ複合体の例が図８に示される。
【００２２】
本発明による、III-Ｖ族物質の第２の模範的実施例に従って、ＧａＮ半導体が、小さなII族アクセプターによってドープされ、より大きなII族アクセプターによってコ・ドープされる。適切な小さなII族アクセプターの例がＢｅである。適切な大きいII族アクセプターの例はＭｇである。Ｇａ格子内のＢｅとＭｇ原子は、Ｂｅ-Ｎ-Ｍｇ複合体を形成する。Ｂｅ-Ｎ-Ｍｇ複合体はダブルアクセプター（double acceptor）複合体である。
【００２３】
本発明によるIII-Ｖ族物質の第３の模範的実施例に従って、ＧａＮ半導体は、大きいII族アクセプターによってドープされ、小さいIII族等価不純物によってコ・ドープされる。適切な大きいII族アクセプターの例は、Ｍｇである。適切な小さいIII族の等価不純物の例は、Ａｌである。Ｇａ格子内のＭｇとＡｌ原子は、Ｍｇ-Ｎ-Ａｌ複合体を形成する。Ｍｇ-Ｎ-Ａｌ複合体は、単一アクセプター複合体である。
【００２４】
本発明によるIII-Ｖ族物質の第４の模範的実施例に従って、ＧａＮ半導体が、小さなII族アクセプターによってドープされ、大きなＶ族等価不純物によってコ・ドープされる。適切な、小さなII族アクセプターの例は、Ｂｅである。適切な大きなＶ族の等価不純物の例は、Ｐである。Ｇａ格子中のＢｅとＰ原子は、Ｂｅ-Ｐ複合体を形成する。Ｂｅ-Ｐ複合体は、単一のアクセプター複合体である。
【００２５】
本発明による、III−Ｖ族物質の上述の模範的実施例は、限定的ではない。本発明による、ドープされた物質及びドーピング方法は、ドープされたIII−Ｖ族層の応力補償をもたらすIII−Ｖ族半導体物質の領域での、あるいは、III−Ｖ族半導体物質の領域での、ドーパント及びコ・ドーパントのいかなる組合わせをも包含するように意図される。本発明によるドープされた物質及びドーピング方法は、例えば、ＧａＡｓ及びＩｎＰのような、いかなる既知の、あるいは後に発見される半導体化合物にも応用され得る。
【００２６】
従って、本発明によるIII−Ｖ族物質の５番目の模範的実施例によると、ＧａＡｓ半導体は、Ｇａ位置においてＢｅでｐドープされ、Ｉｎでコ・ドープされるか、あるいはＡｓ位置でＳｂでドープされる。本発明によるIII-Ｖ族物質の６番目の模範的実施例によると、ＩｎＰ半導体はＢｅでｐドープされ、Ａｓ等価不純物がＰ位置に導入される。
【００２７】
本発明によるドープされた物質とドーピング方法は、III−Ｖ族半導体の領域のｎ型ドーパントの密度を高めるためにも使用され得る。従って、７番目の模範的実施例によれば、ＧａＡｓ半導体はＴｅでｎドープされ、例えばＡｓ位置でのＳのような、より小さなサイズのコ・ドーパントでコ・ドープされる。代わりに、より大きなＴｅ原子によってもたらされた局所的応力を補償するために、Ａｓサブ格子上にＰの等価不純物が導入され得るか、あるいは、Ｇａ位置上にＢ等価不純物が導入され得る。
【００２８】
図２から８は、本発明による、光電子素子を形成する方法の第１の模範的実施例の種々のステップを示す。
【００２９】
図２は、本発明による光電子素子を形成するの方法の、第１の模範的実施例の第１のステップを示す。この第１のステップで、ｎ型のIII−Ｖ族層23は、サファイア基板21の上に接してあるいはその上に、エピタキシャルに成長させられる。ｎ型III−Ｖ族層23は、金属-有機化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）によるような、いかなる適切な方法によっても、サファイア基板21の上に接してあるいはその上に、成長させられる。この模範的実施例では、ｎ型層のIII−Ｖ族層23はｎ型ＧａＮである。ｎ型III−Ｖ族層23は、例えばＳｉのような、いかなる適切なｎ型ドーパントでもドープされる。
【００３０】
図３は、本発明による光電子素子を形成する方法の、第１の模範的実施例の第２のステップを示す。この第２のステップで、ｎ型III−Ｖ族層23の上に接してあるいはその上に、アクティブ層24が成長させられる。アクティブ層24は、例えばＩｎＧａＮのような、いかなる適切な物質をも含む。
【００３１】
図４は、本発明による光電子素子を形成する方法の、第１の模範的実施例の第３のステップを示す。この第３のステップで、ｐ型III−Ｖ族層25は、アクティブ層24の上に接してあるいはその上に、成長させられる。この模範的実施例で、ｐ型III−Ｖ族層25はＧａＮである。ｐ型III−Ｖ族層は、第１のアクセプターでドープされ、第２のドーパント及び／又は等価不純物でコ・ドープされる。第１のアクセプターは、ｐ型III−Ｖ族層25サブ格子を構成するIII族原子の原子半径と異なる原子半径を持つ。もし、第１のアクセプターの原子半径が、III族原子の原子半径より小さいなら、第２のドーパント及び／又は等価不純物は、種々の模範的実施例で、第１のアクセプターのの原子半径よりも、より大きな原子半径を持つ。種々の他の模範的実施例で、第２のドーパントあるいは等価不純物は、ｐ型III−Ｖ族層25サブ格子を形成するIII族原子の原子半径より、より大きい原子半径を持ち得る。このケースでは、より小さな第１のアクセプター原子は、ｐ型III−Ｖ族層25サブ格子で、局所的な引張り応力に晒される。より大きな第２のドーパント及び／又は等価不純物原子は、ｐ型III−Ｖ族層25サブ格子で、局所的圧縮応力に晒される。いずれのケースでも、第１のアクセプターと第２のドーパント及び／又は等価不純物を含む複合体は、応力補償され、結果として、ｐ型III-Ｖ族層25サブ格子でのアクセプターの高められた密度をもたらす。
【００３２】
同様に、もし、第１のアクセプターの原子半径が、III族原子の原子半径より大きいなら、第２のドーパント及び／又は等価不純物は、種々の模範的実施例で、第１のアクセプターの原子半径よりも、より小さな原子半径を持つ。種々の模範的実施例で、第２のドーパント及び／又は等価不純物は、ｐ型III−Ｖ族層25サブ格子を形成するIII族原子の原子半径より、より小さい原子半径を持ち得る。この場合には、より大きな第１のアクセプター原子は、ｐ型III−Ｖ族層25サブ格子で局所的圧縮応力に晒される。より小さな第２のドーパント及び／又は等価不純物原子は、ｐ型III−Ｖ族層25サブ格子で、局所的引張り応力に晒される。いずれのケースでも、第１のアクセプター及び第２のドーパント及び／又は不純物を含む複合体は、応力補償されており、結果として、ｐ型III−Ｖ族層25サブ格子での、アクセプターの高められた密度をもたらす。
【００３３】
一つの模範的実施例で、ｐ型III−Ｖ族層25は、Ｂｅでドープされ、Ｉｎでコ・ドープされる。ｐ型III−Ｖ族層25の、Ｉｎによるコ・ドープは、容易に達成される。というのは、Ｉｎソースは、アクティブ層24から容易に入手可能だからである。所望の効果は、Ｂｅ原子周辺の局所的応力補償に依存するので、大体一つのＩｎ原子、あるいはそれ以上のＩｎ原子が、各々のＢｅ原子に対して提供されなければならない。Ｉｎ原子の所望の密度は、このように、アクセプター密度のオーダーである。しかし、相対的ドーピング密度は、この関係に限定されず、よって、意図する結果としての物質の使用に対する、十分な応力補償を提供する、いかなるドーピング密度をも持ち得る。
【００３４】
図５は、本発明による光電子素子を形成する方法の第１の模範的実施例の第４のステップを示す。この第４のステップでは、アクティブ層24の部分及びｐ型のIII-Ｖ族層25は、ｎ型III−Ｖ族層23の露出された部分30を形成するために、パターン化され、及び／又は除去される。ｎ型のIII−Ｖ族層23の露出した部分30を形成するために、アクティブ層24と、ｐ型III−Ｖ族層25を除去することは、例えばエッチングのような、いかなる方法によっても、達成され得る。
【００３５】
図６は、本発明により光電子素子を形成する方法の、第１の模範的実施例の５番目のステップを示す。この第５のステップでは、ｐ型III-Ｖ族層25の上に接してあるいはその上に、第１の電極28が形成される。第１の電極28は、例えばＴｉやＡｌのような、いかなる適切な物質をも含む。第１の電極28は、例えば、第１の電極28を形成するための、使用される物質の蒸発(evaporating)及び焼結（sintering）を含むプロセスのような、いかなる適切な方法によっても、ｐ型III−Ｖ族層25の上に接してあるいはその上に、形成される。
【００３６】
図７は、本発明による光電子素子を形成する方法の、第１の模範的実施例の第６のステップを示す。この第６のステップで、ｎ型III-Ｖ族層23の露出された部分30の上に接してあるいはその上に、第２の電極29が形成される。第２の電極29は、例えばＴｉやＡｌのような、いかなる適切な物質をも含む。第２の電極29は、例えば、電極28を形成するために使用される物質の蒸発と焼結を含むプロセスのような、いかなる適切な方法によっても、ｎ型III-Ｖ族層の露出された部分30の上に接してあるいはその上に、形成され得る。
【００３７】
いくつかの、しかし全てでない、模範的実施例で、ｎ型のIII−Ｖ族23層は、第１のドナーでドープされ、第２のドーパント及び／又は等価不純物でコ・ドープされる。第１のドナーは、ｎ型III-Ｖ族層23サブ格子を形成するＶ族原子の原子半径と異なる原子半径を持つ。もし、第1のドナーの原子半径が、Ｖ族原子の原子半径より小さいなら、第2のドーパント及び／又は等価不純物は、種々の模範的実施例で、第1のドナーの原子半径よりも、より大きな原子半径を持つ。種々の他の模範的実施例で、第２のドーパントあるいは等価不純物は、ｎ型III-Ｖ族層23サブ格子を形成するＶ族原子の原子半径よりも、より大きい原子半径を持ち得る。この場合には、より小さな第１のドナー原子は、ｎ型のIII-Ｖ族層23のサブ格子での局所的引張り応力に晒される。より大きな第２のドーパント及び／又は等価不純物原子は、ｎ型のIII-Ｖ族層23サブ格子での局所的圧縮応力に晒される。いずれのケースでも、第１のドナー及び第２のドーパント及び／又は等価不純物を含む複合体は、応力補償され、結果として、ｎ型のIII-Ｖ族の層23のサブ格子での高められたドナーの密度をもたらす。
【００３８】
同様に、もし、第１のドナーの原子半径が、Ｖ族原子の原子半径よりも、より大きければ、第２のドーパント及び／又は等価不純物は、種々の模範的実施例で、第１のドナーの原子半径よりも、より小さな原子半径を持つ。種々の他の模範的実施例で、第２のドーパント及び／又は等価不純物は、ｎ型III-Ｖ族層23サブ格子を形成するＶ族原子の原子半径よりも、より小さな原子半径を持ち得る。このケースでは、より大きな第１のドナー原子は、ｎ型III−Ｖ族層23サブ格子での局所的圧縮応力に晒される。より小さな第２のドーパント及び／又は等価不純物原子は、ｎ型III-Ｖ族層23サブ格子での局所的引張り応力に晒される。いずれのケースでも、第１のドナー及び第２のドーパント及び／又は不純物を含む複合体は、応力補償され、結果として、ｎ型III-Ｖ族層23サブ格子において、高められたドナーの密度をもたらす。
【００３９】
ひとつの模範的実施例で、ｎ型III-Ｖ族層23はＧａＡｓである。ｎ型III-Ｖ族層は、Ｔｅでドープされ、例えば、Ａｓ位置上のＳのような、より小さなサイズのコ・ドーパントでコ・ドープされる。代わりに、より大きなＴｅ原子によってもたらされた局所的応力を補償するために、Ｐ等価不純物が、Ａｓサブ格子上に導入され得るし、あるいは、Ｇａ位置上に、Ｂ等価不純物が導入され得る。
【００４０】
ｐ型層あるいはｐ型領域が本発明に従ってドープされるときに、種々の模範的な半導体構造では、本発明に従って、いかなる関連するｎ型層あるいはｎ型領域のドープもが不必要であることが理解されるべきである。同様に、いくつかの模範的半導体構造で、本発明に従ってｎ型層あるいはｎ型領域がドープされるときに、本発明に従って、いかなる関連するｐ型層あるいはｐ型領域をドープすることも不用である。しかし、いくつかの模範的半導体構造で、本発明に従って、ｎ型層とｐ型層及び／又はｎ型領域とｐ型領域をドープすることが望ましいかもしれない。
【００４１】
本発明に従って半導体物質をドーピングする方法の模範的実施例によって、結果として、III-Ｖ族化合物半導体物質のドープされた領域あるいはドープされた層での、より高いドーピング原子の密度がもたらされる。III-Ｖ族半導体の、対応する領域での、アクセプターあるいはドナー原子のより高い密度によって、改善された素子効率がもたらされる。例えば、本発明による、半導体物質のドーピング方法の模範的実施例は、例えば、トランジスター、光電子素子、ダイオード、レーザーダイオード、及び発光ダイオードなどの、電子素子の効率を改善する。更に、本発明による半導体物質のドーピング方法の模範的実施例によって、そのような電子素子を組み込む、例えばディスプレイ装置、画像形成装置、ファクシミリ機器、レーザープリンター、光ファイバーネットワーク、マイクロプロセッサー、ゲートアレイ、及びデジタル信号プロセッサーのような電子システムの効率が改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの模範的実施例による光放射素子の構造。
【図２】本発明による光電子素子を形成する方法の一つの模範的実施例の最初のステップ。
【図３】本発明による光電子素子を形成する方法の一つの模範的実施例の第２のステップ。
【図４】本発明による光電子素子を形成する方法の一つの模範的実施例の第３のステップ。
【図５】本発明による光電子素子を形成する方法の一つの模範的実施例の第４のステップ。
【図６】本発明による光電子素子を形成する方法の一つの模範的実施例の第５のステップ。
【図７】本発明による光電子素子を形成する方法の一つの模範的実施例の第６のステップ。
【図８】本発明によるＢｅ-Ｎ-Ｉｎ複合体（complex）の例。
【符号の説明】
21 サファイア基板
23 ｎ型III-Ｖ族層
24 アクティブ層
25 ｐ型III−Ｖ族層
28 第１の電極
29 第２の電極
30 ｎ型のIII−Ｖ族層23の露出した部
100 多層光放射素子構造
110 基板
120 第１のIII族窒化層
130 アクティブ層
140 第２のIII族窒化層
150 第１の電極
152 第２の電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体物質のドーピングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
III-Ｖ群は、周期表のIII及びＶ群から選択された要素を含む。特に、III群窒化半導体が、光電子素子応用のための光放射材として用いられる。III群窒化半導体はまた、高周波、高出力、及び／又は高温電子素子用に使用され得る。これらのタイプの半導体は、短い波長の可視光放射に必要とされる広いバンドギャップを持つ。既知のIII群窒化物と、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎのようなIII群の要素、及びＶ群要素Ｎを含む合金、が存在する。これらの材料は、基板上に蒸着され、ＬＥＤやレーザーダイオードを含む光電子素子に使用できる層構造を形成する。これらの素子は、広い帯域で可視光線を放射する。
【０００３】
そのようなIII-Ｖ族半導族の一つはＧａＮである。ＧａＮは、青色放射レーザーダイオードを製造するために用いられる、広いバンドギャップの半導体である。これらのレーザーダイオードには、ｎ型ドーピング及びｐ型ドーピングを持つ領域が必要とされる。Ｎ型ドーピングは通常、Ｇａ原子を置き換えてドナーとして動作するＳｉ原子を導入することによって、ＧａＮレーザーで達成される。Ｐ型ドーピングは通常、Ｇａサブ格子位置を占有してアクセプタとして動作するＭｇ原子を導入することによって、ＧａＮレーザーで達成される。アクティブ領域は、ｎ型領域とｐ型領域の間に位置する。
【０００４】
現在、半導体物質のドーピングレベルは、効率的な半導体素子動作に要求されるレベルより小さい。例えば、ｐ型ドーピングに起因するＧａＮのホール密度は、通常、１０18ｃｍ-3の数倍より小さい。複数のファクターが、ホール密度を制限し得る。一つのファクターは、Ｍｇ原子の低溶解度である。他のファクターはホールとＭｇアクセプタとの高結合エネルギーである。
【０００５】
【発明の概要】
本発明は、III-Ｖ族半導体物質の基板原子の原子半径（covalent radii）より小さい、あるいは、それより大きい原子半径を持つドーパント原子によってもたらされる、局所的応力を補償する、ドープされた物質及びドープするための方法を提供する。
【０００６】
種々の模範的実施例で、本発明による半導体構造は、基板上に形成された、III族窒化層のような少なくとも一つの、第１の、III-Ｖ族層を含む。少なくとも一つの第１のIII-Ｖ族層の少なくとも一部分は、ｎ型ドーパント及びｐ型ドーパントの一つによってドープされる。アクティブ層が、少なくとも一つの第１のIII-Ｖ族層上に接して（on）、あるいはその上に（over）形成される。少なくとも一つの第２のIII-Ｖ族層が、アクティブ層上に接して、あるいはその上に形成される。少なくとも一つの第２のIII-Ｖ族層の少なくとも一部分が、他の一つのｎ型ドーパント及びｐ型ドーパントによってドープされる。少なくとも一つの第１のIII-Ｖ族上に接して、あるいはその上に第１の電極が形成され、少なくとも一つの第２のIII-Ｖ族層上に接して、あるいはその上に第２の電極が形成される。ｐ型ドーパントは、第１のｐ型ドーパント及び第２のｐ型ドーパント及び等価不純物（isovalent impurity）のいずれか、あるいは双方を含む。第１のｐ型ドーパントは、その寸法が第２のｐ型ドーパント及び／又は等価不純物の一つの寸法と異なる原子半径を持つ。第１のｐ型ドーパントは、ベースIII族要素の原子半径より小さいか大きいかのいずれかの原子半径を持つ一方、第２のｐ型のドーパント及び／又は等価不純物のそれぞれは、それぞれ、ベースIII族要素の原子半径より大きいかあるいは小さい原子半径を持つ。
【０００７】
第１のｐ型ドーパントによってもたらされる局所的応力は、第２のｐ型ドーパント及び／又は等価不純物によってもたらされる局所的応力によって補償される。局所的応力が減らされるので、第１のｐ型ドーパントの密度が増加され得る。
【０００８】
本発明に係る半導体物質には、ｐ型ドーパントでドープされた少なくとも一つのIII−Ｖ族領域を含む半導体物質であって、上記ｐ型ドーパントは第１のｐ型ドーパント及び少なくとも一つの第２のｐ型ドーパント及び不純物を含み、上記第１のｐ型ドーパントは、上記第１のｐ型ドーパントによってもたらされる、上記少なくとも一つのIII-Ｖ族領域での局所的応力が、上記少なくとも一つの上記第２のｐ型ドーパント及び上記不純物によってもたらされる、上記少なくとも一つのIII-Ｖ族領域での局所的応力によって補償されるように、そして、上記少なくとも一つのIII-Ｖ族領域での、上記第１のｐ型ドーパントの密度が高められるように、各上記第２のｐ型ドーパント及び上記不純物の原子半径とサイズが異なった原子半径を持つ、半導体物質が含まれ、また、
ｎ型ドーパントでドープされた少なくとも一つのIII-Ｖ族領域を含む半導体物質であって、上記ｎ型ドーパントは第１のｎ型ドーパント及び少なくとも一つの第２のｎ型ドーパント及び不純物を含み、上記第１のｎ型ドーパントは、上記第１のｎ型ドーパントによってもたらされる、上記少なくとも一つのIII-Ｖ族領域での局所的応力が、上記少なくとも一つの上記第２のｎ型ドーパント及び上記不純物によってもたらされる、上記少なくとも一つのIII−Ｖ族領域での局所的応力によって補償されるように、そして、上記少なくとも一つのIII-Ｖ族領域での、上記第１のｎ型ドーパントの密度が高められるように、各上記第２のｎ型ドーパント及び上記不純物の原子半径とサイズが異なった原子半径を持つ、半導体物質が含まれる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下の本発明の模範的実施例の記述は、いかなるタイプの既知あるいは後に発見され得る半導体構造及び物質にも向けられ得ることが理解されなければならない。しかし、以下の本発明の模範的実施例は、窒化半導体物質及び窒化半導体物質を用いた光放射素子構造に向けられる。特に、以下の記述は、ＧａＮ半導体構造に向けられる。しかし、以下に記載される技術は、いかなる既知のあるいは後に発見される半導体化合物のｎ型あるいはｐ型のドーピングにも向けられ得ることを理解して欲しい。
【００１０】
以下の記述で、用語“ドーピング”及び“ドーパント”は、等価不純物のような不純物の、半導体物質への導入を含むように解釈されるべきであり、よって、ドナーあるいはアクセプタ物質の導入に限定されないように理解されるべきである。
【００１１】
図１は、本発明の一つの模範的実施例による、多層光放射素子構造100を示す。光放射素子構造100は、基板110を含み、これは、例えば、サファイアあるいはシリコン炭化物のような、いかなる既知のあるいは後に開発される物質によっても形成され得る。サファイアの場合には、光電子素子のためには、Ａ及びＣオリエンテッド（oriented）単一クリスタルサファイアが好ましい。基板110上に、第１のIII族窒化層120が形成される。ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、及びＡｌＧａＮのようなIII族窒化物は、短波長可視光放射に必要なバンドギャップに伴う特性を持つ。図１に示される、少なくとも第１のIII族窒化層120の一部分は、ｎ型ドープされた領域である。アクティブ層130は、第１のIII族窒化層120の上に接して、あるいはその上に形成される。アクティブ層のために、例えばＩｎＧａＮのような、いかなる適切な物質もが使用され得る。
【００１２】
第２のIII族窒化層140が、アクティブ層130の上に接してあるいはその上に、その後形成される。この第２のIII族窒化層140の少なくとも一部分はｐ型ドープされた領域である。第２のIII族窒化層140の上に接して、あるいはその上に、第１の電極150が形成される。第１のIII族窒化層120上に接して、あるいはその上に、第２の電極152が形成される。結果としての構造が図１に示され、これは、ｐ型III族窒化領域140とｎ型III族窒化領域120との間に閉じ込められたアクティブ層130を含む。
【００１３】
動作時には、第１の電極150と第２の電極152の間に電気ポテンシャルが印加される。導電バンドの電子は、ｎドープされたIII窒化層120から、アクティブ層130の、より低いエネルギー状態へ流れる。第１の電極150に印加された電圧は、ｐドープされたIII族層140の荷電子体ホールをアクティブ層130に流し込ませる。従って、ｎドープされたIII族窒化層120からの電子が、ｐドープされたIII族窒化層140からのホールと、アクティブ層130で結合する。アクティブ層130でのホールと電子の再結合によって、発光が起こる。
【００１４】
光放射素子構造100内で、多重閉じ込め、及び多重接触層、が提供され得る。従って、第１及び第２のIII族窒化層120及び140は説明用であり、光放射素子構造100内で形成され得るIII族窒化層の数を限定する意図は無い。
【００１５】
ｐ型ドーピングは、Ｍｇ原子のドーピングによって、ＧａＮ半導体で達成された。しかし、Ｍｇドーピングによって、所望のホール密度より少ないホール密度しか達成できなかった。
【００１６】
本発明で使用され得る、III−Ｖ族物質の一つの模範的実施例で、ＧａＮ半導体は、Ｂｅでｐドープされ、そして、Ｂｅのそれより大きい原子半径を持つ他のｐドーパントとともにコ・ドープ（co-doped）される。計算機による計算結果[ジェイ．ニューゲバウア 及び Ｃ．Ｇ．バン デ ワレ、ジェイ．アプレイケーション フィジックス 85、3003（1999）]は、ＧａＮ中のＢｅの溶解性が、Ｍｇのそれより大きくなり、Ｂｅのイオン化エネルギーが、Ｍｇのそれよりわずかに小さいことを示した。
【００１７】
形成エネルギー（formation energy）は、置換型アクセプターの溶解性を直接決定する。次に、形成エネルギーは、置換型アクセプターの最も近傍との結合の強度によって影響を受け、置換型アクセプターが置き換える原子と比較した置換型アクセプターのサイズによって影響を受ける。III族の位置でアクセプターが置換する場合には、その最も近傍はＶ族原子である。従って、Ｂｅの結合強度は、Ｂｅ3Ｎ2形成時の熱によって評価され得る。Ｂｅ3Ｎ2は、Ｍｇ3Ｎ2のそれよりも、非常に、より高い形成熱を持つ。Ｍｇ-Ｎと比較してＢｅ-Ｎ結合が強いほど、窒化ベースのＶ族半導体中のＭｇと比較して、Ｂｅの溶解性に好ましい影響を与える。
【００１８】
しかし、比較的低いＢｅの形成エネルギーが、比較的小さいＢｅの原子半径によって打ち消される。Ｇａの原子半径よりも、Ｂｅは非常に、より小さな原子半径を持つ。従って、ｐドーパントとしてのＢｅは、結果として、Ｎの最も近傍の相当の緩和（sizable relaxation）によって、Ｇａ-Ｎ格子での局所的歪みをもたらす。Ｂｅ原子によってもたらされる局所的な歪みは、エネルギー論的にコスト高となり（energetically costly）、Ｇｅ位置でのＢｅ原子の形成エネルギーを持ち上げる。結果として、Ｂｅによってのみドープされた、ＧａＮ中のＢｅ形成エネルギーは、実際には、Ｍｇのそれより僅か低いだけである。従って、Ｇａ位置上のＢｅの密度は、比較的低く抑えられる。
【００１９】
本発明によるIII−Ｖ族物質の一つの模範的実施例によれば、Ｇａ格子中の、より高いＢｅの密度は、少なくとも一つの第２の、より大きなｐドーパント及び／又は等価不純物を、Ｇａ-Ｎ格子のＧａ位置に導入することによって達成される。一般的に、少なくとも一つの、第２のｐドーパント及び／又は等価ドーパントあるいは不純物は、第１のｐ型ドーパントより大きい原子半径を持つ。このことは、第１のｐ型ドーパントが、ベースIII族要素の原子半径より小さい原子半径を持つ際に、特に有用である。この場合、種々の模範的実施例では、少なくとも一つの第２のｐ型ドーパント及び／又は原子ドーパントあるいは不純物が、ベースIII族要素の原子半径より大きい原子半径を持ち得る。Ｂｅ原子の小さなサイズは、このように、その近傍の他のドーパントの、より大きなサイズによって補償される。より大きなサイズの原子の応力補償によって、ドーパント複合体の、より低い形成エネルギーがもたらされる。従って、次に、Ｇａ格子のＢｅのより高い密度をもたらす。
【００２０】
代わりに、他の模範的実施例で、少なくとも一つの第２のｐ型ドーパント及び／又は等価ドーパントあるいは不純物が、第１のｐ型ドーパントより小さい原子半径を持つ。第１のｐ型ドーパントが、ベースIII族要素の原子半径より大きい原子半径を持つ際、これは特に有用である。この場合、種々の模範的実施例で、少なくとも一つの第２のｐ型ドーパント及び／又は等価ドーパントあるいは不純物が、これもまたベースIII族要素の原子半径より小さい、原子半径を持ち得る。
【００２１】
本発明によるIII−Ｖ族物質の一つの実施例に従って、Ｂｅとともにドーパントとして導入された等価不純物は、Ｉｎである。一つあるいはそれ以上のＩｎ原子を持ち、２番目に近い、近傍の位置に位置する、Ｂｅ原子を含む複合体の形成エネルギーは、隔離されたＢｅ原子のそれより、更に低い。Ｉｎの付加による形成エネルギーの減少は、Ｇａ格子でのＢｅ密度を高める。Ｂｅ-Ｎ-Ｉｎ複合体の例が図８に示される。
【００２２】
本発明による、III-Ｖ族物質の第２の模範的実施例に従って、ＧａＮ半導体が、小さなII族アクセプターによってドープされ、より大きなII族アクセプターによってコ・ドープされる。適切な小さなII族アクセプターの例がＢｅである。適切な大きいII族アクセプターの例はＭｇである。Ｇａ格子内のＢｅとＭｇ原子は、Ｂｅ-Ｎ-Ｍｇ複合体を形成する。Ｂｅ-Ｎ-Ｍｇ複合体はダブルアクセプター（double acceptor）複合体である。
【００２３】
本発明によるIII-Ｖ族物質の第３の模範的実施例に従って、ＧａＮ半導体は、大きいII族アクセプターによってドープされ、小さいIII族等価不純物によってコ・ドープされる。適切な大きいII族アクセプターの例は、Ｍｇである。適切な小さいIII族の等価不純物の例は、Ａｌである。Ｇａ格子内のＭｇとＡｌ原子は、Ｍｇ-Ｎ-Ａｌ複合体を形成する。Ｍｇ-Ｎ-Ａｌ複合体は、単一アクセプター複合体である。
【００２４】
本発明によるIII-Ｖ族物質の第４の模範的実施例に従って、ＧａＮ半導体が、小さなII族アクセプターによってドープされ、大きなＶ族等価不純物によってコ・ドープされる。適切な、小さなII族アクセプターの例は、Ｂｅである。適切な大きなＶ族の等価不純物の例は、Ｐである。Ｇａ格子中のＢｅとＰ原子は、Ｂｅ-Ｐ複合体を形成する。Ｂｅ-Ｐ複合体は、単一のアクセプター複合体である。
【００２５】
本発明による、III−Ｖ族物質の上述の模範的実施例は、限定的ではない。本発明による、ドープされた物質及びドーピング方法は、ドープされたIII−Ｖ族層の応力補償をもたらすIII−Ｖ族半導体物質の領域での、あるいは、III−Ｖ族半導体物質の領域での、ドーパント及びコ・ドーパントのいかなる組合わせをも包含するように意図される。本発明によるドープされた物質及びドーピング方法は、例えば、ＧａＡｓ及びＩｎＰのような、いかなる既知の、あるいは後に発見される半導体化合物にも応用され得る。
【００２６】
従って、本発明によるIII−Ｖ族物質の５番目の模範的実施例によると、ＧａＡｓ半導体は、Ｇａ位置においてＢｅでｐドープされ、Ｉｎでコ・ドープされるか、あるいはＡｓ位置でＳｂでドープされる。本発明によるIII-Ｖ族物質の６番目の模範的実施例によると、ＩｎＰ半導体はＢｅでｐドープされ、Ａｓ等価不純物がＰ位置に導入される。
【００２７】
本発明によるドープされた物質とドーピング方法は、III−Ｖ族半導体の領域のｎ型ドーパントの密度を高めるためにも使用され得る。従って、７番目の模範的実施例によれば、ＧａＡｓ半導体はＴｅでｎドープされ、例えばＡｓ位置でのＳのような、より小さなサイズのコ・ドーパントでコ・ドープされる。代わりに、より大きなＴｅ原子によってもたらされた局所的応力を補償するために、Ａｓサブ格子上にＰの等価不純物が導入され得るか、あるいは、Ｇａ位置上にＢ等価不純物が導入され得る。
【００２８】
図２から８は、本発明による、光電子素子を形成する方法の第１の模範的実施例の種々のステップを示す。
【００２９】
図２は、本発明による光電子素子を形成するの方法の、第１の模範的実施例の第１のステップを示す。この第１のステップで、ｎ型のIII−Ｖ族層23は、サファイア基板21の上に接してあるいはその上に、エピタキシャルに成長させられる。ｎ型III−Ｖ族層23は、金属-有機化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）によるような、いかなる適切な方法によっても、サファイア基板21の上に接してあるいはその上に、成長させられる。この模範的実施例では、ｎ型層のIII−Ｖ族層23はｎ型ＧａＮである。ｎ型III−Ｖ族層23は、例えばＳｉのような、いかなる適切なｎ型ドーパントでもドープされる。
【００３０】
図３は、本発明による光電子素子を形成する方法の、第１の模範的実施例の第２のステップを示す。この第２のステップで、ｎ型III−Ｖ族層23の上に接してあるいはその上に、アクティブ層24が成長させられる。アクティブ層24は、例えばＩｎＧａＮのような、いかなる適切な物質をも含む。
【００３１】
図４は、本発明による光電子素子を形成する方法の、第１の模範的実施例の第３のステップを示す。この第３のステップで、ｐ型III−Ｖ族層25は、アクティブ層24の上に接してあるいはその上に、成長させられる。この模範的実施例で、ｐ型III−Ｖ族層25はＧａＮである。ｐ型III−Ｖ族層は、第１のアクセプターでドープされ、第２のドーパント及び／又は等価不純物でコ・ドープされる。第１のアクセプターは、ｐ型III−Ｖ族層25サブ格子を構成するIII族原子の原子半径と異なる原子半径を持つ。もし、第１のアクセプターの原子半径が、III族原子の原子半径より小さいなら、第２のドーパント及び／又は等価不純物は、種々の模範的実施例で、第１のアクセプターのの原子半径よりも、より大きな原子半径を持つ。種々の他の模範的実施例で、第２のドーパントあるいは等価不純物は、ｐ型III−Ｖ族層25サブ格子を形成するIII族原子の原子半径より、より大きい原子半径を持ち得る。このケースでは、より小さな第１のアクセプター原子は、ｐ型III−Ｖ族層25サブ格子で、局所的な引張り応力に晒される。より大きな第２のドーパント及び／又は等価不純物原子は、ｐ型III−Ｖ族層25サブ格子で、局所的圧縮応力に晒される。いずれのケースでも、第１のアクセプターと第２のドーパント及び／又は等価不純物を含む複合体は、応力補償され、結果として、ｐ型III-Ｖ族層25サブ格子でのアクセプターの高められた密度をもたらす。
【００３２】
同様に、もし、第１のアクセプターの原子半径が、III族原子の原子半径より大きいなら、第２のドーパント及び／又は等価不純物は、種々の模範的実施例で、第１のアクセプターの原子半径よりも、より小さな原子半径を持つ。種々の模範的実施例で、第２のドーパント及び／又は等価不純物は、ｐ型III−Ｖ族層25サブ格子を形成するIII族原子の原子半径より、より小さい原子半径を持ち得る。この場合には、より大きな第１のアクセプター原子は、ｐ型III−Ｖ族層25サブ格子で局所的圧縮応力に晒される。より小さな第２のドーパント及び／又は等価不純物原子は、ｐ型III−Ｖ族層25サブ格子で、局所的引張り応力に晒される。いずれのケースでも、第１のアクセプター及び第２のドーパント及び／又は不純物を含む複合体は、応力補償されており、結果として、ｐ型III−Ｖ族層25サブ格子での、アクセプターの高められた密度をもたらす。
【００３３】
一つの模範的実施例で、ｐ型III−Ｖ族層25は、Ｂｅでドープされ、Ｉｎでコ・ドープされる。ｐ型III−Ｖ族層25の、Ｉｎによるコ・ドープは、容易に達成される。というのは、Ｉｎソースは、アクティブ層24から容易に入手可能だからである。所望の効果は、Ｂｅ原子周辺の局所的応力補償に依存するので、大体一つのＩｎ原子、あるいはそれ以上のＩｎ原子が、各々のＢｅ原子に対して提供されなければならない。Ｉｎ原子の所望の密度は、このように、アクセプター密度のオーダーである。しかし、相対的ドーピング密度は、この関係に限定されず、よって、意図する結果としての物質の使用に対する、十分な応力補償を提供する、いかなるドーピング密度をも持ち得る。
【００３４】
図５は、本発明による光電子素子を形成する方法の第１の模範的実施例の第４のステップを示す。この第４のステップでは、アクティブ層24の部分及びｐ型のIII-Ｖ族層25は、ｎ型III−Ｖ族層23の露出された部分30を形成するために、パターン化され、及び／又は除去される。ｎ型のIII−Ｖ族層23の露出した部分30を形成するために、アクティブ層24と、ｐ型III−Ｖ族層25を除去することは、例えばエッチングのような、いかなる方法によっても、達成され得る。
【００３５】
図６は、本発明により光電子素子を形成する方法の、第１の模範的実施例の５番目のステップを示す。この第５のステップでは、ｐ型III-Ｖ族層25の上に接してあるいはその上に、第１の電極28が形成される。第１の電極28は、例えばＴｉやＡｌのような、いかなる適切な物質をも含む。第１の電極28は、例えば、第１の電極28を形成するための、使用される物質の蒸発(evaporating)及び焼結（sintering）を含むプロセスのような、いかなる適切な方法によっても、ｐ型III−Ｖ族層25の上に接してあるいはその上に、形成される。
【００３６】
図７は、本発明による光電子素子を形成する方法の、第１の模範的実施例の第６のステップを示す。この第６のステップで、ｎ型III-Ｖ族層23の露出された部分30の上に接してあるいはその上に、第２の電極29が形成される。第２の電極29は、例えばＴｉやＡｌのような、いかなる適切な物質をも含む。第２の電極29は、例えば、電極28を形成するために使用される物質の蒸発と焼結を含むプロセスのような、いかなる適切な方法によっても、ｎ型III-Ｖ族層の露出された部分30の上に接してあるいはその上に、形成され得る。
【００３７】
いくつかの、しかし全てでない、模範的実施例で、ｎ型のIII−Ｖ族23層は、第１のドナーでドープされ、第２のドーパント及び／又は等価不純物でコ・ドープされる。第１のドナーは、ｎ型III-Ｖ族層23サブ格子を形成するＶ族原子の原子半径と異なる原子半径を持つ。もし、第1のドナーの原子半径が、Ｖ族原子の原子半径より小さいなら、第2のドーパント及び／又は等価不純物は、種々の模範的実施例で、第1のドナーの原子半径よりも、より大きな原子半径を持つ。種々の他の模範的実施例で、第２のドーパントあるいは等価不純物は、ｎ型III-Ｖ族層23サブ格子を形成するＶ族原子の原子半径よりも、より大きい原子半径を持ち得る。この場合には、より小さな第１のドナー原子は、ｎ型のIII-Ｖ族層23のサブ格子での局所的引張り応力に晒される。より大きな第２のドーパント及び／又は等価不純物原子は、ｎ型のIII-Ｖ族層23サブ格子での局所的圧縮応力に晒される。いずれのケースでも、第１のドナー及び第２のドーパント及び／又は等価不純物を含む複合体は、応力補償され、結果として、ｎ型のIII-Ｖ族の層23のサブ格子での高められたドナーの密度をもたらす。
【００３８】
同様に、もし、第１のドナーの原子半径が、Ｖ族原子の原子半径よりも、より大きければ、第２のドーパント及び／又は等価不純物は、種々の模範的実施例で、第１のドナーの原子半径よりも、より小さな原子半径を持つ。種々の他の模範的実施例で、第２のドーパント及び／又は等価不純物は、ｎ型III-Ｖ族層23サブ格子を形成するＶ族原子の原子半径よりも、より小さな原子半径を持ち得る。このケースでは、より大きな第１のドナー原子は、ｎ型III−Ｖ族層23サブ格子での局所的圧縮応力に晒される。より小さな第２のドーパント及び／又は等価不純物原子は、ｎ型III-Ｖ族層23サブ格子での局所的引張り応力に晒される。いずれのケースでも、第１のドナー及び第２のドーパント及び／又は不純物を含む複合体は、応力補償され、結果として、ｎ型III-Ｖ族層23サブ格子において、高められたドナーの密度をもたらす。
【００３９】
ひとつの模範的実施例で、ｎ型III-Ｖ族層23はＧａＡｓである。ｎ型III-Ｖ族層は、Ｔｅでドープされ、例えば、Ａｓ位置上のＳのような、より小さなサイズのコ・ドーパントでコ・ドープされる。代わりに、より大きなＴｅ原子によってもたらされた局所的応力を補償するために、Ｐ等価不純物が、Ａｓサブ格子上に導入され得るし、あるいは、Ｇａ位置上に、Ｂ等価不純物が導入され得る。
【００４０】
ｐ型層あるいはｐ型領域が本発明に従ってドープされるときに、種々の模範的な半導体構造では、本発明に従って、いかなる関連するｎ型層あるいはｎ型領域のドープもが不必要であることが理解されるべきである。同様に、いくつかの模範的半導体構造で、本発明に従ってｎ型層あるいはｎ型領域がドープされるときに、本発明に従って、いかなる関連するｐ型層あるいはｐ型領域をドープすることも不用である。しかし、いくつかの模範的半導体構造で、本発明に従って、ｎ型層とｐ型層及び／又はｎ型領域とｐ型領域をドープすることが望ましいかもしれない。
【００４１】
本発明に従って半導体物質をドーピングする方法の模範的実施例によって、結果として、III-Ｖ族化合物半導体物質のドープされた領域あるいはドープされた層での、より高いドーピング原子の密度がもたらされる。III-Ｖ族半導体の、対応する領域での、アクセプターあるいはドナー原子のより高い密度によって、改善された素子効率がもたらされる。例えば、本発明による、半導体物質のドーピング方法の模範的実施例は、例えば、トランジスター、光電子素子、ダイオード、レーザーダイオード、及び発光ダイオードなどの、電子素子の効率を改善する。更に、本発明による半導体物質のドーピング方法の模範的実施例によって、そのような電子素子を組み込む、例えばディスプレイ装置、画像形成装置、ファクシミリ機器、レーザープリンター、光ファイバーネットワーク、マイクロプロセッサー、ゲートアレイ、及びデジタル信号プロセッサーのような電子システムの効率が改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの模範的実施例による光放射素子の構造。
【図２】本発明による光電子素子を形成する方法の一つの模範的実施例の最初のステップ。
【図３】本発明による光電子素子を形成する方法の一つの模範的実施例の第２のステップ。
【図４】本発明による光電子素子を形成する方法の一つの模範的実施例の第３のステップ。
【図５】本発明による光電子素子を形成する方法の一つの模範的実施例の第４のステップ。
【図６】本発明による光電子素子を形成する方法の一つの模範的実施例の第５のステップ。
【図７】本発明による光電子素子を形成する方法の一つの模範的実施例の第６のステップ。
【図８】本発明によるＢｅ-Ｎ-Ｉｎ複合体（complex）の例。
【符号の説明】
21 サファイア基板
23 ｎ型III-Ｖ族層
24 アクティブ層
25 ｐ型III−Ｖ族層
28 第１の電極
29 第２の電極
30 ｎ型のIII−Ｖ族層23の露出した部
100 多層光放射素子構造
110 基板
120 第１のIII族窒化層
130 アクティブ層
140 第２のIII族窒化層
150 第１の電極
152 第２の電極
Claims (1)
- 光放射半導体素子であって、
基板、
前記基板の上に形成される、ｎ型ドーパントでドープされた、ＧａＮからなる第１のIII−Ｖ族の層であって、前記ｎ型ドーパントは、Ｔｅからなる第１ｎ型ドーパント、及び、Ｓからなる少なくとも一つの第２ｎ型ドーパントを含み、前記第１ｎ型ドーパントは、前記第１ｎ型ドーパントによってもたらされる、前記III-Ｖ族領域での局所的応力が、前記少なくとも一つの前記第２ｎ型ドーパントによってもたらされる、前記III−Ｖ族領域での局所的応力によって補償されるように、そして、前記III-Ｖ族領域での、前記第１ｎ型ドーパントの密度が高められるように、前記第１ｎ型ドーパントの原子半径は、各前記第２ｎ型ドーパントの原子半径のサイズと異なっている、前記第１の III −Ｖ族の層、
前記第１のIII−Ｖ族の層の一部の上に形成されるＩｎＧａＮのアクティブ層、
前記アクティブ層の上に形成される、ｐ型ドーパントでドープされた、ＧａＮからなる第２のIII−Ｖ族の層であって、前記ｐ型ドーパントは、第１ｐ型ドーパントとしてのＢｅと第２ｐ型ドーパントとしてのＩｎ、又は、第１ｐ型ドーパントとしてのＭｇと第２ｐ型ドーパントとしてのＡｌの、どちらかであり、前記第１ｐ型ドーパントは、該第１ｐ型ドーパントによってもたらされる、前記第２のIII-Ｖ族領域での局所的応力が、前記第２ｐ型ドーパントによってもたらされる、前記第２のIII-Ｖ族領域での局所的応力によって補償されるように、そして、前記第２のIII-Ｖ族領域での、前記第１ｐ型ドーパントの密度が高められるように、前記第１ｐ型ドーパントの原子半径は、前記第２ｐ型ドーパントの原子半径のサイズと異なっている、前記第２の III −Ｖ族の層、
前記第２のIII−Ｖ族の層の上の第１の電極、及び、
前記第１のIII−Ｖ族の層の他の部分の上の第２の電極、
を備える光放射半導体素子。
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