JP5346146B2 - 選択的にドーピングされたiii−v窒化物層を有する半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明は一般に半導体装置に関し、より詳細にはドーピングされたIII−V窒化物発光装置に関する。
シリコン(Si)は、その好ましい特性のためにn−型、III−V窒化物のために選択されるドナーである。特に、有機金属気相成長(MOCVD)の間に、高純度ガスとして使用可能なシラン(SiH4)を成長している結晶に流すことによって、Si原子を与えることができる。更に、シリコンはそれがドナーとして作用する窒化ガリウム(GaN)格子中のガリウム(Ga)サイト上に効果的に混合する。更にGaN(SiGa)中のSiは〜20メガVのイオン化のための活性化エネルギーを有する浅いドナーである。
半導体材料の電気抵抗を小さくするために、ドーピング濃度が高くそして材料厚さが厚いことがともに望ましい。例えば〜3.5ミクロン厚さのGaN材料では、発光ダイオード(LED)構造に標準的に適用された場合、ドーピング濃度は〜5e18cm-3までが限界である。前述の結論として、窒化ガリウムインジウムアルミニウム(AlInGaN)LEDのシリーズ抵抗はSiドープGaN層の抵抗によって支配される。これは、電流がSiドープGaN層を通って水平方向に流れるサファイアのような非伝導性基板上の成長、及び電流がSiドープGaNの厚い層を通って垂直に流れる炭化シリコン(SiC)と水素化物気相エピタキシ(HVPE)成長GaNのような伝導性基板上の成長の場合である。より高いドーピング濃度及び/又はより厚いn−型GaN材料(非伝導性基板上の成長の場合)が、低いシリーズ抵抗を有するIII−V窒化物をベースとしたLEDの構成にとっては有利である。
本発明は、ゲルマニウム(Ge)、シリコン(Si)、錫(Sn)、及び/又は酸素(O)のようなドナードーパントを有するIII−V窒化物のn−型装置層、及び/又はマグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、亜鉛(Zn)及び/又はカドミウム(Cd)などのようなアクセプタドーパントを有するIII−V窒化物のp−型装置層とを含み、どちらも同時に又はドーピング超格子中で歪みを強化し、伝導率を改善し、長い波長の発光が得られる、半導体装置を提供する。
本発明は更に、III−V窒化物材料のためにマルチドナー不純物ドーピングを提供し、ドーピングと歪みの強化を別々に制御する。
本発明は更に、III−V窒化物層の接触層としての用途のために高伝導、n型、Geドープ、窒化ガリウム(GaN)材料を提供する。
本発明は更に、底部層がGeによりドーピングされ上部層が別の種(例えばSi、Sn又はSi、Ge、及びSnの組合せ)によってドーピングされる発光装置を提供する。これによりGaNの平面内格子定数が三元化合物(例えばInGaN又は窒化ガリウムアルミニウム(AlGaN))の平面内格子定数に近い値に調整できる。このため、InGaN活性領域は高品質でそれ故高効率のInNがより高い構成と、長い波長の発光又は割れの発生が少ないGaN上部へのAlGaN層の成長を可能とする。
本発明の前述した及びその他の利点は、当業者には添付図面と以下に示す詳細説明により明らかになるだろう。
図1を参照すると、発光装置のような電子装置10が示されており、例えば発光ダイオード(LED)又はレーザダイオード(LD)である。発光装置10は、サファイア、炭化珪素(SiC)、シリコン(Si)、ガリウム砒素(GaAs)、又は窒化ガリウム(GaN)から任意に選択される基板11を有する。基板11は、以下に説明する種々の層を堆積した後、発光装置10の形成中におそらく廃棄される。
被覆及び/又は接触層などの最終装置層16を、p−型窒化物層15の上部に堆積させることができる。
有機金属気相成長(MOCVD)、分子線エピタキシ(MBE)、ガスソースMBE(GSPMBE)、又は水素化物気相エピタキシ(HVPE)などの技術を使用して種々の層を堆積できる。又種々の層の構成及び/又はドーピングは一つの層から別々の層に突然変えることができ、又最終厚さにわたって円滑に格付けができ、又はドープされていない層と組み合わせることもできる。
高伝導、p−型、III−V窒化物層31が活性層30上に堆積される。p−型窒化物層31は、p−型ドーパントが使用されている以外はn−型窒化物層23と同じである。
被覆及び/又は接触層などの最終装置層32を、p−型窒化物層31の上部に堆積させることができる。最終装置層32は、発光装置20で要求される別の層である。
高伝導p−型、III−V窒化物層56は活性層55上に堆積される。p−型窒化物層56はp−型ドーパントが使用されている以外はn−型窒化物層53及び54と同一である。
被覆及び/又は接触層のような最終装置層57を、p−型窒化物層56の上部に堆積させることができる。最終装置層57は発光装置50で要求される別の層である。
例えば、c−平面サファイア上で成長するためには、SiドーピングによってSiドーピング濃度が高くなるためにc−軸方向の圧縮歪みの増加を引き起こすことが確認されている。その結果、GaNの底部平面がより引張り歪みの大きい状態におかれる。2つの可能性のあるドナー不純物、III−V窒化物材料のためのGe及びSnは、Siより大きなイオン半径を有しGaのイオン半径にかなり近い。Geのイオン半径は0.53オングストロームで、Snのイオン半径は0.71オングストロームである。
図1に示した構成と関連して、窒化物層13はSi、Ge、Sn又はOにより単独で又は組合せによりドーピングできる。SiドープGaNとは異なり、強くGeドープされたGaNは厚さが〜1ミクロンを超えて成長した場合でも割れが発生しないだろう。更に〜1019cm-3から〜1020cm-3までの範囲のGeドーピングレベルの窒化物層13は通常種々の金属とオーム接触をし、従って良好な接触層を作る。そのような濃度のドーピングは、前述のNakamuraその他の文献のように達成不可能と考えられていた。
例えば、InGaN又はAlGaN活性層14の結果として生じる過剰成長に関する歪みの段階的調整は、特定のドーパントを選定しその相対濃度を選別することによって可能になるだろう。InGaN及びAlGaNの平面内格子パラメータはそれぞれ、GaNの格子パラメータよりも大きく、そして小さい。
【図面の簡単な説明】
【図1】
本発明のドープIII−V窒化物層を組み込んだ発光装置である。
【図2】
本発明のドープ超格子を有する発光装置である。
【図3】
本発明の歪強化ドープを組み込んだ発光装置である。
【符号の説明】
10、20、50 発光装置
11、21、51 任意選択基板
12、22、52 低温バッファ層
13、23、25、27、29、53、54 窒化物層
14、30、55 活性層
15、31、56 III−V窒化物層
16、57 最終装置層
32 n−型窒化物層
Claims (6)
- 基板と、
前記基板の上に配置されたIII−V窒化物層と、
前記III−V窒化物層の上に配置された活性層と、
前記活性層の上に配置された第2のIII−V窒化物層と、
を含み、
前記III−V窒化物層の複数の部分が、シリコン、ゲルマニウム、錫、酸素及びそれらの組合せからなる群から選ばれるドーパントでドーピングされ、
前記III−V窒化物層の複数の第2の部分が、前記複数の部分に使用されたドーパントとは異なる、シリコン、ゲルマニウム、錫、酸素及びそれらの組合せからなる群から選ばれるドーパントでドーピングされ、
前記複数の部分及び前記複数の第2の部分が交互に配置されて、超格子構造が形成される
ことを特徴とする装置。
- アルミニウム、炭素、ガリウム、インジウム、窒素、酸素、シリコン,及びそれらの組合せからなる群から選ばれる元素を含む基板と、
前記基板の上に配置され、アルミニウム、ガリウム、インジウム、窒素及びそれらの組合せからなる群から選ばれる元素を含むIII−V窒化物層と、
前記III−V窒化物層の上に配置され、アルミニウム、ガリウム、インジウム、窒素、及びそれらの組合せからなる群から選ばれる元素を含む活性層と、
前記活性層の上に配置され、アルミニウム、ガリウム、インジウム、窒素、及びそれらの組合せからなる群から選ばれる元素を含む第2のIII−V窒化物層と、
を含み、
前記III−V窒化物層の複数の第1の部分が、シリコン、ゲルマニウム、錫、酸素、及びそれらの組合せからなる群から選ばれる第1のドーパントでドーピングされ、
前記III−V窒化物層の複数の第2の部分が、前記複数の第1の部分に使用されたドーパントとは異なる、シリコン、ゲルマニウム、錫、酸素、及びそれらの組合せからなる群から選ばれる第2のドーパントでドーピングされ、
前記複数の第1の部分の各々と前記複数の第2の部分の各々が交互に配置される
ことを特徴とする発光装置。
- 前記III−V窒化物層と前記第2のIII−V窒化物層中に複数のドーピングされていない層を含む
ことを特徴とする請求項2に記載の発光装置。
- 前記III−V窒化物層が少なくとも濃くドーピングされた部分を有し、それが装置の接触層となる
ことを特徴とする請求項2に記載の発光装置。
- 前記III−V窒化物層と前記第2のIII−V窒化物層は、厚さが10オングストロームから10ミクロンまでの範囲である
ことを特徴とする請求項2に記載の発光装置。
- 前記第1のドーパントはゲルマニウムであり、前記第2のドーパントはシリコンである
ことを特徴とする請求項2に記載の発光装置。
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