(57)【要約】【課題】高品質のオーミックコンタクトをIII−Ｖ族半導体材料に形成して、消費電力が低くて長寿命の半導体デバイスを作製する。【解決手段】半導体デバイス５００は、第１のIII−Ｖ族半導体層５１０と、III−Ｖ族半導体中間層と、フェルミエネルギレベルを有する金属層５３０とを含む。金属層５３０のフェルミエネルギレベルは第１のIII−Ｖ族半導体層５１０およびIII−Ｖ族半導体中間層の有する価電子帯のエネルギレベルより高く、III−Ｖ族半導体中間層のエネルギレベルは金属層５３０のフェルミエネルギレベルと第１のIII−Ｖ族半導体層５１０の有する価電子帯のエネルギレベルとの間に存在し、III−Ｖ族半導体中間層は、第２のIII−Ｖ族半導体層５２０と、第３のIII−Ｖ族半導体層５２５とを含む。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の伝導帯のエネルギレベルおよび第１の価電子帯のエネルギレベルを有する、ｐドープされたIII−Ｖ族半導体からなる第１の層と、
前記第１の層上に形成され、第２の伝導帯のエネルギレベルおよび第２の価電子帯のエネルギレベルを有する、ｐドープされたIII−Ｖ族半導体からなる第２の層と、
前記第２の層上に形成され、フェルミエネルギレベルを有する金属層と、
を含む半導体デバイスであって、
前記フェルミエネルギレベルは前記第１および第２の価電子帯のエネルギレベルより高く、前記第２の価電子帯のエネルギレベルは前記金属層の前記フェルミエネルギレベルと前記第１の価電子帯のエネルギレベルとの間に存在し、
前記第２の層が、複数のｐドープされたIII−Ｖ族半導体サブレイヤを含む半導体デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体デバイスにおいて、
ｐドープされたIII−Ｖ族半導体サブレイヤの各々が異なる組成および価電子帯のエネルギレベルを有し、
前記複数のｐドープされたIII−Ｖ族半導体サブレイヤの価電子帯のエネルギレベルは、前記第１の価電子帯のエネルギレベルから前記フェルミエネルギレベルまで高くなる順序に並べられている半導体デバイス。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体デバイスにおいて、
前記複数のｐドープされたIII−Ｖ族半導体サブレイヤのうちの少なくとも一つが厚さ方向に変化する組成を有し、
厚さ方向に組成が変化するｐドープされたIII−Ｖ族半導体サブレイヤの各々では、
そのｐドープされたIII−Ｖ族半導体サブレイヤの価電子帯のエネルギレベルが、そのｐドープされたIII−Ｖ族半導体サブレイヤの厚さ方向に変化する半導体デバイス。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体デバイスにおいて、
厚さ方向に組成が変化する前記少なくとも一つのｐドープされたIII−Ｖ族半導体サブレイヤのうちの少なくとも一つの価電子帯のエネルギレベルが、そのｐドープされたIII−Ｖ族半導体サブレイヤの厚さ方向に実質的に直線的に変化する半導体デバイス。
【請求項５】
請求項３に記載の半導体デバイスにおいて、
厚さ方向に組成が変化する前記少なくとも一つのｐドープされたIII−Ｖ族半導体サブレイヤのうちの少なくとも一つの価電子帯のエネルギレベルが、そのｐドープされたIII−Ｖ族半導体サブレイヤの厚さ方向に実質的に連続的に変化する半導体デバイス。
【請求項６】
請求項３に記載の半導体デバイスであって、
前記複数のｐドープされたIII−Ｖ族半導体サブレイヤが、厚さ方向に組成の変化する第１のサブレイヤを含む半導体デバイス。
【請求項７】
請求項３に記載の半導体デバイスにおいて、
前記複数のｐドープされたIII−Ｖ族半導体サブレイヤが、第１の関数にしたがって厚さ方向に組成の変化する第１のサブレイヤを含む半導体デバイス。
【請求項８】
請求項６に記載の半導体デバイスであって、
前記複数のｐドープされたIII−Ｖ族半導体サブレイヤが、厚さ方向に組成がほぼ一定の第２のサブレイヤをさらに含む半導体デバイス。
【請求項９】
請求項７に記載の半導体デバイスにおいて、
前記複数のｐドープされたIII−Ｖ族半導体サブレイヤが、前記第１の関数とは異なる第２の関数にしたがって厚さ方向に組成の変化する第２のサブレイヤを含む半導体デバイス。
【請求項１０】
第１の伝導帯のエネルギレベルおよび第１の価電子帯のエネルギレベルを有する、ｐ−ドープされたIII−Ｖ族半導体からなる第１の層と、
前記第１の層上に形成され、第２の伝導帯のエネルギレベルおよび第２の価電子帯のエネルギレベルを有し、複数の異なるｐ−ドープされたIII−Ｖ族半導体サブレイヤを含む、ｐ−ドープされたIII−Ｖ族半導体からなる第２の層と、
前記第２の層上に形成され、フェルミエネルギレベルを有する金属層と、
を含む半導体デバイスであって、
前記フェルミエネルギレベルは前記第１および第２の価電子帯のエネルギレベルよりも高く、前記第２の価電子帯のエネルギレベルは前記金属層の前記フェルミエネルギレベルと前記第１の価電子帯のエネルギレベルとの間に存在し、ｐ−ドープされたIII−Ｖ族半導体サブレイヤの各々が価電子帯のエネルギレベルを有し、
前記複数のｐ−ドープされたIII−Ｖ族半導体サブレイヤの前記価電子帯のエネルギレベルは、前記第１の価電子帯のエネルギレベルから前記フェルミエネルギレベルまで高くなる順序に並べられている半導体デバイス。
【請求項１１】
前記複数のサブレイヤが、異なる組成を有する、請求項１０に記載の半導体デバイス。
【請求項１２】
前記第１の層が、窒化ガリウムからなる少なくとも一つのサブレイヤと、ガリウムを含む合金窒化物からなる少なくとも一つのサブレイヤと、を含む、請求項１０または１１に記載の半導体デバイス。
【請求項１３】
前記第２の層が、リン化ガリウムからなる少なくとも一つのサブレイヤと、窒化リン化ガリウム合金からなる少なくとも一つのサブレイヤと、を含む、請求項１０から１２のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
【請求項１４】
前記金属層の部分が、前記第２の層中に拡散されている、請求項１０から１３のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
【請求項１５】
前記金属層が、金、ニッケル、パラジウム、白金のうちの少なくとも一つを含む、請求項１０から１４のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
【請求項１６】
前記半導体デバイスが、トランジスタ、センサ、オプトエレクトロニックデバイス、ダイオード、オプティカルディテクタ、レーザダイオード、および発光ダイオードのうちのいずれか一つである、請求項１０から１５のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
【請求項１７】
第１の伝導帯のエネルギレベルおよび第１の価電子帯のエネルギレベルを有する、ｐ−ドープされたIII−Ｖ族半導体からなる第１の層と、
前記第１の層上に形成され、第２の伝導帯のエネルギレベルおよび第２の価電子帯のエネルギレベルを有し、複数のｐ−ドープされたIII−Ｖ族半導体サブレイヤを含む、ｐ−ドープされたIII−Ｖ族半導体からなる第２の層と、
前記第２の層上に形成され、フェルミエネルギレベルを有する金属層と、
を含む半導体デバイスであって、
前記フェルミエネルギレベルは前記第１および第２の価電子帯のエネルギレベルよりも高く、
前記第２の価電子帯のエネルギレベルは前記金属層の前記フェルミエネルギレベルと前記第１の価電子帯のエネルギレベルとの間に存在し、
前記複数のｐ−ドープされたIII−Ｖ族半導体サブレイヤのうちの少なくとも一つが厚さ方向に変化する組成を有し、厚さ方向に組成が変化するｐ−ドープされたIII−Ｖ族半導体サブレイヤの各々では、そのｐ−ドープされたIII−Ｖ族半導体サブレイヤの価電子帯のエネルギレベルが、そのｐ−ドープされたIII−Ｖ族半導体サブレイヤの厚さ方向に変化する半導体デバイス。
【請求項１８】
前記第１の層が、窒化ガリウムからなる少なくとも一つのサブレイヤと、ガリウムを含む合金窒化物からなる少なくとも一つのサブレイヤと、を含む、請求項１７に記載の半導体デバイス。
【請求項１９】
前記第２の層が、リン化ガリウムからなる少なくとも一つのサブレイヤと、窒化リン化ガリウムからなる少なくとも一つのサブレイヤと、を含む、請求項１７または１８に記載の半導体デバイス。
【請求項２０】
前記金属層の部分が、前記第２の層中に拡散されている、請求項１７から１９のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
【請求項２１】
前記金属層が、金、ニッケル、パラジウム、白金のうちの少なくとも一つを含む、請求項１７から２０のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
【請求項２２】
厚さ方向に組成が変化する前記少なくとも一つのｐドープされたIII−Ｖ族半導体サブレイヤのうちの少なくとも一つの価電子帯のエネルギレベルが、そのｐドープされたIII−Ｖ族半導体サブレイヤの厚さ方向に実質的に直線的に変化する、請求項１７から２１のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
【請求項２３】
厚さ方向に組成が変化する前記少なくとも一つのｐドープされたIII−Ｖ族半導体サブレイヤのうちの少なくとも一つの価電子帯のエネルギレベルが、そのｐドープされたIII−Ｖ族半導体サブレイヤの厚さ方向に実質的に連続的に変化する、請求項１７から２２のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
【請求項２４】
前記複数のｐ−ドープされたIII−Ｖ族半導体サブレイヤが、
厚さ方向に変化する組成を有する第１のサブレイヤと、
厚さ方向にほぼ一定の組成を有する第２のサブレイヤと、
を含む、請求項１７に記載の半導体デバイス。
【請求項２５】
前記複数のｐ−ドープされたIII−Ｖ族半導体サブレイヤが、
第１の関数にしたがって厚さ方向に変化する組成を有する、第１のサブレイヤと、
前記第１の関数とは異なる第２の関数にしたがって厚さ方向に変化する組成を有する、第２のサブレイヤと、
を含む、請求項１７に記載の半導体デバイス。
【請求項２６】
前記半導体デバイスが、トランジスタ、センサ、オプトエレクトロニックデバイス、ダイオード、オプティカルディテクタ、レーザダイオード、および発光ダイオードのうちのいずれか一つである、請求項１７から２５のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、III−Ｖ族窒化物半導体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
III−Ｖ族半導体は、III族元素およびＶ族元素を含む化合物半導体である。窒化ガリウム（ＧａＮ）はそのような半導体の一つであり、III族中のガリウムおよびＶ族中の窒素を含有している。ＧａＮはレーザダイオード用として有用であり、特に青色または紫外域の電磁スペクトルの光放出に対して有用である。ＧａＮがこの波長域で光放出可能であるのは、バンドギャップが大きいことに依る。ＧａＮのもつ大きいバンドギャップによって、青色または紫外域の電磁スペクトルの特徴である、高エネルギで短波長の光の放出が可能になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
その一方で、大半の窒化物系III−Ｖ族半導体のもつ大きいバンドギャップのために、当該III−Ｖ族半導体デバイスに用いた半導体ストラクチャと金属コンタクトとの間に高いｐ形のコンタクト抵抗が生じる。この高いコンタクト抵抗が生じる理由は、III−Ｖ族材料の価電子帯のエネルギレベルと金属コンタクトの形成に用いた金属のフェルミレベルとの間に差があるためである。この高いコンタクト抵抗のためにこれらIII−Ｖ族半導体デバイスの駆動に高電圧が必要となり、そのことが電力使用量の増加を招くと共に、デバイスが加熱して動作上の問題が起きる因となり、さらにデバイスが劣化してデバイス寿命が制限される因となる。
【０００４】
一つの解決法として、高濃度にｐ形ドープされたＧａＮによって、キャリアが金属コンタクトと半導体ストラクチャ間の障壁をトンネリングできるようにすることがある。しかしながら、このような高いｐ形ドーパントレベルを得ること自体が他の理由により困難である。
【０００５】
例えばｐ形窒化ガリウムなどのIII−Ｖ族半導体材料に高品質のオーミックコンタクトを形成することは、窒化物半導体設計上の未解決課題である。窒化ガリウムの価電子帯と大半の金属のフェルミレベルとの間のラインアップ(lineup)には、大きいオフセットの存在がみられる。すなわち、高いｐ形のショットキー障壁高さφｐが生じる。この高いショットキー障壁高さφｐによって窒化ガリウムの価電子帯中へのホール注入が困難になる。金、ニッケル、パラジウム、および白金などの、それぞれが５．１乃至５．５ｅＶ、５．１乃至５．４ｅＶ、５．１乃至５．６ｅＶ、および５．７ｅＶの大きい仕事関数の値をもつ金属でさえ、窒化ガリウムの価電子帯のエネルギ位置が低いために、ホール注入を可能にする程の十分小さいショットキー障壁高さφｐを形成することはできない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、金属コンタクト層とアクティブなIII−Ｖ族半導体ストラクチャとの間にコンタクト中間層をもつIII−Ｖ族半導体デバイスの形成方法を提供するものである。
【０００７】
また本発明は、第１のIII−Ｖ族材料と金属コンタクト層との間に、可変のIII−Ｖ族コンタクト中間層をもつ半導体デバイスを別途提供する。
【０００８】
さらに本発明は、複数の均質サブレイヤであって該均質サブレイヤの各々が異なる組成をもつサブレイヤを有する、可変のIII−Ｖ族コンタクト中間層を提供する。
【０００９】
さらにまた本発明は、少なくとも一層の不均質層であって該不均質層の各々が異なる組成をもつ不均質層を有する、可変のIII−Ｖ族コンタクト中間層を提供する。
【００１０】
さらにまた本発明は、前記フェルミエネルギレベルは前記第１および第２の価電子帯のエネルギレベルより高く、前記第２の価電子帯のエネルギレベルは前記金属の前記フェルミエネルギレベルと前記第１の価電子帯のエネルギレベルとの間に存在することを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る半導体デバイスの種々の例示的実施形態において、リン化ガリウムまたは窒化リン化ガリウムを用いてｐ形窒化ガリウム上のコンタクト形成が実現される。種々の例示的実施形態において、リン化ガリウムが用いられる理由は、その価電子帯のエネルギ位置が窒化ガリウムの価電子帯より約１．３ｅＶ高いためである。この高い価電子帯の位置によって、リン化ガリウムと金属コンタクト層とのｐ形オーミックコンタクトの形成がきわめて容易なものになる。したがって、金属コンタクト層とｐドープされた窒化ガリウム半導体ストラクチャとの間にリン化ガリウムまたは窒化リン化ガリウム中間層を設けることによって、ｐドープされた窒化ガリウム中にホールを注入できるようになる。
【００１２】
種々の例示的実施形態において、リン化ガリウム中間層または窒化リン化ガリウム中間層を用いて金属コンタクト層と窒化ガリウム半導体ストラクチャとの間の大きいエネルギ差が分割される。また、種々の他の例示的実施形態においては、種々の濃度のリン化物または窒化リン化物を含有した複数の層を用いて金属コンタクト層と窒化ガリウム半導体ストラクチャ間の大きいエネルギ差が分割される。さらに他の種々の例示的実施形態では、ＧａＮ１−ｘＰｘ中間層の組成を純窒化ガリウムからリン化物の比率を次第に高めていって勾配をつけることにより金属コンタクト層と窒化ガリウム半導体ストラクチャ間の大きいエネルギ差が分割される。このような不均質組成の中間層は二つ以上用いてもよいことは明らかである。
【００１３】
本発明の構造は窒化ガリウムへのオーミックコンタクトの形成に限定されず、ＩｎＮ，ＡｌＮまたは合金窒化物（ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＡｌＩｎＮ）等のその他の窒化物に対するコンタクトにも適用される。
【００１４】
上記およびその他の本発明の特徴および効果は、本発明に係るシステムおよび方法の種々の例示的実施形態についての以下の詳細な説明に記載される、もしくはそれにより明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る、半導体コンタクト中間層をもつ半導体デバイスの第１の例示的実施形態の全体的構造を示す図である。
【図２】フラットバンド状態での異なる材料間のバンドラインアップを模式的に示す図である。
【図３】バンドベンディングの効果を含む、異なる材料間のバンドラインアップを模式的に示す図である。
【図４】図１に示した、金属および半導体ストラクチャ中の半導体層間の接合部のバンドラインアップを模式的に示す図である。
【図５】本発明に係る、複数の半導体コンタクト中間層をもつ半導体デバイスの第２の例示的実施形態の構造を示す図である。
【図６】図５に示した、金属コンタクト層、および半導体ストラクチャ中の半導体コンタクト中間層およびIII−Ｖ族半導体層間の接合部のバンドラインアップを模式的に示す図である。
【図７】本発明に係る、金属コンタクト層およびIII−Ｖ族半導体ストラクチャ間に少なくとも一つの可変半導体コンタクト中間層を有する半導体デバイスの第３の例示的実施形態の構造を示す図である。
【図８】図７に示した、金属コンタクト層、および半導体ストラクチャ中の可変半導体コンタクト層およびIII−Ｖ族半導体層間の接合部のバンドラインアップを模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の種々の例示的実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
本発明の以下の詳細な説明は、金属コンタクト層とｐ形ドープＧａＮ半導体層との間のＧａＰおよびＧａＰＮコンタクト中間層に集中して行われる。しかしながら、本発明は、ベース半導体層またはコンタクト中間層のいずれに関しても、それら材料に限定されないことは明らかである。全般的には、本発明は、金属コンタクトを必要とするあらゆるIII−Ｖ族半導体層であって、ただしコンタクト抵抗が所望の値より大きいIII−Ｖ族半導体層に用いられる。同様に、ベース半導体材料の価電子レベルおよびコンタクトに用いた金属の仕事関数の値の関係が本発明に係る適切な関係となる、あらゆるIII−Ｖ族半導体材料を本発明に係るシステムおよび方法に用いることができる。
【００１８】
詳しくは、本発明に使用できる半導体材料は窒化ガリウムに限定されず、ＩｎＮまたはＡｌＮなどの他の窒化物、あるいはＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＮなどの合金窒化物等を含む。したがって、以下の例示的実施形態は単に例示のためのものであり、添付した請求の範囲の文言に即した内容またはそれと等価の内容の範囲を制限するものではない。
【００１９】
図１に、本発明に係る半導体デバイス１００の第１の例示的実施形態の構造を示す。図１に示したように、半導体デバイス１００は、第１のIII−Ｖ族層１１０を含む。第２のIII−Ｖ族層１２０が第１のIII−Ｖ族層１１０上に形成される。金属層１３０が第２のIII−Ｖ族層１２０上に形成される。種々の例示的実施形態において、第１のIII−Ｖ族層１１０は窒化ガリウム層である。しかしながら、金属層１３０に用いた金属との不必要に大きいエネルギ差を有する、あらゆる既知または最近開発されたIII−Ｖ族形半導体材料を、本発明に係る第１の半導体層１１０として用いることができることは明らかである。
【００２０】
III−Ｖ族層１１０が窒化ガリウムで形成される場合は、III−Ｖ族層１１０にマグネシウムなどの適当なアクセプタがドープされる。
【００２１】
図２に、フラットバンド状態における異なる材料間のバンドラインアップを模式的に示す。詳しくは、金属などの第１の材料は、半導体などの第２の材料の価電子帯２０２からオフセットしたフェルミレベル２０３を有する。フラットバンド状態では、半導体材料の伝導帯２０１および価電子帯２０２は金属のフェルミレベル２０３に平行である。金属のフェルミレベル２０３と半導体の価電子帯２０２との差が、金属と半導体との接合部２０５において生じるｐ形ショットキー障壁高さφｐ２０４になる。
【００２２】
図３に、バンドベンディングの効果を含む場合の異なる材料間のバンドラインアップを模式的に示す。詳しくは、金属などの第１の材料は、ドープされた半導体などの第２の材料の価電子帯３０２からオフセットしたフェルミレベル３０３を有する。ドープされた半導体材料の伝導帯３０１および価電子帯３０２は、金属とドープされた半導体との接合部３０５の近傍で曲がりを生じる。金属のフェルミレベル３０３とドープされた半導体のフェルミレベル（図示せず）とは平衡状態では一致しなければならない。なお、ショットキー障壁高さφｐ３０４はショットキー障壁高さφｐ２０４に等しいことは明らかである。
【００２３】
図４に、図１に示した半導体デバイス１００の、金属層１３０と、第１および第２の半導体層１１０および１２０との接合部のバンドラインアップを模式的に示す。金属と半導体との接合部４０５の最近傍において半導体ストラクチャに通常生じるバンドベンディングは簡明のために示されていない。詳しくは、第１のIII−Ｖ族層１１０と金属層１３０との間に第２のIII−Ｖ族層１２０を付加することにより、バンドストラクチャ４００にステップが生じている。第２のIII−Ｖ族半導体材料１２０の価電子帯４１２および伝導帯４１１は、いずれも第１のIII−Ｖ族半導体材料１１０の価電子帯４０２および伝導帯４０１からオフセットしている。
【００２４】
価電子帯のオフセット４０６は、第２のIII−Ｖ族半導体材料１２０の価電子帯と第１のIII−Ｖ族半導体１１０の価電子帯とのエネルギ差である。第１の半導体１１０がＧａＮで第２の半導体１２０がＧａＰである場合は、価電子帯のオフセット４０６は約１．３ｅＶになる。これに対応して、図４に示すように、第２の半導体層１２０の価電子帯と金属層１３０の金属のフェルミレベル４０３との間のショットキー障壁高さφｐ４０４は小さくなっている。
【００２５】
また、コンタクト抵抗は、ショットキー障壁高さφｐ４０４に指数関数的に依存することは明らかである。同様に、第１および第２の半導体層１１０および１２０間の中間層の抵抗は、バンドオフセット４０６の指数関数になる。したがって、金属層１３０と第２の半導体層１２０とのコンタクト抵抗は、金属層１３０が第１の半導体層１１０上に形成された場合に生じる、非分割のコンタクト抵抗よりも小さくなる。さらに、全抵抗（すなわちコンタクト抵抗と中間層抵抗との合計）は、非分割のコンタクト抵抗より小さい。実際のストラクチャでは、半導体および金属のフェルミレベルを一致させようとするバンドベンディング効果が生じるが、それによってフラットバンド状態についての上述の論旨が変わることはない。
【００２６】
図５に、本発明に係る半導体デバイス５００の第２の例示的実施形態の構造を示す。図５に示すように、この第２の例示的実施形態において、半導体デバイス５００は、第１のIII−Ｖ族層５１０、第１のIII−Ｖ族層５１０上に形成された第２のIII−Ｖ族層５２０、および第２のIII−Ｖ族層５２０上に形成された第３のIII−Ｖ族層５２５を含む。金属層５３０が第３のIII−Ｖ族層５２５上に形成される。
【００２７】
種々の例示的実施形態において、第１のIII−Ｖ族層５１０は窒化ガリウム層である。しかしながら、金属層５３０との不必要に大きいエネルギ差をもつ、あらゆる既知または最近開発されたIII−Ｖ族形半導体材料を本発明に係る第１の半導体層５１０として用いることができることは明らかである。この場合も、III−Ｖ族層５１０が窒化ガリウムで形成される場合は、III−Ｖ族層５１０にマグネシウムなどの適当なアクセプタがドープされる。
【００２８】
独立した第１および第２の中間層５２０および５２５は、第１のIII−Ｖ族半導体層５１０より高い位置に価電子帯を有する。例えば、第３のIII−Ｖ族層５２５としてリン化ガリウム層がある。これに対して、第２のIII−Ｖ族層５２０としては窒化リン化ガリウム層がある。また、その他の種々の例示的実施形態において、第１のIII−Ｖ族半導体層５１０および金属層５３０間の、第２および第３のIII−Ｖ族層５２０および５２５上にさらにコンタクト中間層を追加可能なことは明らかである。第２および第３のIII−Ｖ族層５２０および５２５などの各III−Ｖ族半導体コンタクト中間層は、種々の比率の窒素および／またはリンまたはその他の適当な元素を含有可能である。注目すべきことに、本開示の例示的実施形態ではリンと窒素との混合を用いたが、第１のIII−Ｖ族半導体層５１０より高い位置に価電子帯をもつ、あらゆる既知または最近開発されたIII−Ｖ族形半導体材料を、本発明に係る半導体ストラクチャ５００の第２の例示的実施形態での第１のIII−Ｖ族半導体５１０と金属層５３０との間のコンタクト中間層として使用することができる。
【００２９】
図６に、図５に示した半導体デバイス５００における、金属層５３０と、III−Ｖ族半導体層５１０，５２０および５２５との接合部のバンドラインアップを模式的に示す。図４の場合と同様に、この場合も金属とIII−Ｖ族半導体との接合部６０５におけるバンドベンディングは簡明のために示されていない。バンドダイアグラム６００に示すように、価電子帯６０２，６１２，６２２および伝導帯６０１，６１１，６２１間の半導体デバイスのバンドストラクチャには、多段の階段状のストラクチャが存在する。この特有のバンドストラクチャは、複数のIII−Ｖ族半導体コンタクト中間層を第１のIII−Ｖ族半導体層５１０および金属層５３０間で用いたことにより生じたものである。本実施例では、金属と半導体との接合部６０５に最近接した半導体コンタクト中間層５２５はリン化ガリウム層であり、一方リン化ガリウム層５２５と第１のIII−Ｖ族半導体層５１０との間の半導体コンタクト中間層５２０は窒化リン化ガリウムである。
【００３０】
価電子帯のオフセット６０６は、第１のIII−Ｖ族半導体層５１０の価電子帯６０２および第１の半導体コンタクト中間層５２０の価電子帯６１２間のエネルギ差である。価電子帯のオフセット６０７は、第１の半導体コンタクト中間層１２０の価電子帯６１２および第２の半導体コンタクト中間層の価電子帯６２２間のエネルギ差である。ショットキー障壁高さφｐ６０４は、金属のフェルミレベル６０３と第２の半導体コンタクト中間層５２５の価電子帯６２２とのエネルギ差である。図２に示した元のショットキー障壁高さφｐ２０４は、ショットキー障壁高さφｐ６０４と二つの価電子帯のオフセット６０６および６０７（追加の半導体コンタクト中間層がある場合はそれ以上）とに細分されることは明白である。さらに、各々が例えばリン化物から窒化物にかけての異なる組成比をもつ、三つ以上の半導体コンタクト中間層を設けることも可能なことは明らかである。
【００３１】
図７に、本発明に係る第３の例示的実施形態の半導体デバイス７００の構造を示す。図７に示すように、半導体デバイス７００は、III−Ｖ族層７１０、第１のIII−Ｖ族層７１０上に形成された第２のIII−Ｖ族層７４０、および第２のIII−Ｖ族層７４０上に形成された金属層７３０を含む。詳しくは、この第３の例示的実施形態では、第２のIII−Ｖ族層７４０は濃度の異なる二つ以上のＶ族材料を含有する。例えば、第２のIII−Ｖ族層７４０がＶ族材料として窒素およびリンを含む場合は、Ｖ族材料の濃度は化学式ＧａＮ１−ｘＰｘに基づいて変化する。この場合、リン濃度ｘは、第１のIII−Ｖ族層に最近接した表面からの第２のIII−Ｖ族層７４０の深さが増すにしたがって高くなる。
【００３２】
すなわち、第１のIII−Ｖ族半導体層７１０に最近接した第２のIII−Ｖ族層７４０の部分のIII−Ｖ族材料は窒化ガリウムになる。同時に、金属層７３０に最近接した第２のIII−Ｖ族層７４０の部分のIII−Ｖ族材料は、ある所定の合金濃度ｘをもつ窒化リン化ガリウムＧａＮ１−ｘＰｘになる。詳しくは、金属層７３０に最近接した第２のIII−Ｖ族層７４０の部分は、ｘが１の場合の純ＧａＰになる。このストラクチャでは、III−Ｖ族層７４０の中間部分の窒化リン化ガリウムの組成は上記二極値の間の種々の値をとる。
【００３３】
種々の例示的実施形態において、Ｖ族材料の濃度は第２のIII−Ｖ族層７４０内で直線的に変化する。しかしながら、種々の例示的実施形態において、第２のIII−Ｖ族層７４０の厚さ方向に変化するＶ族材料の濃度を、任意の所望の連続または非連続関数にしたがって変化させることもできることは明らかである。ただし、実際の濃度は、堆積方法、温度、および時間等の制約などの種々の要因に依って変化することは明らかである。したがって、第２のIII−Ｖ族層の厚さ方向の実際の濃度変化はむしろ段階的であり、実際には図５に示したような不連続層となって現れる。
【００３４】
図８に、図７に示した半導体ストラクチャ７００の第３の例示的実施形態のバンドダイアグラムを模式的に示す。図８に示すように、バンドダイアグラム８００においては、第１のIII−Ｖ族層７１０と金属層７３０との間に位置した第２のIII−Ｖ族層７４０の伝導帯８１１および価電子帯８１２に、連続的に変化した勾配がついている。これに対して、第１のIII−Ｖ族層７１０の伝導帯８０１および価電子帯８０２には、勾配をつけることは可能であるが、通常は他の例示的実施形態と同様に勾配はついていない。この場合も図４および図６の場合と同様に、金属と半導体との接合部８０５に生じるバンドベンディングは簡明のために示されていない。またこの場合も、金属層７３０のフェルミレベル８０３、および第２のIII−Ｖ族層７４０および第１のＶ族半導体層７１０のフェルミレベルは概ね一致していなければならない。
【００３５】
前述したように、第２のIII−Ｖ族層７４０内の実際の勾配は、図８に示した勾配程には連続的もしくは平滑ではないことは明らかである。微小なステップが、前述のプロセス条件に基づいて生じる。この微小なステップは、むしろ図６に示したステップに類似した外観を示す。さらに、図５乃至図８に示した例示的実施形態を組み合わせて、二つ以上の中間層を設け、少なくとも一つの中間層が可変の組成をもつようにすることもできることは明らかである。さらに、異なる傾斜をもつ勾配を有する二つの中間層を前記二つ以上の中間層として設けることもできる。
【００３６】
また、金属層７３０に最近接した半導体中間層の組成を、隣接した半導体中間層に最近接した金属層の部分を該半導体中間層中に拡散することによって、あるいはその逆の拡散によって変化させることができることは明らかである。
【００３７】
複数の異なる方法を用いて、窒化ガリウム上のリン化ガリウムなどの、本発明に係るIII−Ｖ族コンタクト中間層を形成することができることは明白である。ただし、これらの合金の混和性は低い。そのために、種々の例示的実施形態において、低温での非平衡成長が用いられる。種々の他の例示的実施形態では、分子線エピタキシや有機金属気相成長法が用いられる。下側の窒化物系半導体ストラクチャの形成に用いた方法と同じ成長法を用いて窒化リン化コンタクト中間層を堆積する必要は特にないことは明白である。III−Ｖ族コンタクト中間層はIII−Ｖ族半導体デバイスの最上面に形成されるので、III−Ｖ族半導体デバイスの他の層および／またはストラクチャは、選択された一つ以上の成長法を用いて先に成長させられる。一つ以上のIII−Ｖ族コンタクト中間層の各々は、所望の方法を用いて堆積される。
【００３８】
さらに、金属層１３０自体は、単一の金属を用いて形成された単一層、複数の異なる金属を用いて形成された単一層、または一つ以上の金属および一つ以上の非金属を用いて形成された単一層のいずれでもよいことは明らかである。また、金属層１３０は複数の独立したサブレイヤで形成することもでき、この場合、各サブレイヤは単一の金属、複数の異なる金属、または一つ以上の金属および一つ以上の非金属のいずれでも形成可能である。詳しくは、具体的な金属層の組成は、本発明のシステムおよび方法の機能または範囲にとって重要でない。より正確には、考慮する必要のある金属層のパラメータは、隣接した半導体中間層の直上の金属層の部分のフェルミレベルのみである。
【００３９】
最後に、図１および図４乃至図８に示した半導体ストラクチャまたはデバイスを利用し得る電子デバイスとして、トランジスタ、センサ、オプトエレクトロニックデバイス、ダイオード、オプティカルディテクタ、レーザダイオード、および発光ダイオード等があることは明らかである。さらに、このような電子デバイスを組み込んだシステムとして、表示装置、白黒またはカラーの像形成装置、光通信装置、光学式記憶装置、白黒またはカラーのファクシミリ機、白黒またはカラーのレーザプリンタ、白黒またはカラーの多目的装置、光ファイバネットワーク、マイクロプロセッサ、ゲートアレイ、無線周波数送受信機、およびデジタルシグナルプロセッサ等がある。
【符号の説明】
【００４０】
１００  半導体デバイス、１１０  第１のIII−Ｖ族半導体層、１２０  第２のIII−Ｖ族半導体層、１３０  金属層、２０１  伝導帯、２０２  価電子帯、２０３  フェルミレベル、２０４  ショットキー障壁高さ、２０５  金属と半導体との接合部、３０１  伝導帯、３０２  価電子帯、３０３  フェルミレベル、３０４  ショットキー障壁高さ、３０５  金属とドープされた半導体との接合部、４００  バンド構造、４０１  伝導帯、４０２  価電子帯、４０３  フェルミレベル、４０４  ショットキー障壁高さ、４０５  金属と半導体との接合部、４０６  バンドオフセット、５００  半導体デバイス、５１０  第１のIII−Ｖ族半導体層、５２０  第２のIII−Ｖ族半導体層、５２５  第３のIII−Ｖ族半導体層、５３０  金属層、６００  バンドダイアグラム、６０１，６１１，６２１  伝導帯、６０２，６１２，６２２  価電子帯、６０３  金属のフェルミレベル、６０４  ショットキー障壁高さ、６０５  金属と半導体との接合部、６０６，６０７  バンドオフセット、７００  半導体デバイス、７１０  III−Ｖ族層、７３０  金属層、７４０  第２のIII−Ｖ族層、８００  バンドダイアグラム、８０１  伝導帯、８０２  価電子帯、８０３  フェルミレベル、８０５  金属と半導体との接合部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図７】
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