(57)【要約】  半絶縁ＩＩＩ族窒化物層および半絶縁ＩＩＩ族窒化物層の製造方法は、ＩＩＩ族窒化物層を浅い準位のｐ型ドーパントでドーピングすること、およびＩＩＩ族窒化物層を、例えば深い準位の遷移金属ドーパントなどの深い準位のドーパントでドーピングすることを有する。このような層および／または方法はまた、ＩＩＩ族窒化物層をおよそ１×１０１７ｃｍ−３よりも小さい濃度を有する浅い準位のドーパントでドーピングすること、およびＩＩＩ族窒化物層を深い準位の遷移金属ドーパントでドーピングすることを有する。深い準位のドーパントの濃度は、浅い準位のｐ型ドーパントの濃度よりも大きい。
2007518266.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半絶縁ＩＩＩ族窒化物半導体層を製造する方法であって、
ＩＩＩ族窒化物層を浅い準位のｐ型ドーパントでドーピングすること、および
前記ＩＩＩ族窒化物層を深い準位のドーパントでドーピングすることを有し、
前記深い準位のドーパントの濃度は、前記浅い準位のｐ型ドーパントの濃度よりも大きいことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記深い準位のドーパントの濃度は、前記浅い準位のｐ型ドーパントの正味の濃度よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記浅い準位のｐ型ドーパントの濃度は、前記ＩＩＩ族窒化物層における欠陥や故意ではない不純物によって生じたバックグランド濃度よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記浅い準位のｐ型ドーパントの濃度は、およそ１×１０１７ｃｍ−３よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記浅い準位のｐ型ドーパントは、Ｍｇおよび／またはＺｎを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記深い準位のドーパントは、深い準位の遷移金属ドーパントを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記深い準位の遷移金属ドーパントは、Ｆｅ、Ｃｏ，Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、および／またはＮｉを含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記深い準位の遷移金属ドーパントは、Ｆｅを含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項９】
前記浅い準位のｐ型ドーパントの濃度は、前記深い準位の遷移金属ドーパントのドナー状エネルギー準位を前記深い準位の遷移金属ドーパントの優位なエネルギー準位にさせるのに十分であることを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項１０】
前記深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、前記浅い準位のｐ型ドーパントの濃度よりも少なくともおよそ３倍よりも大きいことを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項１１】
前記浅い準位のｐ型ドーパントでドーピングすること、および前記深い準位の遷移金属でドーピングすることを、実質的に同時に行うことを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項１２】
前記ＩＩＩ族窒化物層を、化学気相成長法を利用して成長することをさらに有し、
前記浅い準位のｐ型ドーパントでドーピングすること、および前記深い準位の遷移金属でドーピングすることを、前記化学気相成長法中に行うことを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項１３】
前記深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、およそ２×１０１７ｃｍ−３よりも大きいことを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項１４】
前記深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、およそ２×１０１６ｃｍ−３であることを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項１５】
半絶縁ＩＩＩ族窒化物半導体層を製造する方法であって、
ＩＩＩ族窒化物層をおよそ１×１０１７ｃｍ−３よりも小さい濃度を有する浅い準位のドーパントでドーピングすること、および
前記ＩＩＩ族窒化物層を深い準位のドーパントでドーピングすることを有し、
前記深い準位のドーパントの濃度は、前記浅い準位のドーパントの濃度よりも大きいことを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記浅い準位のドーパントの濃度は、正味の濃度であることを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記浅い準位のドーパントの濃度は、前記ＩＩＩ族窒化物層における欠陥や故意ではない不純物によって生じたバックグランド濃度よりも大きいことを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
前記浅い準位のドーパントは、ｎ型ドーパントを含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１９】
前記深い準位のドーパントは、深い準位の遷移金属ドーパントを含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項２０】
前記深い準位の遷移金属ドーパントは、Ｆｅ、Ｃｏ，Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、および／またはＮｉを含むことを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記深い準位の遷移金属ドーパントは、Ｆｅを含むことを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２２】
前記深い準位の遷移金属ドーパントのドナー状エネルギー準位を前記深い準位の遷移金属ドーパントの優位なエネルギー準位にさせるように、あるいは、前記深い準位の遷移金属ドーパントのアクセプタ状エネルギー準位を前記深い準位の遷移金属ドーパントの優位なエネルギー準位にさせるように、ｐ型ドーパントおよびｎ型ドーパントのうちから１つを浅い準位のドーパントとして選択することをさらに有することを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２３】
前記深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、前記浅い準位のドーパントの濃度よりも少なくともおよそ３倍よりも大きいことを特徴とする請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
前記浅い準位のドーパントでドーピングすること、および前記深い準位の遷移金属でドーピングすることを、実質的に同時に行うことを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２５】
前記ＩＩＩ族窒化物層を、化学気相成長法を利用して成長することをさらに有し、
前記浅い準位のドーパントでドーピングすること、および前記深い準位の遷移金属でドーピングすることを、前記化学気相成長法中に行うことを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２６】
前記深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、およそ２×１０１７ｃｍ−３よりも大きいことを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２７】
前記深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、およそ２×１０１６ｃｍ−３であることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２８】
半絶縁の半導体材料層であって、
浅い準位のｐ型ドーパントおよび深い準位のドーパントを含むＩＩＩ族窒化物層を備え、
前記深い準位のドーパントの濃度は、前記浅い準位のｐ型ドーパントの濃度よりも大きいことを特徴とする半導体材料層。
【請求項２９】
前記浅い準位のｐ型ドーパントの濃度は、前記ＩＩＩ族窒化物層における欠陥や故意ではない不純物によって生じたバックグランド濃度よりも大きいことを特徴とする請求項２８記載の半導体材料層。
【請求項３０】
前記浅い準位のｐ型ドーパントの濃度は、およそ１×１０１７ｃｍ−３よりも小さいことを特徴とする請求項２８記載の半導体材料層。
【請求項３１】
前記浅い準位のｐ型ドーパントは、Ｍｇおよび／またはＺｎを含むことを特徴とする請求項２８記載の半導体材料層。
【請求項３２】
前記浅い準位のドーパントの濃度は、正味の濃度であることを特徴とする請求項２８記載の半導体材料層。
【請求項３３】
前記深い準位のドーパントは、深い準位の遷移金属ドーパントを含むことを特徴とする請求項２８記載の半導体材料層。
【請求項３４】
前記深い準位の遷移金属ドーパントは、Ｆｅ、Ｃｏ，Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、および／またはＮｉを含むことを特徴とする請求項３３記載の半導体材料層。
【請求項３５】
前記深い準位の遷移金属ドーパントは、Ｆｅを含むことを特徴とする請求項３３記載の半導体材料層。
【請求項３６】
前記深い準位の遷移金属ドーパントのドナー状エネルギー準位は、前記深い準位の遷移金属ドーパントの優位なエネルギー準位であることを特徴とする請求項３３記載の半導体材料層。
【請求項３７】
前記深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、前記浅い準位のｐ型ドーパントの濃度よりも少なくともおよそ３倍よりも大きいことを特徴とする請求項３３記載の半導体材料層。
【請求項３８】
前記深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、およそ２×１０１７ｃｍ−３よりも大きいことを特徴とする請求項３３記載の半導体材料層。
【請求項３９】
前記深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、およそ２×１０１６ｃｍ−３であることを特徴とする請求項３３記載の半導体材料層。
【請求項４０】
半絶縁の半導体材料層であって、
およそ１×１０１７ｃｍ−３よりも小さい濃度を有する浅い準位のドーパント、および深い準位のドーパントを含む、ＩＩＩ族窒化物層を備え、
前記深い準位のドーパントの濃度は、前記浅い準位のドーパントの濃度よりも大きいことを特徴とする半導体材料層。
【請求項４１】
前記浅い準位のドーパントの濃度は、前記ＩＩＩ族窒化物層における欠陥や故意ではない不純物によって生じたバックグランド濃度よりも大きいことを特徴とする請求項４０記載の半導体材料層。
【請求項４２】
前記浅い準位のドーパントは、ｎ型ドーパントであることを特徴とする請求項４０記載の半導体材料層。
【請求項４３】
前記浅い準位のドーパントの濃度は、正味の濃度であることを特徴とする請求項４０記載の半導体材料層。
【請求項４４】
前記深い準位のドーパントは、深い準位の遷移金属ドーパントを含むことを特徴とする請求項４０記載の半導体材料層。
【請求項４５】
前記深い準位の遷移金属ドーパントは、Ｆｅ、Ｃｏ，Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、および／またはＮｉを含むことを特徴とする請求項４４記載の半導体材料層。
【請求項４６】
前記深い準位の遷移金属ドーパントは、Ｆｅを含むことを特徴とする請求項４４記載の半導体材料層。
【請求項４７】
前記浅い準位のドーパントはｎ型ドーパントを含み、前記深い準位の遷移金属ドーパントのアクセプタ状エネルギー準位は、前記深い準位の遷移金属ドーパントの優位なエネルギー準位であることを特徴とする請求項４４記載の半導体材料層。
【請求項４８】
前記深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、前記浅い準位のドーパントの濃度よりも少なくともおよそ３倍よりも大きいことを特徴とする請求項４４記載の半導体材料層。
【請求項４９】
前記深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、およそ２×１０１７ｃｍ−３よりも大きいことを特徴とする請求項４４記載の半導体材料層。
【請求項５０】
前記深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、およそ２×１０１６ｃｍ−３であることを特徴とする請求項４４記載の半導体材料層。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体材料に関し、より詳細には、半絶縁ＩＩＩ族窒化物半導体層に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン（Ｓｉ）やヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）などの材料は、低パワーおよび（Ｓｉの場合では）低周波数アプリケーション用の半導体デバイスにおいて広く応用されてきている。しかしながら、これら半導体材料は、比較的小さなバンドギャップ（例えば、室温において、Ｓｉでは１．１２ｅＶ、ＧａＡｓでは１．４２ｅＶ）および／または比較的小さな降伏電圧のために、高パワーおよび／または高周波数アプリケーションにうまく適合しない可能性がある。
【０００３】
ＳｉやＧａＡｓによって示された困難性を考慮して、高パワー、高温、および／または高周波数アプリケーションならびにデバイスに対する関心は、炭化ケイ素（室温において、アルファＳｉＣでは２．９９６ｅＶ）やＩＩＩ族窒化物（室温において、ＧａＮでは３．３６ｅＶ）などのワイドバンドギャップ半導体材料に移行してきた。これらの材料は一般に、ヒ化ガリウムやシリコンと比較して、高い電界降伏強度と高い電子飽和速度とを有している。
【０００４】
ＩＩＩ族窒化物から高パワーおよび／または高周波数アプリケーションを作製する際、半絶縁ＧａＮおよび／またはＡｌＩｎＧａＮ層上にこれらデバイスを作製することが有益かもしれない。半絶縁ＧａＮ層は、アンドープＧａＮの堆積条件を注意深く制御することによって作製されてきた。また、半絶縁ＧａＮ層は、ＦｅまたはＣをＧａＮ層にドーピングすることによって作製されてきた。
【０００５】
【特許文献１】米国再発行特許第３４、８６１号明細書
【特許文献２】米国特許第４，９４６、５４７号明細書
【特許文献３】米国特許第５，２００、０２２号明細書
【特許文献４】米国特許第６，２１８、６８０号明細書
【特許文献５】米国特許第５、２１０、０５１号明細書
【特許文献６】米国特許第５、３９３、９９３号明細書
【特許文献７】米国特許第５、５２３、５８９号明細書
【特許文献８】米国特許第５、２９２、５０１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような技術により半絶縁ＩＩＩ族窒化物層が製造できるがその一方、生産量の変動により、製造された層の絶縁特性が異なる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態は、半絶縁ＩＩＩ族窒化物半導体層、および半絶縁ＩＩＩ族窒化物層の製造方法を提供するものである。本発明の一実施形態では、半絶縁ＩＩＩ族窒化物層の製造方法は、ＩＩＩ族窒化物層を浅い準位のｐ型ドーパントでドーピングすること、およびＩＩＩ族窒化物層を深い準位のドーパントでドーピングすることを含む。深い準位のドーパントの濃度は、浅い準位のｐ型ドーパントの濃度よりも大きい。本発明の一実施形態では、深い準位のドーパントは深い準位の遷移金属ドーパントである。さらに、浅い準位のドーパントの濃度は正味の濃度であっても良い。
【０００８】
本発明のさらなる実施形態では、浅い準位のｐ型ドーパントの濃度は、ＩＩＩ族窒化物層における欠陥や故意ではない不純物によって生じたバックグランド濃度よりも大きい。浅い準位のｐ型ドーパントの濃度をおよそ１×１０１７ｃｍ−３より小さくしても良い。浅い準位のｐ型ドーパントは、Ｍｇ、および／またはＺｎ、および／または他のｐ型ドーパントであっても良い。深い準位の遷移金属ドーパントは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ，Ｃｒ、Ｖ、および／またはＮｉ、および／または他の遷移金属ドーパントであっても良い。本発明の特定の実施形態では、深い準位の遷移金属はＦｅである。
【０００９】
本発明のさらなる実施形態では、浅い準位のｐ型ドーパントの濃度は、深い準位の遷移金属ドーパントのドナー状エネルギー準位を深い準位の遷移金属ドーパントの優位なエネルギー準位にさせるのに十分である。
【００１０】
本発明のさらに他の実施形態では、深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、浅い準位のｐ型ドーパントの濃度よりも少なくともおよそ３倍よりも大きい。本発明の特定の実施形態では、深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、およそ２×１０１７ｃｍ−３よりも大きい。本発明の他の実施形態では、深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、およそ２×１０１６ｃｍ−３とすることができる。さらに、浅い準位のｐ型ドーパントでドーピングすること、および深い準位の遷移金属でドーピングすることを、実質的に同時に行っても良い。例えば、ＩＩＩ族窒化物層を、化学気相成長法を利用して成長することができ、また浅い準位のｐ型ドーパントでドーピングすること、および深い準位の遷移金属でドーピングすることを、化学気相成長法中に行っても良い。
【００１１】
本発明のさらに他の実施形態では、半絶縁ＩＩＩ族窒化物層を、ＩＩＩ族窒化物層をおよそ１×１０１７ｃｍ−３よりも小さい濃度を有する浅い準位のドーパントでドーピングすることによって、およびＩＩＩ族窒化物層を、例えば深い準位の遷移金属ドーパントなどの深い準位のドーパントでドーピングすることによって製造する。深い準位のドーパントの濃度は、浅い準位のドーパントの濃度よりも大きい。本発明の特定の実施形態では、深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、２×１０１７ｃｍ−３よりも大きい。本発明の他の実施形態において、深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、およそ２×１０１６ｃｍ−３である。浅い準位のドーパントの濃度は、ＩＩＩ族窒化物層における欠陥や故意ではない不純物によって生じたバックグランド濃度よりも大きい。浅い準位のドーパントの濃度は、正味の濃度であっても良い。
【００１２】
本発明の特定の実施形態では、浅い準位のドーパントは、ｎ型ドーパントである。深い準位の遷移金属ドーパントは、Ｆｅ、Ｃｏ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｖ、および／またはＮｉ、および／または他の遷移金属ドーパントであっても良い。ｐ型ドーパントおよびｎ型ドーパントのうちから１つをそれぞれ、深い準位の遷移金属ドーパントのドナー状エネルギー準位を深い準位の遷移金属ドーパントの優位なエネルギー準位にさせるように、あるいは、深い準位の遷移金属ドーパントのアクセプタ状エネルギー準位を深い準位の遷移金属ドーパントの優位なエネルギー準位にさせるように、浅い準位のドーパントとして選択することができる。
【００１３】
本発明のさらなる実施形態では、半絶縁半導体材料層を、浅い準位のｐ型ドーパントや、例えば深い準位の遷移金属ドーパントなどの深い準位のドーパントを含む、ＩＩＩ族窒化物層によって提供する。深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、浅い準位のｐ型ドーパントの濃度よりも大きい。浅い準位のｐ型ドーパントの濃度は、ＩＩＩ族窒化物層における欠陥や故意ではない不純物によって生じたバックグランド濃度よりも大きくしても良い。浅い準位のｐ型ドーパントの濃度は、およそ１×１０１７ｃｍ−３よりも小さくすることができる。浅い準位のｐ型ドーパントは、Ｍｇ、および／またはＺｎ、および／または他のｐ型ドーパントとしても良い。深い準位の遷移金属ドーパントは、Ｆｅ、Ｃｏ，Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、および／またはＮｉ、および／または他の遷移金属ドーパントとすることができる。さらに、深い準位の遷移金属ドーパントのドナー状エネルギー準位は、深い準位の遷移金属ドーパントの優位なエネルギー準位であっても良い。本発明のさらなる実施形態では、深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、浅い準位のｐ型ドーパントの濃度よりも少なくともおよそ３倍よりも大きい。本発明の特定の実施形態では、深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、およそ２×１０１７ｃｍ−３よりも大きい。本発明の他の実施形態では、深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、およそ２×１０１６ｃｍ−３である。
【００１４】
本発明さらに他の実施形態では、半絶縁半導体材料層を、およそ１×１０１７ｃｍ−３よりも小さい濃度を有する浅い準位のドーパント、および例えば深い準位の遷移金属ドーパントのような深い準位のドーパントを含む、ＩＩＩ族窒化物層によって提供する。深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、浅い準位のドーパントの濃度よりも大きい。浅い準位のドーパントの濃度は、ＩＩＩ族窒化物層における欠陥や故意ではない不純物によって生じたバックグランド濃度よりも大きくしても良い。浅い準位のドーパントは、ｎ型ドーパントとすることができる。深い準位の遷移金属ドーパントは、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｖ、および／またはＮｉ、および／または他の遷移金属ドーパントとすることができる。浅い準位のドーパントがｎ型ドーパントである場合は、深い準位の遷移金属ドーパントのアクセプタ状エネルギー準位は、深い準位の遷移金属ドーパントの優位なエネルギー準位とすることができる。深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、浅い準位のドーパントの濃度よりも少なくともおよそ３倍よりも大きくすることができる。本発明の特定の実施形態では、深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、およそ２×１０１７ｃｍ−３よりも大きい。本発明の他の実施形態では、深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、２×１０１６ｃｍ−３である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明を以下で、本発明の実施形態が示された図面を参照してより詳細に説明する。しかしながら、本発明を、多くの異なる形態で表現することができ、本明細書に記載した実施形態に限定されると解釈すべきではない。そうではなく、これらの実施形態は、本開示を詳細で完全なものとし、本発明の範囲を当業者に詳細に伝えるために提示されるものである。類似の符号は全体を通して類似の要素を示している。当業者にまた理解されるように、基板や他の層の「上に」形成された層を言及する場合、ここでは、基板や他の層に直接形成された層、介在層に直接形成された層、あるいは基板や他の層に形成された複数の層に言及することができる。本明細書で用いられる「および／または」という用語は、１つまたは複数の関連する列挙項目の任意および全ての組み合わせを含む。
【００１６】
本発明の一実施形態は、浅い準位のドーパントと深い準位のドーパントとを用いたＩＩＩ族窒化物層の同時ドーピング（ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇ）を利用して、半絶縁ＩＩＩ族窒化物層の予期可能な特性を提供することができる。用語「半絶縁」は、絶対的な意味というよりは相対的な意味で描写的に用いられる。本発明の特定の実施形態では、半絶縁ＩＩＩ族窒化物層は、室温でおよそ１×１０５Ω−ｃｍ以上の抵抗率を有する。
【００１７】
本発明の一実施形態は、例えばＩＩＩ族窒化物ベースのデバイスなど、窒化物ベースのデバイスでの使用に特に適しているかもしれない。本明細書で用いられているように、用語「ＩＩＩ族窒化物」は、窒素と、通常、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、および／またはインジウム（Ｉｎ）といった周期表の第ＩＩＩ族の元素との間で形成された半導体化合物を指す。またその用語は、例えばＡｌＧａＮおよびＡｌＩｎＧａＮ等の三元化合物および四元化合物を指す。当技術分野ではよく知られているように、第ＩＩＩ族元素は窒素と結合して二元化合物（例えば、ＧａＮ）、三元化合物（例えば、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ）、そして四元化合物（例えば、ＡｌＩｎＧａＮ）を生成することができる。これら化合物は全て、１モルの窒素を総数１モルの第ＩＩＩ族元素と結合する実験式を有している。従って、それらを記述するために、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）等の式がしばしば用いられる。
【００１８】
本発明の一実施形態に係る材料の製造を図１のフローチャートに示す。図１に示すように、ＩＩＩ族窒化物層を浅い準位のドーパントによって１×１０１７ｃｍ−３より小さい濃度でドープする（ブロック１００）。浅い準位のドーパントはｎ型ドーパントでも良いし、ｐ型ドーパントであっても良い。例えば、浅い準位のドーパントは、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｏ、Ｍｇ、またはＺｎおよび／または他のｐ型、あるいはｎ型ドーパントとすることができる。本明細書で用いられるように、浅い準位のドーパントは、故意に導入された深い準位のドーパントの意図されたドーパント準位よりもＩＩＩ族窒化物層の伝導帯や荷電子帯に近いアクセプタ／ドナーエネルギー準位を有するドーパントを指す。本発明の特定の実施形態では、浅い準位のドーパントのアクセプタ／ドナーエネルギー準位は、およそＩＩＩ族窒化物層の伝導帯または荷電子帯の０．３ｅＶ以内である。
【００１９】
ＩＩＩ族窒化物層を、ＩＩＩ族窒化物層を半絶縁にするために、遷移金属等の深い準位のドーパントによってドープする（ブロック１１０）。深い準位の遷移金属ドーパントは例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖおよび／またはＮｉ、および／または他の遷移金属ドーパントとすることができる。他の深い準位のドーパントとして、例えばＣや炭素錯体を利用することもできる。本発明の特定の実施形態では、深い準位の遷移金属ドーパントはＦｅである。本明細書で用いられるように、動作温度においてかなり少数の自由キャリアが伝導帯または荷電子帯にあるような、深い準位のドーパントは伝導帯または荷電子帯から大きなエネルギーを有しているドーパントを指している。例えば、伝導帯からおよそ０．５ｅＶよりも大きく、１０１４ｃｍ−３よりもはるかに小さい自由キャリアを与えるエネルギー準位を有するドーパントを、深い準位のドーパントとして考えても良い。
【００２０】
およそ１×１０１７ｃｍ−３よりも小さい濃度の浅い準位のドーパントを供給することにより、およそ１×１０１７ｃｍ−３よりも大きな濃度の浅い準位のドーパントで必要であるかもしれないものより低い濃度の深い準位のドーパントを持った半絶縁層の生産を考慮に入れることができる。深い準位のドーパントの濃度がより高いと、ある状況では望ましくないかもしれない。例えば、Ｆｅの濃度が高い場合、Ｆｅの濃度がより低い場合に比べてトラッピングが増加する。従って、Ｆｅの濃度をより低くした半絶縁ＩＩＩ族窒化物を提供することは有利であるかもしれない。
【００２１】
図２は、本発明の更なる実施形態を例示している。図２に示されるように、ＩＩＩ族窒化物層を浅い準位のｐ型ドーパントでドープする（ブロック２００）。例えば、浅い準位のｐ型ドーパントは、Ｍｇ、Ｚｎ、および／または他のｐ型ドーパントとすることができる。また、ＩＩＩ族窒化物層を、ＩＩＩ族窒化物層を半絶縁にするために、遷移金属等の深い準位のドーパントでドープする（ブロック２１０）。深い準位の遷移金属ドーパントは例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖおよび／またはＮｉとすることができる。他の深い準位のドーパントとして、例えばＣや炭素錯体を利用することもできる。本発明の特定の実施形態では、深い準位の遷移金属ドーパントはＦｅである。
【００２２】
図１と図２とを組み合わせても良く、その場合は、およそ１×１０１７ｃｍ−３よりも小さな濃度を有する浅い準位のｐ型ドーパントが提供される。
【００２３】
図１および図２に例示されたような絶縁ＩＩＩ族窒化物の製造において、深い準位のドーパントの濃度は、浅い準位のドーパントの濃度よりも大きい。本発明の特定の実施形態において、深い準位のドーパントの濃度は、浅い準位のドーパントの正味の濃度（ｎｅｔ  ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）よりも大きい。本明細書で用いられるように、用語「正味の濃度」は、浅い準位のドーパントの実効濃度を指す。本発明の特定の実施形態において、深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、浅い準位のドーパントの濃度の少なくともおよそ３倍である。深い準位のドーパントの特定の濃度レベルは、半絶縁ＩＩＩ族窒化物層を製造すべき、デバイスおよび／またはデバイスの使用に依存する可能性がある。本発明の特定の実施形態において、深い準位の遷移金属ドーパントは、２×１０１７ｃｍ−３よりも大きい濃度を有しても良い。このような濃度により、例えば、半絶縁層にて製造されたパワーデバイスにおいて降伏電圧をより高くすることができる。本発明の他の実施形態では、深い準位の遷移金属ドーパントは、およそ２×１０１６ｃｍ−３の濃度を有しても良い。このような濃度により例えば、半絶縁層にて製造したパワーデバイスにおいてパワー濃度（ｐｏｗｅｒ  ｄｅｎｓｉｔｙ）をより高くすることができる。
【００２４】
さらに、浅い準位のドーパントの濃度を、欠陥や故意ではない不純物によって生じたバックグランド濃度よりも大きくすべきである。本発明の特定の実施形態において、浅い準位のドーパントの濃度を充分に大きくして、材料のフェルミ準位の位置を、深い準位のドーパントが無い状態で浅い準位のドーパントにより制御する。しかしながら、深い準位のドーパントの濃度は、浅い準位のドーパントの濃度よりも高いので、材料のフェルミ準位は、深い準位のドーパントと関連する準位に固定される（ｐｉｎ）。
【００２５】
浅い準位のドーパントがｐ型か、またはｎ型かに依存して、深い準位のドーパントの特性やエネルギー準位が異なることもある。層の抵抗率とトラッピング特性（ｔｒａｐｐｉｎｇ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ）は、浅い準位のドーパントがｐ型か、またはｎ型かによって影響される。例えば、深い準位のドーパントが２つのエネルギー準位を有し、一方のエネルギー準位がドナー状であり、他方のエネルギー準位がアクセプタ状である場合が、そんなケースかもしれない。このように、例えば、浅い準位のドーパントがｐ型である場合、深い準位のドーパントの優位なエネルギー準位は、ドナー状であるかもしれない。このような場合を、図３のバンドダイアグラムに例示する。浅い準位のドーパントがｎ型である場合、深い準位のドーパントの優位なエネルギー準位は、アクセプタ状であるかもしれない。このような場合を、図４のバンドダイアグラムに例示する。このように、浅い準位のドーパントを選択することによって、同時ドーピングした層のエネルギー準位の特性を制御して、アクセプタ状またはドナー状にすることができる。本明細書において、アクセプタ状とは、深い準位のアクセプタエネルギー準位で追加の電子を有することを指し、そこでは、それら追加の電子は同時ドーピング無しでは存在しない。一方、本明細書において、ドナー状とは、深い準位のドナーエネルギー準位でわずかな電子を有することを指し、そこでは、それらわずかな電子は同時ドーピング無しでは存在しない。従って、深い準位のドーパントと浅い準位のドーパントとの組み合わせに基づいて層のフェルミ準位を確立することによって、結果的に生成される層の特性は容易に再現可能であり、加工処理同士間（ｂｅｔｗｅｅｎ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｒｕｎｓ）のばらつきを低減、最小化、および／または抑制することができる。
【００２６】
さらに、ＩＩＩ族窒化物層を、例えば、化学気相成長法等によって、ＩＩＩ族窒化物層の形成中に、浅い準位のドーパントと深い準位のドーパントとでほぼ同時にドープすることができる。ＩＩＩ族窒化物層の形成を、ＭＯＣＶＤや当業者に良く知られた他の技術によって行うことができる。上記他の技術としては例えば、ＭＢＥ、ＨＶＰＥ、溶液成長、および／または高圧成長等が挙げられる。ＩＩＩ族窒化物層のドーピングを、成長プロセスの一部として組み込むことができ、かつ／または、例えば成長後に打ち込むことによって、別個のプロセスとして提供することもできる。例えば、本発明の特定の実施形態では、Ｃｐ２Ｆｅおよび（ｐ型ドーパントに対して）Ｃｐ２Ｍｇまたは（ｎ型ドーパントに対して）ＳｉＨ４の双方を流しながら、半絶縁ＩＩＩ族窒化物層をＭＯＣＶＤを用いて製造することができる。別法で、あるいは追加して、ＤｅＺｎ、ＧｅＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、Ｈ２Ｏ、および／またはＯ２をも、ドーパントソースとして用いても良い。他のソースを用いることもできる。
【００２７】
本発明の実施形態では、シリコン炭化物基板および／または層、ならびに／またはＩＩＩ族窒化物基板および／または層、ならびに／またはバッファ層であっても良い、半絶縁層ベースの窒化物が形成される基板上に、半絶縁ＩＩＩ族窒化物層を形成する。さらに、半絶縁ＩＩＩ族窒化物層を基板として提供しても良い。従って、用語“層”は、複数の層、および／または複数の基板を含む。本発明の特定の実施形態では、半絶縁ＩＩＩ族窒化物層を形成する基板を、例えば、シリコン炭化物の４Ｈポリタイプとすることができる半絶縁シリコン炭化物（ＳｉＣ）基板とすることができる。
【００２８】
シリコン炭化物は、ＩＩＩ族窒化物デバイスの基板材料として非常に一般的であるサファイア（Ａｌ２Ｏ３）よりも結晶格子が整合している。格子がより整合しているので、ＩＩＩ族窒化物フィルムは、サファイアの一般的な有用性よりも高い品質を有するようになる。また、シリコン炭化物は、非常に高い熱伝導率を有するので、シリコン炭化物上のＩＩＩ族窒化物デバイスの総出力パワーは、サファイア上に形成された同様のデバイスの場合ほど基板の熱散逸（ｔｈａｒｍａｌ  ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ）によって制限されない。適切なＳｉＣ基板は、例えば、本発明の譲受人である、ノースカロライナ州、ダラムにあるクリー株式会社によって製造されている。また、製造方法は、例えば、その全体を参照により本明細書に組み込まれる、特許文献１〜４に記載されている。同様に、ＩＩＩ族窒化物のエピタキシャル成長技術は、例えば、その全体を参照により本明細書に組み込まれる、特許文献５〜８に記載されている。
【００２９】
シリコン炭化物および／またはＩＩＩ族窒化物を基板材料として用いても良いが、本発明の一実施形態では、例えばサファイア、窒化アルミニウム、シリコン、ＧａＡｓ、ＬＧＯ、ＺｎＯ、ＬＡＯ、ＩｎＰなど、適切な基板であれば、いずれの基板を用いても良い。幾つかの実施形態では、適切なバッファ層も形成することができる。
【００３０】
例えば、ＩＩＩ族窒化物層をアニールして、半絶縁ＩＩＩ族窒化物層の同時ドーピングから生じる可能性がある、天然の（ｎａｔｉｖｅ）欠陥や、水素などの不純物を取り除いても良い。例えば、後成長窒素アニール（ｐｏｓｔ  ｇｒｏｗｔｈ  ｎｉｔｒｏｇｅｎ  ａｎｎｅａｌ）をＩＩＩ族窒化物層に行っても良い。
【００３１】
図面や明細書において、本発明の典型的な実施形態を記載しており、特定の用語を用いてきたが、それらは、包括的で説明的な意味でのみ用いられており、限定を目的とするものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態に係る、半絶縁ＩＩＩ族窒化物層を製造するための動作を例示する流れ図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る、半絶縁ＩＩＩ族窒化物層を製造するための動作を例示する流れ図である。
【図３】浅いアクセプタを同時ドーピングして、遷移金属ドーパントのドナー状準位でフェルミ準位を固定することを例示するバンドダイアグラムである。
【図４】浅いドナーを同時ドーピングして、遷移金属ドーパントのアクセプタ状準位でフェルミ準位を固定することを例示するバンドダイアグラムである。
【図１】
2007518266.tif 000003
【図２】
2007518266.tif 000004
【図３】
2007518266.tif 000005
【図４】
2007518266.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成17年6月10日(2005.6.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半絶縁ＩＩＩ族窒化物半導体層を製造する方法であって、
ＩＩＩ族窒化物層を浅い準位のｐ型ドーパントでドーピングすること、および
前記ＩＩＩ族窒化物層を深い準位のドーパントでドーピングすることを有し、
前記深い準位のドーパントの濃度は、前記浅い準位のｐ型ドーパントの濃度よりも大きく、
前記深い準位のドーパントは、前記ＩＩＩ族窒化物層において、ドナー状のエネルギー準位とアクセプタ状のエネルギー準位とを有する深い準位の遷移金属ドーパントを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記深い準位のドーパントの濃度は、前記浅い準位のｐ型ドーパントの正味の濃度よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記浅い準位のｐ型ドーパントの濃度は、前記ＩＩＩ族窒化物層における欠陥や故意ではない不純物によって生じたバックグランド濃度よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記浅い準位のｐ型ドーパントの濃度は、およそ１×１０１７ｃｍ−３よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記浅い準位のｐ型ドーパントは、Ｍｇおよび／またはＺｎを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記深い準位の遷移金属ドーパントは、Ｆｅ、Ｃｏ，Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、および／またはＮｉを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記深い準位の遷移金属ドーパントは、Ｆｅを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記浅い準位のｐ型ドーパントの濃度は、前記深い準位の遷移金属ドーパントのドナー状エネルギー準位を前記深い準位の遷移金属ドーパントの優位なエネルギー準位にさせるのに十分であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、前記浅い準位のｐ型ドーパントの濃度よりも少なくともおよそ３倍よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記浅い準位のｐ型ドーパントをドーピングすること、および前記深い準位に遷移金属でドーピングすることは、成長プロセス中に行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１１】
前記ＩＩＩ族窒化物層を、化学気相成長法を利用して成長することをさらに有し、
前記浅い準位のｐ型ドーパントでドーピングすること、および前記深い準位の遷移金属でドーピングすることを、前記化学気相成長法中に行うことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、およそ２×１０１７ｃｍ−３よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１３】
前記深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、およそ２×１０１６ｃｍ−３であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１４】
半絶縁ＩＩＩ族窒化物半導体層を製造する方法であって、
ＩＩＩ族窒化物層をおよそ１×１０１７ｃｍ−３よりも小さい濃度を有する浅い準位のドーパントでドーピングすること、および
前記ＩＩＩ族窒化物層を深い準位のドーパントでドーピングすることを有し、
前記深い準位のドーパントの濃度は、前記浅い準位のドーパントの濃度よりも大きく、
前記深い準位のドーパントは、深い準位の遷移金属ドーパントを含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記浅い準位のドーパントの濃度は、正味の濃度であることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記浅い準位のドーパントの濃度は、前記ＩＩＩ族窒化物層における欠陥や故意ではない不純物によって生じたバックグランド濃度よりも大きいことを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
前記浅い準位のドーパントは、ｎ型ドーパントを含むことを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１８】
前記深い準位の遷移金属ドーパントは、Ｆｅ、Ｃｏ，Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、および／またはＮｉを含むことを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１９】
前記深い準位の遷移金属ドーパントは、Ｆｅを含むことを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項２０】
前記深い準位の遷移金属ドーパントのドナー状エネルギー準位を前記深い準位の遷移金属ドーパントの優位なエネルギー準位にさせるように、あるいは、前記深い準位の遷移金属ドーパントのアクセプタ状エネルギー準位を前記深い準位の遷移金属ドーパントの優位なエネルギー準位にさせるように、ｐ型ドーパントおよびｎ型ドーパントのうちから１つを浅い準位のドーパントとして選択することをさらに有することを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項２１】
前記深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、前記浅い準位のドーパントの濃度よりも少なくともおよそ３倍よりも大きいことを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項２２】
前記浅い準位のドーパントをドーピングすること、および前記深い準位に遷移金属でドーピングすることは、成長プロセス中に行われることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項２３】
前記ＩＩＩ族窒化物層を、化学気相成長法を利用して成長することをさらに有し、
前記浅い準位のドーパントでドーピングすること、および前記深い準位の遷移金属でドーピングすることを、前記化学気相成長法中に行うことを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項２４】
前記深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、およそ２×１０１７ｃｍ−３よりも大きいことを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項２５】
前記深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、およそ２×１０１６ｃｍ−３であることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項２６】
半絶縁の半導体材料層であって、
浅い準位のｐ型ドーパントおよび深い準位のドーパントを含むＩＩＩ族窒化物層を備え、
前記深い準位のドーパントの濃度は、前記浅い準位のｐ型ドーパントの濃度よりも大きく、
前記深い準位のドーパントは、前記ＩＩＩ族窒化物層において、ドナー状のエネルギー準位とアクセプタ状のエネルギー準位とを有する深い準位の遷移金属ドーパントを含むことを特徴とする方法。
【請求項２７】
前記浅い準位のｐ型ドーパントの濃度は、前記ＩＩＩ族窒化物層における欠陥や故意ではない不純物によって生じたバックグランド濃度よりも大きいことを特徴とする請求項２６記載の半導体材料層。
【請求項２８】
前記浅い準位のｐ型ドーパントの濃度は、およそ１×１０１７ｃｍ−３よりも小さいことを特徴とする請求項２６記載の半導体材料層。
【請求項２９】
前記浅い準位のｐ型ドーパントは、Ｍｇおよび／またはＺｎを含むことを特徴とする請求項２６記載の半導体材料層。
【請求項３０】
前記浅い準位のドーパントの濃度は、正味の濃度であることを特徴とする請求項２６記載の半導体材料層。
【請求項３１】
前記深い準位の遷移金属ドーパントは、Ｆｅ、Ｃｏ，Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、および／またはＮｉを含むことを特徴とする請求項２６記載の半導体材料層。
【請求項３２】
前記深い準位の遷移金属ドーパントは、Ｆｅを含むことを特徴とする請求項２６記載の半導体材料層。
【請求項３３】
前記深い準位の遷移金属ドーパントのドナー状エネルギー準位は、前記深い準位の遷移金属ドーパントの優位なエネルギー準位であることを特徴とする請求項２６記載の半導体材料層。
【請求項３４】
前記深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、前記浅い準位のｐ型ドーパントの濃度よりも少なくともおよそ３倍よりも大きいことを特徴とする請求項２６記載の半導体材料層。
【請求項３５】
前記深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、およそ２×１０１７ｃｍ−３よりも大きいことを特徴とする請求項２６記載の半導体材料層。
【請求項３６】
前記深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、およそ２×１０１６ｃｍ−３であることを特徴とする請求項２６記載の半導体材料層。
【請求項３７】
半絶縁の半導体材料層であって、
１×１０１７ｃｍ−３よりも小さい濃度を有する浅い準位のドーパント、および深い準位のドーパントを含む、ＩＩＩ族窒化物層を備え、
前記深い準位のドーパントの濃度は、前記浅い準位のドーパントの濃度よりも大きく、
前記深い準位のドーパントは、深い準位の遷移金属ドーパントを含むことを特徴とする半導体材料層。
【請求項３８】
前記浅い準位のドーパントの濃度は、前記ＩＩＩ族窒化物層における欠陥や故意ではない不純物によって生じたバックグランド濃度よりも大きいことを特徴とする請求項３７記載の半導体材料層。
【請求項３９】
前記浅い準位のドーパントは、ｎ型ドーパントであることを特徴とする請求項３７記載の半導体材料層。
【請求項４０】
前記浅い準位のドーパントの濃度は、正味の濃度であることを特徴とする請求項３７記載の半導体材料層。
【請求項４１】
前記深い準位の遷移金属ドーパントは、Ｆｅ、Ｃｏ，Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、および／またはＮｉを含むことを特徴とする請求項３７記載の半導体材料層。
【請求項４２】
前記深い準位の遷移金属ドーパントは、Ｆｅを含むことを特徴とする請求項３７記載の半導体材料層。
【請求項４３】
前記浅い準位のドーパントはｎ型ドーパントを含み、前記深い準位の遷移金属ドーパントのアクセプタ状エネルギー準位は、前記深い準位の遷移金属ドーパントの優位なエネルギー準位であることを特徴とする請求項３７記載の半導体材料層。
【請求項４４】
前記深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、前記浅い準位のドーパントの濃度よりも少なくともおよそ３倍よりも大きいことを特徴とする請求項３７記載の半導体材料層。
【請求項４５】
前記深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、およそ２×１０１７ｃｍ−３よりも大きいことを特徴とする請求項３７記載の半導体材料層。
【請求項４６】
前記深い準位の遷移金属ドーパントの濃度は、およそ２×１０１６ｃｍ−３であることを特徴とする請求項３７記載の半導体材料層。
【国際調査報告】
2007518266.tif 000007
2007518266.tif 000008
2007518266.tif 000009
2007518266.tif 000010