(57)【要約】  ドープ化材料から活性領域内へのドーパントの移動を抑制すべく組成されたドープ化材料、活性領域、およびバリア材料を含むＩＩＩ族窒化物電子素子構造において、当該バリア材料は高Ａｌ含量ＡｌＸＧａｙＮを含み、ここで、ｘ＋ｙ＝１かつｘ≧０．５０である。特定の態様において、ＡｌＮを厚さ約５〜約２００オングストロームの移動／拡散バリア層として用いて、例えばＵＶ−ＬＥＤ光電子素子等のＩＩＩ族窒化物電子素子の活性領域内へのマグネシウムおよび／またはシリコン・ドーパント材料の流入を抑制する。
2007504682.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドープ化ＩＩＩ族窒化物層および活性領域を含むＩＩＩ族窒化物光電子素子構造であって、前記ドープ化ＩＩＩ族窒化物層と前記活性領域の間にバリア層が配置されていて、前記バリア層が、ＡｌとＧａの総量を基準にして少なくとも５０％のＡｌを有するＡｌＧａＮを含む材料で形成され、もって、前記ＡｌＧａＮ層が、前記ドープ化ＩＩＩ族窒化物層から、前記素子の活性領域内へのドーパント種の移動または拡散に対するバリアを提供する、素子構造。
【請求項２】
前記Ａｌの濃度が、約６０％〜１００％の範囲にある、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物光電子素子。
【請求項３】
前記Ａｌの濃度が、約７５％〜１００％の範囲にある、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物光電子素子。
【請求項４】
前記Ａｌの濃度が、約８０％〜１００％の範囲にある、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物光電子素子。
【請求項５】
前記Ａｌの濃度が、約９０％〜１００％の範囲にある、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物光電子素子。
【請求項６】
前記Ａｌの濃度が、約９５％〜１００％の範囲にある、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物光電子素子。
【請求項７】
前記ＡｌＧａＮ層の厚さが、約５オングストローム〜約２００オングストロームである、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物光電子素子構造。
【請求項８】
前記ＡｌＧａＮ層の厚さが、約１０オングストローム〜約１００オングストロームである、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物光電子素子構造。
【請求項９】
前記ＡｌＧａＮ層の厚さが、約１０オングストローム〜約７５オングストロームである、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物光電子素子構造。
【請求項１０】
前記ＡｌＧａＮ層の厚さが、約１０オングストローム〜約６０オングストロームである、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物光電子素子構造。
【請求項１１】
前記素子が、ＵＶ−ＬＥＤを含む、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物光電子素子。
【請求項１２】
前記素子が、ＭＱＷ−ＵＶ−ＬＥＤを含む、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物光電子素子。
【請求項１３】
前記素子が、青色または緑色ＬＥＤを含む、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物光電子素子。
【請求項１４】
前記素子が、青色レーザーダイオードを含む、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物光電子素子。
【請求項１５】
前記素子が、ＨＢＴを含む、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物光電子素子。
【請求項１６】
前記ＡｌＧａＮ層が、ＡｌＮを含む、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物光電子素子。
【請求項１７】
前記ドープ化ＩＩＩ族窒化物層が、ｎ−ＡｌＧａＮ層を含む、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物光電子素子構造。
【請求項１８】
前記ドープ化ＩＩＩ族窒化物層が、Ｍｇドープ化ｐ−ＡｌＧａＮ層を含む、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物光電子素子構造。
【請求項１９】
サファイア基板をさらに含む、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物光電子構造。
【請求項２０】
ＧａＮ基板をさらに含む、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物光電子構造。
【請求項２１】
前記ドープ化ＩＩＩ族窒化物層が、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｏ、およびＧｅからなる群から選択された少なくとも１個のドーパント種を含む、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物光電子素子構造。
【請求項２２】
前記ドープ化ＩＩＩ族窒化物層が、ＭｇおよびＳｉからなる群から選択された少なくとも１個のドーパント種を含む、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物光電子構造。
【請求項２３】
活性領域および前記活性領域に重なるドープ化ＩＩＩ族窒化物層を含むＩＩＩ族窒化物光電子素子構造を形成する方法であって、前記活性領域と前記ドープ化ＩＩＩ族窒化物層の中間にＡｌＧａＮ層を形成し、前記ドープ化ＩＩＩ族窒化物層から前記活性領域内へのドーパントの移動または拡散を抑制すべくバリア層を形成するステップ、を含む方法。
【請求項２４】
ドープ化材料、活性領域およびバリア材料を含むＩＩＩ族窒化物電子素子構造であって、前記ドープ化材料から前記活性領域内へのドーパントの移動を抑制すべく組成されていて、前記バリア材料が高Ａｌ含量ＡｌｘＧａｙＮを含み、ここで、ｘ＋ｙ＝１、かつ、ｘ≧０．５０である、素子構造。
【請求項２５】
ドープ化材料および活性領域材料を含む微細電子素子構造内に極めて高レベルにドープ化された領域を生成する方法であって、
（ｉ）前記ドープ化材料と前記活性領域材料の間に中間層を形成して、前記中間層を有しない対応微細電子素子構造に関して、歪みが増した界面領域を生成し、前記ドープ化材料と前記活性領域材料が互いに隣接するようにさせるステップと、（ｉｉ）前記ドープ化材料から活性領域材料へドーパントを移動させて、前記歪みが増した当該界面領域に前記ドーパントが堆積されるようにするステップと、を含む方法。
【請求項２６】
前記中間層が、高Ａｌ含量ＡｌｘＧａｙＮを含み、ここで、ｘ＋ｙ＝１、かつ、ｘ≧０．５０である、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記微細電子素子構造が、ＩＩＩ族窒化物光電子素子構造を含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記ドーパントが、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｏ、およびＧｅからなる群から選択されたドーパント種を含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
前記ドープ化材料が、ＩＩＩ族窒化物材料を含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記ドープ化材料から前記活性領域材料へ前記ドーパントを移動させる前記ステップ（ｉｉ）が、前記微細電子素子構造のチャネル画定を実現する、請求項２５に記載の方法。
【請求項３１】
前記ドープ化材料から前記活性領域材料へ前記ドーパントを移動させる前記ステップ（ｉｉ）が、前記ドーパントに付随する電荷寄与を排除することなく、前記ドープ化材料からドーパントを除去するのに充分な時間遂行される、請求項２５に記載の方法。
【請求項３２】
前記ドープ化材料から前記活性領域材料へ前記ドーパントを移動させて、前記歪みが増大した界面領域にドーパントが堆積されるようにする前記ステップ（ｉｉ）が、高温状態により遂行される、請求項２５に記載の方法。
【請求項３３】
ドープ化および活性領域を含むＩＩＩ族窒化物素子を、当該素子のバンド・エネルギー構造に関して設計する方法であって、前記ドープ化および活性領域の間に高Ａｌ含量ＡｌｘＧａｙＮを含む層を挟むステップを含み、ここで、ｘ＋ｙ＝１かつｘ≧０．５０であって、ｘ、ｙ、挟まれる層の厚さ、および挟まれる層の形成条件が、所定のバンド・エネルギー構造を有する前記ＩＩＩ族窒化物素子を生成すべく選択されているようにする方法。
【請求項３４】
間に不純物拡散バリア層を有するドープ化および活性領域を含むＩＩＩ族窒化物素子の不純物拡散バリア層内における担体のトンネル確率を設計する方法であって、前記不純物拡散バリア層として高Ａｌ含量ＡｌｘＧａｙＮを含む層を形成するステップを含み、ここで、ｘ＋ｙ＝１かつｘ≧０．５０であって、ｘ、ｙ、不純物拡散バリア層の厚さ、および不純物拡散バリア層の形成条件が、不純物拡散バリア層内において担体の所定の設計トンネル確率を有する前記ＩＩＩ族窒化物素子を生成すべく選択されているようにする方法。
【請求項３５】
Ｍｇドープ化ｐ−ＡｌＧａＮ層と活性領域、およびその間にマグネシウム拡散バリア層を含み、前記マグネシウム拡散バリア層がＡｌＮを含む多量子井戸ＵＶ−ＬＥＤ構造。
【請求項３６】
前記素子がＵＶレーザーダイオードを含む、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物光電子素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、ＩＩＩ族窒化物電子および光電子素子に関し、具体的には、高Ａｌ含量ＡｌｘＧａｙＮ拡散バリアを有するＩＩＩ族窒化物電子および光電子素子構造、およびその製造方法に関する。ここで、ｘ＋ｙ＝１、かつ、ｘ≧０．５０である。高Ａｌ含量ＡｌｘＧａｙＮ層は、電子および光電子素子が、エピタキシャル成長および素子製造を含む当該電子および光電子素子の製造に関わる高温加工の間、ドーパント種（例えば、マグネシウム、シリコン等）の移動または拡散により損なわれないように、活性素子領域内に作り込まれることを可能にする。
【背景技術】
【０００２】
関連技術の説明
ＩＩＩ族窒化物光電子素子の製造において、シリコンやマグネシウム等の一般的に利用されるドーパントは、有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）および蒸着後処理工程等の高温処理状態にある間、素子構造の活性領域内に容易に移動または拡散する。活性領域内へのドーパント種のこのような移動は、ＩＩＩ族窒化物光電子素子の最終的な性能および効率に極めて有害である。
【０００３】
具体的には、光電子素子の活性領域へドーパント種が移動すると、非放射中心および好ましくない波長特性（すなわち、所望の発光波長からの偏差）を有する放射中心の形成、並びに微細な形状欠陥の発生により素子の発光効率が低下し、それに伴い製品素子の効率が実質的に低下する。
【０００４】
更に、活性領域内へのドーパント種のそのような移動、およびその結果素子内に発生する欠陥は、活性領域のドーパントによる汚染に帰すべき工程中の過剰な熱発生の結果として製品寿命の短縮につながる。
【０００５】
ＩＩＩ族窒化物光電子素子を製造する間に活性領域内へドーパントが移動することに伴うこれらの課題は、光電子素子アーキテクチャを改良する研究および努力の動機を与えた。例えば、チャン・インラン（Ｃｈａｎｇ，Ｙｉｎｇ−Ｌａｎ）他による「ＧａＮおよびＡｌＧａＮのメタ有機化学蒸着の間におけるＭｇ拡散の研究（Ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  Ｍｇ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｄｕｒｉｎｇ  Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  ＧａＮ  ａｎｄ  ＡｌＧａＮ）」、応用物理学会会報（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）Ｖｏｌ．７４、Ｎｏ．５、ｐｐ．６８８〜６９０、特開２００１−３６１９６号公報（２００１年２月９日公開）、および特開２００１−７７４８０号公報（２００１年３月２３日公開）を参照されたい。これら各種参照文献の開示は、各々その全文を本明細書に援用している。
【０００６】
光電子素子の活性領域内へのドーパント種の移動と拡散に伴う問題の克服を目指す上述の先行的な研究や試みにもかかわらず、このような課題に対する有効な解決となる技術が依然として必要とされている。このような解決策は、ＩＩＩ族窒化物光電子素子の製造工程において容易に実装可能であって、移動や拡散による光電子素子構造の活性領域の汚染を極めて有効に回避でき、かつ、費用対効果が良好であることが望ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
発明の概要
本発明は、ＩＩＩ族窒化物電子および光電子素子、ならびにその製造方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一の態様において、本発明は、ドープ化材料、活性領域およびドープ化材料から活性領域内へのドーパントの移動を抑制するバリア材料を含むＩＩＩ族窒化物電子素子構造に関するものであり、当該バリア材料は高Ａｌ含量ＡｌｘＧａｙＮを含み、ここで、ｘ＋ｙ＝１、かつ、ｘ≧０．５０である。
【０００９】
本発明の別の態様は、ドープ化ＩＩＩ族窒化物層および活性領域を含むＩＩＩ族窒化物光電子素子構造に関するものであり、ドープ化ＩＩＩ族窒化物層と活性領域の間にバリア層が配置されていて、当該バリア層が、ＡｌとＧａの総量を基準にして少なくとも５０％のＡｌを有するＡｌＧａＮを含む材料で形成されていることにより、ＡｌＧａＮ層はドープ化ＩＩＩ族窒化物層から素子の活性領域内へのドーパント種の移動または拡散に対するバリアを提供する。
【００１０】
本発明の更に別の態様は、活性領域および当該活性領域上に重なったドープ化ＩＩＩ族窒化物層を含むＩＩＩ族窒化物光電子素子構造を形成する方法に関するものであり、当該方法は、活性領域とドープ化ＩＩＩ族窒化物層との間にＡｌＧａＮ層中間体を形成して、ドープ化ＩＩＩ族窒化物層から活性領域内へのドーパントの移動または拡散を抑制するバリア層を形成するステップを含む。
【００１１】
本発明は、別の態様において、ドープ化材料および活性領域材料を含む微細電子素子構造内に高ドープ化領域を生成する方法に関し、その方法は、（ｉ）ドープ化材料と活性領域材料の間に中間層を形成して、そのような中間層を有しない対応微細電子素子構造に関して、歪みが増した界面領域を生成し、ドープ化材料と活性領域材料が互いに隣接するようにさせるステップと、（ｉｉ）ドープ化材料から活性領域材料へドーパントを移動させて、歪みが増した当該界面領域にドーパントが堆積されるようにするステップとを含む。
【００１２】
本発明の追加的な態様は、ドープ化および活性領域を含むＩＩＩ族窒化物素子を、当該素子のバンド・エネルギー構造に関して設計する方法に関し、当該方法は、ドープ化および活性領域の間に高Ａｌ含量ＡｌｘＧａｙＮを含む層を挟むステップを含み、ここで、ｘ＋ｙ＝１、かつ、ｘ≧０．５０であって、ｘ、ｙ、挟まれる層の厚さ、および挟まれる層の形成条件が、所定のバンド・エネルギー構造を有するＩＩＩ族窒化物素子を生成すべく選択されているようにする。
【００１３】
本発明の更なる態様は、間に不純物拡散バリア層を有するドープ化および活性領域を含むＩＩＩ族窒化物素子の不純物拡散バリア層内における担体のトンネル確率を設計する方法に関し、当該方法は、不純物拡散バリア層として高Ａｌ含量ＡｌｘＧａｙＮを含む層を形成するステップを含み、ここで、ｘ＋ｙ＝１かつｘ≧０．５０であって、ｘ、ｙ、不純物拡散バリア層の厚さ、および不純物拡散バリア層の形成条件が、不純物拡散バリア層内において担体の所定の設計トンネル確率を有するＩＩＩ族窒化物素子を生成すべく選択されているようにする。
【００１４】
本発明の更に別の態様は、Ｍｇドープ化ｐ−ＡｌＧａＮ層と活性領域、およびその間にマグネシウム拡散バリア層を含む、多量子井戸ＵＶ−ＬＥＤ構造に関し、当該マグネシウム拡散バリア層はＡｌＮを含む。
【００１５】
本発明の他の態様、特徴、および利点は、以下の開示および添付の請求項から明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
発明およびその好適な実施形態の詳細な説明
本発明は、ＩＩＩ族窒化物光電子素子構造を、高Ａｌ含量ＡｌｘＧａｙＮを含むバリア材料を有する素子構造を生成することにより、当該素子構造の活性領域内へのドーパント（例えばＳｉ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｏ、Ｇｅ等）の移動および／または拡散が大幅に削減または排除可能でもあるとの発見に基づいており、ここで、ｘ＋ｙ＝１、かつ、ｘ≧０．５０であって、当該バリア材料は、活性領域内へのドーパントの移動または拡散を含む、汚染要因となるドーパントの移動から素子構造の活性領域を保護すべく組成されている。
【００１７】
ＡｌｘＧａｙＮバリア材料は、高いＡｌ濃度を有し、アルミニウムとガリウムの総量を基準にして少なくとも５０％以上１００％以下のＡｌ濃度を含む。このような高Ａｌ含量ＡｌｘＧａｙＮ材料が、ドープ層からＩＩＩ族光電子素子構造の活性領域内へのドーパント種の拡散および移動を効果的に阻止することが発見された。このような材料で形成されたバリア層は、マグネシウムやシリコン等のドーパント種による活性領域の汚染を抑制することに特に効果的である。
【００１８】
本発明の広範な実施に際してＡｌｘＧａｙＮバリアは、製品ＩＩＩ族窒化物光電子素子製造の処理フロー・シーケンスの一部として、適当な処理条件下で、有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）等の蒸着技術を含む任意の適当な薄膜構造技術により容易に形成することができる。
【００１９】
特定の比較例として、３４０ナノメートル（ｎｍ）のＵＶ波長で動作すべく生成されたＵＶ−ＬＥＤ素子構造の活性領域とｐ−ＡｌＧａＮクラッディングの間に、厚さが約３０オングストロームのＡｌＮ層を形成することにより、そのようなＡｌＮバリア層を有しない対応ＵＶ−ＬＥＤ素子構造に比べて、素子の最上位ｐ−クラッディング層から活性領域内へのマグネシウム（Ｍｇ）の拡散が効果的に抑制されることが示された。
【００２０】
図１は、基板１８上のＮ−ＡｌＧａＮ１６、活性領域材料１４、およびｐ−ＡｌＧａＮ１２の連続する層を含む紫外線発光ダイオード（ＵＶ−ＬＥＤ）構造１０の層構造の模式図である。基板１８は、例えば、サファイア、尖晶石、ＳｉＣ、ＧａＮ等、任意の適当な種類であってよい。裏側層１８または層１２に接点を設けて素子の接点要素を形成することができる。
【００２１】
図２は、図１と同様のＵＶ−ＬＥＤ構造の層構造の模式図であり、同じ層は対応して付番されているが、構造１０の活性領域１４とｐ−ＡｌＧａＮ層１２の間にＡｌＮバリア層２０を用いている。
【００２２】
図３は、マグネシウムおよびアルミニウム原子の濃度を、これらのＵＶ−ＬＥＤのサンプルの深さの関数として、各々の比較用サンプルのＡｌＮバリア層が有る場合と無い場合について示すグラフである。図３に示すドーパント分析結果は、２次イオン質量スペクトル分析（ＳＩＭＳ）で決定され、ＡｌＮバリア層の効果を示している。
【００２３】
図１および図２に示す種類の各素子構造において、ＡｌＮ層を含まない素子構造の活性領域におけるマグネシウム領域密度は、５．１×１０１２ｃｍ−２であり、一方、活性領域とｐ−ＡｌＧａＮクラッディングの間にＡｌＮ層を含む対応素子構造の活性領域のマグネシウム領域密度は１．５×１０１２ｃｍ−２であった。
【００２４】
これらの経験的に決定された値は、素子の活性領域のＭｇドーパント汚染を抑制するＡｌＮバリア層の有効性を示すものの、抑制効果の相対的な効果を低く評価する。その理由は、ＡｌＮバリア層を含む素子構造のｐ−クラッディング層のマグネシウム・ドーパント濃度が、そのようなＡｌＮバリア層を有しない素子構造のｐ−クラッディング層のＭｇドーパントの濃度より３０％高かったためである。
【００２５】
本発明の高Ａｌバリア層構造により、ＡｌＧａＮ層に高レベルのマグネシウムを含ませることが可能になり、それにより現在可能なレベルよりも高い素子性能のＭｇ濃度レベルが得られるようになる。
【００２６】
本発明は、微細電子の素子構造の製造における高温度でのドーパントの移動／拡散に起因して素子の活性領域がドーパントで汚染されるという、本発明のバリア層を有しない光電子素子の従来の製造過程で遭遇する問題を伴うことなく、素子構造のドープ化材料内のドーパント密度を高めることが可能な移動／拡散バリア層を提供する。
【００２７】
素子の活性領域内へのドーパントの移動が抑制される結果、本発明のバリア層構造により、本発明の移動／拡散バリア層を有しない対応光電子素子で実現可能なものよりも素子寿命が大幅に伸び、発光効率が高くなり、かつ動作時の熱発生が低いＩＩＩ族窒化物光電子素子の製造が可能になる。
【００２８】
ＡｌＮ移動／拡散バリア層を有する上述のＵＶ−ＬＥＤ品目を経験的に特徴付けた際に、マグネシウム濃度の分析から、バリア層とｐ−ＡｌＧａＮ層の間の界面において局所的にマグネシウムが堆積されていることが明らかになった。
【００２９】
このようなマグネシウムの局在性は、バリア層／ｐ−ＡｌＧａＮ界面で互いに接する、バリア層材料とｐ−ＡｌＧａＮ材料の間での微細モーフォロジーおよび物理的特性（例えば、結晶構造の違い、歪の違い等）の違いに符合する。ｐ−ＡｌＧａＮとＡｌｘＧａｙＮバリアとの界面で堆積されたマグネシウムは、ＳＩＭＳデータ内に、重ね合わされたガウス分布状のドーパント特徴を形成した。
【００３０】
対照的に、ＡｌｘＧａｙＮバリア層が存在しない対応ＵＶ−ＬＥＤ素子構造において、ＵＶ−ＬＥＤ構造の活性領域内へのマグネシウム原子の拡散により、０．２〜０．３マイクロメートル（表層から活性領域まで測定）の深さにおいて僅かに先細りとなっている濃度特徴が得られる。あるケースでは濃度は約３０％減少しただけである。
【００３１】
上記から、歪みその他の材料特性の極端な違いが存在し得る界面領域にドーパント種が堆積したことが示される。そのようなドーパントの堆積傾向は従って、接点形成用に高ドープ化領域を得る手段を提供する。
【００３２】
また、このような界面領域でのドーパント堆積傾向を利用してチャネル画定を実現、または光電子素子の性能を最適化する技術として、付随する電荷寄与を排除することなく、層からドーパントを除去することができる。
【００３３】
更に、ドーパント種の界面領域におけるドーパント堆積傾向を利用して、位置を固定した仕方でドーパントを層に導入することができる。
【００３４】
本発明に従いＡｌｘＧａｙＮ移動／拡散バリア層を提供することにより、ＩＩＩ族窒化物素子（例えば（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎその他の窒化物合金素子であり、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）は、金属部分がアルミニウム、ガリウムおよびアルミニウムのうち一つ以上を含む任意の化学量論的に適切な窒化物を表わす）のバンド構造に関して素子構造の設計が容易になる。本発明に従いＡｌｘＧａｙＮ移動／拡散バリア層を用いることにより、不純物拡散バリア層における担体のトンネル確率の設計も可能になる。
【００３５】
ｐ−ＡｌＧａＮ層と活性領域の間にＡｌＮマグネシウム拡散バリア層を有する、多量子井戸（ＭＱＷ）ＵＶ−ＬＥＤ構造について、圧電効果の調整が無いバンド線図の簡略図を図４に示す。
【００３６】
図４から、適切に設計されていない場合、ＡｌＮ層の存在に起因する荷電子帯オフセットが正孔移動を阻害することは明白である。適切な設計とは、不純物拡散バリア層（各層の化学量論を含む）のバンド構造、各層の厚さ、および担体のエネルギー（例えば、光電子素子の駆動電圧の考慮に基づく）を考慮に入れたものである。
【００３７】
正方形のバリアを貫通する粒子のトンネル確率（Ｔ）は、以下の式（１）により設定される。
【数１】
2007504682.tif 000003
【００３８】
ここに、
【数２】
2007504682.tif 000004
である。
【００３９】
また、
【数３】
2007504682.tif 000005
である。
【００４０】
また、Ｖ０＝ΔＥＶ、すなわち、ＡｌＮと隣接するＡｌＧａＮ層の間の荷電子帯・オフセット、ａ＝Ａｌ層の厚さ、ｈ＝プランク定数、ｍ＝隣接するＡｌＧａＮ層の正孔有効質量、Ｅ＝担体のエネルギー（〜光電子素子の駆動電圧）である。
【００４１】
ｋ'ａ＞＞１と仮定すれば、式（１）は以下のように簡素化できる。
【数４】
2007504682.tif 000006
【００４２】
式（４）から、バリアの厚さが増すにつれてＴが指数的に減少することが明らかである。ＡｌＧａＮ層内に未知の正孔有効質量があるために、正確なトンネル確率をＡｌＮの厚さの関数として決定することは困難である。それにもかかわらず、相対的な比較は、本発明の光電子素子構造内のバリア層の効果を評価するのに役立つ。
【００４３】
異なる正孔エネルギー（Ｅ）を有する正孔有効質量（ｍ０）の異なる値に対するトンネル確率をＡｌＮの厚さの関数としてシミュレーションした結果を図５に示す。
【００４４】
図５を参照するに、（ＡｌＮバリア層の）一定のバリア高に対して、最適なＡｌＮの厚さを容易に決定することができ、これにより活性領域内へのドーパントの拡散を効果的に抑制しながら正孔トンネル確率が増大する。
【００４５】
例えば、厚さが２．５オングストローム程度であるＡｌＮの単分子層は、ｍ０＝１．０かつＥ＝５０ｍｅｖの場合に４０％超の正孔トンネル確率を与える。更に、素子の駆動電圧（すなわちＥ）を増大させることにより、考慮している特定の例で約２０％と、トンネル確率を大幅に増大される。このように、厚さが極めて薄いバリア層を用いることにより、マグネシウムおよび他のドーパント種の移動／拡散を防止することができる。
【００４６】
上記と整合して、本発明は別の態様において、ドープ化材料および活性領域材料を含む微細電子素子構造の高度にドープ化された領域を生成する方法を考察するものであり、当該方法は、（ｉ）ドープ化材料と活性領域材料の間に、ドープ化材料と活性領域材料が互いに隣接するように中間層を形成して、そのような中間層を有しない対応微細電子素子構造に比べて歪みが増大した界面領域を生成するステップと、（ｉｉ）ドープ化材料から活性領域材料へドーパントを移動させて、歪みが増大している界面領域にドーパントが堆積されるようにするステップと、を含む。
【００４７】
このような方法による中間層は好適には、高Ａｌ含量ＡｌｘＧａｙＮ（ここで、ｘ＋ｙ＝１かつｘ≧０．５０）を含む。微細電子素子構造は、例えば、ＩＩＩ族窒化物材料を含むＩＩＩ族窒化物光電子素子構造等、任意の適切な種類であってよく、またドーパントは例えば、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｏ、Ｇｅ等の任意の適切な種を含んでいてよい。
【００４８】
微細電子素子構造内に高度にドープ化された領域を生成する当該方法において、ドープ化材料から活性領域材料へドーパントを移動させるステップ（ｉｉ）を用いて、微細電子素子構造のチャネル画定を実現する。
【００４９】
ドープ化材料から活性領域材料へドーパントを移動させる当該ステップ（ｉｉ）は別の態様において充分な時間実行されて、ドーパントに付随する電荷寄与を排除することなく、ドープ化材料からドーパントを除去することができる。
【００５０】
歪みが増大した界面領域にドーパントが堆積されるように、ドープ化材料から活性領域材料へドーパントを移動させ当該ステップ（ｉｉ）は、ドーパントをそのように移動させるのに動力学的に好都合な、高温状態で実施することができる。
【００５１】
本発明は別の態様において、ドープ化および活性領域を含むＩＩＩ族窒化物素子を設計する方法を、当該素子のバンド・エネルギー構造に関して考察するものであり、当該方法は、ドープ化および活性領域の間に、高Ａｌ含量ＡｌｘＧａｙＮを含む層を挟むステップを含み、ここで、ｘ＋ｙ＝１かつｘ≧０．５０であって、ｘ、ｙ、挟まれる層の厚さ、および挟まれる層の形成条件が、所定のバンド・エネルギー構造を有するＩＩＩ族窒化物素子を生成すべく選択されているようにする。
【００５２】
本発明の更なる態様は、間に不純物拡散バリア層を有するドープ化および活性領域を含むＩＩＩ族窒化物素子の不純物拡散バリア層内における担体のトンネル確率を設計する方法を考察するものであり、当該方法は、不純物拡散バリア層として高Ａｌ含量ＡｌｘＧａｙＮを含む層を形成するステップを含み、ここで、ｘ＋ｙ＝１かつｘ≧０．５０であって、ｘ、ｙ、不純物拡散バリア層の厚さ、および不純物拡散バリア層の形成条件が、不純物拡散バリア層内において担体の所定の設計トンネル確率を有するＩＩＩ族窒化物素子を生成すべく選択されているようにする。
【００５３】
更に特定の素子態様において、本発明はＭｇドープ化ｐ−ＡｌＧａＮ層と活性領域、およびその間にマグネシウム拡散バリア層を含む、多量子井戸ＵＶ−ＬＥＤ構造を考察するものであり、当該マグネシウム拡散バリア層はＡｌＮを含む。
【００５４】
これまで本発明の方式についてｐ型層の利用に関して述べてきたが、ｎ層においても利用することができる。
【００５５】
一般に、本発明のバリア方式は、広範な微細電子素子に役立つべく採用され、青色発光ダイオード（ＬＥＤ）、緑色ＬＥＤ、青色レーザーダイオード（ＬＤ）、ＵＶ−ＬＥＤ、ＵＶ−ＬＤ、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）等を含むが、これに限定されるものではない。
【００５６】
当業者であれば必要以上に実験せずとも容易に判断できるように、高Ａｌ含量ＡｌｘＧａｙＮ層の厚さは、本発明の広範な実施において大幅に変更することができる。特定の応用において、ドーパント種の移動／拡散を抑制するために約５〜約２００オングストロームの範囲の厚さを採用することに利点がある。他の応用において、バリア層の厚さは、約１０オングストローム〜１００オングストロームの範囲にあることが望ましく、より好適には約１０〜約７５オングストローム、最も好適には約１０〜約６０オングストロームである。
【００５７】
本発明によるバリア層は、化学式（ＡｌｘＧａｙ）Ｎ材料を含み、ここで、ｘ＋ｙ＝１、かつ、ｘは約０．５〜１の範囲にある。本発明によるバリア層を用いる特定の実施形態において、ｘの値は少なくとも０．６０、０．７５、０．８０、０．９０または０．９５であってよい。必要とされる最小アルミニウム濃度は、部分的に素子の処理要件、特に素子の熱指標（時間および温度）に依存する。本発明の所与の応用において移動および拡散を効果的に防止すべくバリア層において必要なアルミニウムの特定の組成および量は、本開示に基づいて、当業者には容易に判断可能である。
【００５８】
本発明によるバリア層成長に役立つべく用いられる例示的な処理条件として、温度が約９００〜約１５００℃の範囲、圧力が約１〜約１０００ｔｏｒｒの範囲、Ｖ／ＩＩＩ比が約１〜約１００，０００の範囲、および成長率が約０．０１ｕｍ／ｈｒ〜１０ｕｍ／ｈｒにあることが含まれる。
【００５９】
本発明の特徴および利点を、以下の非限定的な例を以って、より完全に示す。
【実施例】
【００６０】
実施例１
本発明に従い製造されたＵＶ−ＬＥＤ素子の成長条件の具体例を以下に提供する。
ステップ１）＞０．０５ｕｍ  ＡｌＧａＮのｎ層（Ａｌ％＞５、（Ｓｉドーピング＞５ｅｌ７ｃｍ−３）を、Ｔ＝１２２０℃、Ｐ＝１００ｍｂａｒ、Ｖ／ＩＩＩ＝２５００、かつ成長率１．５ｕｍ／ｈｒで成長させる。
ステップ２）＜２０００オングストロームＡｌＧａＮ  ＭＱＷの活性領域（Ａｌ％＞１、ドープ化または非ドープ化）を、Ｔ＝１２２０℃、Ｐ＝１００ｍｂａｒ、Ｖ／ＩＩＩ＝２５００、かつ成長率１．５ｕｍ／ｈｒで成長させる。
ステップ３）３０オングストロームＡｌＮバリア層（Ａｌ％＞５０、ドープ化または非ドープ化）を、Ｔ＝１２２０℃、Ｐ＝１００ｍｂａｒ、ＶＩＩＩ＝２５００、かつ成長率０．１８ｕｍ／ｈｒで成長させる。
ステップ４）＜０．５ｕｍ  ＡｌＧａＮのｐ型層（Ａｌ％＞５、Ｍｇ  ドーピング＞ｌｅｌ９ｃｍ−３）を、Ｔ＝１２２０℃、Ｐ＝１００ｍｂａｒ、Ｖ／ＩＩＩ＝２５００、かつ成長率１．５ｕｍ／ｈｒで成長させる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明の高Ａｌ含量ＡｌＧａＮバリア層技術が、ＩＩＩ族窒化物電子素子構造の製造に役立つべく採用されており、当該バリア層の提供によりＩＩＩ族窒化物素子構造の活性領域内へのドーパント種等の不要な材料の移動および／または拡散が大幅に減少、または除去される。当該バリア層構造は、電子素子の極めて効率的な製造を可能にし、本発明のバリア層構造を有しない対応光電子素子に比べて素子寿命の大幅な延長、発光効率の向上、熱発生の低減、動作性能の向上が得られる。特定の応用において、本発明のバリア層構造を用いて、多量子井戸（ＭＱＷ）紫外線発光ダイオード素子等の素子における不純物拡散バリア層内の担体のトンネル確率を設計することができる。本発明のバリア層はまた、高い歪みその他の材料差異が存在し得る界面領域のドーパントを局在化する特定の素子への応用に用いて、接点形成のための極めて高ドープ化された領域を生成することができる。本発明のバリア層構造はまた、当該バリア層を含む素子の性能を最適化すべく、チャネル画定に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】基板上にＮ−ＡｌＧａＮ、活性領域材料、およびｐ−ＡｌＧａＮの一連の層を含む紫外線発光ダイオード（ＵＶ−ＬＥＤ）の層構造を表わす模式図である。
【図２】図１と同様であるが、活性領域とｐ−ＡｌＧａＮ層の間にＡｌＮバリア層を用いた、ＵＶ−ＬＥＤ構造の層構造を表わす模式図である。
【図３】二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）により定められた、マグネシウムおよびアルミニウム原子の濃度をＵＶ−ＬＥＤサンプルの深さの関数として、各々の比較用サンプルにＡｌＮバリア層が有る場合と無い場合について表わしたグラフであり、ＡｌＮバリア層の効果を示す。
【図４】（ＭＱＷ）ＵＶ−ＬＥＤ素子構造において当該構造の活性領域とｐ型クラッド層の間にＡｌＮ層が挿入された状態でのエネルギー・バンド図である。
【図５】異なる相対有効質量（ｍ０）および正孔エネルギー（Ｅ）に対する、ＡｌＮ厚の関数としてのトンネル確率（％）をオングストローム単位で示すグラフである。
【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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【国際調査報告】
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