(57)【要約】  半導体構造に対する低抵抗率接触の実施形態が開示されている。一実施形態において、半導体構造は、半導体層と、半導体層の表面上の低バンドギャップを有する半導体接触層と、半導体層とは反対側の半導体接触層の表面上の電極とを含んでいる。半導体接触層のバンドギャップは、０〜０．２電子ボルト（ｅＶ）の範囲にあり、それらを含んでおり、より好ましくは０〜０．１ｅＶの範囲にあり、それらを含んでおり、更により好ましくは０〜０．０５ｅＶの範囲にあり、それらを含んでいる。半導体層は、ｐ型であるのが好ましい。特定の一実施形態において、半導体接触層および電極は、ｐ型半導体層に対するオーミック接触を形成しており、半導体接触層の低バンドギャップの結果、オーミック接触は、１×１０-6オーム・ｃｍ2未満の抵抗率を有している。【選択図】図５
2014530492.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層と、
前記半導体層の表面上の、０〜０．１電子ボルトの範囲にあり、それらを含んでいるバンドギャップを有する半導体接触層と、
前記半導体層とは反対側の前記半導体接触層の表面上の金属電極とを備える半導体構造。
【請求項２】
前記半導体層がｐ型半導体層である、請求項１に記載の半導体構造。
【請求項３】
前記半導体接触層および前記金属電極は、１×１０-6オーム・ｃｍ2未満の抵抗率を有するオーミック接触を形成する、請求項２に記載の半導体構造。
【請求項４】
前記半導体接触層の前記バンドギャップは、０〜０．０５電子ボルトの範囲にあり、それらを含んでいる、請求項２に記載の半導体構造。
【請求項５】
半導体層と、
前記半導体層の表面上の、ＰｂxＳｎ1-xＳｅから形成され、ここで、０≦ｘ≦１であり、０〜０．２電子ボルトの範囲にあり、それらを含んでいるバンドギャップを有するｐ型半導体接触層と、
前記半導体層とは反対側の前記ｐ型半導体接触層の表面上の金属電極を備える半導体構造。
【請求項６】
前記ｐ型半導体接触層の前記バンドギャップは、０〜０．１電子ボルトの範囲にあり、それらを含んでいる、請求項５に記載の半導体構造。
【請求項７】
前記ｐ型半導体接触層の前記バンドギャップは、０〜０．０５電子ボルトの範囲にあり、それらを含んでいる、請求項５に記載の半導体構造。
【請求項８】
前記ｐ型半導体接触層は、ＰｂxＳｎ1-xＳｅから形成され、ここで、０≦ｘ≦１であり、Ｓｎのモル分率が０．０８〜０．４６の範囲にあり、それらを含んでいる、請求項５に記載の半導体構造。
【請求項９】
前記ｐ型半導体接触層は、ＰｂxＳｎ1-xＳｅから形成され、ここで、０≦ｘ≦１であり、Ｓｎのモル分率が０．１８〜０．３７の範囲にあり、それらを含んでいる、請求項５に記載の半導体構造。
【請求項１０】
前記ｐ型半導体接触層は、ＰｂxＳｎ1-xＳｅから形成され、ここで、０≦ｘ≦１であり、Ｓｎのモル分率が０．２３〜０．３２の範囲にあり、それらを含んでいる、請求項５に記載の半導体構造。
【請求項１１】
半導体層と、
前記半導体層の表面上の、ＰｂxＳｎ1-xＴｅから形成され、ここで、０≦ｘ≦１であり、０〜０．２電子ボルトの範囲にあり、それらを含んでいるバンドギャップを有するｐ型半導体接触層と、
前記半導体層とは反対側の前記ｐ型半導体接触層の表面上の金属電極を備える半導体構造。
【請求項１２】
前記ｐ型半導体接触層の前記バンドギャップは、０〜０．１電子ボルトの範囲にあり、それらを含んでいる、請求項１１に記載の半導体構造。
【請求項１３】
前記ｐ型半導体接触層の前記バンドギャップは、０〜０．０５電子ボルトの範囲にあり、それらを含んでいる、請求項１１に記載の半導体構造。
【請求項１４】
前記ｐ型半導体接触層は、ＰｂxＳｎ1-xＴｅから形成され、ここで、０≦ｘ≦１であり、Ｓｎのモル分率が０．２１〜０．９５の範囲にあり、それらを含んでいる、請求項１１に記載の半導体構造。
【請求項１５】
前記ｐ型半導体接触層は、ＰｂxＳｎ1-xＴｅから形成され、ここで、０≦ｘ≦１であり、Ｓｎのモル分率が０．４〜０．７６の範囲にあり、それらを含んでいる、請求項１１に記載の半導体構造。
【請求項１６】
前記ｐ型半導体接触層は、ＰｂxＳｎ1-xＴｅから形成され、ここで、０≦ｘ≦１であり、Ｓｎのモル分率が０．４９〜０．６７の範囲にあり、それらを含んでいる、請求項１１に記載の半導体構造。
【請求項１７】
２ａ族および４−６族の材料系で形成されるｐ型の熱電材料を備える半導体層と、
前記半導体層の表面上の、０〜０．２電子ボルトの範囲にあり、それらを含んでいるバンドギャップを有する２ａ族および４−６族の材料から形成される半導体接触層と、
前記半導体層とは反対側の前記半導体接触層の表面上の金属電極を備える半導体構造。
【請求項１８】
ｐ型のＰｂＳｅベースの熱電材料を備える半導体層と、
前記半導体層の表面上の、ＰｂyＳｎ1-yＳｅから形成され、ここで、０≦ｙ≦１であり、０〜０．２電子ボルトの範囲にあり、それらを含んでいるバンドギャップを有する半導体接触層と、
前記半導体層とは反対側の前記半導体接触層の表面上の金属電極を備える半導体構造。
【請求項１９】
前記ｐ型のＰｂＳｅベースの熱電材料は、少なくとも一層のＰｂＳｅと、少なくとも一層のＰｂxＳｒ1-xＳｅとを備え、ここで、０≦ｘ≦１である、請求項１８に記載の半導体構造。
【請求項２０】
ｐ型のＰｂＳｅベースの熱電材料を備える半導体層と、
前記半導体層の表面上の、ＰｂxＳｎ1-xＴｅから形成され、ここで、０≦ｘ≦１であり、０〜０．２電子ボルトの範囲にあり、それらを含んでいるバンドギャップを有する半導体接触層と、
前記半導体層とは反対側の前記半導体接触層の表面上の金属電極を備える半導体構造。
【請求項２１】
前記ｐ型のＰｂＳｅベースの熱電材料は、少なくとも一層のＰｂＳｅと、少なくとも一層のＰｂxＳｒ1-xＳｅとを備え、ここで、０≦ｘ≦１である、請求項２０に記載の半導体構造。
【請求項２２】
前記半導体接触層と前記金属電極との間に追加層を備える請求項１に記載の半導体構造。
【請求項２３】
前記半導体接触層とは反対側の前記半導体層の第２の表面上に、０〜０．２電子ボルトの範囲にあり、それらを含んでいるバンドギャップを有する第２の半導体接触層と、
前記半導体層とは反対側の前記第２の半導体接触層の表面上に第２の金属電極を更に備える請求項１に記載の半導体構造。
【請求項２４】
半導体層を提供することと、
前記半導体層の表面上に、０〜０．１電子ボルトの範囲にあり、それらを含んでいるバンドギャップを有する半導体接触層を提供することと、
前記半導体層とは反対側の前記半導体接触層の表面上に金属電極を提供することを含む半導体構造を製造する方法。
【請求項２５】
前記金属電極は、前記半導体層とは反対側の前記半導体接触層の表面の直接上にある、請求項１に記載の半導体構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１１年９月１６日出願の米国仮特許出願第６１／５３５６４６号明細書の利益を主張するものであり、その開示のすべてを本明細書中で引用し、組み込む。
【０００２】
本開示は、半導体構造に対する低抵抗率の電気接触に関する。
【背景技術】
【０００３】
熱電装置、すなわち、熱電発電機および熱電冷却機は、有望な環境保全技術として登場してきた。一般に、熱電装置は、廃熱エネルギーを電力に変換するか、固体素子から冷却する能力を提供する。熱電装置の用途は、電子的な温度管理から、固体冷却、廃熱源からの発電まで及んでいる。熱電材料の性能指数（ＺＴ）は、種々の材料の効率を比較するために用いられる無次元の単位である。性能指数（ＺＴ）は、３つの物理的なパラメータ、すなわち、熱電能α（ゼーベック係数としても知られる）、電気伝導率σ、熱伝導率ｋ、および絶対温度Ｔによって決定される。
【数１】
2014530492.tif 000003
【０００４】
バルク熱電材料における最大性能指数（ＺＴ）は、材料系の固有の性質によって左右される。大多数の候補は、ゼーベック係数と電気伝導率との間の逆相関のために、ＺＴを高めるための推進力として、低い熱伝導率を必要としている。ゼーベック係数と電気伝導率との間のこの相互依存関係および結合は、おおよそ５０年間にわたる研究にもかかわらず、ＺＴ＞１に増加させることを困難にしていた。
【０００５】
熱電材料の固有の性質は、熱電装置の効率を押し上げる一番の要因であるが、熱電装置に存在する寄生電気および熱抵抗の両方によって、性能にも限りがある。寄生電気抵抗は主に、外部金属電極が熱電材料の表面に適用された場合に形成される電流フローに対する障壁に起因している。金属−熱電界面（金属−半導体界面）において形成される障壁は、熱電装置の性能にとって有害な抵抗をもたらす。
【０００６】
半導体材料に対する理想的なオーミック接触は、以下の関係に従う：
【数２】
2014530492.tif 000004
ここで、ρcはオーミック接触の抵抗率、Ｊは電流密度、そして、Ｖは電圧である。図１に示すような電流と電圧との間の直線相関を維持するためには、図２に示すような印加電圧に対する電流のすべての非線形挙動を、回避することが必要である。金属−半導体界面における障壁は、金属電極と半導体材料との間の仕事関数および電子親和力の差に起因して形成される。ｎ型半導体材料が金属層と密着している場合、図３のバンド図に示すショットキー障壁高さφbは、以下の式によって計算できる：
ｎ型半導体材料に対して、φb＝φm−χ
ここで、φmは金属層の金属作業関数であり、χは半導体材料の電子親和力である。図４に示すように、ｐ型半導体材料に対し、障壁高さφbは、半導体材料の価電子バンド端および金属中のフェルミエネルギーにおける差によって与えられる：
ｐ型半導体に対して、
【数３】
2014530492.tif 000005
ここで、Ｅgは半導体バンドギャップであり、ｑは電子電荷である。障壁を超えるか、それを通るキャリアの伝導は、オーミック接触の抵抗率ρcの値を決定する。そのため、障壁高さφbの低減は、低抵抗接触を得るための一番のドライバである。
【０００７】
そのため、低抵抗率の電気接触を提供するために、金属と半導体材料との間の界面における障壁高さφbを低減するためのシステムおよび方法が必要とされている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
半導体構造に対する低抵抗率接触の実施形態が開示される。一実施形態において、半導体構造は、半導体層と、半導体層の表面上に低バンドギャップを有する半導体接触層と、半導体層とは反対側の半導体接触層の表面上の金属電極と、を含んでいる。半導体接触層のバンドギャップは、０〜０．２電子ボルト（ｅＶ）の範囲にあり、それらを含んでおり、より好ましくは０〜０．１ｅＶの範囲にあり、それらを含んでおり、更により好ましくは０〜０．０５ｅＶの範囲にあり、それらを含んでいる。半導体層は、ｐ型半導体層であることが好ましい。特定の一実施形態において、半導体接触層および金属電極は、ｐ型半導体層に対するオーミック接触を形成しており、半導体接触層の低バンドギャップの結果、オーミック接触は、１×１０-6オーム・ｃｍ2未満の抵抗率を有している。
【０００９】
一実施形態において、半導体接触層は、低バンドギャップを有する４−６族の半導体材料から形成される。特定の一実施形態において、半導体接触層は、ＰｂxＳｎ1-xＳｅから形成され、ここで、０≦ｘ≦１である。一実施形態において、ＰｂxＳｎ1-xＳｅにおけるＳｎのモル分率は、０．０８〜０．４６の範囲にあり、それらを含んでおり、より好ましくは０．１８〜０．３７の範囲にあり、それらを含んでおり、更により好ましくは０．２３〜０．３２の範囲にあり、それらを含んでいる。特定の別の実施形態において、半導体接触層は、ＰｂxＳｎ1-xＴｅから形成され、ここで、０≦ｘ≦１である。一実施形態において、ＰｂxＳｎ1-xＴｅにおけるＳｎのモル分率は、０．２１〜０．９５の範囲にあり、それらを含んでおり、より好ましくは０．４〜０．７６の範囲にあり、それらを含んでおり、更により好ましくは０．４９〜０．６７の範囲にあり、それらを含んでいる。
【００１０】
一実施形態において、半導体層は、１つまたは複数の４−６族の半導体材料層を含み、半導体接触層は、低バンドギャップを有する４−６族の半導体材料から形成される。
特定の一実施形態において、半導体層は、１つまたは複数の層のＰｂＳｅとＰｂxＳｒ1-xＳｅとを含み、ここで、０≦ｘ≦１であり、半導体接触層は、ＰｂyＳｎ1-yＳｅから形成され、ここで、０≦ｙ≦１である。一実施形態において、ＰｂyＳｎ1-yＳｅにおけるＳｎのモル分率は、０．０８〜０．４６の範囲にあり、それらを含んでおり、より好ましくは０．１８〜０．３７の範囲にあり、それらを含んでおり、更により好ましくは０．２３〜０．３２の範囲にあり、それらを含んでいる。特定の別の実施形態において、半導体層は、１つまたは複数の層のＰｂＳｅとＰｂxＳｒ1-xＳｅとを含み、ここで、０≦ｘ≦１であり、半導体接触層は、ＰｂyＳｎ1-yＴｅから形成され、ここで、０≦ｙ≦１である。一実施形態において、ＰｂyＳｎ1-yＴｅにおけるＳｎのモル分率は、０．２１〜０．９５の範囲にあり、それらを含んでおり、より好ましくは０．４〜０．７６の範囲にあり、それらを含んでおり、更により好ましくは０．４９〜０．６７の範囲にあり、それらを含んでいる。
【００１１】
別の実施形態において、半導体構造は、半導体層と、半導体層の第１の表面上に低バンドギャップを有する第１の半導体接触層と、半導体層とは反対側の第１の半導体接触層の表面上の第１の金属電極と、第１の半導体接触層とは反対側の半導体層の第２の表面上に低バンドギャップを有する第２の半導体接触層と、半導体層とは反対側の第２の半導体接触層の表面上の第２の金属電極と、を含んでいる。第１および第２の半導体接触層のそれぞれのバンドギャップは、０〜０．２ｅＶの範囲にあり、それらを含んでおり、より好ましくは０〜０．１ｅＶの範囲にあり、それらを含んでおり、更により好ましくは０〜０．０５ｅＶの範囲にあり、それらを含んでいる。半導体層は、ｐ型半導体層であることが好ましい。特定の一実施形態において、第１および第２の半導体接触層およびそれぞれの第１および第２の金属電極は、第１の半導体接触層の低バンドギャップの結果、それぞれが、１×１０-6オーム・ｃｍ2未満の抵抗率を有する、ｐ型半導体層に対する対応するオーミック接触を形成している。
【００１２】
一実施形態において、第１および第２の半導体接触層はそれぞれ、低バンドギャップを有する４−６族の半導体材料から形成される。特定の一実施形態において、第１および第２の半導体接触層はそれぞれ、ＰｂxＳｎ1-xＳｅから形成され、ここで、０≦ｘ≦１である。一実施形態において、ＰｂxＳｎ1-xＳｅにおけるＳｎのモル分率は、０．０８〜０．４６の範囲にあり、それらを含んでおり、より好ましくは０．１８〜０．３７の範囲にあり、それらを含んでおり、更により好ましくは０．２３〜０．３２の範囲にあり、それらを含んでいる。特定の別の実施形態において、第１および第２の半導体接触層はそれぞれ、ＰｂxＳｎ1-xＴｅから形成され、ここで、０≦ｘ≦１である。一実施形態において、ＰｂxＳｎ1-xＴｅにおけるＳｎのモル分率は、０．２１〜０．９５の範囲にあり、それらを含んでおり、より好ましくは０．４〜０．７６の範囲にあり、それらを含んでおり、更により好ましくは０．４９〜０．６７の範囲にあり、それらを含んでいる。
【００１３】
一実施形態において、半導体層は、１つまたは複数の４−６族の半導体材料層を含み、第１および第２の半導体接触層はそれぞれ、低バンドギャップを有する４−６族の半導体材料から形成される。特定の一実施形態において、半導体層は、１つまたは複数の層のＰｂＳｅとＰｂxＳｒ1-xＳｅとを含み、ここで、０≦ｘ≦１であり、第１および第２の半導体接触層はそれぞれ、ＰｂyＳｎ1-yＳｅから形成され、ここで、０≦ｙ≦１である。一実施形態において、ＰｂyＳｎ1-yＳｅにおけるＳｎのモル分率は、０．０８〜０．４６の範囲にあり、それらを含んでおり、より好ましくは０．１８〜０．３７の範囲にあり、それらを含んでおり、更により好ましくは０．２３〜０．３２の範囲にあり、それらを含んでいる。特定の別の実施形態において、半導体層は、１つまたは複数の層のＰｂＳｅとＰｂxＳｒ1-xＳｅとを含み、ここで、０≦ｘ≦１であり、第１および第２の半導体接触層はそれぞれ、ＰｂyＳｎ1-yＴｅから形成され、ここで、０≦ｙ≦１である。一実施形態において、ＰｂyＳｎ1-yＴｅにおけるＳｎのモル分率は、０．２１〜０．９５の範囲にあり、それらを含んでおり、より好ましくは０．４〜０．７６の範囲にあり、それらを含んでおり、更により好ましくは０．４９〜０．６７の範囲にあり、それらを含んでいる。
【００１４】
当業者は、添付図面と関連して以下の好ましい実施形態の詳細な説明の通読後、本開示の適用範囲を正しく理解し、その更なる態様を認識するであろう。
【００１５】
本明細書に組み込まれ、その一部を形成する添付図面により、本開示のいくつかの態様を示し、説明と共に、本開示の原理を説明する目的を果たす。
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、金属−半導体接触におけるオーミック性能を示す電流対電圧のグラフである。
【図２】図２は、金属−半導体接触における整流性能を示す電流対電圧のグラフである。
【図３】図３は、電流フローに対する障壁を示すｎ型半導体から金属へのエネルギー準位図である。
【図４】図４は、電流フローに対する障壁を示すｐ型半導体から金属へのエネルギー準位図である。
【図５】図５は、本開示の一実施形態による低抵抗率オーミック接触を含む半導体構造を示している。
【図６】図６は、本開示の対応する実施形態による、０．２電子ボルト（ｅＶ）未満、０．１ｅＶ未満、および０．０５ｅＶ未満のバンドギャップを有する４−６族の半導体を示す、格子定数の関数としてグラフ化された７７度ケルビン（Ｋ）における種々の４−６族の半導体のエネルギーバンド図である。
【図７】図７は、本開示の半導体接触層がある場合と無い場合で製造されたオーミック接触の例としての接触抵抗率データのグラフである。
【図８】図８は、本開示の別の実施形態による、低抵抗率オーミック接触を含む半導体構造を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に述べる実施形態は、当業者が、本実施形態を実施し、本実施形態を実施する最良の形態を例証できるよう必要な情報を示している。添付図面を考慮して以下の説明を通読することにより、当業者は、本開示の概念を理解し、本明細書中で特に述べてはいないこれらの概念の用途を認識するであろう。これらの概念および用途は、本開示および添付請求項の適用範囲に含まれることは言うまでもない。
【００２５】
用語、第１、第２等は、本明細書中で種々の要素を説明するために用いられてもよいが、これらの要素は、これらの用語によって限定すべきでないことは理解されよう。これらの用語は、ある要素を別の要素と区別するためにのみ用いられる。例えば、本開示の適用範囲から逸脱することなく、第１の要素を第２の要素と呼ぶことができ、同様に、第２の要素を第１の要素と呼ぶこともできる。本明細書中で用いられる用語「および／または」は、１つまたは複数の関連する列挙項目のいずれかの、および、すべての組み合わせを含んでいる。
【００２６】
層、領域、または基板等の要素が、別の要素の「上に」または拡張されて「上へ向けられて」あると言及される場合、それは他の要素の直接上にあるか、または拡張されて直接その上へ向けられてあってもよく、または介在する要素が存在していてもよいことは、理解されよう。その一方で、要素が、別の要素の「直接上に」または拡張されて「直接上へ向けられて」あると言及される場合、介在する要素は存在しない。また、要素が、別の要素と「接続される」か「結合される」と言及される場合、それは他の要素と直接接続されるか、結合でき、または介在する要素が存在していてもよいことは、理解されよう。その一方で、要素が、別の要素と「直接接続される」か「直接結合される」と言及される場合、介在する要素は存在しない。
【００２７】
「下」または「上」または「上方」または「下方」または「水平」または「垂直」等の相対的な用語は、図に示すように、ある要素、層、または領域と別の要素、層、または領域との関係を説明するために本明細書中で用いられてもよい。これらの用語および上で説明したものは、装置の異なる配向を、図に示す配向に加えて、網羅することを意図していることは理解されよう。
【００２８】
本明細書中で用いる専門用語は、特定の実施形態を説明することだけを目的としており、開示を限定する意図はない。本明細書中で用いるように、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈上で明確に示さない限り、複数形もまた含むことを意図している。更に、用語「備える」、「備えること」、「含む」、および／または「含むこと」は、本明細書中で用いる場合、記載の特徴、整数、ステップ、操作、要素、および／または構成要素を特定するが、１つまたは複数の別の特徴、整数、ステップ、操作、要素、構成要素、および／またはその群の存在または追加を排除するものではないことは、理解されよう。
【００２９】
特に定義のない限り、本明細書中で用いる（技術的および科学的用語を含む）すべての用語は、本開示が属する当業者によって通常理解されるものと同じ意味を有している。更に、本明細書中で用いる用語は、本明細書の文脈および関連技術におけるそれらの意味と一貫した意味を有するものとして解釈されるべきであり、本明細書中でそのように特別に定義しない限り、理想的な、または過度に改まった認識で解釈されないことは、理解されよう。
【００３０】
図５は、本開示の一実施形態による低抵抗率オーミック接触１２および１４を含む半導体構造１０の一実施形態を示している。図示のように、半導体構造１０は半導体層１６を含んでいる。本明細書中で「層」と呼ばれているが、半導体層１６は、本明細書中で半導体層１６の副層と呼ばれてもよい１つまたは複数のエピタキシャル層を含むエピタキシャル構造であってもよい。半導体層１６は一般に、いずれの種類の半導体層であってもよいが、特定の一実施形態において、半導体層１６は、熱電材料である。特定の一実施形態において、熱電材料は、２ａ族および４−６族の材料系で形成される。別の実施形態において、熱電材料は、セレン化鉛（ＰｂＳｅ）ベースの熱電材料である。一例として、熱電材料は、Ｐｂ(1-x-y)ＳｒxＳｎyＳｅ（０＜ｘ＜１；０＜ｙ＜１）およびＰｂ(1-a-b)ＳｒaＳｎbＳｅ（０＜ａ＜１；０＜ｂ＜１）が交互に重なった層を含んでいてもよく、ここで、Ｐｂ(1-x-y)ＳｒxＳｎyＳｅ（０＜ｘ＜１；０＜ｙ＜１）のバンドギャップは、Ｐｂ(1-a-b)ＳｒaＳｎbＳｅ（０＜ａ＜１；０＜ｂ＜１）のバンドギャップよりも大きい。
【００３１】
オーミック接触１２は、半導体層１６の表面上に、そして好ましくはその直接上に低バンドギャップを有する半導体接触層１８と、半導体層１６とは反対側の半導体接触層１８の表面上に、そして好ましくはその直接上に金属電極２０とを含んでいる。半導体接触層１８のバンドギャップは、半導体層１６のものよりも低い。一実施形態において、半導体接触層１８のバンドギャップは、０〜０．２電子ボルト（ｅＶ）の範囲にあり、それらを含んでいる。別の実施形態において、半導体接触層１８のバンドギャップは、０〜０．１ｅＶの範囲にあり、それらを含んでいる。更に別の実施形態において、半導体接触層１８のバンドギャップは、０〜０．０５ｅＶの範囲にあり、それらを含んでいる。半導体接触層１８は、１×１０17ドーパント／ｃｍ3を超えるドーピング濃度と、０〜２マイクロメートル（μｍ）の範囲にあり、それらを含む厚さ（ｔ1）とを有しているのが好ましい。別の実施形態において、半導体接触層１８は、８×１０18ドーパント／ｃｍ3を超えるドーピング濃度を有し、半導体接触層１８の厚さ（ｔ1）は、０〜０．１μｍの範囲にあり、それらを含んでいる。
【００３２】
金属電極２０は、例えば、コバルト（Ｃｏ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、プラチナ（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、および／または関連合金等の蒸着した金属の１つまたは複数の層を含んでいる。一実施形態において、半導体層１６および半導体接触層１８は、ｎ型であり、金属電極２０は、Ｃｏおよび／またはＡｕの１つまたは複数の層を含んでいる。別の実施形態において、半導体層１６および半導体接触層１８は、ｐ型であり、金属電極２０は、ＰｄおよびＡｕの１つまたは複数の層またはＩｒおよびＡｕの１つまたは複数の層を含んでいる。特定の一実施形態において、オーミック接触１２の抵抗率は、１×１０6Ω・ｃｍ2以下である。
【００３３】
同様に、オーミック接触１４は、半導体接触層１８とは反対側の半導体層１６の表面上に低バンドギャップを有する半導体接触層２２と、半導体層１６とは反対側の半導体接触層２２の表面上に金属電極２４とを含んでいる。半導体接触層２２のバンドギャップは、半導体層１６のものよりも低い。一実施形態において、半導体接触層２２のバンドギャップは、０〜０．２ｅＶの範囲にあり、それらを含んでいる。別の実施形態において、半導体接触層２２のバンドギャップは、０〜０．１ｅＶの範囲にあり、それらを含んでいる。
更に別の実施形態において、半導体接触層２２のバンドギャップは、０〜０．０５ｅＶの範囲にあり、それらを含んでいる。半導体接触層２２は、１×１０17ドーパント／ｃｍ3を超えるドーピング濃度と、０〜２μｍの範囲にあり、それらを含む厚さ（ｔ1）とを有しているのが好ましい。別の実施形態において、半導体接触層２２は、８×１０18ドーパント／ｃｍ3を超えるドーピング濃度を有し、半導体接触層２２の厚さ（ｔ1）は、０〜０．１μｍの範囲にあり、それらを含んでいる。
【００３４】
金属電極２４は、例えば、Ｃｏ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｉｒ、および／または関連合金等の蒸着した金属の１つまたは複数の層を含んでいる。一実施形態において、半導体層１６および半導体接触層２２は、ｎ型であり、金属電極２４は、Ｃｏおよび／またはＡｕの１つまたは複数の層を含んでいる。別の実施形態において、半導体層１６および半導体接触層２２は、ｐ型であり、金属電極２４は、ＰｄおよびＡｕの１つまたは複数の層またはＩｒおよびＡｕの１つまたは複数の層を含んでいる。特定の一実施形態において、オーミック接触１４の抵抗率は、１×１０6Ω・ｃｍ2以下である。
【００３５】
特定の一実施形態において、半導体層１６および半導体接触層１８および２２は、ｐ型である。更に、上で説明したように、半導体接触層１８および２２のバンドギャップは、好ましくは０〜０．２ｅＶの範囲にあり、それらを含んでおり、より好ましくは０〜０．１ｅＶの範囲にあり、それらを含んでおり、更により好ましくは０〜０．０５ｅＶの範囲にあり、それらを含んでおり、更により好ましくは略ゼロである。半導体接触層１８および２２のバンドギャップを最小にすることによって、オーミック接触１２および１４の抵抗率は、従来のオーミック接触、特にｐ型半導体のものと比較して、実質的に低減されている。より詳細には、ｐ型半導体に対し、金属とｐ型半導体との間の界面における障壁の障壁高さ（φb）は、以下のように定められる：
【数４】
2014530492.tif 000006
ここで、Ｅgはｐ型半導体のバンドギャップであり、χはｐ型半導体の電子親和力であり、φmは金属の仕事関数である。定義によれば、オーミック接触は、障壁高さ（φb）がゼロまたは負の値を有している場合に形成される。大多数の金属は、約５ボルト（Ｖ）の仕事関数を有し、大多数の半導体の電子親和力は、約４Ｖである。そのため、ｐ型半導体に対するオーミック接触は、一般に、ｐ型半導体のバンドギャップが１ｅＶ以下の場合に得られる。ｐ型半導体のバンドギャップの更なる低減または最小化が、低抵抗率オーミック接触を得るために望まれている。
【００３６】
一実施形態において、半導体接触層１８および２２は、低バンドギャップを有する４−６族の半導体材料から形成される。特定の一実施形態において、半導体接触層１８および２２は、ＰｂxＳｎ1-xＳｅから形成され、ここで、０≦ｘ≦１は、半導体接触層１８および２２の厚さ（ｔ1）に渡る濃度を変化させるために固定される。半導体接触層１８および２２および半導体層１６は、ｐ型であるのが好ましい。オーミック接触１２および１４の抵抗率を低減するために、ＰｂxＳｎ1-xＳｅのバンドギャップは、以下で詳細に検討するように、Ｓｎ含有量を変化させることによって極めて低く調整できる。ＰｂxＳｎ1-xＳｅにおけるスズ（Ｓｎ）含有量を調節することによって、半導体接触層１８および２２のバンドギャップは、０〜０．２ｅＶの範囲にあるよう、より好ましくは０〜０．１ｅＶの範囲、更により好ましくは０〜０．０５ｅＶの範囲、更により好ましくは略０であるよう調整できる。一実施形態において、ＰｂxＳｎ1-xＳｅにおけるＳｎのモル分率は、０．０８〜０．４６の範囲にあり、それらを含んでおり、より好ましくは０．１８〜０．３７の範囲にあり、それらを含んでおり、更により好ましくは０．２３〜０．３２の範囲にあり、それらを含んでいる。本実施形態において、半導体層１６は、例えば、２ａ族および４−６族の材料系、ＰｂＳｅベースの熱電材料、または同様のもので形成される熱電材料であってもよい。特定の一実施形態において、半導体層１６は、障壁および井戸層が交互に重なった層を含み、ここで、各障壁層は、Ｐｂ(1-x-y)ＳｒxＳｎyＳｅ（０＜ｘ＜１；０＜ｙ＜１）材料の１つまたは複数の層を含み、各井戸層は、Ｐｂ(1-a-b)ＳｒaＳｎbＳｅ（０＜ａ＜１；０＜ｂ＜１）材料の１つまたは複数の層を含み、Ｐｂ(1-x-y)ＳｒxＳｎyＳｅ（０＜ｘ＜１；０＜ｙ＜１）材料のバンドギャップは、Ｐｂ(1-a-b)ＳｒaＳｎbＳｅ（０＜ａ＜１；０＜ｂ＜１）材料のバンドギャップよりも大きい。
【００３７】
別の好ましい実施形態において、半導体接触層１８および２２は、ＰｂxＳｎ1-xＴｅから形成され、ここで、０≦ｘ≦１は、半導体接触層１８および２２の厚さ（ｔ１）に渡る濃度を変化させるために固定される。半導体接触層１８および２２および半導体層１６は、ｐ型であるのが好ましい。オーミック接触１２および１４の抵抗率を低減するために、ＰｂxＳｎ1-xＴｅのバンドギャップは、以下で詳細に検討するように、Ｓｎ含有量を変化させることによって極めて低く調整できる。ＰｂxＳｎ1-xＴｅにおけるＳｎ含有量を調節することによって、半導体接触層１８および２２のバンドギャップは、０〜０．２ｅＶの範囲にあるよう、より好ましくは０〜０．１ｅＶの範囲、更により好ましくは０〜０．０５ｅＶの範囲、更により好ましくは略０であるよう調整できる。一実施形態において、ＰｂxＳｎ1-xＴｅにおけるＳｎのモル分率は、０．２１〜０．９５の範囲にあり、それらを含んでおり、より好ましくは０．４〜０．７６の範囲にあり、それらを含んでおり、更により好ましくは０．４９〜０．６７の範囲にあり、それらを含んでいる。本実施形態において、半導体層１６は、例えば、２ａ族および４−６族の材料系、ＰｂＳｅベースの熱電材料、または同様のもので形成される熱電材料であってもよい。特定の一実施形態において、半導体層１６は、障壁および井戸層が交互に重なった層を含み、ここで、各障壁層は、Ｐｂ(1-x-y)ＳｒxＳｎyＳｅ（０＜ｘ＜１；０＜ｙ＜１）材料の１つまたは複数の層を含み、各井戸層は、Ｐｂ(1-a-b)ＳｒaＳｎbＳｅ（０＜ａ＜１；０＜ｂ＜１）材料の１つまたは複数の層を含み、Ｐｂ(1-x-y)ＳｒxＳｎyＳｅ（０＜ｘ＜１；０＜ｙ＜１）材料のバンドギャップは、Ｐｂ(1-a-b)ＳｒaＳｎbＳｅ（０＜ａ＜１；０＜ｂ＜１）材料のバンドギャップよりも大きい。
【００３８】
先に進む前に、半導体構造１０は、いずれの適切な製造工程を用いても製造できることに留意されたい。一般に、半導体構造１０の製造は、例えば、半導体層１６を犠牲基板（例えば、シリコンまたはサファイア基板）上で成長させることによって、半導体層１６を提供することを含んでいる。半導体接触層１８が次いで、半導体層１６の表面上に形成されるか、そうでなければ提供される。例えば、半導体接触層１８は、適切なエピタキシャル成長工程を用いて成長されてもよい。金属電極２０が次いで、半導体層１６とは反対側の半導体接触層１８の表面上に形成されるか、そうでなければ提供される。半導体層１６は次いで、犠牲基板から除去されてもよい。次いで、半導体接触層２２が、半導体接触層１８とは反対側の半導体層１６の表面上に形成されるか、そうでなければ提供される。例えば、半導体接触層２２は、適切なエピタキシャル成長工程を用いて成長されてもよい。金属電極２４が次いで、半導体層１６とは反対側の半導体接触層２２の表面上に形成されるか、そうでなければ提供される。
【００３９】
図６は、バンドギャップを７７度ケルビン（Ｋ）で変化させるためのＰｂＳｎＳｅおよびＰｂＳｎＴｅに対する合金組成を示すバンドギャップ対格子定数の図である。ここで、格子定数は、オングストローム（Å）での単位格子の大きさである。図示のように、ＰｂxＳｎ1-xＳｅのバンドギャップは、Ｓｎ含有量を変化させることによって調整できる。
ＰｂxＳｎ1-xＳｅのバンドギャップは、Ｓｎのモル分率が０．１７である場合に略ゼロである。特に、７７度ケルビンでのＰｂxＳｎ1-xＳｅのバンドギャップ対Ｓｎのモル分率を、以下の表１に示す。
【表１】
2014530492.tif 000007
表１から、７７度ケルビンにおいて、ＰｂxＳｎ1-xＳｅのバンドギャップは、Ｓｎのモル分率が０〜０．３６の範囲にあり、それらを含む場合に０〜０．２ｅＶの範囲にあり、それらを含んでおり、Ｓｎのモル分率が０．０７〜０．２６の範囲にあり、それらを含む場合に０〜０．１ｅＶの範囲にあり、それらを含んでおり、Ｓｎのモル分率が０．１２〜０．２１の範囲にあり、それらを含む場合に０〜０．０５ｅＶの範囲にあり、それらを含んでいることがわかる。
【００４０】
とりわけ、ＰｂxＳｎ1-xＳｅのバンドギャップ対Ｓｎ含有量は、温度によって変化する。
例えば、以下の表２は、３００度ケルビンでのＰｂxＳｎ1-xＳｅのバンドギャップ対Ｓｎのモル分率を示している。
【表２】
2014530492.tif 000008
表２から、３００度ケルビンにおいて、ＰｂxＳｎ1-xＳｅのバンドギャップは、Ｓｎのモル分率が０．０８〜０．４６の範囲にあり、それらを含む場合に０〜０．２ｅＶの範囲にあり、それらを含んでおり、Ｓｎのモル分率が０．１８〜０．３７の範囲にあり、それらを含む場合に０〜０．１ｅＶの範囲にあり、それらを含んでおり、Ｓｎのモル分率が０．２３〜０．３２の範囲にあり、それらを含む場合に０〜０．０５ｅＶの範囲にあり、それらを含んでいることがわかる。
【００４１】
同様に、図６は、ＰｂxＳｎ1-xＴｅのバンドギャップが、Ｓｎ含有量を変化させることによって調整できることを示している。７７度ケルビンに対し、ＰｂxＳｎ1-xＴｅのバンドギャップは、Ｓｎのモル分率が０．４１である場合に略ゼロである。特に、７７度ケルビンでのＰｂxＳｎ1-xＴｅのバンドギャップ対Ｓｎのモル分率を、以下の表３に示す。
【表３】
2014530492.tif 000009
表３から、７７度ケルビンにおいて、ＰｂxＳｎ1-xＴｅのバンドギャップは、Ｓｎのモル分率が０．０４〜０．７８の範囲にあり、それらを含む場合に０〜０．２ｅＶの範囲にあり、それらを含んでおり、Ｓｎのモル分率が０．２３〜０．５９の範囲にあり、それらを含む場合に０〜０．１ｅＶの範囲にあり、それらを含んでおり、Ｓｎのモル分率が０．３２〜０．５の範囲にあり、それらを含む場合に０〜０．０５ｅＶの範囲にあり、それらを含んでいることがわかる。
【００４２】
３００度ケルビンでのＰｂxＳｎ1-xＴｅのバンドギャップ対Ｓｎのモル分率を、以下の表４に示す。
【表４】
2014530492.tif 000010
表４から、３００度ケルビンにおいて、ＰｂxＳｎ1-xＴｅのバンドギャップは、Ｓｎのモル分率が０．２１〜０．９５の範囲にある場合に０〜０．２ｅＶの範囲にあり、それらを含んでおり、Ｓｎのモル分率が０．４〜０．７６の範囲にある場合に０〜０．１ｅＶの範囲にあり、それらを含んでおり、Ｓｎのモル分率が０．４９〜０．６７の範囲にある場合に０〜０．０５ｅＶの範囲にあり、それらを含んでいることがわかる。
【００４３】
図７は、本開示の特定の一実施形態による、半導体接触層１８、２２がある場合と無い場合のオーミック接触の接触抵抗率のグラフである。図示のように、一般に、半導体接触層１８、２２との接触抵抗率は、半導体接触層１８、２２がない場合の同じオーミック接触のものに比べて実質的に低い。
【００４４】
図８は、本開示の別の実施形態による半導体構造１０を示している。本実施形態において、オーミック接触１２は更に、半導体接触層１８と金属電極２０との間に追加半導体層２６を含んでいる。同様に、オーミック接触１４は、半導体接触層２２と金属電極２４との間に追加半導体層２８を含んでいる。一般に、追加半導体層２６および２８は、半導体接触層１８および２２のものよりも大きいバンドギャップを有しており、高濃度でドーピングされる（すなわち、キャリア濃度≧１×１０18ｃｍ-3）。
特定の一実施形態において、追加半導体層２６および２８は、ＰｂＳｅから形成される。
【００４５】
当業者は、本開示の好ましい実施形態に対する改良形態および変更形態を認識するであろう。かかるすべての改良および変更は、本明細書中で開示された概念および以下の請求項の適用範囲内で考慮される。
【図１】
2014530492.tif 000011
【図２】
2014530492.tif 000012
【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７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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