(57)【要約】本発明は、熱伝導性領域を含む窒化ガリウム材料及びこのような材料の形成方法を提供することを含む。窒化ガリウム材料を使用して半導体装置を形成してよい。熱伝導性領域は、熱発散層（heat spreading layer）及びヒートシンクを含んでよい。熱発散層は、装置の動作中に発生する熱を比較的大きな面積にわたって分布させて、過剰な局所的な加熱を防ぐ。ヒートシンクは、典型的には装置の裏側または上側において形成され、環境への熱放散を促進する。装置の裏側においてヒートシンクと接続する熱発散層を装置が含むのが好ましいことがある。シリコン基板上の装置及び多量の熱を発生する装置の例えばパワートランジスタを含む様々な半導体装置が、本発明の特徴を利用できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体構造であって：
基板と；
該基板の上に形成された窒化ガリウム材料領域と；
前記基板の上に形成され、前記窒化ガリウム材料領域の熱伝導率よりも大きな熱伝導率を有する熱発散層と；
前記半導体構造中に形成されたヒートシンクと；
を備える半導体構造。
【請求項２】
前記熱発散層は、前記基板と前記窒化ガリウム材料領域との間に形成される、請求項１に記載の半導体構造。
【請求項３】
前記熱発散層は、ＩＩＩ族窒化物、炭化ケイ素と窒化アルミニウムとの合金、及び炭化ケイ素からなる群の化合物を含む、請求項１に記載の半導体構造。
【請求項４】
前記熱発散層は、窒化アルミニウム及びＡｌxＧａ(1-x)Ｎ［式中、ｘ＞０．５である。］からなる群の化合物を含む、請求項１に記載の半導体構造。
【請求項５】
前記熱発散層は、窒化アルミニウムを含む、請求項１に記載の半導体構造。
【請求項６】
前記熱発散層は、傾斜組成遷移層の少なくとも一部分を含む、請求項１に記載の半導体構造。
【請求項７】
前記傾斜組成遷移層は、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎを含み、ｘは、前記層の厚さの端から端まで変化し、前記熱発散層は、ｘ＞０．５である前記傾斜組成遷移層の一部分を含む、請求項６に記載の半導体構造。
【請求項８】
前記熱発散層は、約１．７W/m2・K以上の熱伝導率を有する、請求項１に記載の半導体構造。
【請求項９】
前記熱発散層は、約４．５W/m2・K以上の熱伝導率を有する、請求項１に記載の半導体構造。
【請求項１０】
前記熱発散層は、前記基板の熱伝導率よりも大きな熱伝導率を有する、請求項１に記載の半導体構造。
【請求項１１】
前記熱発散層は、前記窒化ガリウム材料領域と直接接触する、請求項１に記載の半導体構造。
【請求項１２】
前記熱発散層は、約１００nm〜約５μmの厚さを有する、請求項１に記載の半導体構造。
【請求項１３】
前記熱発散層は、エッチストップ層を含む、請求項１に記載の半導体構造。
【請求項１４】
前記ヒートシンクは、前記半導体構造の表面から延在する、請求項１に記載の半導体構造。
【請求項１５】
前記ヒートシンクは、前記半導体構造の裏側から延在する、請求項１４に記載の半導体構造。
【請求項１６】
前記ヒートシンクは、前記半導体構造の上側から延在する、請求項１４に記載の半導体構造。
【請求項１７】
前記ヒートシンクは、前記半導体構造内部の熱発生領域まで延在する、請求項１に記載の半導体構造。
【請求項１８】
前記ヒートシンクは、環境にさらされる表面を有する、請求項１に記載の半導体構造。
【請求項１９】
前記ヒートシンクは、前記熱発散層と接触する、請求項１に記載の半導体構造。
【請求項２０】
前記ヒートシンクは、バイア中に堆積した伝導性材料を含む、請求項１に記載の半導体構造。
【請求項２１】
前記伝導性材料は、本質的に銅、金、多結晶ダイヤモンド、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、及びＡｌxＧａ(1-x)Ｎ［式中、ｘ＞０．５である。］からなる群の化合物を含む、請求項２０に記載の半導体構造。
【請求項２２】
前記伝導性材料は、約３．０W/m2・K以上の熱伝導率を有する、請求項２０に記載の半導体構造。
【請求項２３】
前記伝導性材料は、約３０W/m2・K以上の熱伝導率を有する、請求項２０に記載の半導体構造。
【請求項２４】
前記ヒートシンクは、チャネルを含む、請求項１に記載の半導体構造。
【請求項２５】
前記基板は、シリコン基板を含む、請求項１に記載の半導体構造。
【請求項２６】
前記基板は、バルクシリコンを含む、請求項２５に記載の半導体構造。
【請求項２７】
前記窒化ガリウム材料領域は、複数の窒化ガリウム材料層を含む、請求項１に記載の半導体構造。
【請求項２８】
半導体装置は、少なくとも部分的には前記窒化ガリウム材料領域中に形成される、請求項１に記載の半導体構造。
【請求項２９】
熱発生装置は、少なくとも部分的には前記窒化ガリウム材料領域中に形成される、請求項１に記載の半導体構造。
【請求項３０】
前記ヒートシンクと熱的に接続可能な外部熱源をさらに備える、請求項１に記載の半導体構造。
【請求項３１】
半導体構造であって：
基板と；
該基板の上に形成された窒化ガリウム材料領域において、半導体装置は、少なくとも部分的には前記窒化ガリウム材料領域中に形成される前記窒化ガリウム材料領域と；
前記基板の上に形成され、前記窒化ガリウム材料領域及び前記基板の各々の熱伝導率よりも大きな熱伝導率を有する熱発散層と；
を備える半導体構造。
【請求項３２】
前記熱発散層は、前記基板と前記窒化ガリウム材料領域との間に形成される、請求項３１に記載の半導体構造。
【請求項３３】
前記熱発散層は、ＩＩＩ族窒化物、炭化ケイ素と窒化アルミニウムとの合金、及び炭化ケイ素からなる群の化合物を含む、請求項３１に記載の半導体構造。
【請求項３４】
前記熱発散層は、窒化アルミニウム及びＡｌxＧａ(1-x)Ｎ［式中、ｘ＞０．５である。］からなる群の化合物を含む、請求項３１に記載の半導体構造。
【請求項３５】
前記熱発散層は、窒化アルミニウムを含む、請求項３１に記載の半導体構造。
【請求項３６】
前記熱発散層は、傾斜組成遷移層の少なくとも一部分を含む、請求項３１に記載の半導体構造。
【請求項３７】
前記傾斜組成遷移層は、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎを含み、ｘは、前記層の厚さの端から端まで変化し、前記熱発散層は、ｘ＞０．５である前記傾斜組成遷移層の一部分を含む、請求項３６に記載の半導体構造。
【請求項３８】
前記熱発散層は、約１．７W/m2・K以上の熱伝導率を有する、請求項３１に記載の半導体構造。
【請求項３９】
前記熱発散層は、約４．５W/m2・K以上の熱伝導率を有する、請求項３１に記載の半導体構造。
【請求項４０】
前記熱発散層は、前記窒化ガリウム材料領域と直接接触する、請求項３１に記載の半導体構造。
【請求項４１】
前記熱発散層は、前記半導体構造中に形成されたヒートシンクと接触する、請求項３１に記載の半導体構造。
【請求項４２】
前記熱発散層は、エッチストップ層を含む、請求項３１に記載の半導体構造。
【請求項４３】
前記基板は、シリコン基板を含む、請求項３１に記載の半導体構造。
【請求項４４】
前記基板は、バルクシリコンを含む、請求項４３に記載の半導体構造。
【請求項４５】
前記窒化ガリウム材料領域は、複数の窒化ガリウム材料層を含む、請求項３１に記載の半導体構造。
【請求項４６】
半導体構造であって：
基板と；
該基板の上に形成された窒化ガリウム材料領域と；
前記半導体構造の表面から延在するヒートシンクと；
を備える半導体構造。
【請求項４７】
前記ヒートシンクは、前記半導体構造の裏側から延在する、請求項４６に記載の半導体構造。
【請求項４８】
前記ヒートシンクは、前記半導体構造の上側から延在する、請求項４６に記載の半導体構造。
【請求項４９】
前記ヒートシンクは、前記半導体構造内部の熱発生領域まで延在する、請求項４６に記載の半導体構造。
【請求項５０】
前記表面は、環境にさらされる、請求項４６に記載の半導体構造。
【請求項５１】
前記ヒートシンクは、前記表面から延在するバイア中に堆積した伝導性材料を含む、請求項４６に記載の半導体構造。
【請求項５２】
前記伝導性材料は、本質的に銅、金、多結晶ダイヤモンド、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、及びＡｌxＧａ(1-x)Ｎ［式中、ｘ＞０．５である。］からなる群の化合物を含む、請求項５１に記載の半導体構造。
【請求項５３】
前記伝導性材料は、約３．０W/m2・K以上の熱伝導率を有する、請求項５１に記載の半導体構造。
【請求項５４】
前記伝導性材料は、約３０W/m2・K以上の熱伝導率を有する、請求項５１に記載の半導体構造。
【請求項５５】
前記ヒートシンクは、チャネルを含む、請求項４６に記載の半導体構造。
【請求項５６】
前記ヒートシンクは、熱発散層と接触する、請求項４６に記載の半導体構造。
【請求項５７】
前記基板は、シリコン基板を含む、請求項４６に記載の半導体構造。
【請求項５８】
前記基板は、バルクシリコンを含む、請求項５７に記載の半導体構造。
【請求項５９】
半導体装置は、少なくとも部分的には前記窒化ガリウム材料領域中に形成される、請求項４６に記載の半導体構造。
【請求項６０】
シリコン基板と；
該基板の上に形成された窒化ガリウム材料領域であって、半導体装置が少なくとも部分的には前記窒化ガリウム材料領域中に形成される前記窒化ガリウム材料領域と；
前記装置によって発生する熱を分布及び放散させることができる熱領域と；
を備える半導体構造。
【請求項６１】
前記熱領域は、横方向に前記熱を分布させることができる、請求項６０に記載の半導体構造。
【請求項６２】
前記熱領域は、熱を放散させることができる、請求項６０に記載の半導体構造。
【請求項６３】
半導体構造の形成方法であって：
熱発散層を基板の上に形成することと；
窒化ガリウム材料領域を前記基板の上に形成することと；
ヒートシンクを前記半導体構造中に形成することと；
を含む方法において、
前記熱発散層は、前記窒化ガリウム材料領域の熱伝導率よりも大きな熱伝導率を有する、方法。
【請求項６４】
前記基板は、シリコン基板を含む、請求項６３に記載の方法。
【請求項６５】
半導体構造を前記窒化ガリウム材料領域中に形成することをさらに含む、請求項６３に記載の方法。
【請求項６６】
前記半導体構造の表面から延在するバイアをエッチングすることと、伝導性材料を前記バイア内部に堆積させて、前記ヒートシンクを形成することとをさらに含む、請求項６３に記載の方法。
【請求項６７】
前記半導体構造の表面から延在するチャネルをエッチングして、前記ヒートシンクを形成することをさらに含む、請求項６３に記載の方法。
【請求項６８】
半導体構造の形成方法であって：
熱発散層を基板の上に形成することと；
窒化ガリウム材料領域を前記基板の上に形成することと；
を含む方法において、
前記熱発散層は、前記窒化ガリウム材料領域及び前記基板の両方の熱伝導率よりも大きな熱伝導率を有する、方法。
【請求項６９】
半導体構造の形成方法であって：
窒化ガリウム材料領域を基板の上に形成することと；
前記半導体構造の表面から延在するヒートシンクを形成することと；
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は一般に半導体材料に関し、より詳細には窒化ガリウム材料及び窒化ガリウム材料の製造方法に関する。
【０００２】
発明の背景
窒化ガリウム材料は、窒化ガリウム（ＧａＮ）並びにその合金の例えば窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、及び窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）を含む。こうした材料は、高エネルギー電子遷移（highly energetic electronic transition）が起きることを可能にする比較的広い直接バンドギャップを有する半導体化合物である。このような電子遷移は、青色光を効果的に放射する能力、高周波で信号を伝送する能力等を含む多数の魅力的な特性を有する窒化ガリウム材料をもたらすことができる。従って、窒化ガリウム材料は、トランジスタ、電界エミッタ、及び光電子装置等の多くの半導体装置用途において広く研究されつつある。
【０００３】
窒化ガリウム材料は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、サファイア、及びシリコンを含む多数の様々な基板上に形成されてきた。装置構造の例えばドープした領域を次に、窒化ガリウム材料領域内部に形成してよい。特定の装置用途においては、装置内部での電流に対する抵抗の結果として熱が発生する。特に、能動装置区域及び／または高抵抗領域は、多量の局所的な熱を発生することがある。過剰な熱は、装置を損傷することがあるかまたは性能上の問題を引き起こすことがある。従って、装置内部に発生する熱を分布及び／または放散させることが望ましい。
【０００４】
特定の基板の例えばＳｉＣは、装置の動作中の熱分布及び／または放散を促進することができる比較的良好な熱導体である。しかしながら、シリコンは、中程度に熱を伝導するのみである。従って、熱は一般にシリコン基板を通して効果的に分布も放散もされない。
【０００５】
発明の概要
本発明は、熱伝導性領域を含む窒化ガリウム材料及びこのような材料の形成方法を提供することを含む。窒化ガリウム材料を使用して半導体装置を形成してよい。熱伝導性領域は、熱発散層（heat spreading layer）及びヒートシンクを含んでよい。熱発散層は、装置の動作中に発生する熱を比較的大きな面積にわたって分布させて、過剰な局所的な加熱を防ぐ。ヒートシンクは、典型的には装置の裏側または上側において形成され、環境への熱放散を促進する。装置の裏側においてヒートシンクと接続する熱発散層を装置が含むのが好ましいことがある。シリコン基板上の装置及び多量の熱を発生する装置の例えばパワートランジスタを含む様々な半導体装置が、本発明の特徴を利用できる。
【０００６】
１態様においては、本発明は、半導体構造を提供する。半導体構造は、基板及び基板の上に形成された窒化ガリウム材料領域を含む。半導体構造は、基板の上に形成された熱発散層をさらに含む。熱発散層は、窒化ガリウム材料領域の熱伝導率よりも大きな熱伝導率を有する。半導体構造は、半導体構造中に形成されたヒートシンクをさらに含む。
【０００７】
別の態様においては、本発明は、半導体構造を提供する。半導体構造は、基板及び基板の上に形成された窒化ガリウム材料領域を含む。半導体装置は、少なくとも部分的には窒化ガリウム材料領域中に形成される。半導体構造は、基板の上に形成された熱発散層を含む。熱発散層は、窒化ガリウム材料領域及び基板の各々の熱伝導率よりも大きな熱伝導率を有する。
【０００８】
別の態様においては、本発明は、半導体構造を提供する。半導体構造は、基板及び基板の上に形成された窒化ガリウム材料領域を含む。ヒートシンクは、半導体構造の表面から延在する。
【０００９】
別の態様においては、本発明は、半導体構造を提供する。半導体構造は、シリコン基板及び基板の上に形成された窒化ガリウム材料領域を含む。半導体装置は、少なくとも部分的には窒化ガリウム材料領域中に形成される。半導体構造は、装置によって発生する熱を分布及び放散させることができる熱領域をさらに含む。
【００１０】
別の態様においては、本発明は、半導体構造の形成方法を提供する。方法は、熱発散層を基板の上に形成することと、窒化ガリウム材料領域を基板の上に形成することと、ヒートシンクを半導体構造中に形成することとを含む。熱発散層は、窒化ガリウム材料領域の熱伝導率よりも大きな熱伝導率を有する。
【００１１】
別の態様においては、本発明は、半導体構造の形成方法を提供する。方法は、熱発散層を基板の上に形成することと、窒化ガリウム材料領域を基板の上に形成することとを含む。熱発散層は、窒化ガリウム材料領域及び基板の両方の熱伝導率よりも大きな熱伝導率を有する。
【００１２】
別の態様においては、本発明は、半導体構造の形成方法を提供する。方法は、窒化ガリウム材料領域を基板の上に形成することと、半導体構造の表面から延在するヒートシンクを形成することとを含む。
【００１３】
他の利点に混じって、本発明は、窒化ガリウム材料装置中の熱を有効に分布及び／または放散させるための機構を提供する。従って装置は、別の状況では損傷及び／または性能上の問題を生じると思われる量の熱を発生する条件下で動作することができる。
【００１４】
本発明はまた、シリコン等の不満足なまたは中程度の熱導体である基板上に形成された窒化ガリウム装置中の熱分布及び放散を可能にする。その不満足な熱伝導率にもかかわらず、アベイラビリティー、コスト、サイズ、及び加工の容易さを含むシリコン基板に関連した他の利点が理由となって、シリコン基板上に装置を形成することが好都合なことがある。
【００１５】
他の具体例においては、本発明は、例えば、装置の実質的に一定の温度を維持するために、窒化ガリウム材料装置に熱を有効に加えるための機構を提供する（特定の用途において望ましいことがある）。
【００１６】
本発明の全ての具体例が、本明細書において説明する利点の全てを有するわけではないことは理解できるはずである。本発明の他の利点、態様、及び特徴は、本発明の以下の詳細な説明を添付図面と共に検討することによって明瞭になろう。
【００１７】
発明の詳細な記述
本発明は、熱伝導性領域を含む窒化ガリウム材料装置及びこのような装置の形成方法を提供する。
【００１８】
図１を参照すると、本発明の１具体例による半導体装置１０が示される。装置１０は、基板１４の上に形成された窒化ガリウム材料装置領域１２を含む。下記にさらに説明するように、装置構造を典型的には、少なくとも部分的には窒化ガリウム材料装置領域１２内部に形成する。熱発散層１６を、窒化ガリウム材料領域１２と基板１４との間に形成する。熱発散層１６は、別の状況では装置を損傷することがあるかまたは性能を達成することがある、装置領域１２内部に発生する熱を分布させる。例示的な具体例においては、装置１０はまた、装置の裏側２０から延在するヒートシンク１８を含む。示されるように、ヒートシンク１８は、発散層から伝導した熱をヒートシンクによって例えば環境に放散できるように、発散層１６と接続されている。
【００１９】
層が別の層または基板“上に（on）”若しくは別の層または基板“上方に（over）”存在すると言及される場合に、これは、層若しくは基板上に直接に存在することができ、または介在層も存在してよいことは理解できるはずである。別の層または基板“上に直接に”存在する層は、介在層が存在しないことを意味する。また、層が別の層または基板“上に”若しくは“上方に”存在すると言及される場合に、これは、層若しくは基板全体または層若しくは基板の一部分を被覆してよいことも理解できるはずである。本明細書において言及する“裏側”という用語は装置の底面を指し、“上側”という用語は装置の上面を指す。従って、上側は装置の裏側に対向する。
【００２０】
熱発散層１６は、装置領域１２から熱を伝導する。特に、発散層１６は、多量の熱を発生する装置領域１２内部の区域の例えば能動装置区域及び／または高抵抗区域（すなわち、ホットスポット）から熱を伝導する。下記にさらに説明するように、発散層１６を好ましくは、別の状況では装置１０の損傷を生じる及び／または性能に影響すると思われる過剰な局所的な加熱を防ぐのに十分に熱を伝導するように設計する。このような損傷としては、装置の電子的性質の例えば破壊電圧及びキャリヤ移動度を低下させ得る構造上の損傷及び／または化学的損傷を挙げることができる。
【００２１】
熱は、発散層１６の体積全体にわたって分布する。発散層１６の表面積は典型的にはその厚さよりもはるかに大きいので、熱は主に発散層の表面積にわたって分布する。従って、発散層は一般に、装置１０にわたって横方向に熱を分布させるように機能する。
【００２２】
熱発散層１６を、十分な熱伝導性特性を有する任意の適切な材料で形成してよい。一般に、熱発散層１６は、窒化ガリウム材料装置領域１２の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する。幾つかの好適な具体例においては、例えばシリコン基板１４を利用する場合に、熱発散層１６はまた、基板１４の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する。熱発散層１６は、例えば、約１．７W/m2・K以上の熱伝導率を有する。他の場合には、より大きな伝導率を必要とする場合に、発散層１６は約２．５W/m2・K以上の熱伝導率を有してよい。さらに他の場合には、より大きな伝導率が望ましい場合に、発散層１６は約４．５W/m2・K以上の熱伝導率を有してよい。熱発散層１６に適した材料の例としては、炭化ケイ素（ＳＩＣ）；炭化ケイ素と窒化アルミニウムとの合金（ＡｌＮxＳｉＣ(1-x)）；並びに窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、及び０．５を超えるアルミニウムのモル分率を有する窒化アルミニウムガリウム合金（例えば、ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ［式中、ｘ＞０．５である。］）を含むＩＩＩ族窒化物が挙げられるが、これらに限定されるものではない。熱発散層をまた、十分な熱伝導性特性を有する他の材料で作製してよいことは理解できるはずである。窒化アルミニウム（ＡｌＮ）熱発散層は、幾つかの具体例においては、例えば、装置１０内部にバッファ層等の他の機能を有する能力が理由となって特に好ましいことがある。
【００２３】
幾つかの具体例においては、熱発散層１６は、その厚さ（ｔ）全体にわたって一定の組成を有する。他の具体例においては、熱発散層１６は、その厚さの少なくとも一部分の端から端まで変化する組成を有する。例えば、熱発散層１６は、別個の組成を有する１つを超える層を含んでよい。また、熱発散層１６は、基板１４と窒化ガリウム材料領域１２との間に形成された傾斜組成遷移層（compositionally-graded transition layer）の一部分としてよい。傾斜組成遷移層は、"Gallium Nitride Materials and Methods"と称し、２０００年１２月１４日に出願され、同時係属であり、共通に所有される米国特許出願第09/736,972号において説明されており、これを本明細書において参考のために引用する。傾斜組成遷移層はまた、窒化ガリウム材料と基板１４（例えば、シリコン）との間の熱膨張率の差から生じる熱応力を減少させることで窒化ガリウム材料装置領域１２中のクラック形成を低減する際に有効である。幾つかの具体例においては、発散層１６は、０．５を超えるアルミニウムのモル分率（ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ、ｘ＞０．５）を有する窒化アルミニウムガリウムの合金（例えば、ＡｌxＧａ(1-x)ＮまたはＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)Ｎ）で構成される傾斜組成遷移層の一部分である。
【００２４】
熱発散層１６の寸法は、部分的には個々の用途の要件に依存する。一般に熱発散層１６は約５nm〜約５ミクロンの厚さ（ｔ）を有するが、他の寸法もまた可能である。幾つかの具体例においては、比較的厚い（例えば、約１００nm〜約５ミクロン）熱発散層は、層中に分布させることができる熱の量を増大させるより大きな体積を提供するために好ましいことがある。他の場合には、比較的薄い（例えば、約５nm〜約５０nm）熱発散層は、格子関連応力を低減する（使用中の機械的信頼度を増大させることができる）ために好ましいことがある。
【００２５】
図１の具体例においては、熱発散層１６は、基板１４の全表面積にわたって延在する。多くの場合、例えば装置１０にわたる熱分布を最大にするために、基板１４の全表面積にわたって延在する熱発散層１６を有することが好ましい。他の場合には、熱発散層１６は、基板１４の全表面積の一部分のみにわたって延在してよい。図２に示すように、１つ以上の電気的接点１９は、熱発散層１６を通して延在して、これを通って電気伝導を提供することができる。他の具体例（図示せず）においては、熱発散層１６を、過剰量の熱を発生する区域（例えば、装置領域、または高抵抗領域）に近接させて（proximate）のみ形成することができる。
【００２６】
図１に示すように、熱発散層１６をヒートシンク１８と接続して、発散層からヒートシンクへの伝導を可能にする。例示的な具体例においては、ヒートシンク１８を、例えば環境への熱の放散を増大させるために裏側２０において位置決めする。他の場合には、ヒートシンク１８を、装置の上側表面において（図９に示すように）位置決めしてよい。場合によっては、ヒートシンク１８は、多量の熱を発生する領域に近接させて位置させた場合に最も有効である。また、１つを超えるヒートシンクを同じ装置１０中に利用してよいことも理解できるはずである。
【００２７】
ヒートシンク１８は、ヒートシンクの個々の設計に依存する様々な機構に従って熱を放散することができる。図３〜５は、ヒートシンク１８の様々な具体例を示す。
図３の具体例においては、装置２１は、裏側２０から延在するバイア２４内部に堆積した伝導性材料２２を含むヒートシンク１８ａを有する。伝導性材料２２は、装置２１から環境に及び／または装置２１の使用中にヒートシンク１８と接触する支持構造物（例えば、水または空気で冷却してよいプラテン）に熱を伝導する。このようにして、ヒートシンク１８ａは装置２１から熱を除去する。
【００２８】
バイア２４の正確な寸法及び形状は用途に依存する。典型的な断面積直径は、裏側２０において約３００〜５００ミクロンである。示されるように、裏側２０から内側に向かってバイア２４にテーパを付け、従ってバイアに円錐形状を与えることが好ましいことがある。内側へのテーパは、バイア２４内部への伝導性材料２２の堆積を促進することができる。バイアにテーパを付けて、例えば直径約２５ミクロン〜７５ミクロンにまでしてよい。
【００２９】
伝導性材料２２は一般には、装置２１の過剰な加熱を防ぐための十分な伝導率を有する任意の材料としてよい。図１に示すように、装置がヒートシンク１８及び発散層１６の両方を含む場合に、装置から最も効果的に熱を放散させるために発散層を形成する材料よりも大きな熱伝導率を伝導性材料２２が有するのが望ましいことがある。伝導性材料２２は、例えば、約３．０W/m2・Kを超える熱伝導率を有する。他の具体例においては、伝導性材料２２は、比較的多量の熱の放散を可能にすることができるかなりより大きな熱伝導率（例えば、約３０W/m2・Kを超える）を有する。
【００３０】
伝導性材料２２に適した材料の例としては、銅、金、多結晶ダイヤモンド、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、及び０．５を超えるアルミニウムのモル分率を有する窒化アルミニウムガリウム合金が挙げられるが、これらに限定されるものではない。場合によっては、加工上考慮すべき事柄が、少なくとも部分的には伝導性材料２２の組成を決定することがある。スパッタされることができる金属の例えば銅及び金は、特定の場合には、バイア２４中への堆積を促進するために好ましいことがある。
【００３１】
図４の具体例においては、装置２３は、伝導性材料２２の堆積の前にバイア２４の壁の表面に堆積した界面層２６を含むヒートシンク１８ｂを有する。界面層２６は、伝導性材料２２と基板１４との間の化学的相互作用を防ぐこと；伝導性材料と基板との間の拡散を防ぐこと；及び伝導性材料と基板との間の密着を改良することを含む多数の機能を有することができる。界面層２６も典型的には、ヒートシンク１８ｂへの伝導を維持するように、伝導性材料で作製する。界面層２６に適した材料の例は、チタン及びチタン／タングステン合金である。示されるように、界面層２６はまた、例えばパッシベーション機能を得るために装置の裏側２０を被覆するように形成してよい。
【００３２】
図５の具体例においては、装置２５は、裏側２０上で装置２５の端から端まで横方向に延在するチャネル２８によって形成されるヒートシンク１８ｃを有する。チャネル２８は、環境にさらされる裏側２０の表面積を増大させ、これは、ヒートシンク１８によって放散される熱の量を増大させることができる。チャネル２８の寸法は、少なくとも部分的には冷却要件に依存し、１つを超えるチャネルを同じ装置上で利用してよい。幾つかの具体例においては、チャネル２８の壁を、例えば伝導性材料を用いてコーティングしてよい。装置２５の冷却を増大させるために、冷却媒体を、チャネル２８を通して圧入してよい。適切な冷却媒体としては、気体（例えば、空気）または液体（例えば、液体Ｈｅ、液体Ｎ2）が挙げられる。
【００３３】
本発明の特定の好適な具体例においては、基板１４はシリコン基板である。シリコン基板は比較的廉価であり、周知の手法を使用して加工でき、様々なサイズ（６インチ（１５０mm）及び８インチ（２００mm）等の大口径を含む）で容易に入手可能である。本明細書において使用するシリコン基板は、シリコン層をその上面において含む任意の基板を指す。適切なシリコン基板の例としては、バルクシリコン（例えば、シリコンウェーハ）、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板、シリコンオンサファイア基板（ＳＯＳ）、及び酸素注入による分離（ＳＩＭＯＸ）基板で構成される基板がとりわけ挙げられる。高品質単結晶シリコン基板が、多くの具体例において使用される。様々な結晶学的配向を有するシリコン基板を使用してよい。場合によっては、シリコン（１１１）基板が好ましい。他の場合には、シリコン（１００）基板が好ましい。
【００３４】
他の具体例においては、シリコン基板以外の基板の例えばサファイア及び炭化ケイ素基板を使用してよいことは理解できるはずである。
シリコンは比較的低い熱伝導率を有するので、本発明の熱領域は、シリコン基板を利用する場合に特に有用なことがある。上に述べたように、シリコン基板は一般に、装置１０中に発生する熱を有効に発散も放散もしない。シリコンよりも良好な熱伝導率を有する他のタイプの基板（例えば、炭化ケイ素）もまた、熱の発散または放散をさらに向上することによって本発明の熱領域を利用することから利益を得ることができることは理解できるはずである。
【００３５】
基板１４は任意の寸法を有してよく、その個々の寸法は用途によって決定される。適切な直径としては、２インチ（５０mm）、４インチ（１００mm）、６インチ（１５０mm）、及び８インチ（２００mm）が挙げられるが、これらに限定されるものではない。幾つかの具体例においては、シリコン基板１４は比較的厚く、例えば２５０ミクロンを超える。より厚い基板は一般に、場合によってはより薄い基板において起き得る曲げに耐えることができる。幾つかの具体例においては、シリコン基板１４を好ましくは薄くして（例えば、１００ミクロン未満）、例えば、これを通るバイア２４の形成を促進する。
【００３６】
窒化ガリウム材料装置領域１２は、少なくとも１つの窒化ガリウム材料層を含む。場合によっては、窒化ガリウム材料装置領域１２は、唯一の窒化ガリウム材料層を含む。他の場合には、窒化ガリウム材料装置領域１２は、１つを超える窒化ガリウム材料層を含む。１つを超える窒化ガリウム材料層を装置領域１２中に設ける場合に、それぞれの層は異なる組成を有してよく及び／または異なるドーパントを含んでよい。異なる層は、半導体構造の異なる領域を形成することができる。窒化ガリウム材料領域はまた、非窒化ガリウム材料である組成を有する１つ以上の層を含んでよい。
【００３７】
本明細書において使用する“窒化ガリウム材料”という句は、窒化ガリウム（ＧａＮ）及び任意のその合金の例えば窒化アルミニウムガリウム（ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎyＧａ(1-y)Ｎ）、窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)Ｎ）、窒化ガリウムヒ素リン（gallium arsenide phosporide nitride）（ＧａＡｓaＰbＮ(1-a-b)）、窒化アルミニウムインジウムガリウムヒ素リン（aluminum indium gallium arsenide phosporide nitride）（ＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)ＡｓaＰbＮ(1-a-b)）をとりわけ指す。典型的には、存在する場合には、ヒ素及び／またはリンは低濃度（すなわち、５重量％未満）である。１特定の好適な具体例においては、窒化ガリウム材料は高濃度のガリウムを有し、アルミニウム及び／またはインジウムはほとんどまたは全く含まない。高ガリウム濃度の具体例においては、（ｘ＋ｙ）の和は、０．４未満、０．２未満、０．１未満、またはさらに小さいとしてよい。場合によっては、窒化ガリウム材料層がＧａＮ（すなわち、ｘ＋ｙ＝０）の組成を有することが好ましい。窒化ガリウム材料はドープしたｎ型若しくはｐ型としてよく、または真性（intrinsic）としてよい。適切な窒化ガリウム材料は、米国特許出願第09/736,972号において説明されており、これを本明細書において引用する。
【００３８】
窒化ガリウム材料領域１２は一般に、その中での装置の形成を可能にする高い十分な品質を有する。好ましくは、窒化ガリウム材料領域１２は低いクラックレベル及び低い欠陥レベルを有する。場合によっては、装置１０は、クラック及び／または欠陥形成を低減することができる上記に説明した傾斜組成遷移層を含む１つ以上のバッファまたは遷移層（図示せず）を含んでよい。幾つかの具体例においては、窒化ガリウム材料領域１２は１０9個の欠陥／cm2未満を有する。低いクラックレベルを有する窒化ガリウム材料は、米国特許出願第09/736,972号において説明されており、これを本明細書において引用する。場合によっては、窒化ガリウム材料領域１２は０．００５μm/μm2未満のクラックレベルを有する。場合によっては、窒化ガリウム材料は０．００１μm/μm2未満という非常に低いクラックレベルを有する。特定の場合には、０．０００１μm/μm2未満のクラックレベルによって定義されるように窒化ガリウム材料領域１２が実質的にクラックが無いのが好ましいことがある。
【００３９】
特定の場合には、窒化ガリウム材料領域１２は、単結晶構造を有する単数または複数の層を含む。幾つかの好ましい場合には、窒化ガリウム材料領域１２は、ウルツ鉱型（六方晶）構造を有する１つ以上の層を含む。
【００４０】
窒化ガリウム材料装置領域１２の厚さ及び様々な層の数は、少なくとも部分的には具体的な用途の要件によって決定される。最小で、窒化ガリウム材料装置領域１２の厚さは、所望の装置の形成を可能にするのに十分なものである。窒化ガリウム材料装置領域１２は一般に０．１ミクロンを超える厚さを有するが、常にではない。他の場合には、窒化ガリウム材料領域１２は、０．５ミクロンを超える厚さ、０．７５ミクロンを超える厚さ、１．０ミクロンを超える厚さ、２．０ミクロンを超える厚さ、または５．０ミクロンを超える厚さを有する。
【００４１】
図１は、熱発散層１６がヒートシンク１８と接続している具体例を示す。他の具体例は他の構造を有してよいことは理解できるはずである。
図６に示すように、装置３０は、ヒートシンク１８と直接接触していない熱発散層１６を含む。図６の具体例は、十分な熱分布及び放散を提供することができる。場合によっては、ヒートシンク１８が発散層１６まで延在しないことが、例えば加工上の理由で好都合なことがある。
【００４２】
図７は、ヒートシンクを有せず熱発散層１６を含む装置３２を示す。熱発散層１６が適切に熱を分布させる場合に、ヒートシンク１８が環境または支持構造物にさらに熱を放散させる必要無しに装置３２は適切なことがある。
【００４３】
図８は、熱発散層を有せずヒートシンク１８を含む装置３４を示す。発散層１６を使用して熱を分布させる必要無しにヒートシンク１８内部の熱放散をする必要がある場合に、装置３４を使用できる。
【００４４】
図９は、装置の上側３７から延在するヒートシンク１８を含む装置３５を示す。図９の具体例は、ヒートシンク１８が裏側２０からではなく上側３７から延在することが例えば加工上の理由で好都合な場合に好ましいことがある。
【００４５】
図１０は、裏側２０から延在して、例えば、窒化ガリウム材料装置領域１２内部の熱発生領域４０と直接に接触するヒートシンク１８を含む装置３８を示す。熱発生領域４０は、例えば能動装置区域または高抵抗領域とすることができる。図１０の具体例は、非常に局所的な領域からの熱の除去を促進できる。
【００４６】
図１１は、装置の上側３７において熱発散層１６を含む窒化ガリウム材料装置４２を示す。また、熱発散層を、窒化ガリウム材料装置領域１２内部を含む装置中の他の場所に位置決めしてもよいことも理解できるはずである。
【００４７】
図には示さないが、本発明の装置はまた、半導体加工の従来技術において周知の任意の数の他の構造の例えば電気絶縁性領域、ドープした領域、コンタクトパッド、及びその他同様なものを含んでよい。存在する場合には、コンタクトパッドを、装置の上側上に、裏側上に、または両方に形成してよい。コンタクトパッドは導電性材料で形成され、これは、適切な電源の端子との接続をワイヤボンディング、エアブリッジング及びその他同様なものを介して提供することができる。伝導性材料で構成される特定の場合には、ヒートシンク１８は、裏側コンタクトパッドとして機能できる。
【００４８】
本明細書において説明する装置（例えば、装置１０）は、電子装置及び光学装置を含む従来技術において周知の任意の適切な半導体装置としてよい。特に、動作中にかなりの量の熱を発生する装置は、本発明の利点を利用できる。模範的な装置としては、出力発生装置（power generating device）（例えば、パワートランジスタ）及び光学装置（例えば、高出力／超高輝度ＬＥＤ及びレーザーダイオード）が挙げられる。他の装置もまた可能であることは理解できるはずである。
【００４９】
多くの場合、装置を、完全に窒化ガリウム材料領域１２内部に形成してよい（すなわち、能動装置領域のみが窒化ガリウム材料領域１２内部にある）。他の場合には、装置を窒化ガリウム材料領域１２内部に部分的にのみ形成し、また基板１４等の他の領域中にも形成する。
【００５０】
上記に説明したように、本明細書において説明する装置は熱領域（すなわち、発散層１６及びヒートシンク１８）を利用して、熱を分布及び／または放散させて装置内部での過剰な熱発生を防ぐことができる。他の具体例においては、装置（例えば、装置１０）は、外部供給源を使用して装置を加熱及び／または冷却するために熱領域（すなわち、発散層１６及びヒートシンク１８）を利用してよい。例えば、装置内部を実質的に一定の温度に維持するために、装置１０を加熱及び／または冷却してよい。上述の外部供給源を、装置の温度を監視し、供給源によって提供される加熱及び／または冷却の量を制御するフィードバック系と接続してよい。外部供給源からの加熱及び／または冷却を利用してよい装置の例としては、焦電装置及び圧電装置が挙げられる。
【００５１】
本発明の半導体装置を、周知の加工手法を使用して形成してよい。熱発散層１６及び窒化ガリウム材料装置領域１２を、他の手法に混じって例えば有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、水素化物気相エピタキシー（hydride vapor phase epitaxy）（ＨＶＰＥ）を使用して基板１４上に堆積させてよい。場合によっては、ＭＯＣＶＤプロセスが好ましいことがある。例えば、窒化ガリウム材料装置領域１２をシリコン基板１４上に形成するための適切なＭＯＣＶＤプロセスは、米国特許出願第09/736,972号において説明されており、これを本明細書において引用する。窒化ガリウム材料装置領域１２が様々な層を有する場合に、場合によっては単一堆積工程（例えば、ＭＯＣＶＤ工程）を使用して装置領域１２全体を形成することが好ましい。単一堆積工程を使用する場合に、加工パラメータを適切な時間で適切に変更して、様々な層を形成する。特定の好ましい場合には、単一成長工程を使用して、熱発散層１５及び窒化ガリウム材料装置領域１２を形成してよい。
【００５２】
場合によっては、下にある窒化ガリウム層をマスク開口部を通して成長させることと、次にマスクの上に横方向に成長させて、窒化ガリウム材料装置領域を形成することとを含む横方向エピタキシャル被覆成長（lateral epitaxial overgrowth）（ＬＥＯ）手法を使用して装置領域１２を成長させるのが好ましいことがあり、これは、例えば米国特許第6,051,849号において説明されており、これを本明細書において参考のために引用する。場合によっては、隣接するサイドウォールからの成長が融合して窒化ガリウム材料領域を形成するまで、窒化ガリウム材料ポストのサイドウォールをトレンチ中に成長させることを含むペンデオエピタキシャル手法を使用して装置領域１２を成長させるのが好ましいことがあり、これは、例えば米国特許第6,177,688号において説明されており、これを本明細書において参考のために引用する。
【００５３】
従来のエッチング手法を使用して、存在する場合にはバイア２４またはチャネル２８を形成してよい。適切な手法としては、ウエット化学エッチング及びプラズマエッチング（すなわち、とりわけＲＩＥ、ＩＣＰエッチング）が挙げられる。予め定められたエッチング時間を使用して、所望の寸法を有するバイア２４を形成してよい。他の場合には、エッチングを減速するかまたは停止させる組成を有するエッチストップ層を装置１０内部に設けることができるので、所望の寸法を有するバイア２４を形成するためのエッチング時間の正確な制御は必要ではない。場合によっては、熱発散層１６はエッチストップ層として機能することができる。例えば、窒化アルミニウム熱発散層は、バイア２４を基板１４中に作製するために使用するエッチング手法を減速するかまたは停止させる際に有効なことがある。
【００５４】
伝導性材料２２を、金属等の伝導性材料の堆積に適した周知の手法を使用して堆積させてよい。このような手法としては、スパッタリング、電子ビーム蒸着法、蒸着がとりわけ挙げられる。
【００５５】
当業者であれば、本明細書において列記した全てのパラメータは模範例とするためのものであり、実際のパラメータは、本発明の半導体材料と方法とを使用する具体的な適用によって決まると思われることは容易に了解できると思われる。従って、上述の実施例は一例としてのみ提出し、添付の請求の範囲及びその同等なものの範囲内で、本発明は、具体的に説明したものとは異なって実施してよいことは理解されるはずである。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の１具体例による、ヒートシンクと接続した熱発散層を含む窒化ガリウム材料装置を示す。
【図２】本発明の１具体例による、熱発散層を通して延在するヒートシンクを含む窒化ガリウム材料装置を示す。
【図３】本発明の１具体例による、装置の裏側から延在するバイア内部に堆積した伝導性材料から形成されたヒートシンクを含む窒化ガリウム材料装置を示す。
【図４】本発明の１具体例による、界面層を有するヒートシンクを含む窒化ガリウム材料装置を示す。
【図５】本発明の１具体例による、装置の端から端まで横方向に延在するヒートシンクチャネルを含む窒化ガリウム材料装置の側面図である。
【図６】本発明の１具体例による、ヒートシンクと直接接触していない熱発散層を含む窒化ガリウム材料装置を示す。
【図７】本発明の１具体例による、ヒートシンクを有せず熱発散層を含む窒化ガリウム材料装置を示す。
【図８】本発明の１具体例による、熱発散層を有せずヒートシンクを含む窒化ガリウム材料装置を示す。
【図９】本発明の１具体例による、装置の上側から延在するヒートシンクを含む窒化ガリウム材料装置を示す。
【図１０】本発明の１具体例による、熱発生領域と直接に接触するヒートシンクを含む窒化ガリウム材料装置を示す。
【図１１】本発明の１具体例による、装置の上側において熱発散層を含む窒化ガリウム材料装置を示す。
【国際公開パンフレット】
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2004532513.tif 000004
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004532513.tif 000067
2004532513.tif 000068
【国際調査報告】
2004532513.tif 000069
2004532513.tif 000070
2004532513.tif 000071