(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体構造を形成する方法であって、
アクセプタを用いてドーピングされたIII-Ｖ族化合物半導体層を形成してアクセプタをドーピングした層（アクセプタドーピング層）を形成する工程であって、アクセプタの大部分が該アクセプタドーピング層における水素によりパッシベートされる工程と、
前記アクセプタドーピング層の上に位置するIII‐Ｖ族のｎ型層を形成する工程と、
該ｎ型層をエッチングして前記アクセプタドーピング層の一部を露出させる工程と、
少なくとも前記アクセプタドーピング層の露出させられた前記一部を通して水素を外方拡散させるために該アクセプタドーピング層をアニールする工程であって、前記アクセプタを活性化させて該アクセプタドーピング層における正孔密度を増加させかつ該アクセプタドーピング層の抵抗率を低下させる工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ｎ型層をエッチングして前記アクセプタドーピング層の一部を露出させる工程が、前記アクセプタドーピング層にトレンチをエッチングして該アクセプタドーピング層の側面を露出させる工程を含み、
前記アニールする工程が、前記アクセプタドーピング層をアニールして、前記トレンチにより露出させられた前記アクセプタドーピング層の前記側面を通して水素を外方拡散させる工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記アクセプタドーピング層の下に位置する第２のｎ型ドーピング層を形成する工程をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記アクセプタドーピング層にトレンチをエッチングして該アクセプタドーピング層の側面を露出させる工程が、１μｍ〜１０００μｍを隔ててトレンチを形成する工程を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記アクセプタドーピング層を形成する工程が、５００オングストローム〜５μｍの間の厚さを有するアクセプタドーピング層を形成する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記アニールが実質的に前記水素のすべてを外方拡散させる請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記アクセプタがマグネシウムを含む請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記半導体構造が発光デバイスを形成する請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記アクセプタドーピング層の下に位置する第２のｎ型ドーピング層を形成してトンネル接合発光デバイスを形成する工程をさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記アクセプタドーピング層の下に位置する第２のドーピング層を形成してヘテロ接合バイポーラトランジスタを形成する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記アニールが８５０℃未満の温度において実行される請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記アニールが４００℃〜６００℃の間の温度において実行される請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記アクセプタドーピング層が複数の層を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記ｎ型層をエッチングして前記アクセプタドーピング層の一部を露出させる工程が、前記III‐Ｖ族のｎ型層をエッチングして前記アクセプタドーピング層の表面を露出させる工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記III‐Ｖ族のｎ型層が複数の層を含む請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧａＮベースIII-Ｖ族半導体デバイスに関し、特に、発光ダイオード、レーザーダイオードまたはヘテロ接合バイポーラトランジスタのようなデバイスにおける埋込み（buried）Ｐ型ガリウム窒化物層の抵抗率を低下させることに関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、高発光効率を実現し高耐久性を有する、ソリッドステート光源である。重要なクラスのIII-Ｖ族発光ダイオードは、典型的にはIII族窒化物と省略されるような、Ｖ族の窒素（Ｎ）を有するIII族原子（具体的には、Ｉｎ、ＧａおよびＡｌ）の化合物に基づいている。III族窒化物化合物の１つの族は、一般組成ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮを有する。ここで、０≦（ｘ、ｙ）≦１であり、ｘ＋ｙ≦１である。この一般組成は、単にＧａＮとよばれる。III族窒化物は、紫外線と、青色、緑色および黄色の波長を含む可視光線との電磁スペクトルの大部分に及ぶ光を発することができる。LEDの輝度および他の光学的性質を向上させることは、重要な技術的な目標である。
【０００３】
図１は、本出願人により開発された特別なタイプのＬＥＤ１０の一例を示しており、このＬＥＤは、ｎ−ｐ−ｎトンネル接合ＬＥＤとよばれ、２つのｎ型ＧａＮ層１４および１５の間に差し込まれたｐ型ＧａＮ層１２を有する。これらの層１２、１４および１５のそれぞれは、実際には、組成またはドーピングレベルを変化させた個別のエピタキシャル層を多く含んでいる。
【０００４】
差し込まれたｐ型層１２は、埋込みｐ型層とよばれる。様々な層については、サファイア、ＳｉＣまたはその他のタイプの基層１６の上にエピタキシャル成長させる。ｎ型層１５およびｐ型層１２は、多くドーピングされる。これらの２つの層により形成されるｐ−ｎ接合は、金属コンタクト２０と２１との間に電圧を印加することにより、反転バイアスされる。これらの２つの層のドーピングレベルが非常に高い（＞１０19ｃｍ-3）ので、空間電荷領域（space-charge region）間にトンネルが低い反転バイアス電圧（＜１Ｖ）で発生し、この接続間に電流を流すことができる。
【０００５】
層１２および１４は、順方向バイアスｐ−ｎ接合を形成する。ｎ型層１４からの電子がｐ型層１２からの正孔と再結合する際には、所望の波長を有する光子が、層１２と１４との間のｐ−ｎ接合に配置された活性領域から発せられる。基層１６を含む様々な層は、実質的に透明であるので、ＬＥＤ１０により光が発せられる。
【０００６】
あるいはまた、層１２と１５との接合に活性領域を配置して、トンネル接合が層１２および１４により形成されうる。いずれの場合にも、この構造は、活性領域の両面に低抵抗率を有する厚いｎ型層を用いる従来のｐ−ｎ接合ＬＥＤに比べて、優れた効果を有する。この基本構造によって、ＧａＮベースレーザーダイオードの性能を向上させることができる。
【０００７】
ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）もまたｎ−ｐ−ｎ構造を用いており、後述する問題は、ＬＥＤ、レーザーおよびバイポーラトランジスタ構造にも同様にあてはまる。図２は、基層２３、ｎ型ＧａＮコレクタ２４、ｐ型ＧａＮベース２５ｎ型ＧａＮエミッタ２６、ならびに、金属コンタクト２７、２８および２９を有する１つのタイプのＨＢＴ２２を示す。エピタキシャル成長の間において、ベースコンタクト２８領域のためのベース２５層の表面を露出させるべくエミッタ２６層をエッチングする前に、Ｍｇをドーピングしたベース２５は、ｎ型エミッタ２６の下に埋め込まれる。
【０００８】
上記構成において、小さい順方向電圧を有する総伝導電流がコンタクトに印加されるようにｎ型層およびｐ型層の伝導率を高くすることは重要である。
【０００９】
低い抵抗率のｎ型ＧａＮ層を形成することは比較的に簡単であるが、低抵抗率を有するｐ型ＧａＮ層を形成することは困難であることがわかっている。様々なＧａＮエピタキシャル層を形成するための典型的な処理では、ＮＨ3（アンモニア）ガスが、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）の間においてチャンバの中に導入されてＮ組成に寄与する一方、その他のガスが導入されてIII族組成およびドーパントに寄与する。ｐ型材料を形成するために、ドーパントは、典型的にはマグネシウム（Ｍｇ）である。Ｍｇ原子はアクセプタともよばれる。
【００１０】
Ｍｇアクセプタを組み込んだＧａＮ材料を成長させる間において、反応ガスから水素原子のいくつかは、アクセプタをドーピングしたエピタキシャル層に組み込まれ、Ｍｇアクセプタを有する複合体（complex）を形成する。ここで、Ｈは、最も隣接するＮ原子に結合される。これにより、たいていのＭｇアクセプタがパッシベート（passivate）され、これらのＭｇアクセプタの効果を効果的に中和され、ｐ型であるが５×１０15ｃｍ-3未満の正孔濃度を有する著しく抵抗性を有する層が残される。
【００１１】
ＭＯＣＶＤによる成長によりｐ型III-Ｖ族半導体における意図しない水素（Ｈ）のパッシベーション（passivation）は、周知の現象である。水素のパッシベーションは、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＰおよびその他の座利用において観測されてきている。論文"Hydrogen in III-V Device Structures"、Stephen StockmanおよびGregory Stillman、材料科学フォーラム、ボリューム148-149（1994）、Ｐ５０１−５３６、および、これに引用されている論文を参照のこと。
【００１２】
従来のＬＥＤ構造では、Ｍｇをドーピングした層は、表面に存在する（すなわち、ｎ型層の下に埋め込まれていない）。この場合には、低抵抗率については、アクセプタをドーピングした材料におけるアクセプタを活性化するべく水素の存在しない環境で単にアニールを行うことにより、下記のエピタキシャル成長により実現することができる。これは、化合物半導体産業における製造工程の部分として一般的に用いられている。Neumark Rothschildに対する米国特許第５,２５２,４９９号および日亜化学工業に対する米国特許第５,３０６,６６２号を参照されたし。ＧａＮ材料については、この熱アニール処理は、高い抵抗率を有する絶縁材料をｐ型伝導性に変換するために用いられる。
【００１３】
従来の技術では、アニールの後、この層を含むウェハがパターン付けおよびエッチングされた後、いくつかのコンタクトを付与すべく金属化が行われる。この後、個別のＬＥＤは分離され、いくつかのデバイスが実装される。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者は、Ｍｇをドーピングした埋込み型の層を組み込んだトンネル接合ＬＥＤのようなデバイスでは、８００℃を超える温度でエピタキシャル構造をアニールしても、Ｍｇアクセプタを適切に活性化することができない、ということを発見した。別言すれば、アニールを施したｐ型の埋込み型層は、低い抵抗率を有することができない。
【００１５】
加えて、このような高いアニール温度では、材料の質が低下しうる。高温度アニールに受けたデバイスでは、実際、１５〜２０Ｖの初期順方向電圧が、アニール後に、数ボルトだけ低減されたにすぎない。数時間の高電流「ソーク（soak）」によって、抵抗性を有するｐ型層における電子と正孔の再結合によるＭｇの活性化に起因して、順方向電圧が約５Ｖだけ低減された。しかしながら、この「ソーク」は、多くの理由により、すなわち、バーンイン（burn-in）が必要とされること、完全な活性化を実現できないこと、順方向電圧は依然として高いこと、残存する水素は逆効果（adverse effects）を有しうること、および、潜在的な信頼性の問題があることにより、望ましくない。ｐ型層から水素を外方拡散させるのに、高温での長いアニールが不適当である１つの理由は、上に位置するｎ型層が、表面から逃げる水素に対する障壁として機能することである。これに対する１つの理由は、デプレッション領域のｎ側で正に帯電したイオンとｐ側で負に帯電したイオンとを形成するｐ−ｎ界面に形成されたデプレッション領域が存在することである。水素は、ｐ型半導体ではプロトン（Ｈ+）として拡散するので、このｐ−ｎ接合における内蔵（built-in）電場は、正に帯電した水素イオンを抑圧して、水素が効率的に外方拡散することを防止する。加えて、ｎ型半導体における水素の拡散性は、極端に低い。
【００１６】
トンネル接合ＬＥＤ、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ、および、ｐ型埋込み層を組み込んだその他の構造における、ｐ型埋込み層の伝導性を増加させる技術が必要とされている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の一実施形態では、III-Ｖ族埋込みｐ型層（アクセプタをドーピングした層）を組み込んだウェハは、ｐ型層にトレンチを形成して該ｐ型層の面を露出させるためにエッチングされる。
【００１８】
エッチングの後、ウェハは、従来技術で用いられる典型的な８００℃の温度以下とすることができるアニール温度でアニールされる。アニールの長さは、ｐ型層の露出させた面の間隔に依存する。水素は、上に位置するｎ型層ではなく、ｐ型層を通ってトレンチにより露出させた面から容易に拡散する。この結果、従来技術にかかるｐ型の埋込み層よりも伝導性の高いｐ型の埋込み層が得られる。
【００１９】
別の実施形態では、Ｍｇをドーピングしたベース層（Ｍｇドーピングベース層）がｎ型エミッタ層の下に埋め込まれるようなヘテロ接合バイポーラトランジスタにおけると同様に、ｎ型エミッタ層は、Ｍｇドーピングベース層の上部領域を露出させるようにエッチングされる。この露出させた領域については、後に形成される金属コンタクトとしてのコンタクト領域とすることができる。アニール工程は、Ｍｇドーピングベース層全体から上記露出させた領域を通って水素が外方拡散することができるように、金属コンタクトが形成される前に実行される。
【００２０】
埋込み型のIII-Ｖ族ｐ型層を露出させるためのどのような技術についても、ｐ型層から水素を外方拡散させるために、アニール工程に先行して実行することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図３は、サファイア、ＳｉＣまたはその他の材料により形成された基層３０を備えたウェハの一部の断面図である。基層３０については、透明または不透明とすることができる。ＡｌＧａＮまたはその他のIII-Ｖ族化合物半導体材料のような化合物により形成されたｎ型層３２が、典型的には有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて基層３０の上に形成される。このようなエピタキシャル層を成長させることは、従来より非常によく知られており、様々なガスを導入して、シリコンのようなｎ型ドーパントだけでなくIII-Ｖ族化合物に寄与させることにより、実行される。これらの層については、５００℃―１１００℃の範囲の温度またはさらに高い温度で成長させる。このような成長処理については、米国特許第５,７２９,０２９号および第６,１３３,５８９号に記載されており、これらの特許は引用により本明細書に含められる。
【００２２】
ｎ型層３２は、典型的には１〜２μｍの間であり、結果として得られるＬＥＤおよび基層材料の所望特性に多少依存する。ｎ型層３２は、ｎ型材料のいくつかの層を含み、また、ドーピングされていない層を含むことができる。
【００２３】
ｎ型層３２の上には、例えばＡｌＧａＩｎＮのｐ型層３４が形成される。III-Ｖ族化合物についての一般的なアクセプタドーパントは、マグネシウムである。ｐ型層３４は、アクセプタをドーピングした材料のいくつかの層を含むことができる。ｐ型層３４は、典型的には、多くドーピングがなされ、５×１０18ｃｍ-3より高いＭｇ濃度を実現する。
【００２４】
この後、第２のｎ型層３６をｐ型層３４の上にエピタキシャル成長させる。ｎ型層３６もまた多数のｎ型層を含むことができる。
【００２５】
上述したように、ＮＨ3は、いくつかの層における窒素に寄与するための一般的なガスである。ＮＨ3は、また、ｐ型層３４に入る自由水素（free hydrogen）に寄与し、この自由水素がｐ型層３４におけるたいていのＭｇアクセプタを活性化する。この結果、ｐ型層３４は、抵抗性（約５０００Ω-ｃｍ）を有することになり、たいていのデバイス構造で使用することができないものとなる。典型的にはアクセプタをドーピングした層（アクセプタドーピング層）から水素を外方拡散させるために用いられる、水素の存在しない環境における非対称成長（as-grown）エピタキシャルウェハに対する従来のアニールは、ｐ型層３４の上に位置するｎ型層３６が水素の外方拡散を阻止することに起因して、効果的ではない。
【００２６】
Ｍｇアクセプタを活性化すべく水素をｐ型層３４から逃がすための実現方法を提供するためには、ウェハの表面は、図４に示すように従来の写真石版術技術を用いてパターン付されエッチングされ、ｐ型層３４の面４０を露出させるべくトレンチ３８が形成される。一実施形態では、トレンチ３８間のｐ型層３４の幅は、ほぼ１μｍ〜１０００μｍであり、ｐ型層３４の厚さ（ｔp）は、ほぼ５００オングストローム〜５μｍである。トレンチ間の各ｐ型層部分の幅については、ダイスおよび実装の後の最終的なＬＥＤの幅より著しく小さくすることができるので、各ＬＥＤに多数のトレンチが存在しうる。トレンチについては、図４に示すように引き伸ばしたストリップとして形成することができ、または、任意の幾何学的外形（正方形または円形の穴、ヘビ状パターン等）を用いて形成することができる。
【００２７】
好ましい実施形態では、ＳｉＯ2のマスク、金属またはフォトレジストを用いた後、トレンチ３８をエッチングするべくＲＩＥエッチングが実行される。この後、マスクが除去され、ウェハは、十分な水素がｐ型層３４における露出させた面４０を通って外方拡散するまで、２００〜９００℃の間のアニール温度でアニールされる。一実施形態では、アニールは、１０分間８００℃で実行される。アクセプタをドーピングした層（アクセプタドーピング層）３４（最初はｐ型であるが高抵抗率を有する）は、ここでは、低抵抗率を有するｐ型である。ｐ型層３４の露出させた面４０から水素を外方拡散させるためのアニールパラメータは、アスペクト比（Ｗ／ｔp）に依存する。アニール工程は、典型的には、ほとんどすべての水素を外方拡散させる。アニール前の初期正孔密度は、典型的には、約５×１０15ｃｍ-3であり、アニール後の最終的な正孔密度は、典型的には、１×１０17ｃｍ-3より大きい。
【００２８】
図５は、ウェハの上の単一ＬＥＤ構造の上面図である。図５に示すように、ＴｉＡｌのようなコンタクト金属４４（点線で示されている）を堆積およびパターン付けして、ｎ型層３６および３２を有するオーミックコンタクトにおいて金属ラインを形成する。図１を参照して説明したように、上部ｎ型層３６は、ｐ型層３４に対して、反転バイアスされる。トンネル電流が接合を通して流れることにより、ｐ型層３４は、上部ｎ型層３６に印加されたバイアス電圧に効果的に結合することになる。順方向バイアス電圧が下部のｐ−ｎ接合に印加される。電子と正孔とが典型的にはｎ型層３２の上部付近に配置された活性領域で再結合する際に、光が発せられる。メタル４４を接触させるためにワイヤボンドを用いることができ、または、デバイスについては、金属４４のまわりのボンディングパッドがサブマウント上のパッドに直接半田付けされるようなフリップチップとすることができる。金属４４を用いないさらなるトレンチ３８を形成して、水素の外方拡散の助けとすることができる。
【００２９】
１つの実験では、結果として得られるＬＥＤは、４ボルト未満の順方向電圧、および、トンネル接合デバイスでも観測される最も均一なライトアップ（light-up）パターンを有する。驚くべきことに、本技術は、非常に大きなアスペクト比（Ｗ／ｔp）で動作するように思われる。この技術は、熱ダメージを最小化する一方でより完全な活性化を実現する明らかな利益を有する。これは、アニールがより低い温度でより短い時間で実行されるからかもしれない。この技術は、特に、ＨＢＴ、トンネル接合ＬＥＤまたはレーザのようなデバイスを製造することに適用される。
【００３０】
この技術については、ｎ型層の下に埋め込まれたｐ型層に適用して説明してきたが、本発明は、また、水素の外方拡散に対する障壁を形成する表面層を持ったｐ型層を有数ル任意の構造にも適用することができるものである。このような障壁については、上に位置するｎ型層が存在しない場合でも起こる、表面準位誘導バンドベンディング（surface-state-induced band-bending）とすることができる。
【００３１】
先に説明した図２は、従来のアニール工程では上に位置するｎ型エミッタ２６により水素の外方拡散が阻止されるので埋め込み型と考えられる、アクセプタをドーピングしたＧａＮベース層２５を示す。従来技術では、アニールは、コンタクト領域を形成するためのｎ型エミッタ２６のエッチングに先行して実行される。よって、これまでは、構造をアニールすることによってはベース層２５からすべての水素を除去できなかったので、高抵抗率を有するｐ型ベース層２５が形成されていた。
【００３２】
図６は、アクセプタをドーピングした埋込み型のＧａＮの層を有するデバイスを形成する際の中間工程を示す。図６では、アクセプタをドーピングした埋込み型のＧａＮ層６０は、上に位置するｎ型ＧａＮ層６２をエッチングすることにより、露出される。この後、層６０の露出させた表面部分の上に金属コンタクト６４を形成することに先行して、露出させた表面部分を通して層６０から水素を外方拡散させるために、４００℃〜９００℃でのアニールが実行される。図６におけるアクセプタをドーピングした層６０の側面は、ウェハが未だダイスされていないので、露出されていない。
【００３３】
よって、図４のトレンチ形成技術または図６の技術は、アクセプタをドーピングした埋込み型の層から水素を外方拡散させるために実行される。
【００３４】
図６の基本的な構造は、ＬＥＤ、レーザーダイオード、ｐ−ｎ−ｐフォト検出器またはその他のデバイスを含む、多くのタイプの半導体デバイスのための基礎となる。この構造は、また、高い電子移動度のトランジスタのような電子デバイスにおける並列伝導（parallel-conduction）問題を防止するため使用されうる。本発明の教示は、これらのデバイスのいずれにも適用することが可能なものである。
【００３５】
本明細書で説明した熱活性化処理についても変更することが可能である。例えば、熱活性化処理を、アクセプタの活性化の効率を増加させるために、または、４００℃以下の温度での活性化を可能とするために、紫外線露光、電子ビーム衝撃、超音波振動、または、電磁放射に対する露光と組み合わせることができる。
【００３６】
アクセプタをドーピングした埋込み型の層については、特定の条件の元で非常に高い初期抵抗率（さらには絶縁性）を有するように、成長させることができる。この場合、本発明の教示を依然として適用することができる。
【００３７】
本発明の特定の実施形態を示して説明してきたが、当業者であれば、本発明から逸脱することなく本発明のさらに広い態様において変形および変更をすることが可能であり、したがって、別記請求項は、該請求項の範囲内で、本発明の真の思想および範囲内に含まれるそういったあらゆる変形および変更を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】トンネル接合ＬＥＤ構造を示す断面図
【図２】典型的なヘテロ接合バイポーラトランジスタを示す断面図
【図３】トンネル接合ＬＥＤを形成するためにｎ−ｐ−ｎ層の上に成長させたエピタキシャルウェハの一部を示す断面図
【図４】図３のウェハ部分を示す断面図であって、ｐ型層から水素を外方拡散させるためにウェハをアニールする前に埋込みｐ型層の面を露出させるべくエッチングされる様子を示す図
【図５】トレンチを示しかつ金属ストリップを点線で示す分離されたＬＥＤを示す上面図
【図６】ｐ型層の表面を露出させてｐ型層から水素を外方拡散させるためにｎ型層をエッチングする前にアニールされるＧａＮ半導体構造の一部を示す断面図
【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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