ナノチューブ・コンタクトを用いた半導体デバイスおよび方法
【課題】 １つ以上の半導体層に対して接触抵抗を低下するコンタクト層を備えたナノチューブを含む電子および光電半導体デバイスを提供する。
【解決手段】 半導体デバイスは、少なくとも１つの半導体層と、半導体層と電気的に接触する金属層と、金属層と半導体層との間に介在するカーボン・ナノチューブ・コンタクト層とを含む。コンタクト層は、金属層を半導体層に電気的に結合し、低い比接触抵抗を有する半導体コンタクトが得られる。コンタクト層は、可視光範囲の少なくとも一部において、実質的に光透過膜となることができる。
【解決手段】 半導体デバイスは、少なくとも１つの半導体層と、半導体層と電気的に接触する金属層と、金属層と半導体層との間に介在するカーボン・ナノチューブ・コンタクト層とを含む。コンタクト層は、金属層を半導体層に電気的に結合し、低い比接触抵抗を有する半導体コンタクトが得られる。コンタクト層は、可視光範囲の少なくとも一部において、実質的に光透過膜となることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１つ以上の半導体層に対して接触抵抗を低下させるコンタクト層を備えたナノチューブを含む電子および光電半導体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
異なる材料間の接合部における電子輸送は、それぞれの材料間のバンド構造整列およびそれらの相対的化学ポテンシャルによって支配される。バンド間に不整合があると、電気的ポテンシャル・バリアが生ずるが、キャリア輸送を行うためにはこれを克服しなければならない。更に、材料を接触させるときに化学的ポテンシャルの平衡が生じ、その結果空間電荷層が形成される。この層には自由キャリアが枯渇しているため、輸送に対する障壁が増大し、全体的なデバイス性能を低下させる原因となる。
【０００３】
適性なデバイス動作のためには、一般に、ｎおよびｐ型半導体双方に対する低抵抗オーミック・コンタクトが必要である。接触抵抗が高いと、コンタクトにおける電圧降下が著しくなり、スイッチング速度および電圧振幅というような、交流および直流それぞれの性能双方の低下に至る可能性がある。
【０００４】
用途によっては、電気コンタクトが光透過性でなければならない場合もある。例えば、ＧａＮ発光ダイオードおよびレーザ・ダイオードには、一般に、低抵抗透過性ｐ−オーム・コンタクトが必要である。ＧａＮレーザ・ダイオードにおいて寿命が短い要因の１つが、ｐ−オーミック・コンタクトである。達成可能な比接触抵抗（ｒｃ）が比較的高いために、電流がｐ−ｎ接合を横切って流れる際にメタライゼーションが加熱し、ＧａＮ層における金属マイグレーション・ダウン・スレッディング転位(metal migration down threading dislocation)、および結果的に接合部の短絡に至る。ｐ−ＧａＮへのコンタクトの高いｒｃ値には多数の要因が関与しており、下記を含む。
【０００５】
（ｉ）仕事関数が十分に高い金属がないこと。ＧａＮのバンドギャップは３．４ｅＶであり、電子親和性は４．１ｅＶであるが、金属の仕事関数は通例≦５ｅＶである。
（ｉｉ）Ｍｇ需要体の深イオン化レベルが約１７０ｍｅＶであるために、ｐ−ＧａＮのホール濃度が相対的に低いこと。
【０００６】
（ｉｉｉ）処理中にＧａＮ表面から窒素が失われ易い傾向があり、そのためにｎ型導電性への変換が表面において生ずる可能性があること。
ＧａＮ発光ダイオード構造におけるコンタクト・メタルルジに望ましい別の特性に、ＬＥＤの上面から出力される光を最大にするための、可視光に対する高い透過性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電気的接触を改善する研究において、多種多様のメタライゼーションが開示されている。ＧａＮ系ＬＥＤを再度参照すると、標準的はＮｉ／Ａｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｄ／Ａｕ、Ｐｔ／Ａｕ、Ａｕ／Ｍｇ／Ａｕ、Ａｕ／Ｃ／Ｎｉ、Ｎｉ／Ｃｒ／Ａｕ、およびＰｄ／Ｐｔ／Ａｕが開示されている。通例、コンタクトにおいては、Ｎｉ、ＰｄまたはＰｔ金属がＧ−ＧａＮと直接接触し、４００〜７５０℃でこの構造をアニールする。これによって、接触抵抗は１０−１から１０−３Ω−ｃｍ２の範囲となる。温度を高めると、コンタクトの形態に著しい劣化が観察され、通常没食子金属が形成される結果となる。
【０００８】
インディウム−錫−酸化物（ＩＴＯ）がこれまでＧａＮ交流薄膜エレクトロルミネッセ
ントデバイスにおいて透明下位電極として用いられており、更に接触抵抗を低下させるためにＰ−ＧａＮ上の透明Ｎｉ／Ａｕコンタクト上において被覆層として用いられている。一般に、ＩＴＯコンタクトのみでは、アニーリングの後であっても、ｐ型ＧａＮ上では整流挙動を呈し、ｎ−ＧａＮ上のオーミック透明層として用いられる方が更に典型的である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
半導体デバイスは、少なくとも１つの半導体層と、半導体層と電気的に接触する金属層と、金属層と半導体層との間に介在するカーボン・ナノチューブ・コンタクト層とを含む。ナノチューブ・コンタクト層は、金属層を半導体層に電気的に結合する。本発明の一実施形態では、ナノチューブ・コンタクト層は、本質的に単一壁ナノチューブ（ＳＷＮＴ）から成る。コンタクト層は、可視光範囲の少なくとも一部において、実質的に光透過膜となることができる。
【００１０】
一実施形態では、少なくとも１つの半導体層は、半導体層から成る第２ＧａＮと共にｐ−ｎ接合部を形成する、ｐ−ＧａＮまたはｎ−ＧａＮから成る第１ＧａＮ層を備えており、ＧａＮ ＬＥＤを形成する。この場合、ナノチューブ・コンタクト層は、金属層とｐ−ＧａＮ層との間に接点を設ける。この実施形態では、金属層のｐ−ＧａＮ層に対する２５℃における比面抵抗（ｒｃ）は、２．０×１０−２ｃｍ２未満とすることができる。
【００１１】
ナノチューブ・コンタクト層は、少なくとも１つの電荷転送ドーピング種を含むことができ、電荷転送ドーピング種がナノチューブ・コンタクト層と半導体層との間のフェルミ・レベルの差を縮小する。ドーピング種は、ハロゲンまたはアルカリ金属とすることができる。ナノチューブ・コンタクト層の面抵抗は、１００ｎｍの厚さにおいて２００オーム／ｓｑ未満とすることができる。
【００１２】
半導体層に対して低抵抗のナノチューブに基づくコンタクトを形成する方法は、半導体層を用意するステップと、半導体層上にナノチューブ・コンタクト層を堆積または配置するステップと、ナノチューブ・コンタクト層上に金属層を堆積するステップとを備えている。金属層の堆積に続いて、２００℃未満の温度において半導体層と金属層との間に、オーミック・コンタクトを形成することができ、これにより、オーミック・コンタクトを形成するためのアニール工程が不要となる。本方法は、少なくとも１つの電荷転送ドーピング種を用いて、ナノチューブ・コンタクト層に化学的にドーピングするステップを含むことができる。一実施形態では、ナノチューブを多孔質メンブレーンの表面上に押し付けて、多孔質メンブレーン上に配するナノチューブ・コンタクト層を形成することができる。コンタクト層を堆積するステップは、半導体層に接触するようにナノチューブ・コンタクト層を配置し、次いで多孔質メンブレーン支持部を除去することから成るとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明ならびにその特徴および利点については、以下の詳細な説明を添付図面と共に検討することにより、一層深い理解が得られる。
カーボン・ナノチューブは、近年、その独特な電子、熱機械特性のために、注目を浴びている。その（ｎ，ｍ）インデックスによって指定される、その具体的な結晶構造に応じて、個々のナノチューブは真性金属または半導体のいずれにもなることができる。現在市販されているバルクの単一壁ナノチューブ（ＳＷＮＴ）サンプルは、金属（通例１／３重量画分）および半導体（通例２／３重量画分）ナノチューブの分子的に密接な混合物から成る。ナノチューブに関する最近の研究は、種々の用途のために、半導体ナノチューブから金属を分離することに集中しているが、混合物の分子密接性により特別に困難な作業となっている。
【００１４】
多重壁ナノチューブ（ＭＷＮＴ：multi-walled nanotubes）に関して、ＭＷＮＴにおける各シェルは、金属または半導体のいずれかである。半導体シェルの直径が増大するに連れて、そのバンドギャップは減少する。直径１．４ｎｍの半導体ナノチューブのバンドギャップは、約０．６ｅＶである。１０ｎｍシェルのバンドギャップは、約０．０８ｅＶであり、常温における熱励起エネルギに近い。
【００１５】
電子デバイスに関して、アクティブ半導体ナノチューブ層を用いたナノスケール・デバイスの作成に、多大な努力を集中してきた。例えば、ワタナベら（Ｗａｔａｎａｂｅ ｅｔ ａｌ．）の「カーボン・ナノチューブ・リングを用いたトランジスタ」と題する米国特許第６，５９０，２３１号は、ＭＯＳＦＥＴのチャネル領域にナノチューブを用いることを開示している。
【００１６】
ワタナベらとは対照的に、ここに記載する本発明は、金属電極と半導体材料を構成するアクティブ層との間における電荷の転移を改善するために、コンタクト領域にナノチューブを用いる。本発明の一実施形態による半導体デバイスは、少なくとも１つの半導体層と、半導体層と電気的に接触している層を備えている金属と、金属層と半導体層との間に介在するコンタクト層を備えているカーボン・ナノチューブとを含む。コンタクト層は、金属層を半導体層に電気的に結合し、低い比接触抵抗を有する半導体コンタクトを設ける。デバイスを構成する半導体は、ディスクリート・デバイス（例えば、ダイオードまたはトランジスタ）、あるいはマイクロプロセッサまたはメモリ・デバイスのような集積デバイスの一部とすることができる。デバイスは、電子デバイスまたは光電デバイスとすることができ、１つ以上のＭＥＭＳデバイスを用いて具体化されているように、チップ上に機械的構成要素を含むことができる。
【００１７】
前述の電子回路へのナノチューブの応用のために半導体を金属ナノチューブから分離しようとするのではなく、本発明者は、密接に混合されたナノチューブ材料の特性は、金属を半導体に電気的に結合するための大きな利点を保有する中間層として用いるのに非常に適していることを発見した。金属層は、一般に、ナノチューブ混合物内に金属ナノチューブに対する障壁がなく、強く結合することが発見されている。
【００１８】
特許請求する発明を実施するためには必要でないが、出願人は、理論に拘束されることを嫌い、本発明による層を備えたナノチューブによって得られる低抵抗コンタクトを説明する機構を紹介する。密接に混成した金属および半導体ナノチューブ間にある大きな接触面積は、これらの間に障壁ができたとしても、かなりの電流を伝達するのに役立つ。混合物における金属ナノチューブも、種々の半導体と電気的に強く結合する。金属ナノチューブは、金属層へのコンタクトをナノチューブ層の小領域に局在化することができ、しかも低抵抗コンタクトを設けるように、ナノチューブ層全体に電気コンタクトを分散すると考えられる。
【００１９】
半導体ナノチューブは、一般に、ｐ型導体であることがわかっており、ｐ型半導体材料へのコンタクトに直接応用できることを示す。しかしながら、ナノチューブが優れた電気結合を設けることができる半導体の範囲は、化学的電荷移動ドーピングによって、相当に広げることができる。ナノチューブの化学的ドーピング、および化学的ドーピングのナノチューブのフェルミ・レベルに対する影響は、２００３年７月１８日に出願し「単一壁カーボン・ナノチューブによる透過性電極」と題する、同時係属中で本願と同じ譲受人に譲渡された米国特許出願第１０／６２２，８１８号（'８１８）に記載されている。この出
願は、２００４年１０月７日に公開出願第２００４０１９７５４６号として公開されている。'８１８は、ここで引用したことにより、その全体が本願にも含まれるものとする。
【００２０】
ナノチューブと電荷移動錯体を形成する元素および化合物の膨大な一群の内、１つ以上を用いると、ハロゲンまたはアルカリ金属のような、ナノチューブを化学的荷電転移ドープするために用いることができる。このような材料を用いると、ナノチューブのナノチューブ・フェルミ・レベルを容易にそして制御可能に調整することができ、ｎ型またはｐ型のいずれにすることもできる。結晶格子を含む原子の希釈置換を伴う典型的な半導体ドーピングとは異なり、ナノチューブ格子の原子を除去する必要はない。代わりに、ドーパント種とナノチューブとの間に、本質的に自発的に、しかるべき化学物質（複数の化学物質）に露出したときに、単純な電荷転移が発生する。このため、電荷転送ドーピングを用いると、ナノチューブ層と、接触させる半導体層との間のバンド整合を改善することができる。望ましければ、ナノチューブ層のフェルミ・レベルを、接触させる半導体層のフェルミ・レベルに対して約０．１ボルト（以内）に近づけることができると考えられる。化学的ドーピングによって吸収バンドが抑制されることは、ナノチューブのフェルミ・レベルを少なくとも±１ｅＶずらせることを示す。
【００２１】
ナノチューブは、ＭＷＮＴまたはＳＷＮＴ、あるいはその混合物で構成することができる。しかしながら、化学的ドーピングが望ましい場合には、純粋なＳＷＮＴ層の方が一般には好まれる。何故なら、ＭＷＮＴの化学的ドーピングは一般に外側層に限られているので、可能なフェルミ・レベルのずれは、ＳＷＮＴと比較すると遥かに少ないからである。最近、純粋な単壁ナノチューブ（結合材がない）の超薄型均質膜を生産する方法が利用できるようになった。用途によっては、デバイスが放出する光線の波長範囲において、ナノチューブ・コンタクト層が光透過性であることが要求される場合もある。光透過性は、発光デバイスのような、半導体用途の一部では重要である。
【００２２】
厚さ１００から４００ｎｍというような、約１μｍ以下の薄いＳＷＮＴ膜を用いることにより、ナノチューブ層は、可視光および／または赤外線範囲において、実質的に光透過性となることができる。ここで用いる場合、「実質的に光透過性」という句は、厚さが少なくとも１００ｎｍの膜のような、約０．４μｍから１０μｍの波長範囲全域において少なくとも１０％の光透過性を与える膜を構成するナノチューブのことを言う。また、１００ｎｍＳＷＮＴ膜は、約３μｍから５μｍの範囲全域において少なくとも５０％の光透過性も与えることができる。しかしながら、これらは、特定的なナノチューブのサンプルに基づいた名目値であることを注記しておく。本発明による層を構成するナノチューブによって得られるスペクトル透過性は、金属ナノチューブに対する半導体ナノチューブの個々の比率、存在するナノチューブの直径の分布、ナノチューブの電荷転移ドーピング状態（存在する場合）によって異なる。
【００２３】
導電性透過電極に用いるために光透過性とした本質的に純粋なＳＷＮＴの均質膜と概略的に記載したが、本発明によるナノチューブ・コンタクト層は、更に総合的にＭＷＮＴを含むことができる。更に、先に注記したように、ナノチューブ・コンタクト層は、光透過性を必要としない用途（例えば、トランジスタ）には、全体的に非光透過性とすることができる。
【００２４】
また、ナノチューブは、回路エレメントに対する電気的結合においても、更に別の重要な利点を備えている。デバイス密度を高める推進において微小電子業界が直面している課題の中に、導体−半導体または導体−絶縁体接合部における化学種のエレクトロマイグレーションがある。この影響は、個々のデバイスの寸法が縮小するに連れて、電界の増大により悪化する。種のマイグレーションが発生する容易性は、材料の原子結合力に関係する。原子マイグレーションが発生するためには、接合を破壊し再形成しなければならない。ナノチューブの側壁を構成する炭素原子は、例外的に緊密に結合されており、元素金属材料の１〜３ｅＶと比較して、除去するには原子当たり約７ｅＶが必要となる。このため、ナノチューブからの炭素のエレクトロマイグレーションは事実上存在しない。更に、ナノ
チューブ自体も、全体としてマイグレーションが生ずるには大き過ぎることには、疑いの余地がない。その逆も真である。隣接する材料からナノチューブ結晶構造への化学種のマイグレーションも、測定可能な程には生じない。
【００２５】
ナノチューブは、半導体層に対する低抵抗コンタクトを形成するために、種々の方法で適用することができる。半導体に対して低抵抗の電気コンタクトを作成するという一般的な目的では、例えば、エア・ブラシ、ペイント、またはドロップ・キャスト(drop cast) することができる。これらの方法で生成する層は一般に厚さには高い均一性がないが、全体的に低抵抗のオーミック・コンタクトが得られる。
【００２６】
代替実施形態では、光透過性ナノチューブ層を形成する。光透過性ナノチューブを形成するプロセスの１つが、' ８１８に記載されている。' ８１８に記載されているように、光透過性で導電性のＳＷＮＴ膜を形成する方法は、多孔質メンブレーンを用意し、複数のＳＷＮＴを溶液内に散乱させるステップを含み、溶液は、ＳＷＮＴが懸濁から凝縮するのを防止するために少なくとも１つの表面安定剤を含む。次いで、この溶液を多孔質メンブレーンに塗布する。次に、溶液を除去し、ＳＷＮＴを多孔質メンブレーンの表面上に押し付け、メンブレーン上にＳＷＮＴ膜を形成する。この方法は、メンブレーンを溶融することによる等で、ＳＷＮＴ膜を多孔質メンブレーンから分離するステップを含むことができる。
【００２７】
本発明に応用すると、ナノチューブ／支持層物品のナノチューブ側を、シリコン・ウェハの上面全体にわたってというように、半導体表面（複数の表面）上に配することができる。次いで、メンブレーンを溶解することによる等で、支持層を選択的に除去することができる。次いで、望ましければ、続く層を追加するために、プロセスを継続することができる。
【００２８】
ナノチューブによって得られる高い温度安定性により、本発明によるナノチューブ・コンタクト層は、従来の集積回路処理との適合性が高い。例えば、周囲空気において、酸化を活性化させる触媒がなければ（例えば、遷移金属）、ＳＷＮＴは４００℃よりも高い温度に耐えられることが示されている。不活性化気体雰囲気（例えば、Ｎ２またはＡｒ）におけるように、または適したコーティングを施すというようにして、酸化雰囲気から保護されている場合、ナノチューブは１０００℃を超えても安定である。このため、レベル間誘電体堆積では、ＰＥＣＶＤ窒化物堆積プロセスの方が、ＰＥＣＶＤ酸化物堆積プロセスと比較して、一般に好まれる。何故なら、窒化物堆積プロセスは本質的に還元性であるのに対して、酸化物プロセスは本質的に酸化性であるからである。
【００２９】
本発明による層を構成するナノチューブをパターニングするには、標準的な集積回路処理を用いることができる。例えば、フォトレジスト・パターンをナノチューブ層上に形成し、除去すべき領域を露出させることができる。酸素を含む環境におけるプラズマ・エッチングも、層を構成するナノチューブを除去するために用いることができる。達成可能なナノチューブ・コンタクトの寸法は、少なくとも約１００ｎｍに近づくことが予期されている。
（実施例）
以下の具体例によって、本発明を更に例示する。これらの例は、如何様にしても本発明の範囲または内容を限定するように解釈すべきではない。
【００３０】
図１に示したＧａＮ量子井戸ＬＥＤ１００を、ｃ面電気的絶縁サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板１０５上に、金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）によって成長させた。ｐ−ＧａＮ層１１５におけるホール濃度は、約１×１０１７ｃｍ−３であって、ｎ−ＧａＮ層１１０の電子濃度は、５×１０１８から１０１９ｃｍ−３であった。接合領域を参照番号１１８で
示す。Ｐ＋ナノチューブ層１２０を形成するために、純化、パルス状レーザ気化成長ＳＷＮＴを、約１．５×１０−３ｍｇ／ｍｌの希釈濃度で、水性界面活性懸濁液（１％ｖ／ｖＴＲＩＴＯＮ Ｘ−１００ＴＭ）において超音波破砕によって散乱させた。懸濁液を０．１μｍ孔サイズ、混合セルロース・エステル・メンブレーン（Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ、Ｂｉｌｌｅｒｉｃａ、Ｍａ）上で真空濾過し、続いて大量の脱イオン化水で洗浄して界面活性剤を除去した。メンブレーン上に、透明電極として用いるための１５００Åナノチューブ膜が形成された。
【００３１】
ナノチューブ膜を転移するために、未だ濡れているメンブレーンをナノチューブ膜側のｐ−ＧａＮ層１１５上に配置した。続いて、この構造体を多孔質濾紙で覆い、４ｋｇの質量で負荷をかけて一晩乾燥平坦化し(dry flat)、ｐ−ＧａＮ層１１５に接着したナノチューブ膜（未だメンブレーンがくっついたままである）を残した。通例、接着は、ナノチューブを傷つけずに連続アセトン槽において、次いで最後のメタノール槽においてメンブレーンの溶解を続けて行うことを可能にするには適当である（連続槽は、ナノチューブ膜内に取り込んだ溶解セルロース・エステルを最少に抑えるために用いる）。一旦乾燥したなら、ナノチューブ１２０／ｐ−ＧａＮ１１５／ｎ−ＧａＮ１１０／基板１０５の構造体を６００℃で６時間空気中においてアニールして、セルロース・エステル・メンブレーンの最後の痕跡を除去した。Ｅビーム堆積Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ、またはＰｄをリフトオフによってパターニングし、Ｃｌ２／Ａｒ誘導性結合プラズマ・エッチングによってメサを形成し、接合部のｎ−ＧａＮ側を露出した。ｎ−ＧａＮ１１０への金属コンタクト１１２は、Ｎ２の下で１分間７００℃にてアニールしたＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕであった。同様に、金属コンタクト１２２をナノチューブ層１２０上に形成した。
【００３２】
加えて、ＣＮＴ膜もサファイア上の単一層ｐ−ＧａＮ上に堆積し、ＣＮＴ膜をパターニングしてまたはパターニングせずに金属層とｐ−ＧａＮ層との間に介在させた構造において、伝送線路法（ＴＬＭ）を用いて、比接触抵抗（ｒｃ）を測定した。各場合における比接触抵抗（ｒｃ）は、関係ｒｃ＝（Ｒｃ２／Ｒｓ）Ｗ２によって、構造Ｒ＝２Ｒ＋Ｒｓ（Ｌ／Ｗ）の全測定抵抗から得た。ここで、Ｒｃは測定した接触抵抗、Ｒｓ／Ｗは抵抗対パッド間隔のグラフの傾きであり、Ｗはパッドの幅、Ｌはパッドの間隔である。
【００３３】
図２は、本発明によるｐ−ＧａＮ層上のＣＮＴ膜の上に種々の金属を配したＬＥＤの接合電流−電圧（Ｖ−Ｉ）特性を示す。各場合において、接合部は、優れた整流特性を呈している。このように、ＳＷＮＴコンタクト層は、ｐ−ＧａＮ層のホール濃度が比較的低い（約１×１０１７ｃｍ−３）にも拘わらず、優れたオーミック・コンタクトを備えている。ＴＬＭ測定から得た接触抵抗データを図３に示す。ＣＮＴ膜自体は、非常に導電性が高く、電流が主にＣＮＴ膜を通過する場合のこれらの膜の上に堆積した際の接触抵抗、５．４×１０−３Ωｃｍ２が、７００℃、１分間のＮ２アニールの後に１．３×１０−４Ωｃｍ２となる。ＣＮＴをパターニングして、電流がｐ−ＧａＮを通過するようにさせる場合、この構造の接触抵抗は、７００℃アニール後には１．１×１０−２Ωｃｍ２となることがわかったが、ＣＮＴは堆積した状態においても、オーミック挙動を生ずる。これは、堆積すると非オーミックであった、同一層上の標準的なＮｉ／Ａｕコンタクトの場合（中間ナノチューブ層がない）とは全く対照的である。
【００３４】
また、ＳＷＮＴコンタクト構造の接触抵抗は、ｐ−ＧａＮ上の直接Ｎｉ／Ａｕメタライゼーションによって得られた最低値の１／３の低さであったことも注記しておく。そのメタライゼーションでは最低値は５００℃において生じ、７００℃によって、Ｎｉ／Ａｕのコンタクト形態は、恐らくはコンタクト金属のＧａＮとの反応によるが、非常に劣化した。このように、ＣＮＴ膜の利点の１つは、接合部のｎ側において最低の接触抵抗を生ずるのに必要なアニール温度では安定していることであり、処理シーケンスが簡略化する。
【００３５】
図４は、本発明の一実施形態にしたがって完成したＧａＮ ＬＥＤのルミネッセント応答を示す。ＧａＮ ＬＥＤは、カーボン・ナノチューブ・コンタクト層を含み、４３４ｎｍ（青色光）において最高となる強いエレクトロルミネッセンスを示した。これは、接合部の高いオーミック性質、およびナノチューブ層の実質的な光透過性を実証する。
【００３６】
ここに提示した例は、低抵抗を呈し、本発明による光透過性ＣＮＴ膜は、ＧａＮに対して優れたｐ−オーミック・コンタクトを生成し、その熱安定性により、ｐ−コンタクトもその位置に配したまま、ｎ−コンタクトのアニールを行うことが可能となる。他の潜在的に可能な同様の用途には、ｐ型ＺｎＯ上における低抵抗コンタクトが含まれ、これにもｐ−ＧａＮと同様の問題がある。更に、先に注記したように、本発明は、ｎ型層の接触にも広く適用することができ、ＭＥＭＳデバイスを有するものを含む、種々の集積回路の製作において用いることができる。
【００３７】
尚、本発明の好適な具体的実施形態に関連付けて本発明について説明したが、前述の説明およびそれに続く実施例は、本発明の範囲を限定するのではなく、例示することを意図していることは言うまでもない。本発明の範囲内に該当するその他の態様、利点、および変更は、本発明に関連する秘術における当業者には明白であろう。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態による、金属とｐ−ＧａＮ層との間に配置したカーボン・ナノチューブ・コンタクト層を含むＧａＮ ＬＥＤ構造の模式図。
【図２】ｐ−ＧａＮ層への接触のために、ナノチューブ・コンタクト層の上面上に種々の金属を有するカーボン・ナノチューブ・コンタクト層を含む、本発明によるＬＥＤの一例の接合電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性を示すグラフ。
【図３】Ｎ２における高温（７００℃）でのアニール後、およびアニールしない場合の双方において、カーボン・ナノチューブ、本発明によるカーボン・ナノチューブ（ＣＮＴ）／Ｐ−ＧａＮ、および従来のＮｉ／Ａｕ／Ｐ−ＧａＮコンタクトについての伝送線路法（ＴＬＭ）測定を用いて得られた比接触抵抗（ｒｃ）データを示す。
【図４】４３４ｎｍ（青色光）において最大となる強いエレクトロルミネセンスを呈するカーボン・ナノチューブ・コンタクト層を含む、本発明の一実施形態によるＧａＮ ＬＥＤの完成品のルミネッセント応答を示すグラフ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１つ以上の半導体層に対して接触抵抗を低下させるコンタクト層を備えたナノチューブを含む電子および光電半導体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
異なる材料間の接合部における電子輸送は、それぞれの材料間のバンド構造整列およびそれらの相対的化学ポテンシャルによって支配される。バンド間に不整合があると、電気的ポテンシャル・バリアが生ずるが、キャリア輸送を行うためにはこれを克服しなければならない。更に、材料を接触させるときに化学的ポテンシャルの平衡が生じ、その結果空間電荷層が形成される。この層には自由キャリアが枯渇しているため、輸送に対する障壁が増大し、全体的なデバイス性能を低下させる原因となる。
【０００３】
適性なデバイス動作のためには、一般に、ｎおよびｐ型半導体双方に対する低抵抗オーミック・コンタクトが必要である。接触抵抗が高いと、コンタクトにおける電圧降下が著しくなり、スイッチング速度および電圧振幅というような、交流および直流それぞれの性能双方の低下に至る可能性がある。
【０００４】
用途によっては、電気コンタクトが光透過性でなければならない場合もある。例えば、ＧａＮ発光ダイオードおよびレーザ・ダイオードには、一般に、低抵抗透過性ｐ−オーム・コンタクトが必要である。ＧａＮレーザ・ダイオードにおいて寿命が短い要因の１つが、ｐ−オーミック・コンタクトである。達成可能な比接触抵抗（ｒｃ）が比較的高いために、電流がｐ−ｎ接合を横切って流れる際にメタライゼーションが加熱し、ＧａＮ層における金属マイグレーション・ダウン・スレッディング転位(metal migration down threading dislocation)、および結果的に接合部の短絡に至る。ｐ−ＧａＮへのコンタクトの高いｒｃ値には多数の要因が関与しており、下記を含む。
【０００５】
（ｉ）仕事関数が十分に高い金属がないこと。ＧａＮのバンドギャップは３．４ｅＶであり、電子親和性は４．１ｅＶであるが、金属の仕事関数は通例≦５ｅＶである。
（ｉｉ）Ｍｇ需要体の深イオン化レベルが約１７０ｍｅＶであるために、ｐ−ＧａＮのホール濃度が相対的に低いこと。
【０００６】
（ｉｉｉ）処理中にＧａＮ表面から窒素が失われ易い傾向があり、そのためにｎ型導電性への変換が表面において生ずる可能性があること。
ＧａＮ発光ダイオード構造におけるコンタクト・メタルルジに望ましい別の特性に、ＬＥＤの上面から出力される光を最大にするための、可視光に対する高い透過性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電気的接触を改善する研究において、多種多様のメタライゼーションが開示されている。ＧａＮ系ＬＥＤを再度参照すると、標準的はＮｉ／Ａｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｄ／Ａｕ、Ｐｔ／Ａｕ、Ａｕ／Ｍｇ／Ａｕ、Ａｕ／Ｃ／Ｎｉ、Ｎｉ／Ｃｒ／Ａｕ、およびＰｄ／Ｐｔ／Ａｕが開示されている。通例、コンタクトにおいては、Ｎｉ、ＰｄまたはＰｔ金属がＧ−ＧａＮと直接接触し、４００〜７５０℃でこの構造をアニールする。これによって、接触抵抗は１０−１から１０−３Ω−ｃｍ２の範囲となる。温度を高めると、コンタクトの形態に著しい劣化が観察され、通常没食子金属が形成される結果となる。
【０００８】
インディウム−錫−酸化物（ＩＴＯ）がこれまでＧａＮ交流薄膜エレクトロルミネッセ
ントデバイスにおいて透明下位電極として用いられており、更に接触抵抗を低下させるためにＰ−ＧａＮ上の透明Ｎｉ／Ａｕコンタクト上において被覆層として用いられている。一般に、ＩＴＯコンタクトのみでは、アニーリングの後であっても、ｐ型ＧａＮ上では整流挙動を呈し、ｎ−ＧａＮ上のオーミック透明層として用いられる方が更に典型的である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
半導体デバイスは、少なくとも１つの半導体層と、半導体層と電気的に接触する金属層と、金属層と半導体層との間に介在するカーボン・ナノチューブ・コンタクト層とを含む。ナノチューブ・コンタクト層は、金属層を半導体層に電気的に結合する。本発明の一実施形態では、ナノチューブ・コンタクト層は、本質的に単一壁ナノチューブ（ＳＷＮＴ）から成る。コンタクト層は、可視光範囲の少なくとも一部において、実質的に光透過膜となることができる。
【００１０】
一実施形態では、少なくとも１つの半導体層は、半導体層から成る第２ＧａＮと共にｐ−ｎ接合部を形成する、ｐ−ＧａＮまたはｎ−ＧａＮから成る第１ＧａＮ層を備えており、ＧａＮ ＬＥＤを形成する。この場合、ナノチューブ・コンタクト層は、金属層とｐ−ＧａＮ層との間に接点を設ける。この実施形態では、金属層のｐ−ＧａＮ層に対する２５℃における比面抵抗（ｒｃ）は、２．０×１０−２ｃｍ２未満とすることができる。
【００１１】
ナノチューブ・コンタクト層は、少なくとも１つの電荷転送ドーピング種を含むことができ、電荷転送ドーピング種がナノチューブ・コンタクト層と半導体層との間のフェルミ・レベルの差を縮小する。ドーピング種は、ハロゲンまたはアルカリ金属とすることができる。ナノチューブ・コンタクト層の面抵抗は、１００ｎｍの厚さにおいて２００オーム／ｓｑ未満とすることができる。
【００１２】
半導体層に対して低抵抗のナノチューブに基づくコンタクトを形成する方法は、半導体層を用意するステップと、半導体層上にナノチューブ・コンタクト層を堆積または配置するステップと、ナノチューブ・コンタクト層上に金属層を堆積するステップとを備えている。金属層の堆積に続いて、２００℃未満の温度において半導体層と金属層との間に、オーミック・コンタクトを形成することができ、これにより、オーミック・コンタクトを形成するためのアニール工程が不要となる。本方法は、少なくとも１つの電荷転送ドーピング種を用いて、ナノチューブ・コンタクト層に化学的にドーピングするステップを含むことができる。一実施形態では、ナノチューブを多孔質メンブレーンの表面上に押し付けて、多孔質メンブレーン上に配するナノチューブ・コンタクト層を形成することができる。コンタクト層を堆積するステップは、半導体層に接触するようにナノチューブ・コンタクト層を配置し、次いで多孔質メンブレーン支持部を除去することから成るとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明ならびにその特徴および利点については、以下の詳細な説明を添付図面と共に検討することにより、一層深い理解が得られる。
カーボン・ナノチューブは、近年、その独特な電子、熱機械特性のために、注目を浴びている。その（ｎ，ｍ）インデックスによって指定される、その具体的な結晶構造に応じて、個々のナノチューブは真性金属または半導体のいずれにもなることができる。現在市販されているバルクの単一壁ナノチューブ（ＳＷＮＴ）サンプルは、金属（通例１／３重量画分）および半導体（通例２／３重量画分）ナノチューブの分子的に密接な混合物から成る。ナノチューブに関する最近の研究は、種々の用途のために、半導体ナノチューブから金属を分離することに集中しているが、混合物の分子密接性により特別に困難な作業となっている。
【００１４】
多重壁ナノチューブ（ＭＷＮＴ：multi-walled nanotubes）に関して、ＭＷＮＴにおける各シェルは、金属または半導体のいずれかである。半導体シェルの直径が増大するに連れて、そのバンドギャップは減少する。直径１．４ｎｍの半導体ナノチューブのバンドギャップは、約０．６ｅＶである。１０ｎｍシェルのバンドギャップは、約０．０８ｅＶであり、常温における熱励起エネルギに近い。
【００１５】
電子デバイスに関して、アクティブ半導体ナノチューブ層を用いたナノスケール・デバイスの作成に、多大な努力を集中してきた。例えば、ワタナベら（Ｗａｔａｎａｂｅ ｅｔ ａｌ．）の「カーボン・ナノチューブ・リングを用いたトランジスタ」と題する米国特許第６，５９０，２３１号は、ＭＯＳＦＥＴのチャネル領域にナノチューブを用いることを開示している。
【００１６】
ワタナベらとは対照的に、ここに記載する本発明は、金属電極と半導体材料を構成するアクティブ層との間における電荷の転移を改善するために、コンタクト領域にナノチューブを用いる。本発明の一実施形態による半導体デバイスは、少なくとも１つの半導体層と、半導体層と電気的に接触している層を備えている金属と、金属層と半導体層との間に介在するコンタクト層を備えているカーボン・ナノチューブとを含む。コンタクト層は、金属層を半導体層に電気的に結合し、低い比接触抵抗を有する半導体コンタクトを設ける。デバイスを構成する半導体は、ディスクリート・デバイス（例えば、ダイオードまたはトランジスタ）、あるいはマイクロプロセッサまたはメモリ・デバイスのような集積デバイスの一部とすることができる。デバイスは、電子デバイスまたは光電デバイスとすることができ、１つ以上のＭＥＭＳデバイスを用いて具体化されているように、チップ上に機械的構成要素を含むことができる。
【００１７】
前述の電子回路へのナノチューブの応用のために半導体を金属ナノチューブから分離しようとするのではなく、本発明者は、密接に混合されたナノチューブ材料の特性は、金属を半導体に電気的に結合するための大きな利点を保有する中間層として用いるのに非常に適していることを発見した。金属層は、一般に、ナノチューブ混合物内に金属ナノチューブに対する障壁がなく、強く結合することが発見されている。
【００１８】
特許請求する発明を実施するためには必要でないが、出願人は、理論に拘束されることを嫌い、本発明による層を備えたナノチューブによって得られる低抵抗コンタクトを説明する機構を紹介する。密接に混成した金属および半導体ナノチューブ間にある大きな接触面積は、これらの間に障壁ができたとしても、かなりの電流を伝達するのに役立つ。混合物における金属ナノチューブも、種々の半導体と電気的に強く結合する。金属ナノチューブは、金属層へのコンタクトをナノチューブ層の小領域に局在化することができ、しかも低抵抗コンタクトを設けるように、ナノチューブ層全体に電気コンタクトを分散すると考えられる。
【００１９】
半導体ナノチューブは、一般に、ｐ型導体であることがわかっており、ｐ型半導体材料へのコンタクトに直接応用できることを示す。しかしながら、ナノチューブが優れた電気結合を設けることができる半導体の範囲は、化学的電荷移動ドーピングによって、相当に広げることができる。ナノチューブの化学的ドーピング、および化学的ドーピングのナノチューブのフェルミ・レベルに対する影響は、２００３年７月１８日に出願し「単一壁カーボン・ナノチューブによる透過性電極」と題する、同時係属中で本願と同じ譲受人に譲渡された米国特許出願第１０／６２２，８１８号（'８１８）に記載されている。この出
願は、２００４年１０月７日に公開出願第２００４０１９７５４６号として公開されている。'８１８は、ここで引用したことにより、その全体が本願にも含まれるものとする。
【００２０】
ナノチューブと電荷移動錯体を形成する元素および化合物の膨大な一群の内、１つ以上を用いると、ハロゲンまたはアルカリ金属のような、ナノチューブを化学的荷電転移ドープするために用いることができる。このような材料を用いると、ナノチューブのナノチューブ・フェルミ・レベルを容易にそして制御可能に調整することができ、ｎ型またはｐ型のいずれにすることもできる。結晶格子を含む原子の希釈置換を伴う典型的な半導体ドーピングとは異なり、ナノチューブ格子の原子を除去する必要はない。代わりに、ドーパント種とナノチューブとの間に、本質的に自発的に、しかるべき化学物質（複数の化学物質）に露出したときに、単純な電荷転移が発生する。このため、電荷転送ドーピングを用いると、ナノチューブ層と、接触させる半導体層との間のバンド整合を改善することができる。望ましければ、ナノチューブ層のフェルミ・レベルを、接触させる半導体層のフェルミ・レベルに対して約０．１ボルト（以内）に近づけることができると考えられる。化学的ドーピングによって吸収バンドが抑制されることは、ナノチューブのフェルミ・レベルを少なくとも±１ｅＶずらせることを示す。
【００２１】
ナノチューブは、ＭＷＮＴまたはＳＷＮＴ、あるいはその混合物で構成することができる。しかしながら、化学的ドーピングが望ましい場合には、純粋なＳＷＮＴ層の方が一般には好まれる。何故なら、ＭＷＮＴの化学的ドーピングは一般に外側層に限られているので、可能なフェルミ・レベルのずれは、ＳＷＮＴと比較すると遥かに少ないからである。最近、純粋な単壁ナノチューブ（結合材がない）の超薄型均質膜を生産する方法が利用できるようになった。用途によっては、デバイスが放出する光線の波長範囲において、ナノチューブ・コンタクト層が光透過性であることが要求される場合もある。光透過性は、発光デバイスのような、半導体用途の一部では重要である。
【００２２】
厚さ１００から４００ｎｍというような、約１μｍ以下の薄いＳＷＮＴ膜を用いることにより、ナノチューブ層は、可視光および／または赤外線範囲において、実質的に光透過性となることができる。ここで用いる場合、「実質的に光透過性」という句は、厚さが少なくとも１００ｎｍの膜のような、約０．４μｍから１０μｍの波長範囲全域において少なくとも１０％の光透過性を与える膜を構成するナノチューブのことを言う。また、１００ｎｍＳＷＮＴ膜は、約３μｍから５μｍの範囲全域において少なくとも５０％の光透過性も与えることができる。しかしながら、これらは、特定的なナノチューブのサンプルに基づいた名目値であることを注記しておく。本発明による層を構成するナノチューブによって得られるスペクトル透過性は、金属ナノチューブに対する半導体ナノチューブの個々の比率、存在するナノチューブの直径の分布、ナノチューブの電荷転移ドーピング状態（存在する場合）によって異なる。
【００２３】
導電性透過電極に用いるために光透過性とした本質的に純粋なＳＷＮＴの均質膜と概略的に記載したが、本発明によるナノチューブ・コンタクト層は、更に総合的にＭＷＮＴを含むことができる。更に、先に注記したように、ナノチューブ・コンタクト層は、光透過性を必要としない用途（例えば、トランジスタ）には、全体的に非光透過性とすることができる。
【００２４】
また、ナノチューブは、回路エレメントに対する電気的結合においても、更に別の重要な利点を備えている。デバイス密度を高める推進において微小電子業界が直面している課題の中に、導体−半導体または導体−絶縁体接合部における化学種のエレクトロマイグレーションがある。この影響は、個々のデバイスの寸法が縮小するに連れて、電界の増大により悪化する。種のマイグレーションが発生する容易性は、材料の原子結合力に関係する。原子マイグレーションが発生するためには、接合を破壊し再形成しなければならない。ナノチューブの側壁を構成する炭素原子は、例外的に緊密に結合されており、元素金属材料の１〜３ｅＶと比較して、除去するには原子当たり約７ｅＶが必要となる。このため、ナノチューブからの炭素のエレクトロマイグレーションは事実上存在しない。更に、ナノ
チューブ自体も、全体としてマイグレーションが生ずるには大き過ぎることには、疑いの余地がない。その逆も真である。隣接する材料からナノチューブ結晶構造への化学種のマイグレーションも、測定可能な程には生じない。
【００２５】
ナノチューブは、半導体層に対する低抵抗コンタクトを形成するために、種々の方法で適用することができる。半導体に対して低抵抗の電気コンタクトを作成するという一般的な目的では、例えば、エア・ブラシ、ペイント、またはドロップ・キャスト(drop cast) することができる。これらの方法で生成する層は一般に厚さには高い均一性がないが、全体的に低抵抗のオーミック・コンタクトが得られる。
【００２６】
代替実施形態では、光透過性ナノチューブ層を形成する。光透過性ナノチューブを形成するプロセスの１つが、' ８１８に記載されている。' ８１８に記載されているように、光透過性で導電性のＳＷＮＴ膜を形成する方法は、多孔質メンブレーンを用意し、複数のＳＷＮＴを溶液内に散乱させるステップを含み、溶液は、ＳＷＮＴが懸濁から凝縮するのを防止するために少なくとも１つの表面安定剤を含む。次いで、この溶液を多孔質メンブレーンに塗布する。次に、溶液を除去し、ＳＷＮＴを多孔質メンブレーンの表面上に押し付け、メンブレーン上にＳＷＮＴ膜を形成する。この方法は、メンブレーンを溶融することによる等で、ＳＷＮＴ膜を多孔質メンブレーンから分離するステップを含むことができる。
【００２７】
本発明に応用すると、ナノチューブ／支持層物品のナノチューブ側を、シリコン・ウェハの上面全体にわたってというように、半導体表面（複数の表面）上に配することができる。次いで、メンブレーンを溶解することによる等で、支持層を選択的に除去することができる。次いで、望ましければ、続く層を追加するために、プロセスを継続することができる。
【００２８】
ナノチューブによって得られる高い温度安定性により、本発明によるナノチューブ・コンタクト層は、従来の集積回路処理との適合性が高い。例えば、周囲空気において、酸化を活性化させる触媒がなければ（例えば、遷移金属）、ＳＷＮＴは４００℃よりも高い温度に耐えられることが示されている。不活性化気体雰囲気（例えば、Ｎ２またはＡｒ）におけるように、または適したコーティングを施すというようにして、酸化雰囲気から保護されている場合、ナノチューブは１０００℃を超えても安定である。このため、レベル間誘電体堆積では、ＰＥＣＶＤ窒化物堆積プロセスの方が、ＰＥＣＶＤ酸化物堆積プロセスと比較して、一般に好まれる。何故なら、窒化物堆積プロセスは本質的に還元性であるのに対して、酸化物プロセスは本質的に酸化性であるからである。
【００２９】
本発明による層を構成するナノチューブをパターニングするには、標準的な集積回路処理を用いることができる。例えば、フォトレジスト・パターンをナノチューブ層上に形成し、除去すべき領域を露出させることができる。酸素を含む環境におけるプラズマ・エッチングも、層を構成するナノチューブを除去するために用いることができる。達成可能なナノチューブ・コンタクトの寸法は、少なくとも約１００ｎｍに近づくことが予期されている。
（実施例）
以下の具体例によって、本発明を更に例示する。これらの例は、如何様にしても本発明の範囲または内容を限定するように解釈すべきではない。
【００３０】
図１に示したＧａＮ量子井戸ＬＥＤ１００を、ｃ面電気的絶縁サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板１０５上に、金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）によって成長させた。ｐ−ＧａＮ層１１５におけるホール濃度は、約１×１０１７ｃｍ−３であって、ｎ−ＧａＮ層１１０の電子濃度は、５×１０１８から１０１９ｃｍ−３であった。接合領域を参照番号１１８で
示す。Ｐ＋ナノチューブ層１２０を形成するために、純化、パルス状レーザ気化成長ＳＷＮＴを、約１．５×１０−３ｍｇ／ｍｌの希釈濃度で、水性界面活性懸濁液（１％ｖ／ｖＴＲＩＴＯＮ Ｘ−１００ＴＭ）において超音波破砕によって散乱させた。懸濁液を０．１μｍ孔サイズ、混合セルロース・エステル・メンブレーン（Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ、Ｂｉｌｌｅｒｉｃａ、Ｍａ）上で真空濾過し、続いて大量の脱イオン化水で洗浄して界面活性剤を除去した。メンブレーン上に、透明電極として用いるための１５００Åナノチューブ膜が形成された。
【００３１】
ナノチューブ膜を転移するために、未だ濡れているメンブレーンをナノチューブ膜側のｐ−ＧａＮ層１１５上に配置した。続いて、この構造体を多孔質濾紙で覆い、４ｋｇの質量で負荷をかけて一晩乾燥平坦化し(dry flat)、ｐ−ＧａＮ層１１５に接着したナノチューブ膜（未だメンブレーンがくっついたままである）を残した。通例、接着は、ナノチューブを傷つけずに連続アセトン槽において、次いで最後のメタノール槽においてメンブレーンの溶解を続けて行うことを可能にするには適当である（連続槽は、ナノチューブ膜内に取り込んだ溶解セルロース・エステルを最少に抑えるために用いる）。一旦乾燥したなら、ナノチューブ１２０／ｐ−ＧａＮ１１５／ｎ−ＧａＮ１１０／基板１０５の構造体を６００℃で６時間空気中においてアニールして、セルロース・エステル・メンブレーンの最後の痕跡を除去した。Ｅビーム堆積Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ、またはＰｄをリフトオフによってパターニングし、Ｃｌ２／Ａｒ誘導性結合プラズマ・エッチングによってメサを形成し、接合部のｎ−ＧａＮ側を露出した。ｎ−ＧａＮ１１０への金属コンタクト１１２は、Ｎ２の下で１分間７００℃にてアニールしたＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕであった。同様に、金属コンタクト１２２をナノチューブ層１２０上に形成した。
【００３２】
加えて、ＣＮＴ膜もサファイア上の単一層ｐ−ＧａＮ上に堆積し、ＣＮＴ膜をパターニングしてまたはパターニングせずに金属層とｐ−ＧａＮ層との間に介在させた構造において、伝送線路法（ＴＬＭ）を用いて、比接触抵抗（ｒｃ）を測定した。各場合における比接触抵抗（ｒｃ）は、関係ｒｃ＝（Ｒｃ２／Ｒｓ）Ｗ２によって、構造Ｒ＝２Ｒ＋Ｒｓ（Ｌ／Ｗ）の全測定抵抗から得た。ここで、Ｒｃは測定した接触抵抗、Ｒｓ／Ｗは抵抗対パッド間隔のグラフの傾きであり、Ｗはパッドの幅、Ｌはパッドの間隔である。
【００３３】
図２は、本発明によるｐ−ＧａＮ層上のＣＮＴ膜の上に種々の金属を配したＬＥＤの接合電流−電圧（Ｖ−Ｉ）特性を示す。各場合において、接合部は、優れた整流特性を呈している。このように、ＳＷＮＴコンタクト層は、ｐ−ＧａＮ層のホール濃度が比較的低い（約１×１０１７ｃｍ−３）にも拘わらず、優れたオーミック・コンタクトを備えている。ＴＬＭ測定から得た接触抵抗データを図３に示す。ＣＮＴ膜自体は、非常に導電性が高く、電流が主にＣＮＴ膜を通過する場合のこれらの膜の上に堆積した際の接触抵抗、５．４×１０−３Ωｃｍ２が、７００℃、１分間のＮ２アニールの後に１．３×１０−４Ωｃｍ２となる。ＣＮＴをパターニングして、電流がｐ−ＧａＮを通過するようにさせる場合、この構造の接触抵抗は、７００℃アニール後には１．１×１０−２Ωｃｍ２となることがわかったが、ＣＮＴは堆積した状態においても、オーミック挙動を生ずる。これは、堆積すると非オーミックであった、同一層上の標準的なＮｉ／Ａｕコンタクトの場合（中間ナノチューブ層がない）とは全く対照的である。
【００３４】
また、ＳＷＮＴコンタクト構造の接触抵抗は、ｐ−ＧａＮ上の直接Ｎｉ／Ａｕメタライゼーションによって得られた最低値の１／３の低さであったことも注記しておく。そのメタライゼーションでは最低値は５００℃において生じ、７００℃によって、Ｎｉ／Ａｕのコンタクト形態は、恐らくはコンタクト金属のＧａＮとの反応によるが、非常に劣化した。このように、ＣＮＴ膜の利点の１つは、接合部のｎ側において最低の接触抵抗を生ずるのに必要なアニール温度では安定していることであり、処理シーケンスが簡略化する。
【００３５】
図４は、本発明の一実施形態にしたがって完成したＧａＮ ＬＥＤのルミネッセント応答を示す。ＧａＮ ＬＥＤは、カーボン・ナノチューブ・コンタクト層を含み、４３４ｎｍ（青色光）において最高となる強いエレクトロルミネッセンスを示した。これは、接合部の高いオーミック性質、およびナノチューブ層の実質的な光透過性を実証する。
【００３６】
ここに提示した例は、低抵抗を呈し、本発明による光透過性ＣＮＴ膜は、ＧａＮに対して優れたｐ−オーミック・コンタクトを生成し、その熱安定性により、ｐ−コンタクトもその位置に配したまま、ｎ−コンタクトのアニールを行うことが可能となる。他の潜在的に可能な同様の用途には、ｐ型ＺｎＯ上における低抵抗コンタクトが含まれ、これにもｐ−ＧａＮと同様の問題がある。更に、先に注記したように、本発明は、ｎ型層の接触にも広く適用することができ、ＭＥＭＳデバイスを有するものを含む、種々の集積回路の製作において用いることができる。
【００３７】
尚、本発明の好適な具体的実施形態に関連付けて本発明について説明したが、前述の説明およびそれに続く実施例は、本発明の範囲を限定するのではなく、例示することを意図していることは言うまでもない。本発明の範囲内に該当するその他の態様、利点、および変更は、本発明に関連する秘術における当業者には明白であろう。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態による、金属とｐ−ＧａＮ層との間に配置したカーボン・ナノチューブ・コンタクト層を含むＧａＮ ＬＥＤ構造の模式図。
【図２】ｐ−ＧａＮ層への接触のために、ナノチューブ・コンタクト層の上面上に種々の金属を有するカーボン・ナノチューブ・コンタクト層を含む、本発明によるＬＥＤの一例の接合電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性を示すグラフ。
【図３】Ｎ２における高温（７００℃）でのアニール後、およびアニールしない場合の双方において、カーボン・ナノチューブ、本発明によるカーボン・ナノチューブ（ＣＮＴ）／Ｐ−ＧａＮ、および従来のＮｉ／Ａｕ／Ｐ−ＧａＮコンタクトについての伝送線路法（ＴＬＭ）測定を用いて得られた比接触抵抗（ｒｃ）データを示す。
【図４】４３４ｎｍ（青色光）において最大となる強いエレクトロルミネセンスを呈するカーボン・ナノチューブ・コンタクト層を含む、本発明の一実施形態によるＧａＮ ＬＥＤの完成品のルミネッセント応答を示すグラフ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイスであって、
少なくとも１つの半導体層と、
前記半導体層と電気的に接触する層を備えている金属と、
前記金属層と前記半導体層との間に介在するコンタクト層を備えているカーボン・ナノチューブであって、前記ナノチューブ・コンタクト層が前記金属層を前記半導体層に電気的に結合する、カーボン・ナノチューブと、
を備えている、半導体デバイス。
【請求項２】
請求項１記載のデバイスにおいて、前記ナノチューブ・コンタクト層は、本質的に単一壁ナノチューブ（ＳＷＮＴ）から成る、デバイス。
【請求項３】
請求項１記載のデバイスにおいて、前記コンタクト層は、可視光範囲の少なくとも一部において、実質的に光透過膜となる、デバイス。
【請求項４】
請求項１記載のデバイスにおいて、前記少なくとも１つの半導体層は、半導体層を構成する第２ＧａＮとｐ−ｎ接合部を形成するｐ−またはｎ−半導体層を備えており、前記デバイスはＧａＮ ＬＥＤであり、前記ナノチューブ・コンタクト層は、前記金属と前記ｐ−ＧａＮ層との間にコンタクトを設ける、デバイス。
【請求項５】
請求項４記載のデバイスにおいて、前記金属の前記ｐ−ＧａＮに対する２５℃における比接触抵抗が２．０×１０−２Ωｃｍ未満である、デバイス。
【請求項６】
請求項１記載のデバイスにおいて、前記ナノチューブ・コンタクト層は、少なくとも１つの電荷転送ドーピング種を含み、該電荷転送ドーピング種が前記ナノチューブ・コンタクト層と前記半導体層との間のフェルミ・レベルの差を縮小する、デバイス。
【請求項７】
請求項６記載のデバイスにおいて、前記ドーピング種は、ハロゲンまたはアルカリ金属である、デバイス。
【請求項８】
請求項１記載のデバイスにおいて、ナノチューブ・コンタクト層の面抵抗が、１００ｎｍの厚さにおいて２００オーム／ｓｑ未満である、デバイス。
【請求項９】
半導体層に対して低抵抗のナノチューブに基づくコンタクトを形成する方法であって、
半導体層を用意するステップと、
前記半導体層上にナノチューブ・コンタクト層を堆積または配置するステップと、
前記ナノチューブ・コンタクト層上に金属層を堆積するステップと、
を備えている、方法。
【請求項１０】
請求項９記載の方法において、前記金属層の堆積に続いて、２００℃未満の温度において前記半導体層と前記金属層との間に、オーミック・コンタクトを形成することにより、前記オーミック・コンタクトを形成するためのアニール工程を不要とした、方法。
【請求項１１】
請求項９記載の方法であって、更に、少なくとも１つの電荷転送ドーピング種を用いて、前記ナノチューブ・コンタクト層に化学的にドーピングするステップを含み、前記電荷転送ドーピング種が、前記ナノチューブ・コンタクト層と前記半導体層との間のフェルミ・レベルの差を縮小する、方法。
【請求項１２】
請求項９記載の方法において、前記ナノチューブ・コンタクト層は、本質的に単一壁カ
ーボン・ナノチューブ（ＳＷＮＴ）から成る、方法。
【請求項１３】
請求項９記載の方法において、前記コンタクト層を堆積する前記ステップの前に、前記ナノチューブ・コンタクト層を支持層上に堆積し、前記コンタクト層を堆積する前記ステップは、
前記ナノチューブ・コンタクト層を前記半導体層と接触するように配置するステップと、
前記支持層を除去するステップと、
を備えている、方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の方法において、前記支持層は多孔質メンブレーンから成る、方法。
【請求項１５】
請求項１４記載の方法において、前記支持層上に配する前記ナノチューブ・コンタクト層を形成する際に、
複数のナノチューブを溶液内に散乱させるステップであって、前記溶液が、前記ナノチューブが懸濁から凝縮するのを防止するために少なくとも１つの表面安定剤を含む、ステップと、
前記溶液を前記多孔質メンブレーンに塗布するステップと、
前記溶液を除去するステップであって、前記ナノチューブを前記多孔質メンブレーンの表面上に押し付けて、前記多孔質メンブレーン上に配する前記ナノチューブ・コンタクト層を形成する、ステップと、
を用いる、方法。
【請求項１６】
請求項９記載の方法において、前記ナノチューブ・コンタクト層の面抵抗は、１００ｎｍの厚さにおいて、２００オーム／ｓｑ未満である、方法。
【請求項１７】
請求項１０記載の方法において、前記半導体層は、Ｐ−ＧａＮから成る、方法。
【請求項１】
半導体デバイスであって、
少なくとも１つの半導体層と、
前記半導体層と電気的に接触する層を備えている金属と、
前記金属層と前記半導体層との間に介在するコンタクト層を備えているカーボン・ナノチューブであって、前記ナノチューブ・コンタクト層が前記金属層を前記半導体層に電気的に結合する、カーボン・ナノチューブと、
を備えている、半導体デバイス。
【請求項２】
請求項１記載のデバイスにおいて、前記ナノチューブ・コンタクト層は、本質的に単一壁ナノチューブ（ＳＷＮＴ）から成る、デバイス。
【請求項３】
請求項１記載のデバイスにおいて、前記コンタクト層は、可視光範囲の少なくとも一部において、実質的に光透過膜となる、デバイス。
【請求項４】
請求項１記載のデバイスにおいて、前記少なくとも１つの半導体層は、半導体層を構成する第２ＧａＮとｐ−ｎ接合部を形成するｐ−またはｎ−半導体層を備えており、前記デバイスはＧａＮ ＬＥＤであり、前記ナノチューブ・コンタクト層は、前記金属と前記ｐ−ＧａＮ層との間にコンタクトを設ける、デバイス。
【請求項５】
請求項４記載のデバイスにおいて、前記金属の前記ｐ−ＧａＮに対する２５℃における比接触抵抗が２．０×１０−２Ωｃｍ未満である、デバイス。
【請求項６】
請求項１記載のデバイスにおいて、前記ナノチューブ・コンタクト層は、少なくとも１つの電荷転送ドーピング種を含み、該電荷転送ドーピング種が前記ナノチューブ・コンタクト層と前記半導体層との間のフェルミ・レベルの差を縮小する、デバイス。
【請求項７】
請求項６記載のデバイスにおいて、前記ドーピング種は、ハロゲンまたはアルカリ金属である、デバイス。
【請求項８】
請求項１記載のデバイスにおいて、ナノチューブ・コンタクト層の面抵抗が、１００ｎｍの厚さにおいて２００オーム／ｓｑ未満である、デバイス。
【請求項９】
半導体層に対して低抵抗のナノチューブに基づくコンタクトを形成する方法であって、
半導体層を用意するステップと、
前記半導体層上にナノチューブ・コンタクト層を堆積または配置するステップと、
前記ナノチューブ・コンタクト層上に金属層を堆積するステップと、
を備えている、方法。
【請求項１０】
請求項９記載の方法において、前記金属層の堆積に続いて、２００℃未満の温度において前記半導体層と前記金属層との間に、オーミック・コンタクトを形成することにより、前記オーミック・コンタクトを形成するためのアニール工程を不要とした、方法。
【請求項１１】
請求項９記載の方法であって、更に、少なくとも１つの電荷転送ドーピング種を用いて、前記ナノチューブ・コンタクト層に化学的にドーピングするステップを含み、前記電荷転送ドーピング種が、前記ナノチューブ・コンタクト層と前記半導体層との間のフェルミ・レベルの差を縮小する、方法。
【請求項１２】
請求項９記載の方法において、前記ナノチューブ・コンタクト層は、本質的に単一壁カ
ーボン・ナノチューブ（ＳＷＮＴ）から成る、方法。
【請求項１３】
請求項９記載の方法において、前記コンタクト層を堆積する前記ステップの前に、前記ナノチューブ・コンタクト層を支持層上に堆積し、前記コンタクト層を堆積する前記ステップは、
前記ナノチューブ・コンタクト層を前記半導体層と接触するように配置するステップと、
前記支持層を除去するステップと、
を備えている、方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の方法において、前記支持層は多孔質メンブレーンから成る、方法。
【請求項１５】
請求項１４記載の方法において、前記支持層上に配する前記ナノチューブ・コンタクト層を形成する際に、
複数のナノチューブを溶液内に散乱させるステップであって、前記溶液が、前記ナノチューブが懸濁から凝縮するのを防止するために少なくとも１つの表面安定剤を含む、ステップと、
前記溶液を前記多孔質メンブレーンに塗布するステップと、
前記溶液を除去するステップであって、前記ナノチューブを前記多孔質メンブレーンの表面上に押し付けて、前記多孔質メンブレーン上に配する前記ナノチューブ・コンタクト層を形成する、ステップと、
を用いる、方法。
【請求項１６】
請求項９記載の方法において、前記ナノチューブ・コンタクト層の面抵抗は、１００ｎｍの厚さにおいて、２００オーム／ｓｑ未満である、方法。
【請求項１７】
請求項１０記載の方法において、前記半導体層は、Ｐ−ＧａＮから成る、方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公表番号】特表２００７−５２３４９５（Ｐ２００７−５２３４９５Ａ）
【公表日】平成１９年８月１６日（２００７．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５５４２８９（Ｐ２００６−５５４２８９）
【出願日】平成１７年２月２２日（２００５．２．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／００５５７５
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０８３７５１
【国際公開日】平成１７年９月９日（２００５．９．９）
【出願人】（５００２２８１５９）ユニバーシティ・オブ・フロリダ・リサーチ・ファンデーション・インコーポレーテッド (13)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年８月１６日（２００７．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月２２日（２００５．２．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／００５５７５
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０８３７５１
【国際公開日】平成１７年９月９日（２００５．９．９）
【出願人】（５００２２８１５９）ユニバーシティ・オブ・フロリダ・リサーチ・ファンデーション・インコーポレーテッド (13)
【Ｆターム（参考）】
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