半導体材料ドーピング
量子井戸及び隣接するバリアを含む構造を設計し及び／又は製造するための解決法が提供される。量子井戸と隣接するバリアとの間の目標バンド不連続性が、量子井戸及び／又はバリア用のドーパントの活性化エネルギーと一致するように選択される。例えば、目標バレンスバンド不連続性は、隣接するバリア中のドーパントのドーパントエネルギーレベルが、量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド端及び／又は量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド中の自由キャリアについての基底状態エネルギーと一致するように選択されることがある。量子井戸及び隣接するバリアは、実際のバンド不連続性が目標バンド不連続性に対応するように形成されることがある。
【発明の詳細な説明】
【先行出願の参照】
【０００１】
[0001]本出願は、２００９年１２月４日に出願した、同時係属中の米国特許仮出願第６１／２６６，５２３号、名称「ドーピングの方法及び半導体デバイス」の利益を主張し、これは引用によって本明細書中に組み込まれている。
【技術分野】
【０００２】
[0002]本開示は、一般に半導体デバイス製造に関係し、特に、量子井戸のセット及びバリアのセットを含む構造の設計及び製造に関係する。
【背景技術】
【０００３】
[0003]ワイドバンドギャップ半導体材料を用いて製造される多くのタイプのデバイスの製造中にドーピングを制御することは簡単ではない。特に、ワイドバンドギャップ半導体材料のための不純物レベルは深く、不純物の活性化は効率的でなく、これによりドーピングを制御することをより難しくしている。例えば、図１は、先行技術において示されるように、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）中の不純物レベルの関数として、３００ケルビン（Ｋ）における活性化した不純物（マグネシウム（Ｍｇ））の例示的な割合を示す。図示したように、バレンスバンドの上端の上方ほぼ０．１電子ボルト（ｅＶ）のＡｌＧａＮ中のＭｇアクセプタレベルに関して、不純物のほぼ１パーセントだけが活性化され、自由正孔を供給する。その結果、ｐタイプＡｌＧａＮの導電率がひどく制限され、これは、遠紫外発光ダイオード（ＬＥＤ）の性能に対して極めて有害である。
【０００４】
[0004]ＧａＮオンＡｌＧａＮヘテロ構造中への分極ドーピング（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｄｏｐｉｎｇ）が、正孔蓄積層の生成をもたらすことが示されている。例えば、分極電荷が、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面のところに５×１０１３ｃｍ−２までの正孔シート濃度を誘起することが示されている。三次元正孔ガスから二次元正孔ガスへの遷移が、１０１３ｃｍ−２以上の正孔シート濃度を実現する。低い正孔シート濃度においては、三次元正孔蓄積層だけが存在することがある。分極電荷によって誘起された二次元正孔ガスを、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系ヘテロ構造バイポーラトランジスタ中のベース拡がり抵抗を減少させるために及び／又はｐチャネルＩＩＩ族窒化物系高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）に対して使用することができることを、これは示唆している。
【０００５】
[0005]図２は、先行技術において示されるような、金属／ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造の例示的なバンド図を示す。このケースでは、ヘテロ構造の最上部ＧａＮ表面は窒素終端表面を備える。図２では、計算した二次元電荷濃度分布は、圧電分極電荷及び自発分極電荷、金属表面電荷、並びにヘテロ構造に関する蓄積正孔電荷を含む。ＡｌＧａＮ層は、ほぼ０．２５のＡｌモル分率を含み、ドナーを含まない。ＧａＮ層は、アクセプタ濃度、Ｎａ＝１０１７ｃｍ−３を含む。図２の水平な破線は、フェルミレベルを示し、正孔は、このレベルの上方のエネルギー状態を占める。二次元正孔ガスは、大きな横方向導電率を与える。しかしながら、図２によって図示したように、二次元正孔ガスに垂直な方向のコンダクタンスは、極端に小さい。ヘテロ構造についての垂直なコンダクタンスは、ドープしていない又は空乏化したワイドバンドギャップ半導体層、例えば、ＡｌＧａＮ層によって制限される。
【発明の概要】
【０００６】
[0006]本発明の態様は、量子井戸及び隣接するバリアを含む構造を設計し及び／又は製造するための解決法を提供する。量子井戸と隣接するバリアとの間の目標バンド不連続性が、量子井戸及び／又はバリア用のドーパントの活性化エネルギーと一致するように選択される。例えば、隣接するバリア中のドーパントのドーパントエネルギーレベルが、量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド端及び／又は量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド中の自由キャリアについての基底状態エネルギーと一致するように、目標バレンスバンド不連続性が選択されることがある。量子井戸及び隣接するバリアは、実際のバンド不連続性が目標バンド不連続性に対応するように形成されることがある。
【０００７】
[0007]本発明の第１の態様は、構造を製造する方法を提供し、本方法は、構造中の量子井戸と隣接するバリアとの間の目標バレンスバンド不連続性を選択するステップであって、隣接するバリア中のドーパントのドーパントエネルギーレベルが、量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド端又は量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド中の自由キャリアについての基底状態エネルギーのうちの少なくとも一方と一致する、ステップと、目標バレンスバンド不連続性に対応する実際のバレンスバンド不連続性を有する構造中の量子井戸及び隣接するバリアを形成するステップであって、形成するステップがドーパントを用いて量子井戸及び隣接するバリアをドーピングするステップを含む、ステップとを備える。
【０００８】
[0008]本発明の第２の態様は、デバイスを製造する方法を提供し、本方法は、デバイス用の構造を製造するステップであって、構造が、量子井戸及び隣接するバリアを備えたヘテロ構造又は超格子層のうちの少なくとも１つを含むステップを備え、構造を製造するステップが、量子井戸と隣接するバリアとの間の目標バレンスバンド不連続性を選択するステップであって、隣接するバリア中のドーパントのドーパントエネルギーレベルが、量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド端又は量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド中の自由キャリアについての基底状態エネルギーのうちの少なくとも一方と一致する、ステップと、目標バレンスバンド不連続性に対応する実際のバレンスバンド不連続性を有する構造中の量子井戸及び隣接するバリアを形成するステップであって、ドーパントを用いて量子井戸及び隣接するバリアをドーピングすることを含む、ステップとを含む。
【０００９】
[0009]本発明の第３の態様は、量子井戸及び隣接するバリアを備えたデバイス用のヘテロ構造又は超格子層のうちの少なくとも１つを設計するステップを備え、設計するステップが、量子井戸と隣接するバリアとの間の目標バレンスバンド不連続性を選択するステップであって、隣接するバリア中のドーパントのドーパントエネルギーレベルが、量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド端又は量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド中の自由キャリアについての基底状態エネルギーのうちの少なくとも一方と一致する、ステップを含む方法を提供する。
【００１０】
[0010]本発明の例示的な態様は、本明細書において説明する問題のうちの１つ若しくは複数及び／又は論じていない１つ若しくは複数の他の問題を解決するように設計されている。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
[0011]本開示のこれらの特徴及び他の特徴は、本発明の様々な態様を図示する添付した図面と合わせて本発明の様々な態様の下記の詳細な説明からより容易に理解されるであろう。
【図１】[0012]先行技術において示されるように、ＡｌＧａＮ中の不純物レベルの関数として活性化した不純物の例示的な割合を示す図である。
【図２】[0013]先行技術において示されるように、金属／ＡｌＧａＮ／ＧａＮｎ極性ヘテロ構造の例示的なバンド図である。
【図３Ａ】[0014]一実施形態による例示的な超格子層のバレンスバンド図である。
【図３Ｂ】[0014]一実施形態による例示的な超格子層のバレンスバンド図である。
【図４】[0015]一実施形態によるバリアから隣接する量子井戸中への正孔の実空間移行を図示する例示的なバレンスバンド図である。
【図５】[0016]一実施形態による分極電荷の影響を説明する例示的なバレンスバンド図である。
【図６Ａ】[0017]先行技術によるデバイスの動作中の注入を図示する例示的なバンド図である。
【図６Ｂ】[0017]一実施形態によるデバイスの動作中の注入を図示する例示的なバンド図である。
【図７】[0018]一実施形態による回路を製造するための例示的な流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
[0019]図面が同じ縮尺でないことがあることに留意されたい。図面は、本発明の典型的な態様だけを図示するように意図されており、それゆえ、本発明の範囲を限定するように考えるべきではない。図面では、類似の参照番号が、図面間で類似の要素を表す。
【００１３】
[0020]上記のように、本発明の態様は、量子井戸及び隣接するバリアを含む構造を設計し及び／又は製造するための解決法を提供する。量子井戸と隣接するバリアとの間の目標バンド不連続性が、量子井戸及び／又はバリア用のドーパントの活性化エネルギーと一致するように選択される。例えば、隣接するバリア中のドーパントのドーパントエネルギーレベルが、量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド端及び／又は量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド中の自由キャリアについての基底状態エネルギーと一致するように、目標バレンスバンド不連続性を選択することができる。実際のバンド不連続性が目標バンド不連続性に対応するように、量子井戸及び隣接するバリアを形成することができる。結果として得られる構造は、バリア中のドーパントについてより低い活性化エネルギーを提供することができ、これは、対応するデバイスの動作中にバリア中のドーパント（例えば、アクセプタ）エネルギーレベルから隣接する量子井戸中への正孔のより効率的な実空間移行からもたらされることがある。本明細書中で使用される場合、別なように記さない限り、用語「セット」は、１つ又は複数（すなわち、少なくとも１つ）を意味し、句「任意の解決法」は、任意の現在知られている解決法又は後に開発される解決法を意味する。
【００１４】
[0021]図面に目を向けると、図３Ａ及び図３Ｂは、一実施形態による、それぞれ、例示的な超格子層１０Ａ、１０Ｂのバレンスバンド図を示す。各超格子層１０Ａ、１０Ｂは、バリア１４及び量子井戸１２をインターレースしたセットを含む。この点で、超格子層１０Ａ、１０Ｂ中の各量子井戸１２は、１つ又は複数の隣接するバリア１４を有し、超格子層１０Ａ、１０Ｂ中の各バリア１４は、１つ又は複数の隣接する量子井戸１２を有する。
【００１５】
[0022]超格子層１０Ａ、１０Ｂ中のバリア１４及び量子井戸１２は、異なる材料組成を使用して形成される。超格子層１０Ａ、１０Ｂがｐタイプバリア１４及び量子井戸１２を有するように示されているが、構造／デバイスにおける超格子層１０Ａ、１０Ｂの所望の機能に応じて、バリア１４及び量子井戸１２がｎタイプ組成又はｐタイプ組成を含むことができることが、理解されたい。例示的な実施形態では、様々なＩＩＩ族窒化物材料組成などの様々なワイドバンドギャップ半導体材料を使用して、バリア１４及び量子井戸１２が形成される。ＩＩＩ族窒化物材料は、１つ又は複数のＩＩＩ族元素（例えば、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、及びインジウム（Ｉｎ））並びに窒素（Ｎ）を含み、その結果、ＢＷＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ、ここでは、０≦Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚ≦１及びＷ＋Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１である。例示的なＩＩＩ族窒化物材料は、ＩＩＩ族元素の任意のモル分率を有するＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＢＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＢＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＢＮ、ＡｌＩｎＢＮ、及びＡｌＧａＩｎＢＮを含む。より具体的な例示的な実施形態では、各バリア１４は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮと表すことができるアルミニウムのモル分率を含むアルミニウムガリウム窒化物（ＡｌＧａＮ）組成を含み、各量子井戸１２は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮと表すことができるアルミニウムのモル分率を含むＡｌＧａＮ組成を含む。さらにより具体的な例示的な実施形態では、各量子井戸１２及びバリア１４は、大きなアルミニウムモル分率を含む。それにもかかわらず、超格子層１０Ａ、１０Ｂ中のバリア１４及び量子井戸１２の様々な組成が、それぞれ超格子層１０Ａ、１０Ｂ中の各隣接するバリア１４及び量子井戸１２対の間に一連のバレンスバンド不連続性２０Ａ、２０Ｂを形成する。
【００１６】
[0023]その上、各量子井戸１２及び／又はバリア１４に、その形成中にドーパントをドープすることができる。量子井戸１２及び／又はバリア１４の材料組成並びにドーパントを添加することによって与えようとする所望の機能に基づいて、ドーパントを選択することができる。例えば、材料組成が、ｐタイプ組成であるかｎタイプ組成であるかどうかに基づいて、異なるドーパントを選択することができる。例示的な実施形態では、ｐタイプ量子井戸１２及び／又はバリア１４にアクセプタ原子を添加して量子井戸１２及び／又はバリア１４内にｐタイプ領域を形成するように、ドーパントを選択する。バリア１４中のアクセプタ原子は、バリア１４内に対応するエネルギーのアクセプタレベル２２Ａ、２２Ｂを作り出す。ｐタイプＩＩＩ族窒化物材料用の例示的なドーパントは、マグネシウム（Ｍｇ）及びベリリウム（Ｂｅ）を含み、一方でｎタイプＩＩＩ族窒化物材料用の例示的なドーパントは、シリコン（Ｓｉ）、Ｇａサイト上の炭素（Ｃ）、Ｎサイト上の酸素（Ｏ）、及び窒素空孔（ＶＮ３＋）を含む。
【００１７】
[0024]バリア１４中のドーパントの実効活性化エネルギー２４Ａ、２４Ｂは、バリア１４内のそれぞれアクセプタレベル２２Ａ、２２Ｂと隣接する（１つ又は複数の）量子井戸１２のバレンスバンドの最上部のところのエネルギーバンド端との間の差から構成される。一実施形態では、超格子層１０Ａ、１０Ｂについての目標バンド不連続性を、量子井戸１２についてのドーパントの活性化エネルギーと一致する（例えば、一列に並ぶ又は実質的に一列に並ぶ）ように選択する。例えば、バリア１４中のそれぞれアクセプタレベル２２Ａ、２２Ｂが隣接する量子井戸１２についてのバレンスエネルギーバンド端と一致するように、目標バレンスバンド不連続性２０Ａ、２０Ｂを選択することができる。
【００１８】
[0025]例えば、目標バレンスバンド不連続性にしたがって、量子井戸１２及びバリア１４の各々の中の１つ又は複数の元素のモル分率を調節することによって、目標バレンスバンド不連続性２０Ａ、２０Ｂを得ることができる。この点で、各バリア１４がＡｌｘＧａ１−ｘＮを含み、各量子井戸がＡｌｙＧａ１−ｙＮを含む実施形態に関して、目標バレンスバンド不連続性２０Ａ、２０Ｂを形成するようにアルミニウムのモル分率の差（ｙ−ｘ）を選択することができる。結果として、ドーパント（例えば、アクセプタ）の実効活性化エネルギー２４Ａ、２４Ｂ（例えば、バリア中のアクセプタレベルから量子井戸への遷移のための活性化エネルギー）は、以前の取り組みよりも実質的に減少する。図３Ａは、正の活性化エネルギー２４Ａを図示し、一方で図３Ｂは、負の活性化エネルギー２４Ｂを図示する。例示的な実施形態では、活性化エネルギー２４Ａ、２４Ｂは、量子井戸１２の最上部の近くにあり、ドーパントエネルギーレベルをワイドバンドギャップ半導体（例えば、バリア１４）中のエネルギーバンド端と「共鳴状態」にさせる。より具体的な例示的な実施形態では、量子井戸１２についてのバレンスエネルギーバンド端及びドーパントエネルギーレベル２２Ａ、２２Ｂは、ほぼ３熱エネルギー内（すなわち、以下）（すなわち、室温において３ｋＴ≒０．０７８ｅＶの熱エネルギー内）である。
【００１９】
[0026]バリア１４中のドーパントの低い実効活性化エネルギー２４Ａ、２４Ｂは、それぞれ、超格子層１０Ａ、１０Ｂを含むデバイスの動作中にバリア１４中のドーパント（例えば、アクセプタ）エネルギーレベルから隣接する量子井戸１２中への正孔のより効率的な実空間移行を可能にすることができる。この点で、バリア１４中のそれぞれアクセプタレベル２２Ａ、２２Ｂが量子井戸１２に関するバレンスエネルギーバンド中の自由キャリアについての基底状態エネルギーと一致するように、目標バレンスバンド不連続性２０Ａ、２０Ｂを選択することができる。例えば、図４は、一実施形態によるバリア１４から隣接する量子井戸１２中への正孔の実空間移行３０を図示する例示的なバレンスバンド図を示す。正孔は、量子井戸１２から隣接するバリア１４中へと同じ方向に沿ってやはり動くことができる。図４に図示したように、バリア１４中のアクセプタレベルエネルギー位置、ＥＡ、は、量子井戸１２内の自由キャリアの基底状態エネルギーレベル、Ｅ０（ｈ）、と実質的に一列に並んでおり、実空間移行３０を容易に実現させる。例えば、実空間移行３０が、量子井戸１２内での正孔の熱イオン放出３２をトリガするために必要な熱活性化エネルギーよりも小さいことがある図３Ａに示したような正の活性化エネルギー２４Ａからもたらされる場合がある。
【００２０】
[0027]図３Ａ及び図３Ｂに戻って、超格子層１０Ａ、１０Ｂのバリア１４及び量子井戸１２の形成が、超格子層１０Ａ、１０Ｂの導電性を高めるように並びに／又は量子井戸１２ドーピング及び／若しくはバリア１４ドーピングの実効的なレベルを増加させるようにさらに構成されることがある。一実施形態では、バリア１４及び量子井戸１２の各々の目標厚さを、不純物波動関数の特性サイズよりも小さくなるように選択することができる。バリア／量子井戸の厚さは、バリア／量子井戸を横切る電流の流れに垂直な方向のバリア／量子井戸に直ぐ隣接する（１つ又は複数の）バリア／（１つ又は複数の）量子井戸間の距離を形成することを理解されたい。
【００２１】
[0028]分極電荷が、本明細書中に示した例示的なバンド図を著しく変化させることがある。この点で、図５は、一実施形態による分極電荷の影響を説明する例示的なバレンスバンド図を示す。図示したように、実空間移行３０が、薄いバリア１４及び量子井戸１２に対してより容易に生じることがある。
【００２２】
[0029]目標厚さを、不純物波動関数の特性サイズの推定値に基づいて選択することができる。一実施形態では、浅い不純物に関して、不純物波動関数の特性サイズを、ボーア半径定数を使用して推定する。別の一実施形態では、深い不純物に関して、目標厚さを、浅い不純物に対する目標厚さよりもさらに薄くなるように選択することができる。例えば、目標厚さを、単一のモノレイヤとボーア半径定数との間の範囲とすることができる。いずれにせよ、各量子井戸１２及びバリア１４を、目標厚さに実質的に等しい実際の厚さで形成する（例えば、成長させる）ことができる。
【００２３】
[0030]本明細書中に示し説明した超格子層１０Ａ、１０Ｂを、様々なタイプのデバイス用の構造の一部として実装することができる。特に、非常に高い正孔／電子濃度が望ましいデバイス構造中の層を作り出すために、超格子層１０Ａ、１０Ｂを利用することができる。ＩＩＩ族窒化物などのワイドバンドギャップ構造を用いて実装した様々なタイプのデバイスは、コンタクト層、中間層、活性層、及び／又は同様のもののうちの１つ又は複数として本明細書において説明したように製造した超格子層１０Ａ、１０Ｂを含むことができる。例えば、デバイスは、コンタクト層として本明細書中に示し説明した超格子層１０Ａ、１０Ｂを組み込んでいる１つ又は複数のオーミックコンタクトを含むことができる。同様に、発光ダイオード（ＬＥＤ）、スーパールミネッセントダイオード、レーザ、光検出器、ショットキーダイオード、及び／又は同様のものなどの様々なＩＩＩ族窒化物系デバイスは、中間層として本明細書中に示し説明した超格子層１０Ａ、１０Ｂを組み込むことができる。まださらに、ヘテロ構造電界効果型トランジスタ、バイポーラ接合トランジスタ、スイッチ、無線周波数スイッチ、及び／又は同様のものなどのさらなるＩＩＩ族窒化物系デバイスは、中間層として本明細書中に示し説明した超格子層１０Ａ、１０Ｂを組み込むことができる。超格子層の製造に関して本明細書中に示し説明しているが、本発明の実施形態を、量子井戸のセット及びバリアのセットを含むヘテロ構造の製造に適用することができることを理解されたい。
【００２４】
[0031]一実施形態では、遠紫外（ＵＶ）発光ダイオード（ＬＥＤ）は、極端に薄いバリア１４及び量子井戸１２を有する中間超格子層１０Ａ、１０Ｂを含み、これが遠ＵＶ ＬＥＤの動作中に共鳴トンネリング機構を介した正孔の注入を可能にする。例えば、図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ、先行技術によるデバイス４０Ａ及び一実施形態によるデバイス４０Ｂの動作中に能動多重量子井戸（ＭＱＷ）構造中への注入を図示する例示的なバンド図を示す。両方のデバイス４０Ａ、４０Ｂは、遠ＵＶ ＬＥＤとして動作するように構成されている。図６Ａでは、遠ＵＶ ＬＥＤ４０Ａは、標準的なｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＭＱＷ／ｐ−ＡｌＧａＮ−ＥＢ／ｐ−ＡｌＧａＮ／ｐ−ＧａＮ構造を備える。図６Ａに図示したように、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造中への注入は、隣接する電子ブロッキング（ＥＢ）層からの（実線矢印によって示された）熱イオン放出を介してのみ生じる。対照的に、図６Ｂの遠ＵＶ ＬＥＤ４０Ｂは、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＭＱＷ／ｐ−ＡｌＧａＮ−ＡｌＧａＮ ＳＰＳＬ／ｐ−ＧａＮ構造を備える。図６Ｂに図示したように、ＭＱＷ構造中への注入は、一実施形態によれば、（実線矢印によって示された）熱イオン放出並びに隣接する短周期超格子層（ＳＰＳＬ）からの（点線矢印によって示された）共鳴トンネリングの両方によって生じる。
【００２５】
[0032]構造を設計し及び／若しくは製造する方法並びに／又はその構造を含む対応する半導体デバイスとして本明細書中に示し説明しているが、本発明の態様が様々な代替的実施形態をさらに提供することが理解される。例えば、一実施形態では、本発明は、本明細書中で説明したように設計し製造した１つ又は複数の半導体デバイスを含む（例えば、１つ又は複数の超格子層１０Ａ、１０Ｂを含む）回路を設計し及び／又は製造する方法を提供する。
【００２６】
[0033]この点で、図７は、一実施形態による回路１２６を製造するための例示的な流れ図を示す。最初に、ユーザは、デバイス設計システム１１０を利用することができ、本明細書中で説明した方法を使用するデバイス設計図１１２を生成することができる。デバイス設計図１１２は、デバイス製造システム１１４によって使用されることができ、デバイス設計図１１２によって規定される特徴にしたがった物理デバイス１１６のセットを生成することができるプログラムコードを含むことができる。同様に、デバイス設計図１１２を、（例えば、回路中での使用のために利用可能な構成要素として）回路設計システム１２０に提供することができ、これをユーザが（例えば、回路中に含まれる様々なデバイスに１つ又は複数の入力部及び出力部を接続することによって）回路設計図１２２を生成するために利用することができる。回路設計図１２２は、本明細書において説明した方法を使用して設計したデバイスを含むプログラムコードを含むことができる。いずれにせよ、回路設計図１２２及び／又は１つ又は複数の物理デバイス１１６を、回路設計図１２２にしたがって物理回路１２６を生成することができる回路製造システム１２４に提供することができる。物理回路１２６は、本明細書において説明した方法を使用して設計した１つ又は複数のデバイス１１６を含むことができる。
【００２７】
[0034]別の一実施形態では、本発明は、本明細書において説明した方法を使用することによって、半導体デバイス１１６を設計するためのデバイス設計システム１１０及び／又は製造するためのデバイス製造システム１１４を提供する。このケースでは、システム１１０、１１４は、本明細書において説明したような半導体デバイス１１６を設計し及び／又は製造する方法を実装するようにプログラムされている汎用計算デバイスを備えることができる。同様に、本発明の実施形態は、本明細書において説明した方法を使用して設計し及び／又は製造した少なくとも１つのデバイス１１６を含む回路１２６を設計するための回路設計システム１２０及び／又は製造するための回路製造システム１２４を提供する。このケースでは、システム１２０、１２４は、本明細書において説明したような少なくとも１つの半導体デバイス１１６を含む回路１２６を設計し及び／又は製造する方法を実装するようにプログラムされている汎用計算デバイスを備えることができる。
【００２８】
[0035]さらに別の一実施形態では、本発明は、少なくとも１つのコンピュータ可読媒体中に固定されたコンピュータプログラムを提供し、実行されたときに、コンピュータシステムが本明細書において説明したような半導体デバイスを設計し及び／又は製造する方法を実装することを可能にする。例えば、コンピュータプログラムは、デバイス設計システム１１０が本明細書において説明したようなデバイス設計図１１２を生成することを可能にすることができる。この点で、コンピュータ可読媒体は、コンピュータシステムによって実行されたときに本明細書において説明したプロセスのうちのいくつか又はすべてを実施するプログラムコードを含む。用語「コンピュータ可読媒体」が、プログラムコードのコピーを計算デバイスによって認知する、再生する、又はそうでなければ伝達することができる現在知られている又は後に開発される表現の任意のタイプの実体的な媒体のうちの１つ又は複数を含むことが、理解される。例えば、コンピュータ可読媒体は、１つ又は複数の携帯型記憶製品、計算デバイスの１つ又は複数のメモリ／記憶部品、紙、及び／又は同様のものを含むことができる。
【００２９】
[0036]別の一実施形態では、本発明は、コンピュータシステムによって実行されたときに本明細書において説明したプロセスのうちのいくつか又はすべてを実施するプログラムコードのコピーを提供する方法を提供する。このケースでは、コンピュータシステムは、プログラムコードのコピーを処理することができ、特性セットのうちの１つ若しくは複数を有するデータ信号のセット及び／又はデータ信号のセット中のプログラムコードのコピーをエンコードするような方式で変更したデータ信号のセットを、第２の別個の位置における受信のために生成し送信することができる。同様に、本発明の実施形態は、本明細書において説明したプロセスのうちのいくつか又はすべてを実施するプログラムコードのコピーを取得する方法を提供し、これは、本明細書において説明したデータ信号のセットを受信し、少なくとも１つのコンピュータ可読媒体中に固定されるコンピュータプログラムのコピーへとデータ信号のセットを変換するコンピュータシステムを含む。いずれのケースにおいても、データ信号のセットを、任意のタイプの通信回線を使用して送信し／受信することができる。
【００３０】
[0037]さらに別の一実施形態では、本発明は、本明細書において説明したような半導体デバイスを設計するためのデバイス設計システム１１０及び／又は製造するためのデバイス製造システム１１４を生成する方法を提供する。このケースでは、コンピュータシステムを得ること（例えば、作り出すこと、維持すること、利用可能にすること、等）ができ、本明細書において説明したプロセスを実行するための１つ又は複数の構成要素を、得ること（例えば、作り出すこと、購入すること、使用すること、変更すること、等）ができ、コンピュータシステムに配置することができる。この点で、配置は、（１）計算デバイス上にプログラムコードをインストールすること、（２）コンピュータシステムに１つ又は複数の計算デバイス及び／若しくはＩ／Ｏデバイスを付加すること、（３）コンピュータシステムが本明細書において説明したプロセスを実行することを可能にするようにコンピュータシステムを組み込むこと及び／若しくは変更すること、並びに／又は同様のもの、のうちの１つ又は複数を含むことができる。
【００３１】
[0038]本発明の様々な態様の上記の説明を、例示及び説明の目的で提示してきている。上記の説明が、網羅的であるようには意図していないし、開示した厳密な形態に本発明を限定するようには意図せず、明らかに多くの変更形態及び変形形態が可能である。当業者には明らかであるかかる変更形態及び変形形態は、別記の特許請求の範囲によって規定されるような本発明の範囲内に含まれる。
【先行出願の参照】
【０００１】
[0001]本出願は、２００９年１２月４日に出願した、同時係属中の米国特許仮出願第６１／２６６，５２３号、名称「ドーピングの方法及び半導体デバイス」の利益を主張し、これは引用によって本明細書中に組み込まれている。
【技術分野】
【０００２】
[0002]本開示は、一般に半導体デバイス製造に関係し、特に、量子井戸のセット及びバリアのセットを含む構造の設計及び製造に関係する。
【背景技術】
【０００３】
[0003]ワイドバンドギャップ半導体材料を用いて製造される多くのタイプのデバイスの製造中にドーピングを制御することは簡単ではない。特に、ワイドバンドギャップ半導体材料のための不純物レベルは深く、不純物の活性化は効率的でなく、これによりドーピングを制御することをより難しくしている。例えば、図１は、先行技術において示されるように、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）中の不純物レベルの関数として、３００ケルビン（Ｋ）における活性化した不純物（マグネシウム（Ｍｇ））の例示的な割合を示す。図示したように、バレンスバンドの上端の上方ほぼ０．１電子ボルト（ｅＶ）のＡｌＧａＮ中のＭｇアクセプタレベルに関して、不純物のほぼ１パーセントだけが活性化され、自由正孔を供給する。その結果、ｐタイプＡｌＧａＮの導電率がひどく制限され、これは、遠紫外発光ダイオード（ＬＥＤ）の性能に対して極めて有害である。
【０００４】
[0004]ＧａＮオンＡｌＧａＮヘテロ構造中への分極ドーピング（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｄｏｐｉｎｇ）が、正孔蓄積層の生成をもたらすことが示されている。例えば、分極電荷が、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面のところに５×１０１３ｃｍ−２までの正孔シート濃度を誘起することが示されている。三次元正孔ガスから二次元正孔ガスへの遷移が、１０１３ｃｍ−２以上の正孔シート濃度を実現する。低い正孔シート濃度においては、三次元正孔蓄積層だけが存在することがある。分極電荷によって誘起された二次元正孔ガスを、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系ヘテロ構造バイポーラトランジスタ中のベース拡がり抵抗を減少させるために及び／又はｐチャネルＩＩＩ族窒化物系高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）に対して使用することができることを、これは示唆している。
【０００５】
[0005]図２は、先行技術において示されるような、金属／ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造の例示的なバンド図を示す。このケースでは、ヘテロ構造の最上部ＧａＮ表面は窒素終端表面を備える。図２では、計算した二次元電荷濃度分布は、圧電分極電荷及び自発分極電荷、金属表面電荷、並びにヘテロ構造に関する蓄積正孔電荷を含む。ＡｌＧａＮ層は、ほぼ０．２５のＡｌモル分率を含み、ドナーを含まない。ＧａＮ層は、アクセプタ濃度、Ｎａ＝１０１７ｃｍ−３を含む。図２の水平な破線は、フェルミレベルを示し、正孔は、このレベルの上方のエネルギー状態を占める。二次元正孔ガスは、大きな横方向導電率を与える。しかしながら、図２によって図示したように、二次元正孔ガスに垂直な方向のコンダクタンスは、極端に小さい。ヘテロ構造についての垂直なコンダクタンスは、ドープしていない又は空乏化したワイドバンドギャップ半導体層、例えば、ＡｌＧａＮ層によって制限される。
【発明の概要】
【０００６】
[0006]本発明の態様は、量子井戸及び隣接するバリアを含む構造を設計し及び／又は製造するための解決法を提供する。量子井戸と隣接するバリアとの間の目標バンド不連続性が、量子井戸及び／又はバリア用のドーパントの活性化エネルギーと一致するように選択される。例えば、隣接するバリア中のドーパントのドーパントエネルギーレベルが、量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド端及び／又は量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド中の自由キャリアについての基底状態エネルギーと一致するように、目標バレンスバンド不連続性が選択されることがある。量子井戸及び隣接するバリアは、実際のバンド不連続性が目標バンド不連続性に対応するように形成されることがある。
【０００７】
[0007]本発明の第１の態様は、構造を製造する方法を提供し、本方法は、構造中の量子井戸と隣接するバリアとの間の目標バレンスバンド不連続性を選択するステップであって、隣接するバリア中のドーパントのドーパントエネルギーレベルが、量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド端又は量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド中の自由キャリアについての基底状態エネルギーのうちの少なくとも一方と一致する、ステップと、目標バレンスバンド不連続性に対応する実際のバレンスバンド不連続性を有する構造中の量子井戸及び隣接するバリアを形成するステップであって、形成するステップがドーパントを用いて量子井戸及び隣接するバリアをドーピングするステップを含む、ステップとを備える。
【０００８】
[0008]本発明の第２の態様は、デバイスを製造する方法を提供し、本方法は、デバイス用の構造を製造するステップであって、構造が、量子井戸及び隣接するバリアを備えたヘテロ構造又は超格子層のうちの少なくとも１つを含むステップを備え、構造を製造するステップが、量子井戸と隣接するバリアとの間の目標バレンスバンド不連続性を選択するステップであって、隣接するバリア中のドーパントのドーパントエネルギーレベルが、量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド端又は量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド中の自由キャリアについての基底状態エネルギーのうちの少なくとも一方と一致する、ステップと、目標バレンスバンド不連続性に対応する実際のバレンスバンド不連続性を有する構造中の量子井戸及び隣接するバリアを形成するステップであって、ドーパントを用いて量子井戸及び隣接するバリアをドーピングすることを含む、ステップとを含む。
【０００９】
[0009]本発明の第３の態様は、量子井戸及び隣接するバリアを備えたデバイス用のヘテロ構造又は超格子層のうちの少なくとも１つを設計するステップを備え、設計するステップが、量子井戸と隣接するバリアとの間の目標バレンスバンド不連続性を選択するステップであって、隣接するバリア中のドーパントのドーパントエネルギーレベルが、量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド端又は量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド中の自由キャリアについての基底状態エネルギーのうちの少なくとも一方と一致する、ステップを含む方法を提供する。
【００１０】
[0010]本発明の例示的な態様は、本明細書において説明する問題のうちの１つ若しくは複数及び／又は論じていない１つ若しくは複数の他の問題を解決するように設計されている。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
[0011]本開示のこれらの特徴及び他の特徴は、本発明の様々な態様を図示する添付した図面と合わせて本発明の様々な態様の下記の詳細な説明からより容易に理解されるであろう。
【図１】[0012]先行技術において示されるように、ＡｌＧａＮ中の不純物レベルの関数として活性化した不純物の例示的な割合を示す図である。
【図２】[0013]先行技術において示されるように、金属／ＡｌＧａＮ／ＧａＮｎ極性ヘテロ構造の例示的なバンド図である。
【図３Ａ】[0014]一実施形態による例示的な超格子層のバレンスバンド図である。
【図３Ｂ】[0014]一実施形態による例示的な超格子層のバレンスバンド図である。
【図４】[0015]一実施形態によるバリアから隣接する量子井戸中への正孔の実空間移行を図示する例示的なバレンスバンド図である。
【図５】[0016]一実施形態による分極電荷の影響を説明する例示的なバレンスバンド図である。
【図６Ａ】[0017]先行技術によるデバイスの動作中の注入を図示する例示的なバンド図である。
【図６Ｂ】[0017]一実施形態によるデバイスの動作中の注入を図示する例示的なバンド図である。
【図７】[0018]一実施形態による回路を製造するための例示的な流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
[0019]図面が同じ縮尺でないことがあることに留意されたい。図面は、本発明の典型的な態様だけを図示するように意図されており、それゆえ、本発明の範囲を限定するように考えるべきではない。図面では、類似の参照番号が、図面間で類似の要素を表す。
【００１３】
[0020]上記のように、本発明の態様は、量子井戸及び隣接するバリアを含む構造を設計し及び／又は製造するための解決法を提供する。量子井戸と隣接するバリアとの間の目標バンド不連続性が、量子井戸及び／又はバリア用のドーパントの活性化エネルギーと一致するように選択される。例えば、隣接するバリア中のドーパントのドーパントエネルギーレベルが、量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド端及び／又は量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド中の自由キャリアについての基底状態エネルギーと一致するように、目標バレンスバンド不連続性を選択することができる。実際のバンド不連続性が目標バンド不連続性に対応するように、量子井戸及び隣接するバリアを形成することができる。結果として得られる構造は、バリア中のドーパントについてより低い活性化エネルギーを提供することができ、これは、対応するデバイスの動作中にバリア中のドーパント（例えば、アクセプタ）エネルギーレベルから隣接する量子井戸中への正孔のより効率的な実空間移行からもたらされることがある。本明細書中で使用される場合、別なように記さない限り、用語「セット」は、１つ又は複数（すなわち、少なくとも１つ）を意味し、句「任意の解決法」は、任意の現在知られている解決法又は後に開発される解決法を意味する。
【００１４】
[0021]図面に目を向けると、図３Ａ及び図３Ｂは、一実施形態による、それぞれ、例示的な超格子層１０Ａ、１０Ｂのバレンスバンド図を示す。各超格子層１０Ａ、１０Ｂは、バリア１４及び量子井戸１２をインターレースしたセットを含む。この点で、超格子層１０Ａ、１０Ｂ中の各量子井戸１２は、１つ又は複数の隣接するバリア１４を有し、超格子層１０Ａ、１０Ｂ中の各バリア１４は、１つ又は複数の隣接する量子井戸１２を有する。
【００１５】
[0022]超格子層１０Ａ、１０Ｂ中のバリア１４及び量子井戸１２は、異なる材料組成を使用して形成される。超格子層１０Ａ、１０Ｂがｐタイプバリア１４及び量子井戸１２を有するように示されているが、構造／デバイスにおける超格子層１０Ａ、１０Ｂの所望の機能に応じて、バリア１４及び量子井戸１２がｎタイプ組成又はｐタイプ組成を含むことができることが、理解されたい。例示的な実施形態では、様々なＩＩＩ族窒化物材料組成などの様々なワイドバンドギャップ半導体材料を使用して、バリア１４及び量子井戸１２が形成される。ＩＩＩ族窒化物材料は、１つ又は複数のＩＩＩ族元素（例えば、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、及びインジウム（Ｉｎ））並びに窒素（Ｎ）を含み、その結果、ＢＷＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ、ここでは、０≦Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚ≦１及びＷ＋Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１である。例示的なＩＩＩ族窒化物材料は、ＩＩＩ族元素の任意のモル分率を有するＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＢＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＢＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＢＮ、ＡｌＩｎＢＮ、及びＡｌＧａＩｎＢＮを含む。より具体的な例示的な実施形態では、各バリア１４は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮと表すことができるアルミニウムのモル分率を含むアルミニウムガリウム窒化物（ＡｌＧａＮ）組成を含み、各量子井戸１２は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮと表すことができるアルミニウムのモル分率を含むＡｌＧａＮ組成を含む。さらにより具体的な例示的な実施形態では、各量子井戸１２及びバリア１４は、大きなアルミニウムモル分率を含む。それにもかかわらず、超格子層１０Ａ、１０Ｂ中のバリア１４及び量子井戸１２の様々な組成が、それぞれ超格子層１０Ａ、１０Ｂ中の各隣接するバリア１４及び量子井戸１２対の間に一連のバレンスバンド不連続性２０Ａ、２０Ｂを形成する。
【００１６】
[0023]その上、各量子井戸１２及び／又はバリア１４に、その形成中にドーパントをドープすることができる。量子井戸１２及び／又はバリア１４の材料組成並びにドーパントを添加することによって与えようとする所望の機能に基づいて、ドーパントを選択することができる。例えば、材料組成が、ｐタイプ組成であるかｎタイプ組成であるかどうかに基づいて、異なるドーパントを選択することができる。例示的な実施形態では、ｐタイプ量子井戸１２及び／又はバリア１４にアクセプタ原子を添加して量子井戸１２及び／又はバリア１４内にｐタイプ領域を形成するように、ドーパントを選択する。バリア１４中のアクセプタ原子は、バリア１４内に対応するエネルギーのアクセプタレベル２２Ａ、２２Ｂを作り出す。ｐタイプＩＩＩ族窒化物材料用の例示的なドーパントは、マグネシウム（Ｍｇ）及びベリリウム（Ｂｅ）を含み、一方でｎタイプＩＩＩ族窒化物材料用の例示的なドーパントは、シリコン（Ｓｉ）、Ｇａサイト上の炭素（Ｃ）、Ｎサイト上の酸素（Ｏ）、及び窒素空孔（ＶＮ３＋）を含む。
【００１７】
[0024]バリア１４中のドーパントの実効活性化エネルギー２４Ａ、２４Ｂは、バリア１４内のそれぞれアクセプタレベル２２Ａ、２２Ｂと隣接する（１つ又は複数の）量子井戸１２のバレンスバンドの最上部のところのエネルギーバンド端との間の差から構成される。一実施形態では、超格子層１０Ａ、１０Ｂについての目標バンド不連続性を、量子井戸１２についてのドーパントの活性化エネルギーと一致する（例えば、一列に並ぶ又は実質的に一列に並ぶ）ように選択する。例えば、バリア１４中のそれぞれアクセプタレベル２２Ａ、２２Ｂが隣接する量子井戸１２についてのバレンスエネルギーバンド端と一致するように、目標バレンスバンド不連続性２０Ａ、２０Ｂを選択することができる。
【００１８】
[0025]例えば、目標バレンスバンド不連続性にしたがって、量子井戸１２及びバリア１４の各々の中の１つ又は複数の元素のモル分率を調節することによって、目標バレンスバンド不連続性２０Ａ、２０Ｂを得ることができる。この点で、各バリア１４がＡｌｘＧａ１−ｘＮを含み、各量子井戸がＡｌｙＧａ１−ｙＮを含む実施形態に関して、目標バレンスバンド不連続性２０Ａ、２０Ｂを形成するようにアルミニウムのモル分率の差（ｙ−ｘ）を選択することができる。結果として、ドーパント（例えば、アクセプタ）の実効活性化エネルギー２４Ａ、２４Ｂ（例えば、バリア中のアクセプタレベルから量子井戸への遷移のための活性化エネルギー）は、以前の取り組みよりも実質的に減少する。図３Ａは、正の活性化エネルギー２４Ａを図示し、一方で図３Ｂは、負の活性化エネルギー２４Ｂを図示する。例示的な実施形態では、活性化エネルギー２４Ａ、２４Ｂは、量子井戸１２の最上部の近くにあり、ドーパントエネルギーレベルをワイドバンドギャップ半導体（例えば、バリア１４）中のエネルギーバンド端と「共鳴状態」にさせる。より具体的な例示的な実施形態では、量子井戸１２についてのバレンスエネルギーバンド端及びドーパントエネルギーレベル２２Ａ、２２Ｂは、ほぼ３熱エネルギー内（すなわち、以下）（すなわち、室温において３ｋＴ≒０．０７８ｅＶの熱エネルギー内）である。
【００１９】
[0026]バリア１４中のドーパントの低い実効活性化エネルギー２４Ａ、２４Ｂは、それぞれ、超格子層１０Ａ、１０Ｂを含むデバイスの動作中にバリア１４中のドーパント（例えば、アクセプタ）エネルギーレベルから隣接する量子井戸１２中への正孔のより効率的な実空間移行を可能にすることができる。この点で、バリア１４中のそれぞれアクセプタレベル２２Ａ、２２Ｂが量子井戸１２に関するバレンスエネルギーバンド中の自由キャリアについての基底状態エネルギーと一致するように、目標バレンスバンド不連続性２０Ａ、２０Ｂを選択することができる。例えば、図４は、一実施形態によるバリア１４から隣接する量子井戸１２中への正孔の実空間移行３０を図示する例示的なバレンスバンド図を示す。正孔は、量子井戸１２から隣接するバリア１４中へと同じ方向に沿ってやはり動くことができる。図４に図示したように、バリア１４中のアクセプタレベルエネルギー位置、ＥＡ、は、量子井戸１２内の自由キャリアの基底状態エネルギーレベル、Ｅ０（ｈ）、と実質的に一列に並んでおり、実空間移行３０を容易に実現させる。例えば、実空間移行３０が、量子井戸１２内での正孔の熱イオン放出３２をトリガするために必要な熱活性化エネルギーよりも小さいことがある図３Ａに示したような正の活性化エネルギー２４Ａからもたらされる場合がある。
【００２０】
[0027]図３Ａ及び図３Ｂに戻って、超格子層１０Ａ、１０Ｂのバリア１４及び量子井戸１２の形成が、超格子層１０Ａ、１０Ｂの導電性を高めるように並びに／又は量子井戸１２ドーピング及び／若しくはバリア１４ドーピングの実効的なレベルを増加させるようにさらに構成されることがある。一実施形態では、バリア１４及び量子井戸１２の各々の目標厚さを、不純物波動関数の特性サイズよりも小さくなるように選択することができる。バリア／量子井戸の厚さは、バリア／量子井戸を横切る電流の流れに垂直な方向のバリア／量子井戸に直ぐ隣接する（１つ又は複数の）バリア／（１つ又は複数の）量子井戸間の距離を形成することを理解されたい。
【００２１】
[0028]分極電荷が、本明細書中に示した例示的なバンド図を著しく変化させることがある。この点で、図５は、一実施形態による分極電荷の影響を説明する例示的なバレンスバンド図を示す。図示したように、実空間移行３０が、薄いバリア１４及び量子井戸１２に対してより容易に生じることがある。
【００２２】
[0029]目標厚さを、不純物波動関数の特性サイズの推定値に基づいて選択することができる。一実施形態では、浅い不純物に関して、不純物波動関数の特性サイズを、ボーア半径定数を使用して推定する。別の一実施形態では、深い不純物に関して、目標厚さを、浅い不純物に対する目標厚さよりもさらに薄くなるように選択することができる。例えば、目標厚さを、単一のモノレイヤとボーア半径定数との間の範囲とすることができる。いずれにせよ、各量子井戸１２及びバリア１４を、目標厚さに実質的に等しい実際の厚さで形成する（例えば、成長させる）ことができる。
【００２３】
[0030]本明細書中に示し説明した超格子層１０Ａ、１０Ｂを、様々なタイプのデバイス用の構造の一部として実装することができる。特に、非常に高い正孔／電子濃度が望ましいデバイス構造中の層を作り出すために、超格子層１０Ａ、１０Ｂを利用することができる。ＩＩＩ族窒化物などのワイドバンドギャップ構造を用いて実装した様々なタイプのデバイスは、コンタクト層、中間層、活性層、及び／又は同様のもののうちの１つ又は複数として本明細書において説明したように製造した超格子層１０Ａ、１０Ｂを含むことができる。例えば、デバイスは、コンタクト層として本明細書中に示し説明した超格子層１０Ａ、１０Ｂを組み込んでいる１つ又は複数のオーミックコンタクトを含むことができる。同様に、発光ダイオード（ＬＥＤ）、スーパールミネッセントダイオード、レーザ、光検出器、ショットキーダイオード、及び／又は同様のものなどの様々なＩＩＩ族窒化物系デバイスは、中間層として本明細書中に示し説明した超格子層１０Ａ、１０Ｂを組み込むことができる。まださらに、ヘテロ構造電界効果型トランジスタ、バイポーラ接合トランジスタ、スイッチ、無線周波数スイッチ、及び／又は同様のものなどのさらなるＩＩＩ族窒化物系デバイスは、中間層として本明細書中に示し説明した超格子層１０Ａ、１０Ｂを組み込むことができる。超格子層の製造に関して本明細書中に示し説明しているが、本発明の実施形態を、量子井戸のセット及びバリアのセットを含むヘテロ構造の製造に適用することができることを理解されたい。
【００２４】
[0031]一実施形態では、遠紫外（ＵＶ）発光ダイオード（ＬＥＤ）は、極端に薄いバリア１４及び量子井戸１２を有する中間超格子層１０Ａ、１０Ｂを含み、これが遠ＵＶ ＬＥＤの動作中に共鳴トンネリング機構を介した正孔の注入を可能にする。例えば、図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ、先行技術によるデバイス４０Ａ及び一実施形態によるデバイス４０Ｂの動作中に能動多重量子井戸（ＭＱＷ）構造中への注入を図示する例示的なバンド図を示す。両方のデバイス４０Ａ、４０Ｂは、遠ＵＶ ＬＥＤとして動作するように構成されている。図６Ａでは、遠ＵＶ ＬＥＤ４０Ａは、標準的なｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＭＱＷ／ｐ−ＡｌＧａＮ−ＥＢ／ｐ−ＡｌＧａＮ／ｐ−ＧａＮ構造を備える。図６Ａに図示したように、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造中への注入は、隣接する電子ブロッキング（ＥＢ）層からの（実線矢印によって示された）熱イオン放出を介してのみ生じる。対照的に、図６Ｂの遠ＵＶ ＬＥＤ４０Ｂは、ｎ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＭＱＷ／ｐ−ＡｌＧａＮ−ＡｌＧａＮ ＳＰＳＬ／ｐ−ＧａＮ構造を備える。図６Ｂに図示したように、ＭＱＷ構造中への注入は、一実施形態によれば、（実線矢印によって示された）熱イオン放出並びに隣接する短周期超格子層（ＳＰＳＬ）からの（点線矢印によって示された）共鳴トンネリングの両方によって生じる。
【００２５】
[0032]構造を設計し及び／若しくは製造する方法並びに／又はその構造を含む対応する半導体デバイスとして本明細書中に示し説明しているが、本発明の態様が様々な代替的実施形態をさらに提供することが理解される。例えば、一実施形態では、本発明は、本明細書中で説明したように設計し製造した１つ又は複数の半導体デバイスを含む（例えば、１つ又は複数の超格子層１０Ａ、１０Ｂを含む）回路を設計し及び／又は製造する方法を提供する。
【００２６】
[0033]この点で、図７は、一実施形態による回路１２６を製造するための例示的な流れ図を示す。最初に、ユーザは、デバイス設計システム１１０を利用することができ、本明細書中で説明した方法を使用するデバイス設計図１１２を生成することができる。デバイス設計図１１２は、デバイス製造システム１１４によって使用されることができ、デバイス設計図１１２によって規定される特徴にしたがった物理デバイス１１６のセットを生成することができるプログラムコードを含むことができる。同様に、デバイス設計図１１２を、（例えば、回路中での使用のために利用可能な構成要素として）回路設計システム１２０に提供することができ、これをユーザが（例えば、回路中に含まれる様々なデバイスに１つ又は複数の入力部及び出力部を接続することによって）回路設計図１２２を生成するために利用することができる。回路設計図１２２は、本明細書において説明した方法を使用して設計したデバイスを含むプログラムコードを含むことができる。いずれにせよ、回路設計図１２２及び／又は１つ又は複数の物理デバイス１１６を、回路設計図１２２にしたがって物理回路１２６を生成することができる回路製造システム１２４に提供することができる。物理回路１２６は、本明細書において説明した方法を使用して設計した１つ又は複数のデバイス１１６を含むことができる。
【００２７】
[0034]別の一実施形態では、本発明は、本明細書において説明した方法を使用することによって、半導体デバイス１１６を設計するためのデバイス設計システム１１０及び／又は製造するためのデバイス製造システム１１４を提供する。このケースでは、システム１１０、１１４は、本明細書において説明したような半導体デバイス１１６を設計し及び／又は製造する方法を実装するようにプログラムされている汎用計算デバイスを備えることができる。同様に、本発明の実施形態は、本明細書において説明した方法を使用して設計し及び／又は製造した少なくとも１つのデバイス１１６を含む回路１２６を設計するための回路設計システム１２０及び／又は製造するための回路製造システム１２４を提供する。このケースでは、システム１２０、１２４は、本明細書において説明したような少なくとも１つの半導体デバイス１１６を含む回路１２６を設計し及び／又は製造する方法を実装するようにプログラムされている汎用計算デバイスを備えることができる。
【００２８】
[0035]さらに別の一実施形態では、本発明は、少なくとも１つのコンピュータ可読媒体中に固定されたコンピュータプログラムを提供し、実行されたときに、コンピュータシステムが本明細書において説明したような半導体デバイスを設計し及び／又は製造する方法を実装することを可能にする。例えば、コンピュータプログラムは、デバイス設計システム１１０が本明細書において説明したようなデバイス設計図１１２を生成することを可能にすることができる。この点で、コンピュータ可読媒体は、コンピュータシステムによって実行されたときに本明細書において説明したプロセスのうちのいくつか又はすべてを実施するプログラムコードを含む。用語「コンピュータ可読媒体」が、プログラムコードのコピーを計算デバイスによって認知する、再生する、又はそうでなければ伝達することができる現在知られている又は後に開発される表現の任意のタイプの実体的な媒体のうちの１つ又は複数を含むことが、理解される。例えば、コンピュータ可読媒体は、１つ又は複数の携帯型記憶製品、計算デバイスの１つ又は複数のメモリ／記憶部品、紙、及び／又は同様のものを含むことができる。
【００２９】
[0036]別の一実施形態では、本発明は、コンピュータシステムによって実行されたときに本明細書において説明したプロセスのうちのいくつか又はすべてを実施するプログラムコードのコピーを提供する方法を提供する。このケースでは、コンピュータシステムは、プログラムコードのコピーを処理することができ、特性セットのうちの１つ若しくは複数を有するデータ信号のセット及び／又はデータ信号のセット中のプログラムコードのコピーをエンコードするような方式で変更したデータ信号のセットを、第２の別個の位置における受信のために生成し送信することができる。同様に、本発明の実施形態は、本明細書において説明したプロセスのうちのいくつか又はすべてを実施するプログラムコードのコピーを取得する方法を提供し、これは、本明細書において説明したデータ信号のセットを受信し、少なくとも１つのコンピュータ可読媒体中に固定されるコンピュータプログラムのコピーへとデータ信号のセットを変換するコンピュータシステムを含む。いずれのケースにおいても、データ信号のセットを、任意のタイプの通信回線を使用して送信し／受信することができる。
【００３０】
[0037]さらに別の一実施形態では、本発明は、本明細書において説明したような半導体デバイスを設計するためのデバイス設計システム１１０及び／又は製造するためのデバイス製造システム１１４を生成する方法を提供する。このケースでは、コンピュータシステムを得ること（例えば、作り出すこと、維持すること、利用可能にすること、等）ができ、本明細書において説明したプロセスを実行するための１つ又は複数の構成要素を、得ること（例えば、作り出すこと、購入すること、使用すること、変更すること、等）ができ、コンピュータシステムに配置することができる。この点で、配置は、（１）計算デバイス上にプログラムコードをインストールすること、（２）コンピュータシステムに１つ又は複数の計算デバイス及び／若しくはＩ／Ｏデバイスを付加すること、（３）コンピュータシステムが本明細書において説明したプロセスを実行することを可能にするようにコンピュータシステムを組み込むこと及び／若しくは変更すること、並びに／又は同様のもの、のうちの１つ又は複数を含むことができる。
【００３１】
[0038]本発明の様々な態様の上記の説明を、例示及び説明の目的で提示してきている。上記の説明が、網羅的であるようには意図していないし、開示した厳密な形態に本発明を限定するようには意図せず、明らかに多くの変更形態及び変形形態が可能である。当業者には明らかであるかかる変更形態及び変形形態は、別記の特許請求の範囲によって規定されるような本発明の範囲内に含まれる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造を製造する方法であって、
前記構造中の量子井戸と隣接するバリアとの間の目標バレンスバンド不連続性を選択するステップであって、前記隣接するバリア中のドーパントのドーパントエネルギーレベルが、前記量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド端又は前記量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド中の自由キャリアについての基底状態エネルギーのうちの少なくとも一方と一致する、ステップと、
前記目標バレンスバンド不連続性に対応する実際のバレンスバンド不連続性を有する前記構造中の前記量子井戸及び前記隣接するバリアを形成するステップであって、前記形成するステップが前記ドーパントを用いて前記量子井戸及び前記隣接するバリアをドーピングするステップを含む、ステップと、
を備える方法。
【請求項２】
前記形成するステップが、前記目標バレンスバンド不連続性にしたがって前記量子井戸及び前記隣接するバリアの各々の中の少なくとも１つの元素のモル分率を調節するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記量子井戸及び前記隣接するバリアの各々が、ＩＩＩ族窒化物層を備え、前記ＩＩＩ族窒化物層中の少なくとも１つのＩＩＩ族元素の前記モル分率が前記目標バレンスバンド不連続性にしたがって調節される、請求項３に記載の方法。
【請求項４】
前記形成するステップが、前記量子井戸及び前記隣接するバリアの各々の厚さを不純物波動関数の推定した特性サイズ以下に制限するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ドーパントが浅い不純物を含み、前記方法が、ボーア半径定数を使用して前記不純物波動関数の前記特性サイズを推定するステップをさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ドーパントが深い不純物を含み、前記量子井戸及び前記隣接するバリアの各々の厚さが、単一のモノレイヤとボーア半径定数との間の範囲内である、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記量子井戸に関する前記バレンスエネルギーバンド端及び前記ドーパントエネルギーレベルが、ほぼ３熱エネルギー内である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記選択するステップ及び形成するステップが、前記構造の超格子層を製造するステップの一部として実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記構造の前記超格子層を前記製造するステップが、前記構造のオーミックコンタクトを製造するステップの一部として実行される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
デバイスを製造する方法であって、
前記デバイス用の構造を製造するステップであって、前記構造が、量子井戸及び隣接するバリアを備えたヘテロ構造又は超格子層のうちの少なくとも１つを含むステップを備え、
前記構造を製造するステップが、
前記量子井戸と前記隣接するバリアとの間の目標バレンスバンド不連続性を選択するステップであって、前記隣接するバリア中のドーパントのドーパントエネルギーレベルが、前記量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド端又は前記量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド中の自由キャリアについての基底状態エネルギーのうちの少なくとも一方と一致する、ステップと、
前記目標バレンスバンド不連続性に対応する実際のバレンスバンド不連続性を有する前記構造中の前記量子井戸及び前記隣接するバリアを形成するステップであって、前記ドーパントを用いて前記量子井戸及び前記隣接するバリアをドーピングすることを含む、ステップと、
を含む方法。
【請求項１１】
前記デバイスが、発光ダイオード、スーパールミネッセントダイオード、レーザ、光検出器、又はショットキーダイオードのうちの１つである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記デバイスが、ヘテロ構造電界効果型トランジスタ、バイポーラ接合トランジスタ、スイッチ、又は無線周波数スイッチのうちの１つである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記構造が、前記デバイス用の中間層又はコンタクト層のうちの１つを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記量子井戸及び前記隣接するバリアの各々が、ＩＩＩ族窒化物層を備え、前記形成するステップが、前記目標バレンスバンド不連続性にしたがって前記量子井戸及び前記隣接するバリアの各々の中の少なくとも１つのＩＩＩ族元素のモル分率を調節することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのＩＩＩ族元素がアルミニウムである、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
量子井戸及び隣接するバリアを備えたデバイス用のヘテロ構造又は超格子層のうちの少なくとも１つを設計するステップを備え、
前記設計するステップが、前記量子井戸と前記隣接するバリアとの間の目標バレンスバンド不連続性を選択するステップであって、前記隣接するバリア中のドーパントのドーパントエネルギーレベルが、前記量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド端又は前記量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド中の自由キャリアについての基底状態エネルギーのうちの少なくとも一方と一致する、ステップを含む方法。
【請求項１７】
前記デバイスを製造するステップをさらに備え、
前記製造するステップが、前記目標バレンスバンド不連続性に対応する実際のバレンスバンド不連続性を有する前記構造中の前記量子井戸及び前記隣接するバリアを形成することによって前記構造を製造するステップであって、前記形成することが、前記ドーパントを用いて前記量子井戸及び前記隣接するバリアをドーピングすることを含む、ステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
回路を製造するステップをさらに備え、前記回路を前記製造するステップが、前記デバイスに少なくとも１つの入力部及び少なくとも１つの出力部を接続するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記回路を動作させるステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
回路設計図を作り出すステップをさらに含み、前記作り出すステップが、前記デバイスに少なくとも１つの入力部及び少なくとも１つの出力部を接続するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１】
構造を製造する方法であって、
前記構造中の量子井戸と隣接するバリアとの間の目標バレンスバンド不連続性を選択するステップであって、前記隣接するバリア中のドーパントのドーパントエネルギーレベルが、前記量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド端又は前記量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド中の自由キャリアについての基底状態エネルギーのうちの少なくとも一方と一致する、ステップと、
前記目標バレンスバンド不連続性に対応する実際のバレンスバンド不連続性を有する前記構造中の前記量子井戸及び前記隣接するバリアを形成するステップであって、前記形成するステップが前記ドーパントを用いて前記量子井戸及び前記隣接するバリアをドーピングするステップを含む、ステップと、
を備える方法。
【請求項２】
前記形成するステップが、前記目標バレンスバンド不連続性にしたがって前記量子井戸及び前記隣接するバリアの各々の中の少なくとも１つの元素のモル分率を調節するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記量子井戸及び前記隣接するバリアの各々が、ＩＩＩ族窒化物層を備え、前記ＩＩＩ族窒化物層中の少なくとも１つのＩＩＩ族元素の前記モル分率が前記目標バレンスバンド不連続性にしたがって調節される、請求項３に記載の方法。
【請求項４】
前記形成するステップが、前記量子井戸及び前記隣接するバリアの各々の厚さを不純物波動関数の推定した特性サイズ以下に制限するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ドーパントが浅い不純物を含み、前記方法が、ボーア半径定数を使用して前記不純物波動関数の前記特性サイズを推定するステップをさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ドーパントが深い不純物を含み、前記量子井戸及び前記隣接するバリアの各々の厚さが、単一のモノレイヤとボーア半径定数との間の範囲内である、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記量子井戸に関する前記バレンスエネルギーバンド端及び前記ドーパントエネルギーレベルが、ほぼ３熱エネルギー内である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記選択するステップ及び形成するステップが、前記構造の超格子層を製造するステップの一部として実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記構造の前記超格子層を前記製造するステップが、前記構造のオーミックコンタクトを製造するステップの一部として実行される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
デバイスを製造する方法であって、
前記デバイス用の構造を製造するステップであって、前記構造が、量子井戸及び隣接するバリアを備えたヘテロ構造又は超格子層のうちの少なくとも１つを含むステップを備え、
前記構造を製造するステップが、
前記量子井戸と前記隣接するバリアとの間の目標バレンスバンド不連続性を選択するステップであって、前記隣接するバリア中のドーパントのドーパントエネルギーレベルが、前記量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド端又は前記量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド中の自由キャリアについての基底状態エネルギーのうちの少なくとも一方と一致する、ステップと、
前記目標バレンスバンド不連続性に対応する実際のバレンスバンド不連続性を有する前記構造中の前記量子井戸及び前記隣接するバリアを形成するステップであって、前記ドーパントを用いて前記量子井戸及び前記隣接するバリアをドーピングすることを含む、ステップと、
を含む方法。
【請求項１１】
前記デバイスが、発光ダイオード、スーパールミネッセントダイオード、レーザ、光検出器、又はショットキーダイオードのうちの１つである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記デバイスが、ヘテロ構造電界効果型トランジスタ、バイポーラ接合トランジスタ、スイッチ、又は無線周波数スイッチのうちの１つである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記構造が、前記デバイス用の中間層又はコンタクト層のうちの１つを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記量子井戸及び前記隣接するバリアの各々が、ＩＩＩ族窒化物層を備え、前記形成するステップが、前記目標バレンスバンド不連続性にしたがって前記量子井戸及び前記隣接するバリアの各々の中の少なくとも１つのＩＩＩ族元素のモル分率を調節することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのＩＩＩ族元素がアルミニウムである、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
量子井戸及び隣接するバリアを備えたデバイス用のヘテロ構造又は超格子層のうちの少なくとも１つを設計するステップを備え、
前記設計するステップが、前記量子井戸と前記隣接するバリアとの間の目標バレンスバンド不連続性を選択するステップであって、前記隣接するバリア中のドーパントのドーパントエネルギーレベルが、前記量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド端又は前記量子井戸に関するバレンスエネルギーバンド中の自由キャリアについての基底状態エネルギーのうちの少なくとも一方と一致する、ステップを含む方法。
【請求項１７】
前記デバイスを製造するステップをさらに備え、
前記製造するステップが、前記目標バレンスバンド不連続性に対応する実際のバレンスバンド不連続性を有する前記構造中の前記量子井戸及び前記隣接するバリアを形成することによって前記構造を製造するステップであって、前記形成することが、前記ドーパントを用いて前記量子井戸及び前記隣接するバリアをドーピングすることを含む、ステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
回路を製造するステップをさらに備え、前記回路を前記製造するステップが、前記デバイスに少なくとも１つの入力部及び少なくとも１つの出力部を接続するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記回路を動作させるステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
回路設計図を作り出すステップをさらに含み、前記作り出すステップが、前記デバイスに少なくとも１つの入力部及び少なくとも１つの出力部を接続するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【公表番号】特表２０１３−５１３２４４（Ｐ２０１３−５１３２４４Ａ）
【公表日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５４２２３３（Ｐ２０１２−５４２２３３）
【出願日】平成２２年１２月４日（２０１０．１２．４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５９００３
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０６９１４０
【国際公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【出願人】（５０７１８６４６９）センサー エレクトロニック テクノロジー インコーポレイテッド (4)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月４日（２０１０．１２．４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５９００３
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０６９１４０
【国際公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【出願人】（５０７１８６４６９）センサー エレクトロニック テクノロジー インコーポレイテッド (4)
【Ｆターム（参考）】
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