JP2010501117A - マグネシウムをドーピングされた（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ層の堆積方法 - Google Patents

Abstract

低温度（ＬＴ）でマグネシウム（Ｍｇ）をドーピングした窒化物半導体の薄膜を堆積させることによって、改善された品質のデバイスを成長させるための方法である。該低温度でＭｇドーピングした窒化物半導体の薄膜は、５０ｎｍより大きい厚さを有し得る。多重量子井戸（ＭＱＷ）の活性層は、成長温度において成長させられ得、該ＬＴ Ｍｇドーピング窒化物半導体の薄膜は、該成長温度を超え、１５０℃以下である基板温度において、該ＭＱＷ活性層に堆積され得る。

Description

（関連出願の引用）
本出願は、同時係属中であり、同一人に譲渡された下記の米国特許出願の利益を、米国特許法第１１９（ｅ）条の下に主張する。該米国特許出願とは、Ｍｉｃｈａｅｌ Ｉｚａ、Ｈｉｔｏｓｈｉ Ｓａｔｏ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎｂａａｒｓおよびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによって２００６年８月１６日に出願された米国仮出願第６０／８２２，６００号、発明の名称「ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ ＯＦ ＭＡＧＮＥＳＩＵＭ ＤＯＰＥＤ（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ ＬＡＹＥＲＳ」、代理人整理番号３０７９４．１８７−ＵＳ−Ｐ１（２００６−６７８−１）であり、上記出願は参考として本明細書中に援用される。

（発明の分野）
本発明は、低温度でマグネシウムドーピングした窒化物薄膜を用いる、改善された品質のデバイスを成長させるための方法に関する。

（関連技術の説明）
（注：本出願は、角括弧内の１つ以上の参照番号、例えば、［Ｘ］によって本明細書の全体にわたって示されるような、多くの様々な刊行物および特許を参照する。これらの参照番号に従って指示されるこれらの様々な刊行物および特許の一覧は、「（参照文献）」という見出しを付された段落内で見い出され得る。これらの刊行物および特許のそれぞれは、参考として本明細書中に援用される）。

窒化ガリウム（ＧａＮ）、ならびにアルミニウムおよびインジウムを結合させた、その三元化合物および四元化合物（ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ）の有用性は、可視光および紫外線のオプトエレクトロニクスデバイスならびにハイパワー電子デバイスの製作に対して十分に確立されてきた。これらのデバイスは、一般に、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、および水素化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）を含む成長技術を用いて、エピタキシャルに成長させられる。

窒化物ベースのオプトエレクトロニクスデバイスは、高品質なＧａＮの堆積前の薄い核生成層の使用の出現によって、それらの急速な拡大が商業的に開始された［１（非特許文献１）、２（非特許文献２）］。この技術は、ＧａＮ成長のために使用可能な自然の基板が不足することに起因して利用される。さらに最近、マグネシウムドーピングに続く高温アニーリングによるｐ型ＧａＮの開発などの技術も重要であると証明された。

しかし、短波長のデバイスに対する活性層としての窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）の開発は、窒化物ベースの発光ダイオード（ＬＥＤ）およびレーザダイオード（ＬＤ）が多くの他の研究ベンチャーに追い付くことを可能にした。その結果、ＩｎＧａＮは可視光半導体用途に対して用いられる主要な材料系になってきた。

図１は、窒化物ベースのダイオードデバイスを製作するための、典型的な堆積温度プロフィールを堆積時間の関数として例示する。ＭＯＣＶＤを用いる窒化物ＬＥＤおよび窒化物ＬＤのプロセスの多くは、基板を約１０５０℃の温度に５分〜３０分間加熱することから始まる（図１の「ベーク（Ｂａｋｅ）」ステップと称される）。この最初のステップは、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板および基板ホルダーの表面上に存在し得る、任意の不純物の除去を手助けすると考えられている。

次いで温度は、低温度のＧａＮ核生成層（ＮＬ）を成長させるために４５０℃〜７００℃の間に下げられる（図１の「ＮＬ」ステップと称される）。ほとんどの核生成層は、約１０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚さまで堆積される。

所望の核生成層の厚さが達成されると、基板温度は、高品質のＧａＮ薄膜堆積のために約１０５０℃まで増加される（図１の「ＧａＮ：Ｓｉ」ステップと称される）。このＧａＮ薄膜は、シリコン（Ｓｉ）によってドーピングされ得ることにより、存在する電気的に活性な電子の過剰な存在度に起因して、電気的に負に荷電した材料に対するｎ型伝導性を達成する。

ｎ型ＧａＮ：Ｓｉが堆積されると、基板温度は、ＩｎＧａＮの多重量子井戸（ＭＱＷ）を堆積するために減少させられる（図１の「ＭＱＷ」ステップと称される）。窒化物ベースの半導体に対する活性領域としてのＩｎＧａＮの使用は、Ｎａｋａｍｕｒａらによって最初に開発された［３（非特許文献３）］。参照文献［３］は、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮのダブルヘテロ構造（ＤＨ）ＬＥＤを製造し、初期の結果は、そのようなＬＥＤが明るさにおいて１カンデラ（ｃｄ）を作り出し得ることを示した［３］。この構造は後に、多重周期のＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸、すなわち多重量子井戸（ＭＱＷ）に修正され、約７０％に達する内部量子効率を含む、なおより高い効率を結果としてもたらした。インジウムの組み込みが薄膜の成長温度に非常に依存することもまた発見された。その結果、異なるインジウム組成が、ＩｎＧａＮ薄膜の成長温度を変化することによって達成され得る。同様に、これは活性材料のエネルギーギャップを変更して、薄膜がホトルミネセンスによってバイアスされるか、または励起される場合に、放射波長における変化をもたらす。ＩｎＧａＮ堆積に対する典型的な基板温度は、７００℃〜９００℃の範囲であり、成長条件および反応装置の幾何学形状に依存する。この温度範囲を超えると、窒化インジウム（ＩｎＮ）は揮発性になり、容易に解離して、薄膜に組み込まれるＩｎＮを少なくする。この温度未満では、ＩｎＮの組み込みは非常に増大し、そのことがインジウムのクラスタリングおよび悪質な薄膜をもたらし得る。

ＭＱＷを成長させるために用いられた同じ温度を維持する間、ＡｌＧａＮの電子ブロッキング層が通常ＭＱＷの上部に堆積される。この層に対する典型的な厚さは、５ｎｍから３００ｎｍの範囲にある。ＬＥＤがバイアスされる場合に、ＡｌＧａＮ薄膜は、電子ブロッキング層として作用する。これは、層に存在するＡｌＧａＮのより大きなバンドギャップエネルギーに起因しており、ここでＡｌＧａＮ層は、電子が乗り越えなければならないポテンシャルエネルギーバリアとして作用し、それによってデバイスの活性領域への電子の閉じ込めを手助けする。この閉じ込めは、ＬＥＤの活性領域における放射再結合の確率を増大させる［４（非特許文献４）］。

次いで薄膜は、マグネシウム（Ｍｇ）によってドーピングされたｐ型ＧａＮの薄膜を堆積させるために、１０００℃と１１００℃との間の基板温度まで加熱される（図１の「ＧａＮ：Ｍｇ」ステップと称される）。ＭｇをドーピングしたＧａＮ薄膜に対する典型的な厚さは、１５０ｎｍから５００ｎｍの範囲にある。ＧａＮへのＭｇの組み込みは、Ｍｇをドーピングした窒化物材料を、電気的に正の挙動（ｐ型ＧａＮ）を有する薄膜を結果としてもたらす電子の欠乏状態にさせ、深い準位のアクセプタとして作用することが示されてきた。

何年もの間、ｐ型ＧａＮ薄膜は、Ａｍａｎｏら［８］が、ＭｇによってＧａＮ薄膜をドーピングすることによってｐ型ＧａＮが実現されることを発見するまで、可能ではないと考えられていた。しかし、ＭｇをドーピングしたＧａＮ薄膜がｐ型材料のように適切にふるまうために、薄膜は、成長の後で低エネルギー電子ビーム照射（ＬＥＥＢＩ）処理をされる必要があった［５（非特許文献５）］。Ｎａｋａｍｕｒａらは後に、ｐ型薄膜が、ＭｇをドーピングしたＧａＮ薄膜を、成長後６００℃よりも高い温度の窒素（Ｎ_２）内でアニーリングすることによっても取得され得ることを発見した［６（非特許文献６）、７（特許文献１）］。

ＭｇドーピングＧａＮは、窒化物ベースのＬＥＤにおいて広く用いられてきたが、その使用は、先行するＩｎＧａＮのＭＱＷの堆積温度よりも高い温度において成長させられたＧａＮ薄膜を含んでいる。上述されたように、ＩｎＮは高い揮発性を有しており、十分に高い温度および／または長期間低い温度にさらされる場合には、容易にＩｎＧａＮ薄膜から蒸発する。この時間および温度の値は、一般的に材料のサーマルバジェット（ｔｈｅｒｍａｌ ｂｕｄｇｅｔ）と呼ばれる。

米国特許第５，３０６，６６２号明細書

Ｈ．Ａｍａｎｏ、Ｎ．Ｓａｗａｋｉ、Ｉ．Ａｋａｓａｋｉ、およびＹ．Ｔｏｙｏｄａ、「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．４８」、３５３（１９８６年） Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ、「Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３０」、Ｌ１７０５（１９９１年） Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ、Ｔ．Ｍｕｋａｉ、およびＭ．Ｓｅｎｏｈ、「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６４」、１６８７（１９９４年） Ｋ．Ｄｏｍｅｎ、Ｒ．Ｓｏｅｊｉｍａ、Ａ．Ｋｕｒａｍａｔａ、およびＴ．Ｔａｎａｈａｓｈｉ、「ＭＲＳ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｊ．Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．Ｒｅｓ．３」、２（１９９８年） Ｈ．Ａｍａｎｏ、Ｍ．Ｋｉｔｏ、Ｋ．Ｈｉｒａｍａｔｓｕ、およびＩ．Ａｋａｓａｋｉ、「Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２８」、Ｌ２１１２（１９８９年） Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ、Ｔ．Ｍｕｋａｉ、Ｍ．Ｓｅｎｏｈ、およびＮ．Ｉｗａｓａ、「Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３１」、Ｌ１３９（１９９２年）

本発明は、ＩｎＮを含んでいるダイオードおよびデバイスの品質を高めるために、低温度（ＬＴ）でＭｇドーピングした窒化物の層を用いることによって、上述された方法から区別される。結果として、前に堆積されたＩｎＮを含むＭＱＷのサーマルバジェットがかなり低減される、ＬＴ Ｍｇドーピング窒化物のプレーナ薄膜の成長のための改善された方法に対するニーズが存在する。本発明はこのニーズを満足する。

（発明の概要）
本発明は、低温度（ＬＴ）でマグネシウム（Ｍｇ）をドーピングした窒化物半導体の薄膜を堆積させることによって、品質が改善されたデバイスを成長させるための方法を開示する。該低温度でＭｇドーピングした窒化物半導体の薄膜は、５０ｎｍよりも大きい厚さを有し得る。該低温度でＭｇドーピングした半導体薄膜は、意図的にドーピングされたか、または意図的でなくドーピングされた材料の１つ以上の層を含み得る。

上記方法は、インジウム含有の窒化物ベースの量子井戸層の１つ以上を成長温度で堆積させることと、窒化物半導体の薄膜、例えば、該インジウム含有の窒化物ベースの量子井戸層の該成長温度を超え、１５０℃以下の成長基板温度の該量子井戸層上で、ＬＴ Ｍｇドーピングした窒化物半導体の薄膜を堆積させることとをさらに包含し得る。該窒化物半導体の薄膜は意図的にドーピングされたか、または意図的でなくドーピングされた材料の１つ以上の層を含み得、窒化物半導体の薄膜は５０ｎｍより大きい厚さを有し得る。

上記窒化物半導体の薄膜は、可変組成か、または傾斜組成を有する複数の層を含み得る。該窒化物半導体の薄膜は、異なる（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎ組成の層を含むヘテロ構造を含み得る。該窒化物半導体の薄膜は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＮを含み得る。

上記窒化物半導体の薄膜は、従来のｃ面配向の窒化物半導体の結晶上か、またはａ面またはｍ面などの無極性の面上か、あるいは任意の半極性の面上など、窒化物結晶の任意の方向において成長させられ得る。上記成長基板温度は、上記成長温度に実質的に等しいか、または上記インジウム含有の窒化物ベースの量子井戸層の該成長温度を超え、５０℃以下であり得る。

上記窒化物半導体の薄膜および上記インジウム含有の窒化物ベースの量子井戸層は、水素化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、または分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によって成長させられ得る。

本発明は、向上した出力パワーを有するデバイスをさらに開示する。例えば、該デバイスは発光ダイオード（ＬＥＤ）であり得、該発光ダイオードは、インジウム含有の窒化物ベースの量子井戸層と、該インジウム含有の窒化物ベースの量子井戸層にｎ型キャリアを注入するための、該インジウム含有の窒化物ベースの量子井戸層の１つの側に堆積したｎ型層と、該インジウム含有の窒化物ベースの量子井戸層上に堆積された、ｐ型層として作用するＭｇ含有の窒化物半導体層との１つ以上を含んでおり、そこで、該窒化物半導体層は少なくとも５０ｎｍの厚さを有する。

図１は、ＩｎＧａＮの多重量子井戸を含む窒化物ベースのダイオードデバイスの堆積のための典型的な温度プロフィールを示す。 図２は、本発明の好適な実施形態に従った、Ｍｇドーピングした窒化物薄膜を成長させる方法のフローチャートである。 図３は、本発明の好適な実施形態に従った、ＩｎＧａＮの多重量子井戸を含む窒化物ベースのダイオードデバイスの堆積のための温度プロフィールを示す。 図４は、ＭｇドーピングしたＧａＮの成長温度の関数としてＬＥＤ出力パワーを示す。 図５は、ＭｇドーピングしたＧａＮの厚さに対するＬＥＤ出力パワーの依存性を示す。

同様な参照番号が、対応する部分を全体にわたって表す図面をここで参照する。

（発明の詳細な説明）
以下の好適な実施形態の説明において、その一部分を形成する添付の図面に対する参照がなされ、図面において、好適な実施形態が、本発明が実施され得る特定の実施形態の例示のために示される。他の実施形態が利用され得、構造的な変更が、本発明の範囲から逸脱することなくなされ得ることは理解されるべきである。

（概観）
本発明は、ＭＯＣＶＤを介する、デバイスクオリティー（ｄｅｖｉｃｅ−ｑｕａｌｉｔｙ）プレーナＬＴ Ｍｇドーピング窒化物半導体薄膜の成長のための方法を記述する。ＬＴ Ｍｇドーピング窒化物半導体薄膜の成長は、ＩＩＩ族窒化物構造におけるデバイス特性を改善する手段を提供する。用語、窒化物は、構造式Ｇａ_ｎＡｌ_ｘＩｎ_ｙＢ_ｚＮを有する（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎ半導体の任意の合金組成を示す。ここで、

である。

最近の窒化物デバイス（例えば、ＬＥＤおよびＬＤ）は、高温で成長した（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）ＮのＭｇドーピング層を含んでいる。高温のＭｇドーピング層の堆積は、デバイス性能（例えば、デバイスの出力パワー）における大幅な劣化をもたらす。ＬＴ Ｍｇドーピング（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ層の成長は、前に堆積された（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎ薄膜に及ぼされたサーマルバジェットを、大きく最小化することによってデバイス性能を改善し得る。本発明は、ＭＯＣＶＤで成長したＬＴ Ｍｇドーピング層を用いることによって、（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂ）Ｎのデバイス性能を向上する手段を提供する。

（技術説明）
本発明は、ＭＯＣＶＤを介する、デバイスクオリティーのプレーナＬＴ Ｍｇドーピング窒化物半導体薄膜の成長のための方法を記述する。ＬＴ Ｍｇドーピング窒化物半導体薄膜の成長は、ＩＩＩ族窒化物構造におけるデバイス特性を改善する手段を提供する。これらの薄膜は、市販されているＭＯＣＶＤシステムを用いて成長させられた。ＬＴ ＭｇドーピングＧａＮの成長に対する一般的な成長パラメータは、１０トルと１０００トルとの間の圧力、ならびにＭＱＷ温度を超えて、１５０℃未満である温度を含んでいる。エピタキシャルの関係および条件は、用いられる反応装置の種類にかかわらず当てはまるべきである。しかし、ＬＴ ＭｇドーピングＧａＮの成長に対する反応装置の条件は、個々の反応装置および成長方法（例えば、ＨＶＰＥ、ＭＯＣＶＤ、およびＭＢＥ）に従って変化する。

この方法を用いて、ＩｎＧａＮのサーマルバジェットは、ＭＱＷ成長に用いられる温度以下でＭｇドーピングＧａＮ薄膜を成長させることによって大いに減少させられ得る。ダイオードのＭＱＷ成長後のＭｇドーピングＧａＮ薄膜（典型的には、１％〜２０％のＩｎＮをＧａＮ内に含む）の堆積温度を低減させることによって、ＭＱＷ材料への熱ダメージを低減することが可能である。これは、鋭いヘテロ接合界面を維持することと、ＩｎＮの偏析およびクラスタリングを減少させることとによって、ＭＱＷの品質を大いに高める。

本発明に従った、窒化物薄膜を成長させるための方法は、概して以下のステップを包含する。
（１）ＭＯＣＶＤ反応装置内に基板を装填する。
（２）反応装置に対してヒータをオンにし、反応装置内の温度を設定値温度まで増やして行く。そこで、窒素および／または水素および／またはアンモニアは、雰囲気圧で基板の上にフローする。
（３）ある期間の後、設定値温度を減少させ、ＧａＮ核生成層またはバッファ層の成長を開始するためにトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）およびアンモニアを反応装置に導入する。
（４）ＧａＮ核生成層が所望の厚さに達した後、ＴＭＧａのフローを止めて、反応装置温度を設定値に増加する。
（５）反応装置の設定値温度に達成した後、シリコンによってドーピングされるｎ型ＧａＮの成長のためにＴＭＧａおよびジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）のフローをオンにする。
（６）所望の厚さがｎ型ＧａＮに対して達成されると、温度設定値は、ＩｎＧａＮのＭＱＷの堆積のために減少される。
（７）設定値温度に達成した後、ＩｎＧａＮのＭＱＷの堆積のためにトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）およびＴＭＧａのフローをオンにする。
（８）所望の厚さがＭＱＷに対して達成されると、ＴＭＩｎフローは止められ、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）のフローがＡｌＧａＮ薄膜の堆積のために開けられる。
（９）ＡｌＧａＮの電子ブロッキング層が所望の厚さに達した後、ＴＭＡｌのフローを止めて、ＬＴ ＭｇドーピングしたＧａＮの堆積のために、ビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を導入する。
（１０）ＬＴ ＭｇドーピングしたＧａＮが所望の厚さに達した後、ＴＭＧａおよびＣｐ_２Ｍｇのフローを止めて、プレーナ窒化物半導体の薄膜を保存するためにアンモニアをフローしながら、反応装置を冷却する。

本発明は、これらのステップを用いて製作されたデバイスを被覆することを意図する。ＬＴ Ｍｇドーピングしたプレーナ窒化物半導体の薄膜は、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＮを含み得る。さらに、ＬＴ Ｍｇドーピングしたプレーナ窒化物半導体の薄膜は、可変組成か、または傾斜組成を有する複数の層を含み得る。さらに、ＬＴ Ｍｇドーピングしたプレーナ窒化物半導体の薄膜は、異なる（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎ組成の層を含むヘテロ構造を含み得る。

（プロセスのステップ）
図２は、以下の段落において記述される本発明の好適な実施形態に従った、ＭＯＣＶＤを用いる、ＬＴ Ｍｇをドーピングした窒化ガリウム（ＧａＮ）薄膜の成長のためのステップを例示するフローチャートである。

ブロック２００は、基板を装填するステップを表し、そこで、サファイア（０００１）基板が、ＭＯＣＶＤ反応装置内に装填され得る。

ブロック２０２は、水素および／または窒素および／またはアンモニアのフローの下で基板を加熱するステップを表す。このステップの間、反応装置のヒータはオンにされ、水素および／または窒素および／またはアンモニアのフローの下で１１５０℃の設定値温度まで増やされて行く。概して、窒素および／または水素は、雰囲気圧で基板の上にフローする。

ブロック２０４は、核生成層を堆積させるステップを表す。ブロック２０２の設定値温度まで増やした２０分後のこのステップの間、反応装置の設定値温度は５７０℃まで減少し、３ｓｃｃｍのＴＭＧａが、ＧａＮ核生成層またはバッファ層の成長を開始するために反応装置に導入される。１００秒後、ＧａＮ核生成層またはバッファ層が所望の厚さに達する。この時点で、ＴＭＧａのフローは止められ、反応装置の温度が１１８５℃まで増加される。

ブロック２０６は、ｎ型窒化物半導体の薄膜を堆積させるステップを表す。このステップの間に、ブロック２０４の設定値温度に達すると、１５ｓｃｃｍのＴＭＧａが、ＧａＮ成長を開始するために１５分間反応装置に導入され得る。所望のＧａＮの厚さが達成されると、４ｓｃｃｍのＳｉ_２Ｈ_６が、シリコンをドーピングされたｎ型ＧａＮの成長を開始するために４５分間反応装置に導入される。

ブロック２０８は、窒化物ベースの１つ以上の活性層を成長温度の基板上に堆積させるステップを表す。該活性層は、例えば、１つ以上の量子井戸または多重量子井戸であり、好適にはインジウム（Ｉｎ）を、例えば、１％〜２０％のＩｎＮをＧａＮ内に含み得る。このステップの間、ブロック２０６の所望のｎ型ＧａＮの厚さが達成されると、反応装置の温度設定値は８８０℃まで減少され、３０ｓｃｃｍのＴＥＧａが、ＧａＮバリア層の堆積を開始するために２００秒間反応装置に導入される。ＧａＮバリア層の所望の厚さが達成されると、７０ｓｃｃｍのＴＭＩｎが２４秒間反応装置に導入され、その後止められて、ＩｎＧａＮ量子井戸層の堆積を開始する。これら２つの先行するステップ（ＧａＮバリアおよびＩｎＧａＮ量子井戸の堆積）は、その後５回繰り返される。最後のＩｎＧａＮ量子井戸層が堆積された後、３０ｓｃｃｍのＴＥＧａが、ＧａＮ成長のために１６０秒間反応装置に導入され、その後止められる。

ブロック２１０は、電子ブロッキング層を堆積させるステップを表す。このステップの間、ブロック２０８のＭＱＷが堆積されると、ＡｌＧａＮ電子ブロッキング層の堆積のために、１ｓｃｃｍのＴＭＧａおよび１ｓｃｃｍのＴＭＡｌが、１００秒間反応装置に導入され、その後止められる。

ブロック２１２は、成長温度を超えて、１５０℃以下または５０℃以下の基板温度において窒化物半導体の薄膜を活性層上に堆積させるステップを表し、そこで、窒化物半導体の薄膜が好適には、ＭｇをドーピングしたＬＴの窒化物半導体の薄膜を含んでいる。このステップの間、ブロック２１０の所望のＡｌＧａＮの厚さが達成されると、反応装置の設定値温度は８８０℃に維持されて、ＬＴ ＭｇをドーピングしたＧａＮの堆積のために、３．５ｓｃｃｍのＴＭＧａと、５０ｓｃｃｍのビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）とが、１２分間反応装置に導入され、その後止められる。所望のＬＴ ＭｇをドーピングしたＧａＮの厚さが達成されると、ＧａＮ薄膜を保存するためにアンモニアをフローしながら、反応装置は冷却される。

ブロック２１４は、水素（Ｈ）が不足した雰囲気において薄膜をアニーリングするステップを表す。このステップの間、反応装置がブロック２１２において冷えると、窒化物ダイオードは、ＬＴ ＭｇをドーピングしたＧａＮを活性化するために、７００℃の温度で１５分間水素不足な雰囲気において除去され、アニーリングされる。

ブロック２１６は方法の最終的な結果、例えば、向上した出力パワーを有するデバイスを表す。好適な実施形態において、デバイスは、ＬＴ ＭｇをドーピングしたＧａＮを含む、窒化物ベースのＬＥＤまたはレーザダイオード（ＬＤ）である。例えば、デバイスはＬＥＤであり得、該ＬＥＤは、インジウム含有の窒化物ベースの量子井戸層と、該インジウム含有の窒化物ベースの量子井戸層にｎ型キャリアを注入するための、該インジウム含有の窒化物ベースの量子井戸層の１つの側に堆積したｎ型層と、該インジウム含有の窒化物ベースの量子井戸層上に堆積された、ｐ型層として作用するＭｇ含有の窒化物半導体層との１つ以上を含んでおり、そこで、該窒化物半導体層は少なくとも５０ｎｍの厚さを有する。

必要に応じて、ステップが省略されるか、または追加され得ることに注意されたい。例えば、必要に応じて、ブロック２０４およびブロック２１０は省略され得る。

（利点および改良点）
図３は、本発明の好適な実施形態に対する堆積時間の関数として堆積温度プロフィールを示す。

ＭＯＣＶＤを用いる窒化物ＬＥＤおよび窒化物ＬＤのプロセスの多くは、約１０５０℃の温度に基板を加熱することから始まる（図３の「ベーク」ステップと称される）。温度は、次いで、低温度のＧａＮ核生成層を成長させるために４５０℃〜７００℃の間に下げられ得る（図３の「ＮＬ」ステップと称される）。所望の核生成層（ＮＬ）の厚さが達成されると、基板温度は、高品質のＧａＮ薄膜堆積のために約１０５０℃まで増加され得る（図３の「ＧａＮ：Ｓｉ」ステップと称される）。ｎ型のＧａＮ：Ｓｉが堆積されると、基板温度は、ＩｎＧａＮの多重量子井戸（ＭＱＷ）を堆積するために減少させられ得る（図３の「ＭＱＷ」ステップと称される）。ＩｎＧａＮ堆積に対する典型的な基板温度は、７００℃〜９００℃の範囲であり、成長条件および反応装置の幾何学形状に依存する。ＭＱＷを成長させるために用いられた同じ温度を維持する間、ＡｌＧａＮの電子ブロッキング層がＭＱＷの上で随意に堆積される。次いで、Ｍｇをドーピングしたｐ型ＧａＮのＬＴ薄膜が堆積され得る（図３の「ＧａＮ：Ｍｇ」ステップと称される）。

図３に示されるように、ＭｇがドーピングされるＧａＮ薄膜の成長に対する温度（図３の「ＧａＮ：Ｍｇ」ステップ）は、図３の「ＭＱＷ」ステップにおいて前に堆積されたＭＱＷの成長のための温度と同じである。ＬＴ ＭｇドーピングＧａＮの堆積温度は、現在の窒化物技術において用いられる温度と比較して大幅に異なっている。

現在の窒化物技術は、ＭＱＷを成長させるために用いられる温度よりもかなり高いＭｇドーピングＧａＮの堆積温度を用いることに頼っている。上述されたように、ＩｎＧａＮのサーマルバジェットは、ＭＱＷを成長させるために用いられる温度以下の温度においてＭｇドーピングＧａＮ薄膜を成長させることによって大いに減少させられ得る。従って、ダイオードのＭＱＷ（それは典型的に１％〜２０％のＩｎＮをＧａＮ内に含んでいる）を成長させた後、ＭｇドーピングＧａＮドーピング薄膜の堆積温度を低減することによって、ＭＱＷ材料への熱ダメージを低減することが可能である。これは、鋭いヘテロ接合界面を維持し、ＩｎＮの偏析およびクラスタリングを減少させることによって、ＭＱＷの品質を大いに高める。

図４は、ＭｇをドーピングしたＧａＮの堆積温度に対するＬＥＤの出力パワーの測定された依存性を示す。ＬＥＤの出力パワーは、基板の背面を介してシリコン光検出器を用いて、光出力を測定することによって評価された。これは一般的に「オンウェハ」測定と称される。図４のすべてのＬＥＤに対するＭＱＷ堆積温度が、８８０℃であったことに注意することは重要である。ＭＱＷのための堆積温度に類似するＭｇドーピングＧａＮのための堆積温度を用いることが、ＬＥＤの出力パワーを高め得ることは図４のデータから明らかである。最大出力パワーは、８８０℃のＬＴ Ｍｇドーピングの堆積温度に対して観察された。対照的に、ＬＥＤの出力パワーは、ＭＱＷの堆積温度（８８０℃）よりも高いＭｇドーピングＧａＮの堆積温度によって有意に低減され、９５０℃のＬＴ Ｍｇドーピングの堆積温度に対して最も低い出力パワーが測定された。本発明の好適な実施形態において記述されたように、ＬＴ ＭｇドーピングＧａＮの堆積温度を用いることが、窒化物ＬＥＤの出力パワーをかなり増大させる方法を提供することが結論され得る。

図５は、ＬＴ ＭｇドーピングＧａＮの厚さの関数としてＬＥＤの測定された出力パワーまたはエレクトロルミネセンス（ＥＬ）を記述する。ＬＥＤの出力を増大させるために、ＬＴ ＭｇドーピングＧａＮの厚さが５０ｎｍを超える必要があることがわかり得る。さらに、１００ｎｍよりも大きい厚さを有する、ＬＴ ＭｇドーピングＧａＮ層の使用を利用することは、さらになおパワー出力を有意に高め得る。現在の窒化物ダイオード技術はしばしば、ＭＱＷへのダメージを最小化するために、より高い温度のＭｇドーピングＧａＮ薄膜の堆積をする前に、薄い（一般に、５ｎｍ〜３０ｎｍの厚さの）低温度ＭｇドーピングＧａＮ薄膜を利用する。しかし、この方法は好適な実施形態において記述された発明と大いに異なる。本発明の好適な実施形態は、５０ｎｍの最小の厚さを有する、低温度Ｍｇドーピングされた厚いＧａＮ薄膜を用いる。意図的ではなくドーピングされた材料がしばしばＭｇ原子を含み、Ｍｇ原子の拡散によってｐ型反応を引き起こすことに注意することもまた重要である。従って、本発明はまた、意図的ではなくドーピングされた窒化物材料を用いることもまた含み得る。

（実施可能な修正および変形）
ここでまた図３を参照すると、本発明の様々な実施形態において、窒化物半導体の薄膜はＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＮを含み得る。さらに、窒化物半導体の薄膜は、異なる（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎ組成の層を含むヘテロ構造であり得る。

窒化物半導体の薄膜と活性層の両方は、従来のｃ面配向の窒化物半導体の結晶上か、あるいはａ面またはｍ面などの無極性の面上か、または任意の半極性の面上など、窒化物結晶の任意の方向において成長させられ得る。

上記されたように、窒化物半導体の薄膜はＭｇによってドーピングされ得る。しかし、代替の実施形態において、窒化物半導体の薄膜は意図的にドーピングされた材料か、または意図的ではなくドーピングされた材料の１つ以上の層を含み得る。

好適な実施形態において、窒化物半導体の薄膜は、他の厚さが用いられ得るけれども、好ましくは５０ｎｍよりも大きい、そしてさらに好ましくは１００ｎｍよりも大きい厚さを有する実質的にプレーナ薄膜である。

代替の実施形態において、窒化物半導体の薄膜は、可変組成か、または傾斜組成を有する複数の層を含み得る。

基板温度は成長温度と実質的に等しくあり得、成長温度は８８０℃であり得る。

プロセス工程は、例えば、ＨＶＰＥ、ＭＯＣＶＤまたはＭＢＥを含み得、窒化物半導体の薄膜および活性層は、これら、ＨＶＰＥ、ＭＯＣＶＤまたはＭＢＥを用いて成長させられ得る。

上記されたように、該方法の最終結果は、例えば、向上した出力パワーを有するデバイスである。該デバイスは、ＬＥＤであり得、例えば、インジウム含有の１つ以上の窒化物活性層と、ｎ型キャリアを該活性層に注入するための、活性層の１つの側の上のｎ型層と、ｐ型層として作用する、活性層の上のＭｇ含有の窒化物半導体層とを含んでいる。該ＬＥＤは、少なくとも５ミリワットの出力パワーを有し得る。

（参照文献）
以下の参照文献は、参考として本明細書中に援用される。
［１］Ｈ．Ａｍａｎｏ、Ｎ．Ｓａｗａｋｉ、Ｉ．Ａｋａｓａｋｉ、およびＹ．Ｔｏｙｏｄａ、「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．４８」、３５３（１９８６年）。
［２］Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ、「Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３０」、Ｌ１７０５（１９９１年）。
［３］Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ、Ｔ．Ｍｕｋａｉ、およびＭ．Ｓｅｎｏｈ、「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６４」、１６８７（１９９４年）。
［４］Ｋ．Ｄｏｍｅｎ、Ｒ．Ｓｏｅｊｉｍａ、Ａ．Ｋｕｒａｍａｔａ、およびＴ．Ｔａｎａｈａｓｈｉ、「ＭＲＳ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｊ．Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．Ｒｅｓ．３」、２（１９９８年）。
［５］Ｈ．Ａｍａｎｏ、Ｍ．Ｋｉｔｏ、Ｋ．Ｈｉｒａｍａｔｓｕ、およびＩ．Ａｋａｓａｋｉ、「Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２８」、Ｌ２１１２（１９８９年）。
［６］Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ、Ｔ．Ｍｕｋａｉ、Ｍ．Ｓｅｎｏｈ、およびＮ．Ｉｗａｓａ、「Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３１」、Ｌ１３９（１９９２年）。
［７］Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ他に対して１９９４年４月２６日に発行された米国特許第５，３０６，６６２号、発明の名称「Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｐ−ｔｙｐｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ」。

（結び）
ここでは、本発明の好適な実施形態の説明を締めくくる。本発明の１つ以上の実施形態の上記の説明は、例示および説明の目的のために提示されてきた。それは、網羅的であることを意図せず、または開示された正にその形態に発明を制限することを意図していない。多くの修正および変形が、上記の教示を考慮すれば可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなく、むしろ添付された特許請求の範囲によって制限されることが意図されている。

Claims (13)

1. 改善された品質のデバイスを成長させるための方法であって、
   （ａ）インジウム（Ｉｎ）含有の窒化物ベースの１つ以上の量子井戸層を成長温度において堆積させることと、
   （ｂ）該インジウム含有の窒化物ベースの量子井戸層の該成長温度を超える、１５０℃以下の成長基板温度において、窒化物半導体の薄膜を該量子井戸層の上に堆積させることと
   を包含する、方法。
2. 前記窒化物半導体の薄膜は、マグネシウム（Ｍｇ）によってドーピングされる、請求項１に記載の方法。
3. 前記窒化物半導体の薄膜は、５０ｎｍより大きい厚さを有する、請求項１に記載の方法。
4. 前記窒化物半導体の薄膜は、意図的にドーピングされた材料か、または意図的ではなくドーピングされた材料の１つ以上の層を含んでいる、請求項１に記載の方法。
5. 前記窒化物半導体の薄膜は、可変組成か、または傾斜組成を有する複数の層を含んでいる、請求項１に記載の方法。
6. 前記窒化物半導体の薄膜は、異なる（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎ組成の層を含むヘテロ構造を含んでいる、請求項１に記載の方法。
7. 前記窒化物半導体の薄膜は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＮを含んでいる、請求項１に記載の方法。
8. 前記窒化物半導体の薄膜は、従来のｃ面配向の窒化物半導体の結晶上か、またはａ面またはｍ面などの無極性の面上か、あるいは任意の半極性の面上など、窒化物結晶の任意の方向において成長させられる、請求項１に記載の方法。
9. 前記成長基板温度は、前記成長温度に実質的に等しい、請求項１に記載の方法。
10. 前記成長基板温度は、前記インジウム含有の窒化物ベースの量子井戸層の前記成長温度を超えて、５０℃以下である、請求項１に記載の方法。
11. 前記窒化物半導体の薄膜と前記インジウム含有の窒化物ベースの量子井戸層とは、水素化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、または分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によって成長させられる、請求項１に記載の方法。
12. 請求項１に記載の方法を用いて製作される向上した出力パワーを有するデバイス。
13. 発光ダイオード（ＬＥＤ）であって、
    （ａ）インジウム（Ｉｎ）含有の窒化物ベースの１つ以上の量子井戸層と、
    （ｂ）該インジウム含有の窒化物ベースの量子井戸層にｎ型キャリアを注入するための、該インジウム含有の窒化物ベースの量子井戸層の１つの側に堆積されたｎ型層と、
    （ｃ）マグネシウム（Ｍｇ）含有であり、そして該インジウム含有の窒化物ベースの量子井戸層に堆積された、ｐ型層として作用する窒化物半導体層であって、少なくとも５０ｎｍの厚さを有する、窒化物半導体層と
    を備える、発光ダイオード。

Images