特表 2025-501470 ＩＩＩ／ＩＶ族化合物成膜システムのための反応性ガス調節

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2025-01-22

(54)【発明の名称】ＩＩＩ／ＩＶ族化合物成膜システムのための反応性ガス調節

(51)【国際特許分類】

   H10H 20/825 20250101AFI20250115BHJP

   C23C 14/06 20060101ALI20250115BHJP

   H01L 21/203 20060101ALI20250115BHJP

   H10H 20/812 20250101ALN20250115BHJP

【ＦＩ】

H01L33/32

C23C14/06 A

C23C14/06 G

H01L21/203 S

H01L33/06

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024534221

(86)(22)【出願日】2022-12-06

(85)【翻訳文提出日】2024-08-05

(86)【国際出願番号】 US2022051978

(87)【国際公開番号】W WO2023081540

(87)【国際公開日】2023-05-11

(31)【優先権主張番号】17/543,296

(32)【優先日】2021-12-06

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】524215421

【氏名又は名称】ヨルゲンソン，ロビー，ジェイ．

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ヨルゲンソン，ロビー，ジェイ．

【テーマコード（参考）】

4K029

5F103

5F241

【Ｆターム（参考）】

4K029BA41

4K029BA43

4K029BA58

4K029CA06

4K029DC03

5F103AA08

5F103BB22

5F103DD01

5F103DD03

5F103DD04

5F103DD05

5F103DD06

5F103DD07

5F103DD08

5F103DD11

5F103DD13

5F103DD27

5F103GG02

5F103HH03

5F103HH04

5F103JJ03

5F103LL01

5F103LL02

5F103RR06

5F241AA24

5F241AA31

5F241AA43

5F241CA05

5F241CA40

5F241CA64

5F241CA67

(57)【要約】

本発明によれば、得られた半導体構造をＰＶＤスパッタリングすることを用いてテンプレート上に成膜されたＩＩＩ／ＩＶ族化合物の１つ以上の層を備える半導体構造を製造するプロセスが提供される。ＩＩＩ族またはＩＶ族の材料は、ガリウム、ハフニウム、インジウム、アルミニウム、シリコン、ゲルマニウム、マグネシウムおよび／またはジルコニウムであってもよい。反応性ガスによって提供される陰イオンは、窒化物、酸化物、ヒ化物、またはリン化物であってもよい。テンプレート上にＩＩＩ／ＩＶ族化合物層を生成するためにスパッタされたＩＩＩ族またはＩＶ族ターゲット材料と反応させるために使用される真空チャンバーへの反応性ガスの流れは、ＰＶＤスパッタリングプロセスの間のデューティサイクル中に、ターゲットリッチ条件と反応性ガスリッチ条件との間で調節され、ＰＶＤスパッタリングプロセスの効率を高め、得られた半導体構造内のＩＩＩ／ＩＶ族化合物層の結晶性を向上させる。
【選択図】 図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

カソードと複数のアノードとを有する真空チャンバー内にＩＩＩ／ＩＶ族化合物半導体構造を成長させるための方法であって、
（ａ）前記真空チャンバーに表面を有するテンプレートを提供することと、
（ｂ）前記真空チャンバー内の前記カソードの上部に配置された少なくとも１つのＩＩＩ族またはＩＶ族のターゲット材料を提供することと、
（ｃ）前記真空チャンバーに反応性ガスを提供することと、
（ｄ）前記ＩＩＩ族またはＩＶ族のターゲット材料を取り囲むために前記真空チャンバーに不活性ガスを提供することと、
（ｅ）第１のスパッタリングプロセスを用いて前記テンプレート上に少なくとも第１のＩＩＩ／ＩＶ族化合物層を成長させることと、を備え、前記第１のスパッタリングプロセスは、
（ｉ）電気的に負電荷を帯びたアノードと前記カソードとの間を通過する電子によって前記不活性ガスの原子を衝突させ、それによって、得られた正電荷を帯びた不活性ガスのカチオンが前記ターゲット材料に衝突して前記ターゲット材料を前記真空チャンバー内の前記テンプレートに向けてスパッタし、前記反応性ガスと反応して、前記真空チャンバー内で上昇する前記ＩＩＩ／ＩＶ族化合物のプラズマを形成し、前記テンプレート上に前記ＩＩＩ／ＩＶ族化合物の膜を形成するように促すことと、
（ｉｉ）前記ＩＩＩ族またはＩＶ族のターゲット材料の前記スパッタリングのデューティサイクル中に、ターゲットリッチ条件と反応性ガスリッチ条件との間で前記真空チャンバー内の前記反応性ガスの流れを調節することと、を含み、
（ｆ）前記デューティサイクル中に前記反応性ガスを調節することは、前記ターゲット材料上に前記ＩＩＩ／ＩＶ族化合物層を形成するための前記スパッタリングプロセスの効率を高め、前記半導体構造内の得られた前記ＩＩＩ／ＩＶ族化合物層の結晶状態を改善する、方法。

【請求項2】

前記ＩＩＩ／ＩＶ族化合物は、ＩＩＩ族またはＩＶ族の金属カチオンがガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ハフニウム（Ｈｆ）、またはジルコニウム（Ｚｒ）である窒化物、酸化物、ヒ化物、またはリン化物化合物を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記反応性ガスは、窒素（Ｎ_２）、酸素（Ｏ_２）、ヒ化物の前駆体（Ａｓ^－３）、またはリン化物の前駆体（Ｐ^－３）を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記ＩＩＩ族ターゲット材料はガリウム（Ｇａ）を含み、前記反応性ガスは窒素を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記ターゲットリッチ条件はＧａリッチ条件を含み、前記反応性ガスリッチ条件は窒素リッチ条件を含む、請求項４に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、それぞれ「Array Stamps By Cool Growth」と題され、２０２０年１２月４日に出願された米国仮特許出願第６３／１２１，６２０号、２０２１年１月２６日に出願された米国仮特許出願第６３／１４１，７８５号、および２０２１年２月２３日に出願された米国仮特許出願第６３／１５２，５３１号の優先権の利益を主張するものであると共に、２０２１年１１月７日に出願され、「Method and Apparatus for Micro-LED Array and Active Matrix」と題された米国特許出願第１７／５２０，６９１号の一部継続出願であり、これらは全て、その全体が参照により本明細書に援用される。

【0002】

本出願は、先の出願である：
・２０１６年１０月１４日に出願され、「System and Method for Light-Emitting Devices on Lattice-Matched Metal Substrates」と題され、そして２０１７年４月２０日に米国特許出願公開第２０１７／０１１０６２６号として公開された米国特許出願第１５／２９４，５５８号と；
・２０１５年１０月１６日に出願され、「Method and Hyper Emission Green Light-Emitting Diode on Lattice-Matched Metal Substrates for Advanced Optical Fiber Networking」と題された米国仮特許出願第６２／２４２，６０４号と；
に関連し、これらはそれぞれ、その全体が参照により本明細書に援用される。

【0003】

本出願はまた、先の出願である：
・２００６年８月６日に出願され、「III-Nitride Light-Emitting Devices with One or More Resonance Reflectors and Reflective Engineered Growth Templates for Such Devices, and Methods」と題された米国仮特許出願第６０／８３５，９３４号と；
・２００６年８月７日に出願され、「III-Nitride Light-Emitting Devices with One or More Resonance Reflectors and Reflective Engineered Growth Templates for Such Devices, and Methods」と題された米国仮特許出願第６０／８２１，５８８号と；
・２００８年２月２５日に出願され、「Current-Injecting/Tunneling Light Emitting Device and Method」と題された米国仮特許出願第６１／０６６，９６０号と；
・２０１２年３月１４日に出願され、「Metallo-Semiconductor Structures for III-Nitride Devices」と題された米国仮特許出願第６１／６１０，９４３号と；
・２０１２年４月１３日に出願され、「Structures for III-Nitride Devices」と題された米国仮特許出願第６１／６２３，８８５号と；
・２０１２年６月４日に出願され、「Metal-Base Transistors for III-Nitride Devices」と題された米国仮特許出願第６１／６５５，４７７号と；
・２０１１年３月２９日に発行され、「III-Nitride Light-Emitting Devices with One or More Resonance Reflectors and Reflective Engineered Growth Templates for Such Devices, and Methods」と題された米国特許第７，９１５，６２４号と；
・２０１２年８月２８日に発行され、「III-Nitride Light-Emitting Devices with Reflective Engineered Growth Templates and Methods of Manufacture」と題された米国特許第８，２５３，１５７号（現在は米国特許第７，９１５，６２４号である出願の分割）と；
・２０１４年１１月１８日に発行され、「III-Nitride Light-Emitting Devices with Reflective Engineered Growth Templates and Manufacturing Method」と題された米国特許第８，８９０，１８３号（現在は米国特許第８，２５３，１５７号である出願の分割）と；
・２０１０年１１月３０日に発行され、「Current-Injecting/Tunneling Light Emitting Device and Method」と題された米国特許第７，８４２，９３９号と；
・２０１４年１０月２１日に発行され、「Method of Forming Current-Injecting/Tunneling Light Emitting Device」と題された米国特許第８，８６５，４９２号（現在は米国特許第７，８４２，９３９号である出願の分割）と；
・２０１７年３月２８日に発行され、「Materials, Structures, and Methods for Optical and Electrical III-Nitride Semiconductor Devices」と題された米国特許第９，６０８，１４５号と；
に関連し、これらはそれぞれ、その全体が参照により本明細書に援用される。

【0004】

本発明は、半導体デバイスの分野およびその製造方法に関し、より具体的には、ＩＩＩ／ＩＶ族化合物系半導体デバイスをより効率的に成長させるための方法に関する。

【背景技術】

【0005】

半導体は、ガラスのような絶縁体よりも良好に電流を伝導するが、銅のような導体ほどは電流を伝導しない材料である。このような半導体材料は、現代のコンピュータならびに発光デバイス、レーザーダイオード、トランジスタ、放射線検出器、センサ、およびソーラー電池のような多くの他の装置を実現した。

【0006】

シリコンは最も広く使用されている半導体材料である。しかしながら、半導体の他の重要な材料としては、酸化第一銅、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、ヒ化インジウム、硫化鉛、セレン、炭化ケイ素などが挙げられる。

【0007】

このような半導体デバイスは、エレクトロニクス産業においてそれらに先行する真空およびガス充填管に対する多数の利点を示す。例えば、半導体デバイスは、管よりもはるかに少ない電力を使用し、より長く持続し、はるかに小さく構築することができる。

【0008】

通常の銅線では、銅原子は、原子から原子へと自由に移動する電子を有する。この電子の流れが電流を生成する。

【0009】

理想的な状態では、半導体材料は、自由電子がないことを特徴とするため、絶縁体を構成する。しかし、半導体材料にアンチモン、ヒ素、またはリンのようなドーパント不純物がごく少量導入されると、材料内を移動して電流を生成することができる少数の自由電子が生成される。このような半導体材料は、業界では「ｎ型半導体」として知られている。

【0010】

しかしながら、半導体材料にアルミニウム、ホウ素、またはガリウムのような他のドーパント不純物が少量添加されると、少数の原子から電子が奪われて「正孔」が生成される。正孔は、半導体内で原子から原子へと通過することができる。このような正孔の流れが電流を形成する。これは「ｐ型半導体」と呼ばれる。

【0011】

半導体ダイオードは、電流が一方向にのみ流れることを可能にし、整流器として使用される。半導体ダイオードは、ヒ化ガリウム、ゲルマニウム、またはシリコン片を含み、ｎ型領域およびｐ型領域を有し、それらが接触するところにｐ－ｎ接合を有する。ｐ型領域が正電荷を有し、ｎ型領域が負電荷を有する場合、半導体内のｐ型領域はｎ型領域から電子を引き付け、ｎ型領域はｐ型領域から正孔を引き付ける。これにより、電流は、半導体ダイオード内のｐ－ｎ接合を通って流れる。しかし、ｐ型領域を負にし、ｎ型領域を正にすると、電流はｐ－ｎ接合をほとんど流れない。

【0012】

発光半導体ランプは、わずかな電力の下で光を生成する微小なリン化ガリウムダイオードを含む。発光ダイオード（「ＬＥＤ」）は、電流が流れると光を発する半導体光源である。半導体材料の電子は、そこに含まれる電子正孔と再結合し、それによって、光子の形でエネルギーを放出する。これらの光子のエネルギーに対応する、得られた光の色は、電子が半導体内のバンドギャップを越えるために必要とされるエネルギーによって決定される。

【0013】

ＬＥＤ半導体は、従来の白熱灯に対する多くの利点を示す。これらの利点としては、より低温での動作を可能とする低消費電力、長寿命化、物理的堅牢性の向上、サイズの小型化、および切り替えの高速化が挙げられる。

【0014】

最初の可視スペクトル赤色ＬＥＤは、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）半導体合金に基づいて、１９６１年に英国で実証された。モンサント社は、１９６８年にＧａＡｓＰを組み込んだ赤色ＬＥＤを量産し、これは、明るさやサイズが問題にならない計算機やその他の機械の数字表示ディスプレイの選択肢となった。

【0015】

マグネシウムドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いた最初の青色ＬＥＤは、１９７２年に米国で開発された。１９８０年代後半のＧａＮエピタキシャル成長およびｐ型ドーピングにおける重要なブレークスルーにより、中村修二は１９９３年に高輝度青色ＬＥＤを開発することができ、その後、ノーベル物理学賞を受賞した。

【0016】

ＧａＮ系化合物のエピタキシャル成長法は、ＬＥＤの製造プロセスの改善を可能にした。例えば、緑色ＬＥＤは現在、典型的には、従来の非窒化物材料系ではなく、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）／ＧａＮ層状構造を基にして製造されることが一般的である。白色ＬＥＤは、典型的には、赤色、緑色、および青色の波長を発する複数のＬＥＤ半導体クリップを組み合わせて使用する。

【0017】

しかしながら、より明るく、より小さく、より堅牢で、より信頼性があり、動作に必要な電力がより少なく、製造コストが安い有色ＬＥＤを可能にする、ＧａＮ系および他のＩＩＩ／ＩＶ族化合物系膜積層システムの製造プロセスおよび構造に対するさらなる改善を進めることは、非常に有益であろう。このような改善により、様々な産業用および消費者向け電子製品におけるＬＥＤの最終用途が拡大するであろう。

【発明の概要】

【0018】

本発明によれば、得られた半導体構造をＰＶＤスパッタリングすることを用いてテンプレート上に成膜されたＩＩＩ／ＩＶ族化合物の１つ以上の層を備える半導体構造を製造するプロセスが提供される。ＩＩＩ族またはＩＶ族の材料は、ガリウム、ハフニウム、インジウム、アルミニウム、シリコン、ゲルマニウム、マグネシウムおよび／またはジルコニウムであってもよい。反応性ガスによって提供される陰イオンは、窒化物、酸化物、ヒ化物、またはリン化物であってもよい。テンプレート上にＩＩＩ／ＩＶ族化合物層を生成するためにスパッタされたＩＩＩ族またはＩＶ族のターゲット材料と反応させるために使用される真空チャンバーへの反応性ガスの流れは、ＰＶＤスパッタリングプロセスの間のデューティサイクル中に、ターゲットリッチ条件と反応性ガスリッチ条件との間で調節され、ＰＶＤスパッタリングプロセスの効率を高め、得られた半導体構造内のＩＩＩ／ＩＶ族化合物層の結晶性を向上させる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

添付の図面は以下の通りである。

【図1】窒化ガリウム（「ＧａＮ」）系デバイスを成長させるための方法のフローチャートである。

【図2】ＧａＮ系デバイスを成長させるためのシステムの概略図である。

【図3】ＧａＮ構造の概略図である。

【図4】低温ＩＩＩ／ＩＶ族化合物スパッタリングシステムの概略図である。

【図5】本発明のいくつかの実施形態による複数の異なるエピタキシャル成長モードを示す一連の概略図である。

【図6】本発明の実施形態の１つによる、光抽出の向上のためにＧＥＭＭおよび非エピタキシャル金属ミラーを備えたＩＩＩ族窒化物共振キャビティＬＥＤ（マイクロキャビティＬＥＤとしても知られる）を示す。

【図7】本発明の実施形態の１つによる、多層膜金属半導体構造を含む半導体デバイス構造のブロック図である。

【図8】製造プロセスの一連の典型的なデューティサイクルを示す概略図である。

【図9】本発明による半導体デバイスを製造するためのＰＶＤスパッタリングプロセスの反応性ガス調節のデューティサイクルを示す概略図である。

【図10】ＣＭＯＳアクティブマトリクスバックプレーン上に成膜されたＬＥＤ層と組み合わせてミラーとして使用されるｎ－ＧａＮおよびＺｒＨｆＮの層を含む本発明における第１の構造の概略図であり、これにより、得られるデバイスが、ＡＭ材料への光の伝搬を阻止することが可能になる。

【図11】ＣＭＯＳアクティブマトリクスバックプレーン上に成膜されたＬＥＤ層と組み合わされたこのようなｎ－ＧａＮおよびＺｒＨｆＮミラーを含む第２の構造の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

本発明によれば、得られた半導体構造をＰＶＤスパッタリングすることを用いてテンプレート上に成膜されたＩＩＩ／ＩＶ族化合物の１つ以上の層を備える半導体構造を製造するプロセスが提供される。ＩＩＩ族またはＩＶ族の材料は、ガリウム、ハフニウム、インジウム、アルミニウム、シリコン、ゲルマニウム、マグネシウムおよび／またはジルコニウムであってもよい。反応性ガスによって提供される陰イオンは、窒化物、酸化物、ヒ化物、またはリン化物であってもよい。テンプレート上にＩＩＩ／ＩＶ族化合物層を生成するためにスパッタされたＩＩＩ族またはＩＶ族のターゲット材料と反応させるために使用される真空チャンバーへの反応性ガスの流れは、ＰＶＤスパッタリングプロセスの間のデューティサイクル中に、ターゲットリッチ条件と反応性ガスリッチ条件との間で調節され、ＰＶＤスパッタリングプロセスの効率を高め、得られた半導体構造内のＩＩＩ／ＩＶ族化合物層の結晶性を向上させる。

【0021】

本出願で使用するとき、「基板」という用語は、その上でエピタキシャル成長プロセスが実施される材料を意味する。適切な基板は、シリコン、サファイア、または他の適する材料を含む。

【0022】

本発明の目的において、「テンプレート」という用語は、エピタキシャル成長に適するベースを形成する１つ以上の層を意味する。適切なテンプレートは、シリコン、サファイア、ＧａＮ／シリコン、ＧａＮ／サファイア、ＧａＮ／窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ＧａＮ／窒化ハフニウム（ＨｆＮ）、ＧａＮ／窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、または他の任意の適した材料、構造、パターンテンプレート、または基板を含む。

【0023】

本明細書で使用するとき、「エピタキシャル」という用語は、その材料の物理的に接触している（典型的には層状である）他の無機材料との電気的または電気的光学的関係に基づく無機材料の材料状態（すなわち、プロセスではない）を指し、材料は実質的に格子整合しており（すなわち、２つ以上の材料の原子格子が、予測可能かつ組織化された繰り返し原子格子構造に並んでいる）、材料は実質的に単結晶である。すなわち、格子不整合および層厚の歪みは、（１）デバイス内で望ましくない亀裂を発生させず、（２）デバイスが有用であり得なくなるような、デバイスの望ましくない電気的短絡を引き起こすほど大きい密度を有するおよび／またはそのようなタイプの転位を発生させず、（３）デバイスが有用でなくなるような二次材料相（例えば、介在物、析出物、多結晶粒、および／または複結晶粒）を発生させない。

【0024】

さらに、当業者が理解するように、炭化物、炭酸塩、炭素の単純酸化物（例えば、ＣＯおよびＣＯ_２）、およびシアン化物、ならびに炭素の同素体（例えば、ダイアモンドおよびグラファイト）などの炭素含有化合物は、無機物であるとみなされる。

【0025】

本出願で使用するとき、「ＩＩＩ／ＩＶ族化合物」という用語は、ＩＩＩ族またはＩＶ族の金属カチオンがガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ハフニウム（Ｈｆ）、またはジルコニウム（Ｚｒ）である窒化物、酸化物、ヒ化物、またはリン化物化合物を意味する。

【0026】

本発明の目的において、「ＩＩＩ／ＩＶ族ターゲット」は、本発明のＰＶＤスパッタリングプロセス下でスパッタされてＩＩＩ／ＩＶ族化合物材料を生成するＩＩＩ／ＩＶ族周期元素から選択される元素または元素の組み合わせを意味しており、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ハフニウム（Ｈｆ）、および／またはジルコニウム（Ｚｒ）を含むが、これらに限定されない。

【0027】

本出願で使用するとき、「反応性ガス」は、ＰＶＤスパッタリング真空チャンバーに導入され、スパッタされたＩＩＩ／ＩＶ族ターゲットと反応してＩＩＩ／ＩＶ族化合物を生成するガスを意味しており、窒素（Ｎ_２）、酸素（Ｏ_２）、ヒ化物（Ａｓ^－３）の前駆体、またはリン化物（Ｐ^－３）の前駆体を含むが、これらに限定されない。

【0028】

本明細書で使用するとき、物理蒸着法（「ＰＶＤ」）は、薄膜およびコーティングを生成するために使用できる蒸着方法を述べ、陰極アーク蒸着、電子ビームＰＶＤ、蒸発性堆積（evaporative deposition）、パルスレーザー蒸着、およびスパッタリングを含む。

【0029】

本発明の目的では、「スパッタリング」は、以下のものの１つ以上を含む：直流（ＤＣ）スパッタリング、高周波（ＲＦ）スパッタリング、反応性スパッタリング、およびマグネトロンスパッタリング。

【0030】

本出願で使用するとき、「エピタキシャル成長製品」という用語は、ＰＶＤプロセス、とりわけスパッタリングによって製造され、発光ダイオード（「ＬＥＤ」）、レーザーダイオード、トランジスタ、検出器、センサなどのような発光デバイスとして機能する半導体製品を意味する。

【0031】

このようなエピタキシャル成長製品は、ＩＩＩ／ＩＶ族化合物の膜層を基板上に連続的に成膜することによって製造される。さらに、いくつかのエピタキシャル成長製品は、ＧａＮ、ＨｆＮ、またはＡｌＮのような異なる化学成分の交互層から形成されるサンドイッチ構造を必要とする。

【0032】

図１は、ＧａＮ系デバイスを成長させるための方法１０のフローチャートを表す。いくつかの実施形態では、方法１０は単一の成膜チャンバー内で実施される。他の実施形態では、方法１０は複数の別々の成膜チャンバーにおいて実施される。方法１０は、ステップ１２～２２のいずれか１つ以上を含む（例えば、いくつかの実施形態では、ステップ１４および１８は任意である）。ステップ１２で、基板（例えばサファイアまたはシリコン）が、後の成膜のために配置される。ステップ１４で、基板コンディショニングが実施される。ステップ１６で、ＡｌＮが、基板上へとスパッタされ、ここで、Ｘは、スパッタされたＡｌＮ材料の厚みを表す。ステップ１８で、酸化物を除去するためにＡｌＮコンディショニングが実施される。ステップ２０で、ＡｌＮ層の上にＧａＮがスパッタされ、ここで、Ｙは、スパッタされたＧａＮ材料の厚みを表す。いくつかのそのような実施形態では、ＧａＮスパッタリングは、ドーピング（例えばシリコン、マグネシウム、鉄、炭素、または同種のものを用いるドーピング）、および／または吸着原子移動度の増大を含む。ステップ２２で、第１のＧａＮ層の上にＧａＮの第２の層がスパッタされ、ここで、Ｚは、この第２のスパッタされたＧａＮ層の厚みを表す。いくつかのそのような実施形態では、ＧａＮスパッタリングは、ドーピング（例えばケイ素、マグネシウム、鉄、炭素または同種のものを用いるドーピング）、および／または吸着原子移動度の増大を含む（本明細書において時折ＥＡＬＳと言われる）。いくつかの実施形態では、ＧａＮは、スカンジウム、ジルコニウム、ハフニウム、インジウム、アルミニウム、または他の任意の適切な元素を用いて合金にされる。

【0033】

図２は、ＧａＮ系デバイスを成長させるためのシステム３０の概略図を表す。いくつかの実施形態では、システム３０は、図１の方法を実施するために使用される。システム３０は、基板ウェハ３４が装填され、仕上げたウェハ３４がシステム３０から取り出されるロードロック３２を含む。システム３０は、基板コンディショニングモジュール３８（例えば図１のステップ１４を実施するためのモジュール）と、ＡｌＮ成膜モジュール４０（例えば図１のステップ１６を実施するためのモジュール）と、ＡｌＮコンディショニングモジュール４２（例えば図１のステップ１８を実施するためのモジュール）と、ＧａＮ成膜モジュール４４（例えば図１のステップ２０を実施するためのモジュール）と、ドープされたＧａＮ成膜のためのドーピングモジュール４６と、を備える。いくつかの実施形態では、モジュール３２～４６は、単一の成膜チャンバー内に含まれている。他の実施形態では、モジュール３２～４６の各々は別個の成膜チャンバーである。いくつかの実施形態では、システム３０は、システム３０内のモジュール間でウェハを移動させるためのウェハハンドリングロボット４８を含む。

【0034】

図３は、ＧａＮ構造６０の概略図を表す。いくつかの実施形態では、ＧａＮ構造６０は、図２のシステム３０および／または図１の方法１０を使用することによって生成される。ＧａＮ構造６０は、基板層６２と、基板層６２上にスパッタされたＡｌＮ層６４（いくつかのそのような実施形態では、ＡｌＮ層６４の厚み＝Ｘ）と、ＡｌＮ層６４上にスパッタされたＧａＮ層６６と、を含み、ＧａＮ層６６の厚み＝Ｙである。いくつかのそのような実施形態では、ＧａＮ層６６はドープされる（例えば、シリコン、マグネシウム、または同種のものを用いてドープされる）。第１のＧａＮ層６６上に第２のスパッタされたＧａＮ層６８がスパッタされていてもよく、ＧａＮ層６８の厚み＝Ｚである。いくつかのそのような実施形態では、ＧａＮ層６８はドープされる（例えば、シリコン、マグネシウム、または同種のものを用いてドープされる。）

【0035】

従来の産業システムは、ＧａＮ層の成長のために有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を使用して、ＧａＮ系デバイスを生成する。本発明においては、ＭＯＣＶＤの代わりにＩＩＩ／ＩＶ族化合物のスパッタリングが、特にＧａＮ膜層に一般に使用される。ＰＶＤのようなスパッタリングプロセスによって、より少ないウェハの反り、したがってスパッタリングによる、より良いウェハ／デバイスの均質性、より低いプロセス温度、ならびにＮＨ_３およびＧａ（ＣＨ_３）_３のより低コストでの化学的使用等が可能となる。いくつかの実施形態では、スパッタリングプロセスはまた、それほど複雑でない設備要求により、より簡単に利用され、分子線エピタキシー（「ＭＢＥ」）プロセスよりも低コストである。

【0036】

図４は、ＩＩＩ／ＩＶ族化合物のＰＶＤスパッタリングシステム８０の概略図を表す。スパッタリングシステム８０は、真空チャンバー８２を含む。真空チャンバーの内部には、ウェハホルダー８４およびスパッタリングガンのカソード８６がある。２つのアノード８８は、カソード８６の上方の真空チャンバー８２内部に配置されている。電圧源９０は、ワイヤ９２を介してアノード８８に電流を供給する。一方、アルゴン（Ａｒ）のような不活性ガスが、供給タンク９４からカソード８６の上方の真空チャンバー８２に供給される。別個の供給タンクは、真空チャンバー８２の上部に導入されるＩＩＩ／ＩＶ族化合物（例えば、窒化物（Ｎ）、酸化物（Ｏ）、ヒ化物（Ａｒ）、またはリン化物（Ｐ））の陰イオン部分に対応するガスを提供する。

【0037】

室温で自然に固体であるＨｆやＡｌのような元素は、このＰＶＤスパッタリングプロセスによって基板ウェハ上に容易に成膜することができる。このＰＶＤプロセスでは、カソード８６の上部に配置されたＨｆまたはＡｌのようなターゲットＩＩＩ／ＩＶ族材料８３は本質的に気化され、真空チャンバー８２の内部に含まれるウェハホルダー８４によって固定された基板ウェハ９８上に薄膜として成膜される。アルゴンのような不活性ガスの原子は、電気的に負電荷を帯びたアノード８８とカソード８６との間を通過する電子によって衝突され、それによって得られた正電荷を帯びたＡｒカチオンがチャンバー内部のカソードの上部に配置されたターゲット材料８３に衝突することを促す。ＨｆまたはＡｌ材料の小分子１００は、真空チャンバー８２の内部に放出され、基板９８の下面に向かって「スパッタ」（すなわち、噴霧）される。一方、窒素（Ｎ_２）のような反応性ガス９６は、これらのＨＦまたはＡｌの小分子１００と混ざり合って、真空チャンバー内部で上昇するＨｆＮまたはＡｌＮのプラズマを形成し、基板ウェハ上に結果として得られる膜層を形成する。このスパッタリングプロセスは、反応性ＨｆＮまたはＡｌＮ化合物の膜の正確で均一な分布を作り出すことが業界内で知られており、様々なターゲット材料に対応する。

【0038】

しかしながら、Ｇａは、室温付近では自然に液体となる。したがって、業界および研究団体では、ＧａＮのようなガリウム化合物は、Ｇａターゲットを用いたマグネトロンスパッタリングによって基板上に成膜することができないと考えられていた。液体Ｇａは、ＰＶＤスパッタリングプロセス中にＡｒを蓄積し、それによって気泡を発生させ、最終的にウェハ上にＧａ液滴を噴出させる。代わりに、業界および研究団体においては、ＧａＮまたは他のＧａ含有化合物の成膜のために、分子線エピタキシー、有機金属気相成長法、反応性パルスレーザー、またはハイドライド気相成長法のような代替技術が以前は採用されていた。しかし、ＨｆＮ膜はスパッタリングによって最も良好に作られるので、これは必然的に、製造業者がマグネトロンスパッタリングと分子線エピタキシー、有機金属気相成長法、反応性パルスレーザー、またはハイドライド気相成長法とのように異なる成膜プロセスを交互に行って、例えば、半導体電気デバイスのための交互のＨｆＮ－ＧａＮ－ＨｆＮ－ＧａＮサンドイッチを構築することを必要としていた。複数の成膜技術の使用は、製造コストを増加させ、製造プロセス内の複雑性を増加させていた。

【0039】

したがって、本発明のＰＶＤスパッタリングプロセス１０は、低温冷却装置１０４を適用して、マグネトロンスパッタリングガンのカソード８６にライン１０６および１０８を介して１つ以上の伝熱流体を循環させ、カソード上面上のカップ内に配置される液体Ｇａ材料８３の温度を顕著に低下させて、スパッタリングプロセスが開始される前に液体Ｇａ材料８３を固体状態に変化させてもよい。このような伝熱流体は、液体窒素または液体水素のような極低温流体、１種以上のアルコール類、または他の適切な伝熱流体から構成されてもよい。いくつかの実施形態では、スパッタリングシステム８０が大型ウェハおよび／またはウェハプラッタ製造システムと共に使用される場合、液体窒素および／または液体水素が使用される。しかし、このアイデアは、Ｇａターゲットに対して約１４℃未満の低温、好ましくは０℃未満の極低温、さらにより好ましくは－４５℃程度で動作可能なスパッタリングガン８６を必要とする。さらに、これらの極低温のために、スパッタリングガンに含まれる通常のゴムシールでは不十分である。したがって、スパッタリングガン８６は、ＧａＮ成膜に必要なスパッタリングプロセス中にＧａターゲットを固体状態に維持するために、この極低温を実行するために必要とされる約－４５℃で動作可能な全金属のシールおよび他の適切な構成要素を備えてもよい。

【0040】

いくつかの実施形態では、ウェハサイズが増大するにつれて、電圧源９０からの電圧が増大する。いくつかの実施形態では、システム８０は、その場所での（in situ）閉じたまたは開いたプロセスをモニタリングするための光学経路１１０も含む。経路１１０は、放射率についてコンピュータ補正されたパイロメーターおよび／または光学反射率システムに動作可能に連結される。

【0041】

本明細書に記載されたＧａＮ成長プロセス／システムは、エピタキシャル原子層スパッタリング（ＥＡＬＳ）に相補的である。ＥＡＬＳは、スパッタリングまたは反応性スパッタリングを使用して、効果的に、基板上で、金属窒化物複合材料の化学量的なエピタキシャル成長を結果としてもたらすプロセスであり、ここで、形成されている金属窒化物の表面に到達する活性窒素（Ｎ）原子に対する金属（例えばＧａ）の比率は、金属窒化物化合物の化学量論組成と比較して、金属リッチ－Ｎリッチ条件間で周期的に変動する。いくつかの実施形態では、金属リッチ条件から金属リーン条件への切り替えのこのプロセスは、（１）形成されている金属窒化物の表面に対する金属フラックス（metal flux）を減少させること、または（２）活性窒素フラックスを増大させること、または（３）基板の温度を増大させて（または、形成されている金属窒化物の表面を露出して）、金属吸着原子の蒸発速度を増大させる（すなわち、滞留時間を低下させる）こと、または（１）－（３）の任意の組み合わせによって達成される。いくつかの実施形態では、金属リッチ条件は、表面における不満足な結合（またはダングリングボンド）の影響を弱めて、表面移行（surface migration）を高めることによって、吸着原子の移動度を増大させ、これによって、非柱状段差成長がもたらされ、したがってより高品質で、より滑らかな膜が結果としてもたらされる。一般的に、吸着原子の表面移行の増大により、成長前部（growth front）上の低エネルギーの部位における吸着原子の組み込みが促進されることによって、成膜された材料の結晶品質が改善される。同様に、いくつかの実施形態では、表面温度の増大または低エネルギーイオンの適用で、薄膜品質を向上させるために、吸着原子の表面移行を増大できる。したがって、本発明のいくつかの実施形態では、別々の窒素プラズマ源（例えば、高周波（ＲＦ）窒素源）またはイオンビーム支援蒸着でさえも含み得るＥＡＬＳプロセスが使用される。

【0042】

図５は、本発明のいくつかの実施形態による、複数の様々なエピタキシャル成長モード１５０を示す概略図である。エピタキシャル膜成長では、成膜された材料（複数可）が、基板１５２の結晶構造によって決定される原子配列および原子配向を用いて、規則的な結晶を理想的に形成する。本発明のいくつかの実施形態では、到達する原子の表面移動度、ならびに基板およびエピタキシャル膜の特性に応じて、様々な成長モード１５４、１５６、および／または１５８が得られる。基板表面上に到達する原子の表面移動度、ならびに、表面段差の平均テラス長さ、基板の結晶方向および欠陥密度、表面および界面のエネルギー性、膜と基板との間の格子不整合などの他の因子に応じて、エピタキシャル成長プロセスは、（１）上記モードの１つで開始し進行するか、（２）２つ以上のモードの組み合わせであるか、または（３）１つのモードで開始し、その後、他のモードまたは組み合わされた成長モードへと移行する。

【0043】

いくつかの実施形態では、（１５４ａから１５４ｂまでの進行によって表される）成長モード１５４は、二次元「２Ｄ」島状成長と呼ばれる。いくつかの実施形態では、モード１５４において、小さな島が、表面にわたって核を形成し、横方向に成長して層へと合体（coalesce）し、これによって多くの粒界をもたらす。いくつかの実施形態では、（１５６ａから１５６ｂまでの進行によって表される）成長モード１５６は、三次元「３Ｄ」島状成長と呼ばれる。いくつかの実施形態では、モード１５６において、小さな島が、表面にわたって核を形成し、下部の層が仕上げられる前に、さらなる島が初めの島の上部に形成されながら成長し、これによって表面粗さの増大をもたらす（いくつかの実施形態では、モード１５６は柱状成長を含む）。いくつかの実施形態では、（１５８ａから１５８ｂまでの進行によって表される）成長モード１５８は、ステップフロー成長と呼ばれる。いくつかの実施形態では、モード１５８において、表面に到達する原子が移行し（migrate）、段差端部に組み込まれて、ステップフローで層を完成させる。いくつかの実施形態では、平均テラス長さと比較して表面拡散が大きい場合に、モード１５８が生じる。

【0044】

本出願の発明者が所有する米国特許第１０，１７０，３０３号および米国特許出願第１６／２３４，０７０号は、本発明のＰＶＤスパッタリングプロセス１０のより完全な態様を開示している。これらは、その全体が参照により本明細書に援用される。

【0045】

本出願の発明者は、例えば、信頼性があり集中的な方法で明るい光を発する能力を高め、一方で得られるＬＥＤデバイスの構造をより小さく、より安価に作製することを可能にする目的で、ＩＩＩ／ＩＶ族化合物から作製されるエピタキシャル成長製品の構造を改善するために多くの試みを行ってきた。例えば、それらの全体が参照により本明細書に援用される米国特許第７，９１５，６２４号、第８，２５３，１５７号、および第８，８９０，１８３号の中でより完全に開示されているように、それらの間に光キャビティを画定するＧＥＭＭ層の形態の成長エピタキシャル金属ミラー（「ＧＥＭＭ」）と別個の非エピタキシャル金属ミラーとをＬＥＤ半導体の構造に追加してもよい。このような構造１６０を図６に示す。

【0046】

ＧＥＭＭ（１６８）は、多くの形態の光キャビティ半導体発光体に適している。例えば、高反射性のバルク特性を有するＧＥＭＭ（１６８）は、ＧＥＭＭ（１６８）が部分的に透明かつ部分的に反射性を有するように薄く成長させられてもよい。ＧＥＭＭ（１６８）の結晶品質が平面で、鏡面反射性があり、デバイス品質となるように、サファイア基板（１６２）と、内在的にドープされたＧａＮバッファー層（１６４）と、デバイス品質のｎ－ＧａＮ層（１６６）とで構成される平面的なＩＩＩ／ＩＶ族窒化物材料成長テンプレートが使用される。ＧＥＭＭ（１６８）は、所望の厚さがエピタキシャル臨界厚さ未満であり得るように、ｎ－ＧａＮ層（１６６）に格子整合している。

【0047】

２１．ｔｍの最初にドープされたＧａＮバッファー（１６４）層および２ｇｍのｎ－ＧａＮ（１６６）層をサファイア基板（１６２）上に成長させたら、ＧＥＭＭが部分的に反射性を有しかつ部分的に透明であるように、ＧＥＭＭ（１６８）を共振キャビティ（１８２）のための特定の厚さ（－２０ｎｍ）に成長させてもよい。ＧＥＭＭ（１６８）をｎ－ＧａＮ層（１６６）上に成長させたら、次いで、第２のｎ－ＧａＮ層（１７０）を、共振キャビティ（１８２）に最適である特定の厚さ（－１２００Ａ）に成長させてもよく、活性領域（１７２）は、０．２５ＶＮ_ＧａＮの幅内の光場の最大値である波腹に、またはその近くに配置され得る。Ｎ_ＧａＮは屈折率であり、Ｘは真空中の発光波長である。

【0048】

この実施形態では、図示されたＲＣＬＥＤは、約３０００Ａのキャビティ長（１８２）（マイクロキャビティのレジーム内である）で、５００ｎｍの波長で発光し得る。活性領域（１７２）で生成された光は、厚く高反射性の非エピタキシャル金属ミラー（１８０）と、薄く部分的に反射性を有しかつ部分的に透明なＧＥＭＭ（１６８）との間で共振する。キャビティは、活性領域（１７２）によって生成された光がミラー間で共振し得るように、ミラー（１６８）（１８０）が間隔を空けて配置されている。ミラー（１６８）（１８０）は、活性領域（１７２）によって生成された光の半波長の整数倍が窒化物材料内のミラー（１６８）（１８０）の間に適合し得るように間隔を空けて配置されている。活性領域（１７２）は、生成された光が両方のミラー（１６８）（１８０）からの反射光と構造的に干渉するようにミラー間に配置される。図６に示すように、共振光は、サファイア基板（１６２）を通ってデバイスのＧＥＭＭ（１６８）側から出射する。

【0049】

同様に、その全体が本明細書中に参照により援用される米国特許第７，８４２，９３９号および第８，８６５，４９２号の中でより完全に開示されているように、活性領域を有するＬＥＤ半導体は、活性領域に隣接して対向するトンネル障壁（「ＴＢ」）構造と、ＴＢ構造に隣接して対向するＴＢ成長エピタキシャル金属ミラー（「ＴＢ－ＧＥＭＭ」）構造とを含んでもよく、ＴＢ－ＧＥＭＭ構造は、活性領域に実質的に格子整合する少なくとも１つの金属と、ＴＢ構造の反対側の活性領域に隣接して対向する導電型ＩＩＩ族窒化物結晶構造とを含む。

【0050】

その全体が本明細書中に参照により援用される米国特許第９，６０８，１４５および第９，９７８，８９４号ならびに米国特許出願第１５／９８５，４６６号の中でより完全に開示されているように、ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは、多層膜金属半導体構造（すなわち、ＰｈＣ－ＧＥＭＭ）を含んでもよい。図７の半導体デバイス１９０のブロック図においてより明確に示されるように、半導体デバイス構造１９０は、基板１９２（例えば、上記のようなＳｉ、ＧａＮ、サファイア、ＧａＮ－ｏｎ－サファイア、ＧａＮ－ｏｎ－Ｓｉ、ＡｌＮ、ＡｌＮ－ｏｎ－サファイア、ＡｌＮ－ｏｎ－Ｓｉおよび／または同様のもの）と、基板１９２上の遷移層１９４（例えば、それぞれ上記したＩＩＩ－窒化物層または金属材料を含む）と、遷移層１９４上の金属材料層１９６（例えば、上記のようなＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、および／または同様のものを含む元素金属、複合材料および／または化合物）と、金属材料層１９６上のＩＩＩ－窒化物層１９８（例えば、上記のようなＧａＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ、および／または同様のもの）と（ここで、金属材料層１９６およびＩＩＩ－窒化物層１９８は、単一周期２００のＰｈＣ－ＧＥＭＭ構造を形成する）、ＰｈＣ－ＧＥＭＭ周期２００上の金属キャップ層２０２（例えば、上記のような金属材料を含む）と、金属キャップ層２０２上のＩＩＩ－窒化物キャップ２０４（例えば、上記のようなＩＩＩ－窒化物材料を含む）と、半導体デバイス構造２０６と、を含む。

【0051】

いくつかの実施形態では、遷移層１９４、ＩＩＩ－窒化物層１９８、およびＩＩＩ－窒化物キャップ２０４は、電気伝導率を増大させるための不純物ドーピング（例えば、ｎ型導電性のためのＳｉドーピングおよびｐ型導電性のためのＭｇドーピング）を含む。

【0052】

金属層１９６およびＩＩＩ－窒化物層１９８は、構造に入射する光の反射率を調整するための単一周期２００のＰｈＣ－ＧＥＭＭ構造を形成する。任意選択で、いくつかの実施形態では、半導体デバイス１９０は、複数の周期２００（例えば、最大２０周期）を含む。

【0053】

金属層１９６の厚さは約２０ｎｍであってよく、ＩＩＩ－窒化物層１９８の厚さは約９０ｎｍであってよい。半導体デバイス構造２０６は、ＬＥＤデバイス構造であってもよく、ｎ型ＩＩＩ－窒化物層２０８と、ｎ型ＩＩＩ－窒化物層２０８上に位置する活性領域２１０と、活性領域２１０上に位置するｐ型ＩＩＩ－窒化物層２１２とを含んでもよい。いくつかの実施形態形態では、活性領域２１０は、１つ以上の発光量子井戸（例えば、ＩｎＧａＮ量子井戸（ＱＷ）または多重量子井戸（ＭＱＷ））を含む。

【0054】

いくつかの実施形態形態では、基板１９２、遷移層１９４、金属材料層１９６、ＩＩＩ－窒化物層１９８、金属キャップ層２０２、ＩＩＩ－窒化物キャップ２０４、および半導体デバイス構造２０６はそれぞれ、実質的に単結晶であり、前後の各層と実質的に格子整合している。

【0055】

しかし、窒素のような反応性ガス９６は、ＧａまたはＨｆのようなＩＩＩ／ＩＶ族ターゲット材料８３と反応して、ＰＶＤスパッタリングプロセス１０中に基板ウェハ９８上にＧａＮまたはＨｆＮ膜を成膜する、得られるプラズマを形成するために、必ずしも一定の速度で真空チャンバー８２に供給されるべきではないことも発見されている（図４参照）。むしろ、真空チャンバー８２内への反応性ガス９６の流れを制御または調節して、ターゲットリッチ条件と反応性ガスリッチ条件とを交互に繰り返すことが時には有利であることが、本発明において発見された。ターゲットリッチ条件の間、基板ウェハ９８に存在する反応性ガスは少なくなる。反応性ガスリッチ条件の間、より多くの反応性ガスが基板ウェハ９８に存在する。カソード８６上に存在するＧａのようなＩＩＩ／ＩＶ族ターゲット材料の体積は、この調節の影響を受けない。しかしながら、反応性ガスリッチ条件状態では、窒素ガス（Ｎ_２）が使用される反応性ガスである場合、真空チャンバー内部に形成された、得られたＧａＮプラズマは、基板ウェハ９８まで垂直に延びる。一方、このようなＧａリッチ条件状態の間は、全てのＧａＮプラズマがウェハ基板に垂直に延びることが抑制される。

【0056】

これ以降、例のために「Ｇａリッチ条件」状態を使用するが、本発明の目的では、反応性ガス調節の原理は、Ｈｆ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍｇ、またはＺｒを含む、Ｇａ以外の他のＩＩＩ族またはＩＶ族の金属元素に対しても機能することを理解されたい。同様に、「窒素リッチ条件」状態は、例のために使用され、反応性ガス調節の原理は、酸素、ヒ化物の前駆体、またはリン化物の前駆体を含む、窒素以外の他の反応性ガスに対しても機能することを理解されたい。

【0057】

本発明の目的では、真空チャンバー８２への反応性ガス９６の調節は、流れを完全にオフにするか、完全にオンにするか、またはその中間の何らかの測定可能な流量にする自動制御システム（図示せず）によって調整される弁によって達成されてもよい。代替的に、複数のルーバーパネル（図示せず）を有するシャッターアセンブリのような機械的装置を、ＰＶＤスパッタリングプロセス中にプラズマが形成される場所の上方にある真空チャンバー８２内部に配置してもよい。調節プロセスは、ルーバーパネルを自動制御して、ルーバーパネルを完全な開放位置、プラズマがさらに上昇して基板ウェハ９８の下面に接触し、例えばＧａＮ膜層を形成するのを防止する完全な遮断位置、またはプラズマの上昇が部分的に低減されてＧａＮ膜層の形成を遅らせるその中間の何らかの位置の間で移動させることによって達成される。

【0058】

反応性ガス９６の調節プロセスは、Ｇａリッチおよび窒素リッチ条件の両方を連続的に包含するサイクルの間に実行される。このようなサイクルは、約１ＨＺ～１６ＨＺを包含し得、１ＨＺ＝１サイクル／秒および１６ＨＺ＝１６サイクル／秒である。これらのサイクルの期間は非常に短いため、真空チャンバー８２への反応性ガス９６を完全に止める、または真空チャンバー内部の機械的シャッターの上方へのプラズマの上昇を完全に阻止することは、一般に不利である。なぜなら、サイクルの残りの部分の中で流れを再度オンにする時間が不十分だからである。したがって、「窒素リッチ」という用語は、一般に、窒素のような反応性ガス９６の流れが減少している、または得られたプラズマが部分的に遮断されているという条件を示すことを意味する。

【0059】

図８は、「オン」条件と「オフ」条件とを交互に繰り返すための、いくつかの異なる可能な「デューティサイクル」の概略図を示す。

【数1】

例えば、５０％のデューティサイクルは、Ｔ_ｏｎおよびＴ_ｏｆｆの時間間隔が等しいことを特徴とする。対照的に、７５％のデューティサイクルは、Ｔ_ｏｎの時間間隔がＴ_ｏｆｆの時間間隔の３倍であることを特徴とする。一方、２５％のデューティサイクルは、Ｔ_ｏｎの時間間隔がＴ_ｏｆｆの時間間隔よりも３倍短いことを特徴とする。

【0060】

図９は、本発明の反応性ガス調節プロセスのためのデューティサイクルの概略図を示す。Ｇａリッチ条件の時間間隔は一般に、真空チャンバー内部の窒素リッチ条件の時間間隔よりも短くするべきである。

【数2】

の場合、
デューティサイクルは＿＿＿＿＿＿＿＿％、好ましくは＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿％とすべきである。

【0061】

一方、カーブの振幅は、反応性ガスまたはプラズマの流量レベルを表す。「Ｙ」は窒素リッチ条件の間の窒素ガスの流量を表し、「Ｚ」はＧａリッチ条件の間の窒素ガスの流量を表す。したがって、比率Ｚ／Ｙは、窒素リッチ条件の間の反応性ガスの流量と比較した、Ｇａリッチ条件の間の反応性ガス流量の割合を表す。一般に、Ｇａリッチ条件の間のこの比率は、０～５０％、好ましくは０～２０％であるべきである。同様に、Ｇａリッチ条件の間の基板ウェハへのプラズマの上昇を妨げるための真空チャンバー内部の機械的シャッター装置の閉塞度は、５０～１００％、好ましくは８０～１００％であるべきである。これは、より低いデューティサイクルＸを表す。

【0062】

真空チャンバーへの反応性ガスの流れを止める、または減少させると、チャンバー内にある程度の反応性ガスが残っても、Ｇａターゲットと反応してプラズマを生成する反応性ガスは依然として少なくなる。これは、Ｇａリッチ条件を生成する。

【0063】

デューティサイクル中に真空チャンバーへの反応性ガスの流れを調節することによって、またはデューティサイクル中に真空チャンバー内部のプラズマの上昇を妨げることによって、基板ウェハ上にＩＩＩ／ＩＶ族化合物をＰＶＤスパッタリングして得られる膜層を形成することのいくつかの利点が達成される。第１に、調節プロセスは、ＧａＮ成膜プロセスの効率を高める。ＧａＮ成膜プロセスは、実際に高速化することができる。

【0064】

第２に、調節プロセスは、ＧａＮ層内の「より良好な」結晶の成長を可能にする。Ｘ線スキャン下で、得られた結晶は、より滑らかな表面を示す。さらに、結晶内部の分子欠陥のレベルが低減される。「完全な」エピタキシャル結晶材料は、全ての結晶が同じ方向に配向している。しかし、多結晶材料では、単結晶が異なる方向に配向している。結晶が適切に整列していない場合、層のエピタキシャルＧａＮ材料の内部に「線欠陥」が生じる。電流が半導体ＬＥＤ層を流れると、そのような線欠陥によって漏れ電流が引き起こされ、極端な場合には、ＬＥＤの短絡をもたらす可能性がある。これは、ＬＥＤの動作の効率を低下させる。

【0065】

さらに、結晶欠陥は、ｎ型材料層およびｐ型材料層のエピタキシャル成長プロセスを含む、ＩＩＩ／ＩＶ族化合物から作製される半導体の光学特性に悪影響を及ぼす可能性がある。例えばＧａＮ化合物にシリコンのようなドーパントを添加することにより、層状構造の価電子帯内の電子が、その上方の「禁制領域」まで移動し、禁制領域の上方に位置する伝導帯に近づくことが可能になる。半導体構造のｎ型ＧａＮ層内部の活性領域から出射した光は、ＧａＮ材料に吸収されることなく、より容易に伝導帯に通過する。しかし、ｎ型材料における点欠陥によって価電子帯に原子が欠落していると、通常は上昇して禁制層に入る電子は行き場がなくなり、代わりに伝導帯に移動することになる。

【0066】

同様に、マグネシウムのようなドーパントがＧａＮに添加されてｐ型材料を生成するとき、価電子帯内の得られた正孔は、禁制領域／バンドギャップ領域、およびさらにその上方の伝導帯から落ちてくる電子によってフィルタリングされる。このカスケード効果により、伝導帯内に新たな正孔が生じ、これは半導体ＬＥＤの構造の上部に近いｐ型ＧａＮ層の活性領域から出射される光を可視化するために重要である。しかし、このｐ型ＧａＮ材料の結晶における点欠陥は、ｐ型材料自体を作製することを非常に困難にする。

【0067】

したがって、ＧａＮ材料の結晶構造を改善することによって、半導体ＬＥＤの光学特性が改善される。これは、上述のように、半導体構造に組み込まれるｎ型、ｐ型、およびＧＥＭＭ層にとって重要である。

【0068】

さらに、ＩＩＩ／ＩＶ族化合物材料の結晶構造における点欠陥も、その中に含まれる金属の反射率を損なう可能性がある。したがって、反応性ガスの調節プロセスを介したこのような点欠陥の低減は、上述の半導体構造のＧＥＭＭ、トンネル障壁（「ＴＢ」）エピタキシャル金属ミラー（「ＴＢ－ＧＥＭＭ」）、および金属キャップにとって重要である。

【0069】

ＩＩＩ／ＩＶ族化合物層の内部に形成された結晶欠陥は、電子が価電子帯から伝導帯へ移動しようとする一方で光が構造を通過することを妨げるので、過度の発熱につながる可能性もある。この熱の蓄積もまた、半導体を故障させる可能性がある。過度の熱の蓄積は、業界による採用のために極めて重要な、より小さな半導体ＬＥＤを設計および製造するための努力を妨げる可能性もある。

【0070】

最後に、半導体の中でより結晶的に完全なＧａＮ層を成長させることにより、その上に隣接するＨｆＮおよびＺｒＮ層を成長させるためのより滑らかな表面を得られる。このようなＨｆＮおよびＺｒＮ層は、半導体ＬＥＤの反射率および可視光の放射率を高めるために重要である。

【0071】

ＰＶＤスパッタリングプロセスのＧａリッチ相の間、正電荷を有するＧａ原子は、基板ウェハまたは前のＩＩＩ／ＩＶ族化合物層上に分散される。正電荷を帯びたＧａ原子は、互いに反発して規則的なマトリクスを生成する。窒素ガスの流れがデューティサイクルの窒素リッチ相の間に増加すると、基板または前の層上に分散され、得られた活性窒素原子が、周囲のＧａ＋原子を理想的なパターンで固定する。窒素原子がマトリクス中に到達するためにより多くの時間が必要とされるので、より長い「オフ」サイクルが必要とされ、これは、より低いデューティサイクルにつながる。

【0072】

半導体ＬＥＤ構造の内部に含まれる量子井戸は、多くの場合、ＩｎＧａＮから作られる。このＩｎＧａＮ材料は、通常、青色を生成する。しかし、ＰＶＤスパッタリングプロセス中に真空チャンバー内部のカソード上にセットされたターゲット材料に、Ｇａを犠牲にしてより多くのＩｎを加えることにより、緑色が生成される。Ｇａを犠牲にしてさらに多くのＩｎを加えることにより、赤色が生成される。しかしながら、ＩｎＧａＮ層における格子間隔が結晶欠陥のためにずれている場合には、Ｉｎを加えることは熱力学的に困難である。反応性ガス調節プロセスにより、量子井戸のための得られたＩｎＧａＮ層における優れた格子間隔、および半導体構造における層の材料間の優れた格子整合が可能になる。したがって、この反応性ガス調節プロセスは、より良好な緑色および赤色ＬＥＤの製造を可能にするはずである。

【0073】

集積デバイス用に集積された機能を提供するための層状材料の成膜は、このような層の機械的配置よりも望ましい。発光デバイスと、ディスプレイ用のアクティブマトリクス（「ＡＭ」）および他の装置とを組み合わせることに大きな関心が寄せられている。ＣＭＯＳ ＡＭバックプレーン上へのＬＥＤの機械的配置は、これを行う１つの方法である。これを行うためのより望ましい方法は、ＣＭＯＳバックプレーン上にＬＥＤ層を成膜することである。しかしながら、この成膜アプローチに伴う重大な問題は、ＬＥＤのエピタキシャル成長において、ＬＥＤを成膜する前に成膜するのに適切なミラーがないことである。本発明においては、ｎ－ＧａＮおよびＺｒＨｆＮの層をこの目的のためのミラーとして使用することができ、これによって、得られたデバイスがＡＭ材料への光の伝搬を阻止することが可能になる。これらの形成された構造では、集積のための熱的考察がより好ましい。

【0074】

上記の明細書および関連図面により、本発明のＩＩＩ／ＩＶ族化合物系半導体デバイスおよび反応性ガス調節プロセスの構造ならびに方法の完全な説明が得られる。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本発明の多くの代替的な実施形態を行うことができる。したがって、本発明は、本明細書に添付した特許請求の範囲内にある。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【国際調査報告】