JP4199014B2 - Semiconductor impurity doping method and apparatus therefor - Google Patents
Semiconductor impurity doping method and apparatus therefor Download PDFInfo
- Publication number
- JP4199014B2 JP4199014B2 JP2003016940A JP2003016940A JP4199014B2 JP 4199014 B2 JP4199014 B2 JP 4199014B2 JP 2003016940 A JP2003016940 A JP 2003016940A JP 2003016940 A JP2003016940 A JP 2003016940A JP 4199014 B2 JP4199014 B2 JP 4199014B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- crystal
- supply
- raw material
- timing
- impurity
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体の不純物ドーピング方法およびその装置に関し、さらに詳細には、伝導度の大きな半導体材料を作成する際に用いて好適な半導体の不純物ドーピング方法およびその装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、半導体材料の作成に際して、所定の結晶成長装置などにおいて、複数種類の結晶原料と複数種類の不純物原料とを用い、当該結晶原料と不純物原料とをいずれも連続的に供給して、結晶原料により基板上に形成される結晶層に不純物をドーピングする半導体の不純物ドーピング方法が知られている。
【0003】
ところで、この従来の半導体の不純物ドーピング方法においては、当該複数種類の結晶原料と複数種類の不純物原料とはいずれも連続的に供給されるので、結晶原料により基板上に形成される結晶の原子層内には、複数種類の不純物が無秩序に取り込まれることになる。
【0004】
このため、当該複数種類の不純物原料がそれぞれp型不純物原料とn型不純物原料とである場合には、当該p型不純物原料とn型不純物原料とが互いに打ち消しあってしまい(補償効果)、キャリアー濃度は当該p型不純物原料とn型不純物原料との濃度差となり、作成される半導体材料のキャリアー濃度が減少して伝導度が小さくなってしまうという問題点があった。
【0005】
また、従来の半導体の不純物ドーピング方法により、複数種類の結晶原料と複数種類の不純物原料とをいずれも連続的に供給してp型半導体材料を作成すると、当該p型半導体材料の禁制帯中の不純物準位は深く活性化エネルギーが大きいために、高密度の正孔が得られず伝導度が小さくなってしまうという問題点があった。
【0006】
こうした問題点に鑑みて、p型不純物原料とn型不純物原料とを結晶層にドーピングする場合においても、キャリアー濃度が増加するようにして、伝導度の大きな半導体材料を作成することができるようにした半導体の不純物ドーピング方法とその装置や、高密度の正孔を有した伝導度の大きなp型半導体材料を作成することができるようにした半導体の不純物ドーピング方法とその装置や、伝導度の大きな半導体材料が、本願発明者により提案されている(特許文献1参照)。
【0007】
【特許文献1】
特開2002−75879号公報
ところで、近年においては、紫外波長領域での光学デバイスおよび電子デバイスを作成するために、伝導度の大きい高伝導度のp型AlGaNの開発が要求されている。特に、紫外領域の発光ダイオード(LED)やレーザーダイオード(LD)の作成には、Alの組成比の高いp型AlGaNの高伝導度の材料が不可欠であった。
【0008】
しかしながら、従来においては、Alの組成比の高いAlGaNで高伝導度のp型結晶を作成することは極めて困難であった。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような従来の技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、正孔濃度の高い伝導度の大きなp型半導体材料を作成することができるようにした半導体の不純物ドーピング方法とその装置とを提供しようとするものである。
【0011】
また、本発明の目的とするところは、p型不純物原料とn型不純物原料とを結晶層にドーピングする場合においても、キャリアー濃度が増加するようにして、伝導度の大きな半導体材料を作成することができるようにした半導体の不純物ドーピング方法とその装置とを提供しようとするものである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明においては、半導体の結晶成長を行う際に、複数種類の結晶原料を交互にパルス状に供給して結晶成長を行うようにしたものである。
【0014】
例えば、有機金属化学気相エピタキシー(MOVPE:Metalorganic vaper phase epitaxy)法を用いてAlGaNの成長を行う場合には、結晶原料としてAlならびにGaのIII族元素とNのV族元素とをパルス的に交互に供給してAlGaNの結晶成長を行うものである。
【0015】
また、本発明においては、半導体への不純物のドーピングを行う際に、複数種類の結晶原料を交互にパルス状に供給して結晶成長を行うとともに、不純物原料をタイミングを制御してパルス状に供給して、半導体への不純物のドーピングを行うものである。
【0016】
ここで、半導体へドーピングする不純物原料は、単一の不純物原料であってもよいし、複数種類の不純物原料であってもよい。また、単一の不純物原料の場合には、p型不純物原料またはn型不純物原料のいずれでもよいし、複数種類の不純物原料の場合には、p型不純物原料とn型不純物原料との両者であってもよい。
【0017】
例えば、MOVPE法を用いてAlGaNの成長させながら不純物原料としてMgおよびSiをドーピングする場合には、結晶原料としてAlならびにGaのIII族元素とNのV族元素とをパルス的に交互に供給してAlGaNの結晶成長を行うとともに、不純物原料のMgおよびSiもパルス的にタイミングを制御して供給して、AlGaN中に不純物ドーピングを行う。
【0018】
即ち、本発明のうちの請求項1に記載の発明は、結晶原料により形成される結晶層に不純物をドーピングする半導体の不純物ドーピング方法において、第1のタイミングにおいてTMGa、TMAlおよびCp 2 Mgの供給を開始し、Cp 2 Mgを所定時間供給した第2のタイミングにおいてCp 2 Mgの供給を終了する第1のステップと、Cp 2 Mgの供給を終了した第2のタイミングの直後あるいは後においてTESiの供給を開始し、TESiを所定時間供給した第3のタイミングにおいてTMGa、TMAlおよびTESiの供給を終了する第2のステップと、TMGa、TMAlおよびTESiの供給を終了した第3のタイミングの直後あるいは後においてNH 3 の供給を開始し、NH 3 を所定時間供給した第4のタイミングにおいてNH 3 の供給を終了する第3のステップとよりなるサイクルを、所定の回数繰り返すようにしたものである。
【0019】
また、本発明のうちの請求項2に記載の発明は、本発明のうちの請求項1に記載の発明において、AlGaN表面からの窒素の脱離を抑制するために、結晶品質を低下させない程度に少量のNを連続供給するようにしたものである。
【0020】
また、本発明のうちの請求項3に記載の発明は、結晶原料により形成される結晶層に不純物をドーピングする半導体の不純物ドーピング装置であって、内部に基板が配設される反応管と、上記反応管内に結晶原料のGaとAlとNとをそれぞれガス状で供給するとともに不純物原料のMgとSiとをガス状で供給するための複数の管と、上記複数の管にそれぞれに配設されたガスバルブと、上記複数の管内をそれぞれ流れる上記結晶原料のガスと上記不純物原料のガスとの流量を所定の値に設定する流量設定手段と、上記反応管内に配設された上記基板を加熱する加熱手段と、上記ガスバルブの開閉の制御と、上記流量設定手段が設定する流量の制御と、上記加熱手段による上記基板の加熱の制御とを行い、上記結晶原料のAlおよびGaのガスの供給と上記結晶原料のNのガスの供給とが、交互にパルス状に行われるように制御するとともに、上記結晶原料のAlおよびGaのガスの供給開始と同時あるいは後であり、かつ、上記結晶原料のNのガスの供給開始より前において、上記不純物原料のMgとSiとのガスがそれぞれ近接したタイミングで供給されるように制御する制御手段とを有する半導体の不純物ドーピング装置において、上記結晶原料のGaのガスはTMGaであり、上記結晶原料のAlのガスはTMAlであり、上記結晶原料のNのガスはNH3であり、上記不純物原料のMgのガスはCp2Mgであり、上記不純物原料のSiのガスはTESiであり、上記制御手段は、第1のタイミングにおいてTMGa、TMAlおよびCp2Mgの供給を開始し、Cp2Mgを所定時間供給した第2のタイミングにおいてCp2Mgの供給を終了する第1のステップと、Cp2Mgの供給を終了した第2のタイミングの直後あるいは後においてTESiの供給を開始し、TESiを所定時間供給した第3のタイミングにおいてTMGa、TMAlおよびTESiの供給を終了する第2のステップと、TMGa、TMAlおよびTESiの供給を終了した第3のタイミングの直後あるいは後においてNH3の供給を開始し、NH3を所定時間供給した第4のタイミングにおいてNH3の供給を終了する第3のステップとよりなるサイクルを所定の回数繰り返すように制御するようにしたものである。
【0040】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による半導体の不純物ドーピング方法およびその装置の実施の形態を詳細に説明するものとする。なお、以下の説明ならびに図面において、同一あるいは相当する構成や内容については、それぞれ同一の符号を用いて示すこととする。
【0041】
図1には、半導体の結晶成長方法ならびに本発明による半導体の不純物ドーピング方法を実現する結晶成長装置の要部概略構成説明図が示されており、図2には、半導体の結晶成長方法により結晶原料が供給されるタイミングの一例、即ち、原料供給パルスのシーケンスの一例を示すタイミング・チャートが示されており、図3には、半導体の結晶成長方法により形成される半導体結晶の結晶構造を模式的に示す説明図が示されており、図4ならびに図6には、本発明による半導体の不純物ドーピング方法により結晶原料と不純物原料とが供給されるタイミングの一例、即ち、原料供給パルスのシーケンスの一例を示すタイミング・チャートが示されており、図5ならびに図7には、本発明による半導体の不純物ドーピング方法により形成される半導体材料の結晶構造を模式的に示す説明図が示されている。
【0042】
なお、以下の説明において、結晶原料Aとしては、例えば、Al、Ga、In、B、Zn、CdなどのIII族元素およびII族元素を用いることができ、結晶原料Bとしては、例えば、Al、Ga、In、B、Zn、CdなどのIII族元素およびII族元素を用いることができ、結晶原料Cとしては、例えば、N、As、P、S、Se、TeなどのV族元素およびVI族元素を用いることができ、不純物原料Dとしては、例えば、Mg、Be、Si、Oなどを用いることができ、不純物原料Eとしては、例えば、Mg、Be、Si、Oなどを用いることができる。
【0043】
ただし、結晶原料Aと結晶原料Bと結晶原料Cとは、それぞれ互いに異なる元素を用いることとする。また、結晶原料A、結晶原料Bならびに結晶原料Cとしては、それぞれ1種類の元素に限られることなしに、2種類以上の元素を用いることができる。
【0044】
なお、結晶原料Aおよび結晶原料BとしてIII族元素を用いた場合には、結晶原料CとしてV族元素を用いることが好ましく、また、結晶原料Aおよび結晶原料BとしてII族元素を用いた場合には、結晶原料CとしてVI族元素を用いることが好ましい。
【0045】
また、不純物原料Dと不純物原料Eとは、互いに異なる元素を用いることとし、いずれか一方をp型半導体を形成するためのp型不純物原料とし、いずれか他方をn型半導体を形成するためのn型不純物原料とする。
【0046】
まず、半導体の結晶成長方法(以下、適宜に「第1の手法」と称する。)の理解を容易にするためにその概要を説明すると、内部に基板が配設された結晶成長装置の反応管(例えば、石英ガラスにより構成される。)内に、管(例えば、石英ガラスにより構成される)などを介して結晶原料をそれぞれパルス状に所定のタイミングで供給し、当該供給した結晶原料が反応管内において反応して、基板上に結晶構造を形成するようにしたものである(図1参照。なお、第1の手法のみを実施する場合には、不純物原料Dおよび不純物原料Eは供給しないので、図1に示す構成から不純物原料Dおよび不純物原料Eの供給に関する構成を削除してもよい。)。
【0047】
より詳細には、第1の手法により結晶原料A、結晶原料Bならびに結晶原料Cを用いて結晶形成を行う際には、結晶原料A、結晶原料Bならびに結晶原料Cはいずれも連続的に供給されることなく、それぞれ所定時間だけ供給が行われ、当該所定時間以外は供給が停止されてパルス状に供給されるようにする。
【0048】
また、結晶原料Aおよび結晶原料Bは同時に供給されるが、結晶原料Cはこれら結晶原料Aおよび結晶原料Bとは同時には供給されない。
【0049】
図2には、第1の手法の一例を示すタイミング・チャートが図示されているが、このタイミング・チャートにおいては、結晶原料Aおよび結晶原料Bを所定の時間TAだけ供給し、その直後に結晶原料Cを所定の時間TBだけ供給するようにしており、これを1サイクルとして、このサイクルを繰り返すものである。つまり、結晶原料Aおよび結晶原料Bの供給と結晶原料Cの供給とは、時間TA、TBをおいて交互にパルス状に行われることになり、結晶原料Aおよび結晶原料Bの供給と結晶原料Cの供給とが同じタイミングで行われることはない。
【0050】
具体的には、タイミングT1において結晶原料Aと結晶原料Bとの供給を開始する。
【0051】
そして、結晶原料Aおよび結晶原料Bを時間TAだけ供給して、タイミングT2において結晶原料Aおよび結晶原料Bの供給を終了する。
【0052】
それから、結晶原料Aおよび結晶原料Bの供給を終了するタイミングT2の直後において結晶原料Cの供給を開始し、結晶原料Cを時間TBだけ供給して、タイミングT3において結晶原料Cの供給を終了する。
【0053】
上記により1サイクルの処理を終了し、このタイミングT3をタイミングT1として次のサイクルを開始するものである。
【0054】
こうしたサイクルを所望の回数だけ繰り返すことにより、半導体結晶として所望の膜厚の結晶を得ることができるものである。
【0055】
即ち、上記したようにして結晶原料A、結晶原料Bならびに結晶原料Cの供給が全て1回ずつ行われる単位、即ち、タイミングT1からタイミングT3までを1サイクルとして、当該1サイクルを繰り返し行うことにより所望の厚さの結晶形成がなされるものである。
【0056】
なお、結晶原料Cの供給のタイミングに関しては、結晶原料Aと結晶原料Bとの供給が終了したタイミングT2の直後に限られることなしに、タイミングT2の到来の後の所定の時間の経過後でもよい。
【0057】
そして、図2に示すタイミングに従って形成される結晶構造は、図3に示すように、タイミングT1からの時間TAの結晶原料Aおよび結晶原料Bの供給によって、基板100上に結晶原料Aおよび結晶原料Bからなる層102が形成される。
【0058】
それから、タイミングT2からの時間TBの結晶原料Cの供給によって、結晶原料Aおよび結晶原料Bからなる層102上に、結晶原料Cからなる層104が積層される。
【0059】
さらに、上記した1サイクル(図2参照)が所望の回数繰り返されると、繰り返されたサイクルの回数に応じて、結晶原料Aおよび結晶原料Bからなる層102と結晶原料Cからなる層104との積層が繰り返され、所望の厚さWの結晶が形成されることになり、この結晶を半導体結晶として用いることができる。
【0060】
次に、本発明による半導体の不純物ドーピング方法の第1の方法(以下、適宜に「第2の手法」と称する。)の理解を容易にするためにその概要を説明すると、内部に基板が配設された結晶成長装置の反応管(例えば、石英ガラスにより構成される。)内に、管(例えば、石英ガラスにより構成される)などを介して結晶原料と1種類の不純物原料とをそれぞれパルス状に所定のタイミングで供給し、当該供給した結晶原料と不純物原料とが反応管内において反応して、基板上に結晶構造を形成するようにしたものである(図1参照。なお、第2の手法のみを実施する場合には、不純物原料Eは供給しないので、図1に示す構成から不純物原料Eの供給に関する構成を削除してもよい。)。
【0061】
より詳細には、第2の手法により結晶原料A、結晶原料B、結晶原料Cならびに不純物原料Dを用いて結晶形成を行う際には、結晶原料A、結晶原料B、結晶原料Cならびに不純物原料Dはいずれも連続的に供給されることなく、所定時間だけ供給が行われ、当該所定時間以外は供給が停止されてパルス状に供給されるようにする。
【0062】
ここで、結晶原料A、結晶原料Bならびに結晶原料Cに関しては、上記した第1の手法と同一のタイミングで供給が行われる。
【0063】
一方、不純物原料Dは、結晶原料Aおよび結晶原料Bの供給と同期してか、あるいは、結晶原料Aおよび結晶原料Bの供給開始より後であり、かつ、結晶原料Cの供給開始より前においてパルス状に供給される。
【0064】
図4には、第2の手法の一例を示すタイミング・チャートが図示されているが、このタイミング・チャートにおいては、タイミングT1において結晶原料Aおよび結晶原料Bの供給を開始するとともに不純物原料Dの供給を開始する。
【0065】
そして、結晶原料Aおよび結晶原料Bを時間TAだけ供給するとともに、不純物原料Dを時間TAに等しい時間TCだけ供給して、タイミングT2において結晶原料Aおよび結晶原料Bの供給を終了するとともに不純物原料Dの供給を終了する。
【0066】
それから、結晶原料A、結晶原料Bおよび不純物原料Dの供給を終了するタイミングT2の直後において、結晶原料Cの供給を開始し、結晶原料Cを時間TBだけ供給して、タイミングT3において結晶原料Cの供給を終了する。
【0067】
上記により1サイクルの処理を終了し、このタイミングT3をタイミングT1として次のサイクルを開始するものである。
【0068】
こうしたサイクルを所望の回数だけ繰り返すことにより、半導体材料として所望の膜厚の結晶を得ることができるものである。
【0069】
即ち、上記したようにして結晶原料A、結晶原料B、結晶原料Cならびに不純物原料Dの供給が全て1回ずつ行われる単位、即ち、タイミングT1からタイミングT3までを1サイクルとして、当該1サイクルを繰り返し行うことにより所望の厚さの結晶形成がなされるものである。
【0070】
なお、不純物原料Dの供給のタイミングに関しては、結晶原料Aおよび結晶原料Bの供給が開始されたタイミングT1と同期することに限られることなしに、結晶原料Aおよび結晶原料Bの供給が開始されたタイミングT1より後でもよい。
【0071】
要は、不純物原料Dは、結晶原料Aおよび結晶原料Bの供給開始と同時あるいはその後であり、かつ、結晶原料Cの供給開始より前に供給されるものである。
【0072】
そして、図4に示すタイミングに従って形成される結晶構造は、図5に示すように、タイミングT1からの所定時間TAの結晶原料Aおよび結晶原料Bの供給によって、基板100上に結晶原料Aおよび結晶原料Bからなる層502が形成される。
【0073】
この際に、不純物原料Dの供給により、結晶原料Aおよび結晶原料Bからなる層502内においては、不純物原料Dがドーピングされることになる。
【0074】
それから、タイミングT2からの時間TBの結晶原料Cの供給によって、不純物原料Dがドーピングされた結晶原料Aおよび結晶原料Bからなる層502上に、結晶原料Cからなる層504が積層される。
【0075】
さらに、上記した1サイクル(図4参照)が所望の回数繰り返されると、繰り返されたサイクルの回数に応じて、不純物原料Dがドーピングされた結晶原料Aおよび結晶原料Bからなる層502と結晶原料Cからなる層504との積層が繰り返され、所望の厚さWの結晶が形成されることになり、この結晶を半導体材料として用いることができる。
【0076】
次に、本発明による半導体の不純物ドーピング方法(以下、適宜に「第3の手法」と称する。)の理解を容易にするためにその概要を説明すると、内部に基板が配設された結晶成長装置の反応管(例えば、石英ガラスにより構成される。)内に、管(例えば、石英ガラスにより構成される)などを介して結晶原料と不純物原料(p型不純物原料およびn型不純物原料)とをそれぞれパルス状に所定のタイミングで供給し、当該供給した結晶原料と不純物原料とが反応管内において反応して、基板上に結晶構造を形成するようにしたものである(図1参照)。
【0077】
より詳細には、第3の手法により結晶原料A、結晶原料B、結晶原料C、不純物原料D(例えば、p型不純物原料である。)ならびに不純物原料E(例えば、n型不純物原料である。)を用いて結晶形成を行う際には(図6参照)、結晶原料A、結晶原料B、結晶原料C、不純物原料Dならびに不純物原料Eはいずれも連続的に供給されることなく、所定時間だけ供給が行われ、当該所定時間以外は供給が停止されてパルス状に供給されるものである。
【0078】
ここで、結晶原料A、結晶原料B、結晶原料Cならびに不純物原料Dに関しては、第2の手法と同様なタイミングで供給が行われる。なお、図6には第3の手法の一例を示すタイミング・チャートが図示されているが、図6に示すタイミング・チャートの例においては、図4に示すタイミング・チャートの例とは異なり、不純物原料Dの供給に関して結晶原料Aおよび結晶原料Bの供給と完全に同期してはいない。即ち、不純物原料Dの供給開始のタイミングは、結晶原料Aおよび結晶原料Bの供給開始のタイミングと一致しているが、不純物原料Dを供給する時間TCが結晶原料Aおよび結晶原料Bを供給する時間TAよりも短く設定されているため、不純物原料Dの供給終了のタイミングは、結晶原料Aおよび結晶原料Bの供給終了のタイミングよりも早くなる。
【0079】
この第3の手法においては、不純物原料Eも不純物原料Dと同様に、結晶原料Aおよび結晶原料Bの供給と同期してか、あるいは、結晶原料Aおよび結晶原料Bの供給開始より後であり、かつ、結晶原料Cの供給開始より前においてパルス状に供給され、不純物原料Dと不純物原料Eとは近接したタイミングで供給される。
【0080】
図6に示すタイミング・チャートに関して具体的に説明すると、タイミングT1において結晶原料A、結晶原料Bおよび不純物原料Dの供給を開始する。
【0081】
そして、結晶原料Aおよび結晶原料Bを時間TA供給するとともに、不純物原料Dを時間TAよりも短い時間TC供給して、タイミングT1’において不純物原料Dの供給を終了する。
【0082】
次に、不純物原料Dの供給を終了するタイミングT1’の直後において不純物原料Eの供給を開始し、不純物原料Eを所定時間TD供給して、タイミングT2において結晶原料A、結晶原料Bおよび不純物原料Eの供給を終了する。
【0083】
それから、結晶原料A、結晶原料Bおよび不純物原料Eの供給を終了するタイミングT2の直後に結晶原料Cの供給を開始し、結晶原料Cを時間TB供給して、タイミングT3において結晶原料Cの供給を終了する。
【0084】
上記により1サイクルの処理を終了し、このタイミングT3をタイミングT1として次のサイクルを開始するものである。
【0085】
即ち、上記したようにして結晶原料A、結晶原料B、結晶原料C、不純物原料Dならびに不純物原料Eの供給が全て1回ずつ行われる単位、即ち、タイミングT1からタイミングT3までを1サイクルとして、当該1サイクルを繰り返し行うことにより所望の厚さの結晶形成がなされるものである。
【0086】
なお、不純物原料Eの供給開始のタイミングに関しては、不純物原料Dの供給が終了したタイミングT1’の直後に限られることなしに、不純物原料Dの供給が開始されたタイミングT1でもよい。
【0087】
つまり、不純物原料Dの供給を開始するタイミング(図6におけるタイミングT1参照)と、不純物原料Eの供給を開始するタイミング(図6におけるタイミングT1’参照)との間の時間Tcdは、0以上時間Tc以内とすることができるものであり、不純物原料Dと不純物原料Eとが同時に供給される期間が生じるようにしてもよい。
【0088】
さらに、不純物原料Dの供給のタイミングに関しては、結晶原料Aおよび結晶原料Bの供給が開始されたタイミングT1と同期することに限られることなしに、結晶原料Aおよび結晶原料Bの供給が開始されたタイミングT1より後でもよい。
【0089】
要は、不純物原料Dと不純物原料Eとは、結晶原料Aおよび結晶原料Bの供給開始と同時あるいはその後であり、かつ、結晶原料Cの供給開始より前において近接したタイミングで供給されるものである。
【0090】
そして、図6に示すタイミングに従って形成される結晶構造は、図7に示すように、タイミングT1からの時間TAの結晶原料Aおよび結晶原料Bの供給によって、基板100上に結晶原料Aおよび結晶原料Bからなる層702が形成される。
【0091】
この際に、不純物原料Dと不純物原料Eとの供給により、結晶原料Aおよび結晶原料Bからなる層702内においては、不純物原料Dと不純物原料Eとがドーピングされて、不純物原料Dと不純物原料Eとによる一種の不純物対(D−E)が形成されるものと考えられる。
【0092】
それから、タイミングT2からの時間TBの結晶原料Cの供給によって、不純物原料Dと不純物原料Eとがドーピングされた結晶原料Aおよび結晶原料Bからなる層702上に、結晶原料Cからなる層704が積層される。
【0093】
さらに、上記した1サイクル(図6参照)が所望の回数繰り返されると、繰り返されたサイクルの回数に応じて、不純物原料Dと不純物原料Eとがドーピングされた結晶原料Aおよび結晶原料Bからなる層702と結晶原料Cからなる層704との積層が繰り返され、所望の厚さWの結晶が形成されることになり、この結晶を半導体材料として用いることができる。
【0094】
なお、上記した第1の手法、第2の手法ならびに第3の手法において、結晶原料Aとしてガリウム(Ga)を用い、結晶原料Bとしてアルミニウム(Al)を用い、結晶原料Cとして窒素(N)を用い、不純物原料Dとしてマグネシウム(Mg)を用い、不純物原料Eとしてシリコン(Si)を用いて、基板上にAlGaN結晶の層を形成する場合には、結晶原料CとしてのNの供給の停止中におけるAlGaN表面からのNの脱離を抑制するために、結晶品質を低下させない程度の少量のNを連続供給することが好ましい。
【0095】
次に、図8乃至図16を参照しながら、上記した第1の手法、第2の手法ならびに第3の手法により、基板上に半導体結晶(半導体材料)としてAlGaN結晶の層を形成する場合について説明することとする。
【0096】
図8には、上記した第1の手法、第2の手法ならびに第3の手法によって半導体材料としてAlGaN結晶の層を形成するための装置として用いることのできる、有機金属化学蒸着(MOCVD:Metalorganic Chemical Vapor Deposition)装置の概略構成説明図が示されている。
【0097】
また、図9には、図8の要部概略構成説明図が示されており、図10には、図8に示す反応管の概略構成説明図が示されており、図11には、第1の手法により半導体結晶としてAlGaNを形成する際に結晶原料を供給するタイミングの一例、即ち、AlGaNを形成する際の原料供給パルスのシーケンスの一例を示すタイミング・チャートが示されており、図12には、第1の手法によって図11に示すAlGaNを形成する際の原料供給パルスのシーケンスにより形成されるAlGaNの結晶構造を模式的に示す説明図が示されており、図13には、第2の手法により半導体材料としてAlGaN結晶を形成する際に結晶原料と不純物原料とを供給するタイミングの一例、即ち、AlGaNを形成する際の原料供給パルスのシーケンスの一例を示すタイミング・チャートが示されており、図14には、第2の手法によって図13に示すAlGaNを形成する際の原料供給パルスのシーケンスにより形成されるAlGaNの結晶構造を模式的に示す説明図が示されており、図15には、第3の手法により半導体材料としてAlGaN結晶を形成する際に結晶原料と不純物原料とを供給するタイミングの一例、即ち、AlGaNを形成する際の原料供給パルスのシーケンスの一例を示すタイミング・チャートが示されており、図16には、第3の手法によって図15に示すAlGaNを形成する際の原料供給パルスのシーケンスにより形成されるAlGaNの結晶構造を模式的に示す説明図が示されている。
【0098】
なお、以下の説明においては、第1の手法によりAlGaNを結晶成長させる際には、結晶原料たるガリウム(Ga)の原料ガスとしてトリメチルガリウム(TMGa)を用い、結晶原料たるアルミニウム(Al)の原料ガスとしてトリメチルアルミニウム(TMAl)を用い、結晶原料たる窒素(N)の原料ガスとしてアンモニア(NH3)を用いるものとする。
【0099】
また、第2の手法により半導体材料としてAlGaN結晶を形成する際には、上記した第1の手法において用いた結晶原料に加えて、ドーピング用の不純物材料(p型不純物原料)たるマグネシウム(Mg)の原料ガスとして、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を用いるものとする。
【0100】
即ち、p型AlGaNの不純物としてのマグネシウム(Mg)原料には、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を用いるものとする。
【0101】
さらに、第3の手法により半導体材料としてAlGaN結晶を形成する際には、上記した第1の手法において用いた結晶原料ならびに上記した第2の手法において用いた不純物原料に加えて、ドーピング用の不純物材料(n型不純物原料)たるシリコン(Si)の原料ガスとして、テトラエチルシラン(TESi)を用いるものとする。
【0102】
即ち、n型AlGaNの不純物としてのシリコン(Si)原料には、テトラエチルシラン(TESi)を用いるものとする。
【0103】
まず、図8に示すMOCVD装置(AlGaN結晶成長用MOCVD装置)10の概要を説明すると、MOCVD装置10は、内部に基板200が配設される横型の反応管12と、トリメチルガリウム(TMGa)を貯留するバブラー14と、トリメチルアルミニウム(TMAl)を貯留するバブラー15と、アンモニア(NH3)ガスを貯留するNH3ボンベ16−1、16−2と、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を貯留するバブラー18と、テトラエチルシラン(TESi)を貯留するバブラー20と、キャリアーガスたる水素(H2)ガスを貯留するH2ボンベ22と、キャリアーガスたる窒素(N2)ガスを貯留するN2ボンベ24と、各種の制御(例えば、後述する各種のガスバルブや減圧弁の開閉の制御、反応管12内に流入される各種のガスの流量を所定の値に設定するための後述する各種のマスフローコントローラーの制御、後述する基板加熱用高周波コイル32への高周波電流の通電の制御による基板200の温度の制御などである。)を行う制御装置26と、反応管12内の排気を行う排気装置としてのロータリーポンプ28と、ロータリーポンプ28による排気を処理する排ガス処理装置30とを有している。
【0104】
ここで、反応管12の外周部位には、基板加熱用高周波コイル32が巻回されている。また、反応管12内部には、基板200を支持するカーボンサセプター34が配設されるとともに、当該カーボンサセプター34に取り付けられる熱電対36が配設されている。
【0105】
即ち、このMOCVD装置10においては、基板加熱用高周波コイル32に高周波電流を通電することによりカーボンサセプター34を加熱し、これにより当該カーボンサセプター34上に配設された基板200を所定の温度に加熱するものである。
【0106】
そして、熱電対36によりカーボンサセプター34の温度をモニターして、このモニターに基づいて、制御装置26により基板加熱用高周波コイル32に通電する高周波電流を制御し、基板200が所定の温度に加熱されるように基板200の温度の制御を行うものである。
【0107】
さらに、反応管12には、当該反応管12内にNH3ボンベ16−1,16−2からNH3ガスを供給するための石英管40と、H2ボンベ22からキャリアーガスとしてH2ガスを供給するための石英管42と、N2ボンベ24からキャリアーガスとしてN2ガスを供給するための石英管43とが配設されている。
【0108】
そして、NH3ボンベ16−1,16−2に貯留されているNH3ガスは、ガスバルブ57,59,60,61がそれぞれ開放されると、それぞれマスフローコントローラー(MFC)50,51によって所定の値に設定されたガス流量で、H2ガスとともに石英管40を介して反応管12内に供給されるようになされている。
【0109】
また、H2ボンベ22に貯留されているH2ガスは、ガスバルブ80ならびに減圧弁81を介して水素純化装置70から送出されて、MFC54,75,55,56によって所定の値の設定されたガス流量で、ガスバルブ67,77,68,69が開放されると、バブラー14,15,18,20へ供給されるようになされている。
【0110】
ここで、バブラー14,15,18,20にはそれぞれ恒温槽72,73,74,76が配設されており、当該バブラー14,15,18,20に貯留されて所定の温度にそれぞれ維持されたTMGa、TMAl、Cp2Mg、TESiは、ガスバルブ64,65,66,91,92が開放されるとともにガスバルブ62が開放されると、MFC52によって所定の値に設定されたガス流量のH2キャリアーガスとともに、石英管42を介して反応管12内にそれぞれ供給されるようになされている。
【0111】
一方、N2ボンベ24に貯留されているN2ガスは、ガスバルブ63が開放されると、MFC53によって所定の値に設定されたガス流量で、石英管43を介して反応管12内に供給されるようになされている。
【0112】
なお、MFC50,51,52,53,54,75,55,56によるガス流量の制御や、ガスバルブ57,59,60,61,62,63,64,65,66,67,77,68,69,80,91,92ならびに減圧弁81の開閉の制御は、制御装置26により行われるものである。
【0113】
以上の構成において、MOCVD装置10において、第1の手法、第2の手法ならびに第3の手法によりAlGaN結晶を形成するためには、反応管12内の圧力(内圧)を76Torr(0.1気圧)に減圧し、流量5slmの水素と流量2slmの窒素とを混合した混合ガスをキャリアーガスとして用いて、このキャリアーガスによって上記した各原料の原料ガスを反応管12に導入し、基板200上で結晶成長を行うものである。
【0114】
なお、基板200としては、サファイア基板(0001)面を使用するものであり、以下、サファイア基板(Sapphire substrate)200として説明する。
【0115】
以下、第1の手法、第2の手法ならびに第3の手法について、それぞれ詳細に説明する。
【0116】
まず、第1の手法について説明すると、結晶成長前にカーボンサセプター34上に配設されるサファイア基板200をクリーニングするために、サファイア基板200を水素ガス中において1200℃で10分間加熱して、サファイア基板200の表面の酸化膜を除去するなどのクリーニングを行う。
【0117】
次に、カーボンサセプター34上に配設されるサファイア基板200には、公知の技術により、600℃でAlN低温バッファー層(LT−AlN buffer)202を3分間堆積させたのち、1130℃に昇温し、公知の技術による結晶原料の連続供給によって不純物原料であるマグネシウムならびにシリコンがドープされていないノンドープのAlGaNバッファー層(AlGaN buffer)204を成長させる(図12参照)。
【0118】
こうして形成したAlGaNバッファー層204上に、第1の手法により結晶原料を交互供給してAlGaNの結晶成長を行った(図12参照)。
【0119】
具体的には、反応管12内の圧力(内圧)を76Torr(0.1気圧)に減圧し、カーボンサセプター34上に配設されたサファイア基板200の温度を1100℃に加熱する。
【0120】
また、制御装置26によりMFC50,51,52,53を制御し、NH3ボンベ16−1から供給されるNH3ガスの流量を1リッター/分(L/min)に制御し、NH3ボンベ16−2から供給されるNH3ガスの流量を50cc/分(cc/min)に制御し、H2ボンベ22から供給されるH2ガスの流量を2〜5リッター/分に制御し、N2ボンベ24から供給されるN2ガスの流量を1〜3リッター/分に制御する。
【0121】
即ち、反応管12内におけるサファイア基板200上での原料ガス(結晶原料としてGaを供給するTMGaガス、結晶原料としてAlを供給するTMAlガスならびに結晶原料としてNを供給するNH3ガス)の切り換え時間を0.1秒以下とするために、反応管12内の内圧を0.1気圧に減圧しており、また、各種の原料ガスの流速は数m/秒とすることが好ましい。
【0122】
なお、高温下においてNH3ボンベ16−1からのNH3ガスの供給を停止している間に、形成されたAlGaN結晶から窒素原子が再蒸発し、形成された結晶の品質の低下を防ぐために、NH3ボンベ16−2から少流量(50cc/分)のNH3ガスを連続的に供給するものとする。
【0123】
そして、図11に示すようにして、TMGaおよびTMAlの供給とNH3の供給とを2秒(sec)間ずつ交互に行い、AlGaN結晶の形成を行う。なお、制御装置26によりMFC58,77を制御し、バブラー18から供給されるTMGaの流量を1×10−5モル/分(mol/min)に制御し、バブラー15から供給されるTMAlの流量を1×10−6モル/分(mol/min)に制御する。
【0124】
より詳細には、まず、タイミングT1においてTMGaとTMAlとの供給を開始する。
【0125】
そして、TMGaおよびTMAlを2秒間(時間TA)供給して、タイミングT2においてTMGaおよびTMAlの供給を終了する。
【0126】
それから、TMGaおよびTMAlの供給を終了するタイミングT2の直後にNH3ボンベ16−1からNH3の供給を開始し、NH3を2秒間(時間TB)供給して、タイミングT3においてNH3の供給を終了する。
【0127】
上記により1サイクルの処理を終了し、このタイミングT3をタイミングT1として次のサイクルを開始するものである。
【0128】
こうしたサイクルを所望の回数だけ繰り返すことにより、半導体材料として所望の膜厚のAlGaN結晶を得ることができるものである。
【0129】
そして、図11に示すタイミングに従って形成されるAlGaN結晶の構造は、図12に示すように、タイミングT1からの2秒間(時間TA)のTMGaおよびTMAlの供給によって、サファイア基板200に形成されたAlGaNバッファー層204上にGaおよびAlからなる層206が形成される。
【0130】
それから、タイミングT2からの(時間TB)のNH3の供給によって、GaおよびAlからなる層206上に、Nからなる層208が積層される。
【0131】
そして、上記したようにしてTMGa、TMAlならびにNH3の供給が行われる1サイクル(図11参照)は4秒間になり、当該1サイクルが所望の回数繰り返されると、繰り返されたサイクルの回数に応じて、GaおよびAlからなる層206とNからなる層208との積層が繰り返され、所望の厚さWのAlGaN結晶の形成がなされることになり、このAlGaN結晶を半導体材料として用いることができる。
【0132】
なお、上記した第1の手法によりAlGaN結晶を形成する際には、ガスバルブ65,66,68,69を除くガスバルブは開放しておくが、ガスバルブ65,66,68,69は閉鎖して、反応室12へのCp2MgならびにTESiの供給を停止する。
【0133】
図17には、図8乃至図11に示す装置構成ならびに条件(第1の手法)により本願発明者が作成したAlGaN結晶の評価結果が示されている。評価手法としては、上記のようにして本願発明者が作成したAlGaN結晶(Al組成0.5)を光励起によって発光させ、その発光スペクトルを測定し結晶性を評価した。
【0134】
図17は、77Kの温度で測定した発光スペクトルであり、実線は第1の手法による結晶原料の交互供給で結晶成長させたAlGaNの発光スペクトルを示し、破線は従来の技術による結晶原料の連続供給で結晶成長させたAlGaNの発光スペクトルを示している。
【0135】
従来より公知の結晶原料の連続供給で作成したAlGaNと比較すると、第1の手法による結晶原料の交互供給で作成したAlGaNからの発光強度は2倍大きく、スペクトル幅は狭い。この結果は、第1の手法により作成した結晶原料の交互供給によるAlGaNの結晶品質は、従来より公知の結晶原料の連続供給で作成した結晶よりも優れていることを示している。
【0136】
また、第1の手法を用いて結晶原料を交互に供給してGaNを結晶成長させる場合と比較すると、第1の手法を用いて結晶原料を交互に供給してAlGaNを結晶成長させる場合には、GaNよりも比較的良好な結晶が得られた。即ち、AlGaNの結晶成長の場合は、AlとNとの結合力がGaに比べて大きいためにAlGaN結晶からの窒素の脱離が抑えられる。従って、結晶原料の交互供給でNH3の供給を短時間停止しても窒素の脱離による結晶品質の低下はGaNと比較して少ないと考えられる。
【0137】
しかしながら、NH3の供給停止中でのAlGaN表面からの窒素の脱離を抑制するために、結晶品質を低下させない程度の少量(50sccm)のNH3を連続供給することが好ましい。
【0138】
次に、第2の手法について説明するが、結晶原料としてTMGaおよびTMAlの供給とNH3の供給とを2秒間ずつ交互に行いAlGaN結晶の形成を行う点については、上記した第1の手法と同様であるのでその処理に関する説明は省略するものとし、上記した第1の手法と異なる点について説明する。
【0139】
なお、第2の手法によりAlGaN結晶を形成する際には、ガスバルブ66,69は閉鎖して、反応室12へのTESiの供給を停止するが、ガスバルブ65,68は開放して、反応室12へのCp2Mgの供給を許容する。Cp2Mgの流量は、MFC55により3.2×10−8モル/分(mol/min)に制御する。
【0140】
即ち、第2の手法においては、図13に示すようにして、TMGaおよびTMAlの供給とNH3の供給とを2秒間ずつ交互に行い、AlGaN結晶の形成を行う。この際に、p型不純物原料のCp2MgをTMGaおよびTMAlと同じ時間に供給する。
【0141】
より詳細には、まず、タイミングT1においてTMGa、TMAlおよびCp2Mgの供給を開始する。
【0142】
そして、TMGaおよびTMAlを2秒間(時間TA)供給するとともに、Cp2Mgを時間TAに等しい2秒間(時間TC)供給して、タイミングT2においてTMGa、TMAlおよびCp2Mgの供給を終了する。
【0143】
それから、タイミングT2の直後にNH3の供給を開始し、NH3を2秒間(時間TB)供給して、タイミングT3においてNH3の供給を終了する。
【0144】
上記により1サイクルの処理を終了し、このタイミングT3をタイミングT1として次のサイクルを開始するものである。
【0145】
こうしたサイクルを所望の回数だけ繰り返すことにより、半導体材料として所望の膜厚のAlGaN結晶を得ることができるものである。
【0146】
そして、図13に示すタイミングに従って形成されるAlGaN結晶の構造は、図14に示すように、タイミングT1からの2秒間(時間TA)のTMGaおよびTMAlの供給によって、サファイア基板200に形成されたAlGaNバッファー層204上にGaおよびAlからなる層1406が形成される。
【0147】
この際に、p型不純物原料たるCp2MgのMgの供給により、GaおよびAlからなる層1406内においては、p型不純物原料たるMgがドープされる。
【0148】
それから、タイミングT2からの(時間TB)のNH3の供給によって、MgがドープされたGaおよびAlからなる層1406上に、Nからなる層1408が積層される。
【0149】
そして、上記したようにしてTMGa、TMAl、NH3ならびにCp2Mgの供給が行われる1サイクル(図13参照)は4秒間になり、当該1サイクルが所望の回数繰り返されると、繰り返されたサイクルの回数に応じて、MgがドープされたGaおよびAlからなる層1406とNからなる層1408との積層が繰り返され、所望の厚さWのAlGaN結晶の形成がなされることになり、このAlGaN結晶を半導体材料として用いることができる。
【0150】
図18には、図8乃至図10ならびに図13に示す装置構成ならびに条件(第2の手法)により本願発明者が作成したAlGaN結晶の評価結果が示されている。
【0151】
即ち、図18は、MgをドープしたAlGaNの正孔濃度を20℃〜400℃の温度範囲で示したものである。
【0152】
ここで、図18の(1)は第2の手法による原料の交互供給により結晶成長させた場合の正孔濃度の温度依存性を示したものであり、図18の(2)は従来の技術による原料の連続供給で結晶成長させた場合の正孔濃度の温度依存性を示したものである。
【0153】
室温近傍での正孔濃度については、第2の手法による原料の交互供給により結晶成長させたAlGaNの正孔濃度は4×1018cm−3であり、従来の技術による原料の連続供給で結晶成長させたAlGaNの正孔濃度である2.5×1017cm−3と比較して約16倍大きい。
【0154】
また、室温近傍での正孔移動度を比較した場合には、第2の手法による原料の交互供給により結晶成長させたAlGaNでの正孔移動度は1.5cm2V−1s−1であり、従来の技術による原料の連続供給で結晶成長させたAlGaNの正孔移動度である0.5cm2V−1s−1と比較して3倍大きい。
【0155】
従って、正孔濃度と正孔移動度との積である電気伝導度については、第2の手法による原料の交互供給により結晶成長させたAlGaNは、従来の技術による原料の連続供給で結晶成長させたAlGaNと比較すると約48倍も大きい。
【0156】
また、図18に示す正孔濃度の温度変化からMgアクセプターの活性化エネルギーが求められ、第2の手法による原料の交互供給により結晶成長させたAlGaNの活性化エネルギーを求めると75meVであった。
【0157】
一方、従来の技術による原料の連続供給で結晶成長させたAlGaNに関しては、Mgの活性化エネルギーは410meVと求められ、この410meVは従来より知られた値とほぼ一致する。
【0158】
AlGaN中のMgをSIMS分析で測定した結果、第2の手法による原料の交互供給により結晶成長させたAlGaNではMg密度は約5×1018cm−3であり、従来の技術による原料の連続供給で結晶成長させたAlGaNと比較して1桁程度Mg密度は小さい。しかしながら、Mgの活性化エネルギーが小さいため、導入されたMgの大部分が活性化され、高い正孔濃度が得られる。
【0159】
なお、GaNにMgをドープする場合にはNH3を連続供給し、TMGおよびCp2Mgをパルス的に供給してMgのドーピングが可能であったが、AlGaNにMgをドープする場合には、NH3の供給停止中でCp2Mgを供給するという第2の手法による原料の交互供給が有効である。
【0160】
次に、第3の手法について説明するが、第3の手法によりAlGaN結晶を形成する際には、ガスバルブ65,66,68,69を開放して、反応室12へのCp2MgならびにTESiの供給を許容する。Cp2Mgの流量は、MFC55により3.2×10−8モル/分(mol/min)に制御し、TESiの流量は、MFC56により7×10−9モル/分(mol/min)に制御する。
【0161】
この第3の手法においても、第1の手法と同様にTMGaおよびTMAlの供給とNH3の供給とを交互に行うものであるが、具体的には、図15に示すようにして、3秒間のTMGaおよびTMAlの供給と2秒間のNH3の供給とを交互に行い、AlGaN結晶の形成を行う。この際に、p型不純物原料のCp2MgをTMGaおよびTMAlと同じ時間に供給開始して2秒間だけ供給し、n型不純物原料のTESiはCp2Mgの供給後に1秒間だけ供給する。
【0162】
より詳細には、まず、タイミングT1においてTMGa、TMAlおよびCp2Mgの供給を開始する。
【0163】
そして、TMGaおよびTMAlを3秒間(時間TA)供給するとともに、Cp2Mgを時間TAより短い2秒間(時間TC)供給する。そして、タイミングT1’においてCp2Mgの供給を終了する。
【0164】
それから、Cp2Mgの供給を終了するタイミングT1’の直後にTESiの供給を開始し、TESiを1秒間(時間tD)供給して、タイミングT2においてTESiの供給ならびにTMGaおよびTMAlの供給を終了する。
【0165】
また、タイミングT2の直後にNH3の供給を開始し、NH3を2秒間(時間tB)供給して、タイミングT3においてNH3の供給を終了する。
【0166】
上記により1サイクルの処理を終了し、このタイミングT3をタイミングT1として次のサイクルを開始するものである。
【0167】
こうしたサイクルを所望の回数だけ繰り返すことにより、半導体材料として所望の膜厚のAlGaN結晶を得ることができるものである。
【0168】
そして、図15に示すタイミングに従って形成されるAlGaN結晶の構造は、図16に示すように、タイミングT1からの2秒間(所定時間tA)のTMGaおよびTMAlの供給によって、サファイア基板200に形成されたAlGaNバッファー層206上にGaおよびAlからなる層1606が形成される。
【0169】
この際に、p型不純物原料たるCp2MgのMgとn型不純物原料たるTESiのSiとの供給により、GaおよびAlからなる層1606内においてはMgとSiとがドーピングされて、p型不純物原料たるMgとn型不純物原料たるSiとによる一種の不純物対(Mg−Si)が形成される。
【0170】
それから、タイミングT2からの(時間tB)のNH3の供給によって、MgとSiとがドーピングされたGaおよびAlからなる層1606上に、Nからなる層1608が積層される。
【0171】
そして、上記したようにしてTMGa、TMAL、NH3、Cp2MgならびにTESiの供給が行われる1サイクル(図15参照)は5秒間になり、当該1サイクルが所望の回数繰り返されると、繰り返されたサイクルの回数に応じて、MgとSiとがドーピングされたGaおよびAlからなる層1606とNからなる層1608との積層が繰り返され、所望の厚さWのAlGaN結晶の形成がなされることになり、このAlGaN結晶を半導体材料として用いることができる。
【0172】
より詳細には、上記したようにして結晶原料たるGaの原料ガスTMGaおよび結晶原料たるAlの原料ガスTMAlの供給開始と同時あるいは後で、かつ、結晶原料たるNの原料ガスNH3の供給開始より前に、p型不純物原料たるMgの原料ガスCp2Mgとn型不純物原料たるSiの原料ガスTESiとを近接したタイミングでパスル状に供給すると、MgとSiとがドーピングされたGaおよびAlからなる層1606内には、MgとSiとが無秩序に取り込まれることなしに、適当な比率でドーピングされることになる。
【0173】
このため、MgとSiとがドーピングされたGaおよびAlからなる層1606内におけるMgとSiとの位置が制御されて、MgとSiとがドーピングされたGaおよびAlからなる層1606内にMgとSiとが所定の比率で近接して配置されてMgとSiとが一種の不純物対を形成するようになり、不純物のエネルギー準位、即ち、活性化エネルギーが減少することになる。
【0174】
その結果としてAlGaN結晶においてはキャリアー濃度が増加し、伝導度が大きな半導体材料を得ることができる。
【0175】
図19乃至図10には、図8乃至図10ならびに図15に示す装置構成ならびに条件(第3の手法)により本願発明者が作成したAlGaN結晶の評価結果が示されている。
【0176】
即ち、図19は、MgとSiとをドープしたp型AlGaNの正孔濃度を20℃〜400℃の温度範囲で示したものである。
【0177】
ここで、図19の(1)は第3の手法による原料の交互供給により結晶成長させた場合の正孔濃度の温度依存性を示したものであり、この温度変化からアクセプターの活性化エネルギーは50meVと求められた。
【0178】
一方、図19の(2)は従来の技術による原料の連続供給で結晶成長させたMgドープのAlGaNの正孔濃度の温度依存性を示したものであり、この温度変化からMgアクセプターの活性化エネルギーは410meVと求められた。
【0179】
このように、第3の手法によりMgとSiとを同時にドープしたAlGaNのアクセプターの活性化エネルギーは、従来の技術による原料の連続供給により作成したMgドープのAlGaNのアクセプターの活性化エネルギーと比較して極めて小さい。即ち、第3の手法によりMgとSiとを同時にドープしたAlGaNにおいては、Mgのみをドープした場合と比較しても活性化エネルギーは小さくなった。
【0180】
また、図20は、Cp2Mgの供給量を3.2×10−8モル/分(mol/min)と一定にし、TESiの供給量を変化させた場合のAlGaNの室温でのキャリアー密度を示したものである。TESiの供給量が0であってMgのみを含むp型AlGaNの正孔濃度は4.2×1018cm−3であり、移動度は2.4cm2V−1s−1であった。TESiを供給することによって正孔濃度は少し減少するが、さらにTESi供給量を増加させると正孔濃度は増加し、6.3×1018cm−3の最大値を持ち、移動度は1.0cm2V−1s−1を示した。
【0181】
ここで、TESi供給量をさらに増加させると、p型AlGaNの正孔濃度は減少した。即ち、8×10−9モル/分(mol/min)以上のTESi供給量では、黒丸で示したようにn型AlGaNに変化し、電子密度は8×1017cm−3であり、移動度は31cm2V−1s−1であった。TESi供給量が9×10−9モル/分(mol/min)では、電子密度は6.7×1018cm−3であり、移動度は1.5cm2V−1s−1であった。
【0182】
Siドープのみのn型AlGaNの電子密度は4.2×1018cm−3であり、移動度は9.7cm2V−1s−1であったことから、MgとSiとの混在するn型AlGaNでは移動度の低下が見られた。
【0183】
このようにMgに加えてSiを同時ドーピングすることによって、TESi供給量の狭い範囲で正孔濃度の増加が見られた。
【0184】
上記したように、第1の手法、第2の手法ならびに第3の手法においては、上記したようにして伝導度の大きな半導体結晶(半導体材料)、特に、高密度の正孔を有した伝導度の大きなp型半導体材料を作成できるので、高効率なpn接合を実現することが可能となり、半導体デバイスの特性の向上、例えば、pn接合の注入効率の増加や、電極の接触抵抗の減少、直列抵抗の減少などに寄与することができる。
【0185】
また、第2の手法ならびに第3の手法においては、禁制帯中の不純物準位が深く活性化エネルギーが大きいp型半導体材料であっても、活性化エネルギーの減少が図られて、高密度の正孔を有した伝導度の大きなp型半導体材料を作成することができる。
【0186】
さらに、第3の手法においては、複数種類の結晶原料を交互にパルス状に供給するときに、一方の結晶原料の供給開始と同時あるいはその後で、かつ、他方の結晶原料の供給開始より前において、複数種類の不純物原料それぞれを近接したタイミングでパルス状に供給するようにしたので、結晶原料により基板上に形成される結晶の原子層内に複数種類の不純物が無秩序に取り込まれるなく適当な比率でドーピングされ、p型不純物原料とn型不純物原料とを用いた場合においても、キャリアー濃度が増加されて、伝導度の大きな半導体材料を作成することができるようになる。
【0187】
さらにまた、第3の手法においては、複数種類の不純物原料を連続的に供給することなしに近接したタイミングでパルス状に供給するようにしたので、それぞれの不純物原料が結晶原料により基板上に形成される結晶の原子層内に取り込まれる量を制御することができるようになり、適当な比率で不純物が原子層内にドーピングされてキャリアー濃度の増加した半導体材料を得ることができるようになる。
【0188】
このため、第3の手法によれば、2種類の不純物を適当な比率で供給することにより不純物準位を変化させ活性化率の増加を招来するという理論の実現を図ることができる。
【0189】
なお、上記した実施の形態は、以下の(1)乃至(4)に説明するように変形することができる。
【0190】
(1)上記した実施の形態においては、AlGaN結晶を形成する場合について説明したが、これに限られるものではないことは勿論であり、上記したMOCVD装置10、あるいは、他の結晶成長装置を用いて、第1の手法、第2の手法あるいは第3の手法によりInGaN結晶やInAlGaN結晶あるいはGaN結晶などの各種結晶を形成して半導体材料を作成するようにしてもよい。
【0191】
この際に、例えば、InGaN結晶を形成する場合には、バブラー15に貯留されたTMAlに代えてTMInを用いればよく、また、InAlGaN結晶を形成する場合には、バブラー15と同様なTMInを貯留したバブラーを増設すればよく、また、GaN結晶を形成する場合には、Alの供給を停止すればよいなどのように、適宜に各種条件の変更を行えばよい。
【0192】
(2)上記した実施の形態においては、結晶原料AとしてGaを用い、結晶原料BとしてAlを用い、結晶原料CとしてNを用い、不純物原料DとしてMgを用い、不純物原料EとしてSiを用いるようにした場合について説明したが、これに限られるものではないことは、上記した通りである。
【0193】
例えば、結晶原料Aとしては、Gaの他に、Al、In、B、Zn、CdなどのIII族元素およびII族元素を用いることができ、結晶原料Bとしては、Alの他に、Ga、In、B、Zn、CdなどのIII族元素およびII族元素を用いることができ、結晶原料Cとしては、Nの他に、As、P、S、Se、TeなどのV族元素およびVI族元素を用いることができ、不純物原料Dとしては、Mgの他にBeを用いることができ、不純物原料Eとしては、Siの他にOを用いることができる。
【0194】
さらにまた、結晶原料A、結晶原料Bならびに結晶原料Cについてはそれぞれ、1種類の材料に限られることなしに、2種類以上の物質を用いることができ、例えば、結晶原料A、結晶原料A’、結晶原料B、結晶原料B’、結晶原料Cならびに結晶原料C’からなる混晶を形成する場合においても、適宜に変更を行うことにより本発明により半導体結晶を作成することができる。
【0195】
なお、結晶原料AとしてIII族元素を用いた場合には、結晶原料BとしてIII族元素を用いるとともに、結晶原料CとしてV族元素を用い、また、結晶原料AとしてII族元素を用いた場合には、結晶原料BとしてII族元素を用いるとともに、結晶原料CとしてVI族元素を用いることが好ましい。
【0196】
(3)上記した実施の形態においては、p型不純物原料D(Cp2Mg)の供給が終了したタイミングT1’の直後に、n型不純物原料E(TESi)の供給が開始されるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、p型不純物原料D(Cp2Mg)の供給が終了した後に、所定のパージ時間を介してn型不純物原料E(TESi)の供給が開始されるようにしてもよい。
【0197】
また、n型不純物原料E(TESi)の供給が終了したタイミングT2の直後に、結晶原料C(NH3)の供給が開始されるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、n型不純物原料E(TESi)の供給が終了したタイミングT2の後に、所定のパージ時間を介して結晶原料C(NH3)の供給が開始されるようにしてもよい。
【0198】
(4)上記した実施の形態ならびに上記(1)乃至(3)に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
【0200】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、正孔濃度の高い伝導度の大きなp型半導体材料を作成することができるようになるという優れた効果を奏する。
【0201】
また、本発明は、以上説明したように構成されているので、p型不純物原料とn型不純物原料とを結晶層にドーピングする場合においても、キャリアー濃度が増加するようにして、伝導度の大きな半導体材料を作成することができるようになるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 半導体の結晶成長方法ならびに本発明による半導体の不純物ドーピング方法を実現する結晶成長装置を示す要部概略構成説明図である。
【図2】 半導体の結晶成長方法により結晶原料が供給されるタイミングの一例、即ち、原料供給パルスのシーケンスの一例を示すタイミング・チャートである。
【図3】 半導体の結晶成長方法により形成される半導体結晶の結晶構造を模式的に示す説明図である。
【図4】本発明による半導体の不純物ドーピング方法により結晶原料と不純物原料とが供給されるタイミングの一例、即ち、原料供給パルスのシーケンスの一例を示すタイミング・チャートである。
【図5】本発明による半導体の不純物ドーピング方法により形成される半導体材料の結晶構造を模式的に示す説明図である。
【図6】本発明による半導体の不純物ドーピング方法により結晶原料と不純物原料とが供給されるタイミングの一例、即ち、原料供給パルスのシーケンスの一例を示すタイミング・チャートである。
【図7】本発明による半導体の不純物ドーピング方法により形成される半導体材料の結晶構造を模式的に示す説明図である。
【図8】第1の手法、第2の手法ならびに第3の手法によって半導体材料としてAlGaN結晶の層を形成するための装置として用いることのできる、有機金属化学蒸着(MOCVD:Metalorganic Chemical Vapor Deposition)装置の概略構成説明図である。
【図9】図8の要部概略構成説明図である。
【図10】図8の反応管を示す概略構成説明図である。
【図11】第1の手法により半導体結晶としてAlGaNを形成する際に結晶原料を供給するタイミングの一例、即ち、AlGaNを形成する際の原料供給パルスのシーケンスの一例を示すタイミング・チャートである。
【図12】第1の手法によって図11に示すAlGaNを形成する際の原料供給パルスのシーケンスにより形成されるAlGaNの結晶構造を模式的に示す説明図である。
【図13】第2の手法により半導体材料としてAlGaN結晶を形成する際に結晶原料と不純物原料とを供給するタイミングの一例、即ち、AlGaNを形成する際の原料供給パルスのシーケンスの一例を示すタイミング・チャートである。
【図14】第2の手法によって図13に示すAlGaNを形成する際の原料供給パルスのシーケンスにより形成されるAlGaNの結晶構造を模式的に示す説明図である。
【図15】第3の手法により半導体材料としてAlGaN結晶を形成する際に結晶原料と不純物原料とを供給するタイミングの一例、即ち、AlGaNを形成する際の原料供給パルスのシーケンスの一例を示すタイミング・チャートである。
【図16】第3の手法によって図15に示すAlGaNを形成する際の原料供給パルスのシーケンスにより形成されるAlGaNの結晶構造を模式的に示す説明図である。
【図17】図8乃至図11に示す装置構成ならびに条件(第1の手法)により本願発明者が作成したAlGaN結晶の評価結果を示すグラフであり、第1の手法により作成したAlGaNと従来の技術により作成したAlGaNとのフォトルミネッセンススペクトルを示すグラフである。
【図18】図8乃至図10ならびに図13に示す装置構成ならびに条件(第2の手法)により本願発明者が作成したAlGaN結晶の評価結果を示すグラフであり、第2の手法により作成したMgをドープしたAlGaNと従来の技術により作成したMgをドープしたAlGaNとの正孔濃度の温度依存性を示すグラフである。
【図19】図8乃至図10ならびに図15に示す装置構成ならびに条件(第3の手法)により本願発明者が作成したAlGaN結晶の評価結果を示すグラフであり、第3の手法により作成したMgとSiとをドープしたAlGaNと従来の技術により作成したMgをドープしたAlGaNとの正孔濃度の温度依存性を示すグラフである。
【図20】MgとSiとをドープしたAlGaNの正孔濃度のSi供給量依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
10 MOCVD装置
12 反応管
14,15,18,20 バブラー
16−1、16−2 NH3ボンベ
22 H2ボンベ
24 N2ボンベ
26 制御装置
28 排気装置
30 排ガス処理装置
32 基板加熱用高周波コイル
34 カーボンサセプター
36 熱電対
40,42,43 石英管
50,51,52,53,54,55,56,75 MFC
57,59,60,61,62,63,64,65,66,67,68,69,77,80,91,92 ガスバルブ
70 水素純化装置
72,73,74,76 恒温槽
81 減圧弁
100 基板
102 結晶原料Aおよび結晶原料Bからなる層
104 結晶原料Cからなる層
200 基板(サファイア基板)
202 AlN低温バッファー層(LT−AlN buffer)
204 AlGaNバッファー層(AlGaN buffer)
206 GaおよびAlからなる層
208 Nからなる層
502 不純物原料Dがドーピングされた結晶原料Aおよび結晶原料Bからなる層
504 結晶原料Cからなる層
702 不純物原料Dと不純物原料Eとがドーピングされた結晶原料Aおよび結晶原料Bからなる層
704 結晶原料Cからなる層
1406 MgがドープされたGaおよびAlからなる層
1408 Nからなる層
1606 MgとSiとがドーピングされたGaおよびAlからなる層
1608 Nからなる層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor impurity doping method and apparatus, and more particularly, to a semiconductor impurity doping method and apparatus suitable for use in producing a semiconductor material having high conductivity.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, when a semiconductor material is produced, a plurality of types of crystal raw materials and a plurality of types of impurity raw materials are used in a predetermined crystal growth apparatus etc. A semiconductor impurity doping method is known in which impurities are doped into a crystal layer formed on a substrate by a raw material.
[0003]
By the way, in this conventional semiconductor impurity doping method, the plurality of types of crystal raw materials and the plurality of types of impurity raw materials are continuously supplied, so that the crystal atomic layer formed on the substrate by the crystal raw materials. A plurality of types of impurities are randomly taken into the inside.
[0004]
For this reason, when the plurality of types of impurity materials are a p-type impurity material and an n-type impurity material, respectively, the p-type impurity material and the n-type impurity material cancel each other (compensation effect), and the carrier The concentration is a difference in concentration between the p-type impurity material and the n-type impurity material, and there is a problem that the carrier concentration of the semiconductor material to be produced is reduced and the conductivity is reduced.
[0005]
In addition, when a p-type semiconductor material is produced by continuously supplying a plurality of types of crystal raw materials and a plurality of types of impurity raw materials by a conventional semiconductor impurity doping method, the p-type semiconductor material is in a forbidden band. Since the impurity level is deep and the activation energy is large, there is a problem in that high density holes cannot be obtained and the conductivity becomes low.
[0006]
In view of these problems, even when the p-type impurity material and the n-type impurity material are doped in the crystal layer, a semiconductor material having a high conductivity can be formed by increasing the carrier concentration. Semiconductor impurity doping method and apparatus therefor, semiconductor impurity doping method and apparatus capable of producing a high-conductivity p-type semiconductor material having high-density holes, and high conductivity A semiconductor material has been proposed by the present inventor (see Patent Document 1).
[0007]
[Patent Document 1]
JP 2002-75879 A
By the way, in recent years, in order to produce optical devices and electronic devices in the ultraviolet wavelength region, development of p-type AlGaN having high conductivity and high conductivity is required. In particular, a p-type AlGaN high-conductivity material having a high Al composition ratio was indispensable for the production of light-emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs) in the ultraviolet region.
[0008]
However, conventionally, it has been extremely difficult to produce a p-type crystal having high conductivity with AlGaN having a high Al composition ratio.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the problems of the prior art as described above.An object of the present invention is to provide a semiconductor impurity doping method and apparatus capable of producing a p-type semiconductor material having a high hole concentration and high conductivity.
[0011]
Another object of the present invention is to produce a semiconductor material having high conductivity so that the carrier concentration is increased even when the p-type impurity material and the n-type impurity material are doped into the crystal layer. It is an object of the present invention to provide a semiconductor impurity doping method and apparatus capable of achieving the above.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the present invention, when a semiconductor crystal is grown, a plurality of types of crystal raw materials are alternately supplied in a pulse shape to perform the crystal growth.
[0014]
For example, when AlGaN is grown by using a metalorganic chemical vapor phase epitaxy (MOVPE) method, a group III element of Al and Ga and a group V element of N are pulsed as crystal raw materials. AlGaN crystals are grown by alternately supplying them.
[0015]
Further, in the present invention, when doping impurities into a semiconductor, crystal growth is performed by alternately supplying a plurality of types of crystal raw materials in a pulsed manner, and the impurity raw materials are supplied in a pulsed manner by controlling the timing. Thus, the semiconductor is doped with impurities.
[0016]
Here, the impurity source for doping the semiconductor may be a single impurity source or a plurality of types of impurity sources. In the case of a single impurity source, either a p-type impurity source or an n-type impurity source may be used. In the case of a plurality of types of impurity sources, both the p-type impurity source and the n-type impurity source are used. There may be.
[0017]
For example, when Mg and Si are doped as impurity raw materials while growing AlGaN using the MOVPE method, Group III elements of Al and Ga and Group V elements of N are alternately supplied in a pulse manner as crystal raw materials. In addition to crystal growth of AlGaN, impurity raw materials Mg and Si are also supplied with pulse timing controlled to perform impurity doping in AlGaN.
[0018]
That is, the invention according to
[0019]
The invention according to
[0020]
The invention according to
[0040]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a semiconductor impurity doping method and apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description and the drawings, the same or corresponding configurations and contents are indicated by the same reference numerals.
[0041]
FIG. 1 shows a semiconductor crystal growth method andAccording to the inventionFIG. 2 is a schematic configuration explanatory view of a main part of a crystal growth apparatus that realizes a semiconductor impurity doping method. FIG. 2 shows an example of timing at which a crystal material is supplied by a semiconductor crystal growth method, that is, a material supply pulse. FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing a crystal structure of a semiconductor crystal formed by a semiconductor crystal growth method. FIG. 4 and FIG. FIG. 6 is a timing chart showing an example of the timing at which the crystal material and the impurity material are supplied by the semiconductor impurity doping method according to the present invention, that is, an example of the sequence of the material supply pulse. FIG. 7 is an explanatory diagram schematically showing the crystal structure of the semiconductor material formed by the semiconductor impurity doping method according to the present invention. To have.
[0042]
In the following description, as the crystal raw material A, for example, a group III element and a group II element such as Al, Ga, In, B, Zn, Cd can be used. As the crystal raw material B, for example, Al , Ga, In, B, Zn, Cd and other Group III elements and Group II elements can be used. Examples of the crystal raw material C include group V elements such as N, As, P, S, Se, Te, and the like. Group VI elements can be used. For example, Mg, Be, Si, O or the like can be used as the impurity raw material D. For example, Mg, Be, Si, O or the like can be used as the impurity raw material E. Can do.
[0043]
However, the crystal raw material A, the crystal raw material B, and the crystal raw material C are different from each other. Further, the crystal raw material A, the crystal raw material B, and the crystal raw material C are not limited to one kind of element, and two or more kinds of elements can be used.
[0044]
When a group III element is used as the crystal material A and the crystal material B, a group V element is preferably used as the crystal material C, and a group II element is used as the crystal material A and the crystal material B. In this case, it is preferable to use a group VI element as the crystal raw material C.
[0045]
The impurity source D and the impurity source E use different elements, one of them is a p-type impurity source for forming a p-type semiconductor, and the other is for forming an n-type semiconductor. An n-type impurity material is used.
[0046]
First, in order to facilitate understanding of a semiconductor crystal growth method (hereinafter referred to as “first method” where appropriate), a reaction tube of a crystal growth apparatus having a substrate disposed therein will be described. (For example, composed of quartz glass), each of the crystal materials is supplied in a pulsed manner at a predetermined timing via a tube (for example, composed of quartz glass), and the supplied crystal materials react. In this case, a crystal structure is formed on the substrate by reacting in the tube (see FIG. 1. Note that when only the first method is performed, the impurity raw material D and the impurity raw material E are not supplied. The configuration relating to the supply of the impurity raw material D and the impurity raw material E may be deleted from the configuration shown in FIG.
[0047]
More specifically, when crystal formation is performed using the crystal raw material A, the crystal raw material B, and the crystal raw material C by the first method, all of the crystal raw material A, the crystal raw material B, and the crystal raw material C are continuously supplied. In this case, the supply is performed for a predetermined time, and the supply is stopped and supplied in a pulse shape except for the predetermined time.
[0048]
The crystal raw material A and the crystal raw material B are supplied at the same time, but the crystal raw material C is not supplied at the same time as the crystal raw material A and the crystal raw material B.
[0049]
FIG. 2 shows a timing chart showing an example of the first technique. In this timing chart, the crystal raw material A and the crystal raw material B are set to a predetermined time T.AJust after that, the crystal raw material C is supplied immediately after that for a predetermined time T.BThis cycle is repeated with this as one cycle. That is, the supply of the crystal material A and the crystal material B and the supply of the crystal material C are time TA, TBTherefore, the supply of the crystal raw material A and the crystal raw material B and the supply of the crystal raw material C are not performed at the same timing.
[0050]
Specifically, the supply of the crystal raw material A and the crystal raw material B is started at the timing T1.
[0051]
Then, the crystal raw material A and the crystal raw material B are changed to a time TAOnly at the timing T2, the supply of the crystal raw material A and the crystal raw material B is completed.
[0052]
Then, immediately after the timing T2 at which the supply of the crystal raw material A and the crystal raw material B is finished, the supply of the crystal raw material C is started,BOnly at the timing T3, the supply of the crystal raw material C is finished.
[0053]
One cycle of processing is completed as described above, and the next cycle is started with this timing T3 as timing T1.
[0054]
By repeating such a cycle a desired number of times, a crystal having a desired film thickness can be obtained as a semiconductor crystal.
[0055]
That is, as described above, the crystal raw material A, the crystal raw material B, and the crystal raw material C are all supplied once, that is, by repeating one cycle from timing T1 to timing T3 as one cycle. A crystal having a desired thickness is formed.
[0056]
Note that the supply timing of the crystal raw material C is not limited to immediately after the timing T2 when the supply of the crystal raw material A and the crystal raw material B is completed, and even after a predetermined time has elapsed after the arrival of the timing T2. Good.
[0057]
The crystal structure formed according to the timing shown in FIG. 2 has a time T from timing T1, as shown in FIG.ABy supplying the crystal raw material A and the crystal raw material B, a
[0058]
Then, time T from timing T2BBy supplying the crystal raw material C, the
[0059]
Further, when the above-described one cycle (see FIG. 2) is repeated a desired number of times, the
[0060]
Next, in order to facilitate understanding of the first method (hereinafter referred to as “second method” as appropriate) of the semiconductor impurity doping method according to the present invention, an outline thereof will be described. A crystal raw material and one kind of impurity raw material are pulsed through a tube (for example, composed of quartz glass) or the like in a reaction tube (for example, composed of quartz glass) of the provided crystal growth apparatus. The crystal raw material and the impurity raw material react with each other in a reaction tube to form a crystal structure on the substrate (see FIG. 1; see the second example). When only the method is performed, the impurity raw material E is not supplied, so the configuration relating to the supply of the impurity raw material E may be deleted from the configuration shown in FIG.
[0061]
More specifically, when crystal formation is performed using crystal raw material A, crystal raw material B, crystal raw material C and impurity raw material D by the second method, crystal raw material A, crystal raw material B, crystal raw material C and impurity raw material are used. D is not continuously supplied, but is supplied only for a predetermined time, and the supply is stopped and supplied in a pulse shape except for the predetermined time.
[0062]
Here, the crystal raw material A, the crystal raw material B, and the crystal raw material C are supplied at the same timing as the first method described above.
[0063]
On the other hand, the impurity source D is synchronized with the supply of the crystal source A and the crystal source B, or after the start of the supply of the crystal source A and the crystal source B and before the start of the supply of the crystal source C. Supplied in pulses.
[0064]
FIG. 4 shows a timing chart showing an example of the second method. In this timing chart, the supply of the crystal raw material A and the crystal raw material B is started at the timing T1, and the impurity raw material D is supplied. Start supplying.
[0065]
Then, the crystal raw material A and the crystal raw material B are changed to a time TAOnly while supplying the impurity material D for a time TATime T equal toCOnly at the timing T2, the supply of the crystal raw material A and the crystal raw material B is finished and the supply of the impurity raw material D is finished.
[0066]
Then, immediately after the timing T2 when the supply of the crystal raw material A, the crystal raw material B, and the impurity raw material D is finished, the supply of the crystal raw material C is started,BOnly at the timing T3, the supply of the crystal raw material C is finished.
[0067]
One cycle of processing is completed as described above, and the next cycle is started with this timing T3 as timing T1.
[0068]
By repeating such a cycle a desired number of times, a crystal having a desired film thickness can be obtained as a semiconductor material.
[0069]
That is, as described above, the crystal raw material A, the crystal raw material B, the crystal raw material C, and the impurity raw material D are all supplied once, that is, one cycle from timing T1 to timing T3. By repeating the process, a crystal having a desired thickness can be formed.
[0070]
The supply timing of the impurity source D is not limited to being synchronized with the timing T1 when the supply of the crystal source A and the crystal source B is started, and the supply of the crystal source A and the crystal source B is started. It may be after the timing T1.
[0071]
In short, the impurity raw material D is supplied at the same time as or after the start of the supply of the crystal raw material A and the crystal raw material B and before the start of the supply of the crystal raw material C.
[0072]
The crystal structure formed in accordance with the timing shown in FIG. 4 has a predetermined time T from timing T1, as shown in FIG.ABy supplying the crystal raw material A and the crystal raw material B, a
[0073]
At this time, by supplying the impurity material D, the impurity material D is doped in the
[0074]
Then, time T from timing T2BBy supplying the crystal raw material C, the
[0075]
Further, when the above-described one cycle (see FIG. 4) is repeated a desired number of times, the
[0076]
Next, in order to facilitate understanding of a semiconductor impurity doping method according to the present invention (hereinafter, referred to as “third method” where appropriate), an outline thereof will be described. Crystal growth with a substrate disposed therein Crystal raw material and impurity raw material (p-type impurity raw material and n-type impurity raw material) through a tube (eg made of quartz glass) in a reaction tube (eg made of quartz glass) of the apparatus Are supplied in pulses at predetermined timings, and the supplied crystal material and impurity material react in a reaction tube to form a crystal structure on the substrate (see FIG. 1).
[0077]
More specifically, the crystal raw material A, the crystal raw material B, the crystal raw material C, the impurity raw material D (for example, a p-type impurity raw material) and the impurity raw material E (for example, an n-type impurity raw material) are obtained by the third method. ) (See FIG. 6), the crystal raw material A, the crystal raw material B, the crystal raw material C, the impurity raw material D, and the impurity raw material E are not continuously supplied, but for a predetermined time. The supply is performed only, and the supply is stopped and supplied in a pulse shape except for the predetermined time.
[0078]
Here, the crystal raw material A, the crystal raw material B, the crystal raw material C, and the impurity raw material D are supplied at the same timing as in the second method. FIG. 6 shows a timing chart showing an example of the third technique. Unlike the timing chart shown in FIG. 4, the timing chart shown in FIG. The supply of the raw material D is not completely synchronized with the supply of the crystal raw material A and the crystal raw material B. That is, the supply start timing of the impurity raw material D coincides with the supply start timing of the crystal raw material A and the crystal raw material B, but the time T during which the impurity raw material D is supplied.CTime T for supplying crystal raw material A and crystal raw material BATherefore, the timing of the end of the supply of the impurity source D is earlier than the timing of the end of the supply of the crystal source A and the crystal source B.
[0079]
In this third method, the impurity material E is also synchronized with the supply of the crystal material A and the crystal material B, or after the start of the supply of the crystal material A and the crystal material B, as with the impurity material D. In addition, before the start of the supply of the crystal raw material C, it is supplied in a pulse shape, and the impurity raw material D and the impurity raw material E are supplied at close timing.
[0080]
The timing chart shown in FIG. 6 will be specifically described. At timing T1, the supply of the crystal material A, the crystal material B, and the impurity material D is started.
[0081]
Then, the crystal raw material A and the crystal raw material B are changed to a time TAIn addition to supplying the impurity raw material D for time TAShorter time TCThen, the supply of the impurity material D is finished at the timing T1 '.
[0082]
Next, immediately after the timing T1 'at which the supply of the impurity material D is finished, the supply of the impurity material E is started, and the impurity material E is supplied for a predetermined time T1.DThen, the supply of the crystal raw material A, the crystal raw material B, and the impurity raw material E is finished at timing T2.
[0083]
Then, the supply of the crystal material C is started immediately after the timing T2 when the supply of the crystal material A, the crystal material B, and the impurity material E is finished.BThen, the supply of the crystal raw material C is finished at the timing T3.
[0084]
One cycle of processing is completed as described above, and the next cycle is started with this timing T3 as timing T1.
[0085]
That is, as described above, a unit in which the supply of the crystal raw material A, the crystal raw material B, the crystal raw material C, the impurity raw material D and the impurity raw material E are all performed once, that is, one cycle from timing T1 to timing T3, By repeating this one cycle, a crystal having a desired thickness is formed.
[0086]
Note that the supply start timing of the impurity source E is not limited to immediately after the timing T1 'at which the supply of the impurity source D ends, but may be the timing T1 at which the supply of the impurity source D is started.
[0087]
That is, the time T between the timing at which the supply of the impurity source D is started (see timing T1 in FIG. 6) and the timing at which the supply of the impurity source E is started (see timing T1 'in FIG. 6).cdIs 0 or more time TcThe period during which the impurity raw material D and the impurity raw material E are simultaneously supplied may be generated.
[0088]
Further, the supply of the impurity raw material D is not limited to being synchronized with the timing T1 when the supply of the crystal raw material A and the crystal raw material B is started, and the supply of the crystal raw material A and the crystal raw material B is started. It may be after the timing T1.
[0089]
In short, the impurity material D and the impurity material E are supplied at the same time as or after the start of the supply of the crystal material A and the crystal material B, and at a timing close to the start of the supply of the crystal material C. is there.
[0090]
The crystal structure formed in accordance with the timing shown in FIG. 6 has a time T from timing T1, as shown in FIG.ABy supplying the crystal raw material A and the crystal raw material B, a
[0091]
At this time, the impurity source D and the impurity source E are doped in the
[0092]
Then, time T from timing T2BThe
[0093]
Further, when the above-described one cycle (see FIG. 6) is repeated a desired number of times, the crystal material A and the crystal material B are doped with the impurity material D and the impurity material E according to the number of repeated cycles. Lamination of the
[0094]
In the first method, the second method, and the third method described above, gallium (Ga) is used as the crystal material A, aluminum (Al) is used as the crystal material B, and nitrogen (N) is used as the crystal material C. When forming a layer of AlGaN crystal on the substrate using magnesium (Mg) as the impurity source D and silicon (Si) as the impurity source E, the supply of N as the crystal source C is stopped. In order to suppress desorption of N from the AlGaN surface in the inside, it is preferable to continuously supply a small amount of N that does not deteriorate the crystal quality.
[0095]
Next, with reference to FIG. 8 to FIG. 16, a case where an AlGaN crystal layer is formed as a semiconductor crystal (semiconductor material) on a substrate by the first method, the second method, and the third method described above. I will explain.
[0096]
FIG. 8 shows metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) that can be used as an apparatus for forming a layer of an AlGaN crystal as a semiconductor material by the first method, the second method, and the third method described above. A schematic configuration explanatory diagram of the Vapor Deposition apparatus is shown.
[0097]
Further, FIG. 9 shows a schematic configuration explanatory diagram of the main part of FIG. 8, FIG. 10 shows a schematic configuration explanatory diagram of the reaction tube shown in FIG. 8, and FIG. FIG. 12 is a timing chart showing an example of timing for supplying a crystal raw material when forming AlGaN as a semiconductor crystal by the
[0098]
In the following description, when AlGaN is grown by the first method, trimethylgallium (TMGa) is used as a source gas for gallium (Ga) as a crystal source, and aluminum (Al) source as a crystal source. Trimethylaluminum (TMAl) is used as a gas, and ammonia (NH) is used as a source gas for nitrogen (N) as a crystal source.3) Shall be used.
[0099]
Further, when forming an AlGaN crystal as a semiconductor material by the second method, in addition to the crystal material used in the first method, magnesium (Mg) as an impurity material for doping (p-type impurity material) As a raw material gas, biscyclopentadienylmagnesium (Cp2Mg) is used.
[0100]
That is, biscyclopentadienyl magnesium (Cp) is used as a magnesium (Mg) raw material as an impurity of p-type AlGaN.2Mg) is used.
[0101]
Further, when forming an AlGaN crystal as a semiconductor material by the third method, in addition to the crystal material used in the first method and the impurity material used in the second method, doping impurities Tetraethylsilane (TESi) is used as a source gas of silicon (Si) which is a material (n-type impurity source).
[0102]
That is, tetraethylsilane (TESi) is used as a silicon (Si) raw material as an impurity of n-type AlGaN.
[0103]
First, the outline of the MOCVD apparatus (AlGaN crystal growth MOCVD apparatus) 10 shown in FIG. 8 will be described. A
[0104]
Here, a high frequency coil 32 for substrate heating is wound around the outer periphery of the reaction tube 12. In addition, a carbon susceptor 34 that supports the
[0105]
That is, in the
[0106]
Then, the temperature of the carbon susceptor 34 is monitored by the thermocouple 36, and the high frequency current supplied to the high frequency coil 32 for substrate heating is controlled by the
[0107]
Further, the reaction tube 12 includes NH in the reaction tube 12.3From cylinders 16-1 and 16-2 to NH3
[0108]
And NH3NH stored in cylinders 16-1 and 16-23When the
[0109]
H2H stored in the
[0110]
Here, the
[0111]
On the other hand, N2N stored in
[0112]
The gas flow rate is controlled by the
[0113]
In the above configuration, in order to form an AlGaN crystal by the first method, the second method, and the third method in the
[0114]
The
[0115]
Hereinafter, each of the first method, the second method, and the third method will be described in detail.
[0116]
First, the first method will be described. In order to clean the
[0117]
Next, an AlN low-temperature buffer layer (LT-AlN buffer) 202 is deposited on the
[0118]
On the
[0119]
Specifically, the pressure in the reaction tube 12 (internal pressure) is reduced to 76 Torr (0.1 atm), and the temperature of the
[0120]
Further, the
[0121]
That is, the source gas on the
[0122]
Note that at high temperatures, NH3NH from cylinder 16-13In order to prevent nitrogen atoms from re-evaporating from the formed AlGaN crystals and deteriorating the quality of the formed crystals while the gas supply is stopped.3NH with small flow rate (50cc / min) from cylinder 16-23Gas shall be supplied continuously.
[0123]
Then, as shown in FIG. 11, TMGa and TMAl supply and NH3Are alternately performed for 2 seconds (sec) to form an AlGaN crystal. The
[0124]
More specifically, first, supply of TMGa and TMAl is started at timing T1.
[0125]
Then, TMGa and TMAl are set for 2 seconds (time TA) And the supply of TMGa and TMAl is terminated at timing T2.
[0126]
Then, NH immediately after the timing T2 when the supply of TMGa and TMAl is finished.3From cylinder 16-1 to NH3Started to supply NH3For 2 seconds (time TB) Supply, NH at timing T33The supply of is terminated.
[0127]
One cycle of processing is completed as described above, and the next cycle is started with this timing T3 as timing T1.
[0128]
By repeating such a cycle a desired number of times, an AlGaN crystal having a desired film thickness can be obtained as a semiconductor material.
[0129]
Then, the structure of the AlGaN crystal formed according to the timing shown in FIG. 11 is 2 seconds (time T1) from timing T1, as shown in FIG.A) Of TMGa and TMAl, a
[0130]
Then, from time T2 (time TB) NH3, The
[0131]
And as described above, TMGa, TMAl and
[0132]
When forming the AlGaN crystal by the first method described above, the gas valves other than the
[0133]
FIG. 17 shows the evaluation results of the AlGaN crystal created by the inventors of the present invention using the apparatus configuration and conditions (first method) shown in FIGS. 8 to 11. As an evaluation method, the AlGaN crystal (Al composition 0.5) prepared by the present inventors as described above was caused to emit light by photoexcitation, and the emission spectrum was measured to evaluate the crystallinity.
[0134]
FIG. 17 is an emission spectrum measured at a temperature of 77 K, the solid line shows the emission spectrum of AlGaN grown by alternating supply of crystal raw material by the first method, and the broken line shows continuous supply of crystal raw material by the conventional technique. The emission spectrum of AlGaN crystal-grown by is shown.
[0135]
Compared with AlGaN prepared by continuous supply of a known crystal material, the emission intensity from AlGaN prepared by alternating supply of crystal material by the first method is twice as large and the spectrum width is narrow. This result shows that the crystal quality of AlGaN by the alternate supply of crystal raw materials prepared by the first method is superior to the crystal prepared by continuous supply of conventionally known crystal raw materials.
[0136]
Compared with the case where the crystal raw materials are alternately supplied using the first method to grow GaN crystals, the case where the crystal raw materials are supplied alternately using the first method to grow AlGaN crystals. Crystals relatively better than GaN were obtained. That is, in the case of crystal growth of AlGaN, since the bonding force between Al and N is larger than Ga, desorption of nitrogen from the AlGaN crystal can be suppressed. Therefore, NH can be obtained by alternately supplying crystal raw materials.3Even if the supply of is stopped for a short time, it is considered that the deterioration of the crystal quality due to the desorption of nitrogen is less than that of GaN.
[0137]
However, NH3In order to suppress the desorption of nitrogen from the AlGaN surface during the supply stop of nitrogen, a small amount (50 sccm) of NH that does not deteriorate the crystal quality3Is preferably supplied continuously.
[0138]
Next, a second method will be described. The supply of TMGa and TMAl as crystal raw materials and NH3Since the AlGaN crystal is formed by alternately supplying for 2 seconds each time, it is the same as the above-mentioned first method, so the explanation about the processing is omitted, and is different from the above-mentioned first method. Will be described.
[0139]
When forming the AlGaN crystal by the second method, the
[0140]
That is, in the second method, as shown in FIG. 13, the supply of TMGa and TMAl and NH3Are alternately carried out for 2 seconds each to form an AlGaN crystal. At this time, Cp of the p-type impurity raw material2Mg is supplied at the same time as TMGa and TMAl.
[0141]
More specifically, first, at timing T1, TMGa, TMAl and Cp2Start supplying Mg.
[0142]
Then, TMGa and TMAl are set for 2 seconds (time TA) Supply and Cp2Mg for time TAEqual to 2 seconds (time TC) And supply TMGa, TMAl and Cp at timing T2.2The supply of Mg is terminated.
[0143]
Then, immediately after timing T2, NH3Started to supply NH3For 2 seconds (time TB) Supply, NH at timing T33The supply of is terminated.
[0144]
One cycle of processing is completed as described above, and the next cycle is started with this timing T3 as timing T1.
[0145]
By repeating such a cycle a desired number of times, an AlGaN crystal having a desired film thickness can be obtained as a semiconductor material.
[0146]
Then, the structure of the AlGaN crystal formed according to the timing shown in FIG. 13 is 2 seconds (time T1) from timing T1, as shown in FIG.A) Of TMGa and TMAl, a
[0147]
At this time, Cp as a p-type impurity material2By supplying Mg, Mg, which is a p-type impurity material, is doped in the
[0148]
Then, from time T2 (time TB) NH3, The
[0149]
And as described above, TMGa, TMAl, NH3And Cp2One cycle (see FIG. 13) in which Mg is supplied is 4 seconds, and when the one cycle is repeated a desired number of times, it consists of Ga and Al doped with Mg according to the number of repeated cycles. Lamination of the
[0150]
FIG. 18 shows the evaluation results of the AlGaN crystal created by the inventors of the present invention using the apparatus configuration and conditions (second method) shown in FIGS. 8 to 10 and FIG.
[0151]
That is, FIG. 18 shows the hole concentration of Mg-doped AlGaN in the temperature range of 20 ° C. to 400 ° C.
[0152]
Here, (1) in FIG. 18 shows the temperature dependence of the hole concentration when crystals are grown by alternate supply of raw materials by the second method, and (2) in FIG. 18 shows the prior art. This shows the temperature dependence of the hole concentration when crystals are grown by continuous supply of the raw material.
[0153]
Regarding the hole concentration in the vicinity of room temperature, the hole concentration of AlGaN grown by alternating supply of raw materials by the second method is 4 × 10.18cm-3The hole concentration of AlGaN grown by continuous supply of raw materials according to the conventional technique is 2.5 × 1017cm-3About 16 times larger than
[0154]
In addition, when comparing the hole mobility near room temperature, the hole mobility in AlGaN grown by alternating supply of raw materials by the second method is 1.5 cm.2V-1s-1The hole mobility of AlGaN grown by continuous supply of raw materials according to the conventional technique is 0.5 cm.2V-1s-13 times larger than
[0155]
Therefore, regarding the electrical conductivity, which is the product of the hole concentration and the hole mobility, AlGaN grown by alternating supply of raw materials by the second method is grown by continuous supply of raw materials by the conventional technique. Compared to AlGaN, it is about 48 times larger.
[0156]
Further, the activation energy of the Mg acceptor was obtained from the temperature change of the hole concentration shown in FIG. 18, and the activation energy of AlGaN grown by alternating supply of the raw material by the second method was 75 meV.
[0157]
On the other hand, for AlGaN crystal grown by continuous supply of raw materials according to the conventional technique, the activation energy of Mg is determined to be 410 meV, which is almost the same as a conventionally known value.
[0158]
As a result of measuring Mg in AlGaN by SIMS analysis, AlGaN grown by crystal by alternately supplying raw materials by the second method has an Mg density of about 5 × 10 5.18cm-3The Mg density is about one digit lower than that of AlGaN grown by continuous supply of raw materials according to the conventional technique. However, since the activation energy of Mg is small, most of the introduced Mg is activated and a high hole concentration is obtained.
[0159]
When doping GaN with Mg, NH3, TMG and Cp2Mg could be doped by supplying Mg in pulses, but when doping AlGaN with Mg, NH3Cp is stopped2The alternate supply of raw materials by the second method of supplying Mg is effective.
[0160]
Next, the third method will be described. When an AlGaN crystal is formed by the third method, the
[0161]
Also in this third method, the supply of TMGa and TMAl and NH are performed in the same manner as in the first method.3As shown in FIG. 15, specifically, the supply of TMGa and TMAl for 3 seconds and the NH for 2 seconds are performed.3Are alternately supplied to form an AlGaN crystal. At this time, Cp of the p-type impurity raw material2Mg is supplied at the same time as TMGa and TMAl, and is supplied for 2 seconds. The n-type impurity source TESi is Cp.2Supply only for 1 second after supplying Mg.
[0162]
More specifically, first, at timing T1, TMGa, TMAl and Cp2Start supplying Mg.
[0163]
Then, TMGa and TMAl are used for 3 seconds (time TA) Supply and Cp2Mg for time TAShorter 2 seconds (time TC) Supply. At time T1 ', Cp2The supply of Mg is terminated.
[0164]
Then Cp2The supply of TESi is started immediately after the timing T1 'at which the supply of Mg ends, and the TESi is turned on for 1 second (time t1).D) To supply TESi and TMGa and TMAl at timing T2.
[0165]
Also, NH immediately after the timing T23Started to supply NH3For 2 seconds (time tB) Supply, NH at timing T33The supply of is terminated.
[0166]
One cycle of processing is completed as described above, and the next cycle is started with this timing T3 as timing T1.
[0167]
By repeating such a cycle a desired number of times, an AlGaN crystal having a desired film thickness can be obtained as a semiconductor material.
[0168]
Then, as shown in FIG. 16, the structure of the AlGaN crystal formed according to the timing shown in FIG. 15 is 2 seconds from the timing T1 (predetermined time tA) Of TMGa and TMAl, a
[0169]
At this time, Cp as a p-type impurity material2By supplying Mg of Mg and TESi of n-type impurity material, Mg and Si are doped in the
[0170]
Then, from time T2 (time tB) NH3As a result, the
[0171]
Then, as described above, TMGa, TMAL, NH3, Cp2One cycle (see FIG. 15) in which Mg and TESi are supplied is 5 seconds. When the one cycle is repeated a desired number of times, Mg and Si are doped according to the number of repeated cycles. Lamination of the
[0172]
More specifically, as described above, simultaneously with or after the start of the supply of the Ga source gas TMGa as the crystal source material and the Al source gas TMAl as the crystal source material, and the N source gas NH as the crystal source material3Prior to the start of supply of Mg, Mg source gas Cp as a p-type impurity source2When Mg and the Si source gas TESi, which is an n-type impurity source, are supplied in a pulsed manner at close timing, Mg and Si are disordered in the
[0173]
For this reason, the position of Mg and Si in the
[0174]
As a result, in the AlGaN crystal, the carrier concentration is increased, and a semiconductor material having a high conductivity can be obtained.
[0175]
FIGS. 19 to 10 show the evaluation results of the AlGaN crystal created by the inventors of the present invention using the apparatus configuration and conditions (third method) shown in FIGS. 8 to 10 and FIG.
[0176]
That is, FIG. 19 shows the hole concentration of p-type AlGaN doped with Mg and Si in a temperature range of 20 ° C. to 400 ° C.
[0177]
Here, (1) in FIG. 19 shows the temperature dependence of the hole concentration when crystals are grown by alternately supplying raw materials according to the third method. 50 meV was determined.
[0178]
On the other hand, (2) of FIG. 19 shows the temperature dependence of the hole concentration of Mg-doped AlGaN grown by continuous supply of raw materials according to the prior art, and activation of the Mg acceptor from this temperature change. The energy was determined to be 410 meV.
[0179]
Thus, the activation energy of the AlGaN acceptor doped simultaneously with Mg and Si by the third method is compared with the activation energy of the Mg-doped AlGaN acceptor prepared by continuous supply of raw materials according to the conventional technique. And very small. That is, in the AlGaN doped with Mg and Si at the same time by the third method, the activation energy is smaller than that when only Mg is doped.
[0180]
FIG. 20 shows Cp2Mg supply amount is 3.2 × 10-8It shows the carrier density of AlGaN at room temperature when the supply amount of TESi is changed at a constant mol / min (mol / min). The hole concentration of p-type AlGaN in which the supply amount of TESi is 0 and only Mg is 4.2 × 1018cm-3And mobility is 2.4 cm2V-1s-1Met. By supplying TESi, the hole concentration slightly decreases. However, when the TESi supply amount is further increased, the hole concentration increases and becomes 6.3 × 10 6.18cm-3The maximum value is 1.0cm and the mobility is 1.0cm2V-1s-1showed that.
[0181]
Here, when the TESi supply amount was further increased, the hole concentration of p-type AlGaN decreased. That is, 8 × 10-9When the amount of TESi supplied is at least mol / min (mol / min), it changes to n-type AlGaN as shown by the black circle, and the electron density is 8 × 10 8.17cm-3The mobility is 31cm2V-1s-1Met. TESi supply amount is 9 × 10-9In mol / min (mol / min), the electron density is 6.7 × 10 6.18cm-3The mobility is 1.5cm2V-1s-1Met.
[0182]
The electron density of Si-doped n-type AlGaN is 4.2 × 1018cm-3And mobility is 9.7 cm2V-1s-1Therefore, in n-type AlGaN in which Mg and Si are mixed, a decrease in mobility was observed.
[0183]
Thus, by simultaneously doping Si in addition to Mg, an increase in hole concentration was observed in a narrow range of TESi supply amount.
[0184]
As described above, in the first method, the second method, and the third method, the semiconductor crystal (semiconductor material) having a high conductivity as described above, particularly the conductivity having high-density holes. Since a p-type semiconductor material having a large thickness can be produced, it is possible to realize a highly efficient pn junction, improving the characteristics of the semiconductor device, for example, increasing the injection efficiency of the pn junction, reducing the contact resistance of the electrode, and series This can contribute to a reduction in resistance.
[0185]
Further, in the second method and the third method, even if the p-type semiconductor material has a deep impurity level in the forbidden band and a large activation energy, the activation energy can be reduced and the high density can be obtained. A p-type semiconductor material having holes and high conductivity can be produced.
[0186]
Further, in the third method, when a plurality of types of crystal raw materials are alternately supplied in a pulse shape, simultaneously with or after the start of supply of one crystal raw material and before the start of supply of the other crystal raw material Since each of the plurality of types of impurity materials is supplied in a pulsed manner at close timing, the plurality of types of impurities are not randomly taken into the atomic layer of the crystal formed on the substrate by the crystal materials, and an appropriate ratio is obtained. Even when a p-type impurity material and an n-type impurity material are used, the carrier concentration is increased and a semiconductor material having high conductivity can be formed.
[0187]
Furthermore, in the third method, since a plurality of types of impurity materials are supplied in pulses at close timing without continuously supplying them, each impurity material is formed on the substrate by a crystal material. It becomes possible to control the amount taken into the atomic layer of the crystal, and impurities can be doped into the atomic layer at an appropriate ratio to obtain a semiconductor material having an increased carrier concentration.
[0188]
For this reason, according to the third method, it is possible to realize the theory that the impurity level is changed by supplying two kinds of impurities at an appropriate ratio, thereby increasing the activation rate.
[0189]
The embodiment described above can be modified as described in the following (1) to (4).
[0190]
(1) In the above-described embodiment, the case of forming an AlGaN crystal has been described. However, the present invention is not limited to this, and the above-described
[0191]
At this time, for example, when forming an InGaN crystal, TMIn may be used instead of TMAl stored in the
[0192]
(2) In the above-described embodiment, Ga is used as the crystal material A, Al is used as the crystal material B, N is used as the crystal material C, Mg is used as the impurity material D, and Si is used as the impurity material E. Although the case where it did in this way was demonstrated, it is as above-mentioned that it is not restricted to this.
[0193]
For example, as the crystal raw material A, in addition to Ga, Group III elements and Group II elements such as Al, In, B, Zn, and Cd can be used. As the crystal raw material B, in addition to Al, Ga, Group III and Group II elements such as In, B, Zn, and Cd can be used. As the crystal raw material C, in addition to N, Group V elements such as As, P, S, Se, and Te and Group VI An element can be used. As the impurity source D, Be can be used in addition to Mg. As the impurity source E, O can be used in addition to Si.
[0194]
Furthermore, the crystal raw material A, the crystal raw material B, and the crystal raw material C are not limited to one kind of material, and two or more kinds of substances can be used. For example, the crystal raw material A and the crystal raw material A ′ Even when a mixed crystal composed of the crystal raw material B, the crystal raw material B ′, the crystal raw material C, and the crystal raw material C ′ is formed, a semiconductor crystal can be formed by the present invention by making appropriate changes.
[0195]
When a group III element is used as the crystal material A, a group III element is used as the crystal material B, a group V element is used as the crystal material C, and a group II element is used as the crystal material A. It is preferable to use a group II element as the crystal raw material B and a group VI element as the crystal raw material C.
[0196]
(3) In the above-described embodiment, the p-type impurity raw material D (Cp2The supply of the n-type impurity material E (TESi) is started immediately after the timing T1 ′ at which the supply of (Mg) is completed. However, the present invention is not limited to this. D (Cp2After the supply of Mg) is finished, the supply of the n-type impurity source E (TESi) may be started through a predetermined purge time.
[0197]
Further, immediately after the timing T2 when the supply of the n-type impurity source E (TESi) is finished, the crystal source C (NH3However, the present invention is not limited to this. After the timing T2 when the supply of the n-type impurity source E (TESi) is completed, a predetermined purge time is passed. Crystal raw material C (NH3) May be started.
[0198]
(4) You may make it combine the above-mentioned embodiment and the modification shown in said (1) thru | or (3) suitably.
[0200]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, there is an excellent effect that a p-type semiconductor material having a high hole concentration and a high conductivity can be produced.
[0201]
In addition, since the present invention is configured as described above, even when doping a crystal layer with a p-type impurity material and an n-type impurity material, the carrier concentration is increased so that the conductivity is high. There is an excellent effect that a semiconductor material can be created.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a semiconductor crystal growth method andAccording to the inventionIt is principal part schematic structure explanatory drawing which shows the crystal growth apparatus which implement | achieves the impurity doping method of a semiconductor.
FIG. 2 is a timing chart showing an example of a timing at which a crystal material is supplied by a semiconductor crystal growth method, that is, an example of a sequence of material supply pulses.
FIG. 3 is an explanatory view schematically showing a crystal structure of a semiconductor crystal formed by a semiconductor crystal growth method.
FIG. 4 is a timing chart showing an example of a timing at which a crystal material and an impurity material are supplied by the semiconductor impurity doping method according to the present invention, that is, an example of a sequence of a material supply pulse.
FIG. 5 is an explanatory view schematically showing a crystal structure of a semiconductor material formed by a semiconductor impurity doping method according to the present invention.
FIG. 6 is a timing chart showing an example of a timing at which a crystal material and an impurity material are supplied by the semiconductor impurity doping method according to the present invention, that is, an example of a sequence of a material supply pulse.
FIG. 7 is an explanatory view schematically showing a crystal structure of a semiconductor material formed by a semiconductor impurity doping method according to the present invention.
FIG. 8 is a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) that can be used as an apparatus for forming a layer of AlGaN crystal as a semiconductor material by the first method, the second method, and the third method. It is a schematic structure explanatory drawing of an apparatus.
FIG. 9 is a schematic configuration explanatory diagram of a main part of FIG. 8;
10 is a schematic structural explanatory diagram showing the reaction tube of FIG. 8. FIG.
FIG. 11 is a timing chart showing an example of timing for supplying a crystal material when forming AlGaN as a semiconductor crystal by the first technique, that is, an example of a sequence of a material supply pulse when forming AlGaN.
12 is an explanatory view schematically showing a crystal structure of AlGaN formed by a sequence of raw material supply pulses when forming AlGaN shown in FIG. 11 by the first technique.
FIG. 13 shows an example of timing for supplying a crystal material and an impurity material when forming an AlGaN crystal as a semiconductor material by the second method, that is, an example of a sequence of a material supply pulse when forming AlGaN.・ It is a chart.
14 is an explanatory view schematically showing a crystal structure of AlGaN formed by a sequence of raw material supply pulses when forming AlGaN shown in FIG. 13 by the second method.
FIG. 15 shows an example of timing for supplying a crystal material and an impurity material when forming an AlGaN crystal as a semiconductor material by the third method, that is, an example of a sequence of a material supply pulse when forming AlGaN.・ It is a chart.
16 is an explanatory view schematically showing a crystal structure of AlGaN formed by a sequence of raw material supply pulses when forming AlGaN shown in FIG. 15 by the third method.
17 is a graph showing an evaluation result of an AlGaN crystal created by the inventor of the present application according to the apparatus configuration and conditions (first method) shown in FIGS. 8 to 11; It is a graph which shows the photo-luminescence spectrum with AlGaN produced by the technique.
18 is a graph showing an evaluation result of an AlGaN crystal created by the inventors of the present invention according to the apparatus configuration and conditions (second method) shown in FIGS. 8 to 10 and FIG. 13, and Mg produced by the second method; 5 is a graph showing the temperature dependence of the hole concentration of AlGaN doped with Mg and AlGaN doped with Mg prepared by a conventional technique.
FIG. 19 is a graph showing the evaluation results of an AlGaN crystal created by the inventors of the present invention using the apparatus configuration and conditions (third method) shown in FIGS. 8 to 10 and FIG. 15, and Mg produced by the third method; 5 is a graph showing the temperature dependence of the hole concentration of AlGaN doped with Si and Si and AlGaN doped with Mg prepared by a conventional technique.
FIG. 20 is a graph showing the dependency of the hole concentration of AlGaN doped with Mg and Si on the Si supply amount.
[Explanation of symbols]
10 MOCVD equipment
12 reaction tubes
14, 15, 18, 20 Bubbler
16-1, 16-2 NH3Cylinder
22 H2Cylinder
24 N2Cylinder
26 Control device
28 Exhaust system
30 Exhaust gas treatment equipment
32 High frequency coil for substrate heating
34 Carbon susceptor
36 Thermocouple
40, 42, 43 quartz tube
50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 75 MFC
57, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 77, 80, 91, 92 Gas valve
70 Hydrogen Purifier
72, 73, 74, 76 constant temperature bath
81 Pressure reducing valve
100 substrates
102 Layer composed of crystal raw material A and crystal raw material B
104 Layer made of crystal raw material C
200 substrate (sapphire substrate)
202 AlN low temperature buffer layer (LT-AlN buffer)
204 AlGaN buffer layer (AlGaN buffer)
206 Ga and Al layer
208 N layer
502 Layer made of crystal raw material A and crystal raw material B doped with impurity raw material D
504 Layer made of crystal raw material C
702 A layer comprising crystal raw material A and crystal raw material B doped with impurity raw material D and impurity raw material E
704 Layer made of crystal raw material C
1406 Layer made of Ga and Al doped with Mg
1408 N layer
1606 A layer made of Ga and Al doped with Mg and Si
1608 N layer
Claims (3)
第1のタイミングにおいてTMGa、TMAlおよびCp2Mgの供給を開始し、Cp2Mgを所定時間供給した第2のタイミングにおいてCp2Mgの供給を終了する第1のステップと、
Cp2Mgの供給を終了した第2のタイミングの直後あるいは後においてTESiの供給を開始し、TESiを所定時間供給した第3のタイミングにおいてTMGa、TMAlおよびTESiの供給を終了する第2のステップと、
TMGa、TMAlおよびTESiの供給を終了した第3のタイミングの直後あるいは後においてNH3の供給を開始し、NH3を所定時間供給した第4のタイミングにおいてNH3の供給を終了する第3のステップと
よりなるサイクルを、所定の回数繰り返す
半導体の不純物ドーピング方法。In a semiconductor impurity doping method of doping impurities into a crystal layer formed of a crystal raw material,
A first step of starting the supply of TMGa, TMAl and Cp 2 Mg at a first timing and ending the supply of Cp 2 Mg at a second timing of supplying Cp 2 Mg for a predetermined time;
A second step of starting the supply of TESi immediately after or after the second timing when the supply of Cp 2 Mg is ended, and ending the supply of TMGa, TMAl, and TESi at a third timing of supplying TESi for a predetermined time; ,
TMGa, a third step of starting the supply of the NH 3 in the third or after immediately after the timing the completion of the supply of TMAl and TESi, terminates the supply of the NH 3 in the fourth timing where the NH 3 supplying a predetermined time A semiconductor impurity doping method that repeats a predetermined number of cycles.
AlGaN表面からの窒素の脱離を抑制するために、結晶品質を低下させない程度に少量のNを連続供給する
半導体の不純物ドーピング方法。The semiconductor impurity doping method according to claim 1,
A semiconductor impurity doping method in which a small amount of N is continuously supplied so as not to deteriorate the crystal quality in order to suppress desorption of nitrogen from the AlGaN surface .
内部に基板が配設される反応管と、
前記反応管内に結晶原料のGaとAlとNとをそれぞれガス状で供給するとともに不純物原料のMgとSiとをガス状で供給するための複数の管と、
前記複数の管にそれぞれに配設されたガスバルブと、
前記複数の管内をそれぞれ流れる前記結晶原料のガスと前記不純物原料のガスとの流量を所定の値に設定する流量設定手段と、
前記反応管内に配設された前記基板を加熱する加熱手段と、
前記ガスバルブの開閉の制御と、前記流量設定手段が設定する流量の制御と、前記加熱手段による前記基板の加熱の制御とを行い、前記結晶原料のAlおよびGaのガスの供給と前記結晶原料のNのガスの供給とが、交互にパルス状に行われるように制御するとともに、前記結晶原料のAlおよびGaのガスの供給開始と同時あるいは後であり、かつ、前記結晶原料のNのガスの供給開始より前において、前記不純物原料のMgとSiとのガスがそれぞれ近接したタイミングで供給されるように制御する制御手段と
を有する半導体の不純物ドーピング装置において、
前記結晶原料のGaのガスはTMGaであり、前記結晶原料のAlのガスはTMAlであり、前記結晶原料のNのガスはNH3であり、前記不純物原料のMgのガスはCp2Mgであり、前記不純物原料のSiのガスはTESiであり、
前記制御手段は、
第1のタイミングにおいてTMGa、TMAlおよびCp2Mgの供給を開始し、Cp2Mgを所定時間供給した第2のタイミングにおいてCp2Mgの供給を終了する第1のステップと、
Cp2Mgの供給を終了した第2のタイミングの直後あるいは後においてTESiの供給を開始し、TESiを所定時間供給した第3のタイミングにおいてTMGa、TMAlおよびTESiの供給を終了する第2のステップと、
TMGa、TMAlおよびTESiの供給を終了した第3のタイミングの直後あるいは後においてNH3の供給を開始し、NH3を所定時間供給した第4のタイミングにおいてNH3の供給を終了する第3のステップと
よりなるサイクルを所定の回数繰り返すように制御する
半導体の不純物ドーピング装置。A semiconductor impurity doping apparatus for doping impurities into a crystal layer formed of a crystal raw material,
A reaction tube in which a substrate is disposed;
A plurality of tubes for supplying crystal raw materials Ga, Al, and N in a gaseous state into the reaction tube and supplying impurity raw materials Mg and Si in a gaseous state;
A gas valve disposed in each of the plurality of pipes;
Flow rate setting means for setting the flow rates of the crystal raw material gas and the impurity raw material gas flowing in the plurality of pipes to a predetermined value;
Heating means for heating the substrate disposed in the reaction tube;
Control of opening and closing of the gas valve, control of the flow rate set by the flow rate setting means, and control of heating of the substrate by the heating means, supply of Al and Ga gas of the crystal raw material, and control of the crystal raw material The supply of N gas is controlled so as to be alternately performed in pulses, and at the same time or after the start of supply of the Al and Ga gases of the crystal raw material, and the N gas supply of the crystal raw material Prior to the start of supply, a semiconductor impurity doping apparatus comprising: control means for controlling the gas of Mg and Si of the impurity material to be supplied at close timings, respectively.
The crystal raw material Ga gas is TMGa, the crystal raw material Al gas is TMAl, the crystal raw material N gas is NH 3 , and the impurity raw material Mg gas is Cp 2 Mg. The impurity raw material Si gas is TESi,
The control means includes
A first step of starting the supply of TMGa, TMAl and Cp 2 Mg at a first timing and ending the supply of Cp 2 Mg at a second timing of supplying Cp 2 Mg for a predetermined time;
A second step of starting the supply of TESi immediately after or after the second timing when the supply of Cp 2 Mg is ended, and ending the supply of TMGa, TMAl, and TESi at a third timing of supplying TESi for a predetermined time; ,
TMGa, a third step of starting the supply of the NH 3 in the third or after immediately after the timing the completion of the supply of TMAl and TESi, terminates the supply of the NH 3 in the fourth timing where the NH 3 supplying a predetermined time A semiconductor impurity doping apparatus that is controlled to repeat a predetermined cycle a number of times.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003016940A JP4199014B2 (en) | 2003-01-27 | 2003-01-27 | Semiconductor impurity doping method and apparatus therefor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003016940A JP4199014B2 (en) | 2003-01-27 | 2003-01-27 | Semiconductor impurity doping method and apparatus therefor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004228455A JP2004228455A (en) | 2004-08-12 |
| JP4199014B2 true JP4199014B2 (en) | 2008-12-17 |
Family
ID=32904224
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003016940A Expired - Fee Related JP4199014B2 (en) | 2003-01-27 | 2003-01-27 | Semiconductor impurity doping method and apparatus therefor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4199014B2 (en) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4528489B2 (en) * | 2003-01-27 | 2010-08-18 | 独立行政法人理化学研究所 | Ultraviolet light emitting device using p-type semiconductor |
| JP4765751B2 (en) * | 2006-04-26 | 2011-09-07 | 三菱化学株式会社 | Method of manufacturing nitride semiconductor device |
| JP4770580B2 (en) * | 2006-05-15 | 2011-09-14 | 三菱化学株式会社 | Method of manufacturing nitride semiconductor device |
-
2003
- 2003-01-27 JP JP2003016940A patent/JP4199014B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2004228455A (en) | 2004-08-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7691202B2 (en) | Ultraviolet light-emitting device in which p-type semiconductor is used | |
| US8709843B2 (en) | Method of manufacturing nitride semiconductor and nitride semiconductor element | |
| US6852161B2 (en) | Method of fabricating group-iii nitride semiconductor crystal, method of fabricating gallium nitride-based compound semiconductor, gallium nitride-based compound semiconductor, gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device, and light source using the semiconductor light-emitting device | |
| JP4511006B2 (en) | Impurity doping method of semiconductor | |
| JP3656606B2 (en) | Method for producing group III nitride semiconductor crystal | |
| RU2643176C1 (en) | Non-polar led epitaxial plate of blue glow on substrate of lao and method of its production | |
| US7488971B2 (en) | Nitride semiconductor; light-emitting device, light-emitting diode, laser device and lamp using the semiconductor; and production methods thereof | |
| JPH0573252B2 (en) | ||
| JP3940673B2 (en) | Method for producing group III nitride semiconductor crystal and method for producing gallium nitride compound semiconductor | |
| JP3726252B2 (en) | Ultraviolet light emitting device and method for producing InAlGaN light emitting layer | |
| US8236103B2 (en) | Group III nitride semiconductor crystal, production method thereof and group III nitride semiconductor epitaxial wafer | |
| JP3857467B2 (en) | Gallium nitride compound semiconductor and manufacturing method thereof | |
| JP4199014B2 (en) | Semiconductor impurity doping method and apparatus therefor | |
| JP2003332234A (en) | Sapphire substrate having nitrided layer and method of manufacturing the same | |
| JP2008078186A (en) | Method for crystal growth of nitride compound semiconductor | |
| JP3991823B2 (en) | Group III nitride semiconductor crystal, method for producing the same, group III nitride semiconductor epitaxial wafer | |
| JP4284944B2 (en) | Method for manufacturing gallium nitride based semiconductor laser device | |
| JPH06209122A (en) | Method for growing indium gallium nitride semiconductor | |
| JP2005210091A (en) | Group III nitride semiconductor device and light emitting device using the same | |
| JP4222287B2 (en) | Group III nitride semiconductor crystal manufacturing method | |
| JP3654307B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
| TW200416249A (en) | 3-5 Group compound semiconductor and method for preparation thereof | |
| JP4413374B2 (en) | GaN-based light emitting device creation method | |
| US9595633B2 (en) | Method for producing light-emitting device and method for producing group III nitride semiconductor | |
| JP2008153382A (en) | Manufacturing method of nitride semiconductor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20051219 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20080418 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080507 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080707 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080805 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080825 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20080930 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20081002 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111010 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4199014 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111010 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121010 Year of fee payment: 4 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121010 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20151010 Year of fee payment: 7 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |