(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
減圧されたチャンバ内で半導体膜の母相となる第１の固体ソースを含む原料を熱分解して成膜用基板に窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体膜を形成する方法において、
前記チャンバ内にＭｇ３Ｎ２を含む第２の固体ソースを配置して、この第２の固体ソースを前記原料と共に熱分解し、生成されたＭｇをアクセプタ不純物として添加した化合物半導体膜を形成する
ことを特徴とする窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体膜の製造方法。
【請求項２】
前記第２の固体ソースを収容した第２の固体ソース容器は、前記第１の固体ソースを収容した第１の固体ソース容器と同軸的に第１の固体ソース容器の下方に配置し、前記成膜用基板は前記第１の固体ソース容器の上方に配置し、かつ前記第１の固体ソース容器と成膜用基板の間には各固体ソースからの蒸発気体を熱分解するガス案内管を配置する
ことを特徴とする請求項１記載の窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、窒素（Ｎ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体膜の製造方法に係り、特に結晶性に優れたｐ型化合物半導体膜を得るための不純物添加法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のうちＧａＮは、青色発光素子用の半導体材料として従来より注目されている。しかしＧａＮでは、ｎ型は得られるが、自己補償効果によってｐ型半導体が簡単には得られず、従ってｐｎ接合形成が容易ではない。
【０００３】
例えば、良質の化合物半導体膜を得る方法として、ＨＷＥ（Ｈｏｔ  Ｗａｌｌ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法が知られている。ＨＷＥ装置を用いてｐ型のＧａＮ膜を得るには、半導体膜の母相となる固体ソース（Ｇａ）を減圧チャンバ内に配置してこれを加熱蒸発させると同時に、チャンバ外部からは、気体ソースＮＨ３を固体ソース上に供給する。そしてこれらの原料をホットウォール部で熱分解する。更にチャンバ内にはアクセプタ不純物源としてＭｇ単体またはＭｇの有機化合物を配置してこれを加熱蒸発させてやはりホットウォール部で熱分解させる。Ｍｇの有機化合物としては、ビスシクロペンタジエルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）が一般に用いられる。そしてホットウォール部の上に配置された成膜用基板に、アクセプタ不純物であるＭｇを添加したｐ型ＧａＮ膜を形成する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したＧａＮへのアクセプタ不純物Ｍｇの添加法では、ＩＩＩ族サイトへの添加のみを考えており、形成されるＧａＮ膜はＮが抜けることにより生じる原子空孔が多いものとなる。そしてこの原子空孔により、結晶性が劣化するだけでなく、ドナーライクの不純物レベルが生じて、高い正孔濃度を持つ良質のｐ型ＧａＮ膜が得られない。
【０００５】
この発明は、上記事情を考慮してなされたもので、良質のｐ型半導体膜を得ることを可能とした窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体膜の製造方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、減圧されたチャンバ内で半導体膜の母相となる第１の固体ソースを含む原料を熱分解して成膜用基板に窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体膜を形成する方法において、前記チャンバ内にＭｇ３Ｎ２を含む第２の固体ソースを配置して、この第２の固体ソースを前記原料と共に熱分解し、生成されたＭｇをアクセプタ不純物として添加した化合物半導体膜を形成することを特徴とする。
この発明において好ましくは、前記第２の固体ソースを収容した第２の固体ソース容器は、前記第１の固体ソースを収容した第１の固体ソース容器と同軸的に第１の固体ソース容器の下方に配置し、前記成膜用基板は前記第１の固体ソース容器の上方に配置し、かつ前記第１の固体ソース容器と成膜用基板の間には各固体ソースからの蒸発気体を熱分解するガス案内管を配置する。
【０００７】
この発明によると、ＧａＮ等への不純物ソースとして固体ソースである窒化マグネシウム（Ｍｇ３Ｎ２）を用いることにより、熱分解により生成されるＭｇがアクセプタ不純物としてＧａＮに添加されると同時に、Ｎが原子空孔を補償する働きをする。これにより、原子空孔の少ない良質の結晶性を有し、かつ高い正孔濃度を持つｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体膜を得ることができる。
また、一般に固体の窒化物はＢＮに代表されるように蒸気圧が低く、石英容器等に入れて加熱蒸発させることは難しいが、Ｍｇ３Ｎ２は超高真空下でなくても数１００℃程度の加熱で蒸発させることができる。従って、半導体膜の母相となるＧａを第１の固体ソースとし、チャンバ外部からは気体ソースＮＨ３を供給し、また不純物源となるＭｇ３Ｎ２を含む第２の固体ソースを用意したＨＷＥ装置を用いて、容易にｐ型ＧａＮ膜を形成することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施例を説明する。
図１は、この発明の一実施例に用いたＨＷＥ装置の構成を示す。チャンバ１１はＨＷＥ装置本体であり、内部は真空ポンプ１２により減圧される。チャンバ１１内部には、半導体膜の母相形成用の第１の固定ソース（この実施例の場合Ｇａ）を収容する筒状の第１の固体ソース容器１３と、不純物源となる第２の固体ソース（この実施例の場合Ｍｇ３Ｎ２）を収容する筒状の第２の固体ソース容器１４が同軸的に、かつ第２の固体ソース容器１４が第１の固体ソース容器１３の下方に位置するように配置されている。即ち第２の固体ソース容器１４は、その上端を第１の固体ソース容器１３の底部を貫通させて、第２の固体ソース容器１４内部に開口するように配置される。
【０００９】
これら二つの固体ソースの上方には、ホルダー１９により保持されヒータ２０により加熱される成膜用基板１８が配置される。また、固体ソースと基板保持部の間には、各固体ソースからの蒸発気体を熱分解して基板１８の面に案内するガス案内管１６が、図の例では第１の固体ソース容器１３と一体に形成されている。これら固体ソース容器１３，１４及びガス案内管１５は全て石英管であり、これらの周囲には、加熱ヒータ１６ａ，１６ｂが配設される。加熱ヒータ１６ａ，１６ｂは熱遮蔽体１７ａ，１７ｂにより囲まれている。
即ちこの実施例の装置は、母相形成用の固体ソース部Ｂの下に、不純物源の固体ソース部Ａ（通常、リザーバと呼ばれる）が配置され、固体ソース部Ｂの上のガス案内管１５の部分が各固体ソースからの蒸発気体を熱分解させるホットウォール部Ｃとなっている。
【００１０】
ＧａＮを成膜する場合のもう一つの原料Ｎは、チャンバ１１の外部に設けられた気体ソースボンベ２１からＮＨ３の形で供給される。即ちボンベ２１のＮＨ３ガスは、バルブ２２及びマスフローコントローラ２３を介し、チャンバ１１を貫通するガス導入管２４を介して、ガス案内管１５の底部に供給されるようになっている。このようにして外部から供給されるＮＨ３ガスもガス案内管１５において熱分解されることになる。
【００１１】
次に具体的に、図１のＨＷＥ装置を用いてｐ型ＧａＮ膜を成膜する場合を説明すると、前述のように第１の固体ソース容器１３にはＧａを、第２の固体ソース容器１４にはＭｇ３Ｎ２を入れる。成膜用基板１８には、（０００１）面を主面とするＡｌ２Ｏ３基板を用いる。但し、ＳｉＣ，ＺｎＯ，ＧａＡｓ等の基板を用いることもできる。チャンバ１１内を１０−６Ｔｏｒｒ程度まで減圧した状態で、第１の固体ソース容器１３を７５０〜９５０℃に、第２の固体ソース容器１４を１００〜７００℃にそれぞれ加熱し、またガス案内管１５を５６０〜６００℃に加熱する。これにより各固体ソースは蒸発し、その蒸発気体と外部から供給されたＮＨ３はガス案内管１４、即ちホットウォール部Ｃで熱分解されて基板１８に供給され、基板１８にＧａＮ膜が成膜される。
【００１２】
この実施例においては、不純物源であるＭｇ３Ｎ２が熱分解されて、ＭｇとＮが生成され、Ｍｇがアクセプタ不純物となり、Ｎは形成されるＧａＮからＮが抜けることによるＮ不足を補償する働きをする。即ち、Ｎを含む固体不純物ソースを用いることにより、原料ガスＮＨ３だけでは不十分になり易いＶ族サイトのＮ不足を補い、Ｎが抜けることにより生成されるＮ空孔によるドナーの密度を減らし、同時にＩＩＩ族サイトへのアクセプタであるＭｇ添加が可能となる。従って、得られるＧａＮ膜は原子空孔の少ない良質の結晶膜となり、またドナーとして作用する原子空孔が少なくなる結果、高い正孔濃度のｐ型ＧａＮ層が得られる。
【００１３】
従来技術のように、ＮＨ３を熱分解することによってのみＮを供給する場合において、ＧａとＮの蒸気圧を比較すると、Ｎの方が高く、特に結晶成長温度（１０００℃）においては、Ｎの蒸気圧が更に高まり、基板上に一旦ＧａＮが形成されても、ＧａＮ膜中からＮが離脱してしまう。ＮがＧａＮ膜から離脱することによりＮ空孔が生じ、このＮ空孔がドナーとなってしまい、ｎ型半導体となる傾向を示していた。
しかしこの実施例によれば、アクセプタとして働くＭｇをＧａＮ膜のＧａ格子に取り込み、かつＮを補償することでＮ空孔の発生を抑制しているので、ドナー密度を小さくすることができる。
成長したＧａＮ膜は、ＧａＮ膜中の正味のアクセプタ密度ＮａとＧａＮ膜中の正味のドナー密度Ｎｄとの差でｐ型かｎ型かが決まる。この実施例においては、Ｍｇを導入することでアクセプタ密度Ｎａを大きくし、更にＮ空孔を減らすことでドナー密度Ｎｄを小さくしており、ＧａＮ膜を良質なｐ型半導体膜として形成することが可能になる。
【００１４】
この発明は、上記実施例に限られない。例えば実施例では、ＧａＮ膜を形成したが、ＡｌＮやＩｎＮ等、Ｎを含む他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体膜を成膜する場合に同様にこの発明を適用することができる。
【００１５】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、Ｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体膜への不純物ソースとして固体ソースＭｇ３Ｎ２を用いることにより、熱分解により生成されるＭｇがアクセプタ不純物としてＧａＮに添加されると同時に、Ｎが原子空孔を補償する作用をし、良質の結晶性を有しかつ高い正孔濃度を持つｐ型の化合物半導体膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例に用いたＨＷＥ装置の構成を示す。
【符号の説明】
１１…チャンバ、１２…真空ポンプ、１３…第１の固体ソース容器、１４…第２の固体ソース容器、１５…ガス案内管（ホットウォール部）、１６ａ，１６ｂ…ヒータ、１７ａ，１７ｂ…熱遮蔽体、１８…成膜用基板、１９…ホルダー、２０…ヒータ、２１…ガスボンベ、２２…バルブ、２３…マスフローコントローラ、２４…ガス導入管、Ｇａ…第１の固体ソース、Ｍｇ３Ｎ２…第２の固体ソース。
【図１】
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