(57)【要約】【課題】低抵抗なｐ型半導体を実現する。【解決手段】半導体である母体材料１００と、母体材料１００に添加され、母体材料１００を構成する元素の価電子数よりも少ない価電子数を有し、アクセプタ準位を形成するアクセプタ元素１１０と、母体材料１００に添加され、母体材料１００を構成する元素と同一の価電子数を有し、かつ、母体材料１００を構成する元素よりも小さい電気陰性度を有し、アクセプタ準位の正孔を活性化する局在バンドを形成する局在バンド形成元素１２０とを含む。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体であって、
前記半導体を構成する元素の価電子数よりも少ない価電子数を有するアクセプタ元素と、
前記半導体を構成する元素と同一の価電子数を有し、かつ、当該元素よりも小さい電気陰性度を有する局在バンド形成元素とを含む
ことを特徴とするｐ型半導体。
【請求項２】
前記局在バンド形成元素の含有量は、前記アクセプタ元素の含有量よりも多い
ことを特徴とする請求項１記載のｐ型半導体。
【請求項３】
前記半導体において、
前記アクセプタ元素は、前記局在バンド形成元素が形成するエネルギーバンドの上端よりも低いエネルギー準位を形成する
ことを特徴とする請求項１又は２記載のｐ型半導体。
【請求項４】
前記半導体において、
前記アクセプタ元素が形成するエネルギー準位と前記局在バンド形成元素が形成するエネルギーバンドの上端とのエネルギー差は、当該半導体の使用温度における熱エネルギーよりも小さい
ことを特徴とする請求項１又は２記載のｐ型半導体。
【請求項５】
前記半導体において、
前記アクセプタ元素と前記局在バンド形成元素とは、一様に分布している
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のｐ型半導体。
【請求項６】
前記局在バンド形成元素の含有量は、３ａｔｏｍ％以下である
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のｐ型半導体。
【請求項７】
前記半導体は、化合物半導体である
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のｐ型半導体。
【請求項８】
前記化合物半導体は、窒化物半導体である
ことを特徴とする請求項７記載のｐ型半導体。
【請求項９】
前記窒化物半導体は、３族元素のうちの少なくともアルミニウムと５族元素のうちの少なくとも窒素とを含む化合物半導体である
ことを特徴とする請求項８記載のｐ型半導体。
【請求項１０】
前記窒化物半導体は、３族元素のうちの少なくともホウ素と５族元素のうちの少なくとも窒素とを含む化合物半導体である
ことを特徴とする請求項８記載のｐ型半導体。
【請求項１１】
前記アクセプタ元素は、炭素、ケイ素、ゲルマニウム、スズ、ベリリウム、マグネシウム、亜鉛、およびカドミニウムのうちの少なくとも１つである
ことを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載のｐ型半導体。
【請求項１２】
前記局在バンド形成元素は、リン、砒素、およびアンチモンのうちの少なくとも１つである
ことを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載のｐ型半導体。
【請求項１３】
前記化合物半導体は、酸化物半導体である
ことを特徴とする請求項７記載のｐ型半導体。
【請求項１４】
前記酸化物半導体は、２族元素のうちの少なくとも亜鉛と６族元素のうちの少なくとも酸素とを含む化合物半導体である
ことを特徴とする請求項１３記載のｐ型半導体。
【請求項１５】
前記酸化物半導体は、２族元素のうちの少なくともベリリウムと６族元素のうちの少なくとも酸素とを含む化合物半導体である
ことを特徴とする請求項１３記載のｐ型半導体。
【請求項１６】
前記アクセプタ元素は、窒素、リン、砒素、およびアンチモンのうちの少なくとも１つである
ことを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか１項に記載のｐ型半導体。
【請求項１７】
前記局在バンド形成元素は、硫黄、セレン、およびテルルのうちの少なくとも１つである
ことを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか１項に記載のｐ型半導体。
【請求項１８】
前記半導体において、
前記アクセプタ元素を含む部分と前記局在バンド形成元素を含む部分とが空間的に分離している
ことを特徴とする請求項１記載のｐ型半導体。
【請求項１９】
前記アクセプタ元素を含む部分と前記局在バンド形成元素を含む部分とは異なる半導体である
ことを特徴とする請求項１８記載のｐ型半導体。
【請求項２０】
前記異なる半導体とは、
異なる結晶構造の半導体である
ことを特徴とする請求項１９記載のｐ型半導体。
【請求項２１】
３族元素の欠落に起因する結晶欠陥を有する窒化物半導体であって、
前記窒化物半導体は、リン、砒素、およびアンチモンのうちの少なくとも１つを含む
ことを特徴とするｐ型半導体。
【請求項２２】
請求項１〜２１のいずれか１項に記載のｐ型半導体を含む半導体積層構造を有する
ことを特徴とする半導体素子。
【請求項２３】
請求項２２記載の半導体素子において、
前記ｐ型半導体は、電極に接合されている
ことを特徴とする半導体素子。
【請求項２４】
請求項２２又は２３記載の半導体素子において、
前記ｐ型半導体に接合する半導体の価電子帯の上端は、前記半導体において前記局在バンド形成元素が形成するエネルギーバンドの下端よりも高い
ことを特徴とする半導体素子。
【請求項２５】
請求項２２又は２３記載の半導体素子において、
前記ｐ型半導体に接合する半導体の価電子帯の上端と前記半導体において前記局在バンド形成元素が形成するエネルギーバンドの下端とのエネルギー差は、当該半導体素子の使用温度における熱エネルギーよりも小さい
ことを特徴とする半導体素子。
【請求項２６】
請求項２２〜２５のいずれか１項に記載の半導体素子において、
当該半導体素子は、半導体発光素子である
ことを特徴とする半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低抵抗なｐ型半導体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化ガリウムをベースにした窒化物半導体は、フルカラーディスプレイ、信号灯等の光源に用いられる青色系（紫外から黄色の波長域）の発光ダイオード、光記録メディアの書き込み／読み取り装置、あるいはレーザ顕微鏡等に用いられる青色レーザに実用され、更に、高密度記録が可能なメディア、あるいは水銀を一切必要としない白色光源への応用も期待されている。また、酸化亜鉛をベースにした酸化物半導体は、室温でのバンドギャップが３．３７ｅＶあり、還元性ガスに対する耐性、高温時における安定性、および優れた透明性を有することから、実用化には至っていないものの、前述の高密度記録が可能なメディアのほか、透明導電膜等への応用が期待されている。
【０００３】
これらの技術を実現かつ普及させるには、いくつかの問題がある。特に問題であるのが、低抵抗なｐ型半導体の実現である。ｐ型半導体の低抵抗化には、価電子帯に電気伝導を担う正孔キャリアを多数作ることが必要であり、価電子帯に正孔キャリアを作るには、アクセプタ不純物をドープするのが一般的である。しかしながら、これらの技術を実現するために利用される窒化物半導体では、窒化物半導体を構成する窒素の電気陰性度が高いために、アクセプタ準位が禁制帯の深い位置に形成され、アクセプタ不純物をドープしても正孔キャリア濃度の高いｐ型窒化物半導体が得られないのである。例えば、マグネシウムをアクセプタ不純物としてドープした窒化ガリウムにおいて、活性化エネルギーは、約２００ｍｅＶあり、最も活性化エネルギーが小さいとされるベリリウムをアクセプタ不純物としてドープした場合においても、その活性化エネルギーは、約８５ｍｅＶあり、約２６ｍｅＶという室温における熱エネルギーと比較して非常に大きく、正孔キャリア濃度の高いｐ型窒化ガリウム半導体が得られない。また、酸化物半導体でも同様に、酸化物半導体を構成する酸素の電気陰性度が高いために、アクセプタ準位が禁制帯の深い位置に形成され、アクセプタ不純物をドープしても正孔キャリア濃度の高いｐ型酸化物半導体が得られないのである。例えば、窒素をアクセプタ不純物としてドープした酸化亜鉛において、活性化エネルギーは、約２００ｍｅＶあり、約２６ｍｅＶという室温における熱エネルギーと比較して非常に大きく、正孔キャリア濃度の高いｐ型酸化亜鉛半導体が得られない。
【０００４】
このような問題を解決するための先行事例として、「ｐ型半導体結晶の製造方法および発光デバイス」（特許文献１参照）、「酸化亜鉛透明導電膜」（特許文献２参照）、「ｐ型３族窒化物半導体およびその作製方法および半導体装置」（特許文献３参照）、あるいは「ｐ型ＺｎＯ系酸化物半導体層の成長方法およびそれを用いた半導体発光素子の製法」（特許文献４参照）がある。これらは、ｐ型半導体の低抵抗化方法に関するもので、アクセプタ不純物とドナー不純物とを同時にドープし、母体材料中にアクセプタ不純物とドナー不純物とからなる複合体を形成させることで、アクセプタ準位を浅くし、ｐ型半導体の低抵抗化をおこなっている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１４−２８９９１８号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平１４−５０２２９号公報
【０００７】
【特許文献３】
特開平１４−３５３１４４号公報
【０００８】
【特許文献４】
特開平１４−９３８２１号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のｐ型半導体の低抵抗化方法では、未だ十分に低抵抗なｐ型半導体が得られていないという問題がある。例えば、最近の大阪大学の吉田教授らの実験報告にあるように、マグネシウムをアクセプタ不純物とし、酸素をドナー不純物として２対１の割合でドープされた窒化ガリウムにおいて、活性化エネルギーは、約５０ｍｅＶあり、２６ｍｅＶという室温における熱エネルギーと比較して非常に大きく、十分に低抵抗なｐ型窒化ガリウム半導体が得ることができない。
【００１０】
そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、低抵抗なｐ型半導体を実現することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に関わるｐ型半導体は、半導体であって、前記半導体を構成する元素の価電子数よりも少ない価電子数を有するアクセプタ元素と、前記半導体を構成する元素と同一の価電子数を有し、かつ、当該元素よりも小さい電気陰性度を有する局在バンド形成元素とを含むことを特徴とする。
【００１２】
これによって、アクセプタ準位の近傍に電子で満たされたエネルギーバンドが形成されるので、多くの正孔を活性化することができ、ｐ型半導体の低抵抗化を図れるという効果が発揮される。
【００１３】
また、前記局在バンド形成元素の含有量は、前記アクセプタ元素の含有量よりも多くてもよい。
これによって、アクセプタ準位の近傍に形成されたエネルギーバンドの幅を広くすることができ、低抵抗に電気伝導をおこなうことができるという効果が発揮される。
【００１４】
また、前記半導体において、アクセプタ元素は、局在バンド形成元素が形成するエネルギーバンドの上端よりも低いエネルギー準位を形成してもよい。
これによって、正孔を全て活性化することができ、ｐ型半導体の更なる低抵抗化を図れるという効果が発揮される。
【００１５】
また、半導体において、前記アクセプタ元素と前記局在バンド形成元素とは、一様に分布してもよい。
これによって、アクセプタ準位の近傍に形成されたエネルギーバンドが半導体において等方的に形成されるため、効率の良い電気伝導が可能となるという効果が発揮される。
【００１６】
また、前記局在バンド形成元素の含有量は、２ａｔｏｍ％以下であってもよい。
これによって、アクセプタ準位の近傍に形成されたエネルギーバンドの幅を適度な広さにすることができるので、局在バンド形成元素を添加していない半導体のバンドギャップを維持しつつ、低抵抗に電気伝導をおこなうことができるという効果が発揮される。
【００１７】
また、前記半導体は、窒化物半導体であってもよい。
これによって、窒素の高い電気陰性度のため深いアクセプタ準位を有する窒化物半導体において、多くの正孔を活性化するので、ｐ型窒化物半導体の低抵抗化をおこなうことできるという効果が発揮される。
【００１８】
また、前記半導体は、酸化物半導体であってもよい。
これによって、酸素の高い電気陰性度のため深いアクセプタ準位を有する酸化物半導体において、多くの正孔を活性化できるので、ｐ型酸化物半導体の低抵抗化をおこなうことができるという効果が発揮される。
【００１９】
また、前記半導体において、前記アクセプタ元素を含む部分と前記局在バンド形成元素を含む部分とが空間的に分離していてもよい。
これによって、正孔を生成する部分と正孔を伝える部分が分離し、正孔の散乱が抑制されるので、ｐ型半導体の更なる低抵抗化を図れるという効果が発揮される。
【００２０】
また、前記アクセプタ元素を含む部分と前記局在バンド形成元素を含む部分とは異なる半導体であってもよい。
これによって、２つの半導体を組み合わせたものがｐ型半導体となり、それら２つの半導体のそれぞれに異なる半導体を適用できることから、ｐ型半導体の設計自由度を飛躍的に高めることができるという効果が発揮される。
【００２１】
また、３族元素の欠落に起因する結晶欠陥を有する窒化物半導体であって、前記窒化物半導体は、リン、砒素、およびアンチモンのうちの少なくとも１つを含んでもよい。
【００２２】
これによって、アクセプタ元素を添加する必要がないので、容易に低抵抗なｐ型半導体を実現できるという効果が発揮される。
また、本発明に係る半導体素子は、前記ｐ型半導体を含む半導体積層構造を有してもよい。
【００２３】
これによって、低抵抗なｐ型半導体を半導体素子に応用できるので、消費電力の低い半導体素子を実現できるという効果が発揮される。
また、前記半導体素子において、前記ｐ型半導体は、電極に接合されていてもよい。
【００２４】
これによって、キャリア濃度の高いｐ型半導体に電極が接合されるので、電極との接触抵抗を低減できるという効果が発揮される。
また、前記半導体素子において、当該半導体素子は、半導体発光素子であってもよい。
【００２５】
これによって、低抵抗なｐ型半導体を半導体発光素子に応用できるので、発光効率の高い半導体発光素子を実現できるという効果が発揮される。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態おけるｐ型半導体について、図面を参照しながら説明する。
【００２７】
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態におけるｐ型半導体の構成を概念的に示す図である。
【００２８】
本実施の形態のｐ型半導体は、低抵抗なｐ型半導体を実現することを目的とするものであって、母体材料１００と，母体材料１００に添加されたアクセプタ元素１１０と、母体材料１００に添加された局在バンド形成元素１２０とから構成される。
【００２９】
ここで、母体材料１００は、単一元素半導体、あるいは化合物半導体であり、例えば、シリコン半導体、ゲルマニウム半導体、およびダイヤモンド半導体に代表される単一元素半導体、または、窒化物半導体、および酸化物半導体に代表される化合物半導体である。なお、窒化物半導体とは、３族元素のうちの少なくとも１つと、５族元素のうちの少なくとも窒素とを含む化合物半導体のことをいい、酸化物半導体とは、２族元素のうちの少なくとも１つと、６族元素のうちの少なくとも酸素とを含む化合物半導体のことをいう。
【００３０】
また、アクセプタ元素１１０は、母体材料１００を構成する元素よりも少ない価電子数を有する元素であり、例えば、母体材料１００が窒化物半導体である場合、炭素、ケイ素、ゲルマニウム、スズ、ベリリウム、マグネシウム、亜鉛、およびカドミニウムのうちの少なくとも１つであり、母体材料１００が酸化物半導体である場合、窒素、リン、砒素、およびアンチモンのうちの少なくとも１つである。
【００３１】
そして、局在バンド形成元素１２０は、母体材料１００を構成する元素と同じ価電子数を有し、かつ、その元素よりも小さな電気陰性度を有する元素であり、例えば、母体材料１００が窒化物半導体である場合、リン、砒素、およびアンチモンのうちの少なくとも１つであり、母体材料１００が酸化物半導体である場合、硫黄、セレン、およびテルルのうちの少なくとも１つである。
【００３２】
このような構成を有するｐ型半導体は、サファイア、ケイ素、炭化ケイ素、砒化ガリウム、ホウ化ジルコニウム、マグネシウムアルミニウム複合酸化物、リチウムガリウム複合酸化物、および窒化ガリウム等の基板を用意し、適宜な炉内において有機金属化学気相蒸着法（以下ＭＯＣＶＤ法）、分子腺エピタキシャル成長法（以下ＭＢＥ法）、およびハイドライド気相成長法等により、基板上でエピタキシャル成長させることにより作製される。
【００３３】
図２は、本発明の実施の形態おけるｐ型半導体のエネルギー構造を示す図である。図２の縦軸はエネルギーを表し、横軸は状態密度を表している。
図２において、禁制帯２２０の価電子帯２００寄りにアクセプタ準位２３０が形成され、そのアクセプタ準位２３０の近傍に局在バンド２４０が形成されている。ここで、アクセプタ準位２３０は、母体材料１００にアクセプタ元素１１０を添加することにより形成されるものである。また、局在バンド２４０は、電子で満たされ、母体材料１００に局在バンド形成元素１２０を添加することにより形成されるものである。アクセプタ準位２３０の近傍に局在バンド２４０が形成されることから、アクセプタ元素１１０は局在バンド２４０から電子を受け取り、局在バンド２４０の中に正孔を残す。以上のような局在バンド２４０が形成されるメカニズムを本発明者は次のように推測した。すなわち、母体材料１００を構成する元素よりも小さな電気陰性度を有する局在バンド形成元素１２０を母体材料１００に添加することにより、アクセプタ元素１１０は局在バンド形成元素１２０から電子を容易に捕獲することができ、結果的に、電子で満たされた局在バンド２４０がアクセプタ準位２３０の近傍に形成されるのである。
【００３４】
ここで、アクセプタ準位２３０が局在バンド２４０の上端よりも高い場合、アクセプタ元素１１０は、熱エネルギーに依らなければ、局在バンド２４０から電子を受け取ることができない。よって、アクセプタ準位２３０が局在バンド２４０の上端よりも低くなるようにアクセプタ元素１１０と局在バンド形成元素１２０とを選択する。
【００３５】
また、局在バンド形成元素１２０の含有量がアクセプタ元素１１０の含有量よりも少ない場合、局在バンド２４０の幅は非常に狭くなり、局在バンド２４０で電気伝導をおこなうことが困難になる。よって、局在バンド形成元素１２０の含有量がアクセプタ元素１１０の含有量よりも多くなるように、局在バンド形成元素１２０とアクセプタ元素１１０とを添加する。
【００３６】
そして、局在バンド形成元素１２０の濃度が高い場合、禁制帯２２０の幅が狭くなり、母体材料１００の特性が薄れてしまう。よって、局在バンド形成元素１２０の含有量は、２ａｔｏｍ％以下に設定するのが好ましい。
【００３７】
そしてまた、アクセプタ元素１１０と局在バンド形成元素１２０とが母体材料１００の偏った空間に分布している場合、局在バンド２４０は空間的に狭い部分やエネルギー的に深い部分に形成され、局在バンド２４０での電気伝導の妨げとなる。よって、母体材料１００において、一様に分布するようにアクセプタ元素１１０と局在バンド形成元素１２０とを添加する。
【００３８】
以上のように本実施の形態によれば、アクセプタ準位２３０は局在バンド２４０の上端よりも低く形成される。よって、本実施の形態のｐ型半導体は、アクセプタ準位２３０の正孔を全て活性化し、高い正孔キャリア濃度を持つｐ型半導体を実現するので、低抵抗なｐ型半導体を実現することができる。
【００３９】
また、本実施の形態によれば、アクセプタ準位２３０の正孔を全て活性化するため、本実施の形態のｐ型半導体は、非常に高い正孔キャリア濃度を持つ。よって、金属電極が接合されたｐ型半導体において、本実施の形態のｐ型半導体は、ショットキー障壁に起因する接触抵抗の増大を抑制することができる。また、金属との接合部分において、局在バンド形成元素１２０が高濃度になるように局在バンド形成元素１２０を添加し、金属との接合部分における局在バンド２４０のバンド幅を広げることにより、本実施の形態のｐ型半導体は、更に接触抵抗の増大を抑制することもできる。
【００４０】
また、本実施の形態によれば、正孔は、局在バンド２４０を伝わって移動する。よって、半導体と接合されたｐ型半導体において、局在バンド２４０の下端がその半導体の価電子帯の上端よりも低いとき、又は、局在バンド２４０の下端とその半導体の価電子帯の上端とのエネルギー差がｐ型半導体を使用する温度における熱エネルギーよりも小さいとき、本実施の形態のｐ型半導体は、接合する半導体に低抵抗に電流を流すことができる。
【００４１】
なお、本実施の形態において、アクセプタ準位２３０を形成するためにアクセプタ元素１１０を添加した。しかし、結晶欠陥を有する半導体を母体材料１００として用いることにより、本実施の形態のｐ型半導体は、アクセプタ元素１１０を含まなくてもよい。ここで、結晶欠陥を有する半導体は、例えば、３族元素の欠落に起因する結晶欠陥を有する３族窒化物半導体、および２族元素の欠落に起因する結晶欠陥を有する２族酸化物半導体である。
【００４２】
また、本実施の形態において、アクセプタ準位２３０が局在バンド２４０の上端よりも低くなるようにアクセプタ元素１１０と局在バンド形成元素１２０とを選択した。しかし、アクセプタ準位２３０が局座バンド２４０の上端よりも高く、かつ、アクセプタ準位２３０と局在バンド２４０の上端とのエネルギー差がｐ型半導体を使用する温度における熱エネルギーよりも小さくなるようにアクセプタ元素１１０と局在バンド形成元素１２０とを選択してもよい。
【００４３】
（実施例１）
次に、本実施の形態のｐ型半導体の具体例を、実施例によって示す。
本実施例におけるｐ型窒化ガリウム半導体は、ガリウムの原料ガスとしてトリメチルガリウム（以下ＴＭＧ）、窒素の原料ガスとしてアンモニア、マグネシウム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、リンの原料ガスとしてホスフィンを用い、ＭＯＣＶＤ法により、サファイア基板上にエピタキシャル成長させることにより作製される。ここで、リンの含有量は、例えば、約２ａｔｏｍ％に設定される。なお、本実施例では、ｐ型窒化ガリウム半導体を作製する方法としてＭＯＣＶＤ法を例示した。しかし、金属ガリウムと、金属マグネシウムと、リン化インジウムと、プラズマによる窒素源とを用いることにより、ｐ型窒化ガリウム半導体はＭＢＥ法により作製されてもよい。
【００４４】
図３は、以上の方法により作製された本実施例のｐ型窒化ガリウム半導体の横断面構造を示す図である。
図３において、本実施例のｐ型窒化ガリウム半導体は、サファイア基板３００上に形成されている。ここで、ｐ型窒化ガリウム半導体は、窒化ガリウム３１０と、窒化ガリウム３１０に添加されたマグネシウム３２０と、窒化ガリウム３１０に添加されたリン３３０とからなる。
【００４５】
図４は、本実施例のｐ型窒化ガリウム半導体の結晶構造モデルを示す図である。
図４において、窒化ガリウム３１０の結晶構造の窒素のサイトにリン３３０が入り、ガリウムのサイトにマグネシウム３２０が入っている。ここで、窒化ガリウム３１０の結晶構造はウルツ鉱構造である。なお、本実施例では、窒化ガリウム３１０の結晶構造は岩塩構造であってもよい。
【００４６】
図５は、本実施例のｐ型窒化ガリウム半導体のバンド構造を示す図である。
図５において、価電子帯の上端より１２０ｍｅＶ上にアクセプタ準位が形成され、価電子帯の上端より２４０ｍｅＶ上に局在バンドが形成されている。ここで、アクセプタ準位は、窒化ガリウム３１０にマグネシウム３２０を添加することにより形成されるものであり、局在バンドは、窒化ガリウム３１０にリン３３０を添加することにより形成されるものである。局在バンドの下端は、アクセプタ準位より１２０ｍｅＶ上にあることから、マグネシウム３２０は局在バンドから電子を受け取り、局在バンドの中に正孔を残す。以上のような局在バンドが形成されるメカニズムを本発明者は次のように推測した。ｐ型窒化ガリウム半導体にリン３３０を添加しない場合、ｐ型窒化ガリウム半導体の価電子帯の上端の電子は、大きな電気陰性度を有する窒素に局在する。しかし、リン３３０をｐ型窒化ガリウム半導体に添加することにより、図４に示したように窒素よりも小さな電気陰性度を有するリン３３０が窒素のサイトに置換され、結果的に、図５のバンド構造において、電子で満たされた局在バンドがアクセプタ準位の上に形成されるのである。
【００４７】
本実施例のｐ型窒化ガリウム半導体によれば、窒化ガリウム３１０に添加されたリン３３０が形成する局在バンドの下端は窒化ガリウム３１０に添加されたマグネシウム３２０が形成するアクセプタ準位の上にあり、アクセプタ準位の正孔を全て活性化することができるので、低抵抗なｐ型窒化ガリウム半導体を実現することができる。
【００４８】
なお、本実施例において、ｐ型窒化ガリウム半導体を例示した。しかし、酸化亜鉛にアクセプタ元素１１０として窒素を添加し、局在バンド形成元素１２０として硫黄を添加することにより、低抵抗なｐ型酸化亜鉛半導体を実現することもできる。
【００４９】
（第２の実施の形態）
上記第１の実施の形態に関わるｐ型半導体の母体材料１００において、アクセプタ元素１１０と局在バンド形成元素１２０とが一様に添加されるとした。しかし、母体材料１００においてアクセプタ元素１１０を含む部分と局在バンド形成元素１２０を含む部分とが空間的に分離されても空間的に分離していないときと同様の効果が得られ、更にこの場合、正孔が伝わる部分と正孔を生成する部分とを空間的に分離し、正孔の散乱を抑制することができるので、更に低抵抗なｐ型半導体を実現することができる。そこで、第２の実施の形態に関わるｐ型半導体において、アクセプタ元素１１０を含む母体材料と、局在バンド形成元素１２０を含む母体材料とを空間的に分離した。以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。
【００５０】
図６は、本実施の形態におけるｐ型半導体の構成を概念的に示す図である。
本実施の形態のｐ型半導体は、アクセプタ元素１１０と、局在バンド形成元素１２０と、第１の母体材料６００と、第２の母体材料６１０とから構成される。なお、第１の実施の形態と同一の元素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５１】
ここで、第１の母体材料６００は、第１の実施の形態の母体材料１００と同一の半導体であり、アクセプタ元素１１０が添加され、局在バンド形成元素１２０が添加されないという点で第１の実施の形態の母体材料１００と異なる。
【００５２】
また、第２の母体材料６１０は、第１の実施の形態の母体材料１００と同一の半導体であり、局在バンド形成元素１２０が添加され、アクセプタ元素１１０が添加されないという点で第１の実施の形態の母体材料１００と異なる。
【００５３】
そして、第１の母体材料６００と第２の母体材料６１０とは、同一の半導体である。なお、第１の母体材料６００と第２の母体材料６１０とは、構成元素、組成、および結晶構造が異なる半導体であってもよい。
【００５４】
図７は、本実施の形態におけるｐ型半導体の形態図である。
図７（ａ）に示すように本実施の形態のｐ型半導体は、アクセプタ元素１１０が添加された第１の母体材料６００から成るアクセプタ層７００ａと、局在バンド形成元素１２０が添加された第２の母体材料６１０から成る局在バンド層７１０ａとから構成される。なお、図７（ｂ）に示すように本実施の形態のｐ型半導体は、アクセプタ元素１１０が添加された第１の母体材料６００から成る棒状のアクセプタ領域７００ｂと、その棒状の部分を覆う形状をし、局在バンド形成元素１２０が添加された第２の母体材料６１０から成る局在バンド領域７１０ｂとから構成されてもよい。
【００５５】
このような構成を有する本実施の形態のｐ型半導体は、第１の実施の形態と同様の方法により製造される。
図８は、本実施の形態におけるｐ型半導体のエネルギー構成を示す図である。図８の縦軸はエネルギーを表し、横軸は状態密度を表している。
【００５６】
図８（ａ）は、アクセプタ層７００ａのエネルギー構成を示し、図８（ｂ）は、局在バンド層７１０ａのエネルギー構成を示している。
図８（ａ）において、アクセプタ準位８３０は、禁制帯８２０の価電子帯８００寄りに形成されている。ここで、アクセプタ準位８３０は、第１の母体材料６００にアクセプタ元素１１０を添加することにより形成される。図８（ｂ）において、局在バンド８７０は、禁制帯８６０のアクセプタ準位８３０の近傍に形成されている。ここで、局在バンド８７０は、電子で満たされており、第２の母体材料６１０に局在バンド形成元素１２０を添加することにより形成される。アクセプタ層７００ａと局在バンド層７１０ａとは接合しているので、アクセプタ元素１１０は、局在バンド８７０から電子を受け取り、局在バンド８７０のなかに正孔を残す。
【００５７】
ここで、アクセプタ元素１１０と局在バンド形成元素１２０とが空間的に離れている場合、局在バンド８７０で電気伝導をおこなうことが困難になる。よって、アクセプタ層７００ａと局在バンド層７１０ａとの境界において、アクセプタ元素１１０が高濃度になるように、又は、アクセプタ元素１１０と局在バンド形成元素１２０とが混合するように、アクセプタ元素１１０と局在バンド形成元素１２０とを添加するのが好ましい。
【００５８】
以上のように本実施の形態によれば、アクセプタ元素１１０を含む第１の母体材料６００と、局在バンド形成元素１２０を含む第２の母体材料６１０とは空間的に分離している。よって、局在バンド形成元素１２０を含む第２の母体材料６１０にはアクセプタ元素１１０が含まれず、アクセプタイオンによる正孔の散乱を抑制できるので、本実施の形態のｐ型半導体は、更に低抵抗なｐ型半導体を実現することができる。
【００５９】
また、本実施の形態によれば、第１の母体材料６００、第２の母体材料６１０のそれぞれに構成元素、組成、および結晶構造が異なる半導体を適用できるので、本実施の形態のｐ型半導体は、ｐ型半導体の設計自由度を飛躍的に高めることができる。
【００６０】
（実施例２）
次に、本実施の形態のｐ型半導体の具体例を実施例によって示す。
本実施例のｐ型窒化ガリウム半導体は、ガリウムの原料ガスとしてＴＭＧ、窒素の原料ガスとしてアンモニア、マグネシウムの原料ガスとしてビスシクロペンタジニエルマグネシウム、リンの原料ガスとしてホスフィンガスを用い、ＭＯＣＶＤ法により、サファイア基板上にエピタキシャル成長させることにより作製される。
【００６１】
図９は、以上の方法により作製された本実施例のｐ型窒化ガリウム半導体の横断面構造を示す図である。
図９において、本実施例のｐ型窒化ガリウム半導体は、サファイア基板９００上に形成されている。ここで、本実施例のｐ型窒化ガリウム半導体は、マグネシウム９２０が添加された窒化ガリウム９１０から成る第１の窒化ガリウム層９３０と、リン９４０が添加された窒化ガリウム９１０から成る第２の窒化ガリウム層９５０とからなる。
【００６２】
図１０は、本実施例のｐ型窒化ガリウム半導体のバンド構造を示す図である。
図１０において、第１の窒化ガリウム層９３０の価電子帯の上端より１２０ｍｅＶ上にアクセプタ準位が形成され、第２の窒化ガリウム層９５０の価電子帯の上端より２４０ｍｅＶ上に局在バンドが形成される。ここで、アクセプタ準位は、窒化ガリウム９１０にマグネシウム９２０を添加することにより形成されるものであり、局在バンドは、窒化ガリウム９１０にリン９４０を添加することにより形成されるものである。第１の窒化ガリウム層９３０と第２の窒化ガリウム層９５０との界面において、局在バンドの下端は、アクセプタ準位より１２０ｍｅＶ上にあることから、マグネシウム９２０は局在バンドから電子を受け取り、局在バンドの中に正孔を残す。
【００６３】
本実施例のｐ型窒化ガリウム半導体によれば、窒化ガリウム９１０に添加されたマグネシウム９２０は第１の窒化ガリウム層９３０の禁制帯にアクセプタ準位を形成し、窒化ガリウム９１０に添加されたリン９４０は第２の窒化ガリウム層９５０の禁制帯に局在バンドを形成する。よって、局在バンドを伝わる正孔は、マグネシウムイオンによる散乱を受けないので、本実施例のｐ型窒化ガリウム半導体は、更に低抵抗なｐ型窒化ガリウム半導体を実現する。
【００６４】
なお、本実施例において、窒化ガリウム９１０という１種類の半導体を母体材料としたｐ型半導体を例示した。しかし、サファイア基板上にリンが添加された窒化アルミニウムからなる層を作製し、その層の上にマグネシウムが添加された窒化ガリウムからなる層を作製することにより、異なる２種類の半導体を母体材料とした低抵抗なｐ型半導体を実現することもできる。
【００６５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係るｐ型半導体によれば、アクセプタ準位の近傍に局在バンドを形成し、アクセプタ準位の正孔を全て活性化するので、低抵抗なｐ型半導体を実現できるという効果が奏される。また、本発明に係るｐ型半導体によれば、ｐ型半導体を含む半導体積層構造を有する半導体素子において、ｐ型半導体は低抵抗であることから、半導体素子の動作電圧を減らし、半導体素子の消費電力を減らすことができるという効果が奏される。また、本発明に係るｐ型半導体によれば、電極が接合されたｐ型半導体を含む半導体積層構造を有する半導体素子において、ｐ型半導体は高い正孔キャリア濃度を有することから、ｐ側電極との接触抵抗を低減し、半導体素子の寿命を長くすることができるという効果が奏される。
【００６６】
よって、本発明により、低抵抗なｐ型半導体を提供することが可能となり、実用化が期待される高密度記録が可能なメディア、水銀を一切必要としない白色光源等を実現することができ、実用的価値は極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるｐ型半導体の構成を概念的に示す図である。
【図２】同ｐ型半導体のエネルギー構造を示す図である。
【図３】本発明の実施例１に係るｐ型窒化ガリウム半導体の横断面構造を示す図である。
【図４】同ｐ型窒化ガリウム半導体の結晶構造モデルを示す図である。
【図５】同ｐ型窒化ガリウム半導体のバンド構造を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態におけるｐ型半導体の構成を概念的に示す図である。
【図７】同ｐ型半導体の形態図である。
【図８】同ｐ型半導体のエネルギー構造を示す図である。
【図９】本発明の実施例２に係るｐ型窒化ガリウム半導体の横断面構造を示す図である。
【図１０】同ｐ型窒化ガリウム半導体のバンド構造を示す図である。
【符号の説明】
１００    母体材料
１１０    アクセプタ元素
１２０    局在バンド形成元素
２００    価電子帯
２１０    伝導帯
２２０    禁制帯
２３０    アクセプタ準位
２４０    局在バンド
３００    サファイア基板
３１０    窒化ガリウム
３２０    マグネシウム
３３０    リン
６００    第１の母体材料
６１０    第２の母体材料
７００ａ    アクセプタ層
７１０ａ    局在バンド層
７００ｂ    アクセプタ領域
７１０ｂ    局在バンド領域
８００    価電子帯
８１０    伝導帯
８２０    禁制帯
８３０    アクセプタ準位
８４０    価電子帯
８５０    伝導帯
８６０    禁制帯
８７０    局在バンド
９００    サファイア基板
９１０    窒化ガリウム
９２０    マグネシウム
９３０    第１の窒化ガリウム層
９４０    リン
９５０    第２の窒化ガリウム層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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