(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体層の成長方法であって、
分子線エピタキシ法を用いて、成長基板の表面にｐ型ドーパントとしてＢｅを用いた窒化物半導体層を成長させる工程を備え、
前記成長基板は、ＧａＮ基板、ＧａＮ基板上にＧａＮ下地層を有する基板、及びサファイア基板上にＧａＮ下地層を有する基板のいずれか一の基板であり、
前記成長基板の転位密度は、５×１０８ｃｍ−２以下であり、
前記窒化物半導体層における前記Ｂｅのドーピング濃度は、１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２１ｃｍ−３であることを特徴とする窒化物半導体層の成長方法。
【請求項２】
前記成長基板の表面にアンドープのＧａＮ層を成長させる工程をさらに備え、
前記窒化物半導体層を成長させる工程では、前記アンドープのＧａＮ層を成長させた後に、前記窒化物半導体層を成長させることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項３】
前記窒化物半導体層は、ＩＩＩ族元素として、Ｉｎ、Ａｌ、及びＧａのいずれか一の元素を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項４】
前記窒化物半導体層は、Ｖ族元素として、Ｐ、Ａｓ、及びＳｂのいずれか一の元素を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の窒化物半導体層の成長方法。
【請求項５】
前記窒化物半導体層を成長させる工程では、ＲＨＥＥＤ装置を用いて前記窒化物半導体層を観察することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の窒化物半導体層の成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体層の成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ｃ軸（０００１）方向にｐ型ＧａＮを成長させる際、Ｎ極性で成長させた場合には、例えばＭｇなどのｐ型ドーパントをドープしてもｐ型特性が得られないことが知られている。そこで、Ｇａ極性でＧａＮを成長させるべく、基板の選択が重要となっている。
【０００３】
非特許文献１では、サファイア基板上にＡｌＮバッファ層を５０ｎｍ積層し、このバッファ層上にＢｅドープＧａＮを成長させることによってｐ型特性を実現している。この方法は、ＡｌＮバッファ層が５０ｎｍよりも厚くなると、バッファ層上に成長させる層がＧａ極性となることを利用したものである。
【非特許文献１】“Growth of Be-doped p-type GaN underInvariant Polarity Conditions” jpn.J.Appl.Phys.Vol.42(2003)pp.7194-7197
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した方法で得られたＢｅドープＧａＮのｐ型キャリア濃度は、１×１０２０ｃｍ−３のドーピング濃度に対して１．８×１０１７ｃｍ−３程度である。したがって、活性化率は約０．２％となっており、ＭｇドープＧａＮの典型的な活性化率（＝約５％）と比較して非常に低いものとなっている。
【０００５】
この原因としては、ＢｅがＧａよりも原子半径が小さいため、ＢｅがＧａサイトに入らずに格子間サイトに入って欠陥となり、キャリア補償が生じていることが考えられる。また、ＡｌＮバッファ層の界面での転位により、Ｂｅのキャリア補償が生じていることも考えられる。
【０００６】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、良好なｐ型特性を持つ窒化物半導体層を得ることが可能な窒化物半導体層の成長方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題の解決のため、本発明に係る窒化物半導体層の成長方法は、成長基板の表面にｐ型ドーパントとしてＢｅを用いた窒化物半導体層を成長させる窒化物半導体層の成長方法であって、成長基板として、転位密度が５×１０８ｃｍ−２以下の基板を用いることを特徴としている。
【０００８】
この窒化物半導体層の成長方法では、窒化物半導体層の成長基板として、転位密度が５×１０８ｃｍ−２以下の基板を用いている。ｐ型ドーパントとしてＢｅを用いる場合、Ｍｇを用いる場合に比べて窒化物半導体層のｐ型特性は、成長基板の転位密度に顕著に依存する。上記転位密度以下の基板を用いることにより、転位によるＢｅのキャリア補償を抑制でき、良好なｐ型特性を持つ窒化物半導体層が得られる。
【０００９】
また、分子線エピタキシ法を用いて窒化物半導体層を成長させることが好ましい。これにより、窒化物半導体層の成長方向や組成分布を精度良く制御できる。また、反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）装置等を用いて、成長中の窒化物半導体層のその場観察を行うことができる。
【００１０】
また、窒化物半導体層は、ＩＩＩ族元素として、Ｉｎ、Ａｌ、及びＧａのいずれか一の元素を含むことが好ましい。また、窒化物半導体層は、Ｖ族元素として、Ｐ、Ａｓ、及びＳｂのいずれか一の元素を含むことが好ましい。この場合、ｐ型特性の良好な窒化物半導体層をより確実に得られる。
【００１１】
また、窒化物半導体層におけるＢｅのドーピング濃度は、１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２１ｃｍ−３であることが好ましい。この場合、ｐ型特性の良好な窒化物半導体層をより確実に得られる。
【００１２】
また、成長基板として、ＧａＮ基板、ＧａＮ基板上にＧａＮ下地層を有する基板、及びサファイア基板上にＧａＮ下地層を有する基板のいずれか一の基板を用いることが好ましい。この場合、成長基板の転位密度の制御が容易となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、良好なｐ型特性を持つ窒化物半導体層が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る窒化物半導体層の成長方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１５】
［装置の構成］
図１は、本発明に係る窒化物半導体層の成長方法に用いる装置の概要を示す図である。図１に示す装置は、分子線エピタキシ装置（以下、ＭＢＥ装置１と記す）である。
【００１６】
ＭＢＥ装置１は、真空排気装置（不図示）に接続された成膜チャンバ２と、成膜チャンバ２内に配置されたマニピュレータ３と、マニピュレータ３に保持されたＭｏ製の基板ホルダ４と、基板ホルダ４に保持された基板５に成膜材料を供給する複数のセル６〜１１及び窒素プラズマ化装置１２と、成長中の膜の表面状態をモニタリングするための反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）装置１３とによって構成されている。
【００１７】
基板５としては、例えばＧａＮ基板が用いられる。また、基板５は、ＧａＮ基板上又はサファイア基板上にＧａＮ下地層を有するＧａＮテンプレートであってもよい。ＧａＮテンプレート２０は、例えば図２に示すように、サファイア基板２１の表面に、例えばＭＯＣＶＤ法やＨＶＰＥ法によってＧａＮ下地層２２を数μｍ成長させてなる基板である。各セル６〜１１には、例えばＩｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｍｇといった成膜材料がそれぞれセットされている。
【００１８】
このＭＢＥ装置１を用いて基板５に窒化物半導体層を成膜する場合、真空排気装置によって成膜チャンバ２内を１×１０−１０Ｔｏｒｒ程度の超高真空状態にする。また、マニピュレータ３を７００℃程度に昇温させ、基板５を加熱する。そして、セル内のＧａ、Ｂｅなどの成膜材料を抵抗加熱によって昇温させ、各材料の蒸気を基板５の表面に供給する。
【００１９】
また、Ｎは、窒素プラズマ化装置１２のＲＦガンを用いて高周波磁場を印加し、プラズマ化して基板５の表面に供給する。窒化物半導体層の成長の際、基板５に低角に電子線を入射させ、基板５の表面で反射した電子線の回折像をＲＨＥＥＤ装置１３でモニタリングする。
【００２０】
［実施例］
以下、上述したＭＢＥ装置１による窒化物半導体層の成長方法の実施例について説明する。
【００２１】
本実施例では、基板５として、サファイア基板２１上に数μｍのＧａＮ下地層２２を有するＧａＮテンプレート２０を用意した。ＧａＮテンプレート２０において、サファイア基板２１上に形成したＧａＮ下地層２２の転位密度は、例えば３×１０８ｃｍ−２となっている。また、基板５に成長させる窒化物半導体層として、Ｂｅドープのｐ−ＧａＮ層２３（図２参照）を選択した。
【００２２】
まず、Ｇａセル８及びＢｅセル１０を昇温させる。Ｇａセル８は、フラックス値が例えば６．５×Ｅ−７Ｔｏｒｒ以下となるように昇温させる。Ｂｅセル１０は、例えば７７５℃〜８００℃に昇温する。Ｇａセル８及びＢｅセル１０の昇温の後、基板５を成膜チャンバ２内に導入する。そして、マニピュレータ３により、基板ホルダ４に保持された基板５を約７００℃まで昇温させる。
【００２３】
基板５の温度が約７００℃に到達した後、同温度を一定時間維持し、基板５のサーマルクリーニングを行う。これにより、基板５の表面酸化物が分解・除去される。サーマルクリーニングの進行過程は、ＲＨＥＥＤ装置１３でモニタリングし、電子線回折パターンがストリーク状になった時点でサーマルクリーニングを終了する。なお、このサーマルクリーニングの実行中に、窒素プラズマ化装置１２にＮを導入してプラズマ発生動作を予め行い、活性化されたＮを成膜チャンバ２内に導入する準備を整えておくことが好ましい。
【００２４】
サーマルクリーニングの後、予め昇温させておいたＧａセル８のシャッターと窒素プラズマ化装置１２のシャッターとを開放し、まず、基板５表面へのｕｄ（アンドープ）−ＧａＮ層（不図示）の成長を開始させる。ｕｄ−ＧａＮ層を約５ｎｍ成長させた後、Ｂｅセル１０のシャッターを開放する。これにより、ｕｄ−ＧａＮ層に引き続き、Ｂｅドープのｐ−ＧａＮ層２３の成長を開始させる。
【００２５】
Ｂｅの供給量は、ｐ−ＧａＮ層２３におけるドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２１ｃｍ−３となるように制御する。また、ｐ−ＧａＮ層２３の成長中は、ＲＨＥＥＤ装置１３の電子線回折パターンを数十分ごとに観察し、成長の異常の有無やＧａとＮとの供給比の目標値からのずれ等を確認する。
【００２６】
約５時間の成膜により、ｐ−ＧａＮ層２３を１μｍ程度成長させた後、全てのセルのシャッターを閉じ、成長を終了させる。この後、基板５の温度を降温すると共に、窒素プラズマ化装置１２を停止させる。基板５の温度が十分に降温した後、基板ホルダ４を成膜チャンバ２の外部に取り出し、工程が終了させる。
【００２７】
この窒化物半導体層の成長方法では、ｐ−ＧａＮ層２３の成長基板として、転位密度が５×１０８ｃｍ−２以下の基板５を用いている。ｐ型ドーパントとしてＢｅを用いる場合、Ｍｇを用いる場合に比べてｐ−ＧａＮ層２３のｐ型特性は、基板５の表面の転位密度に顕著に依存する。したがって、上記転位密度以下の基板を用いることにより、転位によるＢｅのキャリア補償を抑制でき、良好なｐ型特性を持つｐ−ＧａＮ層２３が得られる。
【００２８】
また、この窒化物半導体層の成長方法では、ＭＢＥ法を用いてｐ−ＧａＮ層２３を成長させているので、ｐ−ＧａＮ層２３の成長方向や組成分布を精度良く制御できる。また、ＭＢＥ装置１にセットしたＲＨＥＥＤ装置１３を用いて、成長中のｐ−ＧａＮ層２３のその場観察を行うことができる。
【００２９】
また、この窒化物半導体層の成長方法では、成長基板として、サファイア基板２１上にＧａＮ下地層２２を有するＧａＮテンプレート２０を用いている。ＧａＮテンプレート２０では、ＧａＮ下地層２２の表面に再成長させるｐ−ＧａＮ層２３が、ＭＢＥ法でもＭＯ法でもＧａ極性になる。また、ＡｌＮバッファ層を用いる場合とは異なり、ＧａＮ層の上にＧａＮ層を成長させるので、界面での転位が抑制される。したがって、良好なｐ型特性を持つｐ−ＧａＮ層２３をより簡単に得ることが可能となる。
【００３０】
また、ＧａＮテンプレート２０は、ＧａＮ下地層２２の成長条件により、サファイア基板２１とＧａＮ下地層２２との格子不整合に起因する転位密度を制御することが可能となっている。したがって、転位密度が５×１０８ｃｍ−２以下の基板５を容易に得ることができる。
【００３１】
さらに、ｐ−ＧａＮ層２３におけるＢｅの濃度は、１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２１ｃｍ−３となっている。この範囲では、ｐ−ＧａＮ層２３における良好な活性化率を実現できる。
【００３２】
［評価実験］
続いて、本発明に係る窒化物半導体層の成長方法の評価実験について説明する。
【００３３】
この評価実験は、成長基板の転位密度やｐ型ドーパントの種類及びドーピング濃度を変えながら、基板上に形成したｐ−ＧａＮ層のｐ型特性を測定したものである。実施例として、転位密度が３×１０８ｃｍ−２程度のＧａＮテンプレート（ＨＱ）にＭＢＥ法でＢｅドープのｐ−ＧａＮ層を成膜したサンプルを用意した。
【００３４】
また、比較例として、転位密度が１×１０１０ｃｍ−２程度のＧａＮテンプレート（ＨＲ）にＭＢＥ法でＢｅドープのｐ−ＧａＮ層を成膜したサンプルを用意した。また、別の比較例として、ＨＱ・ＨＲの各ＧａＮテンプレートにＭＢＥ法でＭｇドープのｐ−ＧａＮ層を成膜したサンプルを用意した。
【００３５】
なお、低転位密度のＧａＮテンプレートでは、ｎ型の低抵抗層が存在し、ｐ型キャリア密度のＨａｌｌ測定は困難となる。そこで、本実験では、ｐ型キャリア密度に代えてアクセプタ密度を評価した。ドーピング濃度の関係により、電極とｐ−ＧａＮ層との間でショットキーバリアが形成されにくいことから、Ｃ−Ｖ測定は容量の評価に用い、アクセプタ密度はＥＣＶ測定によって評価した。
【００３６】
図３は、各サンプルのＣ−Ｖ測定結果を示した図である。同図に示すように、Ｍｇドープのｐ−ＧａＮ層のサンプルでは、ＧａＮテンプレートがＨＱかＨＲかにかかわらず、容量が１５０ｐＦ以上であった。一方、Ｂｅドープのｐ−ＧａＮ層のサンプルでは、ＧａＮテンプレートがＨＱかＨＲかによって容量が顕著に異なっていた。
【００３７】
すなわち、Ｂｅドープのｐ−ＧａＮ層のサンプルでは、ＧａＮテンプレートがＨＱの場合には、容量が７０ｐＦ以上であったのに対し、ＧａＮテンプレートがＨＲの場合には、容量が１０ｐＦ以下であった。特に、Ｂｅドーピング濃度が３×１０１８ｃｍ−３の場合には、容量が１ｐＦ以下であった。この結果から、Ｍｇドープのｐ−ＧａＮ層のｐ型特性は、ＧａＮテンプレートの転位密度には依存しないことが確認できた。また、Ｂｅドープのｐ−ＧａＮ層のｐ型特性は、ＧａＮテンプレートの転位密度に顕著に依存し、転位密度が低いと低抵抗化することが確認できた。
【００３８】
また、図４は、各サンプルのＥＣＶ測定結果を示した図である。ＥＣＶ測定を行ったサンプルは、いずれもＧａＮテンプレートがＨＱのものである。同図に示すように、Ｍｇドーピングの場合、ドーピング濃度１×１０１９ｃｍ−３のｐ−ＧａＮ層では、アクセプタ密度は６．６×１０１８ｃｍ−３であった。また、Ｂｅドーピングの場合、ドーピング濃度３×１０１８ｃｍ−３のｐ−ＧａＮ層のアクセプタ密度は５．９×１０１７ｃｍ−３であり、ドーピング濃度１×１０１９ｃｍ−３のｐ−ＧａＮ層のアクセプタ密度は１．４×１０１８ｃｍ−３であった。
【００３９】
同一のドーピング濃度で比較すると、Ｂｅドープのｐ−ＧａＮ層よりもＭｇドープのｐ−ＧａＮ層の方が、アクセプタ密度が５倍程度高くなっている。しかしながら、その活性化率は約１５％に到達しており、ＭｇドープＧａＮの典型的な活性化率（＝約５％）と比較して非常に良好な結果が得られている。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る窒化物半導体層の成長方法に用いる装置の概要を示す図である。
【図２】成長基板として用いるＧａＮテンプレートの構成を示す図である。
【図３】各サンプルにおけるｐ−ＧａＮ層のＣ−Ｖ測定結果を示す図である。
【図４】各サンプルにおけるｐ−ＧａＮ層のＥＣＶ測定結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１…ＭＢＥ装置、５…基板、２１…サファイア基板、２３…ｐ−ＧａＮ層（窒化物半導体層）。
【図１】
0005163295.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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