(57)【要約】【課題】ドーパントの濃度を制御して半導体層を形成する技術を提供する。【解決手段】  真空槽５１内の第二主ターゲット４２を、希ガスと反応性ガスとを含有するスパッタリングガスでスパッタリングし、成膜対象物２８表面に到達させて半導体層２６を形成する際に、真空槽５１内に配置されたドーパントを蒸着材料６４として加熱し、蒸着材料６４の蒸気を発生させ、成膜対象物２８表面に到達させ、ドーパントを含有する半導体層２６を形成する。蒸着材料６４の蒸気は、成膜対象物２８と蒸着材料６４の間に配置した放出量制限部材６３の貫通孔６６を通過させることで減少させるので、半導体層２６に微少量含有させることができるようになる。【選択図】図４
2012222004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空排気される真空槽と、
前記真空槽に接続され、前記真空槽内にスパッタリングガスを供給するガス供給装置と、
前記真空槽内に配置され、半導体層を構成する元素のうち、少なくとも一種類の元素を含む物質である薄膜材料を含有する主ターゲットとを有し、
前記主ターゲットを前記スパッタリングガスによってスパッタリングし、前記真空槽内に位置する成膜対象物表面に半導体層を形成する半導体層形成装置であって、
ドーパントから成る蒸着材料が配置される蒸着容器と、
前記蒸着容器に配置された前記蒸着材料を昇温させる加熱装置と、
を有し、
前記スパッタリングガスによって前記主ターゲットをスパッタリングしながら、前記加熱装置によって前記蒸着材料を加熱して前記蒸着材料の蒸気を放出させ、
前記成膜対象物の表面に前記蒸着材料が添加されて前記蒸着材料の極性の前記半導体層が形成される半導体層形成装置。
【請求項２】
前記蒸着容器に配置された前記蒸着材料と前記成膜対象物の間には、貫通孔を有する放出量制限部材が配置され、前記貫通孔を通過した前記蒸着材料の前記蒸気が前記成膜対象物の表面に到達するように構成された請求項１記載の半導体層形成装置。
【請求項３】
前記蒸着容器が配置された分離容器と、
前記分離容器に接続され、前記分離容器の内部雰囲気を真空排気する排気装置とを有し、
前記スパッタリングガスは前記分離容器の外部に供給され、
前記真空槽の内部のうち、前記分離容器の外部と内部とを別々に真空排気できるように構成された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の半導体層形成装置。
【請求項４】
前記スパッタリングガスを前記真空槽内に導入しながら前記排気装置を動作させると、前記真空槽内の前記分離容器の外部雰囲気の圧力よりも、前記分離容器の内部雰囲気の圧力の方を低くされるように構成された請求項３記載の半導体層形成装置。
【請求項５】
前記貫通孔は、前記放出量制限部材に複数個形成された請求項２乃至請求項４のいずれか１項記載の半導体層形成装置。
【請求項６】
前記真空槽には前記薄膜材料と反応して前記半導体層が形成される元素を含む反応性ガスを前記真空槽に供給するガス供給装置が接続された請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の半導体層形成装置。
【請求項７】
前記薄膜材料はＧａであり、
前記ドーパントはＭｇであり、
前記反応性ガスは、化学構造中に窒素原子を有するガスである請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の半導体層形成装置。
【請求項８】
真空槽と、
前記真空槽に接続され、前記真空槽内にスパッタリングガスを供給するガス供給装置と、
前記真空槽内に配置され、半導体層を構成する元素のうち、少なくとも一種類の元素を含む物質である薄膜材料を含有する主ターゲットとを有する半導体層形成装置を用い、
前記真空槽を真空排気しながら前記真空槽内に前記スパッタリングガスを導入し、前記主ターゲットを前記スパッタリングガスによってスパッタリングし、前記真空槽内に位置する成膜対象物表面に半導体層を形成する半導体層製造方法であって、
前記スパッタリングガスによって前記主ターゲットをスパッタリングしながら、ドーパントから成る蒸着材料を加熱して前記真空槽内に前記蒸着材料の蒸気を放出させ、
前記成膜対象物の表面に形成される前記半導体層に前記ドーパントを添加し、前記半導体層を前記ドーパントの極性にする半導体層製造方法。
【請求項９】
前記蒸着材料と前記成膜対象物の間に、貫通孔を有する放出量制限部材を配置し、前記貫通孔を通過した前記蒸着材料の前記蒸気を、前記成膜対象物の表面に到達させる請求項８記載の半導体層製造方法。
【請求項１０】
前記真空槽内に配置された分離容器の内部に前記蒸着材料を配置し、
前記スパッタリングガスは前記分離容器の外部に供給し、
前記真空槽内の、前記分離容器の外部と内部を別々に真空排気しながら、前記主ターゲットのスパッタリングと、前記蒸着材料の前記蒸気の前記分離容器外部への放出とを行う請求項８又は請求項９のいずれか１項記載の半導体層製造方法。
【請求項１１】
前記真空槽内の前記分離容器の外部雰囲気の圧力よりも、前記分離容器の内部雰囲気の圧力の方を低くしながら前記半導体層を形成する請求項１０記載の半導体層製造方法。
【請求項１２】
前記貫通孔は、前記放出量制限部材に複数個形成しておく請求項９乃至請求項１１のいずれか１項記載の半導体層製造方法。
【請求項１３】
前記真空槽には、前記薄膜材料と反応して前記半導体層が形成される元素を含む反応性ガスを前記真空槽に供給するガス供給装置が接続された請求項８乃至請求項１２のいずれか１項記載の半導体層製造方法。
【請求項１４】
前記薄膜材料はＧａであり、
前記ドーパントはＭｇであり、
前記反応性ガスは、化学構造中に窒素原子を有するガスを用いる請求項８乃至請求項１３のいずれか１項記載の半導体層製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光素子の技術分野に係り、特に、光素子中のｐ型のＧａＮ層を形成する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在では、信号機、装飾用電球等の特殊分野ばかりでなく、通常の照明器具にも発光ダイオードが用いられるようになっている。
発光ダイオード用半導体のうち窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体は、青色用の光デバイスとして実用化されており、太陽電池等の他の光デバイスへの応用も検討されている。
【０００３】
現状、製品化されているＧａＮ系光デバイス・電子デバイスのＧａＮ層はＭＯＣＶＤで作製されており、ＧａＮ内でｐｎ接合を形成するための、ドナーにはＳｉが使用され、アクセプターにはＭｇが使用されている。
しかし、ＭＯＣＶＤプロセスは多量のＮＨ3やＨ2を使用するため、生産設備にはガス除害装置が必要となり、設備全体の価格およびプロセスガスの費用が高価になってしまう。
【０００４】
それを解決するために、低コストでのＧａＮ成長技術として、スパッタプロセスが検討されており、光デバイス（ダイオード）として機能するｐｎ接合を形成するためには、ｎ型ＧａＮではＳｉ、ｐ型ＧａＮではＭｇの０．００１原子％〜数原子％の範囲で制御し同時にＧａＮをスパッタで成長させる技術が求められている。スパッタリング法によって、ＳｉやＭｇをＧａＮに含有させる技術は下記特許文献等に記載されている。
【０００５】
しかしながら、化合物半導体の半導体層を成長させる際には、化合物半導体中の元素のうち、気体となって分離する元素の割合が半導体層中で不足しないように、その元素の原子を化学構造中に有する反応性ガスを使用しながら化合物半導体ターゲットをスパッタして、半導体層を成長させる反応性スパッタリングが行われている。
【０００６】
その際に、ドーパントのターゲットを一緒にスパッタしてドーパントを添加しようとすると、ドーパントの物質が反応性ガスと反応し、反応生成物が半導体中に添加されてしまう。反応生成物は、半導体層中でドーパントとして機能せず、ドーパントの実効的な濃度制御が困難である。
【０００７】
例えば半導体のＧａＮターゲットとｎ型ドーパントのＳｉターゲットを一緒にスパッタリングする際に、Ｎ2やＮＨ3ガス等の反応性ガスを用いると、ＳｉがＳｉＮとなって成長するＧａＮ層に添加されるため、実効的な濃度が正確なｎ型ＧａＮを形成することが困難である。
【０００８】
他方、ドーパントの種類によっては半導体ターゲットと同程度のスパッタリングレートの物質があり、ドーパントのターゲットと半導体ターゲットとを一緒にスパッタすると、半導体層中にドーパントが必要以上に多く含有され、やはり、ドーパントの実効的な濃度制御が困難である。
【０００９】
ドーパントのうち、アクセプタのＭｇについては、ＭｇのスパッタリングレートはＧａＮと同程度の値であり、ＭｇターゲットをスパッタしてＧａＮを成長させながらＭｇをドーピングさせると、Ｍｇが必要以上に多くドーピングされ、実効的な濃度が正確なｐ型のＧａＮを形成することは困難である。
【００１０】
Ｍｇの場合には、発光に有効なｐｎ接合を形成するために、Ｍｇを、ＧａＮ層中に０．００１原子％〜１原子％の範囲で含有させながら、ＧａＮ層をエピタキシャル成長させることができる技術が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−１２４１００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、Ｍｇの正確な濃度制御ができ、大きな成膜速度でｐ型ＧａＮ層を形成する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明は、真空排気される真空槽と、前記真空槽に接続され、前記真空槽内にスパッタリングガスを供給するガス供給装置と、前記真空槽内に配置され、半導体層を構成する元素のうち、少なくとも一種類の元素を含む物質である薄膜材料を含有する主ターゲットとを有し、前記主ターゲットを前記スパッタリングガスによってスパッタリングし、前記真空槽内に位置する成膜対象物表面に半導体層を形成する半導体層形成装置であって、ドーパントから成る蒸着材料が配置される蒸着容器と、前記蒸着容器に配置された前記蒸着材料を昇温させる加熱装置と、を有し、前記スパッタリングガスによって前記主ターゲットをスパッタリングしながら、前記加熱装置によって前記蒸着材料を加熱して前記蒸着材料の蒸気を放出させ、前記成膜対象物の表面に前記蒸着材料が添加されて前記蒸着材料の極性の前記半導体層が形成される半導体層形成装置である。
本発明は、半導体層形成装置であって、前記蒸着容器に配置された前記蒸着材料と前記成膜対象物の間には、貫通孔を有する放出量制限部材が配置され、前記貫通孔を通過した前記蒸着材料の前記蒸気が前記成膜対象物の表面に到達するように構成された半導体層形成装置である。
本発明は、半導体層形成装置であって、前記蒸着容器が配置された分離容器と、前記分離容器に接続され、前記分離容器の内部雰囲気を真空排気する排気装置とを有し、前記スパッタリングガスは前記分離容器の外部に供給され、前記真空槽の内部のうち、前記分離容器の外部と内部とを別々に真空排気できるように構成された半導体層形成装置である。
本発明は、半導体層形成装置であって、前記スパッタリングガスを前記真空槽内に導入しながら前記排気装置を動作させると、前記真空槽内の前記分離容器の外部雰囲気の圧力よりも、前記分離容器の内部雰囲気の圧力の方を低くされるように構成された半導体層形成装置である。
本発明は、半導体層形成装置であって、前記貫通孔は、前記放出量制限部材に複数個形成された半導体層形成装置である。
本発明は、半導体層形成装置であって、前記真空槽には前記薄膜材料と反応して前記半導体層が形成される元素を含む反応性ガスを前記真空槽に供給するガス供給装置が接続された半導体層形成装置である。
本発明は、半導体層形成装置であって、前記薄膜材料はＧａであり、前記ドーパントはＭｇであり、前記反応性ガスは、化学構造中に窒素原子を有するガスである半導体層形成装置である。
本発明は、真空槽と、前記真空槽に接続され、前記真空槽内にスパッタリングガスを供給するガス供給装置と、前記真空槽内に配置され、半導体層を構成する元素のうち、少なくとも一種類の元素を含む物質である薄膜材料を含有する主ターゲットとを有する半導体層形成装置を用い、前記真空槽を真空排気しながら前記真空槽内に前記スパッタリングガスを導入し、前記主ターゲットを前記スパッタリングガスによってスパッタリングし、前記真空槽内に位置する成膜対象物表面に半導体層を形成する半導体層製造方法であって、前記スパッタリングガスによって前記主ターゲットをスパッタリングしながら、ドーパントから成る蒸着材料を加熱して前記真空槽内に前記蒸着材料の蒸気を放出させ、前記成膜対象物の表面に形成される前記半導体層に前記ドーパントを添加し、前記半導体層を前記ドーパントの極性にする半導体層製造方法である。
本発明は、半導体層製造方法であって、前記蒸着材料と前記成膜対象物の間に、貫通孔を有する放出量制限部材を配置し、前記貫通孔を通過した前記蒸着材料の前記蒸気を、前記成膜対象物の表面に到達させる半導体層製造方法である。
本発明は、半導体層製造方法であって、前記真空槽内に配置された分離容器の内部に前記蒸着材料を配置し、前記スパッタリングガスは前記分離容器の外部に供給し、前記真空槽内の、前記分離容器の外部と内部を別々に真空排気しながら、前記主ターゲットのスパッタリングと、前記蒸着材料の前記蒸気の前記分離容器外部への放出とを行う半導体層製造方法である。
本発明は、半導体層製造方法であって、前記真空槽内の前記分離容器の外部雰囲気の圧力よりも、前記分離容器の内部雰囲気の圧力の方を低くしながら前記半導体層を形成する半導体層製造方法である。
本発明は、半導体層製造方法であって、前記貫通孔は、前記放出量制限部材に複数個形成しておく半導体層製造方法である。
本発明は、半導体層製造方法であって、前記真空槽には、前記薄膜材料と反応して前記半導体層が形成される元素を含む反応性ガスを前記真空槽に供給するガス供給装置が接続された半導体層製造方法である。
本発明は、半導体層製造方法であって、前記薄膜材料はＧａであり、前記ドーパントはＭｇであり、前記反応性ガスは、化学構造中に窒素原子を有するガスを用いる半導体層製造方法である。
【発明の効果】
【００１４】
スパッタリングレートが高いドーパントについて、半導体層を速い成膜レートで形成しながら、半導体層に含有されるドーパントの量を正確に少なくすることができる。
半導体層に含有されるドーパントの濃度制御は、放出量制限部材の貫通孔の面積割合や蒸発源の加熱装置の通電量によって簡単に制御することができる。
【００１５】
反応性ガスの圧力について、半導体層の構成物質の少なくとも一部の元素を含む薄膜材料のターゲットの周囲の雰囲気の圧力よりも、蒸着材料の周囲の雰囲気の圧力の方を低くすることができるので、蒸着材料表面と反応性ガスの反応が防止され、半導体層の実効的なドーパント濃度を正確に制御することができる。
また、真空槽の内部に大気を導入したときに、反応性ガスとドーパントとの反応生成物と、大気の成分との反応を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の半導体層形成装置の一例
【図２】本発明の半導体層形成装置が用いられる光素子製造装置の一例
【図３】本発明の半導体層形成装置が用いられる光素子製造装置の他の例
【図４】(ａ)〜(ｆ)：光素子を製造する工程を説明するための図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図４(ａ)の符号２１は本発明に用いる基板であり、成膜対象物である。基板２１には、ここではサファイア基板が用いられている。なお、基板２１には、サファイア基板ではなく、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板等の半導体基板の他、サファイア上にＧａＮや他の半導体を成長させたテンプレート基板等を用いることもできる。
【００１８】
図２の符号１は、基板２１の表面に光素子を形成する光素子製造装置であり、搬入室１１と、バッファ層形成室１２と、アニール室１３と、ｉ−半導体層形成室１４と、第一導電型半導体層形成室１５と、ＭＱＷ形成室１６と、第二導電型半導体層形成室１７と、搬出室１８とを有している。
【００１９】
各室１１〜１８の間は、真空バルブ１９を介してその順序で直列に接続されている。真空バルブ１９は、基板２１が各室１１〜１８の間を移動する際に開閉されるようになっている。
各室１１〜１８には、それぞれ真空ポンプが接続されており、バッファ層形成室１２と、アニール室１３と、ｉ−半導体層形成室１４と、第一導電型半導体層形成室１５と、ＭＱＷ形成室１６と、第二導電型半導体層形成室１７とは、それぞれ真空排気されて真空雰囲気にされている。
【００２０】
ｐ型とｎ型のうち、一方が第一導電型、他方が第二導電型であり、この実施例では、第一導電型はｎ型、第二導電型はｐ型にされているが、第一導電型と第二導電型は互いに逆極性であればよく、第一導電型がｐ型、第二導電型がｎ型であってもよい。
なお、この実施例では、第一、第二半導体層として、第一導電型又は第二導電型のドーパントを含有するＧａＮ層が形成される。
【００２１】
光素子を形成するために、先ず、基板２１を搬入室１１内に搬入し、搬入室１１内を真空排気した後、搬入室１１とバッファ層形成室１２の間の真空バルブ１９を開けて搬入室１１の内部とバッファ層形成室１２の内部とを接続し、基板２１を搬入室１１からバッファ層形成室１２内に移動させる。各室１１〜１８間の真空バルブ１９は、基板２１が通過すると閉じられる。
【００２２】
バッファ層形成室１２内には、バッファ用材料から成るバッファ用ターゲット(ここでは、バッファ用材料は、Ｇａ又はＧａＮのいずれか一方又は両方である。二個以上のバッファ用ターゲットを配置する場合は、Ｇａから成るバッファ用ターゲットと、ＧａＮから成るバッファ用ターゲットとの両方を配置することもできる。)が配置されており、バッファ層形成室１２内にスパッタリングガスを導入し、バッファ用ターゲットに電圧を印加してスパッタリングガスをプラズマ化し、バッファ用ターゲットをスパッタリングする。
【００２３】
ここでは、スパッタリングガスには、Ａｒ等の希ガスと、化学構造中に形成するバッファ層の少なくとも一元素(ここでは窒素原子)を有する反応性ガス(ここではＮ2ガスが用いられているが、この反応性ガス及び他の層を形成する際の反応性ガスは、Ｎ2、ＮＨ3、ＮＨ2ＮＨ2等が含まれる。)とが含まれており、図４(ｂ)に示すように、基板２１表面には、低温で、半導体材料(ここではＧａＮ)から成るバッファー層２２が形成される。
【００２４】
バッファー層２２を所定膜厚に形成した後、基板２１をアニール室１３に移動させる。
アニール室１３の内部には、赤外線ランプヒーターが設けられており、赤外線ランプヒーターに通電し、昇温させて赤外線を放射させ、基板２１に赤外線を照射し、基板２１を１０００℃〜１１００℃の温度範囲に加熱し、形成したバッファー層２２をアニールする。アニールによってバッファー層２２を結晶化させた後、基板２１をｉ−半導体層形成室１４に移動させる。
【００２５】
ｉ−半導体層形成室１４内には、真性半導体材料(この例ではＧａ)を含有する真性半導体用ターゲット(ここでは、Ｇａターゲット又はＧａＮターゲットのいずれか一方。二台の真性半導体用ターゲットを配置する場合は両方を配置することもできる。)が配置されており、ｉ−半導体層形成室１４内に、上記バッファー層２２のスパッタリングガスと同様に、Ａｒ等の希ガスと、化学構造中に真性半導体を構成する物質の少なくとも一元素(ここでは窒素原子)を有する反応性ガス(ここではＮ2ガス)とを含有するスパッタリングガスを導入し、基板２１を加熱しながら真性半導体用ターゲットに電圧を印加し、真性半導体用ターゲットをスパッタリングし、図４(ｃ)に示すように、バッファー層２２の表面に真性半導体層２３を形成する。ここでは、真性半導体層２３にはドーパントは含有されず、ｉ−ＧａＮ層で構成されている。
【００２６】
真性半導体層２３を所定膜厚に形成した後、基板２１を第一導電型半導体層形成室１５に移動させる。
第一導電型半導体層形成室１５内には、第一薄膜材料を含有する第一主ターゲットと、第一導電型のドーパントから成る第一副ターゲットとが配置されている。
【００２７】
第一薄膜材料は、第一導電型半導体層を構成する物質の元素のうち、少なくとも一種類の元素を含む物質であり、第一導電型半導体層形成室１５内に導入した反応性ガスと反応して第一導電型半導体層を構成する半導体が生成される物質である。第一薄膜材料を含有する第一主ターゲットには、第一薄膜材料だけで構成されたターゲットと、第一導電型半導体層と同じ物質で構成されたターゲットの両方が含まれる。
【００２８】
一個の第一主ターゲットを用いる場合、第一導電型半導体層を構成する物質から成るターゲットと、第一薄膜材料から成るターゲットとのうち、いずれか一方のターゲットを第一導電型半導体層形成室１５内に配置することができる。
二個以上の第一主ターゲットを用いる場合は、第一導電型半導体層と同じ物質のターゲットと、第一薄膜材料から成るターゲットとの両方を第一導電型半導体層形成室１５内に配置することができる。
【００２９】
この例では、第一導電型半導体層はＧａＮであり、第一主ターゲットはＧａＮターゲットであるが、第一主ターゲットにＧａターゲットを用い、第一薄膜材料を窒化して、ＧａＮから成る第一導電型半導体層を形成してもよい。
【００３０】
第一導電型半導体層形成室１５内に、Ａｒ等の希ガスと化学構造中に窒素原子を有する反応性ガス(ここではＮ2ガス)とから成るスパッタリングガスを導入し、第一主ターゲットと第一副ターゲットとにそれぞれ電圧を印加し、スパッタリングガスのプラズマを形成し、第一主ターゲットと第一副ターゲットとをそれぞれスパッタリングする。
【００３１】
図４(ｄ)に示すように、真性半導体層２３の表面に、第一導電型ドーパント(ここではＳｉ)がドープされた第一導電型半導体層２４(ここでは、ＧａＮ薄膜である第一導電型ＧａＮ層)を形成する。成膜対象物は回転させて、第一導電型半導体層２４は均一に形成する。
【００３２】
第一導電型半導体層２４を所定膜厚に形成した後、基板２１を、ＭＱＷ形成室１６に移動させる。
ＭＱＷ形成室１６はＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)装置であり、ＭＱＷ形成室１６の内部に原料ガスを導入し、第一導電型半導体層２４の表面に、井戸層と障壁層(ここではＧａＮ層とＩｎＧａＮ層)とを交互に積層し、図４(ｅ)に示すように、第一導電型半導体層２４上に、井戸層と障壁層の積層膜から成るＭＱＷ(multiple-quantum well：多重量子井戸)層２５を形成する。
ＭＱＷ層２５を所定膜厚に形成すると、第二導電型半導体層を形成するための成膜対象物２８が得られる。その成膜対象物２８は、第二導電型半導体層形成室１７に移動させる。
【００３３】
第二導電型半導体層形成室１７の内部構造を図１に示す。
第二導電型半導体層形成室１７は、真空槽５１を有しており、真空槽５１の内部には、ターゲット装置５３と、蒸着源６０とが配置されている。
【００３４】
真空槽５１の内部の天井側には基板ホルダ５５が配置されており、ターゲット装置５３と蒸着源６０とは、その下方に位置している。第二導電型半導体層形成室１７内に移動された成膜対象物２８は、ＭＱＷ層２５を、ターゲット装置５３と蒸着源６０とが配置された位置に向けて基板ホルダ５５に配置される。
ターゲット装置５３は、主電極４１と、第二導電型半導体層の材料となる第二薄膜材料を含有する第二主ターゲット４２を有している。
【００３５】
第二薄膜材料は、第二導電型半導体層を構成する物質の元素のうち、少なくとも一種類の元素を含む物質であり、反応ガスは、第二導電型半導体層を構成する物質の元素のうち、少なくとも一種類の元素を含むガスであり、第二薄膜材料を含有する第二主ターゲットからスパッタリングされた物質は、第二導電型半導体層形成室１７に導入した反応性ガスと反応して、第二導電型半導体層を構成する半導体が反応生成物として生成される物質である。
【００３６】
第二薄膜材料を含有する第二主ターゲット４２には、第二薄膜材料だけで構成されたターゲットと、第二導電型半導体層と同じ物質で構成されたターゲットの両方が含まれる。
一個の第二主ターゲットを用いる場合は、第二導電型半導体層を構成する物質から成るターゲットと、第二薄膜材料から成るターゲットとのうち、いずれか一方のターゲットを第二導電型半導体層形成室１７内に配置することができる。
【００３７】
二個以上の第二主ターゲットを用いる場合は、第二導電型半導体層と同じ物質のターゲットと、第二薄膜材料から成るターゲットの両方を一緒に第二導電型半導体層形成室１７内に配置することができる。
【００３８】
この例では、第二導電型半導体層はＧａＮであり、第二導電型半導体層を構成する元素は、ＧａとＮの二種類あり、第二薄膜材料はＧａであり、反応性ガスは、他の元素であるＮを化学構造中に有している。
【００３９】
第二主ターゲット４２はＧａＮターゲットであるが、この反応性ガスを用いれば、第二主ターゲット４２にＧａターゲットを用い、第二薄膜材料を窒化して、ＧａＮから成る第二導電型半導体層を形成してもよい。
第二主ターゲット４２は、円板や四角板等の平板状であり、表面を上方に位置する基板ホルダ５５に向けて主電極４１上に配置されている。
【００４０】
真空槽５１の外部には、スパッタ電源４９が配置されている。主電極４１はスパッタ電源４９に接続されており、スパッタ電源４９を動作させると主電極４１に直流電圧、交流電圧(高周波電圧を含む)、パルス状電圧が重畳された直流電圧等が印加される。
真空槽５１には、主排気装置４７とガス供給装置５０とが接続されており、主排気装置４７を動作させると真空槽５１内が真空排気され、真空槽５１の内部が真空雰囲気にされる。
【００４１】
ガス供給装置５０には、化学構造中に窒素を有する反応性ガス(この例ではＮ2ガス)が充填された反応性ガスボンベ５８と、希ガスボンベ５９とが設けられており、主排気装置４７の動作によって真空槽５１の内部が所定圧力の真空雰囲気にされた後、ガス供給装置５０から真空雰囲気にされた真空槽５１の内部に、希ガス(ここではＡｒガス)と反応性ガス(ここではＮ2ガス)とを含有するスパッタリングガスを供給する。
【００４２】
真空槽５１の内部が所定圧力のスパッタリングガスの雰囲気になった後、スパッタ電源４９によって主電極４１に電圧を印加すると、第二主ターゲット４２表面がスパッタリングされ、第二主ターゲット４２の構成材料がスパッタリング粒子として放出され、基板ホルダ５５に配置された成膜対象物２８のＭＱＷ層２５の表面に到達する。
【００４３】
反応性ガスは、スパッタリングの際に形成されるプラズマ中で分解され、窒素が発生する。第二主ターゲット４２が第二薄膜材料で構成されている場合は、導入された反応性ガスから発生した窒素が、ＭＱＷ層２５表面に成長する薄膜の第二薄膜材料と反応し、ＭＱＷ層２５の表面に第二薄膜材料の窒化物の薄膜が成長する。
【００４４】
第二主ターゲット４２が第二薄膜材料の窒化物で構成されている場合でも、スパッタリングの際に、窒化物の一部が分解して窒素が分離されてしまうが、反応性ガスから発生した窒素がＭＱＷ層２５表面に成長する薄膜中に取り込まれ、第二薄膜材料と反応し、窒素欠陥の無い窒化物薄膜が成長する。
【００４５】
蒸着源６０は、分離容器６２と、蒸着容器６１と、放出量制限部材６３とを有している。
蒸着容器６１は、内部に蒸着材料を配置できるように構成されている。図１の符号６４は、蒸着容器に配置された蒸着材料である第二導電型のドーパントを示している。この例では、蒸着材料は金属Ｍｇである。
【００４６】
蒸着容器６１は、分離容器６２の内部に配置されており、分離容器６２の開口は、放出量制限部材６３によって蓋をされている。従って、蒸着材料６４は、放出量制限部材６３によって蓋がされた分離容器６２の内部空間に配置されている。
【００４７】
分離容器６２には排気口が設けられており、この排気口には補助排気装置６５が接続されている。補助排気装置６５を動作させると分離容器６２の内部が真空排気されるので、蒸着材料６４が置かれた雰囲気は、補助排気装置６５によって真空排気されるようになっている。
【００４８】
放出量制限部材６３は円板や四角板等の板に複数の貫通孔６６が設けられて網状にされており、貫通孔６６を介して、分離容器６２の内部雰囲気と外部雰囲気とが接続されている。
従って、真空槽５１を主排気装置４７によって真空排気しながらガス供給装置５０から真空槽５１の内部にスパッタリングガスが供給される状態では、分離容器６２の内部が主排気装置４７によって真空排気されると共に、分離容器６２の内部にスパッタリングガスが侵入するが、分離容器６２の内部雰囲気は、分離容器６２に接続された補助排気装置６５によって真空排気されている。
【００４９】
従って、真空槽５１の内部において、分離容器６２の内部雰囲気と、分離容器６２の外部雰囲気とは別々に真空排気されている。分離容器６２の内部の容積は外部の容積よりも小さくされており、分離容器６２の内部雰囲気は、分離容器６２の外部雰囲気よりも低圧力にされている。
【００５０】
この実施例では、分離容器６２の内部雰囲気は、分離容器６２の外部雰囲気の圧力の１／２以下の圧力になるようにされている。一例として、真空槽５１の内部であって分離容器６２の外部雰囲気の圧力が０．１Ｐａのとき、分離容器６２の内部雰囲気の圧力は、０．０５Ｐａよりも低圧になるようにされている。
【００５１】
蒸着容器６１には、加熱装置６８が設けられており、不図示の加熱用電源を起動して加熱装置６８に電流を流すと、加熱装置６８は発熱し、蒸着容器６１を加熱する。蒸着容器６１の昇温によって、蒸着材料６４は加熱され、蒸着材料６４の蒸気が発生する。
【００５２】
分離容器６２と放出量制限部材６３とが設けられておらず、高温に加熱された蒸着材料６４がスパッタリングガス中に含まれる反応性ガスに接触すると、蒸着材料６４は窒素と反応して窒化物が発生してしまう。
そして、メンテナンス等のために真空槽５１の内部が大気に曝され、大気中の水分が窒化物と接触し、窒化物が分解するとアンモニアが発生する。
蒸着材料６４が金属Ｍｇの場合には窒化マグネシウム（ＭｇＮｘ）が発生し、窒化マグネシウムは大気中の水分と接触して分解し、水酸化マグネシウムとアンモニアが発生する。
アンモニアは有毒であるから、アンモニアが真空槽５１から放出されることを防止する装置が必要となる。
また、窒化マグネシウムは安定であるためアクセプタ−にはならない。
【００５３】
本発明では、真空槽５１中に反応性ガスを導入しても、放出量制限部材６３によって蓋がされた分離容器６２の内部は補助排気装置６５によって真空排気されているため、分離容器６２の内部の反応性ガスの圧力は外部の圧力よりも低くなり、その状態で蒸着材料６４から蒸着材料６４の蒸気が発生しても、蒸着材料６４の窒化物は発生しないようにされている。
【００５４】
放出量制限部材６３には、一個又は複数個の貫通孔６６が設けられている。放出量制限部材６３は、蒸着材料６４と基板ホルダ５５の間の位置に配置されており、蒸着材料６４の蒸気は、一部が貫通孔６６を通過して、分離容器６２の外部に放出され、他の一部は放出量制限部材６３の裏面や分離容器６２の壁面等に衝突してその場に付着し、分離容器６２の外部には放出されない。
【００５５】
放出された蒸着材料の蒸気は分離容器６２の外部雰囲気を飛行し、基板ホルダ５５に配置された成膜対象物２８のＭＱＷ層２５表面に到達する。従って、成膜対象物２８の表面には、スパッタリング粒子と蒸気とが到達する。この例では、蒸着材料６４の蒸気はＭｇであり、スパッタリング粒子はＧａＮ又はＧａである。
【００５６】
貫通孔６６を通過して蒸着源６０から真空槽５１の内部に放出される蒸気量は、発生した蒸着材料６４の蒸気の一部であり、従って、放出量制限部材６３を設けないときよりも少量の蒸着材料６４の蒸気が成膜対象物２８に到達する。
【００５７】
成膜対象物２８に到達する蒸気の量は、放出量制限部材６３に形成する貫通孔６６の開口の面積と、貫通孔６６以外の部分の面積の比によって制御することができ、また、加熱装置６８への通電量を制御し、発熱量を制御することで、蒸着材料６４の蒸気の発生量を制御して、成膜対象物２８への蒸着材料６４の蒸気の到達量を制御することができる。
【００５８】
成膜対象物２８には、スパッタリング粒子の到達量の方が、蒸着材料６４の蒸気の到達量よりも多量になるようにされており、図４(ｆ)に示すように、ＭＱＷ層２５表面には、第二導電型のドーパントを含有する第二導電型半導体層２６が形成される。
【００５９】
反応性ガスから分離された窒素成分が成長中の第二導電型半導体層２６に取り込まれているので、第二導電型半導体層２６は、第二薄膜材料の窒化物の薄膜である。第二導電型半導体層２６は、第二導電型のドーパントを含有した第二導電型の半導体である。
ここでは、第二薄膜材料であるＧａの窒化物(ＧａＮ)が、ドーパントであるＭｇを微少に含有する第二導電型のＧａＮ薄膜が形成されている。
【００６０】
第二導電型半導体層２６が所定膜厚に形成され、サファイア基板２１上に、バッファー層２２と、真性半導体層２３と、第一導電型半導体層２４と、ＭＱＷ層２５と、第二導電型半導体層２６とがこの順序で積層された光素子２９が得られる。
光素子２９は搬出室１８に移動させ、光素子製造装置１の外部に取り出すと、一連の光素子形成工程が終了する。
なお、上記実施例では省略したが、各層２２〜２６の形成の際に基板２１の表面上に所定パターンの開口を有するマスクを配置して、パターニングされた各層２２〜２６を形成することができる。
【００６１】
反応性ガスを含有するスパッタリングガスを用いる場合は、含有量が多い方が成長する薄膜に窒素が多く取り込まれるから、窒化物から成る半導体層を形成する場合、スパッタリングガス中では、反応性ガスの分圧の方が、希ガスの分圧よりも高い(反応性ガス圧力＞希ガス圧力)ことが望ましい。
【００６２】
本発明は、半導体の導電型を決定するために、スパッタリングガスによって形成する半導体層中に、第一、又は第二の導電型のドーパントを添加するのに用いることができ、特に、Ｍｇはスパッタリングレートが高く、Ｍｇターゲットを用いて半導体層中にＭｇをドーパントとして含有させることは困難であるため、本発明がＭｇをドーパントにする場合に適している。
他方、Ｓｉはスパッタリングレートが低いので、上記実施例のＳｉで構成された第一副ターゲットをスパッタして、半導体層中に含有させて、第一導電型半導体層２４を形成することができる。
【００６３】
上記実施例では、板状の金属材料に、一又は二以上の貫通孔６６が形成された放出量制限部材６３を用いたが、例えば金属製の網やセラミックス製の網を放出量制限部材６３として用いても良い。要するに、発生した蒸着材料６４の蒸気を減少させて真空槽５１の内部に放出するようにすればよい。
【００６４】
上記実施例では、第一、第二薄膜材料と反応する反応ガスに、反応性ガスを用いたが本発明は、反応性ガスに限定されるものでは無く、薄膜材料と反応して半導体層の物質を発生させるガスであれば反応性ガスに含まれる。
【００６５】
上記実施例では、真空槽５１の内部のうち、分離容器６２の外部を主排気装置４７によって真空排気し、分離容器６２の内部を、主排気装置４７とは別の補助排気装置６５によって真空排気したが、反応性ガスを分離容器６２の内部を通過させずに真空排気して分離容器６２の内部を外部よりも低圧にできれば、同じ真空排気装置によって分離容器６２の内部と外部を別々に真空排気してもよい。
【００６６】
また、上記の例では、各室１１〜１８が一列に直列接続されていたが、図３に示す光素子製造装置２のように、搬入室７１と、バッファ層形成室７２と、アニール室７３と、ｉ−半導体層形成室７４と、第一導電型半導体層形成室７５と、ＭＱＷ形成室７６と、第二導電型半導体層形成室７７と、搬出室７８とを、基板搬送ロボット７０が配置された搬送室７９に設け、各室７１〜７９の間で、基板搬送ロボット７０によって、基板２１を搬送するようにしてもよい。
また、上記の例では、第二半導体層形成装置によって、第二導電型の半導体層を形成したが、言うまでもなく、第一導電型のドーパントを蒸着材料として配置し、第一導電型の半導体層を形成してもよい。
【符号の説明】
【００６７】
２１……基板
２２……バッファー層
２３……真性半導体層
２４……第一導電型半導体層
２５……ＭＱＷ層
２６……第二導電型半導体層
５１……真空槽
５０……ガス供給装置
６１……蒸着容器
６２……分離容器
６３……放出量制限部材
６４……蒸着材料
６６……貫通孔
４２……第二主ターゲット(ターゲット)
６８……加熱装置
【図１】
2012222004.tif 000003
【図２】
2012222004.tif 000004
【図３】
2012222004.tif 000005
【図４】
2012222004.tif 000006