(57)【要約】【課題】キャリア密度の高い化合物半導体膜を製造する方法を提供する。【解決手段】第１及び第２のドーパント１７ａ、１９ａと、III族窒化物半導体４７の構成元素の原料とを供給して第1半導体層４７ｂを形成する工程Ｓ１０３と、第２半導体層４７ａを形成する工程Ｓ１０１と、第１半導体層４７ｂと、第２半導体層４７ａの形成を繰り返す工程Ｓ１０７とを備え、第２のドーパント１９ａは、第１のドーパント１７ａと同一の導電型のドーパントとして働き、第２半導体層４７ａは、アンドープ層、又は、低ドープ層であり、低ドープ層は、第１及び第２のドーパント１７ａ、１９ａが第１半導体層４７ｂにおける濃度よりも低濃度にドープされ、第１半導体層４７ｂにおいて置換される構成元素の原子半径は、第１のドーパント１７ａの原子半径よりも大きく、第２のドーパント１９ａの原子半径よりも小さいことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体膜を製造する方法であって、
III族窒化物半導体に対してドーパントとして働く第１及び第２のドーパントと、前記III族窒化物半導体の構成元素の原料と、を供給して前記III族窒化物半導体のドープ層である第1半導体層を形成する工程と、
前記III族窒化物半導体からなる第２半導体層を形成する工程と、
前記第１半導体層と、前記第２半導体層の形成を繰り返す工程と、
を備え、
前記第１半導体層は前記第１のドーパント及び前記第２のドーパントを含み、
前記第２のドーパントは、前記III族窒化物半導体に対して前記第１のドーパントと同一の導電型のドーパントとして働き、
前記第２半導体層は、前記III族窒化物半導体のアンドープ層、又は、低ドープ層であり、
前記低ドープ層は、前記III族窒化物半導体に対して前記第１及び前記第２のドーパントのうち少なくとも一方が前記第１半導体層における濃度よりも低濃度にドープされており、
前記第１及び第２のドーパントは、前記第１半導体層及び前記低ドープ層において前記III族窒化物半導体の構成元素のうち少なくとも一種の構成元素と置換されており、
前記第１半導体層において当該置換される構成元素の原子半径は、前記第１のドーパントの原子半径よりも大きいと共に、前記第２のドーパントの原子半径よりも小さいことを特徴とする方法。
【請求項２】
半導体膜を製造する方法であって、
III族窒化物半導体に対してドーパントとして働く第１及び第２のドーパントと、前記III族窒化物半導体の構成元素の原料と、を供給して前記III族窒化物半導体のドープ層である第１半導体層を形成する工程と、
前記III族窒化物半導体からなる第２半導体層を形成する工程と、
前記第１半導体層と、前記第２半導体層の形成を繰り返す工程と、
を備え、
前記第１半導体層は前記第１のドーパント及び前記第２のドーパントを含み、
前記第２のドーパントは、前記III族窒化物半導体に対して前記第１のドーパントと同一の導電型のドーパントとして働き、
前記第２半導体層は、前記III族窒化物半導体のアンドープ層、又は、低ドープ層であり、
前記低ドープ層は、前記III族窒化物半導体に対して前記第１及び前記第２のドーパントのうち少なくとも一方が前記第１半導体層における濃度よりも低濃度にドープされており、
前記第１及び第２のドーパントは、前記第１半導体層及び前記低ドープ層において前記III族窒化物半導体の構成元素のうち少なくとも一種の構成元素と置換されており、
前記第１のドーパントの原子半径は前記第２のドーパントの原子半径よりも小さいことを特徴とする方法。
【請求項３】
前記第２半導体層は、前記III族窒化物半導体のアンドープ層であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第２半導体層は、前記III族窒化物半導体の低ドープ層であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記III族窒化物半導体は、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、又はＧａＮ、ＩｎＮ及びＡｌＮのうち少なくとも２つからなる混晶であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記第１のドーパントはベリリウムであり、前記第２のドーパントはマグネシウムであることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された方法。
【請求項７】
前記ベリリウムの前記第１半導体層におけるドーピング濃度は５×１０１８以上１×１０２１cm―３以下であり、前記マグネシウムの前記第１半導体層におけるドーピング濃度は５×１０１８以上１×１０２１cm―３以下であることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第１半導体層の厚さは０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、前記第２半導体層の厚さは０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記第１半導体層及び前記第２半導体層の形成は分子線エピタキシ法により行われることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
半導体膜を製造する方法であって、
化合物半導体に対してドーパントとして働く第１及び第２のドーパントと、前記化合物半導体の構成元素の原料と、を供給して前記化合物半導体のドープ層である第１半導体層を形成する工程と、
前記化合物半導体からなる第２半導体層を形成する工程と、
前記第１半導体層と、前記第２半導体層の形成を繰り返す工程と、
を備え、
前記第１半導体層は前記第１のドーパント及び前記第２のドーパントを含み、
前記第２のドーパントは、前記化合物半導体に対して前記第１のドーパントと同一の導電型のドーパントとして働き、
前記第２半導体層は、前記化合物半導体のアンドープ層、又は、低ドープ層であり、
前記低ドープ層は、前記化合物半導体に対して前記第１及び前記第２のドーパントのうち少なくとも一方が前記第１半導体層における濃度よりも低濃度にドープされており、
前記第１及び第２のドーパントは、前記第１半導体層及び前記低ドープ層において前記化合物半導体の構成元素のうち少なくとも一種の構成元素と置換されており、
前記第１のドーパントの原子半径は前記第２のドーパントの原子半径よりも小さいことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体膜を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、低抵抗の半導体膜実現のために、半導体膜に対してドナーとアクセプタを共ドーピングする技術が開示されている。ドナーとアクセプタの両者を共ドーピングすると、それぞれの不純物原子は一対一（１：１）の対を形成する。この原子対の周りに更に別のアクセプタ不純物が配位して、全体としてアクセプタとして働く。例えばドナーとアクセプタ不純物を一対二（１：２）の比率で高濃度ドープすると、その差分の濃度のアクセプタが形成できる。この方法によれば、従来困難であった１０１９−１０２１ｃｍ−３程度の高濃度の正孔濃度が実現できる。例えば、ＧａＮ半導体膜に対して、アクセプタとしてベリリウム（Ｂｅ）を用いると共にドナーとしてシリコン（Ｓｉ）を用いた場合、Ｂｅ単独でドーピングした場合の３倍以上の正孔濃度が実現され、１．２×１０１８ｃｍ−３のホール密度が得られている。
【非特許文献１】Yamamoto，T．；Katayama-Yoshida，H．Materials  design  for  the  Fabrication  of  low-resistivity  p-type  GaN  using  a  codoping  method.Jpn.  J.Appl.Phys.  36,1997,p.L180-L183.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
様々な半導体デバイスにおける低抵抗オーミック接触の実現、及び半導体発光デバイスにおける順方向抵抗の低減といった半導体デバイスの性能向上のためには、低抵抗の半導体膜を実現する必要がある。半導体の抵抗値は半導体内のキャリア密度に依存するため、低抵抗の半導体膜の実現のためには、半導体膜に高濃度にドーパントを添加して、キャリア密度を増加させる必要がある。
【０００４】
上述の従来技術のように、ＧａＮ半導体膜にドナーとしてのＳｉとアクセプタとしてのＢｅを共ドープした場合、ＧａＮ半導体膜中のＧａの一部はＢｅ及びＳｉに置換される。ここで、Ｓｉの原子半径とＧａの原子半径は近いが、Ｂｅの原子半径はＧａの原子半径よりもかなり小さい。そのため、ＢｅとＳｉを高ドープするとＧａＮ結晶に局所的な格子歪が生じる。その結果ＧａＮ結晶内にドナー性の欠陥が発生し、そこにホールがトラップされるため、このドナー性の欠陥はホール密度を低下させる。
【０００５】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、キャリア密度の高い化合物半導体膜を製造する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】
【０００６】
本発明に係る半導体膜を製造する方法は、III族窒化物半導体に対してドーパントとして働く第１及び第２のドーパントと、III族窒化物半導体の構成元素の原料とを供給してIII族窒化物半導体のドープ層である第1半導体層を形成する工程と、III族窒化物半導体からなる第２半導体層を形成する工程と、第１半導体層と、第２半導体層の形成を繰り返す工程とを備え、第１半導体層は第１のドーパント及び第２のドーパントを含み、第２のドーパントは、III族窒化物半導体に対して第１のドーパントと同一の導電型のドーパントとして働き、第２半導体層は、III族窒化物半導体のアンドープ層、又は、低ドープ層であり、低ドープ層は、III族窒化物半導体に対して第１及び第２のドーパントのうち少なくとも一方が第１半導体層における濃度よりも低濃度にドープされており、第１及び第２のドーパントは、第１半導体層及び低ドープ層においてIII族窒化物半導体の構成元素のうち少なくとも一種の構成元素と置換されており、第１半導体層において当該置換される構成元素の原子半径は、第１のドーパントの原子半径よりも大きいと共に、第２のドーパントの原子半径よりも小さいことを特徴とする。
【０００７】
本発明の半導体膜の製造方法によれば、第１のドーパントの原子半径は、第１のドーパントと置換されるホスト半導体の構成元素よりも小さく、また、第２のドーパントの原子半径は、第２のドーパントと置換されるホスト半導体の構成元素よりも大きいので、第1半導体層であるドープ層において、ホスト半導体における局所的な格子歪を低減できる。また、第２半導体層がアンドープ層である場合、第２半導体層にはドーパント添加による格子歪はない。また、第２半導体層が低ドープ層である場合、第２半導体層にドープされた第１及び／又は第２ドーパントの濃度は第1半導体層における第１及び／又は第２ドーパントの濃度よりも低いため、第２半導体層のドーパント添加による格子歪は、第１半導体層のドーパント添加による格子歪よりも小さい。そして、第１半導体層と第２半導体層は交互に形成されるので、半導体膜全体として格子歪はさらに小さくなる。その結果、格子歪に起因するキャリア密度の低下が小さくなるので、キャリア密度の高いIII族窒化物半導体膜が得られる。
【０００８】
また、本発明に係る半導体膜を製造する方法の他の態様としては、III族窒化物半導体に対してドーパントとして働く第１及び第２のドーパントと、III族窒化物半導体の構成元素の原料とを供給してIII族窒化物半導体のドープ層である第１半導体層を形成する工程と、III族窒化物半導体からなる第２半導体層を形成する工程と、第１半導体層と、第２半導体層の形成を繰り返す工程とを備え、第１半導体層は第１のドーパント及び第２のドーパントを含み、第２のドーパントは、III族窒化物半導体に対して第１のドーパントと同一の導電型のドーパントとして働き、第２半導体層は、III族窒化物半導体のアンドープ層、又は、低ドープ層であり、低ドープ層は、III族窒化物半導体に対して第１及び第２のドーパントのうち少なくとも一方が第１半導体層における濃度よりも低濃度にドープされており、第１及び第２のドーパントは、第１半導体層及び低ドープ層においてIII族窒化物半導体の構成元素のうち少なくとも一種の構成元素と置換されており、第１のドーパントの原子半径は第２のドーパントの原子半径よりも小さいことを特徴とする。
【０００９】
本発明の半導体膜の製造方法によれば、第１のドーパントの原子半径は第２のドーパントの原子半径よりも小さいので、第１のドーパントのみをドープした場合と比較して、第1半導体層であるドープ層において、ホスト半導体における局所的な格子歪を低減できる。また、第２半導体層がアンドープ層である場合、第２半導体層にはドーパント添加による格子歪はない。また、第２半導体層が低ドープ層である場合、第２半導体層にドープされた第１及び／又は第２ドーパントの濃度は第1半導体層における第１及び／又は第２ドーパントの濃度よりも低いため、第２半導体層のドーパント添加による格子歪は、第１半導体層のドーパント添加による格子歪よりも小さい。そして、第１半導体層と第２半導体層は交互に形成されるので、半導体膜全体として格子歪はさらに小さくなる。その結果、格子歪に起因するキャリア密度の低下が小さくなるため、キャリア密度の高いIII族窒化物半導体膜が得られる。
【００１０】
さらに、第２半導体層は、III族窒化物半導体のアンドープ層であることが好ましい。これにより、第２半導体層にはドーパント添加による格子歪はなくなる。その結果、第１半導体層と第２半導体層を交互に形成することによる半導体膜全体の格子歪を低減させる効果が特に強く発揮される。
【００１１】
また、第２半導体層は、III族窒化物半導体の低ドープ層であることが好ましい。これにより、第２半導体層の比抵抗が小さくなる。その結果、半導体膜全体の抵抗値を低減させることが可能となり、半導体膜の電気的特性を向上させることが可能となる。
【００１２】
さらに、III族窒化物半導体は、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮのいずれかであることが好ましい。又はIII族窒化物半導体は、ＧａＮ、ＩｎＮ及びＡｌＮのうち少なくとも２つからなる混晶であることが好ましい。
【００１３】
さらに、第１のドーパントはベリリウムであり、第２のドーパントはマグネシウムであることが好ましい。これらのドーパントは、ＧａＮ半導体においてガリウム原子を置換する。そして、ガリウム原子の原子半径は、マグネシウム及びベリリウムの原子半径の間である。そのため、上述のホスト半導体の格子歪を低減させる効果を十分に得ることができる。
【００１４】
さらに、第１半導体層の厚さは０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、第２半導体層の厚さは０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、第１半導体層と第２半導体層を交互に形成することによって生じる半導体膜全体の格子歪を小さくする効果が十分に大きくなる。その結果、よりキャリア密度の高いIII族窒化物半導体膜が得られる。
【００１５】
さらに、ベリリウムの第１半導体層におけるドーピング濃度は５×１０１８以上１×１０２１cm―３以下であり、マグネシウムの第１半導体層におけるドーピング濃度は５×１０１８以上１×１０２１cm―３以下であることが好ましい。これにより、上述のドーピングによるホスト半導体の局所的な格子歪を低減させる効果が特に有効に発揮される。
【００１６】
さらに、上述の第１半導体層及び第２半導体層成膜は分子線エピタキシ法により行われることが好ましい。分子線エピタキシ法によれば、半導体の構成元素を第１のドーパント及び第２のドーパントと容易に置換させることができる。そのため、よりキャリア密度の高い半導体膜が得られる。
【００１７】
また、本発明に係る半導体膜の製造方法の他の態様としては、化合物半導体に対してドーパントとして働く第１及び第２のドーパントと、化合物半導体の構成元素の原料とを供給して化合物半導体のドープ層である第１半導体層を形成する工程と、化合物半導体からなる第２半導体層を形成する工程と、第１半導体層と、第２半導体層の形成を繰り返す工程とを備え、第１半導体層は第１のドーパント及び第２のドーパントを含み、第２のドーパントは、化合物半導体に対して第１のドーパントと同一の導電型のドーパントとして働き、第２半導体層は、化合物半導体のアンドープ層、又は、低ドープ層であり、低ドープ層は、化合物半導体に対して第１及び第２のドーパントのうち少なくとも一方が第１半導体層における濃度よりも低濃度にドープされており、第１及び第２のドーパントは、第１半導体層及び低ドープ層において化合物半導体の構成元素のうち少なくとも一種の構成元素と置換されており、第１のドーパントの原子半径は第２のドーパントの原子半径よりも小さいことを特徴とする。
【００１８】
本発明の半導体膜の製造方法によれば、第１のドーパントの原子半径は第２のドーパントの原子半径よりも小さいので、第１のドーパントのみをドープした場合と比較して、第1半導体層であるドープ層において、ホスト半導体における局所的な格子歪を低減できる。また、第２半導体層がアンドープ層である場合、第２半導体層にはドーパント添加による格子歪はない。また、第２半導体層が低ドープ層である場合、第２半導体層にドープされた第１及び／又は第２ドーパントの濃度は第1半導体層における第１及び／又は第２ドーパントの濃度よりも低いため、第２半導体層のドーパント添加による格子歪は、第１半導体層のドーパント添加による格子歪よりも小さい。そして、第１半導体層と第２半導体層は交互に形成されるので、半導体膜全体として格子歪はさらに小さくなる。その結果、格子歪に起因するキャリア密度の低下が小さくなるため、キャリア密度の高い化合物半導体膜が得られる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、キャリア密度の高い化合物半導体膜を製造する方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、実施の形態に係る化合物半導体膜を製造する方法について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。また、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。
［第一実施形態］
【００２１】
図１は、本発明の第一実施形態に係る化合物半導体膜を製造する方法の主要な工程を示すフローチャートである。図２は、化合物半導体膜を製造するための結晶成長装置の一例を示す図面である。図１のフローチャート１００に示すように、本実施形態に係る化合物半導体膜を製造する方法は、基板設置工程Ｓ１０１と、アンドープ層形成工程（第２半導体層を形成する工程）Ｓ１０３と、ドープ層形成工程（第１半導体層を形成する工程）Ｓ１０５とを含み、さらに、アンドープ層形成工程Ｓ１０３とドープ層形成工程Ｓ１０５と所定回数繰り返す繰り返し工程Ｓ１０７を含んでいる。
【００２２】
基板設置工程Ｓ１０１では、化合物半導体膜を形成するための基板３１を結晶成長装置に設置する。結晶成長装置としては、図２に示すような分子線エピタキシ装置１３を用いることができる。
【００２３】
分子線エピタキシ装置１３は、チャンバ１３ａと、基板ホルダ１３ｂと、ソース１３ｃと、モニタ装置としてのＲＨＥＥＤ装置１３ｄと、真空ポンプが接続された排気口１３ｅとを備えている。ソース１３ｃは、具体的には、ドーパント源１７、１９、２９及び原料源２１、２３、２５、２７である。ドーパント源１７、１９、２９及び原料源２１、２５、２７は、各セル１７Ｋ、１９Ｋ、２９Ｋ、２１Ｋ、２５Ｋ、及び２７Ｋ内にそれぞれ設けられている。また、原料源２３は気体状の原料源であり、セル２３Ｋを経由してチャンバ１３ａへ導入される。また、各セル１７Ｋ、１９Ｋ、２９Ｋ、２１Ｋ、２３Ｋ、２５Ｋ、及び２７Ｋは、それぞれシャッター１７Ｓ、１９Ｓ、２９Ｓ、２１Ｓ、２３Ｓ、２５Ｓ、及び２７Ｓを有している。また、各セル１７Ｋ、１９Ｋ、２９Ｋ、２１Ｋ、２５Ｋ、及び２７Ｋは、それぞれ抵抗加熱器１７Ｒ、１９Ｒ、２９Ｒ、２１Ｒ、２５Ｒ、及び２７Ｒを有している。
【００２４】
分子線エピタキシ装置１３は、ドーパント源又は原料源のセルを抵抗加熱器で加熱し、そのセルのシャッターを開くことにより、選択的に各ドーパント源及び各原料源を基板３１上へ供給することが可能である。また、ＲＦラジカルガンを用いて高周波磁場を窒素２３ａに印加し、プラズマ化した窒素２３ａを基板３１上に供給することが可能である。
【００２５】
ドーパント源１７、１９は、それぞれ、化合物半導体中において同一の導電型のドーパントとして働く第１および第２のドーパント１７ａ、１９ａを提供する。原料源２１、２３は、化合物半導体の構成原子２１ａ、２３ａを提供する。本実施形態においては、ドーパント源１７、１９、２９及び原料源２１、２３、２５、２７は、それぞれ、ベリリウム、マグネシウム、シリコン、ガリウム、窒素、アルミニウム、及びインジウムである。また、第１のドーパント１７ａはベリリウムであり、第２のドーパント１９ａはマグネシウムである。また、原料２１ａはガリウムであり、原料２３ａは窒素（Ｎ）である。
【００２６】
アンドープ層形成工程Ｓ１０３においては、まずソース１３ｃにおいて、加熱・プラズマ生成といった準備を行う。基板３１は、７００℃程度に加熱しておく。また、原料源２１、２３の加熱温度の調節等により、基板３１上にガリウム２１ａと窒素２３ａとが略同原子数供給されるようにする。また、ドーパント源１７、１９の加熱温度の調整等により、所定量のベリリウム１７ａ及びマグネシウム１９ａが基板３１上に供給されるようにする。そして、原料源２１、２３のシャッター２１Ｓ、２３Ｓを開き、ガリウム２１ａと窒素２３ａを基板３１上に供給する。すると、基板３１上にIII族窒化物半導体であるＧａＮがエピタキシャル成長する。また、ＧａＮのエピタキシャル成長中の表面をＲＨＥＥＤ装置１３ｄで観察する。具体的には、ＲＨＥＥＤ装置１３ｄにより基板３１に低角で電子線を入射させ、反射された回折像を観察することにより表面状態の情報が得られる。
【００２７】
アンドープ層の膜厚は、０．５ｎｍ以上であることが好ましい。何故なら、アンドープ層がこの厚さ以上であると、本実施形態に係る化合物半導体膜を製造する方法によって製造されるＧａＮ膜全体としての格子歪を低減させる効果（詳細は後述）が特に顕著であることを本発明者らは実験により確認したからである。また、アンドープ層の膜厚は、１０ｎｍ以下であることが好ましい。何故なら、アンドープ層がこの厚さ以上であると、ＧａＮ膜全体としての格子歪を低減させる効果は向上するものの、後述のドープ層間において電気的接続が阻害されてしまうからである。即ち、本実施形態に係る化合物半導体膜を製造する方法によって製造されるＧａＮ膜の積層方向に電流を流すと、比抵抗の高いアンドープ層には量子力学的効果によりトンネル電流が流れるが、アンドープ層が１０ｎｍ以下であると特にＧａＮ膜に十分な電流を流すことが可能でありＧａＮ膜の電気的特性が良好になること本発明者らは実験により確認したためである。なお、アンドープ層は第２半導体層となる。
【００２８】
ドープ層形成工程Ｓ１０５では、原料源２１、２３のシャッター２１Ｓ、２３Ｓを開いた状態のまま、さらにドーパント源１７、１９のシャッター１７Ｓ、１９Ｓを開き、ガリウム２１ａ、窒素２３ａ、第１のドーパントのベリリウム１７ａ、及び第２のドーパントのマグネシウム１９ａを基板３１上に供給する。すると、第１のドーパントのベリリウム１７ａ及び第２のドーパントのマグネシウム１９ａを含むＧａＮ層（ドープ層）がアンドープ層上に形成される。この際、ベリリウム１７ａのドープ層におけるドーピング濃度は、１×１０１８以上であることが好ましい。何故なら、ベリリウム１７ａのドープ層におけるドーピング濃度がこの値以上であると、ベリリウム１７ａとマグネシウム１９ａの相互作用が十分に大きくなるためである。即ち、ベリリウム１７ａ添加によるドープ層の格子歪とマグネシウム１９ａ添加によるドープ層の格子歪とが相殺する効果が十分に発揮され、後述のようにＧａＮ膜全体としての格子歪を低減させる効果が十分に発揮されるためである。なお、ドープ層は第１半導体層となる。
【００２９】
また、ベリリウム１７ａのドープ層におけるドーピング濃度は、１×１０２１cm―３以下であることが好ましい。何故なら、ベリリウム１７ａのドープ層におけるドーピング濃度がこの値以上であると、マグネシウム１９ａのドープ層におけるドーピング濃度に関わらず、ドープ層の結晶性が悪化してキャリア密度が低減する傾向があるためである。
【００３０】
同様に、マグネシウム１９ａのドープ層におけるドーピング濃度は、１×１０１８以上であることが好ましい。何故なら、マグネシウム１９ａのドープ層におけるドーピング濃度がこの値以上であると、ベリリウム１７ａとマグネシウム１９ａの相互作用が十分に大きくなるためである。即ち、ベリリウム１７ａ添加によるドープ層の格子歪とマグネシウム１９ａ添加によるドープ層の格子歪とが相殺する効果が十分に発揮され、後述のようにＧａＮ膜全体としての格子歪を低減させる効果が十分に発揮されるためである。
【００３１】
また、マグネシウム１９ａのドープ層におけるドーピング濃度は、１×１０２１cm―３以下であることが好ましい。何故なら、マグネシウム１９ａのドープ層におけるドーピング濃度がこの値以上であると、ベリリウム１７ａのドープ層におけるドーピング濃度に関わらず、ドープ層の結晶性が悪化してキャリア密度が低減する傾向があるためである。
【００３２】
また、ドープ層の膜厚は、０．５ｎｍ以上であることが好ましい。何故なら、ドープ層の膜厚がこの値以下であると、以下のような欠点があるためである。即ち、後述のようなＧａＮ層全体としての格子歪を低減させる効果を有効に発揮させるためには、ドープ層とアンドープ層の膜厚は同程度とすることが好ましい。そのため、ドープ層の膜厚を０．５ｎｍ以下にすると、ＧａＮ層全体を形成するために非常に薄いドープ層及びアンドープ層を交互に多数成膜する必要があるが、その際にドープ層とアンドープ層の形成を切り替えるためのシャッターの開閉（図２参照）等に時間がかかり、ＧａＮ層全体の製造時のスループットが大きく低下してしまう。
【００３３】
また、ドープ層の膜厚は、１０ｎｍ以下であることが好ましい。何故なら、ドープ層の膜厚がこの値以上であるとドープ層内に格子歪が多く蓄積するため、後述のようなドープ層とアンドープ層とを交互に積層させることによってＧａＮ全体の格子歪を低減させる効果が十分に発揮されない傾向があるためである。
【００３４】
繰り返し工程Ｓ１０７では、上述のアンドープ層形成工程Ｓ１０３とドープ層形成工程Ｓ１０５とを順番に所定回数繰り返す。その結果、ドープ層及びアンドープ層が交互に所定回数繰り返し積層される。なお、アンドープ層形成Ｓ１０３に先立って、ドープ層形成工程Ｓ１０５を行うこともできる。
【００３５】
図３は本実施形態に係る方法で製造されるＧａＮ膜を有するエピタキシャル基板の構造を概略的に示す図である。図３に示すように、エピタキシャル基板Ｅ１は、基板３１と、基板３１上に形成されたＧａＮ膜４７を有している。そして、ＧａＮ膜４７は、アンドープ層４７ａとドープ層４７ｂが交互に所定回数繰り返し積層された積層膜となっている。また、アンドープ層４７ａとドープ層４７ｂは、互いにホモ接合４７cを形成している。
【００３６】
上述のように製造されたＧａＮ膜４７においては、第１のドーパントのベリリウム１７ａ、及び第２のドーパントのマグネシウム１９ａは、ドープ層４７ｂにおいて共にＧａ原子と置換される。また、ベリリウム１７ａ及びマグネシウム１９ａは、ＧａＮ膜４７のドープ層中において、共にｐ型ドーパントとして働く。そして、Ｇａの原子半径は、ベリリウム１７ａよりも大きいと共に、マグネシウム１９ａよりも小さい。そのため、ドープ層４７ｂにおいて、ドーピングに起因する局所的な格子歪が低減されている。また、アンドープ層４７ａにはドーパント添加に起因する格子歪は生じない。そして、アンドープ層４７ａとドープ層４７ｂは交互に繰り返して形成されるので、ＧａＮ膜全体としての格子歪はさらに小さくなる。その結果、格子歪に起因してキャリア密度が低下することを抑制できるので、高いキャリア密度のＧａＮ膜４７が得られる。
【００３７】
また、本実施形態においては、ベリリウム１７ａのドープ層４７ｂにおける好適なドーピング濃度は５×１０１８以上１×１０２１cm―３以下であり、マグネシウム１９ａのドープ層４７ｂにおける好適なドーピング濃度は５×１０１８以上１×１０２１cm―３以下としている。ベリリウム１７ａとマグネシウム１９ａのドーピング濃度がこのような範囲であると、上述のようなベリリウム１７ａとマグネシウム１９ａのドーピングによるＧａＮ膜４７の局所的な格子歪を低減させる効果が特に有効に発揮させる。その結果、さらにキャリア密度の高いＧａＮ膜４７が得られる。
【００３８】
また、本実施形態においては、アンドープ層４７ａの厚さは好適には０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、ドープ層４７ｂの厚さは好適には０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下としている。アンドープ層４７ａとドープ層４７ｂの厚さがこのような範囲であると、上述のようなＧａＮ膜４７全体としての格子歪を減少させる効果が特に有効に発揮される。その結果、さらにキャリア密度の高いＧａＮ膜４７が得られる。
【００３９】
また、本実施形態におけるアンドープ層４７ａを、ベリリウム１７ａ及びマグネシウム１９ａのドーパントのうち少なくとも一方がドープ層４７ｂにおける濃度よりも低濃度にドープされた低ドープ層４７ａに置き変えることも可能である。この場合、上述のアンドープ層形成工程Ｓ１０３は、低ドープ層形成工程（第２半導体層を形成する工程）Ｓ１０３に置き換えられ、繰り返し工程Ｓ１０７は、アンドープ層形成工程Ｓ１０３と低ドープ層形成工程Ｓ１０５とを順番に所定回数繰り返す工程となる。また、低ドープ層４７ａが第２半導体層となる。この低ドープ層形成工程Ｓ１０３では、上述のドープ層形成工程Ｓ１０５におけるドープ層４７ｂの形成と同様の方法で低ドープ層４７ａを形成することになるが、この際、ベリリウム１７ａ及び／又はマグネシウム１９ａの供給量をドープ層形成工程Ｓ１０５における供給量よりも減少させる。この低ドープ層４７ａは、ドーパントとしてベリリウム１７ａ及びマグネシウム１９ａの両方を含んでいてもよく、いずれか一方のみを含んでいてもよい。
【００４０】
この低ドープ層４７ａにおけるベリリウム１７ａのドーピング濃度は、５×１０１８ｃｍ―３未満であることが好ましい。何故なら、５×１０１８ｃｍ―３以上のドーピング濃度とすると、低ドープ層４７ａの格子歪が大きくなり、後述のようなドープ層４７ｂと低ドープ層４７ａとを交互に積層させることによってＧａＮ膜４７全体の格子歪を低減させる効果が十分に発揮されない傾向があるためである。また、低ドープ層４７ａにおけるベリリウム１７ａのドーピング濃度のＳＩＭＳ法による測定限界は５×１０１４ｃｍ―３であるが、低ドープ層４７ａにおけるベリリウム１７ａのドーピング濃度は、この測定限界以下の濃度であってもよい。
【００４１】
また、この低ドープ層４７ａにおけるマグネシウム１９ａのドーピング濃度は、５×１０１８ｃｍ―３未満であることが好ましい。何故なら、５×１０１８ｃｍ―３以上のドーピング濃度とすると、低ドープ層４７ａの格子歪が大きくなり、後述のようなドープ層４７ｂと低ドープ層４７ａとを交互に積層させることによってＧａＮ膜４７全体の格子歪を低減させる効果が十分に発揮されない傾向があるためである。また、低ドープ層４７ａにおけるマグネシウム１９ａのドーピング濃度のＳＩＭＳ法による測定限界は５×１０１４ｃｍ―３であるが、低ドープ層４７ａにおけるマグネシウム１９ａのドーピング濃度は、この測定限界以下の濃度であってもよい。
【００４２】
この場合、ＧａＮ膜４７は、低ドープ層４７ａとドープ層４７ｂが交互に積層された積層膜となる。そして、低ドープ層４７ａ内に生じるドーパント添加による格子歪は、ドープ層４７ｂ内に生じるドーパント添加による格子歪よりも小さくなる。そのため、アンドープ層４７ａとドープ層４７ｂとを交互に積層させた場合と同様に、低ドープ層４７ａとドープ層４７ｂとを交互に積層させることによってＧａＮ膜の格子歪を低減させることが可能である。さらに、低ドープ層４７ａはアンドープ層４７ａよりも比抵抗が小さくなる。そのため、ＧａＮ膜全体の抵抗値を低減させることが可能であり、ＧａＮ膜の電気的特性を向上させることが可能となる。
［第二実施形態］
【００４３】
図４は、本発明の第二実施形態に係る化合物半導体膜を製造する方法及びＬＥＤ構造を有するエピタキシャル基板を製造する方法の主要な工程を示すフローチャートである。また、図５は、本実施形態に係る方法で製造されるＬＥＤ構造を概略的に示す図である。エピタキシャル基板Ｅ２は、ＬＥＤ構造３３に対応する膜の積層を含んでいる。図４のフローチャート１００ａに示すように、本実施形態に係るＬＥＤ構造を有するエピタキシャル基板Ｅ２を製造する方法は、以下の工程を主に含んでいる。
【００４４】
工程Ｓ１０５：
第一実施形態における基板設置工程Ｓ１０１（図１参照）と同様の工程である。即ち、半導体膜を形成するための基板３１（本実施形態ではＧａＮ基板）を分子線エピタキシ装置１３に設置する。
【００４５】
工程Ｓ１０７：
セル２１Ｋ、２９Ｋ及び２３Ｋのシャッター２１Ｓ、２９Ｓ及び２３Ｓを開けて、原料であるガリウム２１ａと窒素２３ａ、及びドーパントであるシリコン２９とをＧａＮ基板３１上に供給する。これにより、ｎ型ＧａＮバッファ層３５がＧａＮ基板３１上に形成される。ｎ型ＧａＮバッファ層３５の厚さは、例えば５００ｎｍである。
【００４６】
工程Ｓ１０９：
さらにセル２５Ｋのシャッター２５Ｓを開けて原料源であるアルミナ２５からアルミナをさらに供給する。これにより、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３７がｎ型ＧａＮバッファ層３５上に形成される。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３７の厚さは、例えば５００ｎｍである。
【００４７】
工程Ｓ１１１：
セル２５Ｋ及び２９Ｋのシャッター２５Ｓ及び２９Ｓを閉じて、第１のＧａＮガイド層３９を形成する。第１のＧａＮガイド層３９の厚さは例えば１０ｎｍである。
【００４８】
工程Ｓ１１３：
セル２７Ｋのシャッター２７Ｓを開けて、ＩｎＧａＮ活性層４１を形成する。ＩｎＧａＮ活性層４１の厚さは例えば３ｎｍである。
【００４９】
工程Ｓ１１５：
セル２７Ｋのシャッター２７Ｓを閉じて、第２のＧａＮガイド層４３を形成する。第２のＧａＮガイド層４３の厚さは例えば１０ｎｍである。
【００５０】
工程Ｓ１１７：
セル２５Ｋとセル１７Ｋのシャッター２５Ｓと１７Ｓ、及びＴｅセルのシャッター（図示せず）を開けて、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４５を形成する。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４５の厚さは、例えば５００ｎｍである。
【００５１】
工程Ｓ１１９：
セル２５Ｋとセル１７Ｋのシャッター２５Ｓと１７Ｓ、及びＴｅセルのシャッターを閉じて、ｐ型ＧａＮコンタクト層４７の一部を形成する。アンドープ層４７ａの好適な膜厚は、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。
【００５２】
工程Ｓ１２１：
セル１７Ｋとセル１９Ｋのシャッター１７Ｓと１９Ｓを開け、ｐ型ＧａＮコンタクト層４７の一部であるドープ層４７ｂを形成する。ドープ層４７ｂの好適な膜厚は、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。また、ベリリウム１７ａのドープ層４７ｂにおける好適なドーピング濃度は１×１０１８以上１×１０２１cm―３以下であり、マグネシウム１９ａのドープ層４７ｂにおける好適なドーピング濃度は１×１０１８以上１×１０２１cm―３以下である。
【００５３】
工程Ｓ１２３：
上述のアンドープ層４７ａ形成工程Ｓ１１９とドープ層４７ｂ形成工程Ｓ１２１とを順番に所定回数繰り返す。その結果、アンドープ層４７ａ及びドープ層４７ｂが交互に所定回数繰り返し積層され、ｐ型ＧａＮコンタクト層４７が形成される。
【００５４】
工程Ｓ１２５：
基板温度を下げた後に、エピタキシャル基板Ｅ２を成長室外へ取り出す。
【００５５】
このエピタキシャル基板Ｅ２は、図５に示すように、ＧａＮ基板３１の主面３１ａ上へＬＥＤ構造３３が形成されたものである。ＬＥＤ構造３３の具体的な構成としては、ＩｎＧａＮ活性層４１がｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３７とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４５との間に設けられている。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４５上にはｐ型ＧａＮコンタクト層４７が形成されている。ＩｎＧａＮ活性層４１とｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３７との間には第１のＧａＮガイド層３９が設けられており、ＩｎＧａＮ活性層４１とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４５との間には第２のＧａＮガイド層４３が設けられている。ｐ型ＧａＮコンタクト層４７上には、アノードといった第１の電極が設けられ、ＧａＮ基板３１の裏面３１ｂ上には、カソードといった第２の電極が設けられる。
【００５６】
ｐ型ＧａＮコンタクト層４７は、上述のように、第一実施形態におけるＧａＮ膜４７（図３参照）と同様の構成を有している。そのため、本実施形態のｐ型ＧａＮコンタクト層４７は、キャリア密度が高く低抵抗の層となっている。その結果、ＬＥＤ構造３３の動作電圧及び発光特性が向上している。なお、本実施形態においては、ｐ型ＧａＮコンタクト層４７をアンドープ層４７ａ及びドープ層４７ｂの繰り返しにより形成したが、別のｐ型半導体層を同様の方法で形成することもできる。
【実施例】
【００５７】
以下、本発明の効果をより一層明らかなものとするため、実施例を用いて説明する。図６及び図７は実施例１〜４及び５に係る積層膜構成の条件と、ホール密度の関係を示す表である。実施例１〜４は、ＧａＮ基板上に上述の第一実施形態と同様にＧａＮ半導体のアンドープ層及びＧａＮ半導体のドープ層を交互に積層した積層膜である。実施例５は、ＧａＮ基板上にＧａＮ半導体の低ドープ層及びＧａＮ半導体のドープ層を交互に積層した積層膜である。いずれの実施例においても、アンドープ層及びドープ層からなる積層体の総膜厚が５００ｎｍになるように、アンドープ層及びドープ層を繰り返し形成した。また、ドーパントとしてはマグネシウムとベリリウムを用いた。そして、実施例１〜４においてマグネシウム及びベリリウムのドープ層内におけるドープ密度は、いずれも５．００×１０１９ｃｍ―３とした。また、実施例５においてマグネシウム及びベリリウムの低ドープ層内におけるドープ密度は、いずれも３．００×１０１８ｃｍ―３とし、マグネシウム及びベリリウムのドープ層内におけるドープ密度は、いずれも５．００×１０１９ｃｍ―３とした。
【００５８】
また、実施例１〜４は、各実施例ごとにアンドープ層及びドープ層の厚さの組み合わせが異なるようにした。具体的には、実施例１のアンドープ層とドープ層の厚さは、いずれも０．５ｎｍとした。また、実施例２のアンドープ層とドープ層の厚さは、いずれも１ｎｍとした。また、実施例３のアンドープ層とドープ層の厚さは、いずれも５ｎｍとした。また、実施例４のアンドープ層とドープ層の厚さは、いずれも１０ｎｍとした。また、実施例５は、アンドープ層とドープ層の厚さは、いずれも５ｎｍとした。また、実施例１〜５において、すべての層は分子線エピタキシ装置を用いて形成した。
【００５９】
図６に示すように、実施例１〜５のホール密度は、それぞれ、１．０×１０１８ｃｍ―３、１．５×１０１８ｃｍ―３、４．５×１０１８ｃｍ―３、１．８×１０１８ｃｍ―３、及び５．５×１０１８ｃｍ―３となり、いずれの実施例についても、高いホール密度を示した。
【００６０】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形態様が可能である。
【００６１】
例えば、上述の実施形態においては、III族窒化物半導体としてＧａＮ半導体を用いたが、ＧａＮに替えて、ＩｎＮ、ＡｌＮの半導体膜を形成することもできる。また、ＧａＮ、ＩｎＮ及びＡｌＮのうち少なくとも２つからなる混晶を用いて半導体膜を形成することもできる。これらの混晶としては、例えばＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮを挙げることができる。
【００６２】
III族窒化物半導体としてＩｎＮを用いた場合、第１及び第２のドーパントとして例えばそれぞれベリリウム及びマグネシウムを用いることができる。また、III族窒化物半導体としてＡｌＮを用いた場合、第１及び第２のドーパントとして例えばそれぞれベリリウム及びマグネシウムを用いることができる。
【００６３】
また、上述の実施形態においては、ホスト半導体中のドーパントによって置換される原子（Ｇａ）の原子半径は、第１のドーパント（ベリリウム）よりも大きく、第２のドーパント（マグネシウム）よりも小さかった。しかしこのような態様に限られない。例えば、第１のドーパントと第２のドーパントの原子半径が互いに異なっていれば、ホスト半導体中においてドーパントの平均原子半径は２種のドーパントの原子半径の間の値になり、小さい原子半径のドーパントによる格子歪を緩和できる。
【００６４】
また、ホスト半導体は、III族窒化物半導体に限られず、例えば、ＺｎＯ、ＺｎＭｇＯ
であっても、本発明の実施は可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】図１は、第一実施形態に係る化合物半導体膜を製造する方法の主要な工程を示すフローチャートである。
【図２】図２は、化合物半導体膜を製造するための結晶成長装置の一例を示す図面である。
【図３】図３は、第一実施形態に係る方法で製造されるＧａＮ膜を有するエピタキシャル基板の構造を概念的に示す図である。
【図４】図４は、第二実施形態に係る化合物半導体膜を製造する方法及びＬＥＤ構造を有するエピタキシャル基板を製造する方法の主要な工程を示すフローチャートである。
【図５】図５は、第二実施形態に係る方法で製造されるＬＥＤ構造を概略的に示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施例の膜構成及びホール密度を示す図である。
【図７】図７は、本発明の実施例の膜構成及びホール密度を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１７ａ・・・第１のドーパント（ベリリウム）、１９ａ・・・第２のドーパント（マグネシウム）、２１ａ・・・III族窒化物半導体の構成元素（ガリウム）、２３ａ・・・III族窒化物半導体の構成元素（窒素）、４７・・・III族窒化物半導体（ＧａＮ）、４７ａ・・・アンドープ層（低ドープ層、第２半導体層）、４７ｂ・・・ドープ層（第１半導体層）、Ｓ１０１・・・基板設置工程、Ｓ１０３・・・アンドープ層（低ドープ層）形成工程、Ｓ１０５・・・ドープ層形成工程、Ｓ１０７・・・繰返し工程。
【図１】
2009177029.tif 000003
【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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