(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速器で発生させた高速の負のミュオン・パイオン中間子をダンパーを用いて減速させ、半導体基板に照射することによって、不純物を前記半導体基板へドーピングすることを特徴とする半導体基板への不純物ドーピング方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＢＮ半導体基板にＢｅ又はＣをドーピングしたＰ型半導体基板。
【請求項３】
請求項１記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＢＰ半導体基板にＢｅをドーピングしたＰ型半導体基板。
【請求項４】
請求項１記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＡｌＮ半導体基板にＣをドーピングしたＰ型半導体基板。
【請求項５】
請求項１記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＧａＮ半導体基板にＣをドーピングしたＰ型半導体基板。
【請求項６】
請求項１記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＩｎＰ半導体基板にＣｄをドーピングしたＰ型半導体基板。
【請求項７】
請求項１記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＩｎＡｓ半導体基板にＣｄをドーピングしたＰ型半導体基板。
【請求項８】
請求項１記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＩｎＳｂ半導体基板にＣｄをドーピングしたＰ型半導体基板。
【請求項９】
請求項１記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＺｎＯ半導体基板にＮｉをドーピングしたＰ型半導体基板。
【請求項１０】
請求項１記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＺｎＳ半導体基板にＮｉをドーピングしたＰ型半導体基板。
【請求項１１】
請求項１記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＺｎＳｅ半導体基板にＮｉをドーピングしたＰ型半導体基板。
【請求項１２】
請求項１記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＺｎＴｅ半導体基板にＮｉ又はＳｂをドーピングしたＰ型半導体基板。
【請求項１３】
請求項１記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＣｄＳ半導体基板にＡｇをドーピングしたＰ型半導体基板。
【請求項１４】
請求項１記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＣｄＳｅ半導体基板にＡｇをドーピングしたＰ型半導体基板。
【請求項１５】
請求項１記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＣｄＴｅ半導体基板にＡｇ又はＳｂをドーピングしたＰ型半導体基板。
【請求項１６】
請求項１記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＨｇＳ半導体基板にＰｔをドーピングしたＰ型半導体基板。
【請求項１７】
請求項１記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＨｇＳｅ半導体基板にＰｔをドーピングしたＰ型半導体基板。
【請求項１８】
請求項１記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＨｇＴｅ半導体基板にＰｔ又はＳｂをドーピングしたＰ型半導体基板。
【請求項１９】
請求項１記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＳｎＴｅ半導体基板にＩｎ又はＳｂをドーピングしたＰ型半導体基板。
【請求項２０】
請求項１記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＰｂＴｅ半導体基板にＳｂをドーピングしたＰ型半導体基板。
【請求項２１】
請求項１記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、Ｔｅ半導体基板にＳｂをドーピングしたＰ型半導体基板。
【請求項２２】
請求項１記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＴｉＯ2 半導体基板にＣａをドーピングしたＰ型半導体基板。
【請求項２３】
請求項１記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＣｕＣｌ半導体基板にＮｉをドーピングしたＰ型半導体基板。
【請求項２４】
請求項１記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＣｕＢｒ半導体基板にＮｉ又はＳｅをドーピングしたＰ型半導体基板。
【請求項２５】
請求項１記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、Ｃｕｌ半導体基板にＮｉをドーピングしたＰ型半導体基板。
【請求項２６】
請求項１記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＡｇＣｌ半導体基板にＰｄをドーピングしたＰ型半導体基板。
【請求項２７】
請求項１記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＡｇＢｒ半導体基板にＰｄ又はＳｅをドーピングしたＰ型半導体基板。
【請求項２８】
請求項１記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＴｌＢｒ半導体基板にＳｅをドーピングしたＰ型半導体基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板に不純物をドーピング（添加）する方法およびそれによって製造された半導体基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体基板への不純物ドーピングには、拡散またはイオン注入を利用した技術が用いられている。拡散は、半導体ウエハーを炉の中に入れ、必要なドーパントを含んだ不活性ガスを流し加熱処理する方法によって達成される。例えば、Ｓｉの拡散においては、ＢＮ等の固体ソースを加熱炉中に配置して、基板を８００℃から１２００℃に加熱して不活性ガスを流すことにより、Ｓｉ基板中にＢが高濃度で添加される。
【０００３】
また、イオン注入は、イオン注入装置を用いて不純物をイオン化し、加速して、半導体基板にドーピングを施す方法であり、形成される不純物の分布を、加速される不純物イオンの質量と加速エネルギーでコントロール可能なため、次のような特徴を有している。
（１）不純物量を電荷量で制御できるので、注入する不純物の量を正確に制御でき、不純物分布の再現性がよい。
（２）不純物ドーピングにあたり、１０10から１０14／ｃｍ2 と広範囲なドーズ量のコントロールが出来る。
（３）不純物を低温でドーピング可能である。
（４）加速電圧を制御することによって、基板表面の酸化膜や窒化膜を通して、基板中に不純物の注入が可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の拡散法では、（１）ドーピング濃度にばらつきが生じる、（２）低い濃度でのドーピングが困難である、（３）不純物の種類によってはドーピングが不可能である、（４）ドーピングに高温プロセスを必要とし、低い融点・蒸気圧を有する半導体基板へのドーピングは基板自体が溶解または蒸発してしまうため不可能である、等の問題点を有する。
【０００５】
また、イオン注入された基板は、そのままでは打ち込んだ不純物の多くが格子間位置にあり、格子位置にないため、半導体のドーパントとして活性化されていない。さらに、イオン注入プロセスによって基板中の多くの欠陥が形成されるため、アニールと呼ばれる熱処理を施す必要がある。このとき、アニーリング温度は、欠陥の回復ならびにキャリアの活性化を行うために、ある程度の高温処理を行う必要があり（Ｓｉでは７００−１０００℃）、低い融点・蒸気圧を有する半導体基板へのドーピングは、基板自体が溶解または蒸発してしまうため不可能となる。
【０００６】
また、基板の種類によっては不純物を注入しても、アニーリングによって格子位置に不純物が置換されず、活性化されない等の問題点を有する。
【０００７】
本発明は、上記状況に鑑みて、不純物を半導体基板へ容易にドーピングすることができる半導体基板への不純物ドーピング方法及びそれによって製造される半導体基板を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕半導体基板への不純物ドーピング方法において、加速器で発生させた高速の負のミュオン・パイオン中間子をダンパーを用いて減速させ、半導体基板に照射することによって、不純物を前記半導体基板へドーピングすることを特徴とする。
【０００９】
〔２〕上記〔１〕記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＢＮ半導体基板にＢｅ又はＣをドーピングしたＰ型半導体基板を得る。
【００１０】
〔３〕上記〔１〕記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＢＰ半導体基板にＢｅをドーピングしたＰ型半導体基板を得る。
【００１１】
〔４〕上記〔１〕記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＡｌＮ半導体基板にＣをドーピングしたＰ型半導体基板を得る。
【００１２】
〔５〕上記〔１〕記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＧａＮ半導体基板にＣをドーピングしたＰ型半導体基板を得る。
【００１３】
〔６〕上記〔１〕記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＩｎＰ半導体基板にＣｄをドーピングしたＰ型半導体基板を得る。
【００１４】
〔７〕上記〔１〕記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＩｎＡｓ半導体基板にＣｄをドーピングしたＰ型半導体基板を得る。
【００１５】
〔８〕上記〔１〕記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＩｎＳｂ半導体基板にＣｄをドーピングしたＰ型半導体基板を得る。
【００１６】
〔９〕上記〔１〕記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＺｎＯ半導体基板にＮｉをドーピングしたＰ型半導体基板を得る。
【００１７】
〔１０〕上記〔１〕記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＺｎＳ半導体基板にＮｉをドーピングしたＰ型半導体基板を得る。
【００１８】
〔１１〕上記〔１〕記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＺｎＳｅ半導体基板にＮｉをドーピングしたＰ型半導体基板を得る。
【００１９】
〔１２〕上記〔１〕記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＺｎＴｅ半導体基板にＮｉ又はＳｂをドーピングしたＰ型半導体基板を得る。
【００２０】
〔１３〕上記〔１〕記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＣｄＳ半導体基板にＡｇをドーピングしたＰ型半導体基板を得る。
【００２１】
〔１４〕上記〔１〕記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＣｄＳｅ半導体基板にＡｇをドーピングしたＰ型半導体基板を得る。
【００２２】
〔１５〕上記〔１〕記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＣｄＴｅ半導体基板にＡｇ又はＳｂをドーピングしたＰ型半導体基板を得る。
【００２３】
〔１６〕上記〔１〕記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＨｇＳ半導体基板にＰｔをドーピングしたＰ型半導体基板を得る。
【００２４】
〔１７〕上記〔１〕記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＨｇＳｅ半導体基板にＰｔをドーピングしたＰ型半導体基板を得る。
【００２５】
〔１８〕上記〔１〕記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＨｇＴｅ半導体基板にＰｔ又はＳｂをドーピングしたＰ型半導体基板を得る。
【００２６】
〔１９〕上記〔１〕記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＳｎＴｅ半導体基板にＩｎ又はＳｂをドーピングしたＰ型半導体基板を得る。
【００２７】
〔２０〕上記〔１〕記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＰｂＴｅ半導体基板にＳｂをドーピングしたＰ型半導体基板を得る。
【００２８】
〔２１〕上記〔１〕記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、Ｔｅ半導体基板にＳｂをドーピングしたＰ型半導体基板を得る。
【００２９】
〔２２〕上記〔１〕記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＴｉＯ2 半導体基板にＣａをドーピングしたＰ型半導体基板を得る。
【００３０】
〔２３〕上記〔１〕記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＣｕＣｌ半導体基板にＮｉをドーピングしたＰ型半導体基板を得る。
【００３１】
〔２４〕上記〔１〕記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＣｕＢｒ半導体基板にＮｉ又はＳｅをドーピングしたＰ型半導体基板。
【００３２】
〔２５〕上記〔１〕記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、Ｃｕｌ半導体基板にＮｉをドーピングしたＰ型半導体基板を得る。
【００３３】
〔２６〕上記〔１〕記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＡｇＣｌ半導体基板にＰｄをドーピングしたＰ型半導体基板を得る。
【００３４】
〔２７〕上記〔１〕記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＡｇＢｒ半導体基板にＰｄ又はＳｅをドーピングしたＰ型半導体基板を得る。
【００３５】
〔２８〕上記〔１〕記載の半導体基板への不純物ドーピング方法によって、ＴｌＢｒ半導体基板にＳｅをドーピングしたＰ型半導体基板を得る。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００３７】
負のミュオンならびにパイオンは、各々２２００ｎｓ、２６ｎｓの半減期を有する素粒子であるが、これらの粒子を半導体基板に照射することによって、基板を構成する原子中の原子核クーロン場に捉えられ、電子を置換してミュオンならびにパイオン原子と呼ばれるものを生成する。図１（ａ）に示すように、例えば水素原子の場合、電子軌道半径が５．３×１０-11 ｍであるのに対して、図１（ｂ）に示すように、ミュオンが捕獲された際の水素軌道半径は２．８×１０-13 ｍ程度となり、非常に原子核に近い軌道を形成する。
【００３８】
このように負のミュオンならびにパイオン粒子は原子核に非常に近い軌道を形成するので、原子核にこれらの素粒子が捕獲され、原子番号を一つ下げる核変換反応が起こる。具体的には、Ｘ〔Ａ，Ｚ〕＋μ（−）ｏｒ  π（−）→Ｙ〔Ａ，Ｚ−１〕
ただし、μ（−）は負のミュオン、π（−）は負のパイオンを示す。
【００３９】
ここで、Ａは陽子と中性子を加えた質量数、Ｚは陽子数を示す。
【００４０】
このような核変換反応を利用することによって、Ｐ型半導体の形成が可能であるが、通常の原子核では上記反応後、電子ならびに中性微子を放出するベータ（−）崩壊を起こすため、再び元の原子番号に戻ってしまう。すなわち、
Ｙ〔Ａ，Ｚ−１〕→Ｘ〔Ａ，Ｚ〕＋ｅ（−）＋νe - 
ただし、νe - は電子ニュートリノである。
【００４１】
例えば、12Ｃにミュオンが捕獲されて12Ｂになるが、この原子は不安定で、２０ｍｓ後にすぐに12Ｃに戻ってしまう。
【００４２】
しかし、元素の中には、ミュオンならびにパイオンが捕獲されて核反応を起こしても、再び戻ることのない、または１０００年以上という半減期が非常に長い反応も存在する。これら特異な元素を、図２に掲げる。このような元素は、負のミュオンならびにパイオンを照射することによって、格子位置に存在する原子の原子番号を１つまたは２つ下げることが可能となるので、従来の拡散法ならびにイオン注入法が有していた問題点を有せず、半導体（基板）をＰ型化することが可能となる。
【００４３】
図３は本発明の第１実施例を示すＧａＮ半導体のＰ型化基板の製造工程断面図である。
【００４４】
ここでは、実際にＧａＮ半導体を、上記技術を使用してＰ型化した例を示す。ＧａＮ半導体の成長はＭＯＣＶＤ等の装置を使用して行う。
【００４５】
まず、図３（ａ）に示すように、サファイア基板１上にバッファー層２としてＡｌＮを１０−３００ｎｍエピタキシャル成長させる。成長温度は５００〜１１００℃、材料ガスはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）とＮＨ3 、雰囲気ガスはＨ2 とＮ2 の混合ガス、常圧７００〜８００Ｔｏｒｒで実施する。
【００４６】
次に、図３（ｂ）に示すように、バッファー層２上にＧａＮ層３を１−３μｍエピタキシャル成長させ、ＧａＮ基板４を作製する。成長温度は６００℃〜１１００℃、材料ガスはＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＮＨ3 、雰囲気ガスはＨ2 とＮ2 の混合ガス、常圧７００〜８００Ｔｏｒｒで実施する。
【００４７】
次いで、このような方法で作製したＧａＮ基板４に、図３（ｃ）に示すように、ミュオンならびにパイオンビーム５（負のミュオン・パイオン素粒子）を照射する。これらの素粒子ビームは、加速器を用いて高エネルギー（３００−１０００ＭｅＶ）領域に加速された陽子ビームをベリリウムターゲットに照射することによって得られる。このベリリウムターゲットにおいて発生したミュオンならびにパイオンビーム５は、高エネルギー（高速）であり、エピタキシャル成長させたＧａＮの膜はミクロン程度と薄いので、効率良くこのＧａＮ層にミュオンまたはパイオン素粒子を吸収させるためにはこれらの素粒子ビームをダンパー等を用いて減速させる必要がある。上記方法を経て発生したミュオンならびにパイオンビーム５の強度は１０15／ｓ程度となる。このビームをサファイア基板１上のＧａＮに照射することによって、ＧａＮ層２、ＡｌＮバッファー層２、サファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ）基板１が核変換を起こし、それぞれ、Ｇａ→Ｚｎ，Ａｌ→Ｍｇ，Ｏ→Ｎ，Ｎ→Ｃへと変換される。
【００４８】
しかしながら、Ｇａ，Ａｌ，Ｏの変換元素（Ｚｎ，Ｍｇ，Ｎ）は、すぐにベータ崩壊を起こして元に戻るため、最終的にＮがＣへと変換し、ひいてはＧａＮ層、ＡｌＮバッファー層のＮがＣ元素に転換され、Ｐ型化されることになる。ここで、ベータ崩壊の過程で高速の電子が発生し、これらの電子が成長したＧａＮエピタキシャル膜内に欠陥を発生させるので、これらの欠陥を減少させるために６００−１３００℃の温度範囲で熱アニーリングを行う。このときの、照射時間であるが、２インチウエハーでＧａＮ層を３μｍエピタキシャル成長させた膜では、１ｓ間におよそ１０13／ｓ×ｃｍ3 程度ドーピングされるので、１０18／ｓ×ｃｍ3 程度のドーピングを行うためには、１０5 ｓ程度の時間を必要とする。
【００４９】
このような方法にて作製されたＰ型ＧａＮ層上に発光層としてのＩｎＧａＮ層を１０−１００Å積層させ、その上にＮ型のＳｉをドーピングしたＧａＮ層を５００−５０００Å積層させることによって、良好なＰ−Ｉ−Ｎ構造を有する電流注入型発光素子を作製することが可能となる。
【００５０】
なお、上記実施例では、ＧａＮ半導体を例にとって説明を行ったが、これに限定されるものではなく、ＢＮ，ＢＰ，ＡｌＮ，ＧａＮ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，ＺｎＯ，ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＣｄＴｅ，ＨｇＳ，ＨｇＳｅ，ＨｇＴｅ，ＰｂＴｅ，Ｔｅ，ＴｉＯ2 ，ＣｕＣｌ，ＣｕＢｒ，Ｃｕｌ，ＡｇＣｌ，ＡｇＢｒ，ＴｌＢｒ等、種々の半導体をＰ型半導体にすることが可能となる。
【００５１】
次に、参考例として、中性子を利用して半導体の構成元素を核変換させて、Ｎ型半導体とする方法について説明する。
【００５２】
上記方法は、ＮＴＤ（Ｎｅｕｔｒｏｎ  Ｔｒａｎｓｍｕｔａｔｉｏｎ  Ｄｏｐｉｎｇ）法として一般的に知られている〔堀口洋二、中性子照射によるシリコンドーピング、ＪＡＥＲＩ−Ｍ８６−００２（１９８６）〕。
【００５３】
例えば、シリコンを例に取ると、シリコン中に存在するＳｉ３０（３．１％）に原子炉等から出る熱中性子を照射して生成されるＳｉ３１（半減期２．６時間）が、ベータ崩壊して、安定元素であるＰ３１に核変換することを利用して、シリコンをＮ型半導体にする方法である。具体的には、
Ｘ〔Ａ，Ｚ〕＋ｎ→Ｘ〔Ａ＋１，Ｚ〕→Ｙ〔Ａ＋１，Ｚ＋１〕＋ｅ（−）＋νe - 
ただし、ｎは中性子である。
【００５４】
ここで、Ａは陽子と中性子を加えた質量数、Ｚは陽子数を示す。このような核変換反応を利用することによってＮ型半導体の形成が可能であるが、すべての元素にこの原理が適用できるわけではない。上記した中性子照射によってＮ型化可能な元素を図４及び図５に掲げる。
【００５５】
ところで、負の電気親和力を有すると言われるダイヤモンド等のワイドバンドギャップ半導体は、一般的に不純物拡散、ならびにイオン注入等の方法によってはＮ型半導体を形成するのが困難なことが知られている。そこで、上記ＮＴＤ法が有力な手法となるが、しかし、単にＮＤＴ法をこれらの半導体に適用しても、熱中性子の捕獲断面積がシリコンと比較して小さく（28Ｓｉ：０．１７７ｂａｒｎ，12Ｃ：３．５ｍｂａｒｎ）、また、シリコンのように高い割合（３．１％）で高い質量数（28Ｓｉに対する30Ｓｉ）を有する同位体がこれらの半導体に存在していない等の問題点を有するので、効率よくＮ型化できない。
【００５６】
しかしながら、人工的に同位体存在比を変えることによって、ＮＤＴ法を用いてＮ型半導体を形成することが可能となる。
【００５７】
ここでは、その例を、ダイヤモンド半導体を例にとって説明する。ここでは、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法でＮ型ダイヤモンド半導体を作製する方法について説明する。
【００５８】
図６は本発明の参考例を示すＮ型ダイヤモンド半導体の製造に用いるＥＣＲプラズマ装置を示す図である。
【００５９】
この図において、１１はマグネトロン、１２はマイクロ波、１３は導波管、１４は石英ベルジャー、１５は反応室、１６はソレノイドコイル、１７はプラズマガス１７、１８は基板、１９はサセプター、２０は加熱管、２１はガス導入管、２２は排気管である。
【００６０】
図６に示すように、マグネトロン１１を用いて発生させたマイクロ波１２は、導波管１３を通じて、石英ベルジャー１４にて囲まれた反応室１５に移送される。この反応室１５を囲む形で設置されているソレノイドコイル１６にて、マイクロ波（２．４５ＧＨｚ）周波数のＥＣＲプラズマを発生させることができる。それを用いて、原料ガスであるＣＨ4 ガスをプラズマ化させる。このプラズマガス１７が活性化、分解、化合等の反応を起こし、ダイヤモンドのプリカーサー、および、それを援助する化学種、活性種を生成する。この時、基板１８としては例えば、Ｎ型Ｓｉ（１００）を用いて膜を堆積させる。この時、基板温度がおよそ７００〜９５０℃で、ダイヤモンドのクラスター化、ならびに結晶成長が進行する。ダイヤモンド生成のための炭素源としては、ＣＨ4 ガスが用いられるが、このときのＣＨ4 濃度は、〔ＣＨ4 〕／［〔ＣＨ4 〕＋〔Ｈ2 〕］＝２−５％である。また、形成されるダイヤモンドの同位体比は原料ガスの同位体比に依存するが、これらは、特別な工夫をしない限り、天然同位体比と同じ12Ｃ：13Ｃ＝９８．９％：１．１％となっている。
【００６１】
このような同位体比を有するダイヤモンド半導体にＮＤＴを施しても、生成されるＮ元素の濃度は低い。ここで、熱中性子照射によるＮ原子への置換は、13Ｃ→14Ｃ→15Ｃ→15Ｎへのプロセスを経て核転換されるとすると、生成されるＮ元素の濃度は、次式、
〔Ｎ１５〕＝〔Ｃ１４〕×σC14 ×φ×ｔ                    …（１）
〔Ｃ１４〕＝〔Ｃ１３〕×σC13 ×φ×ｔ                    …（２）
から求めることができる。例えば、13Ｃにおける中性子の捕獲断面積（σ）は１．３７ｍｂａｒｎ（ｍｂａｒｎ＝１０27ｃｍ2 ）、14Ｃにおける中性子の捕獲断面積はおよそ５ｍｂａｒｎ（ｍｂａｒｎ＝１０27ｃｍ2 ）、13Ｃの濃度〔Ｃ１３〕は、１．１％×１．７６４×１０23（ｃｍ3 ）、熱中性子フラックス〔φ〕は１０18（／ｃｍ2 ×ｓ）、照射時間〔ｔ〕は、１０5 （ｓ）程度とすると、上記式より、生成される15Ｎの濃度〔Ｎ１５〕は１．２×１０11程度の低い濃度となる。
【００６２】
ところで、メタンガスＣＨ4 を、Ｃ１４を１％以上含むガスでＥＣＲプラズマ堆積させることによって、（２）式のプロセスを省略することができ、計算の結果、８．８×１０17程度の高濃度でＮ原子をダイヤモンド半導体中にドープすることができる。また、中性子照射の結果、転位ならびに欠陥等が単結晶ダイヤモンド中に生成されているが、これらをアニーリング等の熱処理により減ずれば、良好なＮ型ダイヤモンド半導体が作製できる。実際に中性子照射実験を行うには、原子炉等から出る熱中性子を利用する必要があるが、例えば、日本では、日本原子力研究所等の中性子照射設備を利用することによって、上記ドーピングを行うことが可能となる。熱中性子としてはこのときエネルギーは約１０ｍｅＶ程度となる。
【００６３】
上記参考例は、ダイヤモンド半導体を例にとって説明を行ったが、これに限定されるものではなく、例えば、Ｇｅ、ＳｉＣ、ＢＮ，ＢＰ，ＡｌＮ，ＡｌＰＡｌＡｓ，ＡｌＳｂ，ＧａＮ，ＧａＰ，ＧａＡｓ，ＧａＳｂ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，ＺｎＯ，ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＣｄＴｅ，ＨｇＳ，ＨｇＳｅ，ＨｇＴｅ，ＳｎＴｅ，ＰｂＳ，ＰｂＳｅ，ＰｂＴｅ，Ｓｅ，Ｔｅ，ＣｕＣｌ，ＣｕＢｒ，Ｃｕｌ，ＡｇＣｌ，ＡｇＢｒ，ＴｌＣｌ，ＴｌＢｒ，ＴｌＩ半導体等に適用可能である。これらの半導体に、核質量のより大きな同位体を基板作製過程に混入させ、この基板に熱中性子を照射することによって、従来Ｎ型化が困難であった所望の基板をＮ型にすることが可能となり、ひいては、効率の良い冷陰極源等のデバイスを提供することが可能となる。
【００６４】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００６５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、負のミュオンならびにパイオンを照射することによって格子位置に存在する原子の原子番号を１つ下げることが可能となるので、従来、Ｐ型半導体の拡散法およびイオン注入法による作製は困難であったが、本発明により、半導体（基板）を容易にＰ型化することが可能となる。
【００６６】
また、従来、Ｎ型半導体の拡散法およびイオン注入法による作製は困難であったが、本発明によれば、熱中性子を照射することによって、半導体（基板）を容易にＮ型化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  通常の水素原子及びミュオンが捕獲された際の水素原子の模式図である。
【図２】  本発明にかかるミュオンならびにパイオンが捕獲されて核反応を起こしても、再び戻ることのない、または１０００年以上という半減期が非常に長い反応が存在する特異な元素を示す図である。
【図３】  本発明の第１実施例を示すＧａＮ半導体のＰ型化基板の製造工程断面図である。
【図４】  本発明の参考例を示す中性子照射によってＮ型化可能な元素を示す図（その１）である。
【図５】  本発明の参考例を示す中性子照射によってＮ型化可能な元素を示す図（その２）である。
【図６】  本発明の参考例を示すＮ型ダイヤモンド半導体の製造に用いるＥＣＲプラズマ装置を示す図である。
【符号の説明】
１    サファイア基板
２    バッファー層（ＡｌＮ）
３    ＧａＮ層
４    ＧａＮ基板
５    ミュオンならびにパイオンビーム（負のミュオン・パイオン素粒子）
１１    マグネトロン
１２    マイクロ波
１３    導波管
１４    石英ベルジャー
１５    反応室
１６    ソレノイドコイル
１７    プラズマガス
１８    基板
１９    サセプタ
２０    加熱管
２１    ガス導入管
２２    排気管
【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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