JP2000294880A - Ｉｉｉ族窒化物半導体薄膜およびその製造方法 - Google Patents
Ｉｉｉ族窒化物半導体薄膜およびその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 n型ドーパントおよびｐ型ドーパントを共存さ
せた高ホール濃度のｐ型の III族窒化物薄膜およびその
製造方法を提供することにある。 【解決手段】単結晶基板上に形成されたｐ型のAlx Ga
1-X N(0 ≦x ≦1)からなるIII 族窒化物半導体薄膜にお
いて、前記Alx Ga1-X N 薄膜には酸素および亜鉛を共に
添加する。特に、酸素の亜鉛に対する原子比(O/Zn)を1/
5 以上1/2 以下とすると良い。符号１はIII 族原子、２
はV 族原子である。
せた高ホール濃度のｐ型の III族窒化物薄膜およびその
製造方法を提供することにある。 【解決手段】単結晶基板上に形成されたｐ型のAlx Ga
1-X N(0 ≦x ≦1)からなるIII 族窒化物半導体薄膜にお
いて、前記Alx Ga1-X N 薄膜には酸素および亜鉛を共に
添加する。特に、酸素の亜鉛に対する原子比(O/Zn)を1/
5 以上1/2 以下とすると良い。符号１はIII 族原子、２
はV 族原子である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】Alx Gay In1-x-y N(0 ≦x,y
かつ0 ≦x+y ≦1)からなるIII 族窒化物半導体薄膜に関
する。
かつ0 ≦x+y ≦1)からなるIII 族窒化物半導体薄膜に関
する。
【０００２】
【従来の技術】Alx Gay In1-x-y N(0 ≦x,y かつ0 ≦x+
y ≦1)（以下組成比を略しAlGaInN と記すこともある）
からなるIII 族窒化物半導体は組成（x,y)に応じて1.9
から6.2eV のエネルギーギャップが得られる直接遷移型
の半導体であるため、特にレーザダイオード等の発光素
子の試作が行われている。III 族窒化物半導体薄膜の作
製においては、良質で大型のIII 族窒化物結晶が得られ
ていないため、格子定数および熱膨張係数の異なる基板
上にヘテロエピタキシャル成長を行わなければならな
い。そのため、基板上にAlN やGaN のバッファー層を形
成してから、その上に目的の組成のIII 族窒化物を形成
する２段階成長が行われている。これまでに、GaN がエ
ピタキシャル成長できる基板としては、サファイア、Si
C 、スピネル、シリコンなどが知られている。
y ≦1)（以下組成比を略しAlGaInN と記すこともある）
からなるIII 族窒化物半導体は組成（x,y)に応じて1.9
から6.2eV のエネルギーギャップが得られる直接遷移型
の半導体であるため、特にレーザダイオード等の発光素
子の試作が行われている。III 族窒化物半導体薄膜の作
製においては、良質で大型のIII 族窒化物結晶が得られ
ていないため、格子定数および熱膨張係数の異なる基板
上にヘテロエピタキシャル成長を行わなければならな
い。そのため、基板上にAlN やGaN のバッファー層を形
成してから、その上に目的の組成のIII 族窒化物を形成
する２段階成長が行われている。これまでに、GaN がエ
ピタキシャル成長できる基板としては、サファイア、Si
C 、スピネル、シリコンなどが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】レーザダイオードや発
光ダイオードの作製のためには、AlGaInN 半導体薄膜に
ｐ型ドーパントやｎ型ドーパントとなる不純物のドーピ
ングを行わなければならない。AlGaN 薄膜へのｎ型ドー
ピングは比較的に容易に行うことができ、電子濃度1016
〜1020cm-3の範囲を制御することができる。一方、ｐ型
ドーピングは難しく、ホール濃度1017cm-3程度が限界で
あった（S.Nakamura and G.Fasol, The Blue Laser Dio
de, Springer(1997)）。ｐ型のドーパントとしてはII族
元素であるMgが用いられている。
光ダイオードの作製のためには、AlGaInN 半導体薄膜に
ｐ型ドーパントやｎ型ドーパントとなる不純物のドーピ
ングを行わなければならない。AlGaN 薄膜へのｎ型ドー
ピングは比較的に容易に行うことができ、電子濃度1016
〜1020cm-3の範囲を制御することができる。一方、ｐ型
ドーピングは難しく、ホール濃度1017cm-3程度が限界で
あった（S.Nakamura and G.Fasol, The Blue Laser Dio
de, Springer(1997)）。ｐ型のドーパントとしてはII族
元素であるMgが用いられている。
【０００４】最近、 Be とO の同時ドーピングによりホ
ール濃度1018cm-3のｐ型GaN が作製された（O. Brandt,
H.Yang, H. Kostial and H. Ploog, Applied Physics
Letter 69(1996),2707〜2710）。また、バンド計算から
は、(Si,Mg) 、(Si,Be) 、(Mg,O)および(Be,O)の括弧内
の２種の元素の組み合わせでｐ型ドーピングができるこ
とが示唆されている（T.Yamamoto, H.Katayama-Yoshid
a, Japanese Journal of Applied Physics vol36(199
7),L180〜L183) 。本発明の目的は、 n型ドーパントお
よびｐ型ドーパントを共存させた高ホール濃度のｐ型の
III族窒化物薄膜およびその製造方法を提供することに
ある。
ール濃度1018cm-3のｐ型GaN が作製された（O. Brandt,
H.Yang, H. Kostial and H. Ploog, Applied Physics
Letter 69(1996),2707〜2710）。また、バンド計算から
は、(Si,Mg) 、(Si,Be) 、(Mg,O)および(Be,O)の括弧内
の２種の元素の組み合わせでｐ型ドーピングができるこ
とが示唆されている（T.Yamamoto, H.Katayama-Yoshid
a, Japanese Journal of Applied Physics vol36(199
7),L180〜L183) 。本発明の目的は、 n型ドーパントお
よびｐ型ドーパントを共存させた高ホール濃度のｐ型の
III族窒化物薄膜およびその製造方法を提供することに
ある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、単結晶基板上に形成されたｐ型のAlx Ga1-X N(0
≦x ≦1)からなるIII 族窒化物半導体薄膜において、前
記Alx Ga1-X N 薄膜には酸素および亜鉛が共に添加され
ていることとする。前記酸素の亜鉛に対する原子比(O/Z
n)は1/5 以上1/2 以下であると良い。
めに、単結晶基板上に形成されたｐ型のAlx Ga1-X N(0
≦x ≦1)からなるIII 族窒化物半導体薄膜において、前
記Alx Ga1-X N 薄膜には酸素および亜鉛が共に添加され
ていることとする。前記酸素の亜鉛に対する原子比(O/Z
n)は1/5 以上1/2 以下であると良い。
【０００６】単結晶基板上に形成されたｐ型のIny Ga
1-y N(0 ≦y ≦1)からなるIII 族窒化物半導体薄膜にお
いて、前記Iny Ga1-y N(0 ≦y ≦1)薄膜には酸素および
亜鉛が共に添加されていることとする。前記酸素の亜鉛
に対する原子比(O/Zn)は1/5 以上1/2 以下であると良
い。
1-y N(0 ≦y ≦1)からなるIII 族窒化物半導体薄膜にお
いて、前記Iny Ga1-y N(0 ≦y ≦1)薄膜には酸素および
亜鉛が共に添加されていることとする。前記酸素の亜鉛
に対する原子比(O/Zn)は1/5 以上1/2 以下であると良
い。
【０００７】単結晶基板上にIII 族窒化物からなるバッ
ファー層を形成した後前記Alx Ga1- X N(0 ≦x ≦1)薄膜
または前記Iny Ga1-y N(0 ≦y ≦1)薄膜を形成する上記
のIII 族窒化物半導体薄膜の製造方法において、前記Al
x Ga1-X N(0 ≦x ≦1)薄膜または前記Iny Ga1-y N(0 ≦
y ≦1)薄膜の形成時に、酸素および亜鉛を同時ドーピン
グすると良い。
ファー層を形成した後前記Alx Ga1- X N(0 ≦x ≦1)薄膜
または前記Iny Ga1-y N(0 ≦y ≦1)薄膜を形成する上記
のIII 族窒化物半導体薄膜の製造方法において、前記Al
x Ga1-X N(0 ≦x ≦1)薄膜または前記Iny Ga1-y N(0 ≦
y ≦1)薄膜の形成時に、酸素および亜鉛を同時ドーピン
グすると良い。
【０００８】前記Alx Ga1-X N(0 ≦x ≦1)薄膜または前
記Iny Ga1-y N(0 ≦y ≦1)薄膜を分子線エピタキシーに
より形成し、酸素を酸素ガス雰囲気から、亜鉛をクヌー
ドセンセルから供給すると良い。前記酸素ガス雰囲気は
6.7 ×10-9Pa以上2.7 ×10-8Pa以下であり、前記亜鉛蒸
気圧は1.3 ×10-5Pa以上1.3 ×10-4Pa以下であると良
い。
記Iny Ga1-y N(0 ≦y ≦1)薄膜を分子線エピタキシーに
より形成し、酸素を酸素ガス雰囲気から、亜鉛をクヌー
ドセンセルから供給すると良い。前記酸素ガス雰囲気は
6.7 ×10-9Pa以上2.7 ×10-8Pa以下であり、前記亜鉛蒸
気圧は1.3 ×10-5Pa以上1.3 ×10-4Pa以下であると良
い。
【０００９】
【発明の実施の形態】図１はIII 族窒化物結晶（ウルツ
鉱型構造）の原子配置と結合手を示す斜視図である。符
号１はIII 族原子であり、符号２はV 族原子である。II
I 族原子(Ga,Al,In)とV 族元素(N) は互いに他種の原子
により四面体構造に配位されている。
鉱型構造）の原子配置と結合手を示す斜視図である。符
号１はIII 族原子であり、符号２はV 族原子である。II
I 族原子(Ga,Al,In)とV 族元素(N) は互いに他種の原子
により四面体構造に配位されている。
【００１０】ウルツ鉱型構造におけるGa、Al、In、N 、
ZnおよびO の原子半径を表１に示す。
ZnおよびO の原子半径を表１に示す。
【表１】 Zn原子はGa原子と、O 原子はN 原子とその原子半径は近
い。従って、Zn原子とIII 族原子、O 原子はN 原子とそ
れぞれ置換しても構造的に安定であり、ドーパントとし
て有効である可能性は高い。
い。従って、Zn原子とIII 族原子、O 原子はN 原子とそ
れぞれ置換しても構造的に安定であり、ドーパントとし
て有効である可能性は高い。
【００１１】Gaと置換したZnはGaN 中ではｐ型ドーパン
トとして、N と置換したO はｎ型ドーパントとして機能
する。しかも、ZnのO に対する割合(Zn/O 比) が2/1 以
上であると、局所的にZnとO の原子軌道の混成が生じ、
ドーピングレベルが浅くなり、室温におけるキャリア発
生は増加する。しかし、Znの割合を大きくしすぎるとZn
が格子間に導入されてしまい、キャリアーを発生しなく
なる。一方、Zn/O比が1/1 の場合は、ZnとO 原子は安定
な化合物を形成するため、キャリアーを発生しなくな
る。 実施例１ サファイア基板上に膜厚30nmのGaN バッファー層を基板
温度500 ℃で成長させた後、膜厚1 μm のGaN を基板温
度800 ℃で分子線エピタキシャルにより作製した。この
時、Ga源はクヌードセンセルを用い、N 源としては高周
波プラズマラジカルガンを用いた。このように作製した
GaN 膜は1016cm-3以下のｎ型半導体であった。
トとして、N と置換したO はｎ型ドーパントとして機能
する。しかも、ZnのO に対する割合(Zn/O 比) が2/1 以
上であると、局所的にZnとO の原子軌道の混成が生じ、
ドーピングレベルが浅くなり、室温におけるキャリア発
生は増加する。しかし、Znの割合を大きくしすぎるとZn
が格子間に導入されてしまい、キャリアーを発生しなく
なる。一方、Zn/O比が1/1 の場合は、ZnとO 原子は安定
な化合物を形成するため、キャリアーを発生しなくな
る。 実施例１ サファイア基板上に膜厚30nmのGaN バッファー層を基板
温度500 ℃で成長させた後、膜厚1 μm のGaN を基板温
度800 ℃で分子線エピタキシャルにより作製した。この
時、Ga源はクヌードセンセルを用い、N 源としては高周
波プラズマラジカルガンを用いた。このように作製した
GaN 膜は1016cm-3以下のｎ型半導体であった。
【００１２】このGaN 膜上に、基板温度を700 ℃まで下
げて、厚さ300nm のｐ型GaN 膜を作製した。ドーピング
条件は、Znをクヌードセンセルで供給しその蒸気圧が6.
7 ×10-5Pa、O 源として酸素ガスをチャンバー内に2.7
×10-8Pa導入した。ホール測定より、このｐ型GaN 膜
は、ホール濃度は3 ×1018cm-3で抵抗率は10Ωcmであっ
た。また、表２に導入した酸素分圧を変化させたときの
薄膜中に取り込まれたZnとO の原子濃度および得られた
キャリア濃度を示す。
げて、厚さ300nm のｐ型GaN 膜を作製した。ドーピング
条件は、Znをクヌードセンセルで供給しその蒸気圧が6.
7 ×10-5Pa、O 源として酸素ガスをチャンバー内に2.7
×10-8Pa導入した。ホール測定より、このｐ型GaN 膜
は、ホール濃度は3 ×1018cm-3で抵抗率は10Ωcmであっ
た。また、表２に導入した酸素分圧を変化させたときの
薄膜中に取り込まれたZnとO の原子濃度および得られた
キャリア濃度を示す。
【００１３】
【表２】 表２から、酸素分圧が2.7 ×10-8Pa〜6.7 ×10-9Paの範
囲で、1018cm-3と高いホール濃度のGaN 膜を得ることが
できたことが判る。 実施例２ 実施例１と同様にして、ｐ型Alx Ga1-x N 膜を作製し
た。ここで、ｐ型AlGaNは実施例１のｐ型GaN 膜作製条
件に、Alを6.7 ×10-6Paの蒸気圧で供給し、共蒸着し
た。作製されたAlx Ga1-x N 薄膜の組成はx=0.20であっ
た。このときｐ型AlGaN のホール濃度は9 ×1017cm-3と
高かった。 実施例３ 実施例１と同様にして、ｐ型Iny Ga1-y N を作製した。
ｐ型InGaN は実施例１のｐ型GaN 膜作製条件において、
基板温度を670 ℃とし、Inを 6.7×10-5Paの蒸気圧で供
給し、共蒸着した。作製されたIny Ga1-y N のIn組成は
y=0.13であった。このときｐ型InGaN 膜のホール濃度は
1 ×1018cm-3と高かった。 実施例４ 実施例１と同様に、サファイア基板上に厚さ1 μm のGa
N 膜を形成した。この膜上に、基板温度を700 ℃まで下
げて、厚さ300nm のｐ型GaN 膜を作製した。ドーピング
条件は、酸素源として酸素ガスをチャンバー内に2.7 ×
10-8Pa導入した。Znはクヌードセンセルで供給し、その
蒸気圧を1.3 ×10-5〜1.3 ×10-4Paまで変化させてｐ型
GaN 膜を作製した。表３に、ｐ型GaN 薄膜中に取り込ま
れたZnとO の原子濃度および得られたキャリア濃度を示
す。
囲で、1018cm-3と高いホール濃度のGaN 膜を得ることが
できたことが判る。 実施例２ 実施例１と同様にして、ｐ型Alx Ga1-x N 膜を作製し
た。ここで、ｐ型AlGaNは実施例１のｐ型GaN 膜作製条
件に、Alを6.7 ×10-6Paの蒸気圧で供給し、共蒸着し
た。作製されたAlx Ga1-x N 薄膜の組成はx=0.20であっ
た。このときｐ型AlGaN のホール濃度は9 ×1017cm-3と
高かった。 実施例３ 実施例１と同様にして、ｐ型Iny Ga1-y N を作製した。
ｐ型InGaN は実施例１のｐ型GaN 膜作製条件において、
基板温度を670 ℃とし、Inを 6.7×10-5Paの蒸気圧で供
給し、共蒸着した。作製されたIny Ga1-y N のIn組成は
y=0.13であった。このときｐ型InGaN 膜のホール濃度は
1 ×1018cm-3と高かった。 実施例４ 実施例１と同様に、サファイア基板上に厚さ1 μm のGa
N 膜を形成した。この膜上に、基板温度を700 ℃まで下
げて、厚さ300nm のｐ型GaN 膜を作製した。ドーピング
条件は、酸素源として酸素ガスをチャンバー内に2.7 ×
10-8Pa導入した。Znはクヌードセンセルで供給し、その
蒸気圧を1.3 ×10-5〜1.3 ×10-4Paまで変化させてｐ型
GaN 膜を作製した。表３に、ｐ型GaN 薄膜中に取り込ま
れたZnとO の原子濃度および得られたキャリア濃度を示
す。
【００１４】
【表３】 表３から、亜鉛蒸気圧が1.3 ×10-5Pa〜1.3 ×10-4Paの
範囲で、 3〜5 ×1018cm-3と高いホール濃度のGaN 膜を
得ることができたことが判る。
範囲で、 3〜5 ×1018cm-3と高いホール濃度のGaN 膜を
得ることができたことが判る。
【００１５】
【発明の効果】本発明によれば、単結晶基板上に形成さ
れたｐ型のAlx Ga1-X N(0 ≦x ≦1)からなる、あるいは
ｐ型のIny Ga1-y N(0 ≦y ≦1)からなるIII 族窒化物半
導体薄膜において、前記III 族窒化物薄膜に酸素および
亜鉛を共に添加したため、酸素と亜鉛の不純物レベルが
小さくなり、室温付近で高濃度ｐ型キャリアを有するよ
うになる。すなわち薄膜は低抵抗になり、この薄膜を用
いた発光素子などの動作電流は小さくなる。
れたｐ型のAlx Ga1-X N(0 ≦x ≦1)からなる、あるいは
ｐ型のIny Ga1-y N(0 ≦y ≦1)からなるIII 族窒化物半
導体薄膜において、前記III 族窒化物薄膜に酸素および
亜鉛を共に添加したため、酸素と亜鉛の不純物レベルが
小さくなり、室温付近で高濃度ｐ型キャリアを有するよ
うになる。すなわち薄膜は低抵抗になり、この薄膜を用
いた発光素子などの動作電流は小さくなる。
【００１６】これらIII 族窒化物半導体薄膜の製造方法
において、Alx Ga1-X N 薄膜またはIny Ga1-y N 薄膜の
形成時に、酸素および亜鉛を同時ドーピングするように
したので、製造工程は薄膜形成だけでよく簡便である。
において、Alx Ga1-X N 薄膜またはIny Ga1-y N 薄膜の
形成時に、酸素および亜鉛を同時ドーピングするように
したので、製造工程は薄膜形成だけでよく簡便である。
【図１】III 族窒化物結晶（ウルツ鉱型構造）の原子配
置と結合手を示す斜視図である。
置と結合手を示す斜視図である。
１ III 族原子 ２ V 族原子
Claims (7)
- 【請求項１】単結晶基板上に形成されたｐ型のAlx Ga
1-X N(0 ≦x ≦1)からなるIII 族窒化物半導体薄膜にお
いて、前記Alx Ga1-X N 薄膜には酸素および亜鉛が共に
添加されていることを特徴とするIII 族窒化物半導体薄
膜。 - 【請求項２】前記酸素の亜鉛に対する原子比(O/Zn)は1/
5 以上1/2 以下であることを特徴とする請求項１に記載
のIII 族窒化物半導体薄膜。 - 【請求項３】単結晶基板上に形成されたｐ型のIny Ga
1-y N(0 ≦y ≦1)からなるIII 族窒化物半導体薄膜にお
いて、前記Iny Ga1-y N(0 ≦y ≦1)薄膜には酸素および
亜鉛が共に添加されていることを特徴とするIII 族窒化
物半導体薄膜。 - 【請求項４】前記酸素の亜鉛に対する原子比(O/Zn)は1/
5 以上1/2 以下であることを特徴とする請求項３に記載
のIII 族窒化物半導体薄膜。 - 【請求項５】単結晶基板上にIII 族窒化物からなるバッ
ファー層を形成した後前記Alx Ga1-X N(0 ≦x ≦1)薄膜
または前記Iny Ga1-y N(0 ≦y ≦1)薄膜を形成するIII
族窒化物半導体薄膜の製造方法において、前記Alx Ga
1-X N(0 ≦x ≦1)薄膜または前記Iny Ga1-y N(0 ≦y ≦
1)薄膜の形成時に、酸素および亜鉛を同時ドーピングす
ることを特徴とする請求項１ないし４に記載のIII 族窒
化物半導体薄膜の製造方法。 - 【請求項６】前記Alx Ga1-X N(0 ≦x ≦1)薄膜または前
記Iny Ga1-y N(0 ≦y ≦1)薄膜を分子線エピタキシーに
より形成し、酸素を酸素ガス雰囲気から、亜鉛をクヌー
ドセンセルから供給することを特徴とする請求項５に記
載のIII 族窒化物半導体薄膜の製造方法。 - 【請求項７】前記酸素ガスの分圧は6.7 ×10-9Pa以上2.
7 ×10-8Pa以下であり、前記亜鉛蒸気圧は1.3 ×10-5Pa
以上1.3 ×10-4Pa以下であることを特徴とする請求項６
に記載のIII 族窒化物半導体薄膜の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9968799A JP2000294880A (ja) | 1999-04-07 | 1999-04-07 | Ｉｉｉ族窒化物半導体薄膜およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9968799A JP2000294880A (ja) | 1999-04-07 | 1999-04-07 | Ｉｉｉ族窒化物半導体薄膜およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000294880A true JP2000294880A (ja) | 2000-10-20 |
Family
ID=14253958
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9968799A Pending JP2000294880A (ja) | 1999-04-07 | 1999-04-07 | Ｉｉｉ族窒化物半導体薄膜およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000294880A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014086698A (ja) * | 2012-10-26 | 2014-05-12 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 窒化物半導体装置の製造方法 |
| JP2019071493A (ja) * | 2009-11-28 | 2019-05-09 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | トランジスタ |
| JP2019208068A (ja) * | 2019-08-07 | 2019-12-05 | 株式会社東芝 | 半導体装置、電源回路、及び、コンピュータ |
| US11101355B2 (en) | 2016-07-22 | 2021-08-24 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device, power circuit, and computer |
-
1999
- 1999-04-07 JP JP9968799A patent/JP2000294880A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2019071493A (ja) * | 2009-11-28 | 2019-05-09 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | トランジスタ |
| US10608118B2 (en) | 2009-11-28 | 2020-03-31 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Semiconductor device |
| US11133419B2 (en) | 2009-11-28 | 2021-09-28 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Semiconductor device |
| US11710795B2 (en) | 2009-11-28 | 2023-07-25 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Semiconductor device comprising oxide semiconductor with c-axis-aligned crystals |
| JP2014086698A (ja) * | 2012-10-26 | 2014-05-12 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 窒化物半導体装置の製造方法 |
| US11101355B2 (en) | 2016-07-22 | 2021-08-24 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device, power circuit, and computer |
| JP2019208068A (ja) * | 2019-08-07 | 2019-12-05 | 株式会社東芝 | 半導体装置、電源回路、及び、コンピュータ |
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