JP2005183668A

JP2005183668A - 化合物半導体素子の作製方法

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Publication number: JP2005183668A
Application number: JP2003422317A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Kawaguchi; 裕介河口
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2005-07-07

Abstract

【課題】窒化物系化合物半導体を均一に制御性良くドーピングして、その導電性をｐ型もしくはｎ型化する、化合物半導体素子の作製方法を提供すること。
【解決手段】ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、またはこれらの混合物であるＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどの窒化物系化合物半導体に、ｐ型もしくはｎ型の導電性を持たせる手段としてイオンビームを用いてドーピングし、その後、熱処理を施して不純物を活性化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物系化合物半導体素子の作製に関し、特に化合物半導体のｐ型もしくはｎ型の導電性を作製する方法に関するものである。

半導体素子の材料がＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、またはこれらの混合物であるＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどの窒化物系化合物半導体は、青色発光素子を構成するものとして極めて重要であるが、発光素子として利用する場合には、その導電性の制御が不可欠となる。

従来、窒化物系化合物半導体において、その導電性をｐ型もしくはｎ型に制御する方法が、幾つか提案されている。例えば、（１）青色発光ダイオードにおいて、結晶成長時に原料ガスに、ドーピングさせたい原料を含んだガスを他の原料ガスとともに反応管に入れて成長することで、化合物半導体の導電性、キャリア密度を制御する方法（例えば、特開平０３−２５２１７５号公報：特許文献１参照）、さらには、（２）ドーピングしたい原料の薄膜、例えばｐ型ドーパントのＭｇを含む薄膜を、ドーピングしたい窒化ガリウム系化合物半導体層上に薄膜形成し、その後熱処理してドーピングする方法（例えば、特開平１１−２２４８５９号公報：特許文献２参照）、（３）通常のイオン注入装置ではなく、負のミュオン・パイオン素粒子をＧａＮ基板へ照射することによって不純物を半導体へドーピングしｐ型化する方法（例えば、特開２００２−２０８５６８号公報：特許文献３参照）などが挙げられる。
特開平０３−２５２１７５号公報特開平１１−２２４８５９号公報特開２００２−２０８５６８号公報

しかしながら、上記（１）のドーピングしたい原子を含んだガスを添加して半導体の導電性を制御する方法の場合、不純物があるため結晶欠陥を多く含んだ品質の悪い結晶層になってしまう。さらに、ドーピング量の制御は成長中のガス流量、成長温度、ガスの流れ、成長炉の構造などに大きく左右され、制御することは成長ガスでは難しい。また、上記（２）のドーピングしたい原料の薄膜をドーピングしたい層上に形成して熱処理してアニールする方法は、拡散係数が小さい原料の場合はドーピング量を制御することが困難であり、膜中で均一にドーピングできない。さらに上記（３）の素粒子を用いてドーピングする方法の場合は、広大な土地が必要な加速器を用いることは非常に高コストであり、均一に素粒子を発生させて、ドーピングすることはさらに困難である。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、窒化物系化合物半導体を均一に制御性良くドーピングして、その導電性をｐ型化もしくはｎ型化する、化合物半導体素子の作製方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。

請求項１の発明に係る化合物半導体素子の作製方法は、半導体素子の材料が窒化物系化合物半導体であり、これらにｐ型もしくはｎ型の導電性を持たせる手段としてイオンビームを用いてドーピングすることを特徴とする。

窒化物系化合物半導体とは、具体的には、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、又はこれらの混合物であるＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどのことである。

請求項２の発明は、請求項１記載の化合物半導体素子の作製方法において、前記化合物半導体のイオンビーム源において、打ち込むイオン種をシリコン、炭素、酸素、マグネシウム、カドニウム、水銀、ベリリウム、リチウム、亜鉛、水素とし、イオン打ち込み法によりそれらをドーピングすることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２記載の化合物半導体素子の作製方法において、前記イオンビームを用いてドーピングした後、熱処理を施して不純物を活性化させることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３記載の化合物半導体素子の作製方法において、前記熱処理を窒素、酸素、水素やこれらの混合ガスの雰囲気中で行い、不純物を活性化することを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項３記載の化合物半導体素子の作製方法において、前記熱処理をヘリウム、ネオン、アルゴンやこれらの混合ガスの雰囲気中で行い、不純物を活性化することを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項３記載の化合物半導体素子の作製方法において、前記熱処理を塩化水素やアンモニア水素混合ガスの雰囲気中で行い、不純物を活性化させることを特徴とする。

本発明によれば、窒化物系化合物半導体にｐ型もしくはｎ型の導電性を持たせる手段としてイオンビームを用いてドーピングするので、化合物半導体材料のドーピングを再現性、制御性良くドーピングすることができる。また本発明によれば、その後熱処理を施して不純物を活性化させるので、これにより導電率、キャリア密度を制御することができる。

本発明のドーピング方法および作製された半導体素子により、所望のキャリア密度、その膜厚方向の分布、半導体特性を持った化合物半導体素子が得られる。これにより今まで得られなかった、キャリア密度やその膜厚方向の分布を持った化合物半導体素子が得られ、さらには、大量生産に向いているため、このような素子を再現性良く作製でき、安定に供給することができる。

＜発明の要点＞
本発明の要点は、ドーピング方法にイオン打ち込み方法を用いていることにあり、これにより化合物半導体材料のドーピングを再現性、制御性良くドーピングし、その後不純物活性化させるために適切な熱処理を施すことにより導電率、キャリア密度を制御する。

イオン打ち込み方法の特長としては、（ａ）不純物量を電荷量、ドーズ量により制御することができるため、不純物分布や添加量の再現性が良い、（ｂ）不純物を低温でドーピング可能、（ｃ）加速電圧を制御することで、膜厚方向の不純物の分布を再現性良く制御することができる、（ｄ）質量分析器で必要な原料のイオンのみを選択しドーピングすることができる、などがある。これらの特長を持つイオン打ち込み方法を、化合物半導体のドーピングに用いることにより、キャリア密度、導電性を再現性良く制御でき、上述した課題を解決することができる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基いて説明する。

本発明においては、ドーピング方法に上述した特長を有するイオン打ち込み法を用いる。ドーピングしたい領域のみにイオンビームで走査させることでドーピングされる。さらに、膜厚方向の分布を持たせるためには、イオンを加速させるための電圧を変化させることでイオンの侵入深さが制御できる。また、イオンドーズ量は電荷量を測定することにより正確に把握でき、ドーズ量を増減させることにより、ドーピングされるイオン量を制御できる。これらにより、制御性良くドーピングできる。

また、この後、ドーピングした不純物を活性化させるため、熱処理を行う。熱処理の条件は、ヘリウム、アルゴン、ネオンなどの不活性ガス、水素、酸素、アンモニア、さらにこれらの混合ガス中で４００℃〜１５００℃に加熱し、１分〜１００時間熱処理をすることで、所望のキャリア密度や導電性を持った化合物半導体を作製することができる。

また、ドーピング原子のイオンビームを被注入材料に走査することでドーピングされるので、大量生産に向いている。

＜実施例１＞
本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。

図１にＭＯＣＶＤ法やＶＰＥ法で成長させた窒化物系化合物半導体の試料の構造を模式的に示す。この試料は、サファイア基板１２上に、窒化物系化合物半導体としてＧａＮ層１１を形成したものである。

窒化物系化合物半導体のキャリア密度や導電率を制御するためドーピングするが、ここではｎ型導電性にするために、シリコンや酸素イオンを主に用いた。すなわち、上記試料を被注入試料２５として、その化合物半導体のＧａＮ層１１を、図２に示すイオン打ち込み装置を使ってドーピングした。イオン打ち込み時は真空中で行った。イオン源２１から出たシリコンや酸素イオンは、まず質量分析器２２でシリコンや酸素イオンのみを取り出して、加速器２３で１ＭｅＶにまで加速した。その後、ドーピングしたい被注入試料２５に打ち込んだ。その際、イオンビームの走査系２４でドーピングしたい領域のみを走査することでドーピング領域と非ドーピング領域とを区別した。

図３に、このドーピング前後における化合物半導体材料の原子配列を示す。図３（ａ）は、ドーピング前の被注入試料２５における化合物半導体材料の原子３２の配列とこれに向かう加速されたイオン３１を示し、また図３（ｂ）は、ドーピング後における被注入試料２５のドーピングイオン３３と化合物半導体材料の原子３２との関係を示す。

ドーピング後、被注入試料２５の原子配列は、イオン打ち込み装置を使った被注入試料２５の原子配列の模式図（図３（ｂ））の様になる。ここでドーピングイオンを注入しただけでは、ドナーとして活性化しないため、熱処理（アニール）をする。

熱処理条件として、この実施例ではアンモニアと水素混合ガスの雰囲気中で行った。すなわち、アンモニア０．５ｓｌｍ、水素４．５ｓｌｍ雰囲気中で、温度１０６０℃でアニールした。この結果、ドーピングされたイオンは活性化され、キャリア密度は５×１０¹⁷cm^-3〜１×１０¹⁹cm^-3で得られた。

この後、同様にｐ型の導電性にする場合は、マグネシウムや水素などのイオンをｐ型の導電性を持たせるために使用した。このマグネシウムや水素イオンを打ち込む場合は、加速するエネルギーを低くして加速し、被注入試料に打ち込んだ。これによりｎ型よりは表面に近い場所をｐ型にすることができた。この後、ｎ型の導電性を得た場合と同様な熱処理を行うことで、ｐ型の導電性が得られた。

＜実施例２＞
上記実施例１において、イオン打ち込み時の加速電圧、イオンのドーズ量、打ち込み時の基板温度を変化させた。これにより、キャリア密度、膜厚方向の不純物分布を変化させる事ができた。

さらに、イオン打ち込み後の不純物活性化させるための熱処理条件を変化させても、キャリア密度や、導電率を変化させることができた。

＜変形例＞
上記実施例１では、打ち込むイオン種を、ｎ型導電性の場合はシリコンや酸素イオンとし、またｐ型導電性の場合はマグネシウムや水素イオンとしたが、導電型を考慮し、シリコン、炭素、酸素、マグネシウム、カドニウム、水銀、ベリリウム、リチウム、亜鉛、水素の群の中から任意に選択した一種とすることができる。

また上記実施例１、２では、ドーピングした後、ドーピングイオンを活性化させるためにアニール処理をしたが、アニール処理のためにＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮやこれらの混合物であるＧａＩｎＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＡｌＮが吸収できるレーザ光を用いて、化合物半導体を昇温して１０００℃程度に加熱しても良い。

更にまた上記実施例１、２では、ドーピング後のアニール処理をアンモニアと水素の混合ガスの雰囲気中で行ったが、これは、水素、酸素、窒素の雰囲気中や、ヘリウム、ネオン、アルゴンの雰囲気中で行ってもよく、同様のアニール効果を得ることができる。

本発明による化合物半導体素子の作製方法でドーピングした窒化物系化合物半導体の試料を示した断面図である。本発明による化合物半導体素子の作製方法を実施するイオン打ち込み装置を示した概略図である。本発明による被注入試料のドーピング前後における原子配列を示したもので、（ａ）はドーピング前の状態を示した模式図、（ｂ）はドーピング後の状態を示した模式図である。

符号の説明

１１ＧａＮ層
１２サファイア基板
２１イオン源
２２質量分析器
２３加速器
２４ビームの走査系
２５被注入試料
３１加速されたイオン
３２化合物半導体材料の原子
３３ドーピングイオン

Claims

半導体素子の材料が窒化物系化合物半導体であり、これらにｐ型もしくはｎ型の導電性を持たせる手段としてイオンビームを用いてドーピングすることを特徴とする化合物半導体素子の作製方法。
請求項１記載の化合物半導体素子の作製方法において、
前記化合物半導体のイオンビーム源において、打ち込むイオン種をシリコン、炭素、酸素、マグネシウム、カドニウム、水銀、ベリリウム、リチウム、亜鉛、水素とし、イオン打ち込み法によりそれらをドーピングすることを特徴とする化合物半導体素子の作製方法。
請求項１又は２記載の化合物半導体素子の作製方法において、
前記イオンビームを用いてドーピングした後、熱処理を施して不純物を活性化させることを特徴とする化合物半導体素子の作製方法。
請求項３記載の化合物半導体素子の作製方法において、
前記熱処理を窒素、酸素、水素やこれらの混合ガスの雰囲気中で行い、不純物を活性化することを特徴とする化合物半導体素子の作製方法。
請求項３記載の化合物半導体素子の作製方法において、
前記熱処理をヘリウム、ネオン、アルゴンやこれらの混合ガスの雰囲気中で行い、不純物を活性化することを特徴とする化合物半導体素子の作製方法。
請求項３記載の化合物半導体素子の作製方法において、
前記熱処理を塩化水素やアンモニア水素混合ガスの雰囲気中で行い、不純物を活性化させることを特徴とする化合物半導体素子の作製方法。