JP2007227629A - 化合物半導体の活性化方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】化合物半導体を反応容器12内に収容し、化合物半導体の融点における平衡蒸気圧が1気圧以下の低蒸気圧ガス2により反応容器内を置換し、反応容器内を前記平衡蒸気圧以上の圧力に保持しながら低蒸気圧ガスを化合物半導体の表面に沿って流し、バンドギャップが前記化合物半導体のそれより大きいパルスレーザ3を化合物半導体の表面に照射する。これにより、低蒸気圧ガスの雰囲気温度を室温あるいは分解温度以下に保持しながら、パルスレーザの照射位置の化合物半導体のみを瞬間的に加熱して溶融させる。
【選択図】図1
Description
GaN系半導体デバイスは、主にサファイアやシリコンカーバイド(SiC)を基板として、その上に、GaN系薄膜を有機金属気相成長(MOVPE)法や分子線エピタキシー(MBE)法によりヘテロエピタキシャル成長することにより実現している。この場合、基板とGaN系薄膜の熱膨張係数と格子定数が大きく異なるため、109cm−2以上の高密度の転位(すなわち欠陥)がGaN系薄膜に生じる。
非特許文献2は、フラックス法によるGaN結晶成長に関する研究報告であり、温度800℃、窒素圧力5MPa(約50気圧)程度の成長条件で高品質GaN結晶が成長可能であることを実験により確認したものである。
特許文献1の「不純物イオン注入層の活性化法」は、所定の不純物元素をイオン注入によりドーピングした半導体材料に対して、その半導体材料のバンドギャップと同じか、またはそれよりもバンドギャップが大きいエネルギーのレーザ光を、その半導体材料を加熱した状態で照射するものである。
また、非特許文献1の融液成長法によりGaN結晶を成長できるとしても、6GPa(約6万気圧)以上の窒素圧力、2220℃以上の高温を必要とするため、超高温・超高圧装置が必要となる問題点があった。
さらに、特許文献1のように、パルスレーザで窒化ガリウムや炭化ケイ素をアニールする場合でも、真空雰囲気あるいは窒素雰囲気において融液化させることはできず、そのため高品質な結晶成長は困難である。
前記化合物半導体の融点における平衡蒸気圧が1気圧以下の低蒸気圧ガスにより前記反応容器内を置換し、
前記反応容器内を前記平衡蒸気圧以上の圧力に保持しながら前記低蒸気圧ガスを化合物半導体の表面に沿って流し、
さらに、バンドギャップが前記化合物半導体のそれより大きいパルスレーザを化合物半導体の表面に照射し、
これにより、前記低蒸気圧ガスの雰囲気温度を室温あるいは分解温度以下に保持しながら、パルスレーザの照射位置の化合物半導体のみを溶融させる、ことを特徴とする化合物半導体の活性化方法が提供される。
前記化合物半導体の融点における平衡蒸気圧が1気圧以下の低蒸気圧ガスを前記反応容器内に供給するガス供給装置と、
前記低蒸気圧ガスの雰囲気温度を室温あるいは分解温度以下に保持するガス温調整装置と、
バンドギャップが前記化合物半導体のそれより大きいパルスレーザを化合物半導体の表面に照射するパルスレーザ照射装置と、を備え、
前記反応容器内を前記低蒸気圧ガスにより置換し、
前記反応容器内を前記平衡蒸気圧以上の圧力に保持しながら前記低蒸気圧ガスを化合物半導体の表面に沿って流し、
さらに、前記パルスレーザを化合物半導体の表面に照射して、パルスレーザの照射位置の化合物半導体のみを溶融させる、ことを特徴とする化合物半導体の活性化装置が提供される。
前記低蒸気圧ガスは、アンモニア、ヒドラジン又はその混合ガスである。
また、前記化合物半導体にエルビウム(Er)、テルビウム(Tb)、ユーロビウム(Eu)などの希土類および遷移金属がイオン注入されている、ことが好ましい。
また、前記化合物半導体にナトリウム、カリウム、リチウムなどのアルカリ金属がイオン注入されている、ことが好ましい。
また、前記化合物半導体にp型もしくはn型もしくはpおよびn型の不純物がイオン注入されている、ことが好ましい。
これに対し、アンモニアおよびヒドラジンは平衡蒸気圧が低く、GaNの融点での平衡蒸気圧は1気圧以下である。
従って、アンモニアやヒドラジンなどのガス(低蒸気圧ガス)を用いることで窒化ガリウムの融点での平衡蒸気圧を1気圧以下にすることができる。
しかし、アンモニアやヒドラジンなどは300℃以上の雰囲気温度で窒素と水素に分解を始めるため、熱処理装置で300℃以上に加熱すると、これらの低蒸気圧ガスはすべて分解してしまう。
そこで、本発明では、低蒸気圧ガスの雰囲気温度を室温あるいは分解温度以下に保持しながら、パルスレーザの照射位置の化合物半導体のみを瞬間的に加熱して溶融させることで、低蒸気圧ガスの分解を抑制しながら化合物半導体を分解することなく溶融させるものである。
(1) バンドギャップが化合物半導体のそれより大きいエネルギーのパルスレーザを照射するため、数十ナノ秒程度で融点まで加熱することができる。
(2) 融点での平衡蒸気圧が1気圧以下となる雰囲気ガス(低蒸気圧ガス)を用いることで、搬送系を有する装置を構成できる。
(3) パルスレーザによる瞬間的な融液化により、雰囲気ガスの分解を抑制できるので、平衡蒸気圧の変動が起きにくい。
(4) パルスレーザを光学系(ホモジナイザ)により均一化した線状ビームに整形し、基板を搬送させることで、大型基板のウエハの活性化処理が可能となる。
この図に示すように、本発明の活性化装置10は、反応容器12、ガス供給装置14、ガス温調整装置16、ガス排出装置18、基板移動装置20及びパルスレーザ照射装置22を備える。
また、化合物半導体が、その他の窒化物系半導体、又はInP、GaP、GaAsである場合には、これらの化合物半導体の融点における平衡蒸気圧が1気圧以下の低蒸気圧ガスを選択する。InP、GaP、GaAsに適した低蒸気圧ガスは、例えば、PH3、AsH3などである。
化合物半導体が、GaN、InP、GaP、GaAsである場合、バンドギャップが化合物半導体のそれより大きいパルスレーザとしては、例えばエキシマレーザやYAGレーザ等を用いることができる。
パルスレーザ成形光学系24は、例えば、パルスレーザ3aに直交して位置しパルスレーザを線状に分割する直交シリンドリカルアレイと、線状に分割したパルスレーザを焦点面に集光する集光レンズと、集光したパルスレーザを線状ビームに成形する第1シリンドリカルレンズとを有する。
なお直交シリンドリカルアレイは、互いに直交する1対のシリンドリカルアレイでもよい。またその他の周知のホモジナイザを用いることもできる。
(ステップ1)化合物半導体を表面に有する基板1を反応容器12内に収容し、
(ステップ2)化合物半導体の融点における平衡蒸気圧が1気圧以下の低蒸気圧ガス2で反応容器12内を置換し、
(ステップ3)反応容器12内を前記平衡蒸気圧以上の圧力に保持しながら低蒸気圧ガス2を化合物半導体の表面に沿って流し、
(ステップ4)さらに、バンドギャップが化合物半導体のそれより大きいパルスレーザ3を化合物半導体の表面に照射する。
また、化合物半導体が、その他の窒化物系半導体、又はInP、GaP、GaAsである場合には、これらの化合物半導体の融点における平衡蒸気圧が1気圧以下の低蒸気圧ガスを選択する。
また、化合物半導体に、エルビウム(Er)、テルビウム(Tb)、ユーロビウム(Eu)などの希土類および遷移金属、ナトリウム、カリウム、リチウムなどのアルカリ金属、又はp型もしくはn型もしくはpおよびn型の不純物がイオン注入されていることが好ましい。
従ってこの図から、アンモニアやヒドラジンなどを低蒸気圧ガスとして用いることで窒化ガリウムの融点での平衡蒸気圧を1気圧以下にできることがわかる。
しかし、アンモニアやヒドラジンなどは300℃以上の雰囲気温度で窒素と水素に分解を始めるため、熱処理装置での加熱では、これらの低蒸気圧ガスはすべて分解してしまう。
そこで、本発明では、バンドギャップが照射する半導体のそれより大きいパルスレーザ3を照射することで、低蒸気圧ガス2の雰囲気温度を室温あるいは分解温度以下の状態で、半導体のみを室温から融点まで瞬間的に加熱する。そのため、アンモニアなどの低蒸気圧ガス2を分解せずに半導体を融解することができ、融液の徐冷によって化合物半導体の活性を高めることができる。
この試験結果から、パルスレーザを用い、半導体ウエハの融点を超える温度で加熱し、半導体薄膜を結晶化させることにより、半導体ウエハを溶融し、再結晶化することで、結晶品質を高めることができることが確認されている。本発明はこの手段をシリコン以外の化合物半導体へ応用したものである。
InPの融点は1333Kであり、この図の横軸0.75に相当し、蒸気圧力は、おおよそ2〜10atmとなる。
このような場合でも、本発明では、この化合物半導体の融点における平衡蒸気圧が1気圧以下の低蒸気圧ガスを選択するので、低蒸気圧ガスの雰囲気温度を室温あるいは分解温度以下に保持しながら、パルスレーザの照射位置の化合物半導体のみを瞬間的に加熱して溶融させ、融液の徐冷によって化合物半導体の活性を高めることができる。
GaPの融点は1457℃、図5の横軸0.6に相当し、蒸気圧力は、おおよそ10atmとなる。GaAsの融点は1240℃、図6の横軸0.6に相当し、蒸気圧力は、おおよそ1.05atm(800torr)となる。
これらの化合物半導体の場合でも、化合物半導体の融点における平衡蒸気圧が1気圧以下の低蒸気圧ガス(例えばPH3)を選択すれば、本発明により、低蒸気圧ガス2の雰囲気温度を室温あるいは分解温度以下に保持しながら、パルスレーザの照射位置の化合物半導体のみを瞬間的に加熱して溶融させ、融液の徐冷によって化合物半導体の活性を高めることができる。
10 活性化装置、12 反応容器、14 ガス供給装置、
16 ガス温調整装置、18 ガス排出装置、20 基板移動装置、
22 パルスレーザ照射装置、23 レーザ発振器、
24 パルスレーザ成形光学系、25 反射ミラー、
26 コンデンサレンズ、27 集光レンズ
Claims (8)
- 化合物半導体を反応容器内に収容し、
前記化合物半導体の融点における平衡蒸気圧が1気圧以下の低蒸気圧ガスにより前記反応容器内を置換し、
前記反応容器内を前記平衡蒸気圧以上の圧力に保持しながら前記低蒸気圧ガスを化合物半導体の表面に沿って流し、
さらに、バンドギャップが前記化合物半導体のそれより大きいパルスレーザを化合物半導体の表面に照射し、
これにより、前記低蒸気圧ガスの雰囲気温度を室温あるいは分解温度以下に保持しながら、パルスレーザの照射位置の化合物半導体のみを溶融させる、ことを特徴とする化合物半導体の活性化方法。 - 前記化合物半導体は、窒化ガリウムであり、
前記低蒸気圧ガスは、アンモニア、ヒドラジン又はその混合ガスである、ことを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体の活性化方法。 - 前記パルスレーザは、ホモジナイザにより均一化され、かつ整形された線状ビームである、ことを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体の活性化方法。
- 化合物半導体をレーザ照射面に沿って搬送しながら、前記パルスレーザを化合物半導体の表面に照射する、ことを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体の活性化方法。
- 前記化合物半導体にエルビウム(Er)、テルビウム(Tb)、ユーロビウム(Eu)などの希土類および遷移金属がイオン注入されている、ことを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体の活性化方法。
- 前記化合物半導体にナトリウム、カリウム、リチウムなどのアルカリ金属がイオン注入されている、ことを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体の活性化方法。
- 前記化合物半導体にp型もしくはn型もしくはpおよびn型の不純物がイオン注入されている、ことを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体の活性化方法。
- 化合物半導体を気密状態で収容する反応容器と、
前記化合物半導体の融点における平衡蒸気圧が1気圧以下の低蒸気圧ガスを前記反応容器内に供給するガス供給装置と、
前記低蒸気圧ガスの雰囲気温度を室温あるいは分解温度以下に保持するガス温調整装置と、
バンドギャップが前記化合物半導体のそれより大きいパルスレーザを化合物半導体の表面に照射するパルスレーザ照射装置と、を備え、
前記反応容器内を前記低蒸気圧ガスにより置換し、
前記反応容器内を前記平衡蒸気圧以上の圧力に保持しながら前記低蒸気圧ガスを化合物半導体の表面に沿って流し、
さらに、前記パルスレーザを化合物半導体の表面に照射して、パルスレーザの照射位置の化合物半導体のみを溶融させる、ことを特徴とする化合物半導体の活性化装置。
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