JP2014510414A - 中性粒子ビームを用いた発光素子の製造方法及び装置 - Google Patents

中性粒子ビームを用いた発光素子の製造方法及び装置 Download PDF

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Abstract

本発明は、中性粒子ビームを用いて半導体発光素子を作製する方法、及びその装置に関し、基板に形成する窒化物半導体単結晶薄膜を、従来のように基板を加熱して熱エネルギーによって反応エネルギーを提供するのではなく、中性粒子ビームの運動エネルギーによって反応エネルギーの一部を提供するため、基板の相対的に低い温度において遂行することが可能である。ドーピングに必要な固体元素であるSi、Mg等の元素も、ドーピング用固体元素発生源を中性粒子ビームと共に基板に噴射することで、低い温度において効率のよいドーピングを遂行することができる。また、基板温度の低温化により、基板と薄膜の劣化防止及びドーピング元素の拡散を防ぐことで、優秀な発光特性を持つ半導体発光素子を、比較的簡単に作製することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子の製造方法及び製造装置に関し、詳細には、中性粒子ビームを用いて薄膜蒸着温度を下げた窒化物半導体単結晶形成装置及び方法に関するものである。
一般的に、窒化物半導体単結晶薄膜は、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）またはレーザーダイオードの作製に広く用いられ、窒化物半導体単結晶を基板の上に形成するためには、基板を高温に維持する必要がある。
すなわち、これまでの薄膜形成は、１，０００ ℃以上の高温の結晶成長温度を必要としており、こうした高温処理によって作製される単結晶体の応用分野は非常に制限される。
従来の窒化物半導体単結晶を形成する代表的な技術として、ＭＯＣＶＤ （Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ ＣＶＤ）法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法などが挙げられるが、これらの方法によって窒化物半導体単薄膜を得るためには、基板の温度を１，０５０ないしは１，１００℃に加熱した状態を維持しなければならない。それに応じて窒化物半導体単薄膜が形成される基板、例えばサファイア基板の熱膨張による基板そのものの歪み等の劣化が問題となる場合があり、さらには基板上に形成された窒化物半導体薄膜と基板の格子定数（ｌａｔｔｉｃｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ）の差及び熱膨張係数の差による薄膜の損傷が問題となる場合がある。
また、発光素子の作製の例として、サファイア基板上にｎ−型ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ活性層及びｐ−型ＧａＮ層を形成することが可能であり、ｎ−型ＧａＮとｐ−型ＧａＮ層を形成するためには、単結晶ＧａＮ層にＭｇ及びＳｉ等の不純物をドープする。この場合、基板を通した加熱温度が１，０００℃以上の高温であれば、ドープされる不純物原子の高温による拡散が活性化し、例えばｐ−型ＧａＮ膜の形成のためにドープされたＭｇ原子がＬＥＤ発光素子の活性層である多重量子井戸層（ｍｕｌｔｉ−ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）に拡散することで、発光素子の発光特性が損なわれ、これはｎ−型ＧａＮ膜においても同様の現象が発生しうる。それに応じて、究極的に発光素子の発光特性は低下せざるを得ない。
前記のような従来の技術について、特許文献１は、プラズマＣＶＤを用いて基板に非晶質（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）、または多結晶薄膜を作製した後、中性粒子ビームを用いて前記の薄膜を単結晶化する方法を提案するものである。
しかし、特許文献１に公開された方法は、希望する単結晶薄膜を得るために非晶質（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）、または多結晶薄膜を事前にプラズマＣＶＤ法によって作製しなければならず、薄膜の単結晶化のために中性粒子ビームを所定の角度に照射すべく、多様な構造の反射器を提供しなければならないため、作製工程に多大な努力と複雑な装置の製作を要するため、希望する半導体発光素子の生産コストを高めることで、ＬＥＤ等の普及ないしは市場性を低下させうる。
大韓民国登録特許第１０−０２５１０３５号 大韓民国特許出願第１０−２００９−００５１７５０号
そこで、本発明は、半導体発光素子を作成するにあたり、前述した問題点を解決できるよう、基板に加える高い工程温度の代わりに、適当なエネルギーを持った中性粒子ビームを用いて、これまでの工程温度よりも非常に低い低温の工程温度を維持しつつも、高品質の窒化物半導体薄膜を成長させることができる中性粒子ビームを用いた発光素子の製造方法及び製造装置を提供することを課題とする。
また、本発明の他の目的は、高品質の窒化物半導体薄膜の作製において、より簡素化した装備と努力を注ぐことで、半導体発光素子の価格競争力を向上させることにある。
また、本発明の他の目的は、半導体発光素子の作製において、発光素子を形成するそれぞれの層ごとに求められる工程の特性を考慮することで、最も効率の良い製造過程及び装置を提供することにある。
本発明は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ： Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）によるプラズマ発生方式を用いて、中和プレートを備えた中性粒子ビーム発生源から、窒素（Ｎ）原子と不活性元素を含む中性粒子ビームを放出するステップ、及び、前記中性粒子ビームが前記基板に届く直前、または直後にIII族固体元素を放出するステップ；を含み、前記中性粒子ビームと前記III族固体元素が、前記基板上に窒化物半導体単結晶薄膜によって蒸着されることを特徴とする窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法を提供することができる。
また、本発明は、前記窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法によって形成されている窒化物半導体単結晶薄膜に、ドープを目的とする固体元素を前駆体噴射ガスがない状態で、直接提供するよう放出するステップを、前記III族固体元素の放出ステップと同時にさらに含むことを特徴とする、窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法を提供することができる。
また、本発明は、窒素（Ｎ）原子と不活性元素を含む中性粒子ビームを放出すると同時に、III族固体元素を放出し、形成される窒化物半導体単結晶薄膜にドープすることを目的とする固体元素、または同時に放出することを特徴とする、窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法を提供することができる。
また、本発明は前記の不活性元素は、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅのうち一つか、もしくは二つ以上の元素を混合したことにより構成されることを特徴とする、窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法を提供することができる。
また、本発明は、前記の窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法において、前記基板の温度を２００ないし８００℃に維持することを特徴とする窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法を提供することができる。
また、本発明は、前記の窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法において、前記基板の温度を６００ないし７００℃に維持することを特徴とする窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法を提供することができる。
また、本発明は、前記III族固体元素の放出ステップは、出射と停止を周期的に反復するモジュレーション（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）モードにて動作することを特徴とする窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法を提供することができる。
また、本発明は、出射時間τｏｎと停止時間τｏｆｆの比率は、
を満足することを特徴とする窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法を提供することができる。ここで、ΓIIIは、III族固体元素のフラックス（ａｔｏｍｓ／ｃｍ２ｓ）、Γｎは、中性粒子ビームフラックス、γは中性粒子ビームにおける窒素原子の比率、τｏｎは出射時間、τｏｆｆは停止時間である。
また、本発明は、前記窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法において、前記中性粒子ビームの運動エネルギーを２ないし１００ｅＶとすることを特徴とする、窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法を提供することができる。
また、本発明は、前記窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法において、前記中性粒子ビームの運動エネルギーを１０ないし３０ｅＶとすることを特徴とする、窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法を提供することができる。
また、本発明は、前記窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法において、前記中性粒子ビームの発生及び中性粒子ビームの運動エネルギーの付与のために、中性粒子ビーム発生源に印加する電位Ｖは、
を満足することを特徴とする窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法を提供することができる。
前記数式において、
Ｅｎは、中性粒子ビームのエネルギー、
Ｖｐは、プラズマ電位、
ｑは、プラズマ荷電粒子の電荷量、
γＥは、プラズマ荷電粒子が中和プレートに衝突した後、中性粒子に変換して出てくる際に保たれるエネルギー効率を表し、中和プレートの物質及び入射角度に応じて、０．３ないしは０．９の値である。
また、本発明は、中性粒子ビームの運動エネルギーＥｎから、衝突を通してＧａ原子が得るエネルギーＥＧａは、
であることを特徴とする窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法を提供することができる。
ここでのＭＧａは、Ｇａ原子の質量、Ｍｎは中性粒子ビーム元素の質量を意味し、θは衝突直前中性粒子ビーム元素の進行方向となす衝突後のＧａ原子の進行方向との角度である。
また、本発明は、前記III族固体元素の放出とドープすることを目的とする固体元素の放出は、出射及び停止を同期化することで、周期的に反復することを特徴とする、窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法を提供することができる。
また、本発明は、前記III族固体元素の放出とドープすることを目的とする固体元素の放出は、出射及び停止を互いにずれさせることで、周期的に反復することを特徴とする、窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法を提供することができる。
また、本発明は、窒素（Ｎ）と不活性元素を中性粒子ビームによって発生させ、基板の上に出射する中性粒子ビーム発生装置；前記中性粒子ビーム発生装置の動作とともに、III族固体元素を基板上に噴射する固体元素発生装置；及び、形成される窒化物半導体単結晶薄膜にドーピング元素を提供するためのドーピング用固体元素発生装置；を含むことを特徴とする、窒化物半導体単結晶薄膜形成装置を提供することができる。
また、本発明は、発光素子の製造方法において、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いてｎ型元素をドープすることで、ｎ型半導体層を形成するステップ；中性粒子ビームを用いて活性層を形成するステップ；及び、中性粒子ビームを用いてｐ型元素をドープすることで、ｐ型半導体層を形成するステップを含む発光素子の製造方法を提供することができる。
また、本発明は、発光素子の製造装置において、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いてｎ型元素をドープすることで、ｎ型半導体層を形成する第１チャンバと、中性粒子ビーム発生装置を備え中性粒子ビームで活性層を形成する第２チャンバ；及び、中性粒子ビームでｐ型元素をドープすることで、ｐ型半導体層を形成する第３チャンバを含み、前記第３チャンバは、中性粒子ビーム発生装置と、前記中性粒子ビーム発生装置の動作とともに、III族固体元素を基板上に噴射する固体元素発生装置と、形成される窒化物半導体単結晶薄膜にｐ型ドーピング元素を前駆体噴射ガスがない状態で、直接提供するためのｐ型ドーピング用固体元素発生装置を含むことを特徴とする、発光素子製造装置を提供することができる。
また、本発明は、発光素子製造装置において、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて、ｎ型元素をドープすることで、ｎ型半導体層を形成する第１チャンバと、中性粒子ビーム発生装置を備え中性粒子ビームで活性層とｐ型半導体層を形成する第２チャンバを含み、前記第２チャンバは、中性粒子ビーム発生装置と、前記中性粒子ビーム発生装置の動作とともに、III族固体元素を基板上に噴射する固体元素発生装置と、形成される窒化物半導体単結晶薄膜にｐ型ドーピング元素を前駆体噴射ガスがない状態で、直接提供するためのｐ型ドーピング用固体元素発生装置を含むことを特徴とする、発光素子製造装置を提供することができる。
本発明によれば、発光素子製造中、窒化物半導体の単結晶薄膜形成において、必要なエネルギーを中性粒子ビームの運動エネルギーと基板の温度による熱エネルギー量子のバランスによって提供するため、基板の温度をかなり下げることができる。したがって、従来の技術に比べ、基板そのものの熱変形を防止することができ、ＬＥＤ素子作製に必要な多層薄膜においてドープされる不純物層間境界を越えて拡散する問題を解消することができるため、高効率及び高品質のＬＥＤ素子を作製することができる。
また、本発明によれば、窒化物半導体単結晶薄膜の形成を、中性粒子ビームによって最初から単結晶状態で作製するため、多結晶薄膜を作製した後単結晶化する方法及びそれに伴う製造装置に比べ、より簡便な方法及び装置を提供するため、半導体発光素子の価格競争力を向上させるができる。
また、本発明によれば、発光素子のｐ型半導体層のドーピング効率を高めつつも、ｐ型不純物が他の層に拡散することで、発光素子の品質を低下させる問題点を防止することができる。
本発明の一実施例に基づく窒化物半導体単結晶薄膜の形成過程を説明する装置説明図 図１に基づいて作成される窒化物半導体単結晶薄膜をドープするための装置説明図 本発明の一実施例に基づく発光素子の断面図 発光素子の製造工程において、中性ビームエピタキシャル工程とＭＯＣＶＤ工程を比較したグラフ 本発明の他の実施例に基づく発光素子の製造方法を図示したフローチャート 本発明の実施例に用いられる中性粒子ビーム発生源の構成図 本発明のハイブリッド工程に基づく装置構成を表した概略斜視図
以下、添付図面を参照することで、本発明に基づく望ましい実施例を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例に基づき、発光素子の窒化物半導体単結晶薄膜の形成過程を説明するための構想図である。
工程チャンバ（７）内に基板（５）を基板搭載台（６）の上の装着し、工程チャンバ（７）の上方に中性粒子ビーム発生源（１）を設置する（図６参照）。前記中性粒子ビーム発生源は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ： Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）によるプラズマ発生方式を用い、中和プレートを備えた中性粒子ビーム発生源であり、磁石構造物を用いて構成し、前記中性粒子ビーム発生源（１）は、本発明者によって発明され出願された特許文献２に詳細に記載されたものを採択するため、その構成に関する記載は省略するものの、前記公報記載内容は、本発明の内容に編入される。
前記中性粒子ビーム発生源（１）は、基板（５）の上に蒸着を試みる窒化物半導体単結晶薄膜を形成するのに必要な反応物の一つである窒素（Ｎ）と、反応物には該当しないが反応物の化学反応ないしは単結晶の形成に必要なエネルギーを供給する役割を果たす不活性元素を中性粒子ビームによって生成し、必要な運動エネルギーを与えて出射する。本実施例において用いる不活性元素はアルゴン（Ａｒ）であり、窒素とアルゴンを中性粒子ビームによって生成し、基板（５）の上に射出する。
また、使用する不活性元素はアルゴン（Ａｒ）を含め、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅ等の等の不活性元素をそれぞれ用いるか、これらのうち二つ以上の元素を適切に混合して用いることも可能である。
工程チャンバ（７）の上端には、また固体元素発生源（３）をと装着し、前記固体元素発生源（３）はIII族固体元素、例えばＡｌ、Ｇａ、Ｉｎの固体元素を蒸着セル（ｅｆｆｕｓｉｏｎ ｃｅｌｌ）に入れて加熱することで蒸気を作り出し、工程チャンバ（７）内に噴射する。
蒸気中性粒子ビームの出射とIII族固体元素の蒸気噴射は、ほとんど同時に連続的に行われるよう動作を制御するものの、固定元素発生源（３）は、中性粒子ビーム発生源（１）とは異なり、出射と停止を周期的に反復するモジュレーション（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）モードにて動作することができる。
出射時間におけるIII族固体元素の単位面積あたりの数は、一周期（出射時間＋停止時間）における中性粒子ビーム内の窒素原子数と同じであるか多くなければならない。すなわち、
したがって、出射と停止時間の比率は、次のように定めることができる。
ここでのΓIIIは、III族固体元素のフラックス（ａｔｏｍｓ／ｃｍ２ｓ）、Γｎは、中性粒子ビームフラックス、γは中性粒子ビームにおける窒素原子の比率、τｏｎは出射時間、τｏｆｆは停止時間である。
例えば、Ｇａの場合を蒸着セル（ｅｆｆｕｓｉｏｎ ｃｅｌｌ）で１，２００℃で蒸気化する場合、０．１Ｔｏｒｒの蒸気圧が生じ、これは約３×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ２ｓのフラックスに相当する。このうち、基板に到達するフラックスは約ΓIII=5×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２ｓであり、中性粒子ビームのフラックスがΓｎ＝６×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２ｓ、γ＝０．５とすると、窒素フラックスは３×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２ｓとなって、τｏｆｆ／τｏｎ≧１．６となり、１０秒間Ｇａを出射すると、最低１６秒以上は停止状態を維持することになる方法で動作することができる。
前記固定元素の発生方法は、発着セル（ｅｆｆｕｓｉｏｎ ｃｅｌｌ）による蒸気化のほか、固体元素ターゲットに電子ビーム、イオンビーム、レーザービームを照射することで固体元素を得る方法もある。また、スパッタリング法によって得ることもできる。
例えば、Ｇａを蒸着セルで蒸気化する場合、加熱温度に応じて蒸気圧が決定し、蒸気圧に応じて出射口における固体元素のフラックスが決定するため、温度を調節することで希望するフラックスを提供することができる。すなわち、出射口におけるフラックスは、
である。
ここでのＰは蒸気圧［Ｐａ］、Ｍは蒸気化を試みる元素の質量［ｋｇ］、ｋはプランク定数、Ｔは蒸着セルの加熱温度［Ｋ］である。例えば、１，００７℃における蒸気圧は１０−３Ｔｏｒｒであり、１，１３２℃においては１０−２Ｔｏｒｒであるため、これに該当する出射口における固体元素のフラックスは、それぞれ約３×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ２ｓと約３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ２ｓとなる。
固体元素の蒸気は、噴射後特別な方向性を持たず、工程チャンバ（７）内において拡散ないしは漂流移動して、チャンバ下端の基板（５）上に到達し、窒素及び不活性元素を含む中性粒子ビームは、その発生源において所定の電位をプラズマに印加して中和プレートに衝突させることで中性粒子ビームを発生させ、基板（５）の向けて出射するため、中性粒子ビームはかなりの運動エネルギーと下方の運動量を持って基板（５）に到達することとなる。前記中性粒子ビームに含まれる窒素と前記III族固体元素であるＧａの蒸気が基板（５）上において化学結合しＧａＮ単結晶薄膜を形成することになる。この場合、基板（５）上における中性粒子ビームのフラックスがIII族固体元素のフラックスより小さくなると、単結晶形成に十分なエネルギーが伝達されていないため、中性粒子ビームのフラックスとIII族固体元素のフラックスが基板(5)に到達する時点においてほぼ同じでなければ、ＧａＮヘの化学結合及び単結晶化を期待することができず、望ましくはIII族固体元素が基板（５）の上に到達する直前、または直後に同量の中性粒子ビームが基板（５）に到達するよう、中性粒子ビームの発生源（１）と固体元素発生源（３）の動作を制御する。
本実施例において、基板（５）の温度は２００ないし８００℃、望ましくは６００もしくは７００℃で、既存のＭＯＣＶＤ法に比べ非常に低い温度で加熱する。これは、既存のＭＯＣＶＤ法の場合、複数の反応元素が化学結合し単結晶となるのに必要なエネルギーを、ほとんど全て基板を加熱して供給される熱エネルギーに依存していたためである。しかし、本発明の場合、基板を加熱して供給する熱エネルギーの量を減らすことで基板の温度を下げ、これについて中性粒子ビームに運動エネルギーを与え、複数の反応元素の化学結合及び単結晶の形成に必要なエネルギーを運動エネルギーの形で供給するものである。
すなわち、本発明は、窒化物半導体単結晶の成長に参加するIII族固体元素が、窒素原子と簡単に窒化物半導体単結晶構造に反応できるよう、十分な運動エネルギーを持つようにすることで、低温下でも窒化物半導体単結晶薄膜の成長が容易なようにして、窒化物半導体単結晶薄膜の特性を改善することができる。
上述の通り、基板（５）に形成されるＧａＮ単結晶薄膜形成についての化学式は下記の通りである。
（Ｎ＋Ａｒ）＋Ｇａ−−＞ＧａＮ＋Ａｒ
左項の括弧はＮとＡｒから構成された中性粒子ビームを表している。ここにおけるＡｒの主な役割は、Ｇａ原子への運動エネルギー及び運動量の伝達である。すなわち、Ｇａ原子が基板に衝突した前後に、Ａｒから運動エネルギーと運動量が伝達され、エネルギーの高いＧａ原子に変換され、中性粒子ビーム内のＮ原子と反応してＧａＮの結晶を形成することとなる。これは、既存のＧａＮ層を形成した後に、中性粒子、イオン、電子またはレーザービームでアニーリング（ａｎｎｅａｌｉｎｇ）する方法とは全く異なる新しい方法である。
中性粒子ビームの運動エネルギーＥｎから衝突を通してＧａ原子が得るエネルギーＥＧａは、下記の通りである。
ＭＧａは、Ｇａ原子の質量、Ｍｎは中性粒子ビーム元素の質量を意味し、θは衝突直前の中性粒子ビーム元素の進行方向となす衝突後のＧａ原子の進行方向との角度である。この式に基づくと、Ｇａ原子は中性粒子ビーム内のＡｒ原子から、最大９３％のエネルギーを得ることができ、Ｎ原子からは最大約５６％のエネルギーを得ることができる。
中性粒子ビームの運動エネルギーは、中性粒子ビーム発生源内において初期にプラズマを中和プレートの方に引き寄せるために印加する電位Ｖによって決定されうる。したがって、上述の通り、基板（５）を加熱することで供給する熱エネルギーに伴う基板の温度を２００ないし８００℃にすることを試みる場合、印加電位を調節して中性粒子ビームの運動エネルギーを１ないし１００ｅＶで与えることができ、さらに詳細には基板の温度を６００ないし７００℃にしようと試みる場合、中性粒子ビームの運動エネルギーを１０いし３０ｅＶで与えることができる。
また、中性粒子ビームの発生メカニズムを分析して、前記中性粒子ビームの発生及び中性粒子ビームの運動エネルギーの付与のために、中性粒子ビーム発生源に印加する電位Ｖは次の通りである。
前記の数式において、Ｅｎは、中性粒子ビームのエネルギー、Ｖｐは、プラズマ電位、ｑは、プラズマ荷電粒子の電荷量、γＥは、プラズマ荷電粒子が中和プレートに衝突した後、中性粒子に変換して出てくる際に保たれるエネルギー効率を表し、中和プレートの物質及び入射角度に応じて、０．３ないしは０．９の値を持つ。
また、半導体発光素子の作製には、前記の通りＧａＮ単結晶薄膜をｐ−型またはｎ−型に作製すべく、不純物をドープする必要がある。
とりわけ、既存のＭＯＣＶＤ法によってｐ−型ドープを行う場合、ｐ−型ドーピング反応気体である前駆体（Ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ）として、Ｃｐ２Ｍｇのような水素を多量に含む分子気体を用いるため、膜形成過程において多量の水素が発生してＭｇと結合してしまい、Ｍｇがドーピング元素として機能を果たすことができなくなり、ドーピング効率がが非常に低下することとなる。しかも、こうした低い効率のドーピング状況において、ドーピング密度を合わせるために過度の前駆体気体を用いるため、ドープされていないＭｇが多量に生じ、これらがｐ型ＧａＮの特性を悪化させる。
結局、既存のＭＯＣＶＤ法の場合は、ドーピング効率を高めるために温度を上げると、Ｍｇの活性層への拡散が問題となり、温度を下げて多量の前駆体ガスを注入すると、ドーピング効率が低くなり、ドープされていないＭｇによってｐ型ＧａＮの特性が低下する。
しかし、中性粒子ビームと水素のない固体元素そのもののを用いると、既存の問題点を克服することができる。中性粒子ビームと固体元素を用いる不純物ドーピングのための装置が、図２に図示されている。
図２では、ドーピング用固体元素発生源（８）が、工程チャンバ（７）の上端に装着されていることが分かる。前記ドーピング用固体元素発生源（８）においては、例えば、ＧａＮ層のドーピングに必要な元素である、例えばＳｉまたはＭｇ元素をスパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）装置、または電子ビーム（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ）照射装置を用いて蒸気化し、固体元素の蒸気を工程チャンバ（７）内に噴射する。融点が６５０℃と低いＭｇの場合蒸着セルを用いることができるが、Ｓｉの場合は融点が１，４１０℃と高く蒸着セルの代わりにスパッタリング装置または電子ビーム照射装置を用いて蒸気化した方が有利である。
前記ドーピング元素であるＳｉは、ＧａＮ層に混入し前記ＧａＮ層をｎ型に形成する。また、形成されたｎ−型ＧａＮ層のすぐ上には、一般的には活性層であるＩｎＧａＮ層を形成し、その上にｐ型ＧａＮ層を形成することで、半導体発光素子を作製する。Ｍｇ元素の場合、ｐ型ＧａＮ層を形成するためにドープされる。ドーピング過程もまた、中性粒子ビームの運動エネルギーを通して行われ、基板（５）の温度が相対的に低温である６００ないし７００℃であるため、従来１，０００℃以上の高温において問題となっていたドーピング元素の拡散に伴うｐ型の特性低下による発光特性の劣化現象を解消することができる。すなわち、従来のＭＯＣＶＤ法においては、基板の加熱によって生じる熱エネルギーにより、ｐ型ＧａＮ層のドーピング元素であるＭｇ元素が、ＬＥＤ発光素子の活性層であるＩｎＧａＮ層に形成された多重量子井戸層（ｍｕｌｔｉ−ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）に拡散することで、活性層の機能を弱化させ、発光素子の発光特性が損なわれていたが、本実施例においては、中性粒子ビームによる運動エネルギーが反応エネルギーの相当量を提供して基板の温度を下げることができ、各層を形成するたびに、中性粒子ビームの運動エネルギーを適正水準に制御して、ドーピング元素が他の層に拡散しないようにすることで、発光素子の発光特性を向上させることができる。
前記ドーピング過程を化学式で表すと下の通りである。
ｎ型ドーピング：（Ｎ＋Ａｒ）＋Ｇａ＋Ｓｉ→ＧａＮ：Ｓｉ＋Ａｒ
ｐ型ドーピング：（Ｎ＋Ａｒ）＋Ｇａ＋Ｍｇ→ＧａＮ：Ｍｇ＋Ａｒ
以下は、発光素子を作製する工程であり、ＭＯＣＶＤ法と中性粒子ビームを用いたエピタキシャル工程全てを用いた実施例を説明する。図３は、本発明の一実施例に基づいた発光素子の断面図である。
図３に示された発光素子は、ＧａＮ系発光ダイオード（ＬＥＤ）の構造を例示として説明している。発光素子は基板（１０）、バッファ層（１１）、ｎ型半導体層（１２）、多重量子井戸層（ＭＱＷ）（１３）、ｐ型半導体層（１４）、透明電極層（１５）を含む。基板（１０）にはサファイア等の材料を用いることができ、バッファ層（１１）は、ＡｌＮ、結晶化度の低いＧａＮ等で構成することができる。
ここにおいて、活性化層である多重量子井戸層（ＭＱＷ）（１３）は、ＩｎＧａＮにて形成されうる。ここでのｎ型半導体層（１２）、多重量子井戸層（ＭＱＷ）（１３）、ｐ型半導体層（１４）は、中性粒子ビームで形成されうることについては、既に詳細に説明した通りである。
図４は、発光素子の作製工程において、中性粒子ビームエピタキシャル工程とＭＯＣＶＤ工程を比較した図面である。
図４の（ａ）に示されたＭＯＣＶＤ工程を見れば、基板が高温にて洗浄された後、低温にてバッファ層（１１）が形成される。その後、１，０００〜１，１００℃の状態にある領域Ａにおいてｎ型半導体（１２）が形成される。この期、７００〜８００℃の状態にある領域Ｂにおいて多重量子井戸層（ＭＱＷ）（１３）が形成される。そして、再度温度が上昇して９００〜１，０００℃の状態にある領域Ｃにおいてｐ型半導体層（１４）が形成されうる。
ここで注目すべき点は、ｐ型半導体層（１４）の形成のための領域Ｃにおいては、ｐ型元素のドーピング効率がｎ型元素のドーピング効率に比べて非常に低いということである。さらに詳しくは、ｐ型元素（例えばＭｇ＋）のドーピング効率は、純粋に温度に依存するため、高温の熱エネルギーを提供しねければならないが（熱エネルギーはＧａ原子の移動性を高め、Ｍｇ＋を活性化させ、置換可能性を高める。）、その反面基板全体を過度の高温で加熱した場合は、ｐ型元素であるＭｇ＋がｎ型半導体層（１２）や多重量子井戸層（ＭＱＷ）（１３）によって拡散し、発光素子全体の品質を下げるという問題点がある。
結局、ＭＯＣＶＤ工程において、ｐ型半導体層（１４）を形成すべく低温で処理するとｐ型元素のドーピング効率が低下し、前記ｐ型元素が結晶に参加できなくなり、電気伝導度を下げるという問題点が存在することとなり、反対に高温で処理するとｐ型元素の拡散により、発光素子全体の品質を下げるという問題点が存在することになる。
その反面、図４の（ｂ）と同様に、中性粒子ビームエピタキシャル工程を用いる場合は、ＭＯＣＶＤ工程に比べて相対的に低温にあたる６００℃程度でドーピングが可能となるため、ドーピング効率を高めつつ基板の損傷を防ぎ、ｐ型元素の拡散を防止することができるという長所がある。
一方、従来のＭＯＣＶＤ工程の場合は、中性粒子ビームを用いたエピタキシャル工程よりは、製造装置が廉価で処理時間を短縮することができるという長所がある。したがって、本発明者らは、二つの工程方法を組み合わせ、高品質の発光素子を廉価で作製することのできるハイブリッド工程を設計した。
図５は、本発明の前記ハイブリッド工程の実施例に基づく発光素子の製造方法を図示したしたフローチャートである。
ステップ（Ｓ１００）、（Ｓ１１０）においては、基板を洗浄しバッファ層を形成する。本ステップの具体的な工程処理方法は、従来のＧａＮ系ＬＥＤ製造に用いられた方法が採用されうる。
ステップ（Ｓ１２０）においては、ＭＯＣＶＤ工程を用いてｎ型半導体層を形成する。ここで、ｎ型元素としてはＳｉが利用されることがある。ｎ型半導体層はｐ型半導体層と比べてドーピング効率が高いため、ＭＯＣＶＤ技術を採択した場合、迅速な処理速度によって効率よくｎ型元素をドープすることができる。
この後、ステップ（Ｓ１３０）においては、中性粒子ビームエピタキシャル工程を用いて多重量子井戸層（ＭＱＷ）を形成する。前記多重量子井戸層（ＭＱＷ）はＩｎＧａＮへと形成されることがある。
ステップ（Ｓ１４０）においては、ｐ型半導体層が中性粒子ビームエピタキシャル工程によって形成される。ｐ型半導体層のｐ型元素としてはＭｇ＋が用いられる。ここで、ｐ型元素はｎ型元素に比べてドーピング効率が大きく下回る。また、高温ではドーピング元素が他の層に拡散するおそれがある。しかし、ステップ（Ｓ１４０）においては、ｐ型半導体層を形成するにあたって、低温で処理可能な中性粒子ビームエピタキシャル工程を採択することで、ドーピング効率を向上させると同時に、発光素子の品質低下を防止することができる。
ステップ（Ｓ１５０）においては、ｐ型半導体層の上に透明電極を形成する。透明電極の形成は、スパッタリング、中性粒子ビーム等の方法によって実施することができる。
図５に示された本発明の実施例において、ステップ（Ｓ１２０、Ｓ１３０、Ｓ１４０）は、それぞれ異なるチャンバで処理を行うことができる。例えば、被処理基板は中央のロボットにより最初にＭＯＣＶＤを用いて、ｎ型元素をドープするチャンバに基板を投入してｎ型半導体層を形成し、中性粒子ビームを用いて多重量子井戸層（ＭＱＷ）を形成する他のチャンバにおいて多重量子井戸層（ＭＱＷ）を形成し、次に中性粒子ビームを用いてｐ型元素をドープする異なるチャンバに基板を投入してｐ型半導体層を形成することができる。
すなわち、ＭＯＣＶＤ工程を実施する第１チャンバと、中性粒子ビームを用いて多重量子井戸層（ＭＱＷ）を形成する第２チャンバ、及び中性粒子ビームを用いてｐ型元素をドープする第３チャンバによって、全体の工程を実施することができる（図７参照）。しかし、中性粒子ビームを用いる前記の二つの工程は、一つのチャンバにて順次分離実施することも可能である。
ここで、中性粒子ビームを用いるチャンバにて処理される具体的な例示は、本発明の明細書において既に十分に説明した通りである。
このような構成により、ドーピング効率の良いｎ型半導体層の形成は、工程処理の迅速なＭＯＣＶＤ法を採用し、ドーピング効率が相対的に落ちるｐ型半導体層の形成は、中性粒子ビームを用いることで、全体的な発光素子の品質と作製効率を向上させることができる。
本発明は、上で説明した実施例にとどまらず、特許請求範囲に記載されたところによって定義され、本発明の分野において通常の知識を有する者が、請求範囲に記載された権利の範囲内で多様な変形と改作をできる。
本発明は、中性粒子ビームを用いて、基板の温度を下げた状態においても、半導体単結晶薄膜を高品質で形成することができるため、ＬＥＤまたはＬＤ等の発光素子の作製に利用されうる。

Claims (15)

  1. 電子サイクロトロン共鳴(ECR:Electron
    Cyclotron Resonance)によるプラズマ発生方式を用いて、中和プレートを備えた中性粒子ビーム発生源から、窒素（Ｎ）原子と不活性元素を含む中性粒子ビームを放出するステップと、
    前記中性粒子ビームが前記基板に届く直前または直後に、III族固体元素を放出するステップを含み、
    前記中性粒子ビームと前記III族固体元素が、前記基板上に窒化物半導体単結晶薄膜によって蒸着される
    ことを特徴とする窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法。
  2. 前記窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法によって形成される窒化物半導体単結晶薄膜に、ドープを目的とする固体元素を前駆体噴射ガスがない状態で直接提供するよう放出するステップを、前記III族固体元素の放出ステップと同時に含む
    請求項１に記載の窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法。
  3. 窒素(N)原子と不活性元素を含む中性粒子ビームを放出すると同時に、III族固体元素を放出し、形成される窒化物半導体単結晶薄膜にドープすることを目的とする固体元素、または同時に放出する
    ことを特徴とする窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法。
  4. 前記不活性元素は、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅのうち一つか、もしくは二つ以上の元素を混合したものである
    請求項２または３に記載の窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法。
  5. 前記III族固体元素は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎのうち一つか、もしくは二つ以上の元素を混合したものである
    請求項４に記載の窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法。
  6. 前記基板の温度を２００〜８００℃に維持する
    請求項５に記載の窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法。
  7. 前記中性粒子ビームの運動エネルギーを２〜１００ｅＶとする
    請求項６に記載の窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法。
  8. 前記III族固体元素の放出ステップは、出射と停止を周期的に反復するモジュレーションモードにて動作する
    請求項７に記載の窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法。
  9. 出射時間τｏｎと停止時間τｏｆｆの比率は、
    （ただし、ΓIIIは、III族固体元素のフラックス（ａｔｏｍｓ／ｃｍ２ｓ）、Γｎは、中性粒子ビームフラックス、γは中性粒子ビームにおける窒素原子の比率、τｏｎは出射時間、τｏｆｆは停止時間）である
    請求項８に記載の窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法。
  10. 前記III族固体元素の放出とドープすることを目的とする固体元素の放出は、出射及び停止を同期化することで、周期的に反復する
    請求項９に記載の窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法。
  11. 前記III族固体元素の放出とドープすることを目的とする固体元素の放出は、出射及び停止を互いにずれさせることで、周期的に反復する
    請求項９に記載の窒化物半導体単結晶薄膜の形成方法。
  12. 窒素（Ｎ）と不活性元素を中性粒子ビームによって発生させ、基板の上に出射する中性粒子ビーム発生装置と、
    前記中性粒子ビーム発生装置の動作とともに、III族固体元素を基板上に噴射する固体元素発生装置と、
    形成される窒化物半導体単結晶薄膜にドーピング元素を前駆体噴射ガスがない状態で、直接提供するためのドーピング用固体元素発生装置とを備える
    ことを特徴とする窒化物半導体単結晶薄膜形成装置。
  13. 発光素子の製造方法において、
    有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いてｎ型元素をドープすることで、ｎ型半導体層を形成するステップと、
    中性粒子ビームを用いて活性層を形成するステップと、
    中性粒子ビームを用いてｐ型元素をドープすることで、ｐ型半導体層を形成するステップを含む
    ことを特徴とする発光素子の製造方法。
  14. 発光素子の製造装置において、
    有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いてｎ型元素をドープすることで、ｎ型半導体層を形成する第１チャンバと、
    中性粒子ビーム発生装置を備え中性粒子ビームで活性層を形成する第２チャンバと、
    中性粒子ビームでｐ型元素をドープすることで、ｐ型半導体層を形成する第３チャンバを備え、
    前記第３チャンバは、中性粒子ビーム発生装置と、前記中性粒子ビーム発生装置の動作とともに、III族固体元素を基板上に噴射する固体元素発生装置と、形成される窒化物半導体単結晶薄膜にｐ型ドーピング元素を前駆体噴射ガスがない状態で、直接提供するためのｐ型ドーピング用固体元素発生装置を備える
    ことを特徴とする発光素子製造装置。
  15. 発光素子の製造装置において、
    有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いてｎ型元素をドープすることで、ｎ型半導体層を形成する第１チャンバと、
    中性粒子ビーム発生装置を備え中性粒子ビームで活性層とｐ型半導体層を形成する第２チャンバを備え、
    前記第２チャンバは、中性粒子ビーム発生装置と、前記中性粒子ビーム発生装置の動作とともに、III族固体元素を基板上に噴射する固体元素発生装置と、形成される窒化物半導体単結晶薄膜にｐ型ドーピング元素を前駆体噴射ガスがない状態で、直接提供するためのｐ型ドーピング用固体元素発生装置を備える
    ことを特徴とする発光素子製造装置。
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