JP3223295B2 - 低抵抗p型GaN結晶の製造方法 - Google Patents
低抵抗p型GaN結晶の製造方法Info
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Description
素子等の材料として有用な低抵抗のp型GaN結晶を製
造する方法に関する。
対応していることから、青色レーザ,青色発光素子等の
材料として注目されている。GaN結晶は、モレキュラ
ー・ビーム・エピタキシ(MBE)法で育成されてい
る。MBE法では、超真空中で金属元素Gaを蒸発さ
せ、N2 分子(ガス)を電磁波RFで分解し、Ga蒸気
及び原子状N+ ガスの蒸気圧に比例した分子線強度を
得、原子層制御しながら結晶成長させている。GaNを
p型にするためには、GaNの結晶成長中にMg又はB
eをドーピングしている。Mg又はBeのドーピングで
は、Mg又はBeの金属単体を加熱蒸発させ、原子状ビ
ームとしてドーピングしている。
Nの結晶成長中にMg単独をドーピングしているため、
1018cm-3程度しかドーピングできなかった。更にM
gをドーピングしようとしても、補償機構によってキャ
リア濃度をこれ以上増やすことはできなかった。すなわ
ち、Mg濃度が1018cm-3を超えると、Ga位置に入
っていたMg原子が格子間位置に移り、それに伴ってn
型(ドナー)となる。その結果、p型(アクセプター)
のMgをn型(ドナー)である格子間位置のMgが相殺
する。これは、MOCVD法でp型GaN結晶を育成す
るときも同様である。本発明は、このような問題を解消
すべく案出されたものであり、n型ドーパントであるS
iやOとp型ドーパントであるMg又はBeを同時にド
ーピングすることにより、1019〜1020cm-3の高濃
度にドーピングした低抵抗のGaN単結晶作製を目的と
する。
晶の製造方法は、その目的を達成するため、MBE法又
はMOCVD法でGaN結晶を成長させる際、Si:M
g=1:2,O:Mg=1:2,Si:Be=1:2又
はO:Be=1:2に調製した原子状混合ガスを結晶成
長域に導入し、Si又はOをMg又はBeと同時ドーピ
ングすることを特徴とする。Si:Mg=1:2,O:
Mg=1:2,Si:Be=1:2又はO:Be=1:
2に調製した原子状混合ガスは、Mg又はBeの金属単
体をオーブン加熱で蒸発させて分子ビームを作り、Si
又はOの分子ガス原料を電磁波で分解して原子状のガス
とし、両者を混合することにより調製される。
ントであるMg又はBeを1:2の割合で同時にドーピ
ングするとき、Ga位置を置換したSi又はN位置を置
換したOに起因するドナー(Si- Ga 又はO- N)とGa
位置を置換したMg又はBeに起因するアクセプター
(Mg+ Ga 又はBe+ Ga )が対を作り、静電エネルギー
(+eと−eの対)による安定化が発生する。この静電
エネルギーにより、更に付け加えてドープしたMg又は
Beがより安定化する。その結果、Mg又はBe単独で
は1018cm-3程度しかドーピングできないGaNに対
し、1019〜1020cm-3の高濃度にp型キャリア(正
孔)をドーピングすることができる。Si又はOとMg
又はBeとの同時ドーピングがp型キャリア濃度を上げ
るメカニズムを、本発明者は次のように推察した。すな
わち、Si又はOとMg又はBeを1:2の割合で同時
ドーピングするとき、図1のモデルに示すように、n型
ドナーであるSiがGa位置を占め、n型ドナーである
OはN位置を占める。他方、p型アクセプターであるM
g又はBeは、Ga位置を占める。そして、n型ドーパ
ントであるSi又はOとp型ドーパントであるMg又は
Beが1:1の対を形成し、この原子対の周りに更に1
個のMg又はBe原子が配位し、アクセプターとして働
く。その結果、高濃度までアクセプターが活性化し、p
型ドーパントのMg又はBeを高濃度までドーピングさ
せることが可能となる。
は、図2に示すように真空チャンバ1に基板2をセット
し、基板2にGa源3及びSi又はO源4を臨ませる。
Ga源3は、ヒータ5で加熱され、Ga蒸気となって基
板2に送られる。N源では、RFコイル7で発生した電
磁波をN2 ガスに照射し、原子状になったN+ ガスを結
晶成長空間に送り込む。Ga蒸気及び原子状N+ ガス
は、基板2上でGaN結晶6としてエピタキシャル成長
する。このとき、Mg又はBe源8は、ヒータ5で加熱
され、Mg又はBeの蒸気となって基板2に送られ、p
型ドーピングする。同時に、O又はSi源は、電磁波R
F7で分解されて原子状のガスとなって基板2に送ら
れ、n型ドーピングする。そして、Mg又はBe蒸気と
Si蒸気又は原子状O+ ガスとの原子比が2:1となる
ように、Mg又はBe蒸気及びSi蒸気又は原子状O+
ガスの流量を調整するとき、基板2上に成長するGaN
結晶6は、高濃度でMg又はBeドーピングしたp型結
晶となる。
含有有機金属ガス源g1 ,Mg又はBe含有有機金属ガ
ス源g2 ,N2 ガス源g3 及びSi又はO含有有機金属
ガス源g4 を電磁波RFで分解し、原子状ビームを作
り、基板2上でGaN結晶6としてエピタキシャル成長
させる。この場合にも、Mg又はBe蒸気とSi又は原
子状O+ ガスとの原子比が2:1となるように、Mg又
はBe蒸気及びSi蒸気又は原子状O+ ガスの流量を調
整するとき、基板2上に成長するGaN結晶6は、高濃
度でMg又はBeドーピングしたp型結晶となる。
はBeは、Ga位置を置換し、p型アクセプター(Mg
+ Ga 又はBe+ Ga )として働く。他方、Siは、Ga位
置を置換しn型ドナー(Si- Ga )として働く。また、
Oは、N位置を置換しn型ドナー(O- N)として働く。
Mg又はBe及びSi又はOを1:1でドープすると、
+と−に帯電したアクセプターとドナーが対を作り、静
電エネルギーが安定化する。このように安定化したGa
N結晶に新たにもう一つMgを付け加えると、安定にG
a位置をMg又はBeで置換でき、高濃度にMg又はB
eをドープすることが可能になる。図4(a)でGaN
中のGa位置を置換したMg又はBeの電子状態密度
(DOS)を示したが、Mgはp型のアクセプターとし
て働くことが判る。また、図4(b)でGaN中のGa
位置を置換したSi又はOのDOSから、Si又はOは
n型のドナーとして働くことが判る。これらを同時ドー
ピングすることにより、静電エネルギーを安定化するこ
とが明らかである。
を、真空度10-10 トールに維持された真空チャンバ1
にセットした。流量10-6トールでGa蒸気を、流量1
0 -6トールで原子状N+ を、流量2×10-1トールでM
g又はBe蒸気を、流量10-10 トールでSi蒸気を基
板2上に流しながら、250〜400℃でGaN結晶を
エピタキシャル成長させた。なお、原子状N+ ガスは、
N2 ガスにマイクロ波領域の電磁波を照射することによ
り調製した。得られたGaN結晶は、表1に示すように
結晶成長温度に応じてアクセプター濃度が異なってい
た。しかし、Si蒸気を送り込むことなくMg又はBe
単独をドーピングした場合に比較して、何れの結晶成長
温度でも高いドーピング濃度を示した。
ングした場合にも、同様に高濃度にp型キャリアがドー
ピングされた。また、MOCVD法でSi又はO及びM
g又はBeを同時ドーピングした場合にも、同様に10
19〜1020cm-3の高濃度にp型キャリアをドーピング
することができた。
は、n型ドーパントSi又はO及びp型ドーパントMg
又はBeを同時にドーピングすることにより、従来では
1018cm-3程度までしかドーピングできなかったGa
Nを1019〜1020cm-3の高濃度にp型キャリアでド
ーピングすることが可能となる。このようにして得られ
た低抵抗のp型GaN結晶は、溶かし込んだMg又はB
e原子がほとんど全てアクセプターとして活性化するた
め、高いp型電気伝導度を示し、優れた電気的特性を呈
する。そのため、強力な青色レーザ,青色発光素子等の
材料として、高密度光記憶メモリー,フルカラーディス
プレイ等に使用される。
したGaN結晶のモデル
装置
する装置
ター(p型)として働き、Ga位置を置換したSi又は
N位置を置換したOがドナー(n型)として働くことを
示した電子状態密度
Si又はO源 5:ヒータ 6:GaN結晶
7:RFコイル 8:Mg又はBe源 g1 :Ga含有有機金属ガス源 g2 :Mg又はBe
含有有機金属ガス源 g3 :N2 ガス源 g4 :Si又はO含有有機金属ガ
ス源
Claims (2)
- 【請求項1】 MBE法又はMOCVD法でGaN結晶
を成長させる際、Si:Mg=1:2,O:Mg=1:
2,Si:Be=1:2又はO:Be=1:2に調製し
た原子状混合ガスを結晶成長域に導入し、Si又はOを
Mg又はBeと同時ドーピングすることを特徴とする低
抵抗p型GaN結晶の製造方法。 - 【請求項2】 金属単体をオーブン加熱で蒸発させてM
g又はBeの分子ビームを作り、Si又はOの分子ガス
原料を電磁波で分解して原子状のガスとし、Si:Mg
=1:2,O:Mg=1:2,Si:Be=1:2又は
O:Be=1:2の比率で原子状混合ガスを調製する請
求項1記載の低抵抗p型GaN結晶の製造方法。
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JP25805496A JP3223295B2 (ja) | 1996-09-30 | 1996-09-30 | 低抵抗p型GaN結晶の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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JP25805496A JP3223295B2 (ja) | 1996-09-30 | 1996-09-30 | 低抵抗p型GaN結晶の製造方法 |
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JPH10101496A JPH10101496A (ja) | 1998-04-21 |
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JP25805496A Expired - Fee Related JP3223295B2 (ja) | 1996-09-30 | 1996-09-30 | 低抵抗p型GaN結晶の製造方法 |
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Cited By (1)
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---|---|---|---|---|
US9269577B2 (en) | 2012-10-26 | 2016-02-23 | Furukawa Electric Co., Ltd. | Method for manufacturing nitride semiconductor device |
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-
1996
- 1996-09-30 JP JP25805496A patent/JP3223295B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
BRANDT O.et al.,"High p−type conductivity in cubic GaN/GaAs(113)A by using Be as the acceptor and O as the codopant,"Applied Physics Letters,Vol.69,No.18,28 October 1996,pp.2707−2709 |
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JPH10101496A (ja) | 1998-04-21 |
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