JP3760478B2 - Method for producing group III-V compound semiconductor device - Google Patents

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JP3760478B2
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【0001】
【産業上の利用分野】
本発明はn形の伝導性を呈する III−V族窒化物半導体層を備えた、電界効果型トランジスタ、フォトダイオードや発光ダイオード(LED)等の半導体素子に係わり、特に第VI族原子がドーピングされた III−V族窒化物半導体素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)や窒化インジウム(InN)及びそれらの混晶である III−V族窒化物半導体層は、緩衝層、能動層或いはコンタクト層などとして、電界効果型トランジスタ等の電子デバイスや紫外線検出器等の光デバイスに用いられる。これらの半導体素子には、不純物を故意に添加するドーピングを施し伝導形をn形或いはp形とした III−V族窒化物半導体層が利用される。
【0003】
p形の III−V族窒化物半導体層は、例えばMOVPE法等の気相成長法では、亜鉛(Zn)やマグネシウム(Mg)などの元素周期律表の第II族に属する原子をドーピングすることにより得られている。一方、n形の伝導性を呈する III−V族窒化物半導体層を得るには、従来から第IV族の珪素(Si)がドーパントして多用されている。第VI族原子も III−V族窒化物半導体に対しては、原理的にはn形の不純物として作用する。
【0004】
III−V族窒化物半導体に於いては、GaAs等の他の III−V族化合物半導体と同様に、例えばSi等の第 族原子は同半導体層中の第 III族原子の空孔(vacancy)、即ちガリウム(Ga)の空孔((Ga)v で表す。)の位置を占有し、結合価数の関係から束縛性の薄い電子が放出されることにより、その半導体層にn形の伝導性を付与する。これを模式的に表現すれば式(1)の如くとなる。
Si+(Ga)V → SiGa+e- ・・・・・式(1)
式(1)に於いて、符号SiGaは(Ga)V を占有したSi原子を表し、e- はそれにより放出されたn形の伝導性をもたらす電子を意味する。
【0005】
MOVPE法による III−V族化合物半導体層の気相成長で或る一定の成長温度に於ける空孔濃度のV/III 比率の依存性を図1に例示する。図1に示す様に III−V族化合物半導体で(Ga)V 等の第 III族原子の空孔の濃度(130)は例えばMOVPE法で III−V族化合物半導体層を気相成長させるに際し、成長環境内の第 III族原子の量に対する第V族原子の量の比率を増加させると増加する傾向がある。よって、Siのドーピングを施してn形の III−V族窒化物半導体層を得るには、式(1)に従えば第 III族原子の空孔の密度を増加させるのが効率的であるのが判る。例えば、GaN等のSiのドーピングを施したn形の III−V族窒化物半導体をMOVPE法で得る場合にあっては、成長環境内で第V族元素であるNの量を第 III族の原子の濃度に対して増加させる必要がある。
【0006】
MOVPE法に限定されずVPE法やMBE法による III−V族窒化物半導体層の気相成長では、アンモニア(NH3 )がN源として利用されている。第 III族構成原子の原料としては、トリメチルガリウム((CH33 Ga)、トリメチルアルミニウム((CH33 Al)やトリメチルインジウム((CH33 In)等の有機金属化合物が使用される。これらの有機金属化合物は一般には低温で容易にしかも非可逆的に分解し金属原子を成長系に供給できる。しかし、NH3 はこれらの有機金属化合物とは対照的に低温では難分解性でありしかも可逆的な分解を呈する。
このNH3 の有機第 III族化合物に比較しての不釣り合いな難分解性と分解反応の可逆性によって、V/III 比率を容易には増加できない事態を招くこととなっていた。即ち、Si等の第IV族原子の III−V族窒化物半導体層へのドーピングの非効率化を招いていた。
【0007】
図2に本発明者らが成長温度を750℃としてNH3 をN源としてMOVPE法によりGaNへSiをドーピングした際のシート抵抗のV/III 比率依存性を例示する。ここで云うV/III 比率とは、GaNの成膜に原料として用いたNH3 と(CH33 Gaの成長反応系への供給比率、即ちNH3 /(CH33 Gaで表される成長反応系への原料の供給比率を示す。シート抵抗はキャリア濃度に逆比例し、一般にはキャリア濃度が増加するに伴い低い値を取る。図2に示す如く、V/III 比率の増大に伴いシート抵抗は低下する傾向は認められるものの、例えばGaAs層のMOVPE成長に通常採用されるV/III 比率とは桁違いに大きな比率に於いてようやく1015〜1016cm-3程度の低いキャリア濃度が得られる。図2に併せて図示する様に常圧のMOVPE法によるGaAsの気相成長に於いては、V/III 比率が20〜30と低比率側でもキャリア濃度が1018cm-3を越える低シート抵抗である、通常の半導体素子の能動層やコンタクト層等として充分に利用できる高いキャリア濃度のn形層が得られる。第IV族原子の含窒素 III−V族化合物層へのドーピングの効率はこの様に極めて悪い。上記の如く1015〜1016cm-3の低いキャリア濃度の含窒素化合物層は一般には半導体素子の能動層として利用するのは困難である。電界効果型トランジスタに於いても能動層には1017cm-3程度のn形半導体層が必要とされる。即ち、第IV族原子の III−V族化合物層に対するドーピング効率の低さは、n形の含窒素化合物層を利用する半導体素子の生産性の低さをもたらす結果を招いていた。
【0008】
第IV族原子の III−V族窒化物半導体に対するドーピング効率の低さは、(Ga)V の濃度の小さいことに起因している。前記した実験例の如く例えばGaAsに比較し原料のV/III 供給比率を遥かに高く設定したところで、成長反応系の内部ではそれに対応して実際のV/III 比率は高いキャリア濃度の半導体層を容易に得るに充分な(Ga)V の濃度に依然として至っていことを意味している。
【0009】
III−V族化合物半導体に於いては第 III族原子の空孔の濃度([ III]V で表す。)と第V族原子の空孔濃度([V]V で表す。)とには、或る温度で次の式(2)で表される関係が成立する。
[ III]V × [V]V = c(定数) ・・・・・ 式(2)
即ち、或る温度で[ III]V と[V]V の積の値は正の定数となる。この式(2)で表される関係から[ III]V の濃度が小さい場合は、逆に[V]V の濃度は増大することが知れる。従って、例えばGaNの場合では(Ga)V の濃度が小さくなるに伴い、Nの空孔((N)V )の濃度([N]V )が増大することを表している。
【0010】
[V]V が高い状態に於いてn形の伝導を呈する III−V族窒化物半導体層を得るには、第IV族原子に替わり第VI族の原子をドーピングするのが都合が良い。何故ならば次の式(3)に示す如く第V族原子の空孔を6価の例えば硫黄(S)原子が占有すると、原子価の関係からn形の伝導をもたらす自由電子を放出できるからである。
S + (V)V → SV + e- ・・・・・式(3)
ここで、SV は第V族原子の空孔がS原子により占有された状態を示している。
【0011】
Sやセレン(Se)等の第VI族原子を III−V族化合物半導体へドーピングするためのドーピングガスとしては従来から、硫化水素(H2 S)やセレン化水素(H2 Se)が用いられている。そしてこれらをドーピングガスとして例えば、(CH33 GaをGa源としてn形のGaAs層がMOVPE成長させられている。また(CH33 InをIn源としたInPのMOCVD成長に於いてもH2 SをドーピングガスとしてSがドーピングされたn形のInP層が得られている。しかしながら、総じてルイス酸性を示すこれらのトリアルキル III族化合物と概してルイス塩基性の第V族の水素化合物とは室温に於いても容易に反応し、正常なMOVPE成長を阻害する。InやGaのトリアルキル化合物に比較し特にルイス酸性の強いトリアルキルAl化合物は室温でも次の式(4)で示される電子供与・受容反応により難解離性の固形物を生成する(Gmelin Handbuch der Anorganischen Chemie(Achte vollih neu bearbeitete Auflage)、Springer−Verlag(1981)、p.56.)。
Al(C253 (g)+H2 Se(g) → Al2 Se(s)・・・式(4)
式(4)に於いて、符号(g)及び(s)は室温に於いてそれらの物質が各々気体状態及び固体状態にあることを示している。例えば、Alx Ga1-x As(xは組成比を表す。)のAlの組成比を制御するに際し、この様な反応が起こると固形物の生成にAlが消費されるため所望のAl組成比が得られない場合が起こる。Alの組成比が設計した値と異なれば所望する禁止帯幅を有するAlx Ga1-x As層が得られない。Al組成の不安定性に基づく禁止帯幅の変動は高移動度電界効果型トランジスタ等のヘテロ接合でのバンドの不連続性を利用する半導体素子にあっては、電子移動度等の電気的特性の不安定性を招き好ましくはない。このため、Alを含む III−V族化合物半導体層では、第VI族元素であるSをドーピングしたn形伝導層は半導体素子を構成する一つの層として実用上利用されている例は殆どない。GaN等の III−V族窒化物半導体に対しても第VI族原子がn形のドーパントとして作用することは原理的に類推でき、第VI族原子をn形ドーパントとすることは提案はされているものの(特開平5−190903)、現実には第VI族原子のドーピングにより得たn形の伝導を呈する III−V族窒化物半導体層を備えた半導体素子は実用化に至っていない。
【0012】
式(4)に示した反応は、(CHGaや(CHIn等のトリアルキル化合物でも起こる。但し、GaやInのトリアルキル化合物は一般にAlのトリアルキル化合物に比較すればルイス酸性が弱いため目立った反応とはなっていない。いずれにしても、トリアルキル化合物を第III族原子の供給源とする従来のIII−V族窒化物半導体のMOVPE法等の気相成長方法に於いても事態は同じであり、第VI族原子をドーピングしn形の窒化物半導体層を得るに優位な[V]が高い状態にあるにも拘らず、n形の半導体層を得るために第VI族原子をドーピングするに際しては、上記の様なルイス酸・ルイス塩基の反応に伴う問題が存在していた。
【0013】
第 III族原子の供給源としては適度な蒸気圧を有し、且つ半導体層成長用として高純度である等の理由により、やはり第 III族のトリアルキル化合物を用いるのが適当である。第VI族原子をドーピングしn形の III−V族窒化物半導体層を得るに際し、前述の従来の問題点を克服するには第 III族のトリアルキル化合物を第II族族原子の供給源とすることを前提として、これらのトリアルキル第 III族化合物とのルイス酸・塩基反応を回避、抑制出来る新たな第VI族化合物が望まれる。しかし、未だこの目的に合致し、ドーピング材料として適する第VI族元素を含む新たな化合物は提示されていない。
【0014】
半導体層へのドーピング材料となる化合物としては、第VI族を含んでいることが必要条件の一つとはなるが、第VI族原子を含む全ての化合物がドーピング材料として適するとは限らない。例えば、酸素(O)原子を含む化合物例えば、カルボキシル基(−COOH)、ケトン基(=CO)、ニトロソ基(−NO)やニトロ(−NO2 )基等の置換基が付加した第VI族原子を含む化合物は、VPE、MOVPE或いはまたMBE等の気相方式に拘らず好ましくはない。易酸化性のAl原子を構成原子として含む例えばAlNやAlInN、GaInNやAlGaInN等の混晶を成長させる際に、Al原子が酸素により酸化され良質のAl含有膜が形成されないからである。
【0015】
また、ドーピング材料とする第VI族原子を含む化合物が有機化合物であると、 III−V族窒化物半導体層中への炭素(C)の混入が懸念される。例えば、トリメチルガリウム等の有機アルキル化合物と、窒素源としてアンモニアと第VI族元素のドーピング源として硫化水素(H2 S)とを利用する減圧方式のMOCVD法で成長した硫黄(S)を含むGaN層の炭素原子の濃度は1018cm-3前後の高濃度に達することもあった。この様な高濃度の炭素が本来無色透明なGaN半導体層内に混入すると、GaN層の透明度を損う一因となる場合が有り得る。GaNに限らず不透明な半導体層は、例えば発光ダイオード等の光の透過性が求められる半導体層から構成される半導体素子にあっては、発光層からの発光がその半導体層に吸収される等の不具合をもたらす。従って、第VI族元素を含む有機化合物の選定に当たっては熱分解または光分解等の分解方法によって、揮散し易く、成長反応系内から容易に排出され得る分解生成物をもたらす様な有機化合物を選定する必要がある。しかし、ドーパントとして適するとされる第VI族原子を含む有機化合物は今までに系統的に提示されておらず、僅かにジエチルサルファイド((C252 S)が提示されているに過ぎない。しかしながらこのジエチルサルファイドは硫黄(S)原子に2つの脂肪族炭化水素置換基であるエチル基(C25 −)が付加した化合物である。エチル基を構成する炭素原子の数は2であり、分子自体占有する空間領域は小さい。従って、硫黄原子の周囲の空間を硫黄原子を取巻くように占有することはできない。よってトリアルキル化合物との電子供与・受容反応を抑制するのに充分とはならない。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、 III−V族窒化物半導体層の第V族原子の空孔の濃度の本質的な高さを利用して、 III−V族窒化物半導体層に第VI族の原子をドーピングし半導体素子を構成するに必要とされるn形の III−V族窒化物半導体層を得るに際し、ルイス酸性を示す第 III族のトリアルキル化合物との電子供与・受容反応が抑制、回避でき、且つ炭素の汚染を抑制できる第VI族元素を含む有機化合物を新たなドーピング材料として提示すると共に、第VI族原子がドーピングされたn形の III−V族窒化物半導体層を備えた半導体素子を提供する。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を解決するために開発されたもので、 III−V族窒化物半導体に特定の有機化合物を用いて第VI族元素をドーピング源したものである。
即ち、本発明の半導体素子はアルミニウム、ガリウム、インジウムの少なくとも一つの元素を含む III族(元素周期律表、以下同じ)の元素と少なくとも窒素を含む III−V族化合物半導体素子であって、そのドーピング源として次の要件を満たす有機化合物を用いて第VI族元素をドーピングしたものである。
ドーパントとして使用する有機化合物はその構成要件として
a)硫黄、セレン、テルウのうち少なくとも1種の元素と、炭素原子数3以上の炭化水素基を含む鎖状炭化水素化合物
b)硫黄、セレン、テルルのうち少なくとも1種の元素を含む芳香族炭化水素化合物
c)硫黄、セレン、テルルのうち少なくとも1種の元素を含む脂環式炭化水素化合物
d)硫黄、セレン、テルルのうち少なくとも1種の元素を含む複素環式炭化水素化合物
を満たすものとする。
これらドーパントとして用いる有機化合物に望まれる構成成分としては、
i)第VI族元素を含む。
ii)骨格部分以外の置換基に炭素原子と窒素原子との結合を含まない。
iii)骨格部分以外の置換基に炭素原子と水素原子との結合を含まない。
iv)酸素原子を含まない。
等があげられる。
以下これらの代表的な化合物を構造的に分類して列挙する。
本発明では、上記化合物によりS、Se叉はTeのうち1種以上の第VI族元素がドープされてなり、且つ炭素の濃度が8×1016cm-3以下である含窒素 III−V族化合物半導体層を備えた半導体素子を提供する。
【0018】
本発明の云う III−V族窒化物半導体の例には、GaN、AlN、InN、AlGaN、GaInN、AlInN、AlGaInNが挙げられる。また、Nに加え第V族元素としてヒ素(As)やリン(P)を含む III−V族窒化物半導体も本発明に該当する。これにはGaNAs、GaNP、AlNAs、AlNP、InNAs、InNP、AlGaNAs、AlGaNP、GaInNAs、GaInNP、AlInNAs、AlInNP、AlGaInNAs、AlGaInNP、GaNPAs、AlNPAs、InNPAs、AlGaInNPAsなどの他、タリウム(Tl)の化合物等がある。
【0019】
鎖状炭化水素基とはメチル(methyl)基(CH3 −)、エチル(ethyl)基(CH3 CH2 −若しくはC25 −)やプロピル(propyl)基(CH3 CH2 CH2 −若しくはC37 −)など、直鎖状若しくは枝分かれ状(branch)飽和脂肪族化合物を構成する水素原子(H)の内の1個のHが脱離した状態に在る基(group)を云う。即ち、炭素原子(C)の数を正の整数である(n)(n≧1)で表すとC(n)(2n+1)−で表される基である。
【0020】
(n)(2n+1)−で表される不飽和炭化水素基も本発明では脂肪族炭化水素基として一括して取り扱う。これには、エチレン若しくはエテン(ethylene或いはetene)基(C23 −若しくはH2 C=CH−)や1−ブテン(butene)基(HC=CHCH2 CH2 −)や2−ブテン基(H2 CHC=CHCH2 −)やオクテン(octene)基(C815−)等が挙げられる。ここでは、飽和及び不飽和脂肪族炭化水素基(アルキル基及びアルケン基)を便宜上、記号RまたはR’で表す。
【0021】
本発明では2個の炭化水素基がS、Se、Teのうち少なくとも1種の第VI族の原子と結合している化合物が使用できる。第VI族原子でも酸素(O)原子は不適当である。S、Se、Teのうち少なくとも1種の第VI族の原子と結合する2個の炭化水素基は同一であっても、また相互に異なっていても差し支えはない。上記の記号をもって示せば、S、Se、Teのうち第VI族の原子と2個の炭化水素基が結合した直鎖状脂肪族化合物はR−VI−RやR−VI−R’などの形式をもって表すことができる。
【0022】
本発明に係わる直鎖状のR−VI−R型の脂肪族化合物では、従来から III−V族化合物半導体へのn形ドーパントして使用されて来た第VI族元素に水素が結合してなる、例えば硫化水素(H2 S)やセレン化水素(H2 Se)等の第VI族水素化物に比較すれば、水素原子より大きな空間体積を占める少なくとも1個の炭素原子と少なくとも3個の水素原子からなるメチル基(CH3 −)等が第VI族元素に付加している。このため、本発明に係わる化合物中の第VI族原子がルイス酸性的で求電子的反応を起こし易い第 III族元素のトリアルキル化合物の第 III族原子に対して充分に接近することが容易ではなくなる。これにより、従来、第 III族元素のトリアルキル化合物と硫化水素(H2 S)やセレン化水素(H2 Se)等の間で生ずる電子供与・受容反応による円滑な気相成長を阻害する従来の気相ポリマー化反応をより低減することが可能となる。
【0023】
上記したR−VI−R型或いはR−S−R’型の化合物に於いて、炭化水素基の立体障害による第 III族原子の出発原料であるトリアルキル化合物との従来の結合化反応はR−VI−R型若しくはR−VI−R’型の化合物に於いて、基を構成する炭素数が3以上の炭化水素基を少なくとも一つ備えた化合物に於いて特に顕著に回避される。基を構成する炭素原子の数を3以上とする炭化水素基には、炭素数が3のイソプロピル基(CH3 (CH3 )CH−)や構成する炭素数を4とするイソブチル基(−CH2 CH(CH3 )CH3 )等がある。しかし、炭化水素基を構成する炭素数の増加に伴い、化合物の融点は一般に上がる。例えば、直鎖状の炭化水素基で炭素数を2とするエチル基を備えたジエチルサルファイドは、室温で液体であるが、炭素数を12とするドデシル基を備えたジノルマルドデシルサルファイドにあっては、融点が38〜40℃の室温で固体となる。室温で固体であっても適度な昇華圧を呈すれば気相成長用途のドーパント源となり得るが、バブリング操作によってドーパント源を気相成長系に供給することを意図する場合には、室温から気相成長設備を構成するバルブ等の部品類の一般的な耐熱温度である70〜80℃の温度範囲内に融点を有する化合物であることが望ましい。従って、液体源のバブリング操作により気相成長系にドーパント源を供給する場合にあっては、炭素数を3以上とし、概ね、12から15以下とする炭化水素基を備えた化合物を利用するのが望ましい。
【0024】
本発明では置換基中に窒素原子(N)と水素原子(H)との結合(N−H結合)を含まない化合物を選択する必要がある。GaN等の含窒素 III−V族化合物半導体層に於いて、例えば、NH3 等のN源や或いは気相成長系内添加、混合される化合物の不十分な熱分解などに伴って層内に置換基からもたらされるN−H結合が残存すると、同じく層内に存在するキャリアの伝導キャリアとしての電気的な活性化を妨げるからである。従って、本発明ではN−H結合の含窒素 III−V族化合物半導体層内への混入をもたらす可能性の高い例えば、アミン基(NH2 −)を付加してなる炭化水素基を備えた化合物類及びアミン基を置換基として備えた炭化水素基を有する化合物類は除外する。
【0025】
本発明ではまた、炭素原子(C)と窒素原子(N)との結合(C−N結合)を含む置換基若しくは官能基を備えた脂肪族炭化水素基及び芳香族炭化水素基を含む化合物は除外される。熱分解により、有害なシアン系の物質が生成される可能性が高いことによる気相成長に係わる操作上の危険性を回避するためである。
【0026】
第VI族元素にN−H結合及びC−N結合を含まない置換基が結合した化合物の一例には、例えば第VI族元素に2個の同一の直鎖状飽和脂肪族炭化水素基が結合した脂肪族化合物がある。これには例えばジノルマルプロピルサルファイド((CH3 (CH222 S)、ジノルマルブチルサルファイド((CH3 (CH232 S)、ジノルマルアミルサルファイド(ジノルマルペンチルサルファイド)((CH3 (CH2 )4 )2 S)、ジノルマルヘキシルサルファイド((CH3 (CH252 S)、ジノルマルヘプチルサルファイド((CH3 (CH262 S)、ジノルマルオクチルサルファイド((CH3 (CH272 S)、ジノルマルノリルサルファイド((CH3 (CH282 S)、ジノルマルデシルサルファイド((CH3 (CH292 S)、ジノルマルドデシルサルファイド((CH3 (CH2112 S)などのR−S−R型(−は結合を示す。)等の化合物が例示できる。
【0027】
第VI族原子に相互に異なる2個の直鎖状飽和脂肪族炭化水素基(R及びR’で示す。)が結合したR−S−R’型の脂肪族化合物も本発明で云う第VI族元素に炭化水素化合物が結合してなる化合物の一例である。これには、メチルノルマルプロピルサルファイド(CH3 (CH22 SCH3 )、ノルマルブチルメチルサルファイド(CH3 (CH23 SCH3 )、ノルマルヘプチルメチルサルファイド(CH3 (CH26 SCH3 )、メチルノルマルオクチルサルファイド(CH3 (CH27 SCH3 )、メチルノルマルノニルサルファイド(CH3 (CH28 SCH3 )、ノルマルデシルメチルサルファイド(CH3 (CH29 SCH3 )、ノルマルデシルメチルサルファイド(CH3 (CH211S CH3 )、エチルノルマルプロピルサルファイド(CH3 CH2 S(CH22 CH3 )、ノルマルブチルエチルサルファイド(CH3 (CH23 SCH2 CH3 )、アミルエチルサルファイド(CH3 (CH2 )4 SCH2 CH3 )、ノルマルデシルエチル(CH3 (CH29 SCH3 )、ノルマルブチルノルマルプロピルサルファイド(CH3 (CH23 S(CH22 CH3 )などがある。
【0028】
芳香族炭化水素基と第VI族原子とが結合してなる化合物には、例えば、チオフェノール(Ph・S・H;Phはフェニル基(C65 −)を表す。)、2−ターシャリィブチルチオフェノール、4−ターシャリィブチルチオフェノール、フェニルセレノール(Ph・Se・H)、メチルフェニルサルファイド(Ph・S・CH3 )や2,6−ジメチルチオフェノール、3,4−ジメチルチオフェノール及び3,5−ジメチルチオフェノール等の同族体、2,4−ジターシャリィブチルチオフェノール、フェニルノルマルプロピルサルファイド(Ph・S・(CH22 CH3 )、イソプロピルフェニルサルファイド(Ph・S・CH(CH32 )やo−、m−及びp−チオクレゾール同族体(CH3 Ph・S・H)、ベンジルメチルサルファイド(PhCH2 ・S・CH3 )、ベンジルエチルサルファイド(PhCH2 ・S・CH2 CH3 )等のフェニル基を含む化合物が例示できる。
【0029】
ジベンジルセレナイド((PhCH22 Se)やジベンジルサルファイド((PhCH22 S)等の如く含まれる炭化水素基は全てが芳香族炭化水素基であっても良い。
【0030】
第VI族原子と複数の芳香族炭化水素基を含む化合物も芳香族炭化水素基と第VI族原子とが結合してなる化合物として例示できる。例えば、2−チオナフトール(2−Thionaphthol、Naphthalene−2−thiol或いは2−Mercaptonaphthaleneとも称す。)やチオナフテン(Thionaphthene、1−Benzothiopheneとも称す。)がこれに該当する。
【0031】
上記の様な芳香族炭化水素基を含有する化合物は熱分解するに際し、例えば、第VI族原子と結合してなる芳香族炭化水素基がその形態を保持して分離するため、芳香族環が分解して生成される炭化水素フラグメントが少なく第VI族原子のドーピングに伴う成長層中への炭素の汚染が低減される利点がある。
【0032】
本発明では、またドーピング源として第VI族元素を含み、置換基として炭素原子と窒素原子との結合若しくは窒素原子と水素原子との結合を含まず、且つ酸素原子を含まない環式脂肪族炭化水素化合物(略して、脂環式化合物)を用いる。
炭素原子と窒素原子との結合若しくは窒素原子と水素原子との結合を排除するのは上述の理由による。
本発明の云う脂環式化合物にはシクロヘキサン環とメチル基が硫黄(S)原子に結合してなるシクロヘキシルメチルサルファイド、シクロヘキサン環とS原子が結合したシクロヘキセンサルファイドや芳香族炭化水素基であるフェニル基(Ph−)を備えたシクロプロピルフェニルサルファイドなどが一例として挙げられる。
【0033】
本発明では、第VI族原子と炭素原子相互の2重結合(−C=C−;記号−は単結合を=は2重結合を各々、表す。)等の多重結合を含む炭化水素との結合を含む化合物をドーパント源として利用する。2重結合には一つのパイ(π)結合が、3重結合には2つのπ結合が存在することとなるが、このπ結合を保有する炭化水素基は熱分解により第VI族元素との結合を切断し、離脱した際にもπ結合による共役により熱的な構造安定性が維持される。これにより、多重結合を内包する炭化水素基にあっては、更に小さな分子に分裂し炭素を含むラジカル等のフラグメントを生ずる可能性が少なくなる。従って、成長層内への炭素の汚染が減少される利点がある。
【0034】
第VI族原子と炭素原子とが結合し、2重結合等の多重結合を含む炭化水素化合物の一例として同一の不飽和脂肪族炭化水素基が結合した脂肪族化合物がある。これには例えば、ジアリルサルファイド((CH=CHCHS)のR−S−R型化合物がある。2重結合を含む不飽和脂肪族炭化水素基と飽和炭化水素基とが第VI原子に結合した化合物には、アリルメチルサルファイド(CH=CHCHSCH)、アリルエチルサルファイド(CH=CHCHSCHCH)、アリルノルマルヘキシルサルファイド(CH=CHCHS(CHCH)、アリルノルマルドデシルサルファイド(CH=CHCHS(CH11CH)等のR−S−R’型の直鎖状の炭化水素基を備えた化合物例示できる。
【0035】
一例として掲げた上記の化合物は脂肪族の不飽和炭化水素基と第VI族元素としてSとの結合を含む化合物の例であるが、化合物としてはこれらに限定されることはなく、例えば、芳香族炭化水素基と不飽和脂肪族炭化水素基とが第VI族元素に結合してなる化合物であっても良い。また、第VI族元素はSe、テルリウム(Te)等でも良い。
【0036】
1つの芳香族炭化水素基類と不飽和脂肪族炭化水素基を含む化合物の例には、ベンジルメタリルサルファイド(PhCH2 ・S・CH2 C(CH3 )=CH2 )等の化合物がある。
【0037】
R或いはR’で表すこととした炭化水素基は、それを構成する炭素数が増加するに伴い、炭化水素基が占有する空間体積が増加する。例えば、メチル基(CH3 −)に比較すればエチル基(CH3 CH2 −)の占める空間体積は大きい。第VI族元素に炭素原子数が多い炭化水素基が付加していると、炭化水素基が空間的に占有する体積が大きいことによる立体障害のため、第VI族原子への例えば求電子的反応を起こし難くなる。基を構成する炭素数が同一であっても直鎖状炭化水素基よりも枝分かれした炭化水素基の方がより空間を占める体積が増大する。例えば、直鎖状の炭化水素基の一例であるノルマルプロピル基に比較し、枝分かれした基の一例であるイソプロピル基はより空間的な占有面積が大きく、とりもなおさず結合している第VI族原子を接近する分子に対し遮蔽する効果がより増大する。よって、従来から多用されている(CH33 Gaや(CH33 Alなどのトリアルキル化合物との求電子的化合物との従来から問題とされて来た結合化反応が抑制できる利点が生まれる。
【0038】
枝分かれした炭化水素基と第VI族元素とが結合してなる化合物には、ジイソプロピルサルファイド(((CH32 CH22 S)、ジイソアミルサルファイド(((CH32 CHCH2 CH22 S)などが例示できる。これらは第VI族元素に同一の枝分かれ炭化水素基が結合してなるR−VI−R型(記号VIは第VI族原子を表す。)化合物の例である。異なる炭化水素基が第VI族元素に結合してなるR−S−R’型の化合物には、ターシャルィブチルメチル(CH3 SC(CH33 )、ターシャリイブチルエチルサルファイド(CH3 CH2 SC(CH33 )、ノルマルブチルイソプロピルサルファイド(CH3 (CH23 SCH((CH3 )CH3 )、ノルマルブチルイソブチルサルファイド(CH3 (CH23 SCH2 CH(CH3 )CH3 )、セカンドリィブチルメチルサルファイド(CH3 SCH(CH)3 CH2 CH3 )、セカンドリイブチルターシャリイブチルサルファイド(CH3 CH2 CH(CH3 )S(CH23 CH3 )、セカンダリイブチルイソブチルサルファイド((CH32 CHCH2 SCH(CH3 )CH2 CH3 )、ターシャリイアミルメチルサルファイド(CH3 CH2 C(CH32 SCH3 )などが挙げられる。上記した例は第VI族としてSを含んだ化合物の例であるが、第VI族原子はSに限定されることはない。
【0039】
また、枝分かれした炭化水素基と2重或いは3重の多重結合を含む不飽和炭化水素基とを備えた化合物もここでは、本発明に係わる枝分かれした炭化水素基を備えた化合物として扱う。枝分かれした炭化水素基と2重結合を含む不飽和脂肪族炭化水素基とが第VI族原子に結合した化合物には、アリルイソプロピルサルファイド(CH2 =CHCH2 SCH(CH32 )、ジアリルセカンダリィブチルサルファイド(CH2 =CHCH2 SCH(CH3 )CH2 CH3 )、アリルセカンダリィブチルスルファイド(CH2 =CHCH2 SCH(CH3 )CH2 CH3 )などが例示できる。これらの化合物は異なる炭化水素基を結合してなっているが、同一の炭化水素基が第 族原子に結合してなる化合物には、ジメタリルサルファイド((CH2 =C(CH3 )CH22 S)等が例示できる。枝分かれした脂肪族炭化水素基を含む化合物も構造上から分類すればR−VI−R型若しくはR−S−R’型の化合物である。
【0040】
本発明ではまた、同一分子内に複数の第VI族原子を含む化合物をドーピング源として利用する。第VI族原子に結合している炭化水素基が同一である場合、同一分子内に複数の第VI族原子が含まれていると、分子を構成する原子の総数(ここでは(a)とする。)に対する第VI族原子の総数(ここでは(b)とする。)の比率((b/a)が大きくなる。例えば、第VI族原子としてSを1個含むノルマルヘプチルメチルサルファイド(CH3 (CH26 ・S・CH3 )では、(a)=27で(b)=1であるから(b/a)は約0.037である。一方、第VI族原子のSに結合している脂肪族炭化水素基の種類と種類別の基の数量は同一であるものの、2個のS原子を含む2,9−ジチアデカン((CH3 ・S・(CH26 ・S・CH3 )にあっては、S原子1個の増量により(a)は28となる。この場合、(b)=2であるから、(b/a)=0.071となり、分子を構成する原子数に対し第VI族原子が占有する構成比率が増す。これにより、例えば、気相成長系に供給されるドーパント源とする化合物のモル(mol)数が同一であれば、同一体積(供給量)の分子から例えば、熱分解により放出される第VI族元素の量の増加がもたらされる利点がある。これらの化合物の一例には、1,2−ベンゼンジチオール(C462 )等の芳香族系化合物や、1,10−デカンジチオール(H・S・(CH210・S・H) 等のH−S−(CH2 )n −S−H型(nは0以上の正の整数)、2,6−ジチアヘプタン(CH3 ・S・(CH23 ・S・CH3 )などのR−S−(CH2n −S−R型(nは0以上の正の整数)の脂肪族系化合物がある。この様な化合物は第VI族原子相互の結合は含んでいないが、同一分子内に複数の第VI族原子を含有する化合物の一例である。
【0041】
同一分子内に複数の第VI族原子を含み、且つ第VI族原子相互の結合む化合物は、更に熱分解性に於いて優位である。第VI族原子相互の結合とは例えば、(−S−S−)(−は結合を表す。)、(−Se−Se−)や(−Te−Te−)など第VI族原子が相互に結合していることを云う。この様な相互結合を形成している第VI族原子の周囲には、結合に寄与しない電子が非結合性電子対(lone pair)として存在する。結合している互いの第VI族原子の周囲に各々、負電荷の電子対が存在すると、同一の負電荷を有する電子対相互の反発が生ずる。この電気的な反発力により、第VI族原子間で結合が切断され易くなる。これにより、化合物の分解が助長され、第VI族原子を気相成長系内に放出するに優位となる。
【0042】
同一分子内に複数の第VI族原子を含み、且つ第VI族原子相互の結合を含む化合物には、例えば、上記のbが2に相当する次の(1)乃至(4)の様な化合物が例示できる。
(1)ジメチルジサルファイド((CH322 )、ジエチルジサルファイド((CH3 CH222 )、ジノルマルプロピルジサルファイド((CH3 (CH2222 )、ジノルマルヘキシルジサルファイド((CH3 (CH2522 )、ジノルマルヘプチルジサルファイド((CH3 (CH2622 )等の飽和炭化水素基を付加した化合物やジアリルジサルファイド((CH2 =CHCH222 )等の不飽和炭化水素基を備えた骨格を例えば、R−VI−VI−R型(記号VIは第VI族原子を表す。)とする脂肪族炭化水素基を付加、結合した脂肪族系化合物。また、ジフェニルジセレナイド(Ph−Se−Se−Ph)、ジベンジルジセレナイド(PhCH2 −Se−Se−CH2 Ph)、ジベンジルジサルファイド(PhCH2 −S−S−CH2 Ph)等の例えば、骨格をPh−VI−VI−Ph型やPhCH2 −VI−VI−CH2 Ph型とする芳香族系化合物。
(2)2,2’−ジピリジルジサルファイド、4,4’−ジピリジルジサルファイド、ジ(2−チエニル)ジサルファイド等の第VI族原子相互の結合に関して対称的に芳香族基が配置している芳香族系化合物。
(3)ジシクロヘキシルジサルファイドなどの脂環式化合物。
(4)互いに結合をなす第VI族原子の各々に異なる炭化水素基が結合してなる第VI族原子相互の結合に関して非対称的な構成を有する化合物。
【0043】
本発明ではまた、複素(ヘテロ)環を含む脂環式化合物または芳香族化合物若しくはそれらの誘導体或いはそれらの置換体をドーパント源として利用する。但し、誘導体及び置換体は炭素原子と窒素原子との結合及び窒素原子と水素原子との結合を備えた置換基を含まないものとする。理由は上述したとおりである。酸素原子も含まないものとする。
【0044】
特に、ヘテロ原子として第VI族元素を備えた複素環を備えた脂環式化合物または芳香族化合物若しくはそれらの誘導体或いはそれらの置換体をドーパント源として利用する。
【0045】
また、特に、ヘテロ原子として窒素原子と第VI族元素とを備えた複素環を含む脂環式化合物または芳香族化合物若しくはそれらの誘導体或いはそれらの置換体をドーパント源として利用する。
【0046】
ヘテロ環からなる脂環式化合物とは、簡単に記述すれば、一つの炭化水素基が環状に屈曲し、基の両端が第VI族元素に結合した環状の構造を有する化合物である。この化合物の一例にヘキサメチレンサルファイド((CH26 S)等がある。ヘテロ原子とする第VI族原子が1個の場合は、第VI族ヘテロ原子の両端にはメチレン基(CH2 −)等が結合している。炭化水素基は一般には、電子供与性の基であるから、両端のメチレン基及びヘテロ原子周辺の電子密度が増加する。第VI族ヘテロ原子の周辺にはまた、第VI族原子の非結合性の電子対が存在する。この電子対と環を構成する炭化水素基内の電子密度の片寄りとによって、ヘテロ原子と環を構成する炭化水素基の両端との間で電気的な反発が生じ、ヘテロ原子と炭化水素との結合が切断される。これにより、ヘテロ環は開壊し、ヘテロ原子が放出され易い利点がある。
【0047】
複数の元素周期律の第VI族原子を環を構成する原子として備えた複素(ヘテロ)環を含む複素(ヘテロ)環式脂環式化合物及びその置換体も上記と同様に、ヘテロ原子とそれに結合しているメチレン基等との間で開裂し易い。従って、ヘテロ原子を放出し易い利点がある。更に、複数の第VI族のヘテロ原子を含んでいれば、第VI族原子の周辺に存在する非結合電子対の数量が増加する。これにより、分子内に存在する電子対相互の反発により尚一層分子は開裂し易くなる利点がある。これらの化合物の例としてジチアン(Dithian)類がある。1,3−ジチアンや1,4−ジチアン等の同族体やジチアンにフェニル基を付加した例えば、2−フェニル−1,3−ジチアン等の6員環構成の脂環式化合物や、1,3−ジチオラン(Dithiolane)等の5員環構成の脂環式化合物などがその例である。ジチアン類やジチオラン類は2個のS原子を環の構成原子として含む複素環であるが、複素環を構成する第VI族原子に拘らず、Se等の他の第VI族元素であっても構わない。また、複素環を構成する複数の第VI族の構成原子が異なっていても差し支えはない。
【0048】
本発明では、第VI族元素を少なくとも一つの環の構成原子として含む複素(ヘテロ)環を備えた芳香族複素環式化合物若しくはそれらの誘導体或いはそれらの置換体をドーパント源として利用する。但し、誘導体及び置換体は炭素原子と窒素原子との結合及び窒素原子と水素原子との結合を備えた置換基を含まないものとする。環内に存在するπ電子と第VI族ヘテロ原子の非結合電子対との電気的な反発力により、当該化合物の分解が助長される利点があるからである。
【0049】
これには、Sを含むヘテロ環を有するチオフェン(Thiophen:C44 S)類がある。2−メルカプトチオフェン、2,5−ジメチルチオフェン、ノルマルアミルチオフェン等の脂肪族炭化水素基を付加したチオフェン誘導体、2−フェニルチオチオフェン、3−フェニルチオチオフェン等のフェニル基などを含んだ芳香族系化合物がその例である。
【0050】
また、Sを含むヘテロ環を複数含む化合物も第VI族元素を少なくとも一つの環の構成原子として含む複素環を備えた芳香族複素環式化合物及びその誘導体や置換体が該当する。これには例えば、2つのSをヘテロ原子として含む5員複素環を備えた3,4−ジメチルチエノチオフェン(Diemethylthienothiophene)、2,2’−ジチエニル(Dithienyl)や3,3’−ジチエニルがある。
【0051】
また、3−メチルベンゾチオフェンや5−メチルベンゾチオフェン等の5員環と6員環とが縮合した構造を有する芳香族化合物も例示できる。
【0052】
また、ジベンゾチオフェン(Dibenzothiophene)等の2個の6員環と1個の5員環が縮合した構造を備えた化合物も例示できる。S以外の第VI族元素を含であるセレン(Se)を含む複素環からなる化合物には、2,5−ジメチルベンズセレナゾール(Dimethylbenzselenazole)等が挙げられる。ヘテロ環を構成する第VI族原子の種類と当該ヘテロ環に付随ずる環の員数や数量等には制限はない。
【0053】
GaN、AlNやInN或いはそれらの混晶等の含窒素 III−V族化合物半導体層の気相成長にあっては、上述の如くNH3 がN源として多用されている。NH3 の難分解性により、これらの含窒素 III−V族化合物半導体層の成長は従来から通常は1000℃前後の高温で低くとも800℃程度で実施されている。この様な高温では、成長層からのNの揮散も激しくなり、結果としてして化学量論的に不釣合な含窒素 III−V族化合物半導体層をもたらす。本発明では、係る従来の事態を克服し化学量論的にも優れ、同時にn形の伝導を呈する導電層を得るためにヘテロ原子としての窒素原子と第VI族元素とを含む化合物を第VI族原子のドーパント源として利用する。
【0054】
本発明に係わるN原子と第VI族原子の双方を含む代表的な化合物の例を次からの6項に例示する。
【0055】
1個のN原子をヘテロ原子として含む芳香族ヘテロ環と例えば、メルカプト基(−SH)等の第VI族原子を含む基を備えた化合物で、6員構成のヘテロ環を唯一備えた2−メルカプトピリジン等。
【0056】
2個のN原子をヘテロ原子として含む芳香族ヘテロ環と例えば、メルカプト基(−SH)等の第VI族原子を含む基若しくは第VI族原子を備えた化合物であって、例えば、5員環構成の2−メルカプトイミダゾール、イミダゾールのアルキル置換体を備えた2−メルカプト−1−メチルイミダゾール、5員環と6員環との縮合構造を備えた2−メルカプトベンズイミダゾールやアルキル置換体を備えた2−メルカプト−5−メチルベンズイミダゾールなどのイミダゾール類等。
【0057】
6員環構成の2−メルカプトピリミジン、4,6−ジアミノ−2−メルカプトピリミジン、4,6−ジアミノ−2−メチルメルカプトピリミジン等のピリミジン類など。
【0058】
1個のN原子をヘテロ原子とする脂環式ヘテロ環と第VI族原子若しくは第VI族原子を含む基を備えた化合物。
【0059】
2個のN原子をヘテロ原子とする脂環式ヘテロ環と第VI族原子若しくは第VI族原子を含む基を備えた化合物。一例として、2個のNヘテロ原子を含む脂環式ヘテロ環と環外のS原子との2重結合を含む2−イミダゾリジンチオン(Imidazolidinethione)など。
【0060】
3個以上のN原子をヘテロ原子として備えたヘテロ環と第VI族原子若しくは第VI族原子を含む基を備えた化合物であって、例としてメルカプト(−SH基)を備えた3−メルカプト−1,2,4−トリアゾール、3−メルカプト−4−メチル−1,2,4−トリアゾール等のトリアゾール類など。
【0061】
本発明では、上記の理由により窒素原子及び第VI族元素の双方を環を構成するヘテロ原子として含む化合物をドーピング源として利用する。代表的な化合物の例を次からの4項に示す。
【0062】
これには、1個のNヘテロ原子及び1個のS或いはSe等の第VI族原子をヘテロ原子として含む芳香族ヘテロ環式化合物であって、例えば、2−メルカプトチアゾール、2−イソプロピル−4−メチルチアゾール等の5員環構成のヘテロ環式化合物がある。
【0063】
例えば、5員ヘテロ環と6員構成の環基との縮合構造を備えた2−メルカプトベンゾチアゾールや2−メルカプト−4−フェニルチアゾール等のチアゾール(Thiazole)類及び2−メルカプトベンズセレナゾール(C74 NSe−SH)等のセレナゾール(Selenazole)類。
【0064】
例えば、環内に1個の2重結合を含む2−メルカプトチアゾリン等のチアゾリン類。
【0065】
2個のNヘテロ原子と1個の第VI族原子とをヘテロ原子とするヘテロ環を有するする化合物。例えば、4,5−ジフェニル−1,2,3−チアジアゾール、2−メルカプト−5−メチル−1,3,4−チアジアゾール、2,5−ジメルカプト−1,3,4−チアジアゾールなどのチアジアゾール類。
【0066】
以上の記述は官能基或いはヘテロ環の構成等に基づいた便宜上の一分類例であって、例えば、1個のN原子をヘテロ原子として含む芳香族ヘテロ環とメルカプト基(−SH)を備えた2−メルカプトピリジンは1個のN原子と同一の第VI族原子を2個含む化合物としても分類できる。同様に1個のNヘテロ原子及び1個のS或いはSe等の第VI族原子をヘテロ原子として含む芳香族ヘテロ環式化合物である2−メルカプトベンズセレナゾール(C74 NSe−SH)等は、それを構成する原子の数に着目すれば、1個のN原子と異なる2個の第VI族原子を含む化合物となる。
【0067】
上記した化合物若しくはそれらの誘導体或いは置換体は、酸素原子を含まないものとする。これらの化合物の分解に伴い酸素原子が気相成長反応系内に放出されると、例えば、Al源となる易酸化性の(CH33 Al等が酸化されるため、良好な膜質を有するAlN膜やAlGaN混晶膜等の成長が阻害されるからである。例えば、枝分かれした炭化水素基を含む化合物でジイソブチルサルフォン(Diisobutylsulphone;((CH32 CHCH2222 )等の酸素原子を含む化合物は好ましくない。1個のN原子をヘテロ原子として含む芳香族ヘテロ環とメルカプト基(−SH)を備えた化合物でも例えば、2,8−ジメルカプト−6−ヒドロキシプリン(2,8−Dimercapto−6−hydroxypurine)等の酸素原子を含む水酸基(OH−)等を置換基として付加した化合物は好ましくない。
【0068】
気相成長法により含窒素 III−V族化合物半導体層へ第VI族原子をドーピングするに際し、その化合物半導体層の成長方式には特に制限はない。従来のMOVPE法やVPE成長法が利用できる。また、分子線エピタキシャル(MBE)法や化学ビームエピタキシャル(CBE)法等の成長方法もできる。MBE法には使用する原料の形態に依ってガスソース(GS)MBEや有機金属(MO)MBE等の方式が有るがいずれでも利用できる。含窒素 III−V族化合物半導体層を成長させるに当たっての例えばGa、AlまたはIn或いはN原料についても制限はない。
【0069】
例えば、MOCVD法は、成長反応をほぼ大気圧(常圧)下で行う常圧方式と減圧下で実施する減圧方式に大別される。いずれの方式に於いても、含窒素 III−V族化合物半導体層の成長は、従来から一般に300℃前後から1000℃程度の温度範囲で実施されていることから、ドーピングもこの温度範囲で実施できる。第VI族元素から炭化水素基等を脱離させるに充分な熱エネルギーを与えられ、且つ必要以上の高温での脱離した炭化水素基等に起因する余分なフラグメントの発生を抑制する観点からすれば、ドーピングを施す温度は400℃前後から800℃近傍の範囲とするのが好ましい。また、本発明に係る化合物を利用するドーピングに於いては、画一的にドーピング温度(成長温度)を設定する必要はなく、利用する化合物の分解性等の特性を勘案して、化合物毎に温度に変化を与えても差し支えない。更に、本発明に係わる化合物をドーピング源とした含窒素 III−V族化合物半導体層を積層構造の一構成層として設ける場合にあっては、当該ドーピング層を設ける温度と他の積層構造構成層の成長温度とは同一であっても良く、異にしても差し支えはない。
【0070】
本発明に係わる化合物をドーピング源として利用する場合に於いて、その使用形態には数多くの手法が利用できる。例えば、本発明に係わる化合物が常温で液体であれば、水素或いは窒素、アルゴン等の不活性ガスでバブリング操作を施せば気相成長反応系内にドーピング源として供給できる。バブリング操作を行う化合物は単体であっても本発明に係わる化合物からなる混合物であっても差し支えはない。また、本発明に係わる化合物を適当な濃度に希釈して使用しても構わない。例えば、本発明に係わる化合物を例えば、数ppmから数%程度の濃度で含有するガス(気体)をドーピング源としても構わない。
【0071】
本発明に係わる化合物からなるドーピング源を気相成長反応系に添加する方法についても特定はない。例えば、一般的なMOCVD或いはVPE設備に於いて出発原料の蒸気等を反応炉内に搬送するための水素等のキャリアガスに合流させても構わない。この場合、キャリアガスを流通させる配管等にドーピング源を合流させる位置等についても制限はない。また、キャリアガス等とは合流させずに単独で反応炉に到達させても構わない。
【0072】
ベンジル2−クロロエチルサルファイド(PhCH2 S(CH22 Cl)、2,3,4−トリブロモチオフェンや2,3,5−トリブロモチオフェン等のハロゲン置換体は気相成長方法の中でもMOVPE方式には不適であるが、ハロゲンVPEやハイドライドVPE法に於ける第VI族元素のドーパントとしては利用できる。
【0073】
本発明の係わる化合物を第VI族元素のドーピング源として利用し、上記に例示した気相成長方法等により成長させた、第VI族元素が添加された炭素濃度が8×1016cm-3以下である含窒素 III−V族化合物半導体層を使用して半導体装置を構成する。本発明者が鋭意、検討した結果、従来の例えば、(CH33 Ga/NH3 /H2 気相反応系に於いて、H2 SをSのドーピング源としてGaN膜を得たた場合にあっては、膜中の炭素濃度は8×1016cm-3程度と高くなった。炭素汚染の機構は完全には把握出来ていないが、ルイス塩基性のH2 Sとルイス酸性の(CH33 Gaとの電子受容・供与反応により複合体形成に伴って脱離したメチルラジカルが炭素の汚染源であると推定された。
【0074】
一方、本発明に係る化合物では、第VI族元素に結合している炭化水素基の立体障害効果や環内の共役効果等によりルイス酸性物質との複合体形成反応がそもそも抑制される利点がある。また、第VI族元素に芳香族環基や脂環式炭化水素基等が付加して化合物に於いては、第VI族元素より脱離した芳香族環基や脂環式炭化水素基等が熱的に安定な化合物を形成し易いためラジカル等の炭素を含むフラグメント等は発生し難い。これによって、本発明に係わる化合物にあっては含窒素 III−V族化合物半導体成長層内の炭素汚染の程度を抑制でき、その層内の炭素濃度を8×1016cm-3以下に抑制できる。炭素濃度が低く抑制された成長層では、層内の不純物濃度が低減されるため電子移動度の向上等の電気的特性の向上がもたらされる利点がある。また、層内に残留する炭素原子の濃度が低く抑制されることによって、故意に炭素を添加する場合、特に低濃度な炭素ドーピングを果たす場合に於いてもドーピングされる炭素濃度に対する残留炭素濃度の比率が小さくなり、よって残留炭素濃度とドーピング炭素濃度との総和で表される総炭素濃度の残留炭素濃度の大小に起因する層内の総炭素原子濃度の変動を少なくできる。
【0075】
本発明では、炭素濃度が8×1016cm-3以下であり第VI族元素を添加してなる含窒素 III−V族化合物半導体層を利用して例えば、電界効果型トランジスタや発光ダイオード等の半導体装置を構成する。炭素濃度が8×1016cm-3以下となれば含窒素 III−V族化合物半導体層の透明度は損なわれることがない。また、炭素濃度がこの濃度以下であれば例えば、移動度の顕著な低下を来さない。上記の様に層内の炭素濃度の低減により電子移動度が向上した層を利用した電界効果型トランジスタにあっては、相互コンダクタンス等のFET特性の改善がもたらされる。
【0076】
【実施例】
(実施例1)
本発明を第VI族元素としてSeを添加してなるAlN層を気相成長法により得る場合の実施例を基に説明する。
図3に本実施例に記載のMOCVD成長に使用した気相成長設備の模式図を示す。
【0077】
Seのドーピング源(101)としては、ジフェニルジセレナイド(C65 −Se−Se−C65 ;Ph・Se・Se・Ph)を使用した。Ph・Se・Se・Phは内容積が約150ccのステンレス鋼製容器(102)内に収納した。Ph・Se・Se・Phを収納する容器(102)の温度は、融点が約62℃であるPh・Se・Se・Phを液化するため、恒温槽(107)によって75℃に保持した。容器(102)の材質、内容積及び設定温度は上記の値に限定されるものではない。
【0078】
(103)はAl源としたトリメチルアルミニウム((CH33 Al)である。(CH33 Alはステンレス鋼製の容器(104)に収納した。(CH33 Al用の容器(104)は恒温槽(107)により25℃に保持した。ドーピング源(101)及びAl源(103)を収納する各容器((102)及び(104))の温度は恒温槽(107)により、後述する基板の加熱操作を実施する以前に保持しておいた。設定温度はこれに限定されない。窒素源としては液化アンモニアガス(NH3 )(126)を使用した。
【0079】
容器(102)内のPh・Se・Se・Phに原料搬送用ガス(110)とした高純度の窒素(N2 )ガスを流通し、バブリングした。バブリングに使用したN2 ガスの流量は150cc/分に設定した。第VI族元素のドーピング源としたPh・Se・Se・Phをバブリングするガスは必ずしもN2 に限定されるものではなく、水素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスでも良く、或いはそれらを混合させた混合ガスでも構わない。容器(104)内の(CH33 Al(103)には、原料搬送用ガス(110)とした高純度水素ガスを25cc/分の流量で流通し、バブリングした。尚、Ph・Se・Se・Ph及び(CH33 Alのバブリング操作は後述する基板(115)の加熱操作を実施する約30分前から開始した。
【0080】
基板上へのAlNの成膜を開始する以前にあっては、Ph・Se・Se・Ph及び(CH33 Alの蒸気を含む原料搬送用ガス(110)は各々の原料に対応する配管((113−1)乃び(113−2))内を通し、それぞれ開状態にあるバルブ((114−2)及び(114−4))を介して排気用配管(112)に導入しておいた。
【0081】
基板(115)とする{0001}面方位サファイア(単結晶アルミナ)基板を成長反応容器(108)内の加熱体(117)上に載置した後、成長反応容器(108)内に配管(111)を通して水素キャリアガス(109)を導入した。水素キャリアガス(109)の流量は7.0l/分とした。水素キャリアガス(109)の成長反応容器(108)への導入を開始してから20分後に、加熱体(117)に通電を開始し基板(115)を700℃に加熱した。成長反応容器(108)内の圧力はほぼ大気圧とした。
【0082】
基板(115)の温度が700℃に到達してから20分間保持した後、バルブ((114−2)及び(114−4))を開状態から閉状態に切り換え、逆にバルブ((114−1)及び(114−3))を閉状態から開とし、上記のPh・Se・Se・Ph及び(CH33 Alを含む原料搬送用ガス(110)を、それぞれ配管(111)に導入して水素キャリアガス(109)と合流させた。同時にN源としたNH3 ガス(126)を配管(125)を利用して配管(111)に導入して水素キャリアガス(109)と合流させた。NH3 ガス(126)の流量はV/III 比率、即ち、反応容器(108)へのNH3 /(CH33 Alの供給比率が約1000となる様に設定した。
【0083】
基板(115)の温度を700℃に、また、成長反応容器(108)内の圧力をほぼ大気圧に保ちながら、この原料成分を含む水素キャリアガス(109)を、成長反応容器(108)内の基板(115)の上方に設けたガスノズル(118)の内部に流入させ、サファイアC面基板(115)の表面に向けて40分間に亘り継続して供給した。
【0084】
以上の気相成長操作によりサファイア基板(115)上に約0.14μmの膜厚のSeが添加されてなるAlN成長層を得た。2次イオン質量分析法(SIMS)による半定量分析の結果からは、AlN成長層中のSe原子の総濃度は1018cm-3近傍であった。AlN成長層はn形の伝導を呈し、室温でのシート抵抗は約2800Ω/□であった。また炭素濃度は3×1015cm-3であった。このシート抵抗値は従来のSiをドーパントとして、本実施例と同一のV/III 比率に於いて得られる値に対し約1桁低下しており、従来例に比較すればドーピング効率の向上が果たされるのが認められた。
【0085】
尚、Ph・Se・Se・Ph及び(CH33 Alを含有バブリングガス及びNH3 を含有水素ガスを水素キャリアガスに合流させる際の混合順序は図3に示した流路図に限定されず、如何なる順序で混合させても構わない。
【0086】
(実施例2)
半導体装置の一例としての発光ダイオード(LED)を構成する例を基に本発明を詳細に説明する。図4に本実施例のLED用途の積層構造を得るにあたり使用した常圧方式のMOCVD気相成長の概略図を示す。また、図5は本発明に係わるLEDの断面模式図である。基板(115)には、直径が約62.5mmのアルミニウム(Al)円盤を用いた。基板(115)の厚さは約500μmであった。
【0087】
基板(115)表面上には硫黄(S)を添加(ドーピング)したGaN層(121)、AlGaN層(122)、AlGaN層(124)及びGaN層(123)を常圧のMOCVD法により順次、堆積した。
【0088】
Sのドーピング源(101)としては、炭化水素基として炭素原子の2重結合を含むアリル基とS原子との結合からなるジアリルサルファイド(CH2 =CHCH2 −S−CH2 CH=CH2 )を利用した。ジアリルサルファイドはステンレス鋼製のバブラー容器(102)内に収納した。容器(102)の温度は恒温槽(107)により70℃に保持した。
【0089】
Al源(103)及びGa源(105)には各々、(CH33 Al及び(CH33 Gaを使用した。(CH33 Alはステンレス鋼製のバブラー容器(104)に、(CH33 Gaはステンレス鋼製のバブラー容器(106)に個別に収納した。Al源を収納する容器(104)は恒温槽(107)により25℃に保持した。Ga源を収納する容器(106)は恒温槽(107)により0℃に保持した。窒素源(119)としては、ピロール(Pyrrole)を使用した。窒素源はステンレス鋼製容器(120)に収納し、恒温槽(107)により60℃に保持した。Al源(103)、Ga源(105)及びN源(119)を収納する各容器((104)、(106)及び(120))の温度は後述する基板の加熱操作を実施する以前に予め、上記の各温度に安定させておいた。設定温度はこれに限定されない。また、本実施例では、第 III族及び第V族元素の原料は全て液体の状態として使用したが、原料の使用形態はこれに限定されることはない。
【0090】
上記の基板(115)上へ第VI族元素であるSを添加したGaN層(121)の成膜を開始する以前にあっては、ジアリルサルファイドドーパント源(101)、Al源(103)、Ga源(105)及びN源(119)を収納する容器内には、予め原料搬送用ガス(110)とした高純度の水素(H2 )ガスを流通しバブリングしておいた。バブリングに使用したH2 ガスの流量はドーパント源(101)については120cc/分、Al源(103)については55cc/分、Ga源(105)については35cc/分、及びN源(119)については180cc/分に各々設定しておいた。各々の原料の蒸気を随伴する原料搬送用ガス(110)は各原料に対応する配管((113−1)乃至(113−4))を通し、開状態にあるバルブ((114−2)、(114−4)、(114−6)及び(114−8))を通過させて排気側配管(112)に流通しておいた。バブリングするガスは必ずしもH2 に限定されるものではなく、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスでも良く、或いはそれらを混合させた混合ガスでも構わない。これらのバブリング操作は、後述する基板(115)の加熱操作を実施する約30分前から開始した。反応器(108)に通ずるキャリアガスを流通させるための配管(111)には、キャリアガスとして水素を毎分7lの流量で流通させておいた。
【0091】
成長反応容器(108)内の加熱体(117)上に載置した基板(115)の温度を抵抗加熱方式の加熱体(117)への通電を開始することにより、室温より680℃に到達する迄昇温した。同温度に到達してから後、20分経過後、バルブ(114−8)を開状態から閉状態にし、逆にバルブ(114−7)を閉から開としN源(119)の蒸気を随伴する原料搬送用ガス(110)を配管(111)内を流通する水素キャリアガス(109)に合流させ、反応容器(108)内の基板(115)の直上に設けた原料ガスを含む水素キャリアガス(109)を基板(115)の表面に吹き付けるためのガスノズル(118)内を通過させて基板(115)表面への供給を開始した。
【0092】
同じく基板(115)の温度が680℃に到達してから20分経過後、配管(113−1)内を流通させて排気側配管(112)に流通させていたドーパント源(101)の蒸気を随伴する原料搬送用ガス(110)をバルブ((114−1)及び(114−2))の開閉状態を逆転させ、配管(111)内を流れる水素キャリアガス(109)に合流させた。
【0093】
ドーパント源(101)及びN源(119)の各蒸気を含むガスをノズル(108)内を通じて基板(115)の表面に吹き付ける環境を創出し、5分間経過後、配管(113−3)内を流通するGa源(105)の蒸気を随伴する原料搬送ガス(110)をバルブ((114−5)及び(114−6))の開閉状態を逆転させて配管(111)内の水素キャリアガス(109)に合流させた。これにより、Sを添加してなるGaNの成長を開始した。反応容器(108)内の圧力をほぼ大気圧に保持しながら、成膜を40分間継続し、これにより、膜厚が約0.4μmのSを添加したGaN層(121)を基板(115)上に堆積した。
【0094】
然る後、Ga源(105)用の配管(113−3)に付帯するバルブ(114−5)を閉とし、逆にバルブ(114−6)を開として再び、Ga源(105)を随伴する原料搬送用ガス(110)を排気側配管(112)に導き、反応炉(108)へのGa源(105)の供給を一時停止した。一方、N源(119)の供給は継続した。
【0095】
Ga源(105)の成長反応炉(108)への供給を一時停止して5分間を経過後、バルブ((114−5)及び(114−6))の開閉状態の操作により、再びGa源(105)を含む原料搬送用ガス(110)を水素キャリアガス(109)に合流させた。同時に、Al源(103)を随伴する原料搬送用ガス(110)を配管(113−2)に付帯するバルブ((114−3)及び(114−4))の開閉状態を逆転させて、反応容器(108)内に設置したノズル(118)内部を通過させて基板(115)表面にAl源(103)を含む水素キャリアガス(109)を吹き付けた。この状態に於いては、水素キャリアガス(109)にはまた、ドーパント源(101)とN源(119)が含まれている。上記のドーパント源(101)とAl源(103)とGa源(105)とN源(119)とを含む水素キャリアガス(109)の基板(115)表面への供給を30分間に亘り継続した。これにより、Sが添加されてなる膜厚が約0.4μmのAlGaN層(122)を成長させた。AlGaN層(122)中のS原子の濃度はSIMS分析によれば約4×1018cm-3であった。
【0096】
次に、バルブ((114−1)及び(114−2))の開閉状態を逆転させ、ドーパント源(101)の蒸気を含む原料搬送用ガス(110)の水素キャリアガス(109)への合流を停止した。即ち、成長反応炉(108)へのドーパント源(101)の供給を停止した。Al源(103)、Ga源(105)及びN源(119)の反応炉(108)への供給は継続した。ドーパント源(101)の水素キャリアガス(109)への添加を停止したと同時に、ジメチル亜鉛((CH32 Zn)を約100体積ppmの濃度で含有する水素ガス(126)を水素キャリアガス(109)に合流させた。ガス(126)の流量はAlGaN層(124)中のZn原子の濃度が約1×1018cm-3となる様に調節した。その流量は本実施例にあっては概ね、150cc/分から200cc/分であった。(CH32 Znを含有する水素ガス(126)の供給を45分間継続し、膜厚が約0.6μmのZnを添加してなるAlGaN層(124)を堆積した。
【0097】
然る後、Al源(103)蒸気を含む原料搬送用ガス(110)の水素キャリアガス(109)への合流を停止した。N源(119)及び(CH32 Znを含有する水素ガス(126)の成長反応炉(108)への供給は継続して実施した。Al源(103)の供給を停止して5分間経過後、再び、Ga源(105)及びドーパント源(101)の蒸気を各々含む原料搬送用ガス(110)を水素キャリアガス(109)に合流させた。これにより、Ga源(103)及びN源(119)及び(CH32 Znを含有する水素ガス(126)を含む水素キャリアガス(109)を反応炉(108)内のノズル(118)を通過させて基板(115)表面に供給し、Znを添加してなるGaN層(123)を堆積した。GaN層(123)の膜厚は0.3μmであった。以上の含窒素 III−V族化合物半導体各層((121)乃至(124))の成長は、成長反応容器(108)内の圧力をほぼ大気圧に保持しながら実施したが、成長時の圧力はこれに限ることは無く、例えば、数Torr乃至数百Torr程度の減圧された圧力下で成長を実施、即ち、減圧方式のMOCVD法により成長させても構わない。また、層毎に成長圧力を変化させても差し支えはない。
【0098】
以上の構成により、Alからなる基板(115)上に第VI族元素としてSを添加してなる本発明に係わるGaN層(121)及びAlN層(122)とを含む合計4層からなるLED用途の積層構造を得た。Sを添加してなるGaN層及びAlN層((121)及び(122))内の炭素原子濃度はSIMS分析によれば2×1015cm-3未満であった。積層構造を構成する含窒素 III−V族化合物種や積層数は本実施例に限定されるものではない。また、含窒素 III−V族化合物層に添加する第VI族元素もSに限定されることはなく例えば、SeやTeであっても良い。また、例えば、SやSeとを添加するなど多種類の第VI族元素を含窒素 III−V族化合物層に添加しても構わない。
【0099】
上記の積層構造に、従来の一般的なフォトリソグラフィー技術やエッチング技術等を応用して加工を施し、図5の断面模式図に示す如くのLEDを構成した。
積層構造の表面側の電極(127)の周囲は、酸化珪素(SiOx )で被覆した。この被覆膜は酸化珪素に限らず窒化珪素から構成しても差し支えはない。裏面側の電極(128)は基板(115)としたAlが良好な電気伝導性を有していることを利用して、基板(115)そのものとした。
【0100】
【発明の効果】
含窒素 III−V族化合物半導体において、第VI族元素を含有する特定の有機化合物をドーピング源として使用することにより、第VI族の前記半導体へのドーピング効率を容易に高めることができ、また半導体層中への炭素の混入を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第 III族元素及び第V族元素の空孔濃度の一般的なV/III 比率依存性を示す図である。
【図2】SiをドーピングしてなるGaN成長層及びGaAs成長層のシート抵抗のV/III 比率依存性の一例を示す図である。
【図3】実施例1に係わる気相成長装置の断面模式図である。
【図4】実施例2に係わる気相成長装置の断面模式図である。
【図5】本発明に係わる半導体素子の断面模式図である。
【符号の説明】
(101) 第VI族元素のドーパンド源
(102) 第VI族元素のドーパンド源収納容器
(103) アルミニウム(Al)源
(104) Al源収納容器
(105) ガリウム(Ga)源
(106) Ga源収納容器
(107) 恒温層
(108) 成長反応容器
(109) キャリアガス
(110) 原料搬送用ガス
(111) 成長反応容器へ通ずる配管
(112) 排気用配管
(113−1) ドーパント源を含む原料搬送用ガスを流通させるための配管
(113−2) Al源を含む原料搬送用ガスを流通させるための配管
(113−3) Ga源を含む原料搬送用ガスを流通させるための配管
(113−4) 窒素源を含む原料搬送用ガスを流通させるための配管
(114−1) バルブ
(114−2) バルブ
(114−3) バルブ
(114−4) バルブ
(114−5) バルブ
(114−6) バルブ
(114−7) バルブ
(114−8) バルブ
(115) 基板
(116) 化合物半導体成長層
(117) 加熱体
(118) ノズル
(119) 窒素(N)源
(120) N源収納用ステンレス鋼製容器
(121) 第VI族元素を添加した窒化ガリウム(GaN)成長層
(122) 第VI族元素を添加した窒化アルミニウム・ガリウム(AlGaN)成長層
(123) GaN成長層
(124) AlGaN成長層
(125) ボンベガス用配管
(126) ボンベに収納されたガス
(127) 表面電極
(128) 裏面電極
(129) 第V族元素の空孔濃度の変化を模式的に示す線
(130) 第 III族元素の空孔濃度の変化を模式的に示す線
(131) 第IV族元素をドーピングしたGaN成長層のシート抵抗の変化を模式的に示す曲線
(132) 第IV族元素をドーピングしたGaAs成長層のシート抵抗の変化を模式的に示す曲線
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a semiconductor element such as a field effect transistor, a photodiode or a light emitting diode (LED) having a group III-V nitride semiconductor layer exhibiting n-type conductivity, and more particularly, a group VI atom is doped. The present invention relates to a group III-V nitride semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
Aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), indium nitride (InN), and their mixed crystals III-V nitride semiconductor layers can be used as buffer layers, active layers, contact layers, etc. It is used for optical devices such as electronic devices and ultraviolet detectors. In these semiconductor elements, a III-V nitride semiconductor layer having a conductivity type of n-type or p-type doped by intentionally adding impurities is used.
[0003]
The p-type group III-V nitride semiconductor layer is doped with atoms belonging to group II of the periodic table of elements such as zinc (Zn) and magnesium (Mg) in a vapor phase growth method such as MOVPE. Is obtained. On the other hand, in order to obtain a group III-V nitride semiconductor layer exhibiting n-type conductivity, group IV silicon (Si) has been conventionally used as a dopant. Group VI atoms also act as n-type impurities in principle for III-V nitride semiconductors.
[0004]
In III-V nitride semiconductors, like other III-V compound semiconductors such as GaAs, for example, group atoms such as Si are vacancy of group III atoms in the semiconductor layer. That is, by occupying the position of gallium (Ga) vacancies (represented by (Ga) v) and releasing thinly-bound electrons from the relationship of valence, n-type conduction is caused in the semiconductor layer Gives sex. If this is expressed schematically, it will become like Formula (1).
Si + (Ga) V → Si Ga + E - ・ ・ ・ ・ ・ Formula (1)
In formula (1), the symbol Si Ga Is (Ga) V Represents a Si atom occupying - Means an electron which causes the n-type conductivity emitted thereby.
[0005]
FIG. 1 illustrates the dependence of the V / III ratio on the vacancy concentration at a certain growth temperature in the vapor phase growth of the III-V compound semiconductor layer by the MOVPE method. As shown in FIG. 1, a III-V compound semiconductor (Ga) V The concentration (130) of the group III atom vacancy is, for example, the amount of the group V atom relative to the amount of the group III atom in the growth environment when the III-V compound semiconductor layer is vapor-phase grown by the MOVPE method. Increasing the ratio tends to increase. Therefore, in order to obtain an n-type group III-V nitride semiconductor layer by doping Si, it is efficient to increase the density of group III atom vacancies according to formula (1). I understand. For example, when an n-type group III-V nitride semiconductor doped with Si, such as GaN, is obtained by the MOVPE method, the amount of group V element N in the growth environment is adjusted to the group III element. It is necessary to increase the concentration of atoms.
[0006]
The vapor phase growth of the III-V nitride semiconductor layer by the VPE method or the MBE method is not limited to the MOVPE method, and ammonia (NH Three ) Is used as an N source. As a raw material for Group III constituent atoms, trimethylgallium ((CH Three ) Three Ga), trimethylaluminum ((CH Three ) Three Al) and trimethylindium ((CH Three ) Three Organometallic compounds such as In) are used. In general, these organometallic compounds can be easily and irreversibly decomposed at low temperatures to supply metal atoms to the growth system. But NH Three In contrast to these organometallic compounds, they are hardly decomposable at low temperatures and exhibit reversible degradation.
This NH Three As a result, the V / III ratio cannot be easily increased due to the disproportionate disproportionability and reversibility of the decomposition reaction compared to the organic group III compounds. That is, inefficiency of doping of the group IV atoms such as Si into the group III-V nitride semiconductor layer has been caused.
[0007]
FIG. 2 shows that the inventors set the growth temperature to 750 ° C. Three The dependence of the sheet resistance on the V / III ratio when Si is doped into GaN by the MOVPE method using N as the N source is illustrated. The V / III ratio referred to here is NH used as a raw material for GaN film formation. Three And (CH Three ) Three Supply ratio of Ga to the growth reaction system, that is, NH Three / (CH Three ) Three The supply ratio of the raw material to the growth reaction system represented by Ga is shown. The sheet resistance is inversely proportional to the carrier concentration, and generally takes a low value as the carrier concentration increases. As shown in FIG. 2, although the sheet resistance tends to decrease as the V / III ratio increases, for example, the V / III ratio normally employed for MOVPE growth of a GaAs layer is an order of magnitude larger. Finally 10 15 -10 16 cm -3 A low carrier concentration can be obtained. As shown in FIG. 2, in the vapor phase growth of GaAs by the atmospheric pressure MOVPE method, the carrier concentration is 10 even when the V / III ratio is 20 to 30 and the low ratio side. 18 cm -3 Thus, an n-type layer with a high carrier concentration that can be sufficiently used as an active layer, a contact layer, or the like of a normal semiconductor element, which has a low sheet resistance exceeding 1 can be obtained. Thus, the efficiency of doping the Group IV atom into the nitrogen-containing Group III-V compound layer is extremely poor. 10 as above 15 -10 16 cm -3 A nitrogen-containing compound layer having a low carrier concentration is generally difficult to use as an active layer of a semiconductor device. Even in a field effect transistor, the active layer has 10 17 cm -3 Some n-type semiconductor layer is required. That is, the low doping efficiency of the Group IV atom with respect to the III-V group compound layer has resulted in the low productivity of the semiconductor device using the n-type nitrogen-containing compound layer.
[0008]
The low doping efficiency of Group IV atoms for III-V nitride semiconductors is (Ga) V This is due to the low concentration of. As in the experimental example described above, when the V / III supply ratio of the raw material is set much higher than that of GaAs, for example, a semiconductor layer having a high carrier concentration corresponding to the actual V / III ratio in the growth reaction system. Enough to get easily (Ga) V Means that the concentration of is still reached.
[0009]
In III-V compound semiconductors, the concentration of group III atoms ([III] V Represented by ) And vacancy concentration of group V atoms ([V] V Represented by The relationship expressed by the following equation (2) is established at a certain temperature.
[III] V × [V] V = C (constant) ... Equation (2)
That is, at a certain temperature [III] V And [V] V The product value of is a positive constant. From the relationship expressed by this formula (2) [III] V Conversely, if the concentration of is [V] V The concentration of is known to increase. Thus, for example, in the case of GaN, (Ga) V As the concentration of N decreases, N vacancies ((N) V ) Concentration ([N] V ) Increases.
[0010]
[V] V In order to obtain a III-V nitride semiconductor layer exhibiting n-type conduction in a high state, it is convenient to dope a group VI atom instead of a group IV atom. This is because, as shown in the following formula (3), if the vacancies of the group V atoms are occupied by hexavalent sulfur (S) atoms, for example, free electrons that cause n-type conduction can be emitted from the valence relationship. It is.
S + (V) V → S V + E - ・ ・ ・ ・ ・ Formula (3)
Where S V Shows a state in which the vacancies of the group V atoms are occupied by the S atoms.
[0011]
Conventionally, hydrogen sulfide (H) has been used as a doping gas for doping group III atoms such as S and selenium (Se) into a group III-V compound semiconductor. 2 S) and hydrogen selenide (H 2 Se) is used. For example, (CH Three ) Three An n-type GaAs layer is grown by MOVPE using Ga as a Ga source. Also (CH Three ) Three Even in the MOCVD growth of InP using In as the In source, H 2 An n-type InP layer doped with S using S as a doping gas is obtained. However, these trialkyl Group III compounds, which generally exhibit Lewis acidity, generally react readily with Lewis basic Group V hydrogen compounds at room temperature and inhibit normal MOVPE growth. Compared with trialkyl compounds of In and Ga, trialkylAl compounds having a strong Lewis acidity generate a solid material that is difficult to dissociate by an electron donating / accepting reaction represented by the following formula (4) even at room temperature (Gmelin Handbuch der Anorganischen Chemie (Achte vollih neu bearbeite Auflag), Springer-Verlag (1981), p. 56.).
Al (C 2 H Five ) Three (G) + H 2 Se (g) → Al 2 Se (s) Formula (4)
In the equation (4), the symbols (g) and (s) indicate that these substances are in a gas state and a solid state at room temperature, respectively. For example, Al x Ga 1-x When controlling the composition ratio of Al in As (x represents the composition ratio), if such a reaction occurs, the consumption of Al in the production of solids may result in the case where the desired Al composition ratio cannot be obtained. . If the composition ratio of Al is different from the designed value, Al having the desired band gap x Ga 1-x As layer is not obtained. Forbidden band fluctuations due to the instability of the Al composition can be attributed to electrical characteristics such as electron mobility in semiconductor devices that use band discontinuities at heterojunctions such as high mobility field effect transistors. It is not preferable because it causes instability. For this reason, in the group III-V compound semiconductor layer containing Al, there is almost no example in which an n-type conductive layer doped with S, which is a Group VI element, is practically used as one layer constituting a semiconductor element. It can be inferred in principle that the group VI atoms act as n-type dopants for III-V nitride semiconductors such as GaN, and it has been proposed that the group VI atoms be n-type dopants. Although (Japanese Patent Laid-Open No. 5-190903), a semiconductor element including a group III-V nitride semiconductor layer exhibiting n-type conduction obtained by doping a group VI atom has not been put into practical use.
[0012]
The reaction shown in formula (4) is represented by (CH 3 ) 3 Ga or (CH 3 ) 3 It also occurs with trialkyl compounds such as In. However, a trialkyl compound of Ga or In is not a conspicuous reaction because Lewis acidity is generally weaker than that of an Al trialkyl compound. In any case, the situation is the same in the conventional vapor phase growth method such as MOVPE method of a group III-V nitride semiconductor using a trialkyl compound as a group III atom source. [V] superior in obtaining an n-type nitride semiconductor layer by doping V In order to obtain an n-type semiconductor layer in spite of its high state VI When doping a group atom, there has been a problem associated with the reaction of Lewis acid and Lewis base as described above.
[0013]
As a group III atom supply source, it is appropriate to use a group III trialkyl compound because it has an appropriate vapor pressure and has a high purity for growing a semiconductor layer. To obtain the n-type group III-V nitride semiconductor layer by doping the group VI atom, the trialkyl compound of group III is used as the source of the group II atom to overcome the above-mentioned conventional problems. Therefore, new Group VI compounds that can avoid and suppress Lewis acid / base reactions with these trialkyl Group III compounds are desired. However, new compounds containing Group VI elements that meet this purpose and are suitable as doping materials have not yet been proposed.
[0014]
As a compound that becomes a doping material for the semiconductor layer, one of the necessary conditions is that it contains a group VI, but not all compounds containing a group VI atom are suitable as a doping material. For example, a compound containing an oxygen (O) atom, such as a carboxyl group (—COOH), a ketone group (═CO), a nitroso group (—NO), or nitro (—NO) 2 ) A compound containing a Group VI atom to which a substituent such as a group is added is not preferable regardless of a gas phase method such as VPE, MOVPE, or MBE. This is because when a mixed crystal such as AlN, AlInN, GaInN, or AlGaInN containing oxidizable Al atoms as constituent atoms is grown, the Al atoms are oxidized by oxygen and a high-quality Al-containing film is not formed.
[0015]
Further, when the compound containing a Group VI atom as a doping material is an organic compound, there is a concern that carbon (C) is mixed into the III-V nitride semiconductor layer. For example, an organic alkyl compound such as trimethylgallium and hydrogen sulfide (H as a doping source of ammonia and a group VI element as a nitrogen source) 2 The concentration of carbon atoms in the GaN layer containing sulfur (S) grown by the MOCVD method under reduced pressure using S) is 10 18 cm -3 Sometimes high and low concentrations were reached. If such a high concentration of carbon is mixed in the originally colorless and transparent GaN semiconductor layer, it may be a cause of impairing the transparency of the GaN layer. An opaque semiconductor layer, not limited to GaN, is, for example, a semiconductor element composed of a semiconductor layer that is required to transmit light, such as a light emitting diode, and the like. Bring about a bug. Therefore, when selecting an organic compound containing a Group VI element, an organic compound that easily decomposes and produces a decomposition product that can be easily discharged from the growth reaction system is selected by a decomposition method such as thermal decomposition or photolysis. There is a need to. However, organic compounds containing Group VI atoms that are considered suitable as dopants have not been systematically presented so far, and a slight amount of diethyl sulfide ((C 2 H Five ) 2 S) is only presented. However, this diethyl sulfide has an ethyl group (C) which is a sulfur (S) atom and two aliphatic hydrocarbon substituents. 2 H Five -) Is an added compound. The number of carbon atoms constituting the ethyl group is 2, and the space area occupied by the molecule itself is small. Therefore, the space around the sulfur atom cannot be occupied so as to surround the sulfur atom. Therefore, it is not sufficient to suppress the electron donating / accepting reaction with the trialkyl compound.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
In the present invention, the III-V nitride semiconductor layer is doped with a group VI atom by utilizing the intrinsic height of the vacancy concentration of the group V atom in the group III-V nitride semiconductor layer. In obtaining an n-type group III-V nitride semiconductor layer required for constituting a semiconductor device, an electron donating / accepting reaction with a group III trialkyl compound exhibiting Lewis acidity can be suppressed and avoided, and An organic compound containing a Group VI element capable of suppressing carbon contamination is presented as a new doping material, and a semiconductor device including an n-type Group III-V nitride semiconductor layer doped with a Group VI atom is provided. To do.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been developed to solve the above-described problems, and is a group III-V nitride semiconductor doped with a group VI element using a specific organic compound.
That is, the semiconductor device of the present invention is a group III-V compound semiconductor device containing at least one element of aluminum, gallium, indium and a group III (element periodic table, hereinafter the same) element and nitrogen. This is a group VI element doped with an organic compound that satisfies the following requirements as a doping source.
The organic compound used as a dopant is a constituent requirement
a) A chain hydrocarbon compound containing at least one element selected from sulfur, selenium, and teru and a hydrocarbon group having 3 or more carbon atoms
b) Aromatic hydrocarbon compounds containing at least one element of sulfur, selenium and tellurium
c) An alicyclic hydrocarbon compound containing at least one element of sulfur, selenium, and tellurium
d) A heterocyclic hydrocarbon compound containing at least one element of sulfur, selenium, and tellurium
Shall be satisfied.
As constituents desired for the organic compounds used as these dopants,
i) Contains Group VI elements.
ii) Substituents other than the skeleton do not contain a bond between a carbon atom and a nitrogen atom.
iii) Substituents other than the skeleton do not contain a bond between a carbon atom and a hydrogen atom.
iv) Does not contain oxygen atoms.
Etc.
These representative compounds are listed below structurally.
In the present invention, the above compound is doped with one or more Group VI elements of S, Se, or Te, and the carbon concentration is 8 × 10 8. 16 cm -3 Provided is a semiconductor device provided with the following nitrogen-containing III-V compound semiconductor layer.
[0018]
Examples of III-V nitride semiconductors according to the present invention include GaN, AlN, InN, AlGaN, GaInN, AlInN, and AlGaInN. Further, a III-V nitride semiconductor containing arsenic (As) or phosphorus (P) as a Group V element in addition to N also corresponds to the present invention. This includes GaNAs, GaNP, AlNAs, AlNP, InNAs, InNP, AlGaNAs, AlGaNP, GaInNAs, GaInNP, AlInNAs, AlInNP, AlGaInNAs, AlGaInNP, GaNPAs, AlNPAs, InNPAs, AlGaInNPAs, etc., and thallium (Tl) compounds. is there.
[0019]
A chain hydrocarbon group is a methyl group (CH Three -), An ethyl group (CH Three CH 2 -Or C 2 H Five -) Or a propyl group (CH Three CH 2 CH 2 -Or C Three H 7 -) And the like, a group in which one H of hydrogen atoms (H) constituting a straight chain or branched saturated aliphatic compound is eliminated. That is, when the number of carbon atoms (C) is expressed by a positive integer (n) (n ≧ 1), C (n) H (2n + 1) It is group represented by-.
[0020]
C (n) H (2n + 1) In the present invention, unsaturated hydrocarbon groups represented by-are collectively treated as aliphatic hydrocarbon groups. This includes ethylene or ethene groups (C 2 H Three -Or H 2 C = CH-) or 1-butene group (HC = CHCH) 2 CH 2 -) Or 2-butene group (H 2 CHC = CHCH 2 -) Or an octene group (C 8 H 15 -) Etc. are mentioned. Here, for convenience, saturated and unsaturated aliphatic hydrocarbon groups (alkyl group and alkene group) are represented by the symbol R or R ′.
[0021]
In the present invention, a compound in which two hydrocarbon groups are bonded to at least one group VI atom of S, Se, and Te can be used. Oxygen (O) atoms are also inappropriate for Group VI atoms. Two hydrocarbon groups bonded to at least one group VI atom among S, Se, and Te may be the same or different from each other. If it shows with said symbol, the linear aliphatic compound which the group VI atom and two hydrocarbon groups couple | bonded among S, Se, and Te will be R-VI-R, R-VI-R ', etc. It can be expressed with a form.
[0022]
In the linear R-VI-R type aliphatic compound according to the present invention, hydrogen is bonded to the Group VI element that has been conventionally used as an n-type dopant for III-V compound semiconductors. For example, hydrogen sulfide (H 2 S) and hydrogen selenide (H 2 Compared to Group VI hydrides such as Se), a methyl group (CH) consisting of at least one carbon atom and at least three hydrogen atoms occupying a larger space volume than a hydrogen atom. Three -) Etc. are added to Group VI elements. For this reason, it is not easy for the group VI atom in the compound according to the present invention to be sufficiently close to the group III atom of the trialkyl compound of the group III element that is Lewis acidic and susceptible to electrophilic reaction. Disappear. As a result, trialkyl compounds of group III elements and hydrogen sulfide (H 2 S) and hydrogen selenide (H 2 It is possible to further reduce the conventional gas phase polymerization reaction that hinders the smooth vapor phase growth caused by the electron donating / accepting reaction occurring between Se) and the like.
[0023]
In the R-VI-R type or RSR 'type compound described above, the conventional conjugation reaction with the trialkyl compound which is the starting material of the Group III atom due to the steric hindrance of the hydrocarbon group is R In the compound of -VI-R type or R-VI-R 'type, this is particularly remarkably avoided in the compound having at least one hydrocarbon group having 3 or more carbon atoms constituting the group. The hydrocarbon group having 3 or more carbon atoms constituting the group includes an isopropyl group having 3 carbon atoms (CH Three (CH Three ) CH-) or an isobutyl group having 4 carbon atoms (-CH 2 CH (CH Three ) CH Three ) Etc. However, as the number of carbon atoms constituting the hydrocarbon group increases, the melting point of the compound generally increases. For example, diethyl sulfide having a straight-chain hydrocarbon group and an ethyl group having 2 carbon atoms is liquid at room temperature, but in dinordodecyl sulfide having a dodecyl group having 12 carbon atoms. Becomes solid at room temperature with a melting point of 38-40 ° C. Even if it is a solid at room temperature, it can be a dopant source for vapor phase growth if it exhibits an appropriate sublimation pressure. However, if it is intended to supply the dopant source to the vapor phase growth system by bubbling operation, the vapor source is removed from room temperature. It is desirable that the compound has a melting point within a temperature range of 70 to 80 ° C., which is a general heat resistant temperature of parts such as valves constituting the phase growth equipment. Therefore, when supplying the dopant source to the vapor phase growth system by bubbling operation of the liquid source, a compound having a hydrocarbon group having 3 or more carbon atoms and generally 12 to 15 or less is used. Is desirable.
[0024]
In the present invention, it is necessary to select a compound that does not contain a bond (N—H bond) between a nitrogen atom (N) and a hydrogen atom (H) in the substituent. In a nitrogen-containing III-V compound semiconductor layer such as GaN, for example, NH Three If N—H bonds derived from substituents remain in the layer due to addition of N source such as in the vapor phase growth system, insufficient thermal decomposition of the compound to be mixed, etc., carriers also present in the layer This is because electrical activation as a conductive carrier is hindered. Therefore, in the present invention, for example, an amine group (NH is highly likely to cause the incorporation of NH bonds into the nitrogen-containing group III-V compound semiconductor layer. 2 Compounds having a hydrocarbon group to which-) is added and compounds having a hydrocarbon group having an amine group as a substituent are excluded.
[0025]
In the present invention, a compound containing an aliphatic hydrocarbon group and an aromatic hydrocarbon group having a substituent or a functional group containing a bond (CN bond) between a carbon atom (C) and a nitrogen atom (N) Excluded. This is to avoid the operational dangers related to vapor phase growth due to the high possibility that harmful cyanic substances are generated by thermal decomposition.
[0026]
An example of a compound in which a substituent that does not contain an N—H bond or a C—N bond is bonded to the Group VI element is, for example, two identical linear saturated aliphatic hydrocarbon groups bonded to the Group VI element. Aliphatic compounds. For example, dinormal propyl sulfide ((CH Three (CH 2 ) 2 ) 2 S), dinormal butyl sulfide ((CH Three (CH 2 ) Three ) 2 S), dinormal amyl sulfide (dinormal pentyl sulfide) ((CH Three (CH 2 )Four ) 2 S), dinormal hexyl sulfide ((CH Three (CH 2 ) Five ) 2 S), di-normal heptyl sulfide ((CH Three (CH 2 ) 6 ) 2 S), di-normal octyl sulfide ((CH Three (CH 2 ) 7 ) 2 S), di-nornorolyl sulfide ((CH Three (CH 2 ) 8 ) 2 S), di-normal decyl sulfide ((CH Three (CH 2 ) 9 ) 2 S), dinormaldodecyl sulfide ((CH Three (CH 2 ) 11 ) 2 Examples of the compound include R—S—R type (— represents a bond) such as S).
[0027]
An R—S—R ′ type aliphatic compound in which two different linear saturated aliphatic hydrocarbon groups (indicated by R and R ′) are bonded to the Group VI atom is also referred to in the present invention. It is an example of a compound formed by bonding a hydrocarbon compound to a group element. This includes methyl normal propyl sulfide (CH Three (CH 2 ) 2 SCH Three ), Normal butyl methyl sulfide (CH) Three (CH 2 ) Three SCH Three ), Normal heptyl methyl sulfide (CH) Three (CH 2 ) 6 SCH Three ), Methyl normal octyl sulfide (CH) Three (CH 2 ) 7 SCH Three ), Methyl normal nonyl sulfide (CH Three (CH 2 ) 8 SCH Three ), Normal decyl methyl sulfide (CH) Three (CH 2 ) 9 SCH Three ), Normal decyl methyl sulfide (CH) Three (CH 2 ) 11 S CH Three ), Ethyl normal propyl sulfide (CH Three CH 2 S (CH 2 ) 2 CH Three ), Normal butyl ethyl sulfide (CH Three (CH 2 ) Three SCH 2 CH Three ), Amyl ethyl sulfide (CH Three (CH 2 ) 4 SCH 2 CH Three ), Normal decyl ethyl (CH Three (CH 2 ) 9 SCH Three ), Normal butyl normal propyl sulfide (CH) Three (CH 2 ) Three S (CH 2 ) 2 CH Three )and so on.
[0028]
Examples of the compound in which an aromatic hydrocarbon group and a Group VI atom are bonded include, for example, thiophenol (Ph · S · H; Ph is a phenyl group (C 6 H Five -). ), 2-tertiarybutylthiophenol, 4-tertiarybutylthiophenol, phenyl selenol (Ph · Se · H), methylphenyl sulfide (Ph · S · CH) Three ), 2,6-dimethylthiophenol, 3,4-dimethylthiophenol and 3,5-dimethylthiophenol, 2,4-ditertiary butylthiophenol, phenyl normal propyl sulfide (Ph · S · ( CH 2 ) 2 CH Three ), Isopropylphenyl sulfide (Ph · S · CH (CH Three ) 2 ) And o-, m- and p-thiocresol congeners (CH Three Ph.S.H), benzyl methyl sulfide (PhCH) 2 ・ S ・ CH Three ), Benzyl ethyl sulfide (PhCH 2 ・ S ・ CH 2 CH Three Examples thereof include compounds containing a phenyl group such as
[0029]
Dibenzyl selenide ((PhCH 2 ) 2 Se) and dibenzyl sulfide ((PhCH 2 ) 2 The hydrocarbon groups contained as in S) may all be aromatic hydrocarbon groups.
[0030]
A compound containing a Group VI atom and a plurality of aromatic hydrocarbon groups can also be exemplified as a compound formed by bonding an aromatic hydrocarbon group and a Group VI atom. For example, 2-thionaphthol (also referred to as 2-Thionophthol, Naphthalene-2-thiol or 2-Mercaptonaphthalene) and thionaphthene (also referred to as Thionaphthene or 1-Benzothiophene) correspond to this.
[0031]
When the compound containing an aromatic hydrocarbon group as described above is thermally decomposed, for example, the aromatic hydrocarbon group formed by bonding with a Group VI atom is separated while maintaining its form, so that the aromatic ring There is an advantage that the hydrocarbon fragments generated by decomposition are few, and the contamination of the carbon into the growth layer due to the doping of the group VI atoms is reduced.
[0032]
In the present invention, a cycloaliphatic carbonization which contains a group VI element as a doping source, does not contain a bond between a carbon atom and a nitrogen atom or a bond between a nitrogen atom and a hydrogen atom and does not contain an oxygen atom as a substituent. A hydrogen compound (an alicyclic compound for short) is used.
The reason for eliminating the bond between the carbon atom and the nitrogen atom or the bond between the nitrogen atom and the hydrogen atom is as described above.
The cycloaliphatic compound of the present invention includes cyclohexylmethyl sulfide in which a cyclohexane ring and a methyl group are bonded to a sulfur (S) atom, a cyclohexan sulfide having a cyclohexane ring and an S atom bonded, and a phenyl group that is an aromatic hydrocarbon group. An example is cyclopropyl phenyl sulfide with (Ph-).
[0033]
In the present invention, a group VI atom and a hydrocarbon containing multiple bonds such as a double bond between carbon atoms (-C = C-; symbol-represents a single bond = represents a double bond, respectively). A compound containing a bond is used as a dopant source. There will be one pi (π) bond in the double bond and two π bonds in the triple bond. The hydrocarbon group possessing this π bond will be separated from the Group VI element by thermal decomposition. Even when the bond is broken and released, thermal structural stability is maintained by conjugation by the π bond. As a result, in a hydrocarbon group including multiple bonds, the possibility of generating fragments such as radicals containing carbon by splitting into smaller molecules is reduced. Therefore, there is an advantage that the contamination of carbon into the growth layer is reduced.
[0034]
Group VI atoms and carbon atoms The child joins and 2 Hydrocarbons containing multiple bonds such as double bonds Elementary An example of the compound is an aliphatic compound in which the same unsaturated aliphatic hydrocarbon group is bonded. For example, diallyl sulfide ((CH 2 = CHCH 2 ) 2 S) R—S—R type compounds. An unsaturated aliphatic hydrocarbon group containing a double bond and a saturated hydrocarbon group VI Tribe atom The compound bonded to the allyl methyl sulfide (CH 2 = CHCH 2 SCH 3 ), Allyl ethyl sulfide (CH 2 = CHCH 2 SCH 2 CH 3 ), Allyl normal hexyl sulfide ( (CH 2 = CHCH 2 ) 2 S (CH 2 ) 5 CH 3 ), Allyl normal dodecyl sulfide ( (CH 2 = CHCH 2 ) 2 S (CH 2 ) 11 CH 3 R—S—R′-type linear hydrocarbon group such as The It can be illustrated.
[0035]
The above-mentioned compounds listed as examples are examples of compounds containing an aliphatic unsaturated hydrocarbon group and a bond of S as a Group VI element, but the compounds are not limited to these, for example, aromatic A compound in which a group hydrocarbon group and an unsaturated aliphatic hydrocarbon group are bonded to a group VI element may be used. The group VI element may be Se, tellurium (Te), or the like.
[0036]
Examples of compounds containing one aromatic hydrocarbon group and an unsaturated aliphatic hydrocarbon group include benzylmethallyl sulfide (PhCH 2 ・ S ・ CH 2 C (CH Three ) = CH 2 ) And the like.
[0037]
In the hydrocarbon group represented by R or R ′, the space volume occupied by the hydrocarbon group increases as the number of carbon atoms constituting the hydrocarbon group increases. For example, a methyl group (CH Three Compared with-), the ethyl group (CH Three CH 2 The space volume occupied by-) is large. When a hydrocarbon group with a large number of carbon atoms is added to a Group VI element, for example, an electrophilic reaction to the Group VI atom due to steric hindrance due to the large volume occupied by the hydrocarbon group. It becomes difficult to cause. Even if the number of carbon atoms constituting the group is the same, the branched hydrocarbon group has a larger volume of space than the straight chain hydrocarbon group. For example, as compared with a normal propyl group which is an example of a linear hydrocarbon group, an isopropyl group which is an example of a branched group has a larger spatial occupation area and is still bonded to the group VI. The effect of shielding atoms against the approaching molecule is further increased. Therefore, it has been widely used (CH Three ) Three Ga or (CH Three ) Three There is an advantage that the coupling reaction, which has been a problem in the past with an electrophilic compound with a trialkyl compound such as Al, can be suppressed.
[0038]
A compound formed by combining a branched hydrocarbon group and a Group VI element includes diisopropyl sulfide (((CH Three ) 2 CH 2 ) 2 S), diisoamyl sulfide (((CH Three ) 2 CHCH 2 CH 2 ) 2 S) etc. can be illustrated. These are examples of R-VI-R type compounds in which the same branched hydrocarbon group is bonded to a Group VI element (the symbol VI represents a Group VI atom). RSR ′ type compounds in which different hydrocarbon groups are bonded to Group VI elements include tertiary butylmethyl (CH Three SC (CH Three ) Three ), Tertiary butyl ethyl sulfide (CH Three CH 2 SC (CH Three ) Three ), Normal butyl isopropyl sulfide (CH) Three (CH 2 ) Three SCH ((CH Three ) CH Three ), Normal butyl isobutyl sulfide (CH Three (CH 2 ) Three SCH 2 CH (CH Three ) CH Three ), Secondary butyl methyl sulfide (CH) Three SCH (CH) Three CH 2 CH Three ), Secondary butyl tertiary butyl sulfide (CH) Three CH 2 CH (CH Three ) S (CH 2 ) Three CH Three ), Secondary ibutyl isobutyl sulfide ((CH Three ) 2 CHCH 2 SCH (CH Three ) CH 2 CH Three ), Tertiary amyl methyl sulfide (CH) Three CH 2 C (CH Three ) 2 SCH Three ) And the like. The above example is an example of a compound containing S as group VI, but the group VI atom is not limited to S.
[0039]
In addition, a compound having a branched hydrocarbon group and an unsaturated hydrocarbon group containing a double or triple multiple bond is also treated herein as a compound having a branched hydrocarbon group according to the present invention. For compounds in which a branched hydrocarbon group and an unsaturated aliphatic hydrocarbon group containing a double bond are bonded to a Group VI atom, allyl isopropyl sulfide (CH 2 = CHCH 2 SCH (CH Three ) 2 ), Diallyl secondary butyl sulfide (CH) 2 = CHCH 2 SCH (CH Three ) CH 2 CH Three ), Allyl secondary butyl sulfide (CH 2 = CHCH 2 SCH (CH Three ) CH 2 CH Three And the like. These compounds have different hydrocarbon groups bonded to each other, but for compounds in which the same hydrocarbon group is bonded to a group atom, dimethallyl sulfide ((CH 2 = C (CH Three ) CH 2 ) 2 S) etc. can be illustrated. A compound containing a branched aliphatic hydrocarbon group is a compound of the R-VI-R type or RSR 'type if classified from the structure.
[0040]
In the present invention, a compound containing a plurality of Group VI atoms in the same molecule is used as a doping source. When the hydrocarbon group bonded to the group VI atom is the same, and there are a plurality of group VI atoms in the same molecule, the total number of atoms constituting the molecule (here, (a)) ) To the total number of group VI atoms (here, referred to as (b)) ((b / a)), for example, normal heptylmethyl sulfide (CH) containing one S group VI atom Three (CH 2 ) 6 ・ S ・ CH Three ), (A) = 27 and (b) = 1, so (b / a) is about 0.037. On the other hand, although the type of the aliphatic hydrocarbon group bonded to S of the Group VI atom and the number of groups by type are the same, 2,9-dithiadecane ((CH Three ・ S ・ (CH 2 ) 6 ・ S ・ CH Three ), (A) becomes 28 due to the increase of one S atom. In this case, since (b) = 2, (b / a) = 0.071, and the constituent ratio occupied by the group VI atoms increases with respect to the number of atoms constituting the molecule. Thus, for example, if the number of moles of the compound serving as the dopant source supplied to the vapor phase growth system is the same, the group VI released from the same volume (supply amount) of molecules by, for example, thermal decomposition There is an advantage that an increase in the amount of elements is brought about. Examples of these compounds include 1,2-benzenedithiol (C Four H 6 S 2 ) And other aromatic compounds, and 1,10-decanedithiol (H · S · (CH 2 ) Ten -H-S- (CH such as S / H) 2 ) N-SH type (n is a positive integer of 0 or more), 2,6-dithiaheptane (CH Three ・ S ・ (CH 2 ) Three ・ S ・ CH Three R-S- (CH 2 ) n There are -S-R type (n is a positive integer of 0 or more) aliphatic compounds. Such a compound is an example of a compound containing a plurality of Group VI atoms in the same molecule, although it does not contain bonds between Group VI atoms.
[0041]
A compound containing a plurality of Group VI atoms in the same molecule and bonded to each other among Group VI atoms is further superior in thermal decomposability. Examples of the bond between Group VI atoms include, for example, (-S-S-) (-represents a bond), (-Se-Se-), (-Te-Te-) and the like. Saying that they are connected. Around the Group VI atoms forming such a mutual bond, electrons that do not contribute to the bonding exist as non-bonding electron pairs. If there are negatively charged electron pairs around each other group VI atom to which they are bonded, repulsion between pairs of electrons having the same negative charge occurs. This electrical repulsive force facilitates the breakage of bonds between Group VI atoms. This facilitates the decomposition of the compound and is advantageous for releasing Group VI atoms into the vapor phase growth system.
[0042]
Examples of the compound containing a plurality of Group VI atoms in the same molecule and including a bond between Group VI atoms include the following compounds (1) to (4) wherein b is 2 Can be illustrated.
(1) Dimethyl disulfide ((CH Three ) 2 S 2 ), Diethyl disulfide ((CH Three CH 2 ) 2 S 2 ), Dinormalpropyl disulfide ((CH Three (CH 2 ) 2 ) 2 S 2 ), Dinormal hexyl disulfide ((CH Three (CH 2 ) Five ) 2 S 2 ), Dinormal heptyl disulfide ((CH Three (CH 2 ) 6 ) 2 S 2 ) And other saturated hydrocarbon groups and diallyl disulfide ((CH 2 = CHCH 2 ) 2 S 2 ) And the like, for example, a skeleton having an unsaturated hydrocarbon group, for example, R-VI-VI-R type (symbol VI represents a Group VI atom), and an aliphatic system in which an aliphatic hydrocarbon group is added and bonded Compound. Also, diphenyl diselenide (Ph-Se-Se-Ph), dibenzyl diselenide (PhCH 2 -Se-Se-CH 2 Ph), dibenzyl disulfide (PhCH 2 -S-S-CH 2 For example, the skeleton is Ph-VI-VI-Ph type or PhCH. 2 -VI-VI-CH 2 Aromatic compound for Ph type.
(2) Aromatic groups are arranged symmetrically with respect to bonds between Group VI atoms such as 2,2′-dipyridyl disulfide, 4,4′-dipyridyl disulfide, di (2-thienyl) disulfide, etc. Aromatic compounds.
(3) An alicyclic compound such as dicyclohexyl disulfide.
(4) A compound having an asymmetric structure with respect to bonding between Group VI atoms, in which different hydrocarbon groups are bonded to Group VI atoms that are bonded to each other.
[0043]
In the present invention, an alicyclic compound, an aromatic compound, a derivative thereof or a substituted product thereof containing a hetero (hetero) ring is used as a dopant source. However, the derivative and the substituent do not include a substituent having a bond between a carbon atom and a nitrogen atom and a bond between a nitrogen atom and a hydrogen atom. The reason is as described above. It shall not contain oxygen atoms.
[0044]
In particular, an alicyclic compound, an aromatic compound, a derivative thereof, or a substituent thereof having a heterocycle having a group VI element as a hetero atom is used as a dopant source.
[0045]
In particular, an alicyclic compound, an aromatic compound, a derivative thereof, or a substituent thereof containing a heterocycle having a nitrogen atom and a Group VI element as a hetero atom is used as a dopant source.
[0046]
In brief, an alicyclic compound composed of a heterocyclic ring is a compound having a cyclic structure in which one hydrocarbon group is bent in a ring shape and both ends of the group are bonded to a Group VI element. One example of this compound is hexamethylene sulfide ((CH 2 ) 6 S) and the like. When there is one group VI atom as a hetero atom, a methylene group (CH 2 -) Etc. are bonded. Since the hydrocarbon group is generally an electron donating group, the electron density around the methylene groups at both ends and the hetero atom increases. There are also non-bonding electron pairs of Group VI atoms around the Group VI heteroatoms. Due to this electron pair and the deviation of the electron density in the hydrocarbon group constituting the ring, an electric repulsion occurs between the heteroatom and both ends of the hydrocarbon group constituting the ring, and the heteroatom and the hydrocarbon Is broken. Thereby, there is an advantage that the heterocycle is broken and the heteroatom is easily released.
[0047]
In the same manner as described above, a hetero (hetero) cyclic alicyclic compound including a hetero (hetero) ring having a plurality of group VI atoms of periodic periodicity as atoms constituting the ring, and its substitute, It is easy to cleave with the bonded methylene group or the like. Therefore, there is an advantage that hetero atoms can be easily released. Further, if a plurality of Group VI heteroatoms are included, the number of non-bonded electron pairs present around the Group VI atoms increases. Thereby, there is an advantage that the molecule is further easily cleaved by repulsion between electron pairs existing in the molecule. Examples of these compounds are Dithianes. A homologue such as 1,3-dithiane or 1,4-dithiane or a phenyl group added to dithiane, for example, an alicyclic compound having a 6-membered ring structure such as 2-phenyl-1,3-dithiane, Examples thereof include alicyclic compounds having a 5-membered ring structure such as dithiolane. Dithianes and dithiolanes are heterocycles containing two S atoms as ring constituent atoms, but even if they are other group VI elements such as Se, regardless of the group VI atoms constituting the heterocycles. I do not care. Also, the group VI constituent atoms constituting the heterocycle may be different.
[0048]
In the present invention, an aromatic heterocyclic compound having a hetero ring containing a group VI element as a constituent atom of at least one ring, a derivative thereof, or a substituent thereof is used as a dopant source. However, the derivative and the substituent do not include a substituent having a bond between a carbon atom and a nitrogen atom and a bond between a nitrogen atom and a hydrogen atom. This is because there is an advantage that decomposition of the compound is facilitated by an electric repulsive force between a π electron existing in the ring and a non-bonded electron pair of the Group VI hetero atom.
[0049]
This includes thiophene having a heterocycle containing S (Thiophen: C Four H Four S). Thiophene derivatives added with aliphatic hydrocarbon groups such as 2-mercaptothiophene, 2,5-dimethylthiophene, and normal amylthiophene, and aromatic groups containing phenyl groups such as 2-phenylthiothiophene and 3-phenylthiothiophene Examples are compounds.
[0050]
Further, a compound containing a plurality of heterocycles containing S corresponds to an aromatic heterocyclic compound having a heterocyclic ring containing a Group VI element as a constituent atom of at least one ring, and a derivative or substituted product thereof. These include, for example, 3,4-dimethylthienothiophene, 2,2′-dithienyl and 3,3′-dithienyl with a 5-membered heterocycle containing two S as heteroatoms.
[0051]
In addition, aromatic compounds having a structure in which a 5-membered ring and a 6-membered ring are condensed such as 3-methylbenzothiophene and 5-methylbenzothiophene can also be exemplified.
[0052]
In addition, compounds having a structure in which two 6-membered rings and one 5-membered ring are condensed, such as dibenzothiophene, can also be exemplified. Examples of the compound consisting of a heterocyclic ring containing selenium (Se) containing a Group VI element other than S include 2,5-dimethylbenzselenazole. There are no restrictions on the type of group VI atom constituting the heterocycle and the number or quantity of the ring attached to the heterocycle.
[0053]
In vapor phase growth of nitrogen-containing III-V compound semiconductor layers such as GaN, AlN, InN, or mixed crystals thereof, NH is used as described above. Three Is frequently used as an N source. NH Three Therefore, the growth of these nitrogen-containing group III-V compound semiconductor layers has been conventionally carried out usually at a high temperature of about 1000 ° C. and at a minimum of about 800 ° C. At such a high temperature, N volatilization from the growth layer also becomes intense, resulting in a nitrogen-containing III-V compound semiconductor layer that is stoichiometrically unbalanced. In the present invention, a compound containing a nitrogen atom as a hetero atom and a group VI element is obtained in order to obtain a conductive layer that overcomes the conventional situation and is excellent in stoichiometry and exhibits n-type conduction. It is used as a dopant source for group atoms.
[0054]
Examples of typical compounds containing both N atom and Group VI atom according to the present invention are illustrated in the following 6 items.
[0055]
A compound having an aromatic heterocycle containing one N atom as a heteroatom and a group containing a Group VI atom such as a mercapto group (-SH), etc., and having only a 6-membered heterocycle Mercaptopyridine and the like.
[0056]
A compound comprising an aromatic heterocycle containing two N atoms as a heteroatom and a group containing a Group VI atom such as a mercapto group (-SH) or a Group VI atom, for example, a 5-membered ring 2-mercaptoimidazole having a structure, 2-mercapto-1-methylimidazole having an alkyl substituent of imidazole, 2-mercaptobenzimidazole having a condensed structure of a 5-membered ring and a 6-membered ring, and an alkyl-substituted product Imidazoles such as 2-mercapto-5-methylbenzimidazole.
[0057]
Pyrimidines such as 2-mercaptopyrimidine, 4,6-diamino-2-mercaptopyrimidine, and 4,6-diamino-2-methylmercaptopyrimidine having a 6-membered ring structure.
[0058]
A compound comprising an alicyclic heterocycle having one N atom as a heteroatom and a group VI atom or a group containing a group VI atom.
[0059]
A compound comprising an alicyclic heterocycle having two N atoms as heteroatoms and a group VI atom or a group containing a group VI atom. As an example, 2-imidazolidinethione containing a double bond between an alicyclic heterocycle containing two N heteroatoms and an S atom outside the ring.
[0060]
3-mercapto-, which is a compound having a heterocycle having three or more N atoms as heteroatoms and a group VI atom or a group containing a group VI atom, and having a mercapto (-SH group) as an example Triazoles such as 1,2,4-triazole and 3-mercapto-4-methyl-1,2,4-triazole.
[0061]
In the present invention, a compound containing both a nitrogen atom and a Group VI element as a hetero atom constituting a ring is used as a doping source for the reasons described above. Examples of representative compounds are shown in the following 4 items.
[0062]
This is an aromatic heterocyclic compound containing one N heteroatom and one group VI atom such as S or Se as a heteroatom, such as 2-mercaptothiazole, 2-isopropyl-4 -There are heterocyclic compounds with a 5-membered ring structure such as methylthiazole.
[0063]
For example, thiazoles such as 2-mercaptobenzothiazole and 2-mercapto-4-phenylthiazole having a condensed structure of a 5-membered heterocycle and a 6-membered ring group, and 2-mercaptobenzselenazole (C 7 H Four Selenazoles such as NSe-SH.
[0064]
For example, thiazolines such as 2-mercaptothiazoline containing one double bond in the ring.
[0065]
A compound having a heterocycle having two N heteroatoms and one Group VI atom as heteroatoms. For example, thiadiazoles such as 4,5-diphenyl-1,2,3-thiadiazole, 2-mercapto-5-methyl-1,3,4-thiadiazole, and 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole.
[0066]
The above description is a classification example for convenience based on the structure of a functional group or a heterocyclic ring, and includes, for example, an aromatic heterocyclic ring containing one N atom as a hetero atom and a mercapto group (-SH). 2-mercaptopyridine can also be classified as a compound containing two Group VI atoms identical to one N atom. Similarly, 2-mercaptobenzselenazole (C) which is an aromatic heterocyclic compound containing one N heteroatom and one group VI atom such as S or Se as a heteroatom. 7 H Four NSe-SH) or the like is a compound containing two Group VI atoms different from one N atom when attention is paid to the number of atoms constituting the NSe-SH).
[0067]
The above-described compounds or derivatives or substitutes thereof do not contain an oxygen atom. When oxygen atoms are released into the vapor phase growth reaction system with the decomposition of these compounds, for example, oxidizable (CH Three ) Three This is because Al and the like are oxidized, so that growth of an AlN film or an AlGaN mixed crystal film having a good film quality is hindered. For example, a compound containing a branched hydrocarbon group is diisobutylsulfone ((CH Three ) 2 CHCH 2 ) 2 S 2 O 2 A compound containing an oxygen atom such as) is not preferred. Even compounds having an aromatic heterocycle containing one N atom as a heteroatom and a mercapto group (-SH), such as 2,8-dimercapto-6-hydroxypurine, etc. A compound in which a hydroxyl group (OH-) containing an oxygen atom is added as a substituent is not preferred.
[0068]
When the group VI atom is doped into the nitrogen-containing group III-V compound semiconductor layer by vapor deposition, there is no particular limitation on the growth method of the compound semiconductor layer. Conventional MOVPE methods and VPE growth methods can be used. A growth method such as a molecular beam epitaxy (MBE) method or a chemical beam epitaxy (CBE) method can also be used. There are MBE methods such as gas source (GS) MBE and organic metal (MO) MBE depending on the form of the raw material used, but any of them can be used. There is no limitation on the Ga, Al, In, or N raw material for growing the nitrogen-containing III-V compound semiconductor layer.
[0069]
For example, the MOCVD method is broadly classified into a normal pressure method in which the growth reaction is performed under substantially atmospheric pressure (normal pressure) and a reduced pressure method in which the growth reaction is performed under reduced pressure. In any method, the growth of the nitrogen-containing group III-V compound semiconductor layer is conventionally performed in a temperature range of about 300 ° C. to about 1000 ° C. Therefore, doping can also be performed in this temperature range. . Sufficient thermal energy is given to desorb hydrocarbon groups etc. from group VI elements, and from the viewpoint of suppressing the generation of extra fragments due to desorbed hydrocarbon groups etc. at higher temperatures than necessary. For example, the doping temperature is preferably in the range of about 400 ° C. to about 800 ° C. In addition, in doping using the compound according to the present invention, it is not necessary to uniformly set the doping temperature (growth temperature). You can change the temperature. Further, in the case where a nitrogen-containing III-V compound semiconductor layer using the compound according to the present invention as a doping source is provided as one constituent layer of a laminated structure, the temperature at which the doping layer is provided and the other laminated structure constituent layers The growth temperature may be the same or different.
[0070]
When the compound according to the present invention is used as a doping source, a number of techniques can be used for its usage. For example, if the compound according to the present invention is liquid at room temperature, it can be supplied as a doping source into the vapor phase growth reaction system by performing a bubbling operation with an inert gas such as hydrogen, nitrogen or argon. The compound that performs the bubbling operation may be a simple substance or a mixture of the compounds according to the present invention. Moreover, you may dilute and use the compound concerning this invention to a suitable density | concentration. For example, a gas (gas) containing the compound according to the present invention at a concentration of about several ppm to several percent may be used as the doping source.
[0071]
There is no specific method for adding a doping source comprising the compound according to the present invention to the vapor phase growth reaction system. For example, in a general MOCVD or VPE facility, the starting material vapor or the like may be merged with a carrier gas such as hydrogen for transporting it into the reactor. In this case, there is no restriction on the position where the doping source is joined to the pipe or the like through which the carrier gas flows. Moreover, you may make it reach | attain to a reaction furnace independently, without making it merge with carrier gas etc.
[0072]
Benzyl 2-chloroethyl sulfide (PhCH 2 S (CH 2 ) 2 Cl), halogen substitution products such as 2,3,4-tribromothiophene and 2,3,5-tribromothiophene are not suitable for the MOVPE method among the vapor phase growth methods, but are suitable for the halogen VPE and hydride VPE methods. It can be used as a dopant for Group VI elements.
[0073]
The compound according to the present invention is used as a doping source for the group VI element, and is grown by the vapor phase growth method exemplified above, and the carbon concentration to which the group VI element is added is 8 × 10 8. 16 cm -3 A semiconductor device is configured using the following nitrogen-containing III-V compound semiconductor layer. As a result of intensive studies by the present inventor, for example, conventional (CH Three ) Three Ga / NH Three / H 2 In the gas phase reaction system, H 2 When a GaN film was obtained using S as a doping source of S, the carbon concentration in the film was 8 × 10 16 cm -3 The degree became high. The mechanism of carbon contamination is not fully understood, but Lewis basic H 2 S and Lewis acidic (CH Three ) Three It was presumed that the methyl radical that was eliminated during the formation of the complex due to the electron accepting / donating reaction with Ga was the source of carbon contamination.
[0074]
On the other hand, the compound according to the present invention has an advantage that the complex formation reaction with the Lewis acidic substance is suppressed in the first place due to the steric hindrance effect of the hydrocarbon group bonded to the Group VI element or the conjugation effect in the ring. . In addition, an aromatic ring group or an alicyclic hydrocarbon group, etc. added to a Group VI element, in the compound, an aromatic ring group or an alicyclic hydrocarbon group released from the Group VI element, etc. Since it is easy to form a thermally stable compound, a fragment containing carbon such as a radical is hardly generated. Thereby, in the compound according to the present invention, the degree of carbon contamination in the nitrogen-containing group III-V compound semiconductor growth layer can be suppressed, and the carbon concentration in the layer can be reduced to 8 × 10. 16 cm -3 The following can be suppressed. In the growth layer in which the carbon concentration is suppressed to a low level, the impurity concentration in the layer is reduced, so that there is an advantage that an improvement in electrical characteristics such as an improvement in electron mobility is brought about. In addition, since the concentration of carbon atoms remaining in the layer is suppressed to a low level, when carbon is intentionally added, the residual carbon concentration with respect to the carbon concentration to be doped is reduced even when a low concentration carbon doping is performed. The ratio is reduced, so that the variation of the total carbon atom concentration in the layer due to the residual carbon concentration of the total carbon concentration represented by the sum of the residual carbon concentration and the doping carbon concentration can be reduced.
[0075]
In the present invention, the carbon concentration is 8 × 10. 16 cm -3 For example, a semiconductor device such as a field effect transistor or a light-emitting diode is configured using a nitrogen-containing III-V compound semiconductor layer to which a Group VI element is added. Carbon concentration is 8x10 16 cm -3 If it becomes below, the transparency of a nitrogen-containing III-V compound semiconductor layer will not be impaired. Further, if the carbon concentration is lower than this concentration, for example, the mobility is not significantly reduced. In the field effect transistor using the layer whose electron mobility is improved by reducing the carbon concentration in the layer as described above, the FET characteristics such as mutual conductance are improved.
[0076]
【Example】
Example 1
The present invention will be described based on an example in which an AlN layer formed by adding Se as a Group VI element is obtained by a vapor phase growth method.
FIG. 3 shows a schematic diagram of the vapor phase growth equipment used for the MOCVD growth described in this example.
[0077]
As a Se doping source (101), diphenyl diselenide (C 6 H Five -Se-Se-C 6 H Five ; Ph · Se · Se · Ph) was used. Ph, Se, Se, and Ph were stored in a stainless steel container (102) having an internal volume of about 150 cc. The temperature of the container (102) for storing Ph, Se, Se, and Ph was maintained at 75 ° C by a thermostatic bath (107) in order to liquefy Ph, Se, Se, and Ph having a melting point of about 62 ° C. The material, internal volume, and set temperature of the container (102) are not limited to the above values.
[0078]
(103) is trimethylaluminum ((CH Three ) Three Al). (CH Three ) Three Al was stored in a stainless steel container (104). (CH Three ) Three The container for Al (104) was kept at 25 ° C. by a thermostatic bath (107). The temperature of each container ((102) and (104)) containing the doping source (101) and the Al source (103) is maintained by the thermostat (107) before the substrate heating operation described later is performed. It was. The set temperature is not limited to this. As a nitrogen source, liquefied ammonia gas (NH Three ) (126) was used.
[0079]
High purity nitrogen (N) used as a raw material transfer gas (110) for Ph, Se, Se, and Ph in the container (102) 2 ) Gas was circulated and bubbled. N used for bubbling 2 The gas flow rate was set to 150 cc / min. Gas for bubbling Ph, Se, Se, and Ph as a doping source of a group VI element is not necessarily N. 2 However, the present invention is not limited thereto, and may be an inert gas such as hydrogen gas or argon gas, or a mixed gas obtained by mixing them. (CH in container (104) Three ) Three In Al (103), high-purity hydrogen gas used as a raw material carrying gas (110) was circulated at a flow rate of 25 cc / min and bubbled. Ph, Se, Se, Ph and (CH Three ) Three Al bubbling operation was started about 30 minutes before the heating operation of the substrate (115) described later.
[0080]
Before the start of AlN film formation on the substrate, Ph, Se, Se, Ph, and (CH Three ) Three The raw material transfer gas (110) containing Al vapor passes through the pipes ((113-1) and (113-2)) corresponding to the respective raw materials, and the valves ((114-2) in the open state). And (114-4)) to the exhaust pipe (112).
[0081]
After placing a {0001} -plane-oriented sapphire (single crystal alumina) substrate as a substrate (115) on a heating body (117) in the growth reaction vessel (108), piping (111) is placed in the growth reaction vessel (108). ) Through which hydrogen carrier gas (109) was introduced. The flow rate of the hydrogen carrier gas (109) was 7.0 l / min. Twenty minutes after the introduction of the hydrogen carrier gas (109) into the growth reaction vessel (108) was started, energization of the heating body (117) was started and the substrate (115) was heated to 700 ° C. The pressure in the growth reaction vessel (108) was almost atmospheric pressure.
[0082]
After the temperature of the substrate (115) reaches 700 ° C. and held for 20 minutes, the valves ((114-2) and (114-4)) are switched from the open state to the closed state, and conversely, the valve ((114- 1) and (114-3)) are opened from the closed state, and the above-mentioned Ph · Se · Se · Ph and (CH Three ) Three A raw material carrying gas (110) containing Al was introduced into the pipe (111) and merged with the hydrogen carrier gas (109). NH as N source at the same time Three The gas (126) was introduced into the pipe (111) using the pipe (125) and merged with the hydrogen carrier gas (109). NH Three The flow rate of the gas (126) is V / III ratio, ie NH to the reaction vessel (108). Three / (CH Three ) Three The Al supply ratio was set to about 1000.
[0083]
While maintaining the temperature of the substrate (115) at 700 ° C. and maintaining the pressure in the growth reaction vessel (108) at almost atmospheric pressure, the hydrogen carrier gas (109) containing this raw material component is introduced into the growth reaction vessel (108). Was introduced into the gas nozzle (118) provided above the substrate (115) and continuously supplied to the surface of the sapphire C-plane substrate (115) for 40 minutes.
[0084]
By the above vapor phase growth operation, an AlN growth layer in which Se having a thickness of about 0.14 μm was added on the sapphire substrate (115) was obtained. From the result of semi-quantitative analysis by secondary ion mass spectrometry (SIMS), the total concentration of Se atoms in the AlN growth layer is 10 18 cm -3 It was near. The AlN growth layer exhibited n-type conduction, and the sheet resistance at room temperature was about 2800 Ω / □. Carbon concentration is 3 × 10 15 cm -3 Met. This sheet resistance is about an order of magnitude lower than the value obtained at the same V / III ratio as in the present example using conventional Si as a dopant. Compared with the conventional example, the doping efficiency is improved. It was accepted.
[0085]
Ph, Se, Se, Ph and (CH Three ) Three Al-containing bubbling gas and NH Three The mixing order when the hydrogen gas containing hydrogen is merged with the hydrogen carrier gas is not limited to the flow chart shown in FIG. 3, and may be mixed in any order.
[0086]
(Example 2)
The present invention will be described in detail based on an example in which a light emitting diode (LED) as an example of a semiconductor device is configured. FIG. 4 shows a schematic view of atmospheric pressure MOCVD vapor phase growth used to obtain a laminated structure for LED applications of this example. FIG. 5 is a schematic sectional view of an LED according to the present invention. The substrate (115) was an aluminum (Al) disk having a diameter of about 62.5 mm. The thickness of the substrate (115) was about 500 μm.
[0087]
On the surface of the substrate (115), a GaN layer (121) doped with sulfur (S), an AlGaN layer (122), an AlGaN layer (124) and a GaN layer (123) are sequentially formed by an atmospheric pressure MOCVD method. Deposited.
[0088]
As a doping source (101) of S, diallyl sulfide (CH) consisting of a bond of an allyl group containing a double bond of a carbon atom as a hydrocarbon group and an S atom. 2 = CHCH 2 -S-CH 2 CH = CH 2 ) Was used. Diallyl sulfide was stored in a stainless steel bubbler container (102). The temperature of the container (102) was kept at 70 ° C. by a thermostatic bath (107).
[0089]
Each of the Al source (103) and the Ga source (105) includes (CH Three ) Three Al and (CH Three ) Three Ga was used. (CH Three ) Three Al in a stainless steel bubbler container (104), (CH Three ) Three Ga was individually stored in a stainless steel bubbler container (106). The container (104) for storing the Al source was kept at 25 ° C. by a thermostatic bath (107). The container (106) for storing the Ga source was kept at 0 ° C. by the thermostatic bath (107). As the nitrogen source (119), pyrrole was used. The nitrogen source was stored in a stainless steel container (120) and kept at 60 ° C. by a thermostatic bath (107). The temperature of each container ((104), (106) and (120)) containing the Al source (103), Ga source (105) and N source (119) is set in advance before the substrate heating operation described later is performed. , And kept stable at each of the above temperatures. The set temperature is not limited to this. In the present example, all the raw materials of the Group III and Group V elements were used in a liquid state, but the usage form of the raw materials is not limited to this.
[0090]
Before the start of film formation of the GaN layer (121) to which S, which is a group VI element, is added on the substrate (115), a diallyl sulfide dopant source (101), an Al source (103), Ga In the container that houses the source (105) and the N source (119), high-purity hydrogen (H 2 ) Gas was circulated and bubbled. H used for bubbling 2 The gas flow rates were 120 cc / min for the dopant source (101), 55 cc / min for the Al source (103), 35 cc / min for the Ga source (105), and 180 cc / min for the N source (119), respectively. I set it. The raw material transfer gas (110) accompanied by the vapor of each raw material passes through the pipes ((113-1) to (113-4)) corresponding to the respective raw materials, and the valve ((114-2), (114-4), (114-6), and (114-8)) were passed through and circulated through the exhaust pipe (112). The gas to be bubbled is not necessarily H 2 However, the present invention is not limited thereto, and may be an inert gas such as nitrogen gas or argon gas, or a mixed gas obtained by mixing them. These bubbling operations started about 30 minutes before the heating operation of the substrate (115) described later. Hydrogen was circulated as a carrier gas at a flow rate of 7 liters in the pipe (111) for circulating the carrier gas communicating with the reactor (108).
[0091]
The temperature of the substrate (115) placed on the heating body (117) in the growth reaction vessel (108) reaches 680 ° C. from room temperature by starting energization of the resistance heating type heating body (117). The temperature was raised to. After 20 minutes have passed since reaching the same temperature, the valve (114-8) is changed from the open state to the closed state, and conversely, the valve (114-7) is changed from the closed state to the open state, and the steam from the N source (119) is accompanied. The hydrogen carrier gas containing the raw material gas provided immediately above the substrate (115) in the reaction vessel (108) by joining the raw material transfer gas (110) to the hydrogen carrier gas (109) flowing through the pipe (111) (109) was passed through the gas nozzle (118) for spraying the surface of the substrate (115) and supply to the surface of the substrate (115) was started.
[0092]
Similarly, after 20 minutes have passed since the temperature of the substrate (115) reached 680 ° C., the vapor of the dopant source (101) that was circulated in the pipe (113-1) and circulated in the exhaust side pipe (112) was used. The accompanying material transfer gas (110) was merged with the hydrogen carrier gas (109) flowing in the pipe (111) by reversing the open / closed state of the valves ((114-1) and (114-2)).
[0093]
An environment is created in which a gas containing each vapor of the dopant source (101) and the N source (119) is blown to the surface of the substrate (115) through the nozzle (108). After 5 minutes, the inside of the pipe (113-3) is created. Hydrogen carrier gas (110) in the pipe (111) by reversing the open / close state of the valve ((114-5) and (114-6)) of the raw material carrier gas (110) accompanying the vapor of the circulating Ga source (105) 109). Thereby, the growth of GaN formed by adding S was started. While maintaining the pressure in the reaction vessel (108) at approximately atmospheric pressure, the film formation was continued for 40 minutes, whereby the GaN layer (121) having a film thickness of about 0.4 μm added to the substrate (115) Deposited on top.
[0094]
Thereafter, the valve (114-5) attached to the pipe (113-3) for the Ga source (105) is closed, and conversely, the valve (114-6) is opened and the Ga source (105) is again accompanied. The raw material transfer gas (110) to be conducted was led to the exhaust side pipe (112), and the supply of the Ga source (105) to the reaction furnace (108) was temporarily stopped. On the other hand, the supply of N source (119) continued.
[0095]
After the supply of the Ga source (105) to the growth reactor (108) has been suspended for 5 minutes, the Ga source is again operated by operating the valve ((114-5) and (114-6)). The raw material transport gas (110) containing (105) was joined to the hydrogen carrier gas (109). At the same time, by reversing the open / close state of the valves ((114-3) and (114-4)) attached to the pipe (113-2) with the raw material carrying gas (110) accompanied by the Al source (103), the reaction A hydrogen carrier gas (109) containing an Al source (103) was sprayed on the surface of the substrate (115) through the inside of the nozzle (118) installed in the container (108). In this state, the hydrogen carrier gas (109) also includes a dopant source (101) and an N source (119). Supply of the hydrogen carrier gas (109) containing the dopant source (101), Al source (103), Ga source (105), and N source (119) to the surface of the substrate (115) was continued for 30 minutes. . As a result, an AlGaN layer (122) having a thickness of about 0.4 μm formed by adding S was grown. The concentration of S atoms in the AlGaN layer (122) is about 4 × 10 according to SIMS analysis. 18 cm -3 Met.
[0096]
Next, the open / close state of the valves ((114-1) and (114-2)) is reversed, and the raw material transfer gas (110) containing the vapor of the dopant source (101) joins the hydrogen carrier gas (109). Stopped. That is, the supply of the dopant source (101) to the growth reaction furnace (108) was stopped. Supply of the Al source (103), Ga source (105), and N source (119) to the reactor (108) was continued. At the same time as the addition of the dopant source (101) to the hydrogen carrier gas (109) was stopped, dimethylzinc ((CH Three ) 2 Hydrogen gas (126) containing Zn at a concentration of about 100 ppm by volume was merged with the hydrogen carrier gas (109). The flow rate of the gas (126) is such that the concentration of Zn atoms in the AlGaN layer (124) is about 1 × 10. 18 cm -3 It adjusted so that it might become. The flow rate was generally 150 cc / min to 200 cc / min in this example. (CH Three ) 2 The supply of hydrogen gas (126) containing Zn was continued for 45 minutes, and an AlGaN layer (124) formed by adding Zn having a thickness of about 0.6 μm was deposited.
[0097]
Thereafter, the joining of the raw material transfer gas (110) containing the Al source (103) vapor to the hydrogen carrier gas (109) was stopped. N source (119) and (CH Three ) 2 Supply of the hydrogen gas (126) containing Zn to the growth reactor (108) was continued. After 5 minutes have passed since the supply of the Al source (103) was stopped, the raw material transfer gas (110) containing the vapors of the Ga source (105) and the dopant source (101) again merged with the hydrogen carrier gas (109). I let you. Thereby, Ga source (103) and N source (119) and (CH Three ) 2 A GaN layer formed by adding a hydrogen carrier gas (109) containing a hydrogen gas (126) containing Zn to the surface of the substrate (115) through the nozzle (118) in the reaction furnace (108) and adding Zn. (123) was deposited. The film thickness of the GaN layer (123) was 0.3 μm. The growth of each of the nitrogen-containing group III-V compound semiconductor layers ((121) to (124)) was performed while maintaining the pressure in the growth reaction vessel (108) at almost atmospheric pressure. For example, the growth may be performed under a reduced pressure of several torr to several hundred torr, that is, the growth may be performed by a reduced pressure MOCVD method. Moreover, there is no problem even if the growth pressure is changed for each layer.
[0098]
With the above configuration, the LED application comprising a total of four layers including the GaN layer (121) and the AlN layer (122) according to the present invention obtained by adding S as a Group VI element on the Al substrate (115). A laminated structure was obtained. The carbon atom concentration in the GaN layer and AlN layer ((121) and (122)) to which S is added is 2 × 10 according to SIMS analysis. 15 cm -3 Was less than. The nitrogen-containing III-V group compound species and the number of stacked layers constituting the stacked structure are not limited to this example. Further, the Group VI element added to the nitrogen-containing III-V group compound layer is not limited to S, and may be, for example, Se or Te. Further, for example, various Group VI elements such as S and Se may be added to the nitrogen-containing III-V compound layer.
[0099]
The above laminated structure was processed by applying a conventional general photolithography technique, etching technique, etc., and an LED as shown in the schematic sectional view of FIG. 5 was constructed.
The periphery of the electrode (127) on the surface side of the laminated structure is made of silicon oxide (SiO x ). This coating film is not limited to silicon oxide, and may be composed of silicon nitride. The electrode (128) on the back surface side was made the substrate (115) itself by utilizing the good electrical conductivity of Al as the substrate (115).
[0100]
【The invention's effect】
In a nitrogen-containing group III-V compound semiconductor, by using a specific organic compound containing a group VI element as a doping source, the doping efficiency of the group VI semiconductor can be easily increased. Mixing of carbon into the layer can be suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a general V / III ratio dependency of a vacancy concentration of a Group III element and a Group V element.
FIG. 2 is a diagram showing an example of V / III ratio dependence of sheet resistance of a GaN growth layer and a GaAs growth layer doped with Si.
3 is a schematic cross-sectional view of a vapor phase growth apparatus according to Example 1. FIG.
4 is a schematic cross-sectional view of a vapor phase growth apparatus according to Example 2. FIG.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device according to the present invention.
[Explanation of symbols]
(101) Dopand source of group VI elements
(102) Group VI element dopant source storage container
(103) Aluminum (Al) source
(104) Al source storage container
(105) Gallium (Ga) source
(106) Ga source storage container
(107) Constant temperature layer
(108) Growth reaction vessel
(109) Carrier gas
(110) Raw material transfer gas
(111) Piping to the growth reaction vessel
(112) Exhaust piping
(113-1) Piping for circulating a raw material carrying gas containing a dopant source
(113-2) Piping for circulating raw material transport gas containing Al source
(113-3) Piping for circulating a raw material carrying gas containing a Ga source
(113-4) Piping for circulating a raw material transport gas containing a nitrogen source
(114-1) Valve
(114-2) Valve
(114-3) Valve
(114-4) Valve
(114-5) Valve
(114-6) Valve
(114-7) Valve
(114-8) Valve
(115) Substrate
(116) Compound semiconductor growth layer
(117) Heating body
(118) Nozzle
(119) Nitrogen (N) source
(120) Stainless steel container for N source storage
(121) Gallium nitride (GaN) growth layer to which Group VI element is added
(122) Aluminum nitride gallium (AlGaN) growth layer to which Group VI element is added
(123) GaN growth layer
(124) AlGaN growth layer
(125) Cylinder gas piping
(126) Gas stored in a cylinder
(127) Surface electrode
(128) Back electrode
(129) A line schematically showing a change in the vacancy concentration of the group V element
(130) A line schematically showing changes in the vacancy concentration of group III elements
(131) A curve schematically showing a change in sheet resistance of a GaN growth layer doped with a group IV element
(132) A curve schematically showing a change in sheet resistance of a GaAs growth layer doped with a group IV element

Claims (6)

アルミニウム、ガリウム及びインジウムの少なくとも1種の元素と、少なくとも窒素を含む第V族元素からなるIII−V族化合物半導体素子の製造方法であって、ドーパント材料として、硫黄、セレン及びテルルのうち少なくとも1種の元素と、炭素原子数3以上の炭化水素基を含む鎖状炭化水素化合物を用いることを特徴とするIII−V族化合物半導体素子の製造方法。A method for producing a group III-V compound semiconductor device comprising at least one element of aluminum, gallium, and indium and a group V element containing at least nitrogen, wherein at least one of sulfur, selenium, and tellurium is used as a dopant material. A method for producing a group III-V compound semiconductor device, comprising using a chain hydrocarbon compound containing a seed element and a hydrocarbon group having 3 or more carbon atoms. 鎖状炭化水素化合物が直鎖状であることを特徴とする請求項1に記載のIII−V族化合物半導体素子の製造方法。2. The method for producing a group III-V compound semiconductor device according to claim 1, wherein the chain hydrocarbon compound is linear. 鎖状炭化水素化合物が分岐状であることを特徴とする請求項1に記載のIII−V族化合物半導体素子の製造方法。2. The method for producing a group III-V compound semiconductor device according to claim 1, wherein the chain hydrocarbon compound is branched. アルミニウム、ガリウム及びインジウムの少なくとも1種の元素と、少なくとも窒素を含む第V族元素からなるIII−V族化合物半導体素子の製造方法であって、ドーパント材料として、硫黄、セレン及びテルルのうち少なくとも1種の元素を含む芳香族炭化水素化合物を用いることを特徴とするIII−V族化合物半導体素子の製造方法。A method for producing a group III-V compound semiconductor device comprising at least one element of aluminum, gallium, and indium and a group V element containing at least nitrogen, wherein at least one of sulfur, selenium, and tellurium is used as a dopant material. An aromatic hydrocarbon compound containing a seed element is used. A method for producing a group III-V compound semiconductor element. アルミニウム、ガリウム及びインジウムの少なくとも1種の元素と、少なくとも窒素を含む第V族元素からなるIII−V族化合物半導体素子の製造方法であって、ドーパント材料として、硫黄、セレン及びテルルのうち少なくとも1種の元素を含む脂環式炭化水素化合物を用いることを特徴とするIII−V族化合物半導体素子の製造方法。A method for producing a group III-V compound semiconductor device comprising at least one element of aluminum, gallium, and indium and a group V element containing at least nitrogen, wherein at least one of sulfur, selenium, and tellurium is used as a dopant material. A method for producing a group III-V compound semiconductor device, comprising using an alicyclic hydrocarbon compound containing a seed element. アルミニウム、ガリウム及びインジウムの少なくとも1種の元素と、少なくとも窒素を含む第V族元素からなるIII−V族化合物半導体素子の製造方法であって、ドーパント材料として、硫黄、セレン及びテルルのうち少なくとも1種の元素を含む複素環式炭化水素化合物を用いることを特徴とするIII−V族化合物半導体素子の製造方法。A method for producing a group III-V compound semiconductor device comprising at least one element of aluminum, gallium, and indium and a group V element containing at least nitrogen, wherein at least one of sulfur, selenium, and tellurium is used as a dopant material. A method for producing a Group III-V compound semiconductor device, comprising using a heterocyclic hydrocarbon compound containing a seed element.
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