JP4803634B2 - ｐ型Ｇａ２Ｏ３膜の製造方法およびｐｎ接合型Ｇａ２Ｏ３膜の製造方法 - Google Patents

ｐ型Ｇａ２Ｏ３膜の製造方法およびｐｎ接合型Ｇａ２Ｏ３膜の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、ｐ型Ｇａ２Ｏ３膜の製造方法およびｐｎ接合型Ｇａ２Ｏ３膜の製造方法に関し、特に、高品質のＧａ２Ｏ３系化合物半導体からなる薄膜を形成することができるｐ型Ｇａ２Ｏ３膜の製造方法およびｐｎ接合型Ｇａ２Ｏ３膜の製造方法に関する。
紫外領域での発光素子は、水銀フリーの蛍光灯の実現、クリーンな環境を提供する光触媒、より高密度記録を実現する新世代ＤＶＤ等で特に大きな期待が持たれている。このような背景から、ＧａＮ系青色発光素子が実現されてきた（例えば、特許文献１参照。）。 しかし、更なる短波長化光源が求められており、近年、β−Ｇａ2Ｏ3のバルク系単結晶の基板作製が検討されている。
特開平０５−２８３７４５号公報
しかし、従来のＧａ２Ｏ３からなる基板上にＧａ２Ｏ３からなる薄膜をエピタキシャル成長させた場合、アクセプタなしの場合にｎ型導電性を示し、アクセプタを導入した場合であっても絶縁型を示し、純度の低いＧａ２Ｏ３しか得られなかった。
従って、本発明の目的は、高品質のＧａ２Ｏ３系化合物半導体からなる薄膜を形成することができるｐ型Ｇａ２Ｏ３膜の製造方法およびｐｎ接合型Ｇａ２Ｏ３膜の製造方法を提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するため、Ｇａ ２ Ｏ ３ 基板上に活性酸素と純度６Ｎ以上の金属Ｇａを供給するステップを含み、酸素欠陥を低減して絶縁性のＧａ２Ｏ３膜を形成する第１のステップと、前記絶縁性のＧａ２Ｏ３膜にアクセプタをドープしてｐ型Ｇａ２Ｏ３膜を形成する第２のステップを有し、前記第１のステップと前記第２のステップは、ＭＢＥ法により、同時に実行されることを特徴とするｐ型Ｇａ２Ｏ３膜の製造方法を提供する。
前記第２のステップは、前記Ｇａ２Ｏ３基板上に金属Ｍｇを供給するステップを含むことが好ましい。
前記活性酸素は、ラジカルガンにより供給されることが好ましい。
本発明は、上記目的を達成するため、Ｇａ２Ｏ３基板上に活性酸素と純度６Ｎ以上の金属Ｇａを供給するステップを含み、酸素欠陥を低減して絶縁性のＧａ２Ｏ３膜を形成する第１のステップと、前記絶縁性のＧａ２Ｏ３膜にアクセプタをドープしてｐ型Ｇａ２Ｏ３膜を形成する第２のステップと、前記絶縁性のＧａ２Ｏ３膜にドナーをドープしてｎ型Ｇａ２Ｏ３膜を形成する第３のステップを有し、前記第１のステップと前記第２のステップは、ＭＢＥ法により、所定の時限において同時に実行され、前記第１のステップと前記第３のステップは、ＭＢＥ法により、前記所定の時限とは異なった他の時限において同時に実行されることを特徴とするｐｎ接合型Ｇａ２Ｏ３膜の製造方法を提供する。
前記第１、第２および第３のステップは、Ｇａ２Ｏ３系化合物からなる基板の所定の面上で行うことが好ましい。
前記所定の面は、（１００）面であることが好ましい。
本発明によれば、高品質のＧａ２Ｏ３系化合物半導体からなる薄膜を形成することができる。
本発明の実施の形態の係る発光素子は、基板の所定の面、例えば、（１００）面上に、ｐ型Ｇａ２Ｏ３膜およびｎ型Ｇａ２Ｏ３膜を形成したものである。
（β−Ｇａ２Ｏ３基板の形成方法）
β−Ｇａ２Ｏ３基板は、ＦＺ法により形成されたβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶を（１００）面で劈開したものを用いる。
（ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３膜の形成方法）
以下、ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３膜の形成方法を説明する。
図１は、ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３膜の形成に用いられるＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）装置５０を示し、（ａ）は一部を破断して示した斜視図、（ｂ）はＭＢＥ装置の要部拡大図である。このＭＢＥ装置５０は、排気系５１により図示しない排気装置に接続された真空槽５２と、この真空槽５２内に設けられ、マニピュレータ５３により回動、移動等が可能に支持され、基板２５が取付けられる基板ホルダ５４とを備える。
真空槽５２は、基板２５に対向するように形成され、薄膜を構成する原子、分子ごとに収容する複数のセル５５（５５ａ，５５ｂ，・・・）と、基板２５上に電子線を入射する反射高エネルギー電子線回折（ＲＨＥＥＤ）電子銃７０と、電子銃７０と基板６０を介して相対する真空槽５２の壁に形成され、電子銃７０により入射された電子線の回折像を投影する蛍光スクリーン７１と、真空槽５２内が高温になるのを防止する液体窒素シュラウド５７と、基板６０の表面を分析する４重極質量分析計５８と、ラジカルを供給するラジカルガン５９とを備える。真空槽５２は、超高真空または極高真空の状態とし、好ましくは少なくとも１×１０−９ｔｏｒｒにする。
セル５５は、例えば、薄膜として基板２５上に成長させるＧａ等の金属材料、およびＭｇからなるアクセプタが充填され、ヒータ５６により内容物を加熱することができるようになっている。また、セル５５は、図示しないシャッタを有し、不要の場合に閉じておくことができるように構成される。
ラジカルガン５９は、酸素に熱、光、放射線などのエネルギーを供給することによりラジカル酸素（活性酸素）を発生するものである。
ここで、ＭＢＥ装置５０を使用して、基板２５上に成膜するには、以下のように行う。まず、β−Ｇａ２Ｏ３基板２５を基板ホルダ５４に装着し、セル５５ａの内部に純度６ＮのＧａ金属、およびセル５５ｂの内部にアクセプタとしてのＭｇ金属を収容する。次に、排気系５１を動作させ、真空槽５２内を５×１０−９ｔｏｒｒに減圧する。
次に、ラジカルガン５９からラジカル酸素濃度が１×１０−４〜１×１０−７ｔｏｒｒとなるように、ラジカル酸素をラジカルガン５９により注入しながら、セル５５ａ，５５ｂを所定の温度に加熱すると、ＧａおよびＭｇの分子線９０が発生する。Ｇａの分子線９０およびＭｇの分子線９０を基板２５に向けて照射すると、基板２５の（１００）面上にβ−Ｇａ２Ｏ３層が成長する。
（ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３膜であることの検証）
図２は、ゼーベック係数の測定装置を示す図である。ゼーベック係数の測定は、加熱部８１により薄膜２６Ａが形成された基板２６の一端を加熱し、冷却部８２により基板２６の他端を冷却して、薄膜２６Ａについての加熱部８１および冷却部８２間の起電力を測定することにより行う。ここで、薄膜２６Ａは、上述のように形成されたβ−Ｇａ２Ｏ３膜である。
形成されたβ−Ｇａ２Ｏ３膜に対して測定した結果、ｐ型半導体の傾向を示す負のゼーベック係数が得られた。
（ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３膜の形成方法）
上記ＭＢＥ装置５０を用いて、アクセプタの代わりにドナーとしての金属を用いることにより、ｎ型のβ−Ｇａ２Ｏ３膜を形成する。この結果、ｐ型のβ−Ｇａ２Ｏ３膜とｎ型のβ−Ｇａ２Ｏ３膜によるｐｎ接合型のβ−Ｇａ２Ｏ３膜を形成することができる。
（実施の形態の効果）
この実施の形態によれば、ｐ型導電性を示す高品質のβ−Ｇａ２Ｏ３化合物半導体膜を形成することができた。このため、発光素子に使用する場合には、基板とｐ型β−Ｇａ２Ｏ３膜とはβ−Ｇａ２Ｏ３として一致するため、格子定数が一致する。したがって、β−Ｇａ２Ｏ３膜の結晶品質の劣化を抑えることができ、発光光率の低下を抑えることができる。
（変形例）
Ｇａ２Ｏ３系化合物半導体である上記β−Ｇａ２Ｏ３は、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎからなる群から選ばれる１種以上を添加したＧａを主成分としたＧａ酸化物で構成してもよい。これらの添加元素の作用は、格子定数あるいはバンドギャップエネルギーを制御するためである。例えば、（ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ））２Ｏ３（ただし、０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０≦ｘ＋ｙ＜１）で表わされるＧａ酸化物を用いることができる。
ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３膜は、上記のＭＢＥ法のほか、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）装置を用いたＭＯＣＶＤ法により形成してもよい。すなわち、原料ガスとして、酸素ガス、Ｎ２Ｏ、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ｃｐ２Ｍｇ（ビスジクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、キャリアガスとして、Ｈｅの他に、Ａｒ，Ｎｅ等の希ガスおよびＮ２等の不活性ガスを用いる。なお、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３膜を形成するには、Ｃｐ２Ｍｇの代わりにＳｉＨ４（モノシラン）を用いる。
また、ｐ型導電性を示すｐ型β−Ｇａ２Ｏ３膜は、絶縁型のβ−Ｇａ２Ｏ３膜を形成し、その膜にアクセプタを導入することにより形成してもよい。
ｐ型半導体層の形成に用いられるＭＢＥ装置を示し、（ａ）は一部を破断して示した斜視図、（ｂ）はＭＢＥ装置の要部拡大図である。 ゼーベック係数の測定装置を示す図である。
符号の説明
２５，２６ 基板
２６Ａ 薄膜
５０ 装置
５１ 排気系
５２ 真空槽
５３ マニピュレータ
５４ 基板ホルダ
５５ セル
５６ ヒータ
５７ 液体窒素シュラウド
５８ ４重極質量分析計
５９ ラジカルガン
６０ 基板
７０ 電子銃
７１ 蛍光スクリーン
８１ 加熱部
８２ 冷却部

Claims (7)

  1. Ｇａ２Ｏ３基板上に活性酸素と純度６Ｎ以上の金属Ｇａを供給するステップを含み、酸素欠陥を低減して絶縁性のＧａ２Ｏ３膜を形成する第１のステップと、
    前記絶縁性のＧａ２Ｏ３膜にアクセプタをドープしてｐ型Ｇａ２Ｏ３膜を形成する第２のステップを有し、
    前記第１のステップと前記第２のステップは、ＭＢＥ法により、同時に実行されることを特徴とするｐ型Ｇａ２Ｏ３膜の製造方法。
  2. 前記第２のステップは、前記Ｇａ２Ｏ３基板上に金属Ｍｇを供給するステップを含むことを特徴とする請求項１記載のｐ型Ｇａ２Ｏ３膜の製造方法。
  3. 前記活性酸素は、ラジカルガンにより供給されることを特徴とする請求項１記載のｐ型Ｇａ２Ｏ３膜の製造方法。
  4. Ｇａ２Ｏ３基板上に活性酸素と純度６Ｎ以上の金属Ｇａを供給するステップを含み、酸素欠陥を低減して絶縁性のＧａ２Ｏ３膜を形成する第１のステップと、
    前記絶縁性のＧａ２Ｏ３膜にアクセプタをドープしてｐ型Ｇａ２Ｏ３膜を形成する第２のステップと、
    前記絶縁性のＧａ２Ｏ３膜にドナーをドープしてｎ型Ｇａ２Ｏ３膜を形成する第３のステップを有し、
    前記第１のステップと前記第２のステップは、ＭＢＥ法により、所定の時限において同時に実行され、
    前記第１のステップと前記第３のステップは、ＭＢＥ法により、前記所定の時限とは異なった他の時限において同時に実行されることを特徴とするｐｎ接合型Ｇａ２Ｏ３膜の製造方法。
  5. 前記第２のステップは、前記Ｇａ２Ｏ３基板上に金属Ｍｇを供給するステップを含むことを特徴とする請求項４記載のｐｎ接合型Ｇａ２Ｏ３膜の製造方法。
  6. 前記第１、第２および第３のステップは、Ｇａ２Ｏ３系化合物半導体からなる基板の所定の面上で行うことを特徴とする請求項４記載のｐｎ接合型Ｇａ２Ｏ３膜の製造方法。
  7. 前記所定の面は、（１００）面であることを特徴とする請求項６記載のｐｎ接合型Ｇａ２Ｏ３膜の製造方法。
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