JP5844685B2 - ｐ型窒化ガリウムアルミニウム半導体の製造方法 - Google Patents

ｐ型窒化ガリウムアルミニウム半導体の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、ｐ型窒化ガリウムアルミニウム半導体の製造方法に関する。特に、本発明は、炭素をドープしたｐ型窒化ガリウムアルミニウム半導体の製造方法に関する。
窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体を用いた発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）は、信号機や液晶パネルのバックライト等の様々な機器に利用されている。３６０ｎｍよりも短波長帯で使用可能なＡｌｘＧａ１−ｘＮ（以下、ＡｌＧａＮという）系のＬＥＤは、殺菌等の医療用途や樹脂の紫外線硬化等の工業用途での利用が期待されるため、長らく開発が行われてきた。しかし、ＡｌＧａＮ系のＬＥＤにおいても、３００〜３５０ｎｍの波長帯での光の外部取り出し効率は僅か８％であり、２８０ｎｍ以下では１％未満となり実用に耐えない（非特許文献１）。
ＡｌＧａＮ半導体層におけるドナーとアクセプターの活性化エネルギーは、ＡｌＧａＮ中のＡｌＮのモル分率依存的である。ｎ型ＡｌＧａＮ半導体層においては、高ＡｌＮモル分率まで高自由電子濃度を維持可能である。一方、ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層においては、ｐ型のドーパントとして従来から用いられているマグネシウム（Ｍｇ）を用いた場合、ＡｌＧａＮ中のＡｌＮのモル分率が０．２を超えるのは困難であった。このため、３３０ｎｍ未満の波長帯での光の外部取り出し効率を向上させるのは困難であった。また、Ｍｇ等をドープした従来のｐ型ＡｌＧａＮ半導体層を用いたＬＥＤは、エネルギー準位が深くなりすぎるため、高抵抗２０Ｖ以上の高電圧を必要とする（非特許文献２）。
従来のＡｌＧａＮ系のＬＥＤにおいては、３３０ｎｍ未満の波長帯の光を得るために、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＜０．２）あるいはショットキー障壁を用いている。いずれも、本来のＡｌＧａＮが有する発光能力を出し切れず、また電流の高い領域での効率が低下する原因となっている。このため、エネルギー効率の観点からも新たなｐ型ＡｌＧａＮ半導体層の開発が期待されている。
最近、炭素（Ｃ）をドープしたＡｌＧａＮ半導体層の研究成果が発表された（非特許文献３、非特許文献４）。これらの文献には、四臭化炭素（ＣＢｒ４）をドーパントとして、高ＡｌＮモル分率のｐ型ＡｌＧａＮ半導体層を形成することが記載されている。
天野浩, 応用物理, 74, 1433-1436 (2005). Y. Taniyasu et al., Nature, 441, 325-328 (2006). 前田哲利, 平山秀樹, 第５９回応用物理学関係連合講演会予稿集, 16a-DP1-31 (2012春). H. Kawanishi et al., phys. Stat. sol, 249, 459-463 (2012).
上述した炭素をドープするｐ型ＡｌＧａＮ半導体層の形成方法は、ＭＯＣＶＤ法によりＣＢｒ４を供給しながら、半導体層を成長させるが、ＣＢｒ４は毒性を有する化学物質であり、また、より安価な原料を用いることが可能であれば、炭素をドープしたｐ型ＡｌＧａＮ半導体層を用いたＬＥＤの実用化が期待される。
本発明は、新たな原料を用いたｐ型窒化窒化ガリウムアルミニウム半導体の製造方法を提供することを課題とする。
本発明の一実施形態によると、基板の第１の面に炭化アルミニウムを有する材料片を配置し、前記基板の第１の面と直交する第１の方向から、アルミニウムを含むガスと、ガリウムを含むガスと、窒素を含むガスとを供給し、前記基板の第１の面に炭素を含む窒化ガリウムアルミニウム半導体を形成することを特徴とするｐ型窒化ガリウムアルミニウム半導体の製造方法が提供される。
前記炭化アルミニウムを有する材料片が、サファイア基板上に炭化アルミニウム層を有してもよい。
前記基板の第１の面は窒化ガリウムアルミニウム半導体層で形成され、前記窒化ガリウムアルミニウム半導体層に前記炭化アルミニウム層が接するように前記炭化アルミニウムを有する材料片を配置し、前記炭化アルミニウム層から前記基板の窒化ガリウムアルミニウム半導体層に炭素を拡散させて、炭素を含む窒化ガリウムアルミニウム半導体を形成してもよい。
前記炭素を含む窒化ガリウムアルミニウム半導体は、有機金属気相成長法を用いて、前記炭素を含む窒化ガリウムアルミニウム半導体の結晶を成長させてもよい。
前記アルミニウムを含むガスはトリメチルアルミニウムであり、前記ガリウムを含むガスはトリメチルガリウムであり、前記窒素を含むガスはアンモニアであってもよい。
前記基板の第１の面が窒化ガリウムアルミニウムにより形成されてもよい。
前記基板の第１の面がサファイアにより形成されてもよい。
本発明によると、新たな原料を用いたｐ型窒化ガリウムアルミニウム半導体及びそれを用いた発光ダイオードの製造方法が提供される。本発明によると、ＣＢｒ４に比して、安全性が高く、より安価にｐ型窒化窒化ガリウムアルミニウム半導体及びそれを用いた発光ダイオードを製造可能である。
本発明の一実施形態に係るｐ型ＡｌＧａＮ半導体の製造方法を示す模式図である。 図１のＡＡ’における断面図を示し、（ａ）は基板１０１としてサファイア基板を用いた場合のＡｌＧａＮ半導体層形成前の断面図を示し、（ｂ）はＡｌＧａＮ半導体層形成後の断面図を示す。 （ａ）は本発明の一実施例に係る炭素をドープしたＡｌＧａＮ半導体層の形成結果を示す図であり、（ｂ）は（ａ）のＡＡ’における断面図である。 本発明の一実施例に係る炭素をドープしたＡｌＧａＮ半導体層のＳＩＭＳ測定結果を示す図である。 図３下半分における断面図を示し、（ａ）は基板１０１として基板１０１の第１の面がＡｌＧａＮ層１０３により形成された基板を用いた場合のＡｌＧａＮ半導体層形成前の断面図を示し、（ｂ）はＡｌＧａＮ半導体層形成後の断面図を示す。 本発明の一実施例に係る炭素をドープしたＡｌＧａＮ半導体層のＳＩＭＳ測定結果を示す図である。 本発明の一実施形態に係るｐ型ＡｌＧａＮ半導体の製造方法を説明する模式図である。 本発明の一実施例に係るｐ型ＡｌＧａＮ半導体の製造方法を示す模式図である。
以下に本発明のｐ型窒化ガリウムアルミニウム半導体の製造方法について、添付の図面を参照して詳細に説明する。本発明のｐ型窒化ガリウムアルミニウム半導体の製造方法は、以下に示す実施の形態及び実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、本実施の形態及び後述する実施例で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
本発明者らは、サファイア基板のｃ面に結晶性の炭化アルミニウム（ＡｌＣ）薄膜を成長させる技術を開発し、特願２０１１−３０８７５において開示した。本発明者らは、ＡｌＣを原料として用いることにより、ＡｌＧａＮ半導体層に炭素をドープ可能であることを見出した。また、本発明に係る製造方法を用いることにより、ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層が形成されることを見出した。
（炭化アルミニウム薄膜の製造方法）
本実施形態に係るｐ型ＡｌＧａＮ半導体の製造方法には、例えば、上述した特願２０１１−３０８７５に開示したＡｌＣ薄膜を用いることができる。ＡｌＣは、例えば、サファイア基板を用い、ＡｌＣ薄膜を形成するサファイア基板の上面をｃ面として、有機金属気相成長（以下、ＭＯＣＶＤという）法を用いて形成することができる。
ＡｌＣ薄膜を形成する原料には、炭素を含むガスと、アルミニウムを含むガスとを、それぞれ用いる。炭素を含むガスとしてはメタン（ＣＨ４）を、アルミニウムを含むガスとしてはトリメチルアルミニウム（（ＣＨ３）３Ａｌ；以下、ＴＭＡという）を用いることができる。また、キャリアガスとして水素（Ｈ２）、窒素（Ｎ２）、または水素（Ｈ２）と窒素（Ｎ２）との混合ガスを用いることができる。各原料は、半導体分野、特にＬＥＤの分野において使用される市販の原料を用いることができる。
ＡｌＣ結晶の成長条件としては、ＴＭＡを３３μｍｏｌ／ｍｉｎ以上６６μｍｏｌ／ｍｉｎ以下、メタンを１３ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以上２７ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以下で供給することが好ましい。また、ＡｌＣ結晶の成長温度は７００℃以上が好ましく、さらに好ましくは１１００℃以上である。ＡｌＣ結晶を成長させる時間は、原料の流量や、形成するＡｌＣ薄膜の厚さに依存するが、例えば、６０分から１２０分程度である。ＡｌＣ結晶を成長させる前には、水素ガスを供給してアニーリングを行うことが好ましい。アニーリングは１１５０℃で行うのが好ましく、例えば、水素ガスの流量を１０ｓｌｍとしたときに、１０分間で行うことができる。本実施形態に係るｐ型ＡｌＧａＮ半導体の製造方法においては、このようにして得たＡｌＣ薄膜を、炭化アルミニウムを有する材料片（以下、ＡｌＣ材料片という）として用いる。
（実施形態１）
図１は、本実施形態に係るｐ型ＡｌＧａＮ半導体の製造方法を示す模式図である。図２は、図１のＡＡ’における断面図を示す。本実施形態においては、基板１０１の第１の面（上面）にＡｌＣ材料片１１０を配置し、ＭＯＣＶＤにより、基板１０１上にｐ型ＡｌＧａＮ半導体層１３０を形成する。具体的には、ＭＯＣＶＤ装置内において、基板１０１の第１の面と直交する第１の方向から、アルミニウムを含むガスと、ガリウムを含むガスと、窒素を含むガスとを供給し、基板１０１上にｐ型ＡｌＧａＮ半導体層１３０を形成する。ここで、ＡｌＣ材料片１１０は、例えば、サファイア基板１１１上にＡｌＣ層１１３を形成した断片である。ＡｌＣ材料片１１０は、サファイア基板１１１が基板１０１と接するように配置する。
上述した各種原料ガスは、以下に限定されるものではないが、アルミニウムを含むガスとしてはトリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡという）、ガリウムを含むガスとしてはトリメチルガリウム（以下、ＴＭＧａという）、窒素を含むガスとしてはアンモニア（ＮＨ３）を好適に用いることができる。
ここで、炭素を含むガスを供給しながらＭＯＣＶＤを行うことだけで、炭素をドープしたｐ型ＡｌＧａＮ半導体層が形成可能ではないかとの疑問が生じる。しかし、ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層を形成するには、ＡｌＣ材料片を基板上に配置する必要があることを以下に説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る炭素をドープしたＡｌＧａＮ半導体層の形成結果を示す図である。
一例として示すＭＯＣＶＤによるＡｌＧａＮ半導体層の成長は、図３のような配置で行った。この炉は２インチ基板１枚用であり、図３の上半分が半導体層の成長を実施するためのものである。原料ガスの供給口側に、サファイア基板１１１上にＡｌＣ層１１３を形成したＡｌＣ材料片１１０をＡｌＣ層１１３が上向きになるように配置した。サファイア基板１０１は、事前に１１５０℃にて１０分間アニールし、室温に下げた後、ＡｌＣ材料片１１０を配置し、５００℃でＧａＮのバッファー層（図示せず）を２０ｎｍ形成し、１０００℃にてアルミニウム、ガリウムと窒素を含むガスを４０分間流して成長させた。成長した膜厚は１．２〜２．５μｍ、Ａｌの組成は２５％であった。
ＭＯＣＶＤ後のＡｌＧａＮ半導体層の測定点Ｐ１〜Ｐ４について、Ｎ型かＰ型かを判定した。その結果、普通の成長では、この膜はＡｌの組成が２０％をこえるので、ｎ型か絶縁体のはずであったが、測定点Ｐ１及びＰ４においてはＮ型の半導体特性を示し、測定点Ｐ３においてはＰ型の半導体特性を示した。単に炭素を含むガスを供給するだけでｐ型ＡｌＧａＮ半導体層が形成可能であるならば、測定点Ｐ１及びＰ４においても、Ｐ型の半導体特性を示すはずである。この結果から、原料ガスの供給口側に配置されたＡｌＣ材料片１１０が原料として機能し、ＡｌＣ（又はＡｌＣに含まれる炭素）が原料ガスとなり、他の原料ガスとともに基板１０１上に供給され、ＡｌＣ由来の原料ガスが供給された基板１０１上の領域（破線で囲まれた領域）のみにｐ型ＡｌＧａＮ半導体層が形成されるものと推察される。
図２（ａ）は、基板１０１としてサファイア基板を用いた場合のＡｌＧａＮ半導体層形成前の断面図を示す。図２（ｂ）は、ＡｌＧａＮ半導体層形成後の断面図を示す。本実施形態においては、少なくとも基板１０１の第１の面がサファイアで形成されていれば、同様の形成結果を得られるものと推察される。供給口から供給される原料ガスは、基板１０１に配置されたＡｌＣ材料片１１０を通過する。このとき、基板１０１には各種原料ガス以外に、ＡｌＣ材料片１１０からＡｌＣ由来の原料ガスが供給され、基板１０１上に、炭素がドープされたｐ型ＡｌＧａＮ半導体層１３０が成長する。一方で、ＡｌＣ材料片１１０よりも供給口側（ガス流の上流）及びガス流の下流のＡｌＣ材料片１１０に近接する領域にはＡｌＣ由来の原料ガスが十分に供給されず、ｎ型ＡｌＧａＮ半導体層１３５が成長する。本実施形態に係るｐ型ＡｌＧａＮ半導体の製造方法は、このようなＡｌＧａＮ半導体層の形成機序により、測定点Ｐ１においてＮ型の半導体特性が検出されたものと推察される。
このメカニズムを知るため、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析計）測定を行った。測定結果を図４に示す。測定試料と同時に単結晶ＳｉＣの測定を行い、その原子密度よりカーボンの濃度（原子番号１２）を計算した。単結晶ＳｉＣの測定結果を基準として、ＡｌＧａＮ中の炭素の濃度を算出した。また、ＳＩＭＳの一般的な測定においては、横軸は時間軸であるが、本実施形態においては、測定終了後に、測定により生じた穴の深さを計測し、計測位置における深さに換算して表示している。
測定点Ｐ１、Ｐ３ともに炭素原子は１０２０ｃｍ−３以上検出されたが、測定点Ｐ３の方が高密度であった。これは基板を回転せず成長を行ったため、Ａｌ、Ｇａ、窒素の組成にバラつきが生じ、そのため基板１０１全体に渡る均一な成長が行われなかったためと推量される。とくに、測定点Ｐ１においては、膜厚が１．２μｍと薄い。これはＧａ＋Ａｌの供給量が相当減少していたことを示している。一方、アンモニアガスはガリウムガスの４０００倍多く流れている。よって、Ｖ／ＩＩＩ比（アンモニア／ガリウム＋アルミニウムの比）がかなり高くなったため、ｎ型になったと推察される（ＧａＮではＶ／ＩＩＩ比が高い場合にｎ型になるという報告もある）。よって、測定点Ｐ１はＮ型に、測定点Ｐ３はＰ型になったと推察される。
電子・ホール濃度は、ｎ型層、ｐ型層の厚さで変わる。測定点Ｐ１については、導電型はｎ型で、厚さが１００ｎｍの時、Ｎ＝１０１８ｃｍ−３であり、厚さが１．５μｍの時、Ｎ＝８×１０１６ｃｍ−３と推定される。一方、測定点Ｐ３については、導電型はＰ型で、厚さが１００ｎｍの時、Ｐ＝６×１０１９ｃｍ−３であり、厚さが１．５μｍの時、Ｐ＝４×１０１８ｃｍ−３と推定される。ここに示したカーボン濃度は、非特許文献４に開示されたＣ＜１０１９ｃｍ−３に比して、著しく高濃度となった。
以上説明したように、本実施形態に係るｐ型ＡｌＧａＮ半導体の製造方法は、ＡｌＣ材料片を基板上に配置して、ＡｌＧａＮ半導体層を形成することにより、ＡｌＣ材料片よりもガス流の下流の領域において、ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層を形成することができる。本実施形態においては、炭素供給源として従来のＣＢｒ４ではなく、ＡｌＣ材料片を用いるため、製造時の安全性を高め、製造コストを抑制することも可能である。
（実施形態２）
図５は、図１と異なる断面図を示す。実施形態２に係るｐ型ＡｌＧａＮ半導体の製造方法においては、基板１０１の第１の面がＡｌＧａＮ層１０３により形成された基板を用いる（図５（ａ））。基板１０１のＡｌＧａＮ層１０３上にＡｌＣ材料片１１０を、ＡｌＧａＮ層１０３とＡｌＣ層１１３とが接するように配置し、ＭＯＣＶＤにより、ＡｌＧａＮ半導体層を形成する。
本実施形態の製造方法においては、ＡｌＣ材料片１１０の直下のＡｌＧａＮ半導体層１０３の領域（ＡｌＧａＮ層１０３とＡｌＣ層１１３とが接する領域）にｐ型ＡｌＧａＮ半導体層１３０が形成される。これは、ＡｌＣ材料片１１０に由来するＡｌＣ（又はＡｌＣに含まれる炭素）がＡｌＣ材料片１１０の直下のＡｌＧａＮ半導体層１０３中に拡散して、ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層１３０が形成されるものと推察される。本実施形態においては、何もドーピングしていないＡｌＧａＮ半導体層１０３と、ＡｌＣ層１１３とを接触させ、且つＡｌＧａＮ半導体層１０３を高温で熱処理して、物質が壊れないようなガスを流すことにより、ＡｌＧａＮ半導体層１０３への炭素の拡散が達成される。
これを実証するため、図３に示した基板の下側半分を用いて実験を行った。基板１０１を回転させて作ったサファイア基板１０１上にＧａＮのバッファー層（図示せず）を５００℃で２０ｎｍ形成し、Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎを２．７μｍ成長させたものを用いた。基板１０３の上面にサファイア基板１１１上にＡｌＣ層１１３を形成したＡｌＣ材料片１１０を、ＡｌＣ層１１３がＡｌＧａＮ層１０３と接触するように配置し、１０００℃、４０分間昇温した。このため、図３に示した基板の下側半分は、黒く塗っている。図３（ｂ）にその構成を断面図として示す。
一例として、カーボンのＳＩＭＳの結果を図６に示す。図３の下側半分のＡｌＣ材料片１１０を取り払い、測定点Ｐ８とした。図６においても、図４と同様に、縦軸は、ＡｌＣ材料片１１０を除去後のＡｌＧａＮ層の表面（測定点Ｐ３）からの深さを示す。この例においては、１０１８ｃｍ−３以上のカーボンが、拡散によりＡｌＧａＮ中に存在していることが明らかとなった。測定点Ｐ８でのホール測定の結果はＰ型となった。カーボン濃度はＰ層の厚さによって変わり、厚さが２００ｎｍの時、濃度Ｐ＝３×１０１８ｃｍ−３であった。
（実施形態３）
上述した実施形態においては、基板１０１を固定した状態でＡｌＧａＮ半導体層を形成した。本実施形態においては、基板１０１を回転しながらＡｌＧａＮ半導体層を形成する例を説明する。図７は、本実施形態に係るｐ型ＡｌＧａＮ半導体の製造方法を説明する模式図である。
図７に示したように、ＡｌＣ材料片１１０に対して、ＭＯＣＶＤ装置の原料ガスの供給口より下流の領域にＡｌＣ由来の原料ガスが供給される。したがって、基板１０１を回転しながらＡｌＧａＮ半導体層を形成すると、ＡｌＧａＮ半導体層の全体にわたり炭素がドープされ、ＡｌＧａＮ半導体層全体がｐ型の半導体特性を有することとなる。ただし、この場合にも、ＡｌＣ材料片１１０に近接する領域には、ｎ型ＡｌＧａＮ半導体層が形成されることとなる。しかし、この場合、基板が回転しているので、いずれ炭素が入る位置に来てＰ型となる。
なお、実施形態２において説明したように、基板１０１の第１の面がＡｌＧａＮ層１０３により形成された基板を用いた場合には、ＡｌＣ材料片１１０の直下のＡｌＧａＮ半導体層へも炭素が拡散して、ＡｌＣ材料片１１０の直下のＡｌＧａＮ半導体層の領域にもｐ型ＡｌＧａＮ半導体層を形成することが可能である。
以上説明したように、本実施形態に係るｐ型ＡｌＧａＮ半導体の製造方法は、基板１０１を回転しながらＡｌＧａＮ半導体層を形成することにより、ＡｌＧａＮ半導体層の全体にわたり炭素がドープされ、ＡｌＧａＮ半導体層全体にｐ型の半導体特性を付与することができる。
（実施形態４）
上述した実施形態においては、基板１０１上に直接ＡｌＣ材料片１１０を配置してＡｌＧａＮ半導体層を形成した。上述の実施形態から明らかなように、ＡｌＣ材料片１１０に対し、原料ガスのガス流の下流側にｐ型ＡｌＧａＮ半導体層が形成される。したがって、ＡｌＣ材料片１１０は、基板１０１上に配置しなくとも、ＭＯＣＶＤ装置内の原料ガスの供給側であれば、基板１０１とは離間して配置してもよい。
本実施形態に係るｐ型ＡｌＧａＮ半導体の製造方法は、基板とは離間してＡｌＣ材料片を配置することにより、基板上全体にｐ型ＡｌＧａＮ半導体層を形成することができる。
上述の実施形態で説明した本発明に係るｐ型ＡｌＧａＮ半導体の製造方法について、具体例を挙げてさらに説明する。
（実施例１）
実施例１として、アルミニウムを含むガスとしてＴＭＡ、ガリウムを含むガスとしてＴＭＧａ、窒素を含むガスとしてＮＨ３を用いた。基板１０１として、ＡｌＧａＮ層１０３を形成した２インチのサファイア基板を用い、ＡｌＣ材料片１１０を直接配置して、ＡｌＧａＮ層１０３上に炭素を拡散してｐ型ＡｌＧａＮ半導体層１３０を形成した。
ＡｌＧａＮは、ＭＯＣＶＤ装置内を加熱するとともに、ＭＯＣＶＤ装置内に配置したランプをさらに点灯し、アンモニアガス中、１０００〜１２００℃で加熱して成長させた。その後、Ａｕ／Ｎｉを１０μｍずつ形成した４つの電極を配置して、磁場の中でホール測定を行った。１０００℃で拡散すると、ＡｌＧａＮ層の表面はｐ型になった。拡散深さが不明であるため、ｐ層の濃度は決定できなかった。製造温度が高くなるにつれてｐ層の濃度は高くなったが、ＡｌＧａＮがエッチングされて、ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層１３０の表面には凹凸が認められた。サファイア・ＧａＮ ２μｍ・Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ ０．１μｍ中、１０５０℃、１０分拡散した層のＳＩＭＳ（２次イオン質量分析計）で測定したところ、０．０５μｍ程度まで炭素が拡散していることが判明し、この層のｐ層の濃度は、１×１０１７ ｃｍ−３程度であった。ただし、ＳＩＭＳで測定する炭素のプロファイルは、拡散であることから補誤差関数であり、表面の濃度の５分の１になる値をＰ層の厚さとした。さらに、この層のサファイアは絶縁体であり、ＧａＮはＮ型であるため、Ｎ層の値を用いてホール係数を導出した。
（実施例２）
実施例２として、基板１０１からＡｌＣ材料片１１０を離間し配置してｐ型ＡｌＧａＮ半導体層１３０を形成した。サファイア基板１０１の上に、５００℃でＧａＮのバッファー層を２０ｎｍ形成し、１０５０℃でＧａＮを２μｍ形成した。その後、１１００℃でＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎを０．１μｍ成長する際に、１０００℃で加熱したＡｌＣを基板１０１より原料ガスの供給口側に５ｃｍ離間したカーボン製の台１６００上に配置し、これを気層中で原料ガスと混合させた。加熱は、ヒータ１１００により行った。図８は、本実施例に係るｐ型ＡｌＧａＮ半導体の製造方法を示す模式図である。ＡｌＣ材料片１１０の加熱は、ランプ１２００が発光した光をレンズ１３００で集光して行った。１２００℃までは温度を上昇させることができた。ここで、レンズ１３００がカバー１４００で隠されているときは、ガス流量にはＡｌＣは全く寄与しない。これは、ランプ１２００がついた状態でカバーをしてＧａＮを成長後、それのホール係数と移動度が同じであることで確認できる。
ランプ１２００からの光がＡｌＣ材料片１１０に照射されなければ、ＡｌＣは気化せず、形成されたＡｌＧａＮ半導体層のタイプは絶縁体あるいはＮ型である。ランプ１２００からの光がＡｌＣ材料片１１０に照射され、カーボンの温度が７００℃以上でＡｌＧａＮ半導体層はＰ型化する。１０００℃ではＡｌＣが気体化し、１１００℃ではその欠乏時間が短くなる。１０００℃では１μｍ厚のＡｌＣが１時間保持されるのに対して、１１００℃では１０分で欠乏する。よって、ｎ−ＡｌＧａＮ／Ｐ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＡｌＧａＮというような層構造も、半導体層の形成途中に、ランプ１２００をオン、オフすることにより製造することも可能である。
本実施例により形成されたｐ型ＡｌＧａＮ半導体層のホール測定では、ＧａＮは、Ｎ＝１×１０１７ ｃｍ−３、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎは、Ｐ＝５×１０１８ ｃｍ−３であった。この場合は、ＳＩＭＳで測るプロファイルは、表面で最高値となった。
（実施例３）
実施形態２で作成したＰ型ＡｌＧａＮを用いてＬＥＤを作成した。サファイア基板上にＮ型ＧａＮを３μｍ、Ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎを０．１μｍ、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎを１０ｎｍ、Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎを０．１μｍ、ＭｇをドープしたＰ型ＧａＮを１０ｎｍ積層させた。なお、Ｎ型半導体層のドーパントにはＳｉＨ３、ｐ型ドーパントにはＣＰ２Ｍｇを用いた。その上に、ＡｌＣ層を形成したサファイア基板を、ＡｌＣ面が下になる様に、ＬＥＤの構造と重なる様に配置した。この構造をアニール炉に入れ、アンモニア雰囲気、１０５０℃で１０分間拡散した。
Ａｌ／Ｔｉ（Ｎ型）、Ａｕ／Ｎｉ（Ｐ型）電極を配設し、電極をアニールした。３００μｍ角に割り、電線を接続して、電流−電圧特性を測定した。およそ４Ｖで電流が流れ始め、４．５Ｖで２０ｍＡの電流が流れた。逆方向では１０Ｖまでは１ｍＡを超える電流は流れなかった。２０ｍＡの電流の時に、発光が見られた。発光波長は３３０ｎｍ、半値幅は１５ｎｍであった。
（実施例４）
実施例２で作成したＰ型ＡｌＧａＮを用いてＬＥＤを作成した。サファイア上に３μｍのＧａＮ、０．１μｍ厚のＮ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ、１０ｎｍ厚のＡｌ０．１５Ｇａ０．７５Ｎ、ＡｌＣをドープした０．１μｍ厚のｐ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ、Ｍｇをドープしたｐ型ＧａＮを１０ｎｍを積層した。その際、ＡｌＣの加熱温度は１０００℃であった。ｐ型ＡｌＧａＮを成長するとき以外は、ランプのカバーをした。その後の工程は同じである。
電流−電圧特性は、３．８Ｖで立ち上がり、４．３Ｖで２０ｍＡの電流が流れた。逆方向は１０Ｖまでは１ｍＡを超える電流は認められなかった。４．３Ｖの時、発光が見られた。発光波長は３３０ｎｍ、半値幅は１５μｍであった。
１０１：基板、１０３：ＡｌＧａＮ層、１１０：ＡｌＣ材料片、１１１：サファイア基板、１１３：ＡｌＣ層、１３０：ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層、１３５：ｎ型ＡｌＧａＮ半導体層、１１００：ヒータ、１２００：ランプ、１３００：レンズ、１４００：石英カバー、１５００：ステンレススチール製カバー、１６００：カーボン

Claims (7)

  1. 基板の第１の面に炭化アルミニウムを有する材料片を配置し、
    前記基板の第１の面と直交する第１の方向から、アルミニウムを含むガスと、ガリウムを含むガスと、窒素を含むガスとを供給し、
    前記基板の第１の面に炭素を含む窒化ガリウムアルミニウム半導体を形成することを特徴とするｐ型窒化ガリウムアルミニウム半導体の製造方法。
  2. 前記炭化アルミニウムを有する材料片が、サファイア基板上に炭化アルミニウム層を有することを特徴とする請求項１に記載のｐ型窒化ガリウムアルミニウム半導体の製造方法。
  3. 前記基板の第１の面は窒化ガリウムアルミニウム半導体層で形成され、
    前記窒化ガリウムアルミニウム半導体層に前記炭化アルミニウム層が接するように前記炭化アルミニウムを有する材料片を配置し、
    前記炭化アルミニウム層から前記基板の窒化ガリウムアルミニウム半導体層に炭素を拡散させて、
    炭素を含む窒化ガリウムアルミニウム半導体を形成することを特徴とする請求項２に記載のｐ型窒化ガリウムアルミニウム半導体の製造方法。
  4. 前記炭素を含む窒化ガリウムアルミニウム半導体は、有機金属気相成長法を用いて、前記炭素を含む窒化ガリウムアルミニウム半導体の結晶を成長させることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一に記載のｐ型窒化ガリウムアルミニウム半導体の製造方法。
  5. 前記アルミニウムを含むガスはトリメチルアルミニウムであり、前記ガリウムを含むガスはトリメチルガリウムであり、前記窒素を含むガスはアンモニアであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一に記載のｐ型窒化ガリウムアルミニウム半導体の製造方法。
  6. 前記基板の第１の面が窒化ガリウムアルミニウムにより形成されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一に記載のｐ型窒化ガリウムアルミニウム半導体の製造方法。
  7. 前記基板の第１の面がサファイアにより形成されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一に記載のｐ型窒化ガリウムアルミニウム半導体の製造方法。
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