JP2004533725A - 半導体層成長方法 - Google Patents
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Abstract
分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によってｐ型ドーパントとしてマグネシウムを有するｐ型窒化物半導体材料を成長させる方法は、アンモニアガス、ガリウム、およびマグネシウムを、基板が入ったＭＢＥ成長チャンバに供給して、ｐ型窒化物半導体材料を、基板の上に成長させる工程を包含する。マグネシウムは、成長プロセスの間、少なくとも１×１０−９ｍｂａｒ、好ましくは、１×１０−９〜１×１０−７ｍｂａｒの範囲内のビーム等価圧力で、成長チャンバに供給される。これによって、高い濃度の自由電荷キャリアーを有し、材料をアニーリングまたは照射することによってマグネシウムドーパント原子を活性化する必要をなくしたｐ型ＧａＮが提供される。
【選択図】図１
【選択図】図１
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体材料、例えば、ＧａＮなどのエピタキシャル成長のための分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法に関する。本発明は、特に、マグネシウムがｐ型ドーパントである、ｐ型ドープ窒化物半導体材料の成長に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの電子デバイスおよび光電子デバイスは、ＧａＮ系材料をベースとしている。これらのデバイスは、ｐ：ｎ接合を形成し、かつ／または電気キャリアーがデバイスに注入されることを可能にするために、ｎ型ドープ材料とｐ型ドープ材料との間に少なくとも１つの界面を必要とする。ＧａＮは、自然にはｎ型ドープ半導体材料であり、ｐ型ドープＧａＮは、ＧａＮ成長プロセスにおいて、適切なドーパント種を導入することによって得られる。ＧａＮのｐ型ドーパントとして、しばしば、マグネシウムが用いられる。多くのデバイスは、少なくとも１０１８ｃｍ−３のｐ型ドープＧａＮにおける自由キャリアーの密度を必要とするが、マグネシウムドープＧａＮにおいてそのようなキャリアー濃度を達成することは、困難である。これは、数パーセントのマグネシウムドーパント原子のみが、電気的に活性であり、不活性ドーパント原子は、自由電荷キャリアーを発生させないからである。従って、マグネシウム原子を半導体材料に組み込むことによって、材料のｐ型ドーピングを達成することはできず、マグネシウムドープ半導体材料は、ｎ型であることさえあり得る。
【０００３】
ＩＩＩ族窒化物半導体材料の基板上でのエピタキシャル成長は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）またはしばしば気相エピタキシー（ＶＰＥ）としても公知の化学気相堆積（ＣＶＤ）によって行われ得る。
【０００４】
ＣＶＤ（またはＶＰＥ）は、装置内で、一般的には大気圧で行われるが、僅かに低減された圧力（通常、約１０ｋＰａ）で行われることもある。アンモニア、および、エピタキシャル成長において用いられるＩＩＩ族元素を１つ以上提供する種は、キャリアーガスを用いて、エピタキシャル成長が行われる基板の表面に対して実質的に平行に提供されて、基板表面に隣接し、その上にわたって流れる境界層が形成される。この気体の境界層において、エピタキシャル堆積される窒素および他の元素を形成する分解が行われ、気相平衡によってエピタキシャル成長が進められる。
【０００５】
ＣＶＤとは対照的に、ＭＢＥは、高真空環境下で行われる。ＧａＮ系に適用されるＭＢＥの場合、超高真空（ＵＨＶ）環境、典型的には、約１×１０−３Ｐａが用いられる。アンモニアまたは他の窒素前駆物質は、供給管によって、ＭＢＥチャンバに供給され、ガリウム、場合によってはインジウムおよび／またはアルミニウムを提供する種、ならびに／あるいはドーパント種が、エピタキシャル成長期間の間にＭＢＥチャンバに供給される種の量を制御する制御可能なシャッターが備え付けられた加熱されたエフュージョンセル内の適切なソースから提供される。エフュージョンセルからのシャッター制御出口、および窒素供給管は、エピタキシャル成長が行われる基板の表面に面する。アンモニア、および、エフュージョンセルから供給される種は、ＭＢＥチャンバにわたって移動し、堆積動力学によって進められる態様でエピタキシャル成長が行われる基板に達する。
【０００６】
現在、高品質のＧａＮ層の成長の大部分は、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて実行される。ＭＯＣＶＤ法は、核生成層の成長および核生成層のアニーリングの良好な制御を可能にする。さらに、ＭＯＣＶＤ法は、成長が１０００：１を十分に超えるＶ／ＩＩＩ比で行われることを可能にする。Ｖ／ＩＩＩ比は、成長プロセス中のＩＩＩ族元素に対するＶ族元素のモル比である。用いられる基板の温度がより高くなり、その結果、ＧａＮ層の質がより高くなることにつながるので、Ｖ／ＩＩＩ比が高いことが好ましい。
【０００７】
現在、ＭＢＥによって高品質ＧａＮ層を成長させることは、ＭＯＣＶＤによってこのような層を成長させることよりも難しい。主に難しいことは、成長プロセスの間十分な窒素を提供することである。窒素の層のＭＢＥ成長における、２つの一般的に用いられる窒素のソースは、プラズマ励起分子窒素またはアンモニアである。
【０００８】
ＭＯＣＶＤによるｐ型ドープＧａＮの成長については、いくつか報告がある。例えば、米国特許第５ ３０６ ６６２号およびＨ Ａｍａｎｏらによる「Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ」Ｐａｒｔ ２、Ｖｏｌ．２８Ｌ２１１２（１９８９）である。概して、ＭＯＣＶＤによって成長したマグネシウムドープＧａＮにおけるマグネシウムドーパント原子は不活性であり、自由電荷キャリアーを生成するためにマグネシウム原子を活性化するには、成長後のプロセスが必要であることが分かっている。これは、水素の存在下で成長プロセスが実行される場合には、マグネシウム原子がパッシベートされているからである。ＭＯＣＶＤによるＧａＮの成長の間に大量の水素（これらの水素は、水素キャリアーガスから生じ、窒素ソースとしてアンモニアガスが用いられる場合には、アンモニアガスの分解から生じる）が存在し、これらは、マグネシウムドープＧａＮをパッシベートする傾向がある。適切な密度の自由電荷キャリアーを得るためには、ＭＯＣＶＤによって成長したマグネシウムドープＧａＮを、例えば、材料をアニーリングすること、または材料を低エネルギー電子線で照射することによって、活性化することが必要であることが分かっている。
【０００９】
米国特許第６ ０４３ １４０号は、窒素ソースとしてアミンガスを用いるＭＯＣＶＤによってマグネシウムドープＧａＮを成長させる方法を開示する。この方法を用いて成長させられたマグネシウムドープＧａＮは、アニーリング工程を必要とすることなく、許容できる導電性を有することが分かっているが、この特定の成長方法は、ＭＢＥ成長と関連しない。
【００１０】
成長後のアニーリングまたは照射工程を必要としないマグネシウムドープＧａＮのＭＢＥ成長についての報告は多数ある。ＭＢＥプロセスは、水素キャリアーガスを用いず、ＭＢＥ成長システムにおける水素レベルは、概して、ＭＯＣＶＤ成長システムにおける水素レベルよりも低い。その結果、得られるマグネシウムドープＧａＮのパッシベートは、ＭＯＣＶＤ成長よりも、ＭＢＥ成長において、より問題とならない。特に、ＧａＮのＭＢＥ成長についての多くの報告は、アンモニアよりも、活性化された窒素プラズマソースを窒素前駆物質として用いている。これにより、アンモニアの分解から生じる水素の存在がなくなる。
【００１１】
アンモニアが窒素前駆物質として用いられるマグネシウムドープＧａＮのＭＢＥ成長について、「Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」Ｖｏｌ ６９、ｐ５５９（１９９６）におけるＷ Ｋｉｍらによる報告、および「Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ」Ｖｏｌ ８６、ｐ３７２１（１９９９）におけるＭ Ｌｅｒｏｕｘらによる報告がある。この場合、アンモニアの分解から水素ガスが形成されるので、成長プロセスの間いくらかの水素が存在する。これらの報告では、３〜４．５×１０１７ｃｍ−３の範囲内の自由電荷濃度が達成される。しかし、両方の場合において、成長温度は、８３０℃よりも高くない。
【００１２】
Ｇ．Ｎａｍｋｏｏｎｇらは、「Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」、Ｖｏｌ．７７、Ｎｏ．２６、ｐ４３８６〜４３８８（２０００）において、プラズマ援用ＭＢＥによって成長した窒化ガリウムへのマグネシウムの組み込みを開示している。しかし、用いられる成長条件は、マグネシウムは窒化ガリウムに組み込まれるが、ｐ型ドーピングの達成が示されないようなものである。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第１の局面は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によってｐ型ドープ窒化物半導体材料を成長させる方法であって、アンモニアガス、ガリウム、およびマグネシウムを、基板が入ったＭＢＥ成長チャンバに供給して、ｐ型ドーパントとしてマグネシウムを有するｐ型ドープ窒化物半導体材料を、基板の上に成長させる工程を包含し、マグネシウムが、少なくとも１×１０−９ｍｂａｒのビーム等価圧力で、成長チャンバに供給される、方法を提供する。
【００１４】
この方法は、窒化物半導体材料の高温での成長を可能にし、同時に、材料内の活性化されたマグネシウム原子の濃度を増大させる。結果として、デバイス用途のために十分な高さの自由キャリアー濃度を有し、活性化を必要としないｐ型ドープ材料を成長させることが可能である。
【００１５】
マグネシウムが、１×１０−７ｍｂａｒ未満のビーム等価圧力で、成長チャンバに供給されてもよい。
【００１６】
ガリウムが、１×１０−８ｍｂａｒより高いビーム等価圧力で、成長チャンバに供給されてもよい。
【００１７】
ガリウムが、１×１０−５ｍｂａｒ未満のビーム等価圧力で、成長チャンバに供給されてもよい。
【００１８】
アンモニアが、１×１０−２ｍｂａｒ未満のビーム等価圧力で、成長チャンバに供給されてもよい。
【００１９】
アンモニアが、１×１０−４ｍｂａｒより高い等価圧力で、成長チャンバに供給されてもよい。
【００２０】
成長プロセスの間の基板の温度が８５０℃以上であってもよく、９４０℃以上であってもよい。
【００２１】
成長プロセスの間の基板の温度が１０５０℃以下であってもよく、１０１０℃以下であってもよい。
【００２２】
ｐ型ドープ窒化物半導体材料がｐ型ドープ窒化ガリウムであってもよい。
【００２３】
基板がＧａＮ基板であってもよい。基板は、ベース基板の上に配置されたＧａＮのエピタキシャル層を含んでもよい。
【００２４】
本発明の第２の局面は、第１の窒化物半導体材料の層を基板の上に成長させる工程と、ｐ型ドーパントとしてマグネシウムを有するｐ型ドープ窒化物半導体材料の層を、上記の方法によって、第１の窒化物半導体材料の上に成長させる工程とを包含する、半導体デバイスを成長させる方法を提供する。
【００２５】
本発明の第３の局面は、ｐ型ドーパントとしてマグネシウムを有するｐ型ドープ窒化物半導体材料の層を、上記の方法によって成長させる工程と、窒化物半導体材料の層をｐ型ドープ窒化物半導体材料の上に成長させる工程とを包含する、半導体デバイスを成長させる方法を提供する。
【００２６】
本発明の第４の局面は、上記の方法によって成長した、ｐ型ドーパントとしてマグネシウムを有するｐ型ドープ窒化物半導体材料の層を含む、半導体デバイスを提供する。
【００２７】
デバイスは（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ電子または光電子デバイスであってもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の好適な実施形態を、添付の図面を参照しながら例示的な実施例を用いて以下に説明する。
【００２９】
マグネシウムをｐ型ドーパントとして有するｐ型ドープ窒化物層の成長を例示する、本発明による成長方法の一例を以下に説明する。この実施形態において、窒化物層はｐ型ＧａＮ層であるが、本発明は、ｐ型ＧａＮの成長に限定されない。
【００３０】
適切な基板は、任意の従来の様態で準備され、ＭＢＥ装置の成長チャンバに導入される。基板は、好ましくは、ＧａＮ基板である。ＧａＮのエピタキシャル成長において用いられるＧａＮ基板は、２つの取り得る形態があり得る。これらの形態は、「フリースタンディング」基板であるか、または、「テンプレート」基板であり得る。フリースタンディングＧａＮ基板は、ＧａＮのみからなり、例えば、ＧａＮ結晶から形成される。テンプレートＧａＮ基板は、例えば、サファイアまたは炭化ケイ素のベース基板上に成長したＧａＮの厚いエピタキシャル層からなる。厚いエピタキシャル層は、任意の適切な技術、有機金属化学気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）、水素化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）またはＭＢＥなどによって、ベース基板上に成長する。ＧａＮテンプレート基板のエピタキシャル層は、比較的厚く、例えば、厚さは、５μｍ〜１００μｍの範囲内である。ベース基板は、シリコン、酸化亜鉛、または酸化マグネシウムから形成されてもよい。
【００３１】
あるいは、基板は、１つ以上の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層を含むデバイス構造体であり得る。（用語「（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ」は、一般式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（ただし、０≦ｘ≦１および０≦ｙ≦１）を有する材料を含む。）
基板が準備され、成長チャンバに導入された後、基板はＭＢＥ成長のため所望の温度まで加熱される。成長プロセスの間の基板温度は、好ましくは、少なくとも８５０℃であり、特に好ましくは、少なくとも９４０℃である。実際には、用いられるＭＢＥ装置の制約により、達成可能な基板温度は、約１，０５０℃の最高温度に制限されることが分かった。本発明の方法を用いて、原理的には、より高い基板温度を得ることができるが、１，０５０℃の最高基板温度は、窒化物半導体材料を成長させるＭＯＣＶＤプロセスによって得ることができる典型的な成長温度に対応するので、許容される。
【００３２】
従って、本発明の方法において、基板は、初期的に、少なくとも８５０℃の所定の温度まで加熱される。上述したように、実際に達成可能な最高温度は、１，０５０℃のオーダーである可能性が高い。これを、図１において、工程（ａ）として示す。
【００３３】
基板の温度が増大するレートは、基板において不均一な温度分布が発生し得るほど速くなってはならない。なぜなら、不均一な温度分布が基板に熱応力をもたらし得るからである。１分あたり１０〜１２０℃の範囲内の温度の増加レートが許容できることが分かった。
【００３４】
ＧａＮは、約８００℃以上の温度まで加熱される場合、分解する傾向がある。この分解は、窒素ガスまたはアンモニアガスの超過圧力をＧａＮの表面に供給することによって防がれ得る。従って、基板の熱分解を防ぐため、アンモニアガスは、基板温度が増大している間に成長チャンバに供給することが好ましい。原理として、アンモニアガスは、実質的に８００℃未満の温度では供給される必要はないが、概して、加熱工程が続く間ずっとアンモニアガスを供給することがより簡便である。
【００３５】
基板は、所望の温度に達した後、この温度に維持され、基板をベーキングして、基板から汚染物質が取り除かれる。これが、図１の工程（ｂ）である。持続時間が５分〜３０分の間のベーキング工程が適切であることが分かった。
【００３６】
成長チャンバへのアンモニアの供給は、好ましくは、ベーキング工程の間維持されて、ＧａＮ基板の熱分解を防ぐ。アンモニアガスを供給することはまた、ベーキング工程の間、基板の表面から汚染物質が取り除かれることを促進し、基板の表面の窒化物形成を達成する。
【００３７】
熱ベーキング工程が終了した後、マグネシウムドープ窒化物層、この実施形態においてはマグネシウムドープＧａＮ層が、基板上に分子線エピタキシーによって成長する。上述したように、アンモニアガスがすでに基板に供給されており、これが、ＭＢＥ成長プロセスの窒素のソースとして機能する。従って、マグネシウムドープＧａＮのＭＢＥ成長を開始させるために、ガリウムのソースおよびマグネシウムのソースを提供する必要がある。ガリウムおよびマグネシウムが成長チャンバに供給された後、マグネシウムが組み込まれるＧａＮ層の基板の上でのＭＢＥ成長が起きる。
【００３８】
本発明によると、成長条件は、マグネシウムを窒化物半導体材料の層に組み込む効果として、この材料のｐ型ドーピングが達成されるように選択される。ある実施形態において、ＭＢＥ成長プロセスのガリウムは、ビーム等価圧力が１×１０−８〜１×１０−５ｍｂａｒの範囲内のガリウム元素ビームによって供給される。成長プロセスの間のアンモニアガスの供給に適切なビーム等価圧力は、１×１０−４〜１×１０−２ｍｂａｒの範囲内である。同じビーム等価圧力のアンモニアが、成長工程と同様に、ベーキング工程においても用いられ得るが、ベーキング工程および成長工程において同じビーム等価圧力を用いる必要はない。
【００３９】
この実施形態において、成長プロセスのマグネシウムは、ビーム等価圧力が少なくとも１×１０−９ｍｂａｒのマグネシウム元素ビームによって供給される。本発明者らによって、１×１０−９ｍｂａｒ未満のビーム等価圧力でのマグネシウムの供給はｐ型ドーピングを確実にはもたらさないということが分かった。
【００４０】
１×１０−７ｍｂａｒのビーム等価圧力は、マグネシウムのビーム等価圧力の実際の上限を表す。１×１０−７ｍｂａｒのビーム等価圧力でマグネシウムを供給することによって、マグネシウムソース材料の消費レートが高くなるが、これは、特に、高い基板温度での成長において許容され得る。しかし、概して、マグネシウムソース材料の消費を低減するため、１×１０−７ｍｂａｒよりかなり低いビーム等価圧力でマグネシウムを供給することが好ましい。特に、５×１０−９〜１×１０−８ｍｂａｒの範囲内のビーム等価圧力でのマグネシウムの供給が、満足の行く窒化物半導体材料のｐ型ドーピングを提供することが分かった。
【００４１】
ＭＢＥ成長工程は、図１の工程（ｃ）である。
【００４２】
ｐ型ドープＧａＮ層が、所望の厚さまで成長した後、ガリウム元素およびマグネシウム元素の成長チャンバへの供給を止めることによって、ｐ型ドープＧａＮの成長は停止される。その後、基板が冷却される。これを、図１に工程（ｄ）として示す。アンモニアガスの基板への供給は、ＧａＮの熱分解を防ぐため、基板温度が工程（ｄ）において低下させられている間、少なくとも、基板の温度が８００℃未満に低下するまで、継続される。
【００４３】
基板冷却工程の間、温度増大レートはまた、基板内に、または基板とｐ型ドープＧａＮ層との間に、任意の過度の熱応力をもたらすことを防ぐために選択される必要がある。１分あたり１０〜１２０℃の温度増大レートがまた、適切であることが分かった。
【００４４】
ｐ型ドープＧａＮ層のＭＢＥ成長のＶ／ＩＩＩモル比は、１０：１よりは大きく、５，０００：１より小さいことが好ましい。５，０００：１よりも大きいＶ／ＩＩＩモル比も原理上は用いられ得るが、成長が５，０００：１を大幅に超えるＶ／ＩＩＩモル比で実行される場合では、成長レートが遅いことが分かった。この高Ｖ／ＩＩＩモル比は、ｐ型ドープＧａＮ層が、この材料の従来技術によるＭＢＥ成長において用いられる温度よりも大幅に高い、８５０℃以上の温度で成長することを可能にする。本発明によって、より高い成長温度が用いられることが可能になるので、得られるＧａＮ層の品質が向上する。
【００４５】
図２は、本発明の方法によって得られたマグネシウムドープＧａＮの自由キャリアー濃度を示す。本発明の方法は、約９４０℃よりも高い基板温度に対して十分な自由キャリアー濃度が達成された状態で、ｐ型ドーパントとしてマグネシウムを用いるｐ型ドーピングを達成することが分かる。図２に示す実験において、約１０１０℃の基板温度（実験において用いられる最も高い基板温度）で、１×１０１８ｃｍ−３までの自由キャリアー濃度が得られた。図２に示すキャリアー濃度は、室温ホール効果測定を用いて得られた。図２に示す結果は、ＭＯＣＶＤ成長プロセスで成長したマグネシウムドープＧａＮのキャリアー濃度と比較して勝っている。さらに、本発明は、マグネシウムドープＧａＮの従来のＭＢＥ成長と比較して、温度と自由キャリアー濃度との両方を増大させる。アニーリングまたは照射工程によって、マグネシウムドーパント原子を活性化する必要がない。
【００４６】
典型的なＭＯＣＶＤ成長プロセスと比較して、本発明のＭＢＥ成長方法が必要とするアンモニアガスは、少なくとも１００分の１である。
【００４７】
上記の実施形態は、マグネシウムをｐ型ドーパントとして有する、ｐ型ドープＧａＮの１つの層の基板上での成長に関して説明された。これは、例示のためである。しかし、概して、ｐ型ドープＧａＮまたは他のｐ型窒化物の層は単独で成長するのではなく、層構造体、例えば、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ電子または光電子デバイス内の層構造体に組み込まれる。このようなデバイスは、一連の層を、層の少なくとも１つ（可能であればそれ以上）がｐ型ＧａＮ層のようなｐ型ドープ窒化物半導体層である状態で、適切な基板の上に成長させることによって得られる。従って、実際の光電子または電子デバイスの成長において、ベーキング工程（ｂ）が完了した後、成長チャンバに供給される原子種を適切に変化させることによって、異なる組成の一連の層が基板上に成長する。この場合、ｐ型ドープＧａＮ層を成長させる工程（ｃ）は、必ずしもベーキング工程（ｂ）の直後に続く必要はなく、冷却工程（ｄ）はｐ型ドープＧａＮ層を成長させる工程（ｃ）の直後に続く必要はない。
【００４８】
例えば、上記の成長プロセスは、成長させる第１の層がｐ型ドープＧａＮ層である電子または光電子デバイスを成長させるために用いられ得る。この場合、１つ以上の他の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層が、ｐ型ドープＧａＮ層を成長させる工程（ｃ）の完了の後で、冷却工程（ｄ）の前に成長し得る。あるいは、ｐ型ドープＧａＮ層は、電子または光電子デバイスの最後の層であってもよい。この場合、１つ以上の他の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層が、ベーキング工程（ｂ）の完了の後で、ｐ型ドープＧａＮ層を成長させる工程（ｃ）の開始の前に、基板の上に成長し得る。ｐ型ドープＧａＮ層のさらなる代替例として、電子または光電子デバイスの中間層である場合があり得る。この場合、１つ以上の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層が、ベーキング工程（ｂ）が完了した後、ｐ型ドープＧａＮ層を成長させる工程（ｃ）の開始の前に成長し、１つ以上のさらなる（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層は、ｐ型ドープＧａＮ層を成長させる工程（ｃ）の完了の後、冷却工程（ｄ）の前に成長し得る。
【００４９】
図３は、本発明の方法による、分子線エピタキシーによって窒化物半導体材料を成長させるために適切な装置の模式図である。この装置は、基板Ｓを支え、加熱するように構成された加熱されたサポート１２が中に配置される成長チャンバ１０を含む。成長チャンバ１０は、成長チャンバ１０まで伸びる排気管１６を介して超高真空ポンプ１４に接続される。排気管１６の内側の端部は、成長チャンバ１０の真空出口１８を規定する。真空出口１８は、基板サポート１２に隣接して配置される。
【００５０】
成長チャンバ１０には、さらに、成長チャンバまで伸びる第１の供給管２０が設けられ、第１の供給管２０の出口２２が、エピタキシャル成長が行われる基板Ｓの表面に隣接し、面する。第１の供給管２０の出口２２と基板Ｓのエピタキシャル成長面Ｓとの比較的短い距離が、エピタキシャル成長プロセスの間に変化し得るように、第１の供給管２０は、チャンバに対して調節可能なように取り付けられ得る。第１の供給管２０の長手軸は、エピタキシャル成長の面に対して実質的に垂直である。
【００５１】
第１の供給管２０は、エピタキシャル成長プロセスの間に必要とされる、窒素前駆物質であるアンモニアを供給するために用いられる。第１の供給管２０の出口２２が基板Ｓの比較的近傍に位置するので、比較的高いアンモニア蒸気圧が、エピタキシャル成長する材料の表面に局在し、成長チャンバ１０内の超高真空環境がポンプ１４によって達成されることを依然として可能にしている。高アンモニア蒸気圧は、成長プロセスの間、高いＶ／ＩＩＩ比が実現されることを可能にする。
【００５２】
この装置は、さらに、独立して動作可能な、ガリウム元素およびアルミニウム元素のソースをそれぞれ含む、シャッター制御エフュージョンセル２４および２６（このような２つのセルを図３に示す）を含む。エピタキシャル成長プロセスの間、さらなる原子種を供給することが必要である場合、さらなるエフュージョンセルが設けられ得る。エフュージョンセル２４および２６は、従来通りに位置し、それぞれ、第２およびさらなる供給管を規定している。
【００５３】
上記のタイプのＭＢＥ装置は、ヨーロッパ特許出願第９８３０１８４２．５号に記載されている。ヨーロッパ特許出願第９８３０１８４２．５号は、その内容が本明細書中で参考として援用される。しかし、本発明は、ヨーロッパ特許出願第９８３０１８４２．５／０ ８６４ ６７２号に記載のタイプのＭＢＥ装置に限定されず、必要なＶ／ＩＩＩ比を提供することができる任意のＭＢＥ成長装置において実行され得る。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
上述したように、本発明は、ｐ型ドープ窒化物半導体材料の成長のための改善された方法を提供する。このようなｐ型ドープ窒化物半導体材料は、電子または光電子デバイス、特に、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系をベースとするデバイスの製造において有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】図１は、本発明による、ＭＢＥ成長プロセスの模式的な図である。
【図２】図２は、基板温度の範囲にわたる、本発明の方法によって成長したＧａＮ層のキャリアー濃度を示す図である。
【図３】図３は、本発明の方法の実行に適したＭＢＥ装置の模式図である。
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体材料、例えば、ＧａＮなどのエピタキシャル成長のための分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法に関する。本発明は、特に、マグネシウムがｐ型ドーパントである、ｐ型ドープ窒化物半導体材料の成長に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの電子デバイスおよび光電子デバイスは、ＧａＮ系材料をベースとしている。これらのデバイスは、ｐ：ｎ接合を形成し、かつ／または電気キャリアーがデバイスに注入されることを可能にするために、ｎ型ドープ材料とｐ型ドープ材料との間に少なくとも１つの界面を必要とする。ＧａＮは、自然にはｎ型ドープ半導体材料であり、ｐ型ドープＧａＮは、ＧａＮ成長プロセスにおいて、適切なドーパント種を導入することによって得られる。ＧａＮのｐ型ドーパントとして、しばしば、マグネシウムが用いられる。多くのデバイスは、少なくとも１０１８ｃｍ−３のｐ型ドープＧａＮにおける自由キャリアーの密度を必要とするが、マグネシウムドープＧａＮにおいてそのようなキャリアー濃度を達成することは、困難である。これは、数パーセントのマグネシウムドーパント原子のみが、電気的に活性であり、不活性ドーパント原子は、自由電荷キャリアーを発生させないからである。従って、マグネシウム原子を半導体材料に組み込むことによって、材料のｐ型ドーピングを達成することはできず、マグネシウムドープ半導体材料は、ｎ型であることさえあり得る。
【０００３】
ＩＩＩ族窒化物半導体材料の基板上でのエピタキシャル成長は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）またはしばしば気相エピタキシー（ＶＰＥ）としても公知の化学気相堆積（ＣＶＤ）によって行われ得る。
【０００４】
ＣＶＤ（またはＶＰＥ）は、装置内で、一般的には大気圧で行われるが、僅かに低減された圧力（通常、約１０ｋＰａ）で行われることもある。アンモニア、および、エピタキシャル成長において用いられるＩＩＩ族元素を１つ以上提供する種は、キャリアーガスを用いて、エピタキシャル成長が行われる基板の表面に対して実質的に平行に提供されて、基板表面に隣接し、その上にわたって流れる境界層が形成される。この気体の境界層において、エピタキシャル堆積される窒素および他の元素を形成する分解が行われ、気相平衡によってエピタキシャル成長が進められる。
【０００５】
ＣＶＤとは対照的に、ＭＢＥは、高真空環境下で行われる。ＧａＮ系に適用されるＭＢＥの場合、超高真空（ＵＨＶ）環境、典型的には、約１×１０−３Ｐａが用いられる。アンモニアまたは他の窒素前駆物質は、供給管によって、ＭＢＥチャンバに供給され、ガリウム、場合によってはインジウムおよび／またはアルミニウムを提供する種、ならびに／あるいはドーパント種が、エピタキシャル成長期間の間にＭＢＥチャンバに供給される種の量を制御する制御可能なシャッターが備え付けられた加熱されたエフュージョンセル内の適切なソースから提供される。エフュージョンセルからのシャッター制御出口、および窒素供給管は、エピタキシャル成長が行われる基板の表面に面する。アンモニア、および、エフュージョンセルから供給される種は、ＭＢＥチャンバにわたって移動し、堆積動力学によって進められる態様でエピタキシャル成長が行われる基板に達する。
【０００６】
現在、高品質のＧａＮ層の成長の大部分は、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて実行される。ＭＯＣＶＤ法は、核生成層の成長および核生成層のアニーリングの良好な制御を可能にする。さらに、ＭＯＣＶＤ法は、成長が１０００：１を十分に超えるＶ／ＩＩＩ比で行われることを可能にする。Ｖ／ＩＩＩ比は、成長プロセス中のＩＩＩ族元素に対するＶ族元素のモル比である。用いられる基板の温度がより高くなり、その結果、ＧａＮ層の質がより高くなることにつながるので、Ｖ／ＩＩＩ比が高いことが好ましい。
【０００７】
現在、ＭＢＥによって高品質ＧａＮ層を成長させることは、ＭＯＣＶＤによってこのような層を成長させることよりも難しい。主に難しいことは、成長プロセスの間十分な窒素を提供することである。窒素の層のＭＢＥ成長における、２つの一般的に用いられる窒素のソースは、プラズマ励起分子窒素またはアンモニアである。
【０００８】
ＭＯＣＶＤによるｐ型ドープＧａＮの成長については、いくつか報告がある。例えば、米国特許第５ ３０６ ６６２号およびＨ Ａｍａｎｏらによる「Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ」Ｐａｒｔ ２、Ｖｏｌ．２８Ｌ２１１２（１９８９）である。概して、ＭＯＣＶＤによって成長したマグネシウムドープＧａＮにおけるマグネシウムドーパント原子は不活性であり、自由電荷キャリアーを生成するためにマグネシウム原子を活性化するには、成長後のプロセスが必要であることが分かっている。これは、水素の存在下で成長プロセスが実行される場合には、マグネシウム原子がパッシベートされているからである。ＭＯＣＶＤによるＧａＮの成長の間に大量の水素（これらの水素は、水素キャリアーガスから生じ、窒素ソースとしてアンモニアガスが用いられる場合には、アンモニアガスの分解から生じる）が存在し、これらは、マグネシウムドープＧａＮをパッシベートする傾向がある。適切な密度の自由電荷キャリアーを得るためには、ＭＯＣＶＤによって成長したマグネシウムドープＧａＮを、例えば、材料をアニーリングすること、または材料を低エネルギー電子線で照射することによって、活性化することが必要であることが分かっている。
【０００９】
米国特許第６ ０４３ １４０号は、窒素ソースとしてアミンガスを用いるＭＯＣＶＤによってマグネシウムドープＧａＮを成長させる方法を開示する。この方法を用いて成長させられたマグネシウムドープＧａＮは、アニーリング工程を必要とすることなく、許容できる導電性を有することが分かっているが、この特定の成長方法は、ＭＢＥ成長と関連しない。
【００１０】
成長後のアニーリングまたは照射工程を必要としないマグネシウムドープＧａＮのＭＢＥ成長についての報告は多数ある。ＭＢＥプロセスは、水素キャリアーガスを用いず、ＭＢＥ成長システムにおける水素レベルは、概して、ＭＯＣＶＤ成長システムにおける水素レベルよりも低い。その結果、得られるマグネシウムドープＧａＮのパッシベートは、ＭＯＣＶＤ成長よりも、ＭＢＥ成長において、より問題とならない。特に、ＧａＮのＭＢＥ成長についての多くの報告は、アンモニアよりも、活性化された窒素プラズマソースを窒素前駆物質として用いている。これにより、アンモニアの分解から生じる水素の存在がなくなる。
【００１１】
アンモニアが窒素前駆物質として用いられるマグネシウムドープＧａＮのＭＢＥ成長について、「Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」Ｖｏｌ ６９、ｐ５５９（１９９６）におけるＷ Ｋｉｍらによる報告、および「Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ」Ｖｏｌ ８６、ｐ３７２１（１９９９）におけるＭ Ｌｅｒｏｕｘらによる報告がある。この場合、アンモニアの分解から水素ガスが形成されるので、成長プロセスの間いくらかの水素が存在する。これらの報告では、３〜４．５×１０１７ｃｍ−３の範囲内の自由電荷濃度が達成される。しかし、両方の場合において、成長温度は、８３０℃よりも高くない。
【００１２】
Ｇ．Ｎａｍｋｏｏｎｇらは、「Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」、Ｖｏｌ．７７、Ｎｏ．２６、ｐ４３８６〜４３８８（２０００）において、プラズマ援用ＭＢＥによって成長した窒化ガリウムへのマグネシウムの組み込みを開示している。しかし、用いられる成長条件は、マグネシウムは窒化ガリウムに組み込まれるが、ｐ型ドーピングの達成が示されないようなものである。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第１の局面は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によってｐ型ドープ窒化物半導体材料を成長させる方法であって、アンモニアガス、ガリウム、およびマグネシウムを、基板が入ったＭＢＥ成長チャンバに供給して、ｐ型ドーパントとしてマグネシウムを有するｐ型ドープ窒化物半導体材料を、基板の上に成長させる工程を包含し、マグネシウムが、少なくとも１×１０−９ｍｂａｒのビーム等価圧力で、成長チャンバに供給される、方法を提供する。
【００１４】
この方法は、窒化物半導体材料の高温での成長を可能にし、同時に、材料内の活性化されたマグネシウム原子の濃度を増大させる。結果として、デバイス用途のために十分な高さの自由キャリアー濃度を有し、活性化を必要としないｐ型ドープ材料を成長させることが可能である。
【００１５】
マグネシウムが、１×１０−７ｍｂａｒ未満のビーム等価圧力で、成長チャンバに供給されてもよい。
【００１６】
ガリウムが、１×１０−８ｍｂａｒより高いビーム等価圧力で、成長チャンバに供給されてもよい。
【００１７】
ガリウムが、１×１０−５ｍｂａｒ未満のビーム等価圧力で、成長チャンバに供給されてもよい。
【００１８】
アンモニアが、１×１０−２ｍｂａｒ未満のビーム等価圧力で、成長チャンバに供給されてもよい。
【００１９】
アンモニアが、１×１０−４ｍｂａｒより高い等価圧力で、成長チャンバに供給されてもよい。
【００２０】
成長プロセスの間の基板の温度が８５０℃以上であってもよく、９４０℃以上であってもよい。
【００２１】
成長プロセスの間の基板の温度が１０５０℃以下であってもよく、１０１０℃以下であってもよい。
【００２２】
ｐ型ドープ窒化物半導体材料がｐ型ドープ窒化ガリウムであってもよい。
【００２３】
基板がＧａＮ基板であってもよい。基板は、ベース基板の上に配置されたＧａＮのエピタキシャル層を含んでもよい。
【００２４】
本発明の第２の局面は、第１の窒化物半導体材料の層を基板の上に成長させる工程と、ｐ型ドーパントとしてマグネシウムを有するｐ型ドープ窒化物半導体材料の層を、上記の方法によって、第１の窒化物半導体材料の上に成長させる工程とを包含する、半導体デバイスを成長させる方法を提供する。
【００２５】
本発明の第３の局面は、ｐ型ドーパントとしてマグネシウムを有するｐ型ドープ窒化物半導体材料の層を、上記の方法によって成長させる工程と、窒化物半導体材料の層をｐ型ドープ窒化物半導体材料の上に成長させる工程とを包含する、半導体デバイスを成長させる方法を提供する。
【００２６】
本発明の第４の局面は、上記の方法によって成長した、ｐ型ドーパントとしてマグネシウムを有するｐ型ドープ窒化物半導体材料の層を含む、半導体デバイスを提供する。
【００２７】
デバイスは（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ電子または光電子デバイスであってもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の好適な実施形態を、添付の図面を参照しながら例示的な実施例を用いて以下に説明する。
【００２９】
マグネシウムをｐ型ドーパントとして有するｐ型ドープ窒化物層の成長を例示する、本発明による成長方法の一例を以下に説明する。この実施形態において、窒化物層はｐ型ＧａＮ層であるが、本発明は、ｐ型ＧａＮの成長に限定されない。
【００３０】
適切な基板は、任意の従来の様態で準備され、ＭＢＥ装置の成長チャンバに導入される。基板は、好ましくは、ＧａＮ基板である。ＧａＮのエピタキシャル成長において用いられるＧａＮ基板は、２つの取り得る形態があり得る。これらの形態は、「フリースタンディング」基板であるか、または、「テンプレート」基板であり得る。フリースタンディングＧａＮ基板は、ＧａＮのみからなり、例えば、ＧａＮ結晶から形成される。テンプレートＧａＮ基板は、例えば、サファイアまたは炭化ケイ素のベース基板上に成長したＧａＮの厚いエピタキシャル層からなる。厚いエピタキシャル層は、任意の適切な技術、有機金属化学気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）、水素化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）またはＭＢＥなどによって、ベース基板上に成長する。ＧａＮテンプレート基板のエピタキシャル層は、比較的厚く、例えば、厚さは、５μｍ〜１００μｍの範囲内である。ベース基板は、シリコン、酸化亜鉛、または酸化マグネシウムから形成されてもよい。
【００３１】
あるいは、基板は、１つ以上の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層を含むデバイス構造体であり得る。（用語「（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ」は、一般式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（ただし、０≦ｘ≦１および０≦ｙ≦１）を有する材料を含む。）
基板が準備され、成長チャンバに導入された後、基板はＭＢＥ成長のため所望の温度まで加熱される。成長プロセスの間の基板温度は、好ましくは、少なくとも８５０℃であり、特に好ましくは、少なくとも９４０℃である。実際には、用いられるＭＢＥ装置の制約により、達成可能な基板温度は、約１，０５０℃の最高温度に制限されることが分かった。本発明の方法を用いて、原理的には、より高い基板温度を得ることができるが、１，０５０℃の最高基板温度は、窒化物半導体材料を成長させるＭＯＣＶＤプロセスによって得ることができる典型的な成長温度に対応するので、許容される。
【００３２】
従って、本発明の方法において、基板は、初期的に、少なくとも８５０℃の所定の温度まで加熱される。上述したように、実際に達成可能な最高温度は、１，０５０℃のオーダーである可能性が高い。これを、図１において、工程（ａ）として示す。
【００３３】
基板の温度が増大するレートは、基板において不均一な温度分布が発生し得るほど速くなってはならない。なぜなら、不均一な温度分布が基板に熱応力をもたらし得るからである。１分あたり１０〜１２０℃の範囲内の温度の増加レートが許容できることが分かった。
【００３４】
ＧａＮは、約８００℃以上の温度まで加熱される場合、分解する傾向がある。この分解は、窒素ガスまたはアンモニアガスの超過圧力をＧａＮの表面に供給することによって防がれ得る。従って、基板の熱分解を防ぐため、アンモニアガスは、基板温度が増大している間に成長チャンバに供給することが好ましい。原理として、アンモニアガスは、実質的に８００℃未満の温度では供給される必要はないが、概して、加熱工程が続く間ずっとアンモニアガスを供給することがより簡便である。
【００３５】
基板は、所望の温度に達した後、この温度に維持され、基板をベーキングして、基板から汚染物質が取り除かれる。これが、図１の工程（ｂ）である。持続時間が５分〜３０分の間のベーキング工程が適切であることが分かった。
【００３６】
成長チャンバへのアンモニアの供給は、好ましくは、ベーキング工程の間維持されて、ＧａＮ基板の熱分解を防ぐ。アンモニアガスを供給することはまた、ベーキング工程の間、基板の表面から汚染物質が取り除かれることを促進し、基板の表面の窒化物形成を達成する。
【００３７】
熱ベーキング工程が終了した後、マグネシウムドープ窒化物層、この実施形態においてはマグネシウムドープＧａＮ層が、基板上に分子線エピタキシーによって成長する。上述したように、アンモニアガスがすでに基板に供給されており、これが、ＭＢＥ成長プロセスの窒素のソースとして機能する。従って、マグネシウムドープＧａＮのＭＢＥ成長を開始させるために、ガリウムのソースおよびマグネシウムのソースを提供する必要がある。ガリウムおよびマグネシウムが成長チャンバに供給された後、マグネシウムが組み込まれるＧａＮ層の基板の上でのＭＢＥ成長が起きる。
【００３８】
本発明によると、成長条件は、マグネシウムを窒化物半導体材料の層に組み込む効果として、この材料のｐ型ドーピングが達成されるように選択される。ある実施形態において、ＭＢＥ成長プロセスのガリウムは、ビーム等価圧力が１×１０−８〜１×１０−５ｍｂａｒの範囲内のガリウム元素ビームによって供給される。成長プロセスの間のアンモニアガスの供給に適切なビーム等価圧力は、１×１０−４〜１×１０−２ｍｂａｒの範囲内である。同じビーム等価圧力のアンモニアが、成長工程と同様に、ベーキング工程においても用いられ得るが、ベーキング工程および成長工程において同じビーム等価圧力を用いる必要はない。
【００３９】
この実施形態において、成長プロセスのマグネシウムは、ビーム等価圧力が少なくとも１×１０−９ｍｂａｒのマグネシウム元素ビームによって供給される。本発明者らによって、１×１０−９ｍｂａｒ未満のビーム等価圧力でのマグネシウムの供給はｐ型ドーピングを確実にはもたらさないということが分かった。
【００４０】
１×１０−７ｍｂａｒのビーム等価圧力は、マグネシウムのビーム等価圧力の実際の上限を表す。１×１０−７ｍｂａｒのビーム等価圧力でマグネシウムを供給することによって、マグネシウムソース材料の消費レートが高くなるが、これは、特に、高い基板温度での成長において許容され得る。しかし、概して、マグネシウムソース材料の消費を低減するため、１×１０−７ｍｂａｒよりかなり低いビーム等価圧力でマグネシウムを供給することが好ましい。特に、５×１０−９〜１×１０−８ｍｂａｒの範囲内のビーム等価圧力でのマグネシウムの供給が、満足の行く窒化物半導体材料のｐ型ドーピングを提供することが分かった。
【００４１】
ＭＢＥ成長工程は、図１の工程（ｃ）である。
【００４２】
ｐ型ドープＧａＮ層が、所望の厚さまで成長した後、ガリウム元素およびマグネシウム元素の成長チャンバへの供給を止めることによって、ｐ型ドープＧａＮの成長は停止される。その後、基板が冷却される。これを、図１に工程（ｄ）として示す。アンモニアガスの基板への供給は、ＧａＮの熱分解を防ぐため、基板温度が工程（ｄ）において低下させられている間、少なくとも、基板の温度が８００℃未満に低下するまで、継続される。
【００４３】
基板冷却工程の間、温度増大レートはまた、基板内に、または基板とｐ型ドープＧａＮ層との間に、任意の過度の熱応力をもたらすことを防ぐために選択される必要がある。１分あたり１０〜１２０℃の温度増大レートがまた、適切であることが分かった。
【００４４】
ｐ型ドープＧａＮ層のＭＢＥ成長のＶ／ＩＩＩモル比は、１０：１よりは大きく、５，０００：１より小さいことが好ましい。５，０００：１よりも大きいＶ／ＩＩＩモル比も原理上は用いられ得るが、成長が５，０００：１を大幅に超えるＶ／ＩＩＩモル比で実行される場合では、成長レートが遅いことが分かった。この高Ｖ／ＩＩＩモル比は、ｐ型ドープＧａＮ層が、この材料の従来技術によるＭＢＥ成長において用いられる温度よりも大幅に高い、８５０℃以上の温度で成長することを可能にする。本発明によって、より高い成長温度が用いられることが可能になるので、得られるＧａＮ層の品質が向上する。
【００４５】
図２は、本発明の方法によって得られたマグネシウムドープＧａＮの自由キャリアー濃度を示す。本発明の方法は、約９４０℃よりも高い基板温度に対して十分な自由キャリアー濃度が達成された状態で、ｐ型ドーパントとしてマグネシウムを用いるｐ型ドーピングを達成することが分かる。図２に示す実験において、約１０１０℃の基板温度（実験において用いられる最も高い基板温度）で、１×１０１８ｃｍ−３までの自由キャリアー濃度が得られた。図２に示すキャリアー濃度は、室温ホール効果測定を用いて得られた。図２に示す結果は、ＭＯＣＶＤ成長プロセスで成長したマグネシウムドープＧａＮのキャリアー濃度と比較して勝っている。さらに、本発明は、マグネシウムドープＧａＮの従来のＭＢＥ成長と比較して、温度と自由キャリアー濃度との両方を増大させる。アニーリングまたは照射工程によって、マグネシウムドーパント原子を活性化する必要がない。
【００４６】
典型的なＭＯＣＶＤ成長プロセスと比較して、本発明のＭＢＥ成長方法が必要とするアンモニアガスは、少なくとも１００分の１である。
【００４７】
上記の実施形態は、マグネシウムをｐ型ドーパントとして有する、ｐ型ドープＧａＮの１つの層の基板上での成長に関して説明された。これは、例示のためである。しかし、概して、ｐ型ドープＧａＮまたは他のｐ型窒化物の層は単独で成長するのではなく、層構造体、例えば、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ電子または光電子デバイス内の層構造体に組み込まれる。このようなデバイスは、一連の層を、層の少なくとも１つ（可能であればそれ以上）がｐ型ＧａＮ層のようなｐ型ドープ窒化物半導体層である状態で、適切な基板の上に成長させることによって得られる。従って、実際の光電子または電子デバイスの成長において、ベーキング工程（ｂ）が完了した後、成長チャンバに供給される原子種を適切に変化させることによって、異なる組成の一連の層が基板上に成長する。この場合、ｐ型ドープＧａＮ層を成長させる工程（ｃ）は、必ずしもベーキング工程（ｂ）の直後に続く必要はなく、冷却工程（ｄ）はｐ型ドープＧａＮ層を成長させる工程（ｃ）の直後に続く必要はない。
【００４８】
例えば、上記の成長プロセスは、成長させる第１の層がｐ型ドープＧａＮ層である電子または光電子デバイスを成長させるために用いられ得る。この場合、１つ以上の他の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層が、ｐ型ドープＧａＮ層を成長させる工程（ｃ）の完了の後で、冷却工程（ｄ）の前に成長し得る。あるいは、ｐ型ドープＧａＮ層は、電子または光電子デバイスの最後の層であってもよい。この場合、１つ以上の他の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層が、ベーキング工程（ｂ）の完了の後で、ｐ型ドープＧａＮ層を成長させる工程（ｃ）の開始の前に、基板の上に成長し得る。ｐ型ドープＧａＮ層のさらなる代替例として、電子または光電子デバイスの中間層である場合があり得る。この場合、１つ以上の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層が、ベーキング工程（ｂ）が完了した後、ｐ型ドープＧａＮ層を成長させる工程（ｃ）の開始の前に成長し、１つ以上のさらなる（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層は、ｐ型ドープＧａＮ層を成長させる工程（ｃ）の完了の後、冷却工程（ｄ）の前に成長し得る。
【００４９】
図３は、本発明の方法による、分子線エピタキシーによって窒化物半導体材料を成長させるために適切な装置の模式図である。この装置は、基板Ｓを支え、加熱するように構成された加熱されたサポート１２が中に配置される成長チャンバ１０を含む。成長チャンバ１０は、成長チャンバ１０まで伸びる排気管１６を介して超高真空ポンプ１４に接続される。排気管１６の内側の端部は、成長チャンバ１０の真空出口１８を規定する。真空出口１８は、基板サポート１２に隣接して配置される。
【００５０】
成長チャンバ１０には、さらに、成長チャンバまで伸びる第１の供給管２０が設けられ、第１の供給管２０の出口２２が、エピタキシャル成長が行われる基板Ｓの表面に隣接し、面する。第１の供給管２０の出口２２と基板Ｓのエピタキシャル成長面Ｓとの比較的短い距離が、エピタキシャル成長プロセスの間に変化し得るように、第１の供給管２０は、チャンバに対して調節可能なように取り付けられ得る。第１の供給管２０の長手軸は、エピタキシャル成長の面に対して実質的に垂直である。
【００５１】
第１の供給管２０は、エピタキシャル成長プロセスの間に必要とされる、窒素前駆物質であるアンモニアを供給するために用いられる。第１の供給管２０の出口２２が基板Ｓの比較的近傍に位置するので、比較的高いアンモニア蒸気圧が、エピタキシャル成長する材料の表面に局在し、成長チャンバ１０内の超高真空環境がポンプ１４によって達成されることを依然として可能にしている。高アンモニア蒸気圧は、成長プロセスの間、高いＶ／ＩＩＩ比が実現されることを可能にする。
【００５２】
この装置は、さらに、独立して動作可能な、ガリウム元素およびアルミニウム元素のソースをそれぞれ含む、シャッター制御エフュージョンセル２４および２６（このような２つのセルを図３に示す）を含む。エピタキシャル成長プロセスの間、さらなる原子種を供給することが必要である場合、さらなるエフュージョンセルが設けられ得る。エフュージョンセル２４および２６は、従来通りに位置し、それぞれ、第２およびさらなる供給管を規定している。
【００５３】
上記のタイプのＭＢＥ装置は、ヨーロッパ特許出願第９８３０１８４２．５号に記載されている。ヨーロッパ特許出願第９８３０１８４２．５号は、その内容が本明細書中で参考として援用される。しかし、本発明は、ヨーロッパ特許出願第９８３０１８４２．５／０ ８６４ ６７２号に記載のタイプのＭＢＥ装置に限定されず、必要なＶ／ＩＩＩ比を提供することができる任意のＭＢＥ成長装置において実行され得る。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
上述したように、本発明は、ｐ型ドープ窒化物半導体材料の成長のための改善された方法を提供する。このようなｐ型ドープ窒化物半導体材料は、電子または光電子デバイス、特に、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系をベースとするデバイスの製造において有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】図１は、本発明による、ＭＢＥ成長プロセスの模式的な図である。
【図２】図２は、基板温度の範囲にわたる、本発明の方法によって成長したＧａＮ層のキャリアー濃度を示す図である。
【図３】図３は、本発明の方法の実行に適したＭＢＥ装置の模式図である。
Claims (17)
- 分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によってｐ型窒化物半導体材料を成長させる方法であって、
アンモニアガス、ガリウム、およびマグネシウムを、基板が入ったＭＢＥ成長チャンバに供給して、ｐ型ドーパントとしてマグネシウムを有するｐ型窒化物半導体材料を、該基板の上に成長させる工程を包含し、
マグネシウムが、少なくとも１×１０−９ｍｂａｒのビーム等価圧力で、該成長チャンバに供給される、方法。 - マグネシウムが、１×１０−７ｍｂａｒ未満のビーム等価圧力で、前記成長チャンバに供給される、請求項１に記載の方法。
- ガリウムが、１×１０−８ｍｂａｒより高いビーム等価圧力で、前記成長チャンバに供給される、請求項１に記載の方法。
- ガリウムが、１×１０−５ｍｂａｒ未満のビーム等価圧力で、前記成長チャンバに供給される、請求項１に記載の方法。
- アンモニアが、１×１０−２ｍｂａｒ未満のビーム等価圧力で、前記成長チャンバに供給される、請求項１に記載の方法。
- アンモニアが、１×１０−４ｍｂａｒより高いビーム等価圧力で、前記成長チャンバに供給される、請求項１に記載の方法。
- 前記成長プロセスの間の前記基板の温度が８５０℃以上である、請求項１に記載の方法。
- 前記成長プロセスの間の前記基板の温度が９４０℃以上である、請求項１に記載の方法。
- 前記成長プロセスの間の前記基板の温度が１０５０℃以下である、請求項１に記載の方法。
- 前記成長プロセスの間の前記基板の温度が１０１０℃以下である、請求項１に記載の方法。
- 前記ｐ型窒化物半導体材料が、ｐ型ドーパントとしてマグネシウムを有するｐ型ＧａＮである、請求項１に記載の方法。
- 前記基板がＧａＮ基板である、請求項１に記載の方法。
- 前記基板が、ベース基板の上に配置されたＧａＮのエピタキシャル層を含む、請求項１２に記載の方法。
- 第１の窒化物半導体材料の層を基板の上に成長させる工程と、
ｐ型ドーパントとしてマグネシウムを有するｐ型窒化物半導体材料の層を、請求項１〜１３のいずれか１つに記載の方法によって、該第１の窒化物半導体材料の上に成長させる工程とを包含する、半導体デバイスを成長させる方法。 - ｐ型ドーパントとしてマグネシウムを有するｐ型窒化物半導体材料の層を、請求項１〜１３のいずれか１つに記載の方法によって成長させる工程と、
窒化物半導体材料の層を該ｐ型窒化物半導体材料の上に成長させる工程とを包含する、半導体デバイスを成長させる方法。 - 請求項１〜１３のいずれか１つに記載の方法によって成長した、ｐ型ドーパントとしてマグネシウムを有するｐ型窒化物半導体材料の層を含む、半導体デバイス。
- 前記デバイスは（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ電子または光電子デバイスである、請求項１６に記載のデバイス。
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