JP2010040971A - Method of forming thin film semiconductor layer - Google Patents
Method of forming thin film semiconductor layer Download PDFInfo
- Publication number
- JP2010040971A JP2010040971A JP2008205315A JP2008205315A JP2010040971A JP 2010040971 A JP2010040971 A JP 2010040971A JP 2008205315 A JP2008205315 A JP 2008205315A JP 2008205315 A JP2008205315 A JP 2008205315A JP 2010040971 A JP2010040971 A JP 2010040971A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- semiconductor layer
- thin film
- gas
- layer
- forming
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Formation Of Insulating Films (AREA)
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
- Recrystallisation Techniques (AREA)
Abstract
【課題】 半導体層の表面に、その半導体層よりも非常にキャリア濃度の大きい半導体層を形成する高キャリア濃度の薄膜半導体層の形成方法を提供する。
【解決手段】 半導体層1表面の自然酸化膜または250℃以下の低温で生成した酸化膜4を還元して形成される活性化した金属元素と結合させることにより、半導体層1よりも高キャリア濃度で、かつ、バンドギャップが前記半導体層より大きい薄膜化合物半導体層2を形成する。この上に、SiN:Hからなる保護層3を設けることが薄膜を保護するために好ましい。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for forming a thin film semiconductor layer having a high carrier concentration, wherein a semiconductor layer having a carrier concentration much higher than that of the semiconductor layer is formed on the surface of the semiconductor layer.
A carrier layer having a higher carrier concentration than that of a semiconductor layer 1 is obtained by bonding a natural oxide film on the surface of a semiconductor layer 1 or an oxide film 4 formed at a low temperature of 250 ° C. or less to an activated metal element formed by reduction. In addition, the thin film compound semiconductor layer 2 having a band gap larger than that of the semiconductor layer is formed. On this, it is preferable to provide a protective layer 3 made of SiN: H in order to protect the thin film.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、バンドギャップの大きい半導体層でも高キャリア濃度で、しかも電子をトンネルさせ得るような薄い層でも正確な厚さに形成することができる高キャリア濃度の薄膜半導体層の形成方法に関する。さらに詳しくは、窒化ガリウム(GaN)系化合物や、炭化珪素(SiC)のような非常にバンドギャップの大きい半導体層でも、格子定数が大幅に異なる半導体層上に還元置換で形成されるために非常に薄く、高価な設備を利用することなく、歪み格子層として形成することができ、しかも、電極との接触抵抗を非常に低下させることができる高キャリア濃度の薄膜半導体層の形成方法に関する。 The present invention relates to a method for forming a thin film semiconductor layer with a high carrier concentration, which can be formed with a high carrier concentration even in a semiconductor layer having a large band gap and a thin layer capable of tunneling electrons. More specifically, even a semiconductor layer having a very large band gap such as gallium nitride (GaN) compound or silicon carbide (SiC) is formed by reduction substitution on a semiconductor layer having a greatly different lattice constant. The present invention relates to a method for forming a thin film semiconductor layer having a high carrier concentration, which can be formed as a strained lattice layer without using a very thin and expensive facility, and which can greatly reduce the contact resistance with an electrode.
GaNや、SiCは、バンドギャップが大きく、また、電子移動度が大きかったり、高耐熱性であったり、対放射線性が高かったりするため、短波長の発光素子やマイクロ波以上の高周波デバイスの材料としても電力用デバイス、車載用デバイスでも期待されている。しかし、このような半導体層は、キャリア濃度を上げることが難しく、電極材料との接触抵抗が大きくなり、電圧降下が生じて、デバイス性能を低下させているという問題がある。とくに、これらの材料のP型半導体層は、キャリア濃度を上げることができず、LED(Light Emitting Diode)にした場合でも、電流をチップの全体に拡げることができず、電極の近傍しか発光させられないと共に、とくにP型層と電極とのオーミックコンタクトを得にくいという問題がある。 Since GaN and SiC have a large band gap, high electron mobility, high heat resistance, and high radiation resistance, they are materials for short-wavelength light-emitting elements and microwaves and higher-frequency devices. However, it is also expected for power devices and in-vehicle devices. However, such a semiconductor layer has a problem that it is difficult to increase the carrier concentration, the contact resistance with the electrode material increases, a voltage drop occurs, and the device performance deteriorates. In particular, the P-type semiconductor layers of these materials cannot increase the carrier concentration, and even when LED (Light Emitting Diode) is used, the current cannot be spread over the entire chip, and only the vicinity of the electrodes emits light. In addition, there is a problem that it is difficult to obtain an ohmic contact between the P-type layer and the electrode.
たとえば、GaN系化合物半導体(GaNの他、ガリウム(Ga)の一部または全部がアルミニウム(Al)などの他のIII族元素と置換した化合物を含む意味で、窒化物半導体ともいう、以下同じ)を用いたHEMT(High Electron Mobility Transistor)の構造は、図6に示されるような構造が知られている。すなわち、図示しないサファイア基板などの上に積層される半絶縁性またはキャリア濃度が非常に低いGaNからなるチャネル層51上に、キャリア濃度が大きく、かつ、バンドギャップが大きく、所望のしきい値電圧となるような20〜30nm程度の厚さのAlGaN系化合物半導体層52が設けられ、その表面にソース電極53、ドレイン電極54、およびショットキー接合のゲート電極55が形成されている。このような構成にすることにより、チャネル層51のAlGaN系化合物半導体層52との界面側に二次元電子ガスが発生し、不純物の少ないチャネル層51を電子が高速で移動して高速、低雑音のトランジスタとして動作する。
For example, a GaN-based compound semiconductor (in addition to GaN, a compound in which a part or all of gallium (Ga) is substituted with another group III element such as aluminum (Al), also referred to as a nitride semiconductor, hereinafter the same) A structure of a HEMT (High Electron Mobility Transistor) using the above is known as shown in FIG. That is, on a
しかし、このような構造では、ソース・ドレイン電極53、54とAlGaN系化合物半導体層52とのコンタクト抵抗率を充分に下げることができないため、出力電力、電力負荷効率、動作周波数が低下するという問題があり、低抵抗のオーミックコンタクトを得るため、前述のAlGaN系化合物半導体層52の少なくとも電極53、54との接触部の厚さを薄くし、ヘテロ界面に蓄積された二次元電子ガスを電極にトンネルさせることにより、電極53、54との接触抵抗を下げることが提案されている(引用文献1参照)。
前述のHEMTのように、半絶縁性またはキャリア濃度の非常に低い半導体層上に、バンドギャップが大きくキャリア濃度の大きい半導体層を接合させることにより、その界面に二次元電子ガスを発生させる構造では、バンドギャップの大きい半導体層のキャリア濃度が大きいほどフェルミ準位が高くなって二次元電子ガスを発生させやすいと共に、そのバンドギャップの大きい半導体層上に形成する電極との接触抵抗を小さくすることができるため、高キャリア濃度に形成することが好ましい。しかし、バンドギャップの大きい材料、とくにSiCやGaN系化合物半導体では、そのキャリア濃度を充分に上げることができず、N型でも1018cm-3オーダの程度を越えるのが困難であるという問題がある。この傾向は、Alの混晶比率が大きくなるほど顕著である。 In a structure in which a two-dimensional electron gas is generated at the interface by bonding a semiconductor layer having a large band gap and a large carrier concentration on a semi-insulating or very low carrier concentration semiconductor layer as in the HEMT described above. The higher the carrier concentration of a semiconductor layer with a large band gap, the higher the Fermi level, the more likely it is to generate a two-dimensional electron gas, and the lower the contact resistance with the electrode formed on the semiconductor layer with the large band gap. Therefore, it is preferable to form a high carrier concentration. However, materials having a large band gap, particularly SiC and GaN-based compound semiconductors, cannot sufficiently increase their carrier concentration, and even the N type has a problem that it is difficult to exceed the order of 10 18 cm −3. is there. This tendency becomes more prominent as the Al mixed crystal ratio increases.
また、バンドギャップの大きいP型半導体層では、さらにそのキャリア濃度の限度が1桁以上程度下がり、前述のように、GaN系化合物半導体を用いたLEDやLD(レーザダイオード)などの半導体発光素子においても、電極からの電流拡がりが低下したり、直列抵抗が増大して駆動電圧が増大したりするという問題がある。また、SiCインパットダイオードでも、P型層の電極との接触抵抗が大きいために出力電力で大幅な損をしており、この比接触抵抗を10×10-5Ω・cm2程度以下に下げることができれば、パルス出力で1000倍程度の出力向上が見込まれている。 Further, in the P-type semiconductor layer having a large band gap, the limit of the carrier concentration is further reduced by about one digit or more, and as described above, in a semiconductor light emitting device such as an LED or LD (laser diode) using a GaN compound semiconductor. However, there is a problem that the current spread from the electrode is reduced, or the series resistance is increased and the drive voltage is increased. In addition, the SiC impatt diode also has a large loss in output power due to its large contact resistance with the electrode of the P-type layer, and this specific contact resistance is lowered to about 10 × 10 −5 Ω · cm 2 or less. If possible, an output improvement of about 1000 times in the pulse output is expected.
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、半導体層の表面に、その半導体層よりも非常にキャリア濃度の大きい半導体層を形成する高キャリア濃度の薄膜半導体層の形成方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a method for forming a thin film semiconductor layer having a high carrier concentration, which forms a semiconductor layer having a carrier concentration much higher than that of the semiconductor layer on the surface of the semiconductor layer. The purpose is to do.
本発明の他の目的は、半導体層表面にその半導体層よりもバンドギャップおよびキャリア濃度の両方が大きいと共に、電子をトンネルさせ得る薄膜半導体層の形成方法を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a method of forming a thin film semiconductor layer on the surface of a semiconductor layer, which has both a band gap and a carrier concentration larger than that of the semiconductor layer and can tunnel electrons.
本発明のさらに他の目的は、GaN系化合物半導体や、SiCを用いたデバイスで、電極と接触する半導体層のキャリア濃度をN型層のみならず、P型層でも向上させて電極との接触抵抗を大幅に低下させ得る高キャリア濃度の薄膜半導体層の形成方法を提供することにある。 Still another object of the present invention is to improve the carrier concentration of a semiconductor layer in contact with an electrode not only in an N-type layer but also in a P-type layer in a device using a GaN-based compound semiconductor or SiC, thereby making contact with the electrode. An object of the present invention is to provide a method for forming a thin film semiconductor layer having a high carrier concentration capable of greatly reducing the resistance.
本発明による薄膜半導体層の形成方法は、半導体層表面の自然酸化膜または250℃以下の低温で生成した酸化膜を還元して形成される活性化した金属元素と他の元素とを結合させることにより、前記半導体層よりも高キャリア濃度で、かつ、バンドギャップが前記半導体層より大きい薄膜化合物半導体層を形成することを特徴とする。 The method for forming a thin film semiconductor layer according to the present invention combines an activated metal element formed by reducing a natural oxide film on the surface of a semiconductor layer or an oxide film generated at a low temperature of 250 ° C. or less with another element. Thus, a thin film compound semiconductor layer having a carrier concentration higher than that of the semiconductor layer and a band gap larger than that of the semiconductor layer is formed.
ここに半導体層とは、基板上に1種類または多種類の半導体層がエピタキシャル成長される場合には、その表面の半導体層を意味し、半導体基板だけの場合には、その基板の表面部分を意味し、半絶縁性でもよいし、N型でもP型でもよい。 Here, the semiconductor layer means a semiconductor layer on the surface when one or more kinds of semiconductor layers are epitaxially grown on the substrate, and means a surface portion of the substrate when only the semiconductor substrate is used. It may be semi-insulating, N-type or P-type.
具体的には、たとえば前記半導体層がインジウム(In)を化合物の構成元素として含有する半導体層からなり、該Inを含有する半導体層表面の酸化膜を還元して清浄化した後に、直ちに酸化物生成用液体に前記半導体層を浸漬し、または250℃以下の低温で酸化性雰囲気に曝すことにより、前記半導体層表面に、酸化インジウム層を形成することができる。 Specifically, for example, the semiconductor layer is made of a semiconductor layer containing indium (In) as a constituent element of the compound, and after the oxide film on the surface of the semiconductor layer containing In is reduced and cleaned, the oxide is immediately An indium oxide layer can be formed on the surface of the semiconductor layer by immersing the semiconductor layer in a generating liquid or exposing it to an oxidizing atmosphere at a low temperature of 250 ° C. or lower.
ここに「化合物の構成元素として含有する」とは、たとえばインジウムリン(InP)のInとPやインジウムヒ素(InAs)のInとAsのように、化合物の構成元素として含むものを意味し、ドーパントとして含むものを意図していない。この用語は他の化合物についても同様である。また、酸化物生成用液体とは、たとえば高純水(高純水中で煮沸する場合を含む)、過酸化水素水、オゾン含有水、酸素含有水などの半導体層表面の活性化した金属元素を酸化させ得る液体を意味し、酸化性雰囲気とは、紫外線励起オゾン含有気体、250℃以下の低温での酸素プラズマ処理、などを意味する。 “Contained as a constituent element of a compound” herein means an element that is contained as a constituent element of a compound, such as In and P of indium phosphide (InP) or In and As of indium arsenide (InAs). Not intended to be included. The term is the same for other compounds. The oxide generation liquid can oxidize activated metal elements on the surface of the semiconductor layer such as high purity water (including the case of boiling in high purity water), hydrogen peroxide water, ozone-containing water, oxygen-containing water, and the like. A liquid means an oxidizing atmosphere means a UV-excited ozone-containing gas, an oxygen plasma treatment at a low temperature of 250 ° C. or lower, and the like.
前記酸化インジウム層を形成した後、直ちにモノシランガスおよび窒素原子含有ガスを導入することにより、前記酸化インジウム層上に珪素窒素水素合金(SiN:H)からなる保護膜を形成すれば、非常に薄くて安定性のない酸化インジウムなどの酸化物層を消失させることなく安定に維持することができる。 After forming the indium oxide layer, if a protective film made of silicon nitrogen hydrogen alloy (SiN: H) is formed on the indium oxide layer by immediately introducing a monosilane gas and a nitrogen atom-containing gas, A stable oxide layer such as indium oxide can be stably maintained without disappearing.
別の具体的な方法として、前記半導体層表面に生成される酸化膜の還元を、ガスのプラズマ化により発生する水素イオンまたはハロゲンイオンにより行うと共に、前記活性化した金属元素と結合させる元素の原料ガスおよびドーパント元素の原料ガスを導入してプラズマ化し、前記活性化した金属元素と結合させることにより、前記高キャリア濃度の薄膜化合物半導体層を形成することもできる。 Another specific method is to reduce the oxide film formed on the surface of the semiconductor layer with hydrogen ions or halogen ions generated by gasification of the gas, and to combine the activated metal element with the raw material of the element The thin film compound semiconductor layer having a high carrier concentration can be formed by introducing a source gas of a gas and a dopant element into plasma and combining it with the activated metal element.
前記半導体層がGaを化合物の構成元素として含有する半導体層からなり、アンモニアガスのプラズマ処理により生成される水素(H)イオンにより前記Gaを含有する半導体層表面の酸化膜を還元して清浄化すると共に、該還元により露出する活性化したGaを前記アンモニアガスのプラズマ処理により生成される窒素(N)イオンと結合させることにより、GaとNを化合物の構成元素として含む化合物からなる薄膜化合物半導体層を形成することにより、高キャリア濃度のGaN系化合物半導体層の薄膜を形成することができる。 The semiconductor layer comprises a semiconductor layer containing Ga as a constituent element of the compound, and the oxide film on the surface of the semiconductor layer containing Ga is reduced and cleaned by hydrogen (H) ions generated by plasma treatment with ammonia gas. And a thin film compound semiconductor comprising a compound containing Ga and N as constituent elements by combining activated Ga exposed by the reduction with nitrogen (N) ions generated by the plasma treatment of the ammonia gas. By forming the layer, a thin film of a GaN-based compound semiconductor layer having a high carrier concentration can be formed.
ここにGaを化合物の構成元素として含有する半導体層とは、たとえばGaAs、GaP、およびこれらの混晶、GaNなどの他、これらのGaの一部がAlやInなど他のIII族元素と置換した混晶を含む半導体層を意味する。 Here, the semiconductor layer containing Ga as a constituent element of the compound includes, for example, GaAs, GaP, and mixed crystals thereof, GaN, etc., and part of these Ga is replaced with other group III elements such as Al and In. It means a semiconductor layer containing mixed crystals.
前記ドーパント元素として、VIB族の元素のガスを導入することにより、高キャリア濃度のN型で、GaとNを含む化合物からなる薄膜化合物半導体層を形成することができる。 By introducing a VIB group element gas as the dopant element, an N-type thin film compound semiconductor layer made of a compound containing Ga and N can be formed.
前記薄膜化合物半導体層を形成した後、同じ装置内でさらにモノシランガスを導入することにより、前記薄膜化合物半導体層上に珪素窒素水素合金(SiN:H)からなる保護膜を形成することにより、GaとNを含む化合物半導体層の表面に酸化膜が形成されることなく保護され、たとえばMISHEMTなどを形成する場合には、この保護膜をそのまま絶縁層として表面にゲート電極を形成することができる。ここに珪素窒素水素合金(SiN:H)は、Hを数at%から10at%程度含有している窒化珪素である。 After forming the thin film compound semiconductor layer, a monosilane gas is further introduced in the same apparatus to form a protective film made of silicon nitrogen hydrogen alloy (SiN: H) on the thin film compound semiconductor layer, thereby forming Ga and When the surface of the compound semiconductor layer containing N is protected without forming an oxide film, for example, when MISHEMT or the like is formed, a gate electrode can be formed on the surface using this protective film as an insulating layer. Here, the silicon-nitrogen hydrogen alloy (SiN: H) is silicon nitride containing about several at% to about 10 at% of H.
前記半導体層がSiまたはSiCからなり、前記活性化した金属元素と結合させる元素の原料ガスとして炭化水素化合物ガスを導入し、プラズマ処理により発生する炭素(C)イオンと前記還元により活性化したSiとを結合させることにより、SiCからなる薄膜化合物半導体層を形成することもできる。 The semiconductor layer is made of Si or SiC, and a hydrocarbon compound gas is introduced as a source gas of an element to be combined with the activated metal element, and carbon (C) ions generated by plasma treatment and Si activated by the reduction Can be combined to form a thin film compound semiconductor layer made of SiC.
前記ドーパント元素の原料ガスとして、III族元素の水素化物を導入することにより、高キャリア濃度のP形SiCからなる薄膜化合物半導体層を形成することができ、たとえばインパットダイオードのP側電極との接触抵抗を大幅に低下させ、出力特性などを大幅に向上させることができる。 By introducing a hydride of a group III element as a source gas for the dopant element, a thin film compound semiconductor layer made of P-type SiC having a high carrier concentration can be formed. Contact resistance can be greatly reduced, and output characteristics and the like can be greatly improved.
前記ドーパント元素の原料ガスとして、アンモニアガスを導入することにより、高キャリア濃度のN型SiCからなる薄膜化合物半導体層を形成することができる。 A thin film compound semiconductor layer made of high carrier concentration N-type SiC can be formed by introducing ammonia gas as a source gas of the dopant element.
前記薄膜化合物半導体層を形成した後、同じ装置内でさらにアンモニアガスとモノシランガスを導入することにより、前記薄膜化合物半導体層上に珪素窒素水素合金(SiN:H)からなる保護膜を形成することができ、薄膜で酸化などにより消失しやすい薄膜半導体層を安定に保持することができる。 After forming the thin film compound semiconductor layer, a protective film made of silicon nitrogen hydrogen alloy (SiN: H) may be formed on the thin film compound semiconductor layer by further introducing ammonia gas and monosilane gas in the same apparatus. In addition, a thin film semiconductor layer that is easily lost by oxidation or the like can be stably held.
本発明の薄膜半導体層の形成方法によれば、半導体層表面の酸化膜を還元して露出するダングリングボンドを有する元素に直接所望の化合物を構成する元素および必要に応じたドーパント元素を結合させることにより形成しているため、半導体層表面のダングリングボンドを有する元素のみと結合し、10nm以下の非常に薄い薄膜半導体層であることから、半導体層と格子整合しない化合物半導体層でも超格子構造となり、歪み格子層として形成することができる。しかも、ガスをプラズマ化するだけで歪み格子層を薄膜で形成することができ、従来のMBE装置とか、MOCVD装置などの高価で、メインテナンスなども難しい装置を必要とすることなく、非常に安価に薄膜半導体層を形成することができる。なお、半導体層表面の酸化膜をオゾンなどにより酸化させて形成することにより、厚めの酸化膜を形成することができ、その酸化膜の還元により形成される半導体層も厚めに形成することができるが、低温で酸化させているため、10nmを超えることはなく、全ての酸化膜を還元して置換することができ、酸化膜が残存することはない。また、自然酸化膜だけの状態で還元置換をすれば、1〜3nm程度の非常に薄い半導体層を形成することができる。 According to the method for forming a thin film semiconductor layer of the present invention, an element constituting a desired compound and an optional dopant element are directly bonded to an element having a dangling bond exposed by reducing an oxide film on the surface of the semiconductor layer. Therefore, even if it is a compound semiconductor layer that does not lattice match with the semiconductor layer, it has a superlattice structure. Thus, it can be formed as a strained lattice layer. In addition, the strained lattice layer can be formed as a thin film simply by turning the gas into plasma, and it is very inexpensive without requiring expensive and difficult equipment such as conventional MBE equipment or MOCVD equipment. A thin film semiconductor layer can be formed. Note that by forming the oxide film on the surface of the semiconductor layer by oxidizing with ozone or the like, a thicker oxide film can be formed, and a semiconductor layer formed by reducing the oxide film can also be formed thicker. However, since it is oxidized at a low temperature, it does not exceed 10 nm, all oxide films can be reduced and replaced, and no oxide film remains. Further, if reduction replacement is performed with only the natural oxide film, a very thin semiconductor layer of about 1 to 3 nm can be formed.
その結果、本願発明者らにより別途出願をしているように、N型半導体層よりもバンドギャップが大きく、かつ、キャリア濃度が大きいN+型の薄膜半導体層をN型半導体層上に形成して、二次元電子ガスをその界面に発生させ、その二次元電子ガスの電子をトンネルさせることにより、順方向の立上り電圧が非常に低く、かつ、逆方向の耐圧が非常に高いダイオードを形成することができる。また、Si半導体層やGaAs半導体層上に、それよりもバンドギャップが大きく、かつ、キャリア濃度が大きい半導体層を形成したHEMTを簡単に形成することもできる。さらに、ダングリングボンドを有する元素と他の元素とを結合させているため、ドーパント元素を混入することにより、ドーパント元素も同様にダングリングボンドを有する元素と結合して、キャリア濃度を大幅に高くすることができ、電極との接触抵抗も大幅に低下させることができる。 As a result, as filed separately by the inventors of the present application, an N + type thin film semiconductor layer having a larger band gap and a higher carrier concentration than the N type semiconductor layer is formed on the N type semiconductor layer. Then, by generating a two-dimensional electron gas at the interface and tunneling the electrons of the two-dimensional electron gas, a diode having a very low forward rise voltage and a very high reverse breakdown voltage is formed. be able to. In addition, a HEMT in which a semiconductor layer having a larger band gap and a higher carrier concentration is formed on a Si semiconductor layer or a GaAs semiconductor layer can be easily formed. Furthermore, since the element having dangling bonds is combined with other elements, the dopant element is similarly combined with the elements having dangling bonds by mixing the dopant element, and the carrier concentration is significantly increased. The contact resistance with the electrode can be greatly reduced.
また、半導体層がInを化合物の構成元素として含有する場合、Inを含有する半導体層の表面側のみが酸化しており、酸化膜が還元されると、元々Inと化合していたV族元素などの酸化物は低温でも蒸気圧が高くて蒸発したり、水溶性であるために、水洗過程で解けて消失したりする。その結果、表面側に存在するInのみがダングリングボンドを有し新たに酸化するため、非常に薄い酸化インジウム膜を形成することができる。また、強制的な高温での酸化膜の形成ではなく、高純水(煮沸する場合もあり)などの液体または250℃程度以下の低温での酸素雰囲気下での酸化であるため、酸素欠損が生じやすい酸化膜となり、非常にキャリア濃度の高いN型半導体層とすることができる。さらに、表面の不純物などを巻き込んだ自然酸化膜を還元して清浄化した状態で高純水などにより新たに酸化膜を形成しているため、非常に純粋な酸化インジウム(In2O3 )層を形成することができる。 Further, when the semiconductor layer contains In as a constituent element of the compound, only the surface side of the semiconductor layer containing In is oxidized, and when the oxide film is reduced, the V group element originally combined with In Oxides such as oxides evaporate due to high vapor pressure even at low temperatures, and because they are water-soluble, they dissolve and disappear during the washing process. As a result, since only In existing on the surface side has a dangling bond and is newly oxidized, a very thin indium oxide film can be formed. In addition, oxygen deficiency is likely to occur because the oxide film is not forcedly formed at a high temperature but is oxidized in a liquid such as high-purity water (may be boiled) or in an oxygen atmosphere at a low temperature of about 250 ° C. or lower. It becomes an oxide film and can be an N-type semiconductor layer having a very high carrier concentration. In addition, a new oxide film is formed with high-purity water in a state in which a natural oxide film with impurities on the surface is reduced and cleaned, so that a very pure indium oxide (In 2 O 3 ) layer is formed. can do.
なお、この酸化インジウム層は、非常に薄く還元しやすいため、消滅させないように注意をしないと安定に維持することができない。たとえば、この上に電極などの金属層を形成する場合には、アルミニウム(Al)やチタン(Ti)などの還元性のある金属を堆積すると、直ちに還元されてしまうので、還元作用の少ないNiなどにより電極を形成する必要がある。これらの観点から、酸化インジウム層などを形成した後、直ちに、たとえば珪素窒素水素合金(SiN:H)などからなる保護膜をその表面に形成することが好ましい。電極を形成するため開口部を設ける際に、露出させる酸化インジウム層が消失する場合には、再度酸化処理をすることにより、電極の形成場所のみに酸化インジウム層を再生させることができる。 Since this indium oxide layer is very thin and easy to reduce, it cannot be stably maintained unless care is taken not to eliminate it. For example, when a metal layer such as an electrode is formed thereon, if a metal having a reducing property such as aluminum (Al) or titanium (Ti) is deposited, it is immediately reduced. It is necessary to form an electrode. From these viewpoints, it is preferable to form a protective film made of, for example, silicon nitrogen hydrogen alloy (SiN: H) on the surface immediately after the indium oxide layer or the like is formed. In the case where the exposed indium oxide layer disappears when the opening is provided to form the electrode, the indium oxide layer can be regenerated only at the electrode formation place by performing oxidation treatment again.
また、酸化インジウム以外の薄膜半導体層を形成する場合、その半導体層を構成する元素のガスと共にドーパント元素のガスを導入してプラズマ化したイオンを、酸化膜の還元により活性化した金属元素と結合させているため、活性化した金属元素は、ドーパント元素とも同様に化合し、非常にドーパント元素を取り込みやすくなり、キャリア濃度を高くすることができる。しかも、このようにして取り込んだドーパント元素は、半導体層を構成する元素と確実に結合して存在しているため、その後の熱処理などによっても拡散し難く、非常に安定した高キャリア濃度の半導体層になる。このドーパント取り込みの割合は、半導体構成用元素のガスと、ドーパント用元素のガスとの流量比を変えることにより調整することができ、1019〜1021cm-3のオーダの範囲で、所望のキャリア濃度で得ることができる。この場合も、非常に薄い薄膜半導体層であるため、生成したGaNなどの半導体層の表面が酸化し、その酸化膜を除去すると、消滅してしまう虞れがあるため、直ちに表面に保護膜を形成するか、できるだけ早く次の工程に進めることが好ましい。 In addition, when forming a thin-film semiconductor layer other than indium oxide, ions of a dopant element are introduced together with a gas of an element constituting the semiconductor layer, and ions formed into plasma are combined with a metal element activated by reduction of the oxide film. Therefore, the activated metal element combines with the dopant element in the same manner, and it becomes very easy to incorporate the dopant element, and the carrier concentration can be increased. In addition, since the dopant element incorporated in this manner is present in a reliable bond with the elements constituting the semiconductor layer, it is difficult to diffuse even after the subsequent heat treatment, and the semiconductor layer has a very stable high carrier concentration. become. The ratio of the dopant incorporation can be adjusted by changing the flow ratio of the semiconductor constituent gas and the dopant element gas within a range of the order of 10 19 to 10 21 cm −3 . It can be obtained with a carrier concentration. Also in this case, since the surface of the generated semiconductor layer such as GaN is oxidized and may be lost if the oxide film is removed, a protective film is immediately formed on the surface. It is preferable to form or proceed to the next step as soon as possible.
このような方法を用いることにより、前述の酸化インジウム層と同様に、たとえばワイドギャップ半導体層薄膜を形成する場合のように、半導体層とは格子定数が大幅に異なる層でも、表面の酸化膜が還元置換された部分だけの10nm以下の非常に薄い層で超格子構造となっているため、歪み格子層として形成される。その結果、GaAs半導体層上にGaN系化合物薄膜層を形成したり、Si半導体層上にSiC薄膜層を形成したりすることができ、半導体層上にそれよりも非常にワイドギャップな半導体層を簡単に形成することができ、前述の二次元電子ガスを利用したダイオードやHEMTなどにも有用することができる。 By using such a method, as in the case of the indium oxide layer described above, even when the wide-gap semiconductor layer thin film is formed, for example, even if the lattice constant is significantly different from that of the semiconductor layer, the surface oxide film can be formed. Since it has a superlattice structure with a very thin layer of 10 nm or less of only the reduced and replaced portion, it is formed as a strained lattice layer. As a result, a GaN-based compound thin film layer can be formed on the GaAs semiconductor layer, or a SiC thin film layer can be formed on the Si semiconductor layer. A semiconductor layer having a much wider gap than that can be formed on the semiconductor layer. It can be formed easily, and can be useful for a diode or HEMT using the above-described two-dimensional electron gas.
半導体層がGaを化合物の構成元素として含む場合、アンモニアガスを導入してプラズマ処理をすることにより、アンモニアガスがNイオンとHイオンに分解し、Hイオンにより半導体層表面の酸化物である酸化ガリウム(Ga2O3) などを還元して、活性化したGaとNイオンとが結合してGaNなどの化合物を表面に形成する。この際、アンモニアガスと共に、たとえばドーパントの硫黄(S)のガスである硫化水素(H2S)も一定の割合で混入することにより、そのガスの分解により発生するSイオンが不安定な構造のためGaの欠損部分に入って、N型半導体層として作用する。なお、酸化物の還元の際に、GaAsやGaPのAsやPなどのV族元素の酸化物も存在して還元されるが、これらはAs2O3のように蒸気圧が高いために気化、蒸発して消滅したり、酸化リン(P2O5) のように水洗の過程で水に溶解して解け去ったりする。また、P型半導体層にする場合には、ドーパントガスとしてモノシラン(SiH4)あるいはモノゲルマン(GeH4)などのIV族元素の水素化物を導入することにより、SiあるいはGeはV族サイトに入ってP型として作用する。このSiやGeもNと同様に活性化したGaと化合するため、確実にキャリア濃度の高いP型GaN系化合物半導体層とすることができる。 When the semiconductor layer contains Ga as a constituent element of the compound, the ammonia gas is decomposed into N ions and H ions by introducing ammonia gas and performing plasma treatment, and the oxide which is an oxide on the surface of the semiconductor layer by H ions. Gallium (Ga 2 O 3) or the like is reduced, and the activated Ga and N ions are combined to form a compound such as GaN on the surface. At this time, together with ammonia gas, for example, hydrogen sulfide (H 2 S) which is a gas of sulfur (S) as a dopant is mixed at a certain ratio, so that S ions generated by decomposition of the gas have an unstable structure. Therefore, it enters into the Ga deficient portion and acts as an N-type semiconductor layer. Note that when the reduction of the oxides, oxides of Group V elements such as GaAs and GaP of As or P is also reduced by the presence, they are vaporized due to the high vapor pressure as As 2 O 3 Evaporates and disappears, or dissolves in water during the washing process, such as phosphorus oxide (P 2 O 5) . When a P-type semiconductor layer is formed, Si or Ge enters the V group site by introducing a hydride of a group IV element such as monosilane (SiH 4 ) or monogermane (GeH 4 ) as a dopant gas. Acts as P-type. Since Si and Ge are combined with activated Ga in the same manner as N, a P-type GaN compound semiconductor layer having a high carrier concentration can be surely obtained.
このような高キャリア濃度のGaN系化合物半導体の薄膜を形成することができることにより、GaN系化合物半導体を用いた前述の立上り電圧が非常に低く、かつ、逆方向耐圧の高いダイオードを得ることができるのみならず、GaN系化合物半導体層と電極との接触抵抗を大幅に小さくすることができ、GaN系化合物半導体を用いた半導体発光素子などの特性を大幅に向上させることができる。とくに、P型層のキャリア濃度でも1019〜1021cm-3のオーダと非常に高くすることができ、P型層の表面に形成するだけでも、P側電極との接触抵抗を下げることができると共に、LEDの場合、電流をチップの全体に拡散させやすく、非常にその効果は大きい。 By being able to form such a thin film of GaN-based compound semiconductor with a high carrier concentration, it is possible to obtain a diode having a very low rise voltage and a high reverse breakdown voltage using a GaN-based compound semiconductor. In addition, the contact resistance between the GaN-based compound semiconductor layer and the electrode can be greatly reduced, and the characteristics of a semiconductor light emitting device using a GaN-based compound semiconductor can be greatly improved. In particular, the carrier concentration of the P-type layer can be very high, on the order of 10 19 to 10 21 cm −3 , and even if it is formed on the surface of the P-type layer, the contact resistance with the P-side electrode can be lowered. In addition, in the case of an LED, the current can be easily diffused throughout the chip, which is very effective.
さらに、半導体層がSiまたはSiCの場合、たとえばメタンガスのような炭化水素ガスを導入してプラズマ化することにより、HイオンとCイオンとが生成され、Hイオンにより表面のシリコン酸化膜が分解され、ダングリングボンドを有するSiがCイオンと結合してSiCを形成することができるが、この際、ドーパントとして、ジボラン(B2H6)などIII族元素の水素化物をドーパントガスとして導入しておくことにより、前述の各例と同様に、Siあるいはカーボンの一部がBと結合して非常に高キャリア濃度のP型SiC層を得ることができる。すなわち、SiCからなる半導体層でも、その表面の酸化膜を還元置換することにより、高キャリア濃度のSiCとすることができる。なお、SiCは酸化し難いため、表面に自然酸化膜が充分に形成されていない場合には、オゾンガス雰囲気中に曝して強制的に酸化膜を形成して同様に行うことができる。また、N型のSiC層にするには、ドーパントガスとして、アンモニアガスなどのV族元素の水素化物を一部導入すれば、同様に高キャリア濃度のN+型SiC層を得ることができる。なお、これらの場合も、表面の酸化物を形成する際、Cの酸化物、つまり炭酸ガスや一酸化炭素は気体なので蒸発して排気され表面からは消滅する。従って酸化されたSiCの表面にはSiの酸化物のみが残存している。 Further, when the semiconductor layer is Si or SiC, for example, by introducing a hydrocarbon gas such as methane gas into plasma, H ions and C ions are generated, and the silicon oxide film on the surface is decomposed by the H ions. Si having dangling bonds can be combined with C ions to form SiC. At this time, a hydride of a group III element such as diborane (B 2 H 6 ) is introduced as a dopant gas as a dopant. Thus, as in the above-described examples, a part of Si or carbon is bonded to B, so that a P-type SiC layer having a very high carrier concentration can be obtained. That is, even a semiconductor layer made of SiC can be made to have high carrier concentration SiC by reducing and replacing the oxide film on the surface thereof. Since SiC is difficult to oxidize, when a natural oxide film is not sufficiently formed on the surface, it can be similarly performed by forcibly forming an oxide film by exposure to an ozone gas atmosphere. Further, in order to obtain an N-type SiC layer, if a hydride of a group V element such as ammonia gas is partially introduced as a dopant gas, an N + -type SiC layer having a high carrier concentration can be obtained similarly. In these cases as well, when the surface oxide is formed, the C oxide, that is, carbon dioxide gas or carbon monoxide, is a gas, so it is evaporated and exhausted and disappears from the surface. Therefore, only the Si oxide remains on the surface of the oxidized SiC.
このような高キャリア濃度のSiC半導体の薄膜を形成することができることにより、SiC半導体を用いた前述の立上り電圧が非常に低く、かつ、逆方向耐圧の高いダイオードを得ることができるのみならず、SiとSiCの接合によるHEMTを構成することもできる。さらに、P型SiC半導体層でも、電極との接触抵抗を大幅に小さくすることができ、SiC半導体を用いたインパットダイオードなどの特性を大幅に向上させることができ、出力電力を従来の1000倍程度以上にすることができる。すなわち、従来の発振効率は0.01%以下であったのが、本来のインパットの効率である10%程度になると予想され、キロワットオーダという非常に高出力を得ることができ、マグネトロンにとって代って完全固体化レーダへの道が開かれるという効果がある。とくに、P型層のキャリア濃度でも非常に高くすることができ、P型層の表面に形成するだけでも、電極との接触抵抗を下げることができ、非常にその効果は大きい。 By being able to form such a thin film of SiC semiconductor with a high carrier concentration, it is possible not only to obtain a diode having a very low rising voltage and a high reverse breakdown voltage using the SiC semiconductor, It is also possible to configure a HEMT by bonding Si and SiC. Furthermore, even in the P-type SiC semiconductor layer, the contact resistance with the electrode can be significantly reduced, the characteristics of an SiC diode using an SiC semiconductor can be greatly improved, and the output power is 1000 times that of the conventional one. More than about. In other words, the conventional oscillation efficiency was 0.01% or less, but it is expected to be about 10%, which is the original impatting efficiency, and a very high output of kilowatt order can be obtained. This has the effect of opening the way to fully solid-state radar. In particular, the carrier concentration of the P-type layer can be made very high, and even if it is formed on the surface of the P-type layer, the contact resistance with the electrode can be lowered, and the effect is very great.
つぎに、図面を参照しながら本発明の薄膜半導体層の形成方法について説明する。本発明による薄膜半導体層の形成方法は、図1にその一実施形態の形成方法の工程図が断面説明図で示されるように、半導体層1表面の自然酸化膜または250℃以下の低温で生成した酸化膜4を還元して形成される活性化した金属元素と結合させることにより、半導体層1よりも高キャリア濃度で、かつ、バンドギャップが前記半導体層より大きい薄膜化合物半導体層2を形成することを特徴としている。
Next, a method for forming a thin film semiconductor layer of the present invention will be described with reference to the drawings. The method for forming a thin film semiconductor layer according to the present invention is generated at a low temperature of 250 ° C. or lower or a natural oxide film on the surface of the
図1に示される例は、半導体層1として、インジウムを含有するN型の半導体層、たとえばN型InP層1が基板と共用で形成された例(N型InP基板1)であり、まず図1(a)に示されるように、表面に自然酸化膜4が形成されたN型InP基板1を準備する。インジウムを化合物の構成元素として含有していると、非常に酸化されやすいため、空気中に置かれているだけでその表面に酸化インジウム層4が形成されるが、充分な酸化インジウム層4が形成されていない場合には、室温程度のごく低温で薄い酸化インジウム層4を形成する。このごく低温での酸化インジウム層4の形成は、たとえば高純水中での煮沸酸化、オゾン酸化、オゾン水酸化、過酸化水素水による酸化、あるいは低温プラズマによる酸化などにより、数nm程度の厚さの酸化インジウム層4を形成することができる。
The example shown in FIG. 1 is an example in which an N-type semiconductor layer containing indium, for example, an N-
半導体層1としては、N型InPに限定されるものではなく、このインジウムやPの一部が他の元素で置換されていてもよいが、その置き換わる元素が、GaやAlのような絶縁性の酸化膜を形成する元素を余り多く含むことは好ましくない。また、一部が他の元素と置き換わっても、インジウムが少なくとも30at%以上含まれることが、酸化インジウムを形成するため、活性化したインジウムを半導体層の表面に形成する上で必要である。この材料やキャリア濃度は、製造する目的の半導体装置に応じて適宜選定され、キャリア濃度もその目的に応じて設定されるが、たとえば1×1015〜1×1018cm-3程度のキャリア濃度に形成される。また、少なくとも表面にインジウムを含む半導体層1が形成されていれば、基板としては他の半導体基板でも、サファイアのような絶縁基板でもよい。また、InP基板でも、その表面にさらに所望の不純物濃度となるようにInP層などをエピタキシャル成長されたものでも構わない。
The
つぎに、図1(b)に示されるように、N型InP基板1を塩酸のような清浄化処理のための溶液に浸漬し、N型InP基板1の表面に形成された自然酸化膜や付着物を除去する。その結果、自然酸化膜の酸素原子が還元されて活性化したダングリングボンドを有するIn層5が表面に露出する。清浄化の方法として、酸性水溶液中での電解研磨を入れておいた方が好ましい。
Next, as shown in FIG. 1B, a natural oxide film formed on the surface of the N-
その後、水洗すれば直ちに酸化膜は形成されるが、水洗後直ちに、たとえば高純水に浸漬する。その結果、図1(c)に示されるように、N型InP基板1の表面の活性化したインジウムが高純水中の酸素と化合して1〜3nm程度の非常に薄い酸化インジウム(In2O3)層2が形成される。このN型InP基板1の表面の酸化は、酸素雰囲気中で温度を上昇させて行う強制的な酸化ではないため、N型InP基板1の内部までは浸透せず、表面の活性化したインジウムだけが酸化する。そのため、数nm程度の非常に薄い酸化膜として酸化インジウム層2が形成される。また、酸化インジウムは元々酸素欠陥が生じやすい上、高純水などの液体中の酸素イオンとの結合だけによる酸化であるため、酸素欠損が多くキャリア濃度の高いN+型に形成される。この高純水中に浸漬する時間は、1〜10分程度浸漬すれば数nm程度の酸化インジウム層2が形成されるが、前述のように、表面で活性化したインジウムの酸化のみが行われるため、浸漬時間が長すぎても酸化膜が厚くなり過ぎることはない。なお、この酸化処理の際に、V族元素の酸化物も形成されるが、このような浸漬(ウェット)処理をすることにより、V族元素の酸化物は水に容易に溶けるため、インジウムの酸化物のみが残る。
Thereafter, an oxide film is formed immediately after washing with water, but immediately after washing with water, it is immersed in, for example, high purity water. As a result, as shown in FIG. 1C, the activated indium on the surface of the N-
このN型InP基板1の表面の酸化処理は、高純水でなくても、活性化したインジウムを酸化させる溶液であれば良く、たとえば過酸化水素水、オゾン含有水、酸素含有水などを用いることもできる。これらの溶液であれば、酸化力が比較的強いため、0.5〜2分程度浸漬すれば酸化インジウム層2が数nm程度形成され、この場合でも、浸漬時間が長過ぎても、それほど酸化膜が厚くなり過ぎることはない。また、この酸化処理は、ウェット処理による酸化でなくて、紫外線励起オゾン含有気体、250℃以下の低温での酸素プラズマ処理、などによる酸化性雰囲気下に曝すことによっても酸化することもできる。一酸化窒素(NO)による低温酸化でも良い。
The oxidation treatment of the surface of the N-
このようにして形成された酸化インジウム(In2O3)層2は、前述のように、酸素欠損で1×1018〜1×1021cm-3程度の高キャリア濃度のN+型層として形成され、しかも、図2(a)に熱平衡時(電圧が0)のバンド図が示されるように、InPに比べて非常にバンドギャップ(Eg)の大きい層になる。そのため、In2O3の伝導帯底部が高い位置になり、その上に電子が溜り、InP半導体層1のキャリア濃度を低くしておくことにより、In2O3の電子がInP側に流れ込んで、図2(b)に接合部の一部拡大説明図が示されるように、二次元電子ガス層が形成される。このIn2O3とInPとに一対の電極を形成することにより、二次元電子ガス層を利用して、前述のように、立上り電圧が低く、かつ、逆方向耐圧が3V程度以上と高いダイオードを形成することができる。なお、図2で、χは電子親和力を示す。この構成で、順方向電圧(In2O3層側が正)が印加されると、0.2V程度で二次元電子ガスの電子がIn2O3層をトンネルして流れ始める。In2O3のバンドギャップは大きいので熱電子が流れるには4V近い電圧を必要とするので実用上問題とはならない。
The indium oxide (In 2 O 3 )
なお、電極を形成する際、とくに酸化インジウム層2上に直接電極を形成する場合には、酸化インジウム層2が非常に薄い層であるため、チタンやアルミニウムのような還元性の材料であると直ちに消失してしまう。そのため、ニッケルまたは酸化ルテニウムなどの還元性がなく低温で形成することができる材料を選択する必要がある。このような電極を形成する場合に限らず、酸化インジウム層2は、非常に薄い層で、しかも消失しやすい酸化物であるため、酸化インジウム層2の形成後、その表面に保護層を形成することが好ましい。そのような保護層3の形成工程が、図1(d)に示されている。すなわち、酸化インジウム層2が形成された半導体層1を、直ちにロードロックを通じてCVD装置に入れ、たとえばSiO2などを0.2〜0.4μm程度形成することにより、酸化インジウム層を安定に保持することができる。
In addition, when forming an electrode, especially when forming an electrode directly on the
前述の例は、高キャリア濃度でバンドギャップの大きい酸化物半導体層をキャリア濃度もバンドギャップも小さい半導体層上に形成する例であったが、本発明の思想を用いることにより、酸化物半導体層に限らず、GaN系化合物や、SiCのようなバンドギャップの大きい半導体を高キャリア濃度で形成することができる。 The above example is an example in which an oxide semiconductor layer having a high carrier concentration and a large band gap is formed over a semiconductor layer having a low carrier concentration and a small band gap. By using the idea of the present invention, an oxide semiconductor layer is formed. In addition, a semiconductor having a large band gap such as a GaN-based compound or SiC can be formed with a high carrier concentration.
図3は、N型GaAs基板表面にN+型のGaN化合物半導体の薄膜層を形成する工程を示す図である。すなわち、図3(a)に示されるように、表面に自然酸化膜(Ga2O3)14が形成されたN型GaAs半導体層11を準備するか、前述の図1に示される例と同様に、低温で酸化膜14を形成する。そして、たとえばプラズマ装置内に入れて、たとえばアンモニアガスと、たとえば硫化水素(H2S)のようなドーパント元素の水素化ガス(たとえばアンモニアの流量に対して1%程度の流量)を導入して、プラズマ化処理をすることにより、図3(b)に示されるように、アンモニアガスやドーパントガスの分解により発生するHイオンによりN型GaAs半導体層11の表面の酸化膜14が還元されてダングリングボンドを有するGaが表面に形成される。
FIG. 3 is a diagram showing a process of forming a thin film layer of an N + -type GaN compound semiconductor on the surface of the N-type GaAs substrate. That is, as shown in FIG. 3A, an N-type
そして、同時に、図3(c)に示されるように、アンモニアガスの分解により発生したNイオンおよびドーパントガスの分解により発生したSイオンが活性化したGaと結合してSが高濃度にドープされたN+型GaN層12が形成される。すなわち、Nイオンも、Sイオンも、同じように活性化したGaと結合するため、予めガス流量比で定めた割合で、ドーパント元素のSを確実に取り込むことができ、しかもドーパント元素もGaと化合しているため、安定した状態を維持し、高キャリア濃度のN+型層にすることができる。
At the same time, as shown in FIG. 3C, N ions generated by the decomposition of ammonia gas and S ions generated by the decomposition of the dopant gas are combined with activated Ga, so that S is highly doped. N + -
この一連の反応を化学式で表すと、つぎのようになる。
2NH3(アンモニアプラズマ) → 6H+ + 2N-3
Ga2O3(自然酸化膜) + 6H+ → 2Ga+3 + 3H2O
2Ga+3 + 2N-3 → 2GaN
この状態で、本願発明の高キャリア濃度の薄膜半導体層を得ることができるが、前述の酸化インジウム層の場合と同様に、10nm以下の非常に薄い膜であるため、酸化などが生じると消失する虞れがあり、表面に保護層を形成することが望ましい。そこで、薄膜半導体層の表面が還元性の雰囲気のままで、連続的にモノシランガスを導入することにより、図3(d)に示されるように、モノシランガスのSiイオンとアンモニアプラズマのNイオンとが化合して、Hを数at%から10at%程度含有する珪素窒素水素合金(SiN:H)からなる保護層13を表面に0.2〜0.4μm程度の厚さで堆積する。
This series of reactions is represented by the following chemical formula.
2NH 3 (ammonia plasma) → 6H + + 2N -3
Ga 2 O 3 (natural oxide film) + 6H + → 2Ga +3 + 3H 2 O
2Ga +3 + 2N -3 → 2GaN
In this state, a thin film semiconductor layer having a high carrier concentration according to the present invention can be obtained. However, as in the case of the indium oxide layer described above, it is a very thin film of 10 nm or less, and thus disappears when oxidation or the like occurs. There is a concern, and it is desirable to form a protective layer on the surface. Therefore, by continuously introducing monosilane gas while the surface of the thin film semiconductor layer remains in a reducing atmosphere, as shown in FIG. 3D, the Si ions of the monosilane gas and the N ions of the ammonia plasma are combined. Then, a
すなわち、GaAs半導体層11上に、GaAsよりも遥かにバンドギャップの大きいGaN層12を高キャリア濃度で非常に簡単に形成することができる。その結果、二次元電子ガスを利用するダイオードやHEMTでも、GaAsとGaN層とで形成することができる。この場合、GaN層は数nm程度の非常に薄い膜であるため、歪み格子層となり、反りなどが生じることなく安定に存在する。さらに、この例では、半導体層11としてGaAsを用いたが、Gaを含んでいればGaPその他の半導体層でも同様にワイドギャップの半導体層を形成することができる。すなわち、半導体層としてAlを含むAlGaAs系半導体や、InGaAs系半導体やInGaAlP系半導体を用いれば、同じようにAlGaN系半導体や、InGaN系半導体や、AlGaInN系半導体などの高キャリア濃度で薄膜層を非常に簡単に形成することができ、前述のHEMTなどにも応用することができる。また、ドーパントガスを換えることにより、P型層でも同様に、高キャリア濃度の薄膜層を非常に簡単に形成することができる。
That is, the
図4は、N型Si基板表面にN+型のSiC化合物半導体の薄膜層を形成する工程を示す図である。すなわち、図4(a)に示されるように、表面に自然酸化膜(SiO2)24が形成されたN型Si半導体層21を準備するか、前述の図1に示される例と同様に、250℃以下の低温で酸化膜24を形成する。そして、たとえばプラズマ装置内に入れて、たとえばメタンガスなどの炭化水素化合物ガスと、ドーパントガスとしての窒素ガスまたはアンモニアガスをメタンガスの流量に対して、たとえば0.1%の割合で、キャリアガスの水素ガスと共に導入し、プラズマ化させる。その結果、図4(b)に示されるように、炭化水素化合物などの分解により発生するHイオンによりN型Si半導体層21の表面の酸化膜24が還元されてダングリングボンドを有するSi層25が表面に形成される。
FIG. 4 is a diagram showing a process of forming a thin film layer of an N + type SiC compound semiconductor on the surface of the N type Si substrate. That is, as shown in FIG. 4A, an N-type
そして、同時に、図4(c)に示されるように、炭化水素化合物ガスの分解により発生したCイオンおよびドーパントガスの分解により発生したNイオンが活性化したSiと化合してNが高濃度にドープされたN+型SiC層22が形成される。すなわち、Cイオンも、Nイオンも、活性化したSiと同じように化合するため、予めガス流量比で定めた割合で、ドーパント元素のNを確実に取り込むことができ、しかもドーパント元素もSiと化合しているため、安定した状態を維持し、高キャリア濃度のN+型層にすることができる。
At the same time, as shown in FIG. 4 (c), C ions generated by the decomposition of the hydrocarbon compound gas and N ions generated by the decomposition of the dopant gas combine with the activated Si to increase the concentration of N. A doped N + -
この一連の反応を化学式で表すと、つぎのようになる。
CH4(メタンガス) → 4H+ + C-4
SiO2(自然酸化膜) + 4H+ → Si+4 + 2H2O
Si+4 + C-4 → SiC
この状態で、本願発明の高キャリア濃度の薄膜半導体層を得ることができるが、前述の酸化インジウム層の場合と異なりこのSiC層は比較的自然酸化に対して耐性がある。しかし、10nm以下の非常に薄い膜であるため、僅かな酸化などが生じても、その酸化膜を除去するとSiC膜が消失する虞れがあり、表面に保護膜を形成することが望ましい。そこで、薄膜半導体層の表面が還元性の雰囲気のままで、連続的にモノシランガスを導入することにより、図4(d)に示されるように、モノシランガスのSiイオンとアンモニアプラズマのNイオンとが化合して、Hが10at%程度含有する珪素窒素水素合金(SiN:H)からなる保護層23を表面に0.2〜0.4μm程度の厚さで堆積する。なお、この際モノシランガスの流量とアンモニアガスの流量が同程度になるように、モノシランガスの流量を調整するか、アンモニアガスの流量も増加させる必要がある。
This series of reactions is represented by the following chemical formula.
CH 4 (methane gas) → 4H + + C -4
SiO 2 (natural oxide film) + 4H + → Si +4 + 2H 2 O
Si +4 + C -4 → SiC
In this state, the thin film semiconductor layer having a high carrier concentration according to the present invention can be obtained. However, unlike the case of the indium oxide layer, the SiC layer is relatively resistant to natural oxidation. However, since it is a very thin film of 10 nm or less, even if slight oxidation or the like occurs, if the oxide film is removed, the SiC film may disappear, and it is desirable to form a protective film on the surface. Therefore, by continuously introducing the monosilane gas while the surface of the thin film semiconductor layer remains in a reducing atmosphere, as shown in FIG. 4D, the Si ions of the monosilane gas and the N ions of the ammonia plasma are combined. Then, a
このように、Si半導体層の表面にも、Siよりも遥かにバンドギャップが大きく、かつ、キャリア濃度が大きい半導体層を歪み格子層として非常に簡単に形成することができ、前述の各例と同様に、二次元ガスを利用するダイオードやHEMTでも、Si層とSiC層とで形成することができる。すなわち、たとえばSiを炭化処理することにより、Siの表面にSiC層を形成することはできるが、そのような処理でSiCを形成しても、元のSiの不純物濃度を維持するだけで、Si層よりもキャリア濃度を上げることはできない。また、炭化してから不純物を拡散しようとしても、非常に高温にしても殆ど拡散せず、イオン注入しても、結晶を壊すだけで不純物濃度を上昇させることはできず、キャリア濃度の低い半導体層上にバンドギャップが大きくてキャリア濃度が大きい半導体層を形成するには、MBE装置やCVD装置などでエピタキシャル成長しなければならないが、そのような高価な装置で複雑な製造工程を経ても、充分なキャリア濃度は得られない。このことは、前述のGaN系化合物でも同じである。しかし、本発明によれば、表面の酸化膜を還元すると同時に結合させるCと共に、ドーパント元素のNなどを結合させているため、1019cm-3オーダの高キャリア濃度のSiC層を形成することができる。なお、さらにキャリア濃度をあげるには、ドーパントガスの流量比を上げるのではなく、プラズマ電流を流して、基板上の陰極降下を利用してドーピングするのが好ましい。 As described above, a semiconductor layer having a band gap much larger than that of Si and having a high carrier concentration can be very easily formed on the surface of the Si semiconductor layer as a strained lattice layer. Similarly, a diode or HEMT using a two-dimensional gas can be formed of a Si layer and a SiC layer. That is, for example, by carbonizing Si, a SiC layer can be formed on the surface of Si. However, even if SiC is formed by such a process, it is only necessary to maintain the impurity concentration of the original Si. The carrier concentration cannot be increased more than the layer. In addition, even if impurities are diffused after carbonization, they are hardly diffused even at a very high temperature. Even if ions are implanted, the impurity concentration cannot be increased simply by breaking the crystal, and the semiconductor has a low carrier concentration. In order to form a semiconductor layer having a large band gap and a large carrier concentration on the layer, it must be epitaxially grown by an MBE apparatus, a CVD apparatus, or the like. A high carrier concentration cannot be obtained. This is the same for the above-described GaN-based compounds. However, according to the present invention, since a dopant element N and the like are bonded together with C that is reduced and simultaneously bonded to the oxide film on the surface, a SiC layer having a high carrier concentration on the order of 10 19 cm −3 is formed. Can do. In order to further increase the carrier concentration, it is preferable not to increase the flow rate ratio of the dopant gas but to perform doping using a cathode drop on the substrate by supplying a plasma current.
図5は、P型SiC基板表面にP+型のSiC化合物半導体の薄膜層を形成する工程を示す図である。すなわち、SiCは比較的酸化しにくいが、それでも自然酸化膜は形成され、また、前述の例に示されるように、低温でオゾン酸化などをすることにより酸化膜を形成することができ、図5(a)に示されるように、表面に自然酸化膜(SiO2)34が形成されたP型SiC半導体層31を準備する。そして、たとえばプラズマ装置内に入れて、たとえばメタンガスなどの炭化水素化合物ガスと、ドーパントガスとしてのジボラン(B2H6)などのIII族元素の水素化合物ガスをキャリアガスの水素ガスと共に導入し、プラズマ化させる。その結果、図5(b)に示されるように、炭化水素化合物などの分解により発生するHイオンによりP型SiC半導体層31の表面の酸化膜34が還元されてダングリングボンドを有するSi層35が表面に形成される。この際、Cの酸化物は蒸発して消滅する。
FIG. 5 is a diagram showing a process of forming a thin film layer of a P + type SiC compound semiconductor on the surface of the P type SiC substrate. That is, SiC is relatively difficult to oxidize, but still a natural oxide film is formed, and as shown in the above example, an oxide film can be formed by performing ozone oxidation at a low temperature, as shown in FIG. as shown in (a), a P-type SiC semiconductor layer 31 a natural oxide film on the surface (
そして、同時に、図5(c)に示されるように、炭化水素化合物ガスの分解により発生したCイオンおよびドーパントガスの分解により発生したBイオンが活性化したSiと結合してBが高濃度にドープされたP+型SiC層32が形成される。すなわち、Cイオンも、Bイオンも、活性化したSiと同じように化合するため、予めガス流量比で定めた割合で、ドーパント元素のBを確実に取り込むことができ、しかもドーパント元素もSiと化合しているため、安定した状態を維持し、高キャリア濃度のP+型層にすることができる。そして、この表面に、図5(d)に示されるように、珪素窒素水素合金(SiN:H)からなる保護層33を形成することが好ましいのは、前述の図4に示される例と同じで、同様の方法で形成することができる。
At the same time, as shown in FIG. 5C, the C ions generated by the decomposition of the hydrocarbon compound gas and the B ions generated by the decomposition of the dopant gas are combined with the activated Si, so that B becomes a high concentration. A doped P + -
要するに、この実施例では、新たに形成する薄膜半導体層は、その下の半導体層と同じ材料で同じバンドギャップを有しているが、キャリア濃度を大幅に向上させた層であることに特徴がある。すなわち、前述のGaN系化合物やこのSiCなどは、エピタキシャル成長の際にドーパント元素を多く導入しても取り込むことができず、また、拡散やイオン注入しようとしても、キャリア濃度をあまり上昇させることができず、とくにP型層ではそのキャリア濃度を上昇させることができないという問題がある。そのため、P型層と電極との接触抵抗が増大して素子特性を大幅に低下させているが、この実施例のように、還元置換同時ドーピングの方法を用いることにより、P型層の表面に非常にキャリア濃度の高い層を形成することができるため、電極との接触抵抗を大幅に減少させることができる。その結果、インパットダイオードなどに適用すれば、非常に発振効率を向上させることができる。 In short, in this embodiment, the newly formed thin film semiconductor layer has the same material and the same band gap as the semiconductor layer underneath, but is characterized in that the carrier concentration is greatly improved. is there. That is, the above-mentioned GaN-based compounds and SiC can not be incorporated even if a large amount of dopant elements are introduced during epitaxial growth, and the carrier concentration can be increased too much even if diffusion or ion implantation is attempted. In particular, the P-type layer has a problem that the carrier concentration cannot be increased. For this reason, the contact resistance between the P-type layer and the electrode is increased, and the device characteristics are greatly deteriorated. However, as in this embodiment, by using the reduction substitution co-doping method, the surface of the P-type layer is formed. Since a layer having a very high carrier concentration can be formed, the contact resistance with the electrode can be greatly reduced. As a result, when applied to an impatt diode or the like, the oscillation efficiency can be greatly improved.
1 N型InP半導体層(N型InP基板)
2 酸化インジウム層
3 保護層(窒化珪素層)
4 自然酸化膜
1 N-type InP semiconductor layer (N-type InP substrate)
2 Indium oxide layer 3 Protective layer (silicon nitride layer)
4 Natural oxide film
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008205315A JP5025591B2 (en) | 2008-08-08 | 2008-08-08 | Method for forming thin film semiconductor layer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008205315A JP5025591B2 (en) | 2008-08-08 | 2008-08-08 | Method for forming thin film semiconductor layer |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2010040971A true JP2010040971A (en) | 2010-02-18 |
JP5025591B2 JP5025591B2 (en) | 2012-09-12 |
Family
ID=42013161
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008205315A Active JP5025591B2 (en) | 2008-08-08 | 2008-08-08 | Method for forming thin film semiconductor layer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5025591B2 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2011151990A1 (en) * | 2010-06-01 | 2011-12-08 | シャープ株式会社 | Thin film transistor and manufacturing method thereof |
WO2011158557A1 (en) * | 2010-06-16 | 2011-12-22 | 住友電気工業株式会社 | Method for cleaning silicon carbide semiconductor and apparatus for cleaning silicon carbide semiconductor |
WO2011158558A1 (en) * | 2010-06-16 | 2011-12-22 | 住友電気工業株式会社 | Method for cleaning silicon carbide semiconductor and apparatus for cleaning silicon carbide semiconductor |
JP2017045943A (en) * | 2015-08-28 | 2017-03-02 | 富士電機株式会社 | Manufacturing method for nitride semiconductor device |
CN110970538A (en) * | 2019-11-22 | 2020-04-07 | 深圳市思坦科技有限公司 | Red light LED epitaxial wafer, LED epitaxial wafer segmentation method and LED epitaxial wafer structure |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5578524A (en) * | 1978-12-10 | 1980-06-13 | Shunpei Yamazaki | Manufacture of semiconductor device |
JPH097909A (en) * | 1995-06-15 | 1997-01-10 | Nec Corp | Method of manufacturing semiconductor device |
JPH09116236A (en) * | 1995-10-19 | 1997-05-02 | Canon Inc | Forming method of semiconductor device |
JP2000091248A (en) * | 1998-07-14 | 2000-03-31 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Semiconductor thin film regrowth method |
JP2003152207A (en) * | 2001-11-13 | 2003-05-23 | Toyota Motor Corp | Photoelectric conversion element and manufacturing method thereof |
JP2004076037A (en) * | 2002-08-12 | 2004-03-11 | Konica Minolta Holdings Inc | Article having transparent electroconductive thin-film and manufacturing method therefor |
JP2005217375A (en) * | 2004-02-02 | 2005-08-11 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Method for manufacturing compound semiconductor device |
-
2008
- 2008-08-08 JP JP2008205315A patent/JP5025591B2/en active Active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5578524A (en) * | 1978-12-10 | 1980-06-13 | Shunpei Yamazaki | Manufacture of semiconductor device |
JPH097909A (en) * | 1995-06-15 | 1997-01-10 | Nec Corp | Method of manufacturing semiconductor device |
JPH09116236A (en) * | 1995-10-19 | 1997-05-02 | Canon Inc | Forming method of semiconductor device |
JP2000091248A (en) * | 1998-07-14 | 2000-03-31 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Semiconductor thin film regrowth method |
JP2003152207A (en) * | 2001-11-13 | 2003-05-23 | Toyota Motor Corp | Photoelectric conversion element and manufacturing method thereof |
JP2004076037A (en) * | 2002-08-12 | 2004-03-11 | Konica Minolta Holdings Inc | Article having transparent electroconductive thin-film and manufacturing method therefor |
JP2005217375A (en) * | 2004-02-02 | 2005-08-11 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Method for manufacturing compound semiconductor device |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2011151990A1 (en) * | 2010-06-01 | 2011-12-08 | シャープ株式会社 | Thin film transistor and manufacturing method thereof |
JPWO2011151990A1 (en) * | 2010-06-01 | 2013-07-25 | シャープ株式会社 | Thin film transistor |
KR101319200B1 (en) | 2010-06-01 | 2013-10-16 | 샤프 가부시키가이샤 | Thin film transistor |
WO2011158557A1 (en) * | 2010-06-16 | 2011-12-22 | 住友電気工業株式会社 | Method for cleaning silicon carbide semiconductor and apparatus for cleaning silicon carbide semiconductor |
WO2011158558A1 (en) * | 2010-06-16 | 2011-12-22 | 住友電気工業株式会社 | Method for cleaning silicon carbide semiconductor and apparatus for cleaning silicon carbide semiconductor |
JP2017045943A (en) * | 2015-08-28 | 2017-03-02 | 富士電機株式会社 | Manufacturing method for nitride semiconductor device |
CN110970538A (en) * | 2019-11-22 | 2020-04-07 | 深圳市思坦科技有限公司 | Red light LED epitaxial wafer, LED epitaxial wafer segmentation method and LED epitaxial wafer structure |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP5025591B2 (en) | 2012-09-12 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6174874B2 (en) | Semiconductor device | |
KR101319512B1 (en) | Nitride based semiconductor element and method for fabricating the same | |
US6720570B2 (en) | Gallium nitride-based semiconductor light emitting device | |
JP3952210B2 (en) | Nitride-based semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP6190582B2 (en) | Manufacturing method of nitride semiconductor device | |
CN101960622B (en) | Optoelectronic semiconductor body with a tunnel junction and method for producing such a semiconductor body | |
TWI639251B (en) | Manufacturing method of npn-type nitride semiconductor light-emitting element and npn-type nitride semiconductor light-emitting element | |
WO2008023592A1 (en) | High-efficiency indirect transition semiconductor ultraviolet light-emitting element | |
JP5654884B2 (en) | Manufacturing method of nitride semiconductor device | |
CN101022128A (en) | Nitride semiconductor device and method for manufacturing same | |
JP5025591B2 (en) | Method for forming thin film semiconductor layer | |
US8853063B2 (en) | Method and system for carbon doping control in gallium nitride based devices | |
JP4451811B2 (en) | Manufacturing method of nitride semiconductor device | |
JP4984557B2 (en) | Method for manufacturing vertical gallium nitride semiconductor device, method for manufacturing epitaxial substrate | |
JP5207874B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
CN104641475A (en) | a lighting device | |
JP2010287805A (en) | Nitride semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP2010056285A (en) | Method of manufacturing silicon carbide semiconductor device | |
JPH09321389A (en) | P-type semiconductor film and semiconductor element | |
KR100742988B1 (en) | 갈 type gallium nitride based device manufacturing method | |
WO2002099901A1 (en) | Method for manufacturing group-iii nitride compound semiconductor device | |
JP2007281497A (en) | Method of manufacturing semiconductor device | |
JP2999435B2 (en) | Semiconductor manufacturing method and semiconductor light emitting device | |
KR100850780B1 (en) | Manufacturing method of nitride semiconductor light emitting device | |
JP2009289827A (en) | Semiconductor device having heterojunction and manufacturing method thereof |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20101007 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20120216 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120403 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120522 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20120612 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20120619 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150629 Year of fee payment: 3 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5025591 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313117 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |