JP2012101961A - METHOD FOR MANUFACTURING In-CONTAINING p-NITRIDE COMPOUND SEMICONDUCTOR CRYSTAL - Google Patents
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Abstract
【課題】Inを含む窒化物化合物半導体結晶で、より容易にp型の電気的特性が得られるようにする。
【解決手段】まず、基板101を加熱する。次に、少なくともIn原料、アンモニア、窒素以外のV族の原料、およびp型ドーパントの原料を基板101の上に供給する。ただし、窒素以外のV族は、As,P,およびSbの中より選択したものである。なお、In原料の他に、Ga原料、Al原料などを加えるようにしてもよい。これにより、基板101の上に、Inを含むp型窒化物化合物半導体結晶の層102が形成できる。
【選択図】 図1A p-type electrical characteristic is more easily obtained from a nitride compound semiconductor crystal containing In.
First, a substrate 101 is heated. Next, at least an In material, ammonia, a Group V material other than nitrogen, and a p-type dopant material are supplied onto the substrate 101. However, the V group other than nitrogen is selected from As, P, and Sb. In addition to the In material, a Ga material, an Al material, or the like may be added. Thereby, the p-type nitride compound semiconductor crystal layer 102 containing In can be formed on the substrate 101.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、発光ダイオード、太陽電池、ダイオード、トランジスターなどに利用されるInを含むp型窒化物化合物半導体結晶の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a p-type nitride compound semiconductor crystal containing In used for a light emitting diode, a solar cell, a diode, a transistor, or the like.
InN、GaN、AlN、または、これらの混晶からなる窒化物化合物半導体は、青色レーザー、発光ダイオードをはじめとする発光素子、および、携帯電話の基地局などで用いられる高耐圧トランジスターの材料として利用が進んでいる。また、最近では、グリーンレーザー、紫外線レーザー、太陽電池への応用を目指した研究開発も積極的に進められている。 Nitride compound semiconductors composed of InN, GaN, AlN, or mixed crystals of these materials are used as materials for high-voltage transistors used in blue lasers, light-emitting elements such as light-emitting diodes, and mobile phone base stations. Is progressing. Recently, research and development aimed at application to green lasers, ultraviolet lasers, and solar cells has been actively promoted.
従来、これらの窒化物化合物半導体結晶の成長には、有機金属気相成長法(MOCVD)や分子線エピタキシー法(MBE)が用いられており、一般的には、量産および低コスト化に有利なMOCVD法が用いられることが多い。 Conventionally, metal-organic vapor phase epitaxy (MOCVD) and molecular beam epitaxy (MBE) have been used to grow these nitride compound semiconductor crystals, which are generally advantageous for mass production and cost reduction. The MOCVD method is often used.
MOCVD法では、試料台となるサセプターにシリコン,サファイア,SiC,またはGaNからなる基板を装填し、サセプター温度をヒーターにより高温にした状態で、アンモニア(NH3)とIII族元素を含む有機金属を基板上に順次供給する。この時、アンモニアが熱分解して窒素を生成し、有機金属が熱分解してIII族原子を生成することで、窒化物化合物半導体結晶が基板上に成長する。 In the MOCVD method, a substrate made of silicon, sapphire, SiC, or GaN is loaded on a susceptor serving as a sample stage, and an organic metal containing ammonia (NH 3 ) and a group III element is added while the susceptor temperature is increased by a heater. Sequentially supplied onto the substrate. At this time, ammonia is thermally decomposed to generate nitrogen, and the organic metal is thermally decomposed to generate group III atoms, whereby a nitride compound semiconductor crystal grows on the substrate.
有機金属としてInの原料にはトリメチルインジウム(TMI),Gaの原料にはトリメチルガリウム(TMG)やトリエチルガリウム(TEG)、Alの原料にはトリメチルアルミニウム(TMA)が用いられる。また、p型の電気的特性を有する窒化物化合物半導体結晶の成長の際は、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を同時に供給してMgのドーピングを行い、n型の電気特性を有する窒化物化合物半導体結晶の成長の際は、ジシラン(Si2H6)またはシラン(SiH4)を同時に供給してSiのドーピングを行うことが多い。成長の圧力は、9806.65〜98066.5Paの範囲で行われるのが一般的である。 As the organic metal, trimethylindium (TMI) is used as a raw material for In, trimethylgallium (TMG) or triethylgallium (TEG) is used as a raw material for Ga, and trimethylaluminum (TMA) is used as a raw material for Al. Further, when growing a nitride compound semiconductor crystal having p-type electrical characteristics, biscyclopentadienylmagnesium (Cp 2 Mg) is simultaneously supplied to perform doping of Mg to have n-type electrical characteristics. In the growth of a nitride compound semiconductor crystal, disilane (Si 2 H 6 ) or silane (SiH 4 ) is simultaneously supplied to perform Si doping in many cases. The growth pressure is generally in the range of 9806.65 to 98066.5 Pa.
ところで、InN、GaN、AlNの窒化物化合物半導体結晶を成長する時の最適な成長温度は、各々異なる。これは、材料による熱的な安定性(蒸発速度)が異なるためである。熱的安定性は、InN<GaN<AlNの関係にあり、AlNの最大成長温度は1700℃、GaNの最大成長温度は1100℃付近である。 By the way, the optimum growth temperature when growing a nitride compound semiconductor crystal of InN, GaN, and AlN is different. This is because the thermal stability (evaporation rate) differs depending on the material. The thermal stability has a relationship of InN <GaN <AlN. The maximum growth temperature of AlN is 1700 ° C., and the maximum growth temperature of GaN is around 1100 ° C.
これに対し、InNもしくはInNを含む混晶(以降、Inを含む窒化物化合物半導体と呼ぶ)では、熱的安定性が低いため、成長温度を600℃付近以下にする必要がある(非特許文献1参照)。一方、窒素の原料であるアンモニアの熱分解には非常に高い温度が必要であり、分解効率は600℃付近でも3%程度である(非特許文献2参照)。 On the other hand, in a mixed crystal containing InN or InN (hereinafter referred to as a nitride compound semiconductor containing In), the thermal stability is low, so the growth temperature needs to be around 600 ° C. or less (non-patent document) 1). On the other hand, a very high temperature is required for the thermal decomposition of ammonia, which is a raw material of nitrogen, and the decomposition efficiency is about 3% even at around 600 ° C. (see Non-Patent Document 2).
以上のことは、In含む窒化物化合物半導体は、この熱的な安定性が確保できる600℃以下の温度範囲で成長すると、アンモニアの分解が不十分なために結晶は窒素が不足した状態になることを示している。また、アンモニアの分解を促進するために高温で成長を行った場合には、結晶の熱的な安定性が悪くなり、結晶から窒素が蒸発しやすい状態となる。言い換えるとこの場合、In含む窒化物化合物半導体の成長では常に窒素が不足した状態が起こり易く、成長結晶には多くの窒素空孔の欠陥が発生する。この、Inを含む窒化物化合物半導体に発生した窒素空孔は、ドナーとして働くことが知られており(非特許文献3参照)、アンドープ状態での電気的特性をn型化する。 As described above, when a nitride compound semiconductor containing In is grown in a temperature range of 600 ° C. or less that can secure this thermal stability, the crystal is in a state of lack of nitrogen due to insufficient decomposition of ammonia. It is shown that. In addition, when the growth is performed at a high temperature in order to promote the decomposition of ammonia, the thermal stability of the crystal is deteriorated, and the nitrogen is easily evaporated from the crystal. In other words, in this case, the growth of the nitride compound semiconductor containing In always tends to cause a shortage of nitrogen, and a large number of nitrogen vacancy defects are generated in the grown crystal. The nitrogen vacancies generated in the nitride compound semiconductor containing In are known to work as donors (see Non-Patent Document 3), and the electrical characteristics in the undoped state are made n-type.
このようにアンドープでn型を呈する状態となりやすいInを含む窒化物化合物半導体では、p型ドーパントとして一般的なMgのドーピングを行っても、n型のバックグランドキャリアのためp型の電気特性を得ることが難しいという問題がある。 Thus, in a nitride compound semiconductor containing In, which is likely to be in an n-doped undoped state, p-type electrical characteristics are obtained due to the n-type background carrier even if Mg is generally doped as a p-type dopant. There is a problem that it is difficult to obtain.
ここで、Inを含む窒化物化合物半導体における窒素の空孔密度を低減するために、ArFエキシマレーザーを照射してアンモニアの分解を促進する方法(非特許文献4参照)、Pt触媒を用いてアンモニアの分解を促進する方法(非特許文献5参照)が提案されている。しかしながら、いずれの技術においても、未だp型の電気特性の制御には至っていない。 Here, in order to reduce the vacancy density of nitrogen in the nitride compound semiconductor containing In, a method of accelerating the decomposition of ammonia by irradiating ArF excimer laser (see Non-Patent Document 4), ammonia using a Pt catalyst A method (see Non-Patent Document 5) for promoting the decomposition of benzene has been proposed. However, none of the techniques has yet reached the control of p-type electrical characteristics.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、Inを含む窒化物化合物半導体結晶で、より容易にp型の電気的特性が得られるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and it is an object of the present invention to more easily obtain p-type electrical characteristics in a nitride compound semiconductor crystal containing In. To do.
本発明に係るInを含むp型窒化物化合物半導体結晶の製造方法は、基板を加熱する工程と、少なくともIn原料、アンモニア、窒素以外のV族の原料、およびp型ドーパントの原料を基板の上に供給する工程とを少なくとも備え、V族は、As,P,およびSbの中より選択したものである。 A method for producing a p-type nitride compound semiconductor crystal containing In according to the present invention comprises a step of heating a substrate, and at least a group V material other than an In material, ammonia, nitrogen, and a p-type dopant material on the substrate. And the group V is selected from As, P, and Sb.
上記Inを含むp型窒化物化合物半導体結晶の製造方法において、p型ドーパントは、Mgであればよい。 In the method for producing a p-type nitride compound semiconductor crystal containing In, the p-type dopant may be Mg.
上記Inを含むp型窒化物化合物半導体結晶の製造方法は、例えば,基板の上にInN,InGaN,InAlN,およびInAlGaNより選択されたInを含むp型窒化物化合物半導体結晶を形成するものである。 The method for producing a p-type nitride compound semiconductor crystal containing In includes, for example, forming a p-type nitride compound semiconductor crystal containing In selected from InN, InGaN, InAlN, and InAlGaN on a substrate. .
上記Inを含むp型窒化物化合物半導体結晶の製造方法において、基板は、シリコン,サファイア,SiC,およびGaNの中より選択された材料から構成されたものであればよい。 In the method for producing a p-type nitride compound semiconductor crystal containing In, the substrate may be made of a material selected from silicon, sapphire, SiC, and GaN.
以上説明したように、本発明によれば、窒素以外のV族の原料も加えるので、Inを含む窒化物化合物半導体結晶で、より容易にp型の電気的特性が得られるようになるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, since a Group V raw material other than nitrogen is also added, the nitride compound semiconductor crystal containing In can easily obtain p-type electrical characteristics. Effect.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態におけるInを含むp型窒化物化合物半導体結晶の製造方法を説明するためのフローチャートである。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a flowchart for explaining a method of manufacturing a p-type nitride compound semiconductor crystal containing In according to an embodiment of the present invention.
この製造方法は、まず、図1の(a)に示すように、基板101を加熱する(ステップS101)。次に、少なくともIn原料、アンモニア、窒素以外のV族の原料、およびp型ドーパントの原料を基板101の上に供給する(ステップS102)。ただし、窒素以外のV族は、As,P,およびSbの中より選択したものである。なお、In原料の他に、Ga原料、Al原料などを加えるようにしてもよい。これにより、図1の(b)に示すように、基板101の上に、Inを含むp型窒化物化合物半導体結晶の層102が形成できる。
In this manufacturing method, first, as shown in FIG. 1A, the
上述したように、As,P,およびSbの中より選択したV族の原料を、In原料およびアンモニアとともに供給する成長により、窒素の不足による窒素の空孔を、上記V族の元素により埋めることができるようになる。窒素と同じV族原料で窒素の空孔を埋めているので、このことによりキャリアが発生することがない。この結果、窒素の空孔の存在によるn型のバックグランドキャリアを減少させることができ、p型キャリアの導入で、より容易にp型の電気的特性が得られるようになる。また、Inを含む窒化物化合物半導体結晶における窒素以外のV族の元素は、窒素の空孔を埋める程度の微量であり、バンドギャップエネルギーの変化は発生しない。 As described above, a V group material selected from As, P, and Sb is supplied together with an In material and ammonia to fill nitrogen vacancies due to the lack of nitrogen with the above group V elements. Will be able to. Since nitrogen vacancies are filled with the same group V raw material as nitrogen, carriers are not generated by this. As a result, n-type background carriers due to the presence of nitrogen vacancies can be reduced, and p-type electrical characteristics can be obtained more easily by introducing p-type carriers. Further, Group V elements other than nitrogen in the nitride compound semiconductor crystal containing In are in a minute amount enough to fill the vacancies in nitrogen, and no change in band gap energy occurs.
上述したように、III-V族で一般的に用いられる窒素以外のV族元素には、As,P,Sbがある。Asの原料であるアルシン(AsH3)、Pの原料であるホスフィン(PH3)、Sbの原料であるトリメチルアンチモン(TMSb)の分解特性の報告例(非特許文献6参照)を図2に示す。図2中には比較のために、アンモニアの熱分解特性も同時に示している。図2において、(a)は、アルシンの熱分解特性を示し、(b)は、ホスフィンの熱分解特性を示し、(c)は、トリメチルアンチモンの熱分解特性を示し、(d)は、アンモニアの熱分解特性を示している。 As described above, Group V elements other than nitrogen that are generally used in Group III-V include As, P, and Sb. FIG. 2 shows a report example of the decomposition characteristics of arsine (AsH 3 ) as a raw material of As, phosphine (PH 3 ) as a raw material of P, and trimethylantimony (TMSb) as a raw material of Sb (see Non-Patent Document 6). . In FIG. 2, the thermal decomposition characteristics of ammonia are also shown for comparison. 2, (a) shows the thermal decomposition characteristics of arsine, (b) shows the thermal decomposition characteristics of phosphine, (c) shows the thermal decomposition characteristics of trimethylantimony, and (d) shows ammonia. The thermal decomposition characteristics of are shown.
図2より明らかなように、アンモニアと比較し、アルシン,ホスフィン,およびトリメチルアンチモンは、低温で分解していることが分かる。また、注目すべき点は、InN含む窒化物化合物半導体を安定に成長するのに必要な600℃以下の温度においても、各材料の分解が十分に起きていることである。このことは、In含む窒化物化合物半導体を成長する際、これらのV族原料ガスを同時に供給すれば、窒素の空孔を供給したV族原子で埋めることができることを示している。また、窒素空孔の発生を抑制できれば、n型のバックグランドキャリアは減少するので、結果としてp型のドーピングが可能になり、p型の電気的制御を安定に行うことが可能になる。 As is apparent from FIG. 2, it can be seen that arsine, phosphine, and trimethylantimony are decomposed at a lower temperature than ammonia. Further, it should be noted that the decomposition of each material has occurred sufficiently even at a temperature of 600 ° C. or lower necessary for stably growing a nitride compound semiconductor containing InN. This indicates that when these group V source gases are supplied simultaneously when growing a nitride compound semiconductor containing In, nitrogen vacancies can be filled with the supplied group V atoms. Further, if the generation of nitrogen vacancies can be suppressed, n-type background carriers are reduced, and as a result, p-type doping becomes possible, and p-type electrical control can be performed stably.
なお、As原料には、アルシンより更に分解温度が低いトリメチルアルシン(TMAs)、トリエチルアルシン(TEAs)、ターシャリブチルアルシン(TBAs)、トリスジメチルアミノアルシン(TDMAAs)を用いることができる。また、P原料には、ホスフィンより分解温度が低いトリメチルホスフィン(TMP)、トリエチルホスフィン(TEP)、ターシャリブチルホスフィン(TBP)、トリスジメチルアミノホスフィン(TDMAP)を用いることができる。さらにSbの原料にはトリメチルアンチモンよりも分解温度が低いトリエチルアンチモン(TESb)、トリスジメチルアミノアンチモン(TDMASb)を用いることができる。 As the As raw material, trimethylarsine (TMAs), triethylarsine (TEAs), tertiarybutylarsine (TBAs), or trisdimethylaminoarsine (TDMAAs) having a decomposition temperature lower than that of arsine can be used. As the P raw material, trimethylphosphine (TMP), triethylphosphine (TEP), tertiarybutylphosphine (TBP), or trisdimethylaminophosphine (TDMAP) having a decomposition temperature lower than that of phosphine can be used. Furthermore, triethylantimony (TESb) and trisdimethylaminoantimony (TDMASb), which have a decomposition temperature lower than that of trimethylantimony, can be used as the raw material for Sb.
以下、実施例を用いて、より詳細に説明する。 Hereinafter, it demonstrates in detail using an Example.
[実施例1]
はじめに、実施例1について説明する。実施例1では、Inを含むp型窒化物化合物半導体結晶として、MgをドーピングしたInGaNの場合について説明する。なお、結晶の成長には、有機金属気相成長(MOCVD)法を用いる。
[Example 1]
First, Example 1 will be described. In Example 1, the case of InGaN doped with Mg as a p-type nitride compound semiconductor crystal containing In will be described. Note that a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method is used for crystal growth.
まず、III族元素であるInの原料は、トリメチルインジウム(TMIn)を用い、他のIII族元素であるGaの原料には、トリメチルガリウム(TMG)を用いる。また、V族元素である窒素の原料にはアンモニア(NH3)を用いる。また、窒素以外のV族原料としては、アルシンを用いる。また、p型のドーピングには、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を用いる。また、キャリアガスには窒素を用い、基板の加熱はタンズステンヒーターを用いて行い、成長圧力は9806.65Paとする。 First, trimethylindium (TMIn) is used as a raw material of group III element In, and trimethylgallium (TMG) is used as a raw material of other group III element Ga. Further, ammonia (NH 3 ) is used as a raw material for nitrogen, which is a group V element. Further, arsine is used as a Group V material other than nitrogen. Further, biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) is used for p-type doping. Further, nitrogen is used as the carrier gas, the substrate is heated using a tansten heater, and the growth pressure is set to 9806.65 Pa.
なお、単結晶シリコンからなる基板の上に、まず、1000℃の条件でAlNからなる層厚50nmの中間層を形成し、この中間層の上に上述したp型InGaNの層を形成する。また、p型InGaNの層は、600℃の温度(基板温度)条件とし、上述した各原料を供給することで、層厚1000nm程度に形成する。 An intermediate layer made of AlN having a thickness of 50 nm is first formed on a substrate made of single crystal silicon at 1000 ° C., and the above-described p-type InGaN layer is formed on the intermediate layer. In addition, the p-type InGaN layer is formed at a temperature of 600 ° C. (substrate temperature), and is supplied to the above-described raw materials so as to have a layer thickness of about 1000 nm.
上述した各層の成長における基板温度の変化および各原料ガスの供給に関するシーケンスを図3に示す。まず、ステップ1で、基板温度を1000℃にまで昇温する。ステップ1では、原料ガスの供給は停止している。次に、ステップ2で、所定時間基板温度を1000℃に維持した後、ステップ3で、基板温度を1000℃に維持した状態で、所定時間、TMAおよびNH3を供給する。次に、ステップ4で、基板温度を600℃にまで降温するとともに、NH3のみを供給する。次に、ステップ5で、基板温度を600℃に維持した状態で、所定時間、TMI,TMG,NH3,Cp2Mg,およびAsH3を供給する。次に、ステップ6で、基板温度を600℃より降温させ、この過程で、所定時間、NH3のみを供給する。最後に、ステップ7で、全ての原料ガスの供給を停止し、基板温度を室温(20℃程度)にまで降温する。
FIG. 3 shows a sequence relating to the change in substrate temperature and the supply of each source gas in the growth of each layer described above. First, in
なお、成長したInGaN結晶の組成をX線回折から見積もった結果、In組成が0.5であることが確認されている。言い換えると、形成されるInを含む窒化物化合物半導体結晶は、In0.5Ga0.5Nであることが確認された。 As a result of estimating the composition of the grown InGaN crystal from X-ray diffraction, it was confirmed that the In composition was 0.5. In other words, it was confirmed that the nitride compound semiconductor crystal containing In formed was In 0.5 Ga 0.5 N.
上述したp型InGaNの成長において、所定量のアルシンを供給することで、バックグランドキャリア濃度を低減させ、より容易にp型の電気的特性が得られるようになる。 In the above-described growth of p-type InGaN, by supplying a predetermined amount of arsine, the background carrier concentration is reduced, and p-type electrical characteristics can be obtained more easily.
このバックグランドキャリアの減少は、供給したアルシンが低温で熱分解することでAsになり、窒素の空孔を埋めていることによる。また、アルシンの供給量を0.1sccmにすることで、InGaNにおけるバックグランドキャリア濃度を約1×1015cm-3まで低減することができている。バックグランドキャリア濃度の変化は、Cp2Mgを供給せずに形成したInGaNの層で評価している。なお、この電気的特性はC−V測定により評価する。後述する他の電気的特性も、C−V測定により評価している。また、sccmは流量の単位であり、0℃・1013hPaの流体が1分間に1cm3流れることを示す。 This decrease in background carriers is due to the fact that the supplied arsine is thermally decomposed at a low temperature to become As and fills the vacancy of nitrogen. Moreover, the background carrier concentration in InGaN can be reduced to about 1 × 10 15 cm −3 by setting the supply amount of arsine to 0.1 sccm. The change in the background carrier concentration is evaluated by an InGaN layer formed without supplying Cp 2 Mg. This electrical characteristic is evaluated by CV measurement. Other electrical characteristics described later are also evaluated by CV measurement. Sccm is a unit of flow rate, and indicates that a fluid at 0 ° C. and 1013 hPa flows 1 cm 3 per minute.
また、Cp2Mgの供給量により、InGaNにおけるp型のキャリア濃度を制御できる。バックグランドキャリア濃度を十分に低下させることができるアルシン流量0.1sccmの一定供給条件で、Cp2Mgの供給量を0.01から0.05sccmに変化させたとき、p型キャリア濃度を2.5×1016から1.25×1017cm-3の範囲で直線的に精度よく制御できた。 Further, the p-type carrier concentration in InGaN can be controlled by the supply amount of Cp 2 Mg. When the supply amount of Cp 2 Mg is changed from 0.01 to 0.05 sccm under a constant supply condition of an arsine flow rate of 0.1 sccm that can sufficiently reduce the background carrier concentration, the p-type carrier concentration is set to 2. Control was linearly and accurately in the range of 5 × 10 16 to 1.25 × 10 17 cm −3 .
[実施例2]
次に、実施例2について説明する。実施例2でも、Inを含むp型窒化物化合物半導体結晶として、MgをドーピングしたInGaNの場合について説明する。また、実施例2では、窒素以外のV族原料として、ホスフィン(PH3)を用いる。
[Example 2]
Next, Example 2 will be described. Also in Example 2, the case of InGaN doped with Mg as a p-type nitride compound semiconductor crystal containing In will be described. In Example 2, phosphine (PH 3 ) is used as a Group V material other than nitrogen.
まず、III族元素であるInの原料は、トリメチルインジウム(TMIn)を用い、他のIII族元素であるGaの原料には、トリメチルガリウム(TMG)を用いる。また、V族元素である窒素の原料にはアンモニア(NH3)を用いる。また、p型のドーピングには、Cp2Mgを用いる。また、キャリアガスには窒素を用い、基板の加熱はタンズステンヒーターを用い行い、成長圧力は9806.65Paとする。これらの条件は、前述した実施例1と同様である。本実施例では、窒素以外のV族原料として、ホスフィンを用いる。 First, trimethylindium (TMIn) is used as a raw material of group III element In, and trimethylgallium (TMG) is used as a raw material of other group III element Ga. Further, ammonia (NH 3 ) is used as a raw material for nitrogen, which is a group V element. Cp 2 Mg is used for p-type doping. Further, nitrogen is used as the carrier gas, the substrate is heated using a tansten heater, and the growth pressure is set to 9806.65 Pa. These conditions are the same as in Example 1 described above. In this embodiment, phosphine is used as a group V material other than nitrogen.
なお、上述したp型InGaNは、前述した実施例1と同様に、単結晶シリコンからなる基板の上に、まず、1000℃の条件でAlNからなる層厚50nmの中間層を形成し、この中間層の上に形成する。また、p型InGaNの層は、600℃の温度(基板温度)条件とし、上述した各原料を供給することで、層厚1000nm程度に形成する。 In the above-described p-type InGaN, an intermediate layer made of AlN having a layer thickness of 50 nm is first formed on a substrate made of single crystal silicon on the condition of 1000 ° C., as in Example 1 described above. Form on the layer. In addition, the p-type InGaN layer is formed at a temperature of 600 ° C. (substrate temperature), and is supplied to the above-described raw materials so as to have a layer thickness of about 1000 nm.
上述した各層の成長における基板温度の変化および各原料ガスの供給に関するシーケンスを図4に示す。まず、ステップ1で、基板温度を1000℃にまで昇温する。ステップ1では、原料ガスの供給は停止している。次に、ステップ2で、所定時間基板温度を1000℃に維持した後、ステップ3で、基板温度を1000℃に維持した状態で、所定時間、TMAおよびNH3を供給する。次に、ステップ4で、基板温度を600℃にまで降温するとともに、NH3のみを供給する。次に、ステップ5で、基板温度を600℃に維持した状態で、所定時間、TMI,TMG,NH3,Cp2Mg,およびPH3を供給する。次に、ステップ6で、基板温度を600℃より降温させ、この過程で、所定時間、NH3のみを供給する。最後に、ステップ7で、全ての原料ガスの供給を停止し、基板温度を室温にまで降温する。
FIG. 4 shows a sequence relating to the change in substrate temperature and the supply of each source gas in the growth of each layer described above. First, in
上述したp型InGaNの成長において、所定量のホスフィンを供給することで、バックグランドキャリア濃度を低減させ、より容易にp型の電気的特性が得られるようになる。 In the above-described growth of p-type InGaN, by supplying a predetermined amount of phosphine, the background carrier concentration is reduced, and p-type electrical characteristics can be obtained more easily.
このバックグランドキャリアの減少は、供給したホスフィンが低温で熱分解することでPになり、窒素の空孔を埋めていることによる。また、ホスフィンの供給量を5sccmにすることで、InGaNにおけるバックグランドキャリア濃度を約1×1015cm-3まで低減することができている。なお、前述同様に、バックグランドキャリア濃度の変化は、Cp2Mgを供給せずに形成したInGaNの層で評価している。 This decrease in the background carriers is due to the fact that the supplied phosphine is P due to thermal decomposition at a low temperature, filling the nitrogen vacancies. Further, by setting the supply amount of phosphine to 5 sccm, the background carrier concentration in InGaN can be reduced to about 1 × 10 15 cm −3 . As described above, the change in the background carrier concentration is evaluated by an InGaN layer formed without supplying Cp 2 Mg.
また、バックグランドキャリア濃度を十分に低下させることができるホスフィン流量5sccmの一定供給条件で、Cp2Mgの供給量を0.01から0.05sccmに変化させたとき、p型キャリア濃度を2.5×1016から1.25×1017cm-3の範囲で直線的に精度よく制御できた。 Further, when the supply amount of Cp 2 Mg is changed from 0.01 to 0.05 sccm under a constant supply condition of a phosphine flow rate of 5 sccm that can sufficiently reduce the background carrier concentration, the p-type carrier concentration is set to 2. Control was linearly and accurately in the range of 5 × 10 16 to 1.25 × 10 17 cm −3 .
[実施例3]
次に、実施例3について説明する。実施例3でも、Inを含むp型窒化物化合物半導体結晶として、MgをドーピングしたInGaNの場合について説明する。また、実施例3では、窒素以外のV族原料として、トリメチルアンチモン(TMSb)を用いる。
[Example 3]
Next, Example 3 will be described. In Example 3, the case of InGaN doped with Mg as the p-type nitride compound semiconductor crystal containing In will be described. In Example 3, trimethylantimony (TMSb) is used as a Group V material other than nitrogen.
まず、III族元素であるInの原料は、トリメチルインジウム(TMIn)を用い、他のIII族元素であるGaの原料には、トリメチルガリウム(TMG)を用いる。また、V族元素である窒素の原料にはアンモニア(NH3)を用いる。また、p型のドーピングには、Cp2Mgを用いる。また、キャリアガスには窒素を用い、基板の加熱はタンズステンヒーターを用い行い、成長圧力は9806.65Paとする。これらの条件は、前述した実施例1と同様である。本実施例では、窒素以外のV族原料として、トリメチルアンチモンを用いる。 First, trimethylindium (TMIn) is used as a raw material of group III element In, and trimethylgallium (TMG) is used as a raw material of other group III element Ga. Further, ammonia (NH 3 ) is used as a raw material for nitrogen, which is a group V element. Cp 2 Mg is used for p-type doping. Further, nitrogen is used as the carrier gas, the substrate is heated using a tansten heater, and the growth pressure is set to 9806.65 Pa. These conditions are the same as in Example 1 described above. In this embodiment, trimethylantimony is used as a group V material other than nitrogen.
なお、上述したp型InGaNは、前述した実施例1と同様に、単結晶シリコンからなる基板の上に、まず、1000℃の条件でAlNからなる層厚50nmの中間層を形成し、この中間層の上に形成する。また、p型InGaNの層は、600℃の温度(基板温度)条件とし、上述した各原料を供給することで、層厚1000nm程度に形成する。 In the above-described p-type InGaN, an intermediate layer made of AlN having a layer thickness of 50 nm is first formed on a substrate made of single crystal silicon on the condition of 1000 ° C., as in Example 1 described above. Form on the layer. In addition, the p-type InGaN layer is formed at a temperature of 600 ° C. (substrate temperature), and is supplied to the above-described raw materials so as to have a layer thickness of about 1000 nm.
上述した各層の成長における基板温度の変化および各原料ガスの供給に関するシーケンスを図5に示す。まず、ステップ1で、基板温度を1000℃にまで昇温する。ステップ1では、原料ガスの供給は停止している。次に、ステップ2で、所定時間基板温度を1000℃に維持した後、ステップ3で、基板温度を1000℃に維持した状態で、所定時間、TMAおよびNH3を供給する。次に、ステップ4で、基板温度を600℃にまで降温するとともに、NH3のみを供給する。次に、ステップ5で、基板温度を600℃に維持した状態で、所定時間、TMI,TMG,NH3,Cp2Mg,およびTMSbを供給する。次に、ステップ6で、基板温度を600℃より降温させ、この過程で、所定時間、NH3のみを供給する。最後に、ステップ7で、全ての原料ガスの供給を停止し、基板温度を室温にまで降温する。
FIG. 5 shows a sequence related to the change in substrate temperature and the supply of each source gas in the growth of each layer described above. First, in
上述したp型InGaNの成長において、所定量のトリメチルアンチモンを供給することで、バックグランドキャリア濃度を低減させ、より容易にp型の電気的特性が得られるようになる。 In the above-described growth of p-type InGaN, by supplying a predetermined amount of trimethylantimony, the background carrier concentration is reduced, and p-type electrical characteristics can be obtained more easily.
このバックグランドキャリアの減少は、供給したトリメチルアンチモンが低温で熱分解することでPになり、窒素の空孔を埋めていることによる。また、トリメチルアンチモンの供給量を0.5sccmにすることで、InGaNにおけるバックグランドキャリア濃度を約1×1015cm-3まで低減することができている。なお、前述同様に、バックグランドキャリア濃度の変化は、Cp2Mgを供給せずに形成したInGaNの層で評価している。 This decrease in background carriers is due to the fact that the supplied trimethylantimony is thermally decomposed at a low temperature to become P, filling the nitrogen vacancies. Moreover, the background carrier concentration in InGaN can be reduced to about 1 × 10 15 cm −3 by setting the supply amount of trimethylantimony to 0.5 sccm. As described above, the change in the background carrier concentration is evaluated by an InGaN layer formed without supplying Cp 2 Mg.
また、バックグランドキャリア濃度を十分に低下させることができるトリメチルアンチモン流量0.5sccmの一定供給条件で、Cp2Mgの供給量を0.01から0.05sccmに変化させたとき、p型キャリア濃度を2.5×1016から1.25×1017cm-3の範囲で直線的に精度よく制御できた。 Further, when the supply amount of Cp 2 Mg was changed from 0.01 to 0.05 sccm under a constant supply condition of a trimethylantimony flow rate of 0.5 sccm that can sufficiently reduce the background carrier concentration, the p-type carrier concentration Can be controlled linearly and accurately in the range of 2.5 × 10 16 to 1.25 × 10 17 cm −3 .
なお、実施例1〜3のバックグランドキャリア濃度が約1×1015cm-3まで低減するV族原料ガス流量が異なるのは、各々のV族原料の熱分解特性の違いによる。また、ドーピングを行ったInGaN結晶をSIMS分析により評価した結果、As、P、Sbの濃度は約2×1019cm-3であった。 The reason why the V group source gas flow rates at which the background carrier concentration in Examples 1 to 3 is reduced to about 1 × 10 15 cm −3 is different is due to the difference in thermal decomposition characteristics of the respective V group sources. As a result of evaluating the doped InGaN crystal by SIMS analysis, the concentration of As, P, and Sb was about 2 × 10 19 cm −3 .
本発明の目的は、Inを含む窒化物化合物半導体結晶を形成する際に問題となっていたp型ドーピングを実現することにある。Inを含む窒化物化合物半導体結晶を形成する際には、窒素の空孔が発生し、これがn型のバックグランドキャリアになるためp型の電気的特性を実現することが困難であった。本発明では、窒素とは異なる他のV族原料ガスを供給しながらp型の不純物をドーピングしたInを含む窒化物化合物半導体結晶を形成することで窒素の空孔を低減し、p型の電気的な特性制御を可能にするという光・電子デバイス製造上の大きな効果を有する。 An object of the present invention is to realize p-type doping, which has been a problem when forming a nitride compound semiconductor crystal containing In. When forming a nitride compound semiconductor crystal containing In, nitrogen vacancies are generated, which become n-type background carriers, making it difficult to realize p-type electrical characteristics. In the present invention, a nitride compound semiconductor crystal containing In doped with a p-type impurity is formed while supplying another group V source gas different from nitrogen, thereby reducing nitrogen vacancies. It has a great effect on optical / electronic device manufacturing that enables characteristic control.
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述した実施例では、In0.5Ga0.5Nの結晶を例に説明したが、これに限るものではなく、窒素の空孔による同じ問題を有するInAs、他の組成のInGaN、InAlN、InAlGaNにおいても、同様な効果が得られることは言うまでもない。また、MOCVDに限らず、MBEであってもよい。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious. For example, in the above-described embodiment, the In 0.5 Ga 0.5 N crystal has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and InAs having the same problem due to nitrogen vacancies, InGaN, InAlN, and InAlGaN having other compositions. However, it goes without saying that the same effect can be obtained. Moreover, not only MOCVD but also MBE may be used.
また、基板は、シリコンに限らず、サファイア,SiC,およびGaNの基板であってもよい。 The substrate is not limited to silicon, and may be a sapphire, SiC, and GaN substrate.
例えば、サファイア基板を用い、MOCVD法で窒素以外のV族の原料(AsH3,PH3orTMSb)を利用してIn0.5Ga0.5Nを成長する場合、図6のシーケンスに示すように、まず、ステップ1で、基板温度を1000℃にまで昇温する。次に、ステップ2で、所定時間基板温度を1000℃に維持した後、ステップ3で、基板温度を600℃にまで降温する。ステップ1〜3では、原料ガスの供給は停止している。次に、ステップ4で、基板温度を600℃に維持した状態で、所定時間、TMGおよびNH3を供給する。次に、ステップ5で、NH3のみを供給しながら基板温度を1000℃に昇温する。ステップ6で、所定時間、基板温度1000℃を維持し、TMGおよびNH3の供給を継続する。次に、ステップ7で、基板温度を600℃にまで降温するとともに、NH3のみを供給する。次に、ステップ8で、基板温度を600℃に維持した状態で、所定時間、TMI,TMG,NH3,Cp2Mg,および窒素以外のV族の原料を供給する。次に、ステップ9で、基板温度を600℃より降温させ、この過程で、所定時間、NH3のみを供給する。最後に、ステップ10で、全ての原料ガスの供給を停止し、基板温度を室温にまで降温する。
For example, when growing In 0.5 Ga 0.5 N using a sapphire substrate and using a V group material other than nitrogen (AsH 3 , PH 3 orTMSb) by MOCVD, as shown in the sequence of FIG. In
また、SiC基板を用い、MOCVD法で窒素以外のV族の原料(AsH3,PH3orTMSb)を利用してIn0.5Ga0.5Nを成長する場合、図7のシーケンスに示すように、まず、ステップ1で、基板温度を1000℃にまで昇温する。ステップ1では、原料ガスの供給は停止している。次に、ステップ2で、所定時間基板温度を1000℃に維持した後、ステップ3で、基板温度を1000℃に維持した状態で、所定時間、TMA,TMG,およびNH3を供給する。次に、ステップ4で、基板温度を600℃にまで降温するとともに、NH3のみを供給する。次に、ステップ5で、基板温度を600℃に維持した状態で、所定時間、TMI,TMG,NH3,Cp2Mg,および窒素以外のV族の原料を供給する。次に、ステップ6で、基板温度を600℃より降温させ、この過程で、所定時間、NH3のみを供給する。最後に、ステップ7で、全ての原料ガスの供給を停止し、基板温度を室温にまで降温する。
Further, in the case where In 0.5 Ga 0.5 N is grown using a SiC substrate and using a group V material (AsH 3 , PH 3 orTMSb) other than nitrogen by MOCVD, as shown in the sequence of FIG. In
また、GaN基板を用い、MOCVD法で窒素以外のV族の原料(AsH3,PH3orTMSb)を利用してIn0.5Ga0.5Nを成長する場合、図8に示すように、まず、ステップ1からステップ2にかけて基板温度を1000℃にまで昇温する。ステップ1では、原料ガスの供給は停止し、ステップ2で、NH3の供給を開始する。次に、ステップ3で、所定時間基板温度を1000℃に維持した後、ステップ4で、基板温度を600℃にまで降温する。また、ステップ3,4にかけて、NH3の供給を継続する。次に、ステップ5で、基板温度を600℃に維持した状態で、所定時間、TMI,TMG,NH3,Cp2Mg,および窒素以外のV族の原料を供給する。次に、ステップ6で、基板温度を600℃より降温させ、この過程で、所定時間、NH3のみを供給する。最後に、ステップ7で、全ての原料ガスの供給を停止し、基板温度を室温にまで降温する。
In the case where In 0.5 Ga 0.5 N is grown using a GaN substrate by using a group V material (AsH 3 , PH 3 orTMSb) other than nitrogen by MOCVD, first, as shown in FIG. To step 2 to raise the substrate temperature to 1000 ° C. In
101…基板、102…Inを含むp型窒化物化合物半導体結晶の層。 101... Substrate, 102... P-type nitride compound semiconductor crystal layer containing In.
Claims (4)
少なくともIn原料、アンモニア、窒素以外のV族の原料、およびp型ドーパントの原料を前記基板の上に供給する工程と
を少なくとも備え、
前記V族は、As,P,およびSbの中より選択したものであることを特徴とするInを含むp型窒化物化合物半導体結晶の製造方法。 Heating the substrate;
Supplying at least an In raw material, ammonia, a Group V raw material other than nitrogen, and a p-type dopant raw material onto the substrate,
The method for producing a p-type nitride compound semiconductor crystal containing In, wherein the group V is selected from As, P, and Sb.
前記p型ドーパントは、Mgであることを特徴とするInを含むp型窒化物化合物半導体結晶の製造方法。 In the manufacturing method of the p-type nitride compound semiconductor crystal containing In according to claim 1,
The method for producing a p-type nitride compound semiconductor crystal containing In, wherein the p-type dopant is Mg.
前記基板の上にInN,InGaN,InAlN,およびInAlGaNより選択されたInを含むp型窒化物化合物半導体結晶を形成する
ことを特徴とするInを含むp型窒化物化合物半導体結晶の製造方法。 In the manufacturing method of the p-type nitride compound semiconductor crystal containing In of Claim 1 or 2,
A p-type nitride compound semiconductor crystal containing In selected from InN, InGaN, InAlN, and InAlGaN is formed on the substrate. A method for producing a p-type nitride compound semiconductor crystal containing In.
前記基板は、シリコン,サファイア,SiC,およびGaNの中より選択された材料から構成されたものである
ことを特徴とするInを含むp型窒化物化合物半導体結晶の製造方法。 In the manufacturing method of the p-type nitride compound semiconductor crystal containing In of any one of Claims 1-3,
The substrate is made of a material selected from silicon, sapphire, SiC, and GaN. A method for producing a p-type nitride compound semiconductor crystal containing In, wherein:
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