JP2003124515A - Method for manufacturing nitride compound semiconductor and semiconductor element - Google Patents
Method for manufacturing nitride compound semiconductor and semiconductor elementInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、窒化物系化合物半
導体にｐ型ドーパントをドーピングして高キャリア濃度
のｐ型の窒化物系化合物半導体を製造するための方法及
びこの製造方法を用いて製造した発光素子及び電子素子
等の半導体素子に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a high carrier concentration p-type nitride compound semiconductor by doping a nitride compound semiconductor with a p-type dopant, and a method for producing the same. The present invention relates to semiconductor devices such as the light emitting device and the electronic device.
【０００２】[0002]
【従来の技術】ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、Ｉｎ
ＧａＡｌＮ等の窒化物系化合物半導体は、特に発光デバ
イスへの応用が期待されている。このため、ＧａＮを代
表とする各種窒化物系化合物半導体を用いた半導体素子
の製造のために、従来から、ｐ型不純物としてＭｇのド
ーピングを行ってｐ型不純物の高い活性化率を実現し、
高キャリア濃度のｐ型窒化物系化合物半導体を製造する
ための各種方法が提案されている。2. Description of the Related Art GaN, AlGaN, InGaN, In
Nitride-based compound semiconductors such as GaAlN are expected to be particularly applied to light emitting devices. Therefore, in order to manufacture a semiconductor device using various nitride-based compound semiconductors typified by GaN, conventionally, Mg is doped as a p-type impurity to realize a high activation rate of the p-type impurity,
Various methods have been proposed for producing a high carrier concentration p-type nitride compound semiconductor.
【０００３】例えば、特開平６−２３２４５１号公報に
は、ｐ型ドーパントとしてＭｇを用い、水素（Ｈ2 ）を
含まない雰囲気下でアニールを行うことによりｐ型の窒
化物系化合物半導体を製造する方法が開示されている。
また、特開平１１−１６２８６４号公報には、Ｍｇ、Ｚ
ｎ、Ｂｅ等のｐ型ドーパントを８００℃以上に加熱され
ているＧａＮ系化合物半導体にイオン注入し、しかる
後、このイオン注入されたＧａＮ系化合物半導体を窒素
ガスと上記ｐ型不純物との混合ガス中で１２００℃以上
で１０分間熱処理を施すようにしたｐ型の窒化物系化合
物半導体を製造する方法が開示されている。For example, in JP-A-6-232451, a p-type nitride compound semiconductor is manufactured by using Mg as a p-type dopant and performing annealing in an atmosphere containing no hydrogen (H 2 ). A method is disclosed.
Further, in JP-A-11-162864, Mg, Z
A p-type dopant such as n or Be is ion-implanted into the GaN-based compound semiconductor heated to 800 ° C. or higher, and then the ion-implanted GaN-based compound semiconductor is mixed gas of nitrogen gas and the p-type impurity. Patent Document 1 discloses a method for producing a p-type nitride compound semiconductor in which heat treatment is performed at 1200 ° C. or higher for 10 minutes.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかし、前者の方法に
よると、使用できるｐ型ドーパントは、実質的に、アク
セプタ準位が深く活性化率の小さいＭｇに限定されてし
まうため、出来上がったｐ型の窒化物系化合物半導体に
おけるキャリア濃度は比較的低いものとならざるを得
ず、高性能の発光素子又はその他の電子素子を製造する
のには不充分である。また、ドーピングをアニール処理
によって行うため母材の選択的なｐ型化は困難であり、
結局、素子作製のためにはエッチングプロセスが必要と
なり、コスト的に不利であるという問題も有している。However, according to the former method, the p-type dopant that can be used is practically limited to Mg having a deep acceptor level and a small activation rate. The carrier concentration in the nitride-based compound semiconductor is inevitably relatively low, which is insufficient for manufacturing a high-performance light emitting device or other electronic device. Further, since the doping is performed by the annealing treatment, it is difficult to selectively change the base material to p-type,
After all, an etching process is required for manufacturing the device, which is disadvantageous in terms of cost.
【０００５】一方、後者の方法によると、イオン注入に
より適宜のｐ型ドーパントを選択的に注入して母材の一
部を選択的にｐ型化することはできるが、イオン注入時
に８００℃以上の熱処理が必要な上に、イオン注入後
は、２ＭＰａ以上の高圧下で且つ１２００℃以上の温度
で熱処理を施さなければならないという過酷な処理条件
が要求されるので、この方法によっては窒化物系化合物
半導体の製造が実際上困難であった。On the other hand, according to the latter method, it is possible to selectively inject a proper p-type dopant by ion implantation to selectively make a part of the base material into p-type, but at the time of ion implantation, 800 ° C. or more is used. In addition to the above heat treatment, it is necessary to perform heat treatment under high pressure of 2 MPa or higher and at a temperature of 1200 ° C. or higher after the ion implantation. The production of compound semiconductors has been difficult in practice.
【０００６】本発明の目的は、過酷な製造条件を要求さ
れず、比較的簡便に高キャリア濃度のｐ型窒化物系化合
物半導体を形成することができる、窒化物系化合物半導
体の製造方法及び半導体素子を提供することにある。An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a nitride-based compound semiconductor and a semiconductor capable of forming a p-type nitride-based compound semiconductor with a high carrier concentration relatively easily without requiring severe manufacturing conditions. It is to provide an element.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明者は高キャリア濃
度のｐ型窒化物系化合物半導体を製造する目的で種々実
験を重ねた結果、２族元素とＮ（窒素）とをイオン注入
した後に熱処理を行う方法によると、イオン注入時に試
料を加熱する必要がないこと、またイオン注入後の試料
のアニールにおいても高圧印加を必要としないことを見
いだし、さらに、この方法によれば、ｐ型ドーパント元
素として、Ｍｇ以外にＢｅ、Ｃａ、Ｓｒなどを用いても
同様の方法で高い活性化率（従って高いキャリア濃度）
のｐ型窒化物系化合物半導体を得ることができることを
見いだし、本発明をなすに至ったものである。The present inventor has conducted various experiments for the purpose of producing a p-type nitride compound semiconductor having a high carrier concentration, and as a result, after ion-implanting a group 2 element and N (nitrogen). According to the method of heat treatment, it was found that it is not necessary to heat the sample at the time of ion implantation, and that high voltage application is not required even when annealing the sample after the ion implantation. Furthermore, according to this method, the p-type dopant is used. Even if Be, Ca, Sr or the like is used as the element other than Mg, a high activation rate (and thus a high carrier concentration) is obtained by the same method.
The inventors have found that the p-type nitride compound semiconductor can be obtained, and have completed the present invention.
【０００８】請求項１の発明によれば、窒化物系化合物
半導体に２族元素とＮ（窒素）とをイオン注入し、しか
る後、イオン注入された前記窒化物系化合物半導体を熱
処理してｐ型の窒化物系化合物半導体を製造することを
特徴とする窒化物系化合物半導体の製造方法が提案され
る。According to the first aspect of the present invention, the group II element and N (nitrogen) are ion-implanted into the nitride-based compound semiconductor, and the ion-implanted nitride-based compound semiconductor is then heat-treated to p. A method for manufacturing a nitride-based compound semiconductor is proposed, which is characterized by manufacturing a nitride-based compound semiconductor of the type.
【０００９】請求項２の発明によれば、窒化物系化合物
半導体に２族元素、４族元素およびＮ（窒素）をイオン
注入し、しかる後、イオン注入された前記窒化物系化合
物半導体を熱処理してｐ型の窒化物系化合物半導体を製
造することを特徴とする窒化物系化合物半導体の製造方
法が提案される。According to the second aspect of the present invention, the group 2 element, the group 4 element and N (nitrogen) are ion-implanted into the nitride compound semiconductor, and then the ion-implanted nitride compound semiconductor is heat treated. Then, a method for manufacturing a nitride-based compound semiconductor is proposed, which is characterized by manufacturing a p-type nitride-based compound semiconductor.
【００１０】請求項３の発明によれば、請求項１または
２の発明において、前記２族元素が、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃ
ａ、Ｓｒの群から選ばれる少なくとも１種である窒化物
系化合物半導体の製造方法が提案される。According to the invention of claim 3, in the invention of claim 1 or 2, the group 2 element is Be, Mg or C.
A method for producing a nitride-based compound semiconductor, which is at least one selected from the group consisting of a and Sr, is proposed.
【００１１】請求項４の発明によれば、請求項２の発明
において、前記４族元素がＣ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ
の群から選ばれる少なくとも１種である窒化物系化合物
半導体の製造方法が提案される。According to the invention of claim 4, in the invention of claim 2, the group 4 element is C, Si, Ge, Sn, or Pb.
A method for producing a nitride-based compound semiconductor, which is at least one selected from the group of, is proposed.
【００１２】請求項５の発明によれば、請求項１、２、
３、または４の発明において、前記熱処理を１０５０℃
〜１４００℃の温度範囲で且つ圧力が５０ＫＰａ〜２Ｍ
Ｐａの範囲の条件下で行うようにした窒化物系化合物半
導体の製造方法が提案される。According to the invention of claim 5, claims 1, 2 and
In the invention of 3 or 4, the heat treatment is performed at 1050 ° C.
~ 1400 ° C temperature range and pressure 50KPa ~ 2M
A method for manufacturing a nitride-based compound semiconductor, which is performed under the condition of Pa, is proposed.
【００１３】請求項６の発明によれば、請求項１、２、
３、４、または５の方法を用いて製造したことを特徴と
する半導体素子が提案される。According to the invention of claim 6, claims 1, 2 and
A semiconductor device is proposed which is manufactured by using the method of 3, 4, or 5.
【００１４】[0014]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態の一例につき詳細に説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An example of an embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
【００１５】図１は、本発明の方法を用いて製造された
発光用半導体素子の拡大断面図である。この発光素子１
０は、窒化系化合物半導体を用いた発光ダイオードとし
て作製されたもので、半絶縁性であるサファイア基板１
の上に、ＧａＮバッファ層２、ｎ型層３、発光層４、Ａ
ｌＧａＮ層５を順次積層し、さらにｎ型層６を積層した
化合物半導体薄膜積層構造となっている。これらの各化
合物半導体薄膜層は、有機金属熱分解法（ＭＯＣＶＤ
法）その他の適宜の公知のエピタキシャル成長法によっ
てサファイア基板１上に形成することができる。FIG. 1 is an enlarged sectional view of a light emitting semiconductor device manufactured by the method of the present invention. This light emitting element 1
Reference numeral 0 denotes a semi-insulating sapphire substrate 1 manufactured as a light-emitting diode using a nitride compound semiconductor.
GaN buffer layer 2, n-type layer 3, light emitting layer 4, A
The compound semiconductor thin film layered structure is formed by sequentially stacking the lGaN layers 5 and further stacking the n-type layer 6. Each of these compound semiconductor thin film layers is formed by a metal organic thermal decomposition method (MOCVD).
Method) It can be formed on the sapphire substrate 1 by any other appropriate known epitaxial growth method.
【００１６】ｎ型層６は、ｎ型ドーパントとしてＳｉが
ドーピングされてｎ型となっているＧａＮ層であり、こ
のｎ型層６の一部にはｐ型ドーパントのイオン注入によ
ってｐ型とされたイオン注入領域７が形成されている。
そして、ｎ型層６の上にはｎ電極８が、イオン注入領域
７の上にはｐ電極９がそれぞれ設けられており、発光素
子１０はｎ電極８及びｐ電極９を介して外部との電気的
接続が可能となっている。The n-type layer 6 is a GaN layer which is n-type doped with Si as an n-type dopant, and a part of this n-type layer 6 is made p-type by ion implantation of a p-type dopant. The ion implantation region 7 is formed.
An n-electrode 8 is provided on the n-type layer 6, and a p-electrode 9 is provided on the ion-implanted region 7. The light-emitting element 10 is connected to the outside via the n-electrode 8 and the p-electrode 9. Electrical connection is possible.
【００１７】次に、ｎ型層６の一部にｐ型ＧａＮ層であ
るイオン注入領域７を形成する方法について説明する。
ｎ型層６の形成後、ｎ型層６の上面にマスキングを施
し、イオン注入領域７を形成すべき領域に対応した部分
のみが露出した状態とする。次に、イオン注入装置（図
示せず）を用いて窒素（Ｎ）とｐ型ドーパントとなる２
族元素であるＭｇとをイオン注入領域７の露出部分に打
ち込む。ここで、イオン注入領域７に打ち込まれた元素
のイオン濃度のピーク値の表面からの深さとイオン濃度
プロファイルとは、発光素子１０の特性を決定する重要
な要素であるが、これらは母材であるｎ型層６の材料及
びイオン注入する注入素子の種類、注入エネルギー等に
依存する。したがって、Ｎ及びＭｇのイオン濃度のピー
ク値の表面からの深さとこれらの元素のイオン濃度プロ
ファイルとを所望の状態とするため、イオン打込工程に
おける各条件を適宜に設定する必要がある。Next, a method of forming the ion-implanted region 7 which is a p-type GaN layer in a part of the n-type layer 6 will be described.
After the n-type layer 6 is formed, the upper surface of the n-type layer 6 is masked so that only the portion corresponding to the region where the ion implantation region 7 is to be formed is exposed. Next, using an ion implanter (not shown), nitrogen (N) and p-type dopant 2 are formed.
Mg, which is a group element, is implanted into the exposed portion of the ion implantation region 7. Here, the depth from the surface of the peak value of the ion concentration of the element implanted in the ion implantation region 7 and the ion concentration profile are important factors that determine the characteristics of the light emitting element 10. It depends on the material of a certain n-type layer 6, the type of implantation element for ion implantation, the implantation energy, and the like. Therefore, in order to bring the depths of the peak values of the ion concentrations of N and Mg from the surface and the ion concentration profile of these elements into a desired state, it is necessary to appropriately set each condition in the ion implantation step.
【００１８】ここでは、ｐ型ドーパントとなる２族元素
としてＭｇを選択した場合を説明したが、Ｍｇのほか、
Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒをｐ型ドーパントとして同様に用いる
ことができる。Although the case where Mg is selected as the Group 2 element serving as the p-type dopant has been described here, in addition to Mg,
Be, Ca, and Sr can be similarly used as p-type dopants.
【００１９】２族元素としていずれの元素をｐ型ドーパ
ントとして用いるにせよ、イオンの加速電圧は５ｋｅＶ
以上は必要であるが、母材に対する影響を考慮して１０
００ｋｅＶ以下とするのが好ましい。また、イオン打ち
込みのためにイオン化された２族元素と窒素（Ｎ）と
は、ｎ型層６に対して同時に打ち込む共注入が好ましい
が、必ずしもこれに限定せず、両者を別々に打ち込んで
もよい。いずれにしても、２族元素と窒素の各元素イオ
ンの平均飛程がほぼ同一となり、各元素イオンの濃度ピ
ーク位置がほぼ同一となるよう、イオン打ち込み時の加
速電圧を選定する必要がある。Regardless of which element is used as the Group 2 element as the p-type dopant, the ion accelerating voltage is 5 keV.
The above is necessary, but considering the effect on the base metal, 10
It is preferably set to 00 keV or less. Further, it is preferable to co-implant the ionized group 2 element and nitrogen (N) for the ion implantation into the n-type layer 6 at the same time, but the present invention is not necessarily limited to this, and both may be implanted separately. . In any case, it is necessary to select the accelerating voltage at the time of ion implantation so that the average range of each element ion of the group 2 element and nitrogen becomes almost the same and the concentration peak positions of each element ion become almost the same.
【００２０】ここで、２族元素のドーズ量は、目的とす
るｐ型キャリア濃度及び注入する結晶であるｎ型層６の
バックグラウンドキャリア濃度により調整することが必
要であるが、概ね１×１０12〜１×１０17ｃｍ-2でよ
い。ここで、Ｎのドーズ量は、２族元素のドーズ量と同
等または２族元素のドーズ量よりやや多めであることが
望ましい。Here, the dose amount of the group 2 element needs to be adjusted depending on the target p-type carrier concentration and the background carrier concentration of the n-type layer 6 which is the crystal to be injected, but is generally 1 × 10. It may be 12 to 1 × 10 17 cm -2 . Here, the dose amount of N is preferably equal to or slightly larger than the dose amount of the group 2 element.
【００２１】このように、ｐ型ドーパントである２族元
素と窒素（Ｎ）とをイオン打ち込みによりｎ型層６のイ
オン注入領域７を形成すべき領域に注入すると、ｎ型層
６内のこの領域内において２族過剰の結晶が生成されて
ｐ型キャリアを補償することになるＮの空孔が発生する
のを抑えることができるので、ｐ型ドーパントの活性化
効率が高くなりこの領域を高キャリア濃度のｐ型半導体
とするのに有利である。このイオン打ち込み処理時の温
度条件は、室温程度の温度であれば充分であり、特に高
温に加熱する必要はない。その理由は後述する。しか
し、イオン打ち込み処理時に適宜の温度で熱処理を行っ
ても良いことは勿論である。In this way, when the group 2 element which is a p-type dopant and nitrogen (N) are implanted into the region of the n-type layer 6 where the ion-implanted region 7 is to be formed by ion implantation, this n-type layer 6 is formed. Since it is possible to suppress generation of N vacancies, which would generate excess Group 2 crystals in the region and thereby compensate for p-type carriers, the activation efficiency of the p-type dopant is increased, and this region is increased. It is advantageous to use a p-type semiconductor having a carrier concentration. The temperature condition at the time of this ion implantation treatment is sufficient if it is about room temperature, and it is not particularly necessary to heat it to a high temperature. The reason will be described later. However, it goes without saying that the heat treatment may be performed at an appropriate temperature during the ion implantation process.
【００２２】次に、上述の如くｎ型層６の所定領域にイ
オン注入を行った後、イオン注入により生じた結晶格子
の乱れによる結晶性の低下を回復させ、ｐ型ドーパント
を格子位置に移動させるため、熱処理（アニール）を行
う。この熱処理は、通常、ＧａＮの成長温度程度あるい
はそれより高い温度で行うことが必要である。具体的に
は、１０５０℃〜１４００℃の範囲内の温度条件で熱処
理を行うことにより良好に結晶性を回復させてｐ型ドー
パントを格子位置に位置させることができる。この熱処
理により、ｐ型ドーパントが良好に活性化され、高キャ
リア濃度のｐ型のイオン注入領域７が得られる。Next, as described above, after ion implantation into a predetermined region of the n-type layer 6, the crystallinity deterioration caused by the disorder of the crystal lattice caused by the ion implantation is recovered, and the p-type dopant is moved to the lattice position. In order to do so, heat treatment (annealing) is performed. This heat treatment usually needs to be performed at a temperature about the growth temperature of GaN or higher. Specifically, by performing heat treatment under a temperature condition in the range of 1050 ° C. to 1400 ° C., the crystallinity can be recovered well and the p-type dopant can be positioned at the lattice position. By this heat treatment, the p-type dopant is satisfactorily activated, and the p-type ion implantation region 7 having a high carrier concentration is obtained.
【００２３】このように、イオン注入領域７にあって
は、窒素も注入されているので、ｐ型キャリアを補償し
て高キャリア濃度化（すなわちｐ型ドーパントの活性
化）を阻害する原因となるＮの空孔の生成量が極めて少
ないと考えられる。このため、イオン打ち込み後におい
て熱処理するだけでも、ドーピングしたｐ型ドーパント
がイオン注入領域７の半導体結晶中で適切な場所へ移動
してｐ型ドーパントが効果的に活性化できる。したがっ
て、従来必要とされていた高圧下での熱処理は必ずしも
必要なく、上述した温度範囲内の温度によって熱処理す
るだけでｐ型ドーパントの所要の活性化を達成できるの
である。As described above, in the ion-implanted region 7, since nitrogen is also implanted, it becomes a cause of compensating for p-type carriers and hindering an increase in carrier concentration (that is, activation of p-type dopant). It is considered that the amount of N holes generated is extremely small. Therefore, even if only the heat treatment is performed after the ion implantation, the doped p-type dopant can be moved to an appropriate place in the semiconductor crystal of the ion implantation region 7 and the p-type dopant can be effectively activated. Therefore, the heat treatment under a high pressure which has been conventionally required is not always necessary, and the required activation of the p-type dopant can be achieved only by performing the heat treatment at a temperature within the above-mentioned temperature range.
【００２４】同様の理由で、イオン打ち込み時における
熱処理は必ずしも必要とされないのである。すなわち、
イオン打ち込み時の熱処理は、イオン打ち込みにより結
晶中に入り込んだｐ型ドーパントを活性化のために適切
な場（格子位置）へ移動させるために行うのであるが、
上述の如くＮも注入されることによりＮの空孔の発生が
極めて少ないため、イオン打ち込み後の熱処理のみでｐ
型ドーパントの活性化を充分に行うことができるからで
ある。For the same reason, the heat treatment at the time of ion implantation is not always necessary. That is,
The heat treatment at the time of ion implantation is performed to move the p-type dopant that has entered the crystal by ion implantation to an appropriate field (lattice position) for activation.
As described above, since N is also injected, the generation of N vacancies is extremely small.
This is because the type dopant can be sufficiently activated.
【００２５】一般に、窒化物系半導体は窒化物の蒸気圧
が高く、高温の熱処理ではｐ型キャリアを補償すること
になるＮの空孔が生成されやすい。そこで、結晶表面で
Ｎが蒸発してＮの空孔が発生するのを防止するため、Ｎ
の蒸発防止用のキャップ層をｎ型層６の表面に形成して
から熱処理を行ってもよい。なお、ラピッドサーマルア
ニールにより短時間の熱処理を行う場合にはＮの蒸発は
少ないのでキャップ層を省略することも可能である。キ
ャップ層の材料としては、例えばＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、
ＳｉＮ等が好適である。In general, nitride-based semiconductors have a high vapor pressure of nitrides, and N-holes that compensate for p-type carriers are likely to be generated by high-temperature heat treatment. Therefore, in order to prevent N from evaporating on the crystal surface and generating N vacancies, N
The evaporation preventing cap layer may be formed on the surface of the n-type layer 6 and then heat treated. Note that when heat treatment is performed for a short time by rapid thermal annealing, the evaporation of N is small, so that the cap layer can be omitted. Examples of the material of the cap layer include AlN, AlGaN,
SiN or the like is suitable.
【００２６】通常窒化物系半導体は作製の容易さからｎ
型層の上にｐ型層を成長させるので、両方の層に電極形
成するためには、エッチング工程によりｎ型層を露出さ
せることが必要である。しかし、発光素子１０は、上述
の如く、ｎ型層６の一部にイオン打ち込みを行ってｐ型
のイオン注入領域７を形成するものであるから、ｎ型層
を露出させるためのエッチング工程が不要であり、ｎ型
層６及びｐ型のイオン注入領域７の結晶表面にそれぞれ
ｎ電極８とｐ電極９とを形成するだけでよいので、処理
工程を簡略化できる。Normally, a nitride-based semiconductor is n
Since the p-type layer is grown on the mold layer, it is necessary to expose the n-type layer by an etching process in order to form electrodes on both layers. However, as described above, the light emitting element 10 forms the p-type ion-implanted region 7 by ion-implanting a part of the n-type layer 6, so that the etching process for exposing the n-type layer is performed. Since it is unnecessary, it is only necessary to form the n-electrode 8 and the p-electrode 9 on the crystal surfaces of the n-type layer 6 and the p-type ion-implanted region 7, respectively, so that the processing steps can be simplified.
【００２７】上記実施の形態では、ｎ型層６に上述の如
くＮと２族元素のｐ型ドーパントとをイオン注入してイ
オン注入領域７を形成する場合について説明したが、ノ
ンドープのＧａＮに同様にしてＮと２族元素のｐ型ドー
パントとをイオン注入してｐ型の窒化物系化合物半導体
を製造することもでき、本発明はこのような製造方法を
も含むものである。In the above embodiment, the case where N and the p-type dopant of the group 2 element are ion-implanted into the n-type layer 6 to form the ion-implanted region 7 has been described, but similar to the case of non-doped GaN. Then, N and a p-type dopant of a Group 2 element may be ion-implanted to manufacture a p-type nitride compound semiconductor, and the present invention also includes such a manufacturing method.
【００２８】また、いずれにしても、ｐ型の窒化物系化
合物半導体を製造するために注入すべき元素は、２族元
素とＮとに限定されるものではなく、２族元素とＮとに
加えて、４族元素もイオン注入するようにして同様にｐ
型の窒化物系化合物半導体を製造することができる。In any case, the elements to be implanted for producing the p-type nitride compound semiconductor are not limited to the group 2 elements and N, but to the group 2 elements and N. In addition, by implanting ions of Group 4 elements as well, p
Type nitride-based compound semiconductors can be manufactured.
【００２９】この場合には、２族元素、４族元素及びＮ
を同時に、あるいは別々にｎ型ＧａＮ層又はノンドープ
ＧａＮ層等の適宜の窒化物系化合物半導体にイオン打ち
込みし、しかる後、イオン打ち込みされた窒化物系化合
物半導体を同様にして熱処理すればよい。４族元素とし
ては、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ等を用いることがで
き、２族元素と４族元素との組み合わせはどのような組
み合わせであってもよい。In this case, a Group 2 element, a Group 4 element and N
Are simultaneously or separately ion-implanted into an appropriate nitride-based compound semiconductor such as an n-type GaN layer or a non-doped GaN layer, and then the ion-implanted nitride-based compound semiconductor may be similarly heat-treated. As the Group 4 element, C, Si, Ge, Sn, Pb, or the like can be used, and the combination of the Group 2 element and the Group 4 element may be any combination.
【００３０】Ｎイオン、２族元素イオン及び４族元素イ
オンを注入する実施形態の場合にも、Ｎイオンと２族元
素イオンとの注入の場合と同様に、各イオンの平均飛程
が略等しくなるようにイオン打ち込みのための加速電圧
を選び、各濃度ピーク位置が同一となるようにすること
が望ましい。Also in the case of the embodiment in which N ions, 2 group element ions and 4 group element ions are implanted, the average range of each ion is approximately the same as in the case of implantation of N ions and 2 group element ions. It is desirable to select an accelerating voltage for ion implantation so that the concentration peak positions are the same.
【００３１】この場合のＮのドーズ量は、２族元素又は
４族元素と同程度、あるいは２族元素又は４族元素より
もやや多めであるのが好ましい。そして、２族元素のド
ーズ量と４族元素のドーズ量との比は、１：１０〜１
０：１の範囲であるのが好ましく、２：１〜１：２の範
囲程度に抑えるのがより好ましい。In this case, the dose amount of N is preferably the same as that of the group 2 element or the group 4 element, or slightly larger than that of the group 2 element or the group 4 element. The ratio of the dose amount of the group 2 element to the dose amount of the group 4 element is 1:10 to 1
It is preferably in the range of 0: 1 and more preferably in the range of 2: 1 to 1: 2.
【００３２】上述の如く、２族及び又は４族のｐ型ドー
パントとＮとを、ノンドープの又はｎ型の窒化物系化合
物半導体にイオン打ち込みしてｐ型化を図ることによ
り、イオン打ち込み時に窒化物系化合物半導体を加熱す
ることなく、室温レベルで扱うことができる上に、イオ
ン打ち込み後における結晶性回復のための熱処理におい
ても高圧印加の必要がなく、またその温度も１０５０℃
〜１４００℃の範囲内で適宜に設定するようにして高キ
ャリア濃度のｐ型層を得ることができる。すなわち、窒
化物系化合物半導体を過酷な条件にさらすことなく、そ
のｐ型化を図り、高キャリア濃度化を達成することがで
きる。As described above, p-type dopants of Group 2 and / or Group 4 and N are ion-implanted into the non-doped or n-type nitride compound semiconductor to make them p-type, thereby nitriding at the time of ion implantation. The physical compound semiconductor can be handled at room temperature level without heating, and it is not necessary to apply a high voltage in the heat treatment for recovering the crystallinity after ion implantation, and the temperature is 1050 ° C.
A p-type layer having a high carrier concentration can be obtained by appropriately setting the temperature within the range of ˜1400 ° C. That is, without exposing the nitride-based compound semiconductor to harsh conditions, it is possible to achieve the p-type and achieve a high carrier concentration.
【００３３】このように、イオン注入により、比較的容
易に高いキャリア濃度のｐ型層を得ることができるた
め、高性能の発光素子やトランジスタなどの電子デバイ
スを製造する上で非常に有用である。また、イオン注入
処理によりｐ型化を図る構成であるので、所要の領域の
みを選択的にｐ型化することができ、エッチング工程を
省略したプロセスを構築できるため、発光素子その他の
各種電子素子等の窒化物系化合物半導体素子の製造工程
の簡素化に役立ち、低コスト化を期待することができ
る。As described above, since the p-type layer having a high carrier concentration can be relatively easily obtained by the ion implantation, it is very useful in manufacturing a high-performance electronic device such as a light emitting element or a transistor. . Further, since the p-type is formed by the ion implantation process, only a required region can be selectively made into the p-type, and a process without an etching step can be constructed. Therefore, various light-emitting elements and other various electronic elements can be constructed. It is useful for simplifying the manufacturing process of the nitride-based compound semiconductor device such as, and the cost reduction can be expected.
【００３４】以上、本発明の種々の実施の形態について
説明したが、ノンドープＧａＮのｐ型化及びｎ型のＧａ
Ｎのｐ型化の場合に適用できるのは勿論のこと、ＧａＮ
のほか、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等の
窒化物系化合物半導体に対しても同様にして本発明を適
用し、同様の効果を得ることができる。Although various embodiments of the present invention have been described above, non-doped GaN is changed to p-type and n-type Ga.
It is of course applicable to the case of converting N to p-type, and GaN
In addition to the above, the present invention can be similarly applied to nitride-based compound semiconductors such as AlGaN, InGaN, and InGaAlN, and similar effects can be obtained.
【００３５】[0035]
【実施例】（実施例１）ＧａＮ試料にＭｇとＮとを共注
入し、１１００℃で１０秒間アニールを行い、ＳＰＰで
ｐ型化した場合の実施例について説明する。ノンドープ
ＧａＮ試料（膜厚３μ、ｎ型キャリア濃度１×１０16）
に、イオン注入装置にて、室温で、ＭｇおよびＮを、イ
オンエネルギーをＭｇ２０ｋｅＶ、Ｎ１３ｋｅＶで、ど
ちらもドーズ量２×１０14ｃｍ-2でイオン注入した。イ
オン注入後の試料を、１１００℃で１０秒間熱処理し
た。イオン注入後の試料について、その容量−電圧特性
を測定してキャリア濃度を求めたところ、ｐ型であり、
表面付近でキャリア濃度１．９×１０17ｃｍ-3であっ
た。イオン注入直後の試料では、７７Ｋフォトルミネッ
センス測定ではイオン注入によるダメージのため通常見
られる発光ピークは全く認められなかったが、熱処理後
の試料では、Ｍｇ特有の発光ピークが現れていた。EXAMPLES Example 1 An example in which Mg and N are co-implanted into a GaN sample, annealed at 1100 ° C. for 10 seconds, and p-type is formed by SPP will be described. Non-doped GaN sample (thickness 3μ, n-type carrier concentration 1 × 10 16 )
Then, at room temperature, Mg and N were ion-implanted with an ion energy of Mg 20 keV and N 13 keV at a dose of 2 × 10 14 cm -2 . The sample after ion implantation was heat-treated at 1100 ° C. for 10 seconds. When the carrier concentration of the sample after ion implantation was measured to determine the carrier concentration, it was p-type,
The carrier concentration was 1.9 × 10 17 cm −3 near the surface. In the sample immediately after the ion implantation, the emission peak that is usually seen in 77K photoluminescence measurement due to damage due to the ion implantation was not observed at all, but in the sample after the heat treatment, the emission peak peculiar to Mg appeared.
【００３６】（実施例２）ＧａＮ試料にＭｇとＳｉとＮ
とを共注入し、１１００℃で１０秒間アニールを行い、
ＳＰＰでｐ型化した場合の実施例について説明する。ノ
ンドープＧａＮ試料（膜厚３μ、ｎ型キャリア濃度１×
１０16）に、イオン注入装置にて、室温で、Ｍｇ、Ｓｉ
およびＮを、それぞれ２０ｋｅＶ、２３ｋｅＶ、１３ｋ
ｅＶのイオンエネルギーで、ドーズ量をそれぞれ２×１
０14、７×１０13、２×１０14ｃｍ-2の条件でイオン注
入した。イオン注入後の試料を、１１００℃で１０秒間
熱処理した。イオン注入後の試料について、その容量−
電圧特性を測定してキャリア濃度を求めたところ、ｐ型
であり、表面付近でキャリア濃度１．５９×１０18ｃｍ
-3であった。イオン注入直後の試料では、７７Ｋフォト
ルミネッセンス測定ではイオン注入によるダメージのた
め通常見られる発光ピークは全く認められなかったが、
熱処理後の試料では、いわゆるＤＡペア発光特有のピー
クが現れており、結晶性が回復していることを確認し
た。(Example 2) Mg, Si and N were added to a GaN sample.
And co-implant and anneal at 1100 ° C. for 10 seconds,
An example of p-type conversion by SPP will be described. Non-doped GaN sample (thickness 3μ, n-type carrier concentration 1 ×
10 16 ) at room temperature with an ion implanter, Mg, Si
And N are 20 keV, 23 keV, and 13 k, respectively.
Each dose is 2 × 1 with ion energy of eV.
Ion implantation was performed under the conditions of 0 14 , 7 × 10 13 , and 2 × 10 14 cm −2 . The sample after ion implantation was heat-treated at 1100 ° C. for 10 seconds. The capacity of the sample after ion implantation −
When the carrier concentration was determined by measuring the voltage characteristics, it was found to be p-type, and the carrier concentration was 1.59 × 10 18 cm near the surface.
It was -3 . In the sample immediately after ion implantation, the luminescence peak which is usually seen in 77K photoluminescence measurement due to damage due to ion implantation was not recognized at all.
In the sample after the heat treatment, a peak peculiar to so-called DA pair emission appeared, and it was confirmed that the crystallinity was recovered.
【００３７】（実施例３）ＧａＮ試料にＢｅとＮとを共
注入し、１１００℃で１０秒間アニールを行い、ＳＰＰ
でｐ型化した場合の実施例について説明する。ノンドー
プＧａＮ試料（膜厚３μ、ｎ型キャリア濃度１×１
０16）に、イオン注入装置にて、室温で、ＢｅおよびＮ
を、それぞれ１０ｋｅＶ、１３ｋｅＶのエネルギーで、
どちらもドーズ量２×１０14ｃｍ-2でイオン注入した。
イオン注入後の試料を、１１００℃で１０秒間熱処理し
た。イオン注入後の試料について、その容量−電圧特性
を測定してキャリア濃度を求めたところ、ｐ型であり、
表面付近でキャリア濃度１．０×１０19ｃｍ-3であっ
た。イオン注入直後の試料では、７７Ｋフォトルミネッ
センス測定ではイオン注入によるダメージのため通常見
られる発光ピークは全く認められなかったが、熱処理後
の試料では、いわゆるバンド端発光ピークが現れてお
り、結晶性が回復していることを確認した。Example 3 Be and N were co-implanted into a GaN sample and annealed at 1100 ° C. for 10 seconds to obtain SPP.
A description will be given of an example in the case of converting to a p-type. Non-doped GaN sample (thickness 3μ, n-type carrier concentration 1 × 1
0 16 ) in an ion implanter at room temperature with Be and N 2.
At 10 keV and 13 keV energies,
Both were ion-implanted with a dose amount of 2 × 10 14 cm −2 .
The sample after ion implantation was heat-treated at 1100 ° C. for 10 seconds. When the carrier concentration of the sample after ion implantation was measured to determine the carrier concentration, it was p-type,
The carrier concentration was 1.0 × 10 19 cm −3 near the surface. In the sample immediately after the ion implantation, the emission peak that is usually seen in 77K photoluminescence measurement due to the damage due to the ion implantation was not recognized at all, but in the sample after the heat treatment, the so-called band edge emission peak appeared, and the crystallinity was I confirmed that it was recovered.
【００３８】（実施例４）ＧａＮ試料にＣａとＮとを共
注入し、１１００℃で１０秒間アニールを行い、ＳＰＰ
でｐ型化した場合の実施例について説明する。ノンドー
プＧａＮ試料（膜厚３μ、ｎ型キャリア濃度１×１
０16）に、イオン注入装置にて、室温で、ＣａおよびＮ
を、それぞれ３３ｋｅＶ、１３ｋｅＶのエネルギーで、
どちらもドーズ量２×１０14ｃｍ-2でイオン注入した。
イオン注入後の試料を、１１００℃で１０秒間熱処理し
た。イオン注入後の試料について、その容量−電圧特性
を測定してキャリア濃度を求めたところ、ｐ型であり、
表面付近でキャリア濃度１．４×１０18ｃｍ-3であっ
た。イオン注入直後の試料では、７７Ｋフォトルミネッ
センス測定ではイオン注入によるダメージのため通常見
られる発光ピークは全く認められなかったが、熱処理後
の試料では、いわゆるバンド端発光ピークが現れてお
り、結晶性が回復していることを確認した。Example 4 Ca and N were co-implanted into a GaN sample and annealed at 1100 ° C. for 10 seconds to obtain SPP.
A description will be given of an example in the case of converting to a p-type. Non-doped GaN sample (thickness 3μ, n-type carrier concentration 1 × 1
0 16 ) in an ion implanter at room temperature for Ca and N 2
At the energies of 33 keV and 13 keV,
Both were ion-implanted with a dose amount of 2 × 10 14 cm −2 .
The sample after ion implantation was heat-treated at 1100 ° C. for 10 seconds. When the carrier concentration of the sample after ion implantation was measured to determine the carrier concentration, it was p-type,
The carrier concentration was 1.4 × 10 18 cm −3 near the surface. In the sample immediately after the ion implantation, the emission peak that is usually seen in 77K photoluminescence measurement due to the damage due to the ion implantation was not recognized at all, but in the sample after the heat treatment, the so-called band edge emission peak appeared, and the crystallinity was I confirmed that it was recovered.
【００３９】（実施例５）ＧａＮ試料にＳｒとＮとを共
注入し、１１００℃で１０秒間アニールを行い、ＳＰＰ
でｐ型化した場合の実施例について説明する。ノンドー
プＧａＮ試料（膜厚３μ、ｎ型キャリア濃度１×１
０16）に、イオン注入装置にて、室温で、ＳｒおよびＮ
を、それぞれ５５ｋｅＶ、１３ｋｅＶのエネルギーで、
どちらもドーズ量２×１０14ｃｍ-2でイオン注入した。
イオン注入後の試料を、１１００℃で１０秒間熱処理し
た。イオン注入後の試料について、その容量−電圧特性
を測定してキャリア濃度を求めたところ、ｐ型であり、
表面付近でキャリア濃度６．０×１０18ｃｍ-3であっ
た。イオン注入直後の試料では、７７Ｋフォトルミネッ
センス測定ではイオン注入によるダメージのため通常見
られる発光ピークは全く認められなかったが、熱処理後
の試料では、いわゆるバンド端発光ピークが現れてお
り、結晶性が回復していることを確認した。Example 5 Sr and N were co-implanted into a GaN sample and annealed at 1100 ° C. for 10 seconds to obtain SPP.
A description will be given of an example in the case of converting to a p-type. Non-doped GaN sample (thickness 3μ, n-type carrier concentration 1 × 1
0 16 ) at room temperature with an ion implanter,
At energies of 55 keV and 13 keV,
Both were ion-implanted with a dose amount of 2 × 10 14 cm −2 .
The sample after ion implantation was heat-treated at 1100 ° C. for 10 seconds. When the carrier concentration of the sample after ion implantation was measured to determine the carrier concentration, it was p-type,
The carrier concentration near the surface was 6.0 × 10 18 cm −3 . In the sample immediately after the ion implantation, the emission peak that is usually seen in 77K photoluminescence measurement due to the damage due to the ion implantation was not recognized at all, but in the sample after the heat treatment, the so-called band edge emission peak appeared, and the crystallinity was I confirmed that it was recovered.
【００４０】[0040]
【発明の効果】本発明によれば、上述の如く、２族及び
又は４族のｐ型ドーパントとＮとを、窒化物系化合物半
導体にイオン打ち込みしてｐ型化を図ることにより、イ
オン打ち込み時に窒化物系化合物半導体を加熱すること
なく、イオン打ち込み後における熱処理においても高圧
印加の必要なしに高キャリア濃度のｐ型層を得ることが
できる。このように、窒化物系化合物半導体を過酷な条
件にさらすことなく、そのｐ型化を図り、高キャリア濃
度化を達成することができるので、高性能の発光素子や
トランジスタなどの電子デバイスを製造する上で非常に
有用である。また、イオン注入処理によりｐ型化を図る
構成であるので、所要の領域のみを選択的にｐ型化する
ことができ、エッチング工程を省略したプロセスを構築
できるため、発光素子その他の各種電子素子等の窒化物
系化合物半導体素子の製造工程の簡素化に役立ち、低コ
スト化を期待することができる。As described above, according to the present invention, p-type dopants of Group 2 and / or Group 4 and N are ion-implanted into a nitride-based compound semiconductor to make it p-type. A p-type layer having a high carrier concentration can be obtained without heating the nitride-based compound semiconductor and without applying a high voltage even in the heat treatment after ion implantation. In this way, it is possible to achieve a high carrier concentration by making the p-type of the nitride-based compound semiconductor without exposing it to harsh conditions, and thus manufacturing high-performance electronic devices such as light-emitting devices and transistors. It is very useful to do. Further, since the p-type is formed by the ion implantation process, only a required region can be selectively made into the p-type, and a process without an etching step can be constructed. Therefore, various light-emitting elements and other various electronic elements can be constructed. It is useful for simplifying the manufacturing process of the nitride-based compound semiconductor device such as, and the cost reduction can be expected.
【図１】本発明の方法を用いて製造された発光用半導体
素子の拡大断面図。FIG. 1 is an enlarged cross-sectional view of a light emitting semiconductor device manufactured using the method of the present invention.
１ サファイア基板 ２ ＧａＮバッファ層 ３ ｎ型層 ４ 発光層 ５ ＡｌＧａＮ層 ６ ｎ型層 ７ イオン注入領域 ８ ｎ電極 ９ ｐ電極 １０ 発光素子 1 sapphire substrate 2 GaN buffer layer 3 n-type layer 4 Light emitting layer 5 AlGaN layer 6 n-type layer 7 Ion implantation area 8 n electrode 9 p electrode 10 Light emitting element
Claims (6)
（窒素）とをイオン注入し、しかる後、イオン注入され
た前記窒化物系化合物半導体を熱処理してｐ型の窒化物
系化合物半導体を製造することを特徴とする窒化物系化
合物半導体の製造方法。1. A group II element and N in a nitride compound semiconductor.
(Nitrogen) is ion-implanted, and then the ion-implanted nitride compound semiconductor is heat treated to manufacture a p-type nitride compound semiconductor. .
元素およびＮ（窒素）をイオン注入し、しかる後、イオ
ン注入された前記窒化物系化合物半導体を熱処理してｐ
型の窒化物系化合物半導体を製造することを特徴とする
窒化物系化合物半導体の製造方法。2. A nitride-based compound semiconductor is ion-implanted with a Group 2 element, a Group 4 element and N (nitrogen), and then the ion-implanted nitride-based compound semiconductor is subjected to a heat treatment to p.
Type nitride compound semiconductor is manufactured.
ｒの群から選ばれる少なくとも１種である請求項１また
は２記載の窒化物系化合物半導体の製造方法。3. The group 2 element is Be, Mg, Ca, S
The method for producing a nitride-based compound semiconductor according to claim 1, which is at least one selected from the group of r.
Ｐｂの群から選ばれる少なくとも１種である請求項２記
載の窒化物系化合物半導体の製造方法。4. The group 4 element is C, Si, Ge, Sn,
The method for producing a nitride-based compound semiconductor according to claim 2, which is at least one selected from the group of Pb.
温度範囲で且つ圧力が５０ＫＰａ〜２ＭＰａの範囲の条
件下で行うようにした請求項１、２、３、または４記載
の窒化物系化合物半導体の製造方法。5. The nitride-based compound semiconductor according to claim 1, 2, 3, or 4, wherein the heat treatment is performed under a temperature range of 1050 ° C. to 1400 ° C. and a pressure of 50 KPa to 2 MPa. Manufacturing method.
を用いて製造したことを特徴とする半導体素子。6. A semiconductor device manufactured by using the method according to claim 1, 2, 3, 4, or 5.
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|---|---|---|---|
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2001
- 2001-10-19 JP JP2001321552A patent/JP2003124515A/en active Pending
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