JP2002176004A - Ｉｉｉ族窒化物半導体の製造方法及びｉｉｉ族窒化物半導体素子 - Google Patents
Ｉｉｉ族窒化物半導体の製造方法及びｉｉｉ族窒化物半導体素子Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】イオン打ち込みによるIII族窒化物半導体の不
純物活性化率の向上。 【解決手段】III族窒化物半導体に例えばGe+イオンを打
ち込みｎ型にする際、N+イオンを同時に打ち込み、表面
をSiO2で被覆した上、熱アニールをする。これによりGe
原子のGa原子位置への置換と、N原子の空孔発生の抑制
を十分に行い、不純物Ge原子のドナーとしての活性を向
上させることができる。ｐ型のIII族窒化物半導体領域
を形成するには例えばMg+イオンをN+イオンと同時に打
ち込み、表面をSiO2で被覆した上、熱アニールをすれば
良い。
純物活性化率の向上。 【解決手段】III族窒化物半導体に例えばGe+イオンを打
ち込みｎ型にする際、N+イオンを同時に打ち込み、表面
をSiO2で被覆した上、熱アニールをする。これによりGe
原子のGa原子位置への置換と、N原子の空孔発生の抑制
を十分に行い、不純物Ge原子のドナーとしての活性を向
上させることができる。ｐ型のIII族窒化物半導体領域
を形成するには例えばMg+イオンをN+イオンと同時に打
ち込み、表面をSiO2で被覆した上、熱アニールをすれば
良い。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はIII族窒化物半導体
の製造方法に関する。より詳しくは、不純物イオンの打
ち込みによる、ドープ又は組成の変化を生じた領域を有
するIII族窒化物半導体の製造方法に関する。
の製造方法に関する。より詳しくは、不純物イオンの打
ち込みによる、ドープ又は組成の変化を生じた領域を有
するIII族窒化物半導体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】シリコン基板の集積回路作製と同様に、
III族窒化物半導体に不純物をイオン注入（イオン打ち
込み）してｐ及びｎ型領域を形成する研究は既に報告が
ある。例えばJ. C. Zolper, et al., Appl. Phys. Let
t.70(20), 19 May 1997, pp.2729-2731及び参考文献に
記載がある。これらはいずれもｎ型領域を形成するため
にドナー元素（例えばSi）のみ、ｐ型領域を形成するた
めにアクセプタ元素（例えばMg）のみ、をイオン注入す
るものである。イオン注入の後、熱アニールによりイオ
ン注入により新たに生じた結晶欠陥を回復して結晶性を
高め、注入原子をGa等III族原子サイトに配置させるこ
とで注入原子のドナー或いはアクセプタとしての活性化
を図っている。
III族窒化物半導体に不純物をイオン注入（イオン打ち
込み）してｐ及びｎ型領域を形成する研究は既に報告が
ある。例えばJ. C. Zolper, et al., Appl. Phys. Let
t.70(20), 19 May 1997, pp.2729-2731及び参考文献に
記載がある。これらはいずれもｎ型領域を形成するため
にドナー元素（例えばSi）のみ、ｐ型領域を形成するた
めにアクセプタ元素（例えばMg）のみ、をイオン注入す
るものである。イオン注入の後、熱アニールによりイオ
ン注入により新たに生じた結晶欠陥を回復して結晶性を
高め、注入原子をGa等III族原子サイトに配置させるこ
とで注入原子のドナー或いはアクセプタとしての活性化
を図っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、熱アニールの
みではイオン注入により新たに生じた結晶欠陥のすべて
は回復しない。その結果、イオン注入前よりも結晶欠陥
の増大したIII族窒化物半導体となってしまう。また、
熱アニールのみでは、注入した原子のドナー或いはアク
セプタとしての活性化は十分でない。即ち、注入した原
子の活性化率が余り向上しないという問題があった。
みではイオン注入により新たに生じた結晶欠陥のすべて
は回復しない。その結果、イオン注入前よりも結晶欠陥
の増大したIII族窒化物半導体となってしまう。また、
熱アニールのみでは、注入した原子のドナー或いはアク
セプタとしての活性化は十分でない。即ち、注入した原
子の活性化率が余り向上しないという問題があった。
【０００４】本発明者らは検討を重ね次のような原因が
上記問題に寄与しているものと考えた。第１に、イオン
注入に際し、III族窒化物半導体の窒素原子が注入イオ
ンの衝撃で結晶から脱離しやすいこと。また、熱アニー
ルの際にも窒素原子が結晶から脱離しやすいこと。これ
らにより結晶内の窒素が不足し、窒素空孔による欠陥が
多量に発生していること。
上記問題に寄与しているものと考えた。第１に、イオン
注入に際し、III族窒化物半導体の窒素原子が注入イオ
ンの衝撃で結晶から脱離しやすいこと。また、熱アニー
ルの際にも窒素原子が結晶から脱離しやすいこと。これ
らにより結晶内の窒素が不足し、窒素空孔による欠陥が
多量に発生していること。
【０００５】第２に、イオン注入によって注入した原子
は主にIII族窒化物半導体の結晶格子間に入るが、この
ままではドナー或いはアクセプタとして活性化しないの
で、Ga等III族原子サイトに配置させる必要がある。し
かし、単に熱アニールしたのみでは、注入原子がGa等II
I族原子サイトではなく窒素サイトに組み込まれる可能
性が有り、その場合は所望のキャリア供給源とは成り得
ないこと。
は主にIII族窒化物半導体の結晶格子間に入るが、この
ままではドナー或いはアクセプタとして活性化しないの
で、Ga等III族原子サイトに配置させる必要がある。し
かし、単に熱アニールしたのみでは、注入原子がGa等II
I族原子サイトではなく窒素サイトに組み込まれる可能
性が有り、その場合は所望のキャリア供給源とは成り得
ないこと。
【０００６】本発明は上記の課題を解決するために成さ
れたものであり、その目的とするところは、イオン注入
による窒素空孔の抑制と、注入した原子のGa等III族原
子サイトへの配置の向上したIII族窒化物半導体の製造
方法を提供することである。
れたものであり、その目的とするところは、イオン注入
による窒素空孔の抑制と、注入した原子のGa等III族原
子サイトへの配置の向上したIII族窒化物半導体の製造
方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、請求項１に記載の手段は、その主たる構成元素以外
の元素をイオン注入したIII族窒化物半導体の製造方法
において、主たる構成元素以外の元素に加え、窒素をイ
オン注入することを特徴とするIII族窒化物半導体の製
造方法である。「主たる構成元素以外の元素」とは、イ
オン注入されるIII族窒化物半導体が例えばGaNならば、
Ga、N以外の元素をいい、Si、Ge、Mg、Zn、Al、Inほか
いずれの元素でも良い。またこの場合、主たる構成元素
Ga、N以外の元素を複数打ち込む場合も当然本願請求項
１に包含される。本願請求項１の発明は、任意の構成の
III族窒化物半導体（AlxGayIn1-x-yN、x≧0、y≧0、x+y
≦1）に適用される。
め、請求項１に記載の手段は、その主たる構成元素以外
の元素をイオン注入したIII族窒化物半導体の製造方法
において、主たる構成元素以外の元素に加え、窒素をイ
オン注入することを特徴とするIII族窒化物半導体の製
造方法である。「主たる構成元素以外の元素」とは、イ
オン注入されるIII族窒化物半導体が例えばGaNならば、
Ga、N以外の元素をいい、Si、Ge、Mg、Zn、Al、Inほか
いずれの元素でも良い。またこの場合、主たる構成元素
Ga、N以外の元素を複数打ち込む場合も当然本願請求項
１に包含される。本願請求項１の発明は、任意の構成の
III族窒化物半導体（AlxGayIn1-x-yN、x≧0、y≧0、x+y
≦1）に適用される。
【０００８】また、請求項２に記載の手段は、請求項１
に記載のIII族窒化物半導体の製造方法において、主た
る構成元素以外の元素と窒素のイオン注入ののち、保護
膜を形成して１０００℃以上の温度でアニールすること
を特徴とする。
に記載のIII族窒化物半導体の製造方法において、主た
る構成元素以外の元素と窒素のイオン注入ののち、保護
膜を形成して１０００℃以上の温度でアニールすること
を特徴とする。
【０００９】また、請求項３に記載の手段は、請求項１
又は請求項２に記載のIII族窒化物半導体の製造方法に
おいて、注入後の、主たる構成元素以外の元素の深さ方
向の密度分布と、注入により、窒素以外の主たる構成元
素に比し過剰となった窒素の深さ方向の密度分布が、略
一致することを特徴とする。「窒素以外の主たる構成元
素に比し過剰となった窒素の深さ方向の密度分布」と
は、イオン注入されるIII族窒化物半導体が例えばGaNな
らば、もともとあるべきGaとNは密度分布は略同一であ
ったものが、窒素をイオン注入することによりGaよりも
Nの密度分布は大きくなる、その差をいう。
又は請求項２に記載のIII族窒化物半導体の製造方法に
おいて、注入後の、主たる構成元素以外の元素の深さ方
向の密度分布と、注入により、窒素以外の主たる構成元
素に比し過剰となった窒素の深さ方向の密度分布が、略
一致することを特徴とする。「窒素以外の主たる構成元
素に比し過剰となった窒素の深さ方向の密度分布」と
は、イオン注入されるIII族窒化物半導体が例えばGaNな
らば、もともとあるべきGaとNは密度分布は略同一であ
ったものが、窒素をイオン注入することによりGaよりも
Nの密度分布は大きくなる、その差をいう。
【００１０】また、請求項４に記載の手段は、請求項１
乃至請求項３のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導
体の製造方法において、主たる構成元素以外の元素が、
III族窒化物半導体のドナー原子となる元素であること
を特徴とする。
乃至請求項３のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導
体の製造方法において、主たる構成元素以外の元素が、
III族窒化物半導体のドナー原子となる元素であること
を特徴とする。
【００１１】また、請求項５に記載の手段は、請求項１
乃至請求項３のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導
体の製造方法において、主たる構成元素以外の元素が、
III族窒化物半導体のアクセプタ原子となる元素である
ことを特徴とする。
乃至請求項３のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導
体の製造方法において、主たる構成元素以外の元素が、
III族窒化物半導体のアクセプタ原子となる元素である
ことを特徴とする。
【００１２】また、請求項６に記載の手段は、請求項１
乃至請求項３のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導
体の製造方法から成る工程を、少なくとも１工程用いて
製造された、III族窒化物半導体素子である。
乃至請求項３のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導
体の製造方法から成る工程を、少なくとも１工程用いて
製造された、III族窒化物半導体素子である。
【００１３】また、請求項７に記載の手段は、請求項４
又は請求項５に記載のIII族窒化物半導体の製造方法か
ら成る工程を、少なくとも１工程用いて製造された、II
I族窒化物半導体素子である。
又は請求項５に記載のIII族窒化物半導体の製造方法か
ら成る工程を、少なくとも１工程用いて製造された、II
I族窒化物半導体素子である。
【００１４】また、請求項８に記載の手段は、請求項４
及び請求項５に記載のIII族窒化物半導体の製造方法か
らそれぞれ成る工程を、各々少なくとも１工程ずつ用い
て作成された、III族窒化物半導体素子である。
及び請求項５に記載のIII族窒化物半導体の製造方法か
らそれぞれ成る工程を、各々少なくとも１工程ずつ用い
て作成された、III族窒化物半導体素子である。
【００１５】
【作用及び発明の効果】所望の元素とともに窒素をイオ
ン注入するので、イオン注入により窒素原子が抜けるな
どして窒素原子が不足となるのを補償することができ
る。これにより、イオン注入した領域において、窒素原
子数と、イオン注入した所望の元素の原子数とIII族の
原子数の差が大きく異なることがなくなり、窒素空孔の
発生が抑えられ、イオン注入した所望の元素がIII族元
素サイトに配置する（請求項１）。主たる構成元素以外
の元素と窒素のイオン注入ののち、保護膜を形成して１
０００℃以上の温度でアニールすれば、窒素空孔の発生
が抑えられ、イオン注入した所望の元素がIII族元素サ
イトに配置することが確実となる（請求項２）。このと
き、所望の元素の深さ方向の密度分布と、注入により窒
素以外の主たる構成元素に比し過剰となった窒素の深さ
方向の密度分布が、略一致するようにすれば、窒素原子
数と、イオン注入した所望の原子数とIII族の原子数の
和が略等しくなり、更に効果が増す（請求項３）。
ン注入するので、イオン注入により窒素原子が抜けるな
どして窒素原子が不足となるのを補償することができ
る。これにより、イオン注入した領域において、窒素原
子数と、イオン注入した所望の元素の原子数とIII族の
原子数の差が大きく異なることがなくなり、窒素空孔の
発生が抑えられ、イオン注入した所望の元素がIII族元
素サイトに配置する（請求項１）。主たる構成元素以外
の元素と窒素のイオン注入ののち、保護膜を形成して１
０００℃以上の温度でアニールすれば、窒素空孔の発生
が抑えられ、イオン注入した所望の元素がIII族元素サ
イトに配置することが確実となる（請求項２）。このと
き、所望の元素の深さ方向の密度分布と、注入により窒
素以外の主たる構成元素に比し過剰となった窒素の深さ
方向の密度分布が、略一致するようにすれば、窒素原子
数と、イオン注入した所望の原子数とIII族の原子数の
和が略等しくなり、更に効果が増す（請求項３）。
【００１６】イオン注入する元素がドナー又はアクセプ
タであれば、高い活性化率を有するｎ型領域、ｐ型領域
を形成することができる（請求項４、請求項５）。
タであれば、高い活性化率を有するｎ型領域、ｐ型領域
を形成することができる（請求項４、請求項５）。
【００１７】上記のようなイオン注入により、高性能の
III族窒化物半導体素子を得ることができる（請求項
６、請求項７、請求項８）。この場合、注入イオンの役
割は伝導型に限らず、発光素子、受光素子その他の半導
体素子としての様々なドーパントに応用できる。特にｎ
型領域、ｐ型領域を所望の位置に形成することができる
ので、III族窒化物半導体基板又は任意基板上のIII族窒
化物半導体厚膜上に、エピタキシャル成長をともなわず
に各種所望の高性能のIII族窒化物半導体素子を得るこ
とができる。それらはダイオード、トランジスタその他
の回路素子又はそれらを集積した素子とすることができ
る。勿論、本願の請求項１乃至請求項５に示す工程によ
り所望の元素がイオン注入された領域上にIII族窒化物
半導体層をエピタキシャル成長させたもの、或いは、エ
ピタキシャル成長により多数の半導体層を重ねて形成し
たその上に本願請求項１乃至請求項５に示す工程により
所望の元素がイオン注入された領域を形成したものも、
本願請求項６乃至請求項８の発明に包含される。
III族窒化物半導体素子を得ることができる（請求項
６、請求項７、請求項８）。この場合、注入イオンの役
割は伝導型に限らず、発光素子、受光素子その他の半導
体素子としての様々なドーパントに応用できる。特にｎ
型領域、ｐ型領域を所望の位置に形成することができる
ので、III族窒化物半導体基板又は任意基板上のIII族窒
化物半導体厚膜上に、エピタキシャル成長をともなわず
に各種所望の高性能のIII族窒化物半導体素子を得るこ
とができる。それらはダイオード、トランジスタその他
の回路素子又はそれらを集積した素子とすることができ
る。勿論、本願の請求項１乃至請求項５に示す工程によ
り所望の元素がイオン注入された領域上にIII族窒化物
半導体層をエピタキシャル成長させたもの、或いは、エ
ピタキシャル成長により多数の半導体層を重ねて形成し
たその上に本願請求項１乃至請求項５に示す工程により
所望の元素がイオン注入された領域を形成したものも、
本願請求項６乃至請求項８の発明に包含される。
【００１８】
【発明の実施の形態】〔第１実施例−本願の効果の証
拠〕本発明の具体的な第１の実施例として、ノンドープ
の高抵抗GaN表面に、次のように条件を変えてGeをイオ
ン注入し、熱アニールを施した。
拠〕本発明の具体的な第１の実施例として、ノンドープ
の高抵抗GaN表面に、次のように条件を変えてGeをイオ
ン注入し、熱アニールを施した。
【００１９】サファイア基板上に有機金属成長法(MOCV
D)を用いた周知の方法によりGaNを2μmの厚さに形成し
た。このGaN膜は不純物のドープを行わず、高抵抗を示
した。このGaN表面に、図１の試料番号１〜８の条件でG
e+及びN+をイオン注入した。Ge +及びN+は、イオン注入
する場合はドーズ量を1×1015cm-2とし、加速電圧をそ
れぞれ図１の条件とした。次にイオン注入した面をSiO2
で被膜し、水素雰囲気中、1300℃で熱アニールを行っ
た。この時の熱アニール時間は、図１に示すとおり、5
分又は2分で行った。この後、1cm2のチップに裁断し、
ホール効果によるキャリア密度測定を行った。いずれも
ｎ伝導型を示し、図１の「シートキャリア密度（単位cm
-2）」の欄の通りとなった。ここからGe原子の活性化率
（注入したGe原子数に対する発生したキャリア数）を図
１の通り求めた。
D)を用いた周知の方法によりGaNを2μmの厚さに形成し
た。このGaN膜は不純物のドープを行わず、高抵抗を示
した。このGaN表面に、図１の試料番号１〜８の条件でG
e+及びN+をイオン注入した。Ge +及びN+は、イオン注入
する場合はドーズ量を1×1015cm-2とし、加速電圧をそ
れぞれ図１の条件とした。次にイオン注入した面をSiO2
で被膜し、水素雰囲気中、1300℃で熱アニールを行っ
た。この時の熱アニール時間は、図１に示すとおり、5
分又は2分で行った。この後、1cm2のチップに裁断し、
ホール効果によるキャリア密度測定を行った。いずれも
ｎ伝導型を示し、図１の「シートキャリア密度（単位cm
-2）」の欄の通りとなった。ここからGe原子の活性化率
（注入したGe原子数に対する発生したキャリア数）を図
１の通り求めた。
【００２０】また、熱アニール前に試料番号１乃至４に
ついて、チップの一部を裁断して、深さ（単位nm）に対
する注入Ge原子及びN原子の分布を測定した。この結果
を図２に濃度（単位cm-2）として示した。
ついて、チップの一部を裁断して、深さ（単位nm）に対
する注入Ge原子及びN原子の分布を測定した。この結果
を図２に濃度（単位cm-2）として示した。
【００２１】尚、図１及び図２で、試料番号２、３、４
及び８が本発明の実施（Ge+及びN+をイオン注入）にか
かり、他の試料番号１（Ge+のみイオン注入）、５（Ge+
もN+もイオン注入しない）、６（N+のみイオン注入）及
び７（Ge+のみイオン注入）は比較例である。
及び８が本発明の実施（Ge+及びN+をイオン注入）にか
かり、他の試料番号１（Ge+のみイオン注入）、５（Ge+
もN+もイオン注入しない）、６（N+のみイオン注入）及
び７（Ge+のみイオン注入）は比較例である。
【００２２】図１から、次のことが言える。まず、本発
明の実施例（Ge+及びN+をイオン注入）に係る試料番号
２、３、４の順に、不純物Ge原子の高い活性化率９２
％、６４％、６０％を得た。試料番号１（Ge+のみイオ
ン注入）のシートキャリア密度は3.3×1014cm-2と高
く、見かけの活性化率は８２％と計算できるが、それは
試料番号５（Ge+もN+もイオン注入しない）の高いシー
トキャリア密度1.0×1014cm -2（窒素空孔によるドナー
発生）との差がGe原子によるキャリア発生と見るべきで
あり、これにより活性化率は５７％とすべきである。
尚、試料番号６（N+のみイオン注入）から、窒素注入の
場合の窒素空孔によるドナー発生は、試料番号２、３、
４におけるGe原子によるキャリア発生よりも１けた小さ
いと言える。試料番号２、３、４の活性化率の算出にお
いても試料番号６の結果による補正を行った。また、熱
アニール時間の短い試料番号７、８においては、試料番
号１、４との比較において、１けた小さいキャリア密度
となっている。これは、そもそもアニール不十分により
結晶内原子の再配置が完結せず、伝導度が下がったもの
と言うことができる。
明の実施例（Ge+及びN+をイオン注入）に係る試料番号
２、３、４の順に、不純物Ge原子の高い活性化率９２
％、６４％、６０％を得た。試料番号１（Ge+のみイオ
ン注入）のシートキャリア密度は3.3×1014cm-2と高
く、見かけの活性化率は８２％と計算できるが、それは
試料番号５（Ge+もN+もイオン注入しない）の高いシー
トキャリア密度1.0×1014cm -2（窒素空孔によるドナー
発生）との差がGe原子によるキャリア発生と見るべきで
あり、これにより活性化率は５７％とすべきである。
尚、試料番号６（N+のみイオン注入）から、窒素注入の
場合の窒素空孔によるドナー発生は、試料番号２、３、
４におけるGe原子によるキャリア発生よりも１けた小さ
いと言える。試料番号２、３、４の活性化率の算出にお
いても試料番号６の結果による補正を行った。また、熱
アニール時間の短い試料番号７、８においては、試料番
号１、４との比較において、１けた小さいキャリア密度
となっている。これは、そもそもアニール不十分により
結晶内原子の再配置が完結せず、伝導度が下がったもの
と言うことができる。
【００２３】試料番号２、３、４（本発明の実施例）及
び試料番号１（比較例）の活性化率の差については図２
から、次のとおり説明できる。熱アニール前において、
試料番号２、３、４（本発明の実施例）及び試料番号１
（比較例）は、Ge+イオンのドーズ量と加速電圧が同じ
であり、Ge原子の深さ方向の分布にほとんど差がないこ
とがわかる。一方、試料番号２、３、４（本発明の実施
例）において、N+イオンのドーズ量を一定として、加速
電圧を変化させたので、N原子の深さ方向の分布には大
きな差が生じたことがわかる。。
び試料番号１（比較例）の活性化率の差については図２
から、次のとおり説明できる。熱アニール前において、
試料番号２、３、４（本発明の実施例）及び試料番号１
（比較例）は、Ge+イオンのドーズ量と加速電圧が同じ
であり、Ge原子の深さ方向の分布にほとんど差がないこ
とがわかる。一方、試料番号２、３、４（本発明の実施
例）において、N+イオンのドーズ量を一定として、加速
電圧を変化させたので、N原子の深さ方向の分布には大
きな差が生じたことがわかる。。
【００２４】試料番号２（本発明の実施例）においては
注入したGe原子の深さ方向の分布と、N原子の深さ方向
の分布とがほぼ一致していることがわかる。これに比し
て、試料番号３（本発明の実施例）、試料番号４（本発
明の実施例）の順に、Ge原子の深さ方向の分布とN原子
の深さ方向の分布がずれ、注入されたGe原子とN原子の
数（又は密度）がどの深さにおいても大きく乖離してい
く様子がわかる。実質的に、Ge原子の存在する深さにお
いて、試料番号３、４（本発明の実施例）は、試料番号
２（本発明の実施例）よりも試料番号１（比較例）に近
いものとなっている。ここから図１に示した活性化率の
差は、深さに対して注入されたGe原子とN原子の数（密
度）の一致の度合いが大きいほど活性率が高く、一致の
度合いが小さいほど活性率が低いものとして説明でき
る。即ち、深さに対して注入された原子（III族窒化物
半導体構成元素以外の原子）とN原子の数（密度）の一
致の度合いが大きいほど、熱アニール等により注入され
た原子のGaサイトへの配置が確実となり、且つ熱アニー
ル等により窒素空孔を生じることが少なくなる。
注入したGe原子の深さ方向の分布と、N原子の深さ方向
の分布とがほぼ一致していることがわかる。これに比し
て、試料番号３（本発明の実施例）、試料番号４（本発
明の実施例）の順に、Ge原子の深さ方向の分布とN原子
の深さ方向の分布がずれ、注入されたGe原子とN原子の
数（又は密度）がどの深さにおいても大きく乖離してい
く様子がわかる。実質的に、Ge原子の存在する深さにお
いて、試料番号３、４（本発明の実施例）は、試料番号
２（本発明の実施例）よりも試料番号１（比較例）に近
いものとなっている。ここから図１に示した活性化率の
差は、深さに対して注入されたGe原子とN原子の数（密
度）の一致の度合いが大きいほど活性率が高く、一致の
度合いが小さいほど活性率が低いものとして説明でき
る。即ち、深さに対して注入された原子（III族窒化物
半導体構成元素以外の原子）とN原子の数（密度）の一
致の度合いが大きいほど、熱アニール等により注入され
た原子のGaサイトへの配置が確実となり、且つ熱アニー
ル等により窒素空孔を生じることが少なくなる。
【００２５】このように、図１及び図２示す結果から、
本願発明の効果が証明された。即ち、III族窒化物半導
体に主たる構成元素以外の元素をイオン注入する際、窒
素をイオン注入することで、注入された構成元素以外の
原子のGaサイトへの配置が確実とすることができ、ま
た、窒素空孔を生じることも抑制できる。熱アニール等
は十分に行うことがよく、窒素脱離を防ぐためマスクを
形成して1000℃以上の温度で熱アニールすることが望ま
しい。また、注入された構成元素以外の原子と窒素と
は、深さ方向の密度分布が略一致することが望ましい。
本願発明の効果が証明された。即ち、III族窒化物半導
体に主たる構成元素以外の元素をイオン注入する際、窒
素をイオン注入することで、注入された構成元素以外の
原子のGaサイトへの配置が確実とすることができ、ま
た、窒素空孔を生じることも抑制できる。熱アニール等
は十分に行うことがよく、窒素脱離を防ぐためマスクを
形成して1000℃以上の温度で熱アニールすることが望ま
しい。また、注入された構成元素以外の原子と窒素と
は、深さ方向の密度分布が略一致することが望ましい。
【００２６】〔第２実施例〕III族窒化物半導体に対し
アクセプタ（ｐ型不純物）として働く元素としてMgを用
い、耐圧を向上させる為のガードリングを形成したショ
ットキーダイオード２００を次のように作製し、本願発
明効果を調べた。尚、図３にショットキーダイオード２
００の断面図を示す。
アクセプタ（ｐ型不純物）として働く元素としてMgを用
い、耐圧を向上させる為のガードリングを形成したショ
ットキーダイオード２００を次のように作製し、本願発
明効果を調べた。尚、図３にショットキーダイオード２
００の断面図を示す。
【００２７】サファイア基板２１上に厚さ4μmのアンド
ープGaN２２を形成した。このGaN２２はｎ型を示し、キ
ャリア濃度は2×1016cm-3であった。このn-GaN２２上に
300nm厚のアルミニウム(Al)膜を真空蒸着により形成し
たのち、フォトリソグラフィにより内径250μm、外径35
0μmのドーナツ状の窓を開け、n-GaN膜２２面を露出さ
せた。このドーナツ状のn-GaN膜２２面に、Mg+イオンを
ドーズ量1×1014cm-2、注入エネルギー20〜400keVにて
イオン注入し、加えて、N+イオンをドーズ量1×1014cm
-2、注入エネルギー20〜200keVにてイオン注入した。
尚、これによりMgとNは深さ約0.5μmまで略同一の密度
分布で注入された。
ープGaN２２を形成した。このGaN２２はｎ型を示し、キ
ャリア濃度は2×1016cm-3であった。このn-GaN２２上に
300nm厚のアルミニウム(Al)膜を真空蒸着により形成し
たのち、フォトリソグラフィにより内径250μm、外径35
0μmのドーナツ状の窓を開け、n-GaN膜２２面を露出さ
せた。このドーナツ状のn-GaN膜２２面に、Mg+イオンを
ドーズ量1×1014cm-2、注入エネルギー20〜400keVにて
イオン注入し、加えて、N+イオンをドーズ量1×1014cm
-2、注入エネルギー20〜200keVにてイオン注入した。
尚、これによりMgとNは深さ約0.5μmまで略同一の密度
分布で注入された。
【００２８】次にAl膜を酸で除去し、CVD法によりSiO2
膜を500nmの厚さでn-GaN膜２２全面に形成した。次に水
素雰囲気中1300℃で5分アニールし、MgのGaサイトへの
配置とアクセプタとしての活性化を行った。こうして、
n-GaN膜２２表層にドーナツ状のp-GaN:Mg領域２３が形
成された。
膜を500nmの厚さでn-GaN膜２２全面に形成した。次に水
素雰囲気中1300℃で5分アニールし、MgのGaサイトへの
配置とアクセプタとしての活性化を行った。こうして、
n-GaN膜２２表層にドーナツ状のp-GaN:Mg領域２３が形
成された。
【００２９】次に、p-GaN:Mg領域２３を含めn-GaN膜２
２全面にAlを500nmの厚さに蒸着し、p-GaN:Mg領域２３
と同心円状に直径500μmの窓を開けてp-GaN:Mg領域２３
を含めたn-GaN膜２２面を露出させた。これを窒素雰囲
気中300℃でアニールし、直径500μmの窓を有するAl膜
２４をn-GaN膜２２のオーミック電極とした。次に、p-G
aN:Mg領域２３の一部を覆い且つ同心円状に直径300μ
m、膜厚100nmのPt膜２５１を形成し、Pt膜上に膜厚500n
mのAl膜２５２を形成してショットキー電極２５とし
た。こうして作製したショットキーダイオード２００の
構成を図３に示す。比較例として、N+イオンを注入しな
いで、p-GaN:Mg領域２３９を形成する他は同様としたシ
ョットキーダイオード２０９と、p-GaN:Mg領域２３９を
形成せず、n-GaN２２に直径500μmの窓を有するAl膜２
４（オーミック電極）と同心円状に直径300μm、膜厚10
0nmのPt膜２５１、膜厚500nmのAl膜２５２からなるショ
ットキー電極２５のみ形成したショットキーダイオード
２９９についても作製した。
２全面にAlを500nmの厚さに蒸着し、p-GaN:Mg領域２３
と同心円状に直径500μmの窓を開けてp-GaN:Mg領域２３
を含めたn-GaN膜２２面を露出させた。これを窒素雰囲
気中300℃でアニールし、直径500μmの窓を有するAl膜
２４をn-GaN膜２２のオーミック電極とした。次に、p-G
aN:Mg領域２３の一部を覆い且つ同心円状に直径300μ
m、膜厚100nmのPt膜２５１を形成し、Pt膜上に膜厚500n
mのAl膜２５２を形成してショットキー電極２５とし
た。こうして作製したショットキーダイオード２００の
構成を図３に示す。比較例として、N+イオンを注入しな
いで、p-GaN:Mg領域２３９を形成する他は同様としたシ
ョットキーダイオード２０９と、p-GaN:Mg領域２３９を
形成せず、n-GaN２２に直径500μmの窓を有するAl膜２
４（オーミック電極）と同心円状に直径300μm、膜厚10
0nmのPt膜２５１、膜厚500nmのAl膜２５２からなるショ
ットキー電極２５のみ形成したショットキーダイオード
２９９についても作製した。
【００３０】これらショットキーダイオード２００（本
実施例）並びに２０９及び２９９（比較例）のＩＶ特性
を図４に示す。図４から、p-GaN:Mg領域２３形成に際
し、N+イオンをMgとNを略同一の密度分布となるよう注
入したのち熱アニールした本実施例に係るショットキー
ダイオード２００は、逆方向電位に対し、200V以上の耐
圧を有することがわかる。一方、比較例に係るショット
キーダイオード２０９（p-GaN:Mg領域２３９あり、N+イ
オン注入せず）は150V、ショットキーダイオード２９９
（p-GaN:Mg領域無し）は100Vの逆方向電位耐圧しか有さ
ない。この結果は、ショットキーダイオード２００にお
いて、低抵抗ｐ型層が形成されることによりショットキ
ー電極２５エッジ部での電界集中が緩和されたことを示
しており、本願発明により、p-GaN:Mg領域のMgの活性化
率が向上したことを意味する。
実施例）並びに２０９及び２９９（比較例）のＩＶ特性
を図４に示す。図４から、p-GaN:Mg領域２３形成に際
し、N+イオンをMgとNを略同一の密度分布となるよう注
入したのち熱アニールした本実施例に係るショットキー
ダイオード２００は、逆方向電位に対し、200V以上の耐
圧を有することがわかる。一方、比較例に係るショット
キーダイオード２０９（p-GaN:Mg領域２３９あり、N+イ
オン注入せず）は150V、ショットキーダイオード２９９
（p-GaN:Mg領域無し）は100Vの逆方向電位耐圧しか有さ
ない。この結果は、ショットキーダイオード２００にお
いて、低抵抗ｐ型層が形成されることによりショットキ
ー電極２５エッジ部での電界集中が緩和されたことを示
しており、本願発明により、p-GaN:Mg領域のMgの活性化
率が向上したことを意味する。
【００３１】本願発明の効果は、窒素をイオン注入しな
いものに比し、窒素のドーズ量がGeに対し1/10から1/10
0程度の場合でも一定の効果が見られた。このように、
窒素のイオン注入は、単にｎ型又はｐ型の伝導度を向上
させるのではなく、III族窒化物半導体結晶格子のIII族
原子サイトへの注入原子の配置を促進させ、窒素空孔発
生の抑制をもたらすものである。よって、ｎ型不純物
（例えばSi、Ge）、ｐ型元素（例えばBe、Mg、Ca、Zn）
の他、例えば発光中心として働く元素（例えばEr、Euな
どの希土類元素、Mnなどのその他の遷移元素）、絶縁性
を高めるための元素（例えばCr、Fe、V、Niなどの深い
アクセプタ準位を形成する元素）の導入など、あらゆる
目的について、III族窒化物半導体へのイオン注入に適
用できる。
いものに比し、窒素のドーズ量がGeに対し1/10から1/10
0程度の場合でも一定の効果が見られた。このように、
窒素のイオン注入は、単にｎ型又はｐ型の伝導度を向上
させるのではなく、III族窒化物半導体結晶格子のIII族
原子サイトへの注入原子の配置を促進させ、窒素空孔発
生の抑制をもたらすものである。よって、ｎ型不純物
（例えばSi、Ge）、ｐ型元素（例えばBe、Mg、Ca、Zn）
の他、例えば発光中心として働く元素（例えばEr、Euな
どの希土類元素、Mnなどのその他の遷移元素）、絶縁性
を高めるための元素（例えばCr、Fe、V、Niなどの深い
アクセプタ準位を形成する元素）の導入など、あらゆる
目的について、III族窒化物半導体へのイオン注入に適
用できる。
【００３２】上記第２実施例ではショットキーダイオー
ドにより本願発明の効果を説明したが、本願発明に係る
III族窒化物半導体の製造方法は、任意の不純物がイオ
ン注入された領域を有するIII族窒化物半導体に適用で
きるのであり、これを用いることのできる半導体素子
は、およそIII族窒化物半導体を用いる全ての半導体素
子である。即ち、III族窒化物半導体を用いた、ダイオ
ード、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ他ユニポ
ーラトランジスタ、任意のｐｎ接合素子、発光素子、受
光素子及びそれらを集積した集積回路が、本願発明に係
るIII族窒化物半導体素子に包含される。
ドにより本願発明の効果を説明したが、本願発明に係る
III族窒化物半導体の製造方法は、任意の不純物がイオ
ン注入された領域を有するIII族窒化物半導体に適用で
きるのであり、これを用いることのできる半導体素子
は、およそIII族窒化物半導体を用いる全ての半導体素
子である。即ち、III族窒化物半導体を用いた、ダイオ
ード、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ他ユニポ
ーラトランジスタ、任意のｐｎ接合素子、発光素子、受
光素子及びそれらを集積した集積回路が、本願発明に係
るIII族窒化物半導体素子に包含される。
【図１】本発明の第１実施例におけるイオン注入条件等
とGe原子の活性化率の関係を示す表図。
とGe原子の活性化率の関係を示す表図。
【図２】本発明の第１実施例における、異なる４つのイ
オン注入条件による注入されたGe原子及びN原子の密度
分布。
オン注入条件による注入されたGe原子及びN原子の密度
分布。
【図３】本発明の第２実施例における、ショットキーダ
イオードの構成を示す断面図。
イオードの構成を示す断面図。
【図４】本発明の第２実施例におけるショットキーダイ
オードのＩＶ特性を、比較例と共に示したグラフ図。
オードのＩＶ特性を、比較例と共に示したグラフ図。
２、３、４、８ 本発明の第１の実施例に係るイオン注
入によりｎ型領域を形成したIII族窒化物半導体試料 １、５、６、７ 本発明の第１の実施例と比較するため
のIII族窒化物半導体試料 ２００ 本発明の第２の実施例に係るIII族窒化物半導
体素子 ２０９ 比較のためのIII族窒化物半導体素子 ２９９ 比較のための別のIII族窒化物半導体素子 ２１ 基板 ２２ ノンドープのn-GaN膜 ２３ p-GaN:Mg領域(N+注入有り) ２３９ p-GaN:Mg領域(N+注入無し) ２４ Al電極(オーミック接触) ２５１ Pt膜 ２５２ Al膜 ２５ ショットキー電極
入によりｎ型領域を形成したIII族窒化物半導体試料 １、５、６、７ 本発明の第１の実施例と比較するため
のIII族窒化物半導体試料 ２００ 本発明の第２の実施例に係るIII族窒化物半導
体素子 ２０９ 比較のためのIII族窒化物半導体素子 ２９９ 比較のための別のIII族窒化物半導体素子 ２１ 基板 ２２ ノンドープのn-GaN膜 ２３ p-GaN:Mg領域(N+注入有り) ２３９ p-GaN:Mg領域(N+注入無し) ２４ Al電極(オーミック接触) ２５１ Pt膜 ２５２ Al膜 ２５ ショットキー電極
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/331 Ｆターム(参考） 4K029 AA04 AA24 BA01 BD01 CA10 EA08 GA01 GA03 4M104 AA04 BB02 BB06 CC03 DD26 DD79 FF13 GG03 5F003 BJ93 BM02 BM03 BP08 BP21 BP23 BP31 BP41
Claims (8)
- 【請求項１】 その主たる構成元素以外の元素をイオン
注入したIII族窒化物半導体の製造方法において、 前記主たる構成元素以外の元素に加え、窒素をイオン注
入することを特徴とするIII族窒化物半導体の製造方
法。 - 【請求項２】 前記主たる構成元素以外の元素と窒素の
イオン注入ののち、保護膜を形成して１０００℃以上の
温度でアニールすることを特徴とする請求項１に記載の
III族窒化物半導体の製造方法。 - 【請求項３】 注入後の前記主たる構成元素以外の元素
の深さ方向の密度分布と、窒素以外の主たる構成元素に
比し注入により過剰となった窒素の深さ方向の密度分布
が、略一致することを特徴とする請求項１又は請求項２
に記載のIII族窒化物半導体の製造方法。 - 【請求項４】 前記主たる構成元素以外の元素が、III
族窒化物半導体のドナー原子となる元素であることを特
徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の
III族窒化物半導体の製造方法。 - 【請求項５】 前記主たる構成元素以外の元素が、III
族窒化物半導体のアクセプタ原子となる元素であること
を特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記
載のIII族窒化物半導体の製造方法。 - 【請求項６】 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に
記載のIII族窒化物半導体の製造方法から成る工程を、
少なくとも１工程用いて製造された、III族窒化物半導
体素子。 - 【請求項７】 請求項４又は請求項５に記載のIII族窒
化物半導体の製造方法から成る工程を、少なくとも１工
程用いて製造された、III族窒化物半導体素子。 - 【請求項８】 請求項４及び請求項５に記載のIII族窒
化物半導体の製造方法からそれぞれ成る工程を、各々少
なくとも１工程ずつ用いて製造された、III族窒化物半
導体素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000373823A JP4852786B2 (ja) | 2000-12-08 | 2000-12-08 | Ｉｉｉ族窒化物半導体の製造方法及びｉｉｉ族窒化物半導体素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000373823A JP4852786B2 (ja) | 2000-12-08 | 2000-12-08 | Ｉｉｉ族窒化物半導体の製造方法及びｉｉｉ族窒化物半導体素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002176004A true JP2002176004A (ja) | 2002-06-21 |
| JP4852786B2 JP4852786B2 (ja) | 2012-01-11 |
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| JP2000373823A Expired - Fee Related JP4852786B2 (ja) | 2000-12-08 | 2000-12-08 | Ｉｉｉ族窒化物半導体の製造方法及びｉｉｉ族窒化物半導体素子 |
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- 2000-12-08 JP JP2000373823A patent/JP4852786B2/ja not_active Expired - Fee Related
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