JP2011216579A - Carbon doping method for nitride semiconductor, and method of manufacturing semiconductor element - Google Patents

Carbon doping method for nitride semiconductor, and method of manufacturing semiconductor element Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a carbon doping method for a nitride semiconductor such that high electron mobility and withstand voltage characteristics are compatible.SOLUTION: A carbon doping method for a nitride semiconductor has a process of irradiating a neutron ray onto the nitride semiconductor. A nitride semiconductor and a method of manufacturing the same, and a semiconductor element and a method of manufacturing the same, utilize the carbon doping method. Concretely, for example, after a buffer layer 3, a GaN layer 4, and an AlGaN layer 5 are formed on a silicon substrate 1, a neutron ray is irradiated to carry out carbon doping to the GaN layer 4. Thereafter, a gate electrode 7G, a source electrode 7S, and a drain electrode 7D are formed to obtain the semiconductor element.

Description

本発明は、窒化物半導体の炭素ドーピング方法に関するものである。
また、本発明は、当該炭素ドーピング方法を利用した、半導体素子の製造方法に関するものである。
The present invention relates to a carbon doping method of a nitride semiconductor.
The present invention also relates to a method for manufacturing a semiconductor device using the carbon doping method.

窒化物半導体は、シリコン系材料に比べてバンドギャップエネルギーが大きく絶縁破壊電圧が大きいため、高温環境下においても動作するオン抵抗の低い半導体素子を作製することが可能である。
このため窒化物半導体(特に、GaN系半導体)は、シリコン系材料に代わるインバーターやコンバーター等のパワーデバイスの材料として期待されている。特に、AlGaN/GaNヘテロ構造を用いたFET(AlGaN/GaN−HFET)は高周波デバイスとして期待されている。
パワーデバイスにとって高いオフ耐圧は、トランジスタの最大出力を決める重要なパラメータである。
高いオフ耐圧を得るためには、高いバッファ耐圧の実現、すなわち漏れ電流(リーク電流)の低減が必要になる。
A nitride semiconductor has a larger band gap energy and a higher dielectric breakdown voltage than a silicon-based material, and thus it is possible to manufacture a semiconductor element with low on-resistance that operates even in a high-temperature environment.
Therefore, nitride semiconductors (particularly, GaN-based semiconductors) are expected as materials for power devices such as inverters and converters that replace silicon-based materials. In particular, an FET (AlGaN / GaN-HFET) using an AlGaN / GaN heterostructure is expected as a high-frequency device.
A high off-breakdown voltage for a power device is an important parameter that determines the maximum output of a transistor.
In order to obtain a high off breakdown voltage, it is necessary to realize a high buffer breakdown voltage, that is, to reduce a leakage current (leakage current).

ここで、窒化物半導体(特に、GaN系半導体)は異種基板上にヘテロエピタキシャル成長するため、窒素空孔などの点欠陥や転位をはじめとする格子欠陥を多数含むという課題がある。
特に、シリコン基板を成長基板に用いた場合、GaNとシリコンの格子定数差(〜17%)、熱膨張係数差(〜56%)が大きいため、1010cm−3を超える高密度の転位が導入される。
Here, since nitride semiconductors (particularly GaN-based semiconductors) are heteroepitaxially grown on different substrates, there is a problem that they contain many point defects such as nitrogen vacancies and lattice defects such as dislocations.
In particular, when a silicon substrate is used as a growth substrate, the lattice constant difference (˜17%) and the thermal expansion coefficient difference (˜56%) between GaN and silicon are large, resulting in high-density dislocations exceeding 10 10 cm −3. be introduced.

そのため、GaN系半導体デバイスではリーク電流が大きくなり、高耐圧化は困難である。高耐圧化のためには、バッファ層を高抵抗化する必要がある。
そして、バッファ層の高抵抗化には、例えば炭素を不純物として添加するという方法が提案されている(例えば特許文献1参照)。
For this reason, in the GaN-based semiconductor device, the leakage current becomes large and it is difficult to increase the breakdown voltage. In order to increase the breakdown voltage, it is necessary to increase the resistance of the buffer layer.
For increasing the resistance of the buffer layer, for example, a method of adding carbon as an impurity has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

特開2007−251144号公報JP 2007-251144 A

しかしながら、例えば、有機金属気相成長法(MOCVD)を用いて、窒化物半導体(特に、GaN系半導体)を成長した場合、成長速度を制御することによって、有機金属に含まれる炭素を添加剤としたオートドーピングの炭素濃度制御を行うことが一般的であるが(特許文献1参照)、所望の炭素濃度とする成長条件を設定したとしても、必ずしも転位密度を低減することができず、高いバッファ耐圧の実現は困難である。
実際に、MOCVD法で成長した窒化物半導体(特に、GaN系半導体)は、転位密度が減少するように成長温度を高くすると電子移動度は向上するが、結晶中の炭素濃度も同時に減少し、耐圧特性が劣化してしまう。
However, for example, when a nitride semiconductor (particularly, a GaN-based semiconductor) is grown using metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), carbon contained in the organic metal is added as an additive by controlling the growth rate. It is common to control the carbon concentration of the autodoping (see Patent Document 1), but even if the growth conditions for setting the desired carbon concentration are set, the dislocation density cannot always be reduced, and a high buffer is required. It is difficult to achieve a withstand voltage.
In fact, nitride semiconductors grown by MOCVD (especially GaN-based semiconductors) increase the electron mobility when the growth temperature is increased so that the dislocation density decreases, but the carbon concentration in the crystal also decreases at the same time. The breakdown voltage characteristics will deteriorate.

そこで、本発明の課題は、高い電子移動度と耐圧特性を両立した窒化物半導体が得られる窒化物半導体の炭素ドーピング方法を提供することである。
また、本発明の課題は、当該炭素ドーピング方法を利用した、半導体素子の製造方法を提供することである。
Therefore, an object of the present invention is to provide a carbon doping method of a nitride semiconductor that can obtain a nitride semiconductor that has both high electron mobility and breakdown voltage characteristics.
Moreover, the subject of this invention is providing the manufacturing method of a semiconductor element using the said carbon doping method.

上記課題は、以下の手段により解決される。即ち、
請求項1に係る発明は、
窒化物半導体にエネルギーが0.1MeV〜2MeVである中性子線を照射することを特徴とする窒化物半導体の炭素ドーピング方法。
The above problem is solved by the following means. That is,
The invention according to claim 1
A carbon doping method for a nitride semiconductor, wherein the nitride semiconductor is irradiated with a neutron beam having an energy of 0.1 MeV to 2 MeV.

請求項2に係る発明は、
前記中性子線の照射後の窒化物半導体中の炭素濃度が、1017cm−3〜1020cm−3であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体の炭素ドーピング方法。
The invention according to claim 2
2. The carbon doping method for a nitride semiconductor according to claim 1, wherein a carbon concentration in the nitride semiconductor after the irradiation with the neutron beam is 10 17 cm −3 to 10 20 cm −3 .

請求項3に係る発明は、
前記中性子線を照射後に、窒素雰囲気中で焼鈍を行うことを特徴とする請求項1又は2に記載の窒化物半導体の炭素ドーピング方法。
The invention according to claim 3
The method of carbon doping a nitride semiconductor according to claim 1 or 2, wherein annealing is performed in a nitrogen atmosphere after irradiation with the neutron beam.

請求項4に係る発明は
前記窒化物半導体が、シリコン基板上にエピタキシャル成長されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の窒化物半導体の炭素ドーピング方法。
The invention according to claim 4 is the nitride semiconductor carbon doping method according to any one of claims 1 to 3, wherein the nitride semiconductor is epitaxially grown on a silicon substrate.

請求項5に係る発明は、
前記窒化物半導体が、GaNであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の窒化物半導体の炭素ドーピング方法。
The invention according to claim 5
The method for carbon doping a nitride semiconductor according to claim 1, wherein the nitride semiconductor is GaN.

請求項6に係る発明は、
基板上に窒化物半導体層を形成する工程と、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の窒化物半導体の炭素ドーピング方法により、前記窒化物半導体層に炭素をドーピングする工程と、
前記窒化物半導体層上に、電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体素子の製造方法。
The invention according to claim 6
Forming a nitride semiconductor layer on the substrate;
Doping the nitride semiconductor layer with carbon by the nitride semiconductor carbon doping method according to claim 1,
Forming an electrode on the nitride semiconductor layer;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:

請求項7に係る発明は、
前記窒化物半導体層は、
前記基板上または前記基板上に形成されたバッファ層上に形成された電子走行層と、
前記電子走行層上に形成され、前記電子走行層とはバンドギャップエネルギーが異なる材料からなる電子供給層と
を有し、
前記電子走行層を形成した後に、請求項1〜3のいすれか1項に記載の窒化物半導体の炭素ドーピング方法により、前記電子走行層に炭素をドーピングした後、前記電子供給層を形成することを特徴とする請求項6に記載の半導体素子の製造方法。
The invention according to claim 7 provides:
The nitride semiconductor layer is
An electron transit layer formed on the substrate or a buffer layer formed on the substrate;
An electron supply layer formed on the electron transit layer and made of a material having a band gap energy different from that of the electron transit layer;
After the electron transit layer is formed, the electron supply layer is formed after the electron transit layer is doped with carbon by the nitride semiconductor carbon doping method according to any one of claims 1 to 3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6.

本発明によれば、高い電子移動度と耐圧特性を両立した窒化物半導体が得られる窒化物半導体の炭素ドーピング方法を提供することができる。
また、本発明によれば、当該炭素ドーピング方法を利用した、半導体素子の製造方法を提供するこができる。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the carbon doping method of the nitride semiconductor from which the nitride semiconductor which was compatible with high electron mobility and a pressure | voltage resistant characteristic can be provided.
In addition, according to the present invention, a method for manufacturing a semiconductor element using the carbon doping method can be provided.

第1実施形態に係る半導体素子の一例を示す模式図である。It is a mimetic diagram showing an example of a semiconductor device concerning a 1st embodiment. 検証用の素子を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the element for verification. バッファ耐圧(破壊電圧)の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of a buffer proof pressure (breakdown voltage). 69Ga、71Ga、14N、27Alの中性子捕獲断面積の中性子線エネルギー依存性を示す図であり、図4(a)が14Nの中性子捕獲断面積、図4(b)が27Alの中性子捕獲断面積、図4(c)が69Gaの中性子捕獲断面積、図4(d)が71Gaの中性子捕獲断面積の中性子線エネルギー依存性を示す図である。 69 Ga, 71 Ga, 14 N , 27 is a diagram showing the neutron energy dependence of neutron capture cross section of the Al, neutron capture cross-section in FIG. 4 (a) 14 N, FIG. 4 (b) is 27 Al 4C is a diagram showing the neutron capture cross section of 69 Ga, and FIG. 4D is a diagram showing the neutron capture energy dependence of the 71 Ga neutron capture cross section. 1MeV近辺の中性子線エネルギーにおける14Nの中性子捕獲断面積を示す図であり、図5(a)が14N+n→14C+p反応、図5(b)が14N+n→11B+α反応による、14Nの中性子捕獲断面積を示す図である。Is a diagram showing the neutron capture cross section of 14 N in the neutron energy around 1 MeV, FIGS. 5 (a) is 14 N + n → 14 C + p reactions, according to FIG. 5 (b) is 14 N + n → 11 B + α reaction, the 14 N It is a figure which shows a neutron capture cross section. 第2実施形態に係る半導体素子の製造方法の一例を示す工程図である。It is process drawing which shows an example of the manufacturing method of the semiconductor element which concerns on 2nd Embodiment. ラジオアイソトープである252Cfから放出される中性子線のエネルギー分布を示す図である。It is a figure which shows energy distribution of the neutron beam emitted from 252 Cf which is a radioisotope.

以下、本発明の実施形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.

(第1実施形態)
図1に示す半導体素子1(AlGaN/GaN−HFET)を作製すると共に、図2に示す検証用の素子1Aを作製した。
なお、図1は、第1実施形態に係る半導体素子の一例を示す模式図である。図2は、検証用の素子を示す模式図である。
(First embodiment)
A semiconductor device 1 (AlGaN / GaN-HFET) shown in FIG. 1 was produced, and a verification device 1A shown in FIG. 2 was produced.
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of the semiconductor element according to the first embodiment. FIG. 2 is a schematic diagram showing an element for verification.

まず、検証用の素子1Aを、次の通り作製した。シリコン基板2を設置したMOCVD装置内に、トリメチルガリウム(TMGa)とアンモニア(NH)とを、それぞれ14μmol/min、12L/minの流量で導入し、成長温度550℃で、層厚30nmのGaNからなるバッファ層3をシリコン基板2上にエピタキシャル成長させた。 First, a verification element 1A was produced as follows. Trimethylgallium (TMGa) and ammonia (NH 3 ) are introduced into the MOCVD apparatus provided with the silicon substrate 2 at flow rates of 14 μmol / min and 12 L / min, respectively, a growth temperature of 550 ° C., and a layer thickness of 30 nm. The buffer layer 3 made of was epitaxially grown on the silicon substrate 2.

次に、TMGaとNHとを、それぞれ58μmol/min、12L/minの流量で導入し、バッファ層3上に、層厚700nmの電子走行層として機能するGaN層4をエピタキシャル成長(成長温度1050℃)させた。エピタキシャル成長後のGaN層4中の炭素濃度[C]は約1´1017cm−3であった。
その後、トリメチルアルミニウム(TMAl)とTMGaとNHとを、それぞれ100μmol/min、19μmol/min、12L/minの流量で導入し、成長温度1050℃で、層厚30nmの電子供給層として機能するAlGaN層5(アルミニウム組成0.23,X線回折から評価)をGaN層4上にエピタキシャル成長させた。
Next, TMGa and NH 3 are introduced at flow rates of 58 μmol / min and 12 L / min, respectively, and the GaN layer 4 functioning as an electron transit layer having a layer thickness of 700 nm is epitaxially grown on the buffer layer 3 (growth temperature 1050 ° C. ) The carbon concentration [C] in the GaN layer 4 after the epitaxial growth was about 1′10 17 cm −3 .
Thereafter, trimethylaluminum (TMAl), TMGa, and NH 3 are introduced at flow rates of 100 μmol / min, 19 μmol / min, and 12 L / min, respectively, and AlGaN functions as an electron supply layer with a growth temperature of 1050 ° C. and a layer thickness of 30 nm. Layer 5 (aluminum composition 0.23, evaluated from X-ray diffraction) was epitaxially grown on GaN layer 4.

次に、シリコン基板2上にバッファ層3、GaN層4、AlGaN層5がこの順で積層された積層体に対して、AlGaN層5側から、加速器により中性子線を照射した。中性子線源として加速器を用いる場合、中性子線のエネルギーを選択できるというメリットがある。また、加速器では中性子線がパルスで照射されるという特徴がある。   Next, a neutron beam was irradiated from the AlGaN layer 5 side to the laminated body in which the buffer layer 3, the GaN layer 4, and the AlGaN layer 5 were laminated in this order on the silicon substrate 2 by an accelerator. When an accelerator is used as a neutron beam source, there is a merit that energy of neutron beam can be selected. In addition, the accelerator is characterized by being irradiated with neutron beams in pulses.

この加速器による中性子線の照射は、1パルス当り6´1010個の中性子を25Hzの繰り返し周波数で照射した。
ここで、14N+n→14C+p反応に対する反応断面積は0.3barns(1barns=10−24cm)であるから、約100時間の照射により約1018cm−3の炭素がドープされることが期待できる。14Cの半減期は5730年と長いため、核変換によって生成する炭素量は中性子線の照射時間にほぼ比例する。したがって、GaN層4中の炭素濃度は中性子線の照射時間で制御することができる。具体的には、例えば、1020cm−3の炭素濃度を得るためには、10,000時間照射すればよい。
そして、この中性子線照射時間の調整することで、GaN層4に炭素濃度[C]1´1018cm−3の炭素を生成(ドープ)した。
なお、中性子線のほとんどはGaN層4やシリコン基板2、その他の層を透過するため、複数枚の上記積層体を重ねて中性子線の照射を行えば、効率良く核変換を行うことが可能である。
The neutron irradiation by this accelerator was performed by irradiating 6 × 10 10 neutrons per pulse at a repetition frequency of 25 Hz.
Here, since the reaction cross section for the 14 N + n → 14 C + p reaction is 0.3 barns (1 barns = 10 −24 cm 2 ), about 10 18 cm −3 of carbon may be doped by irradiation for about 100 hours. I can expect. Since the half life of 14 C is as long as 5730 years, the amount of carbon produced by transmutation is almost proportional to the irradiation time of neutron beams. Therefore, the carbon concentration in the GaN layer 4 can be controlled by the neutron irradiation time. Specifically, for example, in order to obtain a carbon concentration of 10 20 cm −3 , irradiation may be performed for 10,000 hours.
Then, by adjusting the neutron beam irradiation time, carbon having a carbon concentration [C] 1′10 18 cm −3 was generated (doped) in the GaN layer 4.
Since most of the neutron beams pass through the GaN layer 4, the silicon substrate 2, and other layers, it is possible to efficiently perform transmutation by irradiating the neutron beams with a stack of a plurality of the above laminated bodies. is there.

次に、中性子線を照射後、14N+n→14C+p反応によって生じた余分の水素原子を取り除き、かつ、中性子線照射による照射損傷(主としてGa空孔の形成)を回復させるため、積層体(GaN層4等の各層)に対して窒素雰囲気中で1000℃の焼鈍を数時間行った。なお、この焼鈍は、例えば温度900〜1000℃で、4〜6時間行うことがよい。 Next, after irradiating with neutron rays, the excess of the hydrogen atoms generated by the 14 N + n → 14 C + p reaction is removed, and irradiation damage (mainly formation of Ga vacancies) due to the neutron irradiation is recovered. Each layer such as layer 4 was annealed at 1000 ° C. for several hours in a nitrogen atmosphere. This annealing is preferably performed at a temperature of 900 to 1000 ° C. for 4 to 6 hours, for example.

次に、上記積層体のAlGaN層5からGaN層4にかけて、幅10μm、深さ200nm程度のリセス構造をClベースのプラズマエッチングを施すことによって形成した。
次に、リセス構造の両側にTi及びAlをこの順に蒸着して、電極層8を形成した。
これによって、検証用の素子1Aを作製した。
Next, a recess structure having a width of about 10 μm and a depth of about 200 nm was formed from the AlGaN layer 5 to the GaN layer 4 of the laminate by performing Cl-based plasma etching.
Next, Ti and Al were vapor-deposited in this order on both sides of the recess structure to form the electrode layer 8.
Thus, a verification element 1A was produced.

この作製した検証用の素子1Aを用いて、バッファ耐圧(破壊電圧)をカーブトレーサを用いて実測して求めた。また、中性子線を照射しなかった検証用の素子(図2に示す検証用素子1Aと同構造)についても、同様にバッファ耐圧(破壊電圧)をカーブトレーサを用いて実測して求めた。図3は、この結果を示すグラフである。   The buffer breakdown voltage (breakdown voltage) was actually measured using a curve tracer using the fabricated verification element 1A. Further, for the verification element that was not irradiated with the neutron beam (the same structure as the verification element 1A shown in FIG. 2), the buffer withstand voltage (breakdown voltage) was similarly measured by using a curve tracer. FIG. 3 is a graph showing this result.

図3に示すように、中性子線を照射しなかった検証用の素子(GaN層4中の炭素濃度[C]は約1´1017cm−3)のバッファ耐圧(破壊電圧)は、500V以下であるのに対して、中性子線を照射した検証用の素子1A(GaN層4の炭素濃度[C]は1´1018cm−3)のバッファ耐圧(破壊電圧)は700V以上となった。
これにより、素子(窒化物半導体)の耐圧特性が向上することがわかった。
As shown in FIG. 3, the buffer breakdown voltage (breakdown voltage) of a verification element (carbon concentration [C] in the GaN layer 4 is about 1′10 17 cm −3 ) that was not irradiated with neutron rays is 500 V or less. On the other hand, the buffer breakdown voltage (breakdown voltage) of the verification element 1A irradiated with the neutron beam (the carbon concentration [C] of the GaN layer 4 is 1′10 18 cm −3 ) is 700 V or more.
Thereby, it was found that the breakdown voltage characteristics of the element (nitride semiconductor) were improved.

一方、上記検証用の素子1Aと同様にして、シリコン基板2上にバッファ層3、GaN層4、AlGaN層5をこの順で積層し、この積層体に対して中性子線を照射した後、AlGaN層5上に、Ti及びAlをこの順に蒸着して、オーミック電極としてソース電極7S及びドレイン電極7Dと、当該電極間にNiおよびAuをこの順に蒸着して、ショットキー電極としてゲート電極7Gを形成した。
これにより、図1に示すような、半導体素子1(AlGaN/GaN−HFET)を作製した。
なお、半導体素子1は、ゲート長(ゲート電極7G幅)2μm、ゲート幅(ゲート電極7Gの紙面に垂直方向おける長さ)0.2mm、ソース・ドレイン間距離15μmの素子とした。
On the other hand, the buffer layer 3, the GaN layer 4, and the AlGaN layer 5 are stacked in this order on the silicon substrate 2 in the same manner as the above-described verification element 1A. Ti and Al are vapor-deposited in this order on layer 5, source electrode 7S and drain electrode 7D are formed as ohmic electrodes, and Ni and Au are vapor-deposited in this order between the electrodes to form gate electrode 7G as a Schottky electrode. did.
Thereby, the semiconductor element 1 (AlGaN / GaN-HFET) as shown in FIG. 1 was produced.
The semiconductor element 1 was an element having a gate length (gate electrode 7G width) of 2 μm, a gate width (length in the direction perpendicular to the paper surface of the gate electrode 7G) of 0.2 mm, and a source-drain distance of 15 μm.

この作製した半導体素子1の2次元電子ガスの移動度は1100cm/Vs、シートキャリア濃度は8´1012cm−2であった。また、この移動度及びシートキャリアの値はGaN層4の炭素濃度に依存しなかった。
すなわち、作製した半導体素子1は、低いオン抵抗を維持したまま、高いバッファ耐圧(破壊耐圧)が実現された素子であることがわかった。つまり、作製した半導体素子1は、高い電子移動度と耐圧特性を両立する窒化物半導体素子であることがわかった。
The fabricated semiconductor element 1 had a two-dimensional electron gas mobility of 1100 cm 2 / Vs and a sheet carrier concentration of 8′10 12 cm −2 . Further, the mobility and the value of the sheet carrier did not depend on the carbon concentration of the GaN layer 4.
That is, it was found that the manufactured semiconductor element 1 was an element that realized a high buffer breakdown voltage (breakdown breakdown voltage) while maintaining a low on-resistance. That is, it was found that the manufactured semiconductor element 1 is a nitride semiconductor element that achieves both high electron mobility and breakdown voltage characteristics.

以下、第1実施形態において、中性子線の照射による窒化物半導体の炭素ドープについて詳細に説明する。以下、符号は省略して説明する。   Hereinafter, in the first embodiment, carbon doping of a nitride semiconductor by irradiation with a neutron beam will be described in detail. In the following description, the reference numerals are omitted.

まず、中性子線は、放射線の一種で中性子の流れをいう。中性子は、電荷を持たないので固体や液体を速やかに透過し、それらが通過する物質の原子核との衝突によってのみ減速あるいは停止される。
エネルギーの低い中性子(熱中性子)を例えば原子炉を用いて試料に照射すると、中性子捕獲反応によって試料中に放射性核種が生成する(放射化)。
放射化された原子核はベータ線を放出し核変換する、あるいは、ガンマ線を放出して励起状態から安定状態に戻る。
このガンマ線を分光することで、生成した核種の種類とその生成量が評価でき、その試料中に含まれている元素の種類と濃度を求めることができる。
この手法は放射化分析と呼ばれ、微量分析の分野で広く使われている。
First, neutron radiation is a type of radiation and refers to the flow of neutrons. Since neutrons do not have an electric charge, they quickly pass through solids and liquids, and are decelerated or stopped only by collisions with the nuclei of substances that pass through them.
When a sample is irradiated with low energy neutrons (thermal neutrons) using, for example, a nuclear reactor, a radionuclide is generated in the sample by a neutron capture reaction (activation).
The activated nuclei emit beta rays and transmutate, or emit gamma rays and return from the excited state to the stable state.
By analyzing the gamma rays, the type of nuclide generated and the amount of the generated nuclide can be evaluated, and the type and concentration of the element contained in the sample can be obtained.
This technique is called activation analysis and is widely used in the field of microanalysis.

例えば、日本原子力開発機構のWWWに記載されているように(http://sangaku.jaea.go.jp/3-facility/02-field/index-16.html)、中性子線による核変換(中性子ドーピング)はシリコン単結晶へのリンドーピングで利用されている(特開2007−48840号公報)。
これは、30Siの原子核に中性子を捕獲させることで31Siを形成し、31Siのベータ崩壊(半減期2.6時間)によって31Pを生成するものである。
中性子ドーピングで製造したシリコン半導体は、他の方法により製造した半導体よりもドーパントの均一性が優れているため、大電力用のサイリスタやパワートランジスタ、ダイオード等の製品に用いられている。
また、シリコン単結晶のほかに、ゲルマニウム単結晶へ中性子線を照射することで、ゲルマニウムをヒ素転換し、n型不純物のドーピングを行うことにも利用されている(特開2004−296866号公報)。
For example, as described in the Japan Atomic Energy Agency's WWW (http://sangaku.jaea.go.jp/3-facility/02-field/index-16.html), neutron transmutation (neutrons) Doping) is used for phosphorus doping into a silicon single crystal (Japanese Patent Laid-Open No. 2007-48840).
This is because 31 Si is formed by capturing neutrons in the nucleus of 30 Si, and 31 P is generated by beta decay of 31 Si (half-life of 2.6 hours).
Silicon semiconductors manufactured by neutron doping have higher dopant uniformity than semiconductors manufactured by other methods, and are therefore used in products such as thyristors, power transistors, and diodes for high power.
In addition to silicon single crystals, germanium single crystals are also used for arsenic conversion by irradiating germanium single crystals and doping with n-type impurities (Japanese Patent Laid-Open No. 2004-296866). .

また、エネルギーの高い中性子線(高速中性子)を加速器等により試料に照射すると、原子核が中性子を捕獲吸収すると同時に陽子やアルファ線等を放出し、核変換することが知られている。   In addition, it is known that when a sample is irradiated with a high energy neutron beam (fast neutron) by an accelerator or the like, the nucleus captures and absorbs the neutron, and at the same time emits protons, alpha rays and the like to perform nuclear transformation.

そして、中性子線照射による窒化物半導体への炭素ドーピングは、この核変換を利用する。
すなわち、14N+n→14C+pの反応により、GaN中の窒素原子を炭素原子に変換する。ここでnは中性子、pは陽子(水素イオン)を指す。
しかし、窒化物半導体に対して中性子線の照射を行う場合、シリコン単結晶やゲルマニウム単結晶等への照射とは異なり、窒化物半導体中の窒素以外の構成元素(GaやAl)を放射化または核変換させない必要がある。そこで、窒化物半導体を構成する原子に関する中性子捕獲断面積の中性子線エネルギー依存性に関して検討する。
And carbon doping to the nitride semiconductor by neutron beam irradiation utilizes this nuclear transmutation.
That is, a nitrogen atom in GaN is converted to a carbon atom by a reaction of 14 N + n → 14 C + p. Here, n indicates neutron and p indicates proton (hydrogen ion).
However, when irradiating a nitride semiconductor with neutron radiation, unlike irradiation with a silicon single crystal, germanium single crystal, or the like, the element other than nitrogen (Ga or Al) in the nitride semiconductor is activated or activated. It is not necessary to transmutate. Therefore, the neutron beam energy dependence of the neutron capture cross section for the atoms constituting the nitride semiconductor is examined.

原子核への中性子の吸収および核反応のし易さは、捕獲断面積(単位はbarns=10−24cm)で表すことができる。
ここで、図4に、69Ga(同位体存在率:60.1%)、71Ga(同位体存在率:39.9%)及び14N(同位体存在率99.6%)の中性子捕獲断面積の中性子線エネルギー依存性を示す(15Nの同位体存在率は低いので無視する)。また、図4に、AlGaN/GaNヘテロ構造を構成する27Al(同位体存在率100%)のデータも合わせて示した。
なお、図4は、米国ロスアラモス国立研究所 T−2 Nuclear Information Serviceのデータベースから引用した(http://t2.lanl.gov/data/data.html)。
この図4に示すデータベースは入射エネルギー範囲10−5eVから20〜200MeVまでの中性子入射に対する原子番号1−98までの390核種についての弾性散乱、非弾性散乱、吸収、および核反応の断面積を網羅したものである。
The ease of neutron absorption and nuclear reaction in the nucleus can be expressed by the capture cross section (unit: barns = 10 −24 cm 2 ).
Here, neutron capture of 69 Ga (isotope abundance: 60.1%), 71 Ga (isotope abundance: 39.9%) and 14 N (isotope abundance 99.6%) is shown in FIG. It shows the neutron beam energy dependence of the cross-sectional area (ignored because the 15 N isotope abundance is low). FIG. 4 also shows the data of 27 Al (isotope abundance 100%) constituting the AlGaN / GaN heterostructure.
In addition, FIG. 4 quoted from the database of Los Alamos National Laboratory T-2 Nuclear Information Service (http://t2.lanl.gov/data/data.html).
The database shown in FIG. 4 shows the cross sections of elastic scattering, inelastic scattering, absorption, and nuclear reaction for 390 nuclides from atomic number 1 to 98 for neutron incidence in the incident energy range of 10 −5 eV to 20 to 200 MeV. It is an exhaustive one.

図4(a)のabsorption線(破線)に示す通り、14Nの中性子捕獲断面積は、10−11から10−1MeVの範囲ではエネルギーの増加とともに単調に減少することがわかる。
この範囲の核反応は、14N+n→15N+ガンマ線であり、Cへの変換は起きない。
また、14Nの中性子捕獲断面積において、10−1から10MeVの範囲にかけてピークを持つが、この反応が14N+n→14C+p、または14N+n→11B+αである(ここでαはアルファ線(ヘリウムの原子核)である)。このピーク値はおよそ1barnsである。
As shown by the absorption line (dashed line) in FIG. 4A, it can be seen that the neutron capture cross section of 14 N decreases monotonously with increasing energy in the range of 10 −11 to 10 −1 MeV.
The nuclear reaction in this range is 14 N + n → 15 N + gamma rays and no conversion to C occurs.
In addition, the neutron capture cross section of 14 N has a peak in the range of 10 −1 to 10 MeV, and this reaction is 14 N + n → 14 C + p or 14 N + n → 11 B + α (where α is an alpha ray (helium) Nuclei)). This peak value is approximately 1 barns.

一方、図4(c)及び(d)のabsorption線(破線)に示す通り、69Ga及び71Gaの中性子捕獲断面積は、10−11から10−5MeVの範囲ではエネルギーの増加とともに単調に減少し、10−5から10−2MeVの範囲で共鳴的に増加するが、10−1から10MeVにかけては極小値を取るという特徴がある。
そして、69Ga及び71Gaの中性子捕獲断面積において、10−1から10MeVのエネルギー範囲における中性子捕獲断面積は10−2barns程度である。
On the other hand, as shown in the absorption lines (broken lines) in FIGS. 4C and 4D, the neutron capture cross sections of 69 Ga and 71 Ga monotonously increase with increasing energy in the range of 10 −11 to 10 −5 MeV. It decreases and increases in a resonant manner in the range of 10 −5 to 10 −2 MeV, but has a characteristic that takes a minimum value from 10 −1 to 10 MeV.
And in the neutron capture cross sections of 69 Ga and 71 Ga, the neutron capture cross section in the energy range of 10 −1 to 10 MeV is about 10 −2 barns.

また、図4(b)のabsorption線(破線)に示す通り、27Alの中性子捕獲断面積は、10MeV近傍に吸収のピークが存在することがわかる。 Further, as shown by the absorption line (broken line) in FIG. 4B, it can be seen that the absorption peak of 27 Al has an absorption peak in the vicinity of 10 MeV.

したがって、10−1から10MeVのエネルギー範囲の中性子をGaNに照射すると、Gaは放射化、あるいは核変換せずにNのみを選択的に核変換することができる。
また、AlGaNに関しては、Alに中性子を吸収させないためには5MeV以下のエネルギーとすることがよい。
なお、シリコン基板に関しても5MeV以下のエネルギーでは中性子捕獲断面積は小さい。
Therefore, when GaN is irradiated with neutrons in the energy range of 10 −1 to 10 MeV, Ga can be selectively transmuted without N activation or transmutation.
As for AlGaN, it is preferable that the energy be 5 MeV or less so that Al does not absorb neutrons.
It should be noted that the neutron capture cross section is also small for an energy of 5 MeV or less for a silicon substrate.

次に、14Nの核反応をより詳細に説明するため、1MeV近辺のエネルギーにおける中性子捕獲断面積を図5に示す。
図5は、日本原子力研究開発機構核データ評価研究グループのデータベースより取得したものである(http://wwwndc.jaea.go.jp/jendl/j33/J33_J.html)。
図5が示す通り、14N+n→14C+p反応は2MeV以下のエネルギーから始まるのに対して(図5(a)参照)、14N+n→11B+α反応は2MeV程度より大きなエネルギーから始まる(図5(b)参照)。
したがって、所望の14N+n→14C+p反応のみを得るためには、中性子線エネルギーを2MeV以下にすることがよい。
Next, in order to explain the nuclear reaction of 14 N in more detail, the neutron capture cross section at an energy around 1 MeV is shown in FIG.
FIG. 5 is obtained from the database of the Japan Atomic Energy Agency Nuclear Data Evaluation Research Group (http://wwwndc.jaea.go.jp/jendl/j33/J33_J.html).
As shown in FIG. 5, the 14 N + n → 14 C + p reaction starts with an energy of 2 MeV or less (see FIG. 5A), whereas the 14 N + n → 11 B + α reaction starts with an energy larger than about 2 MeV (FIG. 5 ( b)).
Therefore, in order to obtain only the desired 14 N + n → 14 C + p reaction, the neutron beam energy is preferably 2 MeV or less.

以上の考察から、中性子線のエネルギーを0.1MeV〜2MeVに制限することで、GaN(AlGaN)中のGaやAl及びシリコン基板を放射化または核変換させずに、窒素原子を炭素原子に変換することが可能となる。
その結果、窒化物半導体へ、その転位密度への影響を及ぼさずに炭素をドーピングすることが可能となる。つまり、例えば、転位密度を減少させる条件で、窒化物半導体をシリコン基板上にエピタキシャル成長(MOCVD法による成長)させ、電子移動度を向上させた上で、中性子線を照射すれば、その転位密度を維持させつつ、炭素濃度を増加させることができる。
したがって、本実施形態では、高い電子移動度と耐圧特性を両立した窒化物半導体(半導体素子)を得ることができる。
From the above consideration, by limiting the energy of the neutron beam to 0.1 MeV to 2 MeV, the nitrogen atom is converted to the carbon atom without activating or transmuting Ga, Al and silicon substrate in GaN (AlGaN). It becomes possible to do.
As a result, the nitride semiconductor can be doped with carbon without affecting the dislocation density. That is, for example, under the condition that the dislocation density is reduced, a nitride semiconductor is epitaxially grown on a silicon substrate (growth by MOCVD method), the electron mobility is improved, and neutron irradiation is performed. The carbon concentration can be increased while maintaining.
Therefore, in the present embodiment, a nitride semiconductor (semiconductor element) having both high electron mobility and breakdown voltage characteristics can be obtained.

また、オートドーピング(特許文献1参照)により炭素のドーピング量を増加させようとすると、窒化物半導体にクラックが発生することがあるが、本実施形態では、窒化物半導体にクラックを発生させることなく、炭素のドーピング量(炭素濃度)を増加させることができる。   Further, when an attempt is made to increase the amount of carbon doping by auto-doping (see Patent Document 1), cracks may occur in the nitride semiconductor, but in this embodiment, cracks are not generated in the nitride semiconductor. The amount of carbon doping (carbon concentration) can be increased.

また、本実施形態では、炭素は窒化物半導体の母体元素である窒素の核変換によって生成(ドープ)されるため、従来技術であるオートオートドーピング法や炭化水素ガスを用いた方法よりも、炭素濃度の均一性が優れている。
このため、本実施形態では、素子耐圧の面内均一性が従来技術よりも向上できる。また、素子内部における炭素濃度の均一性も向上することから、素子内部にリーク電流が高く耐圧の低い部分(いわゆるホットスポット)の発生を抑制することができる。
In the present embodiment, carbon is generated (doped) by nuclear transmutation of nitrogen, which is a base element of a nitride semiconductor. Therefore, carbon is more effective than the conventional auto-auto doping method or the method using hydrocarbon gas. Concentration uniformity is excellent.
For this reason, in this embodiment, the in-plane uniformity of the element breakdown voltage can be improved as compared with the prior art. In addition, since the uniformity of the carbon concentration inside the device is also improved, it is possible to suppress the occurrence of a portion having a high leakage current and a low breakdown voltage (so-called hot spot) inside the device.

ここで、本実施形態において、照射する中性子線のエネルギーは、上述のように0.1MeV〜2MeVであることがよいが、14N+n→11B+α反応を抑制するという点では、望ましくは0.1MeV〜1MeVである。
一方、この中性子線照射後の窒化物半導体の炭素濃度は、適用する半導体素子の用途に応じて決定されるが、例えば、1017cm−3〜1020cm−3であることがよく、GaN層の十分な高抵抗化と炭素不純物に起因する深い準位形成の抑制という点では、望ましくは1018cm−3〜1019cm−3である。
Here, in the present embodiment, the energy of the neutron beam to be irradiated is preferably 0.1 MeV to 2 MeV as described above, but is preferably 0.1 MeV in terms of suppressing the 14 N + n → 11 B + α reaction. ~ 1 MeV.
On the other hand, the carbon concentration of the nitride semiconductor after irradiation with the neutron beam is determined according to the application of the semiconductor element to be applied, and is preferably, for example, 10 17 cm −3 to 10 20 cm −3. From the standpoint of sufficiently increasing the resistance of the layer and suppressing the formation of deep levels due to carbon impurities, it is desirably 10 18 cm −3 to 10 19 cm −3 .

また、中性子線を照射する窒化物半導体は、例えば、Al,及びGaから選択される1以上の金属原子と窒素原子とを少なくとも含む窒化物半導体であり、具体的には、GaN、AlGaN、AlN、AlInGaN、InGaN、GaInNP、GaNP等が挙げられる。これらの中でも、半導体素子におい耐圧維持層として用いられ、炭素ドーピングが必要となりやすいGaNがよい。そして、中性子線を照射する窒化物半導体の成膜自体は、周知の手法、例えば、MOCVD法等により行う。
また、窒化物半導体は、基板上に成膜された状態で中性子線を照射することが素子製造効率上望ましく、当該基板としては、シリコン基板、サファイヤ基板、SiC基板等が挙げられるが、中性子線による意図しない放射化の影響を受け難いシリコン基板がよい。
The nitride semiconductor that irradiates neutron beams is, for example, a nitride semiconductor that includes at least one metal atom selected from Al and Ga and a nitrogen atom. Specifically, GaN, AlGaN, AlN AlInGaN, InGaN, GaInNP, GaNP and the like. Among these, GaN which is used as a breakdown voltage maintaining layer in a semiconductor element and is likely to require carbon doping is preferable. The nitride semiconductor film itself to be irradiated with neutron rays is formed by a known method such as MOCVD.
The nitride semiconductor is preferably irradiated with a neutron beam in a state where it is formed on the substrate in terms of device manufacturing efficiency. Examples of the substrate include a silicon substrate, a sapphire substrate, and a SiC substrate. A silicon substrate that is not easily affected by unintentional activation due to is preferable.

また、本実施形態では、半導体素子としてHFETを作製した例を示したが、これに限られず、例えば、他の電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)や、ダイオード等が挙げられる。
他の電界効果トランジスタとしては、MISFET(Metal Insulator Semiconductor FET)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET)、MESFET(Metal Semiconductor FET)等が挙げられる。
そして、本実施形態では、これら半導体素子を用いたインバーターやコンバーター等のパワーデバイスが実現できる。
In the present embodiment, an example in which an HFET is manufactured as a semiconductor element has been described. However, the present invention is not limited thereto, and examples include other field effect transistors (FETs) and diodes.
Other field effect transistors include MISFET (Metal Insulator Semiconductor FET), MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET), MESFET (Metal Semiconductor FET), and the like.
And in this embodiment, power devices, such as an inverter and a converter, using these semiconductor elements are realizable.

(第2実施形態)
上記第1実施形態で作製した半導体素子は、AlGaN/GaN−HFET構造の素子であり、ヘテロ界面のGaN層側に存在する2次元電子ガスを利用している。
したがって、上記第1実施形態においては、AlGaN層や2次元電子ガスが発生するヘテロ界面においても窒素原子を炭素原子に核変換してしまう可能性があり、2次元電子ガス濃度を減少、すなわちオン抵抗を増大させてしまう可能性がある。
(Second Embodiment)
The semiconductor device fabricated in the first embodiment is an AlGaN / GaN-HFET structure device and utilizes a two-dimensional electron gas existing on the GaN layer side of the heterointerface.
Therefore, in the first embodiment, there is a possibility that the nitrogen atoms may be transmuted to carbon atoms even at the heterointerface where the AlGaN layer or the two-dimensional electron gas is generated, and the two-dimensional electron gas concentration is reduced, that is, turned on. There is a possibility of increasing the resistance.

そこで、第2実施形態では、図6に示すようにして半導体素子を作製した。図6は、第2実施形態に係る半導体素子の製造方法の一例を示す工程図である。   Therefore, in the second embodiment, a semiconductor element is manufactured as shown in FIG. FIG. 6 is a process diagram showing an example of a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment.

まず、図6(a)に示すように、シリコン基板2上に、バッファ層3、及びGaN層4までを積層する。
次に、図6(b)に示すように、中性子線を照射することで、14N+n→14C+p反応によりGaN層4に炭素を生成(ドープ)する。
次に、図6(c)に示すように、GaN層4上に、AlGaN層5を積層する。このとき、昇温によって上記核変換によって生じたp(陽子)が脱離され、また、中性子照射による損傷(主としてGa空孔の形成)が回復される。
次に、図6(d)に示すようにして、AlGaN層5上に、ソース電極7S及びドレイン電極7Dと、ゲート電極7Gと、を形成する。
これにより、半導体素子1を作製する。なお、半導体素子1の作製は、中性子線を照射するタイミングが異なる以外は、上記第1実施形態と同様に行えばよい。
First, as shown in FIG. 6A, the buffer layer 3 and the GaN layer 4 are stacked on the silicon substrate 2.
Next, as shown in FIG. 6B, neutron rays are irradiated to generate (dope) carbon in the GaN layer 4 by the 14 N + n → 14 C + p reaction.
Next, as shown in FIG. 6C, an AlGaN layer 5 is stacked on the GaN layer 4. At this time, p (protons) generated by the nuclear transmutation is desorbed due to the temperature rise, and damage (mainly Ga vacancy formation) due to neutron irradiation is recovered.
Next, as illustrated in FIG. 6D, the source electrode 7 </ b> S, the drain electrode 7 </ b> D, and the gate electrode 7 </ b> G are formed on the AlGaN layer 5.
Thereby, the semiconductor element 1 is produced. The semiconductor element 1 may be manufactured in the same manner as in the first embodiment except that the timing of irradiating the neutron beam is different.

作製した半導体素子1は、中性子照射後にAlGaN層5を積層しているので、ヘテロ界面においてAlGaN層5の窒素原子が炭素原子に変換されない。このため、第1実施形態と比べ、2次元電子ガスの移動度が高く、低いオン抵抗の素子となる。   Since the manufactured semiconductor element 1 has the AlGaN layer 5 laminated after neutron irradiation, nitrogen atoms in the AlGaN layer 5 are not converted into carbon atoms at the heterointerface. For this reason, compared with 1st Embodiment, the mobility of two-dimensional electron gas is high and it becomes a low on-resistance element.

(第3実施形態)
上記第1実施形態では、加速器により中性子線を照射した例を示したが、原子炉からの高速中性子線を用いることでも、1MeV近傍の中性子線を照射することができる。つまり、原子炉からの高速中性子線であっても、当該中性子線の照射により窒化物半導体への炭素ドーピングが実現できる。
但し、この場合、Cd薄膜をフィルターとして、原子炉と窒化物半導体を成長した基板の間に挿入して、低エネルギーの熱中性子を除去することがよい。
(Third embodiment)
Although the example which irradiated the neutron beam with the accelerator was shown in the said 1st Embodiment, the neutron beam of 1 MeV vicinity can also be irradiated also using the fast neutron beam from a nuclear reactor. That is, even with a fast neutron beam from a nuclear reactor, carbon doping of the nitride semiconductor can be realized by irradiation with the neutron beam.
However, in this case, it is preferable to remove low-energy thermal neutrons by inserting the Cd thin film as a filter between the reactor and the substrate on which the nitride semiconductor is grown.

具体的には、例えば、原子炉からの中性子線のフラックス(単位面積を通過する粒子数)を1´1017cm−2とすると、14N+n→14C+p反応に対する反応断面積は0.3barnsであるから、反応速度は3´10−8−1となる。
したがって、例えば、窒化物半導体としてGaN中のNの数密度は4.51´1022cm−3であるから、1,000秒の照射で1.35´1018cm−3の炭素ドーピングが可能である。
なお、第1実施形態と同様に、原子炉からの高速中性子線の照射も、炭素濃度は中性子線の照射時間で制御することができる。例えば、1020cm−3の炭素を生成(ドープ)するには中性子線を100,000秒間照射すればよい。
Specifically, for example, when the flux of neutrons from the reactor (the number of particles passing through the unit area) is 1′10 17 cm −2 , the reaction cross section for the 14 N + n → 14 C + p reaction is 0.3 barns. Therefore, the reaction rate is 3′10 −8 s −1 .
Therefore, for example, since the number density of N in GaN as a nitride semiconductor is 4.51′10 22 cm −3 , carbon doping of 1.35′10 18 cm −3 is possible by irradiation for 1,000 seconds. It is.
As in the first embodiment, the carbon concentration can be controlled by the irradiation time of the neutron beam in the irradiation of the fast neutron beam from the nuclear reactor. For example, in order to generate (dope) carbon of 10 20 cm −3 , irradiation with a neutron beam may be performed for 100,000 seconds.

(第4実施形態)
上記第1実施形態では、加速器により中性子線を照射した例を示したが、ラジオアイソトープである252Cfを利用して、1MeV近傍の中性子線を照射することができる。つまり、252Cfから放出される中性子線により、窒化物半導体への炭素ドーピングが実現できる。
(Fourth embodiment)
In the first embodiment, an example in which a neutron beam is irradiated by an accelerator has been shown. However, neutron beams in the vicinity of 1 MeV can be irradiated using 252 Cf that is a radioisotope. That is, the carbon doping of the nitride semiconductor can be realized by the neutron beam emitted from 252 Cf.

252Cfは半減期2.64年のラジオアイソトープであり、核崩壊時に原子当り3.8個の中性子を放出する。言い換えれば、1g当り毎秒2.3´1012個の中性子を放出する。
放出される中性子線のエネルギーは、図7に示すように1MeV付近にピークを持ち、14N+n→14C+p反応に適している。
図7はINDC(NDS)−146,(1983).『IAEA Consultants’ Meeting on the U−235 Fast−Neutron Fission Cross−Section, and the Cf−252 Fission Neutron Spectrum, Smolenice, Czechoslovakia, 28 March − 1 April 1983』(Edited by H.D. Lemmel and D.E. Cullen)からの引用である。
252 Cf is a radioisotope with a half-life of 2.64 years and emits 3.8 neutrons per atom upon nuclear decay. In other words, 2.3'10 12 neutrons are emitted per second per gram.
The energy of the emitted neutron beam has a peak in the vicinity of 1 MeV as shown in FIG. 7, and is suitable for the 14 N + n → 14 C + p reaction.
FIG. 7 shows INDC (NDS) -146, (1983). "IAEA Consultants' Meeting on the U-235 Fast-Neutron Fission Cross-Section, and the Cf-252 Fission Neutrum Spectrum, SmoleneMade, 28. From Cullen).

1MeVのエネルギーを持つ中性子線の14N+n→14C+p反応に対する反応断面積は0.3barnsであり、この値を用いて14Cの形成量を評価すると、GaN中に炭素を1´1018cm−3ドープするには、100gの252Cfを用いて約96時間必要であることがわかる。
なお、GaN中の炭素濃度は、他の実施形態でも述べた通り、中性子線の照射時間にほぼ比例することから、例えば、1020cm−3の炭素濃度を得るためには9600時間照射すればよい。
The reaction cross section for a 14 N + n → 14 C + p reaction of a neutron beam having an energy of 1 MeV is 0.3 barns, and when this value is used to evaluate the amount of 14 C formed, carbon in GaN is 1′10 18 cm −. It can be seen that 3 doping requires about 96 hours with 100 g of 252 Cf.
Note that, as described in other embodiments, the carbon concentration in GaN is substantially proportional to the irradiation time of neutron rays. For example, in order to obtain a carbon concentration of 10 20 cm −3 , irradiation is performed for 9600 hours. Good.

なお、本実施形態では、電子走行層と電子供給層の組み合わせとしては、GaN/AlGaNを例として用いたが、電子供給層が電子走行層よりもバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体材料の組み合わせであればよく、例えばGaN/AlInGaN、InGaN/GaN、GaInNP/GaN、GaNP/GaN、または、AlInGaN/AlGaNであってもよい。   In this embodiment, GaN / AlGaN is used as an example of the combination of the electron transit layer and the electron supply layer, but the electron supply layer is a combination of nitride semiconductor materials having a larger band gap energy than the electron transit layer. For example, GaN / AlInGaN, InGaN / GaN, GaInNP / GaN, GaNP / GaN, or AlInGaN / AlGaN may be used.

1 半導体素子
1A 検証用の素子
2 シリコン基板
3 バッファ層
4 GaN層
5 AlGaN層
7G ゲート電極
7S ソース電極
7D ドレイン電極
8 オーミック電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor element 1A Verification element 2 Silicon substrate 3 Buffer layer 4 GaN layer 5 AlGaN layer 7G Gate electrode 7S Source electrode 7D Drain electrode 8 Ohmic electrode

Claims (7)

窒化物半導体にエネルギーが0.1MeV〜2MeVである中性子線を照射することを特徴とする窒化物半導体の炭素ドーピング方法。   A carbon doping method for a nitride semiconductor, wherein the nitride semiconductor is irradiated with a neutron beam having an energy of 0.1 MeV to 2 MeV. 前記中性子線の照射後の窒化物半導体中の炭素濃度が、1017cm−3〜1020cm−3であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体の炭素ドーピング方法。 2. The carbon doping method for a nitride semiconductor according to claim 1, wherein a carbon concentration in the nitride semiconductor after the irradiation with the neutron beam is 10 17 cm −3 to 10 20 cm −3 . 前記中性子線を照射後に、窒素雰囲気中で焼鈍を行うことを特徴とする請求項1又は2に記載の窒化物半導体の炭素ドーピング方法。   The method of carbon doping a nitride semiconductor according to claim 1 or 2, wherein annealing is performed in a nitrogen atmosphere after irradiation with the neutron beam. 前記窒化物半導体が、シリコン基板上にエピタキシャル成長されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の窒化物半導体の炭素ドーピング方法。   The method for carbon doping a nitride semiconductor according to claim 1, wherein the nitride semiconductor is epitaxially grown on a silicon substrate. 前記窒化物半導体が、GaNであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の窒化物半導体の炭素ドーピング方法。   The method for carbon doping a nitride semiconductor according to claim 1, wherein the nitride semiconductor is GaN. 基板上に窒化物半導体層を形成する工程と、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の窒化物半導体の炭素ドーピング方法により、前記窒化物半導体層に炭素をドーピングする工程と、
前記窒化物半導体層上に、電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体素子の製造方法。
Forming a nitride semiconductor layer on the substrate;
Doping the nitride semiconductor layer with carbon by the nitride semiconductor carbon doping method according to claim 1,
Forming an electrode on the nitride semiconductor layer;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記窒化物半導体層は、
前記基板上または前記基板上に形成されたバッファ層上に形成された電子走行層と、
前記電子走行層上に形成され、前記電子走行層とはバンドギャップエネルギーが異なる材料からなる電子供給層と
を有し、
前記電子走行層を形成した後に、請求項1〜3のいすれか1項に記載の窒化物半導体の炭素ドーピング方法により、前記電子走行層に炭素をドーピングした後、前記電子供給層を形成することを特徴とする請求項6に記載の半導体素子の製造方法。
The nitride semiconductor layer is
An electron transit layer formed on the substrate or a buffer layer formed on the substrate;
An electron supply layer formed on the electron transit layer and made of a material having a band gap energy different from that of the electron transit layer;
After the electron transit layer is formed, the electron supply layer is formed after the electron transit layer is doped with carbon by the nitride semiconductor carbon doping method according to any one of claims 1 to 3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6.
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