JP2020145255A - Gan structure material and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リコイルインプランテーション技術を利用したＧａＮ構造物及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a GaN structure using a recoil implantation technique and a method for manufacturing the same.
ＧａＮ（窒化ガリウム）は、Ｓｉ（シリコン）に比べて熱伝導率が大きく、電子飽和速度が高く、また絶縁破壊電圧が高い等の特性を有することから、低損失パワーデバイスや高周波電子デバイスとしての利用が期待されている。
しかしながら、ｐ型の導電性を有するｐ型ＧａＮ領域をＧａＮ母材中にパターン形成する技術が確立されておらず、ＧａＮデバイスの実用化に対して大きな障害となっている。
Compared to Si (silicon), GaN (gallium nitride) has characteristics such as high thermal conductivity, high electron saturation rate, and high breakdown voltage, so it can be used as a low-loss power device or high-frequency electronic device. Expected to be used.
However, a technique for forming a pattern of a p-type GaN region having p-type conductivity in a GaN base material has not been established, which is a major obstacle to the practical use of GaN devices.
Ｓｉデバイスの作製方法として、ｐ型、ｎ型各領域のパターン形成に際し、Ｓｉ中に不純物物質をイオン注入するイオン注入法が広く実施されている。
前記ＧａＮ母材に対し、このイオン注入法により前記ｐ型ＧａＮ領域を形成する場合、ｐ型不純物としてＭｇ（マグネシウム）をイオン注入することが考えられる。
しかしながら、前記ＧａＮ母材にＭｇイオンを注入すると、前記ＧａＮ母材における結晶の崩れが甚だしく、前記ＧａＮ母材に対し後続のアニール処理によっても回復できない構造ダメージを与える。加えて、イオン照射エネルギーが高い場合には、前記ＧａＮ母材中でＧａが凝集する。そのため、前記ＧａＮデバイスの作製に前記Ｓｉデバイスと同様の前記イオン注入法を適用できない問題がある（非特許文献１参照）。
As a method for producing a Si device, an ion implantation method in which an impurity substance is ion-implanted into Si when forming a pattern in each of the p-type and n-type regions is widely practiced.
When the p-type GaN region is formed into the GaN base material by this ion implantation method, it is conceivable to ion-implant Mg (magnesium) as a p-type impurity.
However, when Mg ions are injected into the GaN base material, the crystals in the GaN base material are severely collapsed, and the GaN base material is subjected to structural damage that cannot be recovered by the subsequent annealing treatment. In addition, when the ion irradiation energy is high, Ga aggregates in the GaN base material. Therefore, there is a problem that the ion implantation method similar to that of the Si device cannot be applied to the fabrication of the GaN device (see Non-Patent Document 1).
こうした問題を解決するため、前記Ｍｇイオンと共に水素イオンをイオン注入し、前記ＧａＮ母材中に前記ｐ型ＧａＮ領域を形成する方法が提案されている（非特許文献２参照）。
しかしながら、水素イオンは、前記ｐ型ＧａＮ領域中で前記Ｍｇの活性化を妨げ、前記ＧａＮデバイスの特性に悪影響を与える問題がある。
また、前記提案では、形成される前記ｐ型ＧａＮ領域におけるＧａ面に荒れが生じ、前記Ｇａ面上に更なるＧａＮ層をエピタキシャル成長させることが困難であることから、前記Ｓｉデバイスと同様の構成の前記ＧａＮデバイスを作製することができない問題がある。
In order to solve such a problem, a method of ion-implanting hydrogen ions together with the Mg ions to form the p-type GaN region in the GaN base material has been proposed (see Non-Patent Document 2).
However, there is a problem that hydrogen ions hinder the activation of Mg in the p-type GaN region and adversely affect the characteristics of the GaN device.
Further, in the above proposal, since the Ga surface in the p-type GaN region to be formed becomes rough and it is difficult to epitaxially grow a further GaN layer on the Ga surface, the configuration is similar to that of the Si device. There is a problem that the GaN device cannot be manufactured.
ところで、前記イオン注入法と異なるイオンインプランテーション技術として、Ｓｉ母材上に導電性を付与する被リコイル物質の層を配した状態で、前記被リコイル物質の前記層にリコイル物質をイオン照射するリコイルインプランテーション法が知られている（非特許文献３参照）。
この方法では、前記被リコイル物質の前記層にイオン照射された前記リコイル物質により前記被リコイル物質がリコイル（弾き出し）され、前記Ｓｉ母材中にイオン注入される。
しかしながら、このリコイルインプランテーション法は、前記イオン注入法に対する優位性に乏しく、現在では、ほとんど用いられていない。
また、前記リコイルインプランテーション法が前記ｐ型ＧａＮ領域の形成に適用された例は、皆無である。
その一因として、前記リコイルインプランテーション法により前記ＧａＮ母材中に前記Ｍｇイオンを注入しても、前記ＧａＮ母材の結晶性にダメージを与えることから、ダメージ回復のための高温アニール処理が要求されることが想定されるとともに、前記Ｍｇは、熱による異常拡散を生じ易い材料であるため、注入された前記Ｍｇが前記ＧａＮ母材中で異常拡散し、前記ｐ型ＧａＮ領域の形成が困難であると想定されていたことが挙げられる。
事実、本発明者は、市販のＬＥＤと同様、ＭＯＣＶＤ法（気相成長法）によってＧａＮ基材層上にＭｇを含むＧａＮを一様にエピタキシャル成長させたｐ型ＧａＮ層（非パターン形成構造）に対して熱を与える処理を行う報告を行っているが（非特許文献４参照、前記リコイルインプランテーション法を実施していない）、この場合、前記Ｍｇが前記ＧａＮ基材層中に異常拡散することが確認されている。
By the way, as an ion implantation technique different from the ion implantation method, a recoil that irradiates the layer of the recoil material with ions while arranging a layer of the recoil material that imparts conductivity on the Si base material. The implantation method is known (see Non-Patent Document 3).
In this method, the recoil material is recoiled (pushed out) by the recoil material that is ion-implanted on the layer of the recoil material, and ions are implanted into the Si base material.
However, this recoil implantation method has little advantage over the ion implantation method and is rarely used at present.
Moreover, there is no example in which the recoil implantation method is applied to the formation of the p-type GaN region.
As one of the reasons, even if the Mg ion is injected into the GaN base material by the recoil implantation method, the crystallinity of the GaN base material is damaged, so that a high temperature annealing treatment for damage recovery is required. Since the Mg is a material that easily causes abnormal diffusion due to heat, the injected Mg diffuses abnormally in the GaN base material, making it difficult to form the p-type GaN region. It can be mentioned that it was supposed to be.
In fact, the present inventor has formed a p-type GaN layer (non-pattern forming structure) in which GaN containing Mg is uniformly epitaxially grown on a GaN substrate layer by the MOCVD method (gas phase growth method), similar to a commercially available LED. Although it has been reported that heat is applied to the surface (see Non-Patent Document 4, the recoil implantation method has not been carried out), in this case, the Mg diffuses abnormally into the GaN base material layer. Has been confirmed.
本発明は、従来技術における前記諸問題を解決し、Ｓｉデバイスと同様のデバイス構造を形成可能なＧａＮ構造物及びその製造方法を提供することを課題とする。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems in the prior art and to provide a GaN structure capable of forming a device structure similar to a Si device and a method for manufacturing the same.
前記課題を解決するため、本発明者は、更なる研究を進めた結果、前記リコイルインプランテーション法により前記ＧａＮ母材中に前記Ｍｇイオンを注入すると、後続のアニール処理で回復可能な結晶性が維持されるとともに前記Ｍｇの異常拡散が抑制され、前記ＧａＮ母材中に前記ｐ型ＧａＮ領域を形成できることの知見を得た。この知見は、前記Ｓｉデバイスと同様のデバイス構造を構築可能な前記イオンインプランテーション技術を前記ＧａＮに対しても確立できることを意味し、次世代型デバイスである前記ＧａＮデバイスの実用化に向けて飛躍的な前進をもたらす。 In order to solve the above problems, as a result of further research, the present inventor, when the Mg ions are injected into the GaN base material by the recoil implantation method, the crystallinity that can be restored by the subsequent annealing treatment is obtained. It was found that the p-type GaN region can be formed in the GaN base material while being maintained and the abnormal diffusion of Mg is suppressed. This knowledge means that the ion implantation technology capable of constructing a device structure similar to the Si device can be established for the GaN, and a leap toward the practical use of the GaN device, which is a next-generation device. Bringing forward.
本発明は、前記知見に基づくものであり、前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
＜１＞ 少なくとも、凹部を持つように配されｎ型又はノンドープとされるＧａＮ母材領域と、Ｍｇをｐ型不純物として含み前記凹部内に配されるｐ型ＧａＮ領域とを含む層状のＧａＮ構造部を有し、前記ｐ型ＧａＮ領域に対するＲＢＳ法に基づくチャネリング測定により測定され、次式、Ｈｃ／Ｈｒで表される最小後方散乱収量χｍｉｎが０．１２以下であることを特徴とするＧａＮ構造物。
ただし、前記式中、前記Ｈｃは、前記ｐ型ＧａＮ領域における結晶軸に沿った方向からイオンを入射して得られるチャネリングスペクトルにおいて、表面散乱に伴う後方散乱収量のピーク時の後方散乱イオンエネルギーよりも前記後方散乱イオンエネルギーが小さい範囲の中で、最も小さい値の前記後方散乱収量を示し、前記Ｈｒは、前記結晶軸に沿わない方向から前記イオンを入射して得られるランダムスペクトルにおいて、前記Ｈｃと同じ前記後方散乱イオンエネルギーを持つときの前記後方散乱収量を示す。
＜２＞ ＧａＮ構造部の表面の一部を構成するｐ型ＧａＮ領域の露出面における表面粗さＲＭＳが１．０ｎｍ以下である前記＜１＞に記載のＧａＮ構造物。
＜３＞ ｐ型ＧａＮ領域におけるＭｇ濃度が１×１０１５ｃｍ−３〜１×１０２１ｃｍ−３である前記＜１＞から＜２＞のいずれかに記載のＧａＮ構造物。
＜４＞ ｐ型ＧａＮ領域の露出面の最大径が１０ｎｍ〜１０ｍｍとされる前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載のＧａＮ構造物。
＜５＞ ＧａＮ構造部が、更にｐ型ＧａＮ領域を凹部として前記凹部内に配されるｎ型ＧａＮ領域を含む前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載のＧａＮ構造物。
＜６＞ ＧａＮ構造部の表面上にＧａＮ成長層及び絶縁酸化膜のいずれかの構造物が配される前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載のＧａＮ構造物。
＜７＞ ｎ型又はノンドープとされるＧａＮ母材層上にＭｇ層が積層された積層物に対し、前記Ｍｇ層側から積層方向にリコイルイオンを照射し、前記Ｍｇ層からリコイルされたＭｇイオンを前記ＧａＮ母材層中に注入するリコイルインプランテーション工程と、前記Ｍｇイオンが注入された前記ＧａＮ母材層から前記Ｍｇ層を除去するＭｇ層除去工程と、前記Ｍｇ層が除去された前記ＧａＮ母材層をアニールし、前記ＧａＮ母材層中に注入された前記Ｍｇイオンを活性化させるアニール工程と、を含むことを特徴とするＧａＮ構造物の製造方法。
＜８＞ アニール工程におけるアニール温度が１，０００℃未満である前記＜７＞に記載のＧａＮ構造物の製造方法。
＜９＞ リコイルイオンが窒素イオンである前記＜７＞から＜８＞のいずれかに記載のＧａＮ構造物の製造方法。
The present invention is based on the above findings, and the means for solving the above problems are as follows. That is,
<1> At least, a layered GaN structure including an n-type or non-doped GaN base material region arranged so as to have a recess and a p-type GaN region containing Mg as a p-type impurity and arranged in the recess. It is characterized in that the minimum backward scattering yield χ min expressed by the following equation, H c / H r , is 0.12 or less, which is measured by channeling measurement based on the RBS method for the p-type GaN region. GaN structure.
However, in the above equation, the H c is the backscattered ion energy at the peak of the backscattered yield associated with surface scattering in the channeling spectrum obtained by injecting ions from the direction along the crystal axis in the p-type GaN region. within the scope the backscattered ion energy is less than, shows the backscattering yield the smallest value, the H r is the random spectrum obtained by incidence of the ion from a direction not along the crystal axis, shows the backscattering yield when having the same said backscattered ion energy and the H c.
<2> The GaN structure according to <1>, wherein the surface roughness RMS on the exposed surface of the p-type GaN region forming a part of the surface of the GaN structure portion is 1.0 nm or less.
<3> The GaN structure according to any one of <1> to <2>, wherein the Mg concentration in the p-type GaN region is 1 × 10 15 cm -3 to 1 × 10 21 cm -3 .
<4> The GaN structure according to any one of <1> to <3>, wherein the maximum diameter of the exposed surface of the p-type GaN region is 10 nm to 10 mm.
<5> The GaN structure according to any one of <1> to <4>, wherein the GaN structure portion further includes an n-type GaN region arranged in the recess with the p-type GaN region as a recess.
<6> The GaN structure according to any one of <1> to <5> above, wherein any of the GaN growth layer and the insulating oxide film is arranged on the surface of the GaN structure portion.
<7> The laminate in which the Mg layer is laminated on the n-type or non-doped GaN base material layer is irradiated with recoil ions from the Mg layer side in the lamination direction, and the Mg ions recoiled from the Mg layer. The recoil implantation step of injecting the GaN into the GaN base material layer, the Mg layer removing step of removing the Mg layer from the GaN base material layer into which the Mg ions are injected, and the GaN from which the Mg layer has been removed. A method for producing a GaN structure, which comprises an annealing step of annealing a base material layer and activating the Mg ions injected into the GaN base material layer.
<8> The method for producing a GaN structure according to <7>, wherein the annealing temperature in the annealing step is less than 1,000 ° C.
<9> The method for producing a GaN structure according to any one of <7> to <8>, wherein the recoil ion is a nitrogen ion.
本発明によれば、従来技術における前記諸問題を解決することができ、Ｓｉデバイスと同様のデバイス構造を形成可能なＧａＮ構造物及びその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a GaN structure capable of solving the above-mentioned problems in the prior art and forming a device structure similar to that of a Si device, and a method for manufacturing the same.
（ＧａＮ構造物）
本発明のＧａＮ構造物は、ＧａＮ構造物と、必要に応じて、その他の部材とを有する。
(GaN structure)
The GaN structure of the present invention has a GaN structure and, if necessary, other members.
＜ＧａＮ構造部＞
前記ＧａＮ構造物は、少なくともＧａＮ母材領域と、ｐ型ＧａＮ領域とを含む層状の部材として構成される。
<GaN structure part>
The GaN structure is configured as a layered member including at least a GaN base material region and a p-type GaN region.
−ＧａＮ母材領域−
前記ＧａＮ母材領域は、凹部を持つように配されｎ型又はノンドープ領域として構成される。
前記ＧａＮ母材領域は、ＧａＮ母材層に対し、後述のＧａＮ構造物の製造方法によって形成され、前記ＧａＮ母材層中に対するＭｇイオンの注入に伴うｐ型化により、ｐ型化される領域を除く残部で前記凹部が形成される。
前記ＧａＮ母材層の構成材、つまり、前記ＧａＮ母材領域の構成材としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、前記ＧａＮ母材領域がノンドープ領域とされる場合、公知のＧａＮ基板を用いることができ、ｎ型の導電性とされる場合、前記ＧａＮ基板にｎ型不純物（例えば、Ｓｉ）をイオン注入したものや、前記ＧａＮ基板上にエピタキシャル成長させたＧａＮ層に前記ｎ型不純物をイオン注入したものが挙げられる。なお、前記ｎ型不純物のイオン注入は、ｐ型不純物（Ｍｇ）のイオン注入と異なり、ＧａＮに対するダメージが少なく、ｎ型ＧａＮの形成方法として広く行われている。
-GaN base material region-
The GaN base material region is arranged so as to have a recess and is configured as an n-type or non-doped region.
The GaN base material region is formed on the GaN base material layer by the method for manufacturing a GaN structure described later, and is p-shaped by p-type formation accompanying injection of Mg ions into the GaN base material layer. The recess is formed in the remaining portion excluding.
The constituent material of the GaN base material layer, that is, the constituent material of the GaN base material region is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the intended purpose, and the GaN base material region is a non-doped region. , A known GaN substrate can be used, and when it is considered to be n-type conductive, an n-type impurity (for example, Si) is ion-injected into the GaN substrate, or a GaN layer epitaxially grown on the GaN substrate. The n-type impurity is ion-injected into the above. The ion implantation of the n-type impurity is different from the ion implantation of the p-type impurity (Mg) in that it causes less damage to GaN and is widely used as a method for forming n-type GaN.
−ｐ型ＧａＮ領域−
前記ｐ型ＧａＮ領域は、前記Ｍｇを前記ｐ型不純物として含み前記凹部内に配される領域として構成される。
前記ｐ型ＧａＮ領域は、後述の前記ＧａＮ構造物の製造方法によって形成され、リコイルインプランテーション技術により、前記ＧａＮ構造部中に前記ＧａＮのｐ型領域が任意にパターン形成できる点が、技術の中核をなす。
即ち、前記リコイルインプランテーション技術によれば、前記ＧａＮ母材層に対し、前記Ｍｇのイオン注入による構造ダメージが抑制された前記ｐ型ＧａＮ領域の形成を行うことができる。
-P-type GaN region-
The p-type GaN region is configured as a region containing the Mg as the p-type impurity and arranged in the recess.
The p-type GaN region is formed by the method for manufacturing the GaN structure described later, and the core of the technology is that the p-type region of the GaN can be arbitrarily patterned in the GaN structure portion by the recoil implantation technique. Make.
That is, according to the recoil implantation technique, it is possible to form the p-type GaN region in the GaN base material layer in which structural damage due to the ion implantation of Mg is suppressed.
前記ｐ型ＧａＮ領域としては、前記Ｍｇのイオン注入による構造ダメージが抑制されることから、領域中のＧａＮ結晶構造が少ないダメージのまま維持される。
結晶構造の一般的な評価方法としては、ＲＢＳ法（ラザフォード後方散乱分析法）による評価方法が挙げられ、本発明に係る前記ＧａＮ構造物は、少ダメージの前記ＧａＮ結晶構造を持つものとして、前記ｐ型ＧａＮ領域に対するＲＢＳ法に基づくチャネリング測定により測定され、次式、Ｈｃ／Ｈｒで表される最小後方散乱収量χｍｉｎが０．１２以下であることを特徴とする。
ただし、前記式中、前記Ｈｃは、前記ｐ型ＧａＮ領域における結晶軸に沿った方向からイオンを入射して得られるチャネリングスペクトルにおいて、表面散乱に伴う後方散乱収量のピーク時の後方散乱イオンエネルギーよりも前記後方散乱イオンエネルギーが小さい範囲の中で、最も小さい値の前記後方散乱収量を示し、前記Ｈｒは、前記結晶軸に沿わない方向から前記イオンを入射して得られるランダムスペクトルにおいて、前記Ｈｃと同じ前記後方散乱イオンエネルギーを持つときの前記後方散乱収量を示す。
また、前記最小後方散乱収量χｍｉｎとしては、値が小さい程、少ダメージ構造を持つことから、更に、０．０４以下であることが好ましい。なお、前記最小後方散乱収量χｍｉｎの下限としては、０を超える値である。
In the p-type GaN region, structural damage due to the ion implantation of Mg is suppressed, so that the GaN crystal structure in the region is maintained with little damage.
As a general evaluation method of the crystal structure, an evaluation method by the RBS method (Rutherford backscatter analysis method) can be mentioned, and the GaN structure according to the present invention is said to have the GaN crystal structure with little damage. It is measured by channeling measurement based on the RBS method for the p-type GaN region, and is characterized in that the minimum backscatter yield χ min expressed by the following equation, H c / H r , is 0.12 or less.
However, in the above equation, the H c is the backscattered ion energy at the peak of the backscattered yield associated with surface scattering in the channeling spectrum obtained by injecting ions from the direction along the crystal axis in the p-type GaN region. within the scope the backscattered ion energy is less than, shows the backscattering yield the smallest value, the H r is the random spectrum obtained by incidence of the ion from a direction not along the crystal axis, shows the backscattering yield when having the same said backscattered ion energy and the H c.
Further, the minimum backscattering yield χ min is preferably 0.04 or less because the smaller the value, the smaller the damage structure. The lower limit of the minimum backscattering yield χ min is a value exceeding 0.
前記ｐ型ＧａＮ領域におけるＭｇ濃度としては、後述のリコイルインプランテーション工程におけるリコイルイオンの照射エネルギー及びドーズ量の設定により幅広く調整することができ、目的とするデバイス構造に応じて、１×１０１５ｃｍ−３〜１×１０２１ｃｍ−３とすることができる。こうした幅広い範囲でのＭｇ濃度を調整できることは、様々なＧａＮデバイスを構築するうえで、重要な利点となる。 The Mg concentration in the p-type GaN region can be widely adjusted by setting the irradiation energy and dose amount of recoil ions in the recoil implantation step described later, and is 1 × 10 15 cm depending on the target device structure. It can be -3 to 1 × 10 21 cm -3 . Being able to adjust the Mg concentration in such a wide range is an important advantage in constructing various GaN devices.
前記ＧａＮ構造部としては、更に前記ｐ型ＧａＮ領域を凹部として前記凹部内に配されるｎ型ＧａＮ領域を含むことができる。
即ち、前記ｐ型ＧａＮ領域では、構造ダメージが抑制されることから、更なる前記ｎ型不純物（例えば、Ｓｉ）のイオン注入を行って前記ｐ型ＧａＮ領域中に前記ｎ型ＧａＮ領域を入れ子状に形成することができる。
なお、前記ｎ型不純物のイオン注入方法としては、公知のイオン注入方法を適用することができる。
The GaN structure can further include an n-type GaN region arranged in the recess with the p-type GaN region as a recess.
That is, since structural damage is suppressed in the p-type GaN region, further ion implantation of the n-type impurity (for example, Si) is performed to nest the n-type GaN region in the p-type GaN region. Can be formed into.
As the ion implantation method for the n-type impurity, a known ion implantation method can be applied.
前記ｐ型ＧａＮ領域は、一様な膜ではなく、前記ＧａＮ母材層の任意の位置にパターン形成される。つまり、前記ＧａＮ母材領域の前記凹部内の構造として狙った領域に形成されることで、様々な前記ＧａＮデバイス構造の実現に寄与する。
前記ｐ型ＧａＮ領域の形成領域に対する制限要素としては、マスクを用いたリソグラフィー加工技術の加工限界、前記ＧａＮ母材層に注入された前記Ｍｇの熱拡散が挙げられ、これらの制限要素に基づく、前記ｐ型ＧａＮ領域の露出面の最大径としては、１０ｎｍ〜１０ｍｍとすることができ、こうした幅広い範囲で前記最大径を設定することができることは、様々なＧａＮデバイスを構築するうえで、重要な利点となる。
なお、前記最大径は、前記ＧａＮ構造部の表面側から視たときの前記ｐ型ＧａＮ領域の外郭における最大径を意味し、前記ＧａＮ母材領域の前記凹部の内径とも一致して、前記ｐ型ＧａＮ領域中に前記ｎ型ＧａＮ領域を形成した場合でも、前記ｎ型ＧａＮ領域の形成前後で変わりのない概念である。
The p-type GaN region is not a uniform film, but a pattern is formed at an arbitrary position on the GaN base material layer. That is, it contributes to the realization of various GaN device structures by being formed in the target region as the structure in the recess of the GaN base material region.
Examples of the limiting factor for the formation region of the p-type GaN region include the processing limit of the lithography processing technique using a mask and the thermal diffusion of the Mg injected into the GaN base material layer, and are based on these limiting factors. The maximum diameter of the exposed surface of the p-type GaN region can be 10 nm to 10 mm, and it is important to be able to set the maximum diameter in such a wide range in constructing various GaN devices. It will be an advantage.
The maximum diameter means the maximum diameter in the outer shell of the p-type GaN region when viewed from the surface side of the GaN structure portion, and coincides with the inner diameter of the recess in the GaN base material region. Even when the n-type GaN region is formed in the type GaN region, it is a concept that does not change before and after the formation of the n-type GaN region.
前記ＧａＮ構造部は、前記Ｍｇイオンの注入に伴う構造ダメージが抑制された特徴を持つ前記ｐ型ＧａＮ領域を含む。
このｐ型ＧａＮ領域の特徴は、前記Ｍｇイオンの注入に伴う前記ｐ型ＧａＮ領域の表面荒れを抑制できることをも意味し、前記ＧａＮ構造部に対し、更に、前記ＧａＮ構造部の表面の一部を構成する前記ｐ型ＧａＮ領域の前記露出面における表面粗さＲＭＳが小さいとの特徴を与える。
具体的には、前記表面粗さＲＭＳを１．０ｎｍ以下とすることができ、０．５ｎｍ以下とすることが好ましい。
この特徴は、前記ｐ型ＧａＮ領域上にエピタキシャル成長層としてのＧａＮ成長層や絶縁酸化膜などの任意のデバイス構造を前記ＧａＮ構造部の表面上に付加するうえで重要な利点を与える。
なお、前記表面粗さＲＭＳの下限としては、特に制限はないが、前記表面粗さＲＭＳの値は、前記ｐ型ＧａＮ領域の形成対象となる前記ＧａＮ母材層からＭｇ層を除去する際に増加し、その増加は、０．０９６ｎｍ程度に抑えることができることから、前記ＧａＮ母材層として前記表面粗さが最も小さいものを想定して０．１１ｎｍとすることができる。
また、前記表面粗さＲＭＳとしては、前記ｐ型ＧａＮ領域の前記露出面の大きさにもよるが、任意に選択した一定領域（例えば、２μｍ四方程度）の測定結果で、前記露出面全体の測定結果に代えることが許される。
The GaN structural portion includes the p-type GaN region having a feature that structural damage due to injection of the Mg ion is suppressed.
The feature of this p-type GaN region also means that the surface roughness of the p-type GaN region due to the injection of the Mg ion can be suppressed, and a part of the surface of the GaN structure portion is further with respect to the GaN structure portion. It gives a feature that the surface roughness RMS on the exposed surface of the p-type GaN region constituting the above is small.
Specifically, the surface roughness RMS can be 1.0 nm or less, preferably 0.5 nm or less.
This feature provides an important advantage in adding an arbitrary device structure such as a GaN growth layer as an epitaxial growth layer or an insulating oxide film on the surface of the GaN structure portion on the p-type GaN region.
The lower limit of the surface roughness RMS is not particularly limited, but the value of the surface roughness RMS is used when the Mg layer is removed from the GaN base material layer to be formed of the p-type GaN region. Since it increases and the increase can be suppressed to about 0.096 nm, it can be 0.11 nm assuming that the GaN base material layer has the smallest surface roughness.
Further, the surface roughness RMS depends on the size of the exposed surface of the p-type GaN region, but the measurement result of an arbitrarily selected fixed region (for example, about 2 μm square) shows the entire exposed surface. It is allowed to replace the measurement result.
＜その他の部材＞
前記その他の部材としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記ＧａＮ成長層、前記絶縁酸化膜などが挙げられる。
<Other parts>
The other member is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. Examples thereof include the GaN growth layer and the insulating oxide film.
前記ＧａＮ成長層としては、特に制限はなく、例えば、公知のエピタキシャル成長法により前記ｐ型ＧａＮ領域の前記露出面を含む前記ＧａＮ構造部の表面に成長させたＧａＮ層が挙げられる。
前記絶縁酸化膜としては、特に制限はなく、例えば、公知のＭＯＳＦＥＴ構造に採用される種々の絶縁酸化膜が挙げられ、これらは、公知の形成方法により形成することができる。
The GaN growth layer is not particularly limited, and examples thereof include a GaN layer grown on the surface of the GaN structure including the exposed surface of the p-type GaN region by a known epitaxial growth method.
The insulating oxide film is not particularly limited, and examples thereof include various insulating oxide films used in known MOSFET structures, and these can be formed by a known forming method.
前記ＧａＮ成長層及び前記絶縁酸化膜が面上に形成された状態の前記ｐ型ＧａＮ領域の前記表面粗さＲＭＳとしては、直接的に測定することが難しいが、前記ｐ型ＧａＮ領域の表面荒れが大きいと正常な前記ＧａＮ成長層及び前記絶縁酸化膜が形成されないことから、これらが形成されていること自体が、前記ｐ型ＧａＮ領域の表面荒れを抑制できていることを示しているといえる。 Although it is difficult to directly measure the surface roughness RMS of the p-type GaN region in which the GaN growth layer and the insulating oxide film are formed on the surface, the surface roughness of the p-type GaN region is rough. If the value is large, the normal GaN growth layer and the insulating oxide film are not formed. Therefore, it can be said that the formation of these layers itself indicates that the surface roughness of the p-type GaN region can be suppressed. ..
続いて、図面を参照しつつ本発明に係る前記ＧａＮ構造物の例を簡単に説明する。
先ず、図１に第１実施形態に係るＧａＮ構造物の概要を示す断面図を示す。
該図１に示すようにＧａＮ構造物１は、説明用の単純な例として前記ＧａＮ構造部自身として構成され、ＧａＮ母材領域２の凹部にｐ型ＧａＮ領域３が埋設されるように配されて構成される。
なお、ＧａＮ母材領域２としては、ｎ型の導電性を持つものとして図示するが、ノンドープのものでもよい。
また、ｐ型ＧａＮ領域３の露出面の最大径としては、符号Ｗで示す径が該当し、１０ｎｍ〜１０ｍｍの範囲で設定できる。
Subsequently, an example of the GaN structure according to the present invention will be briefly described with reference to the drawings.
First, FIG. 1 shows a cross-sectional view showing an outline of the GaN structure according to the first embodiment.
As shown in FIG. 1, the GaN structure 1 is configured as the GaN structure itself as a simple example for explanation, and is arranged so that the p-type GaN region 3 is embedded in the recess of the GaN base material region 2. It is composed of.
Although the GaN base material region 2 is shown as having n-type conductivity, it may be non-doped.
Further, the maximum diameter of the exposed surface of the p-type GaN region 3 corresponds to the diameter indicated by the reference numeral W, and can be set in the range of 10 nm to 10 mm.
次に、図２に第２実施形態に係るＧａＮ構造物の概要を示す断面図を示す。
該図２に示すようにＧａＮ構造物１’は、説明用の単純な例として前記ＧａＮ構造部自身として構成され、ＧａＮ構造物１におけるｐ型ＧａＮ領域３中にｎ型ＧａＮ領域４が入れ子状に形成されて構成される。
Next, FIG. 2 shows a cross-sectional view showing an outline of the GaN structure according to the second embodiment.
As shown in FIG. 2, the GaN structure 1'is configured as the GaN structure itself as a simple example for explanation, and the n-type GaN region 4 is nested in the p-type GaN region 3 in the GaN structure 1. It is formed and composed of.
これらの実施形態の例に示すように、本発明の前記ＧａＮ構造物によれば、任意の狙った位置にｐｎ接合を形成することができ、また、第２実施形態の例では、ｎｐｎ構造を形成することができる。
なお、これらの実施形態の例は、限定された例示に係り、本発明の前記ＧａＮ構造物の思想は、これらの例に限られない。
例えば、図２に示すｎ型ＧａＮ領域４中に別の前記ｐ型ＧａＮ領域を形成して、ｐｎｐ構造を形成することができ、また、図２に示すＧａＮ構造物１’の表面上に前記ＧａＮのエピタキシャル成長層などを与えて任意の低損失パワーデバイスや高周波電子デバイスの構造を与えてもよいし、前記絶縁酸化膜などを与えてＭＯＳＦＥＴ構造を与えてもよい。
これらの構造は、本発明に係る前記ＧａＮ構造物の製造方法に基づく前記ＧａＮ母材層への前記ｐ型ＧａＮ領域の形成に起因する。以下、詳述する。
As shown in the examples of these embodiments, according to the GaN structure of the present invention, a pn junction can be formed at an arbitrary target position, and in the example of the second embodiment, the npn structure is formed. Can be formed.
The examples of these embodiments relate to limited examples, and the idea of the GaN structure of the present invention is not limited to these examples.
For example, another p-type GaN region can be formed in the n-type GaN region 4 shown in FIG. 2 to form a pnp structure, and the GaN structure 1'shown in FIG. 2 can be covered with the p-type GaN region. An epitaxial growth layer of GaN may be given to give a structure of an arbitrary low-loss power device or a high-frequency electronic device, or the insulating oxide film or the like may be given to give a MOSFET structure.
These structures are due to the formation of the p-type GaN region on the GaN base material layer based on the method for producing the GaN structure according to the present invention. The details will be described below.
（ＧａＮ構造物の製造方法）
本発明に係る前記ＧａＮ構造物の製造方法は、リコイルインプランテーション工程、Ｍｇ層除去工程、アニール工程を含み、必要に応じて、その他の工程を含み得る。
(Manufacturing method of GaN structure)
The method for producing the GaN structure according to the present invention includes a recoil implantation step, a Mg layer removing step, and an annealing step, and may include other steps if necessary.
＜リコイルインプランテーション工程＞
前記リコイルインプランテーション工程は、ｎ型又はノンドープとされるＧａＮ母材層上にＭｇ層が積層された積層物に対し、前記Ｍｇ層側から積層方向にリコイルイオンを照射し、前記Ｍｇ層からリコイルされたＭｇイオンを前記ＧａＮ母材層中に注入する工程である。
<Recoil implantation process>
In the recoil implantation step, a laminate in which an Mg layer is laminated on an n-type or non-doped GaN base material layer is irradiated with recoil ions from the Mg layer side in the stacking direction, and the Mg layer is recoiled. This is a step of injecting the obtained Mg ions into the GaN base material layer.
前記ＧａＮ母材層としては、特に制限はなく、公知の前記ＧａＮ基板や前記ｎ型不純物を導入された公知の層を挙げることができる。 The GaN base material layer is not particularly limited, and examples thereof include a known GaN substrate and a known layer into which the n-type impurity is introduced.
前記ＧａＮ母材層に対する前記Ｍｇ層の積層方法としては、特に制限はなく、公知の蒸着法などが挙げられる。 The method for laminating the Mg layer on the GaN base material layer is not particularly limited, and examples thereof include known vapor deposition methods.
前記リコイルイオンの照射方法としては、特に制限はなく、公知のイオン注入法に用いられる各種イオン注入装置を用いた照射方法が挙げられる。
即ち、前記リコイルインプランテーション工程では、既存のイオン注入装置を用いたイオンインプランテーションを行うことができ、新たな設備を導入するコストを削減することができる。
The recoil ion irradiation method is not particularly limited, and examples thereof include an irradiation method using various ion implantation devices used in known ion implantation methods.
That is, in the recoil implantation step, ion implantation using an existing ion implantation device can be performed, and the cost of introducing new equipment can be reduced.
目的とする前記ｐ型ＧａＮ領域中の前記Ｍｇ濃度としては、前記リコイルイオンの照射エネルギー及びドーズ量により設定することができる。
例えば、前記Ｍｇ濃度を１×１０１５ｃｍ−３〜１×１０２１ｃｍ−３とする場合、イオンと固体原子の衝突過程を取り扱う公知の古典動力学に基づき、前記Ｍｇ層の前記ＧａＮ母材層との界面近くに入射ピークの深さを設定した前記照射エネルギーを選択し、Ｍｇ濃度が設定値になるように前記ドーズ量を決定すればよい。
The Mg concentration in the target p-type GaN region can be set by the irradiation energy and dose amount of the recoil ions.
For example, when the Mg concentration is 1 × 10 15 cm -3 to 1 × 10 21 cm -3 , the GaN base material of the Mg layer is based on known classical dynamics dealing with the collision process between ions and solid atoms. The irradiation energy in which the depth of the incident peak is set near the interface with the layer may be selected, and the dose amount may be determined so that the Mg concentration becomes the set value.
前記リコイルイオンとしては、特に制限はないが、窒素イオンが好ましい。前記ＧａＮ母材層に前記Ｍｇイオンを注入する際に前記ＧａＮ母材層からＧａＮ中の窒素が弾き出される場合があり、前記リコイルイオンとして前記窒素イオンを選択すると、前記Ｍｇ層を通過して前記ＧａＮ母材層から弾き出された窒素と置き換わることが期待できる。 The recoil ion is not particularly limited, but nitrogen ion is preferable. Nitrogen in GaN may be ejected from the GaN base material layer when the Mg ions are injected into the GaN base material layer, and when the nitrogen ions are selected as the recoil ions, the nitrogen ions pass through the Mg layer and said. It can be expected to replace the nitrogen ejected from the GaN base material layer.
＜Ｍｇ層除去工程＞
前記Ｍｇイオンが注入された前記ＧａＮ母材層から前記Ｍｇ層を除去する工程である。
前記Ｍｇ除去工程の実施方法としては、特に制限はなく、例えば、純水と反応させて除去する方法が挙げられる。また、前記純水との反応後、残渣物がある場合には、更に塩酸と反応させて除去することができる。
このような除去方法によれば、除去後の前記ＧａＮ母材層表面における表面粗さの増大を抑制することができる。
<Mg layer removal process>
This is a step of removing the Mg layer from the GaN base material layer into which the Mg ions have been injected.
The method for carrying out the Mg removing step is not particularly limited, and examples thereof include a method of reacting with pure water to remove the Mg. Further, if there is a residue after the reaction with the pure water, it can be further reacted with hydrochloric acid to remove it.
According to such a removal method, it is possible to suppress an increase in surface roughness on the surface of the GaN base material layer after removal.
＜アニール工程＞
前記Ｍｇ層が除去された前記ＧａＮ母材層をアニールし、前記ＧａＮ母材層中に注入された前記Ｍｇイオンを活性化させる工程である。
前記アニール工程の実施方法としては、公知のアニール装置を用いたアニール方法が挙げられる。即ち、前記アニール工程では、既存の設備を用いることができ、新たな設備を導入するコストを削減することができる。
<Annealing process>
This is a step of annealing the GaN base material layer from which the Mg layer has been removed and activating the Mg ions injected into the GaN base material layer.
Examples of the method for carrying out the annealing step include an annealing method using a known annealing device. That is, in the annealing step, existing equipment can be used, and the cost of introducing new equipment can be reduced.
前記アニール工程におけるアニール温度としては、特に制限はないが、１，０００℃未満であることが好ましい。
このようなアニール温度であると、前記ＧａＮ母材層中の前記Ｍｇが意図しない位置に拡散することを抑制することができる。
なお、前記アニール温度の下限としては、前記Ｍｇイオンの注入時に生じた構造ダメージを回復する観点から７００℃以上であることが好ましく、８００°以上であることがより好ましい。
The annealing temperature in the annealing step is not particularly limited, but is preferably less than 1,000 ° C.
At such an annealing temperature, it is possible to prevent the Mg from diffusing into an unintended position in the GaN base material layer.
The lower limit of the annealing temperature is preferably 700 ° C. or higher, more preferably 800 ° C. or higher, from the viewpoint of recovering the structural damage caused during the injection of the Mg ions.
続いて、図３（ａ）〜（ｄ）を参照しつつ本発明に係る前記ＧａＮ構造物の製造方法の例を説明する。なお、図３（ａ）〜（ｄ）は、第１実施形態に係るＧａＮ構造物の製造工程を説明するための断面図（１）〜（４）である。 Subsequently, an example of the method for manufacturing the GaN structure according to the present invention will be described with reference to FIGS. 3 (a) to 3 (d). 3 (a) to 3 (d) are cross-sectional views (1) to (4) for explaining the manufacturing process of the GaN structure according to the first embodiment.
先ず、ステンシルマスクやフォトマスクを用いたレジストパターンの形成加工を行い、ＧａＮ母材層２（ここでは、説明の簡便さのため、第１実施形態におけるＧａＮ母材領域２と同じ符号を用いる）上の所定の位置にレジスト層５を形成する（図３（ａ）参照）。
次に、レジスト層５が形成されたＧａＮ母材層２に対してＭｇ層６を蒸着形成後、前記イオン注入装置に入れ、Ｍｇ層６側から積層方向に前記リコイルイオンをイオン照射し、Ｍｇ層６からリコイルされた前記ＭｇイオンをＧａＮ母材層２に注入する（図３（ｂ）参照）。ここで、ＧａＮ母材層２に注入された前記Ｍｇイオンは、Ｍｇイオン注入領域３’を形成する（図３（ｃ）参照）。
次に、Ｍｇイオン注入領域３’が形成されたＧａＮ母材層２を公知のアニール装置に入れて加熱処理を行い、Ｍｇイオン注入領域３’が活性化されたｐ型ＧａＮ領域３を形成し、図１に示した第１実施形態に係るＧａＮ構造物を製造する（図３（ｄ）参照）。
なお、レジスト層５，Ｍｇ層６によるパターン形成方法は、一例を示すものであり、レジスト層５，Ｍｇ層６に代えて、ｐ型ＧａＮ領域３と同様の構造を形成可能な他のリソグラフィー加工技術を適宜採用することができる。
First, a resist pattern is formed using a stencil mask or a photomask, and the GaN base material layer 2 (here, for the sake of simplicity of explanation, the same reference numerals as those of the GaN base material region 2 in the first embodiment are used). A resist layer 5 is formed at a predetermined position on the top (see FIG. 3A).
Next, after the Mg layer 6 is deposited and formed on the GaN base material layer 2 on which the resist layer 5 is formed, the Mg layer 6 is placed in the ion implantation device, and the recoil ions are ion-implanted from the Mg layer 6 side in the stacking direction to Mg. The Mg ions recoiled from the layer 6 are implanted into the GaN base material layer 2 (see FIG. 3B). Here, the Mg ions implanted into the GaN base material layer 2 form the Mg ion implantation region 3'(see FIG. 3C).
Next, the GaN base material layer 2 in which the Mg ion implantation region 3'is formed is placed in a known annealing device and heat-treated to form a p-type GaN region 3 in which the Mg ion implantation region 3'is activated. , The GaN structure according to the first embodiment shown in FIG. 1 is manufactured (see FIG. 3D).
The pattern forming method using the resist layer 5 and the Mg layer 6 is an example, and other lithography processing capable of forming the same structure as the p-type GaN region 3 instead of the resist layer 5 and the Mg layer 6 is shown. The technology can be adopted as appropriate.
こうした本発明に係る前記ＧａＮ構造物の製造方法によれば、前記イオン注入法に代わる前記リコイルインプランテーション技術を採用するため、前記Ｍｇがイオン注入されたＧａＮ母材層２における構造ダメージが抑制され、かつ、この構造ダメージが前記アニール工程により回復される。
したがって、本発明に係る前記ＧａＮ構造物の製造方法によれば、前記イオン注入法による前記Ｓｉデバイスの作製に匹敵する前記不純物物質（Ｍｇ）のイオンインプランテーションを前記リコイルインプランテーション技術により前記ＧａＮデバイスに適用することができ、次世代型デバイスである前記ＧａＮデバイスの実用化に向けて飛躍的な前進をもたらすことができる。
According to the method for producing the GaN structure according to the present invention, since the recoil implantation technique is adopted instead of the ion implantation method, structural damage in the GaN base material layer 2 in which the Mg is ion-implanted is suppressed. Moreover, this structural damage is recovered by the annealing step.
Therefore, according to the method for producing the GaN structure according to the present invention, the ion implantation of the impurity substance (Mg), which is comparable to the production of the Si device by the ion implantation method, is performed by the recoil implantation technique. It can be applied to, and can bring a dramatic step toward the practical use of the GaN device, which is a next-generation device.
＜その他の工程＞
前記その他の工程としては、特に制限はなく、目的とするデバイス構造（例えば、図２など）に応じて、前記ＧａＮ母材層に公知のデバイス構造部を付加するための公知の工程が挙げられる。
<Other processes>
The other steps are not particularly limited, and examples thereof include known steps for adding a known device structure portion to the GaN base material layer according to a target device structure (for example, FIG. 2). ..
（実施例１）
図４に示す構成で実施例１に係るＧａＮ構造物を製造した。具体的な製造条件は、次の通りである。なお、図４は、実施例１に係るＧａＮ構造物の概要を示す断面図である。また、ここでは、前記リコイルインプランテーション技術により前記ｐ型ＧａＮ領域が形成できるかを関心事とするため、図４に示す構成に示す通り、前記ＧａＮ母材領域中に前記ｐ型ＧａＮ領域をパターン形成せず、一様な層として形成している。
(Example 1)
The GaN structure according to Example 1 was manufactured with the configuration shown in FIG. The specific manufacturing conditions are as follows. Note that FIG. 4 is a cross-sectional view showing an outline of the GaN structure according to the first embodiment. Further, since it is of concern here whether the p-type GaN region can be formed by the recoil implantation technique, the p-type GaN region is patterned in the GaN base material region as shown in the configuration shown in FIG. It is not formed, but is formed as a uniform layer.
先ず、ＧａＮ基板１７としてＧａＮ基板（三菱化学社製、Ｃ軸配向ＧａＮ基板）を用意した。このＧａＮ基板１７は、転位集中基板であり、７００μｍピッチで故意に導入した転位により、その他の領域の転位が低減されているものである。また、ＧａＮ基板１７は、ＧａＮで形成される自立基板である。また、ＧａＮ基板１７は、表面における結晶構造がＣ軸配向されたものである。
次に、ＧａＮ基板１７の表面上にＭＯＣＶＤ装置（大陽日酸社製）を用いて、ｎ型不純物としてのＳｉが２×１０１６ｃｍ−３の濃度でドープされたｎ型ＧａＮ層１２を厚み１０μｍで形成した。
次に、ｎ型ＧａＮ層１２の表面上に真空蒸着装置（北野精機社製）を用いて、Ｍｇ層を２５０ｎｍの厚みで形成した。
次に、イオン注入装置（ULVAC社製、IH-800UPS）を用い、これらの積層体に対して前記Ｍｇ層側から積層方向に窒素イオンを１２０ｋｅＶの照射エネルギー、２×１０１６ｃｍ−２のドーズ量設定で照射し、前記Ｍｇ層からリコイルされた前記Ｍｇイオンをｎ型ＧａＮ層１２に注入し、ｎ型ＧａＮ層１２の表面側を前記Ｍｇイオンの注入領域とするリコイルイオンプランテーション工程を実施した。
次に、前記リコイルイオンプランテーション工程後の試料を純水に入れ、前記Ｍｇイオンの注入領域上に存する前記Ｍｇ層を除去するＭｇ層除去工程を実施した。
次に、前記Ｍｇ層除去工程後の試料をＭＯＣＶＤ装置（AIXTRON社製）に入れ、窒素雰囲気下、９４８℃で１時間加熱した後、更に大気下、７００℃で０．５時間加熱するアニール工程を実施し、ｎ型ＧａＮ層１２の表面側をｐ型ＧａＮ層１３とした。
以上により、実施例１としてＧａＮ構造物１０を製造した。
First, a GaN substrate (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, C-axis oriented GaN substrate) was prepared as the GaN substrate 17. The GaN substrate 17 is a dislocation-concentrated substrate, and dislocations in other regions are reduced by dislocations intentionally introduced at a pitch of 700 μm. Further, the GaN substrate 17 is a self-supporting substrate formed of GaN. Further, the GaN substrate 17 has a C-axis oriented crystal structure on the surface.
Next, using a MOCVD apparatus (manufactured by Taiyo Nippon Sanso Co., Ltd.) on the surface of the GaN substrate 17, an n-type GaN layer 12 doped with Si as an n-type impurity at a concentration of 2 × 10 16 cm -3 was formed. It was formed with a thickness of 10 μm.
Next, an Mg layer having a thickness of 250 nm was formed on the surface of the n-type GaN layer 12 using a vacuum vapor deposition apparatus (manufactured by Kitano Seiki Co., Ltd.).
Next, using an ion implanter (ULVAC, IH-800UPS), an irradiation energy of 120 keV of nitrogen ions in the stacking direction from the Mg layer side to these laminated bodies, a dose of 2 × 10 16 cm- 2 . Irradiation was performed at an amount setting, the Mg ions recoiled from the Mg layer were implanted into the n-type GaN layer 12, and a recoil ion plantation step was carried out in which the surface side of the n-type GaN layer 12 was the implantation region of the Mg ions. ..
Next, the sample after the recoil ion plantation step was put into pure water, and the Mg layer removing step of removing the Mg layer existing on the Mg ion implantation region was carried out.
Next, the sample after the Mg layer removal step is placed in a MOCVD apparatus (manufactured by AIXTRON), heated at 948 ° C. for 1 hour under a nitrogen atmosphere, and then further heated at 700 ° C. for 0.5 hours under an atmosphere. Was carried out, and the surface side of the n-type GaN layer 12 was designated as the p-type GaN layer 13.
As described above, the GaN structure 10 was manufactured as Example 1.
走査型プローブ顕微鏡（日立ハイテクサイエンス社製、AFM5100N）を用いた実施例１に係るＧａＮ構造物の表面粗さＲＭＳの測定結果について説明する。
図５（ａ）に前記Ｍｇ層形成前のｎ型ＧａＮ層１２の表面の様子を示す。また、図５（ｂ）に前記Ｍｇ層除去後のｎ型ＧａＮ層１２の表面の様子を示す。
測定結果として得られた前記Ｍｇ層形成前、つまり元々ｎ型ＧａＮ層１２が有していた表面粗さＲＭＳは、０．０９４ｎｍであり、また、前記Ｍｇ層除去後の表面粗さＲＭＳは、０．１９ｎｍであったことから、前記Ｍｇ層除去時にｎ型ＧａＮ層１２の表面に荒れを与えることなく、かつ、前記Ｍｇ層除去工程後のｎ型ＧａＮ層１２では、残存Ｍｇがほとんど存在していない状態と評価できる。
また、前記アニール工程実施後の表面粗さＲＭＳは、ダメージ回復により、前記Ｍｇ層除去後の０．１９ｎｍと同等かそれ以下の値を持つことが想定される。
The measurement result of the surface roughness RMS of the GaN structure according to Example 1 using a scanning probe microscope (AFM5100N manufactured by Hitachi High-Tech Science Co., Ltd.) will be described.
FIG. 5A shows the state of the surface of the n-type GaN layer 12 before the Mg layer is formed. Further, FIG. 5B shows the state of the surface of the n-type GaN layer 12 after the Mg layer is removed.
The surface roughness RMS obtained as a result of the measurement before the formation of the Mg layer, that is, the surface roughness RMS originally possessed by the n-type GaN layer 12 was 0.094 nm, and the surface roughness RMS after the removal of the Mg layer was Since it was 0.19 nm, the surface of the n-type GaN layer 12 was not roughened when the Mg layer was removed, and the n-type GaN layer 12 after the Mg layer removal step had almost no residual Mg. It can be evaluated as not being.
Further, it is assumed that the surface roughness RMS after the annealing step is equal to or less than 0.19 nm after the Mg layer is removed due to damage recovery.
次に、二次イオン質量分析装置（CAMECA社製、IMS 4f）を用いた実施例１に係るＧａＮ構造物のＳＩＭＳ測定（二次イオン質量分析）の測定結果について説明する。
図６に実施例１に係るＧａＮ構造物に対するＳＩＭＳ測定の測定結果を示す。
該図６に示すように、実施例１に係るＧａＮ構造物（図中、「recoil implantation」参照）では、前記Ｍｇ層中の前記Ｍｇがｎ型ＧａＮ層１２の表面から深い位置まで移動していることが確認される。なお、図中、「w/o implantation」は、実施例１において前記リコイルインプランテーション工程のみを実施しない状態の参考試料におけるＭｇプロファイルを示したものであり、前記アニール工程による熱拡散に起因した前記Ｍｇの移動が極浅い位置でのみ確認される。
Next, the measurement result of SIMS measurement (secondary ion mass spectrometry) of the GaN structure according to Example 1 using a secondary ion mass spectrometer (IMS 4f manufactured by CAMECA) will be described.
FIG. 6 shows the measurement results of SIMS measurement for the GaN structure according to Example 1.
As shown in FIG. 6, in the GaN structure according to Example 1 (see “recoil implantation” in the figure), the Mg in the Mg layer moves from the surface of the n-type GaN layer 12 to a deep position. It is confirmed that it is. In the figure, "w / o implantation" indicates the Mg profile in the reference sample in the state where only the recoil implantation step is not performed in Example 1, and is caused by the thermal diffusion by the annealing step. The movement of Mg is confirmed only at a very shallow position.
次に、ＲＢＳアナライザー装置（National Electrostatics Corporation社製、3SDH Pelletron）を用いた実施例１に係るＧａＮ構造物のＲＢＳ測定の測定結果について説明する。
図７に実施例１に係るＧａＮ構造物に対するＲＢＳ測定の測定結果を示す。この測定結果は、ｐ型ＧａＮ層１３に対するＲＢＳ法に基づくチャネリング測定により測定されたＲＢＳスペクトルを示している。なお、入射イオンとしては、ヘリウムイオンを用いて測定を行っている。
測定の結果、図７に示す、ｐ型ＧａＮ層１３における結晶軸（＜０００１＞）に沿った方向（aligned方向）からイオンを入射して得られるチャネリングスペクトルにおいて、表面散乱に伴う後方散乱収量のピーク時よりも前記後方散乱イオンエネルギーが小さい範囲の中で、最も小さい値の前記後方散乱収量を示すＨｃは、８７０カウントであり、前記結晶軸に沿わない方向（random方向；ｐ型ＧａＮ層の面内方向との間で成す角が１６０°）から前記イオンを入射して得られるランダムスペクトルにおいて、前記Ｈｃと同じ前記後方散乱イオンエネルギーを持つときの前記後方散乱収量を示すＨｒは、７，３７１カウントであり、その結果、Ｈｃ／Ｈｒで表される最小後方散乱収量χｍｉｎは、約０．１２であった。
なお、図７中、１，７８０ｋｅＶ付近の前記後方散乱イオンエネルギーにおける前記チャネリングスペクトルにみられるコブが、前記表面散乱に伴う前記後方散乱収量のピーク波形を示している。
Next, the measurement result of the RBS measurement of the GaN structure according to Example 1 using the RBS analyzer device (3SDH Pelletron manufactured by National Electrostatics Corporation) will be described.
FIG. 7 shows the measurement results of RBS measurement for the GaN structure according to Example 1. This measurement result shows the RBS spectrum measured by the channeling measurement based on the RBS method for the p-type GaN layer 13. As the incident ion, helium ion is used for the measurement.
As a result of the measurement, in the channeling spectrum obtained by injecting ions from the direction (aligned direction) along the crystal axis (<0001>) in the p-type GaN layer 13 shown in FIG. 7, the backscattering yield associated with surface scattering than peak within the scope the backscattered ion energy is small, the H c showing the backscattering yield of smallest value is 870 counts, not along the crystal axis direction (random directions; p-type GaN layer in random spectrum angle formed between the plane direction can be obtained by entering the ions from 160 °), Hr showing the backscattering yield when having the same said backscattered ion energy and the H c is It was 7,371 counts, and as a result, the minimum backscatter yield χ min expressed in H c / H r was about 0.12.
In FIG. 7, the bumps seen in the channeling spectrum at the backscattered ion energy near 1,780 keV show the peak waveform of the backscattered yield associated with the surface scattering.
（実施例２）
実施例１における前記リコイルインプランテーション工程において、前記Ｍｇ層の厚みを２５０ｎｍから４００ｎｍに変更したこと以外は、実施例１と同様にして、実施例２に係るＧａＮ構造物を製造した。
(Example 2)
The GaN structure according to Example 2 was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the Mg layer was changed from 250 nm to 400 nm in the recoil implantation step in Example 1.
実施例１と同様に行った、前記二次イオン質量分析計装置を用いた実施例２に係るＧａＮ構造物のＳＩＭＳ測定の測定結果について説明する。
図８に実施例２に係るＧａＮ構造物に対するＳＩＭＳ測定の測定結果を示す。
該図８に示すように、実施例２に係るＧａＮ構造物においても、実施例１と同様に、前記Ｍｇ層中の前記Ｍｇがｎ型ＧａＮ層の表面から深い位置まで移動していることが確認される。
The measurement result of SIMS measurement of the GaN structure according to Example 2 using the secondary ion mass spectrometer performed in the same manner as in Example 1 will be described.
FIG. 8 shows the measurement results of SIMS measurement for the GaN structure according to Example 2.
As shown in FIG. 8, also in the GaN structure according to the second embodiment, the Mg in the Mg layer moves from the surface of the n-type GaN layer to a deep position as in the first embodiment. It is confirmed.
次に、実施例１と同様に行った、前記ＲＢＳアナライザー装置を用いた実施例２に係るＧａＮ構造物のＲＢＳ測定の測定結果について説明する。
図９に実施例２に係るＧａＮ構造物に対するＲＢＳ測定の測定結果を示す。
測定の結果、図９に示す、Ｈｃは、２７５カウントであり、Ｈｒは、７，９４２カウントであり、その結果、Ｈｃ／Ｈｒで表される最小後方散乱収量χｍｉｎは、約０．０３であった。
なお、図９中、１，７８０ｋｅＶ付近の前記後方散乱イオンエネルギーにおける前記チャネリングスペクトルにみられるコブが、前記表面散乱に伴う前記後方散乱収量のピーク波形を示している。
このように実施例２に係るＧａＮ構造物（Ｈｃ／Ｈｒ＝０．０３）では、前記Ｍｇ層の厚みを変更し、ｎ型ＧａＮ層との界面からみた前記Ｍｇ層に対する窒素イオンの入射位置を変更することで、実施例１に係るＧａＮ構造物（Ｈｃ／Ｈｒ＝０．１２）よりも、小ダメージのｐ型ＧａＮ層が得られている。
Next, the measurement result of the RBS measurement of the GaN structure according to the second embodiment using the RBS analyzer device, which was carried out in the same manner as in the first embodiment, will be described.
FIG. 9 shows the measurement results of RBS measurement for the GaN structure according to Example 2.
As a result of the measurement, H c is 275 counts and H r is 7,942 counts, as shown in FIG. 9, and as a result, the minimum backscatter yield χ min expressed by H c / H r is about. It was 0.03.
In FIG. 9, the bumps seen in the channeling spectrum at the backscattered ion energy near 1,780 keV show the peak waveform of the backscattered yield associated with the surface scattering.
As described above, in the GaN structure according to Example 2 (H c / H r = 0.03), the thickness of the Mg layer is changed, and the incident of nitrogen ions on the Mg layer as seen from the interface with the n-type GaN layer. By changing the position, a p-type GaN layer having less damage than the GaN structure (H c / H r = 0.12) according to Example 1 is obtained.
次に、実施例２に係るＧａＮ構造物に対し、ＥＢ真空蒸着装置（アネルバ社製）を用いて、前記ｐ型ＧａＮ層の表面上に厚みが５０ｎｍのＮｉ層と厚みが１６０ｎｍのＡｕ層とをこの順で積層させた電極を形成し、５００℃の熱処理を行った。形成後の実施例２に係るＧａＮ構造物のｐ型領域形成の有無を確認するため、各種測定を行った。
なお、図１０に電極形成後の実施例２に係るＧａＮ構造物２０の概要を示す。図中、符号２７がＧａＮ基板を示し、符号２２がｎ型ＧａＮ層を示し、符号２３がｐ型ＧａＮ層を示し、符号２８が電極を示している。
Next, for the GaN structure according to Example 2, an EB vacuum vapor deposition apparatus (manufactured by Anerva) was used to form a Ni layer having a thickness of 50 nm and an Au layer having a thickness of 160 nm on the surface of the p-type GaN layer. An electrode was formed by laminating in this order, and heat treatment was performed at 500 ° C. Various measurements were performed to confirm the presence or absence of p-type region formation in the GaN structure according to Example 2 after formation.
Note that FIG. 10 shows an outline of the GaN structure 20 according to Example 2 after forming the electrodes. In the figure, reference numeral 27 indicates a GaN substrate, reference numeral 22 indicates an n-type GaN layer, reference numeral 23 indicates a p-type GaN layer, and reference numeral 28 indicates an electrode.
先ず、室温下で行った、フォトルミネッセンス測定装置（堀場製作所製、LabRAM-HR PL）を用いた実施例２に係るＧａＮ構造物（電極形成後）のＰＬ（Photoluminescence）測定の測定結果について説明する。
図１１（ａ）は、実施例２に係るＧａＮ構造物に対するＰＬ測定の測定結果を示す図である。また、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）におけるＤＡＰの出現領域を拡大して示す図である。
該図１１（ａ），（ｂ）に示すように、ＤＡＰとそのフォノンレプリカである、ＤＡＰ−ＬＯが認められる。
ここで、ＤＡＰとは、ドナー（Ｄ）により生成されたＮ型領域と、アクセプタ（Ａ）により生成されたＰ型領域との界面において伝導電子と正孔とが結合して消滅し発光する発光信号を指す。また、ＬＯとは、縦光学モードフォノンであり、ＤＡＰの発光に一つの縦光学モードフォノンが介在した発光信号がＤＡＰ−ＬＯとなる。ともに結晶に由来する発光信号である。なお、それより波長の短い発光は、直接遷移型半導体であるＧａＮで生じる、バンド端発光に関連するものである。
ＤＡＰの存在は、ＰＮ接合が存在していることを意味することから、実施例２に係るＧａＮ構造物中のｐ型ＧａＮ層２３は、ｐ型の導電性を有すると考えられる。
First, the measurement result of PL (Photoluminescence) measurement of the GaN structure (after electrode formation) according to Example 2 using a photoluminescence measuring device (LabRAM-HR PL manufactured by Horiba Seisakusho) performed at room temperature will be described. ..
FIG. 11A is a diagram showing the measurement result of PL measurement for the GaN structure according to the second embodiment. Further, FIG. 11B is an enlarged view showing the appearance region of the DAP in FIG. 11A.
As shown in FIGS. 11 (a) and 11 (b), DAP and its phonon replica, DAP-LO, are recognized.
Here, DAP is light emission in which conduction electrons and holes are combined to disappear and emit light at the interface between the N-type region generated by the donor (D) and the P-type region generated by the acceptor (A). Point to a signal. Further, LO is a longitudinal optical mode phonon, and a light emitting signal in which one longitudinal optical mode phonon intervenes in light emission of DAP becomes DAP-LO. Both are emission signals derived from crystals. Emissions with shorter wavelengths are related to band-end emission generated in GaN, which is a direct transition type semiconductor.
Since the presence of DAP means that a PN junction is present, it is considered that the p-type GaN layer 23 in the GaN structure according to Example 2 has p-type conductivity.
次に、半導体デバイス・パラメータ・アナライザ装置（KEYSIGHT社製、B1500A）を用いた実施例２に係るＧａＮ構造物（電極形成後）のＩ−Ｖ特性の測定結果について説明する。なお、測定は、１００Ｋの温度環境にて行った。
図１２に、実施例２に係るＧａＮ構造物に対するＩ−Ｖ特性を示す図である。
該図１２に示すように、整流特性が確認される。整流特性は、ショットキーダイオードとＰＮ接合ダイオードとのどちらにも観測されるものであるが、Ｉ−Ｖ特性図において、ショットキーダイオードでは、原理的にシングルキャリアのみの電荷注入となるため、図１２に示されるようなコブは存在しない。一方、ＰＮ接合ダイオードでは、電子・正孔キャリア双方の電荷注入となるため、電圧印加時の初めにその再結合による電流信号が見られるが、それ以上の電圧になるとシングルキャリアの電荷注入による増加分による電流信号の寄与が再結合による電流信号より大きくなるため、図１２に示されるような２つのコブが観測される。
したがって、前記Ｉ−Ｖ特性の測定結果からも、実施例２に係るＧａＮ構造物は、ｐ型ＧａＮ層２３がｐ型の導電性を有し、ＰＮ接合ダイオードのデバイス構造を実現できているといえる。
Next, the measurement results of the IV characteristics of the GaN structure (after electrode formation) according to Example 2 using the semiconductor device parameter analyzer device (manufactured by KEYSIGHT, B1500A) will be described. The measurement was performed in a temperature environment of 100 K.
FIG. 12 is a diagram showing IV characteristics for the GaN structure according to the second embodiment.
As shown in FIG. 12, the rectifying characteristics are confirmed. The rectification characteristics are observed in both the Schottky diode and the PN junction diode. However, in the IV characteristic diagram, the Schottky diode in principle charges only a single carrier. There are no bumps as shown in 12. On the other hand, in a PN junction diode, since both electron and hole carriers are charged, a current signal due to their recombination can be seen at the beginning of voltage application, but when the voltage is higher than that, it increases due to single carrier charge injection. Since the contribution of the current signal by minutes is greater than that of the current signal by recombination, two bumps as shown in FIG. 12 are observed.
Therefore, from the measurement results of the IV characteristics, it is stated that the GaN structure according to the second embodiment has the p-type GaN layer 23 having p-type conductivity and can realize the device structure of the PN junction diode. I can say.
次に、室温下で行った、電流印加装置（KEITHLEY社製、2450 SourceMeter）と、モノクロメーター（堀場製作所製、HR 460）と、分光器(堀場製作所製、synapse）とを用いた実施例２に係るＧａＮ構造物（電極形成後）のＥＬ（Electroluminescence）測定の測定結果について説明する。
図１３（ａ）は、実施例２に係るＧａＮ構造物に対するＥＬ測定の測定結果を示す図である。また、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）におけるＤＡＰの出現領域を拡大して示す図である。
該図１３（ａ）に示すように、正方向電流が０ｍＡである場合と比較して、２０ｍＡ印加時にバンド端発光は観測されず、ＤＡＰが観測された。一般にダイオードの正方向バイアス時には、一方の電流端子からｐ型領域に正孔キャリアが供給され、また、他方の電流端子からｎ型領域に電子キャリアが供給され、これらのキャリアがＰＮ接合界面で再結合して消滅する。即ち、このようなＥＬ測定の場合、電子正孔の再結合は、ＰＮ接合界面で行われるため、バンド端発光は発生せず、ＤＡＰと何らかの欠陥に起因する発光のみとなる。ここで、ＤＡＰとバンド端発光とでは、波長が異なるため、明確に区別できる。
また、図１３（ｂ）で拡大して確認しても、ＤＡＰは、はっきりと確認できるが、バンド端発光は、全く認められない。実施例２に係るＧａＮ構造物としてのダイオードがショットキーダイオードであると仮定してみても、前記電極から注入されるキャリアが電子のみのシングルキャリアであるため、このような電子正孔再結合による信号を観測できず、この仮定が成立しない状況である。
したがって、このダイオードは、ショットキーダイオードではなく、ＰＮ接合ダイオードであると断定でき、より一層明確にｐ型ＧａＮ層２３がｐ型の導電性を有することが明らかにされる。
Next, Example 2 using a current application device (KEITHLEY, 2450 SourceMeter), a monochromator (Horiba, HR 460), and a spectroscope (Horiba, synapse) performed at room temperature. The measurement result of EL (Electroluminescence) measurement of the GaN structure (after electrode formation) according to the above will be described.
FIG. 13A is a diagram showing the measurement results of EL measurement for the GaN structure according to the second embodiment. Further, FIG. 13B is an enlarged view showing the appearance region of the DAP in FIG. 13A.
As shown in FIG. 13A, no band-end emission was observed and DAP was observed when 20 mA was applied, as compared with the case where the forward current was 0 mA. Generally, when the diode is positively biased, hole carriers are supplied from one current terminal to the p-type region, and electron carriers are supplied from the other current terminal to the n-type region, and these carriers are regenerated at the PN junction interface. Combine and disappear. That is, in the case of such an EL measurement, since the electron hole recombination is performed at the PN junction interface, band-end emission does not occur, and only emission due to DAP and some defect occurs. Here, since the wavelengths of DAP and band-end emission are different, they can be clearly distinguished.
Further, even if it is enlarged and confirmed in FIG. 13 (b), DAP can be clearly confirmed, but band end light emission is not observed at all. Even assuming that the diode as the GaN structure according to the second embodiment is a Schottky diode, since the carrier injected from the electrode is an electron-only single carrier, such electron-hole recombination is performed. The signal cannot be observed and this assumption does not hold.
Therefore, it can be concluded that this diode is not a Schottky diode but a PN junction diode, and it is revealed that the p-type GaN layer 23 has p-type conductivity more clearly.
１，１’，１０，２０ ＧａＮ構造物
２ ＧａＮ母材領域
３ ｐ型ＧａＮ領域
３’ Ｍｇイオン注入領域
４ ｎ型ＧａＮ領域
５ レジスト
６ Ｍｇ層
１２，２２ ｎ型ＧａＮ層
１３，２３ ｐ型ＧａＮ層
１７，２７ ＧａＮ基板
２８ 電極
1,1', 10,20 GaN structure 2 GaN base material region 3 p-type GaN region 3'Mg ion injection region 4 n-type GaN region 5 Resist 6 Mg layer 12,22 n-type GaN layer 13,23 p-type GaN Layers 17, 27 GaN substrate 28 electrodes
Claims (9)
前記ｐ型ＧａＮ領域に対するＲＢＳ法に基づくチャネリング測定により測定され、次式、Ｈｃ／Ｈｒで表される最小後方散乱収量χｍｉｎが０．１２以下であることを特徴とするＧａＮ構造物。
ただし、前記式中、前記Ｈｃは、前記ｐ型ＧａＮ領域における結晶軸に沿った方向からイオンを入射して得られるチャネリングスペクトルにおいて、表面散乱に伴う後方散乱収量のピーク時の後方散乱イオンエネルギーよりも前記後方散乱イオンエネルギーが小さい範囲の中で、最も小さい値の前記後方散乱収量を示し、前記Ｈｒは、前記結晶軸に沿わない方向から前記イオンを入射して得られるランダムスペクトルにおいて、前記Ｈｃと同じ前記後方散乱イオンエネルギーを持つときの前記後方散乱収量を示す。 It has at least a layered GaN structure including an n-type or non-doped GaN base material region arranged so as to have a recess and a p-type GaN region containing Mg as a p-type impurity and arranged in the recess. And
A GaN structure measured by channeling measurement based on the RBS method for the p-type GaN region, and characterized in that the minimum backscattering yield χ min represented by the following equation, H c / H r , is 0.12 or less.
However, in the above equation, the H c is the backscattered ion energy at the peak of the backscattered yield associated with surface scattering in the channeling spectrum obtained by injecting ions from the direction along the crystal axis in the p-type GaN region. within the scope the backscattered ion energy is less than, shows the backscattering yield the smallest value, the H r is the random spectrum obtained by incidence of the ion from a direction not along the crystal axis, shows the backscattering yield when having the same said backscattered ion energy and the H c.
前記Ｍｇイオンが注入された前記ＧａＮ母材層から前記Ｍｇ層を除去するＭｇ層除去工程と、
前記Ｍｇ層が除去された前記ＧａＮ母材層をアニールし、前記ＧａＮ母材層中に注入された前記Ｍｇイオンを活性化させるアニール工程と、
を含むことを特徴とするＧａＮ構造物の製造方法。 The laminate in which the Mg layer is laminated on the n-type or non-doped GaN base material layer is irradiated with recoil ions from the Mg layer side in the lamination direction, and the Mg ions recoiled from the Mg layer are subjected to the GaN. Recoil implantation process to inject into the base metal layer,
A Mg layer removing step of removing the Mg layer from the GaN base material layer into which the Mg ions have been injected,
An annealing step of annealing the GaN base material layer from which the Mg layer has been removed to activate the Mg ions injected into the GaN base material layer, and
A method for producing a GaN structure, which comprises.
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