JP5561530B2 - 窒化物半導体の炭素ドーピング方法、半導体素子の製造方法 - Google Patents

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。

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。

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、１０^１０ｃｍ⁻³を超える高密度の転位が導入される。

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）。

特開２００７−２５１１４４号公報

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。

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。

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し、 ^１４ Ｎ＋ｎ→ ^１４ Ｃ＋ｐで示される反応により、前記窒化物半導体中の窒素原子を炭素原子へ核変換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。

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、１０^１７ｃｍ^−３〜１０^２０ｃｍ^−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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 検証用の素子を示す模式図である。 バッファ耐圧（破壊電圧）の測定結果を示す図である。 ^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。 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。 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。 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。

以下、本発明の実施形態について説明する。

（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。

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_３）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。

次に、ＴＭＧａとＮＨ_３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´１０^１７ｃｍ^−３であった。
その後、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）とＴＭＧａとＮＨ_３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。

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。

この加速器による中性子線の照射は、１パルス当り６´１０^１０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^２）であるから、約１００時間の照射により約１０^１８ｃｍ^−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、１０^２０ｃｍ^−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´１０^１８ｃｍ^−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。

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。

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。

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。

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´１０^１７ｃｍ^−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´１０^１８ｃｍ^−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。

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。

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^２／Ｖｓ、シートキャリア濃度は８´１０^１２ｃｍ^−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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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^２）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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、１０^１７ｃｍ^−３〜１０^２０ｃｍ^−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１０^１８ｃｍ^−３〜１０^１９ｃｍ^−３である。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

（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。

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´１０^１７ｃｍ^−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^−８ｓ^−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´１０^２２ｃｍ^−３であるから、１，０００秒の照射で１．３５´１０^１８ｃｍ^−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、１０^２０ｃｍ^−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。

（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。

^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´１０^１２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。

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´１０^１８ｃｍ^−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、１０^２０ｃｍ^−３の炭素濃度を得るためには９６００時間照射すればよい。

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。

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

Claims (7)

1. 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し、 ^１４ Ｎ＋ｎ→ ^１４ Ｃ＋ｐで示される反応により、前記窒化物半導体中の窒素原子を炭素原子へ核変換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。
2. 前記中性子線の照射後の窒化物半導体中の炭素濃度が、１０^１７ｃｍ^−３〜１０^２０ｃｍ^−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。
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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。

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