JP7216387B2 - 電流狭窄型高出力縦型ヘテロ接合ｆｅｔを製造する方法および装置 - Google Patents

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特許法第３０条第２項適用 ウェブサイトの掲載日 ２０１７年８月２５日 ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｎｆｉｔ．ａｔｌａｓ．ｊｐ／ｇｕｉｄｅ／ｅｖｅｎｔ／ｊｓａｐ２０１７ａ／ｓｕｂｊｅｃｔ／５ｐ－Ａ３０１－８／ｃｌａｓｓｌｉｓｔ

特許法第３０条第２項適用 開催日 ２０１７年９月５日から２０１７年９月８日 集会名、開催場所 第７８回応用物理学会秋季学術講演会 福岡国際会議場（福岡県福岡市博多区石城町２－１）・福岡国際センター（福岡県福岡市博多区築港本町２－２）・福岡サンパレス（福岡市博多区築港本町２－１）

本発明は、ｐ型不純物がドープされたｎ^－またはｎ型窒化ガリウム系化合物半導体をｐ型活性化する技術に関する。

Ｍｇのようなｐ型不純物がドープされた窒化ガリウム系化合物半導体（ＧａＮ）は、例えばＭＯＣＶＤ法によりＳｉ基板上に成長させることで得られる。このようなＧａＮは、内部で水素がｐ型不純物と結合するため高抵抗である。そこで従来より、電子線照射やアニーリングによりｐ型活性化することで、ｐ型ＧａＮを製造していた。

しかしながら、アニーリングによるｐ型活性化では、ＧａＮの温度変化が緩やかである。そのため、ｐ型不純物が表面に移動しやすく、また、ｐ型活性化に時間を要していた。さらに、アニーリングでは局所的にｐ型活性化することが難しいという問題もあった。

また、電子線照射によるｐ型活性化では、局所的にｐ型活性化することは可能であるが、電子線を照射するための高真空装置が必要なこと、また、ＧａＮ結晶の表面に損傷（欠陥）汚れができやすいという問題があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、表面を損傷することなくｎ^－またはｎ型ＧａＮを短時間にｐ型活性化することができる技術を提供することを課題とする。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、ｎ^－またはｎ型ＧａＮにレーザ光を照射することにより短時間にｐ型活性化させることができ、さらに、レーザ光の強度をアブレーション閾値未満とすることにより、結晶の表面に損傷が発生することを回避できることを見出した。

本発明はかかる知見に基づいて完成したものであり、下記の態様を有する。

〔項１〕
ｐ型不純物がドープされたｎ^－またはｎ型窒化ガリウム系化合物半導体をｐ型活性化してｐ型窒化ガリウム系化合物半導体を製造する方法であって、
前記ｎ^－またはｎ型窒化ガリウム系化合物半導体に、強度がアブレーション閾値未満のレーザ光を照射することにより、前記ｎ^－またはｎ型窒化ガリウム系化合物半導体をｐ型活性化することを特徴とする方法。
〔項２〕
前記レーザ光の強度は、１０～１００Ｗ／ｃｍ^２である、項１に記載の方法。
〔項３〕
前記レーザ光は、紫外レーザ光である、項１または２に記載の方法。
〔項４〕
前記レーザ光は、ＡｒＦエキシマレーザ光、または、Ｆ_２エキシマレーザ光である、項３に記載の方法。
〔項５〕
前記レーザ光は、可視レーザ光である、項１または２に記載の方法。
〔項６〕
前記ｐ型不純物は、マグネシウムである、項１～５のいずれか一項に記載の方法。
〔項７〕
半導体素子を製造する方法であって、
ｐ型不純物がドープされたｎ^－またはｎ型窒化ガリウム系化合物半導体の層を形成する形成工程と、
項１～６のいずれか一項に記載の方法によって、前記層をｐ型活性化する活性化工程と、
を含む、方法。
〔項８〕
前記半導体素子は電流狭窄型高出力縦型ヘテロ接合ＦＥＴである、項７に記載の方法。
〔項９〕
ｐ型不純物がドープされたｎ^－またはｎ型窒化ガリウム系化合物半導体の層をｐ型活性化してｐ型窒化ガリウム系化合物半導体を製造する装置であって、
前記層に、強度がアブレーション閾値未満のレーザ光を照射するレーザ光源と、
前記層と前記レーザ光源との相対位置を制御する位置制御手段と、
を備え、
前記ｎ^－またはｎ型窒化ガリウム系化合物半導体は、前記レーザ光が照射されることによりｐ型活性化することを特徴とする装置。
〔項１０〕
前記層からの散乱光を検知することにより、ｐ型活性化しているか否かを観測する観測手段をさらに備える、項９に記載の装置。

本発明によれば、表面を損傷することなくｎ^－またはｎ型ＧａＮを局所的に所望の形状および深さで短時間にｐ型活性化することができる。

本発明の一実施形態に係る装置の概略構成図である。 レーザ光の強度を説明するためのグラフである。 （ａ）～（ｃ）は、電流狭窄型高出力縦型ヘテロ接合ＦＥＴを製造する方法の説明図である。 （ａ）および（ｂ）は、電流狭窄型高出力縦型ヘテロ接合ＦＥＴを製造する方法の説明図である。 （ａ）は、アブレーション閾値以上のレーザ光を照射した後のＧａＮ結晶表面の画像であり、（ｂ）は、アブレーション閾値未満のレーザ光を照射した後のＧａＮ結晶表面の画像である。 （ａ）および（ｂ）は、マスクを用いたｎ^－型ＧａＮの局所的なｐ型活性化を検証する方法を示す説明図であり、（ｃ）は、その検証結果を示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は、レーザによって生じた結晶表面での熱の熱拡散によるｎ^－型ＧａＮの内部のｐ型活性化を検証する方法を示す説明図である。 （ａ）は、図７（ｂ）に示す積層体の表面の画像であり、（ｂ）は、図８（ａ）のラインＬ３に沿った領域における接触電位差を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではない。

（装置構成）
図１は、本発明の一実施形態に係るｐ型ＧａＮを製造する装置１の概略構成図である。装置１は、本発明に係るｐ型ＧａＮを製造する方法を実施するために用いられる。本発明に係る方法は、ｐ型不純物がドープされたｎ^－またはｎ型ＧａＮをｐ型活性化してｐ型ＧａＮを製造する方法であって、前記ｎ^－またはｎ型ＧａＮに、強度がアブレーション閾値未満のレーザ光を照射することによりｐ型活性化することを特徴とする。

図１に示すように、装置１は、レーザ光源２、可動ステージ３、制御コンピュータ４および光スペクトラムアナライザ５を主に備えている。

レーザ光源２は、レーザ光Ｌ１を出射する装置であり、本実施形態では、ＡｒＦエキシマレーザ光を出射する。

可動ステージ３は、ｐ型不純物がドープされたｎ^－型ＧａＮの層を有する試料Ｓを載置するための平面を有している。可動ステージ３の平面は、レーザ光Ｌ１の出射方向に略垂直なｘｙ平面の方向に任意の位置に、制御コンピュータ４によって連続的にあるいは飛び飛びに移動することができる。

本実施形態において、ｎ^－型ＧａＮにドープされるｐ型不純物はマグネシウムであるが、必ずしもこれに限定されない。レーザ光源２と可動ステージ３との間には、レーザ光Ｌ１を試料Ｓに収束させるための光学系が設けられており、前記光学系は、例えばピンホール６、凹レンズ７および凸レンズ８で構成することができる。

レーザ光Ｌ１が試料Ｓのｎ^－型ＧａＮに照射されると、ＧａＮの表面で吸収された光エネルギーが瞬時に試料表面あるいはその近傍で熱を発生し、その瞬間的に上昇した熱がＧａＮ中を伝導して、ｐ型不純物と水素との結合を断ち切る。また、この熱伝導は極めて瞬間的であるため、ｐ型不純物から断ち切られた水素は、外に拡散してＧａＮ結晶から放出される。これにより、ｎ^－型ＧａＮは極めて短時間にｐ型活性化してｐ型ＧａＮとなる。

また、レーザ光Ｌ１の強度はアブレーション閾値未満である。図２に示すように、アブレーション閾値とは、これを超えると表面からの構成原子放出数が急増する値であり、エッチングやデポジションでは、アブレーション閾値以上の強度のレーザ光が用いられる。これに対し、本実施形態では、レーザ光Ｌ１の強度をアブレーション閾値未満とすることにより、ＧａＮ結晶の表面を損傷することなく、ｎ^－型ＧａＮをｐ型活性化することができる。レーザ光Ｌ１の具体的な強度は、ｐ型活性化するための時間、ｐ型ＧａＮの正孔濃度の目標値などによって適宜設定されるが、例えば、一秒間あたりのエネルギーとして、１０～１００Ｗ／ｃｍ^２が好ましい。また、レーザ光Ｌ１の強度をアブレーション閾値以下とするためには、超短パルスのレーザ光（ヘムト秒レーザ）を用いることが好ましい。

制御コンピュータ４は、可動ステージ３の動作を制御するものであり、汎用のパーソナルコンピュータで構成することができる。制御コンピュータ４には、試料Ｓのｎ^－型ＧａＮの層におけるｐ型活性化すべき領域がプログラムされており、その領域の全てにレーザ光が照射されるように、可動ステージ３を移動させる。このように、可動ステージ３および制御コンピュータ４は、ｎ^－型ＧａＮとレーザ光源２との相対位置を制御する位置制御手段として機能する。

光スペクトラムアナライザ５は、可動ステージ３上の試料Ｓからの反射・散乱光Ｌ２のスペクトルを検知する装置である。光スペクトラムアナライザ５は、反射・散乱光Ｌ２から散乱光成分を検知することで、ｎ^－型ＧａＮがｐ型活性化しているか否かをその場で観測する観測手段として機能する。なお、本実施形態では、可動ステージ３と光スペクトラムアナライザ５との間に、反射・散乱光Ｌ２を光スペクトラムアナライザ５の受光部に収束させるための凸レンズ９が設けられている。

以上のように、本発明に係るｐ型ＧａＮを製造する方法では、ｎ^－型ＧａＮにレーザ光を照射することにより、極めて短時間にｐ型ＧａＮを製造することができる。また、レーザ光の強度がアブレーション閾値未満であるため、表面を損傷することなくｎ^－型ＧａＮをｐ型活性化することができる。

また、レーザ光の種類は、照射によりＧａＮを短時間に加熱できるものであれば特に限定されず、紫外レーザ光および可視レーザ光のいずれも用いることができる。紫外レーザ光は、可視レーザ光よりも波長が短いため、マスクを用いることなく、非常に微細な領域をｐ型活性化することができる。レーザ光の波長を短くするほど、より局所的なｐ型活性化が可能となるが、特に、ＡｒＦエキシマレーザ光（１９３ｎｍ）や、Ｆ_２エキシマレーザ光（１５７ｎｍ）を照射する装置は、半導体製造のリソグラフィ工程等で広く利用されているため、これを転用することで、上述の装置１を容易に構成することができる。

（応用例）
本発明に係るｐ型ＧａＮの製造方法は、ｎ^－またはｎ型ＧａＮ型ＧａＮを局所的にｐ型活性化する必要のある半導体素子の製造に好適である。以下では、そのような半導体素子として電流狭窄型高出力縦型ヘテロ接合ＦＥＴを製造する方法について説明する。

図３（ａ）に示すように、ドレイン電極１１、ｎ型Ｓｉ基板１２、導電性ＡｌＮバッファ層１３、高濃度ｎ型ＧａＮ層１４を順に積層し、さらに、高濃度ｎ型ＧａＮ層１４上にＭＯＣＶＤ法によりｎ^－またはｎ型のＭｇドープＧａＮ層１５を形成する（形成工程）。さらに、図３（ｂ）に示すように、ＭｇドープＧａＮ層１５上にＧａＮ層１６、ＡｌＧａＮ層１７およびマスク層１８を形成する。このとき、ＭｇドープＧａＮ層１５、ＧａＮ層１６およびＡｌＧａＮ層１７の厚さは、それぞれ２０ｎｍ～５００ｎｍ程度とする。

その後、本実施形態に係る装置１を用いて、図３（ｃ）に示すようにレーザ光Ｌ１を照射する。レーザ光Ｌ１は、マスク層１８には遮られるが、ＧａＮ層１６およびＡｌＧａＮ層１７を透過してＭｇドープＧａＮ層１５に到達する。これにより、ＭｇドープＧａＮ層１５のレーザ光Ｌ１が到達した領域が急激に加熱されてｐ型活性化し、図４（ａ）に示すように、ｐ型ＧａＮ１５ａが形成される（活性化工程）。

その後、マスク層１８を除去し、図４（ｂ）に示すように、ＡｌＧａＮ層１７上に、ソース電極１９、ゲート電極２０およびＳｉＮｘ層２１を形成することにより、電流狭窄型高出力縦型ヘテロ接合ＦＥＴ１０（以下、ＦＥＴ１０）が完成する。ｐ型ＧａＮ１５ａは、電流狭窄層として機能する。

従来の技術では、ＭｇドープＧａＮ層１５を局所的にｐ型活性化するために、結晶成長法またはイオン注入法が用いられていたため、日単位の時間がかかっていた。これに対し、本実施形態では、レーザ光Ｌ１を照射するだけでＭｇドープＧａＮ層１５をｐ型活性化できるため、数分程度の時間で済む。これにより、ＦＥＴ１０を製造するための時間と費用を大幅に減らすことができる。

（付記事項）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。

上記実施形態では、本発明に係るｐ型ＧａＮの製造方法を電流狭窄型高出力縦型ヘテロ接合ＦＥＴの製造に応用する形態を例示したが、本発明に係る方法は、ｐ型ＧａＮを用いたあらゆる半導体素子に適用可能である。そのような半導体素子としては、ＦＥＴの他、バイポーラトランジスタ、ショットキーダイオード、さらには、紫外ＬＥＤ、深紫外ＬＥＤ、白色ＬＥＤなどの発光素子が挙げられる。特に、Ｓｉ基板上に局所的にＦＥＴやＬＥＤを形成する用途や、ＡＳＩＣのようなオーダーメイド型生産の半導体素子の製造に適している。

また、ｎ^－型ＧａＮをｐ型活性化するために用いられるレーザ光は、可視レーザ光であってもよい。また、チタンサファイアレーザのように、波長が可変のレーザ光源を用いることにより、所望の波長のレーザ光を照射することができる。

また、上記実施形態では、主にｎ^－型ＧａＮをｐ型活性化する方法および装置について説明したが、ｐ型不純物のドープ量を増加させることにより、ｎ型ＧａＮをｐ型活性化することも可能である。

以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は下記の実施例に限定されない。

（実施例１）
実施例１では、強度の異なるレーザ光をｎ^－型ＧａＮに照射した後、ＧａＮ結晶の表面の状態を観察した。図５（ａ）は、強度が１３５Ｗ／ｃｍ^２（１．８ｍＪ）のＡｒＦエキシマレーザ光を照射パルス数５０Ｈｚでｎ^－型ＧａＮに照射した後における表面の画像である。上記の強度は、アブレーション閾値以上であるため、照射部分（左右に平行に延びる２つの線状領域）が損傷していることが分かる。

図５（ｂ）は、強度が５２．５Ｗ／ｃｍ^２（０．７ｍＪ）のＡｒＦエキシマレーザ光をｎ^－型ＧａＮに照射した後における表面の画像である。画像における照射部分および照射パルス数は、図５（ａ）におけるものと同一である。上記の強度はアブレーション閾値未満であるため、表面に損傷は見当たらない。

（実施例２）
実施例２では、Ｍｇドープｎ^－型ＧａＮをレーザ光照射によってｐ型活性化させたｐ型ＧａＮ、および従来の熱処理によってｐ型活性化させたｐ型ＧａＮの物性を比較した。具体的には、ＭＯＣＶＤ法によって３つのＭｇドープＧａＮの結晶を成長させた。Ｍｇドーピング濃度は５．２×１０^１９ｃｍ^－であった。２つのＭｇドープＧａＮにはそれぞれ、強度が２２５Ｗ／ｃｍ^２（３．０ｍＪ、アブレーション閾値以上）および８２．５Ｗ／ｃｍ^２（１．１ｍＪ、アブレーション閾値未満）のＡｒＦエキシマレーザ光を１５０Ｈｚで照射することによりｐ型活性化させた。比較例として、３つ目のＭｇドープＧａＮは、９５０℃の窒素雰囲気で２０分間アニーリングすることによりｐ型活性化させた。これにより作製されたｐ型ＧａＮの正孔濃度および正孔移動度をホール効果測定した。その結果を表１に示す。

表１から、強度がアブレーション閾値未満のレーザ光を照射することにより、従来のアニーリングによって得られたｐ型ＧａＮと同等の正孔濃度を有するｐ型ＧａＮを得られることが分かった。

（実施例３）
実施例３では、マスクを用いてｎ^－型ＧａＮの局所的なｐ型活性化を行った。具体的には、図６（ａ）に示すように、ｎ型Ｓｉ基板１２、導電性ＡｌＮバッファ層１３、高濃度ｎ型ＧａＮ層１４およびｎ^－型のＭｇドープＧａＮ層１５を順に積層した積層体を作製し、ＭｇドープＧａＮ層１５上の一部に幅が３ｍｍのマスク層１８を形成した。ＭｇドープＧａＮ層１５は、厚さが１．１μｍであり、Ｍｇドーピング濃度が５．２×１０^１９ｃｍ^－であった。そして、ＭｇドープＧａＮ層１５およびマスク層１８の一部に、ＡｒＦエキシマレーザ光Ｌ１を照射した。レーザ光Ｌ１の強度は７５Ｗ／ｃｍ^２（１．０ｍＪ）、照射パルス数は１５０Ｈｚであった。これにより、ＭｇドープＧａＮ層１５のマスク層１８に被覆されていなかった領域のみｐ型のＧａＮ層１５ａとなった。

その後、マスク層１８を除去し、図６（ｂ）に示すように、一方のＧａＮ層１５ａの中央部に２つのプローブ３０を接触させ、プローブ３０間に１０Ｖの電圧を印加した。その後、プローブ３０をＧａＮ層１５を経て他方のＧａＮ層１５ａに移動させた。具体的には、プローブ３０を、一方のＧａＮ層１５ａ上を２ｍｍ移動させ、ＧａＮ層１５上を３ｍｍ移動させ、他方のＧａＮ層１５ａ上を３ｍｍ移動させた。このときのプローブ３０間の電流値を電流計３１で測定した。

図６（ｃ）は、プローブ３０の測定開始点からの位置と、プローブ３０間の電流値との関係を示すグラフである。同グラフから、マスク層１８に覆われていなかった領域のみｐ型活性化して低抵抗化されていることが分かる。これにより、マスクを用いることにより局所的なｐ型活性化が可能であることが確認できた。よって、波長の長いレーザ光を用いた場合であっても、マスクによって微細なパターンを形成することにより、局所的にｐ型活性化が可能である。

（実施例４）
実施例４では、熱拡散によりｎ^－型ＧａＮの表面だけでなく、内部もｐ型活性化できることを検証した。具体的には、図７（ａ）に示すように、ｎ型Ｓｉ基板１２、導電性ＡｌＮバッファ層１３、高濃度ｎ型ＧａＮ層１４およびｎ^－型のＭｇドープＧａＮ層１５を順に積層した積層体を作製し、ＭｇドープＧａＮ層１５上の一部に幅が４μｍの２つのマスク層１８を形成した。マスク層１８の間隔は８μｍであった。そして、ＭｇドープＧａＮ層１５の全面およびマスク層１８の一部に、ＡｒＦエキシマレーザ光Ｌ１を照射した。レーザ光Ｌ１の強度は７５Ｗ／ｃｍ^２（１．０ｍＪ）、照射パルス数は１５０Ｈｚであった。これにより、図７（ｂ）に示すように、ＭｇドープＧａＮ層１５のマスク層１８に被覆されていなかった領域のみｐ型のＧａＮ層１５ａとなった。

図８（ａ）は、図７（ｂ）に示す積層体の表面の画像である。図８（ｂ）は、図８（ａ）のラインＬ３に沿った領域における接触電位差（Ｖ_ｃｐｄ）を示すグラフである。接触電位差は、ＫＦＭ（表面電位顕微鏡）によって測定した。図８（ｂ）に示すグラフでは、照射領域の境界線を挟んだ１～２μｍの領域（２～４μｍ、１０～１１μｍの位置）において、接触電位差が変化している。このことから、レーザ光Ｌ１の照射による熱の拡散長が約１～２μｍであり、ｎ^－型ＧａＮの内部もｐ型活性化できることが分かった。

１ 装置
２ レーザ光源
３ 可動ステージ（位置制御手段）
４ 制御コンピュータ（位置制御手段）
５ 光スペクトラムアナライザ（観測手段）
１０ 電流狭窄型高出力縦型ヘテロ接合ＦＥＴ
１５ ＭｇドープＧａＮ層（ｎ^－型窒化ガリウム系化合物半導体）
１５ａ ｐ型ＧａＮ層（ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体）
Ｌ１ レーザ光

Claims (9)

1. 電流狭窄型高出力縦型ヘテロ接合ＦＥＴを製造する方法であって、
   ｐ型不純物がドープされたｎ^－またはｎ型窒化ガリウム系化合物半導体の層を形成する形成工程と、
   前記ｎ^－またはｎ型窒化ガリウム系化合物半導体に、強度がアブレーション閾値未満のレーザ光を照射することにより、前記ｎ^－またはｎ型窒化ガリウム系化合物半導体の層をｐ型活性化する活性化工程と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記レーザ光の強度は、１０～１００Ｗ／ｃｍ^２である、請求項１に記載の方法。
3. 前記レーザ光は、紫外レーザ光である、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記レーザ光は、ＡｒＦエキシマレーザ光、または、Ｆ_２エキシマレーザ光である、請求項３に記載の方法。
5. 前記レーザ光は、可視レーザ光である、請求項１または２に記載の方法。
6. 前記レーザ光は、ヘムト秒レーザである、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記ｐ型不純物は、マグネシウムである、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
8. 電流狭窄型高出力縦型ヘテロ接合ＦＥＴを製造する装置であって、
   ｐ型不純物がドープされたｎ ^－ またはｎ型窒化ガリウム系化合物半導体の層を形成する形成装置と、
   前記ｐ型不純物がドープされたｎ^－またはｎ型窒化ガリウム系化合物半導体の層をｐ型活性化してｐ型窒化ガリウム系化合物半導体を製造する活性化装置であって、
   前記層に、強度がアブレーション閾値未満のレーザ光を照射するレーザ光源と、
   前記層と前記レーザ光源との相対位置を制御する位置制御手段と、
   を備え、
   前記ｎ^－またはｎ型窒化ガリウム系化合物半導体は、前記レーザ光が照射されることによりｐ型活性化することを特徴とする活性化装置と、
   を備える、装置。
9. 前記活性化装置は、前記層からの散乱光を検知することにより、ｐ型活性化しているか否かを観測する観測手段をさらに備える、請求項８に記載の装置。

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