WO2014132970A1 - Ｇａ２Ｏ３系単結晶体のドナー濃度制御方法、及びオーミックコンタクト形成方法 - Google Patents

Ｇａ２Ｏ３系単結晶体のドナー濃度制御方法、及びオーミックコンタクト形成方法 Download PDF

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公平 佐々木
東脇　正高
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株式会社タムラ製作所
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Definitions

  • the present invention relates to a donor concentration control method and an ohmic contact formation method for a Ga 2 O 3 single crystal.
  • Patent Document 1 As a method for forming the conventional Ga 2 O 3 single crystal, with the addition of Group IV element Si or Sn, while growing the Ga 2 O 3 single crystal, a method of imparting conductivity to Ga 2 O 3 single crystal It is known (see, for example, Patent Document 1).
  • a ⁇ -Ga 2 O 3 crystal is heteroepitaxially grown on a sapphire substrate while an impurity such as Sn is added to form a conductive ⁇ -Ga 2 O
  • a method of forming a three- crystal film is known (see, for example, Patent Document 2).
  • Patent Document 3 a method of introducing impurity ions into a SiC crystal by ion implantation is known (see, for example, Patent Document 3).
  • the ion implantation method has an advantage that the impurity concentration can be controlled after the formation of the mother crystal and the impurities can be locally introduced relatively easily.
  • one of the objects of the present invention is to provide a Ga 2 O 3 single crystal using an ion implantation method that can form a region having excellent conductivity in the Ga 2 O 3 single crystal.
  • An object of the present invention is to provide a donor concentration control method.
  • Another object of the present invention is to form a low-resistance ohmic contact between the Ga 2 O 3 single crystal and the electrode by injecting a donor into the Ga 2 O 3 single crystal by an ion implantation method. There is.
  • one embodiment of the present invention provides a method for controlling the donor concentration of a Ga 2 O 3 single crystal according to [1] to [5] below.
  • another aspect of the present invention provides an ohmic contact formation method of [9] below.
  • Si is introduced as a donor impurity into the Ga 2 O 3 single crystal at an implantation concentration of 2 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or more and 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 or less by an ion implantation method, and the Ga 2 O during 3 single crystal material, forming a high donor impurity implanted regions donor impurity concentration than the region not injected with the Si, by annealing to activate the Si of the donor impurity implanted in the region And forming a high donor concentration region, and forming an electrode on the Ga 2 O 3 based single crystal to form an ohmic contact between the high donor concentration region and the electrode. .
  • superior conductivity regions having can be formed in the Ga 2 O 3 single crystal material, the donor density control method of the Ga 2 O 3 single crystal material using an ion implantation method can be provided. Further, according to the present invention, that by implanting donor Ga 2 O 3 single crystal material by an ion implantation method to form a low resistance ohmic contact between the Ga 2 O 3 single crystal material and the electrodes it can.
  • FIG. 1A is a graph showing the relationship between the annealing temperature and the effective donor concentration in a high donor concentration region when Si is ion-implanted into the Ga 2 O 3 single crystal according to the first embodiment.
  • FIG. 1B is a graph showing the relationship between the annealing temperature and the activation rate when Si is ion-implanted into the Ga 2 O 3 single crystal according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the Si implantation concentration and the effective donor concentration in the high donor concentration region when the annealing temperature is 1000 ° C., according to the first embodiment.
  • FIG. 1A is a graph showing the relationship between the annealing temperature and the effective donor concentration in a high donor concentration region when Si is ion-implanted into the Ga 2 O 3 single crystal according to the first embodiment.
  • FIG. 1B is a graph showing the relationship between the annealing temperature and the activation rate when Si is ion-implanted into the Ga 2 O 3 single crystal according to the
  • FIG. 3A is a graph showing a relationship between an annealing temperature and an effective donor concentration in a high donor concentration region when Sn is ion-implanted into a Ga 2 O 3 single crystal body instead of Si.
  • FIG. 3B is a graph showing the relationship between the annealing temperature and the activation rate when Sn is ion-implanted instead of Si into a Ga 2 O 3 single crystal.
  • FIG. 4A is an image observed by an atomic force microscope of a Ga 2 O 3 single crystal in which Sn is implanted.
  • FIG. 4B is an image observed by an atomic force microscope of the Ga 2 O 3 single crystal into which Si is implanted according to the first embodiment.
  • FIG. 4C is an image observed by an atomic force microscope of a Ga 2 O 3 single crystal not subjected to ion implantation.
  • FIG. 5A is a vertical cross-sectional view of a Ga 2 O 3 -based single crystal representing an example of a step of forming a high donor concentration region according to the first embodiment.
  • FIG. 5B is a vertical cross-sectional view of a Ga 2 O 3 -based single crystal showing an example of a step of forming a high donor concentration region according to the first embodiment.
  • FIG. 5C is a vertical cross-sectional view of a Ga 2 O 3 -based single crystal showing an example of a process for forming a high donor concentration region according to the first embodiment.
  • FIG. 5A is a vertical cross-sectional view of a Ga 2 O 3 -based single crystal representing an example of a step of forming a high donor concentration region according to the first embodiment.
  • FIG. 5B is a vertical cross-sectional view of a Ga 2 O 3 -
  • FIG. 5D is a vertical cross-sectional view of a Ga 2 O 3 based single crystal showing an example of a step of forming a high donor concentration region according to the first embodiment.
  • FIG. 6A is a graph showing a calculation profile of a donor impurity implantation region formed by implantation at each implantation energy of multistage implantation and a total calculation profile thereof according to the second embodiment.
  • FIG. 6B is a graph showing an actual measurement profile of a donor impurity implantation region formed by multi-stage implantation according to the second embodiment.
  • FIG. 7A is a top view of a sample for evaluating IV characteristics and CTLM characteristics of a device including a high donor concentration region according to the second embodiment.
  • FIG. 7B is a vertical sectional view of the sample taken along line AA in FIG.
  • FIG. 8A is a graph showing IV characteristics of a sample having an electrode distance d of 5 ⁇ m according to the second embodiment.
  • FIG. 8B is a graph showing CTLM characteristics of a sample in which Si is ion-implanted into the Ga 2 O 3 layer at an implantation concentration of 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 according to the second embodiment.
  • FIG. 9A is a graph showing the relationship between the Si implantation concentration into the Ga 2 O 3 layer and the contact resistance between the high donor concentration region and the electrode according to the second embodiment.
  • FIG. 9A is a graph showing the relationship between the Si implantation concentration into the Ga 2 O 3 layer and the contact resistance between the high donor concentration region and the electrode according to the second embodiment.
  • FIG. 9B shows a comparative example in which Sn is ion-implanted in place of Si to form a high donor concentration region, and the Sn implantation concentration into the Ga 2 O 3 layer and between the high donor concentration region and the electrode. It is a graph which shows the relationship with contact resistance.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the annealing temperature and the effective donor concentration in the high donor concentration region when Si is ion-implanted into the Ga 2 O 3 single crystal according to the third embodiment.
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the Si implantation concentration and the effective donor concentration in the high donor concentration region when the annealing temperature and time are 1000 ° C. and 30 minutes, respectively, according to the third embodiment. is there.
  • Si is introduced into the Ga 2 O 3 single crystal as a donor impurity at a predetermined implantation concentration by using an ion implantation method, and annealing is performed, whereby a high donor concentration having excellent conductivity is obtained.
  • a region is formed in a Ga 2 O 3 single crystal.
  • the Ga 2 O 3 single crystal of this embodiment is made of a Ga 2 O 3 single crystal or a Ga 2 O 3 single crystal to which an element such as Al or In is added.
  • Al Al is added, the band gap is widened, and when In is added, the band gap is narrowed.
  • Ga 2 O 3 single crystal material for example, ⁇ -Ga 2 O 3 system is a single crystal, Ga 2 O 3 system having another structure such as ⁇ -Ga 2 O 3 single crystal material It may be a single crystal.
  • the Ga 2 O 3 based single crystal is, for example, a Ga 2 O 3 based single crystal substrate or a Ga 2 O 3 based crystal film formed on a support substrate.
  • FIG. 1A is a graph showing the relationship between the annealing temperature and the effective donor concentration in the high donor concentration region when Si is ion-implanted into the Ga 2 O 3 single crystal.
  • FIG. 1B is a graph showing the relationship between the annealing temperature and the activation rate when Si is ion-implanted into a Ga 2 O 3 single crystal.
  • the effective donor concentration is represented by the difference between the donor concentration Nd in the high donor concentration region and the acceptor concentration Na, and serves as an index of conductivity.
  • the activation rate is represented by the ratio of the effective donor concentration to the Si implantation concentration. The closer the activation rate is to 1 (100%), the easier it is to control the donor concentration.
  • Si implantation concentrations are 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 (mark “ ⁇ ”), 2 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 (mark “ ⁇ ”), and 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 (mark The data when “ ⁇ ”) is 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 (mark “ ⁇ ”) is shown.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the Si implantation concentration and the effective donor concentration in the high donor concentration region when the annealing temperature and time are 1000 ° C. and 30 minutes, respectively.
  • 1A, 1B, and 2 are annealing temperatures in a nitrogen atmosphere, but similar results can be obtained when annealing is performed in another inert atmosphere such as an argon atmosphere.
  • FIG. 1B shows that the activation rate decreases greatly while the Si implantation concentration increases from 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 to 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 .
  • the Si implantation concentration is higher than 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 , the activation rate is decreased and the donor concentration cannot be increased. Therefore, the Si implantation concentration is set to 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 or less.
  • the Si implantation concentration is preferably 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or more and 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 or less.
  • the implantation concentration is 2 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or more and 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or less, a higher effective donor concentration can be obtained, which is more preferable.
  • FIG. 1A also shows that the effective donor concentration in the high donor concentration region tends to increase when the annealing temperature is 800 ° C. or higher and 1150 ° C. or lower.
  • FIG. 1B shows that the activation rate tends to increase when the annealing temperature is 900 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower.
  • Figure 1A, 1B, 2 data but is obtained by using a Ga 2 O 3 single crystal material is a ⁇ -Ga 2 O 3 system single crystal, Ga 2 O 3 having another structure
  • the relationship between the Si implantation concentration, the annealing temperature, and the effective donor concentration shows the same tendency, and these preferable numerical ranges are the same as those described above. .
  • FIG. 3A is a graph showing a relationship between an annealing temperature and an effective donor concentration in a high donor concentration region when Sn is ion-implanted into a Ga 2 O 3 single crystal body instead of Si.
  • FIG. 3B is a graph showing the relationship between the annealing temperature and the activation rate when Sn is ion-implanted instead of Si into a Ga 2 O 3 single crystal.
  • 3A and 3B show that both the effective donor concentration and the activation rate are the highest when the Sn implantation concentration is 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 , and decrease as the implantation concentration decreases. .
  • the effective donor concentration can be increased by making the implantation concentration higher than 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 , but when Sn is ion-implanted, the implantation concentration is 1 ⁇ 10 19. If it is higher than cm ⁇ 3 , the effective donor concentration decreases.
  • Figure 4A, 4B, 4C are, Ga 2 O 3 single crystal material was injected Sn respectively, Ga 2 O 3 single crystal material was injected Si, of Ga 2 O 3 single crystal material not subjected to ion implantation It is an observation image by an atomic force microscope.
  • the donor implantation concentration of the Ga 2 O 3 single crystal of FIGS. 4A and 4B is 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3
  • the annealing temperature of the Ga 2 O 3 single crystal of FIGS. 4A, 4B and 4C is 1000 ° C. It is.
  • FIGS. 4A, 4B, and 4C are images obtained by observing the surface of each Ga 2 O 3 single crystal body from the vertical direction, and a bar having a vertical concentration gradient on the right side of each image indicates a position in the vertical direction.
  • a bar having a vertical concentration gradient on the right side of each image indicates a position in the vertical direction.
  • the height of the position of the lightest (white) portion with the darkest (black) portion as the reference is 3.0 nm.
  • the magnifications of the observed images in FIGS. 4A, 4B, and 4C are the same.
  • the surface of the Ga 2 O 3 single crystal body implanted with Sn in FIG. 4A has no crystal plane, indicating that the damage due to the ion implantation has not been recovered by the annealing treatment.
  • 5A to 5D are vertical sectional views of a Ga 2 O 3 based single crystal showing an example of a process for forming a high donor concentration region.
  • a mask 2 having a predetermined pattern is formed on a Ga 2 O 3 single crystal body 1.
  • the mask 2 is formed using photolithography or the like.
  • Si is implanted into the Ga 2 O 3 single crystal 1 by ion implantation, and a donor impurity implantation region 3 is formed on the surface of the Ga 2 O 3 single crystal 1.
  • the donor impurity implantation region 3 is a partial region on the surface of the Ga 2 O 3 single crystal 1. Formed.
  • the donor impurity concentration in the donor impurity implantation region 3 is higher than the donor impurity concentration in the region of the Ga 2 O 3 single crystal body 1 where Si is not implanted.
  • the implantation concentration of Si is 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 or less, preferably 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or more and 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 or less, preferably 2 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or more and 5 It is more preferable that it is not more than ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • the donor impurity implantation region 3 may be formed on the entire surface of the Ga 2 O 3 single crystal 1 by performing ion implantation without using the mask 2. Further, the depth and concentration distribution of the donor impurity implantation region 3 can be controlled by adjusting the ion implantation conditions.
  • the mask 2 is removed.
  • annealing is performed to activate the donor impurity in the donor impurity implantation region 3 to form a high donor concentration region 4 having a high donor concentration.
  • this annealing treatment can recover damage to the Ga 2 O 3 single crystal 1 caused by ion implantation.
  • the annealing treatment is preferably performed under a condition of 800 ° C. or higher and 1150 ° C. or lower in an inert atmosphere such as a nitrogen atmosphere or an argon atmosphere, and more preferably performed under a condition of 900 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower. .
  • Si is introduced into the Ga 2 O 3 single crystal as a donor impurity at a predetermined implantation concentration by using the ion implantation method, and an annealing process is performed, whereby excellent conductivity is achieved.
  • a high donor concentration region having ⁇ can be formed in the Ga 2 O 3 single crystal.
  • the optimum value of the implantation concentration is about 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 , and the effective donor concentration rapidly decreases when the value is increased further.
  • Si is used as a donor impurity in this embodiment, and the effective donor concentration can be improved by making the implantation concentration higher than 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • the optimum value of the Si implantation concentration is about 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 , and the effective donor concentration does not rapidly decrease even when the Si concentration is higher than that.
  • Si is introduced into a Ga 2 O 3 single crystal body as a donor impurity at a predetermined implantation concentration by using an ion implantation method, and is annealed to perform a high donor concentration region in ohmic contact with the electrode.
  • This high donor concentration region is formed by multi-stage implantation in which ion implantation energy is changed stepwise, and has a box profile.
  • FIG. 6A is a graph showing a calculation profile of a donor impurity implantation region formed by implantation at each implantation energy of multistage implantation and a total calculation profile thereof.
  • FIG. 6A shows a calculation result when the average donor impurity concentration is 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 as an example.
  • FIG. 6A shows that a donor impurity implantation region having a box profile can be obtained by multi-stage implantation.
  • FIG. 6B is a graph showing a measured profile of a donor impurity implantation region formed by multistage implantation. This profile is obtained by analysis of Si concentration in Ga 2 O 3 .
  • FIG. 6B shows that a donor impurity implantation region having a box profile with a depth of 150 nm was obtained when the implantation concentration was 1 ⁇ 10 19 , 2 ⁇ 10 19 , 5 ⁇ 10 19 , and 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 . It is shown that.
  • FIG. 7A is a top view of the sample 10 for evaluating the IV characteristics and the CTLM characteristics of the element including the high donor concentration region.
  • FIG. 7B is a vertical sectional view of the sample 10 taken along the line AA in FIG. 7A.
  • the sample 10 includes a high-resistance Ga 2 O 3 substrate 11 containing Fe, a Ga 2 O 3 layer 12 formed on the Ga 2 O 3 substrate 11, and a high-concentration Si layer on the upper layer of the Ga 2 O 3 layer 12. And an electrode 13 having a CTLM (Circular Transmission Line Model) pattern formed on the Ga 2 O 3 layer 12.
  • CTLM Cirrcular Transmission Line Model
  • the Ga 2 O 3 substrate 11 is a substrate made of ⁇ -Ga 2 O 3 single crystal and has a (010) plane as a main surface.
  • the Ga 2 O 3 layer 12 is a layer made of ⁇ -Ga 2 O 3 single crystal, and the thickness of the upper layer which is the high donor concentration region 14 is 150 nm, and the thickness of the lower layer not containing the dopant is 150 nm.
  • a donor impurity implantation region is formed by ion implantation of Si into the upper layer of the Ga 2 O 3 layer 12, and an activation annealing process is performed in a nitrogen atmosphere at 950 ° C. for 30 minutes. It is obtained by activating Si in the donor impurity implantation region.
  • the electrode 13 has a two-layer structure of Ti / Au, and the thicknesses of the Ti layer and the Au layer are 50 nm and 300 nm, respectively. After the electrode 13 was formed, an electrode annealing process was performed under a nitrogen atmosphere at 450 ° C. for 1 minute.
  • Samples 10 having electrode intervals d of 5, 10, 15, 20, 25, and 30 ⁇ m of the CTLM pattern of the electrodes 13 were formed, respectively, and IV characteristics and CTLM characteristics were evaluated.
  • the diameter of the circular portion of the electrode 13 was fixed to about 350 ⁇ m.
  • FIG. 8A is a graph showing the IV characteristics of the sample 10 in which the electrode interval d is 5 ⁇ m.
  • FIG. 8A shows that the samples in which Si is ion-implanted into the Ga 2 O 3 layer 12 at an implantation concentration of 1 ⁇ 10 19 , 2 ⁇ 10 19 , 5 ⁇ 10 19 , 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 are all linear. It is shown that the Ga 2 O 3 layer 12 and the electrode 13 form a good ohmic contact. On the other hand, no current flows in the sample having the Ga 2 O 3 layer 12 that does not contain the dopant used as the comparative example.
  • FIG. 8B is a graph showing CTLM characteristics of a sample in which Si is ion-implanted into the Ga 2 O 3 layer 12 at an implantation concentration of 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • FIG. 8B shows that the relationship between the electrode interval d (5, 10, 15, 20, 25, 30 ⁇ m) and the total resistance has a good linearity, and the high donor concentration region 14 formed by ion implantation of Si is shown in FIG. shown to have a plane and depth direction uniform electrical conductivity of Ga 2 O 3 layer 12, further, Ga 2 O 3 layer 12 and the contact resistance between the electrode 13 in Ga 2 O 3 layer 12 plane It shows that it is uniform.
  • the sheet resistance Rs of the Ga 2 O 3 layer 12 can be obtained from the slope of the straight line and the electrode interval in the CTLM characteristic graph as shown in FIG. 8B, and the propagation length Lt can be obtained from the intersection of the straight line and the horizontal axis. Since the contact resistance is equal to Rs ⁇ Lt 2 , the contact resistance of a sample in which Si is ion-implanted into the Ga 2 O 3 layer 12 at an implantation concentration of 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 can be obtained from FIG. 8B.
  • FIG. 9A is a graph showing the relationship between the Si implantation concentration into the Ga 2 O 3 layer 12 and the contact resistance between the high donor concentration region 14 and the electrode 13.
  • FIG. 9A shows that particularly low-resistance ohmic contacts (less than 2.3 ⁇ 10 ⁇ 5 ⁇ cm 2 ) are formed when the implantation concentration is 2 ⁇ 10 19 to 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 . .
  • FIG. 9B shows, as a comparative example, the implantation concentration of Sn into the Ga 2 O 3 layer 12 and the high donor concentration region and the electrode 13 when Sn is ion-implanted instead of Si to form a high donor concentration region. It is a graph which shows the relationship with the contact resistance between.
  • FIG. 9B shows that when a high donor concentration region is formed by ion implantation of Sn, the contact resistance does not fall below 1 to 2 ⁇ 10 ⁇ 4 ⁇ cm 2 even if the implantation concentration is increased.
  • FIGS. 3A and 3B when the Sn implantation concentration is increased from 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 , the activation rate rapidly decreases and the effective donor concentration does not increase. Therefore, it is considered that the contact resistance does not decrease even when the implantation concentration is increased from 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 .
  • the contact resistance value of the ohmic contact required for an electronic device is about 5 ⁇ 10 ⁇ 5 ⁇ cm 2 or less. If the contact resistance is higher than that, the loss in the contact electrode becomes too large.
  • an ohmic contact formation technique using Sn has been known, but as a result of examining the relationship between the Sn implantation concentration and the ohmic contact in detail, it has been found that a contact resistance satisfying the above conditions cannot be obtained. It has been clarified that a low-resistance ohmic contact applicable to a device can be formed by using Si as an ion implantation species and setting the implantation concentration to 2 ⁇ 10 19 to 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 .
  • the high donor concentration region is formed in the Ga 2 O 3 single crystal by ion implantation of Si at an implantation concentration suitable for forming a low-resistance ohmic contact, A low-resistance ohmic contact can be formed between the high donor concentration region and the electrode.
  • a high donor concentration region having a lower Si implantation concentration than the high donor concentration region evaluated in the first embodiment was formed and evaluated.
  • the high donor concentration region in this embodiment is used as a channel region of a transistor, for example. Note that the method for forming the high donor concentration region is the same as that in the first embodiment.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the annealing temperature and the effective donor concentration in the high donor concentration region when Si is ion-implanted into the Ga 2 O 3 single crystal.
  • the implantation concentration of Si is 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 (mark “ ⁇ ”), 2 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 (mark “ ⁇ ”), 3 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 (mark “ ⁇ ”), respectively. “) The data when 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 (mark“ ⁇ ”) is shown.
  • the annealing temperature in FIG. 10 is the temperature of the annealing process in a nitrogen atmosphere, but the same result can be obtained when the annealing process is performed in another inert atmosphere such as an argon atmosphere.
  • FIG. 10 shows that when the Si implantation concentration is 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or more and 2 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less, the high donor concentration region is effective when the annealing temperature is 900 ° C. or more and 1000 ° C. or less.
  • the annealing temperature is 800 ° C. or more and 1000 ° C. or less when the donor concentration is high and the Si implantation concentration is 3 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or more and 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less, It shows that the effective donor concentration tends to increase.
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the Si implantation concentration and the effective donor concentration in the high donor concentration region when the annealing temperature and time are 1000 ° C. and 30 minutes, respectively.
  • the four points on the left side in FIG. 11 are measured values in the present embodiment, and the four points on the right side are measured values in the first embodiment.
  • FIG. 11 shows that when the annealing treatment is performed under the condition that the effective donor concentration becomes high when the implantation concentration of Si is 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or more and 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 or less.
  • the measured value also shows that the ratio of the effective donor concentration to the Si implantation concentration (activation rate) is close to a straight line of 1, and it is easy to control the donor concentration.
  • the annealing temperature is preferably 900 ° C. or more and 1000 ° C. or less.
  • the concentration is 3 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or more and 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less
  • the annealing temperature is preferably 800 ° C. or more and 1000 ° C. or less.
  • ⁇ -Ga 2 O 3 system but is obtained by using a Ga 2 O 3 single crystal material is a single crystal, Ga 2 O 3 system single having other structures Even in the case of using a crystal, the relationship between the Si implantation concentration, the annealing temperature, and the effective donor concentration shows the same tendency, and these preferable numerical ranges are the same as those described above.
  • An area having excellent conductivity can be formed in the Ga 2 O 3 single crystal material, to provide a donor concentration control method of the Ga 2 O 3 single crystal material using an ion implantation method. Further, a low resistance ohmic contact is formed between the Ga 2 O 3 single crystal and the electrode.

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Abstract

　優れた導電性を有する領域をＧａ２Ｏ３系単結晶体中に形成することのできる、イオン注入法を用いたＧａ２Ｏ３系単結晶体のドナー濃度制御方法を提供する。また、Ｇａ２Ｏ３系単結晶体と電極の間に低抵抗のオーミックコンタクトを形成する。　イオン注入法により、Ｇａ２Ｏ３系単結晶体１にドナー不純物としてＳｉを１×１０２０ｃｍ－３以下の注入濃度で導入し、Ｇａ２Ｏ３系単結晶体１中に、Ｓｉを注入していない領域よりもドナー不純物濃度の高いドナー不純物注入領域３を形成する工程と、アニール処理により、ドナー不純物注入領域３中のＳｉを活性化させ、高ドナー濃度領域４を形成する工程と、を含む方法により、Ｇａ２Ｏ３系単結晶体１のドナー濃度を制御する。

Description

Ｇａ２Ｏ３系単結晶体のドナー濃度制御方法、及びオーミックコンタクト形成方法
　本発明は、Ｇａ２Ｏ３系単結晶体のドナー濃度制御方法、及びオーミックコンタクト形成方法に関する。
　従来のＧａ２Ｏ３単結晶の形成方法として、Ｇａ２Ｏ３単結晶を成長させながらＳｉやＳｎ等のＩＶ族元素を添加して、Ｇａ２Ｏ３単結晶に導電性を付与する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
　また、従来の他のＧａ２Ｏ３単結晶の形成方法として、サファイア基板上にＳｎ等の不純物を添加しながらβ－Ｇａ２Ｏ３結晶をヘテロエピタキシャル成長させ、導電性を有するβ－Ｇａ２Ｏ３結晶膜を形成する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
　また、ＳｉＣ結晶にイオン注入により不純物イオンを導入する方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００５－２３５９６１号公報 特許第４０８３３９６号公報 特許第４５８１２７０号公報
　一方、Ｇａ２Ｏ３単結晶等の酸化物単結晶に導電性を付与するための不純物の導入に、イオン注入法を用いることは難しい。これは、酸化物にはイオン注入によるダメージが発生しやすく、イオン注入後のアニール処理でもダメージを十分に回復させることが難しいことによる。酸化物単結晶においては、イオン注入の際に酸素が欠損することにより、結晶のダメージが大きくなるものと考えられる。
　しかしながら、イオン注入法には、母結晶の形成後に不純物濃度を制御することが可能であることや、比較的容易に不純物を局所的に導入することが可能であること等の利点がある。
　したがって、本発明の目的の１つは、優れた導電性を有する領域をＧａ２Ｏ３系単結晶体中に形成することのできる、イオン注入法を用いたＧａ２Ｏ３系単結晶体のドナー濃度制御方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、イオン注入法によりＧａ２Ｏ３系単結晶体にドナーを注入して、Ｇａ２Ｏ３系単結晶体と電極の間に低抵抗のオーミックコンタクトを形成することにある。
　本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記［１］～［５］のＧａ２Ｏ３系単結晶体のドナー濃度制御方法を提供する。
［１］イオン注入法により、Ｇａ２Ｏ３系単結晶体にドナー不純物としてＳｉを１×１０２０ｃｍ－３以下の注入濃度で導入し、前記Ｇａ２Ｏ３系単結晶体中に、前記Ｓｉを注入していない領域よりもドナー不純物濃度の高いドナー不純物注入領域を形成する工程と、アニール処理により、前記ドナー不純物注入領域中の前記Ｓｉを活性化させ、高ドナー濃度領域を形成する工程と、を含むＧａ２Ｏ３系単結晶体のドナー濃度制御方法。
［２］前記注入濃度が１×１０１７ｃｍ－３以上である、前記［１］に記載のＧａ２Ｏ３系単結晶体のドナー濃度制御方法。
［３］前記注入濃度が１×１０１９ｃｍ－３以上かつ１×１０２０ｃｍ－３以下である、前記［２］に記載のＧａ２Ｏ３系単結晶体のドナー濃度制御方法。
［４］前記注入濃度が２×１０１９ｃｍ－３以上かつ５×１０１９ｃｍ－３以下である、前記［３］に記載のＧａ２Ｏ３系単結晶体のドナー濃度制御方法。
［５］前記注入濃度が３×１０１７ｃｍ－３以上かつ５×１０１７ｃｍ－３以下である、前記［２］に記載のＧａ２Ｏ３系単結晶体のドナー濃度制御方法。
［６］前記アニール処理は、窒素雰囲気下で８００℃以上かつ１１５０℃以下の条件で実施される、前記［３］又は［４］に記載のＧａ２Ｏ３系単結晶体のドナー濃度制御方法。
［７］前記アニール処理は、窒素雰囲気下で８００℃以上かつ１０００℃以下の条件で実施される、前記［５］に記載のＧａ２Ｏ３系単結晶体のドナー濃度制御方法。
［８］前記アニール処理は、窒素雰囲気下で９００℃以上かつ１０００℃以下の条件で実施される、前記［１］～［５］のいずれか１項に記載のＧａ２Ｏ３系単結晶体のドナー濃度制御方法。
　また、本発明の他の態様は、上記目的を達成するために、下記［９］のオーミックコンタクト形成方法を提供する。
［９］イオン注入法により、Ｇａ２Ｏ３系単結晶体にドナー不純物としてＳｉを２×１０１９ｃｍ－３以上かつ１×１０２０ｃｍ－３以下の注入濃度で導入し、前記Ｇａ２Ｏ３系単結晶体中に、前記Ｓｉを注入していない領域よりもドナー不純物濃度の高いドナー不純物注入領域を形成する工程と、アニール処理により、前記ドナー不純物注入領域中の前記Ｓｉを活性化させ、高ドナー濃度領域を形成する工程と、前記Ｇａ２Ｏ３系単結晶体上に電極を形成し、前記高ドナー濃度領域と前記電極のオーミックコンタクトを形成する工程と、を含むオーミックコンタクト形成方法。
　本発明によれば、優れた導電性を有する領域をＧａ２Ｏ３系単結晶体中に形成することのできる、イオン注入法を用いたＧａ２Ｏ３系単結晶体のドナー濃度制御方法を提供することができる。また、本発明によれば、イオン注入法によりＧａ２Ｏ３系単結晶体にドナーを注入して、Ｇａ２Ｏ３系単結晶体と電極の間に低抵抗のオーミックコンタクトを形成することができる。
図１Ａは、第１の実施の形態に係る、Ｇａ２Ｏ３系単結晶体にＳｉをイオン注入した場合のアニール温度と高ドナー濃度領域の実効的なドナー濃度との関係を表すグラフである。 図１Ｂは、第１の実施の形態に係る、Ｇａ２Ｏ３系単結晶体にＳｉをイオン注入した場合のアニール温度と活性化率との関係を表すグラフである。 図２は、第１の実施の形態に係る、アニール温度が１０００℃であるときのＳｉの注入濃度と高ドナー濃度領域の実効的なドナー濃度との関係を表すグラフである。 図３Ａは、Ｇａ２Ｏ３系単結晶体にＳｉの代わりにＳｎをイオン注入した場合のアニール温度と高ドナー濃度領域の実効的なドナー濃度との関係を表すグラフである。 図３Ｂは、Ｇａ２Ｏ３系単結晶体にＳｉの代わりにＳｎをイオン注入した場合のアニール温度と活性化率との関係を表すグラフである。 図４Ａは、Ｓｎを注入したＧａ２Ｏ３系単結晶体の原子間力顕微鏡による観察像である。 図４Ｂは、第１の実施の形態に係る、Ｓｉを注入したＧａ２Ｏ３系単結晶体の原子間力顕微鏡による観察像である。 図４Ｃは、イオン注入を行っていないＧａ２Ｏ３系単結晶体の原子間力顕微鏡による観察像である。 図５Ａは、第１の実施の形態に係る、高ドナー濃度領域を形成する工程の一例を表すＧａ２Ｏ３系単結晶体の垂直断面図である。 図５Ｂは、第１の実施の形態に係る、高ドナー濃度領域を形成する工程の一例を表すＧａ２Ｏ３系単結晶体の垂直断面図である。 図５Ｃは、第１の実施の形態に係る、高ドナー濃度領域を形成する工程の一例を表すＧａ２Ｏ３系単結晶体の垂直断面図である。 図５Ｄは、第１の実施の形態に係る、高ドナー濃度領域を形成する工程の一例を表すＧａ２Ｏ３系単結晶体の垂直断面図である。 図６Ａは、第２の実施の形態に係る、多段注入の各注入エネルギーでの注入により形成されるドナー不純物注入領域の計算プロファイルと、それらの合計の計算プロファイルを表すグラフである。 図６Ｂは、第２の実施の形態に係る、多段注入により形成されたドナー不純物注入領域の実測プロファイルを表すグラフである。 図７Ａは、第２の実施の形態に係る、高ドナー濃度領域を含む素子のＩ－Ｖ特性及びＣＴＬＭ特性を評価するための試料の上面図である。 図７Ｂは、図７Ａの線分Ａ－Ａで切断したときの試料の垂直断面図である。 図８Ａは、第２の実施の形態に係る、電極間隔ｄが５μｍである試料のＩ－Ｖ特性を示すグラフである。 図８Ｂは、第２の実施の形態に係る、５×１０１９ｃｍ－３の注入濃度でＳｉがＧａ２Ｏ３層にイオン注入された試料のＣＴＬＭ特性を示すグラフである。 図９Ａは、第２の実施の形態に係る、Ｇａ２Ｏ３層へのＳｉの注入濃度と、高ドナー濃度領域と電極の間のコンタクト抵抗との関係を示すグラフである。 図９Ｂは、比較例として、Ｓｉの代わりにＳｎをイオン注入して高ドナー濃度領域を形成した場合の、Ｇａ２Ｏ３層へのＳｎの注入濃度と、高ドナー濃度領域と電極の間のコンタクト抵抗との関係を示すグラフである。 図１０は、第３の実施の形態に係る、Ｇａ２Ｏ３系単結晶体にＳｉをイオン注入した場合のアニール温度と高ドナー濃度領域の実効的なドナー濃度との関係を表すグラフである。 図１１は、第３の実施の形態に係る、アニール温度、時間がそれぞれ１０００℃、３０分であるときのＳｉの注入濃度と高ドナー濃度領域の実効的なドナー濃度との関係を表すグラフである。
〔第１の実施の形態〕
　本実施の形態では、イオン注入法を用いてドナー不純物としてＳｉを所定の注入濃度でＧａ２Ｏ３系単結晶体に導入し、アニール処理を施すことにより、優れた導電性を有する高ドナー濃度領域をＧａ２Ｏ３系単結晶体中に形成する。
　本実施の形態のＧａ２Ｏ３系単結晶体は、Ｇａ２Ｏ３単結晶、又は、Ａｌ、Ｉｎ等の元素が添加されたＧａ２Ｏ３単結晶からなる。例えば、Ａｌ及びＩｎが添加されたＧａ２Ｏ３結晶である（ＧａｘＡｌｙＩｎ（１－ｘ－ｙ））２Ｏ３（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）結晶であってもよい。Ａｌを添加した場合にはバンドギャップが広がり、Ｉｎを添加した場合にはバンドギャップが狭くなる。
　また、Ｇａ２Ｏ３系単結晶体は、例えば、β－Ｇａ２Ｏ３系単結晶体であるが、α－Ｇａ２Ｏ３系単結晶体等の他の構造を有するＧａ２Ｏ３系単結晶体であってもよい。
　Ｇａ２Ｏ３系単結晶体は、例えば、Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板や、支持基板上に形成されたＧａ２Ｏ３系結晶膜である。
　図１Ａは、Ｇａ２Ｏ３系単結晶体にＳｉをイオン注入した場合のアニール温度と高ドナー濃度領域の実効的なドナー濃度との関係を表すグラフである。図１Ｂは、Ｇａ２Ｏ３系単結晶体にＳｉをイオン注入した場合のアニール温度と活性化率との関係を表すグラフである。
　ここで、実効的なドナー濃度は、高ドナー濃度領域のドナー濃度Ｎｄとアクセプタ濃度Ｎａとの差で表され、導電性の指標となる。活性化率は、Ｓｉの注入濃度に対する実効的なドナー濃度の比で表される。活性化率が１（１００％）に近いほどドナー濃度の制御が容易になる。
　図１Ａ、１Ｂには、Ｓｉの注入濃度がそれぞれ１×１０１９ｃｍ－３（マーク“◇”）、２×１０１９ｃｍ－３（マーク“■”）、５×１０１９ｃｍ－３（マーク“△”）、１×１０２０ｃｍ－３（マーク“×”）であるときのデータが示されている。
　図２は、アニール温度、時間がそれぞれ１０００℃、３０分であるときのＳｉの注入濃度と高ドナー濃度領域の実効的なドナー濃度との関係を表すグラフである。
　図１Ａ、１Ｂ、２のアニール温度は、窒素雰囲気下におけるアニール処理の温度であるが、アルゴン雰囲気等の他の不活性雰囲気下でアニール処理を行う場合も同様の結果が得られる。
　図１Ｂは、Ｓｉの注入濃度が５×１０１９ｃｍ－３から１×１０２０ｃｍ－３へ増加する間に活性化率が大きく低下することを示している。Ｓｉの注入濃度が１×１０２０ｃｍ－３よりも大きくなると、活性化率が低下するのみでドナー濃度の増加は見込めないため、Ｓｉの注入濃度は１×１０２０ｃｍ－３以下に設定される。
　また、図１Ａ及び図２は、Ｓｉの注入濃度が１×１０１９ｃｍ－３以上かつ１×１０２０ｃｍ－３以下であるときに、特に高い実効的なドナー濃度が得られることを示している。このため、高ドナー濃度領域により高い導電性が求められる場合は、Ｓｉの注入濃度が１×１０１９ｃｍ－３以上かつ１×１０２０ｃｍ－３以下であることが好ましい。
　さらに、注入濃度が２×１０１９ｃｍ－３以上かつ５×１０１９ｃｍ－３以下であるときには、より高い実効的なドナー濃度が得られるため、より好ましい。
　また、図１Ａは、アニール温度が８００℃以上かつ１１５０℃以下のときに高ドナー濃度領域の実効的なドナー濃度が高くなる傾向があることを示している。また、図１Ｂは、アニール温度が９００℃以上かつ１０００℃以下のときに活性化率が高くなる傾向があることを示している。
　図１Ａ、１Ｂ、２のデータは、β－Ｇａ２Ｏ３系単結晶体であるＧａ２Ｏ３系単結晶体を用いて得られたものであるが、他の構造を有するＧａ２Ｏ３系単結晶体を用いた場合であっても、Ｓｉの注入濃度、アニール温度、及び実効的なドナー濃度の関係は同様の傾向を示すため、これらの好ましい数値範囲は上記のものと同様である。
　図３Ａは、Ｇａ２Ｏ３系単結晶体にＳｉの代わりにＳｎをイオン注入した場合のアニール温度と高ドナー濃度領域の実効的なドナー濃度との関係を表すグラフである。図３Ｂは、Ｇａ２Ｏ３系単結晶体にＳｉの代わりにＳｎをイオン注入した場合のアニール温度と活性化率との関係を表すグラフである。
　図３Ａ、３Ｂは、実効的なドナー濃度、活性化率ともに、Ｓｎの注入濃度が１×１０１９ｃｍ－３であるときに最も高く、注入濃度が低下するにしたがって低下することを示している。
　Ｓｉをイオン注入する場合、注入濃度を１×１０１９ｃｍ－３よりも高くすることにより、実効的なドナー濃度を高めることができるが、Ｓｎをイオン注入する場合、注入濃度を１×１０１９ｃｍ－３よりも高くすると、実効的なドナー濃度が低下する。
　この理由の１つとして、Ｓｉの注入濃度を高めてもＧａ２Ｏ３系単結晶体に生じるダメージは少なく、アニール処理により回復することができるが、Ｓｎの注入濃度を高くすると、回復しきれないほどのダメージがＧａ２Ｏ３系単結晶体に生じることが考えられる。
　図４Ａ、４Ｂ、４Ｃは、それぞれＳｎを注入したＧａ２Ｏ３系単結晶体、Ｓｉを注入したＧａ２Ｏ３系単結晶体、イオン注入を行っていないＧａ２Ｏ３系単結晶体の原子間力顕微鏡による観察像である。図４Ａ、４ＢのＧａ２Ｏ３系単結晶体のドナーの注入濃度は５×１０１９ｃｍ－３であり、図４Ａ、４Ｂ、４ＣのＧａ２Ｏ３系単結晶体のアニール温度は１０００℃である。
　図４Ａ、４Ｂ、４Ｃは、各Ｇａ２Ｏ３系単結晶体の表面を垂直方向から観察した像であり、各画像の右側にある縦方向の濃度勾配を有するバーは、垂直方向の位置を表す。例えば、図４Ａにおいては、像の濃度が最も濃い（黒い）部分の位置を基準としたときの濃度が最も薄い（白い）部分の位置の高さが３．０ｎｍとなる。図４Ａ、４Ｂ、４Ｃの観察像の倍率は同じである。
　図４Ｃのイオン注入を行っていないＧａ２Ｏ３系単結晶体の表面には、結晶の面が階段状に現れている。図４ＢのＳｉを注入したＧａ２Ｏ３系単結晶体の表面の状態は、図４Ｃのイオン注入を行っていないＧａ２Ｏ３系単結晶体の表面の状態とほぼ同じであり、イオン注入によるダメージがアニール処理により回復し、高い結晶品質が得られていることを示している。
　一方、図４ＡのＳｎを注入したＧａ２Ｏ３系単結晶体の表面は、結晶面が現れておらず、イオン注入によるダメージがアニール処理により回復していないことを示している。
　以下、本実施の形態のＧａ２Ｏ３系単結晶体へ高ドナー濃度領域を形成する工程の一例を示す。
　図５Ａ～５Ｄは、高ドナー濃度領域を形成する工程の一例を表すＧａ２Ｏ３系単結晶体の垂直断面図である。
　まず、図５Ａに示すように、Ｇａ２Ｏ３系単結晶体１上に所定のパターンを有するマスク２を形成する。マスク２は、フォトリソグラフィ等を用いて形成される。
　次に、図５Ｂに示すように、イオン注入によりＳｉをＧａ２Ｏ３系単結晶体１に注入し、Ｇａ２Ｏ３系単結晶体１の表面にドナー不純物注入領域３を形成する。このとき、Ｇａ２Ｏ３系単結晶体１のマスク２に覆われた領域にはＳｉが注入されないため、ドナー不純物注入領域３はＧａ２Ｏ３系単結晶体１の表面の一部の領域に形成される。ドナー不純物注入領域３のドナー不純物濃度は、Ｇａ２Ｏ３系単結晶体１のＳｉを注入していない領域のドナー不純物濃度よりも高い。
　Ｓｉの注入濃度は、１×１０２０ｃｍ－３以下であり、１×１０１９ｃｍ－３以上かつ１×１０２０ｃｍ－３以下であることが好ましく、２×１０１９ｃｍ－３以上かつ５×１０１９ｃｍ－３以下であることがより好ましい。
　なお、マスク２を用いずにイオン注入を行い、Ｇａ２Ｏ３系単結晶体１の全表面にドナー不純物注入領域３を形成してもよい。また、イオン注入の条件を調整することにより、ドナー不純物注入領域３の深さや濃度分布を制御することができる。
　次に、図５Ｃに示すように、マスク２を除去する。
　その後、図５Ｄに示すように、アニール処理を施すことにより、ドナー不純物注入領域３のドナー不純物を活性化させ、ドナー濃度の高い高ドナー濃度領域４を形成する。また、このアニール処理により、イオン注入により生じたＧａ２Ｏ３系単結晶体１のダメージを回復することができる。
　アニール処理は、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気等の不活性雰囲気下で８００℃以上かつ１１５０℃以下の条件で実施されることが好ましく、９００℃以上かつ１０００℃以下の条件で実施されることがより好ましい。
（第１の実施の形態の効果）
　上記第１の実施の形態によれば、イオン注入法を用いてドナー不純物としてＳｉを所定の注入濃度でＧａ２Ｏ３系単結晶体に導入し、アニール処理を施すことにより、優れた導電性を有する高ドナー濃度領域をＧａ２Ｏ３系単結晶体中に形成することができる。
　例えば、ドナー不純物としてＳｎを用いる場合は、注入濃度の最適値はおよそ１×１０１９ｃｍ－３であり、それ以上高くすると実効的なドナー濃度が急激に低下する。一方、本実施の形態ではドナー不純物としてＳｉを用いており、注入濃度を１×１０１９ｃｍ－３より高くすることにより実効的なドナー濃度を向上させることができる。Ｓｉの注入濃度の最適値はおよそ５×１０１９ｃｍ－３であり、それ以上高くしても実効的なドナー濃度が急激に低下することはない。
〔第２の実施の形態〕
　本実施の形態では、イオン注入法を用いてドナー不純物としてＳｉを所定の注入濃度でＧａ２Ｏ３系単結晶体に導入し、アニール処理を施すことにより、電極とオーミックコンタクトする高ドナー濃度領域をＧａ２Ｏ３系単結晶体中に形成する。この高ドナー濃度領域は、イオン注入エネルギーを段階的に変化させる多段注入により形成され、ボックスプロファイルを有する。
　図６Ａは、多段注入の各注入エネルギーでの注入により形成されるドナー不純物注入領域の計算プロファイルと、それらの合計の計算プロファイルを表すグラフである。図６Ａでは、一例として、平均ドナー不純物濃度が１×１０２０ｃｍ－３の場合の計算結果を示している。図６Ａは、多段注入によりボックスプロファイルを有するドナー不純物注入領域が得られることを示している。
　図６Ｂは、多段注入により形成されたドナー不純物注入領域の実測プロファイルを表すグラフである。このプロファイルは、Ｇａ２Ｏ３中のＳｉ濃度分析により得られたものである。図６Ｂは、注入濃度が１×１０１９、２×１０１９、５×１０１９、１×１０２０ｃｍ－３のときに、それぞれ深さ１５０ｎｍのボックスプロファイルを有するドナー不純物注入領域が得られたことを示している。
　図７Ａは、高ドナー濃度領域を含む素子のＩ－Ｖ特性及びＣＴＬＭ特性を評価するための試料１０の上面図である。図７Ｂは、図７Ａの線分Ａ－Ａで切断したときの試料１０の垂直断面図である。
　試料１０は、Ｆｅを含む高抵抗のＧａ２Ｏ３基板１１と、Ｇａ２Ｏ３基板１１上に形成されたＧａ２Ｏ３層１２と、Ｇａ２Ｏ３層１２の上層の高濃度のＳｉを含む高ドナー濃度領域１４と、Ｇａ２Ｏ３層１２上に形成されたＣＴＬＭ（Circular Transmission Line Model）パターンを有する電極１３を有する。
   
　Ｇａ２Ｏ３基板１１は、β－Ｇａ２Ｏ３単結晶からなる基板であり、（０１０）面を主面とする。Ｇａ２Ｏ３層１２は、β－Ｇａ２Ｏ３単結晶からなる層であり、高ドナー濃度領域１４である上層の厚さが１５０ｎｍ、ドーパントを含まない下層の厚さが１５０ｎｍである。
　高ドナー濃度領域１４は、Ｇａ２Ｏ３層１２の上層にＳｉをイオン注入することによりドナー不純物注入領域を形成し、窒素雰囲気下、９５０℃、３０分の条件で活性化アニール処理を施してドナー不純物注入領域中のＳｉを活性化することにより得られる。
　電極１３は、Ｔｉ／Ａｕの２層構造を有し、Ｔｉ層とＡｕ層の厚さは、それぞれ５０ｎｍ、３００ｎｍである。電極１３の形成後、窒素雰囲気下、４５０℃、１分の条件で電極アニール処理を行った。
　電極１３のＣＴＬＭパターンの電極間隔ｄが５、１０、１５、２０、２５、３０μｍである試料１０をそれぞれ形成し、Ｉ－Ｖ特性及びＣＴＬＭ特性を評価した。なお、電極１３の円形部分の直径は約３５０μｍに固定した。
　図８Ａは、電極間隔ｄが５μｍである試料１０のＩ－Ｖ特性を示すグラフである。図８Ａは、１×１０１９、２×１０１９、５×１０１９、１×１０２０ｃｍ－３の注入濃度でＳｉがＧａ２Ｏ３層１２にイオン注入された試料が、いずれも直線性のＩ－Ｖ特性を有し、Ｇａ２Ｏ３層１２と電極１３が良好なオーミックコンタクトを形成していることを示している。一方、比較例として用いたドーパントを含まないＧａ２Ｏ３層１２を有する試料では、電流が流れていない。
　図８Ｂは、５×１０１９ｃｍ－３の注入濃度でＳｉがＧａ２Ｏ３層１２にイオン注入された試料のＣＴＬＭ特性を示すグラフである。図８Ｂは、電極間隔ｄ（５、１０、１５、２０、２５、３０μｍ）と全抵抗の関係が良好な直線性を有しており、Ｓｉのイオン注入により形成された高ドナー濃度領域１４がＧａ２Ｏ３層１２の面内および深さ方向に均一な導電率を有することを示し、さらに、Ｇａ２Ｏ３層１２と電極１３の間のコンタクト抵抗がＧａ２Ｏ３層１２面内で均一であることを示している。
　図８ＢのようなＣＴＬＭ特性のグラフの直線の傾きと電極間隔からＧａ２Ｏ３層１２のシート抵抗Ｒｓを求め、直線と横軸との交点から伝搬長Ｌｔを求めることができる。コンタクト抵抗はＲｓ×Ｌｔ２と等しいため、図８Ｂから５×１０１９ｃｍ－３の注入濃度でＳｉがＧａ２Ｏ３層１２にイオン注入された試料のコンタクト抵抗を求めることができる。
　図９Ａは、Ｇａ２Ｏ３層１２へのＳｉの注入濃度と、高ドナー濃度領域１４と電極１３の間のコンタクト抵抗との関係を示すグラフである。図９Ａは、注入濃度が２×１０１９～１×１０２０ｃｍ－３のときに、特に低抵抗のオーミックコンタクト（２．３×１０－５Ωｃｍ２未満）が形成されることを示している。そして、注入濃度が５×１０１９ｃｍ－３であるときに、最も小さいコンタクト抵抗（４．６×１０－６Ωｃｍ２）が得られることを示している。
　図９Ｂは、比較例として、Ｓｉの代わりにＳｎをイオン注入して高ドナー濃度領域を形成した場合の、Ｇａ２Ｏ３層１２へのＳｎの注入濃度と、高ドナー濃度領域と電極１３の間のコンタクト抵抗との関係を示すグラフである。図９Ｂは、Ｓｎをイオン注入して高ドナー濃度領域を形成する場合は、注入濃度を増加させてもコンタクト抵抗は１～２×１０－４Ωｃｍ２より下がらないことを示している。なお、図３Ａ、３Ｂに示される通り、Ｓｎの注入濃度を１×１０１９ｃｍ－３より増加させると急激に活性化率が低下し、実効的なドナー濃度は増加しない。よって、注入濃度を１×１０２０ｃｍ－３より増やしても、コンタクト抵抗は低減しないと考えられる。
　電界効果トランジスタやショットキーバリアダイオードなどの電子デバイスに要求されるオーミックコンタクトのコンタクト抵抗値は、およそ５×１０－５Ωｃｍ２以下である。コンタクト抵抗がそれ以上高いと、コンタクト電極における損失が大きくなり過ぎてしまう。これまで、上記条件を満たすＧａ２Ｏ３に対するオーミックコンタクト形成技術がなかったため、Ｇａ２Ｏ３電子デバイスの実用化が難しかった。従来、Ｓｎを用いたオーミックコンタクト形成技術が知られているが、Ｓｎの注入濃度とオーミックコンタクトの関係を詳細に検討した結果、上記条件を満たすコンタクト抵抗は得られないことがわかった。イオン注入種にＳｉを用い、その注入濃度を２×１０１９～１×１０２０ｃｍ－３とすることで、デバイスに適用可能な低抵抗オーミックコンタクトを形成できることを明らかにした。
（第２の実施の形態の効果）
　上記第２の実施の形態によれば、低抵抗のオーミックコンタクトを形成するために適した注入濃度でのＳｉのイオン注入によりＧａ２Ｏ３系単結晶体中に高ドナー濃度領域を形成し、高ドナー濃度領域と電極との間に低抵抗のオーミックコンタクトを形成することができる。
〔第３の実施の形態〕
　第３の実施の形態では、第１の実施の形態において評価された高ドナー濃度領域よりもＳｉの注入濃度の低い高ドナー濃度領域を形成し、評価を行った。本実施の形態の高ドナー濃度領域は、例えば、トランジスタのチャネル領域として用いられる。なお、高ドナー濃度領域の形成方法は、第１の実施の形態と同様である。
　図１０は、Ｇａ２Ｏ３系単結晶体にＳｉをイオン注入した場合のアニール温度と高ドナー濃度領域の実効的なドナー濃度との関係を表すグラフである。
　図１０には、Ｓｉの注入濃度がそれぞれ１×１０１７ｃｍ－３（マーク“◇”）、２×１０１７ｃｍ－３（マーク“●”）、３×１０１７ｃｍ－３（マーク“△”）、５×１０１７ｃｍ－３（マーク“×”）であるときのデータが示されている。
　図１０のアニール温度は、窒素雰囲気下におけるアニール処理の温度であるが、アルゴン雰囲気等の他の不活性雰囲気下でアニール処理を行う場合も同様の結果が得られる。
　図１０は、Ｓｉの注入濃度が１×１０１７ｃｍ－３以上かつ２×１０１７ｃｍ－３以下である場合、アニール温度が９００℃以上かつ１０００℃以下のときに高ドナー濃度領域の実効的なドナー濃度が高くなり、Ｓｉの注入濃度が３×１０１７ｃｍ－３以上かつ５×１０１７ｃｍ－３以下である場合、アニール温度が８００℃以上かつ１０００℃以下のときに高ドナー濃度領域の実効的なドナー濃度が高くなる傾向があることを示している。
　図１１は、アニール温度、時間がそれぞれ１０００℃、３０分であるときのＳｉの注入濃度と高ドナー濃度領域の実効的なドナー濃度との関係を表すグラフである。図１１中の左側の４点が本実施の形態における測定値、右側の４点が第１の実施の形態における測定値である。
　図１１は、Ｓｉの注入濃度が１×１０１７ｃｍ－３以上かつ１×１０２０ｃｍ－３以下である場合に、実効的なドナー濃度が高くなる条件でアニール処理を施したときには、いずれの測定値もＳｉの注入濃度に対する実効的なドナー濃度の比（活性化率）が１の直線に近く、ドナー濃度の制御が容易であることを示している。
　このため、Ｓｉの注入濃度が１×１０１７ｃｍ－３以上かつ２×１０１７ｃｍ－３以下である場合には、アニール温度が９００℃以上かつ１０００℃以下であることが好ましく、Ｓｉの注入濃度が３×１０１７ｃｍ－３以上かつ５×１０１７ｃｍ－３以下である場合には、アニール温度が８００℃以上かつ１０００℃以下であることが好ましい。
　図１０、１１のデータは、β－Ｇａ２Ｏ３系単結晶体であるＧａ２Ｏ３系単結晶体を用いて得られたものであるが、他の構造を有するＧａ２Ｏ３系単結晶体を用いた場合であっても、Ｓｉの注入濃度、アニール温度、及び実効的なドナー濃度の関係は同様の傾向を示すため、これらの好ましい数値範囲は上記のものと同様である。
　以上、本発明の第１～第３の実施の形態を説明したが、本発明は、上記第１～第３の実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。
　また、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
　優れた導電性を有する領域をＧａ２Ｏ３系単結晶体中に形成することのできる、イオン注入法を用いたＧａ２Ｏ３系単結晶体のドナー濃度制御方法を提供する。また、Ｇａ２Ｏ３系単結晶体と電極の間に低抵抗のオーミックコンタクトを形成する。
１…Ｇａ２Ｏ３系単結晶体、３…ドナー不純物注入領域、４…高ドナー濃度領域、１２…Ｇａ２Ｏ３層、１４…高ドナー濃度領域、１３…電極

Claims (9)

  1. 　イオン注入法により、Ｇａ２Ｏ３系単結晶体にドナー不純物としてＳｉを１×１０２０ｃｍ－３以下の注入濃度で導入し、前記Ｇａ２Ｏ３系単結晶体中に、前記Ｓｉを注入していない領域よりもドナー不純物濃度の高いドナー不純物注入領域を形成する工程と、
    　アニール処理により、前記ドナー不純物注入領域中の前記Ｓｉを活性化させ、高ドナー濃度領域を形成する工程と、
    　を含むＧａ２Ｏ３系単結晶体のドナー濃度制御方法。
  2. 　前記注入濃度が１×１０１７ｃｍ－３以上である、
    　請求項１に記載のＧａ２Ｏ３系単結晶体のドナー濃度制御方法。
  3. 　前記注入濃度が１×１０１９ｃｍ－３以上かつ１×１０２０ｃｍ－３以下である、
    　請求項２に記載のＧａ２Ｏ３系単結晶体のドナー濃度制御方法。
  4. 　前記注入濃度が２×１０１９ｃｍ－３以上かつ５×１０１９ｃｍ－３以下である、
    　請求項３に記載のＧａ２Ｏ３系単結晶体のドナー濃度制御方法。
  5. 　前記注入濃度が３×１０１７ｃｍ－３以上かつ５×１０１７ｃｍ－３以下である、
    　請求項２に記載のＧａ２Ｏ３系単結晶体のドナー濃度制御方法。
  6. 　前記アニール処理は、窒素雰囲気下で８００℃以上かつ１１５０℃以下の条件で実施される、
    　請求項３又は４に記載のＧａ２Ｏ３系単結晶体のドナー濃度制御方法。
  7. 　前記アニール処理は、窒素雰囲気下で８００℃以上かつ１０００℃以下の条件で実施される、
    　請求項５に記載のＧａ２Ｏ３系単結晶体のドナー濃度制御方法。
  8. 　前記アニール処理は、窒素雰囲気下で９００℃以上かつ１０００℃以下の条件で実施される、
    　請求項１から５のいずれか１項に記載のＧａ２Ｏ３系単結晶体のドナー濃度制御方法。
  9. 　イオン注入法により、Ｇａ２Ｏ３系単結晶体にドナー不純物としてＳｉを２×１０１９ｃｍ－３以上かつ１×１０２０ｃｍ－３以下の注入濃度で導入し、前記Ｇａ２Ｏ３系単結晶体中に、前記Ｓｉを注入していない領域よりもドナー不純物濃度の高いドナー不純物注入領域を形成する工程と、
    　アニール処理により、前記ドナー不純物注入領域中の前記Ｓｉを活性化させ、高ドナー濃度領域を形成する工程と、
    　前記Ｇａ２Ｏ３系単結晶体上に電極を形成し、前記高ドナー濃度領域と前記電極のオーミックコンタクトを形成する工程と、
    　を含むオーミックコンタクト形成方法。
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