(57)【要約】【課題】Ｓｉデバイスと同様のデバイス構造を形成可能なＧａＮ構造物等を提供する。【解決手段】本発明のＧａＮ構造物１は、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２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３とを含む層状のＧａＮ構造部を有し、ｐ型ＧａＮ領域３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。  ただし、前記Ｈｃは、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、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。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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以下である請求項１に記載のＧａＮ構造物。
【請求項３】
ｐ型ＧａＮ領域におけるＭｇ濃度が１×１０１５ｃｍ−３〜１×１０２１ｃｍ−３である請求項１から２のいずれかに記載のＧａＮ構造物。
【請求項４】
ｐ型ＧａＮ領域の露出面の最大径が１０ｎｍ〜１０ｍｍとされる請求項１から３のいずれかに記載のＧａＮ構造物。
【請求項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領域を含む請求項１から４のいずれかに記載のＧａＮ構造物。
【請求項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請求項１から５のいずれかに記載のＧａＮ構造物。
【請求項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。
【請求項８】
アニール工程におけるアニール温度が１，０００℃未満である請求項７に記載のＧａＮ構造物の製造方法。
【請求項９】
リコイルイオンが窒素イオンである請求項７から８のいずれかに記載のＧａＮ構造物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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）。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】S. O. Kucheyev et al., Materials Science and Engineering. 33 (2001) 51-107
【非特許文献２】Tetsuo Narita et al., Applied Physics Express 10, 016501 (2017)
【非特許文献３】R. S. Nelson, The theory of recoil implantation, Radiation Effects, 2:1, 47-50 (1969)
【非特許文献４】山田寿一ほか、「ＧａＮ中への窒素によるＭｇのリコイルインプランテーションの試み」  第６４回応用物理学会春季学術講演会  講演予稿集  １７ｐ−Ｐ３−９（２０１７年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【発明の効果】
【００１０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態に係るＧａＮ構造物の概要を示す断面図である。
【図２】第２実施形態に係るＧａＮ構造物の概要を示す断面図である。
【図３（ａ）】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）である。
【図３（ｂ）】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（２）である。
【図３（ｃ）】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（３）である。
【図３（ｄ）】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（４）である。
【図４】実施例１に係るＧａＮ構造物の概要を示す説明図である。
【図５（ａ）】Ｍｇ層形成前のｎ型ＧａＮ層表面の様子を示す電子顕微鏡像である。
【図５（ｂ）】Ｍｇ層除去後のｎ型ＧａＮ層表面の様子を示す電子顕微鏡像である。
【図６】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図である。
【図７】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図である。
【図８】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図である。
【図９】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図である。
【図１０】電極形成後の実施例２に係るＧａＮ構造物の概要を示す断面図である。
【図１１（ａ）】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。
【図１１（ｂ）】図１１（ａ）におけるＤＡＰの出現領域を拡大して示す図である。
【図１２】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。
【図１３（ａ）】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。
【図１３（ｂ）】図１３（ａ）におけるＤＡＰの出現領域を拡大して示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（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。
【００１３】
＜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。
【００１４】
−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。
【００１５】
−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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
＜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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
（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。
【００２８】
＜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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
＜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。
【００３５】
＜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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
＜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。
【実施例】
【００４１】
（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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
（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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【符号の説明】
【００５３】
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
【図１】
2020145255.tif 000003
【図２】
2020145255.tif 000004
【図３（ａ）】
2020145255.tif 000005
【図３（ｂ）】
2020145255.tif 000006
【図３（ｃ）】
2020145255.tif 000007
【図３（ｄ）】
2020145255.tif 000008
【図４】
2020145255.tif 000009
【図５（ａ）】
2020145255.tif 000010
【図５（ｂ）】
2020145255.tif 000011
【図６】
2020145255.tif 000012
【図７】
2020145255.tif 000013
【図８】
2020145255.tif 000014
【図９】
2020145255.tif 000015
【図１０】
2020145255.tif 000016
【図１１（ａ）】
2020145255.tif 000017
【図１１（ｂ）】
2020145255.tif 000018
【図１２】
2020145255.tif 000019
【図１３（ａ）】
2020145255.tif 000020
【図１３（ｂ）】
2020145255.tif 000021