(57)【要約】【課題】ｐ型半導体層中の水素濃度が低く、アクセプタの活性度の高い窒化物半導体デバイスを、効率よく製造する。【解決手段】ｎ型窒化物半導体層、ｐ型窒化物半導体層およびｎ型窒化物半導体層がこの順に積層してなるｎｐｎ積層構造を備えた窒化物半導体デバイスであって、ｐ型窒化物半導体層中の水素濃度が、ｎｐｎ積層構造に対して静電界を印加しながらｎｐｎ積層構造を加熱する処理を施す前のｐ型窒化物半導体層中の水素濃度よりも低くなっている。【選択図】図１
2014078604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型窒化物半導体層、ｐ型窒化物半導体層およびｎ型窒化物半導体層がこの順に積層してなるｎｐｎ積層構造を備えた窒化物半導体デバイスであって、
前記ｐ型窒化物半導体層中の水素濃度が、前記ｎｐｎ積層構造に対して静電界を印加しながら前記ｎｐｎ積層構造を加熱する処理を施す前の前記ｐ型窒化物半導体層中の水素濃度よりも低くなっている
ことを特徴とする窒化物半導体デバイス。
【請求項２】
ｎ型窒化物半導体層、ｐ型窒化物半導体層およびｎ型窒化物半導体層がこの順に積層してなるｎｐｎ積層構造に対して静電界を印加しながら、前記ｎｐｎ積層構造を加熱する工程を有する
ことを特徴とする窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項３】
前記ｎｐｎ積層構造に対して静電界を印加しながら、窒素ガス、酸素ガス、希ガス、または大気のいずれかの雰囲気中で、前記ｎｐｎ積層構造を４００℃以上１０００℃以下の範囲内の温度で所定時間加熱する
ことを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体デバイス及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体等の窒化物半導体は、発光ダイオードやレーザダイオード等の発光デバイス用途の材料として世界で広く用いられている。また、窒化物半導体は、優れた材料物性を有していることから、電子デバイス用途の材料としても注目されている。例えば、窒化物半導体は、シリコン等と比較して、バンドギャップ、電子移動度、飽和電子速度、および降伏電界が大きいため、高耐圧あるいは高周波パワーデバイス等への応用が期待されている。なお、窒化物半導体は、ナノメートル単位の膜厚精密制御や、精密組成制御が可能である有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）によって成長させることが可能である。また、窒化物半導体に限らず、ヒ化ガリウム系半導体（ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ等）や、インジウムリン系半導体（ＩｎＧａＰ等）等の他のIII−Ｖ族化合物半導体も、ＭＯＶＰＥ法によって成長させることが可能である。
【０００３】
ｎ型半導体層、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層がこの順に積層してなるｎｐｎ積層構造（接合構造）や、ｐ型半導体層、ｎ型半導体層およびｐ型半導体層がこの順に積層してなるｐｎｐ積層構造を備えるバイポーラトランジスタは、増幅素子やスイッチング素子として広く用いられている。しかしながら、これらの積層構造をＭＯＶＰＥ法により形成した場合、ｐ型半導体層中にドープしたアクセプタ（不純物）が、ｐ型半導体層中に含まれる水素（Ｈ）によって電気的に不活性となり、ドープしたアクセプタの濃度に対して期待されるホール（正孔）の濃度が大幅に下がってしまう、という課題が知られている。例えば、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ系ヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）においては、アクセプタとして炭素（Ｃ）を高濃度にドープしたガリウムヒ素（ＧａＡｓ）が、ベース層（ｐ型半導体層）として広く用いられているが、高濃度にＣを添加したＧａＡｓ層中には、その成長の際に水素（Ｈ）が高濃度に混入してしまうことがあり、このＨが、アクセプタとして働くべきＣを電気的に不活性化してしまう課題が知られている。
【０００４】
係る課題に対し、ｐ型半導体層としてのＧａＡｓ層が最上層に存在する場合には、すなわち、ＧａＡｓ層の表面が他の層に覆われておらず露出している場合には、ＧａＡｓ層に対して例えば４４０℃以下の熱処理を施すことでＨを除去することができ、これにより、アクセプタを電気的に活性化させることができることが知られている。しかしながら、例えばｎｐｎ積層構造を備えるバイポーラトランジスタのように、ｐ型半導体層が最上層に存在しない場合、すなわち、ｐ型半導体層を覆うようにｎ型半導体層が形成されている場合には、ｐ型半導体層中に混入したＨの濃度を低減することは容易ではない。この場合、Ｈ濃度を低減させるには、６００℃以上の温度で熱処理することが必要とされている（非特許文献１参照）。
【０００５】
また、ｐ型半導体層が最上層に存在しない場合において、ｐ型半導体層中のアクセプタの活性化を行う方法が提案されている（特許文献１参照）。この方法では、ｐ型半導体層を所定の温度で加熱する工程と、加熱処理後のｐ型半導体層に対して紫外線を照射する工程と、紫外線照射処理後のｐ型半導体層を平板電極で挟んでｐ型半導体層に対して電界を印加する工程と、を順に行う。特許文献１によれば、まず、熱処理工程によってアクセプタの一部が活性化され、次に行われる紫外線照射工程及び電界印加工程によって追加的なアクセプタの活性化が行われることで、たとえｐ型半導体層が最上層に存在しない場合においても、良好なｐ型半導体層を得ることができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−６０２２２号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】アプライド・フィジックス・レターズ、６８巻、９８２頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明者らは、上述の非特許文献１を参考に、ｐ型窒化物半導体層が最上層に存在する場合（ｐ型窒化物半導体層に覆われておらず露出している場合）における熱処理の水素除去効果について、鋭意検討を行った。具体的には、まず、最表面にＭｇをドープしたＧａＮ層（ｐ型半導体層）を備えた試料を作成した。そして、窒素雰囲気中で、試料を６００℃から１０００℃の範囲内の所定の熱処理温度に加熱して保持する熱処理を行った。そして、熱処理後の試料が備えるＧａＮ層について、Ｍｇ濃度及びＨ濃度を２次イオン分析（ＳＩＭＳ）によりそれぞれ測定した。その結果、Ｍｇ濃度は熱処理前後でそれぞれ約２×１０１９ｃｍ−３であって、変化がなかった。これに対し、Ｈ濃度は、熱処理前には約１〜２×１０１９ｃｍ−３であったが、熱処理後では約３×１０１８〜８×１０１８ｃｍ−３となっており、熱処理により低下していた。また、ＧａＮ層の抵抗率を四探針法により測定したところ、熱処理前の抵抗率は１０００Ω・ｃｍ以上であったのに対し、熱処理後の抵抗率は約０．７〜３Ω・ｃｍであった。すなわち、熱処理温度が６００℃から１０００℃のすべての温度域で、このＧａＮ層は低抵抗化したことが分かった。これは、熱処理によってＨ濃度が大きく減少し、Ｍｇがアクセプタとして活性化したためと考えられ、参考文献１（ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス・レターズ  ３１巻、１３９頁）の結果を再現したものである。
【０００９】
次に、本発明者らは、上述の特許文献１を参考に、ｐ型窒化物半導体層が最上層に存在しない場合（ｐ型窒化物半導体層によって覆われている場合）における熱処理の水素除去効果について、鋭意検討を行った。具体的には、まず、ｎ型導電性のＧａＮ基板上に、Ｓｉをドープしたｎ−ＧａＮ層（ｎ型半導体層）、Ｍｇをドープしたｐ−ＧａＮ層（ｐ型半導体層）、Ｓｉをドープしたｎ−ＧａＮ層（ｎ型半導体層）を、ＭＯＶＰＥ法によりこの順に成長させることで、ｎｐｎ積層構造を備えた試料を作成した。そして、窒素、酸素、アルゴンまたは大気雰囲気中で、試料を６００℃から１１００℃の範囲内の所定の熱処理温度に加熱して保持する熱処理を行った。そして、熱処理後の試料が備えるｐ−ＧａＮ層について、Ｍｇ濃度及びＨ濃度をＳＩＭＳによりそれぞれ測定した。その結果、ｐ−ＧａＮ層中のＭｇ濃度は熱処理前後で約２×１０１９ｃｍ−３であって、変化がなかった。また、Ｈ濃度についても、熱処理前後で約１×１０１９ｃｍ−３であって、変化がなかった。さらに、ｐ−ＧａＮ層上に形成したｎ−ＧａＮ層をＨＣｌガスを含む雰囲気中でエッチングすることで除去した後、露出させたｐ−ＧａＮ層の抵抗率を四探針法で測定した。その結果、熱処理の有無にかかわらず、抵抗率は１０００Ω・ｃｍ以上であることが分かった。すなわち、特許文献１に記載されていたＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ系ヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）についての評価結果とは異なり、ＧａＮ等の窒化物半導体から成るｎｐｎ積層構造の場合については、例えば１１００℃というかなりの高温で熱処理を行っても、ｐ型半導体層中から水素を十分に除去することは困難であり、アクセプタ（Ｍｇ）を十分に活性化させることは困難であることが分かった。
【００１０】
なお、窒化物半導体を用いてヘテロバイポーラトランジスタを作成することは非常に有益であるが、現時点では実験的にのみ可能であり、工業的に実用化することは困難な状況である。例えば、ＭｇをドープしたＩｎＧａＮ（以下、ＭｇドープＩｎＧａＮ）では、Ｉｎ混晶比に応じてアクセプタとして働くＭｇの活性化エネルギーが低下するため、高いホール濃度を得ることができることが、参考文献２（ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス・レターズ  ３９巻、３３７頁）に報告されている。また、参考文献３（アプライド・フィジックス・レターズ  ７９巻、３８０頁）や、参考文献４（エレクトロニクス・レターズ  ４２巻、６６１頁）には、ＭｇドープＩｎＧａＮ層をベース層として使用することが提案されており、この場合において、ヘテロバイポーラトランジスタとして正常に動作することも確認されている。しかしながら、ＭｇドープＩｎＧａＮ層（ｐ型半導体層）をベース層として用いた場合においても、ＭｇドープＩｎＧａＮ層上を覆うようにｎ型半導体層が形成されることから、アニールによってＭｇドープＩｎＧａＮ層中から水素を除去することは困難であり、ＭｇドープＩｎＧａＮ層中のアクセプタを十分に活性化させることは困難である。係る課題に対し、参考文献５（ＩＥＥＥ・トランザクション・オン・エレクトロン・デバイシーズ  ５７巻、２９６４頁）には、ＭｇドープＩｎＧａＮ層を形成した後、ｎ型半導体層を形成する前に、ＭｇドープＩｎＧａＮ層上に電極を形成し、この電極を用いてＭｇドープＩｎＧａＮ層に対して通電負荷を印加することにより、ＭｇドープＩｎＧａＮ層中のアクセプタを電気的に活性化させる方法が提案されている。しかしながら、係る方法によれば、ＭｇドープＩｎＧａＮ層とｎ型半導体層とを連続して形成した後に一括処理することは困難であり、実験レベルでは効果的であるものの、生産性が低く、工業的な見地からは実用的ではないという課題がある。
【００１１】
このように、本発明者らの鋭意検討によれば、例えばＧａＮ等の窒化物半導体を用いて作成されたｎｐｎ積層構造に対しては、特許文献１等に記載の熱処理を行っても、ｐ型半導体層中のＨ濃度を低下させることは困難であり、ｐ型半導体層中のアクセプタを十分に活性化させることは困難であることが分かった。また、ｐ型半導体層を形成した後、ｐ型半導体層に対して紫外線を照射したり、ｐ型半導体層に対して通電負荷を印加したりする特許文献１や参考文献５に記載の方法では、ｎ型窒化物半導体層、ｐ型窒化物半導体層およびｎ型窒化物半導体層を連続的に形成してからウエハを一括処理することは困難であるため、生産性が低く、工業的な見地からは実用的ではないことが分かった。
【００１２】
本発明の目的は、ｎ型窒化物半導体層、ｐ型窒化物半導体層およびｎ型窒化物半導体層がこの順に積層してなるｎｐｎ積層構造を備えた窒化物半導体デバイスにおいて、ｐ型半導体層中の水素濃度が低く、アクセプタの活性度の高い窒化物半導体デバイスを提供すること、及び、係る窒化物半導体デバイスを効率よく製造することが可能な製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第１の態様によれば、
ｎ型窒化物半導体層、ｐ型窒化物半導体層およびｎ型窒化物半導体層がこの順に積層してなるｎｐｎ積層構造を備えた窒化物半導体デバイスであって、
前記ｐ型窒化物半導体層中の水素濃度が、前記ｎｐｎ積層構造に対して静電界を印加しながら前記ｎｐｎ積層構造を加熱する処理を施す前の前記ｐ型窒化物半導体層中の水素濃度よりも低くなっている窒化物半導体デバイスが提供される。
【００１４】
本発明の第２の態様によれば、
ｎ型窒化物半導体層、ｐ型窒化物半導体層およびｎ型窒化物半導体層がこの順に積層してなるｎｐｎ積層構造に対して静電界を印加しながら、前記ｎｐｎ積層構造を加熱する工程を有する窒化物半導体デバイスの製造方法が提供される。
【００１５】
本発明の第３の態様によれば、
前記ｎｐｎ積層構造に対して静電界を印加しながら、窒素ガス、酸素ガス、希ガス、または大気のいずれかの雰囲気中で、前記ｎｐｎ積層構造を４００℃以上１０００℃以下の範囲内の温度で所定時間加熱する第２の態様に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ｎ型窒化物半導体層、ｐ型窒化物半導体層およびｎ型窒化物半導体層がこの順に積層してなるｎｐｎ積層構造を備えた窒化物半導体デバイスにおいて、ｐ型半導体層中の水素濃度が低く、アクセプタの活性度の高い窒化物半導体デバイスを、効率よく製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態において、ｐ型半導体層を含むｎｐｎ積層構造に対して静電界を印加しながら、雰囲気ガス中でｎｐｎ積層構造を加熱し、ｐ型半導体層中のアクセプタを電気的に活性化する様子を示す模式図である。
【図２】ＧａＮホモｎｐｎ積層構造（ｎ＋型半導体層、ｐ型半導体層、ｎ−型半導体層の積層構造）の定常状態におけるバンド構造を示す模式図である。
【図３】ＧａＮホモｎｐｎ積層構造（ｎ＋型半導体層、ｐ型半導体層、ｎ−型半導体層の積層構造）に所定の大きさの静電界（ｎ＋型半導体層側に負電圧）を与えた場合におけるバンド構造を示す模式図である。
【図４】実施例１において、ｐ型半導体層を含むｎｐｎ積層構造に対して静電界を印加しながらｎｐｎ積層構造を窒素ガス中で加熱し、ｐ型半導体層のアクセプタを電気的に活性化する様子を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
＜発明者等が得た知見＞
発明者等は、ＧａＮ等の窒化物半導体を用いてｎｐｎ積層構造を作成した場合、単なる熱処理だけではｐ型半導体層中から水素を脱離させることが困難な理由について、鋭意検討を行った。
【００１９】
その結果、ｎｐｎ積層構造（接合構造）の内部に形成される電界分布（バンド構造）が、その理由の一つであるとの知見を得た。ｎ型窒化物半導体層、ｐ型窒化物半導体層およびｎ型窒化物半導体層を接合すると、各層を構成する半導体材料のフェルミ準位の相違から、ｎｐｎ積層構造の内部には、所定の電界分布（バンド構造）が形成されることとなる。
【００２０】
図２は、ＧａＮホモｎｐｎ積層構造（ｎ＋型半導体層、ｐ型半導体層、ｎ−型半導体層の積層構造）の定常状態におけるバンド構造を示す模式図である。フェルミ準位が比較的高いｎ型窒化物半導体層と、フェルミ準位が比較的低いｐ型窒化物半導体層とを接合させると、ｎｐｎ積層構造内には、図２に例示するように、各層のフェルミ準位を一致させるようなバンド構造の変化が生じることとなる。
【００２１】
この状態でｎｐｎ積層構造に対して熱処理を行ったとしても、ｐ型窒化物半導体層中に含まれていた正電荷を有する水素（Ｈ＋）は、たとえ加熱によるエネルギーを受けてｐ型窒化物半導体層中で解離できた（自由となった）としても、ｎ＋型半導体層とｐ型半導体層との間に形成されている障壁を越えることができず、ｎ＋型半導体層側（ｎｐｎ積層構造の表面側）へ移動することは困難である。その結果、ｐ型半導体層中から水素が脱離できなくなり、ｐ型半導体層中のアクセプタの活性化が損なわれてしまうこととなる。
【００２２】
そして発明者等は、更なる鋭意検討を行った結果、ｎｐｎ積層構造に対して所定の静電界を印加しながらｎｐｎ積層構造を所定の温度に加熱することによって、ｐ型半導体層からの水素の脱離を促進させることが可能であるとの知見を得た。というのも、ｎｐｎ積層構造を構成する窒化物半導体は、半導体であるとともに誘電体である。このため、ｎｐｎ積層構造に対して所定の大きさの静電界を印加することで、ｎｐｎ積層構造に形成されるバンド構造を、例えば図３のようなバンド構造に変化させることができるのである。
【００２３】
図３は、ＧａＮホモｎｐｎ積層構造（ｎ＋型半導体層、ｐ型半導体層、ｎ−型半導体層の積層構造）に対して、所定の大きさの静電界（ｎ＋型半導体層側に負電圧を印加）を与えた場合におけるバンド構造を示す模式図である。図３によれば、ｎｐｎ積層構造に対して所定の大きさの静電界を印加することによって、ｎ＋型半導体層とｐ型半導体層との間に形成されていた障壁を消滅させることができることが分かる。
【００２４】
この状態で、すなわち、ｎｐｎ積層構造に対して所定の大きさの静電界を印加した状態を維持しつつ、ｎｐｎ積層構造に対して熱処理を行うと、ｐ型窒化物半導体層中から水素を効率的に脱離させることができる。すなわち、ｐ型窒化物半導体層中に含まれていた正電荷を有するＨ＋は、加熱によるエネルギーを受けてｐ型窒化物半導体層中で解離する（自由となる）。そして、解離したＨ＋は、障壁による制限を受けることがなく、ｎｐｎ積層構造内に形成された内部電界に誘導され、ｎ＋型半導体層側に移動することとなる。このようにして、ｐ型半導体層中からの水素の脱離を促進させることができ、その結果、ｐ型半導体層中のアクセプタの活性化を促すことができるようになる。なお、係る方法によれば、ｐ型半導体層を形成した後、ｐ型半導体層に対して紫外線を照射したり、ｐ型半導体層に対して通電負荷を印加したりする特許文献１や非特許文献６に記載の方法と異なり、ｎ型窒化物半導体層、ｐ型窒化物半導体層およびｎ型窒化物半導体層を連続的に形成してから一括処理することが可能となるため、水素の脱離処理を非常に効率的に行うことが可能となる。
【００２５】
本発明は、発明者等が得た上述の知見に基づいてなされたものである。以下に、本発明の実施形態について具体的に説明する。
【００２６】
＜本発明の一実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体デバイスの製造方法の一工程を示す図であり、ｐ型半導体層を含むｎｐｎ積層構造に対して静電界を印加しながら、雰囲気ガス中でｎｐｎ積層構造を加熱し、ｐ型半導体層中のアクセプタを電気的に活性化する様子を示している。
【００２７】
まず、図１に示す処理装置１０の構成について具体的に説明する。
【００２８】
図１に示すように処理装置１０は気密容器１１を備えている。気密容器１１には、気密容器１１内に所定の雰囲気ガスを供給するガス供給口１５と、気密容器１１内の雰囲気を排気する排気口１６と、がそれぞれ設けられている。気密容器１１内には、互いに絶縁された平板電極１３ｎ，１３ｐが水平姿勢で平行に配置されている。平板電極１３ｎ，１３ｐ間の距離は調整自在に構成されており、例えば８００μｍ〜２０００μｍの範囲内の距離に設定することが可能である。平板電極１３ｎ，１３ｐには、直流電圧源１２の陰（負）出力端子、陽（正））出力端子がそれぞれ接続されており、平板電極１３ｎに負電圧を、平板電極１３ｐに正電圧をそれぞれ印加することが可能なように構成されている。下方側に配置された平板電極１３ｐ上には、処理対象の基板１００を載置することができるように構成されている。平板電極１３ｐの下方には、平板電極１３ｐ上に載置された基板１００を所定の温度に加熱するヒータ１４が設けられている。
【００２９】
続いて、上述の処理装置１０を用いた基板処理（ｎｐｎ積層構造に対する水素脱離処理）について具体的に説明する。
【００３０】
まず、平板電極１３ｐ上に基板１００を載置する。基板１００上には、例えば、ｎ型窒化物半導体層１０１ｎ、ｐ型窒化物半導体層１０２ｐ、ｎ型窒化物半導体層１０３ｎがこの順に積層してなるｎｐｎ積層構造が予め形成されている。平板電極１３ｐ上に基板１００を載置する際には、ｎｐｎ積層構造が上側に向くように（平板電極１３ｎと対向するように）する。
【００３１】
なお、ｎｐｎ積層構造を形成する結晶成長装置としては、例えばＭＯＶＰＥ装置（図示せず）を使用することが好ましい。この際、Ｇａ原料としては例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧ）などの有機金属材料ガスを使用し、Ｎ原料としては例えばアンモニア（ＮＨ３）等の窒化ガスを使用することが好ましい。また、使用するこれらの原料は、形成する半導体層中への意図せざる不純物（ドナー、アクセプタ）の混入を極力減らすため、電子工業用として流通している高純度品を使用することが好ましい。また、基板１００としては、例えば低転位密度のｎ型導電型の窒化ガリウム基板を使用することが好ましい。結晶欠陥の一つである転位は、リーク電流を増加させ、逆方向耐電圧特性を悪化させる懸念があるためである。また、窒化ガリウム基板の面方位はＣ面であることが好ましいが、Ｃ面から僅かに傾いた面方位を有していてもよい。
【００３２】
次に、平板電極１３ｐ上に基板１００を載置した状態で、ガス供給口１５から気密容器１１内に所定の雰囲気ガスを供給しつつ、排気口１６から気密容器１１内を排気する。雰囲気ガスとしては、窒素（Ｎ２）ガス、酸素（Ｏ２）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス等の希ガス、或いはこれらの混合ガス、または大気のいずれかを用いることができる。気密容器１１内への雰囲気ガスの供給および気密容器１１内の排気は、基板１００に対する処理が完了するまで継続することが好ましい。
【００３３】
気密容器１１内を雰囲気ガスでパージした状態を維持しながら、平板電極１３ｎ，１３ｐ間に所定の直流電圧を印加する。平板電極１３ｎ，１３ｐ間に印加する直流電圧は、平板電極１３ｎ，１３ｐ間の距離や、ｎｐｎ積層構造を含む基板１００の厚さにもよるが、例えば１０００ｖ〜２０００ｖの範囲内の電圧とする。上述したように、ｎｐｎ積層構造を構成する窒化物半導体は誘電体でもある。そのため、平板電極１３ｎ，１３ｐ間に上述の直流電圧を印加することにより、ｎｐｎ積層構造内に形成されていたバンド構造は、例えば図２の状態から図３の状態に変化することになる。
【００３４】
この状態で、すなわち、ｎｐｎ積層構造に対して静電界を印加した状態で、ヒータ１４を作動させ、基板１００を例えば４００℃以上１０００℃以下の所定の熱処理温度に加熱する。すると、ｐ型窒化物半導体層１０２ｐ中に含まれていた正電荷を有するＨ＋は、加熱によるエネルギーを受けてｐ型窒化物半導体層１０２ｐから解離することとなる。そして、ｐ型窒化物半導体層１０２ｐから解離したＨ＋は、障壁による制限を受けることなく、ｎｐｎ積層構造内に形成された内部電界に誘導され、ｎ型半導体層１０３ｎ側に移動することとなる。このようにして、ｐ型窒化物半導体層１０２ｐ中からの水素の脱離を促進することができ、ｐ型窒化物半導体層１０２ｐ中のアクセプタの活性化を促すことができるようになる。
【００３５】
なお、上述したように、単にｎｐｎ積層構造に対して加熱処理を行うだけでは上述の効果は得られない。また、単にｎｐｎ積層構造に対して静電界を与えるだけでも上述の効果は得られない。本実施形態のように、ｎｐｎ積層構造に対して静電界を印加しながら加熱すること、すなわち、加熱処理と電界印加とを同時に行うことによって、上述の効果を効果的に得ることができるようになる。
【００３６】
また、本実施形態に係る処理方法は、ｐ型窒化物半導体層１０２ｐへの通電のための電極を具備させるための工程を経ることなく、また紫外線照射を行うことなく、ｐ型窒化物半導体層１０２ｐ中に含まれていた水素を除去することができるという点で、生産性が高く、低コストな処理方法といえる。
【００３７】
＜他の実施形態＞
以上、本発明の実施の形態を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【００３８】
例えば、本発明は、ｐ型半導体層を含む窒化物半導体の多層構造において、ｐ型半導体層の電気的な活性化を促す際に有効な技術であり、何らデバイス構造を限定するものではない。すなわち、本発明は、ｎｐｎ積層構造やサイリスタ構造にのみ応用先が限定されるものではなく、ｐ型窒化物半導体層を有しているのであれば、例えば、絶縁性基板上のＭＯＳ構造デバイス等にも応用が可能である。
【実施例】
【００３９】
＜実施例１＞
実施例１として、上述の実施形態における処理装置１０を用い、上述の実施形態と同様の手法により、ｎｐｎ積層構造を構成するｐ型窒化物半導体層からの水素脱離処理を行った。その様子を図４に示す。試料として、ｎ型導電性のＧａＮ基板上に、Ｓｉを２×１０１６ｃｍ−３ドープしたｎ−ＧａＮ層（ｎ型窒化物半導体層）、Ｍｇを５×１０１８ｃｍ−３ドープしたｐ−ＧａＮ層（ｐ型窒化物半導体層）、Ｓｉを１×１０１９ｃｍ−３ドープしたｎ−ＧａＮ層（ｎ型窒化物半導体層）をこの順にＭＯＶＰＥ法で成長させ、ｎｐｎ積層構造を形成した。ｎｐｎ積層構造の厚さはＧａＮ基板の厚さも含め約４００μｍとし、平板電極１３ｎ，１３ｐ間の距離は約１０００μｍとし、空隙距離は約６００μｍとした。平板電極１３ｎ，１３ｐ間に印加する直流電圧は０〜１０００Ｖの範囲内の所定の電圧とした。なお、直流電圧が０Ｖの場合とは、単なるＮ２ガス中での熱処理と同等と考えることができる。気密容器１１内に供給する雰囲気ガスとしてはＮ２ガスを用いた。ヒータ１４による熱処理温度は、室温から１０００℃の範囲内の所定の温度とし、加熱時間は１０〜６０分とした。
【００４０】
そして、直流電源の出力電圧と、加熱温度と、ｐ型半導体層のＨ濃度との関係について評価を行った。Ｈ濃度の測定は２次イオン分析（ＳＩＭＳ）により行った。その結果、水素脱離処理を行う前のｐ−ＧａＮ層中のＨ濃度は、Ｍｇ濃度とほぼ同じ濃度であって、４×１０１８〜５×１０１８ｃｍ−３であった。また、平板電極１３ｎ，１３ｐ間に印加する直流電圧を２００Ｖ以上、かつ、熱処理度を４００℃以上としたとき、ｐ−ＧａＮ層中のＨ濃度は約５×１０１７〜約１×１０１８ｃｍ−３まで減少したことが分かった。すなわち、ｎｐｎ積層構造に静電界を印加しながら４００〜１０００℃の範囲内の熱処理温度で加熱することで、ｐ−ＧａＮ層中のＨ濃度を低減させることが可能であることが確認できた。
【００４１】
続いて、水素脱離処理を施したｎｐｎ積層構造に対し、表面側のｎ−ＧａＮ層をガスエッチングにより除去し、露出したｐ−ＧａＮ層のアクセプタ濃度を、Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ−Ｖｏｌｔａｇｅ法により測定した。その結果、アクセプタ濃度とＭｇ濃度との比率（アクセプタ濃度／Ｍｇ濃度）は０．７〜０．９以上となり、大半のＭｇは電気的に活性なアクセプタとなったことが分かった。一方、水素脱離処理を行う前の試料においては、アクセプタ濃度とＭｇ濃度との比率は０．１以下であり、大半のＭｇは電気的に不活性であることが分かった。これより、ｎｐｎ積層構造に静電界を印加しながら、ｎｐｎ積層構造を４００〜１０００℃の範囲内の熱処理温度で加熱することで、ｐ−ＧａＮ層中のアクセプタの活性化を促進可能であることが確認できた。なお、Ｓｉ濃度やＭｇ濃度を変えた試料に対しても同等の結果が得られた。
【００４２】
なお、雰囲気ガスとして、Ｎ２ガスの代わりにＯ２ガス、Ａｒガス、大気を用いた場合でも、ほぼ同等の結果が得られた。但し、取り扱いの容易さから、雰囲気ガスとしてはＮ２ガスを用いるのが最も好適であった。また空隙距離を広げた検討も行ったところ、平板電極１３ｎ，１３ｐ間に印加する直流電圧を増加することで、同等の結果が得られた。
【００４３】
また、表面にｎ−ＧａＮ層が存在しない場合、すなわち、表面にｐ−ＧａＮ層が露出している構造では、平板電極１３ｎ，１３ｐ間に電圧を加えても加えなくても、Ｎ２ガス雰囲気で加熱することでｐ−ＧａＮ層中のＨ濃度を低減させることができ、ｐ−ＧａＮ層中のアクセプタを電気的に活性化できることを確認した。
【００４４】
＜実施例２＞
実施例１では、試料が備えるｎｐｎ積層構造を全てＧａＮにより作成したが、本実施例では、ｎｐｎ積層構造を構成するｐ型半導体層を、ＭｇをドープしたＩｎＧａＮにより作成し、試料をヘテロバイポーラトランジスタ構造とした。そして、作成した試料について、実施例１と同様の手法および同様の評価条件により評価した。その結果、ｐ型半導体層をＭｇをドープしたＩｎＧａＮで作成した場合であっても、実施例１と同様の結果が得られることが分かった。すなわち、Ｍｇ−ＩｎＧａＮ層中のＨ濃度を低減させることができ、Ｍｇ−ＩｎＧａＮ層中のアクセプタを電気的に活性化できることを確認した。
【００４５】
＜実施例３＞
実施例１では、試料が備えるｎｐｎ積層構造を全てＧａＮにより作成したが、本実施例では、ｐ型半導体層（ｐ−ＧａＮ層）よりも表面側に近いｎ型半導体層をＳｉドープＡｌＧａＮにより作成し、試料をヘテロバイポーラトランジスタ構造とした。そして、作成した試料について、実施例１と同様の手法および同様の評価条件により評価した。その結果、ｐ型半導体層よりも表面側に近いｎ型半導体層をＳｉドープＡｌＧａＮにより作成した場合であっても、実施例１と同様の結果が得られることが分かった。すなわち、ｐ−ＧａＮ層中のＨ濃度を低減させることができ、ｐ−ＧａＮ層中のアクセプタを電気的に活性化できることを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
ＧａＮ系のバイポーラデバイスは今のところ商業的には実用化されていないが、その優れた材料物性により、他の材料系で製造したデバイスよりも優位性を出すことができる。特に、産業用、民生用機器の電力変換素子として広く使用されると期待される。
【符号の説明】
【００４７】
１０    処理装置
１１    気密容器
１２    直流電圧源
１３ｎ  平板電極
１３ｐ  平板電極
１４    ヒータ
１５    ガス供給口
１６    排気口
１００  基板
１０１ｎ  ｎ型窒化物半導体層
１０２ｐ  ｐ型窒化物半導体層
１０３ｎ  ｎ型窒化物半導体層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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