短パルスレーザを用いた高効率深紫外 LED 実現の為の p-AlGaN のドーパント高活性化，並びに低抵抗電極の形成法の開発
豊田工業大学 工学（系）研究科（研究院）
教授

神谷格（平成 26 年度一般研究開発助成AF-2014205）

キーワード：エキシマーレーザー，窒化物半導体，キャリア活性化

１． 研究の目的と背景ドーパント分布が期待できる，といった特長を有している．

GaN や AlGaN で代表される窒化物半導体において，発光

また Mg は熱処理によって動きやすく界面等に蓄積すると素子に代表される電子デバイスを実現するために通常結考えられているが，温度の急峻な上下の結果そのような蓄晶 成 長 法 と し て 有 機 金 属 結 晶 成 長 法 （ Metal Organic

積効果もなくすことができると期待される．またこのChemical Vapor Deposition: MOCVD）を用いる．しかしLILA 法は任意の位置を活性化することができるためコン

MOCVD では窒化物半導体の p 型ドーパントとして Mg を用

ピュータ制御によるデバイス作製を可能にする．これはいるが，通常，Mg をいくらドーピングしてもそのままでSi-LSI（Si 大規模集積回路）の実現が局所不純物注入をはなかなか活性化されずアクセプターとして働かない．こ可能にしたイオン注入法と良く類似している．すなわち，の 問 題 は 結 晶 成 長 の 後 ， 急 速 加 熱 （ Rapid Thermal

LILA 法によっても局所不純物活性化が可能になるため縦Annealing: RTA）法や，熱処理炉での定常加熱法を用いて型電流狭窄型 FET 等，種々の応用が期待される．また LILA結晶をアニールし，水素を結晶から追い出すことによって法は非定常状態でのプロセスであるため，非定常結晶成長活性化できることが中村らによって見いだされた 1）．この法である，交互供給結晶成長法を用いた場合のドーピング結果，容易に p 型窒化物半導体が得られるようになり，現が高い活性化率を示している 2）のと同様にドーピングし在は発光ダイオード（Light Emitting Diode: LED）など

た Mg の活性化率が非定常法である LILA 法で上がる可能性の発光素子をはじめとする種々のデバイスが生まれていもあり，新たな活性化法として期待される．

る．

深紫外 LED の高効率化を考えた場合，この LILA 法を用しかし今まで行われている RTA 法や定常加熱法では大い，高濃度・高移動度 p 型 AlGaN の実現，低抵抗オーミッ

面積結晶成長基板の加熱は可能だが局所加熱は不可能でクコンタクトの実現などが期待される．これらを実現するあり， LED 以外の縦型電流狭窄型 FET（ Field Effect

ために本研究では，我々の開発した LILA 法を GaN に適用

Transistor: 電界効果型トランジスター）を実現するうえし，Mg ドープ GaN 窒化物半導体の p 型活性化の可能性をで，必ずしも最適な活性化法ではない．そのような中，我々原理実証することを目的とした．

はエキシマーレーザーを用いた新たな「レーザー誘起局所p 型活性化（Laser Induced Local Activation: LILA）法」

２． 実験方法を開発した．本方法は特別な炉を用意する必要がなく大気実験に用いた試料構造の概念図を図１に示す．試料はサ中，あるいは任意の雰囲気環境の中で容易に局所活性化をファイア基板あるいは Si 基板を用い，その上に低温 GaN行うことができるばかりでなく，エキシマーレーザーが短バッファー，アンドープ GaN，Mg ドープ GaN を MOCVD 法

いパルス（～10ns）で発振するために温度の上昇並びに下を用いてエピタキシャル成長し作製した．Mg ドープ GaN降を急峻にでき，そのためドーパントの拡散を抑え横方向の厚みは約 1μm である．図１に示したものはサファイア並びに深さ方向に対してもシャープな切れの良い不純物基板上に作製した試料構造の一例である．

図１

Mg ドープ GaN の試料構造
図３

横方向のレーザー強度プロファイル
赤線はガウシアン近似

図２に試料への光照射及びその場観察実験の装置の構成図を示す．照射用レーザーは 193nm で発振する ArF エキシマーレーザーを用いており，パルス幅は 10ns，繰り返しは 1～500Hz，レーザー強度は最大 10mJ である．レンズ系を用い適度な大きさに集光する．X-Y 方向に自由に動くステージ上に試料は設置されており，目的に応じて均一照射，あるいは局所照射を行うことが可能である．

図２ 試料照射系並びにその場観測系

レーザー照射を施した試料は事後に van der Pauw のホール効果測定並びに電流電圧特性で評価した．また表面の形状は顕微鏡で観察した．

３．実験結果レーザーの局所照射並びに大面積照射を行う場合，レーザーのプロファイルとその重ね合わせによるレーザー強度分布を知る必要がある．我々はスリット法を用いてレーザー光の強度プロファイルを調べた．図３は横方向に関する強度プロファイルの測定結果である．この結果から明ら
かなとおりプロファイルはほぼガウシアンで近似でき，そ

図４

重ね照射による照射プロファイルのシミュレーションの半値全幅は 1200 m であった．縦方向に関しても同様の(a)重ね合わせ前のレーザー強度プロファイル，実験を行った．

(b)重ね方が悪い場合の全体強度プロファイル．
(c)重ね方が最適の場合の全体強度プロファイル
図４はエキシマーレーザーを少しずつずらして重ね打ちし照射した場合の全体の照射プロファイルのシミュレと同様に LILA 法で Mg ドープ GaN のキャリアが活性化できーション結果を示す．前述の強度プロファイリングの結果ることが分かった．に基き，ビームの半値幅は 1200 m とした．シミュレーシ

また，照射を施した結晶の表面は鏡面であった．更に照ョン結果で確認される通り，ビームの重ね方が悪い場合は射エリア，照射位置は LILA 法では任意に変えられ，今回照射強度に変動が出るが，重ね方を最適化することによっは 8mm 角での領域限定均一照射でホール効果測定に成功て照射強度を均一にすることができる．

している．

試料はホール効果を測定するために種々のレーザー強サファイア基板上の Mg ドープ GaN に関しても照射条件度で 8mm 角の試料を均一照射した．また比較のために熱処は基板の熱伝導等によって異なってくるが同様に LILA 法

理炉での定常加熱法を用いて活性化した結果，並びに未処で活性化できることが解った．

理の試料での測定結果を比較した．表１は Si 基板上に結晶成長した Mg ドープ GaN を LILA 法によって照射した場

４．結論合，定常加熱した場合，並びに熱・光の処理をしない場合

LILA 法により Mg ドープ GaN を p 型に局所活性化するこの３種の試料のホール効果測定によるキャリア濃度並びとができることが実証された．また，本研究により Mg ドに移動度の測定結果例である．

ープ AlGaN の LILA 法による高活性化，それを用いた高効率深紫外 LED 作製が可能になる第一歩の原理実証研究ができた．本方法は将来，縦型電流狭窄型 FET を実現する有Mg濃度[cm-3]

処理方法

ホール濃度[cm-3]

移動度[cm2/V･s]

LILA
1mJ,150Hz,1mm/s

3.3×1016

4.7

効な手段となると期待される．

謝辞
5.2×1019

定常加熱
950℃,20min,N25.5×1016

4.1

本研究は公益財団法人天田財団の一般研究開発助成(AF-2014205)によって行われたことを付記するとともに，未処理高抵抗のため，測定不可

深く感謝の意を表する．また本研究は本学学生の松本滉大

Mg を 5.2x1019/cm3 ドープした場合の LILA 法君，下野貴史君，そして岩田直高教授，山田郁彦研究員，と熱処理炉での定常加熱処理，並びに未処理の試料

黒瀬範子研究員（立命館大学），青柳克信上席研究員（立でのそれぞれのホール濃度，移動度の測定結果．3）

命館大学）との共同研究によって行われた．

表１

5.2×1019 cm-3 という高い濃度で Mg 原子によるドーピン

参考文献

グがなされていても、熱・光照射等の処理を施さない場合，

1) S. Nakamura, T. Mukai, M. Senoh, and N. Iwasa, Jpn.

Mg ドープ GaN 試料は絶縁性でホール効果の測定は不可能

J. Appl. Phys. 31 (1992) L139.

であった．しかし定常加熱法若しくは LILA 法を用いるこ

2) Yoshinobu Aoyagi, Misaichi Takeuchi, Sohachi Iwai,とで p 型のキャリアであるホールが形成され，ホール効果

and Hideki Hirayama, AIP Advances 2 (2012) 012177.の 測定 も可 能と なっ た． LILA 法の 場合 ホー ル濃 度は

3) 松本滉大，黒瀬範子，下野貴史，岩田直高，山田郁彦，

3.3x1016/cm3 であった．移動度の結果も合わせ，LILA 法で神谷格，青柳克信，2017 年度秋季応用物理学会発表予定．

得られた結果はほぼ定常加熱法（950°C, 20min, N2 雰囲気中）で得られた結果と一致する．このことより定常加熱法