NIMS、GaNに注入したMgの分布などを可視化：最適なMg注入条件探索が容易に

p型GaN半導体形成のメカニズムも一部解明

　物質・材料研究機構（NIMS）は2019年5月、窒化ガリウム（GaN）に注入したマグネシウム（Mg）の分布と電気的状態をナノスケールで可視化することに成功したと発表した。高い性能のGaNパワーデバイス開発を加速できるとみている。

　今回の研究成果は、NIMS技術開発・共用部門窒化ガリウム評価基盤領域CL／EBIC／アトムプローブグループの大久保忠勝グループリーダーと陳君主任研究員および、富士電機技術開発本部先端技術研究所材料基礎技術研究センターの江戸雅晴先端材料技術研究部長らによるものである。

　GaNパワーデバイスを実現するには、n型とp型のGaN半導体を作製する必要がある。特にp型GaN半導体は、GaNウエハー上にMgイオンを注入し熱処理することで作り込む。この時、添加するMgの濃度や熱処理の条件などによって、Mgの分布や電気的な振る舞いが異なる。ところが、これまではこれらの試料をナノスケールレベルで可視化し評価する方法がなく、p型が形成されるメカニズムも明らかにされていなかった。

　研究グループは今回、カソードルミネッセンス（CL：発光分布）評価法を用いて、Mgイオンを注入した試料の特性評価を行った。試料は日本電子製の断面試料作製装置を用いて斜め研磨した。試料を斜めに研磨したことで、断面試料に比べ2桁以上の位置精度で発光現象を観測できるという。また、CL観察を低温（80K）かつ低加速電圧（3kV）で行うことにより、深さ分解能を約100nmまで高めた。

　実験では、濃度1×10¹⁹cm^‐3でMgイオンを注入し、1300℃で熱処理したGaNウエハーを斜め研磨し、DAP発光のCL像を観察した。この結果、Mg注入層からのDAP発光は弱く、その真下には明るい発光領域がある一方で、転位が多い場合にはn‐GaNエピ層中にまで発光が広がり、Mgが転位に沿って拡散していることが分かった。

Mgイオン注入GaNのCL像。左は転位なし、右は転位ありの画像 出典：NIMS

Mgイオン注入GaNのCL線分析結果（転位無し）。左はCLスペクトルのラインスキャン画像、右は各位置のスペクトル 出典：NIMS

　紫外光レーザーを用いたアトムプローブトモグラフィー（APT）による測定では、半導体や絶縁体に含まれる微量添加元素の分布を3次元的に可視化することができる。これを用いてMg元素の分布を解析した。

　この結果、Mg注入量が1×10¹⁸cm^-3と少ない場合は、欠陥に起因する明るいコントラストをSTEM像で確認できた。APT解析結果から、MgがGaN中に、均一に固溶をしていることが分かった。Mg注入量が1×10¹⁹cm^‐3に増えると、微細な円盤状の欠陥やループ状の欠陥を確認でき、これらの欠陥にはMgが偏析をすることが分かった。

Mgイオン注入GaNのSTEM解析結果とAPT解析結果。aとcがMg注入量1×10¹⁸cm^‐3、bとdがMg注入量1×10¹⁹cm^‐3の試料 出典：NIMS

　研究グループは、Mg注入条件の最適化を実現するため、欠陥形成とMg偏析の関連性について、引き続き研究を行うことにしている。また、次世代半導体の開発に、今回の研究成果を適用していく予定である。