フリースタンディング基板上Mgイオン注入vs MgドープGaN層の欠陥解析

概要

非効率なMg誘起p型ドーピングは、固体照明と電力応用向けGaNベース電子デバイス開発の主要障壁であり続けている。本研究では、フリースタンディングGaN基板上GaN層における、二つのMg導入法（イオン注入とエピタキシャルドーピング）による欠陥の比較構造解析を報告。走査透過型電子顕微鏡（STEM）で、Mgイオン注入試料にのみピラミッド状欠陥とライン欠陥が存在し、Mgドープ試料ではこれら欠陥不在を発見。欠陥性質が導入法に依存することを示唆。二次イオン質量分析（SIMS）から、Mg濃度とこれら欠陥の位置・種類との直接対応観察。これらピラミッド状とライン欠陥はMgリッチ種であり、形成が自由正孔密度低下導く可能性、依然p-GaN材料・デバイス主要懸念。フリースタンディングGaN基板はp-n接合ベース垂直デバイス実現プラットフォーム提供、異なるMg導入プロセス由来欠陥の比較構造調査はMg自己補償メカニズム理解深化と、GaNベースデバイス技術前進へのMgドーピング/注入プロセス最適化に更なる洞察与える。

はじめに

過去三十年、GaNは固体照明応用のみならず高電力、高周波、高温動作への巨大ポテンシャルにより世界中で最も研究された化合物半導体の一つとなった[1-8]。GaNおよび関連ヘテロ構造ベースデバイスをこれら応用・動作へ成功採用するには、制御可能なn型とp型ドーピングが鍵。n型ドーピングはp型対比で大幅最適化済みだが、p型は学術・産業双方でボトルネック。Mgは高活性化エネルギーにもかかわらず最も効率的p型ドーパント実証済みで、10¹⁹cm⁻³程度以上のMg濃度導入で10¹⁸cm⁻³近傍自由正孔濃度達成可能。しかし10¹⁹cm⁻³超Mg濃度増加で自由正孔濃度低下[9-11]。主因はN空孔生成[12-14]、Mg関連点欠陥[10,15]、Mg空孔関連帯電/中性複合体でフェルミレベル低下と自由正孔飽和[16,17]。フォトルミネセンス2.9eVピーク基に、深いドナー欠陥複合体Mg-V_Nも自己補償主要因とされる[17-19]。Mg-GaN導入理解へ多数研究試みにもかかわらず、問題未解明で更分析必要。

原子スケール顕微鏡欠陥解析先行報告多くは、MOCVD/MBE成長サファイア基板上MgドープGaN層ベース。我々知る限り、MgドープフリースタンディングGaN基板欠陥解析報告僅少、Mgイオン注入フリースタンディングGaN基板TEMベース欠陥解析報告なし。フリースタンディングGaN基板は転位密度低減と効率的垂直デバイス応用で異質基板上MOCVD/MBE成長GaN層優位性認められつつある。イオン注入で十分p型ドーパント活性達成探求は、GaNベース固体照明・高電力デバイス商業化・開発必須。これら課題主目的とし、Mg導入ドーピングとイオン注入両法でGaNフリースタンディング層Mg導入欠陥詳細構造解析実施。

実験方法

水素化物気相エピタキシー成長フリースタンディングn-GaN基板使用。以降、MOCVDでこれら基板上エピタキシャル層成長。Mg導入二法：イオン注入とエピタキシャルドーピング。前者：保護層堆積せず4μm厚非ドープGaNエピタキシャル層へMgイオン注入。後者：4μm厚非ドープGaN層上連続で1μm厚MgドープGaNエピタキシャル成長。信頼比較 위해、両ケースMg導入レベル同一4×10¹⁹cm⁻³設定。Mg注入500℃実施、ドーパント活性化 위해1350℃アニール。注入エネルギー15、30、55、95、180keV、各ドーズ3.0×10¹³、5.5×10¹⁵、1.1×10¹⁴、1.9×10¹⁴、8×10¹⁴cm⁻²で200nm深さボックスプロファイル取得。ホール測定で両試料電気的特性評価。MgドープGaN試料：正孔濃度3.4×10¹⁷cm⁻³、移動度9.5cm²/V-s。Mg注入試料：高抵抗性で電気的特性適切評価不能。Mg深さ分布はSIMS調査、Mg誘起欠陥構造調査はSTEM解析使用。JEOL JEM-ARM200F（200、80kV）でSTEMと電子線エネルギー分散X線分光法（EDS）実施。TEM試料はGaビーム集束イオンビームミリング後、液体窒素冷却低エネルギーArイオンミリングで作製。

結果と考察

Mgイオン注入GaN層欠陥解析

図1(a)Mg注入GaN明視野（BF）-STEM像、(b)対応SIMSプロファイル。図1(a)矢印正[0001]方向、像[11⁻2 0]ゾーン軸観察。欠陥深さ関数として均一分布せず、Mg濃度と欠陥直接相関観察。大半欠陥は表面約150nm深さに蓄積、SIMS測定でMg濃度10¹⁹cm⁻³超領域。欠陥可視化とMg注入GaN欠陥理解向上のため、c軸周り[11⁻2 0]軸から10°傾斜させオフゾーン軸条件で撮像。完全結晶回折コントラスト弱化、欠陥コントラスト強化、周囲環境比較欠陥可視化向上。この条件下BF-STEM像図1(c)で表面約200nm深さにライン欠陥観察。対応Mg SIMSプロファイル線形スケール図1(d)で、これらライン欠陥存在とMg濃度直接対応観察。欠陥はMg濃度mid 10¹⁹cm⁻³領域狭窄域に存在。

更高倍率BF-STEM撮像オフゾーン軸条件下実施、図2(a)に(b)で(a)マーク領域高倍率像示す。(b)にA、B、C、Dラベル四種構造観察。A：ピラミッド形状欠陥、B：ライン欠陥。

これら欠陥構造観察はMg補償メカニズム理解観点重要、以降主にA、B型欠陥構造解析専念。A構造：正[0001]方向頭部向きピラミッド欠陥、底面[0001]面、六壁面[11⁻2 3]面傾斜、図2(c)高分解能TEM像で確認。同図右下に模式図。図2(c)を[0001]方向垂直方向圧縮（d）で格子歪み可視化、ピラミッド領域内外でGaとN部格子変位示唆。Venneguesら[20]類似ピラミッド領域報告と整合。類似ピラミッド形状欠陥先行MgドープGaN薄膜観察、Mg導入によるGaN原子構造修正で説明[19,20,21-24]。Liliental-Weberら[25,26]ピラミッド頭部付近Mgリッチクラスタ起源提案。ウルツァイト相GaNは通常N面六方最密充填、半N部四面体サイトGa原子充填記述。Venneguesら[27]高Mg導入でGaがMg置換、Mg₃N₂（アンチビックスバイト構造）形成提案。Mg₃N₂アンチビックスバイト構造はN部四面体サイトMg原子占有、4サイト中3サイト占有対応。Venneguesら[27]モデルでピラミッド領域はMg₃N₂単層で分離された相反極性二GaN結晶と見なせる。Hansenら[28]ピラミッド領域Mg₃N₂インクルージョン提案支持。Venneguesら[27]、Lerouxら[23]ナノメートルサイズピラミッド領域形成にmid 10¹⁹cm⁻³ Mg導入必要報告。本発見と整合：STEM像（図1(c)）と対応SIMSプロファイル（図1(d)）相関でピラミッド形状欠陥低mid-10¹⁹cm⁻³ Mg濃度領域観察。したがって図2(b)構造「A」ピラミッド形状欠陥はMgリッチピラミッド領域と考えられ、形成p-GaN層Mg補償メカニズム直接リンク可能。図2(b)他欠陥C、D型は本質同一構造で寸法変異のみ。[0001]方向伸長コントラスト[11⁻2 0]軸観察時、歪み起源可能性。更明確化 위해、類似欠陥高分解能TEM像図2(e)、[0001]方向垂直圧縮像(f)。[0001]方向沿い格子歪みはこの方向異なる格子定数、異なる歪み場示唆。MgサイズGa比較小さく、Gaサイト導入で格子歪み生成、欠陥周辺コントラスト原因可能性。

別欠陥タイプ「B」図2(b)：[11⁻2 0]軸観察時[0001]方向垂直ライン欠陥。重要：此欠陥高Mg濃度狭窄領域蓄積（図1(c)(d)BF-STEM像とMg SIMSプロファイル対応観察）、形成Mg過剰導入関連示唆。別観察：此ライン欠陥エッジにピラミッド領域存在、蓄積結果形成可能性。但ピラミッドとライン欠陥ランダム重複可能性否定不能、更調査必要。此欠陥タイプBF-STEM像図3(a)。更理解 위해、[0001]方向垂直軸周り約10°傾斜撮像図3(b)。此傾斜1-100方向回折スポット強烈励起、欠陥周辺歪み場方向コントラスト強化。此歪み場コントラストから、ライン様見え欠陥（図2(a)(b)）実は数nm間隔で[0001]方向深部に分離した二線対。

此欠陥Mg含有可能性：STEM像（図1(c)）とMg SIMSプロファイル（図1(d)）対応でMg濃度10¹⁹cm⁻³超狭窄領域出現。検証ため、STEM-EDS測定実施、EDSプローブ径0.2nm未満、「欠陥離れ」と「欠陥上」領域ポイント1、2で実施（図4(a)）。ポイント1、2比較EDSスペクトルエネルギー範囲1.19-1.35keV（Mgピーク期待域）図4(b)プロット、インセット全EDSスペクトル（Ga、Nピーク）。欠陥上（ポイント2）Mg明確検出。更正当化ため、類似Mg注入GaN試料STEM-EDSマッピング実施。図4(c)Mg注入GaN STEM像下向矢印ライン欠陥示す、図4(d)対応Mg EDXマップ。此欠陥Mg明確存在。したがって此欠陥Mg含有、Mg濃度10¹⁹cm⁻³超形成領域でMg補償別原因可能性大。

MgドープGaN層欠陥解析

次に、4μm厚非ドープGaNエピタキシャル層上1μm厚MgドープGaNエピタキシャル成長GaN試料構造調査実施。再度言及：Mgレベル同一4×10¹⁹cm⁻³、二Mg導入法（エピタキシャルドープ、イオン注入）意味比較 위해。図5(a)フリースタンディングGaN基板上エピタキシャル成長MgドープGaN BF-STEM像[11⁻2 0]軸、(b)SIMS深さプロファイル。図5(a)視野内（700nmまで）Mg濃度ほぼ一定約4×10¹⁹cm⁻³、Mg注入GaNと異なり深さ関数でない（図1(a)-(d)参照）。

MgドープGaN試料欠陥解析のため、c軸周り[11⁻2 0]軸から10°傾斜オフゾーン軸条件STEM撮像実施。図6(a)(b)BF-STEMとDF-STEM像、約5nmドット状欠陥試料全域均一分布観察。Mgプロファイルも均一（図5(b)参照）。Mg均一分布と欠陥均一分布直接相関示唆。約5nmドット状欠陥はMg析出物（および誘起スタッキングフォルト）可能性大。微小サイズでEDS直接確認困難（GaとMgピーク近接、微小濃度差マッピング極めて困難）。

此観察Mg注入試料と完全異なる：前者欠陥表面約200nm最大Mg濃度領域蓄積、後者ピラミッドと二線欠陥（図2(b)A、B）不在。興味深くピラミッドとライン欠陥はイオン注入以外Mg導入GaN試料でも報告。例：Khromovら[29] MOCVD成長MgドープGaN試料ピラミッド欠陥報告、但Mg濃度~5×10¹⁹cm⁻³高ドープ試料のみ、Mg~2×10¹⁸cm⁻³試料では不在。Venneguesら[27] MOCVD成長MgドープGaN試料mid 10¹⁹cm⁻³ Mg濃度領域ピラミッド領域観察、10¹⁹cm⁻³未満試料では不在。本研究同レベルMg~4×10¹⁹cm⁻³両法導入し欠陥存在分析。此欠陥Mg注入試料のみ観察、Mgドープ試料不在、Mg分布も存在説明考慮必要示唆。SIMS測定でMg注入試料非均一分布（図1(b)(d)）、Mgドープ試料均一分布（図5(b)）。さらにMg注入試料此欠陥周囲マトリックス比較高Mg濃度狭窄窓のみ存在。したがって欠陥形成Mg導入レベルと分布リンク、Mg 10¹⁹cm⁻³領域形成可能性大。Mg注入試料非均一Mgプロファイル非均一欠陥分布導く様子。但非均一欠陥分布非均一Mg分布原因、或欠陥存在Mg注入プロファイル依存可能性否定不能、更調査必要。本Mg導入GaN欠陥比較解析示唆：欠陥性質とタイプ導入法依存。

結論

要約：フリースタンディングGaN基板上Mg注入とMgドープエピ層STEMベース構造欠陥調査で、欠陥性質Mg導入法強依存性明らか。Mg注入GaN：正[0001]方向向きピラミッド領域、[0001]方向深部数nm間隔二線欠陥存在。ピラミッド領域Mg₃N₂ベース構造推定、ライン欠陥もEDSでMg含有確認。ライン欠陥表面約200nm深さ、mid 10¹⁹cm⁻³ Mg濃度狭窄領域位置、形成植込みMg濃度レベルリンク示唆。GaN Mg注入これら欠陥形成p型ドーピング非効率化へ主要寄与、Mg自己補償メカニズムへ。対照的MgドープGaN：約5nmドット状欠陥試料全域均一分布のみ観察。本研究Mg導入法と濃度が欠陥性質・タイプ決定すること強調、GaNベース材料高p型伝導度達成へ適切Mg導入量選択指針提供、効率的デバイス動作へ貢献。

略語

ADF

環状暗視野

BF

明視野

EDS

エネルギー分散型X線分光法

MBE

分子線エピタキシー

MOCVD

有機金属化学気相成長

SIMS

二次イオン質量分析

STEM

走査透過型電子顕微鏡