Mg-doped GaN の正孔密度の温度依存性について ~Mg 流量、アニール温度による変化~ E99030 勝矢大輔松浦研究室【背景】電子機器の小型、軽量化が進むなか、高周波性にすぐれ、低消費電力を可能とする半導体として GaN が注目されている。そこで GaN を用いた電界効果トランジスタを開発するためには、pn 接合が不可欠である 1)。しかし、GaN の結晶成長過程では良好な p 型を作り出すことが困難である。【目的】Mg を GaN にドープして p 型の GaN を作製し、GaN 中のアクセプタについて解析する。ここで Mg-doped GaN の多数キャリア密度の温度依存性 p(T) について調べるためホール効果測定し、本研究室で提案されている FCCS(Free Carrier Concentration Spectroscopy)法 2)を用いて GaN 中のアクセプタの Mg について調べるため解析する。【実験】今回 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法で成長させた Mg-doped GaN を窒素雰囲気で様々な条件でアニールした。その後試料の四隅にオーミック電極(In 電極)を形成する。そして磁界 1.4 T、真空度 6.0×10-1 Pa、温度 80 K 〜400 K(In の融点が約 430 K)の条件で van der Pauw 法を用いたホール効果測定を行い、p(T)を用いて FCCS 法で解析した。【FCCS 法】FCCS 法とは、ホール効果測定により得られた p(T)より不純物の密度と準位を評価する方法である。この評価方法は仮定と微分を用いずに評価できる。そして FCCS 法で用いる評価関数(H 関数)は(1)式で定義される 2)。 H(T, E ref ) ≡ p(T) 2 E  exp ref  2.5 (kT)  kT  (1) (1)式がピークとなる温度からアクセプタ準位が、H 関数のピークからアクセプタ密度がそれぞれもとめられる。しかし GaN の Mg のアクセプタ準位は 100 meV 以上であり、アクセプタの励起状態は無視出来ない。したがって励起状態を考慮する FCCS 法の評価関数が必要であり、励起準位をΔEr、縮退度を gr、励起状態の平均エネルギーを E ex として、励起状態を考慮した分布関数は (2)式のように定義される 29。 f(ΔE A ) = (2) 1  E 1 + 4exp − ex  kT   ΔE r − ΔE F   g 1expΔE A −ΔE F  + g r exp  kT kT   r =2   ∑      Hole Concentration[cm-3] ここで励起状態を考慮しない場合では r＝1、gr＝1、、 E ex ＝0 であるから、フェルミ−ディラック分布関数 fFD(⊿EA) (以下 FD 分布関数)となる。【結果・考察】正孔密度の温度依存性を図 1 に示す。図 1 よりふたつの試料を比較するとアニール温度の変化による正孔密度の温度依存の違いは、低温領域(300 K 以下)では#36-2 の方が急激に減少している。次に、#36-2 での FCCS 法の解析結果を図 2 に示す。図 2 よりピーク温度は 279.6 K、ピーク値が 6.60×1043 cm-6eV—2.5 となる。このピークから FD 分布関数の場合は、#36-2 ではアクセプタ準位は 154 meV、アクセプタ密度は 1.81×1020 cm-3 の値が得られた。また励起状態を考慮した分布関数は、アクセプタ準位は 155 meV、アクセプタ密度は 6.11×1018 cm-3 の値が得られた。ここで SIMS のデータから、Mg 密度は 2.0×1019 cm-3 である。Mg は 4 配位となるものだけがアクセプタとなるので、アクセプタ密度は Mg 密度より低くなる。よって励起状態を考慮した場合での結果の方が妥当である。また、図 2 からも励起状態を考慮した場合でのシミュレーションの方が実験値とよく一致している。したがって、アクセプタの準位が深い場合、FCCS 法では励起状態を考慮した方がよい。#36-3 についても同様に、励起状態を考慮した分布関数の場合をもちいて、アクセプタ準位は 184 meV、アクセプタ密度は 8.75×1019 cm-3 の値が得られた。【結論】図1よりアニール温度の違いによる正孔密度は低温領域(300 K 以下)で変化があきらかである。また、Mg をドープした GaN 1019 (×1043) では p(T)による FCCS 法では励起状態を考慮しなけれ Mg流量 5µmol/min 6 ] ばならない。またシミュレーション結果は#36-2と#36-3を 5. 21018 V5 比較するとアクセプタの準位と密度が変化していることが e6わかった。 m 1017 c 3 4 4 0 【謝辞】試料を提供してくださいました日本工 1[ )f #36-2 1016 er 業大学の鈴木敏正教授に感謝の意を表しまアニ−ル時間 20分 H(T,Eref) E, 3 アニ−ル温度 800℃ T ( す。 #36-3 simulation result 1 アニール時間 20分 1015 H2 f(∆EA) アニ−ル温度 850℃ 【参考文献】1)赤碕勇：Ⅲ-Ⅴ族化合物半導体 simulation result fFD(∆EA) chapter 13 : 培風館 (1994) 1 100 200 300 400 180 200 220 240 260 280 300 2)H.Matsuura,New.J.Phys.4 (2002).12.1 Temperature [K] Temperature [K] 図1 正孔密度の温度依存性図図2 #36-2の温度依存によるH1関数と FCCS法のシミュレーション結果図