これまでの2つのコラムでは、東ソーが開発したGaNターゲットと、その成膜技術についてご紹介しました。第3回となる本コラムでは、GaNに不純物としてSiを添加した「Si添加GaNターゲット」を取り上げます。Si添加GaNターゲットを用いる利点は、高導電性のGaN膜を成膜できることです。高性能なGaNデバイスの実現には、このような高導電性GaN膜が重要であり、Si添加GaNターゲットを用いた成膜技術は、デバイス性能の向上に加え、生産性の向上にも貢献することが期待されます。

　半導体プロセスでは、半導体の電気的特性や導電性を制御するためにドーピング技術が用いられています。ドーピングとは、半導体に微量の不純物（ドーパント）を添加し、導電性を制御する技術です。不純物を添加することで半導体中に自由電子やホールが生成され、これらが電荷を運ぶキャリアとして機能します。キャリアが自由電子の場合は「n型」、ホールの場合は「p型」と呼ばれます。
　GaNでは代表的なn型ドーパントとしてSiが広く用いられており、スパッタリング法でSiを添加する方法の一つに、coスパッタ法があります。GaN膜の成膜における一般的なcoスパッタ法では、GaターゲットとSiターゲットを同時にスパッタリングし、窒素ガスを導入したリアクティブスパッタリングによって、Siを添加したn型GaN膜を成膜します。しかし、coスパッタ法ではGaターゲットとSiターゲットをそれぞれ制御する必要があるため、膜の均一性や組成を精密に制御することが難しいという課題があります。また、各ターゲットの成膜条件が相互に影響し合うため、プロセス条件の最適化が複雑になる場合があります。こうした課題は成膜プロセスの複雑化につながり、量産化を進めるうえでの障壁となります。
　これに対し東ソーでは、あらかじめSiを添加した単一のGaNターゲットを用いることで、Si添加GaN膜を作製する方法に着目しました。この方法では、成膜プロセスの簡略化に加え、量産に適した安定成膜の実現が期待されます。

　そこで東ソーは、Si添加GaN（Si-GaN）ターゲットの開発に着手しました。GaNはもともと焼結が難しい材料であり、さらにSiを均一に分散させながら高純度・高密度のターゲットを作製することは、技術的に難易度の高い課題です。当社は、独自の合成・焼結技術を駆使してこの課題を克服し、高純度・高密度のSi-GaNターゲットの開発に成功しました。表に各ターゲットの物性値を示します。Siを添加していないundoped-GaN（ud-GaN）ターゲットと同様に、従来品に比べ高純度・高密度を実現していることがわかります。
　また、ud-GaNターゲットと同様に、最大φ12インチ（約300 mm）の大口径Si-GaNターゲットの開発にも成功しています。さらに、ターゲット中のSi濃度は、10¹⁹～10²¹ atoms/cm³の範囲で制御可能です。これにより、デバイスの用途に応じて、適切なSi濃度のターゲットを選択できます。

　ここからは、開発したSi-GaNターゲットを用いてスパッタリング成膜したSi-GaN膜の評価結果をご紹介します。ここでは、c-Al₂O₃基板上に成膜したSi-GaN膜について、膜中におけるSiの分布を評価した結果を示します。
　まず、膜中のSi濃度および深さ方向の分布を調べるため、SIMS分析を行いました。中央の図から、膜の深さ方向にわたってSiが均一な濃度で含まれていることがわかります。また、Si濃度を10¹⁹～10²¹ atoms/cm³の範囲で制御できることも確認されました。これは、ターゲットのSi濃度を選択することで、膜中のSi濃度を制御できることを示しています。右の図は、Si-GaN膜の断面におけるSiの分布をEPMAで分析した結果です。Siは特定の箇所に偏ることなく、膜中に均一に分散していることがわかります。これらの結果から、Si-GaN膜中のSiは、深さ方向および面内方向のいずれにおいても均一に分布しており、その濃度も制御可能であることが確認されました。
　さらに、各手法で成膜したSi-GaN膜のキャリア濃度と抵抗率を比較した結果、当社のSi-GaNターゲットを用いてスパッタリング成膜した膜は、特に高キャリア濃度領域において、MOCVDやMBEで成膜した膜と同等、またはそれを上回る低抵抗率を示しました。MOCVDやMBEと比べて量産性に優れるスパッタリング法により、このような特性を有するSi-GaN膜が得られたことは、デバイス応用に向けて有用な成果であると考えています。

　ここで、高品質なSi-GaN膜をスパッタリング法で成膜することによるメリットの一例をご紹介します。図に示すのは、代表的なGaNデバイスであるGaN HEMTです。GaN HEMTでは、AlGaN/GaN界面に二次元電子ガス（2DEG）と呼ばれる高移動度の電子キャリアが生成され、この2DEGがチャネルとして機能することで、高速スイッチングや高周波動作が可能になります。そのため、6Gをはじめとする次世代通信技術への応用が期待されており、さらなる性能向上に向けた研究開発が進められています。
　一方で、デバイス性能を向上させるためには、さまざまな課題があります。その一つが、金属電極とAlGaN/GaN層との界面における接触抵抗の低減です。ソース電極およびドレイン電極には、Ti、Al、Ni、Auなどの金属が用いられます。これらの金属はAlGaN層またはGaN層上に成膜され、熱処理を経て電極として形成されます。近年では、これらの金属材料のみで電極を形成する場合、接触抵抗のさらなる低減や信頼性の確保には限界があることが指摘されています。これは、GaNがワイドバンドギャップ半導体であり、金属との界面において電流注入を妨げる障壁が形成されやすいためです。
　そこで近年、高濃度n型GaN（n⁺-GaN）層を用いた電極形成技術が注目されています。これは、AlGaN/GaN層に溝を形成し、その部分に高濃度のn型ドーパントを添加したn⁺-GaN層を形成した後、その上に金属電極を形成する手法です。n⁺-GaN層を挿入することで接触抵抗が低減し、電気特性が改善されることが報告されています。n⁺-GaN層の形成手法としては、スパッタリング法、MOCVD法、MBE法などが報告されています。その中でもスパッタリング法は、比較的低温で成膜できることや高濃度ドーピングが可能であることなどから、優位性を有する手法の一つと考えられます。当社のSi-GaNターゲットを用いて、高キャリア濃度のSi-GaNスパッタ膜を形成できれば、他の手法と比べて簡便かつ量産性に優れたプロセスにより、デバイス性能の向上に貢献できると考えています。

ここまでご紹介したように、Si-GaNターゲットを用いることで、簡便なプロセスによる高品質なSi-GaN膜の形成が可能です。本技術をGaNデバイスに適用することで、デバイスのさらなる高性能化や製造コストの低減を実現し、GaNデバイスの普及拡大に貢献できると考えています。
Si-GaNターゲットをはじめとするGaNターゲット製品や、スパッタリングによるGaN膜の成膜技術について、ご不明な点やご相談がございましたら、下記のお問い合わせフォームよりお気軽にお問い合わせください。

お問い合わせの際は内容欄に”【研究開発コラム】窒化ガリウム(GaN)ターゲットの開発への問合せ ” とご記載下さい。