JP6656991B2 - 窒化物半導体基板、半導体装置、および窒化物半導体基板の製造方法 - Google Patents
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Description
n型の半導体からなる基板と、
前記基板上に設けられ、ドナーおよび炭素を含む窒化ガリウムからなるドリフト層と、を有し、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度は、5.0×1016個/cm3以下であって、前記ドリフト層の全域に亘って、前記ドリフト層中でアクセプタとして機能する前記炭素の濃度以上であり、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に増加している窒化物半導体基板が提供される。
n型の半導体からなる基板と、
前記基板上に設けられ、ドナーおよび炭素を含む窒化ガリウムからなるドリフト層と、を有し、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度は、5.0×1016個/cm3以下であって、前記ドリフト層の全域に亘って、前記ドリフト層中でアクセプタとして機能する前記炭素の濃度以上であり、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に増加している半導体装置が提供される。
n型の半導体からなる基板上に、ドナーおよび炭素を含む窒化ガリウムからなるドリフト層を形成する工程を有し、
前記ドリフト層を形成する工程では、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度を、5.0×1016個/cm3以下としつつ、前記ドリフト層の全域に亘って、前記ドリフト層中でアクセプタとして機能する前記炭素の濃度以上とし、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差を、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に増加させる窒化物半導体基板の製造方法が提供される。
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図1は、本実施形態に係る窒化物半導体基板を示す断面図である。
図1に示すように、本実施形態の窒化物半導体基板(窒化物半導体積層物、窒化物半導体エピタキシャル基板)10は、後述するpn接合ダイオードとしての半導体装置20を製造するために窒化物半導体層をエピタキシャル成長させたウエハとして構成され、例えば、基板100と、下地n型半導体層120と、ドリフト層140と、第1p型半導体層220と、第2p型半導体層240と、を有している。
基板100は、例えば、所定のドナーを含むn型の単結晶窒化ガリウム(GaN)基板(自立GaN基板)として構成されている。基板100中のドナーとしては、例えば、シリコン(Si)またはゲルマニウム(Ge)が挙げられる。基板100中のドナー濃度は、例えば、5.0×1017個/cm3以上5.0×1018個/cm3以下である。なお、ドナー濃度や後述する炭素濃度などは、例えば、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)によって測定することができる。
下地n型半導体層120は、基板100の結晶性を引き継いでドリフト層140を安定的にエピタキシャル成長させるバッファ層として、基板100とドリフト層140との間に設けられている。また、下地n型半導体層120は、基板100と同等の濃度のドナーを含むn+型GaN層として構成されている。下地n型半導体層120中のドナーとしては、基板100中のドナーと同様に、例えば、SiまたはGeが挙げられる。また、下地n型半導体層120中のドナー濃度は、基板100中のドナー濃度と同様に、例えば、5.0×1017個/cm3以上5.0×1018個/cm3以下である。
ドリフト層140は、下地n型半導体層120上に設けられ、低濃度のドナーを含むn−型GaN層として構成されている。ドリフト層140中のドナーとしては、下地n型半導体層120中のドナーと同様に、例えば、SiまたはGeが挙げられる。
第1p型半導体層220は、ドリフト層140上に設けられ、アクセプタを含むp型GaN層として構成されている。第1p型半導体層220中のアクセプタとしては、例えば、マグネシウム(Mg)が挙げられる。また、第1p型半導体層220中のアクセプタ濃度は、例えば、1.0×1017個/cm3以上2.0×1019個/cm3以下とする。
第2p型半導体層240は、第1p型半導体層220上に設けられ、高濃度のアクセプタを含むp+型GaN層として構成されている。第2p型半導体層240中のアクセプタとしては、第1p型半導体層220と同様に、例えば、Mgが挙げられる。また、第2p型半導体層240中のアクセプタ濃度は、第1p型半導体層220中のアクセプタ濃度よりも高く、例えば、5.0×1019個/cm3以上2.0×1020個/cm3以下とする。第2p型半導体層240中のアクセプタ濃度を上述の範囲内とすることにより、第2p型半導体層240と後述するアノードとのコンタクト抵抗を低減させることができる。
次に、図2(a)を用い、ドリフト層140におけるドナー濃度と炭素濃度との相対関係について、詳細を説明する。図2(a)は、ドリフト層中のドナー濃度NDからドリフト層中でアクセプタとして機能する炭素の濃度NAを引いた差を示す図である。
次に、図2(b)を用い、具体的なドリフト層140中のドナー濃度NDおよび炭素の全濃度NCなどの分布に関して説明する。図2(b)は、ドリフト層におけるドナーおよび炭素の各濃度を示す図である。図2(b)において、横軸は、図2(a)と同様に、ドリフト層140の表面側からの位置(深さ)を示している。縦軸は、ドリフト層140中のドナーおよび炭素の各濃度を示している。なお、上述のように、ドリフト層140中のドナー濃度NDおよび炭素の全濃度NCなどは、例えば、SIMSによって測定することができる。
図2(b)に示すように、ドリフト層140中のドナー濃度NDは、例えば、積層方向に向かって直線状に増加している。なお、上述したように、ドリフト層140中のドナー濃度NDの最大値および最小値は、1.0×1015個/cm3以上5.0×1016個/cm3以下の範囲内に入っており、ドリフト層140中のドナー濃度NDは、ドリフト層140の全域に亘って、少なくともドリフト層140中の炭素の濃度NCの1/3倍以上となっている。
一方、ドリフト層140中のドナー濃度NDが5.0×1016個/cm3以下であり、ドリフト層140中のドナー濃度NDがドリフト層140の全域に亘ってドリフト層140中でアクセプタとして機能する炭素の濃度NA以上であり、さらに、ドリフト層140における濃度差ND−NAが積層方向に向かって徐々に増加しているという3つの条件が満たされれば、ドリフト層140中の炭素の全濃度NCは、積層方向に対して任意の分布とすることができる。
ドリフト層140は、ドナーおよび炭素のほかに、水素(H)も含んでいる。水素は、例えば、ドリフト層140の結晶成長時に用いられるIII族有機金属原料やドナー原料などに起因して、ドリフト層140中に取り込まれる。ドリフト層140中の水素濃度は、例えば、5.0×1016個/cm3以下、好ましくは、1.0×1016個/cm3以下とする。ドリフト層140中の水素濃度が5.0×1016個/cm3超であると、ドリフト層140の結晶性が低下し、後述する半導体装置20の損失が増加する可能性がある。これに対して、ドリフト層140中の水素濃度を5.0×1016個/cm3以下とすることにより、ドリフト層140の結晶性を向上させ、半導体装置20を低損失化させることができる。なお、ドリフト層140中の水素濃度は低ければ低いほど良いため、水素濃度の下限値については特に限定されるものではない。
次に、図4を用い、本実施形態に係る半導体装置について説明する。図4は、本実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
次に、図1、図2および図4を用い、本実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法、および半導体装置の製造方法について説明する。
図1に示すように、n型の単結晶GaN基板としての基板100を用意する。
次に、例えば、有機金属気相成長(MOVPE:Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)装置を用い、以下の手順により、下地n型半導体層120等の窒化物半導体層を基板100上に形成する。
次に、下地n型半導体層120上に、n−型GaN層としてのドリフト層140をエピタキシャル成長させる。このとき、ドリフト層140中のドナー濃度NDが5.0×1016個/cm3以下となり、ドリフト層140中のドナー濃度NDがドリフト層140の全域に亘ってドリフト層140中でアクセプタとして機能する炭素の濃度NA以上となり、さらに、ドリフト層140における濃度差ND−NAが、積層方向に向かって徐々に増加するように、各種成長条件を調整する。
次に、ドリフト層140上に、p型GaN層としての第1p型半導体層220をエピタキシャル成長させる。このとき、ドナー原料に代えて、例えば、アクセプタ原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を基板100に対して供給する。
次に、第1p型半導体層220上に、ステップ4と同様の処理手順により、p+型GaN層としての第2p型半導体層240をエピタキシャル成長させる。
第2p型半導体層240の成長が完了したら、III族有機金属原料の供給と、基板100の加熱とを停止する。そして、基板100の温度が500℃以下となったら、V族原料の供給を停止する。その後、MOVPE装置の処理室内の雰囲気をN2ガスへ置換して大気圧に復帰させるとともに、処理室内を基板搬出可能な温度にまで低下させた後、成長後の基板100を処理室内から搬出する。
次に、図4に示すように、例えばRIE(Reactive Ion Etching)法により、第2p型半導体層240、第1p型半導体層220、およびドリフト層140の一部をエッチングする。これにより、第2p型半導体層240、第1p型半導体層220、およびドリフト層140にメサ構造180を形成する。次に、メサ構造180およびドリフト層140の表面を覆うように、例えばスパッタ法によりPd/Ni膜を形成し、所定の形状にパターニングする。これにより、メサ構造180の上面、すなわち第2p型半導体層240の上に第1アノード320を形成する。次に、メサ構造180およびドリフト層140の表面を覆うように、例えばスピンコート法によりSOG膜を形成し、その上に例えばスパッタ法によりSiO2膜を形成し、所定の形状にパターニングする。これにより、メサ構造180の外側のドリフト層140の表面、メサ構造180の側面、および第2p型半導体層240の表面の一部(メサ構造180の上面の周囲)を覆うように、第1絶縁膜420および第2絶縁膜440を有する絶縁膜400を形成する。次に、絶縁膜400の開口内の第1アノード320および絶縁膜400を覆うように、例えばスパッタ法によりTi/Al膜を形成し、所定の形状にパターニングする。これにより、絶縁膜400の開口内で第1アノード320に接するとともに、絶縁膜400上において第1アノード320よりも外側に延在しメサ構造180を覆うように、第2アノード340を形成する。さらに、基板100の裏面側に例えばスパッタ法によりTi/Al膜を形成することで、カソード360を形成する。
本実施形態によれば、以下に示す1つまたは複数の効果が得られる。
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。しかしながら、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
図5(a)の変形例1に示すように、ドリフト層140における濃度差ND−NAが基板100側からドリフト層140の表面側に向かって階段状に増加していてもよい。この場合、ドリフト層140は、複数層からなり、隣接する2つの層のうち上側の層のND−NAが下側の層のND−NAよりも高くなっていると考えてもよい。変形例1によれば、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、変形例1によれば、ドリフト層140を成長させていくにしたがって、成長条件を段階的に切り替えることができ、成長条件の制御を容易にすることが可能となる。ただし、変形例1では、ドリフト層140の伝導帯も階段状となるため、伝導帯が一定となる部分では自由電子のドリフト速度が向上され難い。したがって、上述の実施形態(図2(a))のようにドリフト層140における濃度差ND−NAが基板100側からドリフト層140の表面側に向かって直線状に増加しているほうが、ドリフト層140の伝導帯の傾斜を滑らかにすることができ、自由電子のドリフト速度をドリフト層140全体に亘って向上させることができる点で、好ましい。
図5(b)の変形例2に示すように、ドリフト層140における濃度差ND−NAが基板100側からドリフト層140の表面側に向かって非線形に増加していてもよい。この場合では、例えば、ND−NAの傾きが基板100側からドリフト層140の中間位置に向かって徐々に大きくなり、ND−NAの傾きがドリフト層140の中間位置側からドリフト層140の表面側に向かって徐々に小さくなっている。なお、ND−NAの変化は、多次関数、対数関数、指数関数、またはこれらの組合せであってもよい。変形例2によれば、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、参考までに、上述の実施形態では、ドリフト層140を成長させていくにしたがって成長条件を線形に変化させていたが、成長条件に対応するようにND−NAが線形に変化しないことがある。このような場合には、ND−NAを直線状に変化させることが困難となる。しかしながら、ドリフト層140における濃度差ND−NAが基板100側からドリフト層140の表面側に向かって徐々に増加していれば、変形例2のようにND−NAの変化が非線形であっても、ドリフト層140の伝導帯を積層方向に向かって徐々に低下するように傾斜させることができる。これにより、変形例2においても、上述の実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。
図6に示すように、変形例3の窒化物半導体基板12は、ショットキーバリアダイオード(SBD)を製造するためのウエハとして構成され、例えば、基板102と、下地n型半導体層122と、ドリフト層142と、を有し、p型半導体層を有していない。ドリフト層142における濃度差ND−NAは、基板102側からドリフト層142の表面側に向かって徐々に増加している。
図7は、変形例3に係る半導体装置を示す断面図である。
図7に示すように、変形例3の半導体装置22は、上述の窒化物半導体基板12を用いて製造されたSBDとして構成され、例えば、基板102と、下地n型半導体層122と、ドリフト層142と、絶縁膜402と、アノード312と、カソード362と、を有している。変形例3では、上述の実施形態のようなメサ構造は形成されておらず、例えば、絶縁膜402は、ドリフト層142の平坦な表面上に設けられている。また、絶縁膜402は、ドリフト層142とアノード312とを接触させるための開口を有している。アノード312は、いわゆるフィールドプレート電極として構成されている。すなわち、アノード312は、絶縁膜402の開口内でドリフト層142に接するとともに、絶縁膜402上において絶縁膜402の開口よりも外側に延在している。これにより、アノード312とドリフト層142との接する領域の端部に電界が集中することを抑制することができる。アノード312は、ドリフト層140とショットキー障壁を形成するよう構成され、例えば、Pd、Pd/Ni、またはNi/Auからなっている。また、カソード362は、基板102の裏面側に設けられている。
変形例3によれば、半導体装置22がSBDであっても、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本変形例の半導体装置22のようなSBDは、pn接合ダイオードよりもスイッチング速度が速いことで知られている。本変形例では、ドリフト層142における濃度差ND−NAに勾配を設けることで、ドリフト層142中の自由電子のドリフト速度を向上させることができる。したがって、ドリフト層142中の自由電子のドリフト速度を向上させることで、SBDとして構成される半導体装置22のスイッチング速度をさらに向上させることが可能となる。
以下、本発明の好ましい態様について付記する。
n型の半導体からなる基板と、
前記基板上に設けられ、ドナーおよび炭素を含む窒化ガリウムからなるドリフト層と、を有し、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度は、5.0×1016個/cm3以下であって、前記ドリフト層の全域に亘って、前記ドリフト層中でアクセプタとして機能する前記炭素の濃度以上であり、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に増加している窒化物半導体基板。
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度は、前記ドリフト層の全域に亘って、前記ドリフト層中の前記炭素の全濃度の1/3倍以上である付記1に記載の窒化物半導体基板。
前記ドリフト層は、水素を含み、
前記ドリフト層中の前記水素の濃度は、5.0×1016個/cm3以下である付記1又は2に記載の窒化物半導体基板。
前記基板は、単結晶の窒化ガリウムからなる付記1〜3のいずれかに記載の窒化物半導体基板。
前記基板の主面における転位密度は、1×107個/cm2以下である付記4に記載の窒化物半導体基板。
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に増加し、
前記ドリフト層中の前記炭素の全濃度は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に増加している付記1〜5のいずれかに記載の窒化物半導体基板。
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に増加し、
前記ドリフト層中の前記炭素の全濃度は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって一定となっている付記1〜5のいずれかに記載の窒化物半導体基板。
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に増加し、
前記ドリフト層中の前記炭素の全濃度は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に減少している付記1〜5のいずれかに記載の窒化物半導体基板。
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって直線状に徐々に増加している付記1〜8のいずれかに記載の窒化物半導体基板。
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって階段状に徐々に増加している付記1〜8のいずれかに記載の窒化物半導体基板。
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって非線形に徐々に増加している付記1〜8のいずれかに記載の窒化物半導体基板。
n型の半導体からなる基板と、
前記基板上に設けられ、ドナーおよび炭素を含む窒化ガリウムからなるドリフト層と、を有し、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度は、5.0×1016個/cm3以下であって、前記ドリフト層の全域に亘って、前記ドリフト層中でアクセプタとして機能する前記炭素の濃度以上であり、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に増加している半導体装置。
n型の半導体からなる基板上に、ドナーおよび炭素を含む窒化ガリウムからなるドリフト層を形成する工程を有し、
前記ドリフト層を形成する工程では、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度を、5.0×1016個/cm3以下としつつ、前記ドリフト層の全域に亘って、前記ドリフト層中でアクセプタとして機能する前記炭素の濃度以上とし、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差を、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に増加させる窒化物半導体基板の製造方法。
n型の半導体からなる基板上に、ドナーおよび炭素を含む窒化ガリウムからなるドリフト層を形成する工程を有し、
前記ドリフト層を形成する工程では、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度を、5.0×1016個/cm3以下としつつ、前記ドリフト層の全域に亘って、前記ドリフト層中でアクセプタとして機能する前記炭素の濃度以上とし、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差を、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に増加させる半導体装置の製造方法。
20,22 半導体装置
100,102 基板
140,142 ドリフト層
Claims (5)
- n型の半導体からなる基板と、
前記基板上に設けられ、ドナーおよび炭素を含む窒化ガリウムからなるドリフト層と、を有し、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度は、5.0×1016個/cm3以下であって、前記ドリフト層の全域に亘って、前記ドリフト層中でアクセプタとして機能する前記炭素の濃度以上であり、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に増加している窒化物半導体基板。 - 前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度は、前記ドリフト層の全域に亘って、前記ドリフト層中の前記炭素の全濃度の1/3倍以上である請求項1に記載の窒化物半導体基板。
- 前記ドリフト層は、水素を含み、
前記ドリフト層中の前記水素の濃度は、5.0×1016個/cm3以下である請求項1又は2に記載の窒化物半導体基板。 - n型の半導体からなる基板と、
前記基板上に設けられ、ドナーおよび炭素を含む窒化ガリウムからなるドリフト層と、を有し、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度は、5.0×1016個/cm3以下であって、前記ドリフト層の全域に亘って、前記ドリフト層中でアクセプタとして機能する前記炭素の濃度以上であり、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に増加している半導体装置。 - n型の半導体からなる基板上に、ドナーおよび炭素を含む窒化ガリウムからなるドリフト層を形成する工程を有し、
前記ドリフト層を形成する工程では、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度を、5.0×1016個/cm3以下としつつ、前記ドリフト層の全域に亘って、前記ドリフト層中でアクセプタとして機能する前記炭素の濃度以上とし、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差を、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に増加させる窒化物半導体基板の製造方法。
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