JP4984557B2 - 縦型窒化ガリウム半導体装置を作製する方法、エピタキシャル基板を作製する方法 - Google Patents
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この縦型窒化ガリウム半導体装置を作製する方法において、前記窒化ガリウムエピタキシャル膜上にショットキ電極を形成し、前記縦型窒化ガリウム半導体装置はショットキダイオードを含む。
この縦型窒化ガリウム半導体装置を作製する方法において、前記窒化ガリウムエピタキシャル膜上にp導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜を成長し、前記p導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜上にオーミック電極を形成し、前記縦型窒化ガリウム半導体装置はpn接合ダイオードを含む。
この縦型窒化ガリウム半導体装置を作製する方法において、前記n − 導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜はドナー濃度として5×10 17 cm −3 以下であり、前記窒化ガリウム自立基板のドナー不純物は酸素あるいはシリコンを含む。
この縦型窒化ガリウム半導体装置を作製する方法において、前記層状領域内には鉄、チタン、コバルト、ニッケル、バナジウム、クロム、あるいはマンガンの濃度プロファイルのピークが位置する。
本発明は、n導電型の窒化ガリウム自立基板を準備し、前記窒化ガリウム自立基板の主面上に窒化ガリウムエピタキシャル膜を成長する、縦型窒化ガリウム半導体装置のためのエピタキシャル基板を作製する方法であって、ドナー不純物の濃度が1×10 18 cm −3 以上である層状領域を前記窒化ガリウム自立基板の前記主面に前記ドナー不純物を添加して形成し、又は前記窒化ガリウムエピタキシャル膜の成長においてドナー不純物の濃度が1×10 18 cm −3 以上である層状領域を前記窒化ガリウム自立基板の前記主面上に前記ドナー不純物を添加しながら成長し、前記層状領域の形成の後に、前記窒化ガリウムエピタキシャル膜の成長において、n − 導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜を成長し、前記層状領域の前記ドナー不純物は、シリコンおよびゲルマニウムの少なくともいずれかであり、前記窒化ガリウムエピタキシャル膜は前記窒化ガリウム自立基板と界面を成し、前記層状領域内にはマグネシウム、ベリリウム、カルシウム、亜鉛、あるいはカドミウムの濃度プロファイルのピークが位置する。
エピタキシャル基板を作製する方法において、前記窒化ガリウムエピタキシャル膜上にp導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜を成長する。
エピタキシャル基板を作製する方法において、前記n − 導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜はドナー濃度として5×10 17 cm −3 以下であり、前記窒化ガリウム自立基板のドナー不純物は酸素あるいはシリコンを含む。
エピタキシャル基板を作製する方法において、前記層状領域内には鉄、チタン、コバルト、ニッケル、バナジウム、クロム、あるいはマンガンの濃度プロファイルのピークが位置する。
本発明の一側面に係る縦型窒化ガリウム半導体装置は、(a)n+導電型の窒化ガリウム支持基体と、(b)前記窒化ガリウム支持基体の主面上に設けられておりn−導電型を有する窒化ガリウムエピタキシャル膜と、(c)前記窒化ガリウムエピタキシャル膜上に設けられたゲート絶縁膜と、(d)前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、(e)前記窒化ガリウムエピタキシャル膜内に設けられたp導電型領域と、(f)前記p導電型領域内に設けられたn導電型領域と、(g)前記窒化ガリウムエピタキシャル膜の前記n導電型領域上に設けられたソース電極と、(h)前記窒化ガリウム支持基体の裏面上に設けられたドレイン電極とを備え、前記窒化ガリウム支持基体から前記窒化ガリウムエピタキシャル膜へ向かう軸に沿ったドナー不純物の濃度が1×1018cm−3以上である層状領域が、前記窒化ガリウム支持基体の表面および前記窒化ガリウムエピタキシャル膜内に設けられており、前記ドナー不純物は、シリコンおよびゲルマニウムの少なくともいずれかである。前記窒化ガリウムエピタキシャル膜は前記窒化ガリウム支持基体と界面を成し、前記層状領域内にはマグネシウム、ベリリウム、カルシウム、亜鉛、あるいはカドミウムの濃度プロファイルのピークが位置する。
上記の縦型窒化ガリウム半導体装置によれば、層状領域のドナー不純物濃度プロファイルが1×1018cm−3以上であるので、窒化ガリウム基板/エピタキシャル膜界面付近におけるマグネシウム(Mg)、鉄(Fe)といった不純物によるキャリア濃度の低下を小さくできる。
本発明の更なる別の側面に係るエピタキシャル基板は、縦型窒化ガリウム半導体装置のためのエピタキシャル基板であって、(a)n導電型の窒化ガリウム基板と、(b)前記窒化ガリウム基板上に設けられておりn−導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜と、(c)前記n−導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜上に設けられておりp導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜とを備え、前記窒化ガリウム基板から前記n−導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜へ向かう軸に沿ったドナー不純物の濃度が1×1018cm−3以上である層状領域が、前記窒化ガリウム基板の表面および前記窒化ガリウムエピタキシャル膜内に設けられており、前記ドナー不純物は、シリコンおよびゲルマニウムの少なくともいずれかである。前記n − 導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜は前記窒化ガリウム基板と界面を成し、前記層状領域内にはマグネシウム、ベリリウム、カルシウム、亜鉛、あるいはカドミウムの濃度プロファイルのピークが位置する。
図1は、ショットキダイオードを示す図面である。ショットキダイオード11は、n+導電型の窒化ガリウム支持基体13と、n−導電型の窒化ガリウムエピタキシャル膜15と、ショットキ電極17と、オーミック電極19とを備える。窒化ガリウムエピタキシャル膜15は、窒化ガリウム支持基体13の主面上に設けられている。ショットキ電極17は、窒化ガリウムエピタキシャル膜15上に設けられている。オーミック電極19は、窒化ガリウム支持基体13の裏面13a上に設けられている。層状領域21は、窒化ガリウム支持基体13および窒化ガリウムエピタキシャル膜15内に設けられている。窒化ガリウム支持基体13および窒化ガリウムエピタキシャル膜15の界面は層状領域21内に位置している。層状領域21では、窒化ガリウム支持基体13から窒化ガリウムエピタキシャル膜15へ向かう軸に沿ったドナー不純物が1×1018cm−3以上である。ドナー不純物は、シリコンおよびゲルマニウムの少なくともいずれかである。
以下の手順に従って、エピタキシャル基板を作製した。HVPE法で作製された窒化ガリウム(GaN)自立基板を準備する。このGaN自立基板は、(0001)面の主面をゆうしており、n+導電型を示しており、そのキャリア濃度は3×1018cm−3であり、厚さは400μmである。この基板中の平均転位密度は1×106cm−2以下である。この自立基板の主面上に有機金属気相成長法によりGaNエピタキシャル膜を成長する。エピタキシャル膜は、n−導電型を有しており、そのキャリア濃度は5×1015cm−3であり、厚さは3.3μmである。GaN自立基板およびGaNエピタキシャル膜の界面には、5×1018cm−3のシリコン(Si)を含むn+GaN層状領域がある。層状領域を形成するために、基板の表層或いはエピタキシャル膜中にシリコンを添加することができる。
図5は、縦型トランジスタを示す図面である。縦型トランジスタ41は、n+導電型の窒化ガリウム支持基体43と、n−導電型の窒化ガリウムエピタキシャル膜45と、ゲート電極47と、p導電型領域49と、n導電型領域51と、ソース電極53と、ドレイン電極55とを備える。窒化ガリウムエピタキシャル膜45は、窒化ガリウム支持基体43の主面上に設けられている。ゲート電極47は、窒化ガリウムエピタキシャル膜45上に設けられている。ゲート電極47の下には、p導電型領域49の延長部49bが設けられている。p導電型領域49は、窒化ガリウムエピタキシャル膜45内に設けられている。n導電型領域51は、p導電型領域内49に設けられている。ソース電極53は、窒化ガリウムエピタキシャル膜45内のn導電型領域51上に設けられている。ドレイン電極55は、窒化ガリウム支持基体43の裏面43a上に設けられている。ゲート絶縁膜59が窒化ガリウムエピタキシャル膜45とゲート電極47との間に設けられている。ゲート絶縁膜59の材料としては、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜、シリコン窒化膜、アルミナ、窒化アルミニウム、AlGaN等を用いることができる。
図6は、エピタキシャル基板を示す図面である。エピタキシャル基板61は、次のように作製される。エピタキシャル基板61は、n+導電型の窒化ガリウム基板63と、n−導電型の窒化ガリウムエピタキシャル膜と65を備える。窒化ガリウムエピタキシャル膜65は、窒化ガリウム基板63上に設けられている。層状領域67が、窒化ガリウム基板63および窒化ガリウムエピタキシャル膜65内に設けられている。窒化ガリウム基板43および窒化ガリウムエピタキシャル膜65の界面は層状領域67内に位置している。層状領域67では、窒化ガリウム基板63から窒化ガリウムエピタキシャル膜65へ向かう軸に沿ったドナー不純物が1×1018cm−3以上のピーク値である。ドナー不純物は、シリコンおよびゲルマニウムの少なくともいずれかである。
図7は、pn接合ダイオードを示す図面である。pn接合ダイオード71は、n導電型の窒化ガリウム支持基体13と、p導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜73と、n−導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜75と、第1のオーミック電極77と、第2のオーミック電極79とを備える。n−導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜75は、窒化ガリウム支持基体13の主面上に設けられている。p導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜73は、n−導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜75の上に設けられている。第1のオーミック電極77は、p導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜73上に設けられている。第2のオーミック電極79は、窒化ガリウム支持基体13の裏面13a上に設けられている。p導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜73とn−導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜75とはpn接合76を形成する。窒化ガリウム支持基体13から窒化ガリウムエピタキシャル膜73へ向かう軸に沿ったドナー不純物の濃度が1×1018cm−3以上である層状領域81が、窒化ガリウム支持基体13の表面およびn−導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜75内に設けられている。ドナー不純物は、シリコンおよびゲルマニウムの少なくともいずれかである。
以下の手順に従って、エピタキシャル基板を作製した。HVPE法を用いて作製された窒化ガリウム(GaN)自立基板を準備する。このGaN基板は面方位(0001)面の主面を有している。GaN基板はn+導電型を示しており、そのキャリア濃度は3×1018cm−3であり、厚みは400マイクロメートルである。この基板中の平均転位密度は、1×106cm−2以下である。この自立基板の主面上に、有機金属気相成長法により、GaNエピタキシャル膜を成長する。エピタキシャル膜はn−導電性を有しており、そのキャリア濃度は5×1015cm−3であり、その厚みは、10マイクロメートルである。このGaNエピタキシャル膜上には、第1のp導電型窒化ガリウム系エピタキシャル膜が設けられている。第1のp導電型窒化ガリウム系エピタキシャル膜は、マグネシウム濃度1×1018cm−3および厚み0.5マイクロメートルを有する。必要な場合には、第2のp導電型窒化ガリウム系エピタキシャル膜上には、第2のp導電型窒化ガリウム系エピタキシャル膜が設けられている。第2のp導電型窒化ガリウム系エピタキシャル膜は、マグネシウム濃度5×1019cm−3および厚み0.05マイクロメートルを有する。GaN自立基板およびGaNエピタキシャル層の界面には、5×1018cm−3以上のシリコンを含むn+GaN層状領域がある。層状領域を形成するために、基板の表面あるいはエピタキシャル膜中にシリコンを添加することができる。
この縦型窒化ガリウム半導体装置を作製する方法において、窒化ガリウムエピタキシャル膜上にショットキ電極を形成し、縦型窒化ガリウム半導体装置はショットキダイオードを含む。
この縦型窒化ガリウム半導体装置を作製する方法において、窒化ガリウムエピタキシャル膜上にp導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜を成長し、p導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜上にオーミック電極を形成し、縦型窒化ガリウム半導体装置はpn接合ダイオードを含む。
この縦型窒化ガリウム半導体装置を作製する方法において、n − 導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜はドナー濃度として5×10 17 cm −3 以下であり、窒化ガリウム自立基板のドナー不純物は酸素あるいはシリコンを含む。
この縦型窒化ガリウム半導体装置を作製する方法において、層状領域内には鉄、チタン、コバルト、ニッケル、バナジウム、クロム、あるいはマンガンの濃度プロファイルのピークが位置する。
本実施形態は、n導電型の窒化ガリウム自立基板を準備し、窒化ガリウム自立基板の主面上に窒化ガリウムエピタキシャル膜を成長する、縦型窒化ガリウム半導体装置のためのエピタキシャル基板を作製する方法であって、ドナー不純物の濃度が1×10 18 cm −3 以上である層状領域を窒化ガリウム自立基板の主面にドナー不純物を添加して形成し、又は窒化ガリウムエピタキシャル膜の成長においてドナー不純物の濃度が1×10 18 cm −3 以上である層状領域を前記窒化ガリウム自立基板の主面上にドナー不純物を添加しながら成長する。層状領域の形成の後に、窒化ガリウムエピタキシャル膜の成長において、n − 導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜を成長する。層状領域の前記ドナー不純物は、シリコンおよびゲルマニウムの少なくともいずれかであり、窒化ガリウムエピタキシャル膜は窒化ガリウム自立基板と界面を成し、層状領域内にはマグネシウム、ベリリウム、カルシウム、亜鉛、あるいはカドミウムの濃度プロファイルのピークが位置する。
エピタキシャル基板を作製する方法において、窒化ガリウムエピタキシャル膜上にp導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜を成長する。
エピタキシャル基板を作製する方法において、n − 導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜はドナー濃度として5×10 17 cm −3 以下であり、窒化ガリウム自立基板のドナー不純物は酸素あるいはシリコンを含む。
エピタキシャル基板を作製する方法において、層状領域内には鉄、チタン、コバルト、ニッケル、バナジウム、クロム、あるいはマンガンの濃度プロファイルのピークが位置する。
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。本実施の形態では、n型ドナー不純物は、成長中に添加することができるけれども、エピタキシャル成長に先立って基板(表面および/または内部)に存在しているものでもよい。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
Claims (9)
- n導電型の窒化ガリウム自立基板を準備し、
前記窒化ガリウム自立基板の主面上に窒化ガリウムエピタキシャル膜を成長する、縦型窒化ガリウム半導体装置を作製する方法であって、
ドナー不純物の濃度が1×10 18 cm −3 以上である層状領域を前記窒化ガリウム自立基板の前記主面に前記ドナー不純物を添加して形成し、又は前記窒化ガリウムエピタキシャル膜の成長においてドナー不純物の濃度が1×10 18 cm −3 以上である層状領域を前記窒化ガリウム自立基板の前記主面上に前記ドナー不純物を添加しながら成長し、
前記層状領域の形成の後に、前記窒化ガリウムエピタキシャル膜の成長において、n − 導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜を成長し、
前記層状領域の前記ドナー不純物は、シリコンおよびゲルマニウムの少なくともいずれかであり、
前記窒化ガリウムエピタキシャル膜は前記窒化ガリウム自立基板と界面を成し、
前記層状領域内にはマグネシウム、ベリリウム、カルシウム、亜鉛、あるいはカドミウムの濃度プロファイルのピークが位置する、縦型窒化ガリウム半導体装置を作製する方法。 - 縦型窒化ガリウム半導体装置を作製する方法において、前記窒化ガリウムエピタキシャル膜上にショットキ電極を形成し、
前記縦型窒化ガリウム半導体装置はショットキダイオードを含む、請求項1に記載された縦型窒化ガリウム半導体装置を作製する方法。 - 縦型窒化ガリウム半導体装置を作製する方法において、前記窒化ガリウムエピタキシャル膜上にp導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜を成長し、前記p導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜上にオーミック電極を形成し、
前記縦型窒化ガリウム半導体装置はpn接合ダイオードを含む、請求項1に記載された縦型窒化ガリウム半導体装置を作製する方法。 - 前記n − 導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜はドナー濃度として5×10 17 cm −3 以下であり、
前記窒化ガリウム自立基板のドナー不純物は酸素あるいはシリコンを含む、ことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載された縦型窒化ガリウム半導体装置を作製する方法。 - 前記層状領域内には鉄、チタン、コバルト、ニッケル、バナジウム、クロム、あるいはマンガンの濃度プロファイルのピークが位置する、ことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載された縦型窒化ガリウム半導体装置を作製する方法。
- n導電型の窒化ガリウム自立基板を準備し、
前記窒化ガリウム自立基板の主面上に窒化ガリウムエピタキシャル膜を成長する、縦型窒化ガリウム半導体装置のためのエピタキシャル基板を作製する方法であって、
ドナー不純物の濃度が1×10 18 cm −3 以上である層状領域を前記窒化ガリウム自立基板の前記主面に前記ドナー不純物を添加して形成し、又は前記窒化ガリウムエピタキシャル膜の成長においてドナー不純物の濃度が1×10 18 cm −3 以上である層状領域を前記窒化ガリウム自立基板の前記主面上に前記ドナー不純物を添加しながら成長し、
前記層状領域の形成の後に、前記窒化ガリウムエピタキシャル膜の成長において、n − 導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜を成長し、
前記層状領域の前記ドナー不純物は、シリコンおよびゲルマニウムの少なくともいずれかであり、
前記窒化ガリウムエピタキシャル膜は前記窒化ガリウム自立基板と界面を成し、
前記層状領域内にはマグネシウム、ベリリウム、カルシウム、亜鉛、あるいはカドミウムの濃度プロファイルのピークが位置する、エピタキシャル基板を作製する方法。 - エピタキシャル基板を作製する方法において、前記窒化ガリウムエピタキシャル膜上にp導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜を成長する、請求項6に記載されたエピタキシャル基板を作製する方法。
- 前記n − 導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜はドナー濃度として5×10 17 cm −3 以下であり、
前記窒化ガリウム自立基板のドナー不純物は酸素あるいはシリコンを含む、請求項6又は請求項7に記載されたエピタキシャル基板を作製する方法。 - 前記層状領域内には鉄、チタン、コバルト、ニッケル、バナジウム、クロム、あるいはマンガンの濃度プロファイルのピークが位置する、請求項6〜請求項8のいずれか一項に記載されたエピタキシャル基板を作製する方法。
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