DE112013006369T5

DE112013006369T5 - Nitridhalbleiterdiode

Info

Publication number: DE112013006369T5
Application number: DE112013006369.7T
Authority: DE
Inventors: Tomonobu Tsuchiya; Akihisa Terano; Tsukuru Ohtoshi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-03-08
Publication date: 2015-10-08
Also published as: WO2014136250A1; US20160013327A1

Abstract

Zur Bereitstellung einer Nitridhalbleiterdiode mit leitfähigen Schichten, die mit einem zweidimensionalen Elektronengas gebildet werden, und die niedrige Durchlasswiderstandseigenschaften, hohe Stehspannungs- und niedrige Umkehrleckstromeigenschaften erreicht, weisen die AlGaN-Schichten und die GaN-Schichten in einer Nitridhalbleiterdiode mit leitfähigen Schichten aus einem zweidimensionalen Elektronengas, die gebildet werden, wenn die AlGaN-Schichten und die GaN-Schichten abwechselnd gestapelt werden, jeweils einen Doppelschichtaufbau mit einer undotierten Schicht (obere Schicht) und einer Schicht vom n-Typ (untere Schicht) auf.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Nitridhalbleiterdiode mit mindestens zwei leitfähigen Schichten (Driftschichten) eines zweidimensionalen Elektronengases (2DEG), die durch Stapeln von Nitridhalbleitern mit unterschiedlichen Bandlückenenergien gebildet werden.
Stand der Technik
In den vergangenen Jahren sind elektronische Bauelement mit Halbleitern mit großer Bandlücke wie SiC und GaN für Anwendungen in der Leistungselektronik aktiv entwickelt worden.
In Bezug auf Nitridhalbleiter wie GaN werden laterale Bauelemente mit undatierten AlGaN/GaN-Heteroübergängen aktiv entwickelt.
Typischerweise werden mit einem zweidimensionalen Elektronengas (2-dimensionales Elektronengas, im Folgenden abgekürzt als 2DEG) gebildete leitfähige Schichten aufgrund des großen Bandoffsets und des Einflusses der spontanen Polarisierung und starken piezoelektrischen Polarisierung, die in den Heterogrenzflächen auftreten, auf den GaN-Seiten nahe den Übergangsgrenzflächen gebildet. Weil die leitfähigen 2DEG-Schichten eine hohe Elektronenbeweglichkeit und eine hohe Elektronenkonzentration (in der Größenordnung von 10¹³ cm^–2) aufweisen, werden HEMT-Elemente (Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit) mit AlGaN/GaN-Heterostrukturen auf Hochfrequenzschaltungen montiert und werden heute auch als Schaltelemente in Gleichstromwandlerschaltungen und dergleichen für Produkte der Leistungselektronik eingesetzt.
Horizontale Dioden mit den vorstehend beschriebenen Heterostrukturen werden ebenfalls für Anwendungen in der Leistungselektronik entwickelt. So werden zur Verbesserung der Eigenschaften in Vorwärtsrichtung AlGaN/GaN-Heteroübergänge in vertikaler Richtung gestapelt, um zum Beispiel mit 2DEG gebildete leitfähige Schichten (Driftschichten) in vertikaler Richtung (Substratrichtung) zu bilden. Auf diese Weise wird die Stromdichte pro Flächeneinheit erhöht.
In diesem Aspekt beschreibt PTL 1, dass in einer horizontalen Diode mit Mehrschicht-Heteroübergängen eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode an den Seitenflächenabschnitten der Heteroübergänge gebildet werden, so dass der Zugangswiderstand zu den leitfähigen 2DEG-Schichten an unteren Positionen gesenkt werden kann.
Außerdem beschreibt NPL 1, dass eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode an den Seitenflächenabschnitten von drei leitfähigen 2DEG-Schichten, die durch Halbleiterätzen freigelegt werden, gebildet werden, so dass ein Durchlasswiderstand von 52 mΩcm² und eine Umkehrdurchbruchspannung von 9.400 V erzielt werden.
Zitierliste
Patentliteratur

PTL 1: JP 2009-117485 A

Nicht-Patentliteratur

NPL 1: T. Ueda et al., Phys. Status Solid B 247, Nr. 7 (2010)

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
In PTL 1 und NPL 1 beschriebene undotierte GaN-Schichten und undotiertes Al_xGa_1-xN (nachstehend einfach als AlGaN-Schichten bezeichnet) werden gestapelt, um zwei oder mehr leitfähige 2DEG-Schichten in vertikaler Richtung zu bilden, und die leitfähigen 2DEG-Schichten werden als die Driftschichten der Diode verwendet. Dies ist eine effektive Technik zur Senkung des Flächenwiderstands aller Driftschichten, Senkung des Durchlasswiderstands der horizontalen Diode und Erhöhung der Stromdichte, da die Ns in den leitfähigen 2DEG-Schichten entsprechend der Anzahl der leitfähigen 2DEG-Schichten zunimmt.
In einer herkömmlichen vertikalen Schottky-Sperrdiode (SBD) wird zum Beispiel ein Substrat verwendet, das durch Züchten einer GaN-Driftschicht vom n-Typ mit einer niedrigen Trägerdichte auf einem GaN-Substrat vom n-Typ gebildet wird, eine Anodenelektrode ist auf der GaN-Driftschicht vom n-Typ auf der Substratoberfläche gebildet und eine Kathodenelektrode ist auf der Rückseite des GaN-Substrats vom n-Typ gebildet. Verglichen mit der vertikalen SBD, bei der Strom an die gesamte Anodenelektrodenfläche in Kontakt mit der GaN-Driftschicht vom n-Typ angelegt wird, wird in einer horizontalen Diode Strom nur an die sehr dünnen leitfähigen 2DEG-Schichten angelegt. Bei zwei oder drei mit leitfähigen 2DEG-Schichten gebildeten Driftschichten ist der Durchlasswiderstand pro Flächeneinheit immer noch höher als der einer vertikalen Diode, und ausreichende Eigenschaften zur Realisierung großer Hochstromantriebe werden nicht erreicht.
Um also den Durchlasswiderstand einer solchen horizontalen Diode auf den einer vertikalen Diode zu senken, ist es effektiv, die Bandlücke auf der Sperrschichtseite an jedem Heteroübergang zu vergrößern. Im Falle von AlGaN/GaN-Heteroübergängen ist es zum Beispiel effektiv, die Flächenträgerdichte Ns in jeder leitfähigen 2DEG-Schicht durch Maximieren der Al-Zusammensetzung in den AlGaN-Sperrschichten zu erhöhen und außerdem die Anzahl der leitfähigen 2DEG-Schichten durch deutliches Erhöhen der Anzahl der Heteroübergangsschichten zu maximieren.
Wenn jedoch AlGaN-Schichten mit einem auf 0,2 oder mehr erhöhten Al-Zusammensetzungsverhältnis X (nachstehend einfach als „Al-Zusammensetzung” bezeichnet) und GaN-Schichten abwechselnd gestapelt werden, um die Anzahl der Schichten signifikant zu erhöhen, bilden sich aufgrund des Einflusses von Unterschieden in der kritischen Dicke und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten Risse in der Epitaxialschichtoberfläche. Zum Beispiel wurde ein Epitaxialsubstrat hergestellt, in dem mit fünf Paaren einer AlGaN-Schicht und einer GaN-Schicht (fünf leitfähige 2DEG-Schichten) gebildete Heteroübergänge über eine Pufferschicht auf einem Saphirsubstrat gestapelt sind, wobei die Al-Zusammensetzung der AlGaN-Schichten auf 0,25 erhöht worden ist. Nach Abschluss des Epitaxialwachstums wurden einige wenige Risse in der Substratoberfläche beobachtet. Wenn eine horizontale Diode mit diesem Epitaxialsubstrat hergestellt werden sollte, bildeten sich in der Anfangsphase des Testproduktionsprozesses mehr Risse.
Wenn mit AlGaN-Schichten mit einer erhöhten Al-Zusammensetzung und GaN-Schichten gebildete Heteroübergänge in vertikaler Richtung gestapelt werden, um die Flächenträgerdichte Ns in jeder leitfähigen 2DEG-Schicht zu erhöhen und den Durchlasswiderstand in Vorwärtsrichtung einer horizontalen Diode zu senken, bilden sich daher Risse in der Epitaxialoberfläche, und eine großflächige horizontale Nitridhalbleiterdiode, die hohe Ströme steuern kann, kann nicht hergestellt werden.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Nitridhalbleiterdiode mit mindestens zwei leitfähigen Schichten (Driftschichten), die durch Stapeln von Nitridhalbleitern mit unterschiedlichen Bandlückenenergien wie GaN und AlGaN mit einem zweidimensionalen Elektronengas (2DEG) gebildet werden. Die Fläche dieser Nitridhalbleiterdiode kann vergrößert werden, ohne dass sich Risse in der Epitaxialschichtoberfläche bilden, und der Durchlasswiderstand in Vorwärtsrichtung der Diode kann verringert werden.
Lösung für das Problem
Typische Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung werden nachstehend beschrieben.
Nitridhalbleiterdiode, aufweisend:
ein Substrat,
einen Nitridhalbleiter-Filmstapel, der durch abwechselndes Stapeln von Schichten aus GaN als untere Schichten und Schichten aus AlGaN als obere Schichten auf dem Substrat gebildet wird, wobei der Nitridhalbleiter-Filmstapel leitfähige Schichten aufweist, die mit einem zweidimensionalen Elektronengas gebildet werden, das auf Seiten der unteren Schichten von Heterogrenzflächen zwischen den unteren Schichten und den oberen Schichten erzeugt wird,
eine Aussparung in einem Teil des Nitridhalbleiter-Filmstapels,
eine Kathodenelektrode in Kontakt mit einem Teil des Nitridhalbleiter-Filmstapels, die über ohmschen Kontakt mit den mit dem zweidimensionalen Elektronengas gebildeten leitfähigen Schichten verbunden ist, und
eine Anodenelektrode, die im Schottky-Kontakt mit einer Seitenfläche des Nitridhalbleiter-Filmstapels verbunden ist, wobei die Seitenfläche des Nitridhalbleiter-Filmstapels Seitenflächen der mit dem zweidimensionalen Elektronengas gebildeten leitfähigen Schichten aufweist und diese Seitenflächen der leitfähigen Schichten durch die Aussparung freiliegen,
wobei
die mit dem zweidimensionalen Elektronengas gebildeten leitfähigen Schichten als Driftschichten fungieren,
jede der Schichten aus AlGaN eine erste Stapelstruktur aufweist, die mit einer AlGaN-Schicht vom n-Typ mit n-Typ-Leitfähigkeit mit einer zugesetzten Verunreinigung und einer undotierten AlGaN-Schicht ohne eine zugesetzte Verunreinigung gebildet ist, und
in jeder der Schichten aus AlGaN mit den ersten Stapelstrukturen die AlGaN-Schicht vom n-Typ an einer tieferen Position angeordnet ist als die undotierte AlGaN-Schicht.
Nitridhalbleiterdiode, aufweisend:
ein Substrat,
einen Nitridhalbleiter-Filmstapel, der durch abwechselndes Stapeln von Schichten aus GaN als untere Schichten und Schichten aus AlGaN als obere Schichten auf dem Substrat gebildet wird, wobei der Nitridhalbleiter-Filmstapel leitfähige Schichten aufweist, die mit einem zweidimensionalen Elektronengas gebildet werden, das auf Seiten der unteren Schichten von Heterogrenzflächen zwischen den unteren Schichten und den oberen Schichten erzeugt wird,
eine Aussparung in einem Teil des Nitridhalbleiter-Filmstapels,
eine Kathodenelektrode in Kontakt mit einem Teil des Nitridhalbleiter-Filmstapels, die über ohmschen Kontakt mit den mit dem zweidimensionalen Elektronengas gebildeten leitfähigen Schichten verbunden ist, und
eine Anodenelektrode, die im Schottky-Kontakt mit einer Seitenfläche des Nitridhalbleiter-Filmstapels verbunden ist, wobei die Seitenfläche des Nitridhalbleiter-Filmstapels Seitenflächen der mit dem zweidimensionalen Elektronengas gebildeten leitfähigen Schichten aufweist und diese Seitenflächen der leitfähigen Schichten durch die Aussparung freiliegen,
wobei
die mit dem zweidimensionalen Elektronengas gebildeten leitfähigen Schichten als Driftschichten fungieren,
jede der Schichten aus GaN eine zweite Stapelstruktur aufweist, die mit einer GaN-Schicht vom n-Typ mit n-Typ-Leitfähigkeit mit einer zugesetzten Verunreinigung und einer undotierten GaN-Schicht ohne eine zugesetzte Verunreinigung gebildet ist, und
in jeder der Schichten aus GaN mit den zweiten Stapelstrukturen die GaN-Schicht vom n-Typ an einer tieferen Position angeordnet ist als die undotierte GaN-Schicht.
In einer Nitridhalbleiterdiode sind die Schichten aus GaN mit den zweiten Stapelstrukturen und die Schichten aus AlGaN mit den ersten Stapelstrukturen abwechselnd gestapelt.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Mit einem Aufbau nach der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Nitridhalbleiterdiode bereitzustellen, die mindestens zwei leitfähige Schichten (Driftschichten) aufweist, die mit einem zweidimensionalen Elektronengas (2DEG) gebildet werden, wenn Nitridhalbleiter mit unterschiedlichen Bandlückenenergien wie GaN und AlGaN gestapelt werden. Diese Nitridhalbleiterdiode senkt den Durchlasswiderstand in Vorwärtsrichtung und erreicht niedrige Leck- und hohe Stehspannungseigenschaften in Rückwärtsrichtung, ohne dass Risse in der Epitaxialschichtoberfläche entstehen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Querschnittsdiagramm der Epitaxialstruktur eines Epitaxialsubstrats, das in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
2 zeigt ein schematisches Querschnittsdiagramm eines Teils der Hauptregion einer Nitridhalbleiterdiode nach den ersten bis dritten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt ein Querschnittsdiagramm der Epitaxialstruktur eines Epitaxialsubstrats, das in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
4 zeigt ein Querschnittsdiagramm der Epitaxialstruktur eines Epitaxialsubstrats, das in der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
5 zeigt ein Querschnittsdiagramm der Epitaxialstruktur eines Epitaxialsubstrats mit fünf leitfähigen 2DEG-Schichten mit herkömmlichem Aufbau, das in einem Vergleichsexperiment für die vorliegende Erfindung verwendet wurde.
6 zeigt ein Querschnittsdiagramm der Epitaxialstruktur eines Epitaxialsubstrats mit drei leitfähigen 2DEG-Schichten mit herkömmlichem Aufbau, das in einem Vergleichsexperiment für die vorliegende Erfindung verwendet wurde.
7 zeigt ein Querschnittsdiagramm eines Teils der Hauptregion einer großflächigen Diode nach einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt ein schematisches Diagramm des Layouts, in dem eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode nach der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einander gegenüberliegend angeordnet sind.
Beschreibung der Ausführungsformen
Zuerst werden die Ergebnisse einer von den Erfindern durchgeführten Studie beschrieben.
Wie vorstehend beschrieben haben sich in einem Epitaxialsubstrat mit fünf leitfähigen 2DEG-Schichten, die durch abwechselndes Stapeln von AlGaN-Schichten mit einer Al-Zusammensetzung von 0,25 und GaN-Schichten gebildet wurden, nach Abschluss des Epitaxialwachstums Risse in der Oberfläche gebildet. Angesichts dessen wurden fünf Arten von Strukturen mit jeweils fünf leitfähigen 2DEG-Schichten mit AlGaN-Schichten mit Al-Zusammensetzungen von 0,1, 0,13, 0,17, 0,2 und 0,23 hergestellt und es wurde eine Kontrolle durchgeführt, um festzustellen, ob sich nach Abschluss des Epitaxialwachstums Risse in den Oberflächen der Epitaxialsubstrate gebildet haben. Die Grundstruktur jedes der hergestellten Epitaxialsubstrate ist in 5 gezeigt.
Im Einzelnen wird eine Epitaxialstruktur mit einer Stapelstruktur gebildet, die von unten nach oben eine erste GaN-Schicht 1, gebildet mit einer undotierten Schicht mit einer Dicke von 3,0 μm, eine erste AlGaN-Schicht 11, gebildet mit einer undotierten Schicht mit einer Dicke von 25 nm, eine zweite GaN-Schicht 2, gebildet mit einer undotierten Schicht mit einer Dicke von 100 nm, eine zweite AlGaN-Schicht 12, gebildet mit einer undotierten Schicht mit einer Dicke von 25 nm, eine dritte GaN-Schicht 3, gebildet mit einer undotierten Schicht mit einer Dicke von 100 nm, eine dritte AlGaN-Schicht 13, gebildet mit einer undotierten Schicht mit einer Dicke von 25 nm, eine vierte GaN-Schicht 4, gebildet mit einer undotierten Schicht mit einer Dicke von 100 nm, eine vierte AlGaN-Schicht 14, gebildet mit einer undotierten Schicht mit einer Dicke von 25 nm, eine fünfte GaN-Schicht 5, gebildet mit einer undotierten Schicht mit einer Dicke von 100 nm, eine fünfte AlGaN-Schicht 15, gebildet mit einer undotierten Schicht mit einer Dicke von 25 nm, und eine undotierte GaN-Capschicht 23 mit einer Dicke von 5 nm aufweist, die über eine Tieftemperatur-Pufferschicht 22 auf einem Saphirsubstrat 21 gebildet werden. In den ersten bis fünften undotierten GaN-Schichten sind erste bis fünfte leitfähige 2DEG-Schichten 101 bis 105 auf der jeweiligen GaN-Schichtseite der Heterogrenzflächen mit den ersten bis fünften undotierten AlGaN-Schichten auf deren Oberseiten gebildet.
In diesem Experiment wurden die fünf Arten von Epitaxialsubstraten mit den ersten bis fünften AlGaN-Schichten mit unterschiedlichen Al-Zusammensetzungen nach einem bekannten MOVPE-Verfahren (metallorganische Gasphasenepitaxie) hergestellt. Bei den fünf Arten von hergestellten Epitaxialsubstraten mit AlGaN-Schichten mit unterschiedlichen Al-Zusammensetzungen wurden in den Epitaxialoberflächen der Epitaxialsubstrate mit Al-Zusammensetzungen von 0,1 bis 0,2 keine Risse beobachtet, aber in der Epitaxialoberfläche des Epitaxialsubstrats mit der Al-Zusammensetzung von 0,23 haben sich wie in dem vorstehend beschriebenen Fall, wo die Al-Zusammensetzung 0,25 betrug, Risse gebildet. Wie in 6 gezeigt, wurde auch ein Epitaxialsubstrat mit drei leitfähigen 2DEG-Schichten hergestellt, die durch abwechselndes Stapeln von ersten bis dritten undotierten AlGaN-Schichten 31 bis 33 mit einer Al-Zusammensetzung von 0,25 und ersten bis dritten GaN-Schichten 1 bis 3 mit undotierten Schichten gebildet wurden. Nach Abschluss des Epitaxialwachstums wurden in der Oberfläche jedoch keine Risse beobachtet, und eine Diode wurde fertiggestellt, ohne dass sich bei der Verarbeitung für die Testdiode Risse gebildet haben.
Es ist bekannt, dass sich in einem Fall, wo AlGaN-Schichten mit unterschiedlichen Gitterkonstanten epitaxial auf GaN-Schichten gezüchtet werden, Risse bilden, wenn eine bestimmte kritische Dicke überschritten wird. In dem Maße wie die Al-Zusammensetzung der AlGaN-Schichten höher wird, werden die Unterschiede in Bezug auf die Gitterkonstante und den Wärmeausdehnungskoeffizienten gegenüber GaN größer.
Durch die vorstehend beschriebene Studie der Erfinder hat sich gezeigt, dass sich beim abwechselnden Stapeln von AlGaN-Schichten (mit einer Dicke von 25 nm) mit einer Al-Zusammensetzung von 0,25 und GaN-Schichten (mit einer Dicke von 100 nm) Risse in der Epitaxialoberfläche bilden, wenn fünf leitfähige 2DEG-Schichten gestapelt werden. Die Erfinder haben jedoch festgestellt, dass sich keine Risse bilden, wenn die Anzahl der leitfähigen 2DEG-Schichten auf drei verringert wird.
Die Flächenträgerdichten Ns in den leitfähigen 2DEG-Schichten in Mehrschichtstrukturen, die jeweils mit den in 5 gezeigten fünf leitfähigen 2DEG-Schichten gebildet wurden, wurden durch eine simulierte Berechnung für einen Fall berechnet, wo die Al-Zusammensetzung der AlGaN-Schichten ohne darin gebildete Risse 0,2 betrug, und für einen Fall, wo die Al-Zusammensetzung der AlGaN-Schichten mit darin gebildeten Rissen 0,25 betrug. Die Ergebnisse der Berechnung zeigen, dass die Gesamt-Ns in den fünf leitfähigen 2DEG-Schichten für den Fall, wo die Al-Zusammensetzung 0,2 betrug, bei ca. 1,4 × 10¹³ cm² lag, und die Gesamt-Ns in den fünf leitfähigen 2DEG-Schichten für den Fall, wo die Al-Zusammensetzung 0,25 betrug, bei ca. 2,6 × 10¹³ cm^–2 lag, was beinahe das Doppelte des Ns-Wertes ist, der in dem Fall erhalten wurde, wo die Al-Zusammensetzung 0,2 betrug.
Außerdem zeigen die Ergebnisse der Berechnung der Ns-Werte für die jeweiligen leitfähigen 2DEG-Schichten, dass die höchste Ns in der fünften leitfähigen 2DEG-Schicht als oberste Epitaxialschicht erhalten wurde, und die zweithöchste Ns wurde in der ersten leitfähigen 2DEG-Schicht als unterste leitfähige 2DEG-Schicht erhalten. Die Ns in allen drei Schichten der zweiten bis vierten leitfähigen 2DEG-Schichten zwischen den fünften und ersten leitfähigen 2DEG-Schichten hatten denselben Ns-Wert, welcher der niedrigste Wert unter den fünf leitfähigen 2DEG-Schichten ist.
In den Fällen, wo die Al-Zusammensetzungen der AlGaN-Schichten 0,2 und 0,25 betrugen, was relativ hoch ist, waren die Ns in den jeweils ersten bis fünften leitfähigen 2DEG-Schichten höher als 1 × 10¹² cm^–2. In dem Fall jedoch, wo die Al-Zusammensetzungen dieser Schichten auf 0,15 verringert waren, war die Ns in den jeweils zweiten bis vierten leitfähigen 2DEG-Schichten niedriger als 1 × 10¹¹ cm^–2. Daher kann festgestellt werden, dass, wenn die Al-Zusammensetzungen der AlGaN-Schichten zu niedrig sind, die zweiten bis vierten leitfähigen 2DEG-Schichten kaum zu einer Erhöhung der Gesamt-Ns beitragen.
Die Gesamt-Ns in den fünf leitfähigen 2DEG-Schichten in dem Fall, wo die Al-Zusammensetzungen 0,15 betrugen, lag bei fast 5 × 10¹² cm^–2, was niedriger ist als der Ns-Wert (≥ 1,0 × 10¹³ cm^–2) eines herkömmlichen HEMT-Epitaxialsubstrats mit einer einlagigen leitfähigen 2DEG-Schicht mit einer Al-Zusammensetzung von zum Beispiel 0,25, trotz der fünf leitfähigen 2DEG-Schichten.
Um die elektrischen Eigenschaften von tatsächlichen Epitaxialsubstraten mit den vorstehenden Simulationsergebnissen zu vergleichen, haben die Erfinder als Nächstes drei Arten von Epitaxialsubstraten mit fünf leitfähigen 2DEG-Schichten mit den AlGaN-Schichten mit der in 5 gezeigten Struktur und den drei Al-Zusammensetzungen von 0,25, 0,2 und 0,15 hergestellt und die Hall-Effekte gemessen.
Nach Herstellen der Epitaxialsubstrate wurde jedes der Epitaxialsubstrate durch Vereinzeln (Dicing) in ein Quadrat von 5 mm × 5 mm zerteilt, um ein Hall-Element herzustellen. In der Substratoberfläche eines Epitaxialsubstrats mit den AlGaN-Schichten mit der Al-Zusammensetzung von 0,25 in diesem Stadium haben sich so viele Risse gebildet, dass keine Charakterisierung durchgeführt werden konnte. In den Epitaxialsubstraten mit den entsprechenden Schichten mit den Al-Zusammensetzungen von 0,2 und 0,15 wurde andererseits keine Rissbildung aufgrund des Vereinzelns beobachtet. Die Ergebnisse der an jeweils fünf Proben der beiden Epitaxialsubstrate ohne Risse durchgeführten Hall-Effektmessung zeigen, dass die Ns in einem Epitaxialsubstrat mit der Al-Zusammensetzung von 0,2 im Bereich von 1,34 × 10¹³ cm^–2 bis 1,41 × 10¹³ cm² lag, und es wurden im Wesentlichen mit den vorstehend beschriebenen Berechnungsergebnissen identische Eigenschaften erhalten.
Bei einem Epitaxialsubstrat mit der Al-Zusammensetzung von 0,15 lag die Ns im Bereich von 4,22 × 10¹² cm^–2 bis 4,87 × 10¹² cm^–2, und es wurden nahezu identische Eigenschaften mit den Simulationsergebnissen erhalten.
In Anbetracht des Vorstehenden werden zur Senkung des Durchlasswiderstands einer horizontalen Diode mit Driftschichten, die die leitfähigen 2DEG-Schichten sind, die durch die Heteroübergänge zwischen AlGaN-Schichten und GaN-Schichten erzeugt werden, AlGaN-Schichten mit einer erhöhten Al-Zusammensetzung und GaN-Schichten abwechselnd in vertikaler Richtung gestapelt, so dass die Anzahl der leitfähigen 2DEG-Schichten effektiv und ideal erhöht wird.
Nach der Studie durch die Erfinder nimmt jedoch beim abwechselnden Stapeln von AlGaN-Schichten und GaN-Schichten die Rissbildung in der Epitaxialschichtoberfläche vermutlich aufgrund der Unterschiede in Bezug auf die Gitterkonstante und den Wärmausdehnungskoeffizienten zwischen den AlGaN-Schichten und den GaN-Schichten in dem Maße zu, wie die Al-Zusammensetzung der AlGaN-Schichten höher wird. Daher muss die Anzahl der gestapelten Schichten verringert werden, wenn die Al-Zusammensetzung höher wird. Dies ergibt sich auch aus einem Vergleich zwischen der Rissbildung in dem vorstehend beschriebenen Epitaxialsubstrat mit drei leitfähigen 2DEG-Schichten und der Rissbildung in einem Epitaxialsubstrat mit fünf leitfähigen 2DEG-Schichten.
Daher ist es beim Erhöhen der Anzahl der leitfähigen 2DEG-Schichten und gleichzeitigen Reduzieren der Rissbildung in der Epitaxialoberfläche sinnvoll, die Al-Zusammensetzung in jeder AlGaN-Schicht zu verringern oder die Dicke jeder AlGaN-Schicht zu verringern. Nach der Studie der Erfinder scheint jedoch die Wirkung einer Erhöhung der Anzahl der leitfähigen 2DEG-Schichten geringer zu werden, wenn die Al-Zusammensetzung niedriger wird, wie vorstehend beschrieben.
Es ist auch bekannt, dass, wenn die Dicke jeder AlGaN-Schicht verringert wird, die Wirkung der Polarisierung in den Heterogrenzflächen geringer wird, und daher tendiert die Ns in jeder leitfähigen 2DEG-Schicht dazu, geringer zu werden.
Wenn in der Studie der Erfinder die Dicke jeder AlGaN-Schicht mit einer Al-Zusammensetzung von 0,25 auf 15 nm oder weniger verringert wurde, fiel die Ns beinahe eine Stelle niedriger aus als wenn die Dicke jeder AlGaN-Schicht 25 nm betrug. In Anbetracht dessen beträgt die Dicke jeder AlGaN-Schicht vorzugsweise mindestens 15 nm oder mehr und am besten 20 nm oder mehr.
Wenn jede AlGaN-Schicht zu dick ist, bilden sich leicht Risse. Daher ist die Obergrenze der Dicke jeder AlGaN-Schicht vorzugsweise nicht höher als nötig.
Auch wenn die Dicke jeder AlGaN-Schicht größer als ein bestimmter Wert gewählt wird, unterscheidet sich die Ns in jeder leitfähigen 2DEG-Schicht kaum von der Ns, die mit einer angemessenen AlGaN-Schichtdicke erreicht wird. Daher beträgt die Obergrenze der Dicke jeder AlGaN-Schicht in einer durch abwechselndes Stapeln von AlGaN-Schichten und GaN-Schichten gebildeten Mehrschichtstruktur ca. 40 nm, und noch bevorzugter ist jede AlGaN-Schicht dünner als 30 nm, um Risse zu verringern.
In den zweiten bis fünften GaN-Schichten, auf und unter denen AlGaN-Schichten vorgesehen sind, wie in 7 gezeigt, sind zum Beispiel leitfähige 2DEG-Schichten auf Seiten der GaN-Schichten nahe den Heterogrenzflächen mit den AlGaN-Schichten auf den Oberseiten der jeweiligen GaN-Schichten gebildet. Die Ns in jeder leitfähigen 2DEG-Schicht ändert sich auch mit der Dicke jeder dieser GaN-Schichten. Nach der Studie der Erfinder neigt die Ns dazu, rasch geringer zu werden, wenn die Dicke jeder GaN-Schicht geringer wird, nachdem sie einen Wert von weniger als 50 nm erreicht hat. In einem Fall, wo jede GaN-Schicht dicker als 50 nm ist, wird andererseits die Ns natürlich höher, wenn die Dicke höher wird. Die Änderungen sind jedoch deutlich geringer als die Änderungen, die verursacht werden, wenn die Dicke weniger als 50 nm beträgt.
Daher ist die Dicke jeder der GaN-Schichten, auf und unter denen AlGaN-Schichten vorgesehen sind, wie vorstehend beschrieben, vorzugsweise mindestens größer als 50 nm und noch bevorzugter größer als 70 nm.
In der vorstehend beschriebenen Struktur unterscheidet sich die Ns, die erhalten wird, wenn die Dicke der GaN-Schicht größer als 300 nm ist, nicht erheblich von der Ns, die erhalten wird, wenn die Dicke der GaN-Schicht 3 μm beträgt. Daher kann festgestellt werden, dass, wenn die Obergrenze der Dicke jeder GaN-Schicht in der vorstehend beschriebenen Struktur zu groß ist, die Wirkung auf die Erhöhung der Ns gering ist.
Weiter muss in einem Fall, wo eine Stapelstruktur mit fünf leitfähigen 2DEG-Schichten hergestellt wird, wobei die Dicke jeder GaN-Schicht im Mikrometerbereich liegt und zum Beispiel 5 μm oder mehr beträgt, ein Ätzen der Halbleiterschichten durchgeführt werden, um alle die 2DEG-Seitenflächenabschnitte freizulegen, auf denen die Anodenelektrode gebildet werden soll. In dem Herstellungsverfahren für eine Diode ist dies wegen der durch die In-Plane-Verteilung verursachten Erhöhung in der Ätzbetragsdifferenz und der Verringerung des Durchsatzes nicht realistisch.
Daher ist in dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren die Dicke jeder GaN-Schicht in der vorstehend beschriebenen Struktur vorzugsweise kleiner als 300 nm und vorzugsweise größer als 50 nm, um den Durchlasswiderstand der Diode zu verringern.
Die vorstehend beschriebenen Bereiche sind die bevorzugten Bereiche für die Dicke der AlGaN-Schichten und GaN-Schichten, um leitfähige 2DEG-Schichten durch abwechselndes Stapeln herkömmlicher AlGaN-Schichten und GaN-Schichten zu bilden, wobei die Probleme in Zusammenhang mit der Al-Zusammensetzung der AlGaN-Schichten entfallen.
Wie aus der vorstehenden Erklärung ersichtlich ist, wird angenommen, dass beinahe eine Kompromissbeziehung zwischen der Al-Zusammensetzung der AlGaN-Schichten und der Anzahl der leitfähigen 2DEG-Schichten besteht. Im Falle einer Stapelstruktur mit AlGaN-Schichten, die mit herkömmlichen undotierten Schichten gebildet sind, und GaN-Schichten, die mit undotierten Schichten gebildet sind, kann daher bei Verwendung von AlGaN-Schichten mit einer hohen Al-Zusammensetzung die Ns in jeder leitfähigen 2DEG-Schicht erhöht werden. Aufgrund der Erhöhung der Anzahl von Schichten bilden sich jedoch leichter Risse, und die Anzahl der leitfähigen 2DEG-Schichten kann nicht erhöht werden. Wenn andererseits AlGaN-Schichten mit einer niedrigen Al-Zusammensetzung verwendet werden, bilden sich nicht so leicht Risse, und die Anzahl der leitfähigen 2DEG-Schichten kann erhöht werden. In diesem Fall wird jedoch die Ns in jeder leitfähigen 2DEG-Schicht geringer. In Anbetracht des Vorstehenden wird angenommen, dass es eine Grenze für die Verringerung der Durchlasswiderstands einer horizontalen Diode gibt, solange eine mit herkömmlichen undotierten Schichten gebildete Stapelstruktur verwendet wird.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Realisierung einer Epitaxialstruktur, die die Flächenträgerdichte Ns in jeder leitfähigen 2DEG-Schicht erhöhen kann, ohne dass sich Risse in der Epitaxialschichtoberfläche bilden, auch wenn die Anzahl der Schichten in einer Nitridhalbleiterdiode erhöht wird, die Driftschichten aufweist, die mit zwei oder mehr leitfähigen 2DEG-Schichten gebildet sind, die durch abwechselndes Stapeln von AlGaN-Schichten und GaN-Schichten in den vorstehend beschriebenen Dickenbereichen in den Heterogrenzflächen gebildet werden. Im Einzelnen muss eine Struktur realisiert werden, die die Ns in jeder leitfähigen 2DEG-Schicht erhöhen kann, auch wenn die Al-Zusammensetzung jeder AlGaN-Schicht in dem Filmstapel verringert wird, um Risse aufgrund des abwechselnden Stapelns von AlGaN-Schichten und GaN-Schichten zu verringern.
Zur Bewältigung dieses Problems haben die Erfinder eine intensive Studie durchgeführt und festgestellt, dass, wenn jede AlGaN-Schicht oder jede GaN-Schicht oder jede der AlGaN-Schichten und GaN-Schichten eine Stapelstruktur ist, die mit einer undotierten Schicht vom n-Typ (untere Schicht) und einer undotierten Schicht (obere Schicht) gebildet ist, die Ns in jeder leitfähigen 2DEG-Schicht erhöht werden kann, auch wenn die Al-Zusammensetzung jeder AlGaN-Schicht verringert wird; außerdem kann die Ns in jeder leitfähigen 2DEG-Schicht auf einen gewünschten Wert gesteuert werden. Weiter ist es durch Verwendung eines Epitaxialsubstrats, das mit einer Struktur nach der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, möglich, eine Nitridhalbleiterdiode bereitzustellen, die einen niedrigen Durchlasswiderstand in Vorwärtsrichtung und ausgezeichnete Umkehreigenschaften aufweist.
Im Folgenden werden die Ausführungsformen und Wirkungen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Erste Ausführungsform
In der nachstehenden Beschreibung wird eine Ausführungsform einer Nitridhalbleiterdiode als eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
1 zeigt ein Querschnittsdiagramm einer Epitaxialstruktur mit fünf leitfähigen 2DEG-Schichten nach der vorliegenden Ausführungsform. 2 zeigt ein Querschnittsdiagramm eines Teils der Hauptregion der Nitridhalbleiterdiode als die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, hergestellt unter Verwendung eines Epitaxialsubstrats mit der in 1 gezeigten Epitaxialstruktur.
Zur Vermeidung unnötiger Komplexität der Zeichnung ist in 2 die mit AlGaN-Schichten und GaN-Schichten gebildete Stapelstruktur nicht gezeigt, und nur die fünf leitfähigen 2DEG-Schichten sind durch gestrichelte Linien gezeigt.
Zur Erleichterung eines Vergleichs mit einer herkömmlichen Struktur weist die Nitridhalbleiterdiode in der ersten Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung Driftschichten auf, die mit fünf leitfähigen 2DEG-Schichten wie der vorstehend beschriebenen und in 5 gezeigten Epitaxialstruktur gebildet sind, und nur die Dicke der obersten GaN-Capschicht beträgt 10 nm.
Wie in 1 gezeigt, besteht eines der Merkmale der vorliegenden Erfindung darin, dass die fünf Schichten der ersten bis fünften AlGaN-Schichten 11 bis 15 Doppelschichtstrukturen aufweisen, die mit ersten bis fünften AlGaN-Schichten 51 bis 55 vom n-Typ in den unteren Regionen gebildet sind, ihnen Si als Verunreinigung vom n-Typ zugegeben ist, eine Si-Dotierungskonzentration von 2 × 10¹⁷ cm^–3, eine Dicke von 20 nm und eine Al-Zusammensetzung von 0,17 aufweisen, und mit ersten bis fünften undotierten AlGaN-Schichten 61 bis 65 in den oberen Regionen gebildet sind, dieselbe Al-Zusammensetzung wie oben und eine Dicke von 5 nm aufweisen.
Die Gesamt-Ns in den leitfähigen 2DEG-Schichten 101 bis 105 dieser Epitaxialstruktur (1) als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der die Dicke der zweiten bis fünften GaN-Schichten 2 bis 5 mit undotierten Schichten 100 nm beträgt, beträgt ca. 1,5 × 10¹³ cm^–2, was nahe der Gesamt-Ns in den fünf leitfähigen 2DEG-Schichten mit Stapelstrukturen nur mit herkömmlichen undotierten Schichten mit einer Al-Zusammensetzung von 0,25 ist. Nach einer simulierten Berechnung beträgt die Ns in jeder mit der vorstehend beschriebenen Epitaxialstruktur nach der vorliegenden Erfindung gebildeten leitfähigen 2DEG-Schicht 1,5 × 10¹² cm^–2 bis 5,0 × 10¹² cm^–2. Obwohl die Al-Zusammensetzung der AlGaN-Schichten auf 0,17 verringert ist, ist die Ns in jeder leitfähigen 2DEG-Schicht relativ hoch.
In der mit einem Epitaxialsubstrat mit der in 1 gezeigten Epitaxialstruktur hergestellten Nitridhalbleiterdiode 111 (in 2 gezeigt) ist eine Anodenelektrode 41 auf Seitenflächen der fünf leitfähigen 2DEG-Schichten gebildet, wie in der Zeichnung gezeigt, und eine Kathodenelektrode 42 ist auf den anderen Seitenflächen der leitfähigen 2DEG-Schichten auf der der Anodenelektrode 41 gegenüberliegenden Seite der leitfähigen 2DEG-Schichten gebildet, wie in der Zeichnung gezeigt. Auf den 2DEG-Seitenflächenabschnitten mit der darauf gebildeten Kathodenelektrode 42 ist eine Region 43 gebildet, die durch Si-Ionenimplantation in eine Region vom n-Typ umgewandelt worden ist, und der ohmsche Kontakt zwischen der Kathodenelektrode 42 und jeder der leitfähigen 2DEG-Schichten 101 bis 105 wird mit dieser Region 43 verbessert.
In der Nitridhalbleiterdiode als der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde der Abstand L zwischen der Anodenelektrode 41 und der Kathodenelektrode 42 bei der Herstellung einer Test-Nitridhalbleiterdiode auf 20 μm festgelegt, und der Durchlasswiderstand pro Einheit (1 mm) der Breite, an der sie einander gegenüber liegen, (Stirnbreiteneinheit) wurde aus den Vorwärtseigenschaften bestimmt, um einen Wert von ca. 20 Ω zu erhalten. Weiter haben die Ergebnisse der Untersuchung der Umkehreigenschaften gezeigt, dass die Durchbruchspannung 600 bis 700 V und der Leckstrom 1,0 × 10^–6 A/mm oder weniger nach Durchbruch betrugen. Die Eigenschaften sind abhängig vom Ns-Wert, der Si-Dotierungskonzentration in der AlGaN-Schicht vom n-Typ und der Dicke jeder der fünf leitfähigen 2DEG-Schichten.
Wenn die Ns in jeder leitfähigen 2DEG-Schicht 8 × 10¹² cm^–2 oder mehr beträgt, wird nach der Studie der Erfinder das Verhältnis zwischen Vorwärtsstrom und Umkehrstrom der Diode eine fünfstellige Zahl oder weniger, was im Hinblick auf den Betrieb der Diode nicht sinnvoll ist.
Daher beträgt in einer Struktur mit einer Anzahl von leitfähigen 2DEG-Schichten wie in der vorliegenden Erfindung die Ns in jeder leitfähigen 2DEG-Schicht vorzugsweise höchstens 8 × 10¹² cm^–2 und noch bevorzugter muss sie auf einen niedrigeren Wert als der vorstehende Ns-Wert eingestellt werden.
In dem Maße wie die Untergrenze des Ns-Werts niedriger wird, wird der Umkehrleckstrom niedriger, aber der Durchlasswiderstand wird in gleichem Maße höher, wie vorstehend beschrieben. Um also den Durchlasswiderstand zu verringern, muss die Gesamt-Ns in den leitfähigen 2DEG-Schichten erhöht werden. Daher beträgt die Ns vorzugsweise mindestens 1 × 10¹² cm^–2 oder mehr.
Um also eine gewünschte Ns in jeder leitfähigen 2DEG-Schicht zu erhalten, wird die Si-Dotierungskonzentration in der Schicht vom n-Typ in jeder AlGaN-Schicht mit einer Doppelschichtstruktur, die mit einer undotierten Schicht und der Schicht vom n-Typ nach der vorliegenden Erfindung gebildet ist, vorzugsweise im Bereich von 5 × 10¹⁶ cm^–3 (einschließlich) bis 5 × 10¹⁷ cm^–3 (einschließlich) eingestellt.
In einem Fall, wo die Si-Dotierungskonzentration weniger als 5 × 10¹⁶ cm^–3 in einer AlGaN-Schicht mit einer Dicke von 30 nm oder weniger beträgt, was zum Bilden einer Mehrschichtstruktur geeignet ist, wird die Wirkung zur Erhöhung der Ns in jeder leitfähigen 2DEG-Schicht spürbar geringer. In einem Fall, wo die Si-Dotierungskonzentration höher als 5 × 10¹⁷ cm^–3 ist, verschlechtern sich die Schottky-Eigenschaften der Anodenelektrode, und der Umkehrleckstrom nimmt spürbar zu.
Außerdem ist die Dicke jeder AlGaN-Schicht vom n-Typ vorzugsweise gleich oder größer als 50% der Dicke der entsprechenden gesamten AlGaN-Schicht. Wenn die Dicke jeder AlGaN-Schicht vom n-Typ kleiner als dieser Wert ist, wird die Wirkung zur Erhöhung der Ns in jeder leitfähigen 2DEG-Schicht deutlich geringer, wie bei der vorstehend genannten Si-Dotierungskonzentration.
Zweite Ausführungsform
Eine Ausführungsform einer Nitridhalbleiterdiode als eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend beschrieben.
3 zeigt eine Querschnittsansicht einer Epitaxialstruktur mit fünf leitfähigen 2DEG-Schichten nach dieser Ausführungsform. Ein Querschnittsdiagramm eines Teils der Hauptregion der Nitridhalbleiterdiode nach dieser Ausführungsform sollte identisch sein mit dem in 2.
Zur Erleichterung eines Vergleichs mit einer herkömmlichen Struktur weisen die Epitaxialstruktur und die Nitridhalbleiterdiode in der zweiten Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung Driftschichten auf, die mit fünf leitfähigen 2DEG-Schichten gebildet sind, wie die vorstehend beschriebene und in 1 gezeigte Epitaxialstruktur. Wie in 3 gezeigt, besteht eines der Merkmale der vorliegenden Erfindung darin, dass die zweiten bis fünften GaN-Schichten 2 bis 5, die jeweils eine Dicke von 100 nm haben, Doppelschichtstrukturen aufweisen, die mit zweiten bis fünften GaN-Schichten 72 bis 75 vom n-Typ in den unteren Regionen gebildet sind, ihnen Si als Verunreinigung vom n-Typ zugegeben ist, eine Si-Dotierungskonzentration von 1 × 10¹⁷ cm^–3 und eine Dicke von 50 nm aufweisen, und mit zweiten bis fünften undotierten GaN-Schichten 82 bis 85, die in den oberen Regionen gebildet sind und eine Dicke von 50 nm aufweisen.
Die Gesamt-Ns in den leitfähigen 2DEG-Schichten dieser Epitaxialstruktur (3) als der zweiten Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung, in der die Dicke jeder der ersten bis fünften AlGaN-Schichten 11 bis 15 mit undotierten Schichten 25 nm beträgt, beträgt etwa 2,0 × 10¹³ cm^–2 im tatsächlich gemessenen Wert, was im Wesentlichen auch dasselbe wie die Gesamt-Ns in den fünf leitfähigen 2DEG-Schichten mit Stapelstrukturen nur mit herkömmlichen undotierten Schichten mit einer Al-Zusammensetzung von 0,25 ist.
In der Nitridhalbleiterdiode 112 als der zweiten Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung, die mit einem Epitaxialsubstrat mit der in 3 gezeigten Epitaxialstruktur hergestellt wurde und eine Querschnittsstruktur mit der in 2 gezeigten Hauptregion aufweist, wurde der Abstand L zwischen der Anodenelektrode 41 und der Kathodenelektrode 42 bei der Herstellung einer Test-Nitridhalbleiterdiode auf 40 μm festgelegt, und die Eigenschaften in Umkehrrichtung wurden untersucht. Als Ergebnis wurden hohe Stehspannungseigenschaften mit einer Durchbruchspannung von 1,5 kV oder höher erhalten, und der Leckstrom betrug 1,5 × 10^–6 A/mm oder weniger wie in der vorstehend beschriebenen und in 2 gezeigten Nitridhalbleiterdiode.
Außerdem wurde der Durchlasswiderstand pro Stirnbreiteneinheit (1 mm) aus den Vorwärtseigenschaften bestimmt, um einen niedrigen Wert von ca. 18 Ω zu erhalten.
In einem Fall, wo die untere Region in jeder GaN-Schicht eine dotierte Schicht vom n-Typ ist, wie in der vorliegenden Erfindung, ist die Dicke der Schicht vom n-Typ vorzugsweise gleich oder größer als 10 nm und noch bevorzugter größer als 20 nm. Vorzugsweise wird jedoch auf der oberen Region in jeder GaN-Schicht, in der eine leitfähige 2DEG-Schicht gebildet wird, keine Si-Dotierung durchgeführt. Dies liegt daran, dass die Elektronenbeweglichkeit in der 2DEG-Generierungsregion aufgrund des Einflusses der Verunreinigungsstreuung geringer wird. Außerdem beträgt die Si-Dotierungskonzentration in der Schicht vom n-Typ in der vorstehend beschriebenen GaN-Schicht vorzugsweise 5 × 10¹⁶ cm^–3 (einschließlich) bis 5 × 10¹⁷ cm^–3 (einschließlich).
In einem Fall, wo die Si-Dotierungskonzentration weniger als 5 × 10¹⁶ cm^–3 beträgt, trägt eine Erhöhung des Anteils der Dicke der Schicht vom n-Typ in der gesamten GaN-Schicht kaum zu einer Erhöhung der Ns in der entsprechenden leitfähigen 2DEG-Schicht bei.
Dritte Ausführungsform
Eine Ausführungsform einer Nitridhalbleiterdiode als eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend beschrieben. 4 zeigt eine Querschnittsansicht einer Epitaxialstruktur mit fünf leitfähigen 2DEG-Schichten nach dieser Ausführungsform. Ein Querschnittsdiagramm mit einem Teil der Hauptregion der Nitridhalbleiterdiode nach dieser Ausführungsform sollte identisch sein mit dem in 2.
Zur Erleichterung eines Vergleichs mit einer herkömmlichen Struktur weisen die Epitaxialstruktur und die Nitridhalbleiterdiode in der dritten Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung Driftschichten auf, die mit fünf leitfähigen 2DEG-Schichten gebildet sind, wie die vorstehend beschriebenen und in 1 und 2 gezeigten Epitaxialstrukturen.
In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Si-Dotierung auf den unteren Regionen der ersten bis fünften AlGaN-Schichten 11 bis 15, die mit fünf 25 nm dicken Filmen gebildet sind, wie in 4 gezeigt, und den unteren Regionen der zweiten bis fünften 100 nm dicken GaN-Schichten 2 bis 5 durchgeführt, auf und unter denen AlGaN-Schichten gebildet werden. Die fünf Schichten der ersten bis fünften AlGaN-Schichten 11 bis 15 weisen Doppelschichtstrukturen auf, die mit ersten bis fünften AlGaN-Schichten 51 bis 55 vom n-Typ in den unteren Regionen gebildet sind, ihnen Si als Verunreinigung vom n-Typ zugegeben ist, eine Si-Dotierungskonzentration von 8 × 10¹⁶ cm^–3, eine Dicke von 20 nm und eine Al-Zusammensetzung von 0,20 aufweisen, und mit ersten bis fünften undotierten AlGaN-Schichten 61 bis 65 in den oberen Regionen gebildet sind, die dieselbe Al-Zusammensetzung wie oben und eine Dicke von 5 nm aufweisen.
Die zweiten bis fünften GaN-Schichten 2 bis 5 mit einer Dicke von jeweils 100 nm weisen Doppelschichtstrukturen auf, die mit zweiten bis fünften GaN-Schichten 72 bis 75 vom n-Typ in den unteren Regionen gebildet sind, ihnen Si als Verunreinigung vom n-Typ zugegeben ist, eine Si-Dotierungskonzentration von 5 × 10¹⁶ cm^–3 und eine Dicke von 50 nm aufweisen, und mit zweiten bis fünften undotierten GaN-Schichten 82 bis 85 in den oberen Regionen gebildet sind und eine Dicke von 50 nm aufweisen.
Die Struktur der in 6 gezeigten Nitridhalbleiterdiode, die mit einem Epitaxialsubstrat mit der in 5 gezeigten Epitaxialstruktur hergestellt wurde, ist bis auf das Epitaxialsubstrat dieselbe wie die vorstehend beschriebenen und in 2 und 4 gezeigten Strukturen.
In der Nitridhalbleiterdiode 113 als der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde der Abstand zwischen der Anodenelektrode 41 und der Kathodenelektrode 42 bei der Herstellung der Testdiode auf 50 μm festgelegt, und die Eigenschaften in Umkehrrichtung wurden untersucht. Als Ergebnis wurden hohe Stehspannungseigenschaften mit einer Durchbruchspannung von 1,5 kV oder höher erhalten, und zudem wurden niedrige Leckeigenschaften mit einem Leckstrom von 5,0 × 10^–6 A/mm oder weniger erhalten.
Außerdem wurde der Durchlasswiderstand pro Stirnbreiteneinheit (1 mm) aus den Vorwärtseigenschaften bestimmt, um einen niedrigen Wert von ca. 10 Ω zu erhalten.
Vierte Ausführungsform
Eine Ausführungsform einer Nitridhalbleiterdiode als eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend beschrieben.
In der vierten Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung wurde mit dem in 4 gezeigten Epitaxialsubstrat eine großflächige Testdiode 114 mit einer kammartigen Anoden-/Kathoden-Stirnregion hergestellt, in der die Elementgröße 3 mm × 3 mm betrug (die aktive Region hatte eine Größe von 3 mm × 2 mm).
Der Abstand zwischen der Anodenelektrode 41 und der Kathodenelektrode 42 wurde auf 20 μm festgelegt, und die Elektrodenmetallbreiten der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode mit jeweils kammartig länglicher Form betrugen 20 μm (2 mm in Längsrichtung). Daher betrug die Anoden-/Kathoden-Stirnbreite ca. 150 mm. Eine Pd/Au-Elektrode wurde als die Anodenelektrode 41 verwendet, und eine Ti/Al-Elektrode wurde als die Kathodenelektrode 42 verwendet. Um die Verbindungswiderstandskomponenten der Elektrodenmetalle zu verringern, wurde daher die Dicke sowohl des Au-Films als auch des Al-Films auf 5 μm festgelegt.
Die freiliegende Nitridhalbleiterfläche bis auf die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode ist durch einen SiN-Film 44 mit einer Dicke von 200 nm geschützt, und die übrige Region außer den Elektrodenpads und der SiN-Film sind mit einem dicken Polyimid-Film 45 bedeckt. 7 zeigt ein Querschnittsdiagramm eines Teils der Hauptregion der hergestellten großflächigen Diode 114. 8 zeigt ein schematisches Diagramm des Layouts der kammartigen Anodenelektrode 41 und der kammartigen Kathodenelektrode 42.
Aus demselben Grund wie unter Bezug auf 2 für die erste Ausführungsform erwähnt, sind in 7 nur die fünf leitfähigen 2DEG-Schichten in jeder Nitridhalbleiterregion gezeigt. Die Vorwärtseigenschaften der fertigen großflächigen Diode 114 wurden untersucht. Als Ergebnis wurde bestätigt, dass niedrige Durchlasswiderstandseigenschaften mit einem Durchlasswiderstand von ca. 10 mΩcm² erhalten wurden, was dem einer herkömmlichen vertikalen SBD entsprach, und mit dieser Elementgröße war es möglich, einen Strom von bis zu 20 A in Vorwärtsrichtung anzulegen.
Außerdem wurden die Eigenschaften in Umkehrrichtung untersucht, um ausgezeichnete Ergebnisse mit einer Durchbruchspannung von 600 V oder höher und einem Leckstrom-Niveau von 2,0 × 10^–4 A oder weniger bei 600 V zu erhalten, was fünf oder mehr Stellen besser ist als das Verhältnis von Vorwärts- zu Umkehrstrom.
Bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beträgt die Anzahl der durch abwechselndes Stapeln von AlGaN-Schichten und GaN-Schichten erhaltenen leitfähigen 2DEG-Schichten fünf, und jede der AlGaN-Schichten und/oder GaN-Schichten weist eine Doppelschichtstruktur auf, die mit einer undotierten Schicht und einer Schicht vom n-Typ gebildet ist, wobei die unteren Regionen der AlGaN-Schichten und/oder der GaN-Schichten mit Si dotiert sind. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Die Anzahl der leitfähigen 2DEG-Schichten kann zum Beispiel zwei oder mehr betragen, beispielsweise 10, und der Al-Zusammensetzungsbereich der AlGaN-Schichten ist nicht besonders spezifiziert, wenn die AlGaN-Schichten und die GaN-Schichten abwechselnd gestapelt werden. Solange die AlGaN-Schichten eine geeignete Al-Zusammensetzung für die Anzahl der gestapelten Schichten aufweisen und sich in der Epitaxialoberfläche keine Risse bilden, können Doppelschichtstrukturen, die jeweils mit einer undotierten Schicht und einer Schicht vom n-Typ nach der vorliegenden Erfindung gebildet werden, in einer Stapelstruktur verwendet werden, unabhängig von der Anzahl der in der Stapelstruktur gebildeten leitfähigen 2DEG-Schichten. Die Wirkungen der vorliegenden Erfindung werden in diesem Fall natürlich erreicht. Dies bedeutet, dass, wenn die Anzahl der leitfähigen 2DEG-Schichten gering ist, die Al-Zusammensetzung der AlGaN-Schichten höher gewählt werden kann, und wenn die Anzahl der leitfähigen 2DEG-Schichten groß ist, wird die Al-Zusammensetzung niedriger gewählt. Auf diese Weise kann die Anzahl der leitfähigen 2DEG-Schichten durch Anpassung der Al-Zusammensetzung in den AlGaN-Schichten geändert werden, ohne dass sich Risse in der Epitaxialoberfläche bilden. Darüber hinaus kann durch Verwendung der Strukturen nach der vorliegenden Erfindung die Ns in jeder leitfähigen 2DEG-Schicht leicht angepasst werden, was sehr vorteilhaft ist.
An diesem Punkt sollte die Aufmerksamkeit auf die Tatsache gelenkt werden, dass die Ns in jeder leitfähigen 2DEG-Schicht vorzugsweise mindestens 1 × 10¹² cm^–2 oder mehr und vorzugsweise höchstens 8 × 10¹² cm^–2 beträgt.
Außerdem beträgt die Dicke jeder AlGaN-Schicht vorzugsweise 15 bis 30 nm, und die Dicke jeder GaN-Schicht, auf und unter der AlGaN-Schichten vorgesehen sind, beträgt vorzugsweise 50 bis 300 nm.
Obwohl die fünf AlGaN-Schichten in jeder der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung dieselbe Al-Zusammensetzung aufweisen, müssen die fünf AlGaN-Schichten nicht dieselbe Al-Zusammensetzung aufweisen, und die jeweiligen AlGaN-Schichten können unterschiedliche Al-Zusammensetzungen aufweisen, solange sich keine Risse bilden.
Obwohl in jeder der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ein Saphirsubstrat als das Substrat verwendet wird, ist es auch möglich ein SiC-Substrat, ein Si-Substrat oder ein GaN-Substrat zu verwenden.
Außerdem ist in jeder der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Region, die durch Si-Ionenimplantation in eine Region vom n-Typ umgewandelt wird, auf einer Seitenfläche einer Halbleiter-Stapelstruktur in der Region vorgesehen, auf der die Kathodenelektrode gebildet ist. In der vorliegenden Erfindung sind jedoch Si-dotierte Regionen in den AlGaN-Schichten und den GaN-Schichten vorgesehen. Daher hat eine Struktur nach der vorliegenden Erfindung auch ohne die durch Si-Ionenimplantation gebildete Region vom n-Typ eine größere Wirkung zur Verbesserung des ohmschen Kontakts mit den leitfähigen 2DEG-Schichten als eine herkömmliche Stapelstruktur, die nur mit undotierten Schichten gebildet ist.
Obwohl in der vierten Ausführungsform ein SiN-Film als der Schutzfilm auf der Halbleiteroberfläche verwendet wird, ist der Schutzfilm nicht unbedingt ein SiN-Film, und es ist natürlich möglich, ein anderes isolierendes Filmmaterial wie etwa SiO₂, PSG oder Al₂O₃ bei der Herstellung eines herkömmlichen Halbleiterelements zu verwenden.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich, ist eine Region, die in eine Region vom n-Typ umgewandelt worden ist, vorzugsweise auf einem Teil eines Seitenflächenabschnitts des Nitridhalbleiter-Filmstapels vorgesehen, mit dem eine Kathodenelektrode in der Nitridhalbleiterdiode nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen in Kontakt gebracht wird.
Außerdem sind in der Nitridhalbleiterdiode nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen vorzugsweise keine Verunreinigungen zu den Regionen zugegeben, in denen ein zweidimensionales Elektronengas in den mit GaN gebildeten Schichten erzeugt wird.
Außerdem beträgt bei der Nitridhalbleiterdiode nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen die Dicke jeder der mit AlGaN gebildeten Schichten vorzugsweise 15 bis 30 nm, und die Dicke jeder der mit GaN gebildeten Schichten beträgt vorzugsweise 50 bis 300 nm.
Bezugszeichenliste

1: Erste GaN-Schicht
2: Zweite GaN-Schicht
3: Dritte GaN-Schicht
4: Vierte GaN-Schicht
5: Fünfte GaN-Schicht
11: Erste AlGaN-Schicht
12: Zweite AlGaN-Schicht
13: Dritte AlGaN-Schicht
14: Vierte AlGaN-Schicht
15: Fünfte AlGaN-Schicht
21: Saphirsubstrat
22: Tieftemperatur-Pufferschicht
23: GaN-Capschicht
31: Erste undotierte AlGaN-Schicht mit einer Al-Zusammensetzung von 0,25
32: Zweite undotierte AlGaN-Schicht mit einer Al-Zusammensetzung von 0,25
33: Dritte undotierte AlGaN-Schicht mit einer Al-Zusammensetzung von 0,25
41: Anodenelektrode
42: Kathodenelektrode
43: In eine Region vom n-Typ umgewandelte Region
44: SiN-Film
45: Polyimid-Film
51: Erste AlGaN-Schicht vom n-Typ
52: Zweite AlGaN-Schicht vom n-Typ
53: Dritte AlGaN-Schicht vom n-Typ
54: Vierte AlGaN-Schicht vom n-Typ
55: Fünfte AlGaN-Schicht vom n-Typ
61: Erste undotierte AlGaN-Schicht
62: Zweite undotierte AlGaN-Schicht
63: Dritte undotierte AlGaN-Schicht
64: Vierte undotierte AlGaN-Schicht
65: Fünfte undotierte AlGaN-Schicht
71: Erste GaN-Schicht vom n-Typ
72: Zweite GaN-Schicht vom n-Typ
73: Dritte GaN-Schicht vom n-Typ
74: Vierte GaN-Schicht vom n-Typ
75: Fünfte GaN-Schicht vom n-Typ
81: Erste undotierte GaN-Schicht
82: Zweite undotierte GaN-Schicht
83: Dritte undotierte GaN-Schicht
84: Vierte undotierte GaN-Schicht
85: Fünfte undotierte GaN-Schicht
101: Erste leitfähige 2DEG-Schicht
102: Zweite leitfähige 2DEG-Schicht
103: Dritte leitfähige 2DEG-Schicht
104: Vierte leitfähige 2DEG-Schicht
105: Fünfte leitfähige 2DEG-Schicht
111, 112, 113: Nitridhalbleiterdiode
114: Großflächige Diode

Claims

Nitridhalbleiterdiode, aufweisend: ein Substrat, einen Nitridhalbleiter-Filmstapel, der durch abwechselndes Stapeln mehrerer Schichten aus GaN als untere Schichten und mehrerer Schichten aus AlGaN als obere Schichten auf dem Substrat gebildet wird, wobei der Nitridhalbleiter-Filmstapel mehrere leitfähige Schichten aufweist, die mit einem zweidimensionalen Elektronengas gebildet werden, das auf Seiten der unteren Schichten von Heterogrenzflächen zwischen den unteren Schichten und den oberen Schichten erzeugt wird, eine Aussparung in einem Teil des Nitridhalbleiter-Filmstapels, eine Kathodenelektrode in Kontakt mit einem Teil des Nitridhalbleiter-Filmstapels, die über ohmschen Kontakt mit den mit dem zweidimensionalen Elektronengas gebildeten leitfähigen Schichten verbunden ist, und eine Anodenelektrode, die im Schottky-Kontakt mit einer Seitenfläche des Nitridhalbleiter-Filmstapels verbunden ist, wobei die Seitenfläche des Nitridhalbleiter-Filmstapels Seitenflächen der mit dem zweidimensionalen Elektronengas gebildeten leitfähigen Schichten aufweist und diese Seitenflächen der leitfähigen Schichten durch die Aussparung freiliegen, wobei die mit dem zweidimensionalen Elektronengas gebildeten leitfähigen Schichten als Driftschichten fungieren, jede der Schichten aus AlGaN eine erste Stapelstruktur aufweist, die mit einer AlGaN-Schicht vom n-Typ mit n-Typ-Leitfähigkeit mit einer zugesetzten Verunreinigung und einer undotierten AlGaN-Schicht ohne eine zugesetzte Verunreinigung gebildet ist, und in jeder der Schichten aus AlGaN mit den ersten Stapelstrukturen die AlGaN-Schicht vom n-Typ an einer tieferen Position angeordnet ist als die undotierte AlGaN-Schicht.
Nitridhalbleiterdiode, aufweisend: ein Substrat, einen Nitridhalbleiter-Filmstapel, der durch abwechselndes Stapeln mehrerer Schichten aus GaN als untere Schichten und mehrerer Schichten aus AlGaN als obere Schichten auf dem Substrat gebildet wird, wobei der Nitridhalbleiter-Filmstapel mehrere leitfähige Schichten aufweist, die mit einem zweidimensionalen Elektronengas gebildet werden, das auf Seiten der unteren Schichten von Heterogrenzflächen zwischen den unteren Schichten und den oberen Schichten erzeugt wird, eine Aussparung in einem Teil des Nitridhalbleiter-Filmstapels, eine Kathodenelektrode in Kontakt mit einem Teil des Nitridhalbleiter-Filmstapels, die über ohmschen Kontakt mit den mit dem zweidimensionalen Elektronengas gebildeten leitfähigen Schichten verbunden ist, und eine Anodenelektrode, die im Schottky-Kontakt mit einer Seitenfläche des Nitridhalbleiter-Filmstapels verbunden ist, wobei die Seitenfläche des Nitridhalbleiter-Filmstapels Seitenflächen der mit dem zweidimensionalen Elektronengas gebildeten leitfähigen Schichten aufweist und diese Seitenflächen der leitfähigen Schichten durch die Aussparung freiliegen, wobei die mit dem zweidimensionalen Elektronengas gebildeten leitfähigen Schichten als Driftschichten fungieren, jede der Schichten aus GaN eine zweite Stapelstruktur aufweist, die mit einer GaN-Schicht vom n-Typ mit n-Typ-Leitfähigkeit mit einer zugesetzten Verunreinigung und einer undotierten GaN-Schicht ohne eine zugesetzte Verunreinigung gebildet ist, und in jeder der Schichten aus GaN mit den zweiten Stapelstrukturen die GaN-Schicht vom n-Typ an einer tieferen Position angeordnet ist als die undotierte GaN-Schicht.
Nitridhalbleiterdiode, aufweisend: ein Substrat, einen Nitridhalbleiter-Filmstapel, der durch abwechselndes Stapeln mehrerer Schichten aus GaN als untere Schichten und mehrerer Schichten aus AlGaN als obere Schichten auf dem Substrat gebildet wird, wobei der Nitridhalbleiter-Filmstapel mehrere leitfähige Schichten aufweist, die mit einem zweidimensionalen Elektronengas gebildet werden, das auf Seiten der unteren Schichten von Heterogrenzflächen zwischen den unteren Schichten und den oberen Schichten erzeugt wird, eine Aussparung in einem Teil des Nitridhalbleiter-Filmstapels, eine Kathodenelektrode in Kontakt mit einem Teil des Nitridhalbleiter-Filmstapels, die über ohmschen Kontakt mit den mit dem zweidimensionalen Elektronengas gebildeten leitfähigen Schichten verbunden ist, und eine Anodenelektrode, die im Schottky-Kontakt mit einer Seitenfläche des Nitridhalbleiter-Filmstapels verbunden ist, wobei die Seitenfläche des Nitridhalbleiter-Filmstapels Seitenflächen der mit dem zweidimensionalen Elektronengas gebildeten leitfähigen Schichten aufweist und diese Seitenflächen der leitfähigen Schichten durch die Aussparung freiliegen, wobei die mit dem zweidimensionalen Elektronengas gebildeten leitfähigen Schichten als Driftschichten fungieren, jede der Schichten aus AlGaN eine erste Stapelstruktur aufweist, die mit einer AlGaN-Schicht vom n-Typ mit n-Typ-Leitfähigkeit mit einer zugesetzten Verunreinigung und einer undotierten AlGaN-Schicht ohne eine zugesetzte Verunreinigung gebildet ist, und in jeder der Schichten aus AlGaN mit den ersten Stapelstrukturen die AlGaN-Schicht vom n-Typ an einer tieferen Position angeordnet ist als die undotierte AlGaN-Schicht, jede der Schichten aus GaN eine zweite Stapelstruktur aufweist, die mit einer GaN-Schicht vom n-Typ mit n-Typ-Leitfähigkeit mit einer zugesetzten Verunreinigung und einer undotierten GaN-Schicht ohne eine zugesetzte Verunreinigung gebildet ist, und in jeder der Schichten aus GaN mit den zweiten Stapelstrukturen die GaN-Schicht vom n-Typ an einer tieferen Position angeordnet ist als die undotierte GaN-Schicht.
Nitridhalbleiterdiode nach Anspruch 1, wobei die Si-Dotierungskonzentration der AlGaN-Schicht vom n-Typ im Bereich von 5 × 10¹⁶ cm^–3 bis 5 × 10¹⁷ cm^–3 liegt.
Nitridhalbleiterdiode nach Anspruch 3, wobei die Si-Dotierungskonzentration der AlGaN-Schicht vom n-Typ im Bereich von 5 × 10¹⁶ cm^–3 bis 5 × 10¹⁷ cm^–3 liegt.
Nitridhalbleiterdiode nach Anspruch 2, wobei die Si-Dotierungskonzentration der GaN-Schicht vom n-Typ im Bereich von 5 × 10¹⁶ cm^–3 bis 5 × 10¹⁷ cm^–3 liegt.
Nitridhalbleiterdiode nach Anspruch 3, wobei die Si-Dotierungskonzentration der GaN-Schicht vom n-Typ im Bereich von 5 × 10¹⁶ cm^–3 bis 5 × 10¹⁷ cm^–3 liegt.
Nitridhalbleiterdiode nach Anspruch 1, wobei die freiliegende Nitridhalbleiterfläche, ein Teil der Anodenelektrode und ein Teil der Kathodenelektrode mit einem isolierenden Schutzfilm bedeckt sind.
Nitridhalbleiterdiode nach Anspruch 2, wobei die freiliegende Nitridhalbleiterfläche, ein Teil der Anodenelektrode und ein Teil der Kathodenelektrode mit einem isolierenden Schutzfilm bedeckt sind.
Nitridhalbleiterdiode nach Anspruch 3, wobei die freiliegende Nitridhalbleiterfläche, ein Teil der Anodenelektrode und ein Teil der Kathodenelektrode mit einem isolierenden Schutzfilm bedeckt sind.
Nitridhalbleiterdiode nach Anspruch 1, wobei außerdem eine Capschicht aus GaN als eine obere Schicht des Nitridhalbleiter-Filmstapels vorgesehen ist.
Nitridhalbleiterdiode nach Anspruch 2, wobei außerdem eine Capschicht aus GaN als eine obere Schicht des Nitridhalbleiter-Filmstapels vorgesehen ist.
Nitridhalbleiterdiode nach Anspruch 3, wobei außerdem eine Capschicht aus GaN als eine obere Schicht des Nitridhalbleiter-Filmstapels vorgesehen ist.