JP2005530334A - 高電圧スイッチング素子およびそれを形成するためのプロセス - Google Patents
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Abstract
Description
この出願は、「ショットキーダイオード構造およびそれを形成するためのMOVPEプロセス」のための2002年4月30日に提出された米国仮出願60/376,629号に基づく優先権を主張する。
この発明は、高い降伏電圧の様々なスイッチング素子およびそれを形成するためのプロセスに関する。
この発明の背景として、次の文書の開示はこれにより、それぞれの全体として、参照によって合体される。
トリベディ(Trivedi)ら, 「高出力ワイドバンドギャップ半導体整流器の性能評価」 ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス(J. Appl. Phys.), Vol.85, No.9, pp.6889−6897 (1999年5月1日)
「厚い(Ga,Al,In)Nベース層を用いたGaN系素子」のための、ロバート・ピー・ヴォード(Robert P. Vaudo)らの名義で2000年12月5日に発行された米国特許第6,156,581号
「低欠陥密度(Ga,Al,In)Nおよびそれを作るためのHVPEプロセス」のための、ロバート・ピー・ヴォード(Robert P. Vaudo)ら名義で2002年8月27日に発行された米国特許第6,440,823号
「オプトエレクトロニクスおよびエレクトロニクス素子のための、自立の窒化(アルミニウム,インジウム,ガリウム)((AL,IN,GA)N)基板上で改良されたエピタキシ品質(表面テクスチャおよび欠陥密度)を得るための方法」のための、ジェフリー・エス・フリン(Jeffrey S. Flynn)ら名義で2002年9月10日に発行された米国特許第6,447,604号
一つの局面では、この発明は、サファイア基板または高い縦伝導性を持つSiC若しくはSi基板のようなヘテロエピタキシャル基板上に作製された良好な電流拡散性を持つ高電圧降伏素子に関する。酷いクラックは一般的に、そのようなヘテロエピタキシャル基板上に作製されたエピタキシャルGaN層で観測される。クラックは、そのようなヘテロエピタキシャル基板内に高いドーピングレベル(>5×1018cm-3かつ<3×1019cm-3)またはデルタドーピングを設けることによって部分的に抑制されるが、完全には除去されない。
(a) 約5×106/cm2以下の転位欠陥密度によって特徴付けられた上面を持つ第1の伝導性GaN界面層と、
(b) 上記伝導性GaNベース層の最上層の上方に形成され、約1×1016/cm3以下のドーパント濃度を持つ第2のGaN層と、
(c) 上記第1のGaN層の上方の、そのGaN層と金属対半導体接合を形成する少なくとも一つの金属コンタクトと
を備えたマイクロエレクトロニクス素子に関する。
(a) 異種基板(foreign substrate)と、
(b) 上記異種基板上に重なる核形成バッファ層と、
(c) 上記核形成バッファ層上に重なり、かつ約1×1016/cm3以下のドーパント濃度を持つ第1のGaN層と、
(d) 上記第1のGaN層上に重なる第2の伝導性GaN層と、
(e) 上記第2の伝導性GaN層上に重なり、かつ約1×1016/cm3以下のドーパント濃度を持つ第3のGaN層と、
(f) 上記第3のGaN層の上方の、そのGaN層と金属対半導体接合を形成する少なくとも一つの金属コンタクトと
を備えたマイクロエレクトロニクス素子に関する。
(a) 約5×106/cm2以下の転位欠陥密度によって特徴付けられた上面を持つn型伝導性の第1のGaN層と、
(b) 上記伝導性GaN層の上方に形成され、約1×1015/cm3以下のドーパント濃度を持つ第2のGaN層と、
(c) 上記第2のGaN層の上方に形成されたp型伝導性の第3のGaN層と、
(d) 上記第3のGaN層上に重なる少なくとも一つの金属コンタクトと
を備えたマイクロエレクトロニクス素子構造に関する。
比較的に低降伏電圧(すなわち、<2kV)のマイクロエレクトロニクス・スイッチング素子を作製するために、薄いGaN層が、サファイア、SiおよびSiCのような異種基板上にMOVPEによって直接被着され得る。そのような直接被着された異種基板は比較的薄い(すなわち、<10μm)という事実にもかかわらず、異種基板とGaN層との間の熱膨張率差によって引き起こされるGaN層内の緊張(strain)は、顕著なクラック、ピットおよび欠陥生成を結果として招く。それゆえ、約2kVを下回る降伏電圧を持つショットキー整流器を作製するために、異種基板上の薄い伝導性GaN層上にこの厚さ(すなわち、<10μm)の低ドープGaN層を被着するのは難しい。次の革新的で好ましい実施形態は、これらの限定を指定する。
この発明は、異種基板の上方に形成されたn型伝導性の伝導性GaNベース層を設ける。それらの間に、そのような伝導性GaNベース層の欠陥密度を減少させるための一またはそれ以上の界面層がある。
層(1) − 2.5μmのアンドープGaN(または1×1016/cm3以下の軽いn型のドーパント濃度)
層(2) − 2.0μmのSiドープの伝導性GaN(3×1019/cm3)
層(3) − 0.1μmのアンドープGaN(または1×1016/cm3以下の軽いn型のドーパント濃度)
層(4) − 核形成バッファ
層(5) − サファイア基板
層(1) − 2.5μmのアンドープGaN(または1×1016/cm3以下の軽いn型のドーパント濃度)
層(2) − 1.0μmのSiドープの伝導性GaN(1×1019/cm3)
層(3) − 0.1μmのアンドープGaN(または1×1016/cm3以下の軽いn型のドーパント濃度)
層(4) − 核形成バッファ
層(5) − サファイア基板
層(1) − 2.5μmのアンドープGaN(または1×1016/cm3以下の軽いn型のドーパント濃度)
層(2) − 2.0μmのSiドープの伝導性GaN(1.5×1019/cm3)
層(3) − 0.6μmのアンドープGaN(または1×1016/cm3以下の軽いn型のドーパント濃度)
層(4) − 核形成バッファ
層(5) − サファイア基板
層(1) − 2.5μmのアンドープGaN(または1×1016/cm3以下の軽いn型のドーパント濃度)
層(2) − 0.5μmのSiドープの伝導性GaN(1.5×1019/cm3)
層(3) − 0.6μmのアンドープGaN(または1×1016/cm3以下の軽いn型のドーパント濃度)
層(4) − 核形成バッファ
層(5) − サファイア基板
層(1) − 2.5μmのアンドープGaN(または1×1016/cm3以下の軽いn型のドーパント濃度)
層(2) − 0.1μmのSiドープの伝導性GaNサブ層(1.5×1019/cm3)
層(3) − 1.9μmのSiドープの伝導性GaNサブ層(2×1018/cm3)
層(4) − 0.6μmのアンドープGaN(または1×1016/cm3以下の軽いn型のドーパント濃度)
層(5) − 核形成バッファ
層(6) − サファイア基板
例えば、我々は、ハイドライド気相エピタキシ(HVPE)法によってサファイア基板上に直接、ほぼ10μm厚のGaN層を成長させた。それは続いて、図2Aおよび2Bに概略的に示しているように、GaN系ショットキーダイオードを形成するのに用いられた。MOVPEに比して、HVPEによって、熱膨張係数差の減少、非常に厚くてより重く転位したバッファおよびエピ層内の全体の低い緊張に帰する他の界面欠陥のおかげで、より大きい厚さが得られる。
低い転位欠陥密度(すなわち、≦5×106/cm2)の厚い伝導性GaN層が、ハイドライド気相エピタキシ(HVPE)法によって、減少された成長温度(すなわち約985℃から約1010℃)で最初に異種基板(サファイア、SiまたはSiCのような)上に成長され得る。そのような減少されたHVPE成長温度で、GaN層は、上記異種基板とそのGaN層との間の熱膨張係数差によって誘導される少ない緊張を受ける。そのことは、「低欠陥密度(Ga,Al,In)Nおよびそれを作るためのHVPEプロセス」のための、ロバート・ピー・ヴォード(Robert P. Vaudo)ら名義で2002年8月27日に発行された米国特許第6,440,823号に記載されているように、減少された転位欠陥密度を結果として招く。その開示はここに、全ての目的のために、全体として、参照によって合体される。そのような減少されたHVPE成長温度はまた、そのように形成されたGaN層のn型伝導性を増加させ、そして、それゆえ、n型伝導性の伝導性GaN層を形成するのに用いられ得る。低い転位欠陥密度の厚い伝導性GaN層は、自立の伝導性GaNベース層を形成するように、異種基板から分離され得る。
高い降伏電圧を持つGaN系P−NおよびP−I−Nダイオードもまた、高パワー素子用途の関心事である。高い降伏電圧を持つPNまたはP−I−N接合を作製する能力は、サイリスタやIMPATTsのようなパワー素子の発展へ向けたキーステップである。
Claims (47)
- (a) 約5×106/cm2以下の転位欠陥密度によって特徴付けられた上面を持つ第1の伝導性GaNベース層と、
(b) 上記伝導性GaNベース層の最上層の上方に形成され、約1×1016/cm3以下のドーパント濃度を持つ第2のGaN層と、
(c) 上記第1のGaN層の上方の、そのGaN層と金属対半導体接合を形成する少なくとも一つの金属コンタクトと
を備えたマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項1のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記第1の伝導性GaNベース層が自立のGaN構造を備えているマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項2のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記自立のGaN構造は、
(1) 異種基板上に伝導性GaN構造を成長させること、
(2) 上記異種基板から、上記自立のGaN構造を形成するように上記GaN構造を取り除くこと
を含む工程によって形成されるマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項3のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記第1の伝導性GaN構造が上記異種基板上にハイドライド気相エピタキシ法によって形成され、
上記第1の伝導性GaN構造が、そのGaN構造上に上記第2のGaN層を形成する前に上記異種基板から分離によって取り除かれ、さらに、
上記第2のGaN層が上記第1の伝導性GaN構造上にハイドライド気相エピタキシ法または有機金属気相エピタキシ法によって形成されているマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項3のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記第1の伝導性GaN構造が上記異種基板上にハイドライド気相エピタキシ法によって形成され、
上記第1の伝導性GaN構造が、そのGaN構造上に上記第2のGaN層を形成した後に上記異種基板から分離によって取り除かれ、さらに、
上記第2のGaN層が上記第1の伝導性GaN構造上にハイドライド気相エピタキシ法によって形成されているマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項2のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記第1の伝導性GaNベース層が厚さで約50μmを超え、上記第2のGaN層が厚さで約10μmを超えているマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項2のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
第1の金属コンタクトが上記第2のGaN層とショットキーコンタクトを形成し、
第2の金属コンタクトが上記第1の伝導性GaNベース層とオーミックコンタクトを形成しているマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項6のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
2000Vよりも大きい降伏電圧を持っているマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項1のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
さらに、サファイア基板を備え、
上記第1の伝導性GaNベース層が上記サファイア基板上にハイドライド気相エピタキシ法(HVPE)によって形成され、
上記サファイア基板と上記第1の伝導性GaNベース層がHVPE/サファイア・ベース構造を形成しているマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項1のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記第2のGaN層がゲルマニウムでドープされているマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項1のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記第1の伝導性GaNベース層の上面がアンドープであり、そのGaNベース層上に続いて、上記第2のGaN層と上記第1の伝導性GaNベース層のアンドープの上面との界面でドーパントまたは伝導性を除去することによって上記第2のGaN層が均一に成長されているマイクロエレクトロニクス素子構造。 - (a) 異種基板と、
(b) 上記異種基板上に重なる核形成バッファ層と、
(c) 上記核形成バッファ層上に重なり、かつ約1×1016/cm3以下のドーパント濃度を持つ第1のGaN層と、
(d) 上記第1のGaN層上に重なる第2の伝導性GaN層と、
(e) 上記第2の伝導性GaN層上に重なり、かつ約1×1016/cm3以下のドーパント濃度を持つ第3のGaN層と、
(f) 上記第3のGaN層の上方の、そのGaN層と金属対半導体接合を形成する少なくとも一つの金属コンタクトと
を備えたマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項12のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記異種基板は、サファイア、SiおよびSiCからなる群から選択された材料を備えるマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項12のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記異種基板はサファイアを備えるマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項12のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記第3のGaN層は厚さで10μmを下回るマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項12のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記第3のGaN層は厚さで20μmを下回るマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項12のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記第3のGaN層は厚さで50μmを下回るマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項12のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記第2の伝導性GaN層は緊張減少用ドーパントでドープされているマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項12のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記第2の伝導性GaN層はゲルマニウムでドープされているマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項12のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記第1のGaN層は約0.6μmの厚さを持ち、
上記第2の伝導性GaN層は約2.0μmの厚さで約1.5×1019/cm3のドーパント濃度を持ち、また、
上記第3のGaN層は少なくとも約2.5μmの厚さを持つマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項12のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記第1のGaN層は約0.6μmの厚さを持ち、
上記第2の伝導性GaN層は約0.5μmの厚さで約1.5×1019/cm3のドーパント濃度を持ち、また、
上記第3のGaN層は少なくとも約2.5μmの厚さを持つマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項12のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記第2の伝導性GaN層は、第1のドーパント濃度の第1の伝導性GaNサブ層と、第2のドーパント濃度の第2の伝導性GaNサブ層とを備え、
上記第1の伝導性GaNサブ層は上記第1のGaN層に隣接し、
上記第2の伝導性GaNサブ層は上記第3のGaN層に隣接し、また、
上記第1のドーパント濃度は上記第2のドーパント濃度よりも下回るマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項22のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記第1のGaN層は約0.6μmの厚さを持ち、
上記第1の伝導性GaNサブ層は約1.9μmの厚さで約2.0×1018/cm3のドーパント濃度を持ち、
上記第2の伝導性GaNサブ層は約0.1μmの厚さで約1.5×1019/cm3のドーパント濃度を持ち、また、
上記第3のGaN層は少なくとも約2.5μmの厚さを持つマイクロエレクトロニクス素子構造。 - (a) 約5×106/cm2以下の転位欠陥密度によって特徴付けられた上面を持つn型伝導性の第1のGaN層と、
(b) 上記伝導性GaN層の上方に形成され、約1×1015/cm3以下のドーパント濃度を持つ第2のGaN層と、
(c) 上記第2のGaN層の上方に形成されたp型伝導性の第3のGaN層と、
(d) 上記第3のGaN層上に重なる少なくとも一つの金属コンタクトと
を備えたマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項24のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記第1のGaN層が自立のGaN構造を備えているマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項24のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記自立のGaN構造は、
(1) 異種基板上にn型伝導性GaN構造を成長させること、
(2) 上記異種基板から、上記自立のGaN構造を形成するように上記n型伝導性GaN構造を取り除くこと
を含む工程によって形成されるマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項26のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記n型伝導性GaN構造が上記異種基板上にハイドライド気相エピタキシ法によって形成され、
上記n型伝導性GaN構造が、そのGaN構造上に上記第2のGaN層を形成する前に上記異種基板から分離技術によって取り除かれ、さらに、
上記第2のGaN層が上記自立のGaN構造上にハイドライド気相エピタキシ法または有機金属気相エピタキシ法によって形成されているマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項26のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記n型伝導性GaN構造が上記異種基板上にハイドライド気相エピタキシ法によって形成され、
上記n型伝導性GaN構造が、そのGaN構造上に上記第2のGaN層を形成した後に上記異種基板から分離によって取り除かれ、さらに、
上記第2のGaN層が上記自立のGaN構造上にハイドライド気相エピタキシ法によって形成されているマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項25のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記n型伝導性の第1のGaN層が厚さで約50μmを超え、
上記第2のGaN層が厚さで約10μmを超え、また、
上記p型伝導性の第3のGaN層が厚さで約0.25μmを超えているマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項24のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記第1の金属コンタクトが上記n型伝導性の第1のGaN層と第1のオーミックコンタクトを形成し、また、
上記第2の金属コンタクトが上記p型伝導性の第3のGaN層と第2のオーミックコンタクトを形成しているマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項24のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
さらに、サファイア基板を備え、
上記n型伝導性の第1のGaN層が上記サファイア基板上にハイドライド気相エピタキシ法(HVPE)によって形成され、
上記サファイア基板と上記n型伝導性の第1のGaN層がHVPE/サファイア・ベース構造を形成しているマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項24のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記第2のGaN層がゲルマニウムでドープされているマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項24のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記n型伝導性の第1のGaN層の上面がアンドープであり、
上記第2のGaN層は、その第1のGaN層上に続いて、
上記第2のGaN層と上記n型伝導性の第1のGaN層のアンドープの上面との界面でドーパントまたは伝導性を除去することによって上記第2のGaN層が均一に成長されているマイクロエレクトロニクス素子構造。 - (a) 異種基板と、
(b) 上記異種基板上に重なる核形成バッファ層と、
(c) 上記核形成バッファ層上に重なり、かつ約1×1016/cm3以下のドーパント濃度を持つ第1のGaN層と、
(d) 上記第1のGaN層上に重なるn型伝導性の第2のGaN層と、
(e) 上記n型伝導性の第2のGaN層上に重なり、かつ約1×1016/cm3以下のドーパント濃度を持つ第3のGaN層と、
(f) 上記第3のGaN層上に形成されたp型伝導性の第4のGaN層と、
(g) 上記第4のGaN層上に重なる少なくとも一つの金属コンタクトと
を備えたマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項34のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記異種基板は、サファイア、SiおよびSiCからなる群から選択された材料を備えるマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項34のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記異種基板はサファイアを備えるマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項34のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記第3のGaN層は厚さで10μmを下回るマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項34のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記第3のGaN層は厚さで20μmを下回るマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項34のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記第3のGaN層は厚さで50μmを下回るマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項34のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記n型伝導性の第2のGaN層は緊張減少用ドーパントでドープされているマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項34のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記n型伝導性の第2のGaN層はゲルマニウムでドープされているマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項34のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記第1のGaN層は約0.6μmの厚さを持ち、
上記n型伝導性の第2のGaN層は約2.0μmの厚さで約1.5×1019/cm3のドーパント濃度を持ち、また、
上記第3のGaN層は少なくとも約2.5μmの厚さを持つマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項34のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記第1のGaN層は約0.6μmの厚さを持ち、
上記n型伝導性の第2のGaN層は約0.5μmの厚さで約1.5×1019/cm3のドーパント濃度を持ち、また、
上記第3のGaN層は少なくとも約2.5μmの厚さを持つマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項34のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記n型伝導性の第2のGaN層は、第1のドーパント濃度の第1の伝導性GaNサブ層と、第2のドーパント濃度の第2の伝導性GaNサブ層とを備え、
上記第1の伝導性GaNサブ層は上記第1のGaN層に隣接し、
上記第2の伝導性GaNサブ層は上記第3のGaN層に隣接し、また、
上記第1のドーパント濃度は上記第2のドーパント濃度よりも下回るマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項44のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
上記第1のGaN層は約0.6μmの厚さを持ち、
上記第1の伝導性GaNサブ層は約1.9μmの厚さで約2.0×1018/cm3のドーパント濃度を持ち、
上記第2の伝導性GaNサブ層は約0.1μmの厚さで約1.5×1019/cm3のドーパント濃度を持ち、また、
上記第3のGaN層は少なくとも約2.5μmの厚さを持つマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項1のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
メサ型ショットキーダイオードとプレーナ型ショットキーダイオードとからなる群から選択されたショットキーダイオードを備えるマイクロエレクトロニクス素子構造。 - 請求項12のマイクロエレクトロニクス素子構造において、
メサ型ショットキーダイオードとプレーナ型ショットキーダイオードとからなる群から選択されたショットキーダイオードを備えるマイクロエレクトロニクス素子構造。
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