JP2006196623A - Epitaxial substrate and semiconductor element - Google Patents
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Description
本発明は、エピタキシャル基板および半導体素子に関する。 The present invention relates to an epitaxial substrate and a semiconductor device.
非特許文献1には、pinダイオードが記載されている。pinダイオードは、GaN自立基板上に成長されたエピタキシャル層を備えている。順方向ターンオン電圧は、温度300Kにおいて約5ボルトである。GaN自立基板として使用される厚膜は、Al2O3基板上にハイドライド気相成長エピタキシャル(HVPE)法で成長されている。この厚膜をレーザビーム照射によってAl2O3基板から分離して、GaN自立基板を作製する。このGaN自立基板上には、有機金属気相成長法によって3マイクロメートル厚のアンドープ窒化ガリウム膜が成長される。次いで、このアンドープ窒化ガリウム膜上に、0.3マイクロメートル厚のMgドープ窒化ガリウム膜が成長される。GaN自立基板、アンドープ窒化ガリウム膜およびMgドープ窒化ガリウム膜は、pin構造を構成する。 Non-Patent Document 1 describes a pin diode. The pin diode includes an epitaxial layer grown on a GaN free-standing substrate. The forward turn-on voltage is about 5 volts at a temperature of 300K. A thick film used as a GaN free-standing substrate is grown on an Al 2 O 3 substrate by a hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method. This thick film is separated from the Al 2 O 3 substrate by laser beam irradiation to produce a GaN free-standing substrate. An undoped gallium nitride film having a thickness of 3 micrometers is grown on the GaN free-standing substrate by metal organic vapor phase epitaxy. Next, an Mg-doped gallium nitride film having a thickness of 0.3 micrometers is grown on the undoped gallium nitride film. The GaN free-standing substrate, the undoped gallium nitride film, and the Mg-doped gallium nitride film constitute a pin structure.
非特許文献2には、窒化ガリウムpn接合の特性が記載されている。まず、c面サファイア基板上に、2マイクロメートル厚のGaN膜が、LEO再成長のためのSiO2マスクを用いて有機金属気相成長法で形成される。マスクのパターンは、45マイクロメートル間隔で5マイクロメートルの開口を持つストライプ形状を有する。LEO成長では、窒化ガリウムは、マスクの開口に垂直に成長すると共に、水平方向にマスク上にオーバー成長する。成長された窒化ガリウムの高さおよびオーバー成長の長さがそれぞれ約8マイクロメートルである。このLEO窒化ガリウム部上に、pn接合ダイオードが形成される。このpn接合ダイオードは、1マイクロメートル厚のアンドープn型GaN膜と、この上に成長された0.5マイクロメートル厚のマグネシウムドープのp型GaN膜を含む。pn接合ダイオードの大きさは、2マイクロメートル×20マイクロメートルである。
非特許文献2の窒化ガリウムpn接合ダイオードでは、低転位部(106cm−2以下)では、高転位部(〜4×108cm−2)に比べて逆方向リーク電流が減少しブレイクダウン電圧が向上することを示している。しかし、この報告のデバイス構造は複雑であり実用的に低転位部にデバイス作製できない。非特許文献1のGaNエピタキシャル層の厚みは3マイクロメータであり、キャリア濃度5×1016cm−3に対して十分な厚みを有していない。非特許文献1のpinダイオードの逆方向耐圧電圧も十分に高くない。 In the gallium nitride pn junction diode of Non-Patent Document 2, the reverse dislocation current is reduced in the low dislocation portion (10 6 cm −2 or less) and the breakdown is reduced compared to the high dislocation portion (˜4 × 10 8 cm −2 ). It shows that the voltage is improved. However, the device structure in this report is complicated, and it is practically impossible to fabricate a device at a low dislocation. The thickness of the GaN epitaxial layer of Non-Patent Document 1 is 3 micrometers, and does not have a sufficient thickness for the carrier concentration of 5 × 10 16 cm −3 . The reverse breakdown voltage of the pin diode of Non-Patent Document 1 is not sufficiently high.
ダイオードといった窒化物半導体素子のブレイクダウンの機構は以下の様である。逆バイアス状態での最大電界強度であるショットキ接合またはPN接合での電界強度が臨界値を超えると、インパクトイオン化による逆方向リーク電流が急増する。これがブレイクダウン現象である。空乏層が伸びるところのエピタキシャル層の厚みが十分厚く、接合部での電界強度が臨界値に到達した状態でも空乏層がエピタキシャル層中にある場合には、ブレイクダウンは理想的である。しかし、エピタキシャル層の厚みがキャリア濃度に対して十分な厚さがなく接合部での電界強度が臨界値に到達する以前にエピタキシャル層全厚が空乏化してパンチスルーが生じる。この場合、接合部での電界強度がより早く臨界値に到達するので、前記の理想的な場合に比べてブレイクダウンが早く生じる。また、エピタキシャル層/基板界面にまで空乏層が伸びるので、界面の不完全性に起因したリーク電流が逆方向特性を悪化させ、ブレイクダウン電圧を低下させる影響も考えられる。以上のような影響により、パンチスルーが生じるとブレイクダウン電圧が小さくなってしまう。 The breakdown mechanism of a nitride semiconductor device such as a diode is as follows. When the electric field strength at the Schottky junction or PN junction, which is the maximum electric field strength in the reverse bias state, exceeds a critical value, the reverse leakage current due to impact ionization increases rapidly. This is the breakdown phenomenon. Breakdown is ideal when the thickness of the epitaxial layer where the depletion layer extends is sufficiently thick and the depletion layer is in the epitaxial layer even when the electric field strength at the junction reaches a critical value. However, the thickness of the epitaxial layer is not sufficient with respect to the carrier concentration, and before the electric field strength at the junction reaches a critical value, the total thickness of the epitaxial layer is depleted and punch-through occurs. In this case, since the electric field strength at the junction reaches the critical value earlier, breakdown occurs earlier than in the ideal case. In addition, since the depletion layer extends to the epitaxial layer / substrate interface, the leakage current due to the imperfection of the interface may deteriorate the reverse direction characteristics and lower the breakdown voltage. Due to the above effects, the breakdown voltage is reduced when punch-through occurs.
本発明は、上記の事項を鑑みて為されたものであり、ブレイクダウン電圧を向上できる構造を有しておりIII族化合物半導体層を含む半導体素子を提供することを目的としており、また、この半導体素子のためのエピタキシャル基板を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above matters, and has an object to provide a semiconductor device having a structure capable of improving a breakdown voltage and including a group III compound semiconductor layer. An object is to provide an epitaxial substrate for a semiconductor device.
本発明の一側面によれば、III族窒化物半導体層を含む半導体素子である。半導体素子は、(a)第1の面と前記第1の面の反対側の第2の面とを有しており1×1017cm−3を超えるキャリア濃度を有するp型のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなる支持基体と、(b)前記第1の面上に設けられた第1のIII族窒化物エピタキシャル層と、(c)前記第2の面上に設けられたオーミック電極と、(d)前記第1のIII族窒化物エピタキシャル層に設けられたショットキ電極とを備え、前記第1のIII族窒化物エピタキシャル層の厚さは、5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、前記第1のIII族窒化物エピタキシャル層のキャリア濃度は、1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下であり、当該半導体素子はショットキダイオードである。 According to one aspect of the present invention, a semiconductor device including a group III nitride semiconductor layer. The semiconductor element has (a) a p-type Al x Ga having a first surface and a second surface opposite to the first surface and having a carrier concentration exceeding 1 × 10 17 cm −3. A support substrate made of 1-xN (0 ≦ x ≦ 1), (b) a first group III nitride epitaxial layer provided on the first surface, and (c) on the second surface And (d) a Schottky electrode provided on the first group III nitride epitaxial layer, and the thickness of the first group III nitride epitaxial layer is 5 micrometers or more The carrier concentration of the first group III nitride epitaxial layer is 1 × 10 14 cm −3 or more and 1 × 10 17 cm −3 or less, and the semiconductor element is a Schottky diode.
このショットキダイオードでは、第1のIII族窒化物エピタキシャル層の厚さが5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、且つ第1のエピタキシャル層のキャリア濃度が1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下であるので、このエピタキシャル層の厚みとこのキャリア濃度によりパンチスルーの生じないブレイクダウンを実現できる。 In this Schottky diode, the thickness of the first group III nitride epitaxial layer is not less than 5 micrometers and not more than 1000 micrometers, and the carrier concentration of the first epitaxial layer is not less than 1 × 10 14 cm −3 and not less than 1 × 10. Since it is 17 cm −3 or less, breakdown without punch-through can be realized by the thickness of the epitaxial layer and the carrier concentration.
本発明の別の側面によれば、III族窒化物半導体層を含む半導体素子である。この半導体素子は、(a)第1の面と前記第1の面の反対側の第2の面とを有しており1×1017cm−3を超えるキャリア濃度を有するp型のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなる支持基体と、(b)前記第1の面上に設けられた第1のIII窒化物エピタキシャル層と、(c)前記第2の面上に設けられたオーミック電極と、(d)前記第1のIII族窒化物エピタキシャル層上に設けられておりp型ドーパントを含む第2のIII族窒化物エピタキシャル層と、(e)前記第2のIIII族窒化物エピタキシャル層上に設けられたオーミック電極とを備え、前記第1のIII族窒化物エピタキシャル層の厚さは、5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、前記第1のIII族窒化物エピタキシャル層のキャリア濃度は、1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下であり、当該半導体素子はpn接合ダイオードである。 According to another aspect of the present invention, the semiconductor device includes a group III nitride semiconductor layer. This semiconductor element has (a) a p-type Al x having a first surface and a second surface opposite to the first surface and having a carrier concentration exceeding 1 × 10 17 cm −3. A support substrate made of Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1), (b) a first III nitride epitaxial layer provided on the first surface, and (c) on the second surface (D) a second group III nitride epitaxial layer provided on the first group III nitride epitaxial layer and containing a p-type dopant; and (e) the second group III nitride epitaxial layer provided on the first group III nitride epitaxial layer. An ohmic electrode provided on the group III nitride epitaxial layer, and the thickness of the first group III nitride epitaxial layer is not less than 5 micrometers and not more than 1000 micrometers, and the first group III nitride The carrier concentration of the material epitaxial layer is 1 × 10 14 cm −3 or more and 1 × 10 17 cm −3 or less, and the semiconductor element is a pn junction diode.
このpn接合ダイオードによれば、第1のIII族窒化物エピタキシャル層の厚さが5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、且つ第1のIII族窒化物エピタキシャル層のキャリア濃度が1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下であるので、このエピタキシャル層の厚みとこのキャリア濃度により、パンチスルーの生じないブレイクダウンを実現できる。 According to this pn junction diode, the thickness of the first group III nitride epitaxial layer is not less than 5 micrometers and not more than 1000 micrometers, and the carrier concentration of the first group III nitride epitaxial layer is 1 × 10 14. Since it is not less than cm −3 and not more than 1 × 10 17 cm −3 , breakdown without punch-through can be realized by the thickness of this epitaxial layer and this carrier concentration.
本発明の更なる別の側面によれば、III族窒化物半導体層を含む半導体素子である。半導体素子は、(a)第1の面と前記第1の面の反対側の第2の面とを有しており1×1017cm−3を超えるキャリア濃度を有するp型のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなる支持基体と、(b)前記第1の面上に設けられた第1のIII族窒化物エピタキシャル層と、(c)前記第1のIII族窒化物エピタキシャル層内に設けられたn型半導体領域と、(d)前記n型半導体領域内に設けられたp型半導体領域と、(e)前記p型半導体領域上に設けられたソース電極と、(f)前記第2の面上に設けられたドレイン電極と、(g)前記第1の窒化ガリウムエピタキシャル層上に設けられた絶縁層と、(h)前記絶縁層上に設けられたゲート電極とを備え、前記第1のIII族窒化物エピタキシャル層の厚さは、5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、前記第1のIII族窒化物エピタキシャル層のキャリア濃度は、1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下であり、当該半導体素子はMISトランジスタである。 According to still another aspect of the present invention, the semiconductor device includes a group III nitride semiconductor layer. The semiconductor element has (a) a p-type Al x Ga having a first surface and a second surface opposite to the first surface and having a carrier concentration exceeding 1 × 10 17 cm −3. A support substrate made of 1-xN (0 ≦ x ≦ 1), (b) a first group III nitride epitaxial layer provided on the first surface, and (c) the first group III An n-type semiconductor region provided in the nitride epitaxial layer; (d) a p-type semiconductor region provided in the n-type semiconductor region; and (e) a source electrode provided on the p-type semiconductor region; (F) a drain electrode provided on the second surface; (g) an insulating layer provided on the first gallium nitride epitaxial layer; and (h) a gate provided on the insulating layer. And the thickness of the first group III nitride epitaxial layer is 5 micrometers or less. And 1000 micrometers or less, the carrier concentration of the first III nitride epitaxial layer is than 1 × 10 14 cm -3 1 × 10 17 cm -3 or less, the semiconductor element is a MIS transistor.
このMISトランジスタは、p型半導体領域上に設けられたソース電極および基板の第2の面上に設けられたドレイン電極の一方から他方へと縦方向に電流が流れる構造を有する。第1のエピタキシャル層の厚さが5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、且つ第1のエピタキシャル層のキャリア濃度が1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下であるので、このエピタキシャル層の厚みとこのキャリア濃度により、ソース・ドレイン間においてパンチスルーの生じないブレイクダウンを実現できる。 This MIS transistor has a structure in which a current flows in a vertical direction from one of a source electrode provided on a p-type semiconductor region and a drain electrode provided on a second surface of the substrate. Since the thickness of the first epitaxial layer is not less than 5 micrometers and not more than 1000 micrometers, and the carrier concentration of the first epitaxial layer is not less than 1 × 10 14 cm −3 and not more than 1 × 10 17 cm −3 , By the thickness of this epitaxial layer and this carrier concentration, breakdown without punch-through between the source and drain can be realized.
本発明に係る半導体素子では、前記n型半導体領域のn型ドーパントはイオン注入により導入されていることが好ましい。また、本発明に係る半導体素子では、前記p型半導体領域のp型ドーパントはイオン注入により導入されていることが好ましい。 In the semiconductor device according to the present invention, the n-type dopant in the n-type semiconductor region is preferably introduced by ion implantation. In the semiconductor device according to the present invention, it is preferable that the p-type dopant in the p-type semiconductor region is introduced by ion implantation.
本発明の更なる別の側面によれば、III族窒化物半導体層を含む半導体素子である。半導体素子は、(a)第1の面と前記第1の面の反対側の第2の面とを有しており1×1017cm−3を超えるキャリア濃度を有するp型のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなる支持基体と、(b)前記第1の面上に設けられn導電性を示す第1のIII族窒化物エピタキシャル層と、(c)前記第1のIII族窒化物エピタキシャル層内に設けられたp型半導体領域と、(d)前記p型半導体領域内に設けられたn型半導体領域と、(e)前記n型半導体領域上に設けられたエミッタ電極と、(f)前記第2の面上に設けられたコレクタ電極と、(g)前記第1の窒化ガリウムエピタキシャル層上に設けられた絶縁層と、(h)前記絶縁層上に設けられたゲート電極とを備え、前記第1のIII族窒化物エピタキシャル層の厚さは、5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、前記第1のIII族窒化物エピタキシャル層のキャリア濃度は、1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下であり、当該半導体素子は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)である。 According to still another aspect of the present invention, the semiconductor device includes a group III nitride semiconductor layer. The semiconductor element has (a) a p-type Al x Ga having a first surface and a second surface opposite to the first surface and having a carrier concentration exceeding 1 × 10 17 cm −3. A support base made of 1-xN (0 ≦ x ≦ 1), (b) a first group III nitride epitaxial layer provided on the first surface and exhibiting n conductivity, and (c) the first A p-type semiconductor region provided in one group III nitride epitaxial layer, (d) an n-type semiconductor region provided in the p-type semiconductor region, and (e) provided on the n-type semiconductor region. An emitter electrode; (f) a collector electrode provided on the second surface; (g) an insulating layer provided on the first gallium nitride epitaxial layer; and (h) on the insulating layer. And the thickness of the first group III nitride epitaxial layer is 5 mils. And 1000 microns inclusive Rometoru, the carrier concentration of the first III nitride epitaxial layer is than 1 × 10 14 cm -3 1 × 10 17 cm -3 or less, the semiconductor element is an insulated gate bipolar It is a transistor (IGBT).
このIGBTは、n型半導体領域上に設けられたエミッタ電極および基板の第2の面上に設けられたコレクタ電極の一方から他方へと縦方向に電流が流れる構造を有する。第1のエピタキシャル層の厚さが5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、且つ第1のエピタキシャル層のキャリア濃度が1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下であるので、このエピタキシャル層の厚みとこのキャリア濃度により、エミッタ・コレクタ間においてパンチスルーの生じないブレイクダウンを実現できる。 This IGBT has a structure in which a current flows in a vertical direction from one of an emitter electrode provided on an n-type semiconductor region and a collector electrode provided on a second surface of a substrate. Since the thickness of the first epitaxial layer is not less than 5 micrometers and not more than 1000 micrometers, and the carrier concentration of the first epitaxial layer is not less than 1 × 10 14 cm −3 and not more than 1 × 10 17 cm −3 , By the thickness of this epitaxial layer and this carrier concentration, breakdown without punch-through between the emitter and collector can be realized.
本発明の半導体素子は、(a)1×1017cm−3を超えるキャリア濃度を有しており第1の面と前記第1の面の反対側の第2の面とを持つp型のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなるIII族窒化物支持基体と、(b)前記第1の面上に設けられp導電型を示す第1のIII族窒化物エピタキシャル層と、(c)前記第1のIII族窒化物エピタキシャル層上に設けられn導電型を示す第2のIII族窒化物エピタキシャル層と、(d)前記第1のIII族窒化物エピタキシャル層内に設けられたp型半導体領域と、(e)前記p型半導体領域内に設けられたn型半導体領域と、(f)前記n型半導体領域上に設けられたエミッタ電極と、(g)前記第2の面上に設けられたコレクタ電極と、(h)前記第2のIII族窒化物エピタキシャル膜に設けられた絶縁層と、(i)前記絶縁層上に設けられたゲート電極とを備え、前記第2のIII族窒化物エピタキシャル層の厚さは、5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、前記第2のIII族窒化物エピタキシャル層のキャリア濃度は、1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下であり、当該半導体素子はゲート絶縁バイポーラトランジスタ(IGBT)である。 The semiconductor device of the present invention has a carrier concentration exceeding (a) 1 × 10 17 cm −3 , and has a first surface and a second surface opposite to the first surface. A group III nitride supporting base made of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1), and (b) a first group III nitride epitaxial layer provided on the first surface and exhibiting a p conductivity type (C) a second group III nitride epitaxial layer provided on the first group III nitride epitaxial layer and exhibiting an n conductivity type; and (d) in the first group III nitride epitaxial layer. A p-type semiconductor region provided; (e) an n-type semiconductor region provided in the p-type semiconductor region; (f) an emitter electrode provided on the n-type semiconductor region; and (g) the first And a collector electrode provided on the surface of (2), and (h) provided on the second group III nitride epitaxial film. An insulating layer; and (i) a gate electrode provided on the insulating layer, wherein the thickness of the second group III nitride epitaxial layer is not less than 5 micrometers and not more than 1000 micrometers. The group III nitride epitaxial layer has a carrier concentration of 1 × 10 14 cm −3 or more and 1 × 10 17 cm −3 or less, and the semiconductor element is a gate insulating bipolar transistor (IGBT).
このIGBTは、n型半導体領域上に設けられたエミッタ電極および基板の第2の面上に設けられたコレクタ電極の一方から他方へと縦方向に電流が流れる構造を有する。第2のエピタキシャル層の厚さが5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、且つ第2のエピタキシャル層のキャリア濃度が1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下であるので、このエピタキシャル層の厚みとこのキャリア濃度により、エミッタ・コレクタ間においてパンチスルーの生じないブレイクダウンを実現できる。 This IGBT has a structure in which a current flows in a vertical direction from one of an emitter electrode provided on an n-type semiconductor region and a collector electrode provided on a second surface of a substrate. Since the thickness of the second epitaxial layer is not less than 5 micrometers and not more than 1000 micrometers, and the carrier concentration of the second epitaxial layer is not less than 1 × 10 14 cm −3 and not more than 1 × 10 17 cm −3 , By the thickness of this epitaxial layer and this carrier concentration, breakdown without punch-through between the emitter and collector can be realized.
本発明に係る半導体素子では、前記p型半導体領域のp型ドーパントはイオン注入により導入されていることが好ましい。また、本発明に係る半導体素子では、前記n型半導体領域のn型ドーパントはイオン注入により導入されていることが好ましい。 In the semiconductor device according to the present invention, the p-type dopant in the p-type semiconductor region is preferably introduced by ion implantation. In the semiconductor device according to the present invention, the n-type dopant in the n-type semiconductor region is preferably introduced by ion implantation.
本発明に係る半導体素子では、前記支持基体の前記第1の面の面方位が(0001)面であることが好ましい。これによって、低転位なIII族窒化物基板が提供される。 In the semiconductor element according to the present invention, it is preferable that a plane orientation of the first surface of the support base is a (0001) plane. This provides a low dislocation group III nitride substrate.
本発明に係る半導体素子では、前記支持基体の前記第1の面の面方位が(1−100)面および(11−20)面の一方の面からプラス5度以下マイナス5度以上の範囲であることが好ましい。
この半導体素子によれば、エピタキシャル層中の転位が減少し、逆方向リーク電流が減少しまた逆方向の耐圧が向上する。
In the semiconductor element according to the present invention, the plane orientation of the first surface of the support base is in the range of plus 5 degrees or less minus 5 degrees or more from one of the (1-100) plane and the (11-20) plane. Preferably there is.
According to this semiconductor element, dislocations in the epitaxial layer are reduced, the reverse leakage current is reduced, and the reverse breakdown voltage is improved.
本発明に係る半導体素子では、前記支持基体の前記第1の面の転位密度が1×108cm−2以下であることが好ましい。
この半導体素子によれば、転位密度が小さいので、エピタキシャル層中の転位が減少する。故に、逆方向リーク電流が減少しまた逆方向の耐圧が向上する。
In the semiconductor element according to the present invention, it is preferable that the dislocation density of the first surface of the support base is 1 × 10 8 cm −2 or less.
According to this semiconductor element, since the dislocation density is small, dislocations in the epitaxial layer are reduced. Therefore, the reverse leakage current is reduced and the reverse breakdown voltage is improved.
本発明に係る半導体素子では、前記支持基体の前記第1の面は、転位密度が1×108cm−2以下である第1のエリアと、前記第1のエリアの転位密度より高い転位密度を有する第2のエリアとを含むことが好ましい。
この半導体素子によれば、転位密度がより小さいエリア上に形成されたエピタキシャル層中の転位は小さい。これ故に、半導体素子の逆方向リーク電流が更に減少しまた逆方向の耐圧が向上する。
In the semiconductor device according to the present invention, the first surface of the support base has a dislocation density higher than the dislocation density of the first area having a dislocation density of 1 × 10 8 cm −2 or less and the first area. And a second area having
According to this semiconductor element, dislocations in the epitaxial layer formed on an area having a lower dislocation density are small. Therefore, the reverse leakage current of the semiconductor element is further reduced and the reverse breakdown voltage is improved.
本発明の一側面によれば、エピタキシャル基板は、(a)第1の面と前記第1の面の反対側の第2の面とを有しており1×1017cm−3を超えるキャリア濃度を有するp型のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなる自立基板と、(b)前記第1の面上に設けられた第1のIII族窒化物エピタキシャル膜とを備え、前記第1のIII族窒化物エピタキシャル膜の厚さは、5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、前記第1のエピタキシャル膜のキャリア濃度は、1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下である。 According to one aspect of the present invention, an epitaxial substrate has (a) a first surface and a second surface opposite to the first surface, and the carrier exceeds 1 × 10 17 cm −3. A free-standing substrate made of p-type Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) having a concentration, and (b) a first group III nitride epitaxial film provided on the first surface. And the thickness of the first group III nitride epitaxial film is 5 micrometers or more and 1000 micrometers or less, and the carrier concentration of the first epitaxial film is 1 × 10 14 cm −3 or more and 1 × 10 6 17 cm −3 or less.
このエピタキシャル基板によれば、第1のIII族窒化物エピタキシャル膜の厚さが5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、且つ第1のIII族窒化物エピタキシャル膜のキャリア濃度が1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下であるので、このエピタキシャル層の厚みとキャリア濃度により、パンチスルーの生じないブレイクダウンを実現できる。故に、したがって、耐圧が向上された半導体素子のためのエピタキシャル基板が提供される。 According to this epitaxial substrate, the thickness of the first group III nitride epitaxial film is not less than 5 micrometers and not more than 1000 micrometers, and the carrier concentration of the first group III nitride epitaxial film is 1 × 10 14 cm. Since it is −3 or more and 1 × 10 17 cm −3 or less, breakdown without punch-through can be realized by the thickness of the epitaxial layer and the carrier concentration. Therefore, an epitaxial substrate for a semiconductor device with improved breakdown voltage is provided.
本発明のエピタキシャル基板は、前記第1のIII族窒化物エピタキシャル膜上に設けられておりn型ドーパントを含む第2のIII族窒化物エピタキシャル膜を更に備えることができる。このエピタキシャル基板によれば、耐圧が向上されたpn接合ダイオードのためのエピタキシャル基板が提供される。また、本発明のエピタキシャル基板では、前記n型ドーパントはイオン注入により導入または、有機金属気相成長法によりn型エピタキシャル層が形成されていることが好ましい。 The epitaxial substrate of the present invention may further include a second group III nitride epitaxial film provided on the first group III nitride epitaxial film and containing an n-type dopant. According to this epitaxial substrate, an epitaxial substrate for a pn junction diode with improved breakdown voltage is provided. In the epitaxial substrate of the present invention, it is preferable that the n-type dopant is introduced by ion implantation or an n-type epitaxial layer is formed by metal organic vapor phase epitaxy.
本発明のエピタキシャル基板は、(c)前記第1のIII族窒化物エピタキシャル膜内に設けられたn型半導体領域と、(d)前記n型半導体領域内に設けられたp型半導体領域とを備え、前記第1のIII族窒化物エピタキシャル膜はp導電型を有することが好ましい。
このエピタキシャル基板によれば、耐圧が向上されたMIS型トランジスタのためのエピタキシャル基板が提供される。
The epitaxial substrate of the present invention includes (c) an n-type semiconductor region provided in the first group III nitride epitaxial film, and (d) a p-type semiconductor region provided in the n-type semiconductor region. It is preferable that the first group III nitride epitaxial film has p conductivity type.
According to this epitaxial substrate, an epitaxial substrate for a MIS transistor with improved breakdown voltage is provided.
本発明のエピタキシャル基板は、(c)前記第1のIII族窒化物エピタキシャル膜内に設けられたp型半導体領域と、(d)前記p型半導体領域内に設けられたn型半導体領域とを備え、前記第1のIII族窒化物エピタキシャル膜はn導電型を有することが好ましい。
このエピタキシャル基板によれば、耐圧が向上され且つ大電流で使用できる絶縁ゲートバイポーラトランジスタのためのエピタキシャル基板が提供される。
The epitaxial substrate of the present invention includes (c) a p-type semiconductor region provided in the first group III nitride epitaxial film, and (d) an n-type semiconductor region provided in the p-type semiconductor region. It is preferable that the first group III nitride epitaxial film has an n conductivity type.
According to this epitaxial substrate, an epitaxial substrate for an insulated gate bipolar transistor that has an improved breakdown voltage and can be used with a large current is provided.
本発明のエピタキシャル基板は、(a)1×1017cm−3を超えるキャリア濃度を有しており第1の面と前記第1の面の反対側の第2の面とを持つp型のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなるIII族窒化物自立基板と、(b)前記第1の面上に設けられた第1のIII族窒化物エピタキシャル膜と、(c)前記第1のIII族窒化物エピタキシャル膜上に設けられた第2のIII族窒化物エピタキシャル膜と、(d)前記第2のIII族窒化物エピタキシャル膜内に設けられたp型半導体領域と、(e)前記p型半導体領域内に設けられたn型半導体領域とを備え、前記第2のIII族窒化物エピタキシャル膜の厚さは、5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、前記第2のIII族窒化物エピタキシャル膜のキャリア濃度は、1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下であり、前記第1のIII族窒化物エピタキシャル膜はp導電型を有し、前記第2のIII族窒化物エピタキシャル膜はn導電型を有する。 The epitaxial substrate of the present invention has (a) a p-type having a carrier concentration exceeding 1 × 10 17 cm −3 and having a first surface and a second surface opposite to the first surface. A group III nitride free-standing substrate made of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1), (b) a first group III nitride epitaxial film provided on the first surface, and (c) ) A second group III nitride epitaxial film provided on the first group III nitride epitaxial film; and (d) a p-type semiconductor region provided in the second group III nitride epitaxial film. (E) an n-type semiconductor region provided in the p-type semiconductor region, and the thickness of the second group III nitride epitaxial film is not less than 5 micrometers and not more than 1000 micrometers, 2 group III nitride epitaxial film has a carrier concentration of 1 × 10 14 cm −3 or more and 1 × 10 17 cm −3 or less, the first group III nitride epitaxial film has a p conductivity type, and the second group III nitride epitaxial film has an n conductivity type. .
このエピタキシャル基板によれば、第2のIII族窒化物エピタキシャル膜の厚さが5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、且つ第2のIII族窒化物エピタキシャル膜のキャリア濃度が1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下であるので、このエピタキシャル層の厚みとキャリア濃度により、パンチスルーの生じないブレイクダウンを実現できる。故に、したがって、耐圧が向上された半導体素子のためのエピタキシャル基板が提供される。 According to this epitaxial substrate, the thickness of the second group III nitride epitaxial film is not less than 5 micrometers and not more than 1000 micrometers, and the carrier concentration of the second group III nitride epitaxial film is 1 × 10 14 cm. Since it is −3 or more and 1 × 10 17 cm −3 or less, breakdown without punch-through can be realized by the thickness of the epitaxial layer and the carrier concentration. Therefore, an epitaxial substrate for a semiconductor device with improved breakdown voltage is provided.
本発明のエピタキシャル基板では、前記第1のIII窒化物エピタキシャル膜はHVPE法で成長されることが好ましい。成長速度が速いので、実用的な時間内で膜厚の厚いエピタキシャル膜を提供できる。一方、本発明のエピタキシャル基板では、前記第2のIII族窒化物エピタキシャル膜は有機金属気相成長法により形成されることが好ましい。このエピタキシャル基板によれば、高品質なエピタキシャル膜が提供される。 In the epitaxial substrate of the present invention, the first III nitride epitaxial film is preferably grown by HVPE. Since the growth rate is fast, a thick epitaxial film can be provided within a practical time. On the other hand, in the epitaxial substrate of the present invention, the second group III nitride epitaxial film is preferably formed by a metal organic chemical vapor deposition method. According to this epitaxial substrate, a high quality epitaxial film is provided.
本発明のエピタキシャル基板では、前記自立基板の前記第1の面の面方位が(0001)面であることが好ましい。
このエピタキシャル基板によれば、低転位なIII族窒化物基板を用いることができる。
In the epitaxial substrate of the present invention, it is preferable that the plane orientation of the first surface of the self-standing substrate is a (0001) plane.
According to this epitaxial substrate, a low dislocation group III nitride substrate can be used.
本発明のエピタキシャル基板では、前記自立基板の前記第1の面の面方位が(1−100)面および(11−20)面のいずれか一方の面からプラス5度以下マイナス5度以上の範囲であることが好ましい。
このエピタキシャル基板によれば、エピタキシャル層中の転位が減少し、逆方向びリーク電流が減少しまた逆方向の耐圧が向上された半導体素子のためのエピタキシャル基板が提供される。
In the epitaxial substrate of the present invention, the plane orientation of the first surface of the self-standing substrate is in the range of plus 5 degrees or less minus 5 degrees or more from either one of the (1-100) plane and the (11-20) plane. It is preferable that
According to this epitaxial substrate, there is provided an epitaxial substrate for a semiconductor device in which dislocations in the epitaxial layer are reduced, the reverse direction and leakage current are reduced, and the reverse breakdown voltage is improved.
本発明のエピタキシャル基板では、前記自立基板の前記第1の面の転位密度が1×108cm−2以下であることが好ましい。
このエピタキシャル基板によれば、転位密度が小さいので、エピタキシャル層中の転位が減少する。これ故に、逆方向リーク電流が減少しまた逆方向の耐圧が向上された半導体素子のためのエピタキシャル基板が提供される。
In the epitaxial substrate of the present invention, it is preferable that the dislocation density of the first surface of the free-standing substrate is 1 × 10 8 cm −2 or less.
According to this epitaxial substrate, since the dislocation density is small, dislocations in the epitaxial layer are reduced. Therefore, there is provided an epitaxial substrate for a semiconductor device in which the reverse leakage current is reduced and the reverse breakdown voltage is improved.
本発明のエピタキシャル基板では、前記自立基板の前記第1の面は、転位密度が1×108cm−2以下である第1のエリアと、前記第1のエリアの転位密度より高い転位密度を有する第2のエリアとを含むことが好ましい。
この半導体素子によれば、転位密度がより小さいエリア上に半導体素子を形成すれば、エピタキシャル層中の転位が更に減少する。これ故に、逆方向リーク電流が更に減少しまた逆方向の耐圧が向上された半導体素子のためのエピタキシャル基板が提供される。
In the epitaxial substrate of the present invention, the first surface of the freestanding substrate has a dislocation density higher than the dislocation density of the first area having a dislocation density of 1 × 10 8 cm −2 or less and the first area. It is preferable to include a second area.
According to this semiconductor element, when the semiconductor element is formed on an area having a lower dislocation density, the dislocations in the epitaxial layer are further reduced. Therefore, there is provided an epitaxial substrate for a semiconductor device in which the reverse leakage current is further reduced and the reverse breakdown voltage is improved.
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。 The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following detailed description of preferred embodiments of the present invention, which proceeds with reference to the accompanying drawings.
以上説明したように、本発明によれば、逆方向耐圧を向上できる構造を有するIII族窒化物素子が提供され、また、この半導体素子のためのエピタキシャル基板が提供される。 As described above, according to the present invention, a group III nitride device having a structure capable of improving the reverse breakdown voltage is provided, and an epitaxial substrate for the semiconductor device is provided.
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の半導体素子およびエピタキシャル基板に係わる実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。 The knowledge of the present invention can be easily understood by considering the following detailed description with reference to the accompanying drawings shown as examples. Subsequently, embodiments of the semiconductor device and the epitaxial substrate according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Where possible, the same parts are denoted by the same reference numerals.
(第1の実施の形態)
図1は、第1の実施の形態に係るIII族窒化物半導体素子を示す図面である。この半導体素子はショットキダイオード11である。ショットキダイオード11は、p導電型の窒化ガリウム支持基体13と、p導電型の窒化ガリウムエピタキシャル層15と、オーミック電極17と、ショットキ電極19とを備える。窒化ガリウム支持基体13は、第1の面13aと第1の面の反対側の第2の面13bとを有しており、1×1017cm−3を超えるキャリア濃度を示す。窒化ガリウムエピタキシャル層15は、第1の面13a上に設けられている。オーミック電極17は、第2の面13b上に設けられている。ショットキ電極19は、窒化ガリウムエピタキシャル層15上に設けられている。窒化ガリウムエピタキシャル層15の厚さD1は5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下である。また、窒化ガリウムエピタキシャル層15のキャリア濃度は、1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下である。キャリア濃度が1×1014cm−3以上であれば、オン抵抗を小さくできるという利点がある。キャリア濃度が1×1017cm−3以下であれば、大きな耐圧を得られるという利点がある。
(First embodiment)
FIG. 1 is a drawing showing a group III nitride semiconductor device according to the first embodiment. This semiconductor element is a
このショットキダイオード11によれば、窒化ガリウムエピタキシャル層15の厚さが5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、且つエピタキシャル層15のキャリア濃度が1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下であるので、エピタキシャル層の厚みとキャリア濃度の適切な設計により、パンチスルーの生じない理想的なブレイクダウンを実現できる。したがって、ショットキダイオード11のブレイクダウンを高めることができる。
窒化ガリウム基板のキャリア濃度はエピタキシャル層のキャリア濃度より大きい。図1に示されるように、ショットキダイオード11では、オーミック電極17は、基板13の第2の面13bの全面上に設けられている。一方、ショットキ電極19は、エピタキシャル層の表面の一部、例えば素子のほぼ中央に円形状に形成されている。ショットキ電極19としては、例えばPt/Auを用いることができるが、この他にNiを用いてもよい。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層15はp導電型を示している。また、窒化ガリウムエピタキシャル層15は、窒化ガリウム支持基体13上に直接にホモエピタキシャル成長される。窒化ガリウム支持基体13の厚みD2は、例えば100マイクロメートル以上700マイクロメートル以下であることが好ましい。
According to the
The carrier concentration of the gallium nitride substrate is greater than the carrier concentration of the epitaxial layer. As shown in FIG. 1, in the
(実施例1)
HVPE法で作製された(0001)面GaN自立基板を準備する。以下の手順によりショットキダイオードを作製する。p導電型GaN自立基板のキャリア濃度は3×1017cm−3であり、その厚みは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5×106cm−2である。GaN自立基板上に、キャリア濃度が5×1015cm−3でありその厚みが20マイクロメートルのp導電型エピタキシャル膜をHVPE法により成長してエピタキシャル基板を作製する(以下、試料Aとして参照する)。基板の裏面にオーミック電極を形成し、エピタキシャル膜上にショットキ電極を形成する。有機洗浄した後、基板の裏面全面にオーミック電極を形成する。オーミック電極の形成では、Ni/Au(50nm/100nm)を抵抗加熱蒸着法により形成する。オーミック電極膜を形成した後に、摂氏600度で約10分間の合金化を行う。ショットキ電極は、Pt/Au(30nm/100nm)をEB蒸着法により形成する。ショットキ電極の形状は、例えば200マイクロメートル直径の円形である。オーミック電極およびショットキ電極それぞれの形成に先立って、蒸着前に、HCl水溶液(塩酸1:純水1)を用いて、エピタキシャル膜表面の処理を室温で1分間行う。
一方、別のGaN自立基板上に、キャリア濃度が5×1015cm−3でありその厚みが3マイクロメートルのエピタキシャル膜をHVPE法により成長してエピタキシャル基板を作製する(以下、試料Bとして参照する)。上記と同様にオーミック電極およびショットキ電極を形成する。
Example 1
A (0001) plane GaN free-standing substrate prepared by the HVPE method is prepared. A Schottky diode is manufactured by the following procedure. The p-conductivity-type GaN free-standing substrate has a carrier concentration of 3 × 10 17 cm −3 and a thickness of 400 micrometers. The average dislocation density in this substrate is 5 × 10 6 cm −2 . A p-conductivity type epitaxial film having a carrier concentration of 5 × 10 15 cm −3 and a thickness of 20 μm is grown on the GaN free-standing substrate by the HVPE method to produce an epitaxial substrate (hereinafter referred to as sample A). ). An ohmic electrode is formed on the back surface of the substrate, and a Schottky electrode is formed on the epitaxial film. After organic cleaning, an ohmic electrode is formed on the entire back surface of the substrate. In the formation of the ohmic electrode, Ni / Au (50 nm / 100 nm) is formed by resistance heating vapor deposition. After forming the ohmic electrode film, alloying is performed at 600 degrees Celsius for about 10 minutes. The Schottky electrode is made of Pt / Au (30 nm / 100 nm) by EB vapor deposition. The shape of the Schottky electrode is, for example, a circle having a diameter of 200 micrometers. Prior to forming each of the ohmic electrode and the Schottky electrode, the surface of the epitaxial film is treated for 1 minute at room temperature using an aqueous HCl solution (hydrochloric acid 1: pure water 1) before vapor deposition.
On the other hand, on another GaN free-standing substrate, an epitaxial film having a carrier concentration of 5 × 10 15 cm −3 and a thickness of 3 μm is grown by HVPE to produce an epitaxial substrate (hereinafter referred to as sample B) To do). An ohmic electrode and a Schottky electrode are formed in the same manner as described above.
図2は、試料Aおよび試料BのI−V特性を示す図面である。特性曲線CAが試料Aの特性を示し、特性曲線CBが試料Bの特性を示す。図3(A)は、厚いエピタキシャル膜を有するショットキダイオードの耐圧を説明するための図面であり、図3(B)は、薄いエピタキシャル膜を有するショットキダイオードの耐圧を説明するための図面である。試料Bの逆方向耐圧は、試料Aの逆方向耐圧に比べて小さい。この理由として、試料Aでは、エピタキシャル層の厚みが十分に厚いので、図3(A)に示されるように、印加電圧を大きくしていくと空乏層DepAが基板とエピタキシャル膜との界面に到達するに前に、ショットキ電極とエピタキシャル膜との界面あたりでインパクトイオン化が発生し、これによる逆方向リーク電流が流れる。このインパクトイオン化が逆方向耐圧を決定している。試料Bでは、エピタキシャル膜の厚みが十分ではないので、図3(B)に示されるように、印加電圧を大きくしていくと、ショットキ電極下エピ表面でのインパクトイオン化の発生よりも先に、空乏層DepBが基板とエピタキシャル膜との界面に到達するパンチスルーが生じてしまい、逆方向耐圧が低下する。 FIG. 2 is a drawing showing IV characteristics of Sample A and Sample B. FIG. A characteristic curve C A shows the characteristics of the sample A, and a characteristic curve C B shows the characteristics of the sample B. FIG. 3A is a drawing for explaining the breakdown voltage of a Schottky diode having a thick epitaxial film, and FIG. 3B is a drawing for explaining the breakdown voltage of a Schottky diode having a thin epitaxial film. The reverse breakdown voltage of sample B is smaller than the reverse breakdown voltage of sample A. The reason for this is that in sample A, the thickness of the epitaxial layer is sufficiently thick, and as shown in FIG. 3A, the depletion layer DepA reaches the interface between the substrate and the epitaxial film as the applied voltage is increased. Prior to this, impact ionization occurs near the interface between the Schottky electrode and the epitaxial film, and a reverse leakage current thereby flows. This impact ionization determines the reverse breakdown voltage. In sample B, since the thickness of the epitaxial film is not sufficient, as shown in FIG. 3B, when the applied voltage is increased, the impact ionization occurs on the epi-surface under the Schottky electrode. Punch-through occurs when the depletion layer DepB reaches the interface between the substrate and the epitaxial film, and the reverse breakdown voltage decreases.
(実施例2)
HVPE法で作製された(0001)面GaN自立基板を準備する。p導電型GaN自立基板のキャリア濃度は3×1017cm−3であり、その厚みは400マイクロメートルである。この基板の平均転位密度が5×105cm−2である。GaN自立基板上に、HVPE法によりキャリア濃度が5×1015cm−3でありその厚みが20マイクロメートルであるp導電型エピタキシャル膜を成長してエピタキシャル基板を作製する(試料C)。このエピタキシャル基板を用いて、実施例1と同様なプロセスを用いてショットキダイオードを作製する。
(Example 2)
A (0001) plane GaN free-standing substrate prepared by the HVPE method is prepared. The p-conductivity-type GaN free-standing substrate has a carrier concentration of 3 × 10 17 cm −3 and a thickness of 400 micrometers. The average dislocation density of this substrate is 5 × 10 5 cm −2 . A p-conductivity type epitaxial film having a carrier concentration of 5 × 10 15 cm −3 and a thickness of 20 μm is grown on the GaN free-standing substrate by HVPE method to produce an epitaxial substrate (Sample C). Using this epitaxial substrate, a Schottky diode is manufactured using the same process as in the first embodiment.
図4は、試料Aおよび試料CのI−V特性を示す図面である。特性曲線CAが試料Aの特性を示し、特性曲線CCが試料Cの特性を示す。試料AのGaN自立基板中の平均転位密度は5×106cm−2であり、一方、試料CのGaN自立基板の平均転位密度が5×105cm−2である。試料Cの逆方向耐圧は、試料Aの逆方向耐圧に比べて高い。つまり、支持基体に存在する転位は、逆方向リーク電流を増加させると考えられる。 FIG. 4 is a diagram showing the IV characteristics of Sample A and Sample C. A characteristic curve C A shows the characteristics of the sample A, and a characteristic curve C C shows the characteristics of the sample C. The average dislocation density in the GaN free-standing substrate of sample A is 5 × 10 6 cm −2 , while the average dislocation density of the GaN free-standing substrate of sample C is 5 × 10 5 cm −2 . The reverse breakdown voltage of sample C is higher than that of sample A. That is, it is considered that dislocations existing in the support base increase the reverse leakage current.
(実施例3)
HVPE法で作製された(1−100)面GaN自立基板を準備する。p導電型GaN自立基板のキャリア濃度は3×1017cm−3であり、その厚みは400マイクロメートルである。GaN自立基板上に、HVPE法によりキャリア濃度が5×1015cm−3でありその厚みが20マイクロメートルであるp導電型エピタキシャル膜を成長してエピタキシャル基板を作製する(以下、試料Dとして参照する)。このエピタキシャル基板を用いて、実施例1と同様なプロセスを用いてショットキダイオードを作製する。
(Example 3)
A (1-100) plane GaN free-standing substrate prepared by the HVPE method is prepared. The p-conductivity-type GaN free-standing substrate has a carrier concentration of 3 × 10 17 cm −3 and a thickness of 400 micrometers. A p-conductivity type epitaxial film having a carrier concentration of 5 × 10 15 cm −3 and a thickness of 20 μm is grown on a GaN free-standing substrate by HVPE to produce an epitaxial substrate (hereinafter referred to as sample D) To do). Using this epitaxial substrate, a Schottky diode is manufactured using the same process as in the first embodiment.
図5は、試料Aおよび試料DのI−V特性を示す図面である。図5では、特性曲線CAが試料Aの特性を示し、特性曲線CDが試料Dの特性を示す。試料AのGaN自立基板は(0001)面を有しており、一方、試料DのGaN自立基板は(1−100)面を有しているので、試料Cの逆方向耐圧は、試料Aの逆方向耐圧に比べて向上している。つまり、(1−100)面上窒化ガリウム膜をエピタキシャル成長すると、[0001]方向の貫通転位が発生しない。これ故に、このショットキダイオードではリークが極めて少ない。 FIG. 5 is a drawing showing the IV characteristics of Sample A and Sample D. In Figure 5, the characteristic curve C A indicates the characteristics of the sample A, the characteristic curve C D indicates the characteristics of the sample D. The GaN free-standing substrate of sample A has a (0001) plane, while the GaN free-standing substrate of sample D has a (1-100) plane, so that the reverse breakdown voltage of sample C is Compared to reverse breakdown voltage. That is, when the gallium nitride film on the (1-100) plane is epitaxially grown, threading dislocations in the [0001] direction do not occur. Therefore, this Schottky diode has very little leakage.
(実施例4)
HVPE法で作製された(0001)面GaN自立基板を準備する。p導電型GaN自立基板のキャリア濃度は3×1017cm−3であり、その厚みは400マイクロメートルである。GaN自立基板上に、HVPE法によりキャリア濃度が1×1017cm−3であり、その厚みが10、5、3マイクロメートルであるp導電型エピタキシャル膜をそれぞれ成長してエピタキシャル基板を作製する(試料E、F、Gとして参照する)。これらのエピタキシャル基板を用いて、実施例1と同様なプロセスを用いてショットキダイオードを作製する。
Example 4
A (0001) plane GaN free-standing substrate prepared by the HVPE method is prepared. The p-conductivity-type GaN free-standing substrate has a carrier concentration of 3 × 10 17 cm −3 and a thickness of 400 micrometers. On the GaN free-standing substrate, a p-conductivity type epitaxial film having a carrier concentration of 1 × 10 17 cm −3 and a thickness of 10, 5 , and 3 micrometers is grown by HVPE to produce an epitaxial substrate ( Referenced as samples E, F, G). Using these epitaxial substrates, a Schottky diode is manufactured using the same process as in the first embodiment.
図6は、上記の試料E、F、GのI−V特性を示す図面である。図6では、特性曲線CE、CF、CGが試料E、F、Gの特性をそれぞれ示す。試料EおよびFでは、ほぼ同じ逆方向耐圧を示しているが、試料Gの逆方向耐圧は、試料EおよびFの逆方向耐圧に比べて小さい。試料Gでは、印加電圧を大きくしたときエピタキシャル膜内の空乏層が基板とエピタキシャル膜との界面に到達するパンチスルーが生じるので、逆方向耐圧が低下すると考えられる。従って、少なくとも5マイクロメートルのエピタキシャル膜の厚さは必要である。 FIG. 6 is a drawing showing the IV characteristics of the samples E, F, and G described above. 6 shows characteristic curves C E, C F, C G is the sample E, F, G of the characteristics, respectively. Samples E and F show substantially the same reverse breakdown voltage, but the reverse breakdown voltage of sample G is smaller than that of samples E and F. In the sample G, when the applied voltage is increased, punch-through occurs in which the depletion layer in the epitaxial film reaches the interface between the substrate and the epitaxial film. Therefore, it is considered that the reverse breakdown voltage decreases. Therefore, an epitaxial film thickness of at least 5 micrometers is necessary.
ショットキダイオードといった電力変換デバイスのドリフト層(p−層)では、耐圧向上のためにキャリア濃度は1×1017cm−3以下であることが望ましい。パンチスルーを生じさせないために、キャリア濃度に応じたエピタキシャル厚の適切な設計が重要である。キャリア濃度が1×1017cm−3では、エピタキシャル膜の厚さが5マイクロメートル以上であると、高耐圧のためにエピタキシャル膜の厚みは十分である。 In the drift layer (p− layer) of a power conversion device such as a Schottky diode, the carrier concentration is desirably 1 × 10 17 cm −3 or less in order to improve the breakdown voltage. In order not to cause punch-through, it is important to appropriately design the epitaxial thickness according to the carrier concentration. When the carrier concentration is 1 × 10 17 cm −3 , if the epitaxial film thickness is 5 micrometers or more, the epitaxial film thickness is sufficient for high breakdown voltage.
(第2の実施の形態)
図7は、第2の実施の形態に係るIII族窒化物半導体層を含む半導体素子を示す図面である。半導体素子はpn接合ダイオード31である。pn接合ダイオード31は、p導電型の窒化ガリウム支持基体33と、p導電型の第1の窒化ガリウムエピタキシャル層35と、第1のオーミック電極37と、n導電型の第2の窒化ガリウムエピタキシャル膜39と、第2のオーミック電極41とを備える。窒化ガリウム支持基体33は、第1の面33aと第1の面33aの反対側の第2の面33bとを有しており1×1017cm−3を超えるキャリア濃度を示す。第1の窒化ガリウムエピタキシャル層35の厚さは、5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、第1の窒化ガリウムエピタキシャル層35のキャリア濃度は、1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下である。第1の窒化ガリウムエピタキシャル層35は、第1の面33a上に設けられている。第1のオーミック電極(例えば、アノード電極)37は、第2の面33b上に設けられている。第2の窒化ガリウムエピタキシャル膜39は、第1の窒化ガリウムエピタキシャル層35上に設けられており、またn型ドーパントを含む。第2のオーミック電極(例えば、カソード電極)41は、第2の窒化ガリウムエピタキシャル膜39に設けられている。
(Second Embodiment)
FIG. 7 is a drawing showing a semiconductor device including a group III nitride semiconductor layer according to the second embodiment. The semiconductor element is a
このpn接合ダイオード31によれば、第1の窒化ガリウムエピタキシャル層35の厚さが5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、且つ第1の窒化ガリウムエピタキシャル層35のキャリア濃度が1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下であるので、エピタキシャル層の厚みとキャリア濃度の適切な設計により、パンチスルーの生じない理想的なブレイクダウンを実現できる。
According to this
窒化ガリウム支持基体33および第1の窒化ガリウムエピタキシャル層35はp導電型を示し、第2の窒化ガリウムエピタキシャル層39はn導電型を示す。GaN自立基板33のキャリア濃度はエピタキシャル層35のキャリア濃度より大きい。第1の窒化ガリウムエピタキシャル層35のキャリアの濃度は、第2の窒化ガリウムエピタキシャル膜39のキャリアの濃度より小さい。これ故に、空乏層は主に第1の窒化ガリウムエピタキシャル層35に伸びる。エピタキシャル層35の厚さおよびキャリア濃度として、第1の実施の形態に係るショットキダイオード11と同様の厚さおよびキャリア濃度を用いることができる。窒化ガリウムエピタキシャル層39のキャリア濃度は、1×1017cm−3以上であることが好ましい。
The gallium
pn接合ダイオード31では、オーミック(アノード)電極37は、基板33の第2の面33bの全面上に設けられている。カソード電極の材料としては、例えばNi/Au(50nm/100nm)を用いることができ、またカソード電極の材料としては、例えばTi/Al/Ti/Au(20nm/100nm/20nm/300nm)を用いることができる。第1の窒化ガリウムエピタキシャル層35は窒化ガリウム支持基体33上に直接にホモエピタキシャル成長され、第2の窒化ガリウムエピタキシャル層39は第1の窒化ガリウムエピタキシャル層35上に直接にホモエピタキシャル成長される。第1の窒化ガリウムエピタキシャル層35の厚さは第2の窒化ガリウムエピタキシャル層39の厚さより大きいことが好ましい。第2の窒化ガリウムエピタキシャル層の厚みD3は、例えば0.1マイクロメートル以上10マイクロメートル以下であることが好ましい。
In the
(実施例5)
HVPE法で作製された(0001)面GaN自立基板を準備する。GaN自立基板のキャリア濃度は3×1018cm−3であり、その厚みは400マイクロメートルである。この基板の転位密度は5x105cm−3である。GaN自立基板上に、HVPE法によりキャリア濃度が5x1015cm−3でありその厚みが20マイクロメートルであるp型エピタキシャル膜を成長してエピタキシャル基板を作製する。さらに連続して有機金属気相成長法によりn型GaN層を形成し、PN接合を含むエピタキシャル基板を作製する。ドーパントとしてSiを5×1018cm−3ドーピングし、厚みは1マイクロメートルである。n型オーミック電極は、n型層の表面をメサ型に約2マイクロメートルの深さに、Cl2系RIEでドライエッチを行ったあと、メサ上にTi/Al/Ti/Au(20nm/100nm/20nm/300nm)をEB真空蒸着し、600℃、窒素中で熱処理することにより形成する。n型電極形状は、例えば200マイクロメータ直径の円形である。p型オーミック電極は、基板の裏面全面に、Ni/Au(50nm/100nm)抵抗加熱真空蒸着したあと、1分間窒素中で700℃の熱処理することにより形成する(試料H)。試料HのI−V特性を図8に示す。同構造のショットキダイオードである試料Cと同様な逆方向耐圧が得られることを示している。
(Example 5)
A (0001) plane GaN free-standing substrate prepared by the HVPE method is prepared. The carrier concentration of the GaN free-standing substrate is 3 × 10 18 cm −3 and the thickness is 400 micrometers. The dislocation density of this substrate is 5 × 10 5 cm −3 . A p-type epitaxial film having a carrier concentration of 5 × 10 15 cm −3 and a thickness of 20 μm is grown on the GaN free-standing substrate by the HVPE method to produce an epitaxial substrate. Further, an n-type GaN layer is continuously formed by metal organic vapor phase epitaxy to produce an epitaxial substrate including a PN junction. Si is doped with 5 × 10 18 cm −3 as a dopant, and the thickness is 1 micrometer. The n-type ohmic electrode is a mesa-type surface with a depth of about 2 micrometers, dry-etched with Cl 2 RIE, and then Ti / Al / Ti / Au (20 nm / 100 nm on the mesa). / 20nm / 300nm) is formed by EB vacuum deposition and heat treatment in nitrogen at 600 ° C. The n-type electrode shape is, for example, a circle having a diameter of 200 micrometers. The p-type ohmic electrode is formed by performing Ni / Au (50 nm / 100 nm) resistance heating vacuum deposition on the entire back surface of the substrate, followed by heat treatment at 700 ° C. in nitrogen for 1 minute (sample H). The IV characteristics of sample H are shown in FIG. This shows that a reverse breakdown voltage similar to that of sample C, which is a Schottky diode having the same structure, can be obtained.
(第3の実施の形態)
図9(A)は第3の実施の形態に係るトランジスタを示す図面であり、図9(B)は図9(A)に示されたII−II線に沿ってとられた断面を示す図面である。III族窒化物半導体MIS型電界効果トランジスタ51は、窒化ガリウム支持基体53と、窒化ガリウムエピタキシャル層55と、n型半導体領域57と、p型半導体領域59と、ソース電極61と、ドレイン電極63と、ゲート電極65とを備える。p導電型の窒化ガリウム支持基体53は、第1の面53aと第1の面53aの反対側の第2の面53bとを有しており、また1×1017cm−3を超えるキャリア濃度を有する。p導電型の窒化ガリウムエピタキシャル層55は第1の面53a上に設けられている。n型半導体領域57は窒化ガリウムエピタキシャル層55に設けられている。p型半導体領域59は、n型半導体領域内57に設けられている。ソース電極61は高ドープのp型半導体領域59上に設けられている。ドレイン電極63は第2の面53b上に設けられている。ゲート電極65は、窒化ガリウムエピタキシャル層55上に形成された絶縁層67上に設けられている。ゲート電極65の下には、n型半導体領域57の延長部57bが設けられている。絶縁層の材料としては、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。窒化ガリウムエピタキシャル層55の厚さは、5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、また窒化ガリウムエピタキシャル層55のキャリア濃度は1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下である。
(Third embodiment)
FIG. 9A is a drawing showing a transistor according to the third embodiment, and FIG. 9B is a drawing showing a cross section taken along the line II-II shown in FIG. 9A. It is. The group III nitride semiconductor MIS
このトランジスタ51は、p型半導体領域59上に設けられたソース電極61および基板の第2の面上53bに設けられたドレイン電極63の一方から他方へと電流が流れる縦型構造を有する。窒化ガリウムエピタキシャル層55の厚さが5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、且つ窒化ガリウムエピタキシャル層55のキャリア濃度が1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下であるので、エピタキシャル層の厚みとキャリア濃度の適切な設計により、パンチスルーの生じない理想的なブレイクダウンを実現できる。
The
イオン注入でn型半導体領域を形成すれば、選択した領域にn導電型半導体を有するプレナー構造の半導体素子を形成できるという利点がある。n型ドーパントとしては、例えば、シリコン等を使用できる。また、イオン注入でp型半導体領域を形成すれば、選択した領域にp導電型半導体を有するプレナー構造の半導体素子を形成できるという利点がある。p型ドーパントとしては、例えば、マグネシウム等を使用できる。n型半導体領域57は、p型半導体領域59をp型エピタキシャル層55から電気的に分離している。n型半導体領域57は、ゲート電極下絶縁膜の下に設けられた延長部57bを有する。ゲート電極65に電圧を印加すると、絶縁膜とのn型領域57bの界面にp型反転層が形成されて、p型半導体領域59からキャリアが反転層を通してp型エピタキシャル層55に流れる。n型半導体領域57の深さは0.1マイクロメートル以上3マイクロメートル以下であることが好ましい。n型半導体領域57表面部分のキャリア濃度は1×1017cm−3以上であることが好ましい。p型半導体領域59の深さは0.05マイクロメートル以上2マイクロメートル以下であることが好ましい。p型半導体領域59のキャリア濃度は5×1017cm−3以上であることが好ましい。図9(A)に示されるように、ゲート電極65の分枝65aの各々は、ソース電極61の分枝61aの間に位置している。各電極61、65のコーナーは、ブレイクダウンを防ぐために丸められている。
If an n-type semiconductor region is formed by ion implantation, there is an advantage that a planar semiconductor device having an n-conductivity type semiconductor in a selected region can be formed. For example, silicon or the like can be used as the n-type dopant. Further, if a p-type semiconductor region is formed by ion implantation, there is an advantage that a planar semiconductor element having a p-conductivity type semiconductor in a selected region can be formed. As the p-type dopant, for example, magnesium or the like can be used. The n-
(第4の実施の形態)
図10は第4の実施の形態に係るトランジスタを示す図面である。III族窒化物半導体の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)71aは、p導電型の窒化ガリウム支持基体53と、n導電型の窒化ガリウムエピタキシャル層73と、p型半導体領域75と、n型半導体領域77と、エミッタ電極72と、コレクタ電極74と、ゲート電極65とを備える。窒化ガリウム支持基体53は、第1の面53aと第1の面53aの反対側の第2の面53bとを有しており、また1×1017cm−3を超えるキャリア濃度を有する。窒化ガリウムエピタキシャル層73は第1の面53a上に設けられている。p型半導体領域75はn導電型の窒化ガリウムエピタキシャル層73に設けられている。n型半導体領域77は、p型半導体領域内75に設けられている。エミッタ電極72は高ドープのn型半導体領域77上に設けられている。コレクタ電極74は第2の面53b上に設けられている。ゲート電極65は、窒化ガリウムエピタキシャル層73上に形成された絶縁層67上に設けられている。ゲート電極65の下には、p型半導体領域75の延長部75bが設けられている。絶縁層の材料としては、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。窒化ガリウムエピタキシャル層73の厚さは、5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、また窒化ガリウムエピタキシャル層73のキャリア濃度は1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下である。ゲート電極65の分枝の各々は、エミッタ電極72の分枝の間に位置している。各電極72、74のコーナーは、ブレイクダウンを防ぐために丸められていることが好ましい。
(Fourth embodiment)
FIG. 10 shows a transistor according to the fourth embodiment. A group III nitride semiconductor insulated gate bipolar transistor (IGBT) 71a includes a p-conductivity-type gallium
このトランジスタ71aは、n型半導体領域77上に設けられたエミッタ電極72から、基板の第2の面上53bに設けられたコレクタ電極74へ電流が流れる縦型構造を有する。窒化ガリウムエピタキシャル層73の厚さが5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、且つ窒化ガリウムエピタキシャル層73のキャリア濃度が1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下であるので、エピタキシャル層の厚みとキャリア濃度の適切な設計により、パンチスルーの生じない理想的なブレイクダウンを実現できる。
イオン注入でp型半導体領域を形成すれば、選択した領域にp型半導体を有するプレナー構造のIGBTを形成できるという利点がある。p型ドーパントとしては、例えば、マグネシウム等を使用できる。また、イオン注入でn型半導体領域を形成すれば、選択した領域にn型半導体を有するプレナー構造の半導体素子を形成できるという利点がある。n型ドーパントとしては、例えば、シリコン等を使用できる。p型半導体領域75は、n型半導体領域77をn型のエピタキシャル層73から電気的に分離している。p型半導体領域75は、ゲート電極下絶縁膜の下に設けられた延長部75bを有する。ゲート電極65に電圧を印加すると、絶縁膜とのp型領域75bの界面にn型反転層が形成されて、n型半導体領域77からキャリアが反転層を通してエピタキシャル層73に流れる。p型半導体領域75の深さは0.1マイクロメートル以上3マイクロメートル以下であることが好ましい。p型半導体領域75表面部分のキャリア濃度は1×1017cm−3以上であることが好ましい。n型半導体領域77の深さは0.05マイクロメートル以上2マイクロメートル以下であることが好ましい。n型半導体領域77のキャリア濃度は5×1017cm−3以上であることが好ましい。
If a p-type semiconductor region is formed by ion implantation, there is an advantage that a planar IGBT having a p-type semiconductor in a selected region can be formed. As the p-type dopant, for example, magnesium or the like can be used. Further, if an n-type semiconductor region is formed by ion implantation, there is an advantage that a planar-structure semiconductor element having an n-type semiconductor in a selected region can be formed. For example, silicon or the like can be used as the n-type dopant. The p-
(第5の実施の形態)
図11は第5の実施の形態に係るトランジスタを示す図面である。III族窒化物半導体の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)71bは、p導電型の窒化ガリウム支持基体53と、p導電型の窒化ガリウムエピタキシャル層52と、n導電型の窒化ガリウムエピタキシャル層73と、p型半導体領域75と、n型半導体領域77と、エミッタ電極72と、コレクタ電極74と、ゲート電極65とを備える。窒化ガリウム支持基体53は、第1の面53aと第1の面53aの反対側の第2の面53bとを有しており、また1×1017cm−3を超えるキャリア濃度を有する。窒化ガリウムエピタキシャル層73は第1の面53a上に設けられている。p型半導体領域75はn導電型の窒化ガリウムエピタキシャル層73に設けられている。n型半導体領域77は、p型半導体領域内75に設けられている。エミッタ電極72は高ドープのn型半導体領域77上に設けられている。コレクタ電極74は第2の面53b上に設けられている。ゲート電極65は、窒化ガリウムエピタキシャル層73上に形成された絶縁層67上に設けられている。ゲート電極65の下には、p型半導体領域75の延長部75bが設けられている。絶縁層の材料としては、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。窒化ガリウムエピタキシャル層73の厚さは、5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、また窒化ガリウムエピタキシャル層73のキャリア濃度は1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下である。ゲート電極65の分枝の各々は、エミッタ電極72の分枝の間に位置している。各電極72、74のコーナーは、ブレイクダウンを防ぐために丸められていることが好ましい。このトランジスタ71bは、p導電型の窒化ガリウムエピタキシャル層52と、n導電型の窒化ガリウムエピタキシャル層73のpn接合がエピタキシャル成長で作製されるので、急峻な接合面を得ることが可能であり、トランジスタの高耐圧化が可能である。
(Fifth embodiment)
FIG. 11 shows a transistor according to the fifth embodiment. A group III nitride semiconductor insulated gate bipolar transistor (IGBT) 71b includes a p-conductivity-type gallium
第1から第5の実施の形態に係る半導体素子11、31、51、71a、71bでは、窒化ガリウム支持基体の第1の面の面方位が(0001)面であることが好ましい。これによって、低転位なGaN基板が提供される。また、半導体素子11、31、51、71a、71bでは、窒化ガリウム支持基体の第1の面の面方位は、(1−100)面または(11−20)面であることが好ましく、バラツキを考慮すると、これらの結晶面いずれかの面からプラス5度以下マイナス5度以上の範囲であることが好ましい。半導体素子11、31、51、71a、71bによれば、エピタキシャル層中の転位が減少し、逆方向リーク電流が減少しまた逆方向の耐圧が向上する。さらに、半導体素子11、31、51、71a、71bでは、窒化ガリウム支持基体の第1の面の転位密度が1×108cm−2以下であることが好ましい。この半導体素子11、31、51、71a、71bによれば、転位密度が小さいので、エピタキシャル層中の転位が減少する。これ故に、逆方向リーク電流が減少しまた逆方向の耐圧が向上する。さらにまた、半導体素子11、31、51、71a、71bでは、窒化ガリウム支持基体の前記第1の面は、転位密度が1×108cm−2以下である第1のエリアと、第1のエリアの転位密度より小さな転位密度を有する第2のエリアとを含むことが好ましい。この半導体素子11、31、51、71a、71bによれば、転位密度がより小さいエリア上に半導体素子を形成すれば、エピタキシャル層中の転位が更に減少する。これ故に、逆方向リーク電流が更に減少しまた逆方向の耐圧が向上する。
In the
(第6の実施の形態)
図12(A)〜図12(C)は、第6の実施の形態に係るエピタキシャル基板の作製を示す図面である。図12(A)に示されるように、p導電性の窒化ガリウム自立基板83を準備する。窒化ガリウム自立基板83は1×1017cm−3を超えるキャリア濃度を有する。図12(B)に示されるように、p導電性のエピタキシャル膜85は、窒化ガリウム自立基板83の第1の面83a上に堆積される。窒化ガリウムエピタキシャル膜85の厚さは、5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下である。窒化ガリウムエピタキシャル膜85のキャリア濃度は、1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下である。これによって、エピタキシャル基板81が得られる。この基板を利用して、第1、第3の実施の形態に示された半導体素子を作製できる。窒化ガリウムエピタキシャル膜85は、HVPE法で成長されることが好ましい。
(Sixth embodiment)
FIG. 12A to FIG. 12C are drawings showing the fabrication of an epitaxial substrate according to the sixth embodiment. As shown in FIG. 12A, a p-conductive gallium nitride free-standing
図12(C)に示されるように、このエピタキシャル基板81のエピタキシャル膜85の表面にショットキ電極膜87を堆積すると共に、基板83の第2の面83b上にオーミック電極膜89を堆積する。窒化ガリウムエピタキシャル膜85の厚さが5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、且つ窒化ガリウムエピタキシャル膜85のキャリア濃度が1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下であるので、エピタキシャル層の厚みとキャリア濃度の適切な設計により、ショットキ電極膜87とオーミック電極膜89との間に電圧を印加すると、パンチスルーの生じない、理想的なブレイクダウンを実現できる。したがって、耐圧が向上された半導体素子のためのエピタキシャル基板が提供される。
As shown in FIG. 12C, a
このエピタキシャル基板81には、窒化ガリウムエピタキシャル膜85にn型半導体領域を形成すると共に、このn型半導体領域内にp型半導体領域を形成するようにしてもよい。この結果、耐圧が向上されたMIS型トランジスタのためのエピタキシャル基板が提供される。
In the
また、MIS型トランジスタのためエピタキシャル基板81に替えて、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)のためのエピタキシャル基板を以下のように作製することができる。まず、n導電型の窒化ガリウムエピタキシャル膜をp導電型窒化ガリウム自立基板83上に形成する。n導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜にp型半導体領域を形成すると共に、このp型半導体領域内にn型半導体領域を形成するようにしてもよい。また、p型窒化ガリウム自立基板83上にp導電型の窒化ガリウム層を形成し、さらにその上にn導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜を形成し、n導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜内にp型半導体領域を形成し、このp型半導体領域にn型半導体領域を形成するようにしてもよい。この結果、耐圧が向上されたIGBTのためのエピタキシャル基板が提供される。
Further, instead of the
図12(D)〜図12(G)は、エピタキシャル基板の作製を示す図面である。図12(D)および図12(E)に示されるように、エピタキシャル基板81を作製する。図12(F)に示されるように、エピタキシャル基板81上にn型窒化ガリウムエピタキシャル膜93を堆積して、エピタキシャル基板91を作製する。窒化ガリウムエピタキシャル膜93は、有機金属気相成長法で成長されることが好ましい。n型の窒化ガリウムエピタキシャル膜93のキャリア濃度はp型の窒化ガリウムエピタキシャル膜85のキャリア濃度よりも大きいので、空乏層は、主にp型の窒化ガリウムエピタキシャル膜85に形成される。
FIG. 12D to FIG. 12G are drawings showing the fabrication of an epitaxial substrate. As shown in FIGS. 12D and 12E, an
図12(G)に示されるように、このエピタキシャル基板91のエピタキシャル膜93上にオーミック電極膜95を堆積すると共に、基板83の第2の面83b上にオーミック電極膜97を堆積する。窒化ガリウムエピタキシャル膜85の厚さが5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、且つ窒化ガリウムエピタキシャル膜85のキャリア濃度が1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下であるので、エピタキシャル層の厚みとキャリア濃度の適切な設計により、オーミック電極膜95とオーミック電極膜97との間に電圧を印加すると、パンチスルーの生じない、理想的なブレイクダウンを実現できる。したがって、耐圧が向上された半導体素子のためのエピタキシャル基板91が提供される。
As shown in FIG. 12G, an
上記のエピタキシャル基板81、91では、エピタキシャル膜85をHVPE法で成長すれば、1000マイクロメートル程度までの厚膜のエピタキシャル膜を実用的な時間内で成長できる。一方、エピタキシャル基板91では、エピタキシャル膜93を有機金属気相成長法により形成すれば、高品質なエピタキシャル膜を形成できる。また、エピタキシャル基板81、91では、窒化ガリウム自立基板83の第1の面83aの面方位が(0001)面(結晶学的に等価な面を含む)であることが好ましい。このエピタキシャル基板によれば、低転位なGaN自立基板が提供される。さらに、エピタキシャル基板81、91では、窒化ガリウム自立基板83の第1の面83aの面方位が(1−100)面(結晶学的に等価な面を含む)および(11−20)面(結晶学的に等価な面を含む)の一方の面からプラス5度以下マイナス5度以上の範囲であることが好ましい。このエピタキシャル基板81、91によれば、エピタキシャル層中の転位が減少し、逆方向びリーク電流が減少しまた逆方向の耐圧が向上する。
In the above
図13(A)は、GaN自立基板における高転位領域および低転位領域の一配置を示す図面であり、図13(B)は、GaN自立基板における高転位領域および低転位領域の別の配置を示す図面である。エピタキシャル基板81、91のための窒化ガリウム自立基板82の第1の面82aは、比較的大きい貫通転位密度を有する高転位領域82cが現れた第1のエリアと、比較的小さい貫通転位密度を有する低転位領域82dが現れた第2のエリアとを有する。高転位領域82cは低転位領域82dに囲まれており、第1の面82aにおいて、第1のエリアは、第2のエリア内にドット状にランダムに分布している。全体として貫通転位密度は、例えば1×108cm−2以下である。このエピタキシャル基板81、91によれば、転位密度が小さいので、エピタキシャル層中の転位が減少する。これ故に、逆方向リーク電流が減少しまた逆方向の耐圧が向上する。
FIG. 13A is a drawing showing one arrangement of a high dislocation region and a low dislocation region in a GaN free-standing substrate, and FIG. 13B shows another arrangement of a high dislocation region and a low dislocation region in a GaN free-standing substrate. FIG. The
また、図13(B)窒化ガリウム自立基板84の第1の面84aは、比較的大きい貫通転位密度を有する高転位領域84cが現れた第1のエリアと、比較的小さい貫通転位密度を有する低転位領域84dが現れた第2のエリアとを有する。低転位領域84dは高転位領域84cに沿って伸びている。これ故に、第1の面84aにおいて、第1のエリア(ストライプ領域)および第2のエリア(ストライプ領域)は交互に配列されている。一の低転位領域84dは高転位領域84cによって他の低転位領域84dから分離されている。低転位領域の貫通転位密度が1×108cm−2以下であり、第2のエリアの貫通電位密度は第1のエリアの転位密度より大きく、例えば1×108cm−2以上である。転位密度がより小さいエリア上に半導体素子を形成すれば、エピタキシャル膜中の転位が更に減少する。これ故に、逆方向リーク電流が更に減少しまた逆方向の耐圧が向上する。
In addition, the
窒化ガリウム半導体を用いる高耐圧半導体素子は、シリコン半導体を用いる半導体素子に比べて、逆方向耐圧を高くでき、また順方向のオン抵抗も小さい。
また、p型GaN基板を用いる絶縁ゲートバイポーラトランジスタと同一の基板上にショットキダイオードおよび/またはPNダイオードを集積する場合、ショットキダイオードおよび/またはPNダイオードの構造を簡素にすることができる。
A high breakdown voltage semiconductor element using a gallium nitride semiconductor can have a higher reverse breakdown voltage and a lower forward on-resistance than a semiconductor element using a silicon semiconductor.
Further, when the Schottky diode and / or the PN diode are integrated on the same substrate as the insulated gate bipolar transistor using the p-type GaN substrate, the structure of the Schottky diode and / or the PN diode can be simplified.
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。例えば、ノーマルオフタイプの電界効果トランジスタを説明したが、これに限定されるものではない。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。 While the principles of the invention have been illustrated and described in the preferred embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that the invention can be modified in arrangement and detail without departing from such principles. The present invention is not limited to the specific configuration disclosed in the present embodiment. For example, although a normal-off type field effect transistor has been described, the present invention is not limited to this. We therefore claim all modifications and changes that come within the scope and spirit of the following claims.
11…ショットキダイオード、13…窒化ガリウム支持基体、15…窒化ガリウムエピタキシャル層、17…オーミック電極、19…ショットキ電極、31…pn接合ダイオード、33…窒化ガリウム支持基体、35…第1の窒化ガリウムエピタキシャル層、37…第1のオーミック電極、39…第2の窒化ガリウムエピタキシャル膜、41…第2のオーミック電極、51…III族窒化物半導体MIS型電界効果トランジスタ、52…p導電型の窒化ガリウムエピタキシャル層、53…窒化ガリウム支持基体、55…窒化ガリウムエピタキシャル層、57…n型半導体領域、59…p型半導体領域、61…ソース電極、63…ドレイン電極、65…ゲート電極、71a、71b…III族窒化物半導体IGBT、72…エミッタ電極、73…窒化ガリウムエピタキシャル層、74…コレクタ電極、75…p型半導体領域、77…n型半導体領域、81…エピタキシャル基板、82…窒化ガリウム自立基板、83…III族窒化物自立基板、84…窒化ガリウム自立基板、85…エピタキシャル膜、87…ショットキ電極膜、89…オーミック電極膜、91…エピタキシャル基板、93…窒化ガリウムエピタキシャル膜、95…オーミック電極膜、97…オーミック電極膜
DESCRIPTION OF
Claims (25)
前記第1の面上に設けられた第1のIII族窒化物エピタキシャル膜と
を備え、
前記第1のIII族窒化物エピタキシャル膜の厚さは、5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、
前記第1のIII族窒化物エピタキシャル膜のキャリア濃度は、1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下である、エピタキシャル基板。 P-type Al x Ga 1-x N (0 ≦ 1) having a carrier concentration exceeding 1 × 10 17 cm −3 and having a first surface and a second surface opposite to the first surface. a group III nitride free-standing substrate comprising x ≦ 1);
A first group III nitride epitaxial film provided on the first surface;
The thickness of the first group III nitride epitaxial film is not less than 5 micrometers and not more than 1000 micrometers,
The epitaxial substrate in which the carrier concentration of the first group III nitride epitaxial film is 1 × 10 14 cm −3 or more and 1 × 10 17 cm −3 or less.
前記n型半導体領域内に設けられたp型半導体領域と
を備え、
前記第1のIII族窒化物エピタキシャル膜はp導電型を有することを特徴とする請求項1に記載されたエピタキシャル基板。 An n-type semiconductor region provided in the first group III nitride epitaxial film;
A p-type semiconductor region provided in the n-type semiconductor region,
2. The epitaxial substrate according to claim 1, wherein the first group III nitride epitaxial film has a p conductivity type.
前記p型半導体領域内に設けられたn型半導体領域と
を備え、
前記第1のIII族窒化物エピタキシャル膜はn導電型を有することを特徴とする請求項1に記載されたエピタキシャル基板。 A p-type semiconductor region provided in the first group III nitride epitaxial film;
An n-type semiconductor region provided in the p-type semiconductor region,
2. The epitaxial substrate according to claim 1, wherein the first group III nitride epitaxial film has an n conductivity type.
前記第1の面上に設けられた第1のIII族窒化物エピタキシャル膜と、
前記第1のIII族窒化物エピタキシャル膜上に設けられた第2のIII族窒化物エピタキシャル膜と、
前記第2のIII族窒化物エピタキシャル膜内に設けられたp型半導体領域と、
前記p型半導体領域内に設けられたn型半導体領域と
を備え、
前記第1のIII族窒化物エピタキシャル膜はp導電型を有し、
前記第2のIII族窒化物エピタキシャル膜はn導電型を有し、
前記第2のIII族窒化物エピタキシャル膜の厚さは、5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、
前記第2のIII族窒化物エピタキシャル膜のキャリア濃度は、1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下である、ことを特徴とする請求項1に記載されたエピタキシャル基板。 P-type Al x Ga 1-x N (0 ≦ 1) having a carrier concentration exceeding 1 × 10 17 cm −3 and having a first surface and a second surface opposite to the first surface. a group III nitride free-standing substrate comprising x ≦ 1);
A first group III nitride epitaxial film provided on the first surface;
A second group III nitride epitaxial film provided on the first group III nitride epitaxial film;
A p-type semiconductor region provided in the second group III nitride epitaxial film;
An n-type semiconductor region provided in the p-type semiconductor region,
The first group III nitride epitaxial film has p conductivity type,
The second group III nitride epitaxial film has an n conductivity type,
The thickness of the second group III nitride epitaxial film is not less than 5 micrometers and not more than 1000 micrometers,
2. The epitaxial substrate according to claim 1, wherein a carrier concentration of the second group III nitride epitaxial film is 1 × 10 14 cm −3 or more and 1 × 10 17 cm −3 or less.
1×1017cm−3を超えるキャリア濃度を有しており第1の面と前記第1の面の反対側の第2の面とを持つp型のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなるIII族窒化物支持基体と、
前記第1の面上に設けられた第1のIII族窒化物エピタキシャル層と、
前記第2の面上に設けられたオーミック電極と、
前記第1のIII族窒化物エピタキシャル層に設けられたショットキ電極と
を備え、
前記第1のIII族窒化物エピタキシャル層の厚さは、5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、
前記第1のIII族窒化物エピタキシャル層のキャリア濃度は、1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下であり、
当該半導体素子はショットキダイオードであることを特徴とする半導体素子。 A semiconductor device including a group III nitride semiconductor layer,
P-type Al x Ga 1-x N (0 ≦ 1) having a carrier concentration exceeding 1 × 10 17 cm −3 and having a first surface and a second surface opposite to the first surface. a group III nitride support substrate consisting of x ≦ 1);
A first group III nitride epitaxial layer provided on the first surface;
An ohmic electrode provided on the second surface;
A Schottky electrode provided on the first group III nitride epitaxial layer,
The thickness of the first group III nitride epitaxial layer is not less than 5 micrometers and not more than 1000 micrometers,
The carrier concentration of the first group III nitride epitaxial layer is 1 × 10 14 cm −3 or more and 1 × 10 17 cm −3 or less,
The semiconductor element is a Schottky diode.
1×1017cm−3を超えるキャリア濃度を有しており第1の面と前記第1の面の反対側の第2の面とを持つp型のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなるIII族窒化物支持基体と、
前記第1の面上に設けられた第1のIII族窒化物エピタキシャル層と、
前記第2の面上に設けられたオーミック電極と、
前記第1のIII族窒化物エピタキシャル層上に設けられておりn型ドーパントを含む第2のIII族窒化物エピタキシャル層と、
前記第2のIII族窒化物エピタキシャル層上に設けられたオーミック電極と
を備え、
前記第1のIII族窒化物エピタキシャル層の厚さは、5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、
前記第1のIII族窒化物エピタキシャル層のキャリア濃度は、1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下であり、
当該半導体素子はpn接合ダイオードである、ことを特徴とする半導体素子。 A semiconductor device including a group III nitride semiconductor layer,
P-type Al x Ga 1-x N (0 ≦ 1) having a carrier concentration exceeding 1 × 10 17 cm −3 and having a first surface and a second surface opposite to the first surface. a group III nitride support substrate consisting of x ≦ 1);
A first group III nitride epitaxial layer provided on the first surface;
An ohmic electrode provided on the second surface;
A second Group III nitride epitaxial layer provided on the first Group III nitride epitaxial layer and comprising an n-type dopant;
An ohmic electrode provided on the second group III nitride epitaxial layer,
The thickness of the first group III nitride epitaxial layer is not less than 5 micrometers and not more than 1000 micrometers,
The carrier concentration of the first group III nitride epitaxial layer is 1 × 10 14 cm −3 or more and 1 × 10 17 cm −3 or less,
The semiconductor element is a pn junction diode.
第1の面と前記第1の面の反対側の第2の面とを有しており1×1017cm−3を超えるキャリア濃度を有するp型のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなるIII族窒化物支持基体と、
前記第1の面上に設けられた第1のIII族窒化物エピタキシャル層と、
前記第1のIII族窒化物エピタキシャル層内に設けられたn型半導体領域と、
前記n型半導体領域内に設けられたp型半導体領域と、
前記p型半導体領域上に設けられたソース電極と、
前記第2の面上に設けられたドレイン電極と、
前記第1のIII族窒化物エピタキシャル膜に設けられた絶縁層と、
前記絶縁層上に設けられたゲート電極と
を備え、
前記第1のIII族窒化物エピタキシャル層の厚さは、5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、
前記第1のIII族窒化物エピタキシャル層のキャリア濃度は、1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下であり、
当該半導体素子はMISトランジスタであることを特徴とする半導体素子。 A semiconductor device including a group III nitride semiconductor layer,
A p-type Al x Ga 1-x N (0 ≦ 0) having a first surface and a second surface opposite to the first surface and having a carrier concentration exceeding 1 × 10 17 cm −3. a group III nitride support substrate consisting of x ≦ 1);
A first group III nitride epitaxial layer provided on the first surface;
An n-type semiconductor region provided in the first group III nitride epitaxial layer;
A p-type semiconductor region provided in the n-type semiconductor region;
A source electrode provided on the p-type semiconductor region;
A drain electrode provided on the second surface;
An insulating layer provided on the first group III nitride epitaxial film;
A gate electrode provided on the insulating layer,
The thickness of the first group III nitride epitaxial layer is not less than 5 micrometers and not more than 1000 micrometers,
The carrier concentration of the first group III nitride epitaxial layer is 1 × 10 14 cm −3 or more and 1 × 10 17 cm −3 or less,
The semiconductor element is a MIS transistor.
1×1017cm−3を超えるキャリア濃度を有しており第1の面と前記第1の面の反対側の第2の面とを持つp型のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなるIII族窒化物支持基体と、
前記第1の面上に設けられn導電型を示す第1のIII族窒化物エピタキシャル層と、
前記第1のIII族窒化物エピタキシャル層内に設けられたp型半導体領域と、
前記p型半導体領域内に設けられたn型半導体領域と、
前記n型半導体領域上に設けられたエミッタ電極と、
前記第2の面上に設けられたコレクタ電極と、
前記第1のIII族窒化物エピタキシャル膜に設けられた絶縁層と、
前記絶縁層上に設けられたゲート電極と
を備え、
前記第1のIII族窒化物エピタキシャル層の厚さは、5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、
前記第1のIII族窒化物エピタキシャル層のキャリア濃度は、1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下であり、
当該半導体素子はゲート絶縁バイポーラトランジスタであることを特徴とする半導体素子。 A semiconductor device including a group III nitride semiconductor layer,
P-type Al x Ga 1-x N (0 ≦ 1) having a carrier concentration exceeding 1 × 10 17 cm −3 and having a first surface and a second surface opposite to the first surface. a group III nitride support substrate consisting of x ≦ 1);
A first group III nitride epitaxial layer provided on the first surface and exhibiting n conductivity type;
A p-type semiconductor region provided in the first group III nitride epitaxial layer;
An n-type semiconductor region provided in the p-type semiconductor region;
An emitter electrode provided on the n-type semiconductor region;
A collector electrode provided on the second surface;
An insulating layer provided on the first group III nitride epitaxial film;
A gate electrode provided on the insulating layer,
The thickness of the first group III nitride epitaxial layer is not less than 5 micrometers and not more than 1000 micrometers,
The carrier concentration of the first group III nitride epitaxial layer is 1 × 10 14 cm −3 or more and 1 × 10 17 cm −3 or less,
The semiconductor element is a gate insulating bipolar transistor.
1×1017cm−3を超えるキャリア濃度を有しており第1の面と前記第1の面の反対側の第2の面とを持つp型のAlxGa1−xN(0≦x≦1)からなるIII族窒化物支持基体と、
前記第1の面上に設けられp導電型を示す第1のIII族窒化物エピタキシャル層と、
前記第1のIII族窒化物エピタキシャル層上に設けられn導電型を示す第2のIII族窒化物エピタキシャル層と、
前記第1のIII族窒化物エピタキシャル層内に設けられたp型半導体領域と、
前記p型半導体領域内に設けられたn型半導体領域と、
前記n型半導体領域上に設けられたエミッタ電極と、
前記第2の面上に設けられたコレクタ電極と、
前記第2のIII族窒化物エピタキシャル膜に設けられた絶縁層と、
前記絶縁層上に設けられたゲート電極と
を備え、
前記第2のIII族窒化物エピタキシャル層の厚さは、5マイクロメートル以上1000マイクロメートル以下であり、
前記第2のIII族窒化物エピタキシャル層のキャリア濃度は、1×1014cm−3以上1×1017cm−3以下であり、
当該半導体素子はゲート絶縁バイポーラトランジスタであることを特徴とする半導体素子。 A semiconductor device including a group III nitride semiconductor layer,
P-type Al x Ga 1-x N (0 ≦ 1) having a carrier concentration exceeding 1 × 10 17 cm −3 and having a first surface and a second surface opposite to the first surface. a group III nitride support substrate consisting of x ≦ 1);
A first group III nitride epitaxial layer provided on the first surface and exhibiting p conductivity type;
A second group III nitride epitaxial layer provided on the first group III nitride epitaxial layer and exhibiting an n conductivity type;
A p-type semiconductor region provided in the first group III nitride epitaxial layer;
An n-type semiconductor region provided in the p-type semiconductor region;
An emitter electrode provided on the n-type semiconductor region;
A collector electrode provided on the second surface;
An insulating layer provided on the second group III nitride epitaxial film;
A gate electrode provided on the insulating layer,
The thickness of the second group III nitride epitaxial layer is not less than 5 micrometers and not more than 1000 micrometers,
The carrier concentration of the second group III nitride epitaxial layer is 1 × 10 14 cm −3 or more and 1 × 10 17 cm −3 or less,
The semiconductor element is a gate insulating bipolar transistor.
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---|---|---|---|---|
JP2008117979A (en) * | 2006-11-06 | 2008-05-22 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Schottky barrier diode |
WO2010047331A1 (en) * | 2008-10-24 | 2010-04-29 | 住友電気工業株式会社 | Iii nitride semiconductor electronic device, method for manufacturing iii nitride semiconductor electronic device, and iii nitride semiconductor epitaxial wafer |
-
2005
- 2005-01-12 JP JP2005005671A patent/JP2006196623A/en active Pending
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