JP2006279021A - 縦型窒化ガリウム半導体装置およびエピタキシャル基板 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の低キャリア濃度を有するｎ⁻型窒化ガリウム膜をｎ型窒化ガリウム基板上に実現できる構造を有する縦型窒化ガリウム半導体装置のためのエピタキシャル基板を提供する。
【解決手段】窒化ガリウムエピタキシャル膜６５は、窒化ガリウム基板６３上に設けられている。層状領域６７が、窒化ガリウム基板６３および窒化ガリウムエピタキシャル膜６５内に設けられている。窒化ガリウム基板４３および窒化ガリウムエピタキシャル膜６５の界面は層状領域６７内に位置している。層状領域６７では、窒化ガリウム基板６３から窒化ガリウムエピタキシャル膜６５へ向かう軸に沿ったドナー不純物が１×１０^１８ｃｍ^−３以上のピーク値である。ドナー不純物は、シリコンおよびゲルマニウムの少なくともいずれかである。
【選択図】図６

Description

本発明は、縦型窒化ガリウム半導体装置およびエピタキシャル基板に関する。

特許文献１には、窒化ガリウム単結晶の成長方法が記載されている。この方法によれば、酸素をｎ型ドーパントとして取り込むことができる窒化ガリウム単結晶の成長方法が提供される。この方法では、Ｃ面以外の面を表面（上面）にもつ種結晶を用いて、ガリウム原料と窒素原料とドーピングすべき酸素を含む原料ガスを供給しながらＣ面以外の表面を保ちつつ窒化ガリウム結晶を気相成長させることにより当該表面を通して窒化ガリウム結晶中に酸素をドーピングする。または、Ｃ面を表面にもつ種結晶を使って、ガリウム原料と窒素原料とドーピングすべき酸素を含む原料ガスを供給しながらＣ面以外のファセット面を発生させ当該ファセット面を保ちつつ窒化ガリウム結晶をｃ軸方向に気相成長させることによりファセット面を通して窒化ガリウム結晶中に酸素をドーピングする。

非特許文献１には、ｐｉｎダイオードの特性が記載されている。このダイオードは、窒化ガリウムエピタキシャル膜（undoped、n〜３×１０^１６ｃｍ^−３、３マイクロメートル）および窒化ガリウムエピタキシャル膜（Ｍｇdoped、ｐ〜１×１０^１７ｃｍ^−３、０．３マイクロメートル）を窒化ガリウム自立基板上に有機金属気相成長法により作製すると共に、窒化ガリウム自立基板の裏面上にｎ型のためのオーミック電極、エピタキシャル膜の表面にp型のためのオーミック電極を作製した。
特開2002-373864号公報 Irokawa et al. APPLIED PHYSICS LETTERS Vol. 83 15 September 2003 pp2271-2273

窒化ガリウム系縦型電子デバイスでは、ｎ型窒化ガリウム基板上にｎ⁻型窒化ガリウム膜をエピタキシャル成長する。発明者らの実験によれば、窒化ガリウム基板／エピタキシャル膜界面付近（〜１μｍ程度の幅）には、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）などの意図しない不純物がたまっていることを発見した。これらの不純物のピーク濃度は１０^１７ｃｍ^−３程度にまでになり、この不純物ピークのため、設計通りの低キャリア濃度を有する窒化ガリウム膜を界面付近領域に設けることは容易ではない。マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、あるいはマンガン（Ｍｎ）のといった不純物は、窒化ガリウム基板／エピタキシャル膜界面付近においてキャリアを低下させ、界面付近の領域を高抵抗化してしまう。すなわち、求められていることは、低キャリア濃度のエピタキシャル膜をｎ型窒化ガリウム基板上に設けることである。

本発明は、上記の事項を鑑みて為されたものであり、所望の低キャリア濃度を有するｎ⁻型窒化ガリウム膜をｎ型窒化ガリウム基板上に実現できる構造を有する縦型窒化ガリウム半導体装置およびこの縦型窒化ガリウム半導体装置のためのエピタキシャル基板を提供することを目的としている。

本発明の一側面に係る縦型窒化ガリウム半導体装置は、（ａ）ｎ^＋導電型の窒化ガリウム支持基体と、（ｂ）前記窒化ガリウム支持基体の主面上に設けられておりｎ⁻導電型を有する窒化ガリウムエピタキシャル膜と、（ｃ）前記窒化ガリウムエピタキシャル膜上に設けられたゲート絶縁膜と、（ｄ）前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、（ｅ）前記窒化ガリウムエピタキシャル膜内に設けられたｐ導電型領域と、（ｆ）前記ｐ導電型領域内に設けられたｎ導電型領域と、（ｇ）前記窒化ガリウムエピタキシャル膜の前記ｎ導電型領域上に設けられたソース電極と、（ｈ）前記窒化ガリウム支持基体の裏面上に設けられたドレイン電極とを備え、前記窒化ガリウム支持基体から前記窒化ガリウムエピタキシャル膜へ向かう軸に沿ったドナー不純物の濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上である層状領域が、前記窒化ガリウム支持基体の表面および前記窒化ガリウムエピタキシャル膜内に設けられており、前記ドナー不純物は、シリコンおよびゲルマニウムの少なくともいずれかである。

本発明の別の側面に係る縦型窒化ガリウム半導体装置は、（ａ）ｎ導電型の窒化ガリウム支持基体と、（ｂ）前記窒化ガリウム支持基体の主面上に設けられておりｎ⁻導電型を有する窒化ガリウムエピタキシャル膜と、（ｃ）前記窒化ガリウムエピタキシャル膜上に設けられたショットキ電極と、（ｄ）前記窒化ガリウム支持基体の裏面上に設けられたオーミック電極とを備え、前記窒化ガリウム支持基体から前記窒化ガリウムエピタキシャル膜へ向かう軸に沿ったドナー不純物の濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上である層状領域が、前記窒化ガリウム支持基体の表面および前記窒化ガリウムエピタキシャル膜内に設けられており、前記ドナー不純物はシリコンおよびゲルマニウムの少なくともいずれかである。

本発明の更なる別の側面に係る縦型窒化ガリウム半導体装置は、（ａ）ｎ導電型の窒化ガリウム支持基体と、（ｂ）前記窒化ガリウム支持基体の主面上に設けられておりｎ⁻導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜と、（ｃ）前記ｎ⁻導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜上に設けられておりｐ導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜と、（ｄ）前記ｐ導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜上に設けられた第１のオーミック電極と、（ｅ）前記窒化ガリウム支持基体の裏面上に設けられた第２のオーミック電極とを備え、前記窒化ガリウム支持基体から前記ｎ⁻導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜へ向かう軸に沿ったドナー不純物の濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上である層状領域が、前記窒化ガリウム支持基体の表面および前記ｎ⁻導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜内に設けられており、前記ドナー不純物は、シリコンおよびゲルマニウムの少なくともいずれかである。
上記の縦型窒化ガリウム半導体装置によれば、層状領域のドナー不純物濃度プロファイルが１×１０^１８ｃｍ^−３以上であるので、窒化ガリウム基板／エピタキシャル膜界面付近におけるマグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）といった不純物によるキャリア濃度の低下を小さくできる。

本発明に係る縦型窒化ガリウム半導体装置では、前記窒化ガリウムエピタキシャル膜のドナー濃度は５×１０^１７ｃｍ^−３以下であり、前記窒化ガリウム基板のドナー不純物は酸素あるいはシリコンを含むようにしてもよい。

この縦型窒化ガリウム半導体装置によれば、窒化ガリウムエピタキシャル膜内に空乏層が十分に形成されると共に、窒化ガリウム基板／エピタキシャル膜界面付近におけるキャリアの低下も小さくできる。

本発明に係る縦型窒化ガリウム半導体装置では、前記層状領域内にはマグネシウム、ベリリウム、カルシウム、亜鉛、あるいはカドミウムの濃度のプロファイルのピークが位置する。この縦型窒化ガリウム半導体装置によれば、ｐ型ドーパントとして作用するマグネシウム、ベリリウム、カルシウム、亜鉛、あるいはカドミウムに起因するキャリアの低下を窒化ガリウム基板／エピタキシャル膜界面付近において小さくできる。

本発明に係る縦型窒化ガリウム半導体装置では、前記層状領域内には鉄、チタン、コバルト、ニッケル、バナジウム、クロム、あるいはマンガンの濃度のプロファイルのピークが位置する。この縦型窒化ガリウム半導体装置によれば、ライフタイムキラーとして作用する鉄、チタン、コバルト、ニッケル、バナジウム、クロム、あるいはマンガンに起因するキャリアの低下を窒化ガリウム基板／エピタキシャル膜界面付近において小さくできる。

本発明の更なる別の側面に係るエピタキシャル基板は、（ａ）ｎ導電型の窒化ガリウム基板と、（ｂ）前記窒化ガリウム基板上に設けられておりｎ⁻導電型を有する窒化ガリウムエピタキシャル膜とを備え、前記窒化ガリウム基板から前記窒化ガリウムエピタキシャル膜へ向かう軸に沿ったドナー不純物の濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上である層状領域が、前記窒化ガリウム基板の表面および前記窒化ガリウムエピタキシャル膜内に設けられており、前記ドナー不純物は、シリコンおよびゲルマニウムの少なくともいずれかである。
本発明の更なる別の側面に係るエピタキシャル基板は、（ａ）ｎ導電型の窒化ガリウム基板と、（ｂ）前記窒化ガリウム基板上に設けられておりｎ⁻導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜と、（ｃ）前記ｎ⁻導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜上に設けられておりｐ導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜とを備え、前記窒化ガリウム基板から前記ｎ⁻導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜へ向かう軸に沿ったドナー不純物の濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上である層状領域が、前記窒化ガリウム基板の表面および前記窒化ガリウムエピタキシャル膜内に設けられており、前記ドナー不純物は、シリコンおよびゲルマニウムの少なくともいずれかである。

このエピタキシャル基板によれば、層状領域のドナー不純物濃度プロファイルが１×１０^１８ｃｍ^−３以上であるので、窒化ガリウム基板／エピタキシャル膜界面付近におけるマグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）といった不純物によるキャリア濃度の低下を小さくできる。したがって、縦型窒化ガリウム半導体装置のためのエピタキシャル基板が提供される。

本発明に係るエピタキシャル基板では、前記窒化ガリウムエピタキシャル膜のドナー濃度は５×１０^１７ｃｍ^−３以下であり、前記窒化ガリウム基板はドナー不純物として酸素あるいはシリコンを含む。

このエピタキシャル基板によれば、窒化ガリウムエピタキシャル膜内に空乏層が十分に形成されると共に、窒化ガリウム基板／エピタキシャル膜界面付近におけるキャリア濃度の低下も小さくできる。

本発明に係るエピタキシャル基板では、前記層状領域内にはマグネシウム、ベリリウム、カルシウム、亜鉛、あるいはカドミウムの濃度のプロファイルのピークが位置する。このエピタキシャル基板によれば、ｐ型ドーパントとして作用するマグネシウム、ベリリウム、カルシウム、亜鉛、あるいはカドミウムに起因するキャリア濃度の低下を窒化ガリウム基板／エピタキシャル膜界面付近において小さくできる。

本発明に係るエピタキシャル基板では、前記層状領域内には鉄、チタン、コバルト、ニッケル、バナジウム、クロム、あるいはマンガンの濃度のプロファイルのピークが位置する。このエピタキシャル基板によれば、ライフタイムキラーとして作用する鉄、チタン、コバルト、ニッケル、バナジウム、クロム、あるいはマンガンに起因するキャリア濃度の低下を窒化ガリウム基板／エピタキシャル膜界面付近において小さくできる。

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。

以上説明したように、本発明によれば、所望の低キャリア濃度を有するｎ⁻型窒化ガリウム膜をｎ型窒化ガリウム基板上に実現できる構造を有する縦型窒化ガリウム半導体装置が提供される。また、本発明によれば、この縦型窒化ガリウム半導体装置のためのエピタキシャル基板が提供される。

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、本発明の縦型窒化ガリウム半導体装置およびエピタキシャル基板に係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。

（第１の実施の形態）
図１は、ショットキダイオードを示す図面である。ショットキダイオード１１は、ｎ^＋導電型の窒化ガリウム支持基体１３と、ｎ⁻導電型の窒化ガリウムエピタキシャル膜１５と、ショットキ電極１７と、オーミック電極１９とを備える。窒化ガリウムエピタキシャル膜１５は、窒化ガリウム支持基体１３の主面上に設けられている。ショットキ電極１７は、窒化ガリウムエピタキシャル膜１５上に設けられている。オーミック電極１９は、窒化ガリウム支持基体１３の裏面１３ａ上に設けられている。層状領域２１は、窒化ガリウム支持基体１３および窒化ガリウムエピタキシャル膜１５内に設けられている。窒化ガリウム支持基体１３および窒化ガリウムエピタキシャル膜１５の界面は層状領域２１内に位置している。層状領域２１では、窒化ガリウム支持基体１３から窒化ガリウムエピタキシャル膜１５へ向かう軸に沿ったドナー不純物が１×１０^１８ｃｍ^−３以上である。ドナー不純物は、シリコンおよびゲルマニウムの少なくともいずれかである。

このショットキダイオード１１によれば、層状領域２１のドナー不純物の濃度プロファイルが１×１０^１８ｃｍ^−３以上のピーク値であるので、窒化ガリウム基板／エピタキシャル膜界面付近におけるマグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）といった不純物によるキャリア濃度の低下を小さくできる。

窒化ガリウムエピタキシャル膜１５のドナー濃度は５×１０^１７ｃｍ^−３以下であり、窒化ガリウム支持基体１３はドナー不純物として酸素を含むようにしてもよい。或いは、窒化ガリウム支持基体１３はドナー不純物としてシリコンを含むようにしてもよい。このショットキダイオードによれば、窒化ガリウムエピタキシャル膜１５内に空乏層が十分に形成されると共に、窒化ガリウム支持基体／エピタキシャル膜界面付近におけるキャリア濃度の低下も小さくできる。

（実施例１）
以下の手順に従って、エピタキシャル基板を作製した。ＨＶＰＥ法で作製された窒化ガリウム（ＧａＮ）自立基板を準備する。このＧａＮ自立基板は、（０００１）面の主面をゆうしており、ｎ^＋導電型を示しており、そのキャリア濃度は３×１０^１８ｃｍ^−３であり、厚さは４００μｍである。この基板中の平均転位密度は１×１０^６ｃｍ^−２以下である。この自立基板の主面上に有機金属気相成長法によりＧａＮエピタキシャル膜を成長する。エピタキシャル膜は、ｎ⁻導電型を有しており、そのキャリア濃度は５×１０^１５ｃｍ^−３であり、厚さは３．３μｍである。ＧａＮ自立基板およびＧａＮエピタキシャル膜の界面には、５×１０^１８ｃｍ^−３のシリコン（Ｓｉ）を含むｎ^＋ＧａＮ層状領域がある。層状領域を形成するために、基板の表層或いはエピタキシャル膜中にシリコンを添加することができる。

次いで、このエピタキシャル基板を用いて、以下の手順に従ってショットキダイオードを作製した。この試料を有機洗浄した後に、ＧａＮ自立基板の裏面全面にオーミック電極を形成した。オーミック電極はＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ（２０ｎｍ／１００ｎｍ／２０ｎｍ／３００ｎｍ）からなる。オーミック電極の形成には、ＥＢ蒸着法により金属積層膜を堆積した後に、合金化処理（摂氏６００度、１分間）を行った。また、エピタキシャル膜の表面にショットキ電極を形成した。ショットキ電極は、例えば直径２００μｍのＡｕ膜からなる。ショットキ電極の形成には、抵抗加熱蒸着法により金属膜を堆積した。ショットキ電極およびオーミック電極とも、蒸着に先だって、ＨＣｌ水溶液（半導体用塩酸：純水＝１：１）を用いて、試料の前処理（例えば、室温で１分間）を行った。

図２は、二次イオン質量分析法により上記のエピタキシャル基板中のマグネシウム（Ｍｇ）濃度を示すグラフである。濃度曲線Ｃ_Ｍｇのピークは、窒化ガリウム基板／エピタキシャル膜界面付近に位置する。ピーク濃度は、１×１０^１６ｃｍ^−３以下である。

図３は、二次イオン質量分析法により上記のエピタキシャル基板中の鉄（Ｆｅ）濃度を示すグラフである。濃度曲線Ｃ_Ｆｅのピークは、窒化ガリウム基板／エピタキシャル膜界面付近に位置する。ピーク濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３以下である。

図４は、二次イオン質量分析法により上記のエピタキシャル基板の層状領域中のドナー濃度（シリコン）を示すグラフである。濃度曲線Ｃ_Ｓｉのピークは、窒化ガリウム基板／エピタキシャル膜界面付近に位置する。層状領域のドナー不純物濃度プロファイルが１×１０^１８ｃｍ^−３以上のピーク値であるので、窒化ガリウム基板／エピタキシャル膜界面付近におけるマグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）といった不純物によるキャリア濃度の低下を小さくできる。層状領域の厚さは、上記の不純物の分布の幅より大きいが、例えば１μｍ以下の厚みである。また、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）に限られず、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、チタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、あるいはマンガン（Ｍｎ）いった不純物によるキャリア濃度の低下も小さくできる。

（第２の実施の形態）
図５は、縦型トランジスタを示す図面である。縦型トランジスタ４１は、ｎ^＋導電型の窒化ガリウム支持基体４３と、ｎ⁻導電型の窒化ガリウムエピタキシャル膜４５と、ゲート電極４７と、ｐ導電型領域４９と、ｎ導電型領域５１と、ソース電極５３と、ドレイン電極５５とを備える。窒化ガリウムエピタキシャル膜４５は、窒化ガリウム支持基体４３の主面上に設けられている。ゲート電極４７は、窒化ガリウムエピタキシャル膜４５上に設けられている。ゲート電極４７の下には、ｐ導電型領域４９の延長部４９ｂが設けられている。ｐ導電型領域４９は、窒化ガリウムエピタキシャル膜４５内に設けられている。ｎ導電型領域５１は、ｐ導電型領域内４９に設けられている。ソース電極５３は、窒化ガリウムエピタキシャル膜４５内のｎ導電型領域５１上に設けられている。ドレイン電極５５は、窒化ガリウム支持基体４３の裏面４３ａ上に設けられている。ゲート絶縁膜５９が窒化ガリウムエピタキシャル膜４５とゲート電極４７との間に設けられている。ゲート絶縁膜５９の材料としては、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜、シリコン窒化膜、アルミナ、窒化アルミニウム、ＡｌＧａＮ等を用いることができる。

層状領域５７が、窒化ガリウム支持基体４３および窒化ガリウムエピタキシャル膜４５内に設けられている。窒化ガリウム支持基体４３および窒化ガリウムエピタキシャル膜４５の界面は層状領域５７内に位置している。層状領域５７では、窒化ガリウム支持基体４３から窒化ガリウムエピタキシャル膜４５へ向かう軸に沿ったドナー不純物が１×１０^１８ｃｍ^−３以上である。ドナー不純物は、シリコンおよびゲルマニウムの少なくともいずれかである。

この縦型トランジスタ４１によれば、層状領域５７のドナー不純物の濃度プロファイルが１×１０^１８ｃｍ^−３以上のピーク値であるので、窒化ガリウム支持基体／エピタキシャル膜界面付近におけるマグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）といった不純物によるキャリアの低下を小さくできる。また、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）に限られず、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、チタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、あるいはマンガン（Ｍｎ）いった不純物によるキャリア濃度の低下も小さくできる。

以上説明したように、窒化ガリウム系縦型デバイス１１、４１は、窒化ガリウム基板１３、４３上に低濃度のホモエピタキシャル膜１５，４５を含んでいる。ところが、窒化ガリウム基板とホモエピタキシャル膜との界面付近にはマグネシウムおよび鉄などの不純物がたまりやすいので、低濃度の界面付近においてキャリア濃度制御は困難である。そこで界面付近に設けられた比較的高濃度の層状領域を利用して、上記の不純物の影響を低減すると共に、界面から離れたエピタキシャル膜におけるキャリア濃度を所望の低濃度に維持することができる。上記の不純物の影響に起因する電気的な影響を除き、窒化ガリウム系縦型デバイス１１、４１の順方向の抵抗或いはオン抵抗を低減すると共に、逆方向耐圧を向上できる。

（第３の実施の形態）
図６は、エピタキシャル基板を示す図面である。エピタキシャル基板６１は、次のように作製される。エピタキシャル基板６１は、ｎ^＋導電型の窒化ガリウム基板６３と、ｎ⁻導電型の窒化ガリウムエピタキシャル膜と６５を備える。窒化ガリウムエピタキシャル膜６５は、窒化ガリウム基板６３上に設けられている。層状領域６７が、窒化ガリウム基板６３および窒化ガリウムエピタキシャル膜６５内に設けられている。窒化ガリウム基板４３および窒化ガリウムエピタキシャル膜６５の界面は層状領域６７内に位置している。層状領域６７では、窒化ガリウム基板６３から窒化ガリウムエピタキシャル膜６５へ向かう軸に沿ったドナー不純物が１×１０^１８ｃｍ^−３以上のピーク値である。ドナー不純物は、シリコンおよびゲルマニウムの少なくともいずれかである。

このエピタキシャル基板６１によれば、層状領域６７のドナー不純物の濃度プロファイルが１×１０^１８ｃｍ^−３以上のピーク値であるので、窒化ガリウム基板／エピタキシャル膜界面付近におけるマグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）といった不純物によるキャリア濃度の低下を小さくできる。また、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）に限られず、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、チタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、あるいはマンガン（Ｍｎ）いった不純物によるキャリア濃度の低下も小さくできる。

窒化ガリウムエピタキシャル膜６５のドナー濃度は５×１０^１７ｃｍ^−３以下であり、窒化ガリウム基板６３のドナー不純物は酸素を含むようにしてもよい。或いは、窒化ガリウム基板６３のドナー不純物はシリコンを含むようにしてもよい。このエピタキシャル基板６１によれば、窒化ガリウムエピタキシャル膜６５内に空乏層が十分に形成されると共に、窒化ガリウム基板／エピタキシャル膜界面付近におけるキャリア濃度の低下も小さくできるので、エピタキシャル基板６１は、高耐圧の窒化ガリウム系縦型半導体装置に好適である。

（第４の実施の形態）
図７は、ｐｎ接合ダイオードを示す図面である。ｐｎ接合ダイオード７１は、ｎ導電型の窒化ガリウム支持基体１３と、ｐ導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜７３と、ｎ⁻導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜７５と、第１のオーミック電極７７と、第２のオーミック電極７９とを備える。ｎ⁻導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜７５は、窒化ガリウム支持基体１３の主面上に設けられている。ｐ導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜７３は、ｎ⁻導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜７５の上に設けられている。第１のオーミック電極７７は、ｐ導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜７３上に設けられている。第２のオーミック電極７９は、窒化ガリウム支持基体１３の裏面１３ａ上に設けられている。ｐ導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜７３とｎ⁻導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜７５とはｐｎ接合７６を形成する。窒化ガリウム支持基体１３から窒化ガリウムエピタキシャル膜７３へ向かう軸に沿ったドナー不純物の濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上である層状領域８１が、窒化ガリウム支持基体１３の表面およびｎ⁻導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜７５内に設けられている。ドナー不純物は、シリコンおよびゲルマニウムの少なくともいずれかである。

上記のｐｎ接合ダイオード７１によれば、層状領域８１のドナー不純物濃度プロファイルが１×１０^１８ｃｍ^−３以上であるので、窒化ガリウム支持基体／エピタキシャル膜界面付近におけるマグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）といった不純物によるキャリア濃度の低下を小さくできる。また、窒化ガリウムエピタキシャル膜７５のドナー濃度は５×１０^１７ｃｍ^−３以下であるようにしてもよい。

（実施例）
以下の手順に従って、エピタキシャル基板を作製した。ＨＶＰＥ法を用いて作製された窒化ガリウム（ＧａＮ）自立基板を準備する。このＧａＮ基板は面方位（０００１）面の主面を有している。ＧａＮ基板はｎ^＋導電型を示しており、そのキャリア濃度は３×１０^１８ｃｍ^−３であり、厚みは４００マイクロメートルである。この基板中の平均転位密度は、１×１０^６ｃｍ^−２以下である。この自立基板の主面上に、有機金属気相成長法により、ＧａＮエピタキシャル膜を成長する。エピタキシャル膜はｎ⁻導電性を有しており、そのキャリア濃度は５×１０^１５ｃｍ^−３であり、その厚みは、１０マイクロメートルである。このＧａＮエピタキシャル膜上には、第１のｐ導電型窒化ガリウム系エピタキシャル膜が設けられている。第１のｐ導電型窒化ガリウム系エピタキシャル膜は、マグネシウム濃度１×１０^１８ｃｍ^−３および厚み０．５マイクロメートルを有する。必要な場合には、第２のｐ導電型窒化ガリウム系エピタキシャル膜上には、第２のｐ導電型窒化ガリウム系エピタキシャル膜が設けられている。第２のｐ導電型窒化ガリウム系エピタキシャル膜は、マグネシウム濃度５×１０^１９ｃｍ^−３および厚み０．０５マイクロメートルを有する。ＧａＮ自立基板およびＧａＮエピタキシャル層の界面には、５×１０^１８ｃｍ^−３以上のシリコンを含むｎ^＋ＧａＮ層状領域がある。層状領域を形成するために、基板の表面あるいはエピタキシャル膜中にシリコンを添加することができる。

次いで、このエピタキシャル基板を用いて、以下の手順に従ってｐｎダイオードを形成した。この試料を有機洗浄した後に、ＧａＮ自立基板の裏面全面に、オーミック電極を作製した。オーミック電極の形成には、ＥＢ蒸着法により金属堆積膜を堆積した後に、合金化処理を行った。合金化処理は、例えば摂氏６００度、１分間で行われる。また、エピタキシャル膜上に、オーミック電極を作製した。オーミック電極の形状は、例えば半径２００マイクロメートルである。オーミック電極の作製には、ＥＢ蒸着法により金属堆積膜を堆積した後に、合金化処理を行った。合金化処理は、例えば摂氏６００度、１分間で行われる。両オーミック電極の作製に先だって、ＨＣｌ溶液（半導体用塩酸：超純水＝1：1）を用いて、試料の前処理を行った。

ＳＩＭＳ法により、エピタキシャル層と基板との界面付近にＭｇ、Ｆｅのピークを検出した。マグネシウムのピーク濃度は１×１０^１６ｃｍ^−３以下であり、鉄のピーク濃度は１×１０^１７ｃｍ^−３以下であった。このように、界面付近のマグネシウム、鉄等によるキャリアの補償の効果を抑制できるので、上記のようなｐｎダイオードのオン抵抗を低減することができ、また順方向立ち上がり電圧を小さくすることができ、加えて耐圧が向上できる。

以上説明したように、窒化ガリウム系ｐｎ接合ダイオード７１といった窒化ガリウム系縦型デバイスは、窒化ガリウム基板１３上に低濃度のホモエピタキシャル膜７５を含んでいる。ところが、窒化ガリウム基板とホモエピタキシャル膜との界面付近にはマグネシウムおよび鉄などの不純物がたまりやすいので、低濃度の界面付近においてキャリア濃度制御は困難である。そこで界面付近に設けられた比較的高濃度の層状領域を利用して、上記の不純物の影響を低減すると共に、界面から離れたエピタキシャル膜におけるキャリア濃度を所望の低濃度に維持することができる。上記の不純物の影響に起因する電気的な影響を除き、窒化ガリウム系ｐｎ接合ダイオード７１の順方向の抵抗或いはオン抵抗を低減すると共に、逆方向耐圧を向上できる。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。本実施の形態では、ｎ型ドナー不純物は、成長中に添加することができるけれども、エピタキシャル成長に先立って基板（表面および／または内部）に存在しているものでもよい。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

図１は、ショットキダイオードを示す図面である。 図２は、二次イオン質量分析法により上記のエピタキシャル基板中のマグネシウム（Ｍｇ）濃度を示すグラフである。 図３は、二次イオン質量分析法により上記のエピタキシャル基板中の鉄（Ｆｅ）濃度を示すグラフである。 図４は、二次イオン質量分析法により上記のエピタキシャル基板の層状領域中のドナー濃度（シリコン）を示すグラフである。 図５は、縦型トランジスタを示す図面である。 図６は、エピタキシャル基板を示す図面である。 図７は、ｐｎ接合ダイオードを示す図面である。

符号の説明

１１…ショットキダイオード、１３…ｎ導電型窒化ガリウム支持基体、１５…ｎ⁻導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜、１７…ショットキ電極、１９…オーミック電極、１７…ショットキ電極、１９…オーミック電極、２１…層状領域、４ １…縦型トランジスタ、４３…ｎ導電型窒化ガリウム支持基体、４５…ｎ⁻導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜、４７…ゲート電極、４９…ｐ導電型領域、５１…ｎ導電型領域、５３…ソース電極、５５…ドレイン電極、５７…層状領域、５９…絶縁膜、６１…エピタキシャル基板、６３…ｎ導電型窒化ガリウム基板、６５…ｎ⁻導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜、６７…層状領域、７１…ｐｎ接合ダイオード、７３…ｐ導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜、７５…ｎ⁻導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜、７７…第１のオーミック電極、７９…第２のオーミック電極、７６…ｐｎ接合

Claims (11)

1. ｎ導電型の窒化ガリウム支持基体と、
   前記窒化ガリウム支持基体の主面上に設けられておりｎ⁻導電型を有する窒化ガリウムエピタキシャル膜と、
   前記窒化ガリウムエピタキシャル膜上に設けられたゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、
   前記窒化ガリウムエピタキシャル膜内に設けられたｐ導電型領域と、
   前記ｐ導電型領域内に設けられたｎ導電型領域と、
   前記窒化ガリウムエピタキシャル膜の前記ｎ導電型領域上に設けられたソース電極と、
   前記窒化ガリウム支持基体の裏面上に設けられたドレイン電極と
   を備え、
   前記窒化ガリウム支持基体から前記窒化ガリウムエピタキシャル膜へ向かう軸に沿ったドナー不純物の濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上である層状領域が、前記窒化ガリウム支持基体の表面および前記窒化ガリウムエピタキシャル膜内に設けられており、
   前記ドナー不純物は、シリコンおよびゲルマニウムの少なくともいずれかである、ことを特徴とする縦型窒化ガリウム半導体装置。
2. ｎ導電型の窒化ガリウム支持基体と、
   前記窒化ガリウム支持基体の主面上に設けられておりｎ⁻導電型を有する窒化ガリウムエピタキシャル膜と、
   前記窒化ガリウムエピタキシャル膜上に設けられたショットキ電極と、
   前記窒化ガリウム支持基体の裏面上に設けられたオーミック電極と
   を備え、
   前記窒化ガリウム支持基体から前記窒化ガリウムエピタキシャル膜へ向かう軸に沿ったドナー不純物の濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上である層状領域が、前記窒化ガリウム支持基体の表面および前記窒化ガリウムエピタキシャル膜内に設けられており、
   前記ドナー不純物は、シリコンおよびゲルマニウムの少なくともいずれかである、ことを特徴とする縦型窒化ガリウム半導体装置。
3. ｎ導電型の窒化ガリウム支持基体と、
   前記窒化ガリウム支持基体の主面上に設けられておりｎ⁻導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜と、
   前記ｎ⁻導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜上に設けられておりｐ導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜と、
   前記ｐ導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜上に設けられた第１のオーミック電極と、
   前記窒化ガリウム支持基体の裏面上に設けられた第２のオーミック電極と
   を備え、
   前記窒化ガリウム支持基体から前記ｎ⁻導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜へ向かう軸に沿ったドナー不純物の濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上である層状領域が、前記窒化ガリウム支持基体の表面および前記ｎ導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜内に設けられており、
   前記ドナー不純物は、シリコンおよびゲルマニウムの少なくともいずれかである、ことを特徴とする縦型窒化ガリウム半導体装置。
4. 前記窒化ガリウムエピタキシャル膜はドナー濃度として５×１０^１７ｃｍ^−３以下であり、
   前記窒化ガリウム支持基体のドナー不純物は酸素あるいはシリコンを含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された縦型窒化ガリウム半導体装置。
5. 前記層状領域内にはマグネシウム、ベリリウム、カルシウム、亜鉛、あるいはカドミウムの濃度プロファイルのピークが位置する、ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載された縦型窒化ガリウム半導体装置。
6. 前記層状領域内には鉄、チタン、コバルト、ニッケル、バナジウム、クロム、あるいはマンガンの濃度プロファイルのピークが位置する、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された縦型窒化ガリウム半導体装置。
7. ｎ導電型の窒化ガリウム基板と、
   前記窒化ガリウム基板上に設けられておりｎ⁻導電型を有する窒化ガリウムエピタキシャル膜と
   を備え、
   前記窒化ガリウム基板から前記窒化ガリウムエピタキシャル膜へ向かう軸に沿ったドナー不純物の濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上である層状領域が、前記窒化ガリウム基板の表面および前記窒化ガリウムエピタキシャル膜内に設けられており、
   前記ドナー不純物は、シリコンおよびゲルマニウムの少なくともいずれかである、ことを特徴とするエピタキシャル基板。
8. ｎ導電型の窒化ガリウム基板と、
   前記窒化ガリウム基板上に設けられておりｎ⁻導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜と、
   前記ｎ⁻導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜上に設けられておりｐ導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜と
   を備え、
   前記窒化ガリウム基板から前記ｎ⁻導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜へ向かう軸に沿ったドナー不純物の濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上である層状領域が、前記窒化ガリウム基板の表面および前記ｎ⁻導電型窒化ガリウムエピタキシャル膜内に設けられており、
   前記ドナー不純物は、シリコンおよびゲルマニウムの少なくともいずれかである、ことを特徴とするエピタキシャル基板。
9. 前記窒化ガリウムエピタキシャル膜のドナー濃度は、５×１０^１７ｃｍ^−３以下であり、
   前記窒化ガリウム基板はドナー不純物として酸素もしくはシリコンを含む、ことを特徴とする請求項７または請求項８に記載されたエピタキシャル基板。
10. 前記層状領域内にはマグネシウム、ベリリウム、カルシウム、亜鉛、あるいはカドミウムの濃度プロファイルのピークが位置する、ことを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか一項に記載されたエピタキシャル基板。
11. 前記層状領域内には鉄、チタン、コバルト、ニッケル、バナジウム、クロム、あるいはマンガンの濃度プロファイルのピークが位置する、ことを特徴とする請求項７〜請求項１０のいずれか一項に記載されたエピタキシャル基板。

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