JP2007234907A - 接合ダイオード、および接合ダイオードを作製する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】窒化ガリウム系半導体を用いており耐圧を向上できる接合ダイオードを提供する。
【解決手段】接合ダイオード１１は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３と、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１５とを備える。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３は、１×１０^１７ｃｍ^−３以下のキャリア濃度を有する。ｐ型窒化ガリウム系半導体層１５は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３上に設けられており、また１×１０^１９ｃｍ^−３未満のマグネシウム濃度を有する。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３およびｐ型窒化ガリウム系半導体層１５はホモ接合１７を成す。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３は、基板１９上に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、接合ダイオード、および接合ダイオードを作製する方法に関する。

非特許文献１には、ｐｉｎ整流器が記載されている。このｐｉｎ整流器は、自立ＧａＮ基板を用いる。有機金属気相成長法で、５×１０^１６ｃｍ^−３程度のｎ型キャリア濃度を有するｎ型窒化ガリウム膜がＧａＮ基板上に成長される。次いで、１０^１７ｃｍ^−３程度のｐ型キャリア濃度を有するｐ型窒化ガリウム膜がｎ型窒化ガリウム膜上に成長される。

非特許文献２には、ｐｉｎ整流器が記載されている。このｐｉｎ整流器は、自立ＧａＮ基板を用いる。有機金属気相成長法で、２×１０^１８ｃｍ^−３程度のＳｉドーパント濃度を有するｎ^＋型窒化ガリウム膜がＧａＮ基板上に成長される。次いで、１×１０^１７ｃｍ^−３程度のＳｉドーパント濃度を有するｎ⁻型窒化ガリウム膜がｎ^＋型窒化ガリウム膜上に成長される。この後に、１０^１９ｃｍ^−３程度のマグネシウム濃度を有するｐ型窒化ガリウム膜がｎ⁻型窒化ガリウム膜上に成長される。
Y. Irokawa et. al, Appl. Phys. Lett. Vol. 83, No. 11 pp.2271-2273(2003) X. A. Cao, et. al., Appl. Phys. Lett. Vol. 87,053503 (2005)

窒化ガリウム系半導体を用いる接合ダイオードは、高耐圧ダイオード素子として期待されている。非特許文献２には、サファイア基板およびＧａＮ自立基板上に形成されたｐｉｎ整流器の逆方向特性が示されている。ＧａＮ自立基板のｐｉｎ整流器は、１７０ボルト〜２６５ボルトの耐圧を示す（耐圧の定義：−０．１ｍＡ、−１６０ｍＡ／ｃｍ^２）。また、非特許文献１の図２には、ｐｉｎ整流器の逆方向特性が示されている。サファイア基板およびＧａＮ自立基板のいずれを用いる場合でも、接合ダイオードの耐圧といった特性を向上させることが求められている。非特許文献１に記載された１０^１７ｃｍ^−３程度のｐ型キャリア濃度を得るためには、通常、窒化ガリウムに１０^１９ｃｍ^−３程度のマグネシウムを添加する必要がある。

発明者らは、様々な実験の結果から、接合ダイオードの耐圧を低下させている一要因を見出した。本発明は、このような事情の下に為されたものであり、窒化ガリウム系半導体を用いておりハードプブレークダウン電圧を向上できる接合ダイオードを提供することを目的とする。また、本発明は、窒化ガリウム系半導体を用いておりハードプブレークダウン電圧を向上できる接合ダイオードを作製する方法を提供することを目的とする。

本発明の一側面によれば、接合ダイオードは、（ａ）１×１０^１７ｃｍ^−３以下のキャリア濃度を有しており基板上に設けられたｎ型窒化ガリウム系半導体層と、（ｂ）１×１０^１９ｃｍ^−３未満のマグネシウム濃度を有しており前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層上に設けられたｐ型窒化ガリウム系半導体層とを備え、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層および前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層はホモ接合を成す。

この接合ダイオードによれば、ｎ型窒化ガリウム系半導体層とホモ接合を成すｐ型窒化ガリウム系半導体層のマグネシウム濃度が、１×１０^１９ｃｍ^−３未満であるので、接合ダイオードの耐圧を向上させることができる。

本発明の一側面に係る接合ダイオードでは、前記基板は、１×１０^７ｃｍ^−２以下の貫通転位密度を有する導電性窒化ガリウム領域を含むことが好ましい。この接合ダイオードによれば、導電性窒化ガリウム領域の貫通転位密度が１×１０^７ｃｍ^−２以下であれば、接合ダイオードの耐圧を向上させるために好適である。

本発明の一側面に係る接合ダイオードでは、前記基板は窒化ガリウム基板であることが好ましい。この接合ダイオードによれば、貫通転位密度１×１０^７ｃｍ^−２以下の導電性窒化ガリウム領域が提供される。

本発明の一側面に係る接合ダイオードでは、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の厚さは３マイクロメートル以上であり、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のドナー濃度が６×１０^１６ｃｍ^−３以下であることが好ましい。この接合ダイオードによれば、ハードプブレークダウンの発生に先立ってパンチスルーの生じることが無い。

本発明の一側面に係る接合ダイオードでは、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の前記マグネシウム濃度は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のドナー濃度の５倍よりも大きいことが好ましい。この接合ダイオードによれば、空乏層を主にｎ型窒化ガリウム系半導体層に広がる。

本発明の一側面に係る接合ダイオードでは、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層はＧａＮからなり、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層はＧａＮからなることが好ましい。この接合ダイオードによれば、良好なホモ接合が提供される。ＧａＮであれば、他の窒化物半導体の結晶成長と比較して、結晶格子の揺らぎを抑制できるとともに、意図しない不純物濃度の混入を極力抑制することが可能であり、急峻なｐｎ接合界面を得ることができる。

本発明の一側面に係る接合ダイオードでは、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層はＡｌＧａＮからなり、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層はＡｌＧａＮからなることが好ましい。この接合ダイオードによれば、窒化ガリウムより大きなバンドギャップの材料からなる良好なホモ接合が提供される。ＡｌＧａＮであれば、ＧａＮと比較的類似した結晶成長条件を用いて作製することが可能であり、絶縁破壊電界が大きくなることに起因して、ダイオードの耐圧を向上させることが可能となる。

本発明の一側面に係る接合ダイオードでは、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層および前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の前記ホモ接合は、６００ボルト以上の耐圧を示すように設けられている。

本発明の一側面に係る接合ダイオードでは、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層および前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の前記ホモ接合は、逆方向印加電圧−６００ボルトにおいて１×１０^−２Ａ／ｃｍ^２以下のリーク電流を示すように設けられている。

本発明の一側面に係る接合ダイオードは、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層上に設けられた別のｐ型窒化ガリウム系半導体層を更に備え、前記別のｐ型窒化ガリウム系半導体層のキャリア濃度は前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層のキャリア濃度より大きい。

この接合ダイオードによれば、接合ダイオードの耐圧を向上できると共に、別のｐ型窒化ガリウム系半導体層を用いて電極との良好な接合を得ることができる。

本発明の別の側面は、窒化ガリウム系半導体を用いる接合ダイオードを作製する方法である。この方法は、（ａ）１×１０^１７ｃｍ^−３以下のキャリア濃度を有するｎ型窒化ガリウム系半導体膜を基板上に成長する工程と、（ｂ）１×１０^１９ｃｍ^−３未満のマグネシウム濃度を有するｐ型窒化ガリウム系半導体膜を前記ｎ型窒化ガリウム系半導体膜上に成長する工程とを備え、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層および前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層はホモ接合を成す。

この接合ダイオードの作製方法によれば、ｎ型窒化ガリウム系半導体層とホモ接合を成すｐ型窒化ガリウム系半導体層のマグネシウム濃度が、１×１０^１９ｃｍ^−３未満であるので、接合ダイオードの耐圧を向上させることができる。

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、この発明によれば、窒化ガリウム系半導体を用いておりハードブレークダウン電圧を向上できる接合ダイオードが提供される。また、この発明によれば、窒化ガリウム系半導体を用いてハードブレークダウン電圧を向上できる接合ダイオードを作製する方法が提供される。

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、本発明の接合ダイオード、接合ダイオードを作製する方法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、本実施の形態に係る接合ダイオードを概略的に示す図面である。この接合ダイオードは、窒化ガリウム系半導体を用いる。接合ダイオード１１は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３と、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１５とを備える。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３は、１×１０^１７ｃｍ^−３以下のキャリア濃度を有する。ｐ型窒化ガリウム系半導体層１５は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３上に設けられており、また１×１０^１９ｃｍ^−３未満のマグネシウム濃度を有する。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３およびｐ型窒化ガリウム系半導体層１５はホモ接合１７を成す。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３は、基板１９上に設けられている。

この接合ダイオードによれば、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３とホモ接合１７を成すｐ型窒化ガリウム系半導体層１５のマグネシウム濃度が、１×１０^１９ｃｍ^−３未満であるので、接合ダイオード１１の耐圧を向上させることができる。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３のキャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以下であれば、耐圧を高くできる。ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３のキャリア濃度が１×１０^１４ｃｍ^−３以上であれば、オン抵抗を小さくできる。

接合ダイオード１１は、１×１０^７ｃｍ^−２以下の貫通転位密度を有する窒化ガリウム領域を含む導電性の基板１９を備える。導電性基板１９の主面１９ａ上には、ホモ接合を構成するｎ型窒化ガリウム系半導体層１３およびｐ型窒化ガリウム系半導体層１５が設けられている。導電性窒化ガリウム領域の貫通転位密度が１×１０^７ｃｍ^−２以下であれば、接合ダイオードの耐圧を向上させるために好適である。必要な場合には、接合ダイオード１１は、基板１９上に設けられたバッファ層２１を含むことが好ましい。また、基板１９は窒化ガリウム基板であることが好ましい。窒化ガリウム基板を用いると、貫通転位密度１×１０^７ｃｍ^−２以下の導電性窒化ガリウム領域が提供される。窒化ガリウム基板は、例えばＧａＮ（０００１）面からなる主面を有する。

また、接合ダイオード１１では、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１５のマグネシウム濃度は３×１０^１８ｃｍ^−３以下であることが好ましい。この接合ダイオードによれば、ｐ型半導体層に発生する欠陥を抑制することができ、リーク電流を低減することが可能になり、その結果、耐圧を向上させることができるという利点がある。さらに、接合ダイオード１１では、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３の厚さＤ１は３マイクロメートル以上であり、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３のドナー濃度が６×１０^１６ｃｍ^−３以下であることが好ましい。この接合ダイオードによれば、ハードブレークダウンに先立ってパンチスルーが生じない。

また、接合ダイオード１１は、ｐ型窒化ガリウム系半導体層１３上に設けられた別のｐ型窒化ガリウム系半導体層２３を更に備えることが好ましい。別のｐ型窒化ガリウム系半導体層２３のキャリア濃度はｐ型窒化ガリウム系半導体層１３のキャリア濃度より大きい。接合ダイオード１１は、別のｐ型窒化ガリウム系半導体層２３上に設けられたアノード電極２５を更に備える。アノード電極２５は別のｐ型窒化ガリウム系半導体層２３にオーミック接触を成す。アノード電極２５の材料としては、例えばＮｉ／Ａｕ（５０ナノメートル／１００ナノメートル）を用いることができる。導電性基板１９の裏面１９ｂには、カソード電極２７が設けられている。カソード電極２７は、導電性基板１９の裏面１９ｂにオーミック接合を成す。カソード電極２７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。

接合ダイオード１１のｐ型窒化ガリウム系半導体層１５、ホモ接合１７およびｎ型窒化ガリウム系半導体層１３の一部は、基板１９のエッジよりも内側に寸法D２だけ後退している。これにより、半導体領域１３、１、１７、２３はメサを成す。

接合ダイオード１１では、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３およびｐ型窒化ガリウム系半導体層１５のホモ接合１７は、６００ボルト以上の耐圧を示すように設けられている。或いは、接合ダイオード１１では、ｎ型窒化ガリウム系半導体層１３およびｐ型窒化ガリウム系半導体層１５のホモ接合１７は、逆方向印加電圧−６００ボルトにおいて１×１０^−２Ａ／ｃｍ^２以下のリーク電流を示すように設けられている。

以上説明したように、この接合ダイオードによれば、窒化ガリウム系半導体を用いており耐圧を向上できる接合ダイオードが提供される。

（第２の実施の形態）
図２は、本実施の形態に係る接合ダイオードを概略的に示す図面である。この接合ダイオードは、窒化ガリウム系半導体を用いる。接合ダイオード３１は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層３３と、ｐ型窒化ガリウム系半導体層３５とを備える。ｎ型窒化ガリウム系半導体層３３は、基板上に設けられており、また１×１０^１７ｃｍ^−３以下のキャリア濃度を有する。ｐ型窒化ガリウム系半導体層３５は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層３３上に設けられており、また１×１０^１９ｃｍ^−３未満のマグネシウム濃度を有する。ｎ型窒化ガリウム系半導体層３３およびｐ型窒化ガリウム系半導体層３５はホモ接合３７を成す。

この接合ダイオード３１によれば、ｎ型窒化ガリウム系半導体層３３とホモ接合３７を成すｐ型窒化ガリウム系半導体層３５のマグネシウム濃度が、１×１０^１９ｃｍ^−３未満であるので、接合ダイオード３１の耐圧を向上させることができる。ｎ型窒化ガリウム系半導体層３３のキャリア濃度が１×１０^１４ｃｍ^−３以上であれば、オン抵抗を小さくできる。キャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以下であれば、耐圧を高くできる。

接合ダイオード３１は、サファイア基板上に設けられた３×１０^８ｃｍ^−２以上１×１０^１０ｃｍ^−２以下の貫通転位密度を有する窒化ガリウムテンプレートを含む基板３９を備える。サファイア基板は（０００１）面からなる主面を有する。基板３９の主面３９ａ上には、ホモ接合３７を構成するｎ型窒化ガリウム系半導体層３３およびｐ型窒化ガリウム系半導体層３５が設けられている。必要な場合には、接合ダイオード３１は、基板３９上に設けられたバッファ層４１を含むことが好ましい。

また、接合ダイオード３１では、ｐ型窒化ガリウム系半導体層３５のマグネシウム濃度は２×１０^１８ｃｍ^−３以下であることが好ましい。この接合ダイオード３１によれば、ｐ型半導体層に発生する欠陥を抑制することができ、リーク電流を低減することが可能になり、その結果、耐圧を向上させることができるという利点がある。さらに、接合ダイオード３１では、ｎ型窒化ガリウム系半導体層３３の厚さＤ３は３マイクロメートル以上であり、ｎ型窒化ガリウム系半導体層３３のドナー濃度が６×１０^１６ｃｍ^−３以下であることが好ましい。この接合ダイオード３１によれば、ハードブレークダウンに先立ってパンチスルーが生じない。

また、接合ダイオード３１は、ｐ型窒化ガリウム系半導体層３５上に設けられた別のｐ型窒化ガリウム系半導体層４３を更に備えることが好ましい。別のｐ型窒化ガリウム系半導体層４３のキャリア濃度はｐ型窒化ガリウム系半導体層３３のキャリア濃度より大きい。接合ダイオード３１は、別のｐ型窒化ガリウム系半導体層４３上に設けられたアノード電極４５を更に備える。アノード電極４５は別のｐ型窒化ガリウム系半導体層４３にオーミック接触を成す。アノード電極４５の材料としては、例えばＮｉ／Ａｕ（５０ナノメートル／１００ナノメートル）を用いることができる。

また、接合ダイオード３１の別のｐ型窒化ガリウム系半導体層４３、ｐ型窒化ガリウム系半導体層３５およびｎ型窒化ガリウム系半導体層３３は、部分的に除かれて、この結果、メサ形状を成す。メサ形状により、ｎ型窒化ガリウム系半導体層３３がステップ状を成し、露出面３３ａが提供される。ｎ型窒化ガリウム系半導体層３３の露出面３３ａ上には、カソード電極４７が設けられている。カソード電極４７は、ｎ型窒化ガリウム系半導体層３３の露出面３３ａにオーミック接合を成す。カソード電極４７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。

接合ダイオード３１のｐ型窒化ガリウム系半導体層３５、ホモ接合３７およびｎ型窒化ガリウム系半導体層３３の一部は、基板３９のエッジよりも内側に寸法Ｄ４だけ後退している。

以上説明したように、この接合ダイオードによれば、窒化ガリウム系半導体を用いており耐圧を向上できる接合ダイオードが提供される。

（実施例１）
転位密度依存性について説明する。有機金属気相成長法によりエピタキシャル膜を成長してｐｎ接合ダイオードを作製した。原料にはトリメチルガリウム、アンモニア、シラン、シクロペンタジエニルマグネシウム（以下、ＴＭＧ、ＮＨ_３、ＳｉＨ_４、ＣＰ_２Ｍｇ）を用いた。

基板には、ＧａＮ（０００１）基板およびサファイア（０００１）基板上ｎ−ＧａＮテンプレートを用いた。ＧａＮ基板の貫通転位密度は、１×１０^７ｃｍ^−２以下であった。また、該貫通転位密度は、１×１０^３ｃｍ^−２以上であった。サファイア基板上のＧａＮテンプレートの貫通転位密度は、３×１０^８ｃｍ^−２以上である。また該貫通転位密度は、１×１０^１０ｃｍ^−２以下である。両基板をＭＯＶＰＥ装置のサセプタ上に配置する。炉内圧力を１０〜１０１ｋＰａに制御しながら炉内にＮＨ_３とＨ_２を導入し、摂氏１０００度の基板温度で１０分間のクリーニングを行った。その後、基板温度を摂氏１０５０度に昇温し、図３（Ａ）に示されるように、基板５１の主面５１ａ上にＧａＮバッファ層５３を成長した。ＧａＮバッファ層５３は、ｎ^＋−ＧａＮからなり、ＭＯＶＰＥ装置のリアクタにＴＭＧ、ＮＨ_３、ＳｉＨ_４を導入して成長される。その厚さは６００ｎｍである。

次に、図３（Ｂ）に示されるように、ｎ型窒化ガリウム系半導体膜５５を基板５１の主面５１ａ上に成長した。ｎ型窒化ガリウム系半導体膜５５は、１×１０^１４ｃｍ^−３以上１×１０^１７ｃｍ^−３以下のキャリア濃度を有する。ｎ型窒化ガリウム系半導体膜５５は、例えばｎ⁻−ＧａＮドリフト層からなり、ＳｉＨ_４供給量を調整して成長される。その厚さは、例えば７μｍである。本実施例では、ドリフト層のドナー濃度Ｎｄは、例えば３×１０^１６ｃｍ^−３である。

次に、図３（Ｃ）に示されるように、ｐ型窒化ガリウム系半導体膜５７をｎ型窒化ガリウム系半導体膜５５上に成長する。ｐ型窒化ガリウム系半導体膜５７は、１×１０^１９ｃｍ^−３未満のマグネシウム濃度を有することが好ましく、また２×１０^１８ｃｍ^−３以下のマグネシウム濃度を有することが好ましい。ｐ型窒化ガリウム系半導体膜５７は、例えばｐ−ＧａＮ層であり、またＳｉＨ_４供給を停止すると共にＣＰ_２Ｍｇを供給して成長される。その厚さは、例えば５００ｎｍであり、そのＭｇ濃度は、例えば７×１０^１７ｃｍ^−３である。ｎ型窒化ガリウム系半導体膜５５およびｐ型窒化ガリウム系半導体膜５７はホモ接合を成す。

次に、図４（Ａ）に示されるように、ｐ型窒化ガリウム系半導体膜５７上にコンタクト層５９を成長した。コンタクト層５９は、例えばｐ^＋−ＧａＮからなり、またＣＰ_２Ｍｇ供給量を増加してｐ^＋−ＧａＮ層を成長した。その厚さは７５ｎｍである。

基板温度を室温まで降温した後、炉内からエピタキシャル基板６１を取り出した。図４（Ｂ）に示されるように、各チップの境界に対応する位置に開口を有するマスク６３をエピタキシャル基板６１上に形成する。この後に、図４（Ｃ）に示されるように、ｎ型窒化ガリウム系半導体膜５５、ｐ型窒化ガリウム系半導体膜５７およびコンタクト層５９を反応性イオンエッチング装置を用いてエッチングして、ｎ型窒化ガリウム系半導体膜５５ａ、ｐ型窒化ガリウム系半導体膜５７ａおよびコンタクト層５９ａを含むメサ６５を形成した。このエッチングの結果、ｎ型窒化ガリウム系半導体膜５５に到達する溝が形成され、この溝によりメサが規定される。

ＧａＮ基板上の試料では、ｐ型オーミック金属でｐ^＋−ＧａＮ層上にオーミック電極を作製し、ｎ型オーミック金属でｎ−ＧａＮ基板の裏面にオーミック電極を形成した。サファイア基板上の試料でも、ｐ^＋−ＧａＮ層上にｐ型オーミック電極を作製し、メサ形成で露出されたｎ−ＧａＮ層表面にｎ型オーミック電極を形成した。

引き続く説明では、ＧａＮ基板上に作製された試料を「ｐｎ−Ｇ」として参照し、サファイア基板上に作製された試料を「ｐｎ−Ｓ」として参照する。これらの試料の電流−電圧特性を評価した。印加電圧−２００Ｖまでの逆方向特性と順方向特性とをＨＰ４１５５Ｂを用い、室温、大気中で測定した。

図４は、小さい印加電圧範囲における試料ｐｎ−Ｇおよびｐｎ−Ｓの順方向特性および逆方向特性を示す図面である。試料ｐｎ−Ｇおよびｐｎ−Ｓの特性は、特性線Ｃ_ｐｎ−Ｇ、Ｃ_ｐｎ−Ｓにより示されている。横軸は印加電圧（単位：ボルト）を示し、縦軸は電流密度（単位：Ａ／ｃｍ^２）を示す。試料ｐｎ−Ｇの順方向特性は、試料ｐｎ−Ｓの順方向特性よりも優れている。

図６は、印加電圧０〜−２００ボルトの範囲における試料ｐｎ−Ｇおよびｐｎ−Ｓの逆方向特性を示す図面である。試料ｐｎ−Ｇおよびｐｎ−Ｓの特性は、特性線ＣＲ_ｐｎ−Ｇ、ＣＲ_ｐｎ−Ｓにより示されている。試料ｐｎ−Ｇのリーク電流は、−１００ボルトまでの印加電圧の範囲で約１×１０^−８Ａ／ｃｍ^−２以下である。試料ｐｎ−Ｓのリーク電流は、−１００ボルトまでの印加電圧の範囲で約１×１０^−４Ａ／ｃｍ^−２以下である。

図７は、印加電圧０〜−１０００ボルトの範囲における試料ｐｎ−Ｇおよびｐｎ−Ｓの逆方向特性を示す図面である。試料ｐｎ−Ｇおよびｐｎ−Ｓの特性は、特性線Ｒ_ｐｎ−Ｇ、Ｒ_ｐｎ−Ｓにより示されている。印加電圧−１０００Ｖまでの逆方向特性はＫｅｉｔｈｌｅｙ−２４１０を用いて室温のフロリナート中で測定された。試料ｐｎ−Ｇのハードブレイクダウン電圧は、−９２５ボルト（電流：６．０×１０^−７Ａ／ｃｍ^−２）である。試料ｐｎ−Ｓのハードブレイクダウン電圧は、−５８８ボルト（電流：５．７×１０^−２Ａ／ｃｍ^−２）である。

ＧａＮ基板上に配置された多数の試料チップおよびサファイア基板上に配置された試料チップのうち各５つの試料チップを選びこれらを測定した。最も良好なチップの特性を示す：
ｐｎ−Ｇ ｐｎ−Ｓ
順方向特性
・ｎ値 １．４ ２．２
・オン抵抗（単位：ｍΩｃｍ^２） ６．３ ３０．５
１００Ａ／ｃｍ^２において定義。
・オン電圧(単位：ボルト) ３．９ ６．３
１００Ａ／ｃｍ^２において定義。
逆方向特性
・リーク電流（単位：Ａ／ｃｍ^２） １×１０^−８以下 １×１０^−７
−５ボルトにおいて定義。
・リーク電流（単位：Ａ／ｃｍ^２） １×１０^−８以下 ４×１０^−７
−２０Ｖボルトにおいて定義。
・リーク電流（単位：Ａ／ｃｍ^２） １×１０^−８ ７×１０^−６
−５０Ｖボルトにおいて定義。
・リーク電流（単位：Ａ／ｃｍ^２） ３×１０^−８ ６×１０^−５
−１００Ｖボルトにおいて定義。
・リーク電流（単位：Ａ／ｃｍ^２） ５×１０^−８ ３×１０^−４
−２００Ｖボルトにおいて定義。
・リーク電流（単位：Ａ／ｃｍ^２） ３×１０^−７
−６００Ｖボルトにおいて定義。
・ハードブレイクダウン耐圧（単位：Ｖ） ９２５ ５８８
・性能指数Ｖｂ^２／Ｒｏｎ（ＭＷ／ｃｍ^２） １３６ １１
・ハードブレイクダウン耐圧（単位：ボルト）８１５ ４９０
５点平均値。

特にＧａＮ基板を用いれば、逆方向リーク電流の小さいｐｎダイオードを作製できる。貫通転位密度１×１０^７ｃｍ^−２以下のＧａＮ基板を用いると、ハードブレイクダウン耐圧６００Ｖ以上で、逆方向６００Ｖ印加時のリーク電流値が１×１０^−２Ａ／ｃｍ^２以下である特性を有するｐｎダイオードを作製できる。

（実施例２）
次いで、電流−電圧特性のＭｇ濃度に対する依存性を調べた。試料を作製する際にＣＰ_２Ｍｇの流量を調節することで、Ｍｇ濃度の制御を行って、異なるアクセプタ濃度の試料を作製した。Ｍｇ濃度の変更の他は、全て同じ条件で試料を作製した。図８は、上記方法と同様にして窒化ガリウム基板上に作製された試料の接合ダイオードの耐圧とｐ−ＧａＮ層のＭｇ濃度依存性を示す図面である。特性線Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３は、それぞれ、Ｍｇ濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、３×１０^１８ｃｍ^−３、７×１０^１７ｃｍ^−３、の試料の特性を示す。図９は、上記方法と同様にしてＧａＮテンプレート上に作製された試料の接合ダイオードの耐圧とｐ−ＧａＮ層のＭｇ濃度依存性を示す図面である。特性線Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、それぞれ、Ｍｇ濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、３×１０^１８ｃｍ^−３、７×１０^１７ｃｍ^−３の試料の特性を示す。図１０は、窒化ガリウム基板およびＧａＮテンプレート上に上記方法と同様にして作製された試料を用いて、ｐｎダイオードの耐圧とｐ−ＧａＮ層のＭｇ濃度との関係を示す図面である。特性線Ｇ_Ｍｇは試料ｐｎ−Ｓの特性を示し、特性線Ｓ_Ｍｇは試料ｐｎ−Ｓの特性を示す。図１０には、データＧＡＮ１〜ＧＡＮ６、ＳＡＰ１〜ＳＡＰ６が示されている。具体的に数値を示せば、
Ｍｇ濃度（ｃｍ^−３） ｐｎ−Ｇ ｐｎ−Ｓ
１×１０^１９ ＧＡＮ１ ３４３ ＳＡＰ１ ２３９
３×１０^１８ ＧＡＮ２ ６００ ＳＡＰ２ ３５８
７×１０^１７ ＧＡＮ３ ９２５ ＳＡＰ３ ５８８
３×１０^１７ ＧＡＮ４ ８１２ ＳＡＰ４ ４９２
７×１０^１６ ＧＡＮ５ ５４８ ＳＡＰ５ ２３９
３×１０^１６ ＧＡＮ６ ４７２ ＳＡＰ６ １９０
である。

図１０の特性から理解されるように、ＧａＮ基板およびＧａＮテンプレート上に形成された接合ダイオードのハードブレイクダウン電圧に関しては、Ｍｇ濃度に最適値が存在する。Ｍｇ濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３よりも低いと、ｐ型半導体層の全てが実質的に空乏化して、パンチスルー現象が生じる。このため、ｐｎ接合界面の電界強度が増加するので、耐圧は６００Ｖよりも低下すると考えられる。これは、ｐ型半導体層の膜厚を５００ｎｍよりも厚くすることで回避できると考えられる。

一方、Ｍｇ濃度が３×１０^１８ｃｍ^−３よりも高い（一点鎖線で示される）と、ｐｎ接合界面に欠陥が導入され、リーク電流を増加させる。このため、耐圧が悪化すると考えられる。これまでのｐｎ接合ダイオードでは、ｐｎ接合界面のｐ型半導体層のＭｇ濃度を１×１０^１９ｃｍ^−３以上としているために、耐圧−６００Ｖ以上が得られていないと考えられる。

試料ｐｎ−Ｇにおいて、好ましくは、Ｍｇ濃度は、１×１０^１９ｃｍ^−３以下であることが好ましく、この理由は、ｐ型半導体層に発生する欠陥を抑制できるためである。また、Ｍｇ濃度は、１×１０^１４ｃｍ^−３以上であることが好ましく、この理由は、オン抵抗を低減することが可能になるためである。さらに好ましくは、Ｍｇ濃度は、３×１０^１８ｃｍ^−３以下であることが好ましく、この理由は、ｐ型半導体層に発生する欠陥をほとんど抑制できるためである。また、Ｍｇ濃度は、１×１０^１６ｃｍ^−３以上であることが好ましく、この理由は、不純物制御が容易であり、安定的にｐ型半導体層を得ることが可能になるためである。

また、試料ｐｎ−Ｓにおいて、好ましくは、Ｍｇ濃度は、１×１０^１９ｃｍ^−３以下であることが好ましく、この理由は、ｐ型半導体層に発生する欠陥を抑制できるためである。また、Ｍｇ濃度は、１×１０^１４ｃｍ^−３以上であることが好ましく、この理由は、オン抵抗を低減することが可能になるためである。さらに好ましくは、Ｍｇ濃度は、３×１０^１８ｃｍ^−３以下であることが好ましく、この理由は、ｐ型半導体層に発生する欠陥をほとんど抑制できるためである。また、Ｍｇ濃度は、１×１０^１６ｃｍ^−３以上であることが好ましく、この理由は、不純物制御が容易であり、安定的にｐ型半導体層を得ることが可能になるためである。

以上の説明によれば、
転位密度を１×１０^＋７ｃｍ^−２以下、
ｐｎ接合界面のＭｇ濃度を３×１０^＋１８ｃｍ^−３以下
にすることにより、特にｐｎ接合界面に存在する欠陥が低減され、
リーク電流値（印加電圧：−６００Ｖ）１×１０^−２Ａ／ｃｍ^２未満
耐圧：６００Ｖより大きい
性能指数：６２ＭＷ／ｃｍ^２より大きい
順方向ｎ値：２未満
の特性を有するｐｎ接合ダイオードが得られる。

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。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ＧａＮ基板を用いる接合ダイオードを概略的に示す図面である。 図２はＧａＮテンプレートを用いる接合ダイオードを概略的に示す図面である。 図３は接合ダイオードの作製方法を概略的に示す図面である。 図４は接合ダイオードの作製方法を概略的に示す図面である。 図５は、小さい印加電圧範囲における試料ｐｎ−Ｇおよびｐｎ−Ｓの順方向特性および逆方向特性を示す図面である。 図６は、印加電圧０〜−２００ボルトの範囲における試料ｐｎ−Ｇおよびｐｎ−Ｓの順方向特性および逆方向特性を示す図面である。 図７は、印加電圧０〜−１０００ボルトの範囲における試料ｐｎ−Ｇおよびｐｎ−Ｓの順方向特性および逆方向特性を示す図面である。 図８は、上記方法と同様にして窒化ガリウム基板上に作製された試料の接合ダイオードの耐圧とｐ−ＧａＮ層のＭｇ濃度依存性を示す図面である。 図９は、上記方法と同様にしてＧａＮテンプレート上に作製された試料の接合ダイオードの耐圧とｐ−ＧａＮ層のＭｇ濃度依存性を示す図面である。 図１０は、窒化ガリウム基板およびＧａＮテンプレートを用いるｐｎダイオードの耐圧とｐ−ＧａＮ層のＭｇ濃度との関係を示す図面である。

符号の説明

１１…接合ダイオード、１３…ｎ型窒化ガリウム系半導体層、１５…ｐ型窒化ガリウム系半導体層、１７…ホモ接合、１９…基板、２１…バッファ層、２３…別のｐ型窒化ガリウム系半導体層、２５…アノード電極、２７…カソード電極、３１…接合ダイオード、３３…ｎ型窒化ガリウム系半導体層、３５…ｐ型窒化ガリウム系半導体層、３７…ホモ接合、３９…基板、４１…バッファ層、４３…別のｐ型窒化ガリウム系半導体層、４５…アノード電極、４７…カソード電極

Claims (12)

1. １×１０^１７ｃｍ^−３以下のキャリア濃度を有しており基板上に設けられたｎ型窒化ガリウム系半導体層と、
   １×１０^１９ｃｍ^−３未満のマグネシウム濃度を有しており前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層上に設けられたｐ型窒化ガリウム系半導体層と
   を備え、
   前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層および前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層はホモ接合を成す、ことを特徴とする接合ダイオード。
2. 前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層のマグネシウム濃度は３×１０^１８ｃｍ^−３以下である、ことを特徴とする請求項１に記載された接合ダイオード。
3. 前記基板は、１×１０^７ｃｍ^−２以下の貫通転位密度を有する導電性窒化ガリウム領域を含む、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された接合ダイオード。
4. 前記基板は、１×１０^７ｃｍ^−２以下の貫通転位密度を有する窒化ガリウム基板である、ことを特徴とする請求項３に記載された接合ダイオード。
5. 前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の厚さは３マイクロメートル以上であり、
   前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のドナー濃度が６×１０^１６ｃｍ^−３以下である、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接合ダイオード。
6. 前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の前記マグネシウム濃度は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のドナー濃度の５倍よりも大きい、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接合ダイオード。
7. 前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層はＧａＮからなり、
   前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層はＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された接合ダイオード。
8. 前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層はＡｌＧａＮからなり、
   前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層はＡｌＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された接合ダイオード。
9. 前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層および前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の前記ホモ接合は、６００ボルト以上の耐圧を示すように設けられている、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接合ダイオード。
10. 前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層および前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の前記ホモ接合は、逆方向印加電圧−６００ボルトにおいて１×１０^−２Ａ／ｃｍ^２以下のリーク電流を示すように設けられている、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接合ダイオード。
11. 前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層上に設けられた別のｐ型窒化ガリウム系半導体層を更に備え、
    前記別のｐ型窒化ガリウム系半導体層のキャリア濃度は前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層のキャリア濃度より大きい、ことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載された接合ダイオード。
12. 窒化ガリウム系半導体を用いる接合ダイオードを作製する方法であって、
    １×１０^１７ｃｍ^−３以下のキャリア濃度を有するｎ型窒化ガリウム系半導体膜を基板上に成長する工程と、
    １×１０^１９ｃｍ^−３未満のマグネシウム濃度を有するｐ型窒化ガリウム系半導体膜を前記ｎ型窒化ガリウム系半導体膜上に成長する工程と
    を備え、
    前記ｎ型窒化ガリウム系半導体膜および前記ｐ型窒化ガリウム系半導体膜はホモ接合を成す、ことを特徴とする方法。
    

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