JP2007281086A - 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、および絶縁ゲートバイポーラトランジスタを作製する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ｐ型窒化ガリウム系半導体を用いる絶縁ゲートバイポーラトランジスタを提供する。
【解決手段】ナノコラム領域１３は、第１のｐ型窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラム３１を有する。コレクタ層１５は、ナノコラム領域１３の複数のナノコラム３１の一端３１ａを互いに結合するように設けられおり、また第２のｐ型窒化ガリウム系半導体からなる。ドリフト層１７は、コレクタ層１５上に設けられており、また第１のｎ型窒化ガリウム系半導体からなる。エミッタ領域１９は第２のｎ型窒化ガリウム系半導体からなる。ウエル領域２１は第３のｐ型窒化ガリウム系半導体からなる。ゲート電極２５は、ゲート絶縁膜２３上に設けられている。コレクタ電極２９は、基板２７の第２の面２７ｂ上に設けられている。ナノコラム領域１３は、基板２７の第１の面２７ａ上に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、および絶縁ゲートバイポーラトランジスタを作製する方法に関する。

非特許文献１には、（０００１）サファイア基板上に自立窒化ガリウム膜を成長することが記載されている。この窒化ガリウムは、ＲＦ分子線ビームエピタキシによって成長されたナノコラム上に成長される。ｃ軸方向の格子定数を評価することによって残留応力を見積もっており、低応力であることが明らかにされている。

非特許文献２には、絶縁ゲートバイポーラトランジスタが記載されている。絶縁ゲートバイポーラトランジスタはパワーデバイスとして用いられている。絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、金属−酸化物−半導体構造ｎ型トランジスタのドレインをドレインをｐ型半導体で置き換えた構造を有する。
Jap. J. Appl. Phys. Vol. 40, (2001), pp.L192-L194 パワーエレクトロニクスハンドブック、2992年2月20日発行、Ｒ＆Ｄプランニング、pp.94-99

非特許文献１によれば、窒化ガリウム膜が（０００１）サファイア基板上のナノコラム領域を覆うように成長されている。一方、窒化ガリウム系半導体電子デバイスは、導電性基板を必要としている。窒化ガリウム系半導体電子デバイスのために窒化ガリウム基板が利用されて始めている。窒化ガリウム基板のサイズは、Ｓｉ基板やＧａＡｓ基板のサイズに比べて小さい。より大きなサイズの基板を用いて、窒化ガリウム系半導体電子デバイスを作製することが求められている。また、窒化ガリウム基板の結晶品質は、向上されているが、Ｓｉ基板やＧａＡｓ基板の結晶品質に比べて更に向上されることが求められている。

窒化ガリウム系半導体電子デバイスのうち絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、非特許文献２に記載されているように、ｐ型窒化ガリウム系半導体からなるコレクタを必要とするけれども、発明者らの知る限り、未だにｐ型窒化ガリウム基板は開発されていない。

本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、ｐ型窒化ガリウム系半導体を用いる絶縁ゲートバイポーラトランジスタを提供することを目的とし、また窒化ガリウム系半導体を用いる絶縁ゲートバイポーラトランジスタ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、絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、（ａ）第１のｐ型窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域と、（ｂ）前記ナノコラム領域の前記複数のナノコラムの一端を互いに結合するように設けられおり、第２のｐ型窒化ガリウム系半導体からなるコレクタ層と、（ｃ）前記コレクタ層上に設けられており第１のｎ型窒化ガリウム系半導体からなるドリフト層と、（ｄ）前記ドリフト層上に設けられており第２のｎ型窒化ガリウム系半導体からなるエミッタ領域と、（ｅ）前記ドリフト層と前記エミッタ領域との間に設けられており第３のｐ型窒化ガリウム系半導体からなるウエル領域と、（ｆ）前記ウエル領域上に設けられたゲート絶縁膜と、（ｇ）前記ゲート絶縁膜上に設けられており前記ドリフト層と前記エミッタ領域との間の伝導を制御するためのゲート電極と、（ｈ）窒化ガリウム系半導体と異なるｐ型半導体からなる支持基体を含み第１の面および第２の面を有する基板と、（ｉ）前記基板の前記第２の面上に設けられたコレクタ電極とを備え、前記ナノコラム領域は、前記基板の前記第１の面上に設けられている。

この絶縁ゲートバイポーラトランジスタによれば、ｐ型窒化ガリウム系半導体を用いる縦型半導体電子デバイスが提供される。ナノコラム領域がｐ型窒化ガリウム系半導体からなると共に、コレクタ層がｐ型窒化ガリウム系半導体からなるので、窒化ガリウム系半導体と異なるｐ型半導体とｎ型窒化ガリウム系半導体との接合が形成されない。また、低転位なナノコラム領域が用いられるので、絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、良好な結晶品質を有する窒化ガリウム系半導体を用いて構成される。さらに、絶縁ゲートバイポーラトランジスタのドリフト層がナノコラム領域上に形成された窒化ガリウム系半導体からなるので、リーク電流が小さくなると共に絶縁耐圧が向上される。加えて、導電性支持体を用いるので、絶縁ゲートバイポーラトランジスタの放熱特性が良好である。

本発明の別の側面によれば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、（ａ）第１のｐ型窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域と、（ｂ）前記ナノコラム領域の前記複数のナノコラムの一端を互いに結合するように設けられおり、第２のｐ型窒化ガリウム系半導体からなるコレクタ層と、（ｃ）前記コレクタ層上に設けられており第１のｎ型窒化ガリウム系半導体からなるドリフト層と、（ｄ）前記ドリフト層上に設けられており第２のｎ型窒化ガリウム系半導体からなるエミッタ領域と、（ｅ）前記ドリフト層と前記エミッタ領域との間に設けられており第３のｐ型窒化ガリウム系半導体からなるウエル領域と、（ｆ）前記ウエル領域上に設けられたゲート絶縁膜と、（ｇ）前記ゲート絶縁膜上に設けられており前記ドリフト層と前記エミッタ領域との間の伝導を制御するためのゲート電極と、（ｈ）前記ナノコラム領域に接続されたコレクタ電極とを備え、前記ナノコラム領域は、前記コレクタ電極と前記コレクタ層との間に設けられている。

この絶縁ゲートバイポーラトランジスタによれば、ｐ型窒化ガリウム系半導体を用いる縦型半導体電子デバイスが提供される。低転位なナノコラム領域がｐ型窒化ガリウム系半導体からなると共に、コレクタ層が第２のｐ型窒化ガリウム系半導体からなるので、窒化ガリウム系半導体と異なるｐ型半導体とｎ型窒化ガリウム系半導体との接合が形成されない。また、ナノコラム領域が用いられるので、絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、良好な結晶品質を有する窒化ガリウム系半導体を用いて構成される。さらに、絶縁ゲートバイポーラトランジスタのドリフト層がナノコラム領域上に形成された窒化ガリウム系半導体からなるので、リーク電流が小さくなると共に絶縁耐圧が向上される。加えて、絶縁ゲートバイポーラトランジスタが基板を含まないので、絶縁ゲートバイポーラトランジスタは優れた放熱特性を示す。

本発明に係る絶縁ゲートバイポーラトランジスタでは、前記支持基体はｐ型Ｓｉまたはｐ型ＧａＡｓからなることが好ましい。この絶縁ゲートバイポーラトランジスタによれば、ナノコラム領域を形成することが可能なｐ型半導体領域が提供される。

本発明に係る絶縁ゲートバイポーラトランジスタでは、前記第１のｐ型窒化ガリウム系半導体は、Ａｌ_Ｘ１Ｇａ_Ｙ１Ｉｎ_{１−Ｘ１−Ｙ１}Ｎからなり、前記第２のｐ型窒化ガリウム系半導体は、Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_Ｙ２Ｉｎ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎからなり、前記第１のｎ型窒化ガリウム系半導体は、Ａｌ_Ｘ３Ｇａ_Ｙ３Ｉｎ_{１−Ｘ３−Ｙ３}Ｎからなり、前記第２のｎ型窒化ガリウム系半導体は、Ａｌ_Ｘ４Ｇａ_Ｙ４Ｉｎ_{１−Ｘ４−Ｙ４}Ｎからなり、前記第３のｐ型窒化ガリウム系半導体は、Ａｌ_Ｘ５Ｇａ_Ｙ５Ｉｎ_{１−Ｘ５−Ｙ５}Ｎからなることが好ましい。

この絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、窒化ガリウム系半導体からなるナノコラム領域上に成長された様々な窒化ガリウム系半導体を利用することができる。

本発明に係る絶縁ゲートバイポーラトランジスタでは、前記第１のｐ型窒化ガリウム系半導体は窒化ガリウムであり、前記第２のｐ型窒化ガリウム系半導体は窒化ガリウムであり、前記第１のｎ型窒化ガリウム系半導体は窒化ガリウムであることが好ましい。この絶縁ゲートバイポーラトランジスタによれば、窒化ガリウムは優れた結晶品質を有する。

本発明の更なる別の側面は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタを作製する方法である。この方法は、（ａ）窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる導電性支持体を含む基板の第１の面上に、第１のｐ型窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域を形成する工程と、（ｂ）前記ナノコラム領域の前記複数のナノコラムの一端を互いに結合するように窒化ガリウム系半導体膜を成長する工程と、（ｃ）前記窒化ガリウム系半導体膜を成長した後に、第２のｐ型窒化ガリウム系半導体からなりコレクタ層のための半導体膜を成長する工程と、（ｄ）前記コレクタ層のための半導体膜上に設けられており、第１のｎ型窒化ガリウム系半導体からなりドリフト層のための半導体膜を成長する工程とを備える。

この方法によれば、ｐ型窒化ガリウム系半導体を用いる縦型半導体電子デバイスを作製できる。ナノコラム領域を用いるので、低転位なｐ型窒化ガリウム系半導体を形成できる。また、ナノコラム領域上に良質な結晶性のｐ型窒化ガリウム系半導体膜が提供されるので、窒化ガリウム系半導体と異なるｐ型半導体とｎ型窒化ガリウム系半導体との接合が形成されない。さらに、コレクタ層およびドリフト層がナノコラム領域上に形成された低転位な窒化ガリウム系半導体からなるので、絶縁ゲートバイポーラトランジスタのリーク電流が小さくなると共に絶縁体耐圧が向上される。加えて、基板が、窒化ガリウム系半導体と異なる半導体材料からなる支持体を含むので、窒化ガリウム系半導体を用いる絶縁ゲートバイポーラトランジスタを窒化ガリウム基板を用いることなく作製される。

本発明に係る方法は、（ｅ）前記ドリフト層のための半導体膜を成長した後に、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタのためのウエル領域およびエミッタ領域を形成する工程と、（ｆ）前記ウエル領域およびエミッタ領域を形成した後に、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタのためのゲート絶縁膜およびゲート電極並びにエミッタ電極を形成する工程と、（ｇ）前記ウエル領域およびエミッタ領域を形成した後に、前記基板の前記第１の面と反対側の第２の面上に、コレクタ電極を形成する工程とを備え、前記導電性支持体の半導体材料のバンドギャップは窒化ガリウムのバンドギャップよりも小さいことが好ましい。

この方法によれば、窒化ガリウム系基板を用いることなく、窒化ガリウム系半導体を用いる絶縁ゲートバイポーラトランジスタを作製することができる。

本発明に係る方法は、（ｈ）前記ドリフト層のための半導体膜を成長した後に、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタのためのウエル領域およびエミッタ領域を形成する工程と、（ｉ）前記ウエル領域およびエミッタ領域を形成した後に、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタのためのゲート絶縁膜およびゲート電極並びにエミッタ電極を形成する工程と、（ｊ）前記ゲート絶縁膜およびゲート電極並びにエミッタ電極を形成した後に、前記導電性支持体を除去する工程を更に備えることができる。この方法によれば、支持体を除去するので、支持体に起因する抵抗がなくなると共に、窒化ガリウム系半導体と異なるｐ型半導体とｐ型窒化ガリウム系半導体との接合が形成されない。

この方法によれば、導電性支持体を用いないので、支持体に起因する抵抗がない。

本発明に係る方法では、前記導電性支持体はｐ型シリコンまたはｐ型ＧａＡｓからなることが好ましい。この方法によれば、窒化ガリウム基板よりも入手が容易であり、また窒化ガリウム基板よりも大口径であり、さらに窒化ガリウム基板よりも低コストな支持基体上に、窒化ガリウム系半導体を用いる絶縁ゲートバイポーラトランジスタを作成できる。また、シリコンまたはＧａＡｓは、窒化ガリウムに比べてエッチングにより除去することが容易である。

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、ｐ型窒化ガリウム系半導体を用いる絶縁ゲートバイポーラトランジスタが提供される。また、本発明によれば、窒化ガリウム系半導体を用いる絶縁ゲートバイポーラトランジスタ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、本発明の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、および絶縁ゲートバイポーラトランジスタ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（Ａ）は、本実施の形態に係る絶縁ゲートバイポーラトランジスタを概略的に示す斜視図である。図１（Ｂ）は、本実施の形態に係る絶縁ゲートバイポーラトランジスタを示す模式図である。絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１１ａは、ナノコラム領域１３と、コレクタ層１５と、ドリフト層１７と、エミッタ領域１９と、ウエル領域２１と、ゲート絶縁膜２３と、ゲート電極２５と、基板２７と、コレクタ電極２９とを備える。ナノコラム領域１３は、図１（Ｂ）に示されるように、第１のｐ型窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラム３１を有する。コレクタ層１５は、ナノコラム領域１３の複数のナノコラム３１の一端３１ａを互いに結合するように設けられおり、また第２のｐ型窒化ガリウム系半導体からなる。ドリフト層１７は、コレクタ層１５上に設けられており、また第１のｎ型窒化ガリウム系半導体からなる。エミッタ領域１９は、ドリフト層１７上に設けられており、また第２のｎ型窒化ガリウム系半導体からなる。ウエル領域２１は、ドリフト層１７とエミッタ領域１９との間に設けられており、また第３のｐ型窒化ガリウム系半導体からなる。ゲート絶縁膜２３は、ウエル領域２１上に設けられている。ゲート電極２５は、ゲート絶縁膜２３上に設けられており、またドリフト層１７とエミッタ領域１９との間の伝導を制御するように設けられている。基板２７は、第１の面２７ａおよび第２の面２７ｂを有しており、また窒化ガリウム系半導体と異なるｐ型半導体からなる支持基体２７ａを含むことができる。コレクタ電極２９は、基板２７の第２の面２７ｂ上に設けられている。ナノコラム領域１３は、基板２７の第１の面２７ａ上に設けられている。

この絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１１ａでは、ｐ型窒化ガリウム系半導体を用いる縦型半導体電子デバイスが提供される。ナノコラム領域１３がｐ型窒化ガリウム系半導体からなると共に、コレクタ層１５が第２のｐ型窒化ガリウム系半導体からなるので、窒化ガリウム系半導体と異なるｐ型半導体とｎ型窒化ガリウム系半導体との接合が形成されない。また、ナノコラム領域１３が用いられるので、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１１ａは、良好な結晶品質を有する窒化ガリウム系半導体を用いて構成される。さらに、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１１ａのドリフト層１７が低転位なナノコラム領域１３上に形成された窒化ガリウム系半導体からなるので、リーク電流が小さくなると共に絶縁耐圧が向上される。加えて、ｐ型半導体からなる導電性の基板２７を用いるので、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１１ａの放熱特性が良好である。ゲート絶縁膜２３の材料としては、例えばＳｉＯ_２、ＳｉＮｘ、ＳｉＯＮ、Ｇａ_２Ｏ_３、Ｓｃ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＭｇＯ等を用いることができる。ゲート電極２５の材料として、例えばＮｉ、Ｐｔ、ポリシリコン、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｉｒ、遷移金属シリサイドを用いることができる。

コレクタ層１５とドリフト層１７とはｐｎ接合３３ａを形成する。エミッタ領域１９とウエル領域２１とはｐｎ接合３３ｂを形成する。ウエル領域２１とドリフト領域１７とはｐｎ接合３３ｃを形成する。ゲート絶縁膜２３は、ウエル領域２１の表層上に設けられており、ウエル領域２１の表層の伝導率がゲート電極２５からの電界に応じて変調される。ゲート絶縁膜２３とウエル領域２１との界面における電界が大きくなると、ウエル領域２１の表層に反転層が形成され、エミッタ領域１９とドリフト領域１７とを繋ぐチャネルＣＨ１、ＣＨ２が形成される。チャネルＣＨ１、ＣＨ２は、エミッタ領域１９にオーミック接合を成すエミッタ電極３５からの電子Ｅをドリフト層１７へ流す。エミッタ電極３５は、またウエル領域２１にも接続されている。

絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１１ａでは、基板２７は、支持基体２７ａと、支持基体２７ａ上に設けられたバッファ層２７ｂを含むことができる。支持基体２７ａはｐ型Ｓｉまたはｐ型ＧａＡｓからなることが好ましい。これによれば、ナノコラム領域１３を形成することが可能なｐ型半導体下地が提供される。シリコン基板は例えば（１１１）面からなる主面を有している。バッファ膜２７ｂは、例えばＡｌＮ膜を含む。ＡｌＮ膜はウルツアイト結晶構造を有する。

また、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１１ａでは、ナノコラム領域１３の第１のｐ型窒化ガリウム系半導体は、Ａｌ_Ｘ１Ｇａ_Ｙ１Ｉｎ_{１−Ｘ１−Ｙ１}Ｎからなり、コレクタ層１５の第２のｐ型窒化ガリウム系半導体は、Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_Ｙ２Ｉｎ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎからなり、ドリフト層１７の第１のｎ型窒化ガリウム系半導体は、Ａｌ_Ｘ３Ｇａ_Ｙ３Ｉｎ_{１−Ｘ３−Ｙ３}Ｎからなり、エミッタ領域１９の第２のｎ型窒化ガリウム系半導体は、Ａｌ_Ｘ４Ｇａ_Ｙ４Ｉｎ_{１−Ｘ４−Ｙ４}Ｎからなり、ウエル領域２１の第３のｐ型窒化ガリウム系半導体は、Ａｌ_Ｘ５Ｇａ_Ｙ５Ｉｎ_{１−Ｘ５−Ｙ５}Ｎからなることが好ましい。これらの窒化ガリウム系半導体は、具体的には、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮである。この絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１１ａは、窒化ガリウム系半導体からなるナノコラム領域上に成長された様々な窒化ガリウム系半導体を利用することができる。

好ましい実施例では、ナノコラム領域１３の第１のｐ型窒化ガリウム系半導体はｐ型ＧａＮあり、コレクタ層１５の第２のｐ型窒化ガリウム系半導体はｐ型ＧａＮであり、ドリフト層１７第１のｎ型窒化ガリウム系半導体はｎ型ＧａＮであることが好ましい。エミッタ領域１９の第２のｎ型窒化ガリウム系半導体はｎ型ＧａＮからなり、ウエル領域２１の第３のｐ型窒化ガリウム系半導体はｐ型ＧａＮからなることができる。ナノコラム領域１３上に設けられた窒化ガリウムは優れた結晶品質を有する。

ナノコラム領域１３の厚さＬ１が、例えば０．０５マイクロメートル以上であれば、初期成長欠陥層のない高品質な結晶を得ることができる。ナノコラム領域１３の厚さＬ１が、例えば２マイクロメートル以下であれば、オン抵抗が低くなる。コレクタ層１５の厚さＬ２が、例えば０．２マイクロメートル以上であれば、コレクタ層表面が平坦連続膜になる。コレクタ層１５の厚さＬ２が、例えば３マイクロメートル以下であれば、オン抵抗が低くなる。

ナノコラム領域１３のドーパント濃度Ｎ１３が、例えば１０^１７ｃｍ^−３以上であれば、オン抵抗が低くなる。ナノコラム領域１３のドーパント濃度Ｎ１３が、例えば１０^２１ｃｍ^−３以下であれば、結晶性が良好であり、上に成長するコレクタ層の結晶性も良くなる。コレクタ層１５のドーパント濃度Ｎ１５が、例えば１０^１７ｃｍ^−３以上であれば、オン抵抗が低くなる。コレクタ層１５のドーパント濃度Ｎ１５が、例えば１０^２１ｃｍ^−３以下であれば、結晶性が良好という利点がある。

ナノコラム領域１３に、ほとんど貫通転位が存在しない。コレクタ層１５の貫通転位密度Ｄ２が、例えば１０^７ｃｍ^−２以下であれば、逆方向耐圧が向上する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ｐ型窒化ガリウム系半導体を用いる絶縁ゲートバイポーラトランジスタが提供される。

（第２の実施の形態）
図２（Ａ）は、本実施の形態に係る絶縁ゲートバイポーラトランジスタを概略的に示す斜視図である。図２（Ｂ）は、本実施の形態に係る絶縁ゲートバイポーラトランジスタを示す模式図である。絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１１ｂは、コレクタ層１５と、ドリフト層１７と、エミッタ領域１９と、ウエル領域２１と、ゲート絶縁膜２３と、ゲート電極２５とを備えており、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１１ｂは、ナノコラム領域１３に替えてナノコラム領域４３を含むと共に、コレクタ電極２９に替えてコレクタ電極３９を含む。ナノコラム領域４３は、第１のｐ型窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラム４１を有する。コレクタ層１５は、ナノコラム領域４３の複数のナノコラム４１の一端４１ａを互いに結合するように設けられおり、また第２のｐ型窒化ガリウム系半導体からなる。コレクタ電極３９は、複数のナノコラム４１の他端に電気的に接続されている。ナノコラム領域４３は、コレクタ電極２９上に設けられている。ナノコラム領域４３は、コレクタ電極３９とコレクタ層１５との間に設けられている。

この絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１１ｂでは、ｐ型窒化ガリウム系半導体を用いる縦型半導体電子デバイスが提供される。ナノコラム領域４３がｐ型窒化ガリウム系半導体からなると共に、コレクタ層１５が第２のｐ型窒化ガリウム系半導体からなるので、窒化ガリウム系半導体と異なるｐ型半導体とｎ型窒化ガリウム系半導体との接合が形成されない。また、ナノコラム領域４３が用いられるので、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１１ｂは、良好な結晶品質を有する窒化ガリウム系半導体を用いて構成される。さらに、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１１ｂのドリフト層１７が低転位なナノコラム領域４３上に形成された窒化ガリウム系半導体からなるので、リーク電流が小さくなると共に絶縁体耐圧が向上される。加えて、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１１ｂが基板を含まないので、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１１ｂは優れた放熱特性を示す。基板なないので、基板からの応力がない。

ナノコラム領域４３の厚さＬ３が、例えば０．０５マイクロメートル以上であれば、初期成長欠陥層のない高品質な結晶を得ることができる。ナノコラム領域４３の厚さＬ３が、例えば２マイクロメートル以下であれば、オン抵抗が低くなる。また、ナノコラム領域４３のドーパント濃度Ｎ４３が、例えば１０^１７ｃｍ^−３以上であれば、オン抵抗が低くなる。ナノコラム領域４３のドーパント濃度Ｎ４３が、例えば１０^２１ｃｍ^−３以下であれば、結晶性が良好であり、上に成長するコレクタ層の結晶性も良くなる。

第１および第２の実施の形態において、個々のナノコラム１３、４３は、窒化ガリウム半導体からなるコレクタ層１５の主面１５ａに直交する軸に沿って伸びており、既に説明したように、ナノコラム３１、４１の一端３１ａ、４１ａは窒化ガリウム半導体層１５に接続されており、ナノコラム１３、４３の他端２９ｂは開放されている。個々のナノコラム３１、４１は窒化ガリウム系単結晶からなり、その成長軸は下地の成長用基板の面方位により規定されている。また、窒化ガリウム半導体膜１５は、個々のナノコラム３１、４１から一体の窒化ガリウム系単結晶体へ遷移する領域を有する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ｐ型窒化ガリウム系半導体を用いる絶縁ゲートバイポーラトランジスタが提供される。

（第３の実施の形態）
図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）、図４（Ａ）、図４（Ｂ）および図４（Ｃ）を参照しながら、絶縁ゲートバイポーラトランジスタを作製する方法を説明する。

図３（Ａ）を示されるように、窒化ガリウム系半導体を成長するための基板５１を準備する。基板５１は、窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる支持体４７と、支持体４７上に形成されたバッファ膜４９とを含むことができる。基板５１は例えば以下のように準備される。支持体４７を結晶成長装置に配置する。本実施例では、結晶成長装置として、例えばＲＦ−ＭＢＥ装置を用いるが、これに限定されることなくＯＭＶＰＥ、ＨＶＰＥ等も用いることができる。支持体４７としては、例えば（１１１）面のｐ型シリコンウエハまたはｐ型ＧａＡｓ等を用いることができる。支持体４７上にバッファ膜４９を堆積する。（１１１）面シリコン基板を用いる場合、バッファ膜４９は例えばＧａＮ膜またはＡｌＮ膜を含むことができる。この場合、バッファ膜３５の厚さは、例えば数ｎｍ以上であることが好ましい。このバッファ層によりナノコラム成長の核となる初期成長核が形成される。必要な場合には、バッファ膜の成長に先立って、支持体４７の表面の熱クリーニングを行うことができる。導電性支持体４７の半導体材料のバンドギャップは窒化ガリウムのバンドギャップよりも小さい。

図３（Ｂ）に示されるように、ｐ型のナノコラム領域５３を基板５１上に形成する。ナノコラム領域５３は、図１（Ｂ）および図２（Ｂ）に示されるような、窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有する。Ｖ族原料の供給モル数とIII族原料の供給モル数との比（以下「Ｖ／III」として参照する）に応じて、ナノコラムの形状が変化する。ナノコラムは窒素リッチの条件で成長される。ナノコラムは、ウルツアイト構造のバッファ膜上に形成され、窒化ガリウムの（０００１）軸の方向に伸びる。ナノコラム領域５３におけるナノコラム密度は、例えばバッファ層の材料の種類、その膜厚、その成長条件に応じて変わる。ナノコラム密度は、例えば、１×１０^９ｃｍ^−２〜５×１０^１０ｃｍ^−２程度の範囲で変更可能である。窒素リッチの条件では、ガリウムの核生成やガリウムのマイグレーションが制限されるので、結晶膜の形成よりも、コラム状の結晶が成長する。

次いで、コレクタ層のためのｐ型の窒化ガリウム系半導体膜５５を成長する。図３（Ｂ）に示されるように、ナノコラム領域５３の複数のナノコラムを互いに結合するようにｐ型の窒化ガリウム系半導体膜５５を成長する。先ず、ナノコラム領域５３の複数のナノコラムを互いに結合するように窒化ガリウム系半導体領域を成長する。このために、ナノコラム領域５３の成長条件におけるガリウム供給量よりも大きいガリウム原料を供給する。ガリウム原料の増加により、ガリウムの核生成やガリウムのマイグレーションが促進される。この結果、複数のナノコラム５７が互いに結合され、遷移領域５９が形成される。次いで、窒化ガリウム系半導体の遷移領域５９上に窒化ガリウム単結晶領域６１を堆積する。これにより、窒化ガリウム系半導体膜５５が得られる。ナノコラム領域５３の窒化ガリウム系半導体の導電型は、窒化ガリウム半導体系膜５５の導電型と同じである。

この方法によれば、ナノコラム領域５３は非常に転位密度の小さい結晶からなるので、ナノコラム領域５３上に成長される窒化ガリウム系半導体膜５５もまた、非常に転位密度の小さい結晶からなる。また、基板５１が窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる支持体４７を含むので、ｐ型窒化ガリウム系半導体基板を用いることなく、ｐ型窒化ガリウム系半導体膜５５を得ることができる。さらに、窒化ガリウム系半導体膜５５のサイズは、実質的に上記基板５１のサイズと同じにできる。これにより、エピタキシャル基板Ｅ１が得られた。エピタキシャル基板Ｅ１は、基板５１と、ナノコラム領域５３と、窒化ガリウム半導体系膜５５とを含む。

（実施例）
ＧａＮナノコラム成長の一例
ＭＢＥ成長装置を用いる。Ｋセルを用いて７Ｎのガリウム源および７Ｎのアルミニウム源を提供すると共に、並びにＲＦラジカルガンを用いて６ＮのＮ_２ガスを窒素源を提供する。バッファ層（初期核形成）の成長温度は摂氏５００〜５５０度範囲にあり、ナノコラム形成の成長温度は摂氏８５０〜９００度範囲にある。ガリウム原料および活性窒素を供給する。
一例のＶ／III比：ナノコラム成長（ＧａＮ膜の成長よりも窒素リッチ条件）
である。ナノコラムの歪みは緩和されており、ナノコラム領域は非常に高品質の結晶である。成長表面はファセット面を含み成長と共に転位は曲げられ、この結果、ナノコラム領域はほぼ無転位となる。ナノコラムの直径は、成長温度、成長速度、Ｖ／III比に応じて変化し、例えば３０ｎｍ〜２００ｎｍ程度の範囲で制御される。特に、ナノコラムの直径は、ガリウム供給量に大きく依存する。これは、ナノコラムの成長が、窒素リッチの条件の下でガリウムのマイグレーションを調整していることに因る。ナノコラム領域は、窒化ガリウム系半導体のＣ軸方向に成長される。コレクタ層のためのｐ型窒化ガリウム系半導体膜はナノコラム領域から連続的に成長される。ナノコラムのキャリア濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３以上であることが好ましい。本実施例では、キャリア濃度ｐは、約３×１０^１７ｃｍ^−３である。また、ｐ型窒化ガリウム系半導体膜のキャリア濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３以上であることが好ましい。

続いて、図３（Ｃ）に示されるように、ドリフト層のためのｎ型の窒化ガリウム系半導体膜６３を成長する。窒化ガリウム系半導体膜６３の厚さは、例えば３マイクロメートル以上であることが好ましい。窒化ガリウム系半導体膜６３のドーパント濃度は窒化ガリウム系半導体膜５５のドーパント濃度よりも小さく、例えば１０^１５ｃｍ^−３以上であることが好ましく、また１０^１７ｃｍ^−３以下であることが好ましい。これにより、エピタキシャル基板Ｅ２が得られた。エピタキシャル基板Ｅ２は、基板５１と、ナノコラム領域５３と、ｐ型窒化ガリウム半導体系膜５５と、ｎ型窒化ガリウム半導体系膜６３とを含む。

図４（Ａ）に示されるように、ｎ型窒化ガリウム系半導体膜６３を成長した後に、エッチング法、フォトリソグラフィ法およびエピタキシャル成長法を用いてｎ型窒化ガリウム系半導体膜６３を加工し、絶縁ゲートバイポーラトランジスタのためのウエル領域６５およびエミッタ領域６７を形成する。例えば、マスクを用いてｎ型窒化ガリウム系半導体膜６３をエッチングすると共に、このマスクを用いてウエル領域のための窒化ガリウム系半導体を選択成長することができる。また、マスクを用いてウエル領域のための窒化ガリウム系半導体をエッチングすると共に、このマスクを用いてエミッタ領域のための窒化ガリウム系半導体を選択成長することができる。

図４（Ｂ）に示されるように、絶縁ゲートバイポーラトランジスタのためのゲート絶縁膜６９およびゲート電極７１並びにエミッタ電極７３を形成する。これにより、基板生産物Ｅ３が得られる

図４（Ｃ）に示されるように、絶縁ゲートバイポーラトランジスタのためのコレクタ電極７５を形成する。このコレクタ電極７５は、基板５１の第１の面５１ａと反対側の第２の面５１ｂ上に形成される。

これらが、絶縁ゲートバイポーラトランジスタを作製する方法の主要な工程である。これらの工程により、基板生産物Ｅ４が作製される。

基板５１の支持体４７がシリコン製であるとき、上記の基板生産物のサイズは、市場に流通しているシリコンウエハのサイズであり、例えば２インチから１２インチ程度である。

以上説明したように、本実施の形態によれば、窒化ガリウム系半導体を用いる絶縁ゲートバイポーラトランジスタを作製する方法が提供される。

（第４の実施の形態）
図５（Ａ）、図５（Ｂ）および図５（Ｃ）を参照しながら、絶縁ゲートバイポーラトランジスタを作製する方法を説明する。

図３（Ａ）から図４（Ｂ）に示される工程に従って、絶縁ゲートバイポーラトランジスタを作製する方法の工程を行って、基板生産物Ｅ３を作製する。引き続いて、支持体４７を除去する。この実施の形態の方法では、基板５１は、導電性支持体だけでなく、半絶縁性または絶縁性支持体を含むことができる。

図５（Ａ）を示されるように、基板５１の第２の面５１ｂ上にコレクタ電極を形成することなく、基板生産物Ｅ３の表面にマスク７６を形成して、ゲート電極７１、エミッタ電極７３等を覆う。マスク７６は、例えばレジストマスクである。

図５（Ｂ）を示されるように、基板５１をエッチングして、基板生産物Ｅ３から基板を取り除いて、基板生産物Ｅ５を作製する。基板５１がシリコン製支持体を含む場合には、フッ化水素酸および硝酸の混合液を用いて選択的にシリコンをウエットエッチングしてナノコラム領域５３ａを形成することができる。また、基板５１がＧａＡｓ製支持体を含む場合には、例えば、硫酸と過酸化水素水の混合液を用いてＧａＡｓを選択的にウエットエッチングすることができる。基板５１の除去により、基板からの応力がなくなる。

この後に、マスク７６を除去すると共に、ナノコラム領域５３に接続するコレクタ電極７７を作製すると、基板生産物Ｅ６が得られる。

この方法によれば、支持体を除去するので、支持体に起因する抵抗がなくなると共に、窒化ガリウム系半導体と異なるｐ型半導体とｎ型窒化ガリウム系半導体との接合が形成されない。

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。本実施の形態では、ｐ型窒化ガリウム系半導体からなるナノコラムを用いる絶縁ゲートバイポーラトランジスタについて例示的に説明しているけれども、ｎ型窒化ガリウム系半導体からなるナノコラムを用いることもできる。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（Ａ）は、第１の実施の形態に係る絶縁ゲートバイポーラトランジスタを概略的に示す断面図である。図１（Ｂ）は、第１の実施の形態に係る絶縁ゲートバイポーラトランジスタを示す模式図である。 図２（Ａ）は、第２の実施の形態に係る絶縁ゲートバイポーラトランジスタを概略的に示す断面図である。図２（Ｂ）は、第２の実施の形態に係る絶縁ゲートバイポーラトランジスタを示す模式図である。 図３（Ａ）、図３（Ｂ）および図３（Ｃ）は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタを作製する方法の主要な工程を示す図面である。 図４（Ａ）、図４（Ｂ）および図４（Ｃ）は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタを作製する方法の主要な工程を示す図面である。 図５（Ａ）、図５（Ｂ）および図５（Ｃ）は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタを作製する方法の主要な工程を示す図面である。

符号の説明

１１ａ、１１ｂ…絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、１３…ナノコラム領域、１５…コレクタ層、１７…ドリフト層、１９…エミッタ領域、２１…ウエル領域、２３…ゲート絶縁膜、２５…ゲート電極、２７…基板、２７ａ…支持基体、２７ｂ…バッファ層、２９…コレクタ電極、３１…ナノコラム、３１ａ…ナノコラムの一端、ＣＨ１、ＣＨ２…チャネル、３３ａ、３３ｂ、３３ｃ…ｐｎ接合、３５…エミッタ電極、３９…コレクタ電極、４１…ナノコラム、４１ａ…ナノコラムの一端、４３…ナノコラム領域、Ｌ１、Ｌ３…ナノコラム領域の厚さ、Ｌ２…コレクタ層の厚さ、４７…支持体、４９…バッファ膜、５１…基板、５３…ナノコラム領域、５５…窒化ガリウム系半導体膜、５９…窒化ガリウム系半導体遷移領域、６１…窒化ガリウム単結晶領域、Ｅ１、Ｅ２…エピタキシャル基板、６３…窒化ガリウム系半導体膜、６５…ウエル領域、６７…エミッタ領域、６９…ゲート絶縁膜、７１…ゲート電極、７３…エミッタ電極、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５、Ｅ６…基板生産物、７５…コレクタ電極、７６…マスク、７７…コレクタ電極

Claims (9)

1. 第１のｐ型窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域と、
   前記ナノコラム領域の前記複数のナノコラムの一端を互いに結合するように設けられおり、第２のｐ型窒化ガリウム系半導体からなるコレクタ層と、
   前記コレクタ層上に設けられており第１のｎ型窒化ガリウム系半導体からなるドリフト層と、
   前記ドリフト層上に設けられており第２のｎ型窒化ガリウム系半導体からなるエミッタ領域と、
   前記ドリフト層と前記エミッタ領域との間に設けられており第３のｐ型窒化ガリウム系半導体からなるウエル領域と、
   前記ウエル領域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ており前記ドリフト層と前記エミッタ領域との間の伝導を制御するためのゲート電極と、
   窒化ガリウム系半導体と異なるｐ型半導体からなる支持基体を含み第１の面および第２の面を有する基板と、
   前記基板の前記第２の面上に設けられたコレクタ電極と
   を備え、
   前記ナノコラム領域は、前記基板の前記第１の面上に設けられている、ことを特徴とする絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。
2. 第１のｐ型窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域と、
   前記ナノコラム領域の前記複数のナノコラムの一端を互いに結合するように設けられおり、第２のｐ型窒化ガリウム系半導体からなるコレクタ層と、
   前記コレクタ層上に設けられており第１のｎ型窒化ガリウム系半導体からなるドリフト層と、
   前記ドリフト層上に設けられており第２のｎ型窒化ガリウム系半導体からなるエミッタ領域と、
   前記ドリフト層と前記エミッタ領域との間に設けられており第３のｐ型窒化ガリウム系半導体からなるウエル領域と、
   前記ウエル領域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ており前記ドリフト層と前記エミッタ領域との間の伝導を制御するためのゲート電極と、
   前記ナノコラム領域に電気的に接続されたコレクタ電極と
   を備え、
   前記ナノコラム領域は、前記コレクタ電極と前記コレクタ層との間に設けられている、ことを特徴とする絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。
3. 前記支持基体はｐ型Ｓｉまたはｐ型ＧａＡｓからなる、ことを特徴とする請求項１に記載された絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。
4. 前記第１のｐ型窒化ガリウム系半導体は、Ａｌ_Ｘ１Ｇａ_Ｙ１Ｉｎ_{１−Ｘ１−Ｙ１}Ｎからなり、
   前記第２のｐ型窒化ガリウム系半導体は、Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_Ｙ２Ｉｎ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎからなり、
   前記第１のｎ型窒化ガリウム系半導体は、Ａｌ_Ｘ３Ｇａ_Ｙ３Ｉｎ_{１−Ｘ３−Ｙ３}Ｎからなり、
   前記第２のｎ型窒化ガリウム系半導体は、Ａｌ_Ｘ４Ｇａ_Ｙ４Ｉｎ_{１−Ｘ４−Ｙ４}Ｎからなり、
   前記第３のｐ型窒化ガリウム系半導体は、Ａｌ_Ｘ５Ｇａ_Ｙ５Ｉｎ_{１−Ｘ５−Ｙ５}Ｎからなる、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絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。
5. 前記第１のｐ型窒化ガリウム系半導体は窒化ガリウムであり、
   前記第２のｐ型窒化ガリウム系半導体は窒化ガリウムであり、
   前記第１のｎ型窒化ガリウム系半導体は窒化ガリウムである、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絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。
6. 絶縁ゲートバイポーラトランジスタを作製する方法であって、
   窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる導電性支持体を含む基板の第１の面上に、第１のｐ型窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域を形成する工程と、
   前記ナノコラム領域の前記複数のナノコラムの一端を互いに結合するように窒化ガリウム系半導体膜を成長する工程と、
   前記窒化ガリウム系半導体膜を成長した後に、第２のｐ型窒化ガリウム系半導体からなりコレクタ層のための半導体膜を成長する工程と、
   前記コレクタ層のための半導体膜上に設けられており、第１のｎ型窒化ガリウム系半導体からなりドリフト層のための半導体膜を成長する工程と、
   を備える、ことを特徴とする方法。
7. 前記ドリフト層のための半導体膜を成長した後に、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタのためのウエル領域およびエミッタ領域を形成する工程と、
   前記ウエル領域およびエミッタ領域を形成した後に、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタのためのゲート絶縁膜およびゲート電極並びにエミッタ電極を形成する工程と、
   前記ウエル領域およびエミッタ領域を形成した後に、前記基板の前記第１の面と反対側の第２の面上に、コレクタ電極を形成する工程と
   を備え、
   前記導電性支持体の半導体材料のバンドギャップは窒化ガリウムのバンドギャップよりも小さい、ことを特徴とする請求項６に記載された方法。
8. 前記ドリフト層のための半導体膜を成長した後に、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタのためのウエル領域およびエミッタ領域を形成する工程と、
   前記ウエル領域およびエミッタ領域を形成した後に、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタのためのゲート絶縁膜およびゲート電極並びにエミッタ電極を形成する工程と、
   前記ゲート絶縁膜およびゲート電極並びにエミッタ電極を形成した後に、前記導電性支持体を除去する工程を更に備える、ことを特徴とする請求項７に記載された方法。
9. 前記導電性支持体はｐ型シリコンまたはｐ型ＧａＡｓからなる、ことを特徴とする請求項６〜請求項８のいずれか一項に記載された方法。

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