JP2012074705A - 窒化ガリウム系半導体素子及び窒化ガリウム系半導体素子の製造方法 - Google Patents

窒化ガリウム系半導体素子及び窒化ガリウム系半導体素子の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】窒化ガリウム系半導体素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】導電性放熱基板（すなわち、熱伝導性基板）、放熱基板上に備わったＧａＮ系多重層及びＧａＮ系多重層上に備わったショットキー電極を含む窒化ガリウム系半導体素子である。該ＧａＮ系多重層は、放熱基板側に備わったＡｌＧａＮ層及びショットキー電極側に備わったＧａＮ層を含むことができる。かような窒化ガリウム系半導体素子の製造時、ウェーハボンディング（またはメッキ）及びレーザ・リフトオフ工程を利用することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体素子及びその製造方法に係り、さらに詳細には、窒化ガリウム系半導体素子及びその製造方法に関する。
ＧａＮ系窒化物半導体は、光素子、及び、高周波・高出力用電子素子及び高電力素子に応用できる。
最近、情報通信機術の急激な発達によって、超高速・大容量の信号伝送のための技術が急速に発達している。これと関連して、無線通信分野で、個人携帯電話、衛星通信、軍事用レーダ、放送通信、通信用中継器などの需要が拡大するにつれて、マイクロ波とミリメートル波との帯域の超高速情報通信システムに必要な高速・高電力電子素子への要求が高まっている。通信分野以外の他の分野でも、高電力を制御することができる電力素子（すなわち、パワーデバイス（ｐｏｗｅｒ ｄｅｖｉｃｅ））は、さまざまな目的で使われており、それに係わる多様な研究が進められている。
ＧａＮ系窒化物半導体は、エネルギーギャップが大きく、高い熱的・化学的安定性、高い電子飽和速度（〜３×１０７ｃｍ／ｓｅｃ）などすぐれた物性を有している。特に、ＧａＮ系窒化物半導体を利用した電子素子は、高い降伏電界（〜３×１０６Ｖ／ｃｍ）、高い最大電流密度、安定した高温動作特性などの多様な長所を有している。かような物性的な特徴により、ＧａＮ系窒化物半導体は、光素子だけではなく、高周波・高出力用電子素子及び高電力素子への応用が可能である。
しかし、ＧａＮ基盤の半導体素子は、一般的に熱伝導度が低いサファイア基板に形成されると、熱放出特性にすぐれないという短所がある。サファイア基板の代わりに、ＳｉＣ基板を使用することが放熱特性側面で有利でありうるが、ＳｉＣ基板は高価（サファイア基板の約１０倍）であるから、製造コストがかかってしまうという問題がある。また、ＧａＮ基盤の半導体素子は、基板とＧａＮとの格子定数不一致による線欠陥及び転位（dislocation）発生の問題点もある。
本発明は、熱放出が容易であって欠陥が少なく、電流拡散（current spreading）効果を得ることができる窒化ガリウム系半導体素子を提供する。本発明はまた、前記窒化ガリウム系半導体素子の製造方法を提供する。
本発明の一側面（aspect）によれば、導電性を有する基板と、前記基板の上方に備わったＡｌＧａＮ層と、前記ＡｌＧａＮ層上に備わったＧａＮ層と、前記ＧａＮ層上に、それとショットキーコンタクトをなす電極層と、を含む窒化ガリウム系半導体素子が提供される。
前記基板は、サファイア基板より熱伝導度が高い物質を含むことができる。前記基板は、Ａｌ−Ｓｉ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗ、Ａｌ、Ｃｒ及びそれらの組み合わせのうち少なくとも一つを含むことができる。
前記基板と前記ＡｌＧａＮ層は、オーミックコンタクトされうる。前記ＡｌＧａＮ層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（ここで、ｘは、０＜ｘ≦０．６または０．１≦ｘ≦０．５）でありうる。前記ＡｌＧａＮ層は、ｎ型不純物がドーピングされた層でありうる。
前記ＧａＮ層は、単層構造または多層構造を有することができる。前記ＧａＮ層は、ドーピングされていないＧａＮ層及びｎ型ドーピングＧａＮ層のうち少なくとも一つを含むことができる。前記ＧａＮ層は、前記電極層に接触した第１ＧａＮ層、及び前記第１ＧａＮ層と前記ＡｌＧａＮ層との間に備わった第２ＧａＮ層を含むことができる。この場合、前記第１ＧａＮ層は、ドーピングされていない層であるか、ｎ型ドーピング層であり、前記第２ＧａＮ層は、Ｓｉ及びＡｌのうち少なくとも一つがドーピングされた層でありうる。前記ＡｌＧａＮ層及び前記ＧａＮ層は、Ｎ面極性（Ｎ−face polarity）を有することができる。
前記基板と前記電極層との間に、超格子構造層（superlattice-structure layer）がさらに備わりうる。前記ＧａＮ層は、多層構造を有し、前記超格子構造層は、前記ＧａＮ層を構成する複数の層間に備わりうる。前記ＧａＮ層内に、遮断層パターン（blocking layer pattern）がさらに備わりうる。
本発明の他の側面によれば、第１基板上にＧａＮ層を形成するＧａＮ層形成段階と、前記ＧａＮ層に上にＡｌＧａＮ層を形成するＡｌＧａＮ層形成段階と、前記ＡｌＧａＮ層の上方に第２基板を設ける第２基板設置段階と、前記第１基板を除去し、前記ＧａＮ層を露出させる露出段階と、前記露出されたＧａＮ層の表面に、前記ＧａＮ層とショットキーコンタクトをなす電極層を形成する電極層形成段階と、を含む窒化ガリウム系半導体素子の製造方法が提供される。
前記第１基板は、サファイア基板でありうる。前記ＧａＮ層は、単層構造または多層構造に形成されうる。前記ＧａＮ層は、ドーピングされていないＧａＮ層及びｎ型ドーピングＧａＮ層のうち少なくとも一つを含むことができる。
前記ＧａＮ層形成段階は、前記第１基板上に第１ＧａＮ層を形成する段階と、前記第１ＧａＮ層上に第２ＧａＮ層を形成する段階と、を含むことができる。この場合、前記第１ＧａＮ層は、ドーピングされていない層であるか、ｎ型ドーピング層であり、前記第２ＧａＮ層は、Ｓｉ及びＡｌのうち少なくとも一つがドーピングされた層でありうる。
前記ＧａＮ層は、多層構造に形成し、前記ＧａＮ層を構成する複数の層間に超格子構造層を形成することができる。
前記ＡｌＧａＮ層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（ここで、ｘは、０＜ｘ≦０．６または０．１≦ｘ≦０．５）でありうる。前記ＡｌＧａＮ層は、ｎ型ドーピング層でありうる。
前記第２基板は、導電性基板でありうる。前記第２基板は、前記第１基板より熱伝導度が高い物質を含むことができる。前記第２基板は、Ａｌ−Ｓｉ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗ、Ａｌ、Ｃｒ及びそれらの組み合わせのうち少なくとも一つを含むことができる。
前記第２基板設置段階は、ボンディング法またはメッキ法で遂行することができる。前記ＡｌＧａＮ層と前記第２基板との間に、オーミックコンタクト層を形成することができる。
前記第１基板を除去する段階は、レーザ・リフトオフ（laser lift-off）工程によって遂行することができる。前記第１基板の上面に、尖頭状の複数の突出部を形成する段階と、前記ＧａＮ層内に、前記複数の突出部に対応する位置に遮断層パターンを形成する段階と、をさらに含むことができる。前記第１基板を除去する段階後、前記ＧａＮ層の露出面からその一部厚みを除去する段階をさらに含むことができる。
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
本発明の実施形態による窒化ガリウム系半導体素子を示す断面図である。 本発明の実施形態による窒化ガリウム系半導体素子を示す断面図である。 本発明の実施形態による窒化ガリウム系半導体素子を示す断面図である。 本発明の実施形態による窒化ガリウム系半導体素子を示す断面図である。 本発明の実施形態による窒化ガリウム系半導体素子を示す断面図である。 本発明の実施形態による窒化ガリウム系半導体素子を示す断面図である。 本発明の実施形態による窒化ガリウム系半導体素子の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態による窒化ガリウム系半導体素子の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態による窒化ガリウム系半導体素子の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態による窒化ガリウム系半導体素子の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態による窒化ガリウム系半導体素子の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態による窒化ガリウム系半導体素子の製造方法を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による窒化ガリウム系半導体素子の製造方法の一部を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による窒化ガリウム系半導体素子の製造方法の一部を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による窒化ガリウム系半導体素子の製造方法の一部を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による窒化ガリウム系半導体素子の製造方法の一部を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による窒化ガリウム系半導体素子の製造方法を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による窒化ガリウム系半導体素子の製造方法を示す断面図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
以下、本発明の実施形態による窒化ガリウム系半導体素子及びその製造方法について、添付された図面を参照しつつ詳細に説明する。この過程で、図面に図示された層又は領域などの厚みは、明細書の明確性のために多少誇張されて図示されている。詳細な説明全体にかけて同じ参照番号は、同じ構成要素を示す。
図１は、本発明の実施形態による窒化ガリウム系半導体素子を示している。図１を参照すれば、放熱基板１００の上方に、ＡｌＧａＮ層２００及び第１ＧａＮ層３００が順に備わり、第１ＧａＮ層３００上に、ショットキー電極４００が備わりうる。放熱基板１００は、導電性基板であって、ＡｌＧａＮ層２００は、放熱基板１００とオーミックコンタクト（ohmic contact）をなすことができる。放熱基板１００とＡｌＧａＮ層２００との間には、ボンディング金属層１０及びオーミック金属層２０が順に備わりうる。すなわち、一例として、放熱基板１００上にボンディング金属層１０が形成され、ボンディング金属層１０上にオーミック金属層２０が形成され、オーミック金属層２０上にＡｌＧａＮ層２００が形成される。第１ＧａＮ層３００のＡｌＧａＮ層２００に接した界面付近に、二次元電子ガス層（２−dimensional electron gas layer；２ＤＥＧ層という。）が存在しうる。ショットキー電極４００は、第１ＧａＮ層３００とショットキーコンタクト（Schottky contact）をなすことができる。以下では、前述の構成要素それぞれについて、さらに詳細に説明する。
放熱基板１００は、導電性基板であって、下部電極として使われうる。また、放熱基板１００は、サファイア基板より熱伝導度が高い熱伝導性基板でありうる。例えば、放熱基板１００は、Ａｌ−Ｓｉ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗ、Ａｌ、Ｃｒ及びそれらの組み合わせのうち少なくとも一つを含む基板でありうる。このような放熱基板１００は、サファイア基板よりすぐれた熱放出特性を有し、ＳｉＣ基板より廉価であり、電極として使われうる。
放熱基板１００上に備わったＡｌＧａＮ層２００は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（ここで、ｘは、０＜ｘ≦０．６または０．１≦ｘ≦０．５）でありうる。すなわち、ＡｌＧａＮ層２００でＡｌ成分の含有量は、多くは６０ａｔ％以下であり、少なくは１０〜５０ａｔ％ほどでありうる。また、ＡｌＧａＮ層２００は、ｎ型不純物でドーピングされた層、すなわち、ｎ型ドーピング層でありうる。前記ｎ型不純物は、例えば、Ｓｉである。前記ｎ型不純物は、１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３以上、１０２０ａｔｏｍ／ｃｍ３以下ほどの濃度（高濃度）でドーピングされうる。従って、ＡｌＧａＮ層２００は、ｎ＋層でありうる。前記ｎ型不純物がドーピングされることによって、ＡｌＧａＮ層２００の電気伝導度が上昇し、放熱基板１００とのオーミックコンタクト特性が向上しうる。ＡｌＧａＮ層２００の厚みは、約１０〜６０ｎｍである。
ＡｌＧａＮ層２００の上方に備わった第１ＧａＮ層３００は、ドーピングされていないＧａＮ層であるか、ｎ型ドーピングＧａＮ層でありうる。第１ＧａＮ層３００がｎ型ドーピングＧａＮ層である場合、ｎ型不純物は、１０１８atom／ｃｍ３未満の濃度、例えば、１０１７atom／ｃｍ３ほどの濃度でドーピングされうる。従って、第１ＧａＮ層３００は、ｎ型層でありうる。第１ＧａＮ層３００の厚みは、２〜１０μｍほどでありうる。すなわち、一例として、第１ＧａＮ層３００のドーピング濃度は、ＡｌＧａＮ層２００のドーピング濃度より低い。
ＡｌＧａＮ層２００と第１ＧａＮ層３００とが接合された異種接合構造では、接合界面でのバンド不連続（band-discontinuity）が大きいので、前記界面に電子が高濃度で集中しうる。従って、前記界面付近に２ＤＥＧ層が生成されうる。前記２ＤＥＧ層での電子移動度（electron mobility）は非常に高く、従って、電流拡散（current spreading）特性が向上しうる。
また本実施形態で、ＡｌＧａＮ層２００と第１ＧａＮ層３００は、Ｎ面極性（Ｎ−face polarity）を有することができる。ウルツァイト（Wurtzite）構造のＧａＮ系物質層は、Ｎ原子が最上層（露出面）に配列されるＮ面極性（Ｎ−face polarity）、あるいは、Ｇａ原子が最上層（露出面）に配列されるＧａ面極性（Ｇａ−face polarity）を有することができる。Ｎ面（face）を有するＧａＮ系物質層は、Ｚ軸方向に［０００−１］方向性を有し、Ｇａ面（face）を有するＧａＮ系物質層は、Ｚ軸方向に［０００１］方向性を有する。ＡｌＧａＮとＧａＮとが接合されたＧａＮ系異種接合構造で、ＡｌＧａＮとＧａＮとの表面極性によって、２ＤＥＧ層の形成位置が変わりうる。ＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮがＮ面極性を有する場合、２ＤＥＧ層は、ＡｌＧａＮ上側のＧａＮに形成されうる。一方、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮがＧａ面極性を有する場合、２ＤＥＧ層は、ＡｌＧａＮ下側のＧａＮに形成されうる。このように、ＧａＮ系物質層の表面極性が何であるかによって、それから形成される素子の特性、構成などが変わりうる。本実施形態では、ＡｌＧａＮ層２００と第１ＧａＮ層３００とがＮ面極性を有するので、ＡｌＧａＮ層２００上に備わった第１ＧａＮ層３００内に、２ＤＥＧ層が備わりうる。第１ＧａＮ層３００がＮ面極性を有する場合、本実施形態による半導体素子（垂直型ショットキーダイオード素子）の特性が向上しうる。具体的に説明すれば、第１ＧａＮ層３００がＮ面極性を有する場合、それによって、ショットキー電極４００との電位障壁高（potential barrier height）、すなわち、ショットキーバリヤ高（Schottky barrier height）が高まりうる。換言すれば、第１ＧａＮ層３００がＮ面極性を有する場合、Ｇａ面極性を有する場合より、その上に形成されるショットキー電極４００とのショットキーバリヤ高が高い。従って、第１ＧａＮ層３００をＮ面極性に形成することによって、本実施形態による半導体素子（垂直型ショットキーダイオード素子）の特性を向上させることができる。
第１ＧａＮ層３００上に備わったショットキー電極４００は、第１ＧａＮ層３００とショットキーコンタクトをなす金属または導電性金属酸化物を含むことができる。例えば、ショットキー電極４００は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、ＣｕＩｎＯ２、ＩＴＯ（indium tin oxide）などを含む単層構造または多層構造を有する。具体的な例としては、ショットキー電極４００は、Ｎｉ／Ａｕ、ＣｕＩｎＯ２／Ａｕ、ＩＴＯ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｔ／Ａｕなどの構成を有する。このような物質は、例示的なものに過ぎず、ここで開示していない多様な導電物質（金属、金属酸化物など）をショットキー電極４００物質として適用することができる。
一方、放熱基板１００とＡｌＧａＮ層２００との間に備わるボンディング金属層１０は、例えば、Ａｕ及びＡｕＳｎなどを含むことができる。ボンディング金属層１０は、放熱基板１００との接着力改善のために導入される層でありうる。しかし、場合によっては、ボンディング金属層１０は、放熱基板１００の形成のためのシード金属層（seed metal layer）として使われもする。この場合、前述のＡｕ及びＡｕＳｎ以外に、多様な他の金属がボンディング金属層１０物質として適用されうる。ボンディング金属層１０とＡｌＧａＮ層２００との間に備わるオーミック金属層２０は、例えば、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｕ及びそれらの合金のうち少なくとも一つを含む単層構造または多層構造を有する。ボンディング金属層１０とオーミック金属層２０とのうち少なくとも一つは省略されて、備わらないこともある。
かような構造の半導体素子は、熱放出特性にすぐれて欠陥が少なく、及び電流拡散効果にすぐれ、改善されたショットキー接合特性を有する。また、本実施形態による半導体素子は、放熱基板１００とショットキー電極４００とを電極（アノード及びカソード）として使用する垂直型構造を有するために、水平型素子に比べて、単位面積当たり形成可能なチップ（chip）の個数を増やすことができる。従って、コスト節減に有利である。
本発明の他の実施形態によれば、図１のＡｌＧａＮ層２００と第１ＧａＮ層３００との間に他のＧａＮ層がさらに備わりうる。その例が図２に図示されている。
図２を参照すれば、ＡｌＧａＮ層２００とＧａＮ層（以下、第１ＧａＮ層）３００との間に、第２ＧａＮ層３００'が備わりうる。第１ＧａＮ層３００は、図１のＧａＮ層３００と同様にドーピングされていない層であるか、ｎ型ドーピング層でありうる。第２ＧａＮ層３００'は、Ｓｉ及びＡｌのうち少なくとも一つが、ドーピングされた層でありうる。例えば、第２ＧａＮ層３００'は、Ｓｉ成分及びＡｌ成分がそれぞれ約１ａｔ％未満にドーピングされた層でありうる。ａｔ％とは、原子百分率であり、原子数の比を表す。ここで、Ｓｉ成分は、ｎ型不純物であり、第２ＧａＮ層３００'の電気伝導度を高める役割を行うことができる。前記Ｓｉ成分のドーピングによって、第２ＧａＮ層３００'は、ｎ＋層になりうる。一方、Ａｌ成分は、第２ＧａＮ層３００'の結晶性を向上させるだけではなく、キャリア（電子）濃度を高めるのに寄与することができる。すなわち、一例として、第２ＧａＮ層３００'に含まれるＡｌ成分の組成比は、ＡｌＧａＮ層２００におけるＡｌの組成比より低い。従って、Ｓｉ及びＡｌのうち少なくとも一つがドーピングされた第２ＧａＮ層３００'によって、素子の特性が改善されうる。このように、ＡｌＧａＮ層２００と第１ＧａＮ層３００との間に、第２ＧａＮ層３００'が備わった場合、第２ＧａＮ層３００'のＡｌＧａＮ層２００と接触した界面付近に、２ＤＥＧ層が存在しうる。第２ＧａＮ層３００'を除外した残りの構成は、図１と同一であるので、これに係わる詳細な説明は省略する。
本発明の他の実施形態によれば、放熱基板１００とショットキー電極４００との間に、超格子構造層（superlattice-structure layer）がさらに備わりうる。その例が図３〜図５に図示されている。
図３を参照すれば、第１ＧａＮ層３００と第２ＧａＮ層３００'との間に、超格子構造層５０が備わりうる。
図４を参照すれば、第１ＧａＮ層３００が複数の層、例えば、２層の第１ＧａＮ層３００ａ、及び、３００ｂに分離され、それらの間に超格子構造層５０が備わりうる。
図５を参照すれば、第２ＧａＮ層３００'が複数の層、例えば、２層の第２ＧａＮ層３００ａ'、及び、３００ｂ'に分離され、それらの間に超格子構造層５０が備わりうる。
図３ないし図５で超格子構造層５０は、例えば、ＡｌＧａＮ層、ＧａＮ層及びＩｎＧａＮ層が順に反復積層された構造を有する。すなわち、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＩｎＧａＮ構造がｎ回反復積層された構造を有する。ここで、ｎは、５〜２０回ほどでありうる。超格子構造層５０の構造は多様に変形されうる。例えば、反復積層される単位構造は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ、ＡｌＮ／ＧａＮ／ＩｎＮ、ＡｌＮ／ＧａＮ、ＧａＮ／ＩｎＮなどに変わりうる。場合によっては、超格子構造層５０は、多層構造ではない単層構造を有することもできる。このような超格子構造層５０によって、第１ＧａＮ層３００または第２ＧａＮ層３００'で生じた線欠陥及び転位（dislocation）が遮断（bending）されうる。超格子構造層５０によって線欠陥が遮断される原理については、図９ないし図１１でさらに詳細に説明する。
線欠陥は、電流の漏れ経路として作用し、素子の特性に悪影響を与えうる。特に、垂直型半導体素子で垂直方向に成長された線欠陥は、水平型素子での線欠陥よりさらに大きい問題になりうる。しかし、本実施形態では、超格子構造層５０を利用して線欠陥を遮断することによって、線欠陥による問題を防止または抑制することができる。本発明の他の実施形態では、超格子構造層５０以外に、他の方法を使用して線欠陥を除去／遮断することができる。すなわち、超格子構造層５０ではない他の方法で、線欠陥の除去／遮断が可能である。
図６は、本発明の他の実施形態による窒化ガリウム系半導体素子を示している。図６を参照すれば、第１ＧａＮ層３００が複数の層、例えば、２層の第１ＧａＮ層３００ａ、及び、３００ｂに分離され、それらの間に、遮断層パターン７０（blocking layer pattern）が備わりうる。遮断層パターン７０の断面は、四角形またはそれと類似した形態を有する。遮断層パターン７０は、シリコン酸化物、シリコン窒化物などの絶縁体から構成されうる。遮断層パターン７０は、製造工程で、線欠陥進行を止めるために導入された層でありうる。これについては、追って図８を参照しつつさらに詳細に説明する。遮断層パターン７０は、線欠陥進行を防止する役割以外にも、第１ＧａＮ層３００ａ、及び、３００ｂを介して流れる電流を水平方向に分散させることによって、電流拡散に寄与することができる。従って、遮断層パターン７０によって、電流集中（current crowding）現象が緩和され、電流拡散効果がさらに向上しうる。
図３〜図６の変形例は、１つの素子に重複して適用されうる。例えば、超格子構造層５０と遮断層パターン７０とを１つの素子に共に適用することができる。
図７Ａ〜図７Ｆは、本発明の実施形態による窒化ガリウム系半導体素子の製造方法を示している。
図７Ａを参照すれば、第１基板ＳＵＢ１上に、第１ＧａＮ層３００を形成することができる。第１基板ＳＵＢ１は、例えば、サファイア基板でありうる。ＧａＮ系の物質は、格子定数及び熱膨張係数が正確に一致する基板が存在しないので、一般的にサファイア基板上に成長させる。第１ＧａＮ層３００を形成する前、第１基板ＳＵＢ１上にバッファ層３０を形成し、その上に、第１ＧａＮ層３００を形成することができる。バッファ層３０は、第１基板ＳＵＢ１と第１ＧａＮ層３００との格子定数及び熱膨張係数の差を緩和させ、結晶性を向上させるために具備することができる。バッファ層３０は、例えば、ＧａＮまたはＳｉＣなどから形成することができる。第１ＧａＮ層３００は、ドーピングされていないＧａＮ層であるか、ｎ型不純物が低濃度でドーピングされたＧａＮ層でありうる。第１ＧａＮ層３００は、Ｇａ面極性を有する。第１ＧａＮ層３００は、２〜１０μｍほどの厚みに形成することができる。
第１ＧａＮ層３００上に、第２ＧａＮ層３００'を形成することができる。第２ＧａＮ層３００'は、Ｓｉ及びＡｌのうち少なくとも一つがドーピングされたＧａＮ層でありうる。例えば、第２ＧａＮ層３００'は、Ｓｉ成分及びＡｌ成分がそれぞれ約１ａｔ％未満にドーピングされた層でありうる。前記Ｓｉ成分はｎ型不純物であり、第２ＧａＮ層３００'の電気伝導度を高めるという役割を行うことができる。このようなＳｉ成分のドーピングによって、第２ＧａＮ層３００'は、ｎ＋層になりうる。前記Ａｌ成分は、第２ＧａＮ層３００'の結晶性を向上させるだけではなく、キャリア（電子）濃度を高めるのに寄与することができる。
第２ＧａＮ層３００'上に、ＡｌＧａＮ層２００を形成することができる。ＡｌＧａＮ層２００は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ここで、ｘは、０＜ｘ≦０．６または０．１≦ｘ≦０．５）で形成することができる。すなわち、ＡｌＧａＮ層２００でＡｌ成分の含有量は、６０ａｔ％以下、例えば、１０〜５０ａｔ％ほどでありうる。またＡｌＧａＮ層２００は、ｎ型不純物でドーピングされた層（すなわち、ｎ型ドーピング層）でありうる。前記ｎ型不純物は、例えば、Ｓｉである。前記ｎ型不純物は、１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３以上、１０２０ａｔｏｍ／ｃｍ３以下ほどの濃度（高濃度）でドーピングされうる。従って、ＡｌＧａＮ層２００は、ｎ＋層でありうる。前記ｎ型不純物がドーピングされることによって、ＡｌＧａＮ層２００の電気伝導度が上昇しうる。ＡｌＧａＮ層２００は、１０〜６０ｎｍほどの厚みに形成することができる。
第１ＧａＮ層３００がＧａ面極性を有するために、その上に形成される第２ＧａＮ層３００'及びＡｌＧａＮ層２００も、Ｇａ面極性を有する。この場合、ＡｌＧａＮ層２００に接した第２ＧａＮ層３００'の界面付近に、２ＤＥＧ層が備わりうる。
図７Ｂ及び図７Ｃを参照すれば、ＡｌＧａＮ層２００の上面に、第２基板ＳＵＢ２を付着させる。第２基板ＳＵＢ２の下面に、ボンディング金属層１０を形成し、ＡｌＧａＮ層２００の上面に、オーミック金属層２０を形成した状態で、ボンディング金属層１０とオーミック金属層２０とを間にして、第２基板ＳＵＢ２をＡｌＧａＮ層２００に付着させる。別の例として、ボンディング金属層１０を、第２基板ＳＵＢ２の下面ではなくオーミック金属層２０の上面に具備した状態で、第２基板ＳＵＢ２を付着させることもできる。また別の例として、オーミック金属層２０を、ＡｌＧａＮ層２００の上面ではなくボンディング金属層１０下面に具備した状態で、第２基板ＳＵＢ２を付着させることもできる。ボンディング金属層１０は、例えば、ＡｕまたはＡｕＳｎなどから形成することができる。オーミック金属層２０は、例えば、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｕ及びそれらの合金のうち少なくとも一つを含む単層構造または多層構造に形成することができる。ボンディング金属層１０とオーミック金属層２０とのうち少なくとも一つは形成しないこともある。
第２基板ＳＵＢ２は、導電性基板であって電極として使われうる。また、第２基板ＳＵＢ２は、第１基板ＳＵＢ１（例えば、サファイア基板）より熱伝導度の高い熱伝導性基板でありうる。例えば、第２基板ＳＵＢ２は、Ａｌ−Ｓｉ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗ、Ａｌ、Ｃｒ及びそれらの組み合わせのうち少なくとも一つを含む基板でありうる。このような第２基板ＳＵＢ２は、第１基板ＳＵＢ１（例えば、サファイア基板）よりも優秀な熱放出特性を有し、ＳｉＣ基板より廉価である。
第２基板ＳＵＢ２は、ウェーハボンディング（wafer bonding）ではなくメッキ法を利用し、ＡｌＧａＮ層２００上に形成することもできる。その場合、ボンディング金属層１０は、第２基板ＳＵＢ２を形成するためのシード層（seed layer）でありうる。前記シード層物質としては、一般的なメッキ法で使用する多様なシード物質を適用することができる。
図７Ｄを参照すれば、第１基板ＳＵＢ１から第２基板ＳＵＢ２までの積層構造物を上下ひっくり返した状態で、第１基板ＳＵＢ１を除去することができる。第１基板ＳＵＢ１は、例えば、レーザ・リフトオフ（laser lift-off）工程で除去することができる。レーザ・リフトオフ工程は周知であり、これに係わる詳細な説明は省略する。
次に、バッファ層３０を除去する。その結果物が、図７Ｅに図示されている。図７Ｅの第２基板ＳＵＢ２で、第１ＧａＮ層３００までの積層構造物は、図７Ｃの第１ＧａＮ層３００から第２基板ＳＵＢ２までの積層構造物を上下にひっくり返した構造に対応する。従って、図７Ｅで第１ＧａＮ層３００は、Ｎ面極性を有するといえる。
図７Ｆを参照すれば、第１ＧａＮ層３００の上面（Ｎ面）に、ショットキー電極４００を形成することができる。ショットキー電極４００は、第１ＧａＮ層３００とショットキーコンタクトをなす金属または導電性金属酸化物を含むことができる。例えば、ショットキー電極４００は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、ＣｕＩｎＯ２、ＩＴＯなどを含む単層構造または多層構造を有する。具体的な例としては、ショットキー電極４００は、Ｎｉ／Ａｕ、ＣｕＩｎＯ２／Ａｕ、ＩＴＯ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｔ／Ａｕなどの構成を有する。このような物質は、例示的なものに過ぎず、ここで開示されていない多様な導電物質（金属、金属酸化物など）をショットキー電極４００物質として適用することができる。第１ＧａＮ層３００は、Ｎ面極性を有するために、第１ＧａＮ層３００がＧａ面極性を有する場合に比べて、第１ＧａＮ層３００とショットキー電極４００との電位障壁、すなわち、ショットキーバリヤ高が高くありえる。
前記のような方法を適用すれば、放熱基板（すなわち、第２基板ＳＵＢ２）に備わり、熱放出特性にすぐれ、改善された電流拡散特性及び優秀なショットキー接合特性を有する窒化ガリウム系半導体素子（ショットキーダイオード素子）を製造することができる。また、窒化ガリウム系半導体素子を、高価な基板を使用せずに、比較的簡単な工程で容易に製造することができる。
前述の製造方法は、多様に変形させうる。以下では、図８ないし図１１を参照しつつ、製造方法の多様な変形例について説明する。
図８を参照すれば、第１基板ＳＵＢ１'の上面に、尖頭状の複数の突出部７を具備させることができる。突出部７の断面は、三角形あるいはそれと類似した形態を有する。平面視、複数の突出部７は、ドット（dot）パターンに規則的に配列されうる。突出部７と第１基板ＳＵＢ１'との物質は同一である。従って、突出部７は、第１基板ＳＵＢ１'の一部として見ることができる。第１ＧａＮ層３００ａ、及び、３００ｂ内に、突出部７に対応する位置に遮断層パターン７０を具備させることができる。すなわち、遮断層パターン７０は、平面視において、ドット（dot）パターンに規則的に配列され、遮断層パターンのそれぞれは、突出部７の、それぞれの上方に形成されうる。遮断層パターン７０の断面は、四角形またはそれと類似した形態を有する。遮断層パターン７０は、シリコン酸化物、シリコン窒化物などの絶縁体から形成することができる。遮断層パターン７０を形成した後、その上にＧａＮ層３００ｂを形成するときには、ＥＬＯＧ（epitaxial lateral overgrowth）法を使用することができる。その後、図７Ｂないし図７Ｆの工程と類似した工程を介して、窒化ガリウム系半導体素子を製造することができる。
図８で突出部７は、線欠陥を誘導するための手段でありうる。すなわち、突出部７の終端部分で線欠陥が誘導されうる。突出部７によって誘導された線欠陥は、遮断層パターン７０によってその進行が遮断されうる。従って、遮断層パターン７０によって線欠陥進行が適切に防止されうる。遮断層パターン７０はまた、第１ＧａＮ層３００ａ、及び、３００ｂを介して流れる電流を水平方向に分散させることによって、電流拡散に寄与することができる。
図示していないが、追って第１基板ＳＵＢ１'を除去する工程、例えば、レーザ・リフトオフ工程で、突出部７も共に除去されうる。遮断層パターン７０は、最終構造物に残すことができるが、そうではないこともある。後者の場合、遮断層パターン７０は、第１基板ＳＵＢ１'の除去後に、ＧａＮ層３００ａと共に除去されうる。
図９〜図１１の変形例は、超格子構造層５０を具備させる場合に係わる。
図９に示されるように、第１ＧａＮ層３００と第２ＧａＮ層３００'との間に超格子構造層５０を形成することができる。または、図１０に図示されているように、第１ＧａＮ層３００を複数の層、例えば、２層の第１ＧａＮ層３００ａ、及び、３００ｂに分離させ、それらの間に超格子構造層５０を形成することができる。または、図１１に図示されているように、第２ＧａＮ層３００'を複数の層、例えば、２層の第２ＧａＮ層３００ａ'、及び、３００ｂ'に分離させ、第２ＧａＮ層３００ａ'と、３００ｂ'との間に超格子構造層５０を形成することができる。超格子構造層５０の構成は、図３ないし図５を参照して説明した通りであるので、反復説明は省略する。超格子構造層５０は、その下の第１ＧａＮ層３００及び３００ａ、並びに／または、第２ＧａＮ層３００ａ'から成長された線欠陥を遮断する役割を行うことができる。線欠陥は、バッファ層３０による、第１基板ＳＵＢ１と第１ＧａＮ層３００，３００ａとの格子定数差の緩和効果が完全ではないために発生しうる。このような線欠陥を、超格子構造層５０で遮断することによって、線欠陥による素子特性の劣化問題を防止することができる。図９〜図１１の構造を形成した後、図７Ｂ〜図７Ｆの工程と類似した工程を遂行して、窒化ガリウム系半導体素子を製造することができる。図９〜図１１の超格子構造層５０は、図８の製造工程にも適用されうる。
本発明の他の実施形態によれば、図７Ｄ段階で第１基板ＳＵＢ１を除去した後、バッファ層３０を除去した後、第１ＧａＮ層３００の一部厚みを除去することができる。その結果物が、図１２Ａに図示されている。第１ＧａＮ層３００の一部厚みを除去するために、ＣＭＰ（chemical mechanical polishing）工程、乾式エッチング工程または湿式エッチング工程などを使用することができる。このとき、除去される第１ＧａＮ層３００の厚みは、数μｍ以下でありうる。次に、図１２Ｂに図示されているように、一部厚みが除去された第１ＧａＮ層３００上に、ショットキー電極４００を形成することができる。
図１２Ａ及び図１２Ｂと同様に、第１ＧａＮ層３００の一部厚みを除去し、後続工程を進める場合、素子の特性を改善することができる。さらに具体的に説明すれば、図７Ａ段階で、第１基板ＳＵＢ１上に成長される第１ＧａＮ層３００は、その下端部（lower portion）に、多数の欠陥（dislocationなど)を含みうる。これは、バッファ層３０による、第１基板ＳＵＢ１と第１ＧａＮ層３００との格子定数差の緩和効果が完全ではないためである。このように、多数の欠陥を含む第１ＧａＮ層３００の部分（図７Ａで下端部、図７Ｄで上端部）を図１２Ａでのように除去すれば、結果的として、窒化ガリウム系半導体素子の特性が改善されうる。このような方法は、図８ないし図１１の実施形態にも適用されうる。
前記の説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは、発明の範囲を限定するものとするより、望ましい実施形態の例示として解釈されるものである。例えば、本発明が属する技術分野で当業者であるならば、前述の本発明の実施形態による窒化ガリウム系半導体素子及びその製造方法は、多様に変形されうるということを理解することができるであろう。よって、本発明の範囲は、説明された実施形態によって定められるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって定められるものである。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
本発明は、例えば、高速・高電力電子素子関連の技術分野に適用できる。
７ 突出部
１０ ボンディング金属層
２０ オーミック金属層
３０ バッファ層
５０ 超格子構造層
７０ 遮断層パターン
１００ 放熱基板
２００ ＡｌＧａＮ層
３００、３００ａ、３００ｂ 第１ＧａＮ層
３００'、３００ａ'、３００ｂ' 第２ＧａＮ層
４００ ショットキー電極
２ＤＥＧ 二次元電子ガス層
ＳＵＢ１、ＳＵＢ１' 第１基板
ＳＵＢ２ 第２基板

Claims (29)

  1. 導電性を有する基板と、
    前記基板の上方に備わったＡｌＧａＮ層と、
    前記ＡｌＧａＮ層上に備わったＧａＮ層と、
    前記ＧａＮ層上に、それとショットキーコンタクトをなす電極層と、を含む窒化ガリウム系半導体素子。
  2. 前記基板は、サファイア基板より熱伝導度が高い物質を含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体素子。
  3. 前記基板は、Ａｌ−Ｓｉ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗ、Ａｌ、Ｃｒ及びそれらの組み合わせのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体素子。
  4. 前記基板と前記ＡｌＧａＮ層は、オーミックコンタクトをなすことを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体素子。
  5. 前記ＡｌＧａＮ層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（ここで、ｘは、０＜ｘ≦０．６）であることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体素子。
  6. 前記ＡｌＧａＮ層は、ｎ型不純物がドーピングされた層であることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体素子。
  7. 前記ＧａＮ層は、単層構造または多層構造を有する請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体素子。
  8. 前記ＧａＮ層は、ドーピングされていないＧａＮ層及びｎ型ドーピングＧａＮ層のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体素子。
  9. 前記ＧａＮ層は、前記電極層に接触した第１ＧａＮ層、及び前記第１ＧａＮ層と前記ＡｌＧａＮ層との間に備わった第２ＧａＮ層を含み、
    前記第１ＧａＮ層は、ドーピングされていない層であるか、ｎ型ドーピング層であり、
    前記第２ＧａＮ層は、Ｓｉ及びＡｌのうち少なくとも一つがドーピングされた層であることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体素子。
  10. 前記ＡｌＧａＮ層及び前記ＧａＮ層は、Ｎ面極性を有することを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体素子。
  11. 前記基板と前記電極層との間に超格子構造層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体素子。
  12. 前記ＧａＮ層は、多層構造を有し、
    前記超格子構造層は、前記ＧａＮ層を構成する複数の層間に備わったことを特徴とする請求項１１に記載の窒化ガリウム系半導体素子。
  13. 前記ＧａＮ層内に備わった遮断層パターンをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体素子。
  14. 第１基板上にＧａＮ層を形成するＧａＮ層形成段階と、
    前記ＧａＮ層に上にＡｌＧａＮ層を形成するＡｌＧａＮ層形成段階と、
    前記ＡｌＧａＮ層の上方に第２基板を設ける第２基板設置段階と、
    前記第１基板を除去し、前記ＧａＮ層を露出させる露出段階と、
    前記露出されたＧａＮ層の表面に、前記ＧａＮ層とショットキーコンタクトをなす電極層を形成する電極層形成段階と、を含む窒化ガリウム系半導体素子の製造方法。
  15. 前記第１基板は、サファイア基板であることを特徴とする請求項１４に記載の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法。
  16. 前記ＧａＮ層は、単層構造または多層構造に形成することを特徴とする請求項１４に記載の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法。
  17. 前記ＧａＮ層は、ドーピングされていないＧａＮ層及びｎ型ドーピングＧａＮ層のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１４に記載の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法。
  18. 前記ＧａＮ層形成段階は、前記第１基板上に第１ＧａＮ層を形成する段階と、前記第１ＧａＮ層上に第２ＧａＮ層を形成する段階と、を含み、
    前記第１ＧａＮ層は、ドーピングされていない層であるか、ｎ型ドーピング層であり、
    前記第２ＧａＮ層は、Ｓｉ及びＡｌのうち少なくとも一つがドーピングされた層であることを特徴とする請求項１４に記載の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法。
  19. 前記ＧａＮ層は、多層構造に形成し、
    前記ＧａＮ層を構成する複数の層間に超格子構造層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法。
  20. 前記ＡｌＧａＮ層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（ここで、ｘは、０＜ｘ≦０．６）であることを特徴とする請求項１４に記載の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法。
  21. 前記ＡｌＧａＮ層は、ｎ型ドーピング層であることを特徴とする請求項１４に記載の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法。
  22. 前記第２基板は、導電性基板であることを特徴とする請求項１４に記載の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法。
  23. 前記第２基板は、前記第１基板より熱伝導度が高い物質を含むことを特徴とする請求項１４に記載の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法。
  24. 前記第２基板は、Ａｌ−Ｓｉ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗ、Ａｌ、Ｃｒ及びそれらの組み合わせのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１４に記載の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法。
  25. 前記第２基板設置段階は、ボンディング法またはメッキ法で遂行することを特徴とする請求項１４に記載の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法。
  26. 前記ＡｌＧａＮ層と前記第２基板との間に、オーミックコンタクト層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法。
  27. 前記第１基板を除去する前記露出段階は、レーザ・リフトオフ工程によって遂行することを特徴とする請求項１４に記載の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法。
  28. 前記第１基板の上面に尖頭状の複数の突出部を形成する段階と、
    前記ＧａＮ層内に前記複数の突出部に対応する位置に遮断層パターンを形成する段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法。
  29. 前記第１基板を除去する前記露出段階の後に、
    前記ＧａＮ層の露出面からその一部厚みを除去する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法。
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