JP2012178403A - ｐ型のＩＩＩ族窒化物半導体層を含む半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ｐ型のIII族窒化物半導体層に貫通孔が形成されており、その貫通孔をｎ型のIII族窒化物半導体が充填している場合、貫通孔を充填しているｎ型のIII族窒化物半導体の不純物濃度が濃くなり、ｐ型のIII族窒化物半導体とｎ型のIII族窒化物半導体の接合界面を電流が流れやすくなり、耐圧が低くなりやすい。
【解決手段】 ｐ型のIII族窒化物半導体層８に不純物濃度の分布を設ける。貫通孔８ｃに臨んでいる範囲８ｂでは不純物濃度を薄くし、貫通孔８ｃから離反している範囲８ａでは不純物濃度を濃くする。半導体装置のオフ時に、空乏層が不純物濃度の薄い範囲８ｂに広く拡がり、必要な耐圧を確保できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ｐ型のIII族窒化物半導体層を含む半導体装置に関する。特に、ｐ型のIII族窒化物半導体層に貫通孔が形成されており、その貫通孔にｎ型のIII族窒化物半導体が充填されている半導体装置に関する。

ＧａＮ等のIII族窒化物半導体は、高耐圧で低損失なパワ−半導体装置を実現する有望な材料であると期待されている。特許文献１に示すように、ｐ型のIII族窒化物半導体層に貫通孔を形成し、その貫通孔にｎ型のIII族窒化物半導体が充填されている半導体装置が提案されている。特許文献１の技術では、ｐ型のIII族窒化物半導体層が電流制限領域となり、ｎ型のIII族窒化物半導体が充填されている貫通孔が電流経路となる。

特開２００４−２６０１４０号公報

特許文献１の技術では、半導体装置をオフの状態としたときに、貫通孔を充填しているｎ型のIII族窒化物半導体と貫通孔を画定しているｐ型のIII族窒化物半導体の界面から空乏層が広く拡がることが好ましい。ｐｎ接合界面の近傍が広く空乏化すると、ｐｎ接合界面にかかる電界強度が緩和され、ｐｎ接合界面で降伏電流が流れるのを防止することができる。半導体装置のオフ時の耐圧を高くすることができる。

しかしながら、実際には、貫通孔の側壁でもあるｐｎ接合界面の近傍が十分に空乏化されないことがわかった。その原因を研究したところ、貫通孔を充填しているｎ型のIII族窒化物半導体の不純物濃度が設計時の値よりも濃くなってしまうことにあることが見出された。

III族窒化物半導体の場合、不純物を注入することで導電型を調整することが難しい。ｐ型のIII族窒化物半導体層の局所的な範囲にｎ型の不純物を注入することによって、ｐ型のIII族窒化物半導体層を貫通するｎ型の領域を形成することが難しい。
そのために、ｐ型のIII族窒化物半導体層を貫通するｎ型の領域を形成する場合、ｐ型のIII族窒化物半導体層を局所的にエッチングして貫通孔を形成し、その後にｎ型のIII族窒化物半導体を結晶成長させることによって貫通孔を充填するｎ型のIII族窒化物半導体を形成する。

ｐ型のIII族窒化物半導体層をエッチングして形成した貫通孔の底面には、ｎ型のIII族窒化物半導体のｃ面が露出している。貫通孔の側面には、ｐ型のIII族窒化物半導体のｃ面以外の面（ａ面またはｍ面）が露出している。III族窒化物半導体の場合、ｃ面からの結晶成長速度が遅いのに対し、ｃ面以外の面からの結晶成長速度は速い。貫通孔内にIII族窒化物半導体を結晶成長する場合、貫通孔の底面と側面の双方から結晶成長する。側面からの結晶成長速度が底面からの結晶成長速度よりも速いことから、貫通孔内に結晶成長するIII族窒化物半導体の多くは貫通孔の側面から成長する。図３は、III族窒化物半導体層に形成されている貫通孔内でIII族窒化物半導体が再成長した部分の断面写真を示している。図３では、貫通孔が形成されているIII族窒化物半導体層と、その下方にあるIII族窒化物半導体が連続しており、貫通孔の側面と底面がともにIII族窒化物半導体で形成されている。貫通孔によって溝形状が提供されている。貫通孔（この場合は溝）内で再成長したIII族窒化物半導体は、溝の側面から再成長した部分と、溝の底面から再成長した部分と、溝以外のIII族窒化物半導体層の上面から再成長した部分と、溝の側面から再成長した部分の上面に再成長した部分で構成されており、溝の中に断面三角形の形状を提供する。得られた形状を提供する再成長速度を計算すると、側面（ｃ面以外）からの再成長速度が、底面ないし上面（ｃ面）からの再成長速度よりも速いことが確認できる。

III族窒化物半導体は、ｃ面から結晶成長する場合には不純物を取り込みにくいのに対し、ｃ面以外の面（ａ面またはｍ面）から結晶成長する場合には不純物を取り込みやすい。ｃ面から結晶成長する場合には不純物濃度が１Ｅ１４／ｃｍ^３となる結晶成長条件と同じ結晶成長条件でも、ｍ面から結晶成長させると、不純物濃度が５Ｅ１７／ｃｍ^３となってしまうことが確認されている。この結果、貫通孔を充填するｎ型のIII族窒化物半導体の不純物濃度が濃くなってしまう。貫通孔を充填しているｎ型のIII族窒化物半導体の不純物濃度が濃いことから、ｐｎ接合界面の近傍が十分に空乏化されず、それによって耐圧が低下してしまうことがわかってきた。

本発明で創作された半導体装置は、貫通孔が形成されているｐ型のIII族窒化物半導体層と、貫通孔を充填しているｎ型のIII族窒化物半導体領域を備えている。本発明で創作された半導体装置では、ｐ型のIII族窒化物半導体層に不純物濃度の分布が形成されている。すなわち、貫通孔に臨んでいる範囲では不純物濃度が薄く、貫通孔から離反している範囲では不純物濃度が濃い。

貫通孔に臨んでいる範囲のｐ型のIII族窒化物半導体層の不純物濃度が薄いと、半導体装置をオフの状態としたときに、貫通孔を囲んでいるｐ型領域と貫通孔を充填しているｎ型領域の間に形成されるｐｎ接合界面から、不純物濃度が薄いｐ型のIII族窒化物半導体層に向けて空乏層が広く拡がる。この結果、ｐｎ接合界面にかかる電界強度が緩和され、ｐｎ接合界面に降伏電流が流れることがない。ｐｎ接合界面における耐圧が確保される。貫通孔に臨んでいる範囲のｐ型のIII族窒化物半導体層の不純物濃度を薄くすると、半導体装置のオフ状態での耐圧が向上する。

本明細書に開示されている技術によると、半導体装置のオフ時において、貫通孔に臨んでいる範囲のｐ型半導体層と貫通孔を充填しているｎ型半導体領域の間に形成されるｐｎ接合界面において耐圧が低下することが防止できる。物性の面からは高耐圧なパワ−半導体装置を実現できるはずのIII族窒化物半導体で製造した半導体装置の実際の耐圧が理論的なそれよりも低下してしまう理由の一つが、貫通孔の側面でもあるｐｎ接合界面において耐圧が低下してしまうことである。本発明によってその問題に対処することが可能となり、III族窒化物半導体で高耐圧の半導体装置を実用化する際の問題点の一つが解決される。

実施例のIII族窒化物半導体層を含む半導体装置の断面図。 従来のIII族窒化物半導体層を含む半導体装置の断面図。 貫通孔の周囲に存在するｐ型のIII族窒化物半導体と貫通孔を充填しているｎ型のIII族窒化物半導体の断面写真。

下記で説明する実施例の主要な特長を以下に例示する。
（特長１）下記の順で製造する：
（１）ｎ型のIII族窒化物半導体層の表面に不純物濃度が濃いｐ型のIII族窒化物半導体層を結晶成長する。
（２）貫通孔と不純物低濃度範囲となる範囲をエッチングして大型貫通孔を形成する。
（３）再成長法または選択再成長法によって、大型貫通孔の内部に不純物濃度が薄いｐ型のIII族窒化物半導体を結晶成長する。
（４）貫通孔となる範囲をエッチングして貫通孔を形成する。
（５）再成長法または選択再成長法によって、貫通孔に内部にｎ型またはｉ型のIII族窒化物半導体を結晶成長する。
（特長２）
貫通孔の底面に露出するｎ型のIII族窒化物半導体の不純物濃度は１〜２Ｅ１６／ｃｍ^３であり、貫通孔に臨んでいる不純物低濃度範囲のｐ型のIII族窒化物半導体層の不純物濃度は１Ｅ１７／ｃｍ^３以下であり、貫通孔から離れている不純物高濃度範囲のｐ型のIII族窒化物半導体層の不純物濃度は１Ｅ１８／ｃｍ^３以上である。

図1は実施例の半導体装置を示し、図２は従来の半導体装置を示している。共通する部分には同一の参照番号を付して重複説明を割愛する。
図示されている半導体装置の場合、下から、ドレイン電極２、ｎ^＋−ＧａＮ層４、ｎ⁻−ＧａＮ層６、ｐ−ＧａＮ層８、ｎ⁻−ＧａＮ層１４、ＡｌＧａＮ層１６、ＳｉＯ_２層１８、ゲート電極２０の順で積層されている。図示の１２，２２は、ｎ^＋−ＧａＮ領域であり、１０，２４はソース電極である。
ｐ−ＧａＮ層８の中央範囲には貫通孔８ｃが形成されている。貫通孔８ｃは、ｎ−ＧａＮ領域７で充填されている。図１に示す実施例の半導体装置の場合、貫通孔８ｃに臨んでいる範囲８ｂのｐ−ＧａＮ層８の不純物濃度は薄く、貫通孔８ｃから離れている範囲８ａのｐ−ＧａＮ層８の不純物濃度は濃い。図２に示す従来の半導体装置の場合、不純物濃度が薄い範囲８ｂが存在しない。

ソース電極１０は、ｎ^＋−ＧａＮ領域１２を介して、ｎ⁻−ＧａＮ層１４とＡｌＧａＮ層１６の右端に接している。ソース電極１０は、ｐ−ＧａＮ層８にも接続されている。同様に、ソース電極２４は、ｎ^＋−ＧａＮ領域２２を介して、ｎ⁻−ＧａＮ層１４とＡｌＧａＮ層１６の左端に接しており、ｐ−ＧａＮ層８にも接続されている。
ゲ−ト電極２０は、ソ−ス電極１０と貫通孔８ｃの間の範囲と、ソ−ス電極２４と貫通孔８ｃの間の範囲を含む範囲に対向している。

ｎ⁻−ＧａＮ層１４の上部に、それよりもエネルギバンド幅が広いＡｌＧａＮ層１６が形成されていることから、両者の界面に２次元電子ガスが現れる。図１の半導体装置は、ノ−マリオン型であり、ゲ−ト電極２０に電圧をかけなければ、ｎ⁻−ＧａＮ層１４とＡｌＧａＮ層１６の界面に存在している電子が、ｐ−ＧａＮ層８の貫通孔８ｃを介して、ｎ−ＧａＮ領域７とｎ⁻−ＧａＮ層６とｎ^＋−ＧａＮ層４に流れ、ドレイン電極２に流れる。ゲ−ト電極２０に電圧をかけなければ、ソ−ス電極１０，２４とドレイン電極２の間で電流が流れる。

ゲ−ト電極２０はソ−ス電極１０と貫通孔８ｃの間の範囲に対向していることから、ゲ−ト電極２０に負の電圧をかければ、その範囲における電子が消失する。ソ−ス電極１０から貫通孔８ｃに向けて電子が流れなくなる。同様に、ゲ−ト電極２０はソ−ス電極２４と貫通孔８ｃの間の範囲に対向していることから、ゲ−ト電極２０に負の電圧をかければ、その範囲における電子が消失する。ソ−ス電極２４から貫通孔８ｃに向けて電子が流れなくなる。ゲ−ト電極２０に負の電圧をかければ、ソース電極１０，２４とドレイン電極２の間で電流が流れなくなる。

ｐ−ＧａＮ層８は電流を流さない領域として機能する。貫通孔８ｃ以外の部分では、電流が流れない。ｐ−ＧａＮ層８は、ｎ−ＧａＮ領域７を通過しないでソース電極１０，２４とドレイン電極２の間で電流が流れることを防止する。ゲ−ト電極２０の電位によって、ソ−ス電極１０と貫通孔８ｃの間の電子雲ならびにソ−ス電極２４と貫通孔８ｃの間の電子雲を消失させるのかさせないのかによって、ソース電極１０，２４とドレイン電極２の導通がオン・オフされる。

ｐ−ＧａＮ層８で電流が縦方向に流れることを防止するためには、ｐ型不純物の濃度が１Ｅ１８／ｃｍ^３以上あることが好ましい。ｐ型不純物の濃度が薄すぎると、伝導度変調現象等によって電流が流れてしまうことがある。仮に不純物濃度が薄い領域８ｂがなく、貫通孔８ｃに臨んでいる範囲のｐ−ＧａＮ層８の不純物濃度が１Ｅ１８／ｃｍ^３以上であるとすると、下記の不都合が生じる。

前記したように、貫通孔８ｃ内で結晶成長するｎ−ＧａＮ領域７の不純物濃度は濃くなってしまう。ｎ⁻−ＧａＮ層６の不純物濃度が１Ｅ１４／ｃｍ^３となる結晶成長条件と同じ条件で結晶成長させても、貫通孔８ｃ内で結晶成長するｎ−ＧａＮ領域７の不純物濃度は５Ｅ１７／ｃｍ^３程度となってしまう。貫通孔８ｃの側壁では、不純物濃度が１Ｅ１８／ｃｍ^３以上のｐ型領域と不純物濃度が５Ｅ１７／ｃｍ^３以上のｎ型領域が接することになる。不純物濃度が濃いｐ型領域と不純物濃度が濃いｎ型領域が接する場合、半導体装置のオフ時にｐｎ接合界面から伸びる空乏層の拡がる範囲は狭いものとなる。半導体装置のオフ時においてｐｎ接合界面に強い電界強度がかかり、降伏電流が流れてしまう現象が生じる。条件によってはｐｎ接合界面にトンネル電流が流れてしまうこともある。

本実施例では、半導体装置のオフ時に、ｐｎ接合界面に電流が流れることを阻止するために、貫通孔８ｃに臨んでいる範囲８ｂにおけるｐ−ＧａＮ層８の不純物濃度を下げている。本実施例では、１Ｅ１７／ｃｍ^３以下としている。
貫通孔８ｃの側壁で、不純物濃度が１Ｅ１７／ｃｍ^３以下のｐ型領域８ｂと不純物濃度が５Ｅ１７／ｃｍ^３以上のｎ型領域７が接する場合、半導体装置のオフ時にはｐｎ接合界面から不純物濃度が薄いｐ型領域８ｂに向けて空乏層が長く伸びる。この結果、ｐｎ接合界面に作用する電界強度が弱められる。ｐｎ接合界面に降伏電流が流れてしまうことを防止することができる。
不純物低濃度範囲８ｂにおける不純物濃度が１Ｅ１７／ｃｍ^３以下であると、電流制限機能が不十分となることがある。しかしながら、不純物低濃度範囲８ｂは、ソース電極１０，２４ならびにｎ^＋−ＧａＮ領域１２，２２から離れた位置にある。不純物低濃度範囲８ｂと、ソース電極１０，２４ならびにｎ^＋−ＧａＮ領域１２，２２の間には、ゲ−ト電極２０に負の電圧をかけたときに電子が消失する領域が存在している。不純物低濃度範囲８ｂは、半導体装置のオフ時に電流が流れることを規制する必要がある領域外にあり、不純物濃度が薄くてもかまわない位置に形成されている。

ｐｎ接合界面においてトンネル効果が発生する空乏層の厚みは１０ｎｍ以下である。理論上、不純物低濃度範囲８ｂの幅Ｂは、１０ｎｍあればよい。
貫通孔８ｃに臨んでいる不純物低濃度範囲８ｂにおける不純物濃度が１Ｅ１７／ｃｍ^３以下であれば、ビルトインポテンシャルだけで１００ｎｍ程度の空乏層が形成される。不純物低濃度範囲８ｂにおける不純物濃度が１Ｅ１７／ｃｍ^３以下であれば、ｎ−ＧａＮ領域７の不純物濃度が高くても、トンネル効果は発生せず、リーク電流が発生することを防止できる。

ＧａＮ等のIII族窒化物半導体の場合、不純物を注入してから熱処理することで不純物を活性化することが難しい。そこで、図１の半導体装置は、下記の順で製造する。
（１）ｎ⁻−ＧａＮ層６の表面の全域にｐ−ＧａＮ層８を結晶成長させる。このとき、不純物濃度が１Ｅ１８／ｃｍ^３以上となる条件で結晶成長させる。
（２）貫通孔８ｃと不純物低濃度範囲８ｂとする範囲をエッチングして大型貫通孔を形成する。
（３）再成長法または選択再成長法を用いて、大型貫通孔に内部に、ｐ−ＧａＮ層８を結晶成長させる。このときは、不純物濃度が１Ｅ１７／ｃｍ^３以下となる条件で結晶成長させる。
（４）貫通孔８ｃとする範囲をエッチングして貫通孔８ｃを形成する。
（５）再成長法または選択再成長法を用いて、貫通孔８ｃの内部に、ｎ型またはｉ型のIII族窒化物半導体７を結晶成長する。このとき、不純物濃度が薄くなる条件で結晶成長させても、ｎ型不純物の濃度が５Ｅ１７／ｃｍ^３程度となってしまう。
したがって、オフ時の耐圧を確保するためには、不純物低濃度範囲８ｂを確保することが好ましい。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
また下記に記載する特許請求の範囲の技術的範囲は、実施例に限定されない。実施例はあくまで実施例を例示するものである。

例えば上記の実施例では、ｎ−ＧａＮ領域とｐ−ＧａＮ領域の間のｐｎ接合界面について説明した。しかしながら、貫通孔内に成長するｎ型領域の不純物濃度が濃くなって必要な耐圧を確保できないという問題はＧａＮの場合に限られない。III族窒化物半導体に一般的に認められる性質である。本発明は、III族窒化物半導体層に一般的に有用である。

２：ドレイン電極
４：ｎ^＋−ＧａＮ層
６：ｎ⁻−ＧａＮ層
７：ｎ−ＧａＮ領域
８：ｐ−ＧａＮ層
８ａ：不純物高濃度範囲
８ｂ：不純物低濃度範囲
８ｃ：貫通孔
１０，２４：ソース電極
１２，２２：ｎ^＋−ＧａＮ領域
１４：ｎ⁻−ＧａＮ層
１６：ＡｌＧａＮ層
１８：ＳｉＯ_２層
２０：ゲート電極

Claims (1)

1. 貫通孔が形成されているｐ型のIII族窒化物半導体層と、
   貫通孔を充填しているｎ型のIII族窒化物半導体領域を備えており、
   ｐ型のIII族窒化物半導体層の不純物濃度が、貫通孔に臨んでいる範囲で薄く、貫通孔から離反している範囲で濃いことを特徴とする半導体装置。