JP2015078076A - ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板、および縦型窒化物半導体デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】Ｓｉをドーピングしたｎ型窒化アルミニウム単結晶基板を用いた、縦型半導体ダイオードを提供することを目的とする。
【解決手段】ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の表面上にオーミック電極層を備えた縦型の窒化物半導体デバイスであって、前記ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板が、Ｓｉ含有量が３×１０１７〜１×１０２０ｃｍ−３であり、転位密度が１０６ｃｍ−３以下であって、かつ前記オーミック電極層が、前記ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板のＮ極性面側に形成されてなることを特徴とする縦型窒化物半導体デバイスである。
【選択図】図１
【解決手段】ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の表面上にオーミック電極層を備えた縦型の窒化物半導体デバイスであって、前記ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板が、Ｓｉ含有量が３×１０１７〜１×１０２０ｃｍ−３であり、転位密度が１０６ｃｍ−３以下であって、かつ前記オーミック電極層が、前記ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板のＮ極性面側に形成されてなることを特徴とする縦型窒化物半導体デバイスである。
【選択図】図１
Description
本発明は、Ｓｉがドーピングされたｎ型導電性単結晶窒化アルミニウム基板（ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板）、およびその基板を用いた縦型窒化物半導体デバイスに関する。
窒化アルミニウムは、ワイドバンドギャップ半導体として知られている窒化ガリウムや炭化珪素に比べて禁制帯幅がさらに2倍程度大きいことに加え（６．２ｅＶ）、高い絶縁破壊耐圧（１２ＭＶ／ｃｍ）、高い熱伝導率（３．０Ｗｃｍ−１Ｋ−１）などの優れた特性を有しており、上述の材料を用いた場合よりさらに高い耐電圧特性を有するパワーデバイスを実現することが可能な材料として期待されている。
高い素子性能（大容量・高耐電圧）を実現する為の素子構造として、窒化ガリウムおよび炭化珪素を用いたデバイスでは、導電性基板を支持基板として用いた、縦型、つまり素子の表面から裏面の間に電流が流れる、もしくは電圧が印加される半導体素子構造が提案されている（特許文献１〜３参照）。
縦型構造を採用することにより、横型、つまりデバイスを駆動させる為の電流の流れ方向が横方向のデバイスにおいて課題であった、耐電圧特性を向上することが可能になる。さらに、縦型構造を採用することにより、デバイスに印加する電力を大きくすることが可能となる。縦型の素子構造を実現する為には、上述の通り、導電性基板を使用する必要がある。導電性を有する窒化アルミニウムに関しては、有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｒａｌｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法やハイドライド気相エピタキシー（ＨＶＰＥ：Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法によってＳｉをドープすることによりｎ型導電性結晶層を形成する手法が知られている（特許文献４〜５）。
しかしながら、特許文献４、５に記載においては、ＳｉC基板のような異種基板上にｎ型窒化アルミニウム単結晶層を形成しているため、高品質な単結晶層を作製することが困難であった。特に、高品質で厚膜のｎ型窒化アルミニウム単結晶層を作製するには、改善の余地があった。
以上のような問題点を解決するために、同種、すなわち、窒化アルミニウム単結晶層からなるベース基板上に、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層を成長させる方法も開発されている（特許文献６参照）。
特許文献６に記載の方法によれば、特開２００５−２５５２２４８号記載の方法により、貫通転位密度が１０５ｃｍ−２程度の窒化アルミニウム自立基板を製造した後、該窒化アルミニウム自立基板上にｎ型窒化アルミニウム単結晶層を形成することができる。そして、この方法によれば、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層は、転位密度が５×１０９ｃｍ−２程度のものを得ることができる。
しかしながら、特許文献６の方法においては、実際には、１０μｍ以下の薄膜のｎ型窒化アルミニウム単結晶層が作製されただけであり、電極を形成した具体例は示されていない。つまり、従来技術においては、ｎ型層を自立した基板として使用できる程の厚みを有し、ｎ型導電性を有する、高性能な窒化アルミニウム単結晶を用いた縦型半導体デバイスは、未だ実現されていない。
本発明は、上記の様な現状を鑑みてなされ、Ｓｉをドーピングしたｎ型窒化アルミニウム単結晶基板を用いた、縦型半導体デバイスを提供することを目的とする。
本発明者等は、特許文献６で開示されている方法により、ｎ型単結晶窒化アルミニウム基板を作製し、実際に電極を形成して様々な特性を確認した。そして、該ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板では、逆方向の耐電圧が著しく低下する場合があり、この原因は、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の転位密度にあることを突き止めた。その結果、高性能なデバイスを作製するためには、転位密度がより少なく、高品質なｎ型単結晶窒化アルミニウム単結晶基板が必要であることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、第一の本発明は、
Ｓｉ含有量が３×１０１７〜１×１０２０ｃｍ−３であり、転位密度が１０６ｃｍ−３以下であり、かつ厚みが５０〜５００μｍであるｎ型窒化アルミニウム単結晶基板である。
Ｓｉ含有量が３×１０１７〜１×１０２０ｃｍ−３であり、転位密度が１０６ｃｍ−３以下であり、かつ厚みが５０〜５００μｍであるｎ型窒化アルミニウム単結晶基板である。
そして、第二の本発明は、前記ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の上下の主面に電極層を備えた縦型窒化物半導体デバイスである。この縦型窒化物半導体デバイスは、一方の主面の電極層がオーミック電極層であることが好ましい。また、この縦型窒化物半導体デバイスは、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の一方の主面にオーミック電極層、他方の主面にショットキー電極層を設けることにより、縦型ショットキーバリアダイオードとして好適に使用できる。
第三の本発明は、前記ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の少なくとも一方の主面上に、Ｓｉ含有量が１×１０１８〜５×１０１９ｃｍ−３であるＡｌＸＧａ１−ＸＮ（但し、Ｘは、０．３≦Ｘ≦０．８を満足する有理数である。）からなる層が積層された積層体である。
そして、第四の本発明は、前記積層体の上下の主面に電極層を備えた縦型窒化物半導体デバイスである。この縦型窒化物半導体デバイスは、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（但し、Ｘは、０．３≦Ｘ≦０．８を満足する有理数である。）からなる層上の電極層がオーミック電極層であることが好ましい。また、縦型窒化物半導体デバイスは、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板上の電極層がショットキー電極層とすることにより、縦型ショットキーバリアダイオードとして好適に使用できる。
第五の本発明は、前記ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板を製造する際、転位密度が１０４ｃｍ−２以下の窒化アルミニウム単結晶種基板を使用することを特徴とするものである。
前記第一の本発明によれば、従来実現されていない、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板を用いた縦型窒化物半導体デバイスが提供され、ｎ型窒化アルミニウム基板の転位密度を１０６ｃｍ−２以下にすることによって、高い耐電圧特性を実現することが可能となる。
本発明において、縦型窒化物半導体デバイスとは、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の上下面に動作電極が形成された構造であり、本発明の範囲を逸脱しない範囲で、ショットキーバリアダイオード、トランジスタ、発光ダイオード、レーザーダイオードなど種々の半導体デバイスに適用することが出来る。
本発明の縦型窒化物半導体デバイスは、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の上下表面上に電極層を備えた縦型の窒化物半導体デバイスである。そして、前記ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板のＳｉ含有量、転位密度、および厚みが特定の範囲であることを特徴とする。
本発明において、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板は、Ｓｉ含有量が一定である単層であってもよいし、Ｓｉ含有量が異なる複数の層からなってよい。また、Ｓｉ含有量が段階的に変化する窒化アルミニウム単結晶層からなってもよい。次に、具体的に構造について、図を用いて説明する。
（縦型窒化物半導体デバイスの構造：第一態様例）
先ず、初めに、Ｓｉ含有量が一定である単層、またはＳｉ含有量が段階的に変化する窒化アルミニウム単結晶層からなる場合について説明する。図１に、典型例として、縦型ショットキーバリアダイオード構造を示した。
先ず、初めに、Ｓｉ含有量が一定である単層、またはＳｉ含有量が段階的に変化する窒化アルミニウム単結晶層からなる場合について説明する。図１に、典型例として、縦型ショットキーバリアダイオード構造を示した。
図１に示す様に、本発明の縦型窒化物半導体デバイスは、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板１を有し、該ｎ型窒化アルミニウム基板１の上下表面（（主面）：側面ではなく、電極層が形成されたり、他の層が成長する面）に動作電極層２、３を形成してなる。そして、縦型ショットキーバリアダイオードとして本発明の縦型窒化物半導体デバイスを使用する場合には、一方の表面上の電極がオーミック電極層３であり、他方の表面上の電極がショットキー電極層２となる。次に、各構成部材について説明する
（ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板）
ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板１は、転位密度が１０６ｃｍ−２以下であり、Ｓｉを３×１０１７〜１×１０２０ｃｍ−３の範囲で含んでいる。なお、この転位密度は、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の最表面の転位密度を指す。
（ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板）
ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板１は、転位密度が１０６ｃｍ−２以下であり、Ｓｉを３×１０１７〜１×１０２０ｃｍ−３の範囲で含んでいる。なお、この転位密度は、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の最表面の転位密度を指す。
ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板中の転位は、縦型デバイスを駆動させた場合の、電流のリーク源となり、初期の耐電圧特性を悪化させる要因となることに加え、長時間の使用において、転位を介して不純物の拡散が促進することにより、デバイス特性を徐々に悪化させる。また、転位は、ｎ型導電キャリアである電子の散乱要因となる。そして、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板中に転位が多く存在することにより、電子の移動度が低下し、その結果、ｎ型導電特性が低下する傾向にある。このようなデバイス特性およびｎ型導電特性の低下を抑制するためには、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板中の転位密度は１０６ｃｍ−２以下であり、より好ましくは１０４ｃｍ−２以下である。転位密度の好適な下限値は０ｃｍ−２であるが、工業的な生産を考慮すると１０２ｃｍ−２である。転位密度の測定は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による観察、又は簡易的にアルカリ溶液に浸漬した後のエッチピット密度の観察により行うことができる。なお、本発明においては、エッチピット密度を転位密度とした。
また、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板１に含まれるＳｉ含有量は、３×１０１7〜１×１０２０ｃｍ−３である。Ｓｉ含有量が３×１０１７ｃｍ−３未満の場合は、ｎ型導電キャリア濃度が低くなるため導電性が低くなり、デバイスの抵抗値が上昇するため好ましくない。一方、１×１０２０ｃｍ−３以上では、クラックの発生、成長表面の粗面化に伴う酸素などのＳｉ以外の不純物濃度が増加するなどの問題点が発生する懸念が高まるため好ましくない。なお、前記の通り、Ｓｉ含有量は前記範囲であれば、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板中に一定量含まれてもよい。また、Ｓｉ含有量の上限値、下限値が前記範囲を満足すれば、上限下限値の範囲でＳｉ含有量が変化していてもよい。
このＳｉ含有量は、所望のｎ型導電特性が発揮されるように適宜、最適値を上記範囲で決定すればよい。例えば、高い導電特性が要求される場合には、Ｓｉ含有量は、好ましくは１×１０１８〜８×１０１９ｃｍ−３であり、より好ましくは５×１０１８〜５×１０１９ｃｍ−３である。
また、炭素はアクセプター性不純物であるため、Ｓｉを補償することによって、ｎ型導電性を低下させる要因となる。そのため、ｎ型導電性を得るためには、炭素濃度はＳｉ含有量よりも低い濃度に抑える必要がある。ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板１に含まれるアクセプター性不純物（炭素）の濃度は、２×１０１7ｃｍ−３以下であることが好ましく、より好ましくは１×１０１7ｃｍ−３以下である。アクセプター性不純物濃度の好ましい範囲の下限値は０ｃｍ−３であるが、後述する公知の分析手法の現状の検出下限値を考慮すると、１×１０１５ｃｍ−３程度である。
なお、Ｓｉ含有量の測定は、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）などの公知の技術によって行うことができる。また、ｎ型導電性は、公知のホール効果測定、ＣＶ測定などにより測定することができる。
ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板１の厚みは、５０〜５００μｍの範囲であり、所望の用途、設計に応じて上述の範囲内で適時決定すればよい。基板の厚みが上述の下限値以下の場合は、基板としての自立性を確保することが困難となり、さらにはデバイス製造プロセス中のクラック発生要因となり、歩留りの低下を招くため好ましくない。一方、基板の厚みが上述の範囲を超える場合は、後述するｎ型窒化アルミニウム基板の製造時間が長くなることによる生産性の低下に加え、デバイスの特性面において縦方向の抵抗値の増加要因となる。
なお、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板１の主面（側面ではなく、層の上に電極層、またはその他の層が形成される面）の面方位は、Ｃ面（Ａｌ極性面）および−Ｃ面（Ｎ極性面）である。また、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板１のその他の特定としては、（００２）および（１０１）面のＸ線ロッキングカーブ測定において、半値幅が１００秒以下であることが好ましい。
（電極層）
本発明において、電極層は、使用する用途に応じて適宜決定すればよい。例えば、縦型のトランジスタに本発明の縦型窒化物半導体デバイスを使用する場合には、ゲート電極、ソース電極層、ドレイン電極層などを前記ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の両主表面に形成すればよい。また、発光ダイオードに本発明の縦型窒化物半導体デバイスを適用する場合には、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板にｎ型オーミック電極層を形成し、他方の面にはｐ型オーミック電極層を形成すればよい。中でも、本発明の縦型窒化物半導体デバイスを縦型ショットキーバリアダイオードに使用する場合には、オーミック電極層とショットキー電極層を形成することが好ましい。
本発明において、電極層は、使用する用途に応じて適宜決定すればよい。例えば、縦型のトランジスタに本発明の縦型窒化物半導体デバイスを使用する場合には、ゲート電極、ソース電極層、ドレイン電極層などを前記ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の両主表面に形成すればよい。また、発光ダイオードに本発明の縦型窒化物半導体デバイスを適用する場合には、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板にｎ型オーミック電極層を形成し、他方の面にはｐ型オーミック電極層を形成すればよい。中でも、本発明の縦型窒化物半導体デバイスを縦型ショットキーバリアダイオードに使用する場合には、オーミック電極層とショットキー電極層を形成することが好ましい。
（第一態様例におけるオーミック電極層）
次に、オーミック電極層３について説明する。このオーミック電極層３は、公知のオーミック電極材料を使用することができる。具体的には、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板との接触抵抗値を低減可能な材料であれば、特に限定されるものではないが、例えば、特開２０１１−５４７６０４に記載されているＴｉ、およびＡｌを含む電極材料を使用することが好ましい。これらの電極材料は、接触抵抗値を低減させるため、電極層を形成した後に、アルゴン、窒素などの不活性ガス雰囲気中でアニールすることが好ましい。アニール温度は特に制限されるものではないが、７００〜１１００℃であることが好ましい。また、オーミック電極層３の厚みは、特に限定されるものではなく、アニール後の接触抵抗値の低減が可能な範囲で各層の膜厚を適示決定すればよいが、電極層の生産性などを考慮すると、総厚を５０〜５００ｎｍにすることが好ましい。
次に、オーミック電極層３について説明する。このオーミック電極層３は、公知のオーミック電極材料を使用することができる。具体的には、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板との接触抵抗値を低減可能な材料であれば、特に限定されるものではないが、例えば、特開２０１１−５４７６０４に記載されているＴｉ、およびＡｌを含む電極材料を使用することが好ましい。これらの電極材料は、接触抵抗値を低減させるため、電極層を形成した後に、アルゴン、窒素などの不活性ガス雰囲気中でアニールすることが好ましい。アニール温度は特に制限されるものではないが、７００〜１１００℃であることが好ましい。また、オーミック電極層３の厚みは、特に限定されるものではなく、アニール後の接触抵抗値の低減が可能な範囲で各層の膜厚を適示決定すればよいが、電極層の生産性などを考慮すると、総厚を５０〜５００ｎｍにすることが好ましい。
また、オーミック電極層を形成するｎ型窒化アルミニウム単結晶基板表面の面方位は、特に限定されるものではなく、デバイス構造によって適宜決定すればよい。中でも、第一態様例で説明するような縦型ショットキーバリアダイオードに適用する場合には、Ｃ面（Ａｌ極性面）であることが好ましい。
（第一態様例におけるショットキー電極層層）
本発明の縦型窒化物半導体デバイスは、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板１上に、ショットキー電極層２が形成されることが好ましい。
本発明の縦型窒化物半導体デバイスは、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板１上に、ショットキー電極層２が形成されることが好ましい。
ショットキー電極層２の材料は、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板とのショットキーバリアを形成する材料であれば、特に限定されるものではなく、例えば、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ等の仕事関数の比較的大きな材料を用いることができる。そして、これらの材料からなる単層であってもよいし、複数層からなってもよい。また、厚みも、特に制限されるものではないが、一般的には１０〜５００ｎｍの範囲内である。
また、ショットキー電極層２を形成するｎ型窒化アルミニウム単結晶基板表面の面方位は、上述のオーミック電極層３を形成する面方位の反対、即ち−Ｃ面（Ｎ極性面）であることが好ましい。
以上のような態様の縦型窒化物半導体デバイスとすることにより、優れた効果、例えば、逆方向電圧値を１００Ｖとしたとき、電流密度が１０−６Ａｃｍ−２以下を満足する縦型窒化物半導体デバイスを製造することができる。
次に、図２に示すような態様、すなわち、本発明の積層体、およびその積層体に電極層を形成した縦型窒化物半導体デバイスについて説明する。
（縦型窒化物半導体デバイスの構造：第二態様例）
第二態様例としては、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板上に、Ｓｉを含む、即ち、ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層４が形成されている積層体を使用するものである。このｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層は、特に制限されるものではないが、図２に示す通り、ｎ型窒化アルミニウム単結晶１とオーミック電極層３との間に、Ｓｉを含む、即ち、ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層４が形成されていることが好ましい。なお、第二態様例において、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板１、オーミック電極層３、ショットキー電極層２は、第一態様例で説明した基板、層と同様のものである。
第二態様例としては、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板上に、Ｓｉを含む、即ち、ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層４が形成されている積層体を使用するものである。このｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層は、特に制限されるものではないが、図２に示す通り、ｎ型窒化アルミニウム単結晶１とオーミック電極層３との間に、Ｓｉを含む、即ち、ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層４が形成されていることが好ましい。なお、第二態様例において、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板１、オーミック電極層３、ショットキー電極層２は、第一態様例で説明した基板、層と同様のものである。
（積層体）
本発明において、積層体は、前記ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の少なくとも一方の主面に、ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層が積層されたものである。中でも、ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層は、前記ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板のＡｌ極性面１ｂ側に形成されることが好ましい。
本発明において、積層体は、前記ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の少なくとも一方の主面に、ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層が積層されたものである。中でも、ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層は、前記ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板のＡｌ極性面１ｂ側に形成されることが好ましい。
このｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層中のＳｉ含有量は、１×１０１８〜５×１０１９ｃｍ−３であることが好ましい。Ｓｉ含有量は、上述の範囲内であれば、特に限定されるのもではないが、上述の接触抵抗値をより低減するためには、好ましくは５×１０１８〜４×１０１９ｃｍ−３、さらに好ましくは８×１０１８〜３×１０１９ｃｍ−３である。
ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層４のＡｌ組成Ｘは、半導体デバイスの種類や目的に応じて適宜決定すればよいが、０．３≦Ｘ≦０．８であることが好ましい。例えば、図２に示すようなショットキーバリアダイオードに適用する場合は、接触抵抗と素子の耐電圧特性を鑑みて最適組成を決定すればよいが、好ましくは０．４≦Ｘ≦０．７５であり、さらに好ましくは０．５≦Ｘ≦０．７である。
また、ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層の厚みは、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板と同様に、特に制限されるものではなく、所望の用途、設計に応じて適宜決定すればよい。例えば、ショットキーバリアダイオードのコンタクト層として用いる場合には、２０〜５００ｎｍであることが好ましい。
このようなｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層４が前記ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板１上に積層された積層体は、その用途に応じて、ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層の表面と前記ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の表面とに電極層を形成すればよい。
中でも、縦型ショットキーバリアダイオードとして使用する場合には、ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層４上に、好ましくはｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層４のＡｌ極性面上にオーミック電極層３を形成し、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の表面、好ましくは、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板１のＮ極性面１ａ上にショットキー電極層２を形成することが好ましい。ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板１とオーミック電極層３との間に、ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層４が形成されることにより、ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層４がオーミック電極層３とのコンタクト層として機能するため、第一態様例よりもさらに、オーミック電極層３と結晶層（ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層４、およびｎ型窒化アルミニウム単結晶基板１）との接触抵抗値を低減することができる。
なお、これらオーミック電極層３、ショットキー電極層２は、第一態様例で説明したものと同じものを使用することができる。
（縦型窒化物半導体デバイスの製造方法）
次に、本発明の縦型窒化物半導体デバイスの製造方法について説明する。上記第一、二態様例の縦型窒化物半導体デバイスの製造方法は、特に制限されるものではない。中でも、転位密度が１０４ｃｍ−２以下の窒化アルミニウム単結晶種基板上に、Ｓｉ含有量が３×１０１７〜１×１０２０ｃｍ−３のｎ型窒化アルミニウム単結晶層を成長させ、そして、このｎ型窒化アルミニウム単結晶層を分離して、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板として使用する方法を採用することが好ましい。つまり、転位密度が極めて低い（転位密度が１０４ｃｍ−２以下）の窒化アルミニウム単結晶種基板を使用することにより、Ｓｉ含有量が３×１０１７〜１×１０２０ｃｍ−３であり、転位密度が、転位密度が１０６ｃｍ−３以下であるｎ型窒化アルミニム単結晶基板を容易に得ることができる。
次に、本発明の縦型窒化物半導体デバイスの製造方法について説明する。上記第一、二態様例の縦型窒化物半導体デバイスの製造方法は、特に制限されるものではない。中でも、転位密度が１０４ｃｍ−２以下の窒化アルミニウム単結晶種基板上に、Ｓｉ含有量が３×１０１７〜１×１０２０ｃｍ−３のｎ型窒化アルミニウム単結晶層を成長させ、そして、このｎ型窒化アルミニウム単結晶層を分離して、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板として使用する方法を採用することが好ましい。つまり、転位密度が極めて低い（転位密度が１０４ｃｍ−２以下）の窒化アルミニウム単結晶種基板を使用することにより、Ｓｉ含有量が３×１０１７〜１×１０２０ｃｍ−３であり、転位密度が、転位密度が１０６ｃｍ−３以下であるｎ型窒化アルミニム単結晶基板を容易に得ることができる。
従来の特許文献６の記載の方法においても、１０５ｃｍ−２程度の窒化アルミニウム単結晶種基板を使用して、その上に、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層を成長させていたが、それでは、精々、転位密度が５×１０９ｃｍ−２程度のｎ型窒化アルミニウム単結晶層しか得ることはできなかった。本発明においては、従来のものよりも高品質なｎ型窒化アルミニウム単結晶基板を使用するものである。このようなｎ型窒化アルミニウム単結晶基板を得るためには、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層（基板）を製造する際の種基板が重要となる。以下の方法により製造することが好ましい。順を追って説明する。
（第一態様例の縦型窒化物半導体デバイスの製造方法）
第一態様例の縦型窒化物半導体デバイスの製造方法の一例を、図３を用いて説明する。
先ず、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板を製造するために使用する、窒化アルミニウム単結晶種基板５を準備する。先ず、この窒化アルミニウム単結晶種基板について説明する。
第一態様例の縦型窒化物半導体デバイスの製造方法の一例を、図３を用いて説明する。
先ず、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板を製造するために使用する、窒化アルミニウム単結晶種基板５を準備する。先ず、この窒化アルミニウム単結晶種基板について説明する。
（窒化アルミニウム単結晶種基板（の準備））
ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板は、窒化アルミニウム単結晶種基板５上に、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’を形成した後、種基板５とｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’を分離して、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板１とする。
ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板は、窒化アルミニウム単結晶種基板５上に、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’を形成した後、種基板５とｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’を分離して、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板１とする。
窒化アルミニウム単結晶種基板５の転位密度は、１０４ｃｍ−２以下、さらには１０−３ｃｍ−２以下であることが好ましい。転位密度が１０４ｃｍ−２を超える場合には、窒化アルミニウム単結晶種基板５上にｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’を形成する際に、ｎ型窒化アルミニウム膜中に応力が蓄積され、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’の膜厚が厚くなるにしたがってクラックが発生しやすくなる。また、転位密度が１０４ｃｍ−２を超える場合には、得られるｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’（ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板１）の転位密度を１０６ｃｍ−２以下とすることが困難となる。
なお、窒化アルミニウム単結晶種基板の転位密度の下限値は０ｃｍ−２であるが、工業的な生産を考慮すると１０２ｃｍ−２である。転位密度の測定は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による観察、又は簡易的にアルカリ溶液に浸漬した後のエッチピット密度の観察により行うことができる。なお、本発明においては、エッチピット密度を転位密度とした。
このような低転位密度の窒化アルミニウム単結晶種基板５は、公知の方法で製造することができる。そして、上記の特性が得られれば、その方法は特に限定されるものではないが、昇華法（例えば、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ．３１２．２５１９に記載）や、特開２０１０−８９９７１に提案されるような手法を用いることができる。
窒化アルミニウム単結晶種基板５は、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’を形成する主面がＣ面（Ａｌ極性面）であることが好ましい。さらに、主面の表面粗さは、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層の結晶品質を低下させないため、原子層レベルで平滑であることが好ましい。具体的には、種基板の主面全面において平均二乗粗さ（ＲＭＳ）で０．２ｎｍ以下であることが好ましい。表面粗さが上述の範囲を超える場合や、種基板の主面に、研磨による傷などが存在する場合は、転位密度が多い場合と同様、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’のクラックの発生要因となる。
ｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’を成長する主面の面方位はＣ面であることが好ましく、Ｃ面からの傾き（オフ角度）は、特に限定されるものではないが、０〜３°程度であることが好ましい。
また、窒化アルミニウム単結晶種基板５の厚みは、特に制限されるものではないが、通常０．３〜１．０ｍｍ程度である。このような種基板を準備することで、高い結晶品質のｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’を形成することが可能となる。
次に、この窒化アルミニウム単結晶種基板５上に成長させる、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’の成長方法ついて説明する。
（ｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’の成長方法）
上記窒化アルミニウム単結晶種基板５上に、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’を形成する方法について説明する。ｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’は、ＨＶＰＥ法、ＭＯＶＰＥ法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌｅ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法など、公知の結晶成長法によって製造される。中でも、比較的高い結晶成長速度が得られるなどの生産性を考慮すると、ＨＶＰＥ法もしくはＭＯＶＰＥ法が好ましく、最も高い成長速度が得られるＨＶＰＥ法が最も好ましい。
上記窒化アルミニウム単結晶種基板５上に、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’を形成する方法について説明する。ｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’は、ＨＶＰＥ法、ＭＯＶＰＥ法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌｅ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法など、公知の結晶成長法によって製造される。中でも、比較的高い結晶成長速度が得られるなどの生産性を考慮すると、ＨＶＰＥ法もしくはＭＯＶＰＥ法が好ましく、最も高い成長速度が得られるＨＶＰＥ法が最も好ましい。
ＨＶＰＥ法を採用する場合は、特許第３８０３７８８や特許第３９３６２７７に記載さているように、ハロゲン化アルミニウムとアンモニアを窒化アルミニウム単結晶種基板５上に、水素および窒素などのキャリアガスと共に供給し、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’を成長させることが好ましい。ｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’を成長させる際の種基板５の温度は、１１００〜１８００℃とすることが好ましく、さらに１２５０〜１６００℃とすることが好ましく、最も好ましくは１４００〜１５５０℃である。一般的に、Ｓｉをドーピングしてｎ型窒化物半導体層を成長する場合は、成長時にＳｉドーピング層中に歪が蓄積され、クラックが発生するなどの現象が起こることが知られている。しかし、上述したような１１００℃以上、好ましくは１２５０℃以上、特に好ましくは１４００℃以上の高温において、ｎ型窒化アルミニウム厚膜を成長することによって、膜厚が５０μｍ以上のｎ型窒化アルミニウム厚膜を形成する場合においても、成長中の新たな転位やクラックの発生を大幅に低減することが可能となる。さらに、窒素原子とアルミニウム原子との供給モル比（Ｖ／ＩＩＩ比）は、使用する結晶成長装置の構造にも依存するが、０．５〜１００にすることが好ましく、さらに２〜２０とすることが好ましい。
ｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’を成長する際のＳｉのドーピング方法は、例えば、特許第５２３４９６８に記載されているように、Ｓｉ源としてＳｉＨαＣｌ４−α（αは０〜３の整数である）を用いてドーピングする方法を用いることが好ましい。膜厚方向におけるＳｉ濃度を一定にする場合は、ｎ型窒化アルミニウム成長時のＳｉＨαＣｌ４−α流量を一定に保てばよい。
また、Ｓｉをドーピングする別の方法として、窒化アルミニウム単結晶種基板を加熱するサセプターの周辺に、石英やＳｉなどのＳｉを含有するＳｉ供給源材料を設置し、それらの材料からの脱離Ｓｉを利用してドーピングする方法などを用いることができる。Ｓｉの含有量は、上述のＳｉＨαＣｌ４−αガスの供給量、Ｓｉ供給源材料の数量などを調整し、適宜決定すればよい。
ＭＯＶＰＥ法を採用する場合には、例えば、Ａｐｐｌｙｄｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ．８５．４６７２に記載されているように、トリメチルアルミニウム、アンモニアを窒化アルミニウム膜の原料として使用すればよい。Ｓｉ原料には上記文献に記載されているシランガスに加え、テトラエチルシランなど公知の材料を使用することが出来る。また、成長温度は、成長後のｎ型窒化アルミニウム膜の特性をＸ線ロッキングカーブなどによって評価し、高い結晶品質を得られる範囲を適宜決定すればよいが、通常は１１００〜１３００℃程度である。
以上のような方法を採用することにより、Ｓｉ含有量が３×１０１７〜１×１０２０ｃｍ−３であり、転位密度が１０６ｃｍ−３以下であるｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’を窒化アルミニウム単結晶種基板５上に成長させることができる。本発明の方法においては、窒化アルミニウム単結晶種基板の転位密度が特に低い、具体的には、１０４ｃｍ−２以下の転位密度である窒化アルミニウム単結晶種基板５を使用するため、Ｓｉ含有量が高く、転位密度が低いｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’を容易に成長することができる。ｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’の厚みは、特に制限されるものではないが、所望とするｎ型窒化アルミニウム単結晶基板１よりも厚めに設定する。そのため、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’は、５０〜６００μｍとすることが好ましい。
次に、以上のように成長させたｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’と窒化アルミニウム単結晶種基板５とを分離して、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板１とする。この方法について説明する。
（ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の準備（製造方法））
次に、上述の方法により窒化アルミニウム単結晶種基板５上にｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’が形成された積層基板を作製した後、種基板５とｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’とを分離する方法について説明する。
次に、上述の方法により窒化アルミニウム単結晶種基板５上にｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’が形成された積層基板を作製した後、種基板５とｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’とを分離する方法について説明する。
分離手法は、特に制限はなく、下記で例示するような公知の技術を使用することができる。例えば、積層基板を作製した後、種基板部分を機械研磨する方法、水酸化カリウムなどのアルカリ溶液に浸漬して種基板部分のみを溶解する方法、特開２００３−１６８８２０で提案されているレーザー光を照射することにより分離する方法などが挙げられる。これにより自立したｎ型窒化アルミニウム単結晶基板１を得ることができる。上述の方法により窒化アルミニウム単結晶種基板５を分離した側の面、およびその反対側の面（成長表面）は、化学機械（ＣＭＰ）研磨を行い、機械研磨および成長後の表面酸化などによるダメージ層を除去し、平滑性を向上させることが好ましい。なお、成長表面のＣＭＰ研磨を行う順番は、分離後に限定されるものではなく、適宜決定すればよく、例えば、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’の成長後に行ってもよい。
なお、窒化アルミニウム単結晶種基板５の成長面をＣ面とした場合には、窒化アルミニウム単結晶種基板５を分離した側の面がＮ極性面１ａであり、その反対側の面（成長表面）がＡｌ極性面１ｂとなる。
次に、このようにして得られたｎ型窒化アルミニウム単結晶基板１において、基板の両面に動作電極を形成する。ここでは、Ａｌ極性面１ｂ上にオーミック電極層３を形成し、Ｎ極性面１ｂ上にショットキー電極層２を形成する場合について説明する。
（オーミック電極層、およびショットキー電極層の形成方法）
ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板を使用したショットキーバリアダイオードを作製する場合は、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板１のＡｌ極性面１ｂ上に、真空蒸着法、スパッタリング法などの公知の製膜技術によって、オーミック電極層３を形成することが好ましい。ｎ型オーミック電極層３は、Ｔｉ、Ａｌなどの金属を所定の厚み、積層順で形成する。オーミック電極を形成した後、窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気下でアニールすることが好ましい。これによって、オーミック電極層とｎ型窒化アルミニウム単結晶（基板）との接触抵抗値を低減することができる。各層の厚み、層構成は、第一態様例におけるオーミック電極層で説明したものと同じである。
ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板を使用したショットキーバリアダイオードを作製する場合は、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板１のＡｌ極性面１ｂ上に、真空蒸着法、スパッタリング法などの公知の製膜技術によって、オーミック電極層３を形成することが好ましい。ｎ型オーミック電極層３は、Ｔｉ、Ａｌなどの金属を所定の厚み、積層順で形成する。オーミック電極を形成した後、窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気下でアニールすることが好ましい。これによって、オーミック電極層とｎ型窒化アルミニウム単結晶（基板）との接触抵抗値を低減することができる。各層の厚み、層構成は、第一態様例におけるオーミック電極層で説明したものと同じである。
次いで、オーミック電極層３と同様の手法により、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕなどのショットキー電極層４をＮ極性面１ａ上に形成する。ショットキー電極層における各層の厚み、層構成は、第一態様例におけるショットキー電極層層で説明したものと同じである。
以上の方法により、第一の縦型窒化物半導体デバイスを製造することができる。
次に、第二態様の縦型窒化物半導体デバイスの製造方法について図４〜５を用いて説明する。
（第二態様例の縦型窒化物半導体デバイスの製造方法）
図４では、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層１のＮ極性面上にｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層４を形成する方法を示している。この場合、ｎ型窒化物単結晶基板１を製造するまでは、第一態様例の縦型窒化半導体デバイスの製造方法と同じである。
図４では、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層１のＮ極性面上にｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層４を形成する方法を示している。この場合、ｎ型窒化物単結晶基板１を製造するまでは、第一態様例の縦型窒化半導体デバイスの製造方法と同じである。
次いで、得られたｎ型窒化物単結晶基板１のＮ極性面１ａ上に、ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層４を成長させる。
（ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層の成長条件：積層体の製造方法）
ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層は、ＨＶＰＥ法、ＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法など、公知の結晶成長法によって形成できるが、組成や膜厚制御の容易さを考慮すると、ＭＯＶＰＥ法が最も好ましい。
ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層は、ＨＶＰＥ法、ＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法など、公知の結晶成長法によって形成できるが、組成や膜厚制御の容易さを考慮すると、ＭＯＶＰＥ法が最も好ましい。
ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板１を反応装置に設置し、以下で例示する成長条件でｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層４を形成する。ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層４を形成するｎ型窒化アルミニウム単結晶基板１の主面の面方位は、Ｎ極性面である。また、成長後のｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層４の成長表面の極性は、基板と同様であってもよいし、極性が反転した状態であってもよい。特に、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板１のＮ極性面にｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層４を形成した場合、ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層４の極性が反転され、成長表面（ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層４の最表面）の極性がＡｌ極性であることが好ましい。
ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層４をＭＯＣＶＤ法により作製する場合は、例えば、Ａｐｐｌｙｄｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ．８１．１０３８に記載されているように、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、アンモニア、およびシランを原料として、ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層４を形成することができる。また、Ｓｉ原料には上記文献に記載されているシランガスに加え、テトラエチルシランなど公知の材料を使用することが出来る。また、成長温度は、所望のｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層４の伝導性特性を得られる範囲を適宜決定すればよいが、通常は１０５０〜１１００℃程度である。
このようにｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層４を成長した後、オーミック電極層３をｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層４上（好ましくはＡｌ極性面上）に形成し、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板１側の表面（好ましくはＮ極性面上）にショットキー電極層２を形成する。これら電極層の形成方法は、上記オーミック電極層、およびショットキー電極層の形成方法の項で説明した方法と同様の方法を採用することができる。
また、図５では、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層１’の成長表面上（Ａｌ極性面１ｂ上）にｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層４を成長する方法を示している。この場合の、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板１の分離、ｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層４の成長方法、オーミック電極層３、およびショットキー電極層２の形成方法は上記で説明した方法と同様の方法を採用することができる。また、図５では、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の分離前にｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層４を成長しているが、分離後に行うこともできる。
（縦型窒化物半導体デバイスのその他の用途）
以上、図３、図４、図５に基づいて、縦型ショットキーバリアダイオードの製法について説明したが、本発明は縦型ショットキーバリアダイオードに制限されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲で、縦型発光ダイオード、バイポーラトランジスタ、ユニポーラトランジスタなどの様々なデバイスに応用することができる。例えば、縦型のトランジスタを作製する場合は、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板のＡｌ極性面１ｂ側に、必要に応じてｎ型、ｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ層（但し、Ｙは、０．０≦Ｙ≦１．０を満足する有理数である。）を積層した後、ソース電極、ゲート電極などを形成することができる。ｎ型、ｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ層はＭＯＶＰＥ法で成長することが好ましく、組成および膜厚などはトランジスタの設計に応じて適宜決定すればよい。また、この場合はｎ型窒化アルミニウム単結晶基板のＮ極性面側にオーミック電極（ドレイン電極）を形成することが好ましい。
以上、図３、図４、図５に基づいて、縦型ショットキーバリアダイオードの製法について説明したが、本発明は縦型ショットキーバリアダイオードに制限されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲で、縦型発光ダイオード、バイポーラトランジスタ、ユニポーラトランジスタなどの様々なデバイスに応用することができる。例えば、縦型のトランジスタを作製する場合は、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板のＡｌ極性面１ｂ側に、必要に応じてｎ型、ｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ層（但し、Ｙは、０．０≦Ｙ≦１．０を満足する有理数である。）を積層した後、ソース電極、ゲート電極などを形成することができる。ｎ型、ｐ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ層はＭＯＶＰＥ法で成長することが好ましく、組成および膜厚などはトランジスタの設計に応じて適宜決定すればよい。また、この場合はｎ型窒化アルミニウム単結晶基板のＮ極性面側にオーミック電極（ドレイン電極）を形成することが好ましい。
以下、実施例および比較例をあげて本発明について詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
実施例１
本発明のｎ型窒化アルミニウム単結晶基板を作製するための窒化アルミニウム単結晶種基板にはＣ面窒化アルミニウム単結晶種基板（□１５ｍｍ×厚み５００μｍ）を用いた。この窒化アルミニウム単結晶種基板の転位密度（エッチピット密度）は、１×１０４ｃｍ−２であった。なお、この転位密度は、下記に記述するｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の転位密度の測定方法と同じ方法で求めた。
本発明のｎ型窒化アルミニウム単結晶基板を作製するための窒化アルミニウム単結晶種基板にはＣ面窒化アルミニウム単結晶種基板（□１５ｍｍ×厚み５００μｍ）を用いた。この窒化アルミニウム単結晶種基板の転位密度（エッチピット密度）は、１×１０４ｃｍ−２であった。なお、この転位密度は、下記に記述するｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の転位密度の測定方法と同じ方法で求めた。
この種基板をＨＶＰＥ装置内のパイロリティックボロンナイトライド製のサセプター上に設置した後、ＨＶＰＥ装置内の圧力を７５０Ｔｏｒｒとし、水素、窒素の混合キャリアガス雰囲気下で、種基板を１４５０℃に加熱した。この際、全キャリアガス流量（１０ｓｌｍ）に対して０．５体積％になるようにアンモニアガスを供給した。次いで、４５０℃に加熱した金属Ａｌと塩化水素ガスを反応させることによって得られる塩化アルミニウムガスを全キャリアガス供給量に対して０．０５体積％になるように供給し、種基板上にｎ型窒化アルミニウム単結晶層を３００μｍ形成した。この際、サセプター上に石英片（□３ｍｍ×厚み１ｍｍ）を設置し、成長時に起こる石英の自然脱離現象を利用して、窒化アルミニウム単結晶層中にＳｉをドーピングした。
ｎ型窒化アルミニウム単結晶層が形成された積層基板をＨＶＰＥ装置から取り出した後、高分解能Ｘ線回折装置（スペクトリス社パナリティカル事業部製Ｘ‘Ｐｅｒｔ）により、加速電圧４５ｋＶ、加速電流４０ｍＡの条件で、ｎ型窒化アルミニウム単結晶層の（００２）および（１０１）面のＸ線ロッキングカーブ測定を行った。Ｘ線ロッキングカーブの半値幅はそれぞれ、２２、１５ａｒｃｓｅｃであった。
その後、窒化アルミニウム単結晶種基板部分を機械研磨により除去し、ＨＶＰＥ法：ｎ型窒化アルミニウム単結晶層のＮ極性面を露出させた。次いで、成長表面（Ａｌ極性面）を化学機械（ＣＭＰ）研磨により平滑化した。こうして得られたｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の厚みは１５０μｍであった。
その後、得られたｎ型窒化アルミニウム単結晶基板を５ｍｍ角程度の正方形形状に切断した（５ｍｍ各程度の４つの正方形形状のｎ型窒化アルミニウム単結晶基板とした。）。
切断後の基板の一つについてはセシウムイオンを１次イオンに用いたＳＩＭＳにより、Ａｌ極性面およびＮ極性面の両面側からＳｉおよび炭素の定量分析を行った。濃度は、窒化アルミニウム標準試料の窒素２次イオン強度に基づき定量した。Ｓｉ濃度は、Ａｌ極性面およびＮ極性面の両側で３×１０１７ｃｍ−３であった。また、炭素濃度は、同じく１×１０１７ｃｍ−３（今回の測定における検出下限値）であった。さらに、同じ基板を、３００℃に加熱した水酸化カリウムと水酸化ナトリウムの混合溶液に５ｍｉｎ浸漬した後、微分干渉顕微鏡によって、１００μｍ角の視野範囲で、任意の１０視野を観察し、エッチピット密度（転位密度）を観察した。算出されたエッチピット密度（転位密度）は２×１０５ｃｍ−２であった。
他の基板の３つは、４０℃に加熱した塩酸中で表面を洗浄した。次いで、その基板の一つを使用し、Ａｌ極性表面の全面に、真空蒸着法によりオーミック電極層として、Ｔｉ（２０ｎｍ）／Ａｌ（１００ｎｍ）／Ｔｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（５０ｎｍ）電極を形成し、窒素雰囲気中１０００℃の条件で熱処理を行った。その後、電極形成面にレジストを塗布して保護膜を形成し、再度、４０℃に加熱した塩酸中で表面を洗浄した。次いで、得られた基板のＮ極性面側にショットキー電極層として３００μｍ角のＮｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（５０ｎｍ）電極を形成した。電極層を形成した基板をアセトン中に浸漬してレジストを剥離し、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板を用いた縦型ショットキーバリアダイオードを完成させた。
得られた縦型ショットキーバリアダイオードのショットキー電極層およびオーミック電極層間の電流−電圧特性を図６に示す。立ち上がり電圧３Ｖのショットキーダイオード特性が確認された。また、逆方向電圧値を１００Ｖとしたときの、電流密度は５×１０−７Ａｃｍ−２であった。
実施例２
実施例１において、４０℃に加熱した塩酸中で表面を洗浄したその他の基板の１つを使用して、Ｎ極性面側にオーッミック電極層、Ａｌ極性面側にショットキー電極層を形成した以外は、実施例１と同様の条件で縦型ショットキーバリアダイオードを作製し、同じ評価を行った。電流―電圧特性を図６に示す。立ち上がり電圧１０Ｖ程度のショットキーダイオード特性が確認された。また、逆方向電圧値を１００Ｖとしたときの、電流密度は実施例１と同様に５×１０−７Ａｃｍ−２であった。
実施例１において、４０℃に加熱した塩酸中で表面を洗浄したその他の基板の１つを使用して、Ｎ極性面側にオーッミック電極層、Ａｌ極性面側にショットキー電極層を形成した以外は、実施例１と同様の条件で縦型ショットキーバリアダイオードを作製し、同じ評価を行った。電流―電圧特性を図６に示す。立ち上がり電圧１０Ｖ程度のショットキーダイオード特性が確認された。また、逆方向電圧値を１００Ｖとしたときの、電流密度は実施例１と同様に５×１０−７Ａｃｍ−２であった。
実施例３
実施例１において、４０℃に加熱した塩酸中で表面を洗浄したその他の基板の１つを使用して、該基板のＡｌ極性面側にｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層ＭＯＶＰＥ法により、１０８０℃で３０ｎｍ成長させた以外は、実施例１と同様の条件で縦型ショットキーバリアダイオードを作製し、同じ評価を行った。なお、ＳＩＭＳ分析により求めたｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層中のＳｉ濃度は１×１０１９ｃｍ−３であった。電流―電圧特性を図６に示す。立ち上がり電圧３Ｖのショットキーバリアダイオード特性が確認された。また、逆方向電圧値を１００Ｖとしたときの、電流密度は５×１０−７Ａｃｍ−２であった。
実施例１において、４０℃に加熱した塩酸中で表面を洗浄したその他の基板の１つを使用して、該基板のＡｌ極性面側にｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層ＭＯＶＰＥ法により、１０８０℃で３０ｎｍ成長させた以外は、実施例１と同様の条件で縦型ショットキーバリアダイオードを作製し、同じ評価を行った。なお、ＳＩＭＳ分析により求めたｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層中のＳｉ濃度は１×１０１９ｃｍ−３であった。電流―電圧特性を図６に示す。立ち上がり電圧３Ｖのショットキーバリアダイオード特性が確認された。また、逆方向電圧値を１００Ｖとしたときの、電流密度は５×１０−７Ａｃｍ−２であった。
比較例１
特許文献６の実施例３に記載されている方法により種基板となる窒化アルミニウム自立基板を作製した。得られた自立基板のエッチピット密度（転位密度）は２×１０６ｃｍ−２であった。この自立基板を種基板として使用し、１３００℃で成長した以外は、実施例１と同様にしてｎ型窒化アルミニウム単結晶層を３００μｍ形成した。反応炉から取り出したｎ型窒化アルミニウム単結晶層にはクラックが発生しており、ショットキーバリアダイオードを形成することは不可能であった。
特許文献６の実施例３に記載されている方法により種基板となる窒化アルミニウム自立基板を作製した。得られた自立基板のエッチピット密度（転位密度）は２×１０６ｃｍ−２であった。この自立基板を種基板として使用し、１３００℃で成長した以外は、実施例１と同様にしてｎ型窒化アルミニウム単結晶層を３００μｍ形成した。反応炉から取り出したｎ型窒化アルミニウム単結晶層にはクラックが発生しており、ショットキーバリアダイオードを形成することは不可能であった。
１ ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板
１ａ Ｎ極性面
１ｂ Ａｌ極性面
２ ショットキー電極層（電極層）
３ オーミック電極層（電極層）
４ ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層
５ 窒化アルミニウム単結晶種基板
１’ ｎ型窒化アルミニウム単結晶層
１ａ Ｎ極性面
１ｂ Ａｌ極性面
２ ショットキー電極層（電極層）
３ オーミック電極層（電極層）
４ ｎ型ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層
５ 窒化アルミニウム単結晶種基板
１’ ｎ型窒化アルミニウム単結晶層
Claims (9)
- Ｓｉ含有量が３×１０１７〜１×１０２０ｃｍ−３であり、転位密度が１０６ｃｍ−３以下であり、かつ厚みが５０〜５００μｍであるｎ型窒化アルミニウム単結晶基板。
- 請求項１に記載のｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の上下の主面に電極層を備えた縦型窒化物半導体デバイス。
- 請求項２に記載の縦型窒化物半導体デバイスにおいて、一方の主面側にオーミック電極層を有し、他方の主面にショットキー電極層有する縦型ショットキーバリアダイオード。
- 請求項１に記載のｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の少なくとも一方の主面上に、Ｓｉ含有量が１×１０１８〜５×１０１９ｃｍ−３であるＡｌＸＧａ１−ＸＮ（但し、Ｘは、０．３≦Ｘ≦０．８を満足する有理数である。）からなる層が積層された積層体。
- 請求項４に記載の積層体の上下の主面に電極層を備えた縦型窒化物半導体デバイス。
- ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（但し、Ｘは、０．３≦Ｘ≦０．８を満足する有理数である。）からなる層上の電極層がオーミック電極層である請求項５に記載の縦型窒化物半導体デバイス。
- 請求項６の縦型窒化物半導体デバイスにおいて、ｎ型窒化アルミニウム単結晶基板上の電極層がショットキー電極層である縦型ショットキーバリアダイオード。
- 逆方向電圧値を１００Ｖとしたとき、電流密度が１０−６Ａｃｍ−２以下となる請求項３または７に記載の縦型ショットキーバリアダイオード。
- 転位密度が１０４ｃｍ−２以下の窒化アルミニウム単結晶種基板上に、Ｓｉ含有量が１×１０１７〜１×１０２０ｃｍ−３であり、転位密度が１０６ｃｍ−３以下であるｎ型窒化アルミニム単結晶層を形成する工程と、前記窒化アルミニウム単結晶種基板と前記ｎ型窒化アルミニウム単結晶層を分離することにより、前記ｎ型窒化アルミニウム単結晶層をｎ型窒化アルミニウム基板とする工程と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のｎ型窒化アルミニウム単結晶基板の製造方法。
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