JP4781643B2 - 窒化物半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、窒化物半導体装置およびその製造方法に関する。
Ｓｉは、例えばＡｌ２Ｏ３より高い熱伝導率を有し、しかも、Ｓｉ結晶成長技術は既に確立されており、ＳｉＣよりも安価に入手できる。また、大口径の基板を得ることも可能であり、素子の量産性という観点から有利である。
このため、近年では、Ｓｉ基板上にＧａＮ等の窒化物半導体層を形成し半導体素子を作製することが行われている（例えば、特許文献１）。
特開２００３−２２４０７１号公報
このため、近年では、Ｓｉ基板上にＧａＮ等の窒化物半導体層を形成し半導体素子を作製することが行われている（例えば、特許文献１）。
しかしながら、Ｓｉの比抵抗は、Ａｌ２Ｏ３やＳｉＣに比べて数桁低く、言い換えるなら、Ｓｉ基板は、他の基板に比べて電気伝導率が高い。かかる電気伝導率は、誘電損失と密接な関係があり、その値が高いほど誘電損失は大きくなる。また、基板の低抵抗性は、基板を介した寄生抵抗の発生にもつながり、リーク電流の原因となる。
従って、Ｓｉ基板上に窒化物半導体層を形成し、高出力かつ高周波で動作する半導体素子を作製した場合、基板に起因する出力損失が発生するという問題があった。
従って、Ｓｉ基板上に窒化物半導体層を形成し、高出力かつ高周波で動作する半導体素子を作製した場合、基板に起因する出力損失が発生するという問題があった。
そこで、本発明では、放熱特性を損なうことなく基板リーク電流と誘電損失とを低減させた窒化物半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、表面と裏面とを有するシリコン基板と、シリコン基板の表面上に設けられた窒化物半導体層とを有する窒化物半導体装置であって、シリコン基板の裏面上に、高熱伝導性絶縁物質層が設けられたことを特徴とする窒化物半導体装置である。
また、本発明は、シリコン基板上に窒化物半導体層を有する窒化物半導体装置の製造方法であって、シリコン基板の表面上に窒化物半導体層を形成する工程と、シリコン基板を溶液に浸漬し、電気化学法によりシリコン基板の裏面に高熱伝導性絶縁物質層を析出させる析出工程とを含むことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法でもある。
以上のように、本発明にかかる窒化物半導体装置では、放熱特性を向上させ、基板リーク電流や誘電損失を低減させることができる。
また、本発明にかかる窒化物半導体装置の製造方法では、安定した窒化物半導体装置の製造が可能となる。
窒化物半導体は、一般に機械的に堅牢でかつ化学的にも安定である。また、表１に示すように、熱伝導率も高く放熱性に優れている。このため、窒化物半導体結晶は、例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮ高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）やＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮレーザーダイオード（ＬＤ）に適用される。
ここで、窒化物半導体とは、III−Ｖ族半導体において、Ｖ族元素として窒素を用いた半導体をいい、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、および、これらの少なくとも２つの混晶からなる半導体が該当する（「ＩＩＩ−Ｎ半導体」の用語は、同じ意味に用いられる。）。
ここで、窒化物半導体とは、III−Ｖ族半導体において、Ｖ族元素として窒素を用いた半導体をいい、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、および、これらの少なくとも２つの混晶からなる半導体が該当する（「ＩＩＩ−Ｎ半導体」の用語は、同じ意味に用いられる。）。
（表１）
窒化物半導体結晶を用いた半導体素子は、一般に、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板上に形成される。これは、Ａｌ２Ｏ３基板が安価でかつ量産性にも優れているためである。
しかしながら、上記表１に示すように、Ａｌ２Ｏ３の熱伝導率は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮよりも低い。このため、Ａｌ２Ｏ３基板上に作製した窒化物半導体素子では、基板が半導体素子からの放熱を妨げ、熱抵抗が高くなり、これらの素子を高出力動作させると素子破壊が発生した。
しかしながら、上記表１に示すように、Ａｌ２Ｏ３の熱伝導率は、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮよりも低い。このため、Ａｌ２Ｏ３基板上に作製した窒化物半導体素子では、基板が半導体素子からの放熱を妨げ、熱抵抗が高くなり、これらの素子を高出力動作させると素子破壊が発生した。
一方、Ａｌ２Ｏ３に代えてシリコンカーバイド（ＳｉＣ）を用いることも検討されている。ＳｉＣ基板上の成長させた窒化物半導体結晶の結晶性は、Ａｌ２Ｏ３基板上に成長させたものと遜色ないと考えられる。しかしながら、ＳｉＣ結晶の成長技術は非常に高度であるため、その価格はＡｌ２Ｏ３基板より高価である。また、大口径基板を得ることが困難であるため量産性にも劣り、産業上の観点からも多くの問題点を有する。
本発明では、Ｓｉ基板上に窒化物半導体を形成するとともに、Ｓｉ基板の裏面に高熱伝導性絶縁物質を形成し、放熱特性に優れ、基板リーク電流や誘電損失を低減させた窒化物半導体装置を提供する。
以下の実施の形態１〜３で、本発明にかかる窒化物半導体装置の具体的な構造およびその製造方法について説明する。
以下の実施の形態１〜３で、本発明にかかる窒化物半導体装置の具体的な構造およびその製造方法について説明する。
実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本実施の形態１にかかる窒化物半導体装置の断面の概略図である。窒化物半導体装置１００は、Ｓｉ基板１を含む。Ｓｉ基板１は、放熱性を向上させるために薄板化されている。Ｓｉ基板１の表面上には窒化物半導体層２が形成されている。また、Ｓｉ基板１の裏面上には高熱伝導性絶縁物質３が形成されている。高熱伝導性絶縁物質３は、例えば、ＧａＮ等の窒化物半導体、ＳｉＣ、窒化ボロン（ＢＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等が該当する。
図１は、全体が１００で表される、本実施の形態１にかかる窒化物半導体装置の断面の概略図である。窒化物半導体装置１００は、Ｓｉ基板１を含む。Ｓｉ基板１は、放熱性を向上させるために薄板化されている。Ｓｉ基板１の表面上には窒化物半導体層２が形成されている。また、Ｓｉ基板１の裏面上には高熱伝導性絶縁物質３が形成されている。高熱伝導性絶縁物質３は、例えば、ＧａＮ等の窒化物半導体、ＳｉＣ、窒化ボロン（ＢＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等が該当する。
高熱伝導性絶縁物質３を用いた被覆膜は比抵抗が高いため、基板リーク電流と誘電損失とを低減させることができる。更に、高い熱伝導率を有するため、半導体素子から発生する熱の放熱特性にも優れている。
高熱伝導性絶縁物質３は、予め窒化物半導体層２に形成された素子や回路パターンに悪影響を与えることなく形成される必要がある。素子には金属からなる電極／配線パターンが形成されているため、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）に代表される高温での成長法は適さない。
そこで、スパッタリング法や電気化学法のような低温で行われる方法で形成するのが良いと考えられる。
そこで、スパッタリング法や電気化学法のような低温で行われる方法で形成するのが良いと考えられる。
次に、高熱伝導性絶縁物質３の一例としてあげたＺｎＯを用いて、電気化学法を用いた本実施の形態１にかかる窒化物半導体装置の製造方法について説明する。ここで、電気化学法とは、溶液に対し電気的な信号を印加し化学的な反応を発現させて製膜する方法のことを指す。
図２は、本実施の形態にかかる製造方法に用いられる、全体が１５０で表される製膜装置の概略図である。
製膜装置１５０は、反応槽１５１を含む。反応槽１５１の中には水酸化亜鉛水溶液（ａｑ−Ｚｎ（ＯＨ）２）１５２が入れられている。
製膜装置１５０の陽極（Ａｎｏｄｅ）には、亜鉛（Ｚｎ）のプレート１５４が取り付けられている。一方、陰極（Ｃａｔｈｏｄｅ）にはＺｎＯ膜を成長させる基板１５３が取り付けられている。これら電極間に適当な電圧を印加すると、式１の反応が陰極の基板１５３の表面で生じ、ＺｎＯ膜が形成される。
製膜装置１５０は、反応槽１５１を含む。反応槽１５１の中には水酸化亜鉛水溶液（ａｑ−Ｚｎ（ＯＨ）２）１５２が入れられている。
製膜装置１５０の陽極（Ａｎｏｄｅ）には、亜鉛（Ｚｎ）のプレート１５４が取り付けられている。一方、陰極（Ｃａｔｈｏｄｅ）にはＺｎＯ膜を成長させる基板１５３が取り付けられている。これら電極間に適当な電圧を印加すると、式１の反応が陰極の基板１５３の表面で生じ、ＺｎＯ膜が形成される。
本実施の形態１にかかる窒化物半導体装置１００の製造方法では、表面に窒化物半導体層２を形成したＳｉ基板を、図１のようにセットし、電極間に所定の電圧を印加する。
この結果、上記式１に示した電気化学反応によりＳｉ基板の裏面上にＺｎＯ膜３が形成される。
この結果、上記式１に示した電気化学反応によりＳｉ基板の裏面上にＺｎＯ膜３が形成される。
かかる電気化学法を用いることにより、１００℃以下でＺｎＯ膜の成長が可能となり、被覆膜成長時における半導体素子への熱によるダメージを抑えることが可能となる。
実施の形態２．
電気化学法で得られるＺｎＯ膜は、一般に多結晶であり、微結晶間に粒界という間隙が存在している。裏面にＺｎＯ膜を形成した半導体装置をボンディングするような態様ではＺｎＯ膜上に半田を設ける必要がある。この場合、半田がＺｎＯの多結晶粒界を浸透してＳｉ基板裏面に達し、Ｓｉ基板と半田との接触部分からリーク電流が生じることがある。
電気化学法で得られるＺｎＯ膜は、一般に多結晶であり、微結晶間に粒界という間隙が存在している。裏面にＺｎＯ膜を形成した半導体装置をボンディングするような態様ではＺｎＯ膜上に半田を設ける必要がある。この場合、半田がＺｎＯの多結晶粒界を浸透してＳｉ基板裏面に達し、Ｓｉ基板と半田との接触部分からリーク電流が生じることがある。
本実施の形態２では、かかる使用態様に適した窒化物半導体装置の変形例を示す。図３は、全体が２００で表される、窒化物半導体装置の変形例の断面の概略図である。
窒化物半導体装置２００は、Ｓｉ基板１を含み、Ｓｉ基板１の表面上には窒化物半導体層２が形成されている。一方、Ｓｉ基板１の裏面には、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）膜、多結晶ＺｎＯ膜が、順に形成されている（ＺｎＯ／ＳｉＯｘ／Ｓｉ構造）。Ｓｉ基板１は、薄板化されている。
窒化物半導体装置２００は、Ｓｉ基板１を含み、Ｓｉ基板１の表面上には窒化物半導体層２が形成されている。一方、Ｓｉ基板１の裏面には、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）膜、多結晶ＺｎＯ膜が、順に形成されている（ＺｎＯ／ＳｉＯｘ／Ｓｉ構造）。Ｓｉ基板１は、薄板化されている。
Ｓｉは、表面に化学的に安定なＳｉＯｘを形成しやすい物質として知られており、Ｓｉ基板１の裏面に形成されたＳｉＯｘ膜４は、安定で絶縁性にも優れている。しかもＳｉＯｘ膜４をナノメートルオーダーでＳｉ基板１の裏面全体に均一に形成できる技術は、既に確立されている。この確立された技術を用いて作製された十分に膜厚の薄いＳｉＯｘ膜４であれば熱抵抗は殆ど変化しない。従って、熱伝導率がＳｉより低いＳｉＯｘ膜４を形成しても、ＳｉＯｘ膜４が非常に薄いため、窒化物半導体装置２００の放熱特性には殆ど影響しない。
一方、ＳｉＯｘ膜４は、非常に緻密な膜であり、薄くても半田が浸透することはない。従って、ＺｎＯ膜５とＳｉ基板１との間にＳｉＯｘ膜４を設けることにより、半田がＺｎＯの多結晶粒界を浸透してＳｉ基板に達するのを防ぎ、リーク電流の発生を防止できる。
次に、図４を参照しながら、窒化物半導体装置２００の製造方法について説明する。
窒化物半導体装置２００の製造方法では、まず、窒化物半導体層２が表面に形成されたＳｉ基板１を準備する。窒化物半導体層２には、予め素子や回路パターンを形成する。
窒化物半導体装置２００の製造方法では、まず、窒化物半導体層２が表面に形成されたＳｉ基板１を準備する。窒化物半導体層２には、予め素子や回路パターンを形成する。
次に、Ｓｉ基板１の裏面を研削し、薄板化する。裏面のラフネスは、成長させるＳｉＯｘ膜４の膜厚より十分小さければよい。
次に、研削したＳｉ基板１の裏面を適当な方法で洗浄する。
次に、Ｓｉ基板１の裏面にＳｉＯｘ膜４を成長させる。ＳｉＯｘ膜４の成長には、Ｓｉ基板１の表面の窒化物半導体層２に形成された素子に悪影響を与えないような低温プロセスが用いられる。例えば、オゾン法や光酸化法を用いることが好ましい。
続いて、ＳｉＯｘ膜４を成長させた後に、電気化学法を用いてＳｉＯｘ膜４上にＺｎＯ膜５の成長を行う。ＺｎＯ膜５の成長には、図４に示された、全体が２５０で表される製膜装置が用いられる。
製膜装置２５０は、反応槽２５１を含む。反応槽２５１の中には水酸化亜鉛水溶液（ａｑ−Ｚｎ（ＯＨ）２）２５２が入れられている。また、反応槽２５１には、ヒーター２５５が設けられている。
製膜装置２５０の陽極（Ａｎｏｄｅ）には、亜鉛（Ｚｎ）のプレート２５４が取り付けられている。一方、陰極（Ｃａｔｈｏｄｅ）にはＺｎＯを成長させるための基板２５３が取り付けられている。これら電極間に適当な電圧を印加すると、上述の式１の反応が陰極の基板２５３の表面で生じ、ＳｉＯｘ膜４の上にＺｎＯ膜５が形成される。
製膜装置２５０の陽極（Ａｎｏｄｅ）には、亜鉛（Ｚｎ）のプレート２５４が取り付けられている。一方、陰極（Ｃａｔｈｏｄｅ）にはＺｎＯを成長させるための基板２５３が取り付けられている。これら電極間に適当な電圧を印加すると、上述の式１の反応が陰極の基板２５３の表面で生じ、ＳｉＯｘ膜４の上にＺｎＯ膜５が形成される。
Ｓｉ基板１には、陰極から電子が供給されるが、供給方法としては、例えば、図５（ａ）に平面図、（ｂ）に断面の概略図を示すように、ＳｉＯｘ膜４に、Ｓｉ基板１まで達するコンタクトホール６を設け、このコンタクトホール６を介してＳｉ基板１に電子を供給することができる。また、他の方法としては、例えば、図６（ａ）に平面図、（ｂ）に断面の概略図を示すように、窒化物半導体層２に、Ｓｉ基板１まで達するコンタクトホール７を設け、このコンタクトホール７を介してＳｉ基板１に電子を供給しても良い。
Ｓｉ基板１に供給された電子は、トンネル効果でＳｉＯｘ膜４を透過し、ＳｉＯｘ膜４の表面上でＺｎイオンと反応する。このトンネル効果は、ＳｉＯｘ膜４にかかる電場強度に依存する。電場強度は、電極間のサイズや溶液の濃度によって決まるため、外部電源（図示せず）の電圧を適宜調節し、ＳｉＯｘ膜４中でトンネル効果が生じるような電圧を供給することが必要である。
一方、ＺｎＯ膜５の成長に必要とされる酸素（Ｏ）は、溶液中の溶存酸素から供給される。このため、溶液中に酸素が存在することが必要である。
酸素を積極的に供給する方法の具体例を、図７〜９に示す。図７〜９中、図４と同一符号は、同一または相当箇所を示す。
酸素を積極的に供給する方法の具体例を、図７〜９に示す。図７〜９中、図４と同一符号は、同一または相当箇所を示す。
図７に示す製膜装置２６０では、酸素ガス導入用のチューブ２５６を設け、酸素ガスを外部から導入してバブリングする。図８に示す製膜装置２７０では、過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）導入用のチューブ２５７を設け、過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）を溶液に混ぜている。更に、図９に示す製膜装置２８０では、過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）導入用のチューブ２５７に加えて、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）導入用のチューブ２５８を設け、過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）とともに二酸化マンガンを（ＭｎＯ２）を溶液に混ぜて、その触媒作用を利用して効率よく酸素を発生させる。
また、ＺｎＯ膜５の成長工程では、反応を活性化させるため、ある程度の加熱が必要となる。このため、製膜装置２５０〜２９０では、反応槽２５１の中の水酸化亜鉛水溶液２５２を加熱するためのヒーター２５５が設けられている。
一方で、溶液が沸騰してしまうと、溶液内で水蒸気のバブルが発生し、ＺｎＯ膜５の成長を妨げることにつながる。たとえ水蒸気のバブルが発生しない程度の温度であっても、溶存酸素が揮発してしまうほどの高温であれば反応が停止する。
従って、成長時の溶液の温度として、例えば８０℃程度が好ましい。
一方で、溶液が沸騰してしまうと、溶液内で水蒸気のバブルが発生し、ＺｎＯ膜５の成長を妨げることにつながる。たとえ水蒸気のバブルが発生しない程度の温度であっても、溶存酸素が揮発してしまうほどの高温であれば反応が停止する。
従って、成長時の溶液の温度として、例えば８０℃程度が好ましい。
また、ＺｎＯ膜５の成長時に、ＺｎＯのバンドギャップエネルギーより高いエネルギーの光を照射すると、ＺｎＯに電子が発生し、電気伝導性が現れる。そのためＳｉＯｘ膜４を透過して供給された電子が成長中のＺｎＯ膜５の最表面に達しやすくなり成長が促進される。このようにＺｎＯ膜５の成長工程において、ＺｎＯのバンドギャップより高いエネルギーの光を照射することは、ＺｎＯ膜５の成長を促進する有効な方法である。
図１０に示す、全体が２９０で表される製膜装置では、光源からＺｎＯのバンドギャップエネルギーよりエネルギーの高い光２５９を照射するようになっている。これにより、ＺｎＯ膜５の成長の促進が可能となる。
また、ＺｎＯはリチウム（Ｌｉ）をドーピングすることにより半絶縁化し、より高い比抵抗を示す。具体的には、電気化学法を用いてＺｎＯ膜５を成長する際に、Ｌｉイオンを含む溶液を用いてＺｎＯ膜５の成長を行うと、形成されたＺｎＯ膜５が半絶縁化する。同様にリン（Ｐ）をドーピングした後、アニーリングすることによっても半絶縁化する。
従って、電気化学法を用いてＺｎＯ膜５を形成する際に、ＬｉまたはＰイオンを含む溶液を用いてＺｎＯ膜５の成長を行うことにより、絶縁性の高いＺｎＯ膜５が得られる。
従って、電気化学法を用いてＺｎＯ膜５を形成する際に、ＬｉまたはＰイオンを含む溶液を用いてＺｎＯ膜５の成長を行うことにより、絶縁性の高いＺｎＯ膜５が得られる。
図１１は、かかる方法に用いる製膜装置２９５の概略図である。製膜装置２９５は、ＬｉまたはＰイオンを含む溶液導入用のチューブ２５９を有する。かかる製膜装置２９５を用いることにより、絶縁性の高いＺｎＯ膜５を形成することができる。
なお、ＺｎＯ膜５の成長後に、ＺｎＯ膜５のアニーリングを行っても良い。これによりＺｎＯ膜５の結晶性を向上させることができる。
実施の形態３．
ＺｎＯ／ＳｉＯｘ／Ｓｉ構造の窒化物半導体装置において、ＺｎＯ膜５の形成には、ＳｉＯｘ膜４中をトンネル効果で透過する電子が関与している。一般に、トンネル効果により流れる電流は小さく、ＺｎＯ膜５の形成に比較的長い時間を要する。
そこで、本実施の形態３では、成長速度の短縮が可能な、図１２に示すような窒化物半導体装置３００を提供する。
ＺｎＯ／ＳｉＯｘ／Ｓｉ構造の窒化物半導体装置において、ＺｎＯ膜５の形成には、ＳｉＯｘ膜４中をトンネル効果で透過する電子が関与している。一般に、トンネル効果により流れる電流は小さく、ＺｎＯ膜５の形成に比較的長い時間を要する。
そこで、本実施の形態３では、成長速度の短縮が可能な、図１２に示すような窒化物半導体装置３００を提供する。
窒化物半導体装置３００では、Ｓｉ基板１の裏面上に、Ｓｉ基板側から順にＳｉＯｘ膜４、光導電性物質膜（Photoconductive Material Layer：ＰＭＬ膜）８、ＺｎＯ膜５が形成されている（ＺｎＯ／ＰＭＬ／ＳｉＯｘ／Ｓｉ構造）。
ＰＭＬ膜８を形成する光導電性物質は、基礎光学遷移エネルギー以上の光照射下で、電子とホールの対を発生させて導電性を示す物質である。従って、電気化学反応用の電極をＰＭＬ上に形成しておけば、ＺｎＯ膜５の形成に必要な電子を光照射されたＰＭＬ膜８から供給できる。当然のことながら、ＰＭＬ膜８は、暗い場所では絶縁体として振舞うので、たとえＳｉＯｘ膜４にピンホール等の欠陥が存在していたとしても、ＰＭＬ膜５の基礎光学遷移エネルギー以上の光が素子に照射されていなければ、リーク電流の原因とはならない。
ＰＭＬ膜８を形成する光導電性物質は、基礎光学遷移エネルギー以上の光照射下で、電子とホールの対を発生させて導電性を示す物質である。従って、電気化学反応用の電極をＰＭＬ上に形成しておけば、ＺｎＯ膜５の形成に必要な電子を光照射されたＰＭＬ膜８から供給できる。当然のことながら、ＰＭＬ膜８は、暗い場所では絶縁体として振舞うので、たとえＳｉＯｘ膜４にピンホール等の欠陥が存在していたとしても、ＰＭＬ膜５の基礎光学遷移エネルギー以上の光が素子に照射されていなければ、リーク電流の原因とはならない。
窒化物半導体装置３００では、上述の窒化物半導体装置１００、２００と同様に、Ｓｉ基板１を薄板化し、ＺｎＯ膜５を設けることにより、熱伝導性を向上させ、誘電損失を低減できる。また、ＳｉＯｘ膜４を設けることにより、リーク電流の発生を防止できる。
次に、本実施の形態３にかかる窒化物半導体装置３００の製造方法について説明する。かかる製造方法では、実施の形態２で述べた方法を用いて、窒化物半導体層２が表面上に設けられたＳｉ基板１の裏面上に、ＳｉＯｘ膜４を形成する。
続いて、ＳｉＯｘ膜４の上にＰＭＬ膜８を形成する。ＰＭＬ膜８に用いる物質は、光電導性を有する物質ならどのような物質でもよい。形成方法は、それらの物質を膜成長できる、一般的な方法から選択する。
次に、例えば図４に示すように、電気化学反応用の電極をセットし、ＰＭＬ膜８上にＺｎＯ膜５を形成する。ＺｎＯ膜５の形成工程では、ＰＭＬ膜８のバンドギャップよりエネルギーの大きな光を照射して成長を行う必要がある。光を照射することにより、ＰＭＬ膜８から電子が供給され、ＺｎＯ膜５の成長が円滑に進む。
以上の工程により、本実施の形態３にかかる窒化物半導体装置３００が完成する。かかる製造方法を用いることにより、電子が十分に供給された状態で電気化学反応が進行し、短時間でＺｎＯ膜５の成長が可能となる。
最後に、ＺｎＯ被覆による放熱特性の変化を調べるため、素子の熱抵抗を調べた結果を示す。図１３は、全体が４００で表される、素子の熱抵抗を求めるために用いたモデル構造である。また、図１４は、図１３の符号４５０の部分の断面の概略図であり、（ａ）は、図１３のＡ方向から見た場合の概略図、（ｂ）は、図１３のＢ方向から見た場合の概略図である。
図１４において、"Substrate"で示される部分が、それぞれ、図１５の（ａ）（ｂ）（ｃ）に該当するＳａｍｐｌｅ Ａ、Ｂ、Ｃを準備する。Ｓａｍｐｌｅ Ａ、Ｂ、Ｃは、１２本の発熱体を有しており、"Substrate"以外の部分の構造はすべて同じ構造である。
図１５に示すように、Ｓａｍｐｌｅ Ａ、Ｂ、Ｃで採用されている基板は、それぞれＡｌ２Ｏ３（膜厚２００ｍｍ）、Ｓｉ（膜厚２００ｍｍ）、およびＳｉ（膜厚１００ｍｍ）／ＺｎＯ（膜厚１００ｍｍ）となっている。これら３つのモデル構造の中で、ＺｎＯ／ＳｉＯｘ／Ｓｉ構造あるいはＺｎＯ／ＰＭＬ／ＳｉＯｘ／Ｓｉ構造を有する素子に対応するモデル構造は、Ｓａｍｐｌｅ Ｃである。
ここで、ＺｎＯ／ＳｉＯｘ／Ｓｉ構造では、ＳｉＯｘの膜厚は熱抵抗に殆ど影響を与えない程度に薄い（＜＜０．１ｍｍ）ので、熱解析の際に用いるモデル構造ではＳｉＯｘ膜を省いてよい。
熱抵抗を求めるのに必要な各物質の熱伝導率は上記表１あるいは以下の表２に示されている。これらの値を用いて熱回路網法によって熱抵抗を計算した。
熱抵抗を求めるのに必要な各物質の熱伝導率は上記表１あるいは以下の表２に示されている。これらの値を用いて熱回路網法によって熱抵抗を計算した。
（表２）
この計算によって得られた各構造の熱抵抗および各入力電力Ｐｉｎにおける接合温度ΔＴｊを以下の表３にまとめる。
（表３）
（＊） ３２０℃以上でダイボンディング用半田が溶解するため、結果は意味をなさない。
（＊） ３２０℃以上でダイボンディング用半田が溶解するため、結果は意味をなさない。
この表３から明らかなように、ＺｎＯ／Ｓｉ構造を用いた素子（Ｓａｍｐｌｅ Ｃ）におけるΔＴｊは、基板としてＳｉのみを用いた素子（Ｓａｍｐｌｅ Ｂ）のΔＴｊとほぼ同程度であり、Ａｌ２Ｏ３を用いた素子（Ｓａｍｐｌｅ Ａ）のΔＴｊよりはるかに低い。
従って、ＺｎＯ／Ｓｉ構造（実施の形態１）、ＺｎＯ／ＳｉＯｘ／Ｓｉ構造（実施の形態２）、あるいはＺｎＯ／ＰＭＬ／ＳｉＯｘ／Ｓｉ構造（実施の形態３）は、窒化物半導体装置の放熱特性を向上させ、特に、後者２つの構造は、低リーク電流を実現する。
１ Ｓｉ基板、２ 窒化物半導体層、３ 高熱伝導性絶縁物質、４ ＳｉＯＸ膜、５ ＺｎＯ膜 ６、７ コンタクトホール、８ ＰＭＬ膜、１００ 窒化物半導体装置。
Claims (8)
- 表面と裏面とを有するシリコン基板と、該シリコン基板の表面上に設けられた窒化物半導体層とを有する窒化物半導体装置であって、
該シリコン基板の裏面上に、窒化物半導体、シリコンカーバイド、窒化ボロン、および酸化亜鉛からなる群から選択される材料からなる高熱伝導性絶縁物質層が設けられたことを特徴とする窒化物半導体装置。 - 更に、上記シリコン基板と、上記高熱伝導性絶縁物質層との間に、酸化シリコン膜を含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置。
- 更に、上記酸化シリコン膜と、上記高熱伝導性絶縁物質層との間に、光導電性物質膜を含むことを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体装置。
- 上記窒化物半導体層が、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、および窒化インジウムからなる群から選択される一又は二以上の材料からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体装置。
- シリコン基板上に窒化物半導体層を有する窒化物半導体装置の製造方法であって、
該シリコン基板の表面上に窒化物半導体層を形成する工程と、
該シリコン基板を溶液に浸漬し、電気化学法により該シリコン基板の裏面に、酸化亜鉛からなる高熱伝導性絶縁物質層を析出させる析出工程とを含むことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。 - 更に、上記シリコン基板の裏面に、酸化シリコン膜を形成する工程を含み、
上記析出工程が、該酸化シリコンを透過して電子を供給し、該酸化シリコン層の上に上記高熱伝導性絶縁物質層を析出させる工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の製造方法。 - 更に、上記シリコン基板の裏面に、酸化シリコン膜、光導電性物質膜を順に形成する工程を含み、
上記析出工程が、該光導電性物質膜に光を照射して該光導電性物質膜から電子を供給し、該光導電性物質層の上に上記高熱伝導性絶縁物質層を析出させる工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の製造方法。 - 更に、上記溶液を加熱する工程を含むことを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の製造方法。
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