JP4986472B2

JP4986472B2 - 窒化物半導体構造

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Publication number: JP4986472B2
Application number: JP2006035635A
Authority: JP
Inventors: 敦西川; 俊樹牧本; 一英熊倉; 哲也赤坂
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-02-13
Filing date: 2006-02-13
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2026-02-13
Also published as: JP2007214515A

Description

本発明は、一般に窒化物半導体の構造に関し、さらに詳細には、熱伝導率の高いＳｉＣ基板上に作製した窒化物半導体において、特に素子抵抗を低く抑えたまま、降伏電圧を高くするための構造に関する。

ＧａＮやＡｌＮなどの窒化物半導体は、ワイドバンドギャップを有するため、電子デバイスとして低損失かつ高い電圧で動作することが期待でき、パワーエレクトロニクス用の半導体材料として有望視されている。

一般に、降伏電圧（ブレイクダウン電圧）は、電圧を保持する層の半導体材料の絶縁破壊電界と層厚によって決まる。従って、層厚を増加することで、高い降伏電圧を得ることができる。しかし、ＧａＮは残留キャリア密度が高く、層厚を増加させていくと、ＧａＮ層が完全に空乏化する前に降伏が起こるため、層厚の増加による高耐圧化が制限されていた。そこで、半導体材料をＧａＮよりもバンドギャップが大きく、絶縁破壊電界の大きなＡｌＧａＮに変更することにより、高い降伏電圧を有する電子デバイスの作製が検討されている。

図１に、電圧を保持する層としてＡｌＧａＮ層を使用し、降伏電圧を増加させた例として、ショットキーダイオードの構造を示す（非特許文献１参照）。このショットキーダイオード１００は、半絶縁性サファイア基板１０２上に２０ｎｍ厚のＡｌＮ層１０４と、不純物ドーピングを行わない（アンドープ）２．５μｍ厚のＡｌＧａＮ層１０６とを順次形成し、その表面上にＰｔ／Ｔｉ／Ａｕのショットキー電極１２０およびＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕオーミック電極１３０を形成している。オーミック電極１３０を形成するために電極層の近傍１０８にはＳｉイオンを打ち込んでいる。アンドープＡｌＧａＮ層１０６のＡｌ組成を０％から２５％まで変化させることにより、降伏電圧を２．３ｋＶから４．３ｋＶまで増加させている。

図１に示す構造では、ＡｌＧａＮ層を用いることによって降伏電圧を増加しているが、電流はＡｌＧａＮ層の表面近傍を横方向に流れるため、表面欠陥の影響によりアンドープＡｌＧａＮ層の絶縁破壊電界は理論的に予想されている値の１／３０程度と低く、電極間距離を長くすることによって高耐圧を実現している。そのため、アンドープＡｌＧａＮ層を横方向に流れる電流の抵抗が無視できず、またＡｌＧａＮ層の表面にオーミック電極を形成するため、ＡｌＧａＮ層と電極層との接触抵抗の増大が避けられない。その結果、オン抵抗は３．２Ωｃｍ^２と高くなっている。このように、図１に示す構造では、ＡｌＧａＮの持つ優れた特性が十分に発揮されておらず、低い素子抵抗と高い降伏電圧の両方を実現できていなかった。

図２に、ｐｉｎダイオードの降伏電圧を増大させることを目的として、ＡｌＧａＮ層を利用した例を示す（非特許文献２）。このｐｉｎダイオード２００は、サファイア基板２０２上にＡｌＮバッファ層２０４と、０．５μｍ厚のｎ型ＡｌＧａＮ層２０６と、１．５μｍ厚のアンドープＡｌＧａＮ層２０８と、０．５μｍ厚のＭｇドーピングＧａＮ層２１０とを順次形成している。ｎ型ＡｌＧａＮ層２０６およびアンドープＡｌＧａＮ層２０８のＡｌ組成は同一であり、それぞれ０％、２０％、４０％の３通りである。サファイア基板２０２は半絶縁性であるため、ｎ型のオーミック電極２２０は、ｎ型ＡｌＧａＮ層２０６の表面に形成する必要がある。電流は、図２に示したｎ型ＡｌＧａＮ層２０６中を横方向に流れることになる。ここで、ＡｌＧａＮはＧａＮよりも抵抗が高いので、ｎ型ＧａＮ層を用いた場合に比べてｎ型ＡｌＧａＮ層２０６を用いた図２の構造では素子抵抗が増大する。さらに、ｎ型ＡｌＧａＮ層と電極層との接触抵抗も高くなるため、この構造では低抵抗を実現できない。また、アンドープＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を増大させるにつれて結晶欠陥が増大しており、逆方向電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）におけるリーク電流が増大するため、Ａｌ組成を増加させると降伏電圧の低下も起きている。

A. P. Zhang, et al. "Al composition dependence of breakdown voltage in AlXGa1-XN Schottky rectifiers," Appl. Phys. Lett., Vol.76, No.13, pp.1767-1769, March 2000. T. G. Zhu, et al. "GaN and AlXGa1-XNp-i-n High-Voltage Rectifiers Grown by Metalorganic Chemical Vapor Deposition," Phys. Stat. Sol. A, vol.188, No.1, pp.301-305, 2001.

以上、従来の構造として、電圧を保持する層としてＡｌＧａＮ層を利用した例を示した。しかしながら、ＧａＮ層の代わりにＡｌＧａＮ層を用いることによって、高い降伏電圧を実現することはできるが、ＡｌＧａＮ層を横方向に流れる電流の抵抗および電極層との接触抵抗が高くなり、ショットキーダイオードまたはｐｎ接合ダイオード全体の抵抗が高くなるという問題が発生する。また、ＡｌＧａＮ層は混晶層であることから結晶欠陥が混入しやすく、リーク電流が増大すると降伏電圧の低下を招く。

ここで、図３に示すように、ｎ型のオーミック電極２２０を形成するためにｎ型ＡｌＧａＮ層２０６ではなく、ｎ型ＧａＮ層３０６を用いると、横方向を流れる電流の抵抗および接触抵抗は小さくなるが、ｎ型ＧａＮ層３０６とアンドープＡｌＧａＮ層２０８の間の格子定数や熱膨張係数が異なるために、アンドープＡｌＧａＮ層２０８にクラックが発生しやすくなり降伏電圧は低下する。従って、従来の構造では、素子の抵抗を低く抑えたまま、降伏電圧を高くすることは不可能であった。

本発明の目的は、電圧を保持する層としてＡｌＧａＮ層を使用した窒化物半導体素子において、素子の抵抗を低く保ったまま、高い降伏電圧を実現することができる構造を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、導電性のＳｉＣ基板と、前記ＳｉＣ基板上の、前記ＳｉＣ基板と同じ第１の導電型を有する第１のＡｌＧａＮ層と、前記第１のＡｌＧａＮ層上の、前記第１の導電型を有する第２のＡｌＧａＮ層と、前記第２のＡｌＧａＮ層上の、前記第１の導電型を有する第３のＡｌＧａＮ層と、前記第３のＡｌＧａＮ層上の、前記第１の導電型と異なる第２の導電型を有するＩｎＧａＮ層とを備え、前記第１のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、前記第２のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を超え、前記第２のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、前記第３のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成と同一であり、前記ＳｉＣ基板の裏面に前記第１の導電型のオーミック電極を備えることを特徴とする電子デバイスである。

また、本発明の第２の態様は、導電性のＳｉＣ基板と、前記ＳｉＣ基板上の、前記ＳｉＣ基板と同じ第１の導電型を有する第１のＡｌＧａＮ層と、前記第１のＡｌＧａＮ層上の、前記第１の導電型を有する第２のＡｌＧａＮ層と、前記第２のＡｌＧａＮ層上の、前記第１の導電型を有する第３のＡｌＧａＮ層とを備え、前記第１のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、前記第２のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を超え、前記第２のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、前記第３のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成と同一であり、前記第３のＡｌＧａＮ層上にショットキー電極を備え、前記ＳｉＣ基板の裏面に前記第１の導電型のオーミック電極を備えることを特徴とする電子デバイスである。

また、本発明の第３の態様は、導電性のＳｉＣ基板と、前記ＳｉＣ基板上の、前記ＳｉＣ基板と同じ第１の導電型を有する第１のＡｌＧａＮ層と、前記第１のＡｌＧａＮ層上の、前記第１の導電型を有する第２のＡｌＧａＮ層と、前記第２のＡｌＧａＮ層上の、前記第１の導電型を有する第３のＡｌＧａＮ層と、前記第３のＡｌＧａＮ層上の、前記第１の導電型と異なる第２の導電型を有するＩｎＧａＮ層とを備え、前記第１のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、前記ＳｉＣ基板側から前記第２のＡｌＧａＮ層側へ漸次減少しており、前記第２のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、前記第１のＡｌＧａＮ層との界面で、前記第１のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成と同一であり、前記第２のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、前記第３のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成と同一であり、前記ＳｉＣ基板の裏面に前記第１の導電型のオーミック電極を備えることを特徴とする電子デバイスである。

また、本発明の第４の態様は、導電性のＳｉＣ基板と、前記ＳｉＣ基板上の、前記ＳｉＣ基板と同じ第１の導電型を有する第１のＡｌＧａＮ層と、前記第１のＡｌＧａＮ層上の、前記第１の導電型を有する第２のＡｌＧａＮ層と、前記第２のＡｌＧａＮ層上の、前記第１の導電型を有する第３のＡｌＧａＮ層と、前記第３のＡｌＧａＮ層上の、前記第１の導電型と異なる第２の導電型を有するＩｎＧａＮ層とを備え、前記第１のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、前記第２のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成と界面で同一であり、前記第２のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、前記第１のＡｌＧａＮ層側から前記第３のＡｌＧａＮ層側へ漸次減少しており、前記第３のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、前記第２のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成と界面で同一であり、前記ＳｉＣ基板の裏面に前記第１の導電型のオーミック電極を備えることを特徴とする電子デバイスである。
また、本発明の第５の態様は、導電性のＳｉＣ基板と、前記ＳｉＣ基板上の、前記ＳｉＣ基板と同じ第１の導電型を有する第１のＡｌＧａＮ層と、前記第１のＡｌＧａＮ層上の、前記第１の導電型を有する第２のＡｌＧａＮ層と、前記第２のＡｌＧａＮ層上の、前記第１の導電型を有する第３のＡｌＧａＮ層とを備え、前記第１のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、前記ＳｉＣ基板側から前記第２のＡｌＧａＮ層側へ漸次減少しており、前記第２のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、前記第１のＡｌＧａＮ層との界面で、前記第１のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成と同一であり、前記第２のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、前記第３のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成と同一であり、前記第３のＡｌＧａＮ層上にショットキー電極を備え、前記ＳｉＣ基板の裏面に前記第１の導電型のオーミック電極を備えることを特徴とする電子デバイスである。

また、本発明の第６の態様は、第１から第５のいずれかの態様であって、前記第１のＡｌＧａＮ層の不純物ドーピング濃度は、１×１０^１８ｃｍ^−３以上であることを特徴とする。

また、本発明の第７の態様は、第１から第６のいずれかの態様であって、前記第３のＡｌＧａＮ層の不純物ドーピング濃度は、１×１０^１８ｃｍ^−３未満であることを特徴とする。

また、本発明の第８の態様は、第１から第７のいずれかの態様であって、前記第３のＡｌＧａＮ層は、アンドープ層であることを特徴とする。

また、本発明の第９の態様は、第１から第８のいずれかの態様であって、前記ＳｉＣ基板の導電型は、ｎ型であることを特徴とする。

本発明によれば、オーミック電極層を導電性ＳｉＣ基板の裏面に形成することによって、電極を形成するための窒化物半導体層が必要なくなり、素子抵抗を小さくできる。また、ＡｌＧａＮ層の結晶欠陥によるリーク電流の増大に対して、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成以上のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮバッファ層をＡｌＧａＮ層とＳｉＣ基板の間に挿入することで、両者の格子定数差および熱膨張係数差により発生する結晶欠陥を低減でき、ＡｌＧａＮ層のクラックおよび結晶欠陥によるリーク電流を低減し、高い降伏電圧を実現することができる。これにより、素子の抵抗を低く保ったまま、降伏電圧を高くすることができる。

本発明は、導電性ＳｉＣ基板に導電性のＡｌＧａＮバッファ層を形成し、その上にＡｌＧａＮ層よりも不純物濃度およびＡｌ組成の低いＡｌＧａＮ層を形成するとともに、導電性ＳｉＣ基板の裏面にオーミック電極を形成するように構成する。ＡｌＧａＮバッファ層を挿入することにより、ＡｌＧａＮ層の結晶欠陥を低減し、高い降伏電圧を実現することができる。また、基板に半絶縁性のサファイアではなく、導電性のＳｉＣ基板を用い、さらにその裏面にオーミック電極を形成することで素子の抵抗を低く保つことができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

図４に、本発明によるｐｎ接合ダイオードの構造の一例を示す。このｐｎ接合ダイオード４００は、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により、ｎ型導電性ＳｉＣ基板４０２の表面上に１００ｎｍ厚のｎ^＋型ＡｌＧａＮバッファ層４０４と、５００ｎｍ厚のｎ^＋型ＡｌＧａＮ層４０６と、２２５ｎｍ厚のｎ型ＡｌＧａＮ層４０８と、１４０ｎｍ厚のｐ型ＩｎＧａＮ層４１０とを順次成長させて作製した。ｎ型およびｐ型の不純物にはそれぞれＳｉおよびＭｇを用いた。また、ｎ^＋型ＡｌＧａＮバッファ層４０４、ｎ^＋型ＡｌＧａＮ層４０６およびｎ型ＡｌＧａＮ層４０８のＳｉ不純物ドーピング濃度は、それぞれ２×１０^１９ｃｍ^−３、２×１０^１８ｃｍ^−３、１×１０^１７ｃｍ^−３であり、ｐ型ＩｎＧａＮ層のＭｇ不純物濃度は、４×１０^１９ｃｍ^−３である。ここで、高濃度Ｓｉ不純物ドーピング層と低濃度Ｓｉ不純物ドーピング層を意図的に区別するために、高濃度のＳｉ不純物層には「ｎ^＋」の記号を、低濃度の不純物層には「ｎ」の記号を用いることにする。

ｎ^＋型ＡｌＧａＮバッファ層４０４のドーピング濃度を２×１０^１９ｃｍ^−３と高くした理由は、ｎ型ＳｉＣ基板との接合面における結晶性を損なわない範囲でキャリア濃度を高くして、接合面の異種接合によるバンドオフセットやバリアに対する導電性を確保するためである。また、ｎ型ＡｌＧａＮ層４０８のドーピング濃度を１×１０^１７ｃｍ^−３と低くした理由は、キャリア濃度を低くしてこの層における耐圧を確保するためである。

ｎ^＋型ＡｌＧａＮバッファ層４０４のＡｌ組成を１５％とした。ｎ^＋型ＡｌＧａＮ層４０６およびｎ型ＡｌＧａＮ層４０８のＡｌ組成は同一であり、０〜２５％とし、ｐ型ＩｎＧａＮ層４１０のＩｎ組成は１０％とした。なお、メサ構造の作製にはＥＣＲエッチング法を用いた。また、電子ビーム蒸着により、ｐ型ＩｎＧａＮ４１０上にはＰｄ／Ａｕのオーミック電極４２０を、導電性ｎ型ＳｉＣ基板４０２の裏面にはＴｉ／Ａｕのオーミック電極４３０を形成した。ｐ型ＩｎＧａＮ上に形成したＰｄ／Ａｕのオーミック電極の大きさは１００μｍ×１００μｍである。

本発明では、ｎ型ＳｉＣ基板の裏面にｎ型のオーミック電極を形成し、電流を基板の表面から基板の裏面へ流しているため、図１または図２のように、ｎ型ＡｌＧａＮ層の横方向の抵抗および電極層との接触抵抗がなく、素子抵抗を低くできる。また、ＡｌＧａＮ層のリーク電流をサファイア基板ではなく、格子定数差の小さいＳｉＣ基板を用い、さらにＡｌ組成がＡｌＧａＮ層のＡｌ組成以上であるＡｌＧａＮバッファ層を挿入することで、格子定数および熱膨張係数差によるＡｌＧａＮ層内のクラックおよび結晶欠陥を低減している。

図５に、図４の構造におけるｐｎ接合ダイオードの降伏電圧とｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成の関係を示す。降伏電圧は、逆方向Ｉ−Ｖ特性において１μＡの電流が流れる電圧と定義した。図４に示した構造では、降伏電圧はｎ型ＡｌＧａＮ層４０８によって決まる。ｐｎ接合ダイオードの降伏電圧はｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成が１０％以下のときには、膜厚が２２５ｎｍと小さいためＧａＮ層を用いた場合との顕著な差は現れない。また、ｎ^＋型ＡｌＧａＮバッファ層４０４のＡｌ組成よりもｎ型ＡｌＧａＮ層４０７のＡｌ組成が大きくなるとＡｌＧａＮのバンドギャップが大きくなるにも関わらず、降伏電圧は急激に低下する。この理由は次の通りである。まず、ｎ^＋型ＡｌＧａＮバッファ層のＡｌ組成に対してｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成が大きくなるとｎ型ＡｌＧａＮ層の格子定数がｎ^＋型ＡｌＧａＮバッファ層の格子定数より小さくなるため、ｎ型ＡｌＧａＮ層内に引っ張り応力がかかることになる。一般にクラックや結晶欠陥の混入する臨界膜厚は、圧縮応力よりも引っ張り応力がかかるときのほうが小さい。よって、ｎ型ＡｌＧａＮ層内の引っ張り応力によって、クラックや結晶欠陥が混入しやすく、ｎ型ＡｌＧａＮ層内のリーク電流が増加するため、降伏電圧の低下が起こると考えられる。従って、ｎ^＋型ＡｌＧａＮバッファ層のＡｌ組成は、ｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成以上であることが必要である。図５を参照すると、ｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成がｎ^＋型ＡｌＧａＮバッファ層のＡｌ組成（１５％）以上になる点線の右側の領域で、降伏電圧が急速に低下していることが分かる。しかし、ＡｌＧａＮはＡｌ組成が高くなるほど、Ｓｉ不純物が活性化しにくくなり、かつ電子の移動度が減少するために抵抗率が高くなるので、素子抵抗を低く保ったまま降伏電圧を高くするためには設計に注意が必要である。

図６に、本発明によるｐｎ接合ダイオードの構造の一例を示す。このｐｎ接合ダイオード６００は、実施例１と同様に、ＭＯＶＰＥ法により、導電性ｎ型ＳｉＣ基板６０２の表面上に１００ｎｍ厚のｎ^＋型ＡｌＧａＮバッファ層６０４と、５００ｎｍ厚のｎ^＋型ＡｌＧａＮ層６０６と、２２５ｎｍ厚のｎ型ＡｌＧａＮ層６０８と、１４０ｎｍ厚のｐ型ＩｎＧａＮ層６１０とを順次成長させて作製した。ｎ^＋型ＡｌＧａＮバッファ層のＡｌ組成は２５％とした。ｎ^＋型ＡｌＧａＮ層およびｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成はそれぞれ１５％とし、ｐ型ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は１０％とした。各ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成以外は実施例１と同一である。

この構造における降伏電圧は６０Ｖである。このとき、ｎ型ＡｌＧａＮ層の絶縁破壊電界は２．７ＭＶ／ｃｍとなり、ｎ型ＧａＮ層を用いたときに得られた絶縁破壊電界２．１ＭＶ／ｃｍから増加している。この降伏電圧の増加は、ｎ型ＡｌＧａＮ層６０８内のリーク電流を抑えるためにｎ^＋型ＡｌＧａＮバッファ層６０４のＡｌ組成をｎ^＋型ＡｌＧａＮ層６０６のＡｌ組成よりも１０％高くしたことによる。順方向Ｉ−Ｖ特性における１００ｍＡでの微分抵抗をオン抵抗と定義すると、１．３ｍΩｃｍ^２と十分に低い値を示した。同様の構造で、ｎ^＋型ＡｌＧａＮ層およびｎ型ＡｌＧａＮ層をそれぞれｎ^＋型ＧａＮ層およびｎ型ＧａＮ層としたときのオン抵抗は１．２ｍΩｃｍ^２であるから、ＡｌＧａＮ層を用いたことによる大きな抵抗の増加は見られない。従って、ＡｌＧａＮ層による降伏電圧の増加と低抵抗を同時に実現している。

図７に、本発明によるｐｎ接合ダイオードの構造の一例を示す。このｐｎ接合ダイオード７００は、実施例２と同様に、ＭＯＶＰＥ法により、導電性ｎ型ＳｉＣ基板７０２の表面上に１００ｎｍ厚のｎ^＋型ＡｌＧａＮバッファ層７０４と、５００ｎｍ厚のｎ^＋型ＡｌＧａＮ層７０６と、２２５ｎｍ厚のｎ型ＡｌＧａＮ層７０８と、１４０ｎｍ厚のｐ型ＩｎＧａＮ層７１０とを順次成長させて作製した。ｎ^＋型ＡｌＧａＮバッファ層７０４のＡｌ組成は、ＳｉＣ基板との界面では２５％とし、ｎ^＋型ＡｌＧａＮ層７０６へ向かって漸次減少させ、ｎ^＋型ＡｌＧａＮ層７０６との界面では１５％とした。ｎ^＋型ＡｌＧａＮ層７０６およびｎ型ＡｌＧａＮ層７０８のＡｌ組成は、ともに１５％とし、ｐ型ＩｎＧａＮ層７１０のＩｎ組成は、１０％とした。ｎ^＋型ＡｌＧａＮバッファ層のＡｌ組成がＳｉＣ基板界面からｎ^＋型ＡｌＧａＮ層界面に向かって漸次減少している以外は実施例２と同一である。

この構造における降伏電圧はｎ型ＡｌＧａＮ層７０８によって決まるため、６０Ｖと実施例２と変わらないが、オン抵抗は１．０ｍΩｃｍ^２と減少する。この抵抗の減少は、ｎ^＋型ＡｌＧａＮバッファ層のＡｌ組成をＳｉＣ基板界面からｎ^＋型ＡｌＧａＮ層界面へと漸次減少させることによって、ｎ^＋型ＡｌＧａＮバッファ層とｎ^＋型ＡｌＧａＮ層との界面でのバンド不連続の影響を小さくしているためである。

図８に、本発明によるｐｎ接合ダイオードの構造の一例を示す。このｐｎ接合ダイオード８００は、実施例２と同様に、ＭＯＶＰＥ法により、導電性ｎ型ＳｉＣ基板８０２の表面上に１００ｎｍ厚のｎ^＋型ＡｌＧａＮバッファ層８０４と、５００ｎｍ厚のｎ^＋型ＡｌＧａＮ層８０６と、２２５ｎｍ厚のｎ型ＡｌＧａＮ層８０８と、１４０ｎｍ厚のｐ型ＩｎＧａＮ層８１０とを順次成長させて作製した。ｎ^＋型ＡｌＧａＮバッファ層８０４のＡｌ組成は２５％とした。ｎ^＋型ＡｌＧａＮ層８０６のＡｌ組成は、ｎ^＋型ＡｌＧａＮバッファ層８０４との界面では２５％とし、ｎ型ＡｌＧａＮ層８０８へ向かって漸次減少させ、ｎ型ＡｌＧａＮ層８０８との界面では１５％とした。ｎ型ＡｌＧａＮ層８０８のＡｌ組成は１５％とし、ｐ型ＩｎＧａＮ層８１０のＩｎ組成は１０％とした。ｎ^＋型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成がｎ^＋型ＡｌＧａＮバッファ層界面からｎ型ＡｌＧａＮ層界面に向かって漸次減少している以外は実施例２と同一である。

この構造における降伏電圧はｎ型ＡｌＧａＮ層８０８によって決まるため、６０Ｖと実施例２と変わらない。オン抵抗は１．１ｍΩｃｍ^２と実施例２と比べて減少するが、実施例３よりも高くなる。この理由は次の通りである。ｎ^＋型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成をｎ^＋型ＡｌＧａＮバッファ層界面からｎ型ＡｌＧａＮ層界面に向かって漸次減少させることによって、ｎ^＋型ＡｌＧａＮ層とｎ型ＡｌＧａＮ層の界面でのバンド不連続の影響を小さくなり、実施例２と比べて抵抗は低くなるが、実施例３と比べるとＡｌ組成が高いＡｌＧａＮ層の部分が長くなるため抵抗が高くなる。

図９に、本発明によるｐｎ接合ダイオードの構造の一例を示す。このｐｎ接合ダイオード９００は、実施例３と同様に、ＭＯＶＰＥ法により、導電性ｎ型ＳｉＣ基板９０２の表面上に１００ｎｍ厚のｎ^＋型ＡｌＧａＮバッファ層９０４と、５００ｎｍ厚のｎ^＋型ＡｌＧａＮ層９０６と、２２５ｎｍ厚のアンドープＡｌＧａＮ層９０８と、１４０ｎｍ厚のｐ型ＩｎＧａＮ層９１０とを順次成長させて作製した。アンドープＡｌＧａＮ層には意図的に不純物ドーピングをしていないこと以外は実施例３と同一である。

この構造における降伏電圧は７０Ｖと高くなる。これは、アンドープＡｌＧａＮ層に不純物ドーピングを行わないことによってキャリア濃度が下がり、空乏層幅が大きくなるため、ＡｌＧａＮ層９０８により均一に電界がかかるためである。このときの絶縁破壊電圧は、３．１ＭＶ／ｃｍである。オン抵抗は、ＡｌＧａＮ層のキャリア濃度が下がることにより抵抗が高くなるため、１．２ｍΩｃｍ^２となった。しかし、依然として素子抵抗を低く保ったまま、降伏電圧を高くすることができる。

図１０に、本発明によるｐｎ接合ダイオードの構造の一例を示す。このｐｎ接合ダイオード１０００は、実施例５と同様に、ＭＯＶＰＥ法により、導電性ｎ型ＳｉＣ基板１００２の表面上に１００ｎｍ厚のｎ^＋型ＡｌＧａＮバッファ層１００４と、２００ｎｍ厚のｎ^＋型ＡｌＧａＮ層１００６と、２．０μｍ厚のアンドープＡｌＧａＮ層１００８と、１４０ｎｍ厚のｐ型ＩｎＧａＮ層１０１０とを順次成長させて作製した。ｎ^＋型ＡｌＧａＮバッファ層１００４のＡｌ組成は、ＳｉＣ基板１００２との界面では３５％とし、ｎ^＋型ＡｌＧａＮ層１００６へ向かって漸次減少させ、ｎ^＋型ＡｌＧａＮ層１００６との界面では２５％とした。ｎ^＋型ＡｌＧａＮ層１００６のＡｌ組成は２５％とし、アンドープＡｌＧａＮ層１００８には意図的なドーピングは行っていない。また、ｐ型ＩｎＧａＮ層１０１０のＩｎ組成は１０％とした。ｎ^＋型ＡｌＧａＮバッファ層およびｎ^＋型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成、そしてアンドープＡｌＧａＮ層の膜厚以外は実施例４と同一である。

この構造における降伏電圧は６４０Ｖである。このとき、Ａｌ組成が２５％のアンドープＡｌＧａＮ層の絶縁破壊電界は３．６ＭＶ／ｃｍである。Ａｌ組成の高いＡｌＧａＮ層１００８を用いることにより、ＳｉＣ基板との格子定数差、熱膨張係数差が小さくなるため、クラックが発生しにくく、１．８μｍまでアンドープＡｌＧａＮ層の膜厚を増加させることができたため、高い降伏電圧が実現された。また、このときのオン抵抗は、３．８ｍΩｃｍ^２であり、アンドープＡｌＧａＮ層厚が増大することによって若干高くなったが許容範囲内である。

図１１に、本発明によるショットキーダイオードの構造の一例を示す。このショットキーダイオード１１００は、実施例５と同様に、ＭＯＶＰＥ法を用いて、導電性ｎ型ＳｉＣ基板１１０２の表面上に１００ｎｍ厚のｎ^＋型ＡｌＧａＮバッファ層１１０４と、５００ｎｍ厚のｎ^＋型ＡｌＧａＮ層１１０６と、２２５ｎｍ厚のアンドープＡｌＧａＮ層１１０８とを順次成長させて作製した。ｎ^＋型ＡｌＧａＮバッファ層１１０４、ｎ^＋型ＡｌＧａＮ層１１０６のＳｉ不純物ドーピング濃度は、それぞれ２×１０^１９ｃｍ^−３、２×１０^１８ｃｍ^−３である。実施例４と異なる点は、１４０ｎｍ厚のｐ型ＩｎＧａＮ層を成長していない点である。この後、電子ビーム蒸着により、アンドープＡｌＧａＮ層１１０８上にはＰｄ／Ａｕのショットキー電極１１２０、そして導電性ｎ型ＳｉＣ基板１１０２の裏面にはＴｉ／Ａｕのオーミック電極１１３０を形成した。メサ構造の作製にはＥＣＲエッチング法を用いた。ここで、Ｐｄ／Ａｕ電極は、ｐ型ＩｎＧａＮ層に対してはオーミック電極となり、アンドープＡｌＧａＮ層に対してはショットキー電極となる。

この構造における降伏電圧は６５Ｖであり、実施例５で示したように、同じ膜厚（２２５ｎｍ）のアンドープＡｌＧａＮ層を用いたｐｎ接合ダイオードの降伏電圧（７０Ｖ）とほぼ等しい値が得られた。降伏電圧の大きさは、ダイオードの種類（ｐｎ接合ダイオードあるいはショットキーダイオード）に依存せず、電圧を保持するアンドープＡｌＧａＮ層に依存するからである。また、順方向Ｉ−Ｖ特性からは、１．１ｍΩｃｍ^２という低いオン抵抗が得られている。同じ膜厚（２２５ｎｍ）のアンドープＡｌＧａＮ層を用いたｐｎ接合ダイオードのオン抵抗（１．２ｍΩｃｍ^２）よりも若干低い理由は、ｐ型ＩｎＧａＮ層に関連する抵抗成分が無くなったためと考えられる。

このように、ショットキーダイオードにおいても、ダイオードの抵抗を低く保ったまま、高い降伏電圧を得ることができる。

以上、本発明について、具体的にいくつかの実施例について説明したが、本発明の原理を適用できる多くの実施可能な形態に鑑みて、ここに記載した実施例は、単に例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。例えば、本発明の原理は、例示したｐｎ接合ダイオード、ショットキーダイオードに限らず、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタなどの半導体デバイスに適用することができる。また、ここに例示した実施例は、本発明の趣旨から逸脱することなくその構成と詳細を変更することができる。さらに、説明のための構成要素および手順は、本発明の趣旨から逸脱することなく変更、補足、またはその順序を変えてもよい。

降伏電圧を増加させるために、ＡｌＧａＮ層を使用したショットキーダイオードの構造の一例を示す図である。降伏電圧を増加させるために、ＡｌＧａＮ層を使用したｐｎ接合ダイオードの構造の一例を示す図である。図２において、ＡｌＧａＮ層に代えてＧａＮ層を使用したｐｎ接合ダイオードの構造の一例を示す図である。本発明の実施例１によるｐｎ接合ダイオードの構造の一例を示す図である。図４のｐｎ接合ダイオードにおける降伏電圧とｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成の関係を示すグラフである。本発明の実施例２によるｐｎ接合ダイオードの構造の一例を示す図である。本発明の実施例３によるｐｎ接合ダイオードの構造の一例を示す図である。本発明の実施例４によるｐｎ接合ダイオードの構造の一例を示す図である。本発明の実施例５によるｐｎ接合ダイオードの構造の一例を示す図である。本発明の実施例６によるｐｎ接合ダイオードの構造の一例を示す図である。本発明の実施例７によるショットキーダイオードの構造の一例を示す図である。

符号の説明

１００ショットキーダイオード
２００ｐｉｎダイオード
３００ｐｉｎダイオード
４００，６００，７００，８００，９００，１０００ｐｎ接合ダイオード
１１００ショットキーダイオード

Claims

導電性のＳｉＣ基板と、
前記ＳｉＣ基板上の、前記ＳｉＣ基板と同じ第１の導電型を有する第１のＡｌＧａＮ層と、
前記第１のＡｌＧａＮ層上の、前記第１の導電型を有する第２のＡｌＧａＮ層と、
前記第２のＡｌＧａＮ層上の、前記第１の導電型を有する第３のＡｌＧａＮ層と、
前記第３のＡｌＧａＮ層上の、前記第１の導電型と異なる第２の導電型を有するＩｎＧａＮ層と
を備え、
前記第１のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、前記第２のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を超え、
前記第２のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、前記第３のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成と同一であり、
前記ＳｉＣ基板の裏面に前記第１の導電型のオーミック電極を備えることを特徴とする電子デバイス。
導電性のＳｉＣ基板と、
前記ＳｉＣ基板上の、前記ＳｉＣ基板と同じ第１の導電型を有する第１のＡｌＧａＮ層と、
前記第１のＡｌＧａＮ層上の、前記第１の導電型を有する第２のＡｌＧａＮ層と、
前記第２のＡｌＧａＮ層上の、前記第１の導電型を有する第３のＡｌＧａＮ層と
を備え、
前記第１のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、前記第２のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を超え、
前記第２のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、前記第３のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成と同一であり、
前記第３のＡｌＧａＮ層上にショットキー電極を備え、
前記ＳｉＣ基板の裏面に前記第１の導電型のオーミック電極を備えることを特徴とする電子デバイス。
導電性のＳｉＣ基板と、
前記ＳｉＣ基板上の、前記ＳｉＣ基板と同じ第１の導電型を有する第１のＡｌＧａＮ層と、
前記第１のＡｌＧａＮ層上の、前記第１の導電型を有する第２のＡｌＧａＮ層と、
前記第２のＡｌＧａＮ層上の、前記第１の導電型を有する第３のＡｌＧａＮ層と、
前記第３のＡｌＧａＮ層上の、前記第１の導電型と異なる第２の導電型を有するＩｎＧａＮ層と
を備え、
前記第１のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、前記ＳｉＣ基板側から前記第２のＡｌＧａＮ層側へ漸次減少しており、
前記第２のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、前記第１のＡｌＧａＮ層との界面で、前記第１のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成と同一であり、
前記第２のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、前記第３のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成と同一であり、
前記ＳｉＣ基板の裏面に前記第１の導電型のオーミック電極を備えることを特徴とする電子デバイス。
導電性のＳｉＣ基板と、
前記ＳｉＣ基板上の、前記ＳｉＣ基板と同じ第１の導電型を有する第１のＡｌＧａＮ層と、
前記第１のＡｌＧａＮ層上の、前記第１の導電型を有する第２のＡｌＧａＮ層と、
前記第２のＡｌＧａＮ層上の、前記第１の導電型を有する第３のＡｌＧａＮ層と、
前記第３のＡｌＧａＮ層上の、前記第１の導電型と異なる第２の導電型を有するＩｎＧａＮ層と
を備え、
前記第１のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、前記第２のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成と界面で同一であり、
前記第２のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、前記第１のＡｌＧａＮ層側から前記第３のＡｌＧａＮ層側へ漸次減少しており、
前記第３のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、前記第２のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成と界面で同一であり、
前記ＳｉＣ基板の裏面に前記第１の導電型のオーミック電極を備えることを特徴とする電子デバイス。
導電性のＳｉＣ基板と、
前記ＳｉＣ基板上の、前記ＳｉＣ基板と同じ第１の導電型を有する第１のＡｌＧａＮ層と、
前記第１のＡｌＧａＮ層上の、前記第１の導電型を有する第２のＡｌＧａＮ層と、
前記第２のＡｌＧａＮ層上の、前記第１の導電型を有する第３のＡｌＧａＮ層と
を備え、
前記第１のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、前記ＳｉＣ基板側から前記第２のＡｌＧａＮ層側へ漸次減少しており、
前記第２のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、前記第１のＡｌＧａＮ層との界面で、前記第１のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成と同一であり、
前記第２のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、前記第３のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成と同一であり、
前記第３のＡｌＧａＮ層上にショットキー電極を備え、
前記ＳｉＣ基板の裏面に前記第１の導電型のオーミック電極を備えることを特徴とする電子デバイス。
前記第１のＡｌＧａＮ層の不純物ドーピング濃度は、１×１０^１８ｃｍ^−３以上である
ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電子デバイス。
前記第３のＡｌＧａＮ層の不純物ドーピング濃度は、１×１０^１８ｃｍ^−３未満である
ことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の電子デバイス。
前記第３のＡｌＧａＮ層は、アンドープ層であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の電子デバイス。
前記ＳｉＣ基板の導電型は、ｎ型であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の電子デバイス。