JP6170300B2 - 窒化物半導体デバイス - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物半導体デバイスに関する。
窒化ガリウムは、シリコンに比べて禁制帯幅が広く、破壊電界強度が大きく、また、耐熱性にも優れるため、高出力のトランジスタ向け半導体材料として適している。しかし、窒化ガリウム系半導体を用いてｎｐｎ接合型半導体素子を製造する場合、ｐ型層のアクセプタの活性化率が悪く、このために良好な特性が得にくい。その原因の一つとして、水素原子によるアクセプタの不活性化のメカニズムが指摘されている（非特許文献１）。
一般に、窒化物半導体からなる半導体素子の半導体層の成膜方法として、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法やハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法が用いられるが、これらの方法による成膜中に、水素が半導体層中に取り込まれる。なお、水素を混入させない成膜方法として、分子線エピタキシー法等が検討されているが、依然としてよい結晶特性が得られておらず、ＭＯＶＰＥ法やＨＶＰＥ法が用いられている。
このような問題を解決し、窒化物半導体からなるｎｐｎ接合型半導体素子のｐ型半導体層中のアクセプタを活性化するために、熱処理によりアクセプタと水素の結合を解離させて、水素を放出する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
W. Gotz, et al., Appl. Phys. Lett., 67, 2666(1995).
しかしながら、特許文献１に開示されるようなｎｐｎ接合型半導体素子においては、ｐ型半導体層の上面の大部分がｎ型半導体層に覆われており、ｐ型半導体層中の水素はｐ型半導体層の僅かな露出部分からしか放出されない。このため、ｐ型半導体層内の露出部分から離れた領域に水素が残留してアクセプタが不活性化され、ｐ型半導体層の全体で十分な導電性を得ることができない。
したがって、本発明の目的の一つは、全体で十分な導電性を有するｐ型半導体層を備えたｎｐｎ接合型の窒化物半導体デバイスを提供することにある。
本発明の一態様によれば、上記目的を達成するため、第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上にｎ型導電性を有する第２の窒化物半導体層、ｐ型導電性を有する第３の窒化物半導体層、及びｎ型導電性を有する第４の窒化物半導体層を順に積層して形成されたｎｐｎ接続構造と、を有し、前記第３の窒化物半導体層は、前記第４の窒化物半導体層に覆われない独立した非被覆領域を２つ以上有する、バイポーラトランジスタである、窒化物半導体デバイスが提供される。
上記窒化物半導体デバイスにおいて、前記第３の窒化物半導体層の、前記第４の窒化物半導体層に覆われた被覆領域内の任意の点から前記非被覆領域までの最短距離が５０μｍ以下であることが好ましい。
上記窒化物半導体デバイスにおいて、前記非被覆領域の少なくとも一部は、前記第４の窒化物半導体層の上面に開口する空隙部により形成される領域であり、前記第４の窒化物半導体層及び前記第３の窒化物半導体層が前記空隙部の内側側面を構成してもよい。
上記窒化物半導体デバイスにおいて、前記第４の窒化物半導体層、前記第３の窒化物半導体層、及び第２の窒化物半導体層が前記空隙部の内側側面を構成してもよい。
上記窒化物半導体デバイスにおいて、前記非被覆領域の少なくとも一部は、前記第４の窒化物半導体層の上面に開口する空隙部により露出した領域であり、前記第４の窒化物半導体層は、前記空隙部により分離された複数の部分からなり、前記複数の部分には１つの電極が共通に接続され、前記電極と前記第３の窒化物半導体層は、前記空隙部内に形成された絶縁膜により絶縁されてもよい。また、上記窒化物半導体デバイスにおいて、前記第４の窒化物半導体層が、少なくとも前記第３の窒化物半導体層の縁のうちの対向する２つの縁に接していてもよい。
上記窒化物半導体デバイスにおいて、前記絶縁膜は、二酸化ケイ素を主成分とする絶縁材料からなるものであってもよい。
上記窒化物半導体デバイスにおいて、前記第１の窒化物半導体層、前記第２の窒化物半
導体層、前記第３の窒化物半導体層、及び第４の窒化物半導体層は、有機金属気相成長法
又はハイドライド気相成長法により形成された窒化物半導体膜であってもよい。また、本発明の他の態様によれば、上記目的を達成するため、第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上にｎ型導電性を有する第２の窒化物半導体層、ｐ型導電性を有する第３の窒化物半導体層、及びｎ型導電性を有する第４の窒化物半導体層を順に積層して形成されたｎｐｎ接続構造と、を有し、前記第３の窒化物半導体層は、前記第４の窒化物半導体層に覆われない非被覆領域を２つ以上有し、前記非被覆領域の少なくとも一部は、前記第４の窒化物半導体層の上面に開口する空隙部により形成される領域であり、前記第４の窒化物半導体層、前記第３の窒化物半導体層、及び第２の窒化物半導体層が前記空隙部の内側側面を構成する、窒化物半導体デバイスが提供される。
導体層、前記第３の窒化物半導体層、及び第４の窒化物半導体層は、有機金属気相成長法
又はハイドライド気相成長法により形成された窒化物半導体膜であってもよい。また、本発明の他の態様によれば、上記目的を達成するため、第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上にｎ型導電性を有する第２の窒化物半導体層、ｐ型導電性を有する第３の窒化物半導体層、及びｎ型導電性を有する第４の窒化物半導体層を順に積層して形成されたｎｐｎ接続構造と、を有し、前記第３の窒化物半導体層は、前記第４の窒化物半導体層に覆われない非被覆領域を２つ以上有し、前記非被覆領域の少なくとも一部は、前記第４の窒化物半導体層の上面に開口する空隙部により形成される領域であり、前記第４の窒化物半導体層、前記第３の窒化物半導体層、及び第２の窒化物半導体層が前記空隙部の内側側面を構成する、窒化物半導体デバイスが提供される。
本発明の一態様によれば、全体で十分な導電性を有するｐ型半導体層を備えたｎｐｎ接合型の窒化物半導体デバイスを提供することができる。
（実施の形態の要点）
本発明の一実施の形態は、第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上にｎ型導電性を有する第２の窒化物半導体層、ｐ型導電性を有する第３の窒化物半導体層、及びｎ型導電性を有する第４の窒化物半導体層を順に積層して形成されたｎｐｎ接続構造と、を有し、前記第３の窒化物半導体層は、前記第４の窒化物半導体層に覆われない非被覆領域を２つ以上有する、窒化物半導体デバイスを提供する。
本発明の一実施の形態は、第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上にｎ型導電性を有する第２の窒化物半導体層、ｐ型導電性を有する第３の窒化物半導体層、及びｎ型導電性を有する第４の窒化物半導体層を順に積層して形成されたｎｐｎ接続構造と、を有し、前記第３の窒化物半導体層は、前記第４の窒化物半導体層に覆われない非被覆領域を２つ以上有する、窒化物半導体デバイスを提供する。
この窒化物半導体デバイスによれば、熱処理によりｐ型窒化物半導体層の水素を効率的に放出することができる。それにより、アクセプタを活性化させ、水素に起因するｐ型窒化物半導体層の導電性の低下を抑えることができる。
さらに、効率的に水素を放出するために適した配置で前記非被覆領域を形成することにより、より効果的にアクセプタを活性化させることができる。
〔第１の実施の形態〕
（窒化物半導体デバイス）
図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ第１の実施の形態に係る窒化物半導体デバイスの垂直断面図と上面図である。図１（ａ）は、図１（ｂ）の線分Ａ−Ａに沿って切断したときの断面を表す。
（窒化物半導体デバイス）
図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ第１の実施の形態に係る窒化物半導体デバイスの垂直断面図と上面図である。図１（ａ）は、図１（ｂ）の線分Ａ−Ａに沿って切断したときの断面を表す。
窒化物半導体デバイス１０は、ｎ型窒化物半導体層１１と、ｎ型窒化物半導体層１１上にｎ型窒化物半導体層１２１、ｐ型窒化物半導体層１２２、及びｎ型窒化物半導体層１２３を順に積層して形成されるｎｐｎ接続構造１２と、ｐ型窒化物半導体層１２２に電気的に接続されるベース電極である電極１３と、ｎ型窒化物半導体層１２３に電気的に接続されるエミッタ電極である電極１４と、ｎ型窒化物半導体層１１に電気的に接続されるコレクタ電極である電極１５と、を有する。
ｎ型窒化物半導体層１１、ｎ型窒化物半導体層１２１、ｐ型窒化物半導体層１２２、及びｎ型窒化物半導体層１２３は、窒化物半導体、すなわちＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、かつ０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）からなる窒化物半導体膜であり、ＭＯＶＰＥ法やＨＶＰＥ法により形成される。
ＭＯＶＰＥ法やＨＶＰＥ法により窒化物半導体膜を成膜する場合、成膜中に水素が取り込まれる。そして、ｐ型窒化物半導体層中に取り込まれた水素は、アクセプタ（ｐ型不純物）と結合し、不活性化させる。不活性化したアクセプタは、アクセプタとしての機能を失うため、ｐ型窒化物半導体層の導電性が低下する。
本実施の形態の窒化物半導体デバイス１０においては、ｐ型窒化物半導体層１２２のｎ型窒化物半導体層１２３に覆われない非被覆領域１２２ｂが２つ以上存在し、水素の放出経路の数が従来の構造と比較して多い。このため、ｐ型窒化物半導体層１２２中の水素を効率よく放出し、アクセプタを活性化することができるため、水素に起因するｐ型窒化物半導体層１２２の導電性の低下が抑えられている。
図１に示されるｎ型窒化物半導体層１２３は、溝である空隙部１６により複数の部分に分離されている。ｐ型窒化物半導体層１２２のｎ型窒化物半導体層１２３に覆われない非被覆領域１２２ｂは、電極１３を電気的に接続するための領域と、ｎ型窒化物半導体層１２３の上面に開口する空隙部１６により形成される領域を含む。
ｐ型窒化物半導体層１２２の、ｎ型窒化物半導体層１２３に覆われた被覆領域１２２ａ内の任意の点からｎ型窒化物半導体層に覆われない非被覆領域１２２ｂまでの最短距離は、５０μｍ以下である。すなわち、被覆領域１２２ａ内のあらゆる位置の水素は、ｐ型窒化物半導体層１２２中を直線距離で長くとも５０μｍ移動すれば、非被覆領域１２２ｂの上面から外部へ放出される。このような条件を満たす場合に、熱処理によりｐ型窒化物半導体層１２２の水素を効果的に放出することができる。なお、空隙部１６の各々の開口面積は特に限定されず、リソグラフィ等により形成可能な最小の大きさであっても、問題なく水素を放出することができる。
図１（ｃ）は、ｐ型窒化物半導体層１２２の被覆領域１２２ａ及び非被覆領域１２２ｂを表す平面図である。図１（ｃ）中の点Ｍは、被覆領域１２２ａ内の非被覆領域１２２ｂから最も離れた点の１つであり、熱処理後に水素が最も残留しやすい点である。後述するように、この点Ｍにおける水素濃度を測定し、その値を熱処理による水素除去効果の評価の指標とすることができる。
また、図１（ｃ）中の距離Ｌは、点Ｍから非被覆領域１２２ｂまでの最短距離を表し、この距離Ｌが５０μｍ以下である。
図２（ａ）は、窒化物半導体デバイス１０の変形例である窒化物半導体デバイス１０ａの上面図である。窒化物半導体デバイス１０ａは、ｎ型窒化物半導体層１２３及び電極１４の平面形状において窒化物半導体デバイス１０と異なる。窒化物半導体デバイス１０ａにおいては、溝である空隙部１６により、非被覆領域１２２ｂの一部が形成される。
図２（ｂ）は、窒化物半導体デバイス１０ａのｐ型窒化物半導体層１２２の被覆領域１２２ａ及び非被覆領域１２２ｂを表す平面図である。図２（ｂ）中の点Ｍは、被覆領域１２２ａ内の非被覆領域１２２ｂから最も離れた点の１つであり、熱処理後に水素が最も残留しやすい点である。また、図２（ｂ）中の距離Ｌは、点Ｍから非被覆領域１２２ｂまでの最短距離を表し、この距離Ｌが５０μｍ以下である。
図３（ａ）は、窒化物半導体デバイス１０の他の変形例である窒化物半導体デバイス１０ｂの上面図である。窒化物半導体デバイス１０ｂは、ｎ型窒化物半導体層１２３及び電極１４の平面形状において窒化物半導体デバイス１０と異なる。窒化物半導体デバイス１０ｂにおいては、線状に配置された円形の孔である空隙部１６により、非被覆領域１２２ｂの一部が形成される。
図３（ｂ）は、窒化物半導体デバイス１０ｂのｐ型窒化物半導体層１２２の被覆領域１２２ａ及び非被覆領域１２２ｂを表す平面図である。図３（ｂ）中の点Ｍは、被覆領域１２２ａ内の非被覆領域１２２ｂから最も離れた点の１つであり、熱処理後に水素が最も残留しやすい点である。また、図３（ｂ）中の距離Ｌは、点Ｍから非被覆領域１２２ｂまでの最短距離を表し、この距離Ｌが５０μｍ以下である。
図４（ａ）は、窒化物半導体デバイス１０の他の変形例である窒化物半導体デバイス１０ｃの上面図である。窒化物半導体デバイス１０ｃは、ｎ型窒化物半導体層１２３及び電極１４の平面形状において窒化物半導体デバイス１０と異なる。窒化物半導体デバイス１０ｃにおいては、千鳥状に配置された円形の孔である空隙部１６により、非被覆領域１２２ｂの一部が形成される。
図４（ｂ）は、窒化物半導体デバイス１０ｃのｐ型窒化物半導体層１２２の被覆領域１２２ａ及び非被覆領域１２２ｂを表す平面図である。図４（ｂ）中の点Ｍは、被覆領域１２２ａ内の非被覆領域１２２ｂから最も離れた点の１つであり、熱処理後に水素が最も残留しやすい点である。また、図４（ｂ）中の距離Ｌは、点Ｍから非被覆領域１２２ｂまでの最短距離を表し、この距離Ｌが５０μｍ以下である。
図５（ａ）は、窒化物半導体デバイス１０の他の変形例である窒化物半導体デバイス１０ｄの上面図である。窒化物半導体デバイス１０ｄは、ｎ型窒化物半導体層１２３及び電極１４の平面形状において窒化物半導体デバイス１０と異なる。窒化物半導体デバイス１０ｄにおいては、千鳥状に配置された六角形の孔である空隙部１６により、非被覆領域１２２ｂの一部が形成される。
なお、ｎ型窒化物半導体層１２３が窒化ガリウムからなり、表面の結晶面がｃ面すなわち（０００１）面である場合、窒化ガリウムが六方晶であるために、空隙部１６の平面形状が六角形であれば、エッチングによる結晶へのダメージを抑えることができる。六角形にエッチングする場合の結晶方位は、ｎ型窒化物半導体層１２３の側面が（１０−１０）面もしくはこの面に垂直な軸に対し、ｃ軸方向に傾いた軸に垂直な面とするようにエッチングを行うのが容易である。
図５（ｂ）は、窒化物半導体デバイス１０ｄのｐ型窒化物半導体層１２２の被覆領域１２２ａ及び非被覆領域１２２ｂを表す平面図である。図５（ｂ）中の点Ｍは、被覆領域１２２ａ内の非被覆領域１２２ｂから最も離れた点の１つであり、熱処理後に水素が最も残留しやすい点である。また、図５（ｂ）中の距離Ｌは、点Ｍから非被覆領域１２２ｂまでの最短距離を表し、この距離Ｌが５０μｍ以下である。
図６（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施の形態に係る窒化物半導体デバイスの製造工程を表す垂直断面図である。
まず、図６（ａ）に示されるように、ＭＯＶＰＥ法やＨＶＰＥ法により、基板１７上に、ｎ型窒化物半導体層１１、ｎ型窒化物半導体層１２１、ｐ型窒化物半導体層１２２、及びｎ型窒化物半導体層１２３を順に形成する。
ここで、例えば、ボイド形成剥離（ＶＡＳ）法を用いる場合は、基板１７としてサファイア基板等を用い、ｎ型窒化物半導体層１２３を形成した後にこれを剥離する。また、基板１７として窒化物半導体基板を用いる場合は、ｎ型窒化物半導体層１２３を形成した後に研磨してその厚さを調整し、ｎ型窒化物半導体層１１の一部として用いる。
次に、図６（ｂ）に示されるように、例えば、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、ｎ型窒化物半導体層１２３の一部を除去し、ｐ型窒化物半導体層１２２の電極１３を電気的に接続するための領域及び空隙部１６の底部の領域を露出させる。これにより、非被覆領域１２２ｂが形成される。
続けて、熱処理により、ｐ型窒化物半導体層１２２中の水素を非被覆領域１２２ｂから放出させる。このとき、非被覆領域１２２ｂが上述の条件を満たすように配置されているため、被覆領域１２２ａ中の水素も効率的に放出することができる。
次に、図６（ｃ）に示されるように、電極１３、電極１４、電極１５をｐ型窒化物半導体層１２２、ｎ型窒化物半導体層１２３、ｎ型窒化物半導体層１１にそれぞれ電気的に接続する。
なお、図７（ａ）に示されるように、ｎ型窒化物半導体層１２３の一部を除去する際に、空隙部１６の底がｐ型窒化物半導体層１２２の内部に達するように、ｐ型窒化物半導体層１２２の一部を除去してもよい。この場合、ｎ型窒化物半導体層１２３及びｐ型窒化物半導体層１２２が空隙部１６の内側側面を構成し、空隙部１６によるｐ型窒化物半導体層１２２の露出面積が増加するため、より効率的に水素を放出することができる。
また、図７（ｂ）に示されるように、ｎ型窒化物半導体層１２３の一部を除去する際に、空隙部１６の底がｎ型窒化物半導体層１２１の内部に達するように、ｐ型窒化物半導体層１２２及びｎ型窒化物半導体層１２１の一部を除去してもよい。この場合、ｎ型窒化物半導体層１２３、ｐ型窒化物半導体層１２２及びｎ型窒化物半導体層１２１が空隙部１６の内側側面を構成し、空隙部１６によるｐ型窒化物半導体層１２２の露出面積がより増加するため、さらに効率的に水素を放出することができる。
〔第２の実施の形態〕
第２の実施の形態は、エミッタ電極の構成において第１の実施の形態と異なる。なお、第１の実施の形態と同様の点については、説明を省略又は簡略化する。
第２の実施の形態は、エミッタ電極の構成において第１の実施の形態と異なる。なお、第１の実施の形態と同様の点については、説明を省略又は簡略化する。
（窒化物半導体デバイス）
図８（ａ）、（ｂ）は、それぞれ第２の実施の形態に係る窒化物半導体デバイスの垂直断面図と上面図である。図８（ａ）は、図８（ｂ）の線分Ｂ−Ｂに沿って切断したときの断面を表す。
図８（ａ）、（ｂ）は、それぞれ第２の実施の形態に係る窒化物半導体デバイスの垂直断面図と上面図である。図８（ａ）は、図８（ｂ）の線分Ｂ−Ｂに沿って切断したときの断面を表す。
窒化物半導体デバイス２０は、ｎ型窒化物半導体層１１と、ｎ型窒化物半導体層１１上にｎ型窒化物半導体層１２１、ｐ型窒化物半導体層１２２、及びｎ型窒化物半導体層１２３を順に積層して形成されるｎｐｎ接続構造１２と、ｐ型窒化物半導体層１２２に電気的に接続されるベース電極である電極１３と、ｎ型窒化物半導体層１２３の空隙部１６により分離された複数の部分に共通に電気的に接続されるエミッタ電極である電極２２と、ｎ型窒化物半導体層１１に電気的に接続されるコレクタ電極である電極１５と、ｎ型窒化物半導体層１２３の上面に開口する空隙部１６内に形成され、電極２２とｐ型窒化物半導体層１２２とを絶縁する絶縁膜２１と、を有する。
図８（ｃ）は、電極２２の図示を省略した窒化物半導体デバイス２０の上面図である。図８（ｃ）に示されるように、絶縁膜２１は、少なくともｐ型窒化物半導体層１２２の空隙部１６内に露出した部分を覆うように形成される。絶縁膜２１は、例えば、二酸化ケイ素を主成分とする絶縁材料からなる。
図１に示される第１の実施の形態の窒化物半導体デバイス１０においては、ｎ型窒化物半導体層１２３が空隙部１６により複数に分離され、ｎ型窒化物半導体層１２３に電気的に接続される電極１４も複数に分離されている。このように電極が複数に分離されている場合、分離された各部分にワイヤー電極等の電極を電気的に接続する必要があるため、この電極同士の接続工程が複雑になる。
また、例えば、図４に示される窒化物半導体デバイス１０ｃのように、多数の空隙部１６が設けられている場合は、電極１４に空隙部１６を避けるような複雑なパターンを形成する必要があるため、電極１４の形成工程が複雑になる。
一方、本実施の形態の窒化物半導体デバイス２０においては、絶縁膜２１により電極２２とｐ型窒化物半導体層１２２が絶縁されるため、ｎ型窒化物半導体層１２３の全体の上面を覆うように１つの電極２２を形成することができる。このため、電極２２に電気的に接続するワイヤー電極等の電極は１つでもよく、また、電極２２に複雑なパターンを設ける必要もない。
図９（ａ）〜（ｃ）は、第２の実施の形態に係る窒化物半導体デバイスの製造工程を表す垂直断面図である。
まず、図９（ａ）に示されるように、ＭＯＶＰＥ法やＨＶＰＥ法により、基板１７上に、ｎ型窒化物半導体層１１、ｎ型窒化物半導体層１２１、ｐ型窒化物半導体層１２２、及びｎ型窒化物半導体層１２３を順に形成する。
次に、図９（ｂ）に示されるように、例えば、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、ｎ型窒化物半導体層１２３の一部を除去し、ｐ型窒化物半導体層１２２の電極１３を電気的に接続するための領域及び空隙部１６の底部の領域を露出させる。これにより、非被覆領域１２２ｂが形成される。
続けて、熱処理により、ｐ型窒化物半導体層１２２中の水素を非被覆領域１２２ｂから放出させる。
次に、図９（ｃ）に示されるように、少なくともｐ型窒化物半導体層１２２の空隙部１６内に露出する部分を覆うように、絶縁膜２１を形成する。
次に、図９（ｄ）に示されるように、電極１３、電極１５、電極２２をｐ型窒化物半導体層１２２、ｎ型窒化物半導体層１１、ｎ型窒化物半導体層１２３にそれぞれ電気的に接続する。
（実施の形態の効果）
上記第１、２の実施の形態によれば、ｐ型窒化物半導体層１２２がｎ型窒化物半導体層１２３に覆われない非被覆領域を２つ以上有するため、熱処理によりｐ型窒化物半導体層の水素を効率的に放出することができる。それにより、アクセプタを活性化させ、水素に起因するｐ型窒化物半導体層の導電性の低下を抑えることができる。
上記第１、２の実施の形態によれば、ｐ型窒化物半導体層１２２がｎ型窒化物半導体層１２３に覆われない非被覆領域を２つ以上有するため、熱処理によりｐ型窒化物半導体層の水素を効率的に放出することができる。それにより、アクセプタを活性化させ、水素に起因するｐ型窒化物半導体層の導電性の低下を抑えることができる。
さらに、非被覆領域１２２ｂが効率的に水素を放出するために適した配置で形成されているため、より効果的にアクセプタを活性化させることができる。
実施例１として、第１の実施の形態に係る窒化物半導体デバイス１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを製造し、非被覆領域１２２ｂの配置とｐ型窒化物半導体層１２２中の水素の残留濃度との関係を調べた。
まず、ＶＡＳ法により、基板１７上に、ｎ型窒化物半導体層１１、ｎ型窒化物半導体層１２１、ｐ型窒化物半導体層１２２、及びｎ型窒化物半導体層１２３を順に形成し、窒化物半導体の積層構造体を形成した。
ここで、基板１７として６インチのサファイアｃ面基板を用いた。また、ｎ型窒化物半導体層１１、ｎ型窒化物半導体層１２１、ｐ型窒化物半導体層１２２、ｎ型窒化物半導体層１２３として、濃度約５×１０１８ｃｍ−３のＳｉをドーピングした厚さ４００μｍのｎ型ＧａＮサブコレクタ層、濃度約５×１０１８ｃｍ−３のＳｉをドーピングした厚さ１０μｍのｎ型ＧａＮコレクタ層、Ｍｇをドーピングした厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮベース層、濃度約２×１０１８ｃｍ−３のＳｉをドーピングした厚さ０．２μｍのｎ型ＧａＮエミッタ層をそれぞれ形成した。
ｎ型窒化物半導体層１１、ｎ型窒化物半導体層１２１、ｐ型窒化物半導体層１２２、及びｎ型窒化物半導体層１２３は、ＨＶＰＥ法により形成した。成長圧力は常圧、成膜温度は約１０００℃とした。原料としてそれぞれの元素の金属原料、塩化水素、及びアンモニアを使用し、キャリアガスとして水素及び窒素を使用した。成長後、サファイア基板である基板１７は自然に剥離した。
この積層構造体を、ｐ型ＧａＮベース層であるｐ型窒化物半導体層１２２のＭｇ濃度のみを変えて４つ製造した。４つの積層構造体のｐ型窒化物半導体層１２２のＭｇ濃度は、それぞれ約５×１０１８ｃｍ−３、１×１０１９ｃｍ−３、２×１０１９ｃｍ−３、５×１０１９ｃｍ−３とした。以下、ｐ型窒化物半導体層１２２のＭｇ濃度が約５×１０１８ｃｍ−３、１×１０１９ｃｍ−３、２×１０１９ｃｍ−３、５×１０１９ｃｍ−３である積層構造体をそれぞれ積層構造体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄとする。
そして、二次イオン質量スペクトル（ＳＩＭＳ）分析法により積層構造体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄのｐ型窒化物半導体層１２２の中央の水素濃度を測定したところ、それぞれ約２×１０１８ｃｍ−３、５×１０１８ｃｍ−３、１×１０１９ｃｍ−３、２×１０１９ｃｍ−３であった。
また、積層構造体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄとは別に、ｎ型窒化物半導体層１２３としてＡｌＧａＮエミッタ層を用いた積層構造体Ｅを製造した。ＡｌＧａＮエミッタ層の組成はＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ（Ａｌ組成が５％）、ＡｌＧａＮエミッタ層に含まれるＳｉの濃度は約２×１０１８ｃｍ−３とした。なお、積層構造体Ｅのｎ型窒化物半導体層１２３以外の層は、積層構造体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄと同様である。
ＳＩＭＳ法により積層構造体Ｅのｐ型窒化物半導体層１２２の中央の水素濃度を測定したところ、約２×１０１９ｃｍ−３であった。
また、ｐ型窒化物半導体層１２２としてＩｎＧａＮベース層を用いた積層構造体Ｆを製造した。ＩｎＧａＮベース層の組成はＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ（Ｉｎ組成が３％）、ＩｎＧａＮベース層に含まれるＭｇの濃度は約５×１０１９ｃｍ−３とした。なお、積層構造体Ｆのｐ型窒化物半導体層１２２以外の層は、積層構造体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄと同様である。
ＳＩＭＳ法により積層構造体Ｆのｐ型窒化物半導体層１２２の中央の水素濃度を測定したところ、約２×１０１８ｃｍ−３であった。
次に、塩素ガスを使用した反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、得られた積層構造体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆのｎ型窒化物半導体層１２３を図１に示されるパターンに加工した。このとき、空隙部１６の深さが０．２〜０．４μｍの範囲でばらつき、図７（ａ）に示されるように空隙部１６の底がｐ型窒化物半導体層１２２の内部に達する箇所や、図７（ｂ）に示されるように空隙部１６の底がｎ型窒化物半導体層１２１の内部に達する箇所があったが、結果的に、このような空隙部１６の深さのばらつきの、水素除去の効率への影響は認められなかった。
ここで、積層構造体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆの各々に対して、図１（ｃ）に示される被覆領域１２２ａ内の非被覆領域１２２ｂから最も離れた点Ｍから非被覆領域１２２ｂまでの最短距離である距離Ｌが２５、３５、５０、６０、６５μｍとなるようにｎ型窒化物半導体層１２３が加工された試料を作製した。
次に、積層構造体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆのそれぞれ距離Ｌが２５、３５、５０、６０、６５μｍである試料に、乾燥空気中で５００℃、２時間の条件で熱処理を施し、水素を放出した。
次に、各試料に対して、ＳＩＭＳ分析法により、点Ｍにおけるｐ型窒化物半導体層１２２内の水素濃度を測定した。
図１０は、各試料における距離Ｌと熱処理後の残留水素濃度との関係を表すグラフである。図１０の横軸は各試料における距離Ｌ（μｍ）を表し、縦軸は熱処理後の点Ｍにおけるｐ型窒化物半導体層１２２内の水素濃度（ｃｍ−３）を表す。図１０のプロット点“◇”、“○”、“■”、“□”、“◆”、“●”は、それぞれ積層構造体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆについての測定値を表す。
図１０は、積層構造体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆのいずれにおいても、距離Ｌが５０μｍ以下であるときに、熱処理後の点Ｍにおけるｐ型窒化物半導体層１２２内の水素濃度を１×１０１７ｃｍ−３以下に抑えられることを示している。ｐ型窒化物半導体層１２２内の水素濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下であれば、不活性化するアクセプタの濃度も１×１０１７ｃｍ−３以下であり、ｐ型窒化物半導体層１２２は十分な導電性を有するといえる。例えば、前述の非特許文献１（W. Gotz, et al., Appl. Phys. Lett., 67, 2666(1995).）には、ｐ型窒化物半導体層内の水素がアクセプタの活性化を阻害するが、濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下であればその影響は無視できることが示されている。
なお、積層構造体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆのｎ型窒化物半導体層１２３を図２〜５に示されるパターンに加工し、同様の熱処理、水素濃度の測定を行ったところ、同様の距離Ｌと熱処理後の残留水素濃度との関係（図１０）が得られた。このことは、ｎ型窒化物半導体層１２３のパターンによらず、距離Ｌが５０μｍ以下であるときに、熱処理後の点Ｍにおけるｐ型窒化物半導体層１２２内の水素濃度を１×１０１７ｃｍ−３以下に抑えられ、ｐ型窒化物半導体層１２２が十分な導電性を有することを示している。
また、積層構造体Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆを上述のサファイア基板を用いるＶＡＳ法の代わりにＧａＮ自立基板を用いるＨＶＰＥ法及びＭＯＶＰＥ法により作製し、同様の加工、熱処理、水素濃度の測定を行ったところ、同様の距離Ｌと熱処理後の残留水素濃度との関係（図１０）が得られた。
具体的には、基板１７として６インチのｎ型ＧａＮ自立基板を用いて、ｎ型窒化物半導体層１１、ｎ型窒化物半導体層１２１、ｐ型窒化物半導体層１２２、ｎ型窒化物半導体層１２３を形成した。ここで、ｎ型窒化物半導体層１１を厚さ１０μｍに形成したこと、ｎ型窒化物半導体層１２３を形成した後にｎ型ＧａＮ自立基板である基板１７を研磨して、ｎ型窒化物半導体層１１と合わせて厚さ５０μｍのｎ型ＧａＮサブコレクタとして用いたこと以外の条件は、上記のＶＡＳ法を用いた場合の条件と同様とした。
実施例２として、第２の実施の形態に係る窒化物半導体デバイス２０を製造し、電極２２のようにエミッタ電極がｎ型窒化物半導体層１２３の全体の上面を覆うような電極形成プロセスを行っても、ｐ型窒化物半導体層１２２内の水素濃度が増加しないことを確認した。
絶縁膜２１、ベース電極である電極１３、エミッタ電極である電極１４、コレクタ電極である電極１５として、ＳｉＯ２を主成分とする絶縁膜、Ｐｄ／Ａｕ積層膜、Ｔｉ／Ａｌ積層膜、Ｔｉ／Ａｌ積層膜をそれぞれ用いた。
絶縁膜２１は、次のような工程で形成した。まず、スパッタ、塗布乾燥等により絶縁膜をｐ型窒化物半導体層１２２及びｎ型窒化物半導体層１２３上の全面に形成した後、フォトリソグラフィにより図８（ａ）、（ｃ）に示されるパターンに加工した。ここで、絶縁膜２１は、電極２２がｐ型窒化物半導体層１２２とは絶縁されて、ｎ型窒化物半導体層１２３のみとオーミックコンタクトとなるようなパターンにされる。そして、残渣を緩衝フッ酸により除去し、さらに希塩酸により表面のＧａ系自然酸化膜を除去し、絶縁膜２１を得た。
形成された絶縁膜２１の表面には段差等が存在したが、この段差に起因する電極２２の膜切れ等は発生せず、平滑な電極２２が得られた。また、ＳＩＭＳ分析により、絶縁膜２１及び電極２２の形成前後で比較して、ｐ型窒化物半導体層１２２内の水素濃度が増加しないことを確認した。
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、本発明は、上記実施の形態及び実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。
例えば、上記実施の形態及び実施例の窒化物半導体デバイスは、ｎ型窒化物半導体層１２３の電子親和力がｐ型窒化物半導体層１２２又はｎ型窒化物半導体層１２１の電子親和力よりも小さい構成を有してもよい。このような構成は、例えば、文献“L. S. McCarthy, et al., IEEE Electron Device Lett., 20, 277(1999).”に開示されている。また、ｐ型窒化物半導体層１２２の電子親和力がｎ型窒化物半導体層１２１の電子親和力よりも大きい構成を有してもよい。このような構成は、例えば、文献“Z. Lochner, et al., Appl. Phys. Lett., 99, 193501(2011).”に開示されている。
また、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、２０ 窒化物半導体デバイス
１１ ｎ型窒化物半導体層
１２ ｎｐｎ接続構造
１２１、１２３ ｎ型窒化物半導体層
１２２ ｐ型窒化物半導体層
１２２ａ 被覆領域
１２２ｂ 非被覆領域
１３、１４、１５、２２ 電極
１６ 空隙部
２１ 絶縁膜
１１ ｎ型窒化物半導体層
１２ ｎｐｎ接続構造
１２１、１２３ ｎ型窒化物半導体層
１２２ ｐ型窒化物半導体層
１２２ａ 被覆領域
１２２ｂ 非被覆領域
１３、１４、１５、２２ 電極
１６ 空隙部
２１ 絶縁膜
Claims (9)
- 第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層上にｎ型導電性を有する第２の窒化物半導体層、ｐ型導電性を有する第３の窒化物半導体層、及びｎ型導電性を有する第４の窒化物半導体層を順に積層して形成されたｎｐｎ接続構造と、
を有し、
前記第３の窒化物半導体層は、前記第４の窒化物半導体層に覆われない独立した非被覆領域を２つ以上有する、
バイポーラトランジスタである、
窒化物半導体デバイス。 - 前記第３の窒化物半導体層の、前記第４の窒化物半導体層に覆われた被覆領域内の任意の点から前記非被覆領域までの最短距離が５０μｍ以下である、
請求項１に記載の窒化物半導体デバイス。 - 前記非被覆領域の少なくとも一部は、前記第４の窒化物半導体層の上面に開口する空隙部により形成される領域であり、
前記第４の窒化物半導体層及び前記第３の窒化物半導体層が前記空隙部の内側側面を構成する、
請求項１又は２に記載の窒化物半導体デバイス。 - 前記第４の窒化物半導体層、前記第３の窒化物半導体層、及び第２の窒化物半導体層が前記空隙部の内側側面を構成する、
請求項３に記載の窒化物半導体デバイス。 - 前記非被覆領域の少なくとも一部は、前記第４の窒化物半導体層の上面に開口する空隙部により露出した領域であり、
前記第４の窒化物半導体層は、前記空隙部により分離された複数の部分からなり、
前記複数の部分には１つの電極が共通に接続され、
前記電極と前記第３の窒化物半導体層は、前記空隙部内に形成された絶縁膜により絶縁される、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイス。 - 前記絶縁膜は、二酸化ケイ素を主成分とする絶縁材料からなる、
請求項５に記載の窒化物半導体デバイス。 - 前記第１の窒化物半導体層、前記第２の窒化物半導体層、前記第３の窒化物半導体層、及び第４の窒化物半導体層は、有機金属気相成長法又はハイドライド気相成長法により形成された窒化物半導体膜である、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイス。 - 前記第４の窒化物半導体層が、少なくとも前記第３の窒化物半導体層の縁のうちの対向する２つの縁に接する、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイス。 - 第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層上にｎ型導電性を有する第２の窒化物半導体層、ｐ型導電性を有する第３の窒化物半導体層、及びｎ型導電性を有する第４の窒化物半導体層を順に積層して形成されたｎｐｎ接続構造と、
を有し、
前記第３の窒化物半導体層は、前記第４の窒化物半導体層に覆われない非被覆領域を２つ以上有し、
前記非被覆領域の少なくとも一部は、前記第４の窒化物半導体層の上面に開口する空隙部により形成される領域であり、
前記第４の窒化物半導体層、前記第３の窒化物半導体層、及び第２の窒化物半導体層が前記空隙部の内側側面を構成する、
窒化物半導体デバイス。
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