JP6179329B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
本実施形態に係る半導体装置は、第1n型窒化物半導体層と、第1n型窒化物半導体層上に設けられ、n型キャリア濃度が第1n型窒化物半導体層よりも低い第2n型窒化物半導体層と、第2n型窒化物半導体層上に設けられ、p型窒化物半導体からなるガードリングと、ガードリング上に設けられ、p型ドープ濃度がガードリングよりも高いp型窒化物半導体層と、p型窒化物半導体層およびガードリングを貫通して第2n型窒化物半導体層に達する開口部の底面上と開口部の側面上と開口部の縁部上とに一体に設けられた第1電極と、第1n型窒化物半導体層に対して第2n型窒化物半導体層とは反対側に設けられた第2電極とを備える。第1電極は、ショットキー電極とオーミック電極とを兼ねる。
以下、図面を用いて本実施形態に係る半導体装置をさらに説明する。なお、図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。
(半導体装置の構成)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の断面図である。図2は、本実施形態に係る半導体装置の電流電圧特性を模式的に示したグラフである。図2において、L21は本実施形態に係る半導体装置の電流電圧特性を模式的に表わし、L22はp型窒化物半導体層50を備えていない半導体装置の電流電圧特性を模式的に表わす。
本実施形態に係る半導体装置は、たとえば、次に示す方法にしたがって製造可能である。まず、支持基体10の第1面10A上に、HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy(ハイドライド気相成長))法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition(有機金属気相成長)法またはMBE(Molecular Beam Epitaxy(分子線エピタキシー)法などにより、第1n型窒化物半導体層20、第2n型窒化物半導体層30、ガードリング40およびp型窒化物半導体層50を順に形成する。
第2の実施形態では、p型窒化物半導体層が第1p型窒化物半導体層と第2p型窒化物半導体層とを有している。以下では、上記第1の実施形態との相違点を主に示す。
図3は、本実施形態に係る半導体装置の断面図である。本実施形態に係る半導体装置は、支持基体10と、第1n型窒化物半導体層20と、第2n型窒化物半導体層30と、ガードリング40と、p型窒化物半導体層50と、第1電極70と、第2電極80とを備える。本実施形態におけるp型窒化物半導体層50は、第1p型窒化物半導体層51と第2p型窒化物半導体層53とを有する。
本実施形態に係る半導体装置は、p型窒化物半導体層50を形成するときに第1p型窒化物半導体層51および第2p型窒化物半導体層53を順に形成することを除いては上記第1の実施形態と同様の方法にしたがって、製造可能である。第1p型窒化物半導体層51および第2p型窒化物半導体層53のそれぞれの形成方法としては、上記第1の実施形態におけるp型窒化物半導体層50の形成方法を用いることができる。
第3の実施形態では、導電性支持基体が第1電極上に設けられている。以下では、上記第1の実施形態に係る半導体装置が支持基体でなく上記導電性支持基体を備えている場合を示すが、上記第2の実施形態に係る半導体装置が支持基体でなく上記導電性支持基体を備えていても良い。以下、上記第1の実施形態との相違点を主に示す。
図4は、本実施形態に係る半導体装置の断面図である。本実施形態に係る半導体装置は、第1n型窒化物半導体層20と、第2n型窒化物半導体層30と、ガードリング40と、p型窒化物半導体層50と、第1電極70と、第2電極80と、導電性支持基体15と、埋め込み金属層90とを備える。第2電極80は、第1n型窒化物半導体層20に接している。導電性支持基体15は、第1電極70に接しており、具体的には第1電極70の凹部70aの縁部に接している。埋め込み金属層90は、第1電極70の凹部70aと導電性支持基体15との間に設けられており、好ましくは第1電極70の凹部70aと導電性支持基体15との間を満たしている。埋め込み金属層90が第1電極70の凹部70aと導電性支持基体15との間を満たしていれば、空隙が第1電極70の凹部70aと導電性支持基体15との間に発生することを防止できる。よって、オン抵抗がさらに低下し、耐圧がさらに高くなる。また、第2n型窒化物半導体層30などの剥がれを防止することができる。
図5(A)〜(D)は、本実施形態に係る半導体装置の製造で使用する複合基板の製造方法の一例を工程順に示す断面図である。図6(A)〜(D)は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を工程順に示す断面図である。本実施形態に係る半導体装置の製造方法では、まず、図5(A)〜(D)に示す方法にしたがって、下地複合基板100を製造する。次に、図6(A)において、下地複合基板100上に第1n型窒化物半導体層20と第2n型窒化物半導体層30とガードリング40とp型窒化物半導体層50と開口部60と第1電極70とを形成する。続いて、図6(B)において埋め込み金属層90を設け、図6(C)において導電性支持基体15を設けてから、図6(D)において下地複合基板100を取り除く。これにより、本実施形態に係る半導体装置が得られる。以下では、上記第1の実施形態との相違点を主に示す。
まず、図5(A)に示すように、下地支持基板101の主面101m上に第1の下地接合層102aを形成する。下地支持基板101は、たとえば、モリブデン基板、ムライト(Al2O3−SiO)基板またはイットリア安定化ジルコニア−ムライト基板などであることが好ましい。これにより、下地支持基板101の熱膨張係数は、下地窒化物層103(後述)の熱膨張係数および第1n型窒化物半導体層20の熱膨張係数と同じとなる、または、下地支持基板101と下地窒化物層103および第1n型窒化物半導体層20との熱膨張係数の差の絶対値は2×10-6K-1以下となる。よって、転位密度が低く結晶性の高い第1n型窒化物半導体層20を下地複合基板100の下地窒化物層103上に割れを発生させることなく成長させることができる。第1の下地接合層102aは、後述する第2の下地接合層102bと一体化して下地接合層102を形成するものであり、たとえばSiO2層またはSiN層である。第1の下地接合層102aを形成する方法は、スパッタ法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、PLD(Pulse Laser Deposition(パルスレーザ堆積))法、MBE法またはEB蒸着法などであることが好ましく、CVD法であることがより好ましい。CVD法により第1の下地接合層102aを形成すると、第1の下地接合層102aの成膜速度が高まり、また、高品質な第1の下地接合層102aを形成できる。
まず、図6(A)に示すように、下地複合基板100上に第1n型窒化物半導体層20と第2n型窒化物半導体層30とガードリング40とp型窒化物半導体層50と開口部60と第1電極70とを形成する。これらの形成方法としては、上記第1の実施形態に記載の方法を用いることができる。
まず、GaN母材基板(厚さ500μm)をMOCVD装置のチャンバ内に入れ、GaN母材基板の温度を1100℃とした。その後、MOCVD装置のチャンバ内にアンモニア(NH3)および水素(H2)を供給してサーマルクリーニングを行った。
p+型GaN層およびp++型GaN層を形成することなく上記実施例1に記載の方法にしたがって比較例1の半導体装置を製造した。これにより、図7に示す半導体装置が得られた。図7は、比較例1の半導体装置の断面図である。図7に示す半導体装置は、GaN基板110と、n+型GaN層120(厚さ1μm、キャリア濃度1×1018cm-3)と、n型GaN層130(厚さ7μm、キャリア濃度6×1015cm-3)と、ガードリング140(厚さ1μm、p型ドープ濃度1×1017cm-3)と、Ni層とAu層との積層構造からなるショットキー電極170と、Alからなるオーミック電極180とを備える。n+型GaN層120はGaN基板110の第1面110A上に設けられ、オーミック電極180はGaN基板110の第2面110B上に設けられている。ガードリング140には、n型GaN層130に達する開口部160が形成されており、ショットキー電極170は、開口部160の底面上、その側面上およびその縁部上に一体に設けられている。
半導体カーブトレーサを用いて、実施例1および比較例1の半導体装置の特性を調べた。実施例1および比較例1のそれぞれの半導体装置に順方向に電圧を印加し、電圧と電流密度との関係を調べた。その結果を図8に示す。図8は、実施例1および比較例1の半導体装置における電流密度と電圧との関係(実験結果)を示すグラフである。図8の縦軸は電流密度を表わし、その横軸は電圧を表わす。図8中、L81は実施例1の結果を表わし、L82は比較例1の結果を表わす。図8に示すように、3Vを超える電圧を実施例1および比較例1のそれぞれの半導体装置に加えると、実施例1の電流密度は比較例1の電流密度よりも高くなった。
10A 第1面
10B 第2面
15 導電性支持基体
20 第1n型窒化物半導体層
30 第2n型窒化物半導体層
40 ガードリング
50 p型窒化物半導体層
51 第1p型窒化物半導体層
53 第2p型窒化物半導体層
60 開口部
60A 底面
60B 側面
60C 縁部
70 第1電極
70a 凹部
80 第2電極
90 埋め込み金属層
Claims (7)
- 第1n型窒化物半導体層と、
前記第1n型窒化物半導体層上に設けられ、n型キャリア濃度が前記第1n型窒化物半導体層よりも低い第2n型窒化物半導体層と、
前記第2n型窒化物半導体層上に設けられ、p型窒化物半導体からなるガードリングと、
前記ガードリング上に設けられ、p型ドープ濃度が前記ガードリングよりも高いp型窒化物半導体層と、
前記p型窒化物半導体層および前記ガードリングを貫通して前記第2n型窒化物半導体層に達する開口部の底面上と前記開口部の側面上と前記開口部の縁部上とに一体に設けられた第1電極と、
前記第1n型窒化物半導体層に対して前記第2n型窒化物半導体層とは反対側に設けられた第2電極とを備え、
前記第2n型窒化物半導体層は、前記ガードリングに接しており、
前記第1電極は、ショットキー電極とオーミック電極とを兼ねる半導体装置。 - 前記p型窒化物半導体層は、
前記ガードリング上に設けられた第1p型窒化物半導体層と、
前記第1p型窒化物半導体層上に設けられ、前記第1電極に接する第2p型窒化物半導体層とを有し、
前記第1p型窒化物半導体層のp型ドープ濃度は、前記ガードリングのp型ドープ濃度よりも高く前記第2p型窒化物半導体層のp型ドープ濃度よりも低い請求項1に記載の半導体装置。 - 前記第1p型窒化物半導体層の厚さは、前記第2p型窒化物半導体層の厚さよりも大きい請求項2に記載の半導体装置。
- 前記第1p型窒化物半導体層のp型ドープ濃度は、1.0×1018cm-3以上1.0×1020cm-3以下であり、
前記第2p型窒化物半導体層のp型ドープ濃度は、1.0×1020cm-3以上5.0×1022cm-3以下である請求項2または請求項3に記載の半導体装置。 - 前記第2n型窒化物半導体層のn型キャリア濃度は、4.0×1015cm-3以上5.0×1016cm-3以下であり、
前記ガードリングのp型ドープ濃度は、0.5×1017cm-3以上5.0×1017cm-3以下である請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記第1n型窒化物半導体層と前記第2電極との間に設けられた支持基体をさらに備える請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記第2電極は、前記第1n型窒化物半導体層に接しており、
前記第1電極上に設けられた導電性支持基体をさらに備える請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の半導体装置。
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