JP6396939B2 - 窒化物半導体基板、半導体装置、および窒化物半導体基板の製造方法 - Google Patents

窒化物半導体基板、半導体装置、および窒化物半導体基板の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、窒化物半導体基板、半導体装置、および窒化物半導体基板の製造方法に関する。
窒化ガリウムなどのＩＩＩ族窒化物半導体は、シリコンよりも高い飽和自由電子速度や高い絶縁破壊耐圧を有している。このため、窒化物半導体は、電力の制御等を行うパワーデバイスや、携帯電話の基地局用などの高周波デバイスへの応用が期待されている。具体的なデバイスとしては、例えば、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）やｐｎ接合ダイオードなどの半導体装置が挙げられる。これらの半導体装置では、逆バイアス印加時の耐圧を向上させるため、ドナー濃度を低くしたドリフト層が厚く設けられる（例えば特許文献１参照）。
特開２０１５−１８５５７６号公報
窒化物半導体では、結晶成長時のＩＩＩ族有機金属原料に起因して、炭素が取り込まれうる。窒化物半導体中に取り込まれた炭素の少なくとも一部は、アクセプタとして機能する。このため、ドナーが添加されたｎ型の窒化物半導体中では、炭素の少なくとも一部は、ドナーから電子を捕獲し、ドナーを補償する。
パワーデバイスや高周波デバイスとしての半導体装置では、上記したように、耐圧向上のため、ドリフト層中におけるドナー濃度は低く設定される。このため、例えば、５×１０１６個／ｃｍ３以下のような低濃度領域では、ドリフト層中のドナー濃度を所定値としたとしても、炭素の一部が少量のドナーを補償する影響が大きく、ドリフト層中において所望の自由電子濃度が得られない場合があった。その結果、半導体装置の性能が低下する可能性があった。
本発明の目的は、半導体装置の性能を向上させることができる技術を提供することにある。
本発明の一態様によれば、
ｎ型の半導体からなる基板と、
前記基板上に設けられ、ドナーおよび炭素を含む窒化ガリウムからなるドリフト層と、を有し、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度は、５．０×１０１６個／ｃｍ３以下であって、前記ドリフト層の全域に亘って、前記ドリフト層中でアクセプタとして機能する前記炭素の濃度以上であり、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に減少している窒化物半導体基板が提供される。
本発明の他の態様によれば、
ｎ型の半導体からなる基板と、
前記基板上に設けられ、ドナーおよび炭素を含む窒化ガリウムからなるドリフト層と、を有し、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度は、５．０×１０１６個／ｃｍ３以下であって、前記ドリフト層の全域に亘って、前記ドリフト層中でアクセプタとして機能する前記炭素の濃度以上であり、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に減少している半導体装置が提供される。
本発明のさらに他の態様によれば、
ｎ型の半導体からなる基板上に、ドナーおよび炭素を含む窒化ガリウムからなるドリフト層を形成する工程を有し、
前記ドリフト層を形成する工程では、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度を、５．０×１０１６個／ｃｍ３以下としつつ、前記ドリフト層の全域に亘って、前記ドリフト層中でアクセプタとして機能する前記炭素の濃度以上とし、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差を、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に減少させる窒化物半導体基板の製造方法が提供される。
本発明によれば、半導体装置の性能を向上させることができる。
本発明の一実施形態に係る窒化物半導体基板を示す断面図である。 （ａ）はドリフト層中のドナー濃度ＮＤからドリフト層中でアクセプタとして機能する炭素の濃度ＮＡを引いた差を示す図であり、（ｂ）はドリフト層におけるドナーおよび炭素の各濃度を示す図である。 ドリフト層付近の概略バンド図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 （ａ）は変形例１のドリフト層中のドナー濃度ＮＤからドリフト層中でアクセプタとして機能する炭素の濃度ＮＡを引いた差を示す図であり、（ｂ）は変形例２のドリフト層中のドナー濃度ＮＤからドリフト層中でアクセプタとして機能する炭素の濃度ＮＡを引いた差を示す図である。 変形例３に係る窒化物半導体基板を示す断面図である。 変形例３に係る半導体装置を示す断面図である。
＜本発明の一実施形態＞
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
（１）窒化物半導体基板
図１は、本実施形態に係る窒化物半導体基板を示す断面図である。
図１に示すように、本実施形態の窒化物半導体基板（窒化物半導体積層物、窒化物半導体エピタキシャル基板）１０は、後述するｐｎ接合ダイオードとしての半導体装置２０を製造するために窒化物半導体層をエピタキシャル成長させたウエハとして構成され、例えば、基板１００と、下地ｎ型半導体層１２０と、ドリフト層１４０と、第１ｐ型半導体層２２０と、第２ｐ型半導体層２４０と、を有している。
なお、以下において、「積層方向」とは、基板１００側から図中上方向（基板１００の主面から遠ざかる方向）に向かって下地ｎ型半導体層１２０等の窒化物半導体層を積層していく方向のことをいう。ドリフト層１４０に関しては、「積層方向」を、「基板１００側からドリフト層１４０の表面側に向かう方向」と言い換えることができる。なお、ドリフト層１４０の表面（第２主面）とは、ドリフト層１４０における基板１００側の面（第１主面）と反対側の面のことである。
（基板）
基板１００は、例えば、所定のドナーを含むｎ型の単結晶窒化ガリウム（ＧａＮ）基板（自立ＧａＮ基板）として構成されている。基板１００中のドナーとしては、例えば、シリコン（Ｓｉ）またはゲルマニウム（Ｇｅ）が挙げられる。基板１００中のドナー濃度は、例えば、５．０×１０１７個／ｃｍ３以上５．０×１０１８個／ｃｍ３以下である。なお、ドナー濃度や後述する炭素濃度などは、例えば、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）によって測定することができる。
基板１００の主面の面方位は、例えば、ｃ面（（０００１）面）である。なお、基板１００を構成するＧａＮ結晶は、基板１００の主面に対して所定のオフ角を有していても良い。オフ角とは、基板１００の主面の法線方向と、基板１００を構成するＧａＮ結晶のｃ軸とのなす角度のことをいう。具体的には、基板１００のオフ角を、例えば、０．１５°以上０．８°以下とする。基板１００のオフ角が０．１５°未満であると、基板１００上にドリフト層１４０等の窒化物半導体層を成長させる際に添加される炭素（Ｃ）の濃度が増加する可能性がある。これに対して、基板１００のオフ角を０．１５°以上とすることにより、基板１００上にドリフト層１４０等の窒化物半導体層を成長させる際に添加される炭素の濃度を所定量以下とすることができる。一方で、基板１００のオフ角が０．８°超であると、基板１００の主面のモフォロジが悪化する可能性がある。これに対して、基板１００のオフ角を０．８°以下とすることにより、基板１００の主面のモフォロジを平坦にすることができる。
また、基板１００の主面における転位密度を、例えば、１×１０７個／ｃｍ２以下とする。基板１００の主面における転位密度が１×１０７個／ｃｍ２超であると、基板１００上に形成されるドリフト層１４０等の窒化物半導体層において局所的な耐圧を低下させる転位が増加する可能性がある。また、基板１００の主面における転位密度が１×１０７個／ｃｍ２超であると、基板１００上に窒化物半導体層を成長させる際に意図せずに添加される不純物の濃度（例えば炭素濃度）が高くなる傾向にある。これに対して、本実施形態のように、基板１００の主面における転位密度を１×１０７個／ｃｍ２以下とすることにより、基板１００上に形成されるドリフト層１４０等の窒化物半導体層において局所的な耐圧を低下させる転位の増加を抑制することができる。また、基板１００の主面における貫通転位密度を１×１０７個／ｃｍ２以下とすることにより、窒化物半導体層の成長の際に意図せずに添加される不純物の濃度を低下させることができる。
（下地ｎ型半導体層）
下地ｎ型半導体層１２０は、基板１００の結晶性を引き継いでドリフト層１４０を安定的にエピタキシャル成長させるバッファ層として、基板１００とドリフト層１４０との間に設けられている。また、下地ｎ型半導体層１２０は、基板１００と同等の濃度のドナーを含むｎ＋型ＧａＮ層として構成されている。下地ｎ型半導体層１２０中のドナーとしては、基板１００中のドナーと同様に、例えば、ＳｉまたはＧｅが挙げられる。また、下地ｎ型半導体層１２０中のドナー濃度は、基板１００中のドナー濃度と同様に、例えば、５．０×１０１７個／ｃｍ３以上５．０×１０１８個／ｃｍ３以下である。
なお、下地ｎ型半導体層１２０は、その結晶成長時に用いるＩＩＩ族有機金属原料に起因して添加（オートドープ）された炭素を含んでいる。下地ｎ型半導体層１２０中の炭素の全濃度は、例えば、１．０×１０１５個／ｃｍ３以上５．０×１０１６個／ｃｍ３以下である。なお、「炭素濃度の全濃度」とは、後述するように、アクセプタとして機能する炭素だけでなく、アクセプタとして機能しない炭素を含む、全ての炭素の濃度のことを意味する。
下地ｎ型半導体層１２０などのｎ型窒化物半導体層では、炭素の少なくとも一部がアクセプタ（補償ドーパント）として機能し、ドナーを補償している。このため、下地ｎ型半導体層１２０中の実効的な自由電子濃度は、ドナー濃度から、アクセプタとして機能する炭素濃度を引いた差として求められる。しかしながら、下地ｎ型半導体層１２０では、ドナー濃度が高く、アクセプタとして機能する炭素濃度が相対的に無視できるほど低い。このため、下地ｎ型半導体層１２０中の自由電子濃度は、ほぼドナー濃度に等しいとみなすことができ、例えば、５．０×１０１７個／ｃｍ３以上５．０×１０１８個／ｃｍ３以下となっている。
なお、下地ｎ型半導体層１２０中のドナー濃度、および炭素の全濃度は、それぞれ、積層方向に向かってほぼ一定である。なお、下地ｎ型半導体層１２０は、各添加濃度が積層方向に向かって一定である領域を含んでいればよく、下地ｎ型半導体層１２０は、基板１００側付近またはドリフト層１４０側付近で各添加濃度が傾斜した領域を含んでいてもよい。
下地ｎ型半導体層１２０の厚さは、後述するドリフト層１４０の厚さよりも薄く、例えば、０．１μｍ以上３μｍ以下とする。
（ドリフト層）
ドリフト層１４０は、下地ｎ型半導体層１２０上に設けられ、低濃度のドナーを含むｎ−型ＧａＮ層として構成されている。ドリフト層１４０中のドナーとしては、下地ｎ型半導体層１２０中のドナーと同様に、例えば、ＳｉまたはＧｅが挙げられる。
ドリフト層１４０中のドナー濃度は、基板１００のドナー濃度および下地ｎ型半導体層１２０のドナー濃度よりも低く、例えば、１．０×１０１５個／ｃｍ３以上５．０×１０１６個／ｃｍ３以下とする。ドナー濃度が１．０×１０１５個／ｃｍ３未満であると、ドリフト層１４０が高抵抗化する可能性がある。これに対して、ドナー濃度を１．０×１０１５個／ｃｍ３以上とすることにより、ドリフト層１４０の抵抗が過剰に上昇することを抑制することができる。一方で、ドナー濃度が５．０×１０１６個／ｃｍ３超であると、逆バイアスを印加したときの耐圧が低下する可能性がある。これに対して、ドナー濃度を５．０×１０１６個／ｃｍ３以下とすることにより、所定の耐圧を確保することができる。
ドリフト層１４０も、その結晶成長時に用いるＩＩＩ族有機金属原料に起因して添加された炭素を含んでおり、ドリフト層１４０中の炭素の少なくとも一部は、アクセプタとして機能し、ドナーを補償している。ここで、上述したように、下地ｎ型半導体層１２０では、ドナー濃度がおよそ１０１８オーダーで高い状態となっている。このため、下地ｎ型半導体層１２０では、ドナー濃度に対する炭素濃度が無視できるほど低い。これに対して、ドリフト層１４０では、ドナー濃度が５．０×１０１６個／ｃｍ３以下のように低い状態となっている。このため、ドリフト層１４０では、ドナー濃度に対する炭素濃度を無視することが出来ず、ドリフト層１４０中の自由電子濃度は、炭素の一部がアクセプタとして少量のドナーを補償する影響を受け易い。したがって、ドリフト層１４０では、ドナー濃度とアクセプタとして機能する炭素の濃度との相対関係を制御しなければ、所望の自由電子濃度分布を得ることが出来ない。
そこで、本実施形態では、ドリフト層１４０中のドナー濃度が、ドリフト層１４０の全域に亘って、ドリフト層１４０中でアクセプタとして機能する炭素の濃度以上となるように調整され、また、ドリフト層１４０中のドナー濃度からドリフト層１４０中でアクセプタとして機能する炭素の濃度を引いた差が、基板１００側からドリフト層１４０の表面側に向かって（すなわち積層方向に向かって）徐々に減少するように調整されている。これにより、ドリフト層１４０において所望の自由電子濃度分布を得ることができる。ドリフト層１４０におけるドナー濃度と炭素濃度との相対関係等については、詳細を後述する。
ドリフト層１４０は、逆バイアスを印加したときの耐圧を向上させるため、例えば、下地ｎ型半導体層１２０よりも厚く設けられている。具体的には、ドリフト層１４０の厚さを、例えば、３μｍ以上４０μｍ以下とする。ドリフト層１４０の厚さが３μｍ未満であると、逆バイアスを印加したときの耐圧が低下する可能性がある。これに対して、ドリフト層１４０の厚さを３μｍ以上とすることにより、所定の耐圧を確保することができる。一方で、ドリフト層１４０の厚さが４０μｍ超であると、順バイアスを印加したときのオン抵抗が上昇する可能性がある。これに対して、ドリフト層１４０の厚さを４０μｍ以下とすることにより、順バイアスを印加したときのオン抵抗が過剰に上昇することを抑制することができる。
（第１ｐ型半導体層）
第１ｐ型半導体層２２０は、ドリフト層１４０上に設けられ、アクセプタを含むｐ型ＧａＮ層として構成されている。第１ｐ型半導体層２２０中のアクセプタとしては、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）が挙げられる。また、第１ｐ型半導体層２２０中のアクセプタ濃度は、例えば、１．０×１０１７個／ｃｍ３以上２．０×１０１９個／ｃｍ３以下とする。
（第２ｐ型半導体層）
第２ｐ型半導体層２４０は、第１ｐ型半導体層２２０上に設けられ、高濃度のアクセプタを含むｐ＋型ＧａＮ層として構成されている。第２ｐ型半導体層２４０中のアクセプタとしては、第１ｐ型半導体層２２０と同様に、例えば、Ｍｇが挙げられる。また、第２ｐ型半導体層２４０中のアクセプタ濃度は、第１ｐ型半導体層２２０中のアクセプタ濃度よりも高く、例えば、５．０×１０１９個／ｃｍ３以上２．０×１０２０個／ｃｍ３以下とする。第２ｐ型半導体層２４０中のアクセプタ濃度を上述の範囲内とすることにより、第２ｐ型半導体層２４０と後述するアノードとのコンタクト抵抗を低減させることができる。
（ドリフト層におけるドナー濃度と炭素濃度との相対関係について）
次に、図２（ａ）を用い、ドリフト層１４０におけるドナー濃度と炭素濃度との相対関係について、詳細を説明する。図２（ａ）は、ドリフト層中のドナー濃度ＮＤからドリフト層中でアクセプタとして機能する炭素の濃度ＮＡを引いた差を示す図である。
図２（ａ）において、横軸は、ドリフト層１４０の表面側からの位置（深さ）を示している。また、ここでは、ドリフト層１４０中のドナー濃度をＮＤとし、ドリフト層１４０中の炭素の全濃度（ドリフト層１４０中の全ての炭素の濃度）をＮＣとし、ドリフト層１４０中の炭素のうちアクセプタとして機能する炭素の濃度をＮＡとする。また、同図において、縦軸は、ドリフト層１４０中のドナー濃度ＮＤからドリフト層１４０中でアクセプタとして機能する炭素の濃度ＮＡを引いた差ＮＤ−ＮＡ（以下、ドリフト層１４０における濃度差ＮＤ−ＮＡ）を示している。ドリフト層１４０における濃度差ＮＤ−ＮＡは、ドナーから得られる自由電子の総量から、アクセプタとしての炭素がドナーから自由電子を捕獲した量を引いた差として考えることができる。したがって、ドリフト層１４０における濃度差ＮＤ−ＮＡは、ドリフト層１４０中の実効的な自由電子濃度に相当する。
ここで、本実施形態では、ドリフト層１４０中のドナー濃度ＮＤは、ドリフト層１４０の全域に亘って、ドリフト層１４０中でアクセプタとして機能する炭素の濃度ＮＡ以上としている（ＮＤ≧ＮＡ）。ドリフト層１４０の少なくとも一部においてドリフト層１４０中のドナー濃度ＮＤがドリフト層１４０中でアクセプタとして機能する炭素の濃度ＮＡ未満であると、ドリフト層１４０の一部に自由電子が生成しない領域が生じてしまう可能性がある。これに対して、ドリフト層１４０中のドナー濃度ＮＤを、ドリフト層１４０の全域に亘って、ドリフト層１４０中でアクセプタとして機能する炭素の濃度ＮＡ以上とすることにより、ドナー濃度が５．０×１０１６個／ｃｍ３以下のように低濃度領域にある状態でドリフト層１４０中の炭素の少なくとも一部がドナーを補償していたとしても、ドリフト層１４０の全域に亘って所定量の自由電子を生成させることができる。その結果、ドリフト層１４０をｎ型層として機能させることが可能となる。
また、図２（ａ）に示すように、本実施形態では、ドリフト層１４０における濃度差ＮＤ−ＮＡが、基板１００側からドリフト層１４０の表面側に向かって（すなわち積層方向に向かって）徐々に減少している。言い換えれば、ドリフト層１４０における濃度差ＮＤ−ＮＡが、積層方向に向かって単調に減少している。このようにドリフト層１４０における濃度差ＮＤ−ＮＡを所定の分布とすることで、ドリフト層１４０中の炭素の少なくとも一部がアクセプタとしてドナーを補償していたとしても、所望の自由電子濃度分布を得ることができる。この場合では、例えば、自由電子濃度を基板１００側からドリフト層１４０の表面側に向かって徐々に減少させることが可能となる。
なお、発明者等の鋭意検討により、窒化物半導体中に添加された炭素の全てがドナーを補償するとは限らず、窒化物半導体中に添加された全ての炭素のうちの少なくとも１／３以上の炭素がアクセプタとして機能し、ドナーを補償することが分かっている。つまり、本実施形態のドリフト層１４０において、アクセプタとして機能する炭素の濃度ＮＡは、炭素の全濃度ＮＣの少なくとも１／３倍以上となっている（ＮＣ／３≦ＮＡ≦ＮＣ）。
そこで、本実施形態では、上記のようにアクセプタとして機能する炭素の割合を考慮して、ドリフト層１４０中のドナー濃度ＮＤは、ドリフト層１４０の全域に亘って、少なくともドリフト層１４０中の炭素の全濃度ＮＣの１／３倍以上としている（ＮＤ≧ＮＣ／３）。ドリフト層１４０中のドナー濃度ＮＤが炭素の全濃度ＮＣの１／３倍未満であると、ドリフト層１４０中のドナーの多くが、アクセプタとして機能する炭素によって補償されるため、ドリフト層１４０中に所定量の自由電子が生成されない可能性がある。このため、ドリフト層１４０がｎ型ではなくなり、ドリフト層１４０が高抵抗化する可能性がある。これに対して、ドリフト層１４０中のドナー濃度ＮＤを炭素の全濃度ＮＣの１／３倍以上とすることにより、ドリフト層１４０中のドナー量を、アクセプタとしての炭素によって補償される量よりも多くすることができ、ドリフト層１４０中に所定量の自由電子を生成することができる。その結果、ドリフト層１４０をｎ型層として機能させ、ドリフト層１４０の抵抗が過剰に高くなることを抑制することができる。なお、ドリフト層１４０中のドナー濃度ＮＤがドリフト層１４０中の炭素の全濃度ＮＣの１／３倍以上となっていれば、ドリフト層１４０中のドナー濃度ＮＤがドリフト層１４０中の炭素の全濃度ＮＣよりも低くなっていても良い。
なお、ドリフト層１４０中のドナー濃度ＮＤは、ドリフト層１４０の全域に亘って、ドリフト層１４０中の炭素の全濃度ＮＣ以上とすることがより好ましい。これにより、ドリフト層１４０中のドナー量を、アクセプタとしての炭素によって補償される量よりも確実に多くすることができる。その結果、ドリフト層１４０をｎ型として安定的に機能させあることが可能となる。
ここで、図３を用い、ドリフト層１４０付近のバンド図について説明する。図３は、ドリフト層付近の概略バンド図である。
図３において、ドリフト層１４０中のドナー濃度ＮＤをドリフト層１４０の全域に亘ってドリフト層１４０中の炭素の全濃度ＮＣの１／３倍以上とすることにより、ドリフト層１４０の伝導帯には、所定量の自由電子が生成される。また、ドリフト層１４０における濃度差ＮＤ−ＮＡを基板１００側からドリフト層１４０の表面側に向かって徐々に減少させることにより、ドリフト層１４０中における自由電子濃度が基板１００側からドリフト層１４０の表面側に向かって徐々に増加する。このため、ドリフト層１４０の基板１００側は、低自由電子濃度のドリフト層１４０のうちで高自由電子濃度領域となり、一方で、ドリフト層１４０の表面側は、低自由電子濃度のドリフト層１４０のうちで低自由電子濃度領域となっている。これにより、ドリフト層１４０の基板１００側の高自由電子濃度領域では、伝導帯ＥＣＬとフェルミ準位ＥＦとの差は小さくなり、一方で、ドリフト層１４０の表面側の低自由電子濃度領域では、伝導帯ＥＣＨとフェルミ準位ＥＦとの差は大きくなっている。その結果、ドリフト層１４０の伝導帯は、積層方向に向かって徐々に上昇するように傾斜している。
ドリフト層１４０と下地ｎ型半導体層１２０との接合界面付近では、ドリフト層１４０の自由電子濃度が、下地ｎ型半導体層１２０に近づくにつれて徐々に増加し、下地ｎ型半導体層１２０の自由電子濃度に近くなっている。これにより、ドリフト層１４０の伝導帯と下地ｎ型半導体層１２０の伝導帯とは緩やかに接合され、ドリフト層１４０の伝導帯と下地ｎ型半導体層１２０との間のエネルギー障壁は小さくなっている。その結果、順バイアスを印加したとき、下地ｎ型半導体層１２０からドリフト層１４０に向けて電子を滑らかに移動させることができ、オン抵抗を低減することができる。
一方、ドリフト層１４０と第１ｐ型半導体層２２０との接合界面付近では、ドリフト層１４０の自由電子濃度が、第１ｐ型半導体層２２０に近づくにつれて徐々に減少し、第１ｐ型半導体層２２０の正孔濃度よりも低くなっている。当該接合界面付近における空乏層は、接合界面から第１ｐ型半導体層２２０側に向けてあまり広がらないが、接合界面からドリフト層１４０側に向けて広がっている。これにより、当該接合界面付近における伝導帯の傾き（電界強度）は緩やかになっている。逆バイアスを印加したとき、空乏層は、逆バイアス印加前の空乏層の状態から、さらに下地ｎ型半導体層１２０側に向けて広がる。このとき、ドリフト層１４０と第１ｐ型半導体層２２０との接合界面付近における伝導帯の傾きが最も大きくなる。しかしながら、上記したように、ドリフト層１４０の表面側の自由電子濃度が低くなり、空乏層がドリフト層１４０内に広がっていることにより、逆バイアスを印加したときにおいても、当該接合界面付近における伝導帯の傾きは、過度に急峻になることが抑制される。これにより、ドリフト層１４０と第１ｐ型半導体層２２０との接合界面付近においてアバランシェ降伏が発生することを抑制することができ、耐圧を向上させることができる。
さらに詳細には、図２（ａ）に示すように、本実施形態では、ドリフト層１４０における濃度差ＮＤ−ＮＡが、積層方向に向かって直線状に（線形に）減少している。これにより、ドリフト層１４０の全体に亘って伝導帯の傾斜を滑らか且つ緩やかにすることができる。その結果、順バイアスを印加したときのオン抵抗を安定的に低減することができるとともに、逆バイアスを印加したときの耐圧を安定的に向上させることができる。
本実施形態のように、ドリフト層１４０における濃度差ＮＤ−ＮＡが、積層方向に向かって直線状に（線形に）増加している場合、ドリフト層１４０の表面側からの深さに対するＮＤ−ＮＡの傾きの絶対値は、例えば、５．０×１０１４個／ｃｍ３・μｍ−１以上３．０×１０１６個／ｃｍ３・μｍ−１以下とする。ＮＤ−ＮＡの傾きの絶対値が５．０×１０１４個／ｃｍ３・μｍ−１未満であると、ＮＤ−ＮＡが低いときには、ドリフト層１４０と下地ｎ型半導体層１２０との接合界面で伝導帯のエネルギー障壁が大きくなり、順バイアスを印加したときのオン抵抗が高くなる可能性がある。一方で、ＮＤ−ＮＡが高いときには、ドリフト層１４０と第１ｐ型半導体層２２０との接合界面付近における伝導帯の傾きが大きくなり、逆バイアスを印加したときの耐圧が低下する可能性がある。したがって、ＮＤ−ＮＡの傾きの絶対値が５．０×１０１４個／ｃｍ３・μｍ−１未満であると、順バイアスを印加したときのオン抵抗の低減と、逆バイアスを印加したときの耐圧の向上とを両立することが困難となる。これに対して、ＮＤ−ＮＡの傾きの絶対値を５．０×１０１４個／ｃｍ３・μｍ−１以上とすることにより、ドリフト層１４０と下地ｎ型半導体層１２０との接合界面で伝導帯のエネルギー障壁を小さくしつつ、ドリフト層１４０と第１ｐ型半導体層２２０との接合界面付近における伝導帯の傾きを小さくすることができる。その結果、順バイアスを印加したときのオン抵抗の低減と、逆バイアスを印加したときの耐圧の向上とを両立することが可能となる。一方で、ＮＤ−ＮＡの傾きの絶対値が３．０×１０１６個／ｃｍ３・μｍ−１超であると、ドリフト層１４０中のドナー濃度ＮＤの最大値または最小値を上記した所定の範囲内とすることが困難となる。これに対して、ＮＤ−ＮＡの傾きの絶対値を３．０×１０１６個／ｃｍ３・μｍ−１以下とすることにより、ドリフト層１４０中のドナー濃度ＮＤの最大値または最小値が上記した所定の範囲内とすることができる。
（ドリフト層中のドナーおよび炭素等の各濃度について）
次に、図２（ｂ）を用い、具体的なドリフト層１４０中のドナー濃度ＮＤおよび炭素の全濃度ＮＣなどの分布に関して説明する。図２（ｂ）は、ドリフト層におけるドナーおよび炭素の各濃度を示す図である。図２（ｂ）において、横軸は、図２（ａ）と同様に、ドリフト層１４０の表面側からの位置（深さ）を示している。縦軸は、ドリフト層１４０中のドナーおよび炭素の各濃度を示している。なお、上述のように、ドリフト層１４０中のドナー濃度ＮＤおよび炭素の全濃度ＮＣなどは、例えば、ＳＩＭＳによって測定することができる。
（ドナー濃度）
図２（ｂ）に示すように、ドリフト層１４０中のドナー濃度ＮＤは、例えば、積層方向に向かって直線状に減少している。なお、上述したように、ドリフト層１４０中のドナー濃度ＮＤの最大値および最小値は、１．０×１０１５個／ｃｍ３以上５．０×１０１６個／ｃｍ３以下の範囲内に入っており、ドリフト層１４０中のドナー濃度ＮＤは、ドリフト層１４０の全域に亘って、少なくともドリフト層１４０中の炭素の濃度ＮＣの１／３倍以上となっている。
（炭素濃度）
一方、ドリフト層１４０中のドナー濃度ＮＤが５．０×１０１６個／ｃｍ３以下であり、ドリフト層１４０中のドナー濃度ＮＤがドリフト層１４０の全域に亘ってドリフト層１４０中でアクセプタとして機能する炭素の濃度ＮＡ以上であり、さらに、ドリフト層１４０における濃度差ＮＤ−ＮＡが積層方向に向かって徐々に減少しているという３つの条件が満たされれば、ドリフト層１４０中の炭素の全濃度ＮＣは、積層方向に対して任意の分布とすることができる。
具体的には、例えば、図２（ｂ）の（Ａ）の場合のように、ドリフト層１４０中の炭素の全濃度ＮＣは、積層方向に向かって徐々に増加させてもよい。つまり、ドリフト層１４０中の炭素の全濃度ＮＣを、ドリフト層１４０中のドナー濃度ＮＤに対して反対の方向に変化させてもよい。この場合、ドリフト層１４０と下地ｎ型半導体層１２０との接合界面付近では、ドナーが多く、アクセプタとしての炭素が少なくなる。これにより、当該接合界面付近（ドリフト層１４０の基板１００側）における自由電子が多くなり、ドリフト層１４０と下地ｎ型半導体層１２０との接合界面で伝導帯のエネルギー障壁を小さくすることができる。その結果、順バイアスを印加したときのオン抵抗を低減することができる。一方、ドリフト層１４０と第１ｐ型半導体層２２０との接合界面付近では、ドナーが少なく、アクセプタとしての炭素が多くなる。これにより、当該接合界面付近（ドリフト層１４０の表面側）における自由電子が少なくなり、ドリフト層１４０と第１ｐ型半導体層２２０との接合界面付近における伝導帯の傾きを小さくすることができる。その結果、逆バイアスを印加したときの耐圧を向上させることができる。このように、（Ａ）の場合では、ドナー濃度ＮＤの傾きが小さい場合であっても、ドリフト層１４０における濃度差ＮＤ−ＮＡの傾き、すなわち、自由電子濃度の傾きを大きくすることができる。その結果、順バイアスを印加したときのオン抵抗の低減と、逆バイアスを印加したときの耐圧の向上とを両立し易くすることができる。また、ドリフト層１４０と下地ｎ型半導体層１２０との接合界面側（ドリフト層１４０の基板１００側）の炭素濃度ＮＣを低下させることにより、当該ドリフト層１４０の基板１００側の結晶性を向上させることができ、後述する半導体装置２０における当該ドリフト層１４０の基板１００側での損失を低減させることができる。
または、例えば、図２（ｂ）の（Ｂ）の場合のように、ドリフト層１４０中の炭素の全濃度ＮＣは、積層方向に向かって一定としてもよい。この場合によれば、ドリフト層１４０の成長時に、成長条件としてドナー原料の流量を変化させるだけで、ドリフト層１４０における濃度差ＮＤ−ＮＡを所定の分布とすることができる。つまり、炭素濃度を制御するためにドナー原料の流量以外の成長条件（例えば後述の成長速度等）を調整する必要がなく、成長時の制御を簡略化することができる。
または、例えば、図２（ｂ）の（Ｃ）の場合のように、ドリフト層１４０中の炭素濃度ＮＣは、積層方向に向かって徐々に減少させてもよい。この場合、ドリフト層１４０の表面側では、アクセプタとしての炭素によってドナーが補償される量が減少する。これにより、ドリフト層１４０の表面側に、少ないながらも所定量の自由電子を確保することができる。その結果、ドリフト層１４０の表面側の抵抗が過剰に上昇することを抑制することができる。また、ドリフト層１４０と第１ｐ型半導体層２２０との接合界面側（ドリフト層１４０の表面側）の炭素濃度ＮＣを低下させることにより、当該ドリフト層１４０の表面側の結晶性を向上させることができ、後述する半導体装置２０における当該ドリフト層１４０の表面側での損失を低減させることができる。
ドリフト層１４０中の炭素の全濃度ＮＣの具体的な範囲に関しては、ドリフト層１４０中の炭素の全濃度ＮＣは、例えば、５．０×１０１６個／ｃｍ３以下とする。ドリフト層１４０中の炭素濃度ＮＣが５．０×１０１６個／ｃｍ３超であると、ドリフト層１４０の結晶性が低下し、後述する半導体装置２０の損失が増加する可能性がある。これに対して、ドリフト層１４０中の炭素濃度ＮＣが５．０×１０１６個／ｃｍ３以下であることにより、ドリフト層１４０の結晶性を向上させ、半導体装置２０を低損失化させることができる。なお、ドリフト層１４０中の炭素濃度ＮＣは低ければ低いほど良いため、炭素濃度ＮＣの下限値については特に限定されるものではない。
（水素濃度）
ドリフト層１４０は、ドナーおよび炭素のほかに、水素（Ｈ）も含んでいる。水素は、例えば、ドリフト層１４０の結晶成長時に用いられるＩＩＩ族有機金属原料やドナー原料などに起因して、ドリフト層１４０中に取り込まれる。ドリフト層１４０中の水素濃度は、例えば、５．０×１０１６個／ｃｍ３以下、好ましくは、１．０×１０１６個／ｃｍ３以下とする。ドリフト層１４０中の水素濃度が５．０×１０１６個／ｃｍ３超であると、ドリフト層１４０の結晶性が低下し、後述する半導体装置２０の損失が増加する可能性がある。これに対して、ドリフト層１４０中の水素濃度を５．０×１０１６個／ｃｍ３以下とすることにより、ドリフト層１４０の結晶性を向上させ、半導体装置２０を低損失化させることができる。なお、ドリフト層１４０中の水素濃度は低ければ低いほど良いため、水素濃度の下限値については特に限定されるものではない。
（２）半導体装置
次に、図４を用い、本実施形態に係る半導体装置について説明する。図４は、本実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
図４に示すように、本実施形態に係る半導体装置２０は、上述の窒化物半導体基板１０を用いて製造された縦型ｐｎ接合ダイオードとして構成され、例えば、基板１００と、下地ｎ型半導体層１２０と、ドリフト層１４０と、第１ｐ型半導体層２２０と、第２ｐ型半導体層２４０と、アノード３１０と、絶縁膜４００と、カソード３６０と、を有している。
ドリフト層１４０、第１ｐ型半導体層２２０、および第２ｐ型半導体層２４０は、メサ構造１８０を形成している。メサ構造１８０は、例えば、四角錐台形または円錐台形となっており、平面視でのメサ構造１８０の断面積は、積層方向に向かって徐々に小さくなっている。これにより、メサ構造１８０は、順テーパの側面を有している。このようなメサ構造１８０を形成することにより、後述する第１アノード３２０の端部への電界集中を緩和し、半導体装置２０の耐圧を向上させることができる。
また、上記のようにメサ構造１８０を形成することにより、ドリフト層１４０における濃度差ＮＤ−ＮＡが積層方向に向かって徐々に減少している領域の一部が、メサ構造１８０の一部を構成している。ここで、本実施形態のようなメサ構造１８０では、メサ構造１８０の側面近傍のｐｎ接合界面付近において電界集中が生じ易い。しかしながら、本実施形態では、上記したメサ構造１８０の側面近傍のｐｎ接合界面付近の領域においても、ドリフト層１４０における濃度差ＮＤ−ＮＡが積層方向に向かって徐々に減少している。これにより、当該メサ構造１８０の側面近傍のｐｎ接合界面付近の領域においても、空乏層はｐｎ接合界面からドリフト層１４０側に向けて広がっており、当該領域での電界が緩和されている。その結果、逆バイアスを印加したときに、メサ構造１８０の側面近傍のｐｎ接合界面付近の領域でアバランシェ降伏が生じることを抑制し、半導体装置２０の耐圧を向上させることが可能となる。
アノード（ｐ側電極）３１０のうちの第１アノード（ｐ型コンタクト電極）３２０は、メサ構造１８０の上面、すなわち第２ｐ型半導体層２４０の上に設けられている。第１アノード３２０は、第２ｐ型半導体層２４０とオーミック接触する材料により構成され、例えば、パラジウム（Ｐｄ）、Ｐｄおよびニッケル（Ｎｉ）の合金（Ｐｄ／Ｎｉ）、またはＮｉおよび金の合金（Ｎｉ／Ａｕ）からなっている。
絶縁膜４００は、メサ構造１８０の外側のドリフト層１４０の表面、メサ構造１８０の側面、および第２ｐ型半導体層２４０の表面の一部（メサ構造１８０の上面の周囲）を覆うように設けられている。これにより、絶縁膜４００は、ドリフト層１４０等と後述する第２アノード３４０とを絶縁するとともに、ドリフト層１４０等を保護するよう機能している。なお、絶縁膜４００は、第１アノード３２０と後述する第２アノード３４０とを接触させるための開口を有している。
本実施形態の絶縁膜４００は、例えば、二層構造となっており、第１絶縁膜４２０および第２絶縁膜４４０を有している。第１絶縁膜４２０は、例えば、スピンコート法などの塗布法により形成されるＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）膜からなっている。第２絶縁膜４４０は、例えば、スパッタ等により形成される酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜からなっている。
アノード３１０のうちの第２アノード（ｐ側電極パッド）３４０は、絶縁膜４００の開口内で第１アノード３２０に接するとともに、絶縁膜４００上において第１アノード３２０よりも外側に延在しメサ構造１８０を覆うように設けられている。詳細には、第２アノード３４０は、半導体装置２０を上方から平面視したときに、メサ構造１８０の外側のドリフト層１４０の表面の一部、メサ構造１８０の側面、およびメサ構造１８０の上面と重なるように設けられている。これにより、第１アノード３２０の端部や、メサ構造１８０の側面近傍のｐｎ接合界面付近に電界が集中することを抑制することができる。なお、第２アノード３４０は、例えば、チタン（Ｔｉ）およびアルミニウム（Ａｌ）の合金（Ｔｉ／Ａｌ）からなっている。
カソード３６０は、基板１００の裏面側に設けられている。カソード３６０は、ｎ型ＧａＮからなる基板１００とオーミック接触する材料により構成され、例えば、Ｔｉ／Ａｌからなっている。
（３）窒化物半導体基板の製造方法（半導体装置の製造方法）
次に、図１、図２および図４を用い、本実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法、および半導体装置の製造方法について説明する。
（ステップ１：基板の用意）
図１に示すように、ｎ型の単結晶ＧａＮ基板としての基板１００を用意する。
（ステップ２：下地ｎ型半導体層の形成）
次に、例えば、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）装置を用い、以下の手順により、下地ｎ型半導体層１２０等の窒化物半導体層を基板１００上に形成する。
まず、ＭＯＶＰＥ装置の処理室内に、基板１００を搬入する。そして、ＭＯＶＰＥ装置の処理室内に、水素ガス（または、水素ガスおよび窒素ガスの混合ガス）を供給し、基板１００を所定の成長温度（例えば１０００℃以上１１００℃以下）まで昇温させる。基板１００の温度が所定の成長温度となったら、例えば、ＩＩＩ族有機金属原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）と、Ｖ族原料としてアンモニア（ＮＨ３）ガスとを、基板１００に対して供給する。これと同時に、例えば、ドナー原料としてモノシラン（ＳｉＨ４）ガスを基板１００に対して供給する。これにより、ｎ型の単結晶ＧａＮからなる基板１００上に、ｎ＋型ＧａＮ層としての下地ｎ型半導体層１２０がエピタキシャル成長される。なお、このときの結晶成長は、積層方向に対して同じＧａＮ結晶を成長させるホモエピタキシャル成長であるため、結晶性の良い下地ｎ型半導体層１２０を基板１００上に形成することができる。
（ステップ３：ドリフト層の形成）
次に、下地ｎ型半導体層１２０上に、ｎ−型ＧａＮ層としてのドリフト層１４０をエピタキシャル成長させる。このとき、ドリフト層１４０中のドナー濃度ＮＤが５．０×１０１６個／ｃｍ３以下となり、ドリフト層１４０中のドナー濃度ＮＤがドリフト層１４０の全域に亘ってドリフト層１４０中でアクセプタとして機能する炭素の濃度ＮＡ以上となり、さらに、ドリフト層１４０における濃度差ＮＤ−ＮＡが、積層方向に向かって徐々に減少するように、各種成長条件を調整する。
具体的には、図２（ｂ）に示すように、ドリフト層１４０中のドナー濃度ＮＤが５．０×１０１６個／ｃｍ３以下の範囲内で積層方向に向かって徐々に減少するように、ドナー原料の流量を、ドリフト層１４０を成長させていくにしたがって徐々に減少させる。
また、ＩＩＩ族有機金属原料に起因して取り込まれる炭素の濃度も考慮して、ドリフト層１４０中のドナー濃度ＮＤがドリフト層１４０の全域に亘って少なくとも炭素の全濃度ＮＣの１／３倍以上となるように、ドナー原料の流量と他の成長条件とを相対的に調整する。具体的には、ドリフト層１４０成長時のＴＭＧの流量（成長速度）、Ｖ／ＩＩＩ比（ＩＩＩ族有機金属原料の流量に対するＶ族原料の流量の比率）、成長温度等を調整することにより、炭素の全濃度ＮＣを調整することができる。
なお、上述したように、ドリフト層１４０中のドナー濃度ＮＤが５．０×１０１６個／ｃｍ３以下であり、ドリフト層１４０中のドナー濃度ＮＤがドリフト層１４０の全域に亘ってドリフト層１４０中でアクセプタとして機能する炭素の濃度ＮＡ以上であり、さらに、ドリフト層１４０における濃度差ＮＤ−ＮＡが積層方向に向かって徐々に減少しているという３つの条件が満たされれば、ドリフト層１４０中の炭素の全濃度ＮＣを、積層方向に対して任意の分布とすることができる。
例えば、図２（ｂ）の（Ａ）に示すように、ドリフト層１４０中の炭素の全濃度ＮＣが積層方向に向かって徐々に増加するように、成長条件を調整してもよい。この場合、具体的には、ドリフト層１４０を成長させていくにしたがって、ＴＭＧの流量（ドリフト層１４０の成長速度）を徐々に大きくしていく。または、例えば、ドリフト層１４０を成長させていくにしたがって、Ｖ／ＩＩＩ比を徐々に小さくしていく。または、例えば、ドリフト層１４０を成長させていくにしたがって、成長温度を徐々に低くしていく。このような成長条件により、ドリフト層１４０中の炭素の全濃度ＮＣを積層方向に向かって徐々に増加させることができる。なお、炭素の全濃度ＮＣを微量に変化させる必要があるため、成長圧力の調整を行わないことが好ましい。
または、例えば、図２（ｂ）の（Ｂ）に示すように、ドリフト層１４０中の炭素の全濃度ＮＣが積層方向に向かって一定となるように、ドナー流量以外の成長条件を維持してもよい。この場合、具体的には、ドリフト層１４０を成長させていく際に、ドリフト層１４０の成長速度、Ｖ／ＩＩＩ比、成長温度、および成長圧力を一定に維持する。このような成長条件により、ドリフト層１４０中の炭素の全濃度ＮＣを積層方向に向かって一定とすることができる。
または、例えば、図２（ｂ）の（Ｃ）に示すように、ドリフト層１４０中の炭素の全濃度ＮＣが積層方向に向かって徐々に減少するように、成長条件を調整してもよい。この場合、具体的には、ドリフト層１４０を成長させていくにしたがって、ＴＭＧの流量（ドリフト層１４０の成長速度）を徐々に小さくしていく。または、例えば、ドリフト層１４０を成長させていくにしたがって、Ｖ／ＩＩＩ比を徐々に大きくしていく。または、例えば、ドリフト層１４０を成長させていくにしたがって、成長温度を徐々に高くしていく。このような成長条件により、ドリフト層１４０中の炭素の全濃度ＮＣを積層方向に向かって徐々に減少させることができる。なお、この場合においても、炭素の全濃度ＮＣを微量に変化させる必要があるため、成長圧力の調整を行わないことが好ましい。
（ステップ４：第１ｐ型半導体層の形成）
次に、ドリフト層１４０上に、ｐ型ＧａＮ層としての第１ｐ型半導体層２２０をエピタキシャル成長させる。このとき、ドナー原料に代えて、例えば、アクセプタ原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を基板１００に対して供給する。
（ステップ５：第２ｐ型半導体層の形成）
次に、第１ｐ型半導体層２２０上に、ステップ４と同様の処理手順により、ｐ＋型ＧａＮ層としての第２ｐ型半導体層２４０をエピタキシャル成長させる。
（ステップ６：搬出）
第２ｐ型半導体層２４０の成長が完了したら、ＩＩＩ族有機金属原料の供給と、基板１００の加熱とを停止する。そして、基板１００の温度が５００℃以下となったら、Ｖ族原料の供給を停止する。その後、ＭＯＶＰＥ装置の処理室内の雰囲気をＮ２ガスへ置換して大気圧に復帰させるとともに、処理室内を基板搬出可能な温度にまで低下させた後、成長後の基板１００を処理室内から搬出する。
以上のステップ１〜６により、本実施形態の窒化物半導体基板１０が製造される。その後、当該窒化物半導体基板１０は、半導体装置２０を製造するためのエピウエハとして、半導体装置２０の製造メーカなどに供給される。
（ステップ７：半導体装置の製造）
次に、図４に示すように、例えばＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法により、第２ｐ型半導体層２４０、第１ｐ型半導体層２２０、およびドリフト層１４０の一部をエッチングする。これにより、第２ｐ型半導体層２４０、第１ｐ型半導体層２２０、およびドリフト層１４０にメサ構造１８０を形成する。次に、メサ構造１８０およびドリフト層１４０の表面を覆うように、例えばスパッタ法によりＰｄ／Ｎｉ膜を形成し、所定の形状にパターニングする。これにより、メサ構造１８０の上面、すなわち第２ｐ型半導体層２４０の上に第１アノード３２０を形成する。次に、メサ構造１８０およびドリフト層１４０の表面を覆うように、例えばスピンコート法によりＳＯＧ膜を形成し、その上に例えばスパッタ法によりＳｉＯ２膜を形成し、所定の形状にパターニングする。これにより、メサ構造１８０の外側のドリフト層１４０の表面、メサ構造１８０の側面、および第２ｐ型半導体層２４０の表面の一部（メサ構造１８０の上面の周囲）を覆うように、第１絶縁膜４２０および第２絶縁膜４４０を有する絶縁膜４００を形成する。次に、絶縁膜４００の開口内の第１アノード３２０および絶縁膜４００を覆うように、例えばスパッタ法によりＴｉ／Ａｌ膜を形成し、所定の形状にパターニングする。これにより、絶縁膜４００の開口内で第１アノード３２０に接するとともに、絶縁膜４００上において第１アノード３２０よりも外側に延在しメサ構造１８０を覆うように、第２アノード３４０を形成する。さらに、基板１００の裏面側に例えばスパッタ法によりＴｉ／Ａｌ膜を形成することで、カソード３６０を形成する。
以上のステップ７により、本実施形態の半導体装置２０が製造される。
（４）本実施形態により得られる効果
本実施形態によれば、以下に示す１つまたは複数の効果が得られる。
（ａ）ドリフト層１４０のドナー濃度は、５．０×１０１６個／ｃｍ３以下としつつ、ドリフト層１４０の全域に亘って、ドリフト層１４０中でアクセプタとして機能する炭素の濃度ＮＡ以上としている（ＮＤ≧ＮＡ）。これにより、ドナー濃度が５．０×１０１６個／ｃｍ３以下のように低濃度領域にある状態で、ドリフト層１４０中の炭素の少なくとも一部がドナーを補償していたとしても、ドリフト層１４０の全域に亘って所定量の自由電子を生成させることができる。その結果、ドリフト層１４０をｎ型層として機能させることが可能となる。
（ｂ）ドリフト層１４０中のドナー濃度ＮＤからドリフト層１４０中でアクセプタとして機能する炭素の濃度ＮＡを引いた差ＮＤ−ＮＡは、基板１００側からドリフト層１４０の表面側に向かって徐々に減少している。ドリフト層１４０における濃度差ＮＤ−ＮＡをこのような所定の分布とすることにより、ドリフト層１４０中の炭素の少なくとも一部がドナーを補償していたとしても、所望の自由電子濃度分布を得ることができる。この場合では、例えば、自由電子濃度を基板１００側からドリフト層１４０の表面側に向かって徐々に減少させることが可能となる。
（ｃ）ドリフト層１４０における濃度差ＮＤ−ＮＡが基板１００側からドリフト層１４０の表面側に向かって徐々に減少していることにより、ドリフト層１４０と第１ｐ型半導体層２２０との接合界面付近では、ドリフト層１４０の自由電子濃度が、第１ｐ型半導体層２２０に近づくにつれて徐々に減少している。これにより、ドリフト層１４０と第１ｐ型半導体層２２０との接合界面付近における空乏層は、当該接合界面からドリフト層１４０側に向けて広がり、当該接合界面付近における伝導帯の傾き（電界強度）は緩やかになっている。これにより、逆バイアスを印加したとき、ドリフト層１４０と第１ｐ型半導体層２２０との接合界面付近における伝導帯の傾きが過度に急峻になることを抑制することができる。その結果、ドリフト層１４０と第１ｐ型半導体層２２０との接合界面付近においてアバランシェ降伏が発生することを抑制することができ、耐圧を向上させることができる。
（ｄ）ドリフト層１４０における濃度差ＮＤ−ＮＡが基板１００側からドリフト層１４０の表面側に向かって徐々に減少していることにより、ドリフト層１４０と下地ｎ型半導体層１２０との接合界面付近では、ドリフト層１４０の自由電子濃度が、下地ｎ型半導体層１２０に近づくにつれて徐々に増加している。これにより、ドリフト層１４０の伝導帯と下地ｎ型半導体層１２０の伝導帯とは緩やかに接合され、ドリフト層１４０の伝導帯と下地ｎ型半導体層１２０との間のエネルギー障壁は小さくなっている。その結果、順バイアスを印加したとき、下地ｎ型半導体層１２０からドリフト層１４０に向けて電子を滑らかに移動させることができ、オン抵抗を低減することができる。したがって、本実施形態では、順バイアスを印加したときのオン抵抗の低減と、逆バイアスを印加したときの耐圧の向上とを両立することが可能となる。
（ｅ）ドリフト層１４０において、アクセプタとして機能する炭素の濃度ＮＡは、炭素の全濃度ＮＣの少なくとも１／３倍以上となっていることから、本実施形態のドリフト層１４０中のドナー濃度ＮＤは、ドリフト層１４０の全域に亘ってドリフト層１４０中の炭素の全濃度ＮＣの１／３倍以上としている。これにより、ドリフト層１４０中のドナー量を、アクセプタとしての炭素によって補償される量よりも多くすることができ、ドリフト層１４０中に所定量の自由電子を生成することができる。その結果、ドリフト層１４０をｎ型層として機能させ、ドリフト層１４０の抵抗が過剰に高くなることを抑制することができる。
（ｆ）ドリフト層１４０中の水素濃度は、５．０×１０１６個／ｃｍ３以下とする。これにより、ドリフト層１４０の結晶性を向上させ、半導体装置２０を低損失化させることができる。
＜他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。しかしながら、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
（ａ）上述の実施形態では、ドリフト層１４０における濃度差ＮＤ−ＮＡが基板１００側からドリフト層１４０の表面側に向かって直線状に減少している場合について説明したが、ドリフト層１４０における濃度差ＮＤ−ＮＡが基板１００側からドリフト層１４０の表面側に向かって徐々に減少していれば、以下のような変形例を適用してもよい。
図５（ａ）は変形例１のドリフト層中のドナー濃度ＮＤからドリフト層中でアクセプタとして機能する炭素の濃度ＮＡを引いた差を示す図である。
図５（ａ）の変形例１に示すように、ドリフト層１４０における濃度差ＮＤ−ＮＡが基板１００側からドリフト層１４０の表面側に向かって階段状に減少していてもよい。この場合、ドリフト層１４０は、複数層からなり、隣接する２つの層のうち上側の層のＮＤ−ＮＡが下側の層のＮＤ−ＮＡよりも低くなっていると考えてもよい。変形例１によれば、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、変形例１によれば、ドリフト層１４０を成長させていくにしたがって、成長条件を段階的に切り替えることができ、成長条件の制御を容易にすることが可能となる。ただし、変形例１では、ドリフト層１４０の伝導帯も階段状となるため、ＮＤ−ＮＡの段差部分で伝導帯のエネルギー障壁が生じ、順バイアスを印加したときのオン抵抗が高くなるおそれがある。また、ＮＤ−ＮＡの段差部分で伝導帯の傾斜が急峻となり、逆バイアスを印加したときの耐圧が低下するおそれがある。したがって、上述の実施形態（図２（ａ））のようにドリフト層１４０における濃度差ＮＤ−ＮＡが基板１００側からドリフト層１４０の表面側に向かって直線状に減少しているほうが、ドリフト層１４０の伝導帯の傾斜を滑らか且つ緩やかにすることができ、順バイアスを印加したときのオン抵抗の低減と、逆バイアスを印加したときの耐圧の向上とを両立することができる点で、好ましい。
図５（ｂ）は変形例２のドリフト層中のドナー濃度ＮＤからドリフト層中でアクセプタとして機能する炭素の濃度ＮＡを引いた差を示す図である。
図５（ｂ）の変形例２に示すように、ドリフト層１４０における濃度差ＮＤ−ＮＡが基板１００側からドリフト層１４０の表面側に向かって非線形に減少していてもよい。この場合では、例えば、ＮＤ−ＮＡの傾きが基板１００側からドリフト層１４０の中間位置に向かって徐々に大きくなり、ＮＤ−ＮＡの傾きがドリフト層１４０の中間位置側からドリフト層１４０の表面側に向かって徐々に小さくなっている。なお、ＮＤ−ＮＡの変化は、多次関数、対数関数、指数関数、またはこれらの組合せであってもよい。変形例２によれば、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、参考までに、上述の実施形態では、ドリフト層１４０を成長させていくにしたがって成長条件を線形に変化させていたが、成長条件に対応するようにＮＤ−ＮＡが線形に変化しないことがある。このような場合には、ＮＤ−ＮＡを直線状に変化させることが困難となる。しかしながら、ドリフト層１４０における濃度差ＮＤ−ＮＡが基板１００側からドリフト層１４０の表面側に向かって徐々に減少していれば、変形例２のようにＮＤ−ＮＡの変化が非線形であっても、ドリフト層１４０の自由電子濃度を第１ｐ型半導体層２２０に近づくにつれて徐々に減少させるとともに、ドリフト層１４０の自由電子濃度を下地ｎ型半導体層１２０に近づくにつれて徐々に増加させることができる。これにより、変形例２においても、上述の実施形態と同様に、順バイアスを印加したときのオン抵抗の低減と、逆バイアスを印加したときの耐圧の向上とを両立することが可能となる。
（ｂ）上述の実施形態では、窒化物半導体基板１０がｐｎ接合ダイオードを製造するためのウエハとして構成され、半導体装置２０がｐｎ接合ダイオードとして構成されている場合について説明したが、窒化物半導体基板および半導体装置は、以下のような変形例３を適用してもよい。
図６は、変形例３に係る窒化物半導体基板を示す断面図である。
図６に示すように、変形例３の窒化物半導体基板１２は、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）を製造するためのウエハとして構成され、例えば、基板１０２と、下地ｎ型半導体層１２２と、ドリフト層１４２と、を有し、ｐ型半導体層を有していない。ドリフト層１４２における濃度差ＮＤ−ＮＡは、基板１０２側からドリフト層１４２の表面側に向かって徐々に減少している。
図７は、変形例３に係る半導体装置を示す断面図である。
図７に示すように、変形例３の半導体装置２２は、上述の窒化物半導体基板１２を用いて製造されたＳＢＤとして構成され、例えば、基板１０２と、下地ｎ型半導体層１２２と、ドリフト層１４２と、絶縁膜４０２と、アノード３１２と、カソード３６２と、を有している。変形例３では、上述の実施形態のようなメサ構造は形成されておらず、例えば、絶縁膜４０２は、ドリフト層１４２の平坦な表面上に設けられている。また、絶縁膜４０２は、ドリフト層１４２とアノード３１２とを接触させるための開口を有している。アノード３１２は、いわゆるフィールドプレート電極として構成されている。すなわち、アノード３１２は、絶縁膜４０２の開口内でドリフト層１４２に接するとともに、絶縁膜４０２上において絶縁膜４０２の開口よりも外側に延在している。これにより、アノード３１２とドリフト層１４２との接する領域の端部に電界が集中することを抑制することができる。アノード３１２は、ドリフト層１４０とショットキー障壁を形成するよう構成され、例えば、Ｐｄ、Ｐｄ／Ｎｉ、またはＮｉ／Ａｕからなっている。また、カソード３６２は、基板１０２の裏面側に設けられている。
変形例３によれば、半導体装置２２がＳＢＤであっても、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本変形例の半導体装置２２のようなＳＢＤは、ｐｎ接合ダイオードよりも耐圧が低いことで知られているが、本変形例によれば、ドリフト層１４２における濃度差ＮＤ−ＮＡに上記した勾配を設けることで、ＳＢＤとしての半導体装置２２の耐圧を向上させることが可能となる。
（ｃ）上述の実施形態では、基板１００がｎ型ＧａＮ基板である場合について説明したが、基板は、ｎ型半導体からなっていれば、ＧａＮ以外の半導体基板として構成されていてもよい。具体的には、基板は、例えば、ｎ型ＳｉＣ基板として構成されていてもよい。ただし、基板上の窒化物半導体層の結晶性を向上させるためには、基板はｎ型ＧａＮ基板であることが好ましい。
（ｄ）上述の実施形態では、基板１００とドリフト層１４０との間に下地ｎ型半導体層１２０が介在する場合について説明したが、下地ｎ型半導体層は設けられていなくてもよい。すなわち、基板上にドリフト層が直接設けられていてもよい。
（ｅ）上述の実施形態では、ドリフト層１４０上に第１ｐ型半導体層２２０と第２ｐ型半導体層２４０とが設けられている場合について説明したが、ドリフト層上のｐ型半導体層は１層だけであってもよい。
（ｆ）上述の実施形態では、ＭＯＶＰＥ装置を用い、ドリフト層１４０等の窒化物半導体層を形成する場合について説明したが、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ：Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）装置を用い、ドリフト層１４０等の窒化物半導体層を形成してもよい。ただし、この場合、ドリフト層１４０を形成する際に、炭素原料として炭化水素ガスを基板１００に対して供給し、炭素原料の流量を調整することで、ドリフト層１４０中の炭素の全濃度ＮＣを積層方向に対して所定の分布とすることができる。
＜本発明の好ましい態様＞
以下、本発明の好ましい態様について付記する。
（付記１）
ｎ型の半導体からなる基板と、
前記基板上に設けられ、ドナーおよび炭素を含む窒化ガリウムからなるドリフト層と、を有し、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度は、５．０×１０１６個／ｃｍ３以下であって、前記ドリフト層の全域に亘って、前記ドリフト層中でアクセプタとして機能する前記炭素の濃度以上であり、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に減少している窒化物半導体基板。
（付記２）
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度は、前記ドリフト層の全域に亘って、前記ドリフト層中の前記炭素の全濃度の１／３倍以上である付記１に記載の窒化物半導体基板。
（付記３）
前記ドリフト層は、水素を含み、
前記ドリフト層中の前記水素の濃度は、５．０×１０１６個／ｃｍ３以下である付記１又は２に記載の窒化物半導体基板。
（付記４）
前記基板は、単結晶の窒化ガリウムからなる付記１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体基板。
（付記５）
前記基板の主面における転位密度は、１×１０７個／ｃｍ２以下である付記４に記載の窒化物半導体基板。
（付記６）
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に減少し、
前記ドリフト層中の前記炭素の全濃度は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に増加している付記１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体基板。
（付記７）
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に減少し、
前記ドリフト層中の前記炭素の全濃度は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって一定となっている付記１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体基板。
（付記８）
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に減少し、
前記ドリフト層中の前記炭素の全濃度は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に減少している付記１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体基板。
（付記９）
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって直線状に徐々に減少している付記１〜８のいずれかに記載の窒化物半導体基板。
（付記１０）
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって階段状に徐々に減少している付記１〜８のいずれかに記載の窒化物半導体基板。
（付記１１）
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって非線形に徐々に減少している付記１〜８のいずれかに記載の窒化物半導体基板。
（付記１２）
ｎ型の半導体からなる基板と、
前記基板上に設けられ、ドナーおよび炭素を含む窒化ガリウムからなるドリフト層と、を有し、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度は、５．０×１０１６個／ｃｍ３以下であって、前記ドリフト層の全域に亘って、前記ドリフト層中でアクセプタとして機能する前記炭素の濃度以上であり、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に減少している半導体装置。
（付記１３）
ｎ型の半導体からなる基板上に、ドナーおよび炭素を含む窒化ガリウムからなるドリフト層を形成する工程を有し、
前記ドリフト層を形成する工程では、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度を、５．０×１０１６個／ｃｍ３以下としつつ、前記ドリフト層の全域に亘って、前記ドリフト層中でアクセプタとして機能する前記炭素の濃度以上とし、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差を、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に減少させる窒化物半導体基板の製造方法。
（付記１４）
ｎ型の半導体からなる基板上に、ドナーおよび炭素を含む窒化ガリウムからなるドリフト層を形成する工程を有し、
前記ドリフト層を形成する工程では、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度を、５．０×１０１６個／ｃｍ３以下としつつ、前記ドリフト層の全域に亘って、前記ドリフト層中でアクセプタとして機能する前記炭素の濃度以上とし、
前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差を、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に減少させる半導体装置の製造方法。
１０，１２ 窒化物半導体基板
２０，２２ 半導体装置
１００，１０２ 基板
１４０，１４２ ドリフト層

Claims (12)

  1. ｎ型の半導体からなる基板と、
    前記基板上に設けられ、ドナーおよび炭素を含む窒化ガリウムからなるドリフト層と、
    を有し、
    前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度は、５．０×１０１６個／ｃｍ３以下であって、前記ドリフト層の全域に亘って、前記ドリフト層中でアクセプタとして機能する前記炭素の濃度以上であり、
    前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に減少し、
    前記ドリフト層中の前記炭素の全濃度は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に増加し、
    前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に減少している窒化物半導体基板。
  2. ｎ型の半導体からなる基板と、
    前記基板上に設けられ、ドナーおよび炭素を含む窒化ガリウムからなるドリフト層と、
    を有し、
    前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度は、５．０×１０ １６ 個／ｃｍ ３ 以下であって、前記ドリフト層の全域に亘って、前記ドリフト層中でアクセプタとして機能する前記炭素の濃度以上であり、
    前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に減少し、
    前記ドリフト層中の前記炭素の全濃度は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に減少し、
    前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に減少している窒化物半導体基板。
  3. 前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって単調に減少している
    請求項１又は２に記載の窒化物半導体基板。
  4. 前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって線形に徐々に減少している
    請求項３に記載の窒化物半導体基板。
  5. 前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって階段状に徐々に減少している
    請求項１又は２に記載の窒化物半導体基板。
  6. 前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって非線形に徐々に減少している
    請求項１又は２に記載の窒化物半導体基板。
  7. 前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度は、前記ドリフト層の全域に亘って、前記ドリフト層中の前記炭素の全濃度の１／３倍以上である請求項１〜６のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板。
  8. 前記ドリフト層は、水素を含み、
    前記ドリフト層中の前記水素の濃度は、５．０×１０１６個／ｃｍ３以下である請求項１〜７のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板。
  9. ｎ型の半導体からなる基板と、
    前記基板上に設けられ、ドナーおよび炭素を含む窒化ガリウムからなるドリフト層と、
    を有し、
    前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度は、５．０×１０１６個／ｃｍ３以下であって、
    前記ドリフト層の全域に亘って、前記ドリフト層中でアクセプタとして機能する前記炭素の濃度以上であり、
    前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に減少し、
    前記ドリフト層中の前記炭素の全濃度は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に増加し、
    前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に減少している半導体装置。
  10. ｎ型の半導体からなる基板と、
    前記基板上に設けられ、ドナーおよび炭素を含む窒化ガリウムからなるドリフト層と、
    を有し、
    前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度は、５．０×１０ １６ 個／ｃｍ ３ 以下であって、前記ドリフト層の全域に亘って、前記ドリフト層中でアクセプタとして機能する前記炭素の濃度以上であり、
    前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に減少し、
    前記ドリフト層中の前記炭素の全濃度は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に減少し、
    前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差は、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に減少している半導体装置。
  11. ｎ型の半導体からなる基板上に、ドナーおよび炭素を含む窒化ガリウムからなるドリフト層を形成する工程を有し、
    前記ドリフト層を形成する工程では、
    前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度を、５．０×１０１６個／ｃｍ３以下としつつ、前記ドリフト層の全域に亘って、前記ドリフト層中でアクセプタとして機能する前記炭素の濃度以上とし、
    前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度を、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に減少させ、
    前記ドリフト層中の前記炭素の全濃度を、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に増加させ、
    前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差を、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に減少させる窒化物半導体基板の製造方法。
  12. ｎ型の半導体からなる基板上に、ドナーおよび炭素を含む窒化ガリウムからなるドリフト層を形成する工程を有し、
    前記ドリフト層を形成する工程では、
    前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度を、５．０×１０ １６ 個／ｃｍ ３ 以下としつつ、前記ドリフト層の全域に亘って、前記ドリフト層中でアクセプタとして機能する前記炭素の濃度以上とし、
    前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度を、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に減少させ、
    前記ドリフト層中の前記炭素の全濃度を、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に減少させ、
    前記ドリフト層中の前記ドナーの濃度から前記ドリフト層中で前記アクセプタとして機能する前記炭素の濃度を引いた差を、前記基板側から前記ドリフト層の表面側に向かって徐々に減少させる窒化物半導体基板の製造方法。
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