JP6627138B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
なお、窒化ガリウムもスイッチング素子として期待されているが、ノーマリーオンになりやすい特性があり、スイッチング素子には適しておらず、また、例えば、オフ時にリーク電流が発生しやすい問題や電流コラプスが起きてしまう問題などがあった。また、SiCも、GaNなどに比べ、絶縁破壊特性が悪いなどの問題があり、InAlGaO系半導体を用いた半導体装置が待ち望まれていた。
特許文献4〜6には、コランダム型結晶構造を有する下地基板上に、コランダム型結晶構造を有する半導体層と、コランダム型結晶構造を有する絶縁膜とが積層された多層構造体が記載されている。
なお、特許文献3〜6はいずれも本出願人による特許または特許出願に関する公報である。
なお、「主成分」とは、n型半導体層の場合には、原子比で、n型半導体層の全成分に対し、前記のコランダム構造を有する結晶性酸化物半導体が、好ましくは50%以上、より好ましくは70%以上、更に好ましくは90%以上含まれることを意味し、100%であってもよいことを意味する。また、p型半導体層の場合には、原子比で、p型半導体層の全成分に対し、前記の六方晶を有する無機化合物が、好ましくは50%以上、より好ましくは70%以上、更に好ましくは90%以上含まれることを意味し、100%であってもよいことを意味する。
前記デラフォサイトとしては、例えば、A、B、A’およびB’をそれぞれ任意の元素記号としたとき、ABO2(Aは、Cu、Pd、Ag、PtまたはHgであり、Bは、Al、Fe、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Er、Tm、Yb、Lu、B、Ga、Cr、InまたはTl、またはCoもしくはRhにTi、Zr、Hf、Si、Ge、SnもしくはPbを添加したものである。)などが挙げられるが、中でもA’B’O2(A’は、CuまたはAgであり、B’は、Al、Ga、In、Sc、YまたはLaである。)が好ましい。
前記酸化ロジウムとしては、例えば、α−Rh2O3またはZnRh2O4などが挙げられる。
前記オキシカルコゲナイドとしては、例えば、LaCuOCh(Chとしては、例えばS、SeまたはTe等)などが挙げられる。
なお、その他好ましい金属酸化物としては、例えば、SrCu2O2、PbCu2O2、SnO、Cu2O、ZnO、NiOまたはAg2Oなどが挙げられる。
異常粒抑制剤は、成膜過程で副生する粒子の発生を抑制する効果を有するものをいい、結晶性酸化物半導体膜の表面粗さを0.1μm以下とすることができれば特に限定されないが、本発明においては、BrおよびIから選択される少なくとも1種からなる異常粒抑制剤であるのが好ましい。安定的に膜形成をするために異常粒抑制剤として、BrやIを膜中に導入すると異常粒成長による表面粗さの悪化を抑制することができる。また、本発明においては、異常粒抑制剤として、Brを用いることが最も好ましく、Brを使用することにより、特にα−Ga2O3を主成分として含む結晶性酸化物半導体膜の表面を非常に平滑にすることができる。異常粒抑制剤の添加量は、異常粒を抑制できれば特に限定されないが、原料溶液中、体積比で50%以下であることが好ましく、30%以下であることがより好ましく、10〜20%の範囲内であることが最も好ましい。このような好ましい範囲で異常粒抑制剤を使用することにより、異常粒抑制剤として機能させることができるので、結晶性酸化物半導体膜の異常粒の成長を抑制して表面を平滑にすることができる。
本発明においては、下地基板上に形成した結晶性酸化物半導体膜を、そのまま又は所望により、下地基板と結晶性酸化物半導体膜とを剥離してn型半導体層として用いることができる。
また、本発明においては、p型半導体層上に、n型半導体層を形成するのが好ましく、六方晶の結晶構造を有する無機化合物からなる基板上に、コランダム構造を有する結晶性酸化物半導体膜を結晶成長させて、n型半導体層をp型半導体層に積層するのがより好ましい。
図3のHEMTでは、ゲート電極下に良好な空乏層が形成されるので、ドレイン電極からソース電極に流れる電流を効率よく制御することができる。また、本発明においては、さらにリセス構造とすることで、ノーマリーオフを発現することができる。
図6のJFETのオン状態では、前記ソース電極145bと前記ドレイン電極145cとの間に電圧を印可し、前記ゲート電極145aに前記ソース電極145bに対して正の電圧を与えると、前記n−型半導体層141a内にチャネル層が形成され、電子が前記n−型半導体層に注入され、ターンオンする。オフ状態は、前記ゲート電極の電圧を0Vにすることにより、チャネル層ができなくなり、n−型半導体層が空乏層で満たされた状態になり、ターンオフとなる。
この原料微粒子が、キャリアガスによって成膜室27内に導入され、成膜室27内で反応して、基板20の成膜面でのCVD反応によって基板20上に膜を形成する。
なお、α−Ga2O3膜は、n型半導体層としてはあまり知られておらず、α−Ga2O3膜をn型半導体層として用いるために、あらかじめドーピング濃度を制御できるようにしておく。まず、臭化ガリウムと酸化ゲルマニウムをガリウムに対するゲルマニウムの原子比が1E−7、1E−6、8E−5、4E−4、2E−3、1E−2、2E−1、8E−1となるようにそれぞれ原料溶液を調整する。この際、48%臭化水素酸溶液を体積比で10%を含有させる。上記実施例と同様の成膜条件で成膜を行い、SIMSを用いて、入射イオン種は酸素、出力3kV、200nAで不純物濃度の定量分析を行う。分析結果を図11に示す。図11に示すように、液中ドーパント含有割合と、結晶膜中のドーピング量とが相関関係を有している。このようにして、液中ドーパント含有割合を調整することによって、形成される膜中のドーピング濃度を制御する。
基板としてc面サファイア基板を用い、上記と同様にして、α−Ga2O3を成膜した。ついで、α−Ga2O3膜が成膜されたサファイア基板を用いたこと、原料溶液として、ロジウム(III)アセチルアセトナートのメタノール−水混合溶液(メタノール:水=95:5)(ロジウムアセチルアセトナートの濃度0.05mol/L)を用いたこと、および成膜温度を400℃としたこと以外は、上記と同様にして、α−Ga2O3上に、α−Rh2O3膜を成膜した。得られた積層体につき、XRDパターンを測定した。その結果を図13に示す。図13から、準安定相であるコランダム構造を有するα−Ga2O3膜上に、六方晶の結晶構造を有するα−Rh2O3膜が形成されていることが分かる。得られた積層体につき、両側にチタン電極をつけて、ダイオードを作製した。
市販のSiC基板を用いたこと、成膜温度を300℃としたこと、および成膜時間を30秒間行ったこと以外は、実施例1と同様にして、六方晶の結晶構造を有するSiC基板上にα−Ga2O3を成膜した。得られた膜につき、XRDパターンを測定した。その結果を図12に示す。図12から、六方晶の結晶構造を有する基板上に、準安定相であるコランダム構造を有するα−Ga2O3膜を成膜できたことが分かる。
ついで、得られた膜と基板につき、SiC側の表面にインジウム電極を、α―Ga2O3側の表面にタングステン電極をつけて、SBDを作製した。
20 基板
21 サセプタ
22 キャリアガス源
23 流量調節弁
24 ミスト発生源
24a 原料溶液
25 容器
25a 水
26 超音波振動子
27 供給管
28 ヒーター
101a n−型半導体層
101b n+型半導体層
102 p型半導体層
104 絶縁体層
105a ショットキー電極
105b オーミック電極
121a バンドギャップの広いn型半導体層
121b バンドギャップの狭いn型半導体層
121c n+型半導体層
122 p型半導体層
125a ゲート電極
125b ソース電極
125c ドレイン電極
129 基板
131a n−型半導体層
131b 第1のn+型半導体層
131c 第2のn+型半導体層
132 p型半導体層
134 ゲート絶縁膜
135a ゲート電極
135b ソース電極
135c ドレイン電極
139 基板
141a n−型半導体層
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142 p型半導体層
145a ゲート電極
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151 n型半導体層
151a n−型半導体層
151b n+型半導体層
152 p型半導体層
154 ゲート絶縁膜
155a ゲート電極
155b エミッタ電極
155c コレクタ電極
161 n型半導体層
162 p型半導体層
163 発光層
165a 第1の電極
165b 第2の電極
167 透光性電極
169 基板
Claims (10)
- 少なくとも、n型半導体層、p型半導体層および電極を備えている半導体装置であって、n型半導体層が、コランダム構造を有する結晶性酸化物半導体膜からなり、p型半導体層が、銅(Cu)、ロジウム(Rh)、スズ(Sn)、ニッケル(Ni)、銀(Ag)、アンチモン(Sb)、バナジウム(V)およびチタン(Ti)から選ばれる1種または2種以上の金属を含有する金属酸化物を主成分として含み、n型半導体層上に、直接または他の層を介して、p型半導体層が積層されていることを特徴とする半導体装置。
- n型半導体層上に、直接または他の層を介して、p型半導体層が積層されてなる半導体層の表裏両面側にそれぞれ電極を有している請求項1記載の半導体装置。
- 結晶性酸化物半導体膜が、n型ドーパントを含む請求項1または2に記載の半導体装置。
- 結晶性酸化物半導体膜中のn型ドーパント濃度が、1×1016/cm3〜1×1022/cm3である請求項3記載の半導体装置。
- 結晶性酸化物半導体膜が、インジウム、アルミニウムおよびガリウムから選ばれる1種または2種以上の元素を含有する請求項1〜4のいずれかに記載の半導体装置。
- n型半導体層に含まれる金属元素中のガリウムの原子比が0.5以上である請求項1〜5のいずれかに記載の半導体装置。
- p型半導体層が、n型半導体層とは異なる組成である請求項1〜6のいずれかに記載の半導体装置。
- 金属酸化物が、デラフォサイト、酸化ロジウムまたはオキシカルコゲナイドである請求項1〜7のいずれかに記載の半導体装置。
- パワーデバイスである請求項1〜8のいずれかに記載の半導体装置。
- ショットキーバリアダイオード(SBD)、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)、高電子移動度トランジスタ(HEMT)、接合電界効果トランジスタ(JFET)、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)または発光ダイオード(LED)である請求項1〜9のいずれかに記載の半導体装置。
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