JP7389472B2

JP7389472B2 - 半導体デバイスの製造方法及び半導体デバイス

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Publication number: JP7389472B2
Application number: JP2020014220A
Authority: JP
Inventors: 剣波梁; 直輝重川
Original assignee: University Public Corporation Osaka
Current assignee: University Public Corporation Osaka
Priority date: 2019-07-04
Filing date: 2020-01-30
Publication date: 2023-11-30
Anticipated expiration: 2040-01-30
Also published as: JP2021013007A

Description

本発明は、半導体デバイスの製造方法及び半導体デバイスに関する。

一般的に、室温で高い電子濃度を有するn型ダイヤモンド半導体と、高い正孔濃度を有する窒化物半導体（ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ等）又は酸化ガリウム半導体（Ｇａ₂Ｏ₃）との接合が困難であることは知られている。つまり、ダイヤモンドの結晶構造と窒化物半導体、又は酸化ガリウム半導体との結晶構造は互いに異なっているため、ｐ型ダイヤモンド半導体/ｎ型窒化物半導体、又はｐ型ダイヤモンド半導体／ｎ型酸化ガリウム半導体のヘテロ接合が結晶成長によって作製することが非常に困難である。

非特許文献１には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）により構成された窒化物半導体（０００１）面の原子配列と類似するダイヤモンド（１１１）面を利用し、ダイヤモンド上に単結晶窒化アルミニウムを結晶成長させることが提案されている。これにより、ｎ型窒化アルミニウムとｐ型ダイヤモンドとのヘテロ接合を形成することができる。また、非特許文献２には、ダイヤモンド上に生成された窒化アルミニウム層をバッファ層とし、この窒化アルミニウム層上に、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）を備えるパワーデバイスを作製することが提案されている。

Kazuyuki Hirama, Yoshitaka Taniyasu, Makoto Kasu, "Electroluminescence and capacitance-voltage characteristics of single-crystal n-type AlN (0001)/p-type diamond (111) heterojunction diodes", Appl. Phys. Lett. 98, 011908 (2011) Kazuyuki Hirama, Yoshitaka Taniyasu, Makoto Kasu, "AlGaN/GaN high-electron mobility transistors with low thermal resistance grown on single-crystal diamond (111) substrates by metalorganic vapor-phase epitaxy", Appl. Phys. Lett. 98, 162112 (2011)

本件発明者らは、上記のような半導体デバイスには、次のような問題点があることを見出した。結晶成長によりダイヤモンド上に直接ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、Ｇａ₂Ｏ₃半導体層を成膜することは困難である。そこで、窒化アルミニウム層をバッファ層として用いて、窒化物半導体を備えるパワーデバイスをダイヤモンド上に形成することが考えられる。しかしながら、この場合、ダイヤモンド等に比べて窒化アルミニウム層の熱伝導率が低いため、パワーデバイスの放熱特性が、この窒化アルミニウム層により制限されてしまう。

本発明は、一側面では、このような実情を鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な構成により放熱性能を向上させた半導体デバイス及びその製造方法を提供することである。

本発明は、上述した課題を解決するために、以下の構成を採用する。

すなわち、本発明の一側面に係る半導体デバイスの製造方法は、互いに対向する第１面及び第２面を有するガリウム系半導体を用意するステップと、互いに対向する第１面及び第２面を有するダイヤモンド基板を用意するステップと、前記ガリウム系半導体の第２面及び前記ダイヤモンド基板の第１面を表面活性化接合法により接合するステップと、を備える。

当該製造方法では、表面活性化接合法によって、ガリウム系半導体の第２面とダイヤモンド基板の第１面とが直接的に接合される。ガリウム系半導体及びダイヤモンド基板は半導体素子を構成してもよい。或いは、ガリウム系半導体の第１面側には半導体素子が形成されてよい。したがって、当該構成によれば、窒化アルミニウム層等の熱障壁になり得る中間層を設けることなく、ガリウム系半導体とダイヤモンド基板とを接合することができる。そのため、簡易な構成により放熱性能を向上させた半導体デバイスを得ることができる。

なお、ガリウム系半導体は、ガリウムを含む半導体である。例えば、ガリウム系半導体は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、又は酸化ガリウム（Ｇａ₂Ｏ₃）により構成されてよい。これにより、ガリウム系半導体及びダイヤモンド半導体からなるヘテロ構造を有する高周波数（１０ｋＨｚ以上）、高耐圧（１００Ｖ以上）、高耐熱（動作温度がセ氏３０度以上）
、及び高出力（０．１Ｗ以上）のパワーデバイスを実現することができる。ガリウム系半導体であるＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、又はＧａＮは、シリコン、サファイア、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、又は窒化ガリウム（ＧａＮ）基板上で結晶成長を実施することで生成されてよい。シリコン基板は、シリコンにより形成された基板である。この基板のシリコンには、チョクラルスキー法(Czochralski法)、フローティングゾーン法（Floating Zone法）等により作製されたシリコン等が用いられてよい。ガリウム系半導体であるＧａ₂Ｏ₃は、Ｇａ₂Ｏ₃基板そのもの又はＧａ₂Ｏ₃基板上で結晶成長とイオン注入を実施することで生成されてよい。

ダイヤモンド基板は、ダイヤモンドにより形成された基板である。この基板のダイヤモンドには、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド等が用いられてよい。単結晶ダイヤモンドは、高温高圧合成法及びマイクロ波プラズマ化学気相法により作製されてよい。また、多結晶ダイヤモンドは、熱フィラメント、マイクロ波プラズマ、プラズマ化学気相法等により成長させてよい。また、表面活性化接合法は、接合する２つの対象物それぞれの表面に、ビーム（例えば、アルゴンビーム）又はプラズマを照射して、各表面を洗浄化及び活性化した後、圧力を付与して表面同士を接合する接合方法である。

上記一側面に係る半導体デバイスの製造方法は、前記ガリウム系半導体の第１面及び前記ダイヤモンド基板の第２面それぞれに電極を形成するステップを更に備えてもよい。前記ガリウム系半導体は、ｎ型にドーピングされており、前記ダイヤモンド基板は、ｐ型にドーピングされていてもよい。ｐ型ダイヤモンド基板は、高温高圧法により作製されてよい、あるいはダイヤモンド基板上で結晶成長を実施することで生成されてもよい。当該構成によれば、半導体デバイスとして、ｐ型ダイヤモンド基板及びｎ型ガリウム系半導体により構成されたｐｎ接合を含む半導体素子を作製することができる。この半導体素子により、高出力、高耐熱、低損失、遠紫外線ＬＥＤ（light emitting diode）又はミリ波帯パワーデバイスの実現を期待することができる。

上記一側面に係る半導体デバイスの製造方法は、表面活性化接合法により、前記ダイヤモンド基板の第２面にヒートシンクを接合するステップを更に備えてもよい。当該製造方法では、表面活性化接合法により、ダイヤモンド基板の第２面にヒートシンクが直接的に接合される。したがって、当該製造方法によれば、熱障壁になり得る中間層を設けることなく、ダイヤモンド基板とヒートシンクとを接合することができるため、放熱性能を更に向上させた半導体デバイスを得ることができる。なお、前記ヒートシンクは、アルミニウム又は銅により形成されてよい。これにより、ヒートシンクを安価に製造することができるため、半導体デバイスの製造コストを抑えることができる。

上記一側面に係る半導体デバイスの製造方法において、前記ガリウム系半導体を用意するステップは、シリコン、サファイア、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、又は窒化ガリウム（ＧａＮ）により構成された基板を用意するステップ、及び用意された前記基板上に前記ガリウム系半導体を結晶成長により生成するステップ、を備えてもよい。更に、上記一側面に係る半導体デバイスの製造方法は、前記ガリウム系半導体の第２面及び前記ダイヤモンド基板の第１面を接合した後に、前記基板を除去するステップを更に備えてもよい。当該製造方法によれば、放熱性能を向上させた半導体デバイスを適切に製造することができる。

上記一側面に係る半導体デバイスの製造方法において、前記ダイヤモンド基板は、単結晶ダイヤモンドにより形成されていてもよい。単結晶ダイヤモンドは、比較的に高い熱伝導率を有している。そのため、当該製造方法によれば、放熱性能を適切に向上させた半導体デバイスを得ることができる。

また、本発明の一側面に係る半導体デバイスは、互いに対向する第１面及び第２面を有するダイヤモンド基板と、互いに対向する第１面及び第２面を有するガリウム系半導体であって、当該ガリウム系半導体の第２面が前記ダイヤモンド基板の第１面に直接的に接合した、ガリウム系半導体と、を備える。当該構成では、窒化アルミニウム層等の熱障壁になり得る中間層を設けることなく、ガリウム系半導体及びダイヤモンド基板が直接的に接合されている。そのため、簡易な構成により放熱性能を向上させた半導体デバイスを提供することができる。

上記一側面に係る半導体デバイスは、前記ガリウム系半導体の第１面上に形成された第１電極と、前記ダイヤモンド基板の第２面上に形成された第２電極と、を更に備えてもよい。前記ガリウム系半導体は、ｎ型にドーピングされていてもよい。前記ダイヤモンド基板は、ｐ型にドーピングされていてもよい。ｐ型ダイヤモンド基板は、高温高圧法により作製されてよい、或いはダイヤモンド基板上で結晶成長を実施することで生成されていてもよい。当該構成によれば、半導体デバイスとして、ｐ型ダイヤモンド基板及びｎ型ガリウム系半導体により構成されたｐｎ接合を含む半導体素子を提供することができる。

上記一側面に係る半導体デバイスは、前記ダイヤモンド基板の第２面に直接的に接合したヒートシンクを更に備えてもよい。当該構成によれば、放熱性能を更に向上させた半導体デバイスを提供することができる。なお、前記ヒートシンクは、アルミニウム又は銅により形成されてよい。

上記一側面に係る半導体デバイスにおいて、前記ダイヤモンド基板は、単結晶ダイヤモンドにより形成されていてもよい。当該構成によれば、放熱性能を適切に向上させた半導体デバイスを提供することができる。

本発明によれば、簡易な構成により放熱性能を向上させた半導体デバイス及びその製造方法を提供することができる。

図１は、実施の形態に係る半導体デバイスの構成の一例を模式的に示す。図２は、実施の形態に係る半導体デバイスの製造方法の一例を示すフローチャートである。図３は、実施の形態に係る半導体デバイスの製造過程の一状態を模式的に例示する。図４は、実施の形態に係る半導体デバイスの製造過程の一状態を模式的に例示する。図５は、実施の形態に係る半導体デバイスの製造過程の一状態を模式的に例示する。図６は、実施の形態に係る半導体デバイスの製造過程の一状態を模式的に例示する。図７は、実施の形態に係る半導体デバイスの製造過程の一状態を模式的に例示する。図８は、実施の形態に係る半導体デバイスの製造過程の一状態を模式的に例示する。図９は、他の形態に係る半導体デバイスの製造方法の一例を示すフローチャートである。図１０Ａは、他の形態に係る半導体デバイスの構成の一例を模式的に示す。図１０Ｂは、他の形態に係る半導体デバイスの製造方法の一例を示すフローチャートである。図１１Ａは、表面活性化接合法によりガリウム系半導体（窒化ガリウム）とダイヤモンド基板とを接合することで得られた構造体の接合界面の断面を観察することで得られたＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）像（５００，０００倍）を示す。図１１Ｂは、表面活性化接合法によりガリウム系半導体（窒化ガリウム）とダイヤモンド基板とを接合することで得られた構造体の接合界面の断面を観察することで得られたＴＥＭ像（３，０００，０００倍）を示す。図１１Ｃは、表面活性化接合法によりガリウム系半導体（窒化ガリウム）とダイヤモンド基板とを接合することで得られた構造体の接合界面の断面を観察することで得られたＴＥＭ像（１２，０００，０００倍）を示す。図１２は、表面活性化接合法によりガリウム系半導体（酸化ガリウム）とダイヤモンド基板とを接合することで得られた構造体の接合界面の断面を観察することで得られたＴＥＭ像（５００，０００倍）を示す。図１３Ａは、表面活性化接合法によりダイヤモンド基板とヒートシンク（銅）とを接合することで得られた構造体（熱処理前）の接合界面の断面を観測することで得られたＴＥＭ像（１２０万倍）を示す。図１３Ｂは、表面活性化接合法によりダイヤモンド基板とヒートシンク（銅）とを接合することで得られた構造体（セ氏５００度で熱処理後）の接合界面の断面を観測することで得られたＴＥＭ像（１２０万倍）を示す。図１３Ｃは、表面活性化接合法によりダイヤモンド基板とヒートシンク（銅）とを接合することで得られた構造体（セ氏７００度で熱処理後）の接合界面の断面を観測することで得られたＴＥＭ像（１２０万倍）を示す。図１４は、時間領域サーモリフレクタンス法により、モリブデン／銅／ダイヤモンド試料のサーモリフレクタンス信号の測定結果を示す。

以下、本発明の一側面に係る実施の形態（以下、「本実施形態」とも表記する）を、図面に基づいて説明する。ただし、以下で説明する本実施形態は、あらゆる点において本発明の例示に過ぎない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。つまり、本発明の実施にあたって、実施形態に応じた具体的構成が適宜採用されてもよい。なお、以下の説明では、説明の便宜のため、図面内の向きを基準として説明を行う。

§１構成例
図１を用いて、本実施形態に係る半導体デバイス１の構成の一例を説明する。図１は、本実施形態に係る半導体デバイス１の構成の一例を模式的に示す。本実施形態に係る半導体デバイス１は、上側から順に、第１電極３０、ガリウム系半導体２０、ダイヤモンド基板１０、及び第２電極３５を備える。

ダイヤモンド基板１０は、ダイヤモンドにより形成された基板である。このダイヤモンド基板１０の材料には、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド等が用いられてよい。単結晶ダイヤモンドは、高温高圧合成法及びマイクロ波プラズマ化学気相法により作製されてよい。また、多結晶ダイヤモンドは、熱フィラメント、マイクロ波プラズマ、プラズマ化学気相法等により作製されてよい。単結晶ダイヤモンドは固体物質中最も高い熱伝導率を有しているため、放熱性能を高める観点からは、ダイヤモンド基板１０は、単結晶ダイヤモンドにより形成されているのが好ましい。

ダイヤモンド基板１０は、互いに対向する第１面１１及び第２面１２を有する。本実施形態では、ダイヤモンド基板１０は、ｐ型にドーピングされている。ダイヤモンド基板１０にドーピングされる不純物は、例えば、ホウ素（Ｂ）、水素（Ｈ）等であってよい。なお、ダイヤモンド基板１０の寸法及び形状は、特に限定されなくてもよく、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。

ガリウム系半導体２０は、ガリウムを含む半導体である。このガリウム系半導体２０の材料は、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。例えば、ガリウム系半導体２０は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、又は酸化ガリウム（Ｇａ₂Ｏ₃）により構成されてよい。

ガリウム系半導体２０は、互いに対向する第１面２１及び第２面２２を有する。ガリウム系半導体２０の第２面２２は、ダイヤモンド基板１０の第１面１１に直接的に接合している。本実施形態では、ガリウム系半導体２０は、ｎ型にドーピングされている。ガリウム系半導体２０にドーピングされる不純物は、例えば、珪素（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、錫（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）等であってよい。なお、ガリウム系半導体２０の寸法及び形状は、特に限定されなくてもよく、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。

第１電極３０は、ガリウム系半導体２０の第１面２１上に形成されている。第２電極３５は、ダイヤモンド基板１０の第２面１２上に形成されている。各電極（３０、３５）の材料は、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。例えば、第１電極３０には、チタン（Ｔｉ）/金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）/アルミニウム（Ａｌ）/金（Ａｕ）又はニッケル（Ｎｉ）/金（Ａｕ）が用いられてよい。第２電極３５には、チタン（Ｔｉ）/金（Ａｕ）又は金（Ａｕ）が用いられてよい。また、各電極（３０、３５）の寸法及び形状は、特に限定されなくてもよく、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。

§２製造方法
次に、図２～図８を用いて、本実施形態に係る半導体デバイス１の製造方法の一例を説明する。図２は、本実施形態に係る半導体デバイス１の製造方法の一例を示すフローチャートである。図３～図８は、本実施形態に係る半導体デバイス１の製造過程の一状態を模式的に例示する。

なお、以下で説明する製造方法は、本発明の「半導体デバイスの製造方法」の一例である。ただし、以下で説明する方法は一例に過ぎず、各ステップは可能な限り変更されてもよい。また、以下で説明する方法について、実施の形態に応じて、適宜、ステップの省略、置換、及び追加が行われてもよい。

（ステップＳ１０１及びＳ１０２）
まず、第１面２１及び第２面２２を有するガリウム系半導体２０を用意する。本実施形態では、ガリウム系半導体２０を用意するステップは、ステップＳ１０１及びステップＳ１０２を備える。

図３に示されるとおり、ステップＳ１０１では、シリコン（Ｓｉ）基板４０を用意する。シリコン基板４０は、シリコンにより形成された基板である。このシリコン基板４０の材料には、チョクラルスキー法、フローティングゾーン法等により作製されたシリコン等が用いられてよい。

ステップＳ１０２では、シリコン基板４０上にガリウム系半導体２０を結晶成長により生成する。結晶成長の方法は、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。結晶成長により生成されるガリウム系半導体２０は、例えば、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）層である。図４に示されるとおり、この結晶成長の過程において、ガリウム系半導体２０を生成する前に、緩衝層４１を生成してもよい。ガリウム系半導体２０が窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）層により構成される場合、緩衝層４１は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層であってよい。

本実施形態では、結晶成長により生成されるガリウム系半導体２０の成長面（結晶表面）が第２面２２として取り扱われる。一方、反対側の面、図４の例では、緩衝層４１との接合面が、第１面２１として取り扱われる。ガリウム系半導体２０の用意が完了すると、次のステップＳ１０３に作業を進める。

（ステップＳ１０３）
ステップＳ１０３では、第１面１１及び第２面を有するダイヤモンド基板１０を用意する。なお、ステップＳ１０３を実行する順序は、この例に限定されなくてもよい。ステップＳ１０３は、上記ステップＳ１０１又はステップＳ１０２の前に実行されてもよい。或いは、ステップＳ１０３は、上記ステップＳ１０１又はステップＳ１０２と同時に実行されてもよい。ダイヤモンド基板１０の用意が完了すると、次のステップＳ１０４に作業を進める。

（ステップＳ１０４）
図５に示されるとおり、ステップＳ１０４では、ガリウム系半導体２０の第２面２２及びダイヤモンド基板１０の第１面１１を表面活性化接合法により接合する。表面活性化接合法は、接合する２つの対象物それぞれの表面に、ビーム（例えば、アルゴンビーム）又はプラズマを照射して、各表面を洗浄化及び活性化した後、圧力を付与して表面同士を接合する接合方法である。この表面活性化接合法には、公知の接合装置が用いられてよい。

例えば、前処理として、ダイヤモンド基板１０の第１面１１及びガリウム系半導体２０の第２面２２を研磨し、平面平坦性（Ｒａ）を０．５ｎｍ以下にする。次に、研磨したダイヤモンド基板１０の第１面１１及びガリウム系半導体２０の第２面２２それぞれを有機薬品、酸性薬品、及びアルカリ性薬品の順で洗浄することでそれぞれの汚染物質を除去し、清浄な表面にする。そして、真空雰囲気中において、ダイヤモンド基板１０の第１面１１及びガリウム系半導体２０の第２面２２それぞれにアルゴン（Ａｒ）中性ビームを照射する。その後、室温～４００度の雰囲気中において、１．０×１０²ＭＰａ～２．０×１０⁵ＭＰａの圧力でそれぞれを接合するように加圧する。

これにより、ダイヤモンド基板１０の第１面１１とガリウム系半導体２０の第２面２２とを接合することができる。本実施形態では、図６に示されるとおり、ダイヤモンド基板１０、ガリウム系半導体２０、緩衝層４１、及びシリコン基板４０を備える構造体を形成することができる。このダイヤモンド基板１０の第１面１１とガリウム系半導体２０の第２面２２とを表面活性化接合法により接合することができるという知見は、後述する実施例から得ることができた。表面活性化接合法による接合が完了すると、次のステップＳ１０５に作業を進める。

（ステップＳ１０５）
ガリウム系半導体２０の第２面２２及びダイヤモンド基板１０の第１面１１を接合した後、ステップＳ１０５では、シリコン基板４０を除去する。上記図４の例のように、緩衝層４１を生成した場合には、緩衝層４１を更に除去する。

シリコン基板４０及び緩衝層４１を除去する方法は、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。例えば、機械研磨及びウェットエッチングにより、シリコン基板４０を除去することができる。これにより、図７に示されるとおり、ダイヤモンド基板１０、ガリウム系半導体２０、及び緩衝層４１を備える構造体を得ることができる。次に、例えば、ドライエッチングにより、緩衝層４１を除去することができる。これにより、図８に示されるとおり、互いに直接的に接合されたダイヤモンド基板１０及びガリウム系半導体２０を備える構造体を適切に得ることができる。シリコン基板４０及び緩衝層４１の除去が完了すると、次のステップＳ１０６に作業を進める。

（ステップＳ１０６）
ステップＳ１０６では、ガリウム系半導体２０の第１面２１及びダイヤモンド基板１０の第２面１２それぞれに各電極（３０、３５）を形成する。各電極（３０、３５）を形成する方法は、各電極（３０、３５）の材料に応じて適宜選択されてよい。例えば、ガリウム系半導体２０の第１面２１にニッケル（Ｎｉ）及び金（Ａｕ）を蒸着することで、第１電極３０を形成することができる。また、ダイヤモンド基板１０の第２面１２に金（Ａｕ）を蒸着することで、第２電極３５を形成することができる。

なお、ダイヤモンド基板１０及びガリウム系半導体２０はそれぞれ、任意のタイミングでドーピングされてよい。例えば、ダイヤモンド基板１０は、ステップＳ１０３による用意の過程でドーピングされてよい。同様に、ガリウム系半導体２０は、ステップＳ１０１及びＳ１０２による用意の過程でドーピングされてよい。或いは、また、ダイヤモンド基板１０及びガリウム系半導体２０の少なくとも一方は、ステップＳ１０４の接合の後にドーピングされてよい。

各電極（３０、３５）の形成が完了すると、本実施形態に係る半導体デバイス１の製造作業は終了する。これにより、図１に示されるとおり、ｐ型のダイヤモンド基板１０及びｎ型のガリウム系半導体２０により構成されたｐｎ接合を含む半導体素子として機能する半導体デバイス１を作製することができる。この半導体デバイス１により、遠紫外線ＬＥＤ（light emitting diode）又はミリ波帯トランジスタの実現を期待することができる。

［特徴］
以上のように、本実施形態に係る製造方法では、上記ステップＳ１０４において、表面活性化接合法によって、ガリウム系半導体２０の第２面２２及びダイヤモンド基板１０の第１面１１を接合する。これにより、窒化アルミニウム層等の熱障壁になり得る中間層を設けることなく、ダイヤモンド基板１０及びガリウム系半導体２０を接合することができる。そのため、簡易な構成により放熱性能を向上させた半導体デバイス１を得ることができる。

§３変形例
以上、本発明の一実施形態について説明したが、前述までの説明はあらゆる点において本発明の例示に過ぎない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。例えば、以下のような変更が可能である。なお、以下では、上記実施形態と同様の構成要素に関しては同様の符号を用い、上記実施形態と同様の点については、適宜説明を省略した。以下の変形例は適宜組み合わせ可能である。

＜３．１＞
上記実施形態では、ガリウム系半導体２０を用意するステップは、ステップＳ１０１及びステップＳ１０２を備えている。しかしながら、ガリウム系半導体２０を用意するステップは、このような例に限定されなくてもよく、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。例えば、シリコン基板４０は、サファイア、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、又は窒化ガリウム（ＧａＮ）基板に置き換えられてよい。また、例えば、ステップＳ１０１及びステップＳ１０２は省略され、適宜生成されたガリウム系半導体２０を取得してもよい。例えば、ガリウム半導体２０として酸化ガリウム半導体を用いる場合には、以下のとおり、製造工程を変更することができる。

図９は、ガリウム半導体２０として酸化ガリウム半導体を用いる場合の半導体デバイス１の製造方法の一例を示すフローチャートである。ステップＳ１１１では、酸化ガリウム基板（Ｇａ₂Ｏ₃）を用意する。つまり、シリコン基板が不要であり、酸化ガリウムを直接的に基板として用いることができる。酸化ガリウム基板は、融液成長法であるedge-defined film-fed growth (EFG)法等によって作製されてもよい。ステップＳ１１２及びステップＳ１１３は、上記ステップＳ１０３及びステップＳ１０４と同様である。ステップＳ１１２では、ダイヤモンド基板を用意する。ステップＳ１１３では、酸化ガリウム基板の第２面（ガリウム系半導体２０の第２面に相当する面）及びダイヤモンド基板１０の第１面１１を表面活性化接合法により接合する。ステップＳ１１４では、酸化ガリウム基板を薄膜化する。薄膜化は、エッチング処理等により１０μｍ以下にすることが好ましい。また、酸化ガリウム基板は、ｎ型の不純物（例えば、錫（Ｓｎ）、珪素（Ｓｉ））がドーピングされてよい。更に、酸化ガリウム基板の第１面をさらに高濃度にｎ型の不純物を結晶成長又はイオン注入により形成してもよい。

＜３．２＞
上記実施形態では、ｐ型のダイヤモンド基板１０及びｎ型のガリウム系半導体２０を備える半導体デバイス１が作製される。しかしながら、半導体デバイス１の構成は、このような例に限定されなくてもよく、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。例えば、ダイヤモンド基板１０は、ドーピングされずに用いられてもよい。

図１０Ａは、本変形例に係る半導体デバイス１Ａの構成の一例を模式的に示す。本変形例に係る半導体デバイス１Ａは、上から順に、ガリウム系半導体２０Ａ、ダイヤモンド基板１０Ａ、及びヒートシンク５０を備える。更に、本変形例に係る半導体デバイス１Ａは、ガリウム系半導体２０Ａ上に形成された第１電極３０Ａ、及びダイヤモンド基板１０Ａ上に形成された第２電極３５Ａを備えている。

ダイヤモンド基板１０Ａは、第１面１１Ａ及び第２面１２Ａを備える。本変形例では、ダイヤモンド基板１０Ａは、ｐ型にもｎ型にもドーピングされていない。また、ダイヤモンド基板１０Ａは、ガリウム系半導体２０Ａよりも面積が広く形成されており、第１面１１Ａの一部が露出している。この第１面１１Ａの露出している部分に第２電極３５Ａが形成されている。この点を除き、ダイヤモンド基板１０Ａは、上記実施形態に係るダイヤモンド基板１０と同様に構成されてよい。

ガリウム系半導体２０Ａは、第１面２１Ａ及び第２面２２Ａを有する。上記実施形態と同様に、ガリウム系半導体２０Ａの第１面２１Ａには、第１電極３０Ａが形成され、第２面２２Ａは、ダイヤモンド基板１０Ａの第１面１１Ａに直接的に接合している。ガリウム系半導体２０Ａは、上記ガリウム系半導体２０と同様に構成されてよい。ガリウム系半導体２０Ａは、ｎ型にドーピングされてよい。さらに、ガリウム系半導体２０Ａの第１面２１Ａを更に高濃度にｎ型の不純物を結晶成長又はイオン注入により形成してもよい。

本変形例では、ガリウム系半導体２０Ａの第１面２１Ａに、半導体素子（不図示）が形成されてよい。半導体素子の構成は、特に限定されなくてよく、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。半導体素子の一例として、第１面２１Ａに適宜電極を形成することで、ショットキー接触によるダイオードを形成することができる。ダイヤモンド基板１０Ａ上には、ガリウム系半導体２０Ａを用いて、高出力（０．１Ｗ以上）、高耐圧（１００Ｖ以
上）、高耐熱（動作温度がセ氏３０度以上）、短波長（２００～６００ｎｍ）、高周波数（１０ｋＨｚ以上）、及び高集積化（１０００以上の素子を内蔵）のパワー素子が形成されてよい。

ヒートシンク５０は、ダイヤモンド基板１０Ａの第２面１２Ａに直接的に接合している。ヒートシンク５０の寸法、形状、及び材料は、放熱又は吸熱が可能であれば、実施の形態に応じて適宜決定されてよい。ヒートシンク５０は、アルミニウム又は銅により形成されてよい。これにより、ヒートシンク５０を安価に製造することができるため、半導体デバイス１Ａの製造コストを抑えることができる。

［製造方法］
次に、図１０Ｂを用いて、本変形例に係る半導体デバイス１Ａの製造方法の一例を説明する。図１０Ｂは、本変形例に係る半導体デバイス１Ａの製造方法の一例を示すフローチャートである。なお、以下で説明する製造方法は、本発明の「半導体デバイスの製造方法」の一例である。ただし、以下で説明する方法は一例に過ぎず、各ステップは可能な限り変更されてもよい。また、以下で説明する方法について、実施の形態に応じて、適宜、ステップの省略、置換、及び追加が行われてもよい。

ステップＳ２０１～ステップＳ２０５は、上記実施形態に係るステップＳ１０１～ステップＳ１０５と同様である。ステップＳ２０１～ステップＳ２０５を実行した結果、互いに直接的に接合されたダイヤモンド基板１０Ａ及びガリウム系半導体２０Ａを備える構造体を得ることができる。

（ステップＳ２０６）
ステップＳ２０６では、ガリウム系半導体２０Ａの第１面２１Ａに半導体素子を形成する。半導体素子の形成には、結晶成長、エッチング、蒸着等の公知の半導体製造プロセスが適用されてよい。また、この半導体製造プロセスには、公知の製造装置が用いられてよい。半導体素子を形成すると、次のステップＳ２０７に作業を進める。

（ステップＳ２０７）
ステップＳ２０７では、表面活性化接合法により、ダイヤモンド基板１０Ａの第２面１２Ａにヒートシンク５０を接合する。接合前に、ダイヤモンド基板１０Ａの第２面１２及びヒートシンク５０の接合面を研磨し、平面平坦性（Ｒａ）を１ｎｍ以下にする。次に、研磨したダイヤモンド基板１０Ａの第２面１２及びヒートシンク５０の接合面それぞれを有機薬品、酸性薬品、及びアルカリ性薬品の順で洗浄することでそれぞれの汚染物質を除去し、清浄な表面にする。そして、真空雰囲気中において、ダイヤモンド基板１０Ａの第２面１２及びヒートシンク５０の接合面それぞれにアルゴン（Ａｒ）中性ビームを照射する。その後、室温の雰囲気中において、１．０×１０²ＭＰａ～２．０×１０⁵ＭＰａの圧力でそれぞれを接合するように加圧する。ヒートシンク５０の接合が完了した後、ヒートシンク５０及びダイヤモンド基板１０Ａの接合界面に対して熱処理を行ってもよい。熱処理の温度は、例えば、セ氏３０度～７００度であってよく、熱処理の時間は、例えば、１分～１００時間であってよい。

ヒートシンク５０の接合が完了すると、本変形例に係る半導体デバイス１Ａの製造作業は終了する。これにより、図１０Ａに示されるとおり、ダイヤモンド基板１０Ａにヒートシンク５０が直接的に接合された半導体デバイス１Ａを作製することができる。本変形例に係る半導体デバイス１Ａでは、ダイヤモンド基板１０Ａ及びヒートシンク５０が放熱の役割を果たす。ダイヤモンド基板１０Ａ及びヒートシンク５０の間には、熱障壁になり得る中間層が設けられていない。そのため、放熱性能に優れた半導体デバイス１Ａを得ることができる。

なお、本変形例において、ヒートシンク５０は省略されてもよい。この場合、ステップＳ２０７は省略されてよい。また、ヒートシンク５０は、表面活性化接合法以外の方法でダイヤモンド基板１０Ａに接合されてもよい。例えば、ダイヤモンド基板１０Ａの第２面１２Ａに、はんだ、ロウ、金属膜等により形成された中間層を形成してもよい。そして、この中間層を介して、ヒートシンク５０をダイヤモンド基板１０Ａの第２面１２Ａに接合してもよい。

§４実施例
以下、本発明の実施例について説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定される訳ではない。

窒化ガリウム（ＧａＮ）により構成されたガリウム系半導体及びダイヤモンド基板を用意し、接合装置内において、表面活性化接合法により、ガリウム系半導体及びダイヤモンド基板を接合することで、実施例１に係る半導体デバイスを得た。同様に、酸化ガリウム（Ｇａ₂Ｏ₃）により構成されたガリウム系半導体及びダイヤモンド基板を用意し、接合装置内において、表面活性化接合法により、ガリウム系半導体及びダイヤモンド基板を接合することで、実施例２に係る半導体デバイスを得た。各実施例（１、２）の作製条件は、以下のとおりである。

＜実施例１の製造条件＞
・ガリウム系半導体：窒化ガリウム（ＧａＮ）(１０ｍｍ×１０ｍｍ×０.５ｍｍ)
・ダイヤモンド基板：単結晶ダイヤモンド(４ｍｍ×４ｍｍ×０.５ｍｍ)
・接合装置：ムサシノエンジニアリング株式会社製常温接合装置
・前処理：接合面研磨、接合面化学薬品洗浄、接合面アルゴン照射
・接合条件：真空１．０×１０^-6Ｐａ以下、常温～セ氏４００度、圧力１．０×１０²ＭＰａ以上

＜実施例２の製造条件＞
・ガリウム系半導体：酸化ガリウム（Ｇａ₂Ｏ₃）(１０ｍｍ×１０ｍｍ×０.５ｍｍ)
・ダイヤモンド基板：単結晶ダイヤモンド(４ｍｍ×４ｍｍ×０.５ｍｍ)
・接合装置：ムサシノエンジニアリング株式会社製常温接合装置
・前処理：接合面研磨、接合面化学薬品洗浄、接合面アルゴン照射
・接合条件：真空１．０×１０^-6Ｐａ以下、常温～セ氏４００度、圧力１．０×１０²ＭＰａ以上

以上により作製した各実施例のガリウム系半導体とダイヤモンド基板との接合界面の断面を電子顕微鏡（日本電子社製、型番：JEM-2200FS）により観察し、ＴＥＭ像を撮影した。図１１Ａは、実施例１の断面を観察することで得られたＴＥＭ像（５００，０００倍）を示す。図１１Ｂは、実施例１の断面を観察することで得られたＴＥＭ像（３，０００，０００倍）を示す。図１１Ｃは、実施例１の断面を観察することで得られたＴＥＭ像（１２，０００，０００倍）を示す。また、図１２は、実施例２の断面を観察することで得られたＴＥＭ像（５００，０００倍）を示す。図１１Ａ～図１１Ｃ及び図１２に示されるとおり、それぞれの接合界面には中間層は形成されておらず、かつそれぞれの接合界面は比較的に安定的であった。そのため、上記条件の表面活性化接合法により、ガリウム系半導体及びダイヤモンド基板を安定的に接合することができることが分かった。

［参考例］
銅により構成されたヒートシンク及びダイヤモンド基板を用意し、表面活性化接合法により、ヒートシンク及びダイヤモンド基板を接合することで、参考例１に係る試料を得た。参考例１の作製条件は、以下のとおりである。

＜参考例１の製造条件＞
・ヒートシンク：銅（２０ｍｍ×２０ｍｍ×２ｍｍ）
・ダイヤモンド基板：単結晶ダイヤモンド（５ｍｍ×５ｍｍ×０．５ｍｍ）
・接合装置：ムサシノエンジニアリング株式会社製常温接合装置
・前処理：接合面化学薬品洗浄、接合面アルゴン照射
・接合条件：真空１．０×１０^-6Ｐａ以下、常温～セ氏４００度、圧力１．０×１０²ＭＰａ以上

以上により作製した参考例１に係る試料の接合界面の断面を熱処理前に電子顕微鏡（日本電子社製、型番：JEM-2200FS）により観察し、ＴＥＭ像を撮影した。また、参考例１に係る試料に対してセ氏５００度の熱処理を５分間行い、電子顕微鏡により観察し、ＴＥＭ像を撮影した。ＴＥＭ像の撮影後、更に、参考例１に係る試料に対してセ氏７００度の熱処理を５分間行い、電子顕微鏡により観察し、ＴＥＭ像を撮影した。

図１３Ａは、試料の接合界面の断面を熱処理前に観察することで得られたＴＥＭ像（１２０万倍）を示す。図１３Ｂは、試料の接合界面の断面をセ氏５００度で熱処理後に観察することで得られたＴＥＭ像（１２０万倍）を示す。図１３Ｃは、試料の接合界面の断面をセ氏７００度で熱処理後に観察することで得られたＴＥＭ像（１２０万倍）を示す。図１３Ａに示されるとおり、熱処理前では、接合界面の厚さ方向に２つの層を含み、上部の矢印で示した層には、銅の結晶欠陥層が、下部の矢印で示した層には、接合界面に厚み約５ｎｍのダイヤモンドの結晶欠陥層が観察された。しかしながら、図１３Ｂ及び図１３Ｃに示されるとおり、熱処理の温度を上げることで、この結晶欠陥層の厚みを減少させることができることが分かった。図１３Ｂに示されるとおり、接合界面の厚さ方向に矢印で示した層が、厚み約２ｎｍのダイヤモンドの結晶欠陥層である。また、図１３Ｃに示されるとおり、セ氏７００度の熱処理により、結晶欠陥層の厚みをさらに減少させることができ、ダイヤモンド及び銅を含む混合層を形成できることが分かった。すなわち、表面活性化接合法により、ヒートシンクをダイヤモンド基板に接合した後、熱処理を行うことで、ヒートシンクの放熱性及び吸熱性の向上を図ることができることが分かった。

次に、モリブデン及び銅により構成されたヒートシンク及びダイヤモンド基板を用意し、表面活性化接合法により、ヒートシンクの銅の部分及びダイヤモンド基板を接合することで、参考例２に係る試料を得た。参考例２の製造条件は、以下のとおりである。

＜参考例２の製造条件＞
・ヒートシンク：モリブデン及び銅（２０ｍｍ×２０ｍｍ×２ｍｍ）
・ダイヤモンド基板：単結晶ダイヤモンド及び多結晶ダイヤモンド（１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍ）
・接合装置：ムサシノエンジニアリング株式会社製常温接合装置
・前処理：接合面化学薬品洗浄、接合面アルゴン照射
・接合条件：真空１．０×１０^-6Ｐａ以下、常温～セ氏４００度、圧力１．０×１０²ＭＰａ以上

図１４は、パルスレーザーを用いて、時間領域サーモリフレクタンス法により、以上により作製した参考例２に係る試料のサーモリフレクタンス信号を測定した結果を示す。この結果、銅及びダイヤモンドの接合界面の熱抵抗値は、１．６×１０^-8（ｍ²Ｋ／Ｗ）であることが分かった。この結果から、表面活性化接合法により、ヒートシンク及びダイヤモンド基板の間の熱抵抗値を抑えることができ、これにより、ヒートシンクの放熱性及び吸熱性の向上を図ることができることが分かった。なお、同一構造の熱抵抗値をフォノンミスマッチモデルにより算出したところ、熱抵抗値の算出結果は、１．１３×１０^-8（ｍ²Ｋ／Ｗ）であった。そのため、この測定結果は、理論による算出結果とほぼ一致した。

１…半導体デバイス、
１０…ダイヤモンド基板、１１…第１面、１２…第２面、
２０…ガリウム系半導体、２１…第１面、２２…第２面、
３０…第１電極、３５…第２電極、
４０…シリコン基板、４１…緩衝層、
１Ａ…半導体デバイス、５０…ヒートシンク

Claims

互いに対向する第１面及び第２面を有するガリウム系半導体を用意するステップと、
互いに対向する第１面及び第２面を有するダイヤモンド基板を用意するステップと、
前記ガリウム系半導体の第２面及び前記ダイヤモンド基板の第１面を表面活性化接合法により接合するステップと、
表面活性化接合法により、前記ダイヤモンド基板の第２面にヒートシンクを接合するステップと、
熱処理により、前記ヒートシンクと前記ダイヤモンド基板の第２面との間にダイヤモンドとヒートシンクの材料とを含む混合層を形成するステップと、
を備える、
半導体デバイスの製造方法。
前記ヒートシンクは、アルミニウム又は銅により形成されている、
請求項１に記載の半導体デバイスの製造方法。
前記ガリウム系半導体は、窒化アルミニウムガリウム、窒化ガリウム、又は酸化ガリウムにより構成される、
請求項１または２に記載の半導体デバイスの製造方法。
前記ガリウム系半導体を用意するステップは、
シリコン、サファイア、炭化ケイ素、又は窒化ガリウムにより構成された基板を用意するステップ、及び
用意された前記基板上に前記ガリウム系半導体を結晶成長により生成するステップ、
を備え、
前記半導体デバイスの製造方法は、前記ガリウム系半導体の第２面及び前記ダイヤモンド基板の第１面を接合した後に、前記基板を除去するステップを更に備える、
請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体デバイスの製造方法。
前記ダイヤモンド基板は、単結晶ダイヤモンドにより形成されている、
請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体デバイスの製造方法。
互いに対向する第１面及び第２面を有するダイヤモンド基板と、
互いに対向する第１面及び第２面を有するガリウム系半導体であって、当該ガリウム系半導体の第２面が前記ダイヤモンド基板の第１面に直接的に接合した、ガリウム系半導体と、
前記ダイヤモンド基板の第２面に直接的に接合したヒートシンクと、
を備え、
前記ヒートシンクと前記ダイヤモンド基板の第２面との間にダイヤモンドとヒートシンクの材料とを含む混合層が形成されている、
半導体デバイス。
前記ガリウム系半導体は、窒化アルミニウムガリウム、窒化ガリウム、又は酸化ガリウムにより構成される、
請求項６に記載の半導体デバイス。
前記ダイヤモンド基板は、単結晶ダイヤモンドにより形成されている、
請求項６または７に記載の半導体デバイス。