JPWO2005029587A1 - 窒化物系半導体素子 - Google Patents
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Abstract
Description
上述の問題は、発光ダイオ−ド以外のシリコン基板の厚み方向に電流を流す別の半導体素子例えばトランジスタ等においても生じる。
化学式 AlaInbGa1−a−bN,
ここで、a及びbは 0≦a<1、
0≦b<1を満足する数値、
で示される材料にn型不純物が添加されたものであることが望ましい。
前記n型窒化物半導体領域を、Al(アルミニウム)を第1の割合で含む窒化物半導体から成る複数の第1の層と、Alを含まない又は前記第1の割合よりも小さい第2の割合で含む窒化物半導体から成る複数の第2の層とから成り、前記第1の層と前記第2の層とが交互に積層されている多層構造のバッファ領域とすることができる。
前記多層構造バッファ領域の前記第2の層は、化学式AlaMbGa1−a−bN、ここで、前記MはIn(インジウム)とB(ボロン)とから選択された少なくとも1種の元素、前記a及びbは、0≦a<1、0≦b≦1、a+b≦1、a<xを満足させる数値、で示される材料から成ることが望ましい。
また、従来のn型シリコン基板をp型シリコン基板に変更するという簡単な方法で駆動電圧の低減を達成できる。従って、コストの上昇を伴わないで、駆動電圧の低減を図ることができる。
[図2]図2は図1の発光ダイオード及び従来の発光ダイオードの順方向電圧と電流の関係を示す特性図である。
[図3]図3は図1の発光ダイオードの駆動電圧の低減効果を従来の発光ダイオードと比較して示すエネルギバンド図である。
[図4]図4は本発明の実施例2に従う発光ダイオードを概略的に示す断面図である。
[図5]図5は本発明の実施例3に従う発光ダイオードを概略的に示す断面図である。
[図6]図6は本発明の実施例4に従う発光ダイオードを概略的に示す断面図である。
[図7]図7は本発明の実施例5に従う発光ダイオードを概略的に示す断面図である。
[図8]図8は本発明の実施例6に従うトランジスタを概略的に示す断面図である。
[図9]図9は本発明の実施例7に従う電界効果トランジスタを概略的に示す断面図である。
3 n型バッファ領域
4,4a、4b 主半導体領域
5,6 第1及び第2の電極
11 介在層
化学式 AlaInbGa1−a−bN、
ここでa及びbは0≦a<1、
0≦b<1、
a+b<1を満足する数値、
で示されるn型窒化物半導体にn型不純物(ドナー不純物)を添加したものであることが望ましい。即ち、バッファ領域3は、AlInGaN(窒化ガリウム インジウム アルミニウム)、GaN(窒化ガリウム)、AlInN(窒化インジウム、アルミニウム)、AlGaN(窒化ガリウム アルミニウム)から選択された材料から成ることが望ましく、窒化ガリウム インジウム アルミニウム(AlInGaN)から成ることがより望ましい。前記化学式におけるaは0.1〜0.7、bは0.0001〜0.5であることがより望ましい。この実施例1のバッファ領域3の組成はAl0.5In0.01Ga0.49Nである。
AlxInyGa1−x−yN
ここでx及びyは0≦x<1、0≦y<1を満足する数値である。
この実施例のn型窒化物半導体層13は上記化学式におけるx=0、y=0に相当するn型GaNから成り、厚さ約2μmを有する。このn型窒化物半導体層13は、発光ダイオ−ドのnクラッド層と呼ぶこともできるものであり、活性層14よりも大きいバンドギャップを有する。
ここでx及びyは0≦x<1、0≦y<1を満足する数値である。
この実施例では活性層14が窒化ガリウム インジウム(InGaN)で形成されている。なお、図1では活性層14が1つの層で概略的に示されているが、実際には周知の多重量子井戸構造を有している。勿論、活性層14を1つの層で構成することもできる。また、この実施例では活性層14に導電型決定不純物がドーピングされていないが、p型又はn型不純物をドーピングすることができる。
AlxInyGa1−x−yN
ここでx及びyは0≦x<1、0≦y<1を満足する数値である。
この実施例では、p型窒化物半導体層15が厚さ500nmのp型GaNで形成されている。このp型窒化物半導体層15はpクラッド層と呼ぶこともできるものであり、活性層14よりも大きいバンドギャップを有する。
主半導体領域4を構成するn型窒化物半導体層13、活性層14及びp型窒化物半導体層15は、バッファ領域3を介してシリコン基板1の上に形成されているので、その結晶性は比較的良好である。
まず、ミラ−指数で示す結晶の面方位において(111)面とされた主面を有するp型シリコン基板1を用意する。
次に、シリコン基板1に対してHF系のエッチング液によって周知の水素終端処理を施す。
また、従来のn型シリコン基板をp型シリコン基板1に変更するという簡単な方法で発光ダイオ−ドの駆動電圧の低減を達成できる。従って、発光ダイオ−ドのコストの上昇を伴わないで、駆動電圧の低減を図ることができる。
AlxMyGa1−x−yN
ここで、前記Mは、In(インジウム)とB(ボロン)とから選択された少なくとも1種の元素、前記x及びyは、0<x≦1、0≦y<1、x+y≦1を満足する数値である。
上記第1の層21は量子力学的トンネル効果を得ることが可能な厚み、例えば1〜10nmを有していることが望ましい。なお、この実施例では第1の層21はn型AlNから成り、n型不純物としてSi(シリコン)を含んでいる。しかし、第1の層21はn型不純物を含まない非ドープの窒化物半導体であってもよい。
AlaMbGa1−a−bN
ここで、前記MはIn(インジウム)とB(ボロン)とから選択された少なくとも1種の元素、前記a及びbは、0≦a<1、0≦b≦1、a+b≦1、a<xを満足させる数値である。
第2の層22はn型不純物としてのシリコン(Si)を含むことが望ましい。また、この第2の層22はn型バッファ領域3と同一の窒化物半導体で形成することが望ましく、この実施例ではn型GaNから成る。なお、第2の層22の厚みは第1の層21よいも厚く且つ量子力学的なトンネル効果が発生しない厚みである10μm以上であることが望ましい。しかし、第2の層22を量子力学的なトンネル効果が得られる厚さとすること、又は第1の層21と同一の厚さとすることもできる。
なお、図4においてバッファ領域3を省き、多層構造のバッファ領域20をp型シリコン基板1に直接に接触させることもできる。即ち、図1、及び図6〜図9のバッファ領域3の代わりに図4の多層構造のバッファ領域20を設けることができる。図4の多層構造のバッファ領域20をp型シリコン基板1に直接に接触させる場合には、第1及び第2の層21,22の両方にn型不純物を添加することが望ましい
AlxInyGa1−x−yN
ここで、x及びyは0<x≦1、0≦y<1、0<x+y≦1を満足する数値である。この実施例3では、介在層11にn型不純物が含まれていない。しかし、介在層11にn型不純物を含めることもできる。
この実施例4においても、p型シリコン基板1に基づく効果が実施例1同様に得られる。
なお、図6の変形された第1の電極5aの構成を図4及び図5に示す実施例2及び3の発光ダイオードにも適用できる。
AlxInyGa1−x−yN
ここで、x及びyは 0≦x<1、0≦y<1を満足する数値である。
図7の実施例5のn型補助窒化物半導体層53は上記化学式におけるx=0、y=0に相当するn型GaNから成る。
(1)図6及び図7の発光ダイオードのバッファ領域3、図8のトランジスタのバッファ領域3、及び図9の電界効果トランジスタのバッファ領域3を、図4のバッファ領域3a又は図5のバッファ領域3bに置き換えることができる。
(2)図8及び図9のバッファ領域3をコレクタ領域又はドレイン領域として兼用することができる。
(3)図4、図6、図7図8、及び図9において、バッファ領域3とp型シリコン基板1との間に図5と同様なAlN等からなる量子力学的トンネル効果を有する介在層11を配置することができる。即ち、図4、図6、図7図8、及び図9において、鎖線11’とp型シリコン基板1との間をAlN等からなる量子力学的トンネル効果を有する介在層とすることができる。
(4)各実施例のバッファ領域3,3a、3bに更に別の半導体層を付加することができる。
(5)各実施形態では、バッファ領域3,3a、3bにInが含まれているが、Inを含まない層とすることができる。
(6)本発明を、pn接合を有する整流ダイオードやショットキバリア電極を有するショットキバリアダイオードに適用することができる。また、基板1の厚さ方向に電流が流れる全ての半導体素子に本発明を適用することができる。
Claims (14)
- 導電性を有しているp型シリコン基板と、
前記p型シリコン基板の一方の主面上に形成されたn型窒化物半導体領域と、
前記n型窒化物半導体領域の上に配置された半導体素子の主要部を形成するための主半導体領域と、
前記主半導体領域に接続された第1の電極と、
前記p型シリコン基板の他方の主面に接続された第2の電極と
を備えていることを特徴とする窒化物系半導体素子。 - 前記n型窒化物半導体領域は、該n型窒化物半導体領域から前記p型シリコン基板に向う電流通路を形成することが可能な状態に前記p型シリコン基板に接触していることを特徴とする請求項1記載の窒化物系半導体素子。
- 前記n型窒化物半導体領域は
化学式 AlaInbGa1−a−bN,
ここで、a及びbは 0≦a<1、
0≦b<1
を満足する数値、
で示される材料にn型不純物が添加されたものであることを特徴とする請求項1記載の窒化物系半導体素子。 - 更に、前記n型窒化物半導体領域と前記p型シリコン基板との間に配置され且つ量子力学的トンネル効果を得ることが可能な厚みを有し且つ前記n型窒化物半導体領域よりも大きい抵抗率を有する材料で形成されている介在層を備えていることを特徴とする請求項1記載の室化物系半導体素子。
- 前記介在層の材料は、アルミニウムを含む窒化物半導体であることを特徴とする請求項4記載の窒化物系半導体素子。
- 前記n型窒化物半導体領域は
化学式 AlaInbGa1−a−bN,
ここで、a及びbは 0≦a<1、
0≦b<1、
を満足する数値、
で示される材料にn型不純物が添加されたものであり、且つ
前記介在層は、
化学式 AlxInyGa1−x−yN,
ここで、x及びyは 0<x≦1、
0≦y<1、
0<x+y≦1、
a<x
を満足する数値、
で示される材料から成ることを特徴とする請求項5記載の窒化物系半導体素子。 - 更に、前記n型窒化物半導体領域と前記主半導体領域との間に配置された多層構造のバッファ領域を有し、前記多層構造のバッファ領域が、Al(アルミニウム)を第1の割合で含む窒化物半導体から成る複数の第1の層と、Alを含まない又は前記第1の割合よりも小さい第2の割合で含む窒化物半導体から成る複数の第2の層とから成り、前記第1の層と前記第2の層とが交互に積層されていることを特徴とする請求項1記載の窒化物系半導体素子。
- 前記n型窒化物半導体領域は、Al(アルミニウム)を第1の割合で含む窒化物半導体から成る複数の第1の層と、Alを含まない又は前記第1の割合よりも小さい第2の割合で含む窒化物半導体から成る複数の第2の層とから成り、前記第1の層と前記第2の層とが交互に積層されている多層構造のバッファ領域であることを特徴とする請求項1記載の窒化物系半導体素子。
- 前記第1の層は
化学式 AlxMyGa1−x−yN
ここで、前記Mは、In(インジウム)とB(ボロン)とから選択された少なくとも1種の元素、
前記x及びyは、0<x≦1、
0≦y<1、
x+y≦1
を満足する数値、
で示される材料から成り且つ量子力学的トンネル効果を得ることが可能な厚みを有しており、
前記第2の層は、
化学式 AlaMbGa1−a−bN
ここで、前記MはIn(インジウム)とB(ボロン)とから選択された少なくとも1種の元素、
前記a及びbは、0≦a<1、
0≦b≦1、
a+b≦1、
a<x
を満足させる数値、
で示される材料から成ることを特徴とする請求項7又は8記載の窒化物系半導体素子。 - 前記主半導体領域は発光ダイオ−ドを形成するための領域であって、少なくとも活性層とこの活性層の上に配置されたp型窒化物半導体層とを有しており、前記第1の電極は前記p型窒化物半導体層に電気的に接続されたアノード電極であり、前記第2の電極はカソード電極であることを特徴とする請求項1記載の窒化物系半導体素子。
- 前記第1の電極は前記p型窒化物半導体層に電気的に接続された光透過性を有する導電膜と、前記導電膜の表面の一部の上に形成された接続用金属層とから成ることを特徴とする請求項10記載の窒化物系半導体素子。
- 前記主半導体領域は、更に、前記p型窒化物半導体層の上に配置されたn型窒化物半導体層を有し、
前記導電膜は前記n型窒化物半導体層に接続されていることを特徴とする請求項11記載の窒化物系半導体素子。 - 前記主半導体領域はトランジスタを構成するための領域であって、少なくともp型ベ−ス領域とn型エミッタ領域とを有し、前記第1の電極は前記n型エミッタ領域に電気的に接続されたエミッタ電極であり、前記第2の電極はコレクタ電極であり、更に、前記p型ベ−ス領域に電気的に接続されたベ−ス電極を有していることを特徴とする請求項1記載の窒化物系半導体素子。
- 前記主半導体領域は絶縁ゲ−ト型電界効果トランジスタを構成するための領域であって、少なくともp型ボデイ領域と該p型ボデイ領域に隣接配置されたn型ソ−ス領域とを有し、前記第1の電極は前記n型ソ−ス領域に電気的に接続されたソ−ス電極であり、前記第2の電極はドレイン電極であり、更に、ゲート電極を有していることを特徴とする請求項1記載の窒化物系半導体素子。
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