(57)【要約】【課題】耐圧を向上できる構造を有するIII族窒化物半導体素子を提供する。【解決手段】ショットキダイオード１１は、III族窒化物支持基体１３と、窒化ガリウム領域１５と、ショットキ電極１７とを備える。III族窒化物支持基体１３は、導電性を有している。ショットキ電極１７は、窒化ガリウム領域１５にショットキ接合を成す。この窒化ガリウム領域１５は、III族窒化物支持基体１３の主面１３ａ上に設けられている。窒化ガリウム領域１５は、１００ｓｅｃ以下の（１０−１２）面ＸＲＤ半値全幅を有する。【選択図】図１
2006310408.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ショットキ接合を有するIII族窒化物半導体素子であって、
導電性を有するIII族窒化物支持基体と、
前記III族窒化物支持基体の主面上に設けられており１００ｓｅｃ以下の（１０−１２）面ＸＲＤ半値全幅を有する窒化ガリウム領域と、
前記窒化ガリウム領域にショットキ接合を成すショットキ電極と
を備えることを特徴とするIII族窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記III族窒化物支持基体は、導電性を有する窒化ガリウムからなる、ことを特徴とする請求項１に記載されたIII族窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記ショットキ接合を流れる電流は、前記ショットキ電極と前記III族窒化物支持基体の裏面との間に５ボルトの逆バイアスを印加したとき、１×１０−７Ａ／ｃｍ２以下である、ことを特徴とする請求項１に記載されたIII族窒化物半導体素子。
【請求項４】
導電性を有するIII族窒化物基板と、
１００ｓｅｃ以下の（１０−１２）面ＸＲＤ半値全幅を有しており前記III族窒化物基板上に設けられた窒化ガリウム層と
を備える、ことを特徴とするエピタキシャル基板。
【請求項５】
前記III族窒化物基板は、導電性を有する窒化ガリウムからなる、ことを特徴とする請求項４に記載されたエピタキシャル基板。
【請求項６】
前記III族窒化物基板の貫通転位密度は１×１０８ｃｍ−２以下である、ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載されたエピタキシャル基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体素子およびエピタキシャル基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、サファイア基板上に形成されたショットキダイオードが記載されている。２種類のＧａＮが、ｃ面を有するサファイア基板上に成長される。まず、１μｍ厚のｎ＋コンタクト層が低温バッファ層上に形成される。ｎ＋コンタクト層上にアンドープＧａＮ層が成長される。メサ構造を形成した後に、Ｔｉ／Ａｌオーミック電極およびＰｔ／Ａｕ電極を形成する。
【非特許文献１】“High Voltage GaN Schottky Rectifiers” Gerard T. Dang etal. IEEE Tran. Electron Devices, Vol.47, No.4, 692-696
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
発明者らの実験によれば、サファイア基板上に形成されたショットキダイオードでは十分な耐圧が得られない。この理由について発明者らが検討した結果、ショットキ電極からのリーク電流が関係しており、またこのリーク電流は窒化ガリウム層の貫通転位密度に関連していることが明らかになった。求められていることは、ショットキダイオードの耐圧の向上である。
【０００４】
本発明は、上記の事項を鑑みて為されたものであり、耐圧を向上できる構造を有するショットキダイオードを提供することを目的とし、またショットキ電極を含む半導体素子のためのエピタキシャル基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一側面は、ショットキ接合を有するIII族窒化物半導体素子に係る。III族窒化物半導体素子は、（ａ）導電性を有するIII族窒化物支持基体と、（ｂ）前記III族窒化物支持基体の主面上に設けられており１００ｓｅｃ以下の（１０−１２）面ＸＲＤ半値全幅を有する窒化ガリウム領域と、（ｃ）前記窒化ガリウム領域にショットキ接合を成すショットキ電極と
を備える。
【０００６】
このIII族窒化物半導体素子によれば、ショットキ電極が１００ｓｅｃ以下の（１０−１２）面ＸＲＤ半値全幅を有する窒化ガリウム領域にショットキ接合を成すので、ショットキ接合に係る逆方向リーク電流が低減される。
【０００７】
本発明に係るIII族窒化物半導体素子では、前記III族窒化物支持基体は、導電性を有する窒化ガリウムからなることが好ましい。
【０００８】
本発明に係るIII族窒化物半導体素子では、前記ショットキ接合を流れる電流は、前記ショットキ電極と前記III族窒化物支持基体の裏面との間に５ボルトの逆バイアスを印加したとき、１×１０−７Ａ／ｃｍ２以下である。
【０００９】
本発明の別の側面によれば、エピタキシャル基板は、（ａ）導電性を有するIII族窒化物基板と、（ｂ）１００ｓｅｃ以下の（１０−１２）面ＸＲＤ半値全幅を有しており前記III族窒化物基板上に設けられた窒化ガリウム層とを備える。
【００１０】
このエピタキシャル基板によれば、窒化ガリウム層の（１０−１２）面ＸＲＤ半値全幅が１００ｓｅｃ以下であるので、リーク電流を低減できるショットキ接合を形成可能になる。
【００１１】
本発明に係るエピタキシャル基板では、前記III族窒化物基板は、導電性を有する窒化ガリウムからなることが好ましい。また、本発明に係るエピタキシャル基板では、前記III族窒化物基板の貫通転位密度は１×１０８ｃｍ−２以下であることが好ましい。
【００１２】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、耐圧を向上できる構造を有するショットキダイオードが提供される。また、本発明によれば、ショットキ電極を含む半導体素子のためにエピタキシャル基板が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明のIII族窒化物半導体素子およびエピタキシャル基板に係わる実施の形態を説明する。引き続く説明では、III族窒化物半導体素子の一例としてショットキダイオードを説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００１５】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係るショットキダイオードを示す図面である。ショットキダイオード１１は、III族窒化物支持基体１３と、窒化ガリウム領域１５と、ショットキ電極１７とを備える。III族窒化物支持基体１３は、導電性を有している。ショットキ電極１７は、窒化ガリウム領域１５にショットキ接合を成す。この窒化ガリウム領域１５は、III族窒化物支持基体１３の主面１３ａ上に設けられている。窒化ガリウム領域１５は、１００ｓｅｃ以下の（１０−１２）面ＸＲＤ半値全幅を有する。
【００１６】
ショットキダイオード１１は、III族窒化物支持基体１３の裏面１３ｂ上に設けられたオーミック電極１９を含む。ショットキ電極１７は、例えばＮｉ／Ａｕ電極から成ることができ、オーミック電極１９は、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ電極から成ることができる。
【００１７】
III族窒化物支持基体１３は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム等から成る。好ましくは、III族窒化物支持基体１３は、導電性を有するｎ型窒化ガリウムから成る。この形態では、窒化ガリウム領域は、窒化ガリウム支持基体上にホモエピタキシャル成長される。窒化ガリウム支持基体のキャリア濃度は１×１０１６ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下である。窒化ガリウム領域１５の厚さは０．１μｍ以上１０００μｍ以下であり、窒化ガリウム領域１５のキャリア濃度は１×１０１７ｃｍ−３以下である。
【００１８】
図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示されるショットキダイオードの作製を説明する。
（実施例１）
ＭＯＶＰＥ装置のリアクタにｎ型窒化ガリウムウエハ３１を配置する。水素、窒素、アンモニアを含むガスの雰囲気をリアクタに形成する。この雰囲気中において、窒化ガリウムウエハ３１を摂氏１０００度において熱処理を行う。熱処理時間は、例えば２０分間である。アンモニアとトリメチルガリウム（ＴＭＧ）をリアクタに供給し、厚さ３μｍの窒化ガリウム層３３を摂氏１１３０度で成長する。これらの工程により、窒化ガリウムウエハ３１および窒化ガリウム層３３を含むエピタキシャル基板が作製される。このエピタキシャル基板の窒化ガリウム層の表面に、Ｎｉ／Ａｕから成るショットキ電極３５を作製すると共に、エピタキシャル基板の裏面にＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕからなるオーミック電極３７を作製する。ショットキ電極のサイズは、例えば半径５０μｍである。これらの工程により、図２（Ａ）に示されるようなショットキダイオード（ＳＢＤ）３９が得られる。
【００１９】
（実験例１）
ＭＯＶＰＥ装置のリアクタにサファイア基板４１を配置する。水素、窒素、アンモニアを含むガスの雰囲気をリアクタに形成する。この雰囲気中において、サファイア基板４１を摂氏１１７０度において熱処理を行う。熱処理時間は、例えば１０分間である。サファイア基板４１上に種付け層４３を成長する。アンモニア、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびシランをリアクタに供給し、ｎ＋窒化ガリウム層４５を摂氏１１３０度で成長する。次いで、実施例と同様にして、アンモニアとトリメチルガリウム（ＴＭＧ）をリアクタに供給し、厚さ３μｍの窒化ガリウム層を摂氏１１３０度で成長する。この窒化ガリウム層を部分的にエッチングして、窒化ガリウム層４７を含むメサを形成すると共に、ｎ＋窒化ガリウム層４５を部分的に露出させる。エッチングは、例えば選択的反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により行われる。メサの表面にＮｉ／Ａｕから成るショットキ電極４９を作製すると共に、露出したｎ＋窒化ガリウム層４７の表面にＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕからなるオーミック電極５１を作製する。これらの工程により、図２（Ｂ）に示されるようなショットキダイオード（ＳＢＤ）５３が得られる。
【００２０】
図３は、上記の実施例（特性Ａ）および実験例（特性Ｂ）により作製された窒化ガリウム層の（１０−１２）面ＸＲＤ特性を示す図面である。これらの例では、特性Ａの半値全幅（ＦＷＨＭ）は２５．１ｓｅｃであり、特性Ｂの半値全幅は７８８．０ｓｅｃである。
【００２１】
図４は、上記の実施例（特性Ａ）および実験例（特性Ｂ）により作製されたショットキダイオードの電流電圧特性を示す図面である。これらの例では、特性Ａの逆方向リーク電流密度（印加電圧５ボルト）は１．３９×１０−８Ａ／ｃｍ２であり、特性Ｂの逆方向リーク電流密度（印加電圧５ボルト）は４．７６×１０−６Ａ／ｃｍ２である。
【００２２】
このように、ＳＢＤ５３と比べＳＢＤ３９はリーク電流が低減されている。これは、ＸＲＤのＦＷＨＭが鋭いことが示すように、窒化ガリウム層３３の貫通転位密度が低減されていると考えられる。
【００２３】
図５は、窒化ガリウム層の（１０−１２）面ＸＲＤ特性の半値全幅とリーク電流密度との対応を示す図面である。参照符合６１ａ〜６１ｈで示されるシンボルは、窒化ガリウム基板を用いて形成された窒化ガリウム層上にショットキ電極を作製した構造を測定した値を示す。参照符合７１ａ〜７１ｉで示されるシンボルは、サファイア基板を用いて形成された窒化ガリウム層上にショットキ電極を作製した構造を測定した値を示す。
【００２４】
（実施例２）
具体例を示せば、
参照符合６１ａのショットキダイオード構造
半値全幅：４１．８ｓｅｃ
リーク電流値：１．３１×１０−８Ａ／ｃｍ２
参照符合６１ｂのショットキダイオード構造
半値全幅：４１．８ｓｅｃ
リーク電流値：１．８６×１０−８Ａ／ｃｍ２
参照符合６１ｃのショットキダイオード構造
半値全幅：３３ｓｅｃ
リーク電流値：３．００×１０−８Ａ／ｃｍ２
参照符合６１ｄのショットキダイオード構造
半値全幅：６０ｓｅｃ
リーク電流値：２．７０×１０−８Ａ／ｃｍ２
参照符合６１ｅのショットキダイオード構造
半値全幅：７２ｓｅｃ
リーク電流値：１．４０×１０−８Ａ／ｃｍ２
参照符合６１ｆのショットキダイオード構造
半値全幅：８７ｓｅｃ
リーク電流値：４．１０×１０−８Ａ／ｃｍ２
参照符合６１ｇのショットキダイオード構造
半値全幅：６９ｓｅｃ
リーク電流値：６．３０×１０−８Ａ／ｃｍ２
参照符合６１ｈのショットキダイオード構造
半値全幅：９５ｓｅｃ
リーク電流値：８．７０×１０−８Ａ／ｃｍ２
である。
【００２５】
（実験例２）
具体例を示せば、
参照符合７１ａのショットキダイオード構造（最も半値全幅が小さい）
半値全幅：１５２ｓｅｃ
リーク電流値：２．０７×１０−７Ａ／ｃｍ２
参照符合７１ｂのショットキダイオード構造（最もリーク電流が小さい）
半値全幅：２０６ｓｅｃ
リーク電流値；１．９８×１０−７Ａ／ｃｍ２
である。
【００２６】
窒化ガリウム領域の（１０−１２）面ＸＲＤを結晶品質の指標に用いることの利点を説明する。電極と窒化ガリウムの界面で貫通転位がある部分はショットキ障壁が低くなり、ショットキ電極のリーク電流が増大するという報告がある（“Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  ｓｔｕｄｙ  ａｎｄ  ｍｏｄｅｌｉｎｇ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ  ｏｆ  ｓｃｒｅｗ  ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｓ  ｏｎ  ｔｈｅ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  Ａｕ／ｎ−ＧａＮ  Ｓｃｈｏｔｔｋｙ  ｄｉｏｄｅｓ”Ｙｕ  Ｈｕａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．  Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．９４，Ｎｏ．９，５７７１−５７７５）。窒化ガリウム領域の（１０−１２）面ＸＲＤ半値全幅はらせん転位、刃状転位のいずれが存在しても広くなるため、（１０−１２）面ＸＲＤ半値全幅が鋭いということはらせん、刃状転位の両方が低減されていることを意味する。原理的には、（１０−１２）面以外の面を指標にすることも可能だが、（１０−１２）面ＸＲＤは十分な強度が得られるため、指標に適している。ショットキダイオードの順方向電流は約０．１Ａ／ｃｍ−２であり、リーク電流は順方向電流と比較して１／１００００００以下の１×１０−７Ａ／ｃｍ２以下に抑える必要がある。図５に示すとおり、窒化ガリウム領域の（１０−１２）面ＸＲＤ半値全幅を１００ｓｅｃ以下にすることで、リーク電流を１×１０−７Ａ／ｃｍ２以下にすることが可能である。また、（１０−１２）面ＸＲＤ半値全幅が１００ｓｅｃ以下の窒化ガリウム領域は、基板にＩＩＩ族窒化物を用いることで容易に得られる。
【００２７】
（第２の実施の形態）
図６（Ａ）〜図６（Ｃ）は、第２の実施の形態に係るエピタキシャル基板の作製を示す図面である。図６（Ａ）に示されるように、ｎ導電性の窒化ガリウム自立基板８３を準備する。窒化ガリウム自立基板８３は１×１０１７ｃｍ−３を超えるキャリア濃度を有する。図６（Ｂ）に示されるように、アンドープＧａＮエピタキシャル膜８５は、窒化ガリウム自立基板８３の第１の面８３ａ上に堆積される。窒化ガリウムエピタキシャル膜８５の厚さは０．１マイクロメートル以上１０００マイクロメートル以下である。窒化ガリウムエピタキシャル膜８５のキャリア濃度は１×１０１７ｃｍ−３以下である。これによって、エピタキシャル基板８１が得られる。この基板を利用して、第１の実施の形態に示されたショットキダイオードを作製できる。図６（Ｃ）に示されるように、このエピタキシャル基板８１のエピタキシャル膜８５の表面にショットキ電極膜８７を堆積すると共に、基板８３の第２の面８３ｂ上にオーミック電極膜８９を堆積する。ショットキ電極膜８７およびオーミック電極膜８９から、それぞれ、ショットキ電極およびオーミック電極が形成される。窒化ガリウム領域の（１０−１２）面ＸＲＤの半値全幅を結晶品質の指標に用いて、ショットキ電極がショットキ接合を成す窒化ガリウム膜の品質をモニタすることにより、ショットキ電極とオーミック電極との間に電圧を印加したときにショットキ接合に流れる逆方向リーク電流を低減できる半導体素子のためのエピタキシャル基板が提供される。
【００２８】
このエピタキシャル基板では、窒化ガリウム層は、ＧａＮ基板といったIII族窒化物基板上に設けられており、１００ｓｅｃ以下の（１０−１２）面ＸＲＤ半値全幅を有している。このエピタキシャル基板によれば、窒化ガリウム層の（１０−１２）面ＸＲＤ半値全幅が１００ｓｅｃ以下であるので、リーク電流を低減できるショットキ接合が形成される。このエピタキシャル基板は、ショットキダイオードを作製するために好適である。
【００２９】
図７は、第１および第２の実施の形態のための窒化ガリウム自立基板における高転位領域および低転位領域の一配置を示す図面である。エピタキシャル基板８１のための窒化ガリウム自立基板８２の第１の面８２ａは、比較的大きい貫通転位密度を有する高転位領域８２ｃが現れた第１のエリアと、比較的小さい貫通転位密度を有する低転位領域８２ｄが現れた第２のエリアとを有する。高転位領域８２ｃは低転位領域８２ｄに囲まれており、第１の面８２ａにおいて、第１のエリアは、第２のエリア内にドット状にランダムに分布している。全体として貫通転位密度は、例えば１×１０８ｃｍ−２以下である。このエピタキシャル基板８１によれば、転位密度が小さいので、エピタキシャル層中の転位が減少する。これ故に、逆方向リーク電流が減少しまた逆方向の耐圧が向上する。
図８は、第１および第２の実施の形態のための窒化ガリウム自立基板における高転位領域および低転位領域の他の一配置を示す図面である。エピタキシャル基板８１のための窒化ガリウム自立基板８４の第１の面８４ａは、比較的大きい貫通転位密度を有する高転位領域８４ｃが現れた第１のエリアと、比較的小さい貫通転位密度を有する低転位領域８４ｄが現れた第２のエリアとを有する。高転位領域８４ｃは低転位領域８４ｄに挟まれており、第１の面８４ａにおいて、第１のエリアは、第２のエリア内にストライプ状に規則的に分布している。全体として貫通転位密度は、例えば１×１０８ｃｍ−２以下である。このエピタキシャル基板８１によれば、転位密度が小さいので、エピタキシャル層中の転位が減少する。これ故に、逆方向リーク電流が減少しまた逆方向の耐圧が向上する。
【００３０】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、第１の実施の形態に係るショットキダイオードを示す図面である。
【図２】図２（Ａ）は、窒化ガリウム基板を用いるショットキダイオードの構造を示す図面である。図２（Ｂ）は、サファイア基板を用いるショットキダイオードの構造を示す図面である。
【図３】図３は、上記の実施例（特性Ａ）および実験例（特性Ｂ）により作製された窒化ガリウム層の（１０−１２）面ＸＲＤ特性を示す図面である。
【図４】図４は、上記の実施例（特性Ａ）および実験例（特性Ｂ）により作製されたショットキダイオードの電流電圧特性を示す図面である。
【図５】図５は、窒化ガリウム層の（１０−１２）面ＸＲＤ特性の半値全幅とリーク電流密度との対応を示す図面である。
【図６】図６（Ａ）〜図６（Ｃ）は、第２の実施の形態に係るエピタキシャル基板の作製を示す図面である。
【図７】図７は、ＧａＮ自立基板における高転位領域および低転位領域の一配置を示す図面である。
【図８】図８は、ＧａＮ自立基板における高転位領域および低転位領域の他の別の配置を示す図面である。
【符号の説明】
【００３２】
１１…ショットキダイオード、１３…III族窒化物支持基体、１５…窒化ガリウム領域、１７…ショットキ電極、３１…ｎ型窒化ガリウムウエハ、３３…窒化ガリウム層、３５…ショットキ電極、３７…オーミック電極、４１…サファイア基板、４３…種付け層、４５…ｎ＋窒化ガリウム層、４７…窒化ガリウム層、４９…ショットキ電極、５１…オーミック電極、８１…エピタキシャル基板、８３…窒化ガリウム自立基板、８５…ＧａＮエピタキシャル膜、８７…ショットキ電極膜、８９…オーミック電極膜、８２…窒化ガリウム自立基板、８２ｃ…高転位領域、８２ｄ…低転位領域、８４…窒化ガリウム自立基板、８４ｃ…高転位領域、８４ｄ…低転移領域  
【図１】
2006310408.tif 000003
【図２】
2006310408.tif 000004
【図３】
2006310408.tif 000005
【図４】
2006310408.tif 000006
【図５】
2006310408.tif 000007
【図６】
2006310408.tif 000008
【図７】
2006310408.tif 000009
【図８】
2006310408.tif 000010