(57)【要約】【課題】基板抵抗、および基板とオーミック電極との間に発生する接触抵抗を同時に低減できるＩＩＩ族窒化物半導体デバイスを提供する。【解決手段】ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは、ＩＩＩ族窒化物半導体を含む第１錐体が複数並列している第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域と、前記第１錐体どうしの間を埋める埋込部、ならびに前記第１錐体および前記埋込部上に形成された上面部を含む第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域と、前記第１錐体の底面側に配された第１電極と、前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域の前記上面部側に配された第２電極と、を備える。前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域の第１ドーパント濃度は、前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域の第２ドーパント濃度よりも大である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ族窒化物半導体を含む第１錐体が複数並列している第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域と、
前記第１錐体どうしの間を埋める埋込部、ならびに前記第１錐体および前記埋込部上に形成された上面部を含む第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域と、
前記第１錐体の底面側に配された第１電極と、
前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域の前記上面部側に配された第２電極と、を備え、
前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域の第１ドーパント濃度が、前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域の第２ドーパント濃度よりも大である、ＩＩＩ族窒化物半導体デバイス。
【請求項２】
前記第１ドーパント濃度が、５×１０１８ｃｍ−３以上かつ９×１０１９ｃｍ−３以下である、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス。
【請求項３】
前記第２ドーパント濃度が、５×１０１８ｃｍ−３未満である、請求項１または２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス。
【請求項４】
前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域の第１ドーパントが、Ｎ型のドーパントである、請求項１〜３いずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス。
【請求項５】
前記第１ドーパントが、酸素である、請求項４に記載のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス。
【請求項６】
前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域、および前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域が、ＧａＮで構成される、請求項１〜５いずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス。
【請求項７】
前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域の前記埋込部の一部が、前記第１電極と接触する、請求項１〜６いずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス。
【請求項８】
前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域の厚さが、前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域の厚さよりも小である、請求項１〜７いずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス。
【請求項９】
前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域の前記上面部と前記第２電極との間に、第３ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域をさらに有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス。
【請求項１０】
ＩＩＩ族窒化物半導体を第１の成長条件にて結晶成長させて、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域を形成する工程と、
前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域上に、ＩＩＩ族窒化物半導体を第２の成長条件にて結晶成長させて、第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域を形成する工程と、
前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域の前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域の形成面とは反対側の面上に第１電極を形成する工程と、
前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域上に第２電極を形成する工程と、
を含み、
前記第１の成長条件は、前記ＩＩＩ族窒化物半導体の原料に含まれる、窒素元素に対するＩＩＩ族元素の比を５０以下とする条件であり、
前記第２成長条件は、前記ＩＩＩ族窒化物半導体の原料に含まれる、窒素元素に対するＩＩＩ族元素の比を５０超とする条件である、
ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項１１】
前記第１電極を形成する前に、前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域の前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域の形成面とは反対側の面を、前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域の一部が露出するまで研削する工程をさらに行う、
請求項１０に記載のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ＩＩＩ族窒化物半導体デバイス、およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＩＩＩ族窒化物半導体の一例である窒化ガリウム（ＧａＮ）による縦型パワーデバイスが、精力的に開発されており、例えば、特許文献１には、図８に示すような、ＧａＮ基板（１０３）と、ＧａＮ基板（１０３）上に形成されたＧａＮ層（１０５）と、ＧａＮ層（１０５）上に形成されたショットキー電極（１０１）と、を備えるショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）が開示されている。ＧａＮ基板（１０３）および裏面電極（１００）（以下、「オーミック電極」とも称する）は、オーミックアロイ工程を経ることでオーミック接触が実現される。なお、ＧａＮ基板（１０３）とオーミック電極（１００）との間には、接触抵抗が生じる。
【０００３】
上述のＳＢＤのオン抵抗の内訳は、主として高耐圧を実現させるＧａＮ層（１０５）の抵抗と、ＧａＮ基板（１０３）の−ｃ面およびオーミック電極（１００）の接触抵抗とから構成され、特に接触抵抗を減らすことが極めて重要となる。ここで、ＳＢＤの立ち上がり電圧も損失に影響を及ぼし、この立ち上がり電圧を下げることも損失低減には重要となる。ただし、高耐圧、高電流密度のデバイスになればなるほど、先に述べたＧａＮ層（１０５）の抵抗、ＧａＮ基板（１０３）の抵抗、およびＧａＮ基板（１０３）とオーミック電極（１００）との接触抵抗の低減の方が重要となる。特に、ＧａＮを１０００〜２０００Ｖ耐圧級のパワーデバイスに適用する場合、ＧａＮ層（１０５）の抵抗に対して、ＧａＮ基板（１０３）とオーミック電極（１００）との間の接触抵抗の割合は１割〜５割を占める。つまり、接触抵抗が、大きな割合占めることとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−３９２１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＧａＮ基板（１０３）とオーミック電極（１００）との間の接触抵抗を減らす手段として、オーミック電極（１００）とＧａＮ基板（１０３）との界面近傍における、ＧａＮ中のキャリア濃度を上げることが検討されている。しかしながら、従来の手法で接触抵抗を低減しようとすると、ＧａＮ基板（１０３）の基板抵抗が大きくなってしまう。つまり、基板抵抗および接触抵抗の両方を同時に減らすことは困難であった。
【０００６】
本開示は、ＩＩＩ族窒化物半導体基板自体の抵抗、およびＩＩＩ族窒化物半導体基板と電極との界面における接触抵抗のトレードオフの関係を解消することを目的とする。具体的には、ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスにおける基板抵抗、および基板とオーミック電極との間に発生する接触抵抗を同時に低減できる素子構造、およびその製造方法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】
【０００７】
上述した課題を解決するために、本開示では、ＩＩＩ族窒化物半導体を含む第１錐体が複数並列している第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域と、前記第１錐体どうしの間を埋める埋込部、ならびに前記第１錐体および前記埋込部上に形成された上面部を含む第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域と、前記第１錐体の底面側に配された第１電極と、前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域の前記上面部側に配された第２電極と、を備え、前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域の第１ドーパント濃度が、前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域の第２ドーパント濃度よりも大である、ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスとする。
【発明の効果】
【０００８】
本開示のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスによれば、基板抵抗、および基板とオーミック電極との間に発生する接触抵抗を同時に低減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１（ａ）〜（ｃ）は、本開示の実施の形態１におけるＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法を示すフロー図
【図２】図２は、気相結晶成長装置の概略図
【図３】図３（ａ）〜（ｄ）は、本開示の実施の形態１におけるＩＩＩ族窒化物半導体基板の製造方法を示すフロー図
【図４】図４（ａ）は、本開示の実施の形態１で作製されるＩＩＩ族窒化物半導体基板の、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域側（第１電極側）のカソードルミネッセンス評価法により観察される画像であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）中の明領域および暗領域のドーパント濃度を示す図
【図５】ＩＩＩ族窒化物半導体基板におけるキャリア濃度とキャリア移動度との関係を示す図
【図６】ショットキーバリアダイオードの電気特性を示す図
【図７】本開示の実施の形態２で作製する第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域および第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域の構成を示す概略図
【図８】従来のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの概略図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示に係るＩＩＩ族窒化物半導体デバイスおよびその製法の説明に先立ち、従来の問題点について説明する。ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスにおいて、前述のように、オーミック電極とＩＩＩ族窒化物半導体基板との界面における接触抵抗を低減するため、これらの界面近傍のＩＩＩ族窒化物半導体のキャリア濃度を高めることが検討されている。そして、高キャリア濃度を実現するためには、ドーパントを高濃度に添加しなればならない。しかしながら、ドーパントの濃度が高くなると、キャリア移動度が著しく低下してしまい、基板抵抗が増えてしまうという課題がある。例えば、ＧａＮ基板のキャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３から２桁増加させて１×１０２０ｃｍ−３程度とする場合、キャリア移動度は３桁も低下する。つまり、ドーパント濃度増加に伴って基板抵抗が１桁程度増加する。そして、例えばＧａＮ基板の厚みが４００μｍであるとすると、ＧａＮ基板とオーミック電極との界面における抵抗より、基板の抵抗が大きくなり、ＧａＮ基板の抵抗が０．５ｍΩｃｍ２を超えてしまう。
【００１１】
一方、基板抵抗を下げるためにドーパント量を減らせば、キャリア濃度が下がり、基板とオーミック電極との界面における接触抵抗が上昇する。つまり、基板抵抗と、基板およびオーミック電極の界面における接触抵抗とは、ドーパント濃度を変化させた際にトレードオフの関係にある。このため、ＩＩＩ族窒化物半導体デバイス、特に縦型パワーデバイスの性能を材料限界まで引き出すことが困難であった。
【００１２】
これを受けて、本開示は、上記の問題点を解消し、基板抵抗および接触抵抗の両方の低減を実現するＩＩＩ族窒化物半導体デバイス、およびその製造方法を開示する。
【００１３】
（実施の形態１）
以下、実施の形態１として、ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスがショットキーバリアダイオード（縦型パワーデバイス）である場合を例に、本開示の思想を説明する。
【００１４】
図１に、本実施の形態におけるＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法（ＩＩＩ族窒化物半導体基板の作製からショットキーバリアダイオードの完成まで）のフロー図を示す。本実施の形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法では、まず、支持基板（１）上に、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）および第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）を形成する（図１（ａ））。その後、支持基板（１）を剥離し（図１（ｂ））、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）側を研削研磨して、ＩＩＩ族窒化物半導体基板（６）を得る。一方、ＩＩＩ族窒化物半導体基板（６）の第２ＩＩＩ族窒化物半導体（３）上には、第３ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（５）（ＩＩＩ族窒化物半導体層）を形成する。そして、ＩＩＩ族窒化物半導体基板（６）の第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）側に第１電極（１０）（オーミック電極）を形成し、第３ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（５）側に第２電極（１１）（ショットキー電極）を形成することで、ショットキーバリアダイオードを得る（図１（ｃ））。以下、当該方法について、詳細に説明する。
【００１５】
図１（ａ）は、当該方法において、準備した支持基板（１）上に、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶（第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）および第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３））を形成した後の状態を示す。ここで、支持基板（１）は、成長させるＩＩＩ族窒化物半導体の結晶（第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）および第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）を構成する結晶）と格子の整合がとれるものであればよく、ＩＩＩ族窒化物半導体と同種基板であってもよく、異種基板であってもよい。本実施の形態では、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶を成長させるための支持基板（１）として、＋ｃ面が主面である基板を準備する。なお、「ＩＩＩ族窒化物半導体」とは、ＧａＮ、ＡｌＮ、およびＩｎＮのいずれか１つ、またはこれらの混合物から構成される構造体を意味する。例えば、ＩＩＩ族窒化物半導体がＧａＮである場合には、支持基板（１）として、ＧａＮと格子定数が近い、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板等の単結晶基板のいずれかとすることができる。また、ＧａＮとの格子定数との整合性の観点からＳｃＡｌＭｇＯ４基板としてもよい。
【００１６】
上記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶の形成方法としては、まず、支持基板（１）上に、第１の条件で第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）を形成する。第１の条件は、支持基板（１）上に、ＩＩＩ族窒化物半導体が錐体状に三次元的に結晶成長するような条件とする。このような結晶成長条件は、ＩＩＩ族窒化物半導体の原料に含まれる、窒素元素の含有量に対するＩＩＩ族元素の含有量の比（以下、「Ｖ／ＩＩＩ比」とも称する）で調整される。
【００１７】
例えば、酸化物気相成長法（ＯＶＰＥ法）で第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）を形成する場合、第１の成長条件は、Ｖ／ＩＩＩ比が５０以下となる条件とする。ＯＶＰＥ法とは、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ）などのＩＩＩ族元素含有ガスと、アンモニアガスなどのＶ族元素含有ガスとを、１０００℃〜１５００℃の高温雰囲気化下で支持基板（１）に吹き付け、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶を成長させる方法である。Ｇａ２Ｏガスは、粉末状で固体であるＧａ２Ｏ３に水素ガスなどの還元ガスを８００℃〜１１００℃の加熱雰囲気で吹き付けることで発生させることができる。Ｇａ２Ｏなどを発生させる際の水素ガスの流量（分圧）は、例えば、Ｇａ２Ｏ３の温度を１０００℃近傍に設定する場合、０．２〜２８ｋＰａとすればよい。このような範囲であれば、好適な量のＧａ２Ｏガスを供給することができる。
【００１８】
一方、ＯＶＰＥ法におけるアンモニアガスの流量（分圧）は、１〜７０ｋＰａの範囲とすることができる。結晶成長が、大気圧で行われる場合には、キャリアガスを導入して圧力を大気圧に合わせればよい。キャリアガスとしては、水素、窒素、アルゴンといった不活性ガスを用いることができる。これらの条件下で、窒素元素含有ガス流量とＩＩＩ族元素含有ガス流量とを調整し、Ｖ／ＩＩＩ比を５０以下に調整することで、ＩＩＩ族窒化物半導体を三次元的に結晶成長させる（以下、「三次元結晶成長モード」とも称する）ことができる。このとき、ＩＩＩ族窒化物半導体の＋ｃ面ではなく、（１１−２１）といった斜め面を出しながら三次元的に結晶成長させることで、支持基板（１）上に、複数の錐体（第１錐体）が並列して形成される。
【００１９】
三次元結晶成長モードは、後述する二次元結晶成長モードと比べて結晶成長速度が速く、不純物を多く取り込みやすいといった特徴がある。つまり、三次元結晶成長モードを利用することで、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）の第１ドーパント濃度を、５×１０１８ｃｍ−３以上９×１０１９ｃｍ−３以下に制御することが可能である。このような高濃度のドーパントを有する半導体と金属との界面では、接触抵抗を最小限に抑えることが可能となる。ドーパント濃度に対するキャリア濃度の比率（キャリア濃度÷ドーパント濃度）は、活性化率と定義され、半導体がＮ型であれば、この活性化率を８０％以上にできる。つまり、ドーパント濃度がキャリア濃度とほぼ等しくなり、低接触抵抗が実現される。
【００２０】
なお、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）のドーパントはＮ型のドーパントであることが好ましい。また、ＯＶＰＥ法では、原料に含まれる酸素をＮ型のドーパントとすることができるため、特に、ドーパントは、酸素であることが望ましい。ただし、シリコン、ゲルマニウムといった不純物をドーパントとして添加しながら第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）を形成しても、同様の高ドーパント濃度（高不純物濃度）を実現することができる。
【００２１】
一方で、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）形成の際に、例えばマグネシウム等のＰ型のドーパントを添加しながら結晶成長させても、同様の高ドーパント濃度を実現することができる。このように高濃度のＰ型ドーパントが添加された結晶との電極との界面でも、Ｎ型ドーパントと同様に接触抵抗を大幅に低減することが可能である。
【００２２】
なお、ＩＩＩ族窒化物半導体中のドーパント濃度は、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）により評価することができる。本評価は、例えば、測定装置  ＣＡＭＥＣＡ  ＩＭＳ−７ｆにより行うことができる。このとき、一次イオン種にはＣｓ＋を用いることができ、一次加速電圧は１５ｋＶとし、検出領域は３０μｍφとすることができる。また、ドーパントが酸素である場合、検出領域において酸素の２次イオン強度として深さ方向の濃度プロファイルを取得し、酸素濃度が既知の標準試料のイオン強度により内挿することで、酸素濃度（ドーパント濃度）を特定することができる。
【００２３】
上述のように第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）を形成した後、第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）を形成する。ここで、第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）の形成条件は、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）の形成条件とは異なる条件（第２の成長条件）とする。具体的には、ＩＩＩ族窒化物半導体の＋ｃ面と平行な方向に結晶を成長させる条件であり（以下、「二次元結晶成長モード」とも称する）、二次元結晶成長モードは、Ｖ／ＩＩＩ比が５０超となる条件とすることができる。第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）上に二次元結晶成長モードでＩＩＩ族窒化物半導体結晶を成長させると、まず、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）の第１錐体どうしの間を埋める埋込部が形成され、その後、これらの上に平坦な上面部が形成される。ここで、「平坦」とは、結晶が成長可能な程度に平らな状態のことを意味し、本実施の形態においては、ｃ面が面内で結合してｃ軸方向に単結晶が成長する状態を平坦とする。また、二次元結晶成長モードでは、不純物の取り込みが抑制されるため、第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）のドーパント濃度が、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）のドーパント濃度より低くなる。ここで、第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）のドーパント濃度を、１×１０１８ｃｍ−３超かつ、５×１０１８ｃｍ−３未満とすることで、ＩＩＩ族窒化物半導体基板（６）の基板抵抗を効果的に低減することができる。
【００２４】
ここで、上記のように第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）、および第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）を形成すると、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）、および第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）の両方が存在する領域（以下「遷移領域（４）」とも称する）が形成される。遷移領域（４）では、既に形成された複数の第１錐体どうしの間を埋めるように、第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）の埋込部が形成されている。そして、第１錐体と埋込部とが密着することで、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）と第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）とが一体化され、これらをＩＩＩ族窒化物半導体基板（６）として用いることが可能となる。
【００２５】
図１（ａ）に示すように、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）および第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）を併せた膜が自立するくらい、第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）を厚く形成した後、これらを支持基板（１）から剥離することで自立化させる。図１（ｂ）は、支持基板（１）から自立化させた後の状態を示す。
【００２６】
その後、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）の第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）を形成した面とは反対側の面を、前述の遷移領域（４）が露出するまで、すなわち第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）の埋込部の一部が露出するまで、研削研磨処理する。この処理により、第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）の一部が、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）から露出した面（以下、「裏面」とも称する）が実現される。なお、裏面の面積に対して、裏面に露出させる第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）の面積の比率は、１０〜９０％であることが好ましく、２０〜５０％であることがより好ましい。このような比率にすることで、基板抵抗と接触抵抗の合計値である規格化オン抵抗を大きく低減することができる。
【００２７】
次に、本実施の形態では、第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）の上面部側に、縦型パワーデバイス向けにドーパント濃度と膜厚が設計された第３ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（５）（ＩＩＩ族窒化物半導体層）をさらに形成する。第３ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（５）のドーパント濃度は、１×１０１４ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３とすることが好ましい。この第３ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（５）のドーパント濃度（不純物濃度）は、ある決められたパワーデバイスの耐圧に対して、順方向動作時のオン抵抗を最小にするように決定される。したがって、各領域におけるドーパント濃度の大小関係として、以下の数式に示されるような大小関係が成り立つ。
【００２８】
（数１）
第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）＞第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）＞第３ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（５）
【００２９】
その後、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）の第１錐体の底面側にオーミック電極（１０）（第１電極）を形成し、アニール処理を施すことで、オーミック接触を実現する。一方、第３ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（５）上には、ショットキー電極（１１）（第２電極）を形成する。ここで、オーミック電極（１０）としては、Ｔｉ／Ｎｉを含む電極とし、成膜後、８００℃以上１０００℃未満の熱処理を施しアロイ化することで、良好なオーミック性を実現することができる。また、ショットキー電極（１１）としては、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗといった、金属の仕事関数が十分大きくデバイスの動作温度に対して安定な金属を含む電極とすることができる。ショットキー電極（１１）をこのような金属を含む電極とすることで、デバイスの電流がオフ時に半導体に高電圧をかけても低リーク電流を実現することができる。
【００３０】
ここで、本実施の形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスでは、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）の第１錐体の底面がオーミック電極（１０）との界面に配置されていること、および第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）の少なくとも一部（埋込部の一部）が、オーミック電極（１０）と接触していることが重要となる。このような構成にすることでＩＩＩ族窒化物半導体基板（６）とオーミック電極（１０）との界面における接触抵抗、およびＩＩＩ族窒化物半導体基板（６）の基板抵抗のいずれも低減することが可能となり、これらの合計量を最小化することができる。
【００３１】
ここで、オーミック電極（１０）と、第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）の一部とを接触させることが好適である理由を以下に説明する。ＩＩＩ族窒化物半導体において、電流がオン時に主電流は、オーミック電極（１０）からＩＩＩ族窒化物半導体内を経てショットキー電極（１１）まで流れる。その際に、第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）とオーミック電極（１０）とが接触していると、主電流の経路構成が、ＩＩＩ族窒化物半導体基板（６）とオーミック電極（１０）との界面では、接触抵抗の低い第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）の領域が主となり、ＩＩＩ族窒化物半導体基板（６）内部では、より抵抗率の低い第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）が主となる。これにより、接触抵抗と基板抵抗の合計値が最小となる。
【００３２】
上記の説明では、ショットキーバリアダイオードの例で縦型パワーデバイスの一例を示したが、本技術は、バイポーラトランジスタ、ＤＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、ＩＧＢＴ、電解効果トランジスタ等にも適用できる。
【００３３】
ここで、上記のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスを製造するための装置について説明する。当該装置は、第１の成長条件にてＩＩＩ族窒化物半導体を成長させて、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）を形成し、第２の成長条件にてＩＩＩ族窒化物半導体を成長させて、第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）を形成するための装置とすることができる。また、当該装置は、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶側に第１電極を形成し、第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶側に第２電極を形成することが可能なように構成されていてもよい。なお、第１の成長条件とは、ＩＩＩ族窒化物半導体の原料に含まれる窒素元素に対するＩＩＩ族元素の比を５０以下とする条件であり、第２の成長条件とは、ＩＩＩ族窒化物半導体の原料に含まれる窒素元素に対するＩＩＩ族元素の比を５０超とする条件である。
【００３４】
図２に、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）、および第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）を形成するための気相結晶装置の一例を示す。当該気相結晶装置は、チャンバー（２０）と、ヒーター（２１）、回転サセプター（２２）、Ｖ族原料供給ノズル（２４）、ＩＩＩ族原料供給ノズル（２５）、排気ライン（２６）とを備える装置とすることができる。当該装置では、例えば、チャンバー（２０）内を減圧、もしくは大気圧に保持した状態で、前述の支持基板（１）（以下、「サンプル（２３）」とも称する）を、回転サセプター（２２）に接するように配置する。そして、サンプル（２３）をヒーター（２１）により加熱し、かつ回転サセプター（２２）によって回転させながら、Ｖ族原料供給ノズル（２４）から窒素元素含有ガス（例えば、アンモニア（ＮＨ３））を吹き付ける。またさらにＩＩＩ族原料供給ノズル（２５）から、ＩＩＩ族原料（例えば、Ｇａ化合物）を供給する。このとき、反応ガスも、反応ガス供給ノズル（図示せず）からサンプル（２３）近傍に供給する。一方、排気ライン（２６）から必要に応じて排気を行う。
【００３５】
ここで、当該製造装置を用い、ＩＩＩ族窒化物半導体基板を気相成長法で形成する場合、ＨＶＰＥ法や、ＯＶＰＥ法を採用することができる。ＨＶＰＥ法を採用する場合、反応ガスとして、ＨＣｌ、ＨＢｒ、ＨＦ、ＨＩなどのハロゲン化水素ガスを用いることができる。また、窒素元素含有ガスとしては、ＮＨ３ガス、ＮＯガス、ＮＯ２ガス、Ｎ２Ｈ２ガス、Ｎ２Ｈ４ガスなどの窒素含有ガスを用いることができる。また、ＩＩＩ族原料は、塩化ガリウムとすることができる。また、ＨＶＰＥ法でＩＩＩ族窒化物半導体を作製する場合、Ｎ型ドーパントとしてシリコン、ゲルマニウム、酸素が選択可能である。
【００３６】
一方、ＯＶＰＥ法を採用する場合、反応ガスとして、Ｈ２Ｏガス、Ｏ２ガス、ＣＯガスなどの酸化性ガスを用いることができる。また、窒素元素含有ガスとして、ＮＨ３ガス、ＮＯガス、ＮＯ２ガス、Ｎ２Ｈ２ガス、Ｎ２Ｈ４ガスを用いることができる。さらに、ＩＩＩ族原料として、酸化ガリウムを用いることができる。また、ＯＶＰＥ法でＩＩＩ族窒化物半導体を作製する場合、Ｎ型ドーパントとしては、酸素、ゲルマニウムが適している。いずれの方法においても、ドーパントの原料は、ＩＩＩ族原料供給ノズル（２５）に微量を添加して供給すればよい。
【００３７】
ここで、上述のＩＩＩ族窒化物半導体基板（６）の、より詳細な作製プロセスを、図３を用いて説明する。図３に示すプロセスでは、支持基板として、異種基板（３１）を準備する。異種基板（３１）の厚みは、４００μｍ〜１５００μｍとすることができる。
【００３８】
そして、図３（ｂ）に示すように、異種基板（３１）上に、結晶成長のきっかけになる薄膜緩衝層（３２）を形成する。薄膜緩衝層（３２）の厚さは、１μｍ〜５μｍとすることができる。薄膜緩衝層（３２）は、異種基板（３１）と、その上に形成するＩＩＩ族窒化物半導体結晶の格子定数の違いを緩和するための緩衝層として機能する。薄膜緩衝層（３２）は、例えば気相成長法で作製することができるが、この際、低温にて結晶成長速度を遅くして形成することが好ましい。
【００３９】
続いて、図３（ｃ）に示すように、薄膜緩衝層（３２）上に、第１錐体を含む第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３３）を形成する。第１錐体の大きさは、成膜条件により自由に制御することができる。気相成長法において、窒素元素含有ガス（アンモニアガス）流量とＩＩＩ族元素含有ガス（Ｇａ２Ｏガス）流量とを調整し、Ｖ／ＩＩＩ比を５０以下に設定すれば三次元結晶成長モードを実現できることは先に説明したが、Ｖ／ＩＩＩ比を２０以下にすると、底辺が数μｍ以下の六角錐状に結晶が成長する。一方、Ｖ／ＩＩＩ比を２０以上５０以下に設定すると、底辺が数十μｍ以上の六角錐状に結晶が成長する。また、Ｖ／ＩＩＩ比を５０超にすると、前述のように横方向の成長速度が大きくなり、錐体状の結晶成長とはならない。つまり、Ｖ／ＩＩＩ比が小さいほど、第１錐体（六角錐）が細かくなり、Ｖ／ＩＩＩ比が大きいほど第１錐体（六角錐）の大きさが大きくなる。なお、第１錐体の形状は、下地にパターンを形成して、形状や大きさを調整してもよい。また、Ｖ／ＩＩＩ比以外の結晶成長条件を適宜変更し、形状や大きさを調整することも可能である。
【００４０】
なお、異種基板（３１）に、選択成長を目的とした構造パターンがあれば、より制御された規則正しい形状の第１錐体を形成することができるが、このような構造パターンがなくても自己組織的に成長させることで、自然なピラミッド型の錐体状結晶パターンを得ることもできる。
【００４１】
このように、典型的にＩＩＩ族窒化物半導体の（１１−２１）面上に結晶成長させた後、結晶成長条件を、Ｖ／ＩＩＩ比が５０超となるように変更する。第２の結晶成長条件とすることで、図３（ｄ）に示すように、＋ｃ面方向に結晶成長が進み、第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３４）が形成される。このようにして得られるＩＩＩ族窒化物半導体結晶の表面は、平坦になる。その後、図示しないが、異種基板（３１）を剥離し、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３３）の第１錐体の底面側を、第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３４）の一部が露出するまで研削研磨することで、前述のＩＩＩ族窒化物半導体基板（６）が得られる。
【００４２】
ここで、第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３４）は、前述のように、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３３）の第１錐体の間を埋める埋込部と、上面部とを有する。また、第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３４）が、ＩＩＩ族窒化物半導体基板（６）の大部分を占めるよう、比較的厚く形成される。実際の結晶の寸法として、研削後の第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３３）の厚さ（すなわち、第１錐体の高さ）を１００μｍ以下とするのに対して、第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３４）の厚さは、１００μｍよりも厚い構成とすることが好ましい。このような構成にすることでＩＩＩ族窒化物半導体基板（６）の抵抗を最小限に抑えつつ、ＩＩＩ族窒化物半導体基板（６）とオーミック電極（１０）との界面で、キャリア濃度が高い第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３３）とオーミック電極とを確実に接触させることが可能になり、接触抵抗を効果的に低減することが可能となる。
【００４３】
ＩＩＩ族窒化物半導体基板（６）をＯＶＰＥ法により実際に作製した場合のドーパント濃度について、以下に説明する。図４（ａ）は、ＯＶＰＥ法により、図１（ａ）に示すように、第１の結晶成長条件および第２の結晶成長条件で第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）および第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）をそれぞれ形成し、図１（ｂ）に示される自立化した状態から、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）側を遷移領域（４）まで研削した後の第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）側表面を観察した結果である。具体的には、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）の表面について、１辺１６０μｍの正方形の領域をカソードルミネッセンス（ＣＬ）評価法により観察した結果である。図４（ａ）に示されるように、画像には、一辺が２μｍ〜３０μｍである明るい六角形の領域が見られる。当該領域が、六角錐状に結晶が成長した第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）に相当し、その周辺の暗い領域が第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）に相当する。図４（ａ）における代表領域（３６）と代表領域（３７）におけるドーパント濃度の深さプロファイルをＳＩＭＳにより評価した結果を図４（ｂ）に示す。第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（明領域）の代表領域（３６）における平均的な酸素濃度は、ＳＩＭＳ分析によると７×１０１９ｃｍ−３であった。一方、第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（暗領域）の代表領域（３７）における酸素濃度は２×１０１９ｃｍ−３であった。このように、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）の第１ドーパント濃度は、第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）の第２ドーパント濃度よりも大となることが確認された。
【００４４】
ここで、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶におけるキャリア濃度とキャリア移動度との関係を説明する。図５は、キャリア濃度に対するキャリア移動度の依存性をホール評価により評価したグラフである。図５において、試料（Ａ）は、サファイア基板上にＭＯＣＶＤにより形成された厚さ５μｍのＧａＮ薄膜に関するデータであり、試料（Ｂ）は、市販のＮ型ＧａＮ結晶（ＨＶＰＥ法により作成された４１９μｍ厚のＧａＮ結晶）に関するデータであり、試料（Ｃ）は、Ｎａフラックス法により形成された１ｍｍ厚のＧａＮ結晶に関するデータである。また、図５には、各キャリア濃度のときの理想的な移動度を破線で示す。
【００４５】
図５に示されるように、試料（Ａ）では、ドーピング濃度が１×１０１６ｃｍ−３程度であり、当該濃度では、理想的にはキャリア移動度が１０００ｃｍ２／Ｖｓを超えるはずである。これに対し、試料（Ａ）では、１００ｃｍ２／Ｖｓ程度に留まっている。これは、サファイア基板の近傍の領域（基板から数μｍ程度の深さの領域）で１０９ｃｍ−２程度の高密度の貫通らせん転位が生じ、移動度劣化が起こった結果である。つまり、試料（Ａ）では、欠陥による移動度劣化が大きいことがわかる。他方、試料（Ｂ）では、キャリア濃度２×１０１８ｃｍ−３に対して、キャリア移動度が４００ｃｍ２／Ｖｓ程度であり、この濃度にしてはかなり理想に近い値となっている。これは、結晶厚が厚く、転位密度が１０６ｃｍ−２台であり、転位によるキャリア散乱の影響が小さいからである。試料（Ｃ）に関しては、ドーパント濃度９×１０１９ｃｍ−２に対して、キャリア移動度が０．０８ｃｍ２／Ｖｓであり、理想的な値より極端に劣化している。これは、ドーパント濃度の増加に伴い不純物散乱の確率が上がったこと、試料（Ａ）と同様に結晶内に高密度の欠陥が発生し、キャリア移動度が極端に劣化したことが要因である。つまり、これらの結果から、ＩＩＩ族窒化物半導体内のキャリア濃度が５×１０１８ｃｍ−３を超えると移動度劣化が生じることがあり、ＩＩＩ族窒化物半導体（基板）の抵抗が著しく増加することがあるといえる。
【００４６】
したがって、これらのデータから、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）の第１ドーパント濃度は５×１０１８ｃｍ−３以上９×１０１９ｃｍ−３以下であることが好ましく、第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）の第２ドーパント濃度は５×１０１８ｃｍ−３未満であることが好ましいといえる。ここで、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）の第１ドーパント濃度が、上記下限値を下回ると、ＩＩＩ族窒化物半導体基板（６）とオーミック電極（１０）との界面における抵抗の低減効果が期待できなくなる。そして、この下限値を下回ると三次元結晶成長モードによる結晶より、二次元結晶成長モードによる結晶の方がキャリア移動度の観点から好ましくなる。また、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）の第１ドーパント濃度が、上記上限値を超えると、キャリア移動度が０．１ｃｍ２／Ｖｓ以下となることがある。そして、これ以上キャリア移動度が低下してしまうと第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）中に電流が流れこまなくなり、ＩＩＩ族窒化物半導体とオーミック電極（１０）との界面における接触抵抗が低減され難くなる。
【００４７】
一方、第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）の第２ドーパント濃度が５×１０１７ｃｍ−３以下になると、オン抵抗が上がるため、第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）の第２ドーパント濃度は、５×１０１７ｃｍ−３超かつ５×１０１８ｃｍ−３未満に設定するのが望ましい。
【００４８】
ここで、本実施の形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスにより実現できる抵抗について説明する。例えば、本実施の形態のＩＩＩ族窒化物半導体において、第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３）の厚さを１５０μｍとしてキャリア濃度を２×１０１８ｃｍ−３にして移動度を４００ｃｍ２／Ｖｓとし、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）のキャリア濃度を１×１０１９ｃｍ−３とすると、基板抵抗と接触抵抗との合計値、すなわち規格化オン抵抗が０．１ｍΩｃｍ２となる。このときオーミック電極（１０）から第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）の上端までの距離は１０μｍ〜１００μｍ程度が適切である。１０μｍ程度あれば、本構成を容易に実現することができ、１００μｍを超えると、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）の低移動度の影響で抵抗が大きくなってしまうからである。
【００４９】
これらの構成を実現したショットキーバリアダイオードの電気特性を図６に示す。本開示の構成によれば、ＩＩＩ族窒化物半導体基板の抵抗を上げることなく、ＩＩＩ族窒化物半導体基板とオーミック電極との間の接触抵抗を一桁程度低減することができる。また、電極材料の仕事関数で決まるショットキーバリアダイオードの立ち上がり電圧は同等で、アノード・カソード間の印加電圧に対する電流の増加率を増大させることができることがわかる。したがって、大電流印加時の半導体における発熱を効果的に抑制することが可能になる。
【００５０】
なお、上述の説明では、ＩＩＩ族窒化物半導体基板（６）（第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（２）、および第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（３））を気相成長法で作製する形態を説明したが、ＩＩＩ族窒化物半導体基板（６）は、気相成長法以外の方法で形成することも可能であり、例えば、ナトリウムフラックス法といった液相成長法を用いて形成することも可能である。
【００５１】
例えば、ＧａＮからなるＩＩＩ族窒化物半導体基板（６）をナトリウムフラックス法で作製する場合、ＩＩＩ族原料として金属Ｇａをナトリウムに溶融させフラックス状にして、Ｖ族原料として高圧の窒素ガスを封入することで、ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶を成長させることができる。結晶成長させる際の温度を８００℃〜９００℃、圧力を３ＭＰａ〜４ＭＰａに維持し、Ｇａとナトリウムの質量比を１：３程度とすることで良質のＩＩＩ族窒化物半導体を作製することができる。またこのとき、結晶成長温度および窒素ガスの圧力を変えることで、Ｖ族元素、ＩＩＩ族元素の原料比を変え、結晶成長モードを制御できるのは、気相結晶成長と同様である。
【００５２】
例えば、ナトリウムフラックス法において、８００℃〜８５０℃で結晶成長させた場合、三次元結晶成長モードとなりやすく、８５０℃〜９００℃で結晶成長させた場合、二次元結晶成長モードとなりやすくなる。この結晶成長メカニズムは、低温では、Ｇａが過飽和状態となり、実質のＩＩＩ族元素の構成比が大きくなるためである。また圧力が３ＭＰａ〜３．５ＭＰａでは、三次元結晶成長モードとなりやすく、３．５ＭＰａ〜４．０ＭＰａでは、二次元結晶成長モードとなりやすくなる。圧力によって、Ｖ族元素の構成比が大きく変化する。また、Ｎａフラックスに浸漬するサンプル（支持基板）の液面からからの深さを変えることでも、実質的に窒素濃度を変化させることができる。液面からの深さによっても、窒素の実効的な圧力を変化させることができ、Ｖ族およびＩＩＩ族の原料比を変えることができる。
【００５３】
（実施の形態２）
上述の方法では、支持基板上に、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域および第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域をそれぞれ一層ずつ形成し、ＩＩＩ族窒化物半導体基板を得る方法を説明したが、支持基板上には、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域および第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域を繰返し形成してもよい。このような実施の形態２の構成を図７に示す。図７は、支持基板（４１）上にＩＩＩ族窒化物半導体の結晶を成長させた後の状態を示す。本構成では、支持基板（４１）上に、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶（４２）を形成し、第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶（４４）を形成している。その後さらに、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（４５）、第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（４７）、第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（４８）、および第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（５０）が繰り返し形成し形成されている。当該ＩＩＩ族窒化物半導体結晶には、第１のＩＩＩ族窒化物半導体領域および第２ＩＩＩ族窒化物半導体領域の両方を含む遷移領域（４３）、（４６）、（４９）が複数形成されている。
【００５４】
第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（４２）、（４５）、（４８）は、実施の形態１と同様に、三次元結晶成長モードで作製することができる。また、第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶（４４）、（４７）、（５０）は、実施の形態１と同様に、二次元結晶成長モードで作製することができる。
【００５５】
このような構成のＩＩＩ族窒化物半導体は、作製後、第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（４４）、（４７）、（５０）の上面部でスライスし、必要に応じて研削研磨することで、ＩＩＩ族窒化物半導体基板として使用することが可能となる。つまり、図１（ｂ）に示す構成を複数枚得ることが可能となる。このように複数枚取りが可能になれば、短い製造時間で大量の基板を作製することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本開示に係るデバイス構造は、半導体デバイスや、縦型パワーデバイス、ＬＥＤなどの光学デバイスに利用できる。
【符号の説明】
【００５７】
１、４１  支持基板
２、３３、４２、４５、４８  第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域
３、３４、４４、４７、５０  第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域
４、４３、４６、４９  遷移領域
５  第３ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域
６  ＩＩＩ族窒化物半導体基板
１０、１００  オーミック電極（第１電極）
１１、１０１  ショットキー電極（第２電極）
２０  チャンバー
２１  ヒーター
２２  回転サセプター
２３  サンプル
２４  Ｖ族原料供給ノズル
２５  ＩＩＩ族原料供給ノズル
２６  排気ライン
３１  異種基板
３２  薄膜緩衝層
３６  第１ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（明領域）の代表領域
３７  第２ＩＩＩ族窒化物半導体結晶領域（暗領域）の代表領域
１０３  ＧａＮ基板
１０５  ＧａＮ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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