(57)【要約】【課題】Ｓｉ基板上の窒化物半導体により構成されたショットキーバリアダイオードにおいて、大電流化、高耐圧化を図る【解決手段】ｎ＋-Ｓｉ基板上に少なくともＡｌＸＧａ１−ＸＮバッファ層およびｎ−‐ＧａＮ層を含む積層構造のショットキーバリアダイオードであって、積層構造表面にショットキー電極、前記Ｓｉ基板裏面にオーミック電極が形成され、電流を積層方向に流すショットキーバリアダイオードであり、積層構造表面に絶縁膜またはｐ‐ＧａＮ層が形成され、その一部が前記ショットキー電極と重なる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ＋-Ｓｉ基板上に少なくともＡｌＸＧａ１−ＸＮバッファ層およびｎ−‐ＧａＮ層を含む積層構造のショットキーバリアダイオードであって、積層構造の表面にショットキー電極、前記Ｓｉ基板裏面にオーミック電極が形成され、電流を積層方向に流すショットキーバリアダイオード。
【請求項２】
ＡｌＸＧａ１−ＸＮバッファ層およびｎ−‐ＧａＮ層との間に超格子層が形成され、超格子層の一方の組成がＡｌＮであり、他方の組成がＡｌＹＧａ１−ＹＮであり、Ｙ：０〜０．３０である請求項１に記載のショットキーバリアダイオード。
【請求項３】
前記ＡｌＸＧａ１−ＸＮバッファ層において、Ｘ≧０．３、膜厚が１ｎｍ〜１０ｎｍである請求項１または２に記載のショットキーバリアダイオード。
【請求項４】
前記ＡｌＸＧａ１−ＸＮバッファ層および歪超格子層にＳｉがドープされた請求項１〜３のいずれかに記載のショットキーバリアダイオード。
【請求項５】
前記ｎ−‐ＧａＮ層のキャリア密度が５×１０１５〜２×１０１７ｃｍ−３である請求項１〜４のいずれかに記載のショットキーバリアダイオード。
【請求項６】
前記積層構造表面に絶縁膜またはｐ‐ＧａＮ層が形成され、その一部が前記ショットキー電極と重なる請求項１〜５のいずれかに記載のショットキーバリアダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ショットキーバリアダイオード、特にＳｉ基板を用いたショットキーバリアダイオードに係る。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ等窒化物半導体をパワーデバイスに用いる場合、大電流化、高耐圧化、小型化等が求められる。Ｓｉ基板上のＧａＮ系デバイスとして、ショットキーバリアダイオード構造（図１および図２参照、非特許文献１および非特許文献２参照）、またＡｌＧａＮ/ＧａＮ ＨＥＭＴ構造（図３参照）が知られているが、これらの構造はオーミック電極、ショットキー電極ともに素子表面側に設けており、また電流の流れは横方向（基板面に平行方向）である。そのため、どの構造も製造プロセスが複雑であり、また電流パスが制限され、大きな電流が得られないという問題がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】G. Zhao, W. Sutton, D. Pavlidis, E. Piner, J. W. Schwank and S. Hubbard, A Novel Pt-AlGaN/GaN Heterostructure Schottky Diode Gas Sensor on Si, IEICE Trans. Fundamentals/Commun./Electron./INF.&SYST., Vol. E85-A/B/C/D, No1, p. 1, 2002
【非特許文献２】Y. Zhang, M. Sun, D. Piedra, M. Azize, X. Zhang, T. Fujishima and T. Palacios, GaN-on-Si Vertical Schottky and p-n Diodes, IEEE Electron Device Letters, Vol. 35, No. 6, pp. 618-620, 2014
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、Ｓｉ基板上の窒化物半導体により構成されたショットキーバリアダイオードにおいて、大電流化、高耐圧化、小型化を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、基板面に垂直方向に電流を流す構造を創案した。すなわち、本発明によれば、以下のショットキーバリアダイオードが提供される。
【０００６】
［１］ｎ＋-Ｓｉ基板上に少なくともＡｌＸＧａ１−ＸＮバッファ層およびｎ−‐ＧａＮ層を含む積層構造のショットキーバリアダイオードであって、積層構造の表面にショットキー電極、前記Ｓｉ基板裏面にオーミック電極が形成され、電流を積層方向に流すショットキーバリアダイオード。
【０００７】
［２］ＡｌＸＧａ１−ＸＮバッファ層およびｎ−‐ＧａＮ層との間に超格子層が形成され、超格子層の一方の組成がＡｌＮであり、他方の組成がＡｌＹＧａ１−ＹＮであり、Ｙ：０〜０．３０である前記［１］請求項１に記載のショットキーバリアダイオード。
【０００８】
［３］前記ＡｌＸＧａ１−ＸＮバッファ層において、Ｘ≧０．３０、膜厚が１ｎｍ〜１０ｎｍである前記［１］または［２］に記載のショットキーバリアダイオード。
【０００９】
［４］前記ＡｌＸＧａ１−ＸＮバッファ層および歪超格子層にＳｉがドープされた前記［１］〜［３］のいずれかに記載のショットキーバリアダイオード。
【００１０】
［５］前記ｎ−‐ＧａＮ層のキャリア密度が５×１０１５〜２×１０１７ｃｍ−３である前記［１］〜［４］のいずれかに記載のショットキーバリアダイオード。
【００１１】
［６］前記積層構造表面に絶縁膜またはｐ‐ＧａＮ層が形成され、その一部が前記ショットキー電極と重なる前記［１］〜［５］のいずれかに記載のショットキーバリアダイオード。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来のショットキーバリアダイオード構造の断面構造を示す図である。
【図２】従来のショットキーバリアダイオード構造の別の断面構造を示す図である。
【図３】従来のＡｌＧａＮ/ＧａＮ ＨＥＭＴ構造の断面構造を示す図である。
【図４】本発明のショットキーバリアダイオード構造の断面構造を示す図である。
【図５】本発明の他のショットキーバリアダイオード構造の断面構造を示す図である。
【図６】実施例１のｎ−‐ＧａＮ層のＳｉドーピング特性を調べる積層構造を示す図である。
【図７】ＳiＨ４の流量とキャリア密度の関係を示す図である。
【図８】バッファ層としてＡｌＮ層の膜厚とキャリア密度の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
【００１４】
本発明において基板は、その上に形成するバッファ層（緩衝層）、歪超格子層、およびｎ−‐ＧａＮ層の各組成あるいは形成手法に応じて適宜に選択される。例えば、基板としては、シリコン、ゲルマニウム、サファイア、炭化ケイ素、酸化物(ＺｎＯ、ＬｉＡｌＯ２，ＬｉＧａＯ２，ＭｇＡｌ２Ｏ４，（ＬａＳｒ）（ＡｌＴａ）Ｏ３，ＮｄＧａＯ３，ＭｇＯなど)、Ｓｉ-Ｇｅ合金、周期律表の第３族−第５族化合物(ＧａＡｓ，ＡｌＮ，ＧａＮ，ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ)、ホウ化物(ＺｒＢ２など)、などを用いることができる。ただし、室温〜１２００℃における前記基板の熱膨張係数が基板上に形成するＡｌＸＧａ１−ＸＮからなる膜の熱膨張係数より小さいことが好ましく、なかでもＳｉ基板が品質およびコストの点で好ましく、Ｓｉ単結晶が特に好ましく、基板の厚みとしては０．４２〜１．００ｍｍが好適である。
【００１５】
バッファ層は、その上に形成するデバイス層の組成や構造、あるいは各層の形成手法に応じて、様々な第３族窒化物半導体からなる層から形成される。本発明では、バッファ層はＡｌＸＧａ１−ＸＮからなり、Ｘ≧０．３０であり、Ｘ≧０．７０がより好ましい。Ｘ＝１が特に好ましい。膜厚として１ｎｍ〜３０ｎｍが好ましく、１ｎｍ〜１０ｎｍがより好ましく、３ｎｍ〜１０ｎｍさらに好ましい。このバッファ層は、例えばＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法などの公知の成膜手法にて形成される。歪や転位密度ができるだけ少ない膜構造とすることが好ましく、後に形成される膜の品質に影響するため、転位密度は１×１０１１ｃｍ−２以下に形成することが好ましい。なお、バッファ層とデバイス層のｎ−‐ＧａＮ層との間に、更なる格子歪低減のため、超格子層を形成することが好ましい。超格子層としては、一方の組成がＡｌＮであり、他方の組成がＡｌＹＧａ１−ＹＮであり、Ｙが０〜０．３０であることが好ましい。そして、超格子の一対がＡｌＮとＡｌＹＧａ１−ＹＮの場合、その膜厚比（ＡｌＮ：ＡｌＹＧａ１−ＹＮ）が１：２〜１：５が好ましい。また、ＡｌＮバッファ層および歪超格子層にＳｉがドープされることが、ショットキーバリアダイオードの直列抵抗成分の低減のためにより好ましい。
【００１６】
本発明の場合は、バッファ層、超格子層に引き続き、膜厚０．５μｍ〜２．０μｍのｎ−‐ＧａＮ層が形成される。ｎ−‐ＧａＮ層は、ＧａＮにＳｉＨ４を用いてキャリア密度が５×１０１５〜２×１０１７ｃｍ−３になるようにＳｉをドープしてｎ型として形成する。
【００１７】
ｎ−‐ＧａＮ層の表面の素子中央部となる領域以外にはＳｉＯ２等の絶縁層あるいはＰ型ＧａＮ層を形成することが好ましい。ＳｉＯ２等の絶縁層あるいはＰ型ＧａＮ層が形成されない素子中央部の領域にショットキー電極、一方基板裏面にはオーミック電極が形成される。たとえば、ショットキー電極としてはＰｄＴｉＡｕ、オーミック電極としてはＡｕＳｂ／Ａｕが形成される。
【実施例】
【００１８】
（実施例１：ｎ−‐ＧａＮ層のＳｉドーピング特性）
４インチ径、厚み５２５μｍの（１１１）面のｎ＋‐Ｓｉ基板（抵抗率０.００４Ω・ｃｍ以下）を用い、この基板をＭＯＣＶＤ装置の反応管内に設置した。ＭＯＣＶＤ装置は、キャリアガスとしてＨ２、Ｎ２、反応ガスとして、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）およびＮＨ３が反応管に供給可能とされている。キャリアガスとして水素を流量２０ＳＬＭ、及び窒素を流量１０ＳＬＭで流しながら、反応管内の圧力を１００Ｔｏｒｒに保ちつつ、基板を１２１０℃まで昇温した後、１０分間保持し、基板のサーマルクリーニングを実施した。
その後、基板温度を下げて１０３０℃に保ちつつ、ＴＭＡとそのキャリアガスである水素を供給するとともに、ＮＨ３とそのキャリアガスである水素とを供給することにより、バッファ層として膜厚５ｎｍのＡｌＮ層を最初に形成した。供給反応ガスのモル比、すなわち、第５族ガス／第３族ガス（ＮＨ３／ＴＭＡ）の比は５６００とし、反応管内の圧力は１００Ｔｏｒｒ、ＳｉＨ４の流量は１００ＳＣＣＭとした。なお、同じ条件で、ＡｌＮ層の膜厚５ｎｍ以外に、膜厚２０ｎｍ，８０ｎｍの２種類を準備した。
次に、基板温度を１１３０℃にし、ＧａＮ層／ＡｌＮ層からなる超格子層を形成した。バッファ層同様に、供給ガスとしてＴＭＡ、ＴＭＧ、およびＮＨ３の供給量を調整して、反応管内の圧力は１００Ｔｏｒｒ、ＳｉＨ４の流量は１００ＳＣＣＭとした。ＧａＮ層とＡｌＮ層をそれぞれ２０ｎｍ、５ｎｍの膜厚で交互に積層し、超格子層として３．０μｍ厚とした。  
基板温度を１１３０℃維持したまま、圧力を７６０Ｔｏｒｒ、供給する反応ガスモル比（第５族ガス／第３族ガス）が２８００となるように供給して、膜厚１．０μｍのｎ‐ＧａＮ層を形成した。モノシラン(ＳiＨ４)の流量を０．１５ＳＣＣＭ〜８．０ＳＣＣＭと変化させた。
図６に示す積層構造にて、ｎ-ＧａN層へのＳｉＨ４を用いたＳｉのドーピング特性の評価を行った。ＡｌＮ層は、成長温度１０３０℃、圧力１００Ｔｏｒｒ、膜厚５ｎｍ、歪超格子は成長温度１０３０℃、圧力１００Ｔｏｒｒ、その膜構成はＧａＮ（２０ｎｍ）／ＡｌＮ（５ｎｍ）の合計１２０層、ｎ‐ＧａＮ層は１１３０℃、圧力７６０Ｔｏｒｒ、膜厚１μｍとした。
キャリア密度の測定は、容量−電圧（Ｃ−Ｖ）法を用いて行った（図７参照）。ｎ−ＧａＮ層の表層１μｍまではＳiＨ４の流量を増加とともにキャリア密度は増加するが、より深い部位での特定の傾向は見いだせなかった。また転位密度はＸ線の半値幅を用いて求めた。ＡｌＮの膜厚が５ｎｍの場合は、転位密度が１×１０１１ｃｍ−２ 、ＳiＨ４の供給量に対するキャリア密度（５×１０１５〜１×１０１８ｃｍ−３）の制御が容易である。これに対して、ＡｌＮ層の膜厚が２０ｎｍおよび８０ｎｍの場合、転位密度が５×１０１１ｃｍ−２と大きく、またＳiＨ４の供給量に対するキャリア密度変化（１×１０１５〜１×１０１７ｃｍ−３）と変化が大きく、その制御が困難である（図８参照）。
【００１９】
（実施例２：ＳｉＯ２絶縁膜を有するＧａＮショットキーバリアダイオード）
実施例１の構造（図６）および同じプロセスにおいて、ｎ−ＧａＮ層へのＳｉＨ４の流量を０.４ＳＣＣＭとして結晶成長を行った後、Ｓｉ基板の裏面に電子ビーム蒸着法を用いて、ＡｕＳｂ／Ａｕ（２０ｎｍ／１００ｎｍ) 蒸着し、その後３００℃でアニールし、Ｓｉ基板裏面のオーミック電極を形成した。その後、素子表面側において電子ビーム蒸着法によりＳｉＯ２絶縁膜１００ｎｍを蒸着し、部分的にＳｉＯ２膜を除去した。さらにフォトリソグラフィ技術とリフトオフ法を用いてショットキー電極としてＰｄ／Ｔｉ／Ａｕ (４０ｎｍ／２０ｎｍ／６０ｎｍ)を電子ビーム蒸着法により形成した。チップサイズは１×１ｍｍ２とした。
当ショットキーバリアダイオードの電流−電圧特性を測定したところ、立ち上がり電圧：１．４Ｖ、順方向電圧：２．１Ｖ（@順方向電流：８Ａ）、耐圧：８５０Ｖであった。
【００２０】
（実施例３：ｐ−ＧａＮ層を有するＧａＮショットキーバリアダイオード層）
実施例１の構造（図６）および同じプロセスにおいて、ｎ−ＧａＮ層へのＳｉＨ４の流量を０.４ＳＣＣＭとして結晶成長を行った後、素子側において、ＳｉＯ２（膜厚１００ｎｍ）を全面に成膜した。その後、部分的にＳｉＯ２を除去し、ＳｉＯ２膜以外の部分のｎ−ＧａＮ層をＲＩＥ（ＢＣｌ３, １０ＳＣＣＭ、 ３Ｐａ、５Ｗ、１０分）を用いて選択的に０．１μm除去した。その後、ＳｉＯ２膜をマスクとして、膜厚が０.１μmのｐ−ＧａＮ層の選択再成長を行う。そして、ＳｉＯ２膜を除去した後、７５０℃、２０分間、窒素雰囲気中で活性化アニールを行った。その後、実施例２と同様に、Ｓｉ基板の裏面に電子ビーム蒸着法を用いて、ＡｕＳｂ／Ａｕ（２０ｎｍ／１００ｎｍ) 蒸着し、その後３００℃でアニールし、Ｓｉ基板裏面のオーミック電極を形成し、フォトリソグラフィ技術とリフトオフ法を用いてショットキー電極としてＰｄ／Ｔｉ／Ａｕ (４０ｎｍ／２０ｎｍ／６０ｎｍ)を電子ビーム蒸着法により形成した。
当ショットキーバリアダイオードの電流ー電圧特性を測定したところ、立ち上がり電圧：１．４Ｖ、順方向電圧：１.９Ｖ（@順方向電流：８Ａ）、耐圧：９００Ｖであった。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明は、ショットキーバリアダイオードに用いられる。
【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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