(57)【要約】本発明は、窒化アルミニウム単結晶基板を有するパワー半導体デバイスを提供する。前記基板の転位密度は約１０５ｃｍ−２未満であり、（００２）結晶面および（１０２）結晶面の結晶面に対する二軸のロッキングカーブの半値全幅（ＦＷＨＭ）が、約２００アークセカント未満であり、パワー半導体構造は、窒化アルミニウム単結晶基板の上に少なくとも１層のドープしたＡｌｘＧａ１−ｘＮ層を備える。【選択図】図３
2016520992.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体デバイスであって、
窒化アルミニウム単結晶基板であって、前記基板の転位密度が約１０５ｃｍ−２未満であり、かつ（００２）結晶面および（１０２）結晶面に対する二軸のロッキングカーブの半値全幅（ＦＷＨＭ）が約２００アークセカント未満である、窒化アルミニウム単結晶基板と、
窒化アルミニウム単結晶基板の上に複数のドープした窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ）のエピタキシャル層を有するパワー半導体構造と、
を含む、パワー半導体デバイス。
【請求項２】
前記基板の転位密度が１０４ｃｍ−２未満である、請求項１に記載のパワー半導体デバイス。
【請求項３】
前記基板の転位密度が１０３ｃｍ−２未満である、請求項１に記載のパワー半導体デバイス。
【請求項４】
前記基板の転位密度が１０２ｃｍ−２未満である、請求項１に記載のパワー半導体デバイス。
【請求項５】
前記（００２）結晶面および（１０２）結晶面に対する二軸のロッキングカーブの半値全幅（ＦＷＨＭ）が約１００アークセカント未満である、請求項１に記載のパワー半導体デバイス。
【請求項６】
前記（００２）結晶面および（１０２）結晶面に対する二軸のロッキングカーブの半値全幅（ＦＷＨＭ）が約５０アークセカント未満である、請求項１に記載のパワー半導体デバイス。
【請求項７】
前記（００２）結晶面および（１０２）結晶面に対する二軸のロッキングカーブの半値全幅（ＦＷＨＭ）が約２５アークセカント未満である、請求項１に記載のパワー半導体デバイス。
【請求項８】
前記パワー半導体構造は、ショットキーダイオード、接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、またはパワー金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の形態である、請求項１に記載のパワー半導体デバイス。
【請求項９】
前記パワー半導体構造が、１層以上の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ）のエピタキシャル層を含む比較的高濃度にドープしたＮ＋領域と隣接する、１層以上の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ）のエピタキシャル層を含む比較的低濃度にドープしたＮ型ドリフト領域を含むショットキーダイオードの形態である、請求項１に記載のパワー半導体デバイス。
【請求項１０】
ドープした窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ）層の少なくとも１層が、約０．７を超えるｘ値を有する、請求項９に記載のパワー半導体デバイス。
【請求項１１】
前記窒化アルミニウム単結晶基板が物理的気相輸送法により作製される、請求項１に記載のパワー半導体デバイス。
【請求項１２】
前記デバイスは、
少なくとも約５ＭＶ／ｃｍの絶縁破壊電界と、
少なくとも約２０ｋＶの阻止電圧と、
少なくとも約２０ｋＨｚのスイッチング周波数と、
の１つ以上を特徴とする、請求項１に記載のパワー半導体デバイス。
【請求項１３】
パワー半導体デバイスの形成方法であって、
窒化アルミニウム単結晶基板を受ける工程であって、前記基板の転位密度が約１０５ｃｍ−２未満であり、前記（００２）結晶面および（１０２）結晶面の二軸のロッキングカーブの半値全幅が２００アークセカント未満である工程と、
前記窒化アルミニウム単結晶基板上に複数のドープした窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ）のエピタキシャル活性化層を堆積する工程と、
前記ドープした窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ）の活性化層と接する金属電極層を形成する工程と、
を含む、パワー半導体デバイスの形成方法。
【請求項１４】
前記堆積工程が、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、またはハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）を含む、請求項１３に記載のパワー半導体デバイスの形成方法。
【請求項１５】
前記パワー半導体構造が、ショットキーダイオードの形態を有し、前記堆積工程が、前記窒化アルミニウム単結晶基板上に、比較的高濃度にドープした１層以上のＮ＋型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ）層を堆積する工程と、前記比較的高濃度にドープした１層以上のＮ＋型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ）層上に比較的低濃度にドープした１層以上のＮ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層）を堆積する工程と、を含む、請求項１３に記載のパワー半導体デバイスの形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化アルミニウム単結晶基板を組込んだパワー半導体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーエレクトロニクス半導体の技術は、負荷に関わらず、信頼できる電圧、電流および周波数において高品質の電力を日常的に提供することで、現代社会に多大な貢献をしてきた。そのようなデバイスは、スイッチまたは整流器として使用され、２端子デバイス（例えばダイオード）または３端子デバイス（例えばトリオード）に分類できる。パワー半導体デバイスは、電荷キャリア（電子または電子正孔）の一方のみを使用する多数キャリアデバイスと、両方の種類のキャリアを使用する小数キャリアデバイスと、に分類できる。多数キャリアデバイスの例としては、ショットキーダイオード、接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、およびパワー金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を含む。小数キャリアデバイスには、サイリスタ、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、ＰＩＮダイオードおよび絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が挙げられる。
【０００３】
米国における電気事業インフラは、より優れた制御、より優れた監視および情報を、電力の送配に追加するように変化を遂げている状況にある。この未来の「スマートグリッド」は、単なるオン‐オフの制御を提供するのではなく、変化する状況や要求に応じて、電力の実質的なフロー制御を提供する。スマートグリットの実現には、改善された電力制御デバイスの開発が重要となっている。
【０００４】
近年まで、これらデバイス種類は、シリコン（Ｓｉ）半導体デバイスを基板とし、電圧範囲４８０Ｖａｃ未満かつ温度５０℃未満の操作下では、一般に非常に有効である。電気事業への適用では、これらのデバイスが、阻止電圧（≦１０ＫＶ）、低いスイッチ速度（≦２ＫＨｚ）および限定的な接合部の動作温度（≦１５０℃）を含む数値限界に悩まされている。
【０００５】
柔軟な電力制御およびエネルギー節約を有し、４８０Ｖａｃ〜５００ｋＶａｃの広い電力系の用途の空間を貫くには、新規のパワー半導体技術の開発が不可欠である。基礎材料をシリコン（Ｓｉ）に限定するのは不適切なため、より広いエネルギーバンドギャップを有する半導体を使用しなければならない。シリコンカーバイト（ＳｉＣ）のパワー制御デバイスは、少なくとも２０年間開発されてきており、また、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）のショットキーダイオードおよび接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）を含む、１０〜２０ｋＶの値での、研究規模でのデバイスは存在する。シリコンカーバイト（ＳｉＣ）は、シリコンよりも、より低熱抵抗、およびより高温で動作する点で有利である。
【０００６】
しかし、電圧値が一層高くなると、これらのデバイス中の損失も顕著に増加し、結果としてデバイスの電流の制御能力が限定される。極めて優れた材料特性を有する半導体が必要とされており、その１つは、最も高い操作温度を有し、前述の伝導損失を大きく減少させかつ２０ｋＶを越える電圧容量を阻止するパワーエレクトロニクスを可能とする半導体である。従って、改善されたパワー半導体デバイスに対する必要性が依然として存在する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）単結晶基板を含むパワー半導体デバイスを提供し、当該基板の転位密度が１０５ｃｍ−２未満であり、（００２）結晶面および（１０２）結晶面に対する二軸のロッキングカーブの半値全幅（ＦＷＨＭ）は、約２００アークセカント未満であり、パワー半導体構造は、窒化アルミニウム単結晶基板上のドープした複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮのエピタキシャル層を含む。ある実施形態では、本発明のパワー半導体デバイスは少なくとも約５ＭＶ／ｃｍの絶縁破壊電界（例えば、少なくとも約１０ＭＶ／ｃｍ、少なくとも約１５ＭＶ／ｃｍ、または少なくとも約２０ＭＶ／ｃｍ）、少なくとも約２０ｋＶの阻止電圧および／または少なくとも約２０ｋＨｚのスイッチング周波数を提供することができる。例示的なパワー半導体構造は、ショットキーダイオード、接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、またはパワー金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の形態で存在する。
【０００８】
ある実施形態では、当該基板は、１０４ｃｍ−２未満、１０３ｃｍ−２未満または１０２ｃｍ−２未満の転位密度によって特徴づけることができる。当該（００２）結晶面および（１０２）結晶面に対する二軸のロッキングカーブの半値全幅（ＦＷＨＭ）は、約１００アークセカント未満、約５０アークセカント未満または約２５アークセカント未満とすることができる。当該窒化アルミニウム単結晶基板は、一般に物理的な気相輸送によって作製される。
【０００９】
１つの例示的な実施形態では、当該パワー半導体構造は、１つ以上のＡｌｘＧａ１−ｘＮエピタキシャル層を含む比較的高濃度にドープしたＮ＋領域と隣接する１つ以上のＡｌｘＧａ１−ｘＮのエピタキシャル層を含む比較的低濃度にドープしたＮ型ドリフト領域を含むショットキーダイオードの形態をとる。ｘ値は変更でき、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層の位置に依存し、Ｎ＋領域において０〜約０．８であり、かつドリフト領域において約０．７を超えるかまたは約０．８を超えるｘ値を一般に有する。
【００１０】
本発明は、パワー半導体デバイスを形成する方法も提供し、当該方法は、窒化アルミニウム単結晶基板を受ける工程であって、当該基板の転位密度が１０５ｃｍ−２未満でかつ当該（００２）結晶面および（１０２）結晶面に対する二軸のロッキングカーブの半値全幅が約２００アークセカント未満である工程と、当該窒化アルミニウム単結晶基板の上にドープしたＡｌｘＧａ１−ｘＮ活性化エピタキシャル層を堆積する工程と、当該窒化アルミニウム単結晶基板の少なくとも一部を除去する工程と、ドープしたＡｌｘＧａ１−ｘＮ活性化層と接触する金属電極層を形成する工程と、を含む。例示的な堆積技術には、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）およびハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）を含む。パワー半導体構造がショットキーダイオードの形態をとる一実施形態では、窒化アルミニウム単結晶基板上に比較的高濃度にドープした１つ以上のＮ＋ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層を堆積する工程、および比較的高濃度にドープしたＮ＋ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層上に比較的低濃度にドープした１層以上のＮ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層を堆積する工程、を含む。
【００１１】
本発明は、非限定に、以下の実施形態を含む。
【００１２】
実施形態１：パワー半導体デバイスであって、窒化アルミニウム単結晶基板であって、当該基板の転位密度が約１０５ｃｍ−２未満であり、当該（００２）結晶面および（１０２）結晶面に対し二軸のロッキングカーブの半値全幅（ＦＷＨＭ）が、約２００アークセカント未満である、窒化アルミニウム単結晶基板と、窒化アルミニウム単結晶基板上にあるドープした複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮエピタキシャル層を含むパワー半導体構造と、を備えるパワー半導体デバイス。
【００１３】
実施形態２：当該基板の転位密度が１０４ｃｍ−２未満である、前述あるいは後述の実施形態のいずれかに記載のパワー半導体デバイス。
【００１４】
実施形態３：当該基板の転位密度が１０３ｃｍ−２未満である、前述あるいは後述の実施形態のいずれかに記載のパワー半導体デバイス。
【００１５】
実施形態４：当該基板の転位密度が１０２ｃｍ−２未満である、前述あるいは後述の実施形態のいずれかに記載のパワー半導体デバイス。
【００１６】
実施形態５：当該（００２）結晶面および（１０２）結晶面に対する二軸のロッキングカーブの半値全幅（ＦＷＨＭ）が約１００アークセカント未満である、前述あるいは後述の実施形態のいずれかに記載のパワー半導体デバイス。
【００１７】
実施形態６：当該（００２）結晶面および（１０２）結晶面に対する二軸のロッキングカーブの半値全幅（ＦＷＨＭ）が約５０アークセカント未満である、前述あるいは後述の実施形態のいずれかに記載のパワー半導体デバイス。
【００１８】
実施形態７：当該（００２）結晶面および（１０２）結晶面に対する二軸のロッキングカーブの半値全幅（ＦＷＨＭ）が約２５アークセカント未満である、前述あるいは後述の実施形態のいずれかに記載のパワー半導体デバイス。
【００１９】
実施形態８：当該パワー半導体構造がショットキーダイオード、接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、またはパワー金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の形態である、前述あるいは後述の実施形態のいずれかに記載のパワー半導体デバイス。
【００２０】
実施形態９：当該パワー半導体構造は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮの１層以上のエピタキシャル層を備える比較的高濃度にドープしたＮ＋領域と隣接する、ＡｌｘＧａ１−ｘＮの１層以上のエピタキシャル層を備える、比較的低濃度にドープしたＮ型ドリフト領域を備えるショットキーダイオードの形態である、前述あるいは後述の実施形態のいずれかに記載のパワー半導体デバイス。
【００２１】
実施形態１０：ドープしたＡｌｘＧａ１−ｘＮ層の少なくとも１層が約０．７を超えるｘ値を有する、前述あるいは後述の実施形態のいずれかに記載のパワー半導体デバイス。
【００２２】
実施形態１１：当該窒化アルミニウム単結晶基板が物理的気相輸送法により作製される、前述あるいは後述の実施形態のいずれかに記載のパワー半導体デバイス。
【００２３】
実施形態１２：当該デバイスは、少なくとも約５ＭＶ／ｃｍの絶縁破壊電界と、少なくとも約２０ｋＶの阻止電圧と、少なくとも約２０ｋＨｚのスイッチング周波数と、の１つ以上を特徴とする、前述あるいは後述の実施形態のいずれかに記載のパワー半導体デバイス。
【００２４】
実施形態１３：パワー半導体デバイスの形成方法であって、窒化アルミニウム単結晶基板を受ける工程であって、当該基板の転位密度が約１０５ｃｍ−２未満であり、当該（００２）結晶面および（１０２）結晶面の二軸のロッキングカーブの半値全幅が２００アークセカント未満である工程と、当該窒化アルミニウム単結晶基板上に複数のドープしたＡｌｘＧａ１−ｘＮのエピタキシャル活性化層を堆積する工程と、当該ドープしたＡｌｘＧａ１−ｘＮの活性化層と接触して金属電極層を形成する工程と、を備える、パワー半導体デバイスの形成方法。
【００２５】
実施形態１４：当該堆積工程が、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、またはハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）を含む、前述あるいは後述の実施形態のいずれかに記載の方法。
【００２６】
実施形態１５：当該パワー半導体構造が、ショットキーダイオードの形態を有し、当該堆積工程が当該窒化アルミニウム単結晶基板上に比較的高濃度にドープした１層以上のＮ＋ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層を堆積する工程と、当該比較的高濃度にドープした１層以上のＮ＋ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層上に比較的低濃度にドープした１層以上のＮ−型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層を堆積する工程と、を備える、前述あるいは後述の実施形態のいずれかに記載の方法。
【００２７】
これらの特徴、態様および利点、ならびに本開示の他の特徴、態様および利点は、以下の簡単に説明した図面の添付と一緒に以下の詳細な説明を読むことから明らかとなる。そのような特徴または要素が明細書における特定の実施形態の記載中で明示的に組合されるか否かは問わず、本開示中に明示された２つ、３つ、４つまたはそれ以上の特徴または要素の組合せと同様、上述の実施形態のうちの２つ、３つ、４つまたはそれ以上のいずれかの組合せを本発明は包含する。文脈中で別段の指示を明記しない限り、開示の本発明の個々の特徴または要素のいずれも組合せ可能となるように意図して解されるべく、本開示は、全体を通して読まれることを意図している。
【００２８】
上述の一般的用語中で開示を記載したが、さらに本明細書は添付の図面を参照する。添付図面は必ずしも縮尺通りではない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による例示的ショットキーダイオードを示す。
【図２】図１のショットキーダイオードの陽極（アノード）へ適用した逆バイアスの効果を示す。
【図３】実施例に記載するように、窒化アルミニウム単結晶基板上で成長するショットキーダイオード構造を示す。
【図４】実施例に記載する例示的デバイスに対する、電流−電圧曲線を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本開示を、さらにその例示的な実施形態を参照して、以下により完全に説明する。本開示が完全に網羅され、当業者に対する開示の範囲を完全にカバーするように、これら例示的な実施形態を記載する。実際に、本開示は、多くの異なる形態で具現化可能であり、明細書で示された実施形態に限定して解釈されるべきではなく、むしろ、これらの実施形態は法的要件を満たすように提供されている。明細書や添付の特許請求の範囲にて使用される、単数形「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」は、文脈中で別段明確に示唆しない限り、複数形を含む。
【００３１】
本発明の実施形態は、パワー半導体デバイスに関する。本明細書で使用する、用語「パワー半導体デバイス」は、半導体材料を構成しかつ電流を制御または変換するのに適用され、スイッチおよび整流器を含むことを意図する。これらのデバイスは、２端子デバイスまたは３端子デバイスおよび多数キャリアデバイスまたは小数キャリアデバイスであってよく、特に、ショットキーダイオード、接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、パワー金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、サイリスタ、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、ＰＩＮダイオードおよび絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を含む。（ショットキーダイオードを含む）パワーダイオードは、特に重要なデバイスの分類であり、電力の整流を提供し、電気メッキ、陽極酸化、バッテリ充電、溶接、電源（ＤＣおよびＡＣ）および可変周波数駆動整流を含む様々な応用に使用される。
【００３２】
本発明によると、パワー半導体デバイスは、物理気相輸送（ＰＶＴ）により作製される低い転位密度を有する窒化アルミニウム単結晶基板上で製造される。窒化アルミニウムは、非常に高い臨界電界を有する。臨界電界は、オフ‐状態で高い阻止電圧を達成するのに関係する。臨界電界と阻止電圧は両方とも、高い電位密度を有する材料により顕著に低下する。よって、本発明で使用する窒化アルミニウム基板が非常に低い転位密度を示すため、当該基板は、例外的に高い臨界電界を実現するパワー半導体デバイス構造の製造に使用できる。
【００３３】
窒化アルミニウムは、通常は誘電体とみなされているが、窒化アルミニウムと窒化ガリウム合金、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ）合金と共に、有意な熱伝導率を示し、また、優れた電子移動度、高いアルミニウム含有量の見込みを保持する。広い電子バンドギャップを有するこれら好適な熱特性を組合せることにより、例外的に高い絶縁破壊電界を有する高速電力制御デバイスの製造が可能となる。ある実施形態では、本発明により、少なくとも約５ＭＶ／ｃｍ、少なくとも約１０ＭＶ／ｃｍ、少なくとも約１５ＭＶ／ｃｍまたは少なくとも約２０ＭＶ／ｃｍオーダーの絶縁破壊電界を有する多数キャリアパワーデバイスを提供できる。従って、本発明による窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＞０．８））から製造されたパワーデバイスは、抵抗において同一特性を有するシリコン（Ｓｉ）デバイスよりも絶縁破壊電圧で２００：１の改善を示す可能性を有する。
窒化アルミニウム基板
【００３４】
低い欠損密度を有するＩＩＩ族の窒化物半導体材料は、高性能のパワー半導体デバイスの製造に使用できる。当該基板の格子定数とデバイス層の間における相違を最小限にすることにより、デバイス全体にわたり、より低い転位密度が発生する。従って、窒化アルミニウムまたは窒化ガリウムの単結晶をＩＩＩ族の窒化物ベースのデバイスに対し基板として使用することは理想的である。この理由は、これらの天然のＩＩＩ族の窒化物基板を使用することにより、基板とデバイス層との間の格子定数の差が最小化されるからである。当該基板に存在する転位は、デバイス層に伝播する傾向にあるので、低い転位密度を有する基板を使用するのが好適である。
【００３５】
本発明では、窒化アルミニウム単結晶基板が、特に好ましく、そのような基板はｃ面、ｍ面、ａ面またはｒ面であってよい。「単結晶」は、３次元上の一方向を有する所定の格子原子を有する結晶に関する。単結晶基板上に製造されたパワー半導体デバイスは、基板の結晶方向を受け継ぐ。対照的に、「多結晶」は、単結晶の存在しない、多数の結晶粒界を有する多方向性があるものに関する。本発明の基板を適用する際、「単結晶基板」は、パワー半導体デバイスの成長に利用可能な少なくとも１つの単結晶表面が、最小限存在することに関する。また、当該パワー半導体デバイスは、別の基板と結合した単結晶層を有する基板とともに、その厚さ全体にわたり均質な単結晶構造を有する基板を含むであろう。窒化アルミニウム単結晶は、約６ｅＶの直接遷移を特徴とするＩＩＩ族の窒化半導体材料である。これは、窒化ガリウム（ＧａＮ）および窒化インジウム（ＩｎＮ）等の他の窒化物よりも大きなバンドギャップを示し、従って、バンドギャップエネルギー生成のため、ガリウム（Ｇａ）またはインジウム（Ｉｎ）と窒化アルミニウムの合金化が可能である。
【００３６】
窒化アルミニウム単結晶基板の作製方法は、可変であるが、所望の材料を形成するのに前駆体分子の化学反応を含む化学蒸着技術（ＣＶＤ）に対し、物理的気相輸送を一般的に含む。つまり、好ましいプロセスでは、窒化アルミニウムの供給源から、るつぼまたは他の結晶成長チャンバ内における堆積位置への、所望の材料（例えば窒化アルミニウム（ＡＩＮ））の物理的気相輸送を含むことを意味する。堆積領域は、窒化アルミニウム単結晶基板のシード材料を一般的に含み、また、成長プロセスは誘導加熱反応器内で一般に行われる。本発明で使用するのに好適な窒化アルミニウム単結晶基板の成長のための、シード物理蒸着（ＰＶＴ）成長プロセスは、例えば、米国特許第７６７８１９５号，Ｓｃｈｌｅｓｓｅｒ，Ｅｈｒｅｎｔｒａｕｔ，Ｄ．およびＳｉｔａｒ等（２００９年），Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  ｂｕｌｋ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  ＡｌＮ  ａｎｄ  ＧａＮ，ＭＲＳ  Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，３４巻（４号），２５９頁−２６５頁、Ｌｕ等（２００９年）  Ｓｅｅｄｅｄ  ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  ＡｌＮ  ｂｕｌｋ  ｃｒｙｓｔａｌｓ  ｉｎ  ｍ−  ａｎｄ  ｃ−ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ，３１２巻（１号），５８頁−６３頁、Ｈｅｒｒｏ等（２０１０年）Ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  ＡｌＮ  ｓｉｎｇｌｅ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｂｏｕｌｅｓ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ，３１２巻（１８号）２５１９頁−２５２１頁に記載があり、それぞれ開示の文献は参照により本明細書に援用される。本発明にて使用する窒化アルミニウム単結晶基板は、米国特許第７６３２４５４号、Ｓｃｈｌｅｓｓｅｒ等に記載した物理的気相輸送（ＰＶＴ）法の結晶成長プロセスに使用可能な、ＨｅｘａＴｅｃｈ，Ｉｎｃ．，Ｍｏｒｒｉｓｖｉｌｌｅ（ノースカロライナ州）のるつぼが商業的に入手でき、開示の文献は参照により本明細書に援用される。Ｓｃｈｌｅｓｓｅｒらの米国特許第７８１５９７０号、Ｃｏｌｌａｚｏらの米国特許第７９１５１７８号の開示も参照のこと。これらの両文献は参照により本明細書に援用される。
【００３７】
転位密度計測器を含む、複数の計器に基づき単結晶基板の質を評価できる。単結晶基板での欠損を計測する例示的技術としては、例えば、Ｄａｌｍａｕ等，（２０１１年）Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ  ａｒｒａｙｓ  ｉｎ  ＡｌＮ  ｓｉｎｇｌｅ  ｃｒｙｓｔａｌｓ  ｇｒｏｗｎ  ｂｙ  ＰＶＴ，Ｐｈｙｓ．ｓｔａｔｕｓ  ｓｏｌｉｄｉ  Ａ  ２０８巻（７号），１５４５頁−１５４７頁、およびＲａｇｈｏｔｈａｍａｃｈａｒら，（２０１２年），Ｌｏｗ  ｄｅｆｅｃｔ  ｄｅｎｓｉｔｙ  ｂｕｌｋ  ＡｌＮ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ  ｆｏｒ  ｈｉｇｈ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ａｎｄ  ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｆｏｒｕｍ，７１７頁−７２０頁，１２８７頁−１２９０頁に、それらの技術が記載され、両方の文献は参照により本明細書に援用される。
【００３８】
単結晶ウェハ基板での格子歪みを特徴付けるのに使用する１つの方法として、シンクトロン放射源を用いることにより、Ｘ線トポグラフィーで結晶中の歪みを直接撮像する方法がある。例えば、Ｘ線トポグラフィーのアメリカ合衆国立標準技術研究所（ＮＩＳＴ）推奨の実践ガイドを参照のこと。同文献の開示は参照により本明細書に援用される。転位密度は、転位総数を視野面積で除算することにより算出する。
【００３９】
明細書で記載する窒化アルミニウム単結晶基板の転位密度は、好ましくは、約１０５ｃｍ−２未満であり、より好ましくは約１０４ｃｍ−２未満であり、さらに最も好ましくは約１０３ｃｍ−２未満であることが望ましい。ある実施形態では、窒化アルミニウム基板の転位密度は、約１０２ｃｍ−２未以下である。
【００４０】
相対的に低い転位密度を有するサンプルでは、例えば、水酸化カリウムと水酸化ナトリウムとを１：１の重量比で混合した溶液を用いて、３００℃で５〜１０分間、機械的に研磨した結晶面をエッチングする必要があり得る。エッチング後に、エッチングされた表面を計測し、エッチピットの数を電子顕微鏡または光学顕微鏡で観察する。当該転位密度はその後、観測したエッチピットの数を視野領域の面積で除算して算出する。
【００４１】
基板の表面の処理が不十分である場合にも、得られるデバイスの転位密度が増大することがある。よって、表面処理の技術は、界面から新しい転位を生じさせることなくエピタキシャル成長させる好適な表面を得るのに利用することがある。本発明の実施形態では、窒化アルミニウム基板表面は、研削により処理し、化学機械的研磨後、残りの表面の粗さを減らす。窒化アルミニウム基板の処理プロセスは、アルカリ溶液を用いた、反応性イオンエッチング法または湿式エッチング法も含まれ得る。研磨プロセスの詳細は、本発明まで特に限定するものでない。乾式エッチング法による平坦化処理も使用できる。使用する表面処理の方法に関わらず、原子的ステップからなる、非常に滑らかかつ平坦な基板表面が理想的である。
【００４２】
単結晶基板中の格子歪みを特徴付ける別の方法として、高分解能Ｘ線回析（ＨＲＸＲＤ）がある。例えば、アメリカ合衆国国立標準技術研究所（ＮＩＳＴ）の高分解能Ｘ線回析基準の資料ＳＲＭ  ２０００  ｌｉｎｋ：  ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｉｓｔ．ｇｏｖ／ｍａｎｕｓｃｒｉｐｔ−ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ−ｓｅａｒｃｈ．ｃｆｍ？ｐｕｂ＿ｉｄ＝９０２５８５を参照のこと。同文献の開示は参照により本明細書に援用される。さらに、Ｄ．Ｋ．Ｂｏｗｅｎ，Ｂ．Ｋ．  Ｔａｎｎｅｒ，ＣＲＣ  Ｐｒｅｓｓ  １９９８年による，Ｈｉｇｈ  Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｏｍｅｔｒｙ  Ａｎｄ  Ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙを参照のこと。同文献の開示は参照により本明細書に援用される。転位密度は、高分解能Ｘ線回析（ＨＲＸＲＤ）の計測でロッキングカーブ（ＲＣ）の半値全幅（ＦＷＨＭ）により特徴付けることができる。狭いピークは、結晶中の格子欠損の少なさを示し、このことはすなわち、転位密度の低さを意味する。特に、本発明で使用する窒化アルミニウム基板の結晶平面に対するＸ線ロッキングカーブ（ＲＣ）の半値全幅（ＦＷＨＭ）は、好ましくは、約２００アークセカント未満、約１００アークセカント未満、約５０アークセカント未満または約２５アークセカント未満であることが望ましい。例示的な範囲としては、約１〜約２００アークセカント、約５〜約５０アークセカントおよび約１０〜約２５アークセカントを含む。ＸＲＤ計測器は、Ｃｕ  Ｋα１がλ＝１．５４０５６Åである放射線を用いる、Ｐｈｉｌｉｐｓ  Ｘ’Ｐｅｒｔ  ＭＲＤ回析計を用いて実施可能である。Ｘ線管は、４０ｋＶ、４５ｍＡの設定で焦点合わせ可能である。二軸構成は、Ｇｅ（２２０）４結晶モノクロメータおよびオープン検出器を利用可能である。Ｘ線ビームのスポットサイズは、約１０ｍｍであってもよい。
パワー半導体デバイスの構造
【００４３】
本発明のパワー半導体デバイスの作製における精密構成および方法は、変更可能であるが、しかし、当該分野で公知のエピタキシャル成長、実装、およびパッケージングプロセスを一般的に含む。本発明による各パワー半導体デバイスは、明細書に記載する窒化アルミニウム基板上で成長し、かつＮ型および／またはＰ型の半導体層の形態で複数の活性層を含む（例えば、シリコン（Ｓｉ）ドープ窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ）層）。
【００４４】
正確なデバイス構造は、デバイスの型に依存する。例えば、本発明によるＭＯＳＦＥＴは、ゲート、ソース、ドレイン、および本体を含む、従来の４端子構造を有してもよい。本発明によるショットキーダイオード構造は、例えば、高濃度にドープしたＮ＋型層上に形成した、低濃度にドープしたＮ型ドリフト層を有する、図１に示す構造を有し得る。ドープしたＮ型ドリフト層面の少なくとも一部は、陽極（アノード）として金属層と接触する。金属層（ラベルしたショットキー金属）およびドープしたＮ型ドリフト層の間の接触領域は、ショットキーバリアを形成する。ドープしたＮ＋型層面の少なくとも一部は、陰極（カソード）としてのオーミック金属層と接触する。例示的な電極金属は、チタン、アルミニウムおよび金ならびにそれらの組合せを含む。例示されたデバイスを縦方向に配置するのに対し、横方向に配置したダイオード構造も本発明では使用可能である。
【００４５】
ショットキーダイオードのＮ＋型接触領域は一般的に１層以上のシリコン（Ｓｉ）ドープした窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ）層からなり、ｘは約０〜約０．８（例えば約０．２〜約０．８）の範囲にある。ショットキーダイオードのＮ型ドリフト領域は、一般に１層以上のシリコン（Ｓｉ）ドープした窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｙＧａ１−ｙＮ）層からなり、ここでｙは約０〜約１の範囲にある。好都合にも、ｙはドリフト領域において約０．７を超えるか、あるいは約０．８（純粋な窒化アルミニウムを含む）を超える。
【００４６】
逆バイアスを陽極（アノード）に適用する場合、図２に示すように、デバイスはオフ状態にあり、適用電圧がショットキー金属とＮドリフト領域の間にある界面に形成し、カソード（陰極）へ向かって延在するドリフト領域にある空乏域により支持される。最大電界（ＥＭ）はショットキー金属とＮドリフト領域の間にある界面に存在し、最大電界が半導体の臨界電場（ＥＣ）に達するまで、適用バイアスは上昇可能である。
【００４７】
上述のように、破壊電圧は半導体の臨界電場により決定する。窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）およびシリコンカーボン（ＳｉＣ）等のワイドバンドギャップ材料は、シリコン（Ｓｉ）よりも高い臨界電場を有する。このため、本発明の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）のショットキーダイオードは、シリコン（Ｓｉ）のショットキーダイオードと比較してより高い破壊電圧に達することが可能である。破壊電圧（ＢＷ）およびドリフト領域の比抵抗（ＲＤ）は以下の式によって示される。
【００４８】
【数１】
2016520992.tif 000003
【００４９】
上記式において、μはキャリヤ移動度であり、εは誘電率であり、ＥＣは半導体の臨界電場である。従って、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）を基礎とするショットキーダイオードは、シリコン（Ｓｉ）ベースのデバイスと比較して低い抵抗比を有する高い破壊電圧に達することができる。
本発明のパワー半導体の製造法
【００５０】
上述したパワー半導体デバイスの構造は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、液相エピタキシー（ＬＰＥ）等の先行技術のエピタキシャル成長プロセスにより形成される。好ましくは、ドーパントの協働とともに、デバイス層の厚さを制御するため、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）プロセスが望ましい。窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）金属のドープした層を形成する方法は、例えば、米国特許第６８８８１７０号、同第６９５３７４０号、同第７４８２１９１号および同第７４８５９０１号等（全てSchaff等）に記載され、これらは参照により本明細書に援用される。
【００５１】
多くの単結晶基板はＣ面基板である。使用するエピタキシー法に関わらず、堆積層は基板の結晶構造を繰り返す。従って、全層のデバイスにわたり低い転位密度を達するためには、上述した低い転位密度を有する基板が必要となる。
【００５２】
デバイス層の成長の間、炭素および酸素の結合を制御することは重要であり、かつ分子線エピタキシー（ＭＢＥ）およびハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）等の「炭素フリー」のプロセスを利用することにより、また有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）による炭素制御用の過飽和のスキームを利用することにより、炭素および酸素の結合制御が達成可能である。任意の実施形態では、活性化層における炭素濃度は約１０１６ｃｍ−３未満に維持される。有機金属化学気相成長法により成長する窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）膜においては、好ましくは、アルミニウム高含有膜に対して５ｘ１０１６〜５ｘ１０１７ｃｍ−３の範囲で制御可能なｎ型担体濃度を得ることが望ましい。シリコン（Ｓｉ）ドープ窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＞０．７またはｘ＞０．８））の量子ウェルが、本発明のパワー半導体デバイスにおけるドリフト領域として利用可能である。活性化層の堆積に続き、単結晶基板は少なくとも部分的に除去または薄くなっていることが望ましい。さらに、金属電極層は活性化層と接触して形成する。
【００５３】
透過電子顕微鏡法（「ＴＥＭ」）は、基板およびデバイス層における格子歪みを特徴付けるのに使用する基準的方法である。結晶中の転位は、超薄型基板の試験片を透過する電子ビームを用いることにより直接撮像することが可能である。映像は、試験片を透過する電子の相互作用から形成される。
【００５４】
本発明の様々な実施形態では、デバイス層の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）横断分析を用いて、更なる転位が基板デバイス層の界面に形成されているか否かを確認するのに使用でき、さらに、それ故に、デバイス層における転位密度が基板上のものと本質的に同一であると結論付けることができる。
本発明におけるパワー半導体の使用方法
【００５５】
本発明のパワー半導体は、電力分配のアプリケーションを含み、そのようなデバイスに知られる如何なる用途においても使用可能であろう。電力分配で次世代の主要な革新には、電力分配のパワーグリッド（中電圧系）において高周波数電力切換の使用を含むことが期待され、また、従来の６０Ｈｚの電磁変換を置換することである。しかし、これには、高電圧、高周波数パワー半導体デバイスが必要となる。本明細書に記載したタイプの窒化アルミニウムベースのデバイスは、理想的には、２０ｋＶを越えて動作可能で、２０ｋＨｚを越えて切換可能なデバイスを構築するのが望ましい。例えば、２０ｋＶ級のデバイスを必要とする場合であっても、本発明のパワー半導体デバイスは高電圧スイッチおよび／または高電圧整流器として使用することができるであろうし、またそのようなデバイスは超低逆回復損失を有することが期待されるであろう。
実験例
【００５６】
以下の実験例により例示される本発明の態様は、より完全に本発明の特定の実施形態を例示するために記載しており、その限定として解釈されるべきではない。
【００５７】
図３のショットキーダイオード構造は、ＨｅｘａＴｅｃｈ社のＰＶＴプロセスを用いて成長させた窒化アルミニウムのブールから製造した窒化アルミニウム単結晶基板上でエピタキシャルに成長し、１０４ｃｍ−２未満の平均転位密度を有する材料をルーチンに製造可能である。ダイオード構造の断面図のＴＥＭ映像は、目に見えない転位を有するレイヤーの間におけるシャープで急な界面を明らかにした。
【００５８】
基板上に成長させたシリコン−ドープした接触領域は、Ａｌ０．７９Ｇａ０．２１Ｎの組成を有するものとして特徴づけられ、接触領域上に成長させたドリフト領域は、窒化アルミニウムが低濃度にドープされていた。ＨＲＸＲＤ計測器は、ドリフト領域が１２５ｎｍの厚さ、かつ接触領域が５２２ｎｍの厚さを示す。
【００５９】
図４は、実験例のデバイスに対するＩ−Ｖカーブを示す。図４に示すように、このデバイスは逆バイアス下で顕著な低リーク電流を示す。さらに、実験例のデバイスの絶縁破壊電界を、（１）空気中、（２）真空中、（３）ＦＯＭＢＬＩＮ（登録商標）潤滑剤を用いて「不導体」となった表面の複数の条件で計測した。計測された絶縁破壊電界は、各条件で約５ＭＶ／ｃｍであり（1メートルのトールで試験したダイオードは、５．７ＭＶ／ｃｍの最高のパフォーマンスを示した）、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）の最高絶縁破壊電界の理論値をはるかに超える。測定された降伏値は、表面破壊が原因と考えられ、最適化されたデバイスに対して理論的な絶縁破壊電界の示唆はなく、約１５ＭＶ／ｃｍを越えると考えられる。
【００６０】
本明細書に記載された開示の多くの修正および他の態様は、前述の記載および関連する図面中で示された教示の利益を有することを、本開示が関連することに当業者は想起するであろう。従って、本開示は開示された特定の態様に限定されるべきものではなく、また、修正および他の態様が特許請求の範囲に含まれることを意図することが理解されるべきである。本明細書中では特定の用語が用いられているが、それらは一般的かつ説明的な意味のみで使用するものであり、限定目的で使用されるものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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