高耐壓氮化鎵系半導(dǎo)體設(shè)備及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高耐壓氮化鎵系半導(dǎo)體設(shè)備及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化鎵(GaN)系半導(dǎo)體作為以發(fā)光二極管(Light Emitting D1de ；LED)、激光二極管(Laser D1de ；LD)為代表的光設(shè)備的材料在世界中得到廣泛使用。進(jìn)一步地，由于氮化鎵系半導(dǎo)體具有帶隙寬、電子移動(dòng)率高、飽和電子速度快以及擊穿電壓高等非常優(yōu)異的材料物性，因此近年作為以晶體管為代表的電子設(shè)備受到關(guān)注，尤其期待在高耐壓用功率設(shè)備、高頻用功率設(shè)備中的應(yīng)用。
[0003]由于有機(jī)金屬氣相生長(MetalOrganic Vapor Phase Epitaxy,MOVPE)法在使半導(dǎo)體層進(jìn)行外延生長時(shí)，能夠精密控制層厚、組成，而且能夠在多個(gè)襯底表面同時(shí)外延生長半導(dǎo)體層，因此，與以往相比，不只是氮化鎵系半導(dǎo)體設(shè)備，在制造如下半導(dǎo)體設(shè)備時(shí)也得到廣泛采用:鋁鎵砷(AlGaAs)半導(dǎo)體設(shè)備、銦鎵砷(InGaAs)半導(dǎo)體設(shè)備等砷化鎵系半導(dǎo)體設(shè)備，銦鎵磷(InGaP)半導(dǎo)體設(shè)備等磷化銦系半導(dǎo)體設(shè)備以及其他II1-V族化合物半導(dǎo)體設(shè)備。
[0004]電流沿氮化鎵系半導(dǎo)體層的層厚方向流動(dòng)的縱型結(jié)構(gòu)的氮化鎵系半導(dǎo)體設(shè)備是通過使用上述有機(jī)金屬氣相生長法等使氮化鎵系半導(dǎo)體層外延生長于η型氮化鎵自支撐襯底的表面來制造的。在氮化鎵系半導(dǎo)體中，由于與空穴的移動(dòng)率相比，電子的移動(dòng)率極其高，因此，在利用氮化鎵系半導(dǎo)體制造高耐壓用功率設(shè)備時(shí)，考慮將其設(shè)計(jì)為如下形式:將η型氮化鎵系半導(dǎo)體層的載流子濃度抑制在較低水平，以便在施加反向偏壓時(shí)耗盡層擴(kuò)大至η型氮化鎵系半導(dǎo)體層。
[0005]如果基于泊松方程計(jì)算肖特基結(jié)、ρη結(jié)中的電場分布、耗盡層的層厚，則可以明白，在接合面處電場強(qiáng)度變?yōu)樽畲?，并且施加高電壓作為反向偏壓時(shí)、將η型氮化鎵系半導(dǎo)體層的載流子濃度抑制為較低水平時(shí)，耗盡層的層厚將增加。
[0006]因此，基本上希望將η型氮化鎵系半導(dǎo)體層的載流子濃度抑制在較低水平，同時(shí)使其層厚厚于耗盡層的層厚，從而使得接合面處的電場強(qiáng)度不超過擊穿電壓，但如果這樣，則施加正向偏壓時(shí)的通態(tài)電阻會(huì)變大。
[0007]為此，為了不將η型氮化鎵系半導(dǎo)體層的載流子濃度整體都抑制在同樣的較低水平來降低接合面處的電場強(qiáng)度，可以考慮在離接合面近的位置抑制為較低的載流子濃度，而在離接合面遠(yuǎn)的位置保持高的載流子濃度。這能夠通過解給定適當(dāng)邊界條件的泊松方程容易地考察。
[0008]作為用于控制氮化鎵系半導(dǎo)體層的η型導(dǎo)電性的施主雜質(zhì)，可以使用常規(guī)的硅
(Si)、鍺(Ge)等。
[0009]此外，已知含于氮化鎵系半導(dǎo)體層中的碳(C)，通過補(bǔ)償效應(yīng)能夠使電子濃度降低(例如，參照非專利文獻(xiàn)I)。該碳并不是在使氮化鎵系半導(dǎo)體層進(jìn)行外延生長時(shí)通過有意供給碳原料而添加的，而是通過具有碳?xì)?C-H)鍵的鎵(Ga)原料而混入的。
[0010]控制氮化鎵系半導(dǎo)體層的碳濃度是可能的，例如，如果將生長壓力升高至高壓，則可以將氮化鎵系半導(dǎo)體層的碳濃度抑制在較低水平(例如，參照非專利文獻(xiàn)I)，此外，也可以降低生長速度、提高V/III比(作為提供V族元素氮(N)的原料的氨氣(NH3)等與作為提供III族元素鎵的原料的三甲基鎵((CH3)3Ga)等的供給摩爾比)來將氮化鎵系半導(dǎo)體層的碳濃度抑制在較低水平(例如，參照非專利文獻(xiàn)2以及非專利文獻(xiàn)3)。另外，還可以通過改變用作鎵原料的鎵系有機(jī)金屬原料的種類(例如，三甲基鎵、三乙基鎵((C2H5)3Ga))來使氮化鎵系半導(dǎo)體層的碳濃度大幅改變。
[0011]從其他觀點(diǎn)來看，對(duì)η型氮化鎵自支撐襯底的偏離角與η型氮化鎵系半導(dǎo)體層的碳濃度的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)研究后可以知道，通過使用具有一定以上偏離角的η型氮化鎵自支撐襯底，能夠?qū)ⅵ切偷壪蛋雽?dǎo)體層的碳濃度控制為較低水平(例如，參照專利文獻(xiàn)I)。特別地，在高耐壓用功率設(shè)備中，由于精細(xì)控制載流子濃度低的η型氮化鎵系半導(dǎo)體層的載流子濃度尤為重要，因此從在施主雜質(zhì)濃度低的區(qū)域中得到所希望的電子濃度的方面來講，碳濃度優(yōu)選盡可能低。
[0012]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0013]專利文獻(xiàn)
[0014]專利文獻(xiàn)1:日本特開2007-299793號(hào)公報(bào)
[0015]非專利文獻(xiàn)
[0016]非專利文獻(xiàn)1:Seager等人，碳在GaN中的作用(Role of carbon inGaN), Journal of Applied Physics, Vol.92，N0.11，p.6553-6560，2002 年 12 月 I 日
[0017]非專利文獻(xiàn)2:Matsumoto等人，有機(jī)金屬氣相生長GaN的高生長速率(Highgrowth rate metal organic vapor phase epitaxy GaN), Journal of CrystalGrowth, Vol.310，p.3920-3952，2008 年 8 月 15 日
[0018]非專利文獻(xiàn)3 =Ubukata等人，在有機(jī)金屬氣相生長系統(tǒng)中的6英寸Si襯底上用于AlGaN/GaN HEMT的高生長速率的AlGaN緩沖層和低碳GaN的氣壓生長(High-growth-rateAlGaN buffer layers and atmospheric -pressure growth of low-carbon GaN forAlGaN/GaN HEMT on the 6-1n.-diameter Si substrate metal-organic vapor phaseepitaxy system), Journal of Crystal Growth, Vol.370，p269_272, 2013 年 5 月 I 日

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]發(fā)明所要解決的課題
[0020]在高耐壓用功率設(shè)備中，如上所述，如果不能通過在離接合面近的位置抑制載流子濃度為較低水平來使接合面處的電場強(qiáng)度降低從而抑制擊穿現(xiàn)象，則不能夠?qū)崿F(xiàn)高耐壓化。
[0021]進(jìn)一步地，由于在離接合面近的位置的載流子濃度低的η型氮化鎵系半導(dǎo)體層的載流子濃度對(duì)接合面附近中的電場強(qiáng)度有很大影響，而且對(duì)耗盡層的層厚也有非常顯著的影響，因此在離接合面的近的位置有必要在極低載流子濃度的范圍內(nèi)控制載流子濃度。
[0022]因此，在將作為發(fā)生補(bǔ)償效應(yīng)的原因的碳濃度抑制為較低水平的同時(shí)，精細(xì)控制硅、鍺等施主雜質(zhì)的濃度變得重要。
[0023]然而，如果將碳濃度抑制為較低水平，則在絕大多數(shù)情況中會(huì)使制造成本增加。例如，如果將生長壓力設(shè)為高壓，則由于為了抑制生長爐內(nèi)的氣相反應(yīng)，需要快速供給大流量氣體，因此裝置變?yōu)榇笮投怪圃斐杀驹黾印４送?，如果將生長速度設(shè)為低速，則由于生長所需時(shí)間變長，因此導(dǎo)致制造成本的直接增加。進(jìn)一步地，如果即不將生長壓力設(shè)為高壓，也不將生長速度設(shè)為低速，而是為了將碳濃度抑制為較低水平而將V/III比變大，則必須非常大量地供給氨氣。作為氨氣，通常使用液化氣體，由于氨氣的蒸汽壓低，為了使其供給量增加，則需要使用非常大型的氨氣供給設(shè)備，而且還產(chǎn)生除害設(shè)備處理能力的問題。
[0024]因此，本發(fā)明的目的是抑制制造成本增加的同時(shí)提供作為高耐壓用功率設(shè)備合適的高耐壓氮化鎵系半導(dǎo)體設(shè)備及其制造方法。
[0025]解決課題的方法
[0026]為實(shí)現(xiàn)該目的而實(shí)施的本發(fā)明提供如下高耐壓氮化鎵系半導(dǎo)體設(shè)備，其是將含有漂移層的η型氮化鎵系半導(dǎo)體層形成于η型氮化鎵自支撐襯底的表面，反向耐壓為3000V以上的高耐壓氮化鎵系半導(dǎo)體設(shè)備，在上述漂移層中，施加不發(fā)生擊穿現(xiàn)象的最大容許電壓作為反向偏壓時(shí)的電場強(qiáng)度為1.5MV/cm以下的區(qū)域的碳濃度為3.0XlOlfVcm3以上。
[0027]上述漂移層優(yōu)選厚度為10 μ m以上。
[0028]此外，本發(fā)明提供如下高耐壓氮化鎵系半導(dǎo)體設(shè)備的制造方法:其是將含有漂移層的η型氮化鎵系半導(dǎo)體層形成于η型氮化鎵自支撐襯底的表面，反向耐壓為3000V以上的高耐壓氮化鎵系半導(dǎo)體設(shè)備的制造方法，在上述漂移層中，在施加不發(fā)生擊穿現(xiàn)象的最大容許電壓作為反向偏壓時(shí)的電場強(qiáng)度為1.5MV/cm以下的區(qū)域進(jìn)行外延生長時(shí)，將生長溫度設(shè)為1000°C以上且1200°C以下，生長壓力設(shè)為30kPa以上且70kPa以下以及將V/III比設(shè)為2000以上且8000以下，則上述區(qū)域的碳的濃度為3.0XlOlfVcm3以上。
[0029]發(fā)明效果
[0030]根據(jù)本發(fā)明，能夠抑制制造成本增加的同時(shí)提供作為高耐壓用功率設(shè)備合適的高耐壓氮化鎵系半導(dǎo)體設(shè)備及其制造方法。
【附圖說明】
[0031]圖1是表示實(shí)施例中制造的ρη結(jié)型二極管的截面模式圖。
[0032]圖2是表示對(duì)不存在漂移層的ρη結(jié)型二極管施加反向偏壓時(shí)的電流電壓特性的圖。
[0033]圖3是表示對(duì)圖1的ρη結(jié)型二極管施加3000V的反向偏壓時(shí)的電場分布的圖。
[0034]圖4是表示高補(bǔ)償比漂移層中形成的最大電場強(qiáng)度與施加3000V的反向偏壓時(shí)的漏電流的電流密度的關(guān)系的圖。
[0035]附圖標(biāo)記說明
[0036]100:ρη 結(jié)型二極管
[0037]101:η型氮化鎵自支撐襯底
[0038]102:η型氮化鎵系半導(dǎo)體層
[0039]103:ρ型氮化鎵系半導(dǎo)體層
[0040]104:第一 η型氮化鎵半導(dǎo)體層
[0041]105:第二 η型氮化鎵半導(dǎo)體層
[0042]106:第三η型氮化鎵半導(dǎo)體層
[0043]107:漂移層
[0044]108:第四η型氮化鎵半導(dǎo)體層
[0045]109:第一 P型氮化鎵半導(dǎo)體層
[0046]110:第二 P型氮化鎵半導(dǎo)體層
【具體實(shí)施方式】
[0047]以下，對(duì)本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式進(jìn)行說明。
[0048]根據(jù)本實(shí)施方式的高耐壓氮化鎵系半導(dǎo)體設(shè)備的特征在于，將含有漂移層的η型氮化鎵系半導(dǎo)體層形成于η型氮化鎵自支撐襯底的表面，反向耐壓為3000V以上，在漂移層中，施加不發(fā)生擊穿現(xiàn)象的最大容許電壓作為反向偏壓時(shí)的電場強(qiáng)度為1.5MV/cm以下的區(qū)域的碳濃度為3.0X 1lfVcm3以上。
[0049]作為η型氮化鎵自支撐襯底，為了防止由作為晶體缺陷的一種的位錯(cuò)導(dǎo)致的漏電流的增加而使反向耐壓惡化，優(yōu)選使用位錯(cuò)密度低的自支撐襯底。此外，在η型氮化鎵自支撐襯底中，優(yōu)選面方向?yàn)镃面，面方向由C面略微傾斜也無妨。
[0050]在此說明在漂移層中施加不發(fā)生擊穿現(xiàn)象的最大容許電壓作為反向偏壓時(shí)的電場強(qiáng)度為1.5MV/cm以下的區(qū)域的碳濃度為3.0X 1lfVcm3以上的理由。
[0051]以往，在