窒化ガリウム整流素子
【課題】経時劣化が少なく、低損失（バリガ性能指数が１．５ＧＷ／ｃｍ2以上）の窒化ガリウム整流素子を提供する。
【解決手段】窒化ガリウム整流素子１は、ｐｎ接合を形成するｐ型窒化ガリウム系半導体層及びｎ型窒化ガリウム系半導体層を備え、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０18ｃｍ-3以下、又は前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０16ｃｍ-3以下である。
【解決手段】窒化ガリウム整流素子１は、ｐｎ接合を形成するｐ型窒化ガリウム系半導体層及びｎ型窒化ガリウム系半導体層を備え、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０18ｃｍ-3以下、又は前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０16ｃｍ-3以下である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化ガリウム系半導体を使用した窒化ガリウム整流素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて禁制帯幅が広く、降伏電界強度が高く、耐熱性にも優れるため、高出力の整流素子やトランジスタなどの電子デバイス向け半導体材料に適している。例えば、代表的な整流素子であるｐｎ接合型ダイオード（ｐｎダイオード）において、ＧａＮは従来の材料であるＳｉのみならず、最近開発が進んでいる炭化珪素（ＳｉＣ）比較しても、物性的に圧倒的に優れている。
【０００３】
図４は、ｐｎ接合型ダイオード（ｐｎダイオード）の降伏電圧と素子のオン抵抗との理論限界における関係を示す（例えば、非特許文献１参照）。なお、同図の理論限界は、トレンチ構造などの微細加工を施していない単純な構造でのオン抵抗値を示している。高出力素子に求められる高い降伏電圧と低いオン抵抗とはトレードオフの関係にある。同図において、同じ降伏電圧で比較すると、ＧａＮのオン抵抗はＳｉの０．１％以下であり、損失を大きく低減できると期待されている。
【０００４】
近年、ＧａＮを使用してＳｉより優れた特性のデバイスが実現しつつあることが報告されている（例えば、非特許文献２参照。）。
【０００５】
また、Ｓｉではスーパージャンクション（ＳＪ）構造などの微細加工を施して性能を向上させた構造が開発されている。この構造はＧａＮなど、他の材料系でも有効に働くと考えられ、同様の性能向上効果が期待できる。そのため、微細加工技術そのものは、材料特性によってもたらされる性能格差を縮めるものではない。すなわち、構造上の工夫によって、ＧａＮデバイスも図４に示す性能限界以上に性能を伸ばすことが十分可能である。
【０００６】
特許文献１には、降伏電圧（逆方向耐圧）を高めるなどのために導入するアクセプタ不純物濃度を１×１０19ｃｍ-3未満とすることが開示されている。
【０００７】
特許文献２には、結晶中の転位密度を５×１０6ｃｍ-2以下とすることにより高い降伏電圧を実現できることが開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】J.W.Jonhnson et al.,IEEE Trans.Electron Devices, ED-49(2002) ,32.
【非特許文献２】N.Ikeda et al., ISPSD 2008,p.289.
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−２３４９０７号公報
【特許文献２】特表２００５−５３０３３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
交流の整流を目的としたｐｎ接合型整流素子、いわゆるｐｎ接合型ダイオード（ｐｎダイオード）には、従来よりＳｉが使用されてきた。Ｓｉは間接遷移型半導体材料であるために、電子正孔対の再結合確率が非常に小さく、少数キャリアの寿命が長い。このため大電流を流し、高い濃度でキャリアを注入すると、電子と正孔の両方が再結合することなく拡散電流として流れ、このために伝導度が増加し、伝導度変調が発生する。最近開発が進んでいるＳｉＣ半導体も間接遷移型半導体であり、同様の伝導度変調が発生するといわれる。
【００１１】
一方、ＳｉやＳｉＣよりも物性的に優れ、整流素子として高特性が期待されるＧａＮは、前者とは異なり直接遷移型半導体材料であるため、非常に再結合速度が早い。少数キャリアの寿命はＳｉやＳｉＣより非常に短く、拡散長も短い。そのために拡散電流が少なく、伝導度変調が発生しにくい。
【００１２】
また、ｐ型ＧａＮを形成するためにドーピングするアクセプタ型不純物は、室温における熱エネルギー２５ｍｅＶよりもかなり深いエネルギー位置にアクセプタ準位を形成するため、正孔を放出しにくく、したがってｐ型層のキャリア濃度が低く、抵抗率が高くなる欠点がある。これにより素子全体としてもオン抵抗を下げにくい。例えば特許文献１には、前述したように降伏電圧（逆方向耐圧）を高めるなどのために導入するアクセプタ不純物濃度を１×１０19ｃｍ-3未満とすることが開示されているが、降伏電圧が１ｋＶ無いにもかかわらず、オン抵抗が６．３ｍΩｃｍ2と非常に高く、物性から予想される理想値からかけ離れている。物性から予想される理想値はこのレベルの降伏電圧であれば１ｍΩｃｍ2以下となるはずで、これはオン抵抗低減に技術的な大きな問題があることを示している。
【００１３】
特許文献２には、前述したように結晶中の転位密度を５×１０6ｃｍ-2以下とすることにより高い降伏電圧を実現できることが開示されているが、デバイス特性において最も重要な特性であるオン抵抗に関してなんらの記載もない。もちろん、オン抵抗を左右する要因についての記述もない。文献中にシート抵抗の記載はあるが、シート抵抗は最も抵抗率の低い層の情報を反映するだけであるため、オン抵抗を左右する最も抵抗率の高い層の情報は反映しておらず、特許文献２の発明者らがオン抵抗の重要性になんら気づいていないことを示している。
【００１４】
上記により、ＧａＮ整流素子は、当初、物性から予測されたほどには損失が低下せず、またその重要性についても十分に考慮されていないことが分かってきた。オン抵抗は降伏電圧とトレードオフの関係にあり、降伏電圧の２乗をオン抵抗で割った性能指数（バリガ性能指数）で性能が表されることが多い。このバリガ性能指数の改善が求められている。
【００１５】
通電時に発生しやすく、損失の元と考えられているキャリア再結合の多くは、熱を発生して素子の温度を上昇させてしまい、損失を増大させるだけでなく素子特性をも経時劣化させてしまう。したがって従来は整流素子においてはキャリア再結合を徹底的に抑制することによって拡散電流を増やすべきものと考えられてきた。
【００１６】
したがって、本発明の目的は、経時劣化が少なく、低損失（バリガ性能指数が１．５ＧＷ／ｃｍ2以上）の窒化ガリウム整流素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者らは、上記課題を解決するため、ｐｎ接合型ダイオード（ｐｎダイオード）の損失の一つとされてきた発光再結合現象をむしろ逆に積極的に利用した本発明を案出したものである。すなわち、キャリアトラップ準位密度を低減して非発光再結合を抑えつつ発光させてしまえば、再結合により放出されるエネルギーは熱ではなく光となり、発熱が抑えられてオン抵抗は低下すると考えられる。さらに、その発光はｐ型層内で吸収されるので、深いアクセプタ準位からの正孔の励起を促し、正孔濃度を増加させられる。本発明の検証を行ったところ、実効的にオン抵抗は低下し、電流は増加した。オン抵抗は降伏電圧とトレードオフの関係にあり、降伏電圧の２乗をオン抵抗で割った性能指数（バリガ性能指数）で性能が表されることが多い。本発明によって、性能指数が向上し、従来の限界性能を改善することができる。
【００１８】
具体的には本発明は、上記目的を達成するため、以下の窒化ガリウム整流素子を提供する。
【００１９】
［１］ｐｎ接合を形成するｐ型窒化ガリウム系半導体層及びｎ型窒化ガリウム系半導体層を備え、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０18ｃｍ-3以下、又は前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０16ｃｍ-3以下である窒化ガリウム整流素子。
【００２０】
［２］前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０18ｃｍ-3以下、及び前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０16ｃｍ-3以下である前記［１］に記載の窒化ガリウム整流素子。
【００２１】
［３］前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０17ｃｍ-3以下、及び前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０15ｃｍ-3以下である前記［１］又［２］に記載の窒化ガリウム整流素子。
【００２２】
［４］前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度がドーピングされたアクセプタ不純物濃度の３５％以下、又は前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の前記キャリアトラップ準位密度がドーピングされたドナー不純物濃度の３５％以下である前記［１］乃至［３］のいずれかに記載の窒化ガリウム整流素子。
【００２３】
［５］前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度がドーピングされたアクセプタ不純物濃度の３５％以下、及び前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の前記キャリアトラップ準位密度がドーピングされたドナー不純物濃度の３５％以下である前記［１］乃至［３］のいずれかに記載の窒化ガリウム整流素子。
【００２４】
［６］通電により発光可能な前記［１］乃至［５］のいずれかに記載の窒化ガリウム整流素子。
【００２５】
［７］通電による発光出力が０．１ｎＷ／ｃｍ2を超え、０．１Ｗ／ｃｍ2未満である前記［６］に記載の窒化ガリウム整流素子。
【００２６】
［８］素子の降伏電圧の２乗をオン抵抗で割った性能指数が、１．５×１０9Ｗ／ｃｍ2以上である前記［１］乃至［７］のいずれかに記載の窒化ガリウム整流素子。
【００２７】
［９］素子の降伏電圧の２乗をオン抵抗で割った性能指数が、４×１０9Ｗ／ｃｍ2以上である前記［１］乃至［７］のいずれかに記載の窒化ガリウム整流素子。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、経時劣化が少なく、低損失（バリガ性能指数が１．５ＧＷ／ｃｍ2以上）の窒化ガリウム整流素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム整流素子の構成例を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施例に係る窒化ガリウム整流素子の構成例を示す図であ る。
【図３】図３は、本発明の他の実施例に係る窒化ガリウム整流素子の構成例を示す図である。
【図４】図４は、ｐｎ接合型ダイオード（ｐｎダイオード）の降伏電圧（breakdown voltage）と素子のオン抵抗(specific on-resistance）との理論限界（limit）における関係を各材料についてすでに報告された実測値とともに示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３１】
［実施の形態の要約］
本実施の形態に係る窒化ガリウム整流素子は、ｐｎ接合を形成するｐ型窒化ガリウム系半導体層及びｎ型窒化ガリウム系半導体層を備えた窒化ガリウム整流素子において、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０18ｃｍ-3以下、又は前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０16ｃｍ-3以下である。
【００３２】
ここで、「窒化ガリウム系半導体層」とは、窒化ガリウムを含む半導体層であり、例えばＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ又はＩｎＧａＡｌＮなどからなる半導体層をいう。
【００３３】
ｐ型窒化ガリウム系半導体層又はｎ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度を低減すると、非発光再結合が抑制されて発熱が抑えられる。その結果、熱による経時劣化が少なくなり、オン抵抗が低下してバリガ性能指数が向上する。
【００３４】
［実施の形態］
図１は、本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム整流素子の構成例を示す断面図である。この窒化ガリウム整流素子１（以下、単に「素子１」ともいう。）は、ｐｎ接合型ダイオード（ｐｎダイオード）により構成されたものであり、ｎ+型ＧａＮ層（第１層）２、ｎ-型ＧａＮ層（第２層）３、ｐ型ＧａＮ層（第３層）４、ｐ+型ＧａＮ層（第４層）５、アノード電極６及びカソード電極７を有する。
【００３５】
ｎ+型ＧａＮ層２、及びｎ-型ＧａＮ層３は、ドナー準位より深いエネルギー位置にあるキャリアトラップ準位密度の合計が１×１０16ｃｍ-3以下が好ましく、１×１０15ｃｍ-3以下がより好ましい。
【００３６】
また、ｎ型層のｎ+型ＧａＮ層２及びｎ-型ＧａＮ層３は、キャリアトラップ準位密度の合計がドーピングされたドナー不純物濃度の３５％以下が好ましい。本実施の形態のｎ+型ＧａＮ層２のドナー不純物濃度は、例えば２×１０18ｃｍ-3であり、ｎ-型ＧａＮ層３のドナー不純物濃度は、例えば２×１０17ｃｍ-3である。
【００３７】
ｐ型ＧａＮ層４、及びｐ+型ＧａＮ層５は、アクセプタ準位より深いエネルギー位置にあるキャリアトラップ準位密度の合計が１×１０18ｃｍ-3以下が好ましく、１×１０17ｃｍ-3以下がより好ましい。
【００３８】
また、ｐ型層のｐ型ＧａＮ層４及びｐ+型ＧａＮ層５は、キャリアトラップ準位密度の合計がドーピングされたアクセプタ不純物濃度の３５％以下が好ましい。本実施の形態のｐ型ＧａＮ層４のアクセプタ不純物濃度は、例えば２×１０19ｃｍ-3であり、ｐ+型ＧａＮ層５のアクセプタ不純物濃度は、例えば２×１０20ｃｍ-3である。
【００３９】
また、素子１の降伏電圧の２乗をオン抵抗で割った値（性能指数）が１．５×１０9Ｗ／ｃｍ2（１．５×ＧＷ／ｃｍ2）以上が好ましい。
【００４０】
ＧａＮが直接遷移半導体であるため、再結合確率を減らして少数キャリアの寿命を延ばすのは容易ではない。そこで本実施の形態では、拡散電流の大小に関わらず、再結合確率が変わらなくても、オン抵抗が低減できる方法を提供する。
【００４１】
（数値範囲の意義）
キャリア再結合には、発光再結合と非発光再結合とがある。これらがそれぞれオン抵抗にどのような影響を与えるかは必ずしも明らかではない。本実施の形態では、バンドギャップ中に存在するキャリアトラップ準位密度を低減することにより、オン抵抗が下がることを見出した。一般には、キャリアトラップ準位密度を下げてもトラップを介した再結合がバンド間の再結合に変わるだけであって、再結合確率そのものは変わらないと言われている。
【００４２】
しかしながら、本発明者らによる検討によれば、キャリアトラップ準位密度を下げると、非発光再結合の相対的割合が減少すると推測される。その証拠として通電の際、素子１から僅かではあるが、発光が漏れるのが観測される場合がある。発光の一部、もしくは大部分はチップ外に放出されることなく、結晶中のｐ型層などにおいて吸収され、アクセプタ準位からのキャリアの励起などに関与すると考えられる。このためにオン抵抗に対して支配的な寄与をするｐ型層の抵抗率が下がってオン抵抗が下がったと考えられる。
【００４３】
なお、窒化ガリウム系材料で使用されるマグネシウムや炭素、亜鉛などのアクセプタ型不純物は、ｐ型半導体におけるキャリア供給源であるが、いずれも室温における熱エネルギーよりも深いエネルギー準位にアクセプタ準位を形成するため、一般にイオン化しにくく、言い換えればキャリアを放出しづらい。不純物濃度にもよるが、概ねドーピング濃度の１０％程度のキャリアしか放出しない。したがって、ｐ型層の抵抗率は、ｐｎ接合形成時のオン抵抗の支配的要因の一つとなっている。
【００４４】
結晶中の固有欠陥、あるいは不純物によるキャリアトラップ準位は、使用する基板の種類や成長方法、成長条件などによって大きく変化する。この場合にいう「キャリアトラップ準位」とは、ｎ型層における残留アクセプタ不純物準位や、ｐ型層に残留ドナー準位など、多数キャリアをトラップする準位はすべてキャリアトラップ準位の扱いになる。
【００４５】
オン抵抗は降伏電圧とトレードオフの関係にあるため、しばしば降伏電圧の２乗をオン抵抗で割った「性能指数」が、ダイオードの性能として使用される。ＧａＮにおいては、この性能指数が１．５ＧＷ／ｃｍ2を越えれば、従来素子に比べて大幅な改善と言える。本実施の形態では、ｐ型層中のトラップ準位密度を１×１０18ｃｍ-3以下、又はｎ型層中のトラップ準位密度を１×１０16ｃｍ-3以下にすれば、性能指数１．５ＧＷ／ｃｍ2以上が実現可能となる。さらに好ましくは、ｐ型層中のトラップ準位密度を１×１０17ｃｍ-3以下にし、ｎ型層中のトラップ準位密度を１×１０15ｃｍ-3以下にすれば、オン抵抗はほぼ理論値付近まで低下し、性能指数は４ＧＷ／ｃｍ2以上となり、極めて損失の少ないダイオードが実現する。
【００４６】
また、ドーピング濃度を下げて高い降伏電圧を得る場合においても、トラップ準位密度をそのトラップが存在する層に故意にドーピングされているドナー不純物の濃度、あるいはアクセプタ不純物の濃度のおおむね３５％以下に低減することにより、素子のオン抵抗を相対的に低減でき、素子の特性を大きく改善できる。
【００４７】
本実施の形態では、キャリア再結合に伴って、素子内部で発光が観測され、その強度も関与していると考えられる。同様の効果を得るために、外部光源によって光を照射する方法もある程度の効果を有すると考えられるが、外部光源を付加する方法では素子の製造コストを増してしまうため、整流ダイオードの製作技術としては不十分である。
【００４８】
（窒化ガリウム整流素子の製造方法）
次に、窒化ガリウム整流素子１の製造方法の一例について説明する。
【００４９】
基板として、ＧａＮ基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板又はＳｉ基板を準備する。次に、基板上に、それぞれアンモニアガスと有機Ｇａ原料又はＧａ塩化物を用いた気相成長法、すなわち有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法、又はハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法を用いて、ドナー不純物濃度が２×１０18ｃｍ-3のｎ+型ＧａＮ層２を成長し、その後、ドナー不純物濃度を２×１０17ｃｍ-3に減らしたｎ-型ＧａＮ層３を成長し、さらにアクセプタ不純物を２×１０19ｃｍ-3ドーピングしたｐ型ＧａＮ層４、２×１０20ｃｍ-3ドーピングしたｐ+型ＧａＮ層５を順次成長する。
【００５０】
ドナー不純物には、Ｓｉを使用し、アクセプタ不純物には、マグネシウム（Ｍｇ）を使用する。成膜時の制御温度は９００℃〜１１００℃とする。
【００５１】
次に、基板としてサファイア基板、ＳｉＣ基板又はＳｉ基板を用いた場合は、素子発熱時の放熱を考慮して、基板を剥離、研磨又はエッチングによって除去した後、さらにエッチング等により表面のダメージ層を取り除いて、ｎ+型ＧａＮ層２の上にカソード電極７を形成し、ｐ+型ＧａＮ層５上にアノード電極６を形成する。
【００５２】
基板としてＧａＮ基板を用いた場合も同様であるが、基板とエピ層の界面が判然としないこともあって、ｎ型ＧａＮ基板については完全に除去されていないものもある。その後、蒸着法、フォトリソグラフィー法などを用いて、図１に示すオーミック電極を有するｐｎ接合型ダイオード（ｐｎダイオード）構造の窒化ガリウム整流素子１を作製する。
【００５３】
（実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、ｐ層又はｎ層のキャリアトラップ準位濃度を低減したので、経時劣化が少なくなり、極めて損失の少ない（バリガ性能指数が１．５ＧＷ／ｃｍ2以上）窒化ガリウム整流素子を提供することができる。
【００５４】
（実施例）
図２は、本発明の実施例１〜１７に係る窒化ガリウム整流素子の構成例を示す図である。
【００５５】
上記実施の形態と同一の条件で、図２に示す窒化ガリウム整流素子１におけるｎ＋型ＧａＮ層２の厚さを０μｍ〜１５０μｍの範囲で変化させ、ｎ-型ＧａＮ層３の厚さを１０μｍ〜２０μｍの範囲で変化させて試料を作成し、特性を測定した。
【００５６】
（実施例１〜８）
実施例１〜８は、ｎ+型ＧａＮ層２を厚さ０〜１５０μｍで形成し、ｎ-型ＧａＮ層３を厚さ１０〜２０μｍで形成し、ｐ型ＧａＮ層４を厚さ５００ｎｍで形成し、ｐ+型ＧａＮ層５を厚さ２０ｎｍで形成した。
【００５７】
トラップ準位密度は、観測されたすべてのキャリアトラップ準位の合計とした。ＤＬＴＳ（Deep Level Transient Spectroscopy）法、光ＤＬＴＳ法などにより計測した。Ｓｉ濃度、Ｍｇ濃度は二次イオン質量分析測定により決定した。製作したものの中で明らかにプロセス不良と思われるものを除き、さらにそれぞれのタイプの測定結果の群から比較的特性のよいものを選択してまとめた結果を表１に示す。特性の違いが、ＧａＮやＳｉＣ、サファイアやＳｉといった基板材料の種類（構成元素や結晶形態）によらず、その中に存在するトラップ準位の密度にのみ依存していることが分かった。
【００５８】
発光出力は積分球とフォトディテクタを用いて電流通電時に観測された最大値とした。積分球を用いない場合、用いた場合に比べると検出される強度が著しく弱くなり、定量も難しいが発光は観測される。電流密度は最大１０ｋＡ／ｃｍ2まで変化させて測定している。
【００５９】
従来例１〜３、実施例１〜８、比較例１、２のいずれのダイオードにおいても降伏電圧は物性定数である降伏電界強度から予想されるとおりで、本実施例１〜８の場合では概ね２００Ｖ程度あり、また従来例１〜３のダイオードの特性も、論文（Y.Yoshizumi, et al.,J.Cryst.Growth 298,875(2007).）で公表されている特性などから推定される値とほぼ同程度であった。オン抵抗は観測された最低値を示している。
【００６０】
従来例１〜３は、ｐ層中のトラップ準位密度は１×１０18ｃｍ-3を超え、かつｎ層中のトラップ準位密度は１×１０16ｃｍ-3を超えたため、オン抵抗は０．０５ｍΩｃｍ2を超え、性能指数は１．５×１０9Ｗ／ｃｍ2未満となった。
【００６１】
実施例１、２は、ｎ層中のトラップ準位密度は１×１０16ｃｍ-3を超えたが、ｐ層中のトラップ準位密度が１×１０18ｃｍ-3以下となったため、オン抵抗は０．０５ｍΩｃｍ2以下となり、性能指数は１．５×１０9Ｗ／ｃｍ2以上となった。
【００６２】
実施例３、４は、ｐ層中のトラップ準位密度は１×１０18ｃｍ-3を超えたが、ｎ層中のトラップ準位密度が１×１０16ｃｍ-3以下となったため、オン抵抗は０．０５ｍΩｃｍ2以下となり、性能指数は１．５×１０9Ｗ／ｃｍ2以上となった。
【００６３】
実施例５〜８は、ｐ層中のトラップ準位密度は１×１０18ｃｍ-3以下となり、ｎ層中のトラップ準位密度は１×１０16ｃｍ-3以下となったため、オン抵抗は０．０５ｍΩｃｍ2以下となり、性能指数は１．５×１０9Ｗ／ｃｍ2以上となった。
【００６４】
比較例１、２は、ｐ層中のトラップ準位密度は１×１０18ｃｍ-3を超え、かつｎ層中のトラップ準位密度は１×１０16ｃｍ-3を超えたため、性能指数は１．５×１０9Ｗ／ｃｍ2未満となった。
【００６５】
本実施例で作製した降伏電圧２００Ｖ程度のデバイスでは、図４の傾向からも明らかなように、オン抵抗で０．０５ｍΩｃｍ2を下回るのでなければ、本質的にこの素子を採用するメリットがない。その点を考慮して、表１を見るならば、ｐ型層中のトラップ準位密度では１×１０18ｃｍ-3以下、又はｎ型層中のトラップ準位密度では１×１０16ｃｍ-3以下にすれば、降伏電圧の２乗をオン抵抗で割った性能指数が１．５ＧＷ／ｃｍ2を越え、従来素子に比べて大幅な改善が可能であると考えられる。さらに好ましくは、ｐ型層中のトラップ準位密度で１×１０17ｃｍ-3以下にし、ｎ型層中のトラップ準位密度では１×１０15ｃｍ-3以下にするならば（実施例６、７）、オン抵抗はほぼ理論値付近まで低下し、性能指数は４ＧＷ／ｃｍ2を越えて、極めて損失の少ないダイオードが製作できることが分かった。
【００６６】
【表１】
【００６７】
さらにこのように改善効果の高いデバイスは、微弱に発光していることが分かる。表１に示すように発光出力で０．１ｎＷ／ｃｍ2以上の発光が観測されているものが多い。発光に伴う寄生効果としてオン抵抗の低減効果があることを示している。おそらくは、ｐ型層に存在するアクセプタ準位の正孔を励起して低抵抗化に寄与しているものと推定される。本実施例の構造は発光に適した構造ではないので、発光してもその発光を十分に外部に取り出すための構造を有していないため、内部の発光の状態を知ることはできないが、少なくとも外部において０．１ｎＷ／ｃｍ2以上の発光が観測されているチップについては、オン抵抗が低下しており、発光との関連性は明確である。なお、０．１Ｗ／ｃｍ2以上に強く発光する素子は、発光による効果が飽和するためか、あるいは発光効率を増す何らかの要因が阻害要因となって十分なオン抵抗向上が認められず、性能を低下させてしまうことも分かった。
【００６８】
（実施例９〜１７）
ドーピング不純物濃度を下げて、降伏電圧を変化させた場合のダイオード性能について、本発明を適用した効果を表２に示す。実施例１と同様の積層構造、および成膜条件を用いて、ｎ-型ＧａＮ層３とｐ型ＧａＮ層４のドーピング濃度が数水準異なるものを作製し、比較検討した。
【００６９】
【表２】
【００７０】
表２に示すように、従来の方法ではドーピング濃度を下げることによって降伏電圧は向上するが、オン抵抗の上昇を招き、性能は向上しない。これは性能指数に関してはやはりトラップ準位密度が支配的に働いているためと考えられる。また、表２から明らかなように、定量的にはｐ型層中のトラップ準位密度ＮT1が１×１０18ｃｍ-3以下、ｎ型層中のトラップ準位密度ＮT2が１×１０16ｃｍ-3以下としてもそれだけではまだ十分ではなく、その層におけるドーピング不純物濃度（ｐ層中のアクセプタ不純物濃度ＮA、ｎ層中のドナー不純物濃度ＮD）の概ね３５％を超えない程度のトラップ準位密度に抑制する必要がある。これは、ドーピング不純物から放出されるキャリアが有効に働くために必要な条件と思われるが、その理由は明確ではない。実施例９〜１７に示すように、ＮT1／ＮA及びＮT2／ＮDの一方を３５％以下にすれば、性能指数が１．５ＧＷ／ｃｍ2以上になった。さらに、実施例１５〜１７に示すように、ＮT1／ＮA及びＮT2／ＮDの両方を３５％以下にすれば、性能指数が４ＧＷ／ｃｍ2以上になった。
【００７１】
これら本発明に基づいてトラップ密度を低減した試料については、いずれの試料からも発光が観測され、オン抵抗が低減している。なお、従来型からは発光は観測されていない。
【００７２】
（実施例１８〜２３）
図３は、本発明の実施例１８〜２３に係る窒化ガリウム整流素子の構成例を示す図である。
【００７３】
ＡｌＧａＮ混晶、ＩｎＧａＮ混晶における効果を調べるため、アンモニアガスと有機Ｇａ原料、有機Ａｌ原料、有機Ｉｎ原料もしくはＧａ塩化物、Ａｌ塩化物、Ｉｎ塩化物を用いたＭＯＶＰＥ法、ＨＶＰＥ法、もしくは有機金属原料も使用したＨＶＰＥ法を使ってエピ膜を成長し、実施例１と同様に素子を製作した。素子構造は図３に示すように、ＧａＮをそれぞれＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、またはＡｌＩｎＧａＮとしたものである。Ａｌ組成は０．１〜０．３、Ｉｎ組成は０．１〜０．４で設計した。
【００７４】
従来例８は、ＧａＮ型であり、各エピ層を厚さ０μｍ〜１５０μｍのｎ+型ＧａＮ層２、厚さ１０μｍ〜２０μｍのｎ-型ＧａＮ層３、厚さ５００ｎｍのｐ型ＧａＮ層４、厚さ２０ｎｍのｐ+型ＧａＮ層５で構成した。従来例９は、ＡｌＧａＮ型であり、各エピ層をｎ+型ＡｌＧａＮ層２、ｎ-型ＡｌＧａＮ層３、ｐ型ＡｌＧａＮ層４、ｐ+型ＡｌＧａＮ層５で構成した。従来例１０は、ＩｎＧａＮ型であり、各エピ層をｎ+型ＩｎＧａＮ層２、ｎ-型ＩｎＧａＮ層３、ｐ型ＩｎＧａＮ層４、ｐ+型ＩｎＧａＮ層５で構成した。従来例９、１０の各エピ層の厚さは従来例８と同じである。
【００７５】
実施例１８、１９は、ＡｌＧａＮ型であり、各エピ層をｎ+型ＡｌＧａＮ層２、ｎ-型ＡｌＧａＮ層３、ｐ型ＡｌＧａＮ層４、ｐ+型ＡｌＧａＮ層５で構成した。実施例２０、２１は、ＩｎＧａＮ型であり、各エピ層をｎ+型ＩｎＧａＮ層２、ｎ-型ＩｎＧａＮ層３、ｐ型ＩｎＧａＮ層４、ｐ+型ＩｎＧａＮ層５で構成した。実施例２２、２３は、ＡｌＩｎＧａＮ型であり、各エピ層をｎ+型ＡｌＩｎＧａＮ層２、ｎ-型ＡｌＩｎＧａＮ層３、ｐ型ＡｌＩｎＧａＮ層４、ｐ+型ＡｌＩｎＧａＮ層５で構成した。実施例１８〜２３の各エピ層の厚さは従来例８と同じである。
【００７６】
【表３】
【００７７】
各層２〜５のエピ成長に当たっては基板上にまずＧａＮを含むバッファ層（第５層）を適宜成長して、素子製作時に基板を実施例１と同様に除去している。その上に実施例１と同様に膜厚、ドーピング濃度を設定したｐ型層、ｎ型層をエピで形成し、種々の成長条件で成長したエピ膜に対して窒化ガリウム整流素子を作製して特性を測った。その中から、特性の比較的よいものを抜き出した。その結果を表３に示す。
【００７８】
結果は概ねＧａＮの場合（表１の実施例５〜８）と同じ傾向で、トラップ密度が大きく影響し、微弱な発光が観測された。Ａｌ組成、Ｉｎ組成との関連性は明確には見られなかった。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明は、ｐｎ接合を有するすべての電子デバイスに応用が可能である。すなわち、ｎｐｎ型バイポーラトランジスタ、ｐｎｐ型バイポーラトランジスタ、ｎｐｎｐ型サイリスタ、ｎｐｎ型又はｐｎｐ型ＭＯＳＦＥＴ（酸化膜ゲート電界効果トランジスタ）、ＪＦＥＴ（ｐｎ接合型電界効果トランジスタ）、ＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などに適用可能である。また、窒化ガリウム系半導体でこれらのデバイスを作製する際には、大きな性能向上が期待できる。
【００８０】
なお、本発明は、上記実施の形態及び上記実施例に限定されず、発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々に変形実施が可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１…窒化ガリウム整流素子、２…ｎ+型ＧａＮ層、３…ｎ-型ＧａＮ層、４…ｐ型ＧａＮ層、５…ｐ+型ＧａＮ層、６…アノード電極、７…カソード電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化ガリウム系半導体を使用した窒化ガリウム整流素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて禁制帯幅が広く、降伏電界強度が高く、耐熱性にも優れるため、高出力の整流素子やトランジスタなどの電子デバイス向け半導体材料に適している。例えば、代表的な整流素子であるｐｎ接合型ダイオード（ｐｎダイオード）において、ＧａＮは従来の材料であるＳｉのみならず、最近開発が進んでいる炭化珪素（ＳｉＣ）比較しても、物性的に圧倒的に優れている。
【０００３】
図４は、ｐｎ接合型ダイオード（ｐｎダイオード）の降伏電圧と素子のオン抵抗との理論限界における関係を示す（例えば、非特許文献１参照）。なお、同図の理論限界は、トレンチ構造などの微細加工を施していない単純な構造でのオン抵抗値を示している。高出力素子に求められる高い降伏電圧と低いオン抵抗とはトレードオフの関係にある。同図において、同じ降伏電圧で比較すると、ＧａＮのオン抵抗はＳｉの０．１％以下であり、損失を大きく低減できると期待されている。
【０００４】
近年、ＧａＮを使用してＳｉより優れた特性のデバイスが実現しつつあることが報告されている（例えば、非特許文献２参照。）。
【０００５】
また、Ｓｉではスーパージャンクション（ＳＪ）構造などの微細加工を施して性能を向上させた構造が開発されている。この構造はＧａＮなど、他の材料系でも有効に働くと考えられ、同様の性能向上効果が期待できる。そのため、微細加工技術そのものは、材料特性によってもたらされる性能格差を縮めるものではない。すなわち、構造上の工夫によって、ＧａＮデバイスも図４に示す性能限界以上に性能を伸ばすことが十分可能である。
【０００６】
特許文献１には、降伏電圧（逆方向耐圧）を高めるなどのために導入するアクセプタ不純物濃度を１×１０19ｃｍ-3未満とすることが開示されている。
【０００７】
特許文献２には、結晶中の転位密度を５×１０6ｃｍ-2以下とすることにより高い降伏電圧を実現できることが開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】J.W.Jonhnson et al.,IEEE Trans.Electron Devices, ED-49(2002) ,32.
【非特許文献２】N.Ikeda et al., ISPSD 2008,p.289.
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−２３４９０７号公報
【特許文献２】特表２００５−５３０３３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
交流の整流を目的としたｐｎ接合型整流素子、いわゆるｐｎ接合型ダイオード（ｐｎダイオード）には、従来よりＳｉが使用されてきた。Ｓｉは間接遷移型半導体材料であるために、電子正孔対の再結合確率が非常に小さく、少数キャリアの寿命が長い。このため大電流を流し、高い濃度でキャリアを注入すると、電子と正孔の両方が再結合することなく拡散電流として流れ、このために伝導度が増加し、伝導度変調が発生する。最近開発が進んでいるＳｉＣ半導体も間接遷移型半導体であり、同様の伝導度変調が発生するといわれる。
【００１１】
一方、ＳｉやＳｉＣよりも物性的に優れ、整流素子として高特性が期待されるＧａＮは、前者とは異なり直接遷移型半導体材料であるため、非常に再結合速度が早い。少数キャリアの寿命はＳｉやＳｉＣより非常に短く、拡散長も短い。そのために拡散電流が少なく、伝導度変調が発生しにくい。
【００１２】
また、ｐ型ＧａＮを形成するためにドーピングするアクセプタ型不純物は、室温における熱エネルギー２５ｍｅＶよりもかなり深いエネルギー位置にアクセプタ準位を形成するため、正孔を放出しにくく、したがってｐ型層のキャリア濃度が低く、抵抗率が高くなる欠点がある。これにより素子全体としてもオン抵抗を下げにくい。例えば特許文献１には、前述したように降伏電圧（逆方向耐圧）を高めるなどのために導入するアクセプタ不純物濃度を１×１０19ｃｍ-3未満とすることが開示されているが、降伏電圧が１ｋＶ無いにもかかわらず、オン抵抗が６．３ｍΩｃｍ2と非常に高く、物性から予想される理想値からかけ離れている。物性から予想される理想値はこのレベルの降伏電圧であれば１ｍΩｃｍ2以下となるはずで、これはオン抵抗低減に技術的な大きな問題があることを示している。
【００１３】
特許文献２には、前述したように結晶中の転位密度を５×１０6ｃｍ-2以下とすることにより高い降伏電圧を実現できることが開示されているが、デバイス特性において最も重要な特性であるオン抵抗に関してなんらの記載もない。もちろん、オン抵抗を左右する要因についての記述もない。文献中にシート抵抗の記載はあるが、シート抵抗は最も抵抗率の低い層の情報を反映するだけであるため、オン抵抗を左右する最も抵抗率の高い層の情報は反映しておらず、特許文献２の発明者らがオン抵抗の重要性になんら気づいていないことを示している。
【００１４】
上記により、ＧａＮ整流素子は、当初、物性から予測されたほどには損失が低下せず、またその重要性についても十分に考慮されていないことが分かってきた。オン抵抗は降伏電圧とトレードオフの関係にあり、降伏電圧の２乗をオン抵抗で割った性能指数（バリガ性能指数）で性能が表されることが多い。このバリガ性能指数の改善が求められている。
【００１５】
通電時に発生しやすく、損失の元と考えられているキャリア再結合の多くは、熱を発生して素子の温度を上昇させてしまい、損失を増大させるだけでなく素子特性をも経時劣化させてしまう。したがって従来は整流素子においてはキャリア再結合を徹底的に抑制することによって拡散電流を増やすべきものと考えられてきた。
【００１６】
したがって、本発明の目的は、経時劣化が少なく、低損失（バリガ性能指数が１．５ＧＷ／ｃｍ2以上）の窒化ガリウム整流素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者らは、上記課題を解決するため、ｐｎ接合型ダイオード（ｐｎダイオード）の損失の一つとされてきた発光再結合現象をむしろ逆に積極的に利用した本発明を案出したものである。すなわち、キャリアトラップ準位密度を低減して非発光再結合を抑えつつ発光させてしまえば、再結合により放出されるエネルギーは熱ではなく光となり、発熱が抑えられてオン抵抗は低下すると考えられる。さらに、その発光はｐ型層内で吸収されるので、深いアクセプタ準位からの正孔の励起を促し、正孔濃度を増加させられる。本発明の検証を行ったところ、実効的にオン抵抗は低下し、電流は増加した。オン抵抗は降伏電圧とトレードオフの関係にあり、降伏電圧の２乗をオン抵抗で割った性能指数（バリガ性能指数）で性能が表されることが多い。本発明によって、性能指数が向上し、従来の限界性能を改善することができる。
【００１８】
具体的には本発明は、上記目的を達成するため、以下の窒化ガリウム整流素子を提供する。
【００１９】
［１］ｐｎ接合を形成するｐ型窒化ガリウム系半導体層及びｎ型窒化ガリウム系半導体層を備え、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０18ｃｍ-3以下、又は前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０16ｃｍ-3以下である窒化ガリウム整流素子。
【００２０】
［２］前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０18ｃｍ-3以下、及び前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０16ｃｍ-3以下である前記［１］に記載の窒化ガリウム整流素子。
【００２１】
［３］前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０17ｃｍ-3以下、及び前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０15ｃｍ-3以下である前記［１］又［２］に記載の窒化ガリウム整流素子。
【００２２】
［４］前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度がドーピングされたアクセプタ不純物濃度の３５％以下、又は前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の前記キャリアトラップ準位密度がドーピングされたドナー不純物濃度の３５％以下である前記［１］乃至［３］のいずれかに記載の窒化ガリウム整流素子。
【００２３】
［５］前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度がドーピングされたアクセプタ不純物濃度の３５％以下、及び前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の前記キャリアトラップ準位密度がドーピングされたドナー不純物濃度の３５％以下である前記［１］乃至［３］のいずれかに記載の窒化ガリウム整流素子。
【００２４】
［６］通電により発光可能な前記［１］乃至［５］のいずれかに記載の窒化ガリウム整流素子。
【００２５】
［７］通電による発光出力が０．１ｎＷ／ｃｍ2を超え、０．１Ｗ／ｃｍ2未満である前記［６］に記載の窒化ガリウム整流素子。
【００２６】
［８］素子の降伏電圧の２乗をオン抵抗で割った性能指数が、１．５×１０9Ｗ／ｃｍ2以上である前記［１］乃至［７］のいずれかに記載の窒化ガリウム整流素子。
【００２７】
［９］素子の降伏電圧の２乗をオン抵抗で割った性能指数が、４×１０9Ｗ／ｃｍ2以上である前記［１］乃至［７］のいずれかに記載の窒化ガリウム整流素子。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、経時劣化が少なく、低損失（バリガ性能指数が１．５ＧＷ／ｃｍ2以上）の窒化ガリウム整流素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム整流素子の構成例を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施例に係る窒化ガリウム整流素子の構成例を示す図であ る。
【図３】図３は、本発明の他の実施例に係る窒化ガリウム整流素子の構成例を示す図である。
【図４】図４は、ｐｎ接合型ダイオード（ｐｎダイオード）の降伏電圧（breakdown voltage）と素子のオン抵抗(specific on-resistance）との理論限界（limit）における関係を各材料についてすでに報告された実測値とともに示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３１】
［実施の形態の要約］
本実施の形態に係る窒化ガリウム整流素子は、ｐｎ接合を形成するｐ型窒化ガリウム系半導体層及びｎ型窒化ガリウム系半導体層を備えた窒化ガリウム整流素子において、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０18ｃｍ-3以下、又は前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０16ｃｍ-3以下である。
【００３２】
ここで、「窒化ガリウム系半導体層」とは、窒化ガリウムを含む半導体層であり、例えばＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ又はＩｎＧａＡｌＮなどからなる半導体層をいう。
【００３３】
ｐ型窒化ガリウム系半導体層又はｎ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度を低減すると、非発光再結合が抑制されて発熱が抑えられる。その結果、熱による経時劣化が少なくなり、オン抵抗が低下してバリガ性能指数が向上する。
【００３４】
［実施の形態］
図１は、本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム整流素子の構成例を示す断面図である。この窒化ガリウム整流素子１（以下、単に「素子１」ともいう。）は、ｐｎ接合型ダイオード（ｐｎダイオード）により構成されたものであり、ｎ+型ＧａＮ層（第１層）２、ｎ-型ＧａＮ層（第２層）３、ｐ型ＧａＮ層（第３層）４、ｐ+型ＧａＮ層（第４層）５、アノード電極６及びカソード電極７を有する。
【００３５】
ｎ+型ＧａＮ層２、及びｎ-型ＧａＮ層３は、ドナー準位より深いエネルギー位置にあるキャリアトラップ準位密度の合計が１×１０16ｃｍ-3以下が好ましく、１×１０15ｃｍ-3以下がより好ましい。
【００３６】
また、ｎ型層のｎ+型ＧａＮ層２及びｎ-型ＧａＮ層３は、キャリアトラップ準位密度の合計がドーピングされたドナー不純物濃度の３５％以下が好ましい。本実施の形態のｎ+型ＧａＮ層２のドナー不純物濃度は、例えば２×１０18ｃｍ-3であり、ｎ-型ＧａＮ層３のドナー不純物濃度は、例えば２×１０17ｃｍ-3である。
【００３７】
ｐ型ＧａＮ層４、及びｐ+型ＧａＮ層５は、アクセプタ準位より深いエネルギー位置にあるキャリアトラップ準位密度の合計が１×１０18ｃｍ-3以下が好ましく、１×１０17ｃｍ-3以下がより好ましい。
【００３８】
また、ｐ型層のｐ型ＧａＮ層４及びｐ+型ＧａＮ層５は、キャリアトラップ準位密度の合計がドーピングされたアクセプタ不純物濃度の３５％以下が好ましい。本実施の形態のｐ型ＧａＮ層４のアクセプタ不純物濃度は、例えば２×１０19ｃｍ-3であり、ｐ+型ＧａＮ層５のアクセプタ不純物濃度は、例えば２×１０20ｃｍ-3である。
【００３９】
また、素子１の降伏電圧の２乗をオン抵抗で割った値（性能指数）が１．５×１０9Ｗ／ｃｍ2（１．５×ＧＷ／ｃｍ2）以上が好ましい。
【００４０】
ＧａＮが直接遷移半導体であるため、再結合確率を減らして少数キャリアの寿命を延ばすのは容易ではない。そこで本実施の形態では、拡散電流の大小に関わらず、再結合確率が変わらなくても、オン抵抗が低減できる方法を提供する。
【００４１】
（数値範囲の意義）
キャリア再結合には、発光再結合と非発光再結合とがある。これらがそれぞれオン抵抗にどのような影響を与えるかは必ずしも明らかではない。本実施の形態では、バンドギャップ中に存在するキャリアトラップ準位密度を低減することにより、オン抵抗が下がることを見出した。一般には、キャリアトラップ準位密度を下げてもトラップを介した再結合がバンド間の再結合に変わるだけであって、再結合確率そのものは変わらないと言われている。
【００４２】
しかしながら、本発明者らによる検討によれば、キャリアトラップ準位密度を下げると、非発光再結合の相対的割合が減少すると推測される。その証拠として通電の際、素子１から僅かではあるが、発光が漏れるのが観測される場合がある。発光の一部、もしくは大部分はチップ外に放出されることなく、結晶中のｐ型層などにおいて吸収され、アクセプタ準位からのキャリアの励起などに関与すると考えられる。このためにオン抵抗に対して支配的な寄与をするｐ型層の抵抗率が下がってオン抵抗が下がったと考えられる。
【００４３】
なお、窒化ガリウム系材料で使用されるマグネシウムや炭素、亜鉛などのアクセプタ型不純物は、ｐ型半導体におけるキャリア供給源であるが、いずれも室温における熱エネルギーよりも深いエネルギー準位にアクセプタ準位を形成するため、一般にイオン化しにくく、言い換えればキャリアを放出しづらい。不純物濃度にもよるが、概ねドーピング濃度の１０％程度のキャリアしか放出しない。したがって、ｐ型層の抵抗率は、ｐｎ接合形成時のオン抵抗の支配的要因の一つとなっている。
【００４４】
結晶中の固有欠陥、あるいは不純物によるキャリアトラップ準位は、使用する基板の種類や成長方法、成長条件などによって大きく変化する。この場合にいう「キャリアトラップ準位」とは、ｎ型層における残留アクセプタ不純物準位や、ｐ型層に残留ドナー準位など、多数キャリアをトラップする準位はすべてキャリアトラップ準位の扱いになる。
【００４５】
オン抵抗は降伏電圧とトレードオフの関係にあるため、しばしば降伏電圧の２乗をオン抵抗で割った「性能指数」が、ダイオードの性能として使用される。ＧａＮにおいては、この性能指数が１．５ＧＷ／ｃｍ2を越えれば、従来素子に比べて大幅な改善と言える。本実施の形態では、ｐ型層中のトラップ準位密度を１×１０18ｃｍ-3以下、又はｎ型層中のトラップ準位密度を１×１０16ｃｍ-3以下にすれば、性能指数１．５ＧＷ／ｃｍ2以上が実現可能となる。さらに好ましくは、ｐ型層中のトラップ準位密度を１×１０17ｃｍ-3以下にし、ｎ型層中のトラップ準位密度を１×１０15ｃｍ-3以下にすれば、オン抵抗はほぼ理論値付近まで低下し、性能指数は４ＧＷ／ｃｍ2以上となり、極めて損失の少ないダイオードが実現する。
【００４６】
また、ドーピング濃度を下げて高い降伏電圧を得る場合においても、トラップ準位密度をそのトラップが存在する層に故意にドーピングされているドナー不純物の濃度、あるいはアクセプタ不純物の濃度のおおむね３５％以下に低減することにより、素子のオン抵抗を相対的に低減でき、素子の特性を大きく改善できる。
【００４７】
本実施の形態では、キャリア再結合に伴って、素子内部で発光が観測され、その強度も関与していると考えられる。同様の効果を得るために、外部光源によって光を照射する方法もある程度の効果を有すると考えられるが、外部光源を付加する方法では素子の製造コストを増してしまうため、整流ダイオードの製作技術としては不十分である。
【００４８】
（窒化ガリウム整流素子の製造方法）
次に、窒化ガリウム整流素子１の製造方法の一例について説明する。
【００４９】
基板として、ＧａＮ基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板又はＳｉ基板を準備する。次に、基板上に、それぞれアンモニアガスと有機Ｇａ原料又はＧａ塩化物を用いた気相成長法、すなわち有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法、又はハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法を用いて、ドナー不純物濃度が２×１０18ｃｍ-3のｎ+型ＧａＮ層２を成長し、その後、ドナー不純物濃度を２×１０17ｃｍ-3に減らしたｎ-型ＧａＮ層３を成長し、さらにアクセプタ不純物を２×１０19ｃｍ-3ドーピングしたｐ型ＧａＮ層４、２×１０20ｃｍ-3ドーピングしたｐ+型ＧａＮ層５を順次成長する。
【００５０】
ドナー不純物には、Ｓｉを使用し、アクセプタ不純物には、マグネシウム（Ｍｇ）を使用する。成膜時の制御温度は９００℃〜１１００℃とする。
【００５１】
次に、基板としてサファイア基板、ＳｉＣ基板又はＳｉ基板を用いた場合は、素子発熱時の放熱を考慮して、基板を剥離、研磨又はエッチングによって除去した後、さらにエッチング等により表面のダメージ層を取り除いて、ｎ+型ＧａＮ層２の上にカソード電極７を形成し、ｐ+型ＧａＮ層５上にアノード電極６を形成する。
【００５２】
基板としてＧａＮ基板を用いた場合も同様であるが、基板とエピ層の界面が判然としないこともあって、ｎ型ＧａＮ基板については完全に除去されていないものもある。その後、蒸着法、フォトリソグラフィー法などを用いて、図１に示すオーミック電極を有するｐｎ接合型ダイオード（ｐｎダイオード）構造の窒化ガリウム整流素子１を作製する。
【００５３】
（実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、ｐ層又はｎ層のキャリアトラップ準位濃度を低減したので、経時劣化が少なくなり、極めて損失の少ない（バリガ性能指数が１．５ＧＷ／ｃｍ2以上）窒化ガリウム整流素子を提供することができる。
【００５４】
（実施例）
図２は、本発明の実施例１〜１７に係る窒化ガリウム整流素子の構成例を示す図である。
【００５５】
上記実施の形態と同一の条件で、図２に示す窒化ガリウム整流素子１におけるｎ＋型ＧａＮ層２の厚さを０μｍ〜１５０μｍの範囲で変化させ、ｎ-型ＧａＮ層３の厚さを１０μｍ〜２０μｍの範囲で変化させて試料を作成し、特性を測定した。
【００５６】
（実施例１〜８）
実施例１〜８は、ｎ+型ＧａＮ層２を厚さ０〜１５０μｍで形成し、ｎ-型ＧａＮ層３を厚さ１０〜２０μｍで形成し、ｐ型ＧａＮ層４を厚さ５００ｎｍで形成し、ｐ+型ＧａＮ層５を厚さ２０ｎｍで形成した。
【００５７】
トラップ準位密度は、観測されたすべてのキャリアトラップ準位の合計とした。ＤＬＴＳ（Deep Level Transient Spectroscopy）法、光ＤＬＴＳ法などにより計測した。Ｓｉ濃度、Ｍｇ濃度は二次イオン質量分析測定により決定した。製作したものの中で明らかにプロセス不良と思われるものを除き、さらにそれぞれのタイプの測定結果の群から比較的特性のよいものを選択してまとめた結果を表１に示す。特性の違いが、ＧａＮやＳｉＣ、サファイアやＳｉといった基板材料の種類（構成元素や結晶形態）によらず、その中に存在するトラップ準位の密度にのみ依存していることが分かった。
【００５８】
発光出力は積分球とフォトディテクタを用いて電流通電時に観測された最大値とした。積分球を用いない場合、用いた場合に比べると検出される強度が著しく弱くなり、定量も難しいが発光は観測される。電流密度は最大１０ｋＡ／ｃｍ2まで変化させて測定している。
【００５９】
従来例１〜３、実施例１〜８、比較例１、２のいずれのダイオードにおいても降伏電圧は物性定数である降伏電界強度から予想されるとおりで、本実施例１〜８の場合では概ね２００Ｖ程度あり、また従来例１〜３のダイオードの特性も、論文（Y.Yoshizumi, et al.,J.Cryst.Growth 298,875(2007).）で公表されている特性などから推定される値とほぼ同程度であった。オン抵抗は観測された最低値を示している。
【００６０】
従来例１〜３は、ｐ層中のトラップ準位密度は１×１０18ｃｍ-3を超え、かつｎ層中のトラップ準位密度は１×１０16ｃｍ-3を超えたため、オン抵抗は０．０５ｍΩｃｍ2を超え、性能指数は１．５×１０9Ｗ／ｃｍ2未満となった。
【００６１】
実施例１、２は、ｎ層中のトラップ準位密度は１×１０16ｃｍ-3を超えたが、ｐ層中のトラップ準位密度が１×１０18ｃｍ-3以下となったため、オン抵抗は０．０５ｍΩｃｍ2以下となり、性能指数は１．５×１０9Ｗ／ｃｍ2以上となった。
【００６２】
実施例３、４は、ｐ層中のトラップ準位密度は１×１０18ｃｍ-3を超えたが、ｎ層中のトラップ準位密度が１×１０16ｃｍ-3以下となったため、オン抵抗は０．０５ｍΩｃｍ2以下となり、性能指数は１．５×１０9Ｗ／ｃｍ2以上となった。
【００６３】
実施例５〜８は、ｐ層中のトラップ準位密度は１×１０18ｃｍ-3以下となり、ｎ層中のトラップ準位密度は１×１０16ｃｍ-3以下となったため、オン抵抗は０．０５ｍΩｃｍ2以下となり、性能指数は１．５×１０9Ｗ／ｃｍ2以上となった。
【００６４】
比較例１、２は、ｐ層中のトラップ準位密度は１×１０18ｃｍ-3を超え、かつｎ層中のトラップ準位密度は１×１０16ｃｍ-3を超えたため、性能指数は１．５×１０9Ｗ／ｃｍ2未満となった。
【００６５】
本実施例で作製した降伏電圧２００Ｖ程度のデバイスでは、図４の傾向からも明らかなように、オン抵抗で０．０５ｍΩｃｍ2を下回るのでなければ、本質的にこの素子を採用するメリットがない。その点を考慮して、表１を見るならば、ｐ型層中のトラップ準位密度では１×１０18ｃｍ-3以下、又はｎ型層中のトラップ準位密度では１×１０16ｃｍ-3以下にすれば、降伏電圧の２乗をオン抵抗で割った性能指数が１．５ＧＷ／ｃｍ2を越え、従来素子に比べて大幅な改善が可能であると考えられる。さらに好ましくは、ｐ型層中のトラップ準位密度で１×１０17ｃｍ-3以下にし、ｎ型層中のトラップ準位密度では１×１０15ｃｍ-3以下にするならば（実施例６、７）、オン抵抗はほぼ理論値付近まで低下し、性能指数は４ＧＷ／ｃｍ2を越えて、極めて損失の少ないダイオードが製作できることが分かった。
【００６６】
【表１】
【００６７】
さらにこのように改善効果の高いデバイスは、微弱に発光していることが分かる。表１に示すように発光出力で０．１ｎＷ／ｃｍ2以上の発光が観測されているものが多い。発光に伴う寄生効果としてオン抵抗の低減効果があることを示している。おそらくは、ｐ型層に存在するアクセプタ準位の正孔を励起して低抵抗化に寄与しているものと推定される。本実施例の構造は発光に適した構造ではないので、発光してもその発光を十分に外部に取り出すための構造を有していないため、内部の発光の状態を知ることはできないが、少なくとも外部において０．１ｎＷ／ｃｍ2以上の発光が観測されているチップについては、オン抵抗が低下しており、発光との関連性は明確である。なお、０．１Ｗ／ｃｍ2以上に強く発光する素子は、発光による効果が飽和するためか、あるいは発光効率を増す何らかの要因が阻害要因となって十分なオン抵抗向上が認められず、性能を低下させてしまうことも分かった。
【００６８】
（実施例９〜１７）
ドーピング不純物濃度を下げて、降伏電圧を変化させた場合のダイオード性能について、本発明を適用した効果を表２に示す。実施例１と同様の積層構造、および成膜条件を用いて、ｎ-型ＧａＮ層３とｐ型ＧａＮ層４のドーピング濃度が数水準異なるものを作製し、比較検討した。
【００６９】
【表２】
【００７０】
表２に示すように、従来の方法ではドーピング濃度を下げることによって降伏電圧は向上するが、オン抵抗の上昇を招き、性能は向上しない。これは性能指数に関してはやはりトラップ準位密度が支配的に働いているためと考えられる。また、表２から明らかなように、定量的にはｐ型層中のトラップ準位密度ＮT1が１×１０18ｃｍ-3以下、ｎ型層中のトラップ準位密度ＮT2が１×１０16ｃｍ-3以下としてもそれだけではまだ十分ではなく、その層におけるドーピング不純物濃度（ｐ層中のアクセプタ不純物濃度ＮA、ｎ層中のドナー不純物濃度ＮD）の概ね３５％を超えない程度のトラップ準位密度に抑制する必要がある。これは、ドーピング不純物から放出されるキャリアが有効に働くために必要な条件と思われるが、その理由は明確ではない。実施例９〜１７に示すように、ＮT1／ＮA及びＮT2／ＮDの一方を３５％以下にすれば、性能指数が１．５ＧＷ／ｃｍ2以上になった。さらに、実施例１５〜１７に示すように、ＮT1／ＮA及びＮT2／ＮDの両方を３５％以下にすれば、性能指数が４ＧＷ／ｃｍ2以上になった。
【００７１】
これら本発明に基づいてトラップ密度を低減した試料については、いずれの試料からも発光が観測され、オン抵抗が低減している。なお、従来型からは発光は観測されていない。
【００７２】
（実施例１８〜２３）
図３は、本発明の実施例１８〜２３に係る窒化ガリウム整流素子の構成例を示す図である。
【００７３】
ＡｌＧａＮ混晶、ＩｎＧａＮ混晶における効果を調べるため、アンモニアガスと有機Ｇａ原料、有機Ａｌ原料、有機Ｉｎ原料もしくはＧａ塩化物、Ａｌ塩化物、Ｉｎ塩化物を用いたＭＯＶＰＥ法、ＨＶＰＥ法、もしくは有機金属原料も使用したＨＶＰＥ法を使ってエピ膜を成長し、実施例１と同様に素子を製作した。素子構造は図３に示すように、ＧａＮをそれぞれＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、またはＡｌＩｎＧａＮとしたものである。Ａｌ組成は０．１〜０．３、Ｉｎ組成は０．１〜０．４で設計した。
【００７４】
従来例８は、ＧａＮ型であり、各エピ層を厚さ０μｍ〜１５０μｍのｎ+型ＧａＮ層２、厚さ１０μｍ〜２０μｍのｎ-型ＧａＮ層３、厚さ５００ｎｍのｐ型ＧａＮ層４、厚さ２０ｎｍのｐ+型ＧａＮ層５で構成した。従来例９は、ＡｌＧａＮ型であり、各エピ層をｎ+型ＡｌＧａＮ層２、ｎ-型ＡｌＧａＮ層３、ｐ型ＡｌＧａＮ層４、ｐ+型ＡｌＧａＮ層５で構成した。従来例１０は、ＩｎＧａＮ型であり、各エピ層をｎ+型ＩｎＧａＮ層２、ｎ-型ＩｎＧａＮ層３、ｐ型ＩｎＧａＮ層４、ｐ+型ＩｎＧａＮ層５で構成した。従来例９、１０の各エピ層の厚さは従来例８と同じである。
【００７５】
実施例１８、１９は、ＡｌＧａＮ型であり、各エピ層をｎ+型ＡｌＧａＮ層２、ｎ-型ＡｌＧａＮ層３、ｐ型ＡｌＧａＮ層４、ｐ+型ＡｌＧａＮ層５で構成した。実施例２０、２１は、ＩｎＧａＮ型であり、各エピ層をｎ+型ＩｎＧａＮ層２、ｎ-型ＩｎＧａＮ層３、ｐ型ＩｎＧａＮ層４、ｐ+型ＩｎＧａＮ層５で構成した。実施例２２、２３は、ＡｌＩｎＧａＮ型であり、各エピ層をｎ+型ＡｌＩｎＧａＮ層２、ｎ-型ＡｌＩｎＧａＮ層３、ｐ型ＡｌＩｎＧａＮ層４、ｐ+型ＡｌＩｎＧａＮ層５で構成した。実施例１８〜２３の各エピ層の厚さは従来例８と同じである。
【００７６】
【表３】
【００７７】
各層２〜５のエピ成長に当たっては基板上にまずＧａＮを含むバッファ層（第５層）を適宜成長して、素子製作時に基板を実施例１と同様に除去している。その上に実施例１と同様に膜厚、ドーピング濃度を設定したｐ型層、ｎ型層をエピで形成し、種々の成長条件で成長したエピ膜に対して窒化ガリウム整流素子を作製して特性を測った。その中から、特性の比較的よいものを抜き出した。その結果を表３に示す。
【００７８】
結果は概ねＧａＮの場合（表１の実施例５〜８）と同じ傾向で、トラップ密度が大きく影響し、微弱な発光が観測された。Ａｌ組成、Ｉｎ組成との関連性は明確には見られなかった。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明は、ｐｎ接合を有するすべての電子デバイスに応用が可能である。すなわち、ｎｐｎ型バイポーラトランジスタ、ｐｎｐ型バイポーラトランジスタ、ｎｐｎｐ型サイリスタ、ｎｐｎ型又はｐｎｐ型ＭＯＳＦＥＴ（酸化膜ゲート電界効果トランジスタ）、ＪＦＥＴ（ｐｎ接合型電界効果トランジスタ）、ＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などに適用可能である。また、窒化ガリウム系半導体でこれらのデバイスを作製する際には、大きな性能向上が期待できる。
【００８０】
なお、本発明は、上記実施の形態及び上記実施例に限定されず、発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々に変形実施が可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１…窒化ガリウム整流素子、２…ｎ+型ＧａＮ層、３…ｎ-型ＧａＮ層、４…ｐ型ＧａＮ層、５…ｐ+型ＧａＮ層、６…アノード電極、７…カソード電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐｎ接合を形成するｐ型窒化ガリウム系半導体層及びｎ型窒化ガリウム系半導体層を備え、
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０18ｃｍ-3以下、又は前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０16ｃｍ-3以下である窒化ガリウム整流素子。
【請求項２】
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０18ｃｍ-3以下、及び前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０16ｃｍ-3以下である請求項１に記載の窒化ガリウム整流素子。
【請求項３】
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０17ｃｍ-3以下、及び前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０15ｃｍ-3以下である請求項１又２に記載の窒化ガリウム整流素子。
【請求項４】
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度がドーピングされたアクセプタ不純物濃度の３５％以下、又は前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の前記キャリアトラップ準位密度がドーピングされたドナー不純物濃度の３５％以下である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化ガリウム整流素子。
【請求項５】
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度がドーピングされたアクセプタ不純物濃度の３５％以下、及び前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の前記キャリアトラップ準位密度がドーピングされたドナー不純物濃度の３５％以下である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化ガリウム整流素子。
【請求項６】
通電により発光可能な請求項１乃至５のいずれか１項に記載の窒化ガリウム整流素子。
【請求項７】
通電による発光出力が０．１ｎＷ／ｃｍ2を超え、０．１Ｗ／ｃｍ2未満である請求項６に記載の窒化ガリウム整流素子。
【請求項８】
素子の降伏電圧の２乗をオン抵抗で割った性能指数が、１．５×１０9Ｗ／ｃｍ2以上である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の窒化ガリウム整流素子。
【請求項９】
素子の降伏電圧の２乗をオン抵抗で割った性能指数が、４×１０9Ｗ／ｃｍ2以上である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の窒化ガリウム整流素子。
【請求項１】
ｐｎ接合を形成するｐ型窒化ガリウム系半導体層及びｎ型窒化ガリウム系半導体層を備え、
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０18ｃｍ-3以下、又は前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０16ｃｍ-3以下である窒化ガリウム整流素子。
【請求項２】
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０18ｃｍ-3以下、及び前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０16ｃｍ-3以下である請求項１に記載の窒化ガリウム整流素子。
【請求項３】
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０17ｃｍ-3以下、及び前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度が１×１０15ｃｍ-3以下である請求項１又２に記載の窒化ガリウム整流素子。
【請求項４】
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度がドーピングされたアクセプタ不純物濃度の３５％以下、又は前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の前記キャリアトラップ準位密度がドーピングされたドナー不純物濃度の３５％以下である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化ガリウム整流素子。
【請求項５】
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層のキャリアトラップ準位密度がドーピングされたアクセプタ不純物濃度の３５％以下、及び前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の前記キャリアトラップ準位密度がドーピングされたドナー不純物濃度の３５％以下である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化ガリウム整流素子。
【請求項６】
通電により発光可能な請求項１乃至５のいずれか１項に記載の窒化ガリウム整流素子。
【請求項７】
通電による発光出力が０．１ｎＷ／ｃｍ2を超え、０．１Ｗ／ｃｍ2未満である請求項６に記載の窒化ガリウム整流素子。
【請求項８】
素子の降伏電圧の２乗をオン抵抗で割った性能指数が、１．５×１０9Ｗ／ｃｍ2以上である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の窒化ガリウム整流素子。
【請求項９】
素子の降伏電圧の２乗をオン抵抗で割った性能指数が、４×１０9Ｗ／ｃｍ2以上である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の窒化ガリウム整流素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−３３９１３（Ｐ２０１３−３３９１３Ａ）
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−６８５６６（Ｐ２０１２−６８５６６）
【出願日】平成２４年３月２６日（２０１２．３．２６）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年３月２６日（２０１２．３．２６）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
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