窒化物半導体装置、エピタキシャル基板および窒化ガリウム系エピタキシャル膜を形成する方法
【課題】ドナー濃度により該電子濃度を制御可能な高比抵抗の窒化ガリウム系半導体膜を含む窒化ガリウム系ショットキバリアダイオードを提供する。
【解決手段】ショットキーバリアダイオード４１では、窒化ガリウム系エピタキシャル層４５は、導電性を有するIII族窒化物基板４５上に設けられている。窒化ガリウム系エピタキシャル層４５には、ドナードーパント元素が添加されている。窒化ガリウム系エピタキシャル層４５は２×１０１６ｃｍ−３未満の炭素濃度を有している。窒化ガリウム系エピタキシャル層４５は１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度を有する。窒化ガリウム系エピタキシャル層４５は、５×１０１６ｃｍ−３未満の電子キャリア濃度を有する。電子キャリア濃度は、窒化ガリウム系エピタキシャル層４５に添加されるドナードーパントによって変更可能である。
【解決手段】ショットキーバリアダイオード４１では、窒化ガリウム系エピタキシャル層４５は、導電性を有するIII族窒化物基板４５上に設けられている。窒化ガリウム系エピタキシャル層４５には、ドナードーパント元素が添加されている。窒化ガリウム系エピタキシャル層４５は２×１０１６ｃｍ−３未満の炭素濃度を有している。窒化ガリウム系エピタキシャル層４５は１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度を有する。窒化ガリウム系エピタキシャル層４５は、５×１０１６ｃｍ−３未満の電子キャリア濃度を有する。電子キャリア濃度は、窒化ガリウム系エピタキシャル層４５に添加されるドナードーパントによって変更可能である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体装置、エピタキシャル基板および窒化ガリウム系エピタキシャル膜を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）が記載されている。この高電子移動度トランジスタは、サファイア基板上にエピタキシャル成長されたＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造を有する。この高電子移動度トランジスタを作製するためには、サファイア基板上に形成された低温ＧａＮ層を形成した後に、２〜３マイクロメートルのｉ型ＧａＮ膜を形成する。このＧａＮ膜上に、７ｎｍのｉ型ＡｌＧａＮ層、１５ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮ層、３ｎｍのｉ型ＡｌＧａＮ層を順に形成する。ショットキ電極は、Ｎｉ（３ｎｍ）／Ｐｔ（３０ｎｍ）／Ａｕ（３００ｎｍ）から成る。
【０００３】
非特許文献２には、ｐｉｎダイオードの特性が記載されている。このダイオードは、窒化ガリウムエピタキシャル膜（undoped、キャリア濃度（電子）３×１０１６ｃｍ−３、厚さ３マイクロメートル）および窒化ガリウムエピタキシャル膜（Ｍｇdoped、キャリア濃度（ホール）１×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．３マイクロメートル）を窒化ガリウム自立基板上に有機金属気相成長法により作製すると共に、窒化ガリウム自立基板の裏面上にｎ型のためのオーミック電極、エピタキシャル膜の表面にｐ型のためのオーミック電極を作製した。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】“Improvement of DCCharacteristics of AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors Thermally AnnealedNi/Pt/Au Schottky Gate“ Japanese Journal of Applied Physics Vol.43, No.4B,2004, pp.1925-1929
【非特許文献２】Irokawa et al.APPLIED PHYSICS LETTERS Vol. 83 15 September 2003 pp2271-2273
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１に記載された高電子移動度トランジスタといった窒化物半導体素子では、サファイア基板上に窒化ガリウム系半導体膜を成長するので、窒化ガリウム系半導体膜の貫通転位密度が高い。この窒化ガリウム系半導体膜には貫通転位といった結晶欠陥が多いので、水素および炭素といった不純物が、窒化ガリウム系半導体にその成長中に取り込まれる。この窒化ガリウム系半導体膜を用いて作製されたショットキバリアダイオードといった窒化ガリウム系電子デバイスでは、その電子デバイス特性（例えば、リーク電流が多い、ｎ値が悪い、耐圧が低い、オン抵抗が高い、素子寿命が短い）の改善が望まれる。
【０００６】
また、非特許文献２に記載されたｐｉｎダイオードでは、３×１０１６ｃｍ−３の電子濃度を有する窒化ガリウムエピタキシャル膜はアンドープである。これ故に、キャリア濃度（電子）は、ｎ型ドーパント元素を用いて制御されていない。
【０００７】
発明者らの実験によれば、窒化ガリウム系半導体中の不純物および転位はアクセプタとして働く。５×１０１６ｃｍ−３未満の電子濃度の領域では、ドナー濃度に対する不純物および転位の割合が高くなるので、この電子濃度未満の電子濃度を有する窒化ガリウム系半導体を形成する場合には、不純物および転位に起因するアクセプタ濃度がドナー濃度に対して無視できなくなる。つまり、５×１０１６ｃｍ−３未満の電子濃度を有する窒化ガリウム系半導体では、不純物濃度および転位の数を制御しなければ、所望のキャリア濃度の窒化ガリウム系半導体を成長することができない。
【０００８】
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、５×１０１６ｃｍ−３未満の電子濃度を有しておりドナー濃度により該電子濃度を制御可能な窒化ガリウム系半導体膜を含む窒化物半導体装置を提供することを目的とし、また５×１０１６ｃｍ−３未満の電子濃度を有しておりドナー濃度により該電子濃度を有する窒化ガリウム系エピタキシャル膜を形成する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】
【０００９】
本発明の一側面によれば、窒化物半導体装置は、（ａ）III族窒化物支持基体と、（ｂ）５×１０１６ｃｍ−３未満の電子キャリア濃度を有しており前記III族窒化物基板上に設けられた第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層とを備え、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層にはドナードーパントが添加されており、前記窒化ガリウム系エピタキシャル層は２×１０１６ｃｍ−３未満の炭素濃度を有しており、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層は１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度を有する。
【００１０】
この窒化物半導体装置によれば、窒化ガリウム系エピタキシャル層の炭素濃度が２×１０１６ｃｍ−３未満であると共に、第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層の転位密度が１×１０８ｃｍ−２未満であるので、第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層の電子キャリア濃度を５×１０１６ｃｍ−３未満にできる。また、この電子キャリア濃度は、第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層に添加されるドナードーパントによって調整可能である。
【００１１】
本発明に係る窒化物半導体装置では、前記III族窒化物支持基体は窒化ガリウムからなることが好ましい。この窒化物半導体装置によれば、III族窒化物支持基体が窒化ガリウムからなるので、III族窒化物支持基体の転位密度を１×１０８ｃｍ−２未満にでき、また第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層の転位密度を低減するために好適である。
【００１２】
本発明に係る窒化物半導体装置では、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層は窒化ガリウムからなる。この窒化物半導体装置によれば、III族窒化物支持基体上において、低転位の窒化ガリウムが提供される。
【００１３】
本発明に係る窒化物半導体装置は、前記III族窒化物支持基体上に設けられた第２の窒化ガリウム系エピタキシャル層を更に備え、前記第２の窒化ガリウム系エピタキシャル層のドーパント濃度は、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層のドーパント濃度より大きい。この窒化物半導体装置によれば、ショットキバリアダイオード、ｐｎダイオード、ｐｉｎダイオード、縦型トランジスタといった窒化ガリウム系電子デバイスが提供される。
【００１４】
本発明に係る窒化物半導体装置では、前記第２の窒化ガリウム系エピタキシャル層は窒化ガリウムからなる。この窒化物半導体装置によれば、III族窒化物支持基体上において、低転位の窒化ガリウムが提供される。
【００１５】
本発明に係る窒化物半導体装置では、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層は、前記ドナーとして少なくともシリコンを含む。この窒化物半導体装置によれば、ドナードーパントとしてシリコン濃度に応じた電子キャリア濃度を有する窒化ガリウム系半導体層が提供される。
【００１６】
本発明に係る窒化物半導体装置では、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層のアクセプタの働きをする不純物・欠陥の濃度はＮａであり、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層のドナー濃度はＮｄであり、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層において、ＮａがＮｄより小さい。この窒化物半導体装置によれば、ドナードーパント濃度に応じた電子キャリア濃度を有する窒化ガリウム系半導体層が提供される。
【００１７】
本発明の別の側面に係るエピタキシャル基板は、（ａ）III族窒化物基板と、（ｂ）５×１０１６ｃｍ−３未満の電子キャリア濃度を有しており前記III族窒化物基板上に設けられた第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜とを備え、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜にはドナーが添加されており、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜は、２×１０１６ｃｍ−３未満の炭素濃度を有しており、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜は、１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度を有する。
【００１８】
このエピタキシャル基板によれば、窒化ガリウム系エピタキシャル膜の炭素濃度が２×１０１６ｃｍ−３未満であると共に、第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜の転位密度が１×１０８ｃｍ−２未満であるので、第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜の電子キャリア濃度を５×１０１６ｃｍ−３未満にできる。また、この電子キャリア濃度は、第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層に添加されるドナードーパントによって調整可能である。
【００１９】
本発明に係るエピタキシャル基板では、前記III族窒化物基板は窒化ガリウムからなることが好ましい。このエピタキシャル基板によれば、III族窒化物基板が窒化ガリウムからなるので、III族窒化物基板の転位密度を１×１０８ｃｍ−２未満にでき、また第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜の転位密度を低減するために好適である。
【００２０】
本発明に係るエピタキシャル基板では、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜は窒化ガリウムからなることが好ましい。このエピタキシャル基板によれば、III族窒化物基板上において、低転位の窒化ガリウムが提供される。
【００２１】
本発明に係るエピタキシャル基板は、（ｃ）前記III族窒化物基板上に設けられた第２の窒化ガリウム系エピタキシャル膜を更に備え、前記第２の窒化ガリウム系エピタキシャル膜のドーパント濃度は、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜のドーパント濃度より大きい。このエピタキシャル基板は、ショットキバリアダイオード、ｐｎダイオード、ｐｉｎダイオード、縦型トランジスタといった窒化ガリウム系電子デバイスを提供するために用いられる。
【００２２】
本発明に係るエピタキシャル基板では、前記第２の窒化ガリウム系エピタキシャル膜は窒化ガリウムからなることが好ましい。このエピタキシャル基板によれば、III族窒化物基板上において、低転位の窒化ガリウムが提供される。
【００２３】
本発明に係るエピタキシャル基板では、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜は、前記ドナーとして少なくともシリコンを含むことが好ましい。このエピタキシャル基板によれば、ドナードーパントとしてシリコン濃度に応じた電子キャリア濃度を有する窒化ガリウム系半導体膜が提供される。
【００２４】
本発明に係るエピタキシャル基板では、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜のアクセプタの働きをする不純物・欠陥の濃度はＮａであり、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜のドナー濃度はＮｄであり、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜において、ＮａがＮｄより小さいことが好ましい。
【００２５】
このエピタキシャル基板によれば、ドナードーパント濃度に応じた電子キャリア濃度を有する窒化ガリウム系半導体層が提供される。
【００２６】
本発明に係る更なる別の側面は、窒化ガリウム系エピタキシャル膜を形成する方法である。この方法は、（ａ）有機金属気相成長装置に成膜ガスを供給して、２×１０１６ｃｍ−３未満の炭素濃度および５×１０１６ｃｍ−３未満の電子キャリア濃度を有する窒化ガリウム系エピタキシャル膜をIII族窒化物領域上に形成する工程を含み、前記窒化ガリウム系エピタキシャル膜を形成するための成長圧力は、５０ｔｏｒｒ以上であり、前記窒化ガリウム系エピタキシャル膜を形成するための成長温度は、摂氏１０００度以上１２００度以下であり、前記成膜ガスは、Ｖ族原料、III族原料およびドーパントガスを含み、Ｖ族原料／III族原料の供給モル比は２００以上１００００以下であり、前記窒化ガリウム系エピタキシャル膜は、１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度を有する。
【００２７】
この方法によれば、窒化ガリウム系エピタキシャル膜の炭素濃度が２×１０１６ｃｍ−３未満にでき、また第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜の転位密度が１×１０８ｃｍ−２未満にできる。このため、第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層の電子キャリア濃度が５×１０１６ｃｍ−３未満である場合でも、成膜ガス中のドナードーパント濃度に依って、第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜の電子キャリア濃度を調整できる。
【００２８】
本発明に係る方法では、前記有機金属気相成長装置は、前記III族窒化物領域を支持するためのサセプタと、前記窒化ガリウム系エピタキシャル膜を成長するためのガスを供給する供給口を有しており前記供給口からのガス流を前記サセプタ上に導くためのガイド部材とを含み、前記サセプタは、シリコンを実質的に含有しない材料でコートされており、前記ガイド部材は、シリコンを実質的に含有しない材料でコートされている。
【００２９】
この方法によれば、有機金属気相成長装置のサセプタ等からのシリコンの供給を防ぐことができる。
【発明の効果】
【００３０】
以上説明したように、本発明によれば、５×１０１６ｃｍ−３未満の電子濃度を有しておりドナー濃度により該電子濃度を制御可能な窒化ガリウム系半導体膜を含む窒化物半導体装置が提供され、また窒化物半導体装置のためのエピタキシャル基板が提供される。また、本発明によれば、５×１０１６ｃｍ−３未満の電子濃度を有しておりドナー濃度により該電子濃度を有する窒化ガリウム系エピタキシャル膜を形成する方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、エピタキシャル基板の作製を示す図面である。
【図２】図２は、有機金属気相成長炉を示す図面である。
【図３】図３は、ショットキバリアランジスタを示す図面である。
【図４】図４は、ｐｎトランジスタを示す図面である。
【図５】図５は、ｐｉｎトランジスタを示す図面である。
【図６】図６は、縦型トランジスタを示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の窒化物半導体装置、エピタキシャル基板および窒化ガリウム系エピタキシャル膜を形成する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００３３】
（第１の実施の形態）
図１（Ａ）および図１（Ｂ）は、エピタキシャル基板の作製を示す図面である。図１（Ａ）に示されるように、III族窒化物ウエハ１を有機金属気相成長炉３に配置する。III族窒化物ウエハ１の転位密度は１×１０８ｃｍ−２未満である。III族窒化物ウエハ１が窒化ガリウムウエハであれば、１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度の窒化ガリウムウエハを入手でき、この窒化ガリウムウエハをIII族窒化物ウエハ１として使用できる。III族窒化物ウエハ１の表面１ａはIII族窒化物領域を提供する。有機金属気相成長装置３に第１の成膜ガスＧ１を供給して、窒化ガリウム系エピタキシャル膜５をIII族窒化物ウエハ１に表面１ａ上に形成する。窒化ガリウム系エピタキシャル膜５は、引き続く成膜工程のために窒化ガリウム系半導体表面５ａを提供する。窒化ガリウム系エピタキシャル膜５は、例えばＮ＋型窒化ガリウムからなることができる。第１の成膜ガスＧ１は、Ｖ族原料、III族原料およびドーパントガスを含む。第１の成膜ガスＧ１としては、例えばアンモニア、トリメチルガリウム、水素およびシランを用いる。この工程により、III族窒化物基板７が提供される。窒化ガリウム系エピタキシャル膜５は、１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度を有する。
【００３４】
次いで、図１（Ｂ）に示されるように、有機金属気相成長装置３に第２の成膜ガスＧ２を供給して、窒化ガリウム系エピタキシャル膜９を窒化ガリウム系半導体表面５ａ上に形成する。窒化ガリウム系エピタキシャル膜９は、２×１０１６ｃｍ−３未満の炭素濃度有している。また、窒化ガリウム系エピタキシャル膜９は１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度を有する。窒化ガリウム系エピタキシャル膜９は、５×１０１６ｃｍ−３未満の電子キャリア濃度を有する。第２の成膜ガスＧ２は、Ｖ族原料、III族原料およびドーパントガスを含む。第２の成膜ガスＧ２としては、例えばアンモニア、トリメチルガリウム、水素およびシランを用いる。この工程により、III族窒化物エピタキシャル基板１０が提供される。
【００３５】
この方法によれば、窒化ガリウム系エピタキシャル膜９の炭素濃度が２×１０１６ｃｍ−３未満にでき、また窒化ガリウム系エピタキシャル膜９の転位密度が１×１０８ｃｍ−２未満にできる。このため、窒化ガリウム系エピタキシャル膜９の電子キャリア濃度が５×１０１６ｃｍ−３未満である場合でも、成膜ガス中のドナードーパント濃度に依って、窒化ガリウム系エピタキシャル膜９の電子キャリア濃度を調整できる。
【００３６】
窒化ガリウム系エピタキシャル膜９は下記の推奨条件で作製される。
（１）窒化ガリウム系エピタキシャル膜９を形成するための成長圧力Ｐ
成長圧力Ｐは、５０ｔｏｒｒ以上であることができる。成長圧力が低くなると、炭素の取り込みが増えるが、５０ｔｏｒｒ未満の圧力でＣ濃度を２×１０１６ｃｍ−３未満にすることが困難だからである。好ましくは、成長圧力Ｐは２００ｔｏｒｒ以上である。なお、１ｔｏｒｒは、１３３.３２２Ｐａ（パスカル）であり、この換算によりＳＩ単位系に変換される。
（２）窒化ガリウム系エピタキシャル膜１を形成するための成長温度Ｔ
成長温度Ｔは、摂氏１０００度以上であることができる。成長温度が１０１０度を下回ると急激に炭素の取り込みが増えるため、１０００度未満でＣ濃度を２×１０１６ｃｍ−３未満にすることが困難だからである。また、成長温度Ｔは１２００度以下であることができる。１２００度より高い成長温度ではＧａＮの成長が困難であるからである。好ましくは、成長温度Ｔは１０５０℃付近、例えば摂氏１０３０度以上１０７０度以下である。
（３）成膜ガスＧ２に関して（Ｖ族原料の供給量）／（III族原料の供給量）単に、「Ｖ／III」と記す）は２００以上であることができる。Ｖ／IIIが２００未満になると炭素の取り込みが増え、Ｃ濃度を２×１０１６ｃｍ−３未満にすることが困難だからである。また、Ｖ／IIIは１００００以下であることができる。Ｖ／IIIが高いほど成長速度が遅くなるため、Ｖ／IIIが１００００以上では実用に適さないからである。好ましくは、Ｖ／IIIは４００以上である。また、Ｖ／IIIは４０００未満であることが好ましい。
【００３７】
上記の条件により、窒化ガリウム系エピタキシャル膜９の炭素濃度が２×１０１６ｃｍ−３未満になる。例えば、上記の条件（１）〜（３）のいずれか一つが、記載された好ましい値を下回るときは、残りの条件として、記載された好ましい値以上の範囲内の値を用いれば、窒化ガリウム系エピタキシャル膜９の炭素濃度が２×１０１６ｃｍ−３未満にできる。
【００３８】
具体的には、上記の条件を用いて窒化ガリウムウエハ上に窒化ガリウム膜９を作製する。窒化ガリウム系エピタキシャル膜９のアクセプタ濃度はＮａであり、窒化ガリウム系エピタキシャル膜９のドナー濃度はＮｄである。窒化ガリウム系エピタキシャル膜９において、Ｎａ／（Ｎｄ−Ｎａ）の値は０．１より小さなる。このエピタキシャル基板によれば、ドナードーパント濃度に応じた電子キャリア濃度を有する高比抵抗の窒化ガリウム系半導体膜が提供される。
【００３９】
（実験例１）
有機金属気相成長炉のサセプタ上にＧａＮウエハ、およびサファイア基板上に窒化ガリウム領域が形成されたテンプレート（以下、Ｓａｐテンプレートとして参照する）を準備する。Ｓａｐテンプレートの転位密度は１×１０８ｃｍ−２である。窒化ガリウム表面の加熱清浄を行う。この条件として、ＮＨ３流量１６ｓｌｍ、Ｈ２流量４ｓｌｍ、圧力２００ｔｏｒｒ、温度摂氏１０００度、処理時間約５分を用いる。次いで、ＧａＮウエハおよびＧａＮテンプレート上に窒化ガリウムを成長する。この条件として、ＮＨ３流量５ｓｌｍ、Ｈ２流量１５ｓｌｍ、圧力２００ｔｏｒｒ、温度摂氏１０５０度、Ｖ／III＝５００を用いる。
【００４０】
ドーパントはシリコン（Ｓｉ）であり、ドーパント濃度１×１０１７ｃｍ−３となるようにドーパントガスの流量が決定される。成長後に、二次イオン放出質量分析（ＳＩＭＳ）法を用いてＳｉ濃度を測定する。Ｓｉ濃度は例えば１．０×１０１７ｃｍ−３である。また、Ｃ−Ｖ法を用いてＮｄ−Ｎａを見積もる。見積りの結果、窒化ガリウムウエハ上のｎ−型窒化ガリウム膜におけるＮｄ−Ｎａは０．９７×１０１７ｃｍ−３であり、ＳａｐテンプレートにおけるＮｄ−Ｎａは０．５０×１０１７ｃｍ−３である。
【００４１】
別のＧａＮウエハおよびＳａｐテンプレートを有機金属気相成長炉のサセプタ上に準備する。ドーパント濃度２×１０１６ｃｍ−３となるドーパントガスの流量を用いて、上記と同様に、ＧａＮウエハおよびＧａＮテンプレート上に窒化ガリウムを成長する。この成長後に、窒化ガリウム中のＳｉ濃度をＳＩＭＳ法を用いて測定する。Ｓｉ濃度は例えば２．１×１０１６ｃｍ−３である。また、Ｃ−Ｖ法を用いて、Ｎｄ−Ｎａを見積もる。見積りの結果、窒化ガリウムウエハ上のｎ−型窒化ガリウム膜におけるＮｄ−Ｎａは、１．７×１０１６ｃｍ−３であり、ＳａｐテンプレートにおけるＮｄ−Ｎａの適切な値が得られず、ＳａｐテンプレートにおけるＮｄ−Ｎａは測定不能である。この理由として、ドナーの補償が著しいためドナーが補償され、窒化ガリウム膜がほぼ完全に空乏化したためと考えられる。（Ｎｄ−Ｎａは、１×１０１５ｃｍ−３未満と考えられる。）
【００４２】
（実験例２）
有機金属気相成長炉のサセプタ上にＧａＮウエハおよびＳａｐテンプレートを準備する。実験例１と同様に、窒化ガリウム表面の加熱清浄を行う。次いで、ＧａＮウエハおよびＧａＮテンプレート上に窒化ガリウムを成長する。この条件として、ＮＨ３流量１０ｓｌｍ、Ｈ２流量１０ｓｌｍ、圧力２００ｔｏｒｒ、温度摂氏１０５０度、Ｖ／III＝１０００を用いる。ドーパントはシリコン（Ｓｉ）であり、ドーパント濃度１×１０１７ｃｍ−３となるようにドーパントガスの流量が決定される。
【００４３】
成長後に、ＳＩＭＳ法を用いてＳｉ濃度を測定する。Ｓｉ濃度は例えば１．０×１０１７ｃｍ−３である。また、Ｃ−Ｖ法を用いて、Ｎｄ−Ｎａを見積もる。見積りの結果、窒化ガリウムウエハ上のｎ−型窒化ガリウム膜におけるＮｄ−Ｎａは、１．００×１０１７ｃｍ−３であり、ＳａｐテンプレートにおけるＮｄ−Ｎａは、０．５５×１０１７ｃｍ−３である。
【００４４】
別のＧａＮウエハおよびＳａｐテンプレートを有機金属気相成長炉のサセプタ上に準備する。ドーパント濃度２×１０１６ｃｍ−３となるドーパントガスの流量を用いて、上記と同様に、ＧａＮウエハおよびＧａＮテンプレート上に窒化ガリウムを成長する。成長後に、ＳＩＭＳ法を用いてＳｉ濃度を測定する。Ｓｉ濃度は例えば２．０×１０１６ｃｍ−３である。また、Ｃ−Ｖ法を用いて、Ｎｄ−Ｎａを見積もる。見積りの結果、窒化ガリウムウエハ上のｎ−型窒化ガリウム膜におけるＮｄ−Ｎａは、１．９４×１０１６ｃｍ−３であり、ＳａｐテンプレートにおけるＮｄ−Ｎａは、測定不能である。この理由として、ドナーの補償が著しいためドナーが補償され、窒化ガリウム膜がほぼ完全に空乏化したためと考えられる（Ｎｄ−Ｎａは、１×１０１５ｃｍ−３未満と考えられる）。
【００４５】
（実験例３）
有機金属気相成長炉のサセプタ上にＧａＮウエハおよびＳａｐテンプレートを準備する。実験例１と同様に、窒化ガリウム表面の加熱清浄を行う。次いで、ＧａＮウエハおよびＧａＮテンプレート上に窒化ガリウムを成長する。この条件として、ＮＨ３流量１０ｓｌｍ、Ｈ２流量１０ｓｌｍ、圧力２００ｔｏｒｒ、温度摂氏１０５０度、Ｖ／III＝１５００、成長速度１μｍ／ｈを用いる。ドーパントはシリコン（Ｓｉ）であり、ドーパント濃度２×１０１６ｃｍ−３となるようにドーパントガスの流量が決定される。成長後に、ＳＩＭＳ法を用いてＳｉ濃度を測定する。Ｓｉ濃度は例えば２．１×１０１６ｃｍ−３である。また、Ｃ−Ｖ法を用いて、Ｎｄ−Ｎａを見積もる。見積りの結果、窒化ガリウムウエハ上のｎ−型窒化ガリウム膜におけるＮｄ−Ｎａは２．０８×１０１６ｃｍ−３であり、ＳａｐテンプレートにおけるＮｄ−Ｎａは測定不能である。この理由として、ドナーの補償が著しいためドナーが補償され、窒化ガリウム膜がほぼ完全に空乏化したためと考えられる（Ｎｄ−Ｎａは、１×１０１５ｃｍ−３未満と考えられる）。
【００４６】
（実験例４）
有機金属気相成長炉のサセプタ上にＧａＮウエハおよびＳａｐテンプレートを準備する。実験例１と同様に、窒化ガリウム表面の加熱清浄を行う。次いで、ＧａＮウエハおよびＳａｐテンプレート上に窒化ガリウムを成長する。この条件として、ＮＨ３流量２ｓｌｍ、Ｈ２流量１８ｓｌｍ、圧力２００ｔｏｒｒ、温度摂氏１０５０度、Ｖ／III＝２００を用いる。ドーパントはシリコン（Ｓｉ）であり、ドーパント濃度２×１０１６ｃｍ−３となるようにドーパントガスの流量が決定される。成長後に、ＳＩＭＳ法を用いてＳｉ濃度を測定する。Ｓｉ濃度は例えば２．１×１０１６ｃｍ−３である。また、Ｃ−Ｖ法を用いて、Ｎｄ−Ｎａを見積もっている。見積りの結果、窒化ガリウムウエハ上のｎ−型窒化ガリウム膜におけるＮｄ−Ｎａは測定不能であり、ＳａｐテンプレートにおけるＮｄ−Ｎａは測定不能である。この理由として、ドナーの補償が著しいためドナーが補償され、窒化ガリウム膜がほぼ完全に空乏化したためと考えられる（Ｎｄ−Ｎａは、１×１０１５ｃｍ−３未満と考えられる）。
【００４７】
これらの実験例によれば、低転位の窒化ガリウム領域上に上記の推奨条件を用いて窒化ガリウムを成長すると、２×１０１６ｃｍ−３未満のキャリア濃度において、ＮａがＮｄよりも十分小さいため、容易に低キャリアでのキャリア濃度制御が可能である。この特性、つまり、高純度、低欠陥および低キャリア濃度のエピタキシャル膜は、窒化ガリウムパワーデバイスに要求される高耐圧および大電流動作のために好適である。また、窒化ガリウムパワーデバイスの経時変化も小さい。
【００４８】
（実験例５）
異なる貫通転位密度の３種類のＳａｐテンプレートＡ、Ｂ、ＣとＧａＮウエハを準備する。ＳａｐテンプレートＡの貫通転位密度は２×１０９ｃｍ−３であり、ＳａｐテンプレートＢの貫通転位密度は５×１０８ｃｍ−３であり、ＳａｐテンプレートＣの貫通転位密度は１×１０８ｃｍ−３である。ＧａＮウエハの貫通転位密度は１×１０６ｃｍ−３である。ＳａｐテンプレートＡ、Ｂ、ＣとＧａＮウエハを有機金属気相成長炉のサセプタ上に置く。ＮＨ３流量１５ｓｌｍ、Ｈ２流量５ｓｌｍ、圧力２００ｔｏｒｒ、摂氏１０００度の温度、約５分の処理時間という条件で、窒化ガリウム表面の加熱清浄を行う。次いで、ＧａＮウエハおよびＳａｐテンプレート上に窒化ガリウムを成長する。この条件（成長条件１として参照される）として、ＮＨ３流量１０ｓｌｍ、Ｈ２流量１０ｓｌｍ、ＴＭＧａの流量８０ｓｃｃｍ、ＳｉＨ４１０ｐｐｍドーパントガス１ｓｃｃｍ、圧力２００ｔｏｒｒ、温度摂氏１０５０度を用いる。
【００４９】
ＳａｐテンプレートＡ、Ｂ、ＣとＧａＮウエハを再び準備する。ＳａｐテンプレートＡ、Ｂ、ＣとＧａＮウエハを有機金属気相成長炉のサセプタ上に置き、同様にの条件で窒化ガリウム表面の加熱清浄を行う。次いで、ＧａＮウエハおよびＳａｐテンプレート上に窒化ガリウムを成長する。この条件（成長条件２として参照される）として、ＮＨ３流量１０ｓｌｍ、Ｈ２流量１０ｓｌｍ、ＴＭＧａの流量８０ｓｃｃｍ、ＳｉＨ４１０ｐｐｍドーパントガス０．１ｓｃｃｍ、圧力２００ｔｏｒｒ、摂氏１０５０度を用いる。
【００５０】
成長条件１および２を用いて作製された窒化ガリウム膜上にＡｕ電極を形成して、ダブルショットキ構造のショットキバリアダイオードを作製する。Ａｕ電極の直径は２００μｍある。Ｃ−Ｖ法を用いてキャリア濃度を見積もる。
成長条件１
ＳａｐテンプレートＡ：０．８×１０１７ｃｍ−３
ＳａｐテンプレートＢ：２．１×１０１７ｃｍ−３
ＳａｐテンプレートＣ：２．８×１０１７ｃｍ−３
ＧａＮウエハ： ３．２×１０１７ｃｍ−３
である。
成長条件２
ＳａｐテンプレートＡ：測定不能
ＳａｐテンプレートＢ：測定不能
ＳａｐテンプレートＣ：２．５×１０１５ｃｍ−３
ＧａＮウエハ： ２．９×１０１６ｃｍ−３
である。なお、ＳａｐテンプレートＡ，ＢでＮｄ−Ｎａの測定不能の原因は、ドナーの補償が著しいためドナーが補償され、窒化ガリウム膜がほぼ完全に空乏化したためと考えられる（Ｎｄ−Ｎａは、１×１０１５ｃｍ−３未満と考えられる）。
【００５１】
成長条件１および２を用いて作製された窒化ガリウム膜中のシリコン濃度をＳＩＭＳ法を用いて見積もると、成長された窒化ガリウム膜のシリコン濃度には互いに実質的な差がないことが示される。このため、キャリア濃度の違いは、キャリア補償の違いを表す。上記の実験結果は、例えば１６乗以下のキャリア濃度といった小さいキャリア濃度では、膜中の転位密度を小さくすると、キャリア補償を小さくできる。
【００５２】
ダブルショットキダイオードのＩ−Ｖ特性を測定すると、
リーク電流（逆方向電圧１０ボルト）：成膜条件１：成膜条件２
ＳａｐテンプレートＣ： １×１０−４Ａ／ｃｍ２：４×１０−５Ａ／ｃｍ２
ＧａＮウエハ： ２×１０−８Ａ／ｃｍ２：１×１０−９Ａ／ｃｍ２
耐圧（逆方向電流１ｍＡ／ｃｍ−２）：成膜条件１：成膜条件２
ＳａｐテンプレートＣ： １６０ボルト：２４０ボルト
ＧａＮウエハ： ２４０ボルト：５２０ボルト
Ｎ値： 成膜条件１：成膜条件２
ＳａｐテンプレートＣ：１．１６：１．２４
ＧａＮウエハ： １．０３：１．０４
立ち上がり電圧（２００Ａ／ｃｍ−２）：成膜条件１：成膜条件２
ＳａｐテンプレートＣ： ２．４ボルト：３．５ボルト
ＧａＮウエハ： １．３ボルト：１．５ボルト
直列抵抗： 成膜条件１：成膜条件２
ＳａｐテンプレートＣ：０．２ｍΩｃｍ２：２．５ｍΩｃｍ２
ＧａＮウエハ： ０．１ｍΩｃｍ２：１．０ｍΩｃｍ２
である。キャリア補償を小さくすることが、デバイス特性を向上させるために重要である。
【００５３】
（第２の実施の形態）
図２は、有機金属気相成長炉の一例を示す図面である。図２を参照しながら、有機金属気相成長装置１１を説明する。有機金属気相成長装置１１は、チャンバ２１内に設けられた第１、第２および第３のフローチャネル２３、２５、２７を含む。第１、第２および第３のフローチャネル２３、２５、２７は、所定の軸に沿って配置されている。第１のフローチャネル２３は、原料ガスを第２のフローチャネル２５に導く。第１のフローチャネル２３は、例えば、窒素ガスおよび水素ガスを流す第１のライン２３ａ、III族有機金属ガスおよびキャリアガスを流す第２のライン２３ｂ、アンモニアおよびキャリアガスを流す第３のライン２３ｃを含む。第２のフローチャネル２５は、サセプタ１５といったウエハ支持具を受け入れる開口２５ａと、第１のフローチャネル２３からのガスを供給する供給口２５ｂとを有している。供給口２５ｂからの原料ガスは、この開口２５ａに位置するサセプタ１５上を流れる。原料ガスの反応によりIII族窒化物膜がウエハＷ上に成長される。原料ガスの残余および反応生成ガスは、排出口２５ｃを介して第３のフローチャネル２７に排気される。サセプタ１５の背面には、ウエハの温度を調整するためのヒータ２９が設けられている。ヒータ２９からの熱はサセプタ１５を伝搬してウエハＷに到達する。必要な場合には、有機金属気相成長装置１１は、サセプタ１５を回転するための回転駆動機構を備える。
【００５４】
サセプタ１５は、シリコンを実質的に含有しない材料でコートされていることが好ましい。或いは、サセプタ１５の表面は、シリコンを実質的に含有しない材料からなることが好ましい。フローチャネル２５といったガイド部材は、シリコンを実質的に含有しない材料でコートされていることが好ましい。或いは、このガイド部材の表面は、シリコンを実質的に含有しない材料からなることが好ましい。さらに、フローチャネル２３、２７といったガイド部材は、シリコンを実質的に含有しない材料でコートされていることが好ましい。或いは、これらのガイド部材の表面は、シリコンを実質的に含有しない材料からなることが好ましい。この方法によれば、有機金属気相成長炉のサセプタ等からのシリコンによる汚染を防ぐことができる。実質的にＳｉを含有しないコート材料としては、ＳｉＣ等がある。また、サセプタおよびフローチャネルのための実質的にＳｉを含有しない材料としては、ＳｉＣ、カーボン等がある。本実施例では、サセプタ１５は、ＳｉＣコートされたカーボン製であり、フローチャネル２５は金属製（ＳＵＳ）である。図２に示されるフローチャネル２５およびサセプタ１５は、それぞれ、コーティング２６、１６を有する。フローチャネル２５の内側面はコーティング２６で覆われており、またサセプタ１５の上面１５ａおよび側面１５ｂはコーティング１６で覆われている。
【００５５】
（実験例６）
有機金属気相成長炉は、石英製のサセプタおよび石英製のフローチャネルを有する。低温バッファ層を有するＳａｐテンプレートをサセプタ上に置く。アンドープ窒化ガリウムの数回の成長を行って、窒化ガリウムエピタキシャル領域を形成する。この条件として、ＮＨ３流量８ｓｌｍ、Ｈ２流量１２ｓｌｍ、圧力２００ｔｏｒｒ、温度摂氏１０５０度、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）４８０μｍｏｌ／ｍｉｎを用いる。ドーパントガスは供給しない。ＳＩＭＳ法を用いて窒化ガリウムエピタキシャル領域を分析すると、シリコン濃度は２×１０１６ｃｍ−３〜７×１０１６ｃｍ−３である。石英およびソーダガラスといったシリコン酸化物からなるサセプタ、フローチャネルを用いるので、バックグランドのシリコン濃度は１６乗のオーダーである。
【００５６】
石英からなるサセプタ、フローチャネルに替えて、ＳｉＣコートされたカーボン製のサセプタおよび金属製のフローチャネルを用いてアンドープ窒化ガリウムの数回の成長を上記の成膜条件で行って、窒化ガリウムエピタキシャル領域を形成する。ＳＩＭＳ法を用いて窒化ガリウムエピタキシャル領域を分析すると、シリコン濃度は５×１０１４ｃｍ−３〜２×１０１５ｃｍ−３である。したがって、シリコンドーパントを成膜中に供給して１×１０１６ｃｍ−３〜程度のシリコン濃度を制御して、窒化ガリウムエピタキシャル領域を成長できる。つまり、この方法によれば、有機金属気相成長炉のサセプタ等からのシリコン汚染を防ぐことができる。
【００５７】
（第３の実施の形態）
図３は、窒化物半導体装置の一例を示す図面である。図３を参照すると、ショットキーバリアダイオード４１に好適な構造が窒化物半導体装置の一例として示されている。ショットキーバリアダイオード４１は、III族窒化物支持基体４３と、窒化ガリウム系エピタキシャル層４５とを備える。III族窒化物支持基体４３は導電性を有する。窒化ガリウム系エピタキシャル層４５は、III族窒化物基板上に設けられている。窒化ガリウム系エピタキシャル層４５は、ドナードーパントが添加されており、５×１０１６ｃｍ−３未満の電子キャリア濃度を有する。窒化ガリウム系エピタキシャル層４５は２×１０１６ｃｍ−３未満の炭素濃度を有している。窒化ガリウム系エピタキシャル層４５は１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度を有する。
【００５８】
このショットキーバリアダイオード４１によれば、窒化ガリウム系エピタキシャル層４５の炭素濃度が２×１０１６ｃｍ−３未満であると共に、窒化ガリウム系エピタキシャル層４５の転位密度が１×１０８ｃｍ−２未満であるので、窒化ガリウム系エピタキシャル層４５の電子キャリア濃度を５×１０１６ｃｍ−３未満にできる。また、この電子キャリア濃度は、窒化ガリウム系エピタキシャル層４５に添加されるドナードーパント量によって変更可能である。
【００５９】
ショットキーバリアダイオード４１では、III族窒化物支持基体４３は窒化ガリウムからなることが好ましい。このショットキーバリアダイオード４１によれば、III族窒化物支持基体４３が窒化ガリウムからなるので、III族窒化物支持基体４３の転位密度を１×１０８ｃｍ−２未満にでき、また窒化ガリウム系エピタキシャル層４５の転位密度を低減するために好適である。
【００６０】
ショットキーバリアダイオード４１は、窒化ガリウム系半導体層４５上に設けられたショット電極４９ａを含む。また、ショットキーバリアダイオード４１は、III族窒化物支持基体４３の裏面４３ａに設けられたオーミック電極４９ｂを含む。ショット電極４９ａは、窒化ガリウム系半導体層４５にショットキ接合を成すので、空乏層は窒化ガリウム系半導体層４５に伸びる。窒化ガリウム系半導体層４５の結晶品質は良好なので、十分に大きな逆方向耐圧が得られる。
【００６１】
ショットキーバリアダイオード４１は、III族窒化物支持基体４３上に設けられた別の窒化ガリウム系エピタキシャル層４７を更に備えることができる。別の窒化ガリウム系エピタキシャル層４７は、窒化ガリウム系エピタキシャル層４５とIII族窒化物支持基体４３との間に設けられている。窒化ガリウム系エピタキシャル層４７のドーパント濃度は、窒化ガリウム系エピタキシャル層４５のドーパント濃度より大きい。窒化ガリウム系エピタキシャル層４７は、ドナーとして少なくともシリコンを含む。このショットキーバリアダイオード４１によれば、窒化ガリウム系エピタキシャル層４５の使用により、十分な大きさの耐圧を得られると共に、窒化ガリウム系エピタキシャル層４７の使用により、ショットキーバリアダイオード４１の直列抵抗を低くできる。また、ショットキーバリアダイオード４１では、窒化ガリウム系エピタキシャル層４７は窒化ガリウムからなる。低転位の窒化ガリウムがIII族窒化物支持基体４３上に提供される。窒化ガリウム支持基体上に窒化ガリウム系エピタキシャル層４５、４７を形成するとき、これらの半導体層はホモエピタキシャル成長により形成される。これらの半導体層の結晶品質は非常に良好になる。
【００６２】
このショットキーバリアダイオード４１では、リーク電流が低減される。ショットキーバリアダイオード４１の耐圧は向上される。ショットキーバリアダイオード４１のオン抵抗を低くでき、ショットキーバリアダイオード４１のＮ値を１に近づけることができる。また、ショットキーバリアダイオード４１の素子寿命が長くなる。
【００６３】
ショットキーバリアダイオード４１の一例では、
III族窒化物支持基体４３：ｎ型ＧａＮ（酸素ドープ）
厚さ４００μｍ、キャリア濃度５×１０１８ｃｍ−３
窒化ガリウム系エピタキシャル層４５：ｎ−ＧａＮ（シリコンドープ）
厚さ１２μｍ、キャリア濃度２×１０１６ｃｍ−３
窒化ガリウム系エピタキシャル層４７：ｎ＋ＧａＮ（シリコンドープ）
厚さ２μｍ、キャリア濃度２×１０１８ｃｍ−３
ショット電極４９：Ｐｔ
オーミック電極４９ｂ：Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ
絶縁耐圧：９６０Ｖ
オン抵抗：２ｍΩｃｍ−２
ダイオードのＮ値：１．０５
である。
【００６４】
（第４の実施の形態）
図４は、ｐｎ接合ダイオードを示す図面である。ｐｎ接合ダイオード５１は、III族窒化物支持基体５３と、窒化ガリウム系エピタキシャル層５５とを備える。III族窒化物支持基体５３は導電性を有する。窒化ガリウム系エピタキシャル層５５は、III族窒化物基板上に設けられている。窒化ガリウム系エピタキシャル層５５は、ドナードーパント原子が添加されており、５×１０１６ｃｍ−３未満の電子キャリア濃度を有する。窒化ガリウム系エピタキシャル層５５は２×１０１６ｃｍ−３未満の炭素濃度を有している。窒化ガリウム系エピタキシャル層５５は１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度を有する。ｐｎ接合ダイオード５１は、アクセプタ原子を含む窒化ガリウム系エピタキシャル層５９を更に備える。窒化ガリウム系エピタキシャル層５５および窒化ガリウム系エピタキシャル層５９はｐｎ接合６０を形成する。
【００６５】
このｐｎ接合ダイオード５１によれば、窒化ガリウム系エピタキシャル層５５の炭素濃度が２×１０１６ｃｍ−３未満であると共に、窒化ガリウム系エピタキシャル層５５の転位密度が１×１０８ｃｍ−２未満であるので、窒化ガリウム系エピタキシャル層５５の電子キャリア濃度を５×１０１６ｃｍ−３未満にできる。また、この電子キャリア濃度は、窒化ガリウム系エピタキシャル層５５に添加されるドナードーパント濃度によって変更可能である。
【００６６】
ｐｎ接合ダイオード５１は、III族窒化物支持基体５３上に設けられた別の窒化ガリウム系エピタキシャル層５７を更に備えることができる。別の窒化ガリウム系エピタキシャル層５７は、窒化ガリウム系エピタキシャル層５５とIII族窒化物支持基体５３との間に設けられている。窒化ガリウム系エピタキシャル層５７のドーパント濃度は、窒化ガリウム系エピタキシャル層５５のドーパント濃度より大きい。窒化ガリウム系エピタキシャル層５７は、ドナーとして少なくともシリコンを含む。このｐｎ接合ダイオード５１によれば、窒化ガリウム系エピタキシャル層５５の使用により、十分な大きさの耐圧を得られると共に、窒化ガリウム系エピタキシャル層５７の使用により、ｐｎ接合ダイオード５１の直列抵抗を低くできる。また、ｐｎ接合ダイオード５１では、窒化ガリウム系エピタキシャル層５７は窒化ガリウムからなる。低転位の窒化ガリウムがIII族窒化物支持基体５３上に提供される。窒化ガリウム支持基体上に窒化ガリウム系エピタキシャル層５５、５７を形成するとき、これらの半導体層はホモエピタキシャル成長により形成される。これらの半導体層の結晶品質は非常に良好になる。
【００６７】
ｐｎ接合ダイオード５１では、III族窒化物支持基体５３は窒化ガリウムからなることが好ましい。このｐｎ接合ダイオード５１によれば、III族窒化物支持基体５３が窒化ガリウムからなるので、III族窒化物支持基体５３の転位密度を１×１０８ｃｍ−２未満にでき、また窒化ガリウム系エピタキシャル層５５の転位密度を低減するために好適である。
【００６８】
窒化ガリウム系エピタキシャル層５９はアクセプタ原子を含むｐ型窒化ガリウムであることができる。窒化ガリウム系エピタキシャル層５５のためのｎ型窒化ガリウムと窒化ガリウム系エピタキシャル層５９のためのｐ型窒化ガリウムの組み合わせにより、良好なｐｎ接合が提供される。窒化ガリウム系エピタキシャル層５５の電子濃度は低いので、空乏層は窒化ガリウム系エピタキシャル層５５に伸びる。窒化ガリウム系エピタキシャル層５５の結晶品質は良好なので、十分に大きな逆方向耐圧が得られる。
【００６９】
ｐｎ接合ダイオード５１は、ｐ導電型の窒化ガリウム系エピタキシャル層５９上に設けられたｐ導電型の窒化ガリウム系エピタキシャル層６１をさらに備えることができる。窒化ガリウム系エピタキシャル層６１のアクセプタ濃度は、窒化ガリウム系エピタキシャル層５９のアクセプタ濃度より大きい。
【００７０】
ｐｎ接合ダイオード５１は、窒化ガリウム系エピタキシャル層６１上に設けられたオーミック電極６３ａと、III族窒化物支持基体５３の裏面５３ａに設けられたオーミック電極６３ｂを含む。
【００７１】
ｐｎ接合ダイオード５１の一例では、
III族窒化物支持基体５３：ｎ型ＧａＮ（酸素ドープ）
厚さ４００μｍ、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３
窒化ガリウム系エピタキシャル層５５：ｎ−ＧａＮ（シリコンドープ）
厚さ１２μｍ、キャリア濃度２×１０１６ｃｍ−３
窒化ガリウム系エピタキシャル層５７：ｎ＋ＧａＮ（シリコンドープ）
厚さ２μｍ、キャリア濃度２×１０１８ｃｍ−３
窒化ガリウム系エピタキシャル層５９：ｐ型ＧａＮ（マグネシウムドープ）
厚さ１μｍ、マグネシウム濃度５×１０１７ｃｍ−３
窒化ガリウム系エピタキシャル層６１：ｐ＋ＧａＮ（マグネシウムドープ）
厚さ０．１μｍ、マグネシウム濃度１×１０２０ｃｍ−３
絶縁耐圧：１２８０Ｖ
オン抵抗：３．２ｍΩｃｍ２
ダイオードのＮ値：１．２０
である。
【００７２】
（第５の実施の形態）
図５は、ｐｉｎ接合ダイオードを示す図面である。ｐｉｎ接合ダイオード７１は、III族窒化物支持基体７３と、窒化ガリウム系エピタキシャル層７５とを備える。III族窒化物支持基体７３は導電性を有する。窒化ガリウム系エピタキシャル層７５は、III族窒化物基板上に設けられている。窒化ガリウム系エピタキシャル層７５は、ドナードーパント原子が添加されており、５×１０１６ｃｍ−３未満の電子キャリア濃度を有する。窒化ガリウム系エピタキシャル層７５は２×１０１６ｃｍ−３未満の炭素濃度を有している。窒化ガリウム系エピタキシャル層７５は１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度を有する。ｐｉｎ接合ダイオード７１は、アクセプタ原子を含む窒化ガリウム系エピタキシャル層７９と、ｉ型窒化ガリウム系エピタキシャル層８１とを更に備える。窒化ガリウム系エピタキシャル層７５、ｉ型窒化ガリウム系エピタキシャル層８１および窒化ガリウム系エピタキシャル層７９はｐｉｎ構造を形成する。
【００７３】
このｐｉｎ接合ダイオード５１によれば、窒化ガリウム系エピタキシャル層７５の炭素濃度が２×１０１６ｃｍ−３未満であると共に、窒化ガリウム系エピタキシャル層７５の転位密度が１×１０８ｃｍ−２未満であるので、窒化ガリウム系エピタキシャル層７５の電子キャリア濃度を５×１０１６ｃｍ−３未満にできる。また、この電子キャリア濃度は、窒化ガリウム系エピタキシャル層７５に添加されるドナードーパント濃度によって変更可能である。
【００７４】
ｐｉｎ接合ダイオード７１は、III族窒化物支持基体５３上に設けられた別の窒化ガリウム系エピタキシャル層７７を更に備えることができる。別の窒化ガリウム系エピタキシャル層７７は、窒化ガリウム系エピタキシャル層７５とIII族窒化物支持基体７３との間に設けられている。窒化ガリウム系エピタキシャル層７７のドーパント濃度は、窒化ガリウム系エピタキシャル層７５のドーパント濃度より大きい。窒化ガリウム系エピタキシャル層７７は、ドナーとして少なくともシリコンを含む。このｐｉｎ接合ダイオード７１によれば、窒化ガリウム系エピタキシャル層７５の使用により、十分な大きさの耐圧を得られると共に、窒化ガリウム系エピタキシャル層７７の使用により、ｐｉｎ接合ダイオード７１の直列抵抗を低くできる。また、ｐｉｎ接合ダイオード７１では、窒化ガリウム系エピタキシャル層７７は窒化ガリウムからなる。低転位の窒化ガリウムがIII族窒化物支持基体７３上に提供される。窒化ガリウム支持基体上に窒化ガリウム系エピタキシャル層７５、７７を形成するとき、これらの半導体層はホモエピタキシャル成長により形成される。これらの半導体層の結晶品質は非常に良好になる。
【００７５】
ｐｉｎ接合ダイオード７１では、III族窒化物支持基体５３は窒化ガリウムからなることが好ましい。このｐｉｎ接合ダイオード７１によれば、III族窒化物支持基体７３が窒化ガリウムからなるので、III族窒化物支持基体７３の転位密度を１×１０８ｃｍ−２未満にでき、また窒化ガリウム系エピタキシャル層７５の転位密度を低減するために好適である。
【００７６】
窒化ガリウム系エピタキシャル層７９はアクセプタ原子を含むｐ型窒化ガリウムであることができる。窒化ガリウム系エピタキシャル層７５のためのｎ型窒化ガリウムと、ｉ型窒化ガリウム系エピタキシャル層８１のためにｉ型窒化ガリウムと、窒化ガリウム系エピタキシャル層７９のためのｐ型窒化ガリウムとの組み合わせにより、良好なｐｉｎ接合が提供される。窒化ガリウム系エピタキシャル層７５の電子濃度は低く、窒化ガリウム系エピタキシャル層７５の結晶品質は良好なので、十分に大きな逆方向耐圧が得られる。
【００７７】
ｐｉｎ接合ダイオード７１は、ｐ導電型の窒化ガリウム系エピタキシャル層７９上に設けられたｐ導電型の窒化ガリウム系エピタキシャル層８３をさらに備えることができる。窒化ガリウム系エピタキシャル層８３のアクセプタ濃度は、窒化ガリウム系エピタキシャル層７９のアクセプタ濃度より大きい。
【００７８】
ｐｉｎ接合ダイオード７１は、窒化ガリウム系エピタキシャル層８３上に設けられたオーミック電極８５ａと、III族窒化物支持基体７３の裏面７３ａに設けられたオーミック電極８５ｂを含む。
【００７９】
ｐｉｎ接合ダイオード７１の一例では、
III族窒化物支持基体７３：ｎ型ＧａＮ（酸素ドープ）
厚さ４００μｍ、キャリア濃度５×１０１８ｃｍ−３
窒化ガリウム系エピタキシャル層７５：ｎ−ＧａＮ（シリコンドープ）
厚さ１２μｍ、キャリア濃度２×１０１６ｃｍ−３
窒化ガリウム系エピタキシャル層７７：ｎ＋ＧａＮ（シリコンドープ）
厚さ２μｍ、キャリア濃度２×１０１８ｃｍ−３
窒化ガリウム系エピタキシャル層７９：ｐ型ＧａＮ（マグネシウムドープ）
厚さ１μｍ、マグネシウム濃度５×１０１７ｃｍ−３
窒化ガリウム系エピタキシャル層８１：ｉ型ＧａＮ（ドープ無し）
厚さ０．５μｍ、キャリア濃度２×１０１５ｃｍ−３
窒化ガリウム系エピタキシャル層８３：ｐ＋ＧａＮ（マグネシウムドープ）
厚さ０．１μｍ、マグネシウム濃度１×１０２０ｃｍ−３
絶縁耐圧：１４１０Ｖ
オン抵抗：３．８ｍΩｃｍ２
ダイオードのＮ値：１．２３
である。
【００８０】
（第６の実施の形態）
図６は、窒化物半導体装置の一例を示す図面である。図６を参照すると、縦型トランジスタ９１に好適な構造が窒化物半導体装置の一例として示されている。縦型トランジスタ９１は、III族窒化物支持基体９３と、窒化ガリウム系エピタキシャル層９５とを備える。III族窒化物支持基体９３は導電性を有する。窒化ガリウム系エピタキシャル層９５は、III族窒化物基板上に設けられている。窒化ガリウム系エピタキシャル層９５は、ドナードーパント原子が添加されており、５×１０１６ｃｍ−３未満の電子キャリア濃度を有する。窒化ガリウム系エピタキシャル層９５は２×１０１６ｃｍ−３未満の炭素濃度を有している。窒化ガリウム系エピタキシャル層９５は１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度を有する。縦型トランジスタ９１は、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域９９と、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域１０１とをさらに含む。ｐ型窒化ガリウム系半導体領域１０１は、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域９９を窒化ガリウム系エピタキシャル層９５から隔てている。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域９９は縦型トランジスタ９１のソース領域として働き、窒化ガリウム系エピタキシャル層９５は縦型トランジスタ９１のウエル領域として働き、窒化ガリウム系エピタキシャル層９５は縦型トランジスタ９１のドリフト領域として働く。
【００８１】
この縦型トランジスタ９１によれば、窒化ガリウム系エピタキシャル層９５の炭素濃度が２×１０１６ｃｍ−３未満であると共に、窒化ガリウム系エピタキシャル層９５の転位密度が１×１０８ｃｍ−２未満であるので、窒化ガリウム系エピタキシャル層９５の電子キャリア濃度を５×１０１６ｃｍ−３未満にできる。また、この電子キャリア濃度は、窒化ガリウム系エピタキシャル層９５に添加されるドナードーパント濃度によって変更可能である。
【００８２】
縦型トランジスタ９１では、III族窒化物支持基体９３は窒化ガリウムからなることが好ましい。この縦型トランジスタ９１によれば、III族窒化物支持基体９３が窒化ガリウムからなるので、III族窒化物支持基体９３の転位密度を１×１０８ｃｍ−２未満にでき、また窒化ガリウム系エピタキシャル層９５の転位密度を低減するために好適である。
【００８３】
縦型トランジスタ９１は、ゲート絶縁膜１０５上に位置するゲート電極１０３ａを含む。また、縦型トランジスタ９１は、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域９９上に位置するオーミック電極１０３ｂ（ソース電極）と、III族窒化物支持基体４３の裏面４３ａに設けられたオーミック電極１０３ｃ（ドレイン電極）を含む。空乏層は窒化ガリウム系半導体層９５に伸びる。窒化ガリウム系半導体層９５の結晶品質は良好なので、十分に大きな逆方向耐圧が得られる。縦型トランジスタ９１では、ゲート電極１０３ａに電圧を印加すると、この電圧（ゲート電圧）に応じた表面電界がウエル領域の界面に生じる。しきい値を越える電圧をゲート電極１０３ａに印加すると、ウエル領域の界面に反転層が形成される。
【００８４】
縦型トランジスタ９１は、III族窒化物支持基体９３上に設けられた別の窒化ガリウム系エピタキシャル層９７を更に備えることができる。別の窒化ガリウム系エピタキシャル層９７は、窒化ガリウム系エピタキシャル層９５とIII族窒化物支持基体９３との間に設けられている。窒化ガリウム系エピタキシャル層９７のドーパント濃度は、窒化ガリウム系エピタキシャル層９５のドーパント濃度より大きい。窒化ガリウム系エピタキシャル層９７は、ドナーとして少なくともシリコンを含む。この縦型トランジスタ９１によれば、窒化ガリウム系エピタキシャル層９５の使用により、十分な大きさの耐圧を得られると共に、窒化ガリウム系エピタキシャル層９７の使用により、縦型トランジスタ９１の直列抵抗を低くできる。また、縦型トランジスタ９１では、窒化ガリウム系エピタキシャル層９７は窒化ガリウムからなる。低転位の窒化ガリウムがIII族窒化物支持基体９３上に提供される。窒化ガリウム支持基体上に窒化ガリウム系エピタキシャル層９５、９７を形成するとき、これらの半導体層はホモエピタキシャル成長により形成される。これらの半導体層の結晶品質は非常に良好になる。
【００８５】
縦型トランジスタ９１の一例では、
III族窒化物支持基体９３：ｎ型ＧａＮ（酸素ドープ）
厚さ４００μｍ、キャリア濃度５×１０１８ｃｍ−３
窒化ガリウム系エピタキシャル層９５：ｎ−ＧａＮ（シリコンドープ）
厚さ１２μｍ、キャリア濃度２×１０１６ｃｍ−３
窒化ガリウム系エピタキシャル層９７：ｎ＋ＧａＮ（シリコンドープ）
厚さ２μｍ、キャリア濃度２×１０１８ｃｍ−３
窒化ガリウム系半導体領域９９：ｎ＋ＧａＮ（シリコンドープ）
厚さ０．１μｍ、キャリア濃度１×１０２０ｃｍ−３
窒化ガリウム系エピタキシャル層１０１：ｐ型ＧａＮ（マグネシウムドープ）
厚さ１μｍ、マグネシウム濃度５×１０１７ｃｍ−３
ゲート電極１０３ａ：Ｐｔ
オーミック電極（ソース電極）１０３ｂ：Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ
オーミック電極（ドレイン電極）１０３ｃ：Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ
絶縁膜１０５：ＳｉＮ
絶縁耐圧：１１３０Ｖ
オン抵抗：３．６ｍΩｃｍ２
である。
【００８６】
ショットキーバリアダイオード４１、ｐｎ接合ダイオード５１、ｐｉｎ接合ダイオード７１、及び縦型トランジスタ９１では、窒化ガリウム系半導体領域４５、５５、７５、９５は窒化ガリウムからなることが好ましい。III族窒化物支持基体上に低転位の窒化ガリウムが提供される。
【００８７】
ショットキーバリアダイオード４１、ｐｎ接合ダイオード５１、ｐｉｎ接合ダイオード７１、及び縦型トランジスタ９１では、窒化ガリウム系エピタキシャル層４５はドナーとして少なくともシリコンを含めば、ドナードーパントとしてシリコン濃度に応じた電子キャリア濃度を有する窒化ガリウム系半導体が提供される。
【００８８】
窒化ガリウム系エピタキシャル層４５、５５、７５、９５のアクセプタの働きをする不純物・欠陥の濃度はＮａであり、窒化ガリウム系エピタキシャル層４５、５５、７５、９５のドナー濃度はＮｄである。窒化ガリウム系エピタキシャル層４５では、ＮａがＮｄより小さい。このショットキーバリアダイオード４１、ｐｎ接合ダイオード５１、ｐｉｎ接合ダイオード７１、および縦型トランジスタ９１によれば、ドナードーパント元素の濃度に応じた電子キャリア濃度を有する窒化ガリウム系半導体が提供される。
【００８９】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本実施の形態では、例えば、窒化ガリウム指示基体といったIII族窒化物支持基体を説明したけれども、本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではなく、窒化ガリウム以外にもＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮにも適用されることができる。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【符号の説明】
【００９０】
１…III族窒化物ウエハ、１ａ…III族窒化物ウエハ表面、３…有機金属気相成長装置、Ｇ１…第１の成膜ガス、５…窒化ガリウム系エピタキシャル膜、５ａ…窒化ガリウム系半導体表面、７…III族窒化物基板、Ｇ２…第２の成膜ガス、９…窒化ガリウム系エピタキシャル膜、１１…有機金属気相成長装置、１５…サセプタ、１５ａ…サセプタ上面、１５ｂ…サセプタ側面、２１…チャンバ、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ…ライン、２３、２５、２７…フローチャネル、２５ａ…フローチャネル開口、２５ｂ…フローチャネル供給口、２５ｃ…フローチャネル排出口、２９…ヒータ、２６、１６…コーティング、４１…ショットキーバリアダイオード、４３…III族窒化物支持基体、４５…窒化ガリウム系エピタキシャル層、４７…窒化ガリウム系エピタキシャル層、４９ａ…ショット電極、４９ｂ…オーミック電極、５１…ｐｎ接合ダイオード、５３…III族窒化物支持基体、５３ａ…III族窒化物支持基体裏面、５５…窒化ガリウム系エピタキシャル層、５７…窒化ガリウム系エピタキシャル層、５９…窒化ガリウム系エピタキシャル層、６０…ｐｎ接合、６１…窒化ガリウム系エピタキシャル層、６３ａ、６３ｂ…オーミック電極、７１…ｐｉｎ接合ダイオード、７３…III族窒化物支持基体、７５…窒化ガリウム系エピタキシャル層、７７…窒化ガリウム系エピタキシャル層、７９…窒化ガリウム系エピタキシャル層、８１…ｉ型窒化ガリウム系エピタキシャル層、８３…ｐ型窒化ガリウム系エピタキシャル層、８５ａ、８５ｂ…オーミック電極、９１…縦型トランジスタ、９３…III族窒化物支持基体、９５…窒化ガリウム系エピタキシャル層、９７…窒化ガリウム系エピタキシャル層、９９…ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、１０１…ｐ型窒化ガリウム系半導体領域、１０５…ゲート絶縁膜、１０３ａ…ゲート電極、１０３ｂ、１０３ｃ…オーミック電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体装置、エピタキシャル基板および窒化ガリウム系エピタキシャル膜を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）が記載されている。この高電子移動度トランジスタは、サファイア基板上にエピタキシャル成長されたＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造を有する。この高電子移動度トランジスタを作製するためには、サファイア基板上に形成された低温ＧａＮ層を形成した後に、２〜３マイクロメートルのｉ型ＧａＮ膜を形成する。このＧａＮ膜上に、７ｎｍのｉ型ＡｌＧａＮ層、１５ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮ層、３ｎｍのｉ型ＡｌＧａＮ層を順に形成する。ショットキ電極は、Ｎｉ（３ｎｍ）／Ｐｔ（３０ｎｍ）／Ａｕ（３００ｎｍ）から成る。
【０００３】
非特許文献２には、ｐｉｎダイオードの特性が記載されている。このダイオードは、窒化ガリウムエピタキシャル膜（undoped、キャリア濃度（電子）３×１０１６ｃｍ−３、厚さ３マイクロメートル）および窒化ガリウムエピタキシャル膜（Ｍｇdoped、キャリア濃度（ホール）１×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．３マイクロメートル）を窒化ガリウム自立基板上に有機金属気相成長法により作製すると共に、窒化ガリウム自立基板の裏面上にｎ型のためのオーミック電極、エピタキシャル膜の表面にｐ型のためのオーミック電極を作製した。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】“Improvement of DCCharacteristics of AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors Thermally AnnealedNi/Pt/Au Schottky Gate“ Japanese Journal of Applied Physics Vol.43, No.4B,2004, pp.1925-1929
【非特許文献２】Irokawa et al.APPLIED PHYSICS LETTERS Vol. 83 15 September 2003 pp2271-2273
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１に記載された高電子移動度トランジスタといった窒化物半導体素子では、サファイア基板上に窒化ガリウム系半導体膜を成長するので、窒化ガリウム系半導体膜の貫通転位密度が高い。この窒化ガリウム系半導体膜には貫通転位といった結晶欠陥が多いので、水素および炭素といった不純物が、窒化ガリウム系半導体にその成長中に取り込まれる。この窒化ガリウム系半導体膜を用いて作製されたショットキバリアダイオードといった窒化ガリウム系電子デバイスでは、その電子デバイス特性（例えば、リーク電流が多い、ｎ値が悪い、耐圧が低い、オン抵抗が高い、素子寿命が短い）の改善が望まれる。
【０００６】
また、非特許文献２に記載されたｐｉｎダイオードでは、３×１０１６ｃｍ−３の電子濃度を有する窒化ガリウムエピタキシャル膜はアンドープである。これ故に、キャリア濃度（電子）は、ｎ型ドーパント元素を用いて制御されていない。
【０００７】
発明者らの実験によれば、窒化ガリウム系半導体中の不純物および転位はアクセプタとして働く。５×１０１６ｃｍ−３未満の電子濃度の領域では、ドナー濃度に対する不純物および転位の割合が高くなるので、この電子濃度未満の電子濃度を有する窒化ガリウム系半導体を形成する場合には、不純物および転位に起因するアクセプタ濃度がドナー濃度に対して無視できなくなる。つまり、５×１０１６ｃｍ−３未満の電子濃度を有する窒化ガリウム系半導体では、不純物濃度および転位の数を制御しなければ、所望のキャリア濃度の窒化ガリウム系半導体を成長することができない。
【０００８】
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、５×１０１６ｃｍ−３未満の電子濃度を有しておりドナー濃度により該電子濃度を制御可能な窒化ガリウム系半導体膜を含む窒化物半導体装置を提供することを目的とし、また５×１０１６ｃｍ−３未満の電子濃度を有しておりドナー濃度により該電子濃度を有する窒化ガリウム系エピタキシャル膜を形成する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】
【０００９】
本発明の一側面によれば、窒化物半導体装置は、（ａ）III族窒化物支持基体と、（ｂ）５×１０１６ｃｍ−３未満の電子キャリア濃度を有しており前記III族窒化物基板上に設けられた第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層とを備え、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層にはドナードーパントが添加されており、前記窒化ガリウム系エピタキシャル層は２×１０１６ｃｍ−３未満の炭素濃度を有しており、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層は１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度を有する。
【００１０】
この窒化物半導体装置によれば、窒化ガリウム系エピタキシャル層の炭素濃度が２×１０１６ｃｍ−３未満であると共に、第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層の転位密度が１×１０８ｃｍ−２未満であるので、第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層の電子キャリア濃度を５×１０１６ｃｍ−３未満にできる。また、この電子キャリア濃度は、第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層に添加されるドナードーパントによって調整可能である。
【００１１】
本発明に係る窒化物半導体装置では、前記III族窒化物支持基体は窒化ガリウムからなることが好ましい。この窒化物半導体装置によれば、III族窒化物支持基体が窒化ガリウムからなるので、III族窒化物支持基体の転位密度を１×１０８ｃｍ−２未満にでき、また第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層の転位密度を低減するために好適である。
【００１２】
本発明に係る窒化物半導体装置では、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層は窒化ガリウムからなる。この窒化物半導体装置によれば、III族窒化物支持基体上において、低転位の窒化ガリウムが提供される。
【００１３】
本発明に係る窒化物半導体装置は、前記III族窒化物支持基体上に設けられた第２の窒化ガリウム系エピタキシャル層を更に備え、前記第２の窒化ガリウム系エピタキシャル層のドーパント濃度は、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層のドーパント濃度より大きい。この窒化物半導体装置によれば、ショットキバリアダイオード、ｐｎダイオード、ｐｉｎダイオード、縦型トランジスタといった窒化ガリウム系電子デバイスが提供される。
【００１４】
本発明に係る窒化物半導体装置では、前記第２の窒化ガリウム系エピタキシャル層は窒化ガリウムからなる。この窒化物半導体装置によれば、III族窒化物支持基体上において、低転位の窒化ガリウムが提供される。
【００１５】
本発明に係る窒化物半導体装置では、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層は、前記ドナーとして少なくともシリコンを含む。この窒化物半導体装置によれば、ドナードーパントとしてシリコン濃度に応じた電子キャリア濃度を有する窒化ガリウム系半導体層が提供される。
【００１６】
本発明に係る窒化物半導体装置では、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層のアクセプタの働きをする不純物・欠陥の濃度はＮａであり、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層のドナー濃度はＮｄであり、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層において、ＮａがＮｄより小さい。この窒化物半導体装置によれば、ドナードーパント濃度に応じた電子キャリア濃度を有する窒化ガリウム系半導体層が提供される。
【００１７】
本発明の別の側面に係るエピタキシャル基板は、（ａ）III族窒化物基板と、（ｂ）５×１０１６ｃｍ−３未満の電子キャリア濃度を有しており前記III族窒化物基板上に設けられた第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜とを備え、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜にはドナーが添加されており、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜は、２×１０１６ｃｍ−３未満の炭素濃度を有しており、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜は、１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度を有する。
【００１８】
このエピタキシャル基板によれば、窒化ガリウム系エピタキシャル膜の炭素濃度が２×１０１６ｃｍ−３未満であると共に、第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜の転位密度が１×１０８ｃｍ−２未満であるので、第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜の電子キャリア濃度を５×１０１６ｃｍ−３未満にできる。また、この電子キャリア濃度は、第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層に添加されるドナードーパントによって調整可能である。
【００１９】
本発明に係るエピタキシャル基板では、前記III族窒化物基板は窒化ガリウムからなることが好ましい。このエピタキシャル基板によれば、III族窒化物基板が窒化ガリウムからなるので、III族窒化物基板の転位密度を１×１０８ｃｍ−２未満にでき、また第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜の転位密度を低減するために好適である。
【００２０】
本発明に係るエピタキシャル基板では、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜は窒化ガリウムからなることが好ましい。このエピタキシャル基板によれば、III族窒化物基板上において、低転位の窒化ガリウムが提供される。
【００２１】
本発明に係るエピタキシャル基板は、（ｃ）前記III族窒化物基板上に設けられた第２の窒化ガリウム系エピタキシャル膜を更に備え、前記第２の窒化ガリウム系エピタキシャル膜のドーパント濃度は、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜のドーパント濃度より大きい。このエピタキシャル基板は、ショットキバリアダイオード、ｐｎダイオード、ｐｉｎダイオード、縦型トランジスタといった窒化ガリウム系電子デバイスを提供するために用いられる。
【００２２】
本発明に係るエピタキシャル基板では、前記第２の窒化ガリウム系エピタキシャル膜は窒化ガリウムからなることが好ましい。このエピタキシャル基板によれば、III族窒化物基板上において、低転位の窒化ガリウムが提供される。
【００２３】
本発明に係るエピタキシャル基板では、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜は、前記ドナーとして少なくともシリコンを含むことが好ましい。このエピタキシャル基板によれば、ドナードーパントとしてシリコン濃度に応じた電子キャリア濃度を有する窒化ガリウム系半導体膜が提供される。
【００２４】
本発明に係るエピタキシャル基板では、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜のアクセプタの働きをする不純物・欠陥の濃度はＮａであり、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜のドナー濃度はＮｄであり、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜において、ＮａがＮｄより小さいことが好ましい。
【００２５】
このエピタキシャル基板によれば、ドナードーパント濃度に応じた電子キャリア濃度を有する窒化ガリウム系半導体層が提供される。
【００２６】
本発明に係る更なる別の側面は、窒化ガリウム系エピタキシャル膜を形成する方法である。この方法は、（ａ）有機金属気相成長装置に成膜ガスを供給して、２×１０１６ｃｍ−３未満の炭素濃度および５×１０１６ｃｍ−３未満の電子キャリア濃度を有する窒化ガリウム系エピタキシャル膜をIII族窒化物領域上に形成する工程を含み、前記窒化ガリウム系エピタキシャル膜を形成するための成長圧力は、５０ｔｏｒｒ以上であり、前記窒化ガリウム系エピタキシャル膜を形成するための成長温度は、摂氏１０００度以上１２００度以下であり、前記成膜ガスは、Ｖ族原料、III族原料およびドーパントガスを含み、Ｖ族原料／III族原料の供給モル比は２００以上１００００以下であり、前記窒化ガリウム系エピタキシャル膜は、１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度を有する。
【００２７】
この方法によれば、窒化ガリウム系エピタキシャル膜の炭素濃度が２×１０１６ｃｍ−３未満にでき、また第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜の転位密度が１×１０８ｃｍ−２未満にできる。このため、第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層の電子キャリア濃度が５×１０１６ｃｍ−３未満である場合でも、成膜ガス中のドナードーパント濃度に依って、第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜の電子キャリア濃度を調整できる。
【００２８】
本発明に係る方法では、前記有機金属気相成長装置は、前記III族窒化物領域を支持するためのサセプタと、前記窒化ガリウム系エピタキシャル膜を成長するためのガスを供給する供給口を有しており前記供給口からのガス流を前記サセプタ上に導くためのガイド部材とを含み、前記サセプタは、シリコンを実質的に含有しない材料でコートされており、前記ガイド部材は、シリコンを実質的に含有しない材料でコートされている。
【００２９】
この方法によれば、有機金属気相成長装置のサセプタ等からのシリコンの供給を防ぐことができる。
【発明の効果】
【００３０】
以上説明したように、本発明によれば、５×１０１６ｃｍ−３未満の電子濃度を有しておりドナー濃度により該電子濃度を制御可能な窒化ガリウム系半導体膜を含む窒化物半導体装置が提供され、また窒化物半導体装置のためのエピタキシャル基板が提供される。また、本発明によれば、５×１０１６ｃｍ−３未満の電子濃度を有しておりドナー濃度により該電子濃度を有する窒化ガリウム系エピタキシャル膜を形成する方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、エピタキシャル基板の作製を示す図面である。
【図２】図２は、有機金属気相成長炉を示す図面である。
【図３】図３は、ショットキバリアランジスタを示す図面である。
【図４】図４は、ｐｎトランジスタを示す図面である。
【図５】図５は、ｐｉｎトランジスタを示す図面である。
【図６】図６は、縦型トランジスタを示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の窒化物半導体装置、エピタキシャル基板および窒化ガリウム系エピタキシャル膜を形成する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００３３】
（第１の実施の形態）
図１（Ａ）および図１（Ｂ）は、エピタキシャル基板の作製を示す図面である。図１（Ａ）に示されるように、III族窒化物ウエハ１を有機金属気相成長炉３に配置する。III族窒化物ウエハ１の転位密度は１×１０８ｃｍ−２未満である。III族窒化物ウエハ１が窒化ガリウムウエハであれば、１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度の窒化ガリウムウエハを入手でき、この窒化ガリウムウエハをIII族窒化物ウエハ１として使用できる。III族窒化物ウエハ１の表面１ａはIII族窒化物領域を提供する。有機金属気相成長装置３に第１の成膜ガスＧ１を供給して、窒化ガリウム系エピタキシャル膜５をIII族窒化物ウエハ１に表面１ａ上に形成する。窒化ガリウム系エピタキシャル膜５は、引き続く成膜工程のために窒化ガリウム系半導体表面５ａを提供する。窒化ガリウム系エピタキシャル膜５は、例えばＮ＋型窒化ガリウムからなることができる。第１の成膜ガスＧ１は、Ｖ族原料、III族原料およびドーパントガスを含む。第１の成膜ガスＧ１としては、例えばアンモニア、トリメチルガリウム、水素およびシランを用いる。この工程により、III族窒化物基板７が提供される。窒化ガリウム系エピタキシャル膜５は、１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度を有する。
【００３４】
次いで、図１（Ｂ）に示されるように、有機金属気相成長装置３に第２の成膜ガスＧ２を供給して、窒化ガリウム系エピタキシャル膜９を窒化ガリウム系半導体表面５ａ上に形成する。窒化ガリウム系エピタキシャル膜９は、２×１０１６ｃｍ−３未満の炭素濃度有している。また、窒化ガリウム系エピタキシャル膜９は１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度を有する。窒化ガリウム系エピタキシャル膜９は、５×１０１６ｃｍ−３未満の電子キャリア濃度を有する。第２の成膜ガスＧ２は、Ｖ族原料、III族原料およびドーパントガスを含む。第２の成膜ガスＧ２としては、例えばアンモニア、トリメチルガリウム、水素およびシランを用いる。この工程により、III族窒化物エピタキシャル基板１０が提供される。
【００３５】
この方法によれば、窒化ガリウム系エピタキシャル膜９の炭素濃度が２×１０１６ｃｍ−３未満にでき、また窒化ガリウム系エピタキシャル膜９の転位密度が１×１０８ｃｍ−２未満にできる。このため、窒化ガリウム系エピタキシャル膜９の電子キャリア濃度が５×１０１６ｃｍ−３未満である場合でも、成膜ガス中のドナードーパント濃度に依って、窒化ガリウム系エピタキシャル膜９の電子キャリア濃度を調整できる。
【００３６】
窒化ガリウム系エピタキシャル膜９は下記の推奨条件で作製される。
（１）窒化ガリウム系エピタキシャル膜９を形成するための成長圧力Ｐ
成長圧力Ｐは、５０ｔｏｒｒ以上であることができる。成長圧力が低くなると、炭素の取り込みが増えるが、５０ｔｏｒｒ未満の圧力でＣ濃度を２×１０１６ｃｍ−３未満にすることが困難だからである。好ましくは、成長圧力Ｐは２００ｔｏｒｒ以上である。なお、１ｔｏｒｒは、１３３.３２２Ｐａ（パスカル）であり、この換算によりＳＩ単位系に変換される。
（２）窒化ガリウム系エピタキシャル膜１を形成するための成長温度Ｔ
成長温度Ｔは、摂氏１０００度以上であることができる。成長温度が１０１０度を下回ると急激に炭素の取り込みが増えるため、１０００度未満でＣ濃度を２×１０１６ｃｍ−３未満にすることが困難だからである。また、成長温度Ｔは１２００度以下であることができる。１２００度より高い成長温度ではＧａＮの成長が困難であるからである。好ましくは、成長温度Ｔは１０５０℃付近、例えば摂氏１０３０度以上１０７０度以下である。
（３）成膜ガスＧ２に関して（Ｖ族原料の供給量）／（III族原料の供給量）単に、「Ｖ／III」と記す）は２００以上であることができる。Ｖ／IIIが２００未満になると炭素の取り込みが増え、Ｃ濃度を２×１０１６ｃｍ−３未満にすることが困難だからである。また、Ｖ／IIIは１００００以下であることができる。Ｖ／IIIが高いほど成長速度が遅くなるため、Ｖ／IIIが１００００以上では実用に適さないからである。好ましくは、Ｖ／IIIは４００以上である。また、Ｖ／IIIは４０００未満であることが好ましい。
【００３７】
上記の条件により、窒化ガリウム系エピタキシャル膜９の炭素濃度が２×１０１６ｃｍ−３未満になる。例えば、上記の条件（１）〜（３）のいずれか一つが、記載された好ましい値を下回るときは、残りの条件として、記載された好ましい値以上の範囲内の値を用いれば、窒化ガリウム系エピタキシャル膜９の炭素濃度が２×１０１６ｃｍ−３未満にできる。
【００３８】
具体的には、上記の条件を用いて窒化ガリウムウエハ上に窒化ガリウム膜９を作製する。窒化ガリウム系エピタキシャル膜９のアクセプタ濃度はＮａであり、窒化ガリウム系エピタキシャル膜９のドナー濃度はＮｄである。窒化ガリウム系エピタキシャル膜９において、Ｎａ／（Ｎｄ−Ｎａ）の値は０．１より小さなる。このエピタキシャル基板によれば、ドナードーパント濃度に応じた電子キャリア濃度を有する高比抵抗の窒化ガリウム系半導体膜が提供される。
【００３９】
（実験例１）
有機金属気相成長炉のサセプタ上にＧａＮウエハ、およびサファイア基板上に窒化ガリウム領域が形成されたテンプレート（以下、Ｓａｐテンプレートとして参照する）を準備する。Ｓａｐテンプレートの転位密度は１×１０８ｃｍ−２である。窒化ガリウム表面の加熱清浄を行う。この条件として、ＮＨ３流量１６ｓｌｍ、Ｈ２流量４ｓｌｍ、圧力２００ｔｏｒｒ、温度摂氏１０００度、処理時間約５分を用いる。次いで、ＧａＮウエハおよびＧａＮテンプレート上に窒化ガリウムを成長する。この条件として、ＮＨ３流量５ｓｌｍ、Ｈ２流量１５ｓｌｍ、圧力２００ｔｏｒｒ、温度摂氏１０５０度、Ｖ／III＝５００を用いる。
【００４０】
ドーパントはシリコン（Ｓｉ）であり、ドーパント濃度１×１０１７ｃｍ−３となるようにドーパントガスの流量が決定される。成長後に、二次イオン放出質量分析（ＳＩＭＳ）法を用いてＳｉ濃度を測定する。Ｓｉ濃度は例えば１．０×１０１７ｃｍ−３である。また、Ｃ−Ｖ法を用いてＮｄ−Ｎａを見積もる。見積りの結果、窒化ガリウムウエハ上のｎ−型窒化ガリウム膜におけるＮｄ−Ｎａは０．９７×１０１７ｃｍ−３であり、ＳａｐテンプレートにおけるＮｄ−Ｎａは０．５０×１０１７ｃｍ−３である。
【００４１】
別のＧａＮウエハおよびＳａｐテンプレートを有機金属気相成長炉のサセプタ上に準備する。ドーパント濃度２×１０１６ｃｍ−３となるドーパントガスの流量を用いて、上記と同様に、ＧａＮウエハおよびＧａＮテンプレート上に窒化ガリウムを成長する。この成長後に、窒化ガリウム中のＳｉ濃度をＳＩＭＳ法を用いて測定する。Ｓｉ濃度は例えば２．１×１０１６ｃｍ−３である。また、Ｃ−Ｖ法を用いて、Ｎｄ−Ｎａを見積もる。見積りの結果、窒化ガリウムウエハ上のｎ−型窒化ガリウム膜におけるＮｄ−Ｎａは、１．７×１０１６ｃｍ−３であり、ＳａｐテンプレートにおけるＮｄ−Ｎａの適切な値が得られず、ＳａｐテンプレートにおけるＮｄ−Ｎａは測定不能である。この理由として、ドナーの補償が著しいためドナーが補償され、窒化ガリウム膜がほぼ完全に空乏化したためと考えられる。（Ｎｄ−Ｎａは、１×１０１５ｃｍ−３未満と考えられる。）
【００４２】
（実験例２）
有機金属気相成長炉のサセプタ上にＧａＮウエハおよびＳａｐテンプレートを準備する。実験例１と同様に、窒化ガリウム表面の加熱清浄を行う。次いで、ＧａＮウエハおよびＧａＮテンプレート上に窒化ガリウムを成長する。この条件として、ＮＨ３流量１０ｓｌｍ、Ｈ２流量１０ｓｌｍ、圧力２００ｔｏｒｒ、温度摂氏１０５０度、Ｖ／III＝１０００を用いる。ドーパントはシリコン（Ｓｉ）であり、ドーパント濃度１×１０１７ｃｍ−３となるようにドーパントガスの流量が決定される。
【００４３】
成長後に、ＳＩＭＳ法を用いてＳｉ濃度を測定する。Ｓｉ濃度は例えば１．０×１０１７ｃｍ−３である。また、Ｃ−Ｖ法を用いて、Ｎｄ−Ｎａを見積もる。見積りの結果、窒化ガリウムウエハ上のｎ−型窒化ガリウム膜におけるＮｄ−Ｎａは、１．００×１０１７ｃｍ−３であり、ＳａｐテンプレートにおけるＮｄ−Ｎａは、０．５５×１０１７ｃｍ−３である。
【００４４】
別のＧａＮウエハおよびＳａｐテンプレートを有機金属気相成長炉のサセプタ上に準備する。ドーパント濃度２×１０１６ｃｍ−３となるドーパントガスの流量を用いて、上記と同様に、ＧａＮウエハおよびＧａＮテンプレート上に窒化ガリウムを成長する。成長後に、ＳＩＭＳ法を用いてＳｉ濃度を測定する。Ｓｉ濃度は例えば２．０×１０１６ｃｍ−３である。また、Ｃ−Ｖ法を用いて、Ｎｄ−Ｎａを見積もる。見積りの結果、窒化ガリウムウエハ上のｎ−型窒化ガリウム膜におけるＮｄ−Ｎａは、１．９４×１０１６ｃｍ−３であり、ＳａｐテンプレートにおけるＮｄ−Ｎａは、測定不能である。この理由として、ドナーの補償が著しいためドナーが補償され、窒化ガリウム膜がほぼ完全に空乏化したためと考えられる（Ｎｄ−Ｎａは、１×１０１５ｃｍ−３未満と考えられる）。
【００４５】
（実験例３）
有機金属気相成長炉のサセプタ上にＧａＮウエハおよびＳａｐテンプレートを準備する。実験例１と同様に、窒化ガリウム表面の加熱清浄を行う。次いで、ＧａＮウエハおよびＧａＮテンプレート上に窒化ガリウムを成長する。この条件として、ＮＨ３流量１０ｓｌｍ、Ｈ２流量１０ｓｌｍ、圧力２００ｔｏｒｒ、温度摂氏１０５０度、Ｖ／III＝１５００、成長速度１μｍ／ｈを用いる。ドーパントはシリコン（Ｓｉ）であり、ドーパント濃度２×１０１６ｃｍ−３となるようにドーパントガスの流量が決定される。成長後に、ＳＩＭＳ法を用いてＳｉ濃度を測定する。Ｓｉ濃度は例えば２．１×１０１６ｃｍ−３である。また、Ｃ−Ｖ法を用いて、Ｎｄ−Ｎａを見積もる。見積りの結果、窒化ガリウムウエハ上のｎ−型窒化ガリウム膜におけるＮｄ−Ｎａは２．０８×１０１６ｃｍ−３であり、ＳａｐテンプレートにおけるＮｄ−Ｎａは測定不能である。この理由として、ドナーの補償が著しいためドナーが補償され、窒化ガリウム膜がほぼ完全に空乏化したためと考えられる（Ｎｄ−Ｎａは、１×１０１５ｃｍ−３未満と考えられる）。
【００４６】
（実験例４）
有機金属気相成長炉のサセプタ上にＧａＮウエハおよびＳａｐテンプレートを準備する。実験例１と同様に、窒化ガリウム表面の加熱清浄を行う。次いで、ＧａＮウエハおよびＳａｐテンプレート上に窒化ガリウムを成長する。この条件として、ＮＨ３流量２ｓｌｍ、Ｈ２流量１８ｓｌｍ、圧力２００ｔｏｒｒ、温度摂氏１０５０度、Ｖ／III＝２００を用いる。ドーパントはシリコン（Ｓｉ）であり、ドーパント濃度２×１０１６ｃｍ−３となるようにドーパントガスの流量が決定される。成長後に、ＳＩＭＳ法を用いてＳｉ濃度を測定する。Ｓｉ濃度は例えば２．１×１０１６ｃｍ−３である。また、Ｃ−Ｖ法を用いて、Ｎｄ−Ｎａを見積もっている。見積りの結果、窒化ガリウムウエハ上のｎ−型窒化ガリウム膜におけるＮｄ−Ｎａは測定不能であり、ＳａｐテンプレートにおけるＮｄ−Ｎａは測定不能である。この理由として、ドナーの補償が著しいためドナーが補償され、窒化ガリウム膜がほぼ完全に空乏化したためと考えられる（Ｎｄ−Ｎａは、１×１０１５ｃｍ−３未満と考えられる）。
【００４７】
これらの実験例によれば、低転位の窒化ガリウム領域上に上記の推奨条件を用いて窒化ガリウムを成長すると、２×１０１６ｃｍ−３未満のキャリア濃度において、ＮａがＮｄよりも十分小さいため、容易に低キャリアでのキャリア濃度制御が可能である。この特性、つまり、高純度、低欠陥および低キャリア濃度のエピタキシャル膜は、窒化ガリウムパワーデバイスに要求される高耐圧および大電流動作のために好適である。また、窒化ガリウムパワーデバイスの経時変化も小さい。
【００４８】
（実験例５）
異なる貫通転位密度の３種類のＳａｐテンプレートＡ、Ｂ、ＣとＧａＮウエハを準備する。ＳａｐテンプレートＡの貫通転位密度は２×１０９ｃｍ−３であり、ＳａｐテンプレートＢの貫通転位密度は５×１０８ｃｍ−３であり、ＳａｐテンプレートＣの貫通転位密度は１×１０８ｃｍ−３である。ＧａＮウエハの貫通転位密度は１×１０６ｃｍ−３である。ＳａｐテンプレートＡ、Ｂ、ＣとＧａＮウエハを有機金属気相成長炉のサセプタ上に置く。ＮＨ３流量１５ｓｌｍ、Ｈ２流量５ｓｌｍ、圧力２００ｔｏｒｒ、摂氏１０００度の温度、約５分の処理時間という条件で、窒化ガリウム表面の加熱清浄を行う。次いで、ＧａＮウエハおよびＳａｐテンプレート上に窒化ガリウムを成長する。この条件（成長条件１として参照される）として、ＮＨ３流量１０ｓｌｍ、Ｈ２流量１０ｓｌｍ、ＴＭＧａの流量８０ｓｃｃｍ、ＳｉＨ４１０ｐｐｍドーパントガス１ｓｃｃｍ、圧力２００ｔｏｒｒ、温度摂氏１０５０度を用いる。
【００４９】
ＳａｐテンプレートＡ、Ｂ、ＣとＧａＮウエハを再び準備する。ＳａｐテンプレートＡ、Ｂ、ＣとＧａＮウエハを有機金属気相成長炉のサセプタ上に置き、同様にの条件で窒化ガリウム表面の加熱清浄を行う。次いで、ＧａＮウエハおよびＳａｐテンプレート上に窒化ガリウムを成長する。この条件（成長条件２として参照される）として、ＮＨ３流量１０ｓｌｍ、Ｈ２流量１０ｓｌｍ、ＴＭＧａの流量８０ｓｃｃｍ、ＳｉＨ４１０ｐｐｍドーパントガス０．１ｓｃｃｍ、圧力２００ｔｏｒｒ、摂氏１０５０度を用いる。
【００５０】
成長条件１および２を用いて作製された窒化ガリウム膜上にＡｕ電極を形成して、ダブルショットキ構造のショットキバリアダイオードを作製する。Ａｕ電極の直径は２００μｍある。Ｃ−Ｖ法を用いてキャリア濃度を見積もる。
成長条件１
ＳａｐテンプレートＡ：０．８×１０１７ｃｍ−３
ＳａｐテンプレートＢ：２．１×１０１７ｃｍ−３
ＳａｐテンプレートＣ：２．８×１０１７ｃｍ−３
ＧａＮウエハ： ３．２×１０１７ｃｍ−３
である。
成長条件２
ＳａｐテンプレートＡ：測定不能
ＳａｐテンプレートＢ：測定不能
ＳａｐテンプレートＣ：２．５×１０１５ｃｍ−３
ＧａＮウエハ： ２．９×１０１６ｃｍ−３
である。なお、ＳａｐテンプレートＡ，ＢでＮｄ−Ｎａの測定不能の原因は、ドナーの補償が著しいためドナーが補償され、窒化ガリウム膜がほぼ完全に空乏化したためと考えられる（Ｎｄ−Ｎａは、１×１０１５ｃｍ−３未満と考えられる）。
【００５１】
成長条件１および２を用いて作製された窒化ガリウム膜中のシリコン濃度をＳＩＭＳ法を用いて見積もると、成長された窒化ガリウム膜のシリコン濃度には互いに実質的な差がないことが示される。このため、キャリア濃度の違いは、キャリア補償の違いを表す。上記の実験結果は、例えば１６乗以下のキャリア濃度といった小さいキャリア濃度では、膜中の転位密度を小さくすると、キャリア補償を小さくできる。
【００５２】
ダブルショットキダイオードのＩ−Ｖ特性を測定すると、
リーク電流（逆方向電圧１０ボルト）：成膜条件１：成膜条件２
ＳａｐテンプレートＣ： １×１０−４Ａ／ｃｍ２：４×１０−５Ａ／ｃｍ２
ＧａＮウエハ： ２×１０−８Ａ／ｃｍ２：１×１０−９Ａ／ｃｍ２
耐圧（逆方向電流１ｍＡ／ｃｍ−２）：成膜条件１：成膜条件２
ＳａｐテンプレートＣ： １６０ボルト：２４０ボルト
ＧａＮウエハ： ２４０ボルト：５２０ボルト
Ｎ値： 成膜条件１：成膜条件２
ＳａｐテンプレートＣ：１．１６：１．２４
ＧａＮウエハ： １．０３：１．０４
立ち上がり電圧（２００Ａ／ｃｍ−２）：成膜条件１：成膜条件２
ＳａｐテンプレートＣ： ２．４ボルト：３．５ボルト
ＧａＮウエハ： １．３ボルト：１．５ボルト
直列抵抗： 成膜条件１：成膜条件２
ＳａｐテンプレートＣ：０．２ｍΩｃｍ２：２．５ｍΩｃｍ２
ＧａＮウエハ： ０．１ｍΩｃｍ２：１．０ｍΩｃｍ２
である。キャリア補償を小さくすることが、デバイス特性を向上させるために重要である。
【００５３】
（第２の実施の形態）
図２は、有機金属気相成長炉の一例を示す図面である。図２を参照しながら、有機金属気相成長装置１１を説明する。有機金属気相成長装置１１は、チャンバ２１内に設けられた第１、第２および第３のフローチャネル２３、２５、２７を含む。第１、第２および第３のフローチャネル２３、２５、２７は、所定の軸に沿って配置されている。第１のフローチャネル２３は、原料ガスを第２のフローチャネル２５に導く。第１のフローチャネル２３は、例えば、窒素ガスおよび水素ガスを流す第１のライン２３ａ、III族有機金属ガスおよびキャリアガスを流す第２のライン２３ｂ、アンモニアおよびキャリアガスを流す第３のライン２３ｃを含む。第２のフローチャネル２５は、サセプタ１５といったウエハ支持具を受け入れる開口２５ａと、第１のフローチャネル２３からのガスを供給する供給口２５ｂとを有している。供給口２５ｂからの原料ガスは、この開口２５ａに位置するサセプタ１５上を流れる。原料ガスの反応によりIII族窒化物膜がウエハＷ上に成長される。原料ガスの残余および反応生成ガスは、排出口２５ｃを介して第３のフローチャネル２７に排気される。サセプタ１５の背面には、ウエハの温度を調整するためのヒータ２９が設けられている。ヒータ２９からの熱はサセプタ１５を伝搬してウエハＷに到達する。必要な場合には、有機金属気相成長装置１１は、サセプタ１５を回転するための回転駆動機構を備える。
【００５４】
サセプタ１５は、シリコンを実質的に含有しない材料でコートされていることが好ましい。或いは、サセプタ１５の表面は、シリコンを実質的に含有しない材料からなることが好ましい。フローチャネル２５といったガイド部材は、シリコンを実質的に含有しない材料でコートされていることが好ましい。或いは、このガイド部材の表面は、シリコンを実質的に含有しない材料からなることが好ましい。さらに、フローチャネル２３、２７といったガイド部材は、シリコンを実質的に含有しない材料でコートされていることが好ましい。或いは、これらのガイド部材の表面は、シリコンを実質的に含有しない材料からなることが好ましい。この方法によれば、有機金属気相成長炉のサセプタ等からのシリコンによる汚染を防ぐことができる。実質的にＳｉを含有しないコート材料としては、ＳｉＣ等がある。また、サセプタおよびフローチャネルのための実質的にＳｉを含有しない材料としては、ＳｉＣ、カーボン等がある。本実施例では、サセプタ１５は、ＳｉＣコートされたカーボン製であり、フローチャネル２５は金属製（ＳＵＳ）である。図２に示されるフローチャネル２５およびサセプタ１５は、それぞれ、コーティング２６、１６を有する。フローチャネル２５の内側面はコーティング２６で覆われており、またサセプタ１５の上面１５ａおよび側面１５ｂはコーティング１６で覆われている。
【００５５】
（実験例６）
有機金属気相成長炉は、石英製のサセプタおよび石英製のフローチャネルを有する。低温バッファ層を有するＳａｐテンプレートをサセプタ上に置く。アンドープ窒化ガリウムの数回の成長を行って、窒化ガリウムエピタキシャル領域を形成する。この条件として、ＮＨ３流量８ｓｌｍ、Ｈ２流量１２ｓｌｍ、圧力２００ｔｏｒｒ、温度摂氏１０５０度、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）４８０μｍｏｌ／ｍｉｎを用いる。ドーパントガスは供給しない。ＳＩＭＳ法を用いて窒化ガリウムエピタキシャル領域を分析すると、シリコン濃度は２×１０１６ｃｍ−３〜７×１０１６ｃｍ−３である。石英およびソーダガラスといったシリコン酸化物からなるサセプタ、フローチャネルを用いるので、バックグランドのシリコン濃度は１６乗のオーダーである。
【００５６】
石英からなるサセプタ、フローチャネルに替えて、ＳｉＣコートされたカーボン製のサセプタおよび金属製のフローチャネルを用いてアンドープ窒化ガリウムの数回の成長を上記の成膜条件で行って、窒化ガリウムエピタキシャル領域を形成する。ＳＩＭＳ法を用いて窒化ガリウムエピタキシャル領域を分析すると、シリコン濃度は５×１０１４ｃｍ−３〜２×１０１５ｃｍ−３である。したがって、シリコンドーパントを成膜中に供給して１×１０１６ｃｍ−３〜程度のシリコン濃度を制御して、窒化ガリウムエピタキシャル領域を成長できる。つまり、この方法によれば、有機金属気相成長炉のサセプタ等からのシリコン汚染を防ぐことができる。
【００５７】
（第３の実施の形態）
図３は、窒化物半導体装置の一例を示す図面である。図３を参照すると、ショットキーバリアダイオード４１に好適な構造が窒化物半導体装置の一例として示されている。ショットキーバリアダイオード４１は、III族窒化物支持基体４３と、窒化ガリウム系エピタキシャル層４５とを備える。III族窒化物支持基体４３は導電性を有する。窒化ガリウム系エピタキシャル層４５は、III族窒化物基板上に設けられている。窒化ガリウム系エピタキシャル層４５は、ドナードーパントが添加されており、５×１０１６ｃｍ−３未満の電子キャリア濃度を有する。窒化ガリウム系エピタキシャル層４５は２×１０１６ｃｍ−３未満の炭素濃度を有している。窒化ガリウム系エピタキシャル層４５は１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度を有する。
【００５８】
このショットキーバリアダイオード４１によれば、窒化ガリウム系エピタキシャル層４５の炭素濃度が２×１０１６ｃｍ−３未満であると共に、窒化ガリウム系エピタキシャル層４５の転位密度が１×１０８ｃｍ−２未満であるので、窒化ガリウム系エピタキシャル層４５の電子キャリア濃度を５×１０１６ｃｍ−３未満にできる。また、この電子キャリア濃度は、窒化ガリウム系エピタキシャル層４５に添加されるドナードーパント量によって変更可能である。
【００５９】
ショットキーバリアダイオード４１では、III族窒化物支持基体４３は窒化ガリウムからなることが好ましい。このショットキーバリアダイオード４１によれば、III族窒化物支持基体４３が窒化ガリウムからなるので、III族窒化物支持基体４３の転位密度を１×１０８ｃｍ−２未満にでき、また窒化ガリウム系エピタキシャル層４５の転位密度を低減するために好適である。
【００６０】
ショットキーバリアダイオード４１は、窒化ガリウム系半導体層４５上に設けられたショット電極４９ａを含む。また、ショットキーバリアダイオード４１は、III族窒化物支持基体４３の裏面４３ａに設けられたオーミック電極４９ｂを含む。ショット電極４９ａは、窒化ガリウム系半導体層４５にショットキ接合を成すので、空乏層は窒化ガリウム系半導体層４５に伸びる。窒化ガリウム系半導体層４５の結晶品質は良好なので、十分に大きな逆方向耐圧が得られる。
【００６１】
ショットキーバリアダイオード４１は、III族窒化物支持基体４３上に設けられた別の窒化ガリウム系エピタキシャル層４７を更に備えることができる。別の窒化ガリウム系エピタキシャル層４７は、窒化ガリウム系エピタキシャル層４５とIII族窒化物支持基体４３との間に設けられている。窒化ガリウム系エピタキシャル層４７のドーパント濃度は、窒化ガリウム系エピタキシャル層４５のドーパント濃度より大きい。窒化ガリウム系エピタキシャル層４７は、ドナーとして少なくともシリコンを含む。このショットキーバリアダイオード４１によれば、窒化ガリウム系エピタキシャル層４５の使用により、十分な大きさの耐圧を得られると共に、窒化ガリウム系エピタキシャル層４７の使用により、ショットキーバリアダイオード４１の直列抵抗を低くできる。また、ショットキーバリアダイオード４１では、窒化ガリウム系エピタキシャル層４７は窒化ガリウムからなる。低転位の窒化ガリウムがIII族窒化物支持基体４３上に提供される。窒化ガリウム支持基体上に窒化ガリウム系エピタキシャル層４５、４７を形成するとき、これらの半導体層はホモエピタキシャル成長により形成される。これらの半導体層の結晶品質は非常に良好になる。
【００６２】
このショットキーバリアダイオード４１では、リーク電流が低減される。ショットキーバリアダイオード４１の耐圧は向上される。ショットキーバリアダイオード４１のオン抵抗を低くでき、ショットキーバリアダイオード４１のＮ値を１に近づけることができる。また、ショットキーバリアダイオード４１の素子寿命が長くなる。
【００６３】
ショットキーバリアダイオード４１の一例では、
III族窒化物支持基体４３：ｎ型ＧａＮ（酸素ドープ）
厚さ４００μｍ、キャリア濃度５×１０１８ｃｍ−３
窒化ガリウム系エピタキシャル層４５：ｎ−ＧａＮ（シリコンドープ）
厚さ１２μｍ、キャリア濃度２×１０１６ｃｍ−３
窒化ガリウム系エピタキシャル層４７：ｎ＋ＧａＮ（シリコンドープ）
厚さ２μｍ、キャリア濃度２×１０１８ｃｍ−３
ショット電極４９：Ｐｔ
オーミック電極４９ｂ：Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ
絶縁耐圧：９６０Ｖ
オン抵抗：２ｍΩｃｍ−２
ダイオードのＮ値：１．０５
である。
【００６４】
（第４の実施の形態）
図４は、ｐｎ接合ダイオードを示す図面である。ｐｎ接合ダイオード５１は、III族窒化物支持基体５３と、窒化ガリウム系エピタキシャル層５５とを備える。III族窒化物支持基体５３は導電性を有する。窒化ガリウム系エピタキシャル層５５は、III族窒化物基板上に設けられている。窒化ガリウム系エピタキシャル層５５は、ドナードーパント原子が添加されており、５×１０１６ｃｍ−３未満の電子キャリア濃度を有する。窒化ガリウム系エピタキシャル層５５は２×１０１６ｃｍ−３未満の炭素濃度を有している。窒化ガリウム系エピタキシャル層５５は１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度を有する。ｐｎ接合ダイオード５１は、アクセプタ原子を含む窒化ガリウム系エピタキシャル層５９を更に備える。窒化ガリウム系エピタキシャル層５５および窒化ガリウム系エピタキシャル層５９はｐｎ接合６０を形成する。
【００６５】
このｐｎ接合ダイオード５１によれば、窒化ガリウム系エピタキシャル層５５の炭素濃度が２×１０１６ｃｍ−３未満であると共に、窒化ガリウム系エピタキシャル層５５の転位密度が１×１０８ｃｍ−２未満であるので、窒化ガリウム系エピタキシャル層５５の電子キャリア濃度を５×１０１６ｃｍ−３未満にできる。また、この電子キャリア濃度は、窒化ガリウム系エピタキシャル層５５に添加されるドナードーパント濃度によって変更可能である。
【００６６】
ｐｎ接合ダイオード５１は、III族窒化物支持基体５３上に設けられた別の窒化ガリウム系エピタキシャル層５７を更に備えることができる。別の窒化ガリウム系エピタキシャル層５７は、窒化ガリウム系エピタキシャル層５５とIII族窒化物支持基体５３との間に設けられている。窒化ガリウム系エピタキシャル層５７のドーパント濃度は、窒化ガリウム系エピタキシャル層５５のドーパント濃度より大きい。窒化ガリウム系エピタキシャル層５７は、ドナーとして少なくともシリコンを含む。このｐｎ接合ダイオード５１によれば、窒化ガリウム系エピタキシャル層５５の使用により、十分な大きさの耐圧を得られると共に、窒化ガリウム系エピタキシャル層５７の使用により、ｐｎ接合ダイオード５１の直列抵抗を低くできる。また、ｐｎ接合ダイオード５１では、窒化ガリウム系エピタキシャル層５７は窒化ガリウムからなる。低転位の窒化ガリウムがIII族窒化物支持基体５３上に提供される。窒化ガリウム支持基体上に窒化ガリウム系エピタキシャル層５５、５７を形成するとき、これらの半導体層はホモエピタキシャル成長により形成される。これらの半導体層の結晶品質は非常に良好になる。
【００６７】
ｐｎ接合ダイオード５１では、III族窒化物支持基体５３は窒化ガリウムからなることが好ましい。このｐｎ接合ダイオード５１によれば、III族窒化物支持基体５３が窒化ガリウムからなるので、III族窒化物支持基体５３の転位密度を１×１０８ｃｍ−２未満にでき、また窒化ガリウム系エピタキシャル層５５の転位密度を低減するために好適である。
【００６８】
窒化ガリウム系エピタキシャル層５９はアクセプタ原子を含むｐ型窒化ガリウムであることができる。窒化ガリウム系エピタキシャル層５５のためのｎ型窒化ガリウムと窒化ガリウム系エピタキシャル層５９のためのｐ型窒化ガリウムの組み合わせにより、良好なｐｎ接合が提供される。窒化ガリウム系エピタキシャル層５５の電子濃度は低いので、空乏層は窒化ガリウム系エピタキシャル層５５に伸びる。窒化ガリウム系エピタキシャル層５５の結晶品質は良好なので、十分に大きな逆方向耐圧が得られる。
【００６９】
ｐｎ接合ダイオード５１は、ｐ導電型の窒化ガリウム系エピタキシャル層５９上に設けられたｐ導電型の窒化ガリウム系エピタキシャル層６１をさらに備えることができる。窒化ガリウム系エピタキシャル層６１のアクセプタ濃度は、窒化ガリウム系エピタキシャル層５９のアクセプタ濃度より大きい。
【００７０】
ｐｎ接合ダイオード５１は、窒化ガリウム系エピタキシャル層６１上に設けられたオーミック電極６３ａと、III族窒化物支持基体５３の裏面５３ａに設けられたオーミック電極６３ｂを含む。
【００７１】
ｐｎ接合ダイオード５１の一例では、
III族窒化物支持基体５３：ｎ型ＧａＮ（酸素ドープ）
厚さ４００μｍ、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３
窒化ガリウム系エピタキシャル層５５：ｎ−ＧａＮ（シリコンドープ）
厚さ１２μｍ、キャリア濃度２×１０１６ｃｍ−３
窒化ガリウム系エピタキシャル層５７：ｎ＋ＧａＮ（シリコンドープ）
厚さ２μｍ、キャリア濃度２×１０１８ｃｍ−３
窒化ガリウム系エピタキシャル層５９：ｐ型ＧａＮ（マグネシウムドープ）
厚さ１μｍ、マグネシウム濃度５×１０１７ｃｍ−３
窒化ガリウム系エピタキシャル層６１：ｐ＋ＧａＮ（マグネシウムドープ）
厚さ０．１μｍ、マグネシウム濃度１×１０２０ｃｍ−３
絶縁耐圧：１２８０Ｖ
オン抵抗：３．２ｍΩｃｍ２
ダイオードのＮ値：１．２０
である。
【００７２】
（第５の実施の形態）
図５は、ｐｉｎ接合ダイオードを示す図面である。ｐｉｎ接合ダイオード７１は、III族窒化物支持基体７３と、窒化ガリウム系エピタキシャル層７５とを備える。III族窒化物支持基体７３は導電性を有する。窒化ガリウム系エピタキシャル層７５は、III族窒化物基板上に設けられている。窒化ガリウム系エピタキシャル層７５は、ドナードーパント原子が添加されており、５×１０１６ｃｍ−３未満の電子キャリア濃度を有する。窒化ガリウム系エピタキシャル層７５は２×１０１６ｃｍ−３未満の炭素濃度を有している。窒化ガリウム系エピタキシャル層７５は１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度を有する。ｐｉｎ接合ダイオード７１は、アクセプタ原子を含む窒化ガリウム系エピタキシャル層７９と、ｉ型窒化ガリウム系エピタキシャル層８１とを更に備える。窒化ガリウム系エピタキシャル層７５、ｉ型窒化ガリウム系エピタキシャル層８１および窒化ガリウム系エピタキシャル層７９はｐｉｎ構造を形成する。
【００７３】
このｐｉｎ接合ダイオード５１によれば、窒化ガリウム系エピタキシャル層７５の炭素濃度が２×１０１６ｃｍ−３未満であると共に、窒化ガリウム系エピタキシャル層７５の転位密度が１×１０８ｃｍ−２未満であるので、窒化ガリウム系エピタキシャル層７５の電子キャリア濃度を５×１０１６ｃｍ−３未満にできる。また、この電子キャリア濃度は、窒化ガリウム系エピタキシャル層７５に添加されるドナードーパント濃度によって変更可能である。
【００７４】
ｐｉｎ接合ダイオード７１は、III族窒化物支持基体５３上に設けられた別の窒化ガリウム系エピタキシャル層７７を更に備えることができる。別の窒化ガリウム系エピタキシャル層７７は、窒化ガリウム系エピタキシャル層７５とIII族窒化物支持基体７３との間に設けられている。窒化ガリウム系エピタキシャル層７７のドーパント濃度は、窒化ガリウム系エピタキシャル層７５のドーパント濃度より大きい。窒化ガリウム系エピタキシャル層７７は、ドナーとして少なくともシリコンを含む。このｐｉｎ接合ダイオード７１によれば、窒化ガリウム系エピタキシャル層７５の使用により、十分な大きさの耐圧を得られると共に、窒化ガリウム系エピタキシャル層７７の使用により、ｐｉｎ接合ダイオード７１の直列抵抗を低くできる。また、ｐｉｎ接合ダイオード７１では、窒化ガリウム系エピタキシャル層７７は窒化ガリウムからなる。低転位の窒化ガリウムがIII族窒化物支持基体７３上に提供される。窒化ガリウム支持基体上に窒化ガリウム系エピタキシャル層７５、７７を形成するとき、これらの半導体層はホモエピタキシャル成長により形成される。これらの半導体層の結晶品質は非常に良好になる。
【００７５】
ｐｉｎ接合ダイオード７１では、III族窒化物支持基体５３は窒化ガリウムからなることが好ましい。このｐｉｎ接合ダイオード７１によれば、III族窒化物支持基体７３が窒化ガリウムからなるので、III族窒化物支持基体７３の転位密度を１×１０８ｃｍ−２未満にでき、また窒化ガリウム系エピタキシャル層７５の転位密度を低減するために好適である。
【００７６】
窒化ガリウム系エピタキシャル層７９はアクセプタ原子を含むｐ型窒化ガリウムであることができる。窒化ガリウム系エピタキシャル層７５のためのｎ型窒化ガリウムと、ｉ型窒化ガリウム系エピタキシャル層８１のためにｉ型窒化ガリウムと、窒化ガリウム系エピタキシャル層７９のためのｐ型窒化ガリウムとの組み合わせにより、良好なｐｉｎ接合が提供される。窒化ガリウム系エピタキシャル層７５の電子濃度は低く、窒化ガリウム系エピタキシャル層７５の結晶品質は良好なので、十分に大きな逆方向耐圧が得られる。
【００７７】
ｐｉｎ接合ダイオード７１は、ｐ導電型の窒化ガリウム系エピタキシャル層７９上に設けられたｐ導電型の窒化ガリウム系エピタキシャル層８３をさらに備えることができる。窒化ガリウム系エピタキシャル層８３のアクセプタ濃度は、窒化ガリウム系エピタキシャル層７９のアクセプタ濃度より大きい。
【００７８】
ｐｉｎ接合ダイオード７１は、窒化ガリウム系エピタキシャル層８３上に設けられたオーミック電極８５ａと、III族窒化物支持基体７３の裏面７３ａに設けられたオーミック電極８５ｂを含む。
【００７９】
ｐｉｎ接合ダイオード７１の一例では、
III族窒化物支持基体７３：ｎ型ＧａＮ（酸素ドープ）
厚さ４００μｍ、キャリア濃度５×１０１８ｃｍ−３
窒化ガリウム系エピタキシャル層７５：ｎ−ＧａＮ（シリコンドープ）
厚さ１２μｍ、キャリア濃度２×１０１６ｃｍ−３
窒化ガリウム系エピタキシャル層７７：ｎ＋ＧａＮ（シリコンドープ）
厚さ２μｍ、キャリア濃度２×１０１８ｃｍ−３
窒化ガリウム系エピタキシャル層７９：ｐ型ＧａＮ（マグネシウムドープ）
厚さ１μｍ、マグネシウム濃度５×１０１７ｃｍ−３
窒化ガリウム系エピタキシャル層８１：ｉ型ＧａＮ（ドープ無し）
厚さ０．５μｍ、キャリア濃度２×１０１５ｃｍ−３
窒化ガリウム系エピタキシャル層８３：ｐ＋ＧａＮ（マグネシウムドープ）
厚さ０．１μｍ、マグネシウム濃度１×１０２０ｃｍ−３
絶縁耐圧：１４１０Ｖ
オン抵抗：３．８ｍΩｃｍ２
ダイオードのＮ値：１．２３
である。
【００８０】
（第６の実施の形態）
図６は、窒化物半導体装置の一例を示す図面である。図６を参照すると、縦型トランジスタ９１に好適な構造が窒化物半導体装置の一例として示されている。縦型トランジスタ９１は、III族窒化物支持基体９３と、窒化ガリウム系エピタキシャル層９５とを備える。III族窒化物支持基体９３は導電性を有する。窒化ガリウム系エピタキシャル層９５は、III族窒化物基板上に設けられている。窒化ガリウム系エピタキシャル層９５は、ドナードーパント原子が添加されており、５×１０１６ｃｍ−３未満の電子キャリア濃度を有する。窒化ガリウム系エピタキシャル層９５は２×１０１６ｃｍ−３未満の炭素濃度を有している。窒化ガリウム系エピタキシャル層９５は１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度を有する。縦型トランジスタ９１は、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域９９と、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域１０１とをさらに含む。ｐ型窒化ガリウム系半導体領域１０１は、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域９９を窒化ガリウム系エピタキシャル層９５から隔てている。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域９９は縦型トランジスタ９１のソース領域として働き、窒化ガリウム系エピタキシャル層９５は縦型トランジスタ９１のウエル領域として働き、窒化ガリウム系エピタキシャル層９５は縦型トランジスタ９１のドリフト領域として働く。
【００８１】
この縦型トランジスタ９１によれば、窒化ガリウム系エピタキシャル層９５の炭素濃度が２×１０１６ｃｍ−３未満であると共に、窒化ガリウム系エピタキシャル層９５の転位密度が１×１０８ｃｍ−２未満であるので、窒化ガリウム系エピタキシャル層９５の電子キャリア濃度を５×１０１６ｃｍ−３未満にできる。また、この電子キャリア濃度は、窒化ガリウム系エピタキシャル層９５に添加されるドナードーパント濃度によって変更可能である。
【００８２】
縦型トランジスタ９１では、III族窒化物支持基体９３は窒化ガリウムからなることが好ましい。この縦型トランジスタ９１によれば、III族窒化物支持基体９３が窒化ガリウムからなるので、III族窒化物支持基体９３の転位密度を１×１０８ｃｍ−２未満にでき、また窒化ガリウム系エピタキシャル層９５の転位密度を低減するために好適である。
【００８３】
縦型トランジスタ９１は、ゲート絶縁膜１０５上に位置するゲート電極１０３ａを含む。また、縦型トランジスタ９１は、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域９９上に位置するオーミック電極１０３ｂ（ソース電極）と、III族窒化物支持基体４３の裏面４３ａに設けられたオーミック電極１０３ｃ（ドレイン電極）を含む。空乏層は窒化ガリウム系半導体層９５に伸びる。窒化ガリウム系半導体層９５の結晶品質は良好なので、十分に大きな逆方向耐圧が得られる。縦型トランジスタ９１では、ゲート電極１０３ａに電圧を印加すると、この電圧（ゲート電圧）に応じた表面電界がウエル領域の界面に生じる。しきい値を越える電圧をゲート電極１０３ａに印加すると、ウエル領域の界面に反転層が形成される。
【００８４】
縦型トランジスタ９１は、III族窒化物支持基体９３上に設けられた別の窒化ガリウム系エピタキシャル層９７を更に備えることができる。別の窒化ガリウム系エピタキシャル層９７は、窒化ガリウム系エピタキシャル層９５とIII族窒化物支持基体９３との間に設けられている。窒化ガリウム系エピタキシャル層９７のドーパント濃度は、窒化ガリウム系エピタキシャル層９５のドーパント濃度より大きい。窒化ガリウム系エピタキシャル層９７は、ドナーとして少なくともシリコンを含む。この縦型トランジスタ９１によれば、窒化ガリウム系エピタキシャル層９５の使用により、十分な大きさの耐圧を得られると共に、窒化ガリウム系エピタキシャル層９７の使用により、縦型トランジスタ９１の直列抵抗を低くできる。また、縦型トランジスタ９１では、窒化ガリウム系エピタキシャル層９７は窒化ガリウムからなる。低転位の窒化ガリウムがIII族窒化物支持基体９３上に提供される。窒化ガリウム支持基体上に窒化ガリウム系エピタキシャル層９５、９７を形成するとき、これらの半導体層はホモエピタキシャル成長により形成される。これらの半導体層の結晶品質は非常に良好になる。
【００８５】
縦型トランジスタ９１の一例では、
III族窒化物支持基体９３：ｎ型ＧａＮ（酸素ドープ）
厚さ４００μｍ、キャリア濃度５×１０１８ｃｍ−３
窒化ガリウム系エピタキシャル層９５：ｎ−ＧａＮ（シリコンドープ）
厚さ１２μｍ、キャリア濃度２×１０１６ｃｍ−３
窒化ガリウム系エピタキシャル層９７：ｎ＋ＧａＮ（シリコンドープ）
厚さ２μｍ、キャリア濃度２×１０１８ｃｍ−３
窒化ガリウム系半導体領域９９：ｎ＋ＧａＮ（シリコンドープ）
厚さ０．１μｍ、キャリア濃度１×１０２０ｃｍ−３
窒化ガリウム系エピタキシャル層１０１：ｐ型ＧａＮ（マグネシウムドープ）
厚さ１μｍ、マグネシウム濃度５×１０１７ｃｍ−３
ゲート電極１０３ａ：Ｐｔ
オーミック電極（ソース電極）１０３ｂ：Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ
オーミック電極（ドレイン電極）１０３ｃ：Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ
絶縁膜１０５：ＳｉＮ
絶縁耐圧：１１３０Ｖ
オン抵抗：３．６ｍΩｃｍ２
である。
【００８６】
ショットキーバリアダイオード４１、ｐｎ接合ダイオード５１、ｐｉｎ接合ダイオード７１、及び縦型トランジスタ９１では、窒化ガリウム系半導体領域４５、５５、７５、９５は窒化ガリウムからなることが好ましい。III族窒化物支持基体上に低転位の窒化ガリウムが提供される。
【００８７】
ショットキーバリアダイオード４１、ｐｎ接合ダイオード５１、ｐｉｎ接合ダイオード７１、及び縦型トランジスタ９１では、窒化ガリウム系エピタキシャル層４５はドナーとして少なくともシリコンを含めば、ドナードーパントとしてシリコン濃度に応じた電子キャリア濃度を有する窒化ガリウム系半導体が提供される。
【００８８】
窒化ガリウム系エピタキシャル層４５、５５、７５、９５のアクセプタの働きをする不純物・欠陥の濃度はＮａであり、窒化ガリウム系エピタキシャル層４５、５５、７５、９５のドナー濃度はＮｄである。窒化ガリウム系エピタキシャル層４５では、ＮａがＮｄより小さい。このショットキーバリアダイオード４１、ｐｎ接合ダイオード５１、ｐｉｎ接合ダイオード７１、および縦型トランジスタ９１によれば、ドナードーパント元素の濃度に応じた電子キャリア濃度を有する窒化ガリウム系半導体が提供される。
【００８９】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本実施の形態では、例えば、窒化ガリウム指示基体といったIII族窒化物支持基体を説明したけれども、本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではなく、窒化ガリウム以外にもＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮにも適用されることができる。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【符号の説明】
【００９０】
１…III族窒化物ウエハ、１ａ…III族窒化物ウエハ表面、３…有機金属気相成長装置、Ｇ１…第１の成膜ガス、５…窒化ガリウム系エピタキシャル膜、５ａ…窒化ガリウム系半導体表面、７…III族窒化物基板、Ｇ２…第２の成膜ガス、９…窒化ガリウム系エピタキシャル膜、１１…有機金属気相成長装置、１５…サセプタ、１５ａ…サセプタ上面、１５ｂ…サセプタ側面、２１…チャンバ、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ…ライン、２３、２５、２７…フローチャネル、２５ａ…フローチャネル開口、２５ｂ…フローチャネル供給口、２５ｃ…フローチャネル排出口、２９…ヒータ、２６、１６…コーティング、４１…ショットキーバリアダイオード、４３…III族窒化物支持基体、４５…窒化ガリウム系エピタキシャル層、４７…窒化ガリウム系エピタキシャル層、４９ａ…ショット電極、４９ｂ…オーミック電極、５１…ｐｎ接合ダイオード、５３…III族窒化物支持基体、５３ａ…III族窒化物支持基体裏面、５５…窒化ガリウム系エピタキシャル層、５７…窒化ガリウム系エピタキシャル層、５９…窒化ガリウム系エピタキシャル層、６０…ｐｎ接合、６１…窒化ガリウム系エピタキシャル層、６３ａ、６３ｂ…オーミック電極、７１…ｐｉｎ接合ダイオード、７３…III族窒化物支持基体、７５…窒化ガリウム系エピタキシャル層、７７…窒化ガリウム系エピタキシャル層、７９…窒化ガリウム系エピタキシャル層、８１…ｉ型窒化ガリウム系エピタキシャル層、８３…ｐ型窒化ガリウム系エピタキシャル層、８５ａ、８５ｂ…オーミック電極、９１…縦型トランジスタ、９３…III族窒化物支持基体、９５…窒化ガリウム系エピタキシャル層、９７…窒化ガリウム系エピタキシャル層、９９…ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、１０１…ｐ型窒化ガリウム系半導体領域、１０５…ゲート絶縁膜、１０３ａ…ゲート電極、１０３ｂ、１０３ｃ…オーミック電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
５×１０１６ｃｍ−３未満の電子キャリア濃度を有している第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層を備え、
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層にはドナードーパントが添加されており、
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層は２×１０１６ｃｍ−３未満の炭素濃度を有しており、
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層は１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度を有する、
ことを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項２】
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層は窒化ガリウムからなる、ことを特徴とする請求項１に記載された窒化物半導体装置。
【請求項３】
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層に接する第２の窒化ガリウム系エピタキシャル層を更に備え、
前記第２の窒化ガリウム系エピタキシャル層のドーパント濃度は、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層のドーパント濃度より大きい、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された窒化物半導体装置。
【請求項４】
前記第２の窒化ガリウム系エピタキシャル層は窒化ガリウムからなる、ことを特徴とする請求項３に記載された窒化物半導体装置。
【請求項５】
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層は、前記ドナードーパントとして少なくともシリコンを含む、ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載された窒化物半導体装置。
【請求項６】
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層のドナー濃度はＮｄであり、
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層のアクセプタの働きをする不純物および欠陥の濃度はＮａであり、
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層において、ＮａがＮｄより小さいことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載された窒化物半導体装置。
【請求項７】
５×１０１６ｃｍ−３未満の電子キャリア濃度を有している第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜を備え、
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜にはドナーが添加されており、
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜は、２×１０１６ｃｍ−３未満の炭素濃度を有しており、
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜は、１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度を有する、ことを特徴とするエピタキシャル基板。
【請求項８】
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜は窒化ガリウムからなる、ことを特徴とする請求項７に記載されたエピタキシャル基板。
【請求項９】
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層に接する第２の窒化ガリウム系エピタキシャル膜を更に備え、
前記第２の窒化ガリウム系エピタキシャル膜のドーパント濃度は、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜のドーパント濃度より大きい、ことを特徴とする請求項７または請求項８に記載されたエピタキシャル基板。
【請求項１０】
前記第２の窒化ガリウム系エピタキシャル膜は窒化ガリウムからなる、ことを特徴とする請求項９に記載されたエピタキシャル基板。
【請求項１１】
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜は、前記ドナーとして少なくともシリコンを含む、ことを特徴とする請求項７〜請求項１０のいずれか一項に記載されたエピタキシャル基板。
【請求項１２】
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜のドナー濃度はＮｄであり、
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜のアクセプタの働きをする不純物および欠陥の濃度はＮａであり、
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜において、ＮａがＮｄより小さいことを特徴とする請求項７〜請求項１１のいずれか一項に記載されたエピタキシャル基板。
【請求項１３】
窒化ガリウム系エピタキシャル膜を形成する方法であって、
有機金属気相成長炉に成膜ガスを供給して、２×１０１６ｃｍ−３未満の炭素濃度および５×１０１６ｃｍ−３未満の電子キャリア濃度を有する窒化ガリウム系エピタキシャル膜をIII族窒化物領域上に形成する工程を含み、
前記窒化ガリウム系エピタキシャル膜を形成するための成長圧力は、５０ｔｏｒｒ以上であり、
前記窒化ガリウム系エピタキシャル膜を形成するための成長温度は、摂氏１０００度以上１２００度以下であり、
前記成膜ガスは、Ｖ族原料、III族原料およびドーパントガスを含み、
Ｖ族原料／III族原料の供給モル比は２００以上１００００下であり、
前記窒化ガリウム系エピタキシャル膜は、１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度を有する、ことを特徴とする方法。
【請求項１４】
前記有機金属気相成長装置は、前記I I I族窒化物領域を支持するためのサセプタと、前記窒化ガリウム系エピタキシャル膜を成長するための成膜ガス供給用の供給口を有しており前記供給口からのガス流を前記サセプタ上に導くためのガイド部材とを含み、
前記サセプタは、シリコンを実質的に含有しない材料でコートされており、
前記ガイド部材は、シリコンを実質的に含有しない材料でコートされている、ことを特徴とする請求項１３に記載された方法。
【請求項１】
５×１０１６ｃｍ−３未満の電子キャリア濃度を有している第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層を備え、
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層にはドナードーパントが添加されており、
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層は２×１０１６ｃｍ−３未満の炭素濃度を有しており、
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層は１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度を有する、
ことを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項２】
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層は窒化ガリウムからなる、ことを特徴とする請求項１に記載された窒化物半導体装置。
【請求項３】
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層に接する第２の窒化ガリウム系エピタキシャル層を更に備え、
前記第２の窒化ガリウム系エピタキシャル層のドーパント濃度は、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層のドーパント濃度より大きい、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された窒化物半導体装置。
【請求項４】
前記第２の窒化ガリウム系エピタキシャル層は窒化ガリウムからなる、ことを特徴とする請求項３に記載された窒化物半導体装置。
【請求項５】
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層は、前記ドナードーパントとして少なくともシリコンを含む、ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載された窒化物半導体装置。
【請求項６】
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層のドナー濃度はＮｄであり、
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層のアクセプタの働きをする不純物および欠陥の濃度はＮａであり、
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層において、ＮａがＮｄより小さいことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載された窒化物半導体装置。
【請求項７】
５×１０１６ｃｍ−３未満の電子キャリア濃度を有している第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜を備え、
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜にはドナーが添加されており、
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜は、２×１０１６ｃｍ−３未満の炭素濃度を有しており、
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜は、１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度を有する、ことを特徴とするエピタキシャル基板。
【請求項８】
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜は窒化ガリウムからなる、ことを特徴とする請求項７に記載されたエピタキシャル基板。
【請求項９】
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル層に接する第２の窒化ガリウム系エピタキシャル膜を更に備え、
前記第２の窒化ガリウム系エピタキシャル膜のドーパント濃度は、前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜のドーパント濃度より大きい、ことを特徴とする請求項７または請求項８に記載されたエピタキシャル基板。
【請求項１０】
前記第２の窒化ガリウム系エピタキシャル膜は窒化ガリウムからなる、ことを特徴とする請求項９に記載されたエピタキシャル基板。
【請求項１１】
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜は、前記ドナーとして少なくともシリコンを含む、ことを特徴とする請求項７〜請求項１０のいずれか一項に記載されたエピタキシャル基板。
【請求項１２】
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜のドナー濃度はＮｄであり、
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜のアクセプタの働きをする不純物および欠陥の濃度はＮａであり、
前記第１の窒化ガリウム系エピタキシャル膜において、ＮａがＮｄより小さいことを特徴とする請求項７〜請求項１１のいずれか一項に記載されたエピタキシャル基板。
【請求項１３】
窒化ガリウム系エピタキシャル膜を形成する方法であって、
有機金属気相成長炉に成膜ガスを供給して、２×１０１６ｃｍ−３未満の炭素濃度および５×１０１６ｃｍ−３未満の電子キャリア濃度を有する窒化ガリウム系エピタキシャル膜をIII族窒化物領域上に形成する工程を含み、
前記窒化ガリウム系エピタキシャル膜を形成するための成長圧力は、５０ｔｏｒｒ以上であり、
前記窒化ガリウム系エピタキシャル膜を形成するための成長温度は、摂氏１０００度以上１２００度以下であり、
前記成膜ガスは、Ｖ族原料、III族原料およびドーパントガスを含み、
Ｖ族原料／III族原料の供給モル比は２００以上１００００下であり、
前記窒化ガリウム系エピタキシャル膜は、１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度を有する、ことを特徴とする方法。
【請求項１４】
前記有機金属気相成長装置は、前記I I I族窒化物領域を支持するためのサセプタと、前記窒化ガリウム系エピタキシャル膜を成長するための成膜ガス供給用の供給口を有しており前記供給口からのガス流を前記サセプタ上に導くためのガイド部材とを含み、
前記サセプタは、シリコンを実質的に含有しない材料でコートされており、
前記ガイド部材は、シリコンを実質的に含有しない材料でコートされている、ことを特徴とする請求項１３に記載された方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１５６５４６（Ｐ２０１２−１５６５４６Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−９３１７１（Ｐ２０１２−９３１７１）
【出願日】平成２４年４月１６日（２０１２．４．１６）
【分割の表示】特願２００５−３４２６０５（Ｐ２００５−３４２６０５）の分割
【原出願日】平成１７年１１月２８日（２００５．１１．２８）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年４月１６日（２０１２．４．１６）
【分割の表示】特願２００５−３４２６０５（Ｐ２００５−３４２６０５）の分割
【原出願日】平成１７年１１月２８日（２００５．１１．２８）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]