高耐压氮化镓系半导体设备及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及高耐压氮化镓系半导体设备及其制造方法。
【背景技术】
[0002]氮化镓(GaN)系半导体作为以发光二极管(Light Emitting D1de ；LED)、激光二极管(Laser D1de ；LD)为代表的光设备的材料在世界中得到广泛使用。进一步地，由于氮化镓系半导体具有带隙宽、电子移动率高、饱和电子速度快以及击穿电压高等非常优异的材料物性，因此近年作为以晶体管为代表的电子设备受到关注，尤其期待在高耐压用功率设备、高频用功率设备中的应用。
[0003]由于有机金属气相生长(MetalOrganic Vapor Phase Epitaxy,MOVPE)法在使半导体层进行外延生长时，能够精密控制层厚、组成，而且能够在多个衬底表面同时外延生长半导体层，因此，与以往相比，不只是氮化镓系半导体设备，在制造如下半导体设备时也得到广泛采用:铝镓砷(AlGaAs)半导体设备、铟镓砷(InGaAs)半导体设备等砷化镓系半导体设备，铟镓磷(InGaP)半导体设备等磷化铟系半导体设备以及其他II1-V族化合物半导体设备。
[0004]电流沿氮化镓系半导体层的层厚方向流动的纵型结构的氮化镓系半导体设备是通过使用上述有机金属气相生长法等使氮化镓系半导体层外延生长于η型氮化镓自支撑衬底的表面来制造的。在氮化镓系半导体中，由于与空穴的移动率相比，电子的移动率极其高，因此，在利用氮化镓系半导体制造高耐压用功率设备时，考虑将其设计为如下形式:将η型氮化镓系半导体层的载流子浓度抑制在较低水平，以便在施加反向偏压时耗尽层扩大至η型氮化镓系半导体层。
[0005]如果基于泊松方程计算肖特基结、ρη结中的电场分布、耗尽层的层厚，则可以明白，在接合面处电场强度变为最大，并且施加高电压作为反向偏压时、将η型氮化镓系半导体层的载流子浓度抑制为较低水平时，耗尽层的层厚将增加。
[0006]因此，基本上希望将η型氮化镓系半导体层的载流子浓度抑制在较低水平，同时使其层厚厚于耗尽层的层厚，从而使得接合面处的电场强度不超过击穿电压，但如果这样，则施加正向偏压时的通态电阻会变大。
[0007]为此，为了不将η型氮化镓系半导体层的载流子浓度整体都抑制在同样的较低水平来降低接合面处的电场强度，可以考虑在离接合面近的位置抑制为较低的载流子浓度，而在离接合面远的位置保持高的载流子浓度。这能够通过解给定适当边界条件的泊松方程容易地考察。
[0008]作为用于控制氮化镓系半导体层的η型导电性的施主杂质，可以使用常规的硅
(Si)、锗(Ge)等。
[0009]此外，已知含于氮化镓系半导体层中的碳(C)，通过补偿效应能够使电子浓度降低(例如，参照非专利文献I)。该碳并不是在使氮化镓系半导体层进行外延生长时通过有意供给碳原料而添加的，而是通过具有碳氢(C-H)键的镓(Ga)原料而混入的。
[0010]控制氮化镓系半导体层的碳浓度是可能的，例如，如果将生长压力升高至高压，则可以将氮化镓系半导体层的碳浓度抑制在较低水平(例如，参照非专利文献I)，此外，也可以降低生长速度、提高V/III比(作为提供V族元素氮(N)的原料的氨气(NH3)等与作为提供III族元素镓的原料的三甲基镓((CH3)3Ga)等的供给摩尔比)来将氮化镓系半导体层的碳浓度抑制在较低水平(例如，参照非专利文献2以及非专利文献3)。另外，还可以通过改变用作镓原料的镓系有机金属原料的种类(例如，三甲基镓、三乙基镓((C2H5)3Ga))来使氮化镓系半导体层的碳浓度大幅改变。
[0011]从其他观点来看，对η型氮化镓自支撑衬底的偏离角与η型氮化镓系半导体层的碳浓度的关系进行详细研究后可以知道，通过使用具有一定以上偏离角的η型氮化镓自支撑衬底，能够将η型氮化镓系半导体层的碳浓度控制为较低水平(例如，参照专利文献I)。特别地，在高耐压用功率设备中，由于精细控制载流子浓度低的η型氮化镓系半导体层的载流子浓度尤为重要，因此从在施主杂质浓度低的区域中得到所希望的电子浓度的方面来讲，碳浓度优选尽可能低。
[0012]现有技术文献
[0013]专利文献
[0014]专利文献1:日本特开2007-299793号公报
[0015]非专利文献
[0016]非专利文献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]非专利文献2:Matsumoto等人，有机金属气相生长GaN的高生长速率(Highgrowth rate metal organic vapor phase epitaxy GaN), Journal of CrystalGrowth, Vol.310，p.3920-3952，2008 年 8 月 15 日
[0018]非专利文献3 =Ubukata等人，在有机金属气相生长系统中的6英寸Si衬底上用于AlGaN/GaN HEMT的高生长速率的AlGaN缓冲层和低碳GaN的气压生长(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
【发明内容】
[0019]发明所要解决的课题
[0020]在高耐压用功率设备中，如上所述，如果不能通过在离接合面近的位置抑制载流子浓度为较低水平来使接合面处的电场强度降低从而抑制击穿现象，则不能够实现高耐压化。
[0021]进一步地，由于在离接合面近的位置的载流子浓度低的η型氮化镓系半导体层的载流子浓度对接合面附近中的电场强度有很大影响，而且对耗尽层的层厚也有非常显著的影响，因此在离接合面的近的位置有必要在极低载流子浓度的范围内控制载流子浓度。
[0022]因此，在将作为发生补偿效应的原因的碳浓度抑制为较低水平的同时，精细控制硅、锗等施主杂质的浓度变得重要。
[0023]然而，如果将碳浓度抑制为较低水平，则在绝大多数情况中会使制造成本增加。例如，如果将生长压力设为高压，则由于为了抑制生长炉内的气相反应，需要快速供给大流量气体，因此装置变为大型而使制造成本增加。此外，如果将生长速度设为低速，则由于生长所需时间变长，因此导致制造成本的直接增加。进一步地，如果即不将生长压力设为高压，也不将生长速度设为低速，而是为了将碳浓度抑制为较低水平而将V/III比变大，则必须非常大量地供给氨气。作为氨气，通常使用液化气体，由于氨气的蒸汽压低，为了使其供给量增加，则需要使用非常大型的氨气供给设备，而且还产生除害设备处理能力的问题。
[0024]因此，本发明的目的是抑制制造成本增加的同时提供作为高耐压用功率设备合适的高耐压氮化镓系半导体设备及其制造方法。
[0025]解决课题的方法
[0026]为实现该目的而实施的本发明提供如下高耐压氮化镓系半导体设备，其是将含有漂移层的η型氮化镓系半导体层形成于η型氮化镓自支撑衬底的表面，反向耐压为3000V以上的高耐压氮化镓系半导体设备，在上述漂移层中，施加不发生击穿现象的最大容许电压作为反向偏压时的电场强度为1.5MV/cm以下的区域的碳浓度为3.0XlOlfVcm3以上。
[0027]上述漂移层优选厚度为10 μ m以上。
[0028]此外，本发明提供如下高耐压氮化镓系半导体设备的制造方法:其是将含有漂移层的η型氮化镓系半导体层形成于η型氮化镓自支撑衬底的表面，反向耐压为3000V以上的高耐压氮化镓系半导体设备的制造方法，在上述漂移层中，在施加不发生击穿现象的最大容许电压作为反向偏压时的电场强度为1.5MV/cm以下的区域进行外延生长时，将生长温度设为1000°C以上且1200°C以下，生长压力设为30kPa以上且70kPa以下以及将V/III比设为2000以上且8000以下，则上述区域的碳的浓度为3.0XlOlfVcm3以上。
[0029]发明效果
[0030]根据本发明，能够抑制制造成本增加的同时提供作为高耐压用功率设备合适的高耐压氮化镓系半导体设备及其制造方法。
【附图说明】
[0031]图1是表示实施例中制造的ρη结型二极管的截面模式图。
[0032]图2是表示对不存在漂移层的ρη结型二极管施加反向偏压时的电流电压特性的图。
[0033]图3是表示对图1的ρη结型二极管施加3000V的反向偏压时的电场分布的图。
[0034]图4是表示高补偿比漂移层中形成的最大电场强度与施加3000V的反向偏压时的漏电流的电流密度的关系的图。
[0035]附图标记说明
[0036]100:ρη 结型二极管
[0037]101:η型氮化镓自支撑衬底
[0038]102:η型氮化镓系半导体层
[0039]103:ρ型氮化镓系半导体层
[0040]104:第一 η型氮化镓半导体层
[0041]105:第二 η型氮化镓半导体层
[0042]106:第三η型氮化镓半导体层
[0043]107:漂移层
[0044]108:第四η型氮化镓半导体层
[0045]109:第一 P型氮化镓半导体层
[0046]110:第二 P型氮化镓半导体层
【具体实施方式】
[0047]以下，对本发明优选的实施方式进行说明。
[0048]根据本实施方式的高耐压氮化镓系半导体设备的特征在于，将含有漂移层的η型氮化镓系半导体层形成于η型氮化镓自支撑衬底的表面，反向耐压为3000V以上，在漂移层中，施加不发生击穿现象的最大容许电压作为反向偏压时的电场强度为1.5MV/cm以下的区域的碳浓度为3.0X 1lfVcm3以上。
[0049]作为η型氮化镓自支撑衬底，为了防止由作为晶体缺陷的一种的位错导致的漏电流的增加而使反向耐压恶化，优选使用位错密度低的自支撑衬底。此外，在η型氮化镓自支撑衬底中，优选面方向为C面，面方向由C面略微倾斜也无妨。
[0050]在此说明在漂移层中施加不发生击穿现象的最大容许电压作为反向偏压时的电场强度为1.5MV/cm以下的区域的碳浓度为3.0X 1lfVcm3以上的理由。
[0051]以往，在