專利名稱:Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體器件和外延襯底的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及III族氮化物半導(dǎo)體器件和外延襯底。
背景技術(shù)：
在非專利文獻1中論述了在藍寶石襯底上制造的肖特基二極管。在具有c-面的藍寶石襯底上生長兩種GaN。首先，在低溫緩沖層上制造具有1μm厚度的n+接觸層。然后，在該n+接觸層上生長未摻雜的GaN層。在形成臺面結(jié)構(gòu)之后，制造Ti/Al歐姆電極和Pt/Au電極。非專利文獻1Gerard T.Dang et al.″High Voltage GaN Schottky Rectifiers，″IEEE Tran.Electron Devices，Vol.47，No.4，pp.692-696。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明解決的問題根據(jù)本發(fā)明人進行的實驗，利用藍寶石襯底上制造的肖特基二極管沒有獲得足夠的擊穿電壓。由于發(fā)明人研究了該原因，明白是與來自肖特基電極的漏電流相關(guān)的，以及該漏電流與氮化鎵層的螺旋位錯密度有關(guān)。因此尋求提高肖特基二極管的擊穿電壓。
考慮上述情況，本發(fā)明的目的是制造可用的肖特基二極管，該肖特基二極管具有提高擊穿電壓的結(jié)構(gòu)，其間，一個目的是制造用于半導(dǎo)體器件的可用外延襯底，該半導(dǎo)體器件包括肖特基電極。
解決問題的方法本發(fā)明的一個方面涉及一種具有肖特基結(jié)的III族氮化物半導(dǎo)體器件。該III族氮化物半導(dǎo)體器件具有(a)具有導(dǎo)電性的III族氮化物支撐襯底；(b)設(shè)置在該III族氮化物支撐襯底的主面上并具有100秒或以下的(10
12)-面XRD半峰全寬的氮化鎵區(qū)；以及(c)在該氮化鎵區(qū)上構(gòu)成肖特基結(jié)的肖特基電極。
通過該III族氮化物半導(dǎo)體器件，由于肖特基電極在具有100秒或以下的(10
12)-面XRD半峰全寬的氮化鎵區(qū)上形成肖特基結(jié)，與肖特基結(jié)相關(guān)的反向泄漏電流被減小。
在涉及本發(fā)明的III族氮化物半導(dǎo)體器件中，優(yōu)選，該III族氮化物支撐襯底由具有導(dǎo)電性的氮化鎵構(gòu)成。
在根據(jù)本發(fā)明的III族氮化物半導(dǎo)體器件中，當(dāng)在該肖特基電極和該III族氮化物支撐襯底的背面施加5伏的反向偏壓時，流過肖特基結(jié)的電流是1×10-7A/cm2或以下。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種外延襯底具有(a)具有導(dǎo)電性的III族氮化物支撐襯底；以及(b)具有100秒或以下的(10
12)-面XRD半峰全寬，并設(shè)置在該III族氮化物襯底上的氮化鎵層。
由該外延襯底給出一個事實該氮化鎵層的(10
12)-面XRD半峰全寬為100秒或以下，使之可以形成可以減小漏電流的肖特基結(jié)。
在涉及本發(fā)明的外延襯底中，優(yōu)選，該III族氮化物支撐襯底由具有導(dǎo)電性的氮化鎵構(gòu)成。此外，在根據(jù)本發(fā)明的外延襯底中，優(yōu)選該III族氮化物襯底的螺旋位錯密度不超過1×108cm-2。
參考附圖，從本發(fā)明的所選實施例的以下詳細描述，將更容易明白本發(fā)明的上述目的和其他目的、特點以及優(yōu)點。
本發(fā)明的有益效果如上所述，根據(jù)本發(fā)明，提供一種肖特基二極管，該肖特基二極管具有可以提高擊穿電壓的結(jié)構(gòu)。此外，根據(jù)本發(fā)明，提供用于一種半導(dǎo)體器件的外延襯底，該半導(dǎo)體器件包括肖特基電極。
圖1是描繪涉及第一實施例的肖特基二極管的視圖。
圖2A是表示利用氮化鎵襯底的肖特基二極管的結(jié)構(gòu)視圖。
圖2B是表示利用藍寶石襯底的肖特基二極管的結(jié)構(gòu)視圖。
圖3是繪制通過上述實施例(特性A)和實驗(特性B)制造的氮化鎵層的(10
12)-面XRD特性的曲線圖。
圖4是繪制通過上述實施例(特性A)和實驗(特性B)制造的肖特基二極管的電流-電壓特性的曲線圖。
圖5是氮化鎵層的半峰全寬(10
12)-面XRD特性和漏電流密度之間的關(guān)系圖表。
圖6A是表示涉及第二實施例的外延襯底的制造視圖。
圖6B是表示涉及第二實施例的外延襯底的制造視圖。
圖6C是表示涉及第二實施例的外延襯底的制造視圖。
圖7是表示GaN獨立襯底中的高位錯區(qū)和低位錯區(qū)的一種布置的視圖。
圖8是表示GaN獨立襯底中的高位錯區(qū)和低位錯區(qū)的另一布置的視圖。
參考數(shù)字的說明11肖特基二極管；13III族氮化物支撐襯底；15氮化鎵區(qū)；17肖特基電極；31n-型氮化鎵晶片；33氮化鎵層；35肖特基電極；37歐姆電極；41藍寶石襯底；43籽晶層；45n+氮化鎵層；47n+氮化鎵層；49肖特基電極；51歐姆電極；81外延襯底；83氮化鎵獨立襯底；85GaN外延膜；87肖特基電極；89歐姆電極；82氮化鎵獨立襯底；82c高位錯區(qū)；82d低位錯區(qū)；84氮化鎵獨立襯底；84c高位錯區(qū)；84d低位錯區(qū)。
具體實施方式參考作為例子給出的附圖，通過考慮下面的詳細描述將容易理解對本發(fā)明的了解。接下來，將參考附圖，描述與根據(jù)本發(fā)明的III族氮化物半導(dǎo)體器件和外延襯底有關(guān)的實施例。在下面的說明中，將使用肖特基二極管作為III族氮化物半導(dǎo)體器件的一個例子。注意，可能的相同元件用相同的參考標(biāo)記來標(biāo)注。
實施例模式1圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例模式的肖特基二極管的視圖。該肖特基二極管11由III族氮化物支撐襯底13、氮化鎵區(qū)15以及肖特基電極17構(gòu)成。III族氮化物支撐襯底13具有導(dǎo)電性。肖特基電極17在氮化鎵區(qū)15上構(gòu)成肖特基結(jié)。氮化鎵區(qū)15被制造在III族氮化物支撐襯底13的主面13a上。氮化鎵區(qū)15具有100秒或以下的(10
12)-面XRD半峰全寬。
肖特基二極管11包括在III族氮化物支撐襯底13的背面13b上制造的歐姆電極19。肖特基電極17可以例如由Ni/Au電極構(gòu)成。歐姆電極19可以由Ti/Al/Ti/Au電極構(gòu)成。
III族氮化物支撐襯底13由氮化鎵、氮化鋁等等構(gòu)成。優(yōu)選，該III族氮化物支撐襯底13由具有導(dǎo)電性的n-型氮化鎵構(gòu)成。在該例子中，在氮化鎵支撐襯底上同質(zhì)-外延生長氮化鎵區(qū)。該氮化鎵支撐襯底具有1×1016cm-3至1×1019cm-3的載流子濃度，包含1×1016cm-3和1×1019cm-3。氮化鎵區(qū)15具有0.1μm至1000μm的厚度，包含0.1μm和1000μm。氮化鎵區(qū)15具有1×1017cm-3或以下的載流子濃度。
下面將描述圖2A和圖2B所示的肖特基二極管的制造。
實施例1在MOVPE裝置的反應(yīng)器中放置n-型氮化鎵晶片31。在反應(yīng)器中產(chǎn)生包括氫氣、氮氣以及氨氣的氣體氣氛。在該氣氛中，在1000℃下，氮化鎵晶片31經(jīng)受熱處理。熱處理時間例如是二十分鐘。氨氣和三甲基鎵(TMG)被提供給反應(yīng)器，以及在1130℃下，生長具有3μm厚度的氮化鎵層33。通過這些工序，制造包括氮化鎵晶片31和氮化鎵層33的外延襯底。在該外延襯底的氮化鎵層的正面上，制造由Ni/Au構(gòu)成的肖特基電極35，以及在外延襯底的背面上制造由Ti/Al/Ti/Au構(gòu)成的歐姆電極37。該肖特基電極具有，例如，50μm的半徑。通過這些工序，獲得如圖2A所示的肖特基二極管(SBD)39。
實驗1在MOVPE裝置的反應(yīng)器中放入藍寶石襯底41。在反應(yīng)器中產(chǎn)生包括氫氣、氮氣以及氨氣的氣體氣氛。在該氣氛中，在1170℃下，藍寶石襯底41經(jīng)受熱處理。熱處理時間是10分鐘，例如。接下來，在藍寶石襯底41上生長籽晶層43。氨氣、三甲基鎵(TMG)和硅烷被提供給反應(yīng)器，以及在1130℃下生長n+氮化鎵層45。接下來，與例子一樣，氨氣和三甲基鎵(TMG)被提供給反應(yīng)器，以及在1130℃下，生長具有3μm厚度的氮化鎵層。部分氮化鎵層被刻蝕，以形成包括氮化鎵層47的臺面，以及n+氮化鎵層45的一部分被露出。該刻蝕通過選擇反應(yīng)離子刻蝕(RIE)方法來執(zhí)行。在該臺面的正面上，制造由Ni/Au構(gòu)成的肖特基電極49，以及在露出的n+氮化鎵層47的正面上制造由Ti/Al/Ti/Au構(gòu)成的歐姆電極51。通過這些工序，獲得如圖2B所示的肖特基二極管(SBD)53。
圖3是通過上述例子(特性A)實驗(特性B)制造的氮化鎵層的(10
12)-面XRD特性的視圖。在這些例子中，特性A的半峰全寬(FWHM)是25.1秒，以及特性B的半峰全寬是788.0秒。
圖4是繪制通過上述實施例(特性A)和實驗(特性B)制造的肖特基二極管的電流-電壓特性的視圖。在這些例子中，特性A的反向漏電流密度(施加電壓5伏)是1.39×10-8A/cm2，以及特性B的反向漏電流密度(施加電壓5伏)是4.76×10-6A/cm2。
如上所述，與SBD 53相比，SBD 39具有更低的漏電流。假定，該原因是氮化鎵層33的螺旋位錯密度被減小如XRD的尖銳FWHM所示。
圖5是氮化鎵層的(10
12)-面XRD特性的半峰全寬和漏電流密度之間的關(guān)系視圖。由參考數(shù)字61a至61h指定的標(biāo)記表示通過測量一結(jié)構(gòu)獲得的值，在該結(jié)構(gòu)中，在利用氮化鎵襯底形成的氮化鎵層上制造肖特基電極。由參考數(shù)字71a至71i指定的標(biāo)記表示通過測量一結(jié)構(gòu)獲得的值，在該結(jié)構(gòu)中，在利用藍寶石襯底形成的氮化鎵層上制造肖特基電極。
實施例2給出特定例子用于參考標(biāo)記61a的肖特基二極管結(jié)構(gòu)—半峰全寬41.8秒，漏電流1.31×10-8A/cm2；用于參考標(biāo)記61b的肖特基二極管結(jié)構(gòu)—半峰全寬41.8秒，漏電流1.86×10-8A/cm2；用于參考標(biāo)記61c的肖特基二極管結(jié)構(gòu)—半峰全寬33秒以及漏電流3.00×10-8A/cm2。
用于參考標(biāo)記61d的肖特基二極管結(jié)構(gòu)—半峰全寬60秒，漏電流2.70×10-8A/cm2；用于參考標(biāo)記61e的肖特基二極管結(jié)構(gòu)—半峰全寬72秒，漏電流1.40×10-8A/cm2；用于參考標(biāo)記61f的肖特基二極管結(jié)構(gòu)—半峰全寬87秒，漏電流4.10×10-8A/cm2；用于參考標(biāo)記61g的肖特基二極管結(jié)構(gòu)—
半峰全寬69秒，漏電流6.30×10-8A/cm2；用于參考標(biāo)記61h的肖特基二極管結(jié)構(gòu)—半峰全寬95秒，漏電流8.70×10-8A/cm2。
實驗2給出特定例子用于參考標(biāo)記71a的肖特基二極管結(jié)構(gòu)(具有最小的半峰全寬)—半峰全寬152秒，漏電流2.07×10-7A/cm2；用于參考標(biāo)記71b的肖特基二極管結(jié)構(gòu)(具有最小的漏電流)—半峰全寬206秒，漏電流f 1.98×10-7A/cm2。
接下來，將描述使用(10
12)-面XRD的氮化鎵區(qū)作為晶體質(zhì)量指標(biāo)的優(yōu)點。據(jù)報道，在存在螺旋位錯的電極和氮化鎵之間的界面處，肖特基勢壘是低的，以及肖特基電極的漏電流增加(Yu Huang等人的，″Experimental study and modeling of the influence of threadingdislocations on the performance of Au/n-GaN Schottky diodes，″J.Appl.Phys.，Vol.94，No.9，pp.5771-5775)。因為如果存在螺旋位錯或邊緣位錯，那么氮化鎵區(qū)的(10
12)-面XRD半峰全寬變得更寬，(10
12)-面XRD半峰全寬是尖銳的事實意味著螺旋和邊緣位錯都被減小。原則上，可以使用除(10
12)面以外的面作為指標(biāo)，但是(10
12)-面XRD適合用于指標(biāo)，因為它具有足夠的強度。該肖特基二極管的正向電流約為0.1A/cm-2，必須設(shè)置漏電流不超過1×10-7A/cm2，不超過正向電流的百萬分之一。如圖5所示，因為氮化鎵區(qū)的(10
12)-面XRD半峰全寬被設(shè)為100秒或以下，漏電流可以被設(shè)為不超過1×10-7A/cm2。通過利用用于襯底的III族氮化物，獲得其(10
12)-面XRD半峰全寬不超過100秒的氮化鎵區(qū)是容易的。
實施例模式2圖6A至圖6C表示根據(jù)第二實施例模式的外延襯底的制造視圖。如圖6A所示，制備具有n-導(dǎo)電性的氮化鎵獨立襯底83。氮化鎵獨立襯底83具有超過1×1017cm-3的載流子濃度。如圖6B所示，在氮化鎵獨立襯底83的第一表面83a上淀積未摻雜的GaN外延膜85。氮化鎵外延膜85具有0.1μm和1000μm之間的厚度，包含0.1μm和1000μm。氮化鎵外延膜85的載流子濃度是1×1017cm-3或以下。這些提供外延襯底81。通過利用該襯底，可以制造第一實施例中所示的肖特基二極管。如圖6C所示，在外延襯底81的外延膜85的正面上，淀積肖特基電極薄膜87，以及在襯底83的第二表面83b上淀積歐姆電極薄膜89。肖特基電極和歐姆電極分別由肖特基電極薄膜87和歐姆電極薄膜89制造。因為使用氮化鎵區(qū)的(10
12)-面XRD半峰全寬作為晶體質(zhì)量指標(biāo)來監(jiān)控氮化鎵薄膜的質(zhì)量，其中肖特基電極構(gòu)成肖特基結(jié)，可以提供用于半導(dǎo)體器件的外延襯底，其中當(dāng)跨接肖特基電極和歐姆電極施加電壓時，可以減小流過肖特基結(jié)的反向漏電流。
在該外延襯底中，氮化鎵層被制造在諸如GaN襯底的III族氮化物襯底上并具有100秒或以下的(1012)-面半峰全寬。根據(jù)該外延襯底，由于氮化鎵層的(10
12)-面XRD半峰全寬不超過100秒，可以制造可以減小漏電流的肖特基結(jié)。該外延襯底適合于制造肖特基二極管。
圖7是表示用于第一和第二實施例的氮化鎵獨立襯底中的高位錯區(qū)和低位錯區(qū)的一個例子位置的視圖。用于外延襯底81的氮化鎵獨立襯底82的第一表面82a具有第一區(qū)和第二區(qū)，第一區(qū)出現(xiàn)具有較高螺旋位錯密度的高位錯區(qū)82c，第二區(qū)出現(xiàn)具有較低的螺旋位錯密度的低位錯區(qū)。高位錯區(qū)82c被低位錯區(qū)82d圍繞，以及第一區(qū)以點狀圖形隨機地分布在第一表面82a中的第二區(qū)域中。作為一個整體來看螺旋位錯密度不超過，例如，1×1018cm-2。在外延襯底81中，由于位錯密度是低的，因此外延層中的位錯被減小。由此，減小反向漏電流和提高反向擊穿電壓。
圖8是表示用于第一和第二實施例的氮化鎵獨立襯底中的高位錯區(qū)和低位錯區(qū)的另一例子位置的視圖。用于外延襯底81的氮化鎵獨立襯底84的第一表面84a包括第一區(qū)和第二區(qū)，第一區(qū)出現(xiàn)具有較高螺旋位錯密度的高位錯區(qū)84c，以及第二區(qū)出現(xiàn)具有較低螺旋位錯密度的低位錯區(qū)84d。高位錯區(qū)84c被夾在高位錯區(qū)84d之間，以及以條紋圖形整齊地分配在第二區(qū)中，在第一表面84a中。作為一個整體來看螺旋位錯密度是，例如，1×1018cm-2或以下。在該外延襯底81中，由于位錯密度是低的，外延層中的位錯被減小。由此，減小反向漏電流密度和提高反向擊穿電壓。
在實施例的選擇模式中已經(jīng)說明了本發(fā)明的原理，然而在不脫離所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員認(rèn)識的那些原理的條件下，可以在布置和細節(jié)方面改變本發(fā)明。本發(fā)明不局限于實施例的給出模式中公開的特定結(jié)構(gòu)。由此，專利權(quán)利要求
的范圍中的權(quán)利，以及源自其精神的范圍所有改進和改變被要求。
權(quán)利要求
1.一種具有肖特基結(jié)的III族氮化物半導(dǎo)體器件，該III族氮化物半導(dǎo)體器件的特征在于具有具有導(dǎo)電性的III族氮化物支撐襯底；設(shè)置在所述III族氮化物支撐襯底的主面上并且具有100秒或以下的(10
12)-面XRD半峰全寬的氮化鎵區(qū)；以及在所述氮化鎵區(qū)上構(gòu)成肖特基結(jié)的肖特基電極。
2.權(quán)利要求
1所述的III族氮化物半導(dǎo)體器件，其特征在于所述III族氮化物支撐襯底由具有導(dǎo)電性的氮化鎵構(gòu)成。
3.權(quán)利要求
1所述的III族氮化物半導(dǎo)體器件，其特征在于當(dāng)跨越所述肖特基電極和所述III族氮化物支撐襯底的背面施加5伏的反向偏壓時，流過所述肖特基結(jié)的電流是1×10-7A/cm2或以下。
4.一種外延襯底，其特征在于具有具有導(dǎo)電性的III族氮化物襯底；以及具有100秒或以下的(10
12)-面XRD半峰全寬并設(shè)置在所述III族氮化物襯底上的氮化鎵層。
5.權(quán)利要求
4所述的外延襯底，其特征在于所述III族氮化物襯底由具有導(dǎo)電性的氮化鎵構(gòu)成。
6.權(quán)利要求
4所述的外延襯底，其特征在于所述III族氮化物襯底的螺旋位錯密度不超過1×108cm-2。
7.權(quán)利要求
5所述的外延襯底，其特征在于所述III族氮化物襯底的螺旋位錯密度不超過1×108cm-2。
專利摘要
提供一種III族氮化物半導(dǎo)體器件，該半導(dǎo)體器件具有可以提高擊穿電壓的結(jié)構(gòu)。肖特基二極管(11)由III族氮化物支撐襯底(13)、氮化鎵區(qū)(15)以及肖特基電極(17)構(gòu)成。III族氮化物支撐襯底(13)具有導(dǎo)電性。肖特基電極(17)在氮化鎵區(qū)(15)上形成肖特基結(jié)。氮化鎵區(qū)(15)被制造在III族氮化物支撐襯底(13)的主面(13a)上。氮化鎵區(qū)(15)具有100秒以下的(10
文檔編號H01L29/872GK1993834SQ200680000560
公開日2007年7月4日 申請日期2006年1月20日
發(fā)明者三浦廣平, 木山誠, 櫻田隆 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan