JP2007036010A - ショットキーバリアダイオード装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 成長基板及びバッファ層の抵抗を全く介することなくショットキーバリアダイオード素子へのオーミック接触を取ることができる窒化ガリウム系材料を用いたショットキーバリアダイオード装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 ｎ⁻型ＧａＮショットキー層２表面にショットキー電極１を形成する。次に表面に金蒸着によりパターン形成された金属層（台座電極１１）を有する台座基板１０にビアホール１２を形成し、台座電極１１と裏面の台座電極１３とを電気的に接続する。台座電極１１にショットキー電極１が対向するようにダイオード素子をマウントする。次に台座基板１０にマウントした素子構造からＳｉ基板７、第１及び第２バッファ層８、９を除去し、ｎ^＋型ＧａＮオーミック層３を露出させこれにオーミック電極を形成する。成長用基板及びバッファ層の抵抗を全く考慮することなくオーミック接触がとれる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、窒化ガリウム系半導体材料を用いたショットキーバリアダイオード装置及びその製造方法に関するものである。

窒化ガリウム系（ＧａＮ系）半導体は、エネルギーギャップが３ｅＶ以上と高い点から青色ＬＥＤ（発光ダイオード）、青紫色のＬＤ（レーザダイオード）などの光デバイスの開発が中心に進められてきたが、ここ数年ＬＥＤやＬＤは製品化フェーズに移行し、研究開発の中心はむしろ破壊電圧が高いという点から電子デバイスに移りつつあるのが現状である。
これまで窒化ガリウム系材料を用いたショットキーバリアダイオードとしては、特許文献１、２などに見られるように、ｎ型の基板上にデバイス構造を構築するか、特許文献３などに見られるようにサファイア基板のような絶縁性基板上にデバイスを構築するかのいずれかであった。これらの公知例では成長用に用いられた基板はいずれの場合も最終段階まで残っている。

ショットキーバリアダイオードにおいて耐圧は低電子キャリア濃度層の厚さに依存し、その直下にある層は抵抗として働くため素子の特性を悪化させるものである。しかしながら、特許文献３などに見られる構造では、窒化ガリウム系材料の成長に通常使われるサファイアを用いているため、オーミック部分においては高電子キャリア濃度半導体層を横方向に電流を流さざるを得ない。ショットキーバリアダイオードでは高電流を用いるため、同じ横方向に電流を流す発光ダイオードと比較しても、高電子キャリア濃度半導体層の抵抗値はその電流増加分だけ下げなければならない。一般に金属よりも抵抗率の高い半導体層の横方向の抵抗をそのように非常に低くするためには現実的な厚さでは実現できない。

一方、特許文献２などに見られるように、ｎ型のＳｉやＳｉＣなどを基板として用いることも試されている。この場合においても基板部分が抵抗成分となることは上述した通りである。それに加えて、ＳｉやＳｉＣなどでは基板結晶が立方晶系であるためそのままでは上に成長したＧａＮ層も立方晶系となる。本願発明において目的とするＧａＮ層は、六方晶系であるため、立方晶系基板から六方晶系に結晶構造を変換・制御する必要があり、現状ではＡｌＮ層を用いているのが普通である（例えば、特許文献４参照) 。しかし、ＡｌＮ層はエネルギーギャップが６．２ｅＶ程度と非常に高く、この状態では基板が導電性であっても、ＡｌＮ層が抵抗成分となるという欠点があった。
上述したように、窒化ガリウム系材料を用いたショットキーバリアダイオードにおいては成長用基板およびバッファ層の電気抵抗が課題となっていた。
特開２００３−６０２１２号公報 特開２００４−２２６３９号公報 特開２００４−３１８９６号公報 特開平５−３４３７４１号公報

本発明は、成長基板及びバッファ層の抵抗を考慮することなくショットキーバリアダイオード素子へのオーミック接触を取ることができる窒化ガリウム系材料を用いたショットキーバリアダイオード装置及びその製造方法を提供する。

本発明の窒化ガリウム系材料を用いたショットキーバリアダイオード装置の一態様は、台座基板と、前記台座基板表面に、少なくともその一主面領域に外部接続端子が接続された金属層と、前記金属層にショットキー電極が接続された窒化ガリウム系ショットキーバリアダイオード素子とを具備したことを特徴としている。
また、本発明の窒化ガリウム系材料を用いたショットキーバリアダイオード装置の製造方法の一態様は、成長用基板上に高電子キャリア濃度窒化ガリウム系半導体層と低電子キャリア濃度窒化ガリウム系半導体層とを順次形成する工程と、前記低電子キャリア濃度窒化ガリウム系半導体層上にショットキー電極を形成する工程と、表面に金属領域を有する台座基板上に前記ショットキー電極を対向して接続されるように配置する工程と、前記成長用基板を除去し前記高電子キャリア濃度窒化ガリウム系半導体層を露出させる工程と、前記露出された高電子キャリア濃度窒化ガリウム系半導体層にオーミック電極を形成する工程と、前記台座基板上に配置積層された前記窒化ガリウム系半導体層を前記台座基板と共に分割する工程とを具備したことを特徴としている。

本発明は、成長用基板及びバッファ層の抵抗を考慮することなく素子へのオーミック接触を取ることができる。

以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。

図１乃至図７を参照して実施例１を説明する。
図１は、この実施例の窒化ガリウム系ショットキーバリアダイオード装置の概略断面図、図２乃至図６は、この実施例の製造工程断面図、図７は、Ｓｉ基板がマウントされた台座基板を示す平面図である。
図１に示すように、この実施例の窒化ガリウム系材料を用いたショットキーバリアダイオード装置は、順次積層された低電子キャリア濃度窒化ガリウム系半導体層（ｎ⁻型ＧａＮ層２）及びｎ⁻型ＧａＮ層２上に形成された高電子キャリア濃度窒化ガリウム系半導体層（ｎ^＋型ＧａＮ層３）の積層半導体層と、このｎ^＋型ＧａＮ層３上に形成されたオーミック電極４と、ｎ⁻型ＧａＮ層２上に形成されたショットキー電極１と、多結晶ＡｌＮからなる絶縁物を材料とする台座基板１０と、台座基板１０主面に形成された第１の金属層（以下、台座電極（第１の台座電極１１）という）と、台座基板１０の裏面に形成された第２の金属層（第２の台座電極１３）及び第１及び第２の台座電極１１、１３を電気的に接続し、台座基板１０の内部に形成されているビアホール１２とを具備しており、ショットキー電極１は、第１の台座電極１１に接合されている。

オーミック電極４には外部接続端子５が接続されている。ｎ⁻型ＧａＮ層２のショットキー電極１が形成された面の周囲領域には、Ｍｇがイオン注入された領域を設けてありガードリング６として用いられる。台座基板１０は、多結晶のＡｌＮよりなっており、表面に金電極が第１の台座電極１１としてパターン形成されており、この表面にダイオード素子のショットキー電極１が対向して接続されている。

次に、図２乃至図７を参照してショットキーバリアダイオード装置の製造方法を説明する。まず、成長用基板７として主面が（１１１）面であるＳｉ基板を準備する。ここに周知のＭＯＣＶＤ法などを用いて順次ＡｌＮ結晶構造変換用第１バッファ層８、アンドープＧａＮ結晶品質改善用第２バッファ層９、ｎ^＋型ＧａＮオーミック層３、ｎ⁻型ＧａＮショットキー層２をこの順でエピタキシャル成長し、窒化ガリウム系素子構造を形成する（図２）。次に、ｎ⁻型ＧａＮショットキー層２表面の所定の領域をイオン注入用マスク１４でマスクして、ガードリング用のイオン注入を行なう。イオン種は、ＭｇやＺｎなどを用いることができる。Ｍｇを用いた場合にはｐ型あるいは高抵抗領域ができ、Ｚｎを用いた場合には高抵抗領域が形成できる（図３）。

次に、ｎ⁻型ＧａＮショットキー層２表面にショットキー電極１を形成する。形成方法は通常の蒸着法と周知のリフトオフ法などを用いる。電極材としては、例えば、ＮｉとＡｕの積層構造を用いる。ショットキー性を高めるために適宜熱処理することも可能である（図４）。次に、表面に金が蒸着などによりパターン形成されて金電極（第１の台座電極）１１とした多結晶ＡｌＮ基板を用意し、これを台座基板１０とする。台座基板１０には貫通孔が形成され、この中に導電層を設けてビアホール１２を構成している。更に裏面には、ビアホール１２を介して第１の台座電極１１とは電気的に接続された金電極（第２の台座電極）１３が形成される。この第１の台座電極１１にショットキー電極１が対向するようにダイオード素子をマウントする（図５）。
次に、台座基板１０にマウントした窒化ガリウム系ダイオード素子構造からＳｉ基板７、ＡｌＮ第１バッファ層８、アンドープＧａＮ第２バッファ層９を除去し、ｎ^＋型ＧａＮオーミック層３を露出させる。除去方法としては、Ｓｉ基板７を弗酸などのウェットエッチング、２つのＧａＮ系材料よりなるバッファ層８、９をドライエッチングする方法が一般的である。このようにして露出されたｎ^＋型ＧａＮオーミック層３にオーミック電極４を形成する。電極材としては、例えば、Ｔｉ／Ａｌ層を含む積層構造を用いることが一般的である（図６）。

図７は、Ｓｉ基板がマウントされた台座基板１０を示す平面図である。これをダイシングラインに沿って、ガードリング６領域を内包するようにダイオード素子を分割する（図７）。外部からこのダイオード装置への電気的接続は、上部オーミック電極４に対してはワイヤボンディングを用いた外部接続端子５が一般的である。一方、下部ショットキー電極１への接続については裏面の第２の台座電極１３に適宜の外部接続端子を設けることができる（図１参照）。
この実施例のショットキーバリアダイオード装置は、成長用基板及びバッファ層がなく高電子キャリア濃度半導体層が露出されているので、成長用基板及びバッファ層の抵抗を全く考慮することなくダイオード素子へのオーミック接触を取ることができる。また、ショットキー電極側をマウントする方法を取ることは、熱の発生し易いショットキー電極部と放熱構造となる台座基板との距離が非常に近いために放熱構造に優れているので、ダイオード素子の電気特性及び信頼性の向上を図ることができる。また、この実施例は、ビアホールを通して裏面に電極を引き出す構造とすることでＧａＮ積層構造と台座基板とが同じ幅で切断することができ、両者を一括して切ることができるので工程が容易である。

次に、図８を参照して実施例２を説明する。
図８は、この実施例の窒化ガリウム系ショットキーバリアダイオード装置の概略断面図である。この実施例では、ＧａＮ積層構造と台座基板とが異なる幅であることに特徴がある。

図８に示すように、この実施例の窒化ガリウム系材料を用いたショットキーバリアダイオード装置は、順次積層された低電子キャリア濃度窒化ガリウム系半導体層（ｎ⁻型ＧａＮ層２２）及びｎ⁻型ＧａＮ層２２上に形成された高電子キャリア濃度窒化ガリウム系半導体層（ｎ^＋型ＧａＮ層２３）の積層半導体層と、このｎ^＋型ＧａＮ層２３上に形成されたオーミック電極２４と、ｎ⁻型ＧａＮ層２２上に形成されたショットキー電極２１と、多結晶ＡｌＮからなる絶縁物を材料とする台座基板２０と、台座基板２０表面に形成された金属層（以下、台座電極という）２７とを具備しており、ショットキー電極２１は、台座電極２７に接合されている。台座電極２７には外部接続端子２８、オーミック電極２４には外部接続端子２５が接続されている。ｎ⁻型ＧａＮ層２２のショットキー電極２１が形成された面の周囲領域には、Ｍｇがイオン注入された領域を設けてガードリング２６としている。台座基板２０は、多結晶のＡｌＮよりなっており、表面に金電極が台座電極２７としてパターン形成されており、この表面にダイオード素子のショットキー電極２１が対向して接続されている。

この実施例のショットキーバリアダイオード装置は、成長用基板及びバッファ層がなく高電子キャリア濃度半導体層が露出されているので、成長用基板及びバッファ層の抵抗を全く考慮することなくダイオード素子へのオーミック接触を取ることができる。この実施例では台座基板２０上の金属層（台座電極）２７にはＧａＮ積層構造と共に外部接続端子２８が形成されているのでＧａＮ積層構造と台座基板２０とでは幅が異なり、纏めてダイシングするには工夫が必要である。また、ショットキー電極側をマウントする方法を取ることは、熱の発生し易いショットキー電極部と放熱構造となる台座基板との距離が非常に近いために放熱構造に優れているので、ダイオード素子の電気特性及び信頼性の向上を図ることができる。

次に、図９及び図１０を参照して実施例３を説明する。
図９及び図１０は、この実施例の窒化ガリウム系ショットキーバリアダイオード装置の概略断面図である。この実施例では、台座基板として金属を用いることに特徴がある。このダイオード装置の製法としては実施例１に準ずるので省略する。図９に示すように、この実施例の窒化ガリウム系材料を用いたショットキーバリアダイオード装置は、順次積層された低電子キャリア濃度窒化ガリウム系半導体層（ｎ⁻型ＧａＮ層３２）及びｎ⁻型ＧａＮ層３２上に形成された高電子キャリア濃度窒化ガリウム系半導体層（ｎ^＋型ＧａＮ層３３）の積層半導体層と、このｎ^＋型ＧａＮ層３３上に形成されたオーミック電極３４と、ｎ⁻型ＧａＮ層３２上に形成されたショットキー電極３１と、銅（Ｃｕ）からなる金属を材料とする台座基板３０とを具備しており、ショットキー電極３１は、台座基板３０表面に接合されている。オーミック電極３４には外部接続端子３５が接続されている。ｎ⁻型ＧａＮ層３２のショットキー電極３１が形成された面の周囲領域には、Ｍｇ、Ｚｎなどがイオン注入された領域を設けてガードリング３６としている。

実施例１では、台座基板として多結晶ＡｌＮ基板を用いたが、この場合には第１バッファ層と材料が同じであるため、第１バッファ層を溶解して成長用基板と共に除去するという方法を取ることができない。そのため、この実施例のように台座基板に銅などの金属板を用いることが有用である。特に銅を用いた場合には熱伝導率に優れているためダイオード素子の放熱性が実施例１よりも改善される効果がある。また、第１バッファ層であるＡｌＮ層を水あるいは弱アルカリ性溶液と超音波などを併用することにより溶解しＳｉ基板ともに剥離除去することも可能である。この方法を用いる場合には、成長用基板として、他にＧａＡｓ、サファイア、多結晶ＡｌＮなどを用いることができる。特に多結晶ＡｌＮ基板を用いた場合には、格子定数差によるウェハの反りも生じ難いという利点がある。また、台座基板となる金属材料としては、銅の他にタングステンやモリブデンなどを用いることも可能であるし、あるいはこれらと銅との合金を用いることも可能である。さらにタングステンやモリブデンをベースとして銀などとの合金を用いることも可能である。これらの合金では薬液処理にも強く、強度も高いという点で有利である。

図９では台座基板上に直接ショットキー側の電極を接続したが、電極の密着性などを考慮すると、変形例として、図１０に示すように台座基板３０である金属材と異なる金属材料、特にＡｕなどを台座電極３７として塗布しておくことも可能である。
この実施例のショットキーバリアダイオード装置は、成長用基板及びバッファ層がなく高電子キャリア濃度半導体層が露出されているので、成長用基板及びバッファ層の抵抗を全く考慮することなくダイオード素子へのオーミック接触を取ることができる。また、ショットキー電極側をマウントする方法を取ることは、熱の発生し易いショットキー電極部と放熱構造となる台座基板との距離が非常に近いために放熱構造に優れているので、ダイオード素子の電気特性及び信頼性の向上を図ることができる。とくにこの実施例では、台座基板に金属を用いているのでその放熱構造はさらに優れている。

次に、図１１を参照して実施例４を説明する。
図１１は、この実施例の窒化ガリウム系ショットキーバリアダイオード装置を形成するための成長用基板に積層された半導体層を示す概略断面図である。ダイオード装置としての製造方法は実施例１と同じなので詳細は省略する。
この実施例の窒化ガリウム系材料を用いたショットキーバリアダイオード装置は、順次積層された低電子キャリア濃度窒化ガリウム系半導体層（ｎ⁻型ＧａＮ層４２）及びｎ⁻型ＧａＮ層４２上に形成された高電子キャリア濃度窒化ガリウム系半導体層（ｎ^＋型ＧａＮ層４３）の積層半導体層と、このｎ^＋型ＧａＮ層４３上に形成されたオーミック電極と、ｎ⁻型ＧａＮ層４２上に形成されたショットキー電極と、台座基板と、台座基板主面に形成された台座電極である金属層とを具備しており、ショットキー電極は、台座電極に接合されている。ｎ⁻型ＧａＮ層４２のショットキー電極が形成された面の周囲領域には、Ｍｇがイオン注入された領域を設けてありガードリングとして用いられる。

このダイオード装置を形成するために半導体層は成長用基板に積層される。成長用基板４７として主面が（１１１）面であるＳｉ板を準備する。ここに周知のＭＯＣＶＤ法などを用いて順次ＡｌＮからなる第１バッファ層４８、ＩｎＮからなる第２バッファ層４９、ｎ^＋型ＧａＮオーミック層４３、ｎ⁻型ＧａＮショットキー層４２をこの順でエピタキシャル成長し、窒化ガリウム系素子構造を形成する。この後、台座基板に窒化ガリウム系素子構造を形成し、成長用基板４７及びバッファ層４８、４９を除去し、電極を設けてダイオード装置を形成する。
この実施例で実施例１と異なる点は、第２バッファ層としてＩｎＮを用いることである。ＩｎＮは熱応力に対する耐性がＧａＮなど他の窒化ガリウム系半導体と比較して弱いので、成長温度である８００℃程度の温度より高い温度に曝されると包含する窒素が半導体より抜けるため結晶性が著しく損なわれる。この性質を利用することでＳｉなどの基板からＧａＮダイオード積層構造部を剥離することが可能となる。このような剥離方法を用いることは基板剥離に薬液や機械的応力を必要としないため、ショットキー電極と台座電極との間の接合に影響を与えることが小さいという点で他の方法より有利である。

また、ショットキー電極側をマウントする方法を取ることは、熱の発生しやすいショットキー電極部と放熱構造となる台座基板との距離が非常に近いため、放熱構造に優れ、素子の電気特性及び信頼性の向上を図ることができる。
この実施例のショットキーバリアダイオード装置は、成長用基板及びバッファ層がなく高電子キャリア濃度半導体層が露出されているので、成長用基板及びバッファ層の抵抗を全く考慮することなくダイオード素子へのオーミック接触を取ることができる。また、ショットキー電極側をマウントする方法を取ることは、熱の発生し易いショットキー電極部と放熱構造となる台座基板との距離が非常に近いために放熱構造に優れているので、ダイオード素子の電気特性及び信頼性の向上を図ることができる。

本発明の一実施例である実施例１の窒化ガリウム系ショットキーバリアダイオード装置の概略断面図。 図１の窒化ガリウム系ショットキーバリアダイオード装置の製造工程断面図。 図１の窒化ガリウム系ショットキーバリアダイオード装置の製造工程断面図。 図１の窒化ガリウム系ショットキーバリアダイオード装置の製造工程断面図。 図１の窒化ガリウム系ショットキーバリアダイオード装置の製造工程断面図。 図１の窒化ガリウム系ショットキーバリアダイオード装置の製造工程断面図。 本発明の一実施例である実施例１に用いるＳｉ基板がマウントされた台座基板を示す平面図。 本発明の一実施例である実施例２の窒化ガリウム系ショットキーバリアダイオード装置の概略断面図。 本発明の一実施例である実施例３の窒化ガリウム系ショットキーバリアダイオード装置の概略断面図。 本発明の一実施例である実施例３の窒化ガリウム系ショットキーバリアダイオード装置の概略断面図。 本発明の一実施例である実施例４の窒化ガリウム系ショットキーバリアダイオード装置を形成するための成長用基板に積層された半導体層を示す概略断面図。

符号の説明

１、２１、３１・・・ショットキー電極
２、２２、３２、４２・・・ｎ⁻型ＧａＮ層
３、２３、３３、４３・・・ｎ^＋型ＧａＮ層
４、２４、３４・・・オーミック電極
５、２５、２８、３５・・・外部接続端子
６、２６、３６・・・ガードリング
７、４７・・・成長用基板
８、９、４８、４９・・・バッファ層
１０、２０、３０・・・台座基板
１１、１３、２７、３７・・・金属層（台座電極）
１２・・・ビアホール

Claims (5)

1. 台座基板と、
   前記台座基板表面に、少なくともその一主面領域に外部接続端子が接続された金属層と、
   前記金属層にショットキー電極が接続された窒化ガリウム系ショットキーバリアダイオード素子とを具備したことを特徴とする窒化ガリウム系ショットキーバリアダイオード装置。
2. 前記台座基板が金属からなり、前記金属層として、前記台座金属表面を用いることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系ショットキーバリアダイオード装置。
3. 前記台座基板が金属からなり、前記金属層は、前記台座基板の材質とは異なる金属からなることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系ショットキーバリアダイオード装置。
4. 前記台座金属が絶縁物であり、前記台座基板の一主面領域にある金属層が、前記台座基板のもう一方の主面にある導電性物質と前記台座基板を貫通して電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系ショットキーバリアダイオード装置。
5. 成長用基板上に高電子キャリア濃度窒化ガリウム系半導体層と低電子キャリア濃度窒化ガリウム系半導体層とを順次形成する工程と、
   前記低電子キャリア濃度窒化ガリウム系半導体層上にショットキー電極を形成する工程と、
   表面に金属領域を有する台座基板上に前記ショットキー電極を対向して接続されるように配置する工程と、
   前記成長用基板を除去し前記高電子キャリア濃度窒化ガリウム系半導体層を露出させる工程と、
   前記露出された高電子キャリア濃度窒化ガリウム系半導体層にオーミック電極を形成する工程と、
   前記台座基板上に配置積層された前記窒化ガリウム系半導体層を前記台座基板と共に分割する工程とを具備したことを特徴とする窒化ガリウム系ショットキーバリアダイオード装置の製造方法。
   
   

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