特許 6441767 半導体装置およびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6441767

(24)【登録日】2018年11月30日

(45)【発行日】2018年12月19日

(54)【発明の名称】半導体装置およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/09 20060101AFI20181210BHJP

   H01L 29/66 20060101ALI20181210BHJP

【ＦＩ】

   G01R33/09

   H01L29/66 M

【請求項の数】4

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2015-159362(P2015-159362)

(22)【出願日】2015年8月12日

(65)【公開番号】特開2017-37030(P2017-37030A)

(43)【公開日】2017年2月16日

【審査請求日】2017年8月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(74)【代理人】

【識別番号】100153006

【弁理士】

【氏名又は名称】小池 勇三

(72)【発明者】

【氏名】田邉 真一

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 則之

【審査官】 續山 浩二

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１０／１４０３９６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００３−０６０２５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０２６６１５９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１４／１７８２４８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００３−２１８０５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２５１１４４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｒ ３３／０９

Ｈ０１Ｌ ２９／６６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

バンドギャップエネルギーが３ｅＶ以上の半導体から構成されて空間電荷制限電流によりキャリアの輸送特性が律速される状態とされたキャリア走行層と、
前記キャリア走行層より高い電子濃度とされたバンドギャップエネルギーが３ｅＶ以上の半導体から構成され、前記キャリア走行層の一方の面に接して形成されて前記キャリア走行層にキャリアを供給する第１キャリア供給層と、
前記キャリア走行層より高い電子濃度とされたバンドギャップエネルギーが３ｅＶ以上の半導体から構成され、前記キャリア走行層の他方の面に接して形成されて前記キャリア走行層にキャリアを供給する第２キャリア供給層と、
前記第１キャリア供給層に電気的に接続する第１電極と、
前記第２キャリア供給層に電気的に接続する第２電極と
を備え、
前記半導体は、窒化物半導体であり、
前記キャリア走行層は、２×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の不純物濃度で炭素が添加されている
ことを特徴とする半導体装置。

【請求項2】

請求項１記載の半導体装置において、
前記第２キャリア供給層は、
前記キャリア走行層に接して形成されて主表面をｃ面とした窒化物半導体からなるキャリア生成層と、
前記キャリア生成層より大きなバンドギャップエネルギーとされて前記キャリア生成層に接して形成されて主表面をｃ面とした窒化物半導体からなる障壁層と
から構成されていることを特徴とする半導体装置。

【請求項3】

請求項１または２記載の半導体装置において、
前記第１キャリア供給層は、電子濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上とされている
ことを特徴とする半導体装置。

【請求項4】

基板の上にバンドギャップエネルギーが３ｅＶ以上の半導体から構成された第１キャリア供給層を形成する第１工程と、
バンドギャップエネルギーが３ｅＶ以上の半導体から構成されて空間電荷制限電流によりキャリアの輸送特性が律速される状態とされたキャリア走行層を前記第１キャリア供給層の上に接して形成する第２工程と、
バンドギャップエネルギーが３ｅＶ以上の半導体から構成された第２キャリア供給層を前記キャリア走行層の上に接して形成する第３工程と、
前記第１キャリア供給層に電気的に接続する第１電極を形成する第４工程と、
前記第２キャリア供給層に電気的に接続する第２電極を形成する第５工程と
を備え、
前記半導体は、窒化物半導体から構成し、
前記キャリア走行層は、２×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の不純物濃度で炭素を添加し、
前記第１キャリア供給層および前記第２キャリア供給層は、前記キャリア走行層より高いキャリア濃度とされて前記キャリア走行層にキャリアを供給する状態に形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、動作環境が１５０℃で最大１０００Ｖまで空間電荷制限電流を発現する半導体装置およびその製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

ハイブリッド自動車や電気自動車に代表されるように、自動車に搭載される機器の電子制御化が近年進んでいる。特に、高電圧で駆動するモーター系の電子制御化が進んでおり、モーターの動作検知や制御を担う磁気センサが必要となっている。これらセンサは高耐圧性と、自動車に特有の環境である高温に耐える信頼性が求められている。現在、動作温度が最大１４０℃で耐圧が３０Ｖの磁気センサが実用化されている。

【0003】

従来の磁気センサはホール素子であることが一般的であるが、磁気センサの高耐圧化の例として、シリコン（Ｓｉ）を用いた新しい磁気センサが提案されている（非特許文献１参照）。この磁気センサ素子は、室温で電子濃度が約２×１０¹²ｃｍ^-3のＳｉからなる層の両面にオーミック電極（電極Ａと電極Ｂ）を形成している。この磁気センサ素子が、動作温度２７℃において、約５０Ｖの印加電圧で動作することが確認されている。

【0004】

この磁気センサの動作原理の概要を説明する。電極ＡからＳｉ層に電子を注入する際、印加電圧が低く、電極Ａから注入する電子濃度がＳｉ層の電子濃度より低い場合は、Ｓｉ層の伝導特性はオーミック性を示し、電流密度Ｊと印加電圧Ｖの間に「Ｊ∝Ｖ¹」の関係がある。より高い電圧を印加して電極Ａから注入する電子濃度をＳｉ層の電子濃度より高くすると、電極ＡとＳｉ層の界面に電子が滞留し、Ｓｉ層の伝導特性は空間電荷制限電流の現象を示し、「Ｊ∝Ｖ²」となる。

【0005】

空間電荷制限電流が現れる電圧において、電子が走行する方向と垂直な方向に磁場が印加されると、印加された磁場によって電子の軌道が変化し、電極Ｂに到達する電子数が、磁場が印加されていない場合に比べて減少する。このように、上記磁気センサ素子では、空間電荷制限電流の現象が生じている時に磁場が印加されると抵抗が上がる。伝導特性がオーミック性の時も磁気抵抗効果は生じるが、生じる抵抗変化は伝導特性が空間電荷制限電流の場合と比べて極めて小さい。従って、空間電荷制限電流の伝導特性の際の磁気抵抗効果を利用することで、高感度な磁気センサが実現できる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】M. P. Delmo et al. , "Large positive magnetoresistive effect in silicon induced by the space-charge effect", Nature, vol.457, pp.1112-1115, 2009.

【非特許文献2】M. P. Delmo et al. , "Space-charge-effect-induced large magnetoresistance in silicon", Journal of Physics: Conference Series, vol.193, 012001, 2009.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところで、Ｓｉを用いた磁気センサには幾つか問題がある。

【0008】

第１の問題は、電極間距離が０．１ｍｍから５ｍｍの範囲であっても、使用可能な電圧領域がせいぜい１００Ｖであることである。電極間距離をより長くすることで高耐圧化は可能であるが、素子サイズが大きくなってしまう。

【0009】

第２の問題は、動作温度が高くなると真性キャリア濃度が高くなることである。２７℃、１００℃、２００℃の各温度で、真性キャリア濃度は、１×１０¹⁰ｃｍ^-3、１×１０¹²ｃｍ^-3、１×１０¹⁴ｃｍ^-3となる。真性キャリア濃度の増加に伴い、オーミック性から空間電荷制限電流に伝導特性が変化する電圧が高電圧側にシフトする。温度によっては、非特許文献２に示すように空間電荷制限電流の現象が現れる前に絶縁破壊に至る可能性があり、Ｓｉを用いた素子では、高温における安定動作という点で問題がある。

【0010】

以上述べたように、空間電荷制限電流の伝導特性を使ったＳｉの磁気センサでは、素子の小型化と高温での安定動作を実現することが困難であった。

【0011】

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、空間電荷制限電流の伝導特性を用いた半導体装置が、高温で安定動作し、より小型にできるようにすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明に係る半導体装置は、バンドギャップエネルギーが３ｅＶ以上の半導体から構成されて空間電荷制限電流によりキャリアの輸送特性が律速される状態とされたキャリア走行層と、キャリア走行層より高い電子濃度とされたバンドギャップエネルギーが３ｅＶ以上の半導体から構成され、キャリア走行層の一方の面に接して形成されてキャリア走行層にキャリアを供給する第１キャリア供給層と、キャリア走行層より高い電子濃度とされたバンドギャップエネルギーが３ｅＶ以上の半導体から構成され、キャリア走行層の他方の面に接して形成されてキャリア走行層にキャリアを供給する第２キャリア供給層と、第１キャリア供給層に電気的に接続する第１電極と、第２キャリア供給層に電気的に接続する第２電極とを備える。

【0013】

上記半導体装置において、半導体は、窒化物半導体であり、キャリア走行層は、２×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の不純物濃度で炭素が添加されている。また、第２キャリア供給層は、キャリア走行層に接して形成されて主表面をｃ面とした窒化物半導体からなるキャリア生成層と、キャリア生成層より大きなバンドギャップエネルギーとされてキャリア生成層に接して形成されて主表面をｃ面とした窒化物半導体からなる障壁層とから構成しても良い。

【0014】

上記半導体装置において、第１キャリア供給層は、電子濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上とされていればよい。

【0015】

本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板の上にバンドギャップエネルギーが３ｅＶ以上の半導体から構成された第１キャリア供給層を形成する第１工程と、バンドギャップエネルギーが３ｅＶ以上の半導体から構成されて空間電荷制限電流によりキャリアの輸送特性が律速される状態とされたキャリア走行層を第１キャリア供給層の上に接して形成する第２工程と、バンドギャップエネルギーが３ｅＶ以上の半導体から構成された第２キャリア供給層をキャリア走行層の上に接して形成する第３工程と、第１キャリア供給層に電気的に接続する第１電極を形成する第４工程と、第２キャリア供給層に電気的に接続する第２電極を形成する第５工程とを備え、第１キャリア供給層および第２キャリア供給層は、キャリア走行層より高いキャリア濃度とされてキャリア走行層にキャリアを供給する状態に形成する。

【0016】

上記半導体装置の製造方法において、半導体は、窒化物半導体から構成し、キャリア走行層は、２×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の不純物濃度で炭素を添加する。

【発明の効果】

【0017】

以上説明したことにより、本発明によれば、空間電荷制限電流の伝導特性を用いた半導体装置が、高温で安定動作し、より小型にできるという優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1A】図１Ａは、本発明の実施の形態における半導体装置の構成を示す断面図である。

【図1B】図１Ｂは、本発明の実施の形態における半導体装置の構成を示す平面図である。

【図2A】図２Ａは、本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法を説明するための製造途中の状態を示す断面図である。

【図2B】図２Ｂは、本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法を説明するための製造途中の状態を示す断面図である。

【図2C】図２Ｃは、本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法を説明するための製造途中の状態を示す断面図である。

【図2D】図２Ｄは、本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法を説明するための製造途中の状態を示す断面図である。

【図3】図３は、調査のために作製した窒化物半導体による半導体装置の構成を示す断面図である。

【図4】図４は、図３を用いて説明した半導体装置の２つの電極間に電圧を印加して流れる電流を測定した結果を示す特性図である。

【図5】図５は、調査のために作製した窒化物半導体による半導体装置の構成を示す断面図である。

【図6】図６は、図３を用いて説明した半導体装置の電流・電圧特性を示す特性図である。

【図7】図７は、本発明の実施の形態２における半導体装置の構成を示す断面図である。

【図8】図８は、実施の形態２における半導体装置のＣ濃度４×１０¹⁹ｃｍ^-3としたキャリア走行層４０１の厚さを、２μｍ，９μｍ，および１８μｍとした３つの素子における電流電圧特性を示す。

【図9】図９は、実施の形態２における半導体装置の、破壊電圧および空間電荷制限電流特性を示す電圧範囲と、キャリア走行層４０１の厚さの相関を示す相関図である。

【図10】図１０は、キャリア走行層４０１の厚さを１８μｍとした実施の形態２の半導体装置の、２５℃および１５０℃における電流電圧特性を示す特性図である。

【図11A】図１１Ａは、本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法を説明するための製造途中の状態を示す断面図である。

【図11B】図１１Ｂは、本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法を説明するための製造途中の状態を示す断面図である。

【図11C】図１１Ｃは、本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法を説明するための製造途中の状態を示す断面図である。

【図11D】図１１Ｄは、本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法を説明するための製造途中の状態を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

【0020】

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１Ａは、本発明の実施の形態における半導体装置の構成を示す断面図である。また、図１Ｂは、本発明の実施の形態における半導体装置の構成を示す平面図である。

【0021】

この半導体装置は磁気センサであり、キャリア走行層１０１と、キャリア走行層１０１の一方の面に接して形成された第１キャリア供給層１０２と、キャリア走行層１０１の他方の面に接して形成された第２キャリア供給層１０３とを備える。また、第１キャリア供給層１０２に電気的に接続する第１電極１０４と、第２キャリア供給層１０３に電気的に接続する第２電極１０５とを備える。

【0022】

キャリア走行層１０１は、バンドギャップエネルギーが３ｅＶ以上の半導体から構成されて空間電荷制限電流によりキャリアの輸送特性が律速される状態とされている。第１キャリア供給層１０２は、キャリア走行層１０１より高い電子濃度とされたバンドギャップエネルギーが３ｅＶ以上の半導体から構成され、キャリア走行層１０１にキャリアを供給する。第２キャリア供給層１０３は、キャリア走行層１０１より高い電子濃度とされたバンドギャップエネルギーが３ｅＶ以上の半導体から構成され、キャリア走行層１０１にキャリアを供給する。

【0023】

実施の形態１において、キャリア走行層１０１，第１キャリア供給層１０２，第２キャリア供給層１０３を構成する半導体は、例えばＧａＮなどの窒化物半導体である。ＧａＮなどの窒化物半導体から構成した第１キャリア供給層１０２，第２キャリア供給層１０３は、シリコンがドープされてｎ型とされ、キャリア走行層１０１より高い電子濃度とされている。この場合、電子濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上とされていれば良い。また、ＧａＮなどの窒化物半導体から構成したキャリア走行層１０１は、２×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の不純物濃度で炭素（Ｃ）が添加され、空間電荷制限電流によりキャリアの輸送特性が律速される状態とされている。

【0024】

なお、窒化物半導体から構成された第１キャリア供給層１０２は、窒化物半導体から構成されたバッファ層１０６を介してサファイア基板１０７の上に形成され、第１キャリア供給層１０２の上にキャリア走行層１０１が形成され、キャリア走行層１０１の上に第２キャリア供給層１０３が形成されている。また、厚さ方向に一部の第１キャリア供給層１０２と、キャリア走行層１０１および第２キャリア供給層１０３は、平面視円形のメサに形成されている。第１電極１０４は、リング状とされ、メサ周囲の第１キャリア供給層１０２の上にオーミック接触（オーミック接続）している。また、第２キャリア供給層１０３の上にオーミック接触して第２電極１０５が形成されている。

【0025】

次に、製造方法について説明する。まず、図２Ａに示すように、主表面を（０００１）面としたサファイア基板１０７の上に、アンドープのＧａＮからなるバッファ層１０６を形成し、次いで、導電性不純物としてＳｉをドープしたｎ型のＧａＮ（電子濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上）からなる第１窒化物半導体層１０２ａを形成する。

【0026】

次に、図２Ｂに示すように、第１窒化物半導体層１０２ａの上に、Ｃをドープ（濃度４×１０¹⁹ｃｍ^-3）したＧａＮからなる厚さ２μｍ程度の第２窒化物半導体層１０１ａを形成する。次に、図２Ｃに示すように、第２窒化物半導体層１０１ａの上に、導電性不純物としてＳｉをドープしたｎ型のＧａＮ（電子濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上）からなる第３窒化物半導体層１０３ａを形成する。

【0027】

バッファ層１０６，第１窒化物半導体層１０２ａ，第２窒化物半導体層１０１ａ，第３窒化物半導体層１０３ａは、よく知られた有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法や、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法により、エピタキシャル成長することで形成すれば良い。例えば、Ｇａ原料としてトリメチルガリウムを用い、窒素原料としてアンモニアを用いれば良い。また、Ｃをドープするためには、アセチレンなどの炭化水素ガスを用いてＣをＧａＮに添加することが可能であるが、成長温度や成長圧力を調整することで、有機金属原料に含まれるアルキル基（例えばメチル基）により、ドープするＣ添加濃度を制御することもできる。

【0028】

このようにして、サファイア基板１０７の（０００１）面上にエピタキシャル成長した各窒化物半導体の層は、ｃ軸方向に結晶成長し、主表面をｃ面［（０００１）面］として形成される。

【0029】

次に、よく知られたフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術により、第３窒化物半導体層１０３ａ，第２窒化物半導体層１０１ａ、および厚さ方向に一部の第１窒化物半導体層１０２ａをパターニングすることで、図２Ｄに示すように、メサ形状とされた第２キャリア供給層１０３，キャリア走行層１０１，第１キャリア供給層１０２が、サファイア基板１０７（バッファ層１０６）の上に形成された状態とする。このメサの形成においては、メサ周囲に、第１キャリア供給層１０２の上面を露出させることが重要である。

【0030】

この後、メサ周囲の第１キャリア供給層１０２の上にオーミック接触する第１電極１０４を形成し、第２キャリア供給層１０３の上にオーミック接触する第２電極１０５を形成する。例えば、電極形成領域に開口部を有するレジストパターン（リフトオフパターン）を形成し、この上より、Ｔｉ，Ａｌ，Ｔｉ，Ａｕを順に蒸着し、次いで、レジストパターンを除去（リフトオフ）する。これにより各電極が形成される。この後、不活性雰囲気（例えばＮ₂雰囲気）で加熱することで、各電極を、オーミック接触させる。以上のことにより、実施の形態１における半導体装置が得られる。

【0031】

上述したように、本発明では、磁気センサにおける空間電荷制限電流を担うキャリア走行層１０１を、ＧａＮなどのバンドギャップが３ｅＶ以上の半導体（ワイドギャップ半導体）を用い、さらに、この半導体に適切な不純物を添加することにより、キャリア走行層１０１における残留キャリア濃度を真性キャリア濃度に近づけ、キャリア輸送特性が空間電荷制限電流で律速されるようにした。

【0032】

さらに、キャリア走行層１０１に対し高濃度のキャリアを供給する層として、非特許文献１にあるように金属からキャリア走行層に直接キャリアを注入する構造ではなく、高濃度ドーピングを施した半導体層による第１キャリア供給層１０２，第２キャリア供給層１０３を用い、これらでキャリア走行層１０１を挟む構造とすることで、キャリア走行層１０１に多量のキャリアを効率よく注入できるようにした。

【0033】

上述したように、本発明では、高温における真性キャリア濃度が十分に低く、かつ、温度変化に対する真性キャリア濃度の変化が少なく、さらに、破壊電界強度が高い材料を用いることで、従来の問題を解消するようにした。

【0034】

以下、本発明を成し得るに至った経緯について、発明者らによる検討結果を基に説明する。以下では、ワイドギャップ半導体としてＧａＮを取り上げ、また、添加する不純物として炭素（Ｃ）を用いた場合を例に取って説明する。

【0035】

ＧａＮのバンドギャップエネルギーはおよそ３．４ｅＶであり、Ｓｉのバンドギャップエネルギーエネルギー（１．１ｅＶ）よりも大きい。また、このようにバンドギャップエネルギーが大きなＧａＮの絶縁破壊電界強度は、３．３ＭＶ／ｃｍであり、Ｓｉの絶縁破壊電界強度（０．３ＭＶ／ｃｍ）のおよそ１０倍である。

【0036】

従って、ＧａＮを用いることで、同じ耐圧を得るためにはＳｉに比べて電極間距離を１／１０にすることが可能であり、素子の小型化につながる。

【0037】

また、バンドギャップエネルギーの大きいＧａＮは、真性キャリア濃度が低く、２７℃において４×１０^-11ｃｍ^-3、２００℃においてすら２×１０⁰ｃｍ^-3と、Ｓｉの真性キャリア濃度に比べて十分に低い値となっている。

【0038】

これらの特性から、バンドギャップエネルギーが大きなＧａＮを用いた磁気センサは、小型でかつ高温においても安定に動作させる可能性を有している。

【0039】

ところで、ＧａＮは、ＭＯＣＶＤ法をはじめとした気相成長法によりさまざまな基板上に成膜される。こうして得られたＧａＮは、一般的にＮ空孔や残留不純物を含み、これら影響により１０¹⁵ｃｍ^-3程度の残留キャリア（通常は電子）を含むため、磁気センサには適さない。

【0040】

ここで、図３に示す、１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の電子濃度を有するｎ型ＧａＮ基板２０１の上に、アンドープのＧａＮ層２０２，アンドープのＡｌＧａＮ層２０３を順次成膜させ、ｎ型ＧａＮ基板２０１の裏面に第１オーミック電極２０４を形成し、ＡｌＧａＮ層２０３の上に第２オーミック電極２０５を形成した素子を作製し、２つの電極間に電圧を印加して流れる電流を測定した結果について説明する。電流測定の結果は、図４に示す。

【0041】

上述した素子は、各窒化物半導体層をＣ軸方向にエピタキシャル成長して作製しており、ＡｌＧａＮとＧａＮとの格子定数差に起因するピエゾ分極が、自発分極を相殺しない状態で発生する。ＧａＮ層２０２の上にＡｌＧａＮ層２０３を形成すると、これらの間の格子定数の違いによりＡｌＧａＮ層２０３に引っ張り応力が加わり、これによって自発分極効果を強める方向にピエゾ分極効果が現れる。このため、ＧａＮ層２０２とＡｌＧａＮ層２０３との界面には、高濃度の電子（２次元電子ガス：２ＤＥＧ）２１１が発生する。また、適切な電極を選択することによって、ＡｌＧａＮ層２０３の表面から、上述したように発生する２ＤＥＧ２１１へ、オーミック接触を取ることが可能である。ＧａＮ層２０２における残留キャリア濃度が十分に低ければ、低電圧領域で電流が電圧に比例するオーミック領域から、電流が電圧の２乗に比例する空間電荷制限電流領域まで得られるはずである。

【0042】

しかしながら、図４に示すように、空間電荷制限電流が観察される前に絶縁破壊に至った。これは、ＧａＮ層２０２における残留キャリア濃度が、上述したように十分に低くなっていないためである。このような状態では、磁気センサに適用するに適さない。

【0043】

上述したことに対し、残留キャリア濃度を低下させるために、図５に示すように、ＣをドープしたＧａＮ層２０６を、ｎ型ＧａＮ基板２０１とＧａＮ層２０２との間に配置した。ＧａＮ層２０６では、ドープしたＣが深い電子トラップ準位を形成し、ＧａＮ中の残留キャリアである残留電子を捕獲する効果を有する。ＧａＮ層２０６におけるＣ濃度を２×１０¹⁸ｃｍ^-3、ＧａＮ層２０６の厚さを２μｍとした場合の電流・電圧特性は、図６に示すように、１０Ｖ程度までの電流が電圧に比例する領域から、１０Ｖを越えて３０Ｖ程度までの領域で、電流が電圧の２乗に比例する空間電荷制限電流の特性を示し、３０Ｖにおいて絶縁破壊している。このように、ＣをドープしたＧａＮ層２０６を挿入することで、磁気センサに適用可能な電流・電圧特性が示されるようになった。

【0044】

発明者らの検討により、ＧａＮ層２０６におけるＣドーピング濃度が２×１０¹⁸ｃｍ^-3未満では、空間電荷制限電流は観測されないことが確認された。従って、空間電荷制限電流を発生させるためには、少なくとも２×１０¹⁸ｃｍ^-3以上のＣのドーピング量が必要である。また、発明者らの検討により、より望ましくは、上述のＣドーピング量は、１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上とすることが良いことが判明した。

【0045】

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図７を用いて説明する。図７は、本発明の実施の形態２における半導体装置の構成を示す断面図である。

【0046】

この半導体装置は磁気センサであり、キャリア走行層４０１と、キャリア走行層４０１の一方の面に接して形成された第１キャリア供給層４０２と、キャリア走行層４０１の他方の面に接して形成された第２キャリア供給層４０３とを備える。また、第１キャリア供給層４０２に電気的に接続する第１電極４０４と、第２キャリア供給層４０３に電気的に接続する第２電極４０５とを備える。

【0047】

キャリア走行層４０１は、バンドギャップエネルギーが３ｅＶ以上の半導体から構成されて空間電荷制限電流によりキャリアの輸送特性が律速される状態とされている。第１キャリア供給層４０２は、キャリア走行層４０１より高い電子濃度とされたバンドギャップエネルギーが３ｅＶ以上の半導体から構成され、キャリア走行層４０１にキャリアを供給する。

【0048】

実施の形態２では、第２キャリア供給層４０３が、キャリア走行層４０１に接して形成されて主表面をｃ面とした窒化物半導体からなるキャリア生成層４３１と、キャリア生成層４３１より大きなバンドギャップエネルギーとされてキャリア生成層４３１に接して形成されて主表面をｃ面とした窒化物半導体からなる障壁層４３２とから構成されている。キャリア生成層４３１は、例えばアンドープのＧａＮから構成され、障壁層４３２は、例えば、アンドープのＡｌＧａＮから構成されている。

【0049】

このように構成した第２キャリア供給層４０３では、キャリア生成層４３１と障壁層４３２との間の格子定数差に起因するピエゾ分極が、Ｃ軸方向に結晶成長した窒化物半導体における自発分極を相殺しない状態で発生する。キャリア生成層４３１と障壁層４３２とのヘテロ接合界面には、高濃度の電子（２次元電子ガス：２ＤＥＧ）４１１が発生する。なお、キャリア生成層４３１および障壁層４３２は、バンドギャップエネルギーが３ｅＶ以上の半導体から構成されている。

【0050】

実施の形態２において、キャリア走行層４０１，第１キャリア供給層４０２を構成する半導体は、例えばＧａＮなどの窒化物半導体である。また、実施の形態２において、第１キャリア供給層４０２は、例えば、主表面の面方位を（０００１）面としたｎ型のＧａＮ基板であり、電子濃度が１×１０¹⁸×ｃｍ^-3以上とされ、キャリア走行層４０１より高い電子濃度とされている。

【0051】

一方、第２キャリア供給層４０３は、キャリア生成層４３１と障壁層４３２とのヘテロ界面に誘起した２ＤＥＧ４１１により、キャリア走行層４０１より高い電子濃度とされている。このように構成された第２キャリア供給層４０３は、キャリア走行層４０１にキャリアを供給する。

【0052】

また、ＧａＮなどの窒化物半導体から構成したキャリア走行層４０１は、２×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の不純物濃度で炭素（Ｃ）が添加され、空間電荷制限電流によりキャリアの輸送特性が律速される状態とされている。例えば、キャリア走行層４０１は、不純物濃度が４×１０¹⁹ｃｍ^-3とされている。

【0053】

なお、実施の形態２において、第１電極４０４は、第１キャリア供給層４０２のキャリア走行層４０１が形成されていない側の面（裏面）に、オーミック接触して形成されている。また、第２電極４０５は、障壁層４３２のキャリア生成層４３１が形成されていない側の面（表面）に、オーミック接触して形成されている。

【0054】

次に、実施の形態２における半導体装置の電流電圧特性について説明する。図８に、Ｃ濃度４×１０¹⁹ｃｍ^-3とされたキャリア走行層４０１の厚さを、２μｍ，９μｍ，および１８μｍとした３つの素子における電流電圧特性を示す。図７に示すように、いずれの素子においても、低電圧においてオーミック特性を示す領域から電流が電圧の２乗に比例する空間電荷制限電流特性を示す領域を経て、素子破壊へと至る特性を示す。また、キャリア走行層４０１が厚くなることによって、素子破壊に至る電圧が増大するとともに、空間電荷制限電流特性を示す電圧範囲が高電圧シフトする傾向を示す。

【0055】

これらの結果から、破壊電圧および空間電荷制限電流特性を示す（磁気センサとして動作可能な）電圧範囲と、キャリア走行層４０１の厚さの相関が、図９に示すように得られる。このように、キャリア走行層４０１の厚さを制御することによって、所望の動作電圧の磁気センサを作製することが可能である。

【0056】

次に、実施の形態２における半導体装置の温度特性について説明する。キャリア走行層４０１の厚さを１８μｍとした実施の形態２の半導体装置の、２５℃および１５０℃における電流電圧特性を図１０に示す。温度が高くい状態では、電流値が増加しているものの、破壊電圧はほとんど変化していない。また、空間電荷制限電流特性を示す電圧範囲は、２５℃で１００〜１０００Ｖであるが、１５０℃では１０〜１０００Ｖであり、温度上昇による特性不安定化は見られない。このように、実施の形態２における半導体装置によれば、高温においても安定に動作する磁気センサを実現することが可能である。

【0057】

次に、実施の形態２における半導体装置の製造方法について説明する。まず、図１１Ａに示すように、主表面を（０００１）面としたＧａＮ基板からなる第１キャリア供給層４０２の上に、Ｃをドープ（濃度４×１０¹⁹ｃｍ^-3）したＧａＮからなる厚さ１８μｍ程度のキャリア走行層４０１を形成する。次に、図１１Ｂに示すように、キャリア走行層４０１の上に、アンドープのＧａＮから構成したキャリア生成層４３１を形成する。次いで、図１１Ｃに示すように、キャリア生成層４３１の上に、アンドープのＡｌＧａＮから構成した障壁層４３２を形成する。

【0058】

バッファ層１０６，キャリア走行層４０１，キャリア生成層４３１，障壁層４３２は、よく知られたＭＯＣＶＤ法や、ＭＢＥ法により、エピタキシャル成長することで形成すれば良い。例えば、Ｇａ原料としてトリメチルガリウムを用い、窒素原料としてアンモニアを用い、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウムを用いれば良い。また、Ｃをドープするためには、アセチレンなどの炭化水素ガスを用いてＣをＧａＮに添加することが可能であるが、成長温度や成長圧力を調整することで、有機金属原料に含まれるアルキル基（例えばメチル基）により、ドープするＣ添加濃度を制御することもできる。

【0059】

このようにして、第１キャリア供給層４０２の（０００１）面上にエピタキシャル成長した各窒化物半導体の層は、ｃ軸方向に結晶成長し、主表面をｃ面［（０００１）面］として形成される。

【0060】

次に、よく知られたフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術により、図１１Ｄに示すように、キャリア生成層４３１および障壁層４３２を所定のメサ形状にパターニングする。

【0061】

この後、第１キャリア供給層４０２の裏面にオーミック接触する第１電極４０４を形成し、障壁層４３２の上にオーミック接触する第２電極４０５を形成する。第１電極４０４は、例えば、第１キャリア供給層４０２の裏面に、Ｔｉ，Ａｌ，Ｔｉ，Ａｕを順に蒸着することで形成すれば良い。また、第２電極４０５は、例えば、電極形成領域に開口部を有するレジストパターン（リフトオフパターン）を形成し、この上より、Ｔｉ，Ａｌ，Ｔｉ，Ａｕを順に蒸着し、次いで、レジストパターンを除去（リフトオフ）することで形成すれば良い。この後、不活性雰囲気（例えばＮ₂雰囲気）で加熱することで、各電極を、オーミック接触させる。以上のことにより、実施の形態２における半導体装置が得られる。

【0062】

以上に説明したように、本発明によれば、キャリア走行層をバンドギャップエネルギーが３ｅＶ以上の半導体から構成されて空間電荷制限電流によりキャリアの輸送特性が律速される状態とし、これを２つのキャリア供給層で挾むようにしたので、空間電荷制限電流の伝導特性を用いた半導体装置を、高温で安定動作させることができ、また、より小型にできる。

【0063】

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、窒化物半導体の自発分極を利用しない場合、（０００１）面方位とは異なる面方位の窒化物半導体から構成しても良い。また、ｐ型の窒化物半導体、ダイヤモンド、炭化シリコン、酸化ガリウム、Ｉｎ_1-x-yＡｌ_xＧａ_yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）などのバンドギャップエネルギーが３ｅＶ以上での半導体を用いるようにしても同様である。

【符号の説明】

【0064】

１０１…キャリア走行層、１０２…第１キャリア供給層、１０３…第２キャリア供給層、１０４…第１電極、１０５…第２電極、１０６…バッファ層、１０７…サファイア基板。

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11A】

【図11B】

【図11C】

【図11D】