JP2008227356A - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 窒化物半導体結晶を用いる半導体装置において、ノーマリオフ動作が実現できるとともに製造が用意な構造を提供する。
【解決手段】 半導体装置は、上側表面が(0001)結晶面である窒化物半導体結晶とゲート電極を備えている。前記窒化物半導体結晶の上側表面には、少なくとも一つのトレンチが形成されている。前記ゲート電極は、少なくとも前記トレンチの側面に絶縁層を介して対向している。そして、前記トレンチの側面の少なくとも一部は、(11−22)結晶面又は(1−101)結晶面であることを特徴とする。
【選択図】 図1

Description

本発明は、窒化物半導体結晶を用いた半導体装置に関する。
特許文献1に、窒化物半導体結晶を用いた半導体装置が開示されている。この半導体装置は、窒化物半導体結晶と、その窒化物半導体結晶の上側表面に絶縁層を介して対向するゲート電極を有している。窒化物半導体結晶は、第1種類の窒化物半導体(窒化ガリウム)で構成された第1層と、第1層の上側に積層されているとともに第2種類の窒化物半導体(窒化ガリウム・アルミニウム)で構成された第2層を有している。第1層と第2層はバンドギャップが互いに異なることから、両者の境界面はヘテロ接合面となっている。第1層と第2層とのヘテロ接合面の一部には、ゲート電極が一方側から対向している。
ヘテロ接合電界効果トランジスタでは、チャネルとなるヘテロ接合面を(0001)結晶面上に形成すると、ピエゾ効果及び自発分極に起因する電界の発生によって、ヘテロ接合面に高密度の2次元電子ガス層が形成される。ヘテロ接合面に高密度の2次元電子ガス層が形成されると、ゲート電極に電圧を印加していない時でも、ヘテロ接合面は多数の電子が走行可能な状態となっており、半導体装置はオンの状態となる。即ち、半導体装置は、ノーマリオン型の挙動を示す。
それに対して、特許文献1の半導体装置では、チャネルとなるヘテロ接合面を(11−20)結晶面上に形成している。(11−20)結晶面は、厚み方向に極性が変化しない無極性面である。そのことから、(11−20)結晶面上に形成したヘテロ接合面では、自発分極及びピエゾ分極が発生せず、2次元電子ガス層の密度が顕著に低下する。その結果、ゲート電極に電圧を印加しない状態では、ヘテロ接合面における電子の走行が抑止され、半導体装置はオフの状態となる。特許文献1には、ほぼノーマリオフ型の動作特性が確認されたと報告されている。
ここで、(11−20)という表記の「2」の前に付された「−」は、一般に「2」の上部に付すべき「バー」を示すものである。本願の明細書及び特許請求の範囲では、結晶面や結晶軸の表記を同様に行うものとする。また、特に言及しない限り、例えば(1−100)結晶面という表記は、(1−100)結晶面とそれに等価な結晶面を含むものとする。同様に、例えば<11−20>結晶軸という表記は、<11−20>結晶軸とそれに等価な結晶軸を含むものとする。
特開2006−324465号公報
特許文献1の半導体装置は、その製造工程において、主表面が(1102)結晶面であるサファイア基板の上に、(11−20)結晶軸配向の窒化物半導体層を結晶成長させる必要がある。しかしながら、このような結晶成長は非常に困難であり、結晶成長させた窒化物半導体層の表面に、必ずしも良好な(11−20)結晶面が現れるとは限らない。特許文献1の半導体装置は、ノーマリオフ動作を期待できる構造を有しているが、その構造を実際に実現することは難しいという問題がある。
本発明は、上記の課題を解決する。本発明は、ノーマリオフ動作を実現するとともに、その製造が比較的に容易な半導体装置を具現化するための技術を提供する。
本発明によって具現化される半導体装置は、上側表面が(0001)結晶面である窒化物半導体結晶とゲート電極を備えている。前記窒化物半導体結晶の上側表面には、少なくとも一つのトレンチが形成されている。前記ゲート電極は、少なくとも前記トレンチの側面に絶縁層を介して対向している。そして、前記トレンチの側面の少なくとも一部は、(11−22)結晶面又は(1−101)結晶面であることを特徴とする。
ここで、窒化物半導体結晶の上側表面とは、鉛直上方に位置する表面を意図するものではなく、半導体装置の各構成の位置関係を明確にするために便宜上定めるものである。本明細書および特許請求の範囲では、窒化物半導体結晶の複数の表面のうち、ゲート電極が配設された表面を上側表面と定め、上側表面に対向する表面を下側表面と定める。そして、下側表面から上側表面に向かう方向を上方と表現し、上側表面から下側表面に向かう方向を下方と表現し、上側表面及び下側表面に平行な方向を側方と表現する。
この半導体装置では、トレンチの側面に(11−22)結晶面又は(1−101)結晶面が形成され、そのトレンチの側面にゲート電極が対向する構造を有している。それにより、キャリアが走行するチャネルが(11−22)結晶面又は(1−101)結晶面上に形成される。(11−22)結晶面と(1−101)結晶面は、例えば(0001)結晶面と比較して、厚み方向に極性の変化が小さい半極性面である。そのことから、(0001)結晶面上に形成されたチャネルでは、ピエゾ効果や自発分極に起因する電界の発生が抑制され、二次元電子ガス層の密度は顕著に低下する。その結果、ゲート電極に電圧を印加しない状態では、チャネルにおいて電子の走行が抑止され、半導体装置はオフの状態となる。
主たる表面が(0001)結晶面である窒化物半導体結晶は、その製造が比較的に容易であり、均質な結晶を得やすいという利点を持つ。本発明に係る半導体装置は、表面が(0001)結晶面である窒化物半導体結晶を利用することから、容易に製造することができる。
上記した半導体装置では、窒化物半導体結晶が、第1種類の窒化物半導体で構成された第1層と、第1領域の上方に積層されているとともに第2種類の窒化物半導体で構成された第2層を備えていることが好ましい。この場合、前記第1層と前記第2層の境界面の少なくとも一部は、前記トレンチの側面に平行であることが好ましい。
この半導体装置では、(11−22)結晶面又は(1−101)結晶面上に第1層と第2層のヘテロ接合面が形成されており、そのヘテロ接合面に沿ってチャネルが形成される。ゲート電極に電圧を印加した状態では、ヘテロ接合面に沿って高密度の二次元電子ガス層が形成され、多数の電子が走行可能なチャネルが形成される。それにより、半導体装置のオン抵抗は顕著に低下する。
上記の構造を採用する場合、前記第1種類の窒化物半導体は窒化ガリウムとし、前記第2種類の窒化物半導体は窒化ガリウム・アルミニウムとすることが好ましい。
これらの材料の組み合わせであると、適度なバンドギャップの差異によって、チャネルに適したヘテロ接合面が形成される。
上記の半導体装置では、前記トレンチが<1−100>結晶軸に平行に伸びており、前記トレンチの側面が(11−22)結晶面であることが好ましい。
あるいは、前記トレンチが<11−20>結晶軸に平行に伸びており、前記トレンチの側面が(1−101)結晶面であることが好ましい。
これらの構成であれば、前記トレンチの側面に(11−22)結晶面又は(1−101)結晶面をより広く形成することができる。
本発明に係る半導体装置は、以下に説明する製造方法によって製造することができる。この製造方法は、上側表面が(0001)結晶面である窒化物半導体結晶を用意する工程と、前記窒化物半導体結晶の上側表面に、<1−100>結晶軸又は<11−20>結晶軸に平行に伸びるトレンチを形成するトレンチ形成工程と、前記トレンチを形成した窒化物半導体結晶をアンモニアを含むガスの雰囲気下で加熱処理し、前記トレンチの側面の少なくとも一部に(11−22)結晶面又は(1−101)結晶面を形成する熱処理工程と、前記トレンチの側面に絶縁層を介して対向するゲート電極を形成する電極形成工程を備えている。
窒化物半導体結晶をアンモニアを含むガスの雰囲気下で加熱処理すると、結晶の表面エネルギーが最小となるようにIII族元素の原子や窒素原子の移動が起こり、窒化物半導体結晶の表面は比較的に表面エネルギーが小さい結晶面へ変化する。従って、窒化物半導体結晶の(0001)結晶面にトレンチを形成し、トレンチ形成後の窒化物半導体をアンモニアを含む反応ガス雰囲気下で加熱処理すると、トレンチの側面に(11−22)結晶面や(1−101)結晶面を形成することができる。この手法によると、窒化物半導体結晶の表面に、均質な(11−22)結晶面や(1−101)結晶面を容易に形成することができる。
この製造方法によれば、表面が(0001)結晶面である窒化物半導体結晶から、特別な結晶成長を行うことなく、上記した半導体装置を容易に製造することができる。
上記の製造方法は、前記トレンチの側面に形成した(11−22)結晶面又は(1−101)結晶面に、第2種類の窒化物半導体で構成される第2層を結晶成長させる工程をさらに備えることが好ましい。
それにより、(11−22)結晶面又は(1−101)結晶面上にヘテロ接合面を形成し、そのヘテロ接合面に沿ってチャネルが形成される半導体装置を製造することができる。
トレンチの側面に第2層を積層する場合、トレンチの側面には窒化ガリウムの結晶面が露出しており、積層させる第2種類の窒化物半導体は窒化ガリウム・アルミニウムであることが好ましい。
これらの材料の組み合わせにより、適度なバンドギャップの差異によって、チャネルに適したヘテロ接合面を形成することができる。
本発明により、窒化物半導体結晶を用いる半導体装置であって、ノーマリオフ動作を実現するとともに、その製造が比較的に容易な半導体装置が具現化される。
最初に、以下に説明する実施例の主要な特徴を列記する。
(特徴1) トレンチ形成後の窒化物半導体結晶を熱処理する際は、窒化物半導体結晶の上側表面(トレンチの形成範囲は除く)に、窒化ガリウム・アルミニウム層を形成しておくことが好ましい。窒化ガリウム・アルミニウム層は結合度が強く、熱処理において原子が離脱しないことから、窒化物半導体結晶の上側表面を維持するマスクとして機能する。
(特徴2) 窒化物半導体基板の上側表面に<1−100>結晶軸に平行に伸びるトレンチを形成した場合、その後の熱処理によってトレンチの側面に(11−22)結晶面を形成することができる。窒化物半導体基板の上側表面に<11−20>結晶軸に平行に伸びるトレンチを形成した場合、その後の熱処理によってトレンチの側面に(1−101)結晶面を形成することができる
(特徴3) 半導体装置は、窒化物半導体結晶の上側表面に形成されているソース電極と、窒化物半導体結晶の下側表面に形成されているドレイン電極を備えている。
(実施例1)
図1は、実施例1の半導体装置10の要部断面図を模式的に示している。図1は、半導体装置10の単位構造を模式的に示すものである。半導体装置10には、図1に示す単位構造が図1の左右方向に繰返し形成されている。
半導体装置10は、窒化物半導体結晶20を備えている。窒化物半導体結晶20は、窒化物半導体の結晶体であり、六方晶の構造を有している。窒化物半導体結晶20の上側表面20aは(0001)結晶面であり、下側表面20bは(000−1)結晶面である。
窒化物半導体結晶20は、窒化ガリウム(GaN)で構成されたGaN層(第1層)22、24、26と、窒化ガリウム・アルミニウム(AlGaN)で構成されたAlGaN層(第2層)27、28を備えている。AlGaN層27、28は、GaN層22、24、26の上方に積層されている。GaN層22、24、26とAlGaN層27、28はバンドギャップが互いに異なることから、GaN層22、24、26とAlGaN層27、28の境界面30はヘテロ接合面となっている。以下、GaN層22、24、26とAlGaN層27、28の境界面30を、単にヘテロ接合面30と記すことがある。
GaN層(第1層)22、24、26の上側表面26aには、トレンチ46が形成されている。図2に、トレンチ46に係る構造を拡大して示す。図1、2に示すように、トレンチ46は、<1−100>結晶軸に平行(図1の奥行方向)に伸びている。トレンチ46は略V字形状の断面を有しており、トレンチ46の一対の側面46aは<11−22>結晶面となっている。トレンチ46の側面46aと底面46bは、略120度の角度を成している。また、トレンチ46の側面46aとGaN層(第1層)22、24、26の上側表面26aも、略120度の角度を成している。
図1、図2に示すように、トレンチ46の内部には、ゲート電極36とゲート絶縁膜37が形成されている。ゲート絶縁膜37は、トレンチ46の表面(側面46a及び底面46b)上、及び、トレンチ46の両側に位置するGaN層(第1層)22、24、26の上側表面26a上に形成されている。ゲート電極36は、ゲート絶縁膜37の上に形成されている。ゲート電極36は、ゲート絶縁膜37を介して、トレンチ46の側面46a及び底面46bに対向している。ゲート絶縁膜37やゲート電極36を構成する材料は特に限定されない。本実施例では、ゲート絶縁膜37を酸化シリコン(SiO)によって形成し、ゲート電極36を多結晶シリコン(Poly Si)によって形成している。
窒化物半導体結晶20のGaN層22、24、26は、導入されている不純物の種類や濃度に応じて、GaN基板層22と、高抵抗GaN層24と、p型GaN層26と、ソース領域42に区分することができる。また、AlGaN層27、28は、ガリウムとアルミニウムの含有率に応じて、第1AlGaN層27と第2AlGaN層28に区分することができる。ソース領域42は、ヘテロ接合面30を越えて第1AlGaN層27まで伸びている。
GaN基板層22は、窒化物半導体結晶20の最下層部に位置している。GaN基板層22は、n型の不純物を含むn型の半導体領域となっている。なお、GaN基板層22は不純物が導入されていないi型の半導体領域とすることもできる。
高抵抗GaN層24は、GaN基板層22の上方に積層されている。高抵抗GaN層24は、n型の不純物を比較的に低濃度に含むn型の半導体領域となっている。本実施例では、n型の不純物にシリコン(Si)が用いられており、その濃度は約1×1016cm−3に調整されている。
p型GaN層26は、高抵抗GaN層24の上方に積層されている。p型GaN層26は、p型の不純物を含むp型の半導体領域となっている。本実施例では、p型の不純物にマグネシウム(Mg)が用いられており、その濃度は約5×1019cm−3に調整されている。なお、p型GaN層26は、高抵抗GaN層24の一部の上方に形成されている。p型GaN層26は、窒化物半導体基板20の上側表面20a(トレンチ46の形成範囲は除く)の下方に位置しており、トレンチ46の側方に位置している。p型GaN層26とトレンチ46の側面46aとの間には、高抵抗GaN層24の一部が介在している。
ソース領域42は、p型GaN層26の一部の上方に形成されている。また、ソース領域42の一部は、ゲート電極36の下方に位置している。ソース領域42は、n型の不純物を比較的に高濃度に含むn型の半導体領域となっている。本実施例では、n型の不純物にシリコン(Si)が用いられており、その濃度は約3×1018cm−3に調整されている。
第1AlGaN層27は、ガリウムとアルミニウムの含有比がy:1−yの窒化ガリウム・アルミニウム(AlGa1−yN)で構成されている。本実施例では、y=0.3に調整されている。第1AlGaN層27は、p型GaN層26の上方に積層されており、GaN層(第1層)22、24、26の上側表面26a(トレンチ46の形成範囲は除く)に沿って形成されている。
第2AlGaN層28は、ガリウムとアルミニウムの含有比がx:1−xの窒化ガリウム・アルミニウム(AlGa1−xN)で構成されている。本実施例では、第1AlGaN層27と同じく、y=0.3に調整されている。第2AlGaN層28は、GaN層(第1層)22、24、26の上側表面26a及びトレンチ46の表面46a、46bの略全体に亘って、略一定の層厚で積層されている。
以上の構成により、窒化物半導体結晶20では、GaN層22、24、26とAlGaN層27、28との境界面であるヘテロ接合面30が、GaN層(第1層)22、24、26の上側表面26a及びトレンチ46の表面46a、46bに略平行に拡がっている。先に説明したように、トレンチ46の側面46aは(11−22)結晶面となっている。従って、ヘテロ接合面30のトレンチ側面46aに平行な範囲は、(11−22)結晶面上に位置している。
ヘテロ接合面30のトレンチ側面46aに平行な範囲、即ち、ヘテロ接合面30の(11−22)結晶面上に位置する範囲には、ゲート電極36が一方側から対向しているとともに、p型半導体領域26が高抵抗GaN層24を介して他方側から対向している。
ソース電極32は、窒化物半導体基板20の上側表面20a(トレンチ46の形成範囲は除く)に配設されている。窒化物半導体結晶20の上側表面20aには、複数のソース電極32と複数のゲート電極36が、図1の左右方向に交互に配設されている。また、窒化物半導体結晶20の下側表面20bには、ドレイン電極34が形成されている。
ソース電極28とドレイン電極30を構成する材料は特に限定されず、例えば金属を用いて構成することができる。本実施例では、ソース電極28とドレイン電極30を、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)を積層した積層体によって構成している。
次に、半導体装置10の動作を説明する。半導体装置10では、ヘテロ接合面30の一部がトレンチ側面46aに平行に形成されている。即ち、ヘテロ接合面30の一部は、(11−22)結晶面上に形成されている。(11−22)結晶面は、例えば(0001)結晶面と異なり、その垂直方向に極性の変化が少ない半極性面である。そのことから、(11−22)結晶面上に形成されたヘテロ接合面30では、例えば(0001)結晶面上に形成された場合と比較して、二次元電子ガス層の密度が有意に低下する。また、ゲート電極36に電圧を印加していない状態では、高抵抗GaN層24とp型GaN層26の境界面から空乏層が伸び、その空乏層はヘテロ接合面30まで達している。それにより、ゲート電極36に電圧を印加していない状態では、ヘテロ接合面30の少なくともトレンチ46の側面46aに平行な範囲において、二次元電子ガス層の形成が禁止される。ゲート電極36に電圧が印加されていない状態では、電子がヘテロ接合面30に沿って走行することが確実に禁止され、ソース電極32とドレイン電極34の間が電気的に遮断される。
一方、ゲート電極36に正の電圧を印加した状態では、高抵抗GaN層24に形成されていた空乏層が縮小し、ヘテロ接合面30に二次元電子ガス層が形成される。ゲート電極36に正の電圧を印加することにより、ヘテロ接合面30に沿って多数の電子が走行可能なチャネルが形成され、ソース電極32とドレイン電極34の間は通電可能な状態となる。このように、半導体装置10は、安定したノーマリオフ動作を実現することができる。
半導体装置10のしきい値電圧(オンするのに要するゲート電圧)は、高抵抗GaN層24の不純物濃度、p型GaN層26の不純物濃度、p型GaN層26の位置や寸法、トレンチ46の深さなどによって変化する。従って、これらの設定を適宜変更することによって、所望のしきい値電圧を有する半導体装置10を具現化することができる。
(半導体装置10の製造方法)
次に半導体装置10の製造方法を説明する。
先ず、図3に示すように、窒化ガリウムを主材料とするとともに、その主表面が(0001)結晶面である窒化ガリウム基板22(後にGaN基板層22となる)を用意する。次に、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を利用して、窒化ガリウム基板22の上に、n型の窒化ガリウム層24(後に高抵抗GaN層24となる)を結晶成長させる。次に、MOCVD法を利用して、n型の窒化ガリウム層24の上に、p型の窒化ガリウム層26(後にp型GaN層26となる)を結晶成長させる。次に、MOCVD法を利用して、p型の窒化ガリウム層26の上に、窒化ガリウム・アルミニウム層27(後に第1AlGaN層27となる)を結晶成長させる。
次に、結晶成長によって得られた窒化物半導体結晶20の上側表面20aの一部に、イオン注入法によってシリコンを注入し、ソース領域42を形成する。なお、イオン注入法によるシリコンの注入後に、熱処理による活性化を実施する。以上の工程により、図3に示す半製品10aが得られる。
次に、図4に示すように、リソグラフィー技術とRIE技術を利用して、ソース領域42とp型の窒化ガリウム層26を貫通し、n型の窒化ガリウム層24に達するトレンチ46を形成する。このとき使用するマスク60は、例えば酸化シリコンで形成することができる。トレンチ46は、<1−100>結晶軸に平行に形成する。以上の工程により、図4に示す半製品10bが得られる。トレンチ46の形成後、マスク60を除去する。なお、この段階のトレンチ46の側面46aや底面46bは、特定の結晶面を持っていない。
次に、図4に示すトレンチ46の形成後の窒化物半導体基板20に、アンモニア(NH)を含む反応ガスの雰囲気下で熱処理を行う。この熱処理の温度は約1050℃であり、その時間は10分である。この熱処理により、窒化ガリウム層24、26が露出しているトレンチ46の側面46aや底面46bでは、表面エネルギーが最小となるように、窒素原子やガリウム原子の移動が生じる。その結果、図5に示すように、トレンチ46の側面46aは表面エネルギーが比較的に低い(11−22)結晶面となり、トレンチ46の底面46bは(0001)結晶面となる。以上の工程により、図5に示す半製品10cが得られる。
この熱処理において、窒素原子やガリウム原子は、主に、トレンチ46の底面46bから、トレンチ46の側面46bへと移動する。即ち、巨視的に見れば、トレンチ46の底面46bに露出していたn型の窒化ガリウム層24が、トレンチ46の側面46aに露出していたp型の窒化ガリウム層26に積層されるように移動する。その結果、トレンチ46の側面46aは、主にn型の窒化ガリウム層24によって構成される。
なお、窒化ガリウムの結晶に比して、窒化ガリウム・アルミニウムの結晶は結合力が強いことから、窒化ガリウム・アルミニウム層27からの原子の移動は実質的に発生しない。従って、窒化物半導体基板20の上側表面20aの形状は、熱処理の前後で維持される。
次に、図6に示すように、MOCVD法を利用して、窒化物半導体基板20の上側表面20a及びトレンチの内面46a、46b上に、窒化ガリウム・アルミニウム層28(後に第2AlGaN層28となる)を結晶成長させる。それにより、図6に示す半製品10dが得られる。
次に、図7に示すように、窒化ガリウム・アルミニウム層28の上に、ゲート絶縁膜37とゲート電極36を順に形成する。それにより、図7に示す半製品10eが得られる。
次に、窒化物半導体結晶20の上側表面20aにソース電極32を形成し、窒化物半導体結晶20の下側表面20bにドレイン電極34を形成する。ソース電極32を形成する際には、窒化ガリウム・アルミニウム層28にソース領域42を露出させる孔を形成しておき、ソース領域34に接触するようにソース電極32を形成する。以上の工程によって、図1に示す半導体装置10を製造することができる。
以上のように、半導体装置10は、主表面が(0001)結晶面である窒化ガリウム基板22から形成することができる。主表面が(0001)結晶面である窒化ガリウム基板22は、例えば主表面が(11−22)結晶面や(1−101)結晶面である窒化ガリウム基板と比較して、比較的に容易に製造することができる。本実施例で説明した技術によれば、主表面が(11−22)結晶面や(1−101)結晶面である窒化ガリウム基板を用いることなく、(11−22)結晶面や(1−101)結晶面上にヘテロ接合面30を有する半導体装置10を製造することができる。
以上、実施例1の半導体装置10について詳細に説明したが、トレンチ46に係る構成については、図8に示すように変更することもできる。即ち、図8に示すように、トレンチ46を<11−20>結晶軸に平行に形成し、その一対の側面46aが(1−101)結晶面であってもよい。(1−101)結晶面は、(11−22)結晶面と同様に半極性面である。そのことから、トレンチ46の側面46aが(1−101)結晶面であっても、半導体装置10は安定したノーマリオフ動作を実現することができる。
図8に示すトレンチ46は、以下のように形成することができる。即ち、上記した半導体装置10の製造方法において、窒化物半導体結晶20の上側表面20aにトレンチ46を形成する際に、<11−20>結晶軸に平行に伸びるトレンチ46を形成するトレンチ46を<11−20>結晶軸に平行に形成すると、その後の熱処理によってトレンチ46の側面46aに(1−101)結晶面が形成され、図8に示すトレンチ46が得られる。
(実施例2)
図9は、実施例1の半導体装置100の要部断面図を模式的に示している。図9は、半導体装置100の単位構造を模式的に示すものである。半導体装置100には、図1に示す単位構造が図1の左右方向に繰返し形成されている。
半導体装置100は、窒化物半導体結晶120を備えている。窒化物半導体結晶120の上側表面120aは(0001)結晶面であり、下側表面120bは(000−1)結晶面である。
窒化物半導体結晶120は、窒化ガリウム(GaN)で構成されたGaN層(第1層)122、124、126と、窒化ガリウム・アルミニウム(AlGaN)を主材料とするAlGaN層127を備えている。AlGaN層127は、GaN層122、124、216の上方に積層されている。
GaN層(第1層)122、124、126の上側表面126aには、トレンチ146が形成されている。図10に、トレンチ146に係る構造を拡大して示す。図9、10に示すように、トレンチ146は、<1−100>結晶軸に平行(図1の奥行方向)に伸びている。トレンチ146は略V字形状の断面を有しており、トレンチ146の一対の側面146aは<11−22>結晶面となっている。トレンチ146の側面146aと底面146bは、略120度の角度を成している。また、トレンチ146の側面146aとGaN層(第1層)122、124、126の上側表面126aも、略120度の角度を成している。
図9、図10に示すように、トレンチ146の内部には、ゲート電極136とゲート絶縁膜137が形成されている。ゲート絶縁膜137は、トレンチ146の表面(側面146a及び1底面46b)に形成されている。ゲート電極136は、ゲート絶縁膜137の上に形成されている。ゲート電極136は、ゲート絶縁膜137を介して、トレンチ146の側面146a及び底面146bに対向している。
窒化物半導体結晶120のGaN層122、124、126は、GaN基板層122と、高抵抗GaN層124と、p型GaN層126と、ソース領域142に区分することができる。GaN基板層122、高抵抗GaN層124、p型GaN層126、ソース領域142に係る構成は、実施例1で説明したGaN基板層22、高抵抗GaN層24、p型GaN層26、ソース領域42に係る構成にそれぞれ等しい。また、窒化物半導体結晶120のGaN層127に係る構成は、実施例1で説明した第1AlGaN層127に係る構成に等しい。
窒化物半導体結晶120の上側表面120aには、ソース電極132が形成されている。また、窒化物半導体結晶120の下側表面120bには、ドレイン電極134が形成されている。ソース電極132、ドレイン電極134に係る構成は、実施例1で説明したソース電極32、ドレイン電極34に係る構成にそれぞれ等しい。
以上の構成により、本実施例の半導体装置100は、実施例1で説明した半導体装置10と比較して、下記の相違点を有する。即ち、本実施例の半導体装置100は、AlGaN層127が、GaN層(第1層)122、124、126の上側表面126a(トレンチ146の形成範囲は除く)のみに形成されており、トレンチ146の表面146a、146bには高抵抗GaN層124が露出している。そして、トレンチ146の表面146a、146bには、ゲート絶縁膜137が直接的に形成されている。
次に、半導体装置100の動作を説明する。半導体装置100では、トレンチ146の側面146aが(11−22)結晶面上に形成されており、トレンチ146の側面146aにゲート絶縁膜137が形成されている。(11−22)結晶面は、その垂直方向に極性の変化が少ない半極性面である。そのことから、トレンチ146の側面146aでは、ゲート絶縁膜137あるいはゲート電極136の膜応力に起因するピエゾ電界の発生が比較的に抑制される。従って、ゲート電極136に電圧を印加していない状態では、トレンチ146の側面146a近傍に高密度の二次元電子ガス層が形成されない。さらに、ゲート電極136に電圧を印加していない状態では、p型GaN層126から空乏層が伸びることによって、トレンチ146の側面146aに二次元電子ガス層が形成されることが禁止される。ゲート電極136に電圧が印加されていない状態では、電子がトレンチ146の側面146aに沿って走行することが確実に禁止され、ソース電極132とドレイン電極134が間を電気的に遮断される。
一方、ゲート電極136に正の電圧を印加した状態では、高抵抗GaN層124に形成されていた空乏層が縮小し、トレンチ146の側面146aに沿って二次元電子ガス層の形成が許容される。ゲート電極136に正の電圧を印加することにより、トレンチ146の側面146aに沿って多数の電子が走行可能なチャネルが形成され、ソース電極132とドレイン電極134の間は通電可能な状態となる。このように、半導体装置100は、安定したノーマリオフ動作を実現することができる。
実施例2の半導体装置100の製造方法は、実施例1で説明した半導体装置10の製造方法と多くの部分で共通する。詳しくは、実施例1で説明した半導体装置10の製造工程から、第2AlGaN層128の形成工程を除くことによって、実施例2の半導体装置100を製造することができる。従って、実施例2の半導体装置100も、実施例1の半導体装置10と同様に、主表面が(0001)結晶面である窒化ガリウム基板から製造することができる。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。本明細書または図面に例示した技術は、複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
実施例1の半導体装置の単位構造を示す模式図。 実施例1のトレンチの構造を拡大して示す図。 実施例1の半導体装置の第1の製造過程を示す図。 実施例1の半導体装置の第2の製造過程を示す図。 実施例1の半導体装置の第3の製造過程を示す図。 実施例1の半導体装置の第4の製造過程を示す図。 実施例1の半導体装置の第5の製造過程を示す図。 トレンチの構成を変更した例を示す図。 実施例2の半導体装置の単位構造を示す模式図。 実施例2のトレンチの構造を拡大して示す図。
符号の説明
・10、100:半導体装置
・20、120:窒化物半導体結晶
・22、122:GaN基板層(第1層の一部)
・24、124:高抵抗GaN層(第1層の一部)
・26、126:p型GaN層(第1層の一部)
・27、127:第1AlGaN層(第2層の一部)
・28:第2AlGaN層(第2層の一部)
・30:ヘテロ接合面
・32、132:ソース電極
・34、134:ドレイン電極
・36、136:ゲート電極
・37、137:ゲート絶縁膜
・42、142:ソース領域

Claims (8)

  1. 上側表面が(0001)結晶面である窒化物半導体結晶とゲート電極を備えており、
    前記窒化物半導体結晶の上側表面には、少なくとも一つのトレンチが形成されており、
    前記ゲート電極は、少なくとも前記トレンチの側面に絶縁層を介して対向しており、
    前記トレンチの側面の少なくとも一部は、(11−22)結晶面又は(1−101)結晶面であることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記窒化物半導体結晶は、第1種類の窒化物半導体で構成された第1層と、第1領域の上方に積層されているとともに第2種類の窒化物半導体で構成された第2層を備え、
    前記第1層と前記第2層の境界面の少なくとも一部は、前記トレンチの側面に平行であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記第1種類の窒化物半導体は窒化ガリウムであり、前記第2種類の窒化物半導体は窒化ガリウム・アルミニウムであることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記トレンチは、<1−100>結晶軸に平行に伸びており、
    前記トレンチの側面は、(11−22)結晶面であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の半導体装置。
  5. 前記トレンチは、<11−20>結晶軸に平行に伸びており、
    前記トレンチの側面は、(1−101)結晶面であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の半導体装置。
  6. 上側表面が(0001)結晶面である窒化物半導体結晶を用意する工程と、
    前記窒化物半導体結晶の上側表面に、<1−100>結晶軸又は<11−20>結晶軸に平行に伸びるトレンチを形成するトレンチ形成工程と、
    前記トレンチを形成した窒化物半導体結晶をアンモニアを含むガスの雰囲気下で加熱し、前記トレンチの側面の少なくとも一部に(11−22)結晶面又は(1−101)結晶面を形成する熱処理工程と、
    前記トレンチの側面に絶縁層を介して対向するゲート電極を形成する工程と、
    を備える半導体装置の製造方法。
  7. 前記トレンチの側面に形成した(11−22)結晶面又は(1−101)結晶面に、第2種類の窒化物半導体で構成される第2層を結晶成長させる工程をさらに備えることを特徴とする請求項6に記載の製造方法。
  8. 前記トレンチの側面には窒化ガリウムの結晶面が露出しており、前記第2種類の窒化物半導体は窒化ガリウム・アルミニウムであることを特徴とする請求項7に記載の製造方法。
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