JP2009060049A - 窒化物系化合物半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】リーク電流の増大、及び電流コラプス現象によるオン抵抗の増大を抑制できる窒化物系化合物半導体装置を提供する。
【解決手段】窒化物系化合物半導体からなるキャリア走行層3を有する半導体層10と、半導体層10の主面100上に配置され、キャリア走行層3を流れる主電流の電流経路の端部である第1の主電極21及び第2の主電極22と、第1の主電極21及び第2の主電極22を囲むように主面100上に配置され、主面100直下及びその近傍の半導体層10内の電荷を制御する外周電極30とを備える。
【選択図】図2

Description

本発明は、窒化物系化合物半導体装置に係り、特に導電性基板を用いた窒化物系化合物半導体装置に関する。
窒化ガリウム系等の窒化物系化合物半導体は絶縁破壊電界が高いことから、低損失の高耐圧パワーデバイス等への応用が期待されている。そのために、特性が良好なだけでなく、安価にデバイスを作成することが望まれている。これらの点を鑑みて、窒化物系化合物半導体の成長基板として、サファイア基板や炭化シリコン(SiC)基板ではなく、大口径基板の製造が容易で安価なシリコン(Si)基板を用いることが望まれている(例えば、特許文献1参照。)。近年、シリコン基板上の窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長技術が向上し、サファイア基板やSiC基板上に成長させた窒化ガリウム系化合物半導体と遜色ない結晶が得られている。
特開2006−5005号公報
しかし、シリコン基板は導電性基板であるため、シリコン基板を用いて窒化ガリウム系化合物半導体のヘテロ接合電界効果トランジスタ(HFET)や金属半導体電界効果トランジスタ(MESFET)等の電界効果型トランジスタ(FET)を作成した場合に、窒化ガリウム系化合物半導体層の厚みが電極間隔に比べて薄いと、ゲート電極とドレイン電極が逆バイアスされた状態(FETがオフの状態)において、ゲート電極側のドレイン電極端−窒化ガリウム系化合物半導体層界面近傍に電界が集中し、ドレイン電極からバッファ層やシリコン基板を経由してソース電極に流れ込む電流リークが発生しやすくなっている。
また、窒化ガリウム系化合物半導体は化学的に安定なため、メサ形状にするためにドライエッチングが採用されるが、ドライエッチングによって窒化ガリウム系化合物半導体の端面の結晶が欠陥等のダメージを受ける。その結果、ダメージを受けた端面はダメージを受けていない部分に比べて低抵抗なため、ダメージを受けた端面を介してバッファ層やシリコン基板からソース電極へのリーク電流の通路になり、窒化物系化合物半導体装置の耐圧の低下や破壊の原因になるという問題があった。
更に、窒化ガリウム系化合物半導体を用いたデバイスでは、電流コラプス現象のために、逆バイアス印加後のオン抵抗が増大するという問題があった。「電流コラプス現象」は、ゲート電極とドレイン電極間への逆バイアス印加(オフ状態)後にオン抵抗が増大する現象である。このオン抵抗の増大は、逆バイアス時に半導体層内部の欠陥にトラップされた電子が2次元キャリアガス層や半導体層に蓄えられる電荷を減少させることにより生じるといわれている。通常、オン抵抗の増大は逆バイアス印加電圧に比例して大きくなる。
上記問題点を鑑み、リーク電流の増大、及び電流コラプス現象によるオン抵抗の増大を抑制できる窒化物系化合物半導体装置を提供する。
本発明の一態様によれば、(イ)窒化物系化合物半導体からなるキャリア走行層を有する半導体層と、(ロ)半導体層の主面上に配置され、キャリア走行層を流れる主電流の電流経路の端部である第1及び第2の主電極と、(ハ)第1及び第2の主電極を囲むように主面上に配置され、主面直下及びその近傍の半導体層内の電荷を制御する外周電極とを備える窒化物系化合物半導体装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、(イ)第1の窒化物系化合物半導体からなるキャリア供給層、及び第1の窒化物系化合物半導体と異なるバンドギャップエネルギーを有し、キャリア供給層との界面近傍において2次元キャリアガス層を有する第2の窒化物系化合物半導体からなるキャリア走行層を有する半導体層と、(ロ)半導体層の主面上に配置され、キャリア走行層を流れる主電流の電流経路の端部である第1及び第2の主電極と、(ハ)第1及び第2の主電極を囲むように主面上に配置され、主面直下及びその近傍の2次元キャリアガス層に蓄積される電荷を制御する外周電極とを備える窒化物系化合物半導体装置が提供される。
本発明によれば、リーク電流の増大、及び電流コラプス現象によるオン抵抗の増大を抑制できる窒化物系化合物半導体装置を提供できる。
次に、図面を参照して、本発明の第1乃至第6の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
又、以下に示す第1乃至第6の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置は、図1及び図2に示すように、窒化物系化合物半導体からなるキャリア走行層3を有する半導体層10と、半導体層10の主面100上に配置され、キャリア走行層3を流れる主電流の電流経路の端部である第1の主電極21及び第2の主電極22と、第1の主電極21及び第2の主電極22を囲むように主面100上に配置され、主面100直下及びその近傍の半導体層10内の電荷を制御する外周電極30とを備える。図2は、図1のI−I方向に沿った断面図である。
図1に示すように、外周電極30は、上面方向から見て第1の主電極21及び第2の主電極22のうちの最も半導体層10の端部(外)側に配置された電極よりも更に半導体層10の端部に近い主面100上に配置される。外周電極30は半導体層10の主面100の縁辺部分に沿って、第1の主電極21及び第2の主電極22を囲むように配置されることが望ましい。
図1に示した窒化物系化合物半導体装置は、第1の主電極21及び第2の主電極22間で主面100上に配置された第3の電極(制御電極)23を更に備える。制御電極(ゲート電極)23は、キャリア走行層3を通って第1の主電極21と第2の主電極22間に流れる主電流を制御する。以下では、第1の主電極21がソース電極21であり、第2の主電極22がドレイン電極22である場合について例示的に説明するが、第1の主電極21がドレイン電極であり、第2の主電極22がソース電極であってもよいことは勿論である。
図1に示すように、ソース電極21及びドレイン電極22は、互いに紙面に向かって上下方向にそれぞれ延伸する複数の歯部分を有する櫛型形状をなし、ソース電極21とドレイン電極22の櫛の歯部分は交差指状に配置される。そして、ソース電極21と物理的に接続されたパターン抵抗部211を含むソース電極21によって、ドレイン電極22の全体が囲まれている。また、ゲート電極23が、交差指状に配置されたソース電極21とドレイン電極22間に配置される。更に、ソース電極21は、外周電極30によって周囲を囲まれる。ゲート電極23と外周電極30とは、ソース電極21上に形成される絶縁膜40を介して領域Aにて互いを接続する金属で電気的に接続される。
半導体層10上に配置されたソース電極21及びドレイン電極22は、電子(キャリア)供給層4との間でオーミックコンタクト(低抵抗接触)を形成している。ソース電極21及びドレイン電極22は、例えばチタン(Ti)とアルミニウム(Al)の積層体として形成可能である。
ゲート電極23は、例えばニッケル(Ni)と金(Au)とチタン(Ti)の積層体からなる金属膜が採用可能であり、キャリア供給層4とショットキー接触している。外周電極30はゲート電極23と同一工程によって形成することができる。ただし、外周電極30をゲート電極23と異なる工程、異なる材料で形成してもよく、ゲート電極23及び外周電極30は、窒化ガリウム系化合物半導体とショットキー接合をなす材料、例えばNi、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、銅(Cu)等が採用可能である。
図2に示すように、半導体層10は基板1上に配置されるが、窒化物系化合物半導体装置の製造コストを低減するために、基板1は大口径化が容易なシリコン基板であることが好ましい。シリコン基板は不純物を添加して導電性基板としてもよい。また、基板1はセラミック半導体、SiC基板としてもよい。
また、半導体層10の主面100は絶縁膜40で覆われている。そして、ソース電極21及びドレイン電極22の上面は絶縁膜40で覆われるが、ゲート電極23及び外周電極30は、絶縁膜40の上にも延伸して設けられ、フィールドプレート電極を兼ねている。ゲート電極23と外周電極30とは、絶縁膜40上に配置される金属配線等(図示せず)によっても電気的に接続可能である。また、ソース電極21との交差箇所でのゲート電極23同士の接続も、絶縁膜40上に配置される金属等によってなされる。なお、図示を省略するが、ソース電極21及びドレイン電極22のボンディング用パッド等の電源印加用領域では、絶縁膜40に開口部が設けられ、ソース電極21及びドレイン電極22の上面の一部が露出される。
図2に示す半導体層10は、それぞれが窒化物系化合物半導体からなるバッファ層2、電子(キャリア)走行層3及びキャリア供給層4がこの順に積層された構造である。以下では、キャリア供給層4がキャリア走行層3に供給するキャリアが電子である例について説明する。つまり、2次元キャリアガス層31は2次元電子ガス層(2DEG層)であり、ソース電極21から2DEG層31を介してドレイン電極22に電子が流れる。
バッファ層2は、周知の有機金属気相成長(MOCVD)法等のエピタキシャル成長法等で形成できる。図2では、バッファ層2を1つの層として図示しているが、バッファ層2を複数の層で形成してもよい。例えば、バッファ層2を窒化アルミニウム(AlN)からなる第1のサブレイヤー(第1の副層)と窒化ガリウム(GaN)からなる第2のサブレイヤー(第2の副層)とを交互に積層した多層構造バッファとしてもよい。また、図1に示した窒化物系化合物半導体装置が高電子移動度トランジスタ(HEMT)として動作する場合、バッファ層2はHEMTの動作に直接には関係しないため、バッファ層2を省いてよい。また、バッファ層2の材料として、AlN、GaN以外のIII−V族化合物半導体を採用してもよい。また、基板1とバッファ層2とを組み合わせた構造を基板とみなすこともできる。
バッファ層2上に配置されたキャリア走行層3は、キャリア供給層4とのヘテロ接合面の近傍に電流通路(チャネル)としての2DEG層31を得るための層である。キャリア走行層3は、例えば不純物が添加されていないアンドープGaNを0.5〜10μm程度の厚さに、MOCVD法等でエピタキシャル成長させて形成する。
キャリア走行層3上に配置されたキャリア供給層4は、キャリア走行層3よりもバンドギャップが大きく、且つ格子定数の異なる窒化物半導体からなる。キャリア供給層4は、AlxyGa1-x-yN(0≦x<1、0≦y<1、0≦x+y≦1)で表され、ここでMはインジウム(In)或いはボロン(B)等である。組成比xは0.1〜0.5が好ましく、より好ましくは0.3である。キャリア供給層4としてはアンドープのAlxGa1-xNが採用可能であるが、n型不純物を添加したAlxGa1-xNからなる窒化物半導体も採用可能である。
キャリア供給層4は、キャリア走行層3上にMOCVD法等でエピタキシャル成長させて形成される。キャリア供給層4の膜厚は、キャリア走行層3とキャリア供給層4との間のヘテロ接合に基づいてノーマリ状態において周知の2DEG層31が生じるように設定される。具体的には、キャリア供給層4の膜厚は、キャリア走行層3よりも薄い例えば5〜50nm程度、より好ましくは5〜30nm程度である。
なお、キャリア供給層4としてn型不純物を添加したAlxGa1-xNを採用してもよい。このキャリア供給層4とGaNからなるキャリア走行層3との間にアンドープAlNからなるスペーサ層を配置してもよい。また、ソース電極21及びドレイン電極22とキャリア供給層4との間に例えばn型AlGaNからなるコンタクト層を配置してもよい。スペーサ層は、2DEG層31とキャリア供給層4に残されたイオン化ドナーによる正電荷との間に働くクーロン相互作用を低減する効果や、キャリア供給層4の不純物がキャリア走行層3に拡散することを防ぐ効果がある。コンタクト層は、ソース電極21及びドレイン電極22と半導体層10との接触抵抗の低減に寄与する。
通常、窒化物系化合物半導体装置が逆バイアスされた状態(即ち、FETがオフの状態)において、高電圧が印加されたドレイン電極22端と半導体層10との界面近傍に電界が集中することによって、ドレイン電極22からバッファ層2や基板1、ドライエッチングによりメサ形状になった半導体層10の端面、そして2DEG層31を経由してソース電極21に流れるリーク電流が発生する。例えば、ソース電極21を主面100の最外周に配置した構造では、窒化物系化合物半導体装置が逆バイアスされた(オフ)状態において、基板1の電位がソース電極21とドレイン電極22との中間電位になってリーク電流がドレイン電極22から基板1、半導体層10の端面、そして2DEG層31を経由してソース電極21に流れることを阻止できない。
しかし、図1及び図2に示した本発明の窒化物系化合物半導体装置においては、ゲート電極23とドレイン電極22に逆バイアスが印加されて、ドレイン電極22からバッファ層2や基板1、ドライエッチングによりメサ形状になった半導体層10の端面、そして2DEG層31を経由してソース電極21に流れようとするリーク電流が発生し得るバイアス状態になっても、このリーク電流は、外周電極30に印加された電圧によって少なくとも外周電極30直下の2DEG層31が空乏化することによって抑制される。
また、図1及び図2に示した窒化物系化合物半導体装置においては、いわゆる電流コラプス現象によるオン抵抗の増大を抑制できる。電流コラプス現象は、ゲート電極23とドレイン電極22間への逆バイアス印加(オフ)後にオン抵抗が増大する現象である。このオン抵抗の増大は、逆バイアス(オフ)時に半導体層10内部の欠陥にトラップされた電子が2DEG層31や半導体層10に蓄えられる電荷を減少させることにより生じるといわれている。図1及び図2に示した窒化物系化合物半導体装置では、半導体層10内部の欠陥にトラップされた電子が、オン状態時に、ダメージを受けたことで比較的低抵抗となっている半導体層10の端面そして2DEG層31を介して最外周に設けられた外周電極30や基板1に引く抜かれるので、逆バイアス印加(オフ)後のオン抵抗の増大も抑制できる。
以下に、本発明の第1の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置の製造方法を説明する。なお、以下に述べる窒化物系化合物半導体装置の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。
(イ)先ず、基板1上に、MOCVD法等によりバッファ層2、キャリア走行層3及びキャリア供給層4をこの順にエピタキシャル成長させて積層して、半導体層10を形成する。バッファ層2は、例えばAlN層とGaN層を交互に積層した構造である。キャリア走行層3は、例えば膜厚0.5〜10μmのアンドープGaN層をMOCVD法にて形成し、その上に形成されるキャリア供給層4は、キャリア走行層3よりもバンドギャップが大きく、且つ格子定数の異なる窒化物半導体からなり、例えばアンドープのAlGaN層をMOCVD法にて形成する。
(ロ)次に、半導体層10上に、ソース電極21及びドレイン電極22となる第1の導電体層を、半導体層10上に蒸着する。第1の導電体層は、例えばTiとAlの積層構造が採用可能である。次いで、フォトリソグラフィ技術によりパターニングしたフォトレジスト膜をマスクにして、第1の導電体層をウェットエッチングしてソース電極21及びドレイン電極22を形成する。
(ハ)次に、半導体層10及びソース電極21、ドレイン電極22上に絶縁膜40を形成する。例えば、絶縁膜40として、膜厚500nmの酸化シリコン(SiO2)膜をプラズマ化学気相成長(p−CVD)法によって形成する。その後、半導体層10とソース電極21及びドレイン電極22とがオーミック接触となるように、例えば500℃、30分間のオーミックアニールを行う。
(ニ)次いで、ゲート電極23及び外周電極30と半導体層10とが接触する部分の絶縁膜40を、フォトリソグラフィ技術によりパターニングしたフォトレジスト膜をマスクに用いたウェットエッチングによって除去し、開口部を形成する。
(ホ)次いで、フォトレジスト膜を全面に塗布した後、フォトリソグラフィ技術によってゲート電極23及び外周電極30を形成する部分のフォトレジスト膜を除去する。次いで、フォトレジスト膜及び絶縁膜40上に、ゲート電極23及び外周電極30となる第2の導電体層をスパッタ法等により形成する。このとき、絶縁膜40の開口部を埋め込むように第2の導電体層は形成され、開口部において第2の導電体層が半導体層10とショットキー接合をなすように蒸着した後、リフトオフ法によって第2の導電体層を形成する。第2の導電体層としては、例えばNiとAuとTiの積層体等が採用可能である。
(ヘ)更に、フォトリソグラフィ技術によりパターニングしたフォトレジスト膜をマスクにして、塩素(Cl)系ガスを用いたドライエッチングによって半導体層10をメサ形状にする。
上記の説明では、外周電極30をゲート電極23と同一工程によって形成する例を示した。つまり、外周電極30はゲート電極23と同一の構造となる。しかし、半導体層10とショットキー接合をなす材料であれば、外周電極30としてゲート電極23と異なる材料が採用可能である。
<変形例>
図3に本発明の第1の実施の形態の変形例に係る窒化物系化合物半導体装置を示す。図3に示した窒化物系化合物半導体装置は、半導体層10上に外周電極30を配置した領域の外側の領域であってメサ形状になった半導体層10の端面またはその内側に、半導体層10の主面100から2DEG層31が形成される位置より基板1に近い位置までエッチングして段差または溝を形成した形状であることが、図2で示した本発明の第1の実施の形態と異なる。その他の構成については、図2で示した本発明の第1の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置と同様である。
本発明の第1の実施の形態の変形例に係る窒化物系化合物半導体装置によれば、ソース電極21及びドレイン電極22と基板1との間の寄生容量を減少させることができる。
図3に示した窒化物系化合物半導体装置は、例えば半導体層10の外側においてフォトリソグラフィ技術によりパターニングしたフォトレジスト膜をマスクにしてメサ形状を形成する半導体層10及びその内側の半導体層10の主面100の部分をドライエッチングし、キャリア走行層3の2DEG層31が形成される領域より基板1に近い深さまでエッチングした後に半導体層10の端部をメサ形状に形成する。よって、図2に示した第1の実施の形態と同様にリーク電流及び電流コラプス現象を抑制できる。
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置は、図4に示すように、ゲート電極23と外周電極30が窒化物系化合物半導体装置内で電気的に接続されていないことが、図1に示した本発明の第1の実施の形態と異なる点である。その他の構成については、図1に示す第1の実施の形態と同様である。
図4に示した制御電極(ゲート電極)23と外周電極30は、窒化物系化合物半導体装置の外部で、例えばワイヤー等により電気的に接続可能である。
なお、外周電極30は、ゲート電極23のようにバイアス状態を変化させてオン状態のFETを流れるドレイン電流量を制御する必要がないため、ワイヤー等でゲート電極23と外周電極30を接続せず、ゲート電極23に印加する電圧と異なる負電圧を外周電極30に印加してもよい。この場合、ゲート電極23と第2の主電極(ドレイン電極)22が逆バイアスされた状態において、外周電極30直下の2DEG層31が少なくとも空乏化するように設定された電圧を、ゲート電極23に印加させる電圧に依存することなく外周電極30に印加することができる。
その結果、図4に示した窒化物系化合物半導体装置によれば、第1の主電極(ソース電極)21に流れるリーク電流が抑制されて窒化物系化合物半導体装置の耐圧の低下や破壊を防止でき、且つ電流コラプス現象によるオン抵抗の増大をより効果的に抑制できるとともに、設計の自由度を増すことができる。他は、第1の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置は、図5に示すように、外周電極30のすぐ内側に配置される直近の電極が、第1の主電極(ソース電極)21ではなく、第2の主電極(ドレイン電極)22であることが、図1に示した本発明の第1の実施の形態と異なる点である。その他の構成については、図1に示す第1の実施の形態と同様である。
外周電極30に隣接してドレイン電極22が配置される場合でも、図1に示した窒化物系化合物半導体装置のように外周電極30に隣接してソース電極21が配置される場合と同様に、外周電極30によって少なくとも2DEG層31が空乏化することによってソース電極21に流れるリーク電流が抑制され、窒化物系化合物半導体装置の耐圧の低下や破壊を防止でき、且つ電流コラプス現象によるオン抵抗の増大を抑制できる。
また、図5では、外周電極30と制御電極(ゲート電極)23とが窒化物系化合物半導体装置内で物理的に接続されている例を示したが、図4に示した窒化物系化合物半導体装置と同様にゲート電極23と外周電極30を接続せずに配置し、窒化物系化合物半導体装置の外部で電気的に接続してもよい。或いは、ゲート電極23と外周電極30に異なる電圧を印加してもよい。他は、第1の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
(第4の実施の形態)
本発明の第4の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置は、図6に示すように、キャリア供給層4とゲート電極23との間にゲート絶縁膜となる絶縁膜231を配置すると共に、キャリア供給層4と外周電極30との間に絶縁膜301を配置した構成であることが、図1に示した本発明の第1の実施の形態と異なる点である。即ち、図6に示す窒化物系化合物半導体装置はMIS構造を有するFETを備える。その他の構成については、図1に示した第1の実施の形態と同様である。
図1に示した窒化物系化合物半導体装置では外周電極30と半導体層10がショットキー接合していたが、図6に示すように半導体層10が絶縁膜231を介して構成されたMIS構造の場合であっても、前記第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、外周電極30が絶縁膜301を介してMIS構造であっても、制御電極(ゲート電極)23と第2の主電極(ドレイン電極)22が逆バイアスされた状態において、外周電極30直下の2DEG層31が少なくとも空乏化するように設定された電圧を外周電極30に印加することにより、少なくとも2DEG層31が空乏化することによって第1の主電極(ソース電極)21に流れるリーク電流が抑制される。また、制御電極(ゲート電極)23に流れるリーク電流をも抑制できる。その結果、図6に示す窒化物系化合物半導体装置の耐圧の低下や破壊を防止でき、且つ電流コラプス現象によるオン抵抗の増大を抑制できる。
図6に示した窒化物系化合物半導体装置において、外周電極30とゲート電極23とが窒化物系化合物半導体装置の外部若しくは内部で電気的に接続されてもよいし、ゲート電極23に印加される電圧とは異なる電圧を外周電極30に印加してもよい。又、外周電極30のすぐ内側に配置される電極が、ソース電極21であってもドレイン電極22であってもよい。また、他は、第1の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
(第5の実施の形態)
本発明の第5の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置は、図7及び図8に示すように、第1の主電極21をアノード電極とし、第2の主電極22をカソード電極とするショットキーバリアダイオード(SBD)に適応させたものである。図8は、図7のII−II方向に沿った断面図である。
図7に示すように、第1の主電極21及び第2の主電極22は、紙面に向かって上下方向にそれぞれ延伸する複数の歯部分を有する櫛型形状をなし、第1の主電極21と第2の主電極22の櫛の歯部分は交差指状に配置される。第1の主電極21と外周電極30とは物理的に接続される。そして、外周電極30と第1の主電極21によって、第2の主電極22の全体が囲まれている。
本発明の第5の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置によれば、アノード電極とカソード電極が逆バイアスされた状態において、外周電極30直下の2DEG層31が伸びる空乏化するように設定された電圧を外周電極30に印加することにより、主面100から少なくとも2DEG層31まで伸びる空乏層によってアノード電極とカソード電極間のリーク電流が抑制される。つまり、ダメージを受けた半導体層10の端面を介して流れるリーク電流による耐圧の低下や破壊が防止され、且つ電流コラプス現象によるオン抵抗の増大が抑制されたSBDが提供される。
図7に示した窒化物系化合物半導体装置において、外周電極30とアノード電極である第1の主電極21とが窒化物系化合物半導体装置の外部若しくは内部で電気的に接続されてもよいし、或いは第1の主電極21に印加される電圧とは異なる電圧を外周電極30に印加してもよい。他は、第1の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
(第6の実施の形態)
本発明の第6の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置は、図9に示すように、半導体層10がキャリア供給層4を含まない点が、図2に示した本発明の第1の実施の形態と異なる。その他の構成については、図1に示した第1の実施の形態と同様である。
図9に示すように外周電極30と半導体層10がキャリア走行層3上に配置されたMESFET構造の場合であっても、制御電極(ゲート電極)23と第2の主電極(ドレイン電極)22が逆バイアス(オフ)された状態において、外周電極30直下の主面100から少なくともキャリア走行層3内の電流チャネルが形成される領域まで空乏化するように設定された電圧を外周電極30に印加することにより、ダメージを受けた半導体層10の端面を介してドレイン電極22から第1の主電極(ソース電極)21に流れるリーク電流が抑制される。その結果、図9に示す窒化物系化合物半導体装置の耐圧の低下や破壊を防止でき、且つ電流コラプス現象によるオン抵抗の増大を抑制できる。
図9に示した窒化物系化合物半導体装置において、外周電極30とゲート電極23とが窒化物系化合物半導体装置の外部若しくは内部で電気的に接続されてもよいし、ゲート電極23に印加される電圧とは異なる電圧を外周電極30に印加してもよい。又、外周電極30のすぐ内側に配置される電極が、ソース電極21であってもドレイン電極22であってもよい。また、他は、第1の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明は第1乃至第6の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
例えば、キャリア走行層3及びキャリア供給層4には、GaN、AlGaN以外のInGaN、AlInGaN、AlN、AlP、GaP、AlInP、GaInP、AlGaP、AlGaAs、GaAs、AlAs、InAs、InP、InN、GaAsP等のIII−V属化合物半導体、または酸化亜鉛(ZnO)等のII−VI化合物半導体、若しくは更に別の化合物半導体を採用可能である。
また、キャリア供給層4をp型半導体からなる正孔(ホール)供給層に置き換えることができる。この場合、2DEG層31に対応する領域に2次元キャリアガス層として2次元正孔ガス層が生じる。
更に、基板1がシリコン基板以外の導電性基板である場合や、窒化ガリウム系化合物半導体の下に絶縁性の低い層がある場合等にも、本発明は適用可能である。更に、基板1の下面に背面電極を設けてもよい。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
本発明の第1の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置の構成を示す模式図である。 図1のI−I方向に沿った模式的な断面構造図である。 本発明の第1の実施の形態の変形例に係る窒化物系化合物半導体装置の模式的な断面構造図である。 本発明の第2の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置の構成を示す模式図である。 本発明の第3の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置の構成を示す模式図である。 本発明の第4の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置の模式的な断面構造図である。 本発明の第5の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置の構成を示す模式図である。 図7のII−II方向に沿った模式的な断面構造図である。 本発明の第6の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置の模式的な断面構造図である。
符号の説明
10…半導体層
21…第1の主電極
22…第2の主電極
23…制御電極
30…外周電極
31…2次元キャリアガス層
40…絶縁膜
100…半導体層の主面
211…パターン抵抗部
231、301…絶縁膜

Claims (8)

  1. 窒化物系化合物半導体からなるキャリア走行層を有する半導体層と、
    前記半導体層の主面上に配置され、前記キャリア走行層を流れる主電流の電流経路の端部である第1及び第2の主電極と、
    前記第1及び第2の主電極を囲むように前記主面上に配置され、前記主面直下及びその近傍の前記半導体層内の電荷を制御する外周電極
    とを備えることを特徴とする窒化物系化合物半導体装置。
  2. 第1の窒化物系化合物半導体からなるキャリア供給層、及び前記第1の窒化物系化合物半導体と異なるバンドギャップエネルギーを有し、前記キャリア供給層との界面近傍において2次元キャリアガス層を有する第2の窒化物系化合物半導体からなるキャリア走行層を有する半導体層と、
    前記半導体層の主面上に配置され、前記キャリア走行層を流れる主電流の電流経路の端部である第1及び第2の主電極と、
    前記第1及び第2の主電極を囲むように前記主面上に配置され、前記主面直下及びその近傍の前記2次元キャリアガス層に蓄積される電荷を制御する外周電極
    とを備えることを特徴とする窒化物系化合物半導体装置。
  3. 前記外周電極と前記主面とがショットキー接合をなすことを特徴とする請求項1又は2に記載の窒化物系化合物半導体装置。
  4. 前記主面と前記外周電極との間に配置された絶縁膜を更に備え、前記外周電極、前記絶縁膜及び前記半導体層によりMIS構造をなすことを特徴とする請求項1又は2に記載の窒化物系化合物半導体装置。
  5. 前記第1及び第2の主電極間で前記主面上に配置され、前記第1及び第2の主電極間の前記キャリア走行層に流れる主電流を制御し、前記半導体層とショットキー接合又はMIS構造をなす第3の電極を更に備えることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の窒化物系化合物半導体装置。
  6. 前記第3の電極と前記外周電極が電気的に接続されていることを特徴とする請求項5に記載の窒化物系化合物半導体装置。
  7. 前記第1及び第2の主電極がそれぞれアノード電極及びカソード電極であって、前記外周電極が前記アノード電極と電気的に接続されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の窒化物系化合物半導体装置。
  8. 前記半導体層が、前記外周電極の配置された領域の外側であってメサ形状を有する端部又は該端部の内側の領域を前記主面から前記キャリア走行層よりも深い位置までエッチングした形状を有することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の窒化物系化合物半導体装置。
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