JP2010056100A - ショットキーバリアダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】 フィールドプレート構造により逆方向耐電圧の向上したショットキーバリアダイオードを提供する。
【解決手段】 主表面を有する窒化ガリウム系化合物のエピタキシャル層と、 前記主表面上に形成され、開口部が形成されている窒化絶縁層と、前記開口部の内部に、前記主表面に接触するように形成されたショットキー電極と、前記ショットキー電極に電気的に接続するとともに、前記窒化絶縁層に重なるように形成された、フィールドプレート電極と、を備え、前記窒化絶縁層と前記エピタキシャル層との界面での固定電荷密度が、１．２×１０^１２ｃｍ^−２未満である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ショットキーバリアダイオード関し、特に、逆方向耐電圧を向上させたショットキーバリアダイオードに関する。

窒化ガリウム（以下、ＧａＮともいう）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて約３倍のバンドギャップ、約１０倍の高い絶縁破壊電界強度、さらに大きな飽和電子速度などの様々な優れた特性を有している。ＧａＮは、従来のＳｉパワーデバイスでは困難な高耐圧化と、低損失化（低オン抵抗化）との両立が期待できるため、パワーデバイス（電力用半導体素子）への応用が期待されている。

従来、ＧａＮ基板を用いたショットキーバリアダイオード、ｐｎ接合ダイオード、ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタなどの半導体素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。従来、パワーデバイスに用いられるＧａＮ材料としては、サファイアやＳｉＣ（シリコンカーバイド）などの異種基板上に形成されたＧａＮエピタキシャル層が、一般的に用いられてきた。これに対し、ＧａＮ基板上に形成したＧａＮエピタキシャル層は、異種基板上に形成したＧａＮエピタキシャル層に対し、不純物濃度が低く、転位密度が低い。そのため、ＧａＮ基板上にＧａＮエピタキシャル成長を行なうことで、高耐圧・低オン抵抗のパワーデバイスを実現できることが開示されている（例えば、非特許文献１参照）。

また、パワーデバイスの電極端部への電界集中を抑制し高耐圧化を図るための構造として、フィールドプレート構造が開示されている（例えば、非特許文献２参照）。
特開２００６−１００８０１号公報 田辺達也他「ＧａＮ基板上ＧａＮエピタキシャル成長とパワーデバイスへの応用」、ＳＥＩテクニカルレビュー第１７０号、２００７年１月、ｐ３４〜ｐ３９ 高田賢治他「ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ パワーデバイス」、東芝レビュー５９巻７号、２００４年７月、ｐ３５〜ｐ３８

ＧａＮ基板を用いたショットキーバリアダイオードの高耐圧化を図る上で、ＧａＮ基板上に形成したＧａＮエピタキシャル層を用いて作製したショットキーバリアダイオードにフィールドプレート構造を適用しても、フィールドプレート構造によるショットキー電極端の電界集中緩和に基づく逆方向リーク電流の減少・逆方向耐電圧上昇の効果が抑制される、という問題があった。

本発明は、フィールドプレート構造によるショットキー電極端の電界集中緩和に基づく逆方向耐電圧上昇の効果が抑制されることがなく、逆方向耐電圧を向上させたショットキーバリアダイオードを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１発明に係るショットキーバリアダイオードは、主表面を有する窒化ガリウム系化合物のエピタキシャル層と、前記主表面上に形成され、開口部が形成されている窒化絶縁層と、前記開口部の内部に、前記主表面に接触するように形成されたショットキー電極と、前記ショットキー電極に電気的に接続するとともに、前記窒化絶縁層に重なるように形成された、フィールドプレート電極と、を備え、前記窒化絶縁層と前記エピタキシャル層との界面での固定電荷密度が、１．２×１０^１２ｃｍ^−２未満のものである。

窒化絶縁層中とエピタキシャル層との界面に固定電荷が存在することにより、禁制帯中に欠陥準位が出来る。この準位を介した遷移はバンドギャップエネルギーに比べて低エネルギーで起こることから、低エネルギーでリークが生じてしまうことになる。つまり、界面に固定電荷が存在することで低電圧で逆方向リーク電流が生じ、逆方向耐電圧が低下することとなる。

この発明によれば、窒化絶縁層中とエピタキシャル層との界面の固定電荷密度を１×１０^１２ｃｍ^−２以下にすることで、禁制帯中での欠陥準位の存在を減少させ、低電圧での逆方向リーク電流を抑制することができる。すなわち、固定電荷密度を低減することで、逆方向耐電圧を向上させることができる。

ここでフィールドプレート構造とは、窒化絶縁層と、窒化絶縁層上に形成されたフィールドプレート電極と、によって構成される構造をいう。フィールドプレート電極はショットキー電極と電気的に接続されており、ショットキー電極とフィールドプレート電極とは同電位である。フィールドプレート構造によって、デバイス破壊の原因となる動作時のショットキー電極端部での電界集中を緩和し、ショットキーバリアダイオードの高耐圧化、高出力化を可能としている。窒化絶縁層とは、例えばＳｉＮ_ｘ（窒化シリコン）やＡｌＮ（窒化アルミニウム）などの、絶縁性を有する、窒化物を含む膜をいう。

また、窒化ガリウム系の化合物とは、例えばＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（1−ｘ−ｙ)}Ｎ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１）で表される化合物である。

また、第２発明に係るショットキーバリアダイオードは、第１発明において、前記窒化絶縁層中の水素濃度が、３．８×１０^２２ｃｍ^−３未満のものである。

一般に、フィールドプレート構造を構成する窒化絶縁層はプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相成長）によって形成され、通常、原料ガスとしてアンモニアを用いている。そのため、成膜時にアンモニア分子が解離し、水素ラジカル、水素イオンなどが発生する。なお、水素ラジカル、水素イオンなどをまとめて以下、水素種ともいう。

ここで、固定電荷密度上昇の原因の一つとしてこの水素種による影響が挙げられる。この水素種の発生により水素がエピタキシャル層に取り込まれることで、窒化絶縁層とエピタキシャル層との界面の固定電荷密度が上昇し、フィールドプレート構造によるショットキー電極端の電界集中緩和に基づく逆方向耐電圧上昇の効果が抑制されることになる。

この発明によれば、フィールドプレート構造を構成する窒化絶縁層中の水素濃度を、３．８×１０^２２ｃｍ^−３未満にすることで、窒化絶縁層とエピタキシャル層との界面の固定電荷密度を低減し、逆方向耐電圧を向上させることができる。

また、第３発明に係るショットキーバリアダイオードは、第１発明または第２発明において、前記ショットキーバリアダイオードはさらに窒化ガリウム基板を含み、前記エピタキシャル層の前記主表面の反対側が前記窒化ガリウム基板の主表面と接触するように形成されている。

この発明によれば、エピタキシャル層が前記窒化ガリウム基板の主表面上に形成されているため、逆方向のリーク電流が低減し、電界集中緩和に基づく逆方向耐電圧上昇の効果をより顕著にすることができる。

また、第４発明に係るショットキーバリアダイオードは、第３発明において、前記窒化ガリウム基板の転位密度は１×１０^８ｃｍ^−２以下のものである。

この発明によれば、低転位密度の窒化ガリウム基板を用いることで、さらに逆方向のリーク電流が低減し、電界集中緩和に基づく逆方向耐電圧上昇の効果を顕著にすることができる。また、窒化ガリウム基板の転位密度は低いほど好ましく、例えば、転位密度が１×１０^６ｍ^−２以下であればより好ましい。

また、第５発明に係るショットキーバリアダイオードは、第１発明〜第４発明において、前記エピタキシャル層において、前記ショットキー電極と接触する領域の転位密度が１×１０^８ｃｍ^−２以下のものである。

この発明によれば、エピタキシャル層において、ショットキー電極と接触する領域の転位密度が低いため、逆方向のリーク電流が低減し、電界集中緩和に基づく逆方向耐電圧上昇の効果をより一層顕著にすることができる。また、ショットキー電極と接触する領域の転位密度は低いほど好ましく、例えば、転位密度が１×１０^６ｍ^−２以下であればより好ましい。

また、第６発明に係るショットキーバリアダイオードは、第１発明〜第５発明において、前記窒化絶縁層の厚みは１０ｎｍ以上５μｍ以下のものである。

窒化絶縁層の厚みが１０ｎｍ未満であれば、窒化絶縁層の耐圧が低く、窒化絶縁層が先に破壊されてフィールドプレート構造の効果は得られない。また、窒化絶縁層の厚みが５μｍ超であれば、フィールドプレート構造による電界緩和自体が得られない。例えば、耐圧１ｋＶ設計においては、窒化絶縁層の厚みは０．２μｍ以上２μｍ以下であればより好ましい。

また、第７発明に係るショットキーバリアダイオードは、第１発明〜第６発明において、前記窒化絶縁層上に形成された、第２の絶縁層をさらに備えている。

この場合、窒化絶縁層と第２の絶縁層は、積層構造となっている。このとき、エピタキシャル層との界面の固定電荷密度の低い窒化絶縁層を形成すれば、第２絶縁膜中の固定電荷密度に関わらず、逆方向リーク電流が低減し電界集中緩和に基づく逆方向耐電圧上昇の効果を得ることができる。第２の絶縁層の材質は、例えばＳｉＮ_ｘ、ＳｉＯ_２（酸化シリコン）、ＳｉＯＮ（酸窒化シリコン）などを用いることができる。

また、第８発明に係るショットキーバリアダイオードは、第７発明において、前記窒化絶縁層の厚みは０．５ｎｍ以上５μｍ以下のものである。

第２絶縁膜が窒化絶縁層上に積層している場合、第２絶縁膜に耐圧を負担させることができるので、窒化絶縁層の厚みは、窒化ガリウム系化合物のエピタキシャル層との界面の固定電荷密度を低くしてフィールドプレート構造の効果が得られるために必要な厚みである０．５ｎｍ以上５μｍ以下であればよい。

また、第９発明に係るショットキーバリアダイオードは、第１発明〜第８発明において、前記窒化絶縁層の屈折率が１．７以上２．２以下のものである。

屈折率が２．２以下では、窒化絶縁層中の導電性が高くなることを抑制することができるので絶縁性の低下を防止でき、逆方向リーク電流を抑制できる。また、屈折率が１．７以上では、膜密度の低下を抑制することができるので、窒化絶縁層の逆方向耐電圧を向上させることができる。なお、ここでいう屈折率は波長６３３ｎｍにおける屈折率である。

また、第１０発明に係るショットキーバリアダイオードは、第１発明〜第９発明において、前記フィールドプレート電極が前記窒化絶縁層と重なる長さが１μｍ以上１ｍｍ以下のものである。

上記長さが１μｍ未満であれば、窒化絶縁層形成時の膜厚制御が難しく、安定してフィールドプレート構造の効果が得られない。また、上記長さが１ｍｍより大きければ、フィールドプレート構造による電界緩和自体が得られない。例えば、耐圧１ｋＶ設計においては空乏層幅は２μｍ以上２０μｍ以下に拡がるので、上記長さは５μｍ以上４０μｍ以下であればより好ましい。

また、第１１発明に係るショットキーバリアダイオードは、第１発明〜第１０発明において、前記ショットキー電極は、金、プラチナ、ニッケル、パラジウム、コバルト、銅、銀、タングステン、およびチタンからなる群より選ばれた少なくとも一種の物質を含んでいる。

ショットキー電極の材質として金などを用いることにより、低リーク電流ショットキー電極が実現できるので、フィールドプレート構造による電界集中緩和効果を得ることができる。その結果、逆方向リーク電流が減少し、逆方向耐電圧を上昇させることができる。

本発明によれば、フィールドプレート構造によるショットキー電極端の電界集中緩和に基づく逆方向耐電圧上昇の効果が抑制されることのない、逆方向耐電圧を向上させたショットキーバリアダイオードを提供することができる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るショットキーバリアダイオードの断面図である。また、図２は、図１に示すショットキーバリアダイオードの斜視図である。同図に示すように、ショットキーバリアダイオード１は、ＧａＮ自立基板２と、ＧａＮ自立基板２の主表面２ａ上に形成されたＧａＮエピタキシャル層３と、ＧａＮエピタキシャル層３の主表面３ａ上に形成された窒化絶縁層４を備える。さらに窒化絶縁層４には開口部が形成されており、電極５は、ＧａＮエピタキシャル層３の主表面３ａに接触するとともに、窒化絶縁層４に重なるように形成されている。電極５は図２に示すように、例えば平面形状が円形になるように形成されている。また、電極６はＧａＮ自立基板２の主表面２ａと反対側の主表面２ｂ上に形成されている。

電極５は、窒化絶縁膜４の開口部の内部においてＧａＮエピタキシャル層３の主表面３ａに接触する部分であるショットキー電極５ａと、窒化絶縁層４に重なる部分であるフィールドプレート電極５ｂとで構成されている。また、フィールドプレート電極５ｂと窒化絶縁層４とでフィールドプレート構造を構成している。
また、上記電極５ａは、ＧａＮエピタキシャル層３とショットキー接合を形成するショットキー電極である。一方、電極６は、ＧａＮ自立基板２とオーミック接合を形成するオーミック電極である。

窒化絶縁層４とＧａＮエピタキシャル層３との界面の固定電荷密度は、１．２×１０^１２ｃｍ^−２未満であり、好ましくは１．７×１０^１１ｃｍ^−２以下である。このように、窒化絶縁層中とエピタキシャル層との界面の固定電荷密度を低減することで、禁制帯中での欠陥準位の存在を減少させ、低電圧での逆方向リーク電流を抑制することができる。すなわち、固定電荷密度を低減することで、逆方向耐電圧を向上させることができる。

ここで、上記固定電荷密度は、例えばＣ−Ｖ（Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ−Ｖｏｌｔａｇｅ：容量−電圧）法により測定される値である。

窒化絶縁層４は、ＳｉＮ_ｘ（窒化シリコン）によって形成することができる。また、窒化絶縁層４中の水素濃度は、３．８×１０^２２ｃｍ^−３未満、好ましくは２．０×１０^２２ｃｍ^−３未満、より好ましくは１．６×１０^２２ｃｍ^−３以下とすることができる。このように層中水素濃度の低いＳｉＮ_ｘを、フィールドプレート構造を形成する窒化絶縁層４に適用することで、水素濃度が高い窒化絶縁層を用いる場合と比べて、水素がＧａＮエピタキシャル層３に取り込まれて、窒化絶縁層４とＧａＮエピタキシャル層３との界面の固定電荷密度が上昇することが抑制でき、逆方向耐電圧を向上させることができる。

ここで、上記水素濃度は、例えばＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：二次イオン質量分析）により測定される値である。

窒化絶縁層４の屈折率は、好ましくは１．７以上２．２以下、より好ましくは１．８以上２．１以下である。ここで、屈折率が大きくなると、Ｓｉがリッチになり、Ｓｉに近い組成となるので、絶縁物であるＳｉＮ_ｘに比べて導電性が高くなる。このため、屈折率が高すぎると、窒化絶縁層４による逆方向リーク電流が発生しやすくなり逆方向耐電圧が低下してしまう。従って、屈折率が２．２以下では、窒化絶縁層４中の導電性が高くなることを抑制することができるので絶縁性の低下を防止でき、逆方向リーク電流を抑制し逆方向耐電圧を向上させることができる。さらに屈折率が２．１以下ではより効果的に逆方向耐電圧を向上させることができる。

一方、窒化絶縁層４の密度と逆方向耐電圧との間には相関関係があり、窒化絶縁層４の密度が低いと高い逆方向耐電圧が得られない。すなわち、窒化絶縁層４の密度が低いと、窒化絶縁層４を構成する物質が密に詰まっていないため屈折率が低くなり、十分な逆方向耐電圧を得ることができない。従って、屈折率が１．７以上では、窒化絶縁層４の密度を高くすることができるため、逆方向耐電圧を向上させることができる。さらに屈折率が１．８以上ではより効果的に逆方向耐電圧を向上させることができる。

例えば、屈折率が１．７のとき１ＭＶ／ｃｍ、屈折率が１．８５のとき９ＭＶ／ｃｍの逆方向耐電圧を得ることができる。なお、上記のように屈折率が１．７以上の密度の高い窒化絶縁層４が、例えば平行平板型プラズマＣＶＤにより形成される場合には、２００ｍＷ／ｃｍ2を超える高いプラズマパワー密度を要する。この場合、反応ガスの解離が促進され、ＳｉとＮとの結合が促進される。その結果、屈折率が１．７以上の密度の高い窒化絶縁層４を実現することができる。

なお、上記屈折率は、例えば分光エリプソメータにより分光エリプソメトリー（偏光解析法）を用いて測定することができ、波長６３３ｎｍにおける値である。

ＧａＮ自立基板２の転位密度は、１×１０^８ｃｍ^−２以下であることが望ましい。これにより、ＧａＮ自立基板２上に成長させて形成するＧａＮエピタキシャル層３の転位密度も、ＧａＮ自立基板２と同等で１×１０^８ｃｍ^−２以下となり、ショットキーバリアダイオード１における逆方向リーク電流が低減し、電界集中緩和に基づく逆方向耐電圧上昇の効果を顕著にすることができる。

なお、転位密度は、例えば溶解ＫＯＨを用いたエッチングによりできるピットの個数をＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：透過型電子顕微鏡）で観察することにより数えて、単位面積で割るという方法によって測定することができる。

また、ＧａＮエピタキシャル層３において電極５のショットキー電極５ａと接触する領域３ｃの転位密度は、１×１０^８ｃｍ^−２以下が望ましく、１×１０^５ｃｍ^−２以下がより望ましい。これにより、上述したように、同様の逆方向耐電圧向上の効果を得ることができる。

なお、本実施の形態では、窒化ガリウム系化合物のエピタキシャル層としてＧａＮを用いているが、例えばＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１）で表される化合物であってもよい。

電極５は、金、プラチナ、ニッケル、パラジウム、コバルト、銅、銀、タングステン、およびチタンからなる群より選ばれた少なくとも一種の物質を含むことが望ましい。電極５の、ＧａＮエピタキシャル層３の主表面３ａに接触する部分は、ショットキー電極であるために、ショットキー電極の材質として上記材料を用いることになる。これにより、低リーク電流を実現できる。

電極６は、チタン、アルミ、金からなる群より選ばれた少なくとも一種の物質を含むことが望ましい。電極６の、ＧａＮ自立基板２の主表面２ｂに接触する部分は、オーミック電極であるために、オーミック電極の材質として上記材料を用いることになる。これにより、低抵抗化を実現できる。

また、図１に窒化絶縁層４の厚みを寸法ｔとして示している。窒化絶縁層４の厚み（寸法ｔ）は、１０ｎｍ以上５μｍ以下であることが望ましい。窒化絶縁層４の厚み（寸法ｔ）が１０ｎｍ未満であれば、窒化絶縁層４の耐圧が低く、窒化絶縁層４が先に破壊されてフィールドプレート構造の効果は得られない。また、窒化絶縁層４の厚みが５μｍより厚ければ、フィールドプレート構造による電界緩和効果自体が得られないことになる。

また、図１にフィールドプレート長を寸法Ｌとして示している。フィールドプレート長とは、フィールドプレート電極５ｂが窒化絶縁層４と重なる長さをいう。本実施の形態では、フィールドプレート長とは、図１に示すように、ショットキーバリアダイオード１の、平面形状が円形の電極５の中心を通る断面において、フィールドプレート電極５ｂが窒化絶縁層４と重なっている長さである。つまり、窒化絶縁層４の開口部の平面形状が円形状であって、電極５の一部であるショットキー電極５ａの平面形状が円形である場合、フィールドプレート長とは、ショットキー電極５ａの半径方向における、フィールドプレート電極５ｂが窒化絶縁層４と重なる長さである。

換言すると、フィールドプレート長とは、ショットキー電極５ａの平面形状に対する重心と、当該平面形状の外周部上のある一点と、を結ぶような直線の方向において、フィールドプレート電極が絶縁層と重なっている長さをいう。このようなフィールドプレート長は、１μｍ以上１ｍｍ以下であることが望ましい。フィールドプレート長が１μｍ未満であれば、安定したフィールドプレート構造による電界緩和効果が得られない。また、フィールドプレート長が１ｍｍより長ければ、フィールドプレート構造による電界緩和効果自体が得られない。

次に、ショットキーバリアダイオード１の製造方法について説明する。図３は、ショットキーバリアダイオードの製造方法の各工程を示す流れ図である。図１〜図３を参照して、本発明のショットキーバリアダイオードの製造方法について説明する。

まず、図３に示す工程（Ｓ１０）において、ＧａＮ自立基板２を形成する。具体的には、ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ、ハイドライド気相成長法）で作製された、ｎ導電型の、（０００１）面ＧａＮ自立基板２を準備する。ＧａＮ自立基板２のキャリア濃度は例えば３×１０^１８ｃｍ^−３であり、厚みは例えば４００μｍであり、平均転位密度は例えば１×１０^６ｃｍ^−２である。次に工程（Ｓ２０）において、エピタキシャル層３を形成する。具体的には、ＧａＮ自立基板２上に、キャリア密度が例えば５×１０^１５ｃｍ^−３であり厚みが例えば７μｍであるｎ導電型エピタキシャル膜を、ＯＭＶＰＥ（Ｏｒｇａｎｏ−Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ、有機金属気相成長）法により成長させて、ＧａＮエピタキシャル層３を作製する。

次に工程（Ｓ３０）において、窒化絶縁層４を形成する。具体的には、ＧａＮエピタキシャル層３上に、窒化絶縁層４としてＳｉＮ_ｘを、プラズマＣＶＤによりＮＨ_３（アンモニア）ガスを用いずにＳｉＨ_４ガス、Ｎ_２（窒素）ガスから成膜する。つまり、主要成分としてＮＨ_３を含まない原料ガスを用いて、窒化絶縁層４を形成する。窒化絶縁層４の膜厚（寸法ｔ）は、例えば約１００ｎｍである。次に工程（Ｓ４０）において、オーミック電極を形成する。具体的には、ＧａＮ自立基板２の主表面２ｂを有機洗浄および塩酸洗浄した後に、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ（２０ｎｍ／１００ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ）を、ＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ）蒸着法を用いて主表面２ｂの全体に形成する。その後、窒素雰囲気下で約２分間６００℃に加熱し、合金化を行ない、オーミック電極としての電極６を形成する。

次に工程（Ｓ５０）において、窒化絶縁層４のエッチングを行なう。具体的には、フォトリソグラフィーにより、窒化絶縁層４上にパターニングを行なう。その後、ＢＨＦ（Ｂｕｆｆｅｒｅｄ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ、バッファードフッ酸）により、窒化絶縁層４のウェットエッチングを行なう。その後、有機洗浄によってレジストの除去を行なう。このようにして窒化絶縁層４をエッチングし、窒化絶縁層４に開口部を形成する。この時点で、開口部ではＧａＮエピタキシャル層３が露出している。開口部は例えば、その側面が、直径の最大値が２００μｍである円錐台の円錐面形状をなすように、形成することができる。

次に工程（Ｓ６０）において、ショットキー電極５ａおよびフィールドプレート電極５ｂを形成する。具体的には、フォトリソグラフィーによりパターニングを行なう。続いて、塩酸洗浄によるＧａＮエピタキシャル層３の表面処理を、室温で３分間行なった後、電極材料としてＮｉ／Ａｕ（８０ｎｍ／３００ｎｍ）を、ＥＢ蒸着法と抵抗加熱蒸着法とにより形成する。その後レジストを除去する際に、レジスト上に成膜された電極材料は同時に除去され（リフトオフ）、電極５が形成される。電極５の形状は、窒化絶縁層４に形成された開口部よりも直径の大きい形状とすることができ、例えば平面形状が直径２２０μｍの円形となるように形成することができる。

これにより、窒化絶縁層４の開口部の内部においてＧａＮエピタキシャル層３の主表面３ａに接触する部分であるショットキー電極５ａと、ショットキー電極５ａに電気的に接続するとともに窒化絶縁層４に重なる部分であるフィールドプレート電極５ｂと、が形成される。つまり、電極５の直径が、窒化絶縁層４に形成された開口部の直径よりも大きいために、窒化絶縁層４上に電極５の一部が重なって、フィールドプレート電極５ｂとなるようになっている。

以上の製造方法によって、図１および図２に示すショットキーバリアダイオード１を製造することができる。このショットキーバリアダイオード１の製造方法では、窒化絶縁層４を形成する工程（Ｓ３０）において、水素種発生の主要因であるアンモニアを用いずに、窒化絶縁層４を形成している。これにより、絶縁層４中の水素濃度が低減できる。つまり、窒化絶縁層４形成時の水素種のＧａＮエピタキシャル層３への影響を低減させることができるので、窒化絶縁層４とＧａＮエピタキシャル層３との界面の固定電荷密度を低減し、逆方向耐電圧を向上させることができる。

ここで、窒化絶縁膜を形成する工程（Ｓ３０）では、窒化絶縁層４を、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、物理蒸着）法を用いて形成してもよい。ＰＶＤとしては、例えば、真空蒸着やイオンプレーティングなどの蒸発系ＰＶＤ、スパッタリングなどを用いることができる。ＰＶＤでは、気相中でＧａＮエピタキシャル層３の表面に物理的手法により窒化絶縁層４を形成する物質の薄膜を堆積させるので、水素種発生の主要因であるアンモニアを用いずに、窒化絶縁層４を形成することができる。従って、上記と同様に、水素がＧａＮエピタキシャル層３に取り込まれ、悪影響を及ぼすことを排除することができるので、フィールドプレート構造により大きな電界緩和効果が得られ、逆方向耐電圧を向上させる効果が得られる。

また、上記のショットキーバリアダイオードの製造方法においては、工程（Ｓ６０）においてショットキー電極５ａおよびフィールドプレート電極５ｂを同時に形成する例を説明したが、ショットキー電極５ａを形成する工程の後にフィールドプレート電極５ｂを形成する工程を設けてもよい。つまり、図１および図２を参照して、絶縁層４に形成された開口部の内部に、ＧａＮエピタキシャル層３に接触するようにショットキー電極５ａを形成し、続いて、ショットキー電極５ａに電気的に接続するとともに窒化絶縁層４に重なるように、フィールドプレート電極５ｂを形成してもよい。この場合、フィールドプレート電極５ｂは、ショットキー電極５ａと同じ材質で形成してもよく、窒化絶縁層４との接着性のよい材料など、ショットキー電極５ａの材質と異なる材料を用いて、フィールドプレート電極５ｂを形成してもよい。

また、本実施の形態では、ＧａＮ自立基板２とＧａＮエピタキシャル層３とを含む構造を例に挙げて説明したが、本発明は特にこれに限定されない。ＧａＮ自立基板２を含んでいなくてもよく、ＧａＮ自立基板２の代わりに他の基板を用いてもよい。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係るショットキーバリアダイオードの断面図である。同図に示すように、実施の形態２のショットキーバリアダイオード１１は実施の形態１のショットキーバリアダイオード１に対し、窒化絶縁層が第１の窒化絶縁層１４と第２の窒化絶縁層１７の二層構造となっている点で実施の形態１と異なっている。なお、図１と同一符号のものは、同一又は相当物であり、以下の説明を省略する。

第１の窒化絶縁層１４はＧａＮエピタキシャル層３の主表面３ａ上に形成されており、第２の窒化絶縁層１７は第１の窒化絶縁層１４条であってフィールドプレート電極５ｂの下に形成されている。従って、フィールドプレート電極５ｂはＧａＮエピタキシャル層３上に第１の窒化絶縁層１４と第２の窒化絶縁層１７の二層構造を介して形成されている。

第１の窒化絶縁層１４は、実施の形態１の窒化絶縁層４と同様に、プラズマＣＶＤにより原料ガスとしてＮＨ₃ガスを用いずにＳｉＨ_４ガス、Ｎ₂ガスから成膜されたＳｉＮ_ｘであり、厚みは、０．５ｎｍ以上５μｍ以下とすることができ、例えば約１００ｎｍである。これより、水素濃度は３．８×１０^２２ｃｍ^−３未満とすることができ、ＧａＮエピタキシャル層３との界面における固定電荷密度は１．２×１０^１２ｃｍ^−２未満である。

一方、第２の窒化絶縁層１７は、ＮＨ₃を用いたプラズマＣＶＤにより成膜されたＳｉＮ_ｘガスであり、厚みは、例えば約２００ｎｍである。また、第２の窒化絶縁層１７は水素濃度および固定電荷密度に制限は無い。

本実施の形態のショットキーバリアダイオード１１では、水素濃度の低い第１の窒化絶縁層１４を適用することで、水素がＧａＮエピタキシャル層３に取り込まれて、第１の窒化絶縁層１４とＧａＮエピタキシャル層３との界面の固定電荷密度が上昇することを防止し、低電圧での逆方向リーク電流を抑制することができるとともに、第２の窒化絶縁層１７に耐圧を負担させることで、さらに逆方向耐電圧を向上させることができる。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３に係るショットキーバリアダイオードの断面図である。同図に示すように、実施の形態３のショットキーバリアダイオード２１は実施の形態１のショットキーバリアダイオード１に対し、ＧａＮ自立基板２の代わりに支持基板２３と、ＧａＮ下地層２２を含んでいる点で実施の形態１と異なっている。なお、図１と同一符号のものは、同一又は相当物であり、以下の説明を省略する。

支持基板２３は、導電性の基板である。この支持基板２３の主表面２３ａ上にＧａＮ下地層２２が形成され、ＧａＮ下地層２２の主表面２２ａ上にＧａＮエピタキシャル層３が形成されている。

また、ＧａＮエピタキシャル層３においてショットキー電極と接触する領域３ｃの転位密度は、好ましくは１×１０^８ｃｍ^−２以下であり、より好ましくは１×１０^６ｃｍ^−２以下である。なお、ＧａＮエピタキシャル層３の転位密度は領域３ｃと同じであっても異なっていてもよい。

次に、ショットキーバリアダイオード２１の製造方法について説明する。図６は、本発明の実施の形態３におけるショットキーバリアダイオードの製造方法の各工程を示す流れ図である。本実施の形態におけるショットキーバリアダイオード２１の製造方法は、基本的には実施の形態１におけるショットキーバリアダイオード１の製造方法と同様の構成を備えているが、貼り合わせ基板を形成するための工程をさらに備えている点において異なっている。

具体的には、実施の形態１の工程（Ｓ１０）と同様に、ＧａＮ自立基板２を準備する。次に、工程（Ｓ７１）で、ＧａＮ自立基板２の表面または裏面から不純物をイオン注入する。これにより、ＧａＮ自立基板２の表面または裏面近傍に不純物を多く含む層が形成される。次に、工程（Ｓ７２）で、イオン注入した面と支持基板２３とを貼り合わせる。次に、工程（Ｓ７３）で、ＧａＮ自立基板２と支持基板２３とが貼り合わされた状態で熱処理する。これにより、ＧａＮ自立基板２における不純物を多く含む領域を境界として、分割される。その結果、支持基板２３と、支持基板２３上にＧａＮ自立基板２よりも薄いＧａＮ下地層２２が形成された貼り合わせ基板を作成することができる。

次に、工程（Ｓ２０）では、ＧａＮ下地層２２上にＧａＮエピタキシャル層３を形成する。このＧａＮエピタキシャル層３において後述するショットキー電極５ａと接触する領域３ｃの転位密度は、１×１０⁸ｃｍ^-2以下であることが好ましい。

次に、実施の形態１と同様に、窒化絶縁層形成工程（Ｓ３０）、オーミック電極形成工程（Ｓ４０）、絶縁層エッチング工程（Ｓ５０）、ショットキー電極およびフィールドプレート電極形成工程（Ｓ６０）を実施する。

以上の工程（Ｓ１０〜Ｓ７３）を実施することにより、図５に示すショットキーバリアダイオード２１を製造することができる。

また、支持基板２３として金属を用いた場合は、オーミック電極６は不要となり、工程をより簡略化することができる。

実施の形態３の構成によれば、高価なＧａＮ自立基板２の一部のみを使用しているため、ＧａＮ自立基板２の残部を再利用できるので、製造コストを低減することができる。

以下、本発明の実施例について説明する。実施の形態１で説明したショットキーバリアダイオード１をサファイア基板を用いて作製し、逆方向耐電圧を測定する実験を行なった。なお、ショットキーバリアダイオード１の具体的な製造方法およびサイズなどの特性は、実施の形態１で説明した通りである。

窒化絶縁層４を作成する工程において、プラズマＣＶＤ法により作成し、ＳｉＨ_４ガスを５ｓｃｃｍ、Ｎ_２ガスを５００ｓｃｃｍ、プラズマパワー２００Ｗ、圧力３００Ｐａの条件においてＮＨ_３ガス流量をパラメータとし、ＳｉＮ層を１００ｎｍの厚みで形成した。

こうして作成した各ショットキーバリアダイオードの固定電荷密度を、Ｃ−Ｖ（Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ−Ｖｏｌｔａｇｅ：容量−電圧）法により測定した。

図７は窒化絶縁層を成膜時のＮＨ_３流量と固定電荷密度の関係を示すグラフである。これによれば、ＮＨ_３ガス流量（ｓｃｃｍ）が０、１０、５０、１００で固定電荷密度（ｃｍ^−２）がそれぞれ１．７×１０^１１、１．２×１０^１２、４．１×１０^１２、４．３×１０^１２、ＮＨ_３ガス流量が少ないほど固定電荷密度が小さくなり、特に、ＮＨ_３ガス流量（ｓｃｃｍ）が１０以下で急激に固定電荷密度が小さくなっていた。

次に、ＮＨ_３ガス流量（ｓｃｃｍ）が０であるものと１００であるものについて、逆方向耐電圧について測定した。図８はショットキーバリアダイオードの逆方向電圧と電流密度との関係を示すグラフである。図中のＮＨ_３ガスなしはＮＨ_３ガス流量が０ｓｃｃｍ、ＮＨ_３ガスありは１００ｓｃｃｍでのショットキーバリアダイオードの特性を示すものである。これより、ＮＨ_３ガスなしで作成したショットキーバリアダイオードの方が逆方向耐電圧を向上させることが明らかである。

以上のように、本発明のショットキーバリアダイオードは窒化絶縁層中の固定電荷密度が低いために、固定電荷密度の高い窒化絶縁層を用いる場合と比べて、逆方向耐電圧は約２倍となり大きく増加していた。従って、本発明のショットキーバリアダイオードでは、窒化絶縁層中の固定電荷密度が低減されているために、フィールドプレート構造により大きな電界緩和効果が得られ、逆方向耐電圧を上昇させることができることが示された。また、窒化絶縁層と第２の絶縁層とを積層構造とした場合、ＧａＮエピタキシャル層との界面に水素濃度の低い窒化絶縁膜を形成すれば、同様の効果が得られることが明らかとなった。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態１に係るショットキーバリアダイオードの断面図である。 図１に示すショットキーバリアダイオードの斜視図である。 ショットキーバリアダイオードの製造方法の各工程を示す流れ図である。 本発明の実施の形態２に係るショットキーバリアダイオードの断面図である。 本発明の実施の形態３に係るショットキーバリアダイオードの断面図である。 本発明の実施の形態３におけるショットキーバリアダイオードの製造方法の各工程を示す流れ図である。 窒化絶縁層を成膜時のＮＨ_３流量と固定電荷密度の関係を示すグラフである。 ショットキーバリアダイオードの逆方向電圧と電流密度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ ショットキーバリアダイオード
２ ＧａＮ自立基板
２ａ 主表面
２ｂ 主表面
３ ＧａＮエピタキシャル層
３ａ 主表面
４ 窒化絶縁層
５ 電極
５ａ ショットキー電極
５ｂ フィールドプレート電極
６ 電極
１１ ショットキーバリアダイオード
１４ 第１の窒化絶縁層
１７ 第２の絶縁層
２１ ショットキーバリアダイオード
２２ 下地層
２３ 支持基板

Claims (11)

1. 主表面を有する窒化ガリウム系化合物のエピタキシャル層と、
   前記主表面上に形成され、開口部が形成されている窒化絶縁層と、
   前記開口部の内部に、前記主表面に接触するように形成されたショットキー電極と、
   前記ショットキー電極に電気的に接続するとともに、前記窒化絶縁層に重なるように形成された、フィールドプレート電極と、を備え、
   前記窒化絶縁層と前記エピタキシャル層との界面での固定電荷密度が、１．２×１０^１２ｃｍ^−２未満であることを特徴とするショットキーバリアダイオード。
2. 前記窒化絶縁層中の水素濃度が、３．８×１０^２２ｃｍ^−３未満である、請求項１に記載のショットキーバリアダイオード。
3. 前記ショットキーバリアダイオードはさらに窒化ガリウム基板を含み、前記エピタキシャル層の前記主表面の反対側が前記窒化ガリウム基板の主表面と接触するように形成されている、請求項１または請求項２に記載のショットキーバリアダイオード。
4. 前記窒化ガリウム基板の転位密度は１×１０^８ｃｍ^−２以下である、請求項３に記載のショットキーバリアダイオード。
5. 前記エピタキシャル層において、前記ショットキー電極と接触する領域の転位密度が１×１０^８ｃｍ^−２以下である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のショットキーバリアダイオード。
6. 前記窒化絶縁層の厚みは１０ｎｍ以上５μｍ以下である、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のショットキーバリアダイオード。
7. 前記窒化絶縁層上に形成された、第２の絶縁層をさらに備える、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のショットキーバリアダイオード。
8. 前記窒化絶縁層の厚みは０．５ｎｍ以上５μｍ以下である、請求項７に記載のショットキーバリアダイオード。
9. 前記窒化絶縁層の屈折率が１．７以上２．２以下である、請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載のショットキーバリアダイオード。
10. 前記フィールドプレート電極が前記窒化絶縁層と重なる長さが１μｍ以上１ｍｍ以下である、請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載のショットキーバリアダイオード。
11. 前記ショットキー電極は、金、プラチナ、ニッケル、パラジウム、コバルト、銅、銀、タングステン、およびチタンからなる群より選ばれた少なくとも一種の物質を含む、請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載のショットキーバリアダイオード。

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