JP2015050434A - 窒化物半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】電極金属とＧａＮ系半導体との接合箇所における電気的損失を抑制すること。【解決手段】窒化物半導体装置１００は、基板１１と、基板１１上にバッファ層１２を介して形成された電子走行層１３と、電子走行層１３上に形成された、電子走行層１３のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する電子供給層１４と、電子供給層１４上に形成された複数の電極とを備え、複数の電極のうちの一つであるアノード電極１Ａは、アノード電極１Ａと電子供給層１４との間の少なくとも一部の面が、層構造を有する炭素の同素体からなる炭素層１５Ｃを介して接合されている。【選択図】図１
Description
本発明は、窒化物半導体装置に関する。
ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮなどのガリウムナイトライド系半導体（以下ＧａＮ系半導体と称する）は、組成を選択することでバンドギャップを広範囲に変化させることが出来るという特性がある。また、ＧａＮ系半導体は、他の組成系では実現が困難である青系統の短波長発光を得ることが出来るという特性もある。したがって、ＧａＮ系半導体は半導体発光ダイオードや半導体レーザなどの発光素子へ応用されている。
また、ＧａＮ系半導体は、高温下における組成安定性に優れており、高温で動作可能なトランジスタなどの半導体材料としても応用されている。
これらのＧａＮ系半導体を用いた半導体装置における課題の一つに、電極金属とＧａＮ系半導体との接合箇所における電気的損失がある。
電界効果トランジスタでは、ソース電極およびドレイン電極と半導体層との接触抵抗が小さいことが重要であり、例えば、Ｓｉ系半導体を用いた電界効果トランジスタでは、電極と半導体層との間の接触抵抗が１０−８Ω・ｃｍ−２程度である。しかしながら、Ｔｉ／Ａｌ系金属を電極に用いたＧａＮ系半導体の電界効果トランジスタでは、Ｓｉ系半導体の電界効果トランジスタのように十分に低い接触抵抗を得ることは困難である（例えば特許文献１参照）。また、接触抵抗の低減のため、金属電極と窒化物半導体との間にフラーレンＣ６０からなる炭素層を形成する方法が知られている（例えば特許文献２参照）。
さらに、ショットキーバリアダイオードにおいては、高電圧を印加した際に逆バイアスにおいてリーク電流が大きいという問題がある。一方、逆バイアスでのリーク電流を抑えるために、ショットキー障壁の高い金属を電極に用いると、順方向降下電圧が高くなってしまうというトレードオフがある。このトレードオフを解消するために、ショットキー障壁の異なる２種類の金属をショットキー電極として使用する方法がある（例えば特許文献３参照）。
しかしながら、接触抵抗の低減のためにＣ６０を窒化物半導体表面に蒸着しても、非晶質グラファイトが形成されるため、炭素層自体の抵抗を十分に低減することができず、接触抵抗は十分に低減しない。また、ショットキー障壁の異なる２種類の金属をショットキー電極として使用した場合でも、ショットキー接合を用いる以上は、順方向降下電圧を０にすることは出来ない。
つまり、従来の方法では、ＧａＮ系半導体は、他の組成系半導体よりも有利な特性を有するものの、電極金属とＧａＮ系半導体との接合箇所における電気的損失により、有効に活用することが困難となっていた。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、電極金属とＧａＮ系半導体との接合箇所における電気的損失を抑制することができる窒化物半導体装置を提供することにある。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる窒化物半導体装置は、基板と、前記基板上にバッファ層を介して形成された第１窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層上に形成された、該第１窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する第２窒化物半導体層と、前記第２窒化物半導体層上に形成された複数の電極とを備え、前記複数の電極のうちの一つである第１電極は、該第１電極と前記第２窒化物半導体層との間の少なくとも一部の面が、層構造を有する炭素の同素体からなる炭素層を介して接合されていることを特徴とする。
また、本発明にかかる窒化物半導体装置は、上記発明において、前記第１電極と前記第２窒化物半導体層との間の一部面のみが、層構造を有する炭素の同素体からなる炭素層を介して接合されていることを特徴とする。
また、本発明にかかる窒化物半導体装置は、上記発明において、前記第１電極と前記第２窒化物半導体層との間における前記炭素層を介さない面は、前記第１電極と前記第２窒化物半導体層とがショットキー接合されていることを特徴とする。
また、本発明にかかる窒化物半導体装置は、上記発明において、前記複数の電極のうち前記第１電極以外の一つである第２電極は、前記第２電極と前記第２窒化物半導体層との間の接合面と、前記第１電極と前記第２窒化物半導体層との間の前記炭素層を介して接合されている接合面とが、前記第１電極と前記第２窒化物半導体層との間の前記炭素層を介して接合されていない接合面により離隔されることを特徴とする。
また、本発明にかかる窒化物半導体装置は、上記発明において、前記第１電極をアノード電極とし、前記第２電極をカソード電極としたときに、ショットキーバリアダイオードとして機能することを特徴とする。
また、本発明にかかる窒化物半導体装置は、上記発明において、前記電極のうち前記第１電極以外の一つである第２電極は、該第２電極と前記第２窒化物半導体層との間の少なくとも一部の面が、層構造を有する炭素の同素体からなる炭素層を介して接合され、前記電極のうち前記第１電極および前記第２電極以外の一つである第３電極は、該第３電極と前記第２窒化物半導体層との間の全面が、層構造を有する炭素の同素体からなる炭素層を介さず接合されていることを特徴とする。
また、本発明にかかる窒化物半導体装置は、上記発明において、前記第３電極と前記第２窒化物半導体層との間は、前記第３電極と前記第２窒化物半導体層とがショットキー接合されていることを特徴とする。
また、本発明にかかる窒化物半導体装置は、上記発明において、前記第１電極をソース電極とし、前記第２電極をドレイン電極とし、前記第３電極をゲート電極としたときに、電界効果トランジスタとして機能することを特徴とする。
また、本発明にかかる窒化物半導体装置は、上記発明において、前記炭素層は、強い共有結合で結合された６角形格子構造を基本構造とし、この基本構造が弱いファンデルワールス力により複数積層した結晶状態の炭素の同素体からなることを特徴とする。
また、本発明にかかる窒化物半導体装置は、上記発明において、前記炭素層は、厚さが５〜５０ｎｍであることを特徴とする。
本発明にかかる窒化物半導体装置は、電極金属とＧａＮ系半導体との接合箇所における電気的損失を抑制することができるという効果を奏する。
以下に、図面を参照して本発明に係る窒化物半導体装置の実施形態を説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態にかかる窒化物半導体装置１００の模式断面図である。図１に示されるように、窒化物半導体装置１００は、アノード電極１Ａとカソード電極１Ｃとを有するダイオードであり、アノード電極１Ａが窒化物半導体層とショットキー接合をしているショットキーバリアダイオードとなっている。
図１は、第１実施形態にかかる窒化物半導体装置１００の模式断面図である。図１に示されるように、窒化物半導体装置１００は、アノード電極１Ａとカソード電極１Ｃとを有するダイオードであり、アノード電極１Ａが窒化物半導体層とショットキー接合をしているショットキーバリアダイオードとなっている。
図１に示されるように、窒化物半導体装置１００は、基板１１の上にバッファ層１２、電子走行層１３、電子供給層１４を順次積層した構造を有する。
基板１１の材料は、例えばサファイアである。バッファ層１２の半導体材料としては、通常、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、などが使用され、それらの多層構造や、ＡｌＮ／ＧａＮの超格子構造などとして使用されることもあるが、本実施形態では、層厚３０ｎｍのＧａＮが使用されている。
電子走行層１３と電子供給層１４との界面は、第１窒化物半導体層と当該第１窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する第２窒化物半導体層とのヘテロ接合界面になっており、この界面の直下に位置する電子走行層１３の表層部にはピエゾ効果および自発分極により２次元電子ガス１３Ａが層状に発生している。
電子走行層１３と電子供給層１４との組み合わせ（これを電子供給層１４／電子走行層１３で表す）としては、例えば、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ／ＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮなどをあげることができる。ここでは、電子走行層１３として、層厚３μｍのＧａＮが用いられ、電子供給層１４として、層厚３０ｎｍのＡｌＧａＮが用いられている。
なお、窒化物半導体装置の異なる実施形態としては、電子走行層と電子供給層との間に、電子供給層よりもさらに大きなバンドギャップエネルギーを有する中間層を形成するとし得る。その場合、例えば、中間層としてＡｌＮを用いる。
電子供給層１４の上表面には、アノード電極１Ａとカソード電極１Ｃとが設けられている。
カソード電極１Ｃと電子供給層１４との間には、炭素層１５Ｃが形成されている。一方、アノード電極１Ａと電子供給層１４との間は、一部面のみに炭素層１５Ａが形成され、炭素層１５Ａの周囲は、アノード電極１Ａと電子供給層１４とが直接接合されている。炭素層１５Ａは、アノード電極１Ａと電子供給層１４との直接接合により全周が囲われており、炭素層１５Ａがカソード電極１Ｃ側に露出することはない。
図２は、第１実施形態にかかる窒化物半導体装置１００の上視面を示す平面図である。図２に示されるように、アノード電極１Ａと電子供給層１４との間に形成された炭素層１５Ａは、アノード電極１Ａと電子供給層１４との直接接合により全周が囲われていることにより、カソード電極１Ｃから離隔されている。なお、図２に示される窒化物半導体装置１００の上視面の配置構成は、実施形態の一例に過ぎず、アノード電極１Ａとカソード電極１Ｃとの形状は、いわゆる櫛歯型の形状であってもよい。ただし、アノード電極と電子供給層との間に形成された炭素層は、アノード電極と電子供給層との直接接合により、炭素層１５Ａがカソード電極から離隔されている必要がある。
図１の参照に戻る。アノード電極１Ａとカソード電極１Ｃとは、絶縁膜１６により離隔されている。絶縁膜１６は、アノード電極１Ａとカソード電極１Ｃとの間から表出される電子供給層１４を被覆するように配置されている。絶縁膜１６は、アノード電極１Ａとカソード電極１Ｃとの間に高電圧を印加した際に、両電極間における空中放電の発生を抑制して窒化物半導体装置１００の損壊を防止する役割を担っている。
また、絶縁膜１６は、電極の端部における電界集中の発生を緩和して窒化物半導体装置１００全体の耐圧を高める効果を持っている。図１に示されるように、アノード電極１Ａは、フィールドプレート構造ＦＰを有している。すなわち、アノード電極１Ａの外周縁部は、絶縁膜１６の上に覆い被さるように形成されている。このフィールドプレート構造ＦＰにより、アノード電極１Ａ端部における電界集中が緩和され、窒化物半導体装置１００の高耐圧特性がさらに向上されている。なお、絶縁膜１６の上部には表面保護膜１８が設けられている。
次に、図３および図４を参照しながら、第１実施形態にかかる窒化物半導体装置１００の作用について説明する。図３は、窒化物半導体装置１００に順方向バイアスをかけた直後の電流の流れを説明する模式断面図であり、図４は、窒化物半導体装置１００に逆方向バイアスをかけた場合の電流の阻害を説明する模式断面図である。
図３に示されるように、窒化物半導体装置１００に順方向バイアスをかけた直後の電流の流れは、アノード電極１Ａ、炭素層１５Ａ、電子供給層１４、電子走行層１３の表層における２次元電子ガス１３Ａ、電子供給層１４、炭素層１５Ｃ、カソード電極１Ｃの順の経路である。
アノード電極１Ａは、炭素層１５Ａを介さず、電子供給層１４に直接接合している接合面を有するが、窒化物半導体装置１００に順方向バイアスをかけた直後においては、炭素層１５Ａを介した経路で、アノード電極１Ａから電子供給層１４へ電流が流れる。その理由は、炭素層１５Ａのショットキーバリアの高さが実質的に０であることによる。
炭素は金属と半導体との中間的性質を有しており、金属と半導体との間に形成することにより、フェルミエネルギーを連続的につなげることができる。したがって、炭素層１５Ａを介したアノード電極１Ａから電子供給層１４への接合は、オーミック性の接合となる。したがって、順方向降下電圧Ｖｆが実質的に０となっている。
アノード電極１Ａが炭素層１５Ａを介さず、電子供給層１４に直接接合している領域は、ショットキー接合である。したがって、順方向降下電圧Ｖｆが０ではないものの、炭素層１５Ａから通電が開始されたのち、印加電圧が上昇してゆく過程で、ショットキー接合領域からも通電が行われる。
また、窒化物半導体装置１００では、電子供給層１４とカソード電極１Ｃとの間は、炭素層１５Ｃを介して接合されている。したがって、電子供給層１４とカソード電極１Ｃとの間もオーミック性が向上され接触抵抗が低減されている。
一方、図４に示されるように、窒化物半導体装置１００に逆方向バイアスをかけた場合、アノード電極１Ａと電子供給層１４とが直接接合しているショットキー接合領域の下方に空乏層１７が広がる。空乏層１７は、電子走行層１３の表層における２次元電子ガス１３Ａをピンチオフし、電流経路を遮断する。
先述のように、炭素層１５Ａは、ショットキー接合により全周が囲われていることにより、カソード電極１Ｃから離隔されている。結果、ショットキー接合領域の下方に空乏層１７が広がることにより、炭素層１５Ａは、カソード電極１Ｃから電気的に遮断されることになり、炭素層１５Ａのショットキーバリアの高さが実質的に０であったとしても整流性が維持される。
炭素層１５Ａ、１５Ｃは、グラフェンからなる組成とすることが好ましい。グラフェンは伝導率が高いからである。ここでグラフェンからなる組成とは、強い共有結合で結合された６角形格子構造を基本構造とし、この基本構造が弱いファンデルワールス力により複数積層した結晶状態の炭素の同素体を含み、必ずしも単層の６角形格子構造の炭素の同素体に限定されない。しかしながら、炭素層１５Ａ、１５Ｃの内部における６角形格子構造の層は、互いに平行であり、電子供給層１４との接合面と平行となっている。
炭素層１５Ａ、１５Ｃは、例えば層厚が５ｎｍ以上である。ここで云う炭素層１５Ａ、１５Ｃの層厚とは、炭素層１５Ａ、１５Ｃがアノード電極１Ａまたはカソード電極１Ｃと電子供給層１４との間を隔てる距離である。なお、層厚が５ｎｍの炭素層１５Ａ、１５Ｃの内部には、６角形格子構造の層が１０層くらい積層されている。炭素層１５Ａ、１５Ｃの層厚は、均一に炭素層１５Ａ、１５Ｃを形成する点で５ｎｍ以上である方が好ましいが、均一に形成することが可能であれば５ｎｍ未満であっても良い。また、層厚が５０ｎｍを超えた炭素層１５Ａ、１５Ｃを形成すると、炭素層１５Ａ、１５Ｃの表面の粗さが増大し、電極との密着性が悪化する。したがって、炭素層１５Ａ、１５Ｃの層厚は、５０ｎｍ以下である方が好ましい。
上記のように、窒化物半導体装置１００に順方向バイアスをかけた場合、最初はショットキーバリアの高さが実質的に０である炭素層１５Ａからの通電が行われるので、順方向に流れる電流の立ち上がりが早くなるのでオン抵抗が低く、かつ順方向降下電圧Ｖｆが実質的に０となる。
また、窒化物半導体装置１００に逆方向バイアスをかけた場合、ショットキーバリアが高いアノード電極１Ａを用いることができるので、リーク電流の発生を抑制することができる。
（製造方法）
次に、上記構成の窒化物半導体装置１００の製造方法の例について説明する。
次に、上記構成の窒化物半導体装置１００の製造方法の例について説明する。
１．エピタキシャル基板作製：
エピタキシャル膜は、例えば有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法で作製される。図５は、本工程により作製されるエピタキシャル基板の層構造を示す模式断面図である。
エピタキシャル膜は、例えば有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法で作製される。図５は、本工程により作製されるエピタキシャル基板の層構造を示す模式断面図である。
基板１１として、２インチ径であり厚さが５００μｍのサファイアを用い、ＭＯＣＶＤ装置内にて、基板１１上にバッファ層１２をエピタキシャル成長させる。バッファ層１２の形成に用いる気相は、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）およびアンモニア（ＮＨ３）であり、それぞれ１４μｍｏｌ／ｍｉｎおよび１２Ｌ／ｍｉｎの流量で導入される。成長温度は５５０℃である。以上の条件により、層厚３０ｎｍのＧａＮからなるバッファ層１２が基板１１上に形成される。
続いて、ＭＯＣＶＤ装置内にて、バッファ層１２上に電子走行層１３をエピタキシャル成長させる。電子走行層１３の形成に用いる気相は、ＴＭＧａおよびＮＨ３であり、それぞれ１９μｍｏｌ／ｍｉｎおよび１２Ｌ／ｍｉｎの流量で導入される。成長温度は１０５０℃であり、成長圧力は１００Ｔｏｒｒである。以上の条件により、層厚３μｍのＧａＮからなる電子走行層１３がバッファ層１２上に形成される。
さらに、ＭＯＣＶＤ装置内にて、電子走行層１３上に電子供給層１４をエピタキシャル成長させる。電子供給層１４の形成に用いる気相は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、ＴＭＧａ、およびＮＨ３であり、それぞれ１００μｍｏｌ／ｍｉｎ、１９μｍｏｌ／ｍｉｎ、および１２Ｌ／ｍｉｎの流量で導入される。成長温度は１０５０℃である。以上の条件により、層厚３０ｎｍのＡｌＧａＮからなる電子供給層１４が電子走行層１３上に形成される。なお、電子供給層１４のアルミニウム組成は０．２４であり、Ｘ線回折により評価を行った。
なお、窒化物半導体装置１００の製造に用いるエピタキシャル基板は、上記ＭＯＣＶＤ法に限らず、例えばハイドライド気相エピタキシャル成長（ＨＶＰＥ）法、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法、またはレーザアブレーション法でも作製され得る。
２．素子作製：
（１）炭素層の形成
まず、図５に示されたエピタキシャル基板上に炭素層が形成される。図６は、本工程によりエピタキシャル基板上に炭素層１５が形成された状態の層構造を示す模式断面図である。
（１）炭素層の形成
まず、図５に示されたエピタキシャル基板上に炭素層が形成される。図６は、本工程によりエピタキシャル基板上に炭素層１５が形成された状態の層構造を示す模式断面図である。
エピタキシャル基板をプラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）装置内に設置し、１０−２Ｔｏｒｒ以下の気圧になるまで真空引きを行う。その後、プラズマＣＶＤ装置内に、水素と炭素とを含むガスとしてメタンガスを所定の圧力になるまで導入する。ここでの所定の圧力とは、例えば１〜７６０Ｔｏｒｒの範囲内であり、好適には２００〜５００Ｔｏｒｒの範囲内である。
次に、エピタキシャル基板の温度を、４００〜１２００℃の範囲内で加熱する。なお、６００〜１０００℃の範囲内で加熱することが好ましい。そして、水素とメタンとをプラズマ化する。このとき印加する高周波電力は、例えば１００〜５００Ｗである。この条件の下、エピタキシャル基板上に膜厚が５〜５０ｎｍの炭素層１５を蒸着させる。なお、炭素層１５の膜厚はＸ線反射率測定、または、ラマン分光測定から評価することができる。
エピタキシャル基板上に炭素層１５を蒸着させた後、炭素層１５を１０００から１１００℃の範囲で０．５〜５分間加熱することにより、炭素層がグラフェンの構造を有する多層膜となる。
なお、炭素層１５の形成方法は、上記プラズマＣＶＤ法に限らず、電子線照射によりグラファイトを蒸着させる方法、有機ポリマーを蒸着後にフェムト秒レーザを照射して有機ポリマーを炭化させる方法、または、蒸着したエチレンの熱分解による炭化を用いる方法などが採用されうる。これらの方法により炭素層１５を形成し、上記熱処理を施すことにより炭素層をグラフェン化することで、上記工程の代用とすることができる。
（２）炭素層の開口
次に、エピタキシャル基板上に形成された炭素層１５を電極の大きさに合わせて開口する。この工程では、例えばフォトリソグラフィ技術が用いられる。図７は、本工程によりアノード電極およびカソード電極に対応した炭素層１５Ａおよび炭素層１５Ｃが形成された状態を示す模式断面図である。
次に、エピタキシャル基板上に形成された炭素層１５を電極の大きさに合わせて開口する。この工程では、例えばフォトリソグラフィ技術が用いられる。図７は、本工程によりアノード電極およびカソード電極に対応した炭素層１５Ａおよび炭素層１５Ｃが形成された状態を示す模式断面図である。
まず、プラズマＣＶＤ法により、炭素層１５上にＳｉＯ２膜が形成される。ＳｉＯ２膜上にはフォトレジストが塗布され、フォトリソグラフィ技術を用いて炭素層１５Ａおよび炭素層１５Ｃのパターンニングが行われる。その後、フッ化水素酸系溶液を用いて炭素層１５Ａおよび炭素層１５Ｃ以外の位置のＳｉＯ２膜が除去される。
例えば、アノード電極に対応した炭素層１５Ａは、直径がＤ１＝５０μｍの円形であり、カソード電極に対応した炭素層１５Ｃは、カソード電極１Ｃと同じ形状とする（図２参照）。
その後、プラズマＣＶＤ装置により、炭素層１５Ａおよび炭素層１５Ｃ以外の炭素層が除去される。プラズマＣＶＤに用いる気相は窒素ガスであり、その圧力は０．１Ｔｏｒｒである。エピタキシャル基板は２００℃に加熱され、印加する高周波電力は、例えば５００Ｗである。本条件で炭素層１５を除去することにより、電子供給層１４のＡｌＧａＮがプラズマによる損傷を受けることを抑制することが可能である。電子供給層１４の表面が損傷を受けた場合、その損傷はリーク電流の原因となってしまう。
なお、炭素層の除去方法は、上記方法に限らず、フッ化水素酸、水酸化ナトリウム、または水酸化カリウムなどによる除去方法とすることも可能である。
（３）絶縁膜の形成
次に、プラズマＣＶＤ法により、絶縁膜１６が形成される。図８は、炭素層１５Ａおよび炭素層１５Ｃを覆うように形成された絶縁膜１６の状態を示す模式断面図である。絶縁膜１６は、ＳｉＯ２膜からなり、その厚さは６０ｎｍである。
次に、プラズマＣＶＤ法により、絶縁膜１６が形成される。図８は、炭素層１５Ａおよび炭素層１５Ｃを覆うように形成された絶縁膜１６の状態を示す模式断面図である。絶縁膜１６は、ＳｉＯ２膜からなり、その厚さは６０ｎｍである。
（４）アノード開口
その後、アノード電極を形成する位置の絶縁膜１６が開口される。図９は、アノード電極を形成する位置の絶縁膜１６が開口された状態を示す模式断面図である。
その後、アノード電極を形成する位置の絶縁膜１６が開口される。図９は、アノード電極を形成する位置の絶縁膜１６が開口された状態を示す模式断面図である。
この工程は、例えばフォトリソグラフィ技術が用いられる。絶縁膜１６のＳｉＯ２膜上はフォトレジストが塗布され、開口部分のパターンニングが行われる。ここでは、絶縁膜１６の開口形状は、直径がＤ２＝１６０μｍの円形としている。その後、フッ化水素系溶液を用いて、アノード電極を形成する位置の絶縁膜１６が除去される。
（５）アノード電極形成
次に、絶縁膜１６の開口部にアノード電極１Ａが形成される。図１０は、絶縁膜１６の開口部にアノード電極１Ａが形成された状態を示す模式断面図である。
次に、絶縁膜１６の開口部にアノード電極１Ａが形成される。図１０は、絶縁膜１６の開口部にアノード電極１Ａが形成された状態を示す模式断面図である。
アノード電極１Ａには、ニッケル（Ｎｉ）および金（Ａｕ）が用いられる。絶縁膜１６の開口部から露出している炭素層１５Ａおよび電子供給層１４上にＮｉが１００ｎｍの厚さで蒸着され、その後、Ａｕが２００ｎｍの厚さで蒸着される。なお、アノード電極１Ａに用いる金属材料は、Ｎｉに限らず、白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）であってもよい。
蒸着されたＮｉおよびＡｕを所望の形状に形成するために、ドライエッチングが行われる。蒸着されたＮｉおよびＡｕ上にフォトレジストが塗布され、フォトリソグラフィ技術によりアノード電極１Ａの形状がパターニングされる。ここでは、アノード電極１Ａの上面形状は、直径がＤ３＝１７０μｍの円形としている。すなわち、絶縁膜１６の開口形状は、直径が１６０μｍの円形であったので、アノード電極１Ａの端部が絶縁膜１６上に５μｍオーバーラップしている。このオーバーラップ部分は、アノード電極１Ａのフィールドプレート構造ＦＰを形成する。
オーバーラップ部分の幅は、０．１〜５μｍの範囲が好ましい。ここでは、アノード電極１Ａとカソード電極１Ｃと間隔は１０μｍとしており、オーバーラップ部分の幅は、アノード電極１Ａとカソード電極１Ｃとの間隔の１／２以下であることが好ましい。オーバーラップ部分の幅が０．１μｍ以下の場合、フィールドプレート構造ＦＰの効果がなく、オーバーラップ部分の幅が５μｍ以上の場合、カソード電極１Ｃの方に電界集中が生じてしまう。
（６）表面保護膜形成
次に、アノード電極１Ａおよび絶縁膜１６上に表面保護膜１８が形成される。図１１は、アノード電極１Ａおよび絶縁膜１６上に表面保護膜１８が形成された状態を示す模式断面図である。表面保護膜１８は、Ｓｉ３Ｎ４からなり、プラズマＣＶＤ法により５００ｎｍの厚さで積層される。
次に、アノード電極１Ａおよび絶縁膜１６上に表面保護膜１８が形成される。図１１は、アノード電極１Ａおよび絶縁膜１６上に表面保護膜１８が形成された状態を示す模式断面図である。表面保護膜１８は、Ｓｉ３Ｎ４からなり、プラズマＣＶＤ法により５００ｎｍの厚さで積層される。
（７）カソード開口
その後、カソード電極を形成する位置の表面保護膜１８および絶縁膜１６が開口される。図１２は、カソード電極を形成する位置の表面保護膜１８および絶縁膜１６が開口された状態を示す模式断面図である。
その後、カソード電極を形成する位置の表面保護膜１８および絶縁膜１６が開口される。図１２は、カソード電極を形成する位置の表面保護膜１８および絶縁膜１６が開口された状態を示す模式断面図である。
この工程は、例えばフォトリソグラフィ技術が用いられる。表面保護膜１８のＳｉ３Ｎ４膜上はフォトレジストが塗布され、開口部分のパターンニングが行われる。その後、ドライエッチングにより、開口部分の表面保護膜１８および絶縁膜１６が除去される。すなわち、本工程では、開口部分の表面保護膜１８のＳｉ３Ｎ４膜のみならず、絶縁膜１６のＳｉＯ２膜も除去され、炭素層１５Ｃが露出される。
（８）カソード電極形成
次に、露出された炭素層１５Ｃ上にカソード電極１Ｃが形成される。図１３は、炭素層１５Ｃ上にカソード電極１Ｃが形成された状態を示す模式断面図である。
次に、露出された炭素層１５Ｃ上にカソード電極１Ｃが形成される。図１３は、炭素層１５Ｃ上にカソード電極１Ｃが形成された状態を示す模式断面図である。
カソード電極１Ｃには、チタン（Ｔｉ）およびアルミニウム（Ａｌ）が用いられる。絶縁膜１６および表面保護膜１８の開口部から露出している炭素層１５Ｃ上にＴｉが２５ｎｍの厚さで蒸着され、その後、Ａｌが３００ｎｍの厚さで蒸着される。なお、カソード電極１Ｃの形成後、温度７００℃で３０分の熱処理を施すことにより、電極のより良好なオーミック特性が得られるので好ましい。
（９）アノード開口
最後に、アノード電極１Ａ上の表面保護膜１８をドライエッチング法で除去し、配線を接続できるように開口する。図１４は、アノード電極１Ａ上の表面保護膜１８を除去した状態を示す模式断面図である。
最後に、アノード電極１Ａ上の表面保護膜１８をドライエッチング法で除去し、配線を接続できるように開口する。図１４は、アノード電極１Ａ上の表面保護膜１８を除去した状態を示す模式断面図である。
（特性）
以上のように製造された窒化物半導体装置１００のショットキーバリアダイオードとしての特性について説明する。
以上のように製造された窒化物半導体装置１００のショットキーバリアダイオードとしての特性について説明する。
窒化物半導体装置１００は、従来技術による炭素層を有しないショットキーバリアダイオードと比べて接触抵抗が低くなっている。具体的には、窒化物半導体装置１００の接触抵抗は１０−７Ωｃｍ−２であり、従来技術によるショットキーバリアダイオードの接触抵抗は１０−６Ωｃｍ−２である。
また、窒化物半導体装置１００は、従来技術による炭素層を有しないショットキーバリアダイオードと比べて順方向降下電圧Ｖｆも低くなっている。具体的には、窒化物半導体装置１００の順方向降下電圧Ｖｆは、０．１Ｖであり、従来技術によるショットキーバリアダイオードの順方向降下電圧Ｖｆは、０．５Ｖである。これは、窒化物半導体装置１００のアノード電極１Ａでは、ショットキーバリアの高さが実質的に０である炭素層１５Ａからの通電が開始されるからである。また、上記の接触抵抗の低減効果と、Ｖｆの低減効果により、ショットキーバリアダイオードのオン抵抗は約１／２となった。
また、窒化物半導体装置１００は、フィールドプレート構造の効果により、逆方向のリーク電流が低く、６００Ｖ以上の耐圧が実現されている。
（第２実施形態）
図１５は、本発明の第２実施形態にかかる窒化物半導体装置２００の模式断面図である。図１５に示されるように、窒化物半導体装置２００は、第１電極と第２電極と第３電極とを有するトランジスタであり、後に詳述するように、第１電極をソース電極２Ｓとし、第２電極をドレイン電極２Ｄとし、第３電極をゲート電極２Ｇとしたときに、電子走行層２５と電子供給層２６との間のＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造を用いたヘテロ接合電界効果トランジスタとなっている。
図１５は、本発明の第２実施形態にかかる窒化物半導体装置２００の模式断面図である。図１５に示されるように、窒化物半導体装置２００は、第１電極と第２電極と第３電極とを有するトランジスタであり、後に詳述するように、第１電極をソース電極２Ｓとし、第２電極をドレイン電極２Ｄとし、第３電極をゲート電極２Ｇとしたときに、電子走行層２５と電子供給層２６との間のＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造を用いたヘテロ接合電界効果トランジスタとなっている。
図１５に示されるように、窒化物半導体装置２００は、主表面が（１１１）面のシリコン基板２１と、シリコン基板２１上に順次形成された、ＡｌＮからなるシード層２２と、ＧａＮおよびＡｌＮを交互に８０周期積層した第１バッファ層２３と、ＧａＮからなる第２バッファ層２４と、ＧａＮからなる電子走行層２５と、ＡｌＧａＮからなる電子供給層２６とを備えている。
電子走行層２５と電子供給層２６との間の接合は、第１窒化物半導体層と当該第１窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する第２窒化物半導体層とのヘテロ接合界面になっており、電子走行層２５には、電子供給層２６との界面近傍に２次元電子ガスが発生している。電子走行層２５内の２次元電子ガスは、ソース電極２Ｓからドレイン電極２Ｄへのチャネルとなっており、ゲート電極２Ｇから印加される電圧で決まる電界により当該チャネルが開閉制御される。
さらに、ソース電極２Ｓおよびドレイン電極２Ｄと電子供給層２６との間には、炭素層２７が形成されている。炭素層２７は、グラフェンとすることが好ましい。炭素層２７は、例えば層厚が５ｎｍ以上であり、５０ｎｍ以下である方が好ましい。炭素層２７の層厚とは、炭素層２７がソース電極２Ｓおよびドレイン電極２Ｄと電子供給層２６との間を隔てる距離である。
窒化物半導体装置２００は、ソース電極２Ｓおよびドレイン電極２Ｄと電子供給層２６との間に炭素層２７が形成されていることにより、ソース電極２Ｓおよびドレイン電極２Ｄと電子供給層２６との間のオーミック特性が改善され、接触抵抗が低減される。
（製造方法）
次に、上記構成の窒化物半導体装置２００の製造方法の例について説明する。
次に、上記構成の窒化物半導体装置２００の製造方法の例について説明する。
１．エピタキシャル基板作製：
はじめに、シリコン基板２１上にエピタキシャル層を形成して、エピタキシャル基板を作製する。まず、ＣＺ（チョコラルスキー）法で成長された厚さが１ｍｍのシリコン基板２１（面方位（１１１））を設置した有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置内に、ＴＭＡｌとＮＨ３とを、それぞれ１７５μｍｏｌ／ｍｉｎ、３５Ｌ／ｍｉｎの流量で導入し、成長温度１０００℃にて、層厚４０ｎｍのＡｌＮからなるシード層２２をシリコン基板２１上にエピタキシャル成長させる。
はじめに、シリコン基板２１上にエピタキシャル層を形成して、エピタキシャル基板を作製する。まず、ＣＺ（チョコラルスキー）法で成長された厚さが１ｍｍのシリコン基板２１（面方位（１１１））を設置した有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置内に、ＴＭＡｌとＮＨ３とを、それぞれ１７５μｍｏｌ／ｍｉｎ、３５Ｌ／ｍｉｎの流量で導入し、成長温度１０００℃にて、層厚４０ｎｍのＡｌＮからなるシード層２２をシリコン基板２１上にエピタキシャル成長させる。
続いて、シード層２２上に第１バッファ層２３を形成する。第１バッファ層２３は、厚さが７ｎｍのＡｌＮ層と厚さが２１ｎｍのＧａＮ層とを積層する工程を８０回繰り返して形成される。ＡｌＮ層およびＧａＮ層成長時のＴＭＡｌ、ＴＭＧａおよびＮＨ３の流量は、それぞれ、１９５μｍｏｌ／ｍｉｎ、５８μｍｏｌ／ｍｉｎおよび１２Ｌ／ｍｉｎである。また、各成長工程の成長温度は１０５０℃であり、成長圧力は２００Ｔｏｒｒである。第１バッファ層２３を形成することで、エピタキシャル層に発生するクラックを抑制し、そり量も制御可能となる。
次に、第１バッファ層２３上に、ＧａＮからなる第２バッファ層２４を、成長温度１０５０℃、成長圧力５０Ｔｏｒｒの条件で６００ｎｍの層厚で積層する。第２バッファ層２４を形成する際、ＴＭＧａおよびＮＨ３の流量は５８μｍｏｌ／ｍｉｎおよび１２Ｌ／ｍｉｎである。なお、第２バッファ層２４中の炭素濃度が、１×１０１８ｃｍ−３以上であれば、バッファリークを低減させる効果があるので好ましい。
次に、ＴＭＧａとＮＨ３とを、それぞれ１９μｍｏｌ／ｍｉｎ、１２Ｌ／ｍｉｎの流量で導入し、第２バッファ層２４上にＧａＮからなる電子走行層２５を６００ｎｍの層厚でエピタキシャル成長させる。電子走行層２５の成長温度は１０５０℃、成長圧力は２００Ｔｏｒｒである。
次に、ＴＭＡｌとＴＭＧａとＮＨ３とを、それぞれ１００μｍｏｌ／ｍｉｎ、１９μｍｏｌ／ｍｉｎ、１２Ｌ／ｍｉｎの流量で導入し、成長温度１０５０℃で、層厚２０ｎｍのＡｌＧａＮからなる電子供給層２６を電子走行層２５上にエピタキシャル成長させる。電子供給層２６のアルミニウム組成は０．２２である。アルミニウム組成は、例えば、Ｘ線回折から評価できる。
以上の製造工程にて、エピタキシャル基板が作製される。
２．素子作製：
次に、窒化物半導体装置２００の素子を作製する。素子の作製は公知の工程に従って、フォトリソグラフィ技術を用いてパターンニングを行い作製し得る。
次に、窒化物半導体装置２００の素子を作製する。素子の作製は公知の工程に従って、フォトリソグラフィ技術を用いてパターンニングを行い作製し得る。
まず、電子供給層２６表面に炭素層２７を形成する。ここではプラズマＣＶＤ法による炭素蒸着の前工程として、金属ナノ粒子を電子供給層２６表面に分散させる。金属ナノ粒子は触媒として働くため、より効率的にグラフェン膜を形成することができるからである。
金属ナノ粒子は、レーザアブレーション法を用いて、数ｎｍのサイズのＮｉやＣｕクラスターを堆積させる。密度は、１００ｎｍ×１００ｎｍの範囲に数個程度形成すれば良い。レーザアブレーションは、例えば、２０Ｔｏｒｒのアルゴン雰囲気中でパルスＹＡＧレーザの第２高調波（波長：５３２ｎｍ）を所望の金属ターゲットに照射することで実施すればよい。
その後、ソース電極２Ｓおよびドレイン電極２Ｄを形成する位置を除き、炭素層２７を除去する。この不要な炭素層２７の除去方法は、第１実施形態の製造方法と同様であるので、ここでは説明を省略する。なお、窒素プラズマ照射処理のみでは、金属ナノ粒子が電子供給層２６に残留する。金属ナノ粒子を塩酸と過酸化水素水の混合液等を用いて完全に除去することも可能である。
電極形成については、電子供給層２６上に形成された炭素層２７上に、Ｔｉ（膜厚２５ｎｍ）及びＡｌ（膜厚３００ｎｍ）をこの順に蒸着して、オーミック電極としてソース電極２Ｓおよびドレイン電極２Ｄとを形成する。
また、当該電極間にＮｉ（膜厚１００ｎｍ）およびＡｕ（膜厚２００ｎｍ）を、この順に蒸着して、ショットキー電極としてゲート電極２Ｇを形成する。
ソース電極２Ｓおよびドレイン電極２Ｄの蒸着後、７００℃で３０分の熱処理を行うことで、良好なオーミック特性が得られる。
窒化物半導体装置２００の形状については、例えば、ゲート長が２μm、ゲート幅が０．２ｍｍ、および、ソース電極２Ｓとドレイン電極２Ｄと間の距離が１５μｍであるように作製すればよい。
以上の工程で製造された窒化物半導体装置２００は、１２００Ｖ以上の耐圧を有するＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ヘテロ接合電界効果トランジスタである。また、窒化物半導体装置２００は、ソース電極２Ｓおよびドレイン電極２Ｄと電子供給層２６との間に炭素層２７が形成されているので、ソース電極２Ｓおよびドレイン電極２Ｄと電子供給層２６との間の接触抵抗が低く、オン抵抗が低減されるという効果を奏する。
なお、上記実施形態において、第１窒化物半導体層および第２窒化物半導体層は、それぞれＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層に限られない。第１窒化物半導体層は任意の組成の窒化物半導体であればよく、たとえばＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる。第２窒化物半導体層は、バンドギャップが第１窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きい組成の窒化物系化合物半導体であればよい。
また、上記実施形態において、オーミック電極と電子供給層の間に形成される炭素層は必ずしも全面に形成される場合に限られない。つまり、界面のうちの少なくとも一部に炭素層が形成されている場合であっても一定の効果は得られる。但し、オーミック電極の外側、即ち、主電流の経路を形成する他の電極と面する側に炭素層が形成されるとより好ましい。
また、本発明にかかる窒化物半導体装置は、電界効果トランジスタ、ショットキーバリアダイオード、発光ダイオード等、各種半導体素子を含むものであり、素子の種類は特に限定されない。
また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
１００ 窒化物半導体装置
１Ａ アノード電極
１Ｃ カソード電極
１１ 基板
１２ バッファ層
１３ 電子走行層
１３Ａ ２次元電子ガス
１４ 電子供給層
１６ 絶縁膜
１７ 空乏層
１５、１５Ａ、１５Ｃ 炭素層
１８ 表面保護膜
２００ 窒化物半導体装置
２Ｓ ソース電極
２Ｄ ドレイン電極
２Ｇ ゲート電極
２１ シリコン基板
２２ シード層
２３ 第１バッファ層
２４ 第２バッファ層
２５ 電子走行層
２６ 電子供給層
２７ 炭素層
１Ａ アノード電極
１Ｃ カソード電極
１１ 基板
１２ バッファ層
１３ 電子走行層
１３Ａ ２次元電子ガス
１４ 電子供給層
１６ 絶縁膜
１７ 空乏層
１５、１５Ａ、１５Ｃ 炭素層
１８ 表面保護膜
２００ 窒化物半導体装置
２Ｓ ソース電極
２Ｄ ドレイン電極
２Ｇ ゲート電極
２１ シリコン基板
２２ シード層
２３ 第１バッファ層
２４ 第２バッファ層
２５ 電子走行層
２６ 電子供給層
２７ 炭素層
Claims (10)
- 基板と、
前記基板上にバッファ層を介して形成された第１窒化物半導体層と、
前記第１窒化物半導体層上に形成された、該第１窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する第２窒化物半導体層と、
前記第２窒化物半導体層上に形成された複数の電極と、
を備え、
前記複数の電極のうちの一つである第１電極は、該第１電極と前記第２窒化物半導体層との間の少なくとも一部の面が、層構造を有する炭素の同素体からなる炭素層を介して接合されていることを特徴とする窒化物半導体装置。 - 前記第１電極と前記第２窒化物半導体層との間の一部面のみが、層構造を有する炭素の同素体からなる炭素層を介して接合されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置。
- 前記第１電極と前記第２窒化物半導体層との間における前記炭素層を介さない面は、前記第１電極と前記第２窒化物半導体層とがショットキー接合されていることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体装置。
- 前記複数の電極のうち前記第１電極以外の一つである第２電極は、前記第２電極と前記第２窒化物半導体層との間の接合面と、前記第１電極と前記第２窒化物半導体層との間の前記炭素層を介して接合されている接合面とが、前記第１電極と前記第２窒化物半導体層との間の前記炭素層を介して接合されていない接合面により離隔されることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体装置。
- 前記第１電極をアノード電極とし、前記第２電極をカソード電極としたときに、ショットキーバリアダイオードとして機能することを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体装置。
- 前記電極のうち前記第１電極以外の一つである第２電極は、該第２電極と前記第２窒化物半導体層との間の少なくとも一部の面が、層構造を有する炭素の同素体からなる炭素層を介して接合され、
前記電極のうち前記第１電極および前記第２電極以外の一つである第３電極は、該第３電極と前記第２窒化物半導体層との間の全面が、層構造を有する炭素の同素体からなる炭素層を介さず接合されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置。 - 前記第３電極と前記第２窒化物半導体層との間は、前記第３電極と前記第２窒化物半導体層とがショットキー接合されていることを特徴とする請求項６に記載の窒化物半導体装置。
- 前記第１電極をソース電極とし、前記第２電極をドレイン電極とし、前記第３電極をゲート電極としたときに、電界効果トランジスタとして機能することを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体装置。
- 前記炭素層は、強い共有結合で結合された６角形格子構造を基本構造とし、この基本構造が弱いファンデルワールス力により複数積層した結晶状態の炭素の同素体からなることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
- 前記炭素層は、厚さが５〜５０ｎｍであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2013183311A JP2015050434A (ja) | 2013-09-04 | 2013-09-04 | 窒化物半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013183311A JP2015050434A (ja) | 2013-09-04 | 2013-09-04 | 窒化物半導体装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2015050434A true JP2015050434A (ja) | 2015-03-16 |
Family
ID=52700163
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2013183311A Pending JP2015050434A (ja) | 2013-09-04 | 2013-09-04 | 窒化物半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2015050434A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2022548607A (ja) * | 2019-09-26 | 2022-11-21 | ▲東▼南大学 | 窒化ガリウムパワーデバイス及びその製造方法 |
-
2013
- 2013-09-04 JP JP2013183311A patent/JP2015050434A/ja active Pending
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