JP4925596B2 - 窒化物半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、III−Ｖ族窒化物半導体装置に関し、特に、耐圧が高く、且つオン電圧が低い大電力用スイッチング素子として好適な窒化物半導体装置に関する。

半導体装置からなる大電力用のスイッチング素子には、耐圧が高く、且つオン電圧が低いことが求められる。そのため、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor FET）や、バイポーラトランジスタとＭＯＳＦＥＴとを複合したＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor；絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）がスイッチング素子として使用されている。またその他に、耐圧が高く、且つオン電圧が低い半導体装置として、ＳｉＣ半導体装置やIII−Ｖ族窒化物半導体装置が知られている。その中でもIII−Ｖ族窒化物の物性の長所を活かした電子デバイスの具体的な応用が望まれており、ショットキーバリアダイオードの開発が報告されている。（非特許文献１）

また、ショットキーバリアダイオードの形成において、高いショットキーバリアを形成し、高耐圧を得るためには低温成長窒化ガリウム(ＬＴ−ＧａＮ）キャップ層の導入が好適であることを出願人らは報告している。（非特許文献２）
吉田他、「低オン電圧動作 ＧａＮ-ＦＥＳＢＤ」、電気学会研究会資料、社団法人電気学会、２００４、ＥＤＤ−０４−６９、ｐ１７−２１ 出口他、「低温成長ＧａＮキャップ層を用いたＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＦＥＴの特性改善」、電子情報通信学会技術研究報告、社団法人電子情報通信学会、２００４、ＥＤ２００４−１３６、ｐ７−１１

耐圧が高く、且つオン電圧の低い半導体装置として開発が行われているIII−Ｖ族窒化物半導体装置は、開発途上にあり、その物性の長所を十分に活かした報告例は非常に少ない。本発明は、耐圧が高く、且つオン電圧が低い、新たなIII−Ｖ族窒化物半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、基板上に、前記III−Ｖ族窒化物半導体層の第１の窒化物半導体層からなる凸部と、該凸部側面の前記第１の窒化物半導体層上に積層した、前記第１の窒化物半導体層よりも低い温度で成膜した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、絶縁性の高い微結晶構造である第２の窒化物半導体層と、前記凸部上面の前記第１の窒化物半導体層にショットキー接合する第１のアノード電極と、該第１のアノード電極に接続し、前記凸部側面の前記第２の窒化物半導体層にショットキー接合する前記第１のアノード電極と同一あるいは異なる金属からなる第２のアノード電極とを備え、前記第２のアノード電極と前記第２の窒化物半導体層との間で形成される接合のショットキーバリアの高さが、前記第１のアノード電極と前記第１の窒化物半導体層との間で形成される接合のショットキーバリアの高さより高いことを特徴とするものである。

本願請求項２に係る発明は、ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、基板上に、前記III−Ｖ族窒化物半導体層の第１の窒化物半導体層からなる凸部と、該凸部表面の前記第１の窒化物半導体層上に積層した、前記第１の窒化物半導体層よりも低い温度で成膜した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、絶縁性の高い微結晶構造である第２の窒化物半導体層と、前記凸部上面の前記第２の窒化物半導体層にショットキー接合する第１のアノード電極と、該第１のアノード電極に接合し、前記凸部側面の前記第２の窒化物半導体層にショットキー接合する前記第１のアノード電極と異なる金属からなる第２のアノード電極とを備え、前記第２のアノード電極と前記第２の窒化物半導体層との間で形成される接合のショットキーバリアの高さが、前記第１のアノード電極と前記第２の窒化物半導体層との間で形成される接合のショットキーバリアの高さより高いことを特徴とするものである。

本願請求項３に係る発明は、請求項１又は２いずれか記載の窒化物半導体装置において、前記第１の窒化物半導体層と前記第２の窒化物半導体層との間に、前記第１の窒化物半導体層のエネルギーギャップより大きいエネルギーギャップを持つ、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第３の窒化物半導体層を備えていることを特徴とするものである。

本願請求項４に係る発明は、請求項１乃至３いずれか記載の窒化物半導体装置において、前記凸部の第１の窒化物半導体層の幅は、該凸部の第１の窒化物半導体層の側面で前記第２の窒化物半導体層と接合する第２のアノード電極に逆バイアスを印加して空乏化できる幅であることを特徴とするものである。

本願請求項５に係る発明は、請求項１乃至３いずれか記載の窒化物半導体装置において、前記凸部の不純物濃度は、該凸部の側面で前記第２の窒化物半導体層と接合する第２のアノード電極に逆バイアスを印加して空乏化できる不純物濃度であることを特徴とするものである。

本願請求項６に係る発明は、請求項１乃至５いずれか記載の窒化物半導体装置において、前記凸部を複数備えていることを特徴とするものである。

本発明の窒化物半導体装置は、低い順方向バイアスの条件では、ショットキーバリアの高さの低いショットキー接合に電流が流れ、低いオン電圧特性となるとともに、順方向バイアスが高くなると、ショットキーバリアの高さの高いショットキー接合にも電流が流れ、大きな電流を流すことができる。また、低い逆方向バイアスの条件では、逆方向のリーク電流が少なく、高い逆方向バイアスの条件では、高いショットキーバリアの接合のみが機能することになり、高い耐圧特性が得られることになる。特に高い絶縁性の微結晶構造の第２の窒化物半導体層にショットキー接合が形成される本発明の窒化物半導体装置では、低い順方向バイアス条件での逆方向のリーク電流を非常に少なくすることができる。

また本発明の窒化物半導体装置は、ショットキーバリアの高さが異なる接合を形成するために、通常の成長温度で形成した第１の窒化物半導体層と、低い成長温度で形成した第２の窒化物半導体層にそれぞれ接合するアノード電極を形成すれば良く、簡便に形成することができる。特に、高い絶縁性の微結晶構造の第２の窒化物半導体層に形成されるショットキーバリアの高さは、通常の成長温度で形成した窒化物半導体層に形成されるショットキーバリアの高さより高くなる。その結果、ショットキーバリアの高さの差が大きくなり、より高い耐圧特性が得られることになる。

さらにショットキーバリアの高さが異なる接合を形成するために、第２の窒化物半導体層に接合するアノード電極を異なる金属で形成すれば良く、簡便に形成することができる。

また、いわゆるＨＥＭＴ構造の窒化物半導体層を用いて本発明のショットキーバリアダイオードを形成して２次元電子ガスをキャリアとする場合には、さらにオン電圧が低く、順方向電流が大きい、良好な順方向電圧特性が得られる。

さらにまた本発明の窒化物半導体装置は、凸部の上面に第１のアノード電極を形成し、凸部の側面に第２のアノード電極を形成する構造であるので、アノード電極に順方向バイアスを印加した際には、順方向電流の立ち上がり特性を向上させることができ、オン電圧を低くすることができる。また、逆バイアスを印加した際には、凸部の側面に形成される空乏層の広がりを大きくすることができ、耐圧特性を向上させることができる。さらに、凸部を複数備えることにより、順方向電流を大きくすることができ、良好な順方向特性が得られる。さらにまた、窒化物半導体装置の素子サイズを縮小できるという利点がある。

特に本発明の窒化物半導体装置をスイッチング素子として用いた場合、ピンチオフまでに要する時間が短く、高速動作が可能となり、大電力用で、かつ高速のスイッチング素子を形成することができる。

本発明の窒化物半導体装置は、基板上に第１の窒化物半導体からなる凸部が形成され、凸部の側面、あるいは上面及び側面に、高い絶縁性の微結晶構造の第２の窒化物半導体層が積層形成されており、第１及び第２の窒化物半導体層それぞれに接合する、あるいは第２の窒化物半導体層のみに接合する第１のアノード電極と第２のアノード電極を構成する電極金属を適宜選択することによって、第１及び第２のアノード電極のショットキーバリアの高さが異なるように構成している。またカソード電極は、凸部が形成されている基板表面、あるいは基板裏面に接合する構造となっている。

このような構造の窒化物半導体装置では、第１及び第２のアノード電極とカソード電極との間に順方向バイアスを印加する場合、順方向バイアスが小さい初期の段階では、第１の窒化物半導体層とショットキーバリアの高さの低い接合を形成する第１のアノード電極が主に機能することによって、低いオン電圧で電流が流れることになる。さらに順方向バイアスが大きくなると、第２のアノード電極にも電流が流れ、大電流が流れることになる。

また第１及び第２のアノード電極とカソード電極との間に逆方向バイアスを印加する場合、低い逆方向バイアス条件では、第２の窒化物半導体層が絶縁性が高い微結晶構造となっているため、逆方向のリーク電流が減少する。さらに逆方向バイアスが大きくなると、ショットキーバリアの高い接合を形成する第２のアノード電極のみが機能することになり、高い耐圧特性が得られることになる。

特に本発明では第１の半導体層が凸形状となっているため、ピンチオフまでに要する時間が短く、高速動作が可能となる。以下、本発明の窒化物半導体装置について、スイッチング素子として用いることができるショットキーバリアダイオードを例にとり、詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施例のいわゆるＨＥＭＴ構造を利用した電界効果型のショットキーバリアダイオード１００Ａであり、図１はその断面図を、図２はその製造工程をそれぞれ示している。以下、製造工程に従い、説明する。

図２（ａ）に示すように、絶縁性又は半絶縁性のサファイア基板１１上に、ＭＯＣＶＤ(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)法等により、成長温度５００℃程度で、厚さ３０ｎｍ程度の窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるバッファ層１２を成長させた後、成長温度１０８０℃で、厚さ２.０μｍでキャリア濃度が約５×１０¹⁹ｃｍ^-3のｎ⁺型窒化ガリウムからなるｎ⁺型ＧａＮ層１３、厚さ２.５μｍでキャリア濃度が約２×１０¹⁷ｃｍ^-3のｎ型窒化ガリウムからなるｎ型ＧａＮ層１４（第１の半導体層に相当）が順に積層された半導体基板を用意する。

その後、例えばプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition；化学的気相堆積）法により、ｎ型ＧａＮ層１４上にＳｉＯ₂膜、ＳｉＮ_x膜、ＡｌＮ膜等からなるエッチングマスク及び選択成長マスクとして使用する膜を形成し、例えばＢＨＦ（バッファードフッ酸）を用いたウエットエッチング法やＣＨＦ₃を用いたドライエッチング法等により、パターニングして、例えば２μｍ幅の第１のマスク膜１５を形成する（図２ｂ）。

次に、例えばＢＣｌ₃ガスを用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching；反応性イオンエッチング）法により、第１のマスク膜１５をエッチングマスクとして使用し、ｎ型ＧａＮ層１４の一部を除去し、平坦部１４ａの表面中央部に高さ２.０μｍの凸部１４ｂを形成する（図２ｃ）。

さらにＭＯＣＶＤ法等により、第１のマスク膜１５を選択成長マスクとして使用し、ｎ型ＧａＮ層１４上に厚さ２５ｎｍのアンドープの窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_0.34Ｇａ_0.66Ｎ）からなるＡｌＧａＮ層１６（第３の半導体層に相当）を選択成長させ、さらにＡｌＧａＮ層１６の成膜温度より低い５００℃程度で、厚さ１０ｎｍの窒化ガリウムからなるＬＴ−ＧａＮ層１７（第２の半導体層に相当）を選択成長する。このＬＴ−ＧａＮ層１７は、絶縁性の高い微結晶構造となる。こうして、ｎ型ＧａＮ層１４の平坦部１４ａの表面及び凸部１４ｂの側面がＡｌＧａＮ層１６及びＬＴ−ＧａＮ層１７によって被覆される（図２ｄ）。

第１のマスク膜１５を、ＢＨＦを用いたウエットエッチング法又はＣＨＦ₃を用いたドライエッチング法により除去した後、全面にＳｉＯ₂膜等からなるエッチングマスクとして使用する膜を形成し、例えばＢＨＦを用いたウエットエッチング法やＣＨＦ₃を用いたドライエッチング法等により、パターニングして、ｎ型ＧａＮ層１４の凸部１４ｂの上面、側面及び凸部１４ｂ近傍の平坦部１４ａ表面を被覆する第２のマスク膜１８を形成する（図２ｅ）。

次に、例えばＢＣｌ₃ガスを用いたＲＩＥ法により、第２のマスク膜１８をエッチングマスクとして使用し、ＬＴ−ＧａＮ層１７、ＡｌＧａＮ層１６、ｎ型ＧａＮ層１４を選択的に除去し、ｎ⁺型ＧａＮ層１３の表面を露出させる（図２ｆ）。

その後、第２のマスク膜１８を、ＢＨＦを用いたウエットエッチング法又はＣＨＦ₃を用いたドライエッチング法により除去する。その後、ｎ⁺型ＧａＮ層１３の露出部分の上に、ＴｉとＡｌの積層体からなるカソード電極２１をリフトオフ法により形成し、８５０℃３０秒のＲＴＡによりオーミック接触させる。その後リフトオフ法により、ｎ型ＧａＮ層１４の凸部１４ｂ上面にショットキー接合する第１のアノード電極１９を形成する。具体的には、全面をホトレジストで被覆した後、フォトリソグラフィ技術を用いて、ｎ型ＧａＮ層１４の凸部１４ｂ上面が露出するようにホトレジストに開口部を形成する。続いて蒸着法により、Ｔｉ膜を堆積させる。その後、ホトレジスト上のＴｉ膜をホトレジストと共に除去することにより、ｎ型ＧａＮ層１４の凸部１４ｂ上面にＴｉ膜を選択的に残し、第１のアノード電極１９を形成する。

同様にリフトオフ法により、第１のアノード電極１９及びＬＴ−ＧａＮ層１７上に、ショットキー接合する第２のアノード電極２０を形成する。このように第１のアノード電極１９に電気的に接続すると共にｎ型ＧａＮ層１４の凸部１４ｂ側面にＬＴ−ＧａＮ層１７及びＡｌＧａＮ層１６を介してショットキー接合する第２のアノード電極２０を形成する（図２ｇ）。

次に、全面にＳｉＯ₂膜等からなる保護膜２２を形成した後、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて第２のアノード電極２０及びカソード電極２１上の保護膜２２を除去し、本発明のショットキーバリアダイオード１００Ａを完成する。（図２ｈ）。

このように形成されたショットキーバリアダイオード１００Ａは、ｎ型ＧａＮ層１４とＡｌＧａＮ層１６とにより形成されるヘテロ接合面近傍に、図中に破線で模式的に示すように２次元電子ガスが発生する。また、第１のアノード電極１９とｎ型ＧａＮ層１４との接合面にはショットキーバリアの高さが０．３ｅＶのショットキー接合が形成され、第２のアノード電極２０とＬＴ−ＧａＮ層１４との接合により、ショットキー接合が形成される。本実施例の第２のアノード電極２０はｎ型ＧａＮ層１４に直接ショットキー接合していないが、特にＬＴ−ＧａＮ層１７を介してショットキー接合させたことにより、従来よりもショットキーバリアの高さが高くなり、２．４ｅＶのショットキー接合が形成される。

次に、図１に示すショットキーバリアダイオード１００Ａの電流−電圧特性を説明する。第１及び第２のアノード電極１９、２０とカソード電極２１との間に順方向バイアスを印加したところ、０．１〜０．３Ｖのオン電圧で順方向電流が急激に増大する良好な立ち上りが観測された。この様な良好な順方向電流立ち上り特性が得られた理由は次のように考えられる。

互いにショットキー接合したＴｉ電極（第１のアノード電極１９）とｎ型ＧａＮとの間に順方向バイアスを印加した場合、順方向電流の立ち上りに必要なオン電圧は一般には０．３〜０．５Ｖ程度である。一方、Ｐｔ電極（第２のアノード電極２０）とＬＴ−ＧａＮとをショットキー接合させた場合のオン電圧は２．０〜２．５Ｖ程度である。

本実施例に係るショットキーバリアダイオード１００Ａでは、順方向電流の立ち上りの最初の段階では、第１及び第２のアノード電極１９、２０のうち、ｎ型ＧａＮ層１４とショットキー接合する第１のアノード電極１９がアノード電極として主に機能する。このため、ショットキーバリアダイオード１００Ａのオン電圧は、ＬＴ−ＧａＮ層１７とショットキー接合する第２のアノード電極２０に対応する約２．０〜２．５Ｖよりもｎ型ＧａＮ層１４とショットキー接合する第１のアノード電極１９に対応する約０．３〜０．５Ｖに近い値となっている。更に、ｎ型ＧａＮ層１４とＡｌＧａＮ層１６とのヘテロ接合面近傍に発生する２次元電子ガスがキャリアとなって順方向電流の増大に寄与するので、オン電圧は、ＡｌＧａＮ層１６を設けない場合の約０．３〜０．５Ｖよりも低い０．１〜０．３Ｖとなり、これにより良好な順方向電流立ち上り特性が得られることになる。そして、順方向バイアスが２．０〜２．５Ｖ程度になった段階で、第１のアノード電極１９及び第２のアノード電極２０の両方がアノード電極として機能するようになる。

一方、第１及び第２のアノード電極１９、２０とカソード電極２１間に逆方向バイアスを印加したところ、約５００Ｖという大きな耐圧が観測された。この様な高耐圧が得られた理由は、次のように考えられる。

互いにショットキー接合したＴｉ電極（第１のアノード電極１９）とｎ型ＧａＮとの間に−１０Ｖの逆方向バイアスを印加した場合、一般に１０^-6〜１０^-5Ａ程度の逆方向リーク電流が発生する。一方、Ｐｔ電極（第２のアノード電極２０）とＬＴ−ＧａＮとをショットキー接合させた場合の逆方向リーク電流はそれよりも遙に小さく、約５００Ｖの耐圧が得られる。

本実施例に係るショットキーバリアダイオード１００Ａに逆方向バイアスを印加すると、第１のアノード電極１９がショットキー接合しているｎ型ＧａＮ層１４の凸部１４ｂの上面付近に第１空乏層が広がり、また、ＡｌＧａＮ層１６とＬＴ−ＧａＮ層１７を介して第２のアノード電極２０がショットキー接合している凸部１４ｂの側面付近には第２空乏層が広がる。

逆方向バイアス電圧が−１０Ｖより小さい段階では、凸部１４ｂの側面に形成される第２空乏層を通り抜ける逆方向リーク電流は殆どないが、凸部１４ｂの上面に形成される第１空乏層を通り抜ける逆方向リーク電流は逆方向バイアスの増大につれて徐々に増大する。第１及び第２のアノード電極のショットキーバリアの高さは、第１のアノード電極より第２のアノード電極のショットキーバリアの高さの方が高いので、凸部１４ｂの上面と第１のアノード電極１９とのショットキー接合による第１空乏層の広がりの程度よりも、凸部１４ｂ側面と第２のアノード電極２０とのショットキー接合による第２空乏層の広がりの程度の方が大きい。そして、第２のアノード電極２０と凸部１４ｂの側面間にはｎ型ＧａＮ層１４よりもエネルギーバンドギャップが大きなＡｌＧａＮ層１６があり、さらにＬＴ−ＧａＮ層１７とがあるため、第２の空乏層の広がりの程度は更に大きくなる。その結果、逆方向バイアス電圧が約−１０Ｖまで増大すると、凸部１４ｂの側面から広がる第２の空乏層が互いに接触してピンチオフ状態に達する。その結果、ｎ型ＧａＮ層１４の凸部１４ｂの上面近傍の第１空乏層を通り抜ける逆方向リーク電流は阻止され、さらに逆方向バイアスが増大すると、第１及び第２のアノード電極１９、２０のうちの第２のアノード電極２０のみがアノード電極として機能し、５００Ｖ程度という良好な耐圧特性が得られることになる。

次に図１に示す構造のショットキーバリアダイオード１００Ａを、別の製造方法により形成する第２の実施例について、図３を用いて説明する。第１の実施例同様、サファイア基板１１上に、バッファ層１２及びｎ⁺型ＧａＮ層１３を順に積層した後、ｎ⁺型ＧａＮ層１３上に、ｎ型ＧａＮ層１４と同じ成膜条件でｎ型ＧａＮ層２３を厚さ５００ｎｍで積層する。ここで、Ｎ型ＧａＮ層２３の厚さは、図２（ｃ）で形成したｎ型ＧａＮ層１４の平坦部１４ｂの厚さに相当する。

次に、例えばプラズマＣＶＤ法により、ｎ型ＧａＮ層２３上に、ＳｉＯ₂膜、ＳｉＮ_x膜やＡｌＮ膜等、選択成長マスクとなる第３のマスク膜２４を形成する。続いて、例えばＢＨＦを用いたウエットエッチング法又はＣＨＦ３を用いたドライエッチング法により第３のマスク膜２３を選択的にエッチングして、幅２μｍの開口部を形成する（図３ａ）。

第３のマスク膜２４を選択成長マスクとして使用し、露出する開口部内のｎ型ＧａＮ層２３上に、第１の実施例で説明したｎ型ＧａＮ層１４と同じ成膜条件で、厚さ２μｍの凸状ｎ型ＧａＮ層２５を選択成長させる。ｎ型ＧａＮ層２３及び凸状ｎ型ＧａＮ層２５は、第１の実施例で説明した、表面中央部に高さ２μｍの凸部１４ｂを有したｎ型ＧａＮ層１４に相当する（図３ｂ）。

第３のマスク膜２４を除去した後、前述の第１の実施例同様、図２（ｄ）〜（ｈ）に示す製造工程に従い、図１に示す電界効果型ショットキーバリアダイオード１００Ａを作製することができる。

このように、凸状ｎ型ＧａＮ層２５を選択成長により形成した場合、第２の実施例で説明した、エッチングによる方法に比べて、表面の結晶性がよく、表面に成長させるＡｌＧａＮ層１６の結晶性がよくなり、良好なヘテロ接合が形成でき、２次元電子ガスが増大するという利点がある。

この方法で作製したショットキーバリアダイオードにおいても前述の説明同様、耐圧が高く、且つオン電圧が低い良好な特性を示すことが確認された。

図４は、本発明の窒化物半導体装置の別の実施例の電界効果型のショットキーバリアダイオード１００Ｂである。このショットキーバリアダイオード１００Ｂは、第１の実施例のショットキーバリアダイオード１００ＡのＡｌＧａＮ層１６がない構造となっており、第２のアノード電極２０が、凸部１４ｂ側面のＬＴ−ＧａＮ層１７を介してショットキー接合している。このような構造のショットキーバリアダイオード１００Ｂは、ＡｌＧａＮ層１６を形成する必要がないので、その製造プロセスを簡略化することができる。

なお、ＡｌＧａＮ層１６がないため、２次元電子ガスが形成されず、第１の実施例の電界効果型のショットキーバリアダイオード１００Ａと比較して、順方向電流の大きさは小さくなる。その場合、後述するように凸部１４ｂを複数備えた構造としたり、ｎ型ＧａＮ層１４の濃度を高くすればよい。

図５は、本発明の窒化物半導体装置のさらに別の実施例の電界効果型のショットキーバリアダイオード１００Ｃである。このショットキーバリアダイオード１００Ｃは、第１の実施例の電界効果型ショットキーバリアダイオード１００Ａに比べて、ｎ型ＧａＮ層１４の表面に凸部１４ｂを複数形成した点が異なる。そして、ＡｌＧａＮ層１６及びＬＴ−ＧａＮ層１７はｎ型ＧａＮ層１４の平坦部の表面及び複数（図５は２個の場合を示す）の凸部１４ｂの側面に形成され、また、第１のアノード電極１９が複数の凸部１４Ｂの上面にそれぞれ形成されており、第２のアノード電極２０は、複数の第１のアノード電極１９及びＬＴ−ＧａＮ層１７上に連続して形成されている。

このような構造のショットキーバリアダイオード１００Ｃは、第１の実施例のショットキーバリアダイオード１００Ａと比較して、電流経路となる凸部１４Ｂの数が増加しているため、第１及び第２のアノード電極１９、２０とカソード電極２１との間に順方向バイアスを印加した際の順方向電流が更に増大する。

従って、前述の第２の実施例で説明した、いわゆるＨＥＭＴ構造でないショットキーバリアダイオード１００Ｂにおいて、複数の凸部１４ｂを形成する構造とすれば、第１及び第２のアノード電極１９、２０とカソード電極２１との間に順方向バイアスを印加した際の順方向電流を増大させることができ、好適である。

なお、ショットキーバリアダイオード１００Ｃは、凸部１４ｂの幅を第１及び第２の実施例で説明したショットキーバリアダイオード１００Ａ、１００Ｂの凸部１４ｂよりも狭くして、より小さな逆方向バイアスで凸部上面に沿って形成される空乏層を通り抜ける逆方向リーク電流を阻止し、耐圧特性を向上することができる。即ち、凸部１４ｂの数を増加させると共に凸部１４ｂの幅を狭くすることにより、上述のようにトレードオフの関係になる順方向電流特性および逆方向リーク電流特性を同時に満たすことが可能になる。ｎ型ＧａＮ層１４の凸部の数は、２つに限定されず、３つ以上であってもよく、所望の特性が得られるように適宜設定すればよい。

図６は、本発明の窒化物半導体装置のさらに別の実施例の電界効果型のショットキーバリアダイオード１００Ｄである。前述の第１の実施例と比較して、凸部１４ｂ上面に、ＬＴ−ＧａＮ層１７が形成されており、第１のアノード電極１９はＬＴ−ＧａＮ層１７との間でショットキー接合を形成している点が異なる。この場合、ショットキーバリアダイオード１００Ａと比較して、第１のアノード電極１９のショットキーバリアの高さが少し高くなる。

このような構造のショットキーバリアダイオード１００Ｄは、次のように形成される。まず第１の実施例同様、凸部１４ｂを形成する（図２ｃ）。その後、第１のマスク膜１５を除去し、ｎ型ＧａＮ層１４上全面にＡｌＧａＮ層１６、ＬＴ−ＧａＮ層１７を成長させる。

その後第２のマスク膜１８を形成し（図２ｅに相当）、ＬＴ−ＧａＮ層１７、ＡｌＧａＮ層１６、ｎ型ＧａＮ層１４を選択的に除去し、ｎ⁺型ＧａＮ層１３の表面を露出させる（図２ｆに相当）。そして、カソード電極を形成し、Ｎ型ＧａＮ層１４の凸部１４ａ上面上のＬＴ−ＧａＮ層１７にショットキー接合する第１のアノード電極を形成する。以下、第１の実施例同様の工程に従い、本実施例のショットキーバリアダイオード１００Ｄを形成することができる。

本実施例のショットキーバリアダイオード１００Ｄにおいても、前述の実施例同様、低いオン電圧特性と高い耐圧特性が得られることは言うまでもない。

また、本実施例においても、第２の実施例で説明した製造方法や、第３、第４の実施例で説明した構造とすることが可能である。

図７は、本発明の窒化物半導体装置のさらに別の実施例の電界効果型ショットキーバリアダイオード１００Ｅである。このショットキーバリアダイオード１００Ｅは、第１のアノード電極１９と第２のアノード電極２０が同一の金属で構成されている。このような構造のショットキーバリアダイオード１００Ｅでは、アノード電極を形成する工程が１回となり、製造プロセスを簡略化することができる。

このような構造のショットキーバリアダイオード１００Ｅは、次のように形成される。まず第１の実施例同様、Ｎ型ＧａＮ層１４上に選択的にＡｌＧａＮ層１６、ＬＴ−ＧａＮ層１７を成長させ、エッチングによりｎ⁺型ＧａＮ層１３を露出させ（図２ｆに相当）、カソード電極２１を形成する。

その後、ｎ型ＧａＮ層１４の凸部１４ａ上面にショットキー接合する第１のアノード電極１９に相当する電極形成を行わずに、第２のアノード電極２０に相当する電極形成方法に従い、アノード電極を形成する。たとえばチタンを用いてアノード電極を形成すると、Ｔｉ電極とＬＴ−ＧａＮとの間のショットキーバリアの高さは、前述の第２のアノード電極１９をＰｔ電極とした場合に比べ低くなるが、Ｔｉ電極とｎ型ＧａＮ層１４との間のショットキーバリアの高さと、十分な差を保つことができ、本実施例においても低いオン電圧特性と高い耐圧特性が得られる。

また、本実施例においても、第２の実施例で説明した製造方法や、第３、第４の実施例で説明した構造とすることが可能である。

図８は、本発明の窒化物半導体装置のさらに別の実施例の電界効果型ショットキーバリアダイオード１００Ｆである。図８に示すショットキーバリアダイオード１００Ｆは、第１の実施例で説明したショットキーバリアダイオード１００Ａと比較して、カソード電極２１の構造が異なる。即ち、カソード電極を基板の裏面に形成する構造とするため、サファイア基板１１、バッファ層１２の代わりに、例えば、導電性のｎ⁺型炭化珪素（ＳｉＣ）基板２７を備えると共に、ｎ⁺型炭化珪素基板２７の裏面にオーミック接合するＮｉ層からなるカソード電極２１を形成した縦型構造としたものである。

ｎ⁺型炭化珪素基板２７上には、ｎ⁺型ＧａＮ層１３、ｎ型ＧａＮ層１４、ＡｌＧａＮ層１６、ＬＴ−ＧａＮ層１７、第１のアノード電極１９、第２のアノード電極２０が設けられ、第１の実施例と基本的には変わらない構造となっており、高耐圧と共に低いオン電圧で順方向電流が急激に増大する良好な立ち上り特性が得られる。

ショットキーバリアダイオード１００Ｆの製造方法は、まずｎ⁺型炭化珪素基板２７の裏面にＮｉを電子ビーム蒸着法等により全面又は一部に形成し、約１０００℃、３０秒の急速アニール法によりオーミック接合するカソード電極２１を形成する。その後は、図２で説明した工程に従い、ショットキーバリアダイオード１００Ｆを作製する。なお、図２（ｇ）において説明したカソード電極２１の工程は省略できることはいうまでもない。

ｎ⁺型炭化珪素基板２７を用いてカソード電極２１を基板の裏面に形成する構造は、第１の実施例に限らず、上述の第２乃至第６の実施例全てに適用することができる。

以上本発明の窒化物半導体装置及びその製造方法について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものでないことはいうまでもない。たとえば、窒化物半導体層は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ系に限定されるものではなく、ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層で形成することができる。

またアノード電極を構成する金属材料は、接合を形成するIII−Ｖ属窒化物半導体層の種類に応じて適宜選択すればよい。たとえば上記実施例で説明した窒化物半導体層の場合には、第１のアノード電極を構成する金属材料はＴｉに限定されず、例えばアルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、銀（Ａｇ）、またはこれらのシリサイド等、第２のアノード電極より相対的に低いショットキーバリアを形成する金属であればよい。また、第２アノード電極を構成する金属材料はＰｔに限定されず、例えばニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）、またはこれらのシリサイド等、第１のアノード電極より相対的に高いショットキーバリアを形成する金属を選択すれば良い。なお、高速スイッチング素子として用いるためには、第１のアノード電極のショットキーバリアの高さが０．８ｅＶより低く、第２のアノード電極のショットキーバリアの高さが０．８ｅＶより高い組合せを選択すると、低いオン電圧で高い耐圧特性が得られ、好ましい。

また基板は、炭化珪素基板、サファイア基板の他、シリコン基板を用いてもよい。その場合バッファ層１２は、低温成長の窒化ガリウム(ＧａＮ)を用いる方が望ましい。

なお本発明のＬＴ−ＧａＮ層１７は、微結晶粒の集合体あるいはそれらの再配列化した微結晶構造であり、成長温度、成長時の雰囲気ガス組成、成長させる基板の種類などによって、結晶粒の大きさや配列等は変わるものであり、所望の絶縁特性が得られる範囲で、成長温度等を制御することによって得られるものである。第２の窒化物半導体層の成長温度は、第１の窒化物半導体層の成長温度より４００℃程度以上低い温度に設定すると、アノード電極と高いショットキーバリアの接合を形成するのに好適である。

また、ｎ型ＧａＮ層１４の凸部１４ｂの幅は第１の実施例では２μｍとしたが、ショットキーバリアダイオードに要求される特性によって変化するものである。即ち、凸部１４ｂの幅は、順方向電流を増大させるためには広い方が好ましい一方、凸部１４ｂの側面から広がる空乏層同士が接触するピンチオフ状態を達成して凸部１４ｂの上面の空乏層を通り抜ける逆方向リーク電流を阻止するために必要な逆方向バイアスを小さくするためには狭い方が好ましい。従って、実際には、トレードオフの関係になる２つの特性（順方向電流特性および逆方向リーク電流特性）に対する要求を勘案して、ｎ型ＧａＮ層１４の凸部１４ｂの幅が決定される。

同様に、ｎ型ｎ型ＧａＮ層１４の不純物濃度についても、順方向電流を増大させるためには濃度の高い方が好ましい一方、凸部１４ｂの側面から広がる空乏層同士が接触するピンチオフ状態を達成して凸部１４ｂの上面の空乏層を通り抜ける逆方向リーク電流を阻止するために必要な逆方向バイアスを小さくするためには濃度の低い方が好ましい。従って、実際には、トレードオフの関係になる２つの特性（順方向電流特性および逆方向リーク電流特性）に対する要求を勘案して、ｎ型ＧａＮ層１４の不純物濃度が決定される。

本発明の第１実施例に係る電界効果型のショットキーバリアダイオードの断面図である。 本発明の第１の実施例に係る電界効果型のショットキーバリアダイオードの製造方法の説明図である。 本発明の第２の実施例に係る電界効果型のショットキーバリアダイオードの別の製造方法の説明図である。 本発明の第３の実施例に係る電界効果型のショットキーバリアダイオードの断面図である。 本発明の第４の実施例に係る電界効果型のショットキーバリアダイオードの断面図である。 本発明の第５の実施例に係る電界効果型のショットキーバリアダイオードの断面図である。 本発明の第６の実施例に係る電界効果型のショットキバリアダイオードの断面図である。 本発明の第７の実施例に係る電界効果型のショットキーバリアダイオードの断面図である。

符号の説明

１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ、１００Ｆ；ショットキーバリアダイオード、１１；サファイア基板、１２；バッファ層、１３；ｎ⁺型ＧａＮ層、１４；ｎ型ＧａＮ層 、 １４ａ；平坦部、１４ｂ；凸部、１５；第１のマスク膜、１６；ＡｌＧａＮ層、１７；ＬＴ−ＧａＮ層、１８；第２のマスク膜、１９；第１のカソード電極、２０；第２のカソード電極、２１；カソード電極、２２；保護膜、２３；ｎ型ＧａＮ膜、２４；第３のマスク膜、２５；凸状ｎ型ＧａＮ膜、２６；アノード電極、２７；ｎ⁺型炭化珪素基板

Claims (6)

1. ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、
   基板上に、前記III−Ｖ族窒化物半導体層の第１の窒化物半導体層からなる凸部と、該凸部側面の前記第１の窒化物半導体層上に積層した、前記第１の窒化物半導体層よりも低い温度で成膜した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、絶縁性の高い微結晶構造である第２の窒化物半導体層と、前記凸部上面の前記第１の窒化物半導体層にショットキー接合する第１のアノード電極と、該第１のアノード電極に接続し、前記凸部側面の前記第２の窒化物半導体層にショットキー接合する前記第１のアノード電極と同一あるいは異なる金属からなる第２のアノード電極とを備え、
   前記第２のアノード電極と前記第２の窒化物半導体層との間で形成される接合のショットキーバリアの高さが、前記第１のアノード電極と前記第１の窒化物半導体層との間で形成される接合のショットキーバリアの高さより高いことを特徴とする窒化物半導体装置。
2. ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、
   基板上に、前記III−Ｖ族窒化物半導体層の第１の窒化物半導体層からなる凸部と、該凸部表面の前記第１の窒化物半導体層上に積層した、前記第１の窒化物半導体層よりも低い温度で成膜した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、絶縁性の高い微結晶構造である第２の窒化物半導体層と、前記凸部上面の前記第２の窒化物半導体層にショットキー接合する第１のアノード電極と、該第１のアノード電極に接合し、前記凸部側面の前記第２の窒化物半導体層にショットキー接合する前記第１のアノード電極と異なる金属からなる第２のアノード電極とを備え、
   前記第２のアノード電極と前記第２の窒化物半導体層との間で形成される接合のショットキーバリアの高さが、前記第１のアノード電極と前記第２の窒化物半導体層との間で形成される接合のショットキーバリアの高さより高いことを特徴とする窒化物半導体装置。
3. 請求項１又は２いずれか記載の窒化物半導体装置において、前記第１の窒化物半導体層と前記第２の窒化物半導体層との間に、前記第１の窒化物半導体層のエネルギーギャップより大きいエネルギーギャップを持つ、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第３の窒化物半導体層を備えていることを特徴とする窒化物半導体装置。
4. 請求項１乃至３いずれか記載の窒化物半導体装置において、前記凸部の第１の窒化物半導体層の幅は、該凸部の第１の窒化物半導体層の側面で前記第２の窒化物半導体層と接合する第２のアノード電極に逆バイアスを印加して空乏化できる幅であることを特徴とする窒化物半導体装置。
5. 請求項１乃至３いずれか記載の窒化物半導体装置において、前記凸部の不純物濃度は、該凸部の側面で前記第２の窒化物半導体層と接合する第２のアノード電極に逆バイアスを印加して空乏化できる不純物濃度であることを特徴とする窒化物半導体装置。
6. 請求項１乃至５いずれか記載の窒化物半導体装置において、前記凸部を複数備えていることを特徴とする窒化物半導体装置。

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