JP5261946B2 - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関し、特に、窒化物系化合物半導体を用いた半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）のような窒化物系化合物半導体は、高温・高出力・高周波の面で良好な特性を有する半導体材料として注目されている。また、窒化物系化合物半導体は、窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）のヘテロ構造とすることにより、電子移動度を大きくすることができるため、高速スイッチング・大電流化が要求される半導体装置に用いることが好適である。このような窒化物系化合物半導体は、例えば、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）などに用いられる。

ところで、窒化物系化合物半導体においては、バルク結晶や半導体表面に多量の深い準位（トラップ）が存在している。このため、半導体装置への逆方向電圧印加期間中又はオフ期間中に、例えば、半導体基板の結晶内のトラップにキャリアが捕獲され、その後、半導体装置への順方向電圧印加時またはオンした時、出力電流が低下してしまう、いわゆる電流コラプス現象が発生してしまうという問題がある（例えば、非特許文献１。）。これまでに、電流コプラス現象を抑制する方法として、ＳｉＮ_ｘから構成される絶縁膜を半導体層の露出部に設けることが提案されている（例えば、特許文献１。）。また、ｐ型有機半導体膜を半導体基体の主面上に設けることも提案されている（例えば、特許文献２。）。

Binari, S.C., Ikossi, K., Roussos, J.A., Kruppa, W. Doewon Park Dietrich, H.B., Koleske, D.D., Wickenden, A.E., Henry, R.L., "Trapping effects and microwave power performance in AlGaN/GaN HEMTs", IEEE Transactions on Electron Devices, IEEE, 第48巻, 第3号, p. 465-471, (2001年3月) 特開２００５−２８６１３５号公報 特開２００７−２７２８４号公報

あるいは、電気双極子を有する分子から構成される膜を、基板の表面に設けることも考えられる。

しかし、ＳｉＮ_ｘから構成される絶縁膜を、電流コラプス現象を有効に抑制する態様で形成する工程は、複雑であり、各種の微調整を要するものである。

また、半導体装置の表面に設ける膜を、電気双極子を有する分子から構成しても、単に該分子を材料とするだけでは、一般に、分子配向がバラバラとなってしまうため、電流コラプス現象を有効に抑制することができない。さらに、該分子が負極を半導体層に向けて配向した場合には、電流コプラス現象の抑制には逆効果にさえなり得る。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、電流コラプス現象を良好に抑制することができる半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る半導体装置は、
基板と、
前記基板の一方の主面に形成された化合物半導体層と、
前記化合物半導体層の上に形成されたドレイン電極と、
前記化合物半導体層の上に形成されたソース電極と、
前記化合物半導体層の上に前記ドレイン電極と前記ソース電極との間に形成されたゲート電極と、
前記化合物半導体層の上の該化合物半導体層が露出している領域のうち前記ドレイン電極と前記ゲート電極との間の領域の少なくとも一部を覆うように形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜の上に前記電極と離間して形成された、永久双極子を有する分子から構成される所定の膜と、
を備え、
前記絶縁膜には上面に溝又は孔が形成されており、
前記永久双極子を有する分子は、
構成元素として正に帯電した所定の原子を含み、該所定の原子を前記溝又は前記孔に挿入するように配置し、該所定の原子を前記化合物半導体層側に向けるように並んでいる、
ことを特徴とする。

上記目的を達成するため、本発明の第２の観点に係る半導体装置は、
基板と、
前記基板の一方の主面に形成された化合物半導体層と、
前記化合物半導体層の上に形成されたアノード電極と、
前記化合物半導体層の上に形成されたカソード電極と、
前記化合物半導体層の上の該化合物半導体層が露出している領域のうち前記アノード電極と前記カソード電極との間の領域の少なくとも一部を覆うように形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜の上に前記電極と離間して形成された、永久双極子を有する分子から構成される所定の膜と、
を備え、
前記絶縁膜には上面に溝又は孔が形成されており、
前記永久双極子を有する分子は、
構成元素として正に帯電した所定の原子を含み、該所定の原子を前記溝又は前記孔に挿入するように配置し、該所定の原子を前記化合物半導体層側に向けるように並んでいる、
ことを特徴とする。

前記化合物半導体層は、例えば、窒化物系化合物半導体から構成される。

前記化合物半導体層は、第１の化合物半導体層と第２の化合物半導体層とから構成され、前記第１の化合物半導体層と前記第２の化合物半導体層との界面近傍に２次元電子ガス層を有する、ことが望ましい。

前記所定の膜は、例えば、前記永久双極子を有する分子の単分子層から構成される。

前記所定の膜は、あるいは例えば、前記永久双極子を有する分子の多結晶又はアモルファスから構成される。

前記永久双極子を有する分子は、例えば、フタロシアニン系化合物分子である。

前記所定の原子は、例えば、金属原子である。

前記所定の原子は、例えば、チタン又はバナジウムである。

上記目的を達成するため、本発明の第３の観点に係る半導体装置の製造方法は、
基板の上に化合物半導体層を形成する化合物半導体層形成工程と、
前記化合物半導体層の上に、ドレイン電極とソース電極とを形成し、前記ドレイン電極と前記ソース電極との間にさらにゲート電極を形成する電極形成工程と、
前記化合物半導体層の上の該化合物半導体層が露出している領域のうち前記ドレイン電極と前記ゲート電極との間の領域の少なくとも一部を覆うように絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
前記絶縁膜の上に溝又は孔を形成する段差形成工程と、
前記段差形成工程により前記絶縁膜の上に形成された前記溝又は前記孔の内側に、永久双極子を有するとともに構成元素として正に帯電した所定の原子を含む分子を、該所定の原子が前記化合物半導体層側に向くように並ばせつつ配置する配置工程と、
を備える。

上記目的を達成するため、本発明の第４の観点に係る半導体装置の製造方法は、
基板の上に化合物半導体層を形成する化合物半導体層形成工程と、
前記化合物半導体層の上に、アノード電極とカソード電極とを形成する電極形成工程と、
前記化合物半導体層の上の該化合物半導体層が露出している領域のうち前記アノード電極と前記カソード電極との間の領域の少なくとも一部を覆うように絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
前記絶縁膜の上に溝又は孔を形成する段差形成工程と、
前記段差形成工程により前記絶縁膜の上に形成された前記溝又は前記孔の内側に、永久双極子を有するとともに構成元素として正に帯電した所定の原子を含む分子を、該所定の原子が前記化合物半導体層側に向くように並ばせつつ配置する配置工程と、
を備える。

本発明によれば、電流コラプス現象を容易かつ良好に抑制することができる。

（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施の形態における半導体装置について説明する。本実施の形態では、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を備える半導体装置の場合を例に本発明を説明する。

図１（ａ）は本実施の形態の半導体装置の構成を示す図である。装置の断面を模式的に示してある。図示するように、半導体装置は、ＨＥＭＴ１１１を備えている。ＨＥＭＴ１１１は、基板１３１と、緩衝層１３３と、窒化物系化合物半導体から構成される電子走行層１３５と、窒化物系化合物半導体から構成される電子供給層１３７と、ソース電極１５１と、ゲート電極１５３と、ドレイン電極１５５と、絶縁膜１２３と、電流コラプス抑制膜１２５と、を備えている。

基板１３１には、例えば、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、窒化物系化合物半導体等から構成される基板が用いられている。本実施の形態では、シリコン単結晶から形成された基板が用いられている。

緩衝層１３３は、基板１３１の一方の主面上、例えば、基板１３１の上に形成されている。緩衝層１３３は、電子走行層１３５と基板１３１との間に基板１３１の結晶方位を良好に受け継ぐための層である。緩衝層１３３は、窒化物系化合物半導体から構成されている。緩衝層１３３は、例えば、Ａｌ_ＫＧａ_１−ＫＮ（０＜Ｋ≦１）とＧａＮとを交互に積層してもよいし、Ａｌ_ＫＧａ_１−ＫＮ層、ＧａＮ層などの単一層から構成される公知の緩衝層を設けてもよい。なお、緩衝層１３３は単一層で形成するよりも交互に積層することが望ましい。交互に積層することによって電子走行層１３５の反りやクラックを防止して結晶品質を向上させ、電子走行層１３５を厚く積層することができるためである。

電子走行層１３５は、緩衝層１３３の上に形成されている。電子走行層１３５は、電流通路の一部としての機能を有する。電子走行層１３５は、例えば、緩衝層１３３上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によってＧａＮを積層することにより形成される。

電子供給層１３７は、電子走行層１３５の上にヘテロ接合を形成している。電子供給層１３７は、電子を供給する機能を有する。電子供給層１３７は、例えば、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＡｌＮ等や、Ａｌ_ｘＱ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦１−ｘ−ｙ≦１、Ｑはインジウム（Ｉｎ）又はボロン（Ｂ）を示す。）で示される窒化物系化合物半導体から構成され、本実施の形態では、窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）から構成されている。電子供給層１３７は、例えば、電子走行層１３５上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によってＡｌＧａＮを積層することにより形成される。

ここで、基板１３１、緩衝層１３３、電子走行層１３５、電子供給層１３７を、半導体基体１２１とする。また、２次元電子ガス層（２ＤＥＧ層）が、電子供給層１３７と電子走行層１３５との界面近傍に生じる。

ソース電極１５１は、電子供給層１３７の所定の領域上（ＨＥＭＴ１１１の主面上）に形成されている。ソース電極１５１は、例えば、電子供給層１３７とオーミック接合するように形成されている。本実施の形態では、ソース電極１５１は、チタン（Ｔｉ）膜と、Ｔｉ膜の上に形成された金（Ａｕ）膜とから構成されている。ソース電極１５１は、電子供給層１３７上に、例えば、スパッタリング等によりＴｉ膜及びＡｕ膜を形成し、ドライエッチング等によって所定の形状にパターニングすることによって電子供給層１３７上に形成される。

ゲート電極１５３は、電子供給層１３７の所定の領域上（ＨＥＭＴ１１１の主面上）に形成されている。ゲート電極１５３は、例えば、電子供給層１３７とショットキー接合を有するように形成されている。本実施の形態では、ゲート電極１５３は、タングステン（Ｗ）、パラジウム（Ｐｄ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、プラチナ（Ｐｔ）等の金属膜と、かかる金属膜の上に形成された金（Ａｕ）膜とから構成されている。ゲート電極１５３は、電子供給層１３７上に、例えば、スパッタリング等により上記金属膜を形成し、ドライエッチング等によって所定の形状にパターニングすることによって電子供給層１３７上に形成される。

ゲート電極１５３は、例えば、半導体基体１２１の上に、既知の材質の絶縁膜を介してアルミニウム等の金属やポリシリコンから構成される膜を形成したものであってもよい。

ドレイン電極１５５は、ソース電極１５１と同様に形成されている。

ＨＥＭＴ１１１は、本実施の形態では、半導体基体１２１の露出部、ソース電極１５１、ゲート電極１５３、ドレイン電極１５５を覆うように形成された絶縁膜１２３を備える。絶縁膜１２３は、ＳｉＯ_２から構成される。絶縁膜１２３の上面には段差を形成するため溝１５９が複数掘られている。絶縁膜１２３の上には、溝１５９の内側を含む絶縁膜１２３の上面全体を覆うように、電流コラプス抑制膜１２５が、例えば真空蒸着法により形成される。

絶縁膜１２３は、半導体基体１２１を保護する保護膜としての機能を兼ねている。

電流コラプス抑制膜１２５は、本実施の形態では、フタロシアニン系化合物分子１２７から構成される単分子層である。フタロシアニン系化合物分子１２７は、図１（ｂ）に示すように、金属原子（図中では記号Ｍで示されている。）がその他の原子の面から突き出たピラミッド５配位構造であり、概ね円錐形をなしていて、円錐の頂点にあたる金属原子の部分が正に、円錐の底面付近の部分が負に、それぞれ分極している。すなわち、フタロシアニン系化合物分子１２７は分子内に自発分極を有しており、永久双極子として作用する。図１（ｂ）に示すＭとしては、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、カドミウム（Ｃｄ）、コバルト（Ｃｏ）、スズ（Ｓｎ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、マンガン（Ｍｎ）、鉛（Ｐｂ）、ケイ素（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、白金（Ｐｔ）があるが、これらの中で、かかる永久双極子のモーメントが大きくなるような金属原子を選択するのが望ましい。

また、フタロシアニン系化合物分子１２７の外周側にある原子を、電子吸引性を有する原子又は官能基に置換すると、フタロシアニン系化合物分子１２７の骨格が大きく歪み、フタロシアニン系化合物分子１２７の有する前記永久双極子のモーメントがいっそう大きくなるので、さらに望ましい。

フタロシアニン系化合物分子１２７は、その円錐の頂点側を溝１５９に入り込みその底面側を上に向けるようにして、絶縁膜１２３の上面に並んでいる。すなわち、フタロシアニン系化合物分子１２７は、正に分極した部分が半導体基体１２１に近くなるように配向している。

このように、溝１５９は、円錐型分子であるフタロシアニン系化合物分子１２７が絶縁膜１２３の上面に並ぶときに、フタロシアニン系化合物分子１２７の頂点部分が絶縁膜１２３側を向くように導くために、絶縁膜１２３の上面に掘られたものである。溝１５９の断面形状は、円錐形状をなしているフタロシアニン系化合物分子１２７を、その円錐の頂点部分である正極部分を絶縁膜１２３に向けて付着するよう導くのに好適な、深いほど幅狭な形状、例えば半円形状又は逆三角形状であることが望ましい。このように、溝１５９は、その断面形状が重要なのであって、溝１５９の延伸方向はいかなる方向であってもよい。

図２はＨＥＭＴ１１１を上から見た図である。円錐形状のフタロシアニン系化合物分子１２７が、絶縁膜１２３上の溝１５９にその頂点部分を差し込むようにして並び、電流コラプス抑制膜１２５を形成する様子が模式的に示されている。ソース電極１５１、ゲート電極１５３、ドレイン電極１５５は、絶縁膜１２３で覆われていて直接には見えないので、点線で示してある。

上述のように、溝１５９の延伸方向は、図２（ａ）に示すように各電極を結ぶ方向と垂直であってもよいし、図２（ｂ）に示すように各電極を結ぶ方向と平行であってもよいし、あるいはまた、図２（ｃ）に示すように斜め方向であってもよい。

さらにあるいは、フタロシアニン系化合物分子１２７の配向を上述のとおりに導くことができるのであれば、図２（ｄ）に示すように、溝１５９のかわりに、溝１５９と同様の深いほど幅狭な断面形状をした例えば円形又は楕円形の孔１６０を複数形成してもよい。

溝１５９や孔１６０を形成しないまま、例えば蒸着によりフタロシアニン系化合物１２７を絶縁膜１２３の上面に吸着させると、吸着した分子の配向がバラバラになったり、吸着した分子の負に分極した部分が絶縁膜１２３側を向いたりするために、電流コラプスを良効に抑制できないか、又は、最悪の場合には、逆効果を生じたりする。

次に、以上のように構成された半導体装置の作用、効果について説明する。図３は、オフ（ゲート電極１５３が負電位で、ドレイン電極１５５がソース電極１５１よりも高い電位）状態のＨＥＭＴ１１１を説明するための図である。図４は、図３に示すオフ状態からオン状態へ切り替えたＨＥＭＴ１１１を説明するための図である。

図３に示すように、ソース電極１５１に接続されたスイッチ１６１がＢに接続（ＨＥＭＴ１１１をオフにすべくゲート電極１５３に負の電圧を印加、例えば、図においてＶ_ＯＦＦ＝５Ｖを印加）すると、ＨＥＭＴ１１１（ドレイン電極１５５とソース電極１５１との間、及び、ドレイン電極１５５とゲート電極１５３との間）にはそれぞれ数１００Ｖもの電圧（Ｖ_ＤＳ及びＶ_ＤＳ＋Ｖ_ＯＦＦ）が印加される。

ゲートに負の電圧を与えるのは、そうしないと、多くの場合、いわゆるノーマリオン特性として知られているように、２ＤＥＧ層を有しておりドレイン電極１５５とソース電極１５１の間に電流が生じてしまうため、ＨＥＭＴ１１１がオフ状態にならないからである。

続いて、図４に示すように、スイッチ１６１をＢからＡに切り替えると、ＨＥＭＴ１１１はオンして、ドレイン電極１５５とソース電極１５１の間には出力電流が流れる。このとき、電流コラプス抑制膜１２５を備えない従来のＨＥＭＴにおいては、電流コラプス現象のために、出力電流が低下する。

ここで、電流コラプス現象とは、オフ状態のときに半導体装置に前述の高電圧が印加されることによって、電子が半導体基体１２１の結晶内にトラップされ、トラップされた電子によって生じる電界が、電子供給層１３７と電子走行層１３５との界面に生じていた２次元電子ガス層のキャリア濃度を減少させる現象と考えられる。

電子がトラップされる場所は、半導体基体１２１の表面近傍に多く分布していると考えられている。トラップとして作用する電子の準位のうち、これら表面近傍のものを、表面準位という。

本実施の形態に係るＨＥＭＴ１１１においては、電流コラプス抑制膜１２５を構成する、永久双極子を有する分子であるフタロシアニン系化合物分子１２７が、その正に分極した部分を半導体基体１２１に近い向きにするように配向している。よって、該正に分極した部分が前述の表面準位に接近した場所に位置するため、フタロシアニン系化合物分子１２７が該表面準位にトラップされた電子に対して効果的に作用する。その結果、電流コラプス現象が有効に抑制される。

電流コラプス現象を有効に抑制するメカニズムとしては、フタロシアニン系化合物分子１２７の作用により、いったんトラップされた電子が引き抜かれたり、あるいは、たとえ電子がトラップされたままであったとしても、トラップされた電子によって生じる電界を緩和したりすることが考えられる。

このように、電流コラプス抑制膜１２５を備えたＨＥＭＴ１１１は、電流コラプス現象を良好に抑制する。

絶縁膜１２３の上に掘られた溝１５９又は孔１６０は、上述のとおり、電流コラプス抑制膜１２５を構成するフタロシアニン系化合物分子１２７を、その正に分極した部分が半導体基体１２１に近くなるように配向させるためのものである。よって、該分子の大きさを考慮して、本実施の形態では、溝１５９又は孔１６０は、深さ２〜２０オングストローム、幅１０〜５０オングストロームとしてある。しかし、フタロシアニン系化合物分子１２７を前述のように配向させることができるのであれば、他の深さ及び幅であってもよい。

なお、有機半導体膜をデバイスとして用いる研究が様々に行われているが、本発明に係る半導体装置においては、半導体装置として機能するのはあくまでも半導体基体１２１であって、電流コラプス抑制膜１２５はデバイスの主電流が流れるものとして機能するものではない。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態では、同じくＨＥＭＴを備える半導体装置の場合を例に本発明を説明する。なお、本実施の形態では、第１の実施の形態と同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。このため、本実施の形態では、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。

図５は、本実施の形態の半導体装置の構成を示す図である。図５（ａ）は装置の断面を模式的に示した図であり、図５（ｂ）は装置を上からみた様子を同じく模式的に示した図である。

半導体装置は、ＨＥＭＴ５１１を備える。第１の実施の形態に係る半導体装置と異なり、絶縁膜１２３は、電極の上を覆っておらず、半導体基体１２１の露出部のみを覆っている。電流コラプス抑制膜１２５は、絶縁膜１２３の上面にのみ形成される。つまり、電極の上には電流コラプス抑制膜１２５を設けなくてもよい。

（第３の実施の形態）
ＨＥＭＴとして機能させる場合、第１及び第２の実施の形態では、絶縁膜１２３の上面の全面に電流コラプス抑制膜１２５を設けた。

それに対して本実施の形態に係るＨＥＭＴ６１１においては、図６（ａ）の断面模式図及び図６（ｂ）の上面模式図に示すように、絶縁膜１２３の上面に部分的にのみ電流コラプス抑制膜１２５が設けられる。

電流コラプス現象の原因となる、表面準位にトラップされた電子は、半導体基体１２１の表面付近の部分のうち、ソース電極１５１とゲート電極１５３との間に位置する部分に比べて、ゲート電極１５３とドレイン電極１５５との間に位置する部分に、多数分布する。

よって、絶縁膜１２３の上面のうち、トラップされた電子が多数存在する、ゲート電極１５３とドレイン電極１５５との間に位置する部分にのみ、電流コラプス抑制膜１２５を設けた本実施の形態においても、第１及び第２の実施の形態と比較して、電流コラプス抑制の効果はさほど低下しない。

その一方で、本実施の形態には、絶縁膜１２３の表面を部分的に覆うだけで済むことによる、製造工程の簡略化や、電流コラプス抑制膜１２５の原料の削減といったメリットが期待される。

なお、図６において、溝１５９も、ゲート電極１５３とドレイン電極１５５との間に位置する部分のみに設けてもよい。また、溝１５９を、ゲート電極１５３とドレイン電極１５５との間のほうに、ゲート電極１５３とソース電極１５１との間のほうに比べて、より多く設けてもよい。

（第４の実施の形態）
図７（ａ）の断面模式図及び図７（ｂ）の上面模式図に示される第４の実施の形態に係るＨＥＭＴ７１１は、第２の実施の形態（図５）について、電流コラプス抑制膜１２５の形成範囲を限定して第３の実施の形態を適用した、変形例である。

本実施の形態のメリットは、第３の実施の形態の場合と同様である。

（第５の実施の形態）
第５の実施の形態として、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）を備える半導体装置の場合を例に本発明を説明する。なお、本実施の形態では、第１の実施の形態と同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。このため、本実施の形態では、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。

図８は本実施の形態の半導体装置の構成を示す図であり、断面を模式的に表したものである。

ＳＢＤ８１１の電子供給層１３７の所定の領域上（ＳＢＤ８１１の主面上）には、アノード電極８５１と、カソード電極８５５とが形成されている。

アノード電極８５１は、例えば、電子供給層１３７とショットキー接合を有するように形成されている。本実施の形態では、アノード電極８５１は、ニッケル（Ｎｉ）膜またはプラチナ（Ｐｔ）膜と、かかるＮｉ膜またはＰｔ膜の上に形成された金（Ａｕ）膜とから構成されている。アノード電極８５１は、電子供給層１３７上に、例えば、スパッタリング等によりＮｉ膜（またはＰｔ膜）及びＡｕ膜を形成し、ドライエッチング等によって所定の形状にパターニングすることによって電子供給層１３７上に形成される。

カソード電極８５５は、例えば、電子供給層１３７とオーミック接合するように形成されている。本実施の形態では、カソード電極８５５は、チタン（Ｔｉ）膜と、Ｔｉ膜の上に形成された金（Ａｕ）膜とから構成されている。カソード電極８５５は、電子供給層１３７上に、例えば、スパッタリング等によりＴｉ膜及びＡｕ膜を形成し、ドライエッチング等によって所定の形状にパターニングすることによって電子供給層１３７上に形成される。

図９に、本実施形態に係るＳＢＤ８１１から、電流コラプス抑制膜１２５と、絶縁膜１２３と、を除去したものを、斜め上方から見た様子を模式的に示す。断面図である図８においては、アノード電極８５１とカソード電極８５５とが交互に並んでいるが、図９に示すように、装置全体としては、アノード電極８５１とカソード電極８５５とが交互に形成されており、アノード電極８５１とカソード電極８５５が串状（かぎつめ状）にかみ合った形状をしている。図９の点線９９１で示す断面が、図８に相当する。

このように構成された半導体装置の作用、効果について、図９を参照して説明する。

はじめ、カソード電極８５５に接続されたスイッチ９６１は、Ｂ（Ｖ_Ｒ：数１００Ｖ）に接続される。これによりＳＢＤ８１１には数１００Ｖ（順バイアス時の電圧波高値よりも大きい波高値）の逆バイアス（アノード電極８５１の電位がカソード電極８５５の電位よりも低い状態）が印加される。

続いて、スイッチ９６１をＢからＡに切り替えると、ＳＢＤ８１１には順バイアス電圧（Ｖ_Ｆ：数Ｖ）が印加され、半導体基体１２１の内部でアノード電極８５１からカソード電極８５５に向かって電流が流れる。このとき、電流コラプス抑制膜１２５を備えない従来のＳＢＤにおいては、電流コラプス現象のために、出力電流が低下する。

しかし、本実施の形態に係るＳＢＤ８１１においては、電流コラプス抑制膜１２５を構成する、永久双極子を有する分子であるフタロシアニン系化合物分子１２７が、その正に分極した部分を半導体基体１２１に近い向きにするように配向しているので、フタロシアニン系化合物分子１２７の作用により電流コラプス現象が抑制される。このように形成された電流コラプス抑制膜１２５を備えたＳＢＤ８１１においては、電流コラプス現象が良好に抑制される。

第１の実施の形態〜第４の実施の形態について説明した場合と同様に、溝１５９の延伸する方向は任意である。同じく、溝１５９は、深さ２〜２０オングストローム、幅１０〜５０オングストロームであることが好適であるが、フタロシアニン系化合物分子１２７を前述のように配向させることができるのであれば、他の深さ及び幅であってもよい。さらにまた、フタロシアニン系化合物分子１２７を前述のように配向させることができるのであれば、溝１５９の代わりに円形又は楕円形等の孔１６０を複数設けてもよい。溝１５９の断面形状は、深さ方向に幅狭の形状である、例えば半円形状又は逆三角形状であることが望ましい。溝１５９の代わりに円や楕円の孔１６０を複数設ける場合も同様である。

第２の実施の形態の場合と同様に、絶縁膜１２３は半導体基体１２１の露出部のみを覆っていてもよい。

なお、電流コラプス抑制膜１２５がその機能を発現するためには、半導体基体１２１に最も近い部分に、フタロシアニン系化合物分子１２７の正に分極した部分が、本発明で示するように配置されることが重要である。かかる配置が実現されていれば、上述の実施の形態１〜５において、電流コラプス抑制膜１２５は、フタロシアニン系化合物分子１２７の多結晶膜であってもよいし、あるいは、アモルファス膜であってもよい。

（第６の実施の形態）
第６の実施の形態として、半導体装置の製造方法を例に本発明を説明する。

まず、半導体層をエピタキシャル成長させるために、既知の材料であるシリコン、ＳｉＣ、セラミック等を用いて、土台となる基板１３１を準備する。

次に、該基板１３１の上に、緩衝層１３３として既知の窒化物化合物半導体層をエピタキシャル成長により積層する。

さらに、電子走行層１３５となる第１半導体層、電子供給層１３７となる第２半導体層を、順次、エピタキシャル成長により積層することにより、半導体基体１２１を得る。第１及び第２半導体層は、いずれも窒化物系化合物半導体ではあるが、成分が異なることから、両層はヘテロ界面をなし、該界面近傍には２ＤＥＧ層が生じる。

以上で半導体基体１２１の作製が完了する。この後は、得たい装置の具体的な仕様、例えばＨＥＭＴやＳＢＤの仕様に合わせて、第２半導体層の上に、フォトリソグラフィー等の既知の手法により、必要な電極を形成する。例えば、ＨＥＭＴを作成したい場合には、ソース電極１５１、ゲート電極１５３、及び、ドレイン電極１５５、を形成する。ＳＢＤを作成したい場合には、アノード電極８５１と、カソード電極８５５と、を形成する。電極は、必要に応じて、半導体基体１２１とショットキー接合するようにしたり、半導体基体１２１とオーミック接合したりするようにする。

第２半導体層の露出面（電極を含んでもよい。）を覆いつくすように、上面に絶縁膜１２３を形成する。

既知の任意の手法により、絶縁膜１２３に、深さ２〜２０オングストローム、幅１０〜５０オングストローム、断面形状が半円状又は逆三角形状の溝１５９又は孔１６０を所定の領域に掘る。

溝１５９又は孔１６０の掘られた絶縁膜１２３上に、フタロシアニン系化合物１２７から構成される単層膜を、真空蒸着法又は溶液からの蒸発法により成膜する。

このように成膜すると、フタロシアニン系化合物１２７の有する電気双極子が電流コラプス現象の抑制に有効な向きになるように、フタロシアニン系化合物分子１２７が配向制御される結果となる。よって、絶縁膜１２３上のフタロシアニン系化合物１２７の膜は、電流コラプス現象を良好に抑制する機能を有する電流コラプス抑制膜１２５となる。

なお、絶縁膜１２３に溝１５９も孔１６０も掘らずにフタロシアニン系化合物１２７を蒸着した場合などには、フタロシアニン系化合物分子１２７は前述の場合と逆向きになった状態で単層膜をなすことがある。この場合には、電気双極子の向きが前述の場合と逆になり、電流コラプス現象を抑制する効果が小さくなるか、又は、最悪の場合は、逆効果が生じる。

図１０に、フタロシアニン系化合物分子１２７を絶縁膜１２３上に吸着しない場合、絶縁膜１２３に溝１５９も孔１６０も設けないままその上に５０ｎｍの厚さのフタロシアニン系化合物分子１２７から構成される膜を設けたため該分子の配向が制御されていない場合、及び、絶縁膜１２３の上面に形成した溝１５９又は孔１６０の上に５０ｎｍの厚さのフタロシアニン系化合物分子１２７を配向制御して形成した電流コラプス抑制膜１２５を絶縁膜１２３上に設けた場合、の、逆電圧印加後のオン抵抗を測定した結果を示す。電流コラプス抑制膜１２５が、電流コラプス現象を抑制していることが分かる。

なお、図面はあくまでも説明のための模式図であって、実物の大きさを再現したものではない。例えば、電流コラプス抑制膜１２５を構成するフタロシアニン系化合物分子１２７は、理解を容易にするために誇張して描かれたものであって、その形や、その数や、絶縁膜１２３上に掘られた溝１５９又は孔１６０との大きさの比率等は、実際の装置とは異なる。

本発明は上記実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。電流コラプス抑制膜１２５を構成するに際しては、円錐形状のフタロシアニン系化合物分子１２７を、その円錐の頂点を半導体基体１２１に向けるように配置することが重要なのであるから、上記実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。例えば、ＨＥＭＴの場合にも、電極ごと覆った絶縁膜１２３の上に、全面的に溝１５９又は孔１６０を設けてもよいし、ＳＢＤの場合にも、電極を残して電子供給層１３７の露出部だけを覆った絶縁膜１２３の上に溝１５９又は孔１６０を設けてもよい。

さらに、ＨＥＭＴの場合、上述のとおり、問題となる電子はゲート電極１５３の付近に集中的にトラップされる傾向があるから、ゲート電極１５３とドレイン電極１５５の間のうち、ゲート電極１５３に近い部分にのみ溝１５９又は孔１６０を設けてその部分だけ電流コラプス抑制膜１２５を設けても十分な効果がある。ＳＢＤの場合も同様にアノード電極８５１に近い部分にのみ溝１５９又は孔１６０を設けてその部分だけ電流コラプス抑制膜１２５を設けても十分な効果がある。さらにまた、ＨＥＭＴの場合ならゲート電極１５３に近い部分に、ＳＢＤの場合ならアノード電極８５１に近い部分に、溝１５９又は孔１６０の間隔を狭めてより多くの溝１５９又は孔１６０を設け、該溝１５９又は該孔１６０の内側に電流コラプス抑制膜１２５を設けてもよい。あるいはまた、ＨＥＭＴの場合ならゲート電極１５３に近い部分において、ＳＢＤの場合ならアノード電極８５１に近い部分において、電流コラプス抑制膜１２５を厚く形成しても十分な効果がある。なお、電流コラプス抑制膜１２５は、フタロシアニン系化合物分子１２７から構成される層が複数積層された状態のものであってもよい。

本発明は、表面準位に電子がトラップされる半導体装置全てに適用することができる。本発明は、上述のＨＥＭＴやＳＢＤの他に、例えば、ＭＥＳＦＥＴ等に適用することもできる。また、本発明は、窒化物系化合物半導体以外のＧａＡｓ等の化合物半導体層を有する半導体装置にも適用することができる。

さらにまた、少なくとも最下層のフタロシアニン系化合物分子１２７が適切な方向に配置されていれば、電流コラプス抑制効果は生じ得る。よって、電流コラプス抑制膜１２５は、絶縁膜１２３の上に数ｎｍ〜数μｍの厚みのフタロシアニン系化合物分子１２７の薄膜、多層膜、多結晶、及び、アモルファスといった態様のものであってもよい場合もある。

本発明の第１の実施の形態に係る、ＨＥＭＴとして機能する半導体装置の構成を示す断面図と、フタロシアニン系化合物の分子構造を示す図である。 絶縁膜上の溝や孔にフタロシアニン系化合物が吸着されている様子を上からみた図である。 ＨＥＭＴのオフ状態を示す断面図である。 ＨＥＭＴのオフ状態からオン状態へ切り替えた状態を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る、ＨＥＭＴとして機能する半導体装置の構成を示す断面図及び上面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る、ＨＥＭＴとして機能する半導体装置の構成を示す断面図及び上面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る、ＨＥＭＴとして機能する半導体装置の構成を示す断面図及び上面図である。 本発明の第５の実施の形態に係る、ＳＢＤとして機能する半導体装置の構成を示す断面図である。 本発明の第５の実施の形態に係るＳＢＤの構成を斜め上方からみた様子を示す図であって、かつ、該ＳＢＤに逆バイアスが印加された状態を示す図である。 電流コラプス抑制膜を設けた効果を示す実験結果である。

符号の説明

１１１ 第１の実施の形態におけるＨＥＭＴ
１２１ 半導体基体
１２３ 絶縁膜
１２５ 電流コラプス抑制膜
１２７ フタロシアニン系化合物分子
１３１ 基板
１３３ 緩衝層
１３５ 電子走行層
１３７ 電子供給層
１５１ ソース電極
１５３ ゲート電極
１５５ ドレイン電極
１５９ 溝
１６０ 孔
１６１ スイッチ
５１１ 第２の実施の形態に係るＨＥＭＴ
６１１ 第３の実施の形態に係るＨＥＭＴ
７１１ 第４の実施の形態に係るＨＥＭＴ
８１１ 第５の実施の形態に係るＳＢＤ
８５１ アノード電極
８５５ カソード電極
９６１ スイッチ

Claims (11)

1. 基板と、
   前記基板の一方の主面に形成された化合物半導体層と、
   前記化合物半導体層の上に形成されたドレイン電極と、
   前記化合物半導体層の上に形成されたソース電極と、
   前記化合物半導体層の上に前記ドレイン電極と前記ソース電極との間に形成されたゲート電極と、
   前記化合物半導体層の上の該化合物半導体層が露出している領域のうち前記ドレイン電極と前記ゲート電極との間の領域の少なくとも一部を覆うように形成された絶縁膜と、
   前記絶縁膜の上に前記電極と離間して形成された、永久双極子を有する分子から構成される所定の膜と、
   を備え、
   前記絶縁膜には上面に溝又は孔が形成されており、
   前記永久双極子を有する分子は、
   構成元素として正に帯電した所定の原子を含み、該所定の原子を前記溝又は前記孔に挿入するように配置し、該所定の原子を前記化合物半導体層側に向けるように並んでいる、
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 基板と、
   前記基板の一方の主面に形成された化合物半導体層と、
   前記化合物半導体層の上に形成されたアノード電極と、
   前記化合物半導体層の上に形成されたカソード電極と、
   前記化合物半導体層の上の該化合物半導体層が露出している領域のうち前記アノード電極と前記カソード電極との間の領域の少なくとも一部を覆うように形成された絶縁膜と、
   前記絶縁膜の上に前記電極と離間して形成された、永久双極子を有する分子から構成される所定の膜と、
   を備え、
   前記絶縁膜には上面に溝又は孔が形成されており、
   前記永久双極子を有する分子は、
   構成元素として正に帯電した所定の原子を含み、該所定の原子を前記溝又は前記孔に挿入するように配置し、該所定の原子を前記化合物半導体層側に向けるように並んでいる、
   ことを特徴とする半導体装置。
3. 前記化合物半導体層は、
   窒化物系化合物半導体から構成される、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記化合物半導体層は、
   第１の化合物半導体層と第２の化合物半導体層とから構成され、前記第１の化合物半導体層と前記第２の化合物半導体層との界面近傍に２次元電子ガス層を有する、
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の半導体装置。
5. 前記所定の膜は、
   前記永久双極子を有する分子の単分子層から構成される、
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の半導体装置。
6. 前記所定の膜は、
   前記永久双極子を有する分子の多結晶又はアモルファスから構成される、
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の半導体装置。
7. 前記永久双極子を有する分子は、
   フタロシアニン系化合物分子である、
   ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の半導体装置。
8. 前記所定の原子は、
   金属原子である、
   ことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の半導体装置。
9. 前記所定の原子は、
   チタン又はバナジウムである、
   ことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の半導体装置。
10. 基板の上に化合物半導体層を形成する化合物半導体層形成工程と、
    前記化合物半導体層の上に、ドレイン電極とソース電極とを形成し、前記ドレイン電極と前記ソース電極との間にさらにゲート電極を形成する電極形成工程と、
    前記化合物半導体層の上の該化合物半導体層が露出している領域のうち前記ドレイン電極と前記ゲート電極との間の領域の少なくとも一部を覆うように絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
    前記絶縁膜の上に溝又は孔を形成する段差形成工程と、
    前記段差形成工程により前記絶縁膜の上に形成された前記溝又は前記孔の内側に、永久双極子を有するとともに構成元素として正に帯電した所定の原子を含む分子を、該所定の原子が前記化合物半導体層側に向くように並ばせつつ配置する配置工程と、
    を備える半導体装置の製造方法。
11. 基板の上に化合物半導体層を形成する化合物半導体層形成工程と、
    前記化合物半導体層の上に、アノード電極とカソード電極とを形成する電極形成工程と、
    前記化合物半導体層の上の該化合物半導体層が露出している領域のうち前記アノード電極と前記カソード電極との間の領域の少なくとも一部を覆うように絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
    前記絶縁膜の上に溝又は孔を形成する段差形成工程と、
    前記段差形成工程により前記絶縁膜の上に形成された前記溝又は前記孔の内側に、永久双極子を有するとともに構成元素として正に帯電した所定の原子を含む分子を、該所定の原子が前記化合物半導体層側に向くように並ばせつつ配置する配置工程と、
    を備える半導体装置の製造方法。

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