JP5757746B2 - 窒化物半導体装置 - Google Patents
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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、且つオン抵抗が低い、大電力用の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では、耐圧が高く、且つオン抵抗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、且つオン抵抗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族窒化物半導体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。
ショットキーバリアダイオードの応用例の一例として、スイッチングレギュレータ用のフリーホイールダイオードがあり、Ｖｆは、できる限り０Ｖに近いものが望まれる。しかし、実際に試作されたショットキーバリアダイオードのＶｆは、一般的に０．６〜０．８Ｖ程度であり、理想的な動作に至っていないのが現状である。
Ｖｆを低下させる方法として、図３に示す構造のショットキーバリアダイオードが提案されている（非特許文献１）。図３に示すショットキーバリアダイオードは、例えば、シリコン基板からなる基板２１と、基板２１上に形成されたバッファ層２２と、アンドープのＧａＮ層２３と、ＧａＮ層２３上に形成されたＧａＮ層２３よりもバンドギャップの広いIII−V族窒化物半導体層であるアンドープのＡｌＧａＮ層２４とを備えている。そして、ＡｌＧａＮ層２４上には、Ｈｆ（ハフニウム）／Ａｌ（アルミニウム）／Ｈｆ／Ａｕ（金）からなり、オーミック接合を形成する第１のアノード電極２７と、ＷＮ系材料からなるショットキー接合を形成する第２のアノード電極２８と、Ｈｆ／Ａｌ／Ｈｆ／Ａｕからなり、オーミック接合を形成するカソード電極２６が形成される。第２のアノード電極２８は、第１のアノード電極２７を覆うように形成されており、少なくとも第１のアノード電極２７とカソード電極２６との電流経路の間に配置されている。
図３に示すショットキーバリアダイオードでは、第１のアノード電極２７と第２のアノード電極２８とが共通アノード電極を構成し、第１のアノード電極２７をＨｆ／Ａｌ／Ｈｆ／Ａｕとすることにより、共通アノード電極の一部の電気特性をオーミック接触とし、低いＶｆを実現している。しかし、第１のアノード電極２７はオーミック特性を示すため、このままでは、逆方向バイアス印加時に漏れ電流が流れてしまう。これを回避するため、第２のアノード電極２８を形成する前に、第２のアノード電極２８の形成予定領域のＡｌＧａＮ層２４の表面をＣＦ4プラズマ処理することで、ＡｌＧａＮ層２４表面近傍にＦイオンの拡散領域２５を形成している。その結果、第２のアノード電極直下のＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合部分の２次元電子ガス（図中点線で示す）が消失し、第１のアノード電極２７及び第２のアノード電極２８へ逆方向バイアスが印加されても、第１及び第２のアノード電極２７、２８からカソード電極２６に電子が移動するのを抑制している。
またその他のＶｆを低下させる方法として、図４に示す構造のショットキーバリアダイオードが提案されている（特許文献１）。この方法は、前述のＣＦ4プラズマ処理は行わず、第２のアノード電極直下のＡｌＧａＮ層３４の一部を凹状に切り欠き、第２のアノード電極直下のＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合部分の２次元電子ガス（図中点線で示す）を消失させ、第１のアノード電極３７及び第２のアノード電極３８へ逆方向バイアスが印加されても、第１及び第２のアノード電極３７、３８からカソード電極３６に電子が移動するのを抑制している。
K.Takatani, T.Nozawa, T.Oka, H.Kawamura, and K.Sakuno, "AlGaN/GaN Schottky-ohmic combined anode field effect diode with fluoride-based plasma treatment" Electronics Letters Vol.44, No.4, p-320-321, 2008
しかしながら、従来のショットキーバリアダイオードは、正常なダイオード動作が得られるＡｌＧａＮ層２４の厚さ及びＡｌ組成、拡散領域２５を形成する際のＣＦ4プラズマ処理条件や、ＡｌＧａＮ層３４のエッチング深さの許容範囲が極めて狭いという問題があった。つまり、少しでもこれらの条件が変動すると、第２のアノード電極２８、３８直下の２次元電子ガスが消失できずに残り、逆方向にリーク電流が流れ、ダイオードとして機能しなくなってしまうという問題があった。また、プラズマ処理によって拡散領域２５を形成する方法は、信頼性が確立されておらず、実用的な構造とはいい難いという問題があった。
さらにまた、窒化物半導体を用いたショットキーバリアダイオードの順方向電圧は、温度依存性が正であるため、大電流が流れると、温度が上昇し、シリコンで作成した従来のショットキーバリアダイオードよりも、順方向サージ電流耐量が低くなるという問題があった。
本発明は、上記従来技術の問題点を解消するためになされたものであり、簡単な構造で、極めて低い順方向立ち上がり電圧と、高い逆方向耐圧特性を有する窒化物半導体装置を提供するものである。
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、基板上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層と、ｐ型の導電性を有する前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第２の窒化物半導体層と、前記第２の窒化物半導体層の一部を除去し、露出する前記第１の窒化物半導体層上にオーミック接合する第１のアノード電極と、該第１のアノード電極に接続し、前記第２の窒化物半導体層にオーミック接合する第２のアノード電極と、前記第１の窒化物半導体層にオーミック接合するカソード電極とを備え、前記第１及び前記第２のアノード電極に印加する電圧が０Ｖのとき、前記第２のアノード電極直下の前記第１の窒化物半導体層からなるチャネルにキャリアが存在せず、前記第２のアノード電極直下を除く前記第１の窒化物半導体層にキャリアが存在しており、前記第１及び前記第２のアノード電極に印加する電圧が正電圧であって、前記第２のアノード電極に電流が流れるとき、前記第２の窒化物半導体層から前記チャネルにホールが注入されることを特徴とする。
本願請求項２に係る発明は、請求項１記載の窒化物半導体装置において、前記基板と前記第１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小さ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、前記第１及び前記第２のアノード電極に印加する電圧が０Ｖのとき、前記第２のアノード電極直下の前記第１の窒化物半導体層と前記第３の窒化物半導体層との界面にキャリアが存在せず、前記第２のアノード電極直下を除く前記第１の窒化物半導体層と前記第３の窒化物半導体層との界面にキャリアが存在しており、前記第１及び前記第２のアノード電極に印加する電圧が正電圧であって、前記第２のアノード電極に電流が流れるとき、前記第２の窒化物半導体層から前記第１の窒化物半導体層と前記第３の窒化物半導体層との界面にホールが注入されることを特徴とする。
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、オーミック接合している第１のアノード電極に電流が流れるため、極めて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、オーミック接合している第２のアノード電極にも電流が流れ、大きな電流を流すことができる。また、逆方向バイアスの条件では、第２のアノード電極とｐ型の窒化物半導体層に逆方向バイアスが印加される結果、ｐｎ接合の逆方向バイアスと同様の効果によりキャリアが消失し、リーク電流が少なくなるとともに、第２のアノード電極が主に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。
第３のIII−Ｖ族窒化物半導体層を備えた、いわゆるＨＥＭＴ構造の窒化物半導体層を用いて本発明の整流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、オン電圧がほぼ０Ｖで、順方向電流が大きい良好な順方向電圧特性が得られた。さらに、順方向電流が４Ｖ以上になると、ｐ型の導電性を有する第２の窒化物半導体層からホールが注入されることで、伝導度変調が起こり、さらにオン抵抗が低減した。この効果により、順方向サージ電流耐量が、従来よりも２０％程度大きい整流ダイオードを形成することができた。
このように順方向サージ電流耐量が大きくなったため、整流ダイオードをＰＦＣ(Power Factor Collection)回路の昇圧ダイオードに用いた場合、従来の整流ダイオードでは、電源の投入時に入力コンデンサに向けて大きな突入電流が流れるために、素子を破壊から保護するためバイパス・ダイオードが必要であったが、本発明の整流ダイオードを用いた場合には、バイパス・ダイオードが必要なくなるという効果もある。
本発明の窒化物半導体装置は、基板上に、III−Ｖ族窒化物半導体からなる第１及び第２の窒化物半導体層が積層形成されており、第１の窒化物半導体層に接合する第１のアノード電極と第２の窒化物半導体層に接続する第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、それぞれオーミック接合を形成する。またカソード電極は、第１の窒化物半導体層に接合する構造となっている。第２のアノード電極は、カソード電極と第１のアノード電極の間に配置されている。そして第１及び第２のアノード電極に印加する電圧が０Ｖのとき、第２のアノード電極直下の第１の窒化物半導体層からなるチャネルにキャリアが存在せず、第２のアノード電極直下を除く第１の窒化物半導体層にはキャリアが存在する構成となっている。
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段階では、第２のアノード電極直下の第１の窒化物半導体層から電流経路にキャリアが生成し、第１の窒化物半導体層とオーミック接合を形成する第１のアノード電極が主に機能して、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、第２の窒化物半導体層からホールが注入されることで、伝導度変調が起こり低いオン抵抗となり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、第２のアノード電極直下の第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層からなる電流経路にキャリアが存在しないことから、逆方向のリーク電流が低減される。さらに大きな逆方向バイアスを印加すると、カソード電極側に空乏層が広がり、高い耐圧特性が得られることになる。以下、本発明の窒化物半導体装置について、スイッチング素子や整流素子として用いることができる整流ダイオードを例にとり、詳細に説明する。
図１、図２は本発明の第１の実施例のＨＥＭＴ構造を利用した整流ダイオード１０の説明図であり、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。図２に示すように、導電性の炭化珪素（ＳｉＣ）からなる基板１１上に、ＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法等により、厚さ２００ｎｍ程度の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１２、厚さ３．０μｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１３（第３の窒化物半導体層に相当）、厚さ２５ｎｍのノンドープの窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなる電子供給層１４（第１の窒化物半導体層に相当）、マグネシウム（Ｍｇ）をドーピングした厚さ１０ｎｍの窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるキャップ層１５（第２の窒化物半導体層に相当）が順次積層した構造の半導体基板を用意する（図２ａ）。
次に、第１のアノード電極及びカソード電極の形成予定領域が開口するようにフォトレジストをパターン形成し、塩素系ガスを用いたＲＩＥ等のドライエッチング法により、露出するキャップ層１５の一部をエッチングし、底面に電子供給層１４を露出する凹部を形成する。その後、チタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）の積層体等からなる第１のアノード電極１６及びカソード電極１７を、電子供給層１４上にパターン形成し、フォトレジストを除去した後、６００℃、３０秒の急速加熱を行うことで、オーミック接合を形成する（図２ｂ）。このような半導体基板では、窒化ガリウムからなるチャネル層１３と窒化アルミニウムガリウムからなる電子供給層１４とのヘテロ接合面に、図中に破線で模式的に示すように２次元電子ガス（キャリア）が発生する。また、ｐ型のキャップ層１５の影響で、キャップ層１５直下のヘテロ接合面には２次元電子ガス（キャリア）が発生しない構造となっている。
次に、第２のアノード電極の形成予定領域が開口するように別のフォトレジストをパターン形成し、先に形成した第１のアノード電極１６に電気的に接合するようにニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の積層体等からなる第２のアノード電極１８を、キャップ層１５上にパターン形成し、フォトレジストを除去した後、５００℃、３０秒間の急速加熱を行うことで、オーミック接合を形成する（図２ｃ）。
その後、第１及び第２のアノード電極１６、１８とカソード電極１７との間に露出するキャップ層１５を、これらの電極をエッチングマスクとして使用して、塩素系ガスを用いたＲＩＥ等のドライエッチング法によりエッチング除去し、電子供給層１４を露出させる。キャップ層１５を除去することにより、電子供給層１４とチャネル層１３とのヘテロ接合面に２次元電子ガス（キャリア）が発生し、本発明の整流ダイオードを形成することができる（図２ｄ）。
このような構造の整流ダイオードでは、電子供給層１４及びキャップ層１５にそれぞれオーミック接合する第１のアノード電極１６及び第２のアノード電極１８とカソード電極１７との間に、順方向バイアスを印加すると、ほぼ０Ｖのオン電圧で、順方向電流が急激に増大する特性となる。これは、順方向電圧が０Ｖのときには、第２のアノード電極１８直下にキャリアとなる２次元電子ガスが存在しないが、順方向電圧を印加することで、２次元電子ガスが生成し、電流が流れるためである。つまり、印加電圧が小さい段階では、電子供給層１４とオーミック接合する第１のアノード電極１６が主に機能することによって、電子供給層１４と第１のアノード電極１６のオン抵抗に近い順方向電圧（０Ｖ）となるが、印加電圧が大きくなると、チャネル層１３と電子供給層１４とのヘテロ接合面の２次元電子ガスがキャリアとなり、順方向電流増大に寄与することになる。さらに順方向バイアスが４．０Ｖ程度に達すると、第２のアノード電極１８直下のキャップ層１５からホールが注入されることで、伝導度変調が起こり、さらにオン抵抗が低減し、大電流を流すことができるようになる。
一方、逆方向バイアスを印加すると、約８００Ｖという大きな耐圧特性が確認された。これは、逆方向バイアスが、−１０Ｖ程度以下の段階では、キャップ層１５と電子供給層１４が高い絶縁性を有し、キャリアとなる２次元電子ガスが第２のアノード電極１８の直下に存在しないことから、逆方向のリーク電流が低減されており、さらに大きな逆方向バイアスを印加すると、カソード電極１７側に２次元電子ガスが存在しない空乏領域が広がるためと考えられる。
次に図１に示す構造の整流ダイオードを、別の製造方法により形成する第２の実施例について説明する。第１の実施例同様、導電性の炭化珪素からなる基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法等により、厚さ２００ｎｍ程度のＡｌＮからなるバッファ層１２、厚さ３．０μｍのノンドープＧａＮからなるチャネル層１３、厚さ１０ｎｍのノンドープのＡｌＧａＮからなる電子供給層１４が順次積層した構造の半導体基板を用意する。
次に電子供給層１４上の第２のアノード電極形成予定領域に、キャップ層１５を選択成長させるためにＳｉＯ2からなるマスク材を形成する。その後、マグネシウム（Ｍｇ）をドーピングした厚さ１０ｎｍの窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるキャップ層１５を積層形成する。その後、マスク材を除去する。以下、第１の実施例で説明した工程に従い、第１のアノード電極１６及びカソード電極１７、第２のアノード電極１８を形成し、本発明の整流ダイオードを形成することができる。
このようにエッチングによらず、キャップ層１５を選択成長させる場合であっても、上述の第１の実施例同様、低いオン電圧特性とオン抵抗を有することでサージ順電流を増大させ、さらに高い逆方向耐圧の整流ダイオードを形成することができる。
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、ＨＥＭＴ構造の窒化物半導体装置の代わりに、不純物が添加された窒化物半導体層を能動層（チャネル層）とした、いわゆるＦＥＴ構造の窒化物半導体装置とすることもできる。この場合、第１のアノード電極１６及びカソード電極１７が能動層にオーミック接合を形成し、第２のアノード電極は、ｐ型のキャップ層１５にオーミック接合を形成する構造とする。このような構造としても、第２のアノード電極直下は空乏化し、キャリアが存在しない状態となる。
また、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。同様にキャップ層もＡｌＧａＮ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族窒化物半導体層にＭｇをドーピングすることで形成することができる。
第１のアノード電極及びカソード電極を構成する金属材料は、接合を形成するIII−Ｖ族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のアノード電極及びカソード電極を構成する金属材料はＴｉ/Ａｌの積層構造に限定されず、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）や銀（Ａｇ）等、アニール後にオーミック接触を形成する金属であればよい。また、第２のアノード電極を構成する金属材料は、Ｎｉ/Ａｕの積層構造に限定されず、例えば白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等、ｐ型の窒化物半導体材料にオーミック接触する金属を選択すればよい。
また基板１１は、炭化珪素基板の代りに、サファイア基板やシリコン基板を用いてもよい。なお、サファイア基板を用いる場合、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。
１０：整流ダイオード、１１：基板、１２：バッファ層、１３：チャネル層、１４：電子供給層、１５：キャップ層、１６：第１のアノード電極、１７：カソード電極、１８：第２のアノード電極
Claims (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、
基板上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層と、ｐ型の導電性を有する前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第２の窒化物半導体層と、前記第２の窒化物半導体層の一部を除去し、露出する前記第１の窒化物半導体層上にオーミック接合する第１のアノード電極と、該第１のアノード電極に接続し、前記第２の窒化物半導体層にオーミック接合する第２のアノード電極と、前記第１の窒化物半導体層にオーミック接合するカソード電極とを備え、
前記第１及び前記第２のアノード電極に印加する電圧が０Ｖのとき、前記第２のアノード電極直下の前記第１の窒化物半導体層からなるチャネルにキャリアが存在せず、前記第２のアノード電極直下を除く前記第１の窒化物半導体層にキャリアが存在しており、前記第１及び前記第２のアノード電極に印加する電圧が正電圧であって、前記第２のアノード電極に電流が流れるとき、前記第２の窒化物半導体層から前記チャネルにホールが注入されることを特徴とする窒化物半導体装置。 - 請求項１記載の窒化物半導体装置において、前記基板と前記第１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小さ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、
前記第１及び前記第２のアノード電極に印加する電圧が０Ｖのとき、前記第２のアノード電極直下の前記第１の窒化物半導体層と前記第３の窒化物半導体層との界面にキャリアが存在せず、前記第２のアノード電極直下を除く前記第１の窒化物半導体層と前記第３の窒化物半導体層との界面にキャリアが存在しており、前記第１及び前記第２のアノード電極に印加する電圧が正電圧であって、前記第２のアノード電極に電流が流れるとき、前記第２の窒化物半導体層から前記第１の窒化物半導体層と前記第３の窒化物半導体層との界面にホールが注入されることを特徴とする窒化物半導体装置。
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