JP6314316B2

JP6314316B2 - 窒化物半導体デバイス

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Publication number: JP6314316B2
Application number: JP2014071475A
Authority: JP
Inventors: 柴田　大輔; 大輔柴田; 田中　健一郎; 健一郎田中
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2018-04-25
Anticipated expiration: 2034-03-31
Also published as: JP2015195241A

Description

本開示は、例えばテレビ他の民生機器の電源回路等で用いられるパワートランジスタに適用できる窒化物半導体デバイスに関するものである。

ＩＩＩ族窒化物半導体（以下単に窒化物半導体という）は、ＧａＮ及びＡｌＮのバンドギャップがそれぞれ室温で３．４ｅＶ、６．２ｅＶであるようにバンドギャップが大きい半導体であり、絶縁破壊電界が大きく、かつ電子の飽和ドリフト速度がＧａＡｓなどの化合物半導体あるいはＳｉ半導体などに比べて大きいという特長を有している。このため、高出力化・高耐圧化に有利な窒化物半導体を用いたパワートランジスタの研究開発が現在活発に行われている。

また、ＡｌＧａＮ／ＧａＮへテロ構造において（０００１）面上にて自発分極及びピエゾ分極によりヘテロ界面に高濃度の２次元電子ガス（２ＤＥＧ：２ＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＥｌｅｃｔｒｏｎＧａｓ）が生じ、アンドープ時においても１×１０¹³ｃｍ^-2以上のシートキャリア濃度が得られる特徴がある。

なお、上記ＡｌＧａＮとは、３元混晶Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘはある値、但し０≦ｘ≦１）のことを表す。以下、多元混晶はそれぞれの構成元素記号の配列、例えばＡｌＩｎＮ、ＧａＩｎＮ等でもって略記される。例えば、窒化物半導体Ａｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ（ｘ、ｙはある値、但し０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）はＡｌＧａＩｎＮと略記される。

２次元電子ガス層を用いたダイオードについては、特許文献１に記載されたものが知られている。このダイオードは、Ｓｉ基板上にＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とを順次形成してＧａＮ層とＡｌＧａＮ層との間に２次元電子ガス層を生じさせ、この２次元電子ガス層に接するようにアノード電極とカソード電極とが形成され、アノード電極の一部とＡｌＧａＮ層との間にはｐ型ＧａＮよりなるブロック層が形成された構成を有している。

これとは別に、特許文献２には窒化物半導体よりなる縦型ダイオード、およびｐｎダイオードとショットキーダイオードを並列に接続した構成が記載されている。

また、特許文献３には窒化物半導体よりなる縦型トランジスタが記載されている。

特開２０１１−５４８４５号公報米国特許公開公報２０１３年第８７８７８号（ＵＳ２０１３／００８７８７８Ａ１）特開２００６−２８６９４２号公報

従来のＧａＮダイオードでは高耐圧、低オン抵抗が実現できるが、アバランシェ耐量が低いという課題があった。例えば、インバーターなどにダイオードを用いる場合、スイッチング時に回路内のインダクタンス起因のサージが発生するため、デバイスにはオフ状態（アバランシェ状態）において電流が流れる。このオフ時にデバイスで消費できる最大エネルギーがアバランシェ耐量である。しかしながら、従来のダイオードは横型デバイスであるためにチャネル（２次元電子ガス層）が二次元的である。そのため、サージ電流をデバイス内で消費する際のエネルギー密度が高くなってしまい、デバイスが破壊しやすいという欠点がある。

上記の理由で、従来のダイオードではインバーター応用などで必要となるサージ耐性が弱いという問題があった。

本発明は上記の課題に鑑み、窒化物半導体デバイスのダイオードにおいて、高耐圧・低オン抵抗・高アバランシェ耐量を有する窒化物半導体デバイスを提供することを目的とする。

上記目的を実現するために、本発明の窒化物半導体デバイスは以下に述べる構成となっている。

すなわち、基板と、基板の上に形成された第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層の上に形成された、ｐ型の導電性を有する第２の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層から第１の窒化物半導体層にまで達する第１の開口部と、第２の窒化物半導体層の上に形成され、かつ第１の開口部を覆うように順に形成された、第３の窒化物半導体層および第３の窒化物半導体層よりバンドギャップが大きい第４の窒化物半導体層と、第１の開口部とは異なる位置で、かつ第２の窒化物半導体層に達する第２の開口部と、第１の開口部と第２の開口部とを覆うように形成されたアノード電極と基板の裏面に形成されたカソード電極と、を備えるものである。

この構成により、順方向においてショットキーダイオードを電流が流れるため動作電圧が低くなり、逆方向においてｐｎダイオードで耐圧を持たせることができるため、高耐圧、高アバランシェ耐量を有する半導体デバイスを実現できる。

本発明の窒化物半導体デバイスは、さらに第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とによって形成されるダイオードの耐圧が、第３の窒化物半導体層及び第４の窒化物半導体層とアノード電極とによって形成されるダイオードの耐圧よりも小さいことが好ましい。この好ましい構成によれば、アバランシェ電流がバルクである第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とによって形成されるダイオードに流れるため、エネルギー密度を低減することができ、アバランシェ耐量を向上させることができる。

本発明の窒化物半導体デバイスは、さらにアノード電極と第４の窒化物半導体層層との間にｐ型の導電性を有する第５の窒化物半導体層が設けられたことが好ましい。この好ましい構成によれば、第５の窒化物半導体層からの空乏化によりショットキー接合部のキャリア濃度を低減することができるため、よりリーク電流を低減できる。

本発明の窒化物半導体デバイスは、さらに第５の窒化物半導体層は、第２の開口部の近傍に設けられたことが好ましい。この好ましい構成によれば、第５の窒化物半導体層は、第２の開口部の近傍に設けられたことでオン時の抵抗を小さくすることができる。

本発明の窒化物半導体デバイスは、さらに第１の開口部が第３の窒化物半導体層によって充填されていることが好ましい。この好ましい構成によれば、電界集中させたくないショットキー接合部をより電界集中の少ない箇所へ移動できる。

本発明の窒化物半導体デバイスは、さらに第３の窒化物半導体層と第４の窒化物半導体層とが２組以上形成されていることが好ましい。この好ましい構成によれば、チャネルを複数形成することでチャネル抵抗を低減することができる。

本発明の窒化物半導体デバイスは、さらに第２の窒化物半導体層と第３の窒化物半導体層との間で、かつ第２の開口部の近傍に、第１の窒化物半導体層よりバンドギャップが大きい第６の窒化物半導体層を有することが好ましい。

本発明の窒化物半導体デバイスによれば、高耐圧を有する優れた窒化物半導体デバイスを提供することが可能となる。

本発明の第一の実施の形態における窒化物半導体デバイスの断面図。同第一の実施の形態における窒化物半導体デバイスの電流・電圧特性を表す図。（ａ）は順方向特性を表す図。（ｂ）は逆方向特性を表す図。同第一の実施の形態における窒化物半導体デバイスのアバランシェ時の電流分布を示す図。同第一の実施の形態の第１変形例における窒化物半導体デバイスの断面図。同第一の実施の形態の第２変形例における窒化物半導体デバイスの断面図。同第二の実施の形態における窒化物半導体デバイスの断面図。同第二の実施の形態の第１変形例における窒化物半導体デバイスの断面図。同第二の実施の形態の第２変形例における窒化物半導体デバイスの断面図。同第三の実施の形態における窒化物半導体デバイスの断面図。同第三の実施の形態の変形例における窒化物半導体デバイスの断面図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（第一の実施の形態）
本発明の第一の実施の形態における窒化物半導体デバイスの断面図を図１に示す。図１に示すように、本実施の形態の窒化物半導体デバイスでは、主面をＣ面（（０００１）面）とする３００μｍ厚のｎ⁺型ＧａＮよりなる基板１の上に、８μｍ厚のｎ型ＧａＮよりなるドリフト層２、４００ｎｍ厚のｐ型ＧａＮよりなる第１下地層３、２００ｎｍ厚のアンドープＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなる第２下地層４がこの順に形成されており、第２下地層４の上に各ＧａＮ系半導体層を貫通してドリフト層２にまで達する第１開口部５が形成されている。ドリフト層２にはＳｉが添加されており、ドナー濃度は例えば１×１０¹⁶ｃｍ^-3としている。また、第１下地層３にはＭｇが添加されており、アクセプタ濃度は例えば１×１０¹⁹ｃｍ^-3としている。

第１開口部５を被覆するように再成長により形成された１００ｎｍ厚のアンドープＧａＮよりなる第１再成長層６、図示しない１ｎｍ厚のアンドープＡｌＮよりなる第２再成長層、５０ｎｍ厚のアンドープＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなる第３再成長層７がこの順に形成されている。

第１再成長層６と第２再成長層との界面には２次元電子ガス層８が形成され、この２次元電子ガス層８は窒化物半導体デバイスの電子走行層（チャネル層）を形成している。

第３再成長層７を形成した後、第１開口部５から離れて第３再成長層７上に第１下地層３にまで達する第２開口部９を形成する。そして、第１開口部５、および、第２開口部９を覆うようにＰｄよりなるアノード電極１０が形成されており、第２開口部９においては２次元電子ガス層８とアノード電極１０は電気的に接触している。

なお、基板１の上に形成される各半導体層の主面は、Ｃ面である。

ここで、窒化物半導体装置の層構造を以下の表１にまとめる。なお、表１においてキャリア濃度とは、ドナー濃度またはアクセプタ濃度を表す。

第１開口部５の開口幅をＸａ、第１開口部５の底部の幅をＸｂ、第１再成長層６を形成したときのアノード電極１０の直下の底面の幅をＸｃとすると、Ｘａ＝６．４μｍ、Ｘｂ＝５μｍ、Ｘｃ＝２μｍとなる。また、第１開口部５の側面の、主面とのなす角をθとすると、θ＝４５度である。

なお、電界効果トランジスタを構成する各半導体層は有機金属気相成長法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ、以下ＭＯＶＰＥと称する）によって形成される。また、第１開口部５、第２開口部９はドライエッチングにより形成されている。特に第１開口部５を形成した後において、第１再成長層６、第２再成長層および第３再成長層７に関するＭＯＶＰＥの条件を記すと、表２のようになる。

なお、表２においてＴＭＧはトリメチルガリウムを表し、ＴＭＡはトリメチルアルミニウムを表す。また、ｓｃｃｍ、ｓｌｍとは標準状態（０℃、１気圧）に換算したときの１分あたりに流れるガスの流量の単位のことであり、１ｓｃｃｍとは１分間に１ｃｍ³のガスが流れる流量であり、１ｓｌｍとは１分間に１リットルのガスが流れる流量である。

本発明の特徴は、２次元電子ガス層８を利用したショットキーダイオードと、第１下地層３とドリフト層２との間で形成されるｐｎ接合を利用したＰＮダイオードとが並列に接続された構造である。本構成においては、順方向は低動作電圧であるショットキーダイオードを電流が流れるため低オン抵抗を実現できる。逆バイアス時はｐ型層である第１下地層３から空乏層が伸びて２次元電子ガス層８が狭窄されてショットキー接合部には電界がほとんどかからず、ｐｎ接合により耐圧が決まる。このため高耐圧化が可能である。さらに、例えば第１下地層３に添加されるＭｇ濃度を調整することにより、ショットキーダイオードの耐圧よりもＰＮダイオードの耐圧を小さくすれば（逆バイアス時の電流が２次元電子ガス層８の経路ではなく、第２開口部９の直下の経路を流れるようにすれば）、アバランシェ時にアバランシェ電流が第１下地層３を三次元的に電流が流れる。このため、面で形成される２次元電子ガス層８に比べてエネルギー密度を小さくすることができ、アバランシェ耐量を大きくすることができる。従って、本発明では高耐圧・低オン抵抗で高アバランシェ耐量を有する窒化物半導体ダイオードが実現できる。

本発明の窒化物半導体デバイスの電流・電圧特性について図２に表す。なお、図２は本発明の半導体デバイスのデバイスシミュレーション結果を示す図である。図２（ａ）は本発明の半導体デバイスの順方向特性の電流−電圧特性を示す図である。第１再成長層６の厚さを様々な値にしてシミュレーションを実施した。第１再成長層６の厚さが薄いとＰＮダイオードの成分の割合が多くなるため立ち上がり電圧が高く、第１再成長層６の厚さが厚いとショットキーダイオードの成分の割合が多くなるため立ち上がり電圧は低くなった。なお、より低動作電圧で動作させるためには第１再成長層６の厚さは６０ｎｍ以上が好ましい。第１再成長層６の厚さが６０ｎｍのとき、立ち上がり電圧は０．８Ｖとなった。

図２（ｂ）は本発明の半導体デバイスの逆方向特性の電流−電圧特性を示す図である。逆方向特性は第１再成長層６の厚さにほとんど依存せず一定の耐圧を示した。つまり、本発明ダイオードでは耐圧を維持したまま、動作電圧を低減させることが可能であることが確認できた。

図３は本発明の半導体の逆バイアスでアバランシェ発生時の電流分布を示す図である。アバランシェ発生時には電流は第１下地層３とドリフト層２で形成されるｐｎ接合を主に流れている。つまり、アバランシェ時には電流は三次元的に流れることになりアバランシェ耐量は高いと考えられる。

なお、ドリフト層２のドナー濃度は例えば１×１０¹⁶ｃｍ^-3としたが、この値に限られず、１×１０¹⁵ｃｍ^-3以上で、かつ１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であれば上記と同様な効果が得られる。

また、ドリフト層２にはＳｉを添加したが、Ｓｉに限らずＧａＮに対しｎ型の導電性を示す不純物であれば上記と同様の効果が得られる。

なお、第１下地層３は結晶成長で形成しているが、結晶成長に限らず例えばアンドープＧａＮ層に対しＭｇのイオンを注入してもよい。また、第１下地層３としてはｐ型の導電性を有している必要は必ずしもなく、例えばＦｅを注入して絶縁層としてもよい。

また、第１再成長層６はアンドープを想定しているが、一部Ｓｉドープなどでｎ型化してもよい。

再成長後には、上記第１開口部５から離れて上記第３再成長層７上に上記第１下地層３にまで達する第２開口部９を形成する。そして、上記第１開口部５、および、第２開口部９を覆うようにＰｄよりなるアノード電極１０が形成されており、第２開口部９においては２次元電子ガス層８とアノード電極１０は電気的に接触している。

なお、アノード電極１０の材料にはｎ型窒化物半導体に対してショットキー接触となるような材料であればどんな材料でもよく、例えばＮｉ、Ａｕ、ＷＳｉなどを含む材料を使うことができる。

ここでは第２開口部９は第１下地層３にまで達する場合について記載しており、こうすることで第１下地層３の電位をアノード電極１０の電位に固定し動作を安定化することができるためより好ましい。しかし、必ずしも第２開口部９は第１下地層３に達する必要はなく、２次元電子ガス層８とアノード電極１０が電気的に接触する深さであればよい。

カソード電極１１はＴｉとＡｌとの積層体よりなり、基板１の裏面側にＴｉ、Ａｌの順（Ｔｉ／Ａｌ）に形成され、基板１に対しオーミック接触をする。なお、カソード電極１１の電極材料はｎ型に対してオーミック接触となる材料であれば何でもよく、例えばＴｉ／Ａｕが挙げられる。

第１再成長層６について＜１−１００＞方向における厚みをＧｘ、＜０００１＞方向（基板１の主面に垂直な方向）の厚みをＧｙとしたとき、本開示の電界効果トランジスタにおいてはＧｘ＝１．５μｍ、Ｇｙ＝０．１μｍであるので、

であることは明らかである。このようにすることにより、第１開口部５の側壁に面して形成される２次元電子ガス層８の傾斜キャリア領域と第１下地層３との間の距離を長くして傾斜キャリア領域のシートキャリア濃度の低下を抑えることができ、その結果、２次元電子ガス層８の抵抗を低減させることができ、窒化物半導体デバイスのオン抵抗を低減させることができる。

この窒化物半導体デバイスのオン抵抗を低減させることができるメカニズムについて、以下に詳細を説明する。

基板１はＣ面を主面としているので、基板１の上に形成された、ＩＩＩ族窒化物半導体よりなる各半導体層は極性を有することになる。第３再成長層７および第２再成長層と第１再成長層６との間においては格子定数の違いにより歪が生じることになり、当該歪により特に第２再成長層と第１再成長層６との間において自発分極およびピエゾ分極による分極電荷が生じることになる。この分極電荷により２次元電子ガス層８においてシートキャリア濃度を大きくすることができるのである。

一方、分極の方向は＜０００１＞方向に平行であるので、分極電荷密度はＣ面において最大となる。第２再成長層と第１再成長層６との界面は、アノード電極１０の両端間においてＣ面に対し傾斜面を有することになる。Ｃ面に対し傾斜面を有する場合、当該傾斜面における分極電荷密度はＣ面における分極電荷密度と比べて小さくなる。第２再成長層と第１再成長層６との界面がＣ面より傾斜して分極電荷密度が減少することにより、傾斜キャリア領域においては電子のシートキャリア濃度が下がることになる。

また、第１下地層３はｐ型であり、第１下地層３からは２次元電子ガス層８へ向けて空乏層が広がることになる。２次元電子ガス層８のシートキャリア濃度が小さいほど当該空乏層の影響を受け、２次元電子ガス層８の抵抗が増加する。

本開示にかかる電界効果トランジスタは、数式（数１）となるようにＧｘとＧｙの値を決めることにより、傾斜キャリア領域と第１下地層３との間の距離が長くなることで、第１下地層３と傾斜キャリア領域との間の距離が長くなり、傾斜キャリア領域９ａに対する空乏層の広がりの影響を小さくしている。このようにすることにより、２次元電子ガス層８の抵抗を小さくすることができる。

また、アノード電極１０にはｐ型のＧａＮよりなる第１下地層３とコンタクトをとるための第２開口部９を設けるが、平坦部における第１再成長層６の層厚が薄いほうが第１開口部５の深さおよび第２開口部９の深さを浅くすることができる。第１開口部５の深さが浅い方がプロセス時間を短縮でき、アノード電極１０のカバレッジも良好になる。

第１開口部５の上に第１再成長層６、第２再成長層、第３再成長層７が結晶成長するにつれて第１開口部５の上に形成される凹部の幅は小さくなる。

一般に、第１開口部５の上に第３再成長層７を結晶成長するにあたり、第１開口部５の側壁における結晶成長速度と主面方向の結晶成長速度とは異なり、結晶成長速度が小さいほどＡｌの取り込まれ率が大きくなるので第３再成長層７のＡｌ組成が大きくなる。

第３再成長層７のＡｌ組成が大きいほど第３再成長層７と第１再成長層６との間の格子定数差が大きくなって分極が大きくなり、２次元電子ガス層８のシートキャリア濃度が増大する。そのため、２次元電子ガス層８の抵抗が小さくなる。

上記の検討によって２次元電子ガス層８のうち傾斜キャリア領域におけるシートキャリア濃度が小さくなることがわかったので、傾斜キャリア領域においてシートキャリア濃度を増加させるためには、第１開口部５の側壁における結晶成長速度を主面方向の結晶成長速度より小さくし、この側壁に対向する第３再成長層７のＡｌ組成を大きくすればよい。

第３再成長層７について＜１−１００＞方向における厚みをＡｘ、＜０００１＞方向（基板１の主面に垂直な方向）の厚みをＡｙとしたとき、上記知見をふまえ本開示の電界効果トランジスタにおいてはＡｘ＝６０ｎｍ、Ａｙ＝５０ｎｍとし、

としている。このようにすることにより、傾斜キャリア領域においてシートキャリア濃度が増加し、その結果、２次元電子ガス層８の抵抗を低減させることができて窒化物半導体デバイスについてアノード電極１０にバイアスを印加したときの抵抗すなわちオン抵抗を低減することができる。

（第一の実施の形態の第１変形例）
本発明の第一の実施の形態における窒化物半導体デバイスの第１変形例に関する断面図を図４に示す。

図４に示す窒化物半導体デバイスと図１に示す窒化物半導体デバイスとの違いは、アノード電極１０と第３再成長層７と間に、厚さが２００ｎｍのｐ型ＧａＮよりなる第４再成長層１２を設けたことである。その他の構成については、図１に示す窒化物半導体デバイスと同様である。

この構成により、アノード電極１０にかかる電圧が０Ｖすなわちゼロバイアスのとき、２次元電子ガス層８は第４再成長層１２より伸びる空乏層により空乏化され、アノード電極１０と２次元電子ガス層８が接触している部分のリーク電流を低減することができる。

（第一の実施の形態の第２変形例）
本発明の第一の実施の形態における窒化物半導体デバイスの第２変形例に関する断面図を図５に示す。

図５に示す窒化物半導体デバイスと図４に示す窒化物半導体デバイスとの違いは、図５に示す窒化物半導体デバイスの、アノード電極１０と２次元電子ガス層８との接触部の上方のみに局所的に第４再成長層１２を設けたことである。

この構成により、アノード電極１０がゼロバイアスのとき、第４再成長層１２より伸びる空乏層はアノード電極１０と２次元電子ガス層８との接触部近傍に広がるのみであり、第１変形例の場合と比べ、アノード電極１０にバイアスを印加したときの抵抗すなわちオン抵抗を低減することができる。

なお、第１変形例、第２変形例において、第４再成長層１２の組成はＧａＮに限られず、ＡｌＧａＮやＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮを用いることができる。

また、第４再成長層１２の代わりにＳｉＮやＳｉＯ₂のような絶縁層を用いた構成、いわゆるＭＩＳタイプの構成としても同様の効果が得られる。

（第二の実施の形態）
本発明の第二の実施の形態における窒化物半導体デバイスの断面図を図６に示す。これは第一の実施の形態において第１再成長層６の（０００１）面に沿う方向の層厚が非常に大きい場合と考えることができる。第１再成長層６の成長時間を十分に長くすることで第１開口部５を第１再成長層６により埋め込まれ、第１再成長層６がほぼ平坦になっている。

なお、第１再成長層６の層厚は、第１開口部５において１μｍである。

なお、第１再成長層６以外の各半導体層の層厚、および各電極の条件は、表１に示すとおりである。

この構成により、第１再成長層６と第２再成長層との間に形成される２次元電子ガス層８をほぼ平坦に、かつＣ面に平行にすることができ、２次元電子ガス層８のシートキャリア濃度の減少を抑えることができる。

また、上記構成により、電界集中を極力避けたいョットキー接合部をより電界集中の少ない箇所へ移動できる。これにより、窒化物半導体デバイスの高耐圧化が可能になる。

（第二の実施の形態の第１変形例）
本発明の第二の実施の形態における窒化物半導体デバイスの第１変形例に関する断面図を図７に示す。

図７に示す窒化物半導体デバイスと図１に示す窒化物半導体デバイスとの違いは、アノード電極１０と第３再成長層７と間に、厚さが２００ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮよりなる第４再成長層１２を設けたことである。その他の構成については、図１に示す窒化物半導体デバイスと同様である。

また、アノード電極１０と第３再成長層７の間にｐ型ＡｌＧａＮよりなる第４再成長層１２を挿入している。これにより、第３再成長層７と第４再成長層１２とでできるｐｎ接合の空乏層が２次元電子ガス層８に達することでチャネルである２次元電子ガス層８のキャリア濃度が低減され、アノード電極１０と２次元電子ガス層８が接触している部分のリーク電流を低減することができる。

なお、第４再成長層１２の代わりにＳｉＮやＳｉＯ₂等の絶縁層を用いてもよい。この場合、絶縁層によりチャネル部分のポテンシャルが持ち上げることでチャネルである２次元電子ガス層８のキャリア濃度が低減され、アノード電極１０と２次元電子ガス層８が接触している部分のリーク電流を低減することができる。

なお、第４再成長層１２としては、ｐ型ＡｌＧａＮの代わりにｐ型ＧａＮを用いてもよい。

（第二の実施の形態の第２変形例）
本発明の第二の実施の形態における窒化物半導体デバイスの第２変形例に関する断面図を図８に示す。

図８に示す窒化物半導体デバイスと図７に示す窒化物半導体デバイスとの違いは、図８に示す窒化物半導体デバイスの場合、アノード電極１０と２次元電子ガス層８との接触部の上方のみに局所的に第４再成長層１２を設けたことである。

この構成により、アノード電極１０がゼロバイアスのとき、第４再成長層１２より伸びる空乏層はアノード電極１０と２次元電子ガス層８との接触部近傍に広がるのみであり、第２変形例の場合と比べ、アノード電極１０にバイアスを印加したときの抵抗すなわちオン抵抗を低減することができる。

なお、第１変形例、第２変形例において、第４再成長層１２の組成はＡｌＧａＮに限られず、ＡｌＧａＮやＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮを用いることができる。

（第三の実施の形態）
第一の実施の形態、および第二の実施の形態ではチャネルは１つであったが、ここでは複数のチャネルを有する窒化物半導体デバイスについて説明する。

本実施の形態の窒化物半導体デバイスの断面図を図９に示す。本実施の形態の窒化物半導体デバイスでは、基板１の上に、８μｍ厚のドリフト層２、４００ｎｍ厚の第１下地層３、２００ｎｍ厚の第２下地層４がこの順に形成されており、上記第２下地層４の上に各ＧａＮ系半導体層を貫通して上記ドリフト層２にまで達する第１開口部５が形成されている。ドリフト層２にはＳｉが添加されており、ドナー濃度は例えば１×１０¹⁶ｃｍ^-3としている。また、第１下地層３にはＭｇが添加されており、アクセプタ濃度は例えば１×１０¹⁹ｃｍ^-3としている。

第１開口部５を被覆するように再成長により形成された１００ｎｍ厚のアンドープＧａＮよりなる第１再成長層６、図示しない１ｎｍ厚のアンドープＡｌＮよりなる１ｎｍ厚の第２再成長層、５０ｎｍ厚のアンドープＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなる第３再成長層７を１周期として、これを複数周期この順に形成されている。図９では２周期（チャネル数２）の場合のダイオードを示している。

チャネルを複数周期形成した後、第１開口部５から離れて第３再成長層７上に第１下地層３にまで達する第２開口部９を形成する。そして、第１開口部５、および、第２開口部９を覆うようにＰｄよりなるアノード電極１０が形成されており、第２開口部９においては２次元電子ガス層８とアノード電極１０は電気的に接触している。

ここでは第２開口部９は第１下地層３にまで達する場合について記載しており、こうすることで第１下地層３の電位をアノード電極１０の電位に固定し動作を安定化することができるためより好ましい。しかし、必ずしも第２開口部９は第１下地層３に達する必要はなく、すべての２次元電子ガス層８とアノード電極１０が電気的に接触する深さであればよい。

カソード電極１１はＴｉとＡｕとの積層体よりなり、基板１の裏面側にＴｉ、Ａｕの順（Ｔｉ／Ａｕ）に形成され、基板１に対しオーミック接触をする。なお、カソード電極１１の電極材料はｎ型に対してオーミック接触となる材料であれば何でもよく、例えばＴｉ／Ａｕが挙げられる。

本構成では２次元電子ガス層８のチャネルを複数形成することができるため、チャネルが１つのダイオードに比べてさらにチャネルの抵抗を低減することが可能になる。

（第三の実施の形態の第１変形例）
本発明の第三の実施の形態における窒化物半導体デバイスの第１変形例に関する断面図を図１０に示す。

図１０に示す窒化物半導体デバイスと図９に示す窒化物半導体デバイスとの違いは、図１０に示す窒化物半導体デバイスの場合、アノード電極１０と２次元電子ガス層８との接触部の上方のみに局所的に第４再成長層１２を設けたことである。この構成により、図９の場合に比べてオン抵抗を低減することができる。

なお、第１変形例において、第４再成長層１２の組成はＧａＮに限られず、ＡｌＧａＮやＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮを用いることができる。

本発明の窒化物半導体デバイスは、民生機器の電源回路等で用いられるパワーデバイスとして有用である。

１基板
２ドリフト層
３第１下地層
４第２下地層
５第１開口部
６第１再成長層
７第３再成長層
８２次元電子ガス層
９第２開口部
１０アノード電極
１１カソード電極
１２第４再成長層

Claims

基板と、
前記基板の上に形成された、ｎ型の導電性を有する第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層の上に形成された、ｐ型の導電性を有する第２の窒化物半導体層と、
前記第２の窒化物半導体層から前記第１の窒化物半導体層にまで達する第１の開口部と、
前記第２の窒化物半導体層の上に形成され、かつ前記第１の開口部を覆うように順に形成された、第３の窒化物半導体層および前記第３の窒化物半導体層よりバンドギャップが大きい第４の窒化物半導体層と、
前記第１の開口部とは異なる位置で、かつ前記第２の窒化物半導体層に達する第２の開口部と、
前記第１の開口部と前記第２の開口部とを覆うように形成され、前記第３の窒化物半導体層および前記第４の窒化物半導体層とショットキー接触するアノード電極と、
前記基板の裏面に形成されたカソード電極と、を備えることを特徴とする窒化物半導体デバイス。
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によって形成されるダイオードの耐圧が、前記第３の窒化物半導体層及び前記第４の窒化物半導体層と前記アノード電極とによって形成されるダイオードの耐圧よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体デバイス。
前記アノード電極と前記第４の窒化物半導体層層との間にｐ型の導電性を有する第５の窒化物半導体層が設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体デバイス。
前記第５の窒化物半導体層は、前記第２の開口部の近傍に設けられたことを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体デバイス。
前記第１の開口部が前記第３の窒化物半導体層によって充填されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物半導体デバイス。
前記第３の窒化物半導体層と前記第４の窒化物半導体層とが２組以上形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体デバイス。
前記第２の窒化物半導体層と前記第３の窒化物半導体層との間で、かつ前記第２の開口部の近傍に、前記第１の窒化物半導体層よりバンドギャップが大きい第６の窒化物半導体層を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイス。