JP6610340B2 - Diodes using group III nitride semiconductors - Google Patents
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本明細書では、III族窒化物半導体の積層構造を利用するダイオードを開示する。 The present specification discloses a diode using a laminated structure of a group III nitride semiconductor.
バンドギャップが小さいIII族窒化物半導体層のC面に、バンドギャップが大きいIII族窒化物半導体層をヘテロ接合させると、バンドギャップが小さいIII族窒化物半導体層内のC面に沿う範囲に、二次元電子ガス層が発生する。特許文献1に、その二次元電子ガス層を利用するショットキーダイオードが開示されている。特許文献1の技術では、二次元電子ガス層にショットキー接触するアノード電極と、二次元電子ガス層にオーミック接触するカソード電極を用いる。
When a group III nitride semiconductor layer having a large band gap is heterojunctioned to the C plane of the group III nitride semiconductor layer having a small band gap, the range along the C plane in the group III nitride semiconductor layer having a small band gap is A two-dimensional electron gas layer is generated.
バンドギャップが小さいIII族窒化物半導体層のC面とマイナスC面にバンドギャップが大きいIII族窒化物半導体層をヘテロ接合させると、バンドギャップが小さいIII族窒化物半導体層内のC面に沿う範囲に二次元電子ガス層が発生し、同じIII族窒化物半導体層内のマイナスC面に沿う範囲に二次元ホールガス層が発生する。
特許文献2と3に、バンドギャップが小さい層と大きい層を繰り返して積層した構造を利用してFETを形成する技術が開示されている。
When a group III nitride semiconductor layer having a large band gap is heterojunctioned to the C-plane and the minus C-plane of the group III nitride semiconductor layer having a small band gap, the group C nitride is along the C plane in the group III nitride semiconductor layer having a small band gap. A two-dimensional electron gas layer is generated in the range, and a two-dimensional hole gas layer is generated in the range along the minus C plane in the same group III nitride semiconductor layer.
特許文献2と3に開示されているように、バンドギャップが小さい層と大きい層を繰り返して積層すると、複数の二次元電子ガス層と複数の二次元ホールガス層を得ることができ、半導体装置の抵抗を下げることが可能となる。
特許文献2と3では、バンドギャップが小さいIII族窒化物半導体層とバンドギャップが大きいIII族窒化物半導体層が繰り返し積層されている半導体基板の上面から深部に延びるトレンチを形成し、そのトレンチ内にソース電極とドレイン電極を形成している。上記の構造によると、半導体基板の深部に発生している二次元電子ガス層と二次元ホールガス層をソース電極とドレイン電極に接触させることができる。半導体装置の抵抗を下げることが可能となる。
As disclosed in
In
バンドギャップが小さい層と大きい層を繰り返して積層することによって複数の二次元電子ガス層と複数の二次元ホールガス層を得る技術は、ダイオードにも有効であり、ダイオードの寄生抵抗を下げることが可能となる。この場合は、半導体基板の上面から深部に延びるトレンチを形成し、そのトレンチ内にアノード電極とカソード電極を形成することになる。 The technology to obtain a plurality of two-dimensional electron gas layers and a plurality of two-dimensional hole gas layers by repeatedly laminating a layer having a small band gap and a layer having a large band gap is also effective for a diode, and can reduce the parasitic resistance of the diode. It becomes possible. In this case, a trench extending deep from the upper surface of the semiconductor substrate is formed, and an anode electrode and a cathode electrode are formed in the trench.
添付する図8は、特許文献2と3に開示されている積層構造を利用してダイオードを実現した場合の断面を示している。サファイア基板等の支持基板1の上面上に、バンドギャップが小さいGaN層とバンドギャップが大きいAlGaN層の互層が、繰り返して積層されている。すなわち、支持基板1の上面上に、GaN層2aとAlGaN層3aの互層が積層され、その上面上にGaN層2bとAlGaN層の3bの互層が積層され、その上面上にGaN層2cとAlGaN層の3cの互層が積層され、その上面上にGaN層2dが積層されている。以下では、GaN層2a,2b,2c,2dに共通な事象を説明する際には、参照番号のうちの語尾のアルファベットを省略する。他の添え字付きの参照番号についても同様である。図8の場合、GaN層2の上面がC面であり、下面がマイナスC面である。バンドギャップが小さいGaN層2の上面に沿った範囲に二次元電子ガス層7が形成され、GaN層2の下面に沿った範囲に二次元ホールガス層6が形成される。半導体基板の上面から深部に延びているトレンチに、アノード電極26とカソード電極28が充填されている。アノード電極26には二次元ホールガス層6にオーミック接触する金属を用いる。図8の構造によると、二次元電子ガス層7aと二次元ホールガス層6bの間に形成されるpnダイオードと、二次元電子ガス層7bと二次元ホールガス層6bの間に形成されるpnダイオードと、二次元電子ガス層7bと二次元ホールガス層6cの間に形成されるpnダイオードと、二次元電子ガス層7cと二次元ホールガス層6cの間に形成されるpnダイオードと、二次元電子ガス層7cと二次元ホールガス層6dの間に形成されるpnダイオードが、アノード電極26とカソード電極28の間を並列に接続するダイオードが得られる。これによってダイオードの寄生抵抗が低下する。
FIG. 8 attached herewith shows a cross section when a diode is realized using the laminated structure disclosed in
図8の構造は、ダイオードの寄生抵抗を低く抑えるのに有効であるが、アノード電極26に二次元電子ガス層7が接触しており、カソード電極28に二次元電子ホールガス層6が接触しており、逆方向のリーク電流が大きくなるという問題が生じる。
本明細書では、バンドギャップが小さいIII族窒化物半導体層とバンドギャップが大きいIII族窒化物半導体層を繰り返して積層することによって寄生抵抗を低く抑えることができ、しかも逆方向のリーク電流まで低く抑えることができるダイオードを開示する。
The structure of FIG. 8 is effective for keeping the parasitic resistance of the diode low, but the two-dimensional
In this specification, the parasitic resistance can be kept low by repeatedly laminating a group III nitride semiconductor layer having a small band gap and a group III nitride semiconductor layer having a large band gap, and the leakage current in the reverse direction can be reduced. Disclosed is a diode that can be suppressed.
本明細書で開示するダイオードは、バンドギャップが小さいIII族窒化物半導体層とバンドギャップが大きいIII族窒化物半導体層が繰り返して積層されている半導体基板を利用する。このダイオードのアノード電極は、二次元ホールガス層の各々に接して二次元電子ガス層に接しない形状となっており、カソード電極は、二次元電子ガス層の各々に接して二次元電子ホールガス層に接しない形状となっている。 The diode disclosed in this specification uses a semiconductor substrate in which a group III nitride semiconductor layer having a small band gap and a group III nitride semiconductor layer having a large band gap are repeatedly stacked. The anode electrode of this diode is in contact with each of the two-dimensional hole gas layers and does not contact the two-dimensional electron gas layer, and the cathode electrode is in contact with each of the two-dimensional electron gas layers. The shape is not in contact with the layer.
上記の構造によると、二次元ホールガス層と二次元電子ガス層を利用するpnダイオードが得られる。このダイオードは、pn障壁を利用してリーク電流を低く抑えることができる。またアノード電極は二次元電子ガス層に接せず、カソード電極は二次元電子ホールガス層に接しないために、pn障壁を迂回する電流経路も存在しない。またキャリアの移動度が高い二次元ホールガス層の複数層と、キャリアの移動度が高い二次元電子ガス層の複数層を利用することから寄生抵抗も低く抑えることができる。 According to said structure, the pn diode using a two-dimensional hole gas layer and a two-dimensional electron gas layer is obtained. This diode can suppress the leakage current using a pn barrier. Further, since the anode electrode does not contact the two-dimensional electron gas layer and the cathode electrode does not contact the two-dimensional electron hole gas layer, there is no current path that bypasses the pn barrier. Further, since a plurality of two-dimensional hole gas layers having high carrier mobility and a plurality of two-dimensional electron gas layers having high carrier mobility are used, parasitic resistance can be suppressed to a low level.
半導体基板にショットキー接触する金属によってアノード電極を形成すると、ショットキー障壁とpn障壁の双方を利用するダイオードを得ることができる。 When the anode electrode is formed of a metal that is in Schottky contact with the semiconductor substrate, a diode that uses both a Schottky barrier and a pn barrier can be obtained.
以下に説明する実施例の特徴を列記する。
(特徴1)バンドギャップが小さいIII族窒化物半導体層とバンドギャップが大きいIII族窒化物半導体層が繰り返して積層されている積層構造を利用する。
(特徴2)特徴1の積層構造を形成する各層の上面を露出させる。
(特徴3)特徴2の露出面に電極を形成する。
(特徴4)アノード電極と二次元ホールガス層の距離<アノード電極と二次元電子ガス層の距離の関係にある。
(特徴5)カソード電極と二次元ホールガス層の距離>カソード電極と二次元電子ガス層の距離の関係にある。
(特徴6)バンドギャップが小さいIII族窒化物半導体層にGaNを用い、バンドギャップが大きいIII族窒化物半導体層にAlGaNを用いる。
(特徴7)i型のGaNとi型のAlGaNを用いる。ここでいうi型は、ドーパントもアクセプタも添加せずに結晶成長させた層をいう。
The features of the embodiments described below are listed.
(Feature 1) A stacked structure in which a group III nitride semiconductor layer having a small band gap and a group III nitride semiconductor layer having a large band gap are stacked repeatedly is used.
(Feature 2) The upper surface of each layer forming the layered structure of
(Feature 3) An electrode is formed on the exposed surface of
(Feature 4) The distance between the anode electrode and the two-dimensional hole gas layer is less than the distance between the anode electrode and the two-dimensional electron gas layer.
(Feature 5) The distance between the cathode electrode and the two-dimensional hole gas layer is greater than the distance between the cathode electrode and the two-dimensional electron gas layer.
(Feature 6) GaN is used for the group III nitride semiconductor layer having a small band gap, and AlGaN is used for the group III nitride semiconductor layer having a large band gap.
(Feature 7) i-type GaN and i-type AlGaN are used. The i-type here refers to a layer grown without adding a dopant or an acceptor.
(実施例1)
図1に実施例1のダイオードの断面を示す。参照番号1は、支持基板であり、その上面上に、バンドギャップが小さいIII族窒化物半導体層2とバンドギャップが大きいIII族窒化物半導体層3の互層が繰り返して積層されている。すなわち、支持基板1の上面上に半導体層2aと3aの互層が積層され、その上面上に半導体層2bと3bの互層が積層され、その上面上に半導体層2cと3cの互層が積層され、その上面上に半導体層2dが積層されている。
本実施例では、支持基板1にサファイア基板を用い、バンドギャップが小さいIII族窒化物半導体層2にi型のGaNを用い、バンドギャップが大きいIII族窒化物半導体層3にi型のAlGaNを用いる。本実施例では、GaN層2の上面がC面であり、下面がマイナスC面となっている。これに代えて、GaN層2の上面がマイナスC面であり、下面がC面としてもよい。結晶成長方法を選択することで、上面をC面とすることもできれば、上面をマイナスC面とすることもできる。支持基板1とGaN層2aの間にバッファ層を設けてもよい。
Example 1
FIG. 1 shows a cross section of the diode of the first embodiment.
In this embodiment, a sapphire substrate is used for the
上記の積層構造の場合、バンドギャップが小さいGaN層2のC面(本施例では上面)に沿った範囲に二次元電子ガス層7が形成され、GaN層2のマイナスC面(実施例では下面)に沿った範囲に二次元ホールガス層6が形成される。図1の場合、GaN層2aの上面に沿った範囲に二次元電子ガス層7aが発生し、GaN層2bの上面に沿った範囲に二次元電子ガス層7bが発生し、GaN層2cの上面に沿った範囲に二次元電子ガス層7cが発生し、GaN層2bの下面に沿った範囲に二次元ホールガス層6bが発生し、GaN層2cの下面に沿った範囲に二次元ホールガス層6cが発生し、GaN層2dの下面に沿った範囲に二次元ホールガス層6dが発生していることを示している。
In the case of the above laminated structure, the two-dimensional
参照番号8b,8c,8dはアノード電極を示している。アノード電極8bはGaN層2bの露出上面に接しており、アノード電極8cはGaN層2cの露出上面に接しており、アノード電極8dはGaN層2dの露出上面に接している。前記したように、本明細書では、共通する事象については、アルファベットの添え字を省略して説明する。アノード電極8の形成位置では、GaN層2の上面から下面近傍までエッチングされており、そのエッチング面にアノード電極8が形成されている。GaN層2の残存厚みT1は薄く、その残存した厚みの範囲には、二次元電子ガス層7は形成されない。それに対して、残存厚みT1がある距離以上であると、残存した厚みの範囲にも二次元ホールガス層6が形成される。残存厚みT1が薄すぎると二次元ホールガス層6が枯渇してしまうが、本実施例では、二次元ホールガス層6が枯渇しない厚みT1に調整されている。
アノード電極8と二次元ホールガス層6が直接に接するとは限られない。アノード電極8と二次元ホールガス層6の間にi型のGaNが介在していることがある。i型のGaNが介在している場合でも、アノード電極8からGaNに金属が侵入する現象等によって、アノード電極8と二次元ホールガス層6の間は低抵抗となる。GaN層2にショットキー接触する金属でアノード電極8を形成する場合も、両者間の順方向の接触抵抗は低い。本明細書では、アノード電極8と二次元ホールガス層6の間が低抵抗な状態を両者が導通しているという。アノード電極8bは二次元ホールガス層6bに導通し、アノード電極8cは二次元ホールガス層6cに導通し、アノード電極8dは二次元ホールガス層6dに導通している。
The
アノード電極8と二次元電子ガス層7は絶縁されている。すなわち、アノード電極8bと二次元電子ガス層7bの間にはX1に示す絶縁距離が確保され、アノード電極8cと二次元電子ガス層7cの間にもX1に示す絶縁距離が確保されている。アノード電極8bと二次元電子ガス層7aの間は、i型のAlGaN層3aによって絶縁されている。アノード電極8cと二次元電子ガス層7bの間は、i型のAlGaN層3bによって絶縁されている。アノード電極8dと二次元電子ガス層7cの間は、i型のAlGaN層3cによって絶縁されている。本実施例では、T1<X1の関係にあり、アノード電極8と二次元電子ガス層7の間が極めて高抵抗な絶縁状態となっている。
結局、アノード電極8bは、二次元電子ガス層7a,7b,7cのいずれからも絶縁されており、二次元ホールガス層6bに導通している。アノード電極8cは、二次元電子ガス層7a,7b,7cのいずれからも絶縁されており、二次元ホールガス層6cに導通している。アノード電極8dは、二次元電子ガス層7a,7b,7cのいずれからも絶縁されており、二次元ホールガス層6dに導通している。
The
Eventually, the
参照番号9a,9b,9cはカソード電極を示している。カソード電極9aはAlGaN層3aの露出上面に接しており、カソード電極9bはAlGaN層3bの露出上面に接しており、カソード電極9cはAlGaN層3cの露出上面に接している。本明細書では、共通する事象については、アルファベットの添え字を省略して説明する。カソード電極9の形成位置では、AlGaN層3の上面から下面近傍までエッチングされており、そのエッチング面にカソード電極9が形成されている。AlGaN層3の残存厚みT2は適度に薄い。残存厚みT2が薄すぎると、薄すぎるAlGaN層3にヘテロ接合している範囲では、GaN層2の上面近傍から二次元電子ガス層7が枯渇してしまう。本実施例では、二次元電子ガス層7が枯渇しない厚みT2に調整されている。
この場合、カソード電極9は、厚みT2のAlGaN層3を介して二次元電子ガス層7に向い合う。カソード電極9と二次元ガス層ガス層7の間にi型のAlGaN層3が介在していても、カソード電極9からAlGaN層3に金属が侵入する現象等によって、カソード電極9と二次元電子ガス層7の間は低抵抗となる。本明細書では、カソード電極9と二次元電子ガス層7の間が低抵抗な状態を、両者が導通しているという。
In this case, the
カソード電極9と二次元ホールガス層6は接触しない関係におかれている。すなわち、カソード電極9aと二次元ホールガス層6bの間にはX2に示す絶縁距離が確保され、カソード電極9bと二次元ホールガス層6cの間にもX2に示す絶縁距離が確保され、カソード電極9cと二次元ホールガス層6dの間にもX2に示す絶縁距離が確保されている。本実施例では、T2<X2の関係にあり、カソード電極9と二次元電子ガス層6の間が極めて高抵抗な絶縁状態となっている。
結局、カソード電極9aは、二次元ホールガス層6b,6c,6dのいずれからも絶縁され、二次元電子ガス層7aに導通している。カソード電極9bは、二次元ホールガス層6b,6c,6dのいずれからも絶縁され、二次元電子ガス層7bに導通している。カソード電極9cは、二次元ホールガス層6b,6c,6dのいずれからも絶縁され、二次元電子ガス層7cに導通している。
The
Eventually, the
参照番号4は、AlGaN層3の上面側のGaN層2と下面側のGaN層2の間に形成されるpnダイオードを示す。すなわち、参照番号4aはGaN層2bとGaN層2aの間に形成されるpnダイオードを示し、参照番号4bはGaN層2cとGaN層2bの間に形成されるpnダイオードを示し、参照番号4cはGaN層2dとGaN層2cの間に形成されるpnダイオードを示している。参照番号5は、GaN層2内に形成されるpnダイオードを示している。すなわち、参照番号5bはGaN層2b内に形成されるpnダイオードを示し、参照番号5cはGaN層2c内に形成されるpnダイオードを示している。いずれのダイオードも、アノード電極8に接触している二次元ホールガス層6をアノードとし、カソード電極9に接触している二次元電子ガス層7をカソードするpnダイオ―ドである。図1の構造によると、二次元ホールガス層6をアノードとし、二次元電子ガス層7をカソードするpnダイオ―ドが形成されることがわかる。
図8のダイオードでは、アノード電極26とカソード電極の28の間に、合計6本のキャリアパスが存在する。すなわち、二次元電子ガス層7a,7b,7cと二次元ホールガス層6b,6c,6dの各々が、アノード電極26とカソード電極の28間を接続している。アノード電極26をショットキー電極としてもリーク電流が大きい。
図1のダイオードでは、アノード電極8とカソード電極の9の間に、下記のキャリアパスが存在する。
(1)ダイオード4aとなる二次元ホールガス層6bと二次元電子ガス層7aの直列回路 、
(2)ダイオード5bとなる二次元ホールガス層6bと二次元電子ガス層7bの直列回路 、
(3)ダイオード4bとなる二次元ホールガス層6cと二次元電子ガス層7bの直列回路 、
(4)ダイオード5cとなる二次元ホールガス層6cと二次元電子ガス層7cの直列回路 、
(5)ダイオード4cとなる二次元ホールガス層6dと二次元電子ガス層7cの直列回路 、
いずれのキャリアパスもpn障壁を備えており、リーク電流が低く抑えられる。
In the diode of FIG. 8, a total of six carrier paths exist between the
In the diode of FIG. 1, the following carrier path exists between the
(1) a series circuit of a two-dimensional
(2) a series circuit of a two-dimensional
(3) a series circuit of a two-dimensional
(4) a series circuit of a two-dimensional
(5) a series circuit of a two-dimensional
Each carrier path has a pn barrier, and the leakage current can be kept low.
アノード電極8は、GaN層2にオーミック接触するものであってもよいし、GaN層2にショットキー接触するものであってもよい。後者の場合は、二次元ホールガス層6をアノードとして二次元電子ガス層7をカソードするpnダイオ―ドと、アノード電極と半導体基板の間のショットキー接触を利用するショットキーダイオードが複合したダイオードとなる。
The
図1に示すダイオードは、アノード電極8とカソード電極9の間に、pnダイオード4a,4b,4c,5b,5cが存在する構造となる。そのpnダイオードがリーク電流を低く抑える。また、複数の二次元電子ガス層7a,7b,7cと複数の二次元ホールガス層6b,6c,6dがキャリアの移動経路を提供することから、寄生抵抗が低い。
The diode shown in FIG. 1 has a structure in which pn
(実施例2)
以下では、既説明の実施例と相違する点のみを説明する。既説明と同一ないし同等の部材には同じ参照番号を用い、重複説明を省略する。
図2に示す実施例2では、複数層に対して共通する連続した1個のアノード電極8とカソード電極9を用いる。そのために、実施例2では絶縁体10,12を用いる。
絶縁体10aはアノード電極8と二次元電子ガス層7bを絶縁し、絶縁体10bはアノード電極8と二次元電子ガス層7cを絶縁する。絶縁体10cは省略可能である。二次元電子ガス層7aはi型のAlGaN層3aによってアノード電極8から絶縁されている。
絶縁体12aはカソード電極9と二次元ホールガス層6bを絶縁し、絶縁体12bはカソード電極9と二次元ホールガス層6cを絶縁し、絶縁体12cはカソード電極9と二次元ホールガス層6dを絶縁する。
上記によっても、アノード電極8は二次元ホールガス層6b,6c,6dに導通して二次元電子ガス層7a,7b,7cから絶縁され、カソード電極9は、二次元電子ガス層7a,7b,7cに導通して二次元ホールガス層6b,6c,6dから絶縁されている構造を得ることができる。
(Example 2)
In the following, only the differences from the previously described embodiments will be described. The same reference numerals are used for members that are the same as or equivalent to those already described, and redundant descriptions are omitted.
In Example 2 shown in FIG. 2, one
The insulator 10a insulates the
The
Also according to the above, the
(実施例3)
図3に示すように、実施例3では、トレンチ14内にアノード電極8を設け、トレンチ16内にカソード電極9を設ける。トレンチ14bは深く、厚みT1のGaN層2bを介してAlGaN層3aに向い合う。トレンチ14cは浅く、厚みT1のGaN層2cを介してAlGaN層3bに向い合う。トレンチ14dはさらに浅く、厚みT1のGaN層2dを介してAlGaN層3cに向い合う。トレンチ16aは深く、厚みT2のAlGaN層3aを介してGaN層2aに向い合う。トレンチ16bは浅く、厚みT2のAlGaN層3bを介してGaN層2bに向い合う。トレンチ16cはさらに浅く、厚みT2のAlGaN層3cを介してGaN層2cに向い合う。
厚みT1,T2,X1,X2は、実施例1で説明したものである。距離X3は、アノード電極8とその外側に存在する二次元電子ガス層7の距離であり、X1にほぼ等しい。距離X4は、カソード電極9とその外側に存在する二次元ホールガス層6の距離であり、X2にほぼ等しい。図3の実施例は、図1の実施例とほぼ同じ性能となる。
Example 3
As shown in FIG. 3, in Example 3, the
The thicknesses T1, T2, X1, and X2 are those described in the first embodiment. The distance X3 is a distance between the
(実施例4)
図4に示すように、実施例4では、半導体基板の上面を傾斜上面とし、その傾斜上面にGaN層2a,2b,2c,2dとAlGaN層3a,3b,3cの夫々の一部が露出する関係とする。
アノード電極8は、傾斜上面において、AlGaN層3の上面側とGaN層2の下面側に接する。アノード電極8は、GaN層2の下面に沿って形成されている二次元ホールガス層6に接している。厚みT3は、アノード電極8に接する範囲のGaN層2の最大厚みである。厚みT3は、アノード電極8の下方に位置するGaN層2に二次元ホールガス層6が存在する厚み以上に設定されている。距離L1はアノード電極8と傾斜上面が接する範囲の上方に位置する二次元電子ガス層7からアノード電極8までの沿面距離である。T3<L1であり、アノード電極8と傾斜上面が接する範囲から、その上方に位置する二次元電子ガス層7までの間に十分な絶縁距離を確保している。厚みT4は、アノード電極8とAlGaN層3がオーバラップする厚みであり、厚みT5は、アノード電極8の下端からその下方に存在する二次元電子ガス層7までの厚みである。厚みT4<T5の関係にあれば、アノード電極8の下端とその下方に位置する二次元電子ガス層7間に十分な絶縁距離を確保することができる。
(Example 4)
As shown in FIG. 4, in Example 4, the upper surface of the semiconductor substrate is an inclined upper surface, and a part of each of the GaN layers 2a, 2b, 2c, 2d and the AlGaN layers 3a, 3b, 3c is exposed on the inclined upper surface. It is related.
The
図4の関係にあると、アノード電極8は二次元ホールガス層6に接触し、上側の二次元電子ガス層7までは絶縁に必要な沿面距離L1だけ隔てられており、下側の二次元電子ガス層7までは絶縁に必要な厚みT5だけ隔てられている。アノード電極8は二次元ホールガス層6に導通し、二次元電子ガス層7から絶縁されている。
厚みT4はゼロであってもよい。厚みT4がゼロであってもアノード電極8と二次元ホールガス層6は導通することができる。
In the relationship of FIG. 4, the
The thickness T4 may be zero. Even if the thickness T4 is zero, the
カソード電極9もまた傾斜上面に接している。カソード電極9は、GaN層2の上面側とAlGaN層3の下面側に接する。厚みT7は、カソード電極9とGaN層2がオーバラップする厚みであり、そのオーバラップする厚みの中に二次元電子ガス層7が存在している。カソード電極9は、GaN層2の上面に沿って形成されている二次元電子ガス層7に接している。厚みT6は、カソード電極9に接する範囲内のAlGaN層3の最大厚みである。厚みT6は、カソード電極9の下方に位置するGaN層2の上面に沿った範囲に二次元電子ガス層7が存在する厚み以上に設定されている。距離L2はカソード電極9と傾斜上面が接する範囲の上方に位置する二次元ホールガス層6からカソード電極9までの沿面距離である。T6<L2であり、カソード電極9と傾斜上面が接する範囲から、その上方に位置する二次元ホールガス層6までの間に十分な絶縁距離を確保している。厚みT8は、カソード電極9の下端からその下方に存在する二次元ホールガス層6までの厚みである。厚みT7<T8の関係にあれば、カソード電極9の下端とその下方に位置する二次元ホールガス層6の間に十分な絶縁距離を確保することができる。
厚みT7はゼロであってもよい。厚みT7がゼロであってもカソード電極9と二次元電子ガス層7は導通することができる。
The
The thickness T7 may be zero. Even if the thickness T7 is zero, the
図4の関係にあると、カソード電極9は二次元電子ガス層7に導通し、上側の二次元ホールガス層6までは絶縁に必要な沿面距離L2だけ隔てられており、下側の二次元ホールガス層6までは絶縁に必要な厚みT8だけ隔てられている。カソード電極9は二次元電子ガス層7に導通し、二次元ホールガス層6から絶縁されている。
In the relationship of FIG. 4, the
(実施例5)
図5に示す実施例5は、実施例4の傾斜上面と、実施例2の絶縁体を組み合わせた実施例に相当する。参照番号18は、傾斜上面上に形成されている絶縁体(例えばSiO2)であり、傾斜上面とアノード電極8の間を局所的に絶縁する。参照番号20も、傾斜上面上に形成されている絶縁体であり、傾斜上面とカソード電極9の間を局所的に絶縁する。
上記によっても、アノード電極8は二次元ホールガス層6に接触して二次元電子ガス層7から絶縁され、カソード電極9は二次元電子ガス層7に接触して二次元ホールガス層6から絶縁されている関係を得ることができる。絶縁体18,20は局所的範囲に形成してもよいし、傾斜上面上に一様に形成してから局所的に除去してもよい。絶縁体18dと20aは省略可能である。
(Example 5)
Example 5 shown in FIG. 5 corresponds to an example in which the inclined upper surface of Example 4 and the insulator of Example 2 are combined. Reference numeral 18 is an insulator (for example, SiO 2 ) formed on the inclined upper surface, and locally insulates between the inclined upper surface and the
Also according to the above, the
(実施例6)
図6に示す実施例6は、半導体基板にイオン注入した領域22,24を利用する。領域22は、注入されたイオンによって二次元電子ガス層7の生成が阻害された領域である。領域24は、注入されたイオンによって二次元ホールガス層6の生成が阻害された領域である。上記によっても、アノード電極8は二次元ホールガス層6に接触して二次元電子ガス層7から絶縁され、カソード電極9は二次元電子ガス層7に接触して二次元ホールガス層6から絶縁されている関係を得ることができる。領域22,24に、鉄などのイオンを注入して半導体を絶縁化してもよい。
(Example 6)
Example 6 shown in FIG. 6 uses regions 22 and 24 in which ions are implanted into a semiconductor substrate. The region 22 is a region where the generation of the two-dimensional
(実施例1の製造方法)
図7は、実施例1のダイオードの製造方法を示している。
(1)は、支持基板1の上面に、GaN層2a,AlGaN層3a,GaN層2b,AlGaN層3b,GaN層2c,AlGaN層3c,GaN層2dを順にエピタキシャル成長した段階を示している。
(2)は、GaN層2dの左側の一部をエッチングし、厚みT1(図1参照)のGaN層2dだけを残した段階でエッチングを終了した状態を示す。エッチングには、例えば、塩素系のドライエッチングを用いることができる。
(3)は、さらに左側の領域をさらにエッチングし、GaN層2dとAlGaN層3cを除去し、厚みT1のGaN層2cだけを残した段階でエッチングを終了した状態を示す。
(4)は、さらに左側の領域をさらにエッチングし、GaN層2cとAlGaN層3bを除去し、厚みT1のGaN層2bだけを残した段階でエッチングを終了した状態を示す。
(5)は、GaN層2dの右側の一部をエッチングし、GaN層2dを除去し、厚みT2(図1参照)のAlGaN層3cだけを残した段階でエッチングを終了した状態を示す。
(6)は、さらに右側の領域をさらにエッチングし、AlGaN層3cとGaN層2cを除去し、厚みT2のAlGaN層3bだけを残した段階でエッチングを終了した状態を示す。
(7)は、さらに右側の領域をさらにエッチングし、AlGaN層3bとGaN層2bを除去し、厚みT2のAlGaN層3aだけを残した段階でエッチングを終了した状態を示す。
図示はしないが、(1)から(7)に工程を経て形成された段差部に生じる厚みT1のGaN層2の上面にアノード電極8を形成し、段差部に生じる厚みT2のAlGaN層3の上面にカソード電極9を形成すれば、実施例1のダイオードを製造することができる。アノード電極8を形成する際には、ニッケルと金からなる電極材料を蒸着し、酸素雰囲気で熱処理する。これによってホールに対してオーミック接触する電極が得られる。カソード電極9には、チタンとアルミニウムからなる電極材料を蒸着し、窒素雰囲気で熱処理する。これによって電子に対してオーミック接触する電極が得られる。
(Manufacturing method of Example 1)
FIG. 7 shows a manufacturing method of the diode of the first embodiment.
(1) shows a stage in which the
(2) shows a state where the etching is finished at a stage where a part of the left side of the
(3) shows a state in which the left side region is further etched, the
(4) shows a state in which the left region is further etched, the
(5) shows a state in which the etching is finished at a stage where the right part of the
(6) shows a state in which the etching is finished at the stage where the right region is further etched, the
(7) shows a state in which the etching is finished when the right region is further etched, the
Although not shown, the
図4に示した傾斜上面を形成する場合は、図7(1)の基板の上面にレジスト膜を形成する。その際に、レジスト膜の膜厚が、中心で厚く、左右に近づくにつれて薄くなるレジスト膜を形成する。傾斜上面を持ったレジスト膜は、既知の方法で製造することができる。その状態で、レジスト膜の上面からエッチングする。レジスト膜までエッチングする条件でエッチングする。すると、厚いレジスト膜で覆われていた基板の中央部では基板のエッチングが進行せず、基板上面が高い高さに維持される。それに対して薄いレジスト膜で覆われていた基板の左右部では基板のエッチングが進行し、基板上面が低くなる。このようにして傾斜上面を形成することができる。
本実施例では、GaNとAlGaNのヘテロ接合の場合を説明したが、III族窒化物半導体にはGaN,InN,AlNまたはこれらの混晶が利用可能であり、さまざまに組わせてバンドギャップに大小があるヘテロ接合を実現することができる。
When forming the inclined upper surface shown in FIG. 4, a resist film is formed on the upper surface of the substrate of FIG. At that time, a resist film is formed in which the thickness of the resist film is thick at the center and becomes thinner as it approaches the left and right. A resist film having an inclined upper surface can be manufactured by a known method. In this state, etching is performed from the upper surface of the resist film. Etching is performed under conditions for etching up to the resist film. Then, the etching of the substrate does not proceed at the central portion of the substrate covered with the thick resist film, and the upper surface of the substrate is maintained at a high height. On the other hand, the etching of the substrate proceeds at the left and right portions of the substrate covered with the thin resist film, and the upper surface of the substrate is lowered. In this way, an inclined upper surface can be formed.
In this example, the case of heterojunction of GaN and AlGaN has been described. However, GaN, InN, AlN, or a mixed crystal thereof can be used for a group III nitride semiconductor, and the band gap can be increased or decreased in various combinations. A heterojunction can be realized.
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 As mentioned above, although the Example of this invention was described in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
1:支持基板(本実施例ではサファイヤ基板)
2:バンドギャップが小さなIII族窒化物半導体層(本実施例ではi型のGaN層)
3:バンドギャップが大きなIII族窒化物半導体層(本実施例ではi型のAlGaN層)
4:AlGaN層の上面側のGaN層と下面側のGaN層の間に形成されるpnダイオードを示す。
5:GaN層の上面近傍と下面近傍の間に形成されるpnダイオードを示す。
6:二次元ホールガス層
7:二次元電子ガス層
8:アノード電極
9:カソード電極
10,12:絶縁体
14,16:トレンチ
18,20:絶縁体
22,24:絶縁体
1: Support substrate (sapphire substrate in this embodiment)
2: Group III nitride semiconductor layer having a small band gap (i-type GaN layer in this embodiment)
3: Group III nitride semiconductor layer having a large band gap (i-type AlGaN layer in this embodiment)
4: A pn diode formed between the GaN layer on the upper surface side and the GaN layer on the lower surface side of the AlGaN layer.
5: A pn diode formed between the vicinity of the upper surface and the lower surface of the GaN layer.
6: two-dimensional hole gas layer 7: two-dimensional electron gas layer 8: anode electrode 9: cathode electrode 10, 12: insulator 14, 16: trench 18, 20: insulator 22, 24: insulator
Claims (2)
その半導体基板に接するアノード電極とカソード電極を備えており、
前記アノード電極が、バンドギャップが小さいIII族窒化物半導体層のマイナスC面に沿う範囲に導通してC面に沿う範囲から絶縁されており、
前記カソード電極が、バンドギャップが小さいIII族窒化物半導体層のC面に沿う範囲に導通してマイナスC面に沿う範囲から絶縁されている、
ダイオード。 A semiconductor substrate in which a group III nitride semiconductor layer having a small band gap and a group III nitride semiconductor layer having a large band gap are laminated repeatedly;
It has an anode electrode and a cathode electrode in contact with the semiconductor substrate,
The anode electrode is electrically conductive in a range along the minus C plane of the group III nitride semiconductor layer having a small band gap and insulated from the range along the C plane;
The cathode electrode is electrically conductive in a range along the C plane of the group III nitride semiconductor layer having a small band gap and insulated from the range along the negative C plane;
diode.
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