JP2009060065A - 窒化物半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐圧が高く、且つオン電圧の低い、新たなIII−Ｖ族窒化物半導体装置を提供する。
【解決手段】 基板上に第１の窒化物半導体層とガリウムを含まない第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の窒化物半導体層のみに接合する第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、第１および第２のアノード電極それぞれ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、第１の窒化物半導体層に接合する構造となっている。
【選択図】 図１

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には、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。耐圧が高く、且つオン抵抗が低い半導体装置として、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴの他に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）。

また本願出願人は、先に新たなIII−Ｖ族窒化物半導体装置を提案している（特許文献１）。本願出願人が提案した窒化物半導体装置は、III−Ｖ族窒化物半導体層と、低温で成膜したIII−Ｖ族窒化物半導体層のそれぞれとの間に形成される接合のショットキーバリアの高さが異なるように構成したものである。
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 特開２００６−２３７４３０号公報

耐圧が高く、且つオン抵抗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。またすでに報告されているIII−Ｖ族窒化物半導体装置の特性改善も望まれる。本発明は、耐圧が高く、且つオン電圧の低い、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。特に、オン電圧が低く、順方向電流の大きい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、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、窒素からなる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、ガリウムを含まない前記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凹状に欠き、内部に前記第１の窒化物半導体層を露出する第１の凹部と、該第１の凹部内に露出する前記第１の窒化物半導体層上にショットキー接合する第１のアノード電極と、前記第２の窒化物半導体層にショットキー接続する前記第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、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。

本願請求項２に係る発明は、ガリウム、アルミニウム、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、窒素からなる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、ガリウムを含まない前記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微結晶構造である第３の窒化物半導体層と、前記第３の窒化物半導体層の一部を凹状に欠き、内部に前記第２の窒化物半導体層を露出する第２の凹部と、該第２の凹部内に露出する前記第２の窒化物半導体層の一部を凹状に欠き、内部に前記第１の窒化物半導体層を露出する第１の凹部と、該第１の凹部内に露出する前記第１の窒化物半導体層上にショットキー接合する第１のアノード電極と、前記第２の窒化物半導体層にショットキー接続する前記第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、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。

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、前記基板と前記第１の窒化物半導体層の間に前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第４の窒化物半導体層を備え、該第４の窒化物半導体層は、前記第１の窒化物半導体よりも小さいエネルギーバンドギャップを有することを特徴とする。

本願請求項４に係る発明は、請求項３記載の窒化物半導体装置において、前記第１の窒化物半導体層が窒化アルミニウムガリウム、前記第２の窒化物半導体層が窒化インジウムアルミニウム、前記第４の窒化物半導体層が窒化ガリウムからなり、前記第１および第２の窒化物半導体層の格子定数が前記第４の窒化物半導体層の格子定数と同じか若しくは小さく、前記第１および第２の窒化物半導体層と前記第４の窒化物半導体層が整合するか若しくは前記第１および第２の窒化物半導体層が引っ張り応力を受けてい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、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。特に本発明の窒化物半導体装置では、ガリウムを含まない第２の窒化物半導体層にショットキー接合が形成されるため、低い逆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。

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、窒化物半導体層の一部を除去し、あるいは選択成長により凹部を形成して第１の窒化物半導体層及び第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。特に本発明の窒化物半導体装置では、ガリウムを含まない第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、通常のガリウムを含むIII−Ｖ族窒化物半導体層からな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た。

さらにまた、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おいて、自発分極が極めて大きいＩｎＡｌＮを第１の窒化物半導体層とし、ＧａＮを第４の窒化物半導体層とすると、高い濃度の２次元電子ガスが形成され、好適である。そしてさらに引っ張り応力が加わると、ピエゾ分極の効果により、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。

本発明の窒化物半導体装置は、基板上に第１の窒化物半導体層とガリウムを含まない第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の窒化物半導体層のみに接合する第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、第１および第２のアノード電極それぞれ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、第１の窒化物半導体層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および第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および第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の条件では、ショットキー層１４の高い絶縁性により、逆方向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。

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ＨＥＭＴ構造を利用した電界効果型ショットキーバリアダイオードの断面図を示している。図１に示す電界効果型ショットキーバリアダイオードは次のように形成することができる。まず、半絶縁性あるいは導電性の炭化珪素（ＳｉＣ）からなる基板１１上に、ＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法や、ＲＦ−ＭＢＥ（RF-Molecular Beam Epitaxy）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２．５μｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１３（第４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（Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ）からなるショットキー層１４（第１の窒化物半導体層に相当）、厚さ１０ｎｍの窒化インジウムアルミニウム（Ｉｎ_0.17Ａｌ_0.83Ｎ）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。なお、ここで、Ｉｎ_0.17Ａｌ_0.83Ｎの格子定数は、ＧａＮの格子定数と同じであり、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎの格子定数はＧａＮの格子定数より小さい。

このような半導体基板においても、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ショットキー層１４とのヘテロ接合面近傍に、２次元電子ガス（キャリア）が発生する。

次に、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により、露出するキャップ層１５を全てエッチングして、ショットキー層１４を露出する。その後、露出したショットキー層１４上にチタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）／チタン（Ｔｉ）／金（Ａｕ）の積層体等からなるカソード電極１７をパターン形成し、８５０℃３０秒の急速加熱を行い、ショットキー層１４にオーミック接触を形成する。

次に、第１のアノ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により、露出するキャップ層１５を全てエッチングして、ショットキー層１４を露出する凹部（第１の凹部に相当）を形成する。その後、白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）の積層体等からなる第１のアノード電極および第２のアノード電極を、凹部内のショットキー層１４上及びキャップ層１５の上に形成する。このように形成したアノード電極は、ショットキー層１４とショットキー接合する第１のアノード電極１６（ａ）とキャップ層１５とショットキー接合する第２のアノード電極１６（ｂ）とからなる構成となる。

この電界効果型ショットキーバリアダイオードに用いた半導体基板では、ＧａＮからなるチャネル層１３と、ＧａＮよりも格子定数が小さく引っ張り応力を受けるＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎからなるショットキー層１４とのヘテロ接合面近傍に２次元電子ガス（キャリア）が発生する。また、ＧａＮとほぼ同じ格子定数のＩｎ_0.17Ａｌ_0.83Ｎからなるキャップ層１５の自発分極は極めて大きく、バンドギャップも大きいため、極めて高いショットキーバリアが形成されている。

また、このような構造の電界効果型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１６（ａ）を構成するＰｔとショットキー層１４を構成するＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎとの接合により、高さ約１．３５ｅＶのショットキーバリアが形成される（図２ａ）。一方、第２のアノード電極１６（ｂ）を構成するＰｔとキャップ層１５を構成するＩｎ_0.17Ａｌ_0.83Ｎとの接合により、高さ２．４０ｅＶのショットキーバリアが形成される（図２ｂ）。

このショットキーバリアの高さは、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎとの接合により形成されるショットキー接合のショットキーバリアの高さと比較して１．０ｅＶ程度高くなっている。

ショットキーバリアの高さが接触する層によって異なる第１のアノード電極１６（ａ）および第２のアノード電極１６（ｂ）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、０．７〜１．０Ｖのオン電圧で、順方向電流が急激に増大する立ち上りが観測された。また、逆方向バイアスを印加すると、約６００Ｖという大きな耐圧が観測され、耐圧が高く、且つオン抵抗の低いショットキーバリアダイオードであることが確認された。

上記構造のショットキーバリアダイオードにおいて、ＰｔとＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎとの接合の順方向電流の立ち上りに必要なオン電圧は、一般的には０．７〜１．０Ｖ程度である。一方、ＰｔとＩｎ_0.17Ａｌ_0.83Ｎとの接合のオン電圧は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では、順方向電流の立ち上りの最初の段階では、ショットキー層１４（Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ）とショットキー接合する第１のアノード電極１６（ａ）が主に機能することによって、ショットキーバリアダイオードのオン電圧が、ショットキー層１４と第１のアノード電極１６のオン抵抗に近い値となっていると考えられる。更に、チャネル層１３とショットキー層１４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しているものと考えられる。

その後順方向バイアスが２．０〜２．５Ｖ程度に達すると、ショットキー層１４に接触する第１のアノード電極１６（ａ）の他にキャップ層１５に接触する第２のアノード電極１６（ｂ）が機能し、さらに大きな電流を流すことができるようになる。

また、第１のアノード電極１６（ａ）および第２のアノード電極１６（ｂ）に逆方向バイアスを印加したところ、約６００Ｖという大きな耐圧が観測された。一般的には、互いにショットキー接合したＰｔ電極とＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層との間に−１０Ｖの逆方向バイアスを印加した場合、１０^-6〜１０^-4Ａ程度の逆方向リーク電流が発生する。また、Ｐｔ電極とＩｎ_0.17Ａｌ_0.83Ｎ層とを接合させた場合の逆方向リーク電流は、それよりも２桁以上小さく、約６００Ｖの耐圧が得られる。

上記構造のショットキーバリアダイオードでは、逆方向バイアスが−１０Ｖ程度以下の最初の段階では、ショットキー層１４が高い絶縁性により、逆方向リーク電流がほとんど発生しない。逆方向バイアスが−１０Ｖ程度より大きくなると、キャリアとなる２次元電子ガスは、第２のアノード電極１６（ｂ）とキャップ層１５との接合により形成される空乏層により、ほとんど存在しない状態となり、わずかに発生する逆方向リーク電流の流出が阻止される。さらに逆方向バイアスが大きくなると、第２のアノード電極１６（ｂ）とキャップ層１５との接合により形成される空乏層が広がり、約６００Ｖの耐圧が得られることになる。

図３は本発明の第２の実施例のＨＥＭＴ構造を利用した電界効果型ショットキーバリアダイオードの断面図を示している。図３に示す電界効果型ショットキーバリアダイオードは次のように形成することができる。まず、半絶縁性あるいは導電性の炭化珪素（ＳｉＣ）からなる基板１１上に、ＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法や、ＲＦ−ＭＢＥ（RF-Molecular Beam Epitaxy）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２．５μｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１３（第４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（Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ）からなるショットキー層１４（第１の窒化物半導体層に相当）、厚さ１０ｎｍの窒化インジウムアルミニウム（Ｉｎ_0.17Ａｌ_0.83Ｎ）からなるキャップ層１５（第２の窒化物半導体層に相当）、ショットキー層１４の成膜温度より６００℃程度低い温度で成膜され、微結晶構造からなり、絶縁性が高い低温成長キャップ層１８（第３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。なお、ここで、Ｉｎ_0.17Ａｌ_0.83Ｎの格子定数は、ＧａＮの格子定数と同じであり、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎの格子定数はＧａＮの格子定数より小さい。

このような半導体基板においても、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ショットキー層１４とのヘテロ接合面近傍に、２次元電子ガス（キャリア）が発生する。

次に、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により、露出する低温成長キャップ層１８とキャップ層１５をエッチングして、ショットキー層１４を露出する。その後、露出したショットキー層１４上にチタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）／チタン（Ｔｉ）／金（Ａｕ）の積層体等からなるカソード電極１７をパターン形成し、８５０℃３０秒の急速加熱を行い、ショットキー層１４にオーミック接触を形成する。

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により露出する低温成長キャップ層１８を全てエッチングしてキャップ層１５を露出する凹部（第２の凹部に相当）を形成する。更に、第１のアノ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により露出するキャップ層１５を全てエッチングしてショットキー層１４を露出する凹部（第１の凹部に相当）を形成する。その後、白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）の積層体等からなる第１のアノード電極および第２のアノード電極を、第１の凹部内のショットキー層１４及びキャップ層１５の上に形成する。このように形成したアノード電極は、ショットキー層１４とショットキー接触する第１のアノード電極１６（ａ）とキャップ層１５とショットキー接触する第２のアノード電極１６（ｂ）とからなる構成となる。

このような構造の電界効果型ショットキーバリアダイオードでは、上述の第１の実施例と比較して、アノード電極１６とカソード電極１７との間のキャップ層１５上に、低温成長キャップ層１８を備える点が異なっている。低温成長キャップ層１８を備えることで、オフ時からオン時に切り替えた際に、所望の電流が流れなくなる電流コラプスを抑制する効果が得られる。

ここでカソード電極１７は、低温成長キャップ層１８とキャップ層１５をエッチング除去し、ショットキー層１４にオーミック接触する構造とする代わりに、成膜後の微結晶構造の低温成長キャップ層１８上にカソード電極１７を形成することもできる。この場合、微結晶粒界にカソード電極を構成する金属が侵入し、コンタクト抵抗率の低く（１０^-6Ωｃｍ²台）、第１の窒化物半導体層にオーミック接触するカソード電極を得ることができ、好ましい。

次に図１に示す構造のショットキーバリアダイオードを、別の製造方法により形成する第３の実施例について説明する。半絶縁性あるいは導電性の炭化珪素（ＳｉＣ）からなる基板１１上に、ＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法や、ＲＦ−ＭＢＥ（RF-Molecular Beam Epitaxy）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２．５μｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１３（第４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（Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ）からなるショットキー層１４（第１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。

次に、ショットキー層１４上の第１のアノード電極形成予定領域に、キャップ層を選択成長させるために酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）からなるマスク材を形成する。その後、厚さ１０ｎｍの窒化インジウムアルミニウム（Ｉｎ_0.17Ａｌ_0.83Ｎ）からなるキャップ層１５（第２の窒化物半導体層に相当）を選択成長させる。その後、マスク材を除去することにより、第１の実施例で説明した第１の凹部を形成することができる。以下、第１の実施例で説明説明した工程に従い、カソード電極１７、第１のアノード電極１６を形成し、本発明のショットキーバリア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高い耐圧特性の窒化物半導体装置を形成することができる。

次に第４の実施例について説明する。第１の実施例同様、半絶縁性あるいは導電性の炭化珪素（ＳｉＣ）からなる基板１１上に、ＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法や、ＲＦ−ＭＢＥ（RF-Molecular Beam Epitaxy）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２．５μｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１３（第４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（Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ）からなるショットキー層１４（第１の窒化物半導体層に相当）、厚さ１０ｎｍの窒化インジウムアルミニウム（Ｉｎ_0.17Ａｌ_0.83Ｎ）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。

次に、第１の実施例同様、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により、露出するキャップ層１５を全てエッチングして、ショットキー層１４を露出する。その後、露出したショットキー層１４上にチタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）／チタン（Ｔｉ）／金（Ａｕ）の積層体等からなるカソード電極１７をパターン形成し、８５０℃３０秒の急速加熱を行い、ショットキー層１４にオーミック接触を形成する。

その後、ショットキー層１４を露出する凹部（第１の凹部に相当）を形成する。そして、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（ａ）を、凹部内のショットキー層１４上にパターン形成する。さらに第１のアノード電極１６（ａ）上及びキャップ層１５の上に、第１のアノード電極１６（ａ）と電気的に接続するよう白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）の積層体等からなる第２のアノード電極１６（ｂ）をパターン形成し、キャップ層１５との間にショットキー接合を形成する。なお、第１の凹部は、選択成長法により形成することもできる。

このような構造の電界効果型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１６（ａ）を構成するＴｉとショットキー層１４を構成するＡｌＧａＮとの接合により、高さ約０．３ｅＶのショットキーバリアが形成される。一方、第２のアノード電極１６（ｂ）を構成するＰｔとキャップ層１５を構成するＩｎ_0.17Ａｌ_0.83Ｎとの接合により、高さ２．４０ｅＶのショットキーバリアが形成される。

ショットキーバリアの高さが異なる第１のアノード電極１６（ａ）および第２のアノード電極１６（ｂ）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、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。また、逆方向バイアスを印加すると、約６００Ｖという大きな耐圧が観測され、耐圧が高く、且つ、第１の実施例よりもオン抵抗の低いショットキーバリアダイオードであることが確認された。

上記構造のショットキーバリアダイオードにおいて、ＴｉとＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎとの接合の順方向電流の立ち上りに必要なオン電圧は、一般的には０．３〜０．５Ｖ程度である。一方、ＰｔとＩｎ_0.17Ａｌ_0.83Ｎとの接合のオン電圧は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では、順方向電流の立ち上りの最初の段階では、ショットキー層１４（Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ）とショットキー接合する第１のアノード電極１６（ａ）が主に機能することによって、ショットキーバリアダイオードのオン電圧が、ショットキー層１４と第１のアノード電極１６のオン抵抗に近い値となっていると考えられる。更に、チャネル層１３とショットキー層１４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しているものと考えられる。

次に第５の実施例について説明する。第４の実施例同様、上述の第２の実施例についても、第１のアノード電極と第２のアノード電極を異種の金属で形成することができる。第２の実施例同様、半絶縁性あるいは導電性の炭化珪素（ＳｉＣ）からなる基板１１上に、ＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法や、ＲＦ−ＭＢＥ（RF-Molecular Beam Epitaxy）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２．５μｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１３（第４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（Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ）からなるショットキー層１４（第１の窒化物半導体層に相当）、厚さ１０ｎｍの窒化インジウムアルミニウム（Ｉｎ_0.17Ａｌ_0.83Ｎ）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。

その後、第２のアノ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により露出する低温成長キャップ層１８を全てエッチングしてキャップ層１５を露出する凹部（第２の凹部に相当）を形成する。更に、第１のアノ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により露出するキャップ層１５を全てエッチングしてショットキー層１４を露出する凹部（第１の凹部に相当）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（ａ）を、第１の凹部内のショットキー層１４上にパターン形成する。さらに第２の凹部内の第１のアノード電極１６（ａ）上及びキャップ層１５の上に、第１のアノード電極１６（ａ）と電気的に接続するよう白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）の積層体等からなる第２のアノード電極１６（ｂ）をパターン形成し、キャップ層１５との間にショットキー接合を形成して完成する。なお、第２の凹部を選択成長法により形成することもできる。

このような構造の電界効果型ショットキーバリアダイオードでは、上述の第４の実施例と比較して、アノード電極１６とカソード電極１７との間のキャップ層１５上に、低温成長キャップ層１８を備える点が異なっている。低温成長キャップ層１８を備えることで、オフ時からオン時に切り替えた際に、所望の電流が流れなくなる電流コラプスを抑制する効果が得られる。

ショットキーバリアの高さが異なる第１のアノード電極１６（ａ）および第２のアノード電極１６（ｂ）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、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。また、逆方向バイアスを印加すると、約６００Ｖという大きな耐圧が観測され、耐圧が高く、且つ、第２の実施例よりもオン抵抗の低いショットキーバリアダイオードであることが確認された。

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く、例えばＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎからなるショットキー層１４とＩｎ_0.17Ａｌ_0.83Ｎからなるキャップ層１５は、アルミニウム組成を増すことで、各層において格子定数が小さくなり、さらに引っ張り応力を持たせることができる。それにより、さらに高いショットキーバリアの形成や、さらに多くの２次元電子ガス（キャリア）の形成ができる。

また、本発明の窒化物半導体層は、ＧａＮ／Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ／ Ｉｎ_0.17Ａｌ_0.83Ｎのヘテロ構造に限定されるものではなく、ガリウム、アルミニウム、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、窒素からなるＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層で形成し、ショットキー層１４およびキャップ層１５のIII−Ｖ族窒化物半導体層の格子定数が、窒化ガリウムに比べて同じか若しくは小さく、前記第１および第２の窒化物半導体層が第４の窒化物半導体層と整合しているか若しくは引っ張り応力を受けるようにすればよい。なおこの場合、各層の厚みは臨界膜厚以下となるようにするのが好ましい。

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）や銀（Ａｇ）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の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）や金（Ａｕ）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よい。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、低いオン抵抗で高い耐圧特性が得られ、好ましい。

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。その場合バッファ層１２は、サファイア基板の場合は低温成長の窒化ガリウム（ＧａＮ）、シリコン基板の場合は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いるのが望ましい。

なお本発明の低温成長キャップ層１８について微結晶構造と説明したが、これは微結晶粒の集合体あるいはそれらの再配列化した構造であり、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６００℃程度以上低い温度に設定すると、電流コラプスを抑制するのに好適である。

本発明の第１及び第３の実施例に係る窒化物半導体装置の説明図である。 （ａ）は、従来の実施例におけるショットキーバリアダイオードのＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ／ＧａＮへテロ接合のバンドダイアグラムを示す図であり、（ｂ）は本発明の第１の実施例に係るショットキーバリアダイオードのＩｎ_0.17Ａｌ_0.83Ｎ／Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ／ＧａＮへテロ接合のバンドダイアグラムを示す図である。 本発明の第２の実施例に係る窒化物半導体装置の説明図である。 本発明の第４の実施例に係る窒化物半導体装置の説明図である。 本発明の第５の実施例に係る窒化物半導体装置の説明図である。

符号の説明

１０:ショットキーバリアダイオード、１１;基板、１２;バッファ層、１３;チャネル層、１４;ショットキー層、１５;キャップ層、１６（ａ）；第１のアノード電極、 １６（ｂ）；第２のアノード電極、１７;カソード電極、１８;低温成長キャップ層

Claims (4)

1. ガリウム、アルミニウム、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、窒素からなる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、ガリウムを含まない前記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凹状に欠き、内部に前記第１の窒化物半導体層を露出する第１の凹部と、該第１の凹部内に露出する前記第１の窒化物半導体層上にショットキー接合する第１のアノード電極と、前記第２の窒化物半導体層にショットキー接続する前記第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、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、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、窒素からなる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、ガリウムを含まない前記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微結晶構造である第３の窒化物半導体層と、前記第３の窒化物半導体層の一部を凹状に欠き、内部に前記第２の窒化物半導体層を露出する第２の凹部と、該第２の凹部内に露出する前記第２の窒化物半導体層の一部を凹状に欠き、内部に前記第１の窒化物半導体層を露出する第１の凹部と、該第１の凹部内に露出する前記第１の窒化物半導体層上にショットキー接合する第１のアノード電極と、前記第２の窒化物半導体層にショットキー接続する前記第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、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。
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、前記基板と前記第１の窒化物半導体層の間に前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第４の窒化物半導体層を備え、該第４の窒化物半導体層は、前記第１の窒化物半導体よりも小さいエネルギーバンドギャップを有することを特徴とする窒化物半導体装置。
4. 請求項３記載の窒化物半導体装置において、前記第１の窒化物半導体層が窒化アルミニウムガリウム、前記第２の窒化物半導体層が窒化インジウムアルミニウム、前記第４の窒化物半導体層が窒化ガリウムからなり、前記第１および第２の窒化物半導体層の格子定数が前記第４の窒化物半導体層の格子定数と同じか若しくは小さく、前記第１および第２の窒化物半導体層と前記第４の窒化物半導体層が整合するか若しくは前記第１および第２の窒化物半導体層が引っ張り応力を受けていることを特徴とする窒化物半導体装置。

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