JP2009060049A - 窒化物系化合物半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リーク電流の増大、及び電流コラプス現象によるオン抵抗の増大を抑制できる窒化物系化合物半導体装置を提供する。
【解決手段】窒化物系化合物半導体からなるキャリア走行層３を有する半導体層１０と、半導体層１０の主面１００上に配置され、キャリア走行層３を流れる主電流の電流経路の端部である第１の主電極２１及び第２の主電極２２と、第１の主電極２１及び第２の主電極２２を囲むように主面１００上に配置され、主面１００直下及びその近傍の半導体層１０内の電荷を制御する外周電極３０とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、窒化物系化合物半導体装置に係り、特に導電性基板を用いた窒化物系化合物半導体装置に関する。

窒化ガリウム系等の窒化物系化合物半導体は絶縁破壊電界が高いことから、低損失の高耐圧パワーデバイス等への応用が期待されている。そのために、特性が良好なだけでなく、安価にデバイスを作成することが望まれている。これらの点を鑑みて、窒化物系化合物半導体の成長基板として、サファイア基板や炭化シリコン（ＳｉＣ）基板ではなく、大口径基板の製造が容易で安価なシリコン（Ｓｉ）基板を用いることが望まれている（例えば、特許文献１参照。）。近年、シリコン基板上の窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長技術が向上し、サファイア基板やＳｉＣ基板上に成長させた窒化ガリウム系化合物半導体と遜色ない結晶が得られている。
特開２００６−５００５号公報

しかし、シリコン基板は導電性基板であるため、シリコン基板を用いて窒化ガリウム系化合物半導体のヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）や金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）等の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）を作成した場合に、窒化ガリウム系化合物半導体層の厚みが電極間隔に比べて薄いと、ゲート電極とドレイン電極が逆バイアスされた状態（ＦＥＴがオフの状態）において、ゲート電極側のドレイン電極端−窒化ガリウム系化合物半導体層界面近傍に電界が集中し、ドレイン電極からバッファ層やシリコン基板を経由してソース電極に流れ込む電流リークが発生しやすくなっている。

また、窒化ガリウム系化合物半導体は化学的に安定なため、メサ形状にするためにドライエッチングが採用されるが、ドライエッチングによって窒化ガリウム系化合物半導体の端面の結晶が欠陥等のダメージを受ける。その結果、ダメージを受けた端面はダメージを受けていない部分に比べて低抵抗なため、ダメージを受けた端面を介してバッファ層やシリコン基板からソース電極へのリーク電流の通路になり、窒化物系化合物半導体装置の耐圧の低下や破壊の原因になるという問題があった。

更に、窒化ガリウム系化合物半導体を用いたデバイスでは、電流コラプス現象のために、逆バイアス印加後のオン抵抗が増大するという問題があった。「電流コラプス現象」は、ゲート電極とドレイン電極間への逆バイアス印加（オフ状態）後にオン抵抗が増大する現象である。このオン抵抗の増大は、逆バイアス時に半導体層内部の欠陥にトラップされた電子が２次元キャリアガス層や半導体層に蓄えられる電荷を減少させることにより生じるといわれている。通常、オン抵抗の増大は逆バイアス印加電圧に比例して大きくなる。

上記問題点を鑑み、リーク電流の増大、及び電流コラプス現象によるオン抵抗の増大を抑制できる窒化物系化合物半導体装置を提供する。

本発明の一態様によれば、（イ）窒化物系化合物半導体からなるキャリア走行層を有する半導体層と、（ロ）半導体層の主面上に配置され、キャリア走行層を流れる主電流の電流経路の端部である第１及び第２の主電極と、（ハ）第１及び第２の主電極を囲むように主面上に配置され、主面直下及びその近傍の半導体層内の電荷を制御する外周電極とを備える窒化物系化合物半導体装置が提供される。

本発明の他の態様によれば、（イ）第１の窒化物系化合物半導体からなるキャリア供給層、及び第１の窒化物系化合物半導体と異なるバンドギャップエネルギーを有し、キャリア供給層との界面近傍において２次元キャリアガス層を有する第２の窒化物系化合物半導体からなるキャリア走行層を有する半導体層と、（ロ）半導体層の主面上に配置され、キャリア走行層を流れる主電流の電流経路の端部である第１及び第２の主電極と、（ハ）第１及び第２の主電極を囲むように主面上に配置され、主面直下及びその近傍の２次元キャリアガス層に蓄積される電荷を制御する外周電極とを備える窒化物系化合物半導体装置が提供される。

本発明によれば、リーク電流の増大、及び電流コラプス現象によるオン抵抗の増大を抑制できる窒化物系化合物半導体装置を提供できる。

次に、図面を参照して、本発明の第１乃至第６の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

又、以下に示す第１乃至第６の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置は、図１及び図２に示すように、窒化物系化合物半導体からなるキャリア走行層３を有する半導体層１０と、半導体層１０の主面１００上に配置され、キャリア走行層３を流れる主電流の電流経路の端部である第１の主電極２１及び第２の主電極２２と、第１の主電極２１及び第２の主電極２２を囲むように主面１００上に配置され、主面１００直下及びその近傍の半導体層１０内の電荷を制御する外周電極３０とを備える。図２は、図１のＩ−Ｉ方向に沿った断面図である。

図１に示すように、外周電極３０は、上面方向から見て第１の主電極２１及び第２の主電極２２のうちの最も半導体層１０の端部（外）側に配置された電極よりも更に半導体層１０の端部に近い主面１００上に配置される。外周電極３０は半導体層１０の主面１００の縁辺部分に沿って、第１の主電極２１及び第２の主電極２２を囲むように配置されることが望ましい。

図１に示した窒化物系化合物半導体装置は、第１の主電極２１及び第２の主電極２２間で主面１００上に配置された第３の電極（制御電極）２３を更に備える。制御電極（ゲート電極）２３は、キャリア走行層３を通って第１の主電極２１と第２の主電極２２間に流れる主電流を制御する。以下では、第１の主電極２１がソース電極２１であり、第２の主電極２２がドレイン電極２２である場合について例示的に説明するが、第１の主電極２１がドレイン電極であり、第２の主電極２２がソース電極であってもよいことは勿論である。

図１に示すように、ソース電極２１及びドレイン電極２２は、互いに紙面に向かって上下方向にそれぞれ延伸する複数の歯部分を有する櫛型形状をなし、ソース電極２１とドレイン電極２２の櫛の歯部分は交差指状に配置される。そして、ソース電極２１と物理的に接続されたパターン抵抗部２１１を含むソース電極２１によって、ドレイン電極２２の全体が囲まれている。また、ゲート電極２３が、交差指状に配置されたソース電極２１とドレイン電極２２間に配置される。更に、ソース電極２１は、外周電極３０によって周囲を囲まれる。ゲート電極２３と外周電極３０とは、ソース電極２１上に形成される絶縁膜４０を介して領域Ａにて互いを接続する金属で電気的に接続される。

半導体層１０上に配置されたソース電極２１及びドレイン電極２２は、電子（キャリア）供給層４との間でオーミックコンタクト（低抵抗接触）を形成している。ソース電極２１及びドレイン電極２２は、例えばチタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）の積層体として形成可能である。

ゲート電極２３は、例えばニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）とチタン（Ｔｉ）の積層体からなる金属膜が採用可能であり、キャリア供給層４とショットキー接触している。外周電極３０はゲート電極２３と同一工程によって形成することができる。ただし、外周電極３０をゲート電極２３と異なる工程、異なる材料で形成してもよく、ゲート電極２３及び外周電極３０は、窒化ガリウム系化合物半導体とショットキー接合をなす材料、例えばＮｉ、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、銅（Ｃｕ）等が採用可能である。

図２に示すように、半導体層１０は基板１上に配置されるが、窒化物系化合物半導体装置の製造コストを低減するために、基板１は大口径化が容易なシリコン基板であることが好ましい。シリコン基板は不純物を添加して導電性基板としてもよい。また、基板１はセラミック半導体、ＳｉＣ基板としてもよい。

また、半導体層１０の主面１００は絶縁膜４０で覆われている。そして、ソース電極２１及びドレイン電極２２の上面は絶縁膜４０で覆われるが、ゲート電極２３及び外周電極３０は、絶縁膜４０の上にも延伸して設けられ、フィールドプレート電極を兼ねている。ゲート電極２３と外周電極３０とは、絶縁膜４０上に配置される金属配線等（図示せず）によっても電気的に接続可能である。また、ソース電極２１との交差箇所でのゲート電極２３同士の接続も、絶縁膜４０上に配置される金属等によってなされる。なお、図示を省略するが、ソース電極２１及びドレイン電極２２のボンディング用パッド等の電源印加用領域では、絶縁膜４０に開口部が設けられ、ソース電極２１及びドレイン電極２２の上面の一部が露出される。

図２に示す半導体層１０は、それぞれが窒化物系化合物半導体からなるバッファ層２、電子（キャリア）走行層３及びキャリア供給層４がこの順に積層された構造である。以下では、キャリア供給層４がキャリア走行層３に供給するキャリアが電子である例について説明する。つまり、２次元キャリアガス層３１は２次元電子ガス層（２ＤＥＧ層）であり、ソース電極２１から２ＤＥＧ層３１を介してドレイン電極２２に電子が流れる。

バッファ層２は、周知の有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等のエピタキシャル成長法等で形成できる。図２では、バッファ層２を１つの層として図示しているが、バッファ層２を複数の層で形成してもよい。例えば、バッファ層２を窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる第１のサブレイヤー（第１の副層）と窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる第２のサブレイヤー（第２の副層）とを交互に積層した多層構造バッファとしてもよい。また、図１に示した窒化物系化合物半導体装置が高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）として動作する場合、バッファ層２はＨＥＭＴの動作に直接には関係しないため、バッファ層２を省いてよい。また、バッファ層２の材料として、ＡｌＮ、ＧａＮ以外のIII−Ｖ族化合物半導体を採用してもよい。また、基板１とバッファ層２とを組み合わせた構造を基板とみなすこともできる。

バッファ層２上に配置されたキャリア走行層３は、キャリア供給層４とのヘテロ接合面の近傍に電流通路（チャネル）としての２ＤＥＧ層３１を得るための層である。キャリア走行層３は、例えば不純物が添加されていないアンドープＧａＮを０．５〜１０μｍ程度の厚さに、ＭＯＣＶＤ法等でエピタキシャル成長させて形成する。

キャリア走行層３上に配置されたキャリア供給層４は、キャリア走行層３よりもバンドギャップが大きく、且つ格子定数の異なる窒化物半導体からなる。キャリア供給層４は、Ａｌ_xＭ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表され、ここでＭはインジウム（Ｉｎ）或いはボロン（Ｂ）等である。組成比ｘは０．１〜０．５が好ましく、より好ましくは０．３である。キャリア供給層４としてはアンドープのＡｌ_xＧａ_1-xＮが採用可能であるが、ｎ型不純物を添加したＡｌ_xＧａ_1-xＮからなる窒化物半導体も採用可能である。

キャリア供給層４は、キャリア走行層３上にＭＯＣＶＤ法等でエピタキシャル成長させて形成される。キャリア供給層４の膜厚は、キャリア走行層３とキャリア供給層４との間のヘテロ接合に基づいてノーマリ状態において周知の２ＤＥＧ層３１が生じるように設定される。具体的には、キャリア供給層４の膜厚は、キャリア走行層３よりも薄い例えば５〜５０ｎｍ程度、より好ましくは５〜３０ｎｍ程度である。

なお、キャリア供給層４としてｎ型不純物を添加したＡｌ_xＧａ_1-xＮを採用してもよい。このキャリア供給層４とＧａＮからなるキャリア走行層３との間にアンドープＡｌＮからなるスペーサ層を配置してもよい。また、ソース電極２１及びドレイン電極２２とキャリア供給層４との間に例えばｎ型ＡｌＧａＮからなるコンタクト層を配置してもよい。スペーサ層は、２ＤＥＧ層３１とキャリア供給層４に残されたイオン化ドナーによる正電荷との間に働くクーロン相互作用を低減する効果や、キャリア供給層４の不純物がキャリア走行層３に拡散することを防ぐ効果がある。コンタクト層は、ソース電極２１及びドレイン電極２２と半導体層１０との接触抵抗の低減に寄与する。

通常、窒化物系化合物半導体装置が逆バイアスされた状態（即ち、ＦＥＴがオフの状態）において、高電圧が印加されたドレイン電極２２端と半導体層１０との界面近傍に電界が集中することによって、ドレイン電極２２からバッファ層２や基板１、ドライエッチングによりメサ形状になった半導体層１０の端面、そして２ＤＥＧ層３１を経由してソース電極２１に流れるリーク電流が発生する。例えば、ソース電極２１を主面１００の最外周に配置した構造では、窒化物系化合物半導体装置が逆バイアスされた（オフ）状態において、基板１の電位がソース電極２１とドレイン電極２２との中間電位になってリーク電流がドレイン電極２２から基板１、半導体層１０の端面、そして２ＤＥＧ層３１を経由してソース電極２１に流れることを阻止できない。

しかし、図１及び図２に示した本発明の窒化物系化合物半導体装置においては、ゲート電極２３とドレイン電極２２に逆バイアスが印加されて、ドレイン電極２２からバッファ層２や基板１、ドライエッチングによりメサ形状になった半導体層１０の端面、そして２ＤＥＧ層３１を経由してソース電極２１に流れようとするリーク電流が発生し得るバイアス状態になっても、このリーク電流は、外周電極３０に印加された電圧によって少なくとも外周電極３０直下の２ＤＥＧ層３１が空乏化することによって抑制される。

また、図１及び図２に示した窒化物系化合物半導体装置においては、いわゆる電流コラプス現象によるオン抵抗の増大を抑制できる。電流コラプス現象は、ゲート電極２３とドレイン電極２２間への逆バイアス印加（オフ）後にオン抵抗が増大する現象である。このオン抵抗の増大は、逆バイアス（オフ）時に半導体層１０内部の欠陥にトラップされた電子が２ＤＥＧ層３１や半導体層１０に蓄えられる電荷を減少させることにより生じるといわれている。図１及び図２に示した窒化物系化合物半導体装置では、半導体層１０内部の欠陥にトラップされた電子が、オン状態時に、ダメージを受けたことで比較的低抵抗となっている半導体層１０の端面そして２ＤＥＧ層３１を介して最外周に設けられた外周電極３０や基板１に引く抜かれるので、逆バイアス印加（オフ）後のオン抵抗の増大も抑制できる。

以下に、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置の製造方法を説明する。なお、以下に述べる窒化物系化合物半導体装置の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。

（イ）先ず、基板１上に、ＭＯＣＶＤ法等によりバッファ層２、キャリア走行層３及びキャリア供給層４をこの順にエピタキシャル成長させて積層して、半導体層１０を形成する。バッファ層２は、例えばＡｌＮ層とＧａＮ層を交互に積層した構造である。キャリア走行層３は、例えば膜厚０．５〜１０μｍのアンドープＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法にて形成し、その上に形成されるキャリア供給層４は、キャリア走行層３よりもバンドギャップが大きく、且つ格子定数の異なる窒化物半導体からなり、例えばアンドープのＡｌＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法にて形成する。

（ロ）次に、半導体層１０上に、ソース電極２１及びドレイン電極２２となる第１の導電体層を、半導体層１０上に蒸着する。第１の導電体層は、例えばＴｉとＡｌの積層構造が採用可能である。次いで、フォトリソグラフィ技術によりパターニングしたフォトレジスト膜をマスクにして、第１の導電体層をウェットエッチングしてソース電極２１及びドレイン電極２２を形成する。

（ハ）次に、半導体層１０及びソース電極２１、ドレイン電極２２上に絶縁膜４０を形成する。例えば、絶縁膜４０として、膜厚５００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜をプラズマ化学気相成長（ｐ−ＣＶＤ）法によって形成する。その後、半導体層１０とソース電極２１及びドレイン電極２２とがオーミック接触となるように、例えば５００℃、３０分間のオーミックアニールを行う。

（ニ）次いで、ゲート電極２３及び外周電極３０と半導体層１０とが接触する部分の絶縁膜４０を、フォトリソグラフィ技術によりパターニングしたフォトレジスト膜をマスクに用いたウェットエッチングによって除去し、開口部を形成する。

（ホ）次いで、フォトレジスト膜を全面に塗布した後、フォトリソグラフィ技術によってゲート電極２３及び外周電極３０を形成する部分のフォトレジスト膜を除去する。次いで、フォトレジスト膜及び絶縁膜４０上に、ゲート電極２３及び外周電極３０となる第２の導電体層をスパッタ法等により形成する。このとき、絶縁膜４０の開口部を埋め込むように第２の導電体層は形成され、開口部において第２の導電体層が半導体層１０とショットキー接合をなすように蒸着した後、リフトオフ法によって第２の導電体層を形成する。第２の導電体層としては、例えばＮｉとＡｕとＴｉの積層体等が採用可能である。

（ヘ）更に、フォトリソグラフィ技術によりパターニングしたフォトレジスト膜をマスクにして、塩素（Ｃｌ）系ガスを用いたドライエッチングによって半導体層１０をメサ形状にする。

上記の説明では、外周電極３０をゲート電極２３と同一工程によって形成する例を示した。つまり、外周電極３０はゲート電極２３と同一の構造となる。しかし、半導体層１０とショットキー接合をなす材料であれば、外周電極３０としてゲート電極２３と異なる材料が採用可能である。

＜変形例＞
図３に本発明の第１の実施の形態の変形例に係る窒化物系化合物半導体装置を示す。図３に示した窒化物系化合物半導体装置は、半導体層１０上に外周電極３０を配置した領域の外側の領域であってメサ形状になった半導体層１０の端面またはその内側に、半導体層１０の主面１００から２ＤＥＧ層３１が形成される位置より基板１に近い位置までエッチングして段差または溝を形成した形状であることが、図２で示した本発明の第１の実施の形態と異なる。その他の構成については、図２で示した本発明の第１の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置と同様である。

本発明の第１の実施の形態の変形例に係る窒化物系化合物半導体装置によれば、ソース電極２１及びドレイン電極２２と基板１との間の寄生容量を減少させることができる。

図３に示した窒化物系化合物半導体装置は、例えば半導体層１０の外側においてフォトリソグラフィ技術によりパターニングしたフォトレジスト膜をマスクにしてメサ形状を形成する半導体層１０及びその内側の半導体層１０の主面１００の部分をドライエッチングし、キャリア走行層３の２ＤＥＧ層３１が形成される領域より基板１に近い深さまでエッチングした後に半導体層１０の端部をメサ形状に形成する。よって、図２に示した第１の実施の形態と同様にリーク電流及び電流コラプス現象を抑制できる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置は、図４に示すように、ゲート電極２３と外周電極３０が窒化物系化合物半導体装置内で電気的に接続されていないことが、図１に示した本発明の第１の実施の形態と異なる点である。その他の構成については、図１に示す第１の実施の形態と同様である。

図４に示した制御電極（ゲート電極）２３と外周電極３０は、窒化物系化合物半導体装置の外部で、例えばワイヤー等により電気的に接続可能である。

なお、外周電極３０は、ゲート電極２３のようにバイアス状態を変化させてオン状態のＦＥＴを流れるドレイン電流量を制御する必要がないため、ワイヤー等でゲート電極２３と外周電極３０を接続せず、ゲート電極２３に印加する電圧と異なる負電圧を外周電極３０に印加してもよい。この場合、ゲート電極２３と第２の主電極（ドレイン電極）２２が逆バイアスされた状態において、外周電極３０直下の２ＤＥＧ層３１が少なくとも空乏化するように設定された電圧を、ゲート電極２３に印加させる電圧に依存することなく外周電極３０に印加することができる。

その結果、図４に示した窒化物系化合物半導体装置によれば、第１の主電極（ソース電極）２１に流れるリーク電流が抑制されて窒化物系化合物半導体装置の耐圧の低下や破壊を防止でき、且つ電流コラプス現象によるオン抵抗の増大をより効果的に抑制できるとともに、設計の自由度を増すことができる。他は、第１の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置は、図５に示すように、外周電極３０のすぐ内側に配置される直近の電極が、第１の主電極（ソース電極）２１ではなく、第２の主電極（ドレイン電極）２２であることが、図１に示した本発明の第１の実施の形態と異なる点である。その他の構成については、図１に示す第１の実施の形態と同様である。

外周電極３０に隣接してドレイン電極２２が配置される場合でも、図１に示した窒化物系化合物半導体装置のように外周電極３０に隣接してソース電極２１が配置される場合と同様に、外周電極３０によって少なくとも２ＤＥＧ層３１が空乏化することによってソース電極２１に流れるリーク電流が抑制され、窒化物系化合物半導体装置の耐圧の低下や破壊を防止でき、且つ電流コラプス現象によるオン抵抗の増大を抑制できる。

また、図５では、外周電極３０と制御電極（ゲート電極）２３とが窒化物系化合物半導体装置内で物理的に接続されている例を示したが、図４に示した窒化物系化合物半導体装置と同様にゲート電極２３と外周電極３０を接続せずに配置し、窒化物系化合物半導体装置の外部で電気的に接続してもよい。或いは、ゲート電極２３と外周電極３０に異なる電圧を印加してもよい。他は、第１の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。

（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置は、図６に示すように、キャリア供給層４とゲート電極２３との間にゲート絶縁膜となる絶縁膜２３１を配置すると共に、キャリア供給層４と外周電極３０との間に絶縁膜３０１を配置した構成であることが、図１に示した本発明の第１の実施の形態と異なる点である。即ち、図６に示す窒化物系化合物半導体装置はＭＩＳ構造を有するＦＥＴを備える。その他の構成については、図１に示した第１の実施の形態と同様である。

図１に示した窒化物系化合物半導体装置では外周電極３０と半導体層１０がショットキー接合していたが、図６に示すように半導体層１０が絶縁膜２３１を介して構成されたＭＩＳ構造の場合であっても、前記第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、外周電極３０が絶縁膜３０１を介してＭＩＳ構造であっても、制御電極（ゲート電極）２３と第２の主電極（ドレイン電極）２２が逆バイアスされた状態において、外周電極３０直下の２ＤＥＧ層３１が少なくとも空乏化するように設定された電圧を外周電極３０に印加することにより、少なくとも２ＤＥＧ層３１が空乏化することによって第１の主電極（ソース電極）２１に流れるリーク電流が抑制される。また、制御電極（ゲート電極）２３に流れるリーク電流をも抑制できる。その結果、図６に示す窒化物系化合物半導体装置の耐圧の低下や破壊を防止でき、且つ電流コラプス現象によるオン抵抗の増大を抑制できる。

図６に示した窒化物系化合物半導体装置において、外周電極３０とゲート電極２３とが窒化物系化合物半導体装置の外部若しくは内部で電気的に接続されてもよいし、ゲート電極２３に印加される電圧とは異なる電圧を外周電極３０に印加してもよい。又、外周電極３０のすぐ内側に配置される電極が、ソース電極２１であってもドレイン電極２２であってもよい。また、他は、第１の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。

（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置は、図７及び図８に示すように、第１の主電極２１をアノード電極とし、第２の主電極２２をカソード電極とするショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）に適応させたものである。図８は、図７のＩＩ−ＩＩ方向に沿った断面図である。

図７に示すように、第１の主電極２１及び第２の主電極２２は、紙面に向かって上下方向にそれぞれ延伸する複数の歯部分を有する櫛型形状をなし、第１の主電極２１と第２の主電極２２の櫛の歯部分は交差指状に配置される。第１の主電極２１と外周電極３０とは物理的に接続される。そして、外周電極３０と第１の主電極２１によって、第２の主電極２２の全体が囲まれている。

本発明の第５の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置によれば、アノード電極とカソード電極が逆バイアスされた状態において、外周電極３０直下の２ＤＥＧ層３１が伸びる空乏化するように設定された電圧を外周電極３０に印加することにより、主面１００から少なくとも２ＤＥＧ層３１まで伸びる空乏層によってアノード電極とカソード電極間のリーク電流が抑制される。つまり、ダメージを受けた半導体層１０の端面を介して流れるリーク電流による耐圧の低下や破壊が防止され、且つ電流コラプス現象によるオン抵抗の増大が抑制されたＳＢＤが提供される。

図７に示した窒化物系化合物半導体装置において、外周電極３０とアノード電極である第１の主電極２１とが窒化物系化合物半導体装置の外部若しくは内部で電気的に接続されてもよいし、或いは第１の主電極２１に印加される電圧とは異なる電圧を外周電極３０に印加してもよい。他は、第１の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。

（第６の実施の形態）
本発明の第６の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置は、図９に示すように、半導体層１０がキャリア供給層４を含まない点が、図２に示した本発明の第１の実施の形態と異なる。その他の構成については、図１に示した第１の実施の形態と同様である。

図９に示すように外周電極３０と半導体層１０がキャリア走行層３上に配置されたＭＥＳＦＥＴ構造の場合であっても、制御電極（ゲート電極）２３と第２の主電極（ドレイン電極）２２が逆バイアス（オフ）された状態において、外周電極３０直下の主面１００から少なくともキャリア走行層３内の電流チャネルが形成される領域まで空乏化するように設定された電圧を外周電極３０に印加することにより、ダメージを受けた半導体層１０の端面を介してドレイン電極２２から第１の主電極（ソース電極）２１に流れるリーク電流が抑制される。その結果、図９に示す窒化物系化合物半導体装置の耐圧の低下や破壊を防止でき、且つ電流コラプス現象によるオン抵抗の増大を抑制できる。

図９に示した窒化物系化合物半導体装置において、外周電極３０とゲート電極２３とが窒化物系化合物半導体装置の外部若しくは内部で電気的に接続されてもよいし、ゲート電極２３に印加される電圧とは異なる電圧を外周電極３０に印加してもよい。又、外周電極３０のすぐ内側に配置される電極が、ソース電極２１であってもドレイン電極２２であってもよい。また、他は、第１の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１乃至第６の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、キャリア走行層３及びキャリア供給層４には、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ以外のＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＧａＰ、ＡｌＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＮ、ＧａＡｓＰ等のIII−Ｖ属化合物半導体、または酸化亜鉛（ＺｎＯ）等のII−VI化合物半導体、若しくは更に別の化合物半導体を採用可能である。

また、キャリア供給層４をｐ型半導体からなる正孔（ホール）供給層に置き換えることができる。この場合、２ＤＥＧ層３１に対応する領域に２次元キャリアガス層として２次元正孔ガス層が生じる。

更に、基板１がシリコン基板以外の導電性基板である場合や、窒化ガリウム系化合物半導体の下に絶縁性の低い層がある場合等にも、本発明は適用可能である。更に、基板１の下面に背面電極を設けてもよい。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の第１の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置の構成を示す模式図である。 図１のＩ−Ｉ方向に沿った模式的な断面構造図である。 本発明の第１の実施の形態の変形例に係る窒化物系化合物半導体装置の模式的な断面構造図である。 本発明の第２の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置の構成を示す模式図である。 本発明の第３の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置の構成を示す模式図である。 本発明の第４の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置の模式的な断面構造図である。 本発明の第５の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置の構成を示す模式図である。 図７のＩＩ−ＩＩ方向に沿った模式的な断面構造図である。 本発明の第６の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置の模式的な断面構造図である。

符号の説明

１０…半導体層
２１…第１の主電極
２２…第２の主電極
２３…制御電極
３０…外周電極
３１…２次元キャリアガス層
４０…絶縁膜
１００…半導体層の主面
２１１…パターン抵抗部
２３１、３０１…絶縁膜

Claims (8)

1. 窒化物系化合物半導体からなるキャリア走行層を有する半導体層と、
   前記半導体層の主面上に配置され、前記キャリア走行層を流れる主電流の電流経路の端部である第１及び第２の主電極と、
   前記第１及び第２の主電極を囲むように前記主面上に配置され、前記主面直下及びその近傍の前記半導体層内の電荷を制御する外周電極
   とを備えることを特徴とする窒化物系化合物半導体装置。
2. 第１の窒化物系化合物半導体からなるキャリア供給層、及び前記第１の窒化物系化合物半導体と異なるバンドギャップエネルギーを有し、前記キャリア供給層との界面近傍において２次元キャリアガス層を有する第２の窒化物系化合物半導体からなるキャリア走行層を有する半導体層と、
   前記半導体層の主面上に配置され、前記キャリア走行層を流れる主電流の電流経路の端部である第１及び第２の主電極と、
   前記第１及び第２の主電極を囲むように前記主面上に配置され、前記主面直下及びその近傍の前記２次元キャリアガス層に蓄積される電荷を制御する外周電極
   とを備えることを特徴とする窒化物系化合物半導体装置。
3. 前記外周電極と前記主面とがショットキー接合をなすことを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物系化合物半導体装置。
4. 前記主面と前記外周電極との間に配置された絶縁膜を更に備え、前記外周電極、前記絶縁膜及び前記半導体層によりＭＩＳ構造をなすことを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物系化合物半導体装置。
5. 前記第１及び第２の主電極間で前記主面上に配置され、前記第１及び第２の主電極間の前記キャリア走行層に流れる主電流を制御し、前記半導体層とショットキー接合又はＭＩＳ構造をなす第３の電極を更に備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化物系化合物半導体装置。
6. 前記第３の電極と前記外周電極が電気的に接続されていることを特徴とする請求項５に記載の窒化物系化合物半導体装置。
7. 前記第１及び第２の主電極がそれぞれアノード電極及びカソード電極であって、前記外周電極が前記アノード電極と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化物系化合物半導体装置。
8. 前記半導体層が、前記外周電極の配置された領域の外側であってメサ形状を有する端部又は該端部の内側の領域を前記主面から前記キャリア走行層よりも深い位置までエッチングした形状を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の窒化物系化合物半導体装置。

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