JP2014078561A - 窒化物半導体ショットキバリアダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】良好な順方向特性と逆方向耐圧とを両立した窒化物半導体ショットキバリアダイオードを提供する。
【解決手段】窒化物半導体ショットキバリアダイオード１０１は、窒化物半導体からなる電子走行層２と、電子走行層とは組成の異なる窒化物半導体からなり、電子走行層２上に形成された電子供給層３と、電子供給層３の表面にショットキ接合したアノードショットキ電極５と、電子供給層３の表面にオーミック接合したカソードオーミック電極６と、アノードショットキ電極５とカソードオーミック電極６との間において電子供給層３の表面を覆う絶縁膜１０と、絶縁膜１０上に形成されたゲート電極７とを含む。ゲート電極７は、アノードショットキ電極５と電気的に短絡され、逆方向電圧印加時にアノードショットキ電極５とカソードオーミック電極６との間のチャネルを遮断する。
【選択図】図１

Description

この発明は、窒化物半導体層にショットキ接合するショットキ電極を有する窒化物半導体ショットキバリアダイオードに関する。

特許文献１に記載されたショットキダイオードは、ＧａＮ電子走行層と、これに積層されたＡｌＧａＮ電子供給層と、ＡｌＧａＮ電子供給層の表面に間隔を開けて形成されたオーミックアノード電極およびオーミックカソード電極と、これらの間においてＡｌＧａＮ電子供給層に形成されたリセス内に絶縁膜を介して配置されたショットキアノード電極とを含む。ショットキアノード電極は、絶縁膜を挟んでＡｌＧａＮ電子供給層に対向することによって、ＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）構造を構成している。ショットキアノード電極がリセス内に配置されていることによって、電子走行層内に形成される二次元電子ガスが遮断され、それによって、ノーマリオフ型のダイオードが実現されている。ショットキアノード電極は、オーミックアノード電極に短絡されている。そのため、オーミックアノード電極およびオーミックカソード電極の間に順方向電圧が印加されると、ショットキアノード電極の直下に電子が誘起され、それによって、アノード−カソード間を導通させるチャネルが形成される。

特開２０１１−２１０７７９号公報 特開２００８−１０８８７０号公報

特許文献１におけるショットキアノード電極は、ＭＩＳ構造を形成するゲート電極であり、半導体層にショットキ接合しているわけではない。また、ＭＩＳ構造下の電子はリセスによって空乏化されている。そのため、順方向電圧に対する電流の特性は、ノーマリオフ型のＨＥＭＴのＩｄ−Ｖｇ特性を反映した特性となる。より具体的には、順方向電圧の増加に伴って緩やかに電流が立ち上がる特性となり、半導体層（電子供給層）にショットキ接合する電極を有するショットキバリアダイオードに比較すると、電流の立ち上がりが緩慢であり、かつ、順方向立ち上がり電圧が高くなる。

一方、電子供給層にショットキ接合するアノードショットキ電極を有するショットキバリアダイオードにおいては、順方向立ち上がり電圧および逆方向耐圧が、ショットキ接合のバリアハイトに依存する。すなわち、バリアハイトを高くすれば順方向立ち上がり電圧が高くなるが、逆方向耐圧を高くできる。バリアハイトを低くすれば、順方向立ち上がり電圧を低くできるが、逆方向耐圧が低くなる。つまり、順方向特性と逆方向耐圧とはトレードオフの関係にあり、両立が難しい。

この発明は、良好な順方向特性と逆方向耐圧とを両立した窒化物半導体ショットキバリアダイオードを提供する。

上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、窒化物半導体からなる電子走行層と、前記電子走行層とは組成の異なる窒化物半導体からなり、前記電子走行層上に形成された電子供給層と、前記電子供給層の表面にショットキ接合したアノードショットキ電極と、前記アノードショットキ電極から間隔を開けて形成され、前記電子供給層の表面にオーミック接合したカソードオーミック電極と、前記アノードショットキ電極と前記カソードオーミック電極との間において前記電子供給層の表面を覆う絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成され、前記アノードショットキ電極と電気的に短絡され、逆方向電圧印加時に前記アノードショットキ電極と前記カソードオーミック電極との間のチャネル（電流経路）を遮断するゲート電極とを含む、窒化物半導体ショットキバリアダイオードである。

電子走行層と電子供給層とは組成が異なるので、それらの界面にヘテロ接合が形成され、その界面に近い電子走行層内に二次元電子ガスが形成される。電子供給層の表面には、アノードショットキ電極とカソードオーミック電極とが、互いに間隔を開けて形成されている。アノードショットキ電極は電子供給層の表面にショットキ接合しており、カソードオーミック電極は電子供給層の表面にオーミック接合している。そこで、アノードショットキ電極とカソードオーミック電極との間に、ショットキ接合のバリアハイトによって定まる順方向立ち上がり電圧以上の電圧を与えると、アノードショットキ電極とカソードオーミック電極との間が、二次元電子ガスをチャネルとして接続される。

一方、アノードショットキ電極とカソードオーミック電極との間には、アノードショットキ電極に電気的に短絡されたゲート電極が配置されている。ゲート電極は、絶縁膜を挟んで電子供給層に対向している。アノードショットキ電極とカソードオーミック電極との間に逆方向の電圧が印加されると、ゲート電極はアノードショットキ電極と同電位であるので、ゲート電極直下の二次元電子ガスが遮断される。これにより、二次元電子ガスによって形成されるアノード−カソード間のチャネルが遮断されるので、逆方向電流を遮断することができる。それによって、高い逆方向耐圧を実現できる。

このように、この発明によれば、順方向バイアスが印加されたときには、アノードショットキ電極と電子供給層との間のショットキ接合のバリアハイトに応じた特性で電流が立ち上がる。一方、逆方向バイアスが印加されたときには、ゲート電極の働きによって、二次元電子ガスで形成されるチャネルが遮断され、これによって、逆方向耐圧を高めることができる。よって、ショットキ接合のバリアハイトを低くして順方向立ち上がり電圧を低くしながら、高い逆方向耐圧を実現した窒化物半導体ショットキバリアダイオードを実現できる。しかも、順方向電流の立ち上がり特性は、ショットキ接合により規定されるので、急峻な立ち上がり特性となる。このようにして、良好な順方向特性と高い逆方向耐圧とを両立できる。

請求項２記載の発明は、前記ゲート電極が、前記アノードショットキ電極と前記カソードオーミック電極との間に逆方向電圧が印加されたときに、前記電子走行層内の二次元電子ガスを前記アノードショットキ電極側と前記カソードオーミック電極側とに分離するように前記絶縁膜上に配置されている、請求項１に記載の窒化物半導体ショットキバリアダイオードである。

この構成によって、逆方向バイアス印加時には、ゲート電極の直下で、二次元電子ガスがアノード側とカソード側とに分離される。これにより、逆方向電流を確実に遮断できるから、逆方向耐圧を効果的に高めることができる。
請求項３記載の発明は、前記絶縁膜が、前記ゲート電極の下に配置された第１部分と、前記ゲート電極が配置されていない領域の第２部分とを含み、前記第１部分の膜厚が前記第２部分の膜厚よりも小さい、請求項１または２に記載の窒化物半導体ショットキバリアダイオードである。

この構成により、ゲート電極の下の第１部分の膜厚が小さいので、逆方向バイアス印加時には、ゲート電極直下の二次元電子ガスを確実に消失させることができる。それとともに、ゲート電極が配置されていない第２部分の膜厚が大きいので、この膜厚の大きな第２部分によって電子供給層の表面を確実に保護することができる。
請求項４記載の発明は、前記第１部分が第１絶縁膜を含み、前記第２部分が前記第１絶縁膜とは異なる絶縁材料からなる第２絶縁膜を含む、請求項３に記載の窒化物半導体ショットキバリアダイオードである。

この構成によれば、互いに異なる絶縁材料からなる第１絶縁膜および第２絶縁膜を用いて第１および第２部分をそれぞれ形成できる。これにより、第１および第２絶縁膜の膜厚をそれぞれ正確に制御することができる。とくに、第１部分に含まれる第１絶縁膜の膜厚を正確に制御することによって、ゲート電極によるチャネル遮断特性を正確に制御することができる。

請求項５記載の発明は、前記第１絶縁膜が、Ａｌ₂Ｏ₃またはＡｌＮからなる、請求項４記載の窒化物半導体ショットキバリアダイオードである。Ａｌ₂Ｏ₃またはＡｌＮからなる第１絶縁膜は、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法によって形成することができるので、正確に膜厚を制御することができる。これにより、ゲート直下の第１部分の膜厚が正確に制御された絶縁膜を電子供給層上に配置できるので、ゲート電極によるチャネル遮断特性を一層正確に制御することができる。

請求項６記載の発明は、前記第２絶縁膜が、ＳｉおよびＮを含む絶縁材料からなり、前記ゲート電極が配置されていない領域で前記電子供給層の表面に接している、請求項４または５に記載の窒化物半導体ショットキバリアダイオードである。この構成によれば、ゲート直下以外の領域で電子供給層に接する第２絶縁膜にＳｉおよびＮが含まれているので、電流コラプスを抑制することができる。

請求項７記載の発明は、前記第１部分の膜厚が１００ｎｍ以下である、請求項３〜６のいずれか一項に記載の窒化物半導体ショットキバリアダイオードである。この構成により、逆方向バイアスが印加されたときに、ゲート電極直下の二次元電子ガスを確実に消失させることができる。
請求項８記載の発明は、前記絶縁膜が、ＳｉおよびＮを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の窒化物半導体ショットキバリアダイオードである。この構成により、電子供給層の表面に接する絶縁膜がＳｉおよびＮを含むので、電流コラプスを抑制できる。

請求項９記載の発明は、前記ゲート電極と前記アノードショットキ電極との距離が、前記ゲート電極と前記カソードオーミック電極との間の距離よりも短い、請求項１〜８のいずれか一項に記載の窒化物半導体ショットキバリアダイオードである。
この構成によれば、アノードショットキ電極とゲート電極とを短絡する構造を容易に形成できる。また、たとえば、ゲート電極によってアノードショットキ電極を取り囲み、二次元電子ガスを確実に遮断する構造を作りやすい。すなわち、アノードショットキ電極を取り囲むゲート電極の全長を短くできる。

請求項１０記載の発明は、前記ゲート電極が、前記電子供給層の主面を見下ろす平面視において、前記アノードショットキ電極を取り囲むように配置されている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の窒化物半導体ショットキバリアダイオードである。この構成により、ゲート電極の直下において、二次元電子ガスを、アノードショットキ電極側とカソードオーミック電極側とに確実に分離し、アノード−カソード間のチャネルを遮断できる。

請求項１１記載の発明は、前記ゲート電極が、前記アノードショットキ電極と一体化している、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の窒化物半導体ショットキバリアダイオードである。この構成によれば、アノードショットキ電極と電気的に短絡したゲート電極を容易に形成できる。より具体的には、ゲート電極を形成するための特別の工程を追加することなく、アノードショットキ電極を形成するときに、同時に、ゲート電極を形成できる。

請求項１２記載の発明は、前記アノードショットキ電極が、前記電子供給層の主面を見下ろす平面視において櫛歯状に形成された櫛歯アノード電極部を有し、前記カソードオーミック電極が、前記電子供給層の主面を見下ろす平面視において前記櫛歯アノード電極部と噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯カソード電極部を有している、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の窒化物半導体ショットキバリアダイオードである。この構成によれば、アノードショットキ電極とカソードオーミック電極との対向長を長くすることができるので、チャネル幅が広くなり、それに応じて、電流容量を大きくすることができる。これにより、順方向特性を向上できる。

請求項１３記載の発明は、前記電子走行層がＧａＮからなり、前記電子供給層がＡｌＧａＮからなっている、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の窒化物半導体ショットキバリアダイオードである。この構成によれば、ＧａＮ電子走行層とＡｌＧａＮ電子供給層との界面付近のＧａＮ電子走行層内に良好な二次元電子ガスを形成できる。それによって、良好な順方向特性を実現できる。

図１は、この発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体ショットキバリアダイオードの構成を説明するための図解的な断面図である。 図２は、前記窒化物半導体ショットキバリアダイオードのアノードショットキ電極、カソードオーミック電極およびゲート電極の配置を説明するための図解的な平面図である。 図３は、前記窒化物半導体ショットキバリアダイオードの特性を説明するための特性図である。 図４Ａ〜図４Ｃは、前記窒化物半導体ショットキバリアダイオードの製造工程を工程順に示す断面図である。 図４Ｄおよび図４Ｅは、図４Ｃに続く工程を工程順に示す断面図である。 図４Ｆおよび図４Ｇは、図４Ｅに続く工程を工程順に示す断面図である。 図５は、この発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体ショットキバリアダイオードの構成を説明するための図解的な断面図である。 図６は、この発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体ショットキバリアダイオードの構成を説明するための図解的な断面図である。 図７は、この発明の第４の実施形態に係る窒化物半導体ショットキバリアダイオードの構成を説明するための図解的な断面図である。 図８は、この発明の第５の実施形態に係る窒化物半導体ショットキバリアダイオードの構成を説明するための図解的な断面図である。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体ショットキバリアダイオードの構成を説明するための図解的な断面図である。この窒化物半導体ショットキバリアダイオード１０１は、基板１と、基板１の表面に形成された電子走行層２と、電子走行層２の表面に形成された電子供給層３と、電子供給層３の表面にショットキ接合したアノードショットキ電極５と、電子供給層３の表面にオーミック接触したカソードオーミック電極６と、電子供給層３の表面を覆う絶縁膜１０と、ゲート電極７とを備えている。

電子走行層２および電子供給層３は、いずれも窒化物半導体からなり、それらの組成は互いに異なっている。この実施形態では、電子走行層２はＧａＮからなり、電子供給層３はＡｌＧａＮからなっている。これらの組成の異なる電子走行層２および電子供給層３は、それらの界面にヘテロ接合を形成しており、それによって、電子走行層２および電子供給層３の界面に近い電子走行層２内には二次元電子ガス（２ＤＥＧ）４が形成されている。電子走行層２を支持する基板１は、この実施形態ではシリコン基板である。

アノードショットキ電極５は、電子供給層３を構成する窒化物半導体との間にショットキ接合を形成することができる金属材料からなる。このような金属材料としては、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔを含む群から選択される一つ以上を含む金属が用いられてもよい。カソードオーミック電極６は、電子供給層３の表面に沿ってアノードショットキ電極５から所定の間隔を開けて配置されている。カソードオーミック電極６は、電子供給層３の表面にオーミック接合する金属からなる。この実施形態では、カソードオーミック電極は、電子供給層３に接するＴｉ層とこのＴｉ層上に積層されたＡｌ層とを含む積層電極構造を有している。

絶縁膜１０は、アノードショットキ電極５とカソードオーミック電極６との間において電子供給層３の表面を覆うように形成されている。より具体的には、絶縁膜１０は、アノードショットキ電極５が配置されるアノード開口１５とカソードオーミック電極６が配置されるカソード開口１６とを有しており、これらの開口１５，１６以外の領域において電子供給層３の表面に接している。

絶縁膜１０の上に、ゲート電極７が配置されている。したがって、ゲート電極７は、絶縁膜１０を介して電子供給層３に対向している。より詳細に説明すると、ゲート電極７は、アノードショットキ電極５とカソードオーミック電極６との間に配置されている。そして、ゲート電極７は、アノードショットキ電極５と電気的に短絡されている。それによって、ゲート電極７は、アノードショットキ電極５およびカソードオーミック電極６の間に逆方向電圧が印加されたときに、アノードショットキ電極５とカソードオーミック電極６との間のチャネル（電流経路）を遮断する。より具体的には、ゲート電極７は、絶縁膜１０および電子供給層３を介して二次元電子ガス４に対向していて、逆方向電圧が印加されたときに、当該二次元電子ガス４をアノードショットキ電極５側とカソードオーミック電極６側とに分離する。それによって、アノードショットキ電極５およびカソードオーミック電極６間のチャネルが遮断されることになる。

アノードショットキ電極５、カソードオーミック電極６およびゲート電極７ならびに絶縁膜１０を覆うように、たとえばＳｉＯ₂からなる層間絶縁膜２０が形成されている。この層間絶縁膜２０上に、たとえばＡｌ合金膜からなるアノード配線膜３５およびカソード配線膜３６が形成されている。アノード配線膜３５およびカソード配線膜３６は、層間絶縁膜２０上で互いに分離されている。アノード配線膜３５は、層間絶縁膜２０に形成されたアノードコンタクト孔２５およびゲートコンタクト孔２７をそれぞれ介してアノードショットキ電極５およびゲート電極７に接続されている。よって、アノードショットキ電極５およびゲート電極７は、アノード配線膜３５を介して短絡されている。カソード配線膜３６は、層間絶縁膜２０に形成されたカソードコンタクト孔２６を介してカソードオーミック電極６に接続されている。

ゲート電極７は、この実施形態では、アノードショットキ電極５からカソードオーミック電極６側に所定の間隔を開けて配置されている。アノードショットキ電極５からゲート電極７までの距離ｄ１は、ゲート電極７からカソードオーミック電極６までの距離ｄ２よりも短くなっている。
絶縁膜１０は、ゲート電極７の直下に配置された第１部分１０Ａと、それ以外の第２部分１０Ｂとを含む。第１部分１０Ａの膜厚Ｔ１は第２部分１０Ｂの膜厚Ｔ２よりも小さくされている。さらに詳細に説明すると、絶縁膜１０は第１部分１０Ａを構成する第１絶縁膜１１と第２部分１０Ｂの大半を構成する第２絶縁膜１２とを有している。

第１絶縁膜１１は、ゲート電極７の底面および側面を覆い、さらにゲート電極７の周囲において第２絶縁膜１２の表面を覆っている。ゲート電極７の底面において、第1絶縁膜１１はゲート電極７と電子供給層３との間に介在されている。第２絶縁膜１２は、第１絶縁膜１１とアノードショットキ電極５およびカソードオーミック電極６との間の領域に渡って形成されており、アノードショットキ電極５およびカソードオーミック電極６に接している。

第１絶縁膜１１は、ＡＬＤ（ Atomic Layer Deposition ）法によって形成できる材料で構成されていることが好ましく、具体的にはＡｌ₂Ｏ₃またはＡｌＮで構成されていることが好ましい。それによって、第１絶縁膜１１の膜厚を精密に（原子レベルで）制御することができるので、ゲート電極７から広がる電界を二次元電子ガス４に対して効果的に作用させることができる。

第２絶縁膜１２は、ＳｉおよびＮを含む絶縁材料、より具体的にはＳｉＮで構成されていることが好ましい。それによって、電子供給層３の表面の大部分をＳｉおよびＮを含む絶縁材料で覆うことができ、電流コラプスを抑制することができる。
第1部分１０Ａを構成する第１絶縁膜１１の膜厚Ｔ１は１００ｎｍ以下であることが好ましい。それにより、アノード−カソード間に逆方向バイアスが印加されたときに、ゲート電極７の直下の二次元電子ガス４を確実に消失させて、アノード−カソード間のチャネルを遮断することができる。

図２は、アノードショットキ電極５、カソードオーミック電極６およびゲート電極７の配置を説明するための図解的な平面図であり、電子供給層３の表面（主面）の法線方向（電子供給層３の層厚方向）からみた構成が示されている。アノードショットキ電極５は、矩形状のアノード外部接続部５１と、アノード外部接続部５１の一辺から互いに平行に延びた櫛歯アノード電極部５２とを備えている。アノード外部接続部５１はほぼ矩形に形成された基板１の一辺１ａに沿って長尺方向を設定し、当該基板１の一辺１ａの近傍に配置されている。櫛歯アノード電極部５２は、基板１の前記一辺１ａと対向する別の一辺１ｂに向かって直線状に延びた複数の細線状のアノード電極片５３で構成されている。アノード電極片５３は、アノード外部接続部５１の長手方向に沿って等しい間隔を開けて配置されており、互いに平行である。

一方、カソードオーミック電極６は、矩形状のカソード外部接続部６１と、このカソード外部接続部６１から互いに平行に延びた複数本のカソード電極片６３で構成された櫛歯カソード電極部６２とを含む。櫛歯カソード電極部６２は、櫛歯アノード電極部５２と噛み合う櫛歯状に形成されている。より詳細には、カソード外部接続部６１は、アノード外部接続部５１とは反対側の基板１の一辺１ｂの近傍に、当該一辺１ｂと平行に長手方向を設定して配置されている。カソード外部接続部６１からは、細線状の複数本のカソード電極片６３が、基板１の反対側の辺１ａに向かって互いに平行に直線状に延びている。これらのカソード電極片６３は、カソード外部接続部６１の長手方向に関して等間隔でかつ互いに平行に配置されている。一対の隣合うアノード電極片５３の間に一つのカソード電極片６３が入り込み、それによって、櫛歯アノード電極部５２と櫛歯カソード電極部６２とが互いに噛み合っている。

ゲート電極７は、アノード外部接続部５１および櫛歯アノード電極部５２を取り囲み、したがってアノードショットキ電極５全体を取り囲むように、閉曲線をなすパターンに形成されている。より具体的には、櫛歯アノード電極部５２の近傍において、ゲート電極７は、アノード電極片５３から一定の距離を開けて形成されており、アノード電極片５３までの距離ｄ１がカソード電極片６３までの距離ｄ２よりも短くなるように配置されている。このようなゲート電極７の配置により、アノード−カソード間に逆方向を電圧が印加されると、二次元電子ガス４（図１参照）を、アノードショットキ電極５側とカソードオーミック電極６側とに確実に分離することができる。

なお、図１には、図２のＩ−Ｉ断面が示されている。ただし、図２では、層間絶縁膜２
０、アノード配線膜３５およびカソード配線膜３６等の図示は省略した。
図３は、窒化物半導体ショットキバリアダイオード１０１の特性を説明するための特性図であり、印加電圧Ｖに対する電流Ｉの変化（Ｉ−Ｖ特性）が実線の特性線Ｌ１で示されている。順方向立ち上がり電圧ＶＦは、アノードショットキ電極５と電子供給層３とのショットキ接合によって形成される障壁の高さ（バリアハイト）に依存する。すなわちバリアハイトの低い金属をアノードショットキ電極５に適用することにより、順方向立ち上がり電圧ＶＦの小さなショットキバリアダイオードを構成できる。

窒化物半導体ショットキバリアダイオード１０１のアノード−カソード間に順方向電圧を印加したとき、印加電圧が順方向立ち上がり電圧ＶＦに達すると、順方向の電流が急峻に立ち上がる。一方、窒化物半導体ショットキバリアダイオード１０１に逆方向電圧を印加すると、ショットキ接合のバリアハイトに対応する電圧までは当該ショットキ接合のバリアハイトによって逆方向リーク電流が零に保持される。そして、それよりも大きな逆方向電圧の領域では、ゲート電極７が形成する電界によって二次元電子ガス４が遮断されるため、リーク電流が零に保たれる。よって、ショットキ接合のバリアハイトに依存する電圧よりもさらに大きな逆方向耐圧を実現することができる。つまり、低い順方向立ち上がり電圧ＶＦおよび高い逆方向耐圧を実現できる。

ゲート電極７を設けない場合には、逆方向特性は一点鎖線で示す特性線Ｌ２に従い、ショットキ接合のバリアハイトに依存する電圧が逆方向耐圧となる。逆方向耐圧を大きくしようとしてバリアハイトの高い金属をアノードショットキ電極に適用すると、点線の特性線Ｌ３で示すように、順方向立ち上がり電圧ＶＦが高くなってしまう。
また、アノード電極をオーミック電極とすると、順方向の電流特性は、二点鎖線の特性線Ｌ４で示すように、ＭＯＳ型電界効果トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性が反映され、順方向電圧の増加に伴って緩やかに電流が立ち上がる。すなわち、電流の立ち上がりが緩慢であり、かつ実質的な順方向立ち上がり電圧が高い特性となる。

図４Ａ〜図４Ｇは、窒化物半導体ショットキバリアダイオード１０１の製造工程を工程順に示す断面図である。まず、図４Ａに示すように、基板１上にたとえばＧａＮからなる電子走行層２およびたとえばＡｌＧａＮからなる電子供給層３が順にエピタキシャル成長させられる。次いで、図４Ｂに示すように、電子供給層３の表面の全域にたとえばＳｉＮからなる第２絶縁膜１２が形成される。第２絶縁膜１２の形成は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって行ってもよい。

次いで、図４Ｃに示すように、第２絶縁膜１２に、カソード開口１６が形成される。そして、そのカソード開口１６内にカソードオーミック電極６が形成される。より具体的には、カソード開口１６の近傍以外の領域を覆うレジストを形成し、その後にたとえばスパッタ法によって、Ｔｉ層およびＡｌ層を順に全面に形成して積層電極膜を形成する。その後、その積層電極膜の不要部分をレジストとともにリフトオフすることによって、カソード開口１６内に配置されたカソードオーミック電極６を形成することができる。

次に、図４Ｄに示すように、第２絶縁膜１２において、アノードショットキ電極５およびゲート電極７にそれぞれ対応する部分にアノード開口１５およびゲート開口１７が形成される。これによって、電子供給層３がそれらの開口１５，１７から露出することになる。
次に、図４Ｅに示すように、たとえばＡＬＤ法によりＡｌ₂Ｏ₃またはＡｌＮからなる第１絶縁膜１１が、ゲート開口１７の底面全域に接するように形成される。より具体的には、電子供給層３の露出表面、第２絶縁膜１２の開口１５，１７の側壁、第２絶縁膜１２の表面、カソードオーミック電極６の表面を覆うように、全面に第１絶縁膜１１が形成される。その後、ゲート開口１７およびその周縁の所定幅の領域を覆うレジストが形成され、このレジストをマスクとするエッチングによって、第１絶縁膜１１がパターニングされる。それによって、第１絶縁膜１１は、ゲート開口１７内において電子供給層３に接し、さらにそのゲート開口１７の側壁を形成する第２絶縁膜１２を覆い、ゲート開口１７の周縁の所定幅の領域において第２絶縁膜１２の表面を覆う。

次に、図４Ｆに示すように、アノードショットキ電極５を構成するショットキメタル３０が形成される。より具体的には、アノードショットキ電極５およびゲート電極７の形成領域以外の領域を選択的に覆うレジスト２９が形成され、このレジスト２９の上から、ショットキメタル３０が全面に形成される。そして、レジスト２９とともにショットキメタル３０の不要部分を除去すると、図４Ｇに示すように、アノードショットキ電極５およびゲート電極７を同時に形成することができる。

次に、全面を覆う層間絶縁膜２０（図１参照）が形成される。層間絶縁膜２０は、たとえばＳｉＯ₂からなっていてもよい。この層間絶縁膜２０に、コンタクト孔２５，２６，２７が開口され、さらに、これらのコンタクト孔２５，２６，２７内を埋め込む配線膜が層間絶縁膜２０の表面に形成される。その配線膜が、アノード配線膜３５およびカソード配線膜３６に分離されることによって、図１に示す構造の窒化物半導体ショットキバリアダイオード１０１を得ることができる。

以上のように、この実施形態によれば、窒化物半導体ショットキバリアダイオード１０１に順方向バイアスが印加されたときには、アノードショットキ電極５と電子供給層３との間のショットキ接合のバリアハイトに応じた特性で電流が立ち上がる。一方、逆方向バイアスが印加されたときには、ゲート電極７の働きによって、二次元電子ガス４で形成されるチャネルが遮断される。これによって、逆方向耐圧を高めることができる。よって、ショットキ接合のバリアハイトを低くして順方向立ち上がり電圧を低くしながら、高い逆方向耐圧を実現できる。しかも、順方向電流の立ち上がり特性は、ショットキ接合により規定されるので、急峻な立ち上がり特性となる。このようにして、良好な順方向特性と高い逆方向耐圧とを両立できる。

また、この実施形態では、ゲート電極７が、アノードショットキ電極５とカソードオーミック電極６との間に逆方向電圧が印加されたときに、電子走行層２内の二次元電子ガス４をアノードショットキ電極５側とカソードオーミック電極６側とに分離するように絶縁膜１０上に配置されている。これにより、逆方向電流を確実に遮断できるから、逆方向耐圧を効果的に高めることができる。

また、この実施形態では、絶縁膜１０は、ゲート電極７の下に配置された第１部分１０Ａと、ゲート電極７が配置されていない領域の第２部分１０Ｂとを含み、第１部分１０Ａの膜厚Ｔ１が第２部分１０Ｂの膜厚Ｔ２よりも小さい。すなわち、ゲート電極７の下の第１部分１０Ａの膜厚Ｔ１が小さいので、逆方向バイアス印加時には、ゲート電極７の直下の二次元電子ガス４を確実に消失させることができる。それとともに、ゲート電極７が配置されていない第２部分１０Ｂの膜厚Ｔ２が大きいので、電子供給層３の表面を確実に保護することができる。

さらに、この実施形態では、互いに異なる絶縁材料からなる第１絶縁膜１１および第２絶縁膜１２で絶縁膜１０が構成されており、第１部分１０Ａは第１絶縁膜１１で構成し、第２絶縁膜１２で第２部分１０Ｂの大部分を構成している。異なる材料からなる第１および第２絶縁膜１１，１２の膜厚はそれぞれ正確に制御することができるので、第１部分１０Ａおよび第２部分１０Ｂの膜厚を正確に制御できる。とくに、第１部分１０Ａを構成する第１絶縁膜１１の膜厚を正確に制御することによって、ゲート電極７によるチャネル遮断特性を正確に制御することができる。

また、前記第１絶縁膜１１が、Ａｌ₂Ｏ₃またはＡｌＮからなる場合には、ＡＬＤ法によって第１絶縁膜１１の膜厚を正確に制御できる。それによって、ゲート電極７によるチャネル遮断特性を一層正確に制御することができる。
さらに、第２絶縁膜１２が、ＳｉおよびＮを含む絶縁材料（とくにＳｉＮ）からなる場合には、ゲート電極７の直下以外の領域で電子供給層３に第２絶縁膜１２が接することによって、電流コラプスを抑制することができる。

また、この実施形態では、ゲート電極７とアノードショットキ電極５との距離ｄ１が、ゲート電極７とカソードオーミック電極６との間の距離ｄ２よりも短いので、アノードショットキ電極５とゲート電極７とを短絡する構造を容易に形成できる。また、ゲート電極７によってアノードショットキ電極５を取り囲み、二次元電子ガス４を確実に遮断する構造を作りやすい。すなわち、アノードショットキ電極５を取り囲むゲート電極７の全長を短くできる。

また、この実施形態では、アノードショットキ電極５が、電子供給層３の主面を見下ろす平面視において櫛歯状に形成された櫛歯アノード電極部５２を有し、カソードオーミック電極６が、電子供給層３の主面を見下ろす平面視において櫛歯アノード電極部５２と噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯カソード電極部６２を有している。これにより、アノードショットキ電極５とカソードオーミック電極６との対向長を長くすることができるので、チャネル幅が広くなり、それに応じて、電流容量を大きくすることができる。これにより、順方向特性を向上できる。

また、この実施形態では、電子走行層２がＧａＮからなり、電子供給層３がＡｌＧａＮからなっているので、ＧａＮ電子走行層２とＡｌＧａＮ電子供給層３との界面付近のＧａＮ電子走行層２内に良好な二次元電子ガス４を形成できる。それによって、良好な順方向特性を実現できる。
図５は、この発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体ショットキバリアダイオード１０２の構成を説明するための図解的な断面図である。図５において、前述の図１に示した各部の対応部分は同一参照符号で示す。

この実施形態では、アノードショットキ電極５とゲート電極７とが一体化されている。より具体的には、絶縁膜１０上にショットキメタル３０（図４Ｆ参照）を形成した後、このショットキメタル３０の選択除去の際に、アノードショットキ電極５およびゲート電極７の間の結合部分３１をアノード開口１５およびゲート開口１７の間に残すことによって、図５の構造を得ることができる。

この構成により、アノードショットキ電極５とゲート電極７とを同時に形成でき、ゲート電極７を分離して形成するための工程が必要でなく、また、アノード−ゲート間を短絡させるための特別の工程を追加する必要がない。具体的には、層間絶縁膜２０にゲートコンタクト孔２７を形成しなくてもよい。したがって、構成が簡単であるうえに、製造工程も簡単になる。

図６は、この発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体ショットキバリアダイオード１０３の構造を説明するための図解的な断面図である。図６において、前述の図１に示した各部の対応部分は同一参照符号で示す。
この実施形態では、アノードショットキ電極５およびゲート電極７のために絶縁膜１０に形成される開口が一体化している。すなわち、一つのアノード・ゲート開口１８内にアノードショットキ電極５およびゲート電極７が一体化されて配置されている。ゲート電極７の直下には、たとえばＡｌ₂Ｏ₃またはＡｌＮからなる第１絶縁膜１１が配置されている。第１絶縁膜１１は、アノード・ゲート開口１８内においてカソードオーミック電極６寄りの領域で電子供給層３に接しており、その直上の部分がゲート電極７を構成している。第１絶縁膜１１は、第２絶縁膜１２とゲート電極７との間を通るようにアノード・ゲート開口１８の側壁を覆い、さらにゲート電極７の周縁において第２絶縁膜１２の表面の所定幅の領域を覆っている。

この構成により、アノードショットキ電極５およびゲート電極７を一つのアノード・ゲート開口１８内に配置された一つの金属電極で構成することができるから、構造および製造工程を一層簡単にすることができる。
図７は、この発明の第４の実施形態に係る窒化物半導体ショットキバリアダイオード１０４の構成を説明するための図解的な断面である。図７において、前述の図１に示した各部の対応部分は同一参照符号で示す。

この実施形態では、アノードショットキ電極５とカソードオーミック電極６との間の全域がＳｉＮからなる絶縁膜１３によって覆われており、ゲート電極７の直下の第１部分１０ＡもＳｉＮによって構成されている。ただし、第１部分１０Ａの膜厚Ｔ１は第２部分１０Ｂの膜厚Ｔ２よりも薄くされている。
このような構成によっても、ゲート電極７の直下において二次元電子ガス４を分離する作用によって、逆方向耐圧を高めることができる。また、アノードショットキ電極５およびカソードオーミック電極６以外の領域において、電子供給層３の全域がＳｉＮ膜で覆われているので、電流コラプスを効果的に抑制できる。

図８は、この発明の第５の実施形態に係る窒化物半導体ショットキバリアダイオード１０５の構成を説明するための図解的な断面図である。図８において、前述の図１に示した各部の対応部分は同一参照符号で示す。
この構成では、アノードショットキ電極５とカソードオーミック電極６との間の領域が、一定の膜厚のＳｉＮ膜からなる絶縁膜１４によって覆われており、この絶縁膜１４の上にゲート電極７が配置されている。絶縁膜１４は、ゲート電極７からの電界が二次元電子ガス４に達して、この二次元電子ガス４を分離できる厚さに定められている。より具体的には、絶縁膜１４の厚さは、１００ｎｍ以下とされることが好ましい。この構成によっても、逆方向電圧が印加されたときに、二次元電子ガス４をアノード側とカソード側とに分離して、リーク電流を抑制また防止でき、それによって逆方向耐圧を向上できる。

以上、この発明の実施形態について説明してきたが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の図７および図８には、アノードショットキ電極５とゲート電極７とを分離した構造を示したが、図５および図６に示した構造にならって、アノードショットキ電極５およびゲート電極７を一体化してもよい。また、前述の実施形態では、電子走行層２がＧａＮからなり、電子供給層３がＡｌＧａＮからなっている例を説明したが、窒化物半導体は、III-Ｖ族半導体においてＶ族元素として窒素を用いた半導体であり、一般には、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）と表わすことができる。このような窒化物半導体において、組成が異なるものを用いて電子走行層および電子供給層を構成すればよい。とくに、電子走行層と電子供給層とでアルミニウム組成を異ならせることによって、良好な二次元電子ガスをそれらの界面付近の電子走行層内に形成することができる。

また、前述の第１〜第３実施形態では、第１絶縁膜１１が、第２絶縁膜１２の表面の一部のみを覆う構成について説明したが、第１絶縁膜１１は、第２絶縁膜１２の表面の全域を覆うように形成しても差し支えない。さらに、第１絶縁膜１１は、アノード開口１５の側壁を覆うように形成されてもよく、それによって、第２絶縁膜１２とアノードショットキ電極５とを分離するように形成されていてもよい。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１ 基板
２ 電子走行層
３ 電子供給層
４ 二次元電子ガス
５ アノードショットキ電極
６ カソードオーミック電極
７ ゲート電極
１０ 絶縁膜
１０Ａ 第１部分
１０Ｂ 第２部分
１１ 第１絶縁膜
１２ 第２絶縁膜
１３ 絶縁膜
１４ 絶縁膜
１５ アノード開口
１６ カソード開口
１７ ゲート開口
１８ アノード・ゲート開口
２０ 層間絶縁膜
２５ アノードコンタクト孔
２６ カソードコンタクト孔
２７ ゲートコンタクト孔
２９ レジスト
３０ ショットキメタル
３１ 結合部分
３５ アノード配線膜
３６ カソード配線膜
５１ アノード外部接続部
５２ 櫛歯アノード電極部
５３ アノード電極片
６１ カソード外部接続部
６２ 櫛歯カソード電極部
６３ カソード電極片
１０１ 窒化物半導体ショットキバリアダイオード
１０２ 窒化物半導体ショットキバリアダイオード
１０３ 窒化物半導体ショットキバリアダイオード
１０４ 窒化物半導体ショットキバリアダイオード

Claims (13)

1. 窒化物半導体からなる電子走行層と、
   前記電子走行層とは組成の異なる窒化物半導体からなり、前記電子走行層上に形成された電子供給層と、
   前記電子供給層の表面にショットキ接合したアノードショットキ電極と、
   前記アノードショットキ電極から間隔を開けて形成され、前記電子供給層の表面にオーミック接合したカソードオーミック電極と、
   前記アノードショットキ電極と前記カソードオーミック電極との間において前記電子供給層の表面を覆う絶縁膜と、
   前記絶縁膜上に形成され、前記アノードショットキ電極と電気的に短絡され、逆方向電圧印加時に前記アノードショットキ電極と前記カソードオーミック電極との間のチャネルを遮断するゲート電極とを含む、窒化物半導体ショットキバリアダイオード。
2. 前記ゲート電極が、前記アノードショットキ電極と前記カソードオーミック電極との間に逆方向電圧が印加されたときに、前記電子走行層内の二次元電子ガスを前記アノードショットキ電極側と前記カソードオーミック電極側とに分離するように前記絶縁膜上に配置されている、請求項１に記載の窒化物半導体ショットキバリアダイオード。
3. 前記絶縁膜が、前記ゲート電極の下に配置された第１部分と、前記ゲート電極が配置されていない領域の第２部分とを含み、前記第１部分の膜厚が前記第２部分の膜厚よりも小さい、請求項１または２に記載の窒化物半導体ショットキバリアダイオード。
4. 前記第１部分が第１絶縁膜を含み、前記第２部分が前記第１絶縁膜とは異なる絶縁材料からなる第２絶縁膜を含む、請求項３に記載の窒化物半導体ショットキバリアダイオード。
5. 前記第１絶縁膜が、Ａｌ₂Ｏ₃またはＡｌＮからなる、請求項４記載の窒化物半導体ショットキバリアダイオード。
6. 前記第２絶縁膜が、ＳｉおよびＮを含む絶縁材料からなり、前記ゲート電極が配置されていない領域で前記電子供給層の表面に接している、請求項４または５に記載の窒化物半導体ショットキバリアダイオード。
7. 前記第１部分の膜厚が１００ｎｍ以下である、請求項３〜６のいずれか一項に記載の窒化物半導体ショットキバリアダイオード。
8. 前記絶縁膜が、ＳｉおよびＮを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の窒化物半導体ショットキバリアダイオード。
9. 前記ゲート電極と前記アノードショットキ電極との距離が、前記ゲート電極と前記カソードオーミック電極との間の距離よりも短い、請求項１〜８のいずれか一項に記載の窒化物半導体ショットキバリアダイオード。
10. 前記ゲート電極が、前記電子供給層の主面を見下ろす平面視において、前記アノードショットキ電極を取り囲むように配置されている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の窒化物半導体ショットキバリアダイオード。
11. 前記ゲート電極が、前記アノードショットキ電極と一体化している、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の窒化物半導体ショットキバリアダイオード。
12. 前記アノードショットキ電極が、前記電子供給層の主面を見下ろす平面視において櫛歯状に形成された櫛歯アノード電極部を有し、
    前記カソードオーミック電極が、前記電子供給層の主面を見下ろす平面視において前記櫛歯アノード電極部と噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯カソード電極部を有している、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の窒化物半導体ショットキバリアダイオード。
13. 前記電子走行層がＧａＮからなり、前記電子供給層がＡｌＧａＮからなっている、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の窒化物半導体ショットキバリアダイオード。

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