窒化物系ダイオード
【課題】高耐圧でかつ低オン電圧動作が可能な窒化物系ダイオードを提供する。
【解決手段】窒化物系ダイオード１０は、シリコン基板１１の（１１１）面上に形成されたバッファ層１２と、アンドープのＧａＮからなるチャネル層１３と、チャネル１３層上に形成されたアンドープのＡｌＧａＮからなる電子供給層１４と、電子供給層１４上に形成されたカソード電極１５およびアノード電極１６とを備える。窒化物系ダイオード１０はさらに、電子供給層１４を、チャネル層１３に達する深さまで部分的に除去したメサ１８を備え、メサ１８の一方の側面部１８ａにアノード電極１６が接触している。アノード電極１６がメサ１８の側面部１８ａに接触することで、アノード電極１６と２次元電子ガス層１７とが電気的に接続されている。
【解決手段】窒化物系ダイオード１０は、シリコン基板１１の（１１１）面上に形成されたバッファ層１２と、アンドープのＧａＮからなるチャネル層１３と、チャネル１３層上に形成されたアンドープのＡｌＧａＮからなる電子供給層１４と、電子供給層１４上に形成されたカソード電極１５およびアノード電極１６とを備える。窒化物系ダイオード１０はさらに、電子供給層１４を、チャネル層１３に達する深さまで部分的に除去したメサ１８を備え、メサ１８の一方の側面部１８ａにアノード電極１６が接触している。アノード電極１６がメサ１８の側面部１８ａに接触することで、アノード電極１６と２次元電子ガス層１７とが電気的に接続されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系ショットキーバリアダイオードなどの窒化物系ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体に代表されるワイドバンドギャップ半導体は、高い絶縁破壊耐圧、良好な電子輸送特性、良好な熱伝導度を持つので、高温、大パワー、あるいは高周波用半導体デバイスの材料として非常に魅力的である。
例えば、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体である窒化ガリウム（ＧａＮ）は、ＧａＡｓ系の材料に比べてそのバンドギャップエネルギーが大きいため、絶縁破壊電圧が高く、しかも耐熱温度が高く高温動作に優れているので、これらの材料、とくにＧａＮ／ＡｌＧａＮ系半導体を用いた電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor：ＦＥＴ）やパワースイッチング用ダイオードの開発が進められている。
【０００３】
その一例としてショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）を図１４に示した。図１４に示すＳＢＤ１００は、図示を省略した基板上に、キャリアがドリフトする導電性のＧａＮ系半導体からなるチャネル層１０１と、ＡｌＧａＮ系半導体からなる電子供給層１０２とが形成され、電子供給層１０２上に、オーミック電極１０３とショットキー電極１０４とが絶縁膜１０５を介して配置されたＧａＮ系ダイオードである。ショットキー電極１０４はＮｉやＰｔなどの金属を含む積層構造からなり、オーミック電極１０３はＴｉおよびＡｌなどの金属を含む積層構造からなる。このＳＢＤ１００は、電子供給層１０２とのヘテロ接合界面に二次元電子ガス層１０６が形成されたチャネル層１０１を用いて、ショットキー電極１０４をアノード電極にし、オーミック電極１０３をカソード電極にしている。
【０００４】
図１４に示すＳＢＤ１００のようにＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造を有する窒化物系ダイオードでは、チャネル層１０１と電子供給層１０２の界面に、ピエゾ効果によって、チャネル層１０１側に２次元電子ガス層１０６が形成されている。この２次元電子ガス層１０６は、高い電子移動度とキャリア密度を有しているため、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造を用いたヘテロ接合窒化物系ダイオードでは、低いオン抵抗、および速いスイッチング速度での動作が可能である。これらの特徴は、パワースイッチング応用に非常に好適である。
上述したＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造を有するショットキーバリアダイオードとして、例えば、特許文献１及び非特許文献１等に開示されたものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１４７９５１号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】K. Kmada, K.Matsubayashi, A. Nakagawa, Y. Terada and T. Egawa, ”High-Voltage AlGaN/GaN Schottky Barrier Diodes on Si Substrate With Low-Temperature GaN Cap Layer for Edge Termination” Proc. ISPSD’08, pp 225-228, 2008.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）構造を有効に活用し、ダイオードとして動作させる構造が考えられている。しかし、図１４に示す上記従来のＳＢＤ１００では、オン特性は良いものの、本質的にピンチオフ電圧までは逆方向リーク電流が増大するため、結果としてリークが大きくなっていた。また、そのため耐圧が十分に確保できない問題点もあった。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、高耐圧でかつ低オン電圧動作が可能な窒化物系ダイオードを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明に係る窒化物系ダイオードは、基板上に形成された第１の窒化物系化合物半導体からなるチャネル層と、前記チャネル層上に形成され、第２の窒化物系化合物半導体からなる電子供給層と、前記電子供給層上に形成されたカソード電極およびアノード電極と、前記電子供給層の一部を、前記チャネル層に達する深さまで部分的に除去したメサと、を備え、前記メサの側面部に、前記カソード電極およびアノード電極のうち、少なくとも前記アノード電極が接触していることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明に係る窒化物系ダイオードは、前記メサの上面に絶縁膜が形成され、前記アノード電極が前記絶縁膜上から前記メサの側面部にわたって形成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明に係る窒化物系ダイオードは、前記カソード電極および前記アノード電極は、フィンガー部を有し、前記メサが前記フィンガー部の長手方向に沿って間欠的に形成されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明に係る窒化物系ダイオードは、前記メサは、前記カソード電極または前記アノード電極と前記メサの各側面部とが接触する面積が、前記フィンガー部の先端側へ向かって徐々に大きくなるように形成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明に係る窒化物系ダイオードは、前記第１のＧａＮ系半導体材料はＧａＮであり、前記第２のＧａＮ系半導体材料はＡｌＧａＮであることを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の発明に係る窒化物系ダイオードは、前記第１のＧａＮ系半導体材料はＩｎＧａＮ或いはＧａＮであり、前記第２のＧａＮ系半導体材料はＩｎＡｌＧａＮであることを特徴とする。
【００１４】
請求項７に記載の発明に係る窒化物系ダイオードは、前記アノード電極には、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、ＴａおよびＡｌ、またはそれらの金属の合金を用いることを特徴とする。
【００１５】
請求項８に記載の発明に係る窒化物系ダイオードは、前記カソード電極には、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、またはそれらの合金を用いることを特徴とする。
【００１６】
請求項９に記載の発明に係る窒化物系ダイオードは、前記基板は導電性の基板であり、前記カソード電極またはアノード電極は前記基板の裏面に形成した裏面電極に電気的に接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に記載の発明によれば、カソード電極およびアノード電極のうち、少なくともアノード電極が、メサの側面部においてチャネル層（２次元電子ガス層）と接触している。これにより、電子供給層においてトンネル電流が生じることがないので、逆方向のリーク電流が低減される。これによって高耐圧でかつ低オン電圧動作が可能な窒化物系ダイオードを実現することができる。
【００１８】
請求項２に記載の発明によれば、アノード電極が電子供給層のメサ上面に接触する面積を極力低減させて、アノード電極をメサの側面部に接触させた構造になっているので、リーク電流が更に低減され、これによって、耐圧が更に向上する。
【００１９】
請求項４に記載の発明によれば、フィンガー部を有するアノード電極の端部での電界集中が緩和され、更に高耐圧のダイオードが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る窒化物系ダイオードの概略構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す窒化物系ダイオードを斜め上方から見た斜視図である。
【図３】図１に示す窒化物系ダイオードを上方から見た図で、各電極の配置を説明するための模式図である。
【図４】図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図５】第１の実施形態に係る窒化物系ダイオードの電気特性と、従来例の電気特性とを示すグラフである。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は第１の実施形態に係る窒化物系ダイオードの作製方法を説明するための工程図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は第１の実施形態に係る窒化物系ダイオードの作製方法を説明するための工程図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る窒化物系ダイオードの概略構成を示す断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は第２の実施形態に係る窒化物系ダイオードの作製方法を説明するための工程図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は第２の実施形態に係る窒化物系ダイオードの作製方法を説明するための工程図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る窒化物系ダイオードを示す図で、図２と同様の斜視図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態に係る窒化物系ダイオードを上方から見た図で、図３と同様の模式図である。
【図１３】図１１のＢ−Ｂに沿った断面図である。
【図１４】従来のショットキーバリアダイオードを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明に係る窒化物系ダイオードの実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施の形態の説明において同様の部位には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００２２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る窒化物系ダイオードの概略構成を示している。
本実施形態に係る窒化物系ダイオードは、一例としてＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合構造を有する窒化物系ショットキーバリアダイオードとして構成されている。 この窒化物系ダイオード１０は、図１に示すように、シリコン（１１１）基板１１と、シリコン基板１１の（１１１）面上に形成されたバッファ層１２と、バッファ層１２上に形成されたアンドープのＧａＮ（第１の窒化物系化合物半導体）からなるチャネル層１３と、チャネル１３層上に形成されたアンドープのＡｌＧａＮ（第２の窒化物系化合物半導体）からなる電子供給層１４と、電子供給層１４上に形成されたカソード電極１５およびアノード電極１６とを備えている。
【００２３】
このようなＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合構造を有する窒化物系ダイオード１０では、チャネル層１３と電子供給層１４の界面、つまり、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合界面にピエゾ効果によって、チャネル層１３側に２次元電子ガス層１７が発生している。この窒化物系ダイオード１０では、高キャリア濃度の２次元電子ガス層１７が形成されたチャネル層１３を用いて、カソード電極１５をオーミック電極にし、アノード電極１６をショットキー電極にしている。
【００２４】
窒化物系ダイオード１０は、さらに、図１および図２に示すように、電子供給層１４の一部を、チャネル層１３に達する深さまで部分的に除去したメサ１８を備え、メサ１８の一方の側面部１８ａにアノード電極１６が接触している。つまり、電子供給層１４のうち、アノード電極を形成する領域を、チャネル層１３に達する深さまで部分的にエッチングにより除去することで露出したチャネル層１３の表面の一部（メサ１８の側面部１８ａおよびメサ１８の上面の一部）にアノード電極１６が形成されている。アノード電極１６がメサ１８の側面部１８ａに接触することで、アノード電極１６と２次元電子ガス層１７とが電気的に接続されている。
【００２５】
また、メサ１８のもう一方の側面部１８ｂには、カソード電極１５が接触している。つまり、電子供給層１４のうち、カソード電極１５を形成する領域を、チャネル層１３に達する深さまで部分的にエッチングにより除去することで露出したチャネル層１３の表面の一部（メサ１８の側面部１８ｂおよびメサ１８の上面の一部）にカソード電極１５が形成されている。さらに、窒化物系ダイオード１０は、カソード電極１５とアノード電極１６を絶縁するように、チャネル層１３および電子供給層１４の表面に形成されたＳｉＯ２等からなる絶縁膜１９を備えている。
【００２６】
図３は、窒化物系ダイオード１０を上方から見た図で、各電極の配置を説明するための模式図である。図４は、図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
図１で説明した窒化物系ダイオード１０では、図２および図３に示すように、大電流性能を得るために長尺化する必要があるため、カソード電極１５およびアノード電極１６は、チャネル層１３を電流が流れる方向ａ（図４参照）に対して垂直な方向ｂ（図３参照）に長いフィンガー形状に形成され、カソード電極１５とアノード電極１６が交互に配置された櫛状の電極になっている。つまり、カソード電極１５およびアノード電極１６はフィンガー部１５ａおよび１６ａをそれぞれ有する（図３参照）。このような櫛状の電極構成に対応して、メサ１８の側面部１８ａ、１８ｂは、図２および図３の破線で示すように、上記方向ｂに細長い形状になっている。メサ１８の側面部１８ａには、フィンガー形状のアノード電極１６の中心部全体（フィンガー部１６ａの中心部全体）が接触している（図２、図３参照）。一方、メサ１８の側面部１８ｂには、フィンガー形状のカソード電極１５の中心部全体（フィンガー部１５ａの中心部全体）が接触している（図２、図３参照）。
【００２７】
図１に示す窒化物系ダイオード１０は以下のようにして作製することが可能である。即ち、成長装置はＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置を用い、基板は、シリコン（１１１）基板１１を用いた。
【００２８】
（工程１）
シリコン基板１１の（１１１）面上にバッファ層１２を形成する。（工程１）では、まず、シリコン基板１１をＭＯＣＶＤ装置内に導入し、ターボポンプでＭＯＣＶＤ装置内の真空度を１×１０-6ｈＰａ以下になるまで真空引きした後、真空度を１００ｈＰａとし、基板１１を１０００℃に昇温した。温度が安定したところで、シリコン基板１１を９００ｒｐｍで回転させ、原料となるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を１００ｃｍ3／ｍｉｎ、アンモニアを１２リットル／ｍｉｎの流量でシリコン基板１１の表面に導入し、ＡｌＮから成る層の成長を行った。成長時間は４ｍｉｎで膜厚は５０ｎｍ程度である。次に、ＡｌＮ（５ｎｍ）とＧａＮ（２０ｎｍ）の多層膜を約１６０対積層させる。ＧａＮ層は、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を３００ｃｍ３／ｍｉｎ、アンモニアを１２リットル／ｍｉｎの流量で成長を行なった。これによりバッファ層１２が形成される。
【００２９】
（工程２）
次に、バッファ層１２上にアンドープのＧａＮから成るチャネル層１３を形成する。（工程２）では、アンモニアを１２リットル／ｍｉｎの流量で流しながら温度上昇させ、１０５０℃に保った後に、ＴＭＧを３００ｃｍ3／ｍｉｎ、アンモニアを１２リットル／ｍｉｎの流量でバッファ層１２の上に導入してアンドープのＧａＮから成るチャネル層１３の成長を行った。成長時間は２０００ｓｅｃで、チャネル層１３の膜厚は１０００ｎｍであった。
【００３０】
（工程３）
次に、チャネル層１３上にアンドープのＡｌＧａＮから成る電子供給層１４を形成する。（工程３）では、ＴＭＡを５０ｃｍ3／ｍｉｎ、ＴＭＧを１００ｃｍ3／ｍｉｎ、アンモニアを１２リットル／ｍｉｎの流量で導入し、アンドープのＡｌ0.2Ｇａ0.75Ｎから成る電子供給層１４の成長を行った。成長時間は４０ｓｅｃで、電子供給層１４の膜厚は２０ｎｍである。このようにして、図６（ａ）に示すエピタキシャル層構造が完成する。
【００３１】
（工程４）
次に、塩素ガス（Ｃｌ２ガス）などを用いて、チャネル層１３および電子供給層１４の一部をエッチング除去して素子分離を行う。
【００３２】
（工程５）
次に、電子供給層１４のカソード電極およびアノード電極を形成する領域を塩素系ガスを用いてドライエッチングし、チャネル層１３に達する深さまで部分的に除去し、メサ１８を形成する（図６（ｂ）参照）。
【００３３】
（工程６）
次に、メサ１８の側面部１８ｂと接触するように、カソード電極１５を形成する。（工程６）では、上記（工程５）でエッチングにより除去することで露出したチャネル層１３の表面の一部、メサ１８の側面部１８ｂの表面および電子供給層１４の表面の一部にカソード電極１５をリフトオフ法により形成する（図６（ｃ）参照）。
即ち、チャネル層１３の露出した表面および電子供給層１４の表面全体にフォトレジスト（不図示）を塗布し、このフォトレジストを露光、現像して、カソード電極１５の形成領域に開口部を形成し、さらに、開口部内とフォトレジスト上に金属膜をスパッタ法、真空蒸着法等により形成した後に、フォトレジストを除去することにより残った金属膜をカソード電極１５とする。カソード電極１５は、例えばＴｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔａ、ＭｏあるいはＷなどの金属、またはそれらの合金（特にシリサイド合金が好ましい）を含む金属膜である。また、形成したカソード電極１５に、オーミック接触を取るための熱処理を施す。
【００３４】
（工程７）
次に、カソード電極１５を覆うように、ＳｉＯ２等からなる絶縁膜１９をチャネル層１３および電子供給層１４の表面全体に形成し、アノード電極の形成領域をエッチングして開口部１９ａを形成する（図７（ａ）参照）。
【００３５】
（工程８）
次に、メサ１８の側面部１８ａと接触するように、アノード電極１６をリフトオフ法により形成する。（工程８）では、まず、絶縁膜１９の表面全体にフォトレジスト２１を塗布し、このフォトレジスト２１を露光、現像して、アノード電極１６の形成領域に、絶縁膜１９の開口部１９ａより大きい開口部２１ａを形成する（図７（ｂ）参照）。
【００３６】
この後、開口部１９ａ，２１ａ内とフォトレジスト２１上に金属膜をスパッタ法、真空蒸着法等により形成した後に、フォトレジスト２１を除去することにより残った金属膜をアノード電極１６とする（図７（ｃ）参照）。アノード電極は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、ＴａおよびＡｌなどの金属、またはこれらの金属の合金を含む金属膜である。その結果、図１に示した窒化物系ダイオード１０が作製できた。
【００３７】
以上のような構成の窒化物系ダイオード１０においては、ショットキー電極であるアノード電極１６に所定の電圧（順バイアス）が印加されると、カソード電極１５から２次元電子ガス層１７を通ってアノード電極１６へ電子が流れ、アノード電極１６からカソード電極１５へ電流が流れる。
【００３８】
以上の構成を有する第１の実施形態に係る窒化物系ダイオード１０によれば、以下の作用効果を奏する。
アノード電極１６がメサ１８の側面部１８ａにおいてチャネル層１３と直に接触し、アノード電極１６と２次元電子ガス層１７とが電気的に接続されている。これにより、電子供給層１４においてトンネル電流が生じることがないので、逆方向のリーク電流が低減される。これによって耐圧が向上すると共に、低オン電圧が実現できるため、低オン抵抗を実現できる。
【００３９】
図５は、ショットキーダイオードである窒化物系ダイオード１０の電気特性と、図１４で説明したような従来のショットキーダイオード（従来例）の電気特性とを示すグラフである。横軸はアノード電極への印加電圧（Ｖａｃ）を、縦軸はアノード電極からカソード電極へ流れる電流（Ｉａｃ）をそれぞれ示している。図５では、窒化物系ダイオード１０の電気特性を曲線２３で、従来例の電気特性を曲線２４でそれぞれ示している。図５のグラフで示すように、従来例の場合、逆方向のリーク電流Ｉ１が数百μＡ／ｍｍ〜ｍＡ／ｍｍ程度と非常に大きかったのに対し、本実施形態によれば、逆方向のリーク電流Ｉ２を従来例よりも4桁以上下げ、数ｎＡ／ｍｍ〜数十ｎＡ／ｍｍ程度にまで下げることが可能になった。また、従来例の場合、オン電圧が１Ｖ程度と高かったのに対し、本実施形態によれば、オン電圧を０．６Ｖ程度に低減することが出来た。
【００４０】
電子供給層１４のうち、アノード電極を形成する領域を、チャネル層１３に達する深さまで除去して、アノード電極１６がメサ１８の側面部１８ａにおいてチャネル層１３と直に接触するようにしている。このため、ダイオードの作製が容易になると共に、オン電圧などのバラツキを抑制できる。
【００４１】
方向ｂ（図３参照）に長いフィンガー形状のアノード電極１６の中心部全体を、同じ方向ｂに細長い形状を有するメサ１８の側面部１８ａに接触させることで、アノード電極１６と２次元電子ガス層１７とが線接触し、アノード電極１６と２次元電子ガス層１７の良好な電気的接続を得ることがきる。
【００４２】
（第２の実施形態）
図８は、本発明の第２の実施形態に係る窒化物系ダイオード１０Ａの概略構成を示している。
この窒化物系ダイオード１０Ａの特徴は、図１に示す上記第１の実施形態に係る窒化物系ダイオード１０において、メサ１８の上面全体にＳｉＯ２などの絶縁膜３０が形成され、メサ１８の側面部１８ａに接触するアノード電極１６の一部が絶縁膜３０上に延びている構成にある。つまり、アノード電極１６が絶縁膜３０上からメサ１８の側面部１８ａにわたって形成されている。この窒化物系ダイオード１０Ａでは、メサ１８の側面部１８ａにおいてチャネル層１３と直に接触するアノード電極１６が電子供給層１４のメサ１８の上面に接触する面積を極力低減させた構造になっている。窒化物系ダイオード１０Ａのその他の構成は、第１の実施形態に係る窒化物系ダイオード１０と同様である。
【００４３】
このように、窒化物系ダイオード１０Ａでは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面に発生する二次元電子ガス層１７にアノード電極１６が接触して導通が取れている一方で、電子供給層１４上（メサ１８の上面）にはＳｉＯ2などの絶縁膜３０（表面保護膜）が形成されており、アノード電極１６が電子供給層１４に接触する面積を極力低減させた構造になっている。すなわち、電子供給層１４表面に絶縁膜３０を配し、少なくともアノード電極１６との接触は極力チャネル層１３だけにすることで、逆方向のリーク電流と耐圧を改善可能な構造にしている。
【００４４】
図８に示す窒化物系ダイオード１０Ａは以下のようにして作製することが可能である。即ち、成長装置はＭＯＣＶＤ装置を用い、基板は、（１１１）面を主表面とするシリコン（１１１）基板１１を用いた。
まず、窒化物系ダイオード１０の上記作製方法と同様に、図９（ａ）に示すエピタキシャル層構造を作製する
【００４５】
次に、Ｃｌ２ガスなどを用いて、チャネル層１３および電子供給層１４の一部をエッチング除去して素子分離を行う。
次に、電子供給層１４のカソード電極およびアノード電極を形成する領域を塩素系ガスを用いてドライエッチングし、チャネル層１３に達する深さまで部分的に除去し、メサ１８を形成する（図９（ｂ）参照）。
次に、メサ１８の上面にＳｉＯ２などの絶縁膜３０を形成する（図９（ｃ）参照）。
【００４６】
次に、メサ１８の側面部１８ｂと接触するように、カソード電極１５をリフトオフ法により形成する。
即ち、絶縁膜３０を覆うようにチャネル層１３の露出した表面および電子供給層１４の表面全体にフォトレジスト３１を塗布し（図１０（ａ）参照）、このフォトレジスト３１を露光、現像して、カソード電極１５の形成領域に開口部３１ａを形成し、さらに、開口部３１ａ内とフォトレジスト３１上に金属膜をスパッタ法、真空蒸着法等により形成した後に、フォトレジストを除去することにより残った金属膜をカソード電極１５とする（図１０（ｂ）参照）。カソード電極１５は、例えばＴｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔａ、ＭｏあるいはＷなどの金属、またはそれらの合金（特にシリサイド合金が好ましい）を含む金属膜である。また、形成したカソード電極１５に、オーミック接触を取るための熱処理を施す。
【００４７】
次に、メサ１８の側面部１８ａと接触するように、アノード電極１６をリフトオフ法により形成する。
即ち、カソード電極１５および絶縁膜３０を覆うようにチャネル層１３の露出した表面および電子供給層１４の表面全体にフォトレジスト（図示省略）を塗布し、このフォトレジストを露光、現像して、アノード電極１６の形成領域に開口部を形成し、さらに、開口部内とフォトレジスト上に金属膜をスパッタ法、真空蒸着法等により形成した後に、フォトレジストを除去することにより残った金属膜をアノード電極１６とする（図１０（ｃ）参照）。アノード電極は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、Ｔａ、Ａｌなどの金属或いはこれらの金属の合金を含む金属膜である。
その結果、図８に示した窒化物系ダイオード１０Ａを作製できた。
【００４８】
以上の構成を有する第２の実施形態に係る窒化物系ダイオード１０Ａによれば、上記第１の実施形態が奏する作用効果に加えて以下の作用効果を奏する。電子供給層１４の表面状態の不完全性、つまり表面のラフネスが大きいと、メサ１８部分の電子供給層１４に部分的にトンネル電流が生じる。電子供給層１４のメサ１８とアノード電極１６が接触する面積が大きいと、そのトンネル電流が生じる確率が高くなり、逆方向のリーク電流が増える。そのため、アノード電極１６は、電子供給層１４のメサ１８上面には極力接触させずに、メサ１８の側面部１８ａでチャネル層１３に直に接触させるのが好ましい。
第２の実施形態によれば、メサ１８の側面部１８ａにおいてチャネル層１３と直に接触するアノード電極１６が電子供給層１４のメサ１８上面に接触する面積を極力低減させた構造になっているので、逆方向のリーク電流が更に低減され、これによって、耐圧が更に向上する。
【００４９】
（第３の実施形態）
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る窒化物系ダイオード１０Ｂの主要部を示す斜視図図である。図１２は、窒化物系ダイオード１０Ｂを上方から見た図で、図３と同様の模式図である。図１３は図１１のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。この窒化物系ダイオード１０Ｂの特徴は、図１に示す上記第１の実施形態に係る窒化物系ダイオード１０Ａにおいて、フィンガー形状のカソード電極１５およびアノード電極１６の各端部に電界が集中しやすいため、電界集中を緩和できるように、以下の構成を採用している点にある。
【００５０】
窒化物ダイオード１０Ｂでは、図１１乃至図１３に示すように、電子供給層１４およびチャネル層１３は、メサ１８がフィンガー部１５ａ、１６ａの長手な方向（チャネル層１３を電流が流れる方向ａに対して垂直な方向ｂ）に沿って間欠的に形成されるように部分的に除去されている。
つまり、メサ１８の一方の斜面には複数の側面部１８ａが形成されている（図１１参照）。そして、メサ１８は、フィンガー形状のアノード電極１６とメサ１８の各側面部１８ａとが接触する面積が、フィンガー部１６ａの先端側（図１２で左側）へ向かって徐々に大きくなるように形成されている（図１１、図１２参照）。
【００５１】
また、メサ１８の他方の斜面には複数の側面部１８ｂが形成されている（図１１参照）。そして、メサ１８は、フィンガー形状のカソード電極１５とメサ１８の各側面部１８ｂとが接触する面積が、フィンガー部１５ａの先端側（図１２で右側）へ向かって徐々に大きくなるように形成されている（図１１、図１２参照）。
窒化物系ダイオード１０Ｂのその他の構成は、第２の実施形態に係る窒化物系ダイオード１０Ａと同様である。
【００５２】
以上の構成を有する第３の実施形態に係る窒化物系ダイオード１０Ｂによれば、上記第１の実施形態が奏する作用効果に加えて以下の作用効果を奏する。
フィンガー形状のアノード電極１６とメサ１８の各側面部１８ａとが接触する面積が、フィンガー部１６ａの先端側（図１２で左側）へ向かって等価的に徐々に大きくなっているので、電界集中しやすいアノード電極１６の端部での電界集中が緩和され、電界集中に対して強い構造が実現できる。
【００５３】
なお、上記各実施形態では、メサ１８の側面部１８ａにアノード電極１６が、その側面部１８ｂにカソード電極１５がそれぞれ接触している構成の窒化物系ダイオードについて説明したが、少なくともアノード電極１６がメサ１８の側面部１８ａに接触している窒化物系ダイオードに本発明は適用可能である。
【００５４】
上記各実施形態で説明した窒化物系ダイオードにおいて、２次元電子ガス層１７のキャリア濃度を高くし、キャリアの移動度を大きくするために、厚さの薄いＡｌＮ層を挿入するのが好ましい。このような構成を有する窒化物系ダイオードでは、上記各実施形態で説明したように、アノード電極１６およびカソード電極１５をメサ１８の側面部１８ａ、１８ｂにそれぞれ接触させることにより、カソード電極１５と半導体層（電子供給層１４およびチャネル層１３）との間で、良好なオーミック接触が得られる。
【００５５】
上記各実施形態では、横型の窒化物系ダイオードについての例を示したが、縦型の窒化物系ダイオードへの適用も可能であることはいうまでも無い。つまり、上記各実施形態において、基板を導電性の基板とし、カソード電極１５またはアノード電極１６が基板の裏面に形成した裏面電極に電気的に接続されている構成を有する縦型の窒化物系ダイオードにも本発明は適用可能である。
【００５６】
また、上記各実施形態では、一例としてＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合構造を有する窒化物系ショットキーバリアダイオードとして構成した窒化物系ダイオードについて説明したが、本発明は、ショットキーバリアダイオードに限らず、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合構造を有し、アノード電極とカソード電極とを有する窒化物系ダイオードに広く適用可能である。
【００５７】
また、上記各実施形態において、チャネル層１３をＩｎＧａＮ（第１のＧａＮ系化合物半導体）で構成し、電子供給層１４をＩｎＡｌＧａＮ（第２のＧａＮ系化合物半導体）で構成した窒化物系ダイオードにも本発明は適用可能である。この窒化物系ダイオードでは、ＩｎＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合界面には、自発分極によって、ＧａＮ側に高濃度の二次元電子ガス層が形成される。
また、シリコン基板以外のＳｉＣ基板、サファイア基板、ＧａＮ基板、ＭｇＯ基板、ＺｎＯ基板上など、ＧａＮが結晶成長可能なあらゆる基板上の素子についても成り立つことは言うまでも無い。
【符号の説明】
【００５８】
１０、１０Ａ、１０Ｂ：窒化物系ダイオード
１１：シリコン基板 １２：バッファ層
１３：チャネル層
１４：電子供給層
１５：カソード電極
１５ａ：フィンガー部
１６：アノード電極
１６ａ：フィンガー部
１７：２次元電子ガス層
１８：メサ
１８ａ、１８ｂ：側面部
３０：絶縁膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系ショットキーバリアダイオードなどの窒化物系ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体に代表されるワイドバンドギャップ半導体は、高い絶縁破壊耐圧、良好な電子輸送特性、良好な熱伝導度を持つので、高温、大パワー、あるいは高周波用半導体デバイスの材料として非常に魅力的である。
例えば、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体である窒化ガリウム（ＧａＮ）は、ＧａＡｓ系の材料に比べてそのバンドギャップエネルギーが大きいため、絶縁破壊電圧が高く、しかも耐熱温度が高く高温動作に優れているので、これらの材料、とくにＧａＮ／ＡｌＧａＮ系半導体を用いた電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor：ＦＥＴ）やパワースイッチング用ダイオードの開発が進められている。
【０００３】
その一例としてショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）を図１４に示した。図１４に示すＳＢＤ１００は、図示を省略した基板上に、キャリアがドリフトする導電性のＧａＮ系半導体からなるチャネル層１０１と、ＡｌＧａＮ系半導体からなる電子供給層１０２とが形成され、電子供給層１０２上に、オーミック電極１０３とショットキー電極１０４とが絶縁膜１０５を介して配置されたＧａＮ系ダイオードである。ショットキー電極１０４はＮｉやＰｔなどの金属を含む積層構造からなり、オーミック電極１０３はＴｉおよびＡｌなどの金属を含む積層構造からなる。このＳＢＤ１００は、電子供給層１０２とのヘテロ接合界面に二次元電子ガス層１０６が形成されたチャネル層１０１を用いて、ショットキー電極１０４をアノード電極にし、オーミック電極１０３をカソード電極にしている。
【０００４】
図１４に示すＳＢＤ１００のようにＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造を有する窒化物系ダイオードでは、チャネル層１０１と電子供給層１０２の界面に、ピエゾ効果によって、チャネル層１０１側に２次元電子ガス層１０６が形成されている。この２次元電子ガス層１０６は、高い電子移動度とキャリア密度を有しているため、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造を用いたヘテロ接合窒化物系ダイオードでは、低いオン抵抗、および速いスイッチング速度での動作が可能である。これらの特徴は、パワースイッチング応用に非常に好適である。
上述したＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造を有するショットキーバリアダイオードとして、例えば、特許文献１及び非特許文献１等に開示されたものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１４７９５１号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】K. Kmada, K.Matsubayashi, A. Nakagawa, Y. Terada and T. Egawa, ”High-Voltage AlGaN/GaN Schottky Barrier Diodes on Si Substrate With Low-Temperature GaN Cap Layer for Edge Termination” Proc. ISPSD’08, pp 225-228, 2008.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）構造を有効に活用し、ダイオードとして動作させる構造が考えられている。しかし、図１４に示す上記従来のＳＢＤ１００では、オン特性は良いものの、本質的にピンチオフ電圧までは逆方向リーク電流が増大するため、結果としてリークが大きくなっていた。また、そのため耐圧が十分に確保できない問題点もあった。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、高耐圧でかつ低オン電圧動作が可能な窒化物系ダイオードを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明に係る窒化物系ダイオードは、基板上に形成された第１の窒化物系化合物半導体からなるチャネル層と、前記チャネル層上に形成され、第２の窒化物系化合物半導体からなる電子供給層と、前記電子供給層上に形成されたカソード電極およびアノード電極と、前記電子供給層の一部を、前記チャネル層に達する深さまで部分的に除去したメサと、を備え、前記メサの側面部に、前記カソード電極およびアノード電極のうち、少なくとも前記アノード電極が接触していることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明に係る窒化物系ダイオードは、前記メサの上面に絶縁膜が形成され、前記アノード電極が前記絶縁膜上から前記メサの側面部にわたって形成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明に係る窒化物系ダイオードは、前記カソード電極および前記アノード電極は、フィンガー部を有し、前記メサが前記フィンガー部の長手方向に沿って間欠的に形成されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明に係る窒化物系ダイオードは、前記メサは、前記カソード電極または前記アノード電極と前記メサの各側面部とが接触する面積が、前記フィンガー部の先端側へ向かって徐々に大きくなるように形成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明に係る窒化物系ダイオードは、前記第１のＧａＮ系半導体材料はＧａＮであり、前記第２のＧａＮ系半導体材料はＡｌＧａＮであることを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の発明に係る窒化物系ダイオードは、前記第１のＧａＮ系半導体材料はＩｎＧａＮ或いはＧａＮであり、前記第２のＧａＮ系半導体材料はＩｎＡｌＧａＮであることを特徴とする。
【００１４】
請求項７に記載の発明に係る窒化物系ダイオードは、前記アノード電極には、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、ＴａおよびＡｌ、またはそれらの金属の合金を用いることを特徴とする。
【００１５】
請求項８に記載の発明に係る窒化物系ダイオードは、前記カソード電極には、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、またはそれらの合金を用いることを特徴とする。
【００１６】
請求項９に記載の発明に係る窒化物系ダイオードは、前記基板は導電性の基板であり、前記カソード電極またはアノード電極は前記基板の裏面に形成した裏面電極に電気的に接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に記載の発明によれば、カソード電極およびアノード電極のうち、少なくともアノード電極が、メサの側面部においてチャネル層（２次元電子ガス層）と接触している。これにより、電子供給層においてトンネル電流が生じることがないので、逆方向のリーク電流が低減される。これによって高耐圧でかつ低オン電圧動作が可能な窒化物系ダイオードを実現することができる。
【００１８】
請求項２に記載の発明によれば、アノード電極が電子供給層のメサ上面に接触する面積を極力低減させて、アノード電極をメサの側面部に接触させた構造になっているので、リーク電流が更に低減され、これによって、耐圧が更に向上する。
【００１９】
請求項４に記載の発明によれば、フィンガー部を有するアノード電極の端部での電界集中が緩和され、更に高耐圧のダイオードが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る窒化物系ダイオードの概略構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す窒化物系ダイオードを斜め上方から見た斜視図である。
【図３】図１に示す窒化物系ダイオードを上方から見た図で、各電極の配置を説明するための模式図である。
【図４】図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図５】第１の実施形態に係る窒化物系ダイオードの電気特性と、従来例の電気特性とを示すグラフである。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は第１の実施形態に係る窒化物系ダイオードの作製方法を説明するための工程図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は第１の実施形態に係る窒化物系ダイオードの作製方法を説明するための工程図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る窒化物系ダイオードの概略構成を示す断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は第２の実施形態に係る窒化物系ダイオードの作製方法を説明するための工程図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は第２の実施形態に係る窒化物系ダイオードの作製方法を説明するための工程図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る窒化物系ダイオードを示す図で、図２と同様の斜視図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態に係る窒化物系ダイオードを上方から見た図で、図３と同様の模式図である。
【図１３】図１１のＢ−Ｂに沿った断面図である。
【図１４】従来のショットキーバリアダイオードを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明に係る窒化物系ダイオードの実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施の形態の説明において同様の部位には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００２２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る窒化物系ダイオードの概略構成を示している。
本実施形態に係る窒化物系ダイオードは、一例としてＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合構造を有する窒化物系ショットキーバリアダイオードとして構成されている。 この窒化物系ダイオード１０は、図１に示すように、シリコン（１１１）基板１１と、シリコン基板１１の（１１１）面上に形成されたバッファ層１２と、バッファ層１２上に形成されたアンドープのＧａＮ（第１の窒化物系化合物半導体）からなるチャネル層１３と、チャネル１３層上に形成されたアンドープのＡｌＧａＮ（第２の窒化物系化合物半導体）からなる電子供給層１４と、電子供給層１４上に形成されたカソード電極１５およびアノード電極１６とを備えている。
【００２３】
このようなＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合構造を有する窒化物系ダイオード１０では、チャネル層１３と電子供給層１４の界面、つまり、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合界面にピエゾ効果によって、チャネル層１３側に２次元電子ガス層１７が発生している。この窒化物系ダイオード１０では、高キャリア濃度の２次元電子ガス層１７が形成されたチャネル層１３を用いて、カソード電極１５をオーミック電極にし、アノード電極１６をショットキー電極にしている。
【００２４】
窒化物系ダイオード１０は、さらに、図１および図２に示すように、電子供給層１４の一部を、チャネル層１３に達する深さまで部分的に除去したメサ１８を備え、メサ１８の一方の側面部１８ａにアノード電極１６が接触している。つまり、電子供給層１４のうち、アノード電極を形成する領域を、チャネル層１３に達する深さまで部分的にエッチングにより除去することで露出したチャネル層１３の表面の一部（メサ１８の側面部１８ａおよびメサ１８の上面の一部）にアノード電極１６が形成されている。アノード電極１６がメサ１８の側面部１８ａに接触することで、アノード電極１６と２次元電子ガス層１７とが電気的に接続されている。
【００２５】
また、メサ１８のもう一方の側面部１８ｂには、カソード電極１５が接触している。つまり、電子供給層１４のうち、カソード電極１５を形成する領域を、チャネル層１３に達する深さまで部分的にエッチングにより除去することで露出したチャネル層１３の表面の一部（メサ１８の側面部１８ｂおよびメサ１８の上面の一部）にカソード電極１５が形成されている。さらに、窒化物系ダイオード１０は、カソード電極１５とアノード電極１６を絶縁するように、チャネル層１３および電子供給層１４の表面に形成されたＳｉＯ２等からなる絶縁膜１９を備えている。
【００２６】
図３は、窒化物系ダイオード１０を上方から見た図で、各電極の配置を説明するための模式図である。図４は、図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
図１で説明した窒化物系ダイオード１０では、図２および図３に示すように、大電流性能を得るために長尺化する必要があるため、カソード電極１５およびアノード電極１６は、チャネル層１３を電流が流れる方向ａ（図４参照）に対して垂直な方向ｂ（図３参照）に長いフィンガー形状に形成され、カソード電極１５とアノード電極１６が交互に配置された櫛状の電極になっている。つまり、カソード電極１５およびアノード電極１６はフィンガー部１５ａおよび１６ａをそれぞれ有する（図３参照）。このような櫛状の電極構成に対応して、メサ１８の側面部１８ａ、１８ｂは、図２および図３の破線で示すように、上記方向ｂに細長い形状になっている。メサ１８の側面部１８ａには、フィンガー形状のアノード電極１６の中心部全体（フィンガー部１６ａの中心部全体）が接触している（図２、図３参照）。一方、メサ１８の側面部１８ｂには、フィンガー形状のカソード電極１５の中心部全体（フィンガー部１５ａの中心部全体）が接触している（図２、図３参照）。
【００２７】
図１に示す窒化物系ダイオード１０は以下のようにして作製することが可能である。即ち、成長装置はＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置を用い、基板は、シリコン（１１１）基板１１を用いた。
【００２８】
（工程１）
シリコン基板１１の（１１１）面上にバッファ層１２を形成する。（工程１）では、まず、シリコン基板１１をＭＯＣＶＤ装置内に導入し、ターボポンプでＭＯＣＶＤ装置内の真空度を１×１０-6ｈＰａ以下になるまで真空引きした後、真空度を１００ｈＰａとし、基板１１を１０００℃に昇温した。温度が安定したところで、シリコン基板１１を９００ｒｐｍで回転させ、原料となるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を１００ｃｍ3／ｍｉｎ、アンモニアを１２リットル／ｍｉｎの流量でシリコン基板１１の表面に導入し、ＡｌＮから成る層の成長を行った。成長時間は４ｍｉｎで膜厚は５０ｎｍ程度である。次に、ＡｌＮ（５ｎｍ）とＧａＮ（２０ｎｍ）の多層膜を約１６０対積層させる。ＧａＮ層は、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を３００ｃｍ３／ｍｉｎ、アンモニアを１２リットル／ｍｉｎの流量で成長を行なった。これによりバッファ層１２が形成される。
【００２９】
（工程２）
次に、バッファ層１２上にアンドープのＧａＮから成るチャネル層１３を形成する。（工程２）では、アンモニアを１２リットル／ｍｉｎの流量で流しながら温度上昇させ、１０５０℃に保った後に、ＴＭＧを３００ｃｍ3／ｍｉｎ、アンモニアを１２リットル／ｍｉｎの流量でバッファ層１２の上に導入してアンドープのＧａＮから成るチャネル層１３の成長を行った。成長時間は２０００ｓｅｃで、チャネル層１３の膜厚は１０００ｎｍであった。
【００３０】
（工程３）
次に、チャネル層１３上にアンドープのＡｌＧａＮから成る電子供給層１４を形成する。（工程３）では、ＴＭＡを５０ｃｍ3／ｍｉｎ、ＴＭＧを１００ｃｍ3／ｍｉｎ、アンモニアを１２リットル／ｍｉｎの流量で導入し、アンドープのＡｌ0.2Ｇａ0.75Ｎから成る電子供給層１４の成長を行った。成長時間は４０ｓｅｃで、電子供給層１４の膜厚は２０ｎｍである。このようにして、図６（ａ）に示すエピタキシャル層構造が完成する。
【００３１】
（工程４）
次に、塩素ガス（Ｃｌ２ガス）などを用いて、チャネル層１３および電子供給層１４の一部をエッチング除去して素子分離を行う。
【００３２】
（工程５）
次に、電子供給層１４のカソード電極およびアノード電極を形成する領域を塩素系ガスを用いてドライエッチングし、チャネル層１３に達する深さまで部分的に除去し、メサ１８を形成する（図６（ｂ）参照）。
【００３３】
（工程６）
次に、メサ１８の側面部１８ｂと接触するように、カソード電極１５を形成する。（工程６）では、上記（工程５）でエッチングにより除去することで露出したチャネル層１３の表面の一部、メサ１８の側面部１８ｂの表面および電子供給層１４の表面の一部にカソード電極１５をリフトオフ法により形成する（図６（ｃ）参照）。
即ち、チャネル層１３の露出した表面および電子供給層１４の表面全体にフォトレジスト（不図示）を塗布し、このフォトレジストを露光、現像して、カソード電極１５の形成領域に開口部を形成し、さらに、開口部内とフォトレジスト上に金属膜をスパッタ法、真空蒸着法等により形成した後に、フォトレジストを除去することにより残った金属膜をカソード電極１５とする。カソード電極１５は、例えばＴｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔａ、ＭｏあるいはＷなどの金属、またはそれらの合金（特にシリサイド合金が好ましい）を含む金属膜である。また、形成したカソード電極１５に、オーミック接触を取るための熱処理を施す。
【００３４】
（工程７）
次に、カソード電極１５を覆うように、ＳｉＯ２等からなる絶縁膜１９をチャネル層１３および電子供給層１４の表面全体に形成し、アノード電極の形成領域をエッチングして開口部１９ａを形成する（図７（ａ）参照）。
【００３５】
（工程８）
次に、メサ１８の側面部１８ａと接触するように、アノード電極１６をリフトオフ法により形成する。（工程８）では、まず、絶縁膜１９の表面全体にフォトレジスト２１を塗布し、このフォトレジスト２１を露光、現像して、アノード電極１６の形成領域に、絶縁膜１９の開口部１９ａより大きい開口部２１ａを形成する（図７（ｂ）参照）。
【００３６】
この後、開口部１９ａ，２１ａ内とフォトレジスト２１上に金属膜をスパッタ法、真空蒸着法等により形成した後に、フォトレジスト２１を除去することにより残った金属膜をアノード電極１６とする（図７（ｃ）参照）。アノード電極は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、ＴａおよびＡｌなどの金属、またはこれらの金属の合金を含む金属膜である。その結果、図１に示した窒化物系ダイオード１０が作製できた。
【００３７】
以上のような構成の窒化物系ダイオード１０においては、ショットキー電極であるアノード電極１６に所定の電圧（順バイアス）が印加されると、カソード電極１５から２次元電子ガス層１７を通ってアノード電極１６へ電子が流れ、アノード電極１６からカソード電極１５へ電流が流れる。
【００３８】
以上の構成を有する第１の実施形態に係る窒化物系ダイオード１０によれば、以下の作用効果を奏する。
アノード電極１６がメサ１８の側面部１８ａにおいてチャネル層１３と直に接触し、アノード電極１６と２次元電子ガス層１７とが電気的に接続されている。これにより、電子供給層１４においてトンネル電流が生じることがないので、逆方向のリーク電流が低減される。これによって耐圧が向上すると共に、低オン電圧が実現できるため、低オン抵抗を実現できる。
【００３９】
図５は、ショットキーダイオードである窒化物系ダイオード１０の電気特性と、図１４で説明したような従来のショットキーダイオード（従来例）の電気特性とを示すグラフである。横軸はアノード電極への印加電圧（Ｖａｃ）を、縦軸はアノード電極からカソード電極へ流れる電流（Ｉａｃ）をそれぞれ示している。図５では、窒化物系ダイオード１０の電気特性を曲線２３で、従来例の電気特性を曲線２４でそれぞれ示している。図５のグラフで示すように、従来例の場合、逆方向のリーク電流Ｉ１が数百μＡ／ｍｍ〜ｍＡ／ｍｍ程度と非常に大きかったのに対し、本実施形態によれば、逆方向のリーク電流Ｉ２を従来例よりも4桁以上下げ、数ｎＡ／ｍｍ〜数十ｎＡ／ｍｍ程度にまで下げることが可能になった。また、従来例の場合、オン電圧が１Ｖ程度と高かったのに対し、本実施形態によれば、オン電圧を０．６Ｖ程度に低減することが出来た。
【００４０】
電子供給層１４のうち、アノード電極を形成する領域を、チャネル層１３に達する深さまで除去して、アノード電極１６がメサ１８の側面部１８ａにおいてチャネル層１３と直に接触するようにしている。このため、ダイオードの作製が容易になると共に、オン電圧などのバラツキを抑制できる。
【００４１】
方向ｂ（図３参照）に長いフィンガー形状のアノード電極１６の中心部全体を、同じ方向ｂに細長い形状を有するメサ１８の側面部１８ａに接触させることで、アノード電極１６と２次元電子ガス層１７とが線接触し、アノード電極１６と２次元電子ガス層１７の良好な電気的接続を得ることがきる。
【００４２】
（第２の実施形態）
図８は、本発明の第２の実施形態に係る窒化物系ダイオード１０Ａの概略構成を示している。
この窒化物系ダイオード１０Ａの特徴は、図１に示す上記第１の実施形態に係る窒化物系ダイオード１０において、メサ１８の上面全体にＳｉＯ２などの絶縁膜３０が形成され、メサ１８の側面部１８ａに接触するアノード電極１６の一部が絶縁膜３０上に延びている構成にある。つまり、アノード電極１６が絶縁膜３０上からメサ１８の側面部１８ａにわたって形成されている。この窒化物系ダイオード１０Ａでは、メサ１８の側面部１８ａにおいてチャネル層１３と直に接触するアノード電極１６が電子供給層１４のメサ１８の上面に接触する面積を極力低減させた構造になっている。窒化物系ダイオード１０Ａのその他の構成は、第１の実施形態に係る窒化物系ダイオード１０と同様である。
【００４３】
このように、窒化物系ダイオード１０Ａでは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面に発生する二次元電子ガス層１７にアノード電極１６が接触して導通が取れている一方で、電子供給層１４上（メサ１８の上面）にはＳｉＯ2などの絶縁膜３０（表面保護膜）が形成されており、アノード電極１６が電子供給層１４に接触する面積を極力低減させた構造になっている。すなわち、電子供給層１４表面に絶縁膜３０を配し、少なくともアノード電極１６との接触は極力チャネル層１３だけにすることで、逆方向のリーク電流と耐圧を改善可能な構造にしている。
【００４４】
図８に示す窒化物系ダイオード１０Ａは以下のようにして作製することが可能である。即ち、成長装置はＭＯＣＶＤ装置を用い、基板は、（１１１）面を主表面とするシリコン（１１１）基板１１を用いた。
まず、窒化物系ダイオード１０の上記作製方法と同様に、図９（ａ）に示すエピタキシャル層構造を作製する
【００４５】
次に、Ｃｌ２ガスなどを用いて、チャネル層１３および電子供給層１４の一部をエッチング除去して素子分離を行う。
次に、電子供給層１４のカソード電極およびアノード電極を形成する領域を塩素系ガスを用いてドライエッチングし、チャネル層１３に達する深さまで部分的に除去し、メサ１８を形成する（図９（ｂ）参照）。
次に、メサ１８の上面にＳｉＯ２などの絶縁膜３０を形成する（図９（ｃ）参照）。
【００４６】
次に、メサ１８の側面部１８ｂと接触するように、カソード電極１５をリフトオフ法により形成する。
即ち、絶縁膜３０を覆うようにチャネル層１３の露出した表面および電子供給層１４の表面全体にフォトレジスト３１を塗布し（図１０（ａ）参照）、このフォトレジスト３１を露光、現像して、カソード電極１５の形成領域に開口部３１ａを形成し、さらに、開口部３１ａ内とフォトレジスト３１上に金属膜をスパッタ法、真空蒸着法等により形成した後に、フォトレジストを除去することにより残った金属膜をカソード電極１５とする（図１０（ｂ）参照）。カソード電極１５は、例えばＴｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔａ、ＭｏあるいはＷなどの金属、またはそれらの合金（特にシリサイド合金が好ましい）を含む金属膜である。また、形成したカソード電極１５に、オーミック接触を取るための熱処理を施す。
【００４７】
次に、メサ１８の側面部１８ａと接触するように、アノード電極１６をリフトオフ法により形成する。
即ち、カソード電極１５および絶縁膜３０を覆うようにチャネル層１３の露出した表面および電子供給層１４の表面全体にフォトレジスト（図示省略）を塗布し、このフォトレジストを露光、現像して、アノード電極１６の形成領域に開口部を形成し、さらに、開口部内とフォトレジスト上に金属膜をスパッタ法、真空蒸着法等により形成した後に、フォトレジストを除去することにより残った金属膜をアノード電極１６とする（図１０（ｃ）参照）。アノード電極は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、Ｔａ、Ａｌなどの金属或いはこれらの金属の合金を含む金属膜である。
その結果、図８に示した窒化物系ダイオード１０Ａを作製できた。
【００４８】
以上の構成を有する第２の実施形態に係る窒化物系ダイオード１０Ａによれば、上記第１の実施形態が奏する作用効果に加えて以下の作用効果を奏する。電子供給層１４の表面状態の不完全性、つまり表面のラフネスが大きいと、メサ１８部分の電子供給層１４に部分的にトンネル電流が生じる。電子供給層１４のメサ１８とアノード電極１６が接触する面積が大きいと、そのトンネル電流が生じる確率が高くなり、逆方向のリーク電流が増える。そのため、アノード電極１６は、電子供給層１４のメサ１８上面には極力接触させずに、メサ１８の側面部１８ａでチャネル層１３に直に接触させるのが好ましい。
第２の実施形態によれば、メサ１８の側面部１８ａにおいてチャネル層１３と直に接触するアノード電極１６が電子供給層１４のメサ１８上面に接触する面積を極力低減させた構造になっているので、逆方向のリーク電流が更に低減され、これによって、耐圧が更に向上する。
【００４９】
（第３の実施形態）
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る窒化物系ダイオード１０Ｂの主要部を示す斜視図図である。図１２は、窒化物系ダイオード１０Ｂを上方から見た図で、図３と同様の模式図である。図１３は図１１のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。この窒化物系ダイオード１０Ｂの特徴は、図１に示す上記第１の実施形態に係る窒化物系ダイオード１０Ａにおいて、フィンガー形状のカソード電極１５およびアノード電極１６の各端部に電界が集中しやすいため、電界集中を緩和できるように、以下の構成を採用している点にある。
【００５０】
窒化物ダイオード１０Ｂでは、図１１乃至図１３に示すように、電子供給層１４およびチャネル層１３は、メサ１８がフィンガー部１５ａ、１６ａの長手な方向（チャネル層１３を電流が流れる方向ａに対して垂直な方向ｂ）に沿って間欠的に形成されるように部分的に除去されている。
つまり、メサ１８の一方の斜面には複数の側面部１８ａが形成されている（図１１参照）。そして、メサ１８は、フィンガー形状のアノード電極１６とメサ１８の各側面部１８ａとが接触する面積が、フィンガー部１６ａの先端側（図１２で左側）へ向かって徐々に大きくなるように形成されている（図１１、図１２参照）。
【００５１】
また、メサ１８の他方の斜面には複数の側面部１８ｂが形成されている（図１１参照）。そして、メサ１８は、フィンガー形状のカソード電極１５とメサ１８の各側面部１８ｂとが接触する面積が、フィンガー部１５ａの先端側（図１２で右側）へ向かって徐々に大きくなるように形成されている（図１１、図１２参照）。
窒化物系ダイオード１０Ｂのその他の構成は、第２の実施形態に係る窒化物系ダイオード１０Ａと同様である。
【００５２】
以上の構成を有する第３の実施形態に係る窒化物系ダイオード１０Ｂによれば、上記第１の実施形態が奏する作用効果に加えて以下の作用効果を奏する。
フィンガー形状のアノード電極１６とメサ１８の各側面部１８ａとが接触する面積が、フィンガー部１６ａの先端側（図１２で左側）へ向かって等価的に徐々に大きくなっているので、電界集中しやすいアノード電極１６の端部での電界集中が緩和され、電界集中に対して強い構造が実現できる。
【００５３】
なお、上記各実施形態では、メサ１８の側面部１８ａにアノード電極１６が、その側面部１８ｂにカソード電極１５がそれぞれ接触している構成の窒化物系ダイオードについて説明したが、少なくともアノード電極１６がメサ１８の側面部１８ａに接触している窒化物系ダイオードに本発明は適用可能である。
【００５４】
上記各実施形態で説明した窒化物系ダイオードにおいて、２次元電子ガス層１７のキャリア濃度を高くし、キャリアの移動度を大きくするために、厚さの薄いＡｌＮ層を挿入するのが好ましい。このような構成を有する窒化物系ダイオードでは、上記各実施形態で説明したように、アノード電極１６およびカソード電極１５をメサ１８の側面部１８ａ、１８ｂにそれぞれ接触させることにより、カソード電極１５と半導体層（電子供給層１４およびチャネル層１３）との間で、良好なオーミック接触が得られる。
【００５５】
上記各実施形態では、横型の窒化物系ダイオードについての例を示したが、縦型の窒化物系ダイオードへの適用も可能であることはいうまでも無い。つまり、上記各実施形態において、基板を導電性の基板とし、カソード電極１５またはアノード電極１６が基板の裏面に形成した裏面電極に電気的に接続されている構成を有する縦型の窒化物系ダイオードにも本発明は適用可能である。
【００５６】
また、上記各実施形態では、一例としてＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合構造を有する窒化物系ショットキーバリアダイオードとして構成した窒化物系ダイオードについて説明したが、本発明は、ショットキーバリアダイオードに限らず、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合構造を有し、アノード電極とカソード電極とを有する窒化物系ダイオードに広く適用可能である。
【００５７】
また、上記各実施形態において、チャネル層１３をＩｎＧａＮ（第１のＧａＮ系化合物半導体）で構成し、電子供給層１４をＩｎＡｌＧａＮ（第２のＧａＮ系化合物半導体）で構成した窒化物系ダイオードにも本発明は適用可能である。この窒化物系ダイオードでは、ＩｎＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合界面には、自発分極によって、ＧａＮ側に高濃度の二次元電子ガス層が形成される。
また、シリコン基板以外のＳｉＣ基板、サファイア基板、ＧａＮ基板、ＭｇＯ基板、ＺｎＯ基板上など、ＧａＮが結晶成長可能なあらゆる基板上の素子についても成り立つことは言うまでも無い。
【符号の説明】
【００５８】
１０、１０Ａ、１０Ｂ：窒化物系ダイオード
１１：シリコン基板 １２：バッファ層
１３：チャネル層
１４：電子供給層
１５：カソード電極
１５ａ：フィンガー部
１６：アノード電極
１６ａ：フィンガー部
１７：２次元電子ガス層
１８：メサ
１８ａ、１８ｂ：側面部
３０：絶縁膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された第１の窒化物系化合物半導体からなるチャネル層と、
前記チャネル層上に形成され、第２の窒化物系化合物半導体からなる電子供給層と、
前記電子供給層上に形成されたカソード電極およびアノード電極と、
前記電子供給層の一部を、前記チャネル層に達する深さまで部分的に除去したメサと、を備え、
前記メサの側面部に、前記カソード電極およびアノード電極のうち、少なくとも前記アノード電極が接触していることを特徴とする窒化物系ダイオード。
【請求項２】
前記メサの上面に絶縁膜が形成され、前記アノード電極が前記絶縁膜上から前記メサの側面部にわたって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系ダイオード。
【請求項３】
前記カソード電極および前記アノード電極は、フィンガー部を有し、
前記メサが前記フィンガー部の長手方向に沿って間欠的に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物系ダイオード。
【請求項４】
前記メサは、前記カソード電極または前記アノード電極と前記メサの各側面部とが接触する面積が、前記フィンガー部の先端側へ向かって徐々に大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項３に記載の窒化物系ダイオード。
【請求項５】
前記第１のＧａＮ系半導体材料はＧａＮであり、前記第２のＧａＮ系半導体材料はＡｌＧａＮであることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の窒化物系ダイオード。
【請求項６】
前記第１のＧａＮ系半導体材料はＩｎＧａＮ或いはＧａＮであり、前記第２のＧａＮ系半導体材料はＩｎＡｌＧａＮであることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の窒化物系ダイオード。
【請求項７】
前記アノード電極には、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、ＴａおよびＡｌ、またはそれらの金属の合金を用いることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の窒化物系ダイオード。
【請求項８】
前記カソード電極には、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、またはそれらの合金を用いることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の窒化物系ダイオード。
【請求項９】
前記基板は導電性の基板であり、前記カソード電極またはアノード電極は前記基板の裏面に形成された裏面電極に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８の何れか１項に記載の窒化物系ダイオード。
【請求項１】
基板上に形成された第１の窒化物系化合物半導体からなるチャネル層と、
前記チャネル層上に形成され、第２の窒化物系化合物半導体からなる電子供給層と、
前記電子供給層上に形成されたカソード電極およびアノード電極と、
前記電子供給層の一部を、前記チャネル層に達する深さまで部分的に除去したメサと、を備え、
前記メサの側面部に、前記カソード電極およびアノード電極のうち、少なくとも前記アノード電極が接触していることを特徴とする窒化物系ダイオード。
【請求項２】
前記メサの上面に絶縁膜が形成され、前記アノード電極が前記絶縁膜上から前記メサの側面部にわたって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系ダイオード。
【請求項３】
前記カソード電極および前記アノード電極は、フィンガー部を有し、
前記メサが前記フィンガー部の長手方向に沿って間欠的に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物系ダイオード。
【請求項４】
前記メサは、前記カソード電極または前記アノード電極と前記メサの各側面部とが接触する面積が、前記フィンガー部の先端側へ向かって徐々に大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項３に記載の窒化物系ダイオード。
【請求項５】
前記第１のＧａＮ系半導体材料はＧａＮであり、前記第２のＧａＮ系半導体材料はＡｌＧａＮであることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の窒化物系ダイオード。
【請求項６】
前記第１のＧａＮ系半導体材料はＩｎＧａＮ或いはＧａＮであり、前記第２のＧａＮ系半導体材料はＩｎＡｌＧａＮであることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の窒化物系ダイオード。
【請求項７】
前記アノード電極には、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、ＴａおよびＡｌ、またはそれらの金属の合金を用いることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の窒化物系ダイオード。
【請求項８】
前記カソード電極には、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、またはそれらの合金を用いることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の窒化物系ダイオード。
【請求項９】
前記基板は導電性の基板であり、前記カソード電極またはアノード電極は前記基板の裏面に形成された裏面電極に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８の何れか１項に記載の窒化物系ダイオード。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１１−１２４２５８（Ｐ２０１１−１２４２５８Ａ）
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７８３３１（Ｐ２００９−２７８３３１）
【出願日】平成２１年１２月８日（２００９．１２．８）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月８日（２００９．１２．８）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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