(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型GaN基板上に設けられたｎ型導電型の窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層の表面で、かつ所望のショットキー電極形成領域内に設けられた、前記窒化物半導体層とショットキー接合を成すショットキー電極と、
前記ｎ型GaN基板の裏面に対してオーミック接続するオーミック電極と、
前記ショットキー電極上に設けられた上部電極と、を備え、
前記窒化物半導体層の表面に設けられた前記ショットキー電極は、上面から見て、同心を有する多重の環状からなる複数のショットキー接合部、または、長尺を角を持つように折り曲げて閉じた状態とした形状の同心を有する多重の近似形状からなる複数のショットキー接合部を有する複数のショットキー電極であり、
前記複数のショットキー電極は、前記上部電極によって電気的に接続され、
前記窒化物半導体層の表面に接する前記複数のショットキー接合部の端部（境界）の長さの合計は、前記ショットキー電極形成領域の外周長よりも長いことを特徴とする窒化物半導体ダイオード。
【請求項２】
請求項１記載の窒化物半導体ダイオードにおいて、前記長さの合計は、前記外周長の１０倍以上あることを特徴とする窒化物半導体ダイオード。
【請求項３】
請求項１記載の窒化物半導体ダイオードにおいて、前記長さの合計は、前記外周長の２０倍以上であることを特徴とする窒化物半導体ダイオード。
【請求項４】
請求項１記載の窒化物半導体ダイオードにおいて、前記複数のショットキー電極の夫々の電極間隔は１μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体ダイオード。
【請求項５】
請求項１記載の窒化物半導体ダイオードにおいて、前記窒化物半導体層は、窒化ガリウム若しくは窒化アルミニウムガリウムが含まれることを特徴とする窒化物半導体ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体に対してショットキー接触するアノード電極を備えた窒化物半導体ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、基板中の転位密度が低いｎ型ＧａＮ基板上に低濃度のｎ型ＧａＮドリフト層を形成して、前記ドリフト層上にショットキー電極を設け、前記ｎ型ＧａＮ基板裏面にオーミック電極（カソード電極）を備えた構造の縦ショットキーバリアダイオードが開示されている。特許文献１のショットキーバリアダイオードでは、基板に低転位のＧａＮ基板を用いることで、前記ＧａＮ基板上にエピタキシャル成長した低濃度ＧａＮ層からなるドリフト層中の転位も減少するため、転位に起因した逆方向リーク電流の増大を抑制し、逆方向耐圧が向上することが記載されている。さらに、ＧａＮ基板を用いることで、結晶品質の劣化なくドリフト層を十分に厚くエピタキシャル成長できるため、パンチスルーの生じない理想的なブレークダウンを目指したドリフト層の厚さ、及びキャリア濃度の設計がしやすいことが記載されている。
【０００３】
また、特許文献２には、低コスト化のため基板としてｎ型シリコン基板を用い、ｎ型シリコン基板上に、複数の窒化物半導体からなる厚さ１０μｍ以上の凸型窒化物半導体選択成長層と、個々の凸型窒化物半導体選択成長層の最頂部にショットキー接続するアノード電極と、ｎ型シリコン基板裏面にオーミック接続するカソード電極と、隣合う個々の凸型窒化物半導体選択成長層脇に生じた凹部を埋め込み平坦化するための絶縁膜と、個々の凸型窒化物半導体選択成長層上に形成されたアノード電極を電気的に接続するための配線を備えた構造の縦型ショットキーバリアダイオードが開示されている。特許文献２には、安価なシリコン基板上に対して凸状に選択成長された窒化物半導体層をキャリア層として用いているため、基板との熱膨張差による影響を抑えることができるので、凸状の窒化物半導体層にクラックを生じることなく１０μｍ以上の厚膜成長が可能となり、素子の耐圧を向上できることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１００８０１号公報
【特許文献２】特開２００８−１２４１３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１によれば、逆方向耐圧に関わる課題に対して、結晶欠陥密度や転                    位密度の低いＧａＮ基板を利用することの利点は大きい。しかしながら、ＧａＮ基板はシリコン基板等と比較して非常に高価であり、例えばＧａＮ基板を用いて作製したショットキーバリアダイオードを、工業製品として実用化するためには、チップ面積を極力小さくして基板コストを下げる必要がある。特許文献１に記載されたアノード電極（ショットキー電極）とカソード電極（オーミック電極）を基板の表裏に配置して、電流が縦方向に流れる縦型ショットキーバリアダイオードの場合、ダイオードの順方向特性は、ドリフト層のキャリア濃度と厚さ、及びアノード電極がドリフト層とショットキー接合する面積、すなわち、アノード−カソード電極間におけるドリフト層の縦方向の抵抗成分でほぼ決まる。
【０００６】
一方、逆方向耐圧特性は、上記ドリフト層のキャリア濃度と厚さでほぼ決まり、高耐圧特性を得るには、通常低キャリア濃度で厚膜のドリフト層が用いられている。これは順方向特性にとっては大きな抵抗成分となるため、大きな順方向電流を得るためには、大面積のショットキー接合面積が必要となる。言い換えれば大面積のショットキー電極を形成する領域（以降、ショットキー電極形成領域と称す）が、ダイオードチップ上の一方の半導体面で必要となるため、このショットキー電極形成領域の面積に応じてダイオードチップの面積、サイズが決まってしまい、大きな順方向電流を得ることとチップ面積の縮小の両立が困難であるという課題がある。
【０００７】
また、特許文献２では、低コスト化のため、基板材料を高価なＧａＮ基板ではなく安価なシリコン基板を用いているが、シリコン基板上への均一な窒化物半導体厚膜選択成長技術や、１０μｍもの高さを有する凸型窒化物半導体選択成長層脇の凹部の埋め込み平坦化技術等、複雑で技術的に難易度の高いプロセスを必要とし、技術的な困難さゆえに高い歩留りで容易に製造することは難しい。さらには凸型窒化物半導体以外のシリコン基板領域の分だけチップ面積が増大してしまうため、チップ面積の縮小が困難であり、特許文献１の構造とは異なる観点で低コスト化は難しいという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願に係る発明の代表的なものを挙げると以下のとおりである。基板上に設けられたｎ型導電型の窒化物半導体層と、窒化物半導体層の表面に設けられた、窒化物半導体層とショットキー接合を成すショットキー電極と、窒化物半導体層に対してオーミック接続するオーミック電極と、を備え、ショットキー電極と窒化物半導体層の表面とが接する境界の長さの合計が、ショットキー電極のショットキー電極形成領域の外周長よりも長い窒化物半導体ダイオードである。
【０００９】
また、上記に加え、この外周長は、ショットキー電極が複数の電極により形成される場合には、上面から見てショットキー電極のすべてを取り囲む形状の最小の長さであり、窒化物半導体層に凹部が形成されている場合には、上面から見て凹部が形成されているよりも外側に形成されたドリフト層であって、当該ドリフト層を取り囲む形状の最小の長さである窒化物半導体ダイオードである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の構成によれば、従来と同じダイオードチップの面積、サイズであっても、従来よりも順方向電流の大きい窒化物半導体ダイオードを提供することができる。また、本発明の構成によれば、小さなチップ面積でも従来と同じの順方向電流が得られる窒化物半導体ダイオードを提供することができる。また、それに加え、低コストの窒化物半導体ダイオードを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１のショットキーダイオードの上面図である。
【図２】本発明の実施例１のショットキーダイオードの断面図である。
【図３】本発明の実施例２のショットキーダイオードの上面図である。
【図４】本発明の実施例２のショットキーダイオードの断面図である。
【図５】本発明の実施例３のショットキーダイオードの上面図である。
【図６】本発明の実施例４の窒化物半導体ダイオードの上面図である。
【図７】本発明の実施例４の窒化物半導体ダイオードの断面図である。
【図８】本発明の実施例５の窒化物半導体ダイオードの上面図である。
【図９】本発明の実施例５の窒化物半導体ダイオードの断面図である。
【図１０】本発明の実施例６のショットキー電極の上面図である。
【図１１】本発明の実施例６のショットキー電極の上面図である。
【図１２】本発明の実施例６のショットキー電極の上面図である。
【図１３】従来構造による縦型ダイオードの順方向電圧−電流密度特性を示す                    図である。
【図１４】従来構造による縦型ダイオードの順方向電圧−単位ショットキー電極外周長換算電流特性を示す図である。
【図１５】本発明のショットキー電極構造の効果を検証するために行った実験結果（電流−電圧特性）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
はじめに、本発明者らが行った実験結果について説明する。本発明者らは、特許文献１に記載された構成に近いエピ構造を有するＧａＮ基板を使った縦型ショットキーバリアダイオードを試作し、アノード電極であるショットキー電極のサイズ（ショットキー接合面積と等しい）をパラメータとして実測したダイオード特性から、順方向電圧−電流密度特性を調べた。その結果を図１３に示す。なお、本実験に用いたダイオードエピ基板は、ｎ型ＧａＮ基板上に低濃度ｎ型ＧａＮドリフト層をエピタキシャル成長したものであり、低濃度ｎ型ＧａＮドリフト層のキャリア濃度は５×１０１５ｃｍ−３、膜厚は１０μｍである。
【００１３】
パラメータであるショットキー電極は円形であり、その寸法は、直径１００μｍφ（特性線１）、２００μｍφ（特性線２）、３００μｍφ（特性線３）、４００μｍφ（特性線４）、５００μｍφ（特性線５）である。ショットキー電極金属は、夫々膜厚２００ｎｍのＰｄ単膜である。ｎ型ＧａＮ基板裏面には、カソード電極としてＴｉ/Ａｌオーミック電極を配置した。
【００１４】
図１３によれば、電極サイズごとの順方向電圧−電流密度特性は一致せず、ショットキー電極サイズが小さいものほど素子抵抗が低く、高い電流密度が得られる傾向を示した。同図より、特性線１に示すショットキー電極サイズが１００μｍφの時の順方向電圧−電流密度特性によれば、順方向電圧が１.５Ｖの時に約７００Ａの電流が得られるのに対して、特性線２に示す２００μｍφでは、その約１／２の電流しか得られない。さらに特性線３〜特性線５に示すように、電極サイズが大きくなるほど、特定の順方向電圧において得られる電流値は減少しており、この実験結果からは正確な単位面積あたりの素子抵抗、及び電流密度を見積ることはできなかった。
【００１５】
この実験結果によれば、窒化物半導体を用いた従来構造の縦型ショットキーバリアダイオードの場合、従来のシリコンによる縦型ショットキーバリアダイオードと異なり、順方向電流はショットキー接合面積に比例した増大傾向は示さないため、必要なデバイスパラメータの取得が不可能であることが判明した。したがって、低コスト化に向けた適切なデバイス設計が困難であり、大電流駆動の窒化物半導体ショットキーバリアダイオードを製造する上で大きな問題があることを発明者らは見出した。
【００１６】
次に、本発明者らは、電極サイズごとに電流密度の差が生じた原因を調べるため、実測した順方向特性を電極サイズごとに、窒化物半導体／ショットキー電極接合部におけるショットキー電極端部の長さを単位長さ（１ｃｍ）あたりに換算してグラフ化した。その結果を図１４に示す。図１４に示すように全てのショットキー電極サイズの特性が、ほぼ一致する傾向を示した。
【００１７】
ショットキーバリアダイオードの順方向電流は、一般に半導体とショットキー接合する電極面全体で均等に電気が流れるものであると知られているが、本発明者らの実験によれば、少なくとも窒化物半導体であるＧａＮを用いて作製した縦型ショットキーバリアダイオードの順方向電流は、ショットキー電極面積に依存するのではなく、窒化物半導体／ショットキー電極接合部におけるショットキー電極端部の外周長に依存する、すなわち窒化物半導体と接合しているショットキー電極接合部の端部を主体的に流れることを伺わせる結果が得られた。
【００１８】
そこで、さらに本発明者らは、この現象の真偽を調べるため、前記の実験に用いたダイオードエピ基板と同じ基板を使って、窒化物半導体表面に直径１００μｍφ、膜厚２００ｎｍのＰｄからなるショットキー電極を離間して１６個形成し、これを配線金属により全て電気的に並列接続した形のアノード電極を備えた縦型ショットキーバリアダイオードを試作した。この時、配線金属は窒化物半導体表面には接触しないように形成している。このアノード電極は、窒化物半導体／ショットキー電極接合部におけるショットキー電極端部の合計した長さ（外周長）が、前述の直径４００μｍφのショットキー電極に対して約４倍の長さになるが、ショットキー接合面積は直径４００μｍφ電極と等しい面積となる。
【００１９】
この直径１００μｍφ×１６個のショットキー接合面積を有するダイオードの順方向特性を評価した結果を図１５に示す。が、特性線４として示した従来構造である直径４００μｍφのショットキー電極からなるダイオードと比較して、同図中の特性線６として示した上記直径１００μｍφ×１６個のショットキー接合面積を有するダイオードの特性は、明らかに特性の傾きが垂直に近く、従来構造である特性線４よりも素子抵抗が低くなることが判明した。
【００２０】
これは、ショットキー電極端部において主体的に順方向電流が流れる効果によって、窒化物半導体とのショットキー接合面積が等しい場合でも、ショットキー接合しているショットキー電極端部の外周長を長くすることで、素子抵抗が低くなる効果が得られたものと推測される。
【００２１】
さらに、上記構成を８個の接続として測定した結果、ほぼ同等の素子抵抗特性を示したが、立上り電圧が０．１〜０．１５Ｖ程度上昇した。これは、上記従来のショットキー電極と上記８個の接続によるショットキー電極とを比較すると、ショットキー接合面積は従来の１／２である。この立上り電圧の上昇は、このショットキー接合面積が減少したことによるものであり、このことから、ショットキー接合面積が減少した場合でも、ショットキー接合するショットキー電極端部の長さを大きくすることで、電流の立上り電圧はショットキー接合面積の減少に応じて若干上昇するものの、ダイオードの素子抵抗自体は、従来の単純な１個の円形ショットキー電極からなるダイオードよりも低減できることを示唆するものである。
【００２２】
以上のことから、本発明者らは、ダイオードの立上り電圧を増大させずに素子抵抗を低減するためには、ショットキー接合面積を極力減少させずに、窒化物半導体とショットキー接合するショットキー電極の端部の長さを可能な限り長くすることが極めて有効であることを見出した。
【００２３】
したがって、小さなチップ面積であっても、窒化物半導体に対してショットキー接合しているショットキー電極接合端部の長さが大きくなるように、ショットキー電極に対して、比較的簡便な形状、配置の改良を加えるだけで、従来よりも素子抵抗を低減できるため、同一チップ面積であれば従来よりも大きな順方向電流を得ることが可能となり、また同じ電流値を得る場合には従来よりもチップ面積を小さくできるため、基板コストを低減できることを本発明者らは見出した。
【００２４】
上記得られた知見に基づき、本発明はなされたものであり、以下に本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００２５】
以下、本発明の実施例１である窒化物半導体ダイオードの実施形態について説明する。図１及び図２は、それぞれ本実施例に係る窒化物半導体ダイオードの上面図、ならびに図1上面図におけるＡ-Ａ’断面図である。なお、本発明の主旨は、窒化物半導体にショットキー接合するショットキー電極接合部の形状、構造に関するものであるため、以下で説明するダイオードエピ基板のエピタキシャル成長層の構成は、本発明者らの実験に用いた構成と同じものを例に示しているが、本発明の構成による効果が従来と比較しやすいために用いているものであり、これに限定されるものではない。また、図１に示した上面図では、本発明のショットキー電極接合部の形状がわかりやすいように、位置的には上部電極の下層にありながら、実線で窒化物半導体とショットキー接合するショットキー電極接合部を記している。
【００２６】
図１及び図２について説明する。本願発明に係る実施例１の窒化物半導体ダイオードチップ１は、チップサイズが６００μｍ×６００μｍであり、低濃度ｎ型ＧａＮドリフト層３は、ｎ型ＧａＮ基板２上に設けられた窒化物半導体層からなり、このドリフト層３のキャリア濃度は５×１０１５ｃｍ−３、膜厚は１０μｍである。このドリフト層３に接して、図１に示すように、チップ中心を同心とした複数の円環形状からなり、電極幅ａが９μｍであるＰｄからなる多重円環状のショットキー接合電極４が最大５００μｍφ径に至るまで形成されており、このときの円環形状のショットキー接合電極４は全部で２５個（２５重）形成されている。ショットキー接合電極４で示された領域が、本実施例におけるショットキー電極接合部となる。なお、円環形状のショットキー接合電極４であるＰｄの膜厚は２００ｎｍである。内側と外側にそれぞれ隣接する円環状のショットキー接合電極４間の距離ｂは等間隔で全て１μｍであり、円環状のショットキー接合電極４間、及び最も外側に位置する円環状のショットキー接合電極４の外側のドリフト層３上には、高抵抗体５として膜厚２００ｎｍのＳｉＮ膜が設けられている。
【００２７】
円環状のショットキー接合電極４上、及び高抵抗体５上の所望の領域には、Ｔｉ（膜厚１００ｎｍ）／Ａｕ（膜厚４０００ｎｍ）からなる上部電極６が設けられており、円環状に窒化物半導体とショットキー接合するショットキー接合電極４は、上部電極６によって全て電気的に接続され、アノード電極を構成する。ｎ型ＧａＮ基板２の裏面には、ｎ型ＧａＮ基板２にオーミック接続するＴｉ／Ａｌ電極からなるカソード電極７が設けられている。
【００２８】
符号８は、ショットキー電極形成領域であり、ショットキー電極形成領域は、ショットキー電極が複数の電極により形成される場合には、上面から見てショットキー電極のすべてを取り囲む幾つかある形状の内、最小の長さを有する形状の内側の領域であり、実施例１において、ショットキー電極形成領域８は、最も外側に位置する円環状のショットキー接合電極４の外側端部で規定される曲線の内側の領域と定義される。言い換えると、このショットキー電極形成領域８は、図２で示すように、ショットキー接合電極４の外側端部と高抵抗体５の境界の内側の領域とも定義できる。また、ショットキー電極形成領域の外周長は、この最小の長さを有する形状の外周長である。なお、この領域８は、一般的なショットキー接合電極が１つから成る素子においては、ショットキー接合電極が形成されている領域そのものになる。本実施例１のおける、窒化物半導体ダイオードチップ１のショットキー電極形成領域８は、チップ上方から見て、円環状のショットキー接合電極４の最大径である直径５００μｍφの円形領域となる。
【００２９】
本実施例１の窒化物半導体ダイオードにおける２５個の円環状ショットキー接合電極は、窒化物半導体とのショットキー接合面積としては、従来の約０．９倍の面積に減少するが、それぞれの円環形状のショットキー電極接合部において、該ショットキー接合電極４の内周端部、及び外周端部が窒化物半導体とショットキー接合するショットキー電極接合端部となるため、上記２５個の円環形状ショットキー接合電極端部の合計した長さ（外周長）は約４０ｍｍとなり、これは５００μｍφ径を有するショットキー電極形成領域の外周長に対して約２５倍の長さに増加する。
【００３０】
発明を実施するための形態の冒頭で述べた本発明の作用、効果によれば、図１４に示した特性から換算して、ショットキー電極形成領域の面積が直径５００μｍφと小さい場合においても、順方向電圧が１.５Ｖの時に約７Ａ近い電流が得られる。
【００３１】
本実施例１では、同心円環形状のショットキー電極の1つの電極幅ａを９μｍとしたが、本発明の主旨は、所定のショットキー電極形成領域に対して、窒化物半導体にショットキー接合しているショットキー電極接合部の端部の長さ（外周長）の合計を大きくすることであるため、ショットキー電極形成領域面積、及び形状に応じて９μｍよりも大きくても小さくても構わない。また、端部の長さの合計を長くするために、分かり易くするためショットキー電極を複数設ける構造で説明したが、このように端部の長さの合計を大きくするために必ずしも複数の電極を設ける必要はないものの、複数の電極を設けた方が効率的にショットキー電極接合部の端部の長さの合計を大きくすることができる利点がある。
【００３２】
しかしながら、低コストの製造設備の利用、製造プロセスの容易性、放熱性とを考え合わせた場合、本発明のような多重の円環からなる同心円環形状のショットキー接合部の間隔ｂの最小幅寸法は、１μｍ程度とするのが好ましく、１μｍ以上１０μｍ以下の範囲に収めることが望ましい。また、必ずしもｂを一定、すなわち等間隔に複数の電極を配置する必要もなく、バラバラの幅でも良いが、スペースを無駄にしないという観点から、すべての電極幅ｂは、１μｍ以上５μｍ以下に収めることが望ましい。また、スペースを無駄にしないという観点から、ショットキー電極形成領域内には、オーミック電極を配置しないことが望ましく、全てショットキー電極であることが望ましい。
【００３３】
なお、本実施例では、上部電極６にはＴｉ／Ａｕを用いており、Ａｕの膜厚を４０００ｎｍもの厚膜としている。Ａｕワイヤによる結線の場合、ワイヤーボンド時にかかる荷重を厚膜のＡｕで緩衝させることで、ショットキー接合部への物理的な悪影響を低減することができるためである。これを実現するために、上部電極は、少なくとも１μｍ以上の膜厚が望ましい。また、半田等を用いてフリップチップ実装する場合にも、厚膜のＡｕにより問題なく実装できる。さらに、実施例１のショットキー電極形成領域８は、基板表面から見て円形を有しているが、ワイヤーボンド時にかかる負荷を抑えるために、例えば上部電極の形状を円形でなく、チップ面積よりも若干小さい矩形で形成し、Ａｕワイヤによる結線位置を、ショットキー電極形成領域から外れたチップ角部に近い領域にしてもよい。また、熱伝導率の高いＡｕをさらに４０００ｎｍ以上厚膜化することで、ダイオード動作時の発熱に対して放熱性がより高くなる利点がある。また、上記高価なＡｕを用いる代わりに、安価なＣｕ、Ａｌ等、その他の熱伝導率が高く、低抵抗な金属を用いても同様の効果が得られる。
【００３４】
また、本実施例では、ショットキー電極材料としてＰｄ単膜を用いたが、高いショットキー障壁高さが得られる金属として、Ｎｉ、Ｐｔ等を用いても良い。またこの時、窒化物半導体とのショットキー接合界面に上記Ｐｄ、Ｎｉ、Ｐｔが設けられていれば良く、その上層に拡散バリア層として、例えばＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ等の高融点金属を積層してもよく、さらにその上層にＡｕ、Ｃｕ、Ａｌ等からなる熱伝導率が高く、低抵抗な金属を積層した多層からなるショットキー電極を設けても良い。以上のように、ショットキー電極、及び上部電極の材料、構造については、所望の性能、構造、コスト等に応じて変更可能であり、特に限定されるものではない。
【００３５】
本実施例１では、ショットキー電極と窒化物半導体層の表面とが接する境界の長さの合計を、ショットキー電極形成領域の外周長よりも長くしたため、ショットキー電極形成領域を１つのショットキー電極（ショットキー電極形成領域の外周とショットキー電極の境界の長さが等しい場合のショットキー電極）で形成した場合の素子よりも、同じ順方向電圧でも多くの電流量を取ることができる。また、従来のショットキーダイオードと同一電流量でも、本発明を適用することで、チップサイズを小さくすることもできる。すなわち、大きな順方向電流を得ることとチップ面積の縮小の両立を図ることができる。
【００３６】
また、本実施例１では、ドリフト層３を基板２上の全面にエピタキシャル成長した基板を用い、ドリフト層３の表面のエッチバック、選択成長等により物理的に加工することで基板表面に凹部を設けたりしていない。また、ドリフト層３の表面の一部にｐ型半導体領域を形成せずに、ダイオードを形成した。このようにダイオードを形成することで、プロセスを複雑化することなく、低コストで良好な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。また、上記物理的加工により、ショットキー電極間の幅を著しく離すとこなく、ダイオードが形成できるのでチップ面積の縮小化ができるという利点もある。
【実施例２】
【００３７】
次に、本発明の実施例２である窒化物半導体ダイオードの実施形態について説明する。図３及び図４は，それぞれ本実施例に係る窒化物半導体ダイオードの上面図ならびに図３上面図におけるＢ-Ｂ’断面図である。なお、本実施例２に用いたダイオードエピ基板のエピタキシャル成長層も、実施例１で用いた構成と同じものを例に示すが、先に述べた通りこれに限定されるものではない。
【００３８】
図３及び図４について説明する。本願発明に係る実施例の窒化物半導体ダイオードチップ１は、チップサイズが５ｍｍ×５ｍｍであり、低濃度ｎ型ＧａＮドリフト層３は、ｎ型ＧａＮ基板２上に設けられた窒化物半導体層からなり、このドリフト層３は、キャリア濃度は５×１０１５ｃｍ−３、膜厚は１０μｍである。図３に示すように、ショットキー電極接合部の形状は、ｎ型ＧａＮドリフト層３上に接して、電極幅cを６８μｍとした長尺を正四角形となるように折り曲げて閉じた形状を有しており、チップの中心を同心として、同図に示すようにチップ中央から最大４.９ｍｍ×４.９ｍｍの領域に至るまで、Ｐｄからなる多重のショットキー接合電極４（同心環状のショットキー接合電極）が形成されており、この時のショットキー接合電極４は、全部で３５個（３５重）である。この時のショットキー接合電極４で示された領域が、本実施例におけるショットキー電極接合部となる。なお、上記多重構成からなるショットキー接合電極４であるＰｄの膜厚は５００ｎｍであり、内側と外側にそれぞれ位置するショットキー接合電極４間の距離ｄは全て２μｍであり、それぞれのショットキー接合電極４間、及び最も外側に位置するショットキー接合電極４の外側のｎ型ＧａＮドリフト層３上には、高抵抗体５として膜厚５００ｎｍのＳｉＯ２膜が設けられている。また、上記ショットキー接合電極４上、及び高抵抗体５上の所望の領域には、Ｎｉ（膜厚２００ｎｍ）／Ｃｕ（膜厚６０００ｎｍ）からなる上部電極６が設けられており、３５個のショットキー接合電極４は、上部電極６によって全て電気的に接続されている。また、ｎ型ＧａＮ基板２の裏面には、ｎ型ＧａＮ基板２にオーミック接続するＴｉ／Ａｌ電極からなるカソード電極７が設けられている。
【００３９】
この窒化物半導体ダイオードチップ１のショットキー電極形成領域８は、チップ上方から見て、３５個のショットキー接合電極４が敷設された最大寸法である４.９ｍｍ×４.９ｍｍの矩形領域となる。本実施例の窒化物半導体ダイオードにおける３５個のショットキー接合電極は、それぞれの窒化物半導体／ショットキー接合部における内周端部、及び外周端部が、ショットキー電極接合端部となり、上記３５個のショットキー電極接合端部の合計した長さ（外周長）は約６８７ｍｍであり、これはショットキー電極形成領域の外周長の約３５倍の長さに増加するが、ショットキー接合面積としては従来構造からの減少は小さい。
【００４０】
本実施例では、順方向大電流駆動による発熱の影響を考慮して、ショットキー電極接合部の形状を、長尺を正四角形に折り曲げて閉じた状態の形とし、この時のショットキー電極接合部（＝窒化物半導体とショットキー接合するショットキー接合電極４）の1つの接合幅ｃを６８μｍとした。ショットキー電極接合部の幅の最大寸法は、チップ面積、及び所望の順方向特性にもよるため、特に上限値を定めることはないが、ｃは５μｍ以上５００μｍ以下が望ましい。
【００４１】
本発明の主旨からすれば、ショットキー電極形成領域の外周長に対して、窒化物半導体／ショットキー電極接合端部の合計した長さ（外周長比）を、少なくとも１倍よりも大きい数字となるようにすれば、従来構造よりも素子抵抗が低減される効果は得られる。ところが、２倍、３倍程度の長さでは期待された著しい効果や、従来構造に対して大幅なチップ面積の縮小ができず、低コスト化を目指したチップ面積の小さい窒化物半導体ダイオードの実現が困難な場合がある。したがって、大幅に本発明の効果を得るために、上記外周長比を一ケタ以上大きい、１０倍以上、好ましくは２０倍以上とすることが望ましく、このときは、外周長比をショットキー電極形成領域の大きさに応じて、ショットキー電極接合部の幅を決定すれば良く、特に上記寸法に制限を有するものではない。
【００４２】
また、本実施例では、長尺を４つの角を持つように折り曲げて閉じた状態（正四角形）とした同心を有する複数のショットキー電極接合部を設けた例について述べた。しかしながら、ショットキー電極接合部の形状は、チップ形状や面積、ショットキー電極形成領域の形状、及び面積に依存するため、正四角形に限らず、正三角形、二等辺三角形、正六角形、正三十六角形、長方形、台形、菱形等、中心を同一とした同心を有する如何なる形状をもって配置しても、本発明の主旨からみれば、何ら問題となることはない。
【００４３】
また、本実施例、及び実施例１のショットキー電極におけるショットキー電極接合部は、内外に隣接するショットキー電極接合部の間隔を、中心から最外郭に至るまで全て同じ寸法（＝２μｍ）となるように配置したが、特に全て同じ寸法とする必要はなく、例えば、ショットキー電極形成領域の中心付近の内外で隣接したショットキー電極接合部間を狭く、同領域の外側の内外で隣接したショットキー電極接合部間を広くする等、一つのダイオードチップ内における全てのショットキー電極接合部間の距離を揃える必要はない。距離を揃える必要はないものの、ｄは１μｍ以上１０μｍ以下が望ましい。
【００４４】
また、内外で隣接するショットキー電極接合部間の距離、すなわち高抵抗体の幅寸法は、必要以上に大きな寸法とする必要は無く、逆に大きくすればするほど、全体的な窒化物半導体とのショットキー接合面積が減少するため、あまり大きくしすぎると順方向特性における立上り電圧の増大を引き起こす。したがって、上記寸法は特に規定する必要も無いが、ショットキー電極形成領域の大きさに応じて、せいぜい１０μｍ以下に抑えるのが妥当である。
【００４５】
また、上記本実施例のショットキー電極接合部の内周、及び外周にある角部は、Ｒをもった弧状を成している方が好ましい。これは、周辺の滑らかな曲線、もしくは直線からなるショットキー電極接合部に対して、鈍角、直角、もしくは鋭角からなる角部には、電界が集中しやすいため、逆方向耐圧の低下を招く恐れがある。上記弧状の寸法としては、ショットキー電極接合部の幅の最小寸法が１μｍであるため、上記弧部における半径も１μｍを最小値とするのが妥当である。
【実施例３】
【００４６】
実施例１や２における同心多重構造（同心環状の）ショットキー接合電極４に代えて、９９μｍ×９９μｍ□からなる矩形ショットキー接合電極４を、１μｍ間隔でショットキー電極形成領域８上に設けた実施例３の窒化物半導体ダイオードを図５（平面図）に示す。なお、その他の構成は実施例２と全て同じ構成をとっている。
【００４７】
本実施例では、４．９ｍｍ×４．９ｍｍからなるショットキー電極形成領域において、９９μｍ×９９μｍ□からなる矩形ショットキー電極が合計で２４０１個配置されており、ショットキー電極端部の合計した長さ（外周長）は約９５０ｍｍであり、これはショットキー電極形成領域の外周長の約４８．５倍に相当する。上述した通り本発明の作用、効果によれば、さらに素子抵抗が低減し、大きな順方向電流が得られる。
【００４８】
本実施例では、ショットキー電極の端部の長さ（外周長）を大きくする他の実施例として、孤立した矩形の９９μｍ×９９μｍ□からなるショットキー電極を所定のショットキー電極形成領域内において複数配置した例について述べたが、矩形に限らず、円形、三角形、六角形、長方形等、如何なる形状のショットキー電極を配置しても良いことは言うまでもない。また本実施例では、矩形のショットキー電極の一辺の長さを９９μｍとしたが、前述の同心環状ショットキー電極と同様の理由により、偶数の角部を有する多角形の寸法は、対角線の長さが１μｍ以上であることが望ましく、奇数の角部を有する多角形の寸法は、一つの角部から対向する辺までの垂線の長さが１μｍ以上であることが望ましいが、特に寸法の上限値を定めるところではない。
【実施例４】
【００４９】
次に実施例４である窒化物半導体ダイオードの実施形態について説明する。図６および図７は、それぞれ本実施例に係る半導体ダイオードの上面図ならびに図６の上面図におけるＣ−Ｃ’断面図である。実施例４は、実施例１〜３のように複数の電極を設けて、ショットキー電極の端部と窒化物半導体層の表面とが接する長さを長くするのではなく、窒化物半導体層表面の一部をエッチバックすることで、長さを稼ぐ実施例である。具体的には、ショットキー接合電極の端部を形成するため、周知のホトリソグラフィ技術と、周知の塩素ガスを用いた窒化物半導体層のドライエッチング技術を用いて、低濃度ｎ型ＧａＮドリフト層３の所望の領域を同心環状に選択的にエッチングして、部分的にトレンチ（図のＴ）構造（凹部）を形成している。図７に示すように、トレンチ構造箇所には絶縁膜１０が埋め込まれている。そして、図７に示すように、ショットキー電極の一部が絶縁膜上に形成されている。このようにトレンチを形成することで、ショットキー電極を複数設けることなく、窒化物半導体層の表面とショットキー電極とが接する端部を形成することができ、実施例１〜３と同等の効果が得られる。  
なお、本実施例におけるトレンチ上部のショットキー接合電極が形成されるドリフト層の幅寸法ａは、５μｍであり、トレンチを設けた領域の幅寸法ｂも５μｍとした。トレンチを形成する場合には、ａは５μｍ以上５００μｍ以下、ｂは１μｍ以上１０μｍ以下が望ましい。
【００５０】
このトレンチを形成する場合におけるショットキー形成領域は、前記窒化物半導体層に凹部が形成されている場合には、上面から見て前記凹部が形成されているよりも外側に形成されたドリフト層であって、当該ドリフト層を取り囲む幾つかの形状の内、最小の長さを有する形状の内側の領域である。また、外周長は当該最小の長さを有する形状の外周長である。つまり、実施例４では、ショットキー電極４の端部ではなく、それより内側の最外周のドリフト層と、ショットキー電極４との最も外側の境界により定義される。本実施例４でも、ショットキー電極と窒化物半導体層の表面とが接する境界の長さの合計を、ショットキー電極形成領域の外周よりも長くしたため、ショットキー電極形成領域を、基板表面を全くエッチングせず１つのショットキー電極で形成した場合の素子よりも、同じ順方向電圧でも多くの電流量を取ることができる。また、従来のショットキーダイオードと同一電流量でも、本発明を適用することで、チップサイズを小さくすることもできる。すなわち、大きな順方向電流を得ることとチップ面積の縮小の両立を図ることができる。
【００５１】
また、本実施例４では、ドリフト層３を基板２上の全面に形成した基板を用い、ドリフト層３の表面をエッチングした素子であり、選択成長等により結晶成長技術を用いたり、ドリフト層３の表面にｐ型半導体領域を形成せずに、ダイオードを形成した。このようにダイオードを形成することで、結晶成長プロセスに伴うプロセスを追加することなく、低コストで良好な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。また、トレンチ幅ｂを２μｍ以下にすることにより、ドリフト間の幅を著しく離すことなく、良好な特性のダイオードが形成できるのでチップ面積の縮小化ができるという利点もある。
【００５２】
なお、実施例４では凹部を同心環状としたが、実施例３の様に、凹部を網目状に形成し、ショットキー電極と窒化物半導体層の表面とが接する境界の長さの合計を大きくしてもよい。
【実施例５】
【００５３】
次に実施例５である窒化物半導体ダイオードの実施形態について説明する。  図８および図９は、それぞれ本実施例に係る半導体ダイオードの上面図ならびに図８の上面図におけるＤ−Ｄ’の断面図である。本実施例は、これまでの基板の縦方向に電流を流す縦型ダイオードではなく、横方向に電流を流す横型のダイオードの例である。
【００５４】
サファイア基板１３上にバッファ層１１を介して、キャリア濃度が１×１０１６ｃｍ−３、膜厚が５μｍである低濃度ｎ型ＧａＮドリフト層３と、キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３、膜厚が２００ｎｍである高濃度ｎ型ＧａＮコンタクト層１２とをエピタキシャル成長した基板を用いている。
【００５５】
ダイオードのチップ面積は１ｍｍ×１ｍｍの矩形を成し、チップ中央部から７００μｍφの領域において、高濃度ｎ型ＧａＮコンタクト層１２が周知の窒化物半導体ドライエッチングによってエッチング除去され、下層の低濃度ｎ型ＧａＮドリフト層３が露出している。
【００５６】
ｎ型ＧａＮドリフト層３上には、実施例１で示したショットキー接合電極と同じ構成の、チップ中心を同心とした複数の円環状からなり、電極幅ａが図1に示した構成と同様に９μｍであるＰｄからなる膜厚２００ｎｍの多重円環状のショットキー接合電極４が最大５００μｍφ径に至るまで形成されている。  円環状のショットキー接合電極４は、実施例１と同様、全部で２５個（２５重）形成されている。内側と外側にそれぞれ隣接する円環状のショットキー接合電極４間の距離ｂは、図1に示した構成と同様に全て１μｍであり、円環状のショットキー電極４間、及び最も外側に位置する円環状のショットキー接合電極４の外側のｎ型ＧａＮドリフト層３上には、高抵抗体５として膜厚２００ｎｍのＳｉＮ膜が設けられている。
【００５７】
円環状のショットキー接合電極４上、及び高抵抗体５上の所望の領域には、Ｔｉ（膜厚１００ｎｍ）／Ａｕ（膜厚４０００ｎｍ）からなる上部電極６が設けられており、円環状に設けられたショットキー接合電極４は、上部電極６によって全て電気的に接続され、アノード電極を構成している。チップの外側に位置する高濃度ｎ型ＧａＮコンタクト層１２上には、オーミック接続するＴｉ／Ａｌ電極からなるカソード電極７が設けられている。
【００５８】
この窒化物半導体ダイオードチップ１のショットキー電極形成領域８は、チップ上方から見て、円環状のショットキー電極４の最大径である直径５００μｍφの円形領域となる。
【００５９】
本実施例の横型ダイオードは、横型ダイオードエピ基板に従来構造のショットキー電極（直径５００μｍφの円形電極）を備えた横型ダイオードと比較して、素子抵抗を従来の約２／３に低減できる。横型ダイオードの順方向電流は、主に半導体と接するショットキー接合電極の端部を主体的に流れるが、本発明のショットキー接合電極の構成とすることで、横型ダイオードにおいても従来のショットキー電極構造よりも素子抵抗を低減する効果がある。さらに、上記実施例の低濃度ｎ型ＧａＮドリフト層の濃度、膜厚を大きくとることにより、本発明のショットキー接合電極構造による順方向電流増大効果が大きくなる。
【００６０】
上記横型ダイオードに本発明を適用した実施例では、基板にサファイア基板を用いた例について述べたが、この他、ＳｉＣ基板、シリコン基板等を用いても良い。
【実施例６】
【００６１】
次に実施例６として、実施例１、２、５に適用される同心環状のショットキー電極接合部の別の形態について説明する。
図１０は、複数の同心円環形状からなるショットキー電極接合部の形状の一例を示すものである。同図は、複数の同心円環形状からなるショットキー電極接合部の形状として、１本の円環の幅寸法ａが５μｍであり、３重の同心円環からなるショットキー電極接合部の形状を示している。
【００６２】
図１１は、所望の幅を有する長尺を、所望の位置で角を有するように折り曲げて閉じた状態とした同心を有する複数の多角形からなるショットキー電極接合部の形状の一例を示すものである。同図は、長尺の幅寸法ｂが１０μｍであり、これを正五角形となるように折り曲げて閉じた状態であり、この正五角形の中心を同心とした２重の同心正五角形からなるショットキー電極接合部の形状を示している。
【００６３】
また図１２は、長尺の幅寸法ｃが２０μｍであり、これを長方形となるように折り曲げて閉じた状態であり、この長方形の中心を同心とした３重の同心長方形からなるショットキー電極接合部の形状を示している。この例では、同図に示すように、中心部にもショットキー電極接合部が存在しており、この領域を含めて３重構造を成している。仮に図１２の最外周のショットキー電極接合部が存在しない２重構造の場合であり、中心部に電極が配置されている形態も本明細書では同心環状の概念に含まれる。なお、この中心部のショットキー電極接合部の寸法は、上記長尺の幅寸法ｃに規定される必要があるものではない。
【００６４】
以上、様々なショットキー電極接合部の形状を説明したが、上記の形状のみに拘ることはなく、三角形、六角形、八角形等の多角形、若しくは、同心を有しながら基本的な形状が相似形で構成されるものであれば本願発明の趣旨に沿うものであり、例え、どのような形状であっても、ショットキー電極と窒化物半導体層の表面とが接する境界の長さの合計が、ショットキー電極のショットキー電極形成領域の外周長よりも長ければ良い。また、その長さの比は、１０倍以上であることが望ましく、さらに２０倍以上であることが望ましい。
【００６５】
以上述べた本発明の実施例では、窒化物半導体層として、窒化ガリウム（ＧａＮ）である場合について述べたが、この他、一般的な窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）を用いても良い。ＡｌＧａＮはＡｌ組成比を大きくしていくことで、ＧａＮよりもバンドギャップが大きくなっていくため、例えばショットキー電極が接するドリフト層に低濃度ｎ型ＡｌＧａＮを用いると、耐圧向上に効果がある。
【符号の説明】
【００６６】
１：窒化物半導体ダイオード、２：ｎ型ＧａＮ基板、３：低濃度ｎ型ＧａＮドリフト層、４：ショットキー接合電極、５：高抵抗体、６：上部電極，７：カソード電極、８：ショットキー電極形成領域、９：低濃度ｐ型ＧａＮ層、１０：絶縁膜、１１：バッファ層、１２：高濃度ｎ型ＧａＮコンタクト層、１３：サファイア基板
【図２】
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【図４】
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【図７】
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【図９】
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【図１５】
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【図１】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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