(57)【要約】【課題】ノーマリーオフ動作を実現可能な半導体装置を提供することである。【解決手段】ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）を含む第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に設けられ、ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０≦Ｙ≦１、Ｘ＜Ｙ）を含み、前記第１の半導体層よりもバンドギャップが大きい第２の半導体層と、前記第２の半導体層上に設けられた電極と、を備え、少なくとも前記電極直下の前記第２の半導体層中にハロゲン族原子が添加されていることを特徴とする半導体装置。【選択図】図１
2014057092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）を含む第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に設けられ、ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０≦Ｙ≦１、Ｘ＜Ｙ）を含み
、前記第１の半導体層よりもバンドギャップが大きい第２の半導体層と、
前記第２の半導体層上に設けられた電極と、を備え、
少なくとも前記電極直下の前記第２の半導体層中にハロゲン族原子が添加されているこ
とを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記電極はゲート電極であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記電極はアノード電極であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ハロゲン族原子はフッ素原子であることを特徴とする請求項１から３に記載の半導
体装置。
【請求項５】
前記ハロゲン族原子は塩素原子であることを特徴とする請求項１から３に記載の半導体
装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、特に窒化物半導体のヘテロ接合構造を用いた半導体装置
に関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチング電源やインバータなどの回路にはスイッチング素子やダイオードなどのパ
ワー半導体素子が用いられ、そのパワー半導体素子には高耐圧・低オン抵抗が求められる
。耐圧とオン抵抗との間には、素子材料で決まるトレードオフの関係があるが、ＧａＮや
ＡｌＧａＮなどの窒化物半導体や炭化珪素（ＳｉＣ）などのワイドバンドギャップ半導体
を素子材料として用いることで、シリコンに比べて、材料で決まるトレードオフ関係を改
善でき、低オン抵抗化と高耐圧化が可能である。
【０００３】
ＧａＮやＡｌＧａＮなどの窒化物半導体を用いた素子は優れた材料特性を持っているた
め、高性能なパワー半導体素子を実現できる。特に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのヘテロ構造を
有するＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）では、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層
との界面に、分極による高濃度の２次元電子ガスが発生するために、低オン抵抗が実現で
きる。
【０００４】
しかし、そのＨＥＭＴでは、不純物ドーピングをしなくても高濃度の２次元電子ガスが
形成されることが逆に、ノーマリーオフ型のトランジスタを実現することを困難にしてい
る。低オン抵抗を維持しつつノーマリーオフ特性を得るためには、ゲート電極下の２次元
電子ガス濃度を選択的に低下させる必要がある。
【０００５】
そこで、例えば、ゲート電極直下のＡｌＧａＮ層をエッチングし、ゲート電極直下のみ
２次元電子ガス濃度を下げるリセスゲート構造が知られている（例えば特許文献１）。
【０００６】
そのリセスエッチングに際して、ＡｌＧａＮ、ＧａＮが化学的に安定な物質で、ウェッ
トエッチングが困難なことから、反応性イオンエッチングなどのドライエッチングを用い
て行われる。この場合、エッチング深さにより２次元電子ガス濃度が決まるため、エッチ
ング深さの制御、均一性に高い精度が必要とされる。また、ドライエッチングによるダメ
ージが無視できず、リーク電流が増加するなどの問題も懸念される。
【０００７】
また、窒化物半導体を用いた整流素子（ダイオード）は、低オン抵抗と高耐圧とを両立
することが可能であるが、一方で逆方向バイアス時のリーク電流が理論的に予想されるよ
りも何桁も大きいことが知られており、実用上の大きな問題になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−３２６５０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、ノーマリーオフ動作を実現可能な半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様によれば、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）を含む第１の半導体層と
、前記第１の半導体層上に設けられ、ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０≦Ｙ≦１、Ｘ＜Ｙ）を含み
、前記第１の半導体層よりもバンドギャップが大きい第２の半導体層と、前記第２の半導
体層上に設けられた電極と、を備え、少なくとも前記電極直下の前記第２の半導体層中に
ハロゲン族原子が添加されていることを特徴とする半導体装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体装置の要部断面を示す模式図。
【図２】第１実施形態において、第２の半導体層中にイオン注入されたハロゲン族原子の、第２の半導体層表面側からの深さ方向の濃度分布を示す模式図。
【図３】通常のＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造ＨＥＭＴ（Ｎｏｒｍａｌ構造）と、ゲート電極下のＡｌＧａＮ層中に塩素原子をイオン注入した場合（Ｃｌ注入構造）とで、ゲート電圧（Ｖｇ）−ドレイン電流（Ｉｄ）特性を比較した図。
【図４】ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造ＨＥＭＴにおけるゲート電極下のＡｌＧａＮ層中への塩素原子の注入量（横軸）と、ゲート電圧のしきい値Ｖｔｈ（縦軸）との関係を示す図。
【図５】本発明の第２実施形態に係る半導体装置の要部断面を示す模式図。
【図６】本発明の第３実施形態に係る半導体装置の要部断面を示す模式図。
【図７】本発明の第４実施形態に係る半導体装置の要部断面を示す模式図。
【図８】第４実施形態において、第２の半導体層中にイオン注入された塩素原子の、第２の半導体層表面側からの深さ方向の濃度分布を示す模式図。
【図９】アノード電極下のＡｌＧａＮ層中に塩素原子をイオン注入した場合と、しなかった場合とで、電圧−電流特性を比較したグラフ。
【図１０】本発明の第５実施形態に係る半導体装置の要部断面を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［第１実施形態］
図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置の要部断面を示す模式図である。本実施形
態では、半導体装置としてＧａＮ系ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）を
一例に挙げて説明する。
【００１３】
本実施形態に係る半導体装置は、支持基板１の上にバッファ層２を介して設けられた第
１の半導体層（チャネル層）３と、これよりもバンドギャップが大きな第２の半導体層（
バリア層）４とのヘテロ接合構造を有する。バッファ層２、第１の半導体層３、第２の半
導体層４は、この順に支持基板１上にエピタキシャル成長される。
【００１４】
第１の半導体層３は、意図的な不純物添加がなされず実質不純物を含まないアンドープ
のＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ＜１）を含み、第２の半導体層４はアンドープもしくはｎ
型のＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ≦１、Ｘ＜Ｙ）を含む。本実施形態では、例えば、第１
の半導体層３はアンドープのＧａＮ層であり、第２の半導体層４はアンドープもしくはｎ
型のＡｌＧａＮ層である。
【００１５】
支持基板１やバッファ層２は、ＧａＮ系材料のエピタキシャル成長に適した材料が用い
られる。支持基板１としては、例えば、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮなどを用いる
ことができる。バッファ層２としては、例えば、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮなどを用いることが
できる。
【００１６】
第２の半導体層４の表面上には、ソース電極５とドレイン電極６とが互いに離間して設
けられている。ソース電極５及びドレイン電極６は、それぞれ第２の半導体層４の表面に
オーミック接触している。ソース電極５とドレイン電極６との間における第２の半導体層
４上には、ゲート電極７が設けられている。ゲート電極７は、第２の半導体層４の表面に
ショットキー接触している。
【００１７】
第１の半導体層３として例えばＧａＮを、第２の半導体層４として例えばＡｌＧａＮを
用いたこれらのヘテロ接合構造において、ＡｌＧａＮの方がＧａＮよりも格子定数が小さ
いことからＡｌＧａＮ層に歪みが生じて、ピエゾ効果によりＡｌＧａＮ層内にピエゾ分極
が生じ、これにより、ＧａＮ層におけるＡｌＧａＮ層との界面付近に２次元電子ガス９が
形成される。ゲート電極７に印加するゲート電圧を制御することで、ゲート電極７下の２
次元電子ガス濃度が増減し、ソース電極５とドレイン電極６間に流れる主電流を制御でき
る。
【００１８】
特に、電力制御に用いられる半導体装置では、ゲート電圧がゼロボルトのときにドレイ
ン電極とソース電極との間に漏れ電流が実質流れないノーマリーオフ特性が望まれる。２
次元電子ガス濃度を低減させると、ゲートしきい値電圧がプラス側にシフトし、ノーマリ
ーオフ特性が得られる。しかし、２次元電子ガス全体の濃度を低減させるとオン抵抗が増
大してしまう。低オン抵抗を維持しつつノーマリーオフ特性を得るためには、ゲート電極
下の２次元電子ガス濃度を選択的に低下させる必要がある。
【００１９】
そこで、本実施形態では、ゲート電極７下の第２の半導体層４中であって第１の半導体
層３に達しない深さの部分に、第２の半導体層４中で負電荷を帯びる原子を添加している
。この原子が添加された領域を図１において不純物添加領域８として示している。この添
加原子は、例えばイオン注入法で第２の半導体層４中に注入される。
【００２０】
この添加される原子は、ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ≦１、Ｘ＜Ｙ）を含む第２の半導
体層４中で負電荷を帯びる特性を有し、例えばハロゲン族原子を用いることができる。
【００２１】
上記添加された原子は、ゲート電極７下の第２の半導体層４中で負の固定電荷となり、
ゲート電極７下の２次元電子ガスの発生もしくは濃度を抑制する。すなわち、ゲート電極
７下に負の固定電荷があるため、その分、ドレイン電流を流すためのゲートしきい値がプ
ラス側にシフトし、ノーマリーオフ化を図ることができる。
【００２２】
上記添加原子としては、ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ≦１、Ｘ＜Ｙ）を含む第２の半導
体層４（例えばＡｌＧａＮ層）中で負電荷を帯びる原子であればよいが、特に電気陰性度
の高いハロゲン族原子を用いれば、第２の半導体層４中に注入されたときに陰イオン化し
やすく、高いしきい値シフト効果が期待できる。中でも、フッ素（電気陰性度が３．９８
）や塩素（電気陰性度が３．１６）は特に電気陰性度が大きいため、より高いしきい値シ
フト効果が期待できる。
【００２３】
第２の半導体層４の表面側から注入された原子が第１の半導体層３まで到達しチャネル
（２次元電子ガス９）の位置まで深く入り込んでしまうと、注入された原子が電子の移動
を阻害し２次元電子ガスの移動度を下げることになるため、例えばオン抵抗の増大などの
特性低下を引き起こす。このため、注入原子が第２の半導体層４中にとどまり、２次元電
子ガス９の深さまで届かないようにする条件でイオン注入を行う必要がある。
【００２４】
図２のグラフは、本実施形態において、第２の半導体層４の表面側から注入された原子
（例えばハロゲン族原子）の深さ方向の濃度分布の一例を示す。そのグラフにおける横軸
は、第２の半導体層４表面側からの深さを示し、縦軸は注入されたハロゲン族原子の濃度
を示す。また、図２には、グラフの横軸に対応させて配置した第２の半導体層４、第１の
半導体層３及び２次元電子ガス９の位置もあわせて示す。
【００２５】
例えば、イオン注入時の原子の加速電圧を制御するなどして、注入された原子の分布を
第２の半導体層４内にとどめることができる。これにより、トランジスタとしての特性を
損なうことなくノーマリーオフ化を図ることができる。
【００２６】
ハロゲン族原子はイオン注入法により第２の半導体層４中に導入されるため、第２の半
導体層４中での濃度は、注入位置をピークに、厚さ方向に勾配を持つ濃度分布となる。図
２に示す例では、第２の半導体層４中のハロゲン族原子の濃度ピーク（注入位置）は第１
の半導体層３との界面よりも第２の半導体層４の表面側にあり、そのピーク位置から表面
側および第１の半導体層３側に向かうにしたがって徐々に濃度が低下している。
【００２７】
また、フッ素原子と塩素原子とを比べた場合、フッ素原子は軽いため第１の半導体層３
に達しないように浅い深さに注入位置を制御することは比較的困難である。これに対して
、塩素原子はフッ素原子のほぼ倍の重さであるため、第２の半導体層４中にとどまる浅い
深さへのイオン注入の制御性に優れている。
【００２８】
なお、イオン注入後には、注入された原子の活性化や、イオン注入時のダメージを回復
するために熱処理（フッ素や塩素の場合通常４００℃以上の熱処理）が必要で、本実施形
態ではイオン注入後に例えば５００℃の熱処理を行う。
【００２９】
ここで、図３は、ゲート長が２０μｍのＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造のＨＥＭＴ（Ｎ
ｏｒｍａｌ構造）と、同ＨＥＭＴにおいてゲート電極下のＡｌＧａＮ層中であってＧａＮ
層に達しない深さに塩素原子をイオン注入し５００℃で熱処理を行った場合（Ｃｌ注入構
造）とで、ゲート電圧（Ｖｇ）−ドレイン電流（Ｉｄ）特性を比較した図である。
【００３０】
（Ｃｌ注入構造）においては塩素原子注入量が十分でなかったため、ゲート電圧しきい
値のプラス側へのシフト量が小さく、ゲート電圧が０ボルトでドレイン電流Ｉｄがゼロの
ノーマリーオフとはなっていないが、本実施形態による構造を採用することで、（Ｎｏｒ
ｍａｌ構造）に対して、ゲート電圧のプラス側へのしきい値シフトが実現できていること
がわかる。
【００３１】
また、図４は、ＡｌＧａＮ層中への塩素原子のドーズ量（横軸）と、ゲート電圧のしき
い値Ｖｔｈ（縦軸）との関係を示す。図中、「菱形」のポイントは実際にＡｌＧａＮ層中
に塩素原子の注入を行ったデバイスのしきい値の測定値を示し、実線はＡｌＧａＮ層中に
注入された塩素原子が１価の陰イオンとして機能するとした場合の計算値である。
【００３２】
この図４の結果より、測定値と計算値とは比較的良く合っており、第２の半導体層４中
で負の固定電荷となるべき原子のドーズ量を制御することでゲート電圧のしきい値を制御
することが可能であることがわかる。
【００３３】
なお、ゲート電極下のＡｌＧａＮ層表面に、マスクを用いて選択的にＣＦ系ガスのプラ
ズマ処理を行うことで、ゲート電極下のＡｌＧａＮ層中に、ＡｌＧａＮ層中で負電荷を帯
びるフッ素原子をドーピングし、この負の固定電荷の作用により、ゲート電極下のみ２次
元電子ガス濃度を下げ、ノーマリーオフ構造を実現することも考えられる。
【００３４】
しかしながら、プラズマ処理においては、マスクの開口面積やパターン、ウェーハ枚数
によりプラズマ密度が変化する、いわゆるローディング効果により再現性が悪くなること
があり、生産性の点で問題が発生することが懸念される。
【００３５】
これに対して、本実施形態によれば、ノーマリーオフ化のための選択的な不純物の導入
を、イオン注入と熱処理の組み合わせという、シリコン半導体プロセスで確立された方法
を用いることができるため、均一性、再現性に優れたノーマリーオフ型窒化物半導体装置
の製造が可能となる。
【００３６】
なお、例えばＡｌＧａＮ層中で負電荷を帯びる原子としてマグネシウム（Ｍｇ）をイオ
ン注入した場合、イオン注入後の活性化熱処理に１０００℃以上の温度が必要である。し
かしながら、この熱処理によりエピタキシャル成長層の結晶性を劣化させるなどして、シ
ート抵抗等の特性が低下してしまうことが懸念される。また、Ｍｇの活性化率も１０％程
度と低く、高濃度の注入が必要になるため、イオン注入ダメージも大きくなり、このこと
による特性劣化も懸念される。
【００３７】
これに対して、フッ素や塩素は、イオン注入後の熱処理温度が４００〜５００℃程度で
済み、特性低下につながるような結晶性の劣化などを抑制することができる。
【００３８】
なお、第２の半導体層４中で負電荷を帯びる原子を添加する領域としては、ノーマリー
オフ化のために、最低限ゲート電極７の直下に添加することが必要である。さらに、他の
目的で２次元電子ガス濃度を制御すべく、ゲート電極７直下以外の領域に第２の半導体層
４中で負電荷を帯びる原子を添加してもよい。
【００３９】
［第２実施形態］
例えば、図５に示す第２実施形態では、ゲート電極７とドレイン電極６との間の第２の
半導体層４中であってゲート電極７近傍部分にも選択的に、前述したハロゲン族原子のよ
うな、第２の半導体層４中で負電荷を帯びる原子が添加されている。
【００４０】
これによって、ゲート電極７においてドレイン電極６側の端部近傍の２次元電子ガス濃
度を低減して、ゲート電極端に集中する電界を緩和し、その部分でのアバランシェブレー
クダウンを防いで高耐圧化を図れる。
【００４１】
さらには、電界集中を緩和してより高耐圧化を図るために、ゲート電極７においてドレ
イン電極６側の端部近傍の２次元電子ガス濃度がゲート電極７側からドレイン電極６側に
向けて徐々に高く遷移する濃度勾配を持つように、その上の第２の半導体層４中に添加さ
れる負の固定電荷となる原子のドーズ量を制御することが望ましい。
【００４２】
［第３実施形態］
通常、ＡｌＧａＮは表面が不安定なことが多い。したがって、第２の半導体層４として
ＡｌＧａＮを用いた場合には、図６に示すように、第２の半導体層４の上に、より安定し
た材料・組成をもつ層（例えばアンドープもしくはｎ型のＧａＮ層）をキャップ層１１と
して設けることで、素子表面状態を安定させることができ、特性のばらつきを抑えること
ができる。
【００４３】
この構造においても、ゲート電極７下のキャップ層１１表面側から前述したハロゲン族
原子などの第２の半導体層４中で負電荷を帯びる原子を第１の半導体層３に達しない深さ
にまでドーピングして、負の固定電荷を第２の半導体層４中にとどめることで、トランジ
スタとしての素子特性を損ねることなくノーマリーオフ化を実現することができる。負の
固定電荷は、２次元電子ガス９が形成されるチャネル層である第１の半導体層３に達しな
ければよく、キャップ層１１中にあっても問題はない。
【００４４】
前述した実施形態では、窒化物半導体を用いた半導体装置として、ＧａＮ系ＨＥＭＴを
例に挙げて説明したが、以下の実施形態では、整流素子（ダイオード）を例に挙げて説明
する。
【００４５】
窒化物半導体を用いたダイオードは、低オン抵抗と高耐圧とを両立することが可能であ
るが、一方で逆方向バイアス時のリーク電流が理論的に予想されるよりも何桁も大きいこ
とが知られており、実用上の大きな問題になっている。
【００４６】
このような問題に対して、ショットキー障壁の高い電極と低い電極とを組み合わせたア
ノード電極により、低オン抵抗、低リーク電流および高耐圧を図る提案や、アノード電極
下にフッ素を導入する提案がある。
【００４７】
しかしながら、ショットキー障壁の異なる２種類の材料を用いたアノード電極とする構
成では製造コストが増大するという問題がある。
【００４８】
また、アノード電極下にフッ素ドーピングする方法は、フッ素が比較的軽い原子である
ため半導体層中に深く導入されやすく、２次元電子ガスまで到達してその走行を阻害しオ
ン抵抗の増大をまねいてしまうことが懸念される。この問題に対して、低加速電圧でのイ
オン注入法を用いる、あるいはプラズマを利用したフッ素ドーピング法を用いればフッ素
原子の深い位置への導入を抑制可能である。しかし、低加速電圧イオン注入には、一般的
なイオン注入装置とは異なる特別な装置が必要であり、またプラズマドーピング法では、
ウェーハサイズ、パターン密度、処理するウェーハ枚数などによってプラズマ密度が変動
する、いわゆるローディング効果により再現性が悪くなるなどの問題が懸念され、上記方
法にはコストや生産性の点で問題がある。
【００４９】
そこで、以下に説明する実施形態では、アノード電極の下のバリア層中に塩素原子をイ
オン注入法で導入している。
【００５０】
［第４実施形態］
図７は、本発明の第４実施形態に係る半導体装置の要部断面を示す模式図である。
【００５１】
本実施形態に係る半導体装置は、支持基板１の上にバッファ層２を介して設けられた第
１の半導体層（チャネル層）３と、これよりもバンドギャップが大きな第２の半導体層（
バリア層）４とのヘテロ接合構造を有する。バッファ層２、第１の半導体層３、第２の半
導体層４は、この順に支持基板１上にエピタキシャル成長される。
【００５２】
第１の半導体層３はアンドープのＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ＜１）を含み、第２の半
導体層４はアンドープもしくはｎ型のＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ≦１、Ｘ＜Ｙ）を含む
。本実施形態では、例えば、第１の半導体層３はアンドープのＧａＮ層であり、第２の半
導体層４はアンドープもしくはｎ型のＡｌＧａＮ層である。
【００５３】
支持基板１やバッファ層２は、ＧａＮ系材料のエピタキシャル成長に適した材料が用い
られる。支持基板１としては、例えば、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮなどを用いる
ことができる。バッファ層２としては、例えば、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮなどを用いることが
できる。
【００５４】
第２の半導体層４の表面上には、アノード電極２１とカソード電極２２とが互いに離間
して設けられている。第２の半導体層４の表面上で、カソード電極２２はアノード電極２
１を囲むパターンで形成されている。アノード電極２１は第２の半導体層４の表面にショ
ットキー接触している。カソード２２は第２の半導体層４の表面にオーミック接触してい
る。
【００５５】
第１の半導体層３として例えばＧａＮを、第２の半導体層４として例えばＡｌＧａＮを
用いたこれらのヘテロ接合構造において、ＡｌＧａＮの方がＧａＮよりも格子定数が小さ
いことからＡｌＧａＮ層に歪みが生じて、ピエゾ効果によりＡｌＧａＮ層内にピエゾ分極
が生じ、これにより、ＧａＮ層におけるＡｌＧａＮ層との界面付近に２次元電子ガス９が
形成される。
【００５６】
カソード電極２２に対してアノード電極２１が高電位とされる順方向電圧印加時、２次
元電子ガスを介して、アノード電極２１とカソード電極２２との間に順方向電流が流れる
。
【００５７】
そして、本実施形態では、アノード電極２１下の第２の半導体層４中であって第１の半
導体層３に達しない深さの部分に塩素原子を添加している。この塩素原子が添加された領
域を図７において塩素添加領域２０として示している。この添加原子は、イオン注入法で
第２の半導体層４中に注入された後、熱処理により第２の半導体層４中に拡散する。
【００５８】
上記塩素原子は、アノード電極２１下の第２の半導体層４中で負の固定電荷となり、ア
ノード電極２１下の２次元電子ガス濃度を低減する。これにより、カソード電極２２に対
してアノード電極２１が低電位とされる逆方向電圧印加時における逆方向電流（リーク電
流）を抑制することができる。塩素は、比較的電気陰性度が高く、第２の半導体層４中に
注入されたときに陰イオン化しやすく、高いリーク電流抑制効果が得られる。
【００５９】
また、第２の半導体層４の表面側から注入された塩素原子が第１の半導体層３まで到達
しチャネル（２次元電子ガス９）の位置まで深く入り込んでしまうと、注入された塩素原
子が電子の移動を阻害し２次元電子ガスの移動度を下げることになるため、オン抵抗の増
大などの特性低下を引き起こす。このため、注入原子が第２の半導体層４中にとどまり、
２次元電子ガス９の深さまで届かないようにする条件でイオン注入を行う必要がある。
【００６０】
図８のグラフは、本実施形態において、第２の半導体層４の表面側から注入された塩素
原子の深さ方向の濃度分布の一例を示す。そのグラフにおける横軸は、第２の半導体層４
表面側からの深さを示し、縦軸は注入された塩素原子の濃度を示す。また、図８には、グ
ラフの横軸に対応させて配置した第２の半導体層４、第１の半導体層３及び２次元電子ガ
ス９の位置を示す。
【００６１】
塩素原子は、例えばフッ素原子のほぼ倍の重さであるため、２次元電子ガス９に到達せ
ずに第２の半導体層４中にとどまる浅い深さへのイオン注入の制御性に優れている。
【００６２】
塩素はイオン注入法により第２の半導体層４中に導入されるため、第２の半導体層４中
での塩素濃度は、注入位置をピークに、厚さ方向に勾配を持つ濃度分布となる。図８に示
す例では、第２の半導体層４中の塩素原子の濃度ピーク（注入位置）は第１の半導体層３
との界面よりも第２の半導体層４の表面側にあり、そのピーク位置から表面側および第１
の半導体層３側に向かうにしたがって徐々に濃度が低下している。
【００６３】
イオン注入後には、注入された塩素原子の活性化や、イオン注入時のダメージを回復す
るために熱処理が行われる。塩素は、イオン注入後の熱処理温度が４００〜５００℃程度
で済み、特性低下につながるような結晶性の劣化などを抑制することができる。
【００６４】
ここで、図９において、グラフａ（Ｃｌ注入）は、前述のようにアノード電極下のＡｌ
ＧａＮ層中であってＧａＮ層に達しない深さに塩素原子をイオン注入し５００℃で熱処理
を行った場合の電圧と電流の特性例を示す。グラフｂ（ｎｏｒｍａｌ）は塩素注入を行わ
なかった場合の特性例である。
【００６５】
この図９の結果より、アノード電極下に塩素注入を行うことで、行わなかった場合より
も逆方向電流（リーク電流）を低減できている。
【００６６】
以上説明したように、本実施形態によれば、窒化物半導体を用いたダイオードで問題と
なっていたリーク電流を低減できるため、低オン抵抗、低リーク電流および高耐圧のダイ
オードを提供できる。
【００６７】
また、イオン注入と熱処理の組み合わせという、シリコン系半導体プロセスで確立され
た方法を用いて、塩素を第２の半導体層４中に導入するため、特性の均一性、再現性に優
れたダイオードを提供することができる。すなわち、プラズマドーピングにおける前述し
たようなローディング効果の問題がなく、また、塩素を用いることで注入深さの制御性に
優れ、塩素が２次元電子ガスに達して電子移動を阻害することもない。
【００６８】
［第５実施形態］
図１０は、本発明の第５実施形態に係る半導体装置の要部断面を示す模式図である。
【００６９】
本実施形態では、アノード電極２１におけるカソード電極２２側の端部近傍にのみ塩素
を導入して塩素添加領域２０を形成している。本実施形態でも、塩素添加領域２０は、第
１の半導体層３に到達せずに、第２の半導体層４中にとどまる。
【００７０】
アノード電極２１におけるカソード電極２２側の端部近傍は、より電界強度が高くなり
やすい部分であり、特にその部分でリーク電流が生じやすい。したがって、その部分にだ
け塩素を導入して２次元電子ガス濃度を低減すなわち高抵抗化することでも、リーク電流
低減に大きな効果が得られる。なおかつ、塩素添加領域２０の間におけるアノード電極２
１下の部分は高抵抗化されていないため、順方向バイアス時におけるオン抵抗の低減が図
れる。
【００７１】
また、アノード電極２１とカソード電極２２との間の第２の半導体層４表面上には、保
護膜として機能する絶縁膜２５が設けられ、アノード電極２１の一部が絶縁膜２５上をカ
ソード電極２２側に延びて設けられフィールドプレート電極２６として機能する。これに
より、アノード電極２１の端部への電気力線の局所的な集中を抑制して、その部分でのア
バランシェブレークダウンを抑制し、高耐圧化を図れる。
【００７２】
なお、フィールドプレート電極２６は、アノード電極２１と一体に設けられた構造に限
らず、別体であってもよく、いずれにしてもフィールドプレート電極２６にアノード電極
２１と同電位が与えられればよい。
【００７３】
絶縁膜２５としては、ＳｉＮ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＴａＯｘ、ＴｉＯ２
、これらのうち少なくとも２つの組み合わせ（例えばＳｉＮとＳｉＯ２との組み合わせ）
などを一例として挙げることができる。
【００７４】
なお、第４〜第５実施形態においても、図６に示す第３実施形態のように、第２の半導
体層４上に、ＡｌＧａＮよりも安定した材料・組成をもつ層（例えばアンドープもしくは
ｎ型のＧａＮ層）をキャップ層として設けて、素子表面状態を安定化させ、特性ばらつき
の低減を図ってもよい。
【００７５】
前述した実施形態では、第２の半導体層（バリア層）／第１の半導体層（チャネル層）
の組み合わせとして、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの組み合わせを例示したが、ＧａＮ／ＩｎＧａ
Ｎの組み合わせ、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮの組み合わせなどにも本発明は適用可能である。
【００７６】
また、第１〜第３実施形態におけるゲート構造もショットキーゲート構造に限らず、Ｍ
ＩＳ（Metal-Insulator-Semiconductor）ゲート構造、リセスゲート構造としてもよく、
あるいは、耐圧を向上させるため第２の半導体層上にフィールドプレート電極を有する構
造などにしても、前述したのと同様な効果が得られ、実施可能である。
【００７７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したも
のであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その
他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の
省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や
要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる
。
【符号の説明】
【００７８】
１…支持基板、２…バッファ層、３…第１の半導体層、４…第２の半導体層、５…ソース
電極、６…ドレイン電極、７…ゲート電極、８…不純物添加領域、９…２次元電子ガス、
１１…キャップ層、２０…塩素添加領域、２１…アノード電極、２２…カソード電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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