(57)【要約】【課題】高出力の窒化ガリウムショットキー・ダイオード素子を提供する。【解決手段】１〜６μｍの厚さを有するｎ＋型ドープしたＧａＮダイオードから製造した窒化ガリウムベースの半導体ショットキー・ダイオードをサファイア基板の上に配設する。１μｍを超える厚さを有するｎ−型ドープしたＧａＮダイオードを、複数の細長形の指にパターン化した前記ｎ＋型ドープＧａＮダイオード上に配設し、金属層をｎ−型ドープＧａＮ層上に配設し、それとの間にショットキー接合を形成する。細長形の指の層厚、長さおよび幅は、降伏電圧が５００Ｖを超え、電流容量が１アンペアを超え、かつ順方向電圧が３Ｖ未満である素子を得るように最適化される。【選択図】図１Ｂ
2006191118.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ガリウムベースの半導体ダイオードであって、
基板と、
前記基板の上に配設された１〜６μｍの厚さを有するｎ＋型ドープＧａＮ層と、
前記ｎ＋型ドープＧａＮ層上に配設された１μｍを超える厚さを有するｎ−型ドープＧａＮ層と、
前記ｎ−型ドープＧａＮ層の上に配設され、かつそれとのショットキー接合を形成する金属層とを含んだ窒化ガリウムベースの半導体ダイオード。
【請求項２】
前記金属層はＮｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｒｈ、Ｒｅ、ＰｔＳｏ、およびＮｉＳｉから成るグループから選択された金属の１つを含む請求項１に記載のダイオード。
【請求項３】
前記ｎ＋型ドープＧａＮ層は少なくとも１０１８／ｃｍ３の濃度まで不純物でドープされた請求項１に記載のダイオード。
【請求項４】
前記ｎ−型ドープＧａＮ層は５×１０１４〜５×１０１７／ｃｍ３の範囲の濃度まで不純物でドープされた請求項１に記載のダイオード。
【請求項５】
前記ｎ＋型層の一部の上に配設されかつ前記素子のコンタクト・ボンディング面を形成するように、前記ｎ＋型ＧａＮ層上にオーミック・コンタクトをなす金属層をさらに含む請求項１に記載のダイオード。
【請求項６】
前記ｎ−型ドープ層は共通の中央領域から両反対方向に直角に延びる一続きの平行の細長い指領域内にパターン化された請求項１に記載のダイオード。
【請求項７】
得られるダイオードが少なくとも４アンペアの電流容量で、２Ｖ未満の順方向電圧を有するように、前記指領域の各々の幅は少なくとも３０μｍで、２００μｍ未満であり、指間の間隔は５〜１５０μｍであり、指の長さは５０〜９６００μｍである降伏電圧が少なくとも２００Ｖであるが５００Ｖ未満の請求項６に記載のダイオード。
【請求項８】
得られるダイオードが少なくとも１アンペアの電流容量で、３Ｖ未満の順方向電圧を有するように、前記指領域の各々の幅は少なくとも３０μｍで、２００μｍ未満であり、指間の間隔は５〜１５０μｍであり、指の長さは５０〜９６００μｍである、降伏電圧が５００Ｖを超える請求項６に記載のダイオード。
【請求項９】
得られるダイオードが５００Ｖを超える降伏電圧および１アンペアを超える電流容量を有するように、前記指領域の各々の長さは約１６００μｍである請求項６に記載のダイオード。
【請求項１０】
得られるダイオードが２００Ｖを超えかつ５００Ｖ未満の降伏電圧および４アンペアを超える電流容量を有するように、前記指領域の各々の長さは約１６００μｍである請求項６に記載のダイオード。
【請求項１１】
得られるダイオードが４アンペアを超える電流容量で、２Ｖ未満の順方向電圧を有するように、前記指領域の各々の幅は約５０μｍで、指間の間隔は約２６μｍである降伏電圧が少なくとも２００Ｖであるが５００Ｖ未満の請求項６に記載のダイオード。
【請求項１２】
得られるダイオードが１アンペアを超える電流容量で、３Ｖ未満の順方向電圧を有するように、前記指領域の各々の幅は少なくとも５０μｍで、指間の間隔は約２６μｍである降伏電圧が少なくとも５００Ｖである請求項６に記載のダイオード。
【請求項１３】
前記ｎ−型層と前記金属層との間に被着されたＡｌＧａＮ層をさらに含む請求項１に記載のダイオード。
【請求項１４】
素子の大きな低い抵抗のコンタクト・ボンディング面を形成するように、前記金属層の上に被着されかつ前記指領域の各々の上に延びるアルミニウム・コンタクト層をさらに含む請求項６に記載のダイオード。
【請求項１５】
前記基板はサファイアである請求項１に記載のダイオード。
【請求項１６】
前記基板はシリコンである請求項１に記載のダイオード。
【請求項１７】
アルミニウム・コンタクト層とｎ−型ドープＧａＮ層との間の接触を防ぐために、前記ｎ−型ドープＧａＮ層の上のパターン化した誘電体層をさらに含む請求項１４に記載のダイオード。
【請求項１８】
その活性面をダイ設置面に向けた状態で前記ダイオードをパッケージングできるように、前記金属層は前記素子の一端子用のフリップ・チップ結合面を形成する請求項５に記載のダイオード。
【請求項１９】
その活性面をダイ設置面に向けた状態で前記ダイオードをパッケージングできるように、前記アルミニウム・コンタクト層は前記素子の一端子用のフリップ・チップ結合面を形成する請求項１４に記載のダイオード。
【請求項２０】
ショットキー・ダイオード半導体素子であって、
基板と、
前記基板上に配設されかつ上面を有する窒化ガリウム半導体構造であり、前記構造は第１の導電型の下部半導体層と、前記下部半導体層の一部の上に配設されかつ複数のメサ構造を形成する第１の導電型の上部半導体層と、前記上部半導体層の上に配設されかつ下部コンタクト面から上方に突出する前記複数のメサ構造の各々の上にショットキー接合を形成する第１の金属層を含み、
前記複数のメサ構造の各々は前記上部層の一部を含みかつ前記下部コンタクト面の一部によって前記複数のメサ構造の隣接するメサ構造から離間された窒化ガリウム半導体構造を含み、
前記下部および上部半導体層の厚さは、前記ダイオードが５００Ｖを超える逆降伏電圧および少なくとも１アンペアの電流容量を有するように選択されるショットキー・ダイオード半導体素子。
【請求項２１】
ショットキー・ダイオード半導体素子であって、
基板と、
前記基板上に配設されかつ上面を有する窒化ガリウム半導体構造であり、前記構造は第１導電型の下部半導体層と、前記下部半導体層の一部の上に配設されかつ複数のメサ構造を形成する第１導電型の上部半導体層と、前記上部半導体層の上に配設されかつ下部コンタクト面から上方に突出する前記複数のメサ構造の各々の上にショットキー接合を形成する第１の金属層を含み、
前記複数のメサ構造の各々は前記上部層の一部を含みかつ前記下部コンタクト面の一部によって前記複数のメサ構造の隣接するメサ構造から離間された窒化ガリウム半導体構造を含み、
前記下部および上部半導体層の厚さは、少なくとも４アンペアの電流容量で前記ダイオードが２００Ｖを超え、５００Ｖ未満の逆降伏電圧を有するように選択されるショットキー・ダイオード半導体素子。
【請求項２２】
ショットキー・ダイオード半導体素子であって、
基板と、
前記基板上に配設されかつ上面を有する窒化ガリウム半導体構造であり、前記構造は下部半導体層と、前記下部半導体層の一部の上に配設されかつ複数のメサ構造を形成する上部半導体層とを含み、前記下部半導体層および前記上部半導体層は同じ導電型であり、かつ前記下部半導体層は前記上部半導体層よりも高濃度でドープされた窒化ガリウム半導体構造と、
前記上部半導体層の上に配設されかつ下部コンタクト面から上方に突出する前記複数のメサ構造の各々の上にショットキー接合を形成する第１の金属層であり、前記複数のメサ構造の各々は前記上部層の一部を含みかつ前記下部コンタクト面の一部によって前記複数のメサ構造のうち隣接するメサ構造から離間された上部コンタクト面を定める第１の金属層と、
前記第１の金属層の上に配設されかつ前記メサ構造上のショットキー素子の各々と電気的接触を形成する第２の金属層とを含み、
前記下部および上部半導体層の厚さは、前記ダイオードが５００Ｖを超える逆降伏電圧および少なくとも１アンペアの電流容量を有するように選択されるショットキー・ダイオード半導体素子。
【請求項２３】
ショットキー・ダイオード半導体素子であって、
基板と、
前記基板上に配設されかつ上面を有する窒化ガリウム半導体構造であり、前記構造は下部半導体層と、前記下部半導体層の一部の上に配設されかつ複数のメサ構造を形成する上部半導体層とを含み、前記下部半導体層および前記上部半導体層は同じ導電型であり、かつ前記下部半導体層は前記上部半導体層よりも高濃度でドープされた窒化ガリウム半導体構造と、
前記上部半導体層の上に配設されかつ前記下部コンタクト面から上方に突出する複数のメサ構造の各々の上にショットキー接合を形成する第１の金属層であり、前記複数のメサ構造の各々は前記上部層の一部を含みかつ前記下部コンタクト面の一部によって前記複数のメサ構造の隣接するメサ構造から離間された上部コンタクト面を定める第１の金属層と、
前記第１の金属層の上に配設されかつ前記メサ構造上のショットキー素子の各々と電気的接触を形成する第２の金属層とを含み、
前記下部および上部半導体層の厚さは、少なくとも４アンペアの電流容量で、前記ダイオードが２００Ｖを超え、５００Ｖ未満を超える逆降伏電圧を有するように選択されるショットキー・ダイオード半導体素子。
【請求項２４】
ガリウムベースの半導体ダイオードを製造する方法であって、
基板を提供する工程と、
前記基板の上に１〜６μｍの厚さを有するｎ＋型ドープＧａＮ層を形成する工程と、
前記基板上に１μｍを超える厚さを有するｎ＋型ドープＧａＮ層を形成する工程と、
前記ｎ−型ドープＧａＮ層の上にそれとのショットキー接合を形成するように金属層を形成する工程とを含んだ方法。
【請求項２５】
前記ｎ＋ＧａＮ層とのオーミック・コンタクトを形成するように、かつ前記素子のコンタクト・ボンディングを形成するように、前記ｎ＋層の少なくとも一部の上に金属層を被着する工程をさらに含む請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
共通の中央領域から両反対方向に直角に延びる一続きの平行の細長い指領域内に前記ｎ−型ドープ層をパターン化する工程をさらに含み、得られるダイオードが、５００Ｖを超える降伏電圧で、少なくとも１アンペアの電流容量で、３Ｖ未満の順方向電圧を有するように、各指領域の幅は約５０μｍであり、かつ５〜１５０μｍの間隔である請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
共通の中央領域から両反対方向に直角に延びる一続きの平行の細長い指領域内に前記ｎ−型ドープ層をパターン化する工程をさらに含み、得られるダイオードが、２００〜５００Ｖの降伏電圧で、少なくとも４アンペアの電流容量で、２Ｖ未満の順方向電圧を有するように、各指領域の幅は約５０μｍであり、かつ５〜１５０μｍの間隔である請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
素子の熱放散のために前記基板の熱抵抗を低減するように、前記基板を１０ミル未満の厚さまで薄膜化する工程をさらに含む請求項２４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化ガリウム半導体素子に関し、さらに特には、高出力用途のための逆降伏電圧および電流容量が改善された窒化ガリウム（ＧａＮ）ショットキー・ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイオード整流器は低電圧スイッチング、電源、電力変換器、および関連する用途のために最も広く使用されている素子の１つである。効果的な動作のためには、ダイオードは低いオン状態電圧（０．１〜０．２Ｖ以下）、低い逆漏れ電流、高い阻止電圧（２０〜３０Ｖ）、および速いスイッチング速度を有することが望ましい。
【０００３】
最も一般的なダイオードは、ダイオードの動作特性を修正するために制御して不純物元素が導入されたシリコン（Ｓｉ）基板上に作製されたｐ−ｎ接合ダイオードである。また、シリコンのｐ−ｎ接合ダイオードはガリウムヒ素（ＧａＡｓ）およびシリコン・カーバイド（ＳｉＣ）などの他の半導体材料のウエハの上に形成することもできる。ｐ−ｎ接合ダイオードの欠点の１つは、順方向の伝導中にダイオードの電力損が大きな電流の流れに対して過度になり得ることである。
【０００４】
別のタイプのダイオードは、ｐ−ｎ接合の代わりに整流金属−半導体障壁領域から形成されるショットキー障壁ダイオードである。金属が半導体に接すると、障壁領域が２つの間の接合部に生まれる。適切に製造された場合、障壁領域が電荷蓄積効果を最小にし、ターンオフ時間を短縮することによってダイオードのスイッチングを改善する。［Ｌ．Ｐ．Ｈｕｎｇｅｒ、Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｏｆ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、Ｄｅｖｉｃｅｓ、ａｎｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ、Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅｓ、１〜１０貢（１９７０）］一般的なショットキー・ダイオードがｐｎ接合ダイオードよりも低いターンオン電圧（半導体のバンド・ギャップに応じて約０．５Ｖ以上）を有し、ダイオードのエネルギ損が（スイッチング電源の出力整流器など）システムに著しく影響を及ぼす恐れのある用途ではより好ましい。
【０００５】
電力変換用途で使用する際の窒化ガリウム半導体素子の応用は、そのような素子のための新たな設計および環境要件のほか、先行技術の窒化ガリウムベースの素子によっては満たされなかった製造上および信頼性の考察を生じる。
【０００６】
本発明より以前には、市販の受容可能な高出力窒化ガリウムショットキー・ダイオード素子は存在しなかった。
【非特許文献１】Ｌ．Ｐ．Ｈｕｎｇｅｒ、Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｏｆ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、Ｄｅｖｉｃｅｓ、ａｎｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ、Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅｓ、１〜１０貢（１９７０）
【特許文献１】米国特許出願ＰＡＣＫＡＧＥ  ＦＯＲ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ  ＤＥＶＩＣＥＳ
【特許文献２】米国特許出願第２００３／００６２５２５号
【特許文献３】米国特許第３４８６１号
【特許文献４】米国特許第４９４６５４７号
【特許文献５】米国特許第５２０００２２号
【特許文献６】米国特許出願第１０／９３５０００号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は改善された高出力半導体素子を提供することにある。
本発明の別の目的は窒化ガリウムショットキー・ダイオード半導体素子を提供することにある。
【０００８】
本発明の別の目的は、信頼性を改善しかつ製造コストを低くするために半導体素子構造においてメサ構成を提供することにある。
【０００９】
本発明のさらに別の目的は、サファイア基板およびフリップ・チップ技術を用いて窒化ガリウム半導体素子を製造するための改善された方法を提供することにある。さらなる詳細は本願と同時に出願された、「ＰＡＣＫＡＧＥ  ＦＯＲ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ  ＤＥＶＩＣＥＳ」と題する米国特許出願に開示されている。
【００１０】
以下の詳細な説明を含むこの開示からおよび本発明の実施によって、本発明のさらなる目的、利点、および新規な特徴が当業者には明らかとなろう。好適な実施形態を参照して以下に本発明を記載するが、本発明はそれに限定されるものではないことを理解されたい。本願明細書の教示を利用できる当業者であれば、本願明細書において開示および請求され、かつ本発明が有用であり得る本発明の範囲にある他の分野におけるさらなる応用、変形、および実施形態を理解するであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
簡単に言うと、一般的には、本発明は厚さが１〜６μｍのｎ＋ドープしたＧａＮ層が基板上に配設された窒化ガリウムベースの半導体ダイオードを提供する。厚さが１μｍを超えるｎ−ドープしたＧａＮ層はｎ＋ＧａＮ層上に配設され、金属層は前記ｎ−ドープしたＧａＮ層上に配設され、その間にショットキー接合を形成する。
【００１２】
別の態様では、本発明は窒化ガリウム半導体構造が基板上に配設されかつ上面を有するショットキー・ダイオード半導体素子を提供し、この構造は第１の導電型の下部半導体層、下部半導体層の一部の上に配設されかつ複数のメサ構造を形成する第１の導電型の上部半導体層と、上部半導体層の上に配設されかつ複数のメサ構造を形成する第１の金属層、上部半導体層の上に配設されかつ下部半導体層表面から上方に突出する複数のメサ構造の各々の上にショットキー接合を形成する第１の金属層を含む。
【００１３】
さらに特には、下部および上部半導体層の厚さはダイオードが５００Ｖを超える逆降伏電圧および５アンペアを超える電流容量を有するように選択される。
【００１４】
本発明の特徴であると考えられる新規なフィーチャは添付の特許請求の範囲に特に定められている。しかし、本発明自身は、その付加的な目的および利点と共に、その構造および動作の方法の両方に関して、添付図面とともに読めば、以下の具体的な実施形態の記載から最もよく理解されよう。
【００１５】
本発明の上記および他の特徴および利点は、添付図面と共に考察すれば、以下の詳細な説明によってよりよく理解され、より完全に評価されよう。
【００１６】
ここで、例示的態様およびその実施形態を含む本発明の詳細を記載する。図面および以下の説明を参照すると、同様の参照番号は同様のまたは機能的に類似する要素を識別するために用いられ、例示的実施形態の主要な特徴を非常に単純化した図で説明することが意図されている。さらに、図面は実際の実施形態のすべての特徴も図示した要素の関連する寸法も描くことを意図しておらず、原寸大に描かれていない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１ＡはＩＩＩ族窒化物ベースの材料系またはフェルミ・レベルがその表面状態に固定されない他の材料系から形成された公開された米国特許出願第２００３／００６２５２５号に示された先行技術に従って構成されたショットキー・ダイオード１００を示す。ＩＩＩ族窒化物とは窒素と一般にはアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、およびインジウム（Ｉｎ）である周期表のＩＩＩ族内の元素との間で形成される半導体化合物を指す。この用語はＡｌＧａＮおよびＡｌＩｎＧａＮなどの三元化合物および第三化合物も指す。先行技術のダイオードに好適な材料はＧａＮおよびＡｌＧａＮである。
【００１８】
ダイオード１００はサファイア（Ａｌ２Ｏ３）、シリコン（Ｓｉ）、または先行技術の好適な基板は４Ｈポリタイプのシリコン・カーバイドであるシリコン・カーバイド（ＳｉＣ）であってよい基板１０１を含む。３Ｃ、６Ｈ、および１５Ｒポリタイプを含む他のシリコン・カーバイド・ポリタイプが使用されてもよい。ＡｌＧａ０−ｘＮバファ層（ｘは０〜１）が基板１０１の上に含まれており、シリコン・カーバイド基板とダイオード１００の残りの部分との間に適した結晶構造転移を提供する。
【００１９】
サファイアよりもＩＩＩ族窒化物に結晶格子整合が非常に近く、より高い品質のＩＩＩ族窒化物膜が得られるので、シリコン・カーバイドは先行技術においては好ましいものであった。シリコン・カーバイドは非常に高い熱伝導性も有するので、（サファイア上に形成されたいくつかの素子と同様）シリコン・カーバイド上のＩＩＩ族窒化物素子の総出力は基板の熱放散によって制限されない。そのような先行技術の素子はダイオードを形成するために側方（すなわちチップの表面に平行）の伝導に依存していた。そのような構造では、シリコン・カーバイド基板は市販の素子を作る素子間分離の容量および低減された寄生容量を可能性のあるＳｉＣに提供する。ＳｉＣ基板はノースカロライナ州ダラムのＣｒｅｅ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ社から市販されており、それを製造する方法は学術文献のほか米国特許第３４８６１号、第４９４６５４７号、および第５２０００２２号に記載されている。
【００２０】
ダイオード１００は基板１０１の上にｎ＋型ＧａＮ層１０２を有し、ｎ＋型ＧａＮ層１０２上のｎ−型ＧａＮ層１０３は少なくとも１０１８／ｃｍ３の濃度まで不純物で高濃度でドープされており、好適な濃度はこの量の５〜２０倍である。ｎ−型ＧａＮ層１０３はより低いドーピング濃度を有しているが、まだｎ−型であり、５×１０１４〜５×１０１７／ｃｍ３の範囲の不純物濃度を有していることが好ましい。ｎ−型ＧａＮ層１０３は厚さ０．５〜１．０μｍであることが好ましく、ｎ＋型ＧａＮ層１０２は厚さ０．１〜１．５μｍであるが、他の厚さも使用できる。
【００２１】
ｎ−型ＧａＮ層１０３の部分はｎ−型ＧａＮ層までエッチダウンされ、オーミック金属コンタクト１０５は、ｎ−型ＧａＮ層１０３から電気的に絶縁されるようにｎ＋型ＧａＮ層上のエッチングされた領域に含まれる。別の実施形態では、１つまたは複数のオーミック・コンタクトがｎ＋型ＧａＮ層１０２で被覆されていない基板の表面上に含まれてよい。この先行技術の実施形態はｎ−型である基板に特に適用可能である。ショットキー金属層１０４はｎ＋型ＧａＮ層１０２と反対側のｎ−型ＧａＮ層１０３の上に含まれる。
【００２２】
図１ＢはＩＩＩ族窒化物ベースの材料系から形成した本発明の第１の実施形態に従って構成したショットキー・ダイオード２００の著しく拡大した図を示す。ＩＩＩ族窒化物は窒素と通常はアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、およびインジウム（Ｉｎ）である周期表のＩＩＩ族の元素の間で形成された半導体化合物を意味する。この用語はＡｌＧａＮおよびＡｌＩｎＧａＮなどの三元化合物および第三化合物も意味する。新しいダイオードに好適な材料はＧａＮおよびＡｌＧａＮである。
【００２３】
図１Ａに示した先行技術と異なり、本発明のダイオード２００は、低コストでかつ多数の異なる径で広く使用可能であることから好適にはサファイア（Ａｌ２Ｏ３）である基板２０１を利用する。別の場合には、シリコン基板が使用されてよい。
【００２４】
絶縁基板すなわちサファイア基板を半導体素子に使用することは、一般に、市販されている、径に応じて１５〜２５ミルなどの比較的厚いサファイア基板に依存していた。高い電流が素子を通過するときに、市販の厚いサファイア基板を用いたＧａＮショットキー・ダイオードに関しては熱蓄積の問題がある。本発明の重要な特徴の１つはダイオード２００が比較的薄いサファイア基板２０１の上に実施されることにある。製造工程後に基板を薄膜化することによって、一般の製造工程を用いることができるが、最終的にパッケージングされた素子はその熱抵抗が実質的に低減されるであろう。
【００２５】
サファイアは窒化物ベースのダイオードには最も一般的な基板である。サファイアには高い熱抵抗があるので、ＧａＮショットキー・ダイオードの用途における高い電流密度の動作には厚い基板は望ましくない。ＧａＮショットキー・ダイオードは。順方向伝導モードにおいて少なくとも１アンペアの電流伝導（対応する４００Ａ／ｃｍ２の電流密度で）を必要とする。典型的には、電流伝導は素子が大きくなると８〜１６アンペアまで高くなり得る。順方向の電流伝導中に生じる熱を迅速に放散することができない場合、熱は素子の温度を上昇させる。キャリア移動度などの大半の半導体材料特性は温度の関数であるので、温度上昇は素子性能の著しい劣化を生じさせる。素子性能への熱効果を低減させるためには、熱伝導を改善することが必要である。熱伝導の悪いサファイアの厚さを縮小すれば、ＧａＮショットキー・ダイオードからの熱伝導を改善することができる。素子の熱性能を改善するために、サファイアを薄膜化する実験が行われた。Ｓｔｒａｓｂａｕｇｈ社のモデル７ＡＡ  Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｗａｆｅｒ  Ｂａｃｋｇｒｉｎｄｉｎｇ  Ｍａｃｈｉｎｅのような従来のウエハ研磨システムまたはＬｏｇｉｔｅｃｈ社のモデルＬＰ５０  Ａｕｔｏ  Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ  Ｌａｐｐｉｎｇ  ａｎｄ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ  Ｍａｃｈｉｎｅなどのダイアモンド・グリット・ラップ研磨システムを用いることによって、１５〜２５ミルのサファイアウエハを６ミルまでそれぞれ約５分または２時間で薄膜化することができる。厚いＧａＮエピタキシャル層による応力蓄積が除去され、かつ素子が分離される前にウエハにクラックを生じさせないように確実にするために、いくつかの研磨を行ってもよい。厚いサファイア（１５〜１７ミル）上のＧａＮダイオードの熱抵抗は約５．６°Ｃ／Ｗであるが、薄いサファイア（６ミル）上では２°Ｃ／Ｗ以下である。サファイアの薄膜化によるこのような熱抵抗の大きな低減によって、順方向の伝導モードにおける素子性能は著しく改善される。
【００２６】
サファイアよりもＩＩＩ族窒化物に結晶格子整合が非常に近く、より高い品質のＩＩＩ族窒化物膜が得られるので、シリコン・カーバイドは先行技術においては好ましいものであった。シリコン・カーバイドは非常に高い熱伝導性も有するので、（サファイア上に形成されたいくつかの素子と同様）シリコン・カーバイド上のＩＩＩ族窒化物素子の総出力は基板の熱放散によって制限されない。しかし、薄膜化したサファイア上のＧａＮショットキー・ダイオードはＳｉＣと実質的に同じ熱特性を有する。
【００２７】
ダイオード２００は基板２０１上にｎ＋型ＧａＮ層２０２を有し、ｎ＋型ＧａＮ層２０２上のｎ−型ＧａＮ層２０３は少なくとも１０１８／ｃｍ３の濃度まで不純物で高純度でドープされるが、好適な濃度はこの量の４〜２０倍である。ｎ−型ＧａＮ層２０３はドーピング濃度が低いが、依然としてｎ−型であり、５×１０１４〜５×１０１７／ｃｍ３の不純物濃度を有することが好ましい。図１Ａに示した先行技術の比較的薄い相当する層とは対照的に、ｎ＋型ＧａＮ層２０２は厚さ１．０〜６．０μｍであることが好ましく、ｎ−型ＧａＮ層２０３は厚さ１．０〜１２．０μｍであることが好ましい。
【００２８】
ｎ−型ＧａＮ層２０３の部分はｎ＋層までエッチダウンされ、ｎ−型ＧａＮ層２０３から電気的に絶縁されるようにオーミック金属コンタクト２０５がｎ＋型ＧａＮ層上のエッチングされた領域に設けられている。別の実施形態では、１つまたは複数のオーミック・コンタクトが、ｎ＋型ＧａＮ層１０２で被覆されていない基板の表面上に含まれてよい。この先行技術の実施形態は導電性基板に特に応用可能である。ショットキー金属層２０４がｎ＋型ＧａＮ層２０２の反対側のｎ−型ＧａＮ層２０３の上面に付着されている。
【００２９】
図２Ａは上記の米国特許出願第２００３／００６２５２５号に記載されたような別の実施形態の先行技術で知られているようなＧａＮダイオードの非常に単純化した断面図である。特に、この図は障壁高さの低減による逆電流の増大という問題に対処するショットキー・ダイオード３００の一実施形態を示している。ダイオード３００は別の場合には基板の表面に含むことのできる同様の基板１０１、ｎ＋型ＧａＮ層１０２、およびオーミック金属コンタクト１０５を有する上記実施形態と類似している。ダイオード３００はｎ−型ＧａＮ層１０６も有するが、平坦であるｎ−型ＧａＮ層１０６の代わりに、ｎ−型ＧａＮ層１０６内にトレンチ１０８を含んだ二次元の２つのトレンチ構造を有する。このトレンチは平行で、等しく離間されており、隣接するトレンチ１０８の間にはメサ領域１０７が残っている。各トレンチ１０８はその側壁および底面を被覆する絶縁層１０９を有する。多数の種々の絶縁材料が使用されてよく、好適な材料は窒化シリコン（ＳｉＮ）である。ショットキー金属層１１０はトテンチ構造全体の上に含まれており、ショットキー金属１１０とトレンチの側壁および底面との間に絶縁層１０９を挟み、メサ領域１０７を被覆している。このメサ領域はショットキー金属１１０とｎ−型ＧａＮ層１０６との間に直接的な接触領域を提供する。別の場合には、各トレンチ１０８は絶縁体以外の金属で被覆され得る。そのような変形例では、ショットキー金属がトレンチ金属から絶縁かつ／または分離される。
【００３０】
図２Ｂは図１ＢのＧａＮダイオードの非常に単純化した断面図であり、本発明の範囲にあるメサ型の「指」の幅および間隔の範囲を説明するために本発明の３つの規則的なメサ構造のグループを示している。より具体的には、指２０３の各々の幅は３０〜２００μｍになるように選択され、指２０３は５〜１５０μｍだけ離間されている。
【００３１】
図３は米国特許出願第２００３／００６２５２５号に記載されているような第３の実施形態の先行技術において知られている別のＧａＮダイオードの非常に単純化した断面図であり、逆電流を低減させるためのトレンチ構造である。上記の図２Ａに示したショットキー・ダイオードと同様、トレンチ構造が複数の平行で等しく離間したトレンチに分離しているが、この実施形態では、最上層はＡｌＧａＮ障壁層１１１を通り、かつｎ−型ＧａＮ層１０６を完全に貫通してｎ＋型ＧａＮ層１０２までエッチングされている。同様のメサ領域が隣接するトレンチ間に形成されている。トレンチの側壁および底面は絶縁層１０９を有し、最上部のショットキー金属層１１０はトレンチ構造全体を被覆している。このトレンチ構造は上記図２Ａに示した実施形態と同様に機能し、逆電流を低減させる。
【００３２】
図４Ａおよび４Ｂは、本発明のＧａＮダイオードの素子のオーミック領域およびショットキー領域とのコンタクトを形成する代替的設計を提供する素子の上部層の第１および第２の実施形態それぞれの平面図である。
【００３３】
さらに特には、図４Ａは１つのダイに実施されたような本発明の窒化ガリウム半導体素子全体の第１の実施形態の拡大平面図であり、ショットキー４０２、４０７およびダイ上のコンタクト領域をワイヤボンディングするオーミック４０８、４０９を示している。図４Ａに示しＡ−Ａ面で切ったときの図５Ａに示した素子の部分断面図を検証すればわかるように、この素子は平坦な領域４０１が平坦な領域４０３よりも高くなった２つの高さのメサ構造として構成されている。
【００３４】
図４Ａはた線形中央領域４２０を示しており、これは図４Ａに示した素子の描写において垂直に配置され、すべてのメサ構造の指４０５に共通である。指４０５は幅が６４μｍであることが好ましく、中央領域４２０と垂直に並行して、かつそこから離れて左右両方向に延びている。指４０５は好適には２６μｍの距離だけ相互に離間されている。
【００３５】
図４Ｂは単一のダイ上に実施されたような本発明の窒化ガリウム半導体素子全体の第２の実施形態の拡大平面図であり、ダイ上のオーミックワイヤ・ボンディング・コンタクト領域４０８、４０９を示しているが、図４Ａで用いたアプローチとは異なるショットキー・コンタクトを作製するアプローチを利用している。
【００３６】
特に、第２の実施形態では、金属パッド４１０はメサ構造の指の全部にわたって延在し、ショットキー金属と電気的コンタクトを成している。金属パッド４１０は比較的狭くて短い素子の指を用いるときにより径の大きいワイヤをショットキーのコンタクト領域にワイヤボンディングする能力を向上させる。さらに、図４Ａに示したショットキーがワイヤボンディングされたメサ型のパッド領域を図４Ｂに示した素子の中央から完全に除去することができる。
【００３７】
図５Ａは図４ＡのＡ−Ａ面で切った本発明のＧａＮダイオードの詳細な断面図であり、メサ構造をより詳細に示している。
【００３８】
上記図２Ｂのより単純化した描写に示したように、特に、サファイア基板２０１、該基板上に被着したＧａＮの高濃度ドープした（ｎ＋）層２０２、および層２０２の部分の上に被着したＧａＮの低濃度でドープした（ｎ−）層２０３を示している。＿年＿月＿日に出願された、関連の米国特許出願第＿＿＿＿＿号では、所望のドーピングレベルを正しく得るためにドーピングを修正したＧａＮショットキー・ダイオードのための、低濃度ドープした上部層の使用が記載されている。
【００３９】
図５Ａの代表図に関連して記載される本発明のいくつかの重要な態様があり、その第１はメサ構造の寸法が最適なことである。これらは素子の両主要層のエピ層厚およびドーピングレベルに基づいている。本発明がメサ構造を使用するという事実を考慮すると、少なくとも２つの電導層が存在する。第１の層は逆方向の動作時に電圧低下を処理する低電導性の層であり、他方、第２の層すなわち底部層は高電導性であり、素子の低い動作電圧が可能であるように順方向の電導を処理する。メサ構造を使用するには、電流が素子にどのように広がるかに関する適した設計が要求される。これは一般に、（メサ構造上のボンディング・パッドにボンディングされたワイヤを介して）外部との接続を提供する主要なメサ構造をおよび素子の平坦な領域にわたって電流を輸送するためのメサ構造内の複数の長くて薄い指を設計することによって達成される。指の長さは入念に設計しなければならない。指形メサ構造が狭いと、電流が指のエッジに集中し、導電性が低減される。指形メサ構造が幅広いと、素子のいくつかの領域は電流輸送に役立たず、導電性も低減される。したがって、指形メサ構造の最適な幅および長さが成長するエピ構造の各々について存在する。指形メサ構造が電流集中効果を克服するための指形メサ構造の幅を決定するために、本発明では複雑なモデルを用いた。この最適な幅は最適な長さと同時に決定されるが、これはこの２つの変数が関連しているためである。この最適な幅は移動度、厚さ、および上部および底部の半導体層の空乏領域の幅に左右される。６μｍのｎ−型ＧａＮ層で用いられる値について、本発明は最適な幅は５０μｍをほんの少し超えるものであると決定した。これは指が５０μｍより著しく狭い場合、電流集中効果が優勢になって抵抗が上昇することを意味する。したがって、この値は最適な素子レイアウト設計用の下限として用いられる。指の長さは異なった方法で最適化される。指がより長い場合、著しい電圧低下が指の長さに沿って生じるため、駆動力は低減されて抵抗は上昇する。これは指を個々の抵抗の網に変えることによってのみモデル化し、最適化することができる。指が単一の場合、最適な長さは１６００μｍに非常に近いものになる。この値は素子の所望の総面積に応じて僅かに変動するであろう。図４Ｂで指のアレイを使用する場合、指の長さは５０μｍほどに短くなり得る。最後に、ｎ＋型ＧａＮ層のシート抵抗およびオーミック・コンタクトの低効率によって決定される指の離間距離、２６μｍであるのが最適である。
【００４０】
メサ構造の指および離間距離を設計する際に使用される別の改善法は、オーミック金属がメサ構造の段を覆えるようにすることである。これは基本的にメサ構造のエッジまでオーミック金属を延ばすことによって素子の抵抗を低減させるために行われる。オーミック金属を被着するための領域を整列させることは、オーミック金属はメサ構造を被覆するが、ショットキー金属から依然として数μｍ（５μｍを超える）離れているという事実により、より大きな許容差を有するという事実があるので、素子のロバスト性は増大される。これはオーミック金属とショットキー金属との間で素子が短絡するのを防ぐための適した距離である。メサ構造が非常に高い素子では問題となり得るメサ構造間の素子の領域をすべてオーミック金属によって均一に被覆することも保証される。さらに、エッチングされたメサ構造を金属で被覆して、エッチング面上にアークが生じる可能性が抑えられる。
【００４１】
図５Ｂは図４Ａまたは４ＢのＢ−Ｂ面で切った本発明の第１の実施形態のＧａＮダイオードの詳細な断面図であり、図５Ａに示した製造工程の同じ段階のオーミック・ボンディング金属コンタクトを示している。
【００４２】
図５Ｃは図４Ａまたは４ＢのＣ−Ｃ面で切った本発明の第１の実施形態のＧａＮダイオードの詳細な断面図であり、図５Ａおよび５Ｂに示した製造工程の同じ段階のショットキー・ボンディング金属コンタクトを示している。
【００４３】
図６Ａは図４ＡのＡ−Ａ面で切った本発明の第１の実施形態のＧａＮダイオードの詳細な断面図であり、二酸化シリコンまたはポリイミドのパッシベーション層が金属プレート（Ａｌ）層の上に塗布された製造工程の次の段階後のメサ構造を示している。この二酸化シリコンは当業界では標準的なスパッタリング、プラズマ強化ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、またはスピンオンガラスで被着されてよい。ポリイミドは非常に大きな誘電率を有しかつ高電圧で絶縁破壊に抵抗するスピンオンガラスと同様のスピンオン／硬化コーティングである。
【００４４】
図６Ｂは図４のＢ−Ｂ面で切った本発明の第１の実施形態のＧａＮダイオードの詳細な断面図であり、図６Ａのような製造工程の同じ段階のオーミック・ボンディング金属コンタクトを示している。このパッシベーション層はショットキー金属コンタクトを被覆し、次にパッシベーション層をパターン化して活性オーミック金属、すなわちカソードまでコンタクトボンドパッドを露出させる。
【００４５】
図６Ｃは図４のＣ−Ｃ面で切った本発明の第１の実施形態のＧａＮダイオードの詳細な断面図であり、図６Ａおよび６Ｂのような製造工程の同じ段階のショットキー・ボンディング金属コンタクトを示しており、ボンドパッドはアノード用の活性ショットキー金属に開放されている。
【００４６】
図７Ａは図４ＢのＡ−Ａ面で切った本発明の第２の実施形態のＧａＮダイオードの詳細な断面図であり、製造工程の次の段階後のメサ構造を示している。この段階では、パッシベーション層は素子に存在する高い電界のアークを防ぐために層構造を完全に被覆している。この保護は長時間にわたって信頼できる素子動作を提供するために必要である。この層はまた、ワイヤボンドが素子上のはっきりと画定された場所に設置され、かつワイヤボンドが素子の動作に干渉しないように、ボンディング・パッド領域を形成することを可能にする。
【００４７】
図７Ｂは図４ＢのＢ−Ｂ面で切った本発明の第２の実施形態のＧａＮダイオードの詳細な断面図であり、図７Ａのような製造工程の同じ段階のオーミック・ボンディング金属コンタクトを示している。
【００４８】
図８Ａは図４ＡのＡ−Ａ面で切った本発明の第１の実施形態のＧａＮダイオードの詳細な断面図であり、図７Ａの工程の次の製造工程の次の段階後のメサ構造を示している。この製造段階はダイのフリップ・チップ構成用の大きな金属パッド領域を提供するためのものである。この場合、ボンディング・パッドよりも少し大きい金属コンタクトを塗布して、本願明細書と同時出願された米国特許出願「ＰＡＣＫＡＧＥ  ＦＯＲ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ  ＤＥＶＩＣＥＳ」に記載されたような大きなはんだ接続またはエポキシ接続を可能にする。
【００４９】
図８Ｂは図４ＡのＢ−Ｂ面で切った本発明の第１の実施形態のＧａＮダイオードの詳細な断面図であり、図８Ａのような製造工程の同じ段階のショットキー・ボンディング金属コンタクトの被着を示している。
【００５０】
２００４年９月７日に出願された関連する米国特許出願第１０／９３５０００号では、抵抗性保護リングの使用が記載されている。その出願では、保護リングを作製する２つの方法が記載されている。一方は、ショットキー金属およびオーミック金属が保護リングマスクとして働く自己整合保護リングであり、他方はショットキー金属が事前に存在する保護リングに重なるように被着された保護リングである。この２つの技術を適用することができるが、本発明は自己整合工程を用いるが、二重ショットキー工程のために第１の重なりを達成するために次に第２のショットキー金属を被着することによる第３の変形例を教示する。この２つの金属は順方向電流伝導を提供するが、得られる金属構造のエッジ上には高い逆電圧保護を提供するように異なるものであってよい。この二重ショットキー工程は、自己整合保護リングを用いて与えられた整合許容範囲の増大のほかエッジ終端用の高仕事関数金属の柔軟性が加えられるというあらゆる利点を提供する。
【００５１】
ＧａＮショットキー・ダイオード製造の従来の工程は注入工程から始まって、続いて、その注入領域上に重なり合う領域を有するようにショットキー・コンタクトが適切に整合されなければならない。これは上記のようなエッジ終端の要件である。しかし、ＧａＮショットキー・ダイオードはサファイア基板上に成長させるのが好ましく、また側方の電流伝導を必要とするので、注入された領域とのショットキー・コンタクトの不整合に対する許容性が制限される。
【００５２】
本発明の第２のショットキー金属工程は自己整合注入の利点のすべてを利用する。第２のショットキー・コンタクト・エッジの下側の注入領域は、電界集中効果に起因する高い電界に耐えるためのものである。素子の漏れ電流は第２のショットキー・コンタクトの障壁高さが大きくなるにしたがって指数関数的に低減するので、このアプローチは素子性能に対する別の実質的な利点を有する。しかし、障壁高さの増大は、ＧａＮショットキー素子の動作においては望ましくないフィーチャである順方向のより高い電圧低下も生じさせる。（障壁高さの低い）Ｎｉ金属を第１のショットキー金属として用い、高い仕事関数（より高い障壁高さを形成することを意味する）を有するＰｔを第２のショットキー金属として用いることによって、大半の漏れ電流は電界が集中する金属エッジにおいて発生するので、漏れ電流は低減される。順方向の伝導モードでは、電流伝導はＮｉショットキー・コンタクトの中央を通り、順方向電圧はショットキー・コンタクト全体がＰｔである場合の順方向電圧よりも低い。したがって、この二重ショットキー金属アプローチは、素子の逆方向特性を犠牲にすることなく、素子の順方向の性能を改善すると考えられる。
【００５３】
本発明の別の態様は図５Ａ〜５Ｃに示したショットキー・ダイオード金属層２０４に関連する。素子抵抗を低減させるために、Ｔｉ、Ａｌ、Ａｇなどの低仕事関数金属がショットキー金属積層体２０４の上部に使用される。素子が周囲温度の上昇を経験するときに、低仕事関数金属がｎ−型ＧａＮ層表面と接触する場合、この素子の性能は劣化するかもしれない。この問題を解決し、起こり得る劣化からｎ−型ＧａＮ層を保護するために、２つの方法が提唱される。つまり、僅かに大きさの違う２つの別個の金属の被着工程を用いるか、またはショットキー金属積層体の下に誘電体を用いる工程である。
【００５４】
図９Ａは図９Ａの層が同時に付着され、故に同じ大きさである本発明のＧａＮダイオードのショットキー・コンタクト部分の拡大断面図である。
【００５５】
図９Ｂは本発明のＧａＮダイオードのショットキー・コンタクト部分の拡大断面図であり、高仕事関数金属の最初のショットキー・コンタクトよりも僅かに大きく被着された低仕事関数金属（この場合はＡｌ）を示している。上記のように、図９Ａおよび９Ｂのコンタクト構成は素子性能を劣化させるかもしれない。
【００５６】
図９Ｃは本発明のＧａＮダイオードのショットキー・コンタクト部分の拡大断面図である。この場合、保護リングがまずｎ−型ＧａＮ層の表面上に選択的に設けられる。この点では、低仕事関数金属はｎ−型ＧａＮ層に触れないので、素子性能の改善が可能となる。
【００５７】
図９Ｄは本発明ＧａＮダイオードのショットキー・コンタクト部分の拡大図である。この場合、損傷または汚染から活性素子表面を保護するために、パッシベーション層がまずｎ−型ＧａＮ層およびｎ＋型ＧａＮ層の表面上に選択的に設けられる。これは一般にフィールド・プレート設計と呼ばれる。この点では、低仕事関数金属はｎ−型ＧａＮ層に触れないので、素子性能の改善が可能となる。
【００５８】
ＮｉおよびＰｔなどの高仕事関数金属が、ＧａＮショットキー・ダイオードではショットキー・コンタクト金属として好ましいが、Ａｕ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｒｈ，Ｒｅ、ＰｔＳｉ、およびＮｉＳｉなどの他の高仕事関数金属および珪化物が使用されてもよい。（４アンペアを超える）高い電流を順方向の伝導モードで伝導するには、ある最大の厚さのショットキー金属が必要である。しかし、ＮｉおよびＰｔは高耐熱金属であるので、ＮｉまたはＰｔの厚い層を電子ビーム蒸着法によって被着することは実用的ではない。単純で効果的な解決法は、複数の金属積層体を用いることであり、まずショットキー金属（Ｎｉが好ましい）を、次に障壁金属（ＰｔまたはＡｕが好ましい）を、最後に高伝導性金属（Ａｌが好ましい）を被着させることを含む。Ａｌは以下の利点を有するので、この高伝導性金属の即座の選択である：１）Ａｌの電気抵抗は非常に低い、２）Ａｌはパッケージ要件に適合する、および３）Ａｌの被着は容易で費用効果が高い。この多数の金属積層体アプローチの唯一の欠点は、上記金属が同時に被着される場合、ダイオード性能が温度上昇とともに劣化するということである。ＧａＮショットキーは性能が永久的に劣化することなく温度が上昇（１７５℃〜３００℃もの高さ）する下で動作しなくてはならないので、これは素子動作の重大な欠陥モードを引き起こす。実際、図５ＡのＧａＮの上部に形成されたショットキー金属積層体は、大きさが僅かに異なる２段階の被着で形成され得る。多数の金属積層体の好適な実施形態では、Ｎｉ／Ａｕが第１の金属積層体として２０００Å／１００００Åの厚さで被着され、Ｎｉ／Ｔｉ／Ａｌが第２の積層体として２０００Å／５００Å／３２０００Åの厚さで被着される。ＮｉまたはＴｉの代わりにＰｔが使用されてもよいが、より厚い層のＰｔを被着することはさらに困難であるので好ましくない。
【００５９】
図９Ｄは本発明のＧａＮダイオードのショットキー・コンタクト部分の拡大断面図である。この場合、パッシベーション層をまずｎ−型ＧａＮメサ構造およびｎ＋ＧａＮ表面の上に完全に被着する。次に、ｎ−型ＧａＮメサ構造およびｎ＋ＧａＮ表面とのコンタクトとして開口部を設け、オーミック・コンタクト層およびショットキー・コンタクト層が上記のようにして被着される。また図９Ｃのように、低仕事関数金属はｎ−型ＧａＮ層に触れないので、素子性能の改善が可能となる。
【００６０】
多数のショットキー金属積層体を被着する前の二酸化シリコン、窒化シリコン、または酸化アルミなどの誘電体膜の使用を図９Ｄに示している。この場合、第１のショットキー金属層だけがｎ−型ＧａＮ層表面と接する。Ａｌはある厚さの誘電体の層によってＧａＮ表面から分離される。実験結果は、３００℃の周囲温度の下で試験を行ってもＧａＮショットキー素子性能は劣化しないことを示している。このアプローチにより、われわれはこの単純で費用効果の高い多数の金属積層体をショットキー・コンタクトとして適用することができる。この誘電体層の使用はショットキー・ダイオード用のフィールド・プレートとして考慮され、単独で、または保護リングと共に使用するときに素子性能を改善することもできる。この誘電体層の厚さを変えることによって、ショットキー金属のエッジ上の高い電界を低減することができる。
【００６１】
本発明のさらに別の態様は、ＧａＮショットキー・ダイオードの上部層として別の材料を使用することに関する。
【００６２】
大半の窒化物ベースのショットキー・ダイオードはＧａＮベースの素子である。このような素子では、ショットキー金属コンタクトはＧａＮ構造のあるＧａＮ表面に形成され、オーミック金属コンタクトはＧａＮ素子の別の層に形成される。典型的には、ショットキー・コンタクトは低濃度ドープのｎ−型層に形成され、オーミック・コンタクトは高濃度ドープのｎ＋ＧａＮ層に形成される。
【００６３】
本発明はショットキー・コンタクトが形成されるＧａＮ上部層の代わりか、またはそれに加えてＡｌＧａＮ上部層を有するショットキー・ダイオードを提供する。本開示で用いられるように、「ＡｌＧａＮ半導体層」という用語は化学式ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎによる化合物半導体材料を意味する。この式でｘは０〜１であり、０および１を含む。このＡｌＧａＮ層はドープされなくてよいか、または１×１０１４〜２×１０１６／ｃｍ３のドーピング濃度でｎ−型にドープされてよい。
【００６４】
金属−ドープ半導体接合の整流特性は、接触する金属層および半導体ボディの個々の仕事関数の差および半導体の表面状態に基づく差に基づいた接触電位差から生じる。素子が逆方向にバイアスされると、少量の漏れ電流が逆方向に流れる。この逆バイアス電圧が十分に高くなると、高い電界の集中が大きくなり、素子に雪崩崩壊が起こるかもしれない。
【００６５】
ダイオード構造にＡｌＧａＮ層を利用すれば、ＧａＮダイオードと比べて高い降伏電圧になると想定することができる。ＡｌＧａＮの正確な降伏電圧は、ＧａＮ材料について算出したように、イオン化係数の式を用いて算出することができる。Ｔ．Ｐ．Ｃｈｏｗにより示唆された良好な近似は、臨界電界がバンド・ギャップの二乗に従って大きくなるということである。この近似およびベガードの法則を用いて、定められたＡｌ濃度に対する臨界電界を推定することができる。
ＥｃｒＡｌＧａＮ＝（ＥｇＡｌＧａＮ）２／ＥｃｒＧａＮ
【００６６】
現在、ＡｌＧａＮショットキー・ダイオードは側方導電素子である。この発明では、ＡｌＧａＮ構造はメサ構造の上に存在する。メサ構造では、少なくとも１つの下部コンタクト面を半導体ボディ内に定めかつメサ構造がさらなる表面から上方に突出する少なくとも１つのメサ構造を定めるために金属コンタクトを形成する前に、半導体層の少なくとも１つの領域をパターン化し、エッチングしてよい。典型的には、この下面はオーミック・コンタクトの場所であるが、上面はショットキー・コンタクトの場所である。
【００６７】
上記要素の各々または２つ以上の要素は共に、上記タイプとは異なる他のタイプの構成に有用な用途があってもよいことが理解されよう。
【００６８】
窒化ガリウム半導体素子として具現化したように本発明を説明および記載してきたが、本発明の精神から決して逸脱することなく種々の変形および構造的変更がなされてよいので、本発明は記載の詳細に限定されるものではない。
【００６９】
これ以上分析しなくても、上記説明は本発明の趣旨を十分に明白にしているので、現在の知識を用いれば、先行技術の観点で、この発明の一般的および特定の態様の基本的特徴を適性に構成するフィーチャを省くことなく本発明を種々の用途に容易に適合することができ、そのような適合は添付の特許請求の範囲に同等の範囲での意味内に理解されるべきであり、理解されることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１Ａ】先行技術で知られたＧａＮダイオードの第１の実施形態を示す非常に単純化した断面図である。
【図１Ｂ】本発明のＧａＮダイオードを示す非常に単純化した断面図である。
【図２Ａ】先行技術で知られたＧａＮダイオードの第２の実施形態を示す非常に単純化した断面図である。
【図２Ｂ】図１ＢのＧａＮダイオードを示す非常に単純化した断面図であり、メサ構造を示している、
【図３】先行技術で知られたＧａＮダイオードの第３の実施形態を示す非常に単純化した断面図である。
【図４Ａ】本発明の第１の実施形態のＧａＮダイオードを示す平面図である。
【図４Ｂ】本発明の第２の実施形態のＧａＮダイオードを示す平面図である。
【図５Ａ】図４Ａまたは４ＢのＡ−Ａ面で切った本発明のＧａＮダイオードの詳細な断面図であり、素子の製造工程のある段階のメサ構造を示す。
【図５Ｂ】図４Ａまたは４ＢのＢ−Ｂ面で切った本発明の第１の実施形態のＧａＮダイオードの詳細な断面図であり、図５Ａに示した製造工程の同じ段階のオーミック・ボンディング金属コンタクトを示す。＾
【図５Ｃ】図４Ａまたは４ＢのＣ−Ｃ面で切った本発明の第１の実施形態のＧａＮダイオードの詳細な断面図であり、図５Ａおよび５Ｂに示した製造工程の同じ段階のショットキー・ボンディング金属コンタクトを示している。
【図６Ａ】図４ＡのＡ−Ａ面で切った本発明の第１の実施形態のＧａＮダイオードの詳細な断面図であり、二酸化シリコンまたはポリイミドのパッシベーション層が金属プレート（Ａｌ）層の上に塗布された製造工程の次の段階後のメサ構造を示す。
【図６Ｂ】図４のＢ−Ｂ面で切った本発明の第１の実施形態のＧａＮダイオードの詳細な断面図であり、図６Ａのような製造工程の同じ段階のオーミック・ボンディング金属コンタクトを示している。このパッシベーション層はショットキー金属コンタクトを被覆し、次にパッシベーション層をパターン化して活性オーミック金属までコンタクトを露出させる。
【図６Ｃ】図４のＣ−Ｃ面で切った本発明の第１の実施形態のＧａＮダイオードの詳細な断面図であり、図６Ａおよび６Ｂのような製造工程の同じ段階のショットキー・ボンディング金属コンタクトを示す。
【図７Ａ】図４ＢのＡ−Ａ面で切った本発明の第２の実施形態のＧａＮダイオードの詳細な断面図であり、製造工程の次の段階後のメサ構造を示す。
【図７Ｂ】図４ＢのＢ−Ｂ面で切った本発明の第２の実施形態のＧａＮダイオードの詳細な断面図であり、図７Ａのような製造工程の同じ段階のオーミック・ボンディング金属コンタクトを示す。
【図８Ａ】図４ＡのＡ−Ａ面で切った本発明の第１の実施形態のＧａＮダイオードの詳細な断面図であり、図７Ａの工程の次の製造工程の次の段階後のメサ構造を示す。
【図８Ｂ】図４ＡのＢ−Ｂ面で切った本発明の第１の実施形態のＧａＮダイオードの詳細な断面図であり、図８Ａのような製造工程の同じ段階のショットキー・ボンディング金属コンタクトの被着を示す。
【図９Ａ】本発明のＧａＮダイオードのショットキー・コンタクト部分を示す拡大断面図である。
【図９Ｂ】本発明のＧａＮダイオードのショットキー・コンタクト部分を示す拡大断面図である。
【図９Ｃ】本発明のＧａＮダイオードのショットキー・コンタクト部分を示す拡大断面図である。
【図９Ｄ】本発明の別の実施形態のＧａＮダイオードのショットキー・コンタクト部分を示す拡大断面図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年4月3日(2006.4.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
別のタイプのダイオードは、ｐ−ｎ接合の代わりに整流金属―半導体障壁領域から形成されるショットキー障壁ダイオードである。金属が半導体に接すると、障壁領域が2つの間の接合部に生まれる。適切に製造された場合、障壁領域が電化蓄積効果を最小にし、ターンオフ時間を短縮することによってダイオードのスイッチングを改善する。[L.P. Hunter, Physics of Semiconductor Materials, Devices, and Circuits, Semiconductor Devices、 1〜１０頁（１９７０）]一般的なショットキー・ダイオードがｐｎ接合ダイオードよりも低いターンオン電圧（半導体のバンド・ギャップに応じて約０．５V以上）を有し、ダイオードのエネルギ損が（スイッチング電源の出力整流器など）システムに著しく影響を及ぼすおそれのある用途ではより好ましい。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明のさらに別の目的は、サファイア基板及びフリップ・チップ技術を用いて窒化ガリウム半導体素子を製造するための改善された方法を提供することにある。さらなる詳細は2005年1月10日に出願された、米国特許出願第11/032,666号「PACKAGE FOR GALLIUM NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICES」と題する米国特許出願に開示されている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
上記図２Bのより単純化した描写に示したように、特に、サファイア基板２０１、該基板上に被着したGaNの高濃度ドープした（ｎ＋）層２０２、および層２０２の部分の上に被着したGaNの低濃度でドープした（ｎ−）層２０３を示している。2004年2月17日に出願された、関連の米国特許出願第10/780,526号では、所望のドーピングレベルを正しく得るためにドーピングを修正したGaNショットキー・ダイオードのための、低濃度ドープした上部層の使用が記載されている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４８】
図8Aは図4AのA−A面で切った本発明の第1の実施形態のGaNダイオードの詳細な断面図であり、図７Aの工程の次の製造工程の次の段階後のメサ構造を示している。この製造段階はダイのフリップ・チップ構成用の大きな金属パッド領域を提供するためのものである。この場合、ボンディング・パッドよりも少し大きい金属コンタクトを塗布して、2005年1月10日に出願された、米国特許出願第11/032,666号「PACKAGE FOR GALLIUM NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICES」に記載されたような大きなはんだ接続又はエポキシ接続を可能にする。