(57)【要約】【課題】アノード電極端部における電界の集中を緩和して耐圧を向上させることができる窒化物半導体を用いたショットキーバリアダイオードおよびその製造方法を提供する。【解決手段】アノード電極４の周囲または内部の部分的な領域に形成されて、アノード電極４の端部における分極強さを他の領域よりも低減させる分極低減層５を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素原子を含む半導体から構成されるショットキーバリアダイオードであって、
アノード電極の周囲または内部の部分的な領域に形成されて、前記アノード電極の端部における分極強さを他の領域よりも低減させる分極低減層を備える窒化物半導体を用いたショットキーバリアダイオード。
【請求項２】
基板上にＧａＮ層とＡｌＧａＮ層を順に積層し、
前記アノード電極は、前記ＡｌＧａＮ層の上部に形成され、
前記分極低減層は、前記ＡｌＧａＮ層の上部に形成されたＧａＮ層であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体を用いたショットキーバリアダイオード。
【請求項３】
前記分極低減層は、前記アノード電極に接する部分が厚く、前記アノード電極から遠ざかるにつれて薄くなることを特徴とする請求項２記載の窒化物半導体を用いたショットキーバリアダイオード。
【請求項４】
前記分極低減層は、一部分が前記アノード電極の内部に張り出していることを特徴とする請求項２記載の窒化物半導体を用いたショットキーバリアダイオード。
【請求項５】
基板上にＧａＮ層とＡｌＧａＮ層が順に積層され、
前記アノード電極は、前記ＡｌＧａＮ層の上部に形成され、
前記分極低減層は、前記アノード電極の周囲または内部の部分的な領域でかつ前記ＡｌＧａＮ層の内部へ張り出していることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体を用いたショットキーバリアダイオード。
【請求項６】
前記分極低減層は、前記アノード電極に接して前記ＡｌＧａＮ層の内部に迫り出す部分が薄く、前記アノード電極から遠ざかるにつれて前記迫り出す部分が厚くなることを特徴とする請求項２記載の窒化物半導体を用いたショットキーバリアダイオード。
【請求項７】
基板上にＧａＮ層を積層し、
前記アノード電極は、前記ＧａＮ層の上部に形成され、
前記分極低減層は、前記ＧａＮ層の上部に形成されたＩｎＧａＮ層であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体を用いたショットキーバリアダイオード。
【請求項８】
前記分極低減層は、前記ＧａＮ層の上部に複数並んで形成され、前記アノード電極に接するものの層幅が広く、前記アノード電極から遠ざかるにつれて層幅が狭くなることを特徴とする請求項７記載の窒化物半導体を用いたショットキーバリアダイオード。
【請求項９】
前記分極低減層は、一部分が前記アノード電極の内部に張り出していることを特徴とする請求項７記載の窒化物半導体を用いたショットキーバリアダイオード。
【請求項１０】
前記分極低減層は、前記アノード電極の内部に複数並んで形成され、前記アノード電極の端部に近いものの層幅が広く、前記アノード電極の端部から遠ざかるにつれて層幅が狭くなることを特徴とする請求項７記載の窒化物半導体を用いたショットキーバリアダイオード。
【請求項１１】
窒素原子を含む半導体から構成されるショットキーバリアダイオードの製造方法であって、
結晶成長により基板上にＧａＮ層とＡｌＧａＮ層を順に積層するステップと、
前記ＡｌＧａＮ層の上部にさらにＧａＮ層を積層するステップと、
前記ＡｌＧａＮ層の上部に積層したＧａＮ層から、前記アノード電極の周囲または内部の部分的な領域に分極低減層を形成するステップとを備える窒化物半導体を用いたショットキーバリアダイオードの製造方法。
【請求項１２】
窒素原子を含む半導体から構成されるショットキーバリアダイオードの製造方法であって、
結晶成長により基板上にＧａＮ層とＩｎＧａＮ層を順に積層するステップと、
前記ＧａＮ層の上部に積層されたＩｎＧａＮ層から、前記アノード電極の周囲または内部の部分的な領域に分極低減層を形成するステップとを備える窒化物半導体を用いたショットキーバリアダイオードの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＧａＮに代表される窒化物半導体を用いたショットキーバリアダイオード（以下、ＳＢＤと記載する）およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体の中でも、いわゆるＩＩＩ−Ｖ族半導体、特に窒化ガリウム（ＧａＮ）に代表される窒化物半導体は、従来のシリコン（Ｓｉ）半導体や砒化ガリウム（ＧａＡｓ）に比べてバンドギャップが広いという特性を有する。このため、窒化物半導体は、従来のＳｉ半導体やＧａＡｓ半導体に比べて絶縁破壊電界が大きいという優れた特長があることから、高出力電子デバイスあるいは高周波用電子デバイスに用いるための研究開発が活発に進められている。例えば、非特許文献１には、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体としてＧａＮを用いたＳＢＤの典型的な構造が掲載されている。このＳＢＤは、ＲＦ信号を直流に変換するレクテナやスイッチング動作するインバータなどに用いられるパワーデバイスとして利用されている。
【０００３】
非特許文献１の図３にはＧａＮ  ＳＢＤの断面模式図が示されている。この図において、炭化シリコン（ＳｉＣ）基板上に、ＧａＮコンタクト層（ｎ＋−ＧａＮ）、ＧａＮショットキー層（ｎ−−ＧａＮ）が形成され、ＧａＮショットキー層上にアノード電極としてＮｉ／Ａｕのショットキー電極が形成されている。カソード電極は、ＧａＮコンタクト層にＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕでオーミック電極が形成されている。アノード電極の横には、保護膜として酸化シリコン（ＳｉＯ２）が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】原内健次、岩崎裕一、林野耕平、敖金平、篠原真毅、外村博史、大野泰夫、“オープンリング共振器とＧａＮ  ＳＢＤを用いたマイクロ波電力伝送”、電子情報通信学会  第８回無線電力伝送研究会、２０１１．１０．１２−１４，信学技報ＷＰＴ２０１１−０９（２０１１−１０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１に代表される従来の構造では、アノード電極の端部（アノード電極とＳｉＯ２、ＧａＮショットキー層が接触している付近）に電界が集中する。
窒化物半導体は、従来の半導体（Ｓｉ、ＧａＡｓ）と比べて自発分極、ピエゾ分極から構成される分極が非常に大きい。この分極は、ＧａＮショットキー層の表面にも存在しており、アノード電極端の電界集中をさらに強めている。このため、材料本来の特性よりも低い耐圧しか実現することができない。
【０００６】
なお、非特許文献１では、ショットキー層をＧａＮで構成しているが、ＧａＮ上にＡｌＧａＮを積層したＧａＮ／ＡｌＧａＮヘテロ構造でショットキー層を構成することも多い。以下、このショットキー層をＧａＮ／ＡｌＧａＮショットキー層と記載する。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、アノード電極端部における電界の集中を緩和して耐圧を向上させることができる窒化物半導体を用いたＳＢＤおよびその製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る窒化物半導体を用いたＳＢＤは、アノード電極の周囲または内部の部分的な領域に形成されて、アノード電極の端部における分極強さを他の領域よりも低減させる分極低減層を備える。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、アノード電極端部における電界の集中を緩和して耐圧を向上させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１に係るＧａＮ  ＳＢＤの断面構造例（構造１）を示す図である。
【図２】実施の形態１に係るＧａＮ  ＳＢＤの断面構造例（構造２）を示す図である。
【図３】実施の形態１に係るＧａＮ  ＳＢＤの断面構造例（構造３）を示す図である。
【図４】実施の形態１に係るＧａＮ  ＳＢＤと従来のＧａＮ  ＳＢＤにおけるアノード電極付近の電界分布を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係るＧａＮ  ＳＢＤの断面構造例（構造１ａ）を示す図である。
【図６】実施の形態２に係るＧａＮ  ＳＢＤの断面構造例（構造２ａ）を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態３に係るＧａＮ  ＳＢＤの断面構造例（構造１ｂ）を示す図である。
【図８】実施の形態３に係るＧａＮ  ＳＢＤの断面構造例（構造２ｂ）を示す図である。
【図９】実施の形態３に係るＧａＮ  ＳＢＤの断面構造例（構造３ｂ）を示す図である。
【図１０】実施の形態３に係るＧａＮ  ＳＢＤの断面構造例（構造４ｂ）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るＧａＮ  ＳＢＤの断面構造例を示す図である。図１（ａ）は実施の形態１に係るＧａＮ  ＳＢＤの断面構造（構造例１）を簡略して示しており、図１（ｂ）は、図１（ａ）にて符号Ａを付した破線で囲む領域の拡大図である。
実際のＳＢＤには、例えば、非特許文献１に示すような各部位の断面の凹凸や電極の高低差などがある。すなわち、本発明に係るＧａＮ  ＳＢＤは、図１の形状に限定されるものではない。また実際のＳＢＤには、図１（ａ）に示したＧａＮ  ＳＢＤ構造自体の他に素子分離領域および各種の配線が形成されるが、本発明の特徴には直接関連しないため、図示を省略している。
【００１２】
図１（ａ）に示すように、実施の形態１に係るＧａＮ  ＳＢＤは基板１上にＧａＮ層２とＡｌＧａＮ層３が結晶として順に積層されており、ＡｌＧａＮ層３上の一部分にアノード電極４が形成されている。またＡｌＧａＮ層３上のアノード電極４の両側方にはＧａＮ層からなる分極低減層５が形成されている。さらに、分極低減層５の外側には保護膜６が形成されており、保護膜６の外側にカソード電極７が形成されている。
【００１３】
基板１は、非特許文献１ではＳｉＣであるが、この他に、サファイア、Ｓｉ、ＧａＮを用いてもよい。特に、基板１は、ＧａＮ層２とＡｌＧａＮ層３を形成可能であればよく、本実施の形態の構成に限定されるものではない。なお、基板１の抵抗率は半絶縁性であってもよく、ｎ型、ｐ型のいずれでもかまわない。一般的には、安価なＳｉＣ基板を用いることが多い。
【００１４】
カソード電極７は、ＧａＮ層２にオーミック性接触がなされていればよい。構造的にはＡｌＧａＮ層３の上部でも、基板１の下側であってもよい。ただし、カソード電極７を基板１の下側に形成する場合、基板１が導電性であることが必要である。
分極低減層５は、図１（ｂ）に示すようにアノード電極４に接していることが望ましいが、本発明の効果が得られる範囲内で離間していてもかまわない。
また、分極低減層５を追加することによりアノード電極４付近のＡｌ組成の平均が減少する。このため、アノード電極４付近の分極の影響が低減されて電界集中が緩和される。
このようにアノード電極４付近の電界が緩和されればよいため、分極低減層５は、ＡｌＧａＮ層３上の全領域にある必要はなく、アノード電極４の周囲の部分的な領域にあればよい。
【００１５】
図２は、実施の形態１に係るＧａＮ  ＳＢＤの断面構造例（構造例２）を示す図であり、図１（ｂ）と同様の部分を拡大して示している。図２に示す分極低減層８は、図１と同様にＧａＮから構成されている。また、分極低減層８は、アノード電極４付近の電界緩和を強く行うため、アノード電極４から遠ざかるにつれて厚さが薄くなっている。
【００１６】
また、図３は、実施の形態１に係るＧａＮ  ＳＢＤの断面構造例（構造３）を示す図であり、図１（ｂ）と同様の部分を拡大して示している。図３に示す分極低減層９は、図１と同様にＧａＮから構成されている。なお、分極低減層９は、ＡｌＧａＮ層３上に形成され、図３に示すように一部分がアノード電極４の内部に張り出している。このように構成することでも、アノード電極４付近の電界緩和を強く行うことができる。
【００１７】
図４は、実施の形態１に係るＧａＮ  ＳＢＤと従来のＧａＮ  ＳＢＤにおけるアノード電極付近の電界分布を示す図である。図４のＳＢＤは、ＳｉＣ基板上にＧａＮ層２としてＧａＮ（ドーピング濃度１Ｅ１７ｃｍ−３）を厚さ０．４μｍで積層し、ＡｌＧａＮ層３としてＡｌＧａＮ（Ａｌ組成０．２６）を厚さ３０ｎｍで積層し、さらに、幅１０μｍのアノード電極４（仕事関数５．３ｅＶ）を形成した構造を基本構造としている。
【００１８】
図４（ａ）は従来のＳＢＤにおける電界分布であり、分極低減層を形成していない上述した基本構造についてシミュレーションした結果である。
また、図４（ｂ）は図１に示す本発明の構造例１における電界分布であり、図４（ｃ）は、図３に示す本発明の構造例３における電界分布である。
図４（ａ）から図４（ｃ）において破線で囲んだ領域Ｂ１〜Ｂ３は、アノード電極４の端部を示しており、電界の強さを太い等電界線で表示している。
【００１９】
図４（ａ）に示す領域Ｂ１から明らかなように、従来構造において、電界の強い領域が最も大きい。また図４（ｂ）に示す領域Ｂ２から明らかなように、アノード電極４の側方に分極低減層５を形成した構造例１では、従来構造よりも電界の強い領域が小さくなっている。さらに、図４（ｃ）に示す領域Ｂ３から明らかなように、アノード電極４の内部に一部分が張り出した分極低減層９を形成した構造例３では、構造例１よりも電界の強い領域が小さくなり、電界が緩和されていることがわかる。
【００２０】
図４（ｄ）は、ＡｌＧａＮ層３の表面（最表面から０．５ｎｍ下の水平線）の電界分布を示している。図４（ｄ）において、符号ａは従来構造、符号ｂ１は本発明の構造例１、符号ｂ２は本発明の構造例３に対応する。図４（ｄ）から明らかなように、従来構造ではアノード電極４の端部で電界が集中している。これに対して、本発明の構造例１，３では電界集中が格段に緩和されている。
【００２１】
図１から図３までの構造のＳＢＤは下記のように製造する。
まず、基板１上にＧａＮ層２、ＡｌＧａＮ層３を順に結晶成長させ、ＡｌＧａＮ層３上に分極低減層となるＧａＮを結晶成長させる。この後、写真製版とエッチング工程によりアノード電極４を形成する部分を除去し、続いてアノード電極４や保護膜６を形成すればよい。また、アノード電極４を先に形成しておき、これに続いて分極低減層（ＧａＮ）を形成してもよい。この場合、分極低減層におけるＧａＮは単結晶でなくてもよく、多結晶やアモルファスであってもかまわない。このように実施の形態１に係るＳＢＤは、簡易な半導体製造技術を使って製造することが可能である。
【００２２】
以上のように、この実施の形態１によれば、アノード電極４の周囲または内部の部分的な領域に形成されて、アノード電極４の端部における分極強さを他の領域よりも低減させる分極低減層５を備える。このように構成することで、アノード電極４付近の分極が低減され、アノード電極４の端部における電界集中が緩和されて耐圧が向上する。
特に、ＧａＮ／ＡｌＧａＮショットキー層上にアノード電極４と接するように分極低減層（ＧａＮ層）５を形成することで、アノード電極４付近の平均的なＡｌ組成を低減することができ、分極効果が低減してアノード電極４の端部における電界集中が緩和される。
【００２３】
なお、この実施の形態１は、基板１上にＧａＮ層２とＡｌＧａＮ層３が順に積層され、アノード電極４がＡｌＧａＮ層３の上部に形成され、分極低減層５，８，９がＡｌＧａＮ層３の上部に形成されたＧａＮ層である。これを基本として、構造例２の分極低減層８では、アノード電極４に接する部分が厚くアノード電極４から遠ざかるにつれて薄くなっている。また構造例３の分極低減層９は一部分がアノード電極４の内部に張り出している。
このように構成することでも上記と同様の効果を得ることができる。
【００２４】
実施の形態２．
実施の形態２は、アノード電極４付近のＡｌＧａＮ層３の厚さを薄くする構造を示している。図５は、この発明の実施の形態２に係るＧａＮ  ＳＢＤの断面構造例（構造１ａ）を示す図であり、図１（ｂ）と同様の部分を拡大して示している。図５の構造１ａでは、まず、アノード電極４および保護膜６を形成する前に、ＡｌＧａＮ層３をエッチングし、保護膜６と同じ材料（絶縁膜）で分極低減層１０を形成してから、アノード電極４および保護膜６を積層している。このように構成することで、アノード電極４付近のＡｌＧａＮ層３が薄膜化されてＡｌ組成の平均値が低減する。
【００２５】
また、図６は、実施の形態２に係るＧａＮ  ＳＢＤの断面構造例（構造２ａ）を示す図であり、図１（ｂ）と同様の部分を拡大して示している。図６の構造２ａにおいて、分極低減層１１は保護膜６と同じ材料（絶縁膜）で形成されており、ＡｌＧａＮ層３の内部でアノード電極４に接する部分が薄く、アノード電極４から遠ざかるにつれて厚くなるように構成されている。すなわち、アノード電極４から遠ざかるにつれて、ＡｌＧａＮ層３が薄くなっている。
【００２６】
図５および図６の構造のＳＢＤは下記のように製造する。
まず、基板１上にＧａＮ層２、ＡｌＧａＮ層３を順に結晶成長させた後に、写真製版とエッチング工程によってアノード電極４の端部におけるＡｌＧａＮ層３を除去する。この後、実施の形態１と同様にしてアノード電極４および保護膜６を形成する。
このように実施の形態２に係るＳＢＤは、簡易な半導体製造技術を使って製造することが可能である。
【００２７】
以上のように、この実施の形態２によれば、基板１上にＧａＮ層２とＡｌＧａＮ層３が順に積層され、アノード電極４は、ＡｌＧａＮ層３の上部に形成され、分極低減層１０は、アノード電極４の周囲または内部の部分的な領域でかつＡｌＧａＮ層３の内部へ張り出している。このように構成することで、アノード電極４付近の分極が低減され、アノード電極４の端部における電界集中が緩和されて耐圧が向上する。
【００２８】
また、この実施の形態２によれば、分極低減層１１はアノード電極４に接してＡｌＧａＮ層３の内部に迫り出す部分が薄く、アノード電極４から遠ざかるにつれて迫り出す部分が厚くなる。このように構成することでも、上記と同様の効果を得ることができる。
【００２９】
実施の形態３．
実施の形態３は、Ｉｎを含む分極低減層を形成する場合について示す。
図７は、この発明の実施の形態３に係るＧａＮ  ＳＢＤの断面構造例（構造１ｂ）を示す図であり、図１（ｂ）と同様の部分を拡大して示している。図７の分極低減層１２は、ＩｎＧａＮから形成されており、Ｉｎによってアノード電極４付近のＡｌ組成が減少し、分極の影響が低減される。なお、分極低減層１２はＧａＮ層２上でアノード電極４に接している。
【００３０】
図８は、実施の形態３に係るＧａＮ  ＳＢＤの断面構造例（構造２ｂ）を示す図であり、図１（ｂ）と同様の部分を拡大して示している。分極低減層１３はＩｎＧａＮから形成されており、図８に示すようにＧａＮ層２上に複数並んで形成され、アノード電極４に接するものの層幅が広くアノード電極４から遠ざかるにつれて層幅が狭くなっている。
アノード電極４から遠ざかるにつれて分極低減層１３の層幅を徐々に狭くすることで、アノード電極４から電界が徐々に緩和されるようになる。
【００３１】
図９は、実施の形態３に係るＧａＮ  ＳＢＤの断面構造例（構造３ｂ）を示す図であり、図１（ｂ）と同様の部分を拡大して示している。図９の分極低減層１４は、ＩｎＧａＮから形成されており、一部分がアノード電極４の内部に張り出している。このように構成であっても、Ｉｎによってアノード電極４付近のＡｌ組成が減少し、分極の影響が低減される。
【００３２】
図１０は、実施の形態３に係るＧａＮ  ＳＢＤの断面構造例（構造４ｂ）を示す図であり、図１（ｂ）と同様の部分を拡大して示している。図１０の分極低減層１５は、アノード電極４の内部に複数並んで形成され、アノード電極４の端部に近いものの層幅が広く、アノード電極４の端部から遠ざかるにつれて層幅が狭くなっている。
アノード電極４の端部から遠ざかるにつれて分極低減層１５の層幅を徐々に狭くすることで、アノード電極４から電界が徐々に緩和されるようになる。
【００３３】
また、図７から図１０までの構造のＳＢＤは下記のように製造する。
まず、基板１上にＧａＮ層２とＩｎＧａＮ層の順で結晶成長した後、写真製版とエッチング工程により、分極低減層１２〜１５となるＩｎＧａＮ層を形成する。この後、実施の形態１と同様にしてアノード電極４および保護膜６を形成する。このように実施の形態３に係るＳＢＤは、簡易な半導体製造技術を使って製造することが可能である。
【００３４】
以上のように、この実施の形態３によれば、基板１上にＧａＮ層２を積層し、アノード電極４は、ＧａＮ層２の上部に形成され、分極低減層１２はＧａＮ層２の上部に形成されたＩｎＧａＮ層である。このように構成することで、Ｉｎによってアノード電極４付近のＡｌ組成が減少し、分極の影響が低減される。これによりアノード電極４の端部における電界集中が緩和されて耐圧が向上する。
【００３５】
また、この実施の形態３によれば、分極低減層１３は、ＧａＮ層２の上部に複数並んで形成され、アノード電極４に接するものの層幅が広く、アノード電極４から遠ざかるにつれて層幅が狭くなる。このように構成することで、アノード電極４から電界が徐々に緩和されるようになる。これによりアノード電極４の端部における電界集中が緩和されて耐圧が向上する。
【００３６】
さらに、この実施の形態３によれば、分極低減層１４は一部分がアノード電極４の内部に張り出している。このように構成することで、Ｉｎによってアノード電極４付近のＡｌ組成が減少し、分極の影響が低減される。これによりアノード電極４の端部における電界集中が緩和されて耐圧が向上する。
【００３７】
さらに、この実施の形態３によれば、分極低減層１５は、アノード電極４の内部に複数並んで形成され、アノード電極４の端部に近いものの層幅が広く、アノード電極４の端部から遠ざかるにつれて層幅が狭くなる。このように構成することで、アノード電極４から電界が徐々に緩和されるようになる。これによりアノード電極４の端部における電界集中が緩和されて耐圧が向上する。
【００３８】
なお、本発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１  基板、２  ＧａＮ層、３  ＡｌＧａＮ層、４  アノード電極、５，８〜１５  分極低減層、６  保護膜、７  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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