(57)【要約】【課題】立ち上がり電圧ＶＦおよびオン抵抗を小さくしたダイオードを提供する。【解決手段】ダイオード１００は、基板１０と、第１の窒化物半導体層１２２Ｂと、第１の窒化物半導体層１２２Ｂの上に形成され且つ第１の窒化物半導体層１２２Ｂと比べてバンドギャップが大きい第２の窒化物半導体層１２２Ａと、アノード電極１３１及びカソード電極１３２と、アノード電極１３１とカソード電極１３２との間の第２の窒化物半導体層１２２Ａ上に形成され且つアノード電極１３１に接続された第１のｐ型窒化物半導体層１２３とを備え、アノード電極１３１とカソード電極１３２の間に電流が流れるような電圧をアノード電極１３１に印加した時に、第１のｐ型窒化物半導体層１２３の直下の第１の窒化物半導体層１２２Ｂ中に形成される２ＤＥＧチャネルのアノード側の電圧が、アノード電圧よりも低く設定される。【選択図】図１
2015005671.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上に形成された第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層の上に形成され、且つ、前記第１の窒化物半導体層と比べてバンドギャップが大きい第２の窒化物半導体層と、
前記第２の窒化物半導体層の上に互いに間隔をおいて形成されたカソード電極及びアノード電極と、
前記アノード電極と前記カソード電極との間の前記第２の窒化物半導体層上に形成され、且つ、前記アノード電極に接続された第１のｐ型窒化物半導体層とを備え、
前記アノード電極と前記カソード電極との間に、前記アノード電極から前記カソード電極に向かう方向の電流が流れるような電圧を印加した時に、前記第１のｐ型窒化物半導体層の直下の前記第１の窒化物半導体層中に形成される２ＤＥＧ（２  Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｇａｓ）チャネルの前記アノード側の電圧が、アノード電圧よりも低く設定される
ダイオード。
【請求項２】
前記アノード電極と前記第１のｐ型窒化物半導体層は、前記第２の窒化物半導体層の表面上で接していない
請求項１に記載のダイオード。
【請求項３】
前記アノード電極と前記第１のｐ型窒化物半導体層との間の前記第２の窒化物半導体層上に、第２のｐ型窒化物半導体層を有する
請求項２に記載のダイオード。
【請求項４】
前記第２の窒化物半導体層は、前記第１の窒化物半導体層に達さないようなリセス部を有し、前記第１のｐ型窒化物半導体層が前記リセス部を埋めるように形成されている
請求項１から３のいずれか１項に記載のダイオード。
【請求項５】
前記第２の窒化物半導体層の非リセス部上の前記第１のｐ型窒化物半導体層の長さが、前記カソード電極側より前記アノード電極側が長い
請求項４に記載のダイオード。
【請求項６】
前記アノード電極が、前記第１の窒化物半導体層まで達するリセス部に形成されている
請求項1から５のいずれか１項に記載のダイオード。
【請求項７】
前記アノード電極の底面に、前記第２の窒化物半導体層が接触する
請求項1から５のいずれか１項に記載のダイオード。
【請求項８】
前記第２の窒化物半導体層は、前記アノード電極との接触部で前記第２の窒化物半導体層とは異なるバンドギャップの第３の窒化物半導体層を含む
請求項１に記載のダイオード。
【請求項９】
前記第３の窒化物半導体は、前記第２の窒化物半導体層と組成が異なる
請求項８に記載のダイオード。
【請求項１０】
前記第３の窒化物半導体は、イオン注入高抵抗層である
請求項８に記載のダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体を用いたダイオードに関し、特に電源回路等に用いられるパワーデバイスに適用できるダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、材料限界を打破して導通損失を低減するために、ＧａＮに代表されるIII族窒化物半導体又は炭化硅素（ＳｉＣ）などのワイドギャップ半導体を用いた半導体装置の導入が検討されている。特に、窒化物半導体は、一般式がＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で表される種々の多元混晶を形成する。従って、バンドギャップが異なる多元混晶を用いることによりヘテロ構造を容易に形成できる。
【０００３】
例えば、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）と窒化ガリウム（ＧａＮ）とのへテロ構造においては、自発分極及びピエゾ分極により（０００１）面上にてヘテロ界面に電荷が生じ、アンドープ時においても１×１０１３ｃｍ−２以上のシートキャリア濃度が得られる。このため、ヘテロ界面での２次元電子ガス（２ＤＥＧ：２  Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｇａｓ）をチャネルとして利用することにより、電流密度が大きくオン抵抗が低いダイオード、及び、ヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ：Ｈｅｔｅｒｏ−ｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が実現できる。このため、ＡｌＧａＮ／ＧａＮダイオード、及び、ヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）は、低オン抵抗及び高耐圧を実現するパワースイッチング素子として期待されている。
【０００４】
ＡｌＧａＮ／ＧａＮダイオードの構造においては、アノード電極にショットキー電極を用いるショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ：Ｓｃｈｏｔｔｋｙ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）が一般的である。
【０００５】
ＳＢＤは、順方向立ち上がり電圧（ＶＦ）ができるだけ小さい方が望ましい。ところが、ＧａＮやＡｌＧａＮはバンドギャップが大きいため、電極材料を変えてもショットキー障壁高さを十分に低くできず、ＳｉやＧａＡｓで構成されるＳＢＤに比べて立ち上り電圧（ＶＦ）を小さくできない。
【０００６】
そこで、アノード電極がチャネルにオーミック接触する電極と、チャネルを空乏化させる電極の２つの電極で構成される、トランジスタ型ダイオードが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
また、チャネルを空乏化させる電極としては、ショットキー電極に限らずに、ｐ型半導体とその上に形成されたオーミック電極の構成も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−１０８８７０号公報
【特許文献２】特開２０１２−２３２６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、トランジスタ型ダイオードにおいては、アノード電極に印加した電圧が閾値電圧を越えた後の状態において、アノード電極の中のチャネルを空乏化させていた電極の下部において、チャネル抵抗成分が大きくなる。その結果、ダイオードのオン抵抗が大きいという課題があった。
【００１０】
上記課題に鑑み、本発明は、立ち上がり電圧ＶＦおよびオン抵抗を小さくしたダイオードを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本開示に係るダイオードは、基板と、前記基板の上に形成された第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層の上に形成され、且つ、前記第１の窒化物半導体層と比べてバンドギャップが大きい第２の窒化物半導体層と、前記第２の窒化物半導体層の上に互いに間隔をおいて形成されたカソード電極及びアノード電極と、前記アノード電極と前記カソード電極との間の前記第２の窒化物半導体層上に形成され、且つ、前記アノード電極に接続された第１のｐ型窒化物半導体層とを備え、前記アノード電極と前記カソード電極との間に、前記アノード電極から前記カソード電極に向かう方向の電流が流れるような電圧を印加した時に、前記第１のｐ型窒化物半導体層の直下の前記第１の窒化物半導体層中に形成される２ＤＥＧ（２  Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｇａｓ）チャネルの前記アノード側の電圧が、アノード電圧よりも低く設定される。
【００１２】
これにより、本開示に係るダイオードは、第１のｐ型窒化物半導体層の直下の第１の窒化物半導体層中に形成されるチャネルのアノード側端に存在する電子濃度を高めることができる。その結果、第１のｐ型窒化物半導体層直下のチャネル抵抗Ｒｃｈを低減させることができ、オン抵抗を低減できる。
【００１３】
また、前記アノード電極と前記第１のｐ型窒化物半導体層は、前記第２の窒化物半導体層の表面上で接していなくてもよい。
【００１４】
これにより、本開示に係るダイオードは、前記アノード電極と前記第１のｐ型窒化物半導体層との距離を取ることができ、第１のｐ型窒化物半導体層の直下の第１の窒化物半導体層中に形成されるチャネルのアノード側端と、アノード電極の間に抵抗（Ｒａ）が生まれ、順方向電流が流れる時に、アノード電圧Ｖａよりチャネルのアノード側電圧Ｖ１が小さくなる。その結果、第１のｐ型窒化物半導体層直下のチャネル抵抗Ｒｃｈを低減させることができ、オン抵抗を低減できる。
【００１５】
また、前記アノード電極と前記第１のｐ型窒化物半導体層との間の前記第２の窒化物半導体層上に、第２のｐ型窒化物半導体層を有してもよい。
【００１６】
これにより、本開示に係るダイオードは、第２のｐ型窒化物半導体層下の２ＤＥＧ濃度が減少し、Ｒａが大きくなることで、順方向電流が流れる時にアノード電圧Ｖａよりチャネルのアノード側電圧Ｖ１が小さくなり、第１のｐ型窒化物半導体層直下のチャネル抵抗Ｒｃｈを低減させることができる。その結果、オン抵抗を低減できる。
【００１７】
また、前記第２の窒化物半導体層は、前記第１の窒化物半導体層に達さないようなリセス部を有し、前記第１のｐ型窒化物半導体層が前記リセス部を埋めるように形成されていてもよい。
【００１８】
これにより、本開示に係るダイオードは、リセス部直下でＶＦを制御し、非リセス部のｐ型窒化物半導体層はＶＦに影響を与えないダイオードを実現できる。
【００１９】
また、前記第２の窒化物半導体層の非リセス部上の前記第１のｐ型窒化物半導体層の長さが、前記カソード電極側より前記アノード電極側が長い。
【００２０】
これにより、本開示に係るダイオードは、第１のｐ型窒化物半導体層の非リセス部下のチャネルの抵抗が増え、Ｒａが大きくなることで、順方向電流が流れる時にアノード電圧Ｖａよりチャネルのアノード側電圧Ｖ１が小さくなり、第１のｐ型窒化物半導体層直下のチャネル抵抗Ｒｃｈを低減させることができる。その結果、オン抵抗を低減できる。
【００２１】
また、前記アノード電極が、前記第１の窒化物半導体層まで達するリセス部に形成されていてもよい。
【００２２】
これにより、本開示に係るダイオードは、前記アノード電極とチャネルとの接触抵抗が低減し、その結果、オン抵抗を低減できる。
【００２３】
また、前記アノード電極の底面に、前記第２の窒化物半導体層が接触してもよい。
【００２４】
これにより、本開示に係るダイオードは、前記アノード電極とチャネルとの接触抵抗が増え、Ｒａが大きくなることで、順方向電流が流れる時にアノード電圧Ｖａよりチャネルのアノード側電圧Ｖ１が小さくなり、第１のｐ型窒化物半導体層直下のチャネル抵抗Ｒｃｈを低減させることができる。その結果、オン抵抗を低減できる。
【００２５】
また、前記第２の窒化物半導体層は、前記アノード電極との接触部で前記第２の窒化物半導体層とは異なるバンドギャップの第３の窒化物半導体層を含んでもよい。
【００２６】
また、前記第３の窒化物半導体は、前記第２の窒化物半導体層と組成が異なってもよい。
【００２７】
また、前記第３の窒化物半導体は、イオン注入高抵抗層であってもよい。
【００２８】
これにより、本開示に係るダイオードは、前記アノード電極とチャネルとの接触抵抗が大幅に増え、Ｒａが大きくなることで、順方向電流が流れる時にアノード電圧Ｖａよりチャネルのアノード側電圧Ｖ１が小さくなり、第１のｐ型窒化物半導体層直下のチャネル抵抗Ｒｃｈを低減させることができる。その結果、オン抵抗を低減できる。
【発明の効果】
【００２９】
本開示にかかるダイオードによれば、立ち上がり電圧ＶＦおよびオン抵抗を小さくしたダイオードを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１の実施形態にかかるダイオードの断面図である。
【図２】オン抵抗（＝Ｒａ＋Ｒｃｈ＋Ｒｃ）とアノード側抵抗Ｒａとの関係を示す図である。
【図３】第２の実施形態にかかるダイオードの断面図である。
【図４】第３の実施形態にかかるダイオードの断面図である。
【図５】第４の実施形態にかかるダイオードの断面図である。
【図６】第５の実施形態にかかるダイオードの断面図である。
【図７】第６の実施形態にかかるダイオードの断面図である。
【図８】本開示の基礎技術にかかるダイオードの断面図である。
【図９】本開示の基礎技術にかかるダイオードの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
（本発明の基礎となった知見）
ＡｌＧａＮ／ＧａＮダイオードの構造においては、アノード電極にショットキー電極を用いるショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ：Ｓｃｈｏｔｔｋｙ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）が一般的であり、多くの研究機関や企業で開発や製品化が活発に行われている。
【００３２】
ＳＢＤでは、ショットキー電極と半導体の接触で発生するショットキー障壁高さにより、順方向立ち上がり電圧（ＶＦ）が決まる。このＶＦは、ダイオードに順方向電流を流したときにエネルギー損失になるために、できるだけ小さい方が望ましい。ところが、ＧａＮやＡｌＧａＮはバンドギャップが大きいため、電極材料を変えてもショットキー障壁高さを十分に低くできない。つまり、ＳｉやＧａＡｓで構成されるＳＢＤに比べてＶＦを小さくできないという課題がある。
【００３３】
その課題を解決する一つの方法として、例えば、特許文献１に開示されているように、アノード電極がチャネルにオーミック接触する電極と、チャネルを空乏化させる電極の２つの電極で構成されるダイオードが提案されている。このダイオードの構造は、ソース電極、ゲート電極、ドレイン電極で構成されるトランジスタにおいて、ゲート電極とソース電極を短絡させてアノード電極とみなし、ドレイン電極をカソード電極とみなした構造と等しいので、ここではトランジスタ型ダイオードと呼ぶことにする。
【００３４】
トランジスタ型ダイオードにおけるＶＦは、それを構成するトランジスタの閾値電圧に等しくなるため、ＶＦを同じ半導体材料で構成されるＳＢＤよりも小さくするようなデバイス設計が可能となる。また、チャネルを空乏化させる電極としては、特許文献２に開示されているように、ショットキー電極に限らずに、ｐ型半導体とその上に形成されたオーミック電極の構成も提案されている。
【００３５】
このｐ型半導体とその上に形成されたオーミック電極を用いたトランジスタ型ダイオードについて、図８を用いて説明する。
【００３６】
図８に示すトランジスタ型ダイオード１０００は、基板１１０１と、バッファ層１１２０と、半導体層積層体１１０２と、半導体層積層体１１０２の上に互いに間隔をおいて形成されたカソード電極１１０３及びアノード電極１１０４と、半導体層積層体１１０２の上を覆う保護膜１１０６とを備えている。
【００３７】
半導体層積層体１１０２は、ＧａＮで構成される第１の窒化物半導体層１１２１及び第１の半導体層１１２１と比べてバンドギャップが大きいＡｌＧａＮで構成される第２の窒化物半導体層１１２２を含み、第１の窒化物半導体層１１２１と第２の窒化物半導体層１１２２の界面には２ＤＥＧ（図示せず）が発生して、チャネルを構成する。
【００３８】
アノード電極１１０４は、半導体層積層体１１０２の上に形成されたｐ−ＧａＮで構成されるｐ型の第３の窒化物半導体層１１４３と、第３の窒化物半導体層１１４３とオーミック接触するＮｉ／Ａｕで構成される第１の金属層１１４１と、第１の金属層１１４１と接し且つチャネルとオーミック接触するＴｉ／Ａｌで構成される第２の金属層１１４２とを有している。このとき、ＶＦは、ｐ型の第３の窒化物半導体層１１４３の不純物濃度及び第３の窒化物半導体層１１４３の直下における第２の窒化物半導体層１１２２の膜厚とバンドギャップ等によって決まる。
【００３９】
例えば、第３の窒化物半導体層１１４３の直下における第２の窒化物半導体層１１２２の膜厚を厚くしていけば、２ＤＥＧ濃度が増加していくために閾値電圧は低くなる。閾値電圧が負にならない範囲で第２の窒化物半導体層１１２２の膜厚を適切に設計することで、ＶＦの値をＳＢＤよりも低くすることが可能となる。
【００４０】
しかしながら、トランジスタ型ダイオードにおいては、アノード電極に印加した電圧が閾値電圧を越えた後の状態において、アノード電極の中のチャネルを空乏化させていた電極の下部において、チャネル抵抗成分が大きくなる結果、ダイオードのオン抵抗が大きいという課題があった。
【００４１】
上記課題の原因として、本願発明者は以下のメカニズムを見出した。図９を参照して説明する。図９に示すトランジスタ型ダイオード１０００は、従来のトランジスタ型ダイオードであり、第１の窒化物半導体層１１２１と第２の窒化物半導体層１１２２との界面には２ＤＥＧ（図示せず）が発生している。
【００４２】
このトランジスタ型ダイオード１０００のオン抵抗成分を３つの抵抗成分に分解する。すなわち、ｐ型窒化物半導体層１１４３直下のチャネル抵抗をＲｃｈ、それよりも第２の金属層１１４２側に存在する抵抗成分をＲａ、カソード電極１１０３側にある抵抗をＲｃとする。
【００４３】
ｐ型窒化物半導体層１１４３の直下の第１の窒化物半導体層１１２１中に形成されるチャネルの第２の金属層１１４２側の電位をＶ１、第２の金属層１１４２の電位をＶａとする。その場合、第２の金属層１１４２に閾値電圧、すなわちトランジスタ型ダイオードにおけるＶＦ以上の電圧を印加すると電流は流れ始めるが、流れ始めた直後はＶ１の電位がＶａとほぼ同じだけ持ち上げられてしまう。そのため、ＶＦ以上の電圧がアノード電極に印加された場合においても、ｐ型窒化物半導体層１１４３の第２の金属層１１４２側の下部のチャネル層の一部が図９のように空乏化されたままである。つまり、電界効果トランジスタ動作において、ゲート端でキャリアが枯渇（ピンチオフ）するという飽和領域動作と同じ状態になっている。その結果として、ｐ型窒化物半導体層下のチャネル抵抗Ｒｃｈが大きくなり、Ｒａ＋Ｒｃｈ＋Ｒｃで表されるオン抵抗が大きくなってしまうという構造上の問題があることを見出した。
【００４４】
ｐ型窒化物半導体層のかわりにショットキー電極を用いた場合も、同様にショットキー電極のアノード電極端下のチャネル層が空乏化されたままで、ショットキー電極下のチャネル抵抗が大きくなり、オン抵抗が大きくなってしまう構造上の問題が生じている。
【００４５】
そこで、例えば、アノード電極においてチャネルとオーミック接触する部分とｐ型窒化物半導体層との間に絶縁膜を有する構造にすれば、アノード電極とｐ型窒化物半導体層との距離を取ることができる。これにより、ｐ型窒化物半導体層の直下の第１の窒化物半導体層中に形成されるチャネルのアノード側端と、アノード電極の間に抵抗（Ｒａ）が生まれ、順方向電流が流れる時に、アノード電圧Ｖａよりチャネルのアノード側電圧Ｖ１が小さくなる。
【００４６】
よって、ｐ型窒化物半導体層（第１のｐ型窒化物半導体層）の直下の第１の窒化物半導体層中に形成されるチャネルのアノード側端に存在する電子濃度を高めることができる。その結果、第１のｐ型窒化物半導体層の直下のチャネル抵抗Ｒｃｈを低減させることができ、オン抵抗を低減できる。
【００４７】
以下、各実施形態において、本開示に係る窒化物半導体ダイオードについて詳細に説明する。
【００４８】
（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、第１の実施形態に係るダイオード１００の断面構成を示している。
【００４９】
図１に示すように、ダイオード１００では、基板１０上にバッファ層２１を介して半導体層積層体１２２が形成されている。
【００５０】
基板１０は、シリコン、サファイア、炭化硅素又は窒化ガリウム等で構成されている。バッファ層２１は、膜厚が２μｍ程度である。半導体層積層体１２２は、膜厚が２μｍのアンドープＧａＮ層１２２Ｂと、膜厚が２５ｎｍのアンドープＡｌＧａＮ層１２２Ａとで構成されている。なお、アンドープＧａＮ層１２２Ｂは本実施形態における第１の窒化物半導体層、第１のＡｌＧａＮ層１２２Ａは本実施形態における第２の窒化物半導体層に相当する。
【００５１】
半導体層積層体１２２上には、互いに間隔をあけて、アノード電極１３１とカソード電極１３２とが形成されている。
【００５２】
アノード電極１３１及びカソード電極１３２は、アンドープＧａＮ層１２２Ｂと第１のＡｌＧａＮ層１２２Ａの界面より下までリセスされた部分に形成されている。すなわち、アノード電極１３１及びカソード電極１３２は、アンドープＧａＮ層１２２Ｂまで達するリセス部（凹部）に形成されている。したがって、アノード電極１３１及びカソード電極１３２は、第１のＡｌＧａＮ層１２２Ａが掘り込まれたリセス部（凹部）の側面と、アンドープＧａＮ層１２２Ｂの底面および側面とに接するように形成されている。また、アノード電極１３１及びカソード電極１３２は、それぞれアンドープＧａＮ層１２２Ｂと第１のＡｌＧａＮ層１２２Ａの界面に発生する２ＤＥＧで構成されるチャネルとオーミック接触している。アノード電極１３１及びカソード電極１３２は、例えば、チタン／アルミニウム（Ｔｉ／Ａｌ）で構成される金属で形成すればよい。
【００５３】
第１のｐ型窒化物半導体層１２３は、第１のＡｌＧａＮ層１２２Ａの上に形成されており、例えば、ｐ型ＡｌＧａＮで構成されている。第１のｐ型窒化物半導体層１２３とアノード電極１３１の間には、絶縁膜１２５が第１のＡｌＧａＮ層１２２Ａの上に形成されている。
【００５４】
絶縁膜１２５は、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯやＡｌＮなどで構成される。ｐ型オーミック電極１３３は、第１のｐ型窒化物半導体層１２３とオーミック接触する金属であればよく、例えば、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｐｄ、Ｎｉで構成される金属であればよい。第１のｐ型窒化物半導体層１２３とアノード電極１３１は、ｐ型オーミック電極１３３を介して接続されている。
【００５５】
本実施形態にかかるダイオード１００は、絶縁膜１２５により第１のｐ型窒化物半導体層１２３のアノード電極側直下のチャネル（点ａ）と、アノード電極１３１が２ＤＥＧと接する点（点ｂ）との距離をとることができる。この距離に応じた抵抗成分により、ダイオード１００のオン時に第１のｐ型窒化物半導体層１２３のアノード電極端下の電位と、アノード電極１３１の電位に差を生じさせ、第１のｐ型窒化物半導体層１２３の直下のチャネル抵抗Ｒｃｈを低減させることができる。これにより、ダイオード１００のオン抵抗を低減できる。
【００５６】
本願発明者は、トランジスタ型ダイオードのアノード側抵抗Ｒａとオン抵抗の関係を以下のように導出した。第１のｐ型窒化物半導体層１２３下に発生する２ＤＥＧ濃度は、順方向電圧をＶ、閾値電圧Ｖｔｈとすると、ＶがＶｔｈを少し超えた付近では、ｅｘｐ（ｑ（Ｖ−Ｖｔｈ）／ｎｋＴ）に比例する。ここで、ｑは、電子の電荷、ｎは理想係数、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。
【００５７】
トランジスタ型ダイオードにおいては、電流が流れ始める時点ではＶ＝Ｖｔｈであり、流れ始めた後では近似的にＶ＝Ｖｔｈ＋ＩｆＲａで表される。ただし、Ｉｆはこのトランジスタ型ダイオードを流れる電流とする。従って、電流が流れ始めた後の第１のｐ型窒化物半導体層１２３の直下のチャネル抵抗Ｒｃｈは２ＤＥＧ濃度に反比例すると考えて、Ｒｃｈ∝１／ｅｘｐ（ｑ（Ｖ−Ｖｔｈ）／ｎｋＴ）＝１／ｅｘｐ（ｑＩｆＲａ／ｎｋＴ）と表される。
【００５８】
ここで、Ｒ０をＩｆ＝０の場合のＲｃｈと置くと、Ｒｃｈ＝Ｒ０／ｅｘｐ（ｑＩｆＲａ／ｎｋＴ）と表せる。したがって、Ｉｆが一定の時、第１のｐ型窒化物半導体層１２３の直下のチャネル抵抗Ｒｃｈは、アノード側抵抗Ｒａの関数であるといえる。
【００５９】
ここで、オン抵抗（＝Ｒａ＋Ｒｃｈ＋Ｒｃ）とトランジスタ型ダイオードのアノード側抵抗Ｒａとの関係をプロットしたものを図２に示す。図２において、Ｒ０は２０Ωｍｍ、Ｒｃは１０Ωｍｍとした。また、ｑ／ｋＴは、一般的に室温での値として用いられる２５ｍＶとして計算した。
【００６０】
当初、トランジスタ型ダイオードのアノード側抵抗Ｒａの値が増加するにつれ、オン抵抗は増加すると予測していたが、図２の結果は、アノード側抵抗Ｒａが低い値の場合にオン抵抗は減少し、あるアノード側抵抗Ｒａで最小値を示した後に増加する傾向を示している。
【００６１】
この結果を考察すると、アノード側抵抗Ｒａの値が０Ωｍｍから５Ωｍｍ程度までの場合は、アノード側抵抗Ｒａの線形的な増加量に対し、第１のｐ型窒化物半導体層１２３の直下のチャネル抵抗Ｒｃｈの指数関数の逆数での低減量が上回ることを示している。
【００６２】
その後、アノード側抵抗Ｒａの値が５Ωｍｍ程度を超えると、第１のｐ型窒化物半導体層１２３の直下のチャネル抵抗Ｒｃｈの低下率が下がり、第１のｐ型窒化物半導体層１２３の直下のチャネル抵抗Ｒｃｈの低減量よりアノード側抵抗Ｒａの増加量が上回ることを示している。つまり、理想係数ｎや絶対温度Ｔの値にも依存するが、オン抵抗はアノード側抵抗Ｒａに対して極小値を有するということである。したがって、アノード側抵抗Ｒａが５Ωｍｍ程度のときに、オン抵抗を最も小さくすることができる。
【００６３】
なお、このような現象は、ＳＢＤでは発生しないため、トランジスタ型ダイオードで初めて確認されたメカニズムである。
【００６４】
以上、本実施形態にかかるダイオード１００によると、第１の窒化物半導体層であるアンドープＧａＮ層１２２Ｂの上に形成され、且つ、アンドープＧａＮ層１２２Ｂと比べてバンドギャップが大きい第１のＡｌＧａＮ層（第２の窒化物半導体層）１２２Ａと、第１のＡｌＧａＮ層１２２Ａの上に互いに間隔をおいて形成されたカソード電極１３２及びアノード電極１３１と、アノード電極１３１とカソード電極１３２との間の第１のＡｌＧａＮ層１２２Ａ上に形成され、且つ、アノード電極１３１に接続された第１のｐ型窒化物半導体層１２３とを備え、アノード電極１３１とカソード電極１３２との間に、アノード電極１３１からカソード電極１３２に向かう方向の電流が流れるような電圧を印加した時に、第１のｐ型窒化物半導体層１２３の直下のアンドープＧａＮ層１２２Ｂ中に形成される２ＤＥＧチャネルのアノード側の電圧が、アノード電圧よりも低く設定される。
【００６５】
これにより、ダイオード１００は、第１のｐ型窒化物半導体層１２３の直下のアンドープＧａＮ層１２２Ｂ中に形成されるチャネルのアノード側端に存在する電子濃度を高めることができる。その結果、第１のｐ型窒化物半導体層１２３の直下のチャネル抵抗Ｒｃｈを低減させることができ、オン抵抗を低減できる。
【００６６】
なお、第１の実施形態において、第１のＡｌＧａＮ層１２２ＡはアンドープＧａＮ層１２２Ｂ界面付近まで掘り込まれた凹部（図３参照）を有し、その凹部を埋めるように第１のｐ型窒化物半導体層（図３の第１のｐ型窒化物半導体層２２３参照）が形成されていてもよい。
【００６７】
（第２の実施形態）
以下に、第２の実施形態について図面を参照して説明する。図３は、第２の実施形態に係るダイオードの断面構成を示している。図３において、図１と同一の構成要素には、同一の番号を附すことにより説明を省略する。
【００６８】
本実施形態にかかるダイオード２００が第１の実施形態にかかるダイオード１００と異なる点は、第１のｐ型窒化物半導体層とアノード電極との間の絶縁膜中に、第１のＡｌＧａＮ層と接するように、第２のｐ型窒化物半導体層が形成されている点である。
【００６９】
図３に示すように、ダイオード２００において、第１のＡｌＧａＮ層２２２ＡはＧａＮ層２２２Ｂ界面付近まで掘り込まれたリセス部（凹部）を有し、そのリセス部を埋めるように第１のｐ型窒化物半導体層２２３が形成されている。例えば、リセス部の深さを２５ｎｍ、ＡｌＧａＮ層膜厚を２５ｎｍ、非リセス部のＡｌＧａＮ層膜厚を５０ｎｍとしてもよい。なお、ＧａＮ層２２２Ｂは本実施形態における第１の窒化物半導体層、第１のＡｌＧａＮ層２２２Ａは本実施形態における第２の窒化物半導体層に相当する。
【００７０】
第１のｐ型窒化物半導体層２２３とアノード電極２３１との間の絶縁膜２２５中には、第１のＡｌＧａＮ層２２２Ａと接するように、第２のｐ型窒化物半導体層２２４が形成されている。第２のｐ型窒化物半導体層２２４は、第１のｐ型窒化物半導体層２２３と同時に形成可能なので、プロセス工程数は増加しない。
【００７１】
ダイオード２００においては、第２のｐ型窒化物半導体層２２４下の２ＤＥＧ濃度が減少し、アノード側抵抗Ｒａが大きくなることで、ダイオード２００のオン時に第１のｐ型窒化物半導体層２２３の直下のチャネル抵抗Ｒｃｈを低減させることができる。したがって、ダイオード２００のオン抵抗を低減できる。
【００７２】
以上、本実施形態にかかるダイオード２００によると、第１のｐ型窒化物半導体層２２３とアノード電極２３１との間の絶縁膜２２５中に、第１のＡｌＧａＮ層２２２Ａと接するように、第２のｐ型窒化物半導体層２２４が形成されていることにより、ダイオード２００のオン抵抗を低減することができる。
【００７３】
（第３の実施形態）
以下に、第３の実施形態について図面を参照して説明する。図４は、第３の実施形態に係るダイオードの断面構成を示している。図４において、図１と同一の構成要素には、同一の番号を附すことにより説明を省略する。
【００７４】
本実施形態にかかるダイオード３００が第１の実施形態にかかるダイオード１００と異なる点は、第１のｐ型窒化物半導体層３２３の非リセス部が、カソード電極３３２側よりアノード電極３３１側が長くなるように形成されている点である。
【００７５】
図４に示すように、ダイオード３００において、第１のＡｌＧａＮ層３２２ＡはＧａＮ層３２２Ｂ界面付近まで掘り込まれた凹部を有し、その凹部を埋めるように形成された第１のｐ型窒化物半導体層３２３の非リセス部が、カソード電極３３２側よりアノード電極３３１側が長くなるように形成されている。ここで、非リセス部とは、第１のｐ型窒化物半導体層３２３において、凹部以外の第１のＡｌＧａＮ層３２２Ａの上面に形成された部分をいう。また、ＧａＮ層３２２Ｂは本実施形態における第１の窒化物半導体層、第１のＡｌＧａＮ層３２２Ａは本実施形態における第２の窒化物半導体層に相当する。
【００７６】
これにより、ダイオード３００において、第１のｐ型窒化物半導体層３２３の非リセス部の下のチャネルの抵抗が増え、ダイオード３００のオン時に第１のｐ型窒化物半導体層３２３の最下部の直下の第１の窒化物半導体層（ＧａＮ層）３２２Ｂ中に形成されるチャネルのアノード側の電位と、アノード電極３３１の電位とに差を生じさせることができる。これにより、第１のｐ型窒化物半導体層３２３の直下のチャネル抵抗Ｒｃｈを低減させることができる。したがって、ダイオード３００のオン抵抗を低減できる。
【００７７】
以上、本実施形態にかかるダイオード３００によると、第１のｐ型窒化物半導体層３２３の非リセス部が、カソード電極３３２側よりアノード電極３３１側が長くなるように形成されていることにより、ダイオード３００のオン抵抗を低減することができる。
【００７８】
（第４の実施形態）
以下に、第４の実施形態について図面を参照して説明する。図５は、第４の実施形態に係るダイオードの断面構成を示している。図５において、図１と同一の構成要素には、同一の番号を附すことにより説明を省略する。
【００７９】
本実施形態にかかるダイオード４００が第１の実施形態にかかるダイオード１００と異なる点は、アノード電極が第１のＡｌＧａＮ層およびＧａＮ層に設けられたリセス部（凹部）に形成されず、アノード電極の底面に、第１のＡｌＧａＮ層が接触している点である。
【００８０】
図５に示すように、ダイオード４００において、第１のＡｌＧａＮ層４２２ＡおよびＧａＮ層４２２Ｂに対してリセス部の形成を行わずに、アノード電極４３１が形成されている。すなわち、アノード電極４３１の底面に、第１のＡｌＧａＮ層４２２Ａが接触する構成となっている。なお、ＧａＮ層４２２Ｂは本実施形態における第１の窒化物半導体層、第１のＡｌＧａＮ層４２２Ａは本実施形態における第２の窒化物半導体層に相当する。
【００８１】
この構成によれば、アノード電極４３１とチャネルとの接触抵抗が増え、アノード側抵抗Ｒａが大きくなり、ダイオード４００のオン時に第１のｐ型窒化物半導体層４２３の直下のチャネル抵抗Ｒｃｈを低減させることができる。したがって、ダイオード４００のオン抵抗を低減できる。
【００８２】
なお、第４の実施形態において、ダイオード４００には、アノード電極側のリセス深さが第１のＡｌＧａＮ層４２２ＡとＧａＮ層４２２Ｂの界面に達さない程度に浅く形成されていてもよい。
【００８３】
また、第４の実施形態において、第１のＡｌＧａＮ層４２２ＡはＧａＮ層４２２Ｂ界面付近まで掘り込まれたリセス部（凹部）を有し、その凹部を埋めるように第１のｐ型窒化物半導体層４２３が形成されていてもよい。
【００８４】
以上、本実施形態にかかるダイオード４００によると、アノード電極４３１が、第１のＡｌＧａＮ層４２２ＡおよびＧａＮ層４２２Ｂのリセス部（凹部）に形成されず、アノード電極４３１の底面に、第１のＡｌＧａＮ層４２２Ａが接触しているため、ダイオード４００のオン抵抗を低減することができる。
【００８５】
（第５の実施形態）
以下に、第５の実施形態について図面を参照して説明する。図６は、第５の実施形態に係るダイオードの断面構成を示している。図６において、図１と同一の構成要素には、同一の番号を附すことにより説明を省略する。
【００８６】
本実施形態にかかるダイオード５００が第１の実施形態にかかるダイオード１００と異なる点は、ＡｌＧａＮ層５２２Ａのアノード電極５３１の下部分に、第１のＡｌＧａＮ層５２２Ａとは異なるＡｌ組成を持つ第２のＡｌＧａＮ層５２２Ｃが形成されている点である。なお、第２のＡｌＧａＮ層５２２Ｃは、本実施形態における第３の窒化物半導体層に相当する。
【００８７】
図６に示すように、ダイオード５００において、第１のＡｌＧａＮ層５２２ＡやＧａＮ層５２２Ｂに対してリセスを行わずに、アノード電極５３１が形成されており、ＡｌＧａＮ層５２２Ａのアノード電極５３１の下部分には、第１のＡｌＧａＮ層５２２Ａとは異なるＡｌ組成を持つ第２のＡｌＧａＮ層５２２Ｃが形成されている。例えば、第１のＡｌＧａＮ層５２２ＡのＡｌ組成は２５％、第２のＡｌＧａＮ層５２２ＣのＡｌ組成は２０％とすればよい。
【００８８】
この構成によれば、アノード電極５３１からの金属の、窒化物半導体層５２２への拡散が、第１のＡｌＧａＮ層５２２Ａと第２のＡｌＧａＮ層５２２Ｃの界面で妨げられることで、アノード電極５３１とチャネルとの接触抵抗が大幅に増え、ダイオード５００のオン時に第１のｐ型窒化物半導体層５２３のアノード電極５３１の端下の電位と、アノード電極５３１の電位に差を生じさせ、第１のｐ型窒化物半導体層５２３の直下のチャネル抵抗Ｒｃｈを低減させることができる。したがって、ダイオード５００のオン抵抗を低減できる。
【００８９】
以上、本実施形態にかかるダイオード５００によると、ＡｌＧａＮ層５２２Ａのアノード電極５３１の下部分に、第１のＡｌＧａＮ層５２２Ａとは異なるＡｌ組成を持つ第２のＡｌＧａＮ層５２２Ｃが形成されているので、ダイオード５００のオン抵抗を低減することができる。
【００９０】
なお、第５の実施形態において、アノード電極側のリセス深さがチャネルに達さない程度に浅く形成されていてもよい。
【００９１】
また、第５の実施形態において、第２のＡｌＧａＮ層５２２Ｃは第１のＡｌＧａＮ層５２２Ａ表面層以外の第１のＡｌＧａＮ層５２２Ａ内部に形成されていてもよい。また、第５の実施形態において、第２のＡｌＧａＮ層５２２ＣはＡｌＧａＮ層５２２Ａのアノード電極下部分に形成されていれば、カソード電極５３２に達するように形成されていてもよい。
【００９２】
また、第５の実施形態において、ＡｌＧａＮ層５２２Ａは、ＧａＮ層５２２Ｂ界面付近まで掘り込まれた凹部を有し、その凹部を埋めるように第１のｐ型窒化物半導体層５２３が形成されていてもよい。
【００９３】
（第６の実施形態）
以下に、第６の実施形態について図面を参照して説明する。図７は、第６の実施形態に係るダイオードの断面構成を示している。図７において、図１と同一の構成要素には、同一の番号を附すことにより説明を省略する。
【００９４】
本実施形態にかかるダイオード６００が第１の実施形態にかかるダイオード１００と異なる点は、アノード電極の下の第１のＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層に、イオン注入高抵抗層６２６が形成されている点である。
【００９５】
図７に示すように、ダイオード６００において、第１のＡｌＧａＮ層６２２ＡおよびＧａＮ層６２２Ｂに対してリセスを行わずに、アノード電極６３１が形成されている。アノード電極６３１の下の第１のＡｌＧａＮ層６２２Ａ及びＧａＮ層６２２Ｂには、チャネルに達するまでボロン（Ｂ）が注入されたイオン注入高抵抗層６２６が形成されている。
【００９６】
この構成によれば、ボロンの注入によってチャネルの電子濃度が減少し、アノード電極６３１とチャネルとの接触抵抗が適切に増え、オン時に第１のｐ型窒化物半導体層６２３のアノード電極６３１端下の電位と、アノード電極６３１の電位に差を生じさせ、第１のｐ型窒化物半導体層６２３の直下のチャネル抵抗Ｒｃｈを低減させることができ、オン抵抗を低減できる。
【００９７】
以上、本実施形態にかかるダイオード６００によると、アノード電極の下の第１のＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層に、イオン注入高抵抗層６２６が形成されているので、ダイオード６００のオン抵抗を低減することができる。
【００９８】
なお、第６の実施形態において、アノード電極側のリセス深さがチャネルに達さない程度に浅く形成されていてもよい。
【００９９】
また、第６の実施形態において、イオン注入高抵抗層６２６の注入元素は、チャネルの高抵抗化が可能な元素であれば、例えば鉄（Ｆｅ）、水素（Ｈ）、フッ素（Ｆ）、酸素（Ｏ）等のボロン以外の元素で形成されていてもよい。
【０１００】
また、第６の実施形態において、ＡｌＧａＮ層６２２ＡはＧａＮ層６２２Ｂ界面付近まで掘り込まれた凹部を有し、その凹部を埋めるように第１のｐ型窒化物半導体層６２３が形成されていてもよい。
【０１０１】
なお、上記したダイオードにおいて、第１のｐ型窒化物半導体層の下部において、第２の窒化物半導体層は第１の窒化物半導体界面付近まで掘り込まれた凹部を有し、その凹部を埋めるように第１のｐ型窒化物半導体層が形成されていてもよい。
【０１０２】
また、上記したダイオードにおいて、半導体基板はシリコン、サファイア、炭化硅素又は窒化ガリウムで構成されることが好ましい。
【０１０３】
以上、本発明に係るダイオードについて、上記した実施形態および変形例に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施形態および変形例に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない範囲で、各実施形態および変形例に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、各実施形態および変形例における構成要素を任意に組み合わせて実現される形態も、本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
本発明の窒化物半導体ダイオードは、ＶＦとオン抵抗のいずれも低減させることが実現でき、電源回路等に用いられるダイオードとして有用である。
【符号の説明】
【０１０５】
１０、１１０１    基板
２１、１１２０    バッファ層
１２２、２２２、３２２、４２２、５２２、６２２、１１０２    半導体層積層体
１２２Ａ、２２２Ａ、３２２Ａ、４２２Ａ、５２２Ａ、６２２Ａ    第１のＡｌＧａＮ層（第２の窒化物半導体層）
１２２Ｂ、２２２Ｂ、３２２Ｂ、４２２Ｂ、５２２Ｂ、６２２Ｂ    ＧａＮ層（第１の窒化物半導体層）
５２２Ｃ    第２のＡｌＧａＮ層（第３の窒化物半導体層）
１２３、２２３、３２３、４２３、５２３、６２３    第１のｐ型窒化物半導体層
２２４    第２のｐ型窒化物半導体層
１２５、２２５    絶縁膜
６２６    イオン注入高抵抗層
１３１、２３１、３３１、４３１、５３１、６３１、１１４２    アノード電極
１３２、２３２、３３２、４３２、５３２、６３２、１１０３    カソード電極
１３３、２３３、３３３、４３３、５３３、６３３    ｐ型オーミック電極
【図１】
2015005671.tif 000003
【図２】
2015005671.tif 000004
【図３】
2015005671.tif 000005
【図４】
2015005671.tif 000006
【図５】
2015005671.tif 000007
【図６】
2015005671.tif 000008
【図７】
2015005671.tif 000009
【図８】
2015005671.tif 000010
【図９】
2015005671.tif 000011