(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に位置する核形成層と、
前記核形成層上に位置するバック障壁層と、
前記バック障壁層上に位置するチャネル層と、
前記チャネル層上に位置する第１障壁層と、
前記第１障壁層上に位置する、凹溝が形成される第２障壁層と、
前記第２障壁層に位置するアノード及びカソードと
を備え、
前記カソードは、オーム接触電極であり、前記アノードは、複合構造であり、前記複合構造は、オーム接触電極と、前記凹溝に位置する、前記オーム接触電極と短絡するショットキー電極からなり、
前記第１障壁層の厚さが１５ｎｍよりも小さく、
前記バック障壁層のＡｌ成分の含有量は、１０％〜１５％であり、
前記第１障壁層のＡｌ成分の含有量は、１０％〜１５％であり、
前記第２障壁層のＡｌ成分の含有量は、２０％〜４０％であることを特徴とする電界効果ダイオード。
【請求項２】
前記電界効果ダイオードは、前記核形成層と前記バック障壁層との間に位置するバッファ層をさらに備え、
前記バック障壁層は、前記バッファ層上に形成される、ことを特徴とする請求項１に記載の電界効果ダイオード。
【請求項３】
前記バック障壁層、前記第１障壁層及び前記第２障壁層の材料は、ＡｌＧａＮであり、
前記チャネル層の材料は、ＧａＮであり、
前記バック障壁層及び前記第１障壁層のＡｌ成分の含有量は、等しく、又は５％以下の差があり、
前記第２障壁層のＡｌ成分の含有量は、前記バック障壁層及び前記第１障壁層のＡｌ成分の含有量よりも高い、ことを特徴とする請求項２に記載の電界効果ダイオード。
【請求項４】
前記バッファ層の厚さは、１−３．５μｍであり、
前記バック障壁層の厚さは、５０〜１００ｎｍであり、
前記チャネル層の厚さは、１５〜３５ｎｍであり、
前記第２障壁層の厚さは、２５〜４０ｎｍである、ことを特徴とする請求項３に記載の電界効果ダイオード。
【請求項５】
前記第１障壁層と前記チャネル層との界面には、二次元電子ガスが存在し、
ショットキー電極の凹溝の下に対応する第１障壁層とチャネル層との界面領域には、二次元電子ガスが存在しない、ことを特徴とする請求項１に記載の電界効果ダイオード。
【請求項６】
前記凹溝の側壁は、傾斜度を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の電界効果ダイオード。
【請求項７】
前記凹溝の深さは、前記第２障壁層の深さに等しい、ことを特徴とする請求項１に記載の電界効果ダイオード。
【請求項８】
前記第２障壁層には、パッシベーション層が設けられる、ことを特徴とする請求項１に記載の電界効果ダイオード。
【請求項９】
前記パッシベーション層は、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム又は有機ポリマーの中の１種類又は複数種類の組み合わせである、ことを特徴とする請求項８記載の電界効果ダイオード。
【請求項１０】
前記第１障壁層と前記第２障壁層との間には、エッチングストップ層が含まれ、 前記エッチングストップ層のエッチング速度は、前記第１障壁層のエッチング速度より低い、ことを特徴とする請求項１に記載の電界効果ダイオード。
【請求項１１】
前記第２障壁層と、前記ショットキー電極の一部との上には、絶縁層が形成され、 前記アノード上には、前記絶縁層の一部を覆うフィールドプレートが形成される、ことを特徴とする請求項１に記載の電界効果ダイオード。
【請求項１２】
前記ショットキー電極と前記第２障壁層との間に前記凹溝内及び前記第２障壁層の一部表面には、絶縁誘電体層が形成される、ことを特徴とする請求項１に記載の電界効果ダイオード。
【請求項１３】
基板を提供することと、
前記基板上に核形成層を形成することと、
前記核形成層上にバック障壁層を形成することと、
前記バック障壁層上にチャネル層を形成することと、
前記チャネル層上に第１障壁層を形成することと、
前記第１障壁層上に第２障壁層を形成し、前記第２障壁層に凹溝をエッチングし形成することと、
前記第２障壁層にアノード及びカソードを形成することと
を備え、
前記カソードはオーム接触電極であり、前記アノードは複合構造であり、前記複合構造は、オーム接触電極と、前記凹溝に位置する、オーム接触電極と短絡するショットキー電極とからなり、
前記第１障壁層の厚さが１５ｎｍよりも小さい、ことを特徴とする電界効果ダイオードの製造方法。
【請求項１４】
前記核形成層を形成した後且つ前記バック障壁層を形成する前に、
前記核形成層上にバッファ層を形成することをさらに備える、ことを特徴とする請求項１３に記載の電界効果ダイオードの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、「電界効果ダイオード及びその製造方法」と題する、２０１４年０９月０５日に出願された中国特許出願第２０１４１０４５２１０４．６号の優先権を主張し、当該出願の内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、半導体の技術分野に関し、特に、エネルギーバンド工学に基づく、低い順方向導通電圧降下、低い逆方向リーク電流及び高い破壊電圧を有する電界効果ダイオード及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
現代社会において、高電圧供給、電力変換、工場自動化及び車両のエネルギー分配管理等の諸々分野に関するパワー電子技術が発展してきている。パワー半導体デバイスは、通常的に、回路システムのスイッチ又は整流器として用いられており、パワー電子技術の重要な構成要素である。パワーデバイスは、回路システムの消費電力量及び効率を決定し、省エネルギーに対して非常に重要な役割を有する。近年、高周波、大パワー密度及び低電力消費量の特性を有するＧａＮショットキーダイオードは、優れた性能により、人の注目を集めている。
【０００４】
ＧａＮは、バンドギャップが広く、室温でのバンドギャップが３．４ｅＶに達し、且つ高電子移動度、高熱伝導率及び耐高温高圧などの特性を有する。ドープされていなくても、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのヘテロ接合の界面において、密度が１０１３ｃｍ−２である二次元電子ガス（２ＤＥＧ）を容易に形成することもできる。その理由は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ構造に自発分極及び圧電分極が存在し、分極電界はＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面のＧａＮ層に高濃度と高移動度の２ＤＥＧを誘起することである。ＧａＮ材料の絶縁破壊電圧は、Ｓｉより約１桁高く、ＧａＮ材料に対応するショットキーダイオードの順方向導通抵抗は、Ｓｉデバイスより約３桁低い。高温、高変換速度及び高電圧を求めるパワーデバイス分野において、ＧａＮデバイスはＳｉデバイスの理想的な代替品である。
【０００５】
高圧変換回路のためのダイオードデバイスは、以下の特徴を有するべきである。ショットキーダイオードが逆バイアスされているとき（カソードの電圧がアノードより高いとき）、高い電圧に耐えることができ、同時に逆方向リーク電流が低いレベルに維持される。ダイオードが正バイアスされているとき、順方向電圧降下は、できるだけ小さくなり、ダイオードの順方向導通抵抗は、伝導損失を低減するように、小さければ小さいほどよい。一方、オンオフ状態を切り換えるときに少数キャリア電荷によるオンオフ損失を減少し且つ効率を向上するように、ダイオードに蓄積された少数キャリア電荷は小さければ小さいほどよい。ダイオードにおいて、上述の異なる性能とパラメーターはお互いに制限する。低いショットキー障壁高さを用いることは、ショットキーダイオードの順方向電圧降下を減少し、順方向導通時の電流密度を増加することができる。しかし、それによって、ショットキーダイオードの逆方向リーク電流は増加される。また、低い障壁高さは、高温でのショットキーダイオードの電気的特性を劣化させ、例えば、破壊電圧を小さくする。高いショットキー障壁高さを用いることは、逆方向リーク電流の低減に役に立つが、順方向電圧降下（ＶＦ）を大きくし、オン損失を増加させる。
【０００６】
したがって、上述の技術的問題に対して、新規の低い順方向導通電圧降下、低い逆方向リーク電流及び高い破壊電圧を有する電界効果ダイオード及びその製造方法を提供する必要がある。
【発明の概要】
【０００７】
したがって、本発明は、エネルギーバンド工学に基づく、低い順方向導通電圧降下、低い逆方向リーク電流及び高い破壊電圧を有する電界効果ダイオード及びその製造方法を提供する。当該電界効果ダイオードは、基板と、核形成層と、バッファ層と、バック障壁層と、チャネル層と、第１障壁層と、第２障壁層と、アノードと、カソードとを順に備える。第２障壁層には凹溝が形成される。かソードはオーム接触電極である。アノードは複合構造である。前記複合構造は、オーム接触電極と、前記凹溝中に位置する、オーム接触電極と短絡するショットキー電極とからなる。第１障壁層及びバック障壁層は近い成分含有量を有する。第２障壁層及び第１障壁層は、異なる成分含有量を有する。第２障壁層の格子定数は第１障壁層の格子定数より小さい。
【０００８】
電界効果ダイオードのアノードは、オーム金属と、凹溝構造とショットキー金属とを備え、カソードは、オーム金属で形成される。凹溝領域において、第１障壁層の成分がバック障壁層の成分と近いので、両者とＧａＮチャネル層との間の界面において形成された分極電荷は、密度が相当するが、電荷の符号が反対し、その作用がお互いに相殺される。したがって、ＧａＮチャネル層中には二次元電子ガス（２ＤＥＧ）が形成されることができない。当該凹溝領域には空乏チャネルを形成する。当該電界効果ダイオードのアノードに逆バイアス電圧を印加しているとき（カソードに対してアノードに逆バイアス電圧を印加している）、凹溝領域の空乏チャネルの電流遮断作用によって、逆バイアスされたアノードとカソードとの間に導電を行うことができなく、つまり、ダイオードが逆方向オフ状態になっている。しかし、当該電界効果ダイオードのアノードに正バイアス電圧を印加しているとき、凹溝領域の空乏チャネルは、ショットキー金属の正電圧の作用によって、チャネル中の障壁が低下され、二次元電子ガスが徐々に回復され、電子導電路を形成し、つまり、当該電界効果ダイオードは順方向導通特性を有する。
【０００９】
本発明では、第２障壁層のＡｌＧａＮのＡｌ成分の含有量は、バック障壁層及び第１障壁層のＡｌＧａＮのＡｌ成分の含有量より大きく設計され、当該第２障壁層及び第１障壁層は、そちらとＧａＮチャネル層との間の界面に共に作用し、生成した分極電荷密度は、バック障壁層とＧａＮチャネル層との間の界面にバック障壁層が生成した分極電荷密度より大きい。したがって、第１障壁層とチャネル層との間の界面に、高濃度の二次元電子ガス（２ＤＥＧ）を生成し、当該電界効果ダイオードの順方向導通抵抗を低減する。
【００１０】
以上により、当該電界効果ダイオードのアノード凹溝領域の下のＧａＮチャネル層における２ＤＥＧは、空乏化されてストップチャネルを形成し、当該ダイオードを逆バイアス電圧でオフにし、しかし、凹溝以外の領域に高濃度の二次元電子ガスを形成し、ダイオードの順方向導通抵抗を効果的に低減することができる。
【００１１】
本発明による電界効果ダイオードは、以下の幾つかのメリットがある。
【００１２】
１、逆バイアス電圧の印加時、凹溝の下の２ＤＥＧが空乏化されているので、チャネルは導電を行うことができない。逆バイアス電圧の増加に伴って、カソードに隣接するショットキー電極の縁部の下のチャネルにおける二次元電子ガスの空乏領域をさらに拡大し、高圧での逆方向リーク電流の増加を抑制する。
【００１３】
２、バック障壁層はバッファ層のリーク電流を効果的に抑制することができ、したがって、ダイオードの逆方向リーク電流を減少し、これにより、逆方向耐圧を向上することができる。また、バック障壁層は、バッファ層と比較して、結晶品質がより良く、欠陥密度が低く、したがって、バック障壁層を用いていないデバイスと比較すると、デバイスの安定性をさらに向上することができる。
【００１４】
３、正バイアス電圧の場合、アノードのショットキー金属の凹溝の下に位置する領域は、正電圧により、障壁を低下し、二次元電子ガスチャネルを回復することができ、アノードのオーム電極をカソードと導通させ、同時にアノード凹溝におけるショットキー接合が所定の正バイアス電圧でオンになって導電することができる。この２つの電流は共にダイオードの順方向電流を構成し、したがって、順方向導通抵抗の減少及び順方向電圧降下（ＶＦ）の低減に役に立つ。
【００１５】
上述の目的を実現するため、本発明の実施例による技術案は、以下のとおりである。
【００１６】
電界効果ダイオードは、
基板と、
前記基板上に位置する核形成層と、
前記核形成層上に位置するバック障壁層と、
前記バック障壁層上に位置するチャネル層と、
前記チャネル層上に位置する第１障壁層と、
前記第１障壁層上に位置する、凹溝が形成される第２障壁層と、
前記第２障壁層に位置するアノード及びカソードと
を備え、
前記カソードは、オーム接触電極であり、前記アノードは、複合構造であり、前記複合構造は、オーム接触電極と、前記凹溝に位置する、前記オーム接触電極と短絡するショットキー電極とからなる。
【００１７】
本発明の更なる改善として、前記電界効果ダイオードは、前記核形成層と前記バック障壁層との間に位置するバッファ層をさらに備える。前記バック障壁層は、前記バッファ層上に形成される。
【００１８】
本発明の更なる改善として、前記バック障壁層、前記第１障壁層及び前記第２障壁層の材料は、ＡｌＧａＮであり、前記チャネル層の材料は、ＧａＮであり、前記バック障壁層及び前記第１障壁層のＡｌ成分の含有量は、等しく、又は５％以下の差があり、前記第２障壁層のＡｌ成分の含有量は、前記バック障壁層及び前記第１障壁層のＡｌ成分の含有量よりも高い。
【００１９】
本発明の更なる改善として、前記バック障壁層のＡｌ成分の含有量は、１０％〜１５％であり、前記第１障壁層のＡｌ成分の含有量は、１０％〜１５％であり、前記第２障壁層のＡｌ成分の含有量は、２０％〜４０％である。
【００２０】
本発明の更なる改善として、前記バッファ層の厚さは、１−３．５μｍであり、前記バック障壁層の厚さは、５０〜１００ｎｍであり、前記チャネル層の厚さは、１５〜３５ｎｍであり、前記第１障壁層の厚さは、１５〜４５ｎｍであり、前記第２障壁層の厚さは、２５〜４０ｎｍである。
【００２１】
本発明の更なる改善として、前記第１障壁層と前記第２障壁層との界面には、二次元電子ガスが存在し、ショットキー電極の凹溝の下に対応する第１障壁層と第２障壁層との界面領域には、二次元電子ガスが存在しない。
【００２２】
本発明の更なる改善として、前記凹溝の側壁は傾斜度を有する。
【００２３】
本発明の更なる改善として、前記凹溝の深さは、前記第２障壁層の厚さに等しい。
【００２４】
本発明の更なる改善として、前記第２障壁層にはパッシベーション層が設けられる。
【００２５】
本発明の更なる改善として、前記パッシベーション層は、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム又は有機ポリマーの中の１種類又は複数種類の組み合わせである。
【００２６】
本発明の更なる改善として、前記第１障壁層と前記第２障壁層との間には、エッチングストップ層が含まれ、前記エッチングストップ層のエッチング速度は、第１障壁層のエッチング速度より低い。
【００２７】
本発明の更なる改善として、前記第２障壁層と、前記ショットキー電極の一部との上には、絶縁層が形成され、前記アノード上には、前記絶縁層の一部を覆うフィールドプレートが形成される。
【００２８】
本発明の更なる改善として、前記ショットキー電極と前記第２障壁層との間に前記凹溝内及び前記第２障壁層の一部表面には、絶縁誘電体層が形成される。
【００２９】
なお、電界効果ダイオードの製造方法は、
基板を提供することと、
前記基板上に核形成層を形成することと、
前記核形成層上にバック障壁層を形成することと、
前記バック障壁層上にチャネル層を形成することと、
前記チャネル層上に第１障壁層を形成することと、
前記第１障壁層上に第２障壁層を形成し、前記第２障壁層に凹溝をエッチングし形成することと、
前記第２障壁層にアノード及びカソードを形成し、前記カソードはオーム接触電極であり、前記アノードは複合構造であり、前記複合構造は、オーム接触電極と、前記凹溝に位置する、オーム接触電極と短絡するショットキー電極とからなることとを備える。
【００３０】
本発明の更なる改善として、前記核形成層を形成した後且つ前記バック障壁層を形成する前に、当該方法は、前記核形成層上にバッファ層を形成することをさらに備える。
【００３１】
本発明の利点は以下のとおりである。
【００３２】
本発明のダイオードの正バイアス時には、凹溝の下のチャネル層と第１障壁層との界面に２ＤＥＧを誘起するように、アノードに小さいバイアス電圧を印加してもよい。水平方向において、高濃度と高移動度を有する２ＤＥＧにより、導通を行い、したがって、ダイオードの順方向電圧降下及び導通抵抗が小さい。
【００３３】
本発明のダイオードの逆バイアス時には、凹溝のショットキー電極の下の二次元電子ガスが空乏状態にあるため、チャネルが遮断される。したがって、逆バイアス電圧により電子がカソードとアノードとの間に流れ、逆方向リーク電流を低くする。一方、本発明は、結晶品質が良いバック障壁層を用いて、その上のチャネル層と共に１つの障壁を形成する。当該障壁が存在するため、ダイオードが逆バイアス時には、電子がチャネル層からバック障壁層に進入することが困難になり、ダイオードのバッファ層のリーク電流を遮断する。したがって、当該電界効果ダイオードの逆方向リーク電流を低いレベルに保持する。逆方向電圧に対するダイオードの耐圧能力を増加させ、デバイスの逆方向破壊電圧を向上させる。
【００３４】
同時に、当該ダイオード構造のショットキー電極は、凹溝の分布は所定の傾斜度を有し、ダイオードが逆バイアス時にアノード金属縁部の下の電界線分布を調節することができ、アノード縁部のカソードに隣接する一側の電界ピーク値を低減させ、したがって、ダイオードの耐圧能力を向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
以下、本発明の実施形態または先行技術の技術案をさらに明瞭に説明するために、実施形態または先行技術の説明に用いられている図面について簡単に紹介する。明らかに、後述の図面は、本発明の実施形態を説明するものに過ぎない。当業者は、創造的な活動をしない前提で、提供された図面に基づいて他の図面を得ることもできる。
【００３６】
【図１（ａ）】図１（ａ）は、本発明の第１実施形態の電界効果ダイオードの構成模式図を示す。
【図１（ｂ）】図１（ｂ）は、本発明の第１の実施形態による電界効果ダイオードのチャネル層における二次元電子ガス空乏領域付近の水平方向（電流伝導方向）のエネルギーバンド分布模式図を示す。
【図１（ｃ）】図１（ｃ）は、本発明の第１の実施形態による電界効果ダイオードに逆バイアス電圧が印加された場合、チャネル層における二次元電子ガス空乏領域付近の水平方向（電流伝導方向）のエネルギーバンド分布模式図を示す。
【図１（ｄ）】図１（ｄ）は、本発明の第１の実施形態による電界効果ダイオードに逆バイアス電圧が印加された場合、チャネル層における二次元電子ガス空乏領域付近の水平方向（電流伝導方向）のエネルギーバンド分布模式図を示す。
【図１（ｅ）】図１（ｅ）は、本発明の第１実施形態の電界効果ダイオードのＩＶ特性曲線図を示す。
【図２】図２は、本発明の第２実施形態の電界効果ダイオードの構成模式図を示す。
【図３】図３は、本発明の第３実施形態の電界効果ダイオードの構成模式図を示す。
【図４】図４は、本発明の第４実施形態の電界効果ダイオードの構成模式図を示す。
【図５】図５は、本発明の第５実施形態の電界効果ダイオードの構成模式図を示す。
【図６】図６は、本発明の第６実施形態の電界効果ダイオードの構成模式図を示す。
【図７】図７は、本発明の第７実施形態の電界効果ダイオードの構成模式図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、図面に示された具体的な実施形態を参照しながら、本発明について詳細に説明する。しかし、これらの実施形態は、本発明を限定するものではなく、当業者がこれらの実施形態に基づいて実施し得る構造、方法又は機能の変更は、全て本発明の範囲に含まれる。
【００３８】
なお、異なる実施例において同じ符号又は表示を用いる可能性がある。これらの同じ符号又は表示は、本発明を簡単に且つ明瞭に説明するためのものであり、説明される異なる実施例又は構造の間に何らかの関連性があることを示すものではない。
【００３９】
本発明は、電界効果ダイオードを提供する。
【００４０】
当該電界効果ダイオードは、
基板と、
前記基板上に位置する核形成層と、
前記核形成層上に位置するバック障壁層と、
前記バック障壁層上に位置するチャネル層と、
前記チャネル層上に位置する第１障壁層と、
前記第１障壁層上に位置する、凹溝が形成される第２障壁層と、
前記第２障壁層に位置するアノード及びカソードと
を備える。
前記カソードは、オーム接触電極であり、前記アノードは、複合構造である。前記複合構造は、オーム接触電極と、前記凹溝に位置する、オーム接触電極と短絡するショットキー電極とからなる。
【００４１】
さらに、前記電界効果ダイオードは、前記核形成層と前記バック障壁層との間に位置するバッファ層をさらに備える。前記バック障壁層は、前記バッファ層上に形成される。
【００４２】
本発明は、電界効果ダイオードの製造方法を提供する。
【００４３】
当該方法は、
基板を提供することと、
前記基板上に核形成層を形成することと、
前記核形成層上にバック障壁層を形成することと、
前記バック障壁層上にチャネル層を形成することと、
前記チャネル層上に第１障壁層を形成することと、
前記第１障壁層上に第２障壁層を形成し、前記第２障壁層に凹溝をエッチングし形成することと、
前記第２障壁層にアノード及びカソードを形成し、前記カソードはオーム接触電極であり、前記アノードは複合構造であり、前記複合構造は、オーム接触電極と、前記凹溝に位置する、オーム接触電極と短絡するショットキー電極とからなることと
を備える。
【００４４】
さらに、当該方法は、前記核形成層を形成した後且つ前記バック障壁層を形成する前に、前記核形成層上にバッファ層を形成することをさらに備える。
【００４５】
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態の電界効果ダイオードの構成模式図を示す。
【００４６】
基板１２は、一般的にサファイア、ＳｉＣ又はＳｉである。核形成層１３は基板１２上に成長される。核形成層１３上にはバッファ層１４が設けられる。バッファ層１４上にはバック障壁層１５が設けられる。バック障壁層１５上にはチャネル層１６が設けられる。チャネル層１６上には第１障壁層１７が設けられる。第１障壁層１７上には第２障壁層１８が設けられる。第２障壁層１８には、２つのオーム接触が電界効果ダイオードのアノードオーム電極１９及びカソードオーム電極２０をそれぞれ形成する。アノードオーム電極１９とカソードオーム電極２０との間には、第２障壁層１８に所定の傾斜度を有する凹溝がエッチングされ、凹溝は、第１障壁層１７と第２障壁層１８との界面に停止される。ショットキー電極２１は、凹溝内に形成され、アノードオーム電極１９と短絡して、アノードオーム電極１９と共にダイオードのアノード構造を構成する。
【００４７】
本実施形態では、バック障壁層１５、第１障壁層１７及び第２障壁層１８の材料は、全てＡｌＧａＮであり、チャネル層１６の材料は、ＧａＮである。バック障壁層１５の厚さは、１〜３．５μｍであり、チャネル層１６の厚さは、１５〜３５ｎｍであり、第１障壁層１７の厚さは、１５〜４５ｎｍであり、第２障壁層１８の厚さは、２５〜４０ｎｍである。
【００４８】
さらに、第２障壁層１８のＡｌ成分の含有量は、第１障壁層１７のＡｌ成分の含有量よりも高い。第１障壁層１７及びバック障壁層１５のＡｌ成分の含有量は、等しく、又は５％以下の差である。好ましくは、バック障壁層１５及び第１障壁層１７のＡｌ成分の含有量は、１０％〜１５％（質量百分率）であり、第２障壁層１８のＡｌ成分の含有量は、２０％〜４０％（質量百分率）である。
【００４９】
バック障壁層１５の成分は、第１障壁層１７のＡｌ成分に近いので、この２つの層のＡｌＧａＮの格子定数が近い。バック障壁層１５と第１障壁層１７との間におけるチャネル層１６のＧａＮ厚さが小さいので、チャネル層１６の格子定数は、その下のバック障壁層１５の格子定数を保持する。チャネル層１６は、第１障壁層１７のＡｌＧａＮ格子定数にも近い。バック障壁層１５及び第１障壁層１７と、ＧａＮチャネル層１６との間の界面に形成される分極電荷の密度は一致しており、電荷の符号が反対であり、その作用がお互いに相殺される。したがって、凹溝領域のＧａＮチャネル層１６中には２ＤＥＧが形成されることができない。当該凹溝領域には空乏チャネルを形成する。このとき、ＧａＮチャネル層１６と第１障壁層１７との界面において水平方向（電流伝導方向）に沿うエネルギーバンド分布は図１（ｂ）に示される。対応する凹溝領域の下のチャネルにおける二次元電子ガスは空乏化されて１つの電子障壁を形成し、逆バイアス電圧が印加される場合、電子がこの障壁を通過できず、二次元電子ガスのチャネルがオフ状態である。
【００５０】
第２障壁層１８のＡｌＧａＮのＡｌ成分はバック障壁層１５及び第１障壁層１７のＡｌ成分よりも高いため、第２障壁層１８の格子定数はその下の第１障壁層１７及びチャネル層１６の格子定数よりも小さい。したがって、第２障壁層１８の凹溝のない領域には、自発分極電界も存在し、圧電分極電界も存在する。当該分極電界は、第１障壁層１７とチャネル層１６との界面に２ＤＥＧを誘導することができる。最終的に、第１障壁層１７とチャネル層１６の界面において、凹溝に対応する領域に２ＤＥＧが空乏化され、他の領域に２ＤＥＧが存在する電子分布を形成する。
【００５１】
逆バイアス電圧が印加された場合、凹溝の下の２ＤＥＧが空乏化されるため、チャネルは導電を行うことができない。逆バイアス電圧の増加に伴って、カソードに隣接するショットキー電極縁部の下のチャネルにおける二次元電子ガスの空乏領域は、さらに拡大され、逆方向リーク電流を抑制する。このとき、ＧａＮチャネル層１６の界面における水平方向（電流伝導方向）のエネルギーバンド分布は、図１（ｃ）に示される。電子が障壁を通過できないため、ダイオードはオフ状態になる。一方、バック障壁層１５を用いて、当該障壁が存在するため、電子がチャネル層からバッファ層に進入することは、より困難になって、ダイオードのバッファ層のリーク電流を遮断する。したがって、当該構造により、ダイオードは、非常に高い逆バイアス電圧に耐えることができる。
【００５２】
正バイアス電圧が印加された場合、一方で、ショットキー電極の凹溝の下の二次元電子ガスチャネルは、正のショットキー電圧により部分的又は全部で回復される。このとき、ＧａＮチャネル層の界面に水平方向（電流伝導方向）のエネルギーバンド分布は図１（ｄ）に示される。電子障壁の高さは、フェルミ準位以下に減少し、電子は、カソードのオーム金属からアノードのオーム金属に流れることができ、ダイオードはオン状態になる。他方で、ショットキー電極の自身は、所定の正バイアス電圧によりオンされて導電を行うことができる。この２つの電流は、併せてダイオードの順方向電流を構成する。したがって、当該ダイオードの順方向導通電圧を減少し、且つ順導通抵抗を減少することに役に立つ。これにより、当該電界効果ダイオードは、順方向導通特性を有し、そのＩＶ特性が図１（ｅ）に示される。
【００５３】
本実施形態の電界効果ダイオードでは、凹溝の側壁は所定の傾斜度を有し、ショットキー電極は所定の傾斜度を有する凹溝内に形成され、ゲートフィールドプレートが用いられて、アノードの縁部電界を調節することができ、さらに、高い破壊電圧を取得する。
【００５４】
図２は、本発明の第２実施形態の電界効果ダイオードの構成模式図を示す。
【００５５】
本実施形態は、第１の実施形態の１つの変形である。図２に示すように、第２障壁層１８上には、デバイス表面をパッシベーションする１つのパッシベーション層２２が追加される。パッシベーション層２２は、デバイスの電流コラプス現象を抑制し、ダイオードの動的特性劣化を減少することができる。当該パッシベーション層２２は、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム又は有機ポリマーの中の１種類又は複数種類の組み合わせであってもよい。
【００５６】
ダイオードデバイスがパッシベーションされていない場合、ダイオードが逆バイアス時には、カソードに隣接するショットキー電極の一側の表面準位は、電子を捕獲し、表面負電荷を導入して、二次元電子ガスを空乏化させる。窒化ガリウム材料のバンドギャップは３．４ｅＶに達し、ＡｌＧａＮのバンドギャップは３．４ｅＶ〜６．２ｅＶ（ＡＩＮ）であり、Ａｌ成分により異なることになる。ある準位位置が深い表面準位は、電子を捕獲した後、長期間にわたって電子が解放されていない。導入された負電荷は、二次元電子ガスを部分的に空乏化させ、ダイオードの順方向導通抵抗を増加させる。パッシベーション層の追加によって、電流コラプス現象を効果的に除去し、ダイオードの動的性能を向上することができる。
【００５７】
図３は、本発明の第３実施形態の電界効果ダイオードの構成模式図を示す。
【００５８】
本実施形態は、第１の実施形態のもう１つの変形である。図３に示すように、第１障壁層１７と第２障壁層１８との間には、１つのエッチングストップ層２３を挿入させる。エッチングストップ層２３は、一般的に、ＡｌＧａＮとのエッチング速度が遅い材料（例えば、ＡｌＮ）を用いる。それによって、エッチングストップ位置を第２障壁層／第１障壁層の界面により正確に制御し、工程面でデバイスを容易に実現することを確保し、歩留まりを向上する。
【００５９】
図４は、本発明の第４実施形態の電界効果ダイオードの構成模式図を示す。
【００６０】
本実施形態は、第１の実施形態のもう１つ変形である。図４に示すように、第２障壁層１８とショットキー電極２１の一部との上には、絶縁層２２が形成され、アノード１９には、絶縁層２２の一部を覆うフィールドプレート２４が形成される。この構造は、アノードに隣接するショットキー電極の一側エッジにおける電界線の集中分布を最適化し、アノードのエッジの電界ピーク値を減少し、ダイオードの破壊電圧を向上することができる。
【００６１】
図５は、本発明の第５実施形態の電界効果ダイオードの構成模式図を示す。
【００６２】
本実施形態は、第１の実施形態のもう１つの変形である。図５に示すように、本実施形態では、凹溝内には１つの絶縁誘電体層２５が形成され、ショットキーの逆方向リーク電流を効果的に低減することができる。ダイオードが逆バイアス時には、電子が絶縁誘電体層の形成した障壁を越えず、ショットキー電極の逆方向リーク電流が形成できない。したがって、この構造によるダイオードのリーク電流は、第１の実施形態によるリーク電流より小さい。
【００６３】
図６は、本発明の第６実施形態の電界効果ダイオードの構成模式図を示す。
【００６４】
本実施形態は、第１の実施形態のもう１つの変形である。図６に示すように、この構造において第１障壁層１７の厚さが小さく（１５ｎｍよりも小さい）、その抵抗をさらに減少させることができる。したがって、ダイオードが正バイアス時には、電流は、ショットキーから第１障壁層１７を垂直に通過して導通することができる。この構造では横方向の２ＤＥＧと縦方向のショットキーダイオードとの２つの導電路が存在するため、ダイオードの順方向電圧降下をさらに降低し、飽和電流密度を増加し、ダイオードの電力消費量を低減する。
【００６５】
図７は、本発明の第７実施形態の電界効果ダイオードの構成模式図を示す。
【００６６】
本実施形態は、第１の実施形態のもう１つの変形である。図７に示すように、当該構造はバッファ層を含まないが、バック障壁層１５はバッファ層として機能され、バック障壁層１５の厚さは、１〜３．５μｍである。より厚いバック障壁層１５を用いて、逆方向リーク電流を低減すると同時に、工程プロセスを簡略化する。
【００６７】
以上により、従来の技術と比較すると、本発明の利点は以下のとおりである。
【００６８】
本発明のダイオードの正バイアス時には、凹溝の下のチャネル層と第１障壁層との界面に２ＤＥＧを誘起するように、アノードに小さいバイアス電圧を印加してもよい。水平方向において、高濃度と高移動度を有する２ＤＥＧにより、導通を行い、したがって、ダイオードの順方向電圧降下及び導通抵抗が小さい。
【００６９】
本発明のダイオードの逆バイアス時には、凹溝のショットキー電極の下の二次元電子ガスが空乏状態にあるため、チャネルが遮断される。したがって、逆バイアス電圧により電子がカソードとアノードとの間に流れ、逆方向リーク電流を低くする。一方、本発明は、結晶品質が良いバック障壁層を用いて、その上のチャネル層と共に１つの障壁を形成する。当該障壁が存在するため、ダイオードが逆バイアス時には、電子がチャネル層からバック障壁層に進入することが困難になり、ダイオードのバッファ層のリーク電流を遮断する。したがって、当該電界効果ダイオードの逆方向リーク電流を低いレベルに保持する。逆方向電圧に対するダイオードの耐圧能力を増加させ、デバイスの逆方向破壊電圧を向上させる。
【００７０】
同時に、当該ダイオード構造のショットキー電極は、凹溝の分布は所定の傾斜度を有し、ダイオードが逆バイアス時にアノード金属縁部の下の電界線分布を調節することができ、カソードに隣接するアノード縁部の一側の電界ピーク値を低減させ、したがって、ダイオードの耐圧能力を向上する。
【００７１】
本発明は、上述の例示した実施例の詳細に限定されるものではなく、本発明の趣旨又は基本的な特徴を逸脱しない範囲で他の具体的な形態により実現されることができることは、当業者には明らかであろう。したがって、どの視点から見ても、上述の実施例は、例示的なものに過ぎず、本発明を制限するものではない。本発明の範囲は、明細書ではなく、請求の範囲により決定される。したがって、請求項の均等物の意味及び範囲に入る全ての変更は、本発明の範囲に含まれることが意図されている。請求項における参照符号は、請求項を限定するものと解釈されるべきではない。
【００７２】
なお、本明細書が実施形態により説明されたが、各実施形態が１つの独立の技術案のみを含むことではないことは理解されるべきである。当業者は、明確にするために上述の方式で明細書を説明したが、明細書を全体として、各実施例の技術案が組み合わせられることで他の実施形態を形成することと理解すべきである。
【図１（ａ）】
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【図１（ｂ）】
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【図１（ｃ）】
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【図１（ｄ）】
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【図１（ｅ）】
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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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