(57)【要約】【課題】電流コラプス現象が抑制された半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】ＨＥＭＴ１１１として機能する半導体装置は、上面に、ゲート電極１５３とドレイン電極１５５とを結ぶ方向に長軸方向が揃えられた棒状分子１６３から構成される電流コラプス抑制膜を備える。かかる配向制御は、絶縁膜１２５の上に溝１６１を形成することにより可能となる。前記電流コラプス抑制膜の作用により、高電圧印加後に表面準位１３３にトラップされた電子の存在に起因する電流コラプス現象が抑制される。【選択図】図１
2008205095.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の一方の主面に形成された化合物半導体層と、
前記化合物半導体層の上に形成されたドレイン電極と、
前記化合物半導体層の上に形成されたソース電極と、
前記化合物半導体層の上に前記ドレイン電極と前記ソース電極との間に形成されたゲート電極と、
前記化合物半導体層の上の当該化合物半導体層が露出している領域のうち前記ドレイン電極と前記ゲート電極との間の領域の少なくとも一部を覆うように形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜の上面に配置された棒状分子と、
を備え、
前記棒状分子は、
その長軸方向が前記ゲート電極と前記ドレイン電極とを結ぶ方向となるように配置されている、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記絶縁膜の上面には前記ゲート電極と前記ドレイン電極とを結ぶ方向に延伸する溝が設けられており、
前記棒状分子は、
前記溝の内側に入っている、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
基板と、
前記基板の一方の主面に形成された化合物半導体層と、
前記化合物半導体層の上に形成されたアノード電極と、
前記化合物半導体層の上に形成されたカソード電極と、
前記化合物半導体層の上の当該化合物半導体層が露出している領域のうち前記アノード電極と前記カソード電極との間の領域の少なくとも一部を覆うように形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜の上面に配置された棒状分子と、
を備え、
前記棒状分子は、
その長軸方向が前記アノード電極と前記カソード電極とを結ぶ方向となるように配置されている、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
前記絶縁膜の上面には前記アノード電極と前記カソード電極とを結ぶ方向に延伸する溝が設けられており、
前記棒状分子は、
前記溝の内側に入っている、
ことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記化合物半導体層は、
窒化物系化合物半導体から構成される、
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記化合物半導体層は、
第１の化合物半導体層と第２の化合物半導体層とから構成され、前記第１の化合物半導体層と前記第２の化合物半導体層との界面近傍に２次元電子ガス層を有する、
ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記棒状分子は、
単層膜又はアモルファス膜として形成されている、
ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記棒状分子は、
主骨格に二重結合又はベンゼン環を有する、
ことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記棒状分子は、
電子供与性基又は電子吸引性基を有する、
ことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記棒状分子は、
π電子を有する有機化合物から構成される、
ことを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
基板上に化合物半導体層を形成する化合物半導体層形成工程と、
前記化合物半導体層の上に、ドレイン電極とソース電極とを形成し、前記ドレイン電極と前記ソース電極との間にさらにゲート電極を形成する電極形成工程と、
前記化合物半導体層の上面の当該化合物半導体層が露出している領域のうち前記ドレイン電極と前記ゲート電極との間の領域の少なくとも一部を覆うように絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
前記絶縁膜の上面に前記ゲート電極と前記ドレイン電極とを結ぶ方向に延伸する構を形成する溝形成工程と、
棒状分子を前記溝の内側に配置する配置工程と、
から構成される、半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
基板上に化合物半導体層を形成する化合物半導体層形成工程と、
前記化合物半導体層の上に、アノード電極とカソード電極とを形成する電極形成工程と、
前記化合物半導体層の上面の当該化合物半導体層が露出している領域のうち前記アノード電極と前記カソード電極との間の領域の少なくとも一部を覆うように絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
前記絶縁膜の上面に前記アノード電極と前記カソード電極とを結ぶ方向に延伸する溝を形成する溝形成工程と、
棒状分子を前記溝の内側に配置する配置工程と、
から構成される、半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関し、特に、窒化物系化合物半導体を用いた半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）のような窒化物系化合物半導体は、高温・高出力・高周波の面で良好な特性を有する半導体材料として注目されている。また、窒化物系化合物半導体は、窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）のヘテロ構造とすることにより、電子移動度を大きくすることができるため、高速スイッチング・大電流化が要求される半導体装置に用いることが好適である。このような窒化物系化合物半導体は、例えば、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）などに用いられる。
【０００３】
ところで、窒化物系化合物半導体においては、バルク結晶や半導体表面に多量の深い準位（トラップ）が存在している。このため、半導体装置への逆方向電圧印加期間中又はオフ期間中に、例えば、半導体基板の結晶内のトラップにキャリアが捕獲され、その後、半導体装置への順方向電圧印加時またはオンした時、出力電流が低下してしまう、いわゆる電流コラプス現象が発生してしまうという問題がある（例えば、非特許文献１。）。
【０００４】
これまでに、電流コプラス現象を抑制する方法として、ＳｉＮｘから構成される絶縁膜を半導体層の露出部に設けることが提案されている（例えば、特許文献１。）。
【非特許文献１】Binari, S.C.,  Ikossi, K.,  Roussos, J.A.,  Kruppa, W.  Doewon Park Dietrich, H.B.,  Koleske, D.D.,  Wickenden, A.E.,  Henry, R.L.,  "Trapping effects and microwave power performance in AlGaN/GaN HEMTs",  IEEE Transactions on Electron Devices,  IEEE,  第48巻,  第3号,  p. 465-471,  (2001年3月)
【特許文献１】特開２００５−２８６１３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ＳｉＮｘから構成される絶縁膜を、電流コラプス現象を有効に抑制する態様で形成する工程は、複雑であり、各種の微調整を要するものである。
【０００６】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、電流コラプス現象を容易かつ良好に抑制することができる半導体装置及びその製造方法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】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る半導体装置は、
基板と、
前記基板の一方の主面に形成された化合物半導体層と、
前記化合物半導体層の上に形成されたドレイン電極と、
前記化合物半導体層の上に形成されたソース電極と、
前記化合物半導体層の上に前記ドレイン電極と前記ソース電極との間に形成されたゲート電極と、
前記化合物半導体層の上の当該化合物半導体層が露出している領域のうち前記ドレイン電極と前記ゲート電極との間の領域の少なくとも一部を覆うように形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜の上面に配置された棒状分子と、
を備え、
前記棒状分子は、
その長軸方向が前記ゲート電極と前記ドレイン電極とを結ぶ方向となるように配置されている、
ことを特徴とする。
【０００８】
前記絶縁膜の上面には前記ゲート電極と前記ドレイン電極とを結ぶ方向に延伸する溝が設けられており、前記棒状分子は、前記溝の内側に入っている、ことが望ましい。
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の第２の観点に係る半導体装置は、
基板と、
前記基板の一方の主面に形成された化合物半導体層と、
前記化合物半導体層の上に形成されたアノード電極と、
前記化合物半導体層の上に形成されたカソード電極と、
前記化合物半導体層の上の当該化合物半導体層が露出している領域のうち前記アノード電極と前記カソード電極との間の領域の少なくとも一部を覆うように形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜の上面に配置された棒状分子と、
を備え、
前記棒状分子は、
その長軸方向が前記アノード電極と前記カソード電極とを結ぶ方向となるように配置されている、
ことを特徴とする。
【００１０】
前記絶縁膜の上面には前記アノード電極と前記カソード電極とを結ぶ方向に延伸する溝が設けられており、前記棒状分子は、前記溝の内側に入っている、ことが望ましい。
【００１１】
前記化合物半導体層は、例えば、窒化物系化合物半導体から構成される。
【００１２】
前記化合物半導体層は、第１の化合物半導体層と第２の化合物半導体層とから構成され、前記第１の化合物半導体層と前記第２の化合物半導体層との界面近傍に２次元電子ガス層を有する、ことが望ましい。
【００１３】
前記棒状分子は、例えば、単層膜又はアモルファス膜として形成されている。
【００１４】
前記棒状分子は、例えば、主骨格に二重結合又はベンゼン環を有する。
【００１５】
前記棒状分子は、例えば、電子供与性基又は電子吸引性基を有する。
【００１６】
前記棒状分子は、例えば、π電子を有する有機化合物から構成される。
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明の第３の観点に係る半導体装置製造方法は、
基板上に化合物半導体層を形成する化合物半導体層形成工程と、
前記化合物半導体層の上に、ドレイン電極とソース電極とを形成し、前記ドレイン電極と前記ソース電極との間にさらにゲート電極を形成する電極形成工程と、
前記化合物半導体層の上面の当該化合物半導体層が露出している領域のうち前記ドレイン電極と前記ゲート電極との間の領域の少なくとも一部を覆うように絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
前記絶縁膜の上面に前記ゲート電極と前記ドレイン電極とを結ぶ方向に延伸する構を形成する溝形成工程と、
棒状分子を前記溝の内側に配置する配置工程と、
から構成される。
【００１８】
上記目的を達成するため、本発明の第４の観点に係る半導体装置製造方法は、
基板上に化合物半導体層を形成する化合物半導体層形成工程と、
前記化合物半導体層の上に、アノード電極とカソード電極とを形成する電極形成工程と、
前記化合物半導体層の上面の当該化合物半導体層が露出している領域のうち前記アノード電極と前記カソード電極との間の領域の少なくとも一部を覆うように絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
前記絶縁膜の上面に前記アノード電極と前記カソード電極とを結ぶ方向に延伸する溝を形成する溝形成工程と、
棒状分子を前記溝の内側に配置する配置工程と、
から構成される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、電流コラプス現象を容易かつ良好に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施の形態における半導体装置について説明する。本実施の形態では、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を備える半導体装置の場合を例に本発明を説明する。
【００２１】
図１は、本実施の形態に係る半導体装置であるＨＥＭＴ１１１を斜め上方からみた様子を模式的に示す図である。この装置の構成を明らかにするために、以下では、棒状分子１６３の例を列挙しその挙動を説明した後に、点線１９５で示す部分の断面図と、点線１９３で示す部分の断面図と、点線１９１で示す部分の断面図と、を参照しつつ説明する。
【００２２】
棒状分子１６３としては、例えば、図２（ａ）〜図２（ｅ）に示すように、ベンゼン環を有する有機化合物であるピレン、テトラセン、フェナントレン、アントラセン、クリセン、ペンタセン等が挙げられる。棒状分子１６３としては、あるいは例えば、図２（ｆ）に示すように、主骨格に二重結合を有する有機化合物である1,3-ブタジエン-1-ナトリウム-4-アミン等が挙げられる。これらの分子はいずれもπ電子を有する有機化合物から構成される棒状分子であり、図２において両矢印で示すとおり、外部から電場が印加されると、長軸方向に分極する。
【００２３】
かかる分極の様子を図３に示す。例えばベンゼン環を有する化合物であるアントラセンの場合には、図３（ａ）のように分子の長軸方向の両端に配置された電極１、２に電圧を印加すると、電場が発生し、分子内の１４個のπ電子の全てが白抜き矢印で示されるようにプラス電極２側に寄る。その結果、図中の記号δ＋及びδ−で示されるとおり、分子内に誘起双極子が生じる。
【００２４】
あるいは例えば二重結合を有する化合物である1,3-ブタジエン-1-ナトリウム-4-アミンの場合には、図３（ｂ）に示すように、もともと電子を引き寄せる傾向が潜在する電子吸引基と、もともと電子を放出する傾向が潜在する電子供与性基と、が、分子の長軸方向の両端に存在する。よって、外部から電場が印加されない場合でも、分子内に電荷の偏りは存在する。一方、図３（ｂ）に示すように、外部の電極１、２により電場が生じると、分子内の二重結合によるπ電子の全てが白抜き矢印で示されるようにプラス電極２側に寄る。その結果、図中の記号δ＋及びδ−で示されるとおり、もともと潜在する分子内の電荷の偏り以上の電荷の偏りが分子内に生じる。
【００２５】
電子吸引性基としては、図３（ｂ）に示した
−Ｎａ
の他にも、例えば、
−ＣＨ３、−ＮＨ２等
に置き換えてもよい。一方、電子供与性基としては、図３（ｂ）に示した
−ＮＨ２
の他にも、例えば、
−ＮＯ２、−ＳＯ３等
に置き換えてもよい。また、ＨＥＭＴ１１１に用いる棒状分子１６３は、必ずしも、電子吸引性基と電子供与性基の両方を備える必要はなく、どちらか片方だけを備えるものであっても、両方がなくてもよい。つまり、二重結合や三重結合にみられるπ電子を有するものであればよい。さらにまた、棒状分子１６３としては、ベンゼン環に電子吸引性基と電子供与性基の何れか一方又は両方が結合したものであってもよい。
【００２６】
図４は、本実施の形態のＨＥＭＴ１１１の、図１の点線１９５に対応する断面の模式図である。図示するように、ＨＥＭＴ１１１は、基板１４１と、緩衝層１４３と、窒化物系化合物半導体から構成される電子走行層１２１と、窒化物系化合物半導体から構成される電子供給層１２３と、ソース電極１５１と、ゲート電極１５３と、ドレイン電極１５５と、絶縁膜１２５と、を備えている。
【００２７】
電子走行層１２１と電子供給層１２３とはヘテロ界面をなし、該界面近傍の電子走行層１２１には２次元電子ガス層（２ＤＥＧ層）１３１が生じている。電子供給層１２３の表面近傍には結晶欠陥等により電子をトラップする表面準位１３３が存在する。
【００２８】
基板１４１には、例えば、シリコン基板が用いられている。本実施の形態では、シリコン単結晶から形成された基板が用いられている。
【００２９】
緩衝層１４３は、基板１４１の一方の主面上、例えば、基板１４１の上に形成されている。緩衝層１４３は、電子走行層１２１と基板１４１との間に基板１４１の結晶方位を良好に受け継ぐための層である。緩衝層１４３は、窒化物系化合物半導体から構成されている。緩衝層１４３は、例えば、ＡｌＫＧａ１−ＫＮ（０＜Ｋ≦１）とＧａＮとを交互に積層してもよいし、ＡｌＫＧａ１−ＫＮ層、ＧａＮ層などの単一層から構成される公知の緩衝層を設けてもよい。なお、緩衝層１４３は単一層で形成するよりも交互に積層することが望ましい。交互に積層することによって電子走行層１２１の反りやクラックを防止して結晶品質を向上させ、電子走行層１２１を厚く積層することができるためである。
【００３０】
電子走行層１２１は、緩衝層１４３の上に形成されている。電子走行層１２１は、いわゆる電流通路としての機能を有する。電子走行層１２１は、例えば、緩衝層１４３上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によってＧａＮを積層することにより形成される。
【００３１】
電子供給層１２３は、電子走行層１２１の上にヘテロ接合を形成している。電子供給層１２３は、電子を供給する機能を有する。電子供給層１２３は、例えば、電子走行層１２１を構成する窒化物系化合物半導体と格子定数が異なり、かつより広いバンドギャップエネルギーを有する窒化物系化合物半導体から構成され、本実施の形態では、例えば、窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）から構成されている。電子供給層１２３は、例えば、電子走行層１２１上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によってＡｌＧａＮを積層することにより形成される。なお、ＡｌＧａＮの他に、ＡｌαＭβＧａ１−α−βＮ（Ｍはボロン（Ｂ）又はインジウム（Ｉｎ）；０≦α≦１、０≦β≦１、０＜１−α−β＜１であればよい。）
【００３２】
ソース電極１５１は、電子供給層１２３の所定の領域上（ＨＥＭＴ１１１の主面上）に形成されている。ソース電極１５１は、例えば、電子供給層１２３とオーミック（低抵抗）接合するように形成されている。本実施の形態では、ソース電極１５１は、チタン（Ｔｉ）膜と、Ｔｉ膜の上に形成された金（Ａｕ）膜とから構成されている。ソース電極１５１は、電子供給層１２３上に、例えば、スパッタリング等によりＴｉ膜及びＡｕ膜を形成し、ドライエッチング等によって所定の形状にパターニングしてアニール処理することによって電子供給層１２３上に形成される。
【００３３】
ゲート電極１５３は、電子供給層１２３の所定の領域上（ＨＥＭＴ１１１の主面上）に、絶縁膜１２５を介して形成されている。本実施の形態では、ゲート電極１５３は、ニッケル（Ｎｉ）膜またはプラチナ（Ｐｔ）膜と、かかるＮｉ膜またはＰｔ膜の上に形成された金（Ａｕ）膜とから構成されている。ゲート電極１５３は、絶縁膜１２５上に、例えば、スパッタリング等によりＮｉ膜（またはＰｔ膜）及びＡｕ膜を形成し、ドライエッチング等によって所定の形状にパターニングしてアニーリング処理することによって絶縁膜１２５上に形成される。
【００３４】
ゲート電極１５３は、例えば、電子供給層１２３の上に、既知の材質の絶縁膜１２５を介してアルミニウム等の金属やポリシリコンから構成される膜を形成したものであってもよい。
【００３５】
また、電子供給層１２３の上に絶縁膜１２５を介さず、電子供給層１２３とショットキー接触する材料、例えばタングステン（Ｗ）、パラジウム（Ｐｄ）、モリブデン（Ｍｏ）等の金属から構成される膜を形成してもよい。
【００３６】
ドレイン電極１５５は、ソース電極１５１と同様に形成されている。
【００３７】
ＨＥＭＴ１１１は、本実施の形態では、電子供給層１２３の露出部を覆うように形成された絶縁膜１２５を備える。絶縁膜１２５は、ＳｉＯ２から構成される。絶縁膜１２５は、電子供給層１２３を保護する保護膜としての機能を兼ねている。
【００３８】
図５は、本実施の形態のＨＥＭＴ１１１の、図１の点線１９３に対応する断面の模式図である。図４とほぼ同様であるが、本断面図においては、絶縁膜１２５の上面にゲート電極１５３とドレイン電極１５５とを結ぶ方向に設けられた溝１６１と、長軸方向が該方向になるように該溝の内側に配置された棒状分子１６３と、がさらに示されている。なお、棒状分子１６３は、必ずしも全てが溝１６１に収まっている必要はなく、溝１６１からあふれるように配置されているものがあってもよい。電流コラプス抑制膜は、このように配置された棒状分子１６３から構成されている。電流コラプス抑制膜は、例えば、棒状分子１６３を真空蒸着することにより形成される。
【００３９】
なお、図２（ｆ）のように電子吸引性基と電子供与性基のどちらか一方又は両方を備える場合、ゲート電極１５３とドレイン電極１５５との間に電圧を印加してゲート電極１５３側がδ＋となるように棒状分子１６３を配置する。
【００４０】
図６は、本実施の形態のＨＥＭＴ１１１の、図１の点線１９１に対応する断面の模式図である。溝１６１は、図１及び図６に示すように、断面を四角形とし、隣り合う溝同士の間が空いて平面になっていてもよい。溝１６１は、あるいは、断面を逆三角形状にして絶縁膜１２５の上面に隙間なく設けてもよいし、隣り合う溝同士の間に隙間が形成されてもよい。溝１６１の幅は、例えば１〜１００μｍ、好ましくは１〜２０μｍである。溝１６１の深さは絶縁膜１２５の厚み未満であり、例えば５ｎｍ〜５μｍである。溝１６１の間隔は、溝１６１が電極間に少なくとも１本は必要であることから、０．１μｍ〜電極間距離である。
【００４１】
棒状分子１６３は、幅が例えば２〜２０オングストロームであって、上述の溝１６１とは構造の規模が大きく異なる。にもかかわらず、上述のような溝１６１を設けることにより、棒状分子１６３はその長軸方向を溝の延伸方向に一致させて絶縁膜１２５の上面に付着することが、実験により確かめられている。その詳細なメカニズムは未解明であるものの、液晶分子が、ラビングされた基板に配向を揃えて付着するという、よく知られた現象と類似した現象であると考えられる。
【００４２】
次に、以上のように構成されたＨＥＭＴ１１１の作用、効果について、図７及び図８を参照しつつ説明する。本発明の特徴を明らかにするために、電流コラプス抑制膜を有しない、一般的な従来のＨＥＭＴ９１１（図９及び図１０）の作用、効果についても、並行して説明する。図８は、ＨＥＭＴ１１１の断面模式図であり、図１の点線１９３で示される断面に相当する。図１０は、ＨＥＭＴ９１１の断面模式図であり、図９の点線９９５で示される断面に相当する。
【００４３】
図７及び図９は、オフ（ゲート電極１５３が負電位で、ドレイン電極１５５がソース電極１５１よりも高い電位）状態のＨＥＭＴ１１１及び９１１を示す図である。図７及び図９に示すように、ソース電極１５１に接続されたスイッチ１８５がＢに接続（ＨＥＭＴ１１１及びＨＥＭＴ９１１をオフにすべくゲート電極１５３に負の電圧をそれぞれ印加、例えば、図においてＶＯＦＦ＝５Ｖを印加）すると、ＨＥＭＴ１１１及びＨＥＭＴ９１１（ドレイン電極１５５とソース電極１５１との間、及び、ドレイン電極１５５とゲート電極１５３との間）には数１００Ｖもの電圧ＶＤＳ及びＶＤＳ＋ＶＯＦＦが印加される。なお、ゲートに負の電圧を与えるのは、そうしないと、多くの場合、いわゆるノーマリオン特性として知られているように、ドレインとソースの間に電流が生じてしまうため、ＨＥＭＴがオフ状態にならないからである。
【００４４】
続いて、図７及び図９において、スイッチ１８５をＢからＡに切り替えると、ＨＥＭＴ１１１及びＨＥＭＴ９１１はオンして、ドレイン電極１５５とソース電極１５１の間には出力電流が流れる。このとき、電流コラプス抑制膜を備えない従来のＨＥＭＴ９１１においては、電流コラプス現象のために、出力電流が低下する。
【００４５】
ここで、電流コラプス現象とは、オフ状態のときにＨＥＭＴに前述の高電圧が印加されることによって、図９及び図１０に示すように、電子９９１が表面準位１３３にトラップされ、トラップされた電子によって生じる電界が、２ＤＥＧ層１３１における電子ガスの濃度を減少させる現象と考えられる。
【００４６】
電子が多くトラップされる場所は、電子供給層１２３の表面近傍に広く分布する表面準位１３３のうちでも、特に、ゲート電極１５３とドレイン電極１５５との間であって、しかも、ゲート電極に近い位置（図９及び図１０において点線の四角形及び楕円８３５により示される位置）にある表面準位であることが知られている。したがって、図１０に示すように、かかる位置にある表面準位にトラップされた電子による上述の作用により、２ＤＥＧ層１３１の濃度は、かかる位置の直下に相当する部分において、減少させられている。電子の通路の一部である２ＤＥＧ層１３１の濃度がそのように減少させられることにより、オンに切り替えた時にドレイン電極１５５とソース電極１５１との間に十分な電流が流れなくなる。電流コラプス現象による出力低下とは、このようなものであると考えられる。
【００４７】
それに対して、本実施の形態に係るＨＥＭＴ１１１においては、以下のように、電流コラプス現象を抑制する。ＨＥＭＴ１１１においては、オフ状態のときにはもちろんのこと、オン状態（図７のスイッチ１８５がＡに接続）になっても、ＶＤＳがその時のゲート・ソース間電圧ＶＯＮよりはるかに高電圧であることから、依然として、ドレイン電極１５５の電位はゲート電極１５３の電位よりも高い。よって、棒状分子１６３は、プラスの電極であるドレイン電極１５５と、マイナスの電極であるゲート電極１５３とに挟まれた状態にあり、ちょうど図３に示した誘起双極子が生じる状態になっている。棒状分子１６３に誘起双極子が生じた様子は、図７及び図８において、棒状分子１６３に＋及び−の記号を付すことにより模式的に示されている。
【００４８】
誘起双極子を生じ得る棒状分子を材料として、その長軸方向をゲート電極１５３とドレイン電極１５１を結ぶ方向にそろえつつ電流コラプス抑制膜を作成すると、電流コラプス現象を良好に抑制することが、実験的に確認された。向きの揃った誘起双極子の集合体が、なんらかの電磁気学的作用により、表面準位１３３に電子がトラップされるのを防止したり、表面準位１３３にいったんトラップされた電子を引き抜いたり、あるいは、たとえ電子がトラップされたままであったとしても、トラップされた電子によって生じる電界を緩和したりすると考えられる。
【００４９】
上述の電磁気学的作用の詳細の解明は不十分であるものの、例えば、次のような作用が考えられる。すなわち、分極した棒状分子１６３のうち、最もゲート電極１５３に近い位置にある棒状分子の、正極側の部分（正に帯電した部分）が、図８の下向き漏斗状の点線８３７に示す範囲に、正電荷としての影響を及ぼす。かかる影響が及ぶ範囲は、表面準位１３３のうちでも、上述のように電子が最もトラップされやすい位置８３５（図８の点線の楕円で示される位置）を含んでいる。そのため、該位置における表面準位１３３による電子のトラップが抑制される。
【００５０】
このように、電流コラプス抑制膜を備えたＨＥＭＴ１１１は、電流コラプス現象を良好に抑制する。しかも、棒状分子１６３の方向を制御するには絶縁膜１２５の表面に溝１６１を掘るだけでよいし、該溝１６１のサイズは少なくともμｍオーダーであるためその形成にあたっては特殊な微細加工を要さず、また、後に製法に関する実施形態として述べるように棒状分子１６３はよく知られた方法で絶縁膜１２５に吸着させる。つまり、本発明によれば、きわめて容易に電流コラプスを抑制せしめることができる。
【００５１】
なお、有機半導体膜をデバイスとして用いる研究が様々に行われているが、本発明に係る半導体装置においては、電流コラプス抑制膜が有機化合物分子から構成される場合でも、該膜は半導体装置そのもの、つまり電流通路の一部、として機能するものではない。
【００５２】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態として、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）を備える半導体装置の場合を例に本発明を説明する。なお、本実施の形態では、第１の実施の形態と同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。このため、本実施の形態では、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００５３】
図１１は本実施の形態のＳＢＤ１１１１を斜め上方からみた様子を模式的に示した図である。ただし、図を見やすくするために、絶縁膜１２５を仮想的に取り外して上方に移動させて表示してある。また、本発明の特徴である、絶縁膜１２５上に形成された後述の溝を見やすく表示するために、図１１に限り、絶縁膜１２５の一部にハッチングを施してある。さらに、同じく図を見やすくするために、本来多数存在する棒状分子１６３は、図１１においては一部を残して省略して表示ある。なお、図１１の点線１１９１の位置における断面模式図が図１２であり、図１１の点線１１９３に位置における断面模式図が図１３である。
【００５４】
ＳＢＤ１１１１の電子供給層１２３の所定の領域上（ＳＢＤの主面上）には、アノード電極１１５１と、カソード電極１１５５とが形成されている。
【００５５】
アノード電極１１５１は、例えば、電子供給層１２３とショットキー接合を有するように形成されている。本実施の形態では、アノード電極１１５１は、ニッケル（Ｎｉ）、プラチナ（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、パラジウム（Ｐｄ）、モリブデン（Ｍｏ）等の金属膜と、かかる金属膜の上に形成された金（Ａｕ）膜とから構成されている。アノード電極１１５１は、電子供給層１２３上に、例えば、スパッタリング等により上記金属膜を形成し、ドライエッチング等によって所定の形状にパターニングしてアニール処理することによって電子供給層１２３上に形成される。
【００５６】
カソード電極１１５５は、例えば、電子供給層１２３とオーミック接合（低抵抗接触）するように形成されている。本実施の形態では、カソード電極１１５５は、チタン（Ｔｉ）膜と、Ｔｉ膜の上に形成された金（Ａｕ）膜とから構成されている。カソード電極１１５５は、電子供給層１２３上に、例えば、スパッタリング等によりＴｉ膜及びＡｕ膜を形成し、ドライエッチング等によって所定の形状にパターニングしてアニール処理することによって電子供給層１２３上に形成される。
【００５７】
断面図である図１２においては、アノード電極１１５１とカソード電極１１５５とが交互に並んでいるが、図１１に示すように、装置全体としては、アノード電極１１５１とカソード電極１１５５とが交互に形成されており、アノード電極１１５１とカソード電極１１５５が串状（かぎつめ状）にかみ合った形状をしている。
【００５８】
絶縁膜１２５の上面には、アノード電極１１５１とカソード電極１１５５とを結ぶ方向に、先の実施の形態と同様に、溝１６１が掘られている。棒状分子１６３は、その長軸方向（分極方向）を該溝の延伸方向と一致させつつ、保護膜１２５の上面に吸着して、電流コラプス抑制膜をなす。図１１及び図１３に示すように、棒状分子１６３は、必ずしも全てが溝１６１に収まっている必要はなく、溝１６１からあふれるように吸着しているものがあってもよい。
【００５９】
なお、図２（ｆ）のように電子吸引性基と電子供与性基のどちらか一方または両方を備える場合、アノード電極１１５１とカソード電極１１５５に逆バイアスとなる電圧を印加して、アノード電極１１５１側にδ＋がくるように棒状分子１６３を配置する。
【００６０】
このように構成されたＳＢＤ１１１１の作用、効果について、電流コラプス抑制膜を備えない、一般的な従来のＳＢＤ１４１１（図１４及び図１５）における問題点とその解消という視点から説明する。
【００６１】
図１１では図面を見やすくするために省略したが、ＳＢＤを動作させるための一般的な回路は図１４に示すとおりであり、ＳＢＤ１１１１の場合もＳＢＤ１４１１の場合も同じである。図１４に示すように、はじめ、カソード電極１１５５に接続されたスイッチ１４６１は、Ｂ（ＶＲ：数１００Ｖ）に接続される。これによりＳＢＤ１１１１及びＳＢＤ１４１１には数１００Ｖ（順バイアス時の電圧波高値よりも大きい波高値）の逆バイアス（アノード電極１１５１の電位がカソード電極１１５５の電位よりも低い状態）が印加される。
【００６２】
続いて、スイッチ１４６１をＢからＡに切り替えると、ＳＢＤ１１１１及びＳＢＤ１４１１には順バイアス電圧（ＶＦ：数Ｖ）が印加され、ＳＢＤ１１１１及びＳＢＤ１４１１の内部でアノード電極１１５１からカソード電極１１５５に向かって電流が流れる。このとき、従来のＳＢＤ１４１１においては、電流コラプス現象のために、出力電流が低下する。
【００６３】
ここで、電流コラプス現象とは、逆バイアス状態のときにＳＢＤに前述の高電圧が印加されることによって、図１５に示すように、電子９９１が表面準位１３３にトラップされ、トラップされた電子によって生じる電界が、２ＤＥＧ層１３１における電子ガスの濃度を減少させる現象と考えられる。
【００６４】
電子が多くトラップされる場所は、電子供給層１２３の表面近傍に広く分布する表面準位１３３のうちでも、特に、アノード電極１１５１に近い位置（図１５において点線の楕円８３５により示される位置）にある表面準位であることが知られている。したがって、図１５に示すように、かかる位置にある表面準位にトラップされた電子による上述の作用により、２ＤＥＧ層１３１は、かかる位置の直下に相当する部分において、濃度が減少させられている。電子の通路の一部である２ＤＥＧ層１３１の濃度がそのように減少させられることにより、順バイアスに切り替えた時に、アノード電極１１５１とカソード電極１１５５との間に十分な電流が流れなくなる。電流コラプス現象による出力低下とは、このようなものであると考えられる。
【００６５】
それに対して、本実施の形態に係るＳＢＤ１１１１においては、以下のように、電流コラプス現象を抑制する。ＳＢＤ１１１１が逆バイアス状態のとき、カソード電極１１５５の電位はアノード電極１１５１の電位よりも高い。よって、棒状分子１６３は、プラスの電極であるカソード電極１１５５と、マイナスの電極であるアノード電極１１５１とに挟まれた状態にあり、ちょうど図３に示した誘起双極子が生じる状態になっている。誘起双極子が生じた様子は、図１２において、棒状分子１６３に＋及び−の記号を付すことにより模式的に示されている。
【００６６】
誘起双極子を生じ得る棒状分子を材料として、その長軸方向をアノードとカソードを結ぶ方向にそろえつつ電流コラプス抑制膜を作成すると、電流コラプス現象を良好に抑制することが、実験的に確認された。向きの揃った誘起双極子の集合体が、なんらかの電磁気学的作用により、表面準位１３３に電子がトラップされるのを防止したと考えられる。
【００６７】
上述の電磁気学的作用の詳細の解明は不十分であるものの、先の実施形態の場合（ＨＥＭＴの場合）と同様に、例えば、次のような作用が考えられる。すなわち、分極した棒状分子１６３のうち、最もアノード電極１１５１に近い位置にある棒状分子の、正極側の部分（正に帯電した部分）が、図１２の下向き漏斗状の点線８３７に示す範囲に、正電荷としての影響を及ぼす。かかる影響が及ぶ範囲は、表面準位１３３のうちでも、上述のように電子が最もトラップされやすい位置８３５（図１２の点線の楕円で示される位置）を含んでいる。そのため、該位置における表面準位１３３による電子のトラップが抑制される。
【００６８】
このように、電流コラプス抑制膜を備えたＳＢＤ１１１１は、電流コラプス現象を良好に抑制する。
【００６９】
ただし、先の実施の形態の場合（ＨＥＭＴの場合）と異なり、ＳＢＤ１１１１が順バイアス状態になったときには、ＳＢＤ１１１１には順方向電圧が印加されていることになるから、アノード電極１１５１とカソード電極１１５５の正負が、逆バイアス状態のときとは逆転する。すると、棒状分子１６３の誘起双極子の向きも逆転してしまう。よって、上に例として挙げた作用だけでは、ＳＢＤの場合には、ＨＥＭＴの場合と異なり、オン状態になってからは、表面準位１３３にいったんトラップされた電子を引き抜くことまではできないものと考えられる。
【００７０】
なお、溝の形状や大きさについては、先の実施形態の場合（ＨＥＭＴの場合）と同様である。
【００７１】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態として、半導体装置の製造方法を例に本発明を説明する。ＨＥＭＴの場合もＳＢＤの場合も手順は概ね同様であるので、まとめて説明する。
【００７２】
まず、装置として機能する半導体層をエピタキシャル成長させるために、既知の材料であるシリコン、ＳｉＣ、セラミック等を用いて、土台となる基板１４１を準備する。
【００７３】
次に、該基板１４１の上に、緩衝層１４３として既知の窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長により積層する。
【００７４】
さらに、電子走行層１２１となる第１半導体層、電子供給層１２３となる第２半導体層を、順次、エピタキシャル成長により積層することにより、半導体基体を得る。第１及び第２半導体層は、いずれも窒化物系化合物半導体ではあるが、格子定数が異なることから、両層はヘテロ界面をなし、該界面近傍には２ＤＥＧ層１３１が生じる。
【００７５】
以上で半導体基体の作製が完了する。この後は、得たい装置の具体的な仕様、例えばＨＥＭＴやＳＢＤの仕様に合わせて、第２半導体層の上に、フォトリソグラフィー等の既知の手法により、必要な電極を形成する。例えば、ＨＥＭＴを作成したい場合には、ソース電極１５１、ゲート電極１５３、及び、ドレイン電極１５５、を形成する。ＳＢＤを作成したい場合には、アノード電極１１５１と、カソード電極１１５５と、を形成する。電極は、必要に応じて、半導体基体とショットキー接合するようにしたり、半導体基体とオーミック接合するようにしたり、半導体基体と絶縁膜１２５を介して接合したりするようにする。
【００７６】
第２半導体層の表面を覆いつくすように、上面に絶縁膜１２５を形成する。または、電極も含めて第２半導体層の表面全体を覆いつくすように、絶縁膜１２５を形成してもよい。
【００７７】
既知の任意の手法により、絶縁膜１２５の上面に、断面形状が長方形状又は逆三角形状の溝１６１を掘る。溝１６１の深さは絶縁膜１２５の厚み未満であり、例えば５ｎｍ〜５μｍである。溝１６１の幅は例えば１〜１００μｍ、好ましくは１〜２０μｍである。溝１６１の間隔は、溝１６１が電極間に少なくとも１本は必要であることから、０．１μｍ〜電極間距離である。溝１６１が延伸する方向は、ＨＥＭＴを作製する場合には、ゲート電極１５３とドレイン電極１５５とを結ぶ方向、ＳＢＤを作製する場合には、アノード電極１１５１とカソード電極１１５５とを結ぶ方向となるようにする。
【００７８】
溝１６１の掘られた絶縁膜１２５上に、棒状分子１６３からなる単層膜若しくは多層膜又はアモルファス状膜を、真空蒸着法又は溶液からの蒸発法により成膜する。
【００７９】
このように成膜すると、棒状分子１６３に生じ得る誘起双極子が電流コラプス現象の抑制に有効な向きになるように、棒状分子１６３が配向制御される結果となる。よって、絶縁膜１２５上の上述の電流コラプス抑制膜は、電流コラプス現象を良好に抑制する機能を有するものとなる。
【００８０】
なお、絶縁膜１２５に前記溝１６１を掘らずに棒状分子１６３を蒸着した場合や、前記溝１６１の延伸方向と直交する方向に溝１６１を掘った場合には、電流コラプス現象を抑制する効果が小さくなるか、又は、逆効果が生じることがある。
【００８１】
図１６に、ＳＢＤにおいて、棒状分子１６３を絶縁膜１２５上に吸着しない場合、棒状分子１６３から構成される膜を絶縁膜１２５上に設けたが該棒状分子１６３の配向がバラバラである場合、及び、アノードとカソードを結ぶ方向に棒状分子１６３が配向するよう溝１６１により制御して形成した電流コラプス抑制膜を絶縁膜１２５上に設けた場合、各々の、逆バイアス印加後のオン抵抗を測定した結果を示す。電流コラプス抑制膜が、電流コラプス現象を抑制していることが分かる。
【００８２】
なお、図面はあくまでも説明のための模式図であって、実物の大きさを再現したものではない。例えば、電流コラプス抑制膜を構成する棒状分子１６３は、理解を容易にするために誇張して描かれたものであって、その形や、その数や、絶縁膜１２５上に掘られた溝１６１との大きさの比率等は、実際の装置とは異なる。
【００８３】
本発明は上記実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。電流コラプス抑制膜を構成するに際しては、棒状分子１６３を、その長軸方向が電位差の大きい電極を結ぶ方向に揃うように配置することが重要なのであるから、上記実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。例えば、ＨＥＭＴの場合にも、電極ごと覆った絶縁膜１２５の上に、全面的に溝１６１を設けてもよいし、ＳＢＤの場合にも、電極を残して電子供給層１２３の露出部だけを覆った絶縁膜１２５の上に溝１６１を設けてもよい。
【００８４】
さらに、ＨＥＭＴの場合、上述のとおり、問題となる電子はゲート電極１５３の付近に集中的にトラップされる傾向があるから、ゲート電極１５３とドレイン電極１５５の間のうち、ゲート電極１５３に近い部分にのみ溝１６１を設けてその部分だけ電流コラプス抑制膜を設けても十分な効果がある。ＳＢＤの場合も同様にアノード電極１１５１に近い部分にのみ溝１６１を設けてその部分だけ電流コラプス抑制膜を設けても十分な効果がある。さらにまた、ＨＥＭＴの場合ならゲート電極１５３に近い部分に、ＳＢＤの場合ならアノード電極１１５１に近い部分に、溝１６１の間隔を狭めてより多くの溝１６１を設け、該溝１６１の内側に電流コラプス抑制膜を設けてもよい。あるいはまた、ＨＥＭＴの場合ならゲート電極１５３に近い部分において、ＳＢＤの場合ならアノード電極１１５１に近い部分において、電流コラプス抑制膜を厚く形成しても十分な効果がある。なお、電流コラプス抑制膜は、棒状分子１６３から構成される層が複数積層された状態のものであってもよい。
【００８５】
本発明は、表面準位１３３に電子がトラップされる半導体装置全てに適用することができる。本発明は、上述のＨＥＭＴやＳＢＤの他に、例えば、ＭＥＳＦＥＴ等に適用することもできる。また、本発明は、窒化物系化合物半導体以外のＧａＡｓ等の化合物半導体層を有する半導体装置にも適用することができる。
【００８６】
さらにまた、少なくとも最下層の棒状分子が適切な方向に配置されていれば、電流コラプス抑制効果は生じ得る。よって、電流コラプス抑制膜は、棒状分子１６３の多層膜、多結晶、及び、アモルファスといった態様のものであってもよい場合もある。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る、ＨＥＭＴとして機能する半導体装置を斜め上方からみた様子を模式的に示す図である。
【図２】棒状分子の具体例を示す図である。
【図３】正負に帯電した電極により生じた電場により、棒状分子が分極して誘起双極子を生じる様子を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る、ＨＥＭＴとして機能する半導体装置の、ひとつめの断面模式図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る、ＨＥＭＴとして機能する半導体装置の、ふたつめの断面模式図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る、ＨＥＭＴとして機能する半導体装置の、みっつめの断面模式図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る、ＨＥＭＴとして機能する半導体装置のオフ状態とオン状態とを説明するための図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係る、ＨＥＭＴとして機能する半導体装置の動作を説明するための、該装置の断面模式図である。
【図９】従来のＨＥＭＴを斜め上方からみた様子を模式的に示す図である。
【図１０】従来のＨＥＭＴの動作を説明するための、該ＨＥＭＴの断面模式図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係る、ＳＢＤとして機能する半導体装置を斜め上方からみた様子を模式的に示す図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係る、ＳＢＤとして機能する半導体装置の、ひとつめの断面模式図であって、動作を説明するための図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態に係る、ＳＢＤとして機能する半導体装置の、ふたつめの断面模式図である。
【図１４】従来のＳＢＤを斜め上方からみた様子を模式的に示す図である。
【図１５】従来のＳＢＤの動作を説明するための、該ＳＢＤの断面模式図である。
【図１６】電流コラプス抑制膜を設けた効果を示す実験結果である。
【符号の説明】
【００８８】
１  マイナス電極
２  プラス電極
１１１  第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ
１２１  電子走行層
１２３  電子供給層
１２５  絶縁膜
１３１  ２次元電子ガス層（２ＤＥＧ層）
１３３  表面準位
１４１  基板
１４３  緩衝層
１５１  ソース電極
１５３  ゲート電極
１５５  ドレイン電極
１６１  溝
１６３  棒状分子
１７１  ドレイン・ソース間電圧印加用電源
１７３  負荷抵抗
１８１  オフ用ゲート電源
１８３  オン用ゲート電源
１８５  ＨＥＭＴ用スイッチ
８３５  電子がトラップされやすい位置
８３７  負電極に隣接する棒状分子の正電荷の効果が及ぶ部分
９１１  従来のＨＥＭＴ
９９１  表面準位にトラップされた電子
１１１１  第２の実施の形態に係るＳＢＤ
１１５１  アノード電極
１１５５  カソード電極
１４１１  従来のＳＢＤ
１４６１  ＳＢＤ用スイッチ
【図１】
2008205095.tif 000003
【図２】
2008205095.tif 000004
【図３】
2008205095.tif 000005
【図４】
2008205095.tif 000006
【図５】
2008205095.tif 000007
【図６】
2008205095.tif 000008
【図７】
2008205095.tif 000009
【図８】
2008205095.tif 000010
【図９】
2008205095.tif 000011
【図１０】
2008205095.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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