(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体を含む半導体層と、
前記半導体層の主面上に設けられ、前記半導体層とオーミック性接触を形成するソース電極と、
前記主面上に設けられ、前記半導体層とオーミック性接触を形成し、前記ソース電極と離間するドレイン電極と、
前記主面上において前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられ、ＡＣバイアス電圧が入力され、ノーマリオン型で動作する第１ゲート電極と、
前記主面上において前記ソース電極と前記第１ゲート電極との間に設けられた第２ゲート電極と、
を備え、
前記ソース電極と前記第１ゲート電極との間の電位差が０ボルトのときに、前記半導体層のうちの前記第１ゲート電極に対向する部分は導通し、
前記第１ゲート電極は、前記第２ゲート電極に印加される電圧に応じた電流値に達したときに、前記半導体層のうちの前記第１ゲート電極に対向する前記部分の導通を遮断するようにスイッチングし、前記半導体層のうちの前記第１ゲート電極に対向する前記部分に前記第２ゲート電極に印加される電圧に応じた一定電流が流れることを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項２】
半導体層と、
前記半導体層の主面上に設けられ、前記半導体層とオーミック性接触を形成するソース電極と、
前記主面上に設けられ、前記半導体層とオーミック性接触を形成し、前記ソース電極と離間するドレイン電極と、
前記主面上において前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられ、ＡＣバイアス電圧が入力され、ノーマリオン型で動作する第１ゲート電極と、
前記主面上において前記ソース電極と前記第１ゲート電極との間に設けられた第２ゲート電極と、
を備え、
前記半導体層は、
キャリア走行層と、
前記キャリア走行層の上に設けられ前記キャリア走行層にキャリアを供給するキャリア供給層と、
を含み、
前記キャリア供給層の分極電荷量は、前記キャリア供給層におけるドーピング量よりも多く、
前記ソース電極、前記ドレイン電極、前記第１ゲート電極及び前記第２ゲート電極は、前記キャリア供給層の上に設けられており、
前記ソース電極と前記第１ゲート電極との間の電位差が０ボルトのときに、前記半導体層のうちの前記第１ゲート電極に対向する部分は導通し、
前記第１ゲート電極は、前記第２ゲート電極に印加される電圧に応じた電流値に達したときに、前記半導体層のうちの前記第１ゲート電極に対向する前記部分の導通を遮断するようにスイッチングし、前記半導体層のうちの前記第１ゲート電極に対向する前記部分に前記第２ゲート電極に印加される電圧に応じた一定電流が流れることを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項３】
前記半導体層は、
ＧａＮを含むキャリア走行層と、
前記キャリア走行層の上に設けられたキャリア供給層と、
を含み、
前記ソース電極、前記ドレイン電極、前記第１ゲート電極及び前記第２ゲート電極は、前記キャリア供給層の上に設けられ、
前記キャリア供給層は、
ノンドープまたはｎ形のＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１≦１）の第１層、
ノンドープまたはｎ形のＩｎｙ１Ａｌ１−ｙ１Ｎ（０＜ｙ１≦１）の第２層、
ノンドープまたはｎ形のＡｌｘ２Ｉｎｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ（０＜ｘ２＜１、０＜ｙ２＜１）の第３層、
前記第１層、前記第２層及び前記第３層の少なくとも２つを含む積層体、及び、
前記第１層、前記第２層及び前記第３層の少なくともいずれかと、ノンドープまたはｎ形のＧａＮ層と、を含む積層体、
の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体装置。
【請求項４】
前記第２ゲート電極のゲート長は、前記第１ゲート電極のゲート長以下であり、
前記第２ゲート電極の相互コンダクタンスは、前記第１ゲート電極の相互コンダクタンス以上であり、
前記第１ゲート電極と前記第２ゲート電極との間の距離は、前記ドレイン電極と前記第１ゲート電極との間の距離よりも短いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の窒化物半導体装置。
【請求項５】
前記第２ゲート電極にＤＣゲートバイアスを印加したときに、ドレイン電流は負性微分抵抗を示すことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の窒化物半導体装置。
【請求項６】
前記半導体層の一部を含み、前記ソース電極及び前記ドレイン電極のいずれかと電気的に接続されるダイオードをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の窒化物半導体装置。
【請求項７】
前記ダイオードは、
前記主面上に設けられ、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の前記いずれかと電気的に接続された第１ダイオード電極と、
前記主面上に設けられた第２ダイオード電極と、
を含み、
前記第１ダイオード電極及び前記第２ダイオード電極のいずれかは、前記半導体層とショットキー性接触を形成することを特徴とする請求項６記載の窒化物半導体装置。
【請求項８】
前記半導体層の前記主面と前記第１ゲート電極との間に設けられた第１絶縁層をさらに含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の窒化物半導体装置。
【請求項９】
前記半導体層の主面上に凹部が設けられ、
前記第２ゲート電極の少なくとも一部は前記凹部に埋め込まれ、
前記半導体層の凹部と前記第２ゲート電極との間に設けられた第２絶縁層をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の窒化物半導体装置。
【請求項１０】
前記半導体層は、
ＧａＮを含むキャリア走行層と、
前記キャリア走行層の上に設けられたキャリア供給層と、
を含み、
前記ソース電極、前記ドレイン電極、前記第１ゲート電極及び前記第２ゲート電極は、前記キャリア供給層の上に設けられ、
前記凹部は、前記キャリア供給層を貫通し前記キャリア走行層に到達していることを特徴とする請求項９記載の窒化物半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、窒化物半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置において、高出力、高耐圧、低オン抵抗を実現するには高い臨界電界を有する材料を用いるのが有効である。窒化物半導体は高い臨界電界強度を有することから、窒化物半導体を用いることにより、高出力、高耐圧、低オン抵抗を実現する半導体装置が得られる。窒化物半導体装置において、定電流動作を実用化することが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００９−５３０８６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、定電流動作が可能な窒化物半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、窒化物半導体を含む半導体層と、ソース電極と、ドレイ電極と、第１ゲート電極と、第２ゲート電極と、を備えた窒化物半導体装置が提供される。前記ソース電極は、前記半導体層の主面上に設けられ、前記半導体層とオーミック性接触を形成する。前記ドレイン電極は、前記主面上に設けられ、前記半導体層とオーミック性接触を形成し、前記ソース電極と離間する。前記第１ゲート電極は、前記主面上において前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられる。前記第１ゲート電極には、ＡＣバイアス電圧が入力され、ノーマリオン型で動作する。前記第２ゲート電極は、前記主面上において前記ソース電極と前記第１ゲート電極との間に設けられる。前記ソース電極と前記第１ゲート電極との間の電位差が０ボルトのときに、前記半導体層のうちの前記第１ゲート電極に対向する部分は導通する。前記第１ゲート電極は、前記第２ゲート電極に印加される電圧に応じた電流値に達したときに、前記半導体層のうちの前記第１ゲート電極に対向する前記部分の導通を遮断するようにスイッチングする。前記半導体層のうちの前記第１ゲート電極に対向する前記部分に前記第２ゲート電極に印加される電圧に応じた一定電流が流れる。  
本発明の実施形態によれば、窒化物半導体を含む半導体層と、ソース電極と、ドレイ電極と、第１ゲート電極と、第２ゲート電極と、を備えた窒化物半導体装置が提供される。前記ソース電極は、前記半導体層の主面上に設けられ、前記半導体層とオーミック性接触を形成する。前記ドレイン電極は、前記主面上に設けられ、前記半導体層とオーミック性接触を形成し、前記ソース電極と離間する。前記第１ゲート電極は、前記主面上において前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられる。前記第１ゲート電極には、ＡＣバイアス電圧が入力され、ノーマリオン型で動作する。前記第２ゲート電極は、前記主面上において前記ソース電極と前記第１ゲート電極との間に設けられる。前記半導体層は、キャリア走行層と、前記キャリア走行層の上に設けられ前記キャリア走行層にキャリアを供給するキャリア供給層と、を含む。前記キャリア供給層の分極電荷量は、前記キャリア供給層におけるドーピング量よりも多い。前記ソース電極、前記ドレイン電極、前記第１ゲート電極及び前記第２ゲート電極は、前記キャリア供給層の上に設けられている。
前記ソース電極と前記第１ゲート電極との間の電位差が０ボルトのときに、前記半導体層のうちの前記第１ゲート電極に対向する部分は導通する。前記第１ゲート電極は、前記第２ゲート電極に印加される電圧に応じた電流値に達したときに、前記半導体層のうちの前記第１ゲート電極に対向する前記部分の導通を遮断するようにスイッチングする。前記半導体層のうちの前記第１ゲート電極に対向する前記部分に前記第２ゲート電極に印加される電圧に応じた一定電流が流れる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態に係る窒化物半導体装置を示す模式的断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る窒化物半導体装置の動作を示すグラフ図である。
【図３】図３（ａ）及び図３（ｂ）は、第１の実施形態に係る窒化物半導体装置の特性を示す図である。
【図４】第１の実施形態に係る窒化物半導体装置の動作を示す模式的断面図である。
【図５】第１の実施形態に係る別の窒化物半導体装置を示す模式的断面図である。
【図６】第１の実施形態に係る別の窒化物半導体装置を示す模式的断面図である。
【図７】第１の実施形態に係る別の窒化物半導体装置を示す模式的断面図である。
【図８】第１の実施形態に係る別の窒化物半導体装置を示す模式的断面図である。
【図９】第１の実施形態に係る別の窒化物半導体装置を示す模式的断面図である。
【図１０】第１の実施形態に係る窒化物半導体装置の特性を示すグラフ図である。
【図１１】第２の実施形態に係る窒化物半導体装置を示す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。  
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。  
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００８】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を例示する模式的断面図である。  
図１に表したように、本実施形態に係る窒化物半導体装置１１１は、窒化物半導体を含む半導体層３０と、ソース電極４０と、ドレイン電極５０と、第１ゲート電極１０と、第２ゲート電極２０と、を備える。
【０００９】
半導体層３０は、例えば、キャリア走行層３１と、キャリア供給層３２と、を含む。キャリア供給層３２は、キャリア走行層３１の上に設けられる。キャリア走行層３１は、例えば、ＧａＮを含む。キャリア走行層３１は、図示しない基板上に設けられたバッファ層の上に設けられる。
【００１０】
キャリア供給層３２は、キャリア走行層３１にキャリアを供給する。キャリア供給層３２には、例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）などが用いられる。キャリア供給層３２の格子定数は、キャリア走行層３１の格子定数よりも小さい。
【００１１】
これにより、キャリア供給層３２において、歪みが生じる。キャリア供給層３２に伴うピエゾ分極と自発分極とにより、キャリア走行層３１とキャリア供給層３２との界面に２次元電子系３３が発生する。窒化物半導体装置１１１においては、この２次元電子系３３がチャネルとして用いられる。
【００１２】
ソース電極４０は、半導体層３０の主面３０ａ上に設けられる。主面３０ａは、キャリア供給層３２のキャリア走行層３１とは反対側の面である。ソース電極４０は、半導体層３０とオーミック性接触を形成する。
【００１３】
ドレイン電極５０は、半導体層３０の主面３０ａ上に設けられる。ドレイン電極５０は、半導体層３０とオーミック性接触を形成する。ドレイン電極５０は、ソース電極４０と離間している。
【００１４】
第１ゲート電極１０は、半導体層３０の主面３０ａ上において、ソース電極４０とドレイン電極５０との間に設けられる。
【００１５】
第２ゲート電極２０は、半導体層３０の主面３０ａ上において、ソース電極４０と第１ゲート電極１０との間に設けられる。
【００１６】
窒化物半導体装置１１１は、半導体層３０と第１ゲート電極１０との間に設けられた第１絶縁層６１をさらに備える。絶縁層６１には、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３及びＴａ２Ｏ５などが用いられる。この例では、第１絶縁層６１は、第２ゲート電極２０と半導体層３０との間に延在している。
【００１７】
半導体層３０とオーミック性接触を形成するソース電極４０及びドレイン電極５０には、例えば、Ｔｉ、Ａｌ及びＴａなどが用いられる。
【００１８】
第１ゲート電極１０は、ノーマリオン型で動作する。すなわち、第１ゲート電極１０に与えられるゲート電圧（第１ゲート電圧）が０ボルト（Ｖ）のとき、２次元電子系３３が存在する。すなわち、ソース電極４０と第１ゲート電極１０との間の電位差が０Ｖのときに、半導体層３０のうちの第１ゲート電極１０に対向する部分は導通する。第１ゲート電圧が０Ｖのとき、ソース電極４０とドレイン電極５０との間に導通がある。この導通を遮断するしきい値電圧は、例えば、−１Ｖ〜−２０Ｖ程度である。なお、この例では、第２ゲート電極２０もノーマリオン型で動作する。
【００１９】
ノーマリオン動作する第１ゲート電極１０に、１ｋＨｚ〜１００ＭＨｚ程度のＡＣ制御電圧（第１ゲート電圧）を印加する。そして、第２ゲート電極２０に、第２ゲート電圧としてＤＣゲート電圧を印加する。第２ゲート電極２０に印加する第２ゲート電圧は、必ずしも厳密な直流でなくても良い。すなわち、第２ゲート電圧の時間に対する変動は、第１ゲート電圧の時間に対する変動よりも小さい。第２ゲート電圧は、窒化物半導体装置１１１によって得ようとしている定電流値の変化に応じて、変化させても良い。
【００２０】
図２は、第１の実施形態に係る窒化物半導体装置の動作を例示するグラフ図である。  
同図は、窒化物半導体装置１１１において、第２ゲート電極２０に与えるゲート電圧（第２ゲート電圧Ｖｇ２）を変えたときの、ドレイン電圧−ドレイン電流特性を示している。横軸は、ドレイン電流Ｉｄであり、縦軸はドレイン電圧Ｖｄである。
【００２１】
図２に表したように、ドレイン電流Ｉｄを増大すると、ある電流値において、ドレイン電圧Ｖｄが急激に上昇する。そのドレイン電圧Ｖｄが上昇する電流値は、第２ゲート電圧Ｖｇ２により制御可能である。
【００２２】
これは、例えば、ゲート電極の下の２次元電子系３３がピンチオフし（すなわち、空乏化が生じ）、ある値以上の電流値が流れることができなくなり、これにより、ドレイン電圧が上昇したことに対応すると考えられる。すなわち、ある電流値において第２ゲート電極２０で発生した電圧が、ドレイン電極５０に伝わる。
【００２３】
このように、本実施形態に係る窒化物半導体装置１１１によれば、定電流動作が可能な窒化物半導体装置が提供できる。窒化物半導体装置１１１は、これに加え、高電圧で高速のスイッチングが可能である。
【００２４】
以下、実施形態に係る窒化物半導体装置１１１の特性に関して、発明者が実施した実験について説明する。
【００２５】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、第１の実施形態に係る窒化物半導体装置の特性を例示する図である。  
図３（ａ）は、測定結果を示す。図３（ｂ）は、実験に用いた試料の構成を示す。  
図３（ｂ）に表したように、この実験の試料１１１ａにおいては、キャリア走行層３１と、キャリア走行層３１の上に形成されたキャリア供給層３２と、を有する半導体層３０が用いられた。キャリア走行層３１は、ＧａＮ層である。キャリア供給層３２は、ノンドープのＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層である。
【００２６】
このような半導体層３０の上に、ソース電極４０と、ドレイン電極５０と、第２ゲート電極２０が設けられている。そして、第１ゲート電極１０に対応する２つのゲート電極（第１テストゲート電極１０ａ及び第２テストゲート電極１０ｂ）を設けた。第１テストゲート電極１０ａは、第２ゲート電極２０とドレイン電極５０との間に設けられる。第２テストゲート電極１０ｂは、第１テストゲート電極１０ａとドレイン電極５０との間に設けられる。この例では、第２ゲート電極２０と第１テストゲート電極１０ａとの間の距離は３マイクロメートル（μｍ）である。第１テストゲート電極１０ａと第２テストゲート電極１０ｂとの間の距離は６μｍである。第２テストゲート電極１０ｂとドレイン電極５０との間に距離は３μｍである。
【００２７】
このような構成を有する試料１１１ａにおいて、第２ゲート電極２０がオフ状態となるように第２ゲート電極２０に電圧を印加した。この状態で、ドレイン電圧Ｖｄを変化させながら、第１テストゲート電極１０ａにおける電圧（電圧Ｖｔ１）及び第２テストゲート電極１０ｂにおける電圧（電圧Ｖｔ２）を測定した。
【００２８】
図３（ａ）は、測定された電圧を示している。横軸はドレイン電圧Ｖｄであり、縦軸は、電圧Ｖｔ１及び電圧Ｖｔ２である。  
図３（ａ）に表したように、あるドレイン電圧Ｖｄで、ゲート電極の電圧（電圧Ｖｔ１及び電圧Ｖｔ２）は、ほぼ一定となる。これは、そのドレイン電圧Ｖｄで空乏層が、そのゲート電極に到達したことによる。
【００２９】
すなわち、電圧Ｖｔ１がほぼ一定となるときに、空乏層が、第２ゲート電極２０から第１テストゲート電極１０ａに到達する。そして、電圧Ｖｔ２がほぼ一定となるときに、空乏層が、第２ゲート電極２０から第２テストゲート電極１０ｂに到達する。
【００３０】
図４は、第１の実施形態に係る窒化物半導体装置の動作を例示する模式的断面図である。  
図４に表したように、実施形態に係る窒化物半導体装置１１１においては、ドレイン電圧Ｖｄの上昇と共に、空乏層３０ｄが、第２ゲート電極２０のドレイン側の端から広がる。そして、ドレイン電圧Ｖｄが高くなり、ある値のときに、空乏層３０ｄは、第１ゲート電極１０のソース側の端に到達する。
【００３１】
このように、本実施形態に係る窒化物半導体装置１１１においては、第２ゲート電極２０にＤＣゲート電圧を印加することにより、ある一定のドレイン電流値に達すると、第２ゲート電極の下の２次元電子系３３が空乏化する。そして、第２ゲート電極２０のドレイン側の端から空乏層３０ｄが広がり、やがて第１ゲート電極１０に達する。
【００３２】
ある一定の電流値で第２ゲート電極２０のドレイン側に発生した電圧が、空乏層３０ｄの広がりにより、第１ゲート電極１０に伝わる。第１ゲート電極１０は、ノーマリオン動作のゲートである。第１ゲート電極１０に加わるゲート電圧が０Ｖのときは２次元電子系３３が存在するが、伝わってきた電圧により第１ゲート電極１０の下の２次元電子系３３の電位は上昇する。このため、２次元電子系３３に対して、第１ゲート電極１０の電位は、負になる。このときに発生する電圧の絶対値は、２０Ｖを超える。すなわち、第１ゲート電極１０のしきい値電圧以上の絶対値の電圧が発生する。これにより、第１ゲート電極１０の下の導通は、遮断される。
【００３３】
このように、本実施形態に係る窒化物半導体装置１１１においては、ある一定電流値以上では、第１ゲート電極１０の下の導通が遮断されるために、定電流値でスイッチングを行うことができる。
【００３４】
窒化物半導体は高い臨界電界強度を有するため、ゲート長が小さくても、そして、ゲート電極とドレイン電極５０との間の距離が短くても大きな耐圧を得ることができる。このため、小さなゲート容量、及び、小さなゲート−ドレイン間容量で、高速・高電圧のスイッチングが可能である。
【００３５】
このように、本実施形態に係る窒化物半導体装置１１１によれば、定電流動作が可能な窒化物半導体装置が提供できる。窒化物半導体装置１１１は、これに加え、高電圧で高速のスイッチングが可能である。
【００３６】
従来の窒化物半導体装置で定電流制御を行おうとすると、電流値を読み取り、ゲート電圧を制御しなければならない。このため、制御ＩＣや制御回路に高速性が必要となり、現実的ではない。また、ノーマリオフ型トランジスタとノーマリオン型トランジスタの併合カスコードトランジスタを形成する構成がある。しかしながら、この構成においても、電流制御を行うことはできない。このように、従来の窒化物半導体装置においては定電流制御を実現することは困難である。
【００３７】
これに対し、上記のように、本実施形態に係る窒化物半導体装置によれば、定電流動作が可能になり、さらに、高電圧の高速スイッチングが可能である。
【００３８】
以下、実施形態に係る窒化物半導体装置１１１において、適正な動作が得られる構成の例について説明する。  
図４に関して説明したように、実施形態においては、空乏層３０ｄが第２ゲート電極２０から第１ゲート電極１０へ早く広がるように設計される。
【００３９】
空乏層３０ｄの広がる速さは、空乏層３０ｄの容量に反比例し、第２ゲート電極２０と第１ゲート電極１０との間の領域におけるドーピング濃度に反比例する。第２ゲート電極２０と第１ゲート電極１０との間の２次元電子系３３のキャリア濃度を下げることは、オン抵抗の劣化を招き、スイッチングの効率が低下する可能性がある。
【００４０】
そこで、例えば、分極によるキャリア濃度をドーピング濃度より高く設定する。これにより、空乏層の広がりが早く、且つ、オン抵抗の低い半導体装置が実現できる。すなわち、効率の高い定電流スイッチングが実現できる。
【００４１】
すなわち、定電流で高速・高電圧スイッチングのために、キャリア供給層３２においては、ドーピング量よりも分極電電荷量の方が大きく設定される。
【００４２】
例えば、図３（ａ）及び図３（ｂ）に関して説明した実験では、ドレイン電圧Ｖｄが約５Ｖのときに空乏層３０ｄの広がりの距離は３μｍであると考えられる。そして、ドレイン電圧Ｖｄが約３０Ｖのときには、空乏層３０ｄの広がりの距離は１２μｍであると考えられる。
【００４３】
この例では、キャリア供給層３２（ノンドープのＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層）の実効的な残留ドーピング濃度は、約５×１０１４ｃｍ−３であると見積もられる。そして、この例においては、キャリア供給層３２の膜厚が３０ナノメートル（ｎｍ）である。このことから、実効的な残留ドーピング濃度は、約１．５×１０９ｃｍ−２となる。
【００４４】
一方、ＡｌｘＧａＮ１−ｘＮにおける分極電荷量は、ｘ×５×１０１３ｃｍ−２程度である。これによると、Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎにおける分極電荷量の場合は、１．２５×１０１３ｃｍ−２である。
【００４５】
このように、この例（試料１１１ａ）において、分極電荷量はドーピング量よりも大きい。これにより、適正な定電流動作が実現できる。
【００４６】
このように、実施形態に係る窒化物半導体装置１１１においては、キャリア供給層３２の分極電荷量は、キャリア供給層３２におけるドーピング量よりも多く設定される。これにより、定電流で高速・高電圧スイッチングが可能になる。
【００４７】
この構成を得るために、実施形態においては、半導体層として窒化物半導体を用いる。さらに、キャリア供給層３２には分極の大きなＡｌＧａＮ層やＩｎＡｌＮ層を用いることが望ましい。キャリア供給層３２はドーピング量よりも分極電荷量の方が大きければ良く。その構成は任意である。
【００４８】
キャリア供給層３２には、例えば、ノンドープまたはｎ形のＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１≦１）の第１層を用いることができる。キャリア供給層３２には、ノンドープまたはｎ形のＩｎｙ１Ａｌ１−ｙ１Ｎ（０＜ｙ１≦１）の第２層を用いることができる。キャリア供給層３２には、ノンドープまたはｎ形のＡｌｘ２Ｉｎｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ（０＜ｘ２＜１、０＜ｙ２＜１）の第３層を用いることができる。さらに、キャリア供給層３２には、上記の第１層、第２層及び第３層の少なくとも２つを含む積層体を用いることができる。さらに、キャリア供給層３２には、上記の第１層、第２層及び第３層の少なくともいずれかと、ノンドープまたはｎ形のＧａＮ層と、を含む積層体を用いることができる。さらに、これらの少なくともいずれかを含むことができる。
【００４９】
キャリア走行層３１には、ＧａＮ単層だけでなく、ダブルへテロ構造、超格子構造、組成比を変化させた層構造を用いてもよい。
【００５０】
本実施形態に係る窒化物半導体装置１１１の構成の例についてさらに説明する。  
上記の説明のように、窒化物半導体装置１１１においては、定電流動作を得るために、一定の電流値に達したら、素早く電圧を発生させて、第１ゲート電極１０の導通を遮断する構成が適用される。
【００５１】
例えば、第１ゲート電極１０の動作よりも、電圧を発生させる第２ゲート電極２０の動作の方が高速であることが望ましい。
【００５２】
そのために、図１に例示したように、第２ゲート電極１０のゲート長Ｌｇ２は、第１ゲート電極１０のゲート長Ｌｇ１以下であることが望ましい。
【００５３】
第２ゲート電極２０を高速に動作させるために、第２ゲート電極２０の相互コンダクタンスを上げることが有効である。すなわち、第２ゲート電極２０の相互コンダクタンスは、第１ゲート電極１０の相互コンダクタンス以上であることが望ましい。第２ゲート電極２０の相互コンダクタンスが向上することにより、キャリア密度の制御性が上がり、高速に動作させることができる。上記の相互コンダクタンスは、ソース電極４０を接地し、ドレイン電極５０に一定の電圧を印加した状態で、第１ゲート電極１０または第２ゲート電極２０に印加する電圧を変化させたときのドレイン電流Ｉｄの変化率を測定することで計測できる。
【００５４】
本実施形態に係る窒化物導体装置においては、第１ゲート電極１０とドレイン電極５０との間には高耐圧性をもたせる。一方、第２ゲート電極２０には高速性が求められるが、必ずしも高耐圧性でなくても良い。
【００５５】
図１に例示したように、例えば、第１ゲート電極１０と第２ゲート電極２０との間の距離（第２距離Ｌ２）は、ドレイン電極５０と第１ゲート電極１０との間の距離（第１距離Ｌ１）よりも短い。これにより、第２ゲート電極２０に高速性を付与することができる。これにより、第１ゲート電極１０とドレイン電極５０の間の高耐圧性を得つつ、第２ゲート電極２０の高速性を得ることができる。これにより、定電流・高電圧・高速スイッチングが可能となる。
【００５６】
図５は、第１の実施形態に係る別の窒化物半導体装置の構成を例示する模式的断面図である。  
図５に表したように、本実施形態に係る別の窒化物半導体装置１１２においては、第２ゲート電極２０と半導体層３０との間の絶縁層（第２絶縁層６２）の厚さが、第１ゲート電極１０と半導体層３０との間の絶縁層（第１絶縁層６１）の厚さとは異なる。具体的には、第２絶縁層６２の厚さは、第１絶縁層６１の厚さよりも薄い。これ以外は、窒化物半導体装置１１１と同様なので説明を省略する。
【００５７】
第２絶縁層６２の厚さを第１絶縁層６１の厚さよりも薄くすることで、例えば、第２ゲート電極２０のキャリア密度制御性が向上する。そして、第２ゲート電極２０の相互コンダクタンスを第１ゲート電極１０の相互コンダクタンスよりも大きくすることができる。
【００５８】
また、第２絶縁層６２の材料を第１絶縁層６１の材料と変えて、絶縁層の誘電率を変えても良い。例えば、第２絶縁層６２の比誘電率は、第１絶縁層６１の比誘電率よりも大きく設定することができる。これにより、第２ゲート電極２０の相互コンダクタンスを第１ゲート電極１０の相互コンダクタンスより大きくすることができる。
【００５９】
図６は、第１の実施形態に係る別の窒化物半導体装置の構成を例示する模式的断面図である。  
図６に表したように、本実施形態に係る別の窒化物半導体装置１１３においては、第２ゲート電極２０と半導体層３０との間に絶縁層が設けられていない。第２ゲート電極２０は、半導体層３０とショットキー性接続を形成している。これ以外は、窒化物半導体装置１１１と同様なので説明を省略する。
【００６０】
第２ゲート電極２０には、Ｎｉ、Ｐｔ及びＰｄなどが用いられる。これにより、第２ゲート電極２０は、半導体層３０とショットキー性接続する。
【００６１】
第２ゲート電極２０には、高速性が求められるが、必ずしも高耐圧でなくても良い。このため、第２ゲート電極２０と半導体層３０との間の絶縁層を省略しても良い。これにより、第２ゲート電極２０の制御性を向上させることができる。これにより、第２ゲート電極２０の相互コンダクタンスを大きくすることができる。
【００６２】
図７は、第１の実施形態に係る別の窒化物半導体装置の構成を例示する模式的断面図である。  
図７に表したように、本実施形態に係る別の窒化物半導体装置１１４においては、半導体層３０に凹部３５が設けられている。この凹部３５の中に、第２ゲート電極２０の一部（少なくとも一部）が埋め込まれている。第２ゲート電極２０と半導体層３０との間には、第１絶縁層６１が延在している。これ以外は、窒化物半導体装置１１１と同様なので説明を省略する。
【００６３】
この例では、第２ゲート電極２０と半導体層３０との間に延在する第１絶縁層６１は、半導体層３０の凹部３５と第２ゲート電極２０との間に設けられる第２絶縁層に相当する。
【００６４】
凹部３５の中に、第２ゲート電極２０の一部（少なくとも一部）を埋め込む構成により、第２ゲート電極２０のキャリア密度制御性を向上させることができる。これにより、第２ゲート電極２０の相互コンダクタンスを大きくすることができる。
【００６５】
図１に例示した窒化物半導体装置１１１においては、第１ゲート電極１０と半導体層３０との間の構造は、第２ゲート電極２０と半導体層３０との間の構造と同じである。このため、第１ゲート電極１０がノーマリオン型で動作するのと同様に、第２ゲート電極２０もノーマリオン型で動作する。このように、第１ゲート電極１０と第２ゲート電極２０とをノーマリオン型で動作させることにより、構造が単純になり、作製が容易になる。また、第２ゲート電極２０の下の２次元電子系３３におけるキャリアの濃度が他の場所と変わらないため、電流駆動能力が高い。そして、オン抵抗が低くなる。これにより、効率的なスイッチングが可能となる。また、第２ゲート電極２０に印加するＤＣゲート電圧のための正バイアスを用意しなくても良い。ただし、実施形態はこれに限らず、第２ゲート電極２０は、ノーマリオフ型で動作しても良い。
【００６６】
図８は、第１の実施形態に係る別の窒化物半導体装置の構成を例示する模式的断面図である。  
図８に表したように、本実施形態に係る別の窒化物半導体装置１１５においては、半導体層３０に凹部３５が設けられている。この凹部３５は、キャリア供給層３２を貫通しキャリア走行層３１に達している。この凹部３５の中に、第２ゲート電極２０の一部（少なくとも一部）が埋め込まれている。第２ゲート電極２０と半導体層３０との間には、第１絶縁層６１が延在している。これ以外は、窒化物半導体装置１１１と同様なので説明を省略する。
【００６７】
このように、第２ゲート電極２０の下のキャリア供給層３２に凹部３５が設けられ、この凹部３５が、キャリア供給層３２を貫通し、キャリア走行層３１に達している。これにより、第２ゲート電極２０の下の（近傍の）２次元電子系３３は空乏化する。これにより、第２ゲート電極２０はノーマリオフ型で動作する。これにより、第２ゲート電極２０に印加するＤＣゲート電圧を加えるための負バイアスを発生する電源を用意しなくて良い。
【００６８】
図９は、第１の実施形態に係る別の窒化物半導体装置の構成を例示する模式的断面図である。  
図９に表したように、本実施形態に係る別の窒化物半導体装置１１６においては、半導体層３０のキャリア供給層３２が積層構造を有している。そして、半導体層３０に凹部３５が設けられている。これ以外は、窒化物半導体装置１１１と同様なので説明を省略する。
【００６９】
この例では、キャリア供給層３２は、第１供給層３２ａと、第２供給層３２ｂと、第３供給層３２ｃと、を有している。第２供給層３２ａは、第１供給層３２ａとキャリア走行層３１との間に設けられる。第３供給層３２ｃは、第２供給層３２ｂとキャリア走行層３１との間に設けられる。第１供給層３２ａには、例えば、ＡｌＧａＮ層が用いられる。第２供給層３２ｂには、例えばＧａＮ層が用いられる。第３供給層３２ｃには、例えばＡｌＧａＮ層が用いられる。
【００７０】
キャリア走行層３１と第３供給層３２ｃと間の界面に２次元電子系３３ａが形成される。第２供給層３２ｂと第１供給層３２ａとの間の界面に２次元電子系３３ｂが形成される。
【００７１】
凹部３５の底部は、第２供給層３２ｂに到達し、第３供給層３２ｃには到達していない。このため。第２ゲート電極２０の下には２次元電子系は存在していない。これにより、第２ゲート電極２０において、ノーマリオフ型の動作を実現しながら、第２ゲート電極２０の下の部分のオン抵抗を低減できる。
【００７２】
また、この構成により、第２ゲート電極２０の下のリセス深さの変動に対する、第２ゲート電極２０の下の部分における導通を遮断するためのしきい値電圧の変動の比率を小さくすることができる。すなわち、第２ゲート電極２０の下のリセス深さの加工精度が緩和できる。これにより、第２ゲート電極２０の下の部分において、オン抵抗が低く、そして、ノーマリオフ型の動作が行われる。そして、第２ゲート電極２０に印加するＤＣゲート電圧を加えるための負バイアスを発生する電源を用意しなくても良い。
【００７３】
実施形態において、第２ゲート電極２０と半導体層３０との間の絶縁層（第２絶縁層６２）にフッ素を導入することにより、ノーマリオフ型の動作を得ることもできる。
【００７４】
第２ゲート電極２０をノーマリオフ型で動作させることにより、第２ゲート電極２０に印加するＤＣゲート電圧として、負バイアスを発生する電源を用意しなくても良くなる。実施形態において、第２ゲート電極２０をノーマリオフ型で動作させるために、上記に挙げた方法の他にも種々の方法を用いることができる。
【００７５】
図１０は、第１の実施形態に係る窒化物半導体装置の特性を例示するグラフ図である。  同図は、図１に例示した窒化物半導体装置１１１において、ソース電極４０を接地し、第２ゲート電圧Ｖｇ２を変化させたときのドレイン電圧Ｖｄ−ドレイン電流Ｉｄ特性を測定した結果の例を示している。
【００７６】
図１０に示したように、ドレイン電圧Ｖｄを増加させたときにドレイン電流Ｉｄが減少する負性微分抵抗を示す領域がある。このような負性微分抵抗特性を有するトランジスタの構成を第２ゲート電極２０に採用すると、定電流特性がさらに安定する。
【００７７】
すなわち、第２ゲート電極２０に、ある一定のＤＣ電圧を印加した状態で、ある電流値に達すると、ドレイン電圧Ｖｄが上昇する。このとき、第２ゲート電極２０が負性微分抵抗特性を有する場合、ドレイン電圧Ｖｄが上昇するとドレイン電流Ｉｄが減少する。このため、第１ゲート電極１０における導通を遮断する高速性がさらに向上する。これにより、より高い効率のスイッチングが可能となる。
【００７８】
負性微分抵抗を示すかどうかは、ソース電極４０を接地して、第２ゲート電極２０に一定のＤＣ電圧を印加し、ドレイン電圧−ドレイン電流特性を測定することにより判定できる。
【００７９】
（第２の実施形態）  
図１１は、第２の実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を例示する模式的断面図である。  
図１１に表したように、本実施形態に係る窒化物半導体装置１２１は、半導体層３０、ソース電極４０、ドレイン電極５０、第１ゲート電極１０及び第２ゲート電極２０に加え、ダイオード７０をさらに備える。このダイオード７０は、ソース電極４０及びドレイン電極５０のいずれかと電気的に接続される。この例では、ダイオード７０は、ソース電極４０と接続されている。
【００８０】
このダイオード７０は、半導体層３０の一部を含んでいる。すなわち、ダイオード７０は、窒化物ダイオードである。
【００８１】
例えば、ダイオード７０は、第１ダイオード電極７１と、第２ダイオード電極７２と、を含む。第１ダイオード電極７１及び第２ダイオード電極７２は、半導体層３０（具体的にはキャリア供給層３２）の上に設けられる。この例では、第１ダイオード電極７１は、ソース電極４０に接している。
【００８２】
例えば、第１ダイオード電極７１は、半導体層３０（具体的にはキャリア供給層３２）とシャットキー性接触を形成する。第１ダイオード電極７１には、Ｎｉ、Ｐｔ及びＰｄなどが用いられる。これにより、ショットキー性接触が形成される。
【００８３】
すなわち、ダイオード７０は、半導体層３０の主面３０ａ上に設けられ、ソース電極４０及びドレイン電極５０のいずれかと電気的に接続された第１ダイオード電極７１と、主面３０ａ上に設けられた第２ダイオード電極７２と、を含む。そして、第１ダイオード電極７１及び第２ダイオード電極７２のいずれかは、半導体層３０とショットキー性接触を形成する。このように、窒化物半導体装置１２１においては、窒化物半導体を含む半導体層３０により形成された窒化物ダイオードが、ソース電極４０及びドレイン電極５０が設けられる基板（半導体層３０）の上に形成される。
【００８４】
窒化物半導体装置１２１においては、定電流動作が可能なスイッチング部と、整流特性を付与する窒化物ダイオードと、を同一基板上に作製でき、定電流かつ高速スイッチングが可能な電力変換機能を有する窒化物半導体装置が提供できる。
【００８５】
実施形態によれば、定電流動作が可能な窒化物半導体装置が提供される。
【００８６】
以上、具体例を参照しつつ、本発明のいくつかの実施形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、窒化物半導体装置に含まれる窒化物半導体層、電極及び絶縁層などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。  
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【００８７】
その他、本発明の実施の形態として上述した窒化物半導体装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての窒化物半導体装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【００８８】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【００８９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９０】
１０…第１ゲート電極、  １０ａ…第１ゲートテスト電極、  １０ｂ…第２ゲートテスト電極、  ２０…第２ゲート電極、  ３０…半導体層、  ３０ａ…主面、  ３０ｄ…空乏層、  ３１…キャリア走行層、  ３２…キャリア供給層、  ３２ａ…第１供給層、  ３２ｂ…第２供給層、  ３２ｃ…第３供給層、  ３３、３３ａ、３３ｂ…２次元電子系、  ３５…凹部、  ４０…ソース電極、  ５０…ドレイン電極、  ６１、６２…第１及び第２絶縁層、  ７０…ダイオード、  ７１、７２…第１及び第２ダイオード電極、  １１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６、１２１…窒化物半導体装置、  １１１ａ…試料、  Ｉｄ…ドレイン電流、  Ｌ１、Ｌ２…第１及び第２距離、  Ｌｇ１、Ｌｇ２…第１及び第２ゲート長、  Ｖｄ…ドレイン電圧、  Ｖｇ２…第２ゲート電圧、  Ｖｔ１、Ｖｔ２…電圧
【図１】
0005343100.tif 000002
【図２】
0005343100.tif 000003
【図３】
0005343100.tif 000004
【図４】
0005343100.tif 000005
【図５】
0005343100.tif 000006
【図６】
0005343100.tif 000007
【図７】
0005343100.tif 000008
【図８】
0005343100.tif 000009
【図９】
0005343100.tif 000010
【図１０】
0005343100.tif 000011
【図１１】
0005343100.tif 000012