(57)【要約】      （修正有）【課題】窒化物半導体層のヘテロ接合面に生じる２次元電子ガスを利用するダイオードにおいて、順方向電圧降下を低く、リーク電流も小さく調整する技術を提供する。【解決手段】アノード電極１０の近接に２次元電子ガス誘起阻害層を形成するか、あるいはアノード電極１０から離隔した領域に２次元電子ガス誘起促進層１４を形成すると、アノード電極１０の近傍では２次元電子ガス濃度が低下してリーク電流が減り、アノード電極１０から離隔した位置では２次元電子ガス濃度が増大して順方向電圧降下が低下する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮで形成されている電子走行層と、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦１，０≦ｙ１≦１，０≦１−ｘ１−ｙ１＜１）で形成されている電子供給層のヘテロ接合面を備えており、
前記電子供給層の表面上の相互に離れた位置に、前記電子供給層にショットキー接触するアノード電極と、前記電子供給層にオーミック接触するカソード電極が形成されており、
前記アノード電極に近い領域を近接領域とし、前記アノード電極から前記カソード領域に向かって離れた領域を離隔領域としたときに、前記近接領域に形成された２次元電子ガス誘起阻害層および／または前記離隔領域に形成された２次元電子ガス誘起促進層を備えており、
前記近接領域のヘテロ接合面に生じる２次元電子ガス濃度＜前記離隔領域のヘテロ接合面に生じる２次元電子ガス濃度の関係に調整されているダイオード。
【請求項２】
前記２次元電子ガス誘起阻害層が、前記電子供給層の表面上に形成されたｐ型層であることを特徴とする請求項１に記載のダイオード。
【請求項３】
前記２次元電子ガス誘起促進層が、前記電子供給層の表面上に形成された正に帯電した絶縁層であることを特徴とする請求項１または２に記載のダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、窒化物半導体層のヘテロ接合界面に生じる２次元電子ガスを利用するダイオードに関する技術を開示する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ層にＩｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦１，０≦ｙ１≦１，０≦１−ｘ１−ｙ１＜１）層を積層すると、ＧａＮ層のうちのヘテロ接合界面に沿った領域に２次元電子ガスが生じる。本明細書では、その２次元電子ガスが生じるＧａＮ層を電子走行層といい、２次元電子ガスを作り出すＩｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｎ層を電子供給層という。電子供給層は、Ｉｎを含んでいてもよいし含んでいなくてもよい。同様にＡｌを含んでいてもよいし含んでいなくてもよい。ただし、ＩｎとＡｌの少なくとも一方を含んでおり、ＧａＮよりも広いバンドギャップを持っている必要があり、ＧａＮでは成立しない。電子供給層の表面上の相互に離れた位置に、電子供給層にショットキー接触するアノード電極と、電子供給層にオーミック接触するカソード電極を形成すると、２次元電子ガスを利用するダイオードを実現することができる。それに関する技術が非特許文献に開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Silvia Lenci et al. IEEE Electron Device Letters, Vol. 34, No. 8, 2013
【非特許文献２】E.Bahat-Treidel et al. IEEE Electron Device Letters, Vol. 33, No. 3, 2012
【非特許文献３】第６１回応用物理学会春季学術講演会（2014春  青山学院大学）19ｐ-D8-6
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ダイオードには、順方向電圧降下が低く、リーク電流が小さいことが求められる。ここでいう順方向電圧降下とは、アノードからカソードに電流を流すのに必要な電圧をいい、リーク電流とは、カソードにアノードより高い電圧が印加されたときにカソードからアノードに流れる電流をいう。
【０００５】
ヘテロ接合を構成する異種物質のバンドギャップの差を調整することでヘテロ接合面に生じる２次元電子ガスの濃度を調整することができる。あるいは電子供給層の表面を被覆する絶縁層の材質を選定することでヘテロ接合面に生じる２次元電子ガスの濃度を調整することができる。
２次元電子ガスの濃度を調整することでダイオードの特性を調整することができる。例えば２次元電子ガスの濃度を濃くすることで、順方向電圧降下を低くすることができる。あるいは、２次元電子ガスの濃度を薄くすることで、リーク電流を小さくすることができる。しかしながら、この技術によると、２次元電子ガスの濃度を濃くして順方向電圧降下を低くするとリーク電流が大きくなり、２次元電子ガスの濃度を薄くしてリーク電流を小さくすると順方向電圧降下が高くなってしまう。ダイオードに必要な、順方向電圧降下が低くてリーク電流も小さいという特性を得ることができない。
本明細書では、窒化物半導体層のヘテロ接合面に生じる２次元電子ガスを利用するダイオードにおいて、順方向電圧降下も低くてリーク電流も小さいという特性に調整する技術を開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書で開示するダイオードは、ＧａＮで形成されている電子走行層と、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦１，０≦ｙ１≦１，０≦１−ｘ１−ｙ１＜１）で形成されている電子供給層のヘテロ接合面を備えている。電子供給層を形成する窒化物半導体層は、少なくともＩｎとＡｌの一方を含み、ＧａＮよりも大きなバンドギャップを持ち、ヘテロ接合界面に２次元電子ガスを生じさせる。電子供給層の表面上の相互に離れた位置に、電子供給層にショットキー接触するアノード電極と、電子供給層にオーミック接触するカソード電極が形成されている。本明細書では、アノード電極に近い領域を近接領域とし、アノード電極からカソード領域に向かって離れた領域を離隔領域という。近接領域には、２次元電子ガスの誘起を阻害する層が設けられている。離隔領域には、２次元電子ガスの誘起を促進する層が設けられている。近接領域における２次元電子ガス誘起阻害層と離隔領域における２次元電子ガス誘起促進層は、両者を併用してもよいし、どちらか一方のみを利用してもよい。近接領域における２次元電子ガス誘起阻害層と離隔領域における２次元電子ガス誘起促進層の一方または双方を設けることで、近接領域のヘテロ接合面に生じる２次元電子ガス濃度＜離隔領域のヘテロ接合面に生じる２次元電子ガス濃度の関係に調整することができる。ここでいう近接領域とは、アノード電極に接する位置からアノード電極とカソード電極の間まで延びる範囲をいい、離隔領域とは、アノード電極とカソード電極の間にある位置からカソード電極に向けて延びる範囲をいう。離隔領域は、必ずしもカソード電極に達している必要はない。近接領域における２次元電子ガス誘起阻害層と離隔領域における２次元電子ガス誘起促進層の双方を利用する場合、近接領域と離隔領域が接していてもよいし、両者間に距離があってもよい。
【０００７】
上記のダイオードによると、アノード電極の近接領域ではヘテロ接合面に生じる２次元電子ガス濃度が薄いためにリーク電流が小さく抑えられ、アノード電極からの離隔領域ではヘテロ接合面に生じる２次元電子ガス濃度が濃いために順方向電圧降下が低く抑えられる。順方向電圧降下も低くてリーク電流も小さいという特性が得られる。
【０００８】
電子供給層の表面上にｐ型層を形成すると、ヘテロ接合面に２次元電子ガスが誘起されにくくなる。電子供給層の表面上に形成されたｐ型層は、２次元電子ガス誘起阻害層となりえる。
【０００９】
電子供給層の表面を被覆する絶縁層を正に帯電させると、ヘテロ接合面に２次元電子ガスが誘起されやすくなる。電子供給層の表面上に形成された正に帯電した絶縁層は、２次元電子ガス誘起促進層となりえる
【００１０】
本技術によると、アノード電極の近接領域に設けられた２次元電子ガス誘起阻害層（例えばｐ型層）によって近接領域におけるヘテロ接合面に生じる２次元電子ガス濃度が薄くなってリーク電流が小さく抑えられ、アノード電極からの離隔領域に設けられた２次元電子ガス誘起促進層（例えば正に帯電した絶縁層）によって近接領域以外におけるヘテロ接合面に生じる２次元電子ガス濃度が濃くなって順方向電圧降下が低く抑えられる。順方向電圧降下も低くてリーク電流も小さいという特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】従来のダイオードの断面図。
【図２】従来のダイオードの逆方向電圧とリーク電流の関係を示す図。
【図３】２次元電子ガス濃度と逆方向電圧とリーク電流の関係を示す図。
【図４】第１実施例のダイオードの断面図。
【図５】第２実施例のダイオードの断面図。
【図６】第３実施例のダイオードの断面図。
【図７】第４実施例のダイオードの断面図。
【図８】第５実施例のダイオードの断面図。
【図９】第６実施例のダイオードの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本明細書で開示する技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。
（特徴１）  電子走行層はＧａＮで形成されており、電子走行層はＡｌＧａＮで形成されている。
（特徴２）  アノード電極に近接する領域において電子供給層の表面を被覆する絶縁層は正に帯電しておらず、アノード電極から離隔した領域において電子供給層の表面を被覆する絶縁層は正に帯電している。
（特徴３）  アノード電極の近接領域に、負イオンを注入して２次元電子ガスの誘起を阻害する。
（特徴４）  アノード電極の近接領域に、ｐ型層を設けて２次元電子ガスの誘起を阻害する。
（特徴５）  アノード電極の近接領域における電子供給層を薄膜化して２次元電子ガスの誘起を阻害する。
【実施例】
【００１３】
（従来のダイオード）
実施例の理解を容易化するために、図１を参照して従来のダイオードを説明する。
図１は、非特許文献に開示されているダイオードの断面図であり、基板２上にバッファ層４が結晶成長し、バッファ層４上にｉ型のＧａＮ層６が結晶成長し、ｉ型のＧａＮ層６上にｉ型のＡｌｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ層８（０＜ｙ１＜１）が結晶成長している。Ａｌを含まないＧａＮ層６上にＡｌを含むＡｌＧａＮ層８が結晶成長しているヘテロ接合では、前者のバンドギャップよりも後者のバンドギャップが広いことから、ＧａＮ層６のヘテロ接合面に面した領域に２次元電子ガスが生成される。本明細書では、２次元電子ガスが生成されるＧａＮ層６を電子走行層といい、２次元電子ガスを生成するＡｌＧａＮ層８を電子供給層という。電子供給層８の表面上にアノード電極１０とカソード電極１６が形成されている。
アノード電極１０はＮｉで形成されており、電子供給層８にショットキー接触する。カソード電極１６は、電子供給層８に接するＴｉ層と、その上に積層されたＡｌ層とＮｉ層等で形成されており、電子供給層８にオーミック接触する。参照番号１３は、アノード電極１０とカソード電極１６の間に露出する電子供給層８の表面を露出する絶縁層であり、アノード電極１０からカソード電極１６まで一様に伸びている。参照番号２２は、ＧａＮ層６のヘテロ接合面に面した領域に生じる２次元電子ガスを模式的に示しており、黒丸の間隔が濃度を模式的に示している。従来のダイオードでは、アノード電極１０からカソード電極１６まで、２次元電子ガスの濃度が一様である。
【００１４】
図２は、順方向電圧降下を実用レベルに調整した場合の逆方向電圧とリーク電流の関係を示している。リーク電流が過大であって、実用に供し得ないケースが多く発生する。
【００１５】
図３は、リーク電流が大きくなる原因を調査するために、ヘテロ接合面に生じる２次元電子ガスの濃度と逆方向電圧とリーク電流の関係を測定した結果を示している。２次元電子ガスの濃度が低ければリーク電流が小さく抑えられることがわかり、２次元電子ガスの濃度が高ければリーク電流が大きくなることがわかる。２次元電子ガスの濃度は種々の方法で調整可能であるが、ここでは絶縁層１３の種類を変えて２次元電子ガスの濃度を調整して図３の測定結果を得た。
図３の測定結果から、２次元電子ガスの濃度を薄くすればリーク電流を小さく抑えられることが判明した。２次元電子ガスの濃度が濃いと、アノード電極のエッジ部に生じる電界集中領域でトンネル電流が増大してリーク電流が大きくなるのに対し、２次元電子ガスの濃度が薄いと、トンネル電流が抑制されてリーク電流が小さく抑えられることが判明した。しかしながら図示はしないものの、２次元電子ガスの濃度を薄くすると、順方向電圧降下が高くなってしまうことが分かった。２次元電子ガスの濃度を調整するだけでは、順方向電圧降下も低くてリーク電流も小さいという特性に調整できないことが判明した。
【００１６】
（第１実施例）
第１実施例では、アノード電極１０の近傍以外の領域（アノード電極１０からカソード電極１６に向けて離隔した領域。離隔領域という）にのみ、２次元電子ガスの誘起を促進する層を設ける。すなわち、アノード電極１０の近接領域には２次元電子ガスの誘起促進層（以下では促進層とい）を設けず、離隔領域には促進層を設ける。第１実施例では、図４に示すように、正に帯電した絶縁層１４を促進層とする。絶縁層１４が正に帯電していると、その絶縁層１４に対向するヘテロ接合面に電子が誘起され、２次元電子ガス濃度が増大する。正に帯電した絶縁層１４は促進層となる。近接領域に形成されている絶縁層１２は正に帯電していない。絶縁層１２が正に帯電していないと、絶縁層１２によっては絶縁層１２に対向するヘテロ接合面に電子が誘起されず、促進層とならない。
図４において、２次元電子ガスを模式的に示す黒丸２２の間隔が濃度を模式的に示しており、近接領域では２次元電子ガスの濃度が薄く、離隔領域では２次元電子ガスの濃度が濃いことがわかる。図４のダイオードでは、近接領域における薄い電子ガス濃度によってリーク電流が小さく抑えられ、離隔領域における濃い電子ガス濃度によって順方向電圧降下が低く抑えられる。図４のダイオードは、順方向電圧降下も低くてリーク電流も小さいという特性を備えている。
図４の実施例では、電子供給層８とするＡｌｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎのｙ１を１８％とし、その膜厚を２０ｎｍとした。また、熱ＣＶＤ法によってＳｉＯ２を堆積することで絶縁膜１４を形成した。熱ＣＶＤ法の実施温度を高温にすると、電子供給層８に含まれていたＧａがＳｉＯ２中に移動し、正電荷が固定された絶縁膜１４を得ることができた。
【００１７】
（第２実施例）
図５に示すように、電子走行層６と電子供給層８の間にＡｌＮ膜７を介在させてもよい。ＡｌＮ膜７の厚みを薄くすれば、ヘテロ接合面に２次元電子ガスを生成させることができる。ＡｌＮ膜７を介在させると、合金化散乱を抑制することができる。
【００１８】
（第３実施例）
図６に示すように、正に帯電した絶縁層１４ａが、アノード電極１０の近接領域に接近するほど厚みを減じるものであってもよい。絶縁層１４ａの厚みが徐々に変化する場合、電界分布が均質化し、高耐圧化と低損失化の両者が可能となる。絶縁層１４ａの厚みを徐々に変化させる技術は様々であり、例えば、一様な厚みに調整した絶縁層１４ａのアノード電極１０の近接領域をウェットエッチングすることで、厚みを徐々に変化させることができる。
また、図６に示すように、正に帯電していない絶縁層１２ａが、離隔領域にまで伸びていてもよい。すなわち、正に帯電した絶縁層１４ａの表面を正に帯電していない絶縁層１２ａで被覆してもよい。
【００１９】
（第４実施例）
図７〜図９は、アノード電極１０の近接領域に、２次元電子ガスの誘起を阻害する層（以下では阻害層という）を設けた実施例を示す。
図７では、近接領域の電子供給層８と電子走行層６のヘテロ接合面の近接に、負イオン（例えばＦイオン）を注入した例を示している。負イオンが注入された電子供給層８と電子走行層６は、ヘテロ接合面に２次元電子ガスの誘起されるのを阻害する。それによって、アノード電極１０の近接領域では２次元電子ガスの濃度が薄く、離隔領域では２次元電子ガスの濃度が濃い関係に調整することができる。図７のダイオードでも、近接領域における薄い電子ガス濃度によってリーク電流が小さく抑えられ、離隔領域における濃い電子ガス濃度によって順方向電圧降下が低く抑えられる。図７のダイオードは、順方向電圧降下も低くてリーク電流も小さいという特性を備えている。なお参照番号１３は、正に帯電していない絶縁層を示している。図８と図９でも同様である。
【００２０】
（第５実施例）
図８では、アノード電極１０の近接領域に、２次元電子ガスの誘起を阻害するｐ型層２０を設けている。ｐ型層２０は、ヘテロ接合面に２次元電子ガスが誘起されるのを阻害する。それによって、アノード電極１０の近接領域では２次元電子ガスの濃度が薄く、離隔領域では２次元電子ガスの濃度が濃い関係に調整することができる。図８のダイオードでも、近接領域における薄い電子ガス濃度によってリーク電流が小さく抑えられ、離隔領域における濃い電子ガス濃度によって順方向電圧降下が低く抑えられる。図８のダイオードは、順方向電圧降下も低くてリーク電流も小さいという特性を備えている。
【００２１】
（第６実施例）
図９では、アノード電極１０の近接領域では、電子供給層８の厚みを薄くしている。電子供給層８の厚みを薄くすると、ヘテロ接合面に２次元電子ガスが誘起されるのを阻害する。それによって、アノード電極１０の近接領域では２次元電子ガスの濃度が薄く、離隔領域では２次元電子ガスの濃度が濃い関係に調整することができる。図９のダイオードでも、近接領域における薄い電子ガス濃度によってリーク電流が小さく抑えられ、離隔領域における濃い電子ガス濃度によって順方向電圧降下が低く抑えられる。図９のダイオードは、順方向電圧降下も低くてリーク電流も小さいという特性を備えている。
図９において、参照番号８ａは電子供給層８の厚みを薄くすることで形成された窪みを示し、アノード電極１０ａと絶縁層１３ａの一部が、窪み８ａを充填している。
【００２２】
図４〜図６の実施例は、離隔領域に促進層を設けた実施であり、図７〜図９の実施例は、近接領域に阻害層を設けた実施例である。促進層と阻害層の一方を利用することで効果を得ることができる。もちろん、離隔領域に促進層を設けたうえで近接領域に阻害層を設けることもできる。
【００２３】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００２４】
２：基板
４：バッファ層
６：電子走行層
８：電子供給層
８ａ：薄膜化された窪み
１０：アノード電極
１２：正に帯電していない絶縁層
１３：正に帯電していない絶縁層
１４：正に帯電した絶縁層
１６：カソード電極
１８：負イオン
２０：ｐ型層
２２：２次元電子ガス
【図１】
2016143865.tif 000003
【図２】
2016143865.tif 000004
【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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