(57)【要約】  半導体デバイスは、基板、基板上に配置される第１活性層、及び第１活性層上に配置される第２活性層を含む。第２活性層は、第１活性層よりも高いバンドギャップを有し、これによって第１活性層と第２活性層との間に、二次元電子ガス層が生じる。１電極は、第２活性層内の凹みに配置される第１部分、及び第２活性層上に配置された第２部分を有し、その間にショットキー接合が形成される。第１電極の第１部分は、第１電極の第２部分よりも低いショットキー電位障壁を有する。第２電極は、第１活性層と接している。第２電極は、第１活性層とオーミック接合を形成する。【選択図】図２
2016501442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイスであって：
基板と；
前記基板上に配置された第１活性層と；
前記第１活性層上に配置された第２活性層であって、前記第２活性層は、前記第１活性層よりも高いバンドギャップを有し、これによって前記第１活性層と前記第２活性層との間に二次元電子ガス層が生じる、第２活性層と；
その間にショットキー接合が形成されるように、前記第２活性層内の凹みに配置される第１部分、及び前記第２活性層上に配置された第２部分を有する第１電極であって、前記第１電極の前記第１部分は、前記第１電極の前記第２部分よりも低いショットキー電位障壁を有する、第１電極と；
前記第１活性層と接触する第２電極であって、前記第２電極は前記第１活性層とオーミック接合を形成する、第２電極とを含む、半導体デバイス。
【請求項２】
前記第１電極の前記第１部分は、前記二次元電子ガスと接触している、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項３】
前記第１電極の前記第２部分は、前記第２活性層の前記凹み内の異なる深さにそれぞれ位置する、複数の区分を含む、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項４】
前記複数の区分は、階段状で異なる深さに位置する、請求項３に記載の半導体デバイス。
【請求項５】
前記第１電極の前記第１部分が、前記第１活性層と前記第２活性層との間の境界面と垂直でない角度を成す、前記第２活性層と隣接する縁部を有する、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項６】
前記第１電極の前記第１部分が、前記第１電極の前記第２部分の表面積よりも小さい、前記基板が延びる平面と平行な表面積を有し、前記第１電極の前記第２部分の前記表面積は、前記基板が延びる平面と平行である、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項７】
前記第１活性層は、第ＩＩＩ族窒化物半導体材料を含む、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項８】
前記第１活性層は、ＧａＮを含む、請求項７に記載の半導体デバイス。
【請求項９】
前記第２活性層は、第ＩＩＩ族窒化物半導体材料を含む、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項１０】
前記第２活性層はＡｌＸＧａ１−ＸＮを含み、０＜Ｘ＜１である、請求項９に記載の半導体デバイス。
【請求項１１】
前記第２活性層は、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、及びＡｌＩｎＧａＮからなる群から選択される、請求項９に記載の半導体デバイス。
【請求項１２】
半導体デバイスを形成する方法であって：
基板上に第１活性層を形成する工程と；
前記第１活性層上に第２活性層を形成する工程であって、前記第２活性層は、前記第１活性層よりも高いバンドギャップを有し、これによって前記第１活性層と前記第２活性層との間に二次元電子ガス層が生じる、工程と；
その間にショットキー接合が形成されるように、前記第２活性層の上に第１電極を形成する工程であって、前記第１電極は、前記第２活性層上に配置された第１部分、及び前記二次元電子ガスと接触する第２部分を有し、前記第１電極の前記第１部分は、前記第１電極の前記第２部分よりも高いショットキー電位障壁を有する、工程と；
前記第１活性層上に第２電極を形成し、その間にオーミック接合を形成する工程とを含む、方法。
【請求項１３】
前記第１電極の前記第２部分は、前記第２活性層の前記凹み内の異なる深さにそれぞれ位置する、複数の区分を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記複数の区分は、階段状で異なる深さに位置する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１電極の前記第１部分が、前記第１活性層と前記第２活性層との間の境界面と垂直でない角度を成す、前記第２活性層と隣接する縁部を有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１電極の前記第２部分が、前記第１電極の前記第１部分の表面積よりも小さい、前記基板が延びる平面と平行な表面積を有し、前記第１電極の前記第１部分の前記表面積は、前記基板が延びる平面と平行である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１活性層は、第ＩＩＩ族窒化物半導体材料を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１活性層は、ＧａＮを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第２活性層は、第ＩＩＩ族窒化物半導体材料を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
前記第２活性層は、ＡｌＸＧａ１−ＸＮを含み、０＜Ｘ＜１である、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デュアルメタルの、一部が凹んだ電極を有する、ＧａＮ系ショットキーダイオードに関するものである。ショットキーダイオードは、半導体層と接触する金属により形成される半導体デバイスである。金属と半導体層との間の接合は、半導体層内に全体的に形成されたｐｎ接合ダイオードと比較した際に、より良好なダイオードスイッチング能力を備える、整流接合部を形成する。したがって、ショットキーダイオードは、ｐｎ接合ダイオードと比較してより低いターンオン電圧及びより早いスイッチング速度を有する。ショートキーダイオードは、スイッチモード電源（ＳＭＰＳ）など、スイッチング損失がエネルギー消費の主要因となる用途において理想的である。
【背景技術】
【０００２】
ショットキーダイオードは、半導体層と接触する金属により形成される半導体デバイスである。金属と半導体層との間の接合は、半導体層内に全体的に形成されたｐｎ接合ダイオードと比較した際に、より良好なダイオードスイッチング能力を備える、整流接合部を形成する。したがって、ショットキーダイオードは、ｐｎ接合ダイオードと比較してより低いターンオン電圧及びより早いスイッチング速度を有する。ショートキーダイオードは、スイッチモード電源（ＳＭＰＳ）など、スイッチング損失がエネルギー消費の主要因となる用途において理想的である。
【０００３】
窒化物系化合物の半導体材料から作製された電子デバイスは既知である。このような電子デバイスはまた、第ＩＩＩ族窒化物系材料から形成される、第３窒化物半導体デバイスとしても既知である。窒化物系化合物半導体デバイスは、そのより広いバンドギャップ、及びより高い絶縁破壊電圧特性のためにより望ましく、これらを高電圧及び高温の用途においてより好適なものとする。特に、高い絶縁破壊電圧及び低いオン抵抗を有する、第ＩＩＩ−Ｖ族窒化ガリウム（ＧａＮ）化合物半導体ショットキーダイオードが記載されてきた。スイッチモード電源の効率は、第ＩＩＩ族窒化物半導体ショットキーバリアダイオードにより改善することができる。
【０００４】
第ＩＩＩ族系半導体デバイスは、ＡｌＧａＮ及びＧａＮなどの２つの異なる第ＩＩＩ族窒化物のヘテロ界面における、二次元電子ガスを形成することにより、電子移動度を最大化させることができる。二次元電子ガスは、第ＩＩＩ族窒化物の結晶構造の非理想的な性質から生じる、歪みにより誘起される圧電分極電荷、及び自発性分極電荷を補償するものと考えられる。二次元電子ガスは、ヘテロ接合部のバンドベンディング領域内に量子閉じ込めされ、より狭いバンドギャップＩＩＩ窒化物（例えば、ＧａＮ）が、より大きなバンドギャップＩＩＩ窒化物（例えば、ＡｌＧａＮ）に接合する。したがって、ショットキー様ダイオードにおいて、電子は、アノード電極とカソード電極との間の制限されたチャネルに沿って流れる。電荷密度は、Ａｌ組成、ＡｌＧａＮ層厚さ、及び固有の結晶極性などの、ヘテロ構造パラメーターによって決定される。ＩＩＩ窒化物電力デバイスにおいて、電荷密度は印加されるゲート電圧に反応し、エネルギーバンドギャップの変化に応じて局所的に除去され得る。したがって、第ＩＩＩ族窒化物電力デバイスのスイッチング速度は非常に高速であり得る。
【０００５】
図１は、ＧａＮ系ショットキーダイオードの実施例である。ダイオード１００は、基板１０、緩衝層２０、緩衝層２０上に形成されたＧａＮ層３０、及びＧａＮ層３０上に形成されたＡｌＧａＮ層４０を含む。アノード６０及びカソード７０は、デバイスのための電気接触部として機能する。アノード６０は、ＡｌＧａＮ上に形成され、その間にショットキーインターフェースを形成する。カソード７０がＧａＮ層３０上に形成されて、その間にオーミック接触を形成する。
【０００６】
図１に示されるデバイスなどの、ショットキーダイオードの１つの問題は、高い順電圧降下を有する場合が多いということである。この問題は、伝搬する電流が、ＡｌＧａＮ上のショットキー接触部により形成される、比較的大きな電位障壁を通らなくてはならないことによって生じる。一般的に、電位ショットキー障壁が大きいほど、生じる順電圧降下が大きくなる。この問題を改善する１つの方法は、ＡｌＧａＮ層の厚さを低減させることである。しかし、残念ながら、これはＡｌＧａＮ層の下の二次元電子ガスをも低減させる。ＡｌｘＧａＮ層上のＮｉ／Ａｕ金属により形成されたショットキー接触の電位障壁は、約１．８Ｅ−１９Ｊ（１．１ｅＶ）であり、高電圧シリコン系ショットキーダイオードの電位障壁は約１．１Ｅ−１９Ｊ（０．７ｅＶ）であり、これは遥かに低い順電圧降下を生じる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様により、半導体デバイスは、基板、基板上に配置される第１活性層、及び第１活性層上に配置される第２活性層を含む。第２活性層は、第１活性層よりも高いバンドギャップを有し、これによって第１活性層と第２活性層との間に、二次元電子ガス層が生じる。１電極は、第２活性層内の凹みに配置される第１部分、及び第２活性層上に配置された第２部分を有し、その間にショットキー接合が形成される。第１電極の第１部分は、第１電極の第２部分よりも低いショットキー電位障壁を有する。第２電極は、第１活性層と接している。第２電極は、第１活性層とオーミック接合を形成する。
【０００８】
本発明の別の態様により、半導体デバイスの形成方法が提示される。方法は、基板上の第１活性層を形成する工程と、第１活性層上に第２活性層を形成する工程を含む。第２活性層は、第１活性層よりも高いバンドギャップを有し、これによって第１活性層と第２活性層との間に、二次元電子ガス層が生じる。第１電極が第２活性層上に形成され、これによりその間にショットキー接合が形成される。第１電極は、第２活性層上に配置された第１部分、及び二次元電子ガスと接触する第２部分を有する。第１電極の第１部分は、第１電極の第２部分よりも高いショットキー電位障壁を有する。第２電極が第１活性層上に形成されて、その間にオーミック接合が形成される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ＧａＮ系ショットキーダイオードの実施例である。
【図２】ＧａＮ電界効果ショットキーバリアダイオード（ＦＥＳＢＤ）の実施例である。
【図３ａ】順バイアス及び逆バイアスにおける、ＦＥＳＢＤ及び従来的なＧａＮショットキーダイオードの電流電圧曲線を示す。
【図３ｂ】順バイアス及び逆バイアスにおける、ＦＥＳＢＤ及び従来的なＧａＮショットキーダイオードの電流電圧曲線を示す。
【図４】デュアルメタルの、一部が凹んだアノードを利用する、ショットキーダイオードの一実施形態を示す。
【図５ａ】本明細書において記載される、従来的なＡｌＧａＮ／ＧａＮショットキーダイオード、電界効果ショットキーバリアダイオード（ＦＥＳＢＤ）、及びＲＧＦＥＳＢＤの、順方向及び逆方向電流電圧（Ｉ−Ｖ）曲線のシミュレーションを示す。
【図５ｂ】本明細書において記載される、従来的なＡｌＧａＮ／ＧａＮショットキーダイオード、電界効果ショットキーバリアダイオード（ＦＥＳＢＤ）、及びＲＧＦＥＳＢＤの、順方向及び逆方向電流電圧（Ｉ−Ｖ）曲線のシミュレーションを示す。
【図６】デュアルメタルの、一部が凹んだアノードを利用する、ショットキーダイオードの別の実施形態を示す。
【図７】デュアルメタルの、一部が凹んだアノードを利用する、ショットキーダイオードの別の代替的実施形態を示す。
【図８】デュアルメタルの、一部が凹んだアノードを利用する、ショットキーダイオードの更に別の代替的実施形態を示す。
【図９】デュアルメタルの、一部が凹んだアノードを利用する、ショットキーダイオードなどの、半導体デバイスを形成する方法の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
ショットキーダイオードのショットキー電位障壁は、一方が比較的高い電位障壁を有し、他方が比較的低い電位障壁を有する、２つの金属によって電極が形成される、デュアルメタルショットキー電極の使用により低減させることができることが見出された。例えば、Ｎ．Ｉｋｅｄａ  ｅｔ  ａｌ．，「Ａ  Ｎｏｖｅｌ  ＧａＮ  Ｄｅｖｉｃｅ  ｗｉｔｈ  Ｔｈｉｎ  ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，」Ｆｕｒｕｋａｗａ  Ｒｅｖｉｅｗ，２６，１（２００６）に示されるように、より高い電位障壁の金属内により低い電位障壁の金属を埋め込んだ、デュアルメタルショットキー電極が利用される。
【００１１】
図２は、本明細書において、電界効果ショットキーバリアダイオード（ＦＥＳＢＤ）と称される、このようなデュアルメタルショットキー電極デバイスの一例を示している。図１及び図２において、同様の要素は同様の参照番号を付される。ダイオード１００は、基板１０、緩衝層２０、緩衝層２０上に形成されたＧａＮ層３０、及びＧａＮ層３０上に形成されたＡｌＧａＮ層４０を含む。アノード６０及びカソード７０は、デバイスのための電気接触部として機能する。アノード６０は、より低い電位障壁を有する第１部分６０１、及びより高い電位障壁を有する第２部分６０２を含む。アノード６０は、ＡｌＧａＮ層４０上に形成され、その間にショットキーインターフェースを形成する。カソード７０がＧａＮ層３０上に形成されて、その間にオーミック接触を形成する。
【００１２】
ＦＥＳＢＤが順方向の状態で動作するとき、より低い電位障壁の金属の存在により、順方向の電圧降下が大幅に低減し得る。逆方向の状態で動作するとき、より高い電位障壁の金属は依然として、より高い電位障壁金属のみで形成される電極を有するデバイスのチャネルをピンチオフするのと、ほぼ同じ逆電圧で二次元電子ガスチャネルをピンチオフする。結果として、ショットキーダイオード内の２金属電極を使用することにより、逆阻止電圧を実質的に低減させることなく、順電圧が低減される。
【００１３】
電界効果ショットキーバリアダイオードの１つの限界は、ＡｌＧａＮ厚さの増加に伴って、そのオン抵抗が大きくなり、よってＡｌＧａＮ層厚さが非常に小さい場合（一般的に、約５ナノメートル）にのみ有用であることである。図３ａ及び３ｂはそれぞれ、順バイアス及び逆バイアスにおける、従来的なショットキーダイオードの電流電圧曲線を示す。従来的なダイオードは、その仕事関数が、ＦＥＳＢＤ内の高い障壁高さの金属と同じである、ショットキー金属を有する。図３ａ及び図３ｂはまた、図２に示され、上記のＩｋｅｄａの文献に記載される、２つの金属から形成される、ショットキー電極を備える、ＦＥＳＢＤの電流−電圧曲線を示す。図３に示される双方のデバイスは、比較的厚いＡｌＧａＮ層（この実施例においては２５ナノメートル）を有する。ＦＥＳＢＤにおいて順電圧は比較的小さいが、より高い電位障壁の金属の障壁高さのために、そのオン抵抗は大きい。
【００１４】
ＡｌＧａＮ層は、二次元電子ガスが高密度に達するために、臨界厚さ（例えば、Ａｌ％に応じ、約５ｎｍ）を必要とし、ＡｌＧａＮ層の厚さは正確に制御される必要があるためにＦＥＳＢＤ内の薄いＡｌＧａＮ層を使用することは、そのターンオン電圧を低減する上で、それほど実用的ではない。ＦＥＳＢＤの動作特性を正確に説明すると、これは所与のＡｌＧａＮ厚さにおいて逆方向阻止電圧を実質的に低減させることなく、順電圧を低減させる。残念ながら、高い二次元電子ガス密度及び低いシート抵抗を維持するために、ＡｌＧａＮ層は一般的により厚く成長させられるため、これは、一般的に利用されるＡｌＧａＮ／ＧａＮエピタキシャルウエハに適用することはできない。更に、ＦＥＳＢＤは、より低い電位障壁金属の障壁高さにより誘発される、比較的大きな漏洩電力を有することが見出されている。
【００１５】
概して、ＦＥＳＢＤは、ｉ）より低い電位障壁を有するショットキー金属の仕事関数により判定されるより低い順電圧降下、ｉｉ）より高い電位障壁を有するショットキー金属の仕事関数により特徴付けられる、高バイアス下における順電流密度、ｉｉｉ）低いショットキー障壁金属により特徴付けられる初期漏洩電力、及びｉｖ）高い電位障壁金属の仕事関数により判定される、実質的な絶縁破壊電圧を有することが示されている。
【００１６】
以下に記載されるように、薄いＡｌＧａＮ層を使用することにより生じる、ＦＥＳＢＤ内の阻止電圧の低減は、二次元電子ガスと接触するように、より低い電位障壁を有する金属がＡｌＧａＮ層を通じて凹んでおり、一方でより高い電位障壁を有する金属がＡｌＧａＮ表面上に位置している、デュアルメタルショットキー電極により克服することができる。このようにしてアノードを凹ませることによって、キャリアが、二次元チャネルからアノードへとＡｌＧａＮ障壁を通らずに熱電子放出で直接移動することができ、よって電位障壁を低減させて電流を増加させる。電位障壁が低減するために、デバイスの順電圧降下が低減する。加えて、逆バイアス下において、凹んでいないＡｌＧａＮ層上の高電位障壁は空乏化してチャネルを塞ぎ、ＦＥＳＢＤにおける高い漏洩の問題を改善する。この電極の構成は、デバイスの漏洩電流を低減させることが見出されている。
【００１７】
図４は、デュアルメタルの、一部が凹んだアノードを利用する、ショットキーダイオード２００の一実施形態を示す。このようなダイオードは、凹み付きゲート電界効果ショットキーバリアダイオード（ＲＧＦＥＳＢＤ）と称されることがある。ダイオード２００は、多くの異なる材料系から作製することができる。ダイオード２００は、説明及び理解を容易にするために単一のデバイスとして示されているが、ダイオードは典型的には、ウエハのレベルで作製され、その後個別のデバイスへと分割される。いくつかの場合において、単一のウエハレベルプロセスから、数千のデバイスが作製され得る。
【００１８】
ダイオード２００は、第ＩＩＩ族窒化物系の材料系を使用して作製される。第３族窒化物としては、窒素と、周期表の第３族の元素（通常は、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、及びインジウム（Ｉｎ））との間で形成される半導体化合物が挙げられる。この族はまた、ＡｌＧａＮ及びＡｌｌｎＧａＮなどの三元及び第３化合物を含む。例示目的のため、以下に記載されるダイオードは、ＧａＮ及びＡｌＧａＮから形成されるが、他の第３族窒化物もまた利用することができる。
【００１９】
ダイオード２００は、サファイア、シリコン、又は炭化ケイ素などの、様々な材料から形成され得る基板２１０を含む。様々な製造技術において、基板２１０と第１活性層２３０との間に配置される１つ以上の材料層が利用され得る。例えば、いくつかの場合において、緩衝層２２０は、基板２１０上で形成され得る。緩衝層２２０は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、又は窒化アルミニウム（ＡＩＮ）から形成されてもよく、非ＧａＮ基板からＧａＮ系活性構造への境界面をもたらす。緩衝層２２０は、活性デバイス層における欠陥濃度を低減させることができる。緩衝層２２０は、基板２１０の一部とみなすことができ、緩衝層２２０上に形成される残りの層は、構造体のデバイス層とみなすことができる。図４の実施例において、第１活性層２３０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含んでいる。他の実施例において、元素周期表の第ＩＩＩ族の他の元素の窒化化合物を含む様々な半導体材料が、第１活性層２３０を含んでもよい。
【００２０】
図４の実施例における第２活性層２４０は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）を含む。他の実施例において、窒化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＮ）、及び窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）などの、様々な第ＩＩＩ族窒化物半導体材料が、第２活性層２４０を含み得る。第２活性層２４０の材料は、非化学量論的化合物であり得る。このような材料において、元素の比率は、通常の整数で容易に表現されない。例えば、第２活性層２４０は、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（このとき、０＜Ｘ＜１）などの、第ＩＩＩ族窒化物半導体材料の非化学量論的化合物であり得る。
【００２１】
材料間のバンドギャップの差のために、第２活性層２４０から第１活性層２３０へと電荷が移動するため、第１活性層２３０内、第１活性層２３０と第２活性層２４０との間の境界面で、高電荷、高移動度の電子の平坦な領域が形成される。この電荷の領域は二次元電子ガス２５０と称される場合があるがこれは、第ＩＩＩ族ヘテロ構造の分極効果から生じる量子井戸に閉じ込められた電子が、二次元において自由に動けるが、三次元において強く拘束されているためである。
【００２２】
第２活性層２４０を通じて第１活性層２３０へと移動して電子ガス２５０を形成する電荷の量は、第２活性層２４０の厚さ及び材料濃度（例えば、Ａｌ％組成）に依存し、これは最初に電子ガス２５０の電子量を決定する。一実施形態において、第２活性層２４０は、約０．０１〜０．０４マイクロメートルの範囲内の厚さを有する、ＡｌＧａＮから形成される。ＡｌＧａＮ層はドープｎ型であってもよく、ｎ型ドーパントは、第２活性層２４０内に均一に、又は層の一部のみに組み込まれてもよい。ＡｌＧａＮ層内におけるｎ型ドーパント不純物は例えばシリコンであってもよい。
【００２３】
デバイス内に電極が配置されて、活性層への電気的導通を形成する。特に、第１活性層２３０内にカソード２７０が配置されて、その間にオーミック接合を形成する。カソード２７０は、任意の好適な金属から形成され得る。
【００２４】
デュアルメタルの一部凹んだアノード２６０は、第２活性層２４０と接触し、その間にショットキー接合を形成する。アノード２６０は、金属又は金属ガリウム（ｍｅｔａｌ  ｇａｌｌｉｃｉｄｅ）などの、ショットキー接合を形成するための、金属の任意の好適な対から形成され得る。好適な金属としては、ニッケル（Ｎｉ）、プラチナ（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、及び金（Ａｕ）が挙げられる。
【００２５】
示されるように、デュアルメタルの一部凹んだアノード２６０は、第２活性層２４０上に位置する高電位部分２６０２、及び第１活性層２３０内又はその上に位置する低電位部分２６０１を含む。アノード２６０の高電位部分２６０２を形成するために使用される材料は、低電位障壁部分２６０１よりも高いショットキー電位障壁を有する。例えば、一実施形態において、低電位障壁材料はＭｏ又はＣｕであり得、７．４５Ｅ−１９Ｊ（４．６５ｅＶ）の電位障壁を有し、高電位障壁材料はＮｉ又はＰｄであり得、８．２５Ｅ−１９Ｊ（５．１５ｅＶ）の電位障壁を有する。
【００２６】
より低い電位の、凹んだアノード部分２６０１以下において、ＡｌＧａＮは完全に排除され、凹んだアノード部分２６０１が、二次元電子ガスと直接接している。結果として、熱電子放出、加えてトンネル効果によって、遥かに低い電位障壁を通じて移動することができる。したがって、電流密度は、大幅に上昇し得る。更に、電位障壁が低減するため、デバイスの順電圧降下が低減し、一方で凹んだ領域の外側のＡｌＧａＮ層の全体的厚さが維持される。このようにして、Ｆｕｒｕｋａｗａにより示されるような、ＡｌＧａＮ層全体の厚さを低減させた場合におけるよりも、高い阻止電圧が維持され得る。
【００２７】
図５ａ及び図５ｂはそれぞれ、本明細書において記載される、従来的なＡｌＧａＮ／ＧａＮショットキーダイオード、ＦＥＳＢＤ、及びＲＧＦＥＳＢＤの、順方向及び逆方向電流電圧（Ｉ−Ｖ）曲線のシミュレーションを示す。全ての場合において、ＡｌＧａＮは２５ｎｍ厚さであり、２５％のＡｌ組成物を有し、ＧａＮ層はエピタキシャル層０．５マイクロメートル厚さであり、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ境界面において二次元電子ガスは、８×１０１２ｃｍ−２である。利用される２つのショットキー金属の仕事関数は、４．６５、及び８．３Ｅ−１９Ｊ（５．２ｅＶ）であり、これは、漏洩電流を低減させることがわかっている、低仕事関数の金属と高仕事関数の金属の好適な組み合わせであり、一方で、従来的なＳＢＤでは８．３Ｅ−１９Ｊ（５．２ｅＶ）である。示されるように、ＲＧＦＥＳＢＤはこのグループにおいて最も高い絶縁破壊電圧を有し、ＦＥＳＢＤよりも低い漏洩電流を有する。より低いショットキー障壁の結果として、ＲＧＦＥＳＢＤの初期漏洩電流は従来的なショットキーダイオードよりも高いが、大きなバイアスにおいて、二次元電子ガスの電荷空乏化によって漏洩電流が更に抑制される。更に、順バイアス下におけるＲＧＦＥＳＢＤの性能は、３つのデバイスの中で最も良く、その順電圧降下は非常に低い。要約すると、図５の曲線は、デュアルメタルの一部が凹んだアノードの使用により、順電圧降下が著しく低減し、一方でデバイスの絶縁破壊電圧が上昇する。
【００２８】
図４に示されるように、ＡｌＧａＮ層内に位置する部分２６０１の凹んだ部分のエッチング深さは、低電位の凹んだ部分２６０１全体にわたって一定であり得る。あるいは、いくつかの場合において、高電位部分２６０２の１つ以上の区分がまた、凹んでおり、ＡｌＧａＮ層内の様々な深さに位置してもよい。例えば、図６に示されるように、アノード２６０の高電位部分２６０２のいくつかの区分が凹んでおり、各区分がＡｌＧａＮ層２４０内の様々な深さに位置するように、エッチングされてもよい。例えば、図６において、凹んだ区分は、階段状の構成を有する。図４及び図６、並びに以降の図において、同様の要素には同様の参照番号が付される。
【００２９】
図７は、デュアルメタルの、一部が凹んだアノード２６０の別の例示的な構成を示す。この実施例において、一部が凹んだアノードは、図６における階段状構成を有するが、より高い障壁部分２６０２のエッチング深さは、図６におけるように単純に増加するのではなく、増加及び減少する。シミュレーションにより、この構成はまた、デバイスの漏洩電流を有利に低減させ得ることが示された。
【００３０】
図８は、デュアルメタルの、一部が凹んだアノード２６０の更に別の構成を例示する。この実施例において、ＡｌＧａＮ層２４０に隣接する、一部が凹んだアノードの縁部２８０は、垂直方向には延びず、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ境界面に対して垂直でない角度を形成するように傾斜している。先と同じように、低い障壁部分２６０１は、ＡｌＧａＮ層内に形成される凹んだ領域内に位置し、高い障壁部分２６０２は、ＡｌＧａＮ表面上に位置する。
【００３１】
いくつかの実施形態において、アノード２６０のより低い電位部分２６０１、及びより高い電位部分２６０２が占める、表面積（すなわち、基板が延びる平面と平行な表面の面積）は互いにほぼ同じである。他の実施形態において、これらの表面積は互いに異なり得る。例えば、いくつかの実施形態において、低い障壁部分２６０１の表面積を、高い障壁部分２６０２の表面積よりも小さくすることが有利であり得る。このような構成は、いくつかの場合において、漏洩電流を低減させ得る。一般的に、異なるアノード部分の相対的な寸法は、特定のデバイスの特徴、及びデバイスが利用される用途に依存する。
【００３２】
本明細書において記載される、ＧａＮ系ショットキーダイオードは、エピタキシャル成長プロセスを使用して作製され得る。例えば、反応スパッタ法が使用されてもよく、ターゲット及び基板の両方が、窒素及び１つ以上のドーパントを含む気体雰囲気中にある間に、ガリウム、アルミニウム、及び／又はインジウムなど、半導体の金属成分が、基板付近に配置された金属ターゲットから取り除かれる。あるいは、有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）が利用されてもよく、基材は、金属の有機化合物を含む雰囲気、加えて、アンモニアなどの窒素含有気体、及びドーパント含有気体に暴露され、この間基材は高温（典型的には約７００〜１１００℃）に維持される。気体化合物は分解し、基材表面上の結晶性物質の膜の形態の、ドープ半導体を形成する。基材及び成長したフィルムはその後冷却される。更なる選択肢として、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）などの、他のエピタキシャル成長法又は原子層エピタキシーが使用されてもよい。使用され得る更なる追加的な技術としては、非限定的に、流量変調有機金属化合物気相成長（ＦＭ−ＯＭＶＰＥ）、有機金属化合物気相成長（ＯＭＶＰＥ）、水素化物気相成長（ＨＶＰＥ）、及び物理蒸着法（ＰＶＤ）が挙げられる。
【００３３】
一部が凹んだアノードを形成するために、半導体製造業界において既知の標準的な金属化技術が使用され得る。ショットキー接合を形成するために使用され得る例示的な金属としては、例として、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、及びＰｔショットキー金属が挙げられ、異なる仕事関数を有し、異なる障壁電位を生じる。アノードの凹んだ部分が位置する、第２活性層内の凹み（例えば、ＡｌＧａＮ層）は、例えば、反応イオンエッチング（ＲＩＥ）、誘電結合プラズマ（ＩＣＰ）、又は電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマエッチングなどの、既知のエッチングプロセスを使用して形成され得る。
【００３４】
図９は、半導体デバイスを形成するための方法の一例を示すフローチャートである。方法は、ブロック３１０において、基板上に第１活性層を形成する工程を含む。第２活性層は、ブロック３２０において、第１活性層の上に形成される。活性層は、第１活性層よりも高いバンドギャップを有し、これによって第１活性層と第２活性層との間に、二次元電子ガス層が生じる。ブロック３３０において、凹みを画定するために、エッチングにより第２活性層の一部が除去される。ブロック３４０において、凹みの中に、ショットキー電極の第１部分が形成される。次に、ブロック３５０において、第２活性層上に、ショットキー電極の第２部分が形成される。ショットキーの第１部分が、二次元電子ガスと接触する。異なる仕事関数を有するようにショットキー金属が選択され、ショットキー電極の第１部分が、典型的には、ショットキー電極の第２部分よりも低い仕事関数を有する。第１活性層への直接金属堆積、又は第２活性層への金属堆積及び第１活性層に到達するための合金化プロセスにより、ブロック３６０で第１活性層上に第２電極が形成され、その間にオーミック接合が形成される。
【００３５】
上記の実施例及び開示は、例示的であることを意図され、網羅的ではない。これらの実施例、及び記載は当業者に多くのバリエーション及び選択肢を提示する。これらの選択肢及びバリエーションは、添付の請求項の範囲内に含まれることを意図される。当業者は、本明細書に記載される特定の実施形態の、他の等価物を認識でき、これらの等価物はまた、添付の請求項に包含されることを意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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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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【国際調査報告】
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