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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6244557
(24)【登録日】2017年11月24日
(45)【発行日】2017年12月13日
(54)【発明の名称】窒化物半導体デバイス
(51)【国際特許分類】
H01L 29/872 20060101AFI20171204BHJP
H01L 21/28 20060101ALI20171204BHJP
H01L 29/41 20060101ALI20171204BHJP
H01L 29/47 20060101ALI20171204BHJP
H01L 21/336 20060101ALI20171204BHJP
H01L 29/78 20060101ALI20171204BHJP
H01L 21/338 20060101ALI20171204BHJP
H01L 29/778 20060101ALI20171204BHJP
H01L 29/812 20060101ALI20171204BHJP
H01L 21/337 20060101ALI20171204BHJP
H01L 29/808 20060101ALI20171204BHJP
【ＦＩ】
H01L29/86 301F
H01L21/28 301B
H01L29/44 S
H01L29/48 F
H01L29/48 D
H01L29/86 301D
H01L29/78 301B
H01L29/78 301S
H01L29/80 H
H01L29/80 C
【請求項の数】7
【全頁数】16
(21)【出願番号】特願2014-556209(P2014-556209)
(86)(22)【出願日】2013年10月29日
(86)【国際出願番号】JP2013006370
(87)【国際公開番号】WO2014108945
(87)【国際公開日】20140717
【審査請求日】2016年7月7日
(31)【優先権主張番号】特願2013-1310(P2013-1310)
(32)【優先日】2013年1月8日
(33)【優先権主張国】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】314012076
【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100106116
【弁理士】
【氏名又は名称】鎌田 健司
(74)【代理人】
【識別番号】100170494
【弁理士】
【氏名又は名称】前田 浩夫
(72)【発明者】
【氏名】柴田 大輔
(72)【発明者】
【氏名】根来 昇
【審査官】
河合 俊英
(56)【参考文献】
【文献】
特開２００９−１１７４８５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１１−０５４８４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００７−１３４６０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１２−１８６３３１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
国際公開第２０１１／０１０４１９（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０１Ｌ ２９／８７２
Ｈ０１Ｌ ２１／２８
Ｈ０１Ｌ ２１／３３６
Ｈ０１Ｌ ２１／３３７
Ｈ０１Ｌ ２１／３３８
Ｈ０１Ｌ ２９／４１
Ｈ０１Ｌ ２９／４７
Ｈ０１Ｌ ２９／７７８
Ｈ０１Ｌ ２９／７８
Ｈ０１Ｌ ２９／８０８
Ｈ０１Ｌ ２９／８１２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板と、前記基板の上に形成された緩衝層と、
前記緩衝層の上に、第１の窒化物半導体層と該第１の窒化物半導体層に比べてバンドギャップが大きい第２の窒化物半導体層とを含む半導体層がこの順に２周期以上積層された積層体と、
前記積層体の側面から上面に連続した第１の領域に形成された第１の電極と、
前記積層体の側面から上面に連続した領域のうち前記第１の領域以外の一部の領域である第２の領域に形成された第２の電極とを有し、
前記半導体層において前記第１の窒化物半導体層と前記第２の窒化物半導体層との界面にはチャネル層が形成され、
最上層の前記半導体層の前記チャネル層のキャリア濃度は、他の前記半導体層の前記チャネル層のキャリア濃度より低く、
前記第１の窒化物半導体層は、ＧａＮで構成され、
前記第２の窒化物半導体層は、ＡｌＧａＮで構成され、
最上層の前記第２の窒化物半導体層を構成するＡｌＧａＮのＡｌ組成比は、他の前記第２の窒化物半導体層を構成するＡｌＧａＮのＡｌ組成比より低い
窒化物半導体デバイス。
前記緩衝層の上に、第１の窒化物半導体層と該第１の窒化物半導体層に比べてバンドギャップが大きい第２の窒化物半導体層とを含む半導体層がこの順に２周期以上積層された積層体と、
前記積層体の側面から上面に連続した第１の領域に形成された第１の電極と、
前記積層体の側面から上面に連続した領域のうち前記第１の領域以外の一部の領域である第２の領域に形成された第２の電極とを有し、
前記半導体層において前記第１の窒化物半導体層と前記第２の窒化物半導体層との界面にはチャネル層が形成され、
最上層の前記半導体層の前記チャネル層のキャリア濃度は、他の前記半導体層の前記チャネル層のキャリア濃度より低く、
前記第１の窒化物半導体層は、ＧａＮで構成され、
前記第２の窒化物半導体層は、ＡｌＧａＮで構成され、
最上層の前記第２の窒化物半導体層を構成するＡｌＧａＮのＡｌ組成比は、他の前記第２の窒化物半導体層を構成するＡｌＧａＮのＡｌ組成比より低い
窒化物半導体デバイス。
【請求項2】
前記第１の電極に電気的に接続され、前記第１の電極と前記積層体の上面との間に形成されたブロック層をさらに有する
請求項１記載の窒化物半導体デバイス。
請求項１記載の窒化物半導体デバイス。
【請求項3】
前記ブロック層は、ｐ−ＡｌＧａＮで構成される
請求項２記載の窒化物半導体デバイス。
請求項２記載の窒化物半導体デバイス。
【請求項4】
前記最上層の第２の窒化物半導体層の膜厚は、他の前記第２の窒化物半導体層の膜厚より厚い
請求項３記載の窒化物半導体デバイス。
請求項３記載の窒化物半導体デバイス。
【請求項5】
前記積層体は、前記半導体層が３周期以上積層された積層体であり、
前記半導体層の前記チャネル層のキャリア濃度は、最上層から下の層にいくにつれて増加する
請求項１記載の窒化物半導体デバイス。
前記半導体層の前記チャネル層のキャリア濃度は、最上層から下の層にいくにつれて増加する
請求項１記載の窒化物半導体デバイス。
【請求項6】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスは、窒化物半導体ダイオードであり、
前記第１の電極は、アノード電極であり、
前記第２の電極は、カソード電極である
窒化物半導体ダイオード。
前記第１の電極は、アノード電極であり、
前記第２の電極は、カソード電極である
窒化物半導体ダイオード。
【請求項7】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスは、窒化物半導体トランジスタであり、
前記第１の電極は、ドレイン電極であり、
前記窒化物半導体トランジスタは、さらに、前記積層体の最上層の上面に第３の電極を有し、前記第３の電極は、ソース電極である
窒化物半導体トランジスタ。
前記第１の電極は、ドレイン電極であり、
前記窒化物半導体トランジスタは、さらに、前記積層体の最上層の上面に第３の電極を有し、前記第３の電極は、ソース電極である
窒化物半導体トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、テレビや他の民生機器の電源回路等で用いられるパワーデバイスに適用できる窒化物半導体デバイスに関する。【背景技術】
【0002】
ＧａＮに代表される窒化物半導体はＧａＮ及びＡｌＮのバンドギャップがそれぞれ室温で３．４ｅＶ、６．２ｅＶと大きいワイドギャップ半導体であり、絶縁破壊電界が大きく、電子の飽和ドリフト速度がＧａＡｓなどの化合物半導体あるいはＳｉ半導体などに比べて大きいという特長を有している。またＡｌＧａＮ／ＧａＮへテロ構造においては（０００１）面上にて自発分極及びピエゾ分極によりヘテロ界面に電荷が生じ、アンドープ時においても１×１０１３ｃｍ−２以上のシートキャリア濃度が得られるため、ヘテロ界面での２次元電子ガス（２ＤＥＧ：２ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｇａｓ）を利用し、より電流密度の大きなダイオードやヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ：Ｈｅｔｅｒｏ−ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が実現できる。このため、高出力化・高耐圧化に有利な窒化物半導体を用いたパワーデバイスの研究開発が現在活発に行われている。【0003】
ここで、上記ＡｌＧａＮとは、３元混晶ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘはある値、但し０≦ｘ≦１）のことを表す。以下、多元混晶はそれぞれの構成元素記号の配列、例えばＡｌＩｎＮ、ＧａＩｎＮ等でもって略記される。例えば、窒化物半導体ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（ｘ、ｙはある値、但し０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）はＡｌＧａＩｎＮと略記される。【0004】
ＧａＮパワーデバイスの主要デバイスの１つに、ショットキーダイオードがある。このダイオードは、積層されたアンドープＡｌＧａＮ層とアンドープＧａＮの界面に発生する２次元電子ガスをチャネルとして用いるため、大電流、低抵抗な動作が可能である。【0005】
一般的に、ショットキーダイオードはスイッチング特性に優れ、順方向の立上り電圧が低いといった長所があるが、逆方向リーク電流が大きいという短所がある。この短所を克服するためには、例えば、アンドープＡｌＧａＮ層上に形成されたアノード電極にｐ−ＧａＮ層を挿入することで、界面リーク電流を抑制するという方法が提案されている。これにより、低動作電圧ではリーク電流を低減するダイオードを実現できる。【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２０１１−５４８４５号公報
【発明の概要】
【0007】
しかしながら、上記の方法によって、動作電圧が低い場合のリーク電流を低減するという効果は実現できるが、動作電圧が高い場合のリーク電流に対しては、その効果が十分でないという課題があった。【0008】
本発明は、上記の課題に鑑み、高電圧領域であってもリーク電流の低減を実現することができる窒化物半導体デバイスを提供することを目的とする。【0009】
上記目的を実現するために、本発明の一態様に係る窒化物半導体デバイスは、基板と、基板の上に形成された緩衝層と、緩衝層の上に、第１の窒化物半導体層と該第１の窒化物半導体層に比べてバンドギャップが大きい第２の窒化物半導体層とを含む半導体層がこの順に２周期以上積層された積層体と、積層体の側面から上面に連続した第１の領域に形成された第１の電極と、積層体の側面から上面に連続した領域のうち第１の領域以外の一部の領域である第２の領域に形成された第２の電極とを有し、半導体層において第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との界面にはチャネル層が形成され、最上層の半導体層のチャネル層のキャリア濃度は、他の半導体層のチャネル層のキャリア濃度より低い。【0010】
この構成によれば、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの複数積層体とすることで複数のチャネルを形成することができオン抵抗を低減することができる。これにより、各チャネルのキャリア濃度を変えることにより、逆方向リーク電流を制御することが可能になる。したがって、窒化物半導体デバイスにおいて、オン抵抗を低減し、かつ、逆方向のリーク電流を低減することが可能になる。【0011】
また、第１の電極に電気的に接続され、第１の電極と積層体の上面との間に形成されたブロック層をさらに有する。【0012】
この構成によれば、電極にブロック層となる半導体層を挿入することにより逆方向のリーク電流をさらに低減することが可能になる。したがって、窒化物半導体デバイスにおいて、よりオン抵抗を低減し、かつ、逆方向のリーク電流を低減することが可能になる。【0013】
また、ブロック層は、ｐ−ＡｌＧａＮで構成される。【0014】
この構成によれば、電極にｐ−ＡｌＧａＮを挿入することにより逆方向リーク電流をさらに低減することが可能になる。したがって、窒化物半導体デバイスにおいて、オン抵抗を低減し、かつ、逆方向のリーク電流を低減することが可能になる。【0015】
また、第１の窒化物半導体層は、ＧａＮで構成され、第２の窒化物半導体層は、ＡｌＧａＮで構成され、最上層の第２の窒化物半導体層を構成するＡｌＧａＮのＡｌ組成比は、他の第２の窒化物半導体層を構成するＡｌＧａＮのＡｌ組成比より低い。【0016】
この構成によれば、最上層側のチャネルのキャリア濃度を低減することができ、最上層ＡｌＧａＮを介した逆方向リーク電流を低減することができる。したがって、窒化物半導体デバイスにおいて、オン抵抗を低減し、かつ、逆方向のリーク電流を低減することが可能になる。また、最上層のアンドープＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を下げることでチャネルのキャリア濃度を低減することができる。さらに、最上層のアンドープＡｌＧａＮ層を介した逆方向リーク電流を低減することができる。したがって、窒化物半導体デバイスにおいて、オン抵抗を低減し、かつ、逆方向のリーク電流を低減することが可能になる。【0017】
また、最上層の第２の窒化物半導体層の膜厚は、他の第２の窒化物半導体層の膜厚より厚い。【0018】
この構成によれば、最上層側のＡｌＧａＮバリア層の膜厚を厚くすることで最上層ＡｌＧａＮを介した逆方向リーク電流を低減することができる。したがって、オン抵抗の低減かつ逆方向リーク電流低減が可能になる。【0019】
また、上記した窒化物半導体デバイスは、窒化物半導体ダイオードであり、本発明の一態様に係る窒化物半導体ダイオードは、第１の電極は、アノード電極であり、第２の電極は、カソード電極である。【0020】
この構成によれば、上記した特徴を有する窒化物半導体ダイオードを提供することができる。つまり、オン抵抗を低減し、かつ、逆方向のリーク電流を低減することができる窒化物半導体ダイオードを提供することができる。【0021】
また、上記した窒化物半導体デバイスは、窒化物半導体トランジスタであり、本発明の一態様に係る窒化物半導体トランジスタは、第１の電極は、ドレイン電極であり、窒化物半導体トランジスタは、さらに、積層体の最上層の上面に第３の電極を有し、第３の電極は、ソース電極である。【0022】
この構成によれば、上記した特徴を有する窒化物半導体トランジスタを提供することができる。つまり、オン抵抗を低減し、かつ、逆方向のリーク電流を低減することができる窒化物半導体トランジスタを提供することができる。【0023】
本窒化物半導体デバイスによれば、高電圧領域であってもリーク電流の低減を実現することができる窒化物半導体デバイスを提供することが可能となる。【図面の簡単な説明】
【0024】
【発明を実施するための形態】
【0025】
（本発明の基礎となった知見）本発明の実施の形態について説明する前に、本発明の基礎となった技術について説明する。
【0026】
上記したように、ＧａＮパワーデバイスの主要デバイスの１つに、ショットキーダイオードがある。ショットキーダイオードは、例えば、Ｓｉ基板上に膜厚２μｍの緩衝層と、膜厚３μｍのアンドープＧａＮ層と、膜厚２５ｎｍのアンドープＡｌＧａＮ層とをこの順に積層した構成をしている。Ｎｉアノード電極は、アンドープＡｌＧａＮ層上に形成されている。Ｔｉ／Ａｌカソード電極は、アンドープＡｌＧａＮ層とアンドープＧａＮ層とを突き抜けるようにエッチングされた領域を覆うように、形成されている。このショットキーダイオードは、アンドープＡｌＧａＮ層とアンドープＧａＮ層の界面に発生する２次元電子ガスをチャネルとして用いるため、大電流、低抵抗な動作が可能である。【0027】
一般的に、ショットキーダイオードは、スイッチング特性に優れ順方向の立上り電圧が低いといった長所があるが、逆方向リーク電流が大きいという短所がある。この短所を克服するためには、例えば、以下のような方法が提案されている。【0028】
図１２は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮへテロ構造を用いたショットキーダイオードの断面図である。図１２に示すように、アンドープＡｌＧａＮ層４０４とアノード電極４１１との間に、ブロック層としてｐ−ＧａＮ層４０８を挿入することで、ショットキーダイオード４００の界面リーク電流を抑制できる。これにより、逆方向特性を向上することができる。また、順方向特性については、図１２に示すショットキーダイオード４００では電流はショットキー接合部分を流れるため、立上り電圧もショットキーダイオードと同等である。これにより、動作電圧が低い場合にはリーク電流を低減することが可能である。【0029】
しかしながら、上記の方法では、動作電圧が低い場合のリーク電流を低減するという効果は実現できるが、動作電圧が高い場合のリーク電流に対しては、その効果が十分でないという課題があった。【0030】
このような課題に鑑み、以下に、高電圧領域であってもリーク電流の低減を実現することができる窒化物半導体デバイスについて説明する。【0031】
以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。【0033】
本実施の形態に係るダイオード１００は、基板１０１と、緩衝層１０２と、アンドープＧａＮ層１０３とアンドープＡｌＧａＮ層１０４とで構成された半導体層１０５と、半導体層１０５を３層積層した最上層のアンドープＡｌＧａＮ層１０４ａ上に形成されたブロック層１０８と、カソード電極１１０と、アノード電極１１１とを備えている。【0034】
具体的には、図１に示すように、ダイオード１００では、Ｓｉやサファイア、ＳｉＣ、ＧａＮなどで構成される基板１０１の上に、膜厚２μｍの緩衝層１０２と、膜厚３μｍのアンドープＧａＮ層１０３と、膜厚２５ｎｍのアンドープＡｌＧａＮ層１０４とがこの順に形成されている。さらに、その上に膜厚２５〜３００ｎｍのアンドープＧａＮ層１０３と膜厚２５ｎｍのアンドープＡｌＧａＮ層１０４とで構成された半導体層１０５が積層されている。さらに、その上に膜厚２５〜３００ｎｍのアンドープＧａＮ層１０３と膜厚２５ｎｍの最上層のアンドープＡｌＧａＮ層１０４ａとで構成された最上層の半導体層１０５ａが積層されている。これにより、ダイオード１００は、アンドープＧａＮ層１０３とアンドープＡｌＧａＮ層１０４との間に、複数の２次元電子ガス層（チャネル）１０６を形成している。【0035】
なお、最上層に形成されたアンドープＡｌＧａＮ層１０４を、最上層のアンドープＡｌＧａＮ層１０４ａ、最上層のアンドープＡｌＧａＮ層１０４ａとその下のアンドープＧａＮ層１０３とで構成された積層体を最上層の半導体層１０５ａとも呼ぶ。【0036】
ブロック層１０８は、膜厚２００ｎｍのｐ−ＡｌＧａＮ（例えば、キャリア濃度：１Ｅ＋１８ｃｍ−３すなわち１０１８ｃｍ−３）で構成され、最上層のアンドープＡｌＧａＮ層１０４ａ上にドライエッチング等により形成されている。ｐ−ＡｌＧａＮは、デバイス表面に形成する保護膜と最上層のアンドープＡｌＧａＮ層１０４ａとの界面リークを抑制する効果があるため、ブロック層１０８を形成することにより、ダイオード１００においてリーク電流を低減できる。【0037】
なお、アンドープＧａＮ層１０３およびアンドープＡｌＧａＮ層１０４は、それぞれ本発明における第１の窒化物半導体および第２の窒化物半導体に相当する。【0038】
Ｔｉ／Ａｌで構成されるカソード電極（２次元電子ガス層に対してオーミック接触）１１０は、アンドープＡｌＧａＮ層１０４とアンドープＧａＮ層１０３とで構成される半導体層１０５を複数層突き抜けるようにエッチングされたリセス領域を覆うように形成されている。カソード電極１１０およびアノード電極１１１は、２次元電子ガス層（チャネル）１０６と接触している。なお、カソード電極１１０を形成するためのカソード部として半導体層１０５を突き抜けるようにリセス領域を形成することで、カソード電極１１０と半導体層１０５とのコンタクト抵抗を低減することが可能であるが、必ずしもリセス領域を設けなくてもかまわない。またアノード電極１１１は、最上層のアンドープＡｌＧａＮ層１０４ａとｐ−ＡｌＧａＮで構成されたブロック層１０８の両者に接するように、リフトオフ法により形成されている。【0039】
ここでは、ブロック層１０８としてｐ−ＡｌＧａＮを例に挙げたが、ｉ−ＡｌＧａＮやＳｉＮ、ＳｉＯ２などの半導体を用いても同様の効果が得られる。アノード電極１１１およびカソード電極１１０は、それぞれ本発明における第１の電極および第２の電極に相当する。【0040】
なお、上記ブロック層１０８はダイオードにおいてリークの低減に対して効果的であるが、後述する図６に示すように、必ずしも形成する必要はない。【0041】
なお、さらに好ましくは、アノード電極１１１となるショットキーメタルは、アンドープＡｌＧａＮ層１０４とアンドープＧａＮ層１０３とで構成される半導体層１０５を複数層突き抜けるようにエッチングされた領域（リセス領域）を覆うように形成されて、２次元電子ガス層（チャネル）１０６とブロック層１０８を構成するｐ−ＡｌＧａＮの両者と接触している方がよい。これにより、リセス領域がない場合に比べてショットキーメタルが直接２次元電子ガス層（チャネル）１０６と接触するので、順方向特性が良化する。但し、上記アノード電極１１１を形成するためのリセス領域は必ずしも必要ではない。【0042】
以下、ダイオード１００の製造方法について説明する。図２の（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態に係るダイオード１００の製造工程を示す図である。【0043】
図２の（ａ）に示すように、はじめに基板１０１を用意する。基板１０１は、例えば、Ｓｉ、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮなどで構成される。基板１０１上には、膜厚２μｍの緩衝層（バッファ層）１０２がスパッタリングにより形成される。【0044】
緩衝層１０２の上には、膜厚３μｍのアンドープＧａＮ層１０３がスパッタリングにより形成される。続けて、アンドープＧａＮ層１０３の上には、膜厚２５ｎｍのアンドープＡｌＧａＮ層１０４がスパッタリングにより形成される。さらに、アンドープＧａＮ層１０３とアンドープＡｌＧａＮ層１０４とで構成される半導体層１０５が、順に複数層積層される。さらに、最上層の半導体層１０５ａを構成する最上層のアンドープＡｌＧａＮ層１０４ａの上には、ブロック層１０８として、例えば、ｐ−ＡｌＧａＮ層がスパッタリングにより形成される。また、各半導体層１０５において、アンドープＧａＮ層１０３とアンドープＡｌＧａＮ層１０４との境界付近には、チャネル層（２次元電子ガス層）１０６が形成される。【0045】
その後、図２の（ｂ）に示すように、ドライエッチングによってブロック層１０８を構成するｐ−ＡｌＧａＮ層の一部がエッチングされて、後にアノード電極１１１が形成される第１の領域のみｐ−ＡｌＧａＮ層が残される。さらに、図２の（ｃ）に示すように、アノード電極１１１が形成される第１の領域およびカソード電極１１０が形成される第２の領域の一部（図２の（ｃ）に示す半導体層１０５の両端の一部）において、すべてのチャネル（２次元電子ガス）１０６を突き抜けるように、ドライエッチングによりリセス領域（掘り込み部）が形成される。すなわち、ドライエッチングにより、積層体の側面から上面に連続した第１の領域と、積層体の側面から上面に連続した領域のうち第１の領域以外の一部の領域である第２の領域が形成される。【0046】
続けて、図２の（ｄ）に示すように、第１の領域にアノード電極１１１が形成される。アノード電極１１１は、ショットキー電極となるＮｉ（Ｐｄ、Ｐｔ、などでもよい）で構成され、例えば蒸着法によってブロック層１０８の一部および上記したリセス領域の上を覆うように形成される。また、カソード電極１１０は、オーミック電極となるＴｉ／Ａｌで構成され、例えば蒸着法によって上記したアノード電極１１１が形成された第１の領域の側と異なる反対側の領域である第２の領域において、リセス領域の上を覆うように形成される。これにより、ダイオード１００が完成する。【0047】
上記のようなマルチチャネルダイオードの構成において、発明者らはリーク電流の解析を行い、逆方向リーク電流がダイオードの最上層側のチャネルのキャリア濃度と強く相関があることを見出した。図３は、リーク電流とダイオードの表面側チャネル抵抗との関係を示すグラフである。また、図４は、リーク電流低減効果を示すグラフである。【0048】
図３に示すように、リーク電流は、ダイオードのシート抵抗が大きくなるについて減少するが、シート抵抗が７００Ω／ｓｑ程度より大きくなると、リーク電流の値は１０−１８Ａ／ｍｍとほぼ一定値となる。これは、ダイオード１００において、最上層の半導体層１０５ａにおけるチャネル層１０６からブロック層１０８およびアノード電極１１１に抜けるリーク電流が支配的であることを示唆する結果である。つまり、最上層の半導体層１０５ａ側のチャネル層１０６のキャリア濃度を低減することで、逆方向リーク電流を低減することが可能である。【0049】
これは、最上層の半導体層１０５ａのチャネル層１０６のキャリア濃度が低くなると、ブロック層１０８を構成するｐ−ＧａＮ層からチャネル層１０６側に伸びる空乏層の幅が大きくなり、そこにかかる電界強度は弱まるため、リーク電流を低減することができるからである。【0050】
最上層の半導体層１０５ａのチャネル層１０６のキャリア濃度を低くするには、例えば、最上層のアンドープＡｌＧａＮ層１０４ａのＡｌ組成を２０％とし、それ以外のアンドープＡｌＧａＮ層１０４のＡｌ組成を２６％にすればよい。その場合のリーク電流は、図４に示す特性になる。【0051】
図４に示すように、リーク電流への寄与度が大きい最上層ではなく、最上層以外のアンドープＡｌＧａＮ層１０４のＡｌ組成を大きくすれば、オン抵抗を低減でき、順方向電流を増大させることができる。低オン抵抗かつ低リーク電流を実現するために、最上層チャネルのキャリア濃度をそれ以外のチャネルのキャリア濃度よりも低くすることが好ましい。【0052】
なお、下層のチャネル層１０６にいくにつれてキャリア濃度が増加する構造も有効である。【0053】
以上、本実施の形態に係るダイオード１００によると、基板上に積層された複数の半導体層積層体の各界面にはそれぞれチャネル層１０６が形成され、最上層の半導体層１０５ａのチャネルのキャリア濃度がその他のチャネルのキャリア濃度に比べて低いことにより、ダイオード１００のリーク電流を低減することができる。【0054】
（第１の実施の形態の変形例）次に、第１の実施の形態の変形例について説明する。本変形例に係る窒化物半導体デバイスであるダイオードが第１の実施の形態に係るダイオード１００と異なる点は、最上層のアンドープＡｌＧａＮ層１０４ａの膜厚が他のアンドープＡｌＧａＮ層１０４の膜厚よりも厚い点である。なお、本変形例において第１の実施の形態と同一の構成要素には、第１の実施の形態における符号と同一の符号を用いている。
【0056】
図５に示すように、ブロック層１０８となるｐ−ＡｌＧａＮ層の下に設けられた最上層のアンドープＡｌＧａＮ層１０４ｂは、その膜厚が厚く形成されている。これにより、順バイアス時にはｐ−ＡｌＧａＮ層の下のチャネルは、ｐ層によるバンド持上げ効果によって最上層のアンドープＡｌＧａＮ層１０４ｂのキャリア濃度が低くなり抵抗値が高くなる。【0057】
このように、ブロック層１０８の下の最上層のアンドープＡｌＧａＮ層１０４ｂの膜厚を厚くすることでブロック層１０８の下のチャネル層１０６のキャリア濃度を高くすることが可能である。これにより、最上層のアンドープＡｌＧａＮ層１０４ｂの低抵抗化が可能になり、ダイオード１５０のリーク電流を低減することができる。【0058】
なお、上記ブロック層１０８は、上記したダイオード１００および１５０においてリークの低減に対して効果的であるが、図６に示すダイオード１８０のように、ブロック層１０８を必ずしも形成する必要はない。【0059】
なお、ショットキーメタルを構成するアノード電極１１１の材料は、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｔｉのうち少なくとも１つを含むことが好ましい。また、ここで「アンドープ」とは、不純物が意図的に導入されていないことを意味するものとする。また、本変形例に係る窒化物半導体デバイスであるダイオード１５０では、最上層のアンドープＡｌＧａＮ層１０４ｂは、例えば、アンドープのＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎで構成されていてもよい。【0060】
なお、本実施の形態では３チャネルのダイオード１５０、すなわち、半導体層１０５が３層積層されているダイオードの例を示したが、さらに多くのチャネルを有するダイオードの場合でも、本実施の形態に係るダイオードと同様の効果が得られる。【0061】
本構造にかかるダイオードでは、ダイオードの順方向特性を悪化させることなく、逆方向のリーク電流を低減することができる。従って、低オン抵抗で逆方向リークの少ない優れた窒化物半導体ダイオードを提供することが可能となる。【0062】
（第２の実施の形態）次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態では窒化物半導体デバイスとしてトランジスタを例として説明する。
【0063】
図７は、本実施の形態に係る窒化物半導体デバイスの構成を示す断面図である。【0064】
図７に示すように、本実施の形態に係るトランジスタ２００では、Ｓｉやサファイア、ＳｉＣ、ＧａＮなどの基板２０１の上に、膜厚２μｍの緩衝層２０２と、膜厚３μｍのアンドープＧａＮ層と、膜厚２５ｎｍのアンドープＡｌＧａＮ層とがこの順に形成されている。さらに、その上に膜厚２５〜３００ｎｍのアンドープＧａＮ層２０３と膜厚２５ｎｍのアンドープＡｌＧａＮ層２０４との積層体が積層されている。さらに、その上に膜厚２５〜３００ｎｍのアンドープＧａＮ層２０３と膜厚２５ｎｍの最上層のアンドープＡｌＧａＮ層２０４ａとで構成された最上層の半導体層２０５ａが積層されている。これにより、トランジスタ２００は、アンドープＧａＮ層２０３とアンドープＡｌＧａＮ層２０４との間に、複数の２次元電子ガス層（チャネル）２０６を形成している。【0065】
なお、最上層に形成されたアンドープＡｌＧａＮ層２０４ａを、最上層のアンドープＡｌＧａＮ層２０４ａ、最上層のアンドープＡｌＧａＮ層２０４ａとその下のアンドープＧａＮ層２０３とで構成された積層体を最上層の半導体層２０５ａとも呼ぶ。【0066】
また、アンドープＧａＮ層２０３およびアンドープＡｌＧａＮ層２０４は、それぞれ本発明における第１の窒化物半導体および第２の窒化物半導体に相当する。【0067】
また、最上層の半導体層２０５ａの上には、ソース電極２１０と、ドレイン電極２１１と、ゲート電極２１３とが形成されている。【0068】
Ｔｉ／Ａｌで構成されるソース電極２１０およびドレイン電極２１１（２次元電子ガス層に対してオーミック接触）は、アンドープＡｌＧａＮ層２０４とアンドープＧａＮ層２０３とで構成される半導体層２０５を突き抜けるようにエッチングされたリセス領域を覆うように形成されている。また、ソース電極２１０およびドレイン電極２１１は、２次元電子ガス層（チャネル）２０６と接触している。なお、ソース電極２１０およびドレイン電極２１１を形成するための第１の領域および第３の領域として、半導体層２０５を突き抜けるようにリセス領域を形成することで、ソース電極２１０およびドレイン電極２１１と半導体層２０５とのコンタクト抵抗を低減することが可能であるが、必ずしもリセス領域を設けなくてもかまわない。【0069】
最上層のアンドープＡｌＧａＮ層２０４ａの上には、ドライエッチング等によって膜厚２００ｎｍのｐ−ＡｌＧａＮ（例えばキャリア濃度：１Ｅ＋１８ｃｍ−３すなわち１０１８ｃｍ−３）で構成されるブロック層２１２が形成されている。また、ブロック層２１２の上には、リフトオフ法によってゲート電極２１３が形成されている。このｐ−ＡｌＧａＮは、デバイス表面に形成する保護膜と最上層のアンドープＡｌＧａＮ層２０４ａとの界面におけるリークを抑制する効果があるため、トランジスタ２００におけるリーク電流を低減できる。【0070】
なお、ここではブロック層２１２を構成する材料としてｐ−ＡｌＧａＮを例に挙げたが、ｉ−ＡｌＧａＮやＳｉＮ、ＳｉＯ２などの半導体を用いても同様の効果が得られる。また、上記ブロック層２１２はリーク低減に対して効果的であるが、必ずしも形成する必要はない。すなわち、図８に示すトランジスタ２５０のように、ブロック層を形成せずに、最上層アンドープＡｌＧａＮ２０４ａの上に直接ゲート電極２５３を形成した構成であってもよい。【0071】
以上、本実施の形態に係るトランジスタ２００によると、基板上に積層された複数の半導体層積層体の各界面にはそれぞれチャネル層２０６が形成され、最上層の半導体層２０５ａのチャネル層のキャリア濃度がその他のチャネル層のキャリア濃度に比べて低いことにより、トランジスタ２００のリーク電流を低減することができる。【0072】
（第２の実施の形態の変形例）次に、第２の実施の形態の変形例について説明する。本変形例に係る窒化物半導体デバイスであるトランジスタが第２の実施の形態に係るトランジスタ２００と異なる点は、ゲート電極の下方にゲートリセスを備える点である。
【0073】
図９は、本変形例に係るトランジスタの構成を示す断面図である。【0074】
図９に示すように、トランジスタ３００において、ブロック層３１２は、アンドープＡｌＧａＮ層２０４とアンドープＧａＮ層２０３との半導体層２０５を突き抜けるようにエッチングされたリセス領域（ゲートリセス）を覆うように形成されている。これにより、ゲートリセスがない場合に比べてトランジスタ３００の閾値を制御しやすくすることができる。【0075】
具体的には、例えば、本トランジスタ３００をノーマリオフ動作させたい場合には、ゲートリセスを最下層のＡｌＧａＮバリア層、すなわち、最下層の半導体層２０５を構成するアンドープＡｌＧａＮ層２０４に到達するまで形成すればよい。もしくは、ゲートリセスを最下層の半導体層２０５を構成するアンドープＡｌＧａＮ層２０４を突き抜けるように形成し、再成長法によってアンドープＡｌＧａＮ層２０４を形成してもよい。なお、上記ゲートリセス３１０は必ずしも必要ではない。【0076】
以下、トランジスタ３００の製造方法について説明する。図１０の（ａ）〜（ｆ）は、本変形例に係るトランジスタ３００の製造工程を示す図である。【0077】
図１０の（ａ）に示すように、Ｓｉで構成される基板２０１上に、緩衝層（バッファ層）２０２が形成され、緩衝層２０２の上にはアンドープＧａＮ層２０３とアンドープＡｌＧａＮ層２０４との半導体層２０５が複数層積層されている。また、各アンドープＧａＮ層２０３及びアンドープＡｌＧａＮ層２０４との半導体層２０５には、チャネル層（２次元電子ガス層）２０６が形成される。なお、図１０の（ａ）におけるトランジスタ３００の製造方法は、第１の実施の形態で示したダイオード１００の製造方法と同様であるため、詳細な説明は省略する。【0078】
次に、図１０の（ｂ）に示すように、最上層のアンドープＡｌＧａＮ層２０４ａから最下層の半導体層２０５を構成するアンドープＡｌＧａＮ層２０４まで、ドライエッチングによってゲートリセス（掘り込み部）３１０が形成される。その後、図１０の（ｃ）に示すように、ゲートリセス３１０の内部および最上層のアンドープＡｌＧａＮ層２０４ａの上面を覆うように、ブロック層３１２を構成するｐ−ＡｌＧａＮ層が成長される。【0079】
さらに、図１０の（ｄ）に示すように、ドライエッチングによってｐ−ＡｌＧａＮ層の一部がエッチングされる。ｐ−ＡｌＧａＮ層は、上記したゲートリセス３１０を覆うようにｐ−ＡｌＧａＮ層を残してエッチングされる。これにより、ブロック層３１２が形成される。【0080】
さらに、図１０の（ｅ）に示すように、すべてのチャネル層２０６を突き抜けるように、ドライエッチングにより第１の領域および第３の領域であるリセス領域（掘り込み部）がソース電極側とドレイン電極側に形成される。【0081】
さらに、図１０の（ｆ）に示すように、第１の領域および第３の領域には、ドレイン電極２１１およびソース電極２１０が形成される。ドレイン電極２１１およびソース電極２１０は、オーミック電極となるＴｉ／Ａｌで構成され、例えば蒸着法によって上記した第１の領域および第３の領域のゲートリセス３１０の上を覆うように形成される。また、ｐ−ＡｌＧａＮ層で構成されるブロック層３１２の上には、例えば蒸着法によってゲート電極３１３を構成するＮｉ（Ｐｄ、Ｐｔ、などでもよい）層が形成されている。これにより、トランジスタ３００が完成する。【0082】
上記のようなマルチチャネルトランジスタの構成において、発明者らはリーク電流の解析を行い、逆方向リーク電流がトランジスタの最上層側のチャネルのキャリア濃度と強く相関があることを見出した。これは最上層のチャネルからブロック層やゲートメタルに抜けるリーク電流が支配的であることを示唆する結果である。つまり、最上層側のチャネルのキャリア濃度を低減することで逆方向リーク電流を低減することが可能である。これは、最上層の半導体層２０５ａのチャネル層２０６のキャリア濃度が低くなると、ブロック層３１２を構成するｐ−ＧａＮ層からチャネル層２０６側に伸びる空乏層の幅が大きくなり、そこにかかる電界強度は弱まるため、リーク電流を低減することができるからである。【0083】
最上層の半導体層２０５ａのチャネル層２０６のキャリア濃度を低くするには、例えば、最上層のアンドープＡｌＧａＮ層２０４ａのＡｌ組成を２０％とし、それ以外のアンドープＡｌＧａＮ層２０４のＡｌ組成を２６％にすればよい。【0084】
リーク電流への寄与度が大きい最上層ではなく、最上層以外のアンドープＡｌＧａＮ層２０４のＡｌ組成を大きくすれば、オン抵抗を低減でき、順方向電流を増大させることができる。低オン抵抗かつ低リーク電流を実現するために、最上層チャネルのキャリア濃度をそれ以外のチャネルのキャリア濃度よりも低くすることが好ましい。【0085】
なお、下層のチャネル層２０６にいくにつれてキャリア濃度が増加する構造も有効である。【0086】
また、ブロック層３１２を構成するｐ−ＡｌＧａＮ層の下の最上層のアンドープＡｌＧａＮ層２０４ａの膜厚を厚くするのもよい。オン時にはｐ−ＡｌＧａＮ層の下のチャネルはｐ層によるバンド持上げ効果によってキャリア濃度が低くなり抵抗が高くなっている。ｐ−ＡｌＧａＮ層の下の最上層のアンドープＡｌＧａＮ層２０４ａの膜厚を厚くすることで、ｐ−ＡｌＧａＮ層の下のチャネルのキャリア濃度を高くすることが可能である。これにより、トランジスタ３００の低抵抗化が可能になる。【0087】
以上、本実施の形態の変形例に係るトランジスタ３００によると、オン特性を悪化させることなく、オフリーク電流を低減することができる。従って、低オン抵抗でリーク電流を低減することができる優れた窒化物半導体トランジスタを提供することが可能となる。【0088】
なお、上記したトランジスタは、ゲートリセス３１０とゲート電極３１３との間にブロック層３１２を備えない構成であってもよい。図１１は、本実施の形態に係るトランジスタの構成を示す断面図であり、ブロック層を備えないトランジスタを示す図である。図１１に示すように、トランジスタ３５０は、ゲートリセス３１０の内部およびゲートリセス３１０を覆うように、例えば蒸着法によってゲート電極３５２を構成するＮｉ（Ｐｄ、Ｐｔ、などでもよい）層が形成されてもよい。【0089】
以上、本発明に係る窒化物半導体デバイスについて、上記した実施の形態および変形例に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施の形態および変形例に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない範囲で、各実施の形態および変形例に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、各実施の形態および変形例における構成要素を任意に組み合わせて実現される形態も、本発明に含まれる。【産業上の利用可能性】
【0090】
本発明に係る窒化物半導体デバイスは、テレビ他の民生機器の電源回路等で用いられるパワーデバイスとして有用である。【符号の説明】
【0091】
１００，１５０，１８０ ダイオード（窒化物半導体デバイス）１０１，２０１ 基板
１０２，２０２ 緩衝層
１０３，２０３ アンドープＧａＮ層（第１の窒化物半導体層）
１０４，２０４ アンドープＡｌＧａＮ層（第２の窒化物半導体層）
１０４ａ，１０４ｂ，２０４ａ 最上層のアンドープＡｌＧａＮ層（第２の窒化物半導体層）
１０５，２０５ 半導体層
１０５ａ，２０５ａ 最上層の半導体層
１０６，２０６ ２次元電子ガス層（チャネル層）
１０８，２１２，３１２ ブロック層
１１０ カソード電極（第２の電極）
１１１ アノード電極（第１の電極）
２００，２５０，３００，３５０ トランジスタ（窒化物半導体デバイス）
２１０ ソース電極（第３の電極）
２１１ ドレイン電極（第１の電極）
２１３，２５３，３１３，３５２ ゲート電極（第２の電極）