JP4761319B2 - 窒化物半導体装置とそれを含む電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は窒化物半導体装置とそれを含む電力変換装置に関し、特に高耐圧で動作することが要求される大電力用途に好適な窒化物半導体装置とそれを含む電力変換装置の改善に関する。
窒化物半導体材料を利用した半導体素子は、その材料が本質的に持つ特性から、高耐圧で大電流動作が可能な電力用素子として有望視されている。なかでも、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合を利用した電界効果トランジスタやダイオードは、ヘテロ接合界面に形成される２次元電子ガスを用いることによって低いオン抵抗を実現できることから、動作時の損失を低減し得る素子として注目されている。
電界効果トランジスタをパワースイッチング用途に用いる場合、ゲート電極に電圧を印加しない状態でトランジスタに電流が流れない、いわゆるノーマリ・オフ動作をすることが必要とされる。
図１３の模式的断面図は、特許文献１の特開２００７−６７２４０号公報に開示された従来のノーマリ・オフ動作可能な窒化物半導体電界効果トランジスタの主要部を示している。このトランジスタは、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ＜１）キャリア走行層１０２、ＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１、ｘ＜ｙ）障壁層１０３、ＡｌｘＧａ1-xＮ（０≦ｘ＜１）閾値制御層１０４、ＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ＜１、ｘ＜ｚ）キャリア誘起層１０５、ソース電極１０６、ドレイン電極１０７、ゲート電極１０８を含んでいる。ゲート電極１０８が形成されている領域では、キャリア誘起層１０５の上面から閾値制御層１０４の部分的深さまで掘り込んだリセス構造１１０が形成されており、ゲート電極１０８はこのリセス構造１１０の底面上に形成されている。
図１３の電界効果トランジスタでは、キャリア走行層１０２と障壁層１０３とのヘテロ接合界面のキャリア走行層１０２側に、正の分極電荷の影響による２次元電子ガスの発生によってチャネル（図示せず）が形成される。ここで、ＡｌyＧａ1-yＮ障壁層１０３のＡｌ組成比ｙとその厚さを調整してゲート電極１０８の下方の２次元電子ガス濃度を零にすることによって、ノーマリ・オフ動作し得る窒化物半導体電界効果トランジスタを実現することができる。このとき、ゲート電極１０８の下方以外の領域、すなわちソース電極１０６、ソース・ゲート電極間、ゲート・ドレイン電極間、およびドレイン電極１０７のそれぞれの下方では、キャリア誘起層１０５が存在することによって、キャリア走行層１０２と障壁層１０３とのヘテロ接合界面のキャリア走行層１０２側に２次元電子ガスが発生し、これによってトランジスタのオン抵抗を低く保つことができる。このように、図１３の構成によって、オン動作時の損失を低く抑えつつノーマリ・オフ動作し得る窒化物半導体電界効果トランジスタが提供される。
特開２００７−６７２４０号公報 米国特許第６，１００，５４９号明細書
本発明者は、図１３のトランジスタの特性に関して、デバイスシミュレーションを用いて詳細に検証を行った。その検証において、ソース電極１０６を接地してゲート電極１０８に電圧を印加しないノーマリ・オフ動作時の条件下でドレイン電極１０７に印加する電圧（ドレイン電圧）を高めていけば、リセス領域１１０の下方のヘテロ接合界面から下方に離れたキャリア走行層１０２内部を介してソースからドレインに電子が流れる経路が比較的低いドレイン電圧で生じて、リーク電流が流れることを本発明者が見出した。また、ドレイン電圧をさらに高めていけば、ソース・ドレイン間に印加される電圧がトランジスタの破壊電圧に達していない状態でも、ソース・ドレイン間に比較的大きなリーク電流が流れ得ることが判明した。
このように、特許文献１に開示された図１３の技術では、オフ動作時にソース・ドレイン電極間に高いバイアス電圧を印加した際に比較的大きなリーク電流が流れ、すなわちトランジスタの消費電力が増大し得るので、大電力用としてオフ動作時に損失の小さい窒化物半導体トランジスタを提供できないという問題がある。
上述のような従来の窒化物半導体装置における課題に鑑み、本発明は、高いバイアス電圧を印加した際に生じるリーク電流が小さくてオフ動作時の損失の小さい窒化物半導体装置を提供することを目的としている。本発明は、その窒化物半導体装置を利用することによって、低損失で高効率動作が可能な電力変換装置を提供することをも目的としている。
本発明による窒化物半導体装置は、基板上においてバッファ層を介して順次接して積層された第１、第２、および第３の窒化物半導体層を含み、第３窒化物半導体層は第２窒化物半導体層であるキャリア走行層に比べて広い禁制帯幅を有し、第３窒化物半導体層の上面からキャリア走行層の部分的深さまで掘り込まれたリセス領域、リセス領域を挟む一方側と他方側において第３窒化物半導体層または第２窒化物半導体層に接してそれぞれ形成された第１電極と第２電極、第３窒化物半導体層上とリセス領域の内面上に形成された絶縁膜、およびリセス領域において絶縁膜上に形成された制御電極をさらに含み、御電極の下端は第３窒化物半導体層の下面より下方に位置しており、第１窒化物半導体層はｐ型となるように不純物がドーピングされていることを特徴としている。この場合に、第１窒化物半導体層は１００ｎｍ以上の厚さを有していることが好ましい。
なお、第１窒化物半導体層は、ｐ型となるように不純物がドーピングされる代わりに、キャリア走行層に比べて小さな格子定数と広い禁制帯幅を有していてもよい。この場合、第１窒化物半導体層は、１００ｎｍ以上の厚さを有することが好ましい。この第１窒化物半導体層は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）で形成され得る。第１窒化物半導体層は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．０３≦ｙ≦０．１５）からなることが好ましい。
制御電極は、第３窒化物半導体層の上面上の絶縁膜上にも延在していることが好ましい。第３窒化物半導体層の上面上に接して形成された絶縁膜とリセス領域の内面上に接して形成された絶縁膜とは、異なる種類の絶縁膜であり得る。第１窒化物半導体層の上面とリセス領域の底面との距離は、５００ｎｍ以下であることが好ましい。
第１電極と制御電極とは、電気的に接続されていてもよい。第１電極は、第２窒化物半導体層とオーム性接触していることが好ましい。第１電極と制御電極とは、同一材料で構成されていてもよい。
上述のような本発明による窒化物半導体装置を組み入れることによって、優れた電力変換装置が得られる。
本発明による窒化物半導体装置においては、障壁層とキャリア走行層とのヘテロ接合界面から下方に離れた領域を流れる電流を抑制し得る窒化物半導体層をキャリア走行層下に設けることによって、高いバイアス電圧を印加した際に生じるリーク電流を低減することができ、オフ動作時における損失を小さくすることができる。
また、本発明による電力変換装置においては、上述のような窒化物半導体装置が組み込まれているので、低損失で高効率動作が可能な電力変換が可能となる。
（参考形態１）
図１は、本発明に密接に関連する参考形態１による窒化物半導体装置の模式的断面図を示している。なお、本願の図面において、同一の参照番号は、同一部分または相当部分を表している。また、本願の図面において、長さ、幅、厚さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。
図１の電界効果トランジスタは、基板１、バッファ層２、第１の窒化物半導体層３、キャリア走行層となる第２の窒化物半導体層４、第２窒化物半導体層４に比べて広い禁制帯幅を有する障壁層となる第３の窒化物半導体層５、ソース電極６、ドレイン電極７、ゲート電極８、絶縁膜９、およびリセス構造１０を含んでいる。
基板１はＳｉである。バッファ層２は、薄いアンドープＡｌＮ層上に厚いアンドープＧａＮを積んだ多重窒化物半導体層である。第１窒化物半導体層３は、不純物としてＭｇを１×１０19ｃｍ-3の濃度でドーピングした厚１００ｎｍのｐ型ＧａＮ層である。第２窒化物半導体層４は、厚さ１００ｎｍのアンドープＧａＮ層である。第３窒化物半導体層５は、厚さ１ｎｍ／２６ｎｍ／３ｎｍでアンドープのＧａＮ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ／ＡｌＮを上側から順に含む多重窒化物半導体層である。ソース電極６とコレクタ電極７はＴｉ／Ａｌで形成され、ゲート電極８はＮｉ／Ａｕで形成され、そして絶縁膜９は厚さ２０ｎｍのＳｉＯ2で形成されている。
第２窒化物半導体層４と第３窒化物半導体層５とのヘテロ接合界面には、正の分極電荷の影響によって、第２窒化物半導体層４側に２次元電子ガスによるチャネル（図示せず）が発生する。ソース電極６とドレイン電極７は、第３窒化物半導体層５に接して形成されている。ソース電極６およびドレイン電極７とチャネルとは、第３窒化物半導体層５を介するトンネル電流機構によってオーム性接触している。リセス構造１０は、第３窒化物半導体層５の上面から第２窒化物半導体層４の部分的深さまで掘り込むことによって形成されている。第３窒化物半導体層５の上面上でソース電極とドレイン電極を除く領域およびリセス構造１０の内面上には、絶縁膜９が形成されている。ゲート電極８は、リセス構造１０の内面上の絶縁膜９上に形成されている。ゲート電極８は、印加されるバイアス電圧に応じて、ゲート電極の下方および側方に位置する絶縁膜と窒化物半導体層との界面における電子の濃度を制御する制御電極として作用する。
第２窒化物半導体層４の部分的深さまで形成されるリセス構造１０は、ゲート電圧の印加なしでソース・ドレイン間電圧を印加したオフ動作時にソース・ドレイン間電流を抑制するために、ソース・ゲート間の２次元電子ガスとゲート・ドレイン間の２次元電子ガスとがゲート電圧印加なしの状態で十分に分離されるように形成される必要がある。したがって、リセス領域１０の深さは、２次元電子ガスによるチャネルの厚さと同等以上に深いことが望ましい。より具体的には、リセス領域１０は、第２窒化物半導体層４と第３窒化物半導体層５とのヘテロ接合界面から３ｎｍ以上の深さまで形成されていることが望ましい。本参考形態では、リセス構造１０がヘテロ接合界面から１０ｎｍの深さまで形成される。
リセス領域１０の深さに関しては、上記の２次元電子ガスの分離条件のほかに、オフ動作時に電極間に高いバイアス電圧を印加した際に第２窒化物半導体層４内部を通る大きなリーク電流の発生を抑制することを考慮する必要がある。本参考形態では第２窒化物半導体層４の厚さが１００ｎｍであるから、第１窒化物半導体層３の上面とリセス領域１０の底面との距離は９０ｎｍであり、この場合ではオフ動作時においてソース・ドレイン間にはほとんどリーク電流が流れない。しかしながら、リセス領域１０の深さは変えずに第２窒化物半導体層４の厚さを大きくしすぎれば、第２窒化物半導体層４内部を介してリーク電流が流れ得る。したがって、リセス領域１０の深さは第２窒化物半導体層４の厚さに応じて調整する必要があり、リーク電流を抑制するためには、第１窒化物半導体層３の上面とリセス領域１０の底面との距離が５００ｎｍ以下となるように設定することが望ましい。
ｐ型ＧａＮの第１窒化物半導体層３にはｐ型不純物のＭｇが１×１０19ｃｍ-3の濃度でドーピングされているが、ＧａＮ中ではＭｇの活性化率が低いので、ｐ型ＧａＮ中の正孔濃度は１×１０17ｃｍ-3になっている。なお、ｐ型不純物はＭｇに限られず、Ｚｎ、Ｃ、Ｆｅなどのように窒化物半導体をｐ型またはｉ型化させ得る不純物であれば何をドーピングしていてもよい。この第１窒化物半導体層３は電子の流れに対して高抵抗層として作用するから、オフ動作時においてソース・ドレイン電極間に高いバイアス電圧を印加した際に、キャリア走行層である第２窒化物半導体層４と障壁層である第３窒化物半導体層５とのヘテロ接合界面から下方に離れた領域を介して電子が流れる経路を遮断することができ、ソース・ドレイン電極間に流れるリーク電流を抑制することができる。
第１窒化物半導体層３として不純物をドーピングした窒化物半導体層を用いる場合、基板１上に順次半導体層を形成していく際に、第１窒化物半導体層３から第２窒化物半導体層４へと不純物が拡散し、第２窒化物半導体層４と第３窒化物半導体層５とのヘテロ接合界面に形成される２次元電子ガスの濃度や移動度を低下させることがある。また、第１窒化物半導体層３がｐ型である場合、第１窒化物半導体層３と第３窒化物半導体層５との距離が小さくなれば、ｐ型層３の影響によって第２窒化物半導体層４と第３窒化物半導体層５とのヘテロ接合界面に形成される２次元電子ガスの濃度が低下する。これらの場合には、オン抵抗が増大し、大電力用トランジスタとしての窒化物半導体装置の損失増大につながる。この問題を回避するためには、第１窒化物半導体層３と第３窒化物半導体層５との距離をある程度以上に大きくすること、すなわち第２窒化物半導体層４の厚さをある程度以上に大きくすることが望ましく、具体的には２０ｎｍ以上であることが望ましい。
ここで、図１の電界効果トランジスタの動作について説明する。ゲート電極８に正の電圧を印加すれば、その下方と側方に接する絶縁膜９の下方と側方に接する窒化物半導体層内部に電子が蓄積される。これらの電子によって、ソース・ゲート間に形成されている２次元電子ガスとゲート・ドレイン間に形成されている２次元電子ガスが接続される。よって、ソース・ドレイン間に電圧を印加すれば、低いオン抵抗にてソース・ドレイン間に電流が流れ、損失の小さいオン動作が生じ得る。
他方、ゲート電極８に電圧を印加しないかまたは０Ｖを印加した場合、リセス構造１０の作用によってソース・ゲート間下の２次元電子ガスとゲート・ドレイン間下の２次元電子ガスが分離されているので、オフ動作時にソース・ドレイン間に電圧を印加してもチャネルに電流が流れないノーマリ・オフ動作となる。とくに、ソース・ドレイン間に印加する電圧を相当高くしても、電子の流れに対して高抵抗の第１窒化物半導体層３がリセス領域１０の下方に存在するので、リセス領域１０から離れた下方を介して流れるリーク電流が大幅に抑制され、損失の小さいオフ動作が可能となる。
図２のグラフは、上述の参考形態１の電界効果トランジスタと比較例の電界効果トランジスタとの特性比較を示している。この比較例の電界効果型トランジスタは、第１窒化物半導体層３としてｐ型ＧａＮ層の代わりにアンドープＧａＮ層を用いたことのみにおいて参考形態１と異なっていた。参考形態１と比較例の電界効果型トランジスタにおいて、ゲート電圧を０Ｖにしてソース・ドレイン間に電圧を印加した際に流れるドレイン電流、すなわちオフ動作時におけるソース・ドレイン間のリーク電流が比較された。この場合に、ソース電極とゲート電極は接地電位に接続され、ドレイン電圧が０Ｖから高バイアスへと掃引された。
図２に示すように、比較例の電界効果トランジスタでは、ドレイン電圧が０Ｖから１００Ｖまで上昇する間にドレイン電流が急増し、その後に電流は緩やかに増加して、６００Ｖを超えたところで素子破壊によって電流が再び急増している。他方、参考形態１の電界効果トランジスタでは、０Ｖから６００Ｖ付近まで電流は緩やかに増加し、６００Ｖを超えたところで素子破壊によって電流が急増している。すなわち、参考形態１のトランジスタにおいては、比較例の場合のように破壊電圧よりもかなり低いドレイン電圧における電流の急増は見られない。
以上のように、本参考形態による図１の窒化物半導体装置においては、キャリア走行層４下に電子の流れに対して高抵抗の窒化物半導体層３を設けることによって、障壁層５とキャリア走行層４とのヘテロ接合界面から下方に離れた領域を流れる電流を抑制することができ、従来技術の窒化物半導体装置に比べて高いバイアス電圧を印加した際でもソース・ドレイン電極間に流れるリーク電流を抑制することができ、オフ動作時の損失を小さくすることができる。
（実施形態１）
図３の模式的断面図は、本発明の実施形態１による窒化物半導体装置を示している。図１の窒化物半導体装置ではゲート電極８の下端がキャリア走行層である第２窒化物半導体層４と障壁層である第３窒化物半導体層５のとの界面よりも上方に位置するようにリセス領域１０の深さと絶縁膜９の厚さが設定されているのに対して、この実施形態１における図３の窒化物半導体装置ではゲート電極８の下端が第２窒化物半導体層４と第３窒化物半導体層５のとの界面よりも下方に位置するようにリセス領域１０の深さと絶縁膜９の厚さが設定されていることのみにおいて異なっている。
より具体的には、本実施形態１では、絶縁膜９の厚さを図１の場合と同様の２０ｎｍにし、リセス領域１０は第２窒化物半導体層４と第３窒化物半導体層５とのヘテロ接合界面から３０ｎｍの深さまで形成されている。このような実施形態１の構造によって、ゲート電極８に正電圧を印加した際に、リセス領域１０の側方の絶縁膜９と第２窒化物半導体層４との界面により多くの電子を蓄積することができる。その結果、オフ動作時におけるリーク電流を低減できるとともに、ソース・ドレイン間に電圧を印加したオン動作時にはより低いオン抵抗にてソース・ドレイン間電流を流すことができ、より損失の小さいオン動作が可能となる。
図４の模式的断面図は、実施形態１における変形例１の窒化物半導体装置を示している。この変形例１の図４においては、図３に比べて、絶縁膜９上のゲート電極８がリセス領域１０を超えて広がっていることのみにおいて異なっている。より具体的には、本変形例１では、ゲート電極８がリセス領域１０からソース電極側とドレイン電極側へそれぞれ０．５μｍだけ広がって形成されている。
このような変形例１の構造によって、ゲート電極８に正電圧を印加した際に、リセス領域１０の側方の絶縁膜９と第２窒化物半導体層４との界面により多くの電子を蓄積することができるとともに、第２窒化物半導体層４と第３窒化物半導体層５とのヘテロ接合界面に形成される２次元電子ガスの濃度がゲート電極８の下方の領域においてより高くなり得る。その結果、オフ動作時におけるリーク電流を低減できるとともに、ソース・ドレイン間に電圧を印加したオン動作時にはさらに低いオン抵抗にてソース・ドレイン間電流が流れ、より損失の小さいオン動作が可能となる。
図５の模式的断面図は、実施形態１における変形例２の窒化物半導体装置を示している。この変形例２の図５においては、変形例１の図４に比べて、リセス領域１０以外の領域において絶縁膜９下に種類の異なる絶縁膜１１が挿入されていることにおいて異なっている。より具体的には、本変形例２では、絶縁膜９はＳｉＯ２であって、絶縁膜１１はＳｉＮである。また、図５におけるゲート電極８は、リセス領域１０からソース電極側に０．５μｍだけ広がりかつドレイン電極側に１．５μｍだけ広がる非対称構造に形成されている。
すなわち、この変形例２では、オン動作時に絶縁膜内部の発生電界強度が高くなるリセス領域１０とオフ動作時に絶縁膜内部の発生電界強度が高くなるゲート電極８のドレイン側端部とには、高耐圧のＳｉＯ２絶縁膜９が設けられている。他方、オフ動作時にゲート電極８のドレイン側の半導体層内部に発生する電界強度が高くなる第３窒化物半導体層５上には、界面準位密度が低くなるＳｉＮ絶縁膜１１が設けられている。このように、２種類の絶縁膜を利用して高い耐圧と低い界面準位密度を同時に満たすことができ、耐圧や界面準位に関係する特性劣化を生じることなく、オフ動作時における損失の小さい窒化物半導体装置を得ることが可能となる。
（参考形態２）
図６は、本発明の参考形態２による窒化物半導体装置の模式的断面図を示している。この図６の電界効果型トランジスタは、図５のトランジスタに比べて、ｐ型ＧａＮの第１窒化物半導体層３がｐ型ＩｎＧａＮの第１窒化物半導体層１３に変更されている。すなわち、第１窒化物半導体層１３は、バッファ層２に比べて、狭い禁制帯幅を有している。
より具体的には、第１窒化物半導体層１３はＭｇが１×１０19ｃｍ-3の濃度でドーピングされたｐ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎであり、その厚さは５０ｎｍである。また、アンドープＧａＮの第２窒化物半導体層４の厚さは２００ｎｍである。第１窒化物半導体層１３、第２窒化物半導体層４、および第３窒化物半導体層５は、バッファ層２に含まれる最上層のＧａＮ層に格子整合している。リセス領域１０は、第２窒化物半導体層４と第３窒化物半導体層５とのヘテロ接合界面から１５０ｎｍの深さまで掘り込まれている。
第１窒化物半導体層１３にはＭｇが１×１０19ｃｍ-3の濃度でドーピングされているが、ＧａＮ中に比べてＩｎＧａＮ中ではＭｇの活性化率が高くなり、ｐ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層１３中の正孔濃度は１×１０18ｃｍ-3になっている。このように正孔濃度が高くなっているｐ型層１３が第２窒化物半導体層４と第３窒化物半導体層５とのヘテロ接合界面に形成される２次元電子ガスの濃度に与える影響をより小さくするために、本参考形態では上述のように第２窒化物半導体層４の厚さが２００ｎｍに設定されている。
なお、ＩｎＧａＮの第１窒化物半導体層１３には、ｐ型化またはｉ型化させる不純物を必ずしもドーピングする必要はない。第１窒化物半導体層１３としては、ＩｎＧａＮに限られず、バッファ層２に含まれる最上面層の材料に比べて格子定数が大きくて禁制帯幅の狭い材料をそのバッファ層に格子整合するように設ければ、バッファ層２と第１窒化物半導体層１３とのヘテロ接合界面には負の分極電荷が発生し、これらの電荷およびそのヘテロ接合界面における導電帯の不連続が電子に対して障壁を形成することができる。その結果、オフ動作時においてソース・ドレイン電極間に高いバイアス電圧を印加した際に、障壁層である第３窒化物半導体層５とキャリア走行層である第２窒化物半導体層４とのヘテロ接合界面から下方に離れたバッファ層２領域を介して電子が流れる経路を遮断することができ、ソース・ドレイン電極間に流れるリーク電流を抑制することができる。
ここで、第１窒化物半導体層１３の禁制帯幅が第２窒化物半導体層４に比べて狭い場合に、第１窒化物半導体層１３を介してリーク電流が流れ得る。したがって、第１窒化物半導体層１３は２００ｎｍ以下に薄いことが望ましく、またｐ型またはｉ型になるように不純物がドーピングされていることが望ましい。なお、本参考形態では第１窒化物半導体層１３としてＩｎＧａＮが用いられているが、上述のようにバッファ層の最上面層の材料比べて禁制帯幅が狭い窒化物半導体層であれば何が用いられてもよい。ただし、混晶組成の制御のしやすさなどを考慮すれば、３元混晶であるＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）を用いるのが望ましい。
ここで、図６の電界効果トランジスタの動作について説明する。ゲート電極８に正の電圧を印加すれば、ゲート電極８の下方と側方の絶縁膜９、１１の下方と側方の窒化物半導体層内部に電子が蓄積する。これらの電子によってソース・ゲート間に形成されている２次元電子ガスとゲート・ドレイン間に形成されている２次元電子ガスが接続される。よって、ソース・ドレイン間に電圧を印加すれば、低いオン抵抗にてソース・ドレイン間に電流が流れ、損失の小さいオン動作が生じ得る。
他方、ゲート電極８に電圧を印加しないかまたは０Ｖを印加した場合、ソース・ゲート間に形成されている２次元電子ガスとゲート・ドレイン間に形成されている２次元電子ガスとがリセス構造１０によって分離されているので、オフ動作時にソース・ドレイン間に電圧を印加してもチャネルに電流が流れず、すなわちノーマリ・オフ動作状態になる。とくに、ソース・ドレイン間に印加する電圧を相当高くしても、リセス領域１０の下方において電子に対して障壁を形成する第１窒化物半導体層１３が存在するので、リセス領域１０から下方に離れたバッファ層２を介して流れるリーク電流が大幅に抑制され、損失の小さいオフ動作状態を得ることができる。
以上のように、本参考形態２による窒化物半導体装置においては、キャリア走行層４下に電子に対して障壁を形成する窒化物半導体層１３を設けることによって、障壁層５とキャリア走行層４とのヘテロ接合界面から下方に離れた領域を流れる電流を抑制することができる。したがって、前述の参考形態１の場合と同様に本参考形態２においても、従来技術による窒化物半導体装置の場合に比べて高いバイアス電圧を印加した際にソース・ドレイン電極間に流れるリーク電流を低減することができ、オフ動作時の損失の小さい窒化物半導体装置を得ることができる。
図７の模式的断面図は、図６の窒化物半導体装置の変形例（以下、変形例３と称す）を示している。この図７の電界効果型トランジスタにおいては、図６に比べて、ｐ型ＩｎＧａＮの第１窒化物半導体層１３上にリサーフ（ＲＥＳＵＲＦ：ＲＥｄｅｕｃｅｄ ＳＵＲｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）層用電極１２が付加的に設けられていることにおいて異なっている。なお、リサーフ構造の作用効果に関しては、特許文献２の米国特許第６，１００，５４９号明細書を参照されたい。
図７において、電極１２はＮｉ／Ａｕで形成されている。図７のような電界効果型トランジスタ構造では、オフ動作時において第２窒化物半導体層４と第３窒化物半導体層５とのヘテロ接合界面に発生する電界強度を弱め得るリサーフ構造が含まれるので、オフ動作時のリーク電流の低減が可能になるとともに、耐圧を向上させまたはオン抵抗を低減させることが可能となる。
（実施形態２）
図８は、本発明の実施形態２による窒化物半導体装置の模式的断面図を示している。この図８の電界効果型トランジスタは、図５のトランジスタに比べて、ｐ型ＧａＮの第１窒化物半導体層３がＡｌＧａＮの第１窒化物半導体層２３に変更されている。すなわち、第１窒化物半導体層２３は、バッファ層２の最上面層および第２窒化物半導体層４に比べて、広い禁制帯幅を有している。
より具体的には、第１窒化物半導体層２３はアンドープＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎで形成されており、その厚さは５００ｎｍである。また、アンドープＧａＮの第２窒化物半導体層４は、４０ｎｍの厚さに設定されている。リセス領域１０は、第３窒化物半導体層５と第２窒化物半導体層４とのヘテロ接合界面から３０ｎｍの深さまで掘り込まれている。
第１窒化物半導体層２３はＡｌＧａＮに限られず、第２窒化物半導体層４に比べて格子定数が小さくかつ禁制帯幅の広い材料を第１窒化物半導体層２３として設ければ、第１窒化物半導体層２３と第２窒化物半導体層４とのヘテロ接合界面には負の分極電荷が発生し、これらの電荷およびそのヘテロ接合界面における導電帯の不連続が電子に対して障壁を形成することができる。その結果、オフ動作時にソース・ドレイン電極間に高いバイアス電圧を印加した際に、障壁層５とキャリア走行層４とのヘテロ接合界面から下方に離れた領域を介して電子が流れる経路を遮断することができ、ソース・ドレイン電極間に流れるリーク電流を抑制することができる。
ここで、図８の電界効果トランジスタの動作について説明する。ゲート電極８に正の電圧を印加すれば、その下方と側方の絶縁膜９、１１の下方と側方の窒化物半導体層内部に電子が蓄積する。これらの電子によって、ソース・ゲート間に形成されている２次元電子ガスとゲート・ドレイン間に形成されている２次元電子ガスとが接続される。よって、ソース・ドレイン間に電圧を印加すれば、低いオン抵抗にてソース・ドレイン間に電流が流れ、損失の小さいオン動作が生じ得る。
他方、ゲート電極８に電圧を印加しないかまたは０Ｖを印加した場合、ソース・ゲート間に形成されている２次元電子ガスとゲート・ドレイン間に形成されている２次元電子ガスとがリセス構造１０によって分離されているので、オフ動作時にソース・ドレイン間に電圧を印加してもチャネルに電流が流れず、すなわちノーマリ・オフ動作状態となる。とくに、ソース・ドレイン間に印加する電圧を相当高くしても、リセス領域１０の下方に電子に対して障壁を形成する第１窒化物半導体層２３が存在するので、リセス領域１０から下方に離れた領域を介して流れるリーク電流が大幅に抑制され、損失の小さいオフ動作が可能となる。
以上のように、本実施形態２による窒化物半導体装置によれば、キャリア走行層４下に電子に対して障壁を形成する窒化物半導体層２３を設けることによって、障壁層５とキャリア走行層４とのヘテロ接合界面から下方に離れた領域を流れる電流を抑制することができる。したがって、前述の実施形態１の場合と同様に本実施形態２においても、従来技術による窒化物半導体装置の場合に比べて高いバイアス電圧を印加した際にソース・ドレイン電極間に流れるリーク電流を低減することができ、オフ動作時の損失の小さい窒化物半導体装置を得ることができる。
なお、本実施形態では第１窒化物半導体層２３としてＡｌＧａＮが用いられているが、上述のように第２窒化物半導体層４に比べて禁制帯幅の広い窒化物半導体層であれば何を用いてもよい。ただし、混晶組成の制御のしやすさなどを考慮すれば、３元混晶であるＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ≦１）を用いるのが望ましい。
ここで、第１窒化物半導体層２３が薄ければ、電子がトンネル電流として第１窒化物半導体層２３を透過し、バッファ層２を介してリーク電流が流れ得る。したがって、第１窒化物半導体層２３は、１００ｎｍ以上に厚くされることが望ましい。また、第１窒化物半導体層２３のＡｌ組成比が高い場合、第１窒化物半導体層２３とバッファ層２とのヘテロ接合界面に２次元電子ガスが発生し、バッファ層２内部に電子が流れる経路が形成され得る。この問題を回避すべく、バッファ層２と第１窒化物半導体層２３とのそれぞれの材料を適切に選択する必要があるが、例えばバッファ層２に含まれる最上面層がＧａＮであって第１窒化物半導体層２３がＡｌyＧａ1-yＮである場合、第１窒化物半導体層２３のＡｌ組成比ｙが０．０３≦ｙ≦０．１５であれば２次元電子ガスの発生を抑制することができる。
（参考形態３）
図９は、本発明に密接に関連する参考形態３による窒化物半導体装置の模式的断面図を示している。この図９のダイオードの構造おいては、図６のトランジスタの構造に比べて、アノード電極１６がソース電極６に対応し、カソード電極１７がドレイン電極７に対応している。これらのアノード電極とカソード電極は、ともにＴｉ／Ａｌで形成されている。また、ゲート電極１８はアノード電極１６上と絶縁膜９、１１上に形成されており、すなわちアノード電極１６に電気的に接続されている。このゲート電極１８は、Ｎｉ／Ａｕで形成されている。
なお、図９においてゲート電極１８はアノード電極１６上に被さる構造によって電気的に接続されているが、アノード電極１６がゲート電極１８上に被さる構造、またはゲート電極とアノード電極とが直接接触せずに他の配線電極などが介在する構造などによって電気的に接続されてもよい。
アノード電極１６とカソード電極１７は、第３窒化物半導体層５に接して形成されている。そして、アノード電極１６とカソード電極１７は、第２窒化物半導体層４の上面に沿って形成されている２次元電子ガスによるチャネル（図示せず）に対して、第３窒化物半導体層５を介するトンネル電流機構によってオーム性接触している。ゲート電極１８は、それに印加されるバイアス電圧に応じて、その下方と側方に位置する絶縁膜９、１１と窒化物半導体層との界面における電子濃度を制御する制御電極として作用する。
ここで、図９のダイオードの動作について説明する。アノード電極１６とゲート電極１７の電圧が０Ｖのとき、アノード・ゲート間に形成される２次元電子ガスとゲート・カソード間に形成される２次元電子ガスとはリセス領域１０によって分離されている。
アノード電極１６とカソード電極１７の間に順方向バイアス電圧を印加した場合、アノード電極１６に電気的に接続されているゲート電極１８の下方と側方の絶縁膜９、１１の下方と側方の窒化物半導体層内部に電子が蓄積される。これらの電子によって、アノード・ゲート間の２次元電子ガスとゲート・カソード間の２次元電子ガスが互いに接続され、アノード電極１６からカソード電極１７へ電流が流れる。
他方、アノード電極１６とカソード電極１７の間に逆方向バイアス電圧を印加した場合、アノード電極１６に電気的に接続されているゲート電極１８の周辺の電子ならびにゲート・カソード間における２次元電子ガスが空乏化されることによって電流が遮断される。
このように、本参考形態３によるダイオードでは、絶縁膜９、１１を介してゲート電極１８近傍の電子濃度を制御することによって整流動作が得られる。とくに、リセス領域１０の下方において電子に対して障壁を形成する第１窒化物半導体層１３が存在するので、リセス領域１０から下方に離れたバッファ層２を介して流れるリーク電流が大幅に抑制され、損失の小さいオフ動作が可能となる。
以上のように、本参考形態３による窒化物半導体装置においては、キャリア走行層４下に電子に対して障壁を形成する窒化物半導体層１３を設けることによって、障壁層５とキャリア走行層４とのヘテロ接合界面から下方に離れた領域を流れる電流を抑制することができる。そして、高い逆方向バイアス電圧を印加した際にアノード・カソード電極間に流れるリーク電流を低減させることができ、オフ動作時における損失を小さくすることができる。
また、本参考形態では、アノード電極１６がチャネルとオーム性接触していることから、リセス構造１０を用いずにショットキ接合を形成するアノード電極を用いるいわゆるショットキ・ダイオードと比較して低い電圧にて電流が流れ始め、順方向バイアス印加時の立ち上がり電圧を０Ｖに近づけることができる。その結果、オン動作時における損失を低減させることが可能となる。
ここで、本参考形態では、ゲート電極１８が設けられかつこれがアノード電極１６と電気的に接続されているので、逆方向バイアス電圧の印加時にもっとも電界強度が高くなるのはゲート電極１８のカソード電極側端となる。他方、リセス構造１０を用いずにショットキ接合を形成するアノード電極を用いるいわゆるショットキ・ダイオードでは、アノード電極のカソード電極側端でもっとも電界強度が高くなる。したがって、もっとも電界強度が高くなる電極端と半導体層との間に絶縁膜９、１１が存在する本参考形態では、絶縁膜が存在しない通常のショットキ・ダイオードと比較して、電界強度の高い電極端において発生する逆方向リーク電流を大幅に低減させることができ、オフ動作時の耐圧を向上させることが可能となる。
なお、図６の電界効果トランジスタの構成を基礎として図９ではアノード電極１６とゲート電極１８とを電気的に接続して形成したダイオードを説明したが、そのダイオードの第１窒化物半導体層１３の代わりに実施形態１におけるｐ型ＧａＮ層３または実施形態２におけるＡｌＧａＮ層２３を用いてもよいことはもちろんである。
図１０の模式的断面図は、図９の窒化物半導体装置の変形例（以下、変形例４と称す）を示している。この図１０のダイオードは、図９に比べて、ゲート電極とアノード電極とが同一材料で一体化された複合アノード電極２６として形成されていることにおいて異なっている。この複合アノード電極２６は、カソード電極１７と同じくＴｉ／Ａｌを用いて形成されている。複合アノード電極２６とカソード電極１７が第３窒化物半導体層５と接している領域には、第３窒化物半導体層５および第２窒化物半導体層４にＳｉなどのｎ型不純物をイオン注入などで高濃度にドーピングしたコンタクト領域１４が形成されており、チャネルと複合アノード電極２６およびカソード電極１７とはこのコンタクト領域１４を介してオーム性接触している。
図１０に示された本変形例５では、複合アノード電極２６とカソード電極１７が同一材料で形成されるので、ダイオードを作製するプロセスを簡素化することができ、図９のダイオードと同様の特性を有する窒化物半導体装置をより低コストで提供することが可能となる。
（参考形態４）
図１１は、本発明に密接に関連するの参考形態４による電力変換装置の主要部を示す回路図である。この図１１の力率改善回路は、交流電源５１、ダイオード５２〜５６、インダクタ５７、電界効果トランジスタ５８、キャパシタ５９、および負荷抵抗６０を含んでいる。ダイオード５２〜５６には参考形態３による図９の窒化物半導体装置が用いられ、電界効果トランジスタ５８には参考形態２の変形例３による図７の窒化物半導体装置がそれぞれ用いている。
電力変換装置である力率改善回路に用いられるダイオードおよび電界効果トランジスタに本発明の参考形態による窒化物半導体装置を用いれば、回路内部における損失が低減できることから、電力変換装置の効率が改善され、低損失で高効率動作が可能な電力変換装置を提供することができる。
以上、本発明がその実施形態および参考形態に基づいて具体的に説明されたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、上述の実施形態では基板としてＳｉが用いられたが、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＡｓ、ＺｎＯなどの他の基板が用いられてもよい。
また、上述の実施形態ではバッファ層として薄いアンドープＡｌＮ層上に厚いアンドープＧａＮ層を積んだ多重窒化物半導体層が用いられたが、ＡｌＮ層、ＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層、ＡｌＮ／ＧａＮ多重層、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ多重層などの他のバッファ層を用いることもできる。
また、上述の実施形態では第２窒化物半導体層４としてアンドープＧａＮ層を用いているが、ｎ型ＧａＮ層やｐ型ＧａＮ層などのドーピングされた窒化物半導体層であってもよく、またＧａＮ以外のＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどのアンドープまたはドーピングされた窒化物半導体層を用いることも可能である。ただし、３元以上の混晶中では混晶散乱によってキャリア走行層４内部で電子の移動度が低下し、大電力用素子としての窒化物半導体装置の損失を増大するという問題が生じることから、第２窒化物半導体層４はＧａＮであることが望ましい。
また、上述の実施形態では第３窒化物半導体層５として上側から順にＧａＮ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ／ＡｌＮを含むアンドープ多重窒化物半導体層を用いているが、アンドープのＡｌＧａＮもしくはドーピングされたＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどの単層の窒化物半導体層、Ａｌ組成比やドーピング濃度の異なる複数のＡｌＧａＮ層を含む多重ＡｌＧａＮ層、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＡｌＮなどの多重窒化物半導体層、または単層もしくは多層のアンドープもしくはドーピングされた他の半導体層を用いることも可能である。
また、上述の実施形態では電極としてＴｉ／ＡｌおよびＮｉ／Ａｕを用いて説明したが、Ｔｉ／Ａｕ、Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｗ、ＷＮx、ＷＳｉxなどの他の電極材料を用いることも可能である。
また、上述の実施形態では第２窒化物半導体層４と第３窒化物半導体層５とのヘテロ接合界面に形成された２次元電子ガスによるチャネルに対してドレイン電極またはカソード電極がオーム性接触しているが、ドレイン電極またはカソード電極はショットキ接合を形成する構成であってもよい。しかしながら、窒化物半導体装置におけるオン抵抗を低減して損失を低減するためには、ドレイン電極またはカソード電極とチャネルとはオーム性接触を形成することが望ましい。
また、上述の実施形態では電極とチャネルとのオーム性接触を得る構成として、第３窒化物半導体層５を介するトンネル電流機構によってオーム性接触する構成や、第３窒化物半導体層５および第２窒化物半導体層４にＳｉなどのｎ型不純物をイオン注入などによって高濃度にドーピングしたコンタクト領域１４上に電極を形成することでオーム性接触を形成する構成を説明したが、例えば第２窒化物半導体層４の側方からオーム性接触を形成する方法、第３窒化物半導体層５の上面から第２窒化物半導体層４の部分的深さまで掘り込んだ領域に高濃度ドーピングされたＧａＮやＩｎＧａＮなどを再成長などによってコンタクト層を形成しかつその上に電極を形成してオーム性接触を形成する方法、第３窒化物半導体層５の部分的深さまで掘り込んだ領域上に電極を形成し、第３窒化物半導体層５を介するトンネル電流機構によってオーム性接触を得る方法、第３窒化物半導体層５および第２窒化物半導体層４を掘り込まずに第３窒化物半導体層５上に電極を形成して熱処理による合金化によってオーム性接触を得る方法などのように、他のオーム性接触を得る方法を用いることもできる。
また、上述の実施形態では絶縁膜としてＳｉＯ2またはＳｉＮを用いた例を説明したが、Ａｌ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＺｒＯ2、ＴｉＯ2、ＴａＯx、ＭｇＯ、Ｇａ2Ｏ3、ＭｇＦ2などの各層、さらにはＳｉＮ／ＳｉＯ2、ＳｉＮ／ＳｉＯ2／ＳｉＮなどの多層膜のように他の絶縁膜を用い得ることはもちろんである。
また、本発明においてリセス構造１０の側面は第３窒化物半導体層５の表面に対して垂直であることは要さず、例えば図４の変形例としての図１２に示すように、リセス構造１０の側面は半導体層の表面に対して傾斜して形成されてもよい。
また、図１１の電力変換装置中においてダイオードおよび電界効果トランジスタの全てに本発明の参考形態による窒化物半導体装置を適用した例が示されたが、それらのダイオードおよび電界効果トランジスタの一部に本発明の参考形態または実施形態による窒化物半導体装置を適用してもよいことは言うまでもない。
さらに、図１１では本発明の参考形態による窒化物半導体装置を力率改善回路に適用した例を示したが、本発明の参考形態または実施形態による窒化物半導体装置はインバータやコンバータなどの他の電力変換装置に適用することもできる。
以上のように、本発明によれば、高いバイアス電圧を印加した際に生じるリーク電流が小さくてオフ動作時の損失の小さい窒化物半導体装置を提供することができる。
本発明に密接に関連する参考形態１による窒化物半導体装置を示す模式的断面図である。 図１の電界効果トランジスタと比較例の電界効果トランジスタとの特性比較を示すグラフである。 本発明の実施形態１による窒化物半導体装置を示す模式的断面図である。 図３の窒化物半導体装置の変形例を示す模式的断面図である。 図４の窒化物半導体装置の変形例を示す模式的断面図である。 本発明に密接に関連する参考形態２による窒化物半導体装置を示す模式的断面図である。 図６の窒化物半導体装置の変形例を示す模式的断面図である。 本発明の実施形態２による窒化物半導体装置を示す模式的断面図である。 本発明に密接に関連する参考形態３による窒化物半導体装置を示す模式的断面図である。 図９の窒化物半導体装置の変形例を示す模式的断面図である。 本発明に密接に関連する参考形態４による電力変換装置の主要部を示す回路図である。 図４の窒化物半導体装置の他の変形例を示す模式的断面図である。 従来技術による電界効果トランジスタを示す模式的断面図である。
１ 基板；２ バッファ層；３、４、５、１３、２３、１０２、１０３、１０４、１０５ 窒化物半導体層；６、１０６ ソース電極；７、１０７ ドレイン電極；８、１８、１０８ ゲート電極；９、１１ 絶縁膜；１０、１１０ リセス領域；１２ リサーフ用電極；１４ コンタクト領域；１６、２６ アノード電極；１７ カソード電極；５１ 交流電源；５２〜５６ 整流素子；５７ インダクタ；５８ 電界効果トランジスタ；５９ キャパシタ；６０ 負荷抵抗。

Claims (14)

  1. 基板上においてバッファ層を介して順次接して積層された第１、第２、および第３の窒化物半導体層を含み、前記第３窒化物半導体層は前記第２窒化物半導体層であるキャリア走行層に比べて広い禁制帯幅を有し、
    前記第３窒化物半導体層の上面から前記キャリア走行層の部分的深さまで掘り込まれたリセス領域、
    前記リセス領域を挟む一方側と他方側において前記第３窒化物半導体層または前記第２窒化物半導体層に接してそれぞれ形成された第１電極と第２電極、
    前記第３窒化物半導体層上と前記リセス領域の内面上に形成された絶縁膜、および
    前記リセス領域において前記絶縁膜上に形成された制御電極をさらに含み、
    前記制御電極の下端は前記第３窒化物半導体層の下面より下方に位置しており、
    前記第１窒化物半導体層はｐ型となるように不純物がドーピングされていることを特徴とする窒化物半導体装置。
  2. 前記第２窒化物半導体層は２０ｎｍ以上の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置。
  3. 基板上においてバッファ層を介して順次接して積層された第１、第２、および第３の窒化物半導体層を含み、前記第３窒化物半導体層は前記第２窒化物半導体層であるキャリア走行層に比べて広い禁制帯幅を有し、
    前記第３窒化物半導体層の上面から前記キャリア走行層の部分的深さまで掘り込まれたリセス領域、
    前記リセス領域を挟む一方側と他方側において前記第３窒化物半導体層または前記第２窒化物半導体層に接してそれぞれ形成された第１電極と第２電極、
    前記第３窒化物半導体層上と前記リセス領域の内面上に形成された絶縁膜、および
    前記リセス領域において前記絶縁膜上に形成された制御電極をさらに含み、
    前記制御電極の下端は前記第３窒化物半導体層の下面より下方に位置しており、
    前記第１窒化物半導体層は前記キャリア走行層に比べて小さな格子定数と広い禁制帯幅を有していることを特徴とする窒化物半導体装置。
  4. 前記第１窒化物半導体層は１００ｎｍ以上の厚さを有することを特徴とする請求項３に記載に記載の窒化物半導体装置。
  5. 前記第１窒化物半導体層はＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）で形成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の窒化物半導体装置。
  6. 前記第１窒化物半導体層はＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．０３≦ｙ≦０．１５）からなることを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の窒化物半導体装置。
  7. 前記制御電極は、前記第３窒化物半導体層の上面上の前記絶縁膜上にも延在していることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の窒化物半導体装置。
  8. 前記第３窒化物半導体層の上面上に接して形成された絶縁膜と前記リセス領域の内面上に接して形成された絶縁膜とは異なる種類の絶縁膜であることを特徴とする請求項１から
    ７のいずれかに記載の窒化物半導体装置。
  9. 前記第１窒化物半導体層の上面と前記リセス領域の底面との距離が５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の窒化物半導体装置。
  10. 前記第２窒化物半導体層はＧａＮからなることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の窒化物半導体装置。
  11. 前記第１電極と前記制御電極とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の窒化物半導体装置。
  12. 前記第１電極は前記第２窒化物半導体層とオーム性接触していることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の窒化物半導体装置。
  13. 前記第１電極と前記制御電極とは同一材料で構成されていることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の窒化物半導体装置。
  14. 請求項１から１３のいずれかに記載の窒化物半導体装置を含むことを特徴とする電力変換装置。
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