JP2011124385A - 化合物半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、化合物半導体素子の動作に関係なく、リーク電流を防止することができる化合物半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】化合物半導体装置１は、２ＤＥＧ３１０を有する第１の化合物半導体層３１と、第１の化合物半導体層３１上に配設され、キャリア供給層として機能する第２の化合物半導体層３２と、２ＤＥＧ３１０上に配設された第１の電極６１と、２ＤＥＧ３１０上において第１の電極６１から離間して配設された第２の電極４２と、を備えた化合物半導体素子１０と、化合物半導体素子１０の周囲を取り囲む領域の一部において２ＤＥＧ３１０上に配設され、この２ＤＥＧ３１０のキャリア濃度を低減させる外周電極６２を有する外周領域１１とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、化合物半導体装置及びその製造方法に関し、特に高移動度のキャリア走行層を持つ化合物半導体素子を有する窒化物系化合物半導体装置及びその製造方法に関する。

ガリウムナイトライド（ＧａＮ）系化合物半導体を用いた窒化物系化合物半導体装置として、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：high electron mobility transistor）が知られている。特に、ｎチャネル導電型ＨＥＭＴは、高い電子（キャリア）の移動度を有し、高周波特性に優れている。

ＨＥＭＴは、キャリア走行層（キャリアチャネル層）として機能するガリウムナイトライド（ＧａＮ）層と、このＧａＮ層上にヘテロ接合によって積層されたキャリア供給層（バリア層）として機能するアルミニウムガリウムナイトライド（ＡｌＧａＮ）層とを有する窒化物系半導体機能層に構成される。ＧａＮ層のヘテロ接合近傍には高移動度の電子（エレクトロン）が走行する二次元電子ガス（２ＤＥＧ：two-dimensional electron gas）チャネルが生成される。二次元電子ガスチャネルにはソース電極及びドレイン電極が接続され、ソース電極とドレイン電極との間にはゲート電極が配設される。このような構造を有するＨＥＭＴにおいては、自発分極や格子不整合を用いたピエゾ電界により高いキャリア密度を実現することができる。

下記特許文献１には、シリコン基板上に島状の窒素化合物含有半導体層を形成し、この窒素化合物含有半導体層に電界効果トランジスタ、シットキーバリアダイオード等が作り込まれた窒素化合物含有半導体装置が開示されている。この開示された窒素化合物含有半導体装置においては、大口径化を実現しかつ安価なシリコン基板を採用しつつ、窒素化合物含有半導体層に生成される二次元電子ガスチャネルとシリコン基板との間を島状の窒素化合物含有半導体層の側壁によって離間することができるので、リーク電流を減少することができる特徴がある。また、窒素化合物含有半導体装置においては、島状の窒素化合物半導体層の外縁に沿って環状のソース電極が配設され、ソース電極とシリコン基板との間を同電位に保持することにより、島状の窒素化合物半導体層の側壁側からのキャリアの回り込みを抑制し、リーク電流を減少することができる特徴がある。

特開２００５−５００５号公報

しかしながら、前述の特許文献１に開示された窒素化合物含有半導体装置においては、以下の点について配慮がなされていなかった。すなわち、シリコン基板は導電性基板であり、ＨＥＭＴのゲート電極とドレイン電極との間の寸法に比べて窒素化合物含有半導体層の厚みが薄い場合、ゲート電極とドレイン電極との間が逆バイアス状態（オフ状態）になると、ドレイン電極のゲート電極側の端と窒素化合物含有半導体層との界面近傍に電界が集中する。そして、この電界の発生によって、ドレイン電極からシリコン基板を経由してソース電極にリーク電流が流れやすくなる。また、シリコン基板と窒素化合物含有半導体層との間にバッファ層が形成されている場合には、同様に、ドレイン電極からバッファ層を経由してソース電極にリーク電流が流れやすくなる。

本発明は上記課題を解決するためになされたものである。従って、本発明は、化合物半導体素子の動作に関係なく、リーク電流を防止することができる化合物半導体装置及びその製造方法を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の実施例に係る第１の特徴は、化合物半導体装置において、二次元キャリアガスチャネルを有する第１の化合物半導体層と、第１の化合物半導体層上に配設され、キャリア供給層として機能する第２の化合物半導体層と、二次元キャリアガスチャネル上に配設された第１の電極と、二次元キャリアガスチャネル上において第１の電極から離間して配設された第２の主電極と、を備えた化合物半導体素子と、化合物半導体素子の周囲を取り囲む領域の少なくとも一部において二次元キャリアガスチャネル上に配設され、この二次元キャリアガスチャネルのキャリア濃度を低減させる外周電極を有する外周領域とを備える。

第１の特徴に係る化合物半導体装置において、外周電極は第１の電極と同一構造により構成されることが好ましい。

また、第１の特徴に係る化合物半導体装置において、化合物半導体素子は第１の電極を制御電極として使用するＨＥＭＴであることが好ましい。

また、第１の特徴に係る化合物半導体装置において、化合物半導体素子は、第１の電極を二次元キャリアガスチャネルとの間で整流特性を有するアノード電極として使用するダイオードであることが好ましい。

また、第１の特徴に係る化合物半導体装置において、外周領域の外周電極は二次元キャリアガスチャネルと反対導電型を有する電極層を備え、この電極層は、金属酸化物半導体若しくは窒化物半導体、又は金属酸化物半導体と窒化物半導体との組み合わせにより構成されることが好ましい。

また、第１の特徴に係る化合物半導体装置において、外周電極層は電極層と絶縁体とを組み合わせて構成されていることが好ましい。

本発明の実施例に係る第２の特徴は、化合物半導体装置の製造方法において、二次元キャリアガスチャネルを有する第１の化合物半導体層上にキャリア供給層として機能する第２の化合物半導体層を形成する工程と、二次元キャリアガスチャネル上において互いに離間された第１の電極及び第２の電極を有する化合物半導体素子を形成する工程と、化合物半導体素子の周囲を取り囲む領域の少なくとも一部において二次元キャリアガスチャネル上にそのキャリア濃度を低減させる外周電極を有する外周領域を形成する工程とを備える。

本発明によれば、化合物半導体素子の動作に関係なく、リーク電流を防止することができる化合物半導体装置及びその製造方法を提供することができる。

本発明の実施例１に係る窒化物系化合物半導体装置の断面図（図２に示すＦ１−Ｆ１切断線により切断した箇所の断面図）である。 実施例１に係る窒化物系化合物半導体装置の平面図である。 実施例１に係る窒化物系化合物半導体装置のノーマリーオフ電極の拡大断面図である。 実施例１に係る窒化物系化合物半導体装置において化合物半導体素子のゲート電極直下のエネルギバンド図である。 実施例１に係る窒化物系化合物半導体装置においてリーク電流防止領域のノーマリーオフ電極直下のエネルギバンド図である。 実施例１に係る窒化物系化合物半導体装置の製造方法を説明する第１の工程断面図である。 第２の工程断面図である。 本発明の実施例２に係る窒化物系化合物半導体装置の断面図である。 本発明の実施例３に係る窒化物系化合物半導体装置の断面図である。 本発明の実施例４に係る窒化物系化合物半導体装置の断面図である。 本発明の実施例５に係る窒化物系化合物半導体装置の断面図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なる。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

また、以下に示す実施例はこの発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は各構成部品の配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（実施例１）
本発明の実施例１は、化合物半導体素子をＨＥＭＴとする窒化物系化合物半導体装置に本発明を適用した例を説明するものである。

［窒化物系化合物半導体装置の構造］
図１乃至図３に示すように、実施例１に係る窒化物系化合物半導体装置１は、二次元キャリアガスチャネル３１０を有し、キャリア走行層として機能する第１の化合物半導体層３１と、第１の化合物半導体層３１上に配設され、キャリア供給層（バリア領域）として機能する第２の化合物半導体層３２と、二次元キャリアガスチャネル３１０上に配設された第１の電極６１と、二次元キャリアガスチャネル３１０上において第１の電極６１から離間して配設された第２の電極４２と、を備えた化合物半導体素子１０と、化合物半導体素子１０の周囲を取り囲む領域の少なくとも一部において二次元キャリアガスチャネル３１０上に配設され、この二次元キャリアガスチャネル３１０のキャリア濃度を減少させる反対導電型の電極層６０１を持つ外周電極６２を有する外周領域１１とを備える。

第１の化合物半導体層３１及び第２の化合物半導体層３２は化合物半導体機能層３を構築し、この化合物半導体機能層３に化合物半導体素子１０が構成される。化合物半導体素子１０は、実施例１において電子をキャリアとするｎチャネル導電型ＨＥＭＴである。従って、二次元キャリアガスチャネル３１０は二次元電子ガスチャネルである。第２の化合物半導体層３２の格子定数は第１の化合物半導体層３１の格子定数よりも小さく、第２の化合物半導体層３２のバンドギャップは第１の化合物半導体層３１のバンドキャップよりも大きい。

化合物半導体機能層３は、図１に示すように、基板２上に配設される。実施例１において、基板２には、大口径化を実現することができ、かつ安価に製作することができるシリコン基板（例えばシリコン単結晶基板）が使用される。化合物半導体機能層３は第１の化合物半導体層３１の第２の化合物半導体層３２とは対向する裏面にバッファ層３３を備え、化合物半導体機能層３はこのバッファ層３３を介して結晶性の整合性を確保した状態において基板２上に配設されている。また、バッファ層３３の機能は第１の化合物半導体層３１に備えてもよい。

化合物半導体機能層３はここではIII族窒化物系半導体材料により構成されている。代表的なIII族窒化物系半導体はＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）により表される。更に、実施例１において、化合物半導体機能層３の第１の化合物半導体層３１のＡｌ（アルミニウム）の組成比ｘ１が０≦ｘ１＜１の範囲であり、第２の化合物半導体層３２のＡｌの組成比ｘ２が０＜ｘ２≦１の範囲であり、Ａｌの組成比ｘ２がＡｌの組成比ｘ１に比べて大きい（ｘ１＜ｘ２）関係にあるとき、第１の化合物半導体層３１はＡｌ_x1Ｇａ_1-x1Ｎにより表される窒化物半導体材料により構成され、第２の化合物半導体層３２はＡｌ_x2Ｇａ_1-x2Ｎにより表される窒化物半導体材料により構成される。すなわち、化合物半導体機能層３は、ＡｌＧａＮからなる第１の化合物半導体層３１とＡｌＧａＮからなる第２の化合物半導体層３２との積層構造、又はＧａＮからなる第１の化合物半導体層３１とＡｌＧａＮからなる第２の化合物半導体層３２との積層構造、又はＡｌＧａＮからなる第１の化合物半導体層３１とＡｌＮからなる第２の化合物半導体層３２との積層構造により構成される。

実施例１において、第１の化合物半導体層３１の膜厚は例えば０．５μｍ−１０．０μｍに設定される。第１の化合物半導体層３１にＧａＮ層を使用する場合、このＧａＮ層は例えば３．０μｍの膜厚に設定されたノンドープ層である。第２の化合物半導体層３２の膜厚は例えば５ｎｍ−１００ｎｍに設定され、第２の化合物半導体層３２がＡｌＧａＮ層である場合、このＡｌ組成は例えば０．１−０．４に設定される。具体的には、膜厚が２５ｎｍ、Ａｌ組成が０．２６に設定されたノンドープ層であるＡｌＧａＮ層が使用される。バッファ層３３には、例えばＧａＮ層とアルミニウムナイトライド（ＡｌＮ）層とを交互に複数積層した積層膜が使用される。

化合物半導体機能層３において、第１の化合物半導体層３１と第２の化合物半導体層３２とのヘテロ接合界面近傍であって第１の化合物半導体層３１の表面部分に、第１の化合物半導体層３１及び第２の化合物半導体層３２の自発分極並びにピエゾ分極に基づく二次元キャリアガスチャネル３１０が生成される。二次元キャリアガスチャネル３１０は化合物半導体素子（ここでは、ＨＥＭＴ）１０において高移動度を有する電子（キャリア）のチャネル領域として機能する。なお、詳細な説明は省略するが、本発明はｐチャネル導電型ＨＥＭＴにも利用可能であり、この場合には二次元キャリアガスチャネル３１０は二次元正孔ガスチャネルになる。

化合物半導体素子１０は、図１及び図２に示すように、二次元キャリアガスチャネル３１０を有する化合物半導体機能層３に構成され、第２の電極（第１の主電極）４２と、この第２の電極４２に離間されかつ平行に延在する第３の電極（第２の主電極）４１と、第２の電極４２と第３の電極４１との間に配設された第１の電極６１とを備えている。化合物半導体素子（ＨＥＭＴ）１０は、第３の電極４１に印加される電位よりも高い電位が第２の電極４２に印加され、第１の電極６１がオン状態になると、第２の電極４２から第３の電極４１に電流が流れる（キャリアである電子は逆に流れる。）。

ここでは、第２の電極４２はドレイン電極として機能し、第３の電極４１はソース電極として機能する。第２の電極４２及び第３の電極４１は二次元キャリアガスチャネル３１０に対して低抵抗に接続するオーミック電極である。また、実施例１において、第２の電極４２は化合物半導体機能層３の第２の化合物半導体層３２の表面から第１の化合物半導体層３１の二次元キャリアガスチャネル３１０に向かって形成された接続孔（スルーホール又はビアホール）３２２内に配設され、第２の電極４２と二次元キャリアガスチャネル３１０との間の低抵抗化が図られている。接続孔３２２は、二次元キャリアガスチャネル３１０に達しない場合、二次元キャリアガスチャネル３１０に達する場合、二次元キャリアガスチャネル３１０を越える場合のいずれであってもよい。第３の電極４１は、第２の電極４２と同様に、化合物半導体機能層３の第２の化合物半導体層３２の表面から第１の化合物半導体層３１の二次元キャリアガスチャネル３１０に向かって形成された接続孔３２１内に配設され、第３の電極４１と二次元キャリアガスチャネル３１０との間の低抵抗化が図られている。接続孔３２１は接続孔３２２と同一構造により構成され、製造プロセスとしては接続孔３２１及び３２２は同一製造工程により製造されている。実施例１において、第２の電極４２、第３の電極４１は、いずれも例えば１０ｎｍ−５０ｎｍの膜厚を有するＴｉ（チタン）層と、このＴｉ層上に積層され例えば２５ｎｍ−１０００ｎｍの膜厚を有するＡｌ層との積層膜により構成されている。

第１の電極６１は、制御電極或いはゲート電極であり、第２の化合物半導体層３２上に配設される。図１及び図３に示すように、実施例１において、第１の電極６１は、第２の化合物半導体層３２の表面からこの第２の化合物半導体層３２内において二次元キャリアガスチャネル３１０に向かって掘り下げられた、更に詳細には第２の化合物半導体層３２の表面上に配設された絶縁層５の表面から第２の化合物半導体層３２内に掘り下げられた第１のリセス（凹部又は窪み）３２３に配設されている。第１のリセス３２３の第２の化合物半導体層３２の表面からの深さは例えば１ｎｍ−２４ｎｍに設定され、第１のリセス３２３直下に第２の化合物半導体層３２が存在するように設定されている。絶縁層５には例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、又はそれらを組み合わせた複合膜が使用される。

実施例１において、構造の簡素化並びに製造コストの削減化を目的として、第１の電極６１は、前述の外周領域１１の外周電極６２と同一構造により構成され、かつ製造プロセスにおいて同一製造工程により形成されている。例えば、第１の電極６１は、二次元キャリアガスチャネル３１０の導電型とは反対導電型の第１の電極層６０１を有し、第２の化合物半導体層３２の表面からその上方に向かって、この第１の電極層６０１と、第１の電極層６０１上の第２の電極層６０２と、第２の電極層６０２上の第３の電極層６０３と、第３の電極層６０３上の第４の電極層６０４とを積層した複合膜により構成されている。この第１の電極６１の具体的な構造、材料等は外周領域１１の説明において詳述する。

図２中、化合物半導体素子１０の第２の電極４２は、同一幅寸法においてＹ方向（縦方向）に延在し、Ｘ方向（横方向）に複数本配列されている。この配列本数に限定されるものではないが、第２の電極４２は３本配列されている。複数本の第２の電極４２は、Ｙ方向下側の一端において第２の外部端子（ボンディングパッド）４２Ｐに一体に連結される（電気的に接続される）。第２の電極４２は、Ｚ方向から見て櫛形形状を有している。ここで、Ｘ方向とはＸＹ座標軸のＸ軸に一致する方向であり、Ｙ方向とはＹ軸に一致する方向であり、更にＺ方向はＺ軸に一致する方向である。

第３の電極４１は、同一幅寸法において第２の電極４２に離間しかつ同一のＹ方向に延在し、Ｘ方向に複数本配列されている。ここでは、第３の電極４１は４本配列されている。複数本の第３の電極４１は、Ｙ方向上側の一端において第３の外部端子（ボンディングパッド）４１Ｐに一体に連結される（電気的に接続される）。第３の電極４１は、Ｚ方向から見て、第２の電極４２と噛み合う櫛形形状を有している。

第１の電極６１は、同一幅寸法において第２の電極４２と第３の電極４１との間をＹ方向に繰り返し延在しながらＸ方向に延在している。第１の電極６１の一端及び他端はＹ方向下側において第１の外部端子（ボンディングパッド）６１Ｐに一体に連結される（電気的に接続される）。第１の電極６１は、Ｚ方向から見て、第２の電極４２と第３の電極４１との間をくぐり抜ける蛇行形状を有している。

図１乃至図３に示すように、外周領域１１は、第１の電極６１の断面構造と同様に、第２の化合物半導体層３２の表面からこの第２の化合物半導体層３２内において二次元キャリアガスチャネル３１０に向かって掘り下げられた、更に詳細には第２の化合物半導体層３２の表面上に配設された絶縁層５の表面から第２の化合物半導体層３２内に掘り下げられた第２のリセス（凹部）３２４と、この第２のリセス３２４内部に配設された外周電極６２とを備えている。

この外周領域１１の外周電極６２は、第１の電極６１と同様に第１の電極層６０１乃至第４の電極層６０４を備えている。第１の電極層６０１には、実施例１において、二次元キャリアガスチャネル３１０の導電型とは反対導電型であるｐ型金属酸化物半導体が使用される。このｐ型金属酸化物半導体には、酸化ニッケル（ＮｉＯ_x、ｘ＝１〜２。）、酸化鉄、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化銅のいずれかを実用的に使用することができる。ここでは、第１の電極層６０１には、例えば２０ｎｍ−１０００ｎｍの膜厚を有するＮｉＯ_xが使用される。

また、第１の電極層６０１にはｐ型窒化物半導体を使用することができる。ｐ型窒化物半導体には、ｐ型ドープＡｌＧａＮ、ｐ型ドープＧａＮ、ｐ型ドープＩｎＧａＮのいずれかを実用的に使用することができる。例えば、第１の電極層６０１には、マグネシウム（Ｍｇ）をドープした８０ｎｍ−１２０ｎｍの膜厚を有するｐ型ドープＧａＮが使用される。

これらの第１の電極層６０１に使用されるｐ型金属酸化物半導体若しくはｐ型窒化物半導体は、単層膜により構成されるが、複数層の多層膜により構成してもよい。また、第１の電極層６０１は徐々に若しくは段階的にｐ型濃度を変化させてもよい。例えば、第１の電極層６０１のｐ型濃度は第２の窒化物半導体層３２の表面から離れるに従って薄く設定される。更に、第１の電極層６０１は、ｐ型金属酸化物半導体とｐ型窒化物半導体とを組み合わせた積層膜としてもよい。

第２の電極層６０２には例えば１０ｎｍ−１０００ｎｍの膜厚を有するニッケル（Ｎｉ）層を使用することができる。第３の電極層６０３には例えば０．１μｍ−３．０μｍの膜厚を有する金（Ａｕ）層を使用することができる。第４の電極層６０４には例えば５ｎｍ−１００ｎｍの膜厚を有するチタン（Ｔｉ）層を使用することができる。

また、第１の電極６１において順方向リーク電流を防止し、ＨＥＭＴのデバイス特性を向上するために、第１の電極６１の第１の電極層６０１と第２の化合物半導体層３２との間若しくは第１の電極層６０１と第２の電極層６０２との間に絶縁体を備える場合には、図示しないが、第１の電極６１の構造と同様に外周電極６２にも絶縁体が配設される。この絶縁体には、ＮｉＯ、酸化ハフニウム（ＨｆＯ）、シリコン酸化（ＳｉＯ₂）、シリコン窒化（Ｓｉ₃Ｎ₄）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）のいずれかを実用的に使用することができる。例えば、絶縁体には２ｎｍ−５００ｎｍの膜厚を有するＮｉＯ層を使用することができる。

図１及び図２に示すように、外周電極６２（外周領域１１）は、ここでは化合物半導体素子１０の外周であって化合物半導体機能層３の外縁に沿った全周に同一の幅寸法を有し延在している。外周電極６２の一端及び他端はＹ方向下側において外部端子（ボンディングパッド）６２Ｐに連結されている（電気的に接続されている）。外周電極６２及び外部端子６２Ｐは、Ｚ方向から見て、化合物半導体素子１０の外周囲を取り囲むリング形状を有している。外周電極６２は、リーク電流をより確実に防止するために、外部端子６２Ｐを通して固定電位を印加している。例えば、外部端子６２Ｐは基板２に接続され、外部端子６２Ｐには基板２に印加される電位例えば接地電位と同一の電位が印加される。なお、外周電極６２は固定電位を印加しないフローティング状態であってもよい。また、外周電極６２は、全周に配設された場合と同等の機能を有する場合には、化合物半導体機能層３の外縁に沿った一部分具体的に断続的に配設してもよい。

なお、化合物半導体素子１１がｐチャネル導電型ＨＥＭＴである場合には、外周電極６２の第１の電極層６０１にはｎ型金属酸化物半導体、ｎ型窒化物半導体等が使用される。

［リーク電流防止領域の動作原理］
実施例１に係る窒化物系化合物半導体装置１の外周領域１１の動作原理は以下の通りである。

まず、化合物半導体素子１０の第１の電極６１の直下以外には、図４に示すように、化合物半導体機能層３の第１の化合物半導体層３１と第２の化合物半導体層３２とのヘテロ接合界面近傍において第１の化合物半導体層３１に二次元キャリアガスチャネル３１０が生成される。第１の電極６１の直下以外とは、第１の電極６１と第２の電極４２との間の第１の化合物半導体層３１、第１の電極６１と第３の電極４１との間の第１の化合物半導体層３１、第２の電極４２直下の第１の化合物半導体層３１及び第１の電極４１直下の第１の化合物半導体層３１を意味する。

図中、符号Ｅ_fはフェルミ準位、Ｅ_cは伝導帯準位、Ｅ_vは価電子帯準位である。第１の化合物半導体層３１のバンドギャップは約３．５Ｖ、第２の化合物半導体層３２のバンドギャップは約３．８Ｖ−４．６Ｖである。このバンドギャップが異なる半導体同士の接触（ヘテロ接合）によって、このヘテロ接合の界面近傍には伝導帯、価電子帯の双方のバンドの不連続が発生し、伝導帯の不連続量は双方の電子親和力の差で決まるので、電子親和力の大きな第１の化合物半導体層３１側のエネルギが約０．２Ｖ程度低くなる。この結果、伝導帯準位Ｅ_cのレベルがフェルミ準位Ｅ_fよりも低くなる三角形状のポテンシャル井戸が発生し、このポテンシャル井戸に第２の化合物半導体層３２のドナーから発生した電子が集まり、二次元キャリアガスチャネル３１０が生成される。

一方、外周領域１１の外周電極６２の直下には、図５に示すように、化合物半導体機能層３の第１の化合物半導体層３１と第２の化合物半導体層３２とのヘテロ接合界面近傍において第１の化合物半導体層３１に二次元キャリアガスチャネル３１０が生成されない。外周領域１１においては、第２のリセス３２４によって第２の化合物半導体層３２の厚みが減少されている。これによって、第２の化合物半導体層３２のドナーから発生される電子の二次元キャリアガスチャネル３１０への供給量そのものを減少することができ、二次元キャリアガスチャネル３１０のキャリア（電子）濃度を減少することができる。

更に、外周領域１１の外周電極６２は第２のリセス３４２内に配設され、この外周電極６２には二次元キャリアガスチャネル３１０の導電型（ｎ型）とは反対導電型（ｐ型）を有する第１の電極層６０１が生成されているので、三角形状のポテンシャル井戸が引き上げられ、伝導帯準位Ｅ_cのレベルはフェルミ準位Ｅ_fよりも高く押し上げられる。外周電極６２は、その直下において二次元キャリアガスチャネル３１０をｐ型反転させ、ノーマリーオフ状態に保持する。

なお、化合物半導体素子１０においては、第１の電極６１が外周電極６２と同一構造を備えているので、同様の動作原理に基づき、第１の電極６１の直下の二次元キャリアガスチャネル３１０はｐ型反転し、ノーマリーオフ状態が保持される。

すなわち、外周領域１１は、外周電極６２直下において二次元キャリアガスチャネル３１０を発生させることがなく、化合物半導体素子１０の動作に関係なく、ノーマリーオフ状態に保持する機能を有する。この結果、化合物半導体機能層３の側壁を通じて化合物半導体素子１０に流れ込むリーク電流を完全に遮断することができる。

なお、実施例１に係る窒化物系化合物半導体装置１においては、外周領域１１は第２のリセス３２４とこの第２のリセス３２４内に配設された外周電極６２とを備えているが、第２のリセス３２４は配設しないで外周領域１１は外周電極６２のみで構成してもよい。

［窒化物系化合物半導体装置の製造方法］
前述の窒化物系化合物半導体装置１の製造方法は以下の通りである。まず最初に、図６に示すように、周知のＭＯＣＶＤ（metalorganic chemical vapor deposition）法を用いて基板２上に化合物半導体機能層３が形成される。基板２にはシリコン基板が使用される。化合物半導体機能層３は、バッファ層３３、第１の化合物半導体層３１、第２の化合物半導体層３２のそれぞれを連続的に成膜した後に、メサエッチングを用いてメサ形状に形成される。化合物半導体機能層３の各層の具体的な材料や膜厚は前述の通りである。

図７に示すように、化合物半導体素子１０の形成領域において、化合物半導体機能層３に第２の電極４２及び第３の電極４１が形成される。第２の電極４２は、化合物半導体機能層３の表面から二次元キャリアガスチャネル３１０に向かって接続孔３２２を形成し、この接続孔３２２内に形成される。第３の電極４１は、化合物半導体機能層３の表面から二次元キャリアガスチャネル３１０に向かって接続孔３２１を形成し、この接続孔３２１内に形成される。接続孔３２１を形成する工程と接続孔３２２を形成する工程とは同一製造工程により行われる。第２の電極４２を形成する工程と第３の電極４１を形成する工程とは同一製造工程により行われる。

次に、第２の電極４２上及び第３の電極４１上を含む、化合物半導体機能層３の表面上に絶縁層５が形成される。化合物半導体素子１０の形成領域において、絶縁層５の表面から化合物半導体機能層３の第２の化合物半導体層３２の一部まで掘り下げた第１のリセス３２３が形成されるとともに、外周領域１１の形成領域において、同様に絶縁層５の表面から化合物半導体機能層３の第２の化合物半導体層３２の一部まで掘り下げた第２のリセス３２４が形成される（図１参照。）。この第１のリセス３２３を形成する工程と第２のリセス３２４を形成する工程とは同一製造工程により行われる。

前述の図１に示すように、例えばリフトオフ法を用い、第１のリセス３２３に第１の電極６１が形成されるとともに、第２のリセス３２４に外周電極６２が形成される。第１の電極６１を形成する工程と外周電極６２を形成する工程とは同一製造工程により行われる。第１の電極６１、外周電極６２のそれぞれの第１の電極層６０１乃至第４の電極層６０４は、スパッタリング法やＥＢ（electron beam）法を用いて成膜される。

これら一連の製造工程が終了すると、実施例１に係る窒化物系化合物半導体装置１を完成させることができる。

［窒化物系化合物半導体装置の特徴］
このように構成される実施例１に係る窒化物系化合物半導体装置１においては、外周領域１１に二次元キャリアガスチャネル３１０のキャリア濃度を低減する外周電極６２を備えたので、化合物半導体素子（ＨＥＭＴ）１０の動作に関係なく、リーク電流を低減することができる。

更に、実施例１に係る窒化物系化合物半導体装置１においては、外周領域１１の外周電極６２を第２のリセス３２４に備えたので、より一層リーク電流を低減することができる。

更に、実施例１に係る窒化物系化合物半導体装置１の製造方法においては、外周領域１１の第２のリセス３２４、外周電極６２のそれぞれを形成する工程を、化合物半導体素子１０の第１のリセス３２３、第１の電極６１のそれぞれを形成する工程を利用し同一製造工程により形成しているので、外周領域１１を構築するための製造工程数を削減することができる。製造工程数の削減によって、製造上の歩留まりを向上することができるとともに、製作コストを減少することができる。

（実施例２）
本発明の実施例２は、化合物半導体素子をショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）とする窒化物系化合物半導体装置に本発明を適用した例を説明するものである。

［窒化物系化合物半導体装置の構造］
図８に示すように、実施例２に係る窒化物系化合物半導体装置１は、二次元キャリアガスチャネル３１０を有しキャリア走行層として機能する第１の化合物半導体層３１と、第１の化合物半導体層３１上に配設され、キャリア供給層（バリア領域）として機能する第２の化合物半導体層３２と、二次元キャリアガスチャネル３１０上の互いに離間された領域に配設された第１の電極６１及び第２の電極４２と、を備えた化合物半導体素子１０と、化合物半導体素子１０の周囲を取り囲む領域の少なくとも一部において二次元キャリアガスチャネル３１０上に配設され、この二次元キャリアガスチャネル３１０のキャリア濃度を低減する反対導電型の電極層６０１を持つ外周電極６２を有する外周領域１１とを備える。

実施例２に係る窒化物系化合物半導体装置１において、化合物半導体素子１０はＳＢＤである。第１の電極６１はアノード電極として使用される。第１の電極６１は、化合物半導体機能層３の第２の化合物半導体層３２に配設された第１のリセス３２３に配設されている。第１の電極６１と第２の化合物半導体層３２の第１のリセス３２３の表面とがショットキー接合になっている。第１の電極６１のショットキー材料としては、例えば、Ｎｉ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｒｈ、Ａｌ等を実用的に使用することができる。なお、第１のリセス３２３は必ずしも配設する必要はない。

第２の電極４２は二次元キャリアガスチャネル３１０にオーミック接続するカソード電極として使用される。第２の電極４２は、ここでは、実施例１に係る窒化物系化合物半導体装置１の化合物半導体素子１０の第２の電極４２又は第３の電極４１と同様の構造を有し、化合物半導体機能層３の第２の化合物半導体層３２に配設された接続孔３２２内及び３２１内に配設されている。

外周領域１１は、前述の実施例１に係る窒化物系化合物半導体装置１の外周領域１１と同一構造により構成されている。すなわち、外周領域１１は、化合物半導体機能層３の第２の化合物半導体層３２に配設された第２のリセス３２４と、この第２のリセス３２４に配設された外周電極６２とを備えている。外周電極６２は第１の電極６１と同一構造によりかつ同一材料により構成してもよい。

［窒化物系化合物半導体装置の特徴］
このように構成される実施例２に係る窒化物系化合物半導体装置１においては、実施例１に係る窒化物系化合物半導体装置１により得られる効果と同様の効果を奏することができる。

（実施例３）
本発明の実施例３は、実施例２に係る窒化物系化合物半導体装置１の変形例を説明するものである。

［窒化物系化合物半導体装置の構造］
図９に示すように、実施例３に係る窒化物系化合物半導体装置１は、基本的には前述の実施例２に係る窒化物系化合物半導体装置１と同様の構造を有するが、化合物半導体素子１０の第１の電極６１つまりアノード電極を外周領域１１の外周電極６２と同一構造により構成している。第１の電極６１は、前述の図３に示すように、二次元キャリアガスチャネル３１０の導電型（ｎ型）とは反対導電型（ｐ型）を持つ第１の電極層６０１を少なくとも備えている。

なお、実施例３において、第１の電極６１は第１のリセス３２３に配設されているが、この第１のリセス３２３は無くすことができる。また、第１の電極６１を配設する第１のリセス３２３の深さは、外周領域１１の外周電極６２を配設する第２のリセス３２４の深さに対して異なっていてもよい。更に、化合物半導体素子１０の第１の電極６１は第１の電極層６０１乃至第４の電極層６０４により構成し、外周領域１１の外周電極６２はショッキー材料により構成してもよい。

［窒化物系化合物半導体装置の特徴］
このように構成される実施例３に係る窒化物系化合物半導体装置１においては、実施例２に係る窒化物系化合物半導体装置１により得られる効果と同様の効果を奏することができる。

（実施例４）
本発明の実施例４は、前述の実施例１に係る窒化物系化合物半導体装置１の化合物半導体素子１０であるＨＥＭＴと前述の実施例２又は実施例３に係る窒化物系化合物半導体装置１の化合物半導体素子１０であるＳＢＤとを組み合わせた複合素子を化合物半導体素子１０とした例を説明するものである。

［窒化物系化合物半導体装置の構造］
図１０に示すように、実施例４に係る窒化物系化合物半導体装置１は、基本的には前述の実施例１に係る窒化物系化合物半導体装置１と同様の構造を有する。すなわち、窒化物系化合物半導体装置１の化合物半導体素子１０は、基本的には二次元キャリアガスチャネル３１０の互いに離間された領域上に配設された第２の電極（例えばドレイン電極）４２及び第３の電極（例えばソース電極）４１と、第２の電極４２と第３の電極４１との間に配設された第１の電極（ゲート電極又は制御電極）６１とを備え、更に第１の電極６１と第２の電極４２との間の二次元キャリアガスチャネル３１０上に第４の電極６４を備えている。

第４の電極６４は、化合物半導体機能層３の第２の化合物半導体層３２の表面からその一部を掘り下げた第３のリセス３２５内に配設されている。この第４の電極６４は、前述の実施例２又は実施例３に係る窒化物系化合物半導体装置１の化合物半導体素子（ＳＢＤ）１０の第１の電極６１と同様のショットキー電極材料により構成されている。第３のリセス３２５の深さは第１の電極６１が配設された第１のリセス３２３の深さと同一でもよいが、第１のリセス３２３の深さよりも第３のリセス３２５の深さを浅くする方が好ましい。図１０中、簡略化して示しているが、第４の電極６４は第３の電極４１に電気的に接続（短絡）されている。

第４の電極６４はＳＢＤのアノード電極として機能し、第２の電極４２はＨＥＭＴのドレイン電極として機能するとともにＳＢＤのカソード電極としても機能する。つまり、第４の電極６４及び第２の電極４２はＳＢＤを構築する。このＳＢＤは、第２の電極４２から第１の電極６１直下を通過して第３の電極４１に逆方向に流れるキャリアを順方向電流として吸収する、帰還ダイオード、回生ダイオード又は保護ダイオードとして機能を有し、化合物半導体素子１０の逆方向耐圧を高める効果を有する。

一方、外周領域１１の外周電極６２は、前述の実施例１に係る窒化物系化合物半導体装置１の外周電極６２と同様に、第１の電極６１と同一構造により構成されている。なお、実施例４においては、外周領域１１の外周電極６２は第４の電極６４と同一構造としてもよい。つまり、外周領域１１の第２のリセス３２４は化合物半導体素子１０の第３のリセス３２５と同一構造かつ同一製造工程により製作し、外周電極１１はこのように製作された第２のリセス３２４内に第４の電極６４と同一構造かつ同一製造工程により製作される。

また、実施例４に係る窒化物系化合物半導体装置１においては、第４の電極６４は、ショットキー材料ではなく、外周電極６２又は第１の電極６１と同様に二次元キャリアガスチャネル３１０の導電型とは反対導電型を有する第１の電極層６０１（図３参照。）を備えてもよい。

［窒化物系化合物半導体装置の特徴］
このように構成される実施例４に係る窒化物系化合物半導体装置１においては、実施例１乃至実施例３に係る窒化物系化合物半導体装置１により得られる効果と同様の効果を奏することができ、本発明はこのような複合素子を備えた窒化物系化合物半導体装置１にも適用可能である。

（実施例５）
本発明の実施例５は、前述の実施例４に係る窒化物系化合物半導体装置１の化合物半導体素子１０の変形例を説明するものである。

［窒化物系化合物半導体装置の構造］
図１１に示すように、実施例５に係る窒化物系化合物半導体装置１は、基本的には前述の実施例４に係る窒化物系化合物半導体装置１と同様の構造を有するが、化合物半導体素子１０の第４の電極６４を第３の電極（例えばソース電極）４１と離間させこの第３の電極４１の第１の電極６１とは反対側に配設したものである。

第４の電極６４は、前述の実施例４に係る窒化物系化合物半導体装置１の化合物半導体素子１０の第４の電極６４と同一構造により構成され、第３のリセス３２５内に配設されている。この第４の電極６４は同様にアノード電極として機能する。

第３の電極４１は、ここではＨＥＭＴのソース電極として機能するとともに、ＳＢＤのカソード電極としても機能する。つまり、第４の電極６４及び第３の電極４１はＳＢＤを構築する。

一方、外周領域１１の外周電極６２は、前述の実施例１に係る窒化物系化合物半導体装置１の外周電極６２と同様に、第１の電極６１と同一構造により構成されている。なお、実施例５においては、前述の実施例４に係る窒化物系化合物半導体装置１と同様に、外周領域１１の外周電極６２は第４の電極６４と同一構造としてもよい。また、実施例５に係る窒化物系化合物半導体装置１においては、第４の電極６４は、ショットキー材料ではなく、外周電極６２又は第１の電極６１と同様に二次元キャリアガスチャネル３１０の導電型とは反対導電型を有する第１の電極層６０１（図３参照。）を備えてもよい。

［窒化物系化合物半導体装置の特徴］
このように構成される実施例５に係る窒化物系化合物半導体装置１においては、実施例１乃至実施例４に係る窒化物系化合物半導体装置１により得られる効果と同様の効果を奏することができ、本発明はこのような複合素子を備えた窒化物系化合物半導体装置１にも適用可能である。

（その他の実施例）
上記のように、本発明は複数の実施の形態によって記載されているが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものでない。本発明は様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術に適用することができる。

例えば、本発明は、前述の実施例１乃至実施例５に係る窒化物系化合物半導体装置１において、化合物半導体素子１０の第１の電極６１、外周領域１１の外周電極６２のそれぞれを導電型を有しない例えばショットキー電極材料により構成してもよい。

更に、本発明は、前述の窒化物系化合物半導体装置１に代えて、第１の化合物半導体層３１をガリウム砒素（ＧａＡｓ）とし、第２の化合物半導体層３２をアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）とする化合物半導体機能層３を備えた化合物半導体装置に適用可能である。

本発明は、化合物半導体素子の動作に関係なく、リーク電流を防止することができる化合物半導体装置及びその製造方法に広く適用することができる。

１…窒化物系化合物半導体装置
１０…化合物半導体素子
１１…外周領域
２…基板
３…化合物半導体機能層
３１…第１の化合物半導体層
３１０…二次元キャリアガスチャネル
３２…第２の化合物半導体層
３２１、３２２…接続孔
３２３…第１のリセス
３２４…第２のリセス
３２５…第３のリセス
４１…第３の電極
４２…第２の電極
６１…第１の電極
６２…外周電極
６４…第４の電極

Claims (5)

1. 二次元キャリアガスチャネルを有する第１の化合物半導体層と、
   前記第１の化合物半導体層上に配設され、キャリア供給層として機能する第２の化合物半導体層と、
   前記二次元キャリアガスチャネル上に配設された第１の電極と、
   前記二次元キャリアガスチャネル上において前記第１の電極から離間して配設された第２の主電極と、を備えた化合物半導体素子と、
   前記化合物半導体素子の周囲を取り囲む領域の一部において前記二次元キャリアガスチャネル上に配設され、この二次元キャリアガスチャネルのキャリア濃度を低減させる外周電極を有する外周領域と、
   を備えたことを特徴とする化合物半導体装置。
2. 前記外周電極は前記第１の電極と同一構造により構成されることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体装置。
3. 前記化合物半導体素子は前記第１の電極を制御電極として使用する高電子移動度トランジスタであり、又は、
   前記化合物半導体素子は、前記第１の電極を前記二次元キャリアガスチャネルとの間で整流特性を有するアノード電極として使用するダイオードであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の化合物半導体装置。
4. 前記外周領域の前記外周電極は前記二次元キャリアガスチャネルと反対導電型を有する電極層を備え、この電極層は、金属酸化物半導体若しくは窒化物半導体、又は前記金属酸化物半導体と前記窒化物半導体との組み合わせにより構成され、又は、
   前記外周電極層は前記電極層と絶縁体とを組み合わせて構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の化合物半導体装置。
5. 二次元キャリアガスチャネルを有する第１の化合物半導体層上にキャリア供給層として機能する第２の化合物半導体層を形成する工程と、
   前記二次元キャリアガスチャネル上において互いに離間された第１の電極及び第２の電極を有する化合物半導体素子を形成する工程と、
   前記化合物半導体素子の周囲を取り囲む領域の一部において前記二次元キャリアガスチャネル上にそのキャリア濃度を低減させる外周電極を有する外周領域を形成する工程と、
   を備えたことを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。