窒化物半導体装置
【課題】ゲート電極から染み出した金属がドレイン電極に到達することを抑制して、ドレイン−ゲート間の絶縁破壊を抑制する窒化物半導体装置を提供する。
【解決手段】ゲート電極５の直下に位置するＡｌＧａＮ層２２と、このＡｌＧａＮ層２２の直上に位置する絶縁膜３０との間の界面Ｓに、ゲート電極５とドレイン電極１との間に位置するように、溝５０を設けている。ゲート電極５から界面Ｓを伝ってドレイン電極１側へ染み出した金属を、溝５０によって、堰き止めることができる。
【解決手段】ゲート電極５の直下に位置するＡｌＧａＮ層２２と、このＡｌＧａＮ層２２の直上に位置する絶縁膜３０との間の界面Ｓに、ゲート電極５とドレイン電極１との間に位置するように、溝５０を設けている。ゲート電極５から界面Ｓを伝ってドレイン電極１側へ染み出した金属を、溝５０によって、堰き止めることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、窒化物半導体装置に関し、特に民生機器の電源回路等においてパワーデバイスとして用いられる窒化物半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、窒化物半導体装置としては、図８に示すように、基板１０１と、この基板１０１上に設けられたＧａＮ層１０２、ＡｌＧａＮ層１０３および絶縁膜１０４と、ＡｌＧａＮ層１０３上に設けられたソース電極１０５、ドレイン電極１０６およびゲート電極１０７とを備えたものがある（特開２００７−７３５５５号公報：特許文献１参照）。
【０００３】
しかしながら、上記従来の窒化物半導体装置では、上記ゲート電極１０７の直下に位置するＡｌＧａＮ層１０３と、このＡｌＧａＮ層１０３の直上に位置する上記絶縁膜１０４との間の界面Ｓが、平坦であるため、ゲート電極１０７から染み出した金属が、上記界面Ｓを伝って、ドレイン電極１０６に到達する問題があった。
【０００４】
この結果、上記ゲート電極１０７と上記ドレイン電極１０６とが、染み出した金属によって繋がり、ドレイン−ゲート間で絶縁破壊が生じて、窒化物半導体層の寿命が低下することとなっていた。
【０００５】
ここで、上記ゲート電極１０７から金属が染み出すことについて、考えられる理由を説明する。まず、上記ゲート電極１０７に対し、ホットエレクトロンが衝突し昇温されることで金属が動きやすい状態になる。そして、エレクトロマイグレーションによって、ゲート電極１０７から金属がドレイン電極１０６に向かって運搬される。ドレイン電極１０７に向かって染み出た金属は、ドレイン電極１０７に近くなるにつれて、より強い電界を受けて、さらに金属の染み出しが助長される。そして、最終的に、ゲート電極１０７とドレイン電極１０６とが、染み出した金属によって繋がる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−７３５５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、この発明の課題は、ゲート電極から染み出した金属がドレイン電極に到達することを抑制して、ドレイン−ゲート間の絶縁破壊を抑制する窒化物半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、この発明の窒化物半導体装置は、
基板と、
上記基板上に設けられると共に少なくとも窒化物半導体層を含む複数の層と、
上記窒化物半導体層上に設けられると共に互いに間隔をおいて配置されたソース電極およびドレイン電極と、
上記窒化物半導体層上に設けられると共に上記ソース電極と上記ドレイン電極との間に配置されたゲート電極と
を備え、
上記ゲート電極の直下に位置する第１の層と、この第１の層の直上に位置する第２の層との間の界面に、上記ゲート電極と上記ドレイン電極との間に位置するように、段差を設けたことを特徴としている。
【０００９】
この発明の窒化物半導体装置によれば、上記ゲート電極の直下に位置する第１の層と、この第１の層の直上に位置する第２の層との間の界面に、上記ゲート電極と上記ドレイン電極との間に位置するように、段差を設けているので、ゲート電極から上記界面を伝ってドレイン電極側へ染み出した金属を、上記段差によって、堰き止めることができる。このように、ゲート電極から染み出した金属が、ドレイン電極に到達することを抑制して、ドレイン−ゲート間の絶縁破壊を生じ難くすることができる。
【００１０】
したがって、窒化物半導体層の寿命を延ばすことができて、窒化物半導体層の信頼性を向上できる。
【００１１】
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、上記段差は、上記ドレイン電極よりも上記ゲート電極側に位置する。
【００１２】
この実施形態の窒化物半導体装置によれば、上記段差は、上記ドレイン電極よりも上記ゲート電極側に位置するので、ドレイン電極と段差との間の距離を長くすることができ、ドレイン電極に向かって染み出た金属にかかる電界強度を抑制できて、さらなる金属の染み出しの助長を抑制できる。
【００１３】
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、上記段差は、上記ゲート電極の近傍に位置する。
【００１４】
この実施形態の窒化物半導体装置によれば、上記段差は、上記ゲート電極の近傍に位置するので、ドレイン電極と段差との間の距離を一層長くすることができ、ドレイン電極に向かって染み出た金属にかかる電界強度を一層抑制できて、さらなる金属の染み出しの助長を一層抑制できる。
【００１５】
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、上記段差は、上記第１の層に設けられた溝により、形成されている。
【００１６】
この実施形態の窒化物半導体装置によれば、上記段差は、上記第１の層に設けられた溝により、形成されているので、ゲート電極から染み出した金属を溝によって堰き止めることができる。
【００１７】
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、上記段差は、上記第１の層に設けられた突起により、形成されている。
【００１８】
この実施形態の窒化物半導体装置によれば、上記段差は、上記第１の層に設けられた突起により、形成されているので、ゲート電極から染み出した金属を突起によって堰き止めることができる。
【００１９】
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、
上記第１の層は、上記窒化物半導体層であり、
上記第２の層は、絶縁膜である。
【００２０】
この実施形態の窒化物半導体装置によれば、上記第１の層は、上記窒化物半導体層であり、上記第２の層は、絶縁膜であるので、ゲート電極と窒化物半導体層とのショットキー接合においても、ドレイン−ゲート間の絶縁破壊を生じ難くすることができる。
【００２１】
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、
上記第１の層は、第１の絶縁膜であり、
上記第２の層は、第２の絶縁膜である。
【００２２】
この実施形態の窒化物半導体装置によれば、上記第１の層は、第１の絶縁膜であり、上記第２の層は、第２の絶縁膜であるので、ゲート電極、第１の絶縁膜および窒化物半導体層のＭＩＳ（Metal-Insulator-Semiconductor）構造においても、ドレイン−ゲート間の絶縁破壊を生じ難くすることができる。
【００２３】
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、上記ゲート電極の材料は、Ａｕ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ｗ，Ａｌ，Ｍｏ，Ｎｉのうちの少なくとも何れか一つを含む。
【００２４】
この実施形態の窒化物半導体装置によれば、上記ゲート電極の材料は、Ａｕ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ｗ，Ａｌ，Ｍｏ，Ｎｉのうちの少なくとも何れか一つを含むので、このゲート電極は、金属の染み出しの可能性を有することになる。このゲート電極を用いても、ドレイン−ゲート間の絶縁破壊を生じ難くすることができる。
【発明の効果】
【００２５】
この発明の窒化物半導体装置によれば、上記ゲート電極の直下に位置する第１の層と、この第１の層の直上に位置する第２の層との間の界面に、上記ゲート電極と上記ドレイン電極との間に位置するように、段差を設けているので、ゲート電極から染み出した金属がドレイン電極に到達することを抑制して、ドレイン−ゲート間の絶縁破壊を抑制する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の窒化物半導体装置の第１実施形態を示す断面図である。
【図２】窒化物半導体装置の電極パターンを示す平面図である。
【図３】窒化物半導体装置の電極パッドの位置を示す平面図である。
【図４】ゲート電極からの金属の染み出しを示す光学顕微鏡で撮影した写真である。
【図５】本発明の窒化物半導体装置の第２実施形態を示す断面図である。
【図６】本発明の窒化物半導体装置の第３実施形態を示す断面図である。
【図７】本発明の窒化物半導体装置の第４実施形態を示す断面図である。
【図８】従来の窒化物半導体装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２８】
（第１の実施形態）
図１は、この発明の窒化物半導体装置の一実施形態である断面図を示している。この窒化物半導体装置は、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor：高電子移動度トランジスタ）構造であり、例えば、民生機器の電源回路等においてパワーデバイスとして用いられる。
【００２９】
図１に示すように、上記窒化物半導体装置は、基板１０と、上記基板１０上に設けられた窒化物半導体層２０と、上記窒化物半導体層２０上に設けられた（一の層としての）絶縁膜３０と、上記窒化物半導体層２０上に設けられたソース電極２、ドレイン電極１およびゲート電極５とを有する。
【００３０】
上記ソース電極２および上記ドレイン電極１は、互いに間隔をおいて配置されている。上記ゲート電極５は、ソース電極２とドレイン電極１との間に配置されている。
【００３１】
上記基板１０は、Ｓｉ基板である。上記窒化物半導体層２０は、基板１０側（下側）から順に、アンドープＧａＮ層２１とアンドープＡｌＧａＮ層２２とを有する。ＧａＮ層２１は、いわゆるチャネル層であり、ＡｌＧａＮ層２２は、いわゆるキャリア供給層である。ＧａＮ層２１とＡｌＧａＮ層２２との界面に、２ＤＥＧ（２次元電子ガス）が発生し、この２ＤＥＧをチャネルとして利用する。図中、２ＤＥＧ層を点線で示している。
【００３２】
上記絶縁膜３０は、ゲート電極５を除くＡｌＧａＮ層２２上にＡｌＧａＮ層２２を保護する。この絶縁膜３０の材料として、ＳｉＮ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３などの材料を用いている。
【００３３】
上記ソース電極２、上記ドレイン電極１および上記ゲート電極５上に、図示しない層間絶縁膜を形成し、この層間絶縁膜上に図示しない電極パッドを形成している。この層間絶縁膜の材料として、ポリイミド、ＳＯＧ、ＢＰＳＧなどの絶縁材料を用いている。
【００３４】
上記ゲート電極５の材料は、Ａｕ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ｗ，Ａｌ，Ｍｏ，Ｎｉのうちの少なくとも何れか一つを含む。上記ソース電極２および上記ドレイン電極１の材料は、Ａｕ，Ａｌ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｐｔのうちの少なくとも何れか一つを含む。
【００３５】
上記ゲート電極５の直下には、ＡｌＧａＮ層２２が位置しており、ゲート電極５と窒化物半導体層２０との接合は、ショットキー接合となる。
【００３６】
上記ゲート電極５の直下に位置するＡｌＧａＮ層２２と、このＡｌＧａＮ層２２の直上に位置する絶縁膜３０との間の界面Ｓに、ゲート電極５とドレイン電極１との間に位置するように、段差としての溝５０を設けている。この溝５０は、ＡｌＧａＮ層２２に設けられ、界面Ｓよりも下側に位置する。溝５０は、例えば、エッチングにより形成される。
【００３７】
上記溝５０は、上記ゲート電極５の近傍に位置し、つまり、溝５０は、ドレイン電極１よりもゲート電極５側に位置する。溝５０の底面は、ＧａＮ層２１とＡｌＧａＮ層２２との界面（つまり２ＤＥＧ層）よりも、上側に位置する。
【００３８】
一実施例として、上記ＧａＮ層２１の厚みは、５．３μｍであり、上記ＡｌＧａＮ層２２の厚みは、２２ｎｍであり、上記溝５０の深さは、数ｎｍ〜１０ｎｍ程度であり、上記ソース電極２および上記ドレイン電極１の厚みは、３μｍ程度であり、上記ゲート電極５の厚みは、０．５μｍ程度である。
【００３９】
次に、上記ソース電極２、上記ドレイン電極１および上記ゲート電極５の電極パターンを説明する。
【００４０】
図２の平面図に示すように、上記ドレイン電極１は、第１直線状基部１ａと、この第１直線状基部１ａから両側方に延びた複数のくし状電極からなる第１くし状電極部１ｂ，１ｃとを有する。
【００４１】
一方の上記ソース電極２は、ドレイン電極１の左側方（一側方）に、ドレイン電極１の第１直線状基部１ａに対して平行な第２直線状基部２ａと、この第２直線状基部２ａからドレイン電極１側に向かって延びた複数のくし状電極からなる第２くし状電極部２ｂとを有する。この一方のソース電極２の第２くし状電極部２ｂは、ドレイン電極１の第１くし状電極部１ｂと互いに間隔をあけて交互に配列されている。
【００４２】
他方の上記ソース電極３は、ドレイン電極１の右側方（他側方）に、ドレイン電極１の第１直線状基部１ａに対して平行な第３直線状基部３ａと、この第３直線状基部３ａからドレイン電極１側に向かって延びた複数のくし状電極からなる第３くし状電極部３ｂとを有する。この他方のソース電極３の第３くし状電極部３ｂは、ドレイン電極１の第１くし状電極部１ｃと互いに間隔をあけて交互に配列されている。
【００４３】
上記一方のソース電極２の第２直線状基部２ａの一端（図１の上側）と上記他方のソース電極３の第３直線状基部３ａの一端（図１の上側）とを、接続電極６を介して、接続している。上記一方のソース電極２の第２直線状基部２ａの他端（図１の下側）と上記他方のソース電極３の第３直線状基部３ａの他端（図１の下側）とを、接続電極７を介して、接続している。
【００４４】
上記ゲート電極５は、図示しないが、上記ドレイン電極１と上記一方のソース電極２との間、および、上記ドレイン電極１と上記他方のソース電極３との間を、折曲して延在している。なお、図２において、ソース電極２，３の位置とドレイン電極１の位置とを、互いに入れ替えてもよい。
【００４５】
次に、上記ソース電極２、上記ドレイン電極１および上記ゲート電極５に接続された電極パッドを説明する。
【００４６】
図３の平面図に示すように、上記ドレイン電極１には、コンタクト部を介して、第１の電極パッド１１が接続される。この第１の電極パッド１１は、ドレイン電極１の第１直線状基部１ａおよび第１くし状電極部１ｂ，１ｃの第１直線状基部１ａ側を含む領域に対応する層間絶縁膜上の領域に形成される。
【００４７】
上記一方のソース電極２には、コンタクト部を介して、第２の電極パッド１２が接続される。この第２の電極パッド１２は、一方のソース電極２の第２くし状電極部２ｂの第２直線状基部２ａ側を含む領域に対応する層間絶縁膜上の領域に形成される。
【００４８】
上記他方のソース電極３には、コンタクト部を介して、第３の電極パッド１３が接続される。この第３の電極パッド１３は、他方のソース電極３の第３くし状電極部３ｂの第３直線状基部３ａ側を含む領域に対応する層間絶縁膜上の領域に形成される。
【００４９】
上記第１の電極パッド１１の左上コーナーに切り欠き領域を設け、その切り欠き領域に、上記ゲート電極５に接続されるゲート電極パッド１５を形成している。
【００５０】
ここで、上記第１，上記第２，上記第３の電極パッド１１，１２，１３および上記ゲート電極パッド１５には、Ｔｉ／ＡｕまたはＴｉ／Ａｌなどを用いている。
【００５１】
上記第１，上記第２，上記第３の電極パッド１１，１２，１３は、上記ドレイン電極１および上記ソース電極２，３が占める領域内でかつ第１，第２，第３くし状電極部１ｂ，１ｃ，２ｂ，３ｂのある窒化物半導体層２０（ＧａＮ層２１、ＡｌＧａＮ層２２）の活性領域に対応する層間絶縁膜上の領域に形成されている。
【００５２】
上記第１，上記第２，上記第３の電極パッド１１，１２，１３を窒化物半導体装置の活性領域上にコンタクト部により設けることによって、複数のフィンガーからの距離を略均等かつ短くすることができるので、配線抵抗をより小さくすることができる。また、窒化物半導体装置のサイズも最小限とすることができる。
【００５３】
上記構成の窒化物半導体装置によれば、上記ゲート電極５の直下に位置するＡｌＧａＮ層２２と、このＡｌＧａＮ層２２の直上に位置する絶縁膜３０との間の界面Ｓに、ゲート電極５とドレイン電極１との間に位置するように、溝５０を設けているので、ゲート電極５から上記界面Ｓを伝ってドレイン電極１側へ染み出した金属を、上記溝５０によって、堰き止めることができる。このように、ゲート電極５から染み出した金属が、ドレイン電極１に到達することを抑制して、ドレイン−ゲート間の絶縁破壊を生じ難くすることができる。
【００５４】
したがって、窒化物半導体層の寿命を延ばすことができて、窒化物半導体層の信頼性を向上できる。
【００５５】
また、上記溝５０は、上記ゲート電極５の近傍に位置するので、ドレイン電極１と溝５０との間の距離を長くすることができ、ドレイン電極５に向かって染み出た金属にかかる電界強度を抑制できて、さらなる金属の染み出しの助長を抑制できる。
【００５６】
また、上記ゲート電極５の材料は、Ａｕ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ｗ，Ａｌ，Ｍｏ，Ｎｉのうちの少なくとも何れか一つを含むので、このゲート電極５は、金属の染み出しの可能性を有することになる。このゲート電極５を用いても、ドレイン−ゲート間の絶縁破壊を生じ難くすることができる。
【００５７】
ここで、比較例として、上記溝５０を設けない窒化物半導体装置（図８参照）についての実験例を示す。
【００５８】
図８の窒化物半導体装置において高温逆バイアス試験を行った。具体的に述べると、ノーマリーオンのゲート電極１０７をオフにするために、１５０℃の環境下、ドレイン電極１０６の印加電圧を６００Ｖとし、ソース電極１０５および基板１０１の印加電圧を０Ｖとし、ゲート電極１０７の印加電圧を−１０Ｖとした。
【００５９】
そして、上記試験を長時間行ったとき、突然、ゲート−ドレイン間で絶縁破壊が生じた。２０個の窒化物半導体装置において上記試験を行ったところ、８個の窒化物半導体装置において破壊が生じた。
【００６０】
この破壊された窒化物半導体装置を光学顕微鏡で撮影したところ、図４に示すように、ゲート電極１０７から染み出した金属Ｍを確認した。この染み出した金属Ｍは、ゲート電極１０７からドレイン電極１０６に向かって線状に延びている。図中、わかりやすくするために、染み出した金属Ｍの先端を、点線にて示す。
【００６１】
この原因として、ゲート電極１０７へ衝突するホットエレクトロンによる昇温、および、エレクトロマイグレーションによる金属の運搬作用によって、ゲート電極１０７から、リーク源となる絶縁膜１０４とＡｌＧａＮ層１０３との間の界面Ｓを伝って、金属が染み出す。この金属の染み出しは、ゲート電極１０７の幅方向に一様ではなく、線状にドレイン電極１０６の方向に伸びるため、染みの先端には、強い電界強度が発生して、染みはさらに進行する。そして、ゲート電極１０７とドレイン電極１０６とが、染み出した金属によって繋がり、ドレイン−ゲート間で絶縁破壊が生じる。
【００６２】
（第２の実施形態）
図５は、この発明の窒化物半導体装置の第２の実施形態を示している。上記第１の実施形態と相違する点を説明すると、この第２の実施形態では、窒化物半導体層の構成が相違する。なお、この第２の実施形態において、上記第１の実施形態と同一の符号は、上記第１の実施形態と同じ構成であるため、その説明を省略する。
【００６３】
図５に示すように、窒化物半導体層２０Ａは、基板１０側（下側）から順に、ＧａＮ層２１とＡｌＧａＮ層２２とＧａＮキャップ層２３とを有する。このＧａＮキャップ層２３の厚みは、例えば１ｎｍである。ソース電極２、ドレイン電極１およびゲート電極５は、ＧａＮキャップ層２３上に位置する。
【００６４】
上記ゲート電極５の直下に位置するＧａＮキャップ層２３と、このＧａＮキャップ層２３の直上に位置する絶縁膜３０との間の界面Ｓに、ゲート電極５とドレイン電極１との間に位置するように、段差としての溝５０Ａを設けている。この溝５０Ａは、ＧａＮキャップ層２３およびＡｌＧａＮ層２２に設けられ、界面Ｓよりも下側に位置する。溝５０Ａの底面は、ＧａＮ層２１とＡｌＧａＮ層２２との界面（つまり２ＤＥＧ層）よりも、上側に位置する。なお、上記溝５０Ａを、ＧａＮキャップ層２３のみに設けてもよい。
【００６５】
したがって、上記ＧａＮキャップ層２３を設けた場合でも、上記ゲート電極５から上記界面Ｓを伝って上記ドレイン電極１側へ染み出した金属を、上記溝５０Ａによって、堰き止めることができて、ドレイン−ゲート間の絶縁破壊を生じ難くすることができる。
【００６６】
（第３の実施形態）
図６は、この発明の窒化物半導体装置の第３の実施形態を示している。上記第１の実施形態と相違する点を説明すると、この第３の実施形態では、段差の構成が相違する。なお、この第３の実施形態において、上記第１の実施形態と同一の符号は、上記第１の実施形態と同じ構成であるため、その説明を省略する。
【００６７】
図６に示すように、ゲート電極５の直下に位置するＡｌＧａＮ層２２と、このＡｌＧａＮ層２２の直上に位置する絶縁膜３０との間の界面Ｓに、ゲート電極５とドレイン電極１との間に位置するように、段差としての突起５０Ｂを設けている。この突起５０Ｂは、ＡｌＧａＮ層２２に設けられ、界面Ｓよりも上側に位置する。突起５０Ｂの上面は、絶縁膜３０の上面よりも、下側に位置する。突起５０Ｂの高さは、例えば数ｎｍ〜１０ｎｍ程度である。
【００６８】
したがって、上記ゲート電極５から上記界面Ｓを伝って上記ドレイン電極１側へ染み出した金属を、上記突起５０Ｂによって、堰き止めることができて、ドレイン−ゲート間の絶縁破壊を生じ難くすることができる。
【００６９】
（第４の実施形態）
図７は、この発明の窒化物半導体装置の第４の実施形態を示している。上記第１の実施形態と相違する点を説明すると、この第４の実施形態では、窒化物半導体装置の構成が相違する。なお、この第４の実施形態において、上記第１の実施形態と同一の符号は、上記第１の実施形態と同じ構成であるため、その説明を省略する。
【００７０】
図７に示すように、ゲート電極５Ａと窒化物半導体層２０との間には、第１の絶縁膜３０Ａが設けられ、この第１の絶縁膜３０Ａ上に第２の絶縁膜３０Ｂが設けられている。つまり、この窒化物半導体装置は、ゲート電極５Ａ、第１の絶縁膜３０Ａおよび窒化物半導体層２０のＭＩＳ（Metal-Insulator-Semiconductor）構造を有する。
【００７１】
上記ゲート電極５Ａは、ＧａＮ層２１とＡｌＧａＮ層２２との界面（つまり、２ＤＥＧ層）に達する延在部５ａを有する。
【００７２】
上記ゲート電極５Ａの直下に位置する第１の絶縁膜３０Ａと、この第１の絶縁膜３０Ａの直上に位置する第２の絶縁膜３０Ｂとの間の界面Ｓに、ゲート電極５Ａとドレイン電極１との間に位置するように、段差としての溝５０Ｃを設けている。
【００７３】
ここで、上記ゲート電極５Ａは二段の下面を有する。このように、ゲート電極が複数段の下面を有する場合、「ゲート電極の直下に位置する」とは、「ゲート電極の最下面の直下に位置する」ことを示し、図７の場合、「ゲート電極５Ａの延在部５ａの下面の直下に位置する」ことを示す。
【００７４】
この溝５０Ｃは、第１の絶縁膜３０ＡおよびＡｌＧａＮ層２２に設けられ、界面Ｓよりも下側に位置する。溝５０Ｃの底面は、ＧａＮ層２１とＡｌＧａＮ層２２との界面（つまり２ＤＥＧ層）よりも、上側に位置する。なお、上記溝５０Ｃを、第１の絶縁膜３０Ａのみに設けてもよい。
【００７５】
したがって、ＭＩＳ構造においても、上記ゲート電極５Ａから上記界面Ｓを伝って上記ドレイン電極１側へ染み出した金属を、上記溝５０Ｃによって、堰き止めることができて、ドレイン−ゲート間の絶縁破壊を生じ難くすることができる。
【００７６】
なお、この発明は上述の実施形態に限定されない。例えば、上記第１から上記第４の実施形態のそれぞれの特徴点を様々に組み合わせてもよい。
【００７７】
また、本発明の窒化物半導体装置を、ＨＥＭＴ以外の電界効果トランジスタに用いてもよい。例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor FET）、ＭＥＳＦＥＴ（Metal Semiconductor FET）等、種々のＦＥＴに対して、本発明は適用可能である。また、本発明は、耐圧ＭＯＳとしてのＪＦＥＴ（Junction FET）に対して、適用できる。また、ＦＥＴ以外にも、ショットキーダイオード等、各種ダイオードに対して、本発明は適用可能である。
【００７８】
また、基板は、Ｓｉ基板に限らず、サファイヤ基板やＳｉＣ基板を用いてもよく、サファイヤ基板やＳｉＣ基板上に窒化物半導体層を成長させてもよいし、ＧａＮ基板にＡｌＧａＮ層を成長させる等のように、窒化物半導体からなる基板上に窒化物半導体層を成長させてもよい。また、ソース電極およびドレイン電極の電極パターンは、くし形状以外であってもよい。
【００７９】
また、基板上に少なくとも窒化物半導体層を含む複数の層を設け、この複数の層のうち、ゲート電極の直下に位置する第１の層と、この第１の層の直上に位置する第２の層との間の界面に、ゲート電極とドレイン電極との間を遮る段差を設けてもよい。また、窒化物半導体層を構成する複数の層の数量は、上記実施形態では２つまたは３つであったが、この複数の層の数量の増減は、自由である。
【００８０】
また、窒化物半導体層は、ゲート電極下に位置する第１領域と、ソース電極下に位置する第２領域と、ドレイン電極下に位置する第３領域とを有し、第１領域、第２領域および第３領域において、窒化物半導体層の厚みや、窒化物半導体層を構成する層の数量が、相違するようにしてもよい。例えば、第１領域が、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とからなり、第２、第３領域が、ＧａＮ層からなるようにしてもよく、この場合、ゲート電極は、ＡｌＧａＮ層に接触し、ソース電極およびドレイン電極は、ＧａＮ層に接触する。
【符号の説明】
【００８１】
１ ドレイン電極
１ａ 第１直線状基部
１ｂ，１ｃ 第１くし状電極部
２ 一方のソース電極
２ａ 第２直線状基部
２ｂ 第２くし状電極部
３ 他方のソース電極
３ａ 第３直線状基部
３ｂ 第３くし状電極部
５，５Ａ ゲート電極
５ａ 延在部
１０ 基板
１１ 第１の電極パッド
１２ 第２の電極パッド
１３ 第３の電極パッド
１５ ゲート電極パッド
２０，２０Ａ 窒化物半導体層
２１ ＧａＮ層
２２ ＡｌＧａＮ層
２３ ＧａＮキャップ層
３０ 絶縁膜
３０Ａ 第１の絶縁膜
３０Ｂ 第２の絶縁膜
５０，５０Ａ，５０Ｃ 溝（段差）
５０Ｂ 突起（段差）
Ｓ 界面
【技術分野】
【０００１】
この発明は、窒化物半導体装置に関し、特に民生機器の電源回路等においてパワーデバイスとして用いられる窒化物半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、窒化物半導体装置としては、図８に示すように、基板１０１と、この基板１０１上に設けられたＧａＮ層１０２、ＡｌＧａＮ層１０３および絶縁膜１０４と、ＡｌＧａＮ層１０３上に設けられたソース電極１０５、ドレイン電極１０６およびゲート電極１０７とを備えたものがある（特開２００７−７３５５５号公報：特許文献１参照）。
【０００３】
しかしながら、上記従来の窒化物半導体装置では、上記ゲート電極１０７の直下に位置するＡｌＧａＮ層１０３と、このＡｌＧａＮ層１０３の直上に位置する上記絶縁膜１０４との間の界面Ｓが、平坦であるため、ゲート電極１０７から染み出した金属が、上記界面Ｓを伝って、ドレイン電極１０６に到達する問題があった。
【０００４】
この結果、上記ゲート電極１０７と上記ドレイン電極１０６とが、染み出した金属によって繋がり、ドレイン−ゲート間で絶縁破壊が生じて、窒化物半導体層の寿命が低下することとなっていた。
【０００５】
ここで、上記ゲート電極１０７から金属が染み出すことについて、考えられる理由を説明する。まず、上記ゲート電極１０７に対し、ホットエレクトロンが衝突し昇温されることで金属が動きやすい状態になる。そして、エレクトロマイグレーションによって、ゲート電極１０７から金属がドレイン電極１０６に向かって運搬される。ドレイン電極１０７に向かって染み出た金属は、ドレイン電極１０７に近くなるにつれて、より強い電界を受けて、さらに金属の染み出しが助長される。そして、最終的に、ゲート電極１０７とドレイン電極１０６とが、染み出した金属によって繋がる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−７３５５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、この発明の課題は、ゲート電極から染み出した金属がドレイン電極に到達することを抑制して、ドレイン−ゲート間の絶縁破壊を抑制する窒化物半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、この発明の窒化物半導体装置は、
基板と、
上記基板上に設けられると共に少なくとも窒化物半導体層を含む複数の層と、
上記窒化物半導体層上に設けられると共に互いに間隔をおいて配置されたソース電極およびドレイン電極と、
上記窒化物半導体層上に設けられると共に上記ソース電極と上記ドレイン電極との間に配置されたゲート電極と
を備え、
上記ゲート電極の直下に位置する第１の層と、この第１の層の直上に位置する第２の層との間の界面に、上記ゲート電極と上記ドレイン電極との間に位置するように、段差を設けたことを特徴としている。
【０００９】
この発明の窒化物半導体装置によれば、上記ゲート電極の直下に位置する第１の層と、この第１の層の直上に位置する第２の層との間の界面に、上記ゲート電極と上記ドレイン電極との間に位置するように、段差を設けているので、ゲート電極から上記界面を伝ってドレイン電極側へ染み出した金属を、上記段差によって、堰き止めることができる。このように、ゲート電極から染み出した金属が、ドレイン電極に到達することを抑制して、ドレイン−ゲート間の絶縁破壊を生じ難くすることができる。
【００１０】
したがって、窒化物半導体層の寿命を延ばすことができて、窒化物半導体層の信頼性を向上できる。
【００１１】
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、上記段差は、上記ドレイン電極よりも上記ゲート電極側に位置する。
【００１２】
この実施形態の窒化物半導体装置によれば、上記段差は、上記ドレイン電極よりも上記ゲート電極側に位置するので、ドレイン電極と段差との間の距離を長くすることができ、ドレイン電極に向かって染み出た金属にかかる電界強度を抑制できて、さらなる金属の染み出しの助長を抑制できる。
【００１３】
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、上記段差は、上記ゲート電極の近傍に位置する。
【００１４】
この実施形態の窒化物半導体装置によれば、上記段差は、上記ゲート電極の近傍に位置するので、ドレイン電極と段差との間の距離を一層長くすることができ、ドレイン電極に向かって染み出た金属にかかる電界強度を一層抑制できて、さらなる金属の染み出しの助長を一層抑制できる。
【００１５】
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、上記段差は、上記第１の層に設けられた溝により、形成されている。
【００１６】
この実施形態の窒化物半導体装置によれば、上記段差は、上記第１の層に設けられた溝により、形成されているので、ゲート電極から染み出した金属を溝によって堰き止めることができる。
【００１７】
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、上記段差は、上記第１の層に設けられた突起により、形成されている。
【００１８】
この実施形態の窒化物半導体装置によれば、上記段差は、上記第１の層に設けられた突起により、形成されているので、ゲート電極から染み出した金属を突起によって堰き止めることができる。
【００１９】
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、
上記第１の層は、上記窒化物半導体層であり、
上記第２の層は、絶縁膜である。
【００２０】
この実施形態の窒化物半導体装置によれば、上記第１の層は、上記窒化物半導体層であり、上記第２の層は、絶縁膜であるので、ゲート電極と窒化物半導体層とのショットキー接合においても、ドレイン−ゲート間の絶縁破壊を生じ難くすることができる。
【００２１】
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、
上記第１の層は、第１の絶縁膜であり、
上記第２の層は、第２の絶縁膜である。
【００２２】
この実施形態の窒化物半導体装置によれば、上記第１の層は、第１の絶縁膜であり、上記第２の層は、第２の絶縁膜であるので、ゲート電極、第１の絶縁膜および窒化物半導体層のＭＩＳ（Metal-Insulator-Semiconductor）構造においても、ドレイン−ゲート間の絶縁破壊を生じ難くすることができる。
【００２３】
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、上記ゲート電極の材料は、Ａｕ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ｗ，Ａｌ，Ｍｏ，Ｎｉのうちの少なくとも何れか一つを含む。
【００２４】
この実施形態の窒化物半導体装置によれば、上記ゲート電極の材料は、Ａｕ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ｗ，Ａｌ，Ｍｏ，Ｎｉのうちの少なくとも何れか一つを含むので、このゲート電極は、金属の染み出しの可能性を有することになる。このゲート電極を用いても、ドレイン−ゲート間の絶縁破壊を生じ難くすることができる。
【発明の効果】
【００２５】
この発明の窒化物半導体装置によれば、上記ゲート電極の直下に位置する第１の層と、この第１の層の直上に位置する第２の層との間の界面に、上記ゲート電極と上記ドレイン電極との間に位置するように、段差を設けているので、ゲート電極から染み出した金属がドレイン電極に到達することを抑制して、ドレイン−ゲート間の絶縁破壊を抑制する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の窒化物半導体装置の第１実施形態を示す断面図である。
【図２】窒化物半導体装置の電極パターンを示す平面図である。
【図３】窒化物半導体装置の電極パッドの位置を示す平面図である。
【図４】ゲート電極からの金属の染み出しを示す光学顕微鏡で撮影した写真である。
【図５】本発明の窒化物半導体装置の第２実施形態を示す断面図である。
【図６】本発明の窒化物半導体装置の第３実施形態を示す断面図である。
【図７】本発明の窒化物半導体装置の第４実施形態を示す断面図である。
【図８】従来の窒化物半導体装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２８】
（第１の実施形態）
図１は、この発明の窒化物半導体装置の一実施形態である断面図を示している。この窒化物半導体装置は、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor：高電子移動度トランジスタ）構造であり、例えば、民生機器の電源回路等においてパワーデバイスとして用いられる。
【００２９】
図１に示すように、上記窒化物半導体装置は、基板１０と、上記基板１０上に設けられた窒化物半導体層２０と、上記窒化物半導体層２０上に設けられた（一の層としての）絶縁膜３０と、上記窒化物半導体層２０上に設けられたソース電極２、ドレイン電極１およびゲート電極５とを有する。
【００３０】
上記ソース電極２および上記ドレイン電極１は、互いに間隔をおいて配置されている。上記ゲート電極５は、ソース電極２とドレイン電極１との間に配置されている。
【００３１】
上記基板１０は、Ｓｉ基板である。上記窒化物半導体層２０は、基板１０側（下側）から順に、アンドープＧａＮ層２１とアンドープＡｌＧａＮ層２２とを有する。ＧａＮ層２１は、いわゆるチャネル層であり、ＡｌＧａＮ層２２は、いわゆるキャリア供給層である。ＧａＮ層２１とＡｌＧａＮ層２２との界面に、２ＤＥＧ（２次元電子ガス）が発生し、この２ＤＥＧをチャネルとして利用する。図中、２ＤＥＧ層を点線で示している。
【００３２】
上記絶縁膜３０は、ゲート電極５を除くＡｌＧａＮ層２２上にＡｌＧａＮ層２２を保護する。この絶縁膜３０の材料として、ＳｉＮ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３などの材料を用いている。
【００３３】
上記ソース電極２、上記ドレイン電極１および上記ゲート電極５上に、図示しない層間絶縁膜を形成し、この層間絶縁膜上に図示しない電極パッドを形成している。この層間絶縁膜の材料として、ポリイミド、ＳＯＧ、ＢＰＳＧなどの絶縁材料を用いている。
【００３４】
上記ゲート電極５の材料は、Ａｕ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ｗ，Ａｌ，Ｍｏ，Ｎｉのうちの少なくとも何れか一つを含む。上記ソース電極２および上記ドレイン電極１の材料は、Ａｕ，Ａｌ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｐｔのうちの少なくとも何れか一つを含む。
【００３５】
上記ゲート電極５の直下には、ＡｌＧａＮ層２２が位置しており、ゲート電極５と窒化物半導体層２０との接合は、ショットキー接合となる。
【００３６】
上記ゲート電極５の直下に位置するＡｌＧａＮ層２２と、このＡｌＧａＮ層２２の直上に位置する絶縁膜３０との間の界面Ｓに、ゲート電極５とドレイン電極１との間に位置するように、段差としての溝５０を設けている。この溝５０は、ＡｌＧａＮ層２２に設けられ、界面Ｓよりも下側に位置する。溝５０は、例えば、エッチングにより形成される。
【００３７】
上記溝５０は、上記ゲート電極５の近傍に位置し、つまり、溝５０は、ドレイン電極１よりもゲート電極５側に位置する。溝５０の底面は、ＧａＮ層２１とＡｌＧａＮ層２２との界面（つまり２ＤＥＧ層）よりも、上側に位置する。
【００３８】
一実施例として、上記ＧａＮ層２１の厚みは、５．３μｍであり、上記ＡｌＧａＮ層２２の厚みは、２２ｎｍであり、上記溝５０の深さは、数ｎｍ〜１０ｎｍ程度であり、上記ソース電極２および上記ドレイン電極１の厚みは、３μｍ程度であり、上記ゲート電極５の厚みは、０．５μｍ程度である。
【００３９】
次に、上記ソース電極２、上記ドレイン電極１および上記ゲート電極５の電極パターンを説明する。
【００４０】
図２の平面図に示すように、上記ドレイン電極１は、第１直線状基部１ａと、この第１直線状基部１ａから両側方に延びた複数のくし状電極からなる第１くし状電極部１ｂ，１ｃとを有する。
【００４１】
一方の上記ソース電極２は、ドレイン電極１の左側方（一側方）に、ドレイン電極１の第１直線状基部１ａに対して平行な第２直線状基部２ａと、この第２直線状基部２ａからドレイン電極１側に向かって延びた複数のくし状電極からなる第２くし状電極部２ｂとを有する。この一方のソース電極２の第２くし状電極部２ｂは、ドレイン電極１の第１くし状電極部１ｂと互いに間隔をあけて交互に配列されている。
【００４２】
他方の上記ソース電極３は、ドレイン電極１の右側方（他側方）に、ドレイン電極１の第１直線状基部１ａに対して平行な第３直線状基部３ａと、この第３直線状基部３ａからドレイン電極１側に向かって延びた複数のくし状電極からなる第３くし状電極部３ｂとを有する。この他方のソース電極３の第３くし状電極部３ｂは、ドレイン電極１の第１くし状電極部１ｃと互いに間隔をあけて交互に配列されている。
【００４３】
上記一方のソース電極２の第２直線状基部２ａの一端（図１の上側）と上記他方のソース電極３の第３直線状基部３ａの一端（図１の上側）とを、接続電極６を介して、接続している。上記一方のソース電極２の第２直線状基部２ａの他端（図１の下側）と上記他方のソース電極３の第３直線状基部３ａの他端（図１の下側）とを、接続電極７を介して、接続している。
【００４４】
上記ゲート電極５は、図示しないが、上記ドレイン電極１と上記一方のソース電極２との間、および、上記ドレイン電極１と上記他方のソース電極３との間を、折曲して延在している。なお、図２において、ソース電極２，３の位置とドレイン電極１の位置とを、互いに入れ替えてもよい。
【００４５】
次に、上記ソース電極２、上記ドレイン電極１および上記ゲート電極５に接続された電極パッドを説明する。
【００４６】
図３の平面図に示すように、上記ドレイン電極１には、コンタクト部を介して、第１の電極パッド１１が接続される。この第１の電極パッド１１は、ドレイン電極１の第１直線状基部１ａおよび第１くし状電極部１ｂ，１ｃの第１直線状基部１ａ側を含む領域に対応する層間絶縁膜上の領域に形成される。
【００４７】
上記一方のソース電極２には、コンタクト部を介して、第２の電極パッド１２が接続される。この第２の電極パッド１２は、一方のソース電極２の第２くし状電極部２ｂの第２直線状基部２ａ側を含む領域に対応する層間絶縁膜上の領域に形成される。
【００４８】
上記他方のソース電極３には、コンタクト部を介して、第３の電極パッド１３が接続される。この第３の電極パッド１３は、他方のソース電極３の第３くし状電極部３ｂの第３直線状基部３ａ側を含む領域に対応する層間絶縁膜上の領域に形成される。
【００４９】
上記第１の電極パッド１１の左上コーナーに切り欠き領域を設け、その切り欠き領域に、上記ゲート電極５に接続されるゲート電極パッド１５を形成している。
【００５０】
ここで、上記第１，上記第２，上記第３の電極パッド１１，１２，１３および上記ゲート電極パッド１５には、Ｔｉ／ＡｕまたはＴｉ／Ａｌなどを用いている。
【００５１】
上記第１，上記第２，上記第３の電極パッド１１，１２，１３は、上記ドレイン電極１および上記ソース電極２，３が占める領域内でかつ第１，第２，第３くし状電極部１ｂ，１ｃ，２ｂ，３ｂのある窒化物半導体層２０（ＧａＮ層２１、ＡｌＧａＮ層２２）の活性領域に対応する層間絶縁膜上の領域に形成されている。
【００５２】
上記第１，上記第２，上記第３の電極パッド１１，１２，１３を窒化物半導体装置の活性領域上にコンタクト部により設けることによって、複数のフィンガーからの距離を略均等かつ短くすることができるので、配線抵抗をより小さくすることができる。また、窒化物半導体装置のサイズも最小限とすることができる。
【００５３】
上記構成の窒化物半導体装置によれば、上記ゲート電極５の直下に位置するＡｌＧａＮ層２２と、このＡｌＧａＮ層２２の直上に位置する絶縁膜３０との間の界面Ｓに、ゲート電極５とドレイン電極１との間に位置するように、溝５０を設けているので、ゲート電極５から上記界面Ｓを伝ってドレイン電極１側へ染み出した金属を、上記溝５０によって、堰き止めることができる。このように、ゲート電極５から染み出した金属が、ドレイン電極１に到達することを抑制して、ドレイン−ゲート間の絶縁破壊を生じ難くすることができる。
【００５４】
したがって、窒化物半導体層の寿命を延ばすことができて、窒化物半導体層の信頼性を向上できる。
【００５５】
また、上記溝５０は、上記ゲート電極５の近傍に位置するので、ドレイン電極１と溝５０との間の距離を長くすることができ、ドレイン電極５に向かって染み出た金属にかかる電界強度を抑制できて、さらなる金属の染み出しの助長を抑制できる。
【００５６】
また、上記ゲート電極５の材料は、Ａｕ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ｗ，Ａｌ，Ｍｏ，Ｎｉのうちの少なくとも何れか一つを含むので、このゲート電極５は、金属の染み出しの可能性を有することになる。このゲート電極５を用いても、ドレイン−ゲート間の絶縁破壊を生じ難くすることができる。
【００５７】
ここで、比較例として、上記溝５０を設けない窒化物半導体装置（図８参照）についての実験例を示す。
【００５８】
図８の窒化物半導体装置において高温逆バイアス試験を行った。具体的に述べると、ノーマリーオンのゲート電極１０７をオフにするために、１５０℃の環境下、ドレイン電極１０６の印加電圧を６００Ｖとし、ソース電極１０５および基板１０１の印加電圧を０Ｖとし、ゲート電極１０７の印加電圧を−１０Ｖとした。
【００５９】
そして、上記試験を長時間行ったとき、突然、ゲート−ドレイン間で絶縁破壊が生じた。２０個の窒化物半導体装置において上記試験を行ったところ、８個の窒化物半導体装置において破壊が生じた。
【００６０】
この破壊された窒化物半導体装置を光学顕微鏡で撮影したところ、図４に示すように、ゲート電極１０７から染み出した金属Ｍを確認した。この染み出した金属Ｍは、ゲート電極１０７からドレイン電極１０６に向かって線状に延びている。図中、わかりやすくするために、染み出した金属Ｍの先端を、点線にて示す。
【００６１】
この原因として、ゲート電極１０７へ衝突するホットエレクトロンによる昇温、および、エレクトロマイグレーションによる金属の運搬作用によって、ゲート電極１０７から、リーク源となる絶縁膜１０４とＡｌＧａＮ層１０３との間の界面Ｓを伝って、金属が染み出す。この金属の染み出しは、ゲート電極１０７の幅方向に一様ではなく、線状にドレイン電極１０６の方向に伸びるため、染みの先端には、強い電界強度が発生して、染みはさらに進行する。そして、ゲート電極１０７とドレイン電極１０６とが、染み出した金属によって繋がり、ドレイン−ゲート間で絶縁破壊が生じる。
【００６２】
（第２の実施形態）
図５は、この発明の窒化物半導体装置の第２の実施形態を示している。上記第１の実施形態と相違する点を説明すると、この第２の実施形態では、窒化物半導体層の構成が相違する。なお、この第２の実施形態において、上記第１の実施形態と同一の符号は、上記第１の実施形態と同じ構成であるため、その説明を省略する。
【００６３】
図５に示すように、窒化物半導体層２０Ａは、基板１０側（下側）から順に、ＧａＮ層２１とＡｌＧａＮ層２２とＧａＮキャップ層２３とを有する。このＧａＮキャップ層２３の厚みは、例えば１ｎｍである。ソース電極２、ドレイン電極１およびゲート電極５は、ＧａＮキャップ層２３上に位置する。
【００６４】
上記ゲート電極５の直下に位置するＧａＮキャップ層２３と、このＧａＮキャップ層２３の直上に位置する絶縁膜３０との間の界面Ｓに、ゲート電極５とドレイン電極１との間に位置するように、段差としての溝５０Ａを設けている。この溝５０Ａは、ＧａＮキャップ層２３およびＡｌＧａＮ層２２に設けられ、界面Ｓよりも下側に位置する。溝５０Ａの底面は、ＧａＮ層２１とＡｌＧａＮ層２２との界面（つまり２ＤＥＧ層）よりも、上側に位置する。なお、上記溝５０Ａを、ＧａＮキャップ層２３のみに設けてもよい。
【００６５】
したがって、上記ＧａＮキャップ層２３を設けた場合でも、上記ゲート電極５から上記界面Ｓを伝って上記ドレイン電極１側へ染み出した金属を、上記溝５０Ａによって、堰き止めることができて、ドレイン−ゲート間の絶縁破壊を生じ難くすることができる。
【００６６】
（第３の実施形態）
図６は、この発明の窒化物半導体装置の第３の実施形態を示している。上記第１の実施形態と相違する点を説明すると、この第３の実施形態では、段差の構成が相違する。なお、この第３の実施形態において、上記第１の実施形態と同一の符号は、上記第１の実施形態と同じ構成であるため、その説明を省略する。
【００６７】
図６に示すように、ゲート電極５の直下に位置するＡｌＧａＮ層２２と、このＡｌＧａＮ層２２の直上に位置する絶縁膜３０との間の界面Ｓに、ゲート電極５とドレイン電極１との間に位置するように、段差としての突起５０Ｂを設けている。この突起５０Ｂは、ＡｌＧａＮ層２２に設けられ、界面Ｓよりも上側に位置する。突起５０Ｂの上面は、絶縁膜３０の上面よりも、下側に位置する。突起５０Ｂの高さは、例えば数ｎｍ〜１０ｎｍ程度である。
【００６８】
したがって、上記ゲート電極５から上記界面Ｓを伝って上記ドレイン電極１側へ染み出した金属を、上記突起５０Ｂによって、堰き止めることができて、ドレイン−ゲート間の絶縁破壊を生じ難くすることができる。
【００６９】
（第４の実施形態）
図７は、この発明の窒化物半導体装置の第４の実施形態を示している。上記第１の実施形態と相違する点を説明すると、この第４の実施形態では、窒化物半導体装置の構成が相違する。なお、この第４の実施形態において、上記第１の実施形態と同一の符号は、上記第１の実施形態と同じ構成であるため、その説明を省略する。
【００７０】
図７に示すように、ゲート電極５Ａと窒化物半導体層２０との間には、第１の絶縁膜３０Ａが設けられ、この第１の絶縁膜３０Ａ上に第２の絶縁膜３０Ｂが設けられている。つまり、この窒化物半導体装置は、ゲート電極５Ａ、第１の絶縁膜３０Ａおよび窒化物半導体層２０のＭＩＳ（Metal-Insulator-Semiconductor）構造を有する。
【００７１】
上記ゲート電極５Ａは、ＧａＮ層２１とＡｌＧａＮ層２２との界面（つまり、２ＤＥＧ層）に達する延在部５ａを有する。
【００７２】
上記ゲート電極５Ａの直下に位置する第１の絶縁膜３０Ａと、この第１の絶縁膜３０Ａの直上に位置する第２の絶縁膜３０Ｂとの間の界面Ｓに、ゲート電極５Ａとドレイン電極１との間に位置するように、段差としての溝５０Ｃを設けている。
【００７３】
ここで、上記ゲート電極５Ａは二段の下面を有する。このように、ゲート電極が複数段の下面を有する場合、「ゲート電極の直下に位置する」とは、「ゲート電極の最下面の直下に位置する」ことを示し、図７の場合、「ゲート電極５Ａの延在部５ａの下面の直下に位置する」ことを示す。
【００７４】
この溝５０Ｃは、第１の絶縁膜３０ＡおよびＡｌＧａＮ層２２に設けられ、界面Ｓよりも下側に位置する。溝５０Ｃの底面は、ＧａＮ層２１とＡｌＧａＮ層２２との界面（つまり２ＤＥＧ層）よりも、上側に位置する。なお、上記溝５０Ｃを、第１の絶縁膜３０Ａのみに設けてもよい。
【００７５】
したがって、ＭＩＳ構造においても、上記ゲート電極５Ａから上記界面Ｓを伝って上記ドレイン電極１側へ染み出した金属を、上記溝５０Ｃによって、堰き止めることができて、ドレイン−ゲート間の絶縁破壊を生じ難くすることができる。
【００７６】
なお、この発明は上述の実施形態に限定されない。例えば、上記第１から上記第４の実施形態のそれぞれの特徴点を様々に組み合わせてもよい。
【００７７】
また、本発明の窒化物半導体装置を、ＨＥＭＴ以外の電界効果トランジスタに用いてもよい。例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor FET）、ＭＥＳＦＥＴ（Metal Semiconductor FET）等、種々のＦＥＴに対して、本発明は適用可能である。また、本発明は、耐圧ＭＯＳとしてのＪＦＥＴ（Junction FET）に対して、適用できる。また、ＦＥＴ以外にも、ショットキーダイオード等、各種ダイオードに対して、本発明は適用可能である。
【００７８】
また、基板は、Ｓｉ基板に限らず、サファイヤ基板やＳｉＣ基板を用いてもよく、サファイヤ基板やＳｉＣ基板上に窒化物半導体層を成長させてもよいし、ＧａＮ基板にＡｌＧａＮ層を成長させる等のように、窒化物半導体からなる基板上に窒化物半導体層を成長させてもよい。また、ソース電極およびドレイン電極の電極パターンは、くし形状以外であってもよい。
【００７９】
また、基板上に少なくとも窒化物半導体層を含む複数の層を設け、この複数の層のうち、ゲート電極の直下に位置する第１の層と、この第１の層の直上に位置する第２の層との間の界面に、ゲート電極とドレイン電極との間を遮る段差を設けてもよい。また、窒化物半導体層を構成する複数の層の数量は、上記実施形態では２つまたは３つであったが、この複数の層の数量の増減は、自由である。
【００８０】
また、窒化物半導体層は、ゲート電極下に位置する第１領域と、ソース電極下に位置する第２領域と、ドレイン電極下に位置する第３領域とを有し、第１領域、第２領域および第３領域において、窒化物半導体層の厚みや、窒化物半導体層を構成する層の数量が、相違するようにしてもよい。例えば、第１領域が、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とからなり、第２、第３領域が、ＧａＮ層からなるようにしてもよく、この場合、ゲート電極は、ＡｌＧａＮ層に接触し、ソース電極およびドレイン電極は、ＧａＮ層に接触する。
【符号の説明】
【００８１】
１ ドレイン電極
１ａ 第１直線状基部
１ｂ，１ｃ 第１くし状電極部
２ 一方のソース電極
２ａ 第２直線状基部
２ｂ 第２くし状電極部
３ 他方のソース電極
３ａ 第３直線状基部
３ｂ 第３くし状電極部
５，５Ａ ゲート電極
５ａ 延在部
１０ 基板
１１ 第１の電極パッド
１２ 第２の電極パッド
１３ 第３の電極パッド
１５ ゲート電極パッド
２０，２０Ａ 窒化物半導体層
２１ ＧａＮ層
２２ ＡｌＧａＮ層
２３ ＧａＮキャップ層
３０ 絶縁膜
３０Ａ 第１の絶縁膜
３０Ｂ 第２の絶縁膜
５０，５０Ａ，５０Ｃ 溝（段差）
５０Ｂ 突起（段差）
Ｓ 界面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
上記基板上に設けられると共に少なくとも窒化物半導体層を含む複数の層と、
上記窒化物半導体層上に設けられると共に互いに間隔をおいて配置されたソース電極およびドレイン電極と、
上記窒化物半導体層上に設けられると共に上記ソース電極と上記ドレイン電極との間に配置されたゲート電極と
を備え、
上記ゲート電極の直下に位置する第１の層と、この第１の層の直上に位置する第２の層との間の界面に、上記ゲート電極と上記ドレイン電極との間に位置するように、段差を設けたことを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の窒化物半導体装置において、
上記段差は、上記ドレイン電極よりも上記ゲート電極側に位置することを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の窒化物半導体装置において、
上記段差は、上記ゲート電極の近傍に位置することを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項４】
請求項１から３の何れか一つに記載の窒化物半導体装置において、
上記段差は、上記第１の層に設けられた溝により、形成されていることを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項５】
請求項１から３の何れか一つに記載の窒化物半導体装置において、
上記段差は、上記第１の層に設けられた突起により、形成されていることを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項６】
請求項１から５の何れか一つに記載の窒化物半導体装置において、
上記第１の層は、上記窒化物半導体層であり、
上記第２の層は、絶縁膜であることを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項７】
請求項１から５の何れか一つに記載の窒化物半導体装置において、
上記第１の層は、第１の絶縁膜であり、
上記第２の層は、第２の絶縁膜であることを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項８】
請求項１から７の何れか一つに記載の窒化物半導体装置において、
上記ゲート電極の材料は、Ａｕ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ｗ，Ａｌ，Ｍｏ，Ｎｉのうちの少なくとも何れか一つを含むことを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項１】
基板と、
上記基板上に設けられると共に少なくとも窒化物半導体層を含む複数の層と、
上記窒化物半導体層上に設けられると共に互いに間隔をおいて配置されたソース電極およびドレイン電極と、
上記窒化物半導体層上に設けられると共に上記ソース電極と上記ドレイン電極との間に配置されたゲート電極と
を備え、
上記ゲート電極の直下に位置する第１の層と、この第１の層の直上に位置する第２の層との間の界面に、上記ゲート電極と上記ドレイン電極との間に位置するように、段差を設けたことを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の窒化物半導体装置において、
上記段差は、上記ドレイン電極よりも上記ゲート電極側に位置することを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の窒化物半導体装置において、
上記段差は、上記ゲート電極の近傍に位置することを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項４】
請求項１から３の何れか一つに記載の窒化物半導体装置において、
上記段差は、上記第１の層に設けられた溝により、形成されていることを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項５】
請求項１から３の何れか一つに記載の窒化物半導体装置において、
上記段差は、上記第１の層に設けられた突起により、形成されていることを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項６】
請求項１から５の何れか一つに記載の窒化物半導体装置において、
上記第１の層は、上記窒化物半導体層であり、
上記第２の層は、絶縁膜であることを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項７】
請求項１から５の何れか一つに記載の窒化物半導体装置において、
上記第１の層は、第１の絶縁膜であり、
上記第２の層は、第２の絶縁膜であることを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項８】
請求項１から７の何れか一つに記載の窒化物半導体装置において、
上記ゲート電極の材料は、Ａｕ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ｗ，Ａｌ，Ｍｏ，Ｎｉのうちの少なくとも何れか一つを含むことを特徴とする窒化物半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図４】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１０９３６６（Ｐ２０１２−１０９３６６Ａ）
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５６４７２（Ｐ２０１０−２５６４７２）
【出願日】平成２２年１１月１７日（２０１０．１１．１７）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１７日（２０１０．１１．１７）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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