窒化物半導体装置
【課題】櫛型形状のソース電極とドレイン電極が交差指状に配置された電極構造を有し、各櫛形電極の先端部での電界集中が緩和された窒化物半導体装置を提供する。
【解決手段】ゲート電極５と電気的に接続され、ゲート電極５とドレイン電極４間で絶縁膜７上に配置されたゲートフィールドプレート５０と、ソース電極３と電気的に接続され、絶縁膜８を介して窒化物半導体層と対向するようにゲートフィールドプレート５０とドレイン電極４間の上方に配置されたソースフィールドプレート３０とを備え、ゲート電極５とドレイン電極４間の距離、ゲートフィールドプレート５０のドレイン側端部とゲート電極５のドレイン側端部間の距離、及びソースフィールドプレート３０のドレイン側端部とゲートフィールドプレート５０のドレイン側端部間の距離の少なくともいずれかが、ソース電極３とドレイン電極４の、歯部分の直線領域よりも歯部分の先端領域において長い。
【解決手段】ゲート電極５と電気的に接続され、ゲート電極５とドレイン電極４間で絶縁膜７上に配置されたゲートフィールドプレート５０と、ソース電極３と電気的に接続され、絶縁膜８を介して窒化物半導体層と対向するようにゲートフィールドプレート５０とドレイン電極４間の上方に配置されたソースフィールドプレート３０とを備え、ゲート電極５とドレイン電極４間の距離、ゲートフィールドプレート５０のドレイン側端部とゲート電極５のドレイン側端部間の距離、及びソースフィールドプレート３０のドレイン側端部とゲートフィールドプレート５０のドレイン側端部間の距離の少なくともいずれかが、ソース電極３とドレイン電極４の、歯部分の直線領域よりも歯部分の先端領域において長い。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、櫛型形状の電極を有する窒化物半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高耐圧パワーデバイス等に、窒化物半導体を用いた窒化物半導体装置が使用されている。代表的な窒化物半導体は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表され、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）等である。例えば高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）では、バンドギャップエネルギーが互いに異なる窒化物半導体からなるキャリア走行層とキャリア供給層間の界面にヘテロ接合面が形成される。ヘテロ接合面近傍のキャリア走行層に、電流通路（チャネル）としての二次元キャリアガス層が形成される。
【０００３】
ソース拡散領域及びドレイン拡散領域が互いに入り組んだ櫛型構造が、トランジスタ構造に採用されている。そして、櫛型形状のドレイン拡散領域とソース拡散領域が交差指状に配置された横型半導体装置の高耐圧化構造として、櫛の歯の先端近傍におけるドリフト長を長くする方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−７３３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
二次元キャリアガス層をチャネルとするＨＥＭＴでは、トランジスタ構造の違いから、特許文献１に記載されたように拡散領域の形状を変化させることよって耐圧を向上させることができない。
【０００６】
本発明は、櫛型形状のソース電極とドレイン電極が交差指状に配置された電極構造を有し、且つ各櫛形電極の先端部での電界集中が緩和された窒化物半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、（イ）キャリア供給層、及びキャリア供給層とヘテロ接合を形成するキャリア走行層を積層した窒化物半導体層と、（ロ）窒化物半導体層上に配置された絶縁膜と、（ハ）窒化物半導体層上に配置された、複数の歯部分を有する櫛型形状のソース電極と、（ニ）窒化物半導体層上にソース電極と交差指状に配置された、複数の歯部分を有する櫛型形状のドレイン電極と、（ホ）ソース電極とドレイン電極間で窒化物半導体層上に配置されたゲート電極と、（ヘ）ゲート電極と電気的に接続され、ゲート電極とドレイン電極間で絶縁膜上に配置されたゲートフィールドプレートと、（ト）ソース電極と電気的に接続され、絶縁膜を介して窒化物半導体層と対向するようにゲートフィールドプレートとドレイン電極間の上方に配置されたソースフィールドプレートとを備え、ゲート電極とドレイン電極間の距離、ゲートフィールドプレートのドレイン側端部とゲート電極のドレイン側端部間の距離、及びソースフィールドプレートのドレイン側端部とゲートフィールドプレートのドレイン側端部間の距離の少なくともいずれかが、ソース電極とドレイン電極の歯部分の直線領域よりもソース電極とドレイン電極の歯部分の先端領域において長い窒化物半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、櫛型形状のソース電極とドレイン電極が交差指状に配置された電極構造を有し、且つ各櫛形電極の先端部での電界集中が緩和された窒化物半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体装置の構造を示す模式的な平面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体装置の先端領域の構造を示す模式的な平面図であり、図３（ａ）はソース電極の先端領域を示し、図３（ｂ）はドレイン電極の先端領域を示す。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体装置における各領域間の距離の例を示す表である。
【図５】本発明の第１の実施形態の変形例に係る窒化物半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体装置の先端領域の構造を示す模式的な平面図であり、図７（ａ）はソース電極の先端領域を示し、図７（ｂ）はドレイン電極の先端領域を示す。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体装置における各領域間の距離の例を示す表である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体装置の構造を示す模式的な平面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体装置における各領域間の距離の例を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に、図面を参照して、本発明の第１乃至第３の実施形態を説明する。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、厚みと平面寸法との関係、各部の長さの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、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ことはもちろんである。
【００１１】
又、以下に示す第１乃至第３の実施形態は、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、構成部品の形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、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。
【００１２】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体装置１は、図１に示すように、互いに紙面に向かって上下方向にそれぞれ延伸する複数の歯部分を有する櫛型形状をなすソース電極３及びドレイン電極４と、ソース電極３とドレイン電極４間に配置されたゲート電極５を備える。ソース電極３とドレイン電極４の櫛の歯部分は交差指状に配置されている。つまり、ソース電極３の歯部分の間のそれぞれに、ドレイン電極の各歯部分が配置されている。このためゲート電極５は、紙面に向かって左右方向に重なるように多重に折り返されて配置されている。
【００１３】
以下において、ソース電極３とドレイン電極４の歯部分が直線的に平行して延伸する領域を「直線領域」という。そして、ソース電極３とドレイン電極４の歯部分の先端部の、外縁が曲線である領域を「先端領域」という。
【００１４】
図１のＡ−Ａ方向、Ｂ−Ｂ方向、及びＣ−Ｃ方向に沿った切断面を図２に示す。Ａ−Ａ方向は、ソース電極３とドレイン電極４の直線領域における、ソース電極３とドレイン電極４の歯部分が延伸する方向に垂直な方向である。Ｂ−Ｂ方向は、ソース電極３の先端領域（以下において、「ソース先端領域」という。）における、ソース電極３の歯部分が延伸する方向に平行な方向である。Ｃ−Ｃ方向は、ドレイン電極４の先端領域（以下において、「ドレイン先端領域」という。）における、ドレイン電極４の歯部分が延伸する方向に平行な方向である。
【００１５】
Ａ−Ａ方向、Ｂ−Ｂ方向、及びＣ−Ｃ方向に沿った各切断面は、基本的な構造は略同一であり、詳細を後述するように、各切断面に現れる領域間で距離が異なる箇所がある。
【００１６】
図２に示すように、窒化物半導体装置１は、キャリア供給層２２、及びキャリア供給層２２とヘテロ接合を形成するキャリア走行層２１を積層した窒化物半導体層２と、窒化物半導体層２上に配置された絶縁膜７とを備え、窒化物半導体層２上にソース電極３、ドレイン電極４及びゲート電極５が配置されたＨＥＭＴである。絶縁膜７はソース電極３及びドレイン電極４を覆って配置され、絶縁膜７に形成された開口部を埋め込むようにしてゲート電極５が配置されている。ゲート電極５と絶縁膜７上に層間絶縁膜８が配置され、層間絶縁膜８に形成された開口部をそれぞれ介して、ソース電極配線３１がソース電極３と接続され、ドレイン電極配線４１がドレイン電極４と接続されている。
【００１７】
また、窒化物半導体装置１は、ゲート電極５と電気的に接続するゲートフィールドプレート５０、及びソース電極３と電気的に接続するソースフィールドプレート３０を更に備える。ゲート電極５とドレイン電極４間に配置されたゲートフィールドプレート５０とソースフィールドプレート３０により、ゲート電極５のドレイン側端部の空乏層の曲率が制御されて、ゲート電極５のドレイン電極側の端部（以下において、「ドレイン側端部」という。）に集中するバイアス電界の集中が緩和される。
【００１８】
図２に示すように、ゲートフィールドプレート５０はゲート電極５の上端部と連接して、ゲート電極５とドレイン電極４間で絶縁膜７上に配置されている。ソースフィールドプレート３０は、ソース電極配線３１を介してソース電極３と電気的に接続し、ゲートフィールドプレート５０とドレイン電極４との間で絶縁膜７及び層間絶縁膜８を介して窒化物半導体層２と対向するように、層間絶縁膜８上に配置されている。図２に示した例では、ソース電極配線３１のドレイン電極側に延伸した領域が、ソースフィールドプレート３０として機能する。なお、図１では、ゲートフィールドプレート５０及びソースフィールドプレート３０の図示を省略している。
【００１９】
図２に示すように、基板１０上にバッファ層１１が配置され、バッファ層１１上に窒化物半導体層２が配置されている。窒化物半導体装置１の具体的な構造例については後述する。
【００２０】
ソース先端領域の拡大図を図３（ａ）に、ドレイン先端領域の拡大図を図３（ｂ）に、それぞれ示す。図３（ａ）、図３（ｂ）においては、上層を透過して、ソース電極３、ドレイン電極４、ゲート電極５、ゲートフィールドプレート５０、ソースフィールドプレート３０を図示している。例えば、ソース電極配線３１を透過してゲート電極５やゲートフィールドプレート５０を図示している。
【００２１】
ソース電極３、ドレイン電極４及びソースフィールドプレート３０の先端の形状は半円形である。また、ソース先端領域においては、ドレイン電極４の歯部分の間における柄部分の外縁が、ソース電極３の先端に沿って半円形に窪んでいる。同様に、ドレイン先端領域においては、ソース電極３の歯部分の間における柄部分の外縁が、ドレイン電極４の先端に沿って半円形に窪んでいる。このため、ソース電極３とドレイン電極４間に配置されるゲート電極５は、先端領域では円弧形状である。同様に、ゲートフィールドプレート５０及びソースフィールドプレート３０も、先端領域では円弧形状である。
【００２２】
図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、距離ＬGSa、ＬGSb、ＬGScは、直線領域、ソース先端領域、ドレイン先端領域のそれぞれにおける、ゲート電極５のソース側端部とソース電極３のゲート電極側端部との間の距離（以下において、「Ｇ＿Ｓ間距離」という。）ＬGSである。距離ＬGDa、ＬGDb、ＬGDcは、直線領域、ソース先端領域、ドレイン先端領域のそれぞれにおける、ゲート電極５のドレイン側端部とドレイン電極４のゲート電極側端部との間の距離（以下において、「Ｇ＿Ｄ間距離」という。）ＬGDである。距離ＬGFPa、ＬGFPb、ＬGFPcは、直線領域、ソース先端領域、ドレイン先端領域のそれぞれにおける、ゲート電極５のドレイン側端部とゲートフィールドプレート５０のドレイン側端部間の距離（以下において、「Ｇ＿ＧＦ間距離」という。）ＬGFPである。Ｇ＿ＧＦ間距離ＬGFPはゲートフィールドプレート５０の長さに相当する。距離ＬSFPa、ＬSFPb、ＬSFPcは、直線領域、ソース先端領域、ドレイン先端領域のそれぞれにおける、ゲートフィールドプレート５０のドレイン側端部とソースフィールドプレート３０のドレイン側端部間の距離（以下において、「ＧＦ＿ＳＦ間距離」という。）ＬSFPである。ＧＦ＿ＳＦ間距離ＬSFPはソースフィールドプレート３０の長さに相当する。
【００２３】
図３（ａ）、図３（ｂ）に示したように、ソース先端領域及びドレイン先端領域におけるＧ＿Ｓ間距離ＬGSb、ＬGScは、直線領域におけるＧ＿Ｓ間距離ＬGSaよりも長い。同様に、ソース先端領域及びドレイン先端領域におけるＧ＿Ｄ間距離ＬGDb、ＬGDcは、直線領域におけるＧ＿Ｄ間距離ＬGDaよりも長い。また、ソース先端領域及びドレイン先端領域におけるＧ＿ＧＦ間距離ＬGFPb、ＬGFPcは、直線領域におけるＧ＿ＧＦ間距離ＬGFPaよりも長い。更に、ソース先端領域及びドレイン先端領域におけるＧＦ＿ＳＦ間距離ＬSFPb、ＬSFPcは、直線領域におけるＧＦ＿ＳＦ間距離ＬSFPaよりも長い。
【００２４】
Ａ−Ａ方向に沿った切断面である直線領域の切断面、Ｂ−Ｂ方向及びＣ−Ｃ方向に沿った切断面である先端領域の切断面のそれぞれにおける、各距離の例を図４に示す。なお、図４に示した先端領域におけるＧ＿Ｓ間距離ＬGS、Ｇ＿Ｄ間距離ＬGD、Ｇ＿ＧＦ間距離ＬGFP、及びＧＦ＿ＳＦ間距離ＬSFPの各値は、ソース電極３とドレイン電極４の先端部の頂点における距離である。
【００２５】
図4には、先端領域におけるＧ＿Ｓ間距離ＬGSb、ＬGSc、Ｇ＿Ｄ間距離ＬGDb、ＬGDc、Ｇ＿ＧＦ間距離ＬGFPb、ＬGFPc、ＧＦ＿ＳＦ間距離ＬSFPb、ＬSFPcのそれぞれが、直線領域におけるＧ＿Ｓ間距離ＬGSa、Ｇ＿Ｄ間距離ＬGDa、Ｇ＿ＧＦ間距離ＬGFPa、ＧＦ＿ＳＦ間距離ＬSFPaの１．５倍である場合を例示的に示したが、各距離の差は１．５倍に限定されるものではない。即ち、先端領域における上記の各距離が、直線領域における距離よりもそれぞれ長ければよい。
【００２６】
また、上記の各距離に加え、先端領域のゲート長を直線領域のゲート長よりも長くすることが好ましい。
【００２７】
一般的に、櫛形形状の電極構造を採用した場合、電極の直線部分よりも先端部に電界が集中する。このため、半導体装置が破壊されやすい。
【００２８】
しかし、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体装置１は、ゲート電極５とドレイン電極４間の距離（Ｇ＿Ｄ間距離ＬGD）が、直線領域よりもソース先端領域及びドレイン先端領域において長い構造を有する。このため、各櫛形電極の先端部における電界集中が緩和される。したがって、窒化物半導体装置１によれば、櫛型形状のソース電極３とドレイン電極４が交差指状に配置された電極構造を有し、且つ各櫛形電極の先端部での電界集中が緩和された窒化物半導体装置を提供できる。これにより、窒化物半導体装置１の耐圧が向上する。
【００２９】
また、窒化物半導体装置１では、直線領域よりもソース先端領域及びドレイン先端領域において、ゲートフィールドプレート５０及びソースフィールドプレート３０のドレイン側端部がドレイン電極４方向に延びている。これにより、先端領域における電界は、直線領域よりも緩和され、電解集中が起こりにくくなる。
【００３０】
以下に、窒化物半導体装置１の具体的な構造例について説明する。
【００３１】
図２示した基板１０には、シリコン（Ｓｉ）基板、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）基板、ＧａＮ基板等の半導体基板や、サファイア基板、セラミック基板等の絶縁体基板を採用可能である。例えば、基板１０に大口径化が容易なシリコン基板を採用することにより、窒化物半導体装置１の製造コストを低減できる。
【００３２】
バッファ層１１は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等のエピタキシャル成長法で形成できる。図２では、バッファ層１１を１つの層として図示しているが、バッファ層１１を複数の層で形成してもよい。例えば、バッファ層１１を窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる第１のサブレイヤー（第１の副層）とＧａＮからなる第２のサブレイヤー（第２の副層）とを交互に積層した多層構造バッファとしてもよい。なお、バッファ層１１はＨＥＭＴの動作に直接には関係しないため、バッファ層１１を省いてもよい。また、基板１０とバッファ層１１とを組み合わせた構造を基板とみなすこともできる。バッファ層１１の構造、配置は、基板１０の材料等に応じて決定される。
【００３３】
窒化物半導体層２は、第１の窒化物半導体層からなるキャリア供給層２２、及び第１の窒化物半導体層と異なるバンドギャップエネルギーを有する第２の窒化物半導体層からなるキャリア走行層２１を有する。
【００３４】
バッファ層１１上に配置されたキャリア走行層２１は、例えば不純物が添加されていないノンドープＧａＮを、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等によりエピタキシャル成長させて形成する。ここでノンドープとは、不純物が意図的に添加されていないことを意味する。
【００３５】
キャリア走行層２１上に配置されたキャリア供給層２２は、キャリア走行層２１よりもバンドギャップが大きく、且つキャリア走行層２１より格子定数の小さい窒化物半導体からなる。キャリア供給層２２としてノンドープのＡｌxＧａ1-xＮが採用可能である。
【００３６】
キャリア供給層２２は、ＭＯＣＶＤ法等によるエピタキシャル成長によってキャリア走行層２１上に形成される。キャリア供給層２２とキャリア走行層２１は格子定数が異なるため、格子歪みによるピエゾ分極が生じる。このピエゾ分極とキャリア供給層２２の結晶が有する自発分極により、ヘテロ接合付近のキャリア走行層２１に高密度のキャリアが生じ、電流通路（チャネル）としての二次元キャリアガス層２３が形成される。
【００３７】
ソース電極３及びドレイン電極４は、窒化物半導体層２と低抵抗接触（オーミック接触）可能な金属により形成される。例えばアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）などがソース電極３及びドレイン電極４に採用可能である。或いはＴｉとＡｌの積層体として、ソース電極３及びドレイン電極４は形成される。
【００３８】
ゲート電極５及びゲートフィールドプレート５０には、例えばニッケル金（ＮｉＡｕ）などが採用可能である。ソース電極配線３１、ドレイン電極配線４１には、例えばＡｌや金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）などが採用可能である。
【００３９】
＜変形例＞
図５に、本発明の第１の実施形態の変形例に係る窒化物半導体装置１を示す。図５に示した窒化物半導体装置１では、ソース電極３及びドレイン電極４が窒化物半導体層２に形成した開口部に埋め込まれている。ソース電極３及びドレイン電極４の下端は二次元キャリアガス層２３の位置よりも深く、ソース電極３及びドレイン電極４はキャリア走行層２１とオーミック接続している。図５に示すような掘り込みオーミック構造のソース電極３及びドレイン電極４では、ＡｌＧａＮ膜などの電流が流れにくい窒化物半導体膜をキャリア供給層２２に使用する場合に、キャリア供給層２２と接するソース電極３及びドレイン電極４の側面に電界が集中する。
【００４０】
しかし、ゲート電極５とドレイン電極４間のＧ＿Ｄ間距離ＬGDを、電界が集中しやすいソース先端領域及びドレイン先端領域において直線領域よりも長くすることにより、電界集中による窒化物半導体装置１の破壊を防止できる。
【００４１】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体装置１は、図６に示すように、ドレイン電極４とゲート電極５間に配置された保護電極６を更に備えることが、図２と異なる。その他の構成については、図２に示す窒化物半導体装置１と同様の構成である。
【００４２】
保護電極６は例えばゲート電極５と同様の構造であり、絶縁膜７に形成された開口部を埋め込むようにして保護電極６は配置されている。保護電極６の下端は窒化物半導体層２の上面に接し、上端の外縁部は絶縁膜７上に配置されている。保護電極６の絶縁膜７上に配置された外縁部のドレイン側は、フィールドプレートとして機能する（以下において、「Ｚフィールドプレート６０」という。）。保護電極６は、例えばソース電極３又はゲート電極５と電気的に接続される。
【００４３】
なお、図６に示した窒化物半導体装置１では、ソース電極配線３１のＺフィールドプレート６０のドレイン側端部よりもドレイン電極４側に延伸した部分が、ソースフィールドプレート３０である。
【００４４】
図６に示した窒化物半導体装置１のソース先端領域の拡大図を図７（ａ）に、ドレイン先端領域の拡大図を図７（ｂ）にそれぞれ示す。
【００４５】
図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、距離ＬGZa、ＬGZb、ＬGZcは、直線領域、ソース先端領域、ドレイン先端領域のそれぞれにおける、ゲート電極５のドレイン側端部と保護電極６のゲート電極側端部との間の距離（以下において、「Ｇ＿Ｚ間距離」という。）ＬGZである。距離ＬZFPa、ＬZFPb、ＬZFPcは、直線領域、ソース先端領域、ドレイン先端領域のそれぞれにおける、保護電極６のドレイン側端部とＺフィールドプレート６０のドレイン側端部間の距離（以下において、「Ｚ＿ＺＦ間距離」という。）ＬZFPである。Ｚ＿ＺＦ間距離ＬZFPはＺフィールドプレート６０の長さに相当する。
【００４６】
また、距離ＬSFPa、ＬSFPb、ＬSFPcは、直線領域、ソース先端領域、ドレイン先端領域のそれぞれにおける、Ｚフィールドプレート６０のドレイン側端部とソースフィールドプレート３０のドレイン側端部間の距離（以下において、「ＺＦ＿ＳＦ間距離」という。）である。ＺＦ＿ＳＦ間距離ＬSFPはソースフィールドプレート３０の長さに相当する。
【００４７】
その他の距離に関しては、図３（ａ）、図３（ｂ）と同様である。即ち、距離ＬGSa、ＬGSb、ＬGScは、直線領域、ソース先端領域、ドレイン先端領域のそれぞれにおける、ゲート電極５のソース側端部とソース電極３のゲート電極側端部との間のＧ＿Ｓ間距離ＬGSである。距離ＬGDa、ＬGDb、ＬGDcは、直線領域、ソース先端領域、ドレイン先端領域のそれぞれにおける、ゲート電極５のドレイン側端部とドレイン電極４のゲート電極側端部との間の距離Ｇ＿Ｄ間距離ＬGDである。距離ＬGFPa、ＬGFPb、ＬGFPcは、直線領域、ソース先端領域、ドレイン先端領域のそれぞれにおける、ゲート電極５のドレイン側端部とゲートフィールドプレート５０のドレイン側端部間のＧ＿ＧＦ間距離ＬGFPであり、ゲートフィールドプレート５０の長さに相当する。
【００４８】
図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、ソース先端領域及びドレイン先端領域におけるゲート電極５と保護電極６間のＧ＿Ｚ間距離ＬGZb、ＬGZcは、直線領域におけるＧ＿Ｚ間距離ＬGZaよりも長い。また、ソース先端領域及びドレイン先端領域における保護電極６のドレイン側端部とＺフィールドプレート６０のドレイン側端部間のＺ＿ＺＦ間距離ＬZFPb、ＬZFPcは、直線領域におけるＺ＿ＺＦ間距離ＬZFPaよりも長い。更に、ソース先端領域及びドレイン先端領域におけるＺフィールドプレート６０のドレイン側端部とソースフィールドプレート３０のドレイン側端部間のＺＦ＿ＳＦ間距離ＬSFPb、ＬSFPcは、直線領域におけるＺＦ＿ＳＦ間距離ＬSFPaよりも長い。
【００４９】
更に、図３（ａ）、図３（ｂ）に示した窒化物半導体装置１と同様に、図７（ａ）、図７（ｂ）に示した窒化物半導体装置１では、ソース先端領域及びドレイン先端領域におけるＧ＿Ｓ間距離ＬGSb、ＬGScは、直線領域におけるＧ＿Ｓ間距離ＬGSaよりも長い。また、ソース先端領域及びドレイン先端領域におけるＧ＿Ｄ間距離ＬGDb、ＬGDcは、直線領域におけるＧ＿Ｄ間距離ＬGDaよりも長く、ソース先端領域及びドレイン先端領域におけるＧ＿ＧＦ間距離ＬGFPb、ＬGFPcは、直線領域におけるＧ＿ＧＦ間距離ＬGFPaよりも長い。
【００５０】
図７（ａ）、図７（ｂ）に示した各距離の例を図８に示す。図８には、先端領域におけるＧ＿Ｓ間距離ＬGSb、ＬGSc、Ｇ＿Ｄ間距離ＬGDb、ＬGDc、Ｇ＿ＧＦ間距離ＬGFPb、ＬGFPc、ＺＦ＿ＳＦ間距離ＬSFPb、ＬSFPc、Ｇ＿Ｚ間距離ＬGZb、ＬGZc、Ｚ＿ＺＦ間距離ＬZFPb、ＬZFPcのそれぞれが、直線領域におけるＧ＿Ｓ間距離ＬGSa、Ｇ＿Ｄ間距離ＬGDa、Ｇ＿ＧＦ間距離ＬGFPa、ＺＦ＿ＳＦ間距離ＬSFPa、Ｇ＿Ｚ間距離ＬGZa、Ｚ＿ＺＦ間距離ＬZFPaの１．５倍である場合を例示的に示した。しかし、各距離の差は１．５倍に限定されるものではない。即ち、先端領域における上記の各距離が、直線領域における距離よりもそれぞれ長ければよい。
【００５１】
第２の実施形態に係る窒化物半導体装置１では、ゲート電極５とドレイン電極４間の距離（Ｇ＿Ｄ間距離ＬGD）が、直線領域よりもソース先端領域及びドレイン先端領域において長い構造を有する。このため、各櫛形電極の先端部における電界集中を緩和できる。第２の実施形態に係る窒化物半導体装置１によれば、保護電極６がゲート電極５とドレイン電極４の間に配置されることにより、ゲート電極５のドレイン側端部における電界集中が更に緩和される。
【００５２】
また、第２の実施形態に係る窒化物半導体装置１では、直線領域よりもソース先端領域及びドレイン先端領域において、ゲートフィールドプレート５０、ソースフィールドプレート３０及びＺフィールドプレート６０のドレイン側端部がドレイン電極４方向に延びている。更に、ゲート電極５と保護電極６間の距離（Ｇ＿Ｚ間距離ＬGZ）が、直線領域よりもソース先端領域及びドレイン先端領域において長い構造を有する。これにより、先端領域における電界は、直線領域における電界よりも緩和され、先端領域における電界集中が起こりにくくなる。
【００５３】
図６に示した窒化物半導体装置１では、保護電極６によってゲート電極５のドレイン側端部に集中するバイアス電界の集中が緩和されると共に、Ｚフィールドプレート６０によって保護電極６のドレイン側端部の空乏層の曲率が制御されて、保護電極６のドレイン側端部に集中するバイアス電界の集中が緩和される。
【００５４】
なお、保護電極６は、ソース電極３の電位がドレイン電極４の電位よりも高い場合にダイオードとして機能し、ソース電極３からドレイン電極４に電流が流されるように構成することもできる。例えば、保護電極６と窒化物半導体層２との間にショットキー接合が形成される。
【００５５】
また、保護電極６をソース電極３と電気的に接続することにより、窒化物半導体装置１のミラー容量を低減できる。これは、等価的にみて、保護電極６をゲート電極とするＦＥＴとゲート電極５をゲート電極とするＦＥＴとをカスコード接続した構造となるためである。つまり、保護電極６がゲート電極５とドレイン電極４間に配置されていることにより、ゲート電極５とドレイン電極４間の容量が低減される。これにより、窒化物半導体装置１の高周波動作が可能になる。
【００５６】
他は、第１の実施形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
【００５７】
（第３の実施形態）
第１及び第２の実施形態に係る窒化物半導体装置１では、ソース電極３の歯部分と柄部分と同一配線レベルに配置されており、ドレイン先端領域においてソース電極３の柄部分がドレイン電極４の歯部分と同一配線レベルに隣接して配置されている。
【００５８】
第３の実施形態に係る窒化物半導体装置１では、ソース電極３の歯部分と柄部分とが異なる配線レベルに配置されている。具体的には、図８に示す窒化物半導体装置１のように、破線で示したソース電極３の柄部分、及び歯部分と柄部分との接続部分が、ソース電極３の歯部分やドレイン電極４と異なる配線レベルに配置される。ソース電極３の柄部分は、例えばソースフィールドプレート３０と同様に層間絶縁膜８上に配置される。ソース電極３の柄部分がドレイン電極４の先端と近接しないため、ソース電極３の柄部分の外縁を半円形に窪ませる必要はない。
【００５９】
ソース電極３の歯部分とドレイン電極４の歯部分とは、同一配線レベルで交差指状に配置されている。なお、先端領域におけるドレイン電極４の先端の位置とソース電極３の先端の位置とが、歯部分が延伸する方向と垂直な方向に沿って直線上に配置されていることが好ましい。ゲート電極５とソース電極３間の容量の低減や、ドレイン電極付近での電流集中の抑制効果を奏する。
【００６０】
なお、図６に示した窒化物半導体装置１と同様に、ドレイン電極４とゲート電極５間に保護電極６を配置してもよい。
【００６１】
第３の実施形態に係る窒化物半導体装置１によれば、先端領域における電界集中が抑制されると共に、ゲート電極５とソース電極３間の容量を低減することができる。他は、第１及び第２の実施形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
【００６２】
（その他の実施形態）
上記のように、本発明は第１乃至第３の実施形態によって記載したが、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あると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００６３】
例えば、保護電極６をソース電極３又はゲート電極５以外の、一定値に固定された電圧を供給する固定電極に接続してもよい。つまり、保護電極６を交流的にＧＮＤにみえる一定電位に設定することにより、ゲート電極５のドレイン側端部におけるバイアス電界の集中を緩和する効果が得られる。保護電極６をＧＮＤに接続してもよい。
【００６４】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００６５】
１…窒化物半導体装置
２…窒化物半導体層
３…ソース電極
４…ドレイン電極
５…ゲート電極
６…保護電極
７…絶縁膜
８…層間絶縁膜
１０…基板
１１…バッファ層
２１…キャリア走行層
２２…キャリア供給層
２３…二次元キャリアガス層
３０…ソースフィールドプレート
３１…ソース電極配線
４１…ドレイン電極配線
５０…ゲートフィールドプレート
６０…Ｚフィールドプレート
【技術分野】
【０００１】
本発明は、櫛型形状の電極を有する窒化物半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高耐圧パワーデバイス等に、窒化物半導体を用いた窒化物半導体装置が使用されている。代表的な窒化物半導体は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表され、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）等である。例えば高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）では、バンドギャップエネルギーが互いに異なる窒化物半導体からなるキャリア走行層とキャリア供給層間の界面にヘテロ接合面が形成される。ヘテロ接合面近傍のキャリア走行層に、電流通路（チャネル）としての二次元キャリアガス層が形成される。
【０００３】
ソース拡散領域及びドレイン拡散領域が互いに入り組んだ櫛型構造が、トランジスタ構造に採用されている。そして、櫛型形状のドレイン拡散領域とソース拡散領域が交差指状に配置された横型半導体装置の高耐圧化構造として、櫛の歯の先端近傍におけるドリフト長を長くする方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−７３３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
二次元キャリアガス層をチャネルとするＨＥＭＴでは、トランジスタ構造の違いから、特許文献１に記載されたように拡散領域の形状を変化させることよって耐圧を向上させることができない。
【０００６】
本発明は、櫛型形状のソース電極とドレイン電極が交差指状に配置された電極構造を有し、且つ各櫛形電極の先端部での電界集中が緩和された窒化物半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、（イ）キャリア供給層、及びキャリア供給層とヘテロ接合を形成するキャリア走行層を積層した窒化物半導体層と、（ロ）窒化物半導体層上に配置された絶縁膜と、（ハ）窒化物半導体層上に配置された、複数の歯部分を有する櫛型形状のソース電極と、（ニ）窒化物半導体層上にソース電極と交差指状に配置された、複数の歯部分を有する櫛型形状のドレイン電極と、（ホ）ソース電極とドレイン電極間で窒化物半導体層上に配置されたゲート電極と、（ヘ）ゲート電極と電気的に接続され、ゲート電極とドレイン電極間で絶縁膜上に配置されたゲートフィールドプレートと、（ト）ソース電極と電気的に接続され、絶縁膜を介して窒化物半導体層と対向するようにゲートフィールドプレートとドレイン電極間の上方に配置されたソースフィールドプレートとを備え、ゲート電極とドレイン電極間の距離、ゲートフィールドプレートのドレイン側端部とゲート電極のドレイン側端部間の距離、及びソースフィールドプレートのドレイン側端部とゲートフィールドプレートのドレイン側端部間の距離の少なくともいずれかが、ソース電極とドレイン電極の歯部分の直線領域よりもソース電極とドレイン電極の歯部分の先端領域において長い窒化物半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、櫛型形状のソース電極とドレイン電極が交差指状に配置された電極構造を有し、且つ各櫛形電極の先端部での電界集中が緩和された窒化物半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体装置の構造を示す模式的な平面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体装置の先端領域の構造を示す模式的な平面図であり、図３（ａ）はソース電極の先端領域を示し、図３（ｂ）はドレイン電極の先端領域を示す。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体装置における各領域間の距離の例を示す表である。
【図５】本発明の第１の実施形態の変形例に係る窒化物半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体装置の先端領域の構造を示す模式的な平面図であり、図７（ａ）はソース電極の先端領域を示し、図７（ｂ）はドレイン電極の先端領域を示す。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体装置における各領域間の距離の例を示す表である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体装置の構造を示す模式的な平面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体装置における各領域間の距離の例を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に、図面を参照して、本発明の第１乃至第３の実施形態を説明する。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、厚みと平面寸法との関係、各部の長さの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、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ことはもちろんである。
【００１１】
又、以下に示す第１乃至第３の実施形態は、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、構成部品の形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、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。
【００１２】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体装置１は、図１に示すように、互いに紙面に向かって上下方向にそれぞれ延伸する複数の歯部分を有する櫛型形状をなすソース電極３及びドレイン電極４と、ソース電極３とドレイン電極４間に配置されたゲート電極５を備える。ソース電極３とドレイン電極４の櫛の歯部分は交差指状に配置されている。つまり、ソース電極３の歯部分の間のそれぞれに、ドレイン電極の各歯部分が配置されている。このためゲート電極５は、紙面に向かって左右方向に重なるように多重に折り返されて配置されている。
【００１３】
以下において、ソース電極３とドレイン電極４の歯部分が直線的に平行して延伸する領域を「直線領域」という。そして、ソース電極３とドレイン電極４の歯部分の先端部の、外縁が曲線である領域を「先端領域」という。
【００１４】
図１のＡ−Ａ方向、Ｂ−Ｂ方向、及びＣ−Ｃ方向に沿った切断面を図２に示す。Ａ−Ａ方向は、ソース電極３とドレイン電極４の直線領域における、ソース電極３とドレイン電極４の歯部分が延伸する方向に垂直な方向である。Ｂ−Ｂ方向は、ソース電極３の先端領域（以下において、「ソース先端領域」という。）における、ソース電極３の歯部分が延伸する方向に平行な方向である。Ｃ−Ｃ方向は、ドレイン電極４の先端領域（以下において、「ドレイン先端領域」という。）における、ドレイン電極４の歯部分が延伸する方向に平行な方向である。
【００１５】
Ａ−Ａ方向、Ｂ−Ｂ方向、及びＣ−Ｃ方向に沿った各切断面は、基本的な構造は略同一であり、詳細を後述するように、各切断面に現れる領域間で距離が異なる箇所がある。
【００１６】
図２に示すように、窒化物半導体装置１は、キャリア供給層２２、及びキャリア供給層２２とヘテロ接合を形成するキャリア走行層２１を積層した窒化物半導体層２と、窒化物半導体層２上に配置された絶縁膜７とを備え、窒化物半導体層２上にソース電極３、ドレイン電極４及びゲート電極５が配置されたＨＥＭＴである。絶縁膜７はソース電極３及びドレイン電極４を覆って配置され、絶縁膜７に形成された開口部を埋め込むようにしてゲート電極５が配置されている。ゲート電極５と絶縁膜７上に層間絶縁膜８が配置され、層間絶縁膜８に形成された開口部をそれぞれ介して、ソース電極配線３１がソース電極３と接続され、ドレイン電極配線４１がドレイン電極４と接続されている。
【００１７】
また、窒化物半導体装置１は、ゲート電極５と電気的に接続するゲートフィールドプレート５０、及びソース電極３と電気的に接続するソースフィールドプレート３０を更に備える。ゲート電極５とドレイン電極４間に配置されたゲートフィールドプレート５０とソースフィールドプレート３０により、ゲート電極５のドレイン側端部の空乏層の曲率が制御されて、ゲート電極５のドレイン電極側の端部（以下において、「ドレイン側端部」という。）に集中するバイアス電界の集中が緩和される。
【００１８】
図２に示すように、ゲートフィールドプレート５０はゲート電極５の上端部と連接して、ゲート電極５とドレイン電極４間で絶縁膜７上に配置されている。ソースフィールドプレート３０は、ソース電極配線３１を介してソース電極３と電気的に接続し、ゲートフィールドプレート５０とドレイン電極４との間で絶縁膜７及び層間絶縁膜８を介して窒化物半導体層２と対向するように、層間絶縁膜８上に配置されている。図２に示した例では、ソース電極配線３１のドレイン電極側に延伸した領域が、ソースフィールドプレート３０として機能する。なお、図１では、ゲートフィールドプレート５０及びソースフィールドプレート３０の図示を省略している。
【００１９】
図２に示すように、基板１０上にバッファ層１１が配置され、バッファ層１１上に窒化物半導体層２が配置されている。窒化物半導体装置１の具体的な構造例については後述する。
【００２０】
ソース先端領域の拡大図を図３（ａ）に、ドレイン先端領域の拡大図を図３（ｂ）に、それぞれ示す。図３（ａ）、図３（ｂ）においては、上層を透過して、ソース電極３、ドレイン電極４、ゲート電極５、ゲートフィールドプレート５０、ソースフィールドプレート３０を図示している。例えば、ソース電極配線３１を透過してゲート電極５やゲートフィールドプレート５０を図示している。
【００２１】
ソース電極３、ドレイン電極４及びソースフィールドプレート３０の先端の形状は半円形である。また、ソース先端領域においては、ドレイン電極４の歯部分の間における柄部分の外縁が、ソース電極３の先端に沿って半円形に窪んでいる。同様に、ドレイン先端領域においては、ソース電極３の歯部分の間における柄部分の外縁が、ドレイン電極４の先端に沿って半円形に窪んでいる。このため、ソース電極３とドレイン電極４間に配置されるゲート電極５は、先端領域では円弧形状である。同様に、ゲートフィールドプレート５０及びソースフィールドプレート３０も、先端領域では円弧形状である。
【００２２】
図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、距離ＬGSa、ＬGSb、ＬGScは、直線領域、ソース先端領域、ドレイン先端領域のそれぞれにおける、ゲート電極５のソース側端部とソース電極３のゲート電極側端部との間の距離（以下において、「Ｇ＿Ｓ間距離」という。）ＬGSである。距離ＬGDa、ＬGDb、ＬGDcは、直線領域、ソース先端領域、ドレイン先端領域のそれぞれにおける、ゲート電極５のドレイン側端部とドレイン電極４のゲート電極側端部との間の距離（以下において、「Ｇ＿Ｄ間距離」という。）ＬGDである。距離ＬGFPa、ＬGFPb、ＬGFPcは、直線領域、ソース先端領域、ドレイン先端領域のそれぞれにおける、ゲート電極５のドレイン側端部とゲートフィールドプレート５０のドレイン側端部間の距離（以下において、「Ｇ＿ＧＦ間距離」という。）ＬGFPである。Ｇ＿ＧＦ間距離ＬGFPはゲートフィールドプレート５０の長さに相当する。距離ＬSFPa、ＬSFPb、ＬSFPcは、直線領域、ソース先端領域、ドレイン先端領域のそれぞれにおける、ゲートフィールドプレート５０のドレイン側端部とソースフィールドプレート３０のドレイン側端部間の距離（以下において、「ＧＦ＿ＳＦ間距離」という。）ＬSFPである。ＧＦ＿ＳＦ間距離ＬSFPはソースフィールドプレート３０の長さに相当する。
【００２３】
図３（ａ）、図３（ｂ）に示したように、ソース先端領域及びドレイン先端領域におけるＧ＿Ｓ間距離ＬGSb、ＬGScは、直線領域におけるＧ＿Ｓ間距離ＬGSaよりも長い。同様に、ソース先端領域及びドレイン先端領域におけるＧ＿Ｄ間距離ＬGDb、ＬGDcは、直線領域におけるＧ＿Ｄ間距離ＬGDaよりも長い。また、ソース先端領域及びドレイン先端領域におけるＧ＿ＧＦ間距離ＬGFPb、ＬGFPcは、直線領域におけるＧ＿ＧＦ間距離ＬGFPaよりも長い。更に、ソース先端領域及びドレイン先端領域におけるＧＦ＿ＳＦ間距離ＬSFPb、ＬSFPcは、直線領域におけるＧＦ＿ＳＦ間距離ＬSFPaよりも長い。
【００２４】
Ａ−Ａ方向に沿った切断面である直線領域の切断面、Ｂ−Ｂ方向及びＣ−Ｃ方向に沿った切断面である先端領域の切断面のそれぞれにおける、各距離の例を図４に示す。なお、図４に示した先端領域におけるＧ＿Ｓ間距離ＬGS、Ｇ＿Ｄ間距離ＬGD、Ｇ＿ＧＦ間距離ＬGFP、及びＧＦ＿ＳＦ間距離ＬSFPの各値は、ソース電極３とドレイン電極４の先端部の頂点における距離である。
【００２５】
図4には、先端領域におけるＧ＿Ｓ間距離ＬGSb、ＬGSc、Ｇ＿Ｄ間距離ＬGDb、ＬGDc、Ｇ＿ＧＦ間距離ＬGFPb、ＬGFPc、ＧＦ＿ＳＦ間距離ＬSFPb、ＬSFPcのそれぞれが、直線領域におけるＧ＿Ｓ間距離ＬGSa、Ｇ＿Ｄ間距離ＬGDa、Ｇ＿ＧＦ間距離ＬGFPa、ＧＦ＿ＳＦ間距離ＬSFPaの１．５倍である場合を例示的に示したが、各距離の差は１．５倍に限定されるものではない。即ち、先端領域における上記の各距離が、直線領域における距離よりもそれぞれ長ければよい。
【００２６】
また、上記の各距離に加え、先端領域のゲート長を直線領域のゲート長よりも長くすることが好ましい。
【００２７】
一般的に、櫛形形状の電極構造を採用した場合、電極の直線部分よりも先端部に電界が集中する。このため、半導体装置が破壊されやすい。
【００２８】
しかし、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体装置１は、ゲート電極５とドレイン電極４間の距離（Ｇ＿Ｄ間距離ＬGD）が、直線領域よりもソース先端領域及びドレイン先端領域において長い構造を有する。このため、各櫛形電極の先端部における電界集中が緩和される。したがって、窒化物半導体装置１によれば、櫛型形状のソース電極３とドレイン電極４が交差指状に配置された電極構造を有し、且つ各櫛形電極の先端部での電界集中が緩和された窒化物半導体装置を提供できる。これにより、窒化物半導体装置１の耐圧が向上する。
【００２９】
また、窒化物半導体装置１では、直線領域よりもソース先端領域及びドレイン先端領域において、ゲートフィールドプレート５０及びソースフィールドプレート３０のドレイン側端部がドレイン電極４方向に延びている。これにより、先端領域における電界は、直線領域よりも緩和され、電解集中が起こりにくくなる。
【００３０】
以下に、窒化物半導体装置１の具体的な構造例について説明する。
【００３１】
図２示した基板１０には、シリコン（Ｓｉ）基板、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）基板、ＧａＮ基板等の半導体基板や、サファイア基板、セラミック基板等の絶縁体基板を採用可能である。例えば、基板１０に大口径化が容易なシリコン基板を採用することにより、窒化物半導体装置１の製造コストを低減できる。
【００３２】
バッファ層１１は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等のエピタキシャル成長法で形成できる。図２では、バッファ層１１を１つの層として図示しているが、バッファ層１１を複数の層で形成してもよい。例えば、バッファ層１１を窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる第１のサブレイヤー（第１の副層）とＧａＮからなる第２のサブレイヤー（第２の副層）とを交互に積層した多層構造バッファとしてもよい。なお、バッファ層１１はＨＥＭＴの動作に直接には関係しないため、バッファ層１１を省いてもよい。また、基板１０とバッファ層１１とを組み合わせた構造を基板とみなすこともできる。バッファ層１１の構造、配置は、基板１０の材料等に応じて決定される。
【００３３】
窒化物半導体層２は、第１の窒化物半導体層からなるキャリア供給層２２、及び第１の窒化物半導体層と異なるバンドギャップエネルギーを有する第２の窒化物半導体層からなるキャリア走行層２１を有する。
【００３４】
バッファ層１１上に配置されたキャリア走行層２１は、例えば不純物が添加されていないノンドープＧａＮを、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等によりエピタキシャル成長させて形成する。ここでノンドープとは、不純物が意図的に添加されていないことを意味する。
【００３５】
キャリア走行層２１上に配置されたキャリア供給層２２は、キャリア走行層２１よりもバンドギャップが大きく、且つキャリア走行層２１より格子定数の小さい窒化物半導体からなる。キャリア供給層２２としてノンドープのＡｌxＧａ1-xＮが採用可能である。
【００３６】
キャリア供給層２２は、ＭＯＣＶＤ法等によるエピタキシャル成長によってキャリア走行層２１上に形成される。キャリア供給層２２とキャリア走行層２１は格子定数が異なるため、格子歪みによるピエゾ分極が生じる。このピエゾ分極とキャリア供給層２２の結晶が有する自発分極により、ヘテロ接合付近のキャリア走行層２１に高密度のキャリアが生じ、電流通路（チャネル）としての二次元キャリアガス層２３が形成される。
【００３７】
ソース電極３及びドレイン電極４は、窒化物半導体層２と低抵抗接触（オーミック接触）可能な金属により形成される。例えばアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）などがソース電極３及びドレイン電極４に採用可能である。或いはＴｉとＡｌの積層体として、ソース電極３及びドレイン電極４は形成される。
【００３８】
ゲート電極５及びゲートフィールドプレート５０には、例えばニッケル金（ＮｉＡｕ）などが採用可能である。ソース電極配線３１、ドレイン電極配線４１には、例えばＡｌや金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）などが採用可能である。
【００３９】
＜変形例＞
図５に、本発明の第１の実施形態の変形例に係る窒化物半導体装置１を示す。図５に示した窒化物半導体装置１では、ソース電極３及びドレイン電極４が窒化物半導体層２に形成した開口部に埋め込まれている。ソース電極３及びドレイン電極４の下端は二次元キャリアガス層２３の位置よりも深く、ソース電極３及びドレイン電極４はキャリア走行層２１とオーミック接続している。図５に示すような掘り込みオーミック構造のソース電極３及びドレイン電極４では、ＡｌＧａＮ膜などの電流が流れにくい窒化物半導体膜をキャリア供給層２２に使用する場合に、キャリア供給層２２と接するソース電極３及びドレイン電極４の側面に電界が集中する。
【００４０】
しかし、ゲート電極５とドレイン電極４間のＧ＿Ｄ間距離ＬGDを、電界が集中しやすいソース先端領域及びドレイン先端領域において直線領域よりも長くすることにより、電界集中による窒化物半導体装置１の破壊を防止できる。
【００４１】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体装置１は、図６に示すように、ドレイン電極４とゲート電極５間に配置された保護電極６を更に備えることが、図２と異なる。その他の構成については、図２に示す窒化物半導体装置１と同様の構成である。
【００４２】
保護電極６は例えばゲート電極５と同様の構造であり、絶縁膜７に形成された開口部を埋め込むようにして保護電極６は配置されている。保護電極６の下端は窒化物半導体層２の上面に接し、上端の外縁部は絶縁膜７上に配置されている。保護電極６の絶縁膜７上に配置された外縁部のドレイン側は、フィールドプレートとして機能する（以下において、「Ｚフィールドプレート６０」という。）。保護電極６は、例えばソース電極３又はゲート電極５と電気的に接続される。
【００４３】
なお、図６に示した窒化物半導体装置１では、ソース電極配線３１のＺフィールドプレート６０のドレイン側端部よりもドレイン電極４側に延伸した部分が、ソースフィールドプレート３０である。
【００４４】
図６に示した窒化物半導体装置１のソース先端領域の拡大図を図７（ａ）に、ドレイン先端領域の拡大図を図７（ｂ）にそれぞれ示す。
【００４５】
図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、距離ＬGZa、ＬGZb、ＬGZcは、直線領域、ソース先端領域、ドレイン先端領域のそれぞれにおける、ゲート電極５のドレイン側端部と保護電極６のゲート電極側端部との間の距離（以下において、「Ｇ＿Ｚ間距離」という。）ＬGZである。距離ＬZFPa、ＬZFPb、ＬZFPcは、直線領域、ソース先端領域、ドレイン先端領域のそれぞれにおける、保護電極６のドレイン側端部とＺフィールドプレート６０のドレイン側端部間の距離（以下において、「Ｚ＿ＺＦ間距離」という。）ＬZFPである。Ｚ＿ＺＦ間距離ＬZFPはＺフィールドプレート６０の長さに相当する。
【００４６】
また、距離ＬSFPa、ＬSFPb、ＬSFPcは、直線領域、ソース先端領域、ドレイン先端領域のそれぞれにおける、Ｚフィールドプレート６０のドレイン側端部とソースフィールドプレート３０のドレイン側端部間の距離（以下において、「ＺＦ＿ＳＦ間距離」という。）である。ＺＦ＿ＳＦ間距離ＬSFPはソースフィールドプレート３０の長さに相当する。
【００４７】
その他の距離に関しては、図３（ａ）、図３（ｂ）と同様である。即ち、距離ＬGSa、ＬGSb、ＬGScは、直線領域、ソース先端領域、ドレイン先端領域のそれぞれにおける、ゲート電極５のソース側端部とソース電極３のゲート電極側端部との間のＧ＿Ｓ間距離ＬGSである。距離ＬGDa、ＬGDb、ＬGDcは、直線領域、ソース先端領域、ドレイン先端領域のそれぞれにおける、ゲート電極５のドレイン側端部とドレイン電極４のゲート電極側端部との間の距離Ｇ＿Ｄ間距離ＬGDである。距離ＬGFPa、ＬGFPb、ＬGFPcは、直線領域、ソース先端領域、ドレイン先端領域のそれぞれにおける、ゲート電極５のドレイン側端部とゲートフィールドプレート５０のドレイン側端部間のＧ＿ＧＦ間距離ＬGFPであり、ゲートフィールドプレート５０の長さに相当する。
【００４８】
図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、ソース先端領域及びドレイン先端領域におけるゲート電極５と保護電極６間のＧ＿Ｚ間距離ＬGZb、ＬGZcは、直線領域におけるＧ＿Ｚ間距離ＬGZaよりも長い。また、ソース先端領域及びドレイン先端領域における保護電極６のドレイン側端部とＺフィールドプレート６０のドレイン側端部間のＺ＿ＺＦ間距離ＬZFPb、ＬZFPcは、直線領域におけるＺ＿ＺＦ間距離ＬZFPaよりも長い。更に、ソース先端領域及びドレイン先端領域におけるＺフィールドプレート６０のドレイン側端部とソースフィールドプレート３０のドレイン側端部間のＺＦ＿ＳＦ間距離ＬSFPb、ＬSFPcは、直線領域におけるＺＦ＿ＳＦ間距離ＬSFPaよりも長い。
【００４９】
更に、図３（ａ）、図３（ｂ）に示した窒化物半導体装置１と同様に、図７（ａ）、図７（ｂ）に示した窒化物半導体装置１では、ソース先端領域及びドレイン先端領域におけるＧ＿Ｓ間距離ＬGSb、ＬGScは、直線領域におけるＧ＿Ｓ間距離ＬGSaよりも長い。また、ソース先端領域及びドレイン先端領域におけるＧ＿Ｄ間距離ＬGDb、ＬGDcは、直線領域におけるＧ＿Ｄ間距離ＬGDaよりも長く、ソース先端領域及びドレイン先端領域におけるＧ＿ＧＦ間距離ＬGFPb、ＬGFPcは、直線領域におけるＧ＿ＧＦ間距離ＬGFPaよりも長い。
【００５０】
図７（ａ）、図７（ｂ）に示した各距離の例を図８に示す。図８には、先端領域におけるＧ＿Ｓ間距離ＬGSb、ＬGSc、Ｇ＿Ｄ間距離ＬGDb、ＬGDc、Ｇ＿ＧＦ間距離ＬGFPb、ＬGFPc、ＺＦ＿ＳＦ間距離ＬSFPb、ＬSFPc、Ｇ＿Ｚ間距離ＬGZb、ＬGZc、Ｚ＿ＺＦ間距離ＬZFPb、ＬZFPcのそれぞれが、直線領域におけるＧ＿Ｓ間距離ＬGSa、Ｇ＿Ｄ間距離ＬGDa、Ｇ＿ＧＦ間距離ＬGFPa、ＺＦ＿ＳＦ間距離ＬSFPa、Ｇ＿Ｚ間距離ＬGZa、Ｚ＿ＺＦ間距離ＬZFPaの１．５倍である場合を例示的に示した。しかし、各距離の差は１．５倍に限定されるものではない。即ち、先端領域における上記の各距離が、直線領域における距離よりもそれぞれ長ければよい。
【００５１】
第２の実施形態に係る窒化物半導体装置１では、ゲート電極５とドレイン電極４間の距離（Ｇ＿Ｄ間距離ＬGD）が、直線領域よりもソース先端領域及びドレイン先端領域において長い構造を有する。このため、各櫛形電極の先端部における電界集中を緩和できる。第２の実施形態に係る窒化物半導体装置１によれば、保護電極６がゲート電極５とドレイン電極４の間に配置されることにより、ゲート電極５のドレイン側端部における電界集中が更に緩和される。
【００５２】
また、第２の実施形態に係る窒化物半導体装置１では、直線領域よりもソース先端領域及びドレイン先端領域において、ゲートフィールドプレート５０、ソースフィールドプレート３０及びＺフィールドプレート６０のドレイン側端部がドレイン電極４方向に延びている。更に、ゲート電極５と保護電極６間の距離（Ｇ＿Ｚ間距離ＬGZ）が、直線領域よりもソース先端領域及びドレイン先端領域において長い構造を有する。これにより、先端領域における電界は、直線領域における電界よりも緩和され、先端領域における電界集中が起こりにくくなる。
【００５３】
図６に示した窒化物半導体装置１では、保護電極６によってゲート電極５のドレイン側端部に集中するバイアス電界の集中が緩和されると共に、Ｚフィールドプレート６０によって保護電極６のドレイン側端部の空乏層の曲率が制御されて、保護電極６のドレイン側端部に集中するバイアス電界の集中が緩和される。
【００５４】
なお、保護電極６は、ソース電極３の電位がドレイン電極４の電位よりも高い場合にダイオードとして機能し、ソース電極３からドレイン電極４に電流が流されるように構成することもできる。例えば、保護電極６と窒化物半導体層２との間にショットキー接合が形成される。
【００５５】
また、保護電極６をソース電極３と電気的に接続することにより、窒化物半導体装置１のミラー容量を低減できる。これは、等価的にみて、保護電極６をゲート電極とするＦＥＴとゲート電極５をゲート電極とするＦＥＴとをカスコード接続した構造となるためである。つまり、保護電極６がゲート電極５とドレイン電極４間に配置されていることにより、ゲート電極５とドレイン電極４間の容量が低減される。これにより、窒化物半導体装置１の高周波動作が可能になる。
【００５６】
他は、第１の実施形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
【００５７】
（第３の実施形態）
第１及び第２の実施形態に係る窒化物半導体装置１では、ソース電極３の歯部分と柄部分と同一配線レベルに配置されており、ドレイン先端領域においてソース電極３の柄部分がドレイン電極４の歯部分と同一配線レベルに隣接して配置されている。
【００５８】
第３の実施形態に係る窒化物半導体装置１では、ソース電極３の歯部分と柄部分とが異なる配線レベルに配置されている。具体的には、図８に示す窒化物半導体装置１のように、破線で示したソース電極３の柄部分、及び歯部分と柄部分との接続部分が、ソース電極３の歯部分やドレイン電極４と異なる配線レベルに配置される。ソース電極３の柄部分は、例えばソースフィールドプレート３０と同様に層間絶縁膜８上に配置される。ソース電極３の柄部分がドレイン電極４の先端と近接しないため、ソース電極３の柄部分の外縁を半円形に窪ませる必要はない。
【００５９】
ソース電極３の歯部分とドレイン電極４の歯部分とは、同一配線レベルで交差指状に配置されている。なお、先端領域におけるドレイン電極４の先端の位置とソース電極３の先端の位置とが、歯部分が延伸する方向と垂直な方向に沿って直線上に配置されていることが好ましい。ゲート電極５とソース電極３間の容量の低減や、ドレイン電極付近での電流集中の抑制効果を奏する。
【００６０】
なお、図６に示した窒化物半導体装置１と同様に、ドレイン電極４とゲート電極５間に保護電極６を配置してもよい。
【００６１】
第３の実施形態に係る窒化物半導体装置１によれば、先端領域における電界集中が抑制されると共に、ゲート電極５とソース電極３間の容量を低減することができる。他は、第１及び第２の実施形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
【００６２】
（その他の実施形態）
上記のように、本発明は第１乃至第３の実施形態によって記載したが、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あると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００６３】
例えば、保護電極６をソース電極３又はゲート電極５以外の、一定値に固定された電圧を供給する固定電極に接続してもよい。つまり、保護電極６を交流的にＧＮＤにみえる一定電位に設定することにより、ゲート電極５のドレイン側端部におけるバイアス電界の集中を緩和する効果が得られる。保護電極６をＧＮＤに接続してもよい。
【００６４】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００６５】
１…窒化物半導体装置
２…窒化物半導体層
３…ソース電極
４…ドレイン電極
５…ゲート電極
６…保護電極
７…絶縁膜
８…層間絶縁膜
１０…基板
１１…バッファ層
２１…キャリア走行層
２２…キャリア供給層
２３…二次元キャリアガス層
３０…ソースフィールドプレート
３１…ソース電極配線
４１…ドレイン電極配線
５０…ゲートフィールドプレート
６０…Ｚフィールドプレート
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャリア供給層、及び前記キャリア供給層とヘテロ接合を形成するキャリア走行層を積層した窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層上に配置された絶縁膜と、
前記窒化物半導体層上に配置された、複数の歯部分を有する櫛型形状のソース電極と、
前記窒化物半導体層上に前記ソース電極と交差指状に配置された、複数の歯部分を有する櫛型形状のドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極間で前記窒化物半導体層上に配置されたゲート電極と、
前記ゲート電極と電気的に接続され、前記ゲート電極と前記ドレイン電極間で前記絶縁膜上に配置されたゲートフィールドプレートと、
前記ソース電極と電気的に接続され、前記絶縁膜を介して前記窒化物半導体層と対向するように前記ゲートフィールドプレートと前記ドレイン電極間の上方に配置されたソースフィールドプレートと
を備え、
前記ゲート電極と前記ドレイン電極間の距離、前記ゲートフィールドプレートのドレイン側端部と前記ゲート電極のドレイン側端部間の距離、及び前記ソースフィールドプレートのドレイン側端部と前記ゲートフィールドプレートのドレイン側端部間の距離の少なくともいずれかが、前記ソース電極と前記ドレイン電極の前記歯部分の直線領域よりも前記ソース電極と前記ドレイン電極の前記歯部分の先端領域において長いことを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項２】
前記ソース電極と前記ドレイン電極の先端の形状が半円形状であ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。
【請求項３】
前記ソース電極及び前記ドレイン電極の少なくとも一部が、前記キャリア供給層に設けられた開口部に埋め込まれて前記キャリア走行層に接していることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体装置。
【請求項４】
前記ドレイン電極と前記ゲート電極間で前記絶縁膜上に配置された保護電極と、
前記保護電極と電気的に接続され、前記保護電極と前記ドレイン電極間で前記絶縁膜上に配置されたＺフィールドプレートと
を更に備え、
前記ゲート電極と前記保護電極間の距離、及び前記Ｚフィールドプレートのドレイン側端部と前記保護電極のドレイン側端部間の距離のいずれもが、前記直線領域よりも前記先端領域において長いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項５】
前記ソース電極と前記ゲート電極間の距離が、前記直線領域よりも前記先端領域において長いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１】
キャリア供給層、及び前記キャリア供給層とヘテロ接合を形成するキャリア走行層を積層した窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層上に配置された絶縁膜と、
前記窒化物半導体層上に配置された、複数の歯部分を有する櫛型形状のソース電極と、
前記窒化物半導体層上に前記ソース電極と交差指状に配置された、複数の歯部分を有する櫛型形状のドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極間で前記窒化物半導体層上に配置されたゲート電極と、
前記ゲート電極と電気的に接続され、前記ゲート電極と前記ドレイン電極間で前記絶縁膜上に配置されたゲートフィールドプレートと、
前記ソース電極と電気的に接続され、前記絶縁膜を介して前記窒化物半導体層と対向するように前記ゲートフィールドプレートと前記ドレイン電極間の上方に配置されたソースフィールドプレートと
を備え、
前記ゲート電極と前記ドレイン電極間の距離、前記ゲートフィールドプレートのドレイン側端部と前記ゲート電極のドレイン側端部間の距離、及び前記ソースフィールドプレートのドレイン側端部と前記ゲートフィールドプレートのドレイン側端部間の距離の少なくともいずれかが、前記ソース電極と前記ドレイン電極の前記歯部分の直線領域よりも前記ソース電極と前記ドレイン電極の前記歯部分の先端領域において長いことを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項２】
前記ソース電極と前記ドレイン電極の先端の形状が半円形状であ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。
【請求項３】
前記ソース電極及び前記ドレイン電極の少なくとも一部が、前記キャリア供給層に設けられた開口部に埋め込まれて前記キャリア走行層に接していることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体装置。
【請求項４】
前記ドレイン電極と前記ゲート電極間で前記絶縁膜上に配置された保護電極と、
前記保護電極と電気的に接続され、前記保護電極と前記ドレイン電極間で前記絶縁膜上に配置されたＺフィールドプレートと
を更に備え、
前記ゲート電極と前記保護電極間の距離、及び前記Ｚフィールドプレートのドレイン側端部と前記保護電極のドレイン側端部間の距離のいずれもが、前記直線領域よりも前記先端領域において長いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項５】
前記ソース電極と前記ゲート電極間の距離が、前記直線領域よりも前記先端領域において長いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−９８２２２（Ｐ２０１３−９８２２２Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３７２１１（Ｐ２０１１−２３７２１１）
【出願日】平成２３年１０月２８日（２０１１．１０．２８）
【出願人】（０００１０６２７６）サンケン電気株式会社 (982)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２８日（２０１１．１０．２８）
【出願人】（０００１０６２７６）サンケン電気株式会社 (982)
【Ｆターム（参考）】
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