窒化物系化合物半導体装置
【課題】ゲートリーク電流の増大、及び電流コラプス現象によるオン抵抗の増大を抑制できる窒化物系化合物半導体装置を提供する。
【解決手段】III族窒化物系化合物半導体からなる半導体層２と、半導体層２上に配置されたソース電極３及びドレイン電極４と、半導体層２上にソース電極３とドレイン電極４との間に配置された絶縁膜６と、絶縁膜６に設けられた開口部で半導体層２に接する有機半導体層７と、開口部の有機半導体層７上に配置されたゲート電極５とを備える。
【解決手段】III族窒化物系化合物半導体からなる半導体層２と、半導体層２上に配置されたソース電極３及びドレイン電極４と、半導体層２上にソース電極３とドレイン電極４との間に配置された絶縁膜６と、絶縁膜６に設けられた開口部で半導体層２に接する有機半導体層７と、開口部の有機半導体層７上に配置されたゲート電極５とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に係り、特に高耐圧が要求される窒化物系化合物半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
III族窒化物系化合物半導体は絶縁破壊電圧が高い。このため、例えばエピタキシャル成長等によって形成された窒化物系化合物半導体からなる結晶半導体の主面上にソース電極、ドレイン電極、ゲート電極等を配置した電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）として、窒化物系化合物半導体装置が高耐圧パワーデバイス等に応用されている。これらの窒化物系化合物半導体装置では、高耐圧が必要とされるデバイスほど、ゲート電極−ドレイン電極間等の電極間を長くする必要がある。III族窒化物系化合物半導体の例としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）等がある。代表的なIII族窒化物系化合物半導体は、ＡｌxＭyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される。ここで、Ｍはインジウム（Ｉｎ）或いはボロン（Ｂ）等である。
【０００３】
しかし、窒化物系化合物半導体装置では、ゲート電極とドレイン電極が逆バイアスされた状態（ＦＥＴがオフの状態）において、電流コラプス現象のために逆バイアス印加後のオン抵抗が増大するという問題がある。例えばＦＥＴでは、ゲート電極とドレイン電極間で結晶表面にトラップされる電子等のキャリアにより、高電圧印加直後のオン状態においてソース電極−ドレイン電極間に流れる電流が減少してしまう。
【０００４】
一般的に、電流コラプス現象を抑制して耐圧を改善するために以下のような対策が採られている（例えば、特許文献１参照。）：
（１）酸化膜、窒化膜等で結晶表面をパッシベーションコーティングする。
【０００５】
（２）フィールドプレート構造を採用する。
【０００６】
（３）上記（１）と（２）を組み合わせる。
【０００７】
（４）格子欠陥の少ない結晶表面を実現する。
【特許文献１】特開２００４−２１４４７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
例えばガリウム砒素（ＧａＡｓ）を使用したＦＥＴの場合、高耐圧化に伴って問題化してくる周波数分散の対策として、上記対策のいずれかが採用される場合がある。しかしながら、より高耐圧のデバイスが要求されてゲート電極とドレイン電極間がより長くなる場合、パッシベーションコーティングしても表面準位の影響が残りやすい。また、フィールドプレート構造を採用した場合には、フィールドプレートとして用いる金属膜の端部に電界集中する問題が生じる。したがって、上記の耐圧改善策だけでは大きな効果は期待できない。
【０００９】
特に高耐圧が期待されている窒化ガリウム（ＧａＮ）系のワイドギャップ化合物半導体材料は、シリコン（Ｓｉ）やＧａＡｓに比べて結晶欠陥が多いため、電流コラプス現象がより顕著になるという問題がある。更に、ショットキーゲート構造のＧａＮ系化合物半導体装置は、ゲートリーク電流が大きいという問題がある。
【００１０】
上記問題点を鑑み、本発明は、ゲートリーク電流の増大、及び電流コラプス現象によるオン抵抗の増大を抑制できる窒化物系化合物半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様によれば、（イ）III族窒化物系化合物半導体からなる半導体層と、（ロ）半導体層上に配置されたソース電極及びドレイン電極と、（ハ）ソース電極とドレイン電極との間に配置された有機半導体層と、（ニ）有機半導体層上に配置されたゲート電極とを備える窒化物系化合物半導体装置が提供される。
【００１２】
本発明の他の態様によれば、（イ）III族窒化物系化合物半導体からなる半導体層と、（ロ）半導体層上に配置されたソース電極及びドレイン電極と、（ハ）半導体層上にソース電極とドレイン電極との間に配置された絶縁膜と、（ニ）絶縁膜に設けられた開口部で半導体層に接する有機半導体層と、（ホ）開口部の有機半導体層上に配置されたゲート電極とを備える窒化物系化合物半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ゲートリーク電流の増大、及び電流コラプス現象によるオン抵抗の増大を抑制できる窒化物系化合物半導体装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、図面を参照して、本発明の第１乃至第３の実施の形態を説明する。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、各層の厚み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、具体的な厚みや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。
【００１５】
又、以下に示す第１乃至第３の実施の形態は、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、構成部品の材質、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。
【００１６】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置は、図１に示すように、III族窒化物系化合物半導体からなる半導体層２と、半導体層２上に配置されたソース電極３及びドレイン電極４と、半導体層２上にソース電極３とドレイン電極４との間に配置された絶縁膜６と、絶縁膜６に設けられた開口部で半導体層２に接する有機半導体層７と、開口部の有機半導体層７上に配置されたゲート電極５とを備える。
【００１７】
図１に示すように、有機半導体層７のソース端とゲート電極５のソース端は一致するように配置され、有機半導体層７のドレイン端がゲート電極５のドレイン端よりドレイン電極４側に位置する。ここで、「ソース端」とは、ゲート電極５及び有機半導体層７それぞれのソース電極３側の端部である。また、「ドレイン端」とは、ゲート電極５及び有機半導体層７それぞれのドレイン電極４側の端部である。
【００１８】
図１に示すように、半導体層２は基板１上に配置される。基板１は、サファイア基板、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）基板、シリコン（Ｓｉ）基板等が採用可能である。例えば、基板１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、図１に示す窒化物系化合物半導体装置の製造コストを低減できる。
【００１９】
半導体層２は、それぞれが窒化物系化合物半導体からなるバッファ層２１、キャリア走行層２２及びキャリア供給層２３がこの順に積層された構造である。図１に示すように、キャリア走行層２２とキャリア供給層２３とのヘテロ接合面近傍のキャリア走行層２２に、電流通路（チャネル）としての２次元キャリアガス層２２１が形成される。以下では、キャリア供給層２３がキャリア走行層２２に供給するキャリアが電子である場合について例示的に説明する。つまり、２次元キャリアガス層２２１は２次元電子ガス層（２ＤＥＧ層）であり、窒化物系化合物半導体装置がオンしたときにソース電極３から２ＤＥＧ層２２１を介してドレイン電極４に電子が供給される。
【００２０】
バッファ層２１は、周知の有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等のエピタキシャル成長法で形成できる。図１では、バッファ層２１を１つの層として図示しているが、バッファ層２１を複数の層で形成してもよい。例えば、バッファ層２１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）と窒化ガリウム（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。また、図１に示した窒化物系化合物半導体装置が高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）として動作する場合、バッファ層２１はＨＥＭＴの動作に直接には関係しないため、バッファ層２１を省いてよい。また、バッファ層２１の材料として、ＡｌＮ、ＧａＮ以外のIII族化合物半導体を採用してもよい。また、基板１とバッファ層２１とを組み合わせた構造を基板とみなすこともできる。
【００２１】
バッファ層２１上に配置されたキャリア走行層２２は、例えば不純物が添加されていないアンドープＧａＮを１〜３μｍ程度の厚さに、ＭＯＣＶＤ法等でエピタキシャル成長させて形成する。
【００２２】
キャリア走行層２２上に配置されたキャリア供給層２３は、キャリア走行層２２よりもバンドギャップが大きく、且つキャリア走行層２２と格子定数の異なる窒化物半導体からなる。キャリア供給層２３は、ＡｌxＭyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０≦ｘ＋ｙ≦１、Ｍはインジウム（Ｉｎ）或いはボロン（Ｂ）等）で表される。組成比ｘは０．２〜０．４が好ましく、より好ましくは０．３である。キャリア供給層２３としてはアンドープのＡｌxＧａ1-xＮが採用可能であるが、ｎ型不純物を添加したＡｌxＧａ1-xＮからなる窒化物半導体も採用可能である。
【００２３】
キャリア供給層２３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２２上に形成される。キャリア供給層２３とキャリア走行層２２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２３の結晶が有する自発分極によりヘテロ接合付近に高密度のキャリアが生じ、２ＤＥＧ層２２１が形成される。キャリア供給層２３の膜厚は、キャリア走行層２２とキャリア供給層２３との間のヘテロ接合により２ＤＥＧ層２２１が生じるように設定される。具体的には、キャリア供給層２３の膜厚は、キャリア走行層２２よりも薄く、例えば５〜５０ｎｍ程度、好ましくは５〜３０ｎｍ程度である。
【００２４】
なお、キャリア供給層２３としてｎ型不純物を添加したＡｌxＧａ1-xＮを採用し、このキャリア供給層２３とＧａＮからなるキャリア走行層２２との間にアンドープＡｌＮからなるスペーサ層を配置し、且つソース電極３及びドレイン電極４とキャリア供給層２３との間に例えばｎ型ＧａＮからなるコンタクト層を配置してもよい。スペーサ層は、キャリア供給層２３の不純物散乱の影響を抑制する効果がある。コンタクト層は、ソース電極３及びドレイン電極４と半導体層２との接触抵抗の低減に寄与する。
【００２５】
ソース電極３及びドレイン電極４は、キャリア供給層２３との間でオーミックコンタクト（低抵抗接触）を形成している。ソース電極３及びドレイン電極４は、例えばチタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）の積層体等として形成可能である。ゲート電極５は、例えばニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）の積層体からなる金属膜等が採用可能である。
【００２６】
絶縁膜６は、例えば２００〜５００ｎｍの厚みの酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜、若しくはこれらの膜を積層した構造が採用可能である。絶縁膜６によって半導体層２の表面をパッシベーションコーティングすることにより表面準位が低減され、窒化物系化合物半導体装置が受ける電流コラプス現象の影響を緩和することができる。特に、絶縁膜６はキャリア供給層２３よりも制御しやすく、キャリア供給層２３より厚い酸化シリコンを圧縮応力が生じる成膜条件にて形成すると、キャリア供給層２３に応力が伝わり、キャリア供給層２３とキャリア走行層２２との間のピエゾ効果が高まり、絶縁膜６直下の２ＤＥＧ層２２１の濃度を高め、オン抵抗を下げることができる。つまり、低オン抵抗を保ちながら後述する電流コラプス現象を抑制できる。
【００２７】
有機半導体層７は、半導体と同様の特性を示す有機材料からなる。ただし、有機半導体層７は、エピタキシャル成長等の結晶成長によって形成される結晶半導体に比べて移動度が十分に小さくなるように形成される。具体的には、例えばｐ型の有機半導体層７の移動度を１０-2〜１０ｃｍ2／Ｖｓ、例えば５ｃｍ2／Ｖｓ程度にすることにより、通常の結晶半導体、例えば２ＤＥＧ層２２１の移動度１５００ｃｍ2／Ｖｓ以上に比べて有機半導体層７の移動度が十分に小さく、有機半導体層７を実質的に絶縁膜とみなせる。したがって、図１に示す窒化物系化合物半導体装置は、半導体層２上に有機半導体層７を介してゲート電極５が配置されたＭＩＳ構造を有する。
【００２８】
図１に示した例では、有機半導体層７が絶縁膜６上に形成され、有機半導体層７上にゲート電極５が形成されているが、絶縁膜６はなくてもよいし、また、有機半導体層７及びゲート電極５が、絶縁膜６上まで延伸していなくてもよい。つまり、本発明の効果を得るためには、III族窒化物系化合物半導体からなる半導体層２と、半導体層２上に配置されたソース電極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との間に配置された有機半導体層７と、有機半導体層７上に配置されたゲート電極とを備える窒化物系化合物半導体装置であってもよい。尚、絶縁膜６上に有機半導体層７を形成すると、キャリア供給層２３の上に有機半導体層７を形成する場合に比較して、有機半導体層７の不純物濃度を高めることができる。よって、本発明の効果をより高めることができる。
【００２９】
正孔（ホール）をキャリアとして伝導するｐ型有機半導体としては、ペンタセン系、テトラセン系、アントラセン系の誘電体からなるアセン類、ペリレン、ルプレン、フタロシアニン、オリゴチオフェン等が採用可能である。また、錫（Ｓｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）等の金属とフタロシアニンを結合させた有機無機複合金属錯体である金属フタロシアニンも、ｐ型有機半導体として採用可能である。電子をキャリアとして伝導するｎ型有機半導体としては、Ｃ６０、Ｃ７０等のフラーレンや、Ｃｕ等の金属フタロシアニン等が採用可能である。
【００３０】
有機半導体層７の導電型は、半導体層２と異なる導電型にすることが好ましい。つまり、例えば半導体層２が第１導電型である場合には、有機半導体層７を第２導電型とする。より具体的には、例えば半導体層２が２ＤＥＧ層２２１を有するｎ型である場合は、有機半導体層７はｐ型にする。ｎ型の半導体層２の表面上にｐ型の有機半導体層７を配置することにより、有機半導体層７から半導体層２に正孔が常時供給され、半導体層２の表面上にトラップされた電子が供給された正孔と結合して消滅する。
【００３１】
以上に説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置によれば、ドレイン電極４とソース電極３間に高電圧を印加した状態でゲート電極５にオフとなる電圧を印加後オンに切り換えた際にオン抵抗が増大する、いわゆる電流コラプス現象が以下のように抑制される。即ち、電流コラプス現象によるオン抵抗の増大は、オフ時にゲート電極５とドレイン電極４の間の半導体層２の表面、特にゲート電極５のドレイン端又は絶縁膜６の開口部近傍にキャリアがトラップされ、トラップされたキャリアによって２ＤＥＧ層２２１が部分的に空乏化されることにより生じる。しかし、図１に示した窒化物系化合物半導体装置では、半導体層２の表面にトラップされた第１導電型のキャリアが、有機半導体層７から供給される第２導電型のキャリアにより相殺されて消滅する。その結果、半導体層２の材料の性質や結晶性に関わらず、電流コラプス現象による逆バイアス印加後のオン抵抗の増大を抑制できる。特に第１の実施の形態では有機半導体層７のドレイン端がゲート電極５のドレイン端よりもドレイン電極４側にあり、ゲート電極５のドレイン端における電界集中を抑制し、電流コラプス現象を良好に抑制することができる。
【００３２】
更に、図１に示した窒化物系化合物半導体装置は、ゲート電極５と半導体層２との間に、絶縁膜とみなせる有機半導体層７が配置されるため、ＭＩＳ構造となる。そのため、ゲートリーク電流が低減される。
【００３３】
以下に、図２〜図５を用いて、本発明の第１の実施の形態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。なお、以下に述べる窒化物系化合物半導体装置の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。
【００３４】
（イ）先ず、図２に示すように、基板１上に、ＭＯＣＶＤ法等によりバッファ層２１、キャリア走行層２２及びキャリア供給層２３をこの順にエピタキシャル成長させて積層して、半導体層２を形成する。バッファ層２１は、例えばＡｌＮ層とＧａＮ層を交互に積層した構造である。キャリア走行層２２は、例えば膜厚１〜３μｍのアンドープＧａＮ膜である。キャリア供給層２３は、キャリア走行層２２よりもバンドギャップが大きく、且つ格子定数の異なる窒化物半導体からなり、例えばアンドープのＡｌＧａＮ膜が採用可能である。
【００３５】
（ロ）半導体層２上に、ソース電極３及びドレイン電極４となる第１の導電体層を蒸着する。第１の導電体層は、例えばＴｉとＡｌの積層構造が採用可能である。次いで、フォトリソグラフィ技術によりパターニングしたフォトレジスト膜をマスクにして第１の導電体層をウェットエッチングし、図３に示すように、ソース電極３及びドレイン電極４を形成する。そして、例えば５００℃、３０分間のオーミックアニールにより、半導体層２とソース電極３及びドレイン電極４とをオーミック接触させる。
【００３６】
（ハ）次に、キャリア供給層２３、ソース電極３及びドレイン電極４上に、例えばＳｉＯ2膜、ＳｉＮ膜、若しくはこれらの膜を積層した絶縁膜６をプラズマ化学気相成長（ｐ−ＣＶＤ）法等により膜厚２００〜５００ｎｍ程度形成する。そして、絶縁膜６上に塗布したフォトレジスト膜を露光現像して形成したエッチングマスク（図示せず）を用いて、フッ化水素（ＨＦ）系のウェットエッチング法等の技術により、ゲート電極５が形成される半導体層２の表面の一部が露出するまで絶縁膜６の一部を選択的にエッチング除去して開口部６０を形成する。開口部６０の形成と同時にソース電極３及びドレイン電極４上の絶縁膜６をエッチング除去して、図４に示すように、ソース電極３及びドレイン電極４の上面を露出させる。
【００３７】
（ニ）次いで、抵抗加熱蒸着法を用いて膜厚３０ｎｍ程度のｐ型フタロシアニン等の有機半導体層７を絶縁膜６上に開口部６０を埋め込むように形成し、図５の構造断面図を得る。なお、有機半導体層７の形成方法として、ゾルゲル法やスピンオン法等も採用可能である。
【００３８】
（ホ）新たなフォトレジスト膜を全面に塗布した後、フォトリソグラフィ技術によってゲート電極５を形成する部分のフォトレジスト膜を除去して有機半導体層７を露出させる。次いで、フォトレジスト膜及び有機半導体層７上に、ゲート電極５となる第２の導電体層をスパッタ法等により形成する。第２の導電体層としては、例えばＮｉとＡｕの積層体等が採用可能である。その後、フォトレジスト膜を用いたリフトオフ法により、ゲート電極５を形成する。
【００３９】
上記のような本発明の第１の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置の製造方法によれば、有機半導体層７を半導体層２とゲート電極５間に形成することにより、ゲートリーク電流の増大、及び電流コラプス現象によるオン抵抗の増大を抑制できる窒化物系化合物半導体装置を提供することができる。
【００４０】
＜変形例＞
図６〜図１０に、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る窒化物系化合物半導体装置を示す。図６〜図１０に示した窒化物系化合物半導体装置は、図１に示した窒化物系化合物半導体装置と有機半導体層７の配置が異なる。その他の構成については、図１に示す実施の形態と同様である。
【００４１】
図６に示した窒化物系化合物半導体装置は、有機半導体層７がゲート電極５とドレイン電極４間全体に絶縁膜６上に配置されている例（第１の変形例）である。
【００４２】
図７に示した窒化物系化合物半導体装置は、有機半導体層７が、ドレイン端及びソース端がゲート電極５と一致している第１の有機半導体層７ａ、及び第１の有機半導体層７ａと離間してゲート電極５とドレイン電極４間に配置された第２の有機半導体層７ｂを有する例（第２の変形例）である。つまり、図７に示した窒化物系化合物半導体装置では、ゲート電極５側の半導体層２上方に有機半導体層７が配置されていない。
【００４３】
図８に示した窒化物系化合物半導体装置は、有機半導体層７が、ドレイン端及びソース端がゲート電極５と一致している第１の有機半導体層７ａ、及び第１の有機半導体層７ａと離間してゲート電極５とドレイン電極４間に配置された第２の有機半導体層７ｂを有する例（第３の変形例）である。図８に示した窒化物系化合物半導体装置では、ゲート電極５側及びドレイン電極４側の半導体層２上方に有機半導体層７が配置されていない。
【００４４】
図９に示した窒化物系化合物半導体装置は、有機半導体層７が、ゲート電極５とドレイン電極４間のほぼ全面にわたって絶縁膜６上に配置された例（第４の変形例）である。
【００４５】
図１０に示した窒化物系化合物半導体装置は、ゲート電極５が有機半導体層７上だけでなく、更に有機半導体層７の外側において絶縁膜６上にも延伸している例（第５の変形例）である。つまり、有機半導体層７はゲート電極５直下のみに配置される。
【００４６】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置は、図１１に示すように、絶縁膜６及び有機半導体層７上に層間絶縁膜１０が配置され、ゲート電極５とドレイン電極４間の上方の層間絶縁膜１０上にフィールドプレート電極１１が配置されていることが、図１と異なる点である。フィールドプレート電極１１は、少なくともゲート電極５のドレイン端の上方を含んで配置される。その他の構成については、図１に示す第１の実施の形態と同様である。
【００４７】
図１１に示す構成において、フィールドプレート電極１１に電圧を印加することにより、ゲート電極５のドレイン端に集中するバイアス電界を緩和し、耐圧を向上することができる。通常、ソース電極３−ドレイン電極４間に印加した電圧によるバイアス電界は、ゲート電極５のドレイン端に集中する。図１１に示す窒化物系化合物半導体装置によれば、フィールドプレート電極１１に電圧を印加することにより、ゲート電極５の端部の空乏層の曲率を制御してバイアス電界を緩和することが可能である。他は、第１の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
【００４８】
図１１に示した窒化物系化合物半導体装置の製造方法の例を以下に説明する。
【００４９】
（イ）先ず、図２〜図５を参照して説明した製造方法によって得られた図１に示した窒化物系化合物半導体装置上に、例えば化学気相成長（ＣＶＤ）法等により、層間絶縁膜１０を形成する。層間絶縁膜１０は、化学的機械研磨（ＣＭＰ）法等の技術により平坦化される。
【００５０】
（ロ）次に、フォトレジスト膜を層間絶縁膜１０の上面全体に塗布した後、フォトリソグラフィ技術によってフィールドプレート電極１１を形成する部分のフォトレジスト膜を除去して層間絶縁膜１０を露出させる。次いで、フォトレジスト膜及び層間絶縁膜１０上に、フィールドプレート電極１１となる導電体層をスパッタ法等により形成する。その後、フォトレジスト膜を用いたリフトオフ法により、フィールドプレート電極１１を形成する。
【００５１】
上記の窒化物系化合物半導体装置の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。
【００５２】
本発明の第２の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置によれば、有機半導体層７を半導体層２とゲート電極５間に形成することにより、ゲートリーク電流の増大、及び電流コラプス現象によるオン抵抗の増大を抑制するとともに、フィールドプレート電極１１を配置することよりにゲート電極５の端部に集中するバイアス電界を緩和して、耐圧を向上することができる。
【００５３】
なお、本発明の第２の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置においても、図６〜図１０に示した第１の実施の形態の変形例に係る窒化物系化合物半導体装置と同様に、有機半導体層７の配置を変更した変形例が採用可能であることは勿論である。
【００５４】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置は、図１２に示すように、ゲート電極５とドレイン電極４間の半導体層２と絶縁膜６間に抵抗性ショットキーフィールドプレート（ＲＥＳＰ）２０が配置されていることが図１と異なる点である。ＲＥＳＰ２０は、半導体層２の主面にショットキー接触して配置される。その他の構成については、図１に示す第１の実施の形態と同様である。
【００５５】
図１２に示した例では、ＲＥＳＰ２０は、ドレイン電極４に接続し、ゲート電極５とは離間して配置される。ＲＥＳＰ２０は、リーク電流が流れないように高抵抗であることが好ましく、例えば１００ＭΩ／ｓｑ．以上のシート抵抗を有するチタン酸化物、ニッケル酸化物等が採用可能である。また、長さやシート抵抗が互いに異なる複数の層を積層してＲＥＳＰ２０を構成してもよい。
【００５６】
図１２に示した窒化物系化合物半導体装置では、リーク電流が流れない程度にＲＥＳＰ２０のシート抵抗が大きければ、半導体層２との接触面と平行にＲＥＳＰ２０に沿って電位が緩やかに降下する。その結果、ドレイン電極４とゲート電極５との間に生じる電界集中が緩和され、耐圧を向上することができる。ただし、ＲＥＳＰ２０のシート抵抗が小さく、ＲＥＳＰ２０端の電位を十分に低くできない場合には、ＲＥＳＰ２０にリーク電流が流れてしまい、耐圧が低下する。
【００５７】
ＲＥＳＰ２０は、例えば膜厚５〜２０ｎｍ程度のＴｉ膜を真空蒸着法等により形成した後、空気中で約３００℃、５〜３０分間の熱処理によってＴｉ膜を酸化することにより得られる。このとき、ＲＥＳＰ２０は完全な絶縁膜とみなせる２酸化チタン（ＴｉＯ2）ではなく、ＴｉＯ2よりも酸素が少ない所謂酸素プアーなチタン酸化物ＴｉＯX（Ｘは２より小さい数値）となっていると考えられる。
【００５８】
以上に説明したように、本発明の第３の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置によれば、有機半導体層７を半導体層２とゲート電極５間に形成することにより、ゲートリーク電流の増大、及び電流コラプス現象によるオン抵抗の増大を抑制するとともに、ＲＥＳＰ２０を配置することよりにドレイン電極４−ゲート電極５間に集中するバイアス電界を緩和して、耐圧を向上することができる。他は、第１の実施の形態と実質的に同様であるので、重複した記載を省略する。
【００５９】
なお、本発明の第３の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置においても、図６〜図１０に示した第１の実施の形態の変形例に係る窒化物系化合物半導体装置と同様に、有機半導体層７の配置を変更した変形例が採用可能であることは勿論である。また、図１３に示すように、ＲＥＳＰ２０をゲート電極５直下の有機半導体層７と接触させ、ドレイン電極４から離間して配置してもよい。図１３に示した構造によっても、ドレイン電極４とゲート電極５間の電界集中を緩和することができる。
【００６０】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１乃至第３の実施の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の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００６１】
既に述べた第１乃至第３の実施の形態の説明においては、キャリア供給層２３が電子を供給したが、キャリア供給層２３をｐ型半導体からなる正孔（ホール）供給層に置き換えることができる。この場合、２ＤＥＧ層２２１に対応する領域に２次元キャリアガス層として２次元正孔ガス層が生じる。
【００６２】
また、既に述べた第１乃至第３の実施の形態において２ＤＥＧ層２２１を有するＨＥＭＴを例に示してきたが、ＭＥＳＦＥＴにおいても本発明によってゲート電流の増大、及び電流コラプス現象によるオン抵抗の増大を抑制できる。
【００６３】
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の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。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置の構成を示す模式的な断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態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ための工程断面図である（その１）。
【図３】本発明の第１の実施の形態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ための工程断面図である（その２）。
【図４】本発明の第１の実施の形態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ための工程断面図である（その３）。
【図５】本発明の第１の実施の形態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ための工程断面図である（その４）。
【図６】本発明の第１の実施の形態の変形例（第１の変形例）に係る窒化物系化合物半導体装置の構成を示す模式的な断面図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態の変形例（第２の変形例）に係る窒化物系化合物半導体装置の構成を示す模式的な断面図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態の変形例（第３の変形例）に係る窒化物系化合物半導体装置の構成を示す模式的な断面図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態の変形例（第４の変形例）に係る窒化物系化合物半導体装置の構成を示す模式的な断面図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態の変形例（第５の変形例）に係る窒化物系化合物半導体装置の構成を示す模式的な断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置の構成を示す模式的な断面図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置の構成を示す模式的な断面図である。
【図１３】本発明の第３の実施の形態の変形例に係る窒化物系化合物半導体装置の構成を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１…基板
２…半導体層
３…ソース電極
４…ドレイン電極
５…ゲート電極
６…絶縁膜
７、７ａ、７ｂ…有機半導体層
１０…層間絶縁膜
１１…フィールドプレート電極
２０…抵抗性ショットキーフィールドプレート（ＲＥＳＰ）
２１…バッファ層
２２…キャリア走行層
２３…キャリア供給層
６０…開口部
２２１…２次元電子ガス層（２ＤＥＧ層）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に係り、特に高耐圧が要求される窒化物系化合物半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
III族窒化物系化合物半導体は絶縁破壊電圧が高い。このため、例えばエピタキシャル成長等によって形成された窒化物系化合物半導体からなる結晶半導体の主面上にソース電極、ドレイン電極、ゲート電極等を配置した電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）として、窒化物系化合物半導体装置が高耐圧パワーデバイス等に応用されている。これらの窒化物系化合物半導体装置では、高耐圧が必要とされるデバイスほど、ゲート電極−ドレイン電極間等の電極間を長くする必要がある。III族窒化物系化合物半導体の例としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）等がある。代表的なIII族窒化物系化合物半導体は、ＡｌxＭyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される。ここで、Ｍはインジウム（Ｉｎ）或いはボロン（Ｂ）等である。
【０００３】
しかし、窒化物系化合物半導体装置では、ゲート電極とドレイン電極が逆バイアスされた状態（ＦＥＴがオフの状態）において、電流コラプス現象のために逆バイアス印加後のオン抵抗が増大するという問題がある。例えばＦＥＴでは、ゲート電極とドレイン電極間で結晶表面にトラップされる電子等のキャリアにより、高電圧印加直後のオン状態においてソース電極−ドレイン電極間に流れる電流が減少してしまう。
【０００４】
一般的に、電流コラプス現象を抑制して耐圧を改善するために以下のような対策が採られている（例えば、特許文献１参照。）：
（１）酸化膜、窒化膜等で結晶表面をパッシベーションコーティングする。
【０００５】
（２）フィールドプレート構造を採用する。
【０００６】
（３）上記（１）と（２）を組み合わせる。
【０００７】
（４）格子欠陥の少ない結晶表面を実現する。
【特許文献１】特開２００４−２１４４７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
例えばガリウム砒素（ＧａＡｓ）を使用したＦＥＴの場合、高耐圧化に伴って問題化してくる周波数分散の対策として、上記対策のいずれかが採用される場合がある。しかしながら、より高耐圧のデバイスが要求されてゲート電極とドレイン電極間がより長くなる場合、パッシベーションコーティングしても表面準位の影響が残りやすい。また、フィールドプレート構造を採用した場合には、フィールドプレートとして用いる金属膜の端部に電界集中する問題が生じる。したがって、上記の耐圧改善策だけでは大きな効果は期待できない。
【０００９】
特に高耐圧が期待されている窒化ガリウム（ＧａＮ）系のワイドギャップ化合物半導体材料は、シリコン（Ｓｉ）やＧａＡｓに比べて結晶欠陥が多いため、電流コラプス現象がより顕著になるという問題がある。更に、ショットキーゲート構造のＧａＮ系化合物半導体装置は、ゲートリーク電流が大きいという問題がある。
【００１０】
上記問題点を鑑み、本発明は、ゲートリーク電流の増大、及び電流コラプス現象によるオン抵抗の増大を抑制できる窒化物系化合物半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様によれば、（イ）III族窒化物系化合物半導体からなる半導体層と、（ロ）半導体層上に配置されたソース電極及びドレイン電極と、（ハ）ソース電極とドレイン電極との間に配置された有機半導体層と、（ニ）有機半導体層上に配置されたゲート電極とを備える窒化物系化合物半導体装置が提供される。
【００１２】
本発明の他の態様によれば、（イ）III族窒化物系化合物半導体からなる半導体層と、（ロ）半導体層上に配置されたソース電極及びドレイン電極と、（ハ）半導体層上にソース電極とドレイン電極との間に配置された絶縁膜と、（ニ）絶縁膜に設けられた開口部で半導体層に接する有機半導体層と、（ホ）開口部の有機半導体層上に配置されたゲート電極とを備える窒化物系化合物半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ゲートリーク電流の増大、及び電流コラプス現象によるオン抵抗の増大を抑制できる窒化物系化合物半導体装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、図面を参照して、本発明の第１乃至第３の実施の形態を説明する。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、各層の厚み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、具体的な厚みや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。
【００１５】
又、以下に示す第１乃至第３の実施の形態は、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、構成部品の材質、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。
【００１６】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置は、図１に示すように、III族窒化物系化合物半導体からなる半導体層２と、半導体層２上に配置されたソース電極３及びドレイン電極４と、半導体層２上にソース電極３とドレイン電極４との間に配置された絶縁膜６と、絶縁膜６に設けられた開口部で半導体層２に接する有機半導体層７と、開口部の有機半導体層７上に配置されたゲート電極５とを備える。
【００１７】
図１に示すように、有機半導体層７のソース端とゲート電極５のソース端は一致するように配置され、有機半導体層７のドレイン端がゲート電極５のドレイン端よりドレイン電極４側に位置する。ここで、「ソース端」とは、ゲート電極５及び有機半導体層７それぞれのソース電極３側の端部である。また、「ドレイン端」とは、ゲート電極５及び有機半導体層７それぞれのドレイン電極４側の端部である。
【００１８】
図１に示すように、半導体層２は基板１上に配置される。基板１は、サファイア基板、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）基板、シリコン（Ｓｉ）基板等が採用可能である。例えば、基板１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、図１に示す窒化物系化合物半導体装置の製造コストを低減できる。
【００１９】
半導体層２は、それぞれが窒化物系化合物半導体からなるバッファ層２１、キャリア走行層２２及びキャリア供給層２３がこの順に積層された構造である。図１に示すように、キャリア走行層２２とキャリア供給層２３とのヘテロ接合面近傍のキャリア走行層２２に、電流通路（チャネル）としての２次元キャリアガス層２２１が形成される。以下では、キャリア供給層２３がキャリア走行層２２に供給するキャリアが電子である場合について例示的に説明する。つまり、２次元キャリアガス層２２１は２次元電子ガス層（２ＤＥＧ層）であり、窒化物系化合物半導体装置がオンしたときにソース電極３から２ＤＥＧ層２２１を介してドレイン電極４に電子が供給される。
【００２０】
バッファ層２１は、周知の有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等のエピタキシャル成長法で形成できる。図１では、バッファ層２１を１つの層として図示しているが、バッファ層２１を複数の層で形成してもよい。例えば、バッファ層２１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）と窒化ガリウム（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。また、図１に示した窒化物系化合物半導体装置が高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）として動作する場合、バッファ層２１はＨＥＭＴの動作に直接には関係しないため、バッファ層２１を省いてよい。また、バッファ層２１の材料として、ＡｌＮ、ＧａＮ以外のIII族化合物半導体を採用してもよい。また、基板１とバッファ層２１とを組み合わせた構造を基板とみなすこともできる。
【００２１】
バッファ層２１上に配置されたキャリア走行層２２は、例えば不純物が添加されていないアンドープＧａＮを１〜３μｍ程度の厚さに、ＭＯＣＶＤ法等でエピタキシャル成長させて形成する。
【００２２】
キャリア走行層２２上に配置されたキャリア供給層２３は、キャリア走行層２２よりもバンドギャップが大きく、且つキャリア走行層２２と格子定数の異なる窒化物半導体からなる。キャリア供給層２３は、ＡｌxＭyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０≦ｘ＋ｙ≦１、Ｍはインジウム（Ｉｎ）或いはボロン（Ｂ）等）で表される。組成比ｘは０．２〜０．４が好ましく、より好ましくは０．３である。キャリア供給層２３としてはアンドープのＡｌxＧａ1-xＮが採用可能であるが、ｎ型不純物を添加したＡｌxＧａ1-xＮからなる窒化物半導体も採用可能である。
【００２３】
キャリア供給層２３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２２上に形成される。キャリア供給層２３とキャリア走行層２２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２３の結晶が有する自発分極によりヘテロ接合付近に高密度のキャリアが生じ、２ＤＥＧ層２２１が形成される。キャリア供給層２３の膜厚は、キャリア走行層２２とキャリア供給層２３との間のヘテロ接合により２ＤＥＧ層２２１が生じるように設定される。具体的には、キャリア供給層２３の膜厚は、キャリア走行層２２よりも薄く、例えば５〜５０ｎｍ程度、好ましくは５〜３０ｎｍ程度である。
【００２４】
なお、キャリア供給層２３としてｎ型不純物を添加したＡｌxＧａ1-xＮを採用し、このキャリア供給層２３とＧａＮからなるキャリア走行層２２との間にアンドープＡｌＮからなるスペーサ層を配置し、且つソース電極３及びドレイン電極４とキャリア供給層２３との間に例えばｎ型ＧａＮからなるコンタクト層を配置してもよい。スペーサ層は、キャリア供給層２３の不純物散乱の影響を抑制する効果がある。コンタクト層は、ソース電極３及びドレイン電極４と半導体層２との接触抵抗の低減に寄与する。
【００２５】
ソース電極３及びドレイン電極４は、キャリア供給層２３との間でオーミックコンタクト（低抵抗接触）を形成している。ソース電極３及びドレイン電極４は、例えばチタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）の積層体等として形成可能である。ゲート電極５は、例えばニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）の積層体からなる金属膜等が採用可能である。
【００２６】
絶縁膜６は、例えば２００〜５００ｎｍの厚みの酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜、若しくはこれらの膜を積層した構造が採用可能である。絶縁膜６によって半導体層２の表面をパッシベーションコーティングすることにより表面準位が低減され、窒化物系化合物半導体装置が受ける電流コラプス現象の影響を緩和することができる。特に、絶縁膜６はキャリア供給層２３よりも制御しやすく、キャリア供給層２３より厚い酸化シリコンを圧縮応力が生じる成膜条件にて形成すると、キャリア供給層２３に応力が伝わり、キャリア供給層２３とキャリア走行層２２との間のピエゾ効果が高まり、絶縁膜６直下の２ＤＥＧ層２２１の濃度を高め、オン抵抗を下げることができる。つまり、低オン抵抗を保ちながら後述する電流コラプス現象を抑制できる。
【００２７】
有機半導体層７は、半導体と同様の特性を示す有機材料からなる。ただし、有機半導体層７は、エピタキシャル成長等の結晶成長によって形成される結晶半導体に比べて移動度が十分に小さくなるように形成される。具体的には、例えばｐ型の有機半導体層７の移動度を１０-2〜１０ｃｍ2／Ｖｓ、例えば５ｃｍ2／Ｖｓ程度にすることにより、通常の結晶半導体、例えば２ＤＥＧ層２２１の移動度１５００ｃｍ2／Ｖｓ以上に比べて有機半導体層７の移動度が十分に小さく、有機半導体層７を実質的に絶縁膜とみなせる。したがって、図１に示す窒化物系化合物半導体装置は、半導体層２上に有機半導体層７を介してゲート電極５が配置されたＭＩＳ構造を有する。
【００２８】
図１に示した例では、有機半導体層７が絶縁膜６上に形成され、有機半導体層７上にゲート電極５が形成されているが、絶縁膜６はなくてもよいし、また、有機半導体層７及びゲート電極５が、絶縁膜６上まで延伸していなくてもよい。つまり、本発明の効果を得るためには、III族窒化物系化合物半導体からなる半導体層２と、半導体層２上に配置されたソース電極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との間に配置された有機半導体層７と、有機半導体層７上に配置されたゲート電極とを備える窒化物系化合物半導体装置であってもよい。尚、絶縁膜６上に有機半導体層７を形成すると、キャリア供給層２３の上に有機半導体層７を形成する場合に比較して、有機半導体層７の不純物濃度を高めることができる。よって、本発明の効果をより高めることができる。
【００２９】
正孔（ホール）をキャリアとして伝導するｐ型有機半導体としては、ペンタセン系、テトラセン系、アントラセン系の誘電体からなるアセン類、ペリレン、ルプレン、フタロシアニン、オリゴチオフェン等が採用可能である。また、錫（Ｓｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）等の金属とフタロシアニンを結合させた有機無機複合金属錯体である金属フタロシアニンも、ｐ型有機半導体として採用可能である。電子をキャリアとして伝導するｎ型有機半導体としては、Ｃ６０、Ｃ７０等のフラーレンや、Ｃｕ等の金属フタロシアニン等が採用可能である。
【００３０】
有機半導体層７の導電型は、半導体層２と異なる導電型にすることが好ましい。つまり、例えば半導体層２が第１導電型である場合には、有機半導体層７を第２導電型とする。より具体的には、例えば半導体層２が２ＤＥＧ層２２１を有するｎ型である場合は、有機半導体層７はｐ型にする。ｎ型の半導体層２の表面上にｐ型の有機半導体層７を配置することにより、有機半導体層７から半導体層２に正孔が常時供給され、半導体層２の表面上にトラップされた電子が供給された正孔と結合して消滅する。
【００３１】
以上に説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置によれば、ドレイン電極４とソース電極３間に高電圧を印加した状態でゲート電極５にオフとなる電圧を印加後オンに切り換えた際にオン抵抗が増大する、いわゆる電流コラプス現象が以下のように抑制される。即ち、電流コラプス現象によるオン抵抗の増大は、オフ時にゲート電極５とドレイン電極４の間の半導体層２の表面、特にゲート電極５のドレイン端又は絶縁膜６の開口部近傍にキャリアがトラップされ、トラップされたキャリアによって２ＤＥＧ層２２１が部分的に空乏化されることにより生じる。しかし、図１に示した窒化物系化合物半導体装置では、半導体層２の表面にトラップされた第１導電型のキャリアが、有機半導体層７から供給される第２導電型のキャリアにより相殺されて消滅する。その結果、半導体層２の材料の性質や結晶性に関わらず、電流コラプス現象による逆バイアス印加後のオン抵抗の増大を抑制できる。特に第１の実施の形態では有機半導体層７のドレイン端がゲート電極５のドレイン端よりもドレイン電極４側にあり、ゲート電極５のドレイン端における電界集中を抑制し、電流コラプス現象を良好に抑制することができる。
【００３２】
更に、図１に示した窒化物系化合物半導体装置は、ゲート電極５と半導体層２との間に、絶縁膜とみなせる有機半導体層７が配置されるため、ＭＩＳ構造となる。そのため、ゲートリーク電流が低減される。
【００３３】
以下に、図２〜図５を用いて、本発明の第１の実施の形態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。なお、以下に述べる窒化物系化合物半導体装置の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。
【００３４】
（イ）先ず、図２に示すように、基板１上に、ＭＯＣＶＤ法等によりバッファ層２１、キャリア走行層２２及びキャリア供給層２３をこの順にエピタキシャル成長させて積層して、半導体層２を形成する。バッファ層２１は、例えばＡｌＮ層とＧａＮ層を交互に積層した構造である。キャリア走行層２２は、例えば膜厚１〜３μｍのアンドープＧａＮ膜である。キャリア供給層２３は、キャリア走行層２２よりもバンドギャップが大きく、且つ格子定数の異なる窒化物半導体からなり、例えばアンドープのＡｌＧａＮ膜が採用可能である。
【００３５】
（ロ）半導体層２上に、ソース電極３及びドレイン電極４となる第１の導電体層を蒸着する。第１の導電体層は、例えばＴｉとＡｌの積層構造が採用可能である。次いで、フォトリソグラフィ技術によりパターニングしたフォトレジスト膜をマスクにして第１の導電体層をウェットエッチングし、図３に示すように、ソース電極３及びドレイン電極４を形成する。そして、例えば５００℃、３０分間のオーミックアニールにより、半導体層２とソース電極３及びドレイン電極４とをオーミック接触させる。
【００３６】
（ハ）次に、キャリア供給層２３、ソース電極３及びドレイン電極４上に、例えばＳｉＯ2膜、ＳｉＮ膜、若しくはこれらの膜を積層した絶縁膜６をプラズマ化学気相成長（ｐ−ＣＶＤ）法等により膜厚２００〜５００ｎｍ程度形成する。そして、絶縁膜６上に塗布したフォトレジスト膜を露光現像して形成したエッチングマスク（図示せず）を用いて、フッ化水素（ＨＦ）系のウェットエッチング法等の技術により、ゲート電極５が形成される半導体層２の表面の一部が露出するまで絶縁膜６の一部を選択的にエッチング除去して開口部６０を形成する。開口部６０の形成と同時にソース電極３及びドレイン電極４上の絶縁膜６をエッチング除去して、図４に示すように、ソース電極３及びドレイン電極４の上面を露出させる。
【００３７】
（ニ）次いで、抵抗加熱蒸着法を用いて膜厚３０ｎｍ程度のｐ型フタロシアニン等の有機半導体層７を絶縁膜６上に開口部６０を埋め込むように形成し、図５の構造断面図を得る。なお、有機半導体層７の形成方法として、ゾルゲル法やスピンオン法等も採用可能である。
【００３８】
（ホ）新たなフォトレジスト膜を全面に塗布した後、フォトリソグラフィ技術によってゲート電極５を形成する部分のフォトレジスト膜を除去して有機半導体層７を露出させる。次いで、フォトレジスト膜及び有機半導体層７上に、ゲート電極５となる第２の導電体層をスパッタ法等により形成する。第２の導電体層としては、例えばＮｉとＡｕの積層体等が採用可能である。その後、フォトレジスト膜を用いたリフトオフ法により、ゲート電極５を形成する。
【００３９】
上記のような本発明の第１の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置の製造方法によれば、有機半導体層７を半導体層２とゲート電極５間に形成することにより、ゲートリーク電流の増大、及び電流コラプス現象によるオン抵抗の増大を抑制できる窒化物系化合物半導体装置を提供することができる。
【００４０】
＜変形例＞
図６〜図１０に、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る窒化物系化合物半導体装置を示す。図６〜図１０に示した窒化物系化合物半導体装置は、図１に示した窒化物系化合物半導体装置と有機半導体層７の配置が異なる。その他の構成については、図１に示す実施の形態と同様である。
【００４１】
図６に示した窒化物系化合物半導体装置は、有機半導体層７がゲート電極５とドレイン電極４間全体に絶縁膜６上に配置されている例（第１の変形例）である。
【００４２】
図７に示した窒化物系化合物半導体装置は、有機半導体層７が、ドレイン端及びソース端がゲート電極５と一致している第１の有機半導体層７ａ、及び第１の有機半導体層７ａと離間してゲート電極５とドレイン電極４間に配置された第２の有機半導体層７ｂを有する例（第２の変形例）である。つまり、図７に示した窒化物系化合物半導体装置では、ゲート電極５側の半導体層２上方に有機半導体層７が配置されていない。
【００４３】
図８に示した窒化物系化合物半導体装置は、有機半導体層７が、ドレイン端及びソース端がゲート電極５と一致している第１の有機半導体層７ａ、及び第１の有機半導体層７ａと離間してゲート電極５とドレイン電極４間に配置された第２の有機半導体層７ｂを有する例（第３の変形例）である。図８に示した窒化物系化合物半導体装置では、ゲート電極５側及びドレイン電極４側の半導体層２上方に有機半導体層７が配置されていない。
【００４４】
図９に示した窒化物系化合物半導体装置は、有機半導体層７が、ゲート電極５とドレイン電極４間のほぼ全面にわたって絶縁膜６上に配置された例（第４の変形例）である。
【００４５】
図１０に示した窒化物系化合物半導体装置は、ゲート電極５が有機半導体層７上だけでなく、更に有機半導体層７の外側において絶縁膜６上にも延伸している例（第５の変形例）である。つまり、有機半導体層７はゲート電極５直下のみに配置される。
【００４６】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置は、図１１に示すように、絶縁膜６及び有機半導体層７上に層間絶縁膜１０が配置され、ゲート電極５とドレイン電極４間の上方の層間絶縁膜１０上にフィールドプレート電極１１が配置されていることが、図１と異なる点である。フィールドプレート電極１１は、少なくともゲート電極５のドレイン端の上方を含んで配置される。その他の構成については、図１に示す第１の実施の形態と同様である。
【００４７】
図１１に示す構成において、フィールドプレート電極１１に電圧を印加することにより、ゲート電極５のドレイン端に集中するバイアス電界を緩和し、耐圧を向上することができる。通常、ソース電極３−ドレイン電極４間に印加した電圧によるバイアス電界は、ゲート電極５のドレイン端に集中する。図１１に示す窒化物系化合物半導体装置によれば、フィールドプレート電極１１に電圧を印加することにより、ゲート電極５の端部の空乏層の曲率を制御してバイアス電界を緩和することが可能である。他は、第１の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
【００４８】
図１１に示した窒化物系化合物半導体装置の製造方法の例を以下に説明する。
【００４９】
（イ）先ず、図２〜図５を参照して説明した製造方法によって得られた図１に示した窒化物系化合物半導体装置上に、例えば化学気相成長（ＣＶＤ）法等により、層間絶縁膜１０を形成する。層間絶縁膜１０は、化学的機械研磨（ＣＭＰ）法等の技術により平坦化される。
【００５０】
（ロ）次に、フォトレジスト膜を層間絶縁膜１０の上面全体に塗布した後、フォトリソグラフィ技術によってフィールドプレート電極１１を形成する部分のフォトレジスト膜を除去して層間絶縁膜１０を露出させる。次いで、フォトレジスト膜及び層間絶縁膜１０上に、フィールドプレート電極１１となる導電体層をスパッタ法等により形成する。その後、フォトレジスト膜を用いたリフトオフ法により、フィールドプレート電極１１を形成する。
【００５１】
上記の窒化物系化合物半導体装置の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。
【００５２】
本発明の第２の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置によれば、有機半導体層７を半導体層２とゲート電極５間に形成することにより、ゲートリーク電流の増大、及び電流コラプス現象によるオン抵抗の増大を抑制するとともに、フィールドプレート電極１１を配置することよりにゲート電極５の端部に集中するバイアス電界を緩和して、耐圧を向上することができる。
【００５３】
なお、本発明の第２の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置においても、図６〜図１０に示した第１の実施の形態の変形例に係る窒化物系化合物半導体装置と同様に、有機半導体層７の配置を変更した変形例が採用可能であることは勿論である。
【００５４】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置は、図１２に示すように、ゲート電極５とドレイン電極４間の半導体層２と絶縁膜６間に抵抗性ショットキーフィールドプレート（ＲＥＳＰ）２０が配置されていることが図１と異なる点である。ＲＥＳＰ２０は、半導体層２の主面にショットキー接触して配置される。その他の構成については、図１に示す第１の実施の形態と同様である。
【００５５】
図１２に示した例では、ＲＥＳＰ２０は、ドレイン電極４に接続し、ゲート電極５とは離間して配置される。ＲＥＳＰ２０は、リーク電流が流れないように高抵抗であることが好ましく、例えば１００ＭΩ／ｓｑ．以上のシート抵抗を有するチタン酸化物、ニッケル酸化物等が採用可能である。また、長さやシート抵抗が互いに異なる複数の層を積層してＲＥＳＰ２０を構成してもよい。
【００５６】
図１２に示した窒化物系化合物半導体装置では、リーク電流が流れない程度にＲＥＳＰ２０のシート抵抗が大きければ、半導体層２との接触面と平行にＲＥＳＰ２０に沿って電位が緩やかに降下する。その結果、ドレイン電極４とゲート電極５との間に生じる電界集中が緩和され、耐圧を向上することができる。ただし、ＲＥＳＰ２０のシート抵抗が小さく、ＲＥＳＰ２０端の電位を十分に低くできない場合には、ＲＥＳＰ２０にリーク電流が流れてしまい、耐圧が低下する。
【００５７】
ＲＥＳＰ２０は、例えば膜厚５〜２０ｎｍ程度のＴｉ膜を真空蒸着法等により形成した後、空気中で約３００℃、５〜３０分間の熱処理によってＴｉ膜を酸化することにより得られる。このとき、ＲＥＳＰ２０は完全な絶縁膜とみなせる２酸化チタン（ＴｉＯ2）ではなく、ＴｉＯ2よりも酸素が少ない所謂酸素プアーなチタン酸化物ＴｉＯX（Ｘは２より小さい数値）となっていると考えられる。
【００５８】
以上に説明したように、本発明の第３の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置によれば、有機半導体層７を半導体層２とゲート電極５間に形成することにより、ゲートリーク電流の増大、及び電流コラプス現象によるオン抵抗の増大を抑制するとともに、ＲＥＳＰ２０を配置することよりにドレイン電極４−ゲート電極５間に集中するバイアス電界を緩和して、耐圧を向上することができる。他は、第１の実施の形態と実質的に同様であるので、重複した記載を省略する。
【００５９】
なお、本発明の第３の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置においても、図６〜図１０に示した第１の実施の形態の変形例に係る窒化物系化合物半導体装置と同様に、有機半導体層７の配置を変更した変形例が採用可能であることは勿論である。また、図１３に示すように、ＲＥＳＰ２０をゲート電極５直下の有機半導体層７と接触させ、ドレイン電極４から離間して配置してもよい。図１３に示した構造によっても、ドレイン電極４とゲート電極５間の電界集中を緩和することができる。
【００６０】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１乃至第３の実施の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の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００６１】
既に述べた第１乃至第３の実施の形態の説明においては、キャリア供給層２３が電子を供給したが、キャリア供給層２３をｐ型半導体からなる正孔（ホール）供給層に置き換えることができる。この場合、２ＤＥＧ層２２１に対応する領域に２次元キャリアガス層として２次元正孔ガス層が生じる。
【００６２】
また、既に述べた第１乃至第３の実施の形態において２ＤＥＧ層２２１を有するＨＥＭＴを例に示してきたが、ＭＥＳＦＥＴにおいても本発明によってゲート電流の増大、及び電流コラプス現象によるオン抵抗の増大を抑制できる。
【００６３】
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の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。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置の構成を示す模式的な断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態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ための工程断面図である（その１）。
【図３】本発明の第１の実施の形態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ための工程断面図である（その２）。
【図４】本発明の第１の実施の形態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ための工程断面図である（その３）。
【図５】本発明の第１の実施の形態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ための工程断面図である（その４）。
【図６】本発明の第１の実施の形態の変形例（第１の変形例）に係る窒化物系化合物半導体装置の構成を示す模式的な断面図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態の変形例（第２の変形例）に係る窒化物系化合物半導体装置の構成を示す模式的な断面図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態の変形例（第３の変形例）に係る窒化物系化合物半導体装置の構成を示す模式的な断面図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態の変形例（第４の変形例）に係る窒化物系化合物半導体装置の構成を示す模式的な断面図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態の変形例（第５の変形例）に係る窒化物系化合物半導体装置の構成を示す模式的な断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置の構成を示す模式的な断面図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態に係る窒化物系化合物半導体装置の構成を示す模式的な断面図である。
【図１３】本発明の第３の実施の形態の変形例に係る窒化物系化合物半導体装置の構成を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１…基板
２…半導体層
３…ソース電極
４…ドレイン電極
５…ゲート電極
６…絶縁膜
７、７ａ、７ｂ…有機半導体層
１０…層間絶縁膜
１１…フィールドプレート電極
２０…抵抗性ショットキーフィールドプレート（ＲＥＳＰ）
２１…バッファ層
２２…キャリア走行層
２３…キャリア供給層
６０…開口部
２２１…２次元電子ガス層（２ＤＥＧ層）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族窒化物系化合物半導体からなる半導体層と、
前記半導体層上に配置されたソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置された有機半導体層と、
前記有機半導体層上に配置されたゲート電極
とを備えることを特徴とする窒化物系化合物半導体装置。
【請求項２】
III族窒化物系化合物半導体からなる半導体層と、
前記半導体層上に配置されたソース電極及びドレイン電極と、
前記半導体層上に前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置された絶縁膜と、
前記絶縁膜に設けられた開口部で前記半導体層に接する有機半導体層と、
前記開口部の前記有機半導体層上に配置されたゲート電極
とを備えることを特徴とする窒化物系化合物半導体装置。
【請求項３】
前記有機半導体層が前記絶縁膜上に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の窒化物系化合物半導体装置。
【請求項４】
前記有機半導体層のドレイン端は前記ゲート電極のドレイン端よりも前記ドレイン電極側に延伸して形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物系化合物半導体装置。
【請求項５】
前記半導体層が、
キャリア供給層と、
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
とを備え、前記キャリア走行層中の前記キャリア供給層との境界面近傍に２次元キャリアガス層が形成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化物系化合物半導体装置。
【請求項６】
前記絶縁膜上に前記有機半導体層及び前記ゲート電極が延伸していることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の窒化物系化合物半導体装置。
【請求項７】
前記絶縁膜がシリコン酸化膜からなることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか１項に記載の窒化物系化合物半導体装置。
【請求項８】
前記半導体層と前記絶縁膜間に、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間に配置された抵抗性ショットキーフィールドプレートを更に備えることを特徴とする請求項２乃至７のいずれか１項に記載の窒化物系化合物半導体装置。
【請求項１】
III族窒化物系化合物半導体からなる半導体層と、
前記半導体層上に配置されたソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置された有機半導体層と、
前記有機半導体層上に配置されたゲート電極
とを備えることを特徴とする窒化物系化合物半導体装置。
【請求項２】
III族窒化物系化合物半導体からなる半導体層と、
前記半導体層上に配置されたソース電極及びドレイン電極と、
前記半導体層上に前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置された絶縁膜と、
前記絶縁膜に設けられた開口部で前記半導体層に接する有機半導体層と、
前記開口部の前記有機半導体層上に配置されたゲート電極
とを備えることを特徴とする窒化物系化合物半導体装置。
【請求項３】
前記有機半導体層が前記絶縁膜上に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の窒化物系化合物半導体装置。
【請求項４】
前記有機半導体層のドレイン端は前記ゲート電極のドレイン端よりも前記ドレイン電極側に延伸して形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物系化合物半導体装置。
【請求項５】
前記半導体層が、
キャリア供給層と、
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
とを備え、前記キャリア走行層中の前記キャリア供給層との境界面近傍に２次元キャリアガス層が形成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化物系化合物半導体装置。
【請求項６】
前記絶縁膜上に前記有機半導体層及び前記ゲート電極が延伸していることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の窒化物系化合物半導体装置。
【請求項７】
前記絶縁膜がシリコン酸化膜からなることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか１項に記載の窒化物系化合物半導体装置。
【請求項８】
前記半導体層と前記絶縁膜間に、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間に配置された抵抗性ショットキーフィールドプレートを更に備えることを特徴とする請求項２乃至７のいずれか１項に記載の窒化物系化合物半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００９−１１７７１２（Ｐ２００９−１１７７１２Ａ）
【公開日】平成２１年５月２８日（２００９．５．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２９１１５２（Ｐ２００７−２９１１５２）
【出願日】平成１９年１１月８日（２００７．１１．８）
【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２１年５月２８日（２００９．５．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月８日（２００７．１１．８）
【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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