ＩＩＩ族窒化物電流制御デバイスおよび製造方法
ＩＩＩ族窒化物デバイスが、名目上オフ、すなわち、エンハンスメントモードのデバイスを作製するための凹部電極を含む。凹部電極を設けることによって、デバイス中の電流の流れを阻止するために、電極が非能動であるときに２つのＩＩＩ族窒化物材料の境界面に形成された導電チャネルが中断される。電極はショットキー接点または絶縁金属接点であり得る。名目上オフの特性を有する整流器デバイスを形成するために、２つのオーム接点を設けることができる。電極が形成された凹部は傾斜側面を有することができる。電極は、デバイスの電流運搬電極と組み合わせて幾つもの幾何学配置で形成可能である。電極が凹部でないとき、名目上オンのデバイス、すなわち、ピンチ抵抗が形成される。ダイオードは、絶縁体を貫通してＡｌＧａＮ層に達する非凹部のオーム接点およびショットキー接点を設けることによっても形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に電界効果電流制御デバイスの部類に関し、より詳細にはＩＩＩ族窒化物材料系の中に構成された整流器および電流制限デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
本願は、特許文献１、特許文献２、特許文献３に基づきかつこれらの利益を主張するものであり、ここに、これらの全てに対して優先権を主張しかつこれらの開示を参照により組み込む。
【０００３】
２．２ＭＶ／ｃｍを上回る大きな絶縁破壊電界を発揮するＩＩＩ族窒化物半導体が現在知られている。ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合構造も極めて高い電流を運搬することが可能であり、それはＩＩＩ族窒化物材料系の中に製造されたデバイスを電力用途にとって優れたものにする。
【０００４】
ＩＩＩ族窒化物材料に基づくデバイスの開発は、一般に携帯電話の基地局用のエミッタなどの高電力で高周波数の用途を目的としてきた。これら種類の用途に向けて製造されたデバイスは、高い電子移動度を発揮する一般的なデバイス構造に基づき、ヘテロ接合電界効果型トランジスタ（ＨＦＥＴ）、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、または不均一不純物添加電界効果トランジスタ（ＭＯＤＦＥＴ）と様々に呼ばれている。これらの種類のデバイスは、典型的に１００ボルト域内にあるような高い電圧に耐え、かつ高い周波数、典型的には２〜１００ＧＨｚの帯域内で動作することが可能である。これらの種類のデバイスは、幾つかの種類の用途向けに改良可能であるが、典型的には、非常に低い抵抗損失で非常に高い電流密度を輸送できる２次元電子ガス（２ＤＥＧ）を発生させるために、圧電分極電界を使用することによって動作する。２ＤＥＧは、これらの従来のＩＩＩ族窒化物ＨＥＭＴデバイス中のＡｌＧａＮ材料とＧａＮ材料との境界面に形成される。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ境界面の性質およびこの境界面における２ＤＥＧの形成によって、ＩＩＩ族窒化物材料系中に形成されるデバイスは、名目上オンに（ｎｏｍｉｎａｌｌｙ ｏｎ）、またはデプレッションモード（ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ｍｏｄｅ）デバイスになる傾向を持つ。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ層の境界面における２ＤＥＧの高電子移動度は、ＨＥＭＴデバイスなどのＩＩＩ族窒化物デバイスがゲート電位の印加なしで導通することを可能にする。これまで製造されたＨＥＭＴデバイスの名目上オンである性質は、それらの電力管理への応用可能性を限定してきた。名目上オンである電力デバイスの限定性は、電力がＩＩＩ族窒化物ＨＥＭＴデバイスによって安全に制御され得る前に、制御回路に電力を供給して動作させる必要がある点に観られる。したがって、始動および他のモード時に電流導通問題を回避するために名目上オフ（ｎｏｍｉｎａｌｌｙ ｏｆｆ）であるＩＩＩ族窒化物ＨＥＭＴデバイスを創出することが望ましい。
【０００５】
低い抵抗損失で高い電流密度を可能にするＩＩＩ族窒化物ＨＥＭＴデバイスの欠点は、ひずみＡｌＧａＮ／ＧａＮ系において実現可能な厚みが限定されることである。これらの種類の材料の格子構造における差異が、異なる層を作製するために成長させた薄膜の転位を起こし得るひずみを発生させる。これは、例えば、障壁層からの高水準の漏洩をもたらす。幾つかの従来の設計は、転位発生および漏洩を低減するように緩和点（ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ）が生じる付近までＡｌＧａＮ層の面内格子定数（ｉｎ−ｐｌａｎｅ ｌａｔｔｉｃｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ）を低減することに集中してきた。しかし、これらの設計は限定的な厚みの問題に対処するものではない。
【０００６】
別の解決策は、漏洩問題を防止するために絶縁層を追加するものである。絶縁層を追加すると、障壁層からの漏洩を低減させることが可能であり、このような目的のために使用される典型的な層は、ＡｌＧａＮと金属ゲート層との間に配置された酸化シリコン、窒化シリコン、サファイア、または他の絶縁体である。この種類のデバイスは、しばしばＭＩＳＨＦＥＴと呼ばれ、絶縁層を持たない従来デバイスに勝る幾つかの利点を有する。
【０００７】
追加的な絶縁層はより厚いひずみＡｌＧａＮ／ＧａＮ系の構成を可能にするが、この追加絶縁層によって作製された閉じ込め層が、ＧａＮ／絶縁体境界面における電子に対して生じる散乱効果によって電流運搬能力の低下をもたらす。ＡｌＧａＮ層と絶縁体との間の追加的な境界面もデバイスの応答を遅くする境界面トラップ状態を発生させることになる。これら２層間の追加的な境界面に加えて酸化物の追加的な厚みも加わると、デバイスのオンオフ切換え（スイッチ）に、より大きなゲート駆動電圧を使用することになる。
【０００８】
窒化物材料を使用して名目上オフのデバイスを実現する従来のデバイス設計は、このように閉じ込め層の役目をする追加的な絶縁体に依存し、上層のＡｌＧａＮ層を削減または排除し得る。しかし、これらのデバイスは、ＧａＮ／絶縁体境界面における散乱によって電流運搬能力が低下するのが典型である。
【０００９】
【特許文献１】米国特許仮出願第６０／５８３９４１号明細書：２００４年１月２３日出願Clamped Impedance Field Effect Rectifier
【特許文献２】米国特許仮出願第６０／５３８７９４号明細書：２００４年１月２３日出願III-Nitride Pinch Resistor
【特許文献３】米国特許仮出願第６０／５３８８６４号明細書：２００４年１月２３日出願III Nitride Piezoelectric Heterojunction Interdigitated Rectifier
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、依然として高電圧に耐えかつ低い抵抗損失で高い電流密度を生成できるより少ない境界面および層を含み、低い漏洩特性を有するヘテロ接合デバイスまたはＦＥＴを作製することが望ましい。現在では、プレーナーデバイスが、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）ばかりでなく、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）およびハイドライド気相エピタキシ法（ＨＶＰＥ）も含む幾つかの技法によって、ＧａＮおよびＡｌＧａＮ合金を使って製造されている。
【００１１】
窒化ガリウム材料系における材料には、窒化ガリウム（ＧａＮ）と、その合金、すなわち、アルミニウム窒化ガリウム（ＡｌＧａＮ）、インジウム窒化ガリウム（ＩｎＧａＮ）、およびインジウムアルミニウム窒化ガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）などが含まれ得る。これらの材料は、高エネルギー性電子遷移を生じさせる相対的に広い直接バンドギャップを有する半導体化合物である。窒化ガリウム材料は、炭化シリコン（ＳｉＣ）、サファイア、およびシリコンを含む幾つかの異なる基板上に形成されてきた。シリコン基板は、入手が容易でかつ相比較的安価であり、シリコン処理技術が十分に開発されている。
【００１２】
しかし、半導体デバイスを作製するために窒化ガリウム材料をシリコン基板上に形成することは、格子定数、熱膨張、およびシリコンと窒化ガリウムとの間のバンドギャップにおける差異から生じる難問を提示する。ＧａＮと従来の基板材料との間の格子不整合に伴う問題もＧａＮおよびＧａＮ合金に関わる材料層構造では一般的である。例えば、ＧａＮおよびＡｌＧａＮ材料は、層間境界面のひずみを発生させて圧電分極の一因となる程に大幅に異なる格子構造を持つ。これまでの数多くのデバイスでは、デバイスの特性を向上させるために圧電分極によって生じた電界が制御される。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ層構造におけるアルミニウムの含有量の変化は、導電率または絶縁障壁の向上などの様々なデバイス特性を実現するように材料間の格子不整合を変化させる傾向を持つ。
【００１３】
低い順方向抵抗または順電圧降下を有する半導体構造から恩恵を受ける特定の用途は、整流器である。従来では、電力用途における整流器はしばしば同期整流器であり、そこでは、ダイオードが整流器の電圧遮断機能を実行し、ダイオード両端の同期スイッチが、ダイオードのオン抵抗および順電圧降下を回避するために、ダイオードに順方向バイアスが掛けられるときに電流の導通を行う。この種類の構成には、ダイオードが順方向導通モードで動作すべきときにスイッチがオンになるように、スイッチの切換え制御器が必要である。この種類の従来の同期整流器は、電力効率を低下させかつ熱動作問題をまねく恐れもある順電圧降下のような整流器として使用されるダイオードの欠点を回避するために、電力用途でしばしば使用される。しかし、同期整流器を作製するためにダイオードで使用される同期スイッチは典型的には電力開閉器であるので、ゲートドライバを使用して高電力用途におけるスイッチを動作させる。したがって、追加的な制御動作を必要としないで、しかも低い順電圧降下も維持する整流器デバイスを実現することが望ましい。
【００１４】
通過して流れる電流量を制限できる別の種類のデバイスは、ピンチ抵抗（ｐｉｎｃｈ ｒｅｓｉｓｔｏｒ）である。このピンチ抵抗は、典型的には２つの異なる種類の導電性材料によって半導体材料の中に製作される。例えば、Ｐ型導電性材料がＮ型領域の中に配置され、Ｎ＋型領域がＰ型材料の一部を覆って形成される。ピンチ抵抗の抵抗は、一部を覆うＮ＋型領域下のＰ型材料の面積抵抗と、一部が覆われたＰ型材料の寸法とによって決まる。デバイス中の電流は、対向する半導体材料によって「ピンチされる（ｐｉｎｃｈｅｄ）」チャネルの中を導通される。これらの種類の設計を通じて、所与の電力域で効果的に電流を制限するために、非常に高い抵抗が非常に狭い面積の中に形成され得る。しかし、この種類のデバイスは、それらの製造時に使用される処理技法のためにしばしば不正確である。幾つかの設計によれば、デバイスを流れる電流は、電流を制限するためにチャネルを制御する役割を果たし得る、デバイス両端の電圧発生機によって効果的に制限される。従来のデバイスでは、ピンチ抵抗の中へ運搬可能な電流値が相対的に低く、したがって電力用途が多少複雑になる嫌いがある。
【００１５】
低い順電圧降下を実現しながら、大幅な電圧の遮断が可能であるダイオードまたはピンチ抵抗のような高電流整流器デバイスを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明によれば、小さいオン抵抗で大きな電流を導通しかつ高い電圧を遮断できる、ＩＩＩ族窒化物材料系において実現した整流器のような電流制御デバイスが提供される。本デバイスは、オーム接点およびショットキーまたは絶縁接点を使用して、２つのＩＩＩ族窒化物材料間における２ＤＥＧを操作するように動作する。
【００１７】
本発明の１つの実施形態によれば、整流器には順方向に導通するために小さいターンオン（ｔｕｒｎ ｏｎ）電圧が供給される。この整流器は２つのＩＩＩ族窒化物材料層によって作製され、ＩＩＩ族窒化物材料層の一方が他方より大きい面内格子定数を有し、その境界面において２ＤＥＧの形成をもたらす。２ＤＥＧの高いキャリア移動度は、低い順方向導通電圧によって整流器がオンにされるのを可能にする。デバイスを流れる電流は、ショットキー障壁を避けるように２ＤＥＧチャネルを介して分流されてオーム接点から流出する。逆方向の電圧条件下では、ショットキー接点が２ＤＥＧを中断して逆バイアス状態で電流が流れるのを阻止するようにチャネルを開路する。
【００１８】
本発明の特徴によれば、ショットキー接点が、順電圧が印加されるまでデバイスが非導通状態であるようにＩＩＩ族窒化物層の凹部の中に形成される。有利には、凹部は、デバイスパラメータの容易な可制御性を可能にするように傾斜壁を有する。
【００１９】
本発明の別の実施形態によれば、多オーム接点および多ショットキーまたは絶縁接点によって形成された二方向性デバイスであるピンチ抵抗が、ＩＩＩ族窒化物材料系の中に設けられる。ショットキーまたは絶縁接点は、２ＤＥＧによって形成されたチャネル中の電流がそれらの接点に印加した電圧にしたがって制御されるように、オーム接点間に配置されかつそれぞれのオーム接点に接続されて２ＤＥＧの形成を調整する。デバイスは、両方向で電流制限が可能であるように二方向性である。
【００２０】
本発明の別の特徴によれば、このピンチ抵抗デバイスは、整流器と同様の不平衡（ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ）電流制限特性ばかりでなく、オン抵抗の変更も実現するように調整可能である。本デバイスは、両方向で高い電流運搬能力を有するようにも調製可能である。
【００２１】
本発明の別の実施形態によれば、ショットキー型整流器がＩＩＩ族窒化物材料系の中に設けられるが、このデバイスは、ＩＩＩ族窒化物材料の２つの異なる層の境界面によって形成される２ＤＥＧを含むチャネルを介して電流を導通する。本デバイスはショットキー接点およびオーム接点を含み、オーム接点に向かって一方向に導通しかつショットキー接点に向かって他方の方向で電圧を遮断するようになっている。ショットキー接点に印加された電圧は、電流が、２ＤＥＧによって形成されたチャネルを介して流れてオーム接点から流出するのを可能にし、他方では、逆方向に印加された電圧が、ショットキー接点下の２ＤＥＧを空にして逆バイアス時に電圧を遮断する。ＧａＮがＩＩＩ族窒化物層の１つとして使用されるとき、ＧａＮ層の高度に抵抗性の特質は、デバイスから電流が漏洩するのを防止する。本デバイスは、逆バイアス時に、高いスタンドオフ（ｓｔａｎｄｏｆｆ）電圧を可能にする低電界を得るために、ＩＩＩ族窒化物層を殆どドーピングすることなくまたは一切ドーピングすることなく作製可能である。このような注目すべき特徴が、順バイアス抵抗の増大を犠牲にすることなく得られる。
【００２２】
本発明の別の特徴によれば、上に説明したデバイスを製造する方法が提供され、ＩＩＩ族窒化物層が絶縁性または高抵抗性の基板上に設けられる。随意選択的には、緩衝層が、基板と、好ましくはＧａＮから成るＩＩＩ族窒化物層との間に設けられ得る。ＡｌＧａＮ層が抵抗性ＧａＮ層の上に堆積され、次いで、アニール時にＡｌＧａＮの表面が分解するのを制限するために保護絶縁層が堆積される。下に位置するＡｌＧａＮ層に到達するように保護絶縁層の中に窓が開けられる。本デバイスのためのオーム接点を得るために、この窓の中でオーム金属の接点が設けられる。オーム接点をアニールした後に、別の窓が保護絶縁層の中に開けられ、それを貫通してショットキー金属が堆積されてデバイスが完成する。
【００２３】
有利なことには、被着および接触層は、能動領域の上方または下方に成長され得る。電極、絶縁層などを構築するための他の知られた方法も本発明に適用可能である。
【００２４】
本発明の特徴によれば、電流運搬能力を高めるために、能動層における追加的な絶縁層または構造ではなく、適切なＧａＮ絶縁体境界面が設けられる。追加的な絶縁層を設けなくても、本明細書に説明のヘテロ境界面のエピタキシ性質は、積層されたときに２ＤＥＧにおける電子に関して１桁高い移動度をもたらす。
【００２５】
本発明の別の実施形態によれば、ＩＩＩ族窒化物材料系の中に実現された名目上オフの電流制御デバイスは、２ＤＥＧの形成場所となるようにＡｌＧａＮ／ＧａＮ境界面を設ける。ＡｌＧａＮ層中においてショットキー接点を包囲する領域は、エンハンスメントモード（ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅ）のデバイスを得るために、２ＤＥＧを局所的に排除するようにエッチバック（ｅｔｃｈｅｄ ｂａｃｋ）される。本発明の特徴によれば、この電流制御デバイスは、対応するオーム接点に隣接して位置決めされた２つのショットキー接点を含み、これらのショットキー接点は、電流運搬デバイスを構成するオーム接点のそれぞれから等距離にある。
【００２６】
本発明の特徴によれば、ＡｌＧａＮ層は、エンハンスメントモードのデバイスを形成するためにショットキー接点の周囲領域内でエッチバックされ、そこでは２ＤＥＧがＡｌＧａＮ／ＧａＮ層間で局所的に排除される。
【００２７】
ＩＩＩ族窒化物半導体材料系における大きな絶縁破壊電界は、小サイズのスタンドオフ領域を有する名目上オフの電力デバイスの構築を可能にする。この材料系は、同じような電圧定格の知られたデバイスに較べて、小さい比オン抵抗を有するデバイスの構築も可能にする。本明細書で論じたＧａＮ／ＡｌＧａＮデバイス場合では、プレーナーデバイスは、垂直幾何学配置の相当物と較べると、約３００ボルトの電圧定格でほぼ１００倍の比オン抵抗の向上を有する。
【００２８】
ＩＩＩ族窒化物電流制御ヘテロ接合デバイスは、ウェーハ面積を犠牲にすることなく、両方向で電圧を遮断できる名目上オフのデバイスの製造を可能にするために対称特性を利用することができる。単一方向で電圧を遮断する従来のデバイスに勝るこのような利点のために、１つの二方向性デバイスによって幾つかの単一方向性デバイスを置き換えることができる。
【００２９】
本デバイスはまた、接点における低漏洩および障壁層からの高い破壊電界を特徴とする。その結果として、本デバイスは、ＳｉＯ２およびＳｉＮのような従来の絶縁体に較べて、より大きい誘電定数を与える。ＧａＮ材料の高い臨界電界は、薄い層が絶縁破壊することなく大きな電圧に耐えることを可能にする。ＧａＮ材料の誘電率は、ＳｉＯ２よりも２．５倍大きく約１０である。
【００３０】
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照する本発明の以下の説明から明白になろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
ＧａＮ材料デバイスの構築では、幾つもの要因がデバイスの機能および能力に影響する役割を果たす。ＩＩＩ族窒化物材料における大きな格子不整合とこれらの材料における強い圧電および分極の効果とが、ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合デバイスの電気特性にかなりの影響を与える。今日まで報告されたかなりの数のＧａＮ系デバイスは、ひずみを最大化するが転位またはデバイスの長期的な不安定性に繋がることになる緩和限界の超過を避けるように設計される、合金構成物によるひずみＧａＮ／ＡｌＧａＮ接合を使用する。一般に緩和限界内でひずみを最大化するように、これらのデバイスが成長形成される。ＡｌＧａＮの厚みが増大するか、またはＡｌＧａＮ中のＡｌ含有量が増大すると、２ＤＥＧ密度ばかりでなくキャリア移動度の増大に繋がるひずみも増大する。しかし、ＡｌＧａＮ層の厚みが増大しすぎれば、またはＡｌ含有量が増大しすぎれば、層全体が緩和して上記の望ましい特性をすべて喪失する。ヘテロ接合デバイスを構築するための様々な装置およびシステムが、格子不整合およびＧａＮ／ＡｌＧａＮ接合のひずみを制御するために提案されてきた。これらのデバイスは、特に、圧電分極および自発分極の効果を利用して長期的な不安定性を最小化するように設計される。
【００３２】
ＧａＮ／ＡｌＧａＮデバイスは、所与のデバイスにおける電力の流れを制御するための１つまたは複数の端子を典型的に有する。端子に印加された電位は、この端子が結合される導電チャネル中の電流を制御する。導電チャネルは、２つの異なる半導体材料間の少なくとも１つのヘテロ境界面によって画成される。
【００３３】
ＡｌＧａＮ／ＧａＮ材料がヘテロ接合デバイスの半導体材料を構成し、かつＡｌＧａＮが障壁層として使用されるとき、ＡｌＧａＮの自発分極特性から得られる分極電荷ばかりでなく圧電分極電界として知られるひずみ誘発特性が存在する。ＩＩＩ族窒化物デバイスを構築する際に、これらの電界の形成を制御すると、どのようにデバイスを特性付けるかに応じて、ＧａＮ系デバイスを多様な用途とって適切なものにする様々な特性をもたらす。
【００３４】
ＧａＮ材料によって形成されたヘテロ接合デバイスは、チャネル中の電子密度を高め、それによってチャネルの導電特性を高める２ＤＥＧ（２次元電子ガス）を誘発するようにＧａＮ層の上に配置されるＡｌＧａＮの障壁層を典型的に含む。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ層の境界面に形成された２ＤＥＧの存在により、例えば、チャネルの存在が電極間に電流を導通させるので、基本的に形成されたＩＩＩ族窒化物デバイスは名目上オンである。
【００３５】
２ＤＥＧの電荷を空にすれば、２ＤＥＧ中の電流をピンチすることができる。本発明によれば、チャネルを通過できる電流の最大量を減少させるためにチャネルの選択領域中の電荷を減少させる。その結果として、電流をある一定の最大水準に「ピンチする」ことができる。この選択領域は、ピンチ状態に達するまでデバイスの全体抵抗が低いままに留まり得るように小さいことが好ましい。
【００３６】
図１Ａに示すように、計算値は、２ＤＥＧ密度がＡｌＧａＮ層（図２Ａの１６）の厚みに依存し得ることを示す。本発明の１つの様態によれば、デバイスの小領域におけるＡｌＧａＮ層は、２ＤＥＧの密度を局所的に低減するために薄くされ、したがって後段で示すようにピンチ効果を可能にする。ＡｌＧａＮが薄くなると、ピンチ電流は図１Ｂで分かるように抑制される。２ＤＥＧがゲート下で排除されるまでＡｌＧａＮが薄くなれば、デバイスのピンチ電流は０または０近くまで減少する。このような状況下では、ピンチングが一方向のみで行われることになるので、デバイスは事実上の整流器である。
【００３７】
図２Ａを参照すると、本発明によるヘテロ接合デバイスが、その形成の早期段階においてデバイス１０として例示されている。デバイス１０は、基板１２、絶縁ＧａＮ層１４、および活性ＡｌＧａＮ層１６を含む。オーム接点（ｏｈｍｉｃ ｃｏｎｔａｃｔｓ）１８および１９が、ＡｌＧａＮ層１６の上に形成されて、得られるデバイスの接続または端子の役目をする。ＧａＮ／ＡｌＧａＮ境界面１５は、オーム接点１８と１９との間における電気の流れを可能にする２ＤＥＧによって導電チャネルを形成する。
【００３８】
デバイス１０のＧａＮ層１４は、ＡｌＧａＮ層１６よりも大きな面内格子定数を有する。境界面が電流導通のためのチャネル形成を許容する限り、他のＩＩＩ族窒化物材料を使用してデバイス１０を形成できることは明白なはずである。基板１２は絶縁基板であるが、それは高度に抵抗性を有し得るか、またはドープｎ型もしくはｐ型であり、それは、炭化珪素、シリコン、サファイア、および他のよく知られた基板材料のようなよく知られた材料から典型的に形成される。
【００３９】
ここで図２を参照すると、接点１８の近傍でＡｌＧａＮ層１６の中へエッチングされた凹部２０が示されている。凹部２０は傾斜側壁２２を含むが、それは何ら特定の形状にしたがって作製される必要はない。傾斜側壁２２を有することは、デバイスの抵抗を最小化するために推奨される。さらには、離隔距離Ｌｓおよびゲート長Ｌｇを使用してピンチ電流の水準も制御することができる。凹部２０は、接点をＡｌＧａＮ層１６とＧａＮ層１４との間の境界面により近接して配置可能にする。しかし、たとえエッチング凹部を設けなくても、デバイスは電流を最大水準にピンチすることに留意すべきである。このようなデバイスも、後段で明らかになるように、ピンチ抵抗であると見なされる。
【００４０】
ここで図２Ｃを参照すると、デバイス５６を形成するために処理可能なデバイス６０を製造するための技法が例示されている。フォトレジスト層６２がＩＩＩ族窒化物障壁層１６上に塗布されており、フォトレジスト層６２の中に開口６４、６５が空けられている。開口６４、６５は、エッチング工程が傾斜形状をＩＩＩ族窒化物障壁層１６に移転できるように傾斜した側壁を有する。図２Ｂに例示した傾斜側壁２２は、このような技法にしたがって形成可能である。典型的には、ＩＩＩ族窒化物障壁層１６はＡｌＧａＮから構成され、層１６中に傾斜側壁を備える凹部を画成するために、フォトレジスト層６２および開口６４、６５に適切なエッチング法が利用される。
【００４１】
図３Ａを参照すると、デバイス３１が、ショットキー金属から構成される接点３０を有する。逆バイアス、すなわち、オフ状態では、２ＤＥＧによって確立された電流運搬チャネルが接点３０の下で遮断されるので、デバイス３１はオーム接点１８と１９との間に電流を導通しない。順バイアスが掛けられるとき（接点１８および３０が接点１９よりも正のとき）、デバイス３１は、オーム接点１８と１９との間で電流を運搬するように動作可能である。これは、接点３０下のチャネルの注入（ｆｉｌｌｉｎｇ）による。
【００４２】
接点３０は、凹部２０中の堆積ＡｌＧａＮ層１６およびその上に重なる接点１８の頂上にあるショットキー金属から構成され得る。上で留意したように、ＡｌＧａＮ層１６は、層１６の面内格子定数が層１４の面内格子定数よりも小さい限り、または層１６のバンドギャップが層１４のバンドギャップよりも大きい限り、任意のＩＩＩ族窒化物材料層によって置換え可能である。
【００４３】
デバイス３１は、オーム接点１８および１９ならびに接点３０に関する幾つもの様々な幾何学的配置で構築され得る。例えば、接点３０は、オーム接点１８を包囲するショットキー接点（ｓｃｈｏｔｔｋｙ ｃｏｎｔａｃｔ）であり得る。接点３０はまた、オーム接点１８の一部の回りに形成されて、ギャップまたはエッチング領域が特定の方向にまたはデバイス３１上の特定の領域における電流の流れを限定するように形成可能である。オーム接点１８およびショットキー接点として形成された接点３０はまた、破壊電圧、ピンチ電流、およびオン抵抗パラメータを増大または減少させるために、相互から様々な間隔に離間され得る。
【００４４】
ショットキーダイオードとピンチ電流との組合せは、非常に独特なデバイスをもたらす。事実、エッチングはデバイスのためのピンチ電圧を変化させた。ピンチオフ（ｐｉｎｃｈｏｆｆ）が生じると、第２の接点における電圧が、デバイスのエッチング領域によってさらに降下する。凹部エッチングによって実現したピンチ電圧の低下の結果として、ショットキー接点は、このピンチ電圧を遮断しさえすればよい。たとえショットキーダイオードの品質が劣っていても、または低いショットキー障壁高さを有するときであっても、非常に低漏洩のデバイスを可能にするエッチングによって、このピンチ電圧を１〜２Ｖの域まで低下させることができる。
【００４５】
本発明によれば、凹部２０は２ＤＥＧ密度の局所的な変化を引き起こす。凹部は、それが好ましいけれども、２ＤＥＧの局所密度を低減させ得る唯一の方法ではない。２ＤＥＧの密度の変更は、ＡｌＧａＮを局所的に酸化してＡｌＧａＯまたはＡｌＧａＯＮを形成するためにピンチング接点（ｐｉｎｃｈｉｎｇ ｃｏｎｔａｃｔ）の下でＰ型ドーパントを注入もしくは拡散することによって、または境界面の向きを局所的に変更することによって遂行可能である。
【００４６】
例えば、図３Ｂを参照すると、２ＤＥＧの密度を局所的に低減させるために、凹部２０ではなく、領域２０Ａを酸化することができる。領域２０Ａは、最初にＡｌＧａＮをＳｉＮまたは別の酸化保護被覆によって覆い、次いで酸化すべき領域上のＳｉＮの中に窓を空け、次に酸化工程を実行することによって形成可能である。このような酸化は、Ｈ２Ｏ、Ｏ２、酸素プラズマ、または他のよく知られた化学的作用に高温で曝すことによって実現可能である。高温でＨ２および酸素を使用して作業しているとき、適切な注意が払われる場合には、ガスを含有するＨ２が、この処理に対する触媒作用の助けになり得る。
【００４７】
次に図３Ｃを参照すると、凹部２０ではなく、ＡｌＧａＮ中の領域２０Ｂをドープすることができる。したがって、例えば、ＳｉＮまたは他の任意適切な保護被覆によってＡｌＧａＮを覆うことが可能であり、次いで、望ましい箇所を覆うＳｉＮの中に領域２０に達する窓を空けることができる。その後で、高温環境の中で、ＡｌＧａＮをＭｇ、Ｆｅ、またはＣｒ含有ガスに曝す。別法として、ＡｌＧａＮを覆うＳｉＮ層中の窓の底にドーパントの１つを堆積または注入し、アニール工程でその内部に拡散させることができる。厳密な時間および温度は、望ましいドーピング水準およびＡｌＧａＮ中へのドーパントの拡散率に応じる。
【００４８】
ここで図３Ｄを参照すると、別の変形にしたがって、ＡｌＧａＮ層１６ではなく、ＧａＮ層１４の中にドープ領域２０Ｃを形成することができる。標準的な注入およびアニール工程を使用してＡｌＧａＮ１６を貫通して領域２０Ｃを形成することが可能であるし、または領域２０ＣをＧａＮ層１４の中に形成してＧａＮの別の層によって被覆し、次いでＡｌＧａＮ層１６によって被覆することも可能である。Ｐ型ドーパントは、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｚｎでもよい。ＭｇまたはＺｎが好ましいドーパントである。
【００４９】
ここで図４を参照すると、本発明の別法による実施形態が、デバイス４１として例示されている。デバイス４１は、接点４０が絶縁層４２上の導電材料から形成されている点を除けば、実質的にデバイス３１と同様である。したがって、接点４０は、ショットキー接点ではなくて絶縁された接点であり、それはデバイス４１を動作させるために任意の種類の金属導体を含み得る。金属導体に加えて、Ｓｉ、ＧａＮ、またはＧｅなどの他の導電材料も使用可能である。デバイス４１の動作は実質的にデバイス３１の動作と同じであり、その場合に２ＤＥＧが接点４０の下で遮断されるかまたは密度が低減される。オーム接点１９に印加される電位よりも大きい電位を接点１８（したがって接点４０に）印加すると、接点４０の下に２ＤＥＧを形成させ、デバイス４１はオーム接点１８と１９との間に電流を導通することができる。
【００５０】
ここで図５を参照すると、本発明による別の実施形態が、デバイス５６として例示されている。デバイス５６は、２つの電極５０、５２を有するピンチ抵抗である。デバイス３１および４１に関する場合のように、電極５０および５２は、凹部の下の２ＤＥＧの密度を低減させるためにＡｌＧａＮ層１６の中に凹部を形成して、デバイスをオフに切り換えることなくピンチ電流を変化させ、それによってデバイス５６はピンチ抵抗になり、電流水準を制御するために使用可能になる。しかし、デバイス５６は、ピンチ抵抗デバイスが電流制御器として適切に動作する別の構成を例示する。
【００５１】
図５によって示したデバイスは、次のように機能する。電圧がオーム接点５４、５５間に印加されるとき、電子が、ＡｌＧａＮ１６およびＧａＮ１４によって形成されるチャネルの中のオーム接点５４から注入（ｉｎｊｅｃｔ）される。電荷は、チャネルの中を横方向にショットキー接点５０の下を流れ、ドリフト領域を横切ってショットキー接点５２の下を流れてオーム接点５５から外に流れる。これらの領域のそれぞれの中の抵抗によって、電圧は電流が流れるにつれて低下する。その結果として、チャネルの電圧は、デバイスの一端から他端まで横方向に変化する。流れる電流が多ければ多いほど、それだけデバイス両端の電圧降下が大きくなる。特に、ショットキー接点の直下のチャネル中の電圧は、電流の量と共に変化することになる。チャネル中のこのような点とショットキー接点との間の電圧差がＶピンチ、またはＶ閾と呼ばれる特定の値に達するとき、チャネル中の電子密度を空にし、オーム接点５５に追加的な電圧を印加してもそれ以上の電流増加は起こらない。
【００５２】
図５によるデバイスは、二方向性であるが、第２のショットキー接点５２が除去されると一方向性デバイスが作製可能であるように対称的である。この場合には、ピンチング作用は一方向でのみ生じる。以上の説明では、オーム接点５４が０バイアスにあり、オーム接点５５が接点５４に対して正にバイアスされることが想定されていた。ショットキー接点５０、５２を形成するために、Ａｕ、Ｎｉ、またはＰｔを含めて任意の数の材料を使用することができる。ピンチ電流は、ショットキー接点５０、５２を形成するために選択された金属の仕事関数を変更することによって調整可能であることに留意すべきである。別の変形は、ショットキー金属の代わりにＰ型ＧａＮを使用することである。ショットキー接点５０、５２の配置は、デバイスがピンチオフする電流を決定するために重要である。チャネル中の電圧はデバイス全体にわたって変化するので、ショットキー接点の縁部がオーム接点から遠ければ遠くに配置されるほど、それだけピンチ電流は減少する。破壊電圧を増大させるために、フィールドプレート（ｆｉｅｌｄ ｐｌａｔｅ）を設計の中に含めることもできる。したがって、図５によるデバイスでは、ピンチ電流を決定するのは、このようなショットキー接点５０、５２の縁部５０Ａである。
【００５３】
一方の接点５４、５５が他方に対して順方向バイアスが掛けられるとき（例えば、接点５４が接点５５より高い電位にある場合およびその逆の場合）、電流は、これらの２つの接点の間を流れる。したがって、図５に示したデバイスは二方向性デバイスである。本明細書に説明した先程のデバイス動作原理によれば、電流は、どの方向に電流が流れているかに関わらずピンチされる。したがって、デバイス６０は二方向性ピンチ抵抗である。
【００５４】
接点５０、５２の下の電位は電流の導通によって異なるので、ピンチングが行われる。したがって、電流自体が、電位差を確立して導通水準を自己制限する。
【００５５】
デバイス５６は、名目上の二方向性デバイスであり、それぞれのショットキー接点５０、５２に対する間隔が均等であるように維持されるとき、電極５４、５５間の電流の導通を安定させる。すなわち、電極５４とショットキー接点５０との間における間隔が、電極５５とショットキー接点５２との間における間隔と同じになるように形成することによって、電流が電極５４から電極５５に流れていても、またはその逆に流れていても、デバイス５６が実質的に同様に動作するように、破壊電圧、オン抵抗、および他のスイッチ特性を安定させることができる。パラメータの数は、オン抵抗、ピンチオフ電流、破壊電圧などのようなデバイス特性を変更するために修正可能であることは明白なはずである。
【００５６】
電流がデバイス５６のチャネルの中を流れるとき、電圧ポテンシャルが、ショットキー接点５０、５２およびＡｌＧａＮ層１６に対して上昇する。電流が増大するにつれて電圧が上昇すると、電圧ポテンシャルが、境界面領域１５を空にし、２ＤＥＧ導電チャネルをピンチオフする点に達する。一方のオーム接点から他方のオーム接点までのチャネル中の電流が増大するとき、ショットキー接点の下の２ＤＥＧにおける電圧が、ショットキー接点上の電圧に応じて変化することになる。最終的には、ショットキー接点と２ＤＥＧとの間の電圧差は、２ＤＥＧを空にして電流を飽和値までピンチングする。デバイス５６は二方向性デバイスであるので、ピンチオフ特性は、両方向に作用し、層および接点の構成および含有物によって特定の用途に対して調製可能である。例えば、一方の方向よりも他方の方向でより大きなピンチオフ電流を有するデバイスを作製することが望ましい場合があり、それはショットキー接点とオーム接点との間の関係を操作することによって実現可能である。デバイス５６の電流制限特性によって、それは、過剰電流状態が電力システム構成要素に損傷を引き起こす恐れがある電力用途において有用な要素になる。
【００５７】
デバイス５６の動作設計目標は、電流制限作用をもたらすように接点を２つのオーム接点５４、５５の間に配置することによって実現可能である。したがって、本発明の実施を続行する際に、デバイス５６を動作させるために両方のショットキー接点５０、５２は必要ではない。例えば、図３Ａを参照すると、電流制御デバイス３１は、単一の接点を２つのオーム接点１８、１９の間に配置した名目上オフのデバイスとして、図５に説明した本発明の構想が例示されている。単一のショットキー接点を有するピンチ抵抗として作用する名目上オンのデバイスを提供するために、図３Ａに例示したデバイスと同様のデバイスが、デバイス５６にしたがって構築可能であることは明白なはずである。
【００５８】
したがって、本発明の別の変形によるピンチ抵抗は、２つのオーム接点５４、５５、２つの電流制限接点５０、５２、ならびに、例えば、図４の接点４０の下および図３Ａの接点３０の下に見られるように、それぞれの電流制限接点５０、５２の下のエッチング凹部を含み得る。本発明によるデバイスでは、電流がオーム接点５４、５５の間を流れ、他方で、電流制限接点５０、５２は、それが接続されるオーム接点の電位に等しい一定値に表面電位を設定するように作用する。本発明によるピンチ抵抗におけるエッチング凹部の機能は、２ＤＥＧ密度を低減させ得るが、それを排除するものではない。深さ、エッチング凹部の幅、および形状を変更することによって、デバイスを流れる最大許容電流を制御することができる。したがって、本発明によるピンチ抵抗の中に設けられた凹部は、デバイスがピンチオフする電流値を変更することができる。
【００５９】
ここで図６を参照すると、本発明によるピンチ抵抗の別の実施形態がデバイス６０として例示されている。デバイス６０は、図５に例示したショットキー接点５０、５２ではなく、絶縁された接点６１、６２を含む。これらの絶縁接点は、デバイスの破壊を伴わずにより高い水準の電圧を遮断できるという追加的な利点を有する。デバイス６０は、デバイス５６と同様の方式で、すなわち、十分な量の電流が導電チャネルを通って運搬されるとき、境界面１５における２ＤＥＧによって形成されたチャネルをピンチオフするピンチ抵抗として動作する。しかし、絶縁接点６１、６２は任意の導電材料から作製可能である。絶縁接点６１、６２はデバイス６０ではオーム接点５４、５５と電気接触しており、ピンチオフ制御が、オーム接点５４、５５を通って運搬された電流によって影響を受け、絶縁接点６１、６２と境界面１５における２ＤＥＧとの間に電圧差を誘発する。デバイス６０は、単一の絶縁接点がデバイス６０をピンチ抵抗として動作させるのに十分であり、様々な接点の層材料含有量および構成の変更によってデバイスに関する特定のパラメータ特性を可能にし、かつデバイス６０は電流検知デバイスとして機能できるので、デバイス５６とは他のすべての点で実質的に同じである。しかし、デバイス６０は、絶縁接点６１、６２がＡｌＧａＮ層１６から絶縁され得るように、絶縁接点６１、６２を作製する前に形成される絶縁層６４も含む。
【００６０】
オーム接点５４、５５は、堆積前のＳｉまたはＧｅのようなドーパントの注入、オーム接点堆積前のＡｌＧａＮ層１６上への高度ドープＩＩＩ族窒化物材料の堆積、オーム接点５４、５５下におけるＩＩＩ族窒化物超格子構造の形成、以上の堆積と組み合わせたＡｌＧａＮ層１６のエッチング等々のような幾つもの方法で製造可能である。
【００６１】
デバイス６０および５６は共に二方向性であり、それらはその汎用性を高めて用途の数を増やす。デバイス５６および６０は、ゲート電極がソース電極に短絡されるＨＦＥＴによっても作製可能である。オーム接点とショットキー接点との間の離隔距離は、ピンチ電流を増減するために変更可能である。ショットキー接点の幾何学配置は、ショットキー材料がオーム接点を包囲したり、２つのショットキー接点がそれぞれのオーム接点を包囲したり、エッチング領域を有する非包囲ショットキーが電流の流れをデバイス上の特定領域に限定したりすることなど、多様な構成で実現可能である。
【００６２】
ここで図７を参照すると、本発明の別の実施形態がデバイス７０として例示されている。デバイス７０は、サファイア、シリコン、炭化珪素、または他の任意適切な材料などの絶縁性または高抵抗性の材料から構成された基板７２を含む。抵抗性のＩＩＩ族窒化物材料層７４が基板７２の上に重なり、随意選択的に層７４と層７２との間に介在する緩衝層７３を含む。緩衝層７３は、層７２と７４との間の格子不整合に関連するひずみ力を低減または軽減するために層７４と７２と間に介在することができる。別のＩＩＩ族窒化物材料層７５が層７４の上に重ねられ、層７５は層７４よりも小さい面内格子定数を有するようになっている。ＩＩＩ族窒化物材料の性質にしたがって、層７４と７５との間には大量の電流を運搬する能力がある２ＤＥＧが形成される。
【００６３】
デバイス７０はまた、接点および電極を形成するためにデバイスをパターン形成する手段となるばかりでなく、下に位置する層も保護する絶縁層７６を含む。デバイス７０は接点７７Ｂおよび７８も含むが、その場合に接点７７Ｂがショットキー接点であり、接点７８がオーム接点である。接点７７Ｂ、７８はフィールドプレート設計で配置されているが、そこでは接点の一部が絶縁層７６を貫通して層７５に接触する。すなわち、ショットキー接点７７Ｂはフィールドプレート部分７７Ａを含む。得られるデバイスは、層７４、７５間の境界面における高密度で高移動度の２ＤＥＧの形成によって、名目上オンの整流器である。２ＤＥＧは、圧電力と自発分極力との組合せによって形成され、極めて薄いけれども高導電性の層および高抵抗性の層をもたらす。層７４と７５との間の境界面に形成されたチャネルは、厚いドープ領域を使用することなく、非常に大きな電流を運搬することができる。したがって、デバイスが導通している順バイアス方向で、大量の電流がチャネルを通って運搬され得る。逆バイアス状態では、チャネルは移動可能な電荷が空になり、電流がチャネルの中を流れないようになっており、下に位置する層７４の高抵抗性質によって、電荷がその層の中を流れることも同様に防止する。層７４および７５がドープされないので、デバイスの逆バイアス状態は低電界を発生させる。これらの電界は値が低いので、デバイスは、高い電圧に耐え得るが、依然として低い順方向バイアス抵抗を生み出す。高い臨界電界および櫛形電極構造（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｉｏｎ）が所与の破壊電圧に関するＲＡ積を向上させる。デバイス７０の別の特徴は、層７４の抵抗特性により、層７５をエッチングすることによってデバイスを絶縁できることである。すなわち、層７５を貫通してエッチングすることによって、２ＤＥＧが中断され得る。層７５の全部または一部をエッチングすることによって２ＤＥＧの連続性が中断されるので、多デバイスを単一基板上に作製可能であるが、しかし相互に電気的に絶縁可能である。図１１が、凹部、注入領域、または１つのダイの中に多くの電気絶縁デバイスを作製できるように、選択箇所で２ＤＥＧを中断できる他の任意の形状構成であり得る領域２００を例示する。これらの特徴および利点によって、かなりの量の複雑性（ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ）を発揮する高電力デバイスが、従来可能であったものよりも小さいスペースの中に形成可能であるように、基板上スペース（ｒｅａｌ ｅｓｔａｔｅ）の中で僅かなコストで単一チップ上に幾つものデバイスを集積することが可能になる。
【００６４】
ここで図８を参照すると、櫛形電極（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ ｆｉｎｇｅｒｓ）を有する整流器の構造図がデバイス８０として例示されている。デバイス８０に異なる接点用の櫛形電極を設けることによって、デバイス８０はＲＡ積の向上を実現する。ショットキー接点ランナ８１が、ショットキー接点櫛形電極８３用の共通接続になり、他方で、オーム接点ランナ８２がオーム接点櫛形電極８４用の共通の接点になる。整流器デバイス８０では、電流は、順方向バイアス状態の下で非常に低い抵抗および高い電流容量でオーム接点８４からショットキー接点８３へ流れる。逆バイアスが掛けられるとき、ショットキー接点８３上の電位は、２ＤＥＧ領域を空にして層７４、７５間の境界面に形成されたチャネルを中断する。ショットキー接点およびオーム接点８３、８４は櫛形構造であるので、ＲＡ積を向上させる幾つもの電流路が設けられる。
【００６５】
図７および８によるデバイスは、電圧を横方向に導通しかつ遮断する。さらには、従来技術とは異なり、図７および８によるデバイスは、高密度２ＤＥＧを利用するショットキーデバイスである。
【００６６】
高水準の櫛形電極構造はスペース利用の効率性も高めることに留意すべきである。
【００６７】
好ましい実施形態によるデバイスでは、絶縁層７６が非常に薄く（１０〜２００Å）であり、他方でフィールドプレート７７Ａの幅は非常に広く（１〜３μｍ）、それはショットキー接点１０１のサイズ（３〜１０μｍ）に匹敵する。従来設計によるデバイスでは、接点面積がプレート幅よりもはるかに大きい。通常よりも大きいフィールドプレートを有する理由は、この種のヘテロ接合デバイスにおけるショットキー接点が高電界では非常に漏洩し易いからである。大きなフィールドプレート７７Ａは、漏洩が生じない絶縁体上に位置するショットキー金属の縁部に電界を移動する。したがって、ショットキー接点は高電界から遮蔽され得る。
【００６８】
ここで図９Ａ〜９Ｅを参照すると、本発明によるデバイス９０の製造技法が例示されている。図９Ａでは、幾つかの層を基板９２上に形成した後のデバイス９０が示されている。基板９２は、サファイア、シリコン、炭化珪素、または同様物のような絶縁体または高抵抗性材料から構成され得る。ＧａＮ層９４のような抵抗性のＩＩＩ族窒化物層が基板９２の上に重なり、その間に緩衝層９３が介在する。緩衝層９３は、基板９２と層９４との間の格子不整合によって誘発されたひずみの軽減を助けるために設けられる。層９４は、デバイス９０でＡｌＧａＮ層として例示した別のＩＩＩ族窒化物層９５によって覆われている。層９４は、層９５よりも大きな面内格子定数を有し、層９４、９５の境界面に２ＤＥＧ９７を形成させる。
【００６９】
図９Ｂを参照すると、電極窓（ｃｏｎｔａｃｔ ｗｉｎｄｏｗ）９８が、層９５上にオーム接点を形成するために絶縁層９６の中に空けられる。図９Ｃは、２ＤＥＧ９７によって形成されたチャネルの中を運搬される電流のための通路を設けるために、ＡｌＧａＮ層９４に対する接続となるオーム接点９９の堆積を例示する。
【００７０】
ここで図９Ｄを参照すると、ショットキー電極窓１０１が、ＡｌＧａＮ層９５を露出するために絶縁層９６の中に空けられる。図９Ｅを参照すると、ショットキー接点１０３が、ＡｌＧａＮ層９６の上方にかつ電極窓１０１を貫通してそれに接触して堆積される。ショットキー接点１０３は、２ＤＥＧ９７によって形成されたチャネルから供給される電流を運搬することもできる。
【００７１】
以上に説明した整流器として作用するデバイス９０を作製する際に、絶縁層９６が、アニール時のＡｌＧａＮ層９５の分解を制限するために最初に層９５上に堆積される。オーム金属接点９９が、図９Ｃで絶縁層９６を貫通して堆積され、オーム接点９９の形成を完了するためにアニール処理が行われる。アニール処理中に、絶縁層９６はＡｌＧａＮ層９４の実質的な分解を防止する。デバイス９０を形成する層はどれもドープされる必要がないし、またはドープ半導体材料の形成で使用される典型的な処理に掛けられる必要もないことに留意されたい。ドープ電流運搬層か存在しないこと、および高導電性２ＤＥＧ９７を使用することによって、所与の破壊電圧に関するＲＡ積が大幅に向上する。抵抗性ＧａＮ層９４も、ＡｌＧａＮ層９４をエッチングすることによってデバイス９０を絶縁可能にする。このようにデバイス９７を絶縁する容易さは、完全な電力システムが集積回路の製造において実現され得るように、数多くのデバイスを単一のチップ上に集積することを可能にする。
【００７２】
ショットキー電極窓１０１は、例えば、本明細書で論じた幾つかの実施形態のデバイスにしたがって傾斜側面が形成可能であることに留意されたい。
【００７３】
オーム接点、ショットキー接点、絶縁層、および金属化接点の構築が、知られた技法にしたがって実施可能である。さらには、パシベーション層および被着が本明細書で説明したデバイスに適用可能であるばかりでなく、デバイスを仕上げるために接点を電流運搬電極およびゲートに形成する技法も適用可能である。
【００７４】
デバイス３１、４１、５６、６０、および７０を構築するために使用されたＩＩＩ族窒化物材料は、従来の材料よりも遙かに適切な遮断特性を典型的に発揮し、デバイスは、動作パラメータ値を維持しながら、従来の材料によって可能であるよりも小さいサイズで構築可能になっている。デバイス３１、４１、５６、６０、および７０は、匹敵する機能を実行するのに従来のデバイスよりも小さいサイズで実現可能であるので、電力効率の向上を達成するために、オン抵抗の減少を実現することができる。
【００７５】
さらには、本明細書で説明した電極は、説明したデバイスの動作特性をさらに向上させる低い抵抗性のオーム接点形成プロセス（ｏｈｍｉｃ ｃｏｎｔａｃｔ ｐｒｏｃｅｓｓ）によって形成可能である。
【００７６】
ここで図１０を参照すると、図７に示したデバイスのショットキー部分７７Ｂが、Ｐ型ＧａＮ本体１０３によって置換え可能である。Ｐ型ＧａＮ本体１０３は、開口１０１の内部に含まれ得るか、またはそれが、例えば、再成長によって創出される場合には絶縁層の上方に張り出し得る。
【００７７】
本発明をその特定の実施形態に関連して説明してきたが、他に数多くの変型および変更ならびに他の用途が当業者には明らかにとなろう。したがって、本発明は本明細書における特定の開示ではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１Ａ】ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合デバイスにおけるＡｌＧａＮ厚と２ＤＥＧ密度との間の関係を示すグラフである。
【図１Ｂ】本発明によるデバイスにおける電流ピンチング効果を例示するグラフである。
【図２Ａ】本発明にしたがって一部が形成されたＩＩＩ族窒化物電流制御デバイスを示す断面図である。
【図２Ｂ】図２Ａのデバイス中のエッチング接点領域を例示する図である。
【図２Ｃ】図２Ｂに示した凹部を形成する方法を例示する図である。
【図３Ａ】第１の実施形態によるデバイスを例示する図である。
【図３Ｂ】例えば、図３Ａに示した本発明によるデバイスの別の変形の一部を示す図である。
【図３Ｃ】例えば、図３Ａに示した本発明によるデバイスの別の変形の一部を示す図である。
【図３Ｄ】例えば、図３Ａに示した本発明によるデバイスの別の変形の一部を示す図である。
【図４】本発明の別の実施形態によるデバイスを示す図である。
【図５】本発明の１つの実施形態にしたがって形成された、ショットキー接点を有するピンチ抵抗を示す断面図である。
【図６】本発明の１つの実施形態にしたがって形成された、絶縁接点を有するピンチ抵抗を示す図である。
【図７】本発明の別の実施形態にしたがって形成された整流器を示す断面図である。
【図８】図７の整流器を示す平面図であり、櫛形電極を例示する。
【図９Ａ】図７のデバイスを作製する際の作業を例示する図である。
【図９Ｂ】図７のデバイスを作製する際の作業を例示する図である。
【図９Ｃ】図７のデバイスを作製する際の作業を例示する図である。
【図９Ｄ】図７のデバイスを作製する際の作業を例示する図である。
【図９Ｅ】図７のデバイスを作製する際の作業を例示する図である。
【図１０】図７によるデバイスの別の変形を示す図である。
【図１１】本発明によるデバイスの１つの変形を示す上面図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に電界効果電流制御デバイスの部類に関し、より詳細にはＩＩＩ族窒化物材料系の中に構成された整流器および電流制限デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
本願は、特許文献１、特許文献２、特許文献３に基づきかつこれらの利益を主張するものであり、ここに、これらの全てに対して優先権を主張しかつこれらの開示を参照により組み込む。
【０００３】
２．２ＭＶ／ｃｍを上回る大きな絶縁破壊電界を発揮するＩＩＩ族窒化物半導体が現在知られている。ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合構造も極めて高い電流を運搬することが可能であり、それはＩＩＩ族窒化物材料系の中に製造されたデバイスを電力用途にとって優れたものにする。
【０００４】
ＩＩＩ族窒化物材料に基づくデバイスの開発は、一般に携帯電話の基地局用のエミッタなどの高電力で高周波数の用途を目的としてきた。これら種類の用途に向けて製造されたデバイスは、高い電子移動度を発揮する一般的なデバイス構造に基づき、ヘテロ接合電界効果型トランジスタ（ＨＦＥＴ）、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、または不均一不純物添加電界効果トランジスタ（ＭＯＤＦＥＴ）と様々に呼ばれている。これらの種類のデバイスは、典型的に１００ボルト域内にあるような高い電圧に耐え、かつ高い周波数、典型的には２〜１００ＧＨｚの帯域内で動作することが可能である。これらの種類のデバイスは、幾つかの種類の用途向けに改良可能であるが、典型的には、非常に低い抵抗損失で非常に高い電流密度を輸送できる２次元電子ガス（２ＤＥＧ）を発生させるために、圧電分極電界を使用することによって動作する。２ＤＥＧは、これらの従来のＩＩＩ族窒化物ＨＥＭＴデバイス中のＡｌＧａＮ材料とＧａＮ材料との境界面に形成される。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ境界面の性質およびこの境界面における２ＤＥＧの形成によって、ＩＩＩ族窒化物材料系中に形成されるデバイスは、名目上オンに（ｎｏｍｉｎａｌｌｙ ｏｎ）、またはデプレッションモード（ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ｍｏｄｅ）デバイスになる傾向を持つ。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ層の境界面における２ＤＥＧの高電子移動度は、ＨＥＭＴデバイスなどのＩＩＩ族窒化物デバイスがゲート電位の印加なしで導通することを可能にする。これまで製造されたＨＥＭＴデバイスの名目上オンである性質は、それらの電力管理への応用可能性を限定してきた。名目上オンである電力デバイスの限定性は、電力がＩＩＩ族窒化物ＨＥＭＴデバイスによって安全に制御され得る前に、制御回路に電力を供給して動作させる必要がある点に観られる。したがって、始動および他のモード時に電流導通問題を回避するために名目上オフ（ｎｏｍｉｎａｌｌｙ ｏｆｆ）であるＩＩＩ族窒化物ＨＥＭＴデバイスを創出することが望ましい。
【０００５】
低い抵抗損失で高い電流密度を可能にするＩＩＩ族窒化物ＨＥＭＴデバイスの欠点は、ひずみＡｌＧａＮ／ＧａＮ系において実現可能な厚みが限定されることである。これらの種類の材料の格子構造における差異が、異なる層を作製するために成長させた薄膜の転位を起こし得るひずみを発生させる。これは、例えば、障壁層からの高水準の漏洩をもたらす。幾つかの従来の設計は、転位発生および漏洩を低減するように緩和点（ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ）が生じる付近までＡｌＧａＮ層の面内格子定数（ｉｎ−ｐｌａｎｅ ｌａｔｔｉｃｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ）を低減することに集中してきた。しかし、これらの設計は限定的な厚みの問題に対処するものではない。
【０００６】
別の解決策は、漏洩問題を防止するために絶縁層を追加するものである。絶縁層を追加すると、障壁層からの漏洩を低減させることが可能であり、このような目的のために使用される典型的な層は、ＡｌＧａＮと金属ゲート層との間に配置された酸化シリコン、窒化シリコン、サファイア、または他の絶縁体である。この種類のデバイスは、しばしばＭＩＳＨＦＥＴと呼ばれ、絶縁層を持たない従来デバイスに勝る幾つかの利点を有する。
【０００７】
追加的な絶縁層はより厚いひずみＡｌＧａＮ／ＧａＮ系の構成を可能にするが、この追加絶縁層によって作製された閉じ込め層が、ＧａＮ／絶縁体境界面における電子に対して生じる散乱効果によって電流運搬能力の低下をもたらす。ＡｌＧａＮ層と絶縁体との間の追加的な境界面もデバイスの応答を遅くする境界面トラップ状態を発生させることになる。これら２層間の追加的な境界面に加えて酸化物の追加的な厚みも加わると、デバイスのオンオフ切換え（スイッチ）に、より大きなゲート駆動電圧を使用することになる。
【０００８】
窒化物材料を使用して名目上オフのデバイスを実現する従来のデバイス設計は、このように閉じ込め層の役目をする追加的な絶縁体に依存し、上層のＡｌＧａＮ層を削減または排除し得る。しかし、これらのデバイスは、ＧａＮ／絶縁体境界面における散乱によって電流運搬能力が低下するのが典型である。
【０００９】
【特許文献１】米国特許仮出願第６０／５８３９４１号明細書：２００４年１月２３日出願Clamped Impedance Field Effect Rectifier
【特許文献２】米国特許仮出願第６０／５３８７９４号明細書：２００４年１月２３日出願III-Nitride Pinch Resistor
【特許文献３】米国特許仮出願第６０／５３８８６４号明細書：２００４年１月２３日出願III Nitride Piezoelectric Heterojunction Interdigitated Rectifier
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、依然として高電圧に耐えかつ低い抵抗損失で高い電流密度を生成できるより少ない境界面および層を含み、低い漏洩特性を有するヘテロ接合デバイスまたはＦＥＴを作製することが望ましい。現在では、プレーナーデバイスが、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）ばかりでなく、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）およびハイドライド気相エピタキシ法（ＨＶＰＥ）も含む幾つかの技法によって、ＧａＮおよびＡｌＧａＮ合金を使って製造されている。
【００１１】
窒化ガリウム材料系における材料には、窒化ガリウム（ＧａＮ）と、その合金、すなわち、アルミニウム窒化ガリウム（ＡｌＧａＮ）、インジウム窒化ガリウム（ＩｎＧａＮ）、およびインジウムアルミニウム窒化ガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）などが含まれ得る。これらの材料は、高エネルギー性電子遷移を生じさせる相対的に広い直接バンドギャップを有する半導体化合物である。窒化ガリウム材料は、炭化シリコン（ＳｉＣ）、サファイア、およびシリコンを含む幾つかの異なる基板上に形成されてきた。シリコン基板は、入手が容易でかつ相比較的安価であり、シリコン処理技術が十分に開発されている。
【００１２】
しかし、半導体デバイスを作製するために窒化ガリウム材料をシリコン基板上に形成することは、格子定数、熱膨張、およびシリコンと窒化ガリウムとの間のバンドギャップにおける差異から生じる難問を提示する。ＧａＮと従来の基板材料との間の格子不整合に伴う問題もＧａＮおよびＧａＮ合金に関わる材料層構造では一般的である。例えば、ＧａＮおよびＡｌＧａＮ材料は、層間境界面のひずみを発生させて圧電分極の一因となる程に大幅に異なる格子構造を持つ。これまでの数多くのデバイスでは、デバイスの特性を向上させるために圧電分極によって生じた電界が制御される。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ層構造におけるアルミニウムの含有量の変化は、導電率または絶縁障壁の向上などの様々なデバイス特性を実現するように材料間の格子不整合を変化させる傾向を持つ。
【００１３】
低い順方向抵抗または順電圧降下を有する半導体構造から恩恵を受ける特定の用途は、整流器である。従来では、電力用途における整流器はしばしば同期整流器であり、そこでは、ダイオードが整流器の電圧遮断機能を実行し、ダイオード両端の同期スイッチが、ダイオードのオン抵抗および順電圧降下を回避するために、ダイオードに順方向バイアスが掛けられるときに電流の導通を行う。この種類の構成には、ダイオードが順方向導通モードで動作すべきときにスイッチがオンになるように、スイッチの切換え制御器が必要である。この種類の従来の同期整流器は、電力効率を低下させかつ熱動作問題をまねく恐れもある順電圧降下のような整流器として使用されるダイオードの欠点を回避するために、電力用途でしばしば使用される。しかし、同期整流器を作製するためにダイオードで使用される同期スイッチは典型的には電力開閉器であるので、ゲートドライバを使用して高電力用途におけるスイッチを動作させる。したがって、追加的な制御動作を必要としないで、しかも低い順電圧降下も維持する整流器デバイスを実現することが望ましい。
【００１４】
通過して流れる電流量を制限できる別の種類のデバイスは、ピンチ抵抗（ｐｉｎｃｈ ｒｅｓｉｓｔｏｒ）である。このピンチ抵抗は、典型的には２つの異なる種類の導電性材料によって半導体材料の中に製作される。例えば、Ｐ型導電性材料がＮ型領域の中に配置され、Ｎ＋型領域がＰ型材料の一部を覆って形成される。ピンチ抵抗の抵抗は、一部を覆うＮ＋型領域下のＰ型材料の面積抵抗と、一部が覆われたＰ型材料の寸法とによって決まる。デバイス中の電流は、対向する半導体材料によって「ピンチされる（ｐｉｎｃｈｅｄ）」チャネルの中を導通される。これらの種類の設計を通じて、所与の電力域で効果的に電流を制限するために、非常に高い抵抗が非常に狭い面積の中に形成され得る。しかし、この種類のデバイスは、それらの製造時に使用される処理技法のためにしばしば不正確である。幾つかの設計によれば、デバイスを流れる電流は、電流を制限するためにチャネルを制御する役割を果たし得る、デバイス両端の電圧発生機によって効果的に制限される。従来のデバイスでは、ピンチ抵抗の中へ運搬可能な電流値が相対的に低く、したがって電力用途が多少複雑になる嫌いがある。
【００１５】
低い順電圧降下を実現しながら、大幅な電圧の遮断が可能であるダイオードまたはピンチ抵抗のような高電流整流器デバイスを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明によれば、小さいオン抵抗で大きな電流を導通しかつ高い電圧を遮断できる、ＩＩＩ族窒化物材料系において実現した整流器のような電流制御デバイスが提供される。本デバイスは、オーム接点およびショットキーまたは絶縁接点を使用して、２つのＩＩＩ族窒化物材料間における２ＤＥＧを操作するように動作する。
【００１７】
本発明の１つの実施形態によれば、整流器には順方向に導通するために小さいターンオン（ｔｕｒｎ ｏｎ）電圧が供給される。この整流器は２つのＩＩＩ族窒化物材料層によって作製され、ＩＩＩ族窒化物材料層の一方が他方より大きい面内格子定数を有し、その境界面において２ＤＥＧの形成をもたらす。２ＤＥＧの高いキャリア移動度は、低い順方向導通電圧によって整流器がオンにされるのを可能にする。デバイスを流れる電流は、ショットキー障壁を避けるように２ＤＥＧチャネルを介して分流されてオーム接点から流出する。逆方向の電圧条件下では、ショットキー接点が２ＤＥＧを中断して逆バイアス状態で電流が流れるのを阻止するようにチャネルを開路する。
【００１８】
本発明の特徴によれば、ショットキー接点が、順電圧が印加されるまでデバイスが非導通状態であるようにＩＩＩ族窒化物層の凹部の中に形成される。有利には、凹部は、デバイスパラメータの容易な可制御性を可能にするように傾斜壁を有する。
【００１９】
本発明の別の実施形態によれば、多オーム接点および多ショットキーまたは絶縁接点によって形成された二方向性デバイスであるピンチ抵抗が、ＩＩＩ族窒化物材料系の中に設けられる。ショットキーまたは絶縁接点は、２ＤＥＧによって形成されたチャネル中の電流がそれらの接点に印加した電圧にしたがって制御されるように、オーム接点間に配置されかつそれぞれのオーム接点に接続されて２ＤＥＧの形成を調整する。デバイスは、両方向で電流制限が可能であるように二方向性である。
【００２０】
本発明の別の特徴によれば、このピンチ抵抗デバイスは、整流器と同様の不平衡（ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ）電流制限特性ばかりでなく、オン抵抗の変更も実現するように調整可能である。本デバイスは、両方向で高い電流運搬能力を有するようにも調製可能である。
【００２１】
本発明の別の実施形態によれば、ショットキー型整流器がＩＩＩ族窒化物材料系の中に設けられるが、このデバイスは、ＩＩＩ族窒化物材料の２つの異なる層の境界面によって形成される２ＤＥＧを含むチャネルを介して電流を導通する。本デバイスはショットキー接点およびオーム接点を含み、オーム接点に向かって一方向に導通しかつショットキー接点に向かって他方の方向で電圧を遮断するようになっている。ショットキー接点に印加された電圧は、電流が、２ＤＥＧによって形成されたチャネルを介して流れてオーム接点から流出するのを可能にし、他方では、逆方向に印加された電圧が、ショットキー接点下の２ＤＥＧを空にして逆バイアス時に電圧を遮断する。ＧａＮがＩＩＩ族窒化物層の１つとして使用されるとき、ＧａＮ層の高度に抵抗性の特質は、デバイスから電流が漏洩するのを防止する。本デバイスは、逆バイアス時に、高いスタンドオフ（ｓｔａｎｄｏｆｆ）電圧を可能にする低電界を得るために、ＩＩＩ族窒化物層を殆どドーピングすることなくまたは一切ドーピングすることなく作製可能である。このような注目すべき特徴が、順バイアス抵抗の増大を犠牲にすることなく得られる。
【００２２】
本発明の別の特徴によれば、上に説明したデバイスを製造する方法が提供され、ＩＩＩ族窒化物層が絶縁性または高抵抗性の基板上に設けられる。随意選択的には、緩衝層が、基板と、好ましくはＧａＮから成るＩＩＩ族窒化物層との間に設けられ得る。ＡｌＧａＮ層が抵抗性ＧａＮ層の上に堆積され、次いで、アニール時にＡｌＧａＮの表面が分解するのを制限するために保護絶縁層が堆積される。下に位置するＡｌＧａＮ層に到達するように保護絶縁層の中に窓が開けられる。本デバイスのためのオーム接点を得るために、この窓の中でオーム金属の接点が設けられる。オーム接点をアニールした後に、別の窓が保護絶縁層の中に開けられ、それを貫通してショットキー金属が堆積されてデバイスが完成する。
【００２３】
有利なことには、被着および接触層は、能動領域の上方または下方に成長され得る。電極、絶縁層などを構築するための他の知られた方法も本発明に適用可能である。
【００２４】
本発明の特徴によれば、電流運搬能力を高めるために、能動層における追加的な絶縁層または構造ではなく、適切なＧａＮ絶縁体境界面が設けられる。追加的な絶縁層を設けなくても、本明細書に説明のヘテロ境界面のエピタキシ性質は、積層されたときに２ＤＥＧにおける電子に関して１桁高い移動度をもたらす。
【００２５】
本発明の別の実施形態によれば、ＩＩＩ族窒化物材料系の中に実現された名目上オフの電流制御デバイスは、２ＤＥＧの形成場所となるようにＡｌＧａＮ／ＧａＮ境界面を設ける。ＡｌＧａＮ層中においてショットキー接点を包囲する領域は、エンハンスメントモード（ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅ）のデバイスを得るために、２ＤＥＧを局所的に排除するようにエッチバック（ｅｔｃｈｅｄ ｂａｃｋ）される。本発明の特徴によれば、この電流制御デバイスは、対応するオーム接点に隣接して位置決めされた２つのショットキー接点を含み、これらのショットキー接点は、電流運搬デバイスを構成するオーム接点のそれぞれから等距離にある。
【００２６】
本発明の特徴によれば、ＡｌＧａＮ層は、エンハンスメントモードのデバイスを形成するためにショットキー接点の周囲領域内でエッチバックされ、そこでは２ＤＥＧがＡｌＧａＮ／ＧａＮ層間で局所的に排除される。
【００２７】
ＩＩＩ族窒化物半導体材料系における大きな絶縁破壊電界は、小サイズのスタンドオフ領域を有する名目上オフの電力デバイスの構築を可能にする。この材料系は、同じような電圧定格の知られたデバイスに較べて、小さい比オン抵抗を有するデバイスの構築も可能にする。本明細書で論じたＧａＮ／ＡｌＧａＮデバイス場合では、プレーナーデバイスは、垂直幾何学配置の相当物と較べると、約３００ボルトの電圧定格でほぼ１００倍の比オン抵抗の向上を有する。
【００２８】
ＩＩＩ族窒化物電流制御ヘテロ接合デバイスは、ウェーハ面積を犠牲にすることなく、両方向で電圧を遮断できる名目上オフのデバイスの製造を可能にするために対称特性を利用することができる。単一方向で電圧を遮断する従来のデバイスに勝るこのような利点のために、１つの二方向性デバイスによって幾つかの単一方向性デバイスを置き換えることができる。
【００２９】
本デバイスはまた、接点における低漏洩および障壁層からの高い破壊電界を特徴とする。その結果として、本デバイスは、ＳｉＯ２およびＳｉＮのような従来の絶縁体に較べて、より大きい誘電定数を与える。ＧａＮ材料の高い臨界電界は、薄い層が絶縁破壊することなく大きな電圧に耐えることを可能にする。ＧａＮ材料の誘電率は、ＳｉＯ２よりも２．５倍大きく約１０である。
【００３０】
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照する本発明の以下の説明から明白になろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
ＧａＮ材料デバイスの構築では、幾つもの要因がデバイスの機能および能力に影響する役割を果たす。ＩＩＩ族窒化物材料における大きな格子不整合とこれらの材料における強い圧電および分極の効果とが、ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合デバイスの電気特性にかなりの影響を与える。今日まで報告されたかなりの数のＧａＮ系デバイスは、ひずみを最大化するが転位またはデバイスの長期的な不安定性に繋がることになる緩和限界の超過を避けるように設計される、合金構成物によるひずみＧａＮ／ＡｌＧａＮ接合を使用する。一般に緩和限界内でひずみを最大化するように、これらのデバイスが成長形成される。ＡｌＧａＮの厚みが増大するか、またはＡｌＧａＮ中のＡｌ含有量が増大すると、２ＤＥＧ密度ばかりでなくキャリア移動度の増大に繋がるひずみも増大する。しかし、ＡｌＧａＮ層の厚みが増大しすぎれば、またはＡｌ含有量が増大しすぎれば、層全体が緩和して上記の望ましい特性をすべて喪失する。ヘテロ接合デバイスを構築するための様々な装置およびシステムが、格子不整合およびＧａＮ／ＡｌＧａＮ接合のひずみを制御するために提案されてきた。これらのデバイスは、特に、圧電分極および自発分極の効果を利用して長期的な不安定性を最小化するように設計される。
【００３２】
ＧａＮ／ＡｌＧａＮデバイスは、所与のデバイスにおける電力の流れを制御するための１つまたは複数の端子を典型的に有する。端子に印加された電位は、この端子が結合される導電チャネル中の電流を制御する。導電チャネルは、２つの異なる半導体材料間の少なくとも１つのヘテロ境界面によって画成される。
【００３３】
ＡｌＧａＮ／ＧａＮ材料がヘテロ接合デバイスの半導体材料を構成し、かつＡｌＧａＮが障壁層として使用されるとき、ＡｌＧａＮの自発分極特性から得られる分極電荷ばかりでなく圧電分極電界として知られるひずみ誘発特性が存在する。ＩＩＩ族窒化物デバイスを構築する際に、これらの電界の形成を制御すると、どのようにデバイスを特性付けるかに応じて、ＧａＮ系デバイスを多様な用途とって適切なものにする様々な特性をもたらす。
【００３４】
ＧａＮ材料によって形成されたヘテロ接合デバイスは、チャネル中の電子密度を高め、それによってチャネルの導電特性を高める２ＤＥＧ（２次元電子ガス）を誘発するようにＧａＮ層の上に配置されるＡｌＧａＮの障壁層を典型的に含む。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ層の境界面に形成された２ＤＥＧの存在により、例えば、チャネルの存在が電極間に電流を導通させるので、基本的に形成されたＩＩＩ族窒化物デバイスは名目上オンである。
【００３５】
２ＤＥＧの電荷を空にすれば、２ＤＥＧ中の電流をピンチすることができる。本発明によれば、チャネルを通過できる電流の最大量を減少させるためにチャネルの選択領域中の電荷を減少させる。その結果として、電流をある一定の最大水準に「ピンチする」ことができる。この選択領域は、ピンチ状態に達するまでデバイスの全体抵抗が低いままに留まり得るように小さいことが好ましい。
【００３６】
図１Ａに示すように、計算値は、２ＤＥＧ密度がＡｌＧａＮ層（図２Ａの１６）の厚みに依存し得ることを示す。本発明の１つの様態によれば、デバイスの小領域におけるＡｌＧａＮ層は、２ＤＥＧの密度を局所的に低減するために薄くされ、したがって後段で示すようにピンチ効果を可能にする。ＡｌＧａＮが薄くなると、ピンチ電流は図１Ｂで分かるように抑制される。２ＤＥＧがゲート下で排除されるまでＡｌＧａＮが薄くなれば、デバイスのピンチ電流は０または０近くまで減少する。このような状況下では、ピンチングが一方向のみで行われることになるので、デバイスは事実上の整流器である。
【００３７】
図２Ａを参照すると、本発明によるヘテロ接合デバイスが、その形成の早期段階においてデバイス１０として例示されている。デバイス１０は、基板１２、絶縁ＧａＮ層１４、および活性ＡｌＧａＮ層１６を含む。オーム接点（ｏｈｍｉｃ ｃｏｎｔａｃｔｓ）１８および１９が、ＡｌＧａＮ層１６の上に形成されて、得られるデバイスの接続または端子の役目をする。ＧａＮ／ＡｌＧａＮ境界面１５は、オーム接点１８と１９との間における電気の流れを可能にする２ＤＥＧによって導電チャネルを形成する。
【００３８】
デバイス１０のＧａＮ層１４は、ＡｌＧａＮ層１６よりも大きな面内格子定数を有する。境界面が電流導通のためのチャネル形成を許容する限り、他のＩＩＩ族窒化物材料を使用してデバイス１０を形成できることは明白なはずである。基板１２は絶縁基板であるが、それは高度に抵抗性を有し得るか、またはドープｎ型もしくはｐ型であり、それは、炭化珪素、シリコン、サファイア、および他のよく知られた基板材料のようなよく知られた材料から典型的に形成される。
【００３９】
ここで図２を参照すると、接点１８の近傍でＡｌＧａＮ層１６の中へエッチングされた凹部２０が示されている。凹部２０は傾斜側壁２２を含むが、それは何ら特定の形状にしたがって作製される必要はない。傾斜側壁２２を有することは、デバイスの抵抗を最小化するために推奨される。さらには、離隔距離Ｌｓおよびゲート長Ｌｇを使用してピンチ電流の水準も制御することができる。凹部２０は、接点をＡｌＧａＮ層１６とＧａＮ層１４との間の境界面により近接して配置可能にする。しかし、たとえエッチング凹部を設けなくても、デバイスは電流を最大水準にピンチすることに留意すべきである。このようなデバイスも、後段で明らかになるように、ピンチ抵抗であると見なされる。
【００４０】
ここで図２Ｃを参照すると、デバイス５６を形成するために処理可能なデバイス６０を製造するための技法が例示されている。フォトレジスト層６２がＩＩＩ族窒化物障壁層１６上に塗布されており、フォトレジスト層６２の中に開口６４、６５が空けられている。開口６４、６５は、エッチング工程が傾斜形状をＩＩＩ族窒化物障壁層１６に移転できるように傾斜した側壁を有する。図２Ｂに例示した傾斜側壁２２は、このような技法にしたがって形成可能である。典型的には、ＩＩＩ族窒化物障壁層１６はＡｌＧａＮから構成され、層１６中に傾斜側壁を備える凹部を画成するために、フォトレジスト層６２および開口６４、６５に適切なエッチング法が利用される。
【００４１】
図３Ａを参照すると、デバイス３１が、ショットキー金属から構成される接点３０を有する。逆バイアス、すなわち、オフ状態では、２ＤＥＧによって確立された電流運搬チャネルが接点３０の下で遮断されるので、デバイス３１はオーム接点１８と１９との間に電流を導通しない。順バイアスが掛けられるとき（接点１８および３０が接点１９よりも正のとき）、デバイス３１は、オーム接点１８と１９との間で電流を運搬するように動作可能である。これは、接点３０下のチャネルの注入（ｆｉｌｌｉｎｇ）による。
【００４２】
接点３０は、凹部２０中の堆積ＡｌＧａＮ層１６およびその上に重なる接点１８の頂上にあるショットキー金属から構成され得る。上で留意したように、ＡｌＧａＮ層１６は、層１６の面内格子定数が層１４の面内格子定数よりも小さい限り、または層１６のバンドギャップが層１４のバンドギャップよりも大きい限り、任意のＩＩＩ族窒化物材料層によって置換え可能である。
【００４３】
デバイス３１は、オーム接点１８および１９ならびに接点３０に関する幾つもの様々な幾何学的配置で構築され得る。例えば、接点３０は、オーム接点１８を包囲するショットキー接点（ｓｃｈｏｔｔｋｙ ｃｏｎｔａｃｔ）であり得る。接点３０はまた、オーム接点１８の一部の回りに形成されて、ギャップまたはエッチング領域が特定の方向にまたはデバイス３１上の特定の領域における電流の流れを限定するように形成可能である。オーム接点１８およびショットキー接点として形成された接点３０はまた、破壊電圧、ピンチ電流、およびオン抵抗パラメータを増大または減少させるために、相互から様々な間隔に離間され得る。
【００４４】
ショットキーダイオードとピンチ電流との組合せは、非常に独特なデバイスをもたらす。事実、エッチングはデバイスのためのピンチ電圧を変化させた。ピンチオフ（ｐｉｎｃｈｏｆｆ）が生じると、第２の接点における電圧が、デバイスのエッチング領域によってさらに降下する。凹部エッチングによって実現したピンチ電圧の低下の結果として、ショットキー接点は、このピンチ電圧を遮断しさえすればよい。たとえショットキーダイオードの品質が劣っていても、または低いショットキー障壁高さを有するときであっても、非常に低漏洩のデバイスを可能にするエッチングによって、このピンチ電圧を１〜２Ｖの域まで低下させることができる。
【００４５】
本発明によれば、凹部２０は２ＤＥＧ密度の局所的な変化を引き起こす。凹部は、それが好ましいけれども、２ＤＥＧの局所密度を低減させ得る唯一の方法ではない。２ＤＥＧの密度の変更は、ＡｌＧａＮを局所的に酸化してＡｌＧａＯまたはＡｌＧａＯＮを形成するためにピンチング接点（ｐｉｎｃｈｉｎｇ ｃｏｎｔａｃｔ）の下でＰ型ドーパントを注入もしくは拡散することによって、または境界面の向きを局所的に変更することによって遂行可能である。
【００４６】
例えば、図３Ｂを参照すると、２ＤＥＧの密度を局所的に低減させるために、凹部２０ではなく、領域２０Ａを酸化することができる。領域２０Ａは、最初にＡｌＧａＮをＳｉＮまたは別の酸化保護被覆によって覆い、次いで酸化すべき領域上のＳｉＮの中に窓を空け、次に酸化工程を実行することによって形成可能である。このような酸化は、Ｈ２Ｏ、Ｏ２、酸素プラズマ、または他のよく知られた化学的作用に高温で曝すことによって実現可能である。高温でＨ２および酸素を使用して作業しているとき、適切な注意が払われる場合には、ガスを含有するＨ２が、この処理に対する触媒作用の助けになり得る。
【００４７】
次に図３Ｃを参照すると、凹部２０ではなく、ＡｌＧａＮ中の領域２０Ｂをドープすることができる。したがって、例えば、ＳｉＮまたは他の任意適切な保護被覆によってＡｌＧａＮを覆うことが可能であり、次いで、望ましい箇所を覆うＳｉＮの中に領域２０に達する窓を空けることができる。その後で、高温環境の中で、ＡｌＧａＮをＭｇ、Ｆｅ、またはＣｒ含有ガスに曝す。別法として、ＡｌＧａＮを覆うＳｉＮ層中の窓の底にドーパントの１つを堆積または注入し、アニール工程でその内部に拡散させることができる。厳密な時間および温度は、望ましいドーピング水準およびＡｌＧａＮ中へのドーパントの拡散率に応じる。
【００４８】
ここで図３Ｄを参照すると、別の変形にしたがって、ＡｌＧａＮ層１６ではなく、ＧａＮ層１４の中にドープ領域２０Ｃを形成することができる。標準的な注入およびアニール工程を使用してＡｌＧａＮ１６を貫通して領域２０Ｃを形成することが可能であるし、または領域２０ＣをＧａＮ層１４の中に形成してＧａＮの別の層によって被覆し、次いでＡｌＧａＮ層１６によって被覆することも可能である。Ｐ型ドーパントは、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｚｎでもよい。ＭｇまたはＺｎが好ましいドーパントである。
【００４９】
ここで図４を参照すると、本発明の別法による実施形態が、デバイス４１として例示されている。デバイス４１は、接点４０が絶縁層４２上の導電材料から形成されている点を除けば、実質的にデバイス３１と同様である。したがって、接点４０は、ショットキー接点ではなくて絶縁された接点であり、それはデバイス４１を動作させるために任意の種類の金属導体を含み得る。金属導体に加えて、Ｓｉ、ＧａＮ、またはＧｅなどの他の導電材料も使用可能である。デバイス４１の動作は実質的にデバイス３１の動作と同じであり、その場合に２ＤＥＧが接点４０の下で遮断されるかまたは密度が低減される。オーム接点１９に印加される電位よりも大きい電位を接点１８（したがって接点４０に）印加すると、接点４０の下に２ＤＥＧを形成させ、デバイス４１はオーム接点１８と１９との間に電流を導通することができる。
【００５０】
ここで図５を参照すると、本発明による別の実施形態が、デバイス５６として例示されている。デバイス５６は、２つの電極５０、５２を有するピンチ抵抗である。デバイス３１および４１に関する場合のように、電極５０および５２は、凹部の下の２ＤＥＧの密度を低減させるためにＡｌＧａＮ層１６の中に凹部を形成して、デバイスをオフに切り換えることなくピンチ電流を変化させ、それによってデバイス５６はピンチ抵抗になり、電流水準を制御するために使用可能になる。しかし、デバイス５６は、ピンチ抵抗デバイスが電流制御器として適切に動作する別の構成を例示する。
【００５１】
図５によって示したデバイスは、次のように機能する。電圧がオーム接点５４、５５間に印加されるとき、電子が、ＡｌＧａＮ１６およびＧａＮ１４によって形成されるチャネルの中のオーム接点５４から注入（ｉｎｊｅｃｔ）される。電荷は、チャネルの中を横方向にショットキー接点５０の下を流れ、ドリフト領域を横切ってショットキー接点５２の下を流れてオーム接点５５から外に流れる。これらの領域のそれぞれの中の抵抗によって、電圧は電流が流れるにつれて低下する。その結果として、チャネルの電圧は、デバイスの一端から他端まで横方向に変化する。流れる電流が多ければ多いほど、それだけデバイス両端の電圧降下が大きくなる。特に、ショットキー接点の直下のチャネル中の電圧は、電流の量と共に変化することになる。チャネル中のこのような点とショットキー接点との間の電圧差がＶピンチ、またはＶ閾と呼ばれる特定の値に達するとき、チャネル中の電子密度を空にし、オーム接点５５に追加的な電圧を印加してもそれ以上の電流増加は起こらない。
【００５２】
図５によるデバイスは、二方向性であるが、第２のショットキー接点５２が除去されると一方向性デバイスが作製可能であるように対称的である。この場合には、ピンチング作用は一方向でのみ生じる。以上の説明では、オーム接点５４が０バイアスにあり、オーム接点５５が接点５４に対して正にバイアスされることが想定されていた。ショットキー接点５０、５２を形成するために、Ａｕ、Ｎｉ、またはＰｔを含めて任意の数の材料を使用することができる。ピンチ電流は、ショットキー接点５０、５２を形成するために選択された金属の仕事関数を変更することによって調整可能であることに留意すべきである。別の変形は、ショットキー金属の代わりにＰ型ＧａＮを使用することである。ショットキー接点５０、５２の配置は、デバイスがピンチオフする電流を決定するために重要である。チャネル中の電圧はデバイス全体にわたって変化するので、ショットキー接点の縁部がオーム接点から遠ければ遠くに配置されるほど、それだけピンチ電流は減少する。破壊電圧を増大させるために、フィールドプレート（ｆｉｅｌｄ ｐｌａｔｅ）を設計の中に含めることもできる。したがって、図５によるデバイスでは、ピンチ電流を決定するのは、このようなショットキー接点５０、５２の縁部５０Ａである。
【００５３】
一方の接点５４、５５が他方に対して順方向バイアスが掛けられるとき（例えば、接点５４が接点５５より高い電位にある場合およびその逆の場合）、電流は、これらの２つの接点の間を流れる。したがって、図５に示したデバイスは二方向性デバイスである。本明細書に説明した先程のデバイス動作原理によれば、電流は、どの方向に電流が流れているかに関わらずピンチされる。したがって、デバイス６０は二方向性ピンチ抵抗である。
【００５４】
接点５０、５２の下の電位は電流の導通によって異なるので、ピンチングが行われる。したがって、電流自体が、電位差を確立して導通水準を自己制限する。
【００５５】
デバイス５６は、名目上の二方向性デバイスであり、それぞれのショットキー接点５０、５２に対する間隔が均等であるように維持されるとき、電極５４、５５間の電流の導通を安定させる。すなわち、電極５４とショットキー接点５０との間における間隔が、電極５５とショットキー接点５２との間における間隔と同じになるように形成することによって、電流が電極５４から電極５５に流れていても、またはその逆に流れていても、デバイス５６が実質的に同様に動作するように、破壊電圧、オン抵抗、および他のスイッチ特性を安定させることができる。パラメータの数は、オン抵抗、ピンチオフ電流、破壊電圧などのようなデバイス特性を変更するために修正可能であることは明白なはずである。
【００５６】
電流がデバイス５６のチャネルの中を流れるとき、電圧ポテンシャルが、ショットキー接点５０、５２およびＡｌＧａＮ層１６に対して上昇する。電流が増大するにつれて電圧が上昇すると、電圧ポテンシャルが、境界面領域１５を空にし、２ＤＥＧ導電チャネルをピンチオフする点に達する。一方のオーム接点から他方のオーム接点までのチャネル中の電流が増大するとき、ショットキー接点の下の２ＤＥＧにおける電圧が、ショットキー接点上の電圧に応じて変化することになる。最終的には、ショットキー接点と２ＤＥＧとの間の電圧差は、２ＤＥＧを空にして電流を飽和値までピンチングする。デバイス５６は二方向性デバイスであるので、ピンチオフ特性は、両方向に作用し、層および接点の構成および含有物によって特定の用途に対して調製可能である。例えば、一方の方向よりも他方の方向でより大きなピンチオフ電流を有するデバイスを作製することが望ましい場合があり、それはショットキー接点とオーム接点との間の関係を操作することによって実現可能である。デバイス５６の電流制限特性によって、それは、過剰電流状態が電力システム構成要素に損傷を引き起こす恐れがある電力用途において有用な要素になる。
【００５７】
デバイス５６の動作設計目標は、電流制限作用をもたらすように接点を２つのオーム接点５４、５５の間に配置することによって実現可能である。したがって、本発明の実施を続行する際に、デバイス５６を動作させるために両方のショットキー接点５０、５２は必要ではない。例えば、図３Ａを参照すると、電流制御デバイス３１は、単一の接点を２つのオーム接点１８、１９の間に配置した名目上オフのデバイスとして、図５に説明した本発明の構想が例示されている。単一のショットキー接点を有するピンチ抵抗として作用する名目上オンのデバイスを提供するために、図３Ａに例示したデバイスと同様のデバイスが、デバイス５６にしたがって構築可能であることは明白なはずである。
【００５８】
したがって、本発明の別の変形によるピンチ抵抗は、２つのオーム接点５４、５５、２つの電流制限接点５０、５２、ならびに、例えば、図４の接点４０の下および図３Ａの接点３０の下に見られるように、それぞれの電流制限接点５０、５２の下のエッチング凹部を含み得る。本発明によるデバイスでは、電流がオーム接点５４、５５の間を流れ、他方で、電流制限接点５０、５２は、それが接続されるオーム接点の電位に等しい一定値に表面電位を設定するように作用する。本発明によるピンチ抵抗におけるエッチング凹部の機能は、２ＤＥＧ密度を低減させ得るが、それを排除するものではない。深さ、エッチング凹部の幅、および形状を変更することによって、デバイスを流れる最大許容電流を制御することができる。したがって、本発明によるピンチ抵抗の中に設けられた凹部は、デバイスがピンチオフする電流値を変更することができる。
【００５９】
ここで図６を参照すると、本発明によるピンチ抵抗の別の実施形態がデバイス６０として例示されている。デバイス６０は、図５に例示したショットキー接点５０、５２ではなく、絶縁された接点６１、６２を含む。これらの絶縁接点は、デバイスの破壊を伴わずにより高い水準の電圧を遮断できるという追加的な利点を有する。デバイス６０は、デバイス５６と同様の方式で、すなわち、十分な量の電流が導電チャネルを通って運搬されるとき、境界面１５における２ＤＥＧによって形成されたチャネルをピンチオフするピンチ抵抗として動作する。しかし、絶縁接点６１、６２は任意の導電材料から作製可能である。絶縁接点６１、６２はデバイス６０ではオーム接点５４、５５と電気接触しており、ピンチオフ制御が、オーム接点５４、５５を通って運搬された電流によって影響を受け、絶縁接点６１、６２と境界面１５における２ＤＥＧとの間に電圧差を誘発する。デバイス６０は、単一の絶縁接点がデバイス６０をピンチ抵抗として動作させるのに十分であり、様々な接点の層材料含有量および構成の変更によってデバイスに関する特定のパラメータ特性を可能にし、かつデバイス６０は電流検知デバイスとして機能できるので、デバイス５６とは他のすべての点で実質的に同じである。しかし、デバイス６０は、絶縁接点６１、６２がＡｌＧａＮ層１６から絶縁され得るように、絶縁接点６１、６２を作製する前に形成される絶縁層６４も含む。
【００６０】
オーム接点５４、５５は、堆積前のＳｉまたはＧｅのようなドーパントの注入、オーム接点堆積前のＡｌＧａＮ層１６上への高度ドープＩＩＩ族窒化物材料の堆積、オーム接点５４、５５下におけるＩＩＩ族窒化物超格子構造の形成、以上の堆積と組み合わせたＡｌＧａＮ層１６のエッチング等々のような幾つもの方法で製造可能である。
【００６１】
デバイス６０および５６は共に二方向性であり、それらはその汎用性を高めて用途の数を増やす。デバイス５６および６０は、ゲート電極がソース電極に短絡されるＨＦＥＴによっても作製可能である。オーム接点とショットキー接点との間の離隔距離は、ピンチ電流を増減するために変更可能である。ショットキー接点の幾何学配置は、ショットキー材料がオーム接点を包囲したり、２つのショットキー接点がそれぞれのオーム接点を包囲したり、エッチング領域を有する非包囲ショットキーが電流の流れをデバイス上の特定領域に限定したりすることなど、多様な構成で実現可能である。
【００６２】
ここで図７を参照すると、本発明の別の実施形態がデバイス７０として例示されている。デバイス７０は、サファイア、シリコン、炭化珪素、または他の任意適切な材料などの絶縁性または高抵抗性の材料から構成された基板７２を含む。抵抗性のＩＩＩ族窒化物材料層７４が基板７２の上に重なり、随意選択的に層７４と層７２との間に介在する緩衝層７３を含む。緩衝層７３は、層７２と７４との間の格子不整合に関連するひずみ力を低減または軽減するために層７４と７２と間に介在することができる。別のＩＩＩ族窒化物材料層７５が層７４の上に重ねられ、層７５は層７４よりも小さい面内格子定数を有するようになっている。ＩＩＩ族窒化物材料の性質にしたがって、層７４と７５との間には大量の電流を運搬する能力がある２ＤＥＧが形成される。
【００６３】
デバイス７０はまた、接点および電極を形成するためにデバイスをパターン形成する手段となるばかりでなく、下に位置する層も保護する絶縁層７６を含む。デバイス７０は接点７７Ｂおよび７８も含むが、その場合に接点７７Ｂがショットキー接点であり、接点７８がオーム接点である。接点７７Ｂ、７８はフィールドプレート設計で配置されているが、そこでは接点の一部が絶縁層７６を貫通して層７５に接触する。すなわち、ショットキー接点７７Ｂはフィールドプレート部分７７Ａを含む。得られるデバイスは、層７４、７５間の境界面における高密度で高移動度の２ＤＥＧの形成によって、名目上オンの整流器である。２ＤＥＧは、圧電力と自発分極力との組合せによって形成され、極めて薄いけれども高導電性の層および高抵抗性の層をもたらす。層７４と７５との間の境界面に形成されたチャネルは、厚いドープ領域を使用することなく、非常に大きな電流を運搬することができる。したがって、デバイスが導通している順バイアス方向で、大量の電流がチャネルを通って運搬され得る。逆バイアス状態では、チャネルは移動可能な電荷が空になり、電流がチャネルの中を流れないようになっており、下に位置する層７４の高抵抗性質によって、電荷がその層の中を流れることも同様に防止する。層７４および７５がドープされないので、デバイスの逆バイアス状態は低電界を発生させる。これらの電界は値が低いので、デバイスは、高い電圧に耐え得るが、依然として低い順方向バイアス抵抗を生み出す。高い臨界電界および櫛形電極構造（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｉｏｎ）が所与の破壊電圧に関するＲＡ積を向上させる。デバイス７０の別の特徴は、層７４の抵抗特性により、層７５をエッチングすることによってデバイスを絶縁できることである。すなわち、層７５を貫通してエッチングすることによって、２ＤＥＧが中断され得る。層７５の全部または一部をエッチングすることによって２ＤＥＧの連続性が中断されるので、多デバイスを単一基板上に作製可能であるが、しかし相互に電気的に絶縁可能である。図１１が、凹部、注入領域、または１つのダイの中に多くの電気絶縁デバイスを作製できるように、選択箇所で２ＤＥＧを中断できる他の任意の形状構成であり得る領域２００を例示する。これらの特徴および利点によって、かなりの量の複雑性（ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ）を発揮する高電力デバイスが、従来可能であったものよりも小さいスペースの中に形成可能であるように、基板上スペース（ｒｅａｌ ｅｓｔａｔｅ）の中で僅かなコストで単一チップ上に幾つものデバイスを集積することが可能になる。
【００６４】
ここで図８を参照すると、櫛形電極（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ ｆｉｎｇｅｒｓ）を有する整流器の構造図がデバイス８０として例示されている。デバイス８０に異なる接点用の櫛形電極を設けることによって、デバイス８０はＲＡ積の向上を実現する。ショットキー接点ランナ８１が、ショットキー接点櫛形電極８３用の共通接続になり、他方で、オーム接点ランナ８２がオーム接点櫛形電極８４用の共通の接点になる。整流器デバイス８０では、電流は、順方向バイアス状態の下で非常に低い抵抗および高い電流容量でオーム接点８４からショットキー接点８３へ流れる。逆バイアスが掛けられるとき、ショットキー接点８３上の電位は、２ＤＥＧ領域を空にして層７４、７５間の境界面に形成されたチャネルを中断する。ショットキー接点およびオーム接点８３、８４は櫛形構造であるので、ＲＡ積を向上させる幾つもの電流路が設けられる。
【００６５】
図７および８によるデバイスは、電圧を横方向に導通しかつ遮断する。さらには、従来技術とは異なり、図７および８によるデバイスは、高密度２ＤＥＧを利用するショットキーデバイスである。
【００６６】
高水準の櫛形電極構造はスペース利用の効率性も高めることに留意すべきである。
【００６７】
好ましい実施形態によるデバイスでは、絶縁層７６が非常に薄く（１０〜２００Å）であり、他方でフィールドプレート７７Ａの幅は非常に広く（１〜３μｍ）、それはショットキー接点１０１のサイズ（３〜１０μｍ）に匹敵する。従来設計によるデバイスでは、接点面積がプレート幅よりもはるかに大きい。通常よりも大きいフィールドプレートを有する理由は、この種のヘテロ接合デバイスにおけるショットキー接点が高電界では非常に漏洩し易いからである。大きなフィールドプレート７７Ａは、漏洩が生じない絶縁体上に位置するショットキー金属の縁部に電界を移動する。したがって、ショットキー接点は高電界から遮蔽され得る。
【００６８】
ここで図９Ａ〜９Ｅを参照すると、本発明によるデバイス９０の製造技法が例示されている。図９Ａでは、幾つかの層を基板９２上に形成した後のデバイス９０が示されている。基板９２は、サファイア、シリコン、炭化珪素、または同様物のような絶縁体または高抵抗性材料から構成され得る。ＧａＮ層９４のような抵抗性のＩＩＩ族窒化物層が基板９２の上に重なり、その間に緩衝層９３が介在する。緩衝層９３は、基板９２と層９４との間の格子不整合によって誘発されたひずみの軽減を助けるために設けられる。層９４は、デバイス９０でＡｌＧａＮ層として例示した別のＩＩＩ族窒化物層９５によって覆われている。層９４は、層９５よりも大きな面内格子定数を有し、層９４、９５の境界面に２ＤＥＧ９７を形成させる。
【００６９】
図９Ｂを参照すると、電極窓（ｃｏｎｔａｃｔ ｗｉｎｄｏｗ）９８が、層９５上にオーム接点を形成するために絶縁層９６の中に空けられる。図９Ｃは、２ＤＥＧ９７によって形成されたチャネルの中を運搬される電流のための通路を設けるために、ＡｌＧａＮ層９４に対する接続となるオーム接点９９の堆積を例示する。
【００７０】
ここで図９Ｄを参照すると、ショットキー電極窓１０１が、ＡｌＧａＮ層９５を露出するために絶縁層９６の中に空けられる。図９Ｅを参照すると、ショットキー接点１０３が、ＡｌＧａＮ層９６の上方にかつ電極窓１０１を貫通してそれに接触して堆積される。ショットキー接点１０３は、２ＤＥＧ９７によって形成されたチャネルから供給される電流を運搬することもできる。
【００７１】
以上に説明した整流器として作用するデバイス９０を作製する際に、絶縁層９６が、アニール時のＡｌＧａＮ層９５の分解を制限するために最初に層９５上に堆積される。オーム金属接点９９が、図９Ｃで絶縁層９６を貫通して堆積され、オーム接点９９の形成を完了するためにアニール処理が行われる。アニール処理中に、絶縁層９６はＡｌＧａＮ層９４の実質的な分解を防止する。デバイス９０を形成する層はどれもドープされる必要がないし、またはドープ半導体材料の形成で使用される典型的な処理に掛けられる必要もないことに留意されたい。ドープ電流運搬層か存在しないこと、および高導電性２ＤＥＧ９７を使用することによって、所与の破壊電圧に関するＲＡ積が大幅に向上する。抵抗性ＧａＮ層９４も、ＡｌＧａＮ層９４をエッチングすることによってデバイス９０を絶縁可能にする。このようにデバイス９７を絶縁する容易さは、完全な電力システムが集積回路の製造において実現され得るように、数多くのデバイスを単一のチップ上に集積することを可能にする。
【００７２】
ショットキー電極窓１０１は、例えば、本明細書で論じた幾つかの実施形態のデバイスにしたがって傾斜側面が形成可能であることに留意されたい。
【００７３】
オーム接点、ショットキー接点、絶縁層、および金属化接点の構築が、知られた技法にしたがって実施可能である。さらには、パシベーション層および被着が本明細書で説明したデバイスに適用可能であるばかりでなく、デバイスを仕上げるために接点を電流運搬電極およびゲートに形成する技法も適用可能である。
【００７４】
デバイス３１、４１、５６、６０、および７０を構築するために使用されたＩＩＩ族窒化物材料は、従来の材料よりも遙かに適切な遮断特性を典型的に発揮し、デバイスは、動作パラメータ値を維持しながら、従来の材料によって可能であるよりも小さいサイズで構築可能になっている。デバイス３１、４１、５６、６０、および７０は、匹敵する機能を実行するのに従来のデバイスよりも小さいサイズで実現可能であるので、電力効率の向上を達成するために、オン抵抗の減少を実現することができる。
【００７５】
さらには、本明細書で説明した電極は、説明したデバイスの動作特性をさらに向上させる低い抵抗性のオーム接点形成プロセス（ｏｈｍｉｃ ｃｏｎｔａｃｔ ｐｒｏｃｅｓｓ）によって形成可能である。
【００７６】
ここで図１０を参照すると、図７に示したデバイスのショットキー部分７７Ｂが、Ｐ型ＧａＮ本体１０３によって置換え可能である。Ｐ型ＧａＮ本体１０３は、開口１０１の内部に含まれ得るか、またはそれが、例えば、再成長によって創出される場合には絶縁層の上方に張り出し得る。
【００７７】
本発明をその特定の実施形態に関連して説明してきたが、他に数多くの変型および変更ならびに他の用途が当業者には明らかにとなろう。したがって、本発明は本明細書における特定の開示ではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１Ａ】ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合デバイスにおけるＡｌＧａＮ厚と２ＤＥＧ密度との間の関係を示すグラフである。
【図１Ｂ】本発明によるデバイスにおける電流ピンチング効果を例示するグラフである。
【図２Ａ】本発明にしたがって一部が形成されたＩＩＩ族窒化物電流制御デバイスを示す断面図である。
【図２Ｂ】図２Ａのデバイス中のエッチング接点領域を例示する図である。
【図２Ｃ】図２Ｂに示した凹部を形成する方法を例示する図である。
【図３Ａ】第１の実施形態によるデバイスを例示する図である。
【図３Ｂ】例えば、図３Ａに示した本発明によるデバイスの別の変形の一部を示す図である。
【図３Ｃ】例えば、図３Ａに示した本発明によるデバイスの別の変形の一部を示す図である。
【図３Ｄ】例えば、図３Ａに示した本発明によるデバイスの別の変形の一部を示す図である。
【図４】本発明の別の実施形態によるデバイスを示す図である。
【図５】本発明の１つの実施形態にしたがって形成された、ショットキー接点を有するピンチ抵抗を示す断面図である。
【図６】本発明の１つの実施形態にしたがって形成された、絶縁接点を有するピンチ抵抗を示す図である。
【図７】本発明の別の実施形態にしたがって形成された整流器を示す断面図である。
【図８】図７の整流器を示す平面図であり、櫛形電極を例示する。
【図９Ａ】図７のデバイスを作製する際の作業を例示する図である。
【図９Ｂ】図７のデバイスを作製する際の作業を例示する図である。
【図９Ｃ】図７のデバイスを作製する際の作業を例示する図である。
【図９Ｄ】図７のデバイスを作製する際の作業を例示する図である。
【図９Ｅ】図７のデバイスを作製する際の作業を例示する図である。
【図１０】図７によるデバイスの別の変形を示す図である。
【図１１】本発明によるデバイスの１つの変形を示す上面図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる面内格子定数または異なるバンドギャップを有する２つのＩＩＩ族窒化物材料間の境界面に形成された導電チャネルと、
チャネル電流を運搬するために前記チャネルに結合された第１の電極と、
前記導電チャネル中の電流の導通を制御するために、前記チャネルに結合されて前記導電チャネルに影響を与えるように動作可能な第２の電極と、を備え、
前記第１の電極はオーム接点を含むことを特徴とする電流制御ＩＩＩ族窒化物デバイス。
【請求項２】
前記第１の電極は、整流接点であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記第１の電極は、ｐ型半導体から成ることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記第１の電極は、ｎ型半導体から成ることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記ＩＩＩ族窒化物層は、ＧａＮおよびＡｌＧａＮからそれぞれ成り、前記電極は前記ＡｌＧａＮ層の上に形成されることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記第２の電極はショットキー接点をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記第２の電極は、ｐ型半導体をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記第２の電極と前記一方のＩＩＩ族窒化物層との間に絶縁層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記第２の電極と前記ＡｌＧａＮ層との間に絶縁層をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記第２の電極は、導電性材料を含むことを特徴とする請求項８に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記第２の電極は、導電性材料であることを特徴とする請求項９に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記第２の電極は、半導体材料を含むことを特徴とする請求項８に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記第２の電極は、半導体材料であることを特徴とする請求項９に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記導電チャネルは２次元電子ガスによって形成されることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記第２の電極の一部の下で前記ＩＩＩ族窒化物層の一方の中に形成された凹部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記凹部は、前記第２の電極の下で電荷キャリアの排除をもたらすことを特徴とする請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記凹部は、前記第２の電極の下で電荷密度の低減をもたらしてピンチ電流の低減をもたらすことを特徴とする請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記凹部は、傾斜側面を有することを特徴とする請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記第１の電極は、前記ＡｌＧａＮ層の上に形成されることを特徴とする請求項５に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記第２の電極は、チャネル電流を運搬するために前記チャネルに結合されたオーム接点をさらに含み、電流は前記チャネルを介して前記２つの電極間を流れ得ることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記第１の電極は、前記チャネル中の電流の導通を制御するために、前記チャネルに結合されて前記導電チャネルに影響を与えるように動作可能であるショットキー接点をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記第１の電極は、前記チャネル中の電流の導通を制御するために、前記チャネルに結合されて前記導電チャネルに影響を与えるように動作可能であるショットキー接点をさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２３】
それぞれのショットキー接点は、それぞれの電極における対応するオーム接点から離間されかつそれに結合されることを特徴とする請求項２２に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記ショットキー接点とそれぞれの電極における前記オーム接点との間の前記間隔は実質的に一定であることを特徴とする請求項２３に記載のデバイス。
【請求項２５】
絶縁性基板と、
前記基板上の抵抗性ＩｎＡｌＧａＮ積層と、
前記第１のＩｎＡｌＧａＮ積層上の第２のＩｎＡｌＧａＮ層と、
前記第１のＩｎＡｌＧａＮ層と前記第２のＩｎＡｌＧａＮ層との間の境界面に形成された導電チャネルを中断するために、前記第２のＩｎＡｌＧａＮ層の中に形成された凹部と、
前記チャネル中の電流の導通を制御するために、前記導電チャネルに影響を与えるように前記凹部の中に形成されたショットキー接点と、
を備えることを特徴とする選択的に電流の流れを許容する半導体デバイス。
【請求項２６】
基板を設けるステップと、
第１の面内格子定数を有するＩＩＩ族窒化物層を前記基板の上に形成するステップと、
前記第１のＩＩＩ族窒化物層の上に、前記第１の面内格子定数よりも小さい第２の面内格子定数を有する第２のＩＩＩ族窒化物層を形成するステップと、
前記第２のＩＩＩ族窒化物層の中に凹部を形成するステップと、
名目上オフのデバイスを得るために導電チャネルがショットキー接点の下で中断されるように、前記凹部の中に前記ショットキー接点を形成するステップと、
を備えることを特徴とするＩＩＩ族窒化物選択的電流運搬デバイスを製造する方法。
【請求項２７】
前記ショットキーがオーム接点と前記導電チャネルとの間の電流の流れを制御するように、前記第２のＩＩＩ族窒化物層上にあって前記導電チャネルに結合された前記オーム接点を形成するステップをさらに備えることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
凹部の場所を画成するために前記第２のＩＩＩ族窒化物層の上にマスクを形成するステップをさらに備え、前記マスクは凹部を画成すべき傾斜側面を有することを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
傾斜側面を有する前記凹部を形成するステップをさらに備えることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
オーム接点に接続された前記ショットキー接点を形成するステップをさらに備えることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３１】
前記ショットキーを形成する前に、前記凹部の中に絶縁層を形成するステップをさらに備えることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項１】
異なる面内格子定数または異なるバンドギャップを有する２つのＩＩＩ族窒化物材料間の境界面に形成された導電チャネルと、
チャネル電流を運搬するために前記チャネルに結合された第１の電極と、
前記導電チャネル中の電流の導通を制御するために、前記チャネルに結合されて前記導電チャネルに影響を与えるように動作可能な第２の電極と、を備え、
前記第１の電極はオーム接点を含むことを特徴とする電流制御ＩＩＩ族窒化物デバイス。
【請求項２】
前記第１の電極は、整流接点であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記第１の電極は、ｐ型半導体から成ることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記第１の電極は、ｎ型半導体から成ることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記ＩＩＩ族窒化物層は、ＧａＮおよびＡｌＧａＮからそれぞれ成り、前記電極は前記ＡｌＧａＮ層の上に形成されることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記第２の電極はショットキー接点をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記第２の電極は、ｐ型半導体をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記第２の電極と前記一方のＩＩＩ族窒化物層との間に絶縁層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記第２の電極と前記ＡｌＧａＮ層との間に絶縁層をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記第２の電極は、導電性材料を含むことを特徴とする請求項８に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記第２の電極は、導電性材料であることを特徴とする請求項９に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記第２の電極は、半導体材料を含むことを特徴とする請求項８に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記第２の電極は、半導体材料であることを特徴とする請求項９に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記導電チャネルは２次元電子ガスによって形成されることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記第２の電極の一部の下で前記ＩＩＩ族窒化物層の一方の中に形成された凹部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記凹部は、前記第２の電極の下で電荷キャリアの排除をもたらすことを特徴とする請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記凹部は、前記第２の電極の下で電荷密度の低減をもたらしてピンチ電流の低減をもたらすことを特徴とする請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記凹部は、傾斜側面を有することを特徴とする請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記第１の電極は、前記ＡｌＧａＮ層の上に形成されることを特徴とする請求項５に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記第２の電極は、チャネル電流を運搬するために前記チャネルに結合されたオーム接点をさらに含み、電流は前記チャネルを介して前記２つの電極間を流れ得ることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記第１の電極は、前記チャネル中の電流の導通を制御するために、前記チャネルに結合されて前記導電チャネルに影響を与えるように動作可能であるショットキー接点をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記第１の電極は、前記チャネル中の電流の導通を制御するために、前記チャネルに結合されて前記導電チャネルに影響を与えるように動作可能であるショットキー接点をさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２３】
それぞれのショットキー接点は、それぞれの電極における対応するオーム接点から離間されかつそれに結合されることを特徴とする請求項２２に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記ショットキー接点とそれぞれの電極における前記オーム接点との間の前記間隔は実質的に一定であることを特徴とする請求項２３に記載のデバイス。
【請求項２５】
絶縁性基板と、
前記基板上の抵抗性ＩｎＡｌＧａＮ積層と、
前記第１のＩｎＡｌＧａＮ積層上の第２のＩｎＡｌＧａＮ層と、
前記第１のＩｎＡｌＧａＮ層と前記第２のＩｎＡｌＧａＮ層との間の境界面に形成された導電チャネルを中断するために、前記第２のＩｎＡｌＧａＮ層の中に形成された凹部と、
前記チャネル中の電流の導通を制御するために、前記導電チャネルに影響を与えるように前記凹部の中に形成されたショットキー接点と、
を備えることを特徴とする選択的に電流の流れを許容する半導体デバイス。
【請求項２６】
基板を設けるステップと、
第１の面内格子定数を有するＩＩＩ族窒化物層を前記基板の上に形成するステップと、
前記第１のＩＩＩ族窒化物層の上に、前記第１の面内格子定数よりも小さい第２の面内格子定数を有する第２のＩＩＩ族窒化物層を形成するステップと、
前記第２のＩＩＩ族窒化物層の中に凹部を形成するステップと、
名目上オフのデバイスを得るために導電チャネルがショットキー接点の下で中断されるように、前記凹部の中に前記ショットキー接点を形成するステップと、
を備えることを特徴とするＩＩＩ族窒化物選択的電流運搬デバイスを製造する方法。
【請求項２７】
前記ショットキーがオーム接点と前記導電チャネルとの間の電流の流れを制御するように、前記第２のＩＩＩ族窒化物層上にあって前記導電チャネルに結合された前記オーム接点を形成するステップをさらに備えることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
凹部の場所を画成するために前記第２のＩＩＩ族窒化物層の上にマスクを形成するステップをさらに備え、前記マスクは凹部を画成すべき傾斜側面を有することを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
傾斜側面を有する前記凹部を形成するステップをさらに備えることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
オーム接点に接続された前記ショットキー接点を形成するステップをさらに備えることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３１】
前記ショットキーを形成する前に、前記凹部の中に絶縁層を形成するステップをさらに備えることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図９Ｅ】
【図１０】
【図１１】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図９Ｅ】
【図１０】
【図１１】
【公表番号】特表２００７−５２０８８４（Ｐ２００７−５２０８８４Ａ）
【公表日】平成１９年７月２６日（２００７．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５５１３８８（Ｐ２００６−５５１３８８）
【出願日】平成１７年１月２４日（２００５．１．２４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／００２２６５
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０７０００７
【国際公開日】平成１７年８月４日（２００５．８．４）
【出願人】（５９１０７４３８９）インターナショナル・レクチファイヤー・コーポレーション (24)
【氏名又は名称原語表記】ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＲＥＣＴＩＦＩＥＲ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年７月２６日（２００７．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月２４日（２００５．１．２４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／００２２６５
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０７０００７
【国際公開日】平成１７年８月４日（２００５．８．４）
【出願人】（５９１０７４３８９）インターナショナル・レクチファイヤー・コーポレーション (24)
【氏名又は名称原語表記】ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＲＥＣＴＩＦＩＥＲ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
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