DE102015110886A1 - Mit einem Nitrid-Halbleitersubstrat ausgebildete Schottky-Diode - Google Patents

Mit einem Nitrid-Halbleitersubstrat ausgebildete Schottky-Diode Download PDF

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Abstract

Eine SBD wird durch Ausbilden einer Anodenelektrode, die dafür ausgelegt ist, einen Schottky-Kontakt herzustellen, und einer Kathodenelektrode, die dafür ausgelegt ist, einen ohmschen Kontakt herzustellen, auf der Vorderfläche eines Substrats, in dem eine erste Nitrid-Halbleiterschicht und eine zweite Stromquelle geschichtet sind, erhalten. Die Anodenelektrode wird so hergestellt, dass sie eine Mischung aufweist aus einem Abschnitt, der in direktem Kontakt mit der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht steht, und einem Abschnitt, der über eine vierte Nitrid-Halbleiterschicht und eine dritte Nitrid-Halbleiterschicht mit der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht in Kontakt steht. Die Verwendung eines p-dotierten Nitrid-Halbleiters als vierte Schicht macht es möglich, den Leckstrom zu unterdrücken. Die Verwendung eines Nitrid-Halbleiters, der eine breitere Bandlücke aufweist als die zweite Nitrid-Halbleiterschicht als dritte Schicht, macht es möglich, den niedrigsten Wert der Vorwärtsspannung, bei der ein Vorwärtsstrom fließt, niedrig zu halten.

Description

  • VERWEISUNG AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2014-141916 , eingereicht am 10. Juli 2014, deren Inhalt durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
  • GEBIET DER TECHNIK
  • Die vorliegende Beschreibung offenbart eine Technik zur Verbesserung der Eigenschaften einer (hierin als ”SBD” bezeichneten) Schottky-Diode, die unter Verwendung eines Substrats aus übereinander gelegten Nitrid-Halbleiterschichten gebildet wird.
  • BESCHREIBUNG DER VERWANDTEN TECHNIK
  • Eine Technik, mit der eine SBD durch Ausbilden einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode auf einer vorderen Oberfläche eines Nitrid-Halbleitersubstrats erhalten wird, ist bekannt. Es wurde auch eine Technik vorgeschlagen, um die Eigenschaften einer solchen SBD zu verbessern.
  • Es wurde eine Struktur offenbart, bei der ein Vorwärtsspannungsabfall einer Diode unter Verwendung eines Heteroübergangs zwischen Nitrid-Halbleiterschichten verringert ist (siehe IEEE, ELECTR ON DEVICE LETTERS, Bd. 34, Nr. 8, AUGUST 2013). Wenn eine Nitrid-Halbleiterschicht 6 mit schmaler Bandlücke und eine Nitrid-Halbleiterschicht 8 mit breiter Bandlücke übereinander gelegt werden, um eine Heteroübergangsgrenzfläche zu bilden, breitet sich ein zweidimensionales Elektronengas entlang der Heteroübergangsgrenzfläche aus, wie in 4 dargestellt ist. Wenn eine Elektrode 20 aus einem Material gebildet wird, das einen ohmschen Kontakt mit der Nitrid-Halbleiterschicht 8 herstellt, und eine Elektrode 22 aus einem Material gebildet wird, das einen Schottky-Kontakt mit der Nitrid-Halbleiterschicht 8 herstellt, dient die Elektrode 20 als Kathodenelektrode und die Elektrode 22 dient als Anodenelektrode, so dass eine SBD erhalten wird. Da diese SDB ein zweidimensionales Elektronengas nutzt, das im Nitrid-Halbleiter 6 gebildet wird und eine hohe Elektronenbeweglichkeit aufweist, bleibt der Vorwärtsspannungsabfall dieser SBD gering. Man beachte, dass die Bezugszahl 2 ein Substrat bezeichnet, dass die Bezugszahl 4 eine Pufferschicht bezeichnet und dass die Bezugszahl 28 einen Passivierungsfilm bezeichnet.
  • Bei einer SBD kann es leicht passieren, dass ein Leckstrom (Rückwärtsstrom) durch die SBD fließt und dass eine Durchschlagspannung der SBD zu niedrig wird. Es wurde eine Technik vorgeschlagen, bei der unter Verwendung einer p-dotierten Nitrid-Halbleiterregion ein Leckstrom unterdrückt und eine höhere Durchschlagspannung erreicht wird (siehe: Maikuroha Denryoku Seiryûyô GaN Shottokî Daiôdo no Kôtaiatsuka no Kenkyu [Forschung zum Thema höhere Durchschlagspannung einer GaN-Schottky-Diode für die Gleichrichtung von Mikrowellen], Sawada, G., March 2009, Masterarbeit an der Universität von Tokushima). Bei dieser Technik wird, wie in 5 dargestellt ist, eine n–-dotierte GaN-Schicht 8a auf einer n+-dotierten GaN-Schicht 6a ausgebildet, und eine Anodenelektrode 22 aus einem Material, das mit der n–-dotierten GaN-Schicht 8a einen Schottky-Kontakt herstellt, wird auf der n–-dotierten GaN-Schicht 8a ausgebildet. In dem Aufbau von 5 weisen die n–-dotierte GaN-Schicht 8a und die n+-dotierte GaN-Schicht 6a gleiche Bandlücken auf, und der Vorwärtsspannungsabfall wird nicht durch die Erzeugung eines zweidimensionalen Elektronengases entlang der Heteroübergangsgrenzschicht niedrig gehalten. Bei dieser Technik wird eine p-dotierte GaN-Region 32 in einem Teil des Bereichs vorgesehen, wo die Anodenelektrode 22 ausgebildet wird. Dadurch, dass abschnittsweise eine p-dotierte GaN-Region 32 vorgesehen wird, kann sich eine Verarmungsschicht von der p-dotierten GaN-Region 32 in die n–-dotierte GaN-Schicht 8a hinein erstrecken, wenn eine Rückwärtsspannung an die SBD angelegt wird, und der Leckstrom wird durch die Verarmungsschicht unterdrückt, die Konzentration der elektrischen Felder wird verringert und eine höhere Durchschlagspannung wird erreicht. Man beachte, dass die Bezugszahl 2 ein Substrat bezeichnet, die Bezugszahl 4 eine Pufferschicht bezeichnet, die Bezugszahl 20 eine Kathodenelektrode bezeichnet und die Bezugszahl 30 einen SiO2-Film bezeichnet. In der Draufsicht auf die SBD von 5 weist die Anodenelektrode 22 eine Kreisform auf, die p-dotierte GaN-Region 32 weist eine Ringform auf, die sich entlang eines Außenumfangs der Anodenelektrode 22 erstreckt, und die Kathodenelektrode 20 umgibt die Anodenelektrode 22.
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Durch eine Kombination der in 4 dargestellten Technik, wo ein Heteroübergang verwendet wird, mit der in 5 dargestellten Technik, wo eine p-dotierte Nitrid-Halbleiterregion verwendet wird, wird eine SBD erhalten, die einen geringen Vorwärtsspannungsabfall aufweist, bei der ein Leckstrom unterdrückt ist und die eine hohe Durchschlagspannung aufweist. Allerdings bleibt bei dieser Technik das Problem, dass der niedrigste Wert der Vorwärtsspannung, bei dem ein Vorwärtsstrom fließt, hoch ist. Die vorliegende Schrift offenbart eine Technik zur Senkung einer Vorwärtsspannung, bei der ein Vorwärtsstrom zu fließen beginnt.
  • In einer hierin offenbarten SBD sind eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode auf einer Vorderfläche eines Nitrid-Halbleitersubstrats ausgebildet.
  • Das Nitrid-Halbleitersubstrat weist eine geschichtete bzw. laminierte Struktur auf, bei der eine erste Nitrid-Halbleiterschicht, eine zweite Nitrid-Halbleiterschicht, eine dritte Nitrid-Halbleiterschicht und eine vierte Nitrid-Halbleiterschicht, in dieser Reihenfolge, von einer Rückseite des Nitrid-Halbleitersubstrats zu einer Vorderseite des Nitrid-Halbleitersubstrats geschichtet sind. Die erste Nitrid-Halbleiterschicht kann dadurch erhalten werden, dass man eine Pufferschicht auf einem Substrat wachsen lässt und die erste Nitrid-Halbleiterschicht auf der Pufferschicht wachsen lässt. In diesem Fall weist das Nitrid-Halbleitersubstrat eine geschichtete Struktur auf, bei der das Substrat, die Pufferschicht, die erste Nitrid-Halbleiterschicht, die zweite Nitrid-Halbleiterschicht, die dritte Nitrid-Halbleiterschicht und die vierte Nitrid-Halbleiterschicht, in dieser Reihenfolge, von einer Rückseite des Nitrid-Halbleitersubstrats zur Vorderseite des Nitrid-Halbleitersubstrats geschichtet sind.
  • In der Draufsicht betrachtet weist das Nitrid-Halbleitersubstrat einige Regionen auf, von denen die dritte Nitrid-Halbleiterschicht und die vierte Nitrid-Halbleiterschicht entfernt worden sind. In den Regionen, aus denen die dritte Nitrid-Halbleiterschicht und die vierte Nitrid-Halbleiterschicht entfernt worden sind, liegt die zweite Nitrid-Halbleiterschicht an der Vorderseite des Nitrid-Halbleitersubstrats frei.
  • Die Anodenelektrode ist in einem Bereich ausgebildet, der sich über eine Region, wo es keine vierte Nitrid-Halbleiterschicht gibt, und über eine Region erstreckt, wo die vierte Nitrid-Halbleiterschicht vorhanden ist. Aus diesem Grund ist in einer Querschnittsansicht des Bereichs, wo die Anode ausgebildet ist, eine Mischung vorhanden zwischen einer Region, die eine geschichtete Struktur aus der ersten Nitrid-Halbleiterschicht, der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht, der dritten Nitrid-Halbleiterschicht, der vierten Nitrid-Halbleiterschicht und der Anodenelektrode aufweist, und einer Region, die eine geschichtete Struktur aus der ersten Nitrid-Halbleiterschicht, der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht und der Anodenelektrode aufweist.
  • Wie oben beschrieben, weist die erste Nitrid-Halbleiterschicht eine schmälere Bandlücke auf als die zweite Nitrid-Halbleiterschicht, und die zweite Nitrid-Halbleiterschicht weist eine schmälere Bandlücke auf als die dritte Nitrid-Halbleiterschicht. Ferner ist ein Leitfähigkeitstyp sowohl der ersten Nitrid-Halbleiterschicht als auch der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht und der dritten Nitrid-Halbleiterschicht kein p-Typ, und ein Leitfähigekeitstyp der vierten Nitrid-Halbleiterschicht ist ein p-Typ.
  • In der oben beschriebenen SBD sind die erste Nitrid-Halbleiterschicht und die zweite Nitrid-Halbleiterschicht, die eine solche Beziehung haben, dass die erste Nitrid-Halbleiterschicht eine schmälere Bandlücke aufweist als die zweite Nitrid-Halbleiterschicht, übereinander geschichtet, und daher wird ein zweidimensionales Elektronengas an einer Grenze zwischen der ersten Nitrid-Halbleiterschicht und der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht entlang der Übergangsgrenzschicht gebildet, so dass der Vorwärtsspannungsabfall der Diode niedrig gehalten werden kann.
  • Ferner erstreckt sich eine Verarmungsschicht von der vierten, p-dotierten Nitrid-Haibleiterregion in die erste Nitrid-Halbleiterschicht hinein, um den Leckstrom zu unterdrücken, so dass die Konzentration der elektrischen Felder verringert ist und eine höhere Durchschlagspannung erreicht wird.
  • Ferner ist in der oben beschriebenen SBD die Bandlücke der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht schmäler als die Bandlücke der dritten Nitrid-Halbleiterschicht, und daher nimmt die Dichte der Elektronen in einem zweidimensionalen Elektronengas, das in der ersten Nitrid-Halbleiterschicht gebildet wird, in dem Bereich zu, wo die dritte Nitrid-Halbleiterschicht ausgebildet ist. Das Vorhandensein der dritten Nitrid-Halbleiterschicht zwischen der vierten, p-dotierten Nitrid-Halbleiterregion und der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht verkürzt die Strecke, über die sich die Verarmungsschicht von der vierten Nitrid-Halbleiterschicht in die erste Nitrid-Halbleiterschicht erstreckt, wodurch es möglich ist, die Vorwärtsspannung zu verringern, bei der ein Vorwärtsstrom zu fließen beginnt.
  • Vorzugsweise ist eine Dicke der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht in einer Region, wo die zweite Nitrid-Halbleiterschicht in direktem Kontakt mit der Anodenelektrode steht, kleiner als eine Dicke der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht in einer Region, wo die zweite Nitrid-Halbleiterschicht nicht in direktem Kontakt mit der Anodenelektrode steht.
  • Durch Verringern der Dicke der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht in der Region, wo die zweite Nitrid-Halbleiterschicht in direktem Kontakt mit der Anodenelektrode steht, kann die Vorwärtsspannung, bei der ein Vorwärtsstrom zu fließen beginnt, weiter verringert werden.
  • Obwohl die dritte Nitrid-Halbleiterschicht in der Region, wo die zweite Nitrid-Halbleiterschicht in direktem Kontakt mit der Anodenelektrode steht, nicht vorhanden sein darf, kann sich die dritte Nitrid-Halbleiterschicht bis außerhalb des Bereichs erstrecken, wo die Anodenelektrode ausgebildet ist. In dem Bereich, in dem sich die dritte Nitrid-Halbleiterschicht erstreckt, wird das zweidimensionale Elektronengas dichter, so dass der Vorwärtsspannungsabfall geringer wird.
  • Vorzugsweise ist eine Vorderfläche der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht in einer Region, wo die zweite Nitrid-Halbleiterschicht mit der Anodenelektrode in Kontakt steht, mit einem AlO-Film bedeckt.
  • In der oben beschriebenen SBD wird die Vorderfläche der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht durch Ätzen der dritten Nitrid-Halbleiterschicht und der vierten Nitrid-Halbleiterschicht freigelegt, und die Anodenelektrode wird auf der freigelegten Oberfläche ausgebildet. In diesem Fall kann die freigelegte Vorderfläche der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht beschädigt werden, so dass die Anodenelektrode keinen Schottky-Kontakt mit der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht herstellen kann. Durch Ätzen der dritten Nitrid-Halbleiterschicht und der vierten Nitrid-Halbleiterschicht, um die Vorderfläche der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht freizulegen, unter solchen Bedingungen, dass die Vorderfläche der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht mit dem AlO-Film bedeckt ist, werden die Anodenelektrode und die zweite Nitrid-Halbleiterschicht infolgedessen in einen stabilen gegenseitigen Schottky-Kontakt gebracht.
  • Durch die hierin offenbarte Technik ist es möglich, unter Verwendung von Nitrid-Halbleitern, die Si überlegen sind, eine SBD zu erhalten, die einen geringen Vorwärtsspannungsabfall aufweist, die eine hohe Durchschlagspannung aufweist und bei der vor allem die Vorwärtsspannung, bei der ein Vorwärtsstrom zu fließen beginnt, niedrig ist. Die so erhaltene SBD weist einen geringen Verlust auf.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung einer ersten Ausführungsform.
  • 2 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung einer zweiten Ausführungsform.
  • 3 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung einer dritten Ausführungsform.
  • 4 ist eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung; und
  • 5 ist eine Querschnittsansicht einer anderen herkömmlichen Halbleitervorrichtung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Im Folgenden werden die Merkmale der hierin offenbarten Technik aufgelistet. Man beachte, dass jeder der hierin beschriebenen Gegenstände für sich in der Technik nützlich ist.
  • (Erstes Merkmal) Eine SBD und ein HEMT (Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit) ist auf einem Nitrid-Halbleitersubstrat ausgebildet.
  • (Zweites Merkmal) Ein Substrat, eine Pufferschicht, eine erste Nitrid-Halbleiterschicht, eine zweite Nitrid-Halbleiterschicht, eine dritte Nitrid-Halbleiterschicht und eine vierte Nitrid-Halbleiterschicht sind übereinander gelegt, um das Nitrid-Halbleitersubstrat zu bilden.
  • (Drittes Merkmal) Im HEMT dient die erste Nitrid-Halbleiterschicht als Elektronenübergangsschicht und die zweite Nitrid-Halbleiterschicht dient als Elektronenlieferschicht. Die dritte Nitrid-Halbleiterschicht und die vierte Nitrid-Halbleiterschicht sind zwischen der Elektronenlieferschicht und einer Gate-Elektrode angeordnet, so dass der HEMT aus ist.
  • (Erste Ausführungsform)
  • In einer Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform sind, wie in 1 dargestellt, ein HEMT und eine SBD in ein und demselben Nitrid-Halbleitersubstrat 26 ausgebildet. Der HEMT ist in einem Bereich A ausgebildet und die SBD ist in einem Bereich B ausgebildet.
  • Das Nitrid-Halbleitersubstrat 26 der vorliegenden Ausführungsform weist eine geschichtete Struktur auf aus: einem Substrat 2; einer Pufferschicht 4, die durch Kristallwachstum auf einer Vorderfläche des Substrats 2 ausgebildet wird; einer ersten Nitrid-Halbleiterschicht 6, die durch Kristallwachstum auf einer Vorderfläche der Pufferschicht 4 ausgebildet wird; einer zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8, die durch Kristallwachstum auf einer Vorderfläche der ersten Nitrid-Halbleiterschicht 6 ausgebildet wird, einer dritten Nitrid-Halbleiterschicht 10, die durch Kristallwachstum auf einer Vorderfläche der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8 ausgebildet wird; und einer vierten Nitrid-Halbleiterschicht 12, die durch Kristallwachstum auf einer Vorderfläche der dritten Nitrid-Halbleiterschicht 10 ausgebildet wird.
  • In der Draufsicht betrachtet weist das Nitrid-Halbleitersubstrat 26 einige Regionen auf, von denen die dritte Nitrid-Halbleiterschicht 10 und die vierte Nitrid-Halbleiterschicht 12 entfernt worden sind. 1 zeigt dritte Nitrid-Halbleiterregionen 10a und 10b und vierte Nitrid-Halbleiterregionen 12a und 12b, die nach dem Entfernen zurückbleiben. Man beachte, dass die dritte Nitrid-Halbleiterregion 10b und die vierte Nitrid-Halbleiterregion 12b eine Ringform aufweisen, wenn man das Nitrid-Halbleitersubstrat 26 in Draufsicht betrachtet.
  • Die erste Nitrid-Halbleiterschicht 6 ist eine Schicht, die dafür ausgelegt ist, als Elektronenübergangsschicht des HEMT zu dienen. Die erste Nitrid-Halbleiterschicht 6 ist aus einem Kristall eines Nitrid-Halbleiters gebildet. Die zweite Nitrid-Halbleiterschicht 8 ist eine Schicht, die dafür ausgelegt ist, als Elektronenlieferschicht des HEMT zu dienen. Die zweite Nitrid-Halbleiterschicht 8 ist aus einem Kristall eines Nitrid-Halbleiters gebildet. Die erste Nitrid-Halbleiterschicht 6 weist eine schmälere Bandlücke auf als die zweite Nitrid-Halbleiterschicht 8. Ein zweidimensionales Elektronengas ist in einer Region der ersten Nitrid-Halbleiterschicht 6 vorhanden, die sich entlang der Heteroübergangsgrenzschicht erstreckt.
  • Die dritte Nitrid-Halbleiterschicht 10 weist eine breitere Bandlücke auf als die zweite Nitrid-Halbleiterschicht 8. Die dritte Nitrid-Halbleiterschicht 10 wirkt mit der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8 zusammen, um ein zweidimensionales Elektronengas in einer Region hervorzurufen, die sich entlang der Heteroübergangsgrenzschicht erstreckt. An Stellen, wo die dritten Nitrid-Halbleiterregionen 10a und 10b einander zugewandt sind, nimmt die Dichte des zweidimensionalen Elektronengases an der Heteroübergangsgrenzschicht zu.
  • Die vierte Nitrid-Halbleiterschicht 12 ist aus einem Kristall eines p-dotierten Nitrid-Halbleiters gebildet. Wie weiter unten beschrieben wird, stellt die vierte Nitrid-Halbleiterregion 12a, die zwischen einer Gate-Elektrode 16 und der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8 angeordnet ist, den HEMT so ein, dass dieser normalerweise aus ist. Wie weiter unten beschrieben wird, verbessert die vierte Nitrid-Halbleiterregion 12b, die nicht über eine Region hinaus geht, wo eine Anodenelektrode 22 und die zweite Nitrid-Halbleiterschicht 8 in gegenseitigem Schottky-Kontakt stehen, die Eigenschaften der SBD.
  • Ein Ziel des Nitrid-Halbleitersubstrats 26 ist die Schaffung einer geschichteten Struktur aus der ersten Nitrid-Halbleiterschicht 6, der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8, der dritten Nitrid-Halbleiterschicht 10 und der vierten Nitrid-Halbleiterschicht 12. Die Pufferschicht 4 muss lediglich eine Schicht sein, die dafür ausgelegt ist, als Basis zu dienen, auf der die erste Nitrid-Halbleiterschicht 6 durch Kristallwachstum auf der Vorderfläche der Pufferschicht 4 ausgebildet wird. Die Pufferschicht 4 muss nicht unbedingt eine Nitrid-Halbleiterschicht sein. Das Substrat 2 muss lediglich eine Schicht sein, die dafür ausgelegt ist, als Basis zu dienen, auf der die Pufferschicht 4 durch Kristallwachstum auf der Vorderfläche des Substrats 2 ausgebildet wird. Das Substrat 2 muss nicht unbedingt ein Nitrid-Halbleitersubstrat sein. In einem Fall, wo ein Nitrid-Halbleitersubstrat als Substrat 2 verwendet wird, kann die Pufferschicht 4 weggelassen werden. Wenn die Pufferschicht 4 verwendet wird, kann ein Substrat, bei dem es sich nicht um ein Nitrid-Halbleitersubstrat handelt, beispielsweise ein Si-Substrat oder ein Saphirsubstrat, als Substrat 2 verwendet werden.
  • Die dritte Nitrid-Halbleiterschicht 10 und die vierte Nitrid-Halbleiterschicht 12 müssen nicht unbedingt Nitrid-Halbleiterschichten sein. Allerdings ist es zum Züchten von Kristallen auf der Vorderfläche der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8 praxisgerecht, Kristallschichten aus Nitrid-Halbleitern zu verwenden.
  • Wie aus den obigen Ausführungen klar wird, bezeichnet der Begriff ”Nitrid-Halbleitersubstrat”, wie hierin verwendet, eine geschichtete Struktur aus der ersten Nitrid-Halbleiterschicht 6, der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8, der dritten Nitrid-Halbleiterschicht 10 und der vierten Nitrid-Halbleiterschicht 12. Das Substrat 2 und die Pufferschicht 4 sind nicht von wesentlicher Bedeutung.
  • In der vorliegenden Ausführungsform werden ein Si-Substrat als Substrat 2, eine AlGaN-Schicht als die Pufferschicht 4, eine i-Typ-GaN-Schicht als die erste Nitrid-Halbleiterschicht 6, eine i-Typ-AlxGa1-xN-Schicht als die zweite Nitrid-Halbleiterschicht 8, eine i-Typ-InAlN-Schicht als die dritte Nitrid-Halbleiterschicht 10 und eine p-dotierte AlyGa1-yN-Schicht als die vierte Nitrid-Halbleiterschicht 12 verwendet. Die GaN-Schicht weist eine schmälere Bandlücke auf als die AlxGa1-xN-Schicht, und die AlxGa1-xN-Schicht weist eine schmälere Bandlücke auf als die InAlN-Schicht. Die InAlN-Schicht kann durch eine AlN-Schicht als dritte Nitrid-Halbleiterschicht 10 ersetzt werden. Die erste Nitrid-Halbleiterschicht 6, die zweite Nitrid-Halbleiterschicht 8 und die dritte Nitrid-Halbleiterschicht 10 sind nicht p-dotiert.
  • In der vorliegenden Ausführungsform ist eine Elementtrennfuge 24, die von der Vorderfläche der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8 zur ersten Nitrid-Halbleiterschicht 6 verläuft, so ausgebildet, dass der Bereich A, wo der HEMT ausgebildet ist, und der Bereich B, wo die SBD ausgebildet ist, elektrisch gegeneinander isoliert sind. Die Isolierung kann durch Injizieren von Fremdionen anstelle der Ausbildung einer Fuge erreicht werden.
  • Im Bereich A, wo der HEMT ausgebildet ist, werden, wie in 1 dargestellt ist, die dritte Nitrid-Halbleiterschicht 10 und die vierte Nitrid-Halbleiterschicht 12 durch Ätzen von anderen Bereichen als einem Bereich, wo die später genannte Gate-Elektrode 16 ausgebildet wird, entfernt, und die Vorderfläche der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8 wird freigelegt. Jedoch enthält die zweite Nitrid-Halbleiterschicht 8 Al, und ihre Vorderfläche wird oxidiert. Aus diesem Grund ist die Vorderfläche der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8 mit einem AlO-Film bedeckt.
  • Im Bereich A, wo der HEMT ausgebildet wird, werden eine Source-Elektrode 14 und eine Drain-Elektrode 18 auf der mit einer AlO-Schicht bedeckten Vorderfläche der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8 ausgebildet. Die Source-Elektrode 14 und die Drain-Elektrode 18 werden aus einer Metallfolie gebildet, die einen ohmschen Kontakt mit der Vorderfläche der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8 herstellt. An einer Stelle zwischen der Source-Elektrode 14 und der Drain-Elektrode 18, d. h. an einer Stelle, wo die Source-Elektrode 14 und die Drain-Elektrode 18 voneinander getrennt sind, bleiben der Abschnitt 10a der dritten Nitrid-Halbleiterschicht 10 und der Abschnitt 12a der p-dotierten vierten Nitrid-Halbleiterschicht 12 zurück, und die Gate-Elektrode 16 wird auf einer Vorderfläche des Abschnitts 12a ausgebildet.
  • Wie oben beschrieben, weist die GaN-Schicht, aus der die erste Nitrid-Halbleiterschicht 6 besteht, eine schmälere Bandlücke auf als die AlxGa1-xN-Schicht, aus der die zweite Nitrid-Halbleiterschicht 8 besteht, und ein zweidimensionales Elektronengas wird in einem Bereich entlang der Heteroübergangsgrenzschicht der ersten Nitrid-Halbleiterschicht 6 erzeugt.
  • An einer Stelle, wo sie der Heteroübergangsgrenzschicht zugewandt ist, bleibt die p-dotierte vierte Nitrid-Halbleiterregion 12a zurück. Von der p-dotierten vierten Nitrid-Halbleiterregion 12a aus erstreckt sich eine Verarmungsschicht in Richtung auf die zweite Nitrid-Halbleiterschicht 8 und die erste Nitrid-Halbleiterschicht 6. Ohne ein positives Potential, das an die Gate-Elektrode 16 angelegt wird, verarmt ein Bereich an der Heteroübergangsgrenzschicht, welcher der Gate-Elektrode 16 über die p-dotierte vierte Nitrid-Halbleiteegion 12a zugewandt ist. Infolgedessen können sich Elektronen nicht zwischen der Source-Elektrode 14 und der Drain-Elektrode 18 bewegen. Das heißt, es fließt keine Elektrizität zwischen der Source-Elektrode 14 und der Drain-Elektrode 18. Bei Vorliegen eines positiven Potentials, das an die Gate-Spannung 16 angelegt wird, verschwindet die Verarmungsschicht. Infolgedessen werden die Source-Elektrode 14 und die Drain-Elektrode 18 über das zweidimensionale Elektronengas miteinander verbunden. Das heißt, es fließt Elektrizität zwischen der Source-Elektrode 14 und der Drain-Elektrode 18. Das zeigt, dass der im Bereich A erhaltene HEMT normalerweise aus ist. Die erste Nitrid-Halbleiterschicht 6, durch die sich die Elektronen bewegen, ist i-dotiert und enthält einige wenige Verunreinigungen, welche die Bewegung von Elektronen hemmen. Der HEMT weist einen geringen Widerstand auf.
  • Im Bereich B, wo die SBD ausgebildet ist, werden die Anodenelektrode 22 und eine Kathodenelektrode 20 auf der mit dem AlO-Film bedeckten Vorderfläche der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8 ausgebildet.
  • Die Anodenelektrode 22 wird aus einer Metallfolie gebildet, die einen Schottky-Kontakt mit der Vorderfläche der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8 herstellt, und die Kathodenelektrode 20 wird aus einer Metallfolie gebildet, die einen ohmschen Kontakt mit der Vorderfläche der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8 herstellt, wodurch die SBD erhalten wird. Ein Vorwärtsstrom fließt durch eine Stelle entlang der Heteroübergangsgrenzschicht der ersten Nitrid-Halbleiterschicht 6. Der Vorwärtsspannungsabfall ist gering.
  • In einem Abschnitt des Bereichs, wo die Anodenelektrode 22 ausgebildet wird, bleiben die dritte Nitrid-Halbleiterregion 10b und die vierte Nitrid-Halbleiteegion 12b zurück. Die p-dotierte vierte Nitrid-Halbleiterregion 12b, die in dem Abschnitt des Bereichs vorhanden ist, wo die Anodenelektrode 22 ausgebildet wird, schafft eine JBS-(Junction Barrier Schottky)-Struktur. Das heißt, bei Vorliegen einer Rückwärtsspannung, die an die SBD angelegt wird, erstreckt sich eine Verarmungsschicht von der p-dotierten vierten Nitrid-Halbleiteegion 12b zu der ersten Nitrid-Halbleiterschicht 6 durch die dritte Nitrid-Halbleiteegion 10b und die zweite Nitrid-Halbleiterschicht 8, um den Leckstrom zu verringern. Ferner wird die Konzentration der elektrischen Felder verringert und es wird eine höhere Durchschlagspannung erreicht. Das Vorhandensein der dritten Nitrid-Halbleiterregion 10b zwischen der vierten Nitrid-Halbleiterregion 12b und der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8 ruft ohne Weiteres ein zweidimensionales Elektronengas an der Heteroübergangsgrenzschicht zwischen der ersten Nitrid-Halbleiterschicht 6 und der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8 hervor, und es reicht schon, eine niedrige Spannung in Vorwärtsrichtung anzulegen, um einen Stromfluss zwischen der Anode und der Kathode zu bewirken. Die SBD von 1 weist einen geringen Vorwärtsspannungsabfall, einen schwachen Rückwärtsstrom (Leckstrom), eine hohe Durchschlagspannung und eine niedrige Vorwärtsspannung, bei der ein Vorwärtsstrom zu fließen beginnt, auf.
  • Wie oben beschrieben, stellt die Source-Elektrode 14 des FET über den AlO-Film Kontakt mit der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8 her. Der AlO-Film weist einen hohen Widerstand auf, und wegen des Vorhandenseins des AlO-Films zwischen der Source-Elektrode 14 und der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8 besteht Grund zur Besorgnis, dass der Widerstand des HEMT größer wird. Jedoch kann durch eine Verringerung der Dicke des AlO-Films die Erhöhung des Widerstands auf einem unproblematischen Grad gehalten werden. Das gleiche gilt für die Drain-Elektrode 18. Der AlO-Film kann in einem solchen Maß dünner gemacht werden, dass keine Erhöhung des Widerstands zwischen der Drain-Elektrode 18 und der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8 stattfindet. Das gleiche gilt für die Kathodenelektrode 20. Der AlO-Film kann in einem solchen Maß dünner gemacht werden, dass keine Erhöhung des Widerstands zwischen der Kathodenelektrode 20 und der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8 stattfindet. Auch wenn er dünner gemacht wird, ermöglicht der AlO-Film einen Schottky-Kontakt zwischen der Anodenelektrode 22 und der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8.
  • Ohne den AlO-Film, der die Vorderfläche der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8 bedeckt, wird auch dann kein Schottky-Kontakt hergestellt, wenn die Anodenelektrode 22 unter Verwendung eines Materials ausgebildet wird, das einen Schottky-Kontakt mit der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8 herstellt. Ein Ätzschaden entsteht an der Vorderfläche der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8, wenn die Vorderfläche der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8 durch Ätzen der dritten Nitrid-Halbleiterschicht 10 und der vierten Nitrid-Halbleiterschicht 12 freigelegt wird; daher stellt die Anodenelektrode 22 keinen Schottky-Kontakt mit der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8 her. Bei Vorhandensein des AlO-Films, der die Vorderfläche der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8 bedeckt, übt der Ätzschaden keinen Einfluss mehr aus, so dass die Anodenelektrode 22 und die zweite Nitrid-Halbleiterschicht 8 einen Schottky-Kontakt miteinander herstellen.
  • (Zweite Ausführungsform)
  • Im Folgenden werden Elemente, die denen der ersten Ausführungsform gleich sind, mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und werden als solche nicht beschrieben, und es werden nur Unterschiede beschrieben.
  • In einer Halbleitervorrichtung der zweiten Ausführungsform, die in 2 dargestellt ist, wird die zweite Nitrid-Halbleiterschicht 8 in einem Bereich, wo sie in direktem Kontakt mit einer Anodenelektrode 22c steht, dünner gemacht. Wenn die Anodenelektrode 22c der Heteroübergangsgrenzschicht über die dünnere zweite Nitrid-Halbleiterschicht 8c hinweg gegenüber liegt, wird ein Spannungsabfall, der in einem Fall auftritt, wo ein Vorwärtsstrom fließt, niedrig gehalten. Ferner wird eine Vorwärtsspannung, bei der ein Vorwärtsstrom zu fließen beginnt, niedrig.
  • Das Entfernen der dritten Nitrid-Halbleiterregion 10b von der Struktur von 1 bewirkt, dass kein Vorwärtsstrom fließt, solange die Vorwärtsspannung 1,2 Volt oder höher ist. Dagegen bewirken die Hinzufügung der dritten Nitrid-Halbleiterregion 10b und die Verringerung der Dicke der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8 derart verbesserte Eigenschaften, dass ein Vorwärtsstrom fließt, wenn die Vorwärtsspannung 0,5 Volt oder höher ist.
  • In einem Fall, wo die dünnere zweite Nitrid-Halbleiterschicht 8c dadurch hergestellt wird, dass ein Abschnitt der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8 durch Ätzen dünner gemacht wird, ist es bevorzugt, dass das Ätzen unter solchen Bedingungen durchgeführt wird, dass ein AlO-Film auf einer Vorderfläche der dünneren zweiten Nitrid-Halbleiterschicht 8c ausgebildet wird. Dadurch können die dünnere zweite Nitrid-Halbleiterschicht 8c und die Anodenelektrode 22c eine solche Beziehung haben, dass sie einen stabilen Schottky-Kontakt miteinander herstellen.
  • Ferner wird in der zweiten Ausführungsform eine Elektrode 22d, die dafür ausgelegt ist, mit der vierten Nitrid-Halbleiterregion 12b ohmschen Kontakt herzustellen, auf einer Vorderfläche der vierte Nitrid-Halbleiterregion 12b ausgebildet. Die Hinzufügung der Elektrode 22d stabilisiert ein Potential der vierten Nitrid-Halbleiterregion 12b, wodurch das Verhalten der Verarmungsschicht, die von der vierten Nitrid-Halbleiterregion 12b ausgeht, stabilisiert wird. Dies ermöglicht die Stabilisierung der Eigenschaften einer SBD, die einen geringen Vorwärtsspannungsabfall, einen schwachen Leckstrom, eine hohe Durchschlagspannung und eine niedrige Vorwärtsspannung, bei der ein Vorwärtsstrom zu fließen beginnt, aufweist.
  • (Dritte Ausführungsform)
  • Wie in 3 dargestellt ist, ist eine Form einer vierten Nitrid-Halbleiterregion 12e nicht auf eine Ringform beschränkt. Es ist nur nötig, dass eine Mehrzahl von vierten Nitrid-Halbleiterregionen 12e verteilt in einem Bereich ausgebildet wird, wo eine Anodenelektrode 22e ausgebildet wird. Der Leckstrom, die Durchschlagspannung und dergleichen können durch Einstellen des Abstands zwischen vierten Nitrid-Halbleiterregionen 12e eingestellt werden.
  • Wie in 3 dargestellt ist, kann ferner eine dritte Nitrid-Halbleiterregion 10e in einer Region entfernt werden, wo die Anodenelektrode 22e und die zweite Nitrid-Halbleiterschicht 8 in direktem Kontakt miteinander stehen, und kann in anderen Regionen zurückbleiben. Ein verbliebener Abschnitt der dritten Nitrid-Halbleiterregion 10 an einer Stelle zwischen der Anodenelektrode 22e und einer Kathodenelektrode 20e erhöht die Dichte eines zweidimensionalen Elektronengases an einer Heteroübergangsgrenzschicht, die zwischen der Anodenelektrode 22e und der Kathodenelektrode 20e angeordnet ist, so dass der Vorwärtsspannungsabfall weiter niedrig gehalten wird.
  • Obwohl oben bestimmte Beispiele für die vorliegende Erfindung ausführlich beschrieben worden sind, dienen diese Beispiele nur der Erläuterung und sollen den Bereich der Patentansprüche nicht beschränken. Die in den Patentansprüchen beschriebene Technik umfasst auch verschiedene Änderungen und Modifikationen der oben beschriebenen Beispiele.
  • Die in der vorliegenden Beschreibung und den Zeichnungen erläuterten technischen Elemente haben entweder jedes für sich oder in verschiedenen Kombinationen technischen Nutzen. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Kombinationen beschränkt, die zur Zeit der Einreichung der Ansprüche existieren. Vielmehr ist der Zweck der Beispiele, die von der vorliegenden Beschreibung und den Zeichnungen dargestellt werden, das Erreichen von mehreren Zielen gleichzeitig, und das Erreichen von irgendeinem der Ziele verleiht der vorliegenden Erfindung bereits technischen Nutzen.
  • Bezugszeichenliste
    • 2
    Substrat
    4
    Pufferschicht
    6
    i-dotierte GaN-Schicht (Ausführungsform einer ersten Nitrid-Halbleiterschicht)
    8
    i-dotierte AlGaN-Schicht (Ausführungsform einer zweiten Nitrid-Halbleiterschicht)
    10
    i-dotierte InAlN-Schicht (Ausführungsform einer dritten Nitrid-Halbleiterschicht)
    12
    p-dotierte AlGaN-Schicht (Ausführungsform einer vierten Nitrid-Halbleiterschicht)
    14
    Source-Elektrode
    16
    Gate-Elektrode
    18
    Drain-Elektrode
    20
    Kathodenelektrode
    22
    Anodenelektrode
    24
    Elemente trennende Region
    26
    Substrat für laminierte s-Nitrid-Halbleiter
    28
    Passivierungsschicht
    30
    SiO2-Schicht
    32
    p-dotierte GaN-Region
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2014-141916 [0001]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • IEEE, ELECTR ON DEVICE LETTERS, Bd. 34, Nr. 8, AUGUST 2013 [0004]
    • Maikuroha Denryoku Seiryûyô GaN Shottokî Daiôdo no Kôtaiatsuka no Kenkyu [Forschung zum Thema höhere Durchschlagspannung einer GaN-Schottky-Diode für die Gleichrichtung von Mikrowellen], Sawada, G., March 2009, Masterarbeit an der Universität von Tokushima [0005]

Claims (4)

  1. SBD, in der eine Anodenelektrode (22) und eine Kathodenelektrode (20) auf einer Vorderfläche eines Nitrid-Halbleitersubstrats (26) ausgebildet sind, wobei das Nitrid-Halbleitersubstrat (26) eine geschichtete Struktur aufweist, bei der eine erste Nitrid-Halbleiterschicht (6), eine zweite Nitrid-Halbleiterschicht (8), eine dritte Nitrid-Halbleiterschicht (10) und eine vierte Nitrid-Halbleiterschicht (12), in dieser Reihenfolge, von einer Rückseite des Nitrid-Halbleitersubstrats (26) zu einer Vorderseite des Nitrid-Halbleitersubstrats (26) geschichtet sind, wobei das Nitrid-Halbleitersubstrat in der Draufsicht einige Regionen aufweist, von denen die dritte Nitrid-Halbleiterschicht (10) und die vierte Nitrid-Halbleiterschicht (12) entfernt worden sind, und wobei in einer Querschnittsansicht eines Bereichs, wo die Anodenelektrode (22) ausgebildet ist, eine Mischung aus einer Region, wo eine geschichtete Struktur aus der ersten Nitrid-Halbleiterschicht (6), der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht (8), der dritten Nitrid-Halbleiterschicht (10), der vierten Nitrid-Halbleiterschicht (12) und der Anodenelektrode (22) vorhanden ist, und einer Region, wo eine geschichtete Struktur aus der ersten Nitrid-Halbleiterschicht (6), der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht (8) und der Anodenelektrode (22) vorhanden ist, vorhanden ist, die erste Nitrid-Halbleiterschicht (6) eine schmälere Bandlücke aufweist als die zweite Nitrid-Halbleiterschicht (8), und die zweite Nitrid-Halbleiterschicht (8) eine schmälere Bandlücke aufweist als die dritte Nitrid-Halbleiterschicht (10), ein Leitfähigkeitstyp der ersten Nitrid-Halbleiterschicht (6), der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht (8) und der dritten Nitrid-Halbleiterschicht (10) kein p-Typ ist; und ein Leitfähigkeitstyp der vierten Nitrid-Halbleiterschicht (12) ein p-Typ ist.
  2. SBD nach Anspruch 1, wobei eine Dicke der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht (8) in einer Region, wo die zweite Nitrid-Halbleiterschicht (8) in direktem Kontakt mit der Anodenelektrode (22) steht, kleiner ist als eine Dicke der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht (8) in einer Region, wo die zweite Nitrid-Halbleiterschicht (8) nicht in direktem Kontakt mit der Anodenelektrode (22) steht.
  3. SBD nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich die dritte Nitrid-Halbleiterschicht (8) bis außerhalb des Bereichs erstreckt, wo die Anodenelektrode (22) ausgebildet ist.
  4. SBD nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Vorderfläche der zweiten Nitrid-Halbleiterschicht (8) in einer Region, wo die zweite Nitrid-Halbleiterschicht (8) mit der Anodenelektrode (22) in Kontakt steht, mit einem AlO-Film bedeckt ist.
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