JP2007059595A - 窒化物半導体素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 導電性基板部と、高抵抗部と、を有する基体と、前記基体の上に設けられた窒化物半導体からなる第1の半導体層と、前記第1の半導体層の上に設けられ前記第1の半導体層よりもバンドギャップが大なるノンドープまたはn型の窒化物半導体からなる第2の半導体層と、前記第2の半導体層の上において前記導電部の上に設けられた第1の主電極と、前記第2の半導体層の上において前記高抵抗部の上に設けられた第2の主電極と、前記第2の半導体層の上において前記第1の主電極と前記第2の主電極との間に設けられた制御電極と、を備えたことを特徴とする窒化物半導体素子が提供される。
【選択図】 図1
Description
例えば、特許文献1には動作時に電界が集中する領域のGaN結晶を選択横方向成長によって形成することで、高品質なGaN膜を得る技術が記載されている。
また、非特許文献1にはシリコン基板上に矩形の突起部分を設けることで、この上にクラック発生を伴わないGaN膜を成長させる技術が記載されている。
このように、Si基板上に形成するGaN−HFETにおいて600V以上の高耐圧素子を実現するためには、数マイクロメータ以上のクラックを伴わない良好なGaN膜形成技術の開発が急務となってくる。また、このことはパワー半導体素子だけでなく、高周波GaN素子においても重要である。Siなどの導電性基板を用いた場合には電極と基板間容量が寄生容量となり動作スピードを劣化させるため、GaN層を厚く形成する必要があるからである。
導電性基板部と、高抵抗部と、を有する基体と、
前記基体の上に設けられた窒化物半導体からなる第1の半導体層と、
前記第1の半導体層の上に設けられ前記第1の半導体層よりもバンドギャップが大なるノンドープまたはn型の窒化物半導体からなる第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の上において前記導電部の上に設けられた第1の主電極と、
前記第2の半導体層の上において前記高抵抗部の上に設けられた第2の主電極と、
前記第2の半導体層の上において前記第1の主電極と前記第2の主電極との間に設けられた制御電極と、
を備えたことを特徴とする窒化物半導体素子が提供される。
導電性基板部と、
前記導電性基板部の上に設けられ、窒化物半導体からなり且つ高抵抗部が挿入された第1の領域を有する第1の半導体層と、
前記第1の半導体層の上に設けられ前記第1の半導体層よりもバンドギャップが大なるノンドープまたはn型の窒化物半導体からなる第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の上において前記第1の領域を除く領域の上に設けられた第1の主電極と、
前記第2の半導体層の上において前記第1の領域の上に設けられた第2の主電極と、
前記第2の半導体層の上において前記第1の主電極と前記第2の主電極との間に設けられた制御電極と、
を備えたことを特徴とする窒化物半導体素子が提供される。
図1は、本実施形態に係る窒化物半導体素子の第1の具体例の構造を表す断面図である。 また、図2は、本具体例の窒化物半導体素子の動作状態を説明するための模式図である。
そしてさらに、ドレイン電極70とSi基板10との間の最短距離DAは、ドレイン電極70下方の窒化物半導体層の合計の膜厚DBよりも大きくなるように形成されている。
図3は、比較例の窒化物半導体素子を表す断面図である。
また、図4は、本比較例の窒化物半導体素子の動作状態を説明するための模式図である。なお、図3以降の図面については、既出の図面に関して説明したものと同様の要素には同一の符号を付して、詳細な説明は適宜省略する。
本実施形態の窒化物半導体素子の形成方法としては、例えば、Si基板10上にAlN層20と、GaN層30と、AlGaN層40と、をこの順番に成長させた後、Si基板10の裏面から、所望な形状にパターニングし、エッチングしてSi基板10を選択的に除去する方法を挙げることができる。この時、ソース電極50、ゲート電極60、ドレイン電極70は、Si基板10のエッチング工程の前に形成してもよく、エッチング工程の後に形成してもよい。
また、本実施形態においては、GaNチャネル層30の厚みは薄くてよいので、Si基板上にエピタキシャル成長させた場合でもウェーハの「反り」などは発生しにくい。そのため、AlNバッファ層20を低温で成長せずに、高温で成長させることもできる。AlNバッファ層20を高温で成長させた場合、GaNチャネル層30やAlGaNバリア層40の結晶性を向上させることができるという効果が得られる。
図5は、本実施形態の窒化物半導体素子の第2の具体例を表す断面図である。
本具体例においては、ドレイン電極70の直下に、絶縁物(高抵抗部)110が充填されている。つまり、GaNチャネル層30などは、Si基板(導電性基板部)10と高抵抗部80とからなる基体の上に設けられているといえる。
この構造においても、図1乃至図4に関して前述したものと同様にGaN層30の厚みが薄い場合でも高い耐圧が得られる。またさらに、ドレイン電極70の下を充填することにより、窒化物半導体素子の機械的強度も向上する。ここで、絶縁物110の材料としては、酸化珪素(SiO2)等の無機物や、ポリイミド等の有機物などを用いることができる。また、絶縁物110として酸化珪素を用いる場合、ドレイン電極70の下のSi基板10をある程度薄くした後に選択的に酸化することにより形成することもできる。
本具体例においては、Si基板10を除去する領域として、ドレイン電極70とSi基板10間の最短距離DAが、ドレイン電極70とゲート電極60間との距離Ddgの半分以上(DA>Ddg/2)となるようにされている。このようにすると、GaNチャネル層30の膜厚によらずに、確実に高耐圧が得られる。すなわち、図6に表したようにSi基板10をゲート電極60の端部よりもドレイン電極70に近づけることで、Si基板10がフィールドプレート電極として作用し、ゲート電極60端部の電界を緩和する。これにより、高耐圧を実現することができる。なお、このようにSi基板10を除去して形成された高抵抗部80の部分に、図5に関して前述したような絶縁物を充填してもよい。
本具体例においては、Si基板10は、ドレイン電極70の下方のみならず、ゲート電極60の下方まで除去されている。すなわち、ドレイン電極70とSi基板10との距離DAは、ドレイン電極70とゲート電極60との距離Ddgよりも大きくなるように形成されている。このようにすると、GaNチャネル層30の膜厚によらずに、より確実に高耐圧が得られる。また、本具体例においても、Si基板10が除去されて形成された高抵抗部80の部分に、図5に関して前述したような絶縁物を充填してもよい。
本具体例においては、ゲート電極60と、ソース電極50及びドレイン電極70の各ゲート電極側と、が絶縁物110で覆われ、さらにその絶縁物110の表面には、ソース電極50に接続されたフィールドプレート電極115が、ゲート電極60を覆うように延設されている。
本具体例においては図8に関して前述したフィールドプレート電極115に加えて、さらに、ドレイン電極70に接続された第2のフィールドプレート電極125が 絶縁物110の上をゲート電極60方向へ延設された構造を有する。このような第2のフィールドプレート電極125を設けることにより、ゲート電極60の端部だけでなく、ドレイン電極70端部においても、電界集中を緩和することが可能となるため、より高耐圧を得ることが可能となる。
本具体例においては、並列する2つのストライプ状のドレイン電極70がそれぞれゲート電極60で囲まれ、さらに、その2つのゲート電極60が、1つのソース電極50で囲まれている。また、AlGaNバリア層40の主面上の縁部とソース電極50との間には、素子分離層120がAlGaNバリア層40を貫通してGaNチャネル層30に埋入するように設けられている。
このようにチップの一部のみにおいてSi基板10を除去することにより、半導体素子の機械的強度を保つつつ、窒化物半導体素子の耐圧を向上させることができる。特に、本具体例の場合、Si基板10が除去されて形成された高抵抗部80の周囲はSi基板10により取り囲まれているので、機械的な強度をより確実に確保できる。また、この高抵抗部80の全体あるいは局所的に、図5に関して前述したような絶縁物110を充填すると、機械的な強度をさらに向上させることが可能となる。
本具体例は、図10に関して前述した具体例と類似した構造を有する。ただし、本具体例においては、一対のドレイン電極70の間の部分の下方において、Si基板10が除去され、高抵抗部80が形成された構造からなる。つまり、チップの外周のみにSi基板10が残されている。このようにしても、機械的な強度を維持しつつ耐圧を向上させることができる。
本具体例においては、ドレイン電極70の下方において、GaN層30とSi基板10の上部が除去され、その部分に絶縁物110が埋入されている。つまり、GaNチャネル層30などは、Si基板(導電性基板部)10と高抵抗部80とからなる基体の上に設けられているといえる。
本具体例は、図12に関して前述したものと類似した積層構造を有するが、絶縁物110の断面形状が異なる。この絶縁物110は、例えば、Si基板10を選択的に酸化することにより形成できる。すなわち、Si基板10の表面を部分的に窒化シリコン膜などによりマスクした後、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)法により選択酸化させることにより、絶縁物110を形成できる。この構造の場合、絶縁物110の端部が比較的緩やかな斜面となるので、GaNチャネル層30のラテラル・エピタキシャル成長を円滑に進行させることができる。そして、本具体例においても、絶縁物110の厚みと位置を適宜調整することにより、十分に高い耐圧を得ることができる。
本具体例においては、ドレイン電極70の下方のGaN層30が局所的に薄膜化されている。これは、例えば、図12に関して前述したラテラル・エピタキシャル成長に際して生ずることがある構造である。
すなわち、ラテラル・エピタキシャル成長においては、まずはじめに、図15(a)に表したように、結晶性のAlNバッファ層20の上においてGaNチャネル層30のエピタキシャル成長が開始する。その後、図15(b)及び(c)に表したように、隣接する非晶質の絶縁物110の上に向けて、GaNチャネル層3が横方向にエピタキシャル成長する。
本具体例においては、ラテラル・エピタキシャル成長させたGaNチャネル層30の成長フロントを超えて、GaNチャネル層30が形成されていない部分にまでドレイン電極70が設けられている。本実施形態によれば、絶縁物110だけで十分な素子耐圧が保持できるので、このようにGaNチャネル層30が形成されてない部分にまでドレイン電極70を延在させることもできる。
本具体例においては、略平坦なSi基板10の表面に絶縁物110が部分的に形成され、その上に、GaNチャネル層30とAlGaNバリア層40が積層されてドレイン電極70が設けられている。つまり、GaNチャネル層30などは、Si基板(導電性基板部)10と高抵抗部80とからなる基体の上に設けられているといえる。
本具体例においては、ドレイン電極70の下方に位置するGaNチャネル層30内に、絶縁物110が埋蔵されている。このような構造においても、ドレイン電極70とSi基板10との距離DAを大きくすることにより、十分に高い耐圧を得ることが可能となる。絶縁物110の厚みは、必要な耐圧が保持できる程度であればよい。この構造は、例えば、Si基板10上に、AlNバッファ層20とGaNチャネル層30の一部をエピタキシャル成長させた後、GaNチャネル層30の上に選択的に絶縁物110を形成し、さらに、その上にGaNチャネル層30の残りの部分をラテラル・エピタキシャル成長させることにより形成できる。
または、GaNチャネル層30の中にAlGaN層あるいはAlN層を埋め込み、これを選択的に酸化することにより絶縁物110を形成する方法もある。
本具体例においては、ドレイン電極70の下方に位置するGaNチャネル層30に空洞130が設けられている。この構造の場合、空洞130で電圧を保持できるため、GaNチャネル層30の膜厚を薄くすることができる。
図20は、このようなMISゲート型の窒化物半導体素子を例示する断面図である。
このように、AlGaNバリア層40とゲート電極60との間にゲート絶縁膜55を設けたMISゲート型の窒化物半導体素子についても、本発明を同様に適用して同様の作用効果を得ることができる。
本具体例においては、ソース電極50とドレイン電極70との間のAlGaNバリア層40にリセス部40Rが設けられ、このリセス部40Rに収容されるようにゲート電極60が設けられている。
このようにゲート電極60直下のAlGaNバリア層40の厚みを薄くすると、GaNチャネル層30とのヘテロ界面の電子濃度を選択的に低下させ、ゲート電圧を印加しない時にオフ状態とすることができる。つまり、いわゆる「ノーマリ・オフ型」のスイッチング素子を実現でき、短絡動作の防止やゲート駆動回路の簡略化が可能となる。またさらに、AlGaN層表面にGaNキャップ層を形成した構造においても、本発明を同様に適用することで、同様の作用効果が得られる。
20 AlN層
30 AlGaN 層
50 ソース電極
55 ゲート絶縁膜
60 ゲート電極
70 ドレイン電極
80 高抵抗部
90 電界線
95 アバランシェ降伏
100 欠陥
110 絶縁物(高抵抗部)
115 フィールドプレート電極
120 素子分離層
125 第2のフィールドプレート電極
130 空洞
Claims (5)
- 導電性基板部と、高抵抗部と、を有する基体と、
前記基体の上に設けられた窒化物半導体からなる第1の半導体層と、
前記第1の半導体層の上に設けられ前記第1の半導体層よりもバンドギャップが大なるノンドープまたはn型の窒化物半導体からなる第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の上において前記導電部の上に設けられた第1の主電極と、
前記第2の半導体層の上において前記高抵抗部の上に設けられた第2の主電極と、
前記第2の半導体層の上において前記第1の主電極と前記第2の主電極との間に設けられた制御電極と、
を備えたことを特徴とする窒化物半導体素子。 - 導電性基板部と、
前記導電性基板部の上に設けられ、窒化物半導体からなり且つ高抵抗部が挿入された第1の領域を有する第1の半導体層と、
前記第1の半導体層の上に設けられ前記第1の半導体層よりもバンドギャップが大なるノンドープまたはn型の窒化物半導体からなる第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の上において前記第1の領域を除く領域の上に設けられた第1の主電極と、
前記第2の半導体層の上において前記第1の領域の上に設けられた第2の主電極と、
前記第2の半導体層の上において前記第1の主電極と前記第2の主電極との間に設けられた制御電極と、
を備えたことを特徴とする窒化物半導体素子。 - 前記導電性基板部は、前記第1の主電極と電気的に接続されていることを特徴とする請求項1または2に記載の窒化物半導体素子。
- 前記高抵抗部は、絶縁物が充填されてなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。
- 前記導電性基板部は、シリコンからなることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。
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