JP2008016588A - GaN-BASED SEMICONDUCTOR ELEMENT - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、GaN系半導体素子に関し、特に、電力制御用のGaN系半導体素子に関する。 The present invention relates to a GaN-based semiconductor device, and more particularly to a GaN-based semiconductor device for power control.
従来より、ワイドバンドギャップ半導体を用いたパワー素子の研究が盛んに行われている。GaN(ガリウム窒化物)はSi(シリコン)よりもバンドギャップが大きいため、GaNを用いた半導体素子は、Siを用いた半導体素子よりも臨界電界が高い。このため、GaN系半導体素子は、Si系半導体素子よりも小型化及び高耐圧化が容易であり、電力制御用半導体素子を構成した場合には、オン抵抗が低く損失が小さい半導体素子を実現することができる。GaN系半導体素子のなかでも、AlGaN/GaNヘテロ構造を用いた電界効果トランジスタ(HFET:Heterostructure Field-Effect Transistor)は、単純な素子構造で良好な特性を得ることができる(例えば、特許文献1参照。)。 Conventionally, research on power devices using wide band gap semiconductors has been actively conducted. Since GaN (gallium nitride) has a larger band gap than Si (silicon), a semiconductor device using GaN has a higher critical electric field than a semiconductor device using Si. For this reason, a GaN-based semiconductor element is easier to miniaturize and have a higher breakdown voltage than a Si-based semiconductor element, and when a power control semiconductor element is configured, a semiconductor element with low on-resistance and low loss is realized. be able to. Among GaN-based semiconductor elements, a field effect transistor (HFET) using an AlGaN / GaN heterostructure can obtain good characteristics with a simple element structure (see, for example, Patent Document 1). .)
しかしながら、GaNなどの窒化物半導体を用いた半導体素子は、低オン抵抗及び高耐圧を実現することはできるものの、オフ時のリーク電流を考慮した設計が行われていない。オフ時のリーク電流が大きいと、スタンバイ状態での損失が増えてしまう。また、リーク電流による自己発熱で素子が破壊してしまう虞がある。 However, a semiconductor element using a nitride semiconductor such as GaN can realize a low on-resistance and a high breakdown voltage, but is not designed in consideration of a leakage current at the time of off. When the leakage current at the off time is large, the loss in the standby state increases. In addition, the element may be destroyed by self-heating due to leakage current.
本発明の目的は、リーク電流が低いGaN系半導体素子を提供することである。 An object of the present invention is to provide a GaN-based semiconductor device having a low leakage current.
本発明の一態様によれば、Alの組成比をx(0<x<1)とし、Inの組成比をy(0<y<1、x+y<1)としたときに、AlxInyGa1−x−yNからなる第1の半導体層と、前記第1の半導体層上に形成され、アンドープGaNからなる第2の半導体層と、Alの組成比をz(0<z<1)としたときに、前記第2の半導体層上に形成され、アンドープ又はn型のAlzGa1−zNからなる第3の半導体層と、前記第3の半導体層上に形成された制御電極と、前記第3の半導体層に接続された第1の主電極と、前記第3の半導体層に接続された第2の主電極と、を備え、前記第1の半導体層のバンドギャップは、前記第2の半導体層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とするGaN系半導体素子が提供される。 According to one embodiment of the present invention, when the Al composition ratio is x (0 <x <1) and the In composition ratio is y (0 <y <1, x + y <1), Al x In y The composition ratio of Al is z (0 <z <1), the first semiconductor layer made of Ga 1-xy N, the second semiconductor layer made of undoped GaN formed on the first semiconductor layer, and Al. ), A third semiconductor layer formed on the second semiconductor layer and made of undoped or n-type Al z Ga 1 -zN, and a control formed on the third semiconductor layer. An electrode, a first main electrode connected to the third semiconductor layer, and a second main electrode connected to the third semiconductor layer, wherein the band gap of the first semiconductor layer is There is provided a GaN-based semiconductor element characterized by being larger than the band gap of the second semiconductor layer.
本発明によれば、リーク電流が低いGaN系半導体素子を実現することができる。 According to the present invention, a GaN-based semiconductor element having a low leakage current can be realized.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図面中の同一部分には同一の符号を付している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same part in each drawing.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係るGaN系半導体素子を模式的に例示する断面図である。また、図1においては、素子の厚さ方向におけるポテンシャル分布も模式的に例示している。
本実施形態に係るGaN系半導体素子は、横型のパワーHFETである。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating a GaN-based semiconductor element according to the first embodiment of the invention. FIG. 1 also schematically illustrates the potential distribution in the thickness direction of the element.
The GaN-based semiconductor device according to this embodiment is a lateral power HFET.
図1に示すように、本実施形態に係るHFET21においては、バリア層として、AlxInyGa1−x−yNからなるAlInGaN層1が設けられている。なお、xはAl(アルミニウム)の組成比を表し、yはIn(インジウム)の組成比を表し、0<x<1、0<y<1、且つ、x+y<1である。そして、例えば、0.4x≦y≦0.53xの関係を満たしている。
As shown in FIG. 1, in the
また、AlInGaN層1上には、チャネル層として、アンドープのGaNからなるGaN層2が設けられており、GaN層2上には、バリア層として、アンドープのAlzGa1−zN、又はn型のAlzGa1−zNからなるAlGaN層3が設けられている。なお、zはAlの組成比を表し、0<z<1である。
A
更に、AlGaN層3上には、ソース電極(第1の電極)4及びドレイン電極(第2の電極)5が相互に離隔して設けられており、ソース電極4とドレイン電極5との間には、ショットキー接合を形成するゲート電極(制御電極)6が設けられている。ソース電極4及びドレイン電極5は、AlGaN層3に接続されている。
Further, a source electrode (first electrode) 4 and a drain electrode (second electrode) 5 are provided on the
以下、本実施形態に係る横型パワーHFET21の動作を、従来の素子の動作と比較して説明する。
従来のGaN系HFETは、チャネル層としてのGaN層2上にバリア層としてのAlGaN層3が形成された構造であり、AlInGaN層1は設けられていない。このような素子においては、オン状態では、GaN層2におけるAlGaN層3とのヘテロ界面付近に二次元電子ガス(2DEG)が発生し、この2DEGをキャリアとして、ゲート電極6の直下域(チャネル領域)を介して、ソース電極4とドレイン電極5との間に電流が流れる。また、オフ状態では、ゲート電極6にしきい値電圧以下の電圧が印加されることにより、ヘテロ界面におけるチャネル領域が空乏化され、2DEGによる導通が切れる。これにより、ソース・ドレイン間の電流が遮断される。
Hereinafter, the operation of the
A conventional GaN-based HFET has a structure in which an
しかしながら、この従来のGaN系HEETにおいては、オフ状態時にドレイン電極5に高電圧が印加されると、ゲート電極6から伸びる空乏層によるポテンシャルバリアが、ドレイン電圧により押し下げられる。これにより、チャネルリーク電流が流れてしまう。また、GaN層2内の電界が増大するため、GaN層2内において、空乏層を迂回するように、空乏層の直下域を介してバッファーリーク電流が流れてしまう。
However, in this conventional GaN-based HEET, when a high voltage is applied to the
上述のチャネルリーク電流を低減するためには、ポテンシャルバリアを押し下げられ難くする必要があり、そのためには、チャネル長を長くするか、ゲート電圧をしきい値電圧よりも大幅に低下させなくてはならない。チャネル長を長くすると、オン抵抗が増加してしまう。ゲート電圧を大幅に低下させると、ゲート端部に印加される電界が増加して、耐圧が低下してしまう。また、上述のバッファーリーク電流を低減するためには、GaN層2の抵抗値を増大させなければならず、結晶成長中に取り込まれる不純物を低減しなければならない。このように、従来のGaN系HEETにおいてリーク電流を低減しようとすると、素子の特性が低下したり、結晶成長時に厳密なドープ制御が必要となったりする。
In order to reduce the above-described channel leakage current, it is necessary to make it difficult to push down the potential barrier. For this purpose, the channel length must be increased or the gate voltage must be significantly reduced below the threshold voltage. Don't be. Increasing the channel length increases the on-resistance. When the gate voltage is significantly reduced, the electric field applied to the gate end portion increases and the withstand voltage decreases. Further, in order to reduce the above-described buffer leakage current, the resistance value of the
これに対して、本実施形態に係るHFET21においては、AlInGaN層1を設けることにより、チャネル層であるGaN層2を、GaN層2よりもバンドギャップが広いAlInGaN層1とAlGaN層3とにより挟み込んでいる。これにより、キャリアをGaN層2内に閉じ込めることができる。この結果、SOI(Silicon On Insulator)構造の半導体素子と同様に、ポテンシャルバリアが押し下げられ難くなり、且つ、AlInGaN層1がバリアとなってバッファーリーク電流が流れ難くなる。
On the other hand, in the
また、AlInGaN層1とGaN層2との界面には、格子定数の違いにより結晶格子に歪みが生じ、この歪みにより分極が生じて、電荷が発生する場合がある。界面に電荷が発生すると、高電圧を印加したときに電界集中が起き易くなることがあるため、AlInGaN層1とGaN層2との界面(AlInGaN/GaN界面)には、分極が生じないことが望ましい。界面の分極は、AlInGaN層1のAl組成比x及びIn組成比yを調整することで制御できる。
Further, at the interface between the
図2は、横軸にIn組成比yをとり、縦軸にチャネルキャリア濃度をとって、AlInGaN/GaN界面の分極による界面チャージの理論値を例示する図である。
図2において、縦軸が表すチャネルキャリア濃度がプラスになった場合には、界面に二次元ホールガス(2DHG)が発生し、マイナスになった場合には、2DEGが発生する。AlInGaN/GaN界面はゲート電極6から離れているため、この界面に発生したキャリアをゲート電極6によって制御することは困難である。従って、この界面におけるチャネルキャリア濃度は0であることが最も好ましい。しかし、実際には、チャネルキャリア濃度を常に厳密に0となるように制御することは困難である。そこで、実用上許容される範囲について検討すると、AlInGaN/GaN界面に発生するキャリアは、2DEGであるよりも2DHGである方が好ましい。その理由は、ホールはAlGaN層3を通過できないため、電流としてソース・ドレイン間を流れることがないからである。図2より、2DEGの発生を抑制するためには、AlInGaN層1を形成するAlxInyGa1−x−yNにおけるAl組成比xとIn組成比yとの関係は、y≧0.4xであればよい。
FIG. 2 is a diagram illustrating the theoretical value of the interface charge due to the polarization of the AlInGaN / GaN interface, with the In composition ratio y on the horizontal axis and the channel carrier concentration on the vertical axis.
In FIG. 2, when the channel carrier concentration represented by the vertical axis is positive, two-dimensional hole gas (2DHG) is generated at the interface, and when it is negative, 2DEG is generated. Since the AlInGaN / GaN interface is separated from the
一方、AlInGaN/GaN界面における2DHGの濃度があまり高くなりすぎると、HFET21の特性が低下することがある。そこで、AlInGaN/GaN界面における2DHGの濃度は、オン状態の導通に用いるAlGaN層3とGaN層2との界面における2DEGの濃度の10分の1以下とすることが望ましい。通常、AlGaN層3とGaN層2との界面における2DEGのシート濃度は1×1013cm−2程度であるため、AlInGaN層1とGaN層2との界面における2DHGのシート濃度は、2DEGのシート濃度の1/10以下である1×1012cm−2以下とすることが望ましい。図2より、2DHGのシート濃度が1×1012cm−2以下となるAl組成比xとIn組成比yとの関係を求めると、y≦0.53xとなる。従って、AlInGaN層1を形成するAlxInyGa1−x−yNにおいては、0.4x≦y≦0.53xとすることが好ましい。
On the other hand, if the concentration of 2DHG at the AlInGaN / GaN interface becomes too high, the characteristics of the
上述の如く、本実施形態によれば、GaNを用いてHFET21を形成することにより、オン抵抗が低く、耐圧が高い電力用半導体素子を実現することができる。そして、チャネル層であるGaN層2の下方に、バリア層としてAlInGaN層1を設けることにより、キャリアをGaN層2内に閉じ込めて、オフ状態におけるソース・ドレイン間のリーク電流を抑制することができる。また、AlInGaN層1を形成するAlxInyGa1−x−yNにおけるAl組成比xとIn組成比yとの関係を適正に規定することにより、AlInGaN層1とGaN層2との界面における分極を抑え、この界面におけるキャリア濃度を、実用上問題のない範囲に規制することができる。これにより、HFET21の特性を確実に良好なものとすることができる。このように、本実施形態によれば、オン抵抗が低く、耐圧が高く、オフリーク電流が少ない電力用のGaN系半導体素子を得ることができる。
As described above, according to the present embodiment, by forming the
(第2の実施形態)
図3は、本発明の第2の実施形態に係るGaN系半導体素子を模式的に例示する断面図である。また、図3においては、素子の厚さ方向におけるポテンシャル分布も模式的に例示している。図3において、図1と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically illustrating a GaN-based semiconductor element according to the second embodiment of the invention. FIG. 3 also schematically illustrates the potential distribution in the thickness direction of the element. In FIG. 3, the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
図3に示すように、本実施形態に係るHFET22においては、AlInGaN層1とGaN層2との界面に、分極により2DHGが発生している。一方、GaN層2とAlGaN層3との界面には、分極により2DEGが発生している。AlInGaN層1とGaN層2との界面に生じた2DHGのシート濃度は、GaN層2とAlGaN層3との界面に生じた2DEGのシート濃度とほぼ等しく、例えば、それぞれ1×1013cm−2程度である。
As shown in FIG. 3, in the
分極により、GaN層2内に2DEG及び2DHGが発生すると、この2DEG及び2DHGに相当する逆極性のチャージが、分極によってAlGaN層3及びAlInGaN層1に発生する。すなわち、GaN層2におけるAlInGaN層1との界面近傍に2DHGが発生するときは、AlInGaN層1におけるこの界面の近傍にマイナスのチャージが発生し、一方、GaN層2におけるAlGaN層3との界面近傍に2DEGが発生するときは、AlGaN層3におけるこの界面の近傍にプラスのチャージが発生する。そして、GaN層2に高電圧が印加されることにより、GaN層2内の2DEG及び2DHGが消滅しても、分極によるAlGaN層3及びAlInGaN層1のチャージは残る。しかし、これらのチャージは極性が相互に逆であるため、これらのチャージによる電界は相互に打ち消される。これにより、GaN層2内の電界は小さくなり、高耐圧を実現することができる。
When 2DEG and 2DHG are generated in the
AlInGaN層1のAl組成比xとIn組成比yを調整することで、GaN層2との界面に2DHGを発生させることが可能である。GaN層2におけるAlInGaN層1との界面近傍に、2DEGと同程度の濃度、すなわち、1×1013cm−2程度の濃度の2DHGを発生させるためには、図2より、y=0.5x+0.1とすればよい。2DHGの濃度は、2DEGの濃度と比べて高いよりは低い方が好ましいため、y≦0.5x+0.1とすることが好ましい。
It is possible to generate 2DHG at the interface with the
また、このような動作を実現するためには、キャリアをGaN層2内に閉じ込める必要がある。このためには、AlInGaN層1のバンドギャップがGaN層2のバンドギャップよりも広くなければならない。
図4は、横軸にAlInGaN層のAl組成比xをとり、縦軸にIn組成比yをとって、AlInGaN層の組成がキャリア濃度及びバンドギャップに及ぼす影響を理論的に求めた結果を例示するグラフ図である。
図4に示すように、AlInGaN層1とGaN層2の伝導帯の不連続部分の高さΔEcがゼロとなるAl組成比xとIn組成比yの関係を理論的に求めると、y=3.33x3−4.29x2+0.77xとなる。従って、AlInGaN/GaN界面における不連続高さΔEcを0より大きくするためには、y<3.33x3−4.29x2+0.77xとすればよい。
In order to realize such an operation, it is necessary to confine carriers in the
FIG. 4 shows the results of theoretically determining the influence of the composition of the AlInGaN layer on the carrier concentration and the band gap by taking the Al composition ratio x of the AlInGaN layer on the horizontal axis and the In composition ratio y on the vertical axis. FIG.
As shown in FIG. 4, when the relationship between the Al composition ratio x and the In composition ratio y where the height ΔEc of the discontinuous portions of the conduction bands of the
また、2DEGをGaN層2内により強く閉じ込めるためには、AlInGaN層1とGaN層2との界面における不連続高さΔEcを、GaN層2とAlGaN層3との界面における不連続高さよりも大きくすることが有効である。通常、AlGaN層3を形成するAlzGa1−zNのAl組成比zは15〜30%程度であり、このとき、GaN層2とAlGaN層3との界面における不連続高さは、0.2〜0.4eV程度である。従って、AlInGaN層1とGaN層2との界面における不連続高さΔEcは、ΔEc>0.2eVとすることが好ましい。ΔEc=0.2eVとなるAlInGaN層のAl組成比xとIn組成比yとの関係を理論的に求めると、図4に破線で示すように、y=1040x6.3となる。従って、ΔEc>0.2eVとするためには、y<1040x6.3とすればよい。例えば、AlInGaN/GaN界面におけるキャリア濃度が0である場合には、Al組成比xを0.23よりも大きくすれば、ΔEc>0.2eVとすることができる。
In order to confine 2DEG more strongly in the
従って、前述の第1の実施形態で説明したように、AlInGaN層1とGaN層2との界面に分極チャージを発生させないか、または、本実勢形態で説明したように、AlInGaN層1とGaN層2との界面にGaN層2とAlGaN層3との界面における2DEGと同程度の2DHGを発生させて、且つ、AlInGaN層1のバンドギャップをGaN層2のバンドギャップよりも広くするためには、AlInGaN層1におけるAl組成比xとIn組成比yとの関係を、図4においてハッチングにより示す領域内の関係とすることが有効である。すなわち、0<x<1、0<y<1、x+y<1であって、0.4x≦y≦0.5x+1、且つ、y<3.33x3−4.29x2+0.77xとすることが好ましく、y<1040x6.3とすることがより好ましい。
Therefore, as described in the first embodiment, no polarization charge is generated at the interface between the
図5は、本第2の実施形態の第1の変形例に係るHFETを模式的に例示する断面図である。
図5に示すように、本変形例に係るHFETにおいては、ソース電極4の一部が下方に延出しており、AlGaN層3を貫通してGaN層2内に到達している。これにより、ソース電極4がGaN層2に接続されている。前述の第1及び第2の実施形態に係るHFETにおいては、AlInGaN/GaN界面に発生した2DHGのホールは、ソース・ドレイン間に高電圧を印加すると、GaN層2及びAlGaN層3を介して、ソース電極4から排出される。本変形例においては、ソース電極4がGaN層2に接続されていることにより、ホールを速やかに排出することができる。
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically illustrating an HFET according to a first modification of the second embodiment.
As shown in FIG. 5, in the HFET according to this modification, a part of the
なお、ソース電極4の深さは、2DHGに接触する程度に深いことが好ましいが、AlInGaN層1まで到達すると、リーク電流の発生を促進してしまうため、AlInGaN層1には到達しない程度に浅いことが望ましい。また、ソース電極4と共にドレイン電極5も2DHGに接触させると、ソース電極4とドレイン電極5との間でホール電流が流れてしまうため、ドレイン電極5をGaN層2まで延出させることは好ましくない。
The depth of the
図6は、本第2の実施形態の第2の変形例に係るHFETを模式的に例示する断面図である。
図6に示すように、本変形例に係るHFETは、前述の第1の変形例と比較して、GaN層2内におけるソース電極4の下端部近傍に、p+コンタクト層12が形成されている点が異なっている。p+コンタクト層12は、p型不純物が周囲よりも高濃度に注入された領域である。これにより、ソース電極4とGaN層2との間の抵抗を低減することができ、ホールをより速やかに排出することができる。
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically illustrating an HFET according to a second modification of the second embodiment.
As shown in FIG. 6, in the HFET according to this modification, a p + contact layer 12 is formed in the vicinity of the lower end of the
(第3の実施形態)
図7は、本発明の第3の実施形態に係るGaN系半導体素子を模式的に例示する断面図である。また、図7においては、素子の厚さ方向におけるポテンシャル分布も模式的に例示している。図7において、図1と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。
(Third embodiment)
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically illustrating a GaN-based semiconductor device according to the third embodiment of the invention. FIG. 7 also schematically illustrates the potential distribution in the thickness direction of the element. In FIG. 7, the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
図7に示すように、本実施形態に係るHFET23は、前述の第1の実施形態に係るHFET21(図1参照)と比較して、AlInGaN層1とGaN層2との間に、InGaN層7が形成されている点が異なっている。InGaN層7は、InuGa1−uN(0<u<1)により形成されている。
As shown in FIG. 7, the
InGaN層7は、AlInGaN層1及びGaN層2と比較してバンドギャップが狭い。このため、図7に示すように、AlInGaN層1とInGaN層7との界面において、伝導帯側に大きなポテンシャル段差13を形成することができると共に、価電子帯側にも、ポテンシャル段差14を形成することができる。この結果、ポテンシャル段差13により、2DEGを効果的に閉じ込めることができると共に、ポテンシャル段差14により、前述の第2の実施形態においてAlInGaN層1のAl組成比及びIn組成比を調整したのと同様に、2DEGを発生させることができる。なお、InGaN層7は、AlInGaN層1のAl組成比とIn組成比とを連続的に変化させることにより形成されていてもよい。この場合は、AlInGaN層1とInGaN層7との間に明確な界面は存在しなくなる。
The
図8は、本第3の実施形態の第1の変形例に係るHFETを模式的に例示する断面図である。
図8に示すように、本変形例に係るHFETにおいては、ソース電極4の一部が下方に延出しており、AlGaN層3及びGaN層2を貫通してInGaN層7内に到達している。これにより、ソース電極4がInGaN層7に接続されている。この結果、InGaN層7からホールを速やかに排出することができる。
FIG. 8 is a cross-sectional view schematically illustrating an HFET according to a first modification of the third embodiment.
As shown in FIG. 8, in the HFET according to this modification, a part of the
図9は、本第3の実施形態の第2の変形例に係るHFETを模式的に例示する断面図である。
図9に示すように、本変形例に係るHFETは、前述の第3の実施形態の第1の変形例と比較して、InGaN層7内におけるソース電極4の下端部近傍に、p+コンタクト層12が形成されている点が異なっている。これにより、ソース電極4とInGaN層7との間の抵抗を低減することができ、ホールをより速やかに排出することができる。
FIG. 9 is a cross-sectional view schematically illustrating an HFET according to a second modification of the third embodiment.
As shown in FIG. 9, the HFET according to the present modification has a p + contact in the vicinity of the lower end portion of the
(第4の実施形態)
図10は、本発明の第4の実施形態に係るGaN系半導体素子を模式的に例示する断面図である。また、図10においては、素子の厚さ方向におけるポテンシャル分布も模式的に例示している。図10において、図1と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。
(Fourth embodiment)
FIG. 10 is a cross-sectional view schematically illustrating a GaN-based semiconductor element according to the fourth embodiment of the invention. FIG. 10 also schematically illustrates the potential distribution in the thickness direction of the element. 10, the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Only different parts will be described here.
図10に示すように、本実施形態に係るHFET24においては、AlInGaN層1の厚さが例えば100nm程度と薄くされており、AlInGaN層1の下にGaN層8が形成されている。すなわち、HFET24においては、下層側から順に、GaN層8、AlInGaN層1、GaN層2及びAlGaN層3が積層されている。このため、HFET24は、従来のAlGaN/GaN構造のHFETにおけるGaNバッファー層中にAlInGaN層を挿入した構造と同様な構造となる。
As shown in FIG. 10, in the
HFET24の製造コストを抑えるためには、厳密な組成比の制御を必要とするAlInGaN層1の厚さを可及的に薄くすることが好ましい。AlInGaN層1は、100nm程度の厚さがあればキャリアの閉じ込めが可能であるため、AlInGaN層1の厚さは100nm程度まで薄くすることができる。しかし、一方で、高耐圧性を確保するためには、HFET24全体で数μm程度の厚さが必要である。そこで、本実施形態においては、AlInGaN層1よりも成膜コストが低いGaN層8を厚く形成し、その上に薄いAlInGaN層1を形成することにより、キャリアの閉じ込め効果及び高耐圧性を確保しつつ、HFET24の製造コストを低減することができる。
In order to reduce the manufacturing cost of the
本実施形態においても、AlInGaN層1のAl組成比とIn組成比とを調整することにより、AlInGaN層1とGaN層8との界面に分極チャージによるキャリアを発生させず、ゲート電極6により制御し難いキャリアの濃度を実用上問題のない程度に抑え、リーク電流を抑制することができる。
Also in the present embodiment, by adjusting the Al composition ratio and the In composition ratio of the
図11は、本第4の実施形態の第1の適用例を模式的に例示する断面図である。
図11に示すように、本適用例においては、第4の実施形態に係るHFET24(図10参照)が、支持基板としてのSi基板10上に形成されている。また、Si基板10とGaN層8との間には、バッファー層としてAlN層9が設けられている。Si基板10としては、例えば、シリコンウェーハをダイシングしたものを使用することができる。このようにしても、第4の実施形態に係るHFET24を実現することができる。
FIG. 11 is a cross-sectional view schematically illustrating a first application example of the fourth embodiment.
As shown in FIG. 11, in this application example, the HFET 24 (see FIG. 10) according to the fourth embodiment is formed on the
なお、Si基板10の替わりにSiC基板又はサファイア基板を用いてもよい。また、本適用例においては、バッファー層としてAlN層9を設ける例を示したが、本実施形態はこれには限定されず、AlGaN層、又は、AlN層とGaN層との積層膜など、他の種類のバッファー層を設けてもよい。
Instead of the
本適用例によれば、支持基板としてSi基板を使用することにより、安価なHFETを効率よく製造することができる。また、AlInGaN層1の厚さが不十分だと、高電圧を印加した際にキャリアがAlInGaN層1を越えてGaN層8に流れ込む可能性があるが、支持基板としてSi基板又はSiC基板などの導電性基板を用いることにより、AlInGaN層1に印加される電界を抑制することができる。
According to this application example, an inexpensive HFET can be efficiently manufactured by using a Si substrate as a support substrate. Further, if the thickness of the
図12は、本第4の実施形態の第2の適用例を模式的に例示する断面図である。
図12に示すように、本適用例においては、前述の第1の適用例に係るHFETのSi基板10の裏面上に、裏面電極11が設けられている。裏面電極11は、HFETの外部においてソース電極4に接続されている。これにより、Si基板10のフィールドプレート効果により、AlInGaN層1に印加される電界を緩和することができる。そして、AlInGaN層1を飛び越えてGaN層8側に侵入してしまったキャリアを、Si基板10及び裏面電極11を介して外部に排出することができる。
FIG. 12 is a cross-sectional view schematically illustrating a second application example of the fourth embodiment.
As shown in FIG. 12, in this application example, the
以上、本発明の特徴を第1乃至第4の実施形態により説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、これら以外にも当業者が容易に考え得る変形例は、本発明の特徴を備えている限り、全て本発明の範囲に含まれる。例えば、第1乃至第3の実施形態においても、第4の実施形態と同様に、GaN層及びAlGaN層を形成するために用いる支持基板として、サファイア基板、SiC基板、Si基板、GaN基板などの基板を使用することができる。また、支持基板の材料は、これらの材料に限定されない。 As described above, the features of the present invention have been described with reference to the first to fourth embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and other modifications that can be easily considered by those skilled in the art are available. All the features of the present invention are included in the scope of the present invention. For example, in the first to third embodiments, as in the fourth embodiment, as a support substrate used to form the GaN layer and the AlGaN layer, a sapphire substrate, a SiC substrate, a Si substrate, a GaN substrate, or the like is used. A substrate can be used. Further, the material of the support substrate is not limited to these materials.
また、上述の各実施形態においては、バリア層として、アンドープのAlGaNからなるAlGaN層3を設ける例を説明したが、n型AlGaN層を用いてもよい。更に、上述の各実施形態においては、GaN系半導体素子がHFETである例を示したが、本発明はこれに限定されない。上述の各実施形態において説明したHFETのゲート・ドレイン間の構造は、ヘテロ構造ショットキーバリアダイオード(HSBD)と同様の構造であるため、本発明に係るGaN系半導体素子は、HSBDとすることも可能である。本発明の構造を用いることで、低リーク且つ高耐圧のHSBDを実現することが可能である。
In each of the above-described embodiments, the example in which the
更にまた、上述の各実施形態においては、AlInGaN層1の組成が層内で均一である例を示したが、本発明はこれに限定されず、AlInGaN層1の組成は層内で変化していてもよい。更にまた、上述の各実施形態においては、ゲート部分がプレナーショットキーゲート構造である例を示したが、リセスゲート構造、MISゲート構造、GaNキャップ層やp層が形成された構造など、プレナーショットキーゲート構造以外のゲート構造であってもよい。更にまた、ゲート電極端部やドレイン電極端部などにおける電界集中を抑制するために、フィールドプレート電極が形成されていてもよい。
Furthermore, in each of the above-described embodiments, the example in which the composition of the
1 AlInGaN層(第1の半導体層)、2 GaN層(第2の半導体層)、3 AlGaN層(第3の半導体層)、4 ソース電極(第1の主電極)、5 ドレイン電極(第2の主電極)、6 ゲート電極(制御電極)、7 InGaN層(第4の半導体層)、8 GaN層(第5の半導体層)、9 AlN層、10 Si基板、11 裏面電極、12 p+コンタクト層、13、14 ポテンシャル段差、21〜24 HFET 1 AlInGaN layer (first semiconductor layer), 2 GaN layer (second semiconductor layer), 3 AlGaN layer (third semiconductor layer), 4 source electrode (first main electrode), 5 drain electrode (second Main electrode), 6 gate electrode (control electrode), 7 InGaN layer (fourth semiconductor layer), 8 GaN layer (fifth semiconductor layer), 9 AlN layer, 10 Si substrate, 11 back electrode, 12 p + Contact layer, 13, 14 Potential step, 21-24 HFET
Claims (5)
前記第1の半導体層上に形成され、アンドープGaNからなる第2の半導体層と、
Alの組成比をz(0<z<1)としたときに、前記第2の半導体層上に形成され、アンドープ又はn型のAlzGa1−zNからなる第3の半導体層と、
前記第3の半導体層上に形成された制御電極と、
前記第3の半導体層に接続された第1の主電極と、
前記第3の半導体層に接続された第2の主電極と、
を備え、
前記第1の半導体層のバンドギャップは、前記第2の半導体層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とするGaN系半導体素子。 When the composition ratio of Al is x (0 <x <1) and the composition ratio of In is y (0 <y <1, x + y <1), it is composed of Al x In y Ga 1-xy N. A first semiconductor layer;
A second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and made of undoped GaN;
When the Al composition ratio is z (0 <z <1), a third semiconductor layer formed on the second semiconductor layer and made of undoped or n-type Al z Ga 1-z N;
A control electrode formed on the third semiconductor layer;
A first main electrode connected to the third semiconductor layer;
A second main electrode connected to the third semiconductor layer;
With
A GaN-based semiconductor device, wherein a band gap of the first semiconductor layer is larger than a band gap of the second semiconductor layer.
y≦0.5x+0.1 3. The GaN-based semiconductor device according to claim 2, wherein the Al composition ratio x and the In composition ratio y in the first semiconductor layer satisfy the following mathematical formula.
y ≦ 0.5x + 0.1
y<33.33x3−4.29x2+0.77x 5. The GaN-based semiconductor device according to claim 1, wherein an Al composition ratio x and an In composition ratio y in the first semiconductor layer satisfy the following mathematical formula.
y <33.33x 3 -4.29x 2 + 0.77x
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