JP2008244001A - Nitride semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化物半導体を用いたメタル・セミコンダクタ電界効果トランジスタ即ちMESFET(Metal Semiconductor Filed Effect Transistor)、高電子移動度トランジスタ即ちHEMT(High Electron Mobility Transistor)、及びショットキーバリアダイオード即ちSBD等の窒化物半導体装置に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor semiconductor field effect transistor (MESFET) using a nitride semiconductor, a high electron mobility transistor (HEMT), and a Schottky barrier diode (SBD). The present invention relates to a physical semiconductor device.
典型的な従来のHEMTは、シリコン、サファイア等の基板の上にバッファ層を介して形成されたアンドープGaNから成る電子走行層と、n型不純物がドープされた又はアンドープのAlGaNから成る電子供給層と、電子供給層の上に形成されたソース電極とドレイン電極とゲート電極(ショットキー電極)とを有している。電子走行層と電子供給層とはバンドギャプの異なる異種材料から成り、ヘテロ接合されている。従って、電子供給層のピエゾ分極と自発分極とのいずれか一方又は両方に基づいてヘテロ接合面に沿って周知の2次元電子ガス層即ち2DEG層が生じる。2DEG層は周知のようにドレイン電極とソース電極との間の電流通路(チャネル)として利用され、この電流通路を流れる電流はゲート電極に印加されるバイアス電圧で制御される。 A typical conventional HEMT includes an electron transit layer made of undoped GaN formed on a substrate such as silicon or sapphire via a buffer layer, and an electron supply layer made of AlGaN doped with n-type impurities or undoped. And a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode (Schottky electrode) formed on the electron supply layer. The electron transit layer and the electron supply layer are made of different materials having different band gaps and are heterojunctioned. Therefore, a well-known two-dimensional electron gas layer or 2DEG layer is formed along the heterojunction surface based on one or both of piezoelectric polarization and spontaneous polarization of the electron supply layer. As is well known, the 2DEG layer is used as a current path (channel) between the drain electrode and the source electrode, and the current flowing through the current path is controlled by a bias voltage applied to the gate electrode.
ところで、窒化物半導体を用いたHEMTは高周波及び高耐圧特性において優れているが、例えば特開2004−200248号公報(特許文献1)に開示されているように、電流コラプスの問題及びゲート漏れ電流の問題を有する。電流コラプスは、周知のように高い電圧振幅を有する交流電圧が印加される交流回路、又はソース電極とドレイン電極との間に高い電圧が印加される回路にHEMTが使用されると、電子供給層おける表面準位(トラップ)に負電荷(電子)が捕獲され、この負電荷に起因して2DEG層の電子濃度が減少し、HEMTを交流回路で使用した時の最大ドレイン電流がHEMTを直流回路で使用した時の最大ドレイン電流よりも低減する現象、又はHEMTがオフ状態の時にソース電極とドレイン電極との間に高い電圧を印加し、その後にHEMTをオン状態にした時に最大ドレイン電流が低減する現象である。なお、HEMTの最大ドレイン電流が低減すると言うことは、HEMTのオン時におけるソース電極とドレイン電極との間の抵抗値(オン抵抗)が高くなることを意味する。 By the way, a HEMT using a nitride semiconductor is excellent in high frequency and high breakdown voltage characteristics. However, as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-200248 (Patent Document 1), there is a problem of current collapse and a gate leakage current. Have problems. As is well known, current collapse is performed when an HEMT is used in an AC circuit to which an AC voltage having a high voltage amplitude is applied or a circuit in which a high voltage is applied between a source electrode and a drain electrode. Negative charges (electrons) are trapped in the surface states (traps) in this, the electron concentration of the 2DEG layer is reduced due to the negative charges, and the maximum drain current when HEMT is used in an AC circuit is the DC circuit of HEMT. Phenomenon that is lower than the maximum drain current when used in, or when a high voltage is applied between the source electrode and the drain electrode when the HEMT is off, and then the maximum drain current is reduced when the HEMT is turned on It is a phenomenon. Note that the reduction of the maximum drain current of the HEMT means that the resistance value (on resistance) between the source electrode and the drain electrode when the HEMT is on increases.
HEMTの上記問題を解決するために、電子供給層の表面上に表面準位(トラップ)の低減が期待されるSiN膜(窒化シリコン膜)とSiO2膜(シリコン酸化膜)とからなる積層絶縁膜を形成し、この積層絶縁膜上にゲート電極近傍における電界集中を緩和するためのゲートフィールドプレートを設けることが特許文献1に開示されている。この場合、SiN膜の厚みは比較的薄い例えば50nmにされ、SiO2膜の厚みは例えば150nmにされる。窒化物半導体から成る電子供給層の表面をSiN膜で覆うと、電子供給層の表面準位が低減し、電流コラプスが改善される。しかし、SiN膜は引っ張り応力(引っ張り歪)を発生し、この引っ張り応力が電子供給層の表面に加わると、電子供給層と電子走行層とのヘテロ接合の近傍に生じる2次元電子ガスが減少し、ソース電極とドレイン電極との間のオン抵抗が増大する。
また、ゲート電極の上に層間絶縁膜としてSiN膜を設けると、SiN膜の引っ張り応力(引っ張り歪)によってゲート電極のショットキー障壁の高さが低くなり、ゲート電極とソース電極との間のゲート漏れ電流が大きくなる。SiN膜の引っ張り応力による問題は、例えば特開2006−86398号公報(特許文献2)に開示されているようにソースフィールドプレートを設け、ゲート電極とソースフィールドプレートとの間に層間絶縁膜としてSiN膜を設けた構造においても生じる。即ち、ゲート電極の上にSiN膜を形成すると、SiN膜の引っ張り応力がゲート電極のショットキー障壁の高さを低くするようにゲート電極及び電子供給層に作用し、ゲート電極とソース電極との間のゲート漏れ電流が大きくなる。
なお、ゲート漏れ電流の問題はMESFET及びSBDにもある。
In addition, when a SiN film is provided as an interlayer insulating film on the gate electrode, the height of the Schottky barrier of the gate electrode is lowered by the tensile stress (tensile strain) of the SiN film, and the gate between the gate electrode and the source electrode is reduced. Leakage current increases. The problem due to the tensile stress of the SiN film is that a source field plate is provided as disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2006-86398 (Patent Document 2), and an SiN film is formed as an interlayer insulating film between the gate electrode and the source field plate. This also occurs in a structure provided with a film. That is, when the SiN film is formed on the gate electrode, the tensile stress of the SiN film acts on the gate electrode and the electron supply layer so as to reduce the height of the Schottky barrier of the gate electrode, and the gate electrode and the source electrode The gate leakage current increases.
Note that the problem of gate leakage current also exists in MESFET and SBD.
本発明の目的は、ゲート漏れ電流の低減が可能な窒化物半導体装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor device capable of reducing gate leakage current.
上記課題を解決するための本発明は、
窒化物半導体から成る少なくとも1つの半導体層を含んでいる主半導体領域と、
前記主半導体領域の一方の主面上にショットキー接触している第1の電極と、
前記主半導体領域の一方の主面上に前記第1の電極から離間して配置され且つ前記主半導体領域の一方の主面上にオーミック接触している第2の電極と、
前記主半導体領域の一方の主面における前記第1の電極と前記第2の電極との間の少なくとも一部上に配置され且つシリコン酸化物で形成されている第1の絶縁膜と、
少なくとも前記第1の電極の上に配置され且つシリコン酸化物で形成されている第2の絶縁膜と
を備えていることを特徴とする窒化物半導体装置に係わるものである。
The present invention for solving the above problems is as follows.
A main semiconductor region including at least one semiconductor layer of nitride semiconductor;
A first electrode in Schottky contact with one main surface of the main semiconductor region;
A second electrode disposed on one main surface of the main semiconductor region and spaced apart from the first electrode and in ohmic contact with one main surface of the main semiconductor region;
A first insulating film that is disposed on at least a portion between the first electrode and the second electrode on one main surface of the main semiconductor region and is formed of silicon oxide;
And a second insulating film disposed on the first electrode and formed of silicon oxide. The nitride semiconductor device includes: a second insulating film;
なお、請求項2に示すように、窒化物半導体装置は、
窒化物半導体から成る少なくとも1つの半導体層を含んでいる主半導体領域と、
前記主半導体領域の一方の主面上に配置されソース電極と、
前記主半導体領域の一方の主面上に前記ソース電極から離間して配置されたドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電流通路を制御するために前記主半導体領域の一方の主面における前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置され且つ前記主半導体領域にショットキー接触しているゲート電極と、
前記主半導体領域の一方の主面における前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の少なくとも一部上に配置され且つシリコン酸化物で形成されている第1の絶縁膜と、
少なくとも前記ゲート電極上に配置され且つシリコン酸化物で形成されている第2の絶縁膜と
を備えていることが望ましい。
また、請求項3に示すように、前記第1及び第2の絶縁膜はそれぞれプラズマCVDで形成されたシリコン酸化物の膜であることが望ましい。
また、請求項4に示すように、前記第1及び第2の絶縁膜はそれぞれ300〜800nmの範囲の厚みを有していることが望ましい。
また、請求項5に示すように、更に、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間において前記第1の絶縁膜の上に配置され且つ前記ゲート電極に電気的に接続されているゲートフィールドプレートを有し、前記第2の絶縁膜は前記ゲートフィールドプレートの上にも配置されていることが望ましい。
また、請求項6に示すように、請求項1の窒化物半導体装置において、更に、前記第1の絶縁膜の上に配置され且つ前記第1の電極に電気的に接続されているショットキーフィールドプレートを有し、前記第2の絶縁膜は前記ショットキーフィールドプレートの上にも配置されていることが望ましい。
また、請求項7に示すように、更に、前記第2の絶縁膜の上に配置され且つ前記ソース電極に電気的に接続されているソースフィールドプレートを有していることが望ましい。
また、請求項8に示すように、更に、前記第2の絶縁膜の上に配置され且つシリコン窒化物又は又はポリイミド樹脂又はこれ等の両方で形成されている第3の絶縁膜を有していることが望ましい。
また、請求項9に示すように、前記ソースフィールドプレートの上及び平面的に見て前記第2の絶縁膜の前記ソースフィールドプレートが設けられていない部分の上に配置され且つシリコン窒化物又はポリイミド樹脂で形成されている第3の絶縁膜を有していることが望ましい。
また、請求項10に示すように、前記主半導体領域は、第1の窒化物半導体層と、前記第1の窒化物半導体層との界面に沿って2次元キャリアガス層を形成することができるように前記第1の窒化物半導体層にヘテロ接合されている第2の窒化物半導体層とから成ることが望ましい。
また、請求項11に示すように、前記主半導体領域は、第1の窒化物半導体層と、前記第1の窒化物半導体層との界面に沿って2次元キャリアガス層を形成することができるように前記第1の窒化物半導体層にヘテロ接合されている第2の窒化物半導体層とから成り、前記ソース電極及び前記ドレイン電極はそれぞれ前記2次元キャリアガス層に電気的に結合されていることことが望ましい。なお、前記ソース電極及び前記ドレイン電極はそれぞれ前記2次元キャリアガス層に電気的に結合とは、ソース電極及びドレイン電極をそれぞれ2次元キャリアガス層に直接的に接続すること、又は半導体又は導電体を介して2次元キャリアガス層に間接的に接続することを意味している。
また、請求項12に示すように、前記主半導体領域は、更に、前記第1の窒化物半導体層と前記第2の窒化物半導体層との間に配置された窒化物半導体から成るスペーサー層を有することが望ましい。
In addition, as shown in
A main semiconductor region including at least one semiconductor layer of nitride semiconductor;
A source electrode disposed on one main surface of the main semiconductor region;
A drain electrode disposed apart from the source electrode on one main surface of the main semiconductor region;
A Schottky contact with the main semiconductor region disposed between the source electrode and the drain electrode on one main surface of the main semiconductor region to control a current path between the source electrode and the drain electrode A gate electrode,
A first insulating film that is disposed on at least a portion between the source electrode and the drain electrode on one main surface of the main semiconductor region and is formed of silicon oxide;
It is desirable to include at least a second insulating film disposed on the gate electrode and formed of silicon oxide.
According to a third aspect of the present invention, the first and second insulating films are preferably silicon oxide films formed by plasma CVD.
According to a fourth aspect of the present invention, each of the first and second insulating films preferably has a thickness in the range of 300 to 800 nm.
Further, according to a fifth aspect of the present invention, there is further provided a gate field plate disposed on the first insulating film and electrically connected to the gate electrode between the gate electrode and the drain electrode. Preferably, the second insulating film is also disposed on the gate field plate.
According to a sixth aspect of the present invention, in the nitride semiconductor device according to the first aspect, the Schottky field further disposed on the first insulating film and electrically connected to the first electrode. It is preferable that a second insulating film is provided on the Schottky field plate.
According to a seventh aspect of the present invention, it is desirable to further include a source field plate disposed on the second insulating film and electrically connected to the source electrode.
In addition, as shown in
Further, according to a ninth aspect of the present invention, the silicon nitride or the polyimide is disposed on the source field plate and on a portion of the second insulating film where the source field plate is not provided as viewed in plan. It is desirable to have a third insulating film made of resin.
The main semiconductor region may form a two-dimensional carrier gas layer along an interface between the first nitride semiconductor layer and the first nitride semiconductor layer. The second nitride semiconductor layer is preferably heterojunctioned with the first nitride semiconductor layer.
The main semiconductor region may form a two-dimensional carrier gas layer along an interface between the first nitride semiconductor layer and the first nitride semiconductor layer. And the second nitride semiconductor layer heterojunctioned to the first nitride semiconductor layer, and the source electrode and the drain electrode are electrically coupled to the two-dimensional carrier gas layer, respectively. It is desirable. Note that the source electrode and the drain electrode are electrically coupled to the two-dimensional carrier gas layer, respectively, that the source electrode and the drain electrode are directly connected to the two-dimensional carrier gas layer, respectively, or a semiconductor or a conductor. This means that the connection is indirectly made to the two-dimensional carrier gas layer.
The main semiconductor region may further include a spacer layer made of a nitride semiconductor disposed between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer. It is desirable to have.
本発明の窒化物半導体装置は、窒化物半導体から成る主半導体領域の一方の主面上にシリコン酸化物で形成された第1の絶縁膜と、主半導体領域にショットキー接触している第1の電極又はゲート電極上にシリコン酸化物で形成された第2の絶縁膜とを有している。第2の絶縁膜のシリコン酸化物は、圧縮応力(例えば4.00×109dyn/cm2)を生じる性質を有する。これに対し、従来の窒化物半導体装置で使用されているシリコン窒化物(SiN)は、引っ張り応力(例えば−6.14×109dyn/cm2)を生じる性質を有する。もし、シリコン酸化物からなる本発明に従う第2の絶縁膜の代りに従来のシリコン窒化物(SiN)からなる第2の絶縁膜を設けると、引っ張り応力に基づいて第1の電極又はゲート電極のショットキー障壁の高さが低下し、ゲート漏れ電流又はダイオード漏れ電流が増加する。これに対し、本発明に従って第2の絶縁膜をシリコン酸化物で形成すると、第2の絶縁膜が圧縮応力を生じるので、第1の電極又はゲート電極のショットキー障壁の高さが低下しない。このため、本発明によれば、第1の電極と第2の電極との間、又はソース電極とドレイン電極との間がオフ状態の時に第1の電極又はゲート電極に流れる漏れ電流を低減させることができる。漏れ電流が低減すれば、窒化物半導体装置の漏れ電流に基づく電力損失も低減する。なお、第1の電極又はゲート電極の上に配置された第2の絶縁膜は、窒化物半導体装置の保護膜又は層間絶縁膜として機能する。 The nitride semiconductor device of the present invention includes a first insulating film formed of silicon oxide on one main surface of a main semiconductor region made of a nitride semiconductor, and a first insulating layer in Schottky contact with the main semiconductor region. And a second insulating film formed of silicon oxide over the first electrode or the gate electrode. The silicon oxide of the second insulating film has a property of generating a compressive stress (for example, 4.00 × 10 9 dyn / cm 2 ). In contrast, silicon nitride (SiN) used in conventional nitride semiconductor devices has a property of generating tensile stress (for example, −6.14 × 10 9 dyn / cm 2 ). If a second insulating film made of silicon nitride (SiN) is provided in place of the second insulating film made of silicon oxide according to the present invention, the first electrode or the gate electrode is formed based on tensile stress. The height of the Schottky barrier decreases, and the gate leakage current or the diode leakage current increases. On the other hand, when the second insulating film is formed of silicon oxide according to the present invention, the second insulating film generates compressive stress, so that the height of the Schottky barrier of the first electrode or the gate electrode does not decrease. Therefore, according to the present invention, the leakage current flowing in the first electrode or the gate electrode is reduced when the gap between the first electrode and the second electrode or the source electrode and the drain electrode is off. be able to. If the leakage current is reduced, the power loss based on the leakage current of the nitride semiconductor device is also reduced. Note that the second insulating film disposed on the first electrode or the gate electrode functions as a protective film or an interlayer insulating film of the nitride semiconductor device.
次に、本発明の実施形態を図1〜図12を参照して説明する。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
本発明の実施例1に従う窒化物半導体装置としてのHEMTは多数のセル(単位HEMT)の集まりから成るが、図1にはHEMTの一部即ち1つのセルのみが示されている。勿論、図1に示す1つのセルのみで1つのHEMTを構成することもできる。
図1のHEMTは、電界効果トランジスタの1種であって、単結晶シリコン半導体から成る基板1と、基板1の上に形成されたバッファ層2と、バッファ層2の上に形成された第1の半導体層としての電子走行層4及び第2の半導体層としての電子供給層5から成る主半導体領域3と、主半導体領域3の上に形成されたソース電極6、ドレイン電極7及びゲート電極8と、第1、第2及び第3の絶縁膜9,10,11と、ゲートフィールドプレート12と、ソースフィールドプレート13と、補助電極としての背面電極14とを備えている。また、ソース電極6、ドレイン電極7、及びゲート電極8を外部回路に電気的に接続するために図2に概略的に示す周知のソースボンディングパッド電極21、ドレインボンディングパッド電極22、及びゲートボンディングパッド電極23を有し、複数のソース電極6はソース接続導体24を介してソースボンディングパッド電極21に接続され、複数のドレイン電極7はドレイン接続導体25を介してドレインボンディングパッド電極22に接続され、複数のゲート電極8はゲート接続導体26を介してゲートボンディングパッド電極23に接続されている。図2では、平面的に見てソース接続導体24とゲート接続導体26とが交差しているが、本発明に従うシリコン酸化物からなる第2の絶縁膜10が層間絶縁膜として機能しているので、互いに電気的に分離されている。また、図2では、ソース電極6、ドレイン電極7、及びゲート電極8の関係を明瞭にするためにゲートフィールドプレート12及びソースフィールドプレート13の図示が省略されている。
次に、HEMTの各部を詳しく説明する。
The HEMT as the nitride semiconductor device according to the first embodiment of the present invention is composed of a collection of a large number of cells (units HEMT). FIG. 1 shows only a part of the HEMT, that is, one cell. Of course, one HEMT can be configured by only one cell shown in FIG.
The HEMT of FIG. 1 is a kind of field effect transistor, and includes a
Next, each part of the HEMT will be described in detail.
基板1は、一方の主面15とこれに対向する他方の主面16とを有し、且つバッファ層2及び主半導体領域3をエピタキシャル成長させるための成長基板の機能と、これ等を機械的に支持するための支持基板の機能と、背面電極14を設けるための導電性基板の機能とを有する。本実施例では、コストの低減を図るために基板1がシリコンで形成されている。しかし、基板1をシリコン以外のシリコンカーバイト(SiC)、サファイア、セラミック等で形成することもできる。
The
基板1の一方の主面15上のバッファ層2は、周知のMOCVD法等のエピタキシャル成長法で形成されている。図1では、図示を簡略化するためにバッファ層2が1つの層で示されているが、実際には複数の層で形成されている。即ち、このバッファ層2は、AlN(窒化アルミニウム)から成る第1のサブレイヤ−(第1の副層)とGaN(窒化ガリウム)から成る第2のサブレイヤー(第2の副層)とが交互に積層された多層構造バッファである。このバッファ層2はHEMTの動作に直接に関係していないので、これを省くこともできる。また、バッファ層2の半導体材料をAlN、GaN以外の3−5族化合物半導体に置き換えること、又は単層構造のバッファ層にすることもできる。
The
主半導体領域3はバッファ層2の上に周知のMOCVD法等のエピタキシャル成長法で形成されている。この主半導体領域3における第1の窒化物半導体層としての電子走行層4は、この上の電子供給層5とのヘテロ接合面の近傍に電流通路(チャネル)としての2DEG層17(点線で示す)を得るためのものであって、不純物が添加されていないアンドープGaN(窒化ガリウム)を例えば1〜10μmの厚さにエピタキシャル成長させたものである。なお、電子供給層5は、GaN以外の例えば
AlaGa1-aN,
ここで、aは0≦a<1を満足する数値、
で示される窒化物半導体、又は別の窒化物化合物半導体で形成することもできる。
The
Here, a is a numerical value satisfying 0 ≦ a <1,
It is also possible to form the nitride semiconductor shown by the above, or another nitride compound semiconductor.
電子走行層4の上に形成された第2の窒化物半導体層としての電子供給層5は、2DEG層17(点線で示す)を得るために電子走行層4よりも大きいバンドギャプを有し且つ電子走行層4よりも小さい格子定数を有する例えば次式で示す窒化物半導体で形成される。
AlxGa1-XN,
ここで、xは0<x<1を満足する数値であり、好ましくは0.2〜0.4であり、より好ましくは0.3である。
なお、電子供給層5を、アンドープのAlxGa1-xNで形成する代りに、n型(第1導電型)の不純物を添加したAlxGa1-xNから成る窒化物半導体、又は別の組成の窒化物半導体で形成することもできる。
The
Al x Ga 1-X N,
Here, x is a numerical value satisfying 0 <x <1, preferably 0.2 to 0.4, and more preferably 0.3.
Instead of forming the
ソース電極6及びドレイン電極7は、主半導体領域3の一方の主面18即ち電子供給層5の一方の主面に例えばチタン(Ti)を所望の厚み(例えば25nm)に蒸着し、続いてアルミニウム(Al)を所望の厚み(例えば500nm)に蒸着し、その後フォトリソグラフイ技術で所望のパターンにすることによってそれぞれ形成されている。この実施例のソース電極6及びドレイン電極7は、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)との積層体でそれぞれ形成されているが、これ以外の低抵抗性接触(オーミック接触)可能な金属で形成することもできる。なお、主半導体領域3の電子供給層5は極めて薄いので、この厚み方向の抵抗は無視できるほど小さい。従って、ソース電極6及びドレイン電極7は、2DEG層17に電気的に結合されている。
The
主半導体領域3の一方の主面18即ち電子供給層5の一方の主面上に配置された第1の絶縁膜9は、プラズマCVD(化学気相成長法)で300〜800nm(好ましくは500nm)の厚みに形成されたシリコン酸化物、即ちSiOX(ここで、xは1〜2の数値を示し、好ましくは2である。)から成り、主半導体領域3の一方の主面18におけるゲート電極8とドレイン電極7との間の全部及びソース電極6とゲート電極8との間の全部を覆っている。なお、主半導体領域3の一方の主面18を安定化及び絶縁化するためにゲート電極8とドレイン電極7との間の全部及びソース電極6とゲート電極8との間の全部を第1の絶縁膜9で覆うことが望ましいが、一部を覆うように変形することができる。但し、図1の実施例のHEMTはゲートフィールドプレート12を有するので、少なくともゲートフィールドプレート12の下に第1の絶縁膜9を配置する必要がある。
SiOX又はSiO2から成る第1の絶縁膜9は圧縮応力(例えば4.00×109dyn/cm2)が生じる性質を有する。これに対して、従来方法で主半導体領域の一方の主面に形成されていたSiN膜は、引っ張り応力(例えば−6.14×109dyn/cm2)が生じる性質を有する。既に説明したようにHEMTの表面にSiN膜を形成した従来例の場合には、SiN膜の引っ張り応力が電子供給層の表面に加わり、SiN膜が2次元電子ガス(2DEG)を減少せるように作用し、ソース電極とドレイン電極との間のオン抵抗が増加する。これに対して、本実施例のシリコン酸化物から成る第1の絶縁膜9は圧縮応力を生じるので、従来のSiN膜の引っ張り応力に基づく欠点を解決することができ、オン抵抗の小さいHEMTを提供することができる。
The first
The first
本実施例のシリコン酸化物から成る第2の絶縁膜10は、圧縮応力を生じるのでゲート電極8のショットキー障壁の高さを低減させない。これを詳しく説明すると、図3(A)は本発明に従うシリコン酸化物から成る第2の絶縁膜10を有しているHEMTにおけるGaNから成る電子走行層4とAlGaNから成る電子供給層5とのエネルギー準位を示す図である。図3(B)は比較のために図1の第2の絶縁膜10をシリコン酸化物で形成する代りにシリコン窒化物(SiN)で形成したHEMT(以下、比較例HEMTと言う。)におけるGaNから成る電子走行層とAlGaNから成る電子供給層とのエネルギー準位を示す図である。図3において、Ecは伝導帯の最低レベル即ち伝導帯と禁止帯との境界を示し、EFはフェルミ準位を示す。この図3(A)に示す本発明の実施例に従うNi(ニッケル)から成るゲート電極8とAlGaNから成る電子供給層5の間の障壁(伝導帯の最低レベルEcの突出部分)は、図3(B)に示す比較例HEMTの対応部分よりも高い。これは圧縮応力を生じるシリコン酸化物で第2の絶縁膜10を形成することによって、従来の引っ張り応力を生じるシリコン酸化物(SiN)によって第1及び第2の絶縁膜を形成することによる欠点(ショットキー障壁の高さの低下)を解決できることを意味する。
Since the second insulating
図3(A)に示すようにゲート電極8とAlGaNから成る電子供給層5の間の障壁が高くなると、HEMTのオフ状態におけるゲート電極8とソース電極6との間に流れるゲート漏れ電流Igsが小さくなる。図4の特性線Aは、本発明に従うHEMTのオフ時におけるドレイン・ソース間電圧Vdsとゲート漏れ電流Igsとの関係を示し、図4の特性線Bは、比較例HEMTのオフ時におけるドレイン・ソース間電圧Vdsとゲート漏れ電流Igsとの関係を示す。なお、縦軸は対数目盛である。この図4から明らかなように本発明に従うHEMTのゲート漏れ電流Igs(ゲート・ソース間漏れ電流)は、比較例HEMTのそれよりも大幅に低い。
上記第1の絶縁膜9の効果を得るために、第1の絶縁膜9の厚みを比較的厚い300〜800nmにすることが望ましい。第1の絶縁膜9の厚みが300nmよりも薄くなると上記圧縮応力に基づく効果を十分に得ることができず、800nmよりも厚くなるとゲートフィールドプレート12の効果を十分に得ることができない。
As shown in FIG. 3A, when the barrier between the
In order to obtain the effect of the first insulating
本実施例に従ってシリコン酸化物から成る第1の絶縁膜9をプラズマCVDで形成すると、スパッタリング法で形成する場合に比べて、主半導体領域3の一方の主面18の結晶ダメージが少なくなり、表面準位(トラップ)が少なくなり、電流コラプスを抑制することができる。
When the first insulating
ゲート電極8及びゲートフィールドプレート12を形成する時には先ず第1の絶縁膜9に周知のフォトリソグラフイ技術で所望の開口を形成する。なお、図1において第1の絶縁膜9のゲート電極8が配置されている開口の壁面の傾斜は、エッチング工程で必然的に生じたものである。次に、ゲート電極8及びゲートフィールドプレート12を例えば周知のリフトオフ法で形成する。即ち、ゲート電極8及びゲートフィールドプレート12に対応する開口を有するレジスト膜を形成し、Ni(ニッケル)を所望の厚み(例えば25nm)に蒸着(例えばスパッタリング法で蒸着)し、その上にAu(金)を所望の厚み(例えば250nm)に蒸着(例えばスパッタリング法で蒸着)し、しかる後レジスト膜を除去する。勿論、リフトオフ法の代りに、Ni(ニッケル)及びAu(金)を非選択的に形成し、その後にこれ等を所望パターンにする別の方法を採用することもできる。これによって得られたゲート電極8は、主半導体領域3の一方の主面18即ち電子供給層5の一方の主面にショットキー接触している。なお、ゲート電極8及びゲートフィールドプレート12をNiとAuとの積層で形成する代りに、白金(Pt)と金(Au)との積層体等の別の金属で形成することもできる。また、図2の直線状のゲート電極8をソース電極6又はドレイン電極7を囲むようにリング状又はU字状又はコ字状に変形することができる。
When the
ゲート電極8は、主半導体領域3の一方の主面18即ち電子供給層5の一方の主面においてソース電極6とドレイン電極7との間に配置されており、ソース電極6とドレイン電極7との間を流れる電流の制御に使用される。本実施例のHEMTはノーマリオン型であるので、ゲート電極8にバイアス電圧を印加しないノーマリ状態でソース電極6とドレイン電極7との間がオン状態になる。HEMTをオフ状態にするためにはソース電極6に対してゲート電極8の電位が負になるバイアス電圧をゲート電極8に印加する。
The
ゲートフィールドプレート12は、ゲート電極8に一体的に形成され、ゲート電極8から第1の絶縁膜9の上に延在している。ここではゲート電極8が主半導体領域3の一方の主面18に接触しているドレイン電極7側部分からゲートフィールドプレート12のドレイン電極7側の端部迄をゲートフィールドプレート12と呼んでいる。ゲート電極8とドレイン電極7との間の耐圧は、ゲートフィールドプレート12のドレイン電極7側端部とドレイン電極7との間の距離LGFDに対して比例的に変化する。
図5の特性線Aは、ゲート電極8とドレイン電極7との間の距離LGDを16μmに固定し、ゲートフィールドプレート12のドレイン電極7側端部とドレイン電極7との間の距離LGFDを変化させた時のゲート電極8とドレイン電極7との間の耐圧を示し、特性線Bは、ゲート電極8とドレイン電極7との間の距離LGDを21.5μmに固定し、ゲートフィールドプレート12のドレイン電極7側端部とドレイン電極7との間の距離LGFDを変化させた時のゲート電極8とドレイン電極7との間の耐圧を示す。なお、耐圧を測定するために、HEMTをオフ状態に保持にするための電圧をゲート電極8とソース電極6との間に印加すると同時にソース電極6とドレイン電極7との間にソース・ドレイン間電圧を印加し、このソース・ドレイン間電圧を複数段階に切換え、各段階でゲート電極8とドレイン電極7との間を流れる漏れ電流を計測し、この漏れ電流の値が所定値になった時のソース・ドレイン間電圧からソース・ゲート間電圧を差引いた電圧をゲート電極8とドレイン電極7との間の耐圧とした。周知のように漏れ電流が大きくなると、半導体素子は破壊するおそれが大きくなる。このため、半導体の分野では漏れ電流に基づいて耐圧を決定することが多い。
The
The characteristic line A in FIG. 5 indicates that the distance L GD between the
ゲートフィールドプレート12の長さLGFは、ゲート電極8とドレイン電極7との間の距離LGDからゲートフィールドプレート12のドレイン電極7側端部とドレイン電極7との間の距離LGFDを減算した値(LGF=LGD―LGFD)を有する。図5の特性線A及びBにおいては、ゲート電極8とドレイン電極7との間の距離LGDを固定して、ゲートフィールドプレート12のドレイン電極7側端部とドレイン電極7との間の距離LGFDを増大させた時に、距離LGFDの増大に応じて耐圧が高くなっている。これから明らかなように耐圧向上のためにはゲートフィールドプレート12の長さLGFを比較的短く保つ必要がある。従って、ゲート電極8のドレイン電極7側端部近傍における電界集中を緩和できる範囲でゲートフィールドプレート12の長さLGFを短くすることが望ましい。
The length L GF of the
ゲートフィールドプレート12の長さLGFは、ソース電極6とドレイン電極7との間のオン抵抗PRonも考慮して決定される。図6はゲートフィールドプレート12の長さLGFとゲートフィールドプレート12のドレイン電極7側端部とドレイン電極7との間の距離LGFDとの比LGF/LGFDの変化に対するオン抵抗PRon(相対値)の変化を示す。なお、ここでのオン抵抗PRonは電流コラプスを発生させるためのパルス電圧をゲート電極8とソース電極6との間、及びソース電極6とドレイン電極7との間に印加した後のソース電極6とドレイン電極7との間のオン抵抗を示す。
これから明らかなようにLGF/LGFDの値が70%以下においてはオン抵抗PRonが比較的小さく且つLGF/LGFDの変化に対するオン抵抗PRon(相対値)の変化が比較的小さい。他方、LGF/LGFDの値が70%よりも大きくなると、オン抵抗PRonが比較的大きくなり且つLGF/LGFDの変化に対するオン抵抗PRon(相対値)の変化が比較的大きくなる。従って、ゲートフィールドプレート12の長さLGFとゲートフィールドプレート12のドレイン電極7側端部とドレイン電極7との間の距離LGFDとの比LGF/LGFDを70%以下にすることが好ましく、1〜50%にすることがより好ましく、1〜20%にすることが最も好ましく、図1の実施例では20%にした。なお、ゲートフィールドプレート12はゲート電極8の近傍の電界集中を抑制するものであるから、ゲートフィールドプレート12の長さLGFは所望の電界集中緩和効果を得ることができる範囲内においてできるだけ短くすることが望ましい。LGF/LGFDの値が1%以上になると電界集中緩和効果を得ることができる。
The length L GF of the
As is clear from this, when the value of L GF / L GFD is 70% or less, the on-resistance PRon is relatively small and the change of the on-resistance PRon (relative value) with respect to the change of L GF / L GFD is relatively small. On the other hand, when the value of L GF / L GFD is larger than 70%, the on-resistance PRon becomes relatively large and the change in the on-resistance PRon (relative value) with respect to the change in L GF / L GFD becomes relatively large. Therefore, the ratio L GF / L GFD between the length L GF of the
第2の絶縁膜10は、ソースフィールドプレート13をゲート電極8及びゲートフィールドプレート12から電気的に分離し、且つゲート電極8及びゲート接続導体26をソース接続導体24及びドレイン接続導体26から電気的に分離するためのものであり、ゲート電極8、ゲートフィールドプレート12及び第1の絶縁膜9の上に形成されている。更に詳しく説明すると、第2の絶縁膜10は、プラズマCVDで400〜800nm(好ましくは500nm)の厚みに形成されたシリコン酸化物、即ちSiOX(ここで、xは1〜2の数値を示し、好ましくは2である。)から成り、第1の絶縁膜9と同様に圧縮応力(例えば4.00×109dyn/cm2)を生じる性質を有する。このため、シリコン酸化物から成る第2の絶縁膜10は、第1の絶縁膜9と同様にオン抵抗の小さいHEMTの提供に寄与し、且つ図3及び図4で説明したようにゲート漏れ電流の低減に寄与する。
なお、第2の絶縁膜10は、第1の絶縁膜9と同様にソース電極7及びドレイン電極8の上の一部に延在している。
The second insulating
Note that the second insulating
ソースフィールドプレート13は、ゲートフィールドプレート12の先端近傍における電界集中を緩和するため、及び電流コラプスの原因になる主半導体領域3の一方の主面18と第1の絶縁膜9との界面にトラップされた電子を除去(引き抜く)するためのものであって、第2の絶縁膜10の上に配置され、且つソース電極6からゲート電極8及びゲートフィールドプレート12を越えてドレイン電極8側に延在している。なお、ソース電極6の上にソース付加電極層19が形成され、ドレイン電極8の上にドレイン付加電極層20が形成され、ソースフィールドプレート13はソース付加電極層19と一体的に形成され、鎖線によってソース付加電極層19と区別されている。ソース付加電極層19及びドレイン付加電極層20は電気的接続の抵抗低減に寄与する。なお、ソース電極6とソース付加電極層19とを合わせてソース電極と呼ぶことも可能であり、この場合にはソース電極6がソース電極主部分となり、ソース付加電極層19がソース電極付加(副)部分となる。また、ドレイン電極7とドレイン付加電極層20とを合わせてドレイン電極と呼ぶことも可能であり、この場合にはドレイン電極7がドレイン電極主部分となり、ドレイン付加電極層20がドレイン電極付加(副)部分となる
The
ソース付加電極層19、ドレイン付加電極層20及びソースフィールドプレート13は同一の工程で作成され、図1では図示を簡略化するために単層構成で示されているが、実際には蒸着層(メッキ下地層)とメッキ層との積層構成である。これ等の製造方法を詳しく説明すると、先ず、第1及び第2の絶縁膜9、10に開口を形成してソース電極6及びドレイン電極8の一部を露出させる。次に、ソース電極6、ドレイン電極8及び第2の絶縁膜10の上にメッキ下地層のための金属としてTi,Ni,Auを順次に蒸着する。次に、ソース付加電極層19、ドレイン付加電極層20及びソースフィールドプレート13に対応する開口を有するレジスト膜をメッキ下地層の上に形成する。次に、開口に露出しているメッキ下地層の上にAuの電解メッキ法によってメッキ層を好ましくは1〜20μm、より好ましくは3〜10μm、最も好ましくは約5μmに形成する。次に、レジスト膜を除去した後、周知のウェットエットエッチング法によって残ったメッキ下地層を除去して所望パターンのソース付加電極層19、ドレイン付加電極層20及びソースフィールドプレート13を得る。
なお、ウェットエットエッチング法の代りに、所望パターンのレジスト膜を形成し、その後に所望パターンのメッキ下地層を形成し、しかる後メッキ下地層の上にAuの電解メッキ法によってメッキ層を形成する別の方法を採用することもできる。
The source
In place of the wet etching method, a resist film having a desired pattern is formed, and thereafter a plating base layer having a desired pattern is formed. Thereafter, a plating layer is formed on the plating base layer by an electrolytic plating method of Au. Other methods can be employed.
ソースフィールドプレート13のドレイン電極8側の端部は、ゲートフィールドプレート12のドレイン電極8側の端部の近傍の電界集中を緩和するためにゲートフィールドプレート12のドレイン電極8側の端部とドレイン電極8との間に位置している。図1において、ソースフィールドプレート13がゲートフィールドプレート12からドレイン電極8側に突出している部分の長さLSF、及びソースフィールドプレート13のドレイン電極8側の端部とドレイン電極8との間の距離LSFDはHEMTの特性に重要な意味を有する。本件出願人による多くの実験によって、ソースフィールドプレート13のゲートフィールドプレート12からドレイン電極8側に突出している部分の長さLSFが長過ぎると、ソース電極6とドレイン電極8との間のパルス耐圧が低下するのみではなく、オン抵抗が高くなることが確認された。また、ゲートフィールドプレート12のドレイン電極7側端部とドレイン電極7との間の距離(LGFD)に対するソースフィールドプレート13のドレイン電極7側端部とゲートフィールドプレート12のドレイン電極7側端部との間の距離(LSF)の割合(LsF/LGFD)の好ましい範囲は1〜60%であり、より好ましい範囲は1〜50%であり、最も好ましい範囲は1〜25%であることが判明した。
The end of the
ソース電極6とドレイン電極7との間の耐圧は、ソースフィールドプレート13のドレイン電極7側端部とドレイン電極7との間の距離LSFDに対して比例的に変化する。図7の特性線Cは、ゲート電極8とドレイン電極7との間の距離LGDを21.5μmに固定し、且つゲートフィールドプレート12のドレイン電極7側端部とドレイン電極7との間の距離LGFDを16μmに固定し、ソースフィールドプレート13のドレイン電極7側端部とドレイン電極7との間の距離LSFDを変化させた時のソース電極6とドレイン電極7との間の耐圧を示し、特性線Dは、ゲート電極8とドレイン電極7との間の距離LGDを21.5μmに固定し、且つゲートフィールドプレート12のドレイン電極7側端部とドレイン電極7との間の距離LGFDを19μmに固定し、ソースフィールドプレート13のドレイン電極7側端部とドレイン電極7との間の距離LSFDを変化させた時のソース電極6とドレイン電極7との間の耐圧を示す。なお、耐圧を測定するために、HEMTをオフ状態に保にするための電圧をゲート電極8とソース電極6との間に印加すると同時にソース電極6とドレイン電極7との間にソース・ドレイン間電圧を印加し、このソース・ドレイン間電圧を複数段階に切換え、各段階でソース電極6とドレイン電極7との間を流れる漏れ電流を計測し、この漏れ電流の値が所定値になった時のソース・ドレイン間電圧をソース電極6とドレイン電極7との間の耐圧とした。
The breakdown voltage between the
ソースフィールドプレート13のゲートフィールドプレート12からの突出部の長さLSFは、ゲートフィールドプレート12のドレイン電極7側端部とドレイン電極7との間の距離LGFDからソースフィールドプレート13のドレイン電極7側端部とドレイン電極7との間の距離LSFDを減算した値(LGFD―LSFD)に相当する。従って、図7の特性線C及びDに示すようにゲート電極8とドレイン電極7との間の距離LGDを固定し且つゲートフィールドプレート12のドレイン電極7側端部とドレイン電極7との間の距離LGFDを固定した場合において、ソースフィールドプレート13のドレイン電極7側端部とドレイン電極7との間の距離LSFDを増大しても耐圧が僅かに高くなるのみであり、殆ど変化しないことは、耐圧はソースフィールドプレート13の突出部の長さLSFにあまり依存しないこと意味する。
The length L SF of the protruding portion of the
ソースフィールドプレート13の突出部の長さLGFは、ソース電極6とドレイン電極7との間のオン抵抗PRonも考慮して決定される。図8はソースフィールドプレート13の突出部の長さLSFとゲートフィールドプレート12のドレイン電極7側端部とドレイン電極7との間の距離LGFDとの比LSF/LGFDの変化に対するオン抵抗PRon(相対値)の変化を示す。
なお、ここでのオン抵抗PRonは電流コラプスを発生させるための所定のパルス電圧(例えば400V)をソース電極6とドレイン電極7との間に印加した後のソース電極6とドレイン電極7との間の抵抗を示す。このパルス電圧の印加時にはソース電極6とゲート電極8との間に例えばー5Vを印加してHEMTをオフ状態に保った。また、パルス電圧の印加を所定回数(例えば500回)繰り返した。
図8から明らかなようにLSF/LGFDの値が60%でオン抵抗PRon(相対値)が最大になる。LSF/LGFDの値が60%よりも小さくなった場合、及び大きくなった場合のいずれにおいてもオン抵抗PRon(相対値)が小さくなる。オン抵抗PRonをできるだけ小さくし且つ所望のパルス耐圧を得るためには、ソースフィールドプレート13の突出部の長さLSFとゲートフィールドプレート12のドレイン電極7側端部とドレイン電極7との間の距離LGFDとの比LSF/LGFDを、既に説明したように、好ましくは1〜60%、より好ましい範囲は1〜50%、最も好ましい範囲は1〜25%とする。LSF/LGFDが60%よりも大きくなってもオン抵抗PRonは低下する。しかし、LSF/LGFDの値が60%よりも大きくなように、ソースフィールドプレート13の突出部の長さLSFが長くなると、ソース電極6とドレイン電極7との間の耐圧が所望値よりも低くなる。
なお、ソースフィールドプレート13はゲートフィールドプレート12の先端近傍の電界集中を抑制するものであるから、ソースフィールドプレート13の突出部の長さLSFは所望の電界集中緩和効果を得ることができる範囲内においてできるだけ短く設定され、LSF/LGFDが1%以上になると、電界集中緩和効果を得ることができる。
The length L GF of the protruding portion of the
Here, the on-resistance PRon is defined between the
As apparent from FIG. 8, the on-resistance PRon (relative value) becomes maximum when the value of L SF / L GFD is 60%. The on-resistance PRon (relative value) decreases both when the value of L SF / L GFD becomes smaller than 60% and when it becomes larger. It turned on to obtain a small and and desired pulse breakdown voltage as possible resistance Pron, between the
Since the
第3の絶縁膜11は、第2の絶縁膜10及びこれよりも下の部分を外部から保護するためのものであり、第2の絶縁膜10よりも耐湿性の高い材料で形成される。この実施例の第3の絶縁膜11はソース付加電極層19、ドレイン付加電極層20、ソースフィールドプレート13及び第2の絶縁膜10を覆うSiN膜(シリコン窒化膜)から成る。第3の絶縁膜11を形成する時には、プラズマCVD法によって好ましくは300〜1000nm、より好ましくは500nmの厚みを有するSiN膜をソース付加電極層19、ドレイン付加電極層20、ソースフィールドプレート13及び第2の絶縁膜10の上に形成し、次にソースボンディングパッド電極21、ドレインボンディングパッド電極22、及びゲートボンディングパッド電極23を露出させるためのレジスト膜を形成し、第3の絶縁膜11を選択的にエッチングすることによって第3の絶縁膜11に開口を形成し、しかる後レジスト膜を除去する。
なお、第3の絶縁膜11の上に更にポリイミド樹脂等の第4の絶縁膜を例えば5〜20μmの厚さに形成することができる。また、第3の絶縁膜11のSiN膜の代りにポリイミド樹脂膜を設けることもできる。ポリイミド樹脂から成る絶縁膜は、SiN膜と同様に引っ張り応力を生じる性質を有する。
The third
A fourth insulating film such as a polyimide resin can be further formed on the third insulating
背面電極14は、HEMTの動作の安定化を図るためのものであって、導電性を有する基板1の他方の主面14に形成され、図示が省略された導体によってソース電極6に電気的に接続されている。
The
上述から明らかなように、本実施例のHEMTは次の効果を有する。
(1)窒化物半導体から成る主半導体領域3の一方の主面上にシリコン酸化物から成る第1の絶縁膜9が設けられ、且つ主半導体領域3にショットキー接触しているゲート電極8上にシリコン酸化物から成る第2の絶縁膜10が設けられている。シリコン酸化物から成る第2の絶縁膜10は圧縮応力を生じるので、ゲート電極8のショットキー障壁の高さが、従来の引っ張り応力を生じるシリコン窒化物(SiN)で第1及び第2の絶縁膜を形成したHEMTのゲート電極のショットキー障壁の高さよりも高くなる。この結果、ゲート漏れ電流の低減を図ることができる。
(2)第1及び第2の絶縁膜9,10の圧縮応力が主半導体領域3の一方の主面18即ち電子供給層5の主面に作用すると、電子供給層5のピエゾ分極に基づく2DEG層17における電子が多くなる。これにより、オン抵抗の低いHEMTを提供することできる。
(3)シリコン酸化物よりも耐湿性が高いシリコン窒化物(SiN)から成る第3の絶縁膜11が第1及び第2の絶縁膜9,10の上に設けられているので、耐湿性の高いHEMTを提供することできる。
(4)シリコン窒化物(SiN)から成る第3の絶縁膜11は、引っ張り応力を生じるが、第1及び第2の絶縁膜9,10が比較的厚く形成されているので、第3の絶縁膜11の引っ張り応力が主半導体領域3の一方の主面18及びゲート電極8に及ぶことを抑制できる。
(5)シリコン窒化物(SiN)から成る第3の絶縁膜11と第2の絶縁膜10との間に比較的厚いソーストフィールドプレート13が配置されているので、シリコン窒化物(SiN)から成る第3の絶縁膜11の引っ張り応力が主半導体領域3の一方の主面18及びゲート電極8に及ぶことを抑制できる。
(6)ゲートフィールドプレート12のドレイン電極7側端部とドレイン電極7との間の距離LGFDに対するゲートフィールドプレート12の長さLGFの割合LGF/LGFDを、1〜70%に設定し、且つゲートフィールドプレート12のドレイン電極7側端部とドレイン電極7との間の距離LGFDに対するソースフィールドプレート13のドレイン電極7側端部とゲートフィールドプレート12のドレイン電極7側端部との間の距離(ソースフィールドプレート13のゲートフィールドプレート12の端部からの突出部の長さ)LSFの割合LsF/LGFDを1〜60%の範囲に設定することによって、ゲート電極8とドレイン電極7との間の耐圧向上、電流コラプス現象に起因するオン抵抗の増大の抑制、及びリーク電流の低減を図ることができる。
(7)ソースフィールドプレート13は、ソース付加電極層19及びドレイン付加電極層20と同一工程で形成されている。従って、ソースフィールドプレート13を容易に得ることができる。
(8)ソース付加電極層19、ドレイン付加電極層20及びソースフィールドプレート13は、メッキ下地層を伴ったAuメッキ層で形成され且つソース電極6、ドレイン電極7よりも厚く形成されている。従って、ソース電極6とソースボンディングパッド電極21との間、ドレイン電極7とドレイボンディングパッド電極22との間、及びソースフィールドプレート13の電気抵抗を小さくすることができる。
As is apparent from the above, the HEMT of this example has the following effects.
(1) On the
(2) When the compressive stress of the first and second insulating
(3) Since the third insulating
(4) Although the third insulating
(5) Since the relatively thick
(6) The ratio L GF / L GFD of the length L GF of the
(7) The
(8) The source
次に、図9に示す実施例2に従うHEMTを説明する。但し、図9及び後述する図10〜図12において図1と実質的に同一の部分には同一の参照符号を付してその説明を省略する。
図9のHEMTは、斜線を付して説明的に示す低抵抗接触性改善用のn型不純物注入領域27、28を主半導体領域3aに付加し、且つ第3の絶縁膜11を第2の絶縁膜10の上にのみ設け、この他は図1に示されている実施例1のHEMTと実質的に同一に形成したものである。n型不純物注入領域27、28は、電子走行層3と電子供給層4の形成後に、これ等のソース電極6及びドレイン電極7の下に相当する部分に例えばSiから成るn型不純物を注入することによって形成され、2DEG層17に電気的に接続されている。図9に示す実施例2は、図1に示す実施例1と同様な効果を有する他に、ソース電極6及びドレイン電極7がn型不純物注入領域27、28を介して2DEG層17に電気的に接続されているので、オン抵抗を低減できるという効果も有する。また、ソース付加電極層19、ドレイン付加電極層20及びソースフィールドプレート13が露出しているので、ここを電気的接続に使用することができる。
Next, the HEMT according to the second embodiment shown in FIG. 9 will be described. However, in FIG. 9 and FIGS. 10 to 12 described later, substantially the same parts as those in FIG.
In the HEMT of FIG. 9, n-type
図10の実施例3のHEMTは、主半導体領域3bにn型不純物を含むAlxGa1-xNから成る電子供給層5aを設け、このn型の電子供給層5aとGaNから成る電子走行層4との間にアンドープAlNから成る周知のスペーサー層30を配置し、且つソース電極6及びドレイン電極7と電子供給層5aとの間に例えばn型AlGaNから成るコンタクト層31,32を配置し、この他は図1に示されている実施例1のHEMTと実質的に同一に形成したものである。スペーサー層30は、電子供給層5aの不純物又は元素が電子走行層4に拡散することを防ぎ、2DEG層17における電子の移動度の低下を抑制する。コンタクト層31,32は、ソース電極6及びドレイン電極7の接触抵抗の低減に寄与する。図10のHEMTの主要部は図1と同様に構成されているので、図10のHEMTは図1のHEMTと同様な効果も有する。
In the HEMT of Example 3 in FIG. 10, an
図11には実施例4に従う窒化物半導体を使用したショットキーバリアダイオード即ちSBDが示されている。このSBDは、図1のHEMTからソース電極6とソース付加電極層19とソースフィールドプレート13とを省き、図1のゲート電極8、ゲートフィールドプレート12、ドレイン電極7及びドレイン付加電極層20を、これ等と実質的に同一に形成された第1の電極8a、ショットキーフィールドプレート即ちアノードフィールドプレート12a、第2の電極7a及びカソード付加電極層20aに置き換えたものに相当する。なお、図11の第1、第2及び第3の絶縁膜9,10,11は図1で同一の参照符号で示すものと実質的に同一に形成されている。また、図11において、第1及び第2の電極8a,7a間の距離はLGD´で示され、アノードフィールドプレート12aの長さはLGF´で示され、アノードフィールドプレート12aの第2の電極(カソード電極)7a側端部と第2の電極(カソード電極)7aとの間の距離はLGFD´で示めされている。図11のLGF´、LGD´、LGFD´は図11のLGF、LGD、LGFDに対応するものであり、LGF、LGD、LGFDと同様な条件で設定される。
FIG. 11 shows a Schottky barrier diode or SBD using a nitride semiconductor according to the fourth embodiment. This SBD omits the
図11のSBDはショットキー電極から成る第1の電極8aに閾値よりも高い絶対値を有する負電圧が印加されている時に第1の電極8aと第2の電極7aとの間がオフ状態になり、第1の電極8aに電圧が印加されていない時又は閾値以下の絶対値を有する負電圧又は正電圧が印加されている時に第1の電極8aと第2の電極7aとの間がオン状態になる。SBDのオン状態の時には、第1の電極8a、電子供給層5、2DEG層17、電子供給層5、第2の電極7a及びカソード付加電極層20aの経路に電流が流れる。
In the SBD of FIG. 11, when a negative voltage having an absolute value higher than a threshold value is applied to the
図11のSBDの主半導体領域3cは図1のHEMTの主半導体領域3と同一に形成され、図11の第1、第2及び第3の絶縁膜9,10,11も図1で同一の参照符号で示すものと実質的に同一に形成されているので、図1のソースフィールドプレート13の効果を除いて図1のHEMTと同様な効果を得ることができる。即ち、シリコン酸化物から成る第1及び第2の絶縁膜9,10によって第1の電極8aのショットキー障壁を高めて第1及び第2の電極8a,7a間の漏れ電流の低減、及び2DEG層17の電子の増大を図ることができる。
The
図12には実施例5に従う窒化物半導体を使用したMESFETが示されている。
このMESFETは、図1のHEMTの主半導体領域3の代わりに例えばGaNから成る半導体層4aとこれにn型不純物(例えばSi)をイオン注入法で注入することによって形成されたn型GaN層4bとから成る主半導体領域3dを設け、この他は図1に示されている実施例1のHEMTと実質的に同一に形成したものである。n型GaN層4bはチャネル層即ち電流通路として機能する。
FIG. 12 shows a MESFET using a nitride semiconductor according to the fifth embodiment.
In this MESFET, a semiconductor layer 4a made of, for example, GaN, instead of the
図12のMESFETの場合も、主半導体領域3dにショットキー接触しているゲート電極8を有し、且つシリコン酸化物から成る第1及び第2の絶縁膜9、10を有し、且つゲートフィールドプレート12及びソースフィールドプレート13が図1と同様に形成されているので、ゲート電極8のショットキー障壁を高める効果、ゲートフィールドプレート12及びソースフィールドプレート13による電界集中緩和効果を図1のHEMTと同様に得ることができる。
The MESFET of FIG. 12 also includes the
本発明は、上述の実施例に限定されるものでなく、例えば、次の変形が可能なものである。
(1)主半導体領域3,3a、3b、3c、3dを、GaN、AlGaN以外のInGaN、AllnGaN、AlN、InAlN等の別の窒化物半導体で形成することもできる。
(2) HEMT及びSBDの実施例の電子供給層5,5aをp型半導体から成る正孔供給層に置き換えることができる。この場合には、2DEG層17に対応する領域に2次元キャリアガス層として2次元正孔ガス層が生じる。
(3)HEMT及びSBDの実施例の主半導体領域3,3a、3b、3cの最も上の電子供給層5,5aに凹部(リセス)を設け、この凹部の中にゲート電極8又は第1の電極8aを配置する方法等で、ゲート電極8、8aに電圧を印加しない状態即ちノーマリ状態において、オフ状態になるノーマリオフ型のHEMT又はSBDに対しても本発明を適用することができる。
(4) HEMTのゲート電極8とゲートフィールドプレート12とを分離し、これら相互間を別の導体によって接続することもできる。同様にSBDの第1の電極8aとアノードフィールドプレート12aとを分離し、これら相互間を別の導体によって接続することもできる。また、HEMTのソース電極6とソースフィールドプレート13とを分離し、これら相互間を別の導体によって接続することもできる。
(5)ドレイン電極7に接続されたドレインフィールドプレートを設けることができる。
(6)ゲートフィールドプレート12の厚みをゲート電極8からドレイン電極7に向って傾斜を有して又は段階的に除々に薄くすることができる。
(7)ゲートフィールドプレート12の下の第1の絶縁膜9の厚みをゲート電極8からドレイン電極7に向って傾斜を有して又は段階的に除々に厚くすることができる。
(8)図10で鎖線で示すように主半導体領域3bの最も上に、ゲート電極8のショットキー接触を助けるため、又は表面電荷のコントロールのため等に例えばアンドープAlGaNから成るキャップ層33を設けることができる。
(9)ゲートフィールドプレート12とソースフィールドプレート13とのいずれか一方又は両方を省くこともできる。
(10) 主半導体領域3の一方の主面18にけるソース電極6とゲート電極8との間の全部及びドレイン電極7とゲート電極8との間の全部をSiOXから成る第1の絶縁膜9で覆う代りに、主半導体領域3の一方の主面18のソース電極6とドレイン電極7との間の一部のみをSiOXから成る絶縁膜で覆い、残りをSiN等の別の絶縁膜で覆うことができる。また、ゲート電極8、ゲートフィールドプレート12、及び第1の絶縁膜9の上の全部をSiOXから成る第2の絶縁膜10で覆う代りに、少なくともゲート電極8の上をSiOXから成る絶縁膜で覆い、残りをSiN等の別の絶縁膜で覆うことができる。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and for example, the following modifications are possible.
(1) The
(2) The
(3) A recess is formed in the uppermost
(4) The
(5) A drain field plate connected to the
(6) The thickness of the
(7) The thickness of the first insulating
(8) As shown by a chain line in FIG. 10, a
(9) Either or both of the
(10) A first insulating film made of SiO x on the entire
1 基板
2 バッファ層
3 主半導体領域
4 電子走行層(第1の半導体層)
5 電子供給層(第2の半導体層)
6 ソース電極
7 ドレイン電極
8 ゲート電極
9 第1の絶縁膜
10 第2の絶縁膜
12 ゲートフィールドプレート
13 ソースフィールドプレート
1
5 Electron supply layer (second semiconductor layer)
6
Claims (12)
前記主半導体領域の一方の主面上にショットキー接触している第1の電極と、
前記主半導体領域の一方の主面上に前記第1の電極から離間して配置され且つ前記主半導体領域の一方の主面上にオーミック接触している第2の電極と、
前記主半導体領域の一方の主面における前記第1の電極と前記第2の電極との間の少なくとも一部上に配置され且つシリコン酸化物で形成されている第1の絶縁膜と、
少なくとも前記第1の電極の上に配置され且つシリコン酸化物で形成されている第2の絶縁膜と
を備えていることを特徴とする窒化物半導体装置。 A main semiconductor region including at least one semiconductor layer of nitride semiconductor;
A first electrode in Schottky contact with one main surface of the main semiconductor region;
A second electrode disposed on one main surface of the main semiconductor region and spaced apart from the first electrode and in ohmic contact with one main surface of the main semiconductor region;
A first insulating film that is disposed on at least a portion between the first electrode and the second electrode on one main surface of the main semiconductor region and is formed of silicon oxide;
A nitride semiconductor device comprising: a second insulating film disposed on at least the first electrode and made of silicon oxide.
前記主半導体領域の一方の主面上に配置されソース電極と、
前記主半導体領域の一方の主面上に前記ソース電極から離間して配置されたドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電流通路を制御するために前記主半導体領域の一方の主面における前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置され且つ前記主半導体領域にショットキー接触しているゲート電極と、
前記主半導体領域の一方の主面における前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の少なくとも一部上に配置され且つシリコン酸化物で形成されている第1の絶縁膜と、
少なくとも前記ゲート電極上に配置され且つシリコン酸化物で形成されている第2の絶縁膜と
を備えていることを特徴とする窒化物半導体装置。 A main semiconductor region including at least one semiconductor layer of nitride semiconductor;
A source electrode disposed on one main surface of the main semiconductor region;
A drain electrode disposed apart from the source electrode on one main surface of the main semiconductor region;
A Schottky contact with the main semiconductor region disposed between the source electrode and the drain electrode on one main surface of the main semiconductor region to control a current path between the source electrode and the drain electrode A gate electrode,
A first insulating film that is disposed on at least a portion between the source electrode and the drain electrode on one main surface of the main semiconductor region and is formed of silicon oxide;
A nitride semiconductor device comprising: a second insulating film disposed on at least the gate electrode and formed of silicon oxide.
前記ソース電極及び前記ドレイン電極はそれぞれ前記2次元キャリアガス層に電気的に結合されていることを特徴とする請求項2乃至5のいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。 In the main semiconductor region, the first nitride semiconductor layer is formed such that a two-dimensional carrier gas layer can be formed along an interface between the first nitride semiconductor layer and the first nitride semiconductor layer. And a second nitride semiconductor layer heterojunctioned to,
6. The nitride semiconductor device according to claim 2, wherein the source electrode and the drain electrode are each electrically coupled to the two-dimensional carrier gas layer.
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