JP2009026975A - Semiconductor apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関し、特に特に窒化物半導体のヘテロ接合構造を用いた半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device using a heterojunction structure of a nitride semiconductor.
窒化ガリウム(GaN)系半導体材料は、絶縁破壊電界が大きく、かつ電子の飽和ドリフト速度が大きいという特長を持っており、この材料系を用いた電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)は、高耐圧・低損失パワー素子、あるいは高耐圧・高周波素子として注目されている。特に、AlGaNとGaNのヘテロ構造をMOCVD(metal organic chemical vapor deposition)法、MBE(molecular beam epitaxy)法等の気相成長法でSiC、サファイア、Si等の基板上にエピタキシャル成長させ、AlGaN/GaNヘテロ界面の2次元電子ガスをチャネルとして用いる高電子移動度トランジスタ(HEMT:High Electron Mobility Transistor)は、優れた電子輸送特性を持っており、研究開発が活発に進められている。例えば、特許文献1参照。
Gallium nitride (GaN) -based semiconductor materials are characterized by a high breakdown electric field and a high saturation drift velocity of electrons. Field effect transistors (FETs) using this material system are It is attracting attention as a withstand voltage / low loss power element or a high withstand voltage / high frequency element. In particular, a heterostructure of AlGaN and GaN is epitaxially grown on a substrate of SiC, sapphire, Si or the like by a vapor phase growth method such as a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method or a molecular beam epitaxy (MBE) method. A high electron mobility transistor (HEMT) that uses a two-dimensional electron gas at the interface as a channel has excellent electron transport characteristics, and research and development are being actively promoted. For example, see
GaN系HEMTをその一応用分野であるスイッチング電源用パワー素子として用いる場合、オン/オフ切り替え時に基板の電位が大きく変動することを防ぐために導電性基板を使用し、ソース電極に接続することがある。このような素子においては、オフ時にドレイン電極と基板との間の縦方向にスイッチング動作電圧が印加され、その縦方向電圧により基板とドレイン電極との間に縦方向リーク電流が生じてしまう問題がある。
本発明は、縦方向リーク電流を抑制する半導体装置を提供する。 The present invention provides a semiconductor device that suppresses longitudinal leakage current.
本発明の一態様によれば、基板と、前記基板の上に設けられた第1導電型のGaN層と、前記GaN層の上に設けられたInXAlYGa1−X−YN(4.66X≦Y≦4.66X+0.41、X+Y≦1)からなるバリア層と、前記バリア層の上に設けられたGaNからなるチャネル層と、前記チャネル層の上に設けられ、前記チャネル層よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体からなる電子供給層と、前記電子供給層の表面に接して設けられたソース電極と、前記電子供給層の表面に接して設けられたドレイン電極と、前記電子供給層の上における前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられたゲート電極と、を備えたことを特徴とする半導体装置が提供される。 According to one aspect of the present invention, a substrate, a first conductivity type GaN layer provided on the substrate, and an In X Al Y Ga 1-XY N ( 4.66X ≦ Y ≦ 4.66X + 0.41, X + Y ≦ 1), a channel layer made of GaN provided on the barrier layer, and provided on the channel layer, the channel layer An electron supply layer made of a nitride semiconductor having a larger band gap, a source electrode provided in contact with the surface of the electron supply layer, a drain electrode provided in contact with the surface of the electron supply layer, and the electrons There is provided a semiconductor device comprising: a gate electrode provided between the source electrode and the drain electrode on a supply layer.
本発明によれば、縦方向リーク電流を抑制する半導体装置が提供される。 According to the present invention, a semiconductor device that suppresses longitudinal leakage current is provided.
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。以下の実施形態では、半導体装置としてGaN系HEMT(High Electron Mobility Transistor)を一例に挙げて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, a GaN-based HEMT (High Electron Mobility Transistor) will be described as an example of a semiconductor device.
[第1の実施形態]
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の要部断面を示す模式図である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic view showing a cross-section of the main part of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
導電性基板(例えばn型シリコン基板)2の主面上には、バッファ層(例えばn型AlN/n型AlGaNからなる)3が設けられている。基板2の主面の反対側の面には裏面電極1が設けられている。
On the main surface of the conductive substrate (for example, n-type silicon substrate) 2, a buffer layer (for example, made of n-type AlN / n-type AlGaN) 3 is provided. A
バッファ層3の上にはn型GaN層4が設けられ、n型GaN層4の上にはバリア層5が設けられている。バリア層5の上には、チャネル層6と電子供給層7とのヘテロ接合構造が設けられている。
An n-
バリア層5は、InXAlYGa1−X−YNからなり、ここでInの組成比X、Alの組成比Yは、4.66X≦Y≦4.66X+0.41およびX+Y≦1を満足する。具体的には、本実施形態では、In0.05Al0.5Ga0.45Nをバリア層5として用いている。 Barrier layer 5 is made of In X Al Y Ga 1-X -Y N, where the composition ratio of an In X, the composition ratio Y of Al is a 4.66X ≦ Y ≦ 4.66X + 0.41 and X + Y ≦ 1 Satisfied. Specifically, in the present embodiment, In 0.05 Al 0.5 Ga 0.45 N is used as the barrier layer 5.
チャネル層6は、例えば不純物が添加されていないノンドープのGaNからなり、電子供給層7は、チャネル層6のGaNよりもバンドギャップが大きい例えばノンドープのAl0.2Ga0.8Nからなる。
The channel layer 6 is made of, for example, non-doped GaN to which no impurity is added, and the
電子供給層7の表面上には、ソース電極8とドレイン電極9とが互いに離間して設けられている。ソース電極8及びドレイン電極9は、電子供給層7の表面にオーミック接触している。
On the surface of the
ソース電極8とドレイン電極9との間における電子供給層7上には、絶縁膜(例えばシリコン窒化膜)11を介してゲート電極10が設けられている。なお、絶縁膜11を設けずに、ゲート電極10を電子供給層7の表面にショットキー接触させた構造であってもよい。ゲート電極10に加える電圧を制御することで、その下の電子供給層7とチャネル層6とのヘテロ接合界面における2次元電子ガス濃度が増減し、ソース電極8とドレイン電極9間に流れる主電流が変化する。
A
以下、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。 Hereinafter, a method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment will be described.
まず、例えば、800〜1200℃程度の温度のn型シリコン基板1上に、MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)法によって、n型AlN/n型AlGaN系材料からなるバッファ層3、n型GaN層4、In0.05Al0.5Ga0.45Nからなるバリア層5、ノンドープGaNからなるチャネル層6、Al0.2Ga0.8Nからなる電子供給層7を連続的にエピタキシャル成長する。
First, for example, a
例えば、n型GaN層4の厚さは500(nm)、バリア層5の厚さは100(nm)、チャネル層6の厚さは2(μm)、電子供給層7の厚さは30(nm)とする。また、n型GaN層4のドナー濃度は、1×1018(cm−3)である。
For example, the n-
次に、前述の工程までで得られたウェーハ表面全面に、例えば、PECVD(Plasma Enhanced chemical vapor deposition)法で、絶縁膜11としてシリコン窒化膜を10(nm)程堆積した後、フォトリソグラフィーおよびドライエッチングにより絶縁膜11に開口を形成し、その開口を介して電子供給層7の表面に接するソース電極8およびドレイン電極9を形成する。その後、絶縁膜11上にゲート電極10を形成する。
Next, about 10 nm of silicon nitride film is deposited as an
n型シリコン基板2は、その裏面に形成された裏面電極1および配線等を介してソース電極8と電気的に接続され、その基板2の上に設けられたバッファ層3及びn型GaN層4もn型にドーピングされている。したがって、基板1、バッファ層3およびn型GaN層4の電位がソース電位またはソース電位に近い電位に固定され、本実施形態に係る半導体装置を例えばスイッチング電源用パワー素子として用いた場合におけるオン・オフ切り替え時に、基板1、バッファ層3およびn型GaN層4の電位が大きく変動することを防げる。また、オフ状態ではドレイン電極9と基板1との間の縦方向にスイッチング動作電圧が印加されるが、その際、バッファ層3はn型にドーピングされているため、比較的欠陥密度の高いバッファ層3に電界がかかることを防げる。
The n-
n型GaN層4と、ノンドープGaNからなるチャネル層5との間には、GaNよりもバンドギャップが大きいInAlGaNからなるバリア層5が設けられ、GaNとInAlGaNとのヘテロ界面の伝導帯不連続により、オフ状態のときに縦方向電界による基板1からドレイン電極9への電子電流を防げる。
Between the n-
ここで、バリア層5に用いるInAlGaNの組成比を、In0.05Al0.5Ga0.45Nとすることで、InAlGaNとGaNとの格子定数差が0.6%と小さくでき、バリア層5上下界面付近の結晶欠陥密度が非常に低くなる。そのため、チャネル層6とバリア層5との界面近傍の電子トラップ濃度が低減でき、高電圧印加時のオン抵抗増加現象(電流コラプス)を十分に低減することができる。 Here, by setting the composition ratio of InAlGaN used for the barrier layer 5 to In 0.05 Al 0.5 Ga 0.45 N, the lattice constant difference between InAlGaN and GaN can be reduced to 0.6%, and the barrier The crystal defect density in the vicinity of the upper and lower interfaces of the layer 5 becomes very low. Therefore, the electron trap concentration in the vicinity of the interface between the channel layer 6 and the barrier layer 5 can be reduced, and the on-resistance increase phenomenon (current collapse) when a high voltage is applied can be sufficiently reduced.
In0.05Al0.5Ga0.45NとGaNとのヘテロ界面の伝導帯不連続は0.7(eV)程度であるが、バリア層5はGaNとの格子定数差が小さいために比較的厚く、例えば100(nm)の厚さで形成でき、且つバリア層7のAl組成Yが、Y≧0.5と大きいため、バリア層7の大きな自発分極によるバックバリアが生じ、ドレイン電極9に大きな正バイアスが印加されたオフ状態においてドレイン電極9とその下の縦方向へのリーク電流を十分防ぐことができる。
The conduction band discontinuity at the hetero interface between In 0.05 Al 0.5 Ga 0.45 N and GaN is about 0.7 (eV), but the barrier layer 5 has a small lattice constant difference from GaN. Since the Al composition Y of the
すなわち、本実施形態によれば、高電圧印加時のオン抵抗増加現象(電流コラプス)を十分に低減でき、且つオフ状態における縦方向リーク電流を防いで、良好なスイッチング特性を有する半導体装置を提供できる。 That is, according to the present embodiment, a semiconductor device having satisfactory switching characteristics can be provided in which the on-resistance increase phenomenon (current collapse) when a high voltage is applied can be sufficiently reduced, and the vertical leakage current in the off state is prevented. it can.
[第2の実施形態]
図2は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の要部断面を示す模式図である。
[Second Embodiment]
FIG. 2 is a schematic diagram showing a cross-section of the main part of a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
導電性基板(例えばn型シリコン基板)2の主面上には、バッファ層(例えばAlN/AlGaNからなる)13が設けられている。基板2の主面の反対側の面には裏面電極1が設けられている。
A buffer layer (eg, made of AlN / AlGaN) 13 is provided on the main surface of the conductive substrate (eg, n-type silicon substrate) 2. A
バッファ層13の上にはn型GaN層14が設けられ、n型GaN層14の上にはバリア層15が設けられている。バリア層15の上には、チャネル層16と電子供給層17とのヘテロ接合構造が設けられている。
An n-
バリア層15は、InXAlYGa1−X−YNからなり、ここでInの組成比X、Alの組成比Yは、4.66X≦Y≦4.66X+0.41およびX+Y≦1を満足する。具体的には、本実施形態では、In0.1Al0.8Ga0.1Nをバリア層15として用いている。
チャネル層16は、例えば不純物が添加されていないノンドープのGaNからなり、電子供給層17は、チャネル層6のGaNよりもバンドギャップが大きい例えばn型のAl0.25Ga0.75Nからなる。
The
電子供給層17の表面上には、ソース電極8とドレイン電極9とが互いに離間して設けられている。ソース電極8及びドレイン電極9は、電子供給層7の表面にオーミック接触している。
On the surface of the
ソース電極8とドレイン電極9との間における電子供給層7上には、絶縁膜(例えばシリコン窒化膜)11を介してゲート電極10が設けられている。なお、絶縁膜11を設けずに、ゲート電極10を電子供給層7の表面にショットキー接触させた構造であってもよい。ゲート電極10に加える電圧を制御することで、その下の電子供給層17とチャネル層16とのヘテロ接合界面における2次元電子ガス濃度が増減し、ソース電極8とドレイン電極9間に流れる主電流が変化する。
A
n型シリコン基板2は、その裏面に形成された裏面電極1および配線等を介してソース電極8と電気的に接続されている。さらに、本実施形態では、n型GaN層14上のバリア層15、チャネル層16および電子供給層17の一部が例えばドライエッチングにより除去されて開口部が形成され、その開口部を介して、ソース電極8の一部が、開口部の底部に露出するn型GaN層14の表面に接している。この接触はオーミック性を有しており、n型GaN層14はソース電極8と同電位に保たれている。
The n-
例えば、n型GaN層14の厚さは500(nm)、バリア層15の厚さは50(nm)、チャネル層16の厚さは3(μm)、電子供給層17の厚さは25(nm)である。また、n型GaN層14のドナー濃度は、2×1018(cm−3)である。
For example, the n-
本実施形態におけるバッファ層13はドーピングされていないが、基板2及びn型GaN層14は共にソース電極8に接続されているため、バッファ層13を挟む上下の層は同電位になるため、比較的欠陥密度の高いバッファ層13にはスイッチング動作時に電界がかからない。
Although the
n型GaN層14と、ノンドープGaNからなるチャネル層15との間には、GaNよりもバンドギャップが大きいInAlGaNからなるバリア層15が設けられ、GaNとInAlGaNとのヘテロ界面の伝導帯不連続により、オフ状態のときに縦方向電界による基板1からドレイン電極9への電子電流を防げる。
A
ここで、バリア層15に用いるInAlGaNの組成比を、In0.1Al0.8Ga0.1Nとすることで、InAlGaNとGaNとの格子定数差が0.8%と小さくでき、バリア層15上下界面付近の結晶欠陥密度が非常に低くなる。そのため、チャネル層16とバリア層15との界面近傍の電子トラップ濃度が低減でき、高電圧印加時のオン抵抗増加現象(電流コラプス)を十分に低減することができる。
Here, by setting the composition ratio of InAlGaN used for the
また、本実施形態では、In0.1Al0.8Ga0.1NとGaNとのヘテロ界面の伝導帯不連続は1.28(eV)であり、上記第1の実施形態に比べて大きいため、バリア層15の厚さは第1の実施形態に比べて薄い50(nm)であるが、ドレイン電極9に大きな正バイアスが印加されたオフ状態においてドレイン電極9とその下の縦方向へのリーク電流を十分防ぐことができる。さらに、第1の実施形態と同様、バリア層17のAl組成Yが、Y≧0.5と大きいため、バリア層17の大きな自発分極によるバックバリアが生じ、このことによってもオフ時の縦方向リーク電流を防ぐことができる。
In the present embodiment, the conduction band discontinuity at the heterointerface between In 0.1 Al 0.8 Ga 0.1 N and GaN is 1.28 (eV), which is compared with the first embodiment. Since it is large, the thickness of the
すなわち、本実施形態においても、高電圧印加時のオン抵抗増加現象(電流コラプス)を十分に低減でき、且つオフ状態における縦方向リーク電流を防いで、良好なスイッチング特性を有する半導体装置を提供できる。 That is, also in the present embodiment, a semiconductor device having good switching characteristics can be provided by sufficiently reducing the on-resistance increase phenomenon (current collapse) when a high voltage is applied, and preventing the vertical leakage current in the off state. .
バリア層として用いられるInXAlYGa1−X−YNの組成比は、上記実施形態で挙げたものに限定されず、4.66X≦Y≦4.66X+0.41、およびX+Y≦1を満足すれば、InAlGaNとGaNとの格子定数差を1%以内に抑えて、電子に対する障壁として機能するのに十分な厚さ(数十nm)にバリア層を形成しても、バリア層とその上下のGaNとのそれぞれのヘテロ界面での結晶欠陥を抑制することができる。 The composition ratio of In X Al Y Ga 1- XYN used as the barrier layer is not limited to that described in the above embodiment, and 4.66X ≦ Y ≦ 4.66X + 0.41 and X + Y ≦ 1. If satisfied, even if the barrier layer is formed to a thickness (several tens of nm) sufficient to function as a barrier against electrons by suppressing the lattice constant difference between InAlGaN and GaN to within 1%, the barrier layer and its Crystal defects at the respective heterointerfaces with the upper and lower GaN can be suppressed.
図3は、バリア層におけるInの組成比X(横軸)と、Alの組成比Y(縦軸)との関係を示す。 FIG. 3 shows the relationship between the In composition ratio X (horizontal axis) and the Al composition ratio Y (vertical axis) in the barrier layer.
XとYが、Y=4.66Xの関係にあれば、InXAlYGa1−X−YNとGaNとの格子定数差が0%となり、Y=4.66X+0.41の関係にあれば、GaNの格子定数に対してInXAlYGa1−X−YNの格子定数が1%小さくなる。GaNの格子定数に対してInXAlYGa1−X−YNの格子定数が1%大きくなっても、バリア層を電子に対する障壁として機能させることが実質期待できず、したがって、縦方向リーク電流を防ぐ機能を有するバリア層を、GaNとの格子定数差を小さくして形成するには、4.66X≦Y≦4.66X+0.41を満たす、すなわち図3におけるY=4.66Xの直線とY=4.66X+0.41の直線との間の範囲のX、Yにする必要がある。なお、X+Y=1は、XとYの組成比の和が1以下になることによる制約条件である。 If X and Y are in the relationship of Y = 4.66X, the lattice constant difference between In X Al Y Ga 1- XYN and GaN is 0%, and Y = 4.66X + 0.41. For example, the lattice constant of In X Al Y Ga 1- XYN is 1% smaller than that of GaN. Even if the lattice constant of In X Al Y Ga 1-X -Y N with respect to the lattice constant of GaN becomes 1% greater, it can not be substantially expected to function barrier layer as a barrier to electrons, thus, longitudinal leak In order to form a barrier layer having a function of preventing current with a small lattice constant difference from GaN, 4.66X ≦ Y ≦ 4.66X + 0.41 is satisfied, that is, a straight line of Y = 4.66X in FIG. And X = Y in the range between Y = 4.66X + 0.41 straight line. X + Y = 1 is a constraint condition that the sum of the composition ratios of X and Y is 1 or less.
−1%≦GaNに対するAlGaNの格子定数差≦0%は、
3.157オングストローム≦AlGaNのa軸の格子定数≦GaNのa軸の格子定数(=3.189)と表すことができる。
−1% ≦ AlGaN lattice constant difference ≦ 0%
3.157 Å ≦ lattice constant of AlGaN a-axis ≦ lattice constant of GaN a-axis (= 3.189).
また、縦方向リーク電流の防止効果を高めるには、Y≧0.5が望ましく、この条件を上記条件に加えたものは、図3において4本の直線、X+Y=1、Y=4.66X+0.41、Y=4.66X、およびY=0.5で囲まれた四角形の範囲となる。 Further, in order to enhance the effect of preventing the vertical leakage current, it is desirable that Y ≧ 0.5, and when this condition is added to the above conditions, the four straight lines in FIG. 3, X + Y = 1, Y = 4.66X + 0 .41, Y = 4.66X, and Y = 0.5.
また、現状、窒化物半導体にとってp型よりもn型の方が作りやすいことから、上記実施形態では第1導電型をn型としたが、p型であってもよい。 In addition, since the n-type is easier to make than the p-type for nitride semiconductors at present, the first conductivity type is n-type in the above embodiment, but it may be p-type.
2…基板、3,13…バッファ層、4,14…n型GaN層、5,15…バリア層、6,16…チャネル層、7,17…電子供給層、8…ソース電極、9…ドレイン電極、10…ゲート電極
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記基板の上に設けられた第1導電型のGaN層と、
前記GaN層の上に設けられたInXAlYGa1−X−YN(4.66X≦Y≦4.66X+0.41、X+Y≦1)からなるバリア層と、
前記バリア層の上に設けられたGaNからなるチャネル層と、
前記チャネル層の上に設けられ、前記チャネル層よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体からなる電子供給層と、
前記電子供給層の表面に接して設けられたソース電極と、
前記電子供給層の表面に接して設けられたドレイン電極と、
前記電子供給層の上における前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられたゲート電極と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。 A substrate,
A first conductivity type GaN layer provided on the substrate;
A barrier layer made of the In provided on the GaN layer X Al Y Ga 1-X- Y N (4.66X ≦ Y ≦ 4.66X + 0.41, X + Y ≦ 1),
A channel layer made of GaN provided on the barrier layer;
An electron supply layer provided on the channel layer and made of a nitride semiconductor having a larger band gap than the channel layer;
A source electrode provided in contact with the surface of the electron supply layer;
A drain electrode provided in contact with the surface of the electron supply layer;
A gate electrode provided between the source electrode and the drain electrode on the electron supply layer;
A semiconductor device comprising:
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