JP2010003959A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】窒化物系半導体機能層に生成される二次元キャリアガスチャネルにおいてキャリア密度及び電界をキャリア走行方向に変調する半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置（ＨＥＭＴ）１において、第１の窒化物系半導体領域２１上に第２の窒化物系半導体領域２２を有する窒化物系半導体機能層２と、窒化物系半導体機能層２上に互いに離間されて配設された第１の主電極３及び第２の主電極４と、窒化物系半導体機能層２上の第１の主電極３と第２の主電極４との間に配設されたゲート電極５とを備え、第２の窒化物系半導体領域２２の第１の主電極３側の膜厚に対して第２の主電極４側の膜厚が異なる。
【選択図】図１
【解決手段】半導体装置（ＨＥＭＴ）１において、第１の窒化物系半導体領域２１上に第２の窒化物系半導体領域２２を有する窒化物系半導体機能層２と、窒化物系半導体機能層２上に互いに離間されて配設された第１の主電極３及び第２の主電極４と、窒化物系半導体機能層２上の第１の主電極３と第２の主電極４との間に配設されたゲート電極５とを備え、第２の窒化物系半導体領域２２の第１の主電極３側の膜厚に対して第２の主電極４側の膜厚が異なる。
【選択図】図１
Description
本発明は、半導体装置に関し、特に窒化物系半導体機能層を有する半導体装置に関する。
ガリウムナイトライド（ＧａＮ）系化合物半導体を用いた電子デバイスとして、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：high electron mobility transistor）が知られている。ＨＥＭＴは、高い電子（キャリア）の移動度を有し、高周波特性に優れている。
ＨＥＭＴはチャネル層として機能するＧａＮ層とこのＧａＮ層上にヘテロ接合によって積層されたバリア層として機能するアルミニウムガリウムナイトライド（ＡｌＧａＮ）層とを有する窒化物系半導体機能層に構成され、ＧａＮ層のヘテロ接合近傍には高移動度の電子が走行する２次元電子ガス（２ＤＥＧ：two-dimensional electron gas）チャネルが生成される。２次元電子ガスチャネルにはソース電極及びドレイン電極がオーミック接続され、このソース電極とドレイン電極との間にはゲート電極が設けられている。このような構造を有するＨＥＭＴにおいては、自発分極や格子不整合を用いたピエゾ電界により高いキャリア密度を実現することができる。
なお、ＨＥＭＴに関しては例えば下記特許文献１に記載されている。
ＷＯ ０６１０３８３９０号公報
ＷＯ ０６１０３８３９０号公報
しかしながら、前述のＨＥＭＴにおいては、ドレイン電極とゲート電極との間のバリア層の厚みとゲート電極とソース電極との間のバリア層の厚みが同じであり、ドレイン電極とゲート電極との間のバリア層の厚みとゲート電極とソース電極との間のバリア層の厚みを変えることで、２次元電子ガスチャネル中の高いキャリア密度や電界をチャネル方向すなわちキャリア走行方向に変調する点について配慮がなされていなかった。
本発明は上記課題を解決するためになされたものである。従って、本発明は、ドレイン電極とゲート電極との間のバリア層の厚みとゲート電極とソース電極との間のバリア層の厚みを変えることにより、窒化物系半導体機能層に生成される二次元キャリアガスチャネルにおいてキャリア密度及び電界をキャリア走行方向に変調することができる半導体装置を提供することである。なお、二次元キャリアガスチャネルは広がりを持っており、本発明におけるキャリア密度とは二次元キャリアガスチャネルの幅と置き換えてもよい。
上記課題を解決するために、本発明の実施の形態に係る特徴は、半導体装置において、第１の窒化物系半導体領域上にヘテロ接合により配設された第２の窒化物系半導体領域を有し、第１の窒化物系半導体領域のヘテロ接合近傍に二次元キャリアガスチャネルを有する窒化物系半導体機能層と、二次元キャリアガスチャネルにオーミック接続された第１の主電極及び第２の主電極と、第１の主電極と第２の主電極との間に配設されたゲート電極と、を備え、第２の窒化物系半導体領域の第２の主電極とゲート電極との間の膜厚が、第２の窒化物系半導体領域の第１の主電極とゲート電極との間の膜厚に比べて異なる。
また、前述の半導体装置において、第１の主電極はソース電極であり、第２の主電極はドレイン電極であり、第２の窒化物系半導体領域のドレイン電極とゲート電極との間の膜厚が、第２の窒化物系半導体領域のソース電極とゲート電極との間の膜厚に比べて薄い部分を有することが好ましい。
また、前述の半導体装置において、第１の主電極はソース電極であり、第２の主電極はドレイン電極であり、第２の窒化物系半導体領域のドレイン電極とゲート電極との間の膜厚が、第２の窒化物系半導体領域のソース電極とゲート電極との間の膜厚に比べて厚い部分を有することが好ましい。
本発明によれば、ドレイン電極とゲート電極との間のバリア層の厚みとゲート電極とソース電極との間のバリア層の厚みを変えることにより、窒化物系半導体機能層に生成される二次元キャリアガスチャネルのキャリア密度及び電界をキャリア走行方向に変調することができる半導体装置を提供することができる。
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なる。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
また、以下に示す実施の形態はこの発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は各構成部品の配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態は、半導体装置としてＨＥＭＴに本発明を適用し、このＨＥＭＴの電流コラプスの発生を減少した例を説明するものである。
本発明の第１の実施の形態は、半導体装置としてＨＥＭＴに本発明を適用し、このＨＥＭＴの電流コラプスの発生を減少した例を説明するものである。
［ＨＥＭＴの構成］
図１に示すように、第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ（半導体装置）１は、キャリア領域（チャネル領域）として機能する第１の窒化物系半導体領域２１上に第１の窒化物系半導体領域２１より格子定数が小さく、バンドキャップが大きく、引張応力が生じるヘテロ接合により配設されたキャリア発生領域として機能する第２の窒化物系半導体領域（バリア領域）２２を有し、第１の窒化物系半導体領域２１のヘテロ接合近傍に二次元キャリアガスチャネル（二次元電子ガス層又は二次元正孔ガス層）２３を有する窒化物系半導体機能層２と、第２の窒化物系半導体領域２２上に互いに離間されて配設され、二次元キャリアガスチャネル２３にオーミック接続された第１の主電極３及び第２の主電極４と、第２の窒化物系半導体領域２２上の第１の主電極３と第２の主電極４との間に配設されたゲート電極５とを備える。第１の実施の形態において、第１の主電極３はソース電極として使用され、第２の主電極４はドレイン電極として使用されている。図１及びそれ以降において明確に図示していないが、耐圧の関係から、第１の主電極３とゲート電極５間は第２の主電極４とゲート電極５間よりも短くなるように構成されている。
図１に示すように、第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ（半導体装置）１は、キャリア領域（チャネル領域）として機能する第１の窒化物系半導体領域２１上に第１の窒化物系半導体領域２１より格子定数が小さく、バンドキャップが大きく、引張応力が生じるヘテロ接合により配設されたキャリア発生領域として機能する第２の窒化物系半導体領域（バリア領域）２２を有し、第１の窒化物系半導体領域２１のヘテロ接合近傍に二次元キャリアガスチャネル（二次元電子ガス層又は二次元正孔ガス層）２３を有する窒化物系半導体機能層２と、第２の窒化物系半導体領域２２上に互いに離間されて配設され、二次元キャリアガスチャネル２３にオーミック接続された第１の主電極３及び第２の主電極４と、第２の窒化物系半導体領域２２上の第１の主電極３と第２の主電極４との間に配設されたゲート電極５とを備える。第１の実施の形態において、第１の主電極３はソース電極として使用され、第２の主電極４はドレイン電極として使用されている。図１及びそれ以降において明確に図示していないが、耐圧の関係から、第１の主電極３とゲート電極５間は第２の主電極４とゲート電極５間よりも短くなるように構成されている。
窒化物系半導体機能層２は、図示しないが、シリコン基板、炭化シリコン基板、サファイア基板等の基板上に直接的に又は窒化物系半導体機能層２の結晶性の整合のためにバッファ層を介して間接的に形成されている。窒化物系半導体機能層２はIII族窒化物系半導体材料により構成されている。代表的なIII族窒化物系半導体はＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）により表される。第１の実施の形態において、窒化物系半導体機能層２の第１の窒化物系半導体領域２１にはＧａＮ層が使用され、第２の窒化物系半導体領域２２にはＡｌＧａＮ層が使用される。
第１の実施の形態において、第１の窒化物系半導体領域２１の膜厚は例えば０．５μｍ−１０．０μｍに設定され、ここではＧａＮ層は例えば０．５μｍ−３．５μｍの膜厚を使用している。第２の窒化物系半導体領域２２の第１の主電極３とゲート電極５との間の膜厚ｔ１はほぼ同じ膜厚になっており、第２の窒化物系半導体領域２２の第１の主電極３とゲート電極５との間の膜厚ｔ１は例えば５．０ｎｍ−１００．０ｎｍに設定されている。第２の窒化物系半導体領域２２のＡｌＧａＮ層の膜厚ｔ２は、ＡｌＧａＮ層の第２の主電極４とゲート電極５との間において最も厚い膜厚ｔ２maxであるゲート電極５の第２の主電極４側端を膜厚ｔ１と同等に設定しており、最も薄い膜厚ｔ２minである第２の主電極４のゲート電極５側端を例えば５．０ｎｍ−１５．０ｎｍに設定している。
窒化物系半導体機能層２において、第１の窒化物系半導体領域２１と第２の窒化物系半導体領域２２とのヘテロ接合界面近傍であって第１の窒化物系半導体領域２１の表面部分に第１の窒化物系半導体領域２１及び第２の窒化物系半導体領域２２の自発分極並びにピエゾ分極に基づく二次元キャリアガスチャネル２３が生成される。この二次元キャリアガスチャネル２３はＨＥＭＴ１において高移動度を有する電子（キャリア）のチャネル領域として機能する。
第１の主電極３及び第２の主電極４は二次元キャリアガスチャネル２３に対して低抵抗に接続するオーミック電極である。第１の主電極３に印加される電位よりも高い電位が第２の主電極４に印加され、ゲート電極５がオン状態になると、第２の主電極４から第１の主電極３に電流が流れる（キャリアである電子は逆に流れる。）。第１の実施の形態において、第１の主電極３及び第２の主電極４は、例えば１０ｎｍ−５０ｎｍの膜厚を有するチタン（Ｔｉ）層と、このＴｉ層上に積層され１００ｎｍ−１０００ｎｍの膜厚を有するアルミニウム（Ａｌ）層との積層膜により構成されている。第１の実施の形態において、第２の主電極４は、第２の窒化物系半導体領域２２の最も薄い膜厚ｔ２minの領域上において配設され、第１の主電極３は第２の主電極４より厚い膜厚ｔ１の領域上に配設されている。
ゲート電極５は、第２の窒化物系半導体領域２１の膜厚ｔ１の領域上に二次元キャリアガスチャネル２３とショットキー接合により接続されている。ゲート電極５は、１００ｎｍ−５００ｎｍの膜厚を有するニッケル（Ｎｉ）層と、このＮｉ層上に積層され０．１μｍ−１．０μｍの膜厚を有する金（Ａｕ）層との積層膜により構成されている。
このように構成されるＨＥＭＴ１において、窒化物系半導体機能層２の第２の窒化物系半導体領域２２は、第２の主電極４とゲート電極５との間において薄い膜厚ｔ２に設定されている。
［ＨＥＭＴの動作原理］
前述の第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ１においては、第２の窒化物系半導体領域２２の第１の主電極３とゲート電極５との間がほぼ等しい膜厚で厚い膜厚ｔ１に設定され、第２の主電極４とゲート電極５との間がゲート電極５から第２の主電極４に向かって徐々に薄くなり最も薄い部分は膜厚ｔ１より薄い膜厚ｔ２に設定されている。つまり、ＨＥＭＴ１においては、第２の窒化物系半導体領域２２の膜厚の第１の主電極３側が第２の主電極４側よりも厚くかつ非対称になり、第２の窒化物系半導体領域２２の歪み、自発分極とピエゾ分極によって生じる電界強度、二次元キャリアガスチャネル２３のキャリア密度が異なる。第２の窒化物系半導体領域２２が薄い膜厚ｔ２の領域に対応する二次元キャリアガスチャネル２３のキャリア密度は、第２の窒化物系半導体領域２２が厚い膜厚ｔ１の領域に対応する二次元キャリアガスチャネル２３のキャリア密度より低くなる。
前述の第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ１においては、第２の窒化物系半導体領域２２の第１の主電極３とゲート電極５との間がほぼ等しい膜厚で厚い膜厚ｔ１に設定され、第２の主電極４とゲート電極５との間がゲート電極５から第２の主電極４に向かって徐々に薄くなり最も薄い部分は膜厚ｔ１より薄い膜厚ｔ２に設定されている。つまり、ＨＥＭＴ１においては、第２の窒化物系半導体領域２２の膜厚の第１の主電極３側が第２の主電極４側よりも厚くかつ非対称になり、第２の窒化物系半導体領域２２の歪み、自発分極とピエゾ分極によって生じる電界強度、二次元キャリアガスチャネル２３のキャリア密度が異なる。第２の窒化物系半導体領域２２が薄い膜厚ｔ２の領域に対応する二次元キャリアガスチャネル２３のキャリア密度は、第２の窒化物系半導体領域２２が厚い膜厚ｔ１の領域に対応する二次元キャリアガスチャネル２３のキャリア密度より低くなる。
また、図２に示すように、自発分極とピエゾ分極によって生じる電界強度Ｅは、第２の窒化物系半導体領域２２の薄い膜厚ｔ２に対応する領域において第２の窒化物系半導体領域２２の厚い膜厚ｔ１に対応する領域よりも低くなる。よって、第２の主電極４の電位が第１の主電極３の電位よりも高くなるように電圧を印加してＨＥＭＴ１がオフ状態にあるとき、従来においては第２の主電極４側の電界強度が高くなるが、第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ１においては、図２に示すように、自発分極とピエゾ分極によって生じる電界強度を制御し、電界強度分布を従来に比べて滑らか又は均一化することができる。従って、ＨＥＭＴ１においては、第２の主電極（ドレイン電極）４の近傍のホットエレクトロンの発生を減少することができるので、電流コラプスの発生を抑制することができる。
また、ＨＥＭＴ１においては、ゲート電極５の第２の主電極４側端に発生する電界強度Ｅを第１の主電極３側端に発生する電界強度Ｅに比べて減少することができるので、破壊耐圧を向上することができる。
［ＨＥＭＴの製造方法］
前述のＨＥＭＴ１は、特に図面を用いてその製造方法を説明しないが、第２の窒化物系半導体領域２２を形成した後に、レジスト（マスク）を併用したエッチングを用いることにより簡易に製造することができる。すなわち、膜厚ｔ１の第２の窒化物系半導体領域２２を全面に形成した後に、レジストを形成し、このレジストをマスクとして用い、レジストのサイドエッチングを行いながら第２の窒化物系半導体領域２２の第２の主電極４とゲート電極５が配設される間の所定領域を第２の主電極４に向かって徐々に薄くなるように第２の窒化物系半導体領域２２の上面からエッチングを行うことによって、第２の窒化物系半導体領域２２に傾斜面を形成することができる。
前述のＨＥＭＴ１は、特に図面を用いてその製造方法を説明しないが、第２の窒化物系半導体領域２２を形成した後に、レジスト（マスク）を併用したエッチングを用いることにより簡易に製造することができる。すなわち、膜厚ｔ１の第２の窒化物系半導体領域２２を全面に形成した後に、レジストを形成し、このレジストをマスクとして用い、レジストのサイドエッチングを行いながら第２の窒化物系半導体領域２２の第２の主電極４とゲート電極５が配設される間の所定領域を第２の主電極４に向かって徐々に薄くなるように第２の窒化物系半導体領域２２の上面からエッチングを行うことによって、第２の窒化物系半導体領域２２に傾斜面を形成することができる。
［第１の実施の形態の特徴］
以上説明したように、第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ１においては、窒化物系半導体機能層２に生成される二次元キャリアガスチャネル２３のキャリア密度及び電界強度Ｅをキャリア走行方向に変調することができる。この結果、ＨＥＭＴ１においては、第２の主電極４の近傍におけるホットエレクトロンの発生を減少することができ、電流コラプスの発生を抑制することができる。また、ＨＥＭＴ１においては、ゲート電極５端部の電界強度Ｅを低くすることができるので、破壊耐圧を向上することができる。
以上説明したように、第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ１においては、窒化物系半導体機能層２に生成される二次元キャリアガスチャネル２３のキャリア密度及び電界強度Ｅをキャリア走行方向に変調することができる。この結果、ＨＥＭＴ１においては、第２の主電極４の近傍におけるホットエレクトロンの発生を減少することができ、電流コラプスの発生を抑制することができる。また、ＨＥＭＴ１においては、ゲート電極５端部の電界強度Ｅを低くすることができるので、破壊耐圧を向上することができる。
［第１の変形例］
第１の実施の形態の第１の変形例並びにこの後に説明する第２の変形例乃至第５の変形例は、第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ１において、第２の窒化物系半導体領域２２の第２の主電極４とゲート電極５との間の断面形状を変えた例を説明するものである。
第１の実施の形態の第１の変形例並びにこの後に説明する第２の変形例乃至第５の変形例は、第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ１において、第２の窒化物系半導体領域２２の第２の主電極４とゲート電極５との間の断面形状を変えた例を説明するものである。
第１の変形例に係るＨＥＭＴ１は、第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ１と同様に、図３に示すように、第２の窒化物系半導体領域２２のゲート電極５の第２の主電極４側端を最も厚い膜厚ｔ２maxに設定し、そこから第２の主電極４に向かって膜厚を減少させ、第２の窒化物系半導体領域２２の第２の主電極４のゲート電極５側端を最も薄い膜厚ｔ２minに設定している。そして、第２の主電極４は、ゲート電極５の第２の主電極４側端とほぼ等しい厚い膜厚ｔ２max上に配設されている。なお、第１の変形例においては、第２の窒化物系半導体領域２２の厚い膜厚ｔ２maxは第１の主電極３とゲート電極５との間の膜厚ｔ１とほぼ等しい。
このように構成される第１の変形例に係るＨＥＭＴ１においては、第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ１により得られる作用効果と同様の作用効果を奏することができる。
［第２の変形例］
第２の変形例に係るＨＥＭＴ１は、第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ１と基本的には同様であるが、図４に示すように、第２の窒化物系半導体領域２２のゲート電極５の第２の主電極４側端を最も厚い膜厚ｔ２maxに設定し、そこから膜厚を減少させ、第１のゲート電極５と第２の主電極４との間の部分において第２の窒化物系半導体領域２２を最も薄い膜厚ｔ２minに設定し、そこから膜厚を増加し、第２の窒化物系半導体領域２２の第２の主電極４のゲート電極５側端を最も厚い膜厚ｔ２maxに設定している。第２の窒化物系半導体領域２２の最も薄い膜厚ｔ２minの位置は、第２の変形例においてゲート電極５よりも第２の主電極４に近くしてもよいが、ゲート電極５と第２の主電極４のほぼ中央又はゲート電極５に近い側としてもよい。
第２の変形例に係るＨＥＭＴ１は、第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ１と基本的には同様であるが、図４に示すように、第２の窒化物系半導体領域２２のゲート電極５の第２の主電極４側端を最も厚い膜厚ｔ２maxに設定し、そこから膜厚を減少させ、第１のゲート電極５と第２の主電極４との間の部分において第２の窒化物系半導体領域２２を最も薄い膜厚ｔ２minに設定し、そこから膜厚を増加し、第２の窒化物系半導体領域２２の第２の主電極４のゲート電極５側端を最も厚い膜厚ｔ２maxに設定している。第２の窒化物系半導体領域２２の最も薄い膜厚ｔ２minの位置は、第２の変形例においてゲート電極５よりも第２の主電極４に近くしてもよいが、ゲート電極５と第２の主電極４のほぼ中央又はゲート電極５に近い側としてもよい。
このように構成される第２の変形例に係るＨＥＭＴ１においては、第２の主電極４とゲート電極５間において最も薄い膜厚ｔ２minを形成することによって、ここで一時的に自発分極とピエゾ分極によって生じる電界強度Ｅが弱まり、キャリアが一時的に減速するので、比較的低いオン抵抗を保持しながら、第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ１と同様の電流コラプスの発生を抑制することができるという作用効果を奏することができる。
［第３の変形例］
第３の変形例に係るＨＥＭＴ１は、第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ１と基本的には同様であるが、図５に示すように、第２の窒化物系半導体領域２２のゲート電極５の第２の主電極４側端を最も薄い膜厚ｔ２minに設定し、そこから膜厚を増加させ、第１のゲート電極５と第２の主電極４との間の中央部分において第２の窒化物系半導体領域２２を最も厚い膜厚ｔ２maxに設定し、そこから膜厚を減少させ、第２の窒化物系半導体領域２２の第２の主電極４のゲート電極５側端を最も薄い膜厚ｔ２minに設定している。第２の窒化物系半導体領域２２の最も厚い膜厚ｔ２maxの位置は、第３の変形例において第２の主電極４よりもゲート電極５に近くしてもよいが、ゲート電極５と第２の主電極４のほぼ中央又はゲート電極５に近い側としてもよい。また、第２の主電極４は、第２の窒化物系半導体領域２２の最も厚い膜厚ｔ２max上に配設されている。
第３の変形例に係るＨＥＭＴ１は、第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ１と基本的には同様であるが、図５に示すように、第２の窒化物系半導体領域２２のゲート電極５の第２の主電極４側端を最も薄い膜厚ｔ２minに設定し、そこから膜厚を増加させ、第１のゲート電極５と第２の主電極４との間の中央部分において第２の窒化物系半導体領域２２を最も厚い膜厚ｔ２maxに設定し、そこから膜厚を減少させ、第２の窒化物系半導体領域２２の第２の主電極４のゲート電極５側端を最も薄い膜厚ｔ２minに設定している。第２の窒化物系半導体領域２２の最も厚い膜厚ｔ２maxの位置は、第３の変形例において第２の主電極４よりもゲート電極５に近くしてもよいが、ゲート電極５と第２の主電極４のほぼ中央又はゲート電極５に近い側としてもよい。また、第２の主電極４は、第２の窒化物系半導体領域２２の最も厚い膜厚ｔ２max上に配設されている。
このように構成される第３の変形例に係るＨＥＭＴ１においては、第２の主電極４とゲート電極５間において第２の主電極４のゲート電極５側端及びゲート電極５の第２の主電極４側端を最も薄い膜厚ｔ２minを形成することによって、ここで一時的に電界強度Ｅが最小となり、キャリアが一時的に減速するので、比較的低いオン抵抗を保持しながら第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ１と同様の電流コラプスの発生を抑制することができるという作用効果を奏することができる。
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態は、前述の第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ１において、更に第２の窒化物系半導体領域２２の第１の主電極３とゲート電極５との間の断面形状を変えた例を説明するものである。
本発明の第２の実施の形態は、前述の第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ１において、更に第２の窒化物系半導体領域２２の第１の主電極３とゲート電極５との間の断面形状を変えた例を説明するものである。
［ＨＥＭＴの構成］
図６に示すように、第２の実施の形態に係るＨＥＭＴ（半導体装置）１は、基本的な構造は第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ１と同様に、第２の窒化物系半導体領域２２の第１の主電極３とゲート電極５との間を厚い膜厚ｔ１に設定し、第２の主電極４とゲート電極５との間を薄い膜厚ｔ２に設定している。
図６に示すように、第２の実施の形態に係るＨＥＭＴ（半導体装置）１は、基本的な構造は第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ１と同様に、第２の窒化物系半導体領域２２の第１の主電極３とゲート電極５との間を厚い膜厚ｔ１に設定し、第２の主電極４とゲート電極５との間を薄い膜厚ｔ２に設定している。
更に、第２の実施の形態に係るＨＥＭＴ１は、第２の窒化物系半導体領域２２の厚い膜厚ｔ１の領域において、第１の主電極３のゲート電極５側端を最も厚い膜厚ｔ１maxに設定し、そこから膜厚を減少させ、ゲート電極５の第１の主電極３側端を最も薄い膜厚ｔ１minに設定している。また、第２の実施の形態に係るＨＥＭＴ１は、第２の窒化物系半導体領域２２の薄い膜厚ｔ２の領域において、ゲート電極５の第２の主電極４側端を最も厚い膜厚ｔ２maxに設定し、そこから膜厚を減少させ、第２の主電極４のゲート電極５側端を最も薄い膜厚ｔ２minに設定している。ここでは、膜厚ｔ２の最も厚い膜厚ｔ２max（ゲート電極５の第２の主電極４側端）は膜厚ｔ１の最も薄い膜厚ｔ１min（ゲート電極５の第１の主電極３側端）に比べて薄く設定されており、第２の窒化物系半導体領域２２の表面は、第１の主電極３のゲート電極５側端から第２の主電極４のゲート電極５側端に向かって膜厚が減少する傾斜面を有する。
なお、第２の実施の形態においては、第１の主電極３、ゲート電極５、第２の主電極４はいずれも第２の窒化物系半導体領域２２の最も厚い膜厚ｔ１maxと同等の膜厚の領域上に配設されている。
［第２の実施の形態の特徴］
以上説明したように、第２の実施の形態に係るＨＥＭＴ１においては、自発分極とピエゾ分極によって窒化物系半導体機能層２に生成される二次元キャリアガスチャネル２３のキャリア密度及び電界強度Ｅをキャリア走行方向に減少する方向に変調を行うことができる。この結果、第２の主電極４の電位が第１の主電極３の電位よりも高くなるように電圧を印加してＨＥＭＴ１がオフ状態にあるとき、従来においては第２の主電極４側の電界強度が高くなるが、第２の実施の形態に係るＨＥＭＴ１においては、前述の図２に示す電界強度分布図を参照して明らかなように、自発分極とピエゾ分極によって生じる電界強度を制御し、電界強度分布を従来に比べて滑らか又は均一化することができる。また、ＨＥＭＴ１においては、第２の主電極４の近傍におけるホットエレクトロンの発生を減少することができ、電流コラプスの発生を抑制することができる。また、ＨＥＭＴ１においては、ゲート電極５端部、特にゲート電極５の第１の主電極３側端及びゲート電極５の第２の主電極４側端の電界強度Ｅを減少することができるので、破壊耐圧を向上することができる。
以上説明したように、第２の実施の形態に係るＨＥＭＴ１においては、自発分極とピエゾ分極によって窒化物系半導体機能層２に生成される二次元キャリアガスチャネル２３のキャリア密度及び電界強度Ｅをキャリア走行方向に減少する方向に変調を行うことができる。この結果、第２の主電極４の電位が第１の主電極３の電位よりも高くなるように電圧を印加してＨＥＭＴ１がオフ状態にあるとき、従来においては第２の主電極４側の電界強度が高くなるが、第２の実施の形態に係るＨＥＭＴ１においては、前述の図２に示す電界強度分布図を参照して明らかなように、自発分極とピエゾ分極によって生じる電界強度を制御し、電界強度分布を従来に比べて滑らか又は均一化することができる。また、ＨＥＭＴ１においては、第２の主電極４の近傍におけるホットエレクトロンの発生を減少することができ、電流コラプスの発生を抑制することができる。また、ＨＥＭＴ１においては、ゲート電極５端部、特にゲート電極５の第１の主電極３側端及びゲート電極５の第２の主電極４側端の電界強度Ｅを減少することができるので、破壊耐圧を向上することができる。
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態は、半導体装置としてＨＥＭＴに本発明を適用し、このＨＥＭＴのキャリア速度の動作速度の高速化を実現した例を説明するものである。
本発明の第３の実施の形態は、半導体装置としてＨＥＭＴに本発明を適用し、このＨＥＭＴのキャリア速度の動作速度の高速化を実現した例を説明するものである。
［ＨＥＭＴの構成］
図７に示すように、第３の実施の形態に係るＨＥＭＴ（半導体装置）１は、基本的な構造は第１の実施の形態又は第２の実施の形態に係るＨＥＭＴ１と同様であるが、第２の窒化物系半導体領域２２の第１の主電極３とゲート電極５との間の膜厚ｔ１に対して、第２の窒化物系半導体領域２２の第２の主電極４とゲート電極５との間を膜厚ｔ１より厚い膜厚ｔ２に設定している。
図７に示すように、第３の実施の形態に係るＨＥＭＴ（半導体装置）１は、基本的な構造は第１の実施の形態又は第２の実施の形態に係るＨＥＭＴ１と同様であるが、第２の窒化物系半導体領域２２の第１の主電極３とゲート電極５との間の膜厚ｔ１に対して、第２の窒化物系半導体領域２２の第２の主電極４とゲート電極５との間を膜厚ｔ１より厚い膜厚ｔ２に設定している。
第２の窒化物系半導体領域２２の膜厚ｔ２の領域において、ゲート電極５の第２の主電極４側端は最も薄い膜厚ｔ２minに設定され、それから膜厚が増加し、第２の主電極４のゲート電極５側端は最も厚い膜厚ｔ２maxに設定されている。つまり、第２の窒化物系半導体領域２２の表面は、ゲート電極５の第２の主電極４側端から第２の主電極４のゲート電極５側端に向かって膜厚が増加する傾斜面を有する。
［ＨＥＭＴの動作原理］
前述の第３の実施の形態に係るＨＥＭＴ１においては、第２の窒化物系半導体領域２２の膜厚が第１の主電極３側と第２の主電極４側とで非対称になり、第２の窒化物系半導体領域２２の歪み、自発分極とピエゾ分極による電界強度、二次元キャリアガスチャネル２３のキャリア密度が異なる。第２の窒化物系半導体領域２２の第２の主電極４側が厚い膜厚ｔ２に設定されているので、二次元キャリアガスチャネル２３のキャリア密度は高くなる。
前述の第３の実施の形態に係るＨＥＭＴ１においては、第２の窒化物系半導体領域２２の膜厚が第１の主電極３側と第２の主電極４側とで非対称になり、第２の窒化物系半導体領域２２の歪み、自発分極とピエゾ分極による電界強度、二次元キャリアガスチャネル２３のキャリア密度が異なる。第２の窒化物系半導体領域２２の第２の主電極４側が厚い膜厚ｔ２に設定されているので、二次元キャリアガスチャネル２３のキャリア密度は高くなる。
図８に示すように、電界強度Ｅは、第２の窒化物系半導体領域２２の厚い膜厚ｔ２に対応する二次元キャリアガスチャネル２３の領域において高くなる。すなわち、第２の主電極４からゲート電極５に向かう電界方向ＥＤとは逆方向（キャリアの走行方向）に、自発分極とピエゾ分極に基づき電界強度Ｅを高くする（変調する）ことができる。従って、ＨＥＭＴ１においては、第２の主電極（ドレイン電極）４の近傍の二次元キャリアガスチャネル２３のキャリアを加速することができるので、スイッチングスピードの高速化を実現することができる。
なお、第３の実施の形態に係るＨＥＭＴ１の製造方法は前述の第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ１の製造方法と同様であるので、ここでの説明は重複するので省略する。また、第３の実施の形態に係るＨＥＭＴ１は、前述の第１の実施の形態の第１の変形例乃至第５の変形例に係るＨＥＭＴ１、更に前述の第２の実施の形態に係るＨＥＭＴ１と同様に第２の窒化物系半導体領域２２の断面構造を変えることができる。
［第３の実施の形態の特徴］
以上説明したように、第３の実施の形態に係るＨＥＭＴ１においては、窒化物系半導体機能層２に生成される二次元キャリアガスチャネル２３のキャリア密度及び電界強度Ｅをキャリア走行方向に変調することができる。この結果、ＨＥＭＴ１においては、第２の主電極４の近傍における電界強度Ｅを高めることができ、二次元キャリアガスチャネル２３のキャリアを加速することができるので、スイッチングスピードの高速化を実現することができる。
以上説明したように、第３の実施の形態に係るＨＥＭＴ１においては、窒化物系半導体機能層２に生成される二次元キャリアガスチャネル２３のキャリア密度及び電界強度Ｅをキャリア走行方向に変調することができる。この結果、ＨＥＭＴ１においては、第２の主電極４の近傍における電界強度Ｅを高めることができ、二次元キャリアガスチャネル２３のキャリアを加速することができるので、スイッチングスピードの高速化を実現することができる。
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態は、半導体装置としてショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）に本発明を適用し、このＳＢＤの耐圧を向上した例を説明するものである。
本発明の第４の実施の形態は、半導体装置としてショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）に本発明を適用し、このＳＢＤの耐圧を向上した例を説明するものである。
［ＳＢＤの構成］
図９に示すように、第４の実施の形態に係るＳＢＤ（半導体装置）１１は、キャリア通過領域として機能する第１の窒化物系半導体領域２１上にヘテロ接合により配設されたキャリア発生領域として機能する第２の窒化物系半導体領域２２を有し、第１の窒化物系半導体領域２１のヘテロ接合近傍に二次元キャリアガスチャネル２３を有する窒化物系半導体機能層２と、第２の窒化物系半導体領域２２上に互いに離間されて配設された第１の主電極３及び第２の主電極４と、を備え、第２の窒化物系半導体領域２２の第１の主電極３の第２の主電極４側端の膜厚ｔ１に比べて、第２の窒化物系半導体領域２２の第２の主電極４の第１の主電極３側端の膜厚ｔ２が薄く設定されている。第４の実施の形態において、第１の主電極３は二次元キャリアガスチャネル２３にオーミック接続するカソード電極として使用され、第２の主電極４は二次元キャリアガスチャネル２３にショットキー接続するアノード電極として使用される。
図９に示すように、第４の実施の形態に係るＳＢＤ（半導体装置）１１は、キャリア通過領域として機能する第１の窒化物系半導体領域２１上にヘテロ接合により配設されたキャリア発生領域として機能する第２の窒化物系半導体領域２２を有し、第１の窒化物系半導体領域２１のヘテロ接合近傍に二次元キャリアガスチャネル２３を有する窒化物系半導体機能層２と、第２の窒化物系半導体領域２２上に互いに離間されて配設された第１の主電極３及び第２の主電極４と、を備え、第２の窒化物系半導体領域２２の第１の主電極３の第２の主電極４側端の膜厚ｔ１に比べて、第２の窒化物系半導体領域２２の第２の主電極４の第１の主電極３側端の膜厚ｔ２が薄く設定されている。第４の実施の形態において、第１の主電極３は二次元キャリアガスチャネル２３にオーミック接続するカソード電極として使用され、第２の主電極４は二次元キャリアガスチャネル２３にショットキー接続するアノード電極として使用される。
窒化物系半導体機能層２は、ここでは前述の第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ１の窒化物系半導体機能層２と同様に構成されている。
ＳＢＤ１１においては、ショットキー接続となる第２の主電極（カソード電極）４側に電界が集中し易い。従って、前述の第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ１と同様に、第２の窒化物系半導体領域２２の第２の主電極４側を薄い膜厚ｔ２に設定することにより、ＳＢＤ１１においては、二次元キャリアガスチャネル２３の第２の主電極４の近傍のキャリア密度を低下させ、電界強度Ｅを減少することができる。
なお、第４の実施の形態に係るＳＢＤ１１の第２の窒化物系半導体領域２２の断面構造は、前述の第１の実施の形態の第１の変形例乃至第３の変形例に係るＨＥＭＴ１の第２の窒化物系半導体領域２２の断面構造に変えてもよい。
［第４の実施の形態の特徴］
以上説明したように、第４の実施の形態に係るＳＢＤ１１においては、窒化物系半導体機能層２に生成される二次元キャリアガスチャネル２３のキャリア密度及び電界強度Ｅをキャリア走行方向に変調することができる。この結果、ＳＢＤ１１においては、第２の主電極４の近傍における電界強度Ｅを弱めることができるので、破壊耐圧を向上することができる。
以上説明したように、第４の実施の形態に係るＳＢＤ１１においては、窒化物系半導体機能層２に生成される二次元キャリアガスチャネル２３のキャリア密度及び電界強度Ｅをキャリア走行方向に変調することができる。この結果、ＳＢＤ１１においては、第２の主電極４の近傍における電界強度Ｅを弱めることができるので、破壊耐圧を向上することができる。
［変形例］
図１０に示す第４の実施の形態の変形例に係るＳＢＤ１１は、図９に示すＳＢＤ１１と基本的な構造は同様であるが、第２の窒化物系半導体領域２２の第１の主電極３の第２の主電極４側端の膜厚ｔ１に比べて、第２の窒化物系半導体領域２２の第２の主電極４の第１の主電極３側端の膜厚ｔ２が厚く設定されている。
図１０に示す第４の実施の形態の変形例に係るＳＢＤ１１は、図９に示すＳＢＤ１１と基本的な構造は同様であるが、第２の窒化物系半導体領域２２の第１の主電極３の第２の主電極４側端の膜厚ｔ１に比べて、第２の窒化物系半導体領域２２の第２の主電極４の第１の主電極３側端の膜厚ｔ２が厚く設定されている。
このように構成される変形例に係るＳＢＤ１１においては、前述の第３の実施の形態に係る半導体装置１において説明したように、窒化物系半導体機能層２に生成される二次元キャリアガスチャネル２３のキャリア密度及び電界強度Ｅをキャリア走行方向に変調することができる。この結果、ＳＢＤ１１においては、第２の主電極４の近傍における電界強度Ｅを高めることができ、二次元キャリアガスチャネル２３のキャリアを加速することができるので、スイッチングスピードの高速化を実現することができる。
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は複数の実施の形態によって記載されているが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものでない。本発明は様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術に適用することができる。
上記のように、本発明は複数の実施の形態によって記載されているが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものでない。本発明は様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術に適用することができる。
例えば、本発明は、第１の主電極３、第２の主電極４及びゲート電極５の少なくとも一方の底面を第１の窒化物系半導体領域２１に達するまで彫り込んでもよい。また、本発明は、ゲート電極５も周知のリセスゲート構造のように彫り込んでもよい。
更に、本発明は、第２の主電極４の第１の主電極３とは反対側の端部から窒化物系半導体領域２２の端部に向かって窒化物系半導体領域２２の厚みを増加するように構成してもよい。
１…半導体装置（ＨＥＭＴ）
２…窒化物系半導体機能層
２１…第１の窒化物系半導体領域（キャリア通過領域）
２２…第２の窒化物系半導体領域（キャリア発生領域）
２３…二次元キャリアガスチャネル
３…第１の主電極（ソース電極又はアノード電極）
４…第２の主電極（ドレイン電極又はカソード電極）
５…ゲート電極
１１…半導体装置（ＳＢＤ）
２…窒化物系半導体機能層
２１…第１の窒化物系半導体領域（キャリア通過領域）
２２…第２の窒化物系半導体領域（キャリア発生領域）
２３…二次元キャリアガスチャネル
３…第１の主電極（ソース電極又はアノード電極）
４…第２の主電極（ドレイン電極又はカソード電極）
５…ゲート電極
１１…半導体装置（ＳＢＤ）
Claims (3)
- 第１の窒化物系半導体領域上にヘテロ接合により配設された第２の窒化物系半導体領域を有し、前記第１の窒化物系半導体領域の前記ヘテロ接合近傍に二次元キャリアガスチャネルを有する窒化物系半導体機能層と、
前記二次元キャリアガスチャネルにオーミック接続された第１の主電極及び第２の主電極と、
前記第１の主電極と前記第２の主電極との間に配設されたゲート電極と、を備え、
前記第２の窒化物系半導体領域の前記第２の主電極と前記ゲート電極との間の膜厚が、前記第２の窒化物系半導体領域の前記第１の主電極と前記ゲート電極との間の膜厚に比べて異なることを特徴とする半導体装置。 - 前記第１の主電極はソース電極であり、前記第２の主電極はドレイン電極であり、前記第２の窒化物系半導体領域の前記ドレイン電極と前記ゲート電極との間の膜厚が、前記第２の窒化物系半導体領域の前記ソース電極と前記ゲート電極との間の膜厚に比べて薄い部分を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
- 前記第１の主電極はソース電極であり、前記第２の主電極はドレイン電極であり、前記第２の窒化物系半導体領域の前記ドレイン電極と前記ゲート電極との間の膜厚が、前記第２の窒化物系半導体領域の前記ソース電極と前記ゲート電極との間の膜厚に比べて厚い部分を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
Priority Applications (2)
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