JP2011029507A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関し、例えば民生機器の電源回路等に用いられるパワートランジスタに適用可能な窒化物半導体を用いたトランジスタを備え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 including a transistor using a nitride semiconductor that can be applied to a power transistor used in a power supply circuit of a consumer device.
III族窒化物半導体は、例えば、窒化ガリウム(GaN)及び窒化アルミニウム(AlN)の室温での禁止帯幅がそれぞれ、3.4eV及び6.2eVと大きいワイドギャップ半導体である。III族窒化物半導体は、絶縁破壊電界が大きく、且つ電子飽和速度が砒化ガリウム(GaAs)等の砒素系半導体及びシリコン(Si)等の半導体に比べて大きいという特徴を有している。そこで、高周波用電子デバイス又は高出力電子デバイスとして、GaN系の窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor:FET)の研究開発が活発に行われている。 The group III nitride semiconductor is, for example, a wide gap semiconductor in which gallium nitride (GaN) and aluminum nitride (AlN) have large forbidden band widths at 3.4 eV and 6.2 eV, respectively. Group III nitride semiconductors are characterized by a large breakdown electric field and a higher electron saturation speed than arsenic semiconductors such as gallium arsenide (GaAs) and semiconductors such as silicon (Si). Therefore, research and development of field effect transistors (FETs) using GaN-based nitride semiconductors are actively conducted as high-frequency electronic devices or high-power electronic devices.
GaN系の窒化物半導体は、AlN又は窒化インジウム(InN)と種々の混晶が得られるため、従来のGaAs等の砒素系半導体と同様に、ヘテロ接合を形成することが可能である。GaN系の窒化物半導体を用いたヘテロ構造、例えばAlGaN/GaNヘテロ構造では、不純物がドーピングされていない状態でも、自発分極及びピエゾ分極によって、ヘテロ界面に高濃度のキャリアが発生するという特徴がある。このため、GaN系の窒化物半導体を用いたFETの場合、デプレッション型(ノーマリオン型)のFETになり易く、エンハンスメント型(ノーマリオフ型)のFETにはなり難い。しかしながら、現在のパワーエレクトロニクス分野で使用されているデバイスの多くは、ノーマリオフ型のデバイスであり、GaN系の窒化物半導体を用いたデバイスにおいても、ノーマリオフ型のデバイスが強く求められている。 Since GaN-based nitride semiconductors can obtain various mixed crystals with AlN or indium nitride (InN), it is possible to form heterojunctions as in the case of conventional arsenic semiconductors such as GaAs. Heterostructures using GaN-based nitride semiconductors, for example, AlGaN / GaN heterostructures, have the feature that high-concentration carriers are generated at the heterointerface due to spontaneous polarization and piezopolarization even when impurities are not doped. . For this reason, an FET using a GaN-based nitride semiconductor is likely to be a depletion type (normally on type) FET, and is unlikely to be an enhancement type (normally off type) FET. However, many of the devices currently used in the power electronics field are normally-off devices, and there is a strong demand for normally-off devices even in devices using GaN-based nitride semiconductors.
ノーマリオフ型のトランジスタを実現する構造として、次に示す構造が報告されている。第1に例えば、AlGaN/GaNヘテロ構造において、AlGaN層におけるゲート電極の下に位置する部分のみを薄膜化する、所謂、リセス構造とし、2次元電子ガス(2DEG)の濃度を減少させて、トランジスタの閾値電圧を正の値にシフトさせる。これにより、ノーマリオフ型のトランジスタの実現を図る。第2に例えば、主面の面方位が{10−12}面のサファイア基板の主面上に、面方位が{11−20}面のGaN層を成長し、サファイア基板の主面に対して垂直な方向に分極電界が生じないようにする。これにより、ノーマリオフ型のトランジスタの実現を図る。ここで、面方位のミラー指数に付した負符号は、該負符号に続く一の指数の反転を便宜的に表している。 The following structure has been reported as a structure for realizing a normally-off transistor. First, for example, in an AlGaN / GaN heterostructure, a so-called recess structure in which only a portion located under the gate electrode in the AlGaN layer is thinned to reduce the concentration of the two-dimensional electron gas (2DEG), thereby reducing the transistor Is shifted to a positive value. Thus, a normally-off transistor is realized. Secondly, for example, a GaN layer having a {11-20} plane is grown on the main surface of the sapphire substrate having a {10-12} plane orientation of the principal plane, and with respect to the principal plane of the sapphire substrate. The polarization electric field should not be generated in the vertical direction. Thus, a normally-off transistor is realized. Here, the minus sign attached to the Miller index of the plane orientation represents the inversion of one index following the minus sign for convenience.
ノーマリオフ型のFETを実現する有望な構造として、ゲート電極形成部にp型AlGaN層を設けた接合型電界効果トランジスタ(Junction Field Effect Transistor:JFET)が提案されている。このJFETでは、p型AlGaN層を、AlGaNからなるバリア層と接続することにより、AlGaNバリア層及びGaNチャネル層のポテンシャルエネルギーが引き上げられる。これにより、ゲート電極形成部の下に形成される2次元電子ガスの濃度を減少させることができるため、JFETはノーマリオフ動作が可能となる。 As a promising structure for realizing a normally-off type FET, a junction field effect transistor (JFET) in which a p-type AlGaN layer is provided in a gate electrode formation portion has been proposed. In this JFET, the potential energy of the AlGaN barrier layer and the GaN channel layer is increased by connecting the p-type AlGaN layer to a barrier layer made of AlGaN. Thereby, since the concentration of the two-dimensional electron gas formed under the gate electrode forming portion can be reduced, the JFET can be normally off.
しかしながら、従来の窒化物半導体を用いたJFETでは、ゲート領域のpn接合に大きな電圧を印加すると、ゲート電流が大きくなるという問題がある。 However, the conventional JFET using a nitride semiconductor has a problem that the gate current increases when a large voltage is applied to the pn junction in the gate region.
なお、窒化物半導体を用いたノーマリオフ型のFETにおいて、十分に大きな電流密度を得ることを目的に、次に示すFETが提案されている(例えば特許文献1参照)。このFETでは、基板上に、AlNバッファ層、アンドープGaN層、アンドープAlGaN層、p型GaN層、及び高濃度p型GaN層が順次形成されている。ゲート電極は、高濃度p型GaN層とオーミック接合されている。これにより、アンドープGaN層とアンドープAlGaN層との界面に発生する2次元電子ガスとp型GaN層とによって生じるpn接合が、ゲート領域に形成される。このため、大きなゲート電圧を印加しても、ゲートリーク電流が流れ難く、大きなドレイン電流を得ることができる。 In the normally-off type FET using a nitride semiconductor, the following FET has been proposed for the purpose of obtaining a sufficiently large current density (see, for example, Patent Document 1). In this FET, an AlN buffer layer, an undoped GaN layer, an undoped AlGaN layer, a p-type GaN layer, and a high-concentration p-type GaN layer are sequentially formed on a substrate. The gate electrode is in ohmic contact with the high-concentration p-type GaN layer. As a result, a pn junction generated by the two-dimensional electron gas generated at the interface between the undoped GaN layer and the undoped AlGaN layer and the p-type GaN layer is formed in the gate region. For this reason, even if a large gate voltage is applied, a gate leakage current hardly flows and a large drain current can be obtained.
前記従来の問題に鑑み、本発明の目的は、窒化物半導体を用いたノーマリオフ型のトランジスタを備えた半導体装置において、駆動時のゲート電流を低減することである。 In view of the conventional problem, an object of the present invention is to reduce a gate current during driving in a semiconductor device including a normally-off transistor using a nitride semiconductor.
前記の目的を達成するため、本発明は、半導体装置において、積層された複数の半導体層におけるゲート領域に、複数のpn接合を設ける構成とする。 In order to achieve the above object, according to the present invention, in a semiconductor device, a plurality of pn junctions are provided in gate regions in a plurality of stacked semiconductor layers.
具体的には、前記の目的を達成するため、本発明に係る半導体装置は、基板と、基板の上に積層された複数の窒化物半導体層からなり、且つチャネル領域を含む第1の窒化物半導体層と、第1の窒化物半導体層の上に形成され、チャネル領域と逆の導電型の第2の半導体層と、第2の半導体層の上に形成され、チャネル領域と同じ導電型の第3の半導体層と、第3の半導体層の上に形成されたゲート電極と、第2の半導体層の両側方に形成されたソース電極及びドレイン電極とを備えていることを特徴とする。 Specifically, in order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention includes a substrate and a first nitride including a plurality of nitride semiconductor layers stacked on the substrate and including a channel region. Formed on the semiconductor layer and the first nitride semiconductor layer and having the same conductivity type as that of the channel region, formed on the second semiconductor layer of the opposite conductivity type to the channel region, and on the second semiconductor layer; The semiconductor device includes a third semiconductor layer, a gate electrode formed on the third semiconductor layer, and a source electrode and a drain electrode formed on both sides of the second semiconductor layer.
本発明に係る半導体装置によると、チャネル領域と逆の導電型の第2の半導体層と、チャネル領域と同じ導電型の第3の半導体層との間に、拡散電位(ビルトインポテンシャル)が形成されるため、ゲート電流を低減することが可能となる。 According to the semiconductor device of the present invention, a diffusion potential (built-in potential) is formed between the second semiconductor layer having a conductivity type opposite to that of the channel region and the third semiconductor layer having the same conductivity type as that of the channel region. Therefore, the gate current can be reduced.
加えて、第2の半導体層が、チャネル領域と逆の導電型であるため、トランジスタのノーマリオフ動作が可能となる。さらに、第1の窒化物半導体層に含まれるキャリア走行層とキャリア供給層との界面に、高濃度の2次元キャリアガスを発生させることが可能となり、トランジスタの大電流駆動化が可能となる。 In addition, since the second semiconductor layer has a conductivity type opposite to that of the channel region, the transistor can be normally off. Furthermore, it is possible to generate a high-concentration two-dimensional carrier gas at the interface between the carrier traveling layer and the carrier supply layer included in the first nitride semiconductor layer, and the transistor can be driven with a large current.
従って、ゲート電流を低減しつつ、低オン抵抗・大電流駆動・ノーマリオフ動作が可能となる。 Therefore, low on-resistance, large current drive, and normally-off operation are possible while reducing the gate current.
本発明に係る半導体装置において、チャネル領域におけるキャリアは、電子であり、第2の半導体層の導電型は、p型であり、第3の半導体層の導電型は、n型であることが好ましい。 In the semiconductor device according to the present invention, the carrier in the channel region is an electron, the conductivity type of the second semiconductor layer is preferably p-type, and the conductivity type of the third semiconductor layer is preferably n-type. .
このようにすると、p型の第2の半導体層とn型の第3の半導体層との間に拡散電位が形成されるため、ゲート電流を低減することが可能となる。 In this manner, a diffusion potential is formed between the p-type second semiconductor layer and the n-type third semiconductor layer, so that the gate current can be reduced.
本発明に係る半導体装置において、第1の窒化物半導体層の上には、第2の半導体層と第3の半導体層とが交互に繰り返し形成されていることが好ましい。 In the semiconductor device according to the present invention, it is preferable that the second semiconductor layer and the third semiconductor layer are alternately and repeatedly formed on the first nitride semiconductor layer.
このようにすると、第2の半導体層と第3の半導体層との間、及び第3の半導体層と第2の半導体層との間に、交互に繰り返し拡散電位が形成されるため、ゲート電流をさらに低減することが可能となる。 In this way, a diffusion potential is alternately and repeatedly formed between the second semiconductor layer and the third semiconductor layer, and between the third semiconductor layer and the second semiconductor layer. Can be further reduced.
本発明に係る半導体装置において、チャネル領域におけるキャリアは、電子であり、第2の半導体層の導電型は、p型であり、第3の半導体層の導電型は、n型であることが好ましい。 In the semiconductor device according to the present invention, the carrier in the channel region is an electron, the conductivity type of the second semiconductor layer is preferably p-type, and the conductivity type of the third semiconductor layer is preferably n-type. .
このようにすると、p型の第2の半導体層とn型の第3の半導体層との間、及びn型の第3の半導体層とp型の第2の半導体層との間に、交互に繰り返し拡散電位が形成されるため、ゲート電流をさらに低減することが可能となる。 In this case, alternating between the p-type second semiconductor layer and the n-type third semiconductor layer and between the n-type third semiconductor layer and the p-type second semiconductor layer. Since the diffusion potential is repeatedly formed, the gate current can be further reduced.
本発明に係る半導体装置において、第1の窒化物半導体層は、キャリア走行層及びキャリア供給層を含み、キャリア走行層は、キャリア供給層よりもバンドギャップが小さいことが好ましい。 In the semiconductor device according to the present invention, the first nitride semiconductor layer preferably includes a carrier travel layer and a carrier supply layer, and the carrier travel layer preferably has a smaller band gap than the carrier supply layer.
このようにすると、キャリア走行層とキャリア供給層との界面に、高濃度の2次元キャリアガスを発生させることが可能となり、トランジスタの大電流駆動化が可能となる。 In this way, it is possible to generate a high-concentration two-dimensional carrier gas at the interface between the carrier traveling layer and the carrier supply layer, and the transistor can be driven with a large current.
本発明に係る半導体装置において、第3の半導体層は、第2の半導体層よりもバンドギャップが大きいことが好ましい。 In the semiconductor device according to the present invention, it is preferable that the third semiconductor layer has a larger band gap than the second semiconductor layer.
このようにすると、第2の半導体層のエネルギーバンドと、第3の半導体層のエネルギーバンドとが不連続になるため、電子及び正孔の流れを低減することが可能であり、ゲート電流を低減することが可能となる。 In this case, the energy band of the second semiconductor layer and the energy band of the third semiconductor layer are discontinuous, so that the flow of electrons and holes can be reduced, and the gate current is reduced. It becomes possible to do.
本発明に係る半導体装置によると、チャネル領域と逆の導電型の第2の半導体層上に、チャネル領域と同じ導電型の第3の半導体層が形成されている。これにより、ゲート電流を低減することが可能となる。さらに、ゲート電流を低減しつつ、低オン抵抗・大電流駆動・ノーマリオフ動作が可能となる。 According to the semiconductor device of the present invention, the third semiconductor layer having the same conductivity type as the channel region is formed on the second semiconductor layer having the opposite conductivity type to the channel region. Thereby, the gate current can be reduced. Furthermore, low on-resistance, large current drive, and normally-off operation are possible while reducing the gate current.
以下に、本発明の各実施形態について図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
以下に、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置について、図1を参照しながら説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
(First embodiment)
The semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
図1に示すように、例えば主面の面方位が(0001)面のサファイアからなる基板101の主面上には、例えば膜厚が100nmの窒化アルミニウム(AlN)からなるバッファ層102と、例えば膜厚が2μmのアンドープの窒化ガリウム(GaN)層103と、例えば膜厚が25nmのアンドープの窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)層104と、例えば膜厚が150nmのp型GaN層105と、例えば膜厚が30nmのn型AlGaN層106とが、エピタキシャル成長により順次形成されている。ここで、「アンドープ」とは、不純物が意図的に導入されていないことを意味する。
As shown in FIG. 1, for example, on the main surface of a
アンドープGaN層103の材料として、AlxGa1-xN(但し、xは、0≦x≦1である)を用い、アンドープAlGaN層104の材料として、AlyGa1-yN(但し、yは、0<y≦1,y>xである)を用い、p型GaN層105の材料として、AlzGa1-zN(但し、zは、0≦z≦1である)を用い、n型AlGaN層106の材料として、InwAlvGa1-w-vN(但し、wは、0≦w≦1であり、vは、0≦v≦1であり、w及びvは、0≦w+v≦1である)を用いればよい。本実施形態では、アンドープGaN層103の材料として、例えばGaN(即ち、x=0である)を用い、アンドープAlGaN層104の材料として、例えばAl0.2Ga0.8N(即ち、y=0.2である)を用い、p型GaN層105の材料として、例えばGaN(即ち、z=0である)を用い、n型AlGaN層106の材料として、例えばAl0.2Ga0.8N(即ち、w=0、v=0.2である)を用いる。
Al x Ga 1-x N (where x is 0 ≦ x ≦ 1) is used as the material of the
p型GaN層105のキャリア濃度は、p型GaN層105の下に位置するチャネル領域を空乏化できる濃度であればよく、具体的には例えば、1×1016cm-3以上であることが好ましい。
The carrier concentration of the p-
n型AlGaN層106に接するように、例えばチタン(Ti)/アルミニウム(Al)からなるゲート電極107が形成されている。p型GaN層105の両側方には、アンドープAlGaN層104に接するように、例えばTi/Alからなるソース電極108及びドレイン電極109が形成されている。
A
アンドープAlGaN層104上には、ゲート電極107、ソース電極108及びドレイン電極109の上面を露出する一方、p型GaN層105及びn型AlGaN層106を覆うように、例えば膜厚が100nmの窒化シリコン(SiN)からなる絶縁体層110が形成されている。
On the
ゲート電極107、ソース電極108及びドレイン電極109を含む領域よりも外側の領域には、例えばアルゴン(Ar)等の非導電型不純物が、アンドープAlGaN層104を突き抜けてアンドープGaN層103の上部に到達するようにイオン注入され、高抵抗化(つまり、絶縁体化又は非導電化)されたイオン注入領域111、言い換えれば、非導電型不純物を含有する非導電型不純物含有領域が形成されている。
In a region outside the region including the
このように、基板101の上には、AlNバッファ層102と、アンドープGaN層103と、アンドープAlGaN層104とが順次積層された第1の窒化物半導体層104Sが形成されている。
As described above, the first
第1の窒化物半導体層104Sは、p型GaN層105の下に位置し、且つキャリアとして電子が使われるn型のチャネル領域(2次元電子ガス層)を含む。第1の窒化物半導体層104S上には、n型のチャネル領域と逆の導電型のp型GaN層(第2の半導体層)105が形成されている。p型GaN層105上には、n型のチャネル領域と同じ導電型のn型AlGaN層106が形成されている。
The first
n型のチャネル領域を含む第1の窒化物半導体層104Sと、p型GaN層105と、n型AlGaN層106とが順次形成され、本実施形態に係る半導体装置は、ゲート領域に、複数(2コ)pn接合を含む。
A first
第1の窒化物半導体層104Sは、キャリア走行層(即ち、アンドープGaN層103)及びキャリア供給層(即ち、アンドープAlGaN層104)を含む。アンドープGaN層103は、アンドープAlGaN層104よりもバンドギャップが小さい。
The first
n型AlGaN層106は、p型GaN層105よりもバンドギャップが大きい。
The n-
本実施形態によると、p型GaN層105の接続により発生するビルトインポテンシャル(即ち、n型のチャネル領域を含む第1の窒化物半導体層104Sとp型GaN層105との間に形成されるビルトインポテンシャル)により、ゲート電極107に向かう電子電流を低減することができる。加えて、n型AlGaN層106の接続により発生するビルトインポテンシャル(即ち、p型GaN層105とn型AlGaN層106との間に形成されるビルトインポテンシャル)により、ゲート電極107からアンドープGaN層103に向かう正孔電流を低減することができ、ゲート電流を低減することが可能となる。
According to the present embodiment, the built-in potential generated by the connection of the p-type GaN layer 105 (that is, the built-in formed between the first
加えて、p型GaN層105が、チャネル領域と逆の導電型であるため、トランジスタのノーマリオフ動作が可能となる。さらに、アンドープGaN層103とアンドープAlGaN層104との界面に、高濃度の2次元電子ガスを発生させることが可能となり、トランジスタの大電流駆動化が可能となる。
In addition, since the p-
従って、ゲート電流を低減しつつ、低オン抵抗・大電流駆動・ノーマリオフ動作が可能となる。 Therefore, low on-resistance, large current drive, and normally-off operation are possible while reducing the gate current.
なお、本実施形態では、図1に示すように、p型GaN層105とn型AlGaN層106とが、互いに直接接する場合を具体例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、p型GaN層とn型AlGaN層との間に、アンドープの半導体層(例えば、アンドープInGaN層又はアンドープInAlGaN層)、他のn型半導体層(例えば、n型InGaN層又はn型InAlGaN層)又は他のp型半導体層(例えば、p型InGaN層又はp型InAlGaN層)が一層以上介在していてもよい。また、本実施形態では、図1に示すように、n型AlGaN層106とゲート電極107とが、互いに直接接する場合を具体例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、n型AlGaN層とゲート電極との間に、アンドープの半導体層(例えば、アンドープInGaN層又はアンドープInAlGaN層)、他のn型半導体層(例えば、n型InGaN層又はn型InAlGaN層)又は他のp型半導体層(例えば、p型InGaN層又はp型InAlGaN層)が一層以上介在していてもよい。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the case where the p-
(第1の実施形態の変形例)
以下に、本発明の第1の実施形態の変形例に係る半導体装置について、図2を参照しながら説明する。図2は、本発明の第1の実施形態の変形例に係る半導体装置の構成を示す断面図である。図2において、第1の実施形態における構成要素と同一の構成要素には、図1に示す符号と同一の符号を付す。従って、本変形例では、第1の実施形態と同様の説明を適宜省略する。
(Modification of the first embodiment)
A semiconductor device according to a modification of the first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to a modification of the first embodiment of the present invention. In FIG. 2, the same reference numerals as those shown in FIG. 1 are given to the same constituent elements as those in the first embodiment. Therefore, in this modification, the description similar to that of the first embodiment is omitted as appropriate.
本変形例の特徴点は、次に示す点である。本変形例では、図2に示すように、アンドープAlGaN層104のゲート領域に凹部112が形成され、凹部112を埋め込むようにp型GaN層205が形成されている。
The characteristic points of this modification are the following points. In this modification, as shown in FIG. 2, a
本変形例によると、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。 According to this modification, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
加えて、アンドープAlGaN層104のゲート領域に凹部112を設けることにより、2次元電子ガスの濃度を減少させて、トランジスタの閾値電圧を正の値にシフトさせることが可能となる。
In addition, by providing the
さらに、アンドープAlGaN層104のゲート領域に凹部112を設けることにより、アンドープAlGaN層104におけるゲート領域以外の領域の膜厚を大きくすることが可能となる。このため、アンドープAlGaN層104におけるゲート領域以外の領域の上面と、アンドープAlGaN層104の下に位置する二次元電子ガス層(言い換えれば、アンドープGaN層103とアンドープAlGaN層104との界面に発生する二次元電子ガス層)との距離を大きくすることができるので、電流コラプス(ここで、「電流コラプス」とは、ゲート−ソース間又はゲート−ドレイン間の表面準位に電子が捕獲されることに起因して、電流が減少する現象をいう)が起こることを抑制することが可能となる。
Furthermore, by providing the
(第2の実施形態)
以下に、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置について、図3を参照しながら説明する。図3は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。図3において、第1の実施形態における構成要素と同一の構成要素には、図1に示す符号と同一の符号を付す。従って、本実施形態では、第1の実施形態と同様の説明を適宜省略する。
(Second Embodiment)
A semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 3, the same reference numerals as those shown in FIG. 1 are given to the same constituent elements as those in the first embodiment. Therefore, in this embodiment, the same description as that of the first embodiment is omitted as appropriate.
図3に示すように、例えば主面の面方位が(0001)面のサファイアからなる基板101の主面上には、例えば膜厚が100nmのAlNバッファ層102と、例えば膜厚が2μmのアンドープGaN層103と、例えば膜厚が25nmのアンドープAlGaN層104とが、エピタキシャル成長により順次形成されている。ここで、既述の通り、「アンドープ」とは、不純物が意図的に導入されていないことを意味する。
As shown in FIG. 3, on the main surface of a
アンドープGaN層103の材料として、AlxGa1-xN(但し、xは、0≦x≦1である)を用い、アンドープAlGaN層104の材料として、AlyGa1-yN(但し、yは、0<y≦1,y>xである)を用いればよい。本実施形態では、アンドープGaN層103の材料として、例えばGaN(即ち、x=0である)を用い、アンドープAlGaN層104の材料として、例えばAl0.2Ga0.8N(即ち、y=0.2である)を用いる。
Al x Ga 1-x N (where x is 0 ≦ x ≦ 1) is used as the material of the
アンドープAlGaN層104上には、例えば膜厚が150nmのp型NiO層305と、例えば膜厚が50nmのn型ZnO層306とが順次形成されている。
On the
p型NiO層305のキャリア濃度は、p型NiO層305の下に位置するチャネル領域を空乏化できる濃度であればよく、1×1016cm-3以上であることが好ましい。
The carrier concentration of the p-
n型ZnO層306に接するように、例えばTi/Alからなるゲート電極107が形成されている。p型NiO層305の両側方には、アンドープAlGaN層104に接するように、例えばTi/Alからなるソース電極108及びドレイン電極109が形成されている。
A
アンドープAlGaN層104上には、ゲート電極107、ソース電極108及びドレイン電極109の上面を露出する一方、p型NiO層305及びn型ZnO層306を覆うように、例えば膜厚が200nmのSiNからなる絶縁体層110が形成されている。
On the
ゲート電極107、ソース電極108及びドレイン電極109を含む領域よりも外側の領域には、例えばAr等の非導電型不純物が、アンドープAlGaN層104を突き抜けてアンドープGaN層103の上部に到達するようにイオン注入され、高抵抗化されたイオン注入領域111が形成されている。
In a region outside the region including the
このように、基板101上には、AlNバッファ層102と、アンドープGaN層103と、アンドープAlGaN層104とが順次積層された第1の窒化物半導体層104Sが形成されている。
Thus, on the
第1の窒化物半導体層104Sは、p型NiO層305の下に位置し、且つキャリアとして電子が使われるn型のチャネル領域(2次元電子ガス層)を含む。第1の窒化物半導体層104S上には、n型のチャネル領域と逆の導電型のp型NiO層305が形成されている。p型NiO層305の上には、n型のチャネル領域と同じ導電型のn型ZnO層306が形成されている。
The first
n型のチャネル領域を含む第1の窒化物半導体層104Sと、p型NiO層305と、n型ZnO層306とが順次形成され、本実施形態に係る半導体装置は、ゲート領域に、複数(2コ)のpn接合を含む。
A first
本実施形態によると、p型NiO層305の接続により発生するビルトインポテンシャルにより、ゲート電極107に向かう電子電流を低減することができる。加えて、n型ZnO層306の接続により発生するビルトインポテンシャルにより、ゲート電極107からアンドープGaN層103に向かう正孔電流を低減することができ、ゲート電流を低減することが可能となる。
According to the present embodiment, the electron current toward the
加えて、p型NiO層305が、チャネル領域と逆の導電型であるため、トランジスタのノーマリオフ動作が可能となる。さらに、アンドープGaN層103とアンドープAlGaN層104との界面に、高濃度の2次元電子ガスを発生させることが可能となり、トランジスタの大電流駆動化が可能となる。
In addition, since the p-
従って、ゲート電流を低減しつつ、低オン抵抗・大電流駆動・ノーマリオフ動作が可能となる。 Therefore, low on-resistance, large current drive, and normally-off operation are possible while reducing the gate current.
なお、本実施形態において、p型NiO層の代わりに、例えばp型銅アルミニウム酸化物(CuAl2O2)層、p型ストロンチウム銅酸化物(SrCu2O2)層、p型ランタン銅酸化物層、p型ランタン銅セレン酸化物(LaCuOSe)層又はp型ランタン銅硫化物(LaCuS)層等のp型半導体層を用いてもよく、n型ZnO層の代わりに、例えばn型ZnCdMgO層等のn型半導体層を用いてもよい。 In this embodiment, instead of the p-type NiO layer, for example, a p-type copper aluminum oxide (CuAl 2 O 2 ) layer, a p-type strontium copper oxide (SrCu 2 O 2 ) layer, a p-type lanthanum copper oxide P-type semiconductor layers such as p-type lanthanum copper selenium oxide (LaCuOSe) layers or p-type lanthanum copper sulfide (LaCuS) layers may be used. For example, an n-type ZnCdMgO layer may be used instead of the n-type ZnO layer. N-type semiconductor layers may be used.
(第3の実施形態)
以下に、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置について、図4を参照しながら説明する。図4は、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。図4において、第1の実施形態における構成要素と同一の構成要素には、図1に示す符号と同一の符号を付す。従って、本実施形態では、第1の実施形態と同様の説明を適宜省略する。
(Third embodiment)
The semiconductor device according to the third embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 4, the same reference numerals as those shown in FIG. 1 are attached to the same constituent elements as those in the first embodiment. Therefore, in this embodiment, the same description as that of the first embodiment is omitted as appropriate.
本実施形態と第1の実施形態との相違点は、以下に示す点である。 The difference between the present embodiment and the first embodiment is as follows.
第1の実施形態では、図1に示すように、アンドープAlGaN層104上には、例えば膜厚が150nmのp型GaN層105と、例えば膜厚が30nmのn型AlGaN層106とが順次形成されている。n型AlGaN層106に接するように、例えばTi/Alからなるゲート電極107が形成されている。
In the first embodiment, as shown in FIG. 1, a p-
これに対し、本実施形態では、図4に示すように、アンドープAlGaN層104上には、例えば膜厚が150nmのp型GaN層405aと、例えば膜厚が50nmのn型AlGaN層406aと、例えば膜厚が50nmのp型GaN層405bと、例えば膜厚が30nmのn型AlGaN層406bとが順次形成されている。n型AlGaN層406bに接するように、例えばTi/Alからなるゲート電極107が形成されている。
In contrast, in the present embodiment, as shown in FIG. 4, on the
このように、第1の実施形態では、p型GaN層とn型AlGaN層とが交互に形成されているのに対し、本実施形態では、p型GaN層とn型AlGaN層とが交互に2回繰り返して形成されている。 Thus, in the first embodiment, the p-type GaN layer and the n-type AlGaN layer are alternately formed, whereas in this embodiment, the p-type GaN layer and the n-type AlGaN layer are alternately arranged. It is formed twice.
本実施形態によると、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。 According to this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
さらに、ゲート電極107に向かう電子電流に対するエネルギー障壁の数を増やすことができる。加えて、ゲート電極107からアンドープGaN層103に向かう正孔電流に対するエネルギー障壁の数を増やすことができるため、ゲート電流をさらに低減することが可能となる。即ち、p型GaN層405aとn型AlGaN層406aとの間、n型AlGaN層406aとp型GaN層405bとの間、及びp型GaN層405bとn型AlGaN層406bとの間に、ビルトインポテンシャルが形成されるため、ゲート電流をさらに低減することが可能となる。
Furthermore, the number of energy barriers against the electron current going to the
なお、本実施形態では、p型GaN層とn型AlGaN層との組を、2回繰り返して形成する場合を具体例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、p型GaN層とn型AlGaN層との組を、3回以上繰り返して形成してもよい。繰り返し回数を増やすに連れて、電子電流及び正孔電流の各々に対するエネルギー障壁の数を増やすことができるため、ゲート電流をさらに一層低減することが可能となる。 In the present embodiment, the case where the pair of the p-type GaN layer and the n-type AlGaN layer is formed twice has been described as a specific example, but the present invention is not limited to this. For example, a set of a p-type GaN layer and an n-type AlGaN layer may be repeatedly formed three times or more. As the number of repetitions is increased, the number of energy barriers for each of the electron current and hole current can be increased, so that the gate current can be further reduced.
また、本実施形態において、p型GaN層の代わりに、例えばp型NiO層、p型銅アルミニウム酸化物(CuAl2O2)層、p型ストロンチウム銅酸化物(SrCu2O2)層、p型ランタン銅酸化物層、p型ランタン銅セレン酸化物(LaCuOSe)層又はp型ランタン銅硫化物(LaCuS)層等のp型半導体層を用いてもよく、n型AlGaN層の代わりに、例えばn型ZnO層又はn型ZnCdMgO層等のn型半導体層を用いてもよい。 In this embodiment, instead of the p-type GaN layer, for example, a p-type NiO layer, a p-type copper aluminum oxide (CuAl 2 O 2 ) layer, a p-type strontium copper oxide (SrCu 2 O 2 ) layer, p A p-type semiconductor layer such as a p-type lanthanum copper oxide layer, a p-type lanthanum copper selenium oxide (LaCuOSe) layer, or a p-type lanthanum copper sulfide (LaCuS) layer may be used. For example, instead of an n-type AlGaN layer, An n-type semiconductor layer such as an n-type ZnO layer or an n-type ZnCdMgO layer may be used.
また、第1の実施形態及びその変形例、第2の実施形態、並びに第3の実施形態において、サファイア基板101の代わりに、例えば、Si基板、SiC基板又はGaN基板等を用いてもよい。
Further, in the first embodiment and its modifications, the second embodiment, and the third embodiment, for example, a Si substrate, a SiC substrate, a GaN substrate, or the like may be used instead of the
本発明は、窒化物半導体を用いたノーマリオフ型のトランジスタを備えた半導体装置において、ゲート電流を低減することが可能となるので、例えば民生機器の電源回路等に用いられるパワートランジスタに適用可能なトランジスタを備えた半導体装置に有用である。 The present invention can reduce a gate current in a semiconductor device including a normally-off type transistor using a nitride semiconductor. Therefore, for example, a transistor applicable to a power transistor used in a power circuit of a consumer device or the like. It is useful for a semiconductor device provided with
101 基板
102 AlNバッファ層
103 アンドープGaN層
104 アンドープAlGaN層
104S 第1の窒化物半導体層
105,205,405a,405b p型GaN層
305 p型NiO層
106,306,406a,406b n型AlGaN層
306 n型ZnO層
107 ゲート電極
108 ソース電極
109 ドレイン電極
110 絶縁体層
110 イオン注入領域
112 凹部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記基板の上に積層された複数の窒化物半導体層からなり、且つチャネル領域を含む第1の窒化物半導体層と、
前記第1の窒化物半導体層の上に形成され、前記チャネル領域と逆の導電型の第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の上に形成され、前記チャネル領域と同じ導電型の第3の半導体層と、
前記第3の半導体層の上に形成されたゲート電極と、
前記第2の半導体層の両側方に形成されたソース電極及びドレイン電極とを備えていることを特徴とする半導体装置。 A substrate,
A first nitride semiconductor layer comprising a plurality of nitride semiconductor layers stacked on the substrate and including a channel region;
A second semiconductor layer formed on the first nitride semiconductor layer and having a conductivity type opposite to the channel region;
A third semiconductor layer formed on the second semiconductor layer and having the same conductivity type as the channel region;
A gate electrode formed on the third semiconductor layer;
A semiconductor device comprising a source electrode and a drain electrode formed on both sides of the second semiconductor layer.
前記第2の半導体層の導電型は、p型であり、
前記第3の半導体層の導電型は、n型であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The carriers in the channel region are electrons,
The conductivity type of the second semiconductor layer is p-type,
The semiconductor device according to claim 1, wherein a conductivity type of the third semiconductor layer is an n-type.
前記第2の半導体層の導電型は、p型であり、
前記第3の半導体層の導電型は、n型であることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。 The carriers in the channel region are electrons,
The conductivity type of the second semiconductor layer is p-type,
The semiconductor device according to claim 3, wherein the conductivity type of the third semiconductor layer is n-type.
前記キャリア走行層は、前記キャリア供給層よりもバンドギャップが小さいことを特徴とする請求項1〜4のうちいずれか1項に記載の半導体装置。 The first nitride semiconductor layer includes a carrier travel layer and a carrier supply layer,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the carrier travel layer has a band gap smaller than that of the carrier supply layer.
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