JP2011151155A - Field effect transistor, electronic device, and field effect transistor manufacturing method and using method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電界効果トランジスタ、電子装置、電界効果トランジスタの製造方法及び使用方法に関する。 The present invention relates to a field effect transistor, an electronic device, and a method for manufacturing and using a field effect transistor.
電界効果トランジスタ等の半導体装置は、各種電子装置に広く用いられ、種々の観点から研究開発がなされている。例えば、電界効果トランジスタは、高電圧で動作可能なことが好ましい。しかし、動作電圧を高くするとサージ電圧も高くなる傾向があり、前記サージ電圧から前記トランジスタを保護する必要がある。例えば、前記電界効果トランジスタにより誘導性の負荷を駆動する場合は、前記負荷に蓄えられた電力の瞬時放出により、サージ電圧が発生するおそれがある。そのような過電圧あるいは過電力からトランジスタを保護するための手段として、例えば、特許文献1(特開2007−59882号公報)に記載の電界効果トランジスタがある。この電界効果トランジスタは、保護ダイオードが電界効果トランジスタと同一ウエハー上に作製されており、前記保護ダイオードにより、前記電界効果トランジスタ(トランジスタ部)をサージ電圧から保護する。 Semiconductor devices such as field effect transistors are widely used in various electronic devices, and research and development have been conducted from various viewpoints. For example, the field effect transistor is preferably operable at a high voltage. However, when the operating voltage is increased, the surge voltage tends to increase, and it is necessary to protect the transistor from the surge voltage. For example, when an inductive load is driven by the field effect transistor, a surge voltage may be generated due to instantaneous discharge of electric power stored in the load. As a means for protecting the transistor from such overvoltage or overpower, for example, there is a field effect transistor described in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2007-59882). In this field effect transistor, a protection diode is manufactured on the same wafer as the field effect transistor, and the field effect transistor (transistor portion) is protected from a surge voltage by the protection diode.
図5Aおよび図5Bは、特許文献1に開示された電界効果トランジスタの構造を概略的に示す模式図である。図5Aは回路図であり、図5Bは断面図である。図5Aに示すとおり、この電界効果トランジスタは、HFET(ヘテロ接合電界効果トランジスタ)部1と、p−nダイオード(pn接合ダイオード)部2および3とからなる。また、図5Bに示すとおり、この電界効果トランジスタは、サファイア基板11上に、GaN層12およびAl0.26Ga0.74N層13が前記順序で積層された素子形成層10を有する。前記素子形成層10の上には、ソース電極14、ドレイン電極15、およびゲート電極16が形成され、前記素子形成層10とともにHFET部10A(図5AのHFET部1に相当)を形成する。さらに、前記素子形成層10上の他の領域には、カソード電極18と、p−Al0.26Ga0.74Nからなるアノード電極17とが形成され、前記素子形成層10とともに、第一のp−nダイオード(pn接合ダイオード)部10Bおよび第二のp−nダイオード部10C(図5Aのp−nダイオード部2および3に相当)を形成する。第一のp−nダイオード部10Bのアノード電極17とHFET部10Aのゲート電極16、第一のp−nダイオードのカソード電極18と第二のp−nダイオードのアノード電極17、第二のp−nダイオードのカソード電極18とHFET部10Aのソース電極14とは、それぞれ電気的に接続されている。すなわち、HFETのゲート電極とソース電極の間に、第一および第二のp−nダイオードが直列に接続されている。このような構成の電界効果トランジスタとすることで、前記ゲート電極に加わった過大電流を逃がすための経路が形成され、サージ耐性を向上させることができる。
5A and 5B are schematic views schematically showing the structure of the field effect transistor disclosed in
しかしながら、特許文献1の電界効果トランジスタは、前記トランジスタ部と前記ダイオード部とを別の領域に作製しているため、チップ面積が大きくなってしまう。また、特許文献1の電界効果トランジスタは、前記ゲート電極と前記ソース電極との間に前記ダイオード部を順方向に接続しており、正のゲート電圧印加時に前記ソース電極に向けて電流が流れてしまうため、入力信号として正のゲート電圧を印加することが困難である。
However, the field effect transistor of
そこで、本発明は、チップ面積を大きくしすぎることなく、過電圧、過電力が加わっても破壊されない電界効果トランジスタ、電子装置、電界トランジスタの製造方法および使用方法を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a field effect transistor, an electronic device, and a method for manufacturing and using the field transistor that are not destroyed even when overvoltage or overpower is applied without increasing the chip area.
前記目的を達成するために、本発明の電界効果トランジスタは、
半導体層上に、ゲート電極と、ドレイン電極と、ソース電極と、保護ダイオードとが配置され、
前記ドレイン電極が、前記保護ダイオードの周囲の一部もしくは全部を囲む状態で形成されているか、または、
前記ドレイン電極は、複数であり、前記複数のドレイン電極の少なくとも一対のドレイン電極間に、前記保護ダイオードが配置されるように形成されていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the field effect transistor of the present invention comprises:
On the semiconductor layer, a gate electrode, a drain electrode, a source electrode, and a protective diode are arranged,
The drain electrode is formed so as to surround a part or all of the periphery of the protective diode, or
There are a plurality of drain electrodes, and the protective diode is formed between at least a pair of drain electrodes of the plurality of drain electrodes.
また、本発明の電子装置は、前記本発明の電界効果トランジスタを含むことを特徴とする。 An electronic device according to the present invention includes the field effect transistor according to the present invention.
さらに、本発明の電界効果トランジスタの製造方法は、
半導体層上に、ゲート電極、ドレイン電極、ソース電極、および保護ダイオードを形成する工程を含み、
前記工程において、前記ドレイン電極を、前記保護ダイオードの周囲の一部もしくは全部を囲むように形成するか、または、
前記ドレイン電極を複数形成するとともに、前記複数のドレイン電極の少なくとも一対のドレイン電極間に、前記保護ダイオードが配置されるように前記保護ダイオードを形成することを特徴とする。
Furthermore, the manufacturing method of the field effect transistor of the present invention includes:
Forming a gate electrode, a drain electrode, a source electrode, and a protective diode on the semiconductor layer;
In the step, the drain electrode is formed so as to surround a part or all of the periphery of the protective diode, or
A plurality of the drain electrodes are formed, and the protection diode is formed so that the protection diode is disposed between at least a pair of drain electrodes of the plurality of drain electrodes.
さらに、本発明の電界効果トランジスタの使用方法は、前記電界効果トランジスタに過電圧または過電力が印加される条件下で使用することを特徴とする、前記本発明の電界効果トランジスタ、または前記本発明の製造方法により製造される電界効果トランジスタの使用方法である。 Further, the field effect transistor of the present invention is used under the condition that overvoltage or overpower is applied to the field effect transistor, or the field effect transistor of the present invention, It is the usage method of the field effect transistor manufactured by a manufacturing method.
本発明によれば、チップ面積を大きくしすぎることなく、過電圧、過電力が加わっても破壊されない電界効果トランジスタ、電子装置、電界トランジスタの製造方法および使用方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a field effect transistor, an electronic device, and a method for manufacturing and using a field transistor that are not destroyed even when overvoltage or overpower is applied without increasing the chip area.
以下、本発明についてさらに詳しく説明する。ただし、本発明は、以下の説明により限定されない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail. However, the present invention is not limited by the following description.
本発明の電界効果トランジスタは、保護ダイオードを含む。本発明の電界効果トランジスタは、前記ソース電極、前記ゲート電極、および前記ドレイン電極を含むことにより、電界効果トランジスタとして機能し得る。以下、本発明の電界効果トランジスタにおいて、電界効果トランジスタとして機能し得る部分を「トランジスタ部」ということがある。 The field effect transistor of the present invention includes a protection diode. The field effect transistor of the present invention can function as a field effect transistor by including the source electrode, the gate electrode, and the drain electrode. Hereinafter, in the field effect transistor of the present invention, a portion that can function as a field effect transistor may be referred to as a “transistor portion”.
本発明の電界効果トランジスタは、前記の構造により、チップ面積を大きくしすぎることなく、トランジスタ部と保護ダイオードとを同一の電界効果トランジスタに形成できる。また、本発明の電界効果トランジスタは、前記ゲート電極、前記ドレイン電極、および前記ソース電極を一組とする電極群を少なくとも二組有し、前記保護ダイオードの電極が、前記ソース電極と電気的に接続され、前記保護ダイオードに隣接して、電流の上流側および下流側に、それぞれ一組の前記電極群が配置され、前記上流側の前記電極群は、電流の上流側から、前記ソース電極、前記ゲート電極、および前記ドレイン電極が、前記順序で配置され、前記下流側の前記電極群は、電流の上流側から、前記ドレイン電極、前記ゲート電極、および前記ソース電極が、前記順序で配置されていることが好ましい。この場合において、前記上流側と下流側と電極群における前記各ドレイン電極は、結合して一つのドレイン電極を形成してもよい。 According to the field effect transistor of the present invention, the transistor portion and the protection diode can be formed in the same field effect transistor without increasing the chip area due to the above structure. The field effect transistor of the present invention includes at least two electrode groups each including the gate electrode, the drain electrode, and the source electrode, and the electrode of the protection diode is electrically connected to the source electrode. A pair of the electrode groups is arranged adjacent to the protection diode and upstream and downstream of the current, respectively, and the upstream electrode group is connected to the source electrode from the upstream side of the current, The gate electrode and the drain electrode are arranged in the order, and the downstream electrode group includes the drain electrode, the gate electrode, and the source electrode arranged in the order from the upstream side of the current. It is preferable. In this case, the drain electrodes in the upstream side, the downstream side, and the electrode group may be combined to form one drain electrode.
また、本発明の電界効果トランジスタは、前記保護ダイオード、前記上流側の前記電極群、および前記下流側の前記電極群により一つの電極ユニットが形成され、複数の前記電極ユニットが、電流の流れる向きに沿って連続して配置されていることがより好ましい。前記電極ユニットにおける前記ソース電極は、隣接する他の前記電極ユニットにおける前記ソース電極と共有であっても良い。また、前記電極ユニットにおいて、前記上流側の前記電極群における前記ドレイン電極と、前記下流側の前記電極群における前記ドレイン電極とが、結合して一つのドレイン電極を形成していても良い。 Further, in the field effect transistor of the present invention, one electrode unit is formed by the protection diode, the upstream electrode group, and the downstream electrode group, and a plurality of the electrode units have a current flowing direction. It is more preferable that they are arranged continuously along. The source electrode in the electrode unit may be shared with the source electrode in another adjacent electrode unit. In the electrode unit, the drain electrode in the upstream electrode group and the drain electrode in the downstream electrode group may be combined to form one drain electrode.
本発明の電界効果トランジスタは、前記ドレイン電極が、前記保護ダイオードの周囲の一部もしくは全部を囲む状態で形成されているか、または、前記複数のドレイン電極の少なくとも一対のドレイン電極間に、前記保護ダイオードが配置されるように形成されている部分において、前記保護ダイオードの電極の外周における、前記ドレイン電極と対向する部分の長さの合計が、前記ゲート電極のゲート幅の2倍以上であることが好ましい。または、本発明の電界効果トランジスタは、さらに、ドレインバスバーまたはドレイン電極パッドを有し、前記ドレインバスバーまたは前記ドレイン電極パッドと、前記ゲート電極、前記ドレイン電極および前記ソース電極が配置された領域との間にも、前記保護ダイオードが配置されていることが好ましい。これらの構造によれば、前記保護ダイオードの電流容量をさらに高くすることができ、より大きな過電力に対しても前記トランジスタ部を保護することができる。 In the field effect transistor of the present invention, the drain electrode is formed in a state surrounding a part or all of the periphery of the protection diode, or the protection electrode is provided between at least a pair of drain electrodes of the plurality of drain electrodes. In the portion where the diode is arranged, the total length of the portion facing the drain electrode on the outer periphery of the electrode of the protective diode is at least twice the gate width of the gate electrode. Is preferred. Alternatively, the field effect transistor of the present invention further includes a drain bus bar or a drain electrode pad, and the drain bus bar or the drain electrode pad and a region where the gate electrode, the drain electrode, and the source electrode are disposed. It is preferable that the protective diode is disposed between them. According to these structures, the current capacity of the protection diode can be further increased, and the transistor portion can be protected against a larger overpower.
なお、本発明において、前記保護ダイオードの電極の外周における、「ドレイン電極と対向する部分」は、前記ドレイン電極の縁との距離が最も近い部分を含み、前記ドレイン電極の縁との距離が、前記最も近い部分の2倍以内の部分をいうものとする。前記「ドレイン電極と対向する部分」は、前記ドレイン電極の縁と平行でなくても良い。例えば、図4Aのように、外周が曲線形状を有するダイオード電極111が、一対のドレイン電極109間に配置されている場合、前記「ドレイン電極と対向する部分」は、図中の矢印A11およびA12で表すことができる。前記「ドレイン電極と対向する部分」の長さの合計は、A11+A12である。また、例えば、図4Bのように、ドレイン電極109が、外周が曲線形状を有するダイオード電極111の周囲の一部を囲む状態で形成されている場合、前記「ドレイン電極と対向する部分」およびその長さは、図中の矢印A13で表すことができる。ただし、図4A中のA11およびA12、図4B中のA13で表される部分は、ドレイン電極109の縁との距離が前記数値以内であるものとする。なお、図4Aおよび図4Bは、説明の便宜のための例示的な模式図であり、本発明を何ら限定しない。
In the present invention, the `` portion facing the drain electrode '' on the outer periphery of the electrode of the protective diode includes a portion closest to the edge of the drain electrode, and the distance from the edge of the drain electrode is It shall mean a portion within twice the nearest portion. The “portion facing the drain electrode” may not be parallel to the edge of the drain electrode. For example, as shown in FIG. 4A, when the
また、前記「ゲート幅」は、前記ゲート電極において、本発明の電界効果トランジスタのソース電極とドレイン電極との間の電流方向と直交する方向における最大の寸法をいう。また、前記「ゲート幅」は、特に断らない限り、実効的なゲート幅をいう。前記「実効的なゲート幅」は、前記ゲート電極のうち、本発明の電界効果トランジスタのアクティブ領域内に存在する部分のゲート幅をいう。前記「アクティブ領域」は、本発明の電界効果トランジスタにおいて、電気が流れることが可能である部分をいう。本発明の電界効果トランジスタに前記ゲート電極が複数存在し、それぞれ前記ゲート幅が異なる場合は、前記保護ダイオードの電極の外周における、前記ドレイン電極と対向する部分の長さの合計は、前記ゲート幅のうち最大のゲート幅の2倍以上であることがより好ましい。 The “gate width” refers to the maximum dimension of the gate electrode in the direction perpendicular to the current direction between the source electrode and the drain electrode of the field effect transistor of the present invention. Further, the “gate width” means an effective gate width unless otherwise specified. The “effective gate width” refers to the gate width of a portion of the gate electrode that exists in the active region of the field effect transistor of the present invention. The “active region” refers to a portion through which electricity can flow in the field effect transistor of the present invention. When a plurality of the gate electrodes are present in the field effect transistor of the present invention and each has a different gate width, the total length of the portions facing the drain electrode on the outer periphery of the electrode of the protection diode is the gate width. Of these, it is more preferable that the maximum gate width be twice or more.
本発明の電界効果トランジスタは、基板と、その上に積層された機能性半導体層とを有し、前記機能性半導体層が、III族窒化物半導体から形成されていることが好ましい。III族窒化物半導体(例えばGaNなど)が有する大きなバンドギャップ、高い絶縁破壊電界強度、高い電子移動度等の性質を利用すれば、高耐圧・高速動作可能な電界効果トランジスタを形成しやすいためである。 The field effect transistor of the present invention preferably has a substrate and a functional semiconductor layer laminated thereon, and the functional semiconductor layer is preferably formed of a group III nitride semiconductor. By utilizing the properties such as the large band gap, high breakdown field strength, and high electron mobility of group III nitride semiconductors (such as GaN), it is easy to form a field effect transistor capable of high breakdown voltage and high speed operation. is there.
本発明の電界効果トランジスタにおいて、前記保護ダイオードは、ショットキダイオード、2次元電子ガスをn型層としたp−nダイオード、または2次元電子ガスをn型層としたp−i−nダイオードであることが好ましい。前記保護ダイオードがショットキダイオードである場合、前記保護ダイオードの電極に接触している半導体層が、i−InxGa1−xN(0≦x<1)の導電型および組成で表される半導体層であることがより好ましい。前記保護ダイオードが2次元電子ガスをn型層としたp−nダイオードである場合、前記保護ダイオードの電極に接触している半導体層が、p−InyGa1−yN(0≦y<1)の導電型および組成で表される半導体層であることがより好ましい。前記保護ダイオードが2次元電子ガスをn型層としたp−i−nダイオードである場合、前記保護ダイオードの電極に接触している半導体層が、p−InzGa1−zN(0≦z<1)の導電型および組成で表される半導体層であることがより好ましい。 In the field effect transistor of the present invention, the protection diode is a Schottky diode, a pn diode having a two-dimensional electron gas as an n-type layer, or a pin diode having a two-dimensional electron gas as an n-type layer. It is preferable. When the protective diode is a Schottky diode, the semiconductor layer in contact with the electrode of the protective diode is a semiconductor represented by a conductivity type and composition of i-In x Ga 1-x N (0 ≦ x <1). More preferably, it is a layer. When the protection diode is a pn diode having an n-type layer of a two-dimensional electron gas, the semiconductor layer in contact with the electrode of the protection diode is p-In y Ga 1-y N (0 ≦ y < A semiconductor layer represented by the conductivity type and composition of 1) is more preferable. If the protective diode is a p-i-n diodes in which the two-dimensional electron gas and the n-type layer, a semiconductor layer in contact with the electrode of the protective diode, p-In z Ga 1- z N (0 ≦ A semiconductor layer represented by a conductivity type and composition of z <1) is more preferable.
前記保護ダイオードが、ショットキダイオード、2次元電子ガスをn型層としたp−nダイオード、または2次元電子ガスをn型層としたp−i−nダイオードである場合、本発明の電界効果トランジスタは、
ゲート電極接続層と、組成変調層とを含み、
前記ゲート電極接続層は、前記ゲート電極に電気的に接続され、かつ前記ゲート電極に最も近接している半導体層であり、
前記組成変調層は、前記ゲート電極接続層と前記保護ダイオードの電極との間に配置され、かつ、前記ゲート電極接続層側でバンドギャップが大きく、前記保護ダイオードの電極側でバンドギャップが小さくなるように変化する組成を有することが好ましい。
この場合において、前記組成変調層は、前記保護ダイオードの電極に接触している半導体層であることがより好ましい。または、本発明の電界効果トランジスタが保護ダイオード電極接触層をさらに含み、前記保護ダイオード電極接触層は、前記保護ダイオードの電極に接触している半導体層であり、前記組成変調層は、前記ゲート電極接続層と前記保護ダイオード電極接触層との間に配置されていることがより好ましい。
また、前記組成変調層は、前記バンドギャップの調整の観点から、Alを含み、かつ、前記ゲート電極接続層側でAl組成比が大きく、前記保護ダイオードの電極側でAl組成比が小さくなるように組成が連続的にまたは段階的に変化する半導体層であることがより好ましい。同様の観点から、前記組成変調層は、AlGaNから形成されていることがさらに好ましい。
When the protection diode is a Schottky diode, a pn diode having a two-dimensional electron gas as an n-type layer, or a pin diode having a two-dimensional electron gas as an n-type layer, the field effect transistor of the present invention Is
Including a gate electrode connection layer and a composition modulation layer,
The gate electrode connection layer is a semiconductor layer electrically connected to the gate electrode and closest to the gate electrode;
The composition modulation layer is disposed between the gate electrode connection layer and the electrode of the protection diode, and has a large band gap on the gate electrode connection layer side and a band gap on the electrode side of the protection diode. It is preferable to have such a composition that changes.
In this case, the composition modulation layer is more preferably a semiconductor layer in contact with the electrode of the protection diode. Alternatively, the field effect transistor of the present invention further includes a protective diode electrode contact layer, the protective diode electrode contact layer is a semiconductor layer in contact with the electrode of the protective diode, and the composition modulation layer is the gate electrode More preferably, it is disposed between the connection layer and the protective diode electrode contact layer.
Further, the composition modulation layer contains Al from the viewpoint of adjusting the band gap, and has a large Al composition ratio on the gate electrode connection layer side and a small Al composition ratio on the electrode side of the protection diode. More preferably, the semiconductor layer has a composition that changes continuously or stepwise. From the same viewpoint, the composition modulation layer is more preferably formed of AlGaN.
本発明の電界効果トランジスタは、前記組成変調層を有することで、前記保護ダイオードの逆方向耐圧をさらに高くすることができる。この効果は、前記保護ダイオードがショットキダイオード、2次元電子ガスをn型層としたp−nダイオード、または2次元電子ガスをn型層としたp−i−nダイオードのいずれであるかに関わらず得ることができる。これにより、前記トランジスタ部が高電圧動作しても前記保護ダイオード側にリーク電流が流れることを抑制し、またさらに大きな過電圧に対しても前記トランジスタ部を保護することができる。 The field effect transistor of the present invention can further increase the reverse breakdown voltage of the protection diode by including the composition modulation layer. This effect is related to whether the protection diode is a Schottky diode, a pn diode having a two-dimensional electron gas as an n-type layer, or a pin diode having a two-dimensional electron gas as an n-type layer. Can be obtained. Thereby, even if the transistor portion operates at a high voltage, it is possible to suppress a leak current from flowing to the protection diode side, and it is possible to protect the transistor portion even against a larger overvoltage.
前記保護ダイオードが2次元電子ガスをn型層としたp−i−nダイオードである場合、
前記保護ダイオードの電極に接触している半導体層が、p−InzGa1−zN(0≦z<1)の導電型および組成で表される半導体層であり、
さらに、ゲート電極接続層とi−GaN層とを含み、前記ゲート電極接続層は、前記ゲート電極に電気的に接続され、かつ前記ゲート電極に最も近接している半導体層であり、
前記i−GaN層は、前記ゲート電極接続層と前記p−InzGa1−zN層との間に配置されていることがより好ましい。
When the protection diode is a pin diode having a two-dimensional electron gas as an n-type layer,
The semiconductor layer in contact with the electrode of the protective diode is a p-In z Ga 1-z N (0 ≦ z <1) semiconductor layer represented by the conductivity type and composition,
Furthermore, a gate electrode connection layer and an i-GaN layer are included, and the gate electrode connection layer is a semiconductor layer that is electrically connected to the gate electrode and is closest to the gate electrode,
The i-GaN layer is more preferably disposed between said gate electrode connecting layer p-In z Ga 1-z N layer.
また、前記保護ダイオードが2次元電子ガスをn型層としたp−i−nダイオードである場合、
前記保護ダイオードの電極に接触している半導体層が、p−InzGa1−zN(0≦z<1)の導電型および組成で表される半導体層であり、
さらに、ゲート電極接続層とi−AlGaN層とを含み、前記ゲート電極接続層は、前記ゲート電極に電気的に接続され、かつ前記ゲート電極に最も近接している半導体層であり、
前記i−AlGaN層は、前記ゲート電極接続層と前記p−InzGa1−zN層との間に配置されていることがより好ましい。この場合において、前記ゲート電極接続層がAlを含み、前記i−AlGaN層のAl組成比が、前記ゲート電極接続層のAl組成比以下であることがより好ましい。
Further, when the protection diode is a pin diode having a two-dimensional electron gas as an n-type layer,
The semiconductor layer in contact with the electrode of the protective diode is a p-In z Ga 1-z N (0 ≦ z <1) semiconductor layer represented by the conductivity type and composition,
Furthermore, a gate electrode connection layer and an i-AlGaN layer are included, and the gate electrode connection layer is a semiconductor layer that is electrically connected to the gate electrode and is closest to the gate electrode,
The i-AlGaN layer is more preferably disposed between said gate electrode connecting layer p-In z Ga 1-z N layer. In this case, it is more preferable that the gate electrode connection layer includes Al, and an Al composition ratio of the i-AlGaN layer is equal to or less than an Al composition ratio of the gate electrode connection layer.
なお、本発明の電界効果トランジスタにおいて、前記保護ダイオードが2次元電子ガスをn型層としたp−nダイオード、または2次元電子ガスをn型層としたp−i−nダイオードである場合、例えば、前記保護ダイオードの電極に接触している半導体層がp型層である。前記n型層は、例えば、前記トランジスタ部を構成する半導体層中を2次元電子ガス(2DEG)が走行しており、この2DEGが前記保護ダイオードのn型層を兼ねる。 In the field effect transistor of the present invention, when the protective diode is a pn diode having a two-dimensional electron gas as an n-type layer, or a pin diode having a two-dimensional electron gas as an n-type layer, For example, the semiconductor layer in contact with the electrode of the protection diode is a p-type layer. In the n-type layer, for example, a two-dimensional electron gas (2DEG) runs in a semiconductor layer constituting the transistor unit, and the 2DEG also serves as the n-type layer of the protection diode.
また、本発明の電界効果トランジスタは、さらに、ゲート絶縁膜を含み、前記ゲート電極が、前記ゲート絶縁膜を介して、前記電界効果トランジスタを構成する半導体の一部に電気的に接続されていることがより好ましい。このような構造とすると、過電圧、過電力は、全て前記保護ダイオードから逃がす必要があることから、本発明の効果がより顕著になる。前記ゲート絶縁膜は、Si、Mg、Hf、Al、Ti、Ta、Zr、St、およびBaからなる群から選択される少なくとも一つの元素と、O、N、およびCからなる群から選択される少なくとも一つの元素とを含むことがより好ましい。 The field effect transistor of the present invention further includes a gate insulating film, and the gate electrode is electrically connected to a part of the semiconductor constituting the field effect transistor via the gate insulating film. It is more preferable. With such a structure, all of the overvoltage and overpower must be released from the protection diode, so that the effect of the present invention becomes more remarkable. The gate insulating film is selected from the group consisting of at least one element selected from the group consisting of Si, Mg, Hf, Al, Ti, Ta, Zr, St, and Ba, and O, N, and C. More preferably, it contains at least one element.
なお、本発明において「電気的に接続」とは、例えば、直接接触した状態でも良いし、他の構成要素を介してつなぎ合わされた状態でも良く、通電可能な状態でも良いし、絶縁膜等を介して電気的な相互作用が可能な状態でも良い。電極が半導体層と電気的に接続されている状態とは、例えば、ソース電極、ドレイン電極もしくはゲート電極が半導体層に直接接触している状態、または、ゲート電極がゲート絶縁膜を介して半導体層とつなぎ合わされた状態等がある。 In the present invention, “electrically connected” means, for example, a direct contact state, a state where they are connected via other components, a state where electricity can be passed, an insulating film or the like. It may be in a state where electrical interaction is possible. The state in which the electrode is electrically connected to the semiconductor layer is, for example, a state in which the source electrode, the drain electrode, or the gate electrode is in direct contact with the semiconductor layer, or the gate electrode is connected to the semiconductor layer through the gate insulating film. There are states that are connected to each other.
また、本発明において、「上に」は、特に断らない限り、上面に直接接触している状態でも良いし、間に他の構成要素等が存在する状態でも良い。同様に、「下に」は、特に断らない限り、下面に直接接触している状態でも良いし、間に他の構成要素等が存在する状態でも良い。また、「上面に」は、上面に直接接触している状態を指す。同様に、「下面に」は、下面に直接接触している状態を指す。「片面側に」は、特に断らない限り、片面側に直接接触している状態でも良いし、間に他の構成要素等が存在する状態でも良い。「両面側に」も、同様とする。「片面に」は、片面に直接接触している状態を指す。「両面に」も、同様とする。 Further, in the present invention, “on” may be in a state of being in direct contact with the upper surface, or may be in a state in which other components are present, unless otherwise specified. Similarly, “under” may be in a state of being in direct contact with the lower surface, or in a state in which other components or the like are present, unless otherwise specified. Further, “on the top surface” indicates a state in which the top surface is in direct contact. Similarly, “on the lower surface” refers to a state of being in direct contact with the lower surface. “On one side” may be in a state of being in direct contact with one side, or in a state in which other components are present, unless otherwise specified. The same applies to “both sides”. “On one side” refers to the state of direct contact with one side. The same applies to “both sides”.
また、本発明において、「組成」とは、半導体層等を構成する元素の原子数の量的関係をいう。「組成比」とは、前記半導体層等を構成する特定の元素の原子数と、他の元素の原子数との相対的な割合をいう。例えば、AlxGa1−xNの組成で表される半導体層において、xの数値を「Al組成比」という。また、本発明において、一つの半導体層と他の半導体層との組成を比較する場合、導電性を発現させるための不純物(ドーパント)は、半導体層を構成する元素として考慮しないものとする。例えば、p型GaN層とn型GaN層とは、不純物(ドーパント)が異なるが、組成は同一であるものとする。また、例えば、n型GaN層と、不純物濃度がさらに高いn+GaN層とがあった場合、それらの組成は同一であるものとする。 Further, in the present invention, “composition” refers to a quantitative relationship of the number of atoms of elements constituting a semiconductor layer or the like. “Composition ratio” refers to a relative ratio between the number of atoms of a specific element constituting the semiconductor layer and the like and the number of atoms of another element. For example, in a semiconductor layer represented by a composition of Al x Ga 1-x N, the numerical value of x is referred to as “Al composition ratio”. In the present invention, when comparing the composition of one semiconductor layer and another semiconductor layer, an impurity (dopant) for developing conductivity is not considered as an element constituting the semiconductor layer. For example, a p-type GaN layer and an n-type GaN layer are different in impurities (dopants) but have the same composition. For example, when there is an n-type GaN layer and an n + GaN layer having a higher impurity concentration, their compositions are assumed to be the same.
以下、本発明の具体的な実施形態について図面を参照しながら説明する。ただし、以下の実施形態および実施例は例示であり、本発明を限定しない。各図面において、同様な構成要素には適宜同一符号を付し、その詳細な説明は重複しないように適宜省略する場合がある。また、各図面は例示的な模式図であり、各部の寸法比等は実物とは一致しない場合がある。 Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the following embodiments and examples are illustrative and do not limit the present invention. In the drawings, similar components are appropriately denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof may be omitted as appropriate so as not to overlap. Each drawing is an exemplary schematic diagram, and the dimensional ratio of each part may not match the actual product.
[実施形態1]
図1Aは、本発明に係る第1の実施形態の電界効果トランジスタ10の構造を概略的に示す平面図である。図示の通り、この電界効果トランジスタ10は、複数のゲート電極がほぼ一定周期でくし型に並んでいるマルチフィンガーのトランジスタと、トランジスタのドレイン電極部分に埋め込まれたダイオードからなっている。説明を簡略化するため、以下、破線で囲まれた領域10−1のように、1周期分の構造に関して説明する。この電界効果トランジスタ10−1は、電界効果トランジスタ10を構成する1周期分の構造に相当する。実際の電界効果トランジスタ10は、1周期分を構成する電極の組み合わせが、2周期以上、例えば数十から数百繰り返される。この電界効果トランジスタ10の両端部の構造は、1周期分を構成する電極の組み合わせと異なる場合がある。図中、点線で示している部分は、空中配線、もしくは絶縁膜を介した立体配線を示す。
[Embodiment 1]
FIG. 1A is a plan view schematically showing the structure of the
次に、電界効果トランジスタ10−1について、図1Bの平面図および図1Cの断面図に基づき説明する。図1Bに示すとおり、この電界効果トランジスタ10−1は、ソース電極108、ドレイン電極109、およびゲート電極110を一組とする電極群を二組有し、さらに、保護ダイオードの電極111を有する。また、保護ダイオードおよびその電極111に隣接して、電流の上流側および下流側に、それぞれ一組の前記電極群が配置されている。前記上流側の前記電極群は、電流の上流側から、ソース電極108、ゲート電極110、およびドレイン電極109が前記順序で配置されている。前記下流側の前記電極群は、電流の上流側から、ドレイン電極109、ゲート電極110、およびソース電極108が前記順序で配置されている。同図下部のソースパッド部112、ゲートバスバー114、および同図上部のドレインパッド部113は、それぞれ、電界効果トランジスタ10−1に電流の流れる向きに沿って、電界効果トランジスタ10−1の一端から他端まで伸びている。保護ダイオードの電極111は、ソースパッド部112を介してソース電極108と電気的に接続されている。各ドレイン電極109は、ドレインパッド部113を介して接続されている。また、各ゲート電極110は、ゲートバスバー114により連結されている。なお、本発明の電界効果トランジスタにおいて、ソースパッド部、ドレインパッド部、およびゲートバスバーは、必須ではないが、前記マルチフィンガーの構造を形成するために、これらの少なくとも一つを適宜有することが好ましい。
Next, the field effect transistor 10-1 will be described based on the plan view of FIG. 1B and the cross-sectional view of FIG. 1C. As shown in FIG. 1B, this field effect transistor 10-1 has two sets of electrode groups each including a
また、この電界効果トランジスタ10−1のアクティブ領域の幅(電流の方向と垂直方向の長さ)は、ドレイン電極109、ゲート電極110、およびソース電極108の幅(電流の方向と垂直方向の長さ)にほぼ等しい。図1Bにおいて、点線1001は、ドレイン電極109、ゲート電極110、およびソース電極108の下端(図で見て下側)を結ぶ線であり、点線1002は、ドレイン電極109、ゲート電極110、およびソース電極108の上端(図で見て上側)を結ぶ線である。電界効果トランジスタ10−1のアクティブ領域は、点線1001と点線1002の間の領域であり、前記アクティブ領域の幅(電流の方向と垂直方向の長さ)は、点線1001と点線1002との距離に等しい。なお、本発明の電界効果トランジスタにおいて、アクティブ領域は、前記のとおり、電気が流れることが可能である部分であり、前記アクティブ領域の幅は、ドレイン電極、ゲート電極、およびソース電極の幅と完全に一致するとは限らない。
The width of the active region of the field effect transistor 10-1 (the length in the direction perpendicular to the current direction) is the same as the width of the
また、図1Cに示すとおり、この電界効果トランジスタ10−1は、基板101上に、第一の半導体層からなる核形成層102、第二の半導体層からなる電子走行層103、第三の半導体層からなる電子供給層104、第四の半導体層からなる電界緩和層105、第五の半導体層からなるp型層106が前記順序で積層された積層構造を有する。電子供給層104の上面において、電界緩和層105、およびp型層106は、一部が除去されている。ダイオード部は、p型層106の上面に、第一の金属から成るダイオード電極111を形成し、立体配線を介してソースパッド部112と接続することで作製できる。また、電界緩和層105およびp型層106を除去した部分には、ソース電極108、ドレイン電極109およびゲート電極110が前記配置で形成されている。ゲート電極110の形成部位では、電子供給層104上部の一部が除去されて開口部(開口埋め込み部)が形成されている。前記開口部(開口埋め込み部)上面には、第一の絶縁膜からなるゲート絶縁膜107と第二の金属からなるゲート電極110がこの順序で積層され、ゲートバスバー114を介してゲートパッド(図示せず)に接続されている。さらに、ゲート電極110を挟むように、第三の金属からなるソース電極108、ドレイン電極109を形成し、各々立体配線を介してソースパッド部112、ドレインパッド部113に接続することでトランジスタ部を作製できる。
Further, as shown in FIG. 1C, the field effect transistor 10-1 includes a
核形成層102と電子走行層103との間には、別途バッファ層を挿入してもよい。また、例えば、基板101と、前記バッファ層もしくは電子走行層103の格子定数差が3%以下とほぼ等しい場合などは、核形成層102は省略しても良い。
A separate buffer layer may be inserted between the
電子走行層103は、例えば、GaN、InN、AlNなどのIII族窒化物系化合物半導体で構成すればよい。この電子走行層103には、Si、S、Se、Oなどのn型不純物、あるいは、ベリリウム(Be)、炭素(C)またはマグネシウム(Mg)などのp型不純物を添加してもよい。ただし、クーロン散乱の影響による電子移動度の低下防止の観点から、電子走行層103内の不純物濃度は高すぎないことが好ましく、例えば、1×1017cm−3以下であることが望ましい。電子供給層104は、電子走行層103の上面にヘテロ接合し、GaNやInN、AlNなどのIII族窒化物系化合物半導体からなる層である。電子供給層104から電子走行層103へ電子を供給するために、電子供給層104は、電子走行層103よりも小さな電子親和力を持つ材料または組成からなる。本実施形態の電界効果トランジスタ10では、主にピエゾ効果や自発分極効果により、電子走行層103と電子供給層104とのヘテロ接合界面およびその近傍での2次元電子ガスの発生を可能としている。たとえば、アンドープGaN層(電子走行層)103の上面にAlGaN層(電子供給層)104がヘテロ接合する場合、自発分極とピエゾ分極との両作用によりそのヘテロ接合界面に正の空間固定電荷が発生し、ヘテロ接合界面のGaN層側に2次元電子ガスを形成することとなる。なお、電子走行層103よりも大きなバンドギャップを持つ電子供給層104にSi、S、Se、Oなどのn型不純物を導入することにより、当該ヘテロ接合界面およびその近傍の2次元電子ガスの濃度を調整することも可能である(変調ドーピング)。
The
電界緩和層105は、InxAlyGa1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)で表される組成を有する。パンチスルーを抑制して高い耐圧性能を得るために、電界緩和層105の組成は、電界緩和層105の内部で負の分極電荷がほぼ一様に分布するように制御されている。例えば、電界緩和層105の上面をIII族面であるガリウム面とした場合、電界緩和層105のAl組成比yを基板101側からダイオード電極111側に向かうにつれて徐々に(連続的に)または段階的に小さくする。これにより、電界緩和層105の内部で負の分極電荷を積層方向にわたってほぼ一様に分布させることができる。あるいは、電界緩和層105のIn組成比xを基板101側からダイオード電極111側に向かうにつれて徐々に(連続的に)または段階的に大きくしても良い。このようにしても、電界緩和層105の内部で負の分極電荷を積層方向にわたってほぼ一様に分布させることができる。あるいは、電界緩和層105のAl組成比yを基板101側からダイオード電極111側に向かうにつれて徐々に(連続的に)または段階的に小さくし、かつ、電界緩和層105のIn組成比xを基板101側からダイオード電極111側に向かうにつれて徐々に(連続的に)または段階的に大きくしても良い。このようにしても、電界緩和層105の内部で負の分極電荷を積層方向にわたってほぼ一様に分布させることができる。
The electric
電界緩和層105は、前記組成を有することにより、ピエゾ効果および自発分極効果により伝導帯および価電子帯が真空準位に向かって凸形状をなすように曲がるエネルギーバンド構造を有する。この凸形状のエネルギーバンドは、ピエゾ効果および自発分極効果に起因する固定電荷で形成されるため、局所的な電界強度の増加を抑制することができ耐圧性能を向上させることができる。
The electric
また、電界緩和層105に導入するn型不純物としては、たとえば、シリコン(Si)、イオウ(S)、セレン(Se)、酸素(O)が挙げられる。n型不純物濃度は、所望の値とすることができるが、電界を緩和するために、1×1018cm−3以下であることが好ましい。特に、高い耐圧性能を確保するためには、前記n型不純物濃度は1×1017cm−3以下であることが好ましい。p型層106は、面密度で1×1013cm−2以上のアクセプタ濃度を有するp型窒化物半導体層である。p型層106に高濃度に導入されるp型不純物としては、例えば、Be、C、Mg等が挙げられ、p型層106の構成材料としては、例えば、GaN、InN、AlNなどのIII族窒化物系化合物半導体が挙げられる。このp型層106に導入されるp型不純物濃度は、特に制限されないが、高電圧領域で電子に対する電位障壁の形成を維持するためには、1×1018cm−3以上であることが望ましい。ダイオード電極111の形成材料は特に制限されないが、p型層106とオーミック接触する材料が好ましい。また、ゲート電極と同一の材料で作製してもよい。
Examples of the n-type impurity introduced into the electric
基板101として、GaNやAlNなどからなる導電性のIII族窒化物系化合物半導体基板を使用することが好ましいが、これに限定されるものではない。たとえば、シリコン基板または炭化シリコン基板を基板101に使用してもよい。用途に応じて、導電性の基板を用いることも可能である。
Although it is preferable to use a conductive group III nitride compound semiconductor substrate made of GaN, AlN, or the like as the
本実施形態の電界効果トランジスタは、ゲート絶縁膜を有するMIS型トランジスタである。このため、ゲート電極の形成材料は、導電性があれば特に制限されず、任意の物質とすることができる。前記ゲート電極の形成材料としては、具体的には、例えば、Ni、Pd、W、Mo、Ti、Pt、Nb、AlもしくはAuなどの金属材料、またはSiを主成分としたポリ結晶に不純物を添加した材料などが挙げられる。前記ゲート電極は、複数の材料から形成されていてもよく、複数の材料層を積層した構造を有していてもよい。ただし、前記ゲート電極の形成材料は、ゲート絶縁膜と反応しない材料であることが好ましい。MIS型構造を用いない場合(ゲート絶縁膜がない場合)は、ゲート電極110は、例えば、下地の電子供給層104にショットキ接触する材料を用いればよい。
The field effect transistor of this embodiment is a MIS transistor having a gate insulating film. For this reason, the formation material of a gate electrode will not be restrict | limited especially if there is electroconductivity, It can be set as arbitrary substances. Specifically, as the material for forming the gate electrode, for example, an impurity is added to a metal material such as Ni, Pd, W, Mo, Ti, Pt, Nb, Al or Au, or a polycrystal mainly composed of Si. Examples include added materials. The gate electrode may be formed of a plurality of materials, or may have a structure in which a plurality of material layers are stacked. However, the material for forming the gate electrode is preferably a material that does not react with the gate insulating film. When the MIS structure is not used (when there is no gate insulating film), the
ゲート絶縁膜107は、たとえば、シリコン(Si)、マグネシウム(Mg)、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ストロンチウム(St)、バリウム(Ba)、およびタンタル(Ta)よりなる群から選択された1種または2種以上の酸化物または窒化物で構成すればよい。酸化物または窒化物などの無機化合物の代わりに、有機絶縁物で構成されてもよい。
The
本実施形態の電界効果トランジスタ10によれば、例えば、以下のような効果を得ることができる。
According to the
まず、本実施形態の電界効果トランジスタ10は、トランジスタとしてMIS型トランジスタを採用しているため、通常動作時のゲートリーク電流を低くできる。一方、本実施形態の電界効果トランジスタは、ゲート電極を介して電流を流すことができないため、サージや誘導性過電力など外部から電圧が加わった場合、トランジスタ部では電流を逃がすことができない。本実施形態の電界効果トランジスタでは、サージや誘導性過電力など外部から電圧が加わった場合、ドレイン電極内に配したダイオードから電流を逃がすことができる。特に、本実施形態では、電界緩和層を有するp−nダイオードを用いているため、高い動作電圧(正のドレイン電圧)でもダイオード側にリーク電流が流れず、ダイオードを併設したことによる不利益は起こらない。本実施形態の電界効果トランジスタでは、動作電圧よりもさらに高い正の電圧が加わったときには、ダイオードの逆方向電流としてソース電極側(接地)に放出することができる。その際、ダイオード電極(保護ダイオードの電極)の真下は空乏化してしまい、前記ダイオード電極の外周部しか電流が流れない。このような場合、ダイオード電極の面積により電流容量を確保しようとしても、前記ダイオードの電極面積によらず電流容量が不足してしまう。しかしながら、本発明の電界効果トランジスタの構造によれば、前記ダイオード電極の外周の長さ(外周部長)を長くしやすいので、十分な電流容量を確保しやすい。特に、本実施形態では、前記ダイオード電極の外周部長がゲート電極幅(ゲート幅)以上あるので、充分な電流容量を実現することができる。また、負の外部電圧が加わった場合には、ダイオードは順方向に働き、ダイオード電極下は低抵抗で、容易に大電流を流すことが可能となる。また、本実施形態では、前記保護ダイオードの電極の外周における、前記ドレイン電極と対向する部分の長さの合計が、少なくとも図1Bに示すA1+A2であり、前記ゲート電極のゲート幅B1の2倍以上である。これにより、前記保護ダイオードの電流容量をいっそう高くすることができ、大きな過電力に対して前記トランジスタ部を保護することができる。
First, since the
さらに、ゲート電極ピッチ(ゲート電極が配置されている間隔)は、通常は、電界効果トランジスタの出力と放熱性から規定される。高出力において十分な放熱性を確保するためには、前記ゲート電極ピッチの値は、例えば30μm以上が好適である。しかしながら、前記ドレイン電極の有効幅(実際に電極として機能し得る部分の幅)は、通常、前記ドレイン電極の外周から数μmしかなく、前記ゲート電極ピッチの値に対し、極めて小さい。したがって、前記ゲート電極間にドレイン電極を配置した場合、前記ドレイン電極の中心付近の大部分は、無駄なスペースとなってしまう。前記ゲート電極間に保護ダイオードを配置すると、前記ゲート電極ピッチの値をさらに大きくしなければならず、その分チップ面積が増加してしまう。しかしながら、本実施形態の電界効果トランジスタのような電極配置によれば、前記無駄なスペースに保護ダイオードを配置することができるため、前記無駄なスペースによる面積のロスを抑制することができ、チップ面積の節減につながる。本実施形態の電界効果トランジスタの電極配置によれば、例えば、前記ゲート電極ピッチを一般的な電界効果トランジスタと変えずに、すなわちチップ面積を全く増加させること無しに保護ダイオードを配置することも可能となる。ただし、この効果の説明は例示であって、本発明はこの説明により限定されない。 Furthermore, the gate electrode pitch (interval at which the gate electrodes are arranged) is usually defined by the output of the field effect transistor and heat dissipation. In order to ensure sufficient heat dissipation at high output, the value of the gate electrode pitch is preferably, for example, 30 μm or more. However, the effective width of the drain electrode (the width of the portion that can actually function as an electrode) is usually only a few μm from the outer periphery of the drain electrode, and is extremely small relative to the value of the gate electrode pitch. Therefore, when a drain electrode is disposed between the gate electrodes, most of the vicinity of the center of the drain electrode becomes a useless space. If a protective diode is disposed between the gate electrodes, the value of the gate electrode pitch must be further increased, which increases the chip area. However, according to the electrode arrangement such as the field effect transistor of the present embodiment, since the protective diode can be arranged in the useless space, the loss of the area due to the useless space can be suppressed, and the chip area Leads to savings. According to the electrode arrangement of the field effect transistor of the present embodiment, for example, it is also possible to arrange a protective diode without changing the gate electrode pitch from a general field effect transistor, that is, without increasing the chip area at all. It becomes. However, description of this effect is an illustration, Comprising: This invention is not limited by this description.
なお、本発明の電界効果トランジスタの製造方法は、特に限定されないが、前記本発明の電界効果トランジスタの製造方法により製造することが好ましい。電極、半導体層等の各部を形成する方法は、特に限定されず、例えば、一般的な半導体装置の製造方法を参考にして適宜行うことができる。図1の電界効果トランジスタ10(10−1)の製造(作製)方法は特に限定されないが、例えば、後述する実施例1の通りである。各部の材質等も特に制限されないが、例えば、前述のとおり、または実施例1に示すとおりである。 In addition, the manufacturing method of the field effect transistor of the present invention is not particularly limited, but it is preferably manufactured by the manufacturing method of the field effect transistor of the present invention. A method of forming each part such as an electrode and a semiconductor layer is not particularly limited, and can be appropriately performed with reference to a general method for manufacturing a semiconductor device, for example. Although the manufacturing (production) method of the field effect transistor 10 (10-1) of FIG. 1 is not particularly limited, for example, it is as in Example 1 described later. The material of each part is not particularly limited. For example, as described above or as shown in the first embodiment.
次に、図1の電界効果トランジスタ10の変形例について説明する。図2A〜Hは、本実施形態の変形例である各電界効果トランジスタの平面構造を概略的に示す断面図である。以下各々の特徴を説明する。
Next, a modification of the
図2Aに示す電界効果トランジスタ10−2は、電界効果トランジスタ10を構成する1周期分を表している。図中、点線で示している部分は、空中配線、もしくは絶縁膜を介した立体配線を示す。電界効果トランジスタ10−2は、ドレイン電極109を3つ、およびダイオード電極111を2つ有し、ドレイン電極間にダイオードを2個内包した構造を有する。各ダイオード電極111は、ドレイン電極109間に挟まれ、電流の流れる方向に沿って、ドレイン電極109、ダイオード電極111、ドレイン電極109、ダイオード電極111、ドレイン電極109の順序で配置されている。これら以外は、電界効果トランジスタ10−2は、図1の電界効果トランジスタ10−1と同様である。図示の通り、この電界効果トランジスタ10−2は、電界効果トランジスタ10−1と比較して、ドレイン電極と前記保護ダイオードが対向する部分の長さが2倍長くなっている。すなわち、図2Aにおいて、前記保護ダイオードの電極の外周における、前記ドレイン電極と対向する部分の長さの合計(A3+A4+A5+A6)は、前記ゲート電極のゲート幅B2の2倍以上である。これにより、順方向、逆方向共に大電流を流すことが可能である。
A field effect transistor 10-2 shown in FIG. 2A represents one period constituting the
図2Bに示す電界効果トランジスタ10−3は、電界効果トランジスタ10を構成する1周期分を表している。図中、点線で示している部分は、空中配線、もしくは絶縁膜を介した立体配線を示す。図示の通り、電界効果トランジスタ10−3は、ドレイン電極109の間に保護ダイオード(ダイオード電極111)を1個内包した構造である。この電界効果トランジスタ10−3では、2つのドレイン電極109がドレインパッド側で結合して1つのドレイン電極を構成し、前記保護ダイオードのドレインパッド側側面もドレイン電極と対向している。これら以外は、電界効果トランジスタ10−3は、図1の電界効果トランジスタ10−1と同様である。この電界効果トランジスタ10−3も、電界効果トランジスタ10−1と比較して、ドレイン電極とダイオードが対向する部分(前記保護ダイオードの電極の外周における、前記ドレイン電極と対向する部分の長さの合計)の長さを長くできることから、より順方向、逆方向共に大電流を流すことが可能である。
A field effect transistor 10-3 shown in FIG. 2B represents one period constituting the
図2Cに示す電界効果トランジスタ10−4は、電界効果トランジスタ10を構成する1周期分を表している。図中、点線で示している部分は、空中配線、もしくは絶縁膜を介した立体配線を示す。電界効果トランジスタ10−4は、ドレイン電極109の間に保護ダイオード(ダイオード電極111)を1個内包した構造である。この電界効果トランジスタ10−4では、ドレイン電極109およびダイオード電極111が、それぞれ櫛型をしており、櫛の歯が噛み合うように配置されている。前記櫛の歯の方向は、電流の流れる方向と垂直方向である。これら以外は、電界効果トランジスタ10−4は、図1の電界効果トランジスタ10−1と同様である。この電界効果トランジスタ10−4も、電界効果トランジスタ10−1と比較して、ドレイン電極とダイオードが対向する部分(前記保護ダイオードの電極の外周における、前記ドレイン電極と対向する部分の長さの合計)の長さを長くできることから、より順方向、逆方向共に大電流を流すことが可能である。
A field effect transistor 10-4 shown in FIG. 2C represents one period constituting the
図2Dに示す電界効果トランジスタ10−5は、電界効果トランジスタ10を構成する1周期分を表している。図中、点線で示している部分は、空中配線、もしくは絶縁膜を介した立体配線を示す。電界効果トランジスタ10−5は、ドレイン電極109の間に保護ダイオード(ダイオード電極111)を1個内包した構造である。この電界効果トランジスタ10−5では、ダイオード電極111が、フィッシュボーン構造(魚の背骨様の形状)を有している。ドレイン電極109は、ダイオード電極111の周囲に、左右のゲート電極110側およびソースパッド部113側を包囲するように配置されている。これら以外は、電界効果トランジスタ10−5は、図1の電界効果トランジスタ10−1と同様である。この電界効果トランジスタ10−5も、電界効果トランジスタ10−1と比較して、ドレイン電極とダイオードが相対する部分の長さ(前記保護ダイオードの電極の外周における、前記ドレイン電極と対向する部分の長さの合計)を長くできることから、より順方向、逆方向共に大電流を流すことが可能である。
A field effect transistor 10-5 shown in FIG. 2D represents one period constituting the
図2Eに示す電界効果トランジスタ10−6は、電界効果トランジスタ10を構成する1周期分を表している。図中、点線で示している部分は、空中配線、もしくは絶縁膜を介した立体配線を示す。図示の通り、電界効果トランジスタ10−6は、ドレイン電極109内に保護ダイオード(ダイオード電極111)を7個内包した構造を有する。ダイオード電極111は、格子状に配置されており、ドレイン電極109は、6個のダイオード電極111の四方および他の1個のダイオード電極111の三方を包囲するように配置されている。これら以外は、電界効果トランジスタ10−6は、図1の電界効果トランジスタ10−1と同様である。この電界効果トランジスタ10−6も、電界効果トランジスタ10−1と比較して、ドレイン電極とダイオードが相対する部分(前記保護ダイオードの電極の外周における、前記ドレイン電極と対向する部分の長さの合計)の長さを長くできることから、より順方向、逆方向共に大電流を流すことが可能である。なお、ソースパッド側の配線をなるべく短くするため、最もソースパッド側に位置するダイオード電極111(前記「他の1個のダイオード電極111」)のソースパッド側には、ドレイン電極109を配置していない。
A field effect transistor 10-6 shown in FIG. 2E represents one period constituting the
図2Fに示す電界効果トランジスタ10−7は、電界効果トランジスタ10を構成する1周期分を表している。図中、点線で示している部分は、空中配線、もしくは絶縁膜を介した立体配線を示す。図示の通り、電界効果トランジスタ10−7は、ドレイン電極109の間に保護ダイオード(ダイオード電極111)を1個内包した構造である。この電界効果トランジスタ10−7では、2つのドレイン電極109がドレインパッド側およびソースパッド側で結合して1つのドレイン電極を構成する。ドレイン電極109は、ダイオード電極111の四方を包囲するように配置され、前記保護ダイオード(ダイオード電極111)のドレインパッド側側面およびソースパッド側側面もドレイン電極と対向している。これら以外は、電界効果トランジスタ10−7は、図1の電界効果トランジスタ10−1と同様である。この電界効果トランジスタ10−7も、電界効果トランジスタ10−1と比較して、ドレイン電極とダイオードが相対する部分の長さを長くできることから、より順方向、逆方向共に大電流を流すことが可能である。
A field effect transistor 10-7 shown in FIG. 2F represents one period constituting the
図2Gに示す電界効果トランジスタ10−8は、電界効果トランジスタ10を構成する1周期分を表している。図中、点線で示している部分は、空中配線、もしくは絶縁膜を介した立体配線を示す。図示の通り、この電界効果トランジスタ10−8は、ドレイン電極109内に保護ダイオード(ダイオード電極111)を8個内包した構造である。各ダイオード電極111は格子状に配置されており、ドレイン電極109は、全てのダイオード電極111の四方を包囲するように配置されている。これら以外は、電界効果トランジスタ10−8は、図1の電界効果トランジスタ10−1と同様である。この電界効果トランジスタ10−8も、電界効果トランジスタ10−1と比較して、ドレイン電極とダイオードが相対する部分(前記保護ダイオードの電極の外周における、前記ドレイン電極と対向する部分の長さの合計)の長さを長くできることから、より順方向、逆方向共に大電流を流すことが可能である。
A field effect transistor 10-8 shown in FIG. 2G represents one cycle constituting the
図2Hに示す電界効果トランジスタ10−9は、電界効果トランジスタ10を構成する1周期分を表している。図中、点線で示している部分は、空中配線、もしくは絶縁膜を介した立体配線を示す。図示の通り、この電界効果トランジスタ10−9は、各ドレイン電極109の間に加え、ドレインパッド部113とトランジスタのアクティブ領域(トランジスタ部)の間にも前記保護ダイオード(ダイオード電極111)が配置されている。各ドレイン電極109の間のダイオード電極111は、ドレインパッド部113とトランジスタ部の間のダイオード電極111とは、連結して1つのダイオード電極111を形成している。これら以外は、この電界効果トランジスタ10−9は、図1の電界効果トランジスタ10−1と同様である。すなわち、図2Hにおいて、前記保護ダイオードの電極の外周における、前記ドレイン電極と対向する部分の長さの合計は、少なくとも(A7+A8+A9+A10)であり、前記ゲート電極のゲート幅はB3である。したがって、この電界効果トランジスタ10−9も、電界効果トランジスタ10−1と比較して、ドレイン電極とダイオードが相対する部分(前記保護ダイオードの電極の外周における、前記ドレイン電極と対向する部分の長さの合計)の長さを長くでき、より順方向、逆方向共に大電流を流すことが可能である。
A field effect transistor 10-9 shown in FIG. 2H represents one period constituting the
[実施形態2]
図3A〜Cは、本発明の別の実施形態である電界効果トランジスタの断面構造を概略的に示す断面図である。これらは、実施形態1の電界効果トランジスタとは、特にダイオード部の構造が異なる。以下、それぞれについて説明する。
[Embodiment 2]
3A to 3C are cross-sectional views schematically showing a cross-sectional structure of a field effect transistor according to another embodiment of the present invention. These are different from the field-effect transistor of
図3Aに示す電界効果トランジスタ10−10は、電界効果トランジスタ10を構成する1周期分を表す断面構造図である。図示の通り、この電界効果トランジスタ10−10は、ダイオードとして、ショットキダイオードを用いている。具体的には、電界緩和層105およびp型層106がなく、ダイオード電極111が電子供給層104の上面に直接接触(ショットキ接触)している。これ以外は、この電界効果トランジスタ10−10は、図1の電界効果トランジスタ10−1と同様である。このような電界効果トランジスタは、電子供給層104の上にp型層が不要であるため、図1のようなp−nダイオードよりもエピ成長が容易である。また、このようにショットキダイオードを用いた電界効果トランジスタは、順方向の抵抗が低いため、ダイオードの順方向の電圧が加わったときには、容易に電流を放出することができる。
A field effect transistor 10-10 shown in FIG. 3A is a cross-sectional structure diagram showing one period constituting the
なお、図3Aに示す電界効果トランジスタ10−10は、ゲート絶縁膜を有さず、また、電子供給層104上部に開口部(開口埋め込み部)が形成されず、ゲート電極110が電子供給層104上面に直接接触(ショットキ接触)している。これ以外は、図3Aに示す電界効果トランジスタ10−10のトランジスタ部の構造は、図1の電界効果トランジスタ10−1と同様である。図3Bおよび図3Cの電界効果トランジスタも同様である。
The field effect transistor 10-10 illustrated in FIG. 3A does not have a gate insulating film, and an opening (opening embedded portion) is not formed on the
図3Bに示す電界効果トランジスタ10−11は、電界効果トランジスタ10を構成する1周期分を表す断面構造図である。図示の通り、この電界効果トランジスタ10−11はダイオードとして、p−nダイオードを用いている。具体的には、電子供給層104とダイオード電極111との間にp型GaN層106を有する以外は、図3Aに示す電界効果トランジスタ10−10と同様である。このようにp−nダイオードを用いた場合、p型層106が必要であるため、ショットキダイオードよりも、製造時のエピ成長が1層分増える。しかしながら、p−nダイオードはショットキダイオードと比較して逆方向リーク電流が少ないため、通常動作時のリーク電流が低減できるという利点がある。また、p型層としてp−GaNを用いた場合、通常電子供給層として用いられるAlGaN層と選択的にエッチングできるため、トランジスタの特性の制御が容易であるという利点もある。
A field effect transistor 10-11 illustrated in FIG. 3B is a cross-sectional structure diagram illustrating one period constituting the
図3Cに示す電界効果トランジスタ10−12は、電界効果トランジスタ10を構成する1周期分を表す断面構造図である。図示の通り、この電界効果トランジスタ10−12は、ダイオードとして、p−i−nダイオードを用いている。具体的には、電子供給層104とp型GaN層106との間にi−GaN層(高純度層)115を有する以外は、図3Bに示す電界効果トランジスタ10−11と同様である。このようにp−i−nダイオードを用いた場合、p型層106および高純度層115が必要であるため、製造時のエピ成長が2層分増える。しかしながら、p−i−nダイオードは、ショットキダイオード、p−nダイオードと比較して逆方向リーク電流が少ないため、通常動作時のリーク電流が低減できるという利点がある。また、p型層としてp−GaNを用いた場合、通常電子供給層として用いられるAlGaN層と選択的にエッチングできるため、トランジスタの特性の制御が容易であるという利点もある。さらに、p−i−nダイオードは、p−nダイオードと比較すると、逆方向耐圧を高くできるという利点もある。
The field effect transistor 10-12 illustrated in FIG. 3C is a cross-sectional structure diagram illustrating one period constituting the
なお、図3Dに示す電界効果トランジスタ10−13は、ゲート絶縁膜を有さず、電子供給層104上部に開口部(開口埋め込み部)が形成されず、ゲート電極110が電子供給層104上面に直接接触(ショットキ接触)している以外は、図1の電界効果トランジスタ10−1と同様である。すなわち、この電界効果トランジスタ10−13は、電子供給層104とp−GaN層106の間に電界緩和層105を有する以外は、図3Bと同様のp−nダイオードを有する。実施形態1で述べた通り、このような電界効果トランジスタは、電界緩和層105の内部で負の分極電荷がほぼ一様に分布するように、電界緩和層105の組成が連続的にまたは段階的に変化する。これにより、パンチスルーを抑制して高い耐圧性能を得ることができる。
3D does not have a gate insulating film, an opening (an opening embedded portion) is not formed on the
本発明による電界効果トランジスタの使用方法は、前述のとおり、前記本発明の電界効果トランジスタ、または前記本発明の製造方法により製造される電界効果トランジスタを、過電圧または過電力が印加される条件下で使用することを特徴とする。本発明の電界効果トランジスタ、または前記本発明の製造方法により製造される電界効果トランジスタは、過電圧または過電力を加えても破壊されないという効果を有する。ただし、本発明の電界効果トランジスタ、または前記本発明の製造方法により製造される電界効果トランジスタの使用方法は、過電圧または過電力を加える使用方法に限定されず、どのような使用方法でも良い。なお、本発明において、「過電圧」とは、本発明の電界効果トランジスタから前記保護ダイオードを除いた(トランジスタ部のみで用いた)場合の破壊耐圧を超える電圧をいう。また、本発明において、「過電力」とは、本発明の電界効果トランジスタから前記保護ダイオードを除いた(トランジスタ部のみで用いた)場合の耐量(半導体素子が破壊に耐えることができる上限の電力量)を超える電力をいう。本発明の電界効果トランジスタ、または前記本発明の製造方法により製造される電界効果トランジスタは、前記保護ダイオードにより、過電圧および過電力の一方または両方を逃がすことができる。このため、本発明の電界効果トランジスタ、または前記本発明の製造方法により製造される電界効果トランジスタは、全体としては、前記保護ダイオードが存在しない場合と比較して、破壊耐圧および耐量の一方または両方が向上したことになる。 As described above, the field effect transistor according to the present invention is used under the condition that an overvoltage or an overpower is applied to the field effect transistor of the present invention or the field effect transistor manufactured by the manufacturing method of the present invention. It is characterized by using. The field effect transistor of the present invention or the field effect transistor manufactured by the manufacturing method of the present invention has an effect that it is not destroyed even when an overvoltage or overpower is applied. However, the usage method of the field effect transistor of the present invention or the field effect transistor manufactured by the manufacturing method of the present invention is not limited to the usage method of applying overvoltage or overpower, and any usage method may be used. In the present invention, “overvoltage” refers to a voltage exceeding the breakdown voltage when the protective diode is removed from the field effect transistor of the present invention (used only in the transistor portion). In the present invention, the term “overpower” refers to the withstand capacity when the protective diode is removed from the field effect transistor of the present invention (used only in the transistor portion) (the upper limit power that the semiconductor element can withstand breakdown). Power). The field effect transistor of the present invention or the field effect transistor manufactured by the manufacturing method of the present invention can release one or both of overvoltage and overpower by the protection diode. For this reason, the field effect transistor of the present invention or the field effect transistor manufactured by the manufacturing method of the present invention as a whole has one or both of breakdown voltage and withstand capability compared to the case where the protective diode is not present. Will be improved.
以上説明した通り、本発明によれば、チップ面積を大きくしすぎることなく、過電圧、過電力が加わっても破壊されない電界効果トランジスタを提供できる。本発明の電界効果トランジスタは、高電圧、大出力での動作が可能なため、例えば、スイッチング電源、インバータ回路などの電子装置の省エネルギー化に寄与するパワー半導体素子として用いることができる。前述の通り、本発明の電子装置は、本発明の電界効果トランジスタを含むことが特徴である。本発明の電界効果トランジスタの用途は特に限定されず、例えば、モーター制御装置(例えば電気自動車用、エアコン用等)、電源装置(例えばコンピュータ用等)、インバータ照明、高周波電力発生装置(例えば電子レンジ用、電磁調理器用等)、画像表示装置、情報記録再生装置、通信装置等に広く用いることができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a field effect transistor that is not destroyed even when overvoltage and overpower are applied without excessively increasing the chip area. Since the field effect transistor of the present invention can operate at a high voltage and a large output, it can be used as a power semiconductor element that contributes to energy saving of electronic devices such as a switching power supply and an inverter circuit. As described above, the electronic device of the present invention is characterized by including the field effect transistor of the present invention. The use of the field effect transistor of the present invention is not particularly limited. For example, a motor control device (for example, for an electric vehicle or an air conditioner), a power supply device (for example, for a computer), inverter lighting, a high frequency power generator (for example, a microwave oven) Can be widely used for image display devices, information recording / reproducing devices, communication devices, and the like.
図1に示した電界効果トランジスタ10(10−1)を製造した。具体的には、以下の通りである。 The field effect transistor 10 (10-1) shown in FIG. 1 was manufactured. Specifically, it is as follows.
まず、基板101として(111)面Si基板を準備した。次に、この上に、核形成層102としてAlN層(膜厚20nm)、電子走行層103としてGaN動作層(膜厚2500nm)、電子供給層104としてAlGaN電子供給層(Al組成比0.25、膜厚20nm、Si添加量2×1017cm−3)、電界緩和層105としてAlGaN(電子供給層側のAl組成比0.25、p型層側のAl組成比0、膜厚100nm)、p型層106としてGaN層(膜厚100nm、Mg添加量1×1019cm−3)を、前記順序で、有機金属気相エピタキシャル(MOVPE)法により形成した。MOVPE法による成長温度は、以下の通りとすることができた。
核形成層102:通常400〜1100℃(例えば1080℃)
電子走行層103(GaN層):通常1000〜1050℃(例えば1030℃)
電子供給層104(AlGaN層):通常1040〜1100℃(例えば1080℃)
電界緩和層105(AlGaN層):通常1040〜1100℃(例えば1080℃)
p型層106(GaN層):通常1000〜1050℃(例えば1030℃)
First, a (111) plane Si substrate was prepared as the
Nucleation layer 102: Usually 400 to 1100 ° C. (for example, 1080 ° C.)
Electron traveling layer 103 (GaN layer): usually 1000 to 1050 ° C. (eg 1030 ° C.)
Electron supply layer 104 (AlGaN layer): typically 1040 to 1100 ° C. (eg, 1080 ° C.)
Electric field relaxation layer 105 (AlGaN layer): Usually 1040 to 1100 ° C. (for example, 1080 ° C.)
p-type layer 106 (GaN layer): usually 1000 to 1050 ° C. (eg 1030 ° C.)
次いで、p型層106上面にフォトレジストを塗布し、露光、現像により開口部を設けた後、BCl3ガスを用いたドライエッチング(ICP法)により、ダイオード電極部以外のp型層106および電界緩和層105を除去した。さらに、電子供給層104上面に第三の金属としてTi/Al(Ti層の膜厚10nm、Al層の膜厚200nm)を電子銃蒸着により形成し、リフトオフの後、ランプアニール(650℃、30秒)することでソース電極108、ドレイン電極109を形成した。次に、絶縁膜としてSiN膜(膜厚100nm)をP−CVD法により成膜した。その後、前記SiN膜上面にフォトレジストを塗布し、露光、現像により開口部を設けた。その後、前記SiN膜を除去し、電子供給層104、ソース電極108、ドレイン電極109、p型層106および電界緩和層105の上面全体に、第一の絶縁膜107としてAl2O3(膜厚15nm)をALD法により成膜した。次に、ダイオード電極が形成される部分の第一の絶縁膜107を除去した。そして、第一の金属、および第二の金属としてNi/Au(Ni層の膜厚10nm、Au層の膜厚200nm)を所定の位置に電子銃蒸着により形成し、リフトオフすることによりゲート電極110、ダイオード電極111を形成した。さらに、配線工程を経て図1の電界効果トランジスタ10(10−1)を製造した。
Next, a photoresist is applied on the upper surface of the p-
なお、本実施例では、基板としてSi基板を用いる製造例を示したが、サファイア、炭化シリコンなど他の任意の基板を用いることができる。さらに、本実施例ではSi基板の(111)面を用いたが、他の面でもよい。例えば、III族窒化物半導体がc軸配向またはc軸から任意の方向に約55度までの傾斜を持った配向で成長し、ピエゾ効果が前記実施形態1と同じ向きに発生する面であれば良い。例えばサファイアc面基板の他に、c面から任意の方向に傾斜を持たせた基板などを用いることができる。ただし、サファイアc面やa面から傾斜を持たせた基板を用いる場合、傾斜角が大きくなると良好な結晶性を得ることが困難になるため、任意の方向に10度以内の傾斜とすることが好ましい。 In the present embodiment, a manufacturing example using a Si substrate as a substrate has been shown, but any other substrate such as sapphire or silicon carbide can be used. Furthermore, although the (111) plane of the Si substrate is used in this embodiment, other planes may be used. For example, if the group III nitride semiconductor is a surface on which the c-axis orientation or an orientation having an inclination of about 55 degrees in an arbitrary direction from the c-axis is grown, and the piezo effect is generated in the same direction as the first embodiment good. For example, in addition to a sapphire c-plane substrate, a substrate having an inclination in an arbitrary direction from the c-plane can be used. However, when using a substrate with an inclination from the sapphire c-plane or a-plane, it becomes difficult to obtain good crystallinity when the inclination angle increases, and therefore the inclination may be within 10 degrees in any direction. preferable.
同様に本実施例では電子走行層103としてGaNを用いたが、他のIII族窒化物半導体材料を適宜用いることができる。
Similarly, in this embodiment, GaN is used as the
同様に、各層の膜厚に関しても、所望の厚さとすることができるが、転位が発生する臨界膜厚以下とすることが好ましい。 Similarly, the thickness of each layer can be set to a desired thickness, but is preferably equal to or less than the critical thickness at which dislocation occurs.
なお、本実施例ではGaN電子走行層中103に不純物は添加していない。これは、GaN電子走行層中に不純物を添加した場合、クーロン散乱の影響で移動度が低下することを防止する観点からである。ただし、移動度の低下よりも電子濃度の増加を優先するなど目的に応じて、n型不純物として、例えばSi、S、Seなどを添加することができる。また、p型不純物としては、例えばBe、Cなどを添加することも可能である。
In this embodiment, no impurities are added to the GaN
また、本実施例ではソース電極、ドレイン電極としてTi/Alを用いたが、ソース電極、ドレイン電極は、本実施例中の電子供給層であるGaNとオーミック接触する金属であればよい。前記金属は、具体的には、例えばW、Mo、Si、Ti、Nb、Pt、Al、Au等の金属を用いることができ、複数の前記金属を積層した構造とすることもできる。 In this embodiment, Ti / Al is used as the source electrode and the drain electrode. However, the source electrode and the drain electrode may be any metal that is in ohmic contact with the GaN which is the electron supply layer in this embodiment. Specifically, for example, a metal such as W, Mo, Si, Ti, Nb, Pt, Al, or Au can be used as the metal, and a structure in which a plurality of the metals are stacked can also be used.
また、本実施例ではゲート金属としてNi/Auを用いたが、ゲート電極は絶縁膜とのみ接しているため、絶縁膜と反応しにくく、かつ絶縁膜との密着性の高い物質であればよい。前記ゲート金属としては、例えばW、Ni、Mo、Si、Ti、Pt、Al、Au等を用いることができ、複数の前記物質を混合及び積層した構造とすることもできる。 In this embodiment, Ni / Au is used as the gate metal. However, since the gate electrode is in contact only with the insulating film, any material that does not easily react with the insulating film and has high adhesion to the insulating film may be used. . As the gate metal, for example, W, Ni, Mo, Si, Ti, Pt, Al, Au, or the like can be used, and a structure in which a plurality of the substances are mixed and stacked can also be used.
また、本実施例ではダイオード電極としてNi/Auを用いたが、ダイオード電極は、p型層106とオーミック接触する材料が好ましい。前記材料は、例えばW、Ni、Mo、Si、Ti、Pt、Al、Au等を用いることができ、複数の前記物質を混合及び積層した構造とすることもできる。
In this embodiment, Ni / Au is used as the diode electrode, but the diode electrode is preferably made of a material that makes ohmic contact with the p-
また、本実施例では第一の絶縁膜としてAl2O3を用いたが、第一の絶縁膜は、例えば、Si、Mg、Hf、Zr、Al、Ti、Taのいずれか1以上とO、N、Cのいずれか1以上からなる物質とすることもできる。また、複数の層から構成することも可能である。 In this embodiment, Al 2 O 3 is used as the first insulating film. However, the first insulating film may be, for example, one or more of Si, Mg, Hf, Zr, Al, Ti, and Ta and O. , N, and C may be used. It is also possible to form a plurality of layers.
本実施例の電界効果トランジスタは、過電圧、過電力が加わっても破壊されないため、高電圧、大出力での動作が可能であった。より具体的には、前記実施形態1で述べた通りの効果を得ることが可能である。 The field effect transistor of this example was not destroyed even when overvoltage and overpower were applied, and thus could operate at a high voltage and a large output. More specifically, the effects as described in the first embodiment can be obtained.
10、10−1、10−2、10−3、10−4、10−5、10−6、10−7、10−8、10−9、10−10、10−11、10−12、10−13 電界効果トランジスタ
101 基板
102 核形成層
103 電子走行層
104 電子供給層
105 電界緩和層
106 p型層
107 ゲート絶縁膜
108 ソース電極
109 ドレイン電極
110 ゲート電極
111 ダイオード電極
112 ソースパッド部
113 ドレインパッド部
114 ゲートバスバー
115 i−GaN層
10, 10-1, 10-2, 10-3, 10-4, 10-5, 10-6, 10-7, 10-8, 10-9, 10-10, 10-11, 10-12, 10-13
Claims (26)
前記ドレイン電極が、前記保護ダイオードの周囲の一部もしくは全部を囲む状態で形成されているか、または、
前記ドレイン電極は、複数であり、前記複数のドレイン電極の少なくとも一対のドレイン電極間に、前記保護ダイオードが配置されるように形成されていることを特徴とする電界効果トランジスタ。 On the semiconductor layer, a gate electrode, a drain electrode, a source electrode, and a protective diode are arranged,
The drain electrode is formed so as to surround a part or all of the periphery of the protective diode, or
2. The field effect transistor according to claim 1, wherein there are a plurality of drain electrodes, and the protective diode is disposed between at least a pair of drain electrodes of the plurality of drain electrodes.
前記保護ダイオードの電極が、前記ソース電極と電気的に接続され、
前記保護ダイオードに隣接して、電流の上流側および下流側に、それぞれ一組の前記電極群が配置され、
前記上流側の前記電極群は、電流の上流側から、前記ソース電極、前記ゲート電極、および前記ドレイン電極が、前記順序で配置され、
前記下流側の前記電極群は、電流の上流側から、前記ドレイン電極、前記ゲート電極、および前記ソース電極が、前記順序で配置されていることを特徴とする請求項1記載の電界効果トランジスタ。 Having at least two sets of electrode groups each including the gate electrode, the drain electrode, and the source electrode;
An electrode of the protection diode is electrically connected to the source electrode;
Adjacent to the protection diode, a set of the electrode groups is disposed on the upstream side and the downstream side of the current,
In the upstream electrode group, from the upstream side of the current, the source electrode, the gate electrode, and the drain electrode are arranged in the order,
2. The field effect transistor according to claim 1, wherein the drain electrode, the gate electrode, and the source electrode are arranged in the order from the upstream side of the current in the electrode group on the downstream side.
複数の前記電極ユニットが、電流の流れる向きに沿って連続して配置されていることを特徴とする請求項2記載の電界効果トランジスタ。 One electrode unit is formed by the protection diode, the upstream electrode group, and the downstream electrode group,
The field effect transistor according to claim 2, wherein the plurality of electrode units are continuously arranged along a direction in which a current flows.
前記保護ダイオードの電極の外周における、前記ドレイン電極と対向する部分の長さの合計が、前記ゲート電極のゲート幅の2倍以上であることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。 The drain electrode is formed so as to surround part or all of the periphery of the protection diode, or formed so that the protection diode is disposed between at least a pair of drain electrodes of the plurality of drain electrodes. In the part that is
6. The total length of portions of the outer periphery of the electrode of the protective diode facing the drain electrode is at least twice the gate width of the gate electrode. 6. The field effect transistor according to 1.
前記ドレインバスバーまたは前記ドレイン電極パッドと、前記ゲート電極、前記ドレイン電極および前記ソース電極が配置された領域との間にも、前記保護ダイオードが配置されていることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。 In addition, it has a drain bus bar or drain electrode pad,
7. The protective diode is also disposed between the drain bus bar or the drain electrode pad and a region where the gate electrode, the drain electrode, and the source electrode are disposed. The field effect transistor according to any one of the above.
前記ゲート電極接続層は、前記ゲート電極に電気的に接続され、かつ前記ゲート電極に最も近接している半導体層であり、
前記組成変調層は、前記ゲート電極接続層と前記保護ダイオードの電極との間に配置され、かつ、前記ゲート電極接続層側でバンドギャップが大きく、前記保護ダイオードの電極側でバンドギャップが小さくなるように変化する組成を有することを特徴とする請求項9から11のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。 Including a gate electrode connection layer and a composition modulation layer,
The gate electrode connection layer is a semiconductor layer electrically connected to the gate electrode and closest to the gate electrode;
The composition modulation layer is disposed between the gate electrode connection layer and the electrode of the protection diode, and has a large band gap on the gate electrode connection layer side and a band gap on the electrode side of the protection diode. The field effect transistor according to claim 9, wherein the field effect transistor has a composition that changes as follows.
前記保護ダイオード電極接触層は、前記保護ダイオードの電極に接触している半導体層であり、
前記組成変調層は、前記ゲート電極接続層と前記保護ダイオード電極接触層との間に配置されていることを特徴とする請求項12記載の電界効果トランジスタ。 Further comprising a protective diode electrode contact layer;
The protective diode electrode contact layer is a semiconductor layer in contact with the electrode of the protective diode,
13. The field effect transistor according to claim 12, wherein the composition modulation layer is disposed between the gate electrode connection layer and the protective diode electrode contact layer.
さらに、ゲート電極接続層とi−GaN層とを含み、前記ゲート電極接続層は、前記ゲート電極に電気的に接続され、かつ前記ゲート電極に最も近接している半導体層であり、
前記i−GaN層は、前記ゲート電極接続層と前記p−InzGa1−zN層との間に配置されていることを特徴とする請求項11〜14および16〜18のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。 The semiconductor layer in contact with the electrode of the protective diode is a p-In z Ga 1-z N (0 ≦ z <1) semiconductor layer, represented by the conductivity type and composition,
Furthermore, a gate electrode connection layer and an i-GaN layer are included, and the gate electrode connection layer is a semiconductor layer that is electrically connected to the gate electrode and is closest to the gate electrode,
The i-GaN layer, any one of claims 11 to 14 and 16 to 18, characterized in that it is arranged between the gate electrode connecting layer and the p-In z Ga 1-z N layer Item 2. Field effect transistor.
さらに、ゲート電極接続層とi−AlGaN層とを含み、前記ゲート電極接続層は、前記ゲート電極に電気的に接続され、かつ前記ゲート電極に最も近接している半導体層であり、
前記i−AlGaN層は、前記ゲート電極接続層と前記p−InzGa1−zN層との間に配置されていることを特徴とする請求項11〜14および16〜19のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。 The semiconductor layer in contact with the electrode of the protective diode is a p-In z Ga 1-z N (0 ≦ z <1) semiconductor layer represented by the conductivity type and composition,
Furthermore, a gate electrode connection layer and an i-AlGaN layer are included, and the gate electrode connection layer is a semiconductor layer that is electrically connected to the gate electrode and is closest to the gate electrode,
The i-AlGaN layer, any one of claims 11 to 14 and 16-19, characterized in that it is arranged between the gate electrode connecting layer and the p-In z Ga 1-z N layer Item 2. Field effect transistor.
前記工程において、前記ドレイン電極を、前記保護ダイオードの周囲の一部もしくは全部を囲むように形成するか、または、
前記ドレイン電極を複数形成するとともに、前記複数のドレイン電極の少なくとも一対のドレイン電極間に、前記保護ダイオードが配置されるように前記保護ダイオードを形成することを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。 Forming a gate electrode, a drain electrode, a source electrode, and a protective diode on the semiconductor layer;
In the step, the drain electrode is formed so as to surround a part or all of the periphery of the protective diode, or
A method of manufacturing a field effect transistor, comprising: forming a plurality of the drain electrodes; and forming the protection diode so that the protection diode is disposed between at least a pair of drain electrodes of the plurality of drain electrodes.
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