JP2013105994A - Nitride semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えばテレビなどの民生機器の電源回路等に用いられるパワーデバイスに適用できる窒化物半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a nitride semiconductor device applicable to a power device used in a power circuit of a consumer device such as a television.
ＧａＮに代表される窒化物半導体は、例えばＧａＮ及びＡｌＮのそれぞれのバンドギャップが室温で３．４ｅＶ及び６．２ｅＶであるように、バンドギャップが大きいワイドギャップ半導体であり、絶縁破壊電界が大きく、且つ電子の飽和ドリフト速度がＧａＡｓなどの化合物半導体又はＳｉ半導体などと比べて大きいという特徴を有している。また、ＡｌＧａＮ／ＧａＮへテロ構造においては(0001)ヘテロ界面で自発分極及びピエゾ分極により電荷が生じるので、アンドープ時においても１×１０13ｃｍ-2以上のシートキャリア濃度が得られる。このため、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面での２次元電子ガス（２ＤＥＧ：2 Dimensional Electron Gas）を利用して、より電流密度の大きいダイオードやヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ：Hetero-junction Field Effect Transistor ）を実現できる。現在、高出力化及び高耐圧化に有利な窒化物半導体を用いたパワーデバイスの研究開発が活発に行われている。 A nitride semiconductor typified by GaN is a wide gap semiconductor having a large band gap such that the respective band gaps of GaN and AlN are 3.4 eV and 6.2 eV at room temperature. In addition, the electron saturation drift velocity is higher than that of a compound semiconductor such as GaAs or Si semiconductor. In the AlGaN / GaN heterostructure, charges are generated by spontaneous polarization and piezopolarization at the (0001) heterointerface, so that a sheet carrier concentration of 1 × 10 13 cm −2 or more can be obtained even when undoped. For this reason, diodes and heterojunction field effect transistors (HFETs) with higher current densities can be produced using two-dimensional electron gas (2DEG) at the AlGaN / GaN heterointerface. realizable. Currently, research and development of power devices using nitride semiconductors, which are advantageous for high output and high breakdown voltage, are being actively conducted.
尚、前述のＡｌＧａＮとは、３元混晶ＡｌxＧａ1-xＮ（ｘは任意の値。但し０≦ｘ≦１）を表す。以下、多元混晶は、各混晶の構成元素記号の配列、例えばＡｌＩｎＮ、ＧａＩｎＮ等のように略記する。例えば、窒化物半導体ＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（ｘ、ｙは任意の値。但し０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）は、ＡｌＧａＩｎＮと略記する。 The above-mentioned AlGaN represents ternary mixed crystal Al x Ga 1-x N (x is an arbitrary value, where 0 ≦ x ≦ 1). Hereinafter, the multi-element mixed crystal is abbreviated as an arrangement of constituent element symbols of each mixed crystal, for example, AlInN, GaInN, or the like. For example, the nitride semiconductor Al x Ga 1 -xy In y N (x and y are arbitrary values, where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) is abbreviated as AlGaInN.
パワーデバイスとして用いるダイオードの１つにショットキーダイオードがある。ＧａＮ系のダイオードとして、ＡｌＧａＮ／ＧａＮへテロ構造を用いたショットキーダイオードが開発されている。このショットキーダイオードにおいては、アンドープＡｌＧａＮ層とアンドープＧａＮ層との界面に発生する２次元電子ガスをチャネルとして用いるため、大電流で低抵抗な動作が可能となる。 One of the diodes used as a power device is a Schottky diode. As a GaN-based diode, a Schottky diode using an AlGaN / GaN heterostructure has been developed. In this Schottky diode, since a two-dimensional electron gas generated at the interface between the undoped AlGaN layer and the undoped GaN layer is used as a channel, a high current and low resistance operation is possible.
また、ＡｌＧａＮ／ＧａＮへテロ構造を複数積層することによってチャネルを複数形成し、それにより、オン抵抗を低減できるマルチチャネル構造が提案されている（例えば特許文献１）。このマルチチャネル構造を用いることによって、ダイオードのオン抵抗を低減して機器の低消費電力化を実現できる。 In addition, a multi-channel structure has been proposed in which a plurality of channels are formed by stacking a plurality of AlGaN / GaN heterostructures, thereby reducing on-resistance (for example, Patent Document 1). By using this multi-channel structure, it is possible to reduce the on-resistance of the diode and reduce the power consumption of the device.
図１２は、マルチチャネル構造を有する従来の窒化物半導体装置の断面図である。図１２に示すように、Ｓｉ基板１の上に、窒化物半導体層よりなる緩衝層２が形成されており、緩衝層２の上に、アンドープＧａＮ層３及びアンドープＡｌＧａＮ層４が下から順に形成された接合体が複数積層され、それにより、多層構造（マルチチャネル構造）５が形成されている。具体的には、アンドープＧａＮ層３ａ、アンドープＡｌＧａＮ層４ａ、アンドープＧａＮ層３ｂ、アンドープＡｌＧａＮ層４ｂ、アンドープＧａＮ層３ｃ及びアンドープＡｌＧａＮ層４ｃが順次形成されることによって、つまり、アンドープＧａＮ層３とアンドープＡｌＧａＮ層４との接合体が３つ積層されることによって、マルチチャネル構造５が構成されている。マルチチャネル構造５の両側端はエッチングされており、それによって、Ｓｉ基板１の主面に対して垂直な側壁を持ち且つアンドープＧａＮ層３ａ中に底面を持つリセス部８及び９が形成されている。リセス部８及び９のそれぞれの側壁となる部分のマルチチャネル構造５の側面を覆うように、アノード電極６（ショットキー特性）及びカソード電極７（オーミック特性）が設けられている。 FIG. 12 is a cross-sectional view of a conventional nitride semiconductor device having a multichannel structure. As shown in FIG. 12, a buffer layer 2 made of a nitride semiconductor layer is formed on a Si substrate 1, and an undoped GaN layer 3 and an undoped AlGaN layer 4 are formed on the buffer layer 2 in order from the bottom. A plurality of the joined bodies are laminated, thereby forming a multilayer structure (multi-channel structure) 5. Specifically, an undoped GaN layer 3a, an undoped AlGaN layer 4a, an undoped GaN layer 3b, an undoped AlGaN layer 4b, an undoped GaN layer 3c, and an undoped AlGaN layer 4c are sequentially formed, that is, the undoped GaN layer 3 and the undoped A multi-channel structure 5 is configured by stacking three joined bodies with the AlGaN layer 4. Both side ends of the multichannel structure 5 are etched, thereby forming recess portions 8 and 9 having side walls perpendicular to the main surface of the Si substrate 1 and having bottom surfaces in the undoped GaN layer 3a. . An anode electrode 6 (Schottky characteristic) and a cathode electrode 7 (ohmic characteristic) are provided so as to cover the side surfaces of the multi-channel structure 5 that are the side walls of the recess portions 8 and 9.
例えば図１２に示す従来の窒化物半導体装置について本願発明者らが種々の検討を行った結果、従来の窒化物半導体装置には、以下のような問題点があることが判明した。 For example, as a result of various studies by the inventors of the present invention on the conventional nitride semiconductor device shown in FIG. 12, it has been found that the conventional nitride semiconductor device has the following problems.
図１２に示す従来の窒化物半導体装置のように、窒化物半導体のへテロ接合体の側端部（電極形成領域）にリセスを形成する場合、当該リセスが深くなるに従って、リセス側壁における電極用メタル膜のカバレッジが悪くなってボイド等が発生し、その結果、へテロ接合体と電極とのコンタクト抵抗が高くなってしまうという問題が生じる。特に、図１２に示す従来の窒化物半導体装置のように、マルチチャネル構造にリセスを形成する場合、シングルチャネル構造にリセスを形成する場合と比較して、より深いリセスを形成する必要があるため、前述の問題が顕著になる。 When a recess is formed at the side end (electrode formation region) of a nitride semiconductor heterojunction as in the conventional nitride semiconductor device shown in FIG. 12, the depth of the recess increases as the recess becomes deeper. The coverage of the metal film is deteriorated and voids are generated. As a result, there arises a problem that the contact resistance between the heterojunction and the electrode is increased. In particular, as in the conventional nitride semiconductor device shown in FIG. 12, when a recess is formed in a multi-channel structure, it is necessary to form a deeper recess than when a recess is formed in a single channel structure. The above-mentioned problem becomes remarkable.
具体的には、マルチチャネル構造を用いたダイオード等の窒化物半導体装置においては、全てのチャネルを効率的に活用するために、アノード電極形成領域及びカソード電極形成領域のいずれにおいてもマルチチャネル構造の最下層のチャネル層に達するように深いリセスを設ける必要がある。しかしながら、例えば図１２に示す従来の窒化物半導体装置においては、チャネル形成面（２次元電子ガスの分布面）に対して側壁が垂直になるようにリセスを形成している。このため、リセス側壁における電極用メタル膜のカバレッジが悪くなり、その結果、アノード電極及びカソード電極のそれぞれとチャネル（つまりチャネルが生成される窒化物半導体層）との間で良好なコンタクトが得られなくなる。 Specifically, in a nitride semiconductor device such as a diode using a multi-channel structure, in order to efficiently use all channels, the multi-channel structure is formed in both the anode electrode formation region and the cathode electrode formation region. It is necessary to provide a deep recess so as to reach the lowermost channel layer. However, in the conventional nitride semiconductor device shown in FIG. 12, for example, the recess is formed so that the side wall is perpendicular to the channel formation surface (distribution surface of the two-dimensional electron gas). For this reason, the coverage of the electrode metal film on the recess side wall is deteriorated, and as a result, good contact is obtained between each of the anode electrode and the cathode electrode and the channel (that is, the nitride semiconductor layer in which the channel is generated). Disappear.
それに対して、例えばＡｌＧａＮ／ＧａＮへテロ構造を用いたショットキーダイオードのオン抵抗の低減のためには、電極のコンタクト抵抗の低減は大きな課題であり、特に、チャネル数が２以上のマルチチャネル構造を用いたショットキーダイオードのオン抵抗の低減のためには、電極のコンタクト抵抗の低減は重要な課題である。 On the other hand, for reducing the on-resistance of a Schottky diode using, for example, an AlGaN / GaN heterostructure, reducing the contact resistance of the electrode is a big problem, and in particular, a multichannel structure having two or more channels. In order to reduce the on-resistance of a Schottky diode that uses Si, reducing the contact resistance of the electrode is an important issue.
また、本願発明者らが、図１２に示す従来の窒化物半導体装置（つまり、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ））について、さらなる検討を行ったところ、逆方向リーク電流（ショットキーリーク電流）が大きいという問題もあることが判明した。窒化物半導体装置のオフ時における消費電力の低減や信頼性の向上のためには、逆方向リーク電流の低減も重要な課題である。 Further, when the inventors of the present application further examined the conventional nitride semiconductor device (that is, the Schottky barrier diode (SBD)) shown in FIG. 12, the reverse leakage current (Schottky leakage current) is large. It turned out that there was also a problem. In order to reduce power consumption and improve reliability when the nitride semiconductor device is turned off, reduction of reverse leakage current is also an important issue.
前記に鑑み、本発明は、電極のコンタクト抵抗や逆方向リーク電流を低減できる窒化物半導体装置を提供することを目的とする。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor device that can reduce contact resistance and reverse leakage current of electrodes.
前記の目的を達成するために、本発明に係る窒化物半導体装置は、第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上に形成され且つ前記第１の窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きい第２の窒化物半導体層との接合体が少なくとも１つ基板上に積層されている窒化物半導体装置であって、前記第２の窒化物半導体層の上面から前記第１の窒化物半導体層における前記第２の窒化物半導体層との界面よりも下側までの範囲に位置する部分の前記接合体の第１の側端及び第２の側端にはそれぞれ、第１のテーパ部及び第２のテーパ部が形成されており、前記第１のテーパ部の側面上には前記第１の窒化物半導体層とオーミック接触するようにカソード電極が形成されており、前記第２のテーパ部の側面上には前記第１の窒化物半導体層とショットキー接触するようにアノード電極が形成されており、前記第１のテーパ部の側面及び前記第２のテーパ部の側面のそれぞれが前記基板の主面に対してなす角度は、２０度以上で且つ７５度以下である。 In order to achieve the above object, a nitride semiconductor device according to the present invention includes a first nitride semiconductor layer, and the first nitride semiconductor layer formed on the first nitride semiconductor layer. A nitride semiconductor device in which at least one joined body with a second nitride semiconductor layer having a large band gap is stacked on a substrate, wherein the first nitride semiconductor layer is formed from the upper surface of the second nitride semiconductor layer. A first side end and a second side end of the joined body in a portion located in a range below the interface with the second nitride semiconductor layer in the nitride semiconductor layer, respectively, A taper portion and a second taper portion are formed, and a cathode electrode is formed on the side surface of the first taper portion so as to be in ohmic contact with the first nitride semiconductor layer. On the side surface of the taper portion of the first nitride semiconductor An anode electrode is formed so as to be in Schottky contact with each other, and an angle formed by each of the side surface of the first taper portion and the side surface of the second taper portion with respect to the main surface of the substrate is 20 degrees or more. And 75 degrees or less.
本発明に係る窒化物半導体装置によると、第１及び第２の窒化物半導体層の接合体の両側端に、基板主面に対して７５度以下の角度を持つ第１及び第２のテーパ部が形成されている。このため、各テーパ部の側面（つまり前記接合体の両側端に設けられた各リセスの側壁）における各電極用メタル膜のカバレッジが向上するので、各電極のコンタクト抵抗を低減でき、それによって、オン抵抗が小さい低損失な窒化物半導体装置を実現できる。 According to the nitride semiconductor device of the present invention, the first and second taper portions having an angle of 75 degrees or less with respect to the main surface of the substrate at both side ends of the joined body of the first and second nitride semiconductor layers. Is formed. For this reason, since the coverage of each electrode metal film on the side surface of each tapered portion (that is, the side walls of each recess provided on both side ends of the joined body) is improved, the contact resistance of each electrode can be reduced, thereby A low-loss nitride semiconductor device with low on-resistance can be realized.
また、本発明に係る窒化物半導体装置によると、アノード電極形成領域である第２のテーパ部の側面が基板主面に対してなす角度が７５度以下であるため、第２のテーパ部における第２の窒化物半導体層（バリア層）の厚さ（基板主面に垂直な方向の厚さ）が局所的に小さくなるので、当該箇所でキャリア濃度を局所的に小さくすることができる。従って、逆方向リーク電流（ショットキーリーク電流）を低減することが可能となるので、オフ時の消費電力が小さく且つ信頼性が高い低リークな窒化物半導体装置を実現できる。 In addition, according to the nitride semiconductor device of the present invention, the angle formed by the side surface of the second tapered portion, which is the anode electrode formation region, with respect to the main surface of the substrate is 75 degrees or less. Since the thickness of the nitride semiconductor layer 2 (barrier layer) 2 (thickness in the direction perpendicular to the main surface of the substrate) is locally reduced, the carrier concentration can be locally reduced at that location. Therefore, since reverse leakage current (Schottky leakage current) can be reduced, a low-leakage nitride semiconductor device with low power consumption at the time of off and high reliability can be realized.
本発明に係る窒化物半導体装置において、前記第１のテーパ部の側面及び前記第２のテーパ部の側面のそれぞれが前記基板の主面に対してなす角度は、３０度以上で且つ７０度以下であってもよい。このようにすると、各テーパ部の側面が基板主面に対してなす角度が、より小さい７０度以下であるため、前述の本発明の効果をより確実に得ることができる。すなわち、各テーパ部の側面における各電極用メタル膜のカバレッジがさらに向上するので、各電極のコンタクト抵抗をさらに低減でき、それによって、オン抵抗がより小さい低損失な窒化物半導体装置を実現できる。また、逆方向リーク電流をより一層低減することが可能となるので、オフ時の消費電力がより小さく且つ信頼性がより高い低リークな窒化物半導体装置を実現できる。 In the nitride semiconductor device according to the present invention, an angle formed by each of the side surface of the first tapered portion and the side surface of the second tapered portion with respect to the main surface of the substrate is not less than 30 degrees and not more than 70 degrees. It may be. In this case, the angle formed by the side surface of each taper portion with respect to the main surface of the substrate is 70 degrees or less, so that the above-described effect of the present invention can be obtained more reliably. That is, since the coverage of each electrode metal film on the side surface of each taper portion is further improved, the contact resistance of each electrode can be further reduced, thereby realizing a low-loss nitride semiconductor device having a smaller on-resistance. In addition, since the reverse leakage current can be further reduced, a low-leakage nitride semiconductor device that consumes less power at the time of off and has higher reliability can be realized.
本発明に係る窒化物半導体装置において、前記第１のテーパ部の側面が前記基板の主面に対してなす角度と、前記第２のテーパ部の側面が前記基板の主面に対してなす角度とは互いに異なっていてもよい。この場合、特に、前記第２のテーパ部の側面が前記基板の主面に対してなす角度は、前記第１のテーパ部の側面が前記基板の主面に対してなす角度よりも小さいことが好ましい。このようにすると、アノード電極形成領域である第２のテーパ部の側面が基板主面に対してなす角度がより小さくなるため、第２のテーパ部における第２の窒化物半導体層（バリア層）の厚さ（基板主面に垂直な方向の厚さ）が局所的により小さくなるので、当該箇所でキャリア濃度を局所的により小さくすることができる。従って、逆方向リーク電流（ショットキーリーク電流）をより一層低減することが可能となるので、オフ時の消費電力がより小さく且つ信頼性がより高い低リークな窒化物半導体装置を実現できる。 In the nitride semiconductor device according to the present invention, an angle formed by a side surface of the first tapered portion with respect to a main surface of the substrate and an angle formed by a side surface of the second tapered portion with respect to the main surface of the substrate. May be different from each other. In this case, in particular, the angle formed by the side surface of the second tapered portion with respect to the main surface of the substrate is smaller than the angle formed by the side surface of the first tapered portion with respect to the main surface of the substrate. preferable. In this case, the angle formed by the side surface of the second taper portion, which is the anode electrode formation region, with respect to the main surface of the substrate becomes smaller, so the second nitride semiconductor layer (barrier layer) in the second taper portion. Since the thickness (thickness in the direction perpendicular to the main surface of the substrate) is locally reduced, the carrier concentration can be locally reduced at the location. Therefore, since the reverse leakage current (Schottky leakage current) can be further reduced, a low-leakage nitride semiconductor device with lower power consumption and higher reliability at the time of off can be realized.
本発明に係る窒化物半導体装置において、少なくとも前記第２の側端の近傍に位置する部分の前記第２の窒化物半導体層の上面上に形成されたブロック層をさらに備え、前記第２のテーパ部の側面は、前記ブロック層の上面まで到達し、前記アノード電極は、前記ブロック層と接していてもよい。このようにすると、窒化物半導体装置表面を覆う保護膜（パッシベーション膜）と、第１及び第２の窒化物半導体層の接合体における第２の窒化物半導体層（当該接合体が複数積層されている場合は最上層の接合体における第２の窒化物半導体層）との界面に発生するリークパスをブロック層によって遮断することが可能になる。従って、リーク電流をより一層低減することが可能となるので、より低リークな窒化物半導体装置を実現できる。尚、前記ブロック層は、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＮ、ＳｉＯ2 、ＴｉＯ2 、ＮｉＯ、ＺｎＯ、ポリイミド及びポリベンゾオキサゾールからなる材料群から選ばれた１つ又は複数の材料から構成されていてもよい。 The nitride semiconductor device according to the present invention further includes a block layer formed on the upper surface of the second nitride semiconductor layer at least in the vicinity of the second side end, and the second taper. The side surface of the part may reach the upper surface of the block layer, and the anode electrode may be in contact with the block layer. In this way, a protective film (passivation film) covering the surface of the nitride semiconductor device and a second nitride semiconductor layer (a plurality of such assemblies are laminated) in the joined body of the first and second nitride semiconductor layers. In this case, a leak path generated at the interface with the second nitride semiconductor layer in the uppermost bonded body can be blocked by the block layer. Accordingly, the leakage current can be further reduced, and a nitride semiconductor device with lower leakage can be realized. The block layer may be made of one or more materials selected from a material group consisting of AlGaN, AlN, SiN, SiO 2 , TiO 2 , NiO, ZnO, polyimide, and polybenzoxazole.
本発明に係る窒化物半導体装置において、複数の前記接合体が前記基板上に積層されており、最上層の前記接合体を構成する前記第２の窒化物半導体層の上面から、最下層の前記接合体を構成する前記第１の窒化物半導体層における前記第２の窒化物半導体層との界面よりも下側までの範囲に、前記第１のテーパ部及び前記第２のテーパ部が形成されていてもよい。このようにすると、シングルチャネル構造と比較して、より深いリセスが両側端に形成されるマルチチャネル構造においても、各リセスの側壁となる各テーパ部の側面が基板主面に対してなす角度が小さいため、各テーパ部の側面での各電極用メタル膜のカバレッジが向上する。従って、各電極のコンタクト抵抗を低減でき、それによって、オン抵抗が小さい低損失な窒化物半導体装置を実現できる。 In the nitride semiconductor device according to the present invention, a plurality of the joined bodies are stacked on the substrate, and the uppermost layer of the second nitride semiconductor layer that constitutes the uppermost joined body has the lowermost layer. The first tapered portion and the second tapered portion are formed in a range from the interface with the second nitride semiconductor layer to the lower side in the first nitride semiconductor layer constituting the bonded body. It may be. In this way, even in a multi-channel structure in which deeper recesses are formed at both ends, compared to a single channel structure, the angle formed by the side surface of each tapered portion that forms the side wall of each recess is relative to the main surface of the substrate. Since it is small, the coverage of each electrode metal film on the side surface of each tapered portion is improved. Therefore, the contact resistance of each electrode can be reduced, thereby realizing a low-loss nitride semiconductor device with low on-resistance.
本発明によれば、電極のコンタクト抵抗や逆方向リーク電流を低減できる窒化物半導体装置を提供することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the nitride semiconductor device which can reduce the contact resistance and reverse leakage current of an electrode.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体装置（具体的にはダイオードを備えた窒化物半導体装置）の断面図である。図１に示すように、本実施形態の窒化物半導体装置においては、例えばＳｉからなる基板１０１の主面上に、例えば厚さ２μｍのＧａＮ層よりなる緩衝層１０２が形成されており、当該緩衝層１０２の上に、アンドープＧａＮ層１０３及びアンドープＡｌＧａＮ層１０４が下から順に形成された接合体が複数積層され、それにより、多層構造（マルチチャネル構造）１０５が形成されている。具体的には、アンドープＧａＮ層１０３ａ、アンドープＡｌＧａＮ層１０４ａ、アンドープＧａＮ層１０３ｂ、アンドープＡｌＧａＮ層１０４ｂ、アンドープＧａＮ層１０３ｃ及びアンドープＡｌＧａＮ層１０４ｃが順次形成されることによって、つまり、アンドープＧａＮ層１０３とアンドープＡｌＧａＮ層１０４との接合体が３つ積層されることによって、マルチチャネル構造１０５が構成されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a nitride semiconductor device (specifically, a nitride semiconductor device including a diode) according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, in the nitride semiconductor device of this embodiment, a buffer layer 102 made of a GaN layer having a thickness of 2 μm, for example, is formed on the main surface of a substrate 101 made of Si, for example. A plurality of joined bodies in which an undoped GaN layer 103 and an undoped AlGaN layer 104 are sequentially formed from the bottom are stacked on the layer 102, thereby forming a multilayer structure (multichannel structure) 105. Specifically, the undoped GaN layer 103a, the undoped AlGaN layer 104a, the undoped GaN layer 103b, the undoped AlGaN layer 104b, the undoped GaN layer 103c, and the undoped AlGaN layer 104c are sequentially formed, that is, the undoped GaN layer 103 and the undoped GaN layer 103c. A multi-channel structure 105 is configured by stacking three joined bodies with the AlGaN layer 104.
尚、本願において、「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ものとする。 In the present application, “undoped” means that impurities are not intentionally introduced.
また、本実施形態において、アンドープＡｌＧａＮ層１０４は、例えばアンドープのＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎから構成されている。また、アンドープＧａＮ層１０３については、最下層（緩衝層１０２に接する層）であるアンドープＧａＮ層１０３ａの厚さは例えば１．５μｍ程度であり、上下をアンドープＡｌＧａＮ層１０４に挟まれたアンドープＧａＮ層１０３ｂ及び１０３ｃの厚さは例えば１００ｎｍ〜４００ｎｍ程度である。また、アンドープＧａＮ層１０３とアンドープＡｌＧａＮ層１０４との界面近傍（アンドープＡｌＧａＮ層１０４から見て基板１０１側）のアンドープＧａＮ層１０３に２次元電子ガス層（図示省略）が形成されることによって、チャネル領域が形成されている。 In the present embodiment, the undoped AlGaN layer 104 is made of, for example, undoped Al 0.25 Ga 0.75 N. As for the undoped GaN layer 103, the thickness of the undoped GaN layer 103a which is the lowermost layer (the layer in contact with the buffer layer 102) is, for example, about 1.5 μm, and the undoped GaN layer sandwiched between the undoped AlGaN layers 104 at the top and bottom The thickness of 103b and 103c is, for example, about 100 nm to 400 nm. Further, a two-dimensional electron gas layer (not shown) is formed in the undoped GaN layer 103 in the vicinity of the interface between the undoped GaN layer 103 and the undoped AlGaN layer 104 (on the side of the substrate 101 when viewed from the undoped AlGaN layer 104). A region is formed.
マルチチャネル構造１０５の両側端はエッチングされており、それによって、基板１０１の主面に対して所定の角度で傾斜した側壁を持ち且つマルチチャネル構造１０５の最下層であるアンドープＧａＮ層１０３ａ中に底面を持つリセス部１０８及び１０９が形成されている。 Both side edges of the multi-channel structure 105 are etched, whereby the bottom surface is formed in the undoped GaN layer 103 a having sidewalls inclined at a predetermined angle with respect to the main surface of the substrate 101 and being the lowermost layer of the multi-channel structure 105. Recessed portions 108 and 109 are formed.
リセス部１０９を覆うと共にリセス部１０９の側壁面と接触するように、例えばＴｉ／Ａｌ構造（Ｔｉ層とＡｌ層との多層構造）からなるカソード電極１０７が形成されている。ここで、カソード電極１０７は、アンドープＧａＮ層１０３とオーミック接触している。すなわち、カソード電極１０７は、前述の２次元電子ガス層と接触している。 A cathode electrode 107 made of, for example, a Ti / Al structure (a multilayer structure of a Ti layer and an Al layer) is formed so as to cover the recess 109 and to be in contact with the side wall surface of the recess 109. Here, the cathode electrode 107 is in ohmic contact with the undoped GaN layer 103. That is, the cathode electrode 107 is in contact with the aforementioned two-dimensional electron gas layer.
本実施形態において、リセス部１０９の側壁面の傾斜角（リセス部側壁面とへテロ接合界面の延在する面（半導体層の主面）とのなす角度（鋭角側の角度）：以下、テーパ角と称する）は、２０度以上で且つ７５度以下であることが好ましく、３０度以上で且つ７０度以下であることがさらに好ましい。このようにすると、カソード電極１０７を構成するメタルのリセス部側壁面（つまり当該側壁面となるマルチチャネル構造１０５の各半導体層の側面）に対する被覆性（カバレッジ）が向上してコンタクト抵抗を低減することができる。尚、図１では、リセス部１０９の側壁面のテーパ角が４０度である場合を例示している。また、以下の説明においては、テーパ角を有するリセス部側壁面を「テーパ部」と称するものとする。 In the present embodiment, the inclination angle of the side wall surface of the recess 109 (angle formed between the recess side wall surface and the surface where the heterojunction interface extends (major surface of the semiconductor layer) (angle on the acute angle side): hereinafter, taper The angle is preferably 20 degrees or more and 75 degrees or less, and more preferably 30 degrees or more and 70 degrees or less. This improves the coverage (coverage) on the side wall surface of the recess portion of the metal constituting the cathode electrode 107 (that is, the side surface of each semiconductor layer of the multichannel structure 105 serving as the side wall surface) and reduces the contact resistance. be able to. 1 illustrates a case where the taper angle of the side wall surface of the recess 109 is 40 degrees. In the following description, the recess side wall surface having a taper angle is referred to as a “taper portion”.
また、リセス部１０８を覆うと共にリセス部１０８の側壁面と接触するように、例えばＮｉ／Ｔｉ構造（Ｎｉ層とＴｉ層との多層構造）からなるアノード電極１０６が形成されている。ここで、アノード電極１０６は、アンドープＧａＮ層１０３とショットキー接触している。すなわち、アノード電極１０６は、前述の２次元電子ガス層と接触している。尚、当該２次元電子ガス層に対してショットキー接触可能であれば、アノード電極１０６の材料として、例えばＰｄ、Ａｕ、Ｐｔ等を含む電極材料を用いてもよい。 Further, an anode electrode 106 made of, for example, a Ni / Ti structure (multilayer structure of Ni layer and Ti layer) is formed so as to cover the recess portion 108 and to be in contact with the side wall surface of the recess portion 108. Here, the anode electrode 106 is in Schottky contact with the undoped GaN layer 103. That is, the anode electrode 106 is in contact with the aforementioned two-dimensional electron gas layer. Note that, as long as Schottky contact is possible with the two-dimensional electron gas layer, an electrode material containing, for example, Pd, Au, Pt, or the like may be used as the material of the anode electrode 106.
本実施形態において、リセス部１０８の側壁面のテーパ角は、２０度以上で且つ７５度以下であることが好ましく、３０度以上で且つ７０度以下であることがさらに好ましい。このようにすると、アノード電極１０６を構成するメタルのリセス部側壁面（つまり当該側壁面となるマルチチャネル構造１０５の各半導体層の側面）に対する被覆性（カバレッジ）が向上してコンタクト抵抗を低減することができる。さらに、リセス部１０８の側壁面をテーパ形状にすることによって、アノード電極１０６を構成するメタルと接触する部分のアンドープＡｌＧａＮ層１０４の厚さ（基板１０１主面に垂直な方向の厚さ）が局所的に薄くなるため、ショットキー接触部分のキャリア濃度を低減することができるので、逆方向リーク電流（ショットキーリーク電流）を低減することができる。尚、図１では、リセス部１０８の側壁面のテーパ角が４０度である場合を例示している。 In the present embodiment, the taper angle of the side wall surface of the recess portion 108 is preferably 20 degrees or more and 75 degrees or less, and more preferably 30 degrees or more and 70 degrees or less. This improves the coverage (coverage) on the side wall surface of the recess portion of the metal constituting the anode electrode 106 (that is, the side surface of each semiconductor layer of the multichannel structure 105 serving as the side wall surface), thereby reducing the contact resistance. be able to. Furthermore, by making the side wall surface of the recess portion 108 into a tapered shape, the thickness of the undoped AlGaN layer 104 (thickness in the direction perpendicular to the main surface of the substrate 101) at the portion in contact with the metal constituting the anode electrode 106 is locally increased. Therefore, since the carrier concentration at the Schottky contact portion can be reduced, the reverse leakage current (Schottky leakage current) can be reduced. 1 illustrates a case where the taper angle of the side wall surface of the recess 108 is 40 degrees.
本願発明者らは、本実施形態の窒化物半導体装置（具体的にはダイオードを備えた窒化物半導体装置）について、前述のテーパ角をパラメータとして、カソード電極のコンタクト抵抗を測定したところ、図２に示す結果を得た。すなわち、図２は、本実施形態の窒化物半導体装置におけるテーパ角とコンタクト抵抗との関係を示している。尚、図２の縦軸（コンタクト抵抗）は、単位デバイス幅（図１に示す断面の法線（奥行き）方向の単位長さ）当たりの抵抗値を示している。また、テーパ角を２０度よりも小さくすると、電極長が極めて長くなり、実用的ではなくなるので、テーパ角が２０度よりも小さい場合のデータ測定は行っていない。 The inventors of the present application measured the contact resistance of the cathode electrode for the nitride semiconductor device of the present embodiment (specifically, a nitride semiconductor device including a diode) using the aforementioned taper angle as a parameter. The result shown in was obtained. That is, FIG. 2 shows the relationship between the taper angle and the contact resistance in the nitride semiconductor device of this embodiment. 2 indicates the resistance value per unit device width (unit length in the normal (depth) direction of the cross section shown in FIG. 1). Further, if the taper angle is smaller than 20 degrees, the electrode length becomes extremely long and becomes impractical, so data measurement is not performed when the taper angle is smaller than 20 degrees.
図２に示す結果から、
（１）テーパ角が２０度以上で且つ７５度以下であれば、カソード電極のコンタクト抵抗が低減する
（２）テーパ角が３０度以上で且つ７０度以下であれば、カソード電極のコンタクト抵抗がさらに低減する
ことが分かる。
From the results shown in FIG.
(1) When the taper angle is 20 degrees or more and 75 degrees or less, the contact resistance of the cathode electrode is reduced. (2) When the taper angle is 30 degrees or more and 70 degrees or less, the contact resistance of the cathode electrode is reduced. It can be seen that this is further reduced.
この図２に示す結果（１）及び（２）が得られる理由は、以下のように考えられる。すなわち、テーパ角を小さくしすぎると、コンタクト部（窒化物半導体層におけるカソード電極との接触部分）のキャリア濃度が低下してしまい、コンタクト抵抗が大きくなる一方、テーパ角を大きくしすぎると、リセス部側壁面となる各窒化物半導体層の側面に対するカソード電極構成メタルのカバレッジが悪くなり、コンタクト抵抗が大きくなる。 The reason why the results (1) and (2) shown in FIG. 2 are obtained is considered as follows. That is, if the taper angle is too small, the carrier concentration in the contact portion (the contact portion of the nitride semiconductor layer with the cathode electrode) decreases, and the contact resistance increases. On the other hand, if the taper angle is too large, the recesses are recessed. Coverage of the metal constituting the cathode electrode with respect to the side surface of each nitride semiconductor layer serving as the side wall surface becomes worse, and the contact resistance increases.
尚、アノード電極についていえば、カソード電極の場合よりもテーパ角を小さくした方が好ましい。なぜならば、アノード電極構成メタルと接触する部分の窒化物半導体層の厚さ（基板主面に垂直な方向の厚さ）が局所的に薄くなるため、ショットキー接合部（窒化物半導体層におけるアノード電極との接触部分）におけるキャリア濃度を低減できるので、逆方向リーク電流（ショットキーリーク電流）を低減することができるからである。 As for the anode electrode, it is preferable to make the taper angle smaller than that of the cathode electrode. This is because the thickness of the nitride semiconductor layer in contact with the metal constituting the anode electrode (thickness in the direction perpendicular to the main surface of the substrate) is locally reduced, so that the Schottky junction (the anode in the nitride semiconductor layer) This is because the carrier concentration in the contact portion with the electrode) can be reduced, and the reverse leakage current (Schottky leakage current) can be reduced.
（実施形態と比較例との対比）
以下、本実施形態の窒化物半導体装置と、従来構造を有する比較例の窒化物半導体装置とを比較した結果を説明する。
(Contrast between embodiment and comparative example)
Hereinafter, a result of comparison between the nitride semiconductor device of the present embodiment and a nitride semiconductor device of a comparative example having a conventional structure will be described.
図３（ａ）は、比較例の窒化物半導体装置の断面図を示しており、図３（ｂ）は、本実施形態の窒化物半導体装置の断面図を示してる。尚、図３（ａ）に示す比較例の窒化物半導体装置は、図１２に示す従来の窒化物半導体装置と同じ構造を有しており、図３（ｂ）に示す本実施形態の窒化物半導体装置は、図１に示す窒化物半導体装置と同じ構造を有している。すなわち、図３（ｂ）に示す本実施形態の窒化物半導体装置において、リセス部１０８及び１０９のそれぞれの側壁面のテーパ角は４０度に設定されている。また、図３（ａ）に示す比較例の窒化物半導体装置において、図１２に示す従来の窒化物半導体装置と同じ構成要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略すると共に、図３（ｂ）に示す本実施形態の窒化物半導体装置において、図１に示す窒化物半導体装置と同じ構成要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。 FIG. 3A shows a cross-sectional view of the nitride semiconductor device of the comparative example, and FIG. 3B shows a cross-sectional view of the nitride semiconductor device of the present embodiment. Note that the nitride semiconductor device of the comparative example shown in FIG. 3A has the same structure as the conventional nitride semiconductor device shown in FIG. 12, and the nitride of this embodiment shown in FIG. The semiconductor device has the same structure as the nitride semiconductor device shown in FIG. That is, in the nitride semiconductor device of this embodiment shown in FIG. 3B, the taper angles of the side wall surfaces of the recess portions 108 and 109 are set to 40 degrees. Further, in the nitride semiconductor device of the comparative example shown in FIG. 3A, the same components as those in the conventional nitride semiconductor device shown in FIG. In the nitride semiconductor device of this embodiment shown in FIG. 5B, the same components as those of the nitride semiconductor device shown in FIG.
（カソード電極に関連する特性の比較結果（比較１））
図４は、本実施形態の窒化物半導体装置においてテーパ角を大きくした場合のカソード電極１０７近傍の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真を示している。ここで、テーパ角を８０度に設定して検討を行った。
(Comparison result of characteristics related to cathode electrode (Comparison 1))
FIG. 4 shows a transmission electron microscope (TEM) photograph in the vicinity of the cathode electrode 107 when the taper angle is increased in the nitride semiconductor device of this embodiment. Here, the taper angle was set to 80 degrees for examination.
図４のＴＥＭ写真に示すように、テーパ角が７６度のリセス部側壁面にカソード電極１０７となるメタルを形成すると、メタルのカバレッジが悪いことに起因して、ボイド（メタル中に発生する隙間：図４のカソード電極１０７の色の濃い部分）等が発生していることがわかる。すなわち、テーパ角が大きいと、カソード電極構成メタルのカバレッジが悪くなり、その結果、ボイド等が発生するのである。これは、従来の窒化物半導体装置において見られた問題点と同様のものである。 As shown in the TEM photograph of FIG. 4, when a metal serving as the cathode electrode 107 is formed on the side wall of the recess having a taper angle of 76 degrees, voids (gap generated in the metal) are caused by poor metal coverage. : The dark portion of the cathode electrode 107 in FIG. That is, when the taper angle is large, the coverage of the cathode electrode constituting metal is deteriorated, and as a result, voids and the like are generated. This is the same as the problem seen in the conventional nitride semiconductor device.
図５は、比較例の窒化物半導体装置、具体的には、テーパエッチングなしの（つまり、垂直エッチングを施した）ダイオードを備えた窒化物半導体装置におけるカソード電極のコンタクト抵抗を測定した結果を示す図である。尚、図５は、チャネル層が１つのシングルチャネル構造の場合、及びチャネル層が３つのマルチチャネル構造の場合のそれぞれのコンタクト抵抗を示している。ここで、シングルチャネル構造の場合のリセス部の深さは２００ｎｍ程度であり、マルチチャネル構造の場合のリセス部の深さは１０００ｎｍ程度である。また、各リセス部側壁面を覆うカソード電極構成メタルの厚さは１００ｎｍ〜４００ｎｍ程度である。また、図５の縦軸（コンタクト抵抗）は、電極の単位面積当たりの抵抗値を示している。 FIG. 5 shows a result of measuring the contact resistance of the cathode electrode in the nitride semiconductor device of the comparative example, specifically, the nitride semiconductor device including a diode without taper etching (that is, subjected to vertical etching). FIG. FIG. 5 shows the respective contact resistances when the channel layer has a single channel structure and when the channel layer has three multichannel structures. Here, the depth of the recess portion in the case of the single channel structure is about 200 nm, and the depth of the recess portion in the case of the multi-channel structure is about 1000 nm. Moreover, the thickness of the cathode electrode constituent metal which covers each recess part side wall surface is about 100 nm-400 nm. The vertical axis (contact resistance) in FIG. 5 indicates the resistance value per unit area of the electrode.
図５に示すように、比較例の窒化物半導体装置においては、シングルチャネル構造の場合と比べて、マルチチャネル構造の場合のコンタクト抵抗がより高くなっていることがわかる。これはマルチチャネル構造の場合のリセス部の深さが深いことに起因して、図４に示すように、カソード電極構成メタルのカバレッジが悪くなって、ボイド等が発生したことによるものと考えられる。 As shown in FIG. 5, in the nitride semiconductor device of the comparative example, it can be seen that the contact resistance in the multi-channel structure is higher than that in the single-channel structure. This is considered due to the fact that the depth of the recess portion in the case of the multi-channel structure is deep, and as shown in FIG. .
すなわち、マルチチャネル構造にリセス部を形成する場合、シングルチャネル構造と比べて、より深いリセス部が必要になるが、このような深いリセス部の垂直側壁面を覆うように電極構成メタルを形成すると、当該メタルのカバレッジが悪くなってボイド等が発生する結果、シングルチャネル構造と比べてコンタクト抵抗が高くなってしまうのである。 That is, when the recess portion is formed in the multi-channel structure, a deeper recess portion is required as compared with the single channel structure. However, when the electrode configuration metal is formed so as to cover the vertical sidewall surface of such a deep recess portion. As a result of the poor metal coverage and the generation of voids and the like, the contact resistance becomes higher than that of the single channel structure.
図６は、本実施形態の窒化物半導体装置におけるカソード電極のコンタクト抵抗を測定した結果を、比較例の窒化物半導体装置についての測定結果と合わせて示す図である。尚、図６も、図５と同様に、チャネル層が１つのシングルチャネル構造の場合、及びチャネル層が３つのマルチチャネル構造の場合のそれぞれのコンタクト抵抗を示している。また、図６の縦軸（コンタクト抵抗）は、電極の単位面積当たりの抵抗値を示している。 FIG. 6 is a diagram showing the results of measuring the contact resistance of the cathode electrode in the nitride semiconductor device of this embodiment, together with the results of measurement of the nitride semiconductor device of the comparative example. Note that FIG. 6 also shows the respective contact resistances when the channel layer has a single channel structure and when the channel layer has three multichannel structures, as in FIG. Further, the vertical axis (contact resistance) in FIG. 6 represents the resistance value per unit area of the electrode.
図６に示すように、マルチチャネル構造の場合、本実施形態の窒化物半導体装置におけるカソード電極のコンタクト抵抗は、比較例の窒化物半導体装置と比べて、１／１０程度まで小さくなっている。すなわち、図６に示す実験結果から、比較例の窒化物半導体装置と比べて本実施形態の窒化物半導体装置の方が、カソード電極のコンタクト抵抗が小さくなることがわかる。 As shown in FIG. 6, in the case of the multi-channel structure, the contact resistance of the cathode electrode in the nitride semiconductor device of this embodiment is reduced to about 1/10 compared with the nitride semiconductor device of the comparative example. That is, the experimental results shown in FIG. 6 show that the contact resistance of the cathode electrode is smaller in the nitride semiconductor device of this embodiment than in the nitride semiconductor device of the comparative example.
尚、この本実施形態の窒化物半導体装置におけるカソード電極のコンタクト抵抗の低減効果は、チャネル層が３つのマルチチャネル構造に限らず、チャネル層が２つ以上のマルチチャネル構造において得られることは言うまでもない。 It should be noted that the effect of reducing the contact resistance of the cathode electrode in the nitride semiconductor device of this embodiment is not limited to the multichannel structure having three channel layers, but can be obtained in a multichannel structure having two or more channel layers. Yes.
（アノード電極に関連する特性の比較結果（比較２））
以下、本実施形態の窒化物半導体装置におけるリーク特性の評価結果について、比較例の窒化物半導体装置についての評価結果と比較しながら説明する。
(Comparison result of characteristics related to anode electrode (Comparison 2))
Hereinafter, the evaluation result of the leakage characteristic in the nitride semiconductor device of the present embodiment will be described in comparison with the evaluation result of the nitride semiconductor device of the comparative example.
図７（ａ）は、図３（ａ）に示す比較例の窒化物半導体装置におけるリセス部（アノード電極側）の垂直側壁面（図中のＡ−Ａ線）の位置を原点とし、その位置からチャネルに沿った方向のキャリア濃度を示している。また、図７（ｂ）は、図３（ｂ）に示す本実施形態の窒化物半導体装置におけるリセス部（アノード電極側）のテーパ側壁面下部（図中のＢ−Ｂ線）の位置を原点とし、その位置からチャネルに沿った方向のキャリア濃度を示している。尚、図７（ａ）及び（ｂ）のいずれにおいても、縦軸は対数目盛（対数（ｌｏｇ）スケール）であり、横軸はリニア目盛（リニアスケール）である。また、図７（ａ）及び（ｂ）のいずれにおいても、縦軸（キャリア濃度）は、２次元電子ガス層の濃度（対数）を示し、横軸は、アノード電極とＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面との接触点からＡ−Ａ線（図３（ａ）参照）又はＢ−Ｂ線（図３（ｂ）参照）に沿った下方向の距離を示している。 FIG. 7A shows the position of the vertical sidewall surface (A-A line in the figure) of the recess portion (anode electrode side) in the nitride semiconductor device of the comparative example shown in FIG. The carrier concentration in the direction along the channel from to. FIG. 7B shows the position of the lower portion of the tapered side wall surface (BB line in the drawing) of the recess portion (anode electrode side) in the nitride semiconductor device of this embodiment shown in FIG. And the carrier concentration in the direction along the channel from that position. 7A and 7B, the vertical axis is a logarithmic scale (logarithmic (log) scale), and the horizontal axis is a linear scale (linear scale). 7A and 7B, the vertical axis (carrier concentration) indicates the concentration (logarithm) of the two-dimensional electron gas layer, and the horizontal axis indicates the relationship between the anode electrode and the AlGaN / GaN interface. The distance in the downward direction along the line AA (see FIG. 3A) or the line BB (see FIG. 3B) from the contact point is shown.
図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、リセス部側壁面近傍のキャリア濃度は、本実施形態の窒化物半導体装置の方が小さいことがわかる。 As shown in FIGS. 7A and 7B, it can be seen that the nitride semiconductor device of this embodiment has a lower carrier concentration near the recess side wall surface.
図８は、本実施形態の窒化物半導体装置及び比較例の窒化物半導体装置のそれぞれのダイオード特性（Ｉ−Ｖ特性）を調べて両者を比較した結果を示す。尚、図８においては、縦軸及び横軸ともにリニア目盛である。 FIG. 8 shows the result of examining the diode characteristics (IV characteristics) of the nitride semiconductor device of this embodiment and the nitride semiconductor device of the comparative example and comparing them. In FIG. 8, both the vertical axis and the horizontal axis are linear scales.
図８より明らかなように、本実施形態の窒化物半導体装置の方が、比較例の窒化物半導体装置のダイオードよりも、負電圧（逆電圧）時の電流つまりリーク電流が小さいことがわかる。これは、図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、比較例の窒化物半導体装置と比べて、本実施形態の窒化物半導体装置の方が、リセス部側壁面近傍のキャリア濃度が小さくなっているために、リセス部側壁面近傍でのリーク電流が低減したものと考えられる。 As apparent from FIG. 8, the nitride semiconductor device of this embodiment has a smaller current at the negative voltage (reverse voltage), that is, the leakage current, than the diode of the nitride semiconductor device of the comparative example. As shown in FIGS. 7A and 7B, the nitride semiconductor device of this embodiment has a lower carrier concentration near the side wall surface of the recess portion than the nitride semiconductor device of the comparative example. Therefore, it is considered that the leakage current near the recess side wall surface is reduced.
以上に説明したように、本実施形態によると、アンドープＧａＮ層１０３及びアンドープＡｌＧａＮ層１０４の接合体の両側端にテーパ部（つまり、テーパ形状のリセス側壁面）が形成されている。このため、各テーパ部における各電極用メタル膜のカバレッジが向上するので、各電極１０６及び１０７のコンタクト抵抗を低減でき、それによって、オン抵抗が小さい低損失な窒化物半導体装置を実現できる。 As described above, according to the present embodiment, tapered portions (that is, tapered recess side wall surfaces) are formed at both side ends of the joined body of the undoped GaN layer 103 and the undoped AlGaN layer 104. For this reason, since the coverage of each electrode metal film in each taper portion is improved, the contact resistance of each electrode 106 and 107 can be reduced, thereby realizing a low-loss nitride semiconductor device with low on-resistance.
また、本実施形態によると、アンドープＧａＮ層１０３及びアンドープＡｌＧａＮ層１０４の接合体におけるアノード電極側の側端にもテーパ部が形成されている。このため、当該テーパ部におけるアンドープＡｌＧａＮ層１０４（バリア層）の厚さ（基板主面に垂直な方向の厚さ）が局所的に小さくなるので、当該箇所でキャリア濃度を局所的に小さくすることができる。従って、逆方向リーク電流（ショットキーリーク電流）を低減することが可能となるので、オフ時の消費電力が小さく且つ信頼性が高い低リークな窒化物半導体装置を実現できる。 Further, according to the present embodiment, the tapered portion is also formed at the side end on the anode electrode side in the joined body of the undoped GaN layer 103 and the undoped AlGaN layer 104. For this reason, the thickness of the undoped AlGaN layer 104 (barrier layer) in the tapered portion (thickness in the direction perpendicular to the main surface of the substrate) is locally reduced, so that the carrier concentration is locally reduced at the location. Can do. Therefore, since reverse leakage current (Schottky leakage current) can be reduced, a low-leakage nitride semiconductor device with low power consumption at the time of off and high reliability can be realized.
尚、本実施形態では、図１に示すようなマルチチャネル構造の場合を例示したが、チャネル数が１つのシングルチャネル構造の場合であっても、前述のように、アノード電極１０６に関連する特性が向上するという効果を得ることができる。 In the present embodiment, the case of the multi-channel structure as shown in FIG. 1 is illustrated, but the characteristics related to the anode electrode 106 as described above even in the case of a single-channel structure with one channel. Can be obtained.
（第１の実施形態の一変形例）
図９は、本発明の第１の実施形態の一変形例に係る窒化物半導体装置（具体的にはダイオードを備えた窒化物半導体装置）の断面図である。尚、図９において、図１に示す第１の実施形態に係る窒化物半導体装置と同じ構成要素には同じ符号を付すことにより、重複する説明を省略する。
(One modification of the first embodiment)
FIG. 9 is a cross-sectional view of a nitride semiconductor device (specifically, a nitride semiconductor device including a diode) according to a modification of the first embodiment of the present invention. In FIG. 9, the same components as those of the nitride semiconductor device according to the first embodiment shown in FIG.
図１に示すように、第１の実施形態に係る窒化物半導体装置においては、マルチチャネル構造１０５におけるアノード電極１０６側のリセス部１０８のテーパ角と、マルチチャネル構造１０５におけるカソード電極１０７側のリセス部１０９のテーパ角とを同じに設定した。 As shown in FIG. 1, in the nitride semiconductor device according to the first embodiment, the taper angle of the recess 108 on the anode electrode 106 side in the multichannel structure 105 and the recess on the cathode electrode 107 side in the multichannel structure 105. The taper angle of the portion 109 was set to be the same.
それに対して、本変形例に係る窒化物半導体装置においては、図９に示すように、マルチチャネル構造１０５におけるアノード電極１０６側のリセス部１０８のテーパ角と、マルチチャネル構造１０５におけるカソード電極１０７側のリセス部１０９のテーパ角とを互いに異なる角度に設定している。具体的には、本変形例では、アノード電極１０６側のリセス部１０８のテーパ角を例えば４０度に、カソード電極１０７側のリセス部１０９のテーパ角を例えば５０度に設定している。 In contrast, in the nitride semiconductor device according to this modification, as shown in FIG. 9, the taper angle of the recess 108 on the anode electrode 106 side in the multichannel structure 105 and the cathode electrode 107 side in the multichannel structure 105. The taper angle of the recess 109 is set to be different from each other. Specifically, in this modification, the taper angle of the recess 108 on the anode electrode 106 side is set to 40 degrees, for example, and the taper angle of the recess 109 on the cathode electrode 107 side is set to 50 degrees, for example.
このような本変形例においても、図１に示す第１の実施形態に係る窒化物半導体装置と同様の効果を得ることができる。 Also in this modification, the same effect as that of the nitride semiconductor device according to the first embodiment shown in FIG. 1 can be obtained.
また、図９に示すように、マルチチャネル構造１０５におけるアノード電極１０６側のリセス部１０８のテーパ角を、マルチチャネル構造１０５におけるカソード電極１０７側のリセス部１０９のテーパ角よりも小さくすると、次のような効果を追加的に得ることができる。すなわち、アノード電極１０６側のリセス部１０８のテーパ角をより小さくすることができるため、アノード電極１０６を構成するメタルと接触する部分のアンドープＡｌＧａＮ層１０４の厚さ（基板１０１主面に垂直な方向の厚さ）が局所的に薄くなる。このため、ショットキー接触部分のキャリア濃度を低減することができるので、逆方向リーク電流（ショットキーリーク電流）をより一層低減することが可能となる。従って、オフ時の消費電力がより小さく且つ信頼性がより高い低リークな窒化物半導体装置を実現できる。 As shown in FIG. 9, when the taper angle of the recess 108 on the anode electrode 106 side in the multichannel structure 105 is made smaller than the taper angle of the recess 109 on the cathode electrode 107 side in the multichannel structure 105, the following Such effects can be additionally obtained. That is, since the taper angle of the recess 108 on the anode electrode 106 side can be further reduced, the thickness of the undoped AlGaN layer 104 in a portion in contact with the metal constituting the anode electrode 106 (direction perpendicular to the main surface of the substrate 101) Thickness) is locally reduced. For this reason, since the carrier concentration in the Schottky contact portion can be reduced, the reverse leakage current (Schottky leakage current) can be further reduced. Therefore, it is possible to realize a low-leakage nitride semiconductor device that consumes less power when off and has higher reliability.
尚、本変形例では、図９に示すようなマルチチャネル構造の場合を例示したが、チャネル数が１つのシングルチャネル構造の場合であっても、前述のように、アノード電極１０６に関連する特性が向上するという効果を得ることができる。 In this modification, the case of the multi-channel structure as shown in FIG. 9 is illustrated, but the characteristics related to the anode electrode 106 are also described as described above even in the case of the single-channel structure with one channel. Can be obtained.
（第２の実施形態）
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体装置（具体的にはダイオードを備えた窒化物半導体装置）の断面図である。尚、図１０において、図１に示す第１の実施形態に係る窒化物半導体装置と同じ構成要素には同じ符号を付すことにより、重複する説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 10 is a cross-sectional view of a nitride semiconductor device (specifically, a nitride semiconductor device including a diode) according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 10, the same components as those in the nitride semiconductor device according to the first embodiment shown in FIG.
図１０に示すように、本実施形態に係る窒化物半導体装置が、図１に示す第１の実施形態に係る窒化物半導体装置と異なっている点は、マルチチャネル構造１０５の上面（つまり最上層のアンドープＡｌＧａＮ層１０４の上面）におけるアノード電極１０６の近傍部分の上に、例えば厚さ２００ｎｍ程度のブロック層１１０が形成されていることである。ここで、リセス部１０８のテーパ状側壁面はブロック層１１０の上面まで到達しており、アノード電極１０６はブロック層１１０と接している。 As shown in FIG. 10, the nitride semiconductor device according to this embodiment is different from the nitride semiconductor device according to the first embodiment shown in FIG. The block layer 110 having a thickness of, for example, about 200 nm is formed on the vicinity of the anode electrode 106 in the upper surface of the undoped AlGaN layer 104. Here, the tapered side wall surface of the recess 108 reaches the upper surface of the block layer 110, and the anode electrode 106 is in contact with the block layer 110.
尚、本実施形態においては、ブロック層１１０とアノード電極１０６との間の障壁高さを、アノード電極１０６とアンドープＡｌＧａＮ層１０４との間の障壁高さよりも大きくする必要がある。 In the present embodiment, the barrier height between the block layer 110 and the anode electrode 106 needs to be larger than the barrier height between the anode electrode 106 and the undoped AlGaN layer 104.
また、ブロック層１１０は、例えばｐ型ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ又はＳｉＮ等から構成されていてもよいし、或いは、ｎ型ＡｌＧａＮ（アンドープＡｌＧａＮも含む）、ＳｉＯ2 、ＴｉＯ2 、ＮｉＯ若しくはＺｎＯ等、又はポリイミド若しくはポリベンゾオキサゾール（ＰＢＯ）等の有機絶縁膜から構成されていてもよい。 The block layer 110 may be made of, for example, p-type AlGaN, AlN, SiN, or the like, or n-type AlGaN (including undoped AlGaN), SiO 2 , TiO 2 , NiO, ZnO, or the like, or polyimide Alternatively, it may be composed of an organic insulating film such as polybenzoxazole (PBO).
以上に説明した本実施形態によると、第１の実施形態と同様の効果に加えて、次のような効果を得ることができる。すなわち、半導体装置表面を覆う保護膜（パッシベーション膜：図示省略）と、マルチチャネル構造１０５における最上層のアンドープＡｌＧａＮ層１０４との界面に発生するリークパスをブロック層１１０によって遮断することが可能になるため、逆方向リーク電流をより一層低減することができる。 According to this embodiment described above, in addition to the same effects as those of the first embodiment, the following effects can be obtained. That is, the block layer 110 can block a leak path generated at the interface between the protective film (passivation film: not shown) covering the semiconductor device surface and the uppermost undoped AlGaN layer 104 in the multichannel structure 105. Thus, the reverse leakage current can be further reduced.
従って、本実施形態によると、逆バイアス時にはブロック層１１０によって前述のパッシベーション膜と最上層のアンドープＡｌＧａＮ層１０４との間の界面リークを遮断することによって逆方向リーク電流を低減することができると共に、テーパ状側壁面を持つリセス部１０８及び１０９によって電極構成メタルの窒化物半導体層に対するカバレッジを向上させてオン抵抗を低減することもできる。これにより、低損失で逆方向リーク電流の少ない優れた窒化物半導体装置を提供することが可能となる。 Therefore, according to the present embodiment, the reverse leakage current can be reduced by blocking the interface leak between the passivation film and the uppermost undoped AlGaN layer 104 by the block layer 110 during the reverse bias. The recesses 108 and 109 having tapered side wall surfaces can improve the coverage of the electrode-constituting metal with respect to the nitride semiconductor layer, thereby reducing the on-resistance. Thereby, it is possible to provide an excellent nitride semiconductor device with low loss and low reverse leakage current.
尚、本実施形態では、図１０に示すようなマルチチャネル構造の場合を例示したが、チャネル数が１つのシングルチャネル構造の場合であっても、第１の実施形態と同様に、アノード電極１０６に関連する特性が向上するという効果を得ることができる。 In the present embodiment, the case of a multi-channel structure as shown in FIG. 10 is illustrated, but even in the case of a single-channel structure with one channel, the anode electrode 106 is the same as in the first embodiment. It is possible to obtain an effect of improving the characteristics related to.
（第２の実施形態の一変形例）
図１１は、本発明の第２の実施形態の一変形例に係る窒化物半導体装置（具体的にはダイオードを備えた窒化物半導体装置）の断面図である。尚、図１１において、図１０に示す第２の実施形態に係る窒化物半導体装置と同じ構成要素には同じ符号を付すことにより、重複する説明を省略する。
(One Modification of Second Embodiment)
FIG. 11 is a cross-sectional view of a nitride semiconductor device (specifically, a nitride semiconductor device including a diode) according to a modification of the second embodiment of the present invention. In FIG. 11, the same components as those of the nitride semiconductor device according to the second embodiment shown in FIG.
図１１に示すように、第２の実施形態に係る窒化物半導体装置においては、マルチチャネル構造１０５におけるアノード電極１０６側のリセス部１０８のテーパ角と、マルチチャネル構造１０５におけるカソード電極１０７側のリセス部１０９のテーパ角とを同じに設定した。 As shown in FIG. 11, in the nitride semiconductor device according to the second embodiment, the taper angle of the recess 108 on the anode electrode 106 side in the multichannel structure 105 and the recess on the cathode electrode 107 side in the multichannel structure 105. The taper angle of the portion 109 was set to be the same.
それに対して、本変形例に係る窒化物半導体装置においては、図１１に示すように、マルチチャネル構造１０５におけるアノード電極１０６側のリセス部１０８のテーパ角と、マルチチャネル構造１０５におけるカソード電極１０７側のリセス部１０９のテーパ角とを互いに異なる角度に設定している。具体的には、本変形例では、アノード電極１０６側のリセス部１０８のテーパ角を例えば４０度に、カソード電極１０７側のリセス部１０９のテーパ角を例えば５０度に設定している。 In contrast, in the nitride semiconductor device according to the present modification, as shown in FIG. 11, the taper angle of the recess 108 on the anode electrode 106 side in the multichannel structure 105 and the cathode electrode 107 side in the multichannel structure 105. The taper angle of the recess 109 is set to be different from each other. Specifically, in this modification, the taper angle of the recess 108 on the anode electrode 106 side is set to 40 degrees, for example, and the taper angle of the recess 109 on the cathode electrode 107 side is set to 50 degrees, for example.
このような本変形例においても、図１０に示す第２の実施形態に係る窒化物半導体装置と同様の効果を得ることができる。 Also in this modification, the same effect as that of the nitride semiconductor device according to the second embodiment shown in FIG. 10 can be obtained.
また、図１１に示すように、マルチチャネル構造１０５におけるアノード電極１０６側のリセス部１０８のテーパ角を、マルチチャネル構造１０５におけるカソード電極１０７側のリセス部１０９のテーパ角よりも小さくすると、次のような効果を追加的に得ることができる。すなわち、アノード電極１０６側のリセス部１０８のテーパ角をより小さくすることができるため、アノード電極１０６を構成するメタルと接触する部分のアンドープＡｌＧａＮ層１０４の厚さ（基板１０１主面に垂直な方向の厚さ）が局所的に薄くなる。このため、ショットキー接触部分のキャリア濃度を低減することができるので、逆方向リーク電流（ショットキーリーク電流）をより一層低減することが可能となる。従って、オフ時の消費電力がより小さく且つ信頼性がより高い低リークな窒化物半導体装置を実現できる。 As shown in FIG. 11, when the taper angle of the recess 108 on the anode electrode 106 side in the multichannel structure 105 is made smaller than the taper angle of the recess 109 on the cathode electrode 107 side in the multichannel structure 105, the following Such effects can be additionally obtained. That is, since the taper angle of the recess 108 on the anode electrode 106 side can be further reduced, the thickness of the undoped AlGaN layer 104 in a portion in contact with the metal constituting the anode electrode 106 (direction perpendicular to the main surface of the substrate 101) Thickness) is locally reduced. For this reason, since the carrier concentration in the Schottky contact portion can be reduced, the reverse leakage current (Schottky leakage current) can be further reduced. Therefore, it is possible to realize a low-leakage nitride semiconductor device that consumes less power when off and has higher reliability.
尚、本変形例では、図１１に示すようなマルチチャネル構造の場合を例示したが、チャネル数が１つのシングルチャネル構造の場合であっても、前述のように、アノード電極１０６に関連する特性が向上するという効果を得ることができる。 In this modification, the case of the multi-channel structure as shown in FIG. 11 is illustrated, but the characteristics related to the anode electrode 106 as described above even in the case of the single-channel structure with one channel. Can be obtained.
また、以上に説明した各実施形態又は変形例において、アンドープＡｌＧａＮ層１０４の組成は、Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎに限らず、チャネル層よりもバンドギャップが大きい組成であれば任意に選ぶことができる。また、ＡｌＧａＮに限らず、ＡｌＩｎＮ又はＡｌＧａＩｎＮ等であってもよい。また、チャネル層の組成も、ＧａＮに限らず、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ又はＡｌＧａＩｎＮ等であってもよい。また、基板１０１として、Ｓｉ基板を用いたが、これに代えて、例えばサファイア、ＳｉＣ又はＧａＮ等からなる基板を用いてもよい。また、緩衝層１０２として、ＧａＮ層を用いたが、これに代えて、ＡｌＮ層等を用いてもよい。 In each embodiment or modification described above, the composition of the undoped AlGaN layer 104 is not limited to Al 0.25 Ga 0.75 N, and can be arbitrarily selected as long as the band gap is larger than that of the channel layer. Moreover, not only AlGaN but AlInN or AlGaInN may be used. The composition of the channel layer is not limited to GaN, but may be InGaN, AlGaN, AlInN, AlGaInN, or the like. Moreover, although the Si substrate is used as the substrate 101, a substrate made of sapphire, SiC, GaN, or the like may be used instead. Further, although the GaN layer is used as the buffer layer 102, an AlN layer or the like may be used instead.
本発明に係る窒化物半導体装置は、例えばテレビなどの民生機器の電源回路等に用いられるパワーデバイスとして有用である。 The nitride semiconductor device according to the present invention is useful as a power device used for a power circuit of a consumer device such as a television.
１０１ 基板
１０２ 緩衝層
１０３ アンドープＧａＮ層
１０４ アンドープＡｌＧａＮ層
１０５ 多層構造（マルチチャネル構造）
１０６ アノード電極
１０７ カソード電極
１０８ リセス部
１０９ リセス部
１１０ ブロック層
101 Substrate 102 Buffer layer 103 Undoped GaN layer 104 Undoped AlGaN layer 105 Multilayer structure (multichannel structure)
106 Anode electrode 107 Cathode electrode 108 Recessed portion 109 Recessed portion 110 Block layer
Claims (7)
前記第２の窒化物半導体層の上面から前記第１の窒化物半導体層における前記第２の窒化物半導体層との界面よりも下側までの範囲に位置する部分の前記接合体の第１の側端及び第２の側端にはそれぞれ、第１のテーパ部及び第２のテーパ部が形成されており、
前記第１のテーパ部の側面上には前記第１の窒化物半導体層とオーミック接触するようにカソード電極が形成されており、
前記第２のテーパ部の側面上には前記第１の窒化物半導体層とショットキー接触するようにアノード電極が形成されており、
前記第１のテーパ部の側面及び前記第２のテーパ部の側面のそれぞれが前記基板の主面に対してなす角度は、２０度以上で且つ７５度以下であることを特徴とする窒化物半導体装置。 There is at least one joined body of the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer formed on the first nitride semiconductor layer and having a band gap larger than that of the first nitride semiconductor layer. A nitride semiconductor device laminated on one substrate,
The first of the joined body in a portion located in a range from the upper surface of the second nitride semiconductor layer to the lower side of the interface with the second nitride semiconductor layer in the first nitride semiconductor layer. A first tapered portion and a second tapered portion are formed at the side end and the second side end, respectively.
A cathode electrode is formed on a side surface of the first tapered portion so as to be in ohmic contact with the first nitride semiconductor layer,
An anode electrode is formed on the side surface of the second tapered portion so as to be in Schottky contact with the first nitride semiconductor layer,
An angle formed by each of a side surface of the first taper portion and a side surface of the second taper portion with respect to a main surface of the substrate is 20 degrees or more and 75 degrees or less. apparatus.
前記第１のテーパ部の側面及び前記第２のテーパ部の側面のそれぞれが前記基板の主面に対してなす角度は、３０度以上で且つ７０度以下であることを特徴とする窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device according to claim 1,
An angle formed by each of the side surface of the first taper portion and the side surface of the second taper portion with respect to the main surface of the substrate is 30 degrees or more and 70 degrees or less. apparatus.
前記第１のテーパ部の側面が前記基板の主面に対してなす角度と、前記第２のテーパ部の側面が前記基板の主面に対してなす角度とは互いに異なることを特徴とする窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device according to claim 1 or 2,
The angle formed by the side surface of the first taper portion with respect to the main surface of the substrate is different from the angle formed by the side surface of the second taper portion with respect to the main surface of the substrate. Semiconductor device.
前記第２のテーパ部の側面が前記基板の主面に対してなす角度は、前記第１のテーパ部の側面が前記基板の主面に対してなす角度よりも小さいことを特徴とする窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device according to claim 3,
The angle formed by the side surface of the second tapered portion with respect to the main surface of the substrate is smaller than the angle formed by the side surface of the first tapered portion with respect to the main surface of the substrate. Semiconductor device.
少なくとも前記第２の側端の近傍に位置する部分の前記第２の窒化物半導体層の上面上に形成されたブロック層をさらに備え、
前記第２のテーパ部の側面は、前記ブロック層の上面まで到達し、
前記アノード電極は、前記ブロック層と接することを特徴とする窒化物半導体装置。 In the nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
A block layer formed on the upper surface of the second nitride semiconductor layer at least in the vicinity of the second side end;
The side surface of the second tapered portion reaches the upper surface of the block layer,
The nitride semiconductor device, wherein the anode electrode is in contact with the block layer.
前記ブロック層は、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＮ、ＳｉＯ2 、ＴｉＯ2 、ＮｉＯ、ＺｎＯ、ポリイミド及びポリベンゾオキサゾールからなる材料群から選ばれた１つ又は複数の材料からなることを特徴とする窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device according to claim 5,
The blocking layer, AlGaN, AlN, SiN, SiO 2, TiO 2, NiO, ZnO, a nitride semiconductor, characterized in that it consists of one or more materials selected from the group of materials consisting of polyimide and polybenzoxazole apparatus.
複数の前記接合体が前記基板上に積層されており、
最上層の前記接合体を構成する前記第２の窒化物半導体層の上面から、最下層の前記接合体を構成する前記第１の窒化物半導体層における前記第２の窒化物半導体層との界面よりも下側までの範囲に、前記第１のテーパ部及び前記第２のテーパ部が形成されていることを特徴とする窒化物半導体装置。 In the nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 6,
A plurality of the joined bodies are laminated on the substrate;
From the upper surface of the second nitride semiconductor layer constituting the uppermost layer of the joined body, the interface between the first nitride semiconductor layer constituting the lowermost layer of the joined body and the second nitride semiconductor layer The nitride semiconductor device, wherein the first taper portion and the second taper portion are formed in a range to the lower side.
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|---|---|---|---|---|
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