JP2013183034A - Power semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電力用半導体装置に関し、特に窒化ガリウム基板を有する電力用半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a power semiconductor device, and more particularly to a power semiconductor device having a gallium nitride substrate.
電力用半導体装置において、一般に、小さいオン抵抗と大きい耐圧とはトレードオフの関係にある。これを解消する目的で、従来から広く用いられているシリコン半導体に代わって、窒化ガリウム(GaN)系半導体などのワイドバンドギャップ半導体を用いることが検討されている。たとえば、ヘテロ接合を用いて設けられた2次元電子ガス(2DEG)を利用したものが提案されている。 In a power semiconductor device, generally, a small on-resistance and a large breakdown voltage are in a trade-off relationship. In order to solve this problem, it has been studied to use a wide band gap semiconductor such as a gallium nitride (GaN) based semiconductor in place of a silicon semiconductor that has been widely used. For example, the thing using the two-dimensional electron gas (2DEG) provided using the heterojunction is proposed.
たとえば特開2006−286942号公報による半導体装置は、開口部を有するGaN系半導体層と、開口部の側面に形成された電子走行層と、電子走行層の開口部側の側面に形成され電子走行層よりバンドギャップの大きい電子供給層と、電子供給層の開口部側の側面に形成されたゲート電極と、GaN系半導体層上に形成されたソース電極と、GaN系半導体層のソース電極と相対する面に接続されたドレイン電極とを有する。ここでGaN系半導体とは、たとえば、GaN、AlNおよびInNのいずれか、またはこれらの混晶である。 For example, a semiconductor device according to Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-286542 includes a GaN-based semiconductor layer having an opening, an electron traveling layer formed on a side surface of the opening, and an electron traveling formed on a side surface on the opening side of the electron traveling layer. An electron supply layer having a larger band gap than the layer, a gate electrode formed on the side surface of the electron supply layer on the opening side, a source electrode formed on the GaN-based semiconductor layer, and a source electrode of the GaN-based semiconductor layer And a drain electrode connected to the surface to be connected. Here, the GaN-based semiconductor is, for example, any one of GaN, AlN and InN, or a mixed crystal thereof.
近年の電力用半導体装置の性能に対する要求の高まりにより、小さいオン抵抗と大きい耐圧との間のトレードオフをより一層解消することが望まれている。 With the recent increase in demand for the performance of power semiconductor devices, it is desired to further eliminate the trade-off between a small on-resistance and a large breakdown voltage.
本発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、その目的は、小さいオン抵抗と大きい耐圧との間のトレードオフを改善することである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to improve a trade-off between a small on-resistance and a large breakdown voltage.
本発明の電力用半導体装置は、第1電極と、窒化ガリウム基板と、ドリフト領域と、半導体素子と、第2電極とを有する。窒化ガリウム基板は、第1電極上に設けられており、窒化ガリウム半導体から作られている。ドリフト領域は、窒化ガリウム基板上に設けられ、窒化ガリウム半導体のエネルギーギャップに比して大きなエネルギーギャップを有するIII族窒化物半導体から作られている。半導体素子はドリフト領域上に設けられている。第2電極は、半導体素子によって第1電極との電気的接続が制御されるように半導体素子上に設けられている。 The power semiconductor device of the present invention includes a first electrode, a gallium nitride substrate, a drift region, a semiconductor element, and a second electrode. The gallium nitride substrate is provided on the first electrode and is made of a gallium nitride semiconductor. The drift region is provided on the gallium nitride substrate and is made of a group III nitride semiconductor having an energy gap larger than that of the gallium nitride semiconductor. The semiconductor element is provided on the drift region. The second electrode is provided on the semiconductor element such that the electrical connection with the first electrode is controlled by the semiconductor element.
この電力用半導体装置によれば、ドリフト領域に、窒化ガリウム半導体のエネルギーギャップに比して大きなエネルギーギャップを有するIII族窒化物半導体が用いられる。これにより、窒化ガリウム半導体から作られたドリフト領域が用いられる場合に比して、小さいオン抵抗と大きい耐圧との間のトレードオフを改善することができる。 According to this power semiconductor device, a group III nitride semiconductor having an energy gap larger than that of the gallium nitride semiconductor is used in the drift region. Thereby, the trade-off between a small on-resistance and a large breakdown voltage can be improved as compared with the case where a drift region made of a gallium nitride semiconductor is used.
III族窒化物半導体はIII族元素として、GaおよびInの少なくともいずれかとAlとを含んでもよい。これにより、窒化ガリウム半導体のエネルギーギャップに比して大きなエネルギーギャップを有するIII族窒化物半導体が得られる。 The group III nitride semiconductor may contain at least one of Ga and In and Al as a group III element. Thereby, a group III nitride semiconductor having an energy gap larger than that of the gallium nitride semiconductor can be obtained.
III族窒化物半導体はIII属元素として、GaおよびInの一方のみとAlとを含んでもよい。これにより、GaおよびInの両方が用いられる場合に比して、用いられる元素の種類を少なくすることができる。これにより製造方法をより簡素化することができる。III族窒化物半導体はAlxGa1-xN(0<x<1)であってもよい。 The group III nitride semiconductor may contain only one of Ga and In and Al as a group III element. Thereby, compared with the case where both Ga and In are used, the kind of element used can be decreased. Thereby, the manufacturing method can be further simplified. The group III nitride semiconductor may be Al x Ga 1-x N (0 <x <1).
III族窒化物半導体は、AlxInyGa1-x-yN(0<x<1、0<y<1、x+y<1)であってもよい。これにより、xおよびyの2つのパラメータを調整することで、窒化ガリウム基板の格子定数との整合性が取りやすくなる。 The group III nitride semiconductor may be Al x In y Ga 1-xy N (0 <x <1, 0 <y <1, x + y <1). Thus, by adjusting the two parameters x and y, it becomes easy to achieve consistency with the lattice constant of the gallium nitride substrate.
好ましくは、半導体素子は、第2電極に接しかつ窒化ガリウム半導体から作られた窒化ガリウム領域を含む。これにより、半導体素子と第2電極との間の接続をよりオーミックなものとすることができる。 Preferably, the semiconductor element includes a gallium nitride region made of a gallium nitride semiconductor in contact with the second electrode. Thereby, the connection between the semiconductor element and the second electrode can be made more ohmic.
好ましくは、III族窒化物半導体は窒化ガリウム半導体の格子定数と同じ格子定数を有する。これにより、ドリフト領域の格子定数と、窒化ガリウム基板の格子定数とが同じとなる。よってドリフト領域と窒化ガリウム基板との間での格子定数の不整合を抑制することができる。 Preferably, the group III nitride semiconductor has the same lattice constant as that of the gallium nitride semiconductor. Thereby, the lattice constant of the drift region and the lattice constant of the gallium nitride substrate become the same. Therefore, mismatch of lattice constants between the drift region and the gallium nitride substrate can be suppressed.
上記半導体素子は、たとえば、HFET(ヘテロ接合電界効果トランジスタ)、JFET(接合型電界効果トランジスタ)、MISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)、およびダイオードの少なくともいずれかを含む。これにより、HFET、JFET、MISFET、およびダイオードの少なくともいずれかを有する半導体装置において、小さいオン抵抗と大きい耐圧との間のトレードオフを改善することができる。 The semiconductor element includes, for example, at least one of HFET (heterojunction field effect transistor), JFET (junction field effect transistor), MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor), and diode. Thereby, in a semiconductor device having at least one of HFET, JFET, MISFET, and diode, the trade-off between a small on-resistance and a large breakdown voltage can be improved.
上述したように、本発明によれば、小さいオン抵抗と大きい耐圧との間のトレードオフを改善することができる。 As described above, according to the present invention, a trade-off between a small on-resistance and a large breakdown voltage can be improved.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
(実施の形態1)
はじめに本実施の形態の電力用半導体装置100の構成の概要について説明する。
(Embodiment 1)
First, an outline of the configuration of the
図1および図2を参照して、電力用半導体装置100は、GaN基板1(窒化ガリウム基板)と、ドレイン電極31(第1電極)と、ソース電極132(第2電極)と、ゲート電極130と、半導体層110と、電子走行層121と、電子供給層122とを有する。
1 and 2, a
GaN基板は、n型(第1導電型)を有するように導電型不純物が添加された窒化ガリウム半導体から作られている。GaN基板1は、オーミック電極であるドレイン電極31上に設けられている。
The GaN substrate is made of a gallium nitride semiconductor to which a conductivity type impurity is added so as to have an n-type (first conductivity type). The
半導体層110は、n型のnドリフト領域11と、p型のp領域112と、n型のn領域113とを有する。nドリフト領域11はGaN基板1上に設けられている。nドリフト領域11上には、n型のチャネルを有するHFET(半導体素子)が設けられている。ソース電極132は、HFETによってドレイン電極31との電気的接続がスイッチングされるように、HFET上に設けられている。
The
n領域113は、窒化ガリウム(GaN)半導体から作られた窒化ガリウム領域であり、ソース電極132にオーミックに接している。好ましくはp領域112も、窒化ガリウム(GaN)半導体から作られた窒化ガリウム領域であり、ソース電極132にオーミックに接している。
The
図3を参照して、nドリフト領域11は、窒化ガリウム(GaN)半導体のエネルギーギャップEGaNに比して大きなエネルギーギャップEgを有するIII族窒化物半導体から作られている。III族窒化物半導体はIII族元素として、GaおよびInの少なくともいずれかと、Alとを含んでもよい。このようなIII族窒化物半導体は、図中、ハッチングを付した部分に対応する。III族窒化物半導体はIII属元素として、GaおよびInの一方のみと、Alとを含んでもよい。たとえば、III族窒化物半導体はAlxGa1-xN(0<x<1)である。あるいはIII族窒化物半導体は、AlxInyGa1-x-yN(0<x<1、0<y<1、x+y<1)であってもよい。好ましくはIII族窒化物半導体は窒化ガリウム半導体の格子定数LGaNと同じ格子定数Lcを有する。
Referring to FIG. 3,
次に電力用半導体装置100の細部について説明する。
再び図1および図2を参照して、半導体層110は、厚さ方向(図1中での縦方向)に互いに対向する裏面F1および上面F2を有する。半導体層110のうちnドリフト領域11は、GaN基板1に対向する裏面F1をなしている。p領域112は、nドリフト領域11によって裏面F1から隔てられるようにnドリフト領域11上に設けられている。n領域113は、p領域112によってnドリフト領域11から隔てられるようにp領域112上に設けられており、上面F2をなしている。
Next, details of the
Referring to FIGS. 1 and 2 again, the
半導体層110の上面F2には、n領域113およびp領域112を貫通してnドリフト領域11に至り、底部BTおよび側壁SGを有するゲートトレンチGTが設けられている。ゲート電極130は、側壁SG上において電子供給層122を介してp領域112と対向するように電子供給層122上に設けられたショットキー電極である。ゲート電極130は、たとえばNi/Au電極である。好ましくは半導体層110の上面F2に対してゲートトレンチGTの側壁SGは0°よりも大きく90°よりも小さい角度だけ傾斜している。
On the upper surface F2 of the
電子走行層121は、ゲートトレンチGTの側壁SG上において半導体層110のp領域112を被覆している。また電子走行層121は、アンドープGaNから作られている。すなわち電子走行層はGaN膜である。電子供給層122は電子走行層121上に設けられている。また電子供給層122は、アンドープGaNのバンドギャップに比して大きいバンドギャップを有するAlGaNから作られている。すなわち電子供給層122はAlGaN膜である。この構成により、電子走行層121と電子供給層122との界面におけるヘテロ接合によって2DEGを生成することができる。よって電子走行層121と電子供給層122との界面に沿った、抵抗の低い電流経路を設けることができる。
The
ドレイン電極31およびソース電極132は、オーミック電極であり、たとえばAl系電極である。好ましくはソース電極132は電子走行層121と電子供給層122との界面に接している。
The
図4を参照して、電力用半導体装置100の動作について説明する。電力用半導体装置100は、ドレイン電極31とソース電極132との間の電流経路(図中、矢印参照)のスイッチングを行うスイッチング素子として用いられる。ドレイン電極31にはソース電極132に対して正の電圧が印加される。チャネルは、ゲートトレンチGTの側壁SG上において電子走行層121と電子供給層22との界面に生成される2DEGによって形成される。またこのチャネルは、p領域112とゲート電極130との間に挟まれている。ゲート電極130の電圧がしきい値に比してより正の電圧の場合、電力用半導体装置100はオン状態にある。すなわち、ソース電極132から供給された電子は、上記チャネルを経由してnドリフト領域11に至りドレイン電極31から排出される。電力用半導体装置100をオフ状態とするためには、電流経路をゲート電極130とp領域112との間で遮断するために、ゲート電極130の電圧がしきい値に比してより負の電圧とされる。
The operation of the
本実施の形態の電力用半導体装置100によれば、nドリフト領域11に、窒化ガリウム半導体のエネルギーギャップに比して大きなエネルギーギャップを有するIII族窒化物半導体が用いられる。これにより、窒化ガリウム半導体から作られたnドリフト領域11が用いられる場合に比して、小さいオン抵抗と大きい耐圧との間のトレードオフを改善することができる。
According to
III族窒化物半導体はIII族元素として、GaおよびInの少なくともいずれかとAlとを含んでもよい。これにより、窒化ガリウム半導体のエネルギーギャップに比して大きなエネルギーギャップを有するIII族窒化物半導体が得られる。 The group III nitride semiconductor may contain at least one of Ga and In and Al as a group III element. Thereby, a group III nitride semiconductor having an energy gap larger than that of the gallium nitride semiconductor can be obtained.
III族窒化物半導体はIII属元素として、GaおよびInの一方のみとAlとを含んでもよい。これにより、GaおよびInの両方が用いられる場合に比して、用いられる元素の種類を少なくすることができる。これにより製造方法をより簡素化することができる。 The group III nitride semiconductor may contain only one of Ga and In and Al as a group III element. Thereby, compared with the case where both Ga and In are used, the kind of element used can be decreased. Thereby, the manufacturing method can be further simplified.
III族窒化物半導体は、AlxInyGa1-x-yN(0<x<1、0<y<1、x+y<1)であってもよい。これにより、xおよびyの2つのパラメータを調整することで、GaN基板1の格子定数との整合性が取りやすくなる。
The group III nitride semiconductor may be Al x In y Ga 1-xy N (0 <x <1, 0 <y <1, x + y <1). Thereby, by adjusting the two parameters x and y, it becomes easy to achieve consistency with the lattice constant of the
HFETは、ソース電極132に接しかつ窒化ガリウム半導体から作られた窒化ガリウム領域として、p領域112およびn領域113を含む。これにより、HFETとソース電極132との間の接続をよりオーミックなものとすることができる。
The HFET includes
またnドリフト領域11の導電型(第1導電型)はn型である。これによりnドリフト領域11の電気抵抗を小さくすることができる。よって電力用半導体装置100のオン抵抗をより小さくすることができる。
The conductivity type (first conductivity type) of the
好ましくはIII族窒化物半導体は窒化ガリウム半導体の格子定数と同じ格子定数を有する。これにより、nドリフト領域11の格子定数と、GaN基板1の格子定数とが同じとなる。よってnドリフト領域11とGaN基板1との間での格子定数の不整合を抑制することができる。
Preferably, the group III nitride semiconductor has the same lattice constant as that of the gallium nitride semiconductor. Thereby, the lattice constant of the
(実施の形態2)
図5〜図8に示すように、電力用半導体装置200は、半導体素子としてMISFETが設けられたものである。電力用半導体装置200は、GaN基板1と、半導体層210と、ドレイン電極31と、ソース電極232と、ゲート絶縁膜221と、層間絶縁膜222と、ゲート電極230と、ソース配線層233とを有する。
(Embodiment 2)
As shown in FIGS. 5 to 8, the
半導体層210は、厚さ方向(図1の縦方向)に互いに対向する裏面F1および上面F2を有する。裏面F1および上面F2は実質的に互いに平行である。また半導体層210は、nドリフト領域11と、p型のp領域212と、n型のn領域213と、p型のp+コンタクト領域215とを有する。p領域212は、n-ドリフト領域11上に設けられている。n領域213は、p領域212上に設けられ、p領域212によってn-ドリフト領域11と分離されている。p+コンタクト領域215はp領域212の一部の上に直接設けられている。p+コンタクト領域215は半導体層210の上面F2の一部をなしている。
The
好ましくはp領域212は、窒化ガリウム(GaN)半導体から作られた窒化ガリウム領域である。また好ましくはp+コンタクト領域215も、窒化ガリウム(GaN)半導体から作られた窒化ガリウム領域である。
Preferably, the
半導体層210の上面F2には、n領域213およびp領域212を貫通してn-ドリフト領域11に至り、底部BTおよび側壁SSを有するゲートトレンチGTが設けられている。側壁SSはn-ドリフト領域11とp領域212とn領域213との各々からなる部分を有する。
The upper surface F2 of the
ゲート絶縁膜221は、n-ドリフト領域11およびn領域213の間をつなぐようにp領域212上に設けられている。具体的には、ゲート絶縁膜221は側壁SS上において半導体層210のp領域212を被覆している。ゲート電極230はゲート絶縁膜221上に設けられている。これによりゲート電極230はゲート絶縁膜221を介して半導体層210のp領域212上に位置している。ソース電極232は、半導体層210のn領域213およびp+コンタクト領域215上に直接設けられたオーミック電極である。
なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態1の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。 Since the configuration other than the above is substantially the same as the configuration of the first embodiment described above, the same or corresponding elements are denoted by the same reference numerals, and description thereof is not repeated.
本実施の形態によれば、nドリフト領域11上に設けられたMISFETを有する電力用半導体装置200において、実施の形態1とほぼ同様の効果が得られる。
According to the present embodiment, the
(実施の形態3)
図9に示すように、電力用半導体装置300は、半導体素子としてJFETが設けられたものである。電力用半導体装置300は、ドレイン電極31と、GaN基板1と、半導体層310と、ソース電極332とを有する。
(Embodiment 3)
As shown in FIG. 9, the
半導体層310は、nドリフト領域11と、p型のpゲート領域312と、n+層313とを有する。pゲート領域312は、n-ドリフト領域11中に埋め込まれており、JFETにおけるゲートとしての機能を有する。n+層313は、GaN基板1との間にn-ドリフト領域11を挟むように、n-ドリフト領域11上に設けられている。好ましくはn+層313は、窒化ガリウム(GaN)半導体から作られた窒化ガリウム領域である。ソース電極332はn+層313上に設けられている。
The
なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態1の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。 Since the configuration other than the above is substantially the same as the configuration of the first embodiment described above, the same or corresponding elements are denoted by the same reference numerals, and description thereof is not repeated.
本実施の形態によれば、nドリフト領域11上に設けられたJFETを有する電力用半導体装置200において、実施の形態1とほぼ同様の効果が得られる。
According to the present embodiment, in
(実施の形態4)
図10に示すように、電力用半導体装置400は、半導体素子としてダイオードが設けられたものである。電力用半導体装置400は、n型のGaN基板1と、半導体層410と、カソード電極431(第1の電極)と、アノード電極432(第2電極)とを有する。
(Embodiment 4)
As shown in FIG. 10, the
半導体層410はメサ構造を有する。また半導体層410は、ドリフト領域411と、ドリフト領域411上に設けられたp型のp領域412とを有する。ドリフト領域411はGaN基板上に設けられている。ドリフト領域411は、GaN基板1の導電型不純物の濃度よりも低い不純物濃度を有する。ドリフト領域411は、意図的なドープがなされていない領域である。ドリフト領域411は、実施の形態1のnドリフト領域11と同様のIII族窒化物半導体から作られている。
The
カソード電極431は、実施の形態1のドレイン電極31とほぼ同様の構成を有する。アノード電極432は、p領域412上に設けられたオーミック電極である。
The
好ましくはp領域412は、窒化ガリウム(GaN)半導体から作られた窒化ガリウム領域である。 Preferably, the p region 412 is a gallium nitride region made from a gallium nitride (GaN) semiconductor.
本実施の形態によれば、ドリフト領域411上に設けられたダイオードを有する電力用半導体装置400において、実施の形態1とほぼ同様の効果が得られる。
According to the present embodiment, in
なお上記各実施の形態においては第1導電型がn型であり、第2導電型がp型であるが、これらの導電型が入れ替えられてもよい。 In each of the above embodiments, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type, but these conductivity types may be interchanged.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の特許請求の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the claims of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 GaN基板(窒化ガリウム基板)、11 nドリフト領域(ドリフト領域)、411 ドリフト領域、121 電子走行層、122 電子供給層、31 ドレイン電極(第1電極)、100,200,300,400 電力用半導体装置、110,210,310,410 半導体層、130,230 ゲート電極、132,232,332 ソース電極(第2電極)、431 カソード電極(第1電極)、432 アノード電極(第2電極)。 1 GaN substrate (gallium nitride substrate), 11 n drift region (drift region), 411 drift region, 121 electron transit layer, 122 electron supply layer, 31 drain electrode (first electrode), 100, 200, 300, 400 For power Semiconductor device, 110, 210, 310, 410 Semiconductor layer, 130, 230 Gate electrode, 132, 232, 332 Source electrode (second electrode), 431 Cathode electrode (first electrode), 432 Anode electrode (second electrode).
Claims (8)
前記第1電極上に設けられ、窒化ガリウム半導体から作られた窒化ガリウム基板と、
前記窒化ガリウム基板上に設けられ、前記窒化ガリウム半導体のエネルギーギャップに比して大きなエネルギーギャップを有するIII族窒化物半導体から作られたドリフト領域と、
前記ドリフト領域上に設けられた半導体素子と、
前記半導体素子によって前記第1電極との電気的接続が制御されるように前記半導体素子上に設けられた第2電極とを備える、電力用半導体装置。 A first electrode;
A gallium nitride substrate provided on the first electrode and made of a gallium nitride semiconductor;
A drift region provided on the gallium nitride substrate and made of a group III nitride semiconductor having an energy gap larger than that of the gallium nitride semiconductor;
A semiconductor element provided on the drift region;
A power semiconductor device comprising: a second electrode provided on the semiconductor element such that an electrical connection with the first electrode is controlled by the semiconductor element.
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