JP2014086704A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板上に形成された窒化物系半導体からなる第1半導体層と、前記第1半導体層の表面に形成され、前記第1半導体層よりもバンギャップが広い窒化物系半導体からなる第2半導体層と、前記第2半導体層の表面に形成された絶縁体からなる保護膜と、前記第2半導体層上で前記保護膜に乗り上げて少なくとも1段の段差を有する階段形状を成している第1電極と、前記第2半導体層の表面にオーミック接触する第2電極と、を備え、前記第1半導体層の前記第2半導体層との界面にはキャリアが発生しており、該キャリアのキャリア密度は、前記第1電極の段差の角部および前記第1電極の前記第2電極側端部の少なくともいずれか一つの直下の第1領域にて他の領域である第2領域におけるキャリア密度よりも低い半導体装置。
【選択図】図1
Description
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置の模式的な断面図である。この半導体装置101は、ショットキーバリアダイオードであって、基体1上に形成された、第1半導体層2、第2半導体層3、第1電極4、第2電極5および保護膜6を備えている。
図2は、本発明の実施の形態2に係る半導体装置の模式的な断面図である。この半導体装置102は、図1に示す半導体装置101と同様に、ショットキーバリアダイオードであって、基体1上に形成された、第1半導体層2、第2半導体層3、第1電極4、第2電極5および保護膜6を備えている。ただし、この半導体装置102では、2次元電子ガス7のキャリア密度については、第1電極4の角部4aの直下の領域Aaにある2次元電子ガス7aのみ、その他の領域、すなわち領域Aa以外の領域よりもキャリア密度が低くなっている。これによって、アノード電極−カソード電極間に逆電圧を印加したときに、角部4aと2次元電子ガス7aとの間の電界が強くなる前に2次元電子ガス7aが空乏化するので、半導体装置102の耐圧の低下が抑制される。
図3は、本発明の実施の形態3に係る半導体装置の模式的な断面図である。この半導体装置103は、図1に示す半導体装置101と同様に、ショットキーバリアダイオードであって、基体1上に形成された、第1半導体層2、第2半導体層3、第1電極4、第2電極5および保護膜6を備えている。ただし、この半導体装置103では、2次元電子ガス7のキャリア密度については、第1電極4の角部4bの直下の領域Abにある2次元電子ガス7bのみ、その他の領域、すなわち領域Ab以外の領域よりもキャリア密度が低くなっている。これによって、アノード電極−カソード電極間に逆電圧を印加したときに、角部4bと2次元電子ガス7bとの間の電界が強くなる前に2次元電子ガス7bが空乏化するので、半導体装置103の耐圧の低下が抑制される。
図4は、本発明の実施の形態5に係る半導体装置の模式的な断面図である。この半導体装置104は、図1に示す半導体装置101と同様に、ショットキーバリアダイオードであって、基体層1上に形成された、第1半導体層2、第2半導体層3、第1電極4、第2電極5および保護膜6を備えている。ただし、この半導体装置104では、2次元電子ガス7のキャリア密度については、第1電極4の第2電極側端部4cの直下の領域Acにある2次元電子ガス7cのみ、その他の領域、すなわち領域Ac以外の領域よりもキャリア密度が低くなっている。これによって、アノード電極−カソード電極間に逆電圧を印加したときに、第2電極側端部4cと2次元電子ガス7cとの間の電界が強くなる前に2次元電子ガス7cが空乏化するので、半導体装置104の耐圧の低下が抑制される。
図5は、本発明の実施の形態5に係る半導体装置の模式的な断面図である。この半導体装置105は、図2、3に示す半導体装置102と103を組み合わせた構成であって、2次元電子ガス7のキャリア密度については、第1電極4の角部4a、4bの直下の領域Aa、Abにある2次元電子ガス7a、7bが、その他の領域よりもキャリア密度が低くなっている。これによって、アノード電極−カソード電極間に逆電圧を印加したときに、角部4a、4bと2次元電子ガス7a、7bとの間の電界が強くなる前に2次元電子ガス7a、7bが空乏化するので、半導体装置105の耐圧の低下が抑制される。
図6は、本発明の実施の形態6に係る半導体装置の模式的な断面図である。この半導体装置106は、図1に示す半導体装置101と同様に、ショットキーバリアダイオードであって、基体層1上に形成された、第1半導体層2、第2半導体層3、第1電極4、第2電極5および保護膜6を備えている。ただし、この半導体装置106では、2次元電子ガス7のキャリア密度については、第1電極4の角部4aの直下から角部4bの直下に亘る領域Adにある2次元電子ガス7dが、その他の領域よりもキャリア密度が低くなっている。これによって、アノード電極−カソード電極間に逆電圧を印加したときに、角部4a、4bと2次元電子ガス7dとの間の電界が強くなる前に2次元電子ガス7dが空乏化するので、半導体装置106の耐圧の低下が抑制される。
図7は、本発明の実施の形態7に係る半導体装置の模式的な断面図である。この半導体装置107は、図1に示す半導体装置101と同様に、ショットキーバリアダイオードであって、基体層1上に形成された、第1半導体層2、第2半導体層3、第1電極4、第2電極5および保護膜6を備えている。ただし、この半導体装置107では、2次元電子ガス7のキャリア密度については、第1電極4の角部4aの直下から角部4bの直下を経由して第2電極側端部4cの直下に亘る領域Aeにある2次元電子ガス7eが、その他の領域よりもキャリア密度が低くなっている。これによって、アノード電極−カソード電極間に逆電圧を印加したときに、角部4a、4bおよび第2電極側端部4cと2次元電子ガス7eとの間の電界が強くなる前に2次元電子ガス7eが空乏化するので、半導体装置107の耐圧の低下が抑制される。
図8は、本発明の実施の形態8に係る半導体装置の模式的な断面図である。この半導体装置108は、図6に示す半導体装置106と同様に、2次元電子ガス7のキャリア密度については、第1電極4の角部4aの直下から角部4bの直下に亘る領域Afにある2次元電子ガス7fが、その他の領域よりもキャリア密度が低くなっている。
図9は、本発明の実施の形態9に係る半導体装置の模式的な断面図である。この半導体装置106Aは、図6に示す半導体装置106と同様に、第1電極14の角部14aの直下から角部14bの直下に亘る領域Adにある2次元電子ガス7dが、その他の領域よりもキャリア密度が低くなっている。このような2次元電子ガス7dのキャリア密度の低減は、第2半導体層3の表面の領域Adに形成された第3半導体層8を備えることによって実現されている。
図10は、本発明の実施の形態10に係る半導体装置の模式的な断面図である。この半導体装置101Aは、図1に示す半導体装置101と同様に、第1電極14の角部14a、14bおよび第2電極側端部14cの各直下の領域Aa、Ab、Acにある二次元電子ガス7a、7b、7cが、その他の領域よりもキャリア密度が低くなっている。このような2次元電子ガス7a、7b、7cのキャリア密度の低減は、図9に示す半導体装置106Aの場合と同様に、第2半導体層3の表面の領域Aa、Ab、Acに形成された第3半導体層18a、18b、18cを備えることによって実現されている。
図11は、本発明の実施の形態11に係る半導体装置の模式的な断面図である。この半導体装置106Bは、図6に示す半導体装置106と同様に、第1電極24の角部24aの直下から角部24bの直下に亘る領域Adにある2次元電子ガス7dが、その他の領域よりもキャリア密度が低くなっている。このような2次元電子ガス7dのキャリア密度の低減は、領域Adにおいて第2半導体層13にリセス部13aを形成し、その他の領域よりも層厚を薄くすることによって実現されている。なお、第2半導体層13は図1に示す第2半導体層3に対応するものであり、第2半導体層3と同様の組成、層厚を有することができる。
図12は、本発明の実施の形態12に係る半導体装置の模式的な断面図である。この半導体装置106Cは、図6に示す半導体装置106と同様に、第1電極4の角部4aの直下から角部4bの直下に亘る領域Adにある2次元電子ガス7dが、その他の領域よりもキャリア密度が低くなっている。このような2次元電子ガス7dのキャリア密度の低減は、領域Adにおいて、第2半導体層23に、その他の領域よりもバンドギャップが狭い部分23dが存在することによって実現されている。なお、第2半導体層23は図1に示す第2半導体層3に対応するものであり、第2半導体層3と同様の組成、層厚を有することができる。
図13は、本発明の実施の形態13に係る半導体装置の模式的な断面およびキャリア密度を示す図である。この半導体装置201は、図6に示す半導体装置106と同様に、第1電極4の角部4aの直下から角部4bの直下に亘る領域Agにある2次元電子ガス7gが、キャリア密度が低くなっている。さらに、この半導体装置201では、領域Agの第2電極5側に、2次元電子ガス7hのキャリア密度が、領域Agでのキャリア密度とその他の領域でのキャリア密度との間のキャリア密度である第3領域である領域Ahを有する。図13のグラフG1が示すように、領域Ahでのキャリア密度は、領域Ag側から第2電極5側に向かってキャリア密度Nsが階段状に増加するように設定されている。
図14は、本発明の実施の形態14に係る半導体装置の模式的な断面およびキャリア密度を示す図である。この半導体装置202は、図13に示す半導体装置201と同様の構成を有し、領域Agの第2電極5側に、領域Agでのキャリア密度とその他の領域でのキャリア密度との間のキャリア密度である第3領域である領域Aiを有する点で同様である。しかしながら、図14のグラフG2が示すように、領域Aiでの2次元電子ガス7iのキャリア密度は、領域Ag側から第2電極5側に向かってキャリア密度Nsが連続的に増加するように設定されている点が異なる。このようにキャリア密度Nsが連続的に変化していれば、アノード電極−カソード電極間に逆電圧を印加したときに発生する電界の強度がより広範囲に分散される。これによって、発生する電界のピーク強度もより低減されるので、半導体装置202の耐圧の低下がさらに抑制される。
図15は、本発明の実施の形態15に係る半導体装置の模式的な断面図である。この半導体装置201Aは、図13に示す半導体装置201と同様に、領域Ag、領域Ahにおいて2次元電子ガス7g、7hのキャリア密度が低くなっている。このような2次元電子ガス7g、7hのキャリア密度の低減は、第2半導体層33の表面の領域Agに形成された第3半導体層8と、領域Ahにおける第2半導体層33に形成されたリセス部33aによって実現されている。第2半導体層33は図11に示す第2半導体層13に対応するものである。
図16は、本発明の実施の形態16に係る半導体装置の模式的な断面図である。この半導体装置201Bは、図13に示す半導体装置201と同様に、領域Ag、領域Ahにおいて2次元電子ガス7g、7hのキャリア密度が低くなっている。このような2次元電子ガス7g、7hのキャリア密度の低減は、第2半導体層33の表面の領域Agから領域Ah亘って形成された第3半導体層28によって実現されている。
図17は、本発明の実施の形態17に係る半導体装置の模式的な断面図である。この半導体装置301は、高移動度トランジスタ(HEMT)であって、基体1上に形成された、第1半導体層2、第2半導体層43、第1電極34、第2電極5、第3電極9、第3半導体層38、および保護膜6を備えている。
図18は、本発明の実施の形態18に係る半導体装置の模式的な断面図である。この半導体装置401は、MOS構造を有するHEMTであって、図17に示す半導体装置301において、第2半導体層43の表面から第1半導体層2に到る深さを有するリセス部10を形成し、第1電極34、第3半導体層38、保護膜6をそれぞれ第1電極44、第3半導体層48、保護膜16に置き換えた構成を有している。なお、第2半導体層43はリセス部10によって第2半導体層43aと第2半導体層43bとに分離している。
図19は、本発明の実施の形態19に係る半導体装置の模式的な断面およびキャリア密度を示す図である。この半導体装置106Dは、図9に示す半導体装置106Aにおいて、第2半導体層3を第2半導体層53に置き換えたものである。第2半導体層53は、第3半導体層8の直下以外の部分53a、53bの層厚が、第3半導体層8の直下の部分の層厚よりも薄くなっている。その結果、第1半導体層2の第2半導体層53との界面に発生している2次元電子ガス17において、2次元電子ガス17dのキャリア密度は、半導体装置106Aの場合の2次元電子ガス7dのキャリア密度と略同じであるが、部分53a、53bの直下の2次元電子ガス17a、17bのキャリア密度は、半導体装置106Aにおける対応する領域の2次元電子ガス7のキャリア密度よりも低くなっている。このとき、2次元電子ガス17a、17bと2次元電子ガス17dとの密度差が、半導体装置106Aの場合の対応する密度差よりも小さくなるので、電界集中がより緩和される。
2 第1半導体層
3、13、23、33、43、43a、43b、53 第2半導体層
4、14、24、34、44 第1電極
4a、4b、14a、14b、24a、24b、34a、34b、44b 角部
4c、14c、34c、44c 第2電極側端部
4d ショットキー接触部
5 第2電極
6、16 保護膜
7、7a、7b、7c、7d、7e、7f、7g、7h、7i、7j、7k、17、17a、17b、17d 2次元電子ガス
8、18a、18b、18c、28、38、48 第3半導体層
9 第3電極
10、13a、33a リセス部
16a ゲート絶縁膜
23d、28a、28b、53a、53b 部分
101、101A、102、103、104、105、106、106A、106B、106C、106D、107、201、201A、201B、202、301、401 半導体装置
Aa、Ab、Ac、Ad、Ae、Af、Af1、Af2、Ag、Ah、Ai、Aj、Ak 領域
G1、G2 グラフ
Claims (21)
- 基板上に形成された窒化物系半導体からなる第1半導体層と、
前記第1半導体層の表面に形成され、前記第1半導体層よりもバンドギャップが広い窒化物系半導体からなる第2半導体層と、
前記第2半導体層の表面に形成された絶縁体からなる保護膜と、
前記第2半導体層上で前記保護膜に乗り上げて少なくとも1段の段差を有する階段形状を成している第1電極と、
前記第2半導体層の表面にオーミック接触する第2電極と、
を備え、前記第1半導体層の前記第2半導体層との界面にはキャリアが発生しており、該キャリアのキャリア密度は、前記第1電極の段差の角部および前記第1電極の前記第2電極側端部の少なくともいずれか一つの直下の第1領域にて他の領域である第2領域におけるキャリア密度よりも低いことを特徴とする半導体装置。 - 複数の前記第1領域が離散的に配置していることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 複数の前記第1領域が連結していることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第1領域は、前記角部または前記第2電極側端部の直下の位置から前記第2電極側に50nm〜1.5μmだけ延在していることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の半導体装置。
- 前記第1領域は、前記角部または前記第2電極側端部の直下の位置から前記第2電極とは反対側に50nm〜1.5μmだけ延在していることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の半導体装置。
- 前記第1領域の前記第2電極側に、前記第1領域でのキャリア密度と前記第2領域でのキャリア密度との間のキャリア密度である第3領域を有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一つに記載の半導体装置。
- 前記第3領域でのキャリア密度は、前記第1領域側から前記第2電極側に向かってキャリア密度が連続的又は階段状に増加するように設定されていることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。
- 前記第2半導体層の表面の少なくとも前記第1領域に形成され、前記第2半導体層よりもバンドギャップが狭い窒化物系半導体からなる第3半導体層を備えることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一つに記載の半導体装置。
- 前記第3半導体層は、前記第3領域にも形成されていることを特徴とする、請求項6を引用する請求項8に記載の半導体装置。
- 前記第3半導体層は、前記第1領域における厚さが前記第3領域における厚さよりも厚いことを特徴とする請求項9に記載の半導体装置。
- 前記第3半導体層の厚さが10nm〜100nmであることを特徴とする請求項8〜10のいずれか一つに記載の半導体装置。
- 前記第3半導体層は、前記第1領域におけるバンドギャップが前記第3領域におけるバンドギャップよりも狭いことを特徴とする請求項9に記載の半導体装置。
- 前記第2半導体層は、前記第1領域における厚さが、前記第2領域における厚さよりも薄いことを特徴とする請求項1〜12のいずれか一つに記載の半導体装置。
- 前記第2半導体層は、前記第3領域における厚さが、前記第2領域における厚さよりも薄いことを特徴とする、請求項6を引用する請求項13に記載の半導体装置。
- 前記第2半導体層は、前記第1領域における厚さが前記第3領域における厚さよりも薄いことを特徴とする請求項14に記載の半導体装置。
- 前記第2半導体層は、前記第1領域におけるバンドギャップが、前記第2領域におけるバンドギャップよりも狭いことを特徴とする請求項1〜15のいずれか一つに記載の半導体装置。
- 前記第2半導体層は、前記第3領域におけるバンドギャップが、前記第2領域におけるバンドギャップよりも狭いことを特徴とする、請求項6を引用する請求項16に記載の半導体装置。
- 前記第2半導体層は、AlGaNからなり、前記第1領域および前記第3領域の少なくともいずれか一方におけるAl組成が、前記第2領域におけるAl組成よりも小さいことを特徴とする請求項17に記載の半導体装置。
- 前記第1電極はアノード電極であり、前記第2電極はカソード電極であり、当該半導体装置はダイオードであることを特徴とする請求項1〜18のいずれか一つに記載の半導体装置。
- 前記第1電極はゲート電極であり、前記第2電極はドレイン電極であり、当該半導体装置は高移動度トランジスタであることを特徴とする請求項1〜18のいずれか一つに記載の半導体装置。
- 前記第1電極は、前記第2半導体層とはゲート絶縁膜を介して接触していることを特徴とする請求項18に記載の半導体装置。
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