JP2014167951A

JP2014167951A - 窒化物半導体装置

Info

Publication number: JP2014167951A
Application number: JP2013038553A
Authority: JP
Inventors: Yuji Omaki; 雄治大巻
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2014-09-11
Anticipated expiration: 2033-02-28
Also published as: JP6083259B2

Abstract

【課題】電界効果トランジスタの構造を利用し、オフ時のリーク電流が抑制された窒化物半導体装置を提供することができる。
【解決手段】第１窒化物半導体層と、第１窒化物半導体層の上に形成され第１窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きい第２窒化物半導体層と、を有し、第１窒化物半導体層における第２窒化物半導体層側の界面近傍にチャネルが形成される半導体層積層体と、チャネルが形成されるチャネル形成領域において、半導体層積層体の上に互いに離間して形成されたオーミック電極である第１電極及び第２電極と、第１電極と第２電極との間に第１電極及び第２電極と離間して形成され、チャネルを制御する第３電極と、を備え、第２電極がカソード電極であり、チャネル形成領域の外で第１電極と第３電極とを短絡させた電極がアノード電極であることを特徴とする窒化物半導体装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体装置に関する。

近年、ＳｉやＧａＡｓ系化合物半導体に代えてＧａＮ系化合物半導体を用いたパワーデバイスが注目されている。ＧａＮ系化合物半導体はバンドギャップが広く、電子有効質量から見積もられる飽和電子移動度も高いことから、より高出力で高耐圧かつ高温動作可能な高周波デバイスを実現できる可能性があり、研究が重ねられている。

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系のショットキーダイオードとしては、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）や高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）のように、１つのショットキー電極（ゲート電極）と２つのオーミック電極とを備えた構造が知られている。このような構造では、ショットキー電極とアノード側のオーミック電極とを接触させて用いている（特許文献１および２）。

特表２００７−５２０８８４号公報特開２００８−１０８８７０号公報

ショットキー電極とオーミック電極とを接触させてアノード電極とする場合に、一方の電極を他方の電極まで延長して接触させると、チャネルが形成される領域の電極構造がトランジスタと異なるものになるため、トランジスタとして用いたときと同等の遮断性や耐圧が得られない場合がある。また、チャネルが形成される領域において電極と半導体との接触面積が増大することで、電流の注入面積が増大すると、オフ時のリーク電流が増大することがあると考えられる。

本発明の実施形態の窒化物半導体装置は、第１窒化物半導体層と、第１窒化物半導体層の上に形成され第１窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きい第２窒化物半導体層と、を有し、第１窒化物半導体層における第２窒化物半導体層側の界面近傍にチャネルが形成される半導体層積層体と、チャネルが形成されるチャネル形成領域において、半導体層積層体の上に互いに離間して形成されたオーミック電極である第１電極及び第２電極と、第１電極と第２電極との間に第１電極及び第２電極と離間して形成され、チャネルを制御する第３電極と、を備え、第２電極がカソード電極であり、チャネル形成領域の外で第１電極と第３電極とを短絡させた電極がアノード電極であることを特徴とする。

電界効果トランジスタの構造を利用し、オフ時のリーク電流が抑制された窒化物半導体装置を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態を説明する模式的な平面図である。図２は、本発明の一実施形態を説明する模式的な平面図である。図３は、図２のＡ−Ａ線における模式的な断面図である。図４は、図２のＢ−Ｂ線における模式的な断面図である。図５（ａ）および図５（ｂ）は、本発明の一実施形態を説明する模式的な図である。

以下、本件発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための方法を例示するものであって、本発明を以下の実施形態に特定するものではない。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。

図１および図２は、本発明の一実施形態の窒化物半導体装置１００を説明する模式的な平面図であり、図１は第１電極３１と第３電極３３とを短絡させる前の状態を示し、図２は短絡させた状態を示す。図３は図２のＡ−Ａ線における模式的な断面図であり、図４は図２のＢ−Ｂ線における模式的な断面図である。

窒化物半導体装置１００は、基板１上に、第１窒化物半導体層２１と、その上に形成され、第１窒化物半導体層２１よりもバンドギャップが大きい第２窒化物半導体層２２と、がこの順に設けられている。第１窒化物半導体層２１における第２窒化物半導体層２２の側の界面近傍にはチャネル２１ａが形成される。チャネル２１ａが形成されるチャネル形成領域４において、平面視で、このような半導体層積層体２の上に、オーミック電極である第１電極３１及び第２電極３２が互いに離間して形成されている。第１電極３１と第２電極３２との間には、チャネル２１ａを制御する第３電極３３とが形成されている。第２電極３２がカソード電極である。図１に示すように、第１電極３１と第３電極３３とは、チャネル２１ａが形成されるチャネル形成領域４の外に引き出される。図１の例では、第１電極３１と第３電極３３とが一部で重なっているが、ここでは絶縁膜を介して互いに絶縁されている。

そして、図２に示すように、第１電極３１と第３電極３３とはアノード側パッド電極５によって電気的に接続される。これによって第１電極３１と第３電極３３とが短絡され、これをアノード電極として用いる。

図５（ａ）および（ｂ）を用いて、本実施形態の窒化物半導体装置の動作を説明する。図５（ａ）は、第３電極に印加される電圧が、アノード電流が流れ始める閾値電圧よりも小さいオフ状態を示す。この状態の窒化物半導体装置１００では、２次元電子ガス層であるチャネル２１ａは、第３電極３３の直下の領域が空乏化されている。この空乏層８によってチャネル２１ａにおける２次元電子ガスが不連続的となるため、アノード電流が流れない。

次に、図５（ｂ）に、第３電極に印加される電圧が、アノード電流が流れ始める閾値電圧よりも大きいオン状態を示す。このように電圧を印加することで、空乏層８が後退し、第３電極３３の直下にあるチャネル２１ａに電子が発生する。これによって、チャネル
２１ａが連続的にアノード電極３１，３３とカソード電極３２とを繋ぐようになり、アノード電流が流れる。

このように、第１電極３１と第２電極３２と３電極３３とを設けることで、オフ時は空乏層８が広がるので、同構造の電界効果トランジスタとほぼ同等の遮断性や耐圧を得ることができる。また、トランジスタとしての閾値電圧付近が窒化物半導体装置１００の順方向電圧Ｖ_Ｆとなることから、トランジスタとしての閾値電圧が０Ｖ付近になるように設計すれば、順方向電圧Ｖ_Ｆおよびオン抵抗を低減することができると考えられる。なお、ここで示すトランジスタとしての閾値電圧とは、第１電極３１をソース電極、第２電極３２をドレイン電極、第３電極３３をゲート電極としたときに、ソース電極とドレイン電極との間に電流が流れ始めるゲート電極の電圧を指す。

さらに、本実施形態の窒化物半導体装置１００は、図１〜図３に示すように、チャネル形成領域４の外で第１電極３１と第３電極３３とを短絡している。これにより、チャネル形成領域４においては電界効果トランジスタと同様に全ての電極が離間した構造とできるので、同構造の電界効果トランジスタと同等の特性を得ることができる。よって、電界効果トランジスタの設計を適用させやすく、製造しやすい。また、チャネルが形成される領域において電極と半導体との接触面積が増大すると、電流の注入面積が増大した分、オフ時のリーク電流が増大することがあると考えられるが、本実施形態の窒化物半導体装置１００は、第１電極３１と第３電極３３との短絡構造をチャネル形成領域４の外に設けているため、オフ時におけるアノード電極とカソード電極との間のリーク電流を抑制することができると考えられる。このような窒化物半導体装置は、高速ダイオード（First Recovery Diode：ＦＲＤ）等の整流ダイオードとして利用することができる。

以下、各部材について詳述する。

（半導体層積層体２）
第１窒化物半導体層２１は、チャネル２１ａ（２次元電子ガス）が形成される層である。アンドープの窒化物半導体により構成されることが好ましい。その材料としては、ＧａＮに限定されるものではなく、III族窒化物半導体から選択することができる。例えば、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）を用いることができる。

第２窒化物半導体層２２は、第１窒化物半導体層２１よりもバンドギャップエネルギーが大きい層とする。第１窒化物半導体層２１がＧａＮ層である場合には、ＡｌＧａＮ層を用いることが好ましく、ＡｌＧａＮ層としては、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０＜ａ＜１）を用いることができる。好ましくは、０＜ａ＜０．４とする。Ａｌ混晶比ａが０．４未満の範囲であると、結晶性の良好なＡｌＧａＮ層が形成可能なため、移動度を高いものできる。さらに好ましくは０．１＜ａ＜０．３とする。高耐圧化のためには、アンドープの層であることが好ましい。

半導体層積層体２は、第１窒化物半導体層２１および第２窒化物半導体層２２以外の層を含んでいてもよい。例えば、第１窒化物半導体層２１と第２窒化物半導体層２２の間に、第２窒化物半導体層２２よりもバンドギャップエネルギーの大きいスペーサ層を設けることができる。スペーサ層は、第２窒化物半導体層２２よりも薄膜で設けられる。このようなスペーサ層を設けることで、第２窒化物半導体層２２のみの場合よりもキャリア移動度を向上させることができる。

また、図５に示すように、第３電極３３の直下にｐ型窒化物半導体層２３を設けることが好ましい。ｐ型窒化物半導体層２３は、第２窒化物半導体層２２の上の一部に形成され、第３電極３３が、ｐ型窒化物半導体層２３の上に形成されている。ｐ型窒化物半導体層２３を設ける場合は、例えば図５に示すように、ｐ型窒化物半導体層２３が第１，２電極３１，３２と接触しないように配置する。ｐ型窒化物半導体層２３は、III族窒化物半導体により形成することができ、好ましくは、ｐ型ＡｌＧａＮまたはｐ型ＧａＮにより形成する。ｐ型窒化物半導体層２３を設けることでｐｎ接合が形成されるので、オフ時の第３電極−第２電極間（ゲート電極−ドレイン電極間）のリークを抑制することができる。

半導体層積層体２は、例えば、図３に示すように、チャネル２１ａが形成される第１窒化物半導体層２１の第２窒化物半導体層２２側界面近傍がその側面で露出した段差６を設けることによって、チャネル形成領域４を形成し、活性領域を規定する。本実施形態では、段差６によって区切られた上部領域７ａと下部領域７ｂのうち、上部領域７ａがチャネル形成領域４であり、下部領域７ｂにおいて第１電極３１と第３電極３３とが短絡される。半導体層積層体２にチャネル形成領域４とそれ以外の領域を形成する方法としては、段差を形成するほか、例えば、イオン打ち込みによってチャネル形成領域以外を絶縁化する等を用いることができる。ただし、III族窒化物半導体においてはイオン打ち込みによる絶縁化は困難であるため、段差によって形成することが好ましい。

第１電極３１と第２電極３２と第３電極３３とを設けた以外の半導体積層体２の表面には、ＳｉＯ_２等の保護膜を設けてもよい。なお、第１電極３１と第３電極３３とを短絡させる構造を絶縁性の保護膜を介してチャネル形成領域４上に設ければ、電極と半導体との接触面積を増大させずに短絡構造を設けることもできる。しかし、この場合は第１電極３１と第３電極３３との間を完全に絶縁性の保護膜で被覆する必要があるが、トランジスタのゲート電極に相当する第３電極３３は例えば数μｍ程度の細い電極であり、半導体の表面を完全に被覆しながら第３電極３３の上面は少なくとも短絡構造が形成可能な程度に開口された絶縁性の保護膜を形成することは容易ではない。一方、図２のようにチャネル形成領域４の外で短絡させる構造であれば、高精度の製造技術は必要とされず、容易に形成することができるので好ましい。

（第１電極３１、第２電極３２、第３電極３３）
第１電極３１、第２電極３２、第３電極３３は、例えば、Ｔｉ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｉｎ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ等の金属や、ＩＴＯや酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の導電性酸化物が利用できる。第１電極３１、第２電極３２は、オーミック電極であり、上述のように第１窒化物半導体層２１の側面が露出される場合は、第１窒化物半導体層２１に対してオーミック接触する電極であればよい。第３電極３３は、チャネル２１ａの電子濃度を変調する制御用の電極である。典型的にはショットキー電極が用いられ、例えばＮｉ／Ａｕ系材料からなる電極を用いる。ｐ型窒化物半導体層２３を設ける場合にはオーミック電極でもよい。各電極とワイヤとの密着性等を考慮して、パッド電極を形成してもよい。パッド電極は、例えばＡｕで形成される。

また、図２に示す窒化物半導体装置１００では、アノード側パッド電極５を設けることで、第１電極３１と第３電極３３とを短絡させたが、短絡させる方法はこれに限定されるものではない。窒化物半導体装置１００の中で短絡させることが好ましい。短絡させる構造としては、例えば、アノード側パッド電極５の代わりに第１電極３１にパッド電極を設けてこれを第３電極３３まで延長させてもよく、第１電極３１と第３電極３３とをワイヤで接続してもよい。ワイヤで接続する構造であれば、容易に作製することができる。一方、パッド電極等の電極によって短絡させる構造であれば、ワイヤの場合と比べて第１電極３１と第３電極３３との接続面積を大きくできるため、配線抵抗が小さく、第１電極３１と第３電極３３の両方に電流を流し易い。

以下、本発明に係る実施例について説明する。

実施例として、サファイア基板上に、バッファ層、約６００ｎｍのアンドープＧａＮ層、約０．９ｎｍのアンドープＡｌＮ層、約１２．５ｎｍのアンドープＡｌ_０．２３Ｇａ_０．７７Ｎ層、約２０ｎｍのｐ型ＧａＮ層をこの順に設けた窒化物半導体装置を作製した。ｐ型ＧａＮ層の表面には、第３電極として、ｐ型ＧａＮ層側から順にＮｉ（厚さ１０ｎｍ）／Ａｕ（厚さ１５０ｎｍ）／Ｐｔ（厚さ１０ｎｍ）が設けられ、第３電極が設けられた以外のｐ型ＧａＮ層は除去された。半導体層積層体はチャネル形成領域となる部分を残してアンドープＧａＮ層の途中まで除去され、露出したアンドープＧａＮ層とＡｌＮ層との界面を被覆するように、第１，２電極として、半導体層側から順にＴｉ（厚さ１０ｎｍ）／Ａｌ（厚さ３００ｎｍ）が設けられた。電極が設けられた以外の半導体層積層体の表面には、保護膜として約６００ｎｍのＳｉＯ_２膜が設けられた。さらに、第１〜３電極とそれぞれ電気的に接続された第１〜３パッド電極が設けられ、チャネル形成領域の外において、第１パッド電極と第３パッド電極を被覆するアノード側パッド電極が設けられることで、第１電極と第３電極が短絡されている。平面視において第１〜３電極は、図１に示すようにライン状部分が交互に配置された櫛形に設けられており、本実施例では、第１，３電極のライン状部分を２６本、第２電極のライン状部分を２５本、それぞれ形成した。

本実施例の窒化物半導体装置について、オフ時のリーク電流を測定すると、アノード電極への印加電圧が−６００Ｖである時に約１μＡであり、リーク電流の抑制された窒化物半導体装置を得ることができた。また、順方向電圧Ｖ_Ｆは約０．９Ｖ、オン時の電流はアノード電極への印加電圧が３Ｖである時に約８Ａ、耐圧は約９００Ｖであり、低Ｖ_Ｆ、低抵抗、高耐圧であった。また、逆回復時間は約１５ｎｓ、逆回復電流Ｉ_ｒｒは１Ａ程度であり、低損失なスイッチング特性が得られた。このような窒化物半導体装置は、ＦＲＤ等の整流ダイオードとして利用することができる。

１００窒化物半導体装置
１基板
２半導体層積層体
２１第１窒化物半導体層、２１ａチャネル
２２第２窒化物半導体層
２３ｐ型窒化物半導体層
３１第１電極、３２第２電極、３３第３電極
４チャネル形成領域
５アノード側パッド電極
６段差
７ａ上部領域、７ｂ下部領域
８空乏層

Claims

第１窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層の上に形成され前記第１窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きい第２窒化物半導体層と、を有し、前記第１窒化物半導体層における前記第２窒化物半導体層側の界面近傍にチャネルが形成される半導体層積層体と、
前記チャネルが形成されるチャネル形成領域において、前記半導体層積層体の上に互いに離間して形成されたオーミック電極である第１電極及び第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に前記第１電極及び前記第２電極と離間して形成され、前記チャネルを制御する第３電極と、を備え、
前記第２電極がカソード電極であり、
前記チャネル形成領域の外で前記第１電極と前記第３電極とを短絡させた電極がアノード電極であることを特徴とする窒化物半導体装置。
前記第２窒化物半導体層の上の一部に、ｐ型窒化物半導体層が形成されており、
前記第３電極は、前記ｐ型窒化物半導体層の上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置。
前記半導体層積層体は、少なくとも前記第１窒化物半導体層における前記第２窒化物半導体層側の界面近傍がその側面で露出された段差を有し、
前記段差の上部領域が前記チャネル形成領域であり、
前記段差の下部領域で、前記第１電極と前記第３電極とが短絡されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体装置。
前記チャネル形成領域の外において、前記第１電極と前記第３電極とを電気的に接続するパッド電極が形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。