JP2015170776A - Nitride semiconductor laminate and field effect transistor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化物半導体積層体および電界効果トランジスタに関し、特に高電圧印加時のリーク電流の低減および耐圧を改善できる窒化物半導体積層体および電界効果トランジスタに関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor multilayer body and a field effect transistor, and more particularly to a nitride semiconductor multilayer body and a field effect transistor that can reduce leakage current and improve breakdown voltage when a high voltage is applied.
窒化物半導体積層体は、高い破壊電圧を有しかつ高いキャリア移動度を有するという特徴を備えているので、パワーデバイスなどの用途での利用が期待されている。 Since the nitride semiconductor multilayer body is characterized by having a high breakdown voltage and high carrier mobility, it is expected to be used in applications such as power devices.
パワーデバイスなどの用途に使用される窒化物半導体積層体から形成された電界効果トランジスタは、特に高電圧印加時のオフ状態において、高い耐圧を有し、リーク電流が小さいことが望まれている。 A field effect transistor formed from a nitride semiconductor stacked body used for a power device or the like is desired to have a high breakdown voltage and a small leakage current particularly in an off state when a high voltage is applied.
ソース・ドレイン間に流れる面内方向、すなわち、横方向リーク電流の低減と、横方向耐圧特性とを良好に両立させ、深さ方向、すなわち、縦方向耐圧を向上させる窒化物半導体積層体の構造が特開2010−245504号公報(特許文献1)に開示されている。 Nitride semiconductor multilayer structure that achieves a good balance between reduction in the in-plane direction between the source and drain, that is, lateral leakage current, and lateral breakdown voltage characteristics, and improvement in the depth direction, that is, longitudinal breakdown voltage Is disclosed in JP 2010-245504 A (Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1に記載されている窒化物半導体積層体の構造でも、300Vを超える高電圧印加時のオフ状態において、ドレインから基板裏面に縦方向リーク電流が流れる現象が生じ、その縦方向リーク電流が増大することで耐圧が低下するといった課題を十分に解決できていないことを、本発明者は見出した。 However, even in the structure of the nitride semiconductor stacked body described in Patent Document 1, in the off state when a high voltage exceeding 300 V is applied, a phenomenon in which a vertical leakage current flows from the drain to the back surface of the substrate occurs. The present inventor has found that the problem that the withstand voltage decreases as the current increases cannot be sufficiently solved.
そこで、本発明の課題は、上記の基板裏面に流れる縦方向リーク電流を低減して、耐圧低下が改善された窒化物半導体積層体および電界効果トランジスタを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor multilayer body and a field effect transistor in which the vertical leakage current flowing on the back surface of the substrate is reduced to improve the breakdown voltage.
上記課題を解決するため、本発明の窒化物半導体積層体は、
基板上に設けられた窒化物半導体層からなるバッファ層と、
上記バッファ層上に積層された第一の窒化物半導体層と、
上記第一の窒化物半導体層上に積層された第二の窒化物半導体層と、
上記第二の窒化物半導体層上に積層された窒化物半導体層からなるバリア層と
を備え、
上記バッファ層の表面側のC濃度が1.0×10^19/cm3以上であることを特徴としている。
In order to solve the above problems, the nitride semiconductor laminate of the present invention is
A buffer layer made of a nitride semiconductor layer provided on a substrate;
A first nitride semiconductor layer stacked on the buffer layer;
A second nitride semiconductor layer stacked on the first nitride semiconductor layer;
A barrier layer made of a nitride semiconductor layer stacked on the second nitride semiconductor layer,
The C concentration on the surface side of the buffer layer is 1.0 × 10 ^ 19 / cm 3 or more.
なお、本明細書では、10xを「10^X」と表現する。ここで、Xは任意の数字である。 In this specification, 10 x is expressed as “10 ^ X”. Here, X is an arbitrary number.
また、1実施形態では、
上記第一の窒化物半導体層のC濃度が、深さ方向全域にわたり4.0×10^18/cm3以上である。
In one embodiment,
The C concentration of the first nitride semiconductor layer is 4.0 × 10 ^ 18 / cm 3 or more over the entire depth direction.
また、1実施形態では、
上記第一の窒化物半導体層の第二の窒化物半導体層側のC濃度が1.5×10^19/cm3以上である。
In one embodiment,
The C concentration on the second nitride semiconductor layer side of the first nitride semiconductor layer is 1.5 × 10 ^ 19 / cm 3 or more.
また、1実施形態では、
上記第一の窒化物半導体層のC濃度が、バッファ層側から第二の窒化物半導体層側に向かって増加する。
In one embodiment,
The C concentration of the first nitride semiconductor layer increases from the buffer layer side toward the second nitride semiconductor layer side.
また、本発明の電界効果トランジスタは、
上記窒化物半導体積層体と、
上記窒化物半導体積層体上に互いに間隔をあけて配置されたソース電極およびドレイン電極と、
上記ソース電極と上記ドレイン電極との間、かつ、上記窒化物半導体積層体上に形成されたゲート電極と
を備えることを特徴としている。
The field effect transistor of the present invention is
The nitride semiconductor laminate;
A source electrode and a drain electrode that are spaced apart from each other on the nitride semiconductor laminate;
It is characterized by comprising a gate electrode formed between the source electrode and the drain electrode and on the nitride semiconductor multilayer body.
以上のように、本発明によれば、高電圧印加時のオフ状態において、高い耐圧を有し、基板裏面リーク電流を低減することが可能となる。 As described above, according to the present invention, it is possible to have a high withstand voltage and reduce a substrate back surface leakage current in an off state when a high voltage is applied.
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態である窒化物半導体積層体の一例を示す模式的断面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a nitride semiconductor multilayer body according to the first embodiment of the present invention.
この第1実施形態の窒化物半導体積層体は、図1に示すように、基板1上に、バッファ層2、第一の窒化物半導体層3、第二の窒化物半導体層4およびバリア層5がこの順で積層されてなる。上記バッファ層2、第一の窒化物半導体層3、第二の窒化物半導体層4およびバリア層5は、窒化物半導体からなる。
As shown in FIG. 1, the nitride semiconductor multilayer body according to the first embodiment has a
上記基板1としては、本第1実施形態ではシリコン基板を用いた。上記基板1は、窒化物半導体層を積層可能であれば可であり、例えばサファイア基板、GaN基板、SiC基板等を用いてもよい。 As the substrate 1, a silicon substrate is used in the first embodiment. The substrate 1 is acceptable as long as a nitride semiconductor layer can be stacked. For example, a sapphire substrate, a GaN substrate, a SiC substrate, or the like may be used.
上記バッファ層2は、本第1実施形態では、窒化物半導体層の一例として、AlN層2aとAlxGa1−xN(0≦x<1)層2bとが交互に積層されてなる超格子構造の窒化物半導体層であり、厚さは2.3μmである。バッファ層2の主な目的は、窒化物半導体積層体の上部から基板1までの耐圧を確保することにあり、窒化物半導体積層体の求められる耐圧を満たすものであれば可である。また、本発明においては、このバッファ層2の表面側(バッファ層2のうちで第一の窒化物半導体層3に最も近い領域)は、1.0×10^19/cm3以上、望ましくは1.5×10^19/cm3以上のC濃度である。また、バッファ層2の表面側は、1.0×10^21/cm3以下のC濃度であるのが好ましい。このバッファ層2の表面側のC濃度が1.0×10^21/cm3を超えると、窒化物半導体の結晶性が悪化して、耐圧低下、またはリークの増加が生じ始める場合があるからである。
In the first embodiment, the
なお、図示していないが、上記バッファ層2と基板1との間に結晶成長のための下地層として例えばAlN層を形成していてもよい。
Although not shown, an AlN layer, for example, may be formed between the
上記第一の窒化物半導体層3は、本第1実施形態では、C濃度の高いGaN層であり、厚さは840nmである。第一の窒化物半導体層3の主な目的はソース―ドレイン間の第二の窒化物半導体層4より下を経由してのリークを低減させるためであり、電気抵抗が高く形成されている。第一の窒化物半導体層3は、全域にわたり4.0×10^18/cm3以上、望ましくは4.9×10^18/cm3以上のC濃度である。また、第一の窒化物半導体層3の第二の窒化物半導体層4側(第一の窒化物半導体層3のうちで第二の窒化物半導体層4に最も近い領域)のC濃度は1.5×10^19/cm3以上、望ましくは1.8×10^19/cm3以上のC濃度を有している。また、第一の窒化物半導体層3の第二の窒化物半導体層4側は、1.0×10^21/cm3以下のC濃度であるのが好ましい。この第一の窒化物半導体層3の第二の窒化物半導体層4側のC濃度が1.0×10^21/cm3を超えると、窒化物半導体の結晶性が悪化して、耐圧低下、またはリークの増加が生じ始める場合があるからである。
In the first embodiment, the first
また、上記第一の窒化物半導体層3の深さ方向のC濃度の分布は、バッファ層2側から第二の窒化物半導体層4側に向かってC濃度が増加している。つまり、上記第一の窒化物半導体層3のC濃度は、バッファ層2側から第二の窒化物半導体層4側に近づくにつれて、増大している。これにより、超格子構造のバッファ層2と、GaN層である第一の窒化物半導体層3との間の格子不整合によって生じるキャリアの補償に効果を有し、リーク電流の低減につながる。
Further, the C concentration distribution in the depth direction of the first
上記第二の窒化物半導体層4は、本第1実施形態では、C濃度の小さいGaN層であり、厚みは800nmである。この第二の窒化物半導体層4はチャネルとして機能する。第二の窒化物半導体層4のC濃度は、可能な限り低いほど良く、1×10^17/cm3以下が望ましい。C濃度が高い場合、この窒化物半導体積層体で、電界効果トランジスタを作製した場合、高電圧動作時のオン抵抗が、低電圧動作時のオン抵抗よりも高くなってしまうコラプス現象が生じやすくなってしまうためである。
In the first embodiment, the second
上記バリア層5は、本第1実施形態では、Al混晶比17%程度のAlGaN層であり、厚みは34nmである。上記第二の窒化物半導体層4とバリア層5との間でヘテロ接合を形成しており、界面の第二の窒化物半導体層4側に二次元電子ガス(2DEG)41が形成されている。上記第二の窒化物半導体層4がオン状態のときは2DEG41を伝って電子が流れ、オフ状態のときはゲート電極下に空乏層が生じ、電子が流れない仕組みとなっている。なお、バリア層5のAl混晶比は一例であり、第二の窒化物半導体層4とバリア層5との間に2DEG41が発生すれば可である。
In the first embodiment, the
なお、図示しないが、第二の窒化物半導体層4とバリア層5との間に2DEG41中の移動度向上のためのスペーサ層としてAlN層が形成されていても構わない。
Although not shown, an AlN layer may be formed between the second
また、図示しないが、上記バリア層5の上にキャップ層としてGaN層が形成されていても構わない。上記キャップ層は、上記バリア層5のAlGaN中のAlの酸化防止や、不純物の取り込み防止のためのものであり、また、AlGaNからなるバリア層5を、キャップ層と第二の窒化物半導体層4とのGaN層で挟み込むことによって格子定数の違いによるバリア層5の歪みを防ぐことが可能である。
Although not shown, a GaN layer may be formed on the
本第1実施形態では、図12に示すように、第一の窒化物半導体層3の厚さ方向の全域、第一の窒化物半導体層の第二の窒化物半導体層4側およびバッファ層2の表面側のC濃度を設定した。図12のうち、本発明は条件B、条件Cおよび条件Dであり、条件Aは比較例である。
In the first embodiment, as shown in FIG. 12, the entire area in the thickness direction of the first
上記窒化物半導体積層体の縦方向リーク電流を測定するため、図2のようなパターンを用いて測定した。 In order to measure the longitudinal leakage current of the nitride semiconductor laminate, measurement was performed using a pattern as shown in FIG.
本第1実施形態の窒化物半導体積層体に対して、2DEG41とコンタクトを取れるようにオーミック電極10,10を形成している。上記オーミック電極10,10は、バリア層5および第二の窒化物半導体層4に1mm×1mmの正方形枠をエッチングにより形成して、その正方形枠の外側で2DEG41を切断し、その正方形枠内に設けている。また、上記オーミック電極10,10の無いバリア層5の箇所、第一の窒化物半導体層3の上等には、絶縁膜21を形成することによって、それらを電気的に絶縁している。
図2のパターンの窒化物半導体積層体に対して、基板1の裏面を0Vに設定し、オーミック電極10,10に電圧を印加することにより、2DEG41と基板1とのリーク電流、耐圧を測定した。
The leakage current and breakdown voltage between
その結果を図3に示す。図3の縦軸は2DEG41と基板1裏面間の縦方向リーク電流、横軸はオーミック電極10,10に印加した電圧である。図3に示すように、条件A(図12参照)では、250Vあたりから縦方向リーク電流が急増しているのに対し、条件B、条件C、条件Dでは、800V程度までは破壊することなく、一定の縦方向リーク電流に収まっていることが分かる。
The result is shown in FIG. The vertical axis in FIG. 3 is the vertical leakage current between the
この2DEG41―基板1の裏面間に流れる縦方向リーク電流のリーク経路について解析したところ、2DEG41から、第二の窒化物半導体層4を通過し、その後、第一の窒化物半導体層3を通過し、その後、第一の窒化物半導体層3とバッファ層2との界面へ流れた後、第一の窒化物半導体層3とバッファ層2との界面にて面内方向に流れ、その後は測定パターンより外側にある縦方向破壊箇所、または、チップ側面、または、ウエハ側面等の絶縁的に弱い箇所を通じて基板1の裏面に流れていることを、発明者らによって初めて解明された。
When the leakage path of the vertical leakage current flowing between the
上記縦方向リーク電流が生じる現象は、基板耐圧を確保するためのバッファ層2があるにも関わらず、リーク経路はバッファ層2を直接通過せず、上述の絶縁的に弱い箇所に回りこむことを意味している。そのため、上記現象が生じる場合は、縦方向耐圧はバッファ層2ではなく、第一の窒化物半導体層3で支えていることを意味しており、この現象が縦方向の耐圧低下、縦方向リーク電流の増大の原因となっていると考えられる。
The phenomenon in which the vertical leakage current is generated is that the leakage path does not pass directly through the
本発明では、半導体の縦方向の耐圧向上、縦方向リーク電流の低減方法として、バッファ層2の表面および第一の窒化物半導体層3のC濃度を制御した。
In the present invention, the surface concentration of the
本第1実施形態では、バッファ層2の表面側(バッファ層2のうちで第一の窒化物半導体層3に最も近い領域)のC濃度を、1.0×10^19/cm3以上(条件Bに対応)、望ましくは1.5×10^19/cm3以上(条件Cに対応)とし、バッファ層2の表面側の低抵抗部分を無くすことで、縦方向リーク電流、つまり、基板裏面リーク電流を低減している。
In the first embodiment, the C concentration on the surface side of the buffer layer 2 (the region of the
これは、バッファ層2の表面側のC濃度を高くすることで、バッファ層2の表面付近のリーク電流を低減することが可能となり、また、バッファ層2の表面側の低抵抗部分を無くすことができることから、高い電界が第一の窒化物半導体層3にかかるのを防ぐことができるため、耐圧を向上させることが可能となったと考えられる。
This is because the leakage current near the surface of the
また、本発明の第1実施形態においては、第一の窒化物半導体層3の厚さ方向の全域にわたるC濃度を4.0×10^18/cm3以上(条件Bに対応)、望ましくは4.9×10^18/cm3以上(条件Cに対応)とした。
In the first embodiment of the present invention, the C concentration over the entire thickness direction of the first
これにより、オーミック電極10,10からの縦方向リーク電流を第一の窒化物半導体層3で遮ることにより、縦方向リーク電流、つまり、基板裏面リーク電流を低減している。これは、C濃度の高い第一の窒化物半導体層3、特に、よりC濃度の高い第一の窒化物半導体層3の第二の窒化物半導体層4側で縦方向リーク電流を防ぐことができ、縦方向リーク電流を低減させることが可能となったと考えられる。
Thus, the vertical leakage current, that is, the substrate back surface leakage current is reduced by blocking the vertical leakage current from the
また、本発明の第1実施形態においては、第一の窒化物半導体層3の表面側におけるC濃度を1.5×10^19/cm3以上(条件Bに対応)、望ましくは1.8×10^19/cm3以上(条件C、条件Dに対応)としている。
In the first embodiment of the present invention, the C concentration on the surface side of the first
これにより、第一の窒化物半導体層3、および、第一の窒化物半導体層3よりも基板1側の部位に高い電界強度がかからないようにできる上、縦方向リーク電流を第一の窒化物半導体層3の表面で遮ることで、基板裏面リーク電流を低減している。
Thus, the first
(第2実施形態)
図4は、本発明の第2実施形態である電界効果トランジスタの一例を示す模式的断面図である。図4において、窒化物半導体積層体は、図1に示す窒化物半導体積層体と同じ構成を有するので、図1に示す構成要素と同一構成要素については、図1に示す構成要素と同一参照番号を付して、その説明は省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of a field effect transistor according to the second embodiment of the present invention. 4, since the nitride semiconductor multilayer body has the same configuration as the nitride semiconductor multilayer body shown in FIG. 1, the same reference numerals as those shown in FIG. 1 denote the same constituent elements as those shown in FIG. The description is omitted.
この窒化物半導体積層体の上には、ソース電極11とドレイン電極12とが設けられ、そのソース電極11とドレイン電極12との間にはゲート電極13が設けられ、各電極間は絶縁膜21によって、電気的に絶縁されている。
A
上記ソース電極11およびドレイン電極12は、第二の窒化物半導体層4の2DEG41とオーミック接続されている。オーミック接続方法として、本第2実施形態ではリセスと呼ばれる溝を掘り、2DEG41に水平方向からコンタクトをとっている。これは、オーミック接続できていれば可であり、リセスを掘らなくても、イオン注入を行っても良いし、高温でアニールを行ってソースおよびドレイン電極11,12の金属を2DEG41まで浸透させて、ソースおよびドレイン電極11,12と2DEG41との間を導通させてもよい。
The
上記ゲート電極13は、ソース電極11とドレイン電極12との間に形成されている。本第2実施形態では、ゲート電極13の下に図示しない絶縁膜を形成している。ゲート電極13については、トランジスタをオン、オフできればよく、ゲート電極13はバリア層5表面にショットキー接合を形成しても可である。
The
また、本第2実施形態では、一例として、ゲート電極13とドレイン電極12との間の距離は15μm、ゲート電極13とソース電極11との間の距離は2μm、ゲート長は2μm、ゲート幅は600μmとしている。
In the second embodiment, as an example, the distance between the
上記絶縁膜21は、本第2実施形態ではストイキオメトリのSiNを用いた。絶縁膜21は、ソース電極11、ドレイン電極12、ゲート電極13間を絶縁できるものであればよく、例えば、SiO2等の他の絶縁膜を用いても良いし、上述のコラプスを抑制するためにSiリッチのSiNを半導体表面に形成し、その上に他の絶縁膜を形成するといった複層構造であっても構わない。
In the second embodiment, stoichiometric SiN is used for the insulating
以下では、図5〜8を参照しながら、電界効果トランジスタにおいて、基板裏面リーク電流Isubの特性と耐圧とについて述べる。 Hereinafter, the characteristics and breakdown voltage of the substrate back surface leakage current Isub in the field effect transistor will be described with reference to FIGS.
図5〜図8は、ソース電圧0V、基板裏面電圧0V、ゲート電圧Vg=−10Vのオフ状態において、ドレイン電圧Vdを変化させたときのドレインリーク電流Id、ゲートリーク電流Ig、基板裏面リーク電流Isubのリーク特性IVカーブである。 5 to 8 show drain leakage current Id, gate leakage current Ig, and substrate backside leakage current when the drain voltage Vd is changed in the off state of source voltage 0V, substrate backside voltage 0V, and gate voltage Vg = −10V. It is a leak characteristic IV curve of Isub.
図5、図6、図7、図8は、それぞれ、図12に示す条件A、条件B、条件C、条件Dの窒化物半導体積層体を用いた電界効果トランジスタのリーク特性IVカーブである。また、図5は、基板裏面リーク電流Isubが低減されていない比較例の電界効果トランジスタのリーク特性IVカーブであり、図6〜図8が本発明のリーク特性IVカーブである。 5, FIG. 6, FIG. 7 and FIG. 8 are leakage characteristics IV curves of the field effect transistor using the nitride semiconductor stacked body under the conditions A, B, C and D shown in FIG. FIG. 5 is a leakage characteristic IV curve of a field effect transistor of a comparative example in which the substrate back surface leakage current Isub is not reduced, and FIGS. 6 to 8 are leakage characteristic IV curves of the present invention.
図5に示すように、ドレイン電圧Vdが350Vで、基板裏面リーク電流Isubが、ドレインリーク電流Idのおよそ20分の1を超えたところで、ドレイン―基板裏面間の基板裏面リーク電流Isubが急増している。完全な破壊までは至ってはいないが、基板裏面リーク電流Isubが急増していることから、350Vがこの電界効果トランジスタの実質的な耐圧と言える。 As shown in FIG. 5, when the drain voltage Vd is 350 V and the substrate back surface leakage current Isub exceeds about 1/20 of the drain leakage current Id, the substrate back surface leakage current Isub increases rapidly between the drain and the substrate back surface. ing. Although it has not been completely destroyed, it can be said that 350 V is a substantial breakdown voltage of the field-effect transistor because the substrate back surface leakage current Isub is increasing rapidly.
このドレイン―基板裏面間に流れる基板裏面リーク電流Isubのリーク経路について解析したところ、図4において、ドレイン電極12から、第二の窒化物半導体層4を通過し、その後、第一の窒化物半導体層3を通過し、その後、第一の窒化物半導体層3とバッファ層2との界面へ流れた後、第一の窒化物半導体層3とバッファ層2との界面にて面内方向に流れ、その後は、電界効果トランジスタより外側にある縦方向破壊箇所や、チップ側面、ウエハ側面等の絶縁的に弱い箇所を通じて基板1裏面に流れていることを、発明者らによって初めて解明された。本発明は、この新たな解明に基づいてなされたものである。
When the leakage path of the substrate back surface leakage current Isub flowing between the drain and the substrate back surface is analyzed, in FIG. 4, the
上記基板裏面リーク電流Isubが生じる現象は、基板耐圧を確保するためのバッファ層2があるにも関わらず、リーク経路はバッファ層2を直接通過せず、上記絶縁的に弱い箇所に回りこむことを意味している。そのため上記現象が生じる場合は、縦方向耐圧はバッファ層2ではなく、第一の窒化物半導体層3で支えられていることを意味しており、これが縦方向の耐圧低下、縦方向リーク電流、つまり、基板裏面リーク電流Isubの増大の原因となっていると考えられる。
The phenomenon that the substrate back surface leakage current Isub is generated is that the leakage path does not pass directly through the
そこで、本発明の第2実施形態の図6の構造(図12の条件Bに相当する)においては、ドレイン電圧Vdが800Vでも、基板裏面リーク電流Isubが、ドレインリーク電流Idの20分の1以下に低減した。より詳しくは、図6に示すように、ドレイン電圧Vd=500Vまでに一度、基板裏面リーク電流Isubは増え、Vd=500V付近で極大値をとってはいるが、ドレイン―基板裏面間の基板裏面リーク電流Isubの問題となる増大には至っておらず、実質的な基板耐圧を向上できている。なお、Vd=500Vを超えると基板裏面リーク電流Isubが減っているのは、ゲート―ドレイン間の電界が強くなり、基板裏面に向かう電流がゲート電極13に向かっているためと結論付けられた。
Therefore, in the structure of FIG. 6 (corresponding to the condition B of FIG. 12) of the second embodiment of the present invention, even if the drain voltage Vd is 800 V, the substrate back surface leakage current Isub is 1/20 of the drain leakage current Id. Reduced to: More specifically, as shown in FIG. 6, the substrate back surface leakage current Isub increases once until the drain voltage Vd = 500 V, and has a maximum value near Vd = 500 V, but the substrate back surface between the drain and the substrate back surface. This has not led to an increase in the leakage current Isub, and the substantial substrate breakdown voltage can be improved. In addition, it was concluded that the substrate back surface leakage current Isub decreased when Vd = 500 V because the electric field between the gate and the drain became strong and the current toward the substrate back surface was directed to the
また、本発明の図7(図12の条件Cに相当する)、図8(図12の条件Dに相当する)の構造においては、基板裏面リーク電流Isubが、ドレインリーク電流Idの100分の1以下に低減した。そうすることで、ドレイン電圧Vd=600V以下において、基板裏面リーク電流Isubは増えることなく、安定した逆バイアスリーク特性となっている。 Further, in the structure of FIG. 7 (corresponding to condition C in FIG. 12) and FIG. 8 (corresponding to condition D in FIG. 12) of the present invention, the substrate back surface leakage current Isub is 100 minutes of the drain leakage current Id. Reduced to 1 or less. By doing so, when the drain voltage Vd = 600 V or less, the substrate back surface leakage current Isub does not increase, and stable reverse bias leakage characteristics are obtained.
前述のように、基板裏面リーク電流Isubの低減方法として、バッファ層2の表面側および第一の窒化物半導体層3のC濃度を制御した。
As described above, as a method for reducing the substrate back surface leakage current Isub, the C concentration of the front surface side of the
なお、上記第一の窒化物半導体層3中のC濃度については、第一の窒化物半導体層3の第二の窒化物半導体層4側(第一の窒化物半導体層3のうちで第二の窒化物半導体層4に最も近い領域)のC濃度が最も高く、バッファ層2側に近づくにつれてC濃度が低くなり、第一の窒化物半導体層3のバッファ層2側(第一の窒化物半導体層3のうちでバッファ層2に最も近い領域)のC濃度が最も低い。すなわち、図12の表の2列目では、「第一の窒化物半導体層全域」と記載して、C濃度の下限値を記載しているが、その数字は第一の窒化物半導体層3のバッファ層2側のC濃度に等しいことになる。
The C concentration in the first
本発明の第2実施形態においては、第一の窒化物半導体層3の厚さ方向の全域のC濃度を4.0×10^18/cm3以上にし(条件Bを充足し)、望ましくは4.9×10^18/cm3以上(条件Cを充足)としている。これにより、ドレイン電極12からの縦方向のリーク電流が第一の窒化物半導体層3で遮られて、基板裏面リーク電流Isubが低減している。
In the second embodiment of the present invention, the C concentration in the entire thickness direction of the first
図9は、第一の窒化物半導体層3のバッファ層2側のC濃度と、基板裏面リーク電流Isubの極大値(極大値をとらなければVd=600V以下での最大値)との関係を示している。前述のように、第一の窒化物半導体層3は、表面側のC濃度が最も高く、深くなるにつれてC濃度が低くなって、第一の窒化物半導体層3のバッファ層2側が最も低いため、第一の窒化物半導体層3のバッファ層2側のC濃度が第一の窒化物半導体層3の厚さ方向の全域にわたるC濃度の下限値となる。したがって、図9の横軸の第一の窒化物半導体層3のバッファ層2側のC濃度とは、第一の窒化物半導体層3の厚さ方向の全域にわたるC濃度の下限値を意味する。図9から分かるように、確かに、第一の窒化物半導体層3のバッファ層2側のC濃度が第1の臨界値としての4.0×10^18/cm3以上になると(条件Bを充足すると)、基板裏面リーク電流Isubが急激に減少し、さらに、第一の窒化物半導体層3のバッファ層2側のC濃度が第2の臨界値としての4.9×10^18/cm3以上になると(条件Cを充足すると)、また、急激に、基板裏面リーク電流Isubが低減していることが分かる。この第1の臨界値(4.0×10^18/cm3)と第2の臨界値(4.9×10^18/cm3)が生じる理論的な根拠は、不明であるが、図9の実験データから、この4.0×10^18/cm3のC濃度と4.9×10^18/cm3のC濃度とが臨界的な意義があることは、明白である。上述の臨界的な意義のあるC濃度の数値4.0×10^18/cm3、4.9×10^18/cm3には、単に、バッファ層2側のC濃度よりも高いC濃度の第一の窒化物半導体層3の第二の窒化物半導体層4側(第一の窒化物半導体層3のうちで第二の窒化物半導体層4に最も近い領域)によって基板裏面リーク電流Isubが低減するという理由以上の臨界的な挙動を説明する物理的な何らかの構造(現在のところ不明であるが)があると考えられる。本発明は、この新たに発見された第1および第2の臨界値で、第一の窒化物半導体層3のバッファ層2側のC濃度、つまり、第一の窒化物半導体層3の深さ方向の全域のC濃度の下限を数値限定したものである。
FIG. 9 shows the relationship between the C concentration on the
また、第一の窒化物半導体層3の表面側、つまり、第一の窒化物半導体層3の第二の窒化物半導体層4側(第一の窒化物半導体層3のうちで第二の窒化物半導体層4に最も近い領域)におけるC濃度を1.5×10^19/cm3以上にし(条件Bを充足し)、望ましくは1.8×10^19/cm3以上(条件Cを充足)としている。これにより、第一の窒化物半導体層3、および、第一の窒化物半導体層3よりも基板側の部位に高い電界強度がかからないようにできる上、基板裏面リーク電流Isubが第一の窒化物半導体層3の表面で遮られるので、基板裏面リーク電流Isubが低減している。
In addition, the surface side of the first
図10に、第一の窒化物半導体層3の表面側(第一の窒化物半導体層3のうちで第二の窒化物半導体層4に最も近い領域)におけるC濃度と、基板裏面リーク電流Isubの極大値(極大をとらなければVd=600V以下での最大値)との関係を示している。図10から分かるように、確かに、第一の窒化物半導体層3の表面側(第一の窒化物半導体層3の第二の窒化物半導体層4側)におけるC濃度が第1の臨界値としての1.5×10^19/cm3以上になると(条件Bを充足すると)、基板裏面リーク電流Isubが急激に減少し、さらに、第一の窒化物半導体層3の表面側におけるC濃度が第2の臨界値としての1.8×10^19/cm3以上になると(条件Cを充足すると)、また、急激に、基板裏面リーク電流Isubを低減していることが分かる。この第1の臨界値(1.5×10^19/cm3)と第2の臨界値(1.8×10^19/cm3)が生じる理論的な根拠は、不明であるが、図10の実験データから、この1.5×10^19/cm3のC濃度と1.8×10^19/cm3のC濃度とが臨界的な意義があることは、明白である。上述の臨界的な意義のあるC濃度の数値1.5×10^19/cm3、1.8×10^19/cm3には、C濃度の高い第一の窒化物半導体層3の第二の窒化物半導体層4側(第一の窒化物半導体層3のうちで第二の窒化物半導体層4に最も近い領域)によって基板裏面リーク電流Isubが低減するという理由以上の臨界的な挙動を説明する物理的な何らかの構造(現在のところ不明であるが)があると考えられる。本発明は、この新たに発見された第1および第2の臨界値で、第一の窒化物半導体層3の表面側のC濃度を数値限定したものである。
FIG. 10 shows the C concentration on the surface side of the first nitride semiconductor layer 3 (the region of the first
また、バッファ層2の表面側(バッファ層2のうちで第一の窒化物半導体層3に最も近い領域)におけるC濃度を1.0×10^19/cm3以上にし(条件Bを充足し)、望ましくは1.5×10^19/cm3以上とし(大略条件Cを充足し)バッファ層2の表面側に、低抵抗部分を無くすることで、基板裏面リーク電流Isubを低減している。
Further, the C concentration on the surface side of the buffer layer 2 (the region closest to the first
図11に、バッファ層2の表面側におけるC濃度と、基板裏面リーク電流Isubの極大値(極大をとらなければVd=600V以下での最大値)との関係を示している。図11から分かるように、確かに、バッファ層2の表面側のC濃度が第1の臨界値としての1.0×10^19/cm3以上になると(条件Bを充足すると)、基板裏面リーク電流Isubが急激に減少し、さらに、バッファ層2の表面側のC濃度が第2の臨界値としての1.5×10^19/cm3以上になると(大略条件Cを充足すると)、また、急激に、基板裏面リーク電流Isubが低減していることが分かる。この第1の臨界値(1.0×10^19/cm3)と第2の臨界値(1.5×10^19/cm3)が生じる理論的な根拠は、不明であるが、図11の実験データから、この1.0×10^19/cm3のC濃度と1.5×10^19/cm3のC濃度とに臨界的な意義があることは、明白である。上述の臨界的な意義のあるC濃度の数値1.0×10^19/cm3、1.5×10^19/cm3には、単に、C濃度の高いバッファ層2の表面側によって基板裏面リーク電流Isubが低減するという理由以上の臨界的な挙動を説明する物理的な何らかの構造(現在のところ不明であるが)があると考えられる。本発明は、この新たに発見された第1および第2の臨界値で、バッファ層2の表面側のC濃度の下限を数値限定したものである。
FIG. 11 shows the relationship between the C concentration on the front surface side of the
本発明および実施形態を纏めると、次のようになる。 The present invention and the embodiments are summarized as follows.
本発明の窒化物半導体積層体は、
基板1上に設けられた窒化物半導体層からなるバッファ層2と、
上記バッファ層2上に積層された窒化物半導体層からなる第一の窒化物半導体層3と、
上記第一の窒化物半導体層3上に積層された窒化物半導体層からなる第二の窒化物半導体層4と、
上記第二の窒化物半導体層4上に積層された窒化物半導体層からなるバリア層5と
を備え、
上記バッファ層2の表面側のC濃度が1.0×10^19/cm3以上であることを特徴としている。
The nitride semiconductor laminate of the present invention is
A
A first
A second
A
The
上記構成により、上記バッファ層2の表面側のリーク電流が低減され、かつ、バッファ層2の表面側の低抵抗部分を無くすことができるから、高い電界が第一の窒化物半導体層3にかかるのを防ぐことができて、耐圧を向上させることが可能となる。
With the above configuration, the leakage current on the surface side of the
また、1実施形態では、
上記第一の窒化物半導体層3のC濃度が、深さ方向全域にわたり4.0×10^18/cm3以上である。
In one embodiment,
The C concentration of the first
これにより、高電圧が印加されたドレイン等からの縦方向のリーク電流が第一の窒化物半導体層3で遮られるから、基板裏面リーク電流Isubを低減することが可能となる。
Thereby, since the vertical leakage current from the drain or the like to which a high voltage is applied is blocked by the first
また、1実施形態では、
上記第一の窒化物半導体層3の第二の窒化物半導体層4側のC濃度が1.5×10^19/cm3以上である。
In one embodiment,
The C concentration of the first
これにより、第一の窒化物半導体層3、および、第一の窒化物半導体層3よりも基板1側の部位に高い電界強度がかからないようにできる上、高電圧が印加されたドレイン電極12からの縦方向リーク電流が第一の窒化物半導体層3の表面で遮られるから、さらに基板裏面リーク電流Isubを低減することが可能となる。
Thereby, it is possible to prevent a high electric field intensity from being applied to the first
また、1実施形態では、
上記第一の窒化物半導体層3のC濃度が、バッファ層2側から第二の窒化物半導体層4側に向かって増加する。
In one embodiment,
The C concentration of the first
これにより、バッファ層2と第一の窒化物半導体層3との間の格子不整合によって生じるキャリアの補償に効果を有し、リーク電流の低減につながる。
This has an effect on compensation of carriers generated by lattice mismatch between the
また、本発明の電界効果トランジスタは、
上記窒化物半導体積層体と、
上記窒化物半導体積層体上に互いに間隔をあけて配置されたソース電極11およびドレイン電極12と、
上記ソース電極11と上記ドレイン電極12との間、かつ、上記窒化物半導体積層体上に形成されたゲート電極13と
を備えることを特徴としている。
The field effect transistor of the present invention is
The nitride semiconductor laminate;
A
A
上記構成の電界効果トランジスタによれば、上記窒化物半導体積層体によって、ドレイン電極12と基板1裏面間のリーク経路に基板裏面リーク電流Isubが流れることによって誘発される絶縁破壊を防ぐことができるため、高い耐圧を得ることができる。
According to the field effect transistor having the above configuration, the nitride semiconductor multilayer body can prevent a dielectric breakdown induced by a substrate back surface leakage current Isub flowing in a leakage path between the
より具体的には、上記電界効果トランジスタによれば、ゲート電極13にオフ状態動作となるゲート電圧を印加し、基板1裏面はソース電極11と同電位にし、ドレイン電極12に600V以下のドレイン電圧を印加したときに、基板1裏面に流入する基板裏面リーク電流Isubを、ドレイン電極12から流出するドレインリーク電流の20分の1以下とすることが可能である。
More specifically, according to the above-described field effect transistor, a gate voltage to be turned off is applied to the
さらに、著しい場合は、ゲート電極13にオフ状態動作となるゲート電圧を印加し、基板1裏面をソース電極11と同電位にして、ドレイン電極12に600V以下のドレイン電圧を印加したときに、基板1裏面に流入する基板裏面リーク電流Isubを、ドレイン電極12から流出するドレインリーク電流の100分の1以下とすることも可能である。
Further, in a remarkable case, when a gate voltage for an off-state operation is applied to the
上記第1、第2実施形態では、第一の窒化物半導体層3のC濃度は、バッファ層2側から第二の窒化物半導体層4側に向けて、徐々に増大するものであったが、バッファ層側から第二の窒化物半導体層4側に向けて段階的に増大するものであってもよく、また、第一の窒化物半導体層のC濃度は厚さ方向に一様であってもよい。
In the first and second embodiments, the C concentration of the first
また、上記第1、第2実施形態では、バッファ層2は超格子構造であったが、超格子構造でなくてもよい。
In the first and second embodiments, the
上記第1、第2実施形態では、窒化物半導体層として、GaN層、AlN層、AlGaN層等を述べたが、BAlGaInN層であってもよい。 In the first and second embodiments, the GaN layer, the AlN layer, the AlGaN layer, and the like are described as the nitride semiconductor layer, but a BAlGaInN layer may be used.
以上により、この発明の具体的な第1および第2実施形態について説明したが、この発明は上記第1および第2実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。 The specific first and second embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the first and second embodiments, and various modifications can be made within the scope of the present invention. Can be implemented.
1 基板
2 バッファ層
3 第一の窒化物半導体層
4 第二の窒化物半導体層
5 バリア層
10 オーミック電極
11 ソース電極
12 ドレイン電極
13 ゲート電極
21 絶縁膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (5)
上記バッファ層上に積層された窒化物半導体層からなる第一の窒化物半導体層と、
上記第一の窒化物半導体層上に積層された窒化物半導体層からなる第二の窒化物半導体層と、
上記第二の窒化物半導体層上に積層された窒化物半導体層からなるバリア層と
を備え、
上記バッファ層の表面側のC濃度が1.0×10^19/cm3以上であることを特徴とする窒化物半導体積層体。 A buffer layer made of a nitride semiconductor layer provided on a substrate;
A first nitride semiconductor layer comprising a nitride semiconductor layer stacked on the buffer layer;
A second nitride semiconductor layer comprising a nitride semiconductor layer stacked on the first nitride semiconductor layer;
A barrier layer made of a nitride semiconductor layer stacked on the second nitride semiconductor layer,
The nitride semiconductor multilayer body, wherein the C concentration on the surface side of the buffer layer is 1.0 × 10 ^ 19 / cm 3 or more.
上記第一の窒化物半導体層のC濃度が、深さ方向全域にわたり4.0×10^18/cm3以上であることを特徴とする窒化物半導体積層体。 The nitride semiconductor multilayer body according to claim 1,
The nitride semiconductor multilayer body, wherein the C concentration of the first nitride semiconductor layer is 4.0 × 10 ^ 18 / cm 3 or more over the entire depth direction.
上記第一の窒化物半導体層の第二の窒化物半導体層側のC濃度が1.5×10^19/cm3以上であることを特徴とする窒化物半導体積層体。 The nitride semiconductor multilayer body according to claim 1 or 2,
The nitride semiconductor multilayer body, wherein the C concentration of the first nitride semiconductor layer on the second nitride semiconductor layer side is 1.5 × 10 ^ 19 / cm 3 or more.
上記第一の窒化物半導体層のC濃度が、バッファ層側から第二の窒化物半導体層側に向かって増加することを特徴とする窒化物半導体積層体。 The nitride semiconductor multilayer body according to any one of claims 1 to 3,
The nitride semiconductor multilayer body, wherein the C concentration of the first nitride semiconductor layer increases from the buffer layer side toward the second nitride semiconductor layer side.
上記窒化物半導体積層体上に互いに間隔をあけて配置されたソース電極およびドレイン電極と、
上記ソース電極と上記ドレイン電極との間、かつ、上記窒化物半導体積層体上に形成されたゲート電極と
を備えることを特徴とする電界効果トランジスタ。 The nitride semiconductor multilayer body according to any one of claims 1 to 4,
A source electrode and a drain electrode that are spaced apart from each other on the nitride semiconductor laminate;
A field effect transistor comprising: a gate electrode formed between the source electrode and the drain electrode and on the nitride semiconductor multilayer body.
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