JP2015177063A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ゲートリーク電流が低減された半導体装置を提供する。【解決手段】第1の窒化物半導体層14と、第1の窒化物半導体層14上に設けられ、第1の窒化物半導体層14よりバンドギャップの大きい第2の窒化物半導体層16と、第2の窒化物半導体層16上に設けられるソース電極18と、第2の窒化物半導体層16上に設けられるドレイン電極20と、ソース電極18とドレイン電極20の間の第2の窒化物半導体層16上に設けられ、不純物濃度が1?1017atoms/cm3以下で、第2の窒化物半導体層16よりバンドギャップの小さい第3の窒化物半導体層22と、第3の窒化物半導体層22上に設けられるp型の第4の窒化物半導体層24と、第4の窒化物半導体層24上に設けられるゲート電極26と、を備える。【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
スイッチング電源やインバータなどの回路には、スイッチング素子やダイオードなどの半導体素子が用いられる。これらの半導体素子には高耐圧・低オン抵抗が求められる。そして、耐圧とオン抵抗の関係は、素子材料で決まるトレードオフ関係がある。
これまでの技術開発の進歩により、半導体素子は、主な素子材料であるシリコンの限界近くまで低オン抵抗が実現されている。オン抵抗を更に低減するには、素子材料の変更が必要である。GaNやAlGaNなどの窒化物半導体や炭化珪素(SiC)などのワイドバンドギャップ半導体をスイッチング素子材料として用いることで、材料で決まるトレードオフ関係を改善でき、飛躍的に低オン抵抗化が可能である。
GaNやAlGaNなどの窒化物半導体を用いた素子で、低オン抵抗が得られる素子として、例えば、AlGaN/GaNへテロ構造を用いたHEMT(High Electron Mobility Transistor)が挙げられる。HEMTは、ヘテロ接合界面チャネルの高移動度と、分極により発生する高電子濃度により、低オン抵抗を実現する。
しかし、HEMTは分極により電子を発生させるため、ゲート電極下にも高濃度の電子が存在する。このため、通常、ゲート閾値電圧がマイナスとなるノーマリーオン型素子となってしまう。安全動作上、ゲート閾値電圧がプラスとなるノーマリーオフ型素子が望まれる。例えば、ノーマリーオフ型素子を実現するためにp型の半導体層をゲート電極下に設ける方法がある。この方法では、ゲートリーク電流の増大が懸念される。
ゲートリーク電流が低減された半導体装置を提供する。
本発明の一態様の半導体装置は、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設けられ、前記第1の窒化物半導体層よりバンドギャップの大きい第2の窒化物半導体層と、前記第2の窒化物半導体層上に設けられるソース電極と、前記第2の窒化物半導体層上に設けられるドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極の間の前記第2の窒化物半導体層上に設けられ、不純物濃度が1×1017atoms/cm3以下で、前記第2の窒化物半導体層よりバンドギャップの小さい第3の窒化物半導体層と、前記第3の窒化物半導体層上に設けられるp型の第4の窒化物半導体層と、前記第4の窒化物半導体層上に設けられるゲート電極と、を備える。
本明細書中、同一または類似する部材については、同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。
本明細書中、「窒化物半導体」とは、例えば、GaN系半導体である。GaN系半導体とは、GaN(窒化ガリウム)、AlN(窒化アルミニウム)、InN(窒化インジウム)およびそれらの中間組成を備える半導体の総称である。
本明細書中、「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。
(第1の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、第1の窒化物半導体層と、第1の窒化物半導体層上に設けられ、第1の窒化物半導体層よりバンドギャップの大きい第2の窒化物半導体層と、第2の窒化物半導体層上に設けられるソース電極と、第2の窒化物半導体層上に設けられるドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極の間の第2の窒化物半導体層上に設けられ、不純物濃度が1×1017atoms/cm3以下で、第2の窒化物半導体層よりバンドギャップの小さい第3の窒化物半導体層と、第3の窒化物半導体層上に設けられるp型の第4の窒化物半導体層と、第4の窒化物半導体層上に設けられるゲート電極と、を備える。
本実施形態の半導体装置は、第1の窒化物半導体層と、第1の窒化物半導体層上に設けられ、第1の窒化物半導体層よりバンドギャップの大きい第2の窒化物半導体層と、第2の窒化物半導体層上に設けられるソース電極と、第2の窒化物半導体層上に設けられるドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極の間の第2の窒化物半導体層上に設けられ、不純物濃度が1×1017atoms/cm3以下で、第2の窒化物半導体層よりバンドギャップの小さい第3の窒化物半導体層と、第3の窒化物半導体層上に設けられるp型の第4の窒化物半導体層と、第4の窒化物半導体層上に設けられるゲート電極と、を備える。
図1は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。本実施形態の半導体装置は、GaN系半導体を用いたHEMTである。
図1に示すように、半導体装置(HEMT)100は、基板10、バッファ層12、チャネル層(第1の窒化物半導体層)14、バリア層(第2の窒化物半導体層)16、ソース電極18、ドレイン電極20、第1のキャップ層(第3の窒化物半導体層)22、第2のキャップ層(第4の窒化物半導体層)24、および、ゲート電極26を備える。
基板10は、例えば、シリコン(Si)で形成される。シリコン以外にも、例えば、サファイア(Al2O3)や炭化珪素(SiC)を適用することも可能である。
基板10上に、バッファ層12が設けられる。バッファ層12は、基板10とチャネル層14との間の格子不整合を緩和する機能を備える。バッファ層12は、例えば、窒化アルミニウムガリウム(AlWGa1−WN(0<W<1))の多層構造で形成される。
バッファ層12上に、チャネル層14が設けられる。チャネル層14は、例えば、アンドープのAlXGa1−XN(0≦X<1)である。より具体的には、例えば、アンドープのGaNである。チャネル層14の膜厚は、例えば、0.5μm以上3μm以下である。
チャネル層14上に、バリア層16が設けられる。バリア層16のバンドギャップは、チャネル層14のバンドギャップよりも大きい。バリア層16は、例えば、アンドープのAlYGa1−YN(0<Y≦1、X<Y)である。より具体的には、例えば、アンドープのAl0.2Ga0.8Nである。バリア層16の膜厚は、例えば、20nm以上50nm以下である。
チャネル層14とバリア層16との間は、ヘテロ接合界面となる。HEMT100のオン動作時は、ヘテロ接合界面に二次元電子ガスが形成されキャリアとなる。
バリア層16上には、ソース電極18とドレイン電極20が形成される。ソース電極18とドレイン電極20は、例えば、金属電極であり、金属電極は、例えば、アルミニウム(Al)を主成分とする電極である。ソース電極18およびドレイン電極20と、バリア層16との間は、オーミックコンタクトであることが望ましい。ソース電極18とドレイン電極20との距離は、例えば、18μm程度である。
バリア層16上のソース電極18とドレイン電極20との間に、第1のキャップ層22が設けられる。第1のキャップ層22は、高抵抗層として、ゲートリーク電流を抑制する機能を備える。
第1のキャップ層22の、不純物濃度は1×1017atoms/cm3以下である。第1のキャップ層22には、不純物濃度が1×1017atoms/cm3以下の領域がある。第1のキャップ層22を高抵抗にする観点から、不純物濃度は1×1016atoms/cm3以下であることが望ましく、1×1015atoms/cm3以下であることがより望ましい。
不純物濃度は、例えば、SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)により分析可能である。
第1のキャップ層22のバンドギャップは、チャネル層14のバンドギャップよりも小さい。第1のキャップ層22は、例えば、アンドープのAlZGa1−ZN(0≦Z<1、Y>Z)である。より具体的には、例えば、アンドープのGaNである。第1のキャップ層22の膜厚は、例えば、1nm以上10nm以下である。第1のギャップ層22は、単結晶である。
第1のキャップ層22上に、p型の第2のキャップ層24を備えている。p型の第2のキャップ層24は、チャネル層14のポテンシャルを持ち上げ、HEMT100の閾値を上昇させる機能を備える。
第2のキャップ層24は、例えば、p型のAlUGa1−UN(0≦U<1)である。より具体的には、例えば、p型GaNである。第2のキャップ層24の膜厚は、例えば、5nm以上500nm以下である。
第2のキャップ層24に含有されるp型不純物は、例えば、Mg(マグネシウム)である。第2のキャップ層24中のp型不純物の濃度は、チャネル層14のポテンシャルを持ち上げる観点から、1×1018atoms/cm3以上であることが望ましく、1×1019atoms/cm3以上であることが、より望ましい。第2のキャップ層24は単結晶である。
第2のキャップ層24上にゲート電極26が設けられる。ゲート電極26は、例えば、金属電極である。金属電極は、例えば、白金(Pt)と金(Au)の積層構造を主とする電極である。ゲート電極26とp型の第2のキャップ層24との間は、オーミックコンタクトであることが望ましい。
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法の一例について説明する。
まず、基板10、例えば、Si基板を準備する。次に、例えば、Si基板上にエピタキシャル成長により、バッファ層12を成長させる。
次に、バッファ層12上に、チャネル層14となるアンドープのGaN、バリア層16となるアンドープのAl0.2Ga0.8Nをエピタキシャル成長により形成する。
次に、第1のキャップ層22となるアンドープGaN、第2のキャップ層24となるp型GaNを連続的に、エピタキシャル成長により成膜する。例えば、GaNのソースガスをエピタキシャル成長装置内に保持される基板10に供給しアンドープGaNを形成する。
その後、MgのソースガスをGaNのソースガスに添加することで、アンドープのGaNとp型GaNを連続的に成膜する。第1のキャップ層22と、第2のキャップ層24は、例えば、バリア層16表面に、パターニングされた絶縁膜を形成し、バリア層16表面に選択的に成長させる。
次に、バリア層16表面に、金属膜の成膜とパターニングにより、ソース電極18およびドレイン電極20を形成する。また、金属膜の成膜とパターニングにより、第2のキャップ層24上に、ゲート電極26を形成する。
上記、製造方法により図1に示す半導体装置100が製造される。
次に、本実施形態の半導体装置100の作用および効果について説明する。
本実施形態のHEMT100では、ゲート電極26の直下では、p型の第2のキャップ層24が存在することにより、チャネル層14のポテンシャルが持ち上がる。このため、2次元電子ガスの発生が抑制され、HEMT100の閾値が、第2のキャップ層24が存在しない場合に比べ上昇する。ヘテロ接合界面の伝導帯下端のエネルギーが、フェルミレベルよりも高エネルギー側になると、ゲート電圧が0Vでもチャネル層14が空乏化して、HEMT100がノーマリーオフ動作となる。
もっとも、HEMT100を動作させるために、ゲート電極に正の電圧が印加されると、接地されているソース電極18とゲート電極26との間で、バリア層16とp型の第2のキャップ層24との間の接合に、順方向の電圧が印加される。このため、ゲートリーク電流が増大するおそれがある。
本実施形態では、p型の第2のキャップ層24よりも膜厚が薄く、p型不純物濃度の低い第1のキャップ層22を、バリア層16と第2のキャップ層24との間に挟む。第1のキャップ層22が高抵抗となるため、ゲートリーク電流が抑制される。
なお、第1のキャップ層22の膜厚は、1nm以上10nm以下である。第1のキャップ層22の膜厚は、2nm以上6nm以下であることが望ましい。
第1のキャップ層22の膜厚が上記範囲を下回ると、第1のキャップ層22の抵抗が低くなり、ゲートリーク電流の抑制効果が十分得られないおそれがある。また、第1のキャップ層22の膜厚が上記範囲を上回ると、p型の第2のキャップ層24によるチャネル層14のポテンシャルが十分に持ち上がらないおそれがある。すなわち、p型の第2のキャップ層24が、厚い第1のキャップ層22のポテンシャルを持ち上げることで、結果的に、チャネル層14のポテンシャルが十分に持ち上がらないおそれがある。
以上のように、本実施形態によれば、ノーマリーオフ動作と、ゲートリーク電流の抑制を実現するHEMT100が提供される。
(第2の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、底面および側面が第2の窒化物半導体層内に位置する凹部の底面および側面に、第3の窒化物半導体層が設けられること以外は、第1の実施形態と同様である。したがって、第1の実施形態と重複する内容については、記述を省略する。
本実施形態の半導体装置は、底面および側面が第2の窒化物半導体層内に位置する凹部の底面および側面に、第3の窒化物半導体層が設けられること以外は、第1の実施形態と同様である。したがって、第1の実施形態と重複する内容については、記述を省略する。
図2は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。本実施形態の半導体装置は、GaN系半導体を用いたHEMTである。
図2に示すように、半導体装置(HEMT)200は、基板10、バッファ層12、チャネル層(第1の窒化物半導体層)14、バリア層(第2の窒化物半導体層)16、ソース電極18、ドレイン電極20、第1のキャップ層(第3の窒化物半導体層)22、第2のキャップ層(第4の窒化物半導体層)24、ゲート電極26、および、凹部30を備える。
HEMT200は、バリア層16内に設けられた凹部(トレンチ)30内に、第1のキャップ層22と第2のキャップ層24が設けられる。凹部30の底面30aおよび側面30bは、バリア層内に位置する。
HEMT200は、いわゆるリセス構造を備える。第1のキャップ層22は、凹部30の底面30aおよび側面30bに接して設けられる。
本実施形態のHEMT200は、第1のキャップ層22および第2のキャップ層24を形成する前に、バリア層16表面にエッチングにより凹部30を設けること以外は、第1の実施形態と同様の方法で、製造することが可能である。
HEMT200は、p型の第2のキャップ層24を備えることで、トランジスタの閾値を上昇させることができる。また、高抵抗の第1のキャップ層22を備えることで、ゲートリーク電流が抑制される。
また、HEMT200は、リセス構造を備えることで、ゲート電極26下のバリア層16が薄くなる。したがって、ピエゾ分極量が低下し、ゲート電極26下での2次元電子ガスの濃度が低下する。したがって、ノーマリーオフ動作の実現が容易となる。
図2に示すように、第1のキャップ層22の側面30b上の膜厚が、第1のキャップ層22の底面30a上の膜厚よりも大きいことが望ましい。この構成により、底面30a上の第1のキャップ層22が厚くなりすぎて、HEMT200の閾値が低下することが抑制される。一方、側面30bの膜厚を厚くすることにより、側面30bでのゲートリーク電流を抑制することが可能となる。
また、図2に示すように、第1のキャップ層22と第2のキャップ層24との界面が、バリア層16のチャネル層14と反対側の表面よりも、ゲート電極26側にあることが望ましい。この構成により、凹部30の上側の角部で第1のキャップ層22が薄くなり、ゲートリーク電流が大きくなることを抑制できる。
また、図2に示すように、第1のキャップ層22の端部が、凹部30外のバリア層16表面に位置することが望ましい。この構成により、製造時の、凹部30と第1のキャップ層22との位置合わせマージンが向上し、特性の安定したHEMT200が実現できる。加えて、凹部30の上側の角部で第1のキャップ層22が薄くなり、ゲートリーク電流が大きくなることを抑制できる。
(変形例)
図3は、本実施形態の変形例の半導体装置の模式断面図である。本変形例のHEMT300では、図3に示すように、チャネル層(第1の窒化物半導体層)14とバリア層(第2の窒化物半導体層)16との界面に対し、凹部30の側面30bが90度未満の傾斜角を備える。
図3は、本実施形態の変形例の半導体装置の模式断面図である。本変形例のHEMT300では、図3に示すように、チャネル層(第1の窒化物半導体層)14とバリア層(第2の窒化物半導体層)16との界面に対し、凹部30の側面30bが90度未満の傾斜角を備える。
側面30bに傾斜を設けることで、凹部30を第1のキャップ層22および第2のキャップ層24により埋め込むことが容易となる。したがって、第1のキャップ層22の側面30b上の膜厚を、第1のキャップ層22の底面30a上の膜厚よりも大きくすることも容易となる。
以上、本実施形態によれば、第1の実施形態同様、ノーマリーオフ動作と、ゲートリーク電流の抑制を実現するHEMT200、HEMT300が提供される。さらに、リセス構造とすることにより、ノーマリーオフ動作とすることが容易となる。
実施形態では、窒化物半導体層の材料としてGaNやAlGaNを例に説明したが、例えば、インジウム(In)を含有するInGaN、InAlN、InAlGaNを適用することも可能である。また、窒化物半導体層の材料としてAlNを適用することも可能である。
また、実施形態では、バリア層として、ノンドープのAlGaNを例に説明したが、n型のAlGaNを適用することも可能である。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換えまたは変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
14 チャネル層(第1の窒化物半導体層)
16 バリア層(第2の窒化物半導体層)
18 ソース電極
20 ドレイン電極
22 第1のキャップ層(第3の窒化物半導体層)
24 第2のキャップ層(第4の窒化物半導体層)
26 ゲート電極
30 凹部
30a 底面
30b 側面
100 HEMT(半導体装置)
200 HEMT(半導体装置)
300 HEMT(半導体装置)
16 バリア層(第2の窒化物半導体層)
18 ソース電極
20 ドレイン電極
22 第1のキャップ層(第3の窒化物半導体層)
24 第2のキャップ層(第4の窒化物半導体層)
26 ゲート電極
30 凹部
30a 底面
30b 側面
100 HEMT(半導体装置)
200 HEMT(半導体装置)
300 HEMT(半導体装置)
Claims (10)
- 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設けられ、前記第1の窒化物半導体層よりバンドギャップの大きい第2の窒化物半導体層と、
前記第2の窒化物半導体層上に設けられるソース電極と、
前記第2の窒化物半導体層上に設けられるドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極の間の前記第2の窒化物半導体層上に設けられ、不純物濃度が1×1017atoms/cm3以下で、前記第2の窒化物半導体層よりバンドギャップの小さい第3の窒化物半導体層と、
前記第3の窒化物半導体層上に設けられるp型の第4の窒化物半導体層と、
前記第4の窒化物半導体層上に設けられるゲート電極と、
を備えることを特徴とする半導体装置。 - 前記第3の窒化物半導体層の膜厚が1nm以上10nm以下であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記第4の窒化物半導体層のp型不純物濃度が1×1018atoms/cm3以上であることを特徴とする請求項1または請求項2記載の半導体装置。
- 前記第3の窒化物半導体層および前記第4の窒化物半導体層が単結晶層であることを特徴とする請求項1ないし請求項3いずれか一項記載の半導体装置。
- 底面および側面が前記第2の窒化物半導体層内に位置する凹部の、前記底面および前記側面に前記第3の窒化物半導体層が設けられることを特徴とする請求項1ないし請求項4いずれか一項記載の半導体装置。
- 前記第3の窒化物半導体層の前記側面上の膜厚が、前記第3の窒化物半導体層の前記底面上の膜厚よりも大きいことを特徴とする請求項5記載の半導体装置。
- 前記第1の窒化物半導体層と前記第2の窒化物半導体層との界面に対し、前記側面が90度未満の傾斜角を備えることを特徴とする請求項5または請求項6記載の半導体装置。
- 前記第3の窒化物半導体層と前記第4の窒化物半導体層との界面が、前記第2の窒化物半導体層の前記第1の窒化物半導体層と反対側の表面よりも、前記ゲート電極側にあることを特徴とする請求項5ないし請求項7いずれか一項記載の半導体装置。
- 前記第4の窒化物半導体層が、p型不純物としてMg(マグネシウム)を含有することを特徴とする請求項1ないし請求項8いずれか一項記載の半導体装置。
- 前記第1の窒化物半導体層がAlXGa1−XN(0≦X<1)であり、
前記第2の窒化物半導体層がAlYGa1−YN(0<Y≦1、X<Y)であり、
前記第3の窒化物半導体層がAlZGa1−ZN(0≦Z<1、Y>Z)であり、
前記第4の窒化物半導体層がAlUGa1−UN(0≦U<1)であることを特徴とする請求項1ないし請求項9いずれか一項記載の半導体装置。
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Cited By (1)
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