JP2022016950A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、半導体装置に関する。 The present disclosure relates to semiconductor devices.
窒化物半導体を用いた半導体装置としては、電界効果トランジスタ、特に高電子移動度トランジスタ(high electron mobility transistor:HEMT)についての報告が数多くなされている。窒化物半導体を用いたHEMTとして、GaN層をチャネル層に、AlGaN層をバリア層に用いたHEMTが知られている。このようなGaN系HEMTでは、AlGaNとGaNとの格子定数の差に起因する歪みがAlGaN層に生じ、この歪みに伴ってピエゾ分極が生じ、高濃度の二次元電子ガス(two-dimensional electron gas:2DEG)がAlGaN層下のGaN層の上面近傍に発生する。このため、高い出力が得られる。 As a semiconductor device using a nitride semiconductor, many reports have been made on field effect transistors, particularly high electron mobility transistors (HEMTs). As a HEMT using a nitride semiconductor, a HEMT using a GaN layer as a channel layer and an AlGaN layer as a barrier layer is known. In such a GaN-based HEMT, strain due to the difference in lattice constant between AlGaN and GaN occurs in the AlGaN layer, and piezopolarization occurs with this strain, resulting in high-concentration two-dimensional electron gas. : 2DEG) is generated near the upper surface of the GaN layer under the AlGaN layer. Therefore, a high output can be obtained.
従来、ノーマリーオフ動作の実現のために、ゲート電極下にp型GaN層又はInGaN層が設けられた半導体装置が提案されている。 Conventionally, in order to realize a normally-off operation, a semiconductor device in which a p-type GaN layer or an InGaN layer is provided under a gate electrode has been proposed.
しかしながら、従来のトランジスタでは、閾値電圧を高くすることが困難であり、安定したノーマリーオフ動作を実現できない。 However, with a conventional transistor, it is difficult to increase the threshold voltage, and stable normally-off operation cannot be realized.
本開示の目的は、閾値電圧を高くすることができる半導体装置を提供することにある。 An object of the present disclosure is to provide a semiconductor device capable of increasing the threshold voltage.
本開示の一形態によれば、第1窒化物半導体の下地と、前記下地の上方に設けられた第2窒化物半導体のチャネル層と、前記チャネル層の上方に設けられたバリア層と、前記チャネル層及び前記バリア層に設けられた第1開口部及び第2開口部と、前記第1開口部内に設けられ、前記チャネル層に接触し、導電性を備えた第3窒化物半導体の第1コンタクト層と、前記第2開口部内に設けられ、前記チャネル層に接触し、導電性を備えた第4窒化物半導体の第2コンタクト層と、前記第1コンタクト層の上に設けられたソース電極と、前記第2コンタクト層の上に設けられたドレイン電極と、前記バリア層の上方で、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられたゲート電極と、を有し、前記チャネル層の伝導帯の下端は、前記ゲート電極に電圧が印加されていない状態でフェルミレベルよりも高い半導体装置が提供される。 According to one embodiment of the present disclosure, the substrate of the first nitride semiconductor, the channel layer of the second nitride semiconductor provided above the substrate, the barrier layer provided above the channel layer, and the above. The first opening and the second opening provided in the channel layer and the barrier layer, and the first of the third nitride semiconductor provided in the first opening and in contact with the channel layer and having conductivity. A contact layer, a second contact layer of a fourth nitride semiconductor provided in the second opening and in contact with the channel layer and having conductivity, and a source electrode provided on the first contact layer. And a drain electrode provided on the second contact layer, and a gate electrode provided between the source electrode and the drain electrode above the barrier layer, and the channel layer. A semiconductor device having a lower end of the conduction band higher than the Fermi level is provided in a state where no voltage is applied to the gate electrode.
本開示によれば、閾値電圧を高くすることができる。 According to the present disclosure, the threshold voltage can be increased.
以下、本開示の実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be specifically described with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the drawings, components having substantially the same functional configuration may be designated by the same reference numerals to omit duplicate explanations.
(第1実施形態)
第1実施形態について説明する。第1実施形態は、高電子移動度トランジスタ(HEMT)を含む半導体装置に関する。図1は、第1実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
(First Embodiment)
The first embodiment will be described. The first embodiment relates to a semiconductor device including a high electron mobility transistor (HEMT). FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the first embodiment.
第1実施形態に係る半導体装置100は、図1に示すように、窒化物半導体積層構造104を有する。窒化物半導体積層構造104には、基板101と、チャネル層102と、バリア層103とが含まれる。チャネル層102は基板101上に形成されている。バリア層103はチャネル層102上に形成されている。
As shown in FIG. 1, the
基板101は、例えばAlN自立基板であり、基板101の上面はAl極性面である。つまり、基板101の上面のミラー指数は(0001)である。チャネル層102は、例えば厚さが50nm以下のGaN層である。バリア層103は、例えば厚さが4nm~20nmのInx1Aly1Ga1-x1-y1N層(0.00≦x1≦0.20、0.00<y1≦1.00)である。基板101は下地の一例である。基板101のAlNは第1窒化物半導体の一例である。チャネル層102のGaNは第2窒化物半導体の一例である。バリア層103のInx1Aly1Ga1-x1-y1N(0.00≦x1≦0.20、0.00≦y1≦1.00)は第5窒化物半導体の一例である。基板101とチャネル層102との間にAlNのバッファ層が含まれてもよい。このバッファ層も下地に含まれる。
The
窒化物半導体積層構造104に、素子領域を画定する素子分離領域が形成されており、素子領域内において、バリア層103及びチャネル層102にソース用の開口部111s及びドレイン用の開口部111dが形成されている。開口部111s及び111dは、互いから離れて形成されている。例えば、開口部111sと開口部111dとの間の距離L1は、40nm~1000nm程度である。開口部111s及び111dは、基板101に入り込むように形成されている。すなわち、開口部111s及び111dの各底面は、基板101の開口部111sと開口部111dとの間の部分の上面(基板101とチャネル層102との界面12)よりも下方(下面側)に位置している。例えば、界面12を基準とした開口部111s及び111dの各底面の深さDは、10nm~100nm程度である。
An element separation region defining an element region is formed in the nitride semiconductor laminated
開口部111s内にソース用の導電性のコンタクト層112sが形成され、開口部111d内にドレイン用の導電性のコンタクト層112dが形成されている。コンタクト層112s及び112dは、例えば厚さが50nm~200nm程度のn型GaN層である。コンタクト層112s及び112dには、例えばn型不純物としてSiが5×1018cm-3程度の濃度でドーピングされている。コンタクト層112s及び112dに、n型不純物としてGe又はO等がドーピングされていてもよい。コンタクト層112s及び112dのn型GaNは、例えば1×1017cm-3~5×1020cm-3の濃度でn型不純物を含有してもよい。コンタクト層112s及び112dも窒化物半導体積層構造104に含まれる。開口部111sは第1開口部の一例であり、開口部111dは第2開口部の一例である。コンタクト層112sは第1コンタクト層の一例であり、コンタクト層112dは第2コンタクト層の一例である。コンタクト層112sのn型GaNは第3窒化物半導体の一例であり、コンタクト層112dのn型GaNは第4窒化物半導体の一例である。
A
コンタクト層112sの上面の一部の上にソース電極1sが形成され、コンタクト層112dの上面の一部の上にドレイン電極1dが形成されている。ソース電極1sのドレイン電極1d側の端は、コンタクト層112sのドレイン電極1d側の端部よりも、ドレイン電極1dから離れている。ドレイン電極1dのソース電極1s側の端は、コンタクト層112dのソース電極1s側の端部よりも、ソース電極1sから離れている。
The
バリア層103上に、ソース電極1s及びドレイン電極1dを覆うパッシベーション膜108が形成されている。パッシベーション膜108には、平面視でソース電極1s及びドレイン電極1dの間に位置する開口部108gが形成されており、開口部108gを通じてバリア層103と接するゲート電極1gがパッシベーション膜108上に形成されている。
A
例えば、開口部108gの幅(ゲート長方向における寸法)L2は距離L1より小さく、20nm~500nm程度である。例えば、ゲート電極1gのパッシベーション膜108上の部分の幅L3は距離L1より大きく、50nm~2000nm程度である。平面視で、コンタクト層112sの一部とゲート電極1gの一部とが重なり合い、コンタクト層112dの一部とゲート電極1gの一部とが重なり合う。
For example, the width (dimension in the gate length direction) L2 of the opening 108 g is smaller than the distance L1 and is about 20 nm to 500 nm. For example, the width L3 of the portion of the
ソース電極1s及びドレイン電極1dは、例えば厚さが10nm~50nmのTa膜及びその上の厚さが100nm~500nmのAl膜を含む。ソース電極1sはコンタクト層112sにオーミック接触し、ドレイン電極1dはコンタクト層112dにオーミック接触している。ゲート電極1gは、例えば厚さが10nm~50nmのNi膜及びその上の厚さが300nm~500nmのAu膜を含み、バリア層103とショットキー接触している。パッシベーション膜108は、例えばSi、Al、Hf、Zr、Ti、Ta又はWの酸化物、窒化物又は酸窒化物の膜であり、好ましくはSi窒化物(SiN)の膜である。パッシベーション膜108の厚さは、例えば2nm~500nmであり、好ましくは100nm程度である。
The
次に、半導体装置100のバンド構造について説明する。図2は、半導体装置100の伝導帯の下端Ecを示すバンド図である。図2には、フェルミレベルEfも示す。図2には、ゲート電極1gに電圧が印加されていないときの、パッシベーション膜108の開口部108gの下方におけるバンド図を示す。半導体装置100では、AlNの基板101上にGaNのチャネル層102が形成され、GaNのチャネル層102上にInx1Aly1Ga1-x1-y1N(0.00≦x1≦0.20、0.00≦y1≦1.00)のバリア層103が形成されている。チャネル層102の伝導帯の下端Ecは基板101の伝導帯の下端Ecより低く、バリア層103の伝導帯の下端Ecはチャネル層102の伝導帯の下端Ecより高い。AlNは強い自発分極を有しており、チャネル層102の伝導帯の下端Ecを引き上げる。また、チャネル層102の厚さは、例えば50nm以下であり、比較的薄い。このため、図2に示すように、ゲート電極1gに電圧が印加されていないとき、チャネル層102の伝導帯の下端Ecは、チャネル層102の厚さ方向の全体にわたってフェルミレベルEfよりも高い。従って、チャネル層102内に二次元電子ガス(2DEG)が存在しない。
Next, the band structure of the
このように、第1実施形態では、基板101のAlNの強い自発分極によりチャネル層102内に2DEGが生じないようにしている。このため、閾値電圧を容易に高くすることができ、安定したノーマリーオフ動作を実現できる。
As described above, in the first embodiment, 2DEG is prevented from being generated in the
また、平面視で、コンタクト層112sの一部とゲート電極1gの一部とが重なり合い、コンタクト層112dの一部とゲート電極1gの一部とが重なり合っている。このため、ゲート電極1gに閾値電圧以上の電圧が印加されれば、コンタクト層112sとコンタクト層112dとを繋ぐように2DEGが発生し、ソース電極1sとドレイン電極1dとの間を電流が流れる。
Further, in a plan view, a part of the
なお、チャネル層102は基板101に格子整合している必要はない。例えば、基板101とチャネル層102との界面12に平行な方向(面内方向)で、基板101の界面12における格子定数がAlNのa軸方向の格子定数aAlNと等しく、かつチャネル層102の界面12における格子定数がGaNのa軸方向の格子定数aGaNと等しくてもよい。外力を受けず、歪が生じていないとき、GaNのa軸方向の格子定数aGaNは3.189Åであり、AlNのa軸方向の格子定数aAlNは3.112Åである。従って、面内方向で、基板101の界面12における第1格子定数が、チャネル層102の界面12における第2格子定数よりも小さくてもよい。チャネル層102が基板101に格子整合していない場合、格子整合している場合と比較して、チャネル層102内の歪が小さく、より優れた電子の移動度が得られる。
The
チャネル層102の厚さは、好ましくは50nm以下であり、より好ましくは20nm以下である。チャネル層102の厚さ方向の全体に、基板101の自発分極の影響が及び安いためである。図3に、AlN層上に設けられたGaN層における厚さとシート抵抗との関係を示す。図3は、本願発明者によるシミュレーションの結果を示す。
The thickness of the
図3に示すように、GaN層の厚さが50nm以下である場合に、シート抵抗が著しく高くなっている。このことは、チャネル層102の厚さが50nm以下の場合に、ノーマリーオフ動作を実現しやすいことを意味する。
As shown in FIG. 3, when the thickness of the GaN layer is 50 nm or less, the sheet resistance is remarkably high. This means that when the thickness of the
次に、第1実施形態に係る半導体装置100の製造方法について説明する。図4~図7は、第1実施形態に係る半導体装置100の製造方法を示す断面図である。
Next, a method for manufacturing the
まず、図4(a)に示すように、基板101の(0001)面上にチャネル層102及びバリア層103を、例えば有機金属気相成長(MOVPE:metal organic vapor phase epitaxy)法により形成する。チャネル層102及びバリア層103の形成に際して、原料ガスとして、例えば、Al源であるトリメチルアルミニウム(TMAl)ガスと、Ga源であるトリメチルガリウム(TMGa)ガスと、In源であるトリメチルインジウム(TMIn)ガスと、N源であるアンモニア(NH3)ガスとの混合ガスを用いる。キャリアガスとして水素(H2)ガス又は窒素(N2)ガスを用いる。成長させる窒化物半導体層の組成に応じて、TMAlガス、TMGaガス及びTMInガスの供給の有無及び流量を適宜設定する。例えば、成長圧力は1kPa~100kPa程度、成長温度は600℃~1500℃程度とする。
First, as shown in FIG. 4A, the
次いで、図4(b)に示すように、バリア層103上に表面保護膜110を形成する。表面保護膜110は、例えばSi、Al、Hf、Zr、Ti、Ta又はWの酸化物、窒化物又は酸窒化物の膜であり、好ましくはSi酸化物(SiO2)の膜である。表面保護膜110は、例えばプラズマ化学気相成長(chemical vapor deposition:CVD)法により形成することができる。表面保護膜110は、原子層堆積(atomic layer deposition:ALD)法又はスパッタ法により形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 4B, the surface
その後、図5(a)に示すように、表面保護膜110、バリア層103及びチャネル層102にソース用の開口部111s及びドレイン用の開口部111dを形成する。開口部111s及び111dの形成では、例えば、フォトリソグラフィにより開口部111s及び111dを形成する予定の領域を露出するフォトレジストのパターンを表面保護膜110上に形成し、このパターンをエッチングマスクとして弗素系ガス又は塩素系ガスを用いたドライエッチングを行う。開口部111s及び111dは、基板101に入り込むように形成する。すなわち、開口部111s及び111dの各底面が基板101の開口部111sと開口部111dとの間の部分の上面(基板101とチャネル層102との界面12)よりも下方(下面側)に位置するように、開口部111s及び111dを形成する。基板101が開口部111s及び111dに露出する。
Then, as shown in FIG. 5A, the
続いて、図5(b)に示すように、開口部111s内にコンタクト層112sを形成し、開口部111d内にコンタクト層112dを形成する。コンタクト層112s及び112dは、例えばMOVPE法により形成することができる。コンタクト層112s及び112dの形成に際して、キャリアガスとしてH2ガス又はN2ガスを用い、原料ガスとしてTMGaガス及びNH3ガスの混合ガスを用いる。このとき、コンタクト層112s及び112dをn型とするために、例えばSiを含むシラン(SiH4)ガスを所定の流量で混合ガスに添加し、コンタクト層112s及び112dにSiをドーピングする。例えば、コンタクト層112s及び112dを成長させる際に、成長圧力は1kPa~100kPa程度、成長温度は600℃~1500℃程度とする。コンタクト層112s及び112dの形成後、表面保護膜110を除去する。コンタクト層112s及び112dにドーピングするn型不純物として、Ge又はOを用いてもよい。コンタクト層112s及び112dの上面はバリア層103の上面より上方にあってもよく、バリア層103の上面と面一であってもよく、バリア層103の上面より下方にあってもよい。
Subsequently, as shown in FIG. 5B, the
基板101と、チャネル層102と、バリア層103と、コンタクト層112sと、コンタクト層112dとを含む窒化物半導体積層構造104が得られる。
A nitride semiconductor laminated
次いで、窒化物半導体積層構造104に、素子領域を画定する素子分離領域を形成する。素子分離領域の形成では、例えば、素子分離領域を形成する予定の領域を露出するフォトレジストのパターンを窒化物半導体積層構造104上に形成し、このパターンをマスクとしてAr等のイオン注入を行う。このパターンをエッチングマスクとして塩素系ガスを用いたドライエッチングを行ってもよい。
Next, an element separation region that defines the element region is formed in the nitride semiconductor laminated
その後、図6(a)に示すように、コンタクト層112s上にソース電極1sを形成し、コンタクト層112d上にドレイン電極1dを形成する。ソース電極1sは、ソース電極1sのドレイン電極1d側の端がコンタクト層112sのドレイン電極1d側の端部よりもドレイン電極1dから離れるように形成する。ドレイン電極1dは、ドレイン電極1dのソース電極1s側の端がコンタクト層112dのソース電極1s側の端部よりもソース電極1sから離れるように形成する。ソース電極1s及びドレイン電極1dは、例えばリフトオフ法により形成することができる。すなわち、ソース電極1s及びドレイン電極1dを形成する予定の領域を露出するフォトレジストのパターンを形成し、このパターンを成長マスクとして蒸着法により金属膜を形成し、このパターンをその上の金属膜と共に除去する。金属膜の形成では、例えば、Ta膜を形成し、その上にAl膜を形成する。次いで、例えば、窒素雰囲気中にて400℃~1000℃、好ましくは550℃程度で熱処理を行い、オーミック特性を確立する。
Then, as shown in FIG. 6A, the
続いて、図6(b)に示すように、バリア層103上にソース電極1s及びドレイン電極1dを覆うパッシベーション膜108を形成する。パッシベーション膜108は、例えばプラズマCVD法により形成することができる。パッシベーション膜108は、ALD法又はスパッタ法により形成してもよい。
Subsequently, as shown in FIG. 6B, a
次いで、図7(a)に示すように、パッシベーション膜108に開口部108gを形成する。開口部108gの形成では、例えば、フォトリソグラフィにより開口部108gを形成する予定の領域を露出するフォトレジストのパターンをパッシベーション膜108上に形成し、このパターンをエッチングマスクとして弗素系ガス又は塩素系ガスを用いたドライエッチングを行う。ドライエッチングに代えて、弗酸又はバッファード弗酸等を用いたウェットエッチングを行ってもよい。
Next, as shown in FIG. 7A, an opening 108 g is formed in the
その後、図7(b)に示すように、開口部108gを通じてバリア層103に接するゲート電極1gをパッシベーション膜108上に形成する。ゲート電極1gは、例えばリフトオフ法により形成することができる。すなわち、ゲート電極1gを形成する予定の領域を露出するフォトレジストのパターンを形成し、このパターンを成長マスクとして蒸着法により金属膜を形成し、このパターンをその上の金属膜と共に除去する。金属膜の形成では、例えば、Ni膜を形成し、その上にAu膜を形成する。
Then, as shown in FIG. 7B, a
このようにして、第1実施形態に係る半導体装置100を製造することができる。
In this way, the
ゲート電極の構造として、第1実施形態ではショットキー型ゲート構造が用いられているが、MIS(metal-insulator-semiconductor)型ゲート構造が用いられてもよい。 As the structure of the gate electrode, the shotkey type gate structure is used in the first embodiment, but a MIS (metal-insulator-semiconductor) type gate structure may be used.
(第2実施形態)
第2実施形態について説明する。第2実施形態は、HEMTを含む半導体装置に関する。図8は、第2実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
(Second Embodiment)
The second embodiment will be described. The second embodiment relates to a semiconductor device including a HEMT. FIG. 8 is a cross-sectional view showing the semiconductor device according to the second embodiment.
第2実施形態に係る半導体装置200は、図8に示すように、第1実施形態における窒化物半導体積層構造104に代えて窒化物半導体積層構造204を有し、バリア層103に代えてバリア層203を有する。窒化物半導体積層構造204には、基板101と、チャネル層102と、コンタクト層112sと、コンタクト層112dとが含まれる。バリア層203は、例えば厚さが4nm~20nmのアモルファスAlN層である。他の構成は第1実施形態と同様である。
As shown in FIG. 8, the
次に、半導体装置200のバンド構造について説明する。図9は、半導体装置200の伝導帯の下端Ecを示すバンド図である。図9には、フェルミレベルEfも示す。図9には、ゲート電極1gに電圧が印加されていないときの、パッシベーション膜108の開口部108gの下方におけるバンド図を示す。半導体装置200では、AlNの基板101上にGaNのチャネル層102が形成され、GaNのチャネル層102上にアモルファスAlNのバリア層203が形成されている。チャネル層102の伝導帯の下端Ecは基板101の伝導帯の下端Ecより低く、バリア層203の伝導帯の下端Ecはチャネル層102の伝導帯の下端Ecより高い。AlNは強い自発分極を有しており、チャネル層102の伝導帯を引き上げる。また、チャネル層102の厚さは、例えば50nm以下であり、比較的薄い。更に、第2実施形態では、バリア層203が設けられているため、第1実施形態と比較して、チャネル層102の伝導帯の下端Ecが高くなる。このため、図9に示すように、ゲート電極1gに電圧が印加されていないとき、チャネル層102の伝導帯の下端Ecは、チャネル層102の厚さ方向の全体にわたってフェルミレベルEfよりも高い。従って、チャネル層102内に2DEGが存在しない。また、チャネル層102の伝導帯の下端Ecは、第1実施形態よりも高い。
Next, the band structure of the
このように、第2実施形態では、基板101のAlNの強い自発分極及びバリア層203によりチャネル層102内に2DEGが生じないようにしている。このため、閾値電圧を更に高くすることができ、より安定したノーマリーオフ動作を実現できる。
As described above, in the second embodiment, 2DEG is prevented from being generated in the
なお、バリア層203として、Si、In、Ga、Al、Hf、Zr、Ti、Ta又はWの酸化物、窒化物又は酸窒化物の層を用いてもよい。バリア層203はアモルファスの層であってもよい。
As the
次に、第2実施形態に係る半導体装置200の製造方法について説明する。図10~図11は、第2実施形態に係る半導体装置200の製造方法を示す断面図である。
Next, a method of manufacturing the
まず、図10(a)に示すように、第1実施形態と同様にして、基板101の(0001)面上にチャネル層102を、例えばMOVPE法により形成する。
First, as shown in FIG. 10A, the
次いで、図10(b)に示すように、チャネル層102上にバリア層203を形成する。バリア層203は、例えばSi、In、Ga、Al、Hf、Zr、Ti、Ta又はWの酸化物、窒化物又は酸窒化物の層であり、好ましくはアモルファスのAlN層である。バリア層203は、例えばALD法により形成することができる。バリア層203は、MOVPE法、熱CVD法、プラズマCVD法又はスパッタ法により形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 10 (b), the
その後、図11(a)に示すように、バリア層203上に表面保護膜110を形成する。
After that, as shown in FIG. 11A, the surface
続いて、図11(b)に示すように、第1実施形態と同様にして、ソース用の開口部111s及びドレイン用の開口部111dの形成以降の処理を行う。
Subsequently, as shown in FIG. 11B, the processing after the formation of the
このようにして、第2実施形態に係る半導体装置200を製造することができる。
In this way, the
なお、第1実施形態、第2実施形態において、バリア層103の上にキャップ層が形成されていてもよい。
In the first embodiment and the second embodiment, the cap layer may be formed on the
(第3実施形態)
次に、第3実施形態について説明する。第3実施形態は、HEMTのディスクリートパッケージに関する。図12は、第3実施形態に係るディスクリートパッケージを示す図である。
(Third Embodiment)
Next, the third embodiment will be described. A third embodiment relates to a discrete package of HEMTs. FIG. 12 is a diagram showing a discrete package according to the third embodiment.
第3実施形態では、図12に示すように、第1又は第2実施形態と同様の構造を備えた半導体装置1210の裏面がはんだ等のダイアタッチ剤1234を用いてランド(ダイパッド)1233に固定されている。また、ドレイン電極1dが接続されたドレインパッド1226dに、Alワイヤ等のワイヤ1235dが接続され、ワイヤ1235dの他端が、ランド1233と一体化しているドレインリード1232dに接続されている。ソース電極1sに接続されたソースパッド1226sにAlワイヤ等のワイヤ1235sが接続され、ワイヤ1235sの他端がランド1233から独立したソースリード1232sに接続されている。ゲート電極1gに接続されたゲートパッド1226gにAlワイヤ等のワイヤ1235gが接続され、ワイヤ1235gの他端がランド1233から独立したゲートリード1232gに接続されている。そして、ゲートリード1232gの一部、ドレインリード1232dの一部及びソースリード1232sの一部が突出するようにして、ランド1233及び半導体装置1210等がモールド樹脂1231によりパッケージングされている。
In the third embodiment, as shown in FIG. 12, the back surface of the
このようなディスクリートパッケージは、例えば、次のようにして製造することができる。まず、半導体装置1210をはんだ等のダイアタッチ剤1234を用いてリードフレームのランド1233に固定する。次いで、ワイヤ1235g、1235d及び1235sを用いたボンディングにより、ゲートパッド1226gをリードフレームのゲートリード1232gに接続し、ドレインパッド1226dをリードフレームのドレインリード1232dに接続し、ソースパッド1226sをリードフレームのソースリード1232sに接続する。その後、トランスファーモールド法にてモールド樹脂1231を用いた封止を行う。続いて、リードフレームを切り離す。
Such a discrete package can be manufactured, for example, as follows. First, the
(第4実施形態)
次に、第4実施形態について説明する。第4実施形態は、HEMTを備えたPFC(Power Factor Correction)回路に関する。図13は、第4実施形態に係るPFC回路を示す結線図である。
(Fourth Embodiment)
Next, the fourth embodiment will be described. A fourth embodiment relates to a PFC (Power Factor Correction) circuit including HEMT. FIG. 13 is a wiring diagram showing the PFC circuit according to the fourth embodiment.
PFC回路1250には、スイッチ素子(トランジスタ)1251、ダイオード1252、チョークコイル1253、コンデンサ1254及び1255、ダイオードブリッジ1256、並びに交流電源(AC)1257が設けられている。そして、スイッチ素子1251のドレイン電極と、ダイオード1252のアノード端子及びチョークコイル1253の一端子とが接続されている。スイッチ素子1251のソース電極と、コンデンサ1254の一端子及びコンデンサ1255の一端子とが接続されている。コンデンサ1254の他端子とチョークコイル1253の他端子とが接続されている。コンデンサ1255の他端子とダイオード1252のカソード端子とが接続されている。また、スイッチ素子1251のゲート電極にはゲートドライバが接続されている。コンデンサ1254の両端子間には、ダイオードブリッジ1256を介してAC1257が接続される。コンデンサ1255の両端子間には、直流電源(DC)が接続される。そして、本実施形態では、スイッチ素子1251に、第1又は第2実施形態と同様の構造を備えた半導体装置が用いられている。
The
PFC回路1250の製造に際しては、例えば、はんだ等を用いて、スイッチ素子1251をダイオード1252及びチョークコイル1253等に接続する。
In manufacturing the
(第5実施形態)
次に、第5実施形態について説明する。第5実施形態は、サーバ電源に好適な、HEMTを備えた電源装置に関する。図14は、第5実施形態に係る電源装置を示す結線図である。
(Fifth Embodiment)
Next, the fifth embodiment will be described. A fifth embodiment relates to a power supply device including a HEMT, which is suitable for a server power supply. FIG. 14 is a wiring diagram showing a power supply device according to a fifth embodiment.
電源装置には、高圧の一次側回路1261及び低圧の二次側回路1262、並びに一次側回路1261と二次側回路1262との間に配設されるトランス1263が設けられている。
The power supply device is provided with a high voltage
一次側回路1261には、第4実施形態に係るPFC回路1250、及びPFC回路1250のコンデンサ1255の両端子間に接続されたインバータ回路、例えばフルブリッジインバータ回路1260が設けられている。フルブリッジインバータ回路1260には、複数(ここでは4つ)のスイッチ素子1264a、1264b、1264c及び1264dが設けられている。
The
二次側回路1262には、複数(ここでは3つ)のスイッチ素子1265a、1265b及び1265cが設けられている。
The
本実施形態では、一次側回路1261を構成するPFC回路1250のスイッチ素子1251、並びにフルブリッジインバータ回路1260のスイッチ素子1264a、1264b、1264c及び1264dに、第1又は第2実施形態と同様の構造を備えた半導体装置が用いられている。一方、二次側回路1262のスイッチ素子1265a、1265b及び1265cには、シリコンを用いた通常のMIS型FET(電界効果トランジスタ)が用いられている。
In the present embodiment, the
(第6実施形態)
次に、第6実施形態について説明する。第6実施形態は、HEMTを備えた増幅器に関する。図15は、第6実施形態に係る増幅器を示す結線図である。
(Sixth Embodiment)
Next, the sixth embodiment will be described. A sixth embodiment relates to an amplifier equipped with a HEMT. FIG. 15 is a wiring diagram showing the amplifier according to the sixth embodiment.
増幅器には、ディジタル・プレディストーション回路1271、ミキサー1272a及び1272b、並びにパワーアンプ1273が設けられている。
The amplifier is provided with a
ディジタル・プレディストーション回路1271は、入力信号の非線形歪みを補償する。ミキサー1272aは、非線形歪みが補償された入力信号と交流信号とをミキシングする。パワーアンプ1273は、第1又は第2実施形態と同様の構造を備えた半導体装置を備えており、交流信号とミキシングされた入力信号を増幅する。なお、本実施形態では、例えば、スイッチの切り替えにより、出力側の信号をミキサー1272bで交流信号とミキシングしてディジタル・プレディストーション回路1271に送出できる。この増幅器は、高周波増幅器、高出力増幅器として使用することができる。高周波増幅器は、例えば、携帯電話基地局用送受信装置、レーダー装置及びマイクロ波発生装置に用いることができる。
The
基板として、炭化シリコン(SiC)基板、サファイヤ基板、シリコン基板、AlN基板、GaN基板又はダイヤモンド基板を用いてもよい。基板が、導電性、半絶縁性又は絶縁性のいずれであってもよい。 As the substrate, a silicon carbide (SiC) substrate, a sapphire substrate, a silicon substrate, an AlN substrate, a GaN substrate, or a diamond substrate may be used. The substrate may be conductive, semi-insulating or insulating.
ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極の構造は上述の実施形態のものに限定されない。例えば、これらが単層から構成されていてもよい。また、これらの形成方法はリフトオフ法に限定されない。更に、オーミック特性が得られるのであれば、ソース電極及びドレイン電極の形成後の熱処理を省略してもよい。ゲート電極の形成後に熱処理を行ってもよい。 The structures of the gate electrode, the source electrode and the drain electrode are not limited to those of the above-described embodiment. For example, these may be composed of a single layer. Further, these forming methods are not limited to the lift-off method. Further, if ohmic characteristics can be obtained, the heat treatment after the formation of the source electrode and the drain electrode may be omitted. Heat treatment may be performed after the formation of the gate electrode.
以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。 Although the preferred embodiments and the like have been described in detail above, they are not limited to the above-described embodiments and the like, and various embodiments and the like described above can be applied without departing from the scope of the claims. Modifications and substitutions can be added.
以下、本開示の諸態様を付記としてまとめて記載する。 Hereinafter, various aspects of the present disclosure will be described together as an appendix.
(付記1)
第1窒化物半導体の下地と、
前記下地の上方に設けられた第2窒化物半導体のチャネル層と、
前記チャネル層の上方に設けられたバリア層と、
前記チャネル層及び前記バリア層に設けられた第1開口部及び第2開口部と、
前記第1開口部内に設けられ、前記チャネル層に接触し、導電性を備えた第3窒化物半導体の第1コンタクト層と、
前記第2開口部内に設けられ、前記チャネル層に接触し、導電性を備えた第4窒化物半導体の第2コンタクト層と、
前記第1コンタクト層の上に設けられたソース電極と、
前記第2コンタクト層の上に設けられたドレイン電極と、
前記バリア層の上方で、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられたゲート電極と、
を有し、
前記チャネル層の伝導帯の下端は、前記ゲート電極に電圧が印加されていない状態でフェルミレベルよりも高いことを特徴とする半導体装置。
(付記2)
前記チャネル層の厚さが50nm以下であることを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(付記3)
平面視で、
前記第1コンタクト層の一部と前記ゲート電極の一部とが重なり合い、
前記第2コンタクト層の一部と前記ゲート電極の一部とが重なり合うことを特徴とする付記1又は2に記載の半導体装置。
(付記4)
前記バリア層は、アモルファス層であることを特徴とする付記1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置。
(付記5)
前記バリア層は、第5窒化物半導体の半導体層であることを特徴とする付記1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置。
(付記6)
前記第1開口部及び前記第2開口部は、前記下地に入り込んでおり、
前記第1コンタクト層及び前記第2コンタクト層は、前記下地に接触することを特徴とする付記1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置。
(付記7)
前記第1窒化物半導体は、AlNであり、
前記第2窒化物半導体は、GaNであることを特徴とする付記1乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置。
(付記8)
前記下地の表面が(0001)面であることを特徴とする付記7に記載の半導体装置。
(付記9)
前記下地と前記チャネル層とが界面を介して接触し、
前記界面に平行な方向で、前記下地の前記界面における第1格子定数は、前記チャネル層の前記界面における第2格子定数よりも小さいことを特徴とする付記1乃至8のいずれか1項に記載の半導体装置。
(付記10)
前記第3窒化物半導体及び前記第4窒化物半導体は、1×1017cm-3~5×1020cm-3の濃度でn型不純物を含有することを特徴とする付記1乃至9のいずれか1項に記載の半導体装置。
(付記11)
前記第3窒化物半導体及び前記第4窒化物半導体は、n型不純物としてSi、Ge若しくはO又はこれらの任意の組み合わせを含有することを特徴とする付記1乃至10のいずれか1項に記載の半導体装置。
(付記12)
付記1乃至11のいずれか1項に記載の半導体装置を有することを特徴とする増幅器。
(付記13)
付記1乃至11のいずれか1項に記載の半導体装置を有することを特徴とする電源装置。
(Appendix 1)
The base of the first nitride semiconductor and
The channel layer of the second nitride semiconductor provided above the substrate and
A barrier layer provided above the channel layer and
The first opening and the second opening provided in the channel layer and the barrier layer, and
A first contact layer of a third nitride semiconductor, which is provided in the first opening and is in contact with the channel layer and has conductivity.
A second contact layer of a fourth nitride semiconductor, which is provided in the second opening and is in contact with the channel layer and has conductivity.
With the source electrode provided on the first contact layer,
The drain electrode provided on the second contact layer and
Above the barrier layer, a gate electrode provided between the source electrode and the drain electrode, and
Have,
A semiconductor device characterized in that the lower end of the conduction band of the channel layer is higher than the Fermi level in a state where no voltage is applied to the gate electrode.
(Appendix 2)
The semiconductor device according to
(Appendix 3)
In plan view,
A part of the first contact layer and a part of the gate electrode overlap each other,
The semiconductor device according to
(Appendix 4)
The semiconductor device according to any one of
(Appendix 5)
The semiconductor device according to any one of
(Appendix 6)
The first opening and the second opening have penetrated into the base.
The semiconductor device according to any one of
(Appendix 7)
The first nitride semiconductor is AlN and is
The semiconductor device according to any one of
(Appendix 8)
The semiconductor device according to Appendix 7, wherein the surface of the base is a (0001) plane.
(Appendix 9)
The substrate and the channel layer are in contact with each other via an interface,
The item according to any one of
(Appendix 10)
The third nitride semiconductor and the fourth nitride semiconductor are any of the
(Appendix 11)
The item according to any one of
(Appendix 12)
An amplifier comprising the semiconductor device according to any one of
(Appendix 13)
A power supply device comprising the semiconductor device according to any one of
1s:ソース電極
1d:ドレイン電極
1g:ゲート電極
100、200:半導体装置
101:基板
102:チャネル層
103、203:バリア層
112d:コンタクト層
112s:コンタクト層
1s:
Claims (7)
前記下地の上方に設けられた第2窒化物半導体のチャネル層と、
前記チャネル層の上方に設けられたバリア層と、
前記チャネル層及び前記バリア層に設けられた第1開口部及び第2開口部と、
前記第1開口部内に設けられ、前記チャネル層に接触し、導電性を備えた第3窒化物半導体の第1コンタクト層と、
前記第2開口部内に設けられ、前記チャネル層に接触し、導電性を備えた第4窒化物半導体の第2コンタクト層と、
前記第1コンタクト層の上に設けられたソース電極と、
前記第2コンタクト層の上に設けられたドレイン電極と、
前記バリア層の上方で、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられたゲート電極と、
を有し、
前記チャネル層の伝導帯の下端は、前記ゲート電極に電圧が印加されていない状態でフェルミレベルよりも高いことを特徴とする半導体装置。 The base of the first nitride semiconductor and
The channel layer of the second nitride semiconductor provided above the substrate and
A barrier layer provided above the channel layer and
The first opening and the second opening provided in the channel layer and the barrier layer, and
A first contact layer of a third nitride semiconductor, which is provided in the first opening and is in contact with the channel layer and has conductivity.
A second contact layer of a fourth nitride semiconductor, which is provided in the second opening and is in contact with the channel layer and has conductivity.
With the source electrode provided on the first contact layer,
The drain electrode provided on the second contact layer and
Above the barrier layer, a gate electrode provided between the source electrode and the drain electrode, and
Have,
A semiconductor device characterized in that the lower end of the conduction band of the channel layer is higher than the Fermi level in a state where no voltage is applied to the gate electrode.
前記第1コンタクト層の一部と前記ゲート電極の一部とが重なり合い、
前記第2コンタクト層の一部と前記ゲート電極の一部とが重なり合うことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。 In plan view,
A part of the first contact layer and a part of the gate electrode overlap each other,
The semiconductor device according to claim 1 or 2, wherein a part of the second contact layer and a part of the gate electrode overlap each other.
前記第1コンタクト層及び前記第2コンタクト層は、前記下地に接触することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置。 The first opening and the second opening have penetrated into the base.
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 5, wherein the first contact layer and the second contact layer come into contact with the substrate.
前記第2窒化物半導体は、GaNであることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置。 The first nitride semiconductor is AlN and is
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 6, wherein the second nitride semiconductor is GaN.
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