JP2023019807A - Nitride semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、III族窒化物半導体(以下、単に「窒化物半導体」という場合がある。)からなる窒化物半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor device made of a group III nitride semiconductor (hereinafter sometimes simply referred to as "nitride semiconductor") and a method for manufacturing the same.
III族窒化物半導体とは、III-V族半導体においてV族元素として窒素を用いた半導体である。窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム(InN)が代表例である。一般には、AlxInyGa1-x-yN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1)と表わすことができる。
特許文献1の図3には、窒化物半導体を用いたHEMT(High Electron Mobility Transistor;高電子移動度トランジスタ)が開示されている。特許文献1の図3に記載されたHEMTは、シリコン基板と、シリコン基板上に形成されたバッファ層と、バッファ層上に形成されたGaNからなる電子走行層と、電子走行層上に形成されたAlGaNからなる電子供給層と、電子供給層上に形成されたゲート部と、電子供給層に接するように形成されたドレイン電極およびソース電極とを含む。ゲート部は、電子供給層上に形成されたリッジ形状のp型GaN層と、p型GaN層上に形成されたゲート電極と含む。
A group III nitride semiconductor is a semiconductor in which nitrogen is used as a group V element in a group III-V semiconductor. Aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), and indium nitride (InN) are representative examples. In general, it can be expressed as AlxInyGa1 -x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1) .
FIG. 3 of
特許文献1の図3に記載されたHEMTにおいて、トランジスタオフ時に、ドレインーソース電極間に高電圧を印加し続けると、ドレインーソース電極間に電流が急に流れるといった、耐圧低下現象が発生することがある。
この理由は、次の通りである。すなわち、トランジスタオフ時に、ドレインーソース電極間に高電圧を印加し続けると、電子走行層内に電子と正孔とが発生する。電子はドレイン電極によって取り出される。
In the HEMT described in FIG. 3 of
The reason for this is as follows. That is, when a high voltage is continuously applied between the drain and source electrodes while the transistor is off, electrons and holes are generated in the electron transit layer. Electrons are extracted by the drain electrode.
一方、正孔は、電子走行層内のソース電極近傍まで移動する。しかし、ソース電極が電子供給層にオーミック接触しているので、ソース電極と電子供給層との界面には正孔に対する障壁が存在する。このため、正孔はソース電極側に移動できず、電子走行層内に蓄積されていく。電子走行層内に正孔が蓄積されていくと、ソース電極と電子供給層との界面における電子に対する障壁が下がり、ソース電極から電子走行層へ電子が移動しやすくなる。これにより、ドレインーソース電極間に電流が急に流れるといった、耐圧低下現象が発生する。 On the other hand, holes move to the vicinity of the source electrode in the electron transit layer. However, since the source electrode is in ohmic contact with the electron supply layer, there is a barrier against holes at the interface between the source electrode and the electron supply layer. Therefore, holes cannot move to the source electrode side and are accumulated in the electron transit layer. As holes are accumulated in the electron transit layer, the barrier against electrons at the interface between the source electrode and the electron supply layer is lowered, making it easier for electrons to move from the source electrode to the electron transit layer. As a result, a decrease in breakdown voltage occurs, such as a sudden current flow between the drain and source electrodes.
本発明の目的は、ドレインーソース電極間に電流が急に流れるといった耐圧低下現象の発生を抑制できる窒化物半導体装置およびその製造方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor device and a method of manufacturing the same that can suppress the occurrence of a breakdown voltage reduction phenomenon such as a sudden current flow between the drain and source electrodes.
本開示の一実施形態は、基板と、前記基板上に配置され、電子走行層を構成する第1窒化物半導体層と、前記第1窒化物半導体層の上方に形成され、前記第1窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きく、電子供給層を構成する第2窒化物半導体層と、前記第2窒化物半導体層の上方に選択的に形成され、リッジ形状でかつ第1p型不純物を含む第3窒化物半導体層と、前記第3窒化物半導体層の上面の少なくとも一部に形成されたゲート電極と、前記第1窒化物半導体層の上方に配置されたソース電極と、前記第3窒化物半導体層を挟んで前記ソース電極と対向するように配置されたドレイン電極とを含み、前記ソース電極は、前記第2窒化物半導体層にオーミック接触するメイン電極と、前記メイン電極と電気的に接続され、少なくとも一部が前記第1窒化物半導体層に接触するサブ電極とを含み、前記第1窒化物半導体層における前記サブ電極の下方領域には、前記第1窒化物半導体層の表面から下方に延びかつ第2p型不純物を含むp型領域が形成されている、窒化物半導体装置を提供する。 An embodiment of the present disclosure includes a substrate, a first nitride semiconductor layer disposed on the substrate and constituting an electron transit layer, and the first nitride semiconductor layer formed above the first nitride semiconductor layer, a second nitride semiconductor layer having a bandgap larger than that of the semiconductor layer and forming an electron supply layer; three nitride semiconductor layers, a gate electrode formed on at least part of an upper surface of the third nitride semiconductor layer, a source electrode arranged above the first nitride semiconductor layer, and the third nitride and a drain electrode arranged to face the source electrode with a semiconductor layer interposed therebetween, the source electrode being electrically connected to a main electrode in ohmic contact with the second nitride semiconductor layer and the main electrode. and a sub-electrode at least partially in contact with the first nitride semiconductor layer, and a region below the sub-electrode in the first nitride semiconductor layer has a surface extending downward from the surface of the first nitride semiconductor layer. and a p-type region containing a second p-type impurity is provided.
この構成では、ドレインーソース電極間に電流が急に流れるといった耐圧低下現象の発生を抑制できる。
本開示の一実施形態は、基板上に、電子走行層を構成する第1窒化物半導体層を形成する工程と、前記第1窒化物半導体層の表面の一部から下方に延びるp型領域を形成する工程と、前記第1窒化物半導体層上に、電子供給層を構成する第2窒化物半導体層の材料膜である第2半導体層材料膜と、p型不純物を含む窒化物半導体からなる第3窒化物半導層の材料膜である第3半導体層材料膜とを、その順に形成する工程と、前記第3半導体層材料膜上に、ゲート電極の材料膜であるゲート電極膜を形成する工程と、前記ゲート電極膜および前記第3半導体層材料膜をパターニングすることにより、前記第2半導体層材料膜上に、リッジ形状の第3窒化物半導層と、前記第3窒化物半導層上に形成されゲート電極とからなるゲート部を形成する工程と、前記p型領域の表面の少なくとも一部が露出するように、前記第2半導体層材料膜を選択に除去することにより、前記第2窒化物半導体層を形成する工程と、前記第1窒化物半導体層上に、前記p型領域の露出面の少なくとも一部に接触するソースサブ電極を形成する工程と、前記第2窒化物半導体層上に、前記第2窒化物半導体層の表面にオーミック接触しかつ前記ソースサブ電極に電気的に接続されるソースメイン電極と、ドレイン電極とを形成する工程と含む、窒化物半導体装置の製造方法を提供する。
With this configuration, it is possible to suppress the occurrence of a decrease in withstand voltage, such as a sudden current flow between the drain and source electrodes.
An embodiment of the present disclosure includes steps of forming a first nitride semiconductor layer constituting an electron transit layer on a substrate, and forming a p-type region extending downward from a portion of the surface of the first nitride semiconductor layer. forming, on the first nitride semiconductor layer, a second semiconductor layer material film which is a material film of the second nitride semiconductor layer constituting the electron supply layer, and a nitride semiconductor containing p-type impurities. forming a third semiconductor layer material film, which is a material film of a third nitride semiconductor layer, in that order; and forming a gate electrode film, which is a material film of a gate electrode, on the third semiconductor layer material film. and patterning the gate electrode film and the third semiconductor layer material film to form a ridge-shaped third nitride semiconductor layer and the third nitride semiconductor layer on the second semiconductor layer material film. forming a gate portion formed on a conductive layer and comprising a gate electrode; and selectively removing the second semiconductor layer material film so as to expose at least a portion of the surface of the p-type region, forming a second nitride semiconductor layer; forming a source sub-electrode on the first nitride semiconductor layer in contact with at least a portion of an exposed surface of the p-type region; forming a source-main electrode and a drain electrode in ohmic contact with the surface of the second nitride semiconductor layer and electrically connected to the source sub-electrode, on the nitride semiconductor layer. to provide a method of manufacturing
この製造方法では、ドレインーソース電極間に電流が急に流れるといった耐圧低下現象の発生を抑制できる窒化物半導体装置が得られる。 With this manufacturing method, a nitride semiconductor device can be obtained that can suppress the occurrence of a voltage drop phenomenon such as a sudden current flow between the drain and source electrodes.
[本開示の実施形態の説明]
本開示の一実施形態は、基板と、前記基板上に配置され、電子走行層を構成する第1窒化物半導体層と、前記第1窒化物半導体層の上方に形成され、前記第1窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きく、電子供給層を構成する第2窒化物半導体層と、前記第2窒化物半導体層の上方に選択的に形成され、リッジ形状でかつ第1p型不純物を含む第3窒化物半導体層と、前記第3窒化物半導体層の上面の少なくとも一部に形成されたゲート電極と、前記第1窒化物半導体層の上方に配置されたソース電極と、前記第3窒化物半導体層を挟んで前記ソース電極と対向するように配置されたドレイン電極とを含み、前記ソース電極は、前記第2窒化物半導体層にオーミック接触するメイン電極と、前記メイン電極と電気的に接続され、少なくとも一部が前記第1窒化物半導体層に接触するサブ電極とを含み、前記第1窒化物半導体層における前記サブ電極の下方領域には、前記第1窒化物半導体層の表面から下方に延びかつ第2p型不純物を含むp型領域が形成されている、窒化物半導体装置を提供する。
[Description of Embodiments of the Present Disclosure]
An embodiment of the present disclosure includes a substrate, a first nitride semiconductor layer disposed on the substrate and constituting an electron transit layer, and the first nitride semiconductor layer formed above the first nitride semiconductor layer, a second nitride semiconductor layer having a bandgap larger than that of the semiconductor layer and forming an electron supply layer; three nitride semiconductor layers, a gate electrode formed on at least part of an upper surface of the third nitride semiconductor layer, a source electrode arranged above the first nitride semiconductor layer, and the third nitride and a drain electrode arranged to face the source electrode with a semiconductor layer interposed therebetween, the source electrode being electrically connected to a main electrode in ohmic contact with the second nitride semiconductor layer and the main electrode. and a sub-electrode at least partially in contact with the first nitride semiconductor layer, and a region below the sub-electrode in the first nitride semiconductor layer has a surface extending downward from the surface of the first nitride semiconductor layer. and a p-type region containing a second p-type impurity is provided.
この構成では、ドレインーソース電極間に電流が急に流れるといった耐圧低下現象の発生を抑制できる。
本開示の一実施形態では、前記サブ電極は、前記メイン電極とは異なる材料から構成されている。
本開示の一実施形態では、前記サブ電極は、前記メイン電極と分離して配置されている。
With this configuration, it is possible to suppress the occurrence of a decrease in withstand voltage, such as a sudden current flow between the drain and source electrodes.
In one embodiment of the present disclosure, the sub-electrode is made of a different material than the main electrode.
In one embodiment of the present disclosure, the sub-electrode is arranged separately from the main electrode.
本開示の一実施形態では、前記サブ電極は、前記メイン電極と接触している。
本開示の一実施形態では、前記サブ電極が、前記第1窒化物半導体層上に形成されたNi層と、前記Ni層上に積層されたAu層との積層膜または前記第1窒化物半導体層上に形成されたV層と、前記V層上に積層されたAu層との積層膜からなる。
本開示の一実施形態では、前記サブ電極は、前記メイン電極と同じ材料から構成されている。
In one embodiment of the present disclosure, the sub-electrode is in contact with the main electrode.
In one embodiment of the present disclosure, the sub-electrode is a laminated film of a Ni layer formed on the first nitride semiconductor layer and an Au layer laminated on the Ni layer, or the first nitride semiconductor It is composed of a laminated film of a V layer formed on a layer and an Au layer laminated on the V layer.
In one embodiment of the present disclosure, the sub-electrode is made of the same material as the main electrode.
本開示の一実施形態では、前記サブ電極は、前記メイン電極と一体的に形成されている。
本開示の一実施形態では、前記メイン電極が、前記第2窒化物半導体層上に形成されたTi層と、前記Ti層上に積層されたAl層との積層膜、または前記第2窒化物半導体層上に形成されたTi層と、前記Ti層上に積層されたAl層と、前記Al層上形成されたNi層と、前記Ni層に上形成されたAu層との積層膜からなる。
In one embodiment of the present disclosure, the sub-electrode is formed integrally with the main electrode.
In one embodiment of the present disclosure, the main electrode is a laminated film of a Ti layer formed on the second nitride semiconductor layer and an Al layer laminated on the Ti layer, or the second nitride A laminated film comprising a Ti layer formed on a semiconductor layer, an Al layer formed on the Ti layer, a Ni layer formed on the Al layer, and an Au layer formed on the Ni layer. .
本開示の一実施形態では、前記第1窒化物半導体層が、前記基板上に配置された高抵抗窒化物半導体層と、前記高抵抗窒化物半導体層上に形成された導電性窒化物半導体層とを含み、前記p型領域が、前記導電性窒化物半導体層の表面から前記導電性窒化物半導体層を貫通し、前記高抵抗窒化物半導体層の内部まで延びている。
本開示の一実施形態では、前記高抵抗窒化物半導体層の厚さをd1とし、前記導電性窒化物半導体層の厚さをd2とすると、前記p型領域の深さtが、d2<t<(d1+d2)である。
In one embodiment of the present disclosure, the first nitride semiconductor layer includes a high resistance nitride semiconductor layer disposed on the substrate and a conductive nitride semiconductor layer formed on the high resistance nitride semiconductor layer. and the p-type region extends from the surface of the conductive nitride semiconductor layer through the conductive nitride semiconductor layer and into the interior of the high resistance nitride semiconductor layer.
In an embodiment of the present disclosure, when the thickness of the high resistance nitride semiconductor layer is d1 and the thickness of the conductive nitride semiconductor layer is d2 , the depth t of the p-type region is d 2 <t<(d 1 +d 2 ).
本開示の一実施形態では、前記高抵抗窒化物半導体層の厚さをd1とし、前記導電性窒化物半導体層の厚さをd2とすると、前記p型領域の深さtが、{(d1/4)+d2}<t<{(3・d1/4)+d2}である。
本開示の一実施形態では、前記高抵抗窒化物半導体層の厚さをd1とし、前記導電性窒化物半導体層の厚さをd2とすると、前記p型領域の深さtが、t={(d1/2)+d2}である。
In an embodiment of the present disclosure, when the thickness of the high resistance nitride semiconductor layer is d1 and the thickness of the conductive nitride semiconductor layer is d2 , the depth t of the p-type region is { (d 1 /4)+d 2 }<t<{(3· d 1/4)+d 2 }.
In an embodiment of the present disclosure, when the thickness of the high resistance nitride semiconductor layer is d1 and the thickness of the conductive nitride semiconductor layer is d2 , the depth t of the p-type region is t = {( d1 /2)+ d2 }.
本開示の一実施形態では、前記p型領域の表層部に、前記p型領域における前記表層部よりも下部の前記第2p型不純物の濃度よりも前記第2p型不純物の濃度が高い第2高濃度領域が形成されている。
本開示の一実施形態では、前記第2高濃度領域の前記第2p型不純物の濃度が、1×1017cm3~1×1021cm3であり、前記p型領域における前記第2高濃度領域以外の領域の前記第2p型不純物の濃度が、1×1016cm3~1×1020cm3である。
In one embodiment of the present disclosure, in a surface layer portion of the p-type region, a second impurity having a concentration of the second p-type impurity higher than a concentration of the second p-type impurity below the surface portion of the p-type region is provided. A density region is formed.
In one embodiment of the present disclosure, the concentration of the second p-type impurity in the second high concentration region is 1×10 17 cm 3 to 1×10 21 cm 3 , and the second high concentration in the p-type region. The concentration of the second p-type impurity in the region other than the region is 1×10 16 cm 3 to 1×10 20 cm 3 .
本開示の一実施形態では、前記第3窒化物半導体層の表層部に、前記第3窒化物半導体層における前記表層部よりも下部の前記第1p型不純物の濃度よりも前記第1p型不純物の濃度が高い第1高濃度領域が形成されている。
本開示の一実施形態では、前記第1高濃度領域の前記第1p型不純物の濃度が、1×1017cm3~1×1021cm3であり、前記第3窒化物半導体層における前記第1高濃度領域以外の領域の前記第1p型不純物の濃度が、1×1016cm3~1×1020cm3である。
In one embodiment of the present disclosure, the surface layer portion of the third nitride semiconductor layer has a concentration of the first p-type impurity higher than the concentration of the first p-type impurity below the surface layer portion of the third nitride semiconductor layer. A first high-concentration region having a high concentration is formed.
In one embodiment of the present disclosure, the concentration of the first p-type impurity in the first high-concentration region is 1×10 17 cm 3 to 1×10 21 cm 3 , and the third The concentration of the first p-type impurity in the regions other than the first high-concentration region is 1×10 16 cm 3 to 1×10 20 cm 3 .
本開示の一実施形態では、前記ゲート電極が、前記第3窒化物半導体層上に形成されたNi層と、前記Ni層上に積層されたAu層との積層膜、または前記第3窒化物半導体層上に形成されたV層と、前記V層上に積層されたAu層との積層膜からなる。
本開示の一実施形態では、前記半導体基板と前記半絶縁性窒化物層との間に配置され、窒化物半導体からなるバッファ層を含む。
In one embodiment of the present disclosure, the gate electrode is a laminated film of a Ni layer formed on the third nitride semiconductor layer and an Au layer laminated on the Ni layer, or the third nitride It is composed of a laminated film of a V layer formed on a semiconductor layer and an Au layer laminated on the V layer.
In one embodiment of the present disclosure, a buffer layer made of a nitride semiconductor is included between the semiconductor substrate and the semi-insulating nitride layer.
本開示の一実施形態では、前記ドレイン電極が、前記第2窒化物半導体層にオーミック接触している。
本開示の一実施形態は、基板上に、電子走行層を構成する第1窒化物半導体層を形成する工程と、前記第1窒化物半導体層の表面の一部から下方に延びるp型領域を形成する工程と、前記第1窒化物半導体層上に、電子供給層を構成する第2窒化物半導体層の材料膜である第2半導体層材料膜と、p型不純物を含む窒化物半導体からなる第3窒化物半導層の材料膜である第3半導体層材料膜とを、その順に形成する工程と、前記第3半導体層材料膜上に、ゲート電極の材料膜であるゲート電極膜を形成する工程と、前記ゲート電極膜および前記第3半導体層材料膜をパターニングすることにより、前記第2半導体層材料膜上に、リッジ形状の第3窒化物半導層と、前記第3窒化物半導層上に形成されゲート電極とからなるゲート部を形成する工程と、前記p型領域の表面の少なくとも一部が露出するように、前記第2半導体層材料膜を選択に除去することにより、前記第2窒化物半導体層を形成する工程と、前記第1窒化物半導体層上に、前記p型領域の露出面の少なくとも一部に接触するソースサブ電極を形成する工程と、前記第2窒化物半導体層上に、前記第2窒化物半導体層の表面にオーミック接触しかつ前記ソースサブ電極に電気的に接続されるソースメイン電極と、ドレイン電極とを形成する工程と含む、窒化物半導体装置の製造方法を提供する。
In one embodiment of the present disclosure, the drain electrode is in ohmic contact with the second nitride semiconductor layer.
An embodiment of the present disclosure includes steps of forming a first nitride semiconductor layer constituting an electron transit layer on a substrate, and forming a p-type region extending downward from a portion of the surface of the first nitride semiconductor layer. forming, on the first nitride semiconductor layer, a second semiconductor layer material film which is a material film of the second nitride semiconductor layer constituting the electron supply layer, and a nitride semiconductor containing p-type impurities. forming a third semiconductor layer material film, which is a material film of a third nitride semiconductor layer, in that order; and forming a gate electrode film, which is a material film of a gate electrode, on the third semiconductor layer material film. and patterning the gate electrode film and the third semiconductor layer material film to form a ridge-shaped third nitride semiconductor layer and the third nitride semiconductor layer on the second semiconductor layer material film. forming a gate portion formed on a conductive layer and comprising a gate electrode; and selectively removing the second semiconductor layer material film so as to expose at least a portion of the surface of the p-type region, forming a second nitride semiconductor layer; forming a source sub-electrode on the first nitride semiconductor layer in contact with at least a portion of an exposed surface of the p-type region; forming a source-main electrode and a drain electrode in ohmic contact with the surface of the second nitride semiconductor layer and electrically connected to the source sub-electrode, on the nitride semiconductor layer. to provide a method of manufacturing
この製造方法では、ドレインーソース電極間に電流が急に流れるといった耐圧低下現象の発生を抑制できる窒化物半導体装置が得られる。
[本開示の実施形態の詳細な説明]
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、この発明の第1実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を説明するための断面図である。
With this manufacturing method, a nitride semiconductor device can be obtained that can suppress the occurrence of a voltage drop phenomenon such as a sudden current flow between the drain and source electrodes.
[Detailed Description of Embodiments of the Present Disclosure]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Below, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining the configuration of a nitride semiconductor device according to a first embodiment of the invention.
窒化物半導体装置1は、基板2と、基板2の表面(上面)に形成されたバッファ層3と、バッファ層3上にエピタキシャル成長された第1窒化物半導体層4と、第1窒化物半導体層4上にエピタキシャル成長された第2窒化物半導体層5とを含む。さらに、窒化物半導体装置1は、第2窒化物半導体層5上に形成されたゲート部20とを含む。
さらに、この窒化物半導体装置1は、第1窒化物半導体層4および第2窒化物半導体層5に接触するソース電極8と、第2窒化物半導体層5に接触するドレイン電極9とを含む。ソース電極8およびドレイン電極9は、ゲート部20を挟んで対向配置されている。さらに、この窒化物半導体装置1は、基板2の裏面(下面)に形成された基板電極10を含む。
A
Further,
基板2は、例えば、低抵抗のシリコン基板であってもよい。低抵抗のシリコン基板は、例えば、0.001Ωmm~0.5Ωmmの電気抵抗率を有するp型シリコン基板でもよい。また、基板2は、低抵抗のシリコン基板の他、低抵抗のSiC基板、低抵抗のGaN基板等であってもよい。基板2の厚さは、半導体プロセス中においては、例えば650μm程度であり、チップ化する前段階において、350μm以下程度に研削される。
The
バッファ層3は、バッファ層3上に形成される第1窒化物半導体層4の格子定数と、基板2の格子定数との相違によって生じる歪を緩和するための緩衝層である。バッファ層3は、この実施形態では、複数の窒化物半導体膜を積層した多層バッファ層から構成されている。この実施形態では、バッファ層3は、基板2の表面に接するAlN膜からなる第1バッファ層31と、この第1バッファ層31の表面(基板2とは反対側の表面)に積層されたAlGaN層からなる第2バッファ層32とから構成されている。第1バッファ層31の膜厚は、100nm~500nm程度である。第2バッファ層32の膜厚は、500nm~2000nm程度である。バッファ層3は、例えば、AlGaNの単膜、AlGaN/GaN超格子膜、AlN/AlGaN超格子膜、AlN/GaN超格子構造を有する膜などから構成されていてもよい。
The
第1窒化物半導体層4は、電子走行層を構成している。この実施形態では、第1窒化物半導体層4は、バッファ層3上に形成された高抵抗窒化物半導体層(半絶縁性窒化物層)41と、高抵抗窒化物半導体層41上に形成された導電性窒化物半導体層42とから構成されている。
高抵抗窒化物半導体層41は、リーク電流を抑制するために設けられている。高抵抗窒化物半導体層41は、不純物がドーピングされたGaN層(高抵抗GaN層)からなり、その厚さは1μm~2μm程度である。この実施形態では、高抵抗窒化物半導体層41の厚さは、1.5μm程度である。不純物は例えばC(炭素)である。不純物濃度は4×1016cm-3以上であることが好ましい。不純物はFe(鉄)であってもよい。
The first
The high resistance
導電性窒化物半導体層42は、この実施形態では、GaN層(導電性GaN層)からなり、その厚さは0.2μm~1μm程度である。この実施形態では、導電性窒化物半導体層42の厚さは、0.5μm程度である。第1窒化物半導体層4の厚さは、0.5μm~2μm程度である。
第2窒化物半導体層5は、この実施形態では、第1窒化物半導体層4の上面の一側部(図1の左側部)を除いた領域に形成されている。このため、第2窒化物半導体層5の一側部の上面(図1の左側部)と、第1窒化物半導体層4の上面の一側部との間には、段部が形成されている。
In this embodiment, the conductive
In this embodiment, the second
第2窒化物半導体層5は、電子供給層を構成している。第2窒化物半導体層5は、第1窒化物半導体層4よりもバンドギャップの大きい窒化物半導体から構成されている。具体的には、第2窒化物半導体層5は、第1窒化物半導体層4よりもAl組成の高い窒化物半導体から構成されている。窒化物半導体においては、Al組成が高いほどバッドギャップは大きくなる。この実施形態では、第2窒化物半導体層5は、AlxGa1-xN層(0.1<x≦0.3)からなる。第2窒化物半導体層5のAl組成は、20%以上30%以下であることが好ましく、24%以上25%以下であることがより好ましい。つまり、xは、0.2~0.3が好ましく、0.24~0.25がより好ましい。第2窒化物半導体層5の厚さは、5nm~15nmが好ましい。
The second
このように第1窒化物半導体層(電子走行層)4と第2窒化物半導体層(電子供給層)5とは、バンドギャップ(Al組成)の異なる窒化物半導体からなっており、それらの間には格子不整合が生じている。そして、第1窒化物半導体層4および第2窒化物半導体層5の自発分極と、それらの間の格子不整合に起因するピエゾ分極とによって、第1窒化物半導体層4と第2窒化物半導体層5との界面における第1窒化物半導体層4の伝導帯のエネルギーレベルはフェルミ準位よりも低くなる。これにより、第1窒化物半導体層4内には、第1窒化物半導体層4と第2窒化物半導体層5との界面に近い位置(例えば界面から数Å程度の距離)に、二次元電子ガス(2DEG)12が広がっている。
As described above, the first nitride semiconductor layer (electron transit layer) 4 and the second nitride semiconductor layer (electron supply layer) 5 are made of nitride semiconductors having different band gaps (Al composition). has lattice mismatch. Spontaneous polarization of the first
ゲート部20は、第2窒化物半導体層5上に選択的に形成されたリッジ形状の第3窒化物半導体層6と、第3窒化物半導体層6上に形成されたゲート電極7と含む。
第3窒化物半導体層6の横断面形状は、矩形状である。第3窒化物半導体層6は、p型不純物(アクセプタ型不純物)がドーピングされた窒化物半導体からなる。より具体的には、第3窒化物半導体層6は、p型不純物がドーピングされたAlyGa1-yN(0≦y<1,y<x)層からなる。
The
The cross-sectional shape of the third
この実施形態では、第3窒化物半導体層6は、p型不純物がドーピングされたGaN層(p型GaN層)からなっている。この実施形態では、p型不純物は、Zn(亜鉛)である。p型不純物は、Mo(モリブデン)等のZn以外のp型不純物であってもよい。第3窒化物半導体層6の膜厚は、50nm以上100nm以下であることが好ましい。
第3窒化物半導体層6の表層部には、p型不純物濃度が高い高濃度領域6aが形成されている。第3窒化物半導体層6における高濃度領域6a以外の領域のp型不純物濃度は、1×1016cm3以上1×1020cm3以下であることが好ましい。高濃度領域6aのp型不純物濃度は、1×1017cm3以上1×1021cm3以下であることが好ましい。
In this embodiment, the third
A high-
第3窒化物半導体層6は、ゲート部20の直下の領域において、第1窒化物半導体層4(電子走行層)と第2窒化物半導体層5(電子供給層)とで形成される界面の伝導帯を変化させ、ゲート電圧が印加されていない状態において、ゲート部20の直下の領域に二次元電子ガス12が発生しないようにするために設けられている。
ゲート電極7の横断面は、矩形状である。この実施形態では、ゲート電極7は、第3窒化物半導体層6の上面にショットキー接触している。ゲート電極7は、ゲート電極7と第3窒化物半導体層6との界面での正孔に対する障壁が低い材料で構成されることが好ましい。この実施形態では、ゲート電極7は、第3窒化物半導体層6上に形成されたNi層と、Ni層上に積層されたAu層との積層膜(Ni/Au積層膜)からなる。ゲート電極7は、第3窒化物半導体層6に形成されたV(バナジウム)層と、前記V層上に積層されたAu層との積層膜(V/Au積層膜)から構成されてもよい。Ni/Au積層膜およびV/Au積層膜は、ゲート電極7と第3窒化物半導体層6との界面での正孔に対する障壁が低い材料の一例である。ゲート電極7の膜厚は、50nm以上150nm以下が好ましい。
The third
The cross section of
ソース電極8は、メイン電極(ソースメイン電極)8Aとサブ電極(ソースサブ電極)8Bとを含む。この実施形態では、サブ電極8Bは、メイン電極8Aとは別体に形成されている。この実施形態では、サブ電極8Bは、メイン電極8Aと間隔を空けて配置されている。この実施形態では、サブ電極8Bは、メイン電極8Aに配線15によって電気的に接続される。
The
メイン電極8Aは、この実施形態では、第2窒化物半導体層5の一側部の上面および側面ならびにそれらを接続する角部を覆うように形成されている。したがって、メイン電極8Aは、第2窒化物半導体層5の一側部の上面および側面ならびにそれらを接続する角部に接触しているとともに、第1窒化物半導体層4の上面に接触している。メイン電極8Aは、下層のTi層と、Ti層上に積層された上層のAl層との積層膜(Ti/Al積層膜)からなる。メイン電極8Aは、最下層のTi層と、Ti層上に積層された第1中間層のAl層と、Al層上に形成された第2中間層のNi層と、Ni層上に形成された最上層のAu層との積層膜(Ti/Al/Ni/Au積層膜)から構成されてもよい。メイン電極8Aは、第1窒化物半導体層4および第2窒化物半導体層5にオーミック接触している。メイン電極8Aの膜厚は、100nm~500nm程度である。
In this embodiment, the
サブ電極8Bは、この実施形態では、メイン電極8Aの一側がわに、メイン電極8Aと間隔を空けて配置されている。サブ電極8Bは、第1窒化物半導体層4の上面の一側部に形成されている。したがって、サブ電極8Bは、第1窒化物半導体層4の上面に接触している。
後述するように、第1窒化物半導体層4におけるサブ電極8Bの下方には、p型領域16が形成される。サブ電極8Bは、サブ電極8Bとp型領域16との界面での正孔に対する障壁が低い材料で構成されることが好ましい。この実施形態では、サブ電極8Bは、例えば、第1窒化物半導体層4上に形成されたNi層と、Ni層上に積層されたAu層との積層膜(Ni/Au積層膜)からなる。サブ電極8Bは、第1窒化物半導体層4に形成されたV層と、前記V層上に積層されたAu層との積層膜(V/Au積層膜)から構成されてもよい。Ni/Au積層膜およびV/Au積層膜は、サブ電極8Bとp型領域16との界面での正孔に対する障壁が低い材料の一例である。サブ電極8Bの膜厚は、50nm~150nm程度である。
In this embodiment, the sub-electrode 8B is arranged on one side of the
As will be described later, a p-
ドレイン電極9は、第2窒化物半導体層5上に形成されたTi層と、Ti層上に積層されたAl層との積層膜(Ti/Al積層膜)からなる。ドレイン電極9は、第2窒化物半導体層5上に形成されたTi層と、Ti層上に積層されたAl層と、Al層上形成されたNi層と、Ni層上に形成されたAu層との積層膜(Ti/Al/Ni/Au積層膜)から構成されてもよい。ドレイン電極9は、第2窒化物半導体層5にオーミック接触している。ドレイン電極9の膜厚は、100nm~500nm程度である。
The
基板電極10は、基板2の裏面に形成されたTi層と、Ti層上に積層されたAl層ととの積層膜(Ti/Al積層膜)からなる。基板電極10は、基板2の裏面に形成されたTi層と、Ti層上に積層されたAl層と、Al層上形成されたNi層と、Ni層上に形成されたAu層との積層膜(Ti/Al/Ni/Au積層膜)から構成されてもよい。基板電極10の膜厚は、100nm~500nm程度である。基板電極10は、ソース電極8に電気的に接続される。
The
第1窒化物半導体層4におけるサブ電極8Bの下方領域には、p型領域16が形成されている。この実施形態では、p型領域16は、導電性窒化物半導体層42の表面から導電性窒化物半導体層42を貫通し、高抵抗窒化物半導体層41の内部まで延びている。p型領域16の表層部には、p型不純物濃度が高い高濃度領域16aが形成されている。
p型領域16のp型不純物は、例えばZn(亜鉛)である。p型領域16のp型不純物は、Mo(モリブデン)であってもよい。p型領域16における高濃度領域16a以外の領域のp型不純物濃度は、1×1016cm3以上1×1020cm3以下であることが好ましい。高濃度領域16aのp型不純物濃度は、1×1017cm3以上1×1021cm3以下であることが好ましい。
A p-
The p-type impurity of the p-
高抵抗窒化物半導体層41の厚さをd1とし、導電性窒化物半導体層42の厚さをd2とすると、p型領域16の深さtは、d2<t<(d1+d2)であることが好ましい。より具体的には、p型領域16の深さtは、{(d1/4)+d2}<t<{(3・d1/4)+d2}であることがより好ましく、t={(d1/2)+d2}であることがさらに好ましい。
Assuming that the thickness of the high resistance
この窒化物半導体装置1では、第1窒化物半導体層4(電子走行層)上にバンドギャップ(Al組成)の異なる第2窒化物半導体層5(電子供給層)が形成されてヘテロ接合が形成されている。これにより、第1窒化物半導体層4と第2窒化物半導体層5との界面付近の第1窒化物半導体層4内に二次元電子ガス12が形成され、この二次元電子ガス12をチャネルとして利用したHEMT(トランジスタ)が形成されている。ゲート電極7は、第3窒化物半導体層6を挟んで、第2窒化物半導体層5に対向している。
In this
ゲート電極7の下方においては、p型GaN層からなる第3窒化物半導体層6に含まれるアクセプタによって、第1窒化物半導体層4および第2窒化物半導体層5のエネルギーレベルが引き上げられる。このため、第1窒化物半導体層4と第2窒化物半導体層5との間のヘテロ接合界面における伝導帯のエネルギーレベルはフェルミ準位よりも大きくなる。したがって、ゲート電極7(ゲート部20)の直下では、第1窒化物半導体層4および第2窒化物半導体層5の自発分極ならびにそれらの格子不整合によるピエゾ分極に起因する二次元電子ガス12が形成されない。
Below
よって、ゲート電極7にバイアスを印加していないとき(ゼロバイアス時)には、二次元電子ガス12によるチャネルはゲート電極7の直下で遮断されている。こうして、ノーマリーオフ型のHEMTが実現されている。ゲート電極7に適切なオン電圧(例えば5V)を印加すると、ゲート電極7の直下の第1窒化物半導体層4内にチャネルが誘起され、ゲート電極7の両側の二次元電子ガス12が接続される。これにより、ソース-ドレイン間が導通する。
Therefore, when no bias is applied to the gate electrode 7 (at zero bias), the channel formed by the two-
使用に際しては、たとえば、ソース電極8とドレイン電極9との間に、ドレイン電極9側が正となる所定の電圧(例えば50V~100V)が印加される。その状態で、ゲート電極7に対して、ソース電極8を基準電位(0V)として、オフ電圧(0V)またはオン電圧(5V)が印加される。
図2A~図2Jは、前述の窒化物半導体装置1の製造方法の一例を説明するための断面図であり、製造方法における複数の段階における断面構造が示されている。
During use, for example, a predetermined voltage (eg, 50 V to 100 V) is applied between the
2A to 2J are cross-sectional views for explaining an example of the manufacturing method of
まず、図2Aに示すように、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法によって、基板2上に、第1バッファ層31、第2バッファ層3、高抵抗窒化物半導体層41および導電性窒化物半導体層42がエピタキシャル成長される。これにより、第1バッファ層31および第2バッファ層32からなるバッファ層3が基板2上に形成される。また、高抵抗窒化物半導体層41および導電性窒化物半導体層42からなる第1窒化物半導体層(電子走行層)4が、バッファ層3上に形成される。
First, as shown in FIG. 2A, a
次に、図2Bに示すように、例えばイオンインプランテーションによって、第1窒化物半導体層4の表面におけるp型領域16の形成領域から、第1窒化物半導体層4内にp型不純物が注入される。そして、活性化アニール処理が行われる。これにより、導電性窒化物半導体層42の表面から高抵抗窒化物半導体層41の内部に達するp型領域16が形成される。ただし、この時点では、p型領域16の表層部に高濃度領域16aは形成されていない。
Next, as shown in FIG. 2B, a p-type impurity is implanted into the first
次に、図2Cに示すように、MOCVD法によって、第1窒化物半導体層4上に、第2窒化物半導体層(電子供給層)5の材料膜である第2半導体層材料膜105および第3窒化物半導体層6の材料膜である第3半導体層材料膜106がエピタキシャル成長される。
次に、図2Dに示すように、レーザドーピング法によって、第3半導体層材料膜106の表層部における高濃度領域6aを形成すべき領域を含む領域に、p型不純物(例えばZn)が拡散される。これにより、第3半導体層材料膜106の表層部の一部に高濃度領域106aが形成される。
Next, as shown in FIG. 2C, a second semiconductor
Next, as shown in FIG. 2D, a p-type impurity (for example, Zn) is diffused into a region including a region where the high-
次に、図2Eに示すように、スパッタ法によって、第3半導体層材料膜106の表面全域に、ゲート電極7の材料膜であるゲート電極膜107が形成される。
次に、図2Fに示すように、フォトリソグラフィおよびドライエッチングによって、ゲート電極膜107および第3半導体層材料膜106がパターニングされる。ゲート電極膜107のエッチングには、例えば、酸素を含まないエッチングガス(Cl2/BCl3,BCl3,CF4,Cl2/SiCl4等)が用いられる。第3半導体層材料膜106のエッチングには、塩素と酸素とを含むエッチングガス(Cl2/O2/N2,Cl2/O2/Ar等)が用いられる。
Next, as shown in FIG. 2E, a
Next, as shown in FIG. 2F, the
これにより、表層部に高濃度領域6aを有するリッジ形状の第3窒化物半導体層6と、第3窒化物半導体層6上に形成されたゲート電極7とが得られる。これにより、第3窒化物半導体層6およびゲート電極7からなるゲート部20が得られる。
次に、図2Gに示すように、フォトリソグラフィおよびドライエッチングによって、第2半導体層材料膜105がパターニングされる。第2半導体層材料膜105のエッチングには、例えば、塩素を含み、酸素を含まないエッチングガス(Cl2/BCl3,BCl3,CF4,Cl2/SiCl4等)が用いられる。これにより、第2窒化物半導体層5が得られる。
Thereby, the ridge-shaped third
Next, as shown in FIG. 2G, the second semiconductor
次に、図2Hに示すように、フォトリソグラフィおよびレーザドーピング法によって、p型領域16の表層部に、p型不純物(例えばZn)が拡散される。これにより、p型領域16の表層部に高濃度領域16aが形成される。
次に、図2Iに示すように、フォトリソグラフィおよびスパッタ法によって、p型領域16上にソース電極8のサブ電極8Bが形成される。この実施形態では、サブ電極8Bは、例えば、Ni/Au積層膜またはV/Au積層膜からなる。
Next, as shown in FIG. 2H, p-type impurities (for example, Zn) are diffused into the surface layer of the p-
Next, as shown in FIG. 2I, a sub-electrode 8B of the
次に、図2Jに示すように、フォトリソグラフィおよびスパッタ法によって、第2窒化物半導体層5上にソース電極8のメイン電極8Aとドレイン電極9とが形成される。メイン電極8Aおよびドレイン電極9は、例えば、Ti/Al積層膜またはTi/Al/Ni/Au積層膜からなる。
最後に、スパッタ法によって、基板2の裏面に基板電極10が形成される。これにより、図1に示すような窒化物半導体装置1が得られる。基板電極10は、例えば、Ti/Al積層膜またはTi/Al/Ni/Au積層膜からなる。
Next, as shown in FIG. 2J, the
Finally, a
トランジスタオフ時に、ドレイン電極9とソース電極8間に高電圧を印加し続けると、第1窒化物半導体層(電子走行層)4内に電子と正孔とが発生する。第1窒化物半導体層4内に発生した電子はドレイン電極9によって取り出される。
一方、第1窒化物半導体層4内に発生した正孔は、第1窒化物半導体層4内のソース電極8近傍まで移動する。特許文献1の図3に記載の窒化物半導体装置のように、ソース電極が、電子供給層にオーミック接触しているソース電極のみから構成されている場合には、ソース電極が電子供給層にオーミック接触しているので、ソース電極と電子供給層との界面には正孔に対する障壁が存在する。このため、正孔はソース電極側に移動できず、電子走行層内に蓄積されていく。
When a high voltage is continuously applied between the
On the other hand, holes generated in the first
また、ソース電極が電子走行層にオーミック接触している場合においても、ソース電極と電子走行層との界面には正孔に対する障壁が存在する。このため、正孔はソース電極側に移動できず、電子走行層内に蓄積されていく。
電子走行層内に正孔が蓄積されていくと、ソース電極と、電子供給層および電子走行層との界面における電子に対する障壁が下がり、ソース電極から電子走行層へ電子が移動しやすくなる。これにより、ドレインーソース電極間に電流が急に流れるといった耐圧低下現象が発生する。
Even when the source electrode is in ohmic contact with the electron transit layer, a hole barrier exists at the interface between the source electrode and the electron transit layer. Therefore, holes cannot move to the source electrode side and are accumulated in the electron transit layer.
As holes accumulate in the electron transit layer, the barrier against electrons at the interface between the source electrode, the electron supply layer, and the electron transit layer is lowered, making it easier for electrons to move from the source electrode to the electron transit layer. As a result, a breakdown voltage drop phenomenon occurs such that a current suddenly flows between the drain and source electrodes.
前述の第1実施形態では、ソース電極8が、第1窒化物半導体層4および第2窒化物半導体層5にオーミック接触するメイン電極8Aと、第1窒化物半導体層4に接触しかつメイン電極8Aに電気的に接続されるサブ電極8Bとからなる。そして、第1窒化物半導体層4におけるサブ電極8Bの直下にp型領域16が形成されている。
第1窒化物半導体層4とp型領域16との界面には、正孔に対する障壁が存在しない。これにより、正孔は第1窒化物半導体層4からp型領域16を介してサブ電極8Bによって取り出される。これにより、第1窒化物半導体層4内に正孔が蓄積されるのを抑制できる。これにより、トランジスタオフ時にドレインーソース電極間に電流が急に流れるといった耐圧低下現象の発生を抑制できる。
In the first embodiment described above, the
There is no barrier against holes at the interface between first
さらに、前述の第1実施形態では、サブ電極8Bは、サブ電極8Bとp型領域16との界面での正孔に対する障壁が低い材料(Ni/Au積層膜,V/Au積層膜等)が用いられている。これにより、正孔がサブ電極8Bによってより取り出され易くなるので、トランジスタオフ時での耐圧低下現象の発生を効果的に抑制できる。
さらに、前述の第1実施形態では、p型領域16の表層部にp型不純物濃度の高い高濃度領域16aが形成されている。これにより、p型領域16とサブ電極8Bとの間の接触抵抗が小さくなるとともに、p型領域16からサブ電極8Bに正孔が移動されやすくなるので、トランジスタオフ時での耐圧低下現象の発生をより効果的に抑制できる。
Furthermore, in the above-described first embodiment, the sub-electrode 8B is made of a material (Ni/Au laminated film, V/Au laminated film, etc.) having a low hole barrier at the interface between the sub-electrode 8B and the p-
Furthermore, in the above-described first embodiment, the high-
ところで、第1窒化物半導体層4内に発生した正孔が、第2窒化物半導体層(電子供給層)5を介して第3窒化物半導体層6内に蓄積されるおそれがある。前述の第1実施形態では、ゲート電極7は、ゲート電極7と、p型GaNからなる第3窒化物半導体層6との界面での正孔に対する障壁が低くなる材料(Ni/Au積層膜,V/Au積層膜等)が用いられている。これにより、トランジスタオフ時に第3窒化物半導体層6内に蓄積された正孔がゲート電極7によって取り出されるので、トランジスタオフ時での耐圧低下現象の発生をさらに抑制できる。
By the way, holes generated in the first
さらに、前述の第1実施形態では、第3窒化物半導体層6の表層部にp型不純物濃度の高い高濃度領域6aが形成されている。これにより、第3窒化物半導体層6とゲート電極7との間の接触抵抗が小さくなるとともに、第3窒化物半導体層6からゲート電極7に正孔が移動されやすくなるので、トランジスタオフ時での耐圧低下現象の発生をさらに効果的に抑制できる。
Furthermore, in the first embodiment described above, the high-
図3は、この発明の第2実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を説明するための断面図である。図3において、前述の図1の各部に対応する部分には、図1と同じ符号を付して示す。
第2実施形態に係る窒化物半導体装置1Aは、メイン電極8Aが、第2窒化物半導体層5の一側部とサブ電極8Bとに跨るように形成されている。メイン電極8Aは、第2窒化物半導体層5の一側部の上面および側面と、第1窒化物半導体層4の上面と、サブ電極8Bの上面およびサブ電極8Bのゲート部20側の側面に接触している。これ以外の構成は、第1実施形態に係る窒化物半導体装置1と同じである。
FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining the structure of a nitride semiconductor device according to a second embodiment of the invention. In FIG. 3, the same reference numerals as in FIG. 1 denote the parts corresponding to the parts in FIG. 1 described above.
In the
第2実施形態に係る窒化物半導体装置1Aでは、メイン電極8Aがサブ電極8Bに接触しているので、サブ電極8Bを配線によってメイン電極8Aに接続する必要がない。
第2実施形態に係る窒化物半導体装置1Aを製造する場合には、前述の図2Jの工程において、第2窒化物半導体層5の一側部とサブ電極8Bとに跨るように、メイン電極8Aを形成すればよい。言い換えれば、第2窒化物半導体層5の一側部と、サブ電極8Bの上面およびゲート部20側の側面と、第1窒化物半導体層4の上面における第2窒化物半導体層5とサブ電極8Bとの間部分とを覆うように、メイン電極8Aを形成すればよい。
In the
When manufacturing the
第2実施形態においても、第1実施形態と同様な効果を奏する。
図4は、この発明の第3実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を説明するための断面図である。図4において、前述の図1の各部に対応する部分には、図1と同じ符号を付して示す。
第3実施形態に係る窒化物半導体装置1Bでは、サブ電極8Bがメイン電極8Aと同じ材料からなり、かつメイン電極8Aと一体的に形成されている。つまり、ソース電極8は、第2窒化物半導体層5の一側部と、第1窒化物半導体層4上面における第2窒化物半導体層5の一側の近傍を覆うメイン電極8Aと、メイン電極8Aの一側から外方に延び、第1窒化物半導体層4の表面の一側部(p型領域16の表面を含む)を覆うサブ電極8Bとから構成されている。サブ電極8Bは、p型領域16の表面に接触している。これ以外の構成は、第1実施形態に係る窒化物半導体装置1と同じである。
Also in the second embodiment, the same effects as in the first embodiment are obtained.
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining the configuration of a nitride semiconductor device according to a third embodiment of the invention. In FIG. 4, the same reference numerals as in FIG. 1 denote the parts corresponding to the parts in FIG. 1 described above.
In the
第3実施形態に係る窒化物半導体装置1Bでは、メイン電極8Aがサブ電極8Bに接触しているので、サブ電極8Bを配線によってメイン電極8Aに接続する必要がない。
第3実施形態に係る窒化物半導体装置1Bを製造する場合には、前述の図2Iの工程を省略し、前述の図2Jの工程において、第2窒化物半導体層5の一側部と、第1窒化物半導体層5の上面の露出面とを覆うように、ソース電極8を形成すればよい。
In the
When manufacturing the
第3実施形態においては、サブ電極8Bがメイン電極8Aと同じ材料からなり、かつメイン電極8Aと一体的に形成されているが、サブ電極8Bの下方にはp型領域が形成されているので、第1実施形態とほぼ同様に、トランジスタオフ時での耐圧低下現象の発生を抑制できる。
図5は、この発明の第4実施形態に係る窒化物半導体装置を説明するための断面図である。第4実施形態に係る窒化物半導体装置1Cは、第3実施形態に係る窒化物半導体装置1Bに類似している。図5において、前述の図4の各部に対応する部分には、図4と同じ符号を付して示す。
In the third embodiment, the sub-electrode 8B is made of the same material as the
FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining a nitride semiconductor device according to a fourth embodiment of the invention. A
第4実施形態に係る窒化物半導体装置1Cは、パッシベーション膜50を有している点で、第3実施形態に係る窒化物半導体装置1Bと異なっている。パッシベーション膜50は、第1窒化物半導体層4の露出面(後述する第2ソースコンタクトホール52が臨んでいる領域を除く)、第2窒化物半導体層5の露出面(後述する第1ソースコンタクトホール51およびドレインコンタクトホール53が臨んでいる領域を除く)およびゲート部20の露出面を覆っている。
A
この結果、第3窒化物半導体層6の側面ならびにゲート電極7の側面および表面は、パッシベーション膜50によって覆われる。パッシベーション膜50の膜厚は、50nm~200nm程度である。この実施形態では、パッシベーション膜50は、SiN膜からなる。パッシベーション膜50は、SiN膜、SiO2膜、SiON膜、AlN膜のうちのいずれか1つの単膜またはそれらの2以上の任意の組み合わせからなる複合膜から構成されてもよい。
As a result, the side surfaces of the third
パッシベーション膜50には、第1ソースコンタクトホール51、第2ソースコンタクトホール52およびドレインコンタクトホール53が形成されている。第1および第2ソースコンタクトホール51,52と、ドレインコンタクトホール53とは、ゲート部20を挟んで配置されている。具体的には、第1および第2ソースコンタクトホール51,52は、ゲート部20に対して一方側(図5の左側)に配置され、ドレインコンタクトホール53はゲート部20に対して他方側(図5の右側)に配置されている。第2ソースコンタクトホール52は、第1ソースコンタクトホール51に対して一方側(図5の左側)に配置されている。
A first
ソース電極8は、第1ソースコンタクトホール51および第2ソースコンタクトホール52を覆うように、パッシベーション膜50上に形成されている。ソース電極8は、第1ソースコンタクトホール51を通って第2窒化物半導体層5の表面にオーミック接触している部分を含むメイン電極8Aと、第2ソースコンタクトホール52を通ってp型領域16の表面に接触している部分を含むサブ電極8Bとからなる。メイン電極8Aとサブ電極8Bとは一体的に形成されている。
ドレイン電極9は、ドレインコンタクトホール53を覆うように、パッシベーション膜50上に形成されている。ドレイン電極9の一部は、ドレインコンタクトホール53を通って第2窒化物半導体層5の表面にオーミック接触している。
第4実施形態に係る窒化物半導体装置1Cを製造するには、まず、前述の図2A~図2Hと同様な工程が行われる。次に、図6Aに示すように、例えば、プラズマCVD法またはスパッタ法によって、表面全体にパッシベーション膜50が形成される。
A
To manufacture the
次に、図6Bに示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングによって、パッシベーション膜50に、第1ソースコンタクトホール51、第2ソースコンタクトホール52およびドレインコンタクトホール53が形成される。
この後、第1ソースコンタクトホール51および第2ソースコンタクトホール52を覆うようにソース電極8が形成されるとともに、ドレインコンタクトホール53を覆うようにドレイン電極9が形成されることにより、図5に示すような窒化物半導体装置1Cが得られる。
Next, as shown in FIG. 6B, a first
After that, the
第4実施形態においても、第3実施形態と同様な効果を奏する。
以上、本開示の第1~第4実施形態について説明したが、この発明は、さらに他の実施形態で実施することもできる。例えば、前述の第1および第2実施形態では、サブ電極8Bとp型領域16との界面での正孔に対する障壁を低くするという観点から、サブ電極8Bは、例えば、Ni/Au積層膜またはV/Au積層膜から構成されている。しかし、サブ電極8Bは、Ti膜、TiN膜等で構成されてもよい。
Also in the fourth embodiment, the same effects as in the third embodiment are obtained.
Although the first to fourth embodiments of the present disclosure have been described above, the present invention can also be implemented in other embodiments. For example, in the above-described first and second embodiments, the sub-electrode 8B is made of, for example, a Ni/Au laminated film or It is composed of a V/Au laminated film. However, the sub-electrode 8B may be composed of a Ti film, a TiN film, or the like.
前述の第1~第4実施形態では、p型領域16の表層部にp型不純物濃度の高い高濃度領域16aが形成されているが、p型領域16の表層部に高濃度領域16aが形成されなくてもよい。
前述の第1~第4実施形態では、ゲート電極7と第3窒化物半導体層6との界面での正孔に対する障壁を低くするという観点から、ゲート電極7は、例えば、Ni/Au積層膜またはV/Au積層膜から構成されている。しかし、ゲート電極7は、Ti膜、TiN膜等で構成されてもよい。
In the first to fourth embodiments described above, the high-
In the first to fourth embodiments described above, from the viewpoint of lowering the barrier against holes at the interface between the
前述の第1~第4実施形態では、第3窒化物半導体層6の表層部にp型不純物濃度の高い高濃度領域6aが形成されているが、第3窒化物半導体層6の表層部に高濃度領域6aが形成されなくてもよい。
本開示の実施形態について詳細に説明してきたが、これらは本開示の技術的内容を明らかにするために用いられた具体例に過ぎず、本開示はこれらの具体例に限定して解釈されるべきではなく、本開示の範囲は添付の請求の範囲によってのみ限定される。
In the first to fourth embodiments described above, the high-
Although the embodiments of the present disclosure have been described in detail, these are only specific examples used to clarify the technical content of the present disclosure, and the present disclosure is interpreted as being limited to these specific examples. should not, the scope of the present disclosure is limited only by the appended claims.
1,1A,1B,1C 窒化物半導体装置
2 基板
3 バッファ層
4 第1窒化物半導体層
5 第2窒化物半導体層
6 第3窒化物半導体層
6a 高濃度領域
7 ゲート電極
8 ソース電極
8A メイン電極
8B サブ電極
9 ドレイン電極
10 基板電極
12 二次元電子ガス
15 配線
16 p型領域
16a 高濃度領域
31 第1バッファ層
32 第2バッファ層
41 高抵抗窒化物半導体層
42 導電性窒化物半導体層
500 パッシベーション膜
51 第1ソースコンタクトホール
52 第2ソースコンタクトホール
53 ドレインコンタクトホール
105 第2半導体層材料膜
106 第3半導体層材料膜
106a 高濃度領域
107 ゲート電極膜
Claims (20)
前記基板上に配置され、電子走行層を構成する第1窒化物半導体層と、
前記第1窒化物半導体層の上方に形成され、前記第1窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きく、電子供給層を構成する第2窒化物半導体層と、
前記第2窒化物半導体層の上方に選択的に形成され、リッジ形状でかつ第1p型不純物を含む第3窒化物半導体層と、
前記第3窒化物半導体層の上面の少なくとも一部に形成されたゲート電極と、
前記第1窒化物半導体層の上方に配置されたソース電極と、
前記第3窒化物半導体層を挟んで前記ソース電極と対向するように配置されたドレイン電極とを含み、
前記ソース電極は、前記第2窒化物半導体層にオーミック接触するメイン電極と、前記メイン電極と電気的に接続され、少なくとも一部が前記第1窒化物半導体層に接触するサブ電極とを含み、
前記第1窒化物半導体層における前記サブ電極の下方領域には、前記第1窒化物半導体層の表面から下方に延びかつ第2p型不純物を含むp型領域が形成されている、窒化物半導体装置。 a substrate;
a first nitride semiconductor layer disposed on the substrate and constituting an electron transit layer;
a second nitride semiconductor layer formed above the first nitride semiconductor layer, having a bandgap larger than that of the first nitride semiconductor layer and forming an electron supply layer;
a third nitride semiconductor layer selectively formed above the second nitride semiconductor layer and having a ridge shape and containing a first p-type impurity;
a gate electrode formed on at least part of the upper surface of the third nitride semiconductor layer;
a source electrode disposed above the first nitride semiconductor layer;
a drain electrode arranged to face the source electrode with the third nitride semiconductor layer interposed therebetween;
The source electrode includes a main electrode in ohmic contact with the second nitride semiconductor layer, and a sub-electrode electrically connected to the main electrode and at least partially in contact with the first nitride semiconductor layer,
A nitride semiconductor device, wherein a p-type region extending downward from the surface of the first nitride semiconductor layer and containing a second p-type impurity is formed in a region of the first nitride semiconductor layer below the sub-electrode. .
前記p型領域が、前記導電性窒化物半導体層の表面から前記導電性窒化物半導体層を貫通し、前記高抵抗窒化物半導体層の内部まで延びている、請求項1~8のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。 the first nitride semiconductor layer includes a high resistance nitride semiconductor layer disposed on the substrate and a conductive nitride semiconductor layer formed on the high resistance nitride semiconductor layer;
9. The p-type region according to claim 1, wherein said p-type region extends from the surface of said conductive nitride semiconductor layer through said conductive nitride semiconductor layer and into said high resistance nitride semiconductor layer. 3. The nitride semiconductor device according to claim 1.
前記第1窒化物半導体層の表面の一部から下方に延びるp型領域を形成する工程と、
前記第1窒化物半導体層上に、電子供給層を構成する第2窒化物半導体層の材料膜である第2半導体層材料膜と、p型不純物を含む窒化物半導体からなる第3窒化物半導層の材料膜である第3半導体層材料膜とを、その順に形成する工程と、
前記第3半導体層材料膜上に、ゲート電極の材料膜であるゲート電極膜を形成する工程と、
前記ゲート電極膜および前記第3半導体層材料膜をパターニングすることにより、前記第2半導体層材料膜上に、リッジ形状の第3窒化物半導層と、前記第3窒化物半導層上に形成されゲート電極とからなるゲート部を形成する工程と、
前記p型領域の表面の少なくとも一部が露出するように、前記第2半導体層材料膜を選択に除去することにより、前記第2窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第1窒化物半導体層上に、前記p型領域の露出面の少なくとも一部に接触するソースサブ電極を形成する工程と、
前記第2窒化物半導体層上に、前記第2窒化物半導体層の表面にオーミック接触しかつ前記ソースサブ電極に電気的に接続されるソースメイン電極と、ドレイン電極とを形成する工程と含む、窒化物半導体装置の製造方法。 forming a first nitride semiconductor layer constituting an electron transit layer on a substrate;
forming a p-type region extending downward from a portion of the surface of the first nitride semiconductor layer;
a second semiconductor layer material film which is a material film of the second nitride semiconductor layer constituting the electron supply layer; and a third nitride semiconductor layer made of a nitride semiconductor containing p-type impurities, on the first nitride semiconductor layer. a step of forming a third semiconductor layer material film, which is a material film of the conductive layer, in that order;
forming a gate electrode film, which is a material film of a gate electrode, on the third semiconductor layer material film;
By patterning the gate electrode film and the third semiconductor layer material film, a ridge-shaped third nitride semiconductor layer is formed on the second semiconductor layer material film, and a ridge-shaped third nitride semiconductor layer is formed on the third nitride semiconductor layer. forming a gate portion comprising the formed gate electrode;
forming the second nitride semiconductor layer by selectively removing the second semiconductor layer material film so as to expose at least part of the surface of the p-type region;
forming a source sub-electrode on the first nitride semiconductor layer in contact with at least part of the exposed surface of the p-type region;
forming, on the second nitride semiconductor layer, a source main electrode and a drain electrode that are in ohmic contact with the surface of the second nitride semiconductor layer and are electrically connected to the source sub-electrode; A method for manufacturing a nitride semiconductor device.
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