JP3941335B2 - Junction field effect transistor - Google Patents

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JP3941335B2 JP2000129880A JP2000129880A JP3941335B2 JP 3941335 B2 JP3941335 B2 JP 3941335B2 JP 2000129880 A JP2000129880 A JP 2000129880A JP 2000129880 A JP2000129880 A JP 2000129880A JP 3941335 B2 JP3941335 B2 JP 3941335B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体にSiCを用いた接合型電界効果トランジスタに関し、より特定的には、SiC基板に欠陥密度の低いn型SiC基板を用いた接合型電界効果トランジスタに関する。
【0002】
【従来の技術】
接合型電界効果トランジスタ(JFET:Junction Field Effect Transistor)は、キャリアが通過するチャネル領域の側部に設けられたpn接合部にゲート電極から逆バイアス電圧を印加することにより、pn接合部からの空乏層をチャネル領域に広げ、チャネル領域のコンダクタンスを制御してスイッチング等の動作を行う。チャネルのキャリアは電子(n型)でも正孔(p型)でもよいが、本発明が対象とするSiCでは、電子の移動度が正孔に比べて一桁程度大きいので、通常、チャネル領域をn型不純物領域とする。
【0003】
近年、大電力高速スイッチング素子等の用途に炭化ケイ素(SiC)を用いたJFETが注目されている。SiCは、(a)キャリアの移動度がSiなみに大きく、(b)電子の飽和ドリフト速度がGaAsなみに大きく、かつ(c)耐圧が大きいので、高速スイッチング素子や大電力用素子に用いる検討が進められている。
【0004】
図6は、SiCを用いたJFETの一例を示す断面図である(U.S.Patent No.5,264,713)。同図において、SiC基板101の導電型は、望ましくはp型であり、p型SiC基板とされている。このSiC基板101の一領域の上に形成されるSiC膜102の導電型についても、望ましくはp型であり、p型SiC膜とされている。さらに、このp型SiC膜102の上に、チャネル領域に対応する薄肉化された部分104を含んでn型SiC膜103が成膜される。このn型SiC膜103の上に、ソース電極111とオーミック接触するn+型不純物層105、およびドレイン電極112とオーミック接触するn+型不純物層106が、形成されている。ゲート電極113は上記p型SiC基板101の裏面側にバックゲート113として形成されている。
【0005】
上記先行技術(図6)において、SiC基板の導電型を、望ましくはp型とする理由は、次の通りである。上記したように、チャネル領域のキャリアは、高い移動度が得られるので、電子(n型)とする。このため、チャネル領域が含まれる層は、n型SiC膜とする。このため、このn型SiC膜中のキャリアを周囲において限定する層としては、p型SiC膜となる。このp型SiC膜が成膜されるSiC基板にn型SiC基板を用いると、ゲート電極にプラス電位を印加した場合に、n型SiC基板とp型SiC膜との接合部に逆バイアス電圧がかかり空乏層が発生する。このため、この空乏層の影響を評価し判断する必要がある。逆に、p型SiC基板を用いることにより、この空乏層の影響を評価する必要はなくなり、オンオフ動作においてチャネル領域にいたる途中の積層部の接合部における逆バイアス電圧を考慮しないですむようになる。したがって、上記の導電型のSiC基板を用いることにより、必要に応じてチャネル領域にのみ空乏層を成長させて、移動度の高いキャリアを用いて大電力用の高速スイッチング素子等を得ることができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、p型SiC基板は、n型SiC基板に比べてマイクロパイプ等の欠陥密度が高い。このため、JFET等の半導体素子の作製において不可欠なSiC基板上の結晶成長層においても欠陥密度が高くなる。このような高い欠陥密度を反映して、p型SiC基板上に形成されたJFETは、完全な品質のJFETとなる歩留りが低く、かつ、完成にいたったJFETも漏れ電流が大きいものとなる。
【0007】
そこで、本発明は、n型SiC基板を用い、移動度の高いキャリアを有するチャネル領域を備える、高歩留りをもたらすSiC製のJFETを得ることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の一の局面におけるJFETは、n型SiC基板と、n型SiC基板の表(おもて)面に成膜されたp型SiC膜と、p型SiC膜の上に形成された、チャネル領域を含むn型SiC膜と、そのn型SiC膜の上であって、チャネル領域の両側にそれぞれ分かれて形成されたソース、ドレイン領域と、n型SiC基板に接して設けられたゲート電極とを備える。n型SiC基板とp型SiC膜との間でトンネル効果により空乏層を抜けて電流が流れるように、n型SiC基板のn型不純物濃度およびp型SiC膜のp型不純物濃度が決定されている。また、本発明の他の局面におけるJFETは、n型SiC基板と、n型SiC基板の表(おもて)面に成膜されたp型SiC膜と、p型SiC膜の上に形成された、チャネル領域を含むn型SiC膜と、そのn型SiC膜の上であって、チャネル領域の両側にそれぞれ分かれて形成されたソース、ドレイン領域と、n型SiC基板に接して設けられたゲート電極とを備える。ゲート電極は、n型SiC基板の表(おもて)面の上であって、p型SiC膜の端部近くに配置されている
【0009】
上記の構成により、欠陥密度の低いn型SiC基板を用い、高い歩留りにより高移動度のキャリアを駆動するJFETを作製することができる。このとき、JFETがオン状態かオフ状態かで問題の有無が発生する。
【0010】
ノーマリーオン型JFETのオフ状態では、負のゲート電圧を印加するので、問題は生じない。すなわち、オフ状態では、n型SiC基板とp型SiC膜との接合部に順バイアス電圧が印加されるので、この接合部には空乏層は生じない。上記オフ状態では、p型SiC膜とn型SiC膜との接合部にのみ逆バイアス電圧がかかり、不純物濃度の低いチャネル領域に空乏層が広がりキャリア経路を遮断する。
【0011】
ノーマリーオフ型JFETのオフ状態では、n型SiC基板とp型SiC膜との接合部およびp型SiC膜とn型SiC膜との接合部に拡散電位がそれぞれ発生し、空乏層が生じるが、それぞれ独立して広がるため、問題は生じない。
【0012】
ノーマリーオン型のオン状態では、ゲート電圧を0Vとしてもよいが、拡散電位による空乏層が広がっている。より多くの電流を流すためには、拡散電位による空乏層を消去するためにプラスの電位をゲートに与える必要がある。このため、ゲートへのプラス電位の印加に付随して生じる空乏層についての検討が必要である。ゲート電極の電位がプラスになる場合、n型SiC基板とp型SiC膜との接合部には逆バイアス電圧が印加される。しかしながら、n型SiC基板の不純物濃度とp型SiC膜の不純物濃度をともに高くすることにより、空乏層の幅は小さくなる。このため、トンネル効果により空乏層を抜けて電流が流れる。また、不純物濃度を高めたことにより接合部の耐圧性が消失して電流が流れる場合もある。このため、上記接合部における空乏層は動作にほとんど影響しない。上記のような接合部を得るためには、n型SiC基板のn型不純物濃度を1×1019cm-3程度とし、またp型SiC膜のp型不純物濃度を1×1019cm-3程度とすればよい。この結果、SiC基板作製から製品完成にいたる歩留りを向上させて、高速スイッチング等の高速動作が可能なSiC製のJFETを作製することが可能となる。
【0013】
ノーマリーオフ型JFETのオン状態では、上記ノーマリーオン型JFETのオン状態の場合と同様の現象が起きるので、上記したように、特に問題は生じない。
【0014】
なお、上記の説明では、JFETがノーマリーオン型かノーマリーオフ型か、次の事項にのみ焦点を絞って説明している。すなわち、オンオフ動作において、ゲート電圧をマイナス(オフ)〜プラス(オン)の範囲に変化させるノーマリーオンか、または、ゼロ(オフ)〜プラス(オン)の範囲に変化させるノーマリーオフか、のみの影響を説明している。ノーマリーオフ型JFETは、後記するように、不純物濃度や構造について所定の要件を満足することにより実現される。
【0015】
上記一の局面または他の局面におけるJFETでは、平面的に見て、p型SiC膜の領域の中にn型SiC膜の領域が含まれている。
【0016】
この構成によれば、n型SiC膜の端面は、平面的に見て、その下層のp型SiC膜の端面の内方に位置する。すなわち、p型SiC膜とその上層のn型SiC膜との間に段差がある構造とする。これらSiC膜の端面は、通常、RIE(Reactive Ion Etching)により形成される。従来のように、n型SiC膜の端面とp型SiC膜の端面とが揃っている構造では、n型SiC膜の端面は、当該n型SiC膜およびその下層のp型SiC膜をともにエッチングする間、上記の端面はイオンにさらされ続ける。一方、上記の構造では、n型SiC膜の端面は、p型SiC膜の端面のエッチングの後、2回目のエッチングにより形成された端面である、このため、2回目のエッチングの短期間だけイオンにさらされる。この結果、チャネル、およびソース、ドレイン領域を含むn型SiC膜の端面がイオンにさらされる時間が短くなり、トランジスタ特性に大きく影響する表面結晶層の劣化が起こりにくくなる。
【0017】
また、上述のように上記他の局面におけるJFETでは、ゲート電極が、n型SiC基板の表(おもて)面の上であって、p型SiC膜の端部近くに配置されている。
【0018】
この構成により、容易な作製方法により作製することができ、かつ確実にp型SiC膜とチャネル領域(n型SiC膜)との接合部に逆バイアス電圧をかけて空乏層を形成して、オフ状態を実現することができる。
【0019】
上記一の局面におけるJFETでは、ゲート電極が、n型SiC基板の裏面に形成され、バックゲート構造の配置とされている。
【0020】
上記バックゲート構造の採用により、ゲート電圧印加の信号が、チャネル領域の正面から広い範囲で直線的にチャネル領域に伝達されるので、スイッチング速度の向上を得ることができる。また、ゲート電極がチャネル領域から広がった位置に配置されず、立体的にチャネル領域と重複して配置されるので、JFETの集積度を高めることが可能となる。バックゲート構造にしても、n型SiC基板とp型SiC膜との接合部には、ゲートへのプラス電圧の印加により空乏層が形成される。しかし、上記したように、両方の側の不純物濃度を高くすることにより、この空乏層が本JFETの動作に影響することを避けることができる。
【0021】
上記一の局面または他の局面におけるJFETでは、チャネル領域の厚みが、p型SiC膜と、当該p型SiC膜の上に形成されたn型SiC膜との接合部における拡散電位による当該n型SiC膜内での空乏層幅より小さくされている。
【0022】
この構成により、ゲート電位がゼロのとき、p型SiC膜とn型SiC膜との接合部に空乏層が生じ、その空乏層幅の先端部がチャネル領域の厚みを越える。このため、チャネル領域は遮断され、ゲート電圧がゼロのときオフ状態が実現される。
【0023】
【発明の実施の形態】
次に、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
【0024】
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1におけるSiCを用いたJFETの断面図である。n型SiC基板1の上にp型SiC膜2が成膜され、その上にチャネル領域4の部分が減厚されたn型SiC膜3が形成されている。また、チャネル領域4をはさんでn型SiC膜の上にソース領域5およびドレイン領域6となるn+型不純物層が形成されている。さらに、ソース領域5に接してソース電極11が、またドレイン領域6に接してドレイン電極12が、それぞれオーミック接触を形成している。本実施の形態では、ゲート電極13は、平面的に見て、ソース、ドレイン領域5,6をはさんで形成されている。上記の構造の特徴は、n型SiC基板/(L)積層接合部/p型SiC膜/(G)ゲート接合部/チャネル領域を有するn型SiC膜、という積層構造にある。
【0025】
(A)ノーマリーオンのJFETでは、上記構造の採用により、高歩留りで大電力用高速スイッチングを行うことができる。一方、(B)ノーマリーオフのJFETでは、上記のpn接合部の拡散電位によるn型SiC膜側への空乏層幅の広がりにより、チャネル厚さaが空乏層によって越えられるようにする。このためには、例えば、チャネル領域を含むn型SiC膜3のn型不純物濃度を1×1016cm-3とし、チャネル領域の厚さaを500nm以下とする。このノーマリーオフのJFETの動作は、次のように行われる。
(B-1): オフの場合、すなわち、ゲート電極の電位がゼロの場合、ゲート接合部では、拡散電圧が印加され、空乏層が発生する。この接合部において、p型SiC膜の不純物濃度は、(L)積層接合部への逆バイアス電圧印加時における空乏層抑制のために高くされている。このため、当然、チャネル領域におけるn型不純物濃度より高くされているので、空乏層はチャネル領域の側に幅広く延び、p型SiC膜の側に延びる幅は小さい。このため、不純物濃度を調整することにより、チャネル領域のみを空乏層によって遮断することができる。この結果、オフ状態が実現される。
(B-2): オンの場合、すなわち、ゲート電圧がプラスの場合、(G)ゲート接合部では、順バイアス電圧が印加され、空乏層は発生せず、オン状態が実現される。ゲート電極の電位がプラスになる場合、上記(L)積層接合部には逆バイアス電圧が印加される。しかしながら、p型SiC膜のp型不純物濃度およびn型SiC基板のn型不純物濃度を、ともに高くしておくことにより、空乏層の幅は小さくトンネル効果により電流が流れる。上記の高濃度の不純物濃度としては、例えば、n型SiC基板のn型不純物濃度を1×1019cm-3程度とし、またp型SiC膜のp型不純物濃度を1×1019cm-3程度とする。また、上記のように不純物濃度を高くしたために、接合部の耐圧は低下して、耐圧性が消失して電流が流れる場合もある。このため、上記接合部における空乏層は、JFETのオン、オフ動作にほとんど影響しない。
【0026】
上記実施の形態1におけるJFETの構成により、チャネル領域のキャリアとして移動度の高い電子を用い、かつ、欠陥密度の低いn型SiC基板を用いて、高い歩留りで、大電力用、高スイッチング速度のJFETを作製することができる。試作段階における上記本実施の形態におけるJFETの歩留りは、次の通りであった。比較のために、従来のJFETの歩留りも併せて示す。
本発明例:n型SiC基板上への作製(実施の形態1):歩留り90%
従来例:p型SiC基板上への作製:歩留り10%
上記の結果から、従来例に比較して、本実施の形態におけるJFETの歩留りが飛躍的に向上していることが分かる。
【0027】
(実施の形態2)
図2は、実施の形態2におけるJFETを示す断面図である。本実施の形態では、ゲート電極13をn型SiC基板1の裏面側に配置したことが、実施の形態1のJFETと大きく相違する。その他の各部分が関連する動作や機能は、実施の形態1に示した動作や機能と同じである。本実施の形態においては、ゲート電極13をn型SiC基板の裏面に配置したために、ゲート電極13からチャネル領域4を正面から直線的に、かつ幅広く見通すことができる。このため、ゲート電極に印加した信号がチャネル領域に直線的に、かつ幅広く伝達されるので、オン、オフ動作を高速で行うことができる。すなわち、高速スイッチング素子を実現することができる。また、実施の形態1におけるゲート電極の配置と比較すると平面的な大きさが、実施の形態2のJFETでは小さくなり、立体的な配置になっている。このため、JFETの集積度を向上させることが可能となる。
【0028】
(実施の形態3)
図3は、実施の形態3におけるJFETを示す断面図である。また、図4は比較のためのJFETの断面図である。本実施の形態では、p型SiC膜2の端面21と、その上層のn型SiC膜3の端面22とが、ずれており、平面的に見て前者が後者の内方に位置している。これに対して、図4では、両者の端面は揃った端面20として形成されている。端面20の場合には、RIEによりエッチングする際、端面20はRIEの期間中イオンにさらされ、結晶が損傷される場合がある。これに対して、図3に示す端面構造の場合には、n型SiC膜の端面は、1回目のエッチングAによりエッチングされるが、2回目のエッチングBにより、内方の部分がエッチングされ露出されるので、その部分は短い期間しかイオン雰囲気にさらされない。このため、端面22の付近の結晶がイオンにより損傷される可能性は非常に低くなる。このため、簡便な方法により、高い歩留りを確保した上で、優れたトランジスタ特性を有するJFETを得ることが可能となる。
【0029】
図3に示すJFETはバックゲート構造を有しているが、図5に示すようにゲートをチャネルの横に配置する構造のJFETも、本実施の形態の有力な構造である。すなわち、図5に示す構造を採用することにより、端部の表面結晶を損傷することなく、高歩留りのJFETを得ることが可能となる。
【0030】
上記において、本発明の実施の形態について説明を行なったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。
【0031】
【発明の効果】
本発明により、高い歩留りをもたらすn型SiC基板を用い、移動度の高い電子を用いたチャネル領域を備えるSiC製のJFETを得ることができる。このJFETは、大電力用高速スイッチング素子等に用いることができ、電力の節減等に寄与することが期待される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施の形態1におけるJFETの断面図である。
【図2】 実施の形態2におけるJFETの断面図である。
【図3】 実施の形態3におけるJFETの断面図である。
【図4】 実施の形態3におけるJFETに対する比較用のJFETの断面図である。
【図5】 実施の形態3における他のJFETの断面図である。
【図6】 従来のJFETの断面図である。
【符号の説明】
1 n型SiC基板、2 p型SiC膜、3 n型SiC膜、4 チャネル領域、5 ソース領域(n+型不純物領域)、6 ドレイン領域(n+型不純物領域)、11 ソース電極、12 ドレイン領域、13 ゲート電極、20 p型SiC膜とn型SiC膜との端が揃った端面、21 p型SiC膜の端面、22 n型SiC膜の端面、a チャネル領域厚み、A 1回目のRIEの位置、B 2回目のRIEの位置。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a junction field effect transistor using SiC as a semiconductor, and more particularly to a junction field effect transistor using an n-type SiC substrate having a low defect density as a SiC substrate.
[0002]
[Prior art]
A junction field effect transistor (JFET) is a depletion from a pn junction by applying a reverse bias voltage from a gate electrode to a pn junction provided on a side of a channel region through which carriers pass. An operation such as switching is performed by spreading the layer over the channel region and controlling the conductance of the channel region. The carrier of the channel may be an electron (n-type) or a hole (p-type). However, in the SiC targeted by the present invention, the mobility of electrons is about an order of magnitude higher than that of holes. An n-type impurity region is used.
[0003]
In recent years, JFETs using silicon carbide (SiC) have attracted attention for applications such as high-power high-speed switching elements. Since SiC has (a) carrier mobility as high as Si, (b) electron saturation drift velocity as high as GaAs, and (c) high breakdown voltage, it is considered to be used for high-speed switching devices and high power devices. Is underway.
[0004]
FIG. 6 is a cross-sectional view showing an example of a JFET using SiC (US Patent No. 5, 264, 713). In the figure, the conductivity type of the SiC substrate 101 is preferably a p-type, which is a p-type SiC substrate. The conductivity type of SiC film 102 formed on a region of SiC substrate 101 is also preferably p-type, and is a p-type SiC film. Further, an n-type SiC film 103 is formed on the p-type SiC film 102 including a thinned portion 104 corresponding to the channel region. On this n-type SiC film 103, an n + -type impurity layer 105 in ohmic contact with the source electrode 111 and an n + -type impurity layer 106 in ohmic contact with the drain electrode 112 are formed. The gate electrode 113 is formed as a back gate 113 on the back side of the p-type SiC substrate 101.
[0005]
In the prior art (FIG. 6), the reason why the conductivity type of the SiC substrate is preferably p-type is as follows. As described above, carriers in the channel region are electrons (n-type) because high mobility can be obtained. For this reason, the layer including the channel region is an n-type SiC film. Therefore, a p-type SiC film is used as a layer for limiting the carriers in the n-type SiC film at the periphery. When an n-type SiC substrate is used as the SiC substrate on which the p-type SiC film is formed, a reverse bias voltage is applied to the junction between the n-type SiC substrate and the p-type SiC film when a positive potential is applied to the gate electrode. A depletion layer is generated. For this reason, it is necessary to evaluate and judge the influence of this depletion layer. On the other hand, by using a p-type SiC substrate, it is not necessary to evaluate the influence of this depletion layer, and it is not necessary to consider the reverse bias voltage at the junction of the stacked portion in the middle of the channel region in the on / off operation. Therefore, by using the above-described conductivity type SiC substrate, a depletion layer can be grown only in the channel region as necessary, and a high-power high-speed switching element or the like can be obtained using carriers with high mobility. .
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the p-type SiC substrate has a higher density of defects such as micropipes than the n-type SiC substrate. For this reason, the defect density also increases in the crystal growth layer on the SiC substrate which is indispensable in the production of semiconductor elements such as JFETs. Reflecting such a high defect density, a JFET formed on a p-type SiC substrate has a low yield of becoming a perfect quality JFET, and a completed JFET also has a large leakage current.
[0007]
Accordingly, an object of the present invention is to obtain a SiC JFET that uses an n-type SiC substrate and has a channel region having a carrier with high mobility and that provides a high yield.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The JFET according to one aspect of the present invention is formed on an n-type SiC substrate, a p-type SiC film formed on the front surface of the n-type SiC substrate, and a p-type SiC film. An n-type SiC film including a channel region, a source / drain region formed separately on both sides of the channel region on the n-type SiC film, and a gate electrode provided in contact with the n-type SiC substrate With. As current flows exits the depletion layer by the tunnel effect between the n-type SiC substrate and the p-type SiC layer, a p-type impurity concentration of the n-type impurity concentration and the p-type SiC layer of n-type SiC substrate is determined Yes. A JFET according to another aspect of the present invention is formed on an n-type SiC substrate, a p-type SiC film formed on the front surface of the n-type SiC substrate, and a p-type SiC film. In addition, the n-type SiC film including the channel region, the source and drain regions formed separately on both sides of the channel region on the n-type SiC film, and the n-type SiC substrate are provided. A gate electrode. The gate electrode is disposed on the front surface of the n-type SiC substrate and near the end of the p-type SiC film .
[0009]
With the above configuration, an n-type SiC substrate having a low defect density can be used to manufacture a JFET that drives carriers with high mobility with high yield. At this time, whether or not there is a problem occurs depending on whether the JFET is on or off.
[0010]
In the off state of the normally-on JFET, a negative gate voltage is applied, so no problem occurs. That is, in the off state, since a forward bias voltage is applied to the junction between the n-type SiC substrate and the p-type SiC film, no depletion layer is generated at this junction. In the off state, a reverse bias voltage is applied only to the junction between the p-type SiC film and the n-type SiC film, and a depletion layer spreads in the channel region having a low impurity concentration to block the carrier path.
[0011]
When the normally-off type JFET is in an off state, a diffusion potential is generated at the junction between the n-type SiC substrate and the p-type SiC film and at the junction between the p-type SiC film and the n-type SiC film, and a depletion layer is generated. Because each spreads independently, no problem arises.
[0012]
In the normally-on type on-state, the gate voltage may be 0 V, but a depletion layer due to the diffusion potential spreads. In order to flow more current, it is necessary to apply a positive potential to the gate in order to erase the depletion layer due to the diffusion potential. For this reason, it is necessary to examine a depletion layer that occurs accompanying application of a positive potential to the gate. When the potential of the gate electrode becomes positive, a reverse bias voltage is applied to the junction between the n-type SiC substrate and the p-type SiC film. However, the width of the depletion layer is reduced by increasing both the impurity concentration of the n-type SiC substrate and the impurity concentration of the p-type SiC film. For this reason, current flows through the depletion layer due to the tunnel effect. Further, there is a case where the withstand voltage of the junction portion is lost due to the increased impurity concentration and current flows. For this reason, the depletion layer at the junction hardly affects the operation. In order to obtain the junction as described above, the n-type impurity concentration of the n-type SiC substrate is set to about 1 × 10 19 cm −3, and the p-type impurity concentration of the p-type SiC film is set to 1 × 10 19 cm −3. It should be about. As a result, it is possible to improve the yield from the production of the SiC substrate to the completion of the product, and to produce a SiC JFET capable of high-speed operation such as high-speed switching.
[0013]
When the normally-off type JFET is in the on state, the same phenomenon as in the above-described case of the normally-on type JFET occurs. Therefore, as described above, no particular problem occurs.
[0014]
In the above description, whether the JFET is a normally-on type or a normally-off type has been described focusing on only the following matters. That is, in the on / off operation, it is only normally on that the gate voltage is changed in the range of minus (off) to plus (on) or normally off that is changed in the range of zero (off) to plus (on). Explain the impact of. As will be described later, the normally-off type JFET is realized by satisfying predetermined requirements for impurity concentration and structure.
[0015]
In the JFET according to the one aspect or the other aspect, the region of the n-type SiC film is included in the region of the p-type SiC film as viewed in a plan view.
[0016]
According to this configuration, the end surface of the n-type SiC film is positioned inward of the end surface of the underlying p-type SiC film as viewed in a plan view. That is, there is a structure in which there is a step between the p-type SiC film and the upper n-type SiC film. The end faces of these SiC films are usually formed by RIE (Reactive Ion Etching). In the conventional structure in which the end face of the n-type SiC film and the end face of the p-type SiC film are aligned, the end face of the n-type SiC film is etched together with the n-type SiC film and the underlying p-type SiC film. In the meantime, the above end face continues to be exposed to ions. On the other hand, in the above structure, the end face of the n-type SiC film is the end face formed by the second etching after the etching of the end face of the p-type SiC film. Exposed to. As a result, the time during which the end face of the n-type SiC film including the channel and the source and drain regions is exposed to ions is shortened, and the surface crystal layer that greatly affects the transistor characteristics is less likely to deteriorate.
[0017]
Further, as described above, in the JFET according to the other aspect described above, the gate electrode is disposed on the front surface of the n-type SiC substrate and near the end of the p-type SiC film.
[0018]
With this configuration, the depletion layer can be formed by applying a reverse bias voltage to the junction between the p-type SiC film and the channel region (n-type SiC film) without fail, and can be manufactured by an easy manufacturing method. A state can be realized.
[0019]
In the JFET in the above aspect, the gate electrode is formed on the back surface of the n-type SiC substrate, and the back gate structure is arranged.
[0020]
By adopting the back gate structure, a signal for applying a gate voltage is transmitted linearly to the channel region over a wide range from the front of the channel region, so that an improvement in switching speed can be obtained. In addition, since the gate electrode is not arranged at a position extending from the channel region but is three-dimensionally overlapped with the channel region, it is possible to increase the integration degree of the JFET. Even in the back gate structure, a depletion layer is formed at the junction between the n-type SiC substrate and the p-type SiC film by applying a positive voltage to the gate. However, as described above, by increasing the impurity concentration on both sides, it is possible to avoid the depletion layer from affecting the operation of the present JFET.
[0021]
In JFET in the above one aspect or another aspect, the thickness of the channel region, the n-type due to the diffusion potential at the junction of the p-type SiC layer, an n-type SiC film formed on of the p-type SiC film The width is smaller than the depletion layer width in the SiC film.
[0022]
With this configuration, when the gate potential is zero, a depletion layer is formed at the junction between the p-type SiC film and the n-type SiC film, and the leading end of the depletion layer width exceeds the thickness of the channel region. For this reason, the channel region is cut off, and the off state is realized when the gate voltage is zero.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0024]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a JFET using SiC in the first embodiment. A p-type SiC film 2 is formed on the n-type SiC substrate 1, and an n-type SiC film 3 in which the channel region 4 is reduced in thickness is formed thereon. In addition, an n + -type impurity layer that becomes the source region 5 and the drain region 6 is formed on the n-type SiC film across the channel region 4. Furthermore, the source electrode 11 is in contact with the source region 5, and the drain electrode 12 is in contact with the drain region 6 to form ohmic contact. In the present embodiment, the gate electrode 13 is formed across the source and drain regions 5 and 6 in plan view. The above-described structure is characterized by a laminated structure of n-type SiC substrate / (L) laminated junction / p-type SiC film / (G) gate junction / channel region n-type SiC film.
[0025]
(A) In a normally-on JFET, high-speed high-speed switching can be performed at a high yield by adopting the above structure. On the other hand, in the (B) normally-off JFET, the channel thickness a is exceeded by the depletion layer due to the spread of the depletion layer width toward the n-type SiC film due to the diffusion potential of the pn junction. For this purpose, for example, the n-type SiC film 3 including the channel region has an n-type impurity concentration of 1 × 10 16 cm −3 and a channel region thickness a of 500 nm or less. The operation of this normally-off JFET is performed as follows.
(B-1): When off, that is, when the potential of the gate electrode is zero, a diffusion voltage is applied at the gate junction, and a depletion layer is generated. In this junction, the impurity concentration of the p-type SiC film is increased to suppress the depletion layer when the reverse bias voltage is applied to the (L) stacked junction. For this reason, as a matter of course, since the n-type impurity concentration in the channel region is higher than that of the channel region, the depletion layer extends widely toward the channel region, and the width extending toward the p-type SiC film is small. For this reason, only the channel region can be blocked by the depletion layer by adjusting the impurity concentration. As a result, an off state is realized.
(B-2): When ON, that is, when the gate voltage is positive, a forward bias voltage is applied to the (G) gate junction, a depletion layer is not generated, and an ON state is realized. When the potential of the gate electrode becomes positive, a reverse bias voltage is applied to the (L) laminated junction. However, by increasing both the p-type impurity concentration of the p-type SiC film and the n-type impurity concentration of the n-type SiC substrate, the width of the depletion layer is reduced and a current flows due to the tunnel effect. As the above-mentioned high impurity concentration, for example, the n-type SiC substrate has an n-type impurity concentration of about 1 × 10 19 cm −3 , and the p-type SiC film has a p-type impurity concentration of 1 × 10 19 cm −3. To the extent. In addition, since the impurity concentration is increased as described above, the breakdown voltage of the junction portion may be reduced, the breakdown voltage may be lost, and a current may flow. For this reason, the depletion layer at the junction hardly affects the on / off operation of the JFET.
[0026]
With the configuration of the JFET in the first embodiment, an electron with high mobility is used as a carrier in the channel region, and an n-type SiC substrate with a low defect density is used. With a high yield, high power and high switching speed. A JFET can be fabricated. The yield of the JFET in the present embodiment at the prototype stage was as follows. For comparison, the yield of a conventional JFET is also shown.
Example of the present invention: Fabrication on an n-type SiC substrate (Embodiment 1): Yield 90%
Conventional example: Fabrication on a p-type SiC substrate: 10% yield
From the above results, it can be seen that the yield of the JFET in the present embodiment is dramatically improved as compared with the conventional example.
[0027]
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a JFET according to the second embodiment. In the present embodiment, the gate electrode 13 is arranged on the back side of the n-type SiC substrate 1, which is largely different from the JFET of the first embodiment. The operations and functions related to the other parts are the same as the operations and functions shown in the first embodiment. In the present embodiment, since the gate electrode 13 is disposed on the back surface of the n-type SiC substrate, the channel region 4 can be seen from the gate electrode 13 linearly and widely from the front. For this reason, since the signal applied to the gate electrode is transmitted linearly and widely to the channel region, the on / off operation can be performed at high speed. That is, a high-speed switching element can be realized. Compared with the arrangement of the gate electrode in the first embodiment, the planar size is smaller in the JFET of the second embodiment, and the arrangement is three-dimensional. For this reason, it becomes possible to improve the integration degree of JFET.
[0028]
(Embodiment 3)
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a JFET according to the third embodiment. FIG. 4 is a cross-sectional view of a JFET for comparison. In the present embodiment, the end face 21 of the p-type SiC film 2 and the end face 22 of the n-type SiC film 3 that is an upper layer thereof are shifted, and the former is positioned inward of the latter in plan view. . On the other hand, in FIG. 4, both end faces are formed as a uniform end face 20. In the case of the end face 20, when etching is performed by RIE, the end face 20 may be exposed to ions during the RIE period, and the crystal may be damaged. In contrast, in the case of the end face structure shown in FIG. 3, the end face of the n-type SiC film is etched by the first etching A, but the inner portion is etched and exposed by the second etching B. As such, the portion is exposed to the ionic atmosphere for only a short period of time. For this reason, the possibility that the crystal near the end face 22 is damaged by ions is very low. For this reason, it is possible to obtain a JFET having excellent transistor characteristics while ensuring a high yield by a simple method.
[0029]
Although the JFET shown in FIG. 3 has a back gate structure, a JFET having a structure in which the gate is arranged beside the channel as shown in FIG. 5 is also a powerful structure of this embodiment. That is, by adopting the structure shown in FIG. 5, it is possible to obtain a high-yield JFET without damaging the surface crystal at the end.
[0030]
While the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments of the present invention disclosed above are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to these embodiments. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.
[0031]
【The invention's effect】
According to the present invention, an SiC JFET having a channel region using electrons with high mobility can be obtained using an n-type SiC substrate that provides high yield. This JFET can be used for high-power high-speed switching elements and the like, and is expected to contribute to power saving and the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a JFET according to a first embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a JFET according to a second embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a JFET according to a third embodiment.
4 is a cross-sectional view of a JFET for comparison with a JFET in Embodiment 3. FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view of another JFET according to the third embodiment.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a conventional JFET.
[Explanation of symbols]
1 n-type SiC substrate, 2 p-type SiC film, 3 n-type SiC film, 4 channel region, 5 source region (n + -type impurity region), 6 drain region (n + -type impurity region), 11 source electrode, 12 drain Region, 13 gate electrode, 20 end surface where the ends of the p-type SiC film and n-type SiC film are aligned, 21 end surface of the p-type SiC film, 22 end surface of the n-type SiC film, a channel region thickness, A first RIE Position, B Second RIE position.

Claims (5)

n型SiC基板と、
前記n型SiC基板の表(おもて)面に成膜されたp型SiC膜と、
前記p型SiC膜の上に形成された、チャネル領域を含むn型SiC膜と、
前記n型SiC膜の上であって、前記チャネル領域の両側にそれぞれ分かれて形成されたソース、ドレイン領域と、
前記n型SiC基板に接して設けられたゲート電極とを備え、
前記n型SiC基板と前記p型SiC膜との間でトンネル効果により空乏層を抜けて電流が流れるように、前記n型SiC基板のn型不純物濃度および前記p型SiC膜のp型不純物濃度が決定されている、接合型電界効果トランジスタ。
an n-type SiC substrate;
A p-type SiC film formed on the front surface of the n-type SiC substrate;
An n-type SiC film including a channel region formed on the p-type SiC film;
Source and drain regions formed on the n-type SiC film and separately formed on both sides of the channel region,
A gate electrode provided in contact with the n-type SiC substrate,
P-type impurity concentration of such current flow exits the depletion layer by the tunnel effect, n-type impurity concentration of the n-type SiC substrate and the p-type SiC layer between the n-type SiC substrate and the p-type SiC film A junction field effect transistor.
前記ゲート電極が、前記n型SiC基板の裏面に形成され、バックゲート構造の配置とされている、請求項1に記載の接合型電界効果トランジスタ。The junction field effect transistor according to claim 1, wherein the gate electrode is formed on a back surface of the n-type SiC substrate and has a back gate structure. n型SiC基板と、
前記n型SiC基板の表(おもて)面に成膜されたp型SiC膜と、
前記p型SiC膜の上に形成された、チャネル領域を含むn型SiC膜と、
前記n型SiC膜の上であって、前記チャネル領域の両側にそれぞれ分かれて形成されたソース、ドレイン領域と、
前記n型SiC基板に接して設けられたゲート電極とを備え、
前記ゲート電極が、前記n型SiC基板の表(おもて)面の上であって、前記p型SiC膜の端部近くに配置されている、接合型電界効果トランジスタ。
an n-type SiC substrate;
A p-type SiC film formed on the front surface of the n-type SiC substrate;
An n-type SiC film including a channel region formed on the p-type SiC film;
Source and drain regions formed on the n-type SiC film and separately formed on both sides of the channel region,
A gate electrode provided in contact with the n-type SiC substrate,
A junction field effect transistor, wherein the gate electrode is disposed on a front surface of the n-type SiC substrate and close to an end of the p-type SiC film.
平面的に見て、前記p型SiC膜の領域の中に前記n型SiC膜の領域が含まれる、請求項1〜のいずれかに記載の接合型電界効果トランジスタ。In plan view, the p-type includes a region of the n-type SiC layer in the region of the SiC film, junction field effect transistor according to any one of claims 1-3. 前記チャネル領域の厚みが、前記p型SiC膜と、当該p型SiC膜の上に形成された前記n型SiC膜との接合部における拡散電位による当該n型SiC膜内での空乏層幅より小さい、請求項1〜のいずれかに記載の接合型電界効果トランジスタ。The thickness of the channel region, and the p-type SiC film, than the width of the depletion layer in the n-type SiC layer by diffusion potential at the junction between the n-type SiC film formed on of the p-type SiC film small, junction field effect transistor according to any one of claims 1-4.
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