JP4645034B2 - Iii族窒化物半導体を有する半導体素子 - Google Patents
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Description
また、特許文献1には、上記したトランジスタのチャネル層のキャリア濃度を低くすることで、ノーマリオフが可能である旨が記載されている。ノーマリオフとは、ゲート電極に電圧を印加していない状態では、素子がオフしている(素子に実質的に電流が流れない)ものをいう。しかし、このような半導体素子では、ノーマリオフが可能な他の新規な構造の実現も課題となっている。即ち、チャネル層のキャリア濃度を低くすることによってノーマリオフを実現するのとは異なる手法でノーマリオフの半導体素子を実現する必要が存在する。
上記の半導体素子では、ゲート電極に電圧が印加されていない状態で第2層から第1層に向けて広がる空乏層によって第1層が空乏化され、ノーマリオフが実現される。また、上記半導体素子によると、第1層と第2層の境界部付近に、チャネルとして機能する量子井戸部を形成できる。よって、キャリアの集積度を向上させることができる。このためチャネル抵抗を低くすることができる。従って、オン抵抗を低くすることができる。
上記の半導体素子では、ゲート電極に電圧が印加されていない状態で第2層から第1層に向けて広がる空乏層によって第1層が空乏化され、ノーマリオフが実現される。また、上記半導体素子によると、第1層と第3層の境界部付近の第3層側に、チャネルとして機能する量子井戸部が形成される。したがって、オン抵抗を低くすることができる。
上記の半導体素子では、ゲート電極に電圧が印加されていない状態で第2層から第1層に向けて広がる空乏層によって第1層が空乏化され、ノーマリオフが実現される。また、上記半導体素子によると、第3層に、チャネルとして機能する量子井戸部を形成することができる。よって、この場合もオン抵抗を低くすることができる。
上記態様によると、ノーマリオフが可能な半導体素子を実現できる。
この場合、チャネルはトレンチタイプのゲート電極の側面に沿って形成される。ゲート電極が半導体基板の膜厚方向に伸びてトレンチを形成している場合、半導体基板の主面に対して直交方向に伸びるチャネルを形成することができる。このため半導体素子の面積を小さくすることができる。半導体素子の集積化に有効である。
このトランジスタは、第1導電型の第1層をキャリアが流れ、そのキャリアが原子と衝突して反対導電型のキャリアが生成された場合に、生成された反対導電型のキャリアが第2導電型の第2層に移動する。即ち、第1導電型の第1層に反対導電型のキャリアが蓄積することがない。このトランジスタによると、蓄積したキャリアがトランジスタを破壊する事態の発生を抑制することができる。
第1層と第2層が直接に接触していてもよい。この場合、第1層のバンドギャップが第2層のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。この場合、第1層と第2層の界面近傍のキャリア集積度が向上し、オン抵抗が低下する。
あるいは、第1層と第2層の間に、第1層と第2層のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する第3層が位置していてもよい。この場合は、第3層のキャリア集積度が向上し、オン抵抗が低下する。
第3層が真性のIII族窒化物半導体で構成されていると、キャリア移動度まで向上し、オン抵抗がさらに低下する。
第1層と第2層の間に、第1層のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する第1導電型のIII族窒化物半導体で構成された第3層が位置していてもよい。この場合、第1層と第3層の界面近傍のキャリア集積度が向上し、オン抵抗が低下する。
本発明のトランジスタでは、第1層の位置と厚みが、第2層から第1層に向けて広がる空乏層によって空乏化される関係に選定されていることが好ましい。
ゲート電極と第1層の間にゲート絶縁膜が配置されていることが好ましい。
ゲート電極と第1層の間にゲート絶縁膜が配置されていると、ゲート電極に十分に高い電圧を印加することが可能となり、大電流のオン・オフが可能となる。
(第1実施形態) この形態の半導体素子は、第1導電型のIII族窒化物半導体で構成された第4層(22)と、第4層(22)上に形成されているとともに第2導電型のIII族窒化物半導体で構成された第2層(42)と、第2層(42)上に直接又はIII族窒化物半導体で構成された第3層(44)を介して形成されているとともに第1導電型のIII族窒化物半導体で構成された第1層(32)と、第1層(32)上に直接又はゲート絶縁層(30)を介して形成されたゲート電極(34)と、第1層(32)の一端側に直接又は第1導電型ソース層(40)を介して接触するソース電極(38)と、第1層(32)の他端側に直接又は第1導電型ドレイン層(26)を介して接触するドレイン電極(28)を有する。
(第2実施形態) この形態の半導体素子は、第1導電型のIII族窒化物半導体で構成された第4層(52, 54)と、第4層(52, 54)の第1面側に形成されたドレイン電極(50)と、第4層(52, 54)の第1面とは反対側の第2面上に形成されているとともに第2導電型のIII族窒化物半導体で構成された第2層(56)と、第2層(56)上に直接又はIII族窒化物半導体で構成された第3層(72)を介して形成されているともに第1導電型のIII族窒化物半導体で構成された第1層(68)と、第1層(68)上に直接又はゲート絶縁層(66)を介して形成されたゲート電極(70)と、第1層(68)の一端側に直接又は第1導電型ソース層(60)を介して接触するソース電極(62)を有する。第2層(56)は複数の領域に分断されており、その分断部で第4層(52, 54)と第1層(68)が直接接触する。
(第3実施形態) 第2実施形態の第3層(72)が不純物のドープされていない真性のIII族窒化物半導体であるか、あるいは第1導電型のドープされたIII族窒化物半導体で構成されている。
図1は、第1実施例の電界効果トランジスタの断面図を示す。このトランジスタでは、基板20上に、下側n−型層(第4層)22が形成されている。基板20は、Al2O3(サファイア)で構成されている。下側n−型層22は、n型不純物であるSi(シリコン)がドーピングされたGaN(窒化ガリウム)で構成されている。下側n−型層22のキャリア濃度は、約1×1016cm−3である。下側n−型層22の最も厚い部分の厚さは、約5μmである。下側n−型層22の一部の領域上には、p+型層(第2層)42が形成されている。p+型層42は、p型不純物であるMg(マグネシウム)がドーピングされたGaNで構成されている。p+型層42のキャリア濃度は、約1×1018cm−3である。p+型層42の最も厚い部分の厚さは、約0.5μmである。n型不純物としてGe(ゲルマニウム)等をドーピングしてもよい。p型不純物としてBe(ベリリウム)等をドーピングしてもよい。
上側n−型層32とp+型層42の接触部(pn接合部)24からは、上側n−型層32とp+型層42の両側に空乏層が伸びる。上側n−型層32の厚さは、ゲート電極34に電圧が印加されていないときに上側n−型層32とp+型層42のpn接合部24から上側n−型層32側に伸びる空乏層の厚さ以下である。
図4からわかるように、ノッチ部46は、上側n−型層32とp+型層42の境界部24付近(主に境界部24付近のp+型層42)に形成される。即ち、チャネルは、図1と図4に示す上側n−型層32とp+型層42の境界部24付近(主に境界部24付近のp+型層42)に形成される。図4でみると、ノッチ部(チャネル)46は紙面垂直方向に伸びている。図1でみると、チャネルは、境界部24付近に形成されるため、左右方向に伸びる。
以上の工程を経ることで、第1実施例の電界効果トランジスタを製造できる。
図5に示す第2実施例の電界効果トランジスタは、次の点で第1実施例と主に異なる。第2実施例では、上側n−型層32とp+型層42の間にチャネル層(第3層)44が設けられている。チャネル層44は、上側n−型層32と下側n−型層22の間にも連続して設けられている。チャネル層44は、不純物がドープされていない真性のInGaNで構成されている。このように、チャネル層44には、Inを含ませている。これにより、チャネル層44のバンドギャップを、上側n−型層32とp+型層42のバンドギャップよりも小さくしている。
また、チャネル層44は、不純物がドープされていない。よって、チャネル層44に電子が流れた場合の不純物散乱の発生を回避できる。よって、電子の移動度をより向上させることができる。このため、チャネル抵抗をより低くすることができる。従って、オン抵抗をより低くすることができる。
図7に示す第3実施例の電界効果トランジスタは、素子の表面(第1面)にソース電極が形成され、素子の裏面(第2面)にドレイン電極が形成された縦型トランジスタであり、左右対称構造を有している。n+型ドレイン層(第4層の一部)52上に、下側n−型層(第4層の一部)54が形成されている。n+型ドレイン層52と下側n−型層54は、n型不純物としてSiがドープされたGaNで構成されている。但し、n+型ドレイン層52の方が下側n−型層54よりも高濃度にSiがドープされている。n+型ドレイン層52のキャリア濃度は、約3×1018cm−3である。下側n−型層54のキャリア濃度は、約1×1016cm−3である。n+型ドレイン層52の厚さは、約200μmである。下側n−型層54の最も厚い部分の厚さは、約6μmである。n+型ドレイン層52の底面には、ドレイン電極50が形成されている。
上側n−型層68は、ゲート電極70とp+型層56の間に形成された領域68aを有する。ゲート絶縁層66と各電極50,62,70の構成材料と厚さは、第1実施例と同様である。
上側n−型層68とp+型層56の接触部(pn接合部)58からは、上側n−型層68とp+型層56の両側に空乏層が伸びる。上側n−型層68の厚さは、ゲート電極70に電圧が印加されていないときにpn接合部58から上側n−型層68側に伸びる空乏層の厚さ以下である。
以上の工程を経ることで、第3実施例の電界効果トランジスタを製造できる。
図8に示す第4実施例の電界効果トランジスタは、次の点で第3実施例と主に異なる。第4実施例では、上側n−型層68とp+型層56の間にチャネル層(第3層)72が設けられている。チャネル層72は、上側n−型層68と下側n−型層54の間にも連続して設けられている。チャネル層72は、不純物がドープされていない真性のInGaNで構成されている。このように、チャネル層72には、Inを含ませている。これにより、チャネル層72のバンドギャップを、上側n−型層68とp+型層56のバンドギャップよりも小さくしている。
図9に示す第5実施例の電界効果トランジスタは、次の点で第4実施例と主に異なる。第4実施例のチャネル層72は不純物がドープされていない真性のInGaNで構成されているのに対し、第5実施例のチャネル層73は、n型不純物としてSiがドープされたn―型のGaNで構成されている。このチャネル層73の不純物濃度は、1×1016cm−3である。さらに第4実施例のp+型層56はp型不純物としてMgがドープされたInGaNで構成されているのに対し、第5実施例ではInを含まないp+型のGaNで構成されている。このp+型層57の不純物濃度は、5×1017cm−3である。したがって、第5実施例のチャネル層73のバンドギャップはp+型層57と等しく、上側n−型層68よりも小さい。
図10(a)を見ると、上側n−型層68aとチャネル層73のバンドギャップの相違から、その境界部59にノッチ部(量子井戸部)が形成されている。本実施例の場合、チャネル層73とp+型層57のバンドギャップが一致しているために、エネルギー障壁で囲まれた凹状のノッチ部とはならない。ノッチ部は上側n−型層68aとチャネル層73の境界部59近傍のうち、チャネル層73側に形成されている。ゲート電極70に電圧が印加されていない状態では、このノッチ部のポテンシャルがフェルミ準位(0eV)よりも上方にあるため、チャネルが形成されず電子は流れない。したがって、この電界効果トランジスタはノーマリーオフ動作を実現している。
一方、ゲート電極70に正の電圧を印加すると、図10(b)に示すように、ノッチ部のポテンシャルがフェルミ準位(0eV)に達する。したがって、ノッチ部にチャネルが形成され、電子が流れる。
上記トランジスタでは、ノッチ部のポテンシャルがフェルミ準位に達するのに必要なゲート電圧が3.0Vと低い。半導体素子のオン/オフ制御が容易となる。
なお、本実施例の技術を第2実施例の電界効果トランジスタに適用してもよい。つまり、図5に示す第2実施例のチャネル層44をn型の不純物がドープされたn―型のGaNで構成する。第5実施例と同様の作用効果によりオン抵抗の小さい電界効果トランジスタを実現することができる。
図11に示す第6実施例の電界効果トランジスタは、半導体基板の膜厚方向に伸びるトレンチタイプのゲート電極171を備えている。
ドレイン層(第4層の一部)152上に、下側n型層(第4層の一部)154が形成されている。ドレイン層152はGaN基板が用いられる。下側n型層154は、n型不純物としてSiがドープされたGaNで構成されている。ドレイン層152の裏面には、ドレイン電極150が形成されている。
チャネル領域173は、n型不純物としてSiがドープされたn型のGaNで構成されている。上側n型層168は、n型不純物としてSiがドープされたAlGaN(詳細にはAl0.3Ga0.7N)で構成されている。上側n型層168のうち、p型層157に対向する箇所を上側n型層168aと称し、便宜上区別している。
ゲート絶縁層166と各電極150、162、170の構成材料は、第5実施例と同様である。
上側n型層168aとチャネル層173のバンドギャップの相違から、その境界部159にノッチ部(量子井戸部)が形成される。本実施例の場合、チャネル層173とp型層157のバンドギャップが一致しているために、エネルギー障壁で囲まれた凹状のノッチ部とはならない。ノッチ部は上側n型層168aとチャネル層173の境界部159近傍のうち、チャネル層173側に形成されている。ゲート電極170に電圧が印加されていない状態では、このノッチ部のポテンシャルがフェルミ準位よりも上方にあるため、チャネルが形成されず電子は流れない。したがって、この電界効果トランジスタはノーマリーオフ動作を実現している。
一方、ゲート電極170に正の電圧を印加すると、ノッチ部のポテンシャルがフェルミ準位に達する。したがって、ノッチ部にチャネルが形成され、電子が流れる。
上記の電界効果トランジスタでは、半導体素子がオンすると、n+型ソース層160から供給された電子は、チャネル層173に沿って縦方向に流れる。つまり、トレンチタイプのゲート電極170の側面に沿って、半導体基板の主面と直交方向に流れ、さらに下側n型層154とドレイン層152を経由してドレイン電極150へと流れる。
なお、本実施例のチャネル層に不純物がドープされていない真性のInGaNで構成してもよい。この場合、チャネル層には凹状のノッチ部(量子井戸部)が形成される。同様の作用効果を奏し、オン抵抗を小さくすることができるとともに、電界効果トランジスタの面積を小さくすることができる。
まず、GaN基板152上に、MOCVD法によって下側n型層154とp型層157とn+型ソース層160を成長させた後に、RIE法によってn型層154にまで貫通するトレンチを形成する。次にそのトレンチ内部に、MOCVD法によってチャネル層173と上側n型層168を所定の厚みで成長させる。次にゲート絶縁層166をスパッタ法によって所定の厚みで形成する。次に、残りのトレンチ内部にポリシリコン等を成長させてゲート電極170を形成する。他の工程は、前記の実施例と同様の工程を経ることで製造することができる。
(1)図1に示す第1実施例では、上側n−型層32とp+型層42の境界部24付近にチャネルが主に形成される構造であった。しかし、上側n−型層32の内部にチャネルが主に形成されるような構造であってもよい。
(2)上記実施例ではノーマリオフの半導体素子について説明した。しかし、本発明はノーマリオンの半導体素子にも適用できる。
(3)上記実施例では、ゲート電極と第1層の間にゲート絶縁膜を介在させている。これに代えて、両者をショットキー接触させてもよい。ゲート絶縁膜を介在させると、ゲート電極に高電圧を印加することが可能となり、大電流のオン/オフが可能となる。
(4)図1に示す第1実施例の製造方法として、上記では、基板20上への下側n−型層22の成長、下側n−型層22の一部のエッチング、そのエッチングで露出した下側n−型層22上へのp+型層42の再成長、という工程を経てp+型層42を形成する方法を説明した。しかし、p+型層42は、下側n−型層22にMg又はBeをイオン注入することで形成することもできる。これによると、下側n−型層22のエッチング、p+型層42の再成長という工程を省くことができる。よって、製造プロセスを簡単化できる。
(5)図7に示す第3実施例は、下側n−型層54を薄く成長させ、その下側n−型層54上の全体にp+型層56を成長させ、そのp+型層56の中央部(図7には存在しない)にSi又はGeをイオン注入してn−型層54の中央部を形成してもよい。この場合も、2つのp+型層56とこれらの間に位置するn−型層54を形成できる。
42、56、57、157:p+型層 (第2層の一例)
44、72、73、173:チャネル層 (第3層の一例)
22、54、154:下側n−型層(第4層の一例)
40、60、160:n+型ソース層
26、52、152:n+型ドレイン層
30、66、166:ゲート絶縁層
34、70、170:ゲート電極
38、62、162:ソース電極
28、50、150:ドレイン電極
Claims (5)
- 第1導電型のIII族窒化物半導体で構成された第1導電型層と、第1導電型のIII族窒化物半導体で構成された第1層と、第2導電型のIII族窒化物半導体で構成された第2層と、第1導電型のソース領域と、ゲート電極を有し、
第2層は、第1導電型層の表面の一部に設けられており、
第1層は、ゲート電極と第2層の間に形成された領域を有し、
第1層と第2層は接しており、
ソース領域は、第2層の上方に設けられているとともに第1層の側面に接しており、
ゲート電極は、少なくともソース領域と第2層が設けられてない第1導電型層の表面の間に亘って、第1層を介して第2層に対向しており、
第1層のバンドギャップは、第2層のバンドギャップよりも大きく、
第1層は、ゲート電極に電圧が印加されない状態で前記第2層から第1層に向けて広がる空乏層の範囲内に位置することを特徴とするノーマリオフ型の半導体素子。 - 第1導電型のIII族窒化物半導体で構成された第1導電型層と、第1導電型のIII族窒化物半導体で構成された第1層と、第2導電型のIII族窒化物半導体で構成された第2層と、第1導電型のIII族窒化物半導体で構成された第3層と、第1導電型のソース領域と、ゲート電極を有し、
第2層は、第1導電型層の表面の一部に設けられており、
第1層は、ゲート電極と第2層の間に形成された領域を有し、
第3層は、第1層と第2層の間に形成された領域を有し、
第3層のバンドギャップは、第1層のバンドギャップよりも小さく、
ソース領域は、第2層の上方に設けられているとともに第1層の側面に接しており、
ゲート電極は、少なくともソース領域と第2層が設けられてない第1導電型層の表面の間に亘って、第1層を介して第2層に対向しており、
第1層は、ゲート電極に電圧が印加されない状態で前記第2層から第1層に向けて広がる空乏層の範囲内に位置することを特徴とするノーマリオフ型の半導体素子。 - 第1導電型のIII族窒化物半導体で構成された第1導電型層と、第1導電型のIII族窒化物半導体で構成された第1層と、第2導電型のIII族窒化物半導体で構成された第2層と、III族窒化物半導体で構成された第3層と、第1導電型のソース領域と、ゲート電極を有し、
第2層は、第1導電型層の表面の一部に設けられており、
第1層は、ゲート電極と第2層の間に形成された領域を有し、
第3層は、第1層と第2層の間に形成された領域を有し、
第3層のバンドギャップは、第1層と第2層のバンドギャップよりも小さく、
ソース領域は、第2層の上方に設けられているとともに第1層の側面に接しており、
ゲート電極は、少なくともソース領域と第2層が設けられてない第1導電型層の表面の間に亘って、第1層を介して第2層に対向しており、
第1層は、ゲート電極に電圧が印加されない状態で前記第2層から第1層に向けて広がる空乏層の範囲内に位置することを特徴とするノーマリオフ型の半導体素子。 - 第3層は、実質的に真性のIII族窒化物半導体で構成されている請求項3に記載のノーマリオフ型の半導体素子。
- 前記ゲート電極と前記第1層の間に配置されたゲート絶縁膜を有する請求項1〜4のいずれかのノーマリオフ型の電界効果トランジスタ。
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