JP4686321B2 - Ｉｉｉ族窒化物マルチチャンネルヘテロ接合インターデジタル整流器 - Google Patents
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Description
本発明は、電力半導体装置に関し、さらに詳細には、ヘテロ接合電力半導体装置に関する。
ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合電力半導体装置は、降伏耐力や低いオン抵抗のために、パワーアプリケーションにおいて期待されている。米国特許出願１１／００４，２１２には、ＩＩＩ族窒化物電力半導体装置の例が図示されている。
この出願の図２を参照すると、米国特許出願１１／００４，２１２に示されたＩＩＩ族窒化物を有する電力半導体装置は、基板２８と、基板２８上に配置されたバッファ層３０と、バッファ層３０上に配置されたヘテロ接合３２と、ヘテロ接合３２上に配置された保護層３４と、ヘテロ接合３２とショットキーコンタクトしたショットキー電極２０と、ヘテロ接合３２に接続されたオームコンタクト２２とを有する。好ましくは、ショットキーコンタクト２０とオームコンタクト２２は共にフィールドプレート３６を有する。
ヘテロ接合３２は、共にＩｎＡｌＧａＮの合金で形成された抵抗性のあるＩＩＩ族窒化物半導体（抵抗体）３８とＩＩＩ族窒化物半導体障壁体（障壁体）４０を有する。従来周知のように、抵抗体３８と障壁体４０は、２つの構造体の間に自発分極と圧電効果による高い導電性の二次元ガス（２ＤＥＧ）４２からなる接合を形成するものから選択される。
抵抗体３８を形成するための公知の材料は、ドーピングされていないＧａＮであり、障壁体４０を形成するための公知の材料は、ＡｌＧａＮである。
本発明による電力半導体装置は、少なくとも、第１のＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合と、その第１のＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合上に配置された第２のＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合とを有する。結果として、本発明による装置は、高密度及び高移動度を有する多くの２ＤＥＧチャンネルを有する。
具体的には、それぞれのヘテロ接合は、好ましくは、ＩｎＡｌＧａＮ合金からなる第１の薄いＩＩＩ族窒化物半導体と、異なるＩｎＡｌＧａＮ合金からなる第２の薄い半導体で形成される。例えば、それぞれの層は１０Å〜１０００Åであり、好ましくは１５０Å〜３００Åである。薄いが高い導電性を有するヘテロ接合体であるその多層は、比較的高い降伏電圧を有する高い導電性の電力半導体装置をもたらす。
好ましい形態による装置は、電荷注入と電荷排出を増加させるために、櫛に似た形状で交互にインターデジタルパターンで（一対の櫛形形状が互いに向かい合って隙間を開けてかみ合うように）配置されたショットキー電極とオーミック電極を有する横方向チャンネルショットキー型整流器である。好ましい形態におけるそれらの電極は、好ましくは、少なくとも２つのＩＩＩ族窒化物へテロ接合からなる積層体上に配置される。そのような構造の例は、バッファ層と基板上に配置されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮからなる積層体である。好ましくは、少なくとも底部のＧａＮ層は、高抵抗であり、すなわち、内在的にドーピングされているが、それは、誤差範囲のドーピングより多くのドーピングは含まないことを意味し、意図的ではないドーピングである。
上述の例においては、順方向バイアス下では、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの界面に形成されたチャンネルは、厚いドープ領域を用いずに大電流を流すことができる。逆バイアス下では、そのチャンネルは電荷が除去されるので、そのチャンネルには電流が流れず、下層のＧａＮの性質である高い抵抗性によって、電荷が流れるのを防止する。さらに、そのＡｌＧａＮとＧａＮが内在的にドーピングされていると、順方向抵抗における相当する悪影響なしに、非常に高いスタンドオフ電圧を許容する弱い電界が逆バイアス下で発生する。所望の装置特性に依存して、移動度と降伏性能との間における所望のトレードオフを得るためにその層はドープされることができることに留意されたい。
さらに、有利には、高い導電性の２ＤＥＧを有するドープされた電子輸送層の置換は、得られる降伏電圧のために、ＲＡ製品を劇的に改善する。さらに、ＡｌＧａＮ／ＧａＮからなる多層の使用は、増加した伝導性をもたらし、抵抗性のあるＧａＮ層は、例えば、その装置を囲うＡｌＧａＮ−ＧａＮ積層体の一部をエッチングすることによってその装置を分離させる。結果として、１つのシングルチップ上に多数の装置を集積することを可能にするであろうし、それによって、本発明による装置を有するＩＣの製造を可能にするであろう。
本発明の他の特徴や利点は、添付した図を参照して説明する本発明の以下の記述によって明らかになるであろう。
図２を参照すると、本発明の実施形態による装置は、複数のインターデジタルな電極、すなわち、ショットキー電極２０とオーミック電極２２とを有する。ショットキー電極２０は共通のショットキー給電部２４に接続され、オーミック電極２２は共通のオーミック給電部２６に接続される。図示されていないが、それぞれの共通の給電部２４，２６は、外部接続のためにそれぞれの導電パッドに電気的に接続されることが当業者であれば理解できるであろう。
本発明による装置は、２つ又はそれ以上のＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合を有する。例えば、図３を参照すると、本発明による電力装置は、ヘテロ接合３２とバッファ層３０との間にもう一つのヘテロ接合３３を有する。ヘテロ接合３３は、好ましくは、ＩＩＩ族窒化物半導体抵抗体（抵抗体）３９とＩＩＩ族窒化物半導体障壁体（障壁体）４１とを有する。抵抗体３９と障壁体４１は、２つの構造体の間に、高い導電性の二次元ガス（２ＤＥＧ）４２からなる接合を形成するものから選択される。好ましい実施形態においては、抵抗体３９はドーピングされていないＧａＮから構成することができ、一方、障壁体４１は、好ましくは、ＡｌＧａＮから構成することができる。本願の精神や目的から逸脱せずに、ＩｎＡｌＧａＮの他の合金が抵抗体３９と障壁体４１を形成するために用いることができることに留意されたい。
好ましい実施形態においては、基板２８はシリコンから形成される。基板２８は、ＳｉＣ、サファイア、または他の適切な基板で形成することができることに留意されたい。さらに、バルクなＧａＮのように互換性のある（コンパチブル）ＩＩＩ族窒化物半導体のバルク材料は、基板２８として用いることができるが、ここで、抵抗体３８がドーピングされていないＧａＮからなる場合には、バッファ層３０は省略することができる。
図４Ａを参照すると、本発明による装置を作製するために、基板２８と、バッファ層３０と、ヘテロ接合３２と、ヘテロ接合３３と、保護層３４とを有する積層体は、図４Ｂに模式的に示した保護層３４の開口４４を得るためにマスクされ、エッチングされる。開口４４は、少なくてもヘテロ接合３２の障壁体４０まで達する。
次に、オーミック電極２２は、少なくとも障壁体４０まで達する開口に形成され、障壁体４０とオーミックコンタクトを形成し、結果として、図４Ｃに模式的に示された構造が得られる。オーミック電極２２は、オーミック金属を堆積し、その後アニール工程を実施することによって形成される。その後、図４Ｄに模式的に示されているように、少なくとも障壁体４０まで達するもう１つの開口４６が保護層３４に形成される。次に、ショットキー電極２０は、ショットキー金属を積層させることによって、少なくとも障壁体４０まで達する開口に形成され、障壁体４０と接触するショットキーコンタクトを形成する。それから、フィールドプレート３６は、ショットキー電極２０の頂上に形成され、結果として、図３に示された形態による装置が得られる。
次に、図５を参照すると、他の形態による装置は、ヘテロ接合上に配置された、好ましくはＧａＮから形成される低濃度ドーピングされたＩＩＩ族窒化物体４８を有する。この形態において、オーミック電極２２とショットキー電極２０は、低濃度ドーピングされたＩＩＩ族窒素物体４８に接続される。この構造は、横方向導電ショットキーと類似しているが、順方向電流が流れる方向において増加した導電性を示す。
図６を参照すると、図５に示された形態の変形例では、ヘテロ接合３２とオーミックに接続され、ショットキー電極２０の面より低い面上に位置されたオーミック電極２２の形成を可能にするための低濃度ドーピングされたＩＩＩ族窒素物体４８にリセスが形成される。
保護層３４は、アニールステップ中に窒素の外方拡散を遅らせたり、防止したりする材料からなることに留意されたい。窒素リッチの材料は、この目的において適切であろう。例えば、ＡｌＮ、ＨｆＮ、ＡｌＧａＮ、高濃度ドーピングのＧａＮ、高濃度ドーピングのポリガリウム窒素（Ｐｏｌｙ ＧａＮ）、低圧化学蒸着法（ＬＰＣＶＤ）で形成されたＳｉ３Ｎ４は、保護層３４を形成するために適切な材料の中に含まれる。さらに、好ましい形態においては、オーミック電極２２は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／ＴｉＷ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ、又はそれに類するもののようなＡｌ／Ｔｉ体から形成してもよく、一方、ショットキー電極２０は、Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ、Ａｕ、ＴｉＷ、Ｎｉ／ＴｉＷ、Ｎｉ／ＴｉＮ、又はそれに類するものから形成してもよい。ここに記載された材料は好ましいが、本発明の精神および目的を逸脱せずに、他の材料を用いることもできることに留意されたい。
本発明は特定の実施形態に関して記述されているが、他の多くの変形と修正および他の用途は、当業者にとって明らかである。さらに、本発明は、ここに記載の特定の開示によって限定されるものではなく、添付した特許請求の範囲によって定められるものである。
２０ ショットキー電極
２２ オーミック電極
２８ 基板
３０ バッファ層
３２、３３ ヘテロ接合
３４ 保護層
３６ フィールドプレート
２２ オーミック電極
２８ 基板
３０ バッファ層
３２、３３ ヘテロ接合
３４ 保護層
３６ フィールドプレート
Claims (23)
- 第１の障壁層及び第１の抵抗層を有する第１のＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合と、
該第１のＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合上に配置され、第２の障壁層及び第２の抵抗層を有する第２のＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合と、
該第２のＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合と直接ショットキーコンタクトした第１電極と、
前記第２のＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合と直接オーミックコンタクトし、前記第１電極から離隔された第２電極と、を有する電力半導体装置。 - 前記それぞれのヘテロ接合は、ＩｎＡｌＧａＮの合金からなる第１のＩＩＩ族窒化物半導体と、異なるＩｎＡｌＧａＮの合金からなる第２のＩＩＩ族窒化物半導体と、を有することを特徴とする請求項１に記載の電力半導体装置。
- 前記第１の半導体はＡｌＧａＮからなり、前記第２の半導体はＧａＮからなることを特徴とする請求項２に記載の電力半導体装置。
- 前記第２の半導体はドーピングされていないことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
- バッファ層と基板とをさらに有し、前記バッファ層は、前記第１のＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合と前記基板との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電力半導体装置。
- 前記バッファ層はＡｌＮからなることを特徴とする請求項５に記載の電力半導体装置。
- 前記基板はＳｉ、ＳｉＣ、又は、サファイアからなることを特徴とする請求項５に記載の電力半導体装置。
- ＩＩＩ族窒化物の材料からなる基板を有することを特徴とする請求項１に記載の電力半導体装置。
- 前記基板は、ＧａＮからなることを特徴とする請求項８に記載の電力半導体装置。
- 前記第１のＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合は、ＩｎＡｌＧａＮの合金からなる第１のＩＩＩ族窒化物半導層と、前記第１のＩＩＩ族窒化物半導層下に配置され、異なるＩｎＡｌＧａＮの合金からなるドーピングされていない第２のＩＩＩ族窒化物半導層と、前記第２のＩＩＩ族窒化物半導層下に配置されたバッファ層と、を有することを特徴とする請求項１に記載の電力半導体装置。
- 前記バッファ層はＡｌＮからなることを特徴とする請求項１０に記載の電力半導体装置。
- 前記ドーピングされていない第２のＩＩＩ族窒化物半導体は、ＧａＮからなることを特徴とする請求項１０に記載の電力半導体装置。
- 前記第１のＩＩＩ族窒化物半導体はＡｌＧａＮからなることを特徴とする請求項１２に記載の電力半導体装置。
- 前記第２のＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合上に配置された保護層をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の電力半導体装置。
- 前記第１電極は第１給電部に接続され、前記第２電極は第２給電部に接続されることを特徴とする請求項１に記載の電力半導体装置。
- 前記第１電極と前記第２電極は、かみ合うように配置されたことを特徴とする請求項１に記載の電力半導体装置。
- 前記保護層は窒素の外方拡散を防止することを特徴とする請求項１４に記載の電力半導体装置。
- 前記保護層は窒化物を含むことを特徴とする請求項１４に記載の電力半導体装置。
- 前記保護層は、ＡｌＮ、ＨｆＮ、ＡｌＧａＮ、高濃度ドーピングのＧａＮ、高濃度ドーピングのポリガリウム窒素、及び、低圧化学蒸着法で形成されたＳｉ３Ｎ４のうち少なくとも１つからなることを特徴とする請求項１４に記載の電力半導体装置。
- 前記第１電極と前記第２のＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合との間に挿入されたドーピングされたＩＩＩ族窒化層を有することを特徴とする請求項１に記載の電力半導体装置。
- 前記第１電極に接続されさらに前記第２電極に接続されたドーピングされたＩＩＩ族窒化層を有することを特徴とする請求項１に記載の電力半導体装置。
- 前記ドーピングされたＩＩＩ族窒化層は、ＧａＮからなることを特徴とする請求項２０に記載の電力半導体装置。
- 前記ドーピングされたＩＩＩ族窒化層は、ＧａＮからなることを特徴とする請求項２１に記載の電力半導体装置。
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