JP4982082B2 - 窒化物半導体装置 - Google Patents
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Description
例えば特許文献1には、n型のシリコン単結晶基板の終端範囲に、リング状をなすp型のシリコン単結晶領域を形成することによって、耐圧性能を改善した半導体装置が記載されている。シリコンを利用する半導体装置では、不純物を注入して熱拡散する方法を利用することができ、比較的容易にFLRを形成することができる。
しかし、窒化物半導体は、シリコンと異なり、不純物を注入して活性化することが難しい。窒化物半導体装置にFLRを形成するには、結晶成長技術を利用してFLRを結晶成長させる必要がある。
それに対して、窒化物半導体装置の終端範囲にFLRを形成する場合、リング形状をなすp型の窒化物半導体領域を結晶成長させる。結晶成長して得られたFLRは、一様の不純物濃度を備えている。p型の窒化物半導体領域の横断面を観察すると、不純物濃度が一様となっている。
本発明者は、横断面内における不純物濃度が分布しているのか一様であるのかが、半導体装置の耐圧性能を向上させる効果に差をもたらす理由であることを確認した。窒化物半導体装置の終端範囲形成するFLRでも、横断面内における不純物濃度が分布していれば、FLRによる耐圧向上効果が高められることを見出した。
本発明は、窒化物半導装置の終端範囲に、横断面内において不純物濃度が分布しているFLRを形成することによって、窒化物半導装置の耐圧性能を効果的に改善する技術を提供することを目的とする。
例えば、横断面内の内周側では高濃度であり、外周側では低濃度であり、深さ方向の濃度分布は一定であってもよい。あるいは、横断面内の浅部側では高濃度であり、深部側では低濃度であり、幅方向の濃度分布は一定であってもよい。いずれであっても、外周側でかつ深部側の濃度は低くなっている。もちろん、横断面内の内周側でかつ浅部側の部位から外周側で深部側の部位に向けて徐々に不純物濃度が低くなるように連続的ないし段階的に変化してもよい。
上記の窒化物半導体装置では、少なくとも最も外周側に形成されたFLRの外周側でかつ深部側の部位において、p型不純物の濃度が低くなるように構成されている。外周側でかつ深部側のp型不純物の濃度を低くすることで、その部分に生じる電界集中が緩和される。この窒化物半導体装置は、FLRの効果が有効に現れ、耐圧性能が効果的に改善される。
複数本のFLRを有する場合には、一つ一つのFLRが終端範囲の外周側に向けて空乏層を広げる。一本一本のFLRについて考察すると、外周側でかつ深部側の部位の近傍に電界集中が生じやすい。一本一本のFLRにおいて、横断面内の外周側でかつ深部側の部位のp型不純物濃度が他の部位のp型不純物濃度よりも低いと、電界集中の発生を強く抑制する。非常に高い耐圧性能を得ることができる。
(第1形態)半導体装置は、窒化ガリウム(GaN層)を利用している。
(第2形態)半導体装置は、上下に電極を有する縦型の半導体装置である。
(第3形態)半導体装置は、n型の半導体領域の表面側の中心範囲に形成されているp型の窒化物半導体領域を備えている。そのp型の窒化物半導体領域内では、深さ方向にp型不純物の濃度が分布しており、深部ではp型不純物濃度が低く、浅部ではp型不純物濃度が高い。
(第4形態)窒化物半導体は、MOCVD法又はMBE法によって結晶成長した半導体である。
(第5形態)アノードと接続するp型半導体領域は、その横断面内にp型不純物の濃度分布を備えており、その横断面の外周側でかつ深部側の部位のp型不純物濃度が他の部位のp型不純物濃度よりも低い。
(第6形態)各々のFLRは、p型不純物濃度が異なる2つの領域から構成されている。
(第7形態)各々のFLRは、横断面内のp型不純物の濃度分布において、外周側でかつ深部側の部位の不純物濃度が、横断面内の最高不純物濃度の0.7倍以下になるように形成されている。
(第8形態)各FLRは、深部側にp型不純物濃度が低い領域を有している。
(第9形態)各FLRは、外周側にp型不純物濃度が低い領域を有している。
(第10形態)各FLRは、横断面内の外周側の全面と深部側の全面を含む略L字形の部位におけるp型不純物濃度が低く、その略L字断面形の部位以外の部位におけるp型不純物濃度が高い。
図1に、本実施例の半導体装置10の断面の右側の半分を示す。半導体装置10は、半導体領域15に窒化ガリウム(GaN層)を利用している窒化物半導体装置である。窒化物半導体装置10は、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)からなるカソード電極18と、GaN層からなる半導体領域15と、SiOからなる層間絶縁層14と、ニッケル(Ni)と金(Au)からなるアノード電極12から構成されている。
半導体領域15は、カソード電極18に接続されているN+−GaN層領域16と、N−GaN層領域50と、アノード電極12に接続されているアノード領域40で構成されている。アノード領域40は、アノード電極12に接続されているP−GaN層44と、P−GaN層44の下部に形成されているP−−GaN層42から構成されている。アノード領域40は、半導体領域15の上部中央に形成されている。半導体装置10は、ダイオードとして機能する。半導体装置10は、N−GaN層領域50の表面側の中心範囲に形成されているp型の窒化物半導体領域(アノード領域40)を備えている。p型の窒化物半導体領域は、上下方向に不純物濃度が分布しており、上方で濃く、下方で薄い。
以下の説明では、アノード電極12が形成されている方向を上とし、カソード電極18が形成されている方向を下とする。アノード領域40に含まれるp型不純物には、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、亜鉛(Zn)など、窒化物半導体のp型不純物に用いられる元素から選択すればよい。
FLR20、30の低濃度領域22、32は、アノード領域40のP−−GaN層42と同一の高さ範囲で形成されている。FLR20、30の低濃度領域22、32とアノード領域40のP−−GaN層42は、同一のp型不純物濃度であり、同時に結晶成長した層である。FLR20、30の高濃度領域24、34は、アノード領域40のP−GaN層44と同一の高さ範囲で形成されている。FLR20、30の高濃度領域24、34とアノード領域40のP−GaN層44は、同一のp型不純物濃度であり、同時に結晶成長した層である。FLR20、30を形成するためのみに必要とされる結晶成長工程は必要とされない。
(工程1:半導体領域の成長工程:図2のステップS1からS3による方法)
図3に示すように、N+−GaN層基板16を準備し、MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)法を利用して、N+−GaN層基板16上にN−GaN層50を形成する。次に、N−GaN層50の上にP−−GaN層72を形成する。次に、P−−GaN層72の上に、P−GaN層74を形成する(図2のS1)。図3は、N+−GaN層基板16に、N−GaN層50と、P−−GaN層72と、P−GaN層74層の順で積層された状態を模式的に示している。N−GaN層50と、P−−GaN層72と、P−GaN層74の厚みは、半導体装置10の用途等に合わせて適宜に調整される。
図4に示すように、工程1で作成した積層体のP−GaN層74の上面の一部にマスク26、36、46を形成する。マスクの形成には、フォトレジスト法を採用する。マスク26、36、46は、酸化シリコンで構成される。マスク46は後述するアノード領域40に対応しており、マスク26、36はFLR20、30に対応している。
なお、FLRの形成に係るマスク26、36については、半導体装置に形成するFLRのリング数や形状にあわせて適宜変更することができる
次いで、マスク26、36、46以外の領域をエッチング処理する。エッチング処理により、窪み28、38、48が形成される。このエッチング処理により、FLR20、30とアノード領域40以外の領域にあるP−GaN層74とP−−GaN層72は、除去される。エッチング処理後、窪み28、38、48の底部には、N−GaN層50が露出する。
図5に示すように、マスク26、36、46を備えた状態で、窪み28、38、48に相当する部位のみに、N−GaN層56、58、60を結晶成長させる(図2のS3)。図5は、N−GaN層56、58、60が形成された状態を示している。窪み28、38、48にN−GaN層を埋め込むためには、前記したMOCVD法やこの種の気相結晶性長法を採用すればよい。N−GaN層56、58、60は、マスク26、36、46の下面まで(即ち、エッチング処理前のP−GaN層74の上面まで)エピタキシャル成長させる。
図6に示すように、N−GaN層56、58、60をエピタキシャル成長させた後、マスク26、36、46を除去する。マスク26、36、46を除去した後、MOCVD法によりN−GaN層62をエピタキシャル成長する(図2のS4)。図6は、N−GaN層62が形成された状態を示している。図6に示すように、N−GaN層62は、アノード領域40とFLR20、30の上面をも覆うように成膜される。
図8に示すように、アノード電極12とアノード領域40を接続するために、アノード領域40の上面にあるN−GaN層62の一部をエッチングする。
先ず、図7に示すように、コンタクト形成用マスク76を形成する(図2のS5)。コンタクト形成用マスク76は、工程2のマスク26、36、46と同様に、酸化シリコンを主体とする層から形成されている。コンタクト形成用マスク76は、アノード電極12と接続するコンタクトホール64(図8参照)の上方以外の範囲に形成される。コンタクトホール64は、後で説明するが、アノード領域40の上面の全面に形成されるわけではなく、一部に形成される。
ついで、図8に示すように、コンタクト形成用マスク76で覆われていないN−GaN層62の一部をエッチングする(図2のS6)。この処理により、アノード領域40の上面の一部が露出し、コンタクトホール64が形成される。
コンタクトホール64を形成した後にコンタクト形成用マスク76を除去する(図2のS7)。その後に、酸化シリコンから構成される層間絶縁層14を形成する。図8は、層間絶縁層14を形成した状態を示している。図8に示すように、層間絶縁層14は、N−GaN層62の側面を被覆するように形成される。層間絶縁層14により、その後に形成されるアノード電極12と、N−GaN層62の間が完全に絶縁される。
次いで、N+−GaN層基板16の下面の全面にカソード電極18を形成する。カソード電極18は、Ti/Alから構成されており、スパッタ法などによって形成される。また、アノード領域40のコンタクトホール64と層間絶縁層14の一部に跨るようにアノード電極12を形成する。アノード電極12は、Ni/Auから構成されており、スパッタ法などによって形成される。
以上の工程により、図1に示す半導体装置10を製造することができる。
製造方法2と製造方法1は、工程1〜3が異なる。他の工程4〜6については、製造方法1と同様であるので重複する説明は省略する。
図9に示すように、N+−GaN層基板16を準備し、そのN+−GaN層基板16上にMOCVD法を利用してN−GaN層50を形成する(図2のS1’)。
図9は、N+−GaN層基板16にN−GaN層50が形成された状態を模式的に示している。
図10に示すように、N−GaN層50の上部の一部にマスク126、136、146を形成する。工程3で説明するが、マスクが形成されていない領域には、アノード領域40とFLR20、30が形成される。マスクは、半導体装置に形成するアノード領域40の形状とFLRの数や形状に合わせて適宜形成することができる。
マスク126、136、146を形成するためには、先ず、酸化シリコンからなる層をN−GaN層50の表面上の全範囲に形成する。次いで、FLR20、30とアノード領域40に対応している領域においてN−GaN層50をエッチング処理する(図2のS2’)。図10は、エッチング処理が終了したときの状態を示している。図10に示すように、エッチング処理することによって、アノード領域40とFLR20、30の形成領域に窪みが形成される。
マスク126、136、146を備えた状態で、工程2でエッチングした部分にアノード領域40とFLR20、30を形成する(図2のS3’)。
先ず、アノード領域40とFLR20、30の領域に、p型不純物濃度が低いP−−GaN層(低濃度領域)22、32、42をエピタキシャル成長する。次いで、P−−GaN層22、32、42の上部に、p型不純物が濃いP−GaN層24、34、44をエピタキシャル成長する。図11は、N−GaN層50の上部にアノード領域40とFLR20、30が形成されたときの断面状態を示している。
工程4以後の工程は、製造方法1と同様であるので説明は省略する。
本実施例の半導体装置10は、上記2つの製造方法で製造することができる。なお、製造方法1で製造された半導体装置10の構成と、製造方法2で製造された半導体装置10の構成は、異ならない。
上記の場合、まずN−GaN層50の表面に第1マスクを形成する。このとき、第1マスクは、アノード領域40の上部に相当する領域のみを残して形成する。ついで、アノード領域に相当する部分をエッチングする。第1のマスクを被覆した状態で、エッチングによって形成された窪みにp型不純物を含むP−GaN層をエピタキシャル成長させる。これにより、p型不純物濃度が一様に形成されたアノード領域40が形成される。次に第1マスクを除去し、第2マスクを成膜する。FLR20、30に対応する領域を除く領域に第2マスクを成膜する。ついでFLR20、30に相当する部分をエッチングする。エッチングにより、N−GaN層50の表面に溝が形成される。第2マスクを被覆した状態で、溝の深部に低濃度のp型不純物を含むP−−GaN層をエピタキシャル成長させる。これにより、FLR20、30の低濃度領域22、32が形成される。ついで、高濃度のp型不純物を含むP−GaN層をエピタキシャル成長させる。これにより、FLR20、30の高濃度領域24、34が形成される。そして第2マスクを除去し、製造方法1の工程4に進む。
以上の工程により、図1に示す半導体装置10を製造することができる。
第1実施例の半導体装置10に逆電圧を印加したときに、アノード電極12に向けてどのような電界分布が生じるかシミュレーションを行った。図12は、半導体装置10のシミュレーションの構造断面図を示している。図12では、半導体装置10の半導体領域50における電圧の分布を等電圧線で表記している。
図12に示すように、2つのFLR20、30が形成されている半導体装置は、FLR20、30によって電界が分散される。電界が分散されると、半導体装置は、アノード領域40の深部の外周側に電界が集中しにくくなる。結果、半導体装置には、破壊電流(耐圧を超える逆電圧が加わったときに流れる電流)が流れにくくなる。本シミュレーション結果から、2つのFLR20、30を有する半導体装置10は、耐圧性能が向上することがわかる。
上記シミュレーション結果から、半導体装置10は、FLR20、30がカソードからアノードに印加される電界を外周方向に分散することで、電界集中が抑制されることがわかる。電界集中が抑制されると、アノード領域40に直接加わる電界が小さくなり、半導体装置10の耐圧性能は向上する。
サンプルAは、2つのFLRを有している。FLRは、第1実施例のFLR20、30に対応した位置に形成されている。サンプルB〜Kは、1つのFLRを有している。FLRは、第1実施例のFLR20に対応した位置に形成されている。サンプルC〜Kでは、FLR上部の高濃度領域の不純物濃度が一定であり、FLR下部の低濃度領域の不純物濃度が順に変化している。それに対応するように、アノード領域40下部の低濃度領域の不純物濃度も順に変化している。サンプルBとサンプルDは同一の構成である。
比較品として、サンプルL〜Oを製造した。サンプルLは、FLRを有さない半導体装置である。サンプルMは、p型不純物の濃度がリング内で一様であるFLRが1つ形成された半導体装置である。FLRの位置は、第1実施例のFLR20の位置に対応している。サンプルNは、p型不純物の濃度がリング内で一様であるFLRが2つ形成された半導体装置である。FLRの位置は、第1実施例のFLR20、30に対応した位置に形成されている。サンプルL〜Nのアノード領域では、p型不純物濃度が一様である。
サンプルOでは、FLRが形成されていない。サンプルOのアノード領域では、深部(下部)でp型不純物濃度が低く、浅部(上部)で高くなるように分布している。
表1に、サンプルA〜Oの半導体装置に形成されたFLRのリング数と、浅部の不純物濃度と、深部の不純物濃度と、その濃度比を示しており、あわせてアノード領域の浅部の不純物濃度と、深部の不純物濃度も示している。
FLRのリング数と耐圧の関係について検証するため、サンプルL〜Nの半導体装置を用いてシミュレーションによる耐圧検討を実施した。本検討はFLRのリング数と耐圧の関係を調べることを目的としているため、FLR内でp型不純物の濃度が分布していない比較品であるサンプルL〜Nを用いた。結果を図13のグラフに示す。図13のグラフの横軸は半導体装置にかけた逆電圧の値を示し、縦軸はそのときに流れた電流の値を示す。電流の急激な変化は、破壊電流が流れていることを示す。破壊電流が流れた電圧値が、半導体装置の耐圧を示す。
図13に示すように、FLRが形成されていないサンプルLの耐圧は、0.55kV付近であった。FLRのリング数が1であるサンプルMは、耐圧が0.83kV付近であった。FLRのリング数が2であるサンプルNは、耐圧が0.95kV付近であった。FLRのリング数が多いほど、半導体装置の耐圧性能が向上することがわかった。
FLR内とアノード領域内でp型不純物が濃度分布している半導体装置について、上記検討と同様の耐圧検討を実施した。本検討は、FLRが2つ形成されているサンプルAとFLRが1つ形成されているサンプルBとFLRが形成されていないサンプルOの半導体装置を用いて実施した。サンプルA、Bのアノード領域では、p型不純物の濃度が低い領域の不純物濃度が1.0×1018atm/cm3であり、p型不純物の濃度が高い領域の不純物濃度が5.0×1018atm/cm3である。サンプルA、BのFLRは、p型不純物の濃度が低い領域の不純物濃度が1.0×1018atm/cm3であり、p型不純物の濃度が高い領域の不純物濃度が5.0×1018atm/cm3である。結果を図14に示す。図14のグラフの横軸は、半導体装置にかけた電圧値を示し、縦軸は、そのときの電流値を示す。
前記した検討2の結果と本検討の結果を、リング数毎に比較する。
リング数が0であるサンプルLとサンプルOを比較する。サンプルLとサンプルOの違いは、アノード領域内でのp型不純物の濃度分布の有無である。アノード領域内で濃度分布しているサンプルOは、アノード領域内で濃度分布していないサンプルAよりも、耐圧がおよそ0.25kVの上昇している。アノード領域のp型不純物濃度を変化させることで、半導体装置の耐圧性能は向上することがわかった。
リング数が1であるサンプルMとサンプルBを比較する。サンプルBの耐圧は、サンプルMの耐圧よりも約0.35kV上昇している。
リング数が2であるサンプルNとサンプルAを比較する。サンプルAの耐圧は、サンプルNの耐圧よりも約0.45kV上昇している。
FLR内のp型不純物濃度が変化しているサンプルA、Bでは、p型不純物濃度が変化していないFLRを有するサンプルM、Nよりも耐圧性能が優れている。また、単にリング数を増加させるよりも、FLR内でp型不純物濃度を変化させた構成のほうが、耐圧を示す電圧値の上昇幅が大きい。本検討の結果から、FLRのリング数だけでなく、FLR内でp型不純物を濃度分布させることで、さらに耐圧性能が向上することがわかった。
FLR内のp型不純物の濃度分布と耐圧の関係について検証するため、サンプルC〜Kと比較品であるサンプルMの耐圧検討を実施した。
サンプルC〜KとサンプルMの半導体装置は、1つのFLRを有している。サンプルC〜Kの半導体装置は、FLR内の高濃度領域のp型不純物濃度が5.0×1018atm/cm3で、低濃度領域のp型不純物濃度が0.5×1018〜4.5×1018atm/cm3に調整されている。サンプルC〜Kのアノード領域は、P−GaN層のp型不純物濃度が5.0×1018atm/cm3で、P−−GaN層のp型不純物濃度が0.5×1018〜4.5×1018atm/cm3とした。サンプルC〜Mでは、アノード領域とFLRにおいて、p型不純物の高い領域に対する低い領域の濃度比が、0.1〜0.9になるように調整されている。サンプルMは、アノード領域とFRLともp型不純物濃度が一様に5.0×1018atm/cm3になるように調整されている。
図15に示すように、FLRのp型不純物の濃度分布において、低濃度領域の不純物濃度が高濃度領域の不純物濃度の0.2倍(濃度比が0.2)になるように形成されているサンプルDの半導体装置が最も耐圧性能が高かった。サンプルDの濃度比をピークに、それよりも高い濃度比であるほど半導体装置の耐圧性能は悪くなる。また、サンプルDよりも濃度比の低いサンプルCの半導体装置は、サンプルDの半導体装置よりも耐圧性能が劣ることがわかった。
FLR内の高濃度領域に対する低濃度領域の濃度比が0.7であるサンプルHは、濃度比が0.8であるサンプルIよりも大幅に耐圧が向上している。FLR内の高濃度領域に対する低濃度領域の濃度比が0.4であるサンプルFは、濃度比が0.5であるサンプルGよりも特に大幅に耐圧が向上している。従って、FLR内の高濃度領域に対する低濃度領域の濃度比が0.7以下であると効果的であり、濃度比が0.4以下であるとより効果的であることがわかった。
図17に、第2実施例の半導体装置210の横断面の向かって右半分を示す。
本実施例の半導体装置210は、半導体装置10において一部エッチングしたN−GaN層62がないほかは、第1実施例の半導体装置10と同様の構成であるので、重複する部分の詳細な説明は省略する。
半導体装置210は、窒化ガリウム(GaN層)を半導体領域215として利用した半導体装置である。半導体装置210は、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)からなるカソード電極218と、GaN層からなる半導体領域215と、SiOからなる層間絶縁層214と、ニッケル(Ni)と金(Au)からなるアノード電極212から構成されている。
半導体領域215は、カソード電極218と接続しているN+−GaN層領域216と、N−GaN層領域250と、上部でアノード電極212に接続しているアノード領域240とから構成されている。アノード領域240は、P−−GaN層244とP−GaN層242から構成されている。なお、半導体装置210の上下方向は、図17の上下方向を示す。
FLR220、230の低濃度領域222、232は、アノード領域240のP−−GaN層242と同一の上下範囲で形成されている。FLR220、230の低濃度領域222、232とアノード領域240のP−−GaN層244は、同一の不純物濃度であり、後述する高濃度領域224、234よりも低濃度に形成されている。
FLR220、230の高濃度領域224、234は、アノード領域240のP−GaN層242と同一の上下範囲で形成されている。FLR220、230の高濃度領域224、234は、アノード領域240のP−GaN層242とp型不純物の濃度が等しい。
以上の方法により、半導体装置210を製造することができる。
半導体装置210は、第1実施例の半導体装置10よりも簡単に製造することができるという利点を有している。
図18に、第3実施例の半導体装置310の横断面の向かって右半分を示す。
半導体装置310は、窒化ガリウム(GaN層)を半導体領域315として利用した半導体装置である。半導体装置310は、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)からなるカソード電極318とGaN層からなる半導体領域315と、SiOからなる層間絶縁層314と、ニッケル(Ni)と金(Au)からなるアノード電極312から構成されている。
半導体領域315は、カソード電極318に接続しているN+−GaN層領域316と、N−GaN層領域350と、上部でアノード電極312に接続しているアノード領域340とから構成されている。本実施例の半導体装置310では、アノード領域340内のp型不純物濃度は一様である。アノード領域340は、半導体領域315の上部の一部に形成されている。なお、半導体装置310の上下方向は、図18の上下方向を示す。
半導体領域315のN−GaN層領域350には、層間絶縁層314と対向する部位にFLR320、330が形成されている。FLR320、330は、p型不純物の濃度が低い低濃度領域322、332と、p型不純物の濃度が高い高濃度領域324、334から構成されている。FLR320、330は、半導体領域315のN−GaN層領域350の上方に形成されている。FLR320、330は、半導体領域315のN−GaN層領域350に形成した溝を埋めた状態で形成されている。FLR320、330の上面は、N−GaN層領域350の層表面と同一平面になるように形成されている。FLR320、330の上面は、層間絶縁層340と接するように構成されている。
FLR320、330の低濃度領域322、332は、FLR320、330の外周側に形成されている。FLR320、330の高濃度領域324、334は、FLR320、330の内周側に形成されている。FLR320、330は、外周側の低濃度領域322、332と、内周側の高濃度領域324、334で領域が二分された状態で形成されている。
本実施例の半導体装置310は、まずN+−GaN層基板316上にMOCVD法によりN−GaN層350をエピタキシャル成長する。ついで、N−GaN層350の上部の一部にマスクを形成する。マスクは、FLR320、330、アノード領域340に相当する部分の上面以外の領域に形成する。マスクは、酸化シリコンから構成されており、第1実施例と同様にフォトレジスト法でパターニングされる。マスクが被覆されていない領域(すなわちFLR320、330、アノード領域340が形成される領域)をエッチング処理する。エッチング処理で形成された溝に、P−GaN層をエピタキシャル成長する。その後に、マスクを除去する。
上記のように形成された積層体の上面に、再度マスクを形成する。このマスクは、FLR320、330の低濃度領域322、332の上面を除く領域に形成される。マスクが被覆されていない領域(すなわち、FLR320、330の低濃度領域322、332が形成される領域)をエッチング処理する。エッチング処理で形成された溝に、P−−GaN層をエピタキシャル成長する。その後に、マスクを除去する。
マスクが除去された半導体領域315上に層間絶縁層314を形成し、カソード電極318、アノード電極312を上下に形成することで、半導体装置310が完成する。
本実施例の半導体装置310は、上記第1実施例の半導体装置10のN−GaN層62に相当する層が形成されていない。アノード領域340では、p型不純物の濃度が一様であり、アノード領域340内では濃度分布が存在しない。また、FLR320、330では、内周側に高濃度領域324、334が形成されており、外周側に低濃度領域322、332が形成されている。FLR320、330の低濃度領域322、332と高濃度領域324、334は、深さ方向では不純物濃度が一定である。
半導体装置310は、FLR320、330の外周側近傍での電界集中が好適に抑制され、高い耐圧性能を有する。
図19に、第4実施例の半導体装置410の横断面の向かって右半分を示す。
半導体装置410は、半導体領域415に窒化ガリウム(GaN層)を利用した半導体装置である。半導体装置410は、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)からなるカソード電極418と、GaN層からなる半導体領域415と、SiOからなる層間絶縁層414と、ニッケル(Ni)と金(Au)からなるアノード電極412から構成されている。
半導体領域415は、カソード電極418に接続しているN+−GaN層領域416と、N−GaN層領域450と、上部でアノード電極412に接続しているアノード領域440とから構成されている。アノード領域440は、p型不純物の濃度が低いP−−GaN層442と、p型不純物の濃度が高いP−GaN層444の2層構造を有している。アノード領域440は、後述するFLR420、430と同じ深さに形成されている。アノード領域440は、半導体領域415の上面の中心範囲に形成されている。なお、半導体装置410の上下方向は、図19の上下方向を示す。カソード電極418は、N+−GaN層領域416の下部の全面に設けられている。アノード電極412は、他の実施例と同様に、アノード領域440と層間絶縁層414の一部の上部に跨るように形成されている。
FLR420、430の低濃度領域422、432は、FLR420、430の外周側とFLR420、430の底側に沿った、断面が略L字形状になるように形成されている。FLR420、430の高濃度領域424、434は、FLR420、430の内周側の上部に断面が略四角形状になるように形成されている。
本実施例の半導体装置410は、まず−GaN層基板416上にMOCVD法によりN−GaN層450をエピタキシャル成長する。ついで、N−GaN層450の上部の一部にマスクを形成する。マスクは、FLR420、430とアノード領域440に相当する部分の上面以外の領域に形成する。マスクは、酸化シリコンまたはUSGから構成されている。マスクは、第1実施例と同様にフォトレジスト法でパターニングされる。マスクが被覆されていない領域(すなわちFLR420、430とアノード領域440が形成される領域)をエッチング処理する。エッチング処理で形成された基板上の溝に、P−−GaN層をエピタキシャル成長する。次いで高濃度のP型不純物を含むP−GaN層をエピタキシャル成長させる。その後、マスクを除去する。これにより図17中の212、214、218を除く構造が実現する。
上記のように形成された積層体の上面に、再度マスクを形成する。このマスクは、FLR420、430の低濃度領域422、432の上面を除く領域に形成される。FLR420、430の上面に、低濃度領域422、432上面と高濃度領域424、434上面が出現するように、FLR420、430の外周側の一部分にマスクが被覆される。マスクが被覆されていない領域(すなわち、FLR420、430の低濃度領域422、432が形成される領域)をエッチング処理する。この時、P−GaN層よりも浅くエッチング処理される。当初形成された溝の底部分には、P−−GaN層が残存する。エッチング処理で形成された溝に、P−−GaN層をエピタキシャル成長する。その後、マスクを除去する。そして、上記第1実施例と同様に、層間絶縁層414を形成し、カソード電極418を形成し、アノード電極412を形成することで、半導体装置410が製造される。
本実施例の半導体装置410は、FLR420、430の底壁部と外周壁に低濃度領域422、432が形成されている。半導体装置310は、FLR320、330の外周近傍での電界集中が好適に抑制され、高い耐圧性能を有する。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
12、212、312、412 アノード電極
14 層間絶縁層
15 半導体領域
16 N+―GaN層基板
18、218、318、418 カソード電極
20、30、220、230、320、330、420、430 FLR
22、32、222、232、322、332、422、432 低濃度領域
24、34、224、234、324、334、424、434 高濃度領域
26、36、46 マスク
28、38、48 窪み
40、240、340、440 アノード領域
42、242、442 P−−GaN層領域
44、244、444 P−GaN層領域
50、56、58、60、62、250、350、450 N−GaN層領域
52 アクティブ領域
54 終端範囲
64 コンタクトホール
72 P−−GaN層
74 P−GaN層
76 コンタクト形成用マスク
Claims (3)
- n型の窒化物半導体領域と、
そのn型の窒化物半導体領域の表面側の中心範囲に形成されているp型の窒化物半導体領域と、
そのp型の窒化物半導体領域の外周に残されている前記n型の窒化物半導体領域の表面側の終端範囲において、前記n型の窒化物半導体領域に埋め込まれているとともに、前記p型の窒化物半導体領域を一巡しており、結晶成長により得られた少なくとも一本のリング形状をなすp型の窒化物半導体領域を備えており、
少なくとも最も外周側に形成されているリング形状をなすp型の窒化物半導体領域は、その横断面内に不純物の濃度分布を備えており、その横断面内の外周側でかつ深部側の部位の不純物濃度が他の部位の不純物濃度よりも低いことを特徴とする窒化物半導体装置。 - 前記リング形状をなすp型の窒化物半導体領域が、前記終端範囲において複数本形成されており、
全部のリング形状をなすp型の窒化物半導体領域が、その横断面内に不純物の濃度分布を備えており、かつ、全部のリング形状をなすp型の窒化物半導体領域の横断面内の外周側でかつ深部側の部位の不純物濃度が他の部位の不純物濃度よりも低いことを特徴とする請求項1の窒化物半導体装置。 - リング形状をなすp型の窒化物半導体領域の横断面内に存在する不純物の濃度分布において、外周側でかつ深部側の部位の不純物濃度が、横断面内の最高不純物濃度の0.7倍以下であることを特徴とする請求項1又は2の窒化物半導体装置。
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