JP5052807B2 - Semiconductor device and power conversion device - Google Patents

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Description

本発明は、窒化物系化合物半導体を含む半導体から構成される、電界効果トランジスタおよびダイオードを含む半導体装置及び当該半導体装置を使用する電力変換装置に関するものである。 The present invention relates to a power conversion apparatus to be used consists of a semiconductor including a nitride-based compound semiconductor, a semi-conductor device and the semiconductor device including a field effect transistor and a diode.

直流を交流に変換するインバータや交流を直流に変換するコンバータなどの電力変換装置を構成するインバータ回路又はコンバータ回路には、スイッチング素子が使用されている。スイッチング素子は、電界効果トランジスタやIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)といった半導体装置により構成される。   A switching element is used in an inverter circuit or a converter circuit constituting a power conversion device such as an inverter that converts direct current into alternating current or a converter that converts alternating current into direct current. The switching element includes a semiconductor device such as a field effect transistor or an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).

図7に電力変換装置300としてインバータの回路図を示す。電力変換装置300は、交流電源400と、この交流電源400から供給される交流を直流に整流する整流回路500と、この整流回路500からの直流を交流に変換するインバータ回路600を有する。 FIG. 7 shows a circuit diagram of an inverter as the power converter 300. The power converter 300 includes an AC power source 400, a rectifier circuit 500 that rectifies the AC supplied from the AC power source 400 into a DC, and an inverter circuit 600 that converts the DC from the rectifier circuit 500 into an AC.

インバータ回路600は、負荷Mに対して変換した交流電力の供給を行う。インバータ回路600のスイッチング素子として、電力用の電界効果トランジスタ100が用いられ、その保護素子としてダイオード200が用いられている。すなわち、電界効果トランジスタ100がオフの状態で、電界効果トランジスタ100のソースとドレインの間に逆方向のサージが加わったとき、ドレインとゲートの間にサージ電流が流れてゲートを構成する電極が破壊される。そのため、ダイオード200を保護素子として電界効果トランジスタ100のソースとドレインに並列に接続することにより、トランジスタに印加されるサージ電流をバイパスしてダイオード200へ逃がすことができるようにする。 The inverter circuit 600 supplies the converted AC power to the load M. A power field effect transistor 100 is used as a switching element of the inverter circuit 600, and a diode 200 is used as a protection element thereof. That is, when a reverse surge is applied between the source and the drain of the field effect transistor 100 with the field effect transistor 100 turned off, a surge current flows between the drain and the gate, and the electrode constituting the gate is destroyed. Is done. Therefore, the diode 200 is connected as a protective element in parallel to the source and drain of the field effect transistor 100, so that the surge current applied to the transistor can be bypassed and released to the diode 200.

特に、GaN,InGaN,AlGaN,AlInGaNなどの窒化物系化合物半導体材料はバンドギャップエネルギーが大きく、しかも耐熱温度が高く高温動作に優れているので、これらの材料を使用した電界効果トランジスタを、図7に示した電力変換装置300の電界効果トランジスタ100として使用することがある。高温動作に耐えないSiなどの素子(デバイス)と比較して素子の冷却に対するコストを低くすることができるからである。また、窒化物系化合物半導体材料はバンドギャップエネルギーが大きいので耐圧において有利となる。さらにこの特徴を使用することで、この窒化物系化合物半導体材料を使用したダイオードは高い耐圧を確保できるので、図7に示した電力変換装置300のダイオード200として使用することもできる。 In particular, nitride-based compound semiconductor materials such as GaN, InGaN, AlGaN, and AlInGaN have large band gap energy, high heat resistance, and excellent high-temperature operation. Therefore, field effect transistors using these materials are shown in FIG. It may be used as the field effect transistor 100 of the power converter 300 shown in FIG. This is because it is possible to lower the cost for the cooling of the element as compared with the element (device), such as Si which can not endure the high temperature operation. In addition, nitride-based compound semiconductor materials are advantageous in terms of breakdown voltage because of their large band gap energy. Furthermore, by using this feature, a diode using this nitride-based compound semiconductor material can ensure a high breakdown voltage, and therefore can be used as the diode 200 of the power conversion device 300 shown in FIG.

例えば図8(a)では、電力変換装置のスイッチング素子として、窒化物系化合物半導体を用いて構成した電界効果トランジスタ100を用い、この電界効果トランジスタ100に、保護素子としての窒化物系化合物半導体を用いたショットキーダイオード200が内蔵されている回路図である。図8(a)のように、窒化物系化合物半導体を用いて構成した電界効果トランジスタ100と並列に、窒化物系化合物半導体と金属電極との接触によって構成したショットキーダイオード200が接続されている。 For example, in FIG. 8 (a), the as switching elements of the power converter, using a field effect transistor 100 constituted by using a nitride-based compound semiconductor, a field effect transistor 100, a nitride compound semiconductor as a protection element it is a circuitry diagram Schottky diode 200 that is built using. As shown in FIG. 8A, a Schottky diode 200 configured by contact between a nitride compound semiconductor and a metal electrode is connected in parallel with a field effect transistor 100 configured using a nitride compound semiconductor. .

このような保護素子は、図8(b)に示されるように、窒化物系化合物半導体の電界効果トランジスタ100及び窒化物系化合物半導体のショットキーダイオード200は、同一基板上に集積されている半導体装置700となっている。例えばサファイア基板201上に、GaNバッファ層202、アンドープのGaN層203及びアンドープのAlGaN層204が順に積層して形成されている。また、GaN層203とAlGaN層204とのヘテロ接合部に接続して、2つのn型GaN層206がGaN層203上に形成されている。   As shown in FIG. 8B, such a protective element is a semiconductor in which a nitride compound semiconductor field effect transistor 100 and a nitride compound semiconductor Schottky diode 200 are integrated on the same substrate. Device 700 is provided. For example, a GaN buffer layer 202, an undoped GaN layer 203, and an undoped AlGaN layer 204 are sequentially stacked on the sapphire substrate 201. Further, two n-type GaN layers 206 are formed on the GaN layer 203 so as to be connected to the heterojunction between the GaN layer 203 and the AlGaN layer 204.

更に、2つのn型GaN層206上にそれぞれオーミック接触して、電界効果トランジスタ100のソース電極とショットキーダイオード200のカソード電極とを兼用する電極(ソース・カソード兼用電極)207a、及び、電界効果トランジスタ100のドレイン電極207bが形成されている。また、2つのn型GaN層206に挟まれたAlGaN層204上にショットキー接触して、電界効果トランジスタ100のゲート電極208aが形成されている。また、ソース・カソード兼用電極207aを間に挟んでゲート電極208aの反対側のAlGaN層204上にショットキー接触して、アノード電極208bが形成されている。 Furthermore, an electrode (source / cathode combined electrode) 207a that is in ohmic contact with each other on the two n-type GaN layers 206 and serves as both the source electrode of the field effect transistor 100 and the cathode electrode of the Schottky diode 200, A drain electrode 207b of the transistor 100 is formed. A gate electrode 208a of the field effect transistor 100 is formed on the AlGaN layer 204 sandwiched between the two n-type GaN layers 206 in Schottky contact. In addition, an anode electrode 208b is formed in Schottky contact with the AlGaN layer 204 on the opposite side of the gate electrode 208a with the source / cathode combined electrode 207a interposed therebetween.

図8(b)に示した半導体装置700はスイッチング素子としての窒化物系化合物半導体の電界効果トランジスタ100及びその保護素子としての窒化物系化合物半導体のショットキーダイオード200を同一基板上に集積したものとなっている(特許文献1)。   A semiconductor device 700 shown in FIG. 8B is obtained by integrating a nitride compound semiconductor field effect transistor 100 as a switching element and a nitride compound semiconductor Schottky diode 200 as a protective element on the same substrate. (Patent Document 1).

その他、電界効果トランジスタとその保護素子としてのダイオードを同一基板上に集積した半導体装置としては、特許文献2に記載された半導体装置もある。特許文献2に記載された半導体装置も、電界効果トランジスタが形成された領域に隣接してショットキーダイオードの領域が設けられているものとなっている。   In addition, as a semiconductor device in which a field effect transistor and a diode as a protection element thereof are integrated on the same substrate, there is a semiconductor device described in Patent Document 2. The semiconductor device described in Patent Document 2 also includes a Schottky diode region adjacent to a region where a field effect transistor is formed.

特開2003−229566号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-229566 特開平09−55507号公報JP 09-55507 A

従来技術の半導体装置では、電界効果トランジスタとその保護素子としてのダイオードが同一基板の同一面の側に形成されている。特に、大電力用に対処するために電界効果トランジスタとダイオードを多数集積すると、基板面積の増大を招く。   In a conventional semiconductor device, a field effect transistor and a diode as a protection element thereof are formed on the same surface side of the same substrate. In particular, if a large number of field effect transistors and diodes are integrated in order to cope with high power, the substrate area increases.

そこで、基板面積の増大を招かないように、IGBTのように電力として流れる電流を基板の縦方向に流すことを考えることもできる。たとえば、特開2002−016262号公報に記載されているような、導電性を有する半導体基板上に形成した半導体多層膜層の上部にソース電極を形成し、上記半導体多層膜の下部にドレイン電極を形成した縦型構造の電界効果トランジスタを例として挙げることができる。   Therefore, it can be considered that a current flowing as electric power flows in the vertical direction of the substrate as in the case of an IGBT so as not to increase the substrate area. For example, as described in JP-A-2002-016262, a source electrode is formed on an upper part of a semiconductor multilayer film formed on a conductive semiconductor substrate, and a drain electrode is formed on the lower part of the semiconductor multilayer film. The formed vertical field effect transistor can be given as an example.

しかし、窒化物系化合物半導体層を基板上に形成した場合、形成した半導体層には縦方向に多数の貫通転位が発生する。そのため、このような形態の電界効果トランジスタにおいて、電力として流れる電流を基板の縦方向に流すと、その電流は貫通転位にリークし、電力損失の原因となる。また、このような電力損失のため、かかる電界効果トランジスタを電力変換装置のスイッチング素子として使用した場合、電力変換装置の変換効率の低下を招く恐れもある。   However, when the nitride-based compound semiconductor layer is formed on the substrate, a number of threading dislocations are generated in the vertical direction in the formed semiconductor layer. Therefore, in a field effect transistor having such a configuration, when a current that flows as power flows in the vertical direction of the substrate, the current leaks to threading dislocations, causing power loss. In addition, due to such power loss, when such a field effect transistor is used as a switching element of a power conversion device, there is a risk of reducing the conversion efficiency of the power conversion device.

本発明が解決しようとする課題は、基板面積の増大を招かず、電力損失の少ない半導体装置の実現を目的とする。また、電力損失の少ない半導体装置をスイッチング素子として使用し、変換効率の低下を招くことが無い電力変換装置の実現も目的とする。   An object of the present invention is to realize a semiconductor device with little power loss without causing an increase in substrate area. Another object of the present invention is to realize a power conversion device that uses a semiconductor device with low power loss as a switching element and does not cause a decrease in conversion efficiency.

本発明によれば、電界効果トランジスタとダイオードとを有する半導体装置であって、導電性を有する半導体基板と、前記半導体基板の一方の面に、前記電界効果トランジスタを構成する、少なくとも1のバッファ層として機能する窒化系化合物半導体層と少なくとも1の窒化物系化合物半導体層とを積層した積層半導体層と、を有し、
前記積層半導体層の表面の前記窒化物系化合物半導体層に前記電界効果トランジスタのゲート電極が形成され、
前記窒化物系化合物半導体層に前記電界効果トランジスタの第1および第2の電極が形成されており、
前記基板の面と直交する方向に、前記積層半導体層を貫通して前記半導体基板まで到達する孔、または、前記半導体基板と接する前記積層導体層を構成する前記バッファ層として機能する窒化系化合物半導体層まで前記積層半導体層を貫通する孔が形成され、
前記孔の底部まで前記ダイオードの第1の電極が埋め込まれており、
前記電界効果型トランジスタの第1および第2の電極の一方の電極と、前記孔の底部まで埋め込まれた前記ダイオードの第1の電極とが共通の電極により形成され、
前記基板の他方の面に、または、前記基板の他方の面に形成された半導体層に、前記ダイオードの第2の電極が形成されている、
半導体装置が提供される。
According to the present invention, there is provided a semiconductor device having a field effect transistor and a diode, and a semiconductor substrate having conductivity, and at least one buffer layer constituting the field effect transistor on one surface of the semiconductor substrate. A laminated semiconductor layer obtained by laminating a nitride compound semiconductor layer functioning as at least one nitride compound semiconductor layer, and
A gate electrode of the field effect transistor is formed on the nitride-based compound semiconductor layer on the surface of the stacked semiconductor layer;
First and second electrodes of the field effect transistor are formed on the nitride-based compound semiconductor layer,
A nitride-based compound semiconductor functioning as a buffer layer constituting the laminated conductor layer in contact with the semiconductor substrate, or a hole reaching the semiconductor substrate through the laminated semiconductor layer in a direction perpendicular to the surface of the substrate hole is formed to penetrate the laminated semiconductor layer to layer,
The first electrode of the diode is embedded to the bottom of the hole;
One electrode of the first and second electrodes of the field effect transistor and the first electrode of the diode buried up to the bottom of the hole are formed by a common electrode,
A second electrode of the diode is formed on the other surface of the substrate or on a semiconductor layer formed on the other surface of the substrate;
A semiconductor device is provided.

また好ましくは、前記ダイオードの第1の電極または第2の電極はショットキー電極であり、他方の電極はオーミック電極であり、前記電界効果トランジスタのゲート電極はショットキー型またはMIS型の電極である。Preferably, the first electrode or the second electrode of the diode is a Schottky electrode, the other electrode is an ohmic electrode, and the gate electrode of the field effect transistor is a Schottky type or MIS type electrode. .

より好ましくは、ショットキーバリアの高さを変化させる障壁調整層としての窒化物系化合物半導体層を介して前記ショットキー電極が形成されている。   More preferably, the Schottky electrode is formed through a nitride compound semiconductor layer as a barrier adjustment layer that changes the height of the Schottky barrier.

さらに好ましくは、前記基板の第一の面側と前記積層半導体層を構成する半導体層の間に、高抵抗窒化物系化合物半導体層が形成されている。   More preferably, a high-resistance nitride-based compound semiconductor layer is formed between the first surface side of the substrate and the semiconductor layer constituting the stacked semiconductor layer.

好ましくは、前記ダイオードのオン電圧は、前記電界効果トランジスタがオフの状態における前記電界効果トランジスタのゲートとドレイン間におけるゲート破壊電圧よりも低い、又は、前記ダイオードのブレークダウン電圧は、前記電界効果トランジスタがオフの状態における前記電界効果トランジスタのソースとドレイン間のブレークダウン電圧よりも低いPreferably, the on-voltage of the diode is lower than the gate breakdown voltage between the gate and drain of the field-effect transistor when the field-effect transistor is off, or the breakdown voltage of the diode is the field-effect transistor Is lower than the breakdown voltage between the source and drain of the field effect transistor in the off state.

好ましくは、前記導電性を有する半導体基板は、AlxGa1-xN(0≦x≦1)基板、SiC基板、又はSi基板である。 Preferably, the conductive semiconductor substrate is an Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) substrate, a SiC substrate, or a Si substrate.

また本発明は、上記に記載の半導体装置の電界効果トランジスタをスイッチング素子として使用する電力変換回路を有する電力変換装置である。   Moreover, this invention is a power converter device which has a power converter circuit which uses the field effect transistor of the semiconductor device as described above as a switching element.

好ましくは、前記電力変換回路は、インバータ回路又はコンバータ回路である。   Preferably, the power conversion circuit is an inverter circuit or a converter circuit.

本発明の半導体装置では、基板面積の増大を招かず、電力損失が少ない。また、本発明の半導体装置を用いた電力変換装置は、変換効率が高い。   In the semiconductor device of the present invention, the substrate area is not increased and the power loss is small. Moreover, the power converter device using the semiconductor device of this invention has high conversion efficiency.

図1は、本発明の電力変換装置3としてインバータの回路図を示したものである。電力変換装置3は、交流電源4と、この交流電源4から供給される交流を直流に整流する整流回路5と、この整流回路からの直流を交流に変換するインバータ回路6を有する。   FIG. 1 shows a circuit diagram of an inverter as the power converter 3 of the present invention. The power conversion device 3 includes an AC power supply 4, a rectifier circuit 5 that rectifies the alternating current supplied from the AC power supply 4 into direct current, and an inverter circuit 6 that converts the direct current from the rectifier circuit into alternating current.

インバータ回路6は、負荷Mに対して変換した交流電力の供給を行う。インバータ回路6のスイッチング素子として、電力用の電界効果トランジスタ1が用いられ、その保護素子としてダイオード2が用いられている。インバータ回路6を構成する各電界効果トランジスタ1のソースとドレインはそれぞれ、ダイオード2のアノードとカソードとで共通に接続されている。なお、電力変換装置3には、直流を交流に変換するインバータ回路6だけではなく、交流を直流に変換するコンバータ回路を使用することもできる。   The inverter circuit 6 supplies the converted AC power to the load M. A power field effect transistor 1 is used as a switching element of the inverter circuit 6 and a diode 2 is used as a protection element thereof. The source and drain of each field effect transistor 1 constituting the inverter circuit 6 are connected in common by the anode and cathode of the diode 2, respectively. In addition, the power converter device 3 can use not only the inverter circuit 6 that converts direct current into alternating current but also a converter circuit that converts alternating current into direct current.

図2は、本発明の実施の形態の半導体装置7を示したものであり、(a)は回路図で、(b)は概略断面図である。この半導体装置7は図1に示した電力変換装置3を構成するスイッチング素子として使用される。 2A and 2B show a semiconductor device 7 according to an embodiment of the present invention, where FIG. 2A is a circuit diagram and FIG. 2B is a schematic cross-sectional view. The semiconductor device 7 is used as a switching element constituting the power conversion device 3 shown in FIG.

図2(a)に示したように、半導体装置7は電界効果トランジスタ1とその保護素子としてのダイオード2を並列接続したものであり、電界効果トランジスタ1のソースSは、ダイオード2のアノードAと共通に接続され、ドレインDはカソードCと共通に接続されている。   As shown in FIG. 2A, the semiconductor device 7 has a field effect transistor 1 and a diode 2 as its protection element connected in parallel. The source S of the field effect transistor 1 is connected to the anode A of the diode 2. The drain D is connected in common with the cathode C.

図2(b)に示したように、半導体装置7は、一枚の導電性を有する半導体基板21に電界効果トランジスタ1とダイオード2が形成されている。
基板21の表面には、窒化物系化合物半導体からなるバッファ層22、第一の窒化物系化合物半導体層23、及び第二の窒化物系化合物半導体層24が順に積層されている。
また、これらの積層された窒化物系化合物半導体層に開口する孔8が設けられている。孔8は、積層された窒化物系化合物半導体層22、23、24を貫き、基板21にまで到達している。
As shown in FIG. 2B, in the semiconductor device 7, the field effect transistor 1 and the diode 2 are formed on a single semiconductor substrate 21 having conductivity.
On the surface of the substrate 21, a buffer layer 22 made of a nitride compound semiconductor, a first nitride compound semiconductor layer 23, and a second nitride compound semiconductor layer 24 are sequentially stacked.
In addition, a hole 8 is formed in the laminated nitride compound semiconductor layer. The hole 8 penetrates the stacked nitride compound semiconductor layers 22 , 23 , 24 and reaches the substrate 21.

基板21に電界効果トランジスタ1を形成するために、積層された窒化物系化合物半導体層22,23,24のうち、例えば第二の窒化物系化合物半導体層24を当該電界効果トランジスタ1のチャネル層とする。ここで、積層された窒化物系化合物半導体層22,23,24は全ての層が窒化物系化合物半導体層である必要は無く、これらの層のうち少なくとも一つの層が窒化物系化合物半導体層を含んでいる積層半導体層であればよい。   In order to form the field effect transistor 1 on the substrate 21, for example, the second nitride compound semiconductor layer 24 among the stacked nitride compound semiconductor layers 22, 23, and 24 is used as the channel layer of the field effect transistor 1. And Here, the laminated nitride compound semiconductor layers 22, 23, and 24 are not necessarily all nitride compound semiconductor layers, and at least one of these layers is a nitride compound semiconductor layer. Any stacked semiconductor layer containing any of the above may be used.

積層された窒化物系化合物半導体層22,23,24のうち、少なくとも一つの層が窒化物系化合物半導体層を含んでいる場合として以下の例を考えることができる。   The following example can be considered as a case where at least one of the laminated nitride compound semiconductor layers 22, 23, 24 includes a nitride compound semiconductor layer.

例えば第二の窒化物系化合物半導体層24をAlGaNとし、第一の窒化物系化合物半導体層23を高抵抗のGaNとすると、ふたつの層の界面に発生する2次元電子をキャリアとする電界効果トランジスタ1を形成することができる。   For example, if the second nitride-based compound semiconductor layer 24 is made of AlGaN and the first nitride-based compound semiconductor layer 23 is made of high-resistance GaN, a field effect using two-dimensional electrons generated at the interface between the two layers as carriers. The transistor 1 can be formed.

また、第二の窒化物系化合物半導体層24をSiなどのドナ不純物を添加したGaN層にして、第一の窒化物系化合物半導体23を高抵抗のGaN層にすると、第二の窒化物系化合物半導体層24中の電子をキャリアとする電界効果トランジスタ1を形成することができる。
これらのキャリアの濃度は、ソース電極Sとドレイン電極Dの間に配置されるゲート電極Gに印加される電界効果により制御することができる。ゲート電極Gには、ショットキ型やMIS型の電極が利用できる。
Further, if the second nitride compound semiconductor layer 24 is a GaN layer to which a donor impurity such as Si is added and the first nitride compound semiconductor 23 is a high resistance GaN layer, the second nitride system is obtained. The field effect transistor 1 using electrons in the compound semiconductor layer 24 as carriers can be formed.
The concentration of these carriers can be controlled by the electric field effect applied to the gate electrode G disposed between the source electrode S and the drain electrode D. As the gate electrode G, a Schottky type or MIS type electrode can be used.

また、窒化物系化合物半導体層23を高抵抗な層とした場合に、その層のアクセプタドープ量により、電界トランジスタのオン電圧の大きさをコントロールすることができる。GaN系の電界トランジスタでは、一般にはゲート電圧が0V以上でオン、マイナス5V程度でオフするノーマリーオン型となるが、窒化物系化合物半導体層23のアクセプタ量を調整して、オン電圧を+数V以上、オフ電圧を0Vのノーマリーオフ型とすることも可能である。但し、ノーマリーオフ型では、ソース抵抗などの寄生抵抗を下げるためのリセスやイオン注入構造を取り入れる必要があるが、当業者の周知技術であるため、ここでは説明しない。   Further, when the nitride-based compound semiconductor layer 23 is a high-resistance layer, the magnitude of the on-voltage of the electric field transistor can be controlled by the acceptor doping amount of the layer. A GaN-based field transistor generally has a normally-on type that is turned on when the gate voltage is 0 V or higher and is turned off when the gate voltage is about minus 5 V. However, by adjusting the acceptor amount of the nitride-based compound semiconductor layer 23, It is also possible to use a normally-off type having several volts or more and an off-voltage of 0V. However, in the normally-off type, it is necessary to incorporate a recess or ion implantation structure for reducing parasitic resistance such as source resistance, but since it is a well-known technique for those skilled in the art, it will not be described here.

以上のように、ここでは第一の窒化物系化合物半導体層23は電界効果トランジスタのチャネルを形成するためのキャリアを供給または発生させるための積層であり、ドーピングや組成の異なる複数の積層で構成してもよい。また、第二の窒化物系化合物半導体層24は、電界効果トランジスタ1がオフ状態において、十分な絶縁を得るための高耐圧、高抵抗の積層であり、第一の窒化物系化合物半導体層23と同様に純度や組成の異なる複数の積層で構成してもよい。   As described above, here, the first nitride-based compound semiconductor layer 23 is a stacked layer for supplying or generating carriers for forming a channel of the field effect transistor, and is configured by a plurality of stacked layers having different doping and composition. May be. The second nitride-based compound semiconductor layer 24 is a high breakdown voltage, high-resistance stack for obtaining sufficient insulation when the field-effect transistor 1 is in an off state, and the first nitride-based compound semiconductor layer 23. Similarly, a plurality of laminated layers having different purity and composition may be used.

一方、バッファ層22は、基板21上に、高い品質の第一の積層を得るために配置されるものであり、比較的低温で形成された窒化物系化合物半導体層が使用されることが多いが、第一の積層の品質が得られるならば、この層はなくてもよい。例えば、第一の積層の成膜条件を連続的に変化させる場合や、窒化物系化合物半導体以外の積層膜を使用することも考えられる。さらに、このバッファ層より下部には、基板と同じ材料やその他の材料で、後に記載するダイオードの特性を発揮させるための積層を形成することができる。   On the other hand, the buffer layer 22 is disposed on the substrate 21 to obtain a high-quality first stack, and a nitride-based compound semiconductor layer formed at a relatively low temperature is often used. However, this layer may be omitted if the quality of the first laminate is obtained. For example, it is conceivable to continuously change the film formation conditions of the first stack, or to use a stacked film other than the nitride-based compound semiconductor. Furthermore, a layer for exhibiting the characteristics of the diode described later can be formed below the buffer layer with the same material as the substrate or other materials.

そして、チャネル層に流れる電流を取り出すために、各電界効果トランジスタ1ごとに、一組のコンタクト層9を第二の窒化物系化合物半導体層24上に形成する。また、コンタクト層9を形成する代わりに、イオン注入により、コンタクト層9を形成したい領域に高濃度のドーピングを施すことにより、チャネル層に流れる電流を取り出すこともできるようになる。   Then, a set of contact layers 9 is formed on the second nitride-based compound semiconductor layer 24 for each field effect transistor 1 in order to extract current flowing in the channel layer. Further, instead of forming the contact layer 9, a current flowing in the channel layer can be taken out by performing high concentration doping in a region where the contact layer 9 is to be formed by ion implantation.

一組のコンタクト層9を挟んだ第二の窒化物系化合物半導体層24の表側にはゲート電極Gを設け、一組のコンタクト層9上には、ソース電極S,ドレイン電極Dを設け、電界効果トランジスタとしての動作が可能となるようにする。   A gate electrode G is provided on the front side of the second nitride-based compound semiconductor layer 24 with the pair of contact layers 9 interposed therebetween, a source electrode S and a drain electrode D are provided on the set of contact layers 9, and an electric field An operation as an effect transistor is made possible.

基板21にダイオード2を形成するためには、一組の電極が必要である。そこで、本発明の実施の形態の半導体装置7では、基板21まで貫通して形成された孔8の底部に一方の電極を形成し、基板21の裏側に他方の電極を形成する。ここで、基板21は導電性の半導体基板であるため、電極の材料を任意に選択することにより、形成された電極はショットキー電極又はオーミック電極となる。形成された電極がショットキー電極となった場合、基板21に形成されるダイオード2はショットキーダイオードとなり、高速動作が可能となる。 In order to form the diode 2 on the substrate 21, a set of electrodes is required. Therefore, in the semiconductor device 7 according to the embodiment of the present invention, one electrode is formed at the bottom of the hole 8 formed so as to penetrate to the substrate 21, and the other electrode is formed on the back side of the substrate 21. Here, since the substrate 21 is a conductive semiconductor substrate, the electrode formed can be a Schottky electrode or an ohmic electrode by arbitrarily selecting the material of the electrode. When the formed electrode becomes a Schottky electrode, the diode 2 formed on the substrate 21 becomes a Schottky diode, and high speed operation is possible.

図2(b)に示した半導体装置7のダイオード2では基板21まで貫通して形成されたの底部に形成された電極をショットキー電極としアノード電極Aとしている。また、基板21の裏側に形成された電極をオーミック電極としカソード電極Cとしている。そして図2(b)に示した半導体装置7の電界効果トランジスタ1のドレイン電極Dとダイオード2のカソード電極Cとは図示しない配線で接続し、図2(a)に示した回路図のように、ドレインDとカソード電極Cとが共通に接続されるようにする。なお、孔8の底部に形成された電極をオーミック電極とし、基板21の裏側に形成された電極をショットキー電極とすることもできる。 In the diode 2 of the semiconductor device 7 shown in FIG. 2B, the electrode formed at the bottom of the hole 8 formed so as to penetrate to the substrate 21 is used as the Schottky electrode and serves as the anode electrode A. In addition, an electrode formed on the back side of the substrate 21 is an ohmic electrode and a cathode electrode C. Then, the drain electrode D of the field effect transistor 1 of the semiconductor device 7 shown in FIG. 2B and the cathode electrode C of the diode 2 are connected by a wiring (not shown), as in the circuit diagram shown in FIG. The drain D and the cathode electrode C are connected in common. The electrode formed at the bottom of the hole 8 can be an ohmic electrode, and the electrode formed on the back side of the substrate 21 can be a Schottky electrode.

図2に示した半導体装置7は、ダイオード2を構成するための一組の電極は基板21の表側の面と裏側の面にそれぞれ形成されている。そのため、ダイオード2を構成する電極のすべてが基板の表側の面を占有することはない。したがって、電界効果トランジスタ1とダイオード2が基板21に集積された半導体装置7においては、基板面積の増大を招きにくい。   In the semiconductor device 7 shown in FIG. 2, a pair of electrodes for constituting the diode 2 is formed on the front side surface and the back side surface of the substrate 21, respectively. Therefore, all of the electrodes constituting the diode 2 do not occupy the surface on the front side of the substrate. Therefore, in the semiconductor device 7 in which the field effect transistor 1 and the diode 2 are integrated on the substrate 21, it is difficult to increase the substrate area.

さらに半導体装置7において、電界効果トランジスタ1のソース電極Sとドレイン電極Dはともに基板21の表側に形成されることになる。このようにすることで電界効果トランジスタ1のソース電極Sとドレイン電極Dの間を電力として流れるドレイン電流は、基板21上に積層された窒化物系化合物半導体層23、24において基板21と平行に流れる。 Further, in the semiconductor device 7, the source electrode S and the drain electrode D of the field effect transistor 1 are both formed on the front side of the substrate 21. Thus, the drain current flowing as power between the source electrode S and the drain electrode D of the field effect transistor 1 is parallel to the substrate 21 in the nitride-based compound semiconductor layers 23 and 24 stacked on the substrate 21. Flowing.

通常、基板上に積層された窒化物系化合物半導体層には縦方向に多数の貫通転位が生ずるので、基板と垂直に電流を流した場合にはリークが生ずる。しかし、ソース電極Sとドレイン電極Dの間を電力として流れるドレイン電流の方向が基板と平行であることにより、ドレイン電流のリークを少なくすることができる。そのため、半導体装置7の電界効果トランジスタ1を電力変換装置のスイッチング素子として使用した場合は、電力損失を少なくすることができる。   Normally, a large number of threading dislocations are generated in the nitride-based compound semiconductor layer stacked on the substrate in the vertical direction, so that leakage occurs when a current flows perpendicularly to the substrate. However, since the direction of the drain current flowing as power between the source electrode S and the drain electrode D is parallel to the substrate, drain current leakage can be reduced. Therefore, when the field effect transistor 1 of the semiconductor device 7 is used as a switching element of the power conversion device, power loss can be reduced.

また、このような半導体装置7の電界効果トランジスタ1を図1に示したような電力変換装置3のスイッチング素子として使用した場合は、電力変換装置3の変換効率の低下を招きにくい。   Further, when the field effect transistor 1 of the semiconductor device 7 is used as a switching element of the power conversion device 3 as shown in FIG. 1, the conversion efficiency of the power conversion device 3 is hardly lowered.

なお、図2に示した半導体装置7のダイオード2のアノード電極Aとカソード電極Cの間を流れる電流の方向は基板21に対して縦方向(垂直方向)となるが、ダイオード2を電界効果トランジスタ1の保護素子として使用する限りは、ダイオード2の電流が常時流れるわけではない。そのため、窒化物系化合物半導体層23、24には縦方向に多数の貫通転位が存在することによる電流リークの問題は少ない。 The direction of the current flowing between the anode electrode A and the cathode electrode C of the diode 2 of the semiconductor device 7 shown in FIG. 2 is the vertical direction (vertical direction) with respect to the substrate 21, but the diode 2 is a field effect transistor. As long as the protective element 1 is used, the current of the diode 2 does not always flow. Therefore, there is little problem of current leakage due to the presence of a large number of threading dislocations in the longitudinal direction in the nitride-based compound semiconductor layers 23 and 24 .

図2(b)に示した半導体装置7において、基板21の表側の面に順に積層された窒化物系化合物半導体層は、バッファ層22、第一の窒化物系化合物半導体層23、及び第二の窒化物系化合物半導体層24となっている。ここで、バッファ層22と電界効果トランジスタ1のチャネル層となる第二の窒化物系化合物半導体層24の間に挟まれた第一の窒化物系化合物半導体層23を高抵抗な半導体層とすることができる。   In the semiconductor device 7 shown in FIG. 2B, the nitride-based compound semiconductor layers sequentially stacked on the front surface of the substrate 21 are the buffer layer 22, the first nitride-based compound semiconductor layer 23, and the second The nitride-based compound semiconductor layer 24 is formed. Here, the first nitride-based compound semiconductor layer 23 sandwiched between the buffer layer 22 and the second nitride-based compound semiconductor layer 24 that becomes the channel layer of the field effect transistor 1 is a high-resistance semiconductor layer. be able to.

そうすることにより、基板21の表側に形成された電界効果トランジスタ1のソース電極Sやドレイン電極Dと基板21の裏側に形成されたカソード電極C(又はアノード電極A)とを高抵抗な第一の窒化物系化合物半導体層23によって電気的に切り離すことができる。これにより、電界効果トランジスタ1のチャネル層として機能する第二の窒化物系化合物半導体層24に流れるドレイン電流が基板21側へリークしにくくなる。そのため、半導体装置7の電界効果トランジスタ1を電力変換装置のスイッチング素子として使用した場合は、電力損失を一層少なくすることができる。   By doing so, the source electrode S and the drain electrode D of the field effect transistor 1 formed on the front side of the substrate 21 and the cathode electrode C (or the anode electrode A) formed on the back side of the substrate 21 have a high resistance. The nitride compound semiconductor layer 23 can be electrically separated. As a result, the drain current flowing in the second nitride compound semiconductor layer 24 functioning as the channel layer of the field effect transistor 1 is less likely to leak to the substrate 21 side. Therefore, when the field effect transistor 1 of the semiconductor device 7 is used as a switching element of the power conversion device, the power loss can be further reduced.

図2(b)に示した半導体装置7のダイオード2のショットキー電極としてのアノード電極Aは、基板21に対して直接形成されていた。しかし、図3に示した半導体装置7のように、ショットキー電極を窒化物系化合物半導体層と接触させるようにして形成しても良い。   The anode A as the Schottky electrode of the diode 2 of the semiconductor device 7 shown in FIG. 2B was formed directly on the substrate 21. However, like the semiconductor device 7 shown in FIG. 3, the Schottky electrode may be formed so as to be in contact with the nitride-based compound semiconductor layer.

図3に示した半導体装置7の構成は、図2(b)に示した半導体装置7と構成を共通にする。しかし、図3に示した半導体装置7は、基板21とバッファ層22の間に第三の半導体層25が形成されている。また、ダイオード2のショットキー電極としてのアノード電極Aは、第三の半導体層25に直接接触するように形成されている。   The configuration of the semiconductor device 7 illustrated in FIG. 3 is the same as that of the semiconductor device 7 illustrated in FIG. However, in the semiconductor device 7 shown in FIG. 3, the third semiconductor layer 25 is formed between the substrate 21 and the buffer layer 22. The anode electrode A as a Schottky electrode of the diode 2 is formed so as to be in direct contact with the third semiconductor layer 25.

第三の半導体層25は、(a)窒化物系化合物半導体層、(b)基板21と同一の材料による基板21上への積層、(c)基板21とも電界効果トランジスタ1を構成する窒化物系化合物半導体層22,23,24とも異なる積層、の場合がある。   The third semiconductor layer 25 includes (a) a nitride-based compound semiconductor layer, (b) a stack on the substrate 21 made of the same material as the substrate 21, and (c) a nitride that forms the field effect transistor 1 together with the substrate 21. In some cases, the compound compound semiconductor layers 22, 23, and 24 are different layers.

かかる場合、基板21としては、HVPE法によるGaN基板の使用が好適で、SiC基板も耐圧が大きな材料であり好適である。SiC基板上にトランジスタを構成する窒化物系化合物半導体薄膜23,24を積層するには、低温成長により、核生成されたGaN膜やAlN膜(以下、核生成窒化物系化合物半導体薄膜)をバッファ層22として使用すると高品質の窒化物系化合物半導体膜(23、24)を得やすい。   In such a case, it is preferable to use a GaN substrate by the HVPE method as the substrate 21, and a SiC substrate is also a material having a high withstand voltage. In order to stack nitride compound semiconductor thin films 23 and 24 constituting a transistor on a SiC substrate, a nucleated GaN film or an AlN film (hereinafter referred to as a nucleated nitride compound semiconductor thin film) is buffered by low temperature growth. When used as the layer 22, it is easy to obtain a high-quality nitride compound semiconductor film (23, 24).

また基板21にはSiを使用することもできる。しかし、Si上に形成したショットキ障壁の耐圧を大きくすることは困難である。そこで、基板21にSiを使用する場合は、Si上にAlNやSiCなどのワイドギャップ薄膜を形成した後にショットキ電極を形成することが必要である。   Further, Si can be used for the substrate 21. However, it is difficult to increase the breakdown voltage of the Schottky barrier formed on Si. Therefore, when Si is used for the substrate 21, it is necessary to form a Schottky electrode after forming a wide gap thin film such as AlN or SiC on Si.

上記のような基板21、第三の半導体層25(SBD層)、バッファ層と第一、第二の窒化物系化合物半導体層22〜24は色々な組み合わせを考えることができるが、その一例を下表1に示す。   Various combinations of the substrate 21, the third semiconductor layer 25 (SBD layer), the buffer layer, and the first and second nitride compound semiconductor layers 22 to 24 can be considered. It is shown in Table 1 below.

(表1)
基板 第三(SBD)層 バッファ層 第一(高抵抗)層 第二層
例1 n+GaN n-GaN 高抵抗AlN 高抵抗GaN Al0.15GaN
例2 n+SiC n-SiC 核生成GaN 高抵抗GaN Al0.15GaN
例3 n+Si 核生成AlN/n-GaN なし 高抵抗GaN Al0.15GaN
例4 n+GaN n-GaN/ n-Al0.15GaN なし 高抵抗GaN Al0.15GaN
※ 上記の第二層は、例1〜例4のすべてにおいてn-GaNとすることもできる。
(Table 1)
Substrate Third (SBD) layer Buffer layer First (high resistance) layer Second layer example 1 n + GaN n - GaN High resistance AlN High resistance GaN Al 0.15 GaN
Example 2 n + SiC n - SiC nucleation GaN high resistance GaN Al 0.15 GaN
Example 3 n + Si nucleation AlN / n - GaN None High resistance GaN Al 0.15 GaN
Example 4 n + GaN n - GaN / n - Al 0.15 GaN None High resistance GaN Al 0.15 GaN
* Said 2nd layer can also be made into n < - > GaN in all of Examples 1-4.

ここで、第三の半導体層25に直接接触するようにショットキー電極を形成した場合は、ショットキー電極を基板21に直接接触するようにショットキー電極を形成した場合と比較して、良好なショットキー障壁を形成することができる。すなわち、基板は均一に分布する不純物濃度の調整が困難であるのに対し、半導体層の場合は、エピタキシャル成長の過程でその層を形成する際に、不純物濃度の調整が容易であるためである。   Here, when the Schottky electrode is formed so as to be in direct contact with the third semiconductor layer 25, the Schottky electrode is better than when the Schottky electrode is formed so as to be in direct contact with the substrate 21. A Schottky barrier can be formed. In other words, it is difficult to adjust the concentration of the impurity distributed uniformly in the substrate, whereas in the case of a semiconductor layer, it is easy to adjust the impurity concentration when forming the layer in the process of epitaxial growth.

また、第三の半導体層25は、その層に接触するショットキー電極に対するショットキーバリアの高さを変化させる障壁調整層とさせることができる。このようにすることで、ダイオード2のオン電圧の調整を行うことができる。すなわち、基板21では基板の材料固有の不純物濃度やバンドギャップの大きさにより物性値が一意に定まっている。そのため、基板21に対して直接ショットキー電極を形成した場合は、ダイオード2のオン電圧が一意的に決定されるので、その調整が困難である。しかし、障壁調整層として作用する第三の半導体層25にショットキー電極を形成した場合は、第三の半導体層25の物性を任意に変化させることができ、ショットキーバリアの高さを変化させることができる。そのため、ダイオード2のオン電圧の調整が容易となる。   The third semiconductor layer 25 can be a barrier adjustment layer that changes the height of the Schottky barrier with respect to the Schottky electrode in contact with the third semiconductor layer 25. In this way, the on-voltage of the diode 2 can be adjusted. That is, the physical properties of the substrate 21 are uniquely determined by the impurity concentration specific to the substrate material and the size of the band gap. Therefore, when the Schottky electrode is directly formed on the substrate 21, the on-voltage of the diode 2 is uniquely determined, and it is difficult to adjust it. However, when a Schottky electrode is formed on the third semiconductor layer 25 acting as a barrier adjustment layer, the physical properties of the third semiconductor layer 25 can be arbitrarily changed, and the height of the Schottky barrier is changed. be able to. For this reason, the on-voltage of the diode 2 can be easily adjusted.

第三の半導体層25を障壁調整層としてショットキー電極に対するショットキーバリアの高さを変化させるためには、第三の半導体層25の不純物濃度を変化させたり、第三の半導体層25の材料を構成する元素の組成を変化させてバンドギャップの大きさを変化させればよい。   In order to change the height of the Schottky barrier with respect to the Schottky electrode using the third semiconductor layer 25 as a barrier adjustment layer, the impurity concentration of the third semiconductor layer 25 is changed or the material of the third semiconductor layer 25 is changed. What is necessary is just to change the magnitude | size of a band gap by changing the composition of the element which comprises.

上記のようなダイオード2のブレークダウン電圧は電界効果トランジスタ1がオフの状態におけるソースとドレイン間のブレークダウン電圧よりも小さくすることが望ましい。このようにすることで、電界効果トランジスタ1がオフの状態でソース電極Sとドレイン電極Dの間に突発的に高電圧が加わった場合に、電界効果トランジスタ1がブレークダウンするよりも先にダイオード2がブレークダウンするので、電界効果トランジスタ1がブレークダウンすることによるゲート電極Gの破壊を防止することができる。   It is desirable that the breakdown voltage of the diode 2 as described above be smaller than the breakdown voltage between the source and drain when the field effect transistor 1 is off. In this way, when a high voltage is suddenly applied between the source electrode S and the drain electrode D in a state where the field effect transistor 1 is off, the diode before the field effect transistor 1 breaks down. Since 2 breaks down, the breakdown of the gate electrode G due to the breakdown of the field effect transistor 1 can be prevented.

(実施例)
図4は、本発明の実施例についての半導体装置7を示したものであり、(a)は回路図で、(b)は概略断面図である。この半導体装置7は例えば、図1に示した電力変換装置3を構成するスイッチング素子として使用することができる。
(Example)
4A and 4B show a semiconductor device 7 according to an embodiment of the present invention, where FIG. 4A is a circuit diagram and FIG. 4B is a schematic cross-sectional view. This semiconductor device 7 can be used, for example, as a switching element constituting the power conversion device 3 shown in FIG.

図4(a)に示したように、半導体装置7は電界効果トランジスタ1と保護素子としてのダイオード2を並列接続したものであり、電界効果トランジスタ1のソースSは、ダイオード2のアノードAと共通に接続され、ドレインDはカソードCと共通に接続されている。   As shown in FIG. 4A, the semiconductor device 7 has a field effect transistor 1 and a diode 2 as a protection element connected in parallel, and the source S of the field effect transistor 1 is common to the anode A of the diode 2. The drain D is connected in common with the cathode C.

図4(b)に示したように、半導体装置7は、一枚のn型の導電性を有するGaNからなる基板21に電界効果トランジスタ1とダイオード2が形成されている。   As shown in FIG. 4B, in the semiconductor device 7, the field effect transistor 1 and the diode 2 are formed on a single substrate 21 made of GaN having n-type conductivity.

基板21の上には、厚さ10nmのGaN層からなるバッファ層22が形成され、そのバッファ層22上には、厚さ2000nmのGaN層からなる第一の窒化物系化合物半導体層23、厚さ5nmのアンドープAl0.15Ga0.85N層からなる第二の窒化物系化合物半導体層24が順次積層されている。 A buffer layer 22 made of a GaN layer having a thickness of 10 nm is formed on the substrate 21, and a first nitride compound semiconductor layer 23 made of a GaN layer having a thickness of 2000 nm is formed on the buffer layer 22. A second nitride-based compound semiconductor layer 24 composed of an undoped Al 0.15 Ga 0.85 N layer having a thickness of 5 nm is sequentially stacked.

電界効果トランジスタ1のチャネルを構成するために、第二の窒化物系化合物半導体層24を当該電界効果トランジスタ1のチャネル層とする。そして、チャネル層に流れる電流を取り出すために、電界効果トランジスタ1の第二の窒化物系化合物半導体層24には、n型不純物が高濃度にドーピングされたn−GaNからなる一組のコンタクト層9が埋め込み形成されている。   In order to configure the channel of the field effect transistor 1, the second nitride compound semiconductor layer 24 is used as the channel layer of the field effect transistor 1. In order to extract the current flowing in the channel layer, the second nitride compound semiconductor layer 24 of the field effect transistor 1 has a set of contact layers made of n-GaN doped with n-type impurities at a high concentration. 9 is embedded.

また、電界効果トランジスタ1のAl/Ti/Au(厚さは50nm/50nm/100nm)からなるソース電極Sとドレイン電極Dが一組のコンタクト層9上に接触するように形成されている。なお、ソース電極Sは以下で説明する半導体装置7のダイオード2のカソード電極Cと共通となっている。また、一組のコンタクト層9に挟まれた第二の窒化物系化合物半導体層24上には、電界効果トランジスタ1のPt/Au(厚さは100nm/200nm)からなるゲート電極Gが形成されている。 Further, the source electrode S and the drain electrode D made of Al / Ti / Au (thickness 50 nm / 50 nm / 100 nm) of the field effect transistor 1 are formed so as to be in contact with the pair of contact layers 9. The source electrode S is common to the cathode electrode C of the diode 2 of the semiconductor device 7 described below. A gate electrode G made of Pt / Au (thickness: 100 nm / 200 nm) of the field effect transistor 1 is formed on the second nitride compound semiconductor layer 24 sandwiched between the pair of contact layers 9. ing.

ここで、GaN層からなる第一の窒化物系化合物半導体層23とAl0.15Ga0.85N層からなる第二の窒化物系化合物半導体層24との第一の窒化物系化合物半導体層23側の界面には、両者の半導体層の組成の違いによるピエゾ電界により電子が発生する。そのため、ゲート電極Gに電圧が加わっていない状態であっても、第一の窒化物系化合物半導体層23は導電性を示し、ソース電極Sとドレイン電極Dの間に電流が流れ得る状態となる。 Here, the first nitride-based compound semiconductor layer 23 composed of the first nitride-based compound semiconductor layer 23 composed of the GaN layer and the second nitride-based compound semiconductor layer 24 composed of the Al 0.15 Ga 0.85 N layer are arranged on the first nitride-based compound semiconductor layer 23 side. At the interface, electrons are generated by a piezoelectric field due to the difference in the composition of the two semiconductor layers. For this reason, even when no voltage is applied to the gate electrode G, the first nitride-based compound semiconductor layer 23 exhibits conductivity, and a current can flow between the source electrode S and the drain electrode D. .

そこで、ゲート電極Gに電圧が加わっていない状態ではオフとなる電界効果トランジスタ1をエンハンスメント型とする場合には、第一の窒化物系化合物半導体層23に発生した電子を補償する必要がある。電子を補償するためには、第一の窒化物系化合物半導体層23を構成するGaN層にMgなどのp型不純物をドーピングする。そうすることにより、電子が補償され、第一の窒化物系化合物半導体層23が高抵抗化する。   Therefore, when the field effect transistor 1 that is turned off when no voltage is applied to the gate electrode G is an enhancement type, it is necessary to compensate for electrons generated in the first nitride-based compound semiconductor layer 23. In order to compensate for electrons, the GaN layer constituting the first nitride-based compound semiconductor layer 23 is doped with a p-type impurity such as Mg. By doing so, electrons are compensated for and the resistance of the first nitride-based compound semiconductor layer 23 is increased.

また、積層された窒化物系化合物半導体層(バッファ層22,第一の窒化物系化合物半導体層23,第二の窒化物系化合物半導体層24)に開口する孔8が設けられている。孔8は、積層された窒化物系化合物半導体層を貫き、基板21にまで到達している。基板21にまで到達する孔8には、電界効果トランジスタ1のソース電極Sと共通するダイオード2のカソード電極Cが埋め込まれている。なお、カソード電極Cのコンタクト抵抗を減らすために、n型不純物が高濃度にドーピングされたn−GaN層が孔9´の底部に形成されている。 In addition, a hole 8 is formed in the laminated nitride compound semiconductor layer (buffer layer 22, first nitride compound semiconductor layer 23, second nitride compound semiconductor layer 24). The hole 8 penetrates the laminated nitride compound semiconductor layer and reaches the substrate 21. In the hole 8 reaching the substrate 21, the cathode electrode C of the diode 2 which is common to the source electrode S of the field effect transistor 1 is embedded. In order to reduce the contact resistance of the cathode electrode C, an n-GaN layer doped with an n-type impurity at a high concentration is formed at the bottom of the hole 9 ′.

基板21の裏面には、ショットキーダイオードを形成するための、厚さ1000nmのn-GaN層からなる第三の半導体層25が形成されている。なお、第三の半導体層25は、n-GaN層だけでなく上記(表1)に示したような、n-SiC層、核生成AlN/n-GaN層、 n-GaN/n-Al0.15GaN層を使用することができる。 On the back surface of the substrate 21, a third semiconductor layer 25 made of an n GaN layer having a thickness of 1000 nm for forming a Schottky diode is formed. The third semiconductor layer 25 is not only an n GaN layer but also an n SiC layer, a nucleation AlN / n GaN layer, an n GaN / n Al 0.15 as shown in the above (Table 1). A GaN layer can be used.

そして、第三の半導体層25の面の一部には、ダイオード2の耐圧を向上させるためのトレンチ10が形成されている。トレンチ10はこの中に形成されるショットキ電極の縁辺部の電界集中を避けるためのもので、トレンチ構造なしで所望の耐圧が得られるならば、形成しなくてもよい。   A trench 10 for improving the breakdown voltage of the diode 2 is formed in a part of the surface of the third semiconductor layer 25. The trench 10 is for avoiding electric field concentration at the edge of the Schottky electrode formed therein, and may not be formed if a desired breakdown voltage can be obtained without a trench structure.

また、ショットキ電極が配置される第三の半導体層25の表面の全部あるいは周辺の一部に10nm程度のAl0.2Ga0.8N層やn+GaN層、あるいはp-GaN層を障壁高さの調整層として形成してもよい。 Further, the height of the barrier is adjusted to an Al 0.2 Ga 0.8 N layer, an n + GaN layer, or a p GaN layer of about 10 nm on the entire surface of the third semiconductor layer 25 on which the Schottky electrode is disposed or a part of the periphery thereof. It may be formed as a layer.

ショットキ電極が配置される箇所以外の第三の半導体層25の表面には、厚さ200nmのSiO2からなるパッシベーション膜11が成膜されており、電極材料はショットキ電極部とパッシベーション膜11の上の裏面全体に配置することができる。 A passivation film 11 made of SiO 2 having a thickness of 200 nm is formed on the surface of the third semiconductor layer 25 other than the place where the Schottky electrode is disposed, and the electrode material is on the Schottky electrode portion and the passivation film 11. It can be arranged on the entire back surface of.

なお、基板21は、GaNからなる基板に替えて、AlxGa1-xN(0<x≦1)でもよく、また、導電性のn-SiC基板、さらにはSi基板を使用することもできる。
基板21にn-SiC基板を使用する場合は、第三の半導体層25として窒化物系化合物半導体層を用いることができる。さらに、基板21にn-Siを用いることもできる。この場合は、ダイオードの耐圧を確保するため、基板21の裏面に形成される窒化物系化合物半導体層やSiC系半導体の積層は耐圧を確保するため十分に厚くする必要がある。1kV以上の耐圧の素子において、典型的には3μm程度必要である。また、この際Si基板上にこれらの積層を実現するための適切なバッファ層を配置する必要がある。
The substrate 21, in place of the substrate made of GaN, Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1) even better, also the conductivity of n - SiC substrate, may further uses Si substrate it can.
When an n SiC substrate is used as the substrate 21, a nitride compound semiconductor layer can be used as the third semiconductor layer 25. Further, n - Si can be used for the substrate 21. In this case, in order to ensure the withstand voltage of the diode 2, the nitride compound semiconductor layer and the SiC semiconductor stack formed on the back surface of the substrate 21 need to be sufficiently thick to ensure the withstand voltage. In an element having a withstand voltage of 1 kV or more, typically about 3 μm is required. At this time, it is necessary to dispose an appropriate buffer layer on the Si substrate for realizing the lamination.

トレンチ10の内壁とパッシベーション膜11の面には、ダイオード2のPt/Au(厚さは100/100nm)からなるダイオード2のアノード電極Aが形成されている。なお、ダイオード2のカソード電極Cとアノード電極Aの間に電圧を加えた際に、トレンチ10の側壁に電界が集中するのを防ぐために、第三の半導体層25におけるトレンチ10の側壁の箇所には、p型のイオンが打込まれたイオン打込領域12が形成されている。図4(b)に示した半導体装置7の電界効果トランジスタ1のソース電極Sとダイオード2のアノード電極Aとを図示しない配線で接続し、図4(a)に示した回路図のように、ソースSとアノードAとが共通に接続されるようにする。   On the inner wall of the trench 10 and the surface of the passivation film 11, an anode electrode A of the diode 2 made of Pt / Au (thickness: 100/100 nm) of the diode 2 is formed. In order to prevent an electric field from concentrating on the side wall of the trench 10 when a voltage is applied between the cathode electrode C and the anode electrode A of the diode 2, the third semiconductor layer 25 has a portion on the side wall of the trench 10. Is formed with an ion implantation region 12 into which p-type ions are implanted. The source electrode S of the field effect transistor 1 of the semiconductor device 7 shown in FIG. 4B and the anode electrode A of the diode 2 are connected by a wiring (not shown), as shown in the circuit diagram of FIG. The source S and the anode A are connected in common.

図4(b)に示した半導体装置7は以下のようにして製造することができる。かかる製造工程について図5を参照しながら説明する。
まず、GaNからなる基板21の上に、MOCVD法により厚さ10nmのGaN層(バッファ層22。AlN層であっても良い)を成膜し、更にその上に、厚さ2000nmのp型のGaN層(第一の窒化物系化合物半導体層23)を成膜する。
The semiconductor device 7 shown in FIG. 4B can be manufactured as follows. Such a manufacturing process will be described with reference to FIG.
First, a GaN layer (buffer layer 22, which may be an AlN layer) having a thickness of 10 nm is formed on a substrate 21 made of GaN by MOCVD, and a p-type layer having a thickness of 2000 nm is further formed thereon. A GaN layer (first nitride compound semiconductor layer 23) is formed.

そしてその上に、厚さ5nmのアンドープAl0.2Ga0.8N層(キャリア濃度は1×1016 /cm3)(第二の窒化物系化合物半導体層24)を成膜して図5(a)のような層構造A0をエピタキシャル成長した。 An undoped Al 0.2 Ga 0.8 N layer (carrier concentration is 1 × 10 16 / cm 3 ) (second nitride-based compound semiconductor layer 24) having a thickness of 5 nm is formed thereon, and FIG. The layer structure A 0 was epitaxially grown.

層構造A0のエピタキシャル成長が終了した後、層構造A0の全面にSiO2膜を形成し、図4(b)に示した半導体装置7において、ソース電極Sとドレイン電極Dが形成される領域に相当する部分のSiO2膜を除去する。そして、再びMOCVD法により、Siが高濃度でドーピングされてなるn−GaNのコンタクト層9を選択成長により形成した。これにより、図5(b)のような層構造A1が形成される。 After the epitaxial growth of the layer structure A 0 is completed, the SiO 2 film is formed on the entire surface of the layer structure A 0, in the semiconductor device 7 shown in FIG. 4 (b), a region where the source electrode S and the drain electrode D are formed The SiO 2 film corresponding to is removed. Then, an n-GaN contact layer 9 doped with Si at a high concentration was formed by selective growth again by MOCVD. Thereby, a layer structure A 1 as shown in FIG. 5B is formed.

その後、層構造A1をMOCVD装置から、一旦取り出し選択除去されていたSiO2を全て除去し、層構造A1の成長面を保護するために、金属膜とSiO2膜で覆う。その後に、層構造A1を裏返しにして、再度MOCVD装置に搬入する。そして、厚さ1000nmのn-GaN層(第三の半導体層25)を基板21の裏面に成膜する。 Thereafter, the layer structure A 1 is taken out from the MOCVD apparatus, and all the SiO 2 that has been selectively removed is removed and covered with a metal film and an SiO 2 film in order to protect the growth surface of the layer structure A 1 . Thereafter, the layer structure A 1 is turned upside down and carried into the MOCVD apparatus again. Then, an n GaN layer (third semiconductor layer 25) having a thickness of 1000 nm is formed on the back surface of the substrate 21.

第三の半導体層25を成膜後、第三の半導体層25が基板21の裏面に成膜された層構造A1をMOCVD装置から取り出し、層構造A1の全面にSiO2膜を形成し、図4(b)に示した半導体装置7において、ドレイン電極Dが形成される領域に相当する部分のSiO2膜を除去する。そして、塩素ガスを利用したRIBE(Reactive Ion Beam Etching)などの手法により、基板21にまで到達する孔8を開口させる。孔8を開口させた後、再びMOCVD法により、Siが高濃度でドーピングされてなるn−GaNのコンタクト層9´を選択成長により形成した。これにより、図5(c)のような層構造A2が形成される。 After the third semiconductor layer 25 is formed, the layer structure A 1 in which the third semiconductor layer 25 is formed on the back surface of the substrate 21 is taken out from the MOCVD apparatus, and a SiO 2 film is formed on the entire surface of the layer structure A 1. In the semiconductor device 7 shown in FIG. 4B, a portion of the SiO 2 film corresponding to the region where the drain electrode D is formed is removed. Then, the hole 8 reaching the substrate 21 is opened by a technique such as RIBE (Reactive Ion Beam Etching) using chlorine gas. After opening the hole 8, an n-GaN contact layer 9 'doped with Si at a high concentration was formed by selective growth again by MOCVD. Thereby, a layer structure A 2 as shown in FIG. 5C is formed.

そして、層構造A2の裏面に厚さ200nmのSiO2からなるパッシベーション膜11を成膜する。しかる後、第三の半導体層25と接触し、ダイオード2のアノード電極Aが形成される領域のパッシベーション膜11を除去し、塩素ガスを利用したRIBEなどの手法により、トレンチ10を開口させる。その後、斜めイオン注入法により、Mg,C元素(GaN基板を用いる場合。SiC基板を用いる場合は元素としてAlを使用する。)をトレンチ10の側壁の面に打ち込んで、イオン打込領域12を形成する。これにより、図5(d)のような層構造A3ができあがる。 Then, a passivation film 11 made of SiO 2 having a thickness of 200 nm is formed on the back surface of the layer structure A 2 . Thereafter, the passivation film 11 in the region where the anode electrode A of the diode 2 is formed is contacted with the third semiconductor layer 25, and the trench 10 is opened by a technique such as RIBE using chlorine gas. Thereafter, Mg and C elements (when using a GaN substrate; when using a SiC substrate, Al is used as an element) are implanted into the side surface of the trench 10 by an oblique ion implantation method. Form. As a result, a layer structure A 3 as shown in FIG. 5D is completed.

そして、常法により、コンタクト層9,9´上にソース電極Sとドレイン電極D(カソード電極C)、ソース電極Sとドレイン電極Dの間にゲート電極Gを形成する。また、層構造A3の裏側に常法によりアノード電極Aを形成し、図4(b)(又は図2(b))に示した半導体装置7が完成する。なお、半導体装置7が図4(a)(又は図2(a))に示した回路図となるように、ソース電極Sとダイオード2のアノード電極Aとを図示しない配線で接続する。 Then, a source electrode S and a drain electrode D (cathode electrode C) are formed on the contact layers 9 and 9 ′, and a gate electrode G is formed between the source electrode S and the drain electrode D by a conventional method. Further, the anode electrode A is formed on the back side of the layer structure A 3 by a conventional method, and the semiconductor device 7 shown in FIG. 4B (or FIG. 2B) is completed. Note that the source electrode S and the anode electrode A of the diode 2 are connected by a wiring (not shown) so that the semiconductor device 7 has the circuit diagram shown in FIG. 4A (or FIG. 2A).

図4(a)に示した回路図となる半導体装置7を実際に動作させた例について図6を参照しながら説明する。図4(a)の回路図におけるトランジスタのドレインD側をVdとする高電位、ソースS側をゼロ電位とし、ゲートGにトランジスタのオン電圧を加えると、トランジスタはオンの状態なる。この状態では、図6(a)に示したようにドレインDとソースSの間にドレイン電流IdFETが流れる。一方この状態では、図4(a)の回路図におけるダイオードのアノードAはゼロ電位であり、カソードCは高電位となっている。そのため、ダイオードは逆電圧が加わっているので、図6(a)に示したようにダイオードに流れる電流ISBDはごくわずかとなる。 An example in which the semiconductor device 7 having the circuit diagram shown in FIG. 4A is actually operated will be described with reference to FIG. In the circuit diagram of FIG. 4A, when the drain D side of the transistor has a high potential Vd, the source S side has a zero potential, and a transistor ON voltage is applied to the gate G, the transistor turns on. In this state, a drain current flows Id FET between the drain D and the source S as shown in Figure 6 (a). On the other hand, in this state, the anode A of the diode in the circuit diagram of FIG. 4A has a zero potential, and the cathode C has a high potential. For this reason, since a reverse voltage is applied to the diode, the current I SBD flowing through the diode is very small as shown in FIG.

なお、図4(a)の半導体装置7の回路図におけるトランジスタ1のゲートGにトランジスタのオフ電圧を加えると、トランジスタ1はオフの状態となり、ドレインDとソースSの間には電流が流れない。一方で、ゲートGにトランジスタのオフ電圧が加わっている状態であっても、かかる半導体装置7を電力変換装置のスイッチング素子として使用した場合には、ドレインD側にマイナスの高い電圧が突発的に加わるいわゆる逆方向サージ現象が発生する場合がある。   Note that when a transistor off voltage is applied to the gate G of the transistor 1 in the circuit diagram of the semiconductor device 7 in FIG. 4A, the transistor 1 is turned off, and no current flows between the drain D and the source S. . On the other hand, even when the off-voltage of the transistor is applied to the gate G, when the semiconductor device 7 is used as a switching element of the power conversion device, a negative high voltage suddenly appears on the drain D side. An applied so-called reverse surge phenomenon may occur.

電界効果トランジスタのゲート部の配線は、電流サージに弱い。例えば、誘導性の負荷などから発生する逆電圧が電界効果トランジスタのオフ状態においてドレインに引加されると、ゲートのショットキ障壁が順方向バイアスされて、大電流サージがゲート回路に流れこみ、配線が切断されたり、点弧回路が破壊されてしまうことがある。
本実施例の半導体装置7の保護ダイオード2は、この電流サージによる電界効果トランジスタ1の破壊を防ぐ働きを有している。
The wiring of the gate part of the field effect transistor is vulnerable to a current surge. For example, when a reverse voltage generated by an inductive load is applied to the drain in the off state of the field effect transistor, the gate Schottky barrier is forward-biased, causing a large current surge to flow into the gate circuit and wiring. May be cut or the ignition circuit may be destroyed.
The protective diode 2 of the semiconductor device 7 of this embodiment has a function of preventing the field effect transistor 1 from being destroyed by this current surge.

逆方向サージ現象が発生する場合は、図4(a)の回路図におけるダイオード2のアノードAはゼロ電位であり、カソードCはマイナス方向の高電位が加わる。このとき、ダイオード2には順電圧が加わるので、図6(b)に示したようにダイオード2はオンし、ダイオード2に流れる電流ISBDが増加する。そのため、逆方向のサージの電流は、トランジスタ1のソースSとドレインDの間には流れず、ダイオード2の側に流れるので、トランジスタ1は保護される。 When a reverse surge phenomenon occurs, the anode A of the diode 2 in the circuit diagram of FIG. 4A has a zero potential, and the cathode C has a high potential in the negative direction. At this time, since a forward voltage is applied to the diode 2, the diode 2 is turned on as shown in FIG. 6B, and the current I SBD flowing through the diode 2 increases. Therefore, the surge current in the reverse direction does not flow between the source S and the drain D of the transistor 1 but flows to the diode 2 side, so that the transistor 1 is protected.

保護ダイオード2のオン電圧の大体の大きさは、ショットキ障壁の高さが決定する。ダイオードのショットキ障壁が形成される基板ないしは、半導体層25は、GaNやSiCであり、概略1V以上の障壁高さを持つが、最表面のドーピングを調整するなどの工夫により、順方向電流がある値以上となることで定義される実効的なオン電圧を小さめに調整し、かつ、耐圧やリーク電流を増加させないことができる。例えば100A程度の電流サージに対して、保護ダイオード2のオン電圧を0.5〜1.0Vの間に設定することができる。一方、電界効果トランジスタ1のゲート部のオン電圧は、ゲート部のショットキ障壁の障壁高さと略一致し、1V程度以上に設定することができる。すなわち、電界効果トランジスタ1のゲート部のオン電圧に対して保護ダイオード2のオン電圧を小さく設定することができる。   The approximate magnitude of the on-voltage of the protective diode 2 determines the height of the Schottky barrier. The substrate or the semiconductor layer 25 on which the Schottky barrier of the diode is formed is GaN or SiC and has a barrier height of approximately 1 V or more, but there is a forward current by means such as adjusting the doping on the outermost surface. It is possible to adjust the effective on-voltage defined by being greater than or equal to a small value, and not to increase the breakdown voltage and the leakage current. For example, the on-voltage of the protection diode 2 can be set between 0.5 and 1.0 V against a current surge of about 100 A. On the other hand, the ON voltage of the gate portion of the field effect transistor 1 substantially matches the barrier height of the Schottky barrier of the gate portion, and can be set to about 1V or more. That is, the on-voltage of the protection diode 2 can be set smaller than the on-voltage of the gate portion of the field effect transistor 1.

このため、過電圧がドレインに引加される前にダイオード2がオンするように設定することができ、電流サージは、ダイオード2を流れることにより電界効果トランジスタ1のゲート部は保護される。本発明の保護ダイオードは十分に大きな素子面積が確保できるため、大きなサージ電流にも耐えて電源に帰還せしめるため、良好な保護機能が得られる。   Therefore, the diode 2 can be set to be turned on before the overvoltage is applied to the drain, and the current surge flows through the diode 2 to protect the gate portion of the field effect transistor 1. Since the protection diode of the present invention can secure a sufficiently large element area, it can withstand a large surge current and be fed back to the power supply, so that a good protection function can be obtained.

さらに、本発明の実施の形態の半導体装置7における保護ダイオード2は、順方向の電圧サージにから電界効果トランジスタ1のゲート回路を保護する機能を有する。オフ状態の単独の電界効果トランジスタにおいては、電界効果トランジスタの耐圧を超える電圧がドレインに印加されると、ゲートのショットキ障壁が降伏したり、過渡電流が流れたりして、ゲート回路が破壊される場合がある。保護ダイオード2の耐圧を電界効果トランジスタ1の耐圧に対して、小さ目に調整することなどにより、保護機能を付加することが可能である。例えば、電界効果トランジスタ1のドレイン耐圧が1200Vの場合に、保護ダイオード2の耐圧を100Vに設定することが可能である。耐圧の調整は、ゲート部分に対して、保護ダイオード2の素子面積を十分に大きくすることで達成できる。この場合、容量結合的な保護機能を付加することもできる。 Furthermore, the protection diode 2 in the semiconductor device 7 according to the embodiment of the present invention has a function of protecting the gate circuit of the field effect transistor 1 from a forward voltage surge. In a single field-effect transistor in the off state, if a voltage exceeding the breakdown voltage of the field-effect transistor is applied to the drain, the gate circuit breaks down due to breakdown of the Schottky barrier of the gate or flow of a transient current There is a case. It is possible to add a protection function by adjusting the breakdown voltage of the protection diode 2 to be smaller than the breakdown voltage of the field effect transistor 1. For example, when the drain withstand voltage of the field effect transistor 1 is 1200V, the withstand voltage of the protection diode 2 can be set to 100V. The withstand voltage can be adjusted by sufficiently increasing the element area of the protection diode 2 with respect to the gate portion. In this case, a capacitively coupled protection function can be added.

保護機能を付加することにより、順方向のサージ現象が発生した場合であっても、ダイオード2が電界効果トランジスタ1よりも先にブレークダウンする。これにより、電界効果トランジスタ1のブレークダウンによるドレインDの電極破壊を防止することができる。   By adding the protection function, the diode 2 breaks down before the field effect transistor 1 even when a forward surge phenomenon occurs. Thereby, the electrode destruction of the drain D by the breakdown of the field effect transistor 1 can be prevented.

以上のように本発明の半導体装置では、余分に素子面積を増加させることなく、十分な機能を有する保護ダイオードを有する窒化物系化合物半導体による高性能電界効果トランジスタを構成することができるので、この素子を電源回路に応用することで、低コスト・コンパクトで、かつ、サージに強い、高性能電源を提供することができる。   As described above, in the semiconductor device of the present invention, a high-performance field effect transistor using a nitride-based compound semiconductor having a protective diode having a sufficient function can be configured without increasing the element area. By applying the element to a power supply circuit, it is possible to provide a high-performance power supply that is low in cost, compact, and resistant to surge.

本発明の電力変換装置としてのインバータの回路図を示したものである。The circuit diagram of the inverter as a power converter device of the present invention is shown. 本発明の電力変換装置に使用されるスイッチング素子としての半導体装置を示したものであり(a)回路図で、(b)は概略断面図である。The semiconductor device as a switching element used for the power converter device of the present invention is shown, and (a) is a circuit diagram and (b) is a schematic sectional view. 本発明の半導体装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the semiconductor device of this invention. 本発明の実施例についての半導体装置を示したものであり、(a)回路図で、(b)は概略断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The semiconductor device about the Example of this invention is shown, (a) is a circuit diagram, (b) is a schematic sectional drawing. 本発明の実施例についての半導体装置の製造工程を示したものである。The manufacturing process of the semiconductor device about the Example of this invention is shown. 本発明の実施例についての半導体装置の動作特性を示したものである。The operating characteristic of the semiconductor device about the Example of this invention is shown. 電力変換装置としてのインバータの回路図を示したものである。The circuit diagram of the inverter as a power converter device is shown. (a)はスイッチング素子としての電界効果トランジスタとその保護素子としてのショットキーダイオードを示す回路図であり、(b)はそのショットキーダイオードを内蔵している電界効果トランジスタを示す概略断面図である。(A) is a circuit diagram which shows the field effect transistor as a switching element, and the Schottky diode as its protection element, (b) is a schematic sectional drawing which shows the field effect transistor incorporating the Schottky diode. .

符号の説明Explanation of symbols

1…電界効果トランジスタ, 2…ダイオード, 3…電力変換装置, 4…交流電源, 5…整流回路, 6…インバータ回路, 7…半導体装置, 8…孔, 9…コンタクト層, 10…トレンチ, 11…パッシベーション膜, 12…イオン打込領域, 21…基板, 22…バッファ層, 23…第一の窒化物系化合物半導体層, 24…第二の窒化物系化合物半導体層, 25…第三の半導体層(障壁調整層), 26…電界集中緩和層, 100…電界効果トランジスタ, 100…ダイオード, 300…電力変換装置, 400…交流電源, 500…整流回路, 600…インバータ回路   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Field effect transistor, 2 ... Diode, 3 ... Power converter, 4 ... AC power supply, 5 ... Rectifier circuit, 6 ... Inverter circuit, 7 ... Semiconductor device, 8 ... Hole, 9 ... Contact layer, 10 ... Trench, 11 ... Passivation film, 12 ... Ion implantation region, 21 ... Substrate, 22 ... Buffer layer, 23 ... First nitride compound semiconductor layer, 24 ... Second nitride compound semiconductor layer, 25 ... Third semiconductor Layer (barrier adjustment layer), 26 ... electric field concentration relaxation layer, 100 ... field effect transistor, 100 ... diode, 300 ... power converter, 400 ... AC power supply, 500 ... rectifier circuit, 600 ... inverter circuit

Claims (9)

電界効果トランジスタとダイオードとを有する半導体装置であって、
導電性を有する半導体基板と、
前記半導体基板の一方の面に、前記電界効果トランジスタを構成する、少なくとも1のバッファ層として機能する窒化系化合物半導体層と少なくとも1の窒化物系化合物半導体層とを積層した積層半導体層と、
を有し、
前記積層半導体層の表面の前記窒化物系化合物半導体層に前記電界効果トランジスタのゲート電極が形成され、
前記窒化物系化合物半導体層に前記電界効果トランジスタの第1および第2の電極が形成されており、
前記基板の面と直交する方向に、前記積層半導体層を貫通して前記半導体基板まで到達する孔、または、前記半導体基板と接する前記積層導体層を構成する前記バッファ層として機能する窒化系化合物半導体層まで前記積層半導体層を貫通する孔が形成され、
前記孔の底部まで前記ダイオードの第1の電極が埋め込まれており、
前記電界効果型トランジスタの第1および第2の電極の一方の電極と、前記孔の底部まで埋め込まれた前記ダイオードの第1の電極とが共通の電極により形成され、
前記基板の他方の面に、または、前記基板の他方の面に形成された半導体層に、前記ダイオードの第2の電極が形成されている、
半導体装置。
A semiconductor device having a field effect transistor and a diode,
A conductive semiconductor substrate;
A laminated semiconductor layer in which a nitride compound semiconductor layer functioning as at least one buffer layer and at least one nitride compound semiconductor layer constituting the field effect transistor are laminated on one surface of the semiconductor substrate;
Have
A gate electrode of the field effect transistor is formed on the nitride-based compound semiconductor layer on the surface of the stacked semiconductor layer;
First and second electrodes of the field effect transistor are formed on the nitride-based compound semiconductor layer,
A nitride-based compound semiconductor functioning as a buffer layer constituting the laminated conductor layer in contact with the semiconductor substrate, or a hole reaching the semiconductor substrate through the laminated semiconductor layer in a direction perpendicular to the surface of the substrate hole is formed to penetrate the laminated semiconductor layer to layer,
The first electrode of the diode is embedded to the bottom of the hole;
One electrode of the first and second electrodes of the field effect transistor and the first electrode of the diode buried up to the bottom of the hole are formed by a common electrode,
A second electrode of the diode is formed on the other surface of the substrate or on a semiconductor layer formed on the other surface of the substrate;
Semiconductor device.
前記ダイオードの第1の電極または第2の電極はショットキー電極であり、他方の電極はオーミック電極であり、
前記電界効果トランジスタのゲート電極はショットキー型またはMIS型の電極である、
請求項1に記載の半導体装置。
The first electrode or the second electrode of the diode is a Schottky electrode, and the other electrode is an ohmic electrode,
The gate electrode of the field effect transistor is a Schottky type or MIS type electrode.
The semiconductor device according to claim 1 .
ショットキーバリアの高さを変化させる障壁調整層としての前記窒化物系化合物半導体層を介して前記ダイオードのショットキー電極が形成されている、
請求項2に記載の半導体装置。
The Schottky electrode of the diode is formed through the nitride compound semiconductor layer as a barrier adjustment layer that changes the height of the Schottky barrier.
The semiconductor device according to claim 2 .
前記基板の一方の面側と前記積層半導体層を構成する半導体層の間に、高抵抗窒化物系化合物半導体層が形成されている、
請求項1〜3のいずれかに記載の半導体装置。
A high resistance nitride-based compound semiconductor layer is formed between one surface side of the substrate and the semiconductor layer constituting the stacked semiconductor layer,
The semiconductor device according to claim 1 .
前記ダイオードのオン電圧は、前記電界効果トランジスタがオフの状態における前記電界効果トランジスタのゲートとドレイン間におけるゲート破壊電圧よりも低い、
請求項1〜3のいずれかに記載の半導体装置。
The on-voltage of the diode is lower than the gate breakdown voltage between the gate and drain of the field-effect transistor when the field-effect transistor is off;
The semiconductor device according to claim 1 .
前記ダイオードのブレークダウン電圧は、前記電界効果トランジスタがオフの状態における前記電界効果トランジスタのソースとドレイン間のブレークダウン電圧よりも低い、 請求項1〜4のいずれかに記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 , wherein a breakdown voltage of the diode is lower than a breakdown voltage between a source and a drain of the field effect transistor when the field effect transistor is in an off state. 前記導電性を有する半導体基板は、AlxGa1-xN(0≦x≦1)基板、SiC基板、又はSi基板である、
請求項1〜6のいずれかに記載の半導体装置。
The conductive semiconductor substrate is an Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) substrate, a SiC substrate, or a Si substrate.
The semiconductor device according to claim 1 .
請求項1〜7のいずれかに記載の、前記電界効果トランジスタおよび前記ダイオードを有する半導体装置の前記電界効果トランジスタをスイッチング素子として使用する電力変換回路を有する、
電力変換装置。
A power conversion circuit using the field effect transistor of the semiconductor device having the field effect transistor and the diode according to claim 1 as a switching element.
Power conversion device.
前記電力変換回路は、インバータ回路又はコンバータ回路である、
請求項8に記載の電力変換装置。
The power conversion circuit is an inverter circuit or a converter circuit.
The power conversion device according to claim 8 .
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