JP5298006B2 - Ｉｉｉ族窒化物パワー半導体デバイス - Google Patents
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関連出願
この出願は、２００６年３月２０日に出願された米国仮出願連続番号第６０／７８４，０５４号および２００７年３月１９日に出願された米国特許出願連続番号（割当てられる予定）に基づいており、それらの優先権を主張し、それらの開示全体は引用により本明細書に援用される。
この出願は、２００６年３月２０日に出願された米国仮出願連続番号第６０／７８４，０５４号および２００７年３月１９日に出願された米国特許出願連続番号（割当てられる予定）に基づいており、それらの優先権を主張し、それらの開示全体は引用により本明細書に援用される。
定義
本明細書において用いられているIII族窒化物（またはIII−Ｎ）とは、窒素を少なくとも含むＩｎＡｌＧａＮ系からの半導体合金およびIII族からの別の合金要素のことをいう。ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、または窒素およびIII族からの少なくとも１つの要素を含む任意の組合せが、III族窒化物合金の例である。
本明細書において用いられているIII族窒化物（またはIII−Ｎ）とは、窒素を少なくとも含むＩｎＡｌＧａＮ系からの半導体合金およびIII族からの別の合金要素のことをいう。ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、または窒素およびIII族からの少なくとも１つの要素を含む任意の組合せが、III族窒化物合金の例である。
発明の背景
図１を参照して、従来のIII族窒化物パワー半導体デバイスは、III族窒化物ヘテロ接合体１０を含む。III族窒化物ヘテロ接合体１０は、１つのIII族窒化物半導体合金（たとえば、ＧａＮ）で形成された第１のIII族窒化物半導体本体１２と、バンドギャップが第１のIII族窒化物半導体本体１２のバンドギャップとは異なっている別のIII族窒化物半導体合金（たとえば、ＡｌＧａＮ）で形成された、本体１２上の第２のIII族窒化物半導体本体１４とを含む。
図１を参照して、従来のIII族窒化物パワー半導体デバイスは、III族窒化物ヘテロ接合体１０を含む。III族窒化物ヘテロ接合体１０は、１つのIII族窒化物半導体合金（たとえば、ＧａＮ）で形成された第１のIII族窒化物半導体本体１２と、バンドギャップが第１のIII族窒化物半導体本体１２のバンドギャップとは異なっている別のIII族窒化物半導体合金（たとえば、ＡｌＧａＮ）で形成された、本体１２上の第２のIII族窒化物半導体本体１４とを含む。
公知のように、各III族窒化物半導体本体１２、１４の組成および厚みは、２つの本体１２、１４のヘテロ接合部において二次元電子ガス１６（２−ＤＥＧ）を発生させるように選択される。
そのように発生した２−ＤＥＧ１６は、キャリアが豊富であり、第２のIII族窒化物本体１４にオーム結合された第１のパワー電極１８（たとえば、ソース電極）と、これも第２のIII族窒化物本体１４にオーム結合された第２のパワー電極２０（たとえば、ドレイン電極）との間の導電性チャネルの役割を果たす。第１のパワー電極１８と第２のパワー電極２０との間の導電状態を制御するために、ゲート機構２２が第１のパワー電極１８と第２のパワー電極２０との間に配置され、第２のIII族窒化物本体１４上に存在していてもよい。たとえば、ゲート機構２２は、第２のIII族窒化物本体１４とショットキー接触するショットキー体を含んでいてもよく、または代替的には、ゲート絶縁体と、ゲート絶縁体を介して２−ＤＥＧ１６に容量結合されたゲート電極とを含んでいてもよい。
III族窒化物ヘテロ接合部１０は、従来の設計では、基板２８の上に配置される。典型的に、遷移体３０が基板２８とヘテロ接合部１０との間に配置される。また、電極１８、２０が本体１４と接触するパッシベーション体３２が、ヘテロ接合部１０の活性部を保護するために設けられてもよい。
ゲート機構付近の高電界の蓄積が（特に、デバイスのドレイン電極に最も近い端縁において）ゲート破壊を招くことが観察されている。他の不利な点には、低いドレイン−ソース破壊電圧、ならびにホットキャリアおよび電荷トラップに起因するデバイスパラメータの時間依存性の劣化がある。図３は、図１に従うデバイスのゲート機構２２の端縁付近の電界線２７を概略的に示す。
図２を参照して、III族窒化物デバイスの性能を改良してそのゲートの端縁における破壊に耐えるように、たとえばデバイスのゲート電極からパッシベーション体３２の上にデバイスのパワー電極（たとえば、ドレイン電極）の方に横方向に延びるフィールドプレート２６が設けられる。フィールドプレート２６を設けると、図４に概略的に示されるように電界線２７を広げることによりゲート機構２２の端縁における電界の強度が低減される。
フィールドプレート２６は電界の強さを低減でき、デバイスの破壊電圧を改良できるが、以下の理由で不利である。
１．フィールドプレート２６は、デバイスの活性エリアを増大させる。
２．フィールドプレート２６は、高電界ポイントをフィールドプレート２６の端縁に移動させるが、依然として変化が発生することを可能にし得る。
２．フィールドプレート２６は、高電界ポイントをフィールドプレート２６の端縁に移動させるが、依然として変化が発生することを可能にし得る。
３．ゲート−ドレインのオーバーラップキャパシタンスが増大することにより、高周波スイッチングが劣化し、スイッチング損失が増大し、これはミラー効果によって悪化する。
発明の概要
この発明に従うデバイスでは、導電性の２−ＤＥＧ中の可動電荷の濃度を選択的に低減することによってゲートの端縁および角におけるピーク電界が低減される。
この発明に従うデバイスでは、導電性の２−ＤＥＧ中の可動電荷の濃度を選択的に低減することによってゲートの端縁および角におけるピーク電界が低減される。
この発明の一局面に従えば、可動電荷の濃度は、ゲートの下に配置され、かつ、ゲートの幅と等しいかまたはゲートの幅よりも大きく横方向に延びる領域において低減されるが、可動電荷の濃度はそうでなければ非常に高く保持されて、寄生ソース−ドレイン直列抵抗を低い値に保つ。
この発明に従うパワー半導体デバイスは、第１のIII族窒化物本体およびバンドギャップが第１のIII族窒化物本体のバンドギャップとは異なっており、かつ、第１のIII族窒化物本体上に配置されて、III族窒化物ヘテロ接合部を形成する第２のIII族窒化物本体と、第２のIII族窒化物本体に結合された第１のパワー電極と、第２のIII族窒化物本体に結合された第２のパワー電極と、第１のパワー電極と第２のパワー電極との間に配置されたゲート機構と、導電状態で、隣接する領域よりも導電性が低い電荷低減領域をゲート機構の下に含む二次元電子ガスを含む導電性チャネルとを含む。
一実施例では、ゲート機構の下の第２のIII族窒化物本体における注入領域は、電荷低減領域を引起すように構成される。
別の実施例では、ゲート機構は電荷低減領域の上の凹部に受けられ、電荷低減領域を引起す。
この発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照するこの発明の以下の説明から明らかになる。
実施例の詳細な説明
図５を参照して、図５では同様の数字が同様の特徴を示しているのだが、この発明に従うデバイスでは、２−ＤＥＧ１６は、ゲート機構２２の下に存在する電荷低減領域３４を含む。電荷低減領域３４は好ましくは、ゲート機構２２の２倍の幅があり、ゲート機構２２の少なくとも１つの端縁を越えて延びていてもよく、２−ＤＥＧが導電状態にあるときには隣接する２−ＤＥＧ１６の領域よりも導電性が低い。すなわち、オン状態では（パワー電極１８とパワー電極２０との間が導通しているときには）、領域３４はその両側に隣接する２−ＤＥＧ１６の領域よりも少ない数のキャリアを含む。その結果、デバイスのオフ状態時のゲート機構２２の端縁付近の電界は先行技術と比較して弱く、これによってフィールドプレートを省略することが可能であり得る。なお、電荷低減領域３４は、第１の（ソース）パワー電極１８および第２の（ドレイン）パワー電極２０に対してまたはゲート機構２２に対して対称的に位置決めされる必要はない。したがって、電荷低減領域３４は、不連続であり、ゲート機構２２の片側に２つの部分３４′、３４″の各々の状態で配置されてもよく（図９Ａ）、ドレイン電極の方向にさらに先に延びていてもよく（図９Ｂ）、またはドレイン電極の方向にしか延びていなくてもよく（図９Ｃ）、ソース電極に向かってゲート機構２２を越えて延びる部分を含んでいなくてもよい。領域３４の幅は、最適化されることができ、数十ナノメートルから数千ナノメートルの間であると予想される。
図５を参照して、図５では同様の数字が同様の特徴を示しているのだが、この発明に従うデバイスでは、２−ＤＥＧ１６は、ゲート機構２２の下に存在する電荷低減領域３４を含む。電荷低減領域３４は好ましくは、ゲート機構２２の２倍の幅があり、ゲート機構２２の少なくとも１つの端縁を越えて延びていてもよく、２−ＤＥＧが導電状態にあるときには隣接する２−ＤＥＧ１６の領域よりも導電性が低い。すなわち、オン状態では（パワー電極１８とパワー電極２０との間が導通しているときには）、領域３４はその両側に隣接する２−ＤＥＧ１６の領域よりも少ない数のキャリアを含む。その結果、デバイスのオフ状態時のゲート機構２２の端縁付近の電界は先行技術と比較して弱く、これによってフィールドプレートを省略することが可能であり得る。なお、電荷低減領域３４は、第１の（ソース）パワー電極１８および第２の（ドレイン）パワー電極２０に対してまたはゲート機構２２に対して対称的に位置決めされる必要はない。したがって、電荷低減領域３４は、不連続であり、ゲート機構２２の片側に２つの部分３４′、３４″の各々の状態で配置されてもよく（図９Ａ）、ドレイン電極の方向にさらに先に延びていてもよく（図９Ｂ）、またはドレイン電極の方向にしか延びていなくてもよく（図９Ｃ）、ソース電極に向かってゲート機構２２を越えて延びる部分を含んでいなくてもよい。領域３４の幅は、最適化されることができ、数十ナノメートルから数千ナノメートルの間であると予想される。
デバイスにおいて、図５によって示される実施例に従って、ゲート機構２２は、第２のIII族窒化物本体１４にショットキー結合されたショットキー体３６を含む。ショットキー体３６は、任意の好適なショットキー金属、たとえば金がニッケルの上にあるニッケル／金の積層物であってもよい。
図６を参照して、図６では同様の数字が同様の特徴を示しているのだが、代替的な実施例では、ゲート機構２２は、第２のIII族窒化物本体１４上のゲート絶縁体３８と、絶縁体３８を介して２−ＤＥＧ１６（および特に電荷低減領域３４）に容量結合されたゲート電極４０とを含む。ゲート絶縁体３８は窒化ケイ素、二酸化ケイ素、または任意の好適なゲート絶縁体からなっていてもよく、ゲート電極４０は任意の金属または非金属導電性材料からなっていてもよい。ゲート電極４０のための好適な材料の例は、ニッケル、チタンタングステン、窒化チタン、およびポリシリコンである。
図５および図６に従う実施例において電荷低減領域３４を得るために、負の電荷を第２のIII族窒化物本体１４に導入して、ゲート機構２２の下の領域３４における負のキャリア（電子）を追い払ってもよい。負の電荷は、負に帯電したイオンを注入することによってまたはプラズマ表面処理によって導入されてもよい。
ここで図７および図８を参照して、図７および図８では同様の数字が同様の特徴を示しているのだが、代替的な実施例に従って電荷低減領域３４を形成するために、凹部４２が第２のIII族窒化物本体１４に形成されてもよく、凹部４２にゲート機構２２が受けられる。
凹部４２の深さおよび幅は、第２のIII族窒化物本体１４における応力を部分的に緩和してこの発明に従う電荷低減領域３４を得ることができるように構成されることができる。なお、凹部４２の幅はゲート機構２２の幅と同じぐらいであり得るが、この発明の範囲および精神から逸脱することなく（概略的に示されるように）より幅が広くてもよい。
なお、この発明に従う電荷低減領域３４を設けることによりフィールドプレートを省略することが可能であり得るが、この発明の範囲および精神から逸脱することなくこの発明に従うデバイスの破壊性能をさらに高めるためにフィールドプレートを追加してもよい。
電荷低減領域３４を得るための他の方法は、表面プラズマ処理、表面化学処理、および好適な薄膜の堆積である。
好ましい実施例に従うデバイスでは、第１および第２のパワー電極１８、２０は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、または他の好適な金属もしくは非金属導電性材料からなっていてもよく、第１のIII族窒化物本体１２はＧａＮからなっていてもよく、第２のIII族窒化物本体１４はＡｌＮからなっていてもよく、遷移層３０はＡｌＧａＮなどのIII族窒化物材料からなっていてもよく、基板２８はシリコンからなっていてもよい。他の好適な基板材料は、シリコンカーバイド、またはサファイア、またはＧａＮ基板などのIII族窒化物系に固有の材料である。
この発明についてその特定の実施例に関連して記載してきたが、多くの他の変形例および修正例ならびに他の使用例が当業者に明らかになる。したがって、この発明は本明細書における具体的な開示によってではなく添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることが好ましい。
Claims (15)
- パワー半導体デバイスであって、
第１のIII族窒化物本体およびバンドギャップが前記第１のIII族窒化物本体のバンドギャップとは異なっている第２のIII族窒化物本体を含むIII族窒化物ヘテロ接合体と、
前記第２のIII族窒化物本体に結合された第１のパワー電極と、
前記第２のIII族窒化物本体に結合された第２のパワー電極と、
前記第１のパワー電極と前記第２のパワー電極との間に配置されたゲート機構と、
導電状態で、隣接する領域よりも導電性が低く、前記ゲート機構よりも幅が広く、前記
ゲート機構の対向する２つの端縁を越えて延びる電荷低減領域を前記ゲート機構の下に含
む二次元電子ガスを含む導電性チャネルとを備え、
前記電荷低減領域は不連続であり、前記ゲート機構の前記対向する２つの端縁のそれぞれに配置される、パワー半導体デバイス。 - 前記ゲート機構はゲート絶縁体を含む、請求項１に記載のパワー半導体デバイス。
- 前記ゲート機構はショットキー体を含む、請求項１に記載のパワー半導体デバイス。
- 前記ゲート機構は、前記電荷低減領域の上の凹部に受けられる、請求項１に記載のパワー半導体デバイス。
- 前記凹部は、前記電荷低減領域を引起すように構成される、請求項４に記載のパワー半導体デバイス。
- 前記凹部は、前記ゲート機構よりも幅が広い、請求項４に記載のパワー半導体デバイス。
- 前記電荷低減領域を引起すように構成された少なくとも１つの注入領域を前記ゲート機構の下の前記第２のIII族窒化物本体にさらに備える、請求項１に記載のパワー半導体デバイス。
- 前記ゲート機構はフィールドプレートを含まない、請求項１に記載のパワー半導体デバイス。
- 前記III族窒化物ヘテロ接合体の上に配置されたパッシベーション体をさらに備える、請求項１に記載のパワー半導体デバイス。
- 前記第１のIII族窒化物本体はＩｎＡｌＧａＮ系からの半導体合金からなっており、前記第２のIII族窒化物本体はＩｎＡｌＧａＮ系からの別の合金からなっている、請求項１に記載のパワー半導体デバイス。
- 前記第１のIII族窒化物本体はＧａＮからなっており、前記第２のIII族窒化物本体はＡｌＧａＮからなっている、請求項１に記載のパワー半導体デバイス。
- 前記ヘテロ接合体は、シリコン、シリコンカーバイド、サファイア、ＧａＮ、およびIII族窒化物材料のうちの１つからなる基板の上に配置される、請求項１に記載のパワー半導体デバイス。
- パワー半導体デバイスであって、
第１のIII族窒化物本体およびバンドギャップが前記第１のIII族窒化物本体のバンドギャップとは異なっている第２のIII族窒化物本体を含むIII族窒化物ヘテロ接合体と、
前記第２のIII族窒化物本体に結合された第１のパワー電極と、
前記第２のIII族窒化物本体に結合された第２のパワー電極と、
前記第１のパワー電極と前記第２のパワー電極との間に配置されたゲート機構と、
導電状態で、隣接する領域よりも導電性が低い電荷低減領域を前記ゲート機構の下に含
む二次元電子ガスを含む導電性チャネルとを備え、
前記電荷低減領域は、前記ゲート機構の端縁を越えて前記パワー電極の一方の方にのみ延び、前記ゲート機構の下に実質的に延在しない、パワー半導体デバイス。 - パワー半導体デバイスであって、
第１のIII族窒化物本体およびバンドギャップが前記第１のIII族窒化物本体のバンドギャップとは異なっている第２のIII族窒化物本体を含むIII族窒化物ヘテロ接合体と、
前記第２のIII族窒化物本体に結合された第１のパワー電極と、
前記第２のIII族窒化物本体に結合された第２のパワー電極と、
前記第１のパワー電極と前記第２のパワー電極との間に配置されたゲート機構と、
導電状態で、隣接する領域よりも導電性が低い電荷低減領域を前記ゲート機構の下に含む二次元電子ガスを含む導電性チャネルとを備え、
前記電荷低減領域は、前記ゲート機構の対向する２つの端縁を越えて延び、他方のパワー電極よりも一方のパワー電極の方にさらに先に延びており、
前記電荷低減領域は不連続であり、前記ゲート機構の前記対向する２つの端縁のそれぞれに配置される、パワー半導体デバイス。 - パワー半導体デバイスであって、
第１のIII族窒化物本体およびバンドギャップが前記第１のIII族窒化物本体のバンドギャップとは異なっている第２のIII族窒化物本体を含むIII族窒化物ヘテロ接合体と、
前記第２のIII族窒化物本体に結合された第１のパワー電極と、
前記第２のIII族窒化物本体に結合された第２のパワー電極と、
前記第１のパワー電極と前記第２のパワー電極との間に配置されたゲート機構と、
導電状態で、隣接する領域よりも導電性が低い電荷低減領域を前記ゲート機構の下に含む二次元電子ガスを含む導電性チャネルとを備え、
前記電荷低減領域は不連続であり、前記ゲート機構の中央部の下に前記電荷低減領域が存在しない、パワー半導体デバイス。
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