JP5343100B2 - 窒化物半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態によれば、窒化物半導体を含む半導体層と、ソース電極と、ドレイ電極と、第1ゲート電極と、第2ゲート電極と、を備えた窒化物半導体装置が提供される。前記ソース電極は、前記半導体層の主面上に設けられ、前記半導体層とオーミック性接触を形成する。前記ドレイン電極は、前記主面上に設けられ、前記半導体層とオーミック性接触を形成し、前記ソース電極と離間する。前記第1ゲート電極は、前記主面上において前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられる。前記第1ゲート電極には、ACバイアス電圧が入力され、ノーマリオン型で動作する。前記第2ゲート電極は、前記主面上において前記ソース電極と前記第1ゲート電極との間に設けられる。前記半導体層は、キャリア走行層と、前記キャリア走行層の上に設けられ前記キャリア走行層にキャリアを供給するキャリア供給層と、を含む。前記キャリア供給層の分極電荷量は、前記キャリア供給層におけるドーピング量よりも多い。前記ソース電極、前記ドレイン電極、前記第1ゲート電極及び前記第2ゲート電極は、前記キャリア供給層の上に設けられている。
前記ソース電極と前記第1ゲート電極との間の電位差が0ボルトのときに、前記半導体層のうちの前記第1ゲート電極に対向する部分は導通する。前記第1ゲート電極は、前記第2ゲート電極に印加される電圧に応じた電流値に達したときに、前記半導体層のうちの前記第1ゲート電極に対向する前記部分の導通を遮断するようにスイッチングする。前記半導体層のうちの前記第1ゲート電極に対向する前記部分に前記第2ゲート電極に印加される電圧に応じた一定電流が流れる。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1は、第1の実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を例示する模式的断面図である。
図1に表したように、本実施形態に係る窒化物半導体装置111は、窒化物半導体を含む半導体層30と、ソース電極40と、ドレイン電極50と、第1ゲート電極10と、第2ゲート電極20と、を備える。
同図は、窒化物半導体装置111において、第2ゲート電極20に与えるゲート電圧(第2ゲート電圧Vg2)を変えたときの、ドレイン電圧−ドレイン電流特性を示している。横軸は、ドレイン電流Idであり、縦軸はドレイン電圧Vdである。
図3(a)は、測定結果を示す。図3(b)は、実験に用いた試料の構成を示す。
図3(b)に表したように、この実験の試料111aにおいては、キャリア走行層31と、キャリア走行層31の上に形成されたキャリア供給層32と、を有する半導体層30が用いられた。キャリア走行層31は、GaN層である。キャリア供給層32は、ノンドープのAl0.25Ga0.75N層である。
図3(a)に表したように、あるドレイン電圧Vdで、ゲート電極の電圧(電圧Vt1及び電圧Vt2)は、ほぼ一定となる。これは、そのドレイン電圧Vdで空乏層が、そのゲート電極に到達したことによる。
図4に表したように、実施形態に係る窒化物半導体装置111においては、ドレイン電圧Vdの上昇と共に、空乏層30dが、第2ゲート電極20のドレイン側の端から広がる。そして、ドレイン電圧Vdが高くなり、ある値のときに、空乏層30dは、第1ゲート電極10のソース側の端に到達する。
図4に関して説明したように、実施形態においては、空乏層30dが第2ゲート電極20から第1ゲート電極10へ早く広がるように設計される。
上記の説明のように、窒化物半導体装置111においては、定電流動作を得るために、一定の電流値に達したら、素早く電圧を発生させて、第1ゲート電極10の導通を遮断する構成が適用される。
図5に表したように、本実施形態に係る別の窒化物半導体装置112においては、第2ゲート電極20と半導体層30との間の絶縁層(第2絶縁層62)の厚さが、第1ゲート電極10と半導体層30との間の絶縁層(第1絶縁層61)の厚さとは異なる。具体的には、第2絶縁層62の厚さは、第1絶縁層61の厚さよりも薄い。これ以外は、窒化物半導体装置111と同様なので説明を省略する。
図6に表したように、本実施形態に係る別の窒化物半導体装置113においては、第2ゲート電極20と半導体層30との間に絶縁層が設けられていない。第2ゲート電極20は、半導体層30とショットキー性接続を形成している。これ以外は、窒化物半導体装置111と同様なので説明を省略する。
図7に表したように、本実施形態に係る別の窒化物半導体装置114においては、半導体層30に凹部35が設けられている。この凹部35の中に、第2ゲート電極20の一部(少なくとも一部)が埋め込まれている。第2ゲート電極20と半導体層30との間には、第1絶縁層61が延在している。これ以外は、窒化物半導体装置111と同様なので説明を省略する。
図8に表したように、本実施形態に係る別の窒化物半導体装置115においては、半導体層30に凹部35が設けられている。この凹部35は、キャリア供給層32を貫通しキャリア走行層31に達している。この凹部35の中に、第2ゲート電極20の一部(少なくとも一部)が埋め込まれている。第2ゲート電極20と半導体層30との間には、第1絶縁層61が延在している。これ以外は、窒化物半導体装置111と同様なので説明を省略する。
図9に表したように、本実施形態に係る別の窒化物半導体装置116においては、半導体層30のキャリア供給層32が積層構造を有している。そして、半導体層30に凹部35が設けられている。これ以外は、窒化物半導体装置111と同様なので説明を省略する。
図11は、第2の実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を例示する模式的断面図である。
図11に表したように、本実施形態に係る窒化物半導体装置121は、半導体層30、ソース電極40、ドレイン電極50、第1ゲート電極10及び第2ゲート電極20に加え、ダイオード70をさらに備える。このダイオード70は、ソース電極40及びドレイン電極50のいずれかと電気的に接続される。この例では、ダイオード70は、ソース電極40と接続されている。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
Claims (10)
- 窒化物半導体を含む半導体層と、
前記半導体層の主面上に設けられ、前記半導体層とオーミック性接触を形成するソース電極と、
前記主面上に設けられ、前記半導体層とオーミック性接触を形成し、前記ソース電極と離間するドレイン電極と、
前記主面上において前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられ、ACバイアス電圧が入力され、ノーマリオン型で動作する第1ゲート電極と、
前記主面上において前記ソース電極と前記第1ゲート電極との間に設けられた第2ゲート電極と、
を備え、
前記ソース電極と前記第1ゲート電極との間の電位差が0ボルトのときに、前記半導体層のうちの前記第1ゲート電極に対向する部分は導通し、
前記第1ゲート電極は、前記第2ゲート電極に印加される電圧に応じた電流値に達したときに、前記半導体層のうちの前記第1ゲート電極に対向する前記部分の導通を遮断するようにスイッチングし、前記半導体層のうちの前記第1ゲート電極に対向する前記部分に前記第2ゲート電極に印加される電圧に応じた一定電流が流れることを特徴とする窒化物半導体装置。 - 半導体層と、
前記半導体層の主面上に設けられ、前記半導体層とオーミック性接触を形成するソース電極と、
前記主面上に設けられ、前記半導体層とオーミック性接触を形成し、前記ソース電極と離間するドレイン電極と、
前記主面上において前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられ、ACバイアス電圧が入力され、ノーマリオン型で動作する第1ゲート電極と、
前記主面上において前記ソース電極と前記第1ゲート電極との間に設けられた第2ゲート電極と、
を備え、
前記半導体層は、
キャリア走行層と、
前記キャリア走行層の上に設けられ前記キャリア走行層にキャリアを供給するキャリア供給層と、
を含み、
前記キャリア供給層の分極電荷量は、前記キャリア供給層におけるドーピング量よりも多く、
前記ソース電極、前記ドレイン電極、前記第1ゲート電極及び前記第2ゲート電極は、前記キャリア供給層の上に設けられており、
前記ソース電極と前記第1ゲート電極との間の電位差が0ボルトのときに、前記半導体層のうちの前記第1ゲート電極に対向する部分は導通し、
前記第1ゲート電極は、前記第2ゲート電極に印加される電圧に応じた電流値に達したときに、前記半導体層のうちの前記第1ゲート電極に対向する前記部分の導通を遮断するようにスイッチングし、前記半導体層のうちの前記第1ゲート電極に対向する前記部分に前記第2ゲート電極に印加される電圧に応じた一定電流が流れることを特徴とする窒化物半導体装置。 - 前記半導体層は、
GaNを含むキャリア走行層と、
前記キャリア走行層の上に設けられたキャリア供給層と、
を含み、
前記ソース電極、前記ドレイン電極、前記第1ゲート電極及び前記第2ゲート電極は、前記キャリア供給層の上に設けられ、
前記キャリア供給層は、
ノンドープまたはn形のAlx1Ga1−x1N(0<x1≦1)の第1層、
ノンドープまたはn形のIny1Al1−y1N(0<y1≦1)の第2層、
ノンドープまたはn形のAlx2Iny2Ga1−x2−y2N(0<x2<1、0<y2<1)の第3層、
前記第1層、前記第2層及び前記第3層の少なくとも2つを含む積層体、及び、
前記第1層、前記第2層及び前記第3層の少なくともいずれかと、ノンドープまたはn形のGaN層と、を含む積層体、
の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項1または2に記載の窒化物半導体装置。 - 前記第2ゲート電極のゲート長は、前記第1ゲート電極のゲート長以下であり、
前記第2ゲート電極の相互コンダクタンスは、前記第1ゲート電極の相互コンダクタンス以上であり、
前記第1ゲート電極と前記第2ゲート電極との間の距離は、前記ドレイン電極と前記第1ゲート電極との間の距離よりも短いことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。 - 前記第2ゲート電極にDCゲートバイアスを印加したときに、ドレイン電流は負性微分抵抗を示すことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。
- 前記半導体層の一部を含み、前記ソース電極及び前記ドレイン電極のいずれかと電気的に接続されるダイオードをさらに備えたことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。
- 前記ダイオードは、
前記主面上に設けられ、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の前記いずれかと電気的に接続された第1ダイオード電極と、
前記主面上に設けられた第2ダイオード電極と、
を含み、
前記第1ダイオード電極及び前記第2ダイオード電極のいずれかは、前記半導体層とショットキー性接触を形成することを特徴とする請求項6記載の窒化物半導体装置。 - 前記半導体層の前記主面と前記第1ゲート電極との間に設けられた第1絶縁層をさらに含むことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。
- 前記半導体層の主面上に凹部が設けられ、
前記第2ゲート電極の少なくとも一部は前記凹部に埋め込まれ、
前記半導体層の凹部と前記第2ゲート電極との間に設けられた第2絶縁層をさらに備えたことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。 - 前記半導体層は、
GaNを含むキャリア走行層と、
前記キャリア走行層の上に設けられたキャリア供給層と、
を含み、
前記ソース電極、前記ドレイン電極、前記第1ゲート電極及び前記第2ゲート電極は、前記キャリア供給層の上に設けられ、
前記凹部は、前記キャリア供給層を貫通し前記キャリア走行層に到達していることを特徴とする請求項9記載の窒化物半導体装置。
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