JP5348171B2 - Junction field effect transistor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a JFET excellent in a break down voltage, and hard to be affected by the variations of impurity concentration or thickness or the like in a channel region. <P>SOLUTION: An aluminum film 7 is formed on the one face of an SiC substrate 9. Channel regions 4a, 4b comprising an SiC film are formed in the both sides of the aluminum film 7 as contacting to the aluminum film 7. Source electrodes 11a, 11b are formed on the channel regions 4a, 4b through source regions 5a, 5b. A gate electrode 13 is formed in the opposite side of the aluminum film side 7 in the channel regions 4a, 4b through p-type SiC films 2a, 2b. A drain region 6 is formed on the other side of the SiC substrate 9. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、SiCを用いた接合型電界効果トランジスタに関し、より特定的には、オン抵抗の小さい接合型電界効果トランジスタに関する。   The present invention relates to a junction field effect transistor using SiC, and more particularly to a junction field effect transistor having a low on-resistance.

従来の接合型電界効果トランジスタ(JFET:Junction Field Effect Transistor)では、JFETがオン状態のときチャネル領域を電流が流れていた。チャネル領域の不純物濃度は、所定のトランジスタ特性を確保するために制約を受け、あまり高くできない。このため、チャネル領域の電気抵抗は、高くなる傾向がある。   In a conventional junction field effect transistor (JFET), a current flows through the channel region when the JFET is on. The impurity concentration of the channel region is limited to ensure predetermined transistor characteristics and cannot be so high. For this reason, the electrical resistance of the channel region tends to increase.

トランジスタの特性は、上記チャネル領域の高い電気抵抗の影響を強く受ける。また、チャネル領域の電気抵抗は、不純物濃度やチャネル領域の厚さ等によって増減するので、トランジスタ特性は、これら不純物濃度や厚さ等のばらつきに応じて大きく変動する。このような素子間のばらつきを避けるために、チャネル領域の電気抵抗減少を目的に高濃度の不純物元素を注入すると、耐圧性能が劣化する。このため、高濃度の不純物を用いることなく、チャネル領域の不純物濃度やその厚さ等のばらつきの影響を受けにくいJFETが望まれていた。   The characteristics of the transistor are strongly influenced by the high electric resistance of the channel region. In addition, since the electric resistance of the channel region increases and decreases depending on the impurity concentration, the thickness of the channel region, and the like, the transistor characteristics greatly vary according to variations in the impurity concentration, the thickness, and the like. In order to avoid such variation between elements, if a high concentration impurity element is implanted for the purpose of reducing the electrical resistance of the channel region, the withstand voltage performance deteriorates. Therefore, there has been a demand for a JFET that is not easily affected by variations in the impurity concentration and thickness of the channel region without using a high concentration of impurities.

そこで、本発明は、耐圧性に優れかつチャネル領域の不純物濃度やその厚さ等のばらつきの影響を受けにくいJFETを提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a JFET that has excellent pressure resistance and is not easily affected by variations in the impurity concentration and thickness of the channel region.

本発明の一の局面におけるJFETは、互いに対向する一方面および他方面を有し、かつ素子耐圧により決定される不純物濃度を有する第1導電型の第1半導体層と、第1半導体層の一方面上に形成された導電膜と、第1半導体層の一方面上において導電膜の両側にて導電膜と接するように形成され、かつ導電膜の表面より高い位置にまで設けられた第1導電型の1対のチャネル領域と、それぞれが1対のチャネル領域の各々の上に配置された第1導電型の1対のソース領域と、それぞれが第1半導体層の一方面上にて1対のチャネル領域の各々の導電膜側とは反対側に配置され、かつチャネル領域の第1導電型不純物の濃度の値よりも高い値の第2導電型不純物の濃度を有する第2導電型の1対の第2半導体層と、それぞれが1対の第2半導体層の各々の上に配置された1対のゲート電極と、第1半導体層の他方面に設けられた第1導電型のドレイン領域とを備え、第1半導体層がSiC基板であり、1対のチャネル領域の各々が第1導電型SiC膜であり、1対の第2半導体層の各々が第2導電型SiC膜であり、導電膜は、オン状態において電流がチャネル領域と導電膜とに分けて流れるように構成されており、かつチャネル領域よりも低い抵抗を有している。   A JFET according to one aspect of the present invention includes a first semiconductor layer of a first conductivity type having an impurity concentration determined by an element breakdown voltage, and a first semiconductor layer having one surface and the other surface facing each other. A conductive film formed on the first surface, and a first conductive film formed on one side of the first semiconductor layer so as to be in contact with the conductive film on both sides of the conductive film and provided at a position higher than the surface of the conductive film. A pair of channel regions of the type, a pair of source regions of the first conductivity type each disposed on each of the pair of channel regions, and a pair of each on the one surface of the first semiconductor layer The second conductivity type 1 having a concentration of the second conductivity type impurity higher than the concentration value of the first conductivity type impurity in the channel region and disposed on the opposite side of each channel region of the channel region. A pair of second semiconductor layers and a second half of each pair A pair of gate electrodes disposed on each of the body layers and a drain region of the first conductivity type provided on the other surface of the first semiconductor layer, the first semiconductor layer being a SiC substrate, Each of the pair of channel regions is a first conductivity type SiC film, each of the pair of second semiconductor layers is a second conductivity type SiC film, and in the ON state, a current flows between the channel region, the conductive film, and the conductive film. It has a resistance lower than that of the channel region.

本発明の一の局面におけるJFETでは、第1半導体層の一方面には溝が設けられており、導電膜は溝を埋めて堆積している。   In the JFET of one aspect of the present invention, a groove is provided on one surface of the first semiconductor layer, and the conductive film is deposited filling the groove.

本発明の一の局面におけるJFETでは、第2半導体層から導電膜に向かう方向のチャネル領域の長さである断面長さが、第2半導体層とチャネル領域との接合部における拡散電位によるチャネル領域内での空乏層幅より小さい。   In the JFET according to one aspect of the present invention, the channel length of the channel region in the direction from the second semiconductor layer toward the conductive film is the channel region due to the diffusion potential at the junction between the second semiconductor layer and the channel region. It is smaller than the depletion layer width inside.

本発明の一の局面におけるJFETでは、導電膜が、金属膜および不純物を含む半導体膜のうちのいずれかである。   In the JFET according to one aspect of the present invention, the conductive film is any one of a metal film and a semiconductor film containing an impurity.

本発明の他の局面におけるJFETは、半導体基板の上に形成された第2導電型半導体膜と、第2導電型半導体膜の上に形成された、チャネル領域を含む第1導電型半導体膜と、第1導電型半導体膜の上に形成された第1導電型半導体からなる膜であって、チャネル領域の両側にそれぞれ分かれて形成されているソース領域およびドレイン領域と、第2導電型半導体膜に接して設けられたゲート電極と、チャネル領域の表面に接して配置された導電膜を有する。   A JFET according to another aspect of the present invention includes a second conductive semiconductor film formed on a semiconductor substrate, a first conductive semiconductor film including a channel region formed on the second conductive semiconductor film, and A film made of a first conductivity type semiconductor formed on the first conductivity type semiconductor film, the source region and the drain region formed separately on both sides of the channel region, and the second conductivity type semiconductor film And a conductive film disposed in contact with the surface of the channel region.

上記の構成により、チャネル領域と導電膜とは、チャネルを流れる電流に対して並列に配置される。このため、例えば、導電膜の電気抵抗がチャネル領域に比べて1オーダー低い場合、オン状態において導電膜を流れる電流は、チャネル領域のそれに比べて約10倍高くなる。このため、不純物濃度のばらつきやチャネル領域の厚さのばらつきがあっても、トランジスタ特性に及ぼす影響は軽微となり、これら因子のばらつきの影響は実質的に問題にならなくなる。一方、オフ状態では、ゲート電極に印加する負電位(逆バイアス電圧)によって、チャネル領域が含まれる第1導電型半導体層と、その下層の第2導電型半導体層との接合部において、第1導電型半導体層の側に空乏層が延びてゆく。この空乏層は、上記逆バイアス電圧に比例し、第1導電層と第2導電層との不純物濃度に逆比例して、濃度の低い側により幅広く拡大する。この空乏層がチャネル領域を遮断すると、キャリアがチャネル領域を通る経路は遮断される。上記の導電膜は、例えば、チャネル領域をはさむ両側の第1導電型半導体層にはその側部を接しないように配置される場合、上記の遮断により、チャネル領域だけでなく導電膜も遮断される。この結果、オフ状態を容易に実現することができる。また、上記の導電膜が上記第1導電型半導体層の片側のみで接し、他方で接していない場合にも、上記オフ状態を容易に実現することができ、かつ抵抗を低くすることができる。この抵抗の減少は、不純物濃度のばらつきやチャネル領域の厚さのばらつきの影響を小さくする。上記の導電膜の両側の側部が、ともにそれぞれ上記第1導電型半導体層と接している場合、抵抗がさらに低くなり、上記不純物濃度のばらつきやチャネル領域の厚さのばらつきの影響をさらに受けにくくなる。なお、第1導電型はn型でもp型でもよく、また第2導電型はp型でもn型でもよい。また、半導体基板は、n型Si基板でもp型Si基板でもよく、n型SiC基板でもp型SiC基板でもよい。   With the above structure, the channel region and the conductive film are arranged in parallel to the current flowing through the channel. For this reason, for example, when the electrical resistance of the conductive film is one order lower than that of the channel region, the current flowing through the conductive film in the on state is approximately 10 times higher than that of the channel region. For this reason, even if there are variations in impurity concentration and channel region thickness, the effect on transistor characteristics is negligible, and the effect of variations in these factors is not substantially a problem. On the other hand, in the off state, the negative potential (reverse bias voltage) applied to the gate electrode causes the first conductivity type semiconductor layer including the channel region and the second conductivity type semiconductor layer below the first conductivity type semiconductor layer to A depletion layer extends toward the conductive semiconductor layer. The depletion layer expands more widely on the low concentration side in proportion to the reverse bias voltage and in inverse proportion to the impurity concentration of the first conductive layer and the second conductive layer. When this depletion layer blocks the channel region, the path through which carriers pass through the channel region is blocked. For example, when the conductive film is arranged so that the first conductive semiconductor layers on both sides sandwiching the channel region are not in contact with the side portions, not only the channel region but also the conductive film is blocked by the above-described blocking. The As a result, the off state can be easily realized. Further, even when the conductive film is in contact with only one side of the first conductive type semiconductor layer and not in contact with the other, the off state can be easily realized and the resistance can be lowered. This decrease in resistance reduces the influence of variations in impurity concentration and channel region thickness. When both side portions of the conductive film are in contact with the first conductive type semiconductor layer, the resistance is further lowered, and it is further affected by the variation in the impurity concentration and the variation in the thickness of the channel region. It becomes difficult. The first conductivity type may be n-type or p-type, and the second conductivity type may be p-type or n-type. The semiconductor substrate may be an n-type Si substrate or a p-type Si substrate, and may be an n-type SiC substrate or a p-type SiC substrate.

上記他の局面のJFETでは、導電膜のチャネル長さ方向に沿う長さが、チャネル長さよりも短くされている。   In the JFET of the other aspect described above, the length of the conductive film along the channel length direction is shorter than the channel length.

この構成により、導電膜の両端が側壁に接している場合のオフ動作達成の困難性を解消することができる。すなわち、上記導電膜少なくとも一端は側壁から絶縁されているので、空乏層がその絶縁されている側でチャネル領域を遮断すればオフすることができる。   With this configuration, it is possible to eliminate the difficulty of achieving the off operation when both ends of the conductive film are in contact with the side walls. That is, since at least one end of the conductive film is insulated from the side wall, the conductive film can be turned off by blocking the channel region on the insulated side.

上記他の局面のJFETでは、チャネル領域の厚みが、第2導電型半導体膜と、当該第2導電型半導体膜の上に形成された第1導電型半導体膜との接合部における拡散電位による当該第1導電型半導体膜内での空乏層幅より小さくされている。   In the JFET of the other aspect described above, the thickness of the channel region is determined by the diffusion potential at the junction between the second conductive semiconductor film and the first conductive semiconductor film formed on the second conductive semiconductor film. The width is smaller than the depletion layer width in the first conductivity type semiconductor film.

上記の構成により、ゲート電位ゼロのとき、該第2導電型半導体膜と第1導電型半導体膜との接合部において拡散電位によって生じる空乏層が、チャネル領域の入口および出口を遮断する。このため、ノーマリーオフのJFETを得ることができ、ゲート回路の故障対策等を施すことなく回転機等の制御に用いることができる。また、オン状態での消費電力の低減を得ることができ、さらにチャネル領域の不純物濃度のばらつき等の影響を避けることができる。   With the above configuration, when the gate potential is zero, the depletion layer generated by the diffusion potential at the junction between the second conductive semiconductor film and the first conductive semiconductor film blocks the entrance and exit of the channel region. For this reason, a normally-off JFET can be obtained, and can be used for controlling a rotating machine or the like without taking measures against failure of the gate circuit. In addition, power consumption in the on state can be reduced, and influences such as variations in the impurity concentration of the channel region can be avoided.

本発明のさらに他の局面におけるJFETは、表(おもて)面において、当該表面上に成膜された素子耐圧により決定される不純物濃度を有する第1の第1導電型半導体層および当該第1の第1導電型半導体層の表面より高い位置にまで堆積された導電膜、を有する基板を備える。そのJFETは、また、その基板の上であって、導電膜の両側に当該導電膜の表面より高い位置にまで設けられた第2の第1導電型半導体層の領域と、第2の第1導電型半導体層の2つの領域のそれぞれの上に配置された第1導電型半導体層のソース領域と、基板の上であって、第2の第1導電型半導体層のそれぞれの外側に成膜された、当該第2の第1導電型不純物層の第1導電型不純物の濃度の値よりも高い値の第2導電型不純物濃度を有する、ゲート電極が設けられた第2導電型半導体層と、基板の裏面に設けられた第1導電型半導体層のドレイン領域とを備える。   The JFET according to still another aspect of the present invention includes a first first-conductivity-type semiconductor layer having an impurity concentration determined by a device breakdown voltage formed on the front surface and a first surface of the front surface. And a conductive film deposited up to a position higher than the surface of the first conductive type semiconductor layer. The JFET also has a region of a second first-conductivity-type semiconductor layer provided on the substrate and on both sides of the conductive film up to a position higher than the surface of the conductive film, and a second first A source region of the first conductivity type semiconductor layer disposed on each of the two regions of the conductivity type semiconductor layer, and a film formed on the substrate and outside each of the second first conductivity type semiconductor layers. A second conductivity type semiconductor layer provided with a gate electrode having a second conductivity type impurity concentration higher than the concentration value of the first conductivity type impurity concentration of the second first conductivity type impurity layer, And a drain region of the first conductivity type semiconductor layer provided on the back surface of the substrate.

上記の構成により、半導体基板の表(おもて)面側に設けた2つのソース領域から裏面のドレイン領域に向けて、基板を厚さ方向に横断するドリフト(チャネル)経路の電気抵抗が小さくなる。すなわち、上記経路に対して上記導電膜が堆積されている部分は、上記経路に対して部分的に並列の回路を形成する。上記のように基板の厚さ方向にキャリアが流れるJFETの場合にも、同方向に沿うチャネル領域の電気抵抗を実質的に低減することが可能となる。このため、上記縦型JFETに特有の高い耐圧特性とともに、チャネル領域で消費される電力を低減し、発熱問題を解消することが可能となる。第2の第1導電型半導体層と第2導電型半導体層との接合部に逆バイアス電圧を印加して空乏層を第2の第1導電型半導体層に延ばしてオフ状態を実現するためには、この両層の濃度について、上記関係が満たされる必要がある。しかし、上記の第2の第1導電型半導体層の不純物濃度は、第1の第1導電型半導体層の不純物濃度より高くても低くてもよい。なお、上記素子耐圧により決定される不純物濃度を有する第1の第1導電型半導体層は、基板の表面上に形成されていてもよいし、基板自身がこの第1の第1導電型半導体層であってもよい。   With the above configuration, the electrical resistance of the drift (channel) path that crosses the substrate in the thickness direction from the two source regions provided on the front (front) surface side of the semiconductor substrate to the drain region on the back surface is small. Become. That is, the portion where the conductive film is deposited on the path forms a circuit partially parallel to the path. As described above, even in the case of a JFET in which carriers flow in the thickness direction of the substrate, it is possible to substantially reduce the electrical resistance of the channel region along the same direction. For this reason, it is possible to reduce the power consumed in the channel region as well as the high withstand voltage characteristic peculiar to the vertical JFET, and to solve the heat generation problem. In order to realize an off state by applying a reverse bias voltage to the junction between the second first-conductivity-type semiconductor layer and the second-conductivity-type semiconductor layer to extend the depletion layer to the second first-conductivity-type semiconductor layer. Therefore, the above relationship needs to be satisfied for the concentration of both layers. However, the impurity concentration of the second first conductivity type semiconductor layer may be higher or lower than the impurity concentration of the first first conductivity type semiconductor layer. The first first conductivity type semiconductor layer having an impurity concentration determined by the element breakdown voltage may be formed on the surface of the substrate, or the substrate itself is the first first conductivity type semiconductor layer. It may be.

上記さらに他の局面におけるJFETでは、半導体基板の表(おもて)面には溝が設けられ、導電膜は当該溝を埋めて堆積している。   In the JFET according to still another aspect described above, a groove is provided on the front surface of the semiconductor substrate, and the conductive film is deposited by filling the groove.

上記の構成により、縦型JFETにおいて、より深いドリフト(チャネル)経路にまで導電膜が装入されるので、ドリフト(チャネル)を流れる電流はより低くなり、電流は導電膜のほうにより多く流れることになる。このため、ドリフト(チャネル)経路の不純物濃度等による素子間のばらつきは、より小さくなる。   With the above configuration, since the conductive film is inserted into the deeper drift (channel) path in the vertical JFET, the current flowing through the drift (channel) is lower, and the current flows more through the conductive film. become. For this reason, the variation between elements due to the impurity concentration of the drift (channel) path or the like becomes smaller.

上記さらに他の局面におけるJFETでは、低濃度の第1導電型半導体層の、第2導電型半導体膜から導電膜にいたる長さである断面長さが、前記第2導電型半導体膜と、当該第2導電型半導体膜の内側の前記低濃度の第1導電型半導体膜との接合部における拡散電位による当該低濃度の第1導電型半導体膜内での空乏層幅より小さい。   In the JFET according to the still another aspect, the low-concentration first conductive semiconductor layer has a cross-sectional length from the second conductive semiconductor film to the conductive film, the second conductive semiconductor film, It is smaller than the depletion layer width in the low-concentration first conductive semiconductor film due to the diffusion potential at the junction with the low-concentration first conductive semiconductor film inside the second conductive semiconductor film.

上記の構成により、ゲート電圧がゼロの場合、上記拡散電位により上記低濃度第1導電型半導体膜は、その外側に位置する第2導電型半導体膜との接合部で生じる空乏層に遮断される。上記導電膜は、上記低濃度の第1導電型半導体膜の上に接するソース領域とは、接していないので、上記の遮断により導電膜への経路も遮断される。この結果、耐圧性が高く、オン状態での消費電力の小さい縦型JFETでも、ノーマリーオフとすることができる。   With the above configuration, when the gate voltage is zero, the low-concentration first conductive type semiconductor film is blocked by the depletion layer generated at the junction with the second conductive type semiconductor film located outside by the diffusion potential. . Since the conductive film is not in contact with the source region in contact with the low-concentration first conductive type semiconductor film, the path to the conductive film is also blocked by the blocking. As a result, even a vertical JFET with high pressure resistance and low power consumption in the on state can be normally off.

上記他の局面およびさらに他の局面におけるJFETでは、導電膜が、金属膜および高濃度の不純物を含む半導体膜のうちのいずれかである。   In the JFETs according to the other aspects and still other aspects, the conductive film is any one of a metal film and a semiconductor film containing a high concentration of impurities.

上記の構成により、低抵抗の金属膜を用いてチャネル領域に低抵抗の並列バイパスを簡便に設けることができる。金属膜としては、電極材料となるものであれば、何でもよいが、エッチングのしやすさおよび高い導電率を考慮するとアルミニウム(Al)、またはアルミニウム合金であることが望ましい。   With the above configuration, a low-resistance parallel bypass can be easily provided in the channel region using a low-resistance metal film. Any metal film may be used as long as it is an electrode material, but aluminum (Al) or an aluminum alloy is desirable in consideration of ease of etching and high electrical conductivity.

上記他の局面およびさらに他の局面におけるJFETでは、半導体基板がSiC基板であり、第1導電型半導体膜が第1導電型SiC膜であり、第2導電型半導体膜が第2導電型SiC膜である。   In the JFET according to the other aspect described above and still another aspect, the semiconductor substrate is a SiC substrate, the first conductivity type semiconductor film is a first conductivity type SiC film, and the second conductivity type semiconductor film is a second conductivity type SiC film. It is.

SiCは優れた耐圧性を有し、キャリアの移動度はSiなみに高く、かつキャリアの高い飽和ドリフト速度を得ることができる。このため、上記のJFETを大電力用高速スイッチング素子に用いることが可能となる。   SiC has excellent pressure resistance, carrier mobility is as high as Si, and high saturation drift velocity of carriers can be obtained. For this reason, it becomes possible to use said JFET for a high-speed switching element for high power.

実施の形態1におけるJFETの断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a JFET according to the first embodiment. 図1のJFETにおいてオフ状態を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining an OFF state in JFET of FIG. 実施の形態2におけるJFETの断面図である。It is sectional drawing of JFET in Embodiment 2. FIG. 実施の形態3におけるJFETの断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of a JFET according to a third embodiment.

次に、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1におけるJFETを示す断面図である。同図において、SiC基板1の上にp型SiC膜2が成膜され、その上に減厚されたチャネル領域4の部分を有するn型SiC膜3が形成されている。チャネル領域4の両側の当該n型SiC膜3の上には、ソース、ドレイン領域となるn+型SiC膜5,6が形成され、さらにそれぞれの領域上にソース、ドレイン電極11,12が形成されている。また、p型SiC膜の上であって、平面的に見てソース、ドレイン領域をはさんで2つのゲート電極13が形成されている。本実施の形態における最大の特徴は、チャネル領域の上にアルミニウム膜7が形成されている点にある。このアルミニウム膜の断面長さは、チャネル長さLより小さく、平面的に見て、アルミニウム膜はチャネル領域のなかに含まれる。すなわち、アルミニウム膜7はチャネル領域4の両側の壁には接していない。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a JFET according to the first embodiment. In the figure, a p-type SiC film 2 is formed on an SiC substrate 1, and an n-type SiC film 3 having a reduced channel region 4 is formed thereon. On the n-type SiC film 3 on both sides of the channel region 4, n + -type SiC films 5 and 6 serving as source and drain regions are formed, and source and drain electrodes 11 and 12 are formed on the respective regions. Has been. Further, two gate electrodes 13 are formed on the p-type SiC film and sandwiching the source and drain regions in plan view. The greatest feature of the present embodiment is that an aluminum film 7 is formed on the channel region. The cross-sectional length of the aluminum film is smaller than the channel length L, and the aluminum film is included in the channel region in plan view. That is, the aluminum film 7 is not in contact with the walls on both sides of the channel region 4.

次に、このJFETの動作について説明する。まず、オン状態においては、チャネル領域4を基板面に沿ってキャリアが流れる。このとき、アルミニウム層7がチャネル領域の上に配置されていると、電流は、チャネル領域4とアルミニウム膜7とで構成される並列回路を流れる。アルミニウム膜の電気抵抗がチャネル領域の電気抵抗に比較して、例えば1オーダー低い場合には、アルミニウム膜7を流れる電流は、チャネル領域を流れる電流よりも、ほぼ1オーダー高くなる。この結果、半導体中を流れる電流は、ほとんど無視してもよく、トランジスタ特性はチャネル領域の不純物濃度やチャネル領域の厚さaにほとんど依らなくなる。この結果、チャネル領域の電気抵抗を低下させるために、高濃度の不純物をドープする必要がなくなり、高い耐圧性能を保ったまま、ばらつきのないその他のトランジスタ特性を確保することができる。   Next, the operation of this JFET will be described. First, in the on state, carriers flow through the channel region 4 along the substrate surface. At this time, if the aluminum layer 7 is disposed on the channel region, a current flows through a parallel circuit composed of the channel region 4 and the aluminum film 7. When the electric resistance of the aluminum film is lower by, for example, one order than the electric resistance of the channel region, the current flowing through the aluminum film 7 is almost one order higher than the current flowing through the channel region. As a result, the current flowing in the semiconductor can be almost ignored, and the transistor characteristics hardly depend on the impurity concentration of the channel region or the thickness a of the channel region. As a result, it is not necessary to dope high-concentration impurities in order to reduce the electrical resistance of the channel region, and other transistor characteristics without variations can be ensured while maintaining high withstand voltage performance.

一方、オフ状態においては、図2に示すゲート電極13に負の電位が印加される。このため、p型SiC膜2とn型SiC膜3との接合部には、空乏層8が形成され、負電位の絶対値が大きくなるほど不純物濃度の低い側に不純物濃度にほぼ逆比例して空乏層幅が広がって行く。空乏層幅の先端部8aがチャネル領域4の厚さaを超えると、チャネル領域は空乏層に遮断され、キャリアの通過が妨げられる。上記したように、アルミニウム膜7はチャネル領域4の両側の壁には接していないので、上記空乏層幅の先端部8aがチャネル領域厚さaを越えた時点でオフ状態が実現する。   On the other hand, in the off state, a negative potential is applied to the gate electrode 13 shown in FIG. For this reason, a depletion layer 8 is formed at the junction between the p-type SiC film 2 and the n-type SiC film 3, and as the absolute value of the negative potential increases, the impurity concentration is substantially inversely proportional to the lower impurity concentration side. The width of the depletion layer increases. When the tip 8a of the depletion layer width exceeds the thickness a of the channel region 4, the channel region is blocked by the depletion layer, and the passage of carriers is prevented. As described above, since the aluminum film 7 is not in contact with the walls on both sides of the channel region 4, the off state is realized when the tip 8a of the depletion layer width exceeds the channel region thickness a.

(実施の形態2)
図1および図2に示した上記実施の形態1におけるJFETは、ゲート電圧ゼロの状態では、チャネル領域4に電流が流れるノーマリーオンの状態が実現されている。ノーマリーオンのJFETは、回転機器等の制御に用いられた場合、ゲート回路に故障が生じると回転が制止されないおそれがあるため、ゲート回路の故障に対処した機構を備える必要がある。このような機構を備えることは面倒なので、ノーマリーオフのJFETが望ましい。実施の形態2では、そのノーマリーオフのJFETを説明する。図3に示すように、本実施の形態における最大の特徴は、次の点にある。pn2接合部の拡散電位によって生じる空乏層、すなわちゲート電位ゼロの状態で生じる空乏層の幅が、チャネル領域の厚さaよりも大きくなるようにする。例えば、(a)濃度n2を1×1016cm-3とし、(b)チャネル領域の厚さaを500nm以下程度とすることにより、拡散電位による空乏層幅がチャネル領域の厚さaを越えて、ノーマリーオフとすることができる。
(Embodiment 2)
The JFET according to the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2 realizes a normally-on state in which a current flows through the channel region 4 when the gate voltage is zero. Normally-on JFETs, when used to control rotating equipment or the like, may not be able to stop rotation if a failure occurs in the gate circuit, so it is necessary to provide a mechanism that copes with the failure of the gate circuit. Since it is troublesome to provide such a mechanism, a normally-off JFET is desirable. In the second embodiment, the normally-off JFET will be described. As shown in FIG. 3, the greatest feature in the present embodiment is as follows. The width of the depletion layer generated by the diffusion potential of the pn 2 junction, that is, the depletion layer generated when the gate potential is zero is made larger than the thickness a of the channel region. For example, (a) the concentration n 2 is set to 1 × 10 16 cm −3, and (b) the channel region thickness a is set to about 500 nm or less. Beyond that, it can be normally off.

上記の構造の採用により、耐圧性能を低下させず、チャネル濃度等の変動によって特性をばらつかせることのないJFETであって、なおかつ、ノーマリーオフのJFETを実現することができる。この結果、大型回転機器等の制御装置にゲート回路の故障対策機構を設けることなく用いることが可能となる。   By adopting the above structure, it is possible to realize a JFET that does not deteriorate the breakdown voltage performance and does not vary in characteristics due to variations in channel concentration or the like, and that is normally off. As a result, it is possible to use a control device such as a large rotating device without providing a gate circuit failure countermeasure mechanism.

(実施の形態3)
図4は、実施の形態3におけるJFETを示す断面図である。同図において、n型SiC基板のn型不純物濃度は、素子耐圧により決定される不純物濃度を有しており、第1の第1導電型(n型)半導体層をも兼ねている。このn型SiC基板9の表(おもて)面にアルミニウム膜7が溝を埋めて所定高さまで成膜されている。このアルミニウム膜7の両側に、チャネル領域4a,4bを形成するn型SiC膜が成膜されている。このチャネル領域4a,4bの高さは、上記アルミニウム膜7の高さより少し高く設定する。この2つのチャネル領域4a,4bに接して、外側にp型SiC膜2a,2bを形成し、この上にゲート電極13を配置する。2つのチャネル領域4a,4bの上にそれぞれソース領域5a,5bを形成し、その上にソース電極11a,11bを配置する。また、n型SiC基板9の裏面にはn+型SiC膜を成膜し、その上にドレイン電極12を配置する。各電極と半導体層との間にはオーミック接触が形成されていることは言うまでもない。
(Embodiment 3)
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a JFET according to the third embodiment. In the figure, the n-type SiC substrate has an n-type impurity concentration determined by the device breakdown voltage, and also serves as a first first conductivity type (n-type) semiconductor layer. An aluminum film 7 is formed to a predetermined height by filling a groove on the front surface of the n-type SiC substrate 9. On both sides of the aluminum film 7, n-type SiC films for forming the channel regions 4a and 4b are formed. The height of the channel regions 4a and 4b is set slightly higher than the height of the aluminum film 7. In contact with the two channel regions 4a and 4b, p-type SiC films 2a and 2b are formed on the outside, and a gate electrode 13 is disposed thereon. Source regions 5a and 5b are formed on the two channel regions 4a and 4b, respectively, and source electrodes 11a and 11b are disposed thereon. Further, an n + -type SiC film is formed on the back surface of the n-type SiC substrate 9, and the drain electrode 12 is disposed thereon. Needless to say, ohmic contact is formed between each electrode and the semiconductor layer.

オン状態では、キャリアはソース領域5a,5bから基板を厚さ方向に横切ってドレイン領域6に流れる。すなわち、ノーマリーオンのJFETが実現している。このとき、電流はアルミニウム膜7と、チャネル領域およびn型SiC基板と、の経路に分流されるが、アルミニウム膜の電気抵抗が非常に低いので、電流は主にアルミニウム膜側を流れる。このため、チャネル領域における不純物濃度や寸法変動の影響を受けることがなく、素子間のばらつきを大きく減らすことができる。   In the ON state, carriers flow from the source regions 5a and 5b to the drain region 6 across the substrate in the thickness direction. That is, a normally-on JFET is realized. At this time, the current is shunted to the path between the aluminum film 7 and the channel region and the n-type SiC substrate. However, since the electrical resistance of the aluminum film is very low, the current flows mainly on the aluminum film side. For this reason, the variation between elements can be greatly reduced without being affected by the impurity concentration and dimensional variation in the channel region.

オフ状態では、ゲートには絶対値の大きな負電圧(−15〜−25V)が印加され、このため、チャネル領域4a,4bとその外側のp型領域との接合部に逆バイアス電圧が印加される。このため、主として不純物濃度の薄い側に空乏層幅が広がってゆく。この空乏層がチャネル領域全域に行き渡ると、ソース領域から基板9を経てドレイン領域6にいたる経路は遮断される。アルミニウム膜7はチャネル領域4a,4bよりも低い高さとされているので、アルミニウム膜を経由する経路も遮断され、オフ状態が実現する。   In the off state, a negative voltage (−15 to −25 V) having a large absolute value is applied to the gate. For this reason, a reverse bias voltage is applied to the junction between the channel regions 4a and 4b and the p-type region outside thereof. The For this reason, the width of the depletion layer broadens mainly on the side with a low impurity concentration. When this depletion layer reaches the entire channel region, the path from the source region to the drain region 6 through the substrate 9 is blocked. Since the aluminum film 7 has a height lower than that of the channel regions 4a and 4b, the path through the aluminum film is also blocked, and an off state is realized.

図4に示す縦型JFETは、高耐圧性を有するので、本実施の形態のJFETを用いることにより、素子間の特性変動の小さい高圧電力用の素子を提供することが可能となる。   Since the vertical JFET shown in FIG. 4 has a high withstand voltage, the use of the JFET of the present embodiment makes it possible to provide an element for high-voltage power with little characteristic variation between elements.

なお、図4において、チャネル領域の断面長さlを、上記pn-接合部の拡散電位による空乏層幅よりも短くすることにより、ゲート電圧ゼロにおいてチャネル領域は遮断されオフ状態が実現する。すなわち、ノーマリーオフのJFETを得ることができる。   In FIG. 4, the channel region is cut off at the gate voltage of zero to realize the off state by making the cross-sectional length l of the channel region shorter than the depletion layer width due to the diffusion potential of the pn− junction. That is, a normally-off JFET can be obtained.

図1の実施の形態1おいて示したJFETを試作して、1V印加時のチャネル抵抗を測定した。本JFETは、100V耐圧素子とした。チャネル領域を含むn型SiC膜3,4の不純物濃度は4.0×1017cm-3とし、チャネル長さLは1000nm(10μm)、チャネル領域厚さaは230nmと設定した。 The JFET shown in Embodiment 1 of FIG. 1 was prototyped and the channel resistance when 1 V was applied was measured. The JFET was a 100V withstand voltage element. The n-type SiC films 3 and 4 including the channel region have an impurity concentration of 4.0 × 10 17 cm −3 , a channel length L of 1000 nm (10 μm), and a channel region thickness a of 230 nm.

Figure 0005348171
Figure 0005348171

表1に示す結果によれば、従来例のチャネル領域に金属膜を有しないJFET(図1のJFETからアルミニウム膜を除いたJFET)のチャネル抵抗は7.8mΩcm2であった。これに対して、アルミニウム膜を備えた実施の形態1のJFET(本発明例)のチャネル抵抗は1.6mΩcm2と大幅に抵抗値が低下した。したがって、本発明例によりチャネル抵抗が大きく低下することが分かった。このため、チャネル領域の不純物濃度やチャネル領域の厚さの変動の影響を受けず、素子間のばらつきの小さいJFETを得ることができた。 According to the results shown in Table 1, the channel resistance of the conventional JFET having no metal film in the channel region (JFET obtained by removing the aluminum film from the JFET in FIG. 1) was 7.8 mΩcm 2 . On the other hand, the channel resistance of the JFET of the first embodiment provided with the aluminum film (example of the present invention) was greatly reduced to 1.6 mΩcm 2 . Therefore, it was found that the channel resistance is greatly reduced by the example of the present invention. Therefore, it was possible to obtain a JFET with little variation between elements without being affected by variations in the impurity concentration of the channel region and the thickness of the channel region.

上記において、本発明の実施の形態について説明を行なったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。   While the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments of the present invention disclosed above are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to these embodiments. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.

1 SiC基板、2,2a,2b p型SiC膜、3 n型SiC膜、4,4a,4b チャネル領域、5,5a,5b ソース領域、6 ドレイン領域、7 アルミニウム膜、8 空乏層、8a 空乏層幅の先端、9 n型SiC基板、11,11a,11b ソース電極、12 ドレイン電極、13 ゲート電極、L チャネル長さ、a チャネル領域厚さ、l チャネル領域断面長さ。   1 SiC substrate, 2, 2a, 2b p-type SiC film, 3 n-type SiC film, 4, 4a, 4b channel region, 5, 5a, 5b source region, 6 drain region, 7 aluminum film, 8 depletion layer, 8a depletion Layer tip, 9 n-type SiC substrate, 11, 11a, 11b Source electrode, 12 Drain electrode, 13 Gate electrode, L channel length, a channel region thickness, l channel region cross-sectional length.

Claims (4)

互いに対向する一方面および他方面を有し、かつ素子耐圧により決定される不純物濃度を有する第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層の前記一方面上に形成された導電膜と、
前記第1半導体層の前記一方面上において前記導電膜の両側にて前記導電膜と接するように形成され、かつ前記導電膜の表面より高い位置にまで設けられた第1導電型の1対のチャネル領域と、
それぞれが前記1対のチャネル領域の各々の上に配置された第1導電型の1対のソース領域と、
それぞれが前記第1半導体層の前記一方面上にて前記1対のチャネル領域の各々の前記導電膜側とは反対側に配置され、かつ前記チャネル領域の第1導電型不純物の濃度の値よりも高い値の第2導電型不純物の濃度を有する第2導電型の1対の第2半導体層と、
それぞれが前記1対の第2半導体層の各々の上に配置された1対のゲート電極と、
前記第1半導体層の前記他方面に設けられた第1導電型のドレイン領域とを備え、
前記第1半導体層がSiC基板であり、前記1対のチャネル領域の各々が第1導電型SiC膜であり、前記1対の第2半導体層の各々が第2導電型SiC膜であり、
前記導電膜は、オン状態において電流が前記チャネル領域と前記導電膜とに分けて流れるように構成されており、かつ前記チャネル領域よりも低い抵抗を有している、接合型電界効果トランジスタ。
A first semiconductor layer of a first conductivity type having one surface and the other surface facing each other and having an impurity concentration determined by an element breakdown voltage;
A conductive film formed on the one surface of the first semiconductor layer;
A pair of first conductivity type formed on the one surface of the first semiconductor layer so as to be in contact with the conductive film on both sides of the conductive film and to a position higher than the surface of the conductive film. A channel region;
A pair of source regions of a first conductivity type, each disposed over each of the pair of channel regions;
Each is disposed on the one surface of the first semiconductor layer on the side opposite to the conductive film side of the pair of channel regions, and from the concentration value of the first conductivity type impurity in the channel region A pair of second semiconductor layers of the second conductivity type having a concentration of the second conductivity type impurity having a higher value;
A pair of gate electrodes, each disposed on each of the pair of second semiconductor layers;
A drain region of a first conductivity type provided on the other surface of the first semiconductor layer,
The first semiconductor layer is a SiC substrate, each of the pair of channel regions is a first conductivity type SiC film, and each of the pair of second semiconductor layers is a second conductivity type SiC film;
The junction field effect transistor, wherein the conductive film is configured so that a current flows separately between the channel region and the conductive film in an ON state, and has a lower resistance than the channel region.
前記第1半導体層の前記一方面には溝が設けられ、前記導電膜は前記溝を埋めて堆積している、請求項1に記載の接合型電界効果トランジスタ。   The junction field effect transistor according to claim 1, wherein a groove is provided on the one surface of the first semiconductor layer, and the conductive film is deposited to fill the groove. 前記第2半導体層から前記導電膜に向かう方向の前記チャネル領域の長さである断面長さが、前記第2半導体層と前記チャネル領域との接合部における拡散電位による前記チャネル領域内での空乏層幅より小さい、請求項1または2に記載の接合型電界効果トランジスタ。   The depletion in the channel region due to the diffusion potential at the junction between the second semiconductor layer and the channel region is a cross-sectional length that is the length of the channel region in the direction from the second semiconductor layer toward the conductive film. The junction field effect transistor according to claim 1, wherein the junction field effect transistor is smaller than the layer width. 前記導電膜が、金属膜および不純物を含む半導体膜のうちのいずれかである、請求項1〜3のいずれかに記載の接合型電界効果トランジスタ。   The junction field effect transistor according to claim 1, wherein the conductive film is one of a metal film and a semiconductor film containing impurities.
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