JP5555985B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
WO 061038390号公報
本発明の第1の実施の形態は、半導体装置としてHEMTに本発明を適用し、このHEMTの電流コラプスの発生を減少した例を説明するものである。
図1に示すように、第1の実施の形態に係るHEMT(半導体装置)1は、キャリア領域(チャネル領域)として機能する第1の窒化物系半導体領域21上に第1の窒化物系半導体領域21より格子定数が小さく、バンドキャップが大きく、引張応力が生じるヘテロ接合により配設されたキャリア発生領域として機能する第2の窒化物系半導体領域(バリア領域)22を有し、第1の窒化物系半導体領域21のヘテロ接合近傍に二次元キャリアガスチャネル(二次元電子ガス層又は二次元正孔ガス層)23を有する窒化物系半導体機能層2と、第2の窒化物系半導体領域22上に互いに離間されて配設され、二次元キャリアガスチャネル23にオーミック接続された第1の主電極3及び第2の主電極4と、第2の窒化物系半導体領域22上の第1の主電極3と第2の主電極4との間に配設されたゲート電極5とを備える。第1の実施の形態において、第1の主電極3はソース電極として使用され、第2の主電極4はドレイン電極として使用されている。図1及びそれ以降において明確に図示していないが、耐圧の関係から、第1の主電極3とゲート電極5間は第2の主電極4とゲート電極5間よりも短くなるように構成されている。
前述の第1の実施の形態に係るHEMT1においては、第2の窒化物系半導体領域22の第1の主電極3とゲート電極5との間がほぼ等しい膜厚で厚い膜厚t1に設定され、第2の主電極4とゲート電極5との間がゲート電極5から第2の主電極4に向かって徐々に薄くなり最も薄い部分は膜厚t1より薄い膜厚t2に設定されている。つまり、HEMT1においては、第2の窒化物系半導体領域22の膜厚の第1の主電極3側が第2の主電極4側よりも厚くかつ非対称になり、第2の窒化物系半導体領域22の歪み、自発分極とピエゾ分極によって生じる電界強度、二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度が異なる。第2の窒化物系半導体領域22が薄い膜厚t2の領域に対応する二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度は、第2の窒化物系半導体領域22が厚い膜厚t1の領域に対応する二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度より低くなる。
前述のHEMT1は、特に図面を用いてその製造方法を説明しないが、第2の窒化物系半導体領域22を形成した後に、レジスト(マスク)を併用したエッチングを用いることにより簡易に製造することができる。すなわち、膜厚t1の第2の窒化物系半導体領域22を全面に形成した後に、レジストを形成し、このレジストをマスクとして用い、レジストのサイドエッチングを行いながら第2の窒化物系半導体領域22の第2の主電極4とゲート電極5が配設される間の所定領域を第2の主電極4に向かって徐々に薄くなるように第2の窒化物系半導体領域22の上面からエッチングを行うことによって、第2の窒化物系半導体領域22に傾斜面を形成することができる。
以上説明したように、第1の実施の形態に係るHEMT1においては、窒化物系半導体機能層2に生成される二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度及び電界強度Eをキャリア走行方向に変調することができる。この結果、HEMT1においては、第2の主電極4の近傍におけるホットエレクトロンの発生を減少することができ、電流コラプスの発生を抑制することができる。また、HEMT1においては、ゲート電極5端部の電界強度Eを低くすることができるので、破壊耐圧を向上することができる。
第1の実施の形態の第1の変形例並びにこの後に説明する第2の変形例乃至第5の変形例は、第1の実施の形態に係るHEMT1において、第2の窒化物系半導体領域22の第2の主電極4とゲート電極5との間の断面形状を変えた例を説明するものである。
第2の変形例に係るHEMT1は、第1の実施の形態に係るHEMT1と基本的には同様であるが、図4に示すように、第2の窒化物系半導体領域22のゲート電極5の第2の主電極4側端を最も厚い膜厚t2maxに設定し、そこから膜厚を減少させ、第1のゲート電極5と第2の主電極4との間の部分において第2の窒化物系半導体領域22を最も薄い膜厚t2minに設定し、そこから膜厚を増加し、第2の窒化物系半導体領域22の第2の主電極4のゲート電極5側端を最も厚い膜厚t2maxに設定している。第2の窒化物系半導体領域22の最も薄い膜厚t2minの位置は、第2の変形例においてゲート電極5よりも第2の主電極4に近くしてもよいが、ゲート電極5と第2の主電極4のほぼ中央又はゲート電極5に近い側としてもよい。
第3の変形例に係るHEMT1は、第1の実施の形態に係るHEMT1と基本的には同様であるが、図5に示すように、第2の窒化物系半導体領域22のゲート電極5の第2の主電極4側端を最も薄い膜厚t2minに設定し、そこから膜厚を増加させ、第1のゲート電極5と第2の主電極4との間の中央部分において第2の窒化物系半導体領域22を最も厚い膜厚t2maxに設定し、そこから膜厚を減少させ、第2の窒化物系半導体領域22の第2の主電極4のゲート電極5側端を最も薄い膜厚t2minに設定している。第2の窒化物系半導体領域22の最も厚い膜厚t2maxの位置は、第3の変形例において第2の主電極4よりもゲート電極5に近くしてもよいが、ゲート電極5と第2の主電極4のほぼ中央又はゲート電極5に近い側としてもよい。また、第2の主電極4は、第2の窒化物系半導体領域22の最も厚い膜厚t2max上に配設されている。
本発明の第2の実施の形態は、前述の第1の実施の形態に係るHEMT1において、更に第2の窒化物系半導体領域22の第1の主電極3とゲート電極5との間の断面形状を変えた例を説明するものである。
図6に示すように、第2の実施の形態に係るHEMT(半導体装置)1は、基本的な構造は第1の実施の形態に係るHEMT1と同様に、第2の窒化物系半導体領域22の第1の主電極3とゲート電極5との間を厚い膜厚t1に設定し、第2の主電極4とゲート電極5との間を薄い膜厚t2に設定している。
以上説明したように、第2の実施の形態に係るHEMT1においては、自発分極とピエゾ分極によって窒化物系半導体機能層2に生成される二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度及び電界強度Eをキャリア走行方向に減少する方向に変調を行うことができる。この結果、第2の主電極4の電位が第1の主電極3の電位よりも高くなるように電圧を印加してHEMT1がオフ状態にあるとき、従来においては第2の主電極4側の電界強度が高くなるが、第2の実施の形態に係るHEMT1においては、前述の図2に示す電界強度分布図を参照して明らかなように、自発分極とピエゾ分極によって生じる電界強度を制御し、電界強度分布を従来に比べて滑らか又は均一化することができる。また、HEMT1においては、第2の主電極4の近傍におけるホットエレクトロンの発生を減少することができ、電流コラプスの発生を抑制することができる。また、HEMT1においては、ゲート電極5端部、特にゲート電極5の第1の主電極3側端及びゲート電極5の第2の主電極4側端の電界強度Eを減少することができるので、破壊耐圧を向上することができる。
本発明の第3の実施の形態は、半導体装置としてHEMTに本発明を適用し、このHEMTのキャリア速度の動作速度の高速化を実現した例を説明するものである。
図7に示すように、第3の実施の形態に係るHEMT(半導体装置)1は、基本的な構造は第1の実施の形態又は第2の実施の形態に係るHEMT1と同様であるが、第2の窒化物系半導体領域22の第1の主電極3とゲート電極5との間の膜厚t1に対して、第2の窒化物系半導体領域22の第2の主電極4とゲート電極5との間を膜厚t1より厚い膜厚t2に設定している。
前述の第3の実施の形態に係るHEMT1においては、第2の窒化物系半導体領域22の膜厚が第1の主電極3側と第2の主電極4側とで非対称になり、第2の窒化物系半導体領域22の歪み、自発分極とピエゾ分極による電界強度、二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度が異なる。第2の窒化物系半導体領域22の第2の主電極4側が厚い膜厚t2に設定されているので、二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度は高くなる。
以上説明したように、第3の実施の形態に係るHEMT1においては、窒化物系半導体機能層2に生成される二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度及び電界強度Eをキャリア走行方向に変調することができる。この結果、HEMT1においては、第2の主電極4の近傍における電界強度Eを高めることができ、二次元キャリアガスチャネル23のキャリアを加速することができるので、スイッチングスピードの高速化を実現することができる。
本発明の第4の実施の形態は、半導体装置としてショットキーバリアダイオード(SBD)に本発明を適用し、このSBDの耐圧を向上した例を説明するものである。
図9に示すように、第4の実施の形態に係るSBD(半導体装置)11は、キャリア通過領域として機能する第1の窒化物系半導体領域21上にヘテロ接合により配設されたキャリア発生領域として機能する第2の窒化物系半導体領域22を有し、第1の窒化物系半導体領域21のヘテロ接合近傍に二次元キャリアガスチャネル23を有する窒化物系半導体機能層2と、第2の窒化物系半導体領域22上に互いに離間されて配設された第1の主電極3及び第2の主電極4と、を備え、第2の窒化物系半導体領域22の第1の主電極3の第2の主電極4側端の膜厚t1に比べて、第2の窒化物系半導体領域22の第2の主電極4の第1の主電極3側端の膜厚t2が薄く設定されている。第4の実施の形態において、第1の主電極3は二次元キャリアガスチャネル23にオーミック接続するカソード電極として使用され、第2の主電極4は二次元キャリアガスチャネル23にショットキー接続するアノード電極として使用される。
以上説明したように、第4の実施の形態に係るSBD11においては、窒化物系半導体機能層2に生成される二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度及び電界強度Eをキャリア走行方向に変調することができる。この結果、SBD11においては、第2の主電極4の近傍における電界強度Eを弱めることができるので、破壊耐圧を向上することができる。
図10に示す第4の実施の形態の変形例に係るSBD11は、図9に示すSBD11と基本的な構造は同様であるが、第2の窒化物系半導体領域22の第1の主電極3の第2の主電極4側端の膜厚t1に比べて、第2の窒化物系半導体領域22の第2の主電極4の第1の主電極3側端の膜厚t2が厚く設定されている。
上記のように、本発明は複数の実施の形態によって記載されているが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものでない。本発明は様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術に適用することができる。
2…窒化物系半導体機能層
21…第1の窒化物系半導体領域(キャリア通過領域)
22…第2の窒化物系半導体領域(キャリア発生領域)
23…二次元キャリアガスチャネル
3…第1の主電極(ソース電極又はアノード電極)
4…第2の主電極(ドレイン電極又はカソード電極)
5…ゲート電極
11…半導体装置(SBD)
Claims (3)
- 第1の窒化物系半導体領域上にヘテロ接合により配設されたバリア層として機能する第2の窒化物系半導体領域を有し、前記第1の窒化物系半導体領域の前記ヘテロ接合近傍に二次元キャリアガスチャネルを有する窒化物系半導体機能層と、
前記二次元キャリアガスチャネルにオーミック接続されたソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配設されたゲート電極と、を備え、
前記第2の窒化物系半導体領域の前記ゲート電極及び前記ドレイン電極が配置される間の領域の膜厚が前記ゲート電極から前記ドレイン電極に向かって徐々に変化し、且つ、前記第2の窒化物系半導体領域の前記ドレイン電極と前記ゲート電極との間の少なくとも一部の膜厚が、前記第2の窒化物系半導体領域の前記ソース電極と前記ゲート電極との間の膜厚と異なることを特徴とする半導体装置。 - 前記第2の窒化物系半導体領域の前記ドレイン電極と前記ゲート電極との間の膜厚が、前記第2の窒化物系半導体領域の前記ソース電極と前記ゲート電極との間の膜厚に比べて薄い部分を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第2の窒化物系半導体領域の前記ドレイン電極と前記ゲート電極との間の膜厚が、前記第2の窒化物系半導体領域の前記ソース電極と前記ゲート電極との間の膜厚に比べて厚い部分を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
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