JP5593673B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.
従来、基板の上方に結晶成長によりAlGaN層及びGaN層が形成されたGaN系トランジスタについての研究が行われている。GaNのバンドギャップは3.4eVであり、Siのバンドギャップ(1.2eV)及びGaAsのバンドギャップ(1.4eV)よりも大きい。このため、GaN系トランジスタの耐圧は高く、自動車用等の高耐圧電力デバイスとして有望である。 Conventionally, research has been conducted on GaN-based transistors in which an AlGaN layer and a GaN layer are formed by crystal growth above a substrate. The band gap of GaN is 3.4 eV, which is larger than the band gap of Si (1.2 eV) and the band gap of GaAs (1.4 eV). For this reason, the withstand voltage of GaN-based transistors is high, and it is promising as a high withstand voltage power device for automobiles.
また、GaN系トランジスタの構造には、ソース及びドレインが基板の表面に平行に配置された横型構造と、ソース及びドレインが基板の表面に垂直に配置された縦型構造とがある。 The structure of the GaN-based transistor includes a horizontal structure in which the source and drain are arranged in parallel to the surface of the substrate, and a vertical structure in which the source and drain are arranged perpendicular to the surface of the substrate.
縦型構造は、電流の経路が3次元的になるため、チップ当たりの電流量を横型構造と比較して増加することができる。また、ドレイン電極及びソース電極が基板の上下に位置するため、これらの面積を大きくしてもチップの面積を小さくしやすい。従って、大きな電流を流すために、ドレイン電極及びソース電極の面積を大きくしても、チップの面積は増加しにくい。更に、チップ当たりの金属の割合が大きくなるため、放熱特性が向上する。 In the vertical structure, the current path is three-dimensional, so that the amount of current per chip can be increased as compared with the horizontal structure. In addition, since the drain electrode and the source electrode are located above and below the substrate, it is easy to reduce the chip area even if these areas are increased. Therefore, even if the area of the drain electrode and the source electrode is increased in order to pass a large current, the area of the chip is hardly increased. Furthermore, since the ratio of the metal per chip | tip becomes large, a thermal radiation characteristic improves.
そして、従来のGaN系縦型トランジスタの構造として、p型GaN層上にn型GaN層が形成され、p型GaN層にp型不純物としてMgイオンが導入されたものが知られている。 As a conventional GaN-based vertical transistor structure, a structure in which an n-type GaN layer is formed on a p-type GaN layer and Mg ions are introduced as a p-type impurity in the p-type GaN layer is known.
しかしながら、一般的にMgイオンは活性化しにくく、p型GaN層上にn型GaN層が形成されていると、この活性化しにくさが顕著となる。更に、Mgイオンはトランジスタの動作中にマイグレーションしやすい。このため、Mgイオンが導入されたp型GaN層を備えたGaN系縦型トランジスタの制御は困難であり、実用化も非常に困難である。 However, in general, Mg ions are difficult to activate, and when an n-type GaN layer is formed on a p-type GaN layer, this difficulty in activation becomes significant. Furthermore, Mg ions are likely to migrate during transistor operation. For this reason, it is difficult to control a GaN-based vertical transistor including a p-type GaN layer into which Mg ions are introduced, and it is very difficult to put it into practical use.
本発明の目的は、縦型トランジスタの制御を容易に行うことができる半導体装置及びその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of easily controlling a vertical transistor and a manufacturing method thereof.
半導体装置の一態様には、第1の半導体層と、前記第1の半導体層とヘテロ接合した第2の半導体層と、が設けられている。更に、前記第1の半導体層と前記第2の半導体層との間のヘテロ接合面の電位を制御するゲート電極と、前記第1の半導体層に接続されたドレイン電極と、前記第2の半導体層に接続されたソース電極と、が設けられている。前記第1の半導体層は、前記ヘテロ接合面から離間するほど、連続的又は段階的にバンドギャップが小さくなる領域を含む。
半導体装置の他の一態様には、第1の半導体層と、前記第1の半導体層とヘテロ接合した第2の半導体層と、が設けられている。更に、前記第1の半導体層と前記第2の半導体層との間のヘテロ接合面の電位を制御するゲート電極と、前記第1の半導体層に接続されたドレイン電極と、前記第2の半導体層に接続されたソース電極と、が設けられている。前記第2の半導体層は、前記ヘテロ接合面に接し、前記ヘテロ接合面から離間するほどバンドギャップが大きくなる第1の領域と、前記第1の領域とヘテロ接合した第2の領域と、を含む。前記ゲート電極は、前記第1の領域と前記第2の領域との間のヘテロ接合面の電位も制御する。
In one embodiment of the semiconductor device, a first semiconductor layer and a second semiconductor layer heterojunction with the first semiconductor layer are provided. Furthermore, a gate electrode for controlling the potential of the heterojunction surface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, a drain electrode connected to the first semiconductor layer, and the second semiconductor A source electrode connected to the layer. The first semiconductor layer includes a region in which the band gap decreases continuously or stepwise as the distance from the heterojunction surface increases.
In another embodiment of the semiconductor device, a first semiconductor layer and a second semiconductor layer heterojunction with the first semiconductor layer are provided. Furthermore, a gate electrode for controlling the potential of the heterojunction surface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, a drain electrode connected to the first semiconductor layer, and the second semiconductor A source electrode connected to the layer. The second semiconductor layer includes a first region that is in contact with the heterojunction surface and has a band gap that increases as the distance from the heterojunction surface increases, and a second region that is heterojunction with the first region. Including. The gate electrode also controls the potential of the heterojunction surface between the first region and the second region.
上記の半導体装置等によれば、p型GaN層を用いずとも縦型トランジスタを構成することができる。このため、制御を容易に行うことができる。 According to the above semiconductor device or the like, a vertical transistor can be configured without using a p-type GaN layer. For this reason, control can be performed easily.
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings.
(第1の実施形態)
先ず、第1の実施形態について説明する。図1は、第1の実施形態に係る半導体装置を示す図である。
(First embodiment)
First, the first embodiment will be described. FIG. 1 is a diagram illustrating the semiconductor device according to the first embodiment.
第1の実施形態では、図1(a)に示すように、半導体層1上に半導体層2が形成されている。半導体層1のバンドギャップは半導体層2のバンドギャップよりも大きく、半導体層1及び2は互いにヘテロ接合している。半導体層1にドレイン電極10dが接続され、半導体層2にソース電極10sが接続されている。また、半導体層2を貫通し、半導体層1の内部まで到達する開口部9が設けられており、この開口部9の内面に沿ってゲート絶縁膜3が形成され、その上にゲート電極10gが形成されている。
In the first embodiment, the
このように構成された第1の実施形態では、ゲート電極10gに電圧が印加されていない場合(オフ時)の半導体層1及び2の伝導帯の準位は、図1(b)に示すようなものとなる。このため、オフ時には、半導体層1内の電子の密度が半導体層2内のそれよりも著しく低く、半導体層1及び2間のヘテロ接合面でのキャリア密度の変化が極めて大きい。このため、ソース電極10sとドレイン電極10dとの間に電流が流れない。一方、ゲート電極10gに正に電圧が印加されると(オン時)、ゲート電極10gが生じる電界に電子が引き寄せられ、半導体層1内の電子の密度が著しく高くなる。この結果、ソース電極10sとドレイン電極10dとの間に電流が流れるようになる。
In the first embodiment configured as described above, the levels of the conduction bands of the
従って、第1の実施形態はノーマリーオフ動作が可能なトランジスタとして機能する。また、従来のトランジスタで必要とされる、Mgイオンが導入されたp型GaN層を用いる必要もない。 Therefore, the first embodiment functions as a transistor capable of a normally-off operation. Further, it is not necessary to use a p-type GaN layer into which Mg ions are introduced, which is required for a conventional transistor.
また、半導体層1及び2間のヘテロ接合面は、半導体層2から半導体層1への電子の移動を上記のように妨げることはあるが、半導体層1から半導体層2への電子の移動を妨げることはない。つまり、半導体層1及び2は寄生ダイオードを含んでいる。このため、ドレイン電極10dとソース電極10sとの間に逆電圧が印加された場合でも、この寄生ダイオードによってその状態を正常に戻すことが可能である。
In addition, the heterojunction surface between the
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について説明する。図2は、第2の実施形態に係る半導体装置を示す図である。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. FIG. 2 is a diagram illustrating a semiconductor device according to the second embodiment.
第2の実施形態では、図2に示すように、導電性のSiC基板17上にAlN層18、n型のAlGaN層11、n型のGaN層12及びn+GaN層14がこの順で形成されている。AlN層18の厚さは1nm〜10μm程度であり、バッファ層として機能する。AlGaN層11の厚さは0.1μm〜10μm程度である。AlGaN層11の組成は、例えばAl0.2Ga0.8Nで表わされる。GaN層12にはSiが1×1016cm-3〜1×1020cm-3程度ドーピングされており、その厚さは1nm〜1μm程度であることが好ましい。1nmより薄いと十分な耐圧が取れなくなり、1μmより厚いとオン抵抗の増加により、オン時の電流密度が低下するためである。n+GaN層14にはSiがAlGaN層11及びGaN層12よりも高濃度でドーピングされている。つまり、n+GaN層14にはSiが1×1017cm-3〜1×1020cm-3程度ドーピングされている。また、n+GaN層14の厚さは0.1〜100nm程度である。
In the second embodiment, as shown in FIG. 2, an
また、n+GaN層14及びGaN層12を貫通し、AlGaN層11の内部まで到達する開口部19が設けられており、この開口部19の内面に沿ってゲート絶縁膜13が形成され、その上にゲート電極20gが形成されている。開口部19の幅は、例えば100nm〜1μm程度である。ゲート絶縁膜13としては、例えば厚さが1nm〜1μm程度のシリコン窒化膜が形成されている。
In addition, an
ゲート電極20gを覆う絶縁膜16がn+GaN層14上に形成されており、n+GaN層14上にソース電極用の開口部16xが形成されている。そして、開口部16x内においてn+GaN層14上にソース電極20sが形成され、ソース電極20s上に絶縁膜16を覆うソース配線15が形成されている。また、SiC基板17の裏面にはドレイン電極20dが形成されている。
Insulating
このようにして、1個のGaN系縦型トランジスタが構成されている。また、このようなGaN系縦型トランジスタは、図3(a)に示すように、例えば互いに直交する2方向に配列するように設けられている。なお、ソース電極20sの平面形状は、図3(a)に示す矩形の他に、図3(b)に示す八角形等の他の多角形であってもよく、円形等の曲線を含む形状であってもよい。なお、ソース配線15には、ゲート電極20gの一部(又はゲート電極20gに接続されたゲートパッド)を露出する開口部が形成されており、この開口部の側面は絶縁されている。
In this way, one GaN-based vertical transistor is configured. In addition, as shown in FIG. 3A, such GaN-based vertical transistors are provided so as to be arranged in, for example, two directions orthogonal to each other. The planar shape of the
このような第2の実施形態では、AlGaN層11が第1の実施形態の半導体層1と同様に機能し、GaN層12が半導体層2と同様に機能する。このため、第1の実施形態と同様に、ノーマリーオフ動作が可能なトランジスタとして機能する。
In the second embodiment, the
第2の実施形態に係る半導体装置は、例えば、図4に示すように、実装基板28に実装される。そして、実装基板28に設けられたゲート端子Gとゲート電極20gの一部(又はゲート電極20gに接続されたゲートパッド)とがゲート用ワイヤ26により接続され、ソース端子Sとソース配線15とがソース用ワイヤ27により接続され、ドレイン端子Dにドレイン電極20dが接続される。
The semiconductor device according to the second embodiment is mounted on a mounting board 28, for example, as shown in FIG. The gate terminal G provided on the mounting substrate 28 and a part of the
次に、上述のようなGaN系縦型トランジスタを製造する方法について説明する。図5A乃至図5Cは、第2の実施形態に係るGaN系縦型トランジスタの製造方法を工程順に示す断面図である。 Next, a method for manufacturing the GaN-based vertical transistor as described above will be described. 5A to 5C are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a GaN-based vertical transistor according to the second embodiment in the order of steps.
先ず、図5A(a)に示すように、SiC基板17上に、有機化学気相堆積(MOCVD:metal organic chemical vapor deposition)法によりAlN層18を形成する。
First, as shown in FIG. 5A (a), an
ここで、MOCVD装置について説明する。図6は、MOCVD装置の構成を示す図である。石英製反応管140の周囲に高周波コイル141が配置され、反応管140の内側に基板120を載置するためのカーボンサセプタ142が配置されている。反応管140の上流端(図6中の左側の端部)に、2本のガス導入管144及び145が接続され、化合物のソースガスが供給される。例えば、ガス導入管144からNソースガスとしてNH3ガスが導入され、ガス導入管145からIII族元素のソースガスとしてトリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)等の有機III族化合物原料が導入される。基板120上で結晶成長が行われ、余剰のガスはガス排出管146から除害塔へ排出される。なお、MOCVD法による結晶成長を減圧雰囲気で行う場合は、ガス排出管146は真空ポンプへ接続され、真空ポンプの排出口が除害塔に接続される。MOCVD装置は、AlN層18だけでなく、後述のAlGaN層11、GaN層12及びn+GaN層14の形成にも使用される。
Here, the MOCVD apparatus will be described. FIG. 6 is a diagram showing the configuration of the MOCVD apparatus. A high frequency coil 141 is disposed around the quartz reaction tube 140, and a carbon susceptor 142 for placing the
AlN層18を形成する場合の条件は、例えば、以下のように設定する。
トリメチルアルミニウム(TMA)の流量:0〜30sccm、
トリメチルガリウム(TMG)の流量:0〜30sccm、
アンモニア(NH3)の流量:5slm、
n型不純物:シラン(SiH4)、
圧力:90Torr、
温度:1000℃
Conditions for forming the
Trimethylaluminum (TMA) flow rate: 0-30 sccm,
Trimethylgallium (TMG) flow rate: 0-30 sccm,
Ammonia (NH 3 ) flow rate: 5 slm,
n-type impurity: silane (SiH 4 ),
Pressure: 90 Torr,
Temperature: 1000 ° C
AlN層18を形成した後には、AlN層18上に、MOCVD法によりn型のAlGaN層11を形成する。
After the
AlGaN層11を形成する場合の条件は、例えば、以下のように設定する。
トリメチルアルミニウム(TMA)の流量:0〜30sccm、
アンモニア(NH3)の流量:5slm、
n型不純物:シラン(SiH4)、
圧力:100Torr、
温度:1100℃
The conditions for forming the
Trimethylaluminum (TMA) flow rate: 0-30 sccm,
Ammonia (NH 3 ) flow rate: 5 slm,
n-type impurity: silane (SiH 4 ),
Pressure: 100 Torr,
Temperature: 1100 ° C
AlGaN層11を形成した後には、AlGaN層11上に、MOCVD法によりn型のGaN層12を形成する。
After the
GaN層12を形成する場合の条件は、例えば、以下のように設定する。
トリメチルガリウム(TMG)の流量:0〜50sccm、
アンモニア(NH3)の流量:20slm、
n型不純物:シラン(SiH4)、
圧力:100Torr、
温度:1100℃
The conditions for forming the
Trimethylgallium (TMG) flow rate: 0-50 sccm,
Ammonia (NH 3 ) flow rate: 20 slm,
n-type impurity: silane (SiH 4 ),
Pressure: 100 Torr,
Temperature: 1100 ° C
GaN層12を形成した後には、GaN層12上に、MOCVD法によりn+GaN層14を形成する。
After the
n+GaN層14を形成する場合の条件は、例えば、以下のように設定する。
トリメチルガリウム(TMG)の流量:0〜50sccm、
アンモニア(NH3)の流量:20slm、
n型不純物:シラン(SiH4)
The conditions for forming the n + GaN layer 14 are set as follows, for example.
Trimethylgallium (TMG) flow rate: 0-50 sccm,
Ammonia (NH 3 ) flow rate: 20 slm,
n-type impurity: silane (SiH 4 )
n+GaN層14を形成した後には、図5A(b)に示すように、例えばリフトオフ法により、n+GaN層14上にソース電極20sを形成する。ソース電極20sの形成の際には、例えば、Ta膜を形成し、その上にAl膜を形成する。
After the n + GaN layer 14 is formed, as shown in FIG. 5A (b), the
次いで、図5A(c)に示すように、ゲート用の開口部19をn+GaN層14、GaN層12及びAlGaN層11に形成する。開口部19の形成に際しては、例えば開口部19を形成する予定の領域を露出するレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとしてn+GaN層14、GaN層12及びAlGaN層11を所定量だけエッチングすればよい。その後、レジストパターンは除去する。
Next, as shown in FIG. 5A (c), an
その後、図5B(d)に示すように、絶縁膜13aを表面の全体にプラズマCVD法により形成する。絶縁膜13aとしては、例えばシリコン窒化膜を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 5B (d), an insulating
続いて、図5B(e)に示すように、例えばリフトオフ法により、開口部19内の絶縁膜13a上にゲート電極20gを形成する。ゲート電極20gの形成の際には、例えば、Ni膜を形成し、その上にAu膜を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 5B (e), a
なお、ソース電極20sの形成を絶縁膜13a及びゲート電極20gの形成後に行ってもよい。この場合には、絶縁膜13aにソース電極20s用の開口部を形成することになる。絶縁膜13aの選択エッチング時には、例えばSF6ガスをエッチングガスとして用いる。
The
次いで、図5B(f)に示すように、絶縁膜16aを表面の全体にプラズマCVD法により形成する。絶縁膜16aとしては、例えばシリコン窒化膜を形成する。
Next, as shown in FIG. 5B (f), an insulating
その後、図5C(g)に示すように、絶縁膜13a及び16aの選択エッチングを行い、ゲート電極20gが絶縁膜13a及び16aにより覆われた状態を維持しながら、ソース電極20sを露出する。絶縁膜13a及び16aの選択エッチング時には、例えばSF6ガスをエッチングガスとして用いる。なお、ゲート電極20gのゲート用ワイヤ26に接続される部分も露出する。
After that, as shown in FIG. 5C (g), the insulating
続いて、図5C(h)に示すように、各ソース電極20sに接するソース配線15を、ゲート電極20gのゲート用ワイヤ26に接続される部分を除いて、表面側のほぼ全面に形成する。ソース配線15の形成の際には、例えばAu膜をめっき法で形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 5C (h), the
次いで、SiC基板17を所定の厚さまで薄化する。この際には、例えば、SiC基板17の表面側に表面保護膜を形成した上で、裏面の研磨を行う。その後、SiC基板17の裏面の全体にドレイン電極20dを形成する。その後、表面保護膜を除去する。
Next, the
このようにして半導体装置を完成させることができる。 In this way, the semiconductor device can be completed.
なお、絶縁膜13aのn+GaN層14の表面よりも下方の部分がゲート絶縁膜13に相当し、絶縁膜13aのn+GaN層14の表面よりも上方の部分及び絶縁膜16aが絶縁膜16に相当する。
A portion of the insulating
なお、図7に示すように、SiC基板17に代えて導電性のGaN基板37を用いてもよい。この場合、GaN基板37上にAlGaN層11を直接エピタキシャル成長させることが可能であるため、バッファ層として機能するAlN層18は不要となる。
As shown in FIG. 7, a
ここで、第2の実施形態について行ったシミュレーション及び実験について説明する。図8A及び図8Bに第2の実施形態について行った種々のシミュレーション及び実験の結果を示す。このシミュレーション及び実験は、図7に示す構造に基づいて行った。図8A(a)はシミュレーションの結果を示し、図8A(b)、図8B(c)及び図8B(d)は実測の結果を示す。 Here, simulations and experiments performed on the second embodiment will be described. 8A and 8B show the results of various simulations and experiments performed on the second embodiment. This simulation and experiment were performed based on the structure shown in FIG. FIG. 8A (a) shows the result of simulation, and FIG. 8A (b), FIG. 8B (c) and FIG. 8B (d) show the result of actual measurement.
図8A(a)は、AlGaN層11の下面からの距離と電子の密度との関係を示す。このシミュレーションでは、ソース電極20sを基準にしてドレイン電極20dに10Vの電圧を付与した。そして、ゲート電極20gに印加する電圧を0V(オフ)又は5V(オン)として電子の密度を算出した。図8A(a)に示すように、オフ時には、GaN層12内の電子の密度がAlGaN層11内のそれよりも著しく高く、これらの間のヘテロ接合面でのキャリア密度の変化が極めて大きい。このため、ソース電極20sとドレイン電極20dとの間に電流が流れない。一方、ゲート電極20gに5Vの電圧が付与されると(オン時)、ゲート電極20gが生じる電界に電子が引き寄せられ、AlGaN層11内の電子の密度が著しく高くなる。このため、ソース電極20sとドレイン電極20dとの間に電流が流れるようになる。
FIG. 8A (a) shows the relationship between the distance from the lower surface of the
図8A(b)は、ゲート電極20gに印加された電圧(ゲート電圧Vg)と、ソース電極20s及びドレイン電極20dの間に流れる電流の密度(ソース−ドレイン間の電流密度Ids)との関係を示す。図8A(b)に示すように、ノーマリーオフ動作が確認された。図8B(c)は、ゲート電圧Vgを0V〜5Vに変化させた場合のドレイン電極20dに印加された電圧(ドレイン電圧Vd)と電流密度Idsとの関係を示す。図8B(c)に示すように、オン動作時には適切な密度で電流が流れた。図8B(d)は、ゲート電圧Vgを0Vとしたときのドレイン電圧Vdと電流密度Idsとの関係を示す。図8B(d)に示すように、良好なダイオード特性が得られた。
FIG. 8A (b) shows the relationship between the voltage applied to the
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態について説明する。図9は、第3の実施形態に係る半導体装置を示す図である。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described. FIG. 9 is a diagram illustrating a semiconductor device according to the third embodiment.
第3の実施形態では、図9(a)に示すように、AlGaN層11とGaN層12との間に、厚さ方向でAl及びGaの割合が変化するn型のAlXGa1-XN層21が設けられている。図9(b)に示すように、AlXGa1-XN層21内では、GaN層12との界面におけるAlの割合は20原子%(X=0.2)である。そして、AlGaN層11に近づくほどAlの割合は曲線的に低くなっており、AlGaN層11との界面におけるAlの割合は0原子%である。他の構成は第2の実施形態と同様である。
In the third embodiment, as shown in FIG. 9A, an n-type Al X Ga 1-X in which the ratio of Al and Ga changes in the thickness direction between the
このような第3の実施形態では、AlGaN層11とAlXGa1-XN層21とがヘテロ接合し、AlXGa1-XN層21とGaN層12とがヘテロ接合している。従って、AlGaN層11が第1の実施形態の半導体層1と同様に機能し、AlXGa1-XN層21及びGaN層12が半導体層2と同様に機能する。更に、AlXGa1-XN層21が半導体層1と同様に機能し、GaN層12が半導体層2と同様に機能する。このため、第3の実施形態の構造は、ヘテロ接合における伝導帯のエネルギの差が第2の実施形態より大きい構造と等価であるといえる。従って、第2の実施形態よりもオフ時の電流を確実に阻止することが可能である。つまり、リークによる電力損失の発生をより一層低減することが可能である。
In such a third embodiment, the
なお、図9(b)中の破線で示すように、AlXGa1-XN層21中のAl及びGaの割合が直線的に変化していてもよい。 As indicated by broken lines in FIG. 9 (b), the ratio of Al and Ga in the Al X Ga 1-X N layer 21 may be changed linearly.
AlXGa1-XN層21は、例えば、反応管140内に供給するTMA及びTMGの量を連続的又は段階的に変化させることにより形成することができる。 The Al x Ga 1-x N layer 21 can be formed, for example, by changing the amount of TMA and TMG supplied into the reaction tube 140 continuously or stepwise.
また、第2の実施形態と同様に、GaN基板37が用いられ、AlN層18が省略されていてもよい。
Further, as in the second embodiment, the
ここで、第3の実施形態について行ったシミュレーション及び実験について説明する。図10A及び図10Bに第3の実施形態について行った種々のシミュレーション及び実験の結果を示す。このシミュレーション及び実験は、図7に示す構造と同様に、GaN基板37が用いられ、AlN層18が省略された構造に基づいて行った。図10A(a)はシミュレーションの結果を示し、図10A(b)、図10B(c)及び図10B(d)は実測の結果を示す。
Here, simulations and experiments performed on the third embodiment will be described. FIG. 10A and FIG. 10B show the results of various simulations and experiments performed on the third embodiment. Similar to the structure shown in FIG. 7, the simulation and experiment were performed based on a structure in which the
図10A(a)は、AlGaN層11の下面からの距離と電子の密度との関係を示す。このシミュレーションでは、ソース電極20sを基準にしてドレイン電極20dに10Vの電圧を付与した。そして、ゲート電極20gに印加する電圧を0V(オフ)又は5V(オン)として電子の密度を算出した。図10A(a)に示すように、オフ時には、GaN層12内の電子の密度がAlXGa1-XN層21内のそれよりも著しく高く、また、AlXGa1-XN層21内の電子の密度がAlGaN層11内のそれよりも著しく高く、これらの間のヘテロ接合面でのキャリア密度の変化が極めて大きい。このため、ソース電極20sとドレイン電極20dとの間に電流が流れない。一方、ゲート電極20gに5Vの電圧が付与されると(オン時)、ゲート電極20gが生じる電界に電子が引き寄せられ、AlGaN層11及びAlXGa1-XN層21内の電子の密度が著しく高くなる。このため、ソース電極20sとドレイン電極20dとの間に電流が流れるようになる。
FIG. 10A (a) shows the relationship between the distance from the lower surface of the
図10A(b)は、ゲート電圧Vgと電流密度Idsとの関係を示す。図10A(b)に示すように、ノーマリーオフ動作が確認された。図10B(c)は、ゲート電圧Vgを0V〜5Vに変化させた場合のドレイン電圧Vdと電流密度Idsとの関係を示す。図10B(c)に示すように、オン動作時には適切な密度で電流が流れた。図10B(d)は、ゲート電圧Vgを0Vとしたときのドレイン電圧Vdと電流密度Idsとの関係を示す。図10B(d)に示すように、良好なダイオード特性が得られた。 FIG. 10A (b) shows the relationship between the gate voltage Vg and the current density Ids. As shown in FIG. 10A (b), a normally-off operation was confirmed. FIG. 10B (c) shows the relationship between the drain voltage Vd and the current density Ids when the gate voltage Vg is changed from 0V to 5V. As shown in FIG. 10B (c), current flowed at an appropriate density during the on-operation. FIG. 10B (d) shows the relationship between the drain voltage Vd and the current density Ids when the gate voltage Vg is 0V. As shown in FIG. 10B (d), good diode characteristics were obtained.
(第4の実施形態)
次に、第4の実施形態について説明する。図11は、第4の実施形態に係る半導体装置を示す図である。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described. FIG. 11 is a diagram illustrating a semiconductor device according to the fourth embodiment.
第4の実施形態では、図11(a)に示すように、AlGaN層11に代えて、厚さ方向でAl及びGaの割合が変化するn型のAlYGa1-YN層22が設けられている。図11(b)に示すように、AlYGa1-YN層22内では、GaN層12との界面におけるAlの割合は20原子%(X=0.2)である。そして、AlN層18に近づくほどAlの割合は曲線的に低くなっており、AlN層18との界面におけるAlの割合は0原子%である。他の構成は第2の実施形態と同様である。
In the fourth embodiment, as shown in FIG. 11A, an n-type Al Y Ga 1-Y N layer 22 in which the ratio of Al and Ga changes in the thickness direction is provided instead of the
このような第4の実施形態では、AlYGa1-YN層22の下部の組成がGaNに極めて近いため、第2の実施形態よりもオン抵抗が低くなる。従って、ダイオードの順方向電流が大きくなり、より高速でノイズの少ないスイッチング動作が可能となる。また、第2の実施形態と同様に、GaN基板37を用いることが可能であり、GaN基板37を用いた場合には、GaN基板37とAlYGa1-YN層22との間の格子整合が極めて良好なものとなる。このため、結晶の配向も極めて良好になり、より高い歩留まり及び信頼性を得ることができる。
In such a fourth embodiment, the composition of the lower part of the Al Y Ga 1-Y N layer 22 is very close to that of GaN, so the on-resistance is lower than in the second embodiment. Therefore, the forward current of the diode increases, and a switching operation with higher speed and less noise becomes possible. Similarly to the second embodiment, a
なお、図11(b)中の破線で示すように、AlYGa1-YN層22中のAl及びGaの割合が直線的に変化していてもよい。 Note that, as indicated by a broken line in FIG. 11B, the ratio of Al and Ga in the Al Y Ga 1-Y N layer 22 may change linearly.
AlYGa1-YN層22は、例えば、反応管140内に供給するTMA及びTMGの量を連続的又は段階的に変化させることにより形成することができる。 The Al Y Ga 1-Y N layer 22 can be formed, for example, by changing the amount of TMA and TMG supplied into the reaction tube 140 continuously or stepwise.
ここで、第4の実施形態について行ったシミュレーション及び実験について説明する。図12A及び図12Bに第4の実施形態について行った種々のシミュレーション及び実験の結果を示す。このシミュレーション及び実験は、図7に示す構造と同様に、GaN基板37が用いられ、AlN層18が省略された構造に基づいて行った。図12A(a)はシミュレーションの結果を示し、図12A(b)、図12B(c)及び図12B(d)は実測の結果を示す。
Here, simulations and experiments performed on the fourth embodiment will be described. 12A and 12B show the results of various simulations and experiments performed on the fourth embodiment. Similar to the structure shown in FIG. 7, the simulation and experiment were performed based on a structure in which the
図12A(a)は、AlYGa1-YN層22の下面からの距離と電子の密度との関係を示す。このシミュレーションでは、ソース電極20sを基準にしてドレイン電極20dに10Vの電圧を付与した。そして、ゲート電極20gに印加する電圧を0V(オフ)又は5V(オン)として電子の密度を算出した。図12A(a)に示すように、オフ時には、GaN層12内の電子の密度がAlYGa1-YN層22内のそれよりも著しく高く、これらの間のヘテロ接合面でのキャリア密度の変化が極めて大きい。このため、ソース電極20sとドレイン電極20dとの間に電流が流れない。一方、ゲート電極20gに5Vの電圧が付与されると(オン時)、ゲート電極20gが生じる電界に電子が引き寄せられ、AlYGa1-YN層22内の電子の密度が著しく高くなる。このため、ソース電極20sとドレイン電極20dとの間に電流が流れるようになる。
FIG. 12A (a) shows the relationship between the distance from the lower surface of the Al Y Ga 1-Y N layer 22 and the electron density. In this simulation, a voltage of 10 V was applied to the
図12A(b)は、ゲート電圧Vgと電流密度Idsとの関係を示す。図12A(b)に示すように、ノーマリーオフ動作が確認された。図12B(c)は、ゲート電圧Vgを0V〜5Vに変化させた場合のドレイン電圧Vdと電流密度Idsとの関係を示す。図12B(c)に示すように、オン動作時には適切な密度で電流が流れた。図12B(d)は、ゲート電圧Vgを0Vとしたときのドレイン電圧Vdと電流密度Idsとの関係を示す。図12B(d)に示すように、良好なダイオード特性が得られた。 FIG. 12A (b) shows the relationship between the gate voltage Vg and the current density Ids. As shown in FIG. 12A (b), a normally-off operation was confirmed. FIG. 12B (c) shows the relationship between the drain voltage Vd and the current density Ids when the gate voltage Vg is changed from 0V to 5V. As shown in FIG. 12B (c), current flowed at an appropriate density during the on-operation. FIG. 12B (d) shows the relationship between the drain voltage Vd and the current density Ids when the gate voltage Vg is 0V. As shown in FIG. 12B (d), good diode characteristics were obtained.
なお、いずれの実施形態においても、GaN層12の代わりに、Alの割合(Al原子及びGa原子の総量に対するAl原子の割合)がAlGaN層11よりも低いAlGaN層を用いてもよい。また、AlGaN層11及びGaN層12の代わりに、AlInGaN層を用いてもよい。この場合も、GaN層12の代わりに用いられるAlInGaN層のAlの割合は、AlGaN層11の代わりに用いられるAlInGaN層のAlの割合よりも低くする。
In any of the embodiments, instead of the
例えば、第1の半導体層1を構成する半導体のヘテロ接合面における組成がAlaInbGa1-a-bNが表わされ、第2の半導体層2を構成する半導体のヘテロ接合面における組成がAlcIndGa1-c-dNで表わされ、0≦c<a≦1、0≦b<1及び0≦d<1が満たされていればよい。
For example, the composition at the heterojunction surface of the semiconductor constituting the
また、AlN層18とAlGaN層11との間にn型のAlGaN層がバッファ層として形成されていてもよく、AlN層18の代わりにn型のAlGaN層がバッファ層として形成されていてもよい。更に、半導体層1、AlGaN層11、AlXGa1-XN層21、及びAlYGa1-YN層22等の導電型がp型でもよく、半導体層1、AlGaN層11、AlXGa1-XN層21、及びAlYGa1-YN層22等に不純物が導入されていなくてもよい。
Further, an n-type AlGaN layer may be formed as a buffer layer between the
また、いずれの実施形態においても、基板及び各層の材料、厚さ及び不純物濃度等は特に限定されない。例えば、基板として、導電性のSiC基板及びGaN基板の他に、導電性シリコン基板等を用いてもよい。なお、導電性のGaN基板を用いる場合には、その表面が無極性面となっているものを用いることが好ましい。無用な二次元電子ガスの発生を抑制するためである。 In any of the embodiments, the material, thickness, impurity concentration, and the like of the substrate and each layer are not particularly limited. For example, a conductive silicon substrate or the like may be used as the substrate in addition to the conductive SiC substrate and the GaN substrate. In addition, when using a conductive GaN substrate, it is preferable to use a surface having a nonpolar surface. This is to suppress generation of useless two-dimensional electron gas.
また、これらの半導体装置の用途は特に限定されず、サーバ及びパーソナルコンピュータの電源、並びに自動車等の部品として用いることができる。 The application of these semiconductor devices is not particularly limited, and can be used as a power source for servers and personal computers, and as parts for automobiles and the like.
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。 Hereinafter, various aspects of the present invention will be collectively described as supplementary notes.
(付記1)
第1の半導体層と、
前記第1の半導体層とヘテロ接合した第2の半導体層と、
前記第1の半導体層と前記第2の半導体層との間のヘテロ接合面の電位を制御するゲート電極と、
前記第1の半導体層に接続されたドレイン電極と、
前記第2の半導体層に接続されたソース電極と、
を有することを特徴とする半導体装置。
(Appendix 1)
A first semiconductor layer;
A second semiconductor layer heterojunction with the first semiconductor layer;
A gate electrode for controlling a potential of a heterojunction surface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer;
A drain electrode connected to the first semiconductor layer;
A source electrode connected to the second semiconductor layer;
A semiconductor device comprising:
(付記2)
前記第1の半導体層を構成する半導体の前記ヘテロ接合面における組成は、AlaInbGa1-a-bNで表わされ、
前記第2の半導体層を構成する半導体の前記ヘテロ接合面における組成は、AlcIndGa1-c-dNで表わされ、
0≦c<a≦1、0≦b<1及び0≦d<1の関係が成り立つことを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(Appendix 2)
The composition of the semiconductor constituting the first semiconductor layer at the heterojunction surface is represented by Al a In b Ga 1-ab N,
The composition of the semiconductor constituting the second semiconductor layer at the heterojunction surface is represented by Al c In d Ga 1 -cd N,
2. The semiconductor device according to
(付記3)
前記第1の半導体層を構成する半導体の前記ヘテロ接合面におけるバンドギャップは、前記第2の半導体層を構成する半導体の前記ヘテロ接合面におけるバンドギャップよりも大きいことを特徴とする付記1又は2に記載の半導体装置。
(Appendix 3)
The band gap at the heterojunction surface of the semiconductor constituting the first semiconductor layer is larger than the band gap at the heterojunction surface of the semiconductor constituting the second semiconductor layer. A semiconductor device according to 1.
(付記4)
前記第2の半導体層は、
前記ヘテロ接合面に接し、前記ヘテロ接合面から離間するほどバンドギャップが大きくなる第1の領域と、
前記第1の領域とヘテロ接合した第2の領域と、
を有し、
前記ゲート電極は、前記第1の領域と前記第2の領域との間のヘテロ接合面の電位も制御することを特徴とする付記3に記載の半導体装置。
(Appendix 4)
The second semiconductor layer includes
A first region in contact with the heterojunction surface and having a band gap that increases with distance from the heterojunction surface;
A second region heterojunction with the first region;
Have
The semiconductor device according to
(付記5)
前記第1の半導体層は、前記ヘテロ接合面に接し、前記ヘテロ接合面から離間するほどバンドギャップが小さくなる領域を有することを特徴とする付記3又は4に記載の半導体装置。
(Appendix 5)
The semiconductor device according to
(付記6)
少なくとも前記第2の半導体層に前記ヘテロ接合面まで到達する開口部が形成されており、
前記ゲート電極は、前記開口部内に設けられていることを特徴とする付記1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置。
(Appendix 6)
An opening reaching at least the second semiconductor layer to the heterojunction surface is formed,
The semiconductor device according to any one of
(付記7)
前記ゲート電極と前記ヘテロ接合面との間に設けられたゲート絶縁膜を有することを特徴とする付記6に記載の半導体装置。
(Appendix 7)
The semiconductor device according to
(付記8)
前記ゲート絶縁膜はシリコン窒化物を含むことを特徴とする付記7に記載の半導体装置。
(Appendix 8)
The semiconductor device according to appendix 7, wherein the gate insulating film includes silicon nitride.
(付記9)
互いにヘテロ接合する第1の半導体層及び第2の半導体層を形成する工程と、
前記第1の半導体層と前記第2の半導体層との間のヘテロ接合面の電位を制御するゲート電極を形成する工程と、
前記第1の半導体層に接続されるドレイン電極及び前記第2の半導体層に接続されるソース電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(Appendix 9)
Forming a first semiconductor layer and a second semiconductor layer that are heterojunction with each other;
Forming a gate electrode for controlling a potential of a heterojunction surface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer;
Forming a drain electrode connected to the first semiconductor layer and a source electrode connected to the second semiconductor layer;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
(付記10)
前記第1の半導体層を構成する半導体の前記ヘテロ接合面における組成は、AlaInbGa1-a-bNで表わされ、
前記第2の半導体層を構成する半導体の前記ヘテロ接合面における組成は、AlcIndGa1-c-dNで表わされ、
0≦c<a≦1、0≦b<1及び0≦d<1の関係が成り立つことを特徴とする付記9に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 10)
The composition of the semiconductor constituting the first semiconductor layer at the heterojunction surface is represented by Al a In b Ga 1-ab N,
The composition of the semiconductor constituting the second semiconductor layer at the heterojunction surface is represented by Al c In d Ga 1 -cd N,
The method for manufacturing a semiconductor device according to appendix 9, wherein the
1、2:半導体層
3:ゲート絶縁膜
10g:ゲート電極
10s:ソース電極
10d:ドレイン電極
11:AlGaN層
12:GaN層
13:ゲート絶縁膜
14:n+GaN層
21:AlXGa1-XN層
22:AlYGa1-YN層
37:GaN基板
1,2: Semiconductor layer 3: a gate insulating film 10 g:
Claims (6)
前記第1の半導体層とヘテロ接合した第2の半導体層と、
前記第1の半導体層と前記第2の半導体層との間のヘテロ接合面の電位を制御するゲート電極と、
前記第1の半導体層に接続されたドレイン電極と、
前記第2の半導体層に接続されたソース電極と、
を有し、
前記第1の半導体層は、前記ヘテロ接合面から離間するほど、連続的又は段階的にバンドギャップが小さくなる領域を含むことを特徴とする半導体装置。 A first semiconductor layer;
A second semiconductor layer heterojunction with the first semiconductor layer;
A gate electrode for controlling a potential of a heterojunction surface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer;
A drain electrode connected to the first semiconductor layer;
A source electrode connected to the second semiconductor layer;
I have a,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first semiconductor layer includes a region where the band gap decreases continuously or stepwise as the distance from the heterojunction surface increases .
前記第1の半導体層とヘテロ接合した第2の半導体層と、
前記第1の半導体層と前記第2の半導体層との間のヘテロ接合面の電位を制御するゲート電極と、
前記第1の半導体層に接続されたドレイン電極と、
前記第2の半導体層に接続されたソース電極と、
を有し、
前記第2の半導体層は、
前記ヘテロ接合面に接し、前記ヘテロ接合面から離間するほどバンドギャップが大きくなる第1の領域と、
前記第1の領域とヘテロ接合した第2の領域と、
を含み、
前記ゲート電極は、前記第1の領域と前記第2の領域との間のヘテロ接合面の電位も制御することを特徴とする半導体装置。 A first semiconductor layer;
A second semiconductor layer heterojunction with the first semiconductor layer;
A gate electrode for controlling a potential of a heterojunction surface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer;
A drain electrode connected to the first semiconductor layer;
A source electrode connected to the second semiconductor layer;
Have
The second semiconductor layer includes
A first region in contact with the heterojunction surface and having a band gap that increases with distance from the heterojunction surface;
A second region heterojunction with the first region;
Including
The gate electrode, the semi-conductor device you characterized by also controlling the potential of the heterojunction surface between the first region and the second region.
前記第2の半導体層を構成する半導体の前記ヘテロ接合面における組成は、AlcIndGa1-c-dNで表わされ、
0≦c<a≦1、0≦b<1及び0≦d<1の関係が成り立つことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。 The composition of the semiconductor constituting the first semiconductor layer at the heterojunction surface is represented by Al a In b Ga 1-ab N,
The composition of the semiconductor constituting the second semiconductor layer at the heterojunction surface is represented by Al c In d Ga 1 -cd N,
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein relationships of 0 ≦ c <a ≦ 1, 0 ≦ b <1, and 0 ≦ d <1 are satisfied.
前記第1の半導体層と前記第2の半導体層との間のヘテロ接合面の電位を制御するゲート電極を形成する工程と、
前記第1の半導体層に接続されるドレイン電極及び前記第2の半導体層に接続されるソース電極を形成する工程と、
前記第1の半導体層に、前記ヘテロ接合面から離間するほど、連続的又は段階的にバンドギャップが小さくなる領域を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a first semiconductor layer and a second semiconductor layer that are heterojunction with each other;
Forming a gate electrode for controlling a potential of a heterojunction surface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer;
Forming a drain electrode connected to the first semiconductor layer and a source electrode connected to the second semiconductor layer;
Forming a region in the first semiconductor layer in which the band gap decreases continuously or stepwise as the distance from the heterojunction surface increases.
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記第1の半導体層に接続されるドレイン電極及び前記第2の半導体層に接続されるソース電極を形成する工程と、Forming a drain electrode connected to the first semiconductor layer and a source electrode connected to the second semiconductor layer;
前記第1の半導体層と前記第2の半導体層との間のヘテロ接合面から離間するほどバンドギャップが大きくなる第1の領域と、前記第1の領域とヘテロ接合した第2の領域とを、前記第2の半導体層に形成する工程と、A first region in which a band gap increases as the distance from the heterojunction surface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer increases; and a second region heterojunction with the first region Forming on the second semiconductor layer;
前記第1の半導体層と前記第2の半導体層との間のヘテロ接合面の電位と、前記第1の領域と前記第2の領域との間のヘテロ接合面の電位とを制御するゲート電極を形成する工程と、A gate electrode for controlling a potential of a heterojunction surface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer and a potential of a heterojunction surface between the first region and the second region Forming a step;
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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