JP5701721B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

実施形態は、半導体装置に関する。

窒化物半導体はワイドバンドギャップ半導体であると言う特徴がある。ワイドギャップ半導体は一般に高耐圧・低抵抗という特徴がある。そのため、窒化物半導体は次世代のパワーエレクトロニクス用の素子として注目を浴びている。パワーエレクトロニクス用の素子としてはＦＥＴやダイオードが代表的であり、窒化物半導体もＦＥＴやダイオードの開発が盛んに行われている。

窒化物半導体の一形態としてヘテロ接合を利用したものがある。ＧａＮ上にＡｌＧａＮやＩｎＡｌＮなどの層を形成すると、ＧａＮとＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＮの界面に２次元電子ガス（以下、２ＤＥＧ）と呼ばれる電子チャネルが出来る。この２ＤＥＧは高い電子移動度であるため、低抵抗・高速動作が可能な素子を作ることが出来る。そのため窒化物半導体ではヘテロ構造持つパワーデバイスを作ることが多い。

ダイオードの一形態であるショットキーバリアダイオードは多数キャリアの電子のみがキャリアであるため高速性に優れ、ダイオードのオン電圧が一般的に小さいといわれている。ショットキー接合は半導体にショットキー金属を接触させてショットキー障壁を形成することにより整流動作を実現する。ただし、Ｓｉのショットキーバリアダイオードは耐圧が小さいが、ワイドギャップ半導体でショットキーバリアダイオードを製造した場合は、その物性から高耐圧なものを作ることが出来る。ただし、ワイドギャップ半導体のショットキー障壁はＳｉのショットキー障壁よりも高くなることが多く、例えば、オン電圧は約１Ｖと高くなってしまう。オン電圧が高いことは、ダイオードに電流が流れる際の導通損失が多いことを意味するので、ショットキーバリアダイオードの場合は、オン電圧が小さい方がよい。一方、オン電圧を下げるために仕事関数が小さな金属をショットキー金属として選んだ場合、オン電圧は下げることが出来るが、リーク電流は大きく増えてしまう。

特開２００７−１８０４５４号公報

そこで、実施形態は、リーク電流の少ないダイオードを提供することを目的とする。

実施形態の半導体装置は、ノンドープ、ｎ型又はｐ型のいずれかのＧａＮからなる第１の半導体層と、第１の半導体層の同一面上に、Ａｌ _Ｘ Ｇａ _１−Ｘ Ｎ（０＜ｘ＜１）またはＩｎ _ｙ Ａｌ _１−ｙ Ｎ（０≦ｙ≦１）からなる第１の電子誘起領域、絶縁膜とアノード電極と、第１の電子誘起領域上にカソード電極を備え、第１の電子誘起領域、絶縁膜とアノード電極は第１の半導体層と接合し、絶縁膜は第１の電子誘起領域とアノード電極の間で、第１の半導体層と接合し、アノード電極と第１の半導体層との接合はオーミック接合であり、カソード電極と第１の電子誘起領域との接合はオーミック接合であることを特徴とする。

図１は、ヘテロ接合を持つ窒化物半導体のエネルギー状態の模式図である。 図２は、実施形態にかかる半導体装置を示した模式図である。 図３は、実施形態にかかる半導体装置を示した模式図である。 図４は、実施形態にかかる半導体装置を示した模式図である。 図５は、ドーピング濃度によるオン電圧の制御をシミュレーションした図である。 図６は、実施形態にかかる半導体装置を示した模式図である。 図７は、実施形態にかかる半導体装置を示した模式図である。 図８は、実施形態にかかる半導体装置を示した模式図である。 図９は、実施形態にかかる半導体装置を示した模式図である。

次に、実施形態の半導体装置を、添付の図面を用いて説明する。
（第１の実施形態）
図１はヘテロ接合をもつ窒化物半導体のエネルギー状態を表した模式図である。電子誘起領域１とキャリア走行層２をヘテロ接合することにより、電子誘起領域１とキャリア走行層２の界面にフェルミレベルよりもエネルギー準位が低い平面状に分布する量子的な井戸ができる。この井戸はフェルミレベルよりも低いエネルギー準位であるために、電子によるチャネルが形成される。このチャネルを２次元電子ガスと言い、この二次元電子ガスにある電子は移動度が非常に高い。ヘテロ接合を持つ窒化物半導体はこの２次元電子ガスをチャネルとして用いる。

図２は実施形態の半導体装置を模式的に表した模式図である。実施形態の半導体装置は、キャリア走行層２（第１の半導体層）上に第１の電子誘起領域１（第１の半導体領域）、アノード電極４と絶縁膜５が形成され、第１の電子誘起領域１上にはカソード電極７が形成されている。第１の電子誘起領域１を化学的、あるいは表面の幾何形状的に安定させるために、第１の電子誘起領域１上にはパッシベーション膜６が形成されていてもよい。第１の電子誘起領域１直下のキャリア走行層２の点線の近傍の領域には、二次元電子ガス３が存在する。絶縁膜５は、キャリア走行層２上のアノード電極と第１の電子誘起領域の間に形成されているため、半導体装置をオフすることができる。

実施形態の半導体装置では、アノード電極４直下の第１の電子誘起領域１を完全に取り除かれている。絶縁膜５は、アノード電極４と第１の電子誘起領域１の間でキャリア走行層２と接合する領域に少なくとも形成されている。そのため、絶縁膜５がキャリア走行層２と接合する領域があるために２次元電子ガス３も存在せず、代わりに空乏層が存在する。

アノード電極４直下の第１の電子誘起領域１を完全に取り除くことによって、キャリア走行層２上に形成される絶縁膜５の領域を形成することができることは、第１の電子誘起領域１をある設計値通りに一部だけ残す方法に比べ、リセスの掘り込み制御が容易となる特徴である。絶縁膜５にはＳｉＯ_２、ＳｉＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＢａＴｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、ＬｉＴａＯ_３、ＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２などを用いることができる。電子誘起領域１には典型的にはＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０＜ｘ≦１）またはＩｎ_ｙＡｌ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）を用いる。キャリア走行層２には典型的にはノンドープのＧａＮを用いる。アノード電極４とカソード電極７はオーミック接合している。アノード電極４とカソード電極７は共にオーミック接合でよいので、どちらも同じ金属を用いることが出来るため、製造工程を削減できる。アノード電極にショットキー性の金属を形成する方法、すなわち一般的なショットキーバリアダイオードを形成する方法では、アノード電極とカソード電極に用いる金属が異なるため、製造工程が増えることとなる。

ここで、アノード電極４にカソード電極７よりも小さな電位、すなわち逆バイアスを印加したとする。このとき、絶縁膜５とキャリア走行層２の界面に存在した空乏層がカソード電極７に伸びてゆく。このため、逆バイアスを印加しても空乏層と元々絶縁膜５の直下にチャネルが存在しないためにリーク電流は非常に小さくなる。次に、アノード電極４にカソード電極７よりも高い電位、すなわち順バイアスを印加したとする。アノード電極４に正バイアスが印加されると絶縁膜５の直下のエネルギー状態が押し下げられるため、反転層が形成され電子のチャネルが形成される。このため、アノード電極４が２次元電子ガスに電気的に接触するためにダイオードがオン状態になり、電流が流れる。窒化物半導体においては反転層が形成される電圧が０Ｖに近いために、オン電圧も０Ｖ付近となり低オン電圧のダイオードを提供できる。

なお、図１の模式図のように、第１の電子誘起領域１上に前記絶縁膜が形成され、前記第１の電子誘起領域１上の前記絶縁膜５が形成された領域上に前記アノード電極を備える形態であれば、半導体装置の耐圧が高くなることが好ましい。

また、実施形態においてはＦＥＴをダイオードとして用いる方法、すなわちＦＥＴのゲートとソースを短絡させることによりダイオード動作を実現する方法にくらべ、ゲートとソース間の物理的な寸法が無いため寄生容量を小さく出来る。

（第２の実施形態）
図３は第２の実施形態の半導体装置を示した模式図であり、アノード電極４は、第２の電子誘起領域８を介して前記キャリア走行層と接合している。アノード電極４が第２の電子誘起領域８（第２の半導体領域）を介してキャリア走行層３にオーミック接合している点が第１の実施形態と異なる点である。第２の電子誘起領域８は、第１の電子誘起領域１を一部取り除く際に、第２の電子誘起領域８が残るようにして形成してもよいし、第２の電子誘起領域８を新たな工程によって形成してもよい。製造プロセスの簡便化及びコストの観点から、前者の工程によって、第２の電子誘起領域８が形成されることが好ましい。第２の電子誘起領域８は、アノード電極４とキャリア走行層との間に形成されている。絶縁膜５とキャリア走行層２の界面に電子のチャネルがない点は第１の実施形態と同様であるが、アノード電極４と接触している第２の電子誘起領域８の直下の点線の近傍の領域には２次元電子ガスが存在している。この２次元電子ガス３がアノード電極４により良好なオーミック接合を可能にすることによりダイオードのオン抵抗を低減できる。

（第３の実施形態）
図４は第３の実施形態の半導体装置を示した模式図である。電子走行層２にｐ型のＧａＮを用いている点が第１の実施形態と異なる点である。ｐ型のＧａＮを電子走行層２に用いることによってキャリア走行層２の絶縁膜５の直下のエネルギー状態が持ち上げられ、オン電圧が高くなる。ｐ型とするためには、ＧａＮ層にＣやＭｇ等の不純物を例えば、１×１０^１５以上１×１０^１８以下含ませることが挙げられる。

ｐ型不純物のドープによりオン電圧を意図的に高くすることによって、順バイアスを印加することによりオン電圧相当の定電圧を得ることも出来る。これは、ツェナーダイオードと等価であり、ツェナーダイオードを提供すくことが難しい窒化物半導体で、ツェナーダイオードに相当するものを提供できる利点もある。

（第３の実施形態の変形例）
第３の実施形態の変形例の半導体装置は、キャリア走行層２にｎ型ＧａＮを用いていることが、第３の実施形態と異なる点である。この形態であれば第３の実施形態とは逆にオン電圧は下げることができる。第３の実施形態及びこの変形例の構成を採用することで、ダイオードのオン電圧を容易に制御することが出来る。図５はｎ型不純物のドーピング濃度によってオン電圧を制御することを示した図である。ｎ型の不純物としては、例えば、Ｓｉ等を１×１０^１５以上１×１０^１８以下キャリア走行層２に含ませることができる。

三角形のプロットは、ｎ型不純物濃度が２×１０^１６のデータであり、四角形のプロットは、ｎ型不純物濃度が１×１０^１６のデータである。図５は横軸にダイオードに印加する順方向の電圧（Ｖ）をとり、縦軸に絶縁膜５の直下のキャリア走行層２に存在するシート電子密度（ｃｍ^−２）をとったものである。この図５から順方向電圧を印加してゆけば、絶縁膜５の直下のキャリア走行層２の直下に電子が存在するようになることが分かる。これは反転層が形成されていることを意味し、ダイオードが導通状態になっていることを意味する。ある印加電圧における電子密度をシミュレーションし、その外挿線を引いたときの電子密度が０になる電圧はダイオードのオン電圧といえる。ｎ型不純物の濃度が１×１０^１６のときオン電圧は１．７８Ｖであるが、ｎ型不純物の濃度を２×１０^１６とすればオン電圧は０．４５Ｖと低くなり、不純物濃度によってオン電圧が制御できることが分かる。

（第４の実施形態）
図６は第４の実施形態の半導体装置を示した模式図であり、キャリア走行層２の第１の電子誘起領域１が形成された面とは反対側の面（図６における、キャリア走行層の下側の面）に、ｎ型又はｐ型のＧａＮからなる第２の半導体層（オン電圧制御層９）が形成されている。模式図は電子走行層にｐ型ＧａＮを用いている。このオン電圧制御層９によっても第３の実施形態のようにオン電圧を制御することが出来る。オン電圧制御層９にｐ型のＧａＮを用いれば、オン電圧は増えて、ｎ型ＧａＮを用いれば、オン電圧は下がる。オン電圧を意図的に高くすることによって、順バイアスを印加することによりオン電圧相当の低電圧を得ることも出来る。実施形態の半導体装置は、ツェナーダイオードと等価の機能を有することができる。ツェナーダイオードを提供することが難しいとされていた窒化物半導体で、ツェナーダイオードに相当するものを提供できる利点も実施形態の半導体装置にはある。

（第５の実施形態）
図７は第５の実施形態の半導体装置を示した模式図である。電子走行層３の下にオン電圧制御層９としてＡｌ_αＧａ_１−αＮ（０＜α≦１）又はＩｎ_βＡｌ_１−βＮ（０≦β≦１）を用いたものである。オン電圧制御層９にＡｌ_αＧａ_１−αＮ（０＜α≦１）又はＩｎ_βＡｌ_１−βＮ（０≦β≦１）を用いることにより、キャリア走行層２の絶縁膜５の直下のエネルギー状態が持ち上げられ、オン電圧が高くなる。このようにしてダイオードのオン電圧を制御することが出来る。オン電圧を意図的に高くすることによって、順バイアスを印加することによりオン電圧相当の低電圧を得ることも出来る。これは、ツェナーダイオードと等価であり、ツェナーダイオードを提供すくことが難しい窒化物半導体で、ツェナーダイオードに相当するものを提供できる利点もある。

（第６の実施形態）
図８は第６の実施形態の半導体装置を示した模式図である。絶縁膜５がカソード電極７まで形成されている点が第１の実施形態と異なる点である。製造上の都合等によっては第６の実施形態のように絶縁膜５がアノード電極４辺縁部のみでなくても良い。

（第７の実施形態）
図９は第７の実施形態を示した模式図であり、アノード電極４直下の前記キャリア走行層にｎ型の第３の半導体領域１０が形成された点が実施形態１と異なる。第３の半導体領域１０は例えば、イオン注入によって形成された領域である。イオン注入するドナーとしては、Ｓｉ等が例えば挙げられる。アノード電極４がオーミック接合する部分にｎ型の電子走行層（イオン注入領域１０）を設けることによりオーミック接合が良好になりダイオードのオン抵抗を低減することが出来る。ドナーとなる不純物は１×１０^１７ｃｍ^−３から１×１０^２０ｃｍ^−３とするとオーミック接合が良好である。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態そのままに限定解釈されるものではない。実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。実施形態では半導体装置の例を示し、発明を説明したが、他の構成の炭化珪素半導体装置に本発明を適用することができる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成することができる。例えば、変形例の様に異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。

１・・・電子誘起領域
２・・・キャリア走行層
３・・・２次元電子ガス
４・・・アノード電極
５・・・絶縁膜
６・・・パシベーション膜
７・・・カソード電極
８・・・第２の電子誘起領域
９・・・オン電圧制御層
１０・・・ｎ型イオン注入領域

Claims (5)

1. ノンドープ、ｎ型又はｐ型のいずれかのＧａＮからなる第１の半導体層と、
   前記第１の半導体層の同一面上に、Ａｌ _Ｘ Ｇａ _１−Ｘ Ｎ（０＜ｘ＜１）またはＩｎ _ｙ Ａｌ _１−ｙ Ｎ（０≦ｙ≦１）からなる第１の電子誘起領域、絶縁膜とアノード電極と、
   前記第１の電子誘起領域上にカソード電極を備え、
   前記第１の電子誘起領域、前記絶縁膜と前記アノード電極は前記第１の半導体層と接合し、
   前記絶縁膜は前記第１の電子誘起領域と前記アノード電極の間で、前記第１の半導体層と接合し、
   前記アノード電極と前記第１の半導体層との接合はオーミック接合であり、
   前記カソード電極と前記第１の電子誘起領域との接合はオーミック接合であることを特徴とする半導体装置。
2. 前記アノード電極は、第２の半導体領域を介して前記第１の半導体層と接合していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第1の半導体層の前記同一面とは反対側の面上に、ｎ型又はｐ型のＧａＮ、又はＡｌ_αＧａ_１−αＮ（０＜α＜１）又はＩｎ_βＡｌ_１−βＮ（０＜β＜１）からなる第２の半導体層が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記アノード電極直下の前記第１の半導体層にｎ型の第３の半導体領域があることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記第１の電子誘起領域上に前記絶縁膜が形成され、前記第１の電子誘起領域上の前記絶縁膜が形成された領域上に前記アノード電極を備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の半導体装置。