JP6444718B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明の別の実施形態によれば、ダイヤモンドを含むn形半導体層と、第1電極と、前記n形半導体層と前記第1電極との間に設けられAl x Ga 1−x N(0≦x≦1)を含むn形の窒化物半導体層と、を含む半導体装置が提供される。前記窒化物半導体層は、前記n形半導体層から前記第1電極に向かう第1方向において交互に並ぶ複数のGaN層と複数のAl x Ga 1−x N(0<x≦1)層とを含む第2構造体を含む。
本発明の別の実施形態によれば、ダイヤモンドを含むn形半導体層と、第1電極と、前記n形半導体層と前記第1電極との間に設けられAl x Ga 1−x N(0≦x≦1)を含むn形の窒化物半導体層と、を含む半導体装置が提供される。前記窒化物半導体層は、前記n形半導体層から前記第1電極に向かう第1方向において交互に並ぶ複数のAl x Ga 1−x N(0<x≦1)層と複数のAl y Ga 1−y N(0≦y<x)層とを含む第3構造体を含む。
本発明の別の実施形態によれば、ダイヤモンドを含むn形半導体層と、第1電極と、前記n形半導体層と前記第1電極との間に設けられAl x Ga 1−x N(0≦x≦1)を含むn形の窒化物半導体層と、を含む半導体装置が提供される。前記窒化物半導体層は、Al x Ga 1−x N(0<x≦1)を含む第1領域と、Al y Ga 1−y N(0≦y<x)を含む第2領域と、を含む。前記第1領域は、前記第2領域と前記n形半導体層との間に設けられる。
本発明の別の実施形態によれば、ダイヤモンドを含むn形半導体層と、第1電極と、前記n形半導体層と前記第1電極との間に設けられAl x Ga 1−x N(0≦x≦1)を含むn形の窒化物半導体層と、ダイヤモンドを含む第1p形半導体層と、を含む半導体装置が提供される。前記n形半導体層は、前記第1電極と前記第1p形半導体層との間に位置する。
本発明の別の実施形態によれば、ダイヤモンドを含むn形半導体層と、第1電極と、前記n形半導体層と前記第1電極との間に設けられAl x Ga 1−x N(0≦x≦1)を含むn形の窒化物半導体層と、を含む半導体装置が提供される。前記窒化物半導体層は、前記n形半導体層から前記第1電極へ向かう第1方向に対して垂直な平面と交差する第1側面を有する。前記n形半導体層は、前記平面と交差する第2側面を有する。前記第2側面は、前記第1側面を含む平面に沿う。
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及び図2は、第1の実施形態に係る半導体装置を例示する模式的断面図である。
図1に表したように、半導体装置110は、n形半導体層11と、第1電極40と、窒化物半導体層30と、を含む。この例では、半導体装置110は、さらに、第2電極50と、p形半導体層12と、中間半導体層13と、絶縁層60と、を含む。
半導体装置110は、半導体層としてダイヤモンドを用いたpinダイオードである。
例えば、窒化物半導体層30は、積層方向において交互に並ぶ複数のAlxGa1−xN(0≦x<1)層30xと複数のAlN層30aとを含む第1構造体B1、積層方向において交互に並ぶ複数のAlxGa1−xN(0<x≦1)層30xと複数のGaN層30gとを含む第2構造体B2、および、積層方向において交互に並ぶ複数のAlxGa1−xN(0<x≦1)層30xと複数のAlyGa1−yN(0≦y<x)層30yとを含む第3構造体B3、の少なくともいずれかを含む。なお、実施形態において、Al組成比(混晶比)x及びAl組成比yは、積層方向に沿って変化していてもよい。
すなわち、窒化物半導体層30は第1側面30sを有し、n形半導体層11は第2側面11sを有し、中間半導体層13は、第3側面13sを有する。これらの側面は、それぞれX−Y平面に対して交差する面である。第2側面11sは第1側面30sと連続し、第3側面13sは第2側面11sと連続している。例えば、第2側面11sおよび第3側面13sは、第1側面30sを含む平面に沿っている。
第1電極40は、第1部分41と連続した第2部分42をさらに含む。第2部分42は、絶縁層60の上に設けられた部分であり、X−Y平面に投影したときに、第1部分41の周りに設けられる。絶縁層60は、第2部分42と上面30uとの間の第1の位置、第2部分42と第1側面30sとの間の第2の位置、および、第2部分42と第2側面11sとの間の第3の位置、に配置された部分を含む。第2部分42は、コンタクト部分に周りに設けられるパッド部分を含む。なお、第2部分42は、省略されても良い。
図3(a)〜図3(e)は、第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
図3(a)に示すように、p形半導体層12(Bドープp形ダイヤモンド基板)上に、中間半導体層13となるアンドープ真性半導体ダイヤモンド層13fを形成し、その上に、n形半導体層11となるPドープn形ダイヤモンド層11fをエピタキシャル成長させる。これらの層の形成には、例えば、マイクロ波プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法が用いられる。
Siドープn形AlGaN層30fの成長には、例えば、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法が用いられる。AlxGa1−xN(0≦x≦1)の単結晶または多結晶は、MOCVD法やMBE(Molecular Beam Epitaxy)法などにより、比較的容易にダイヤモンド上に成長させることができる。
図4は、n形半導体層11、窒化物半導体層30、および第1電極40の、熱平衡状態における模式的なバンド状態を例示している。
図4に示したように、ダイヤモンドを含むn形半導体層11におけるバンドギャップは、5.5eV程度である。ダイヤモンド中のPドナーの活性化エネルギーは、0.6eV程度である。
ダイヤモンド中のキャリアは、高い移動度を有する。例えば、電子移動度は、4500cm2/Vsec程度であり、ホール移動度は、3800cm2/Vsec程度である。
ダイヤモンドにおける破壊電界強度は高く、10MV/cmが期待される。ダイヤモンドは、高温でも動作可能なパワーデバイス、高周波(パワー)デバイス、紫外光デバイス、または、電子放出源等への応用が期待される。パワーデバイスの性能指数(バリガ指数)の比較からわかるように、ダイヤモンドは、SiC及びGaNに比べて、パワーデバイスの性能を大きく向上させると期待される。
また、pn接合に逆方向バイアスが印加された場合においては、ダイヤモンド中に空乏化が生じる。これにより、電極端では、電界が緩和し、耐圧を向上させることができる。
図5および図6は、第2の実施形態に係る半導体装置を例示する模式的断面図である。 図5に表した半導体装置120においては、窒化物半導体層30は、第1領域31と、第2領域32と、を含む。これ以外については、半導体装置120には、半導体装置110についての説明と同様の説明を適用することができる。
第1領域31は、超格子構造を有していてもよい。例えば、第1領域31は、積層方向に沿って交互に並ぶ、複数のAlN層30aと、複数のAlxGa1−xN(0<x≦1)層30xと、を含む(図6を参照)。この場合には、第1領域31における平均Al組成比は、例えば、0.7以上0.9以下である。
なお、実施形態においては、Al組成比xおよびAl組成比yは、積層方向に沿って変化していてもよい。
図7(a)〜図7(e)は、第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
図7(a)に示すように、p形半導体層12(Bドープp形ダイヤモンド基板)上に、中間半導体層13となるアンドープ真性半導体ダイヤモンド層13fを形成し、その上に、n形半導体層11となるPドープn形ダイヤモンド層11fをエピタキシャル成長させる。これらの層の形成には、例えば、マイクロ波プラズマCVD法が用いられる。
図8は、第3の実施形態に係る半導体装置を例示する模式的断面図である。
図8に表したように、本実施形態に係る半導体装置130は、p形半導体層12と、中間半導体層13と、n形半導体層11と、窒化物半導体層30と、第1電極40と、絶縁層60と、を含む。これらには、第1の実施形態における説明と同様の説明を適用することができる。半導体装置130は、さらに、第2p形半導体層14と、第3電極70と、を含む。半導体装置130は、半導体層としてダイヤモンドを用いた、バイポーラジャンクショントランジスタ(BJT)である。
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 (18)
- ダイヤモンドを含むn形半導体層と、
第1電極と、
前記n形半導体層と前記第1電極との間に設けられAlxGa1−xN(0≦x≦1)を含むn形の窒化物半導体層と、
を備え、
前記窒化物半導体層は、前記n形半導体層から前記第1電極に向かう第1方向において交互に並ぶ複数のAl x Ga 1−x N(0≦x<1)層と複数のAlN層とを含む第1構造体を含む、半導体装置。 - ダイヤモンドを含むn形半導体層と、
第1電極と、
前記n形半導体層と前記第1電極との間に設けられAl x Ga 1−x N(0≦x≦1)を含むn形の窒化物半導体層と、
を備え、
前記窒化物半導体層は、前記n形半導体層から前記第1電極に向かう第1方向において交互に並ぶ複数のGaN層と複数のAlxGa1−xN(0<x≦1)層とを含む第2構造体を含む、半導体装置。 - 前記xは、0.7以上0.9以下である請求項1または2に記載の半導体装置。
- ダイヤモンドを含むn形半導体層と、
第1電極と、
前記n形半導体層と前記第1電極との間に設けられAl x Ga 1−x N(0≦x≦1)を含むn形の窒化物半導体層と、
を備え、
前記窒化物半導体層は、前記n形半導体層から前記第1電極に向かう第1方向において交互に並ぶ複数のAlxGa1−xN(0<x≦1)層と複数のAlyGa1−yN(0≦y<x)層とを含む第3構造体を含む、半導体装置。 - ダイヤモンドを含むn形半導体層と、
第1電極と、
前記n形半導体層と前記第1電極との間に設けられAl x Ga 1−x N(0≦x≦1)を含むn形の窒化物半導体層と、
を備え、
前記窒化物半導体層は、AlxGa1−xN(0<x≦1)を含む第1領域と、AlyGa1−yN(0≦y<x)を含む第2領域と、を含み、
前記第1領域は、前記第2領域と前記n形半導体層との間に設けられる、半導体装置。 - 前記xは、0.7以上0.9以下であり、
前記yは、0.4以上0.6以下である請求項5記載の半導体装置。 - 前記第1領域は、前記n形半導体層から前記第1電極に向かう第1方向において交互に並ぶ複数のAlN層と複数のAlxGa1−xN(0<x≦1)層とを含み、
前記第2領域は、前記第1方向において交互に並ぶ複数のGaN層と複数のAlyGa1−yN(0≦y<x)層とを含み、
前記第1領域の厚さをt1(ナノメートル)とし、前記第2領域の厚さをt2(ナノメートル)とし、前記複数のAlN層の厚さの合計をta(ナノメートル)とし、前記複数のAlxGa1−xN(0<x≦1)層の厚さの合計をtx(ナノメートル)とし、前記複数のAlyGa1−yN(0≦y<x)層の厚さの合計をty(ナノメートル)とし、前記第1領域における平均Al組成比を(ta+x×tx)/t1とし、前記第2領域における平均Al組成比を(y×ty)/t2としたときに、
前記第1領域における前記平均Al組成比は、前記第2領域における前記平均Al組成比よりも高い請求項5または6に記載の半導体装置。 - 前記第1領域における前記平均Al組成比は、0.7以上0.9以下であり、
前記第2領域における前記平均Al組成比は、0.4以上0.6以下である請求項7記載の半導体装置。 - 前記第1電極は、Ti、Mo、Ta、Zr及びHfの少なくともいずれかを含む、請求項1〜8のいずれか1つに記載の半導体装置。
- ダイヤモンドを含むn形半導体層と、
第1電極と、
前記n形半導体層と前記第1電極との間に設けられAl x Ga 1−x N(0≦x≦1)を含むn形の窒化物半導体層と、
ダイヤモンドを含む第1p形半導体層と、
を備え、
前記n形半導体層は、前記第1電極と前記第1p形半導体層との間に位置する、半導体装置。 - 前記第1p形半導体層と電気的に接続された第2電極をさらに備えた請求項10記載の半導体装置。
- 前記n形半導体層と前記第1p形半導体層との間に設けられ、ダイヤモンドを含む中間半導体層をさらに備え、
前記中間半導体層における不純物濃度は、前記n形半導体層における不純物濃度よりも低く、前記第1p形半導体層における不純物濃度よりも低い請求項10または11に記載の半導体装置。 - ダイヤモンドを含む第2p形半導体層をさらに備え、
前記n形半導体層は、前記第1p形半導体層と、前記第2p形半導体層と、の間に設けられた部分を含む請求項10〜12のいずれか1つに記載の半導体装置。 - 前記第2p形半導体層は、前記n形半導体層から前記第1電極へ向かう第1方向と交差する方向において、前記窒化物半導体層と並ぶ請求項13記載の半導体装置。
- 前記第2p形半導体層と電気的に接続された第3電極をさらに含む請求項14記載の半導体装置。
- ダイヤモンドを含むn形半導体層と、
第1電極と、
前記n形半導体層と前記第1電極との間に設けられAl x Ga 1−x N(0≦x≦1)を含むn形の窒化物半導体層と、
を備え、
前記窒化物半導体層は、前記n形半導体層から前記第1電極へ向かう第1方向に対して垂直な平面と交差する第1側面を有し、
前記n形半導体層は、前記平面と交差する第2側面を有し、
前記第2側面は、前記第1側面を含む平面に沿う、半導体装置。 - 絶縁層をさらに備え、
前記窒化物半導体層は、前記n形半導体層と接する第1面と、前記第1電極と接する第2面と、をさらに含み、
前記絶縁層は、前記第2面の一部、前記第1側面、及び、前記第2側面と接する請求項16記載の半導体装置。 - 前記絶縁層は、前記第1電極と前記第2面との間の第1の位置、前記第1電極と前記第1側面との間の第2の位置、及び、前記第1電極と前記第2側面との間の第3の位置、の少なくともいずれかに配置された部分を含む請求項17記載の半導体装置。
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