JP7458199B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚さと幅との関係、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。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。
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は、第1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に示すように、実施形態に係る半導体装置110は、第1電極51、第2電極52、第3電極53、第1半導体領域11、第2半導体領域12、第3半導体領域13、第4半導体領域14及び絶縁部40を含む。この例では、半導体装置110は、基体17及び半導体領域18を含む。
図2に示すように、第1絶縁領域i1の第1方向(X軸方向)に沿う長さを長さL1とする。第1部分p1の第2方向(Z軸方向)に沿う長さを長さt14とする。長さt14は、例えば、第4半導体領域14の厚さに対応する。例えば、長さL1は、長さt14よりも長い。長さt14は、長さL1よりも短い。第3絶縁領域i3と第1部分p1とが互いに対向する領域の長さが短くなる。オン抵抗の上昇が抑制しつつ、しきい値電圧を高くできる。
図3は、半導体装置の特性を例示するグラフ図である。
図3は、以下の第1試料SP1及び第2試料SP2のキャリア移動度の測定結果を例示している。第1試料SP1においては、第3電極53(ゲート電極)の下の第1絶縁領域i1の下に、i-GaNが設けられる。第2試料SP2においては、第3電極53(ゲート電極)の下の第1絶縁領域i1の下に、p形GaNが設けられる。図3の縦軸は、キャリア移動度μc(cm2/Vs)である。
図4は、以下の第3試料SP3及び第4試料SP4のしきい値特性を例示している。第3試料SP3においては、p形の第1部分p1及び第2部分p2が設けられる。第3試料SP3は、実施形態に係る半導体装置110に対応する。第4試料SP4においては、p形の第1部分p1及び第2部分p2が設けられない。図4の横軸は、ゲート電圧Vg(V)である。ゲート電圧Vgは、第3電極53に印加される電圧に対応する。図4の縦軸は、ドレイン電流Id(A)である。ドレイン電流Idは、第1電極51と第2電極52との間に流れる電流である。
図5(a)及び図5(b)は、半導体装置の特性を例示するグラフ図である。
この例では、AlGaNの第1膜41が設けられる場合の特性が例示されている。これらの図においては、第1膜41の第3膜部分fp3と、第1部分p1と、の界面におけるバンド特性が例示されている。第3膜部分fp3がAlGaNに対応する。図5(a)においては、第3膜部分fp3に対応するAlGaNと、第1部分p1と、が互いに接する面(界面)が、m面である。図5(b)においては、第3膜部分fp3に対応するAlGaNと、第1部分p1と、が互いに接する面(界面)が、c面である。これらの図には、価電子帯のエネルギーEv、伝導帯のエネルギーEc、及び、フェルミエネルギーEfが示されている。
図6は、半導体装置110の構成において、第3半導体領域13の厚さ(長さt13)を変えたときの、キャリア領域10Eのシート抵抗を例示している。図6の横軸は、長さt13(nm)である。縦軸は、シート抵抗Rs(Ω/□)である。第4半導体領域14が設けられないときのシート抵抗Rsは、約530Ω/□である。
図7は、第4半導体領域14における第1元素の濃度を変えたときの、キャリア領域10Eのシート抵抗Rsを例示している。第1元素は、Mgである。図7の横軸は、第4半導体領域14におけるMgの濃度CMg(×1017cm-3)である。縦軸は、シート抵抗Rs(Ω/□)である。既に説明したように、第4半導体領域14が設けられないときのシート抵抗Rsは、約530Ω/□である。図7において、第4半導体領域14の厚さ(長さt14)は、200nmである。
図8に示すように、半導体装置110において、第1絶縁領域i1は、第3部分領域r3に対向する第1面F1を含む。第3絶縁領域i3は、第8部分領域r8に対向する第2面F2を含む。第1面F1と第2面F2との間の角度を角度θ1とする。半導体装置110においては、θ1は、95度を超え120度以下である。第3絶縁領域i3の第2面F2は、例えば、順テーパ面である。このような順テーパ面を採用することで、端部への局所的な電界集中を緩和できる。高い信頼性が得られやすくなる。
図9及び図10に示すように、実施形態に係る半導体装置111及び112も、第1電極51、第2電極52、第3電極53、第1半導体領域11、第2半導体領域12、第3半導体領域13、第4半導体領域14及び絶縁部40を含む。半導体装置111及び112においては、第3絶縁領域i3の第2面F2の角度θ1は、半導体装置110における角度θ1とは異なる。半導体装置111及び112におけるこれ以外の構成は、半導体装置110の構成と同様である。
図11に示すように、半導体装置113においては、第1部分p1が設けられ、第2部分p2が省略されている。さらに、第1部分p1は、第1半導体領域11と第3半導体領域13との間の一部に設けられている。これ以外の半導体装置113の構成は、半導体装置110の構成と同様である。
図12に示すように、半導体装置114においては、第2部分p2が設けられ、第1部分p1が省略されている。さらに、第2部分p2は、第1半導体領域11と第3半導体領域13との間の一部に設けられている。半導体装置114において、第2部分p2を第1部分p1と読み替えても良い。この場合、第1電極51及び第2電極52が、相互に入れ替わる。半導体装置114においても、高いしきい値電圧と低いオン抵抗が得られる。
図13に示すように、半導体装置115においては、第1部分p1及び第2部分p2が設けられる。第1部分p1は、第1半導体領域11と第3半導体領域13との間の一部に設けられている。第2部分p2は、第1半導体領域11と第3半導体領域13との間の一部に設けられている。半導体装置115において、高いしきい値電圧と低いオン抵抗が得られる。
図14は、第2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14に示すように、半導体装置120において、複数の第2電極52が設けられ、複数の第3電極53が設けられる。第1電極51は、第1方向(X軸方向)において、複数の第2電極52の1つと、複数の第2電極52の別の1つと、の間にある。複数の第3電極53の1つは、第1方向(X軸方向)において、複数の第2電極52の1つと、第1電極51と、の間にある。複数の第3電極53の別の1つは、第1方向(X軸方向)において、第1電極51と、複数の第2電極52の別の1つと、の間にある。
(構成1)
第1電極と、
第2電極と、
第3電極であって、前記第1電極から前記第2電極への第1方向における前記第3電極の位置は、前記第1方向における前記第1電極の位置と、前記第1方向における前記第2電極の位置と、の間にある、前記第3電極と、
Alx1Ga1-x1N(0≦x1<1)を含む第1半導体領域であって、前記第1半導体領域は、第1部分領域、第2部分領域、第3部分領域、第4部分領域及び第5部分領域を含み、前記第1部分領域から前記第1電極への第2方向は、前記第1方向と交差し、前記第2部分領域から前記第2電極への方向は、前記第2方向に沿い、前記第3部分領域から前記第3電極への方向は、前記第2方向に沿い、前記第4部分領域は、前記第1方向において前記第1部分領域と前記第3部分領域との間にあり、前記第5部分領域は、前記第1方向において前記第3部分領域と前記第2部分領域との間にある、前記第1半導体領域と、
Alx2Ga1-x2N(0<x2≦1、x1<x2)を含む第2半導体領域であって、前記第2半導体領域は、第6部分領域及び第7部分領域を含み、前記第4部分領域から前記第6部分領域への方向は、前記第2方向に沿い、前記第5部分領域から前記第7部分領域への方向は、前記第2方向に沿う、前記第2半導体領域と、
Alx3Ga1-x3N(0≦x3<1、x3<x2)を含む第3半導体領域であって、前記第3半導体領域は、第8部分領域を含み、前記第8部分領域は、前記第5部分領域と前記第7部分領域との間にある、前記第3半導体領域と、
Alx4Ga1-x4N(0≦x4<1、x4<x2)を含む第4半導体領域であって、前記第4半導体領域は、第1部分を含み、前記第1部分は、前記第5部分領域と前記第8部分領域との間にあり、前記第4半導体領域は、Mg、Zn及びCよりなる群から選択された少なくとも1つを含む第1元素を含み、前記第1半導体領域、前記第2半導体領域及び前記第3半導体領域は、前記第1元素を含まない、または、前記第1半導体領域における前記第1元素の第1濃度、前記第2半導体領域における前記第1元素の第2濃度、及び、前記第3半導体領域における前記第1元素の第3濃度のそれぞれは、前記第4半導体領域における前記第1元素の第4濃度よりも低い、前記第4半導体領域と、
絶縁部であって、前記絶縁部は、第1絶縁領域、第2絶縁領域及び第3絶縁領域を含み、前記第1絶縁領域は、前記第2方向において前記第3部分領域と前記第3電極との間にあり、前記第1方向において前記第4部分領域の一部と前記第5部分領域の一部との間にあり、前記第2絶縁領域は、前記第1方向において、前記第6部分領域と前記第3電極との間にあり、前記第3絶縁領域は、前記第1方向において、前記第3電極と前記第1部分との間、前記第3電極と前記第8部分領域との間、及び、前記第3電極と前記第7部分領域との間にある、前記絶縁部と、
を備えた半導体装置。
前記第1部分は、前記第3絶縁領域と接した、構成1記載の半導体装置。
前記第1絶縁領域の前記第1方向に沿う長さは、前記第1部分の前記第2方向に沿う長さよりも長い構成1または2に記載の半導体装置。
前記第3半導体領域は、第9部分領域を含み、前記第9部分領域は、前記第4部分領域と前記第6部分領域との間にあり、
前記第4半導体領域は、第2部分をさらに含み、
前記第2部分は、前記第4部分領域と前記第9部分領域との間にあり、
前記第2絶縁領域の一部は、前記第1方向において、前記第2部分と前記第3電極との間、及び、前記第9部分領域と前記第3電極との間にある、構成1~3のいずれか1つに記載の半導体装置。
前記第1絶縁領域は、前記第3部分領域に対向する第1面を含み、
前記第3絶縁領域は、前記第8部分領域に対向する第2面を含み、
前記第1面と前記第2面との間の角度は、95度を超え120度以下である、構成1~4のいずれか1つに記載の半導体装置。
前記第1絶縁領域は、前記第3部分領域に対向する第1面を含み、
前記第3絶縁領域は、前記第8部分領域に対向する第2面を含み、
前記第1面と前記第2面との間の角度は、85度を超え95度以下である、構成1~4のいずれか1つに記載の半導体装置。
前記第1絶縁領域は、前記第3部分領域に対向する第1面を含み、
前記第3絶縁領域は、前記第8部分領域に対向する第2面を含み、
前記第1面と前記第2面との間の角度は、60度を超え90度未満である、構成1~4のいずれか1つに記載の半導体装置。
前記第1部分は、前記第3絶縁領域と対向する第1対向面を含み、
前記第1対向面は、前記第1半導体領域のc面と交差する、構成1~4のいずれか1つに記載の半導体装置。
前記第1部分は、前記第3絶縁領域と対向する第1対向面を含み、
前記第1対向面は、前記第1半導体領域のm面またはa面に沿う、構成1~4のいずれか1つに記載の半導体装置。
前記第4半導体領域における前記第1元素の前記濃度は、1×1017cm-3以上5×1019cm-3以下である、構成1~9のいずれか1つに記載の半導体装置。
前記第1部分の前記第2方向に沿う長さは、50nm以上200nm以下である、構成1~10のいずれか1つに記載の半導体装置。
前記第8部分領域の前記第2方向に沿う長さは、100nm以上400nm以下である、構成1~11のいずれか1つに記載の半導体装置。
前記第1半導体領域における前記第1元素の前記濃度、前記第2半導体領域における前記第1元素の前記濃度、及び、前記第3半導体領域における前記第1元素の濃度のそれぞれは、前記第4半導体領域における前記第1元素の前記濃度の1/10以下である、構成1~12のいずれか1つに記載の半導体装置。
前記絶縁部は、Alx5Ga1-x5N(0<x5≦1、x1<x5、x3<x5、x4<x5)を含む第1膜を含み、
前記第1膜は、第1膜部分、第2膜部分及び第3膜部分を含み、
前記第1膜部分は、前記第2方向において前記第3部分領域と前記第3電極との間にあり、前記第1方向において、前記第4部分領域の一部と前記第5部分領域の一部との間にあり、
前記第2膜部分は、前記第1方向において、前記第6部分領域と前記第3電極との間にあり、
前記第3膜部分は、前記第1方向において、前記第3電極と前記第1部分との間、前記第3電極と前記第8部分領域との間、及び、前記第3電極と前記第7部分領域との間にある、構成1~13のいずれか1つに記載の半導体装置。
前記絶縁部は、シリコン、アルミニウム及びハフニウムよりなる群から選択された少なくとも1つと、酸素と、を含む第2膜を含み、
前記第2膜は、前記第1膜と前記第3電極との間にある、構成14記載の半導体装置。
前記絶縁部は、シリコン及びアルミニウムよりなる群から選択された少なくとも1つと、窒素と、を含む第3膜を含み、
前記第3膜は、第1膜領域及び第2膜領域を含み、
前記第6部分領域は、前記第2方向において前記第4部分領域と前記第1膜領域との間にあり、
前記第7部分領域は、前記第2方向において前記第8部分領域と前記第2膜領域との間にある、構成14または15に記載の半導体装置。
前記第3電極の一部は、前記第1方向において、前記第4部分領域の前記一部と前記第5部分領域の前記一部との間にある、構成1~16のいずれか1つに記載の半導体装置。
前記第1電極は、前記第6部分領域と接し、前記第2電極は、前記第7部分領域と接した、構成1~17のいずれか1つに記載の半導体装置。
前記第1電極と前記第3電極との間の前記第1方向に沿う距離は、前記第3電極と前記第2電極との間の前記第1方向に沿う距離よりも短い、構成1~18のいずれか1つに記載の半導体装置。
複数の前記第2電極が設けられ、
複数の前記第3電極が設けられ、
前記第1電極は、前記第1方向において、前記複数の第2電極の1つと、前記複数の第2電極の別の1つと、の間にあり、
前記複数の第3電極の1つは、前記第1方向において、前記複数の第2電極の前記1つと、前記第1電極と、の間にあり、
前記複数の第3電極の別の1つは、前記第1方向において、前記第1電極と、前記複数の第2電極の前記別の1つと、の間にある、構成1~19のいずれか1つに記載の半導体装置。
前記第2膜は、窒素をさらに含む、構成15記載の半導体装置。
前記第3膜は、酸素をさらに含む、構成16記載の半導体装置。
Claims (10)
- 第1電極と、
第2電極と、
第3電極であって、前記第1電極から前記第2電極への第1方向における前記第3電極の位置は、前記第1方向における前記第1電極の位置と、前記第1方向における前記第2電極の位置と、の間にある、前記第3電極と、
Alx1Ga1-x1N(0≦x1<1)を含む第1半導体領域であって、前記第1半導体領域は、第1部分領域、第2部分領域、第3部分領域、第4部分領域及び第5部分領域を含み、前記第1部分領域から前記第1電極への第2方向は、前記第1方向と交差し、前記第2部分領域から前記第2電極への方向は、前記第2方向に沿い、前記第3部分領域から前記第3電極への方向は、前記第2方向に沿い、前記第4部分領域は、前記第1方向において前記第1部分領域と前記第3部分領域との間にあり、前記第5部分領域は、前記第1方向において前記第3部分領域と前記第2部分領域との間にある、前記第1半導体領域と、
Alx2Ga1-x2N(0<x2≦1、x1<x2)を含む第2半導体領域であって、前記第2半導体領域は、第6部分領域及び第7部分領域を含み、前記第4部分領域から前記第6部分領域への方向は、前記第2方向に沿い、前記第5部分領域から前記第7部分領域への方向は、前記第2方向に沿う、前記第2半導体領域と、
Alx3Ga1-x3N(0≦x3<1、x3<x2)を含む第3半導体領域であって、前記第3半導体領域は、第8部分領域を含み、前記第8部分領域は、前記第5部分領域と前記第7部分領域との間にある、前記第3半導体領域と、
Alx4Ga1-x4N(0≦x4<1、x4<x2)を含む第4半導体領域であって、前記第4半導体領域は、第1部分を含み、前記第1部分は、前記第5部分領域と前記第8部分領域との間にあり、前記第4半導体領域は、Mg、Zn及びCよりなる群から選択された少なくとも1つを含む第1元素を含み、前記第1半導体領域、前記第2半導体領域及び前記第3半導体領域は、前記第1元素を含まない、または、前記第1半導体領域における前記第1元素の濃度、前記第2半導体領域における前記第1元素の濃度、及び、前記第3半導体領域における前記第1元素の濃度のそれぞれは、前記第4半導体領域における前記第1元素の濃度よりも低い、前記第4半導体領域と、
絶縁部であって、前記絶縁部は、第1絶縁領域、第2絶縁領域及び第3絶縁領域を含み、前記第1絶縁領域は、前記第2方向において前記第3部分領域と前記第3電極との間にあり、前記第1方向において前記第4部分領域の一部と前記第5部分領域の一部との間にあり、前記第2絶縁領域は、前記第1方向において、前記第6部分領域と前記第3電極との間にあり、前記第3絶縁領域は、前記第1方向において、前記第3電極と前記第1部分との間、前記第3電極と前記第8部分領域との間、及び、前記第3電極と前記第7部分領域との間にある、前記絶縁部と、
を備え、
前記絶縁部は、Alx5Ga1-x5N(0<x5≦1、x1<x5、x3<x5、x4<x5)を含む第1膜を含み、
前記第1膜は、第1膜部分、第2膜部分及び第3膜部分を含み、
前記第1膜部分は、前記第2方向において前記第3部分領域と前記第3電極との間にあり、前記第1方向において、前記第4部分領域の一部と前記第5部分領域の一部との間にあり、
前記第2膜部分は、前記第1方向において、前記第6部分領域と前記第3電極との間にあり、
前記第3膜部分は、前記第1方向において、前記第3電極と前記第1部分との間、前記第3電極と前記第8部分領域との間、及び、前記第3電極と前記第7部分領域との間にあり、
前記第1部分の前記第2方向に沿う長さは、50nm以上200nm以下であり、
前記第3半導体領域は、第9部分領域を含み、前記第9部分領域は、前記第4部分領域と前記第6部分領域との間にあり、
前記第4半導体領域は、第2部分をさらに含み、
前記第2部分は、前記第4部分領域と前記第9部分領域との間にあり、
前記第2絶縁領域の一部は、前記第1方向において、前記第2部分と前記第3電極との間、及び、前記第9部分領域と前記第3電極との間にあり、
前記第1部分は、前記第1半導体領域と前記第3半導体領域との間の一部に設けられ、
前記第2部分は、前記第1半導体領域と前記第3半導体領域との間の一部に設けられている、半導体装置。 - 第1電極と、
第2電極と、
第3電極であって、前記第1電極から前記第2電極への第1方向における前記第3電極の位置は、前記第1方向における前記第1電極の位置と、前記第1方向における前記第2電極の位置と、の間にある、前記第3電極と、
Alx1Ga1-x1N(0≦x1<1)を含む第1半導体領域であって、前記第1半導体領域は、第1部分領域、第2部分領域、第3部分領域、第4部分領域及び第5部分領域を含み、前記第1部分領域から前記第1電極への第2方向は、前記第1方向と交差し、前記第2部分領域から前記第2電極への方向は、前記第2方向に沿い、前記第3部分領域から前記第3電極への方向は、前記第2方向に沿い、前記第4部分領域は、前記第1方向において前記第1部分領域と前記第3部分領域との間にあり、前記第5部分領域は、前記第1方向において前記第3部分領域と前記第2部分領域との間にある、前記第1半導体領域と、
Alx2Ga1-x2N(0<x2≦1、x1<x2)を含む第2半導体領域であって、前記第2半導体領域は、第6部分領域及び第7部分領域を含み、前記第4部分領域から前記第6部分領域への方向は、前記第2方向に沿い、前記第5部分領域から前記第7部分領域への方向は、前記第2方向に沿う、前記第2半導体領域と、
Alx3Ga1-x3N(0≦x3<1、x3<x2)を含む第3半導体領域であって、前記第3半導体領域は、第8部分領域を含み、前記第8部分領域は、前記第5部分領域と前記第7部分領域との間にある、前記第3半導体領域と、
Alx4Ga1-x4N(0≦x4<1、x4<x2)を含む第4半導体領域であって、前記第4半導体領域は、第1部分を含み、前記第1部分は、前記第5部分領域と前記第8部分領域との間にあり、前記第4半導体領域は、Mg、Zn及びCよりなる群から選択された少なくとも1つを含む第1元素を含み、前記第1半導体領域、前記第2半導体領域及び前記第3半導体領域は、前記第1元素を含まない、または、前記第1半導体領域における前記第1元素の濃度、前記第2半導体領域における前記第1元素の濃度、及び、前記第3半導体領域における前記第1元素の濃度のそれぞれは、前記第4半導体領域における前記第1元素の濃度よりも低い、前記第4半導体領域と、
絶縁部であって、前記絶縁部は、第1絶縁領域、第2絶縁領域及び第3絶縁領域を含み、前記第1絶縁領域は、前記第2方向において前記第3部分領域と前記第3電極との間にあり、前記第1方向において前記第4部分領域の一部と前記第5部分領域の一部との間にあり、前記第2絶縁領域は、前記第1方向において、前記第6部分領域と前記第3電極との間にあり、前記第3絶縁領域は、前記第1方向において、前記第3電極と前記第1部分との間、前記第3電極と前記第8部分領域との間、及び、前記第3電極と前記第7部分領域との間にある、前記絶縁部と、
を備え、
前記絶縁部は、Alx5Ga1-x5N(0<x5≦1、x1<x5、x3<x5、x4<x5)を含む第1膜を含み、
前記第1膜は、第1膜部分、第2膜部分及び第3膜部分を含み、
前記第1膜部分は、前記第2方向において前記第3部分領域と前記第3電極との間にあり、前記第1方向において、前記第4部分領域の一部と前記第5部分領域の一部との間にあり、
前記第2膜部分は、前記第1方向において、前記第6部分領域と前記第3電極との間にあり、
前記第3膜部分は、前記第1方向において、前記第3電極と前記第1部分との間、前記第3電極と前記第8部分領域との間、及び、前記第3電極と前記第7部分領域との間にあり、
前記第1部分の前記第2方向に沿う長さは、50nm以上200nm以下であり、
前記第1部分は、前記第1半導体領域と前記第3半導体領域との間の一部に設けられている、半導体装置。 - 前記第1部分は、前記第3絶縁領域と接した、請求項1または2に記載の半導体装置。
- 前記第1絶縁領域の前記第1方向に沿う長さは、前記第1部分の前記第2方向に沿う長さよりも長い請求項1~3のいずれか1つに記載の半導体装置。
- 前記第3半導体領域は、第9部分領域を含み、前記第9部分領域は、前記第4部分領域と前記第6部分領域との間にあり、
前記第4半導体領域は、第2部分をさらに含み、
前記第2部分は、前記第4部分領域と前記第9部分領域との間にあり、
前記第2絶縁領域の一部は、前記第1方向において、前記第2部分と前記第3電極との間、及び、前記第9部分領域と前記第3電極との間にある、請求項2に記載の半導体装置。 - 前記第1絶縁領域は、前記第3部分領域に対向する第1面を含み、
前記第3絶縁領域は、前記第8部分領域に対向する第2面を含み、
前記第1面と前記第2面との間の角度は、95度を超え120度以下である、請求項1~5のいずれか1つに記載の半導体装置。 - 前記第1絶縁領域は、前記第3部分領域に対向する第1面を含み、
前記第3絶縁領域は、前記第8部分領域に対向する第2面を含み、
前記第1面と前記第2面との間の角度は、85度を超え95度以下である、請求項1~5のいずれか1つに記載の半導体装置。 - 前記第1絶縁領域は、前記第3部分領域に対向する第1面を含み、
前記第3絶縁領域は、前記第8部分領域に対向する第2面を含み、
前記第1面と前記第2面との間の角度は、60度を超え90度未満である、請求項1~5のいずれか1つに記載の半導体装置。 - 前記第1部分は、前記第3絶縁領域と対向する第1対向面を含み、
前記第1対向面は、前記第1半導体領域のc面と交差する、請求項1~5のいずれか1つに記載の半導体装置。 - 前記第1部分は、前記第3絶縁領域と対向する第1対向面を含み、
前記第1対向面は、前記第1半導体領域のm面またはa面に沿う、請求項1~5のいずれか1つに記載の半導体装置。
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