JPWO2013054431A1 - 半導体装置及びその製造方法、電源装置 - Google Patents
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Abstract
Description
例えばGaN系ショットキーバリアダイオードやGaN系縦型トランジスタなどのGaN系半導体装置のデバイス特性としては、オン抵抗と耐圧が重要であり、これらはGaN系半導体装置に備えられるドリフト層によってほぼ決まる。
このようなスーパージャンクション型ドリフト構造を備える半導体装置は、pn接合面が垂直方向(縦方向)へ延びるように、p型半導体層及びn型半導体層を水平方向(横方向)へ交互に配置した構造を有するドリフト層を備える。このような構造を有するドリフト層は、イオン注入と再結晶成長の繰り返し、又は、トレンチ形成、埋め込み成長及び研磨によって実現される。このようなスーパージャンクション型ドリフト構造を備える半導体装置では、n型半導体層のドナー濃度を高めることでオン抵抗を低減することができる一方、オフ時にはpn接合面に沿って延びる空乏層が水平方向へ広がるため、耐圧を高めることができる。
そこで、製造コスト及びプロセス工数を低減しながら、従来のスーパージャンクション型ドリフト構造を採用した場合と同等の性能、即ち、同等のオン抵抗及び耐圧を有するGaN系半導体装置を実現したい。
本半導体装置の製造方法は、InxGa1−xN(0≦x≦1)を含む量子ドットと、量子ドットを埋め込み、n型Inx(GayAl1−y)1−xN(0≦x≦1、0≦y≦1)を含む埋込層とを備える量子ドット層を複数積層させてドリフト層を形成する工程を含む。
[第1実施形態]
まず、本実施形態にかかる半導体装置及びその製造方法について、図1〜図7(C)を参照しながら説明する。
本GaN系ショットキーバリアダイオードは、図1に示すように、n型GaN基板1と、n型GaN基板1上に設けられたドリフト層2と、ドリフト層2にショットキー接合されるアノード電極3と、n型GaN基板1の裏面側に設けられたカソード電極4とを備える。
なお、本実施形態では、n型GaN基板1上にn型GaNバッファ層5を介してドリフト層2を備える[図7(B)参照]。つまり、n型GaN基板1とドリフト層2との間にn型GaNバッファ層5を備える。なお、アノード電極3をショットキー電極ともいう。また、カソード電極4をオーミック電極ともいう。
このような構造を有するドリフト層2は、GaN層1、5、7上にInGaN層10を成長させ、このInGaN層10をGaN層7で埋め込む工程を複数回繰り返すことで形成することができる。特に、GaN上にInGaNを成長させると、InGaNはドット状になってInGaN量子ドット6が形成される。この場合、InGaNウェッティング層9も形成される。このため、ドリフト層2は、InGaNウェッティング層9も含む。その後、GaNを成長させて、InGaN量子ドット6を埋め込む。再度、GaN上にInGaNを成長させると、InGaN量子ドット6の直上にInGaN量子ドット6が形成される。このため、複数のInGaN量子ドット6が垂直方向(縦方向)に並ぶことになる。なお、InGaN量子ドット6は面内で複数形成されるため、この垂直方向に並んだ複数のInGaN量子ドット6は、面内で複数形成されることになる。このようにして形成されるInGaN量子ドット6を、自己組織化InGaN量子ドットという。なお、InGaN量子ドット6を、InGaNドット又は自己組織化量子ドットともいう。
正の固定電荷量=負の固定電荷量×cosθ
このため、量子ドット6の部分では、正の固定電荷量よりも負の固定電荷量の方が多くなる。これにより、量子ドット6の部分では、電子よりもホールの方が多くなり、p型化する。そして、ドリフト層2では、上述のように、n型GaN埋込層7の中で量子ドット6が垂直方向に並んでいる。このため、上述のような分極効果を利用して、n型GaN埋込層7の中で量子ドット6が垂直方向に並んでいる領域をp型化することができる。
また、上述のような構造を有する本実施形態のドリフト層2は、量子井戸のような閉じ込め効果を持たず、少なくとも約0.1μm以上の膜厚を有し、電子のみを走行させるものである。
このシミュレーションでは、従来のスーパージャンクション型ドリフト構造は、例えばトレンチ形成、埋め込み成長及び研磨によって、n−GaN層の表面側から深さ0.1μm×幅20nmの領域をp−GaN層にした構造としている。ここでは、n−GaN層の不純物濃度は約2×1017cm−3であり、厚さは約0.5μmである。また、p−GaN層の不純物濃度は約3.3×1017cm−3である。
本半導体装置の製造方法は、InGaN量子ドット6と、InGaN量子ドット6を埋め込むGaN埋込層7とを備える量子ドット層8を複数積層させてドリフト層2を形成する工程を含む。本実施形態では、ドリフト層2を形成する工程は、n型GaN層(第1半導体層)1、5、7の極性面(ここではGa極性面)上に、InGaN量子ドット6を形成する工程と、InGaN量子ドット6を、n型GaN層7(第2半導体層)で埋め込む工程とを含む。また、ドリフト層2を形成する工程の後に、ドリフト層2にショットキー接合されるアノード電極3を形成する工程を含む。
まず、図6(A)に示すように、例えば、プラズマアシスト分子線エピタキシー(PAMBE;Plasma-Assisted Molecular Beam Epitaxy)法によって、n+−GaN(0001)基板1上に、n−GaNバッファ層5を成長させる。ここでは、成長温度は約750℃である。また、n−GaNバッファ層5は、厚さが約0.2μmであり、不純物濃度が約2×1017cm−3である。
次に、図7(A)に示すように、ドリフト層2の表面、即ち、アノード電極3をショットキー接合させるショットキー領域12を露出させるべく、例えばフォトリソグラフィによって、レジスト(図示せず)をパターニングする。そして、SiNパッシベーション膜11をドライエッチングして、SiNパッシベーション膜11に開口部を形成し、ショットキー領域12を露出させる。ここでは、例えばSF6/CHF3ガスを用い、上部電極パワー約500W/下部電極パワー約50Wであり、SiNエッチングレートは約0.24μm/minである。
このようにして、本実施形態にかかる半導体装置(GaN系ショットキーバリアダイオード)を作製することができる。つまり、従来のスーパージャンクション型ドリフト構造を有するショットキーバリアダイオードと同等の性能を持つInGaNドット埋め込み型ドリフト構造を有するショットキーバリアダイオードを作製することができる。このようなInGaNドット埋め込み型ドリフト構造を有するショットキーバリアダイオードは、上述のように、ドリフト層2を一貫成長可能であるため、従来のスーパージャンクション型ドリフト構造を有するショットキーバリアダイオードよりも作製が容易で、かつ、プロセス工数も削減でき、低コスト化が可能である。
[第2実施形態]
次に、本実施形態にかかる半導体装置及びその製造方法について、図8〜図11(C)を参照しながら説明する。
本GaN系縦型トランジスタは、図8に示すように、n型GaN基板1と、n型GaNバッファ層5と、InGaNドット埋め込みドリフト層2と、p型GaNボディ層20(p型半導体層)と、n型GaNコンタクト層21と、ソース電極22と、ドレイン電極23と、ゲート電極24とを備える。なお、n型GaNバッファ層5、InGaNドット埋め込みドリフト層2、p型GaNボディ層20及びn型GaNコンタクト層21を積層した構造を、半導体積層構造25という。また、ドレイン電極23及びソース電極22をオーミック電極ともいう。
次に、本実施形態にかかる半導体装置(GaN系ショットキーバリアダイオード)の製造方法について、図10(A)〜図10(D)、図11(A)〜図11(C)を参照しながら説明する。
まず、図10(A)に示すように、例えば、PAMBE法によって、n+−GaN(0001)基板1上に、n−GaNバッファ層5、InGaNドット埋め込みドリフト層2、p−GaNボディ層20及びn−GaNコンタクト層21を結晶成長させて、半導体積層構造25を形成する。
つまり、まず、図10(D)に示すように、ソース電極22を形成する領域22X以外の領域にレジスト(図示せず)を残すようにパターニングを行なった後、所望のガスを用いたドライエッチングによって、絶縁膜27を除去する。次に、レジストを剥離した後、図11(A)に示すように、例えば蒸着・リフトオフ法によって、半導体積層構造25の表面側に、例えばTi/Alからなるソース電極22を形成する。次に、例えば蒸着法によって、基板裏面の全面に、例えばTi/Alからなるドレイン電極23を形成する。ここでは、Ti/Alの厚さは約30nm/約300nmである。その後、約600℃程度でラピットサーマルアニール(RTA)を行なう。
このようにして、本実施形態にかかる半導体装置(GaN系縦型トランジスタ)を作製することができる。つまり、従来のスーパージャンクション型ドリフト構造を有する縦型トランジスタと同等の性能を持つInGaNドット埋め込み型ドリフト構造を有する縦型トランジスタを作製することができる。このようなInGaNドット埋め込み型ドリフト構造を有する縦型トランジスタは、上述のように、ドリフト層を一貫成長可能であるため、従来のスーパージャンクション型ドリフト構造を有する縦型トランジスタよりも作製が容易で、かつ、プロセス工数も削減でき、低コスト化が可能である。
[第3実施形態]
次に、本実施形態にかかる半導体装置及びその製造方法について、図12〜図14を参照しながら説明する。
つまり、本半導体装置は、図12に示すように、GaN系ショットキーバリアダイオード領域30と、GaN系縦型トランジスタ領域31とを備える。
また、GaN系ショットキーバリアダイオード領域30では、上述の第1実施形態の場合と同様に、InGaNドット埋め込みドリフト層2にアノード電極3がショットキー接合されている。このため、GaN系ショットキーバリアダイオード領域30のInGaNドット埋め込みドリフト層2では、通常構造のドリフト層(n−GaN単一ドリフト構造)と比較して、ショットキーバリアと基板側の負の固定電荷によるポテンシャル持ち上げ効果によって、量子ドット6が垂直方向に並んでいる領域がp型化する。
次に、本実施形態にかかる半導体装置の製造方法について、図13(A)〜図13(D)、図14(A)〜図14(D)を参照しながら説明する。
本半導体装置の製造方法は、InGaN量子ドット6と、InGaN量子ドット6を埋め込むGaN埋込層7とを備える量子ドット層8を複数積層させてドリフト層2を形成する工程を含む。本実施形態では、ドリフト層2を形成する工程は、n型GaN層1、5、7(第1半導体層)の極性面(ここではGa極性面)上に、InGaN量子ドット6を形成する工程と、InGaN量子ドット6を、n型GaN層7(第2半導体層)で埋め込む工程とを含む。また、ドリフト層2を形成する工程の後に、ドリフト層2に接するp型GaNボディ層20(p型半導体層)を形成する工程を含む。また、ドリフト層2を形成する工程の後に、ドリフト層2にショットキー接合されるアノード電極3を形成する工程を含む。
まず、上述の第2実施形態の場合と同様に、図13(A)に示すように、例えば、PAMBE法によって、n+−GaN(0001)基板1上に、n−GaNバッファ層5、InGaNドット埋め込みドリフト層2、p−GaNボディ層20及びn−GaNコンタクト層21を結晶成長させて、半導体積層構造25を形成する。
つまり、ゲートトレンチ26及びショットキー面12を形成する領域以外の領域にレジスト28が残るようにパターニングを行なう。そして、例えば塩素系ドライエッチングによって、n−GaNコンタクト層21、p−GaNボディ層20及びInGaNドット埋め込みドリフト層2の一部を除去して、ゲートトレンチ26及びショットキー面12を形成する。その後、レジスト28を剥離する。
次に、図13(D)、図14(A)に示すように、GaN系縦型トランジスタ領域31の半導体積層構造25の表面側にソース電極22を形成し、基板1の裏面側に、GaN系縦型トランジスタ領域31でドレイン電極23として機能するとともに、GaN系ショットキーバリアダイオード領域30でカソード電極4として機能するドレイン・カソード電極32を形成する。
つまり、まず、図14(B)に示すように、ドリフト層2の表面、即ち、アノード電極3をショットキー接合させるショットキー面12を露出させるべく、例えばフォトリソグラフィによって、レジスト(図示せず)をパターニングする。そして、絶縁膜33をドライエッチングして、絶縁膜33に開口部を形成し、ショットキー面12を露出させる。次に、レジストを剥離した後、図14(C)、図14(D)に示すように、GaN系ショットキーバリアダイオード領域30のショットキー面12上に、例えばスパッタ法によって、例えばTaN/Cuからなるアノード電極3を形成するとともに、GaN系縦型トランジスタ領域31のゲートトレンチ26に形成された絶縁膜33上にゲート電極24を形成する。
[第4実施形態]
次に、本実施形態にかかる半導体装置及びその製造方法について、図15、図16(A)〜図16(C)を参照しながら説明する。
本GaN系ショットキーバリアダイオードは、図15に示すように、n型GaNコンタクト層40と、n型GaNバッファ層5と、InGaNドット埋め込みドリフト層2と、アノード電極3と、カソード電極4とを備える。
次に、本実施形態にかかる半導体装置の製造方法について、図16(A)〜図16(C)を参照しながら説明する。
本半導体装置の製造方法は、InGaN量子ドット6と、InGaN量子ドット6を埋め込むGaN埋込層7とを備える量子ドット層8を複数積層させてドリフト層2を形成する工程を含む。本実施形態では、ドリフト層2を形成する工程は、n型GaN層1、5、7(第1半導体層)の極性面(ここではGa極性面)上に、InGaN量子ドット6を形成する工程と、InGaN量子ドット6を、n型GaN層7(第2半導体層)で埋め込む工程とを含む。また、ドリフト層2を形成する工程の後に、ドリフト層2にショットキー接合されるアノード電極3を形成する工程を含む。
上述のように構成される半導体装置は、基板1を備えないため、成長用基板として種々の基板を用いることができる。例えば、GaN、サファイア、シリコンカーバイド(SiC)、シリコン(Si)、窒化アルミニウム(AlN)、酸化亜鉛(ZnO)などの基板上に形成することが可能である。
まず、図16(A)に示すように、例えば、PAMBE法によって、サファイア基板41上に、AlN核形成層42、n+−GaNコンタクト層40、n−GaNバッファ層5、InGaNドット埋め込みドリフト層2を結晶成長させて、半導体積層構造43を形成する。ここでは、ドリフト層2の成長温度は約520℃であり、それ以外の成長温度は約750℃である。また、n+−GaNコンタクト層40は、厚さが約1μmであり、不純物濃度が約2×1018cm−3である。また、n−GaNバッファ層5は、厚さが約0.2μmであり、不純物濃度が約2×1017cm−3である。また、InGaNドット埋め込みドリフト層2は、上述の第1実施形態の場合と同様の工程によって形成され、その厚さは例えば約1μmである。
次に、図16(C)に示すように、剥離したGaN系半導体積層構造44の裏面側、即ち、n+−GaNコンタクト層40の裏面側に、上述の第1実施形態の場合と同様に、例えば蒸着法によって、例えばTi/Alからなるカソード電極4を形成する。
このようにして、本実施形態にかかる半導体装置(GaN系ショットキーバリアダイオード)を作製することができる。つまり、従来のスーパージャンクション型ドリフト構造を有するショットキーバリアダイオードと同等の性能を持つInGaNドット埋め込み型ドリフト構造を有するショットキーバリアダイオードを作製することができる。このようなInGaNドット埋め込み型ドリフト構造を有するショットキーバリアダイオードは、上述のように、ドリフト層2を一貫成長可能であるため、従来のスーパージャンクション型ドリフト構造を有するショットキーバリアダイオードよりも作製が容易で、かつ、プロセス工数も削減でき、低コスト化が可能である。
したがって、本実施形態にかかる半導体装置及びその製造方法によれば、製造コスト及びプロセス工数を低減しながら、従来のスーパージャンクション型ドリフト構造を採用した場合と同等の性能、即ち、同等のオン抵抗及び耐圧(逆方向耐圧)を有するものを実現できるという利点がある。
[第5実施形態]
次に、本実施形態にかかる半導体装置及びその製造方法について、図17、図18(A)〜図18(C)を参照しながら説明する。
本GaN系ショットキーバリアダイオードは、Si基板41と、AlN核形成層42と、n型GaNコンタクト層40と、n型GaNバッファ層5と、InGaNドット埋め込みドリフト層2と、アノード電極3と、カソード電極4と、ビアホール45と、ビア配線46とを備える。
なお、その他の構成の詳細は、上述の第4実施形態の場合と同様であるため、ここでは、その説明を省略する。
本半導体装置の製造方法は、InGaN量子ドット6と、InGaN量子ドット6を埋め込むGaN埋込層7とを備える量子ドット層8を複数積層させてドリフト層2を形成する工程を含む。本実施形態では、ドリフト層2を形成する工程は、n型GaN層1、5、7(第1半導体層)の極性面(ここではGa極性面)上に、InGaN量子ドット6を形成する工程と、InGaN量子ドット6を、n型GaN層7(第2半導体層)で埋め込む工程とを含む。また、ドリフト層2を形成する工程の後に、ドリフト層2にショットキー接合されるアノード電極3を形成する工程を含む。
まず、図18(A)に示すように、例えば、有機金属気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法によって、Si基板41上に、AlN核形成層42、n+−GaNコンタクト層40、n−GaNバッファ層5、InGaNドット埋め込みドリフト層2を結晶成長させて、半導体積層構造43を形成する。ここでは、AlN核形成層42、n+−GaNコンタクト層40及びn−GaNバッファ層5を、成長温度約1050℃で結晶成長させた後、成長温度を約670℃まで下げて、InGaNドット埋め込みドリフト層2を結晶成長させる。また、n+−GaNコンタクト層40は、厚さが約1μmであり、不純物濃度が約2×1018cm−3である。また、n−GaNバッファ層5は、厚さが約0.2μmであり、不純物濃度が約2×1017cm−3である。また、InGaNドット埋め込みドリフト層2は、上述の第1実施形態の場合と同様の工程によって形成され、その厚さは例えば約1μmである。
次に、図18(C)に示すように、ビアホール45を形成した領域に露出したn+−GaNコンタクト層40の裏面側に、例えば蒸着法によって、例えばTi/Alからなるカソード電極4を形成する。
次に、例えばプラズマCVD法によって、半導体積層構造43の表面にSiNパッシベーション膜11を形成する。そして、SiNパッシベーション膜11に開口部を形成してショットキー領域12を露出させた後、例えばスパッタ法によって、例えばTaN/Cuからなるアノード電極3を形成する。
なお、上述の実施形態では、上述の第4実施形態の変形例として説明しており、上述の第4実施形態は第1実施形態の変形例として説明しているが、これに限られるものではなく、上述の第2、第3実施形態の変形例として構成することもできる。つまり、本実施形態のものを、上述の第2、第3実施形態のものに適用することもできる。
[第6実施形態]
次に、本実施形態にかかる半導体装置及びその製造方法、電源装置について、図19(A)、図19(B)、図20(A)、図20(B)を参照しながら説明する。
なお、ショットキーバリアダイオードを含む半導体チップは、層間絶縁膜、配線及び電極パッドを含む配線層を備え、個別のショットキーバリアダイオードのアノード電極に配線を介して電極パッドが電気的に接続されている。また、縦型トランジスタを含む半導体チップは、層間絶縁膜、配線及び電極パッドを含む配線層を備え、個別の縦型トランジスタのソース電極及びゲート電極のそれぞれに配線を介してソースパッド及びゲートパッドが電気的に接続されている。
まず、ショットキーバリアダイオードを含む半導体チップを備えるディスクリートパッケージは、図19(A)に示すように、上述の各実施形態及びこれらの変形例のいずれかのショットキーバリアダイオードを含む半導体チップ55を搭載するステージ50と、アノードリード51と、カソードリード52と、ボンディングワイヤ53(ここではAlワイヤ)と、封止樹脂54とを備える。なお、封止樹脂54を、モールド樹脂ともいう。
まず、上述の各実施形態及びこれらの変形例のいずれかのショットキーバリアダイオードを含む半導体チップ55を、例えばダイアタッチ剤57(ここでは、はんだ)を用いてリードフレームのステージ50上に固定する。これにより、半導体チップ55の裏面全面に設けられたカソード電極4が、ダイアタッチ剤57及びステージ50を介して、カソードリード52に電気的に接続される。
その後、例えばトランスファーモールド法によって樹脂封止を行なった後、リードフレームを切り離す。
このようにして、上述のディスクリートパッケージを作製することができる。
まず、上述の各実施形態及びこれらの変形例のいずれかの縦型トランジスタを含む半導体チップ66を、例えばダイアタッチ剤69(ここでは、はんだ)を用いてリードフレームのステージ60上に固定する。これにより、半導体チップ66の裏面全面に設けられたドレイン電極23が、ダイアタッチ剤69及びステージ60を介して、ドレインリード63に電気的に接続される。
その後、例えばトランスファーモールド法によって樹脂封止を行なった後、リードフレームを切り離す。
なお、ここでは、半導体チップ66の各パッド67,68を、ワイヤボンディングのためのボンディングパッドとして用いたディスクリートパッケージを例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、他の半導体パッケージであっても良い。例えば、半導体チップの各パッドを、例えばフリップチップボンディングなどのワイヤレスボンディングのためのボンディングパッドとして用いた半導体パッケージであっても良い。また、ウエハレベルパッケージであっても良い。また、ディスクリートパッケージ以外の半導体パッケージであっても良い。
以下、図20(A)に示すようなサーバ又はサーバシステムに用いられる電源装置70に備えられるPFC(power factor correction)回路71に、上述の半導体パッケージに含まれるショットキーバリアダイオード及び上述の半導体パッケージに含まれる縦型トランジスタを用いる場合を例に挙げて説明する。
ここでは、本PFC回路71は、回路基板上に、ダイオードブリッジ80、チョークコイル81、第1コンデンサ82、上述の半導体パッケージに含まれる縦型トランジスタ83、上述の半導体パッケージに含まれるショットキーバリアダイオード84、及び、第2コンデンサ85が実装されて構成されている。
[その他]
なお、本発明は、上述した各実施形態及び変形例に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
例えば、GaN埋込層に代えて、GaNと格子定数が同じInAlNやInAlGaNを埋込層に用いても良く、この場合も上述の各実施形態及び変形例の場合と同様の効果が得られる。また、例えば図21〜図25に示すように、GaN埋込層に代えて、AlGaN埋込層7Aに用い、InGaN量子ドットに代えて、GaN量子ドット6Aを用いても良く、この場合も上述の各実施形態及び変形例の場合と同様の効果が得られる。この場合、ドリフト層2は、GaN量子ドット6A及びGaNウェッティング層9Aを含むGaN層10Aと、AlGaN埋込層7Aとを備える量子ドット層8Aを複数積層させたものとなる。また、GaNバッファ層に代えて、AlGaNバッファ層5Aを用いることになる。
この場合、半導体装置の製造方法は、InxGa1−xN(0≦x≦1)を含む量子ドットと、量子ドットを埋め込み、n型Inx(GayAl1−y)1−xN(0≦x≦1、0≦y≦1)を含む埋込層とを備える量子ドット層を複数積層させてドリフト層を形成する工程を含むものとすれば良い。
また、上述の各実施形態では、Ga極性面上に量子ドットを設けることで、ショットキーバリア又はp型半導体層と基板側の負の固定電荷によるポテンシャル持ち上げ効果によって、量子ドットの部分、さらには量子ドットが垂直方向に並んでいる領域をp型化しているが、これに限られるものではなく、極性面上に量子ドットを設ければ良い。この場合、極性の強い結晶面上に量子ドットを設けるのが好ましい。
ここで、N極性面上に量子ドット6が設けられている半導体装置とするには、n型GaN基板として、n+−GaN(000−1)基板1Aを用いれば良い。この場合、n型GaN基板1Aの表面は、(000−1)面、即ち、(000−1)の面方位を有する結晶面である。つまり、n型GaN基板1Aの表面は、N面、即ち、表面にN元素が位置するN極性面となる。この場合、表面にN極性面を有するn型GaN基板1A上に設けられるi−GaN層90の表面及びその上方に設けられる複数のn型GaN埋込層7の表面は、いずれもN極性面となる。このため、InGaN量子ドット6は、i−GaN層90又はn型GaN埋込層7のN極性面上に設けられることになる。この場合も、量子ドット6は、極性面上に設けられていることになる。
つまり、まず、図26(A)に示すように、n+−GaN(000−1)基板1A上に、i−GaN層90、InGaNドット埋め込みドリフト層2、n−GaNバッファ層5、n+−GaNコンタクト層40を結晶成長させる。次に、図26(B)に示すように、n+−GaN(000−1)基板1A及びi−GaN層90を除去した後、露出したInGaNドット埋め込みドリフト層2の表面を覆うようにSiNパッシベーション膜11を形成する。そして、SiNパッシベーション膜11に開口部を形成し、ショットキー領域12を露出させた後、例えばスパッタ法によって、例えばTaN/Cuからなるアノード電極3を形成する。また、n+−GaNコンタクト層40の表面上に、例えば蒸着法によって、例えばTi/Alからなるカソード電極4を形成する。このようにして、N極性面上に量子ドット6が設けられている半導体装置を作製することができる。ここでは、半導体装置は、n型GaNコンタクト層40と、n型GaNバッファ層5と、InGaNドット埋め込みドリフト層2と、アノード電極3と、カソード電極4とを備えるものとなる。
但し、ドリフト層を厚くすると、ショットキーバリア又はp型半導体層と基板側の負の固定電荷によるポテンシャル持ち上げ効果がドリフト層の厚さ方向の中間領域に及ばず、この中間領域でポテンシャルが下がってしまい、p型化しない。この場合、量子ドットに例えばMg等のp型不純物をドーピングすることによって、ドリフト層を厚くした場合であっても、ドリフト層の全領域において確実にp型化が可能となる。つまり、量子ドット(ここではInGaN量子ドット)にp型不純物をドーピングしていないドリフト層では、図27中、実線B、bで示すように、ドリフト層の厚さ方向の中間領域でポテンシャルが下がってしまい、p型化しない。これに対し、量子ドット(ここではInGaN量子ドット)にp型不純物をドーピングしたドリフト層では、図27中、実線A、aで示すように、ドリフト層の全領域にわたって量子ドット6が垂直方向に並んでいる領域がp型化する。なお、図27中、実線A,Bは伝導帯の下端のエネルギーEcを示しており、実線a,bは価電子帯の上端のエネルギーEvを示している。また、図27において、横軸はアノード電極と最表面InGaN量子ドットとの界面からの距離を示している。
1A n型GaN基板[n+−GaN(000−1)基板]
2 ドリフト層
3 アノード電極
4 カソード電極
5 n型GaNバッファ層
5A n型AlGaNバッファ層
6 InGaN量子ドット
6A GaN量子ドット
7 n型GaN埋込層
7A n型AlGaN埋込層
8,8A 量子ドット層
9 InGaNウェッティング層
9A GaNウェッティング層
10 InGaN層
10A GaN層
11 SiN膜(SiNパッシベーション膜;絶縁膜)
12 ショットキー領域
20 p型GaNボディ層(p型半導体層)
21 n型GaNコンタクト層
22 ソース電極
22X ソース電極形成領域
23 ドレイン電極
24 ゲート電極
25 半導体積層構造
26 ゲートトレンチ
27 絶縁膜(ゲート絶縁膜)
28 レジスト
30 GaN系ショットキーバリアダイオード領域
31 GaN系縦型トランジスタ領域
32 共通電極
33 共通絶縁膜
40 n型GaNコンタクト層
41 サファイア基板
42 AlN核形成層
43 半導体積層構造
44 GaN系半導体積層構造
45 ビアホール
46 ビア配線
50 ステージ
51 アノードリード
52 カソードリード
53 ボンディングワイヤ
54 封止樹脂
55 半導体チップ
56 アノードパッド
57 ダイアタッチ剤
60 ステージ
61 ゲートリード
62 ソースリード
63 ドレインリード
64 ボンディングワイヤ
65 封止樹脂
66 半導体チップ
67 ゲートパッド
68 ソースパッド
69 ダイアタッチ剤
70 電源装置
71 PFC回路
80 ダイオードブリッジ
81 チョークコイル
82 第1コンデンサ
83 縦型トランジスタ(スイッチ素子)
84 ショットキーバリアダイオード(SBD)
85 第2コンデンサ
90 i−GaN層
Claims (20)
- InxGa1−xN(0≦x≦1)を含む量子ドットと、前記量子ドットを埋め込み、n型Inx(GayAl1−y)1−xN(0≦x≦1、0≦y≦1)を含む埋込層とを備える量子ドット層を複数積層させた構造を有するドリフト層を備えることを特徴とする半導体装置。
- 前記量子ドットは、極性面上に設けられていることを特徴とする、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記量子ドットにp型不純物がドーピング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。
- 前記ドリフト層にショットキー接合されるアノード電極を備えることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記ドリフト層に接するp型半導体層を備えることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記ドリフト層にショットキー接合されたアノード電極と、
前記ドリフト層に接するp型半導体層とを備えることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記ドリフト層の前記アノード電極が設けられている側の反対側に設けられた基板と、
前記基板の前記ドリフト層が設けられている側の反対側に設けられたカソード電極とを備えることを特徴とする、請求項4又は6に記載の半導体装置。 - 前記ドリフト層の前記アノード電極が設けられている側の反対側に設けられたコンタクト層と、
前記コンタクト層の前記ドリフト層が設けられている側の反対側に設けられたカソード電極とを備えることを特徴とする、請求項4又は6に記載の半導体装置。 - 前記ドリフト層の前記アノード電極が設けられている側の反対側に設けられたコンタクト層と、
前記コンタクト層の前記ドリフト層が設けられている側の反対側に設けられた基板と、
前記基板に設けられたビアホールと、
前記ビアホールに設けられたカソード電極と、
前記ビアホールに設けられ、前記カソード電極に電気的に接続されたビア配線とを備えることを特徴とする、請求項4又は6に記載の半導体装置。 - 前記p型半導体層の前記ドリフト層が設けられている側の反対側に設けられたソース電極と、
前記ドリフト層の前記p型半導体層が設けられている側の反対側に設けられた基板と、
前記基板の前記ドリフト層が設けられている側の反対側に設けられたドレイン電極とを備えることを特徴とする、請求項5又は6に記載の半導体装置。 - 前記p型半導体層の前記ドリフト層が設けられている側の反対側に設けられたソース電極と、
前記ドリフト層の前記p型半導体層が設けられている側の反対側に設けられたコンタクト層と、
前記コンタクト層の前記ドリフト層が設けられている側の反対側に設けられたドレイン電極とを備えることを特徴とする、請求項5又は6に記載の半導体装置。 - 前記p型半導体層の前記ドリフト層が設けられている側の反対側に設けられたソース電極と、
前記ドリフト層の前記p型半導体層が設けられている側の反対側に設けられたコンタクト層と、
前記コンタクト層の前記ドリフト層が設けられている側の反対側に設けられた基板と、
前記基板に設けられたビアホールと、
前記ビアホールに設けられたドレイン電極と、
前記ビアホールに設けられ、前記ドレイン電極に電気的に接続されたビア配線とを備えることを特徴とする、請求項5又は6に記載の半導体装置。 - 前記量子ドットは、InxGa1−xN(0<x≦1)を含むことを特徴とする、請求項1〜12のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記量子ドットは、GaNを含み、
前記埋込層は、AlGaNを含むことを特徴とする、請求項1〜12のいずれか1項に記載の半導体装置。 - 請求項1〜14のいずれか1項に記載の半導体装置を備えることを特徴とする電源装置。
- InxGa1−xN(0≦x≦1)を含む量子ドットと、前記量子ドットを埋め込み、n型Inx(GayAl1−y)1−xN(0≦x≦1、0≦y≦1)を含む埋込層とを備える量子ドット層を複数積層させてドリフト層を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 前記ドリフト層を形成する工程は、
n型Inx(GayAl1−y)1−xN(0≦x≦1、0≦y≦1)を含む第1半導体層の極性面上に、InxGa1−xN(0≦x≦1)を含む量子ドットを形成する工程と、
前記量子ドットを、n型Inx(GayAl1−y)1−xN(0≦x≦1、0≦y≦1)を含む第2半導体層で埋め込む工程とを含むことを特徴とする、請求項16に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記ドリフト層を形成する工程は、
n型Inx(GayAl1−y)1−xN(0≦x≦1、0≦y≦1)を含む第1半導体層上に、InxGa1−xN(0≦x≦1)及びp型不純物を含む量子ドットを形成する工程と、
前記量子ドットを、n型Inx(GayAl1−y)1−xN(0≦x≦1、0≦y≦1)を含む第2半導体層で埋め込む工程とを含むことを特徴とする、請求項16又は17に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記ドリフト層を形成する工程の後に、前記ドリフト層にショットキー接合されるアノード電極を形成する工程を含むことを特徴とする、請求項16〜18のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ドリフト層を形成する工程の後に、前記ドリフト層に接するp型半導体層を形成する工程を含むことを特徴とする、請求項16〜18のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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