JPWO2014050250A1 - 半導体積層基板および半導体素子 - Google Patents
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Abstract
Description
0.3≦a/(a+b)≦0.8
の関係が成り立つことを特徴とする。
0.3≦a/(a+b)≦0.7
の関係が成り立つことを特徴とする。
0.4≦a/(a+b)≦0.7
の関係が成り立つことを特徴とする。
0.3≦c/(c+d)≦0.8
の関係が成り立つことを特徴とする。
0.3≦c/(c+d)≦0.7
の関係が成り立つことを特徴とする。
0.4≦c/(c+d)≦0.7
の関係が成り立つことを特徴とする。
以下の式(1)が成り立つことを特徴とする。
図1は、実施の形態1に係る半導体素子の模式的な断面図である。半導体素子100Aは、半導体積層基板10と、半導体積層基板10上に形成されたオーミック電極であるアノード電極Aおよびショットキー電極であるカソード電極Cを有するショットキーバリアダイオード(Schottky Barrier Diode:SBD)である。
図4は、実施の形態2に係る半導体素子の模式的な断面図である。半導体素子100Bは、実施の形態1に係る半導体素子100Aにおいて、アノード電極Aおよびカソード電極Cに換えて、ソース電極S、ゲート電極G、およびドレイン電極Dを備えたHEMT(High Electron Mobility Transistor)型の電界効果トランジスタ(FET)である。
図5は、実施の形態3に係る半導体素子の模式的な断面図である。半導体素子100Cは、実施の形態2に係る半導体素子100Bにおいて、活性層15の電子供給層15b上のソース電極Sとドレイン電極Dとの間にゲート絶縁膜Iを形成し、ゲート電極Gはゲート絶縁膜Iにショットキー接合するようにしたMOS型のFETである。なお、ゲート絶縁膜Iはたとえば厚さ30nm〜60nmのSiO2膜からなる。
図6は、実施の形態4に係る半導体素子の模式的な断面図である。半導体素子200Aは、実施の形態1に係る半導体素子100Aにおいて、半導体積層基板10を半導体積層基板20に置き換えたものである。また、半導体積層基板20は、半導体積層基板10において、電界緩和層14を電界緩和層24に置き換えたものである。
図7は、実施の形態5に係る半導体素子の模式的な断面図である。半導体素子200Bは、実施の形態4に係る半導体素子200Aにおいて、アノード電極Aおよびカソード電極Cに換えて、ソース電極S、ゲート電極G、およびドレイン電極Dを備えたHEMT型のFETである。
図8は、実施の形態6に係る半導体素子の模式的な断面図である。半導体素子200Cは、実施の形態5に係る半導体素子200Bにおいて、活性層15の電子供給層15bとゲート電極Gとの間にゲート絶縁膜Iを形成したMOS型のFETである。
図9は、実施の形態7に係る半導体素子の模式的な断面図である。半導体素子300Aは、実施の形態1に係る半導体素子100Aにおいて、半導体積層基板10を半導体積層基板30に置き換えたものである。また、半導体積層基板30は、半導体積層基板10において、電界緩和層14を電界緩和層34に置き換えたものである。
図10は、実施の形態8に係る半導体素子の模式的な断面図である。半導体素子300Bは、実施の形態7に係る半導体素子300Aにおいて、アノード電極Aおよびカソード電極Cに換えて、ソース電極S、ゲート電極G、およびドレイン電極Dを備えたHEMT型のFETである。
図11は、実施の形態9に係る半導体素子の模式的な断面図である。半導体素子300Cは、実施の形態8に係る半導体素子300Bにおいて、活性層15の電子供給層15bとゲート電極Gとの間にゲート絶縁膜Iを形成したMOS型のFETである。
図12は、実施の形態10に係る半導体素子の模式的な断面図である。半導体素子300Dは、実施の形態1に係る半導体素子100Aにおいて、活性層15の電子供給層15b上にアノード電極Aに接触するようにフィールドプレート層36を形成し、アノード電極Aとカソード電極Cとの間の活性層15の表面およびフィールドプレート層36の一部表面を覆うように保護膜Pを形成し、さらにアノード電極Aは保護膜Pに階段状に乗り上げる形状に形成したSBDである。保護膜PはたとえばSiO2膜からなる。また、フィールドプレート層36は電子供給層15bよりもバンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体材料、たとえばGaNからなる。なお、半導体素子300Dにおいても、電極間距離であるLは、2つの電極(アノード電極Aとカソード電極C)が活性層15と接触している各部分の端部の間の距離である。
11 基板
12 バッファ層
12a、12d、12f、12h、13b、34b AlN層
12b、24aa、24ab、24ac AlGaN層
12c、12e、12g、13a、34a、34c C−GaN層
13 電界制御層
14、24、34 電界緩和層
14a、24a 第1電界緩和層
14b、24b 第2電界緩和層
15 活性層
15a 電子走行層
15b 電子供給層
100A、100B、100C、200A、200B、200C、300A、300B、300C 半導体素子
A アノード電極
C カソード電極
D ドレイン電極
G ゲート電極
I ゲート絶縁膜
L1、L2 線
S ソース電極
Claims (28)
- 基板と、
前記基板上に形成された窒化物半導体からなるバッファ層と、
前記バッファ層上に形成され、窒化物半導体からなり、基板横方向に導電性を有する電界制御層と、
前記電界制御層上に形成された窒化物半導体からなる電界緩和層と、
前記電界緩和層上に形成された窒化物半導体からなる活性層と、
を備え、
前記電界制御層の基板横方向の抵抗が、前記電界緩和層の抵抗の10倍以下であり、
前記電界緩和層の膜厚と前記バッファ層の膜厚との比によって、前記電界緩和層と前記バッファ層との電界分担の比を制御していることを特徴とする半導体積層基板。 - 前記電界緩和層は、第1電界緩和層と、前記第1電界緩和層上に形成され、前記第1電界緩和層とは層構成が異なる第2電界緩和層とを有することを特徴とする請求項1に記載の半導体積層基板。
- 前記バッファ層、前記電界制御層、および前記電界緩和層の膜厚の総和に対する前記電界緩和層の上面と前記電界制御層の上面との間の距離の比が、0.3〜0.8の範囲にあることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体積層基板。
- 前記バッファ層、前記電界制御層、および前記電界緩和層の膜厚の総和に対する前記電界緩和層の上面と前記電界制御層の上面との間の距離の比が、0.3〜0.7の範囲にあることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体積層基板。
- 前記バッファ層、前記電界制御層、および前記電界緩和層の膜厚の総和に対する前記電界緩和層の上面と前記電界制御層の上面との間の距離の比が、0.4〜0.7の範囲にあることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体積層基板。
- 耐圧がVb以上であり、かつ前記Vbの電圧印加時におけるリーク電流がIL以下であり、前記活性層、前記電界緩和層、前記電界制御層、および前記バッファ層の膜厚の総和がdtであり、前記活性層と前記電界緩和層とを合わせた領域のうち、膜厚当りの抵抗がVb/(IL・dt)で表される値よりも大きい領域の厚さをa、前記電界制御層と前記バッファ層とを合わせた領域のうち、膜厚当りの抵抗がVb/(IL・dt)で表される値よりも大きい領域の厚さをbとしたときに、
0.3≦a/(a+b)≦0.8
の関係が成り立つことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体積層基板。 - 耐圧がVb以上であり、かつ前記Vbの電圧印加時におけるリーク電流がIL以下であり、前記活性層、前記電界緩和層、前記電界制御層、および前記バッファ層の膜厚の総和がdtであり、前記活性層と前記電界緩和層とを合わせた領域のうち、膜厚当りの抵抗がVb/(IL・dt)で表される値よりも大きい領域の厚さをa、前記電界制御層と前記バッファ層とを合わせた領域のうち、膜厚当りの抵抗がVb/(IL・dt)で表される値よりも大きい領域の厚さをbとしたときに、
0.3≦a/(a+b)≦0.7
の関係が成り立つことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体積層基板。 - 耐圧がVb以上であり、かつ前記Vbの電圧印加時におけるリーク電流がIL以下であり、前記活性層、前記電界緩和層、前記電界制御層、および前記バッファ層の膜厚の総和がdtであり、前記活性層と前記電界緩和層とを合わせた領域のうち、膜厚当りの抵抗がVb/(IL・dt)で表される値よりも大きい領域の厚さをa、前記電界制御層と前記バッファ層とを合わせた領域のうち、膜厚当りの抵抗がVb/(IL・dt)で表される値よりも大きい領域の厚さをbとしたときに、
0.4≦a/(a+b)≦0.7
の関係が成り立つことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体積層基板。 - 前記活性層と前記電界緩和層とを合わせた領域のうち、炭素濃度が1×1018cm−3〜1×1020cm−3である領域の厚さをc、前記電界制御層と前記バッファ層とを合わせた領域のうち、炭素濃度が1×1018cm−3〜1×1020cm−3である領域の厚さをdとしたときに、
0.3≦c/(c+d)≦0.8
の関係が成り立つことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体積層基板。 - 前記活性層と前記電界緩和層とを合わせた領域のうち、炭素濃度が1×1018cm−3〜1×1020cm−3である領域の厚さをc、前記電界制御層と前記バッファ層とを合わせた領域のうち、炭素濃度が1×1018cm−3〜1×1020cm−3である領域の厚さをdとしたときに、
0.3≦c/(c+d)≦0.7
の関係が成り立つことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体積層基板。 - 前記活性層と前記電界緩和層とを合わせた領域のうち、炭素濃度が1×1018cm−3〜1×1020cm−3である領域の厚さをc、前記電界制御層と前記バッファ層とを合わせた領域のうち、炭素濃度が1×1018cm−3〜1×1020cm−3である領域の厚さをdとしたときに、
0.4≦c/(c+d)≦0.7
の関係が成り立つことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体積層基板。 - 前記電界制御層の前記基板横方向の抵抗が前記電界緩和層の抵抗の10倍以下であることを特徴とする請求項1〜11のいずれか一つに記載の半導体積層基板。
- 前記電界制御層は、AlxGa1−xN(0≦x<1)からなる第1層と、該第1層よりも広いバンドギャップを有するAlyGa1−yN(0<y≦1)からなる第2層との積層構造を有することを特徴とする請求項1〜12のいずれか一つに記載の半導体積層基板。
- 前記電界制御層は、不純物のドープにより低抵抗化された領域を有することを特徴とする請求項1〜13のいずれか一つに記載の半導体積層基板。
- 前記電界緩和層は、前記第2電界緩和層が単一の組成からなる単層により構成され、前記第1電界緩和層が、前記基板から近い側から順に、前記第2電界緩和層と同じ組成からなる第一の部分と、前記第2電界緩和層とは組成の異なる第二の部分との積層構造により構成され、かつ、前記第一の部分と前記第二の部分が結合された箇所の前記基板横方向の抵抗が、前記第2電界緩和層の抵抗の1/10より大きくなるような膜厚を前記第二の部分が有することを特徴とする、請求項2または請求項2を引用する請求項3〜14のいずれか一つに記載の半導体積層基板。
- 前記電界緩和層は、前記第2電界緩和層が単一の組成からなる単層により構成され、前記第1電界緩和層が膜厚5nm〜20nmのAlzGa1−zN(0≦z<1)層と膜厚5nm〜20nmのAlwGa1−wN(0<w≦1かつz<w)層が交互に複数回繰り返し積層した構造を有することを特徴とする、請求項2または請求項2を引用する請求項3〜14のいずれか一つに記載の半導体積層基板。
- 前記電界緩和層は、前記第1電界緩和層が、前記基板側から前記活性層側に向かってバンドギャップが狭くなる組成のAlGaNで構成されていることを特徴とする、請求項2または請求項2を引用する請求項3〜14のいずれか一つに記載の半導体積層基板。
- 前記電界緩和層は、前記第1電界緩和層が、複数のAlGaN層からなり、前記複数のAlGaN層は、前記基板側から前記活性層側に向かってバンドギャップが狭くなる互いに異なる組成を有することを特徴とする請求項17に記載の半導体積層基板。
- 前記バッファ層は、膜厚0.1μm〜0.8μmのAluGa1−uN(0≦u<1)層と膜厚20nm〜60nmのAlvGa1−vN(0<v≦1かつu<v)層が交互に複数回繰り返し積層した構造を有することを特徴とする請求項1〜18のいずれか一つに記載の半導体積層基板。
- 前記活性層は、電子走行層と、前記電子走行層上に形成され、該電子走行層よりも広いバンドギャップを有する電子供給層との積層構造を有することを特徴とする請求項1〜19のいずれか一つに記載の半導体積層基板。
- 請求項1〜20のいずれか一つに記載の半導体積層基板の前記活性層上に2つ以上の電極を備えたことを特徴とする半導体素子。
- 前記電極は、前記活性層上に形成され、前記活性層とショットキー接合するショットキー電極と、前記活性層上に形成され、前記活性層とオーミック接合するオーミック電極とを含むことを特徴とする請求項21に記載の半導体素子。
- 前記電極は、前記活性層上に形成され、前記活性層とオーミック接合する2つのオーミック電極と、前記活性層上に形成され、前記2つのオーミック電極の間に配置され、前記活性層とショットキー接合するショットキー電極と、を含むことを特徴とする請求項21に記載の半導体素子。
- 前記電極は、前記活性層上に形成され、前記活性層とオーミック接合する2つのオーミック電極と、前記活性層上に形成され、前記2つのオーミック電極の間に配置された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成された電極と、を含むことを特徴とする請求項21に記載の半導体素子。
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