WO2018078893A1 - 化合物半導体デバイス - Google Patents

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Abstract

基板（１）上に半導体層（２，３）が形成されている。半導体層（３）上にゲート電極（４）、ソース電極（５）及びドレイン電極（６）が形成されている。ゲート電極（４）とソース電極（５）との間に強相関電子系材料（１２）が接続されている。

Description

化合物半導体デバイス
　本発明は、高エネルギーの粒子に曝される過酷な環境下においても破壊及び劣化され難い化合物半導体デバイスに関する。
　ＭＥＳ－ＦＥＴ又はＨＥＭＴなどの電界効果トランジスタとして化合物半導体デバイスが用いられている（例えば、特許文献１～３参照）。デバイスが過酷な環境下に曝され、高エネルギー粒子が入射して、パッシベーション膜、ソースフィールドプレート、デバイスの活性領域を通過し基板まで達する場合がある。この時、高エネルギー粒子が通過した軌跡周辺に多量の電子・正孔対が発生し、材料の易動度、再結合速度、印加電圧に応じて拡散、再結合する。
日本特開２００６－２５３６５４号公報 日本特開２０１０－６７６９３号公報 日本特開２０１１－２４３６３２号公報
　ソースフィールドプレートのドレイン電極側の端部とＡｌＧａＮチャネル層との間に高い電界がかかる。このため、高エネルギーの粒子が入射してパッシベーション膜内に多量の電子・正孔対が発生すると、その部分に導通パスが形成されて破壊に至る。または、半導体内に発生した電子・正孔対の拡散、再結合過程で半導体表面付近の正孔濃度が上昇し、電位の上昇又は正孔電流の増加を引き起こし破壊に至るか、又は劣化し易いという問題があった。同様に、ゲート電極のドレイン電極側の端部とＡｌＧａＮチャネル層との間にも高い電界がかかり、破壊又は劣化しやすいという問題があった。
　また、高周波特性を向上させるため、ゲート電極とソース電極との間にＳｉＮキャパシタを接続する場合もあった。しかし、ＳｉＮは絶縁体のため、半導体内で発生した電子・正孔対の電荷をＳｉＮキャパシタを介して除去することはできなかった。
　本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は高エネルギーの粒子に曝される過酷な環境下においても破壊及び劣化され難い化合物半導体デバイスを得るものである。
　本発明に係る化合物半導体デバイスは、基板と、前記基板上に形成された半導体層と、前記半導体層上に形成されたゲート電極、ソース電極及びドレイン電極と、前記ゲート電極と前記ソース電極との間に接続された強相関電子系材料とを備えることを特徴とする。
　本発明では、デバイス内で電子・正孔対が発生した時、ゲート電極に接続された強相関電子系材料がデバイス内の電位変動を感じ、短時間で絶縁体から導電体へ相転位する。デバイス内で発生した電子・正孔対が、導電性に変化した強相関電子系材料を通過してアースへ流れ、デバイスへのダメージを低減させることができる。よって、本発明に係る化合物半導体デバイスは、高エネルギーの粒子に曝される過酷な環境下においても破壊及び劣化され難い。
本発明の実施の形態１に係る化合物半導体デバイスを示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る化合物半導体デバイスを示す平面図である。 本発明の実施の形態１に係る化合物半導体デバイスの回路図である。 本発明の実施の形態１に係る強相関電子系材料を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る化合物半導体デバイスの回路図である。
　本発明の実施の形態に係る化合物半導体デバイスについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１に係る化合物半導体デバイスを示す断面図である。ＳｉＣ基板１上にＧａＮバッファ層２が形成されている。ＧａＮバッファ層２上にＡｌＧａＮチャネル層３が形成されている。ＡｌＧａＮチャネル層３上にゲート電極４、ソース電極５及びドレイン電極６が形成されている。
　第１のパッシベーション膜７がゲート電極４及びＡｌＧａＮチャネル層３を覆っている。ソースフィールドプレート９が第１のパッシベーション膜７上に形成され、ソース電極５からゲート電極４とドレイン電極６との間まで延びている。ソースフィールドプレート９は、ゲート電極４とドレイン電極６との間の電界を緩和し高電圧動作を可能にし、さらに寄生容量を低減することで高周波特性を向上させる。デバイス全体を保護するために第２のパッシベーション膜１０が第１のパッシベーション膜７及びソースフィールドプレート９を覆っている。
　ソース電極５とドレイン電極６との間に電圧を印加し、ゲート電極４に所望のバイアス電圧を印加した状態でゲート電極４に高周波を入力すると、二次元電子ガス１１内の電子が高速で移動し、ドレイン電極６から増幅された高周波電力が得られるアンプとして動作する。
　図２は、本発明の実施の形態１に係る化合物半導体デバイスを示す平面図である。図３は、本発明の実施の形態１に係る化合物半導体デバイスの回路図である。ゲート電極４とソース電極５との間に強相関電子系材料１２が接続されている。ソース電極５はアースに接続されている。
　強相関電子系材料１２の代表例は、ＶＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＬａＶＯ３、ＳｒＯなどであり、銅酸化物系、Ｆｅ系、Ｍｎ系、超伝導系など多くの強相関を示す材料が報告されている。強相関電子系材料１２は、通常の状態では電子で満たされているにも関わらず、電子同士の相関が強すぎるため自由に動くことができず絶縁性を示すＭＯＴＴ絶縁体である。強相関電子系材料１２に電圧、温度、光などの刺激を与えると導電性材料に相転移することが知られている。強相関電子系材料１２はＰＬＤ法などの通常半導体プロセスで用いる手法で形成、加工することができるため、既存の半導体製造プロセスに組込むことが容易である。
　デバイスに高エネルギー粒子が入射すると第２のパッシベーション膜１０、ソースフィールドプレート９、第１のパッシベーション膜７、ＡｌＧａＮチャネル層３、ＧａＮバッファ層２を通過しＳｉＣ基板１まで達する場合がある。飛来する粒子は重粒子、プロトン、電子、中性子、ミュオンなどであり、１ｋｅＶから１００ＧｅＶ程度のエネルギーを持っている。高エネルギー粒子が通過した軌跡周辺では多量の電子・正孔対が発生する。従来の構造では発生した電子・正孔対がデバイス内で拡散、ドリフト、再結合し消滅していく過程で半導体に大きなダメージを与え破壊又は劣化させてしまう。
　本実施の形態では、デバイス内で電子・正孔対が発生した時、ゲート電極４に接続された強相関電子系材料１２がデバイス内の電位変動を感じ、短時間で絶縁体から導電体へ相転位する。デバイス内で発生した電子・正孔対が、導電性に変化した強相関電子系材料１２を通過してアースへ流れ、デバイスへのダメージを低減させることができる。よって、本実施の形態に係る化合物半導体デバイスは、高エネルギーの粒子に曝される過酷な環境下においても破壊及び劣化され難い。
　図４は、本発明の実施の形態１に係る強相関電子系材料を示す断面図である。ＳｉＣ基板１上に下地電極１３が配置されている。下地電極１３はゲート電極４に接続されている。下地電極１３上に強相関電子系材料１２の薄膜が形成されている。強相関電子系材料１２上に上地電極１４が形成されている。上地電極１４はソース電極５に接続されている。このようにキャパシタと同様の簡単な構造で強相関電子系材料１２をソース電極５とドレイン電極６との間に接続することができる。また、強相関電子系材料１２をＳｉＣ基板１上に配置することでデバイスの小型化を実現できる。なお、強相関電子系材料１２の両端にそれぞれソース電極５とドレイン電極６を接続する構造でもよい。
実施の形態２．
　図５は、本発明の実施の形態２に係る化合物半導体デバイスの回路図である。本実施の形態では、実施の形態１の構成に加えて、ソース電極５とドレイン電極６との間に強相関電子系材料１５が接続されている。これにより、電荷が抜けるパスが増えるので効果が増す。なお、ソース側の強相関電子系材料１２を省略してドレイン側の強相関電子系材料１５のみ設けてもよく、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
１　ＳｉＣ基板、２　ＧａＮバッファ層、３　ＡｌＧａＮチャネル層、４　ゲート電極、５　ソース電極、６　ドレイン電極、１２，１５　強相関電子系材料、１３　下地電極、１４　上地電極

Claims (4)

  1. 　基板と、
    　前記基板上に形成された半導体層と、
    　前記半導体層上に形成されたゲート電極、ソース電極及びドレイン電極と、
    　前記ゲート電極と前記ソース電極との間に接続された強相関電子系材料とを備えることを特徴とする化合物半導体デバイス。
  2. 　基板と、
    　前記基板上に形成された半導体層と、
    　前記半導体層上に形成されたゲート電極、ソース電極及びドレイン電極と、
    　前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に接続された強相関電子系材料とを備えることを特徴とする化合物半導体デバイス。
  3. 　前記強相関電子系材料は、前記基板上に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の化合物半導体デバイス。
  4. 　前記強相関電子系材料は下地電極と上地電極の間に挟まれていることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の化合物半導体デバイス。
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