JP2008277640A - Nitride semiconductor device - Google Patents
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Abstract
【課題】ノーマリーオフ型であってゲートリーク電流が小さく、オン抵抗が低い窒化物半導体素子を提供する。
【解決手段】GaNからなるチャネル層1、AlGaNからなるバリア層2、ソース電極3、ドレイン電極4及びゲート電極5が設けられたGaN−HFETにおいて、バリア層2の上面におけるソース電極3とゲート電極5との間の領域及びゲート電極5とドレイン電極4との間の領域を覆うように、Siを含むフィールド絶縁膜6を形成する。一方、ゲート電極5とバリア層2との間には、Siを含まないゲート絶縁膜7を形成する。
【選択図】図1A nitride semiconductor device that is normally off type, has low gate leakage current, and low on-resistance is provided.
In a GaN-HFET provided with a channel layer 1 made of GaN, a barrier layer 2 made of AlGaN, a source electrode 3, a drain electrode 4 and a gate electrode 5, a source electrode 3 and a gate electrode on the upper surface of the barrier layer 2 are provided. A field insulating film 6 containing Si is formed so as to cover the region between the gate electrode 5 and the region between the gate electrode 5 and the drain electrode 4. On the other hand, a gate insulating film 7 containing no Si is formed between the gate electrode 5 and the barrier layer 2.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、窒化物半導体素子に関し、特に、横形の電力用窒化物半導体素子に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor device, and more particularly to a lateral power nitride semiconductor device.
窒化ガリウム(GaN)はシリコン(Si)に比べてバンドギャップが大きいため、GaNを用いた半導体素子はSiを用いた半導体素子よりも臨界電界が高く、小型で高耐圧な素子を実現しやすい。このため、GaNを用いて電力制御用の半導体素子を作製すれば、オン抵抗が低く、損失が小さい素子を実現できる。特に、AlGaN/GaNヘテロ構造を用いた電界効果トランジスタ(HFET:Heterostructure Field-Effect Transistor)は、単純な素子構造で良好な特性を期待できる。 Since gallium nitride (GaN) has a larger band gap than silicon (Si), a semiconductor device using GaN has a higher critical electric field than a semiconductor device using Si, and it is easy to realize a small and high breakdown voltage device. For this reason, if a semiconductor element for power control is produced using GaN, an element with low on-resistance and low loss can be realized. In particular, a field effect transistor (HFET) using an AlGaN / GaN heterostructure can be expected to have good characteristics with a simple element structure.
このようなGaN−HFETにおいては、チャネル層としてのGaN層上にバリア層としてAlGaN層が形成され、その上にソース電極、ゲート電極及びドレイン電極が設けられている。そして、AlGaN層中のドーパント及びAlGaN/GaNへテロ界面における分極により、GaN層内におけるAlGaN層との界面付近に二次元電子ガス(2DEG)が高濃度で発生し、この2DEGをキャリアとしてドレイン電極とソース電極との間に電流を流すことができる。これにより、GaN−HFETは低いオン抵抗を実現している。 In such a GaN-HFET, an AlGaN layer is formed as a barrier layer on a GaN layer as a channel layer, and a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode are provided thereon. Then, due to the dopant in the AlGaN layer and the polarization at the AlGaN / GaN hetero interface, a two-dimensional electron gas (2DEG) is generated at a high concentration in the vicinity of the interface with the AlGaN layer in the GaN layer, and the drain electrode using the 2DEG as a carrier A current can flow between the source electrode and the source electrode. Thereby, the GaN-HFET realizes a low on-resistance.
この場合、2DEGはAlGaN層中のドーパント及びAlGaN/GaNヘテロ界面の分極により、ヘテロ界面の全面に発生する。このため、通常、GaN−HFETはノーマリーオン型の素子となる。しかし、電力制御に用いられる素子においては、回路の電源投入時における突入電流を防止するなどの観点から、ノーマリーオフ型素子であることが望まれる。 In this case, 2DEG is generated on the entire surface of the heterointerface due to the dopant in the AlGaN layer and the polarization of the AlGaN / GaN heterointerface. For this reason, the GaN-HFET is normally a normally-on device. However, an element used for power control is desirably a normally-off element from the viewpoint of preventing an inrush current when a circuit is powered on.
ノーマリーオフ型素子を実現するための手段として、AlGaN層の膜厚を数nm程度まで薄くする方法がある。AlGaN層を薄くすれば、AlGaN/GaNへテロ界面における2DEG濃度が低減し、ゲートしきい値電圧がプラス側にシフトして、ノーマリーオフ型素子を実現できる。しかし、2DEG濃度を低減させることにより、素子のオン抵抗が増大してしまう。 As means for realizing a normally-off type element, there is a method of reducing the thickness of the AlGaN layer to about several nm. If the AlGaN layer is made thinner, the 2DEG concentration at the AlGaN / GaN hetero interface is reduced and the gate threshold voltage is shifted to the positive side, so that a normally-off device can be realized. However, reducing the 2DEG concentration increases the on-resistance of the element.
一方、SiN又はSiO2などのSiを含むパッシベーション膜をAlGaN層上に形成することにより、AlGaN層とパッシベーション膜との界面にSiとNとの結合が生じ、Siをドープした場合と同様な効果が得られ、AlGaN/GaNへテロ界面における2DEG濃度を増加させることができる(例えば、非特許文献1参照。)。この方法によっても、2DEG濃度を制御することができる。しかしながら、この場合も、ゲートリーク電流を低減するためにゲート電極下にSiN又はSiO2などのSiを含む絶縁膜を形成すると、2DEG濃度が高くなりノーマリーオン型となってしまうという問題がある。 On the other hand, by forming a passivation film containing Si, such as SiN or SiO 2 , on the AlGaN layer, a bond between Si and N is generated at the interface between the AlGaN layer and the passivation film, and the same effect as when Si is doped is obtained. And the 2DEG concentration at the AlGaN / GaN heterointerface can be increased (see, for example, Non-Patent Document 1). This method can also control the 2DEG concentration. However, even in this case, if an insulating film containing Si such as SiN or SiO 2 is formed under the gate electrode in order to reduce the gate leakage current, there is a problem that the 2DEG concentration increases and a normally-on type is obtained. .
本発明の目的は、ノーマリーオフ型であってゲートリーク電流が小さく、オン抵抗が低い窒化物半導体素子を提供することである。 An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor device which is of a normally-off type, has a small gate leakage current and a low on-resistance.
本発明の一態様によれば、アンドープの窒化物半導体からなる第1の半導体層と、前記第1の半導体層上に設けられ、バンドギャップが前記第1の半導体層を形成する窒化物半導体のバンドギャップよりも広い窒化物半導体からなる第2の半導体層と、前記第2の半導体層上に設けられ、前記第2の半導体層に接続された第1及び第2の主電極と、前記第2の半導体層上における前記第1の主電極と前記第2の主電極との間に設けられた制御電極と、少なくとも前記制御電極の下部と前記第2の半導体層との間に設けられたゲート絶縁膜と、前記第2の半導体層の上面における前記制御電極の下部と前記第1の主電極との間の領域及び前記制御電極の下部と前記第2の主電極との間の領域を覆うフィールド絶縁膜と、を備え、前記フィールド絶縁膜はシリコンを含み、前記ゲート絶縁膜はシリコンを含まないことを特徴とする窒化物半導体素子が提供される。 According to one aspect of the present invention, a first semiconductor layer made of an undoped nitride semiconductor and a nitride semiconductor provided on the first semiconductor layer and having a band gap forming the first semiconductor layer are provided. A second semiconductor layer made of a nitride semiconductor wider than a band gap; first and second main electrodes provided on the second semiconductor layer and connected to the second semiconductor layer; A control electrode provided between the first main electrode and the second main electrode on the second semiconductor layer, and provided at least between the lower part of the control electrode and the second semiconductor layer. A gate insulating film, a region between the lower portion of the control electrode and the first main electrode on the upper surface of the second semiconductor layer, and a region between the lower portion of the control electrode and the second main electrode; A field insulating film covering the field Enmaku comprises silicon, the gate insulating film is a nitride semiconductor device characterized by containing no silicon is provided.
本発明によれば、ノーマリーオフ型であってゲートリーク電流が小さく、オン抵抗が低い窒化物半導体素子を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize a normally-off type nitride semiconductor device having a small gate leakage current and a low on-resistance.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、図面中の同一又は対応する部分には、同一の符号を付している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or corresponding part in drawing.
(第1の実施形態)
図1は本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体素子の構成を模式的に例示する断面図である。
図1に示すように、本実施形態に係る窒化物半導体素子は、横型の電力用半導体素子である。この半導体素子においては、基板(図示せず)上に、第1の半導体層として、アンドープの窒化物半導体からなるチャネル層1が設けられており、チャネル層1上には、第2の半導体層として、窒化物半導体からなるバリア層2が設けられている。バリア層2を形成する窒化物半導体のバンドギャップは、チャネル層1を形成する窒化物半導体のバンドギャップよりも広い。また、バリア層2上には、第1の主電極としてのソース電極3及び第2の主電極としてのドレイン電極4がオーミック電極として形成されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating the configuration of a nitride semiconductor device according to the first embodiment of the invention.
As shown in FIG. 1, the nitride semiconductor device according to the present embodiment is a horizontal power semiconductor device. In this semiconductor element, a
更に、バリア層2上におけるソース電極3とドレイン電極4との間には、制御電極としてのゲート電極5が設けられている。バリア層2とゲート電極5との間にはゲート絶縁膜7が設けられており、ゲート電極5は、ゲート絶縁膜7により、バリア層2から絶縁されている。更にまた、バリア層2の上面におけるゲート電極5とソース電極3との間の領域及びゲート電極5とドレイン電極4との間の領域(以下、総称して「オフセット領域」ともいう)は、フィールド絶縁膜6によって覆われている。すなわち、フィールド絶縁膜6はバリア層2の上面におけるオフセット領域に接している。本実施形態においては、ゲート電極5はゲート絶縁膜7の直上域のみに設けられており、従って、ソース電極3からドレイン電極4に向かう方向において、ゲート電極5の長さはゲート絶縁膜7の長さと等しい。また、フィールド絶縁膜6の膜厚はゲート絶縁膜7の膜厚よりも厚い。このため、ゲート絶縁膜5の下部はフィールド絶縁膜6内に埋め込まれている。
Further, a
そして、バリア層2の膜厚は、それ自体ではチャネル層1との界面に窒化物半導体素子をノーマリーオン型にするだけの二次元電子ガス(2DEG)を発生させないような薄い膜厚とされている。一方、フィールド絶縁膜6はシリコン(Si)を含んでいる。例えば、フィールド絶縁膜6は、窒化珪素(SiN)、酸化珪素(SiO2)又は酸窒化珪素(SiON)などのSiを含む絶縁材料によって形成されている。これに対して、ゲート絶縁膜7はシリコンを含んでいない。すなわち、ゲート絶縁膜7は、Siを含まない絶縁材料によって形成されており、例えば、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)若しくは酸化アルミニウム(Al2O3)からなる単層膜、又は、これらの単層膜が積層された複層膜、例えば、(Al2O3/GaN)二層膜若しくは(Al2O3/AlN)二層膜である。
The film thickness of the
一例では、チャネル層1は、アンドープのGaNにより形成されている。また、バリア層2は、アンドープのAlGaNによって形成されている。従って、本実施形態に係る窒化物半導体素子は、AlGaN/GaNへテロ界面を持つGaN−HFETである。そして、バリア層2の組成をAlXGa1−XN(0≦X≦1)とし、バリア層2の膜厚をt(nm)とするとき、膜厚tは下記数式1を満たしている。例えば、Al組成比Xは0.15乃至0.25程度であり、膜厚tは数nmである。
t≦1/(1.15X2+0.326X+0.01) (1)
In one example, the
t ≦ 1 / (1.15X 2 + 0.326X + 0.01) (1)
次に、本実施形態の動作について説明する。
図2は、横軸にバリア層のAl組成比Xをとり、縦軸にこのバリア層を組み込んだGaN−HFETのしきい値電圧が0となるときのバリア層の膜厚t0をとって、バリア層の組成及び膜厚がGaN−HFETのしきい値電圧に及ぼす影響を例示するグラフ図である。
図2に示す曲線Lは下記数式2によって表される。そして、図2における曲線Lよりも左下の領域、すなわち、上記数式1を満たす領域ではGaN−HFETはノーマリーオフ型となり、曲線Lよりも右上の領域、すなわち、上記数式1を満たさない領域ではGaN−HFETはノーマリーオン型となる。
t0=1/(1.15X2+0.326X+0.01) (2)
Next, the operation of this embodiment will be described.
In FIG. 2, the horizontal axis represents the Al composition ratio X of the barrier layer, and the vertical axis represents the thickness t 0 of the barrier layer when the threshold voltage of a GaN-HFET incorporating this barrier layer is zero. FIG. 5 is a graph illustrating the influence of the composition and thickness of the barrier layer on the threshold voltage of the GaN-HFET.
A curve L shown in FIG. In the lower left region of the curve L in FIG. 2, that is, in the region satisfying the
t 0 = 1 / (1.15X 2 + 0.326X + 0.01) (2)
本実施形態においては、バリア層2の組成及び膜厚が上記数式1を満たしており、図2における曲線Lより左下の領域に相当するため、バリア層2の作用のみでは、チャネル層1とバリア層2との界面に、GaN−HFETをノーマリーオン型とするのに十分な量の2DEGを発生させない。
In the present embodiment, the composition and film thickness of the
しかし、バリア層2上のオフセット領域にはSiを含むフィールド絶縁膜6が設けられている。これにより、フィールド絶縁膜6とバリア層2との界面にはSi−N結合が生じ、バリア層2にSiをドープした場合と同様な効果が得られる。Siはバリア層2を構成するAlGaNに対してN型ドーパントとして作用するため、これにより、チャネル層1とバリア層2との界面における2DEG濃度が増加する。一方、ゲート電極5の直下域には、フィールド絶縁膜6は設けられておらず、Siを含まないゲート絶縁膜7が設けられている。従って、ゲート電極5の直下域においては、2DEG濃度は増加しない。これにより、Siがオフセット領域に選択的にドープされている場合と同様な効果が得られる。
However, a
この結果、チャネル層1とバリア層2との界面において、ゲート電極5の直下域においては、2DEG濃度が相対的に低くなり、オフセット領域、すなわち、ソース電極3とゲート電極5との間の領域及びゲート電極5とドレイン電極4との間の領域においては、2DEG濃度が相対的に高くなる。これにより、ゲート電極5の電位が0であるとき、ゲート電極5の直下域は空乏化し、2DEG濃度は0となる。すなわち、窒化物半導体素子のしきい値電圧がプラスになり、ノーマリーオフ動作を実現する。一方、オフセット領域においては、十分な濃度の2DEGが発生しているため、抵抗が小さい。これにより、窒化物半導体素子のオン抵抗を小さくすることができる。
As a result, at the interface between the
次に、本実施形態の効果について説明する。
上述の如く、本実施形態においては、1)薄いバリア層2、2)Siを含むフィールド絶縁膜6、3)Siを含まないゲート絶縁膜7の組合せにより、ゲート電極5の直下域の2DEG濃度を相対的に低くし、オフセット領域の2DEG濃度を相対的に高くすることができ、ノーマリーオフ動作と低いオン抵抗とを両立させることができる。例えば、バリア層2をAlGaNにより形成し、そのAl組成比Xと膜厚tとの関係を上記数式1を満たすように規制することにより、確実にノーマリーオフ動作を実現することができる。
Next, the effect of this embodiment will be described.
As described above, in this embodiment, the combination of 1) the
これに対して、単にバリア層を薄くしただけで、Siを含むフィールド絶縁膜を設けなければ、チャネル層とバリア層との界面における全域で2DEG濃度が低くなってしまう。この場合は、ノーマリーオフ動作は実現できるものの、オフセット領域における抵抗が高くなってしまい、オン抵抗が高くなってしまう。また、バリア層上の全域にSiを含むフィールド絶縁膜を設けると、界面全域で2DEG濃度が高くなってしまい、オン抵抗は低減できるものの、ノーマリーオフ動作を実現することはできない。更に、AlGaNバリア層を薄くした上で、オフセット領域のみに選択的にSiイオンを注入し、1200℃程度の活性化アニールを行うことにより、選択的なn型ドープを行い、オフセット領域における2DEG濃度を増加させることも考えられる。しかしながら、この場合は、高温の活性化アニールによってバリア層とフィールド絶縁膜との界面が荒れてしまい、界面準位が増加し、安定した動作が得られない。 On the other hand, if the field insulating film containing Si is not provided simply by making the barrier layer thin, the 2DEG concentration is lowered in the entire region at the interface between the channel layer and the barrier layer. In this case, although a normally-off operation can be realized, the resistance in the offset region becomes high and the on-resistance becomes high. Further, when a field insulating film containing Si is provided over the entire area of the barrier layer, the 2DEG concentration is increased throughout the interface, and the on-resistance can be reduced, but a normally-off operation cannot be realized. Further, after thinning the AlGaN barrier layer, Si ions are selectively implanted only into the offset region, and activation annealing at about 1200 ° C. is performed to perform selective n-type doping, and the 2DEG concentration in the offset region It is also possible to increase the value. However, in this case, the interface between the barrier layer and the field insulating film is roughened by the high-temperature activation annealing, the interface state increases, and a stable operation cannot be obtained.
また、本実施形態においては、バリア層2とゲート電極5とがゲート絶縁膜7によって絶縁されているため、ゲート電極5に高いゲート電圧を印加しても、ゲートリーク電流が増大することがない。これにより、大きな順方向ゲートバイアスをかけることができ、オン状態においてゲート電極5の直下域の2DEG濃度を高くすることが可能となり、チャネル抵抗を小さくすることができる。この結果、オン抵抗をより一層低減することが可能となる。
In this embodiment, since the
更に、本実施形態においては、バリア層2をAlGaNにより形成し、ゲート絶縁膜7をGaN、AlN若しくはAl2O3又はそれらの複層膜などによって形成することにより、バリア層2とゲート絶縁膜7との間で、安定した界面を形成することができる。
Furthermore, in this embodiment, the
(第1の実施形態の変形例)
図3は第1の実施形態の変形例に係る窒化物半導体素子の構成を模式的に例示する断面図である。
なお、図3に示す構成要素のうち、図1に示す構成要素と同一又は対応する構成要素については図1と同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。後述する他の図においても同様である。
(Modification of the first embodiment)
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically illustrating the configuration of the nitride semiconductor device according to the modification of the first embodiment.
3 that are the same as or correspond to the components shown in FIG. 1 are assigned the same reference numerals as those in FIG. 1 and their detailed description is omitted. The same applies to other figures described later.
図3に示すように、本変形例に係る窒化物半導体素子においては、ソース電極3からドレイン電極4に向かう方向において、ゲート電極5の長さがゲート絶縁膜7の長さよりも長くなっており、ゲート電極5の両端部がフィールド絶縁膜6上に乗り上げている。これにより、ゲート電極5を形成する際に位置合わせのマージンを設けることができる。なお、本変形例においては、ゲート電極5のうち、2DEGに対するゲート電極として実効的に機能する部分は、ゲート電極5の下部、すなわち、フィールド絶縁膜6内に埋め込まれた部分である。従って、ゲート絶縁膜7は、少なくともゲート電極5の下部とバリア層2との間に設けられていればよく、フィールド絶縁膜6がバリア層2に接するオフセット領域は、ゲート電極5の下部とソース電極3との間の領域及びゲート電極5の下部とドレイン電極4との間の領域となる。後述する他の実施形態及びその変形例においても同様である。本変形例における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第1の実施形態と同様である。
As shown in FIG. 3, in the nitride semiconductor device according to this modification, the length of the
(第2の実施形態)
図4は、本発明の第2の実施形態に係る窒化物半導体素子の構造を模式的に例示する断面図である。
図4に示すように、本実施形態に係る窒化物半導体素子においては、ゲート絶縁膜7がフィールド絶縁膜6を覆うように形成されている。これにより、ゲート絶縁膜7におけるゲート電極5の下部とバリア層2との間に挟まれた部分以外の部分は、フィールド絶縁膜6上に乗り上げている。また、ゲート電極5の両端部は、フィールド絶縁膜6及びゲート絶縁膜7の上方に乗り上げている。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically illustrating the structure of a nitride semiconductor device according to the second embodiment of the invention.
As shown in FIG. 4, in the nitride semiconductor device according to the present embodiment, the
以下、この半導体素子の製造方法について説明する。基板(図示せず)上にチャネル層1及びバリア層2を形成し、バリア層2上の全面にフィールド絶縁膜6を堆積させる。次に、ゲート電極5を形成する予定の領域からフィールド絶縁膜6を選択的に除去する。次に、ゲート絶縁膜7を、フィールド絶縁膜6を覆うように全面に堆積させる。その後、フィールド絶縁膜6を除去した領域を含む領域に、ゲート電極5を形成する。これにより、図4に示す窒化物半導体素子を製造することができる。
Hereinafter, a method for manufacturing the semiconductor element will be described. A
前述の第1の実施形態においては、ゲート電極5及びゲート絶縁膜7の端面とフィールド絶縁膜6の端面とが突き合わされているため、フィールド絶縁膜6、ゲート絶縁膜7及びゲート電極5の加工を精度よく行わないと、フィールド絶縁膜6とゲート絶縁膜7との間、又は、フィールド絶縁膜6とゲート電極5との間に、隙間が生じてしまう。フィールド絶縁膜6とゲート絶縁膜7との間に隙間が生じ、この隙間にゲート電極5が入り込むと、ゲートリーク電流が増大してしまう。また、フィールド絶縁膜6とゲート電極5との間に隙間が生じると、その隙間の直下域においては、オン状態における2DEG濃度が低くなり、オン抵抗が増大してしまう。このため、前述の第1の実施形態においては、高い加工精度が要求される。
In the first embodiment described above, the end surfaces of the
また、ゲート絶縁膜7を先に形成し、その後、フィールド絶縁膜6を形成した場合は、図5及び図6に示すように、ゲート絶縁膜7の端部上にフィールド絶縁膜6の端部が乗り上げ、バリア層2とフィールド絶縁膜6との間にゲート絶縁膜7が挿入されてしまうことがある。この場合は、図5に示すように、ゲート電極5の長さがフィールド絶縁膜6の開口部の長さよりも短くても、又は、図6に示すように、ゲート電極5の長さがフィールド絶縁膜6の開口部の長さよりも長くても、バリア層2において、フィールド絶縁膜6に接しておらず、且つ、その直上域においてゲート絶縁膜7にゲート電極5が接していない領域が生じてしまう。このような領域においては、フィールド絶縁膜6に接していないため、元々2DEG濃度が低く、直上域にゲート電極5の下部がないため、ゲート電極5によって2DEGを引き寄せる作用も弱い。このような窒化物半導体素子においては、ノーマリーオフ動作を実現しつつ、従来の窒化物半導体素子よりはオン抵抗を低減することができるものの、精度よく加工された第1の実施形態に係る窒化物半導体素子と比較すると、オン状態における2DEG濃度はやや低くなり、オン抵抗はやや高くなってしまう。
Further, when the
これに対して、本実施形態によれば、ゲート絶縁膜7はフィールド絶縁膜6上に乗り上げており、ゲート電極5はフィールド絶縁膜6及びゲート絶縁膜7上に乗り上げているため、位置合わせのマージンを十分に確保することができ、加工精度がそれほど高くなくても、隙間が形成されたり、バリア層2とフィールド絶縁膜6との間にゲート絶縁膜7が挿入されたりすることがない。この結果、オン抵抗を安定して低減することができる。
On the other hand, according to the present embodiment, the
また、ゲート電極5のドレイン電極4側の端部におけるフィールド絶縁膜6及びゲート絶縁膜7上に乗り上げた部分、すなわち、ドレイン電極4に向けて張り出した部分の長さを長くすることにより、この部分がフィールドプレート電極の役割を果たすようになる。これにより、ゲート電極5の端部における電界集中を抑制することができ、安定した耐圧を得ることができる。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第1の実施形態と同様である。
In addition, by increasing the length of the portion of the
(第2の実施形態の変形例)
図7は、第2の実施形態の変形例に係る窒化物半導体素子の構造を模式的に例示する断面図である。
図7に示すように、本変形例に係る窒化物半導体素子は、前述の第2の実施形態に係る窒化物半導体素子(図4参照)と比較して、ゲート絶縁膜7が2層構造になっている点が異なっている。すなわち、ゲート絶縁膜7においては、GaN又はAlNからなる下層膜7aと、Al2O3からなる上層膜7bとが積層されている。
(Modification of the second embodiment)
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically illustrating the structure of a nitride semiconductor device according to a modification of the second embodiment.
As shown in FIG. 7, the nitride semiconductor device according to this modification example has a two-layer
本変形例においては、下層膜7aをGaN又はAlNによって形成することにより、AlGaNからなるバリア層2との間で安定した界面を形成することができる。また、上層膜7bをAl2O3によって形成することにより、高いポテンシャル障壁を実現し、ゲートリーク電流を低減することができる。本変形例における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第2の実施形態と同様である。
In this modification, a stable interface can be formed with the
(第3の実施形態)
図8は、本発明の第3の実施形態に係る窒化物半導体素子の構造を模式的に例示する断面図である。
図8に示すように、本実施形態に係る窒化物半導体素子においては、前述の第2の実施形態に係る窒化物半導体素子(図4参照)の構成に加えて、フィールド絶縁膜6、ゲート絶縁膜7及びゲート電極5を覆うように第2のフィールド絶縁膜8が設けられており、この第2のフィールド絶縁膜8上には、ソース電極3に接続されたソースフィールドプレート(FP)電極9が設けられている。ソースFP電極9は、第2のフィールド絶縁膜8上において、ソース電極3の直上域から、ゲート電極5の直上域を越えて、ドレイン電極4の直上域の近傍まで張り出している。すなわち、ソースFP電極9は、フィールド絶縁膜8上におけるゲート電極5の直上域を含む領域に設けられている。
(Third embodiment)
FIG. 8 is a cross-sectional view schematically illustrating the structure of a nitride semiconductor device according to the third embodiment of the invention.
As shown in FIG. 8, in the nitride semiconductor device according to the present embodiment, in addition to the configuration of the nitride semiconductor device according to the second embodiment described above (see FIG. 4), the
本実施形態に係る窒化物半導体素子においては、ソースFP電極9が形成されていることにより、ゲート電極5の端部における電界集中を緩和することができる。これにより、高耐圧を得ることができる。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第2の実施形態と同様である。
In the nitride semiconductor device according to this embodiment, the electric field concentration at the end of the
(第3の実施形態の変形例)
図9は、第3の実施形態の変形例に係る窒化物半導体素子の構造を模式的に例示する断面図である。
図9に示すように、本変形例に係る窒化物半導体素子においては、前述の第3の実施形態に係る窒化物半導体素子(図8参照)の構成に加えて、第2のフィールド絶縁膜8上にドレイン電極4に接続されたドレインFP電極10が設けられている。ドレインFP電極10は、第2のフィールド絶縁膜8上において、ドレイン電極4の直上域から、ゲート電極5の直上域に向けて張り出している。
(Modification of the third embodiment)
FIG. 9 is a cross-sectional view schematically illustrating the structure of a nitride semiconductor device according to a modification of the third embodiment.
As shown in FIG. 9, in the nitride semiconductor device according to this modification, in addition to the configuration of the nitride semiconductor device according to the third embodiment described above (see FIG. 8), the second field insulating film 8 A
本変形例においては、ドレインFP電極10が設けられていることにより、ドレイン電極4の端部における電界集中が緩和されて、より高耐圧を得ることができる。本変形例における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第3の実施形態と同様である。
In the present modification, by providing the
(第4の実施形態)
図10は、本発明の第4の実施形態に係る窒化物半導体素子の構成を模式的に例示する断面図である。
図10に示すように、本実施形態に係る窒化物半導体素子においては、前述の第2の実施形態に係る窒化物半導体素子(図4参照)の構成に加えて、バリア層2におけるゲート絶縁膜7が接している領域及びその直下に位置するチャネル層1の上層部に、p型ドープ層11が選択的に形成されている。p型ドープ層11は、チャネル層1及びバリア層2に対して、フッ素(F)、マグネシウム(Mg)、鉄(Fe)又はマンガン(Mn)などのp型ドーパントがドープされることにより形成されており、その導電型はp型である。
(Fourth embodiment)
FIG. 10 is a cross-sectional view schematically illustrating the configuration of the nitride semiconductor device according to the fourth embodiment of the invention.
As shown in FIG. 10, in the nitride semiconductor device according to the present embodiment, in addition to the configuration of the nitride semiconductor device according to the second embodiment (see FIG. 4), the gate insulating film in the barrier layer 2 A p-type doped
本実施形態においては、ゲート電極5の直下域に選択的にp型ドープ層11が形成されていることにより、ゲート電極5の直下域から2DEGをより強力に除斥することができる。すなわち、バリア層2を薄くすることによりゲート電極5の直下域において2DEG濃度を低減する効果と、p型ドープ層11を形成することによりゲート電極5の直下域から2DEGを排斥する効果とを重畳させることができる。これにより、オン抵抗を増加させることなく、しきい値電圧をより大きくプラス側にシフトさせることができる。しきい値電圧をプラス側にシフトさせることで、ゲート電圧が0であるときのチャネル空乏層が伸びて、チャネルリーク電流を抑制することができる。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第2の実施形態と同様である。
In the present embodiment, since the p-type doped
(第5の実施形態)
図11は、本発明の第5の実施形態に係る窒化物半導体素子の構成を模式的に例示する断面図である。
図11に示すように、本実施形態に係る窒化物半導体素子は、前述の第2の実施形態に係る窒化物半導体素子(図4参照)と比較して、チャネル層として、p型GaN層12が設けられている点が異なっている。p型GaN層12は、GaN層にp型不純物がドープされることにより形成されている。本実施形態によれば、チャネル層をp型とすることにより、2DEGの発生を抑え、しきい値電圧をより確実にプラス側にシフトさせることができる。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第2の実施形態と同様である。
(Fifth embodiment)
FIG. 11 is a cross-sectional view schematically illustrating the configuration of a nitride semiconductor device according to the fifth embodiment of the invention.
As shown in FIG. 11, the nitride semiconductor device according to the present embodiment has a p-
(第5の実施形態の変形例)
図12は、第5の実施形態の変形例に係る窒化物半導体素子の構成を模式的に例示する断面図である。
図12に示すように、本変形例に係る窒化物半導体素子においては、前述の第5の実施形態に係る窒化物半導体素子(図11参照)の構成に加えて、p型GaN層12とAlGaNからなるバリア層2との間に、GaN層13が設けられている。
(Modification of the fifth embodiment)
FIG. 12 is a cross-sectional view schematically illustrating the configuration of a nitride semiconductor device according to a modification of the fifth embodiment.
As shown in FIG. 12, in the nitride semiconductor device according to this modification, in addition to the configuration of the nitride semiconductor device according to the fifth embodiment (see FIG. 11), the p-
本変形例においては、p型GaN層12バリア層2との間にGaN層13を挿入することにより、p型GaN層12の存在によりキャリアである2DEGの移動度が低下することを抑制すると共に、p型GaN層12に含まれるドーパントがバリア層2内に拡散することを抑制することができる。本変形例における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第5の実施形態と同様である。
In this modification, by inserting the
以上、本発明を第1乃至第5の実施形態及びそれらの変形例により説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではなく、これら以外にも、当該技術分野の技術者が容易に考え得る変形はすべて適用可能である。例えば、前述の各実施形態及び変形例に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。また、前述の各実施形態及び変形例は、相互に組み合わせて実施することもできる。 As described above, the present invention has been described with reference to the first to fifth embodiments and their modifications. However, the present invention is not limited to these examples, and besides this, it is easy for a technician in this technical field. All possible variations are applicable. For example, those in which those skilled in the art appropriately added, deleted, and changed the design of the above-described embodiments and modifications are included in the scope of the present invention as long as they include the gist of the present invention. Is done. Moreover, the above-described embodiments and modifications can be implemented in combination with each other.
本発明は、チャネル層1及びバリア層2などを形成するための支持基板の材料によって限定されることはなく、支持基板には、サファイア基板、SiC基板、Si基板又はGaN基板などを用いることができる。また、これらの支持基板は絶縁性であっても導電性であってもよく、導電性である場合には、導電型はP型であってもN型であってもよい。更に、支持基板とチャネル層との間にはバッファー層を設けてもよい。このバッファー層の構造及び材料も特に限定されず、例えば、AlN層、AlGaN層、又はAlN層とGaN層との積層構造などを用いることができる。
The present invention is not limited by the material of the support substrate for forming the
また、前述の各実施形態及び変形例においては、(バリア層2/チャネル層1)の材料の組合せが(AlGaN/GaN)である例を説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、(GaN/InGaN)、(AlN/AlGaN)、又は(BAlN/GaN)など、窒化物半導体の組み合わせであって、バリア層のバンドギャップがチャネル層のバンドギャップよりも広くなるような組合せならば、実施可能である。
In each of the above-described embodiments and modifications, the example in which the combination of the materials of (
更に、本発明はチャネル層1及びバリア層2における結晶の面方位によっても限定されない。例えば、分極が発生し易い(0001)面上に結晶成長した半導体層を用いても実施可能であり、又は、分極が発生しない(1−101)面上若しくは(11−20)面上に成長した半導体層を用いても実施可能である。更にまた、ノーマリーオフを実現する上でバリア層2はアンドープ層であることが望ましいが、図11又は図12に示すように、GaNバッファー層をp型にドープする場合は、バリア層をn型にドープしても、GaNバッファー層のp型ドープ濃度を高くすることで、ノーマリーオフを実現することが可能である。
Furthermore, the present invention is not limited by the crystal plane orientation in the
1 チャネル層、2 バリア層、3 ソース電極、4 ドレイン電極、5 ゲート電極、6 フィールド絶縁膜、7 ゲート絶縁膜、7a 下層膜、7b 上層膜、8 第2のフィールド絶縁膜、9 ソースFP電極、10 ドレインFP電極、11 p型ドープ層、12 p型GaN層、13 GaN層、L 曲線
1 channel layer, 2 barrier layer, 3 source electrode, 4 drain electrode, 5 gate electrode, 6 field insulating film, 7 gate insulating film, 7a lower layer film, 7b upper layer film, 8 second field insulating film, 9
Claims (5)
前記第1の半導体層上に設けられ、バンドギャップが前記第1の半導体層を形成する窒化物半導体のバンドギャップよりも広い窒化物半導体からなる第2の半導体層と、
前記第2の半導体層上に設けられ、前記第2の半導体層に接続された第1及び第2の主電極と、
前記第2の半導体層上における前記第1の主電極と前記第2の主電極との間に設けられた制御電極と、
少なくとも前記制御電極の下部と前記第2の半導体層との間に設けられたゲート絶縁膜と、
前記第2の半導体層の上面における前記制御電極の下部と前記第1の主電極との間の領域及び前記制御電極の下部と前記第2の主電極との間の領域を覆うフィールド絶縁膜と、
を備え、
前記フィールド絶縁膜はシリコンを含み、
前記ゲート絶縁膜はシリコンを含まないことを特徴とする窒化物半導体素子。 A first semiconductor layer made of an undoped nitride semiconductor;
A second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and made of a nitride semiconductor having a band gap wider than the band gap of the nitride semiconductor forming the first semiconductor layer;
First and second main electrodes provided on the second semiconductor layer and connected to the second semiconductor layer;
A control electrode provided between the first main electrode and the second main electrode on the second semiconductor layer;
A gate insulating film provided at least between the lower part of the control electrode and the second semiconductor layer;
A field insulating film covering a region between the lower portion of the control electrode and the first main electrode and a region between the lower portion of the control electrode and the second main electrode on the upper surface of the second semiconductor layer; ,
With
The field insulating film includes silicon;
The nitride semiconductor device, wherein the gate insulating film does not contain silicon.
前記第2の半導体層はAlXGa1−XN(0≦X≦1)からなり、
前記第2の半導体層の膜厚をt(nm)とするとき、下記数式が成立することを特徴とする請求項1記載の窒化物半導体素子。
t≦1/(1.15X2+0.326X+0.01) The first semiconductor layer is made of GaN;
The second semiconductor layer is made of Al X Ga 1-X N (0 ≦ X ≦ 1),
2. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein when the film thickness of the second semiconductor layer is t (nm), the following mathematical formula is established.
t ≦ 1 / (1.15X 2 + 0.326X + 0.01)
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