JP2009188041A - Transistor made of group III nitride semiconductor - Google Patents
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Abstract
【課題】III族窒化物半導体の特性を最大限に引き出して低抵抗化を実現し、かつ、生産性にすぐれたパンチスルー型トランジスタを提供する。
【解決手段】この窒化物半導体素子は、基板1と、基板1の一方側に形成された窒化物半導体積層構造部2とを備え、パンチスルー型トランジスタを構成している。窒化物半導体積層構造部2は、n+型GaNドレイン層6と、n-型GaNドリフト層7と、p型GaNチャネル層4と、n+型GaNソース層5とを積層して形成されている。たとえば、動作電圧は400V、n-型GaNドリフト層7のドナー濃度が2×1016cm-3、p型GaNチャネル層4のアクセプタ濃度が3×1017cm-3であって、n-型GaNドリフト層7の層厚が、1μmとされている。
【選択図】図1Provided is a punch-through transistor that realizes low resistance by maximizing the characteristics of a group III nitride semiconductor and has excellent productivity.
The nitride semiconductor device includes a substrate 1 and a nitride semiconductor multilayer structure 2 formed on one side of the substrate 1 to form a punch-through transistor. The nitride semiconductor multilayer structure portion 2 is formed by laminating an n + -type GaN drain layer 6, an n − -type GaN drift layer 7, a p-type GaN channel layer 4, and an n + -type GaN source layer 5. Yes. For example, the operating voltage is 400 V, the donor concentration of the n − -type GaN drift layer 7 is 2 × 10 16 cm −3 , the acceptor concentration of the p-type GaN channel layer 4 is 3 × 10 17 cm −3 , and the n − -type. The layer thickness of the GaN drift layer 7 is 1 μm.
[Selection] Figure 1
Description
この発明は、III族窒化物半導体を用いたトランジスタに関する。III族窒化物半導体とは、一般式AlxInyGa1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)で表わされる半導体をいう。 The present invention relates to a transistor using a group III nitride semiconductor. The group III nitride semiconductor refers to a semiconductor represented by the general formula Al x In y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1).
従来から、パワーアンプ回路、電源回路、モータ駆動回路などには、シリコン半導体を用いたパワーデバイスが用いられてきた。
しかし、シリコン半導体の理論限界から、シリコンデバイスの高耐圧化、低抵抗化および高速化は限界に達しつつあり、市場の要求に応えることが困難になりつつある。
そこで、高耐圧、高温動作、大電流密度、高速スイッチングおよび低オン抵抗といった特徴を有する、窒化物半導体素子の開発が検討されている。
Conventionally, power devices using silicon semiconductors have been used for power amplifier circuits, power supply circuits, motor drive circuits, and the like.
However, due to the theoretical limits of silicon semiconductors, the increase in breakdown voltage, reduction in resistance, and increase in speed of silicon devices are reaching their limits, and it is becoming difficult to meet market demands.
Therefore, development of nitride semiconductor devices having characteristics such as high breakdown voltage, high temperature operation, large current density, high-speed switching, and low on-resistance has been studied.
シリコン半導体でトランジスタを作製する場合、必要な耐圧を確保するために、ドリフト層の厚さを大きくする必要がある。たとえば、耐圧400Vの高耐圧のトランジスタを設計するには、ドリフト層の不純物濃度を7.5×1014cm-3程度とし、ドリフト層の厚さを26μm程度とする必要がある。ところが、この場合、ドリフト層が寄与するオン抵抗はきわめて大きい。 In the case of manufacturing a transistor using a silicon semiconductor, it is necessary to increase the thickness of the drift layer in order to ensure a necessary breakdown voltage. For example, in order to design a high breakdown voltage transistor having a breakdown voltage of 400 V, the impurity concentration of the drift layer needs to be about 7.5 × 10 14 cm −3 and the thickness of the drift layer needs to be about 26 μm. However, in this case, the on-resistance contributed by the drift layer is extremely large.
一方、III族窒化物半導体を用いる場合、ドリフト層の不純物濃度を8.5×1016cm-3程度とし、ドリフト層の厚さを1.9μm程度とする必要がある。この場合、一般的に用いられる、ドリフト層抵抗のみから算出されるオン抵抗は、0.25mΩ・cm2程度となる。しかしながら、デバイス構造を製造する過程において、このドリフト層の結晶成長にかかる時間とコストが大きかった。
III族窒化物半導体を用いてパンチスルー型トランジスタ(オフ時にドリフト層に広がる空乏層がドレイン側のn+層に接触するトランジスタ)を構成することによって、ドリフト層の厚さを抑制し、その上で、高耐圧で低オン抵抗の素子を実現できると考えられる。
しかし、III族窒化物半導体の特性を引き出すことができるドリフト層の設計については、未だ提案がされていない。
By using a group III nitride semiconductor to form a punch-through transistor (a transistor in which a depletion layer extending to the drift layer contacts the n + layer on the drain side when off), the thickness of the drift layer is suppressed, and Thus, it is considered that an element having a high breakdown voltage and a low on-resistance can be realized.
However, no proposal has yet been made on the design of a drift layer that can bring out the characteristics of a group III nitride semiconductor.
そこで、この発明の目的は、III族窒化物半導体の特性を最大限に引き出して低抵抗化かつ生産性にすぐれたトランジスタを提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a transistor having a low resistance and excellent productivity by making the most of the characteristics of a group III nitride semiconductor.
上記の目的を達成するための請求項1記載の発明は、III族窒化物半導体からなるトランジスタであって、n型III族窒化物半導体からなる第1層(ドレイン層)と、この第1層上にあり、かつ、当該第1層とは不純物濃度が異なるn型III族窒化物半導体からなる第2層(ドリフト層とよぶ)と、この第2層上にあるp型III族窒化物半導体からなる第3層(チャネル層)と、この第3層上にあるn型III族窒化物半導体からなる第4層(ソース層)と、前記第2層、第3層および第4層に跨る壁面に形成されたゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜を介して前記第3層に対向配置されたゲート電極とを含み、前記トランジスタのオフ状態において、前記第1層と前記第4層との間に印加された動作電圧により、前記第2層内に広がる空乏層が前記第1層に達するトランジスタである。
In order to achieve the above object, an invention according to
この構成によれば、III族窒化物半導体を用いて、縦型npn構造を有するパンチスルー型トランジスタが構成されている。ドレイン層とゲート電極が短絡された、または、ゲート電圧が閾値電圧以下の状態(オフ状態と呼ぶ)で、ドレイン層とソース層との間にソース層側が正となる動作電圧を印加すると、チャネル層とドリフト層との界面からドリフト層内に空乏層が広がる。このとき、この空乏層が、ドレイン電極側に位置するドレイン層に達するよう設計されている。 According to this configuration, a punch-through transistor having a vertical npn structure is configured using a group III nitride semiconductor. When the drain layer and the gate electrode are short-circuited or when an operating voltage with the source layer side being positive is applied between the drain layer and the source layer when the gate voltage is lower than the threshold voltage (referred to as an off state) A depletion layer spreads in the drift layer from the interface between the layer and the drift layer. At this time, the depletion layer is designed to reach the drain layer located on the drain electrode side.
トランジスタに負荷することができる耐圧は、主にドリフト層の厚さで決まっている。オフ時には、形成される空乏層内において、ドリフト層とチャネル層との間に最大電界が生じる。この電界が材料のもつ限界電界強度を超えるとブレイクダウンを起こし、破壊に至ってしまう。より大きな耐圧をもつ設計をするためには、ドリフト層の不純物濃度を下げ、ドリフト層の膜厚を必要なだけ厚くすることで、ドリフト層に広がる空乏層を広くすることで、生じる電界を小さくすることが必要である。しかし、そうすると、ドリフト層で生じる抵抗値は大きくなってしまう。 The breakdown voltage that can be applied to the transistor is mainly determined by the thickness of the drift layer. When off, a maximum electric field is generated between the drift layer and the channel layer in the depletion layer to be formed. When this electric field exceeds the limit electric field strength of the material, breakdown occurs, leading to destruction. In order to design with a higher withstand voltage, the impurity concentration of the drift layer is lowered and the drift layer thickness is increased as much as necessary. It is necessary to. However, if it does so, the resistance value which arises in a drift layer will become large.
本発明によると、ドリフト層の不純物濃度は、必要値よりもさらに小さい値とする。一方で、ドリフト層の膜厚は、必要な耐圧が確保できるだけの厚さとすることができる。そうすることで、より薄いドリフト層の膜厚で必要な耐圧を維持できるトランジスタを提供することができる。
請求項2記載の発明は、前記第2層の厚さが1μm以下であり、当該第2層のn型不純物濃度が1×1017cm-3以下である、請求項1記載のトランジスタである。この構成では、400Vまでの耐圧を保証することを想定している。n型不純物濃度が2×1016cm-3の場合、1400V程度の耐圧を確保できるが、空乏層は8μmに達する。ドリフト層(第2層)をその厚さにすると、極めて抵抗が高くなる。そこで、前記ドリフト層の厚さを、1μm以下とすることにより、ドリフト層の電気抵抗を低く抑えることができ、かつ、デバイス構造の薄い低オン抵抗のトランジスタを実現できる。
According to the present invention, the impurity concentration of the drift layer is set to a value smaller than the required value. On the other hand, the thickness of the drift layer can be set to a thickness that can ensure a necessary breakdown voltage. By doing so, it is possible to provide a transistor capable of maintaining a necessary breakdown voltage with a thinner drift layer thickness.
The invention according to
さらに具体的には、請求項3に記載されているように、前記第2層(ドリフト層)のn型不純物濃度(ドナー濃度)を2×1016cm-3以下とすることで、ドリフト層の膜厚が1μm以下で、耐圧350V以上のトランジスタを実現できる。
通常、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition : 有機金属気相成長法)を使用すると、GaNの成長には1μm/時間のオーダーの時間がかかる。したがって、デバイス構造の厚さを薄くできることにより、製造にかかる時間を短縮し、コストの低減かつ材料の節約を実現することができる。
More specifically, as described in
Usually, when MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) is used, the growth of GaN takes time on the order of 1 μm / hour. Therefore, by reducing the thickness of the device structure, it is possible to reduce manufacturing time, reduce costs and save materials.
n型不純物濃度の制御は、たとえば、Siのドーピング量を制御することで行われる。本発明では、Siドーピング濃度を一定値に固定し、ドリフト層(第2層)の膜厚(結晶成長の時間)を変えることで、異なる耐圧設計を可能とすることができる。したがって、生産性にすぐれている。 The n-type impurity concentration is controlled, for example, by controlling the doping amount of Si. In the present invention, different withstand voltage designs can be made possible by fixing the Si doping concentration to a constant value and changing the film thickness (crystal growth time) of the drift layer (second layer). Therefore, it is excellent in productivity.
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係るパンチスルー型トランジスタである窒化物半導体素子の構造を説明するための模式的な断面図である。
この窒化物半導体素子は、基板1と、基板1の一方主面上に形成された窒化物半導体積層構造部2とを備え、たとえば動作電圧400V(耐圧400V)のパンチスルー型トランジスタを構成している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of a nitride semiconductor device that is a punch-through transistor according to an embodiment of the present invention.
This nitride semiconductor device includes a
基板1としては、たとえば、AlxInyGa1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)で表わされるIII族窒化物半導体からなる基板(たとえば、GaN基板、AlN基板など)、SiC基板、およびSi基板などの導電性基板を適用することが好ましい。つまり、基板1には、窒化物半導体積層構造部2と同種の基板を用いてもよいし、異種の基板を用いてもよい。また、導電性基板に限らず、サファイア等の絶縁性基板を用いることもできる。
As the
窒化物半導体積層構造部2は、III族窒化物半導体からなり、n型層3と、n型層3上に形成されたp型GaNチャネル層4と、p型GaNチャネル層4上に形成されたn+型GaNソース層5とを備えている。
n型層3は、基板1の一方表面(上面)に形成されたn+型GaNドレイン層6と、n+型GaNドレイン層6上に積層形成されたn-型GaNドリフト層7とを備えている。
The nitride semiconductor
The n-
n+型GaNドレイン層6は、n-型GaNドリフト層7よりもn型不純物濃度(ドナー濃度)が高く、その濃度は、1×1018cm-3〜1×1020cm-3(たとえば3×1018cm-3)である。一方、n-型GaNドリフト層7のn型不純物濃度は、1×1016cm-3〜1×1017cm-3(たとえば1×1017cm-3)である。基板1が導電性基板である場合、この基板1もドレイン層の一部として機能する。n+型GaNドレイン層6の層厚は、0.1μm〜0.5μm(たとえば、0.2μm)とされ、n-型GaNドリフト層7の層厚は、1.45μm〜1.5μm(たとえば、1.45μm)とされる。
The n + -type
p型GaNチャネル層4は、そのp型不純物濃度(アクセプタ濃度)が、1×1018cm-3〜4×1019cm-3(より具体的には、4×1019cm-3)である。p型GaNチャネル層4の層厚は、0.8μm〜1.0μm(より具体的には、0.9μm)とされる。
また、n+型GaNソース層5は、そのn型不純物濃度が、1×1018cm-3〜1×1020cm-3(より具体的には、3×1018cm-3)である。n+型GaNソース層5の層厚は、0.2μm〜1μm(より具体的には、0.5μm)とされる。
The p-type
The n + -type
窒化物半導体積層構造部2は、図1の紙面に垂直な方向に延びる帯状に形成されており、断面が略台形となるようにn+型GaNソース層5からn+型GaNドレイン層6が露出する深さまで、その積層界面を横切る方向にエッチングされている。そして、n+型GaNドレイン層6は、窒化物半導体積層構造部2の両側から、基板1の上面に沿う横方向(以下、この方向を「幅方向」とする。)に引き出された引き出し部9を有している。すなわち、引き出し部9は、この実施形態では、n+型GaNドレイン層6の延長部で構成されている。
The nitride semiconductor
一方、窒化物半導体積層構造部2の幅方向中間付近には、n+型GaNソース層5からp型GaNチャネル層4を貫通してn-型GaNドリフト層7の途中部に至る深さのトレンチ10が、窒化物半導体積層構造部2の長手方向に沿って形成されている。この実施形態では、トレンチ10は、断面略V字形に形成されており、その傾斜した側面は、n-型GaNドリフト層7、p型GaNチャネル層4およびn+型GaNソース層5に跨がる壁面11を形成している。この壁面11の全域を覆い、さらに、n+型GaNドレイン層6、n-型GaNドリフト層7、p型GaNチャネル層4およびn+型GaNソース層5の表面を覆うように、ゲート絶縁膜12が形成されている。
On the other hand, near the middle in the width direction of the nitride semiconductor
n+型GaNドレイン層6、n-型GaNドリフト層7、p型GaNチャネル層4およびn+型GaNソース層5は、基板1の上に、たとえば、MOCVD法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属気相成長法)によってエピタキシャル成長されている。
たとえば、主面がc面(0001)の基板1を用いると、この基板1の上にエピタキシャル成長によって成長させられるn+型GaNドレイン層6、n-型GaNドリフト層7、p型GaNチャネル層4およびn+型GaNソース層5は、やはりc面(0001)を主面として積層されることになる。また、窒化物半導体積層構造部2の壁面11の面方位は、たとえば、c面(0001)に対して15°〜90°の範囲で傾斜した面(c面以外の面)である。より具体的には、たとえば、m面(10-10)またはa面(11-20)などの非極性面(ノンポーラ面)や、(10-13)、(10-11)、(11-22)などの半極性面(セミポーラ面)となる。
The n + -type
For example, when a
ゲート絶縁膜12は、たとえば、窒化物または酸化物で構成することができる。より具体的には、ゲート絶縁膜12は、SiN(窒化シリコン)、SiO2(酸化シリコン)またはこれらの組み合わせで構成することができる。ゲート絶縁膜12上には、ゲート電極13が形成されている。
ゲート電極13は、ゲート絶縁膜12を介して壁面11、すなわちn-型GaNドリフト層7、p型GaNチャネル層4およびn+型GaNソース層5に対向しており、さらに、n+型GaNソース層5の上面においてトレンチ10の縁部付近にまで延びて形成されている。ゲート電極13は、たとえば、Niと、このNi上に積層されたAuとからなるNi/Au合金、Pd/Au合金、Pd/Ti/Au合金およびPd/Pt/Au合金、Pt、Al、ポリシリコンなどの導電性材料で構成することができる。
The
The
p型GaNチャネル層4において壁面11付近の領域は、ゲート電極13に対向したチャネル領域14である。このチャネル領域14には、ゲート電極13に適切なバイアスが与えられることにより、n型層3とn+型GaN層5との間を電気的に導通させる反転層(チャネル)が形成される。
ゲート絶縁膜12には、n+型GaNソース層5の上面を露出させる開口15が形成されている。開口15から露出するn+型GaNソース層5上には、ソース電極16が形成されている。
A region near the
The
ソース電極16は、n+型GaNソース層5に対してオーミック接触しており、たとえば、Tiと、このTi上に積層されたAlからなるTi/Al合金などの金属を用いて構成することができる。ソース電極16を、Alを含む金属で構成しておくことにより、ソース電極16をn+型GaNソース層5に対して良好にオーミック接触させることができる。ソース電極16は、その他、MoもしくはMo化合物(たとえば、モリブデンシリサイド)、TiもしくはTi化合物(たとえば、チタンシリサイド)、またはWもしくはW化合物(たとえば、タングステンシリサイド)で構成してもよい。
The
基板1の他方表面(下面)には、ドレイン電極17が接触形成されている。ドレイン電極17は、基板1に対してオーミック接触しており、たとえば、ソース電極16と同種の金属、すなわち、Ti/Al合金などの金属を用いて構成することができる。ドレイン電極17は、その他、MoもしくはMo化合物(たとえば、モリブデンシリサイド)、TiもしくはTi化合物(たとえば、チタンシリサイド)、またはWもしくはW化合物(たとえば、タングステンシリサイド)で構成してもよい。
A
基板1として、サファイア等の絶縁性基板を用いる場合には、たとえば、引き出し部9において絶縁膜12に開口が形成される。そしてこの開口を介してn+GaNドレイン層6にオーミック接触するようにドレイン電極が形成されることになる。
次に、上記の窒化物半導体素子の動作について説明する。
ソース電極16とドレイン電極17との間には、ドレイン電極17側が正となる動作電圧(たとえば200V)が与えられる。これにより、n-型GaNドリフト層7とp型GaNチャネル層4との界面のpn接合には逆方向電圧が与えられ、その結果、この界面からn+型GaNドレイン層6に向けて空乏層20が広がる。これにより、n+型GaNソース層5とn+型GaNドレイン層6との間、すなわち、ソース電極16とドレイン電極17との間(ソース−ドレイン間)は、遮断状態となる。この状態から、ゲート電極13に対して、ソース電極16を基準電位として正となるゲート閾値電圧以上のバイアスを印加すると、チャネル領域14におけるゲート絶縁膜12との界面近傍には、電子が誘起されて、反転層(チャネル)が形成される。そして、この反転層を介して、n型層3とn+型GaNソース層5との間が導通する。こうして、ソース−ドレイン間が導通することになる。すなわち、ゲート電極13に所定のバイアスを与えたときにソース−ドレイン間が導通し、ゲート電極13にバイアスを与えないときにはソース−ドレイン間が遮断状態となる。このようにして、ノーマリオフ型のトランジスタ動作が実現される。
When an insulating substrate such as sapphire is used as the
Next, the operation of the nitride semiconductor device will be described.
An operating voltage (for example, 200 V) is applied between the
図2は、p型GaNチャネル層4のアクセプタ濃度とn-型GaNドリフト層7に広がる空乏層20の幅との関係を調べた結果を示す図である。ただし、n-型GaNドリフト層7のn型不純物(ドナー)濃度を1×1017cm-3とし、ソース−ドレイン間に動作電圧として200Vを印加した。「空乏層20の幅」とは、p型GaNチャネル層4とn-型GaNドリフト層7とのpn接合界面からドレイン層6側への空乏層20の広がり幅である。
FIG. 2 is a diagram showing the results of examining the relationship between the acceptor concentration of the p-type
この図2から理解されるように、p型GaNチャネル層4のアクセプタ濃度を高くするに従って空乏層20の幅が大きくなるが、この空乏層20の幅は或る程度以上のアクセプタ濃度では飽和してしまうことがわかる。すなわち、p型GaNチャネル層4のアクセプタ濃度によらずに、空乏層20の幅には或る上限値が存在している。これより、n-型ドリフト層7のn型不純物濃度が1×1017cm-3の場合はその膜厚について、空乏層が広がりきらない領域を作らない条件として1.5μm以下という値が提示され、400Vの耐圧を保証する膜厚としては1μmという値が提示される。このようにトランジスタのオフ時にn-型GaNドリフト層7が完全に空乏化し、空乏層がn+型GaNドレイン層6に接触しているパンチスルー型のトランジスタを作製することで、必要な耐圧を持たせつつ、より低オン抵抗なトランジスタを実現することができる。
As can be understood from FIG. 2, the width of the
図3A〜図3Hは、図1の窒化物半導体素子の製造方法を説明するための模式的な断面図である。
この窒化物半導体素子の製造に際しては、基板1が用意され、この基板1の上に、たとえば、MOCVD法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属気相成長法)により窒化物半導体積層構造部2の各層が結晶成長させられる。
3A to 3H are schematic cross-sectional views for explaining a method for manufacturing the nitride semiconductor device of FIG.
In manufacturing the nitride semiconductor element, a
より具体的には、まず、成長温度:1000℃〜1100℃、成長時間:20分間〜30分間の成長条件でGaNを成長させることにより、図3Aに示すように、n+型GaNドレイン層6およびn-型GaNドリフト層7が形成される。こうして、n+型GaNドレイン層6およびn-型GaNドリフト層7からなるn型層3が形成される。成長するGaNにドーピングするn型不純物としては、たとえば、Siを用いることができる。n+型GaNドレイン層6の成長時には、シリコン原料ガス(シラン)の流量が比較的多くされ、n-型GaNドリフト層7の成長時にはシリコン原料ガスの流量が比較的少なくされる。
More specifically, first, by growing GaN under the growth conditions of growth temperature: 1000 ° C. to 1100 ° C. and growth time: 20 minutes to 30 minutes, as shown in FIG. 3A, the n + -type
n-型GaNドリフト層7の形成に続いて、n-型GaNドリフト層7の上に、たとえば、成長温度:950℃〜1050℃、成長時間:30分間〜50分間の成長条件でGaNを成長させることにより、図3Bに示すように、p型GaNチャネル層4が形成される。なお、成長するGaNにドーピングするp型不純物としては、たとえば、MgやZnを用いることができる。
the n - Following the formation of the type
p型GaNチャネル層4の形成後は、たとえば、成長温度:1000℃〜1100℃、成長時間:5分間〜15分間の成長条件でGaNを成長させることにより、図3Cに示すように、n+型GaNソース層5が形成される。なお、成長するGaNにドーピングするn型不純物としては、たとえば、Siを用いることができる。こうして、基板1の一方側に、n+型GaNドレイン層6、n-型GaNドリフト層7、p型GaNチャネル層4およびn+型GaNソース層5からなる窒化物半導体積層構造部2が形成される。
p-type
こうして窒化物半導体積層構造部2が形成された後には、窒化物半導体積層構造部2がストライプ状にエッチングされる。すなわち、n+型GaN層ソース5からn-型GaNドレイン層6の層厚中間部に至る断面略逆台形のストライプ状トレンチ18がエッチングによって形成される。これにより、図3Dに示すように、複数本(図3D等には3本が表れている。)の窒化物半導体積層構造部2がストライプ状(図3D等の紙面に垂直な方向に延びるストライプ状)に整形されるとともに、n-型GaNドレイン層6の延長部からなる引き出し部9が同時に形成される。トレンチ18の形成は、たとえば、塩素系ガスを用いたドライエッチング(異方性エッチング)によって行なうことができる。
After the nitride semiconductor
そして、各窒化物半導体積層構造部2の幅方向中間部付近に、断面略V字形のトレンチ10が、窒化物半導体積層構造部2の長手方向に沿って形成される。トレンチ10の形成は、トレンチ18と同様に、塩素系ガスを用いたドライエッチング(異方性エッチング)によって行なうことができる。なお、ドライエッチングの後、必要に応じて、ドライエッチングによってダメージを受けたトレンチ10の壁面11を改善するためのウェットエッチング処理を行なってもよい。ウェットエッチングには、KOH(水酸化カリウム)やNaOH(水酸化ナトリウム)などによるウェットエッチングによって、ダメージを受けた壁面11を改善することが好ましい。また、HF(フッ酸)やHCl(塩酸)などを用いることができる。これにより、Si系の酸化物やGaの酸化物などが除去され、壁面11を均すことができる。壁面11のダメージを低減しておくことにより、チャネル領域14(図1参照)の結晶状態を良好に保つことができ、また、壁面11とゲート絶縁膜12との界面を良好な界面とすることができるので、界面準位を低減することができる。これにより、チャネル抵抗を低減することができるとともに、リーク電流を抑制することができる。なお、ウェットエッチング処理に代えて、低ダメージのドライエッチング処理を適用することもできる。
A
次に、図3Eに示すように、略V字形のトレンチ10の壁面11を覆うとともに、n+型GaNドレイン層6、n-型GaNドリフト層7、p型GaNチャネル層4およびn+型GaNソース層5の表面を覆うゲート絶縁膜12が形成される。ゲート絶縁膜12の形成には、ECR(Electron Cyclotron Resonance:電子サイクロトロン共鳴)スパッタ法を適用することが好ましい。
Next, as shown in FIG. 3E, the n + type
その後、公知のフォトリソグラフィ技術により、開口15を形成すべき領域に開口部を有するフォトレジスト(図示せず)を介して、ゲート絶縁膜12がストライプ状にドライエッチングされる。これにより、図3Fに示すように、開口15が形成されて、n+型GaN層5が部分的に露出する。
次いで、公知のフォトリソグラフィ技術により、ソース電極16を形成すべき領域に開口部を有するフォトレジスト(図示せず)を介して、ソース電極16の材料として用いられるメタル(たとえば、TiおよびAl)が、スパッタ法により、Ti/Alの順にスパッタされる。その後は、フォトレジストが除去されることにより、メタルの不要部分(ソース電極16以外の部分)がフォトレジストとともにリフトオフされる。これらの工程により、図3Gに示すように、ソース電極16が形成される。ソース電極16が形成された後には、熱アロイ(アニール処理)が行なわれることにより、ソース電極16とn+型GaN層5との接触がオーミック接触となる。
Thereafter, the
Next, a metal (for example, Ti and Al) used as a material of the
その後は、ソース電極16の場合と同様の方法により、図3Gに示すように、ゲート絶縁膜12を挟んで壁面11およびn+型GaNソース層5の上面においてトレンチ10の縁部に対向するゲート電極13が形成される。
そして、ソース電極16の場合と同様の方法により、図3Hに示すように、基板1の他方表面(下面)にドレイン電極17が形成される。こうして、図1に示す窒化物半導体素子を得ることができる。
Thereafter, in the same manner as in the case of the
Then, the
ストライプ状に形成される複数の窒化物半導体積層構造部2は、それぞれ単位セルを形成している。窒化物半導体積層構造部2のゲート電極13およびソース電極16は、それぞれ、図示しない位置で共通接続されている。ドレイン電極17は、基板1に接触して形成されており、すべてのセルに対して共通の電極となっている。
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明は、さらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、III族窒化物半導体としてGaNを用いた例を示したが、AlGaN等の他のIII族窒化物半導体を用いて同様なパンチスルー型トランジスタを構成してもよい。この場合に、単一種類のIII族窒化物半導体を用いる必要はなく、たとえば、GaN層とAlGaN層とを組み合わせて窒化物半導体積層構造部2を形成してもよい。また、前述の実施形態では、動作電圧が200V(耐圧200V)のトランジスタを例にとったが、動作電圧値は別の値であってもよい。さらに、n-型GaNドリフト層7の不純物濃度は1×1017cm-3よりも高い値であってもよく、この場合には、空乏層20の広がり上限幅は図2の例よりも小さくなる。したがって、それに応じて、n-型GaNドリフト層7の層厚を小さく定めることができる。その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
The plurality of nitride
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention can also be implemented with another form. For example, in the above-described embodiment, an example in which GaN is used as the group III nitride semiconductor has been described. However, a similar punch-through transistor may be configured using another group III nitride semiconductor such as AlGaN. In this case, it is not necessary to use a single group III nitride semiconductor. For example, the nitride
実施例1
図1の構造において、各層の不純物濃度および層厚を次のとおりとした。
GaNソース層5:n型不純物濃度=2×1018cm-3、層厚=0.5μm
GaNチャネル層4:p型不純物濃度=3×1017cm-3、層厚=0.6μm
GaNドリフト層7:n型不純物濃度=2×1016cm-3、層厚=0.96μm
GaNドレイン層6:n型不純物濃度=2×1018cm-3、層厚=0.5μm
GaN基板1:n型不純物濃度=2×1018cm-3
この構造では、トランジスタオフ状態でソース電極16とドレイン電極17との間に396Vの電圧を印加すると、ドレイン・ソース間の降伏が起こり、その時点でドリフト層7とチャネル層4との界面からドリフト層7側に広がる空乏層の幅は0.96μmとなり、この空乏層はドレイン層6に達している。また、ドレイン層6には、幅0.072μmの空乏層が生じる。このとき、ドリフト層7とチャネル層4との界面からチャネル層4側に広がる空乏層の幅は0.55μmとなる。
Example 1
In the structure of FIG. 1, the impurity concentration and layer thickness of each layer are as follows.
GaN source layer 5: n-type impurity concentration = 2 × 10 18 cm −3 , layer thickness = 0.5 μm
GaN channel layer 4: p-type impurity concentration = 3 × 10 17 cm −3 , layer thickness = 0.6 μm
GaN drift layer 7: n-type impurity concentration = 2 × 10 16 cm −3 , layer thickness = 0.96 μm
GaN drain layer 6: n-type impurity concentration = 2 × 10 18 cm −3 , layer thickness = 0.5 μm
GaN substrate 1: n-type impurity concentration = 2 × 10 18 cm −3
In this structure, when a voltage of 396 V is applied between the
実施例2
図1の構造において、各層の不純物濃度および層厚を次のとおりとした。
GaNソース層5:n型不純物濃度=2×1018cm-3、層厚=0.5μm
GaNチャネル層4:p型不純物濃度=3×1017cm-3、層厚=0.6μm
GaNドリフト層7:n型不純物濃度=8.7×1016cm-3、層厚=1.9μm
GaNドレイン層6:n型不純物濃度=2×1018cm-3、層厚=0.5μm
GaN基板1:n型不純物濃度=2×1018cm-3
この構造では、トランジスタオフ状態でソース電極16とドレイン電極17との間に402Vの電圧を印加すると、ドレイン・ソース間の降伏が起こり、その時点でドリフト層7とチャネル層4との界面からドリフト層7側に広がる空乏層の幅は1.9μmとなり、この空乏層はドレイン層6に達している。このとき、ドリフト層7とチャネル層4との界面からチャネル層4側に広がる空乏層の幅は0.55μmとなる。
Example 2
In the structure of FIG. 1, the impurity concentration and layer thickness of each layer are as follows.
GaN source layer 5: n-type impurity concentration = 2 × 10 18 cm −3 , layer thickness = 0.5 μm
GaN channel layer 4: p-type impurity concentration = 3 × 10 17 cm −3 , layer thickness = 0.6 μm
GaN drift layer 7: n-type impurity concentration = 8.7 × 10 16 cm −3 , layer thickness = 1.9 μm
GaN drain layer 6: n-type impurity concentration = 2 × 10 18 cm −3 , layer thickness = 0.5 μm
GaN substrate 1: n-type impurity concentration = 2 × 10 18 cm −3
In this structure, when a voltage of 402 V is applied between the
実施例1,2を対比すると、ドリフト層7の不純物濃度を低く設定した実施例1では、ドリフト層2の層厚を1μm以下の0.96μm(ほぼ1μm。実施例2の約1/2)としながら、充分な耐圧が確保されている。すなわち、実施例1では、充分な耐圧を確保しながら、ドリフト層2の層厚が薄くなっており、これにより、低オン抵抗化が達成されている。むろん、III族窒化物半導体積層構造全体の層厚が薄くなるため、GaN成長時間を短縮でき、生産性を向上できる効果も得られる。
Comparing Examples 1 and 2, in Example 1 in which the impurity concentration of the
実施例3
図1の構造において、各層の不純物濃度および層厚を次のとおりとした。
GaNソース層5:n型不純物濃度=2×1018cm-3、層厚=0.5μm
GaNチャネル層4:p型不純物濃度=3×1017cm-3、層厚=0.6μm
GaNドリフト層7:n型不純物濃度=2×1016cm-3、層厚=0.3μm
GaNドレイン層6:n型不純物濃度=2×1018cm-3、層厚=0.5μm
GaN基板1:n型不純物濃度=2×1018cm-3
この構造では、トランジスタオフ状態でソース電極16とドレイン電極17との間に200Vの電圧を印加すると、ドレイン・ソース間の降伏が起こり、その時点でドリフト層7とチャネル層4との界面からドリフト層7側に広がる空乏層の幅は0.3μmとなり、この空乏層はドレイン層6に達している。また、ドレイン層6には、幅0.079μmの空乏層が生じる。このとき、ドリフト層7とチャネル層4との界面からチャネル層4側に広がる空乏層の幅は0.55μmとなる。
Example 3
In the structure of FIG. 1, the impurity concentration and layer thickness of each layer are as follows.
GaN source layer 5: n-type impurity concentration = 2 × 10 18 cm −3 , layer thickness = 0.5 μm
GaN channel layer 4: p-type impurity concentration = 3 × 10 17 cm −3 , layer thickness = 0.6 μm
GaN drift layer 7: n-type impurity concentration = 2 × 10 16 cm −3 , layer thickness = 0.3 μm
GaN drain layer 6: n-type impurity concentration = 2 × 10 18 cm −3 , layer thickness = 0.5 μm
GaN substrate 1: n-type impurity concentration = 2 × 10 18 cm −3
In this structure, when a voltage of 200 V is applied between the
実施例4
図1の構造において、各層の不純物濃度および層厚を次のとおりとした。
GaNソース層5:n型不純物濃度=2×1018cm-3、層厚=0.5μm
GaNチャネル層4:p型不純物濃度=3×1017cm-3、層厚=0.6μm
GaNドリフト層7:n型不純物濃度=2.4×1017cm-3、層厚=0.68μm
GaNドレイン層6:n型不純物濃度=2×1018cm-3、層厚=0.5μm
GaN基板1:n型不純物濃度=2×1018cm-3
この構造では、トランジスタオフ状態でソース電極16とドレイン電極17との間に203Vの電圧を印加すると、ドレイン・ソース間の降伏が起こり、その時点でドリフト層7とチャネル層4との界面からドリフト層7側に広がる空乏層の幅は0.68μmとなり、この空乏層はドレイン層6に達している。このとき、ドリフト層7とチャネル層4との界面からチャネル層4側に広がる空乏層の幅は0.55μmとなる。
Example 4
In the structure of FIG. 1, the impurity concentration and layer thickness of each layer are as follows.
GaN source layer 5: n-type impurity concentration = 2 × 10 18 cm −3 , layer thickness = 0.5 μm
GaN channel layer 4: p-type impurity concentration = 3 × 10 17 cm −3 , layer thickness = 0.6 μm
GaN drift layer 7: n-type impurity concentration = 2.4 × 10 17 cm −3 , layer thickness = 0.68 μm
GaN drain layer 6: n-type impurity concentration = 2 × 10 18 cm −3 , layer thickness = 0.5 μm
GaN substrate 1: n-type impurity concentration = 2 × 10 18 cm −3
In this structure, when a voltage of 203 V is applied between the
実施例3,4を対比すると、ドリフト層7の不純物濃度を1×1017cm-3未満に低く設定した実施例3では、ドリフト層2の層厚を0.5μm未満(実施例4の1/2以下)としながら、充分な耐圧が確保されている。すなわち、実施例3では、充分な耐圧を確保しながら、ドリフト層2の層厚が薄くなっており、これにより、低オン抵抗化が達成されている。むろん、III族窒化物半導体積層構造全体の層厚が薄くなるため、GaN成長時間を短縮でき、生産性を向上できる効果も得られる。
In contrast to Examples 3 and 4, in Example 3 in which the impurity concentration of the
比較例
図1と同様の構造をシリコンを用いて構成し、各層の不純物濃度および層厚を次のとおりとした。
Siソース層:n型不純物濃度=2×1018cm-3、層厚=0.5μm
Siチャネル層:p型不純物濃度=3×1017cm-3、層厚=0.6μm
Siドリフト層:n型不純物濃度=1.1×1015cm-3、層厚=13.56μm
Siドレイン層:n型不純物濃度=2×1018cm-3、層厚=0.5μm
Si基板:n型不純物濃度=2×1018cm-3
この構造では、トランジスタオフ状態でソース−ドレイン間に204Vの電圧を印加すると、ドレイン・ソース間の降伏が起こり、その時点でドリフト層とチャネル層との界面からドリフト層側に広がる空乏層の幅は13.56μmとなり、この空乏層はドレイン層に達している。このとき、ドリフト層とチャネル層との界面からチャネル層側に広がる空乏層の幅は0.05μmとなる。
Comparative Example A structure similar to that shown in FIG. 1 was formed using silicon, and the impurity concentration and layer thickness of each layer were as follows.
Si source layer: n-type impurity concentration = 2 × 10 18 cm −3 , layer thickness = 0.5 μm
Si channel layer: p-type impurity concentration = 3 × 10 17 cm −3 , layer thickness = 0.6 μm
Si drift layer: n-type impurity concentration = 1.1 × 10 15 cm −3 , layer thickness = 13.56 μm
Si drain layer: n-type impurity concentration = 2 × 10 18 cm −3 , layer thickness = 0.5 μm
Si substrate: n-type impurity concentration = 2 × 10 18 cm −3
In this structure, when a voltage of 204 V is applied between the source and the drain in the transistor off state, breakdown between the drain and the source occurs, and the width of the depletion layer spreading from the interface between the drift layer and the channel layer toward the drift layer at that time point Is 13.56 μm, and this depletion layer reaches the drain layer. At this time, the width of the depletion layer extending from the interface between the drift layer and the channel layer to the channel layer side is 0.05 μm.
Siの場合は、絶縁破壊電界が0.3MV/cmであり、GaNの1/10ほどである。そのため、局所的にかかる電界は充分低くなくてはならない。そのため、ドリフト層の不純物濃度は、1015cm-3のオーダーか、それ以下に抑えなければならず、膜厚も10μmを超える。したがって、オン抵抗が高くなる問題を避けられない。 In the case of Si, the dielectric breakdown electric field is 0.3 MV / cm, which is about 1/10 of GaN. Therefore, the locally applied electric field must be sufficiently low. Therefore, the impurity concentration of the drift layer must be suppressed to the order of 10 15 cm −3 or less, and the film thickness exceeds 10 μm. Therefore, the problem of high on-resistance is inevitable.
1 基板
2 窒化物半導体積層構造部
3 n型層
4 p型GaNチャネル層(第3層)
5 n+型GaNソース層(第4層)
6 n+型GaNドレイン層(第1層)
7 n-型GaNドリフト層(第2層)
9 引き出し部
10 トレンチ
11 壁面
12 ゲート絶縁膜
13 ゲート電極
14 チャネル領域
15 開口
16 ソース電極
17 ドレイン電極
18 トレンチ
20 空乏層
DESCRIPTION OF
5 n + -type GaN source layer (fourth layer)
6 n + -type GaN drain layer (first layer)
7 n - type GaN drift layer (second layer)
DESCRIPTION OF
Claims (3)
n型III族窒化物半導体からなる第1層と、
この第1層上にあり、かつ、当該第1層とは不純物濃度が異なるn型III族窒化物半導体からなる第2層と、
この第2層上にあるp型III族窒化物半導体からなる第3層と、
この第3層上にあるn型III族窒化物半導体からなる第4層と、
前記第2層、第3層および第4層に跨る壁面に形成されたゲート絶縁膜と、
このゲート絶縁膜を介して前記第3層に対向配置されたゲート電極とを含み、
前記トランジスタのオフ状態において、前記第1層と前記第4層との間に印加された動作電圧により、前記第2層内に広がる空乏層が前記第1層に達するトランジスタ。 A transistor comprising a group III nitride semiconductor,
a first layer made of an n-type group III nitride semiconductor;
A second layer formed on the first layer and made of an n-type group III nitride semiconductor having an impurity concentration different from that of the first layer;
A third layer made of a p-type group III nitride semiconductor on the second layer;
A fourth layer made of an n-type group III nitride semiconductor on the third layer;
A gate insulating film formed on a wall surface straddling the second layer, the third layer, and the fourth layer;
A gate electrode disposed opposite to the third layer via the gate insulating film,
A transistor in which a depletion layer extending in the second layer reaches the first layer by an operating voltage applied between the first layer and the fourth layer in an off state of the transistor.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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2008
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