CN102201441A - 半导体装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种在具有当施加了高电压时在反向偏置中的漏电流少、正向压降(Vf)低的整流元件的单一基板上一体形成晶体管元件和整流元件的半导体装置。半导体装置(10)是在单一基板(11)上具有晶体管元件(12)和整流元件(13)的半导体装置(10)，晶体管元件(12)具有：形成在基板(11)上的活化层(14)；以及与活化层(14)接合的源电极(15)、漏电极(16)和栅电极(17)，整流元件(13)具有：与活化层(14)接合的阳电极(18)；使用漏电极(16)的阴电极；以及在阳电极(18)和阴电极之间的第1辅助电极(19)。
Description
技术领域
本发明涉及半导体装置，特别涉及在单一基板上具有晶体管元件和整流元件的半导体装置。
背景技术
以往，公知有在单一基板上形成有晶体管元件和整流元件的半导体装置。在想要使利用了二维电子气层的横型的场效晶体管(FET)在单一基板内附加整流元件的情况下，公知有图13的结构(例如，参照专利文献1)。
根据图13，半导体装置200具有配置在基板100上的氮化物半导体的异质结101。异质结101形成在第1氮化物半导体103和第2氮化物半导体104之间，该第1氮化物半导体103经由缓冲层102形成在基板100上，该第2氮化物半导体104形成在第1氮化物半导体103的上方。第1氮化物半导体103在异质结101的附近具有二维电子气层。在第2氮化物半导体104上设置有与二维电子气层进行了欧姆接合的源电极105和漏电极106。在源电极105和漏电极106之间且在第2氮化物半导体104上配置有栅电极107。然后，在从漏电极106来看与栅电极相对的对向侧、且在第2氮化物半导体104上设置有与第2氮化物半导体104进行了肖特基接合的肖特基电极108。这样，形成将该肖特基电极108用作阳电极、将漏电极106用作阴电极的整流元件109，形成在单一基板100上具有晶体管元件110和整流元件109的半导体装置200。
在以制作高耐压且高速的GaN系半导体装置为前提的情况下，为了使该半导体装置进行高速动作，阳电极108优选地使用采用适于高速动作的肖特基电极的肖特基势垒二极管(SBD)结构。
【专利文献1】日本特开2006-310769号公报
然而，在使用肖特基电极的情况下，存在当施加了高电压时在反向偏置处漏电流多的问题。并且，为了抑制在反向偏置处的漏电流，当采用肖特基势垒高的肖特基电极时，存在正向压降Vf增高的折衷。
发明内容
本发明的目的是鉴于上述课题，提供一种将在施加了高电压时在反向偏置中的漏电流少、正向压降Vf低的整流元件、和晶体管元件一体形成在单一基板上的半导体装置。
为了达到上述目的，本发明涉及的半导体装置构成如下。
第1半导体装置(对应于权利要求1)是在单一基板上具有晶体管元件和整流元件的半导体装置，其特征在于，晶体管元件具有：形成在基板上的活化层；以及与活化层接合的源电极、漏电极和栅电极，整流元件具有：与活化层接合的阳电极；使用漏电极的阴电极；以及在阳电极与阴电极之间的辅助电极，活化层具有：第1氮化物半导体层；在第1氮化物半导体层上异质接合而形成的第2氮化物半导体层；以及形成在第1氮化物半导体层中的二维载流子气层。
第2半导体装置(对应于权利要求2)，其特征在于，在上述结构中，优选的是，源电极、阳电极以及辅助电极电连接。
第3半导体装置(对应于权利要求3)，其特征在于，在上述结构中，优选的是，辅助电极具有控制二维载流子气层的载流子浓度的功能。
第4半导体装置(对应于权利要求4)，其特征在于，在上述结构中，优选的是，辅助电极在与第2氮化物半导体层之间形成比阳电极高的势垒。
第5半导体装置(对应于权利要求5)，其特征在于，在上述结构中，优选的是，辅助电极由第1辅助电极和第2辅助电极构成。
第6半导体装置(对应于权利要求6)，其特征在于，在上述结构中，优选的是，第1辅助电极设置在阳电极与第2辅助电极之间，具有控制二维载流子气层的载流子浓度的功能，第2辅助电极设置在漏电极与第1辅助电极之间，在与第2氮化物半导体层之间形成比阳电极高的势垒。
第7半导体装置(对应于权利要求7)，其特征在于，在上述结构中，优选的是，在晶体管元件内，在栅电极与漏电极之间设置有第3辅助电极。
第8半导体装置(对应于权利要求8)，其特征在于，在上述结构中，优选的是，阳电极是与活化层进行了欧姆接合的电极。
第9半导体装置(对应于权利要求9)，其特征在于，在上述结构中，优选的是，阳电极是与活化层进行了肖特基接合的电极。
根据本发明，可提供一种将在施加了高电压时在反向偏置中的漏电流少、正向压降Vf低的整流元件、和晶体管元件一体形成在单一基板上的半导体装置。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式涉及的半导体装置的剖面图。
图2(a)是示出未设有辅助电极的结构的图，图2(b)是示出图2(a)的结构的电流电压特性的图。
图3(a)是示出本发明的第1实施方式涉及的半导体装置的整流元件的结构的图，图3(b)是示出图3(a)所示的结构的电流电压特性的图。
图4是辅助电极、势垒层和沟道层的接合的接合图。
图5是本发明的第2实施方式涉及的半导体装置的剖面图。
图6(a)是示出未设有辅助电极的结构的图，图6(b)是示出图6(a)的结构的电流电压特性的图。
图7(a)是示出本发明的第2实施方式涉及的半导体装置的整流元件的结构的图，图7(b)是示出图7(a)所示的结构的电流电压特性的图。
图8是本发明的第2实施方式涉及的半导体装置的变型例的图。
图9是本发明的第3实施方式涉及的半导体装置的剖面图。
图10是本发明的第4实施方式涉及的半导体装置的剖面图。
图11是本发明的第4实施方式涉及的半导体装置的剖面图。
图12是本发明的第4实施方式涉及的半导体装置的剖面图。
图13是现有的半导体装置的剖面图。
标号说明
10：半导体装置；11：基板；12：晶体管元件；13：整流元件；14：活化层；15：源电极；16：漏电极；17：栅电极；18：阳电极；19：第1辅助电极；20：第1氮化物半导体层(沟道层(载流子传输层))；21：第2氮化物半导体层(势垒层(载流子供给层))；22：二维载流子气层；23：缓冲层。
具体实施方式
以下，根据附图说明本发明的优选实施方式(实施例)。
图1是本发明的第1实施方式涉及的半导体装置的剖面图。半导体装置10在单一基板11上具有晶体管元件12和整流元件13。晶体管元件12具有：形成在基板11上的活化层14；以及形成在活化层14上的源电极15、漏电极16和栅电极17。整流元件13具有：形成在活化层14上的阳电极18；使用漏电极16的阴电极；以及在阳电极18和阴电极之间的第1辅助电极19。
活化层14具有：第1氮化物半导体层(沟道层(载流子传输层))20；在第1氮化物半导体层20上异质接合而形成的第2氮化物半导体层(势垒层(载流子供给层))21；以及形成在第1氮化物半导体层20中的二维载流子气层22。并且，在基板11和第1氮化物半导体层20之间形成有缓冲层23。
基板11的材料可采用硅碳化物、蓝宝石、尖晶石、ZnO、硅、镓氮化物、铝氮化物、或者能进行III族氮化物材料的生长的任意的其它材料。本实施方式中的基板11由硅构成。
缓冲层23生成在基板11上，用于减少基板11和沟道层20之间的晶格不匹配。缓冲层23的膜厚优选是约
然而可以使用其它的膜厚。缓冲层23可由很多不同材料构成，适当的材料是AlxGa1-xN(0≤x≤1)。本实施方式中的缓冲层采用将GaN(Alx1Ga1-x1N，x1＝0)和AlGaN(Alx2Ga1-x2N，x2＝1)重复层叠的结构。
缓冲层23可使用有机金属气相生长法(MOVPE)、或者分子束外延(MBE)等的已知的半导体生长法来形成在基板11上。
半导体装置10还具有形成在缓冲层23上的沟道层20。适当的沟道层20由Aly1Gay2In(1-y1-y2)N(0≤y1≤1，0≤y2≤1，y1+y2≤1)等的III族氮化物材料构成。在本实施方式中，沟道层20由膜厚约2μm的非掺杂GaN层构成。沟道层20可使用有机金属气相生长法(MOVPE)、或者分子束外延(MBE)等的已知的半导体生长法来形成在缓冲层23上。
并且，在半导体装置10中，在沟道层20上形成有势垒层21。沟道层20和势垒层21的各方由掺杂的或非掺杂的III族氮化物材料构成。势垒层21由InGaN、AlGaN、AlN或者它们的组合等的不同材料的1个或多个层构成。在本实施方式中，势垒层21由22.5nm的AlzGa1-zN(0＜z≤1)构成。二维电子气体(2DEG)层22形成在沟道层20中的沟道层20和势垒层21的异质界面附近。器件间的电气分离在半导体装置10的外部通过台面蚀刻或离子注入来进行。势垒层21可使用有机金属气相生长法(MOVPE)、或者分子束外延(MBE)等的已知的半导体生长法来形成在沟道层20上。
而且，金属的源电极15和漏电极16以相互隔开的方式形成在半导体装置10的晶体管元件12内，在整流元件13内，金属的阳电极18与漏电极16隔开，且形成在从漏电极16来看与源电极15相反的相反侧。作为这些电极使用的金属，例如包含钛、铝、金或者镍的合金，然而不受它们限制，可以使用不同材料。然后，这些源电极15、漏电极16、阳电极18与二维电子气体(2DEG)层22进行欧姆接触。
晶体管元件12的栅电极17形成在源电极15和漏电极16之间。栅电极17使用的金属包含金、镍、钯、铱、钛、铬、钛和钨的合金、或者铂硅化物，然而不受它们限制，可以使用不同材料。
整流元件13的第1辅助电极19形成在作为阴电极的漏电极16和阳电极18之间。第1辅助电极19使用的金属包含金、镍、钯、铱、钛、铬、钛和钨的合金、或者铂硅化物，然而不受它们限制，可以使用不同材料。第1辅助电极19具有控制在漏电极16和阳电极18之间流动的电流的功能。即，在第1辅助电极的电位低于漏电极16的电位的情况下，降低在第1辅助电极正下方的2DEG的载流子浓度。并且，优选的是，如图1所示，第1辅助电极19优选地配设在变薄而成为势垒层21的一部分的凹槽结构的内部。并且，优选的是，在第1辅助电极19和势垒层21之间形成p型半导体层、p型金属氧化物半导体层或者绝缘层。作为p型半导体层，可使用掺杂了Mg的GaN层，作为p型金属氧化物半导体层，可使用氧化镍层，作为绝缘层，可使用氧化铝层。在本实施方式中的第1辅助电极10和势垒层21之间形成有p型半导体层19a。
并且，如图1所示，源电极15、阳电极18以及第1辅助电极19电连接。
下面，参照图2～图4说明本发明的第1实施方式涉及的半导体装置10的动作。
图2(a)是示出未设有第1辅助电极19的结构的图，图2(b)是示出图2(a)的结构的电流电压特性的图。在阳极18-阴极16之间施加了电压时的电流电压特性为表示图2(b)的直线A那样的欧姆特性的特性。
图3(a)是示出本发明的第1实施方式涉及的半导体装置10的整流元件13的结构的图，是在图2(a)所示的结构上设置第1辅助电极19的结构。图3(b)是示出图3(a)所示的结构的电流电压特性的图。图4是第1辅助电极19、势垒层21和沟道层20的接合的接合图。
当对阳电极18施加了比漏电极16低的电压时，也对第1辅助电极19施加相等的电压，此时的接合图如图4(a)所示。即，在沟道层20上不形成二维电子气层，由于载流子少，因而电流难以在阳极18-阴极16之间流动(图3(b)的区域C)。当从所述的电压正向逐渐增加电压时，在电压Vf时，接合图如图4(b)所示，处于所谓的平坦接合的状态。然后当正向逐渐增加电压时，接合图如图4(c)所示，在沟道层20上形成二维电子气层22，随着电压增加，二维电子气体的浓度也逐渐增加。由此，电流在阳极18-阴极16之间流动，随着电压增加，电流也逐渐增加(图3(b)的区域D)。这样，整流元件13具有整流性。
上述的电压(正向压降)Vf是当成为接合图(图4(b))的平坦接合时施加给第1辅助电极19的电压，该电压具有与在将第1辅助电极19视为晶体管的栅电极的情况下的栅极阈值电压Vth相同的意思。通过在降低形成了接合图(图4(b))的平坦接合的电压的条件下形成沟道层20、势垒层21以及第1辅助电极19，可实现具有低的正向压降Vf的整流元件13。并且，由于反向的漏电流是根据第1辅助电极19的结构来决定的，因此对于本电极，期望的是以下结构：通过在第1辅助电极19和势垒层21的表面之间使用p型半导体材料或绝缘材料，不会发生载流子从第1辅助电极19向势垒层21的注入。
如上所述，可提供将在以反向电压施加了高电压时漏电流少、Vf(正向压降)低的整流元件13和晶体管元件12一体形成在单一基板11上的半导体装置10。
下面，说明本发明的第2实施方式涉及的半导体装置。在第2实施方式中，如图5所示，半导体装置30的阳电极31使用基于肖特基电极的低Vf的整流电极。例如，使用Ti、W等。除此以外，与第1实施方式相同，因而对相同的构成要素附上相同标号，省略说明。
下面，参照图6说明本发明的第2实施方式涉及的半导体装置30的动作。
图6(a)是示出未设有第1辅助电极19的结构的图，图6(b)是示出图6(a)的结构的电流电压特性的图。在阳电极31-阴电极16之间施加了电压时的电流电压特性为图6(b)的曲线E那样的特性。
图7(a)是示出本发明的第2实施方式涉及的半导体装置30的整流元件的结构的图，是在图6(a)所示的结构上设置第1辅助电极19的结构。图7(b)是示出图7(a)所示的结构的电流电压特性的图。由于该整流元件32中的第1辅助电极19、势垒层21以及沟道层20的接合的接合图与在第1实施方式中所说明的相同，因而使用图4进行说明。
当对阳电极31施加了比漏电极16低的电压时，也对第1辅助电极19施加相等的电压，此时的接合图如图4(a)所示。即，在沟道层20上不形成二维电子气层，由于载流子少，因而电流难以在阳电极31-阴电极16之间流动(图7(b)的区域G)。当从所述的电压正向逐渐增加电压时，在电压Vf时，接合图如图4(b)所示，处于所谓的平坦接合的状态。然后当正向逐渐增加电压时，接合图如图4(c)所示，在沟道层20上形成二维电子气层22，随着电压增加，二维电子气体的浓度也逐渐增加。由此，电流在阳电极31-阴电极16之间流动，随着电压增加，电流也逐渐增加。该电流增加根据肖特基势垒二极管的特性增加(图7(b)的区域H)。并且，电压Vf律速到在第1辅助电极19的栅极阈值、与阳电极31和2DEG22之间的正向电压的较高一方的电压。这样，整流元件13具有整流性。
在该实施方式中，当对整流元件32施加了高的反向电压时，高电压(高电场)施加给第1辅助电极19。其结果，仅向低Vf的整流电极(阳电极)31施加低的反向电压(几V～10V前后)。低Vf的整流电极(阳电极)31一般具有漏电流多的折衷，然而由于仅对本结构中的整流电极(阳电极)31施加低电压，因而可在低的漏电流的区域进行动作。作为实现低Vf的整流电极的手段，不仅可选择功函数小的肖特基电极，而且可采用使图8所示的二维电子气层22和肖特基电极33直接接合的凹槽肖特基结构。
如上所述，可提供将在施加了高电压时漏电流少、Vf(正向压降)低的具有二极管结构的二极管区域和晶体管区域形成为一体的半导体装置。
下面，说明本发明的第3实施方式涉及的半导体装置。第3实施方式的半导体装置40，如图9所示，整流元件41的辅助电极由第1辅助电极42和第2辅助电极43构成，除此以外，与第1或第2实施方式中所说明的半导体装置相同。因此，对与第1实施方式相同的构成要素附上相同标号，省略说明。第1辅助电极42具有与实施例1中的第1辅助电极19相同的结构。第2辅助电极43除了不设置在凹槽结构内以外，与辅助电极42构成相同。即，在第1辅助电极42和势垒层21之间、以及在第2辅助电极43和势垒层21之间形成有p型半导体层42a、43a。
在图1所说明的半导体装置10的辅助电极是一个的结构中，第1辅助电极19有时不能耐受高电压(高电场)。在该情况下，通过除了该第1辅助电极42以外还与第2辅助电极43组合，能仅对第1辅助电极42施加低电压，能使器件良好动作。
如上所述，可提供将在施加了高电压时漏电流少、Vf(正向压降)低的具有二极管结构的二极管区域和晶体管区域形成为一体的半导体装置。
下面，说明本发明的第4实施方式涉及的半导体装置。在第4实施方式中，如图10～图12所示，对在第1～第3实施方式的图1～图9中所说明的半导体装置的晶体管元件也附加与第2辅助电极43相同结构的辅助电极50。除了附加辅助电极50以外，与第1实施方式～第3实施方式中所说明的半导体装置相同。所以，对与第1实施方式～第3实施方式中所说明的半导体装置相同的构成要素附上相同标号，省略说明。
如图10～图12所示，通过对晶体管元件也附加与第2辅助电极43相同结构的辅助电极50，对晶体管元件也附加辅助电极50，从而实现晶体管元件的泄漏电流降低。特别是，在图12中，由于晶体管元件和整流元件的高电压(高电场)的施加部位的结构完全相同，因而可简化器件的耐压设计。并且，由于施加高电压的辅助电极50和漏电极之间的电荷的充放电路径仅是主电路且是低阻抗，因而还具有能进行高速的开关动作的优点。由于在不存在辅助电极50的栅极/漏电极之间的电荷的充放电经由具有特定的阻挡的栅极电路，因而开关动作相对慢。
并且，在以上的第1～第4实施方式中所说明的半导体装置中，由于整流元件的整流动作在全部例子中是单极动作，因而具有与通常的硅MOSFET的体二极管和硅FRD相比反向恢复特性优良的优点。
另外，图12的结构，工艺最简单，也能简化耐压设计。由于反向导通时的Vf与晶体管元件的栅极阈值电压Vth相同，因而，在降低了Vf时，具有晶体管元件以低电压也能驱动的优点。晶体管元件的栅极结构可获得将凹槽结构和p型半导体材料进行了组合的常闭特性。辅助电极50使用与栅极公共的p型半导体材料，不应用凹槽结构。现有的高耐压硅MOSFET为了接通而需要+10V以上的栅极电压，然而根据本例，由于Vth＝Vf，因而通过纳入Vf，可同时实现以+3V～+5V程度接通的晶体管元件。
并且，为了进行在高电压施加时的稳定动作，期望的是附加场板结构。期望的是，场板电极与跟漏电极对抗的辅助电极、或者源电极电连接。栅电极可采用肖特基金属材料、p型半导体材料、绝缘材料(MIS结构)与凹槽结构等的组合。其特性可以是常开型、常闭型的任一方。以上全部结构能应用于图1至图12的器件。本发明也能应用于附加了帽层、间隔层的GaN/AlGaN/AlN/GaN结构，而不是AlGaN/GaN的单纯异质结构。本发明还能应用于将二维电子气层不用作沟道层的FET结构，例如将n型GaN层用作沟道层的MESFET结构、使用反转沟道层的MOSFET结构。
关于在以上实施方式中所说明的结构、形状、大小和配置关系，只不过是在能理解和实施本发明的程度上概略示出，并且关于数值和各结构的组成(材质)等，只不过是例示。因此，本发明并不限定于所说明的实施方式，只要在不背离权利要求范围所示的技术思想范围，就能变更为各种形式。并且，可以将实施例之间进行组合。
本发明涉及的半导体装置可用于作为高频和高耐压动作的电力元件的半导体装置等。
Claims (9)
1.一种半导体装置，其在单一基板上具有晶体管元件和整流元件，该半导体装置的特征在于，
所述晶体管元件具有：形成在所述基板上的活化层；以及与所述活化层接合的源电极、漏电极和栅电极，
所述整流元件具有：与所述活化层接合的阳电极；利用了所述漏电极的阴电极；以及所述阳电极与所述阴电极之间的辅助电极，
所述活化层具有：第1氮化物半导体层；在所述第1氮化物半导体层上异质接合而形成的第2氮化物半导体层；以及形成在所述第1氮化物半导体层中的二维载流子气层。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述源电极、所述阳电极以及所述辅助电极电连接。
3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，所述辅助电极具有控制所述二维载流子气层的载流子浓度的功能。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的半导体装置，其特征在于，所述辅助电极在与所述第2氮化物半导体层之间形成比所述阳电极高的势垒。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的半导体装置，其特征在于，所述辅助电极由第1辅助电极和第2辅助电极构成。
6.根据权利要求5所述的半导体装置，其特征在于，所述第1辅助电极设置在所述阳电极与所述第2辅助电极之间，且具有控制所述二维载流子气层的载流子浓度的功能，所述第2辅助电极设置在所述漏电极与所述第1辅助电极之间，且在与所述第2氮化物半导体层之间形成比所述阳电极高的势垒。
7.根据权利要求1～6中的任一项所述的半导体装置，其特征在于，在所述晶体管元件内，在所述栅电极与所述漏电极之间设置有第3辅助电极。
8.根据权利要求1～7中的任一项所述的半导体装置，其特征在于，所述阳电极是与所述活化层进行了欧姆接合的电极。
9.根据权利要求1～7中的任一项所述的半导体装置，其特征在于，所述阳电极是与所述活化层进行了肖特基接合的电极。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140618 Termination date: 20190311 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |