JP2014120731A

JP2014120731A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2014120731A
Application number: JP2012277201A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Hasuike; 篤蓮池
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2014-06-30
Also published as: US20140167081A1; US9070707B2

Abstract

【課題】製造コストを抑制しつつ、電流コラプスを抑制することができる半導体装置を得る。
【解決手段】基板１上にＧａＮ系化合物半導体からなる電子走行層３及び電子供給層４が設けられている。電子供給層４上にソース電極５、ゲート電極６及びドレイン電極７が設けられている。電子走行層３及び電子供給層４に添加物質８が添加されている。添加物質８は、電子走行層３及び電子供給層４内において発光中心となる。発光中心で生じた光が、電子走行層３及び電子供給層４内の準位に捕獲された電荷１０を放出及び再結合させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＧａＮ系化合物半導体からなる電界効果トランジスタなどの半導体装置に関する。

ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮなどのＧａＮ系化合物半導体は、ＧａＡｓ系等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に比べてバンドギャップエネルギーが大きい。このため、ＧａＮ系化合物半導体を用いた電子デバイスは耐熱温度が高く高温動作特性に優れている。近年、ＧａＮ系化合物半導体からなる高電子移動度トランジスタが研究されている。

この高電子移動度トランジスタでは、ＳｉＣ基板とその上に形成されたＧａＮ系化合物半導体層との格子定数の差が大きいため、半導体層に多くの欠陥が生じる。これらの欠陥や、半導体層とパッシベーション膜の界面に電荷が捕獲された後に、放出される。これにより、高電圧・高電力動作時にソース−ドレイン間の電流−電圧特性にヒステリシス現象が現れ、ドレイン電流が減少する電流コラプスが生じる。このトランジスタを電力入力が可変するシステムで利用すると、一時的な出力電力の低下（スランプ）が発生する。

これに対して、トランジスタの表面側又は裏面側に発光層を設け、その発光層で生じた光により捕獲された電荷を放出及び再結合させる半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−２８６７４６号公報

しかし、従来の半導体装置では、発光層や発光層に電流を供給する電極などをトランジスタとは別個に用意しなければならないため、製造コストが大きいという問題があった。

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、その目的は製造コストを抑制しつつ、電流コラプスを抑制することができる半導体装置を得るものである。

本発明に係る半導体装置は、基板と、前記基板上に設けられたＧａＮ系化合物半導体からなる半導体層と、前記半導体層上に設けられたソース電極、ゲート電極及びドレイン電極と、前記半導体層に添加された添加物質とを備え、前記添加物質は、前記半導体層内において発光中心となり、前記発光中心で生じた光が、前記半導体層内の準位に捕獲された電荷を放出及び再結合させることを特徴とする。

本発明により、製造コストを抑制しつつ、電流コラプスを抑制することができる。

本発明の実施の形態に係る半導体装置を示す断面図である。本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。本発明の実施の形態に係る半導体装置の動作状態を示す断面図である。比較例に係る半導体装置の動作状態を示す断面図である。

図１は、本発明の実施の形態に係る半導体装置を示す断面図である。この半導体装置はＧａＮ系化合物半導体からなる高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor）である。

サファイア、Ｓｉ、ＧａＮなどからなる基板１上に、ＡｌＮからなるバッファ層２、アンドープＧａＮからなる電子走行層３、アンドープＡｌＧａＮからなる電子供給層４が順に設けられている。

電子供給層４上に、ソース電極５、ゲート電極６、ドレイン電極７が設けられている。なお、コンタクト抵抗を低くするために、各電極と電子供給層４の間に高不純物濃度のｎ型ＧａＮコンタクト層を設けてもよい。電子走行層３及び電子供給層４に、添加物質８としてＥｕが添加されている。添加物質８は、電子走行層３及び電子供給層４内において発光中心となる。電子供給層４上にパッシベーション膜９が設けられている。

続いて、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。図２から図４は本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。

まず、図２に示すように、基板１上にバッファ層２、電子走行層３、電子供給層４を順に形成する。次に、図３に示すように、イオン注入などにより、添加物質８としてＥｕを電子走行層３及び電子供給層４に添加する。次に、図４に示すように、電子供給層４上に、ソース電極５、ゲート電極６、ドレイン電極７を形成し、各電極と電子供給層４上にパッシベーション膜９を設ける。その後、各電極上においてパッシベーション膜９に開口を設けることで図１に示す装置が製造される。

続いて、本実施の形態に係る半導体装置の動作を説明する。図５は本発明の実施の形態に係る半導体装置の動作状態を示す断面図である。電子走行層３と電子供給層４のヘテロ接合界面においては、自発分極と結晶歪みに基づくピエゾ圧電効果により、両者の接合界面の直下に２次元電子ガスが形成される。この状態で、ソース電極５とドレイン電極７の間に電圧を印加すると、電子走行層３に供給された電子が２次元電子ガス中を走行してドレイン電極７へ移動する。この際にゲート電極６に印加する電圧を変化させると、ゲート電極６の直下に形成される空乏層の厚さが変化し、２次元電子ガス中を走行する電子を制御することができる。このようにトランジスタを動作させると、添加物質８による発光中心が発光する。

続いて、本実施の形態に係る半導体装置の効果を比較例と比較して説明する。図６は比較例に係る半導体装置の動作状態を示す断面図である。比較例には、添加物質８が添加されておらず、電子走行層３及び電子供給層４内の準位や、電子供給層４とパッシベーション膜９の界面に電荷１０が捕獲される。このため、電流コラプスが発生する。

一方、本実施の形態では、添加物質８による発光中心で生じた光が、電子走行層３及び電子供給層４内の準位に捕獲された電荷１０や、電子供給層４とパッシベーション膜９の界面に捕獲された電荷１０を放出及び再結合させる。このように捕獲された電荷が遅滞なく放出されるため、トランジスタに供給される電荷が減少しなくなり、電流コラプスを抑制することができる。そして、一時的な出力電力の低下も抑制することができる。また、従来のように発光層や発光層に電流を供給する電極などをトランジスタとは別個に用意する必要が無いため、製造コストを抑えることができる。

なお、発光中心となる添加物質８としてＥｕを示したが、これに限らず半導体に注入して発光する物質であればよく、例えば希土類元素のＴｍ、Ｅｒ、Ｐｒなどを用いることができる。また、発光中心の発光波長は可視光域に限らず、捕獲された電荷を放出できる波長よりも短い波長であればよい。また、Ｅｕ等の添加物質８は不純物であるため、トランジスタの電流量に若干影響を与えるが、実動作上は問題ないレベルである。

また、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ構造のＦＥＴを例に挙げて説明したが、これに限らず本願発明はＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮ構造のＦＥＴやＡｌＧａＮ／ＡｌＮ／ＧａＮ構造のＦＥＴにも適用できる。また、高電子移動度トランジスタに限らず、基板上にバッファ層及びチャネル層が順に積層された電界効果トランジスタにも本願発明を適用できる。

１基板、３電子走行層（半導体層）、４電子供給層（半導体層）、５ソース電極、６ゲート電極、７ドレイン電極、８添加物質、９パッシベーション膜、１０電荷

Claims

基板と、
前記基板上に設けられたＧａＮ系化合物半導体からなる半導体層と、
前記半導体層上に設けられたソース電極、ゲート電極及びドレイン電極と、
前記半導体層に添加された添加物質とを備え、
前記添加物質は、前記半導体層内において発光中心となり、
前記発光中心で生じた光が、前記半導体層内の準位に捕獲された電荷を放出及び再結合させることを特徴とする半導体装置。
前記添加物質は希土類元素であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記半導体層上に設けられたパッシベーション膜を更に備え、
前記発光中心で生じた光が、前記半導体層と前記パッシベーション膜の界面に捕獲された電荷を放出及び再結合させることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。