JP2016131207A - 集積した半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】分離領域Bに存在する電子供給層8の表面に、p型のInx2Aly2Ga1−x2−y2N層10bを形成する。するとp型のInx2Aly2Ga1−x2−y2N層10bから電子供給層8を介して電子走行層6に向けて空乏層が伸び、分離領域Bではヘテロ接合面が空乏化し、隣接する半導体装置の間が電気的に分離される。
【選択図】図3
Description
図1において、参照番号2は基板、4はバッファ層、6は電子走行層、8は電子供給層を示しており、電子走行層6と電子供給層8のヘテロ接合面に2次元電子ガスが誘起される。参照番号中の添え字aは領域Aに形成されているトランジスタのための部材を示し、添え字cは領域Cに形成されているトランジスタのための部材を示し、両者に共通する事象については添え字を省略して説明する。参照番号14はソース電極、16はドレイン電極、12はゲート電極を示している。参照番号10は、p型層を示し、ゲート電極12に電圧が加えられていない状態では、p型層10と電子供給層8の界面から電子供給層8を介して電子走行層6に向けて空乏層を広げる。すなわち、p型層10と対向する範囲のヘテロ接合面が空乏化して2次元電子ガスが消失する。ゲート電極12に正電圧を印加すると、ヘテロ接合面に2次元電子ガスが誘起され、空乏層が消失する。ゲート電極12に正電圧を印加すると、ソース電極14に対向する範囲のヘテロ接合面からドレイン電極16に対向する範囲のヘテロ接合面までの間に2次元電子ガスが連続して存在し、ソース電極14とドレイン電極16の間が低抵抗となる。ゲート電極12に電圧を印加しないと、p型層10と対向する範囲のヘテロ接合面から2次元電子ガスが消失し、ソース電極14とドレイン電極16の間が高抵抗となる。図1に示す電界効果トランジスタは、p型層10によってノーマリオフの特性に調整されている。なお、参照番号18は、半導体基板の表面を覆っている絶縁層である。
本明細書で開示する素子分離構造は、電子供給層の表面にp型層を形成すると、p型層と電子供給層の界面から電子供給層を介して電子走行層に向けて空乏層が広がり、ヘテロ接合面から2次元電子ガスが消失し、p型層と向かい合う範囲の電子供給層と電子走行層が不導体化する現象を利用する。この素子分離構造を備えた半導体装置は、GaNで形成されている電子走行層とInx1Aly1Ga1−x1−y1N(0≦x1≦1,0≦y1≦1,0≦1−x1−y1<1)で形成されている電子供給層のヘテロ接合面を備えている半導体基板に形成されており、ヘテロ接合面に生じる2次元電子ガスを利用する第1半導体装置と第2半導体装置を備えている。第1半導体装置の形成領域と第2半導体装置の形成領域を分離する分離領域では、分離領域に存在する電子供給層の表面に、p型のInx2Aly2Ga1−x2−y2N(0≦x2≦1,0≦y2≦1,0≦1−x2−y2≦1)層が形成されており、ヘテロ接合面が空乏化していることを特徴とする。電子走行層は、InまたはAlの少なくとも一方を必要とするが、素子分離領域に形成するp型層はInまたはAlを含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。またx1=x2であってもよく、x1≠x2であってもよい。
(特徴1)半導体装置の形成領域を一巡する範囲に、p型のInx2Aly2Ga1−x2−y2N層が形成されている。
(特徴2)半導体装置の形成領域を、p型のInx2Aly2Ga1−x2−y2N層が多重に囲繞している。
(特徴3)個々の半導体装置は、ノーマリオフの電界効果トランジスタである。
(特徴4)電子走行層にGaNを用い、電子供給層にInとAlの少なくとも一方とGaを含む窒化物半導体であってGaNより大きなバンドギャップを持つ窒化物半導体を用いる。すなわち、電子走行層にInx1Aly1Ga1−x1−y1N(0≦x1<1,0≦y1<1,0<1−x1−y1<1)を用いる。
(特徴5)電子走行層にGaNを用い、電子供給層にAlとGaを含む窒化物半導体であってGaNより大きなバンドギャップを持つ窒化物半導体を用いる。すなわち、電子走行層にInx1Aly1Ga1−x1−y1N(0≦x1<1,0<y1<1,0<1−x1−y1<1)を用いる。
図1と同様に、基板2の表面にバッファ層4が結晶成長し、バッファ層4の表面に電子走行層6が結晶成長し、電子走行層6の表面に電子供給層8が結晶成長し、電子走行層6と電子供給層8の間にヘテロ接合面が形成されている。本実施例では、電子走行層6がi型のGaNで形成され、電子供給層8がi型のAly1Ga1−y1N層8(0<y1≦1)で形成されている。本実施例では、y1=0.18であり、その膜圧は20nmである。Alを含まないGaN層上にAlを含むGaN層が結晶成長しているヘテロ接合では、前者のバンドギャップよりも後者のバンドギャップが広いことから、GaN層6のヘテロ接合面に面した領域に2次元電子ガスが生成される。電子供給層6には、i型のInx1Aly1Ga1−x1−y1N(0≦x1≦1,0≦y1≦1,0≦1−x1−y1<1)を用いることができる。InとAlの少なくとも一方とGaを含む窒化物半導体、すなわち、Inx1Aly1Ga1−x1−y1N(0≦x1<1,0≦y1<1,0<1−x1−y1<1)であってGaNより大きなバンドギャップを持つ窒化物半導体、あるいは、AlとGaを含む窒化物半導体、すなわち、Inx1Aly1Ga1−x1−y1N(0≦x1<1,0<y1<1,0<1−x1−y1<1)であってGaNより大きなバンドギャップを持つ窒化物半導体を電子供給層に用いると、確実に2次元電子ガスが得られる。
図3において、参照番号中の添え字aは領域Aに形成されているトランジスタのための部材を示し、添え字cは領域Cに形成されているトランジスタのための部材を示し、両者に共通する事象については添え字を省略して説明する。
参照番号14はソース電極、16はドレイン電極、12はゲート電極を示している。ゲート電極12a,12cと電子供給層8の間に存在する層を示す参照番号10a,10cは、p型のAly2Ga1−y2N層を示している。本実施例では、y2=0.25である。すなわち、導電型を決定する不純物を除いては、電子供給層8と同じ材質で形成されている。一般に、p型層10a,10cは、p型のInx2Aly2Ga1−x2−y2N(0≦x2≦1,0≦y2≦1,0≦1−x2−y2≦1)であればよく、電子供給層8と異なる組成であってもよい。In、Al、Gaのうちの少なくとも一種を含んでいればよい。参照番号18は、半導体基板の表面を覆っている絶縁層である。ソース電極14とヘテロ接合面の間に介在する範囲の電子供給層8と、ドレイン電極16とヘテロ接合面の間に介在する範囲の電子供給層8は、例えば電極14,16を形成する金属が拡散するなどして低抵抗となっている。
以下の説明では、図3を参照して説明した部材には同一の参照番号を付して重複説明を省略する。図4に示す第2実施例では、素子分離領域Bに形成するp型層10bの表面に電極12bを形成する。電極12bは、ゲート電極12a,12cと同時に形成することができる。電極12bを接地しておくと、p型層10bから伸びる空乏層の範囲が安定するために、素子分離特性が安定する。電極12bは接地しておくことが好ましいが、導通を確保しなくてもよい。電極12bがフローティングしていても、電極12bによって空乏層の形成範囲が安定化する。電極12bにタングステンを含む金属を用いると、空乏層が深く伸び、素子分離特性が向上する。
図5に示す第3実施例では、p型層10bで素子分離するのに加えて、Fイオン24を注入して素子分離性能を向上させる。CF4プラズマ処理、あるいはイオン注入方法によって、Fイオン24をp型層10bに注入することができる。Fイオン24は、ヘテロ接合面から2次元電子ガスを枯渇させ、素子分離領域Bの絶縁性能を向上させる。
p型層10bを利用して電子走行層6に空乏層を伸ばす技術は、素子分離に有効であるのみならず、周辺耐圧構造に利用することもできる。図6に示す第4実施例では、素子形成領域Aを一巡する周辺耐圧領域Dに、3重のp型層を10d1,10d2,10d3を形成した例を示している。それぞれのp型層10d1,10d2,10d3は、素子形成領域Aを一巡している。それぞれのp型層10d1,10d2,10d3は、周辺耐圧構造におけるガードリングに相当するものであり、ガードリングと同様に作動して周辺領域の耐圧性能を高める。
ヘテロ接合面とゲート電極の間に介在してノーマリオフの特性を実現するp型層には、素子分離に用いるp型層と同じ仕様の層を用いることができるが、両者の仕様を異ならせてもよい。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
4:バッファ層
6:電子走行層(GaN層)
8:電子供給層(Inx1Aly1Ga1−x1−y1N層)
10a,10c:ノーマリオフを実現するp型層(Inx2Aly2Ga1−x2−y2N層)
10b:素子分離用のp型層(Inx2Aly2Ga1−x2−y2N層)
10d:周辺耐圧用のp型層(Inx2Aly2Ga1−x2−y2N層)
12a,12c:ゲート電極
12b:素子分離性能を安定化する電極
14:ソース電極
16:ドレイン電極
Claims (2)
- GaNで形成されている電子走行層とInx1Aly1Ga1−x1−y1N(0≦x1≦1,0≦y1≦1,0≦1−x1−y1<1)で形成されている電子供給層のヘテロ接合面を備えている半導体基板に、前記ヘテロ接合面に生じる2次元電子ガスを利用する第1半導体装置と第2半導体装置が形成されており、
前記第1半導体装置の形成領域と前記第2半導体装置の形成領域を電気的に分離する分離領域に存在する前記電子供給層の表面に、p型のInx2Aly2Ga1−x2−y2N(0≦x2≦1,0≦y2≦1,0≦1−x2−y2≦1)層が形成されており、
前記分離領域では、前記ヘテロ接合面が空乏化していることを特徴とする、同一半導体基板に複数個の半導体装置が形成されている集積した半導体装置。 - 前記第1半導体装置と前記第2半導体装置の少なくとも一方は、ノーマリオフ型の電界効果トランジスタであり、
前記電界効果トランジスタのソース電極とドレイン電極の間に存在する前記電子供給層の表面に、前記p型のInx2Aly2Ga1−x2−y2N層と同一仕様のp型のInx2Aly2Ga1−x2−y2N層が形成されており、
後者のp型のInx2Aly2Ga1−x2−y2N層の表面にゲート電極が形成されており、
前記ゲート電極に電圧が印加されないときに、前記ゲート電極に対向する範囲の前記ヘテロ接合面が空乏化していることを特徴とする、請求項1に記載の集積した半導体装置。
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