JP2024069888A - Semiconductor Device - Google Patents
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Abstract
【課題】高耐圧な半導体素子を提供することである。【解決手段】半導体素子1は、Siからなり、p型領域とn型領域を含む第1領域10、11、12と、第1領域10、11、12の一方の面に形成され、酸化ガリウム系材料からなり、p型領域を含まない第2領域13、14、15、16と、第2領域13、14、15、16の第1領域側とは反対側の面に設けられた第1電極(カソード電極)17と、第1領域の第2領域側とは反対側の面に設けられた第2電極(アノード電極)18とを有する。【選択図】図1[Problem] To provide a semiconductor element with high breakdown voltage. [Solution] The semiconductor element 1 has first regions 10, 11, 12 made of Si and including a p-type region and an n-type region, second regions 13, 14, 15, 16 made of a gallium oxide-based material and not including a p-type region, formed on one surface of the first regions 10, 11, 12, a first electrode (cathode electrode) 17 provided on the surface of the second regions 13, 14, 15, 16 opposite to the first region side, and a second electrode (anode electrode) 18 provided on the surface of the first region opposite to the second region side. [Selected Figure] Figure 1
Description
本開示は、半導体素子に関する。 This disclosure relates to semiconductor devices.
近年、環境問題やエネルギー問題などによって省電力化の要請が高まっており、電力制御に用いられる半導体素子(パワーデバイス)の開発も一層盛んになっている。特に酸化ガリウム(Ga2O3)は低損失、高耐圧な次世代のパワーデバイス材料として注目されている。 In recent years, the demand for power saving has increased due to environmental and energy issues, and the development of semiconductor elements (power devices) used for power control has become more active. In particular, gallium oxide (Ga 2 O 3 ) has attracted attention as a next-generation power device material with low loss and high voltage resistance.
パワーデバイスの1つとして、静電誘導トランジスタ(SIT)や静電誘導サイリスタ(SIThy)が知られている。SITは、n型であるソース領域、チャネル領域、ドレイン領域を縦に積層し、チャネル領域にp型のゲート領域を埋め込んだ構造である。 The static induction transistor (SIT) and static induction thyristor (SIThy) are known as power devices. The SIT has a structure in which n-type source, channel, and drain regions are stacked vertically, and a p-type gate region is embedded in the channel region.
特許文献1、2には、静電誘導トランジスタ(SIT)が記載されている。特許文献1には、n型のSiからなる高比抵抗層にp型のゲート領域を埋め込んだSITにおいて、高比抵抗層とソース電極の間にSiよりもバンドギャップの広い材料からなる層を設けたSITが記載されている。 Patent documents 1 and 2 describe static induction transistors (SITs). Patent document 1 describes an SIT in which a p-type gate region is embedded in a high resistivity layer made of n-type Si, and a layer made of a material with a wider band gap than Si is provided between the high resistivity layer and the source electrode.
また、特許文献2には、n+型のGaAsからなる第1のソース領域と、ソース領域上に設けられたn型のInGaAsからなる第2のソース領域と、第2のソース領域上に設けられたi型のInGaAsからなるチャネル領域と、チャネル領域上に設けられたn+型のGaAsからなるドレイン領域と、チャネル領域、第1のソース領域、第2のソース領域の所定領域にp型不純物を拡散させて形成したゲート領域と、を有したSITが記載されている。 Furthermore, Patent Document 2 describes an SIT having a first source region made of n + type GaAs, a second source region made of n-type InGaAs provided on the source region, a channel region made of i-type InGaAs provided on the second source region, a drain region made of n + type GaAs provided on the channel region, and a gate region formed by diffusing p-type impurities into predetermined regions of the channel region, the first source region, and the second source region.
高耐圧なSIThyを実現するため、酸化ガリウムを用いてSIThyを作成することが考えられる。しかし、酸化ガリウムはp型とすることが困難であり、SIThyを実現することは困難であった。 To realize a high-voltage SIThy, it is possible to create an SIThy using gallium oxide. However, it is difficult to make gallium oxide p-type, making it difficult to realize an SIThy.
本開示は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、高耐圧な半導体素子を提供しようとするものである。 This disclosure was made in consideration of these issues and aims to provide a semiconductor element with high voltage resistance.
本開示の一態様は、
Siからなり、p型領域とn型領域を含む第1領域と、
前記第1領域の一方の面に形成され、酸化ガリウム系材料からなり、p型領域を含まない第2領域と、
前記第2領域の前記第1領域側とは反対側の面に設けられた第1電極と、
前記第1領域の前記第2領域側とは反対側の面に設けられた第2電極と、
を有する、半導体素子にある。
One aspect of the present disclosure is
a first region made of Si and including a p-type region and an n-type region;
a second region formed on one surface of the first region, made of a gallium oxide-based material, and not including a p-type region;
a first electrode provided on a surface of the second region opposite to the first region;
a second electrode provided on a surface of the first region opposite to the second region;
The semiconductor element has
上記半導体素子では、p型領域とn型領域を含む層をSiとし、その上にp型領域を含まない酸化ガリウム系材料の層を設けている。そのため、p型領域を含む半導体素子について、p型の酸化ガリウム系材料を必要とすることなく、耐圧を向上させることができる。 In the above semiconductor element, the layer including the p-type region and the n-type region is made of Si, and a layer of gallium oxide-based material that does not include a p-type region is provided on top of that. Therefore, for semiconductor elements that include a p-type region, it is possible to improve the breakdown voltage without requiring a p-type gallium oxide-based material.
以上のごとく、上記態様によれば、高耐圧な半導体素子を提供することができる。 As described above, the above aspect makes it possible to provide a semiconductor element with high voltage resistance.
半導体素子は、Siからなり、p型領域とn型領域を含む第1領域と、第1領域の一方の面に形成され、酸化ガリウム系材料からなり、p型領域を含まない第2領域と、第2領域の第1領域側とは反対側の面に設けられた第1電極と、第1領域の第2領域側とは反対側の面に設けられた第2電極とを有する。 The semiconductor element has a first region made of Si and including a p-type region and an n-type region, a second region made of a gallium oxide-based material formed on one side of the first region and not including a p-type region, a first electrode provided on the surface of the second region opposite the first region side, and a second electrode provided on the surface of the first region opposite the second region side.
第1領域は、p型のSiからなり、一方の表面に第2電極が設けられた基板と、基板の他方の表面に設けられ、p型またはi型のSiからなる第1層と、第1層中に、第1層の層延在方向において第1層の材料を間に挟むように設けられたn型のSiからなる第1n型領域と、を有し、第2領域は、第1層および第1n型領域の基板側とは反対側の面に設けられ、i型またはn型の酸化ガリウム系材料からなる第2層と、第2層の第1領域側とは反対側の面に設けられたn型の酸化ガリウム系材料からなる第3層と、第1n型領域に接続しゲート電極である第3電極と、を有し、第1電極は、カソード電極であり、第2電極は、アノード電極であり、半導体素子は、静電誘導サイリスタであってもよい。高耐圧な静電誘導サイリスタ(SIThy)を実現することができる。 The first region is made of p-type Si and has a substrate on one surface of which a second electrode is provided, a first layer made of p-type or i-type Si provided on the other surface of the substrate, and a first n-type region made of n-type Si provided in the first layer so as to sandwich the material of the first layer in the layer extension direction of the first layer. The second region is provided on the surface opposite to the substrate side of the first layer and the first n-type region, and has a second layer made of i-type or n-type gallium oxide-based material, a third layer made of n-type gallium oxide-based material provided on the surface opposite to the first region side of the second layer, and a third electrode connected to the first n-type region and serving as a gate electrode, the first electrode being a cathode electrode, the second electrode being an anode electrode, and the semiconductor element may be a static induction thyristor. A high-voltage static induction thyristor (SIThy) can be realized.
また、第2層中であって第1n型領域に接して設けられ、第2層の層延在方向において第2層の材料を間に挟むように設けられたn型の酸化ガリウム系材料からなる第2n型領域を有していてもよい。スイッチング速度の向上を図ることができる。また、第2n型領域の幅は、第1n型領域の幅よりも狭く形成され、第2n型領域は、積層方向である平面視で第1n型領域よりも内側に形成されるようにしてもよい。 The second layer may also have a second n-type region made of an n-type gallium oxide-based material that is provided in contact with the first n-type region and sandwiches the material of the second layer in the layer extension direction of the second layer. This can improve the switching speed. The width of the second n-type region may be narrower than the width of the first n-type region, and the second n-type region may be formed inside the first n-type region in a plan view that is the stacking direction.
また、第1層はp型であってもよい。また、第2層はi型であってもよい。 The first layer may be p-type, and the second layer may be i-type.
(実施形態1)
1.素子構成の概要
図1は、実施形態1の半導体素子1の構成を示した断面図であり、積層方向に平行な面での断面である。実施形態1の半導体素子1は、静電誘導サイリスタ(SIThy)であり、第1領域(10、11、12)と、第2領域(13、14、15、16)と、第1電極としてのカソード電極17と、第2電極としてのアノード電極18と、第3電極としてのゲート電極19と、を有している。
(Embodiment 1)
1 is a cross-sectional view showing the configuration of a semiconductor device 1 of embodiment 1, taken along a plane parallel to the stacking direction. The semiconductor device 1 of embodiment 1 is a static induction thyristor (SIThy) and has a first region (10, 11, 12), a second region (13, 14, 15, 16), a
第1領域(10、11、12)は、基板10と、第1層11と、第1n型領域12と、を有している。第2領域(13、14、15、16)は、第2層13と、第2n型領域14と、第3層15と、第4層16と、を有している。なお、図1では符号に伝導型を付して各層の伝導型を示している。
The first region (10, 11, 12) has a
2.各構成要素の詳細
基板10は、高濃度p型のSiからなり、主面は(100)面である。基板10の厚さは、デバイスの熱抵抗やオン抵抗を低減するためなるべく薄いことが好ましく、たとえば500nm~50μmである。また、基板10のp型不純物濃度は、たとえば1×1019~1×1021cm-3である。
2. Details of each component The
第1層11は、基板10上に設けられた層であり、低濃度p型のSiからなる層である。第1層11のp型不純物濃度は、たとえば1×1014~1×1016cm-3である。第1層11の厚さは、たとえば1~10μmである。第1層11はi型でもよい。
The
第1n型領域12は、第1層11中に設けられた高濃度n型のSiからなる領域である。第1n型領域12は、ゲート領域として動作する。第1n型領域12は、第1層11表面から所定の深さまで形成されている。第1n型領域12の下面は基板10表面に達していてもよい。つまり、第1n型領域12の下面と基板10との間に第1層11が存在していてもしていなくてもよい。
The first n-
実施形態1の半導体素子1のオン抵抗を低減し、高速なオンオフ動作を実現するためには、第1n型領域12は薄くn型不純物濃度が高いことが好ましい。たとえば、第1n型領域12の厚さは、1~2μmが好ましい。また、第1n型領域12のn型不純物濃度は、たとえば1×1019~1×1021cm-3である。
In order to reduce the on-resistance of the semiconductor device 1 of the first embodiment and realize high-speed on/off operation, it is preferable that the first n-
図2は、実施形態1における半導体素子の積層方向に垂直な断面図であり、図1におけるII-II断面である。図2のように、第1n型領域12の平面パターンは、櫛状に形成されている。第1n型領域12は、複数の帯状領域12A、電極接合部12B、接続部12Cを有する。複数の帯状領域12Aは、幅W1に形成され、所定の間隔D1で平行に配列される。電極接合部12Bは、複数の帯状領域12Aのうちの最も端に配置されている帯状領域12Aから距離を隔てて平行に配置される。電極接合部12Bは、ゲート電極19に接合される。接続部12Cは、複数の帯状領域12A同士を接続すると共に、帯状領域12Aと電極接合部12Bとを接続する。
Figure 2 is a cross-sectional view perpendicular to the stacking direction of the semiconductor element in embodiment 1, and is a cross-section taken along line II-II in Figure 1. As shown in Figure 2, the planar pattern of the first n-
ただし、第1n型領域12は、少なくとも複数の帯状領域12Aを有し、複数の帯状領域12Aが、ゲート電極19に電気的に接続されていればよい。要するに、複数の帯状領域12Aが第1層11の層延在方向において第1層11の材料を間に挟むようなパターンであればよい。幅W1は、たとえば1~5μmであり、間隔D1は、たとえば0.5~2μmである。
However, it is sufficient that the first n-
第1n型領域12は、櫛状のパターンの他に以下のようにすることもできる。例えば、複数の帯状領域12Aと、複数の帯状領域12Aを接続する接続部12Cとを備えるようにしてもよい。この場合、複数の帯状領域12Aのいずれか1つ、または、接続部12Cが、ゲート電極19に直接接続されるように構成される。この場合、電極接合部12Bは、不要となる。
In addition to the comb-like pattern, the first n-
また、第1n型領域12は、電極接合部12Bおよび接続部12Cを有さずに、複数の帯状領域12Aが、独立してストライプ状に配列されるようにしてもよい。この場合、複数の帯状領域12Aのそれぞれが、ゲート電極19に直接接続されるように構成される。
The first n-
第2層13は、第1層11および第1n型領域12上に設けられた層であり、i型(あるいはノンドープ)の酸化ガリウム(Ga2O3)からなる層である。酸化ガリウムの結晶構造はたとえばβ型であり、主面は(001)面や(100)面である。第2層13は低濃度のn型であってもよい。ただし、チャネル領域21に空乏層を広げやすくし、スイッチング動作を速くするためにはn型不純物濃度はなるべく低いことが好ましい。たとえば1×1015cm-3以下とすることが好ましく、ノンドープやi型とすることが最も好ましい。また、第2層13をn型とする場合には、第3層15と同じn型不純物濃度としてもよい。
The
なお、第1層11および第1n型領域12と第2層13との間には、図示しないバッファ層が設けられていてもよい。バッファ層は第1層11のSiと第2層13の酸化ガリウムとを格子整合させ、第2層13の結晶性を向上させるために設けるものである。
A buffer layer (not shown) may be provided between the
第2n型領域14は、第2層13中に設けられた高濃度n型の酸化ガリウムからなる領域である。第2n型領域14は、ゲート領域として動作する。第2n型領域14のn型不純物濃度は、たとえば1×1019~1×1021cm-3である。また、n型不純物はたとえばSiである。
The second n-
図3は、実施形態1における半導体素子の積層方向に垂直な断面図であり、図1におけるIII-III断面である。図3に示すように、第2n型領域14は、複数の帯状領域14Aを有する。複数の帯状領域14Aは、第1n型領域12を構成する複数の帯状領域12Aに対応している。第2n型領域14の平面パターンは、たとえばストライプ状である。第2n型領域14の複数の帯状領域14Aは、第2層13の層延在方向において第2層13の材料を間に挟むように設けられる。
Figure 3 is a cross-sectional view perpendicular to the stacking direction of the semiconductor element in embodiment 1, taken along line III-III in Figure 1. As shown in Figure 3, the second n-
複数の帯状領域14Aは、幅W2に形成され、所定の間隔D2で平行に配列される。複数の帯状領域14Aは、第1n型領域12の複数の帯状領域12Aに接続されている。帯状領域14Aの幅W2は、第1n型領域12の幅W1よりも狭く、平面視で第2n型領域14は第1n型領域12よりも内側に形成されている。幅W2はたとえば1~5μmであり、間隔D2はたとえば1~5μmである。酸化ガリウムの内蔵電位はSiに比べておよそ4倍高く、チャネルの幅が広い方がオン抵抗、ターンオン特性に優れる。そこでW1>w2としてもよい。
The
第2n型領域14の下面は第2層13の下面と面一であり、つまりは第2n型領域14は、第1n型領域12上に接して位置する。これにより、第2n型領域14は、第1n型領域12を介してゲート電極19に接続されている。なお、第2n型領域14とゲート電極19が接続されているのであれば、第1n型領域12と第2n型領域14とが接している必要はなく、第1n型領域12と第2n型領域14の間に第2層13が存在していてもよい。第2n型領域14の上面は第2層13の上面と面一である。
The lower surface of the second n-
第2n型領域14は、複数の帯状領域14Aが独立して配列されたストライプ状としたが、第1n型領域12と同様に、複数の帯状領域14Aを相互に接続する櫛状としてもよい。
The second n-
第1層11のうち第1n型領域12の帯状領域12Aに挟まれた領域と、第2層13のうち第2n型領域14の帯状領域14Aに挟まれた領域が、実施形態1の半導体素子1のチャネル領域21である。実施形態1の半導体素子1がノーマリオフで動作するかノーマリオンで動作するかは、チャネル領域21の幅(第1n型領域12の帯状領域12Aの間隔D1と第2n型領域14の帯状領域14Aの間隔D2)によって設定することができる。
The region of the
第3層15は、第2層13上に設けられた層であり、低濃度n型の酸化ガリウムからなる層である。素子の耐圧を向上させるために第3層15は十分に厚いことが好ましく、たとえばSiの半導体層全体(基板10と第1層11の厚さの和)の0.5~2倍とすることが好ましく、1μm以上とすることが好ましい。また、素子の耐圧を向上させるためには第3層15のn型不純物濃度は十分に低いことが好ましく、たとえば1×1012~1×1015cm-3とすることが好ましい。第3層15はノンドープやi型であってもよい。
The
第4層16は、第3層15上に設けられた層であり、高濃度n型の酸化ガリウムからなる層である。n型不純物濃度は、たとえば1×1018~1×1021cm-3である。第4層16の厚さは、たとえば0.5~1μmである。
The
第4層16の一部領域には、第4層16表面から第1n型領域12に達する溝(切り欠き部)20が設けられている。溝20の底面には第1n型領域12の電極接合部12Bが露出している。
A groove (notch) 20 is provided in a portion of the
なお、第3層15及び第4層16のうち、チャネル領域21の上部に当たる領域以外については、一部ないし全部除去してもよい。
Note that the
カソード電極17は、第4層16上に設けられている。カソード電極17の材料は、第4層16の材料であるn型酸化ガリウムに対してオーミックコンタクト可能な材料であればよく、たとえばTi/Au/Alである。
The
アノード電極18は、基板10の裏面(第1層11側とは反対側の表面)に設けられている。アノード電極18の材料は、基板10の材料であるp型Siに対してオーミックコンタクト可能な材料であればよく、たとえばAlである。
The
ゲート電極19は、溝20の底面に露出した第1n型領域12上に設けられている。ゲート電極19の材料は、n型Siに対してオーミックコンタクト可能な材料であればよく、たとえばAlである。
The
なお、溝20の深さを第2n型領域14に達する深さとし、ゲート電極19を第2n型領域14上に設け、第1n型領域12は第2n型領域14を介して間接的にゲート電極19と接続するようにしてもよい。要するに、ゲート電極19は第1n型領域12に直接あるいは間接的に接続するように設けられていればよい。ただし、ゲート電流の制御性の点で、実施形態1のように第1n型領域12にゲート電極19を直接設けることが好ましい。
The depth of the
3.半導体素子1の動作
次に、実施形態1の半導体素子1の動作について説明する。実施形態1の半導体素子1は、pinダイオードのp型領域およびi型領域にn型のゲート領域を埋め込んだ構造であり、カソード電極17に対して正の電圧をアノード電極18に印加し(つまり第1層11、第2層13、第3層15によるpinに対して順バイアスを印加)、アノード電極18からカソード電極17へとチャネル領域21を介して流れる電流を、ゲート電流によって制御する静電誘導サイリスタ(SIThy)である。
3. Operation of the Semiconductor Device 1 Next, the operation of the semiconductor device 1 of the embodiment 1 will be described. The semiconductor device 1 of the embodiment 1 has a structure in which an n-type gate region is embedded in the p-type region and i-type region of a pin diode, and is a static induction thyristor (SIThy) in which a positive voltage is applied to the
ゲート電圧が0Vでオン状態(つまりアノード電流が流れる)であればノーマリオン、オフ状態(つまりアノード電流が流れない)であればノーマリオフとなる。フェールセーフの観点からはノーマリオフとすることが好ましい。実施形態1の半導体素子1では、間隔D1、D2の設定によってノーマリオフかノーマリオンかを設定することができる。 When the gate voltage is 0V and the device is in the on state (i.e., anode current flows), it is normally on, and when the device is in the off state (i.e., anode current does not flow), it is normally off. From a fail-safe perspective, it is preferable to have the device be normally off. In the semiconductor device 1 of embodiment 1, it is possible to set whether the device is normally off or normally on by setting the distances D1 and D2.
図6は、ターンオン、ターンオフとVag、Iagの対応を示したタイミングチャートである。Vagはアノード電極18に対するゲート電極19の電圧であり、Iagはゲート電極19に流れ込む電流である。また、Vakはカソード電極17に対するアノード電極18の電圧であり、Iakはアノード電極18に流れ込む電流である。
Figure 6 is a timing chart showing the correspondence between turn-on and turn-off and Vag and Iag. Vag is the voltage of the
まず、ノーマリオン型の場合について説明する。ノーマリオン型では、Vagに正の所定値(たとえば15V)を印加してオフ状態とする。たとえばVakが1000VでIakは0となる。 First, we will explain the normally-on type. In the normally-on type, a positive predetermined value (for example, 15 V) is applied to Vag to set it to the off state. For example, when Vak is 1000 V, Iak is 0.
オフ状態では、チャネル領域21にホールの障壁があるため、2つの第1n型領域12、第2n型領域14からチャネル領域21に空乏層が伸び、第1n型領域12、第2n型領域14の一方の側面からの空乏層と、他方の側面からの空乏層とが重なり合ってチャネル領域21の全域が空乏化される。その結果、アノードーカソード間が順バイアスされていたとしても、順方向耐圧以下の電圧であれば、第1層11から第3層15への電流が遮断される。アノードーカソード間の順バイアスが順方向電圧を超えると、電流が急激に流れる。
In the off state, because there is a hole barrier in the
ターンオンさせる(オフ状態からオン状態に遷移させる)ためには、Vagに負の所定値)を印加し、所定のIag(たとえば-5A)を流す。つまり、第1層11と第1n型領域12のpn接合に対して順バイアスを印加して電流を流す。これによりチャネル領域21のホールの障壁が下がり、第1n型領域12、第2n型領域14から伸びる空乏層が縮まり、空乏層の重なりが解除される。また、第1層11と第1n型領域12からチャネル領域21に電子が注入され、基板10からホールも注入されるため、伝導度変調が生じてチャネル領域21は低抵抗となる。その結果、素子はターンオンしてアノード電極18からカソード電極17に電流が流れ、Vakは大きく低下する。一度オン状態となった後は、Vagを低下させ、Iagを低下させる。
To turn on (transition from the off state to the on state), a negative predetermined value is applied to Vag and a predetermined Iag (for example, -5 A) is passed. In other words, a forward bias is applied to the pn junction of the
オン状態では、基板10、第1層11、第2層13、第3層15、第4層16の積層によるpinダイオードと同様の動作となり、Iakはたとえば100Aである。ターンオン動作によってチャネル領域21がキャリア過剰となり、伝導度変調が生じるため、pinダイオードと同様の動作となるのである。このように、実施形態1の半導体素子1は、オン状態においてpinダイオードと同様の低オン抵抗となる。
In the on state, the semiconductor device 1 of the first embodiment operates in the same manner as a pin diode formed by stacking the
ターンオフさせる(オン状態からオフ状態に遷移させる)ためには、Vagに正の所定値を印加し、所定のIagを流す(たとえば30A)。つまり、第1層11と第1n型領域12のpn接合に対して逆バイアスを印加する。これにより素子はターンオフしてアノード電極18からカソード電極17への電流が0となり、Vakは元の値(たとえば1000V)に戻る。オフ状態となった後は、Vagを15Vに戻す。
To turn off the element (transition from the on state to the off state), a predetermined positive value is applied to Vag and a predetermined Iag is passed (for example, 30 A). In other words, a reverse bias is applied to the pn junction between the
次に、ノーマリオフ型の場合について説明する。ノーマリオフ型では、Vagに電圧を印加しない状態でオフ状態となる。 Next, we will explain the normally-off type. In the normally-off type, the device is in the off state when no voltage is applied to Vag.
ターンオンさせるためには、Vagに負の所定値を印加し、アノード電極18からゲート電極19に所定のIagを流す。つまり、第1層11と第1n型領域12のpn接合に対して順バイアスを印加する。Iagはノーマリオン型に比べて大きくし、たとえば-10Aである。ノーマリオン型に比べてIagを大きくするのは、ノーマリオフ型はノーマリオン型に比べてターンオンのスイッチング速度が遅いためであり、Iagを大きくすることでスイッチング速度を速めている。
To turn it on, a predetermined negative value is applied to Vag, and a predetermined Iag is passed from the
これにより素子はターンオンしてアノード電極18からカソード電極17に電流が流れ、Vakは大きく低下する。一度オン状態となった後は、Vagを低下させ、Iagを低下させる。Vagを0にしないのは、Vagにノイズ等が加わってターンオフしてしまわないようにするためである。オン状態での動作はノーマリオン型と同様であり、pinダイオードと同様の動作となる。
This turns the element on, causing current to flow from the
ターンオフについてはノーマリオン型と同様である。つまり、Vagに正の所定値を印加し、所定のIag(たとえば30A)を流す。Iagはノーマリオン型の場合よりも少し低くしてもよい。これにより素子はターンオフしてアノード電極18からカソード電極17への電流が0となり、Vakは元の値(たとえば1000V)に戻る。オフ状態となった後は、Vagを10Vに戻す。Vagを0まで戻さないのは、Vagにノイズ等が加わり誤ターンオンしてしまわないようにするためである。
Turning off is the same as for the normally-on type. That is, a predetermined positive value is applied to Vag and a predetermined Iag (for example, 30 A) is passed. Iag may be slightly lower than in the case of the normally-on type. This turns the element off, the current from the
次に、ターンオフ時における電子とホールの動きについて説明する。第1層11と第1n型領域12のpn構造に逆バイアスが印加されると、チャネル領域21中の電子は第1n型領域12および第2n型領域14に引き抜かれ、ホールは基板10に引き抜かれる。そのため、チャネル領域21の伝導度変調状態が維持できなくなり、チャネル領域21は元のように全域が空乏化された状態に戻る。その結果、第1層11から第3層15への電流も遮断され、ターンオフとなる。
Next, the movement of electrons and holes during turn-off will be explained. When a reverse bias is applied to the pn structure of the
このように、実施形態1の半導体素子1では、ターンオフ時にチャネル領域21の電子は第1n型領域12および第2n型領域14に高速に引き抜かれるので、チャネル領域21は急速に空乏化する。そのため、実施形態1の半導体素子1は逆回復時間が短い。ここで逆回復時間は、ターンオン状態においてターンオフとなるゲート電圧を印加したときに、そのゲート電圧を印加してから実際にターンオフとなるまでの時間(アノード電流が0となるまでの時間)である。
In this way, in the semiconductor device 1 of embodiment 1, when the device is turned off, electrons in the
4.半導体素子1の耐圧
実施形態1の半導体素子1では、上記のようにp型の第1層11、i型の第2層13中にn型のゲート領域(第1n型領域12、第2n型領域14)を形成している。そのため、第2層13より上部の層はすべてn型とすることができ、酸化ガリウムを用いることができる。アノード-カソード間の電圧の大部分は、高抵抗で厚い第3層15にかかるが、第3層15は高耐圧な材料である酸化ガリウムである。したがって、実施形態1の半導体素子1は高い耐圧性を有している。
4. Breakdown Voltage of Semiconductor Element 1 In the semiconductor element 1 of embodiment 1, as described above, n-type gate regions (first n-
以上、実施形態1の半導体素子1では、素子構造のうちp型領域とn型領域を含む構造をSiとし、その上にp型領域を含まない酸化ガリウムからなる構造としている。これにより、p型領域を含む半導体素子1についてp型の酸化ガリウムを必要とすることなく耐圧を向上させることができる。 As described above, in the semiconductor element 1 of the first embodiment, the element structure including the p-type region and the n-type region is made of Si, and a structure made of gallium oxide not including a p-type region is formed on top of that. This makes it possible to improve the breakdown voltage of the semiconductor element 1 including the p-type region without requiring p-type gallium oxide.
5.半導体素子1のバンド図
図9~11は、基板10に垂直方向であってチャネル領域21を通るラインでのバンド図を示し、図9は定常状態、図10はオン状態、図11はオフ状態のバンド図である。
9 to 11 show band diagrams along a line perpendicular to the
図11のように、オフ状態では、チャネル領域21にホールの障壁(電子の井戸)があるためゲート領域から空乏層が伸びており、ホールはチャネル領域21を超えてカソード側には流れない。また、電子はチャネル領域21の電子の井戸によりトラップされ、アノード側に流れない。この結果、アノードからカソードへは電流が流れない。また、電圧は高抵抗である第3層15に主にかかるので、第3層15でバンドが大きく傾斜する。
As shown in FIG. 11, in the off state, a depletion layer extends from the gate region because there is a hole barrier (electron well) in the
一方、図10のように、オン状態では、ゲート領域から電子が注入されてチャネル領域21のホールの障壁が下がり、ホールが障壁を通過してカソード側へ流れる。また、チャネル領域21の電子の井戸が浅くなり、電子のトラップが減少する。そのため、電子は井戸を超えてアノード側に流れる。この結果、アノードからカソードへ電流が流れる。
On the other hand, as shown in Figure 10, in the on state, electrons are injected from the gate region, lowering the hole barrier in the
6.半導体素子1の製造方法
次に、実施形態1の半導体素子1の製造方法について、図を参照に説明する。
6. Manufacturing Method of Semiconductor Device 1 Next, a manufacturing method of the semiconductor device 1 of the first embodiment will be described with reference to the drawings.
まず、基板10を用意し、基板10上にCVDなどの方法でp型不純物ドープのSiからなる第1層11を形成する(図4(a)参照)。
First, a
次に、第1層11表面の所定領域にn型不純物をイオン注入し、熱拡散することによって第1n型領域12を形成する(図4(b)参照)。
Next, n-type impurities are ion-implanted into a predetermined region on the surface of the
次に、第1層11および第1n型領域12上に酸化ガリウムからなる第2層13を形成する(図4(c)参照)。第2層13の形成には、HVPE法、CVD、MOCVD法、などを用いることができる。
Next, a
次に、第2層13のうち第1n型領域12上の領域をドライエッチングし、溝を形成する。溝の深さは第1n型領域12に達する深さとし、なるべく第1n型領域12をエッチングしないようにする。次に、溝を埋めるようにして高濃度n型の酸化ガリウムを成長させる。酸化ガリウムの結晶成長方法は第2層13と同様である。これにより第2n型領域14を形成する(図4(d)参照)。
Next, the region of the
なお、実施形態1では第2n型領域14を選択成長により形成しているが、n型不純物のイオン注入、熱処理によって第2n型領域14を形成してもよい。
In the first embodiment, the second n-
次に、第2層13および第2n型領域14上に、第3層15、第4層16を順に形成する(図5(a)参照)。第3層15および第4層16の結晶成長方法は第2層13と同様である。
Next, the
次に、第4層16表面の所定領域をドライエッチングし、第1n型領域12に達する深さの溝20を形成する(図5(b)参照)。
Next, a predetermined area on the surface of the
次に、基板10の裏面を研削、研磨、エッチングなどして薄膜化する。その後、第4層16表面にカソード電極17、基板10裏面にアノード電極18、溝20の底面に露出する第1n型領域12上にゲート電極19を形成する。これら電極の成膜は蒸着やスパッタを用い、パターニングにはリフトオフを用いる。以上によって図1に示す実施形態1の半導体素子1が形成される。
Next, the back surface of the
(実施形態1の変形形態1)
実施形態1の変形形態1について、図7を参照して説明する。図7に示すように、第2n型領域14の上面と第2層13の上面との間に第2層13が存在していてもよい。第2n型領域14と第3層15の間の電流が抑制され、チャネル領域21に電流が流れやすくなるのでオン抵抗を低減することができる。
(First Modification of First Embodiment)
A first modified example of the first embodiment will be described with reference to Fig. 7. As shown in Fig. 7, the
(実施形態1の変形形態2)
実施形態1の変形形態2について、図8を参照にして説明する。図8に示すように、第2n型領域14は設けなくともよい。ただし、チャネル領域21への電子の供給を増やし、オン抵抗の低減を図るためには、実施形態1のように第2n型領域14を設けることが好ましい。
(Modification 2 of embodiment 1)
A second modified example of the first embodiment will be described with reference to Fig. 8. As shown in Fig. 8, the second n-
(変形例)
実施形態1では、第2層13、213、第2n型領域14、第3層15、215および第4層16、216の材料として酸化ガリウムを用いているがこれに限らず、酸化ガリウム系材料であればよい。つまり、酸化ガリウムのGaの一部をAlやInに置換した材料でもよい。
(Modification)
In the first embodiment, gallium oxide is used as the material of the
また、実施形態1はSIThyであったが、本開示はこれらの半導体素子に限るものではない。たとえばSIT(静電誘導トランジスタ)、バイポーラトランジスタ、FET、ダイオードなどにも適用可能である。 Although the first embodiment is an SIThy, the present disclosure is not limited to these semiconductor elements. For example, it can also be applied to SITs (static induction transistors), bipolar transistors, FETs, diodes, etc.
本開示は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。 This disclosure is not limited to the above embodiments, and can be applied to various embodiments without departing from the spirit of the disclosure.
1:半導体素子
10:基板
11:第1層
12:第1n型領域
13:第2層
14:第2n型領域
15:第3層
16:第4層
17:カソード電極
18:アノード電極
19:ゲート電極
1: Semiconductor element 10: Substrate 11: First layer 12: First n-type region 13: Second layer 14: Second n-type region 15: Third layer 16: Fourth layer 17: Cathode electrode 18: Anode electrode 19: Gate electrode
Claims (5)
前記第1領域の一方の面に形成され、酸化ガリウム系材料からなり、p型領域を含まない第2領域と、
前記第2領域の前記第1領域側とは反対側の面に設けられた第1電極と、
前記第1領域の前記第2領域側とは反対側の面に設けられた第2電極と、
を有する、半導体素子。 a first region made of Si and including a p-type region and an n-type region;
a second region formed on one surface of the first region, made of a gallium oxide-based material, and not including a p-type region;
a first electrode provided on a surface of the second region opposite to the first region;
a second electrode provided on a surface of the first region opposite to the second region;
A semiconductor element comprising:
p型のSiからなり、一方の表面に前記第2電極が設けられた基板と、
前記基板の他方の表面に設けられ、p型またはi型のSiからなる第1層と、
前記第1層中に、前記第1層の層延在方向において前記第1層の材料を間に挟むように設けられたn型のSiからなる第1n型領域と、を有し、
前記第2領域は、
前記第1層および前記第1n型領域の前記基板側とは反対側の面に設けられ、i型またはn型の酸化ガリウム系材料からなる第2層と、
前記第2層の前記第1領域側とは反対側の面に設けられたn型の酸化ガリウム系材料からなる第3層と、
前記第1n型領域に接続しゲート電極である第3電極と、
を有し、
前記第1電極は、カソード電極であり、
前記第2電極は、アノード電極であり、
前記半導体素子は、静電誘導サイリスタである、請求項1に記載の半導体素子。 The first region is
a substrate made of p-type Si and having the second electrode provided on one surface;
a first layer formed on the other surface of the substrate and made of p-type or i-type Si;
a first n-type region made of n-type Si provided in the first layer so as to sandwich the material of the first layer in the layer extension direction of the first layer;
The second region is
a second layer made of an i-type or n-type gallium oxide-based material, the second layer being provided on a surface of the first layer and the first n-type region opposite to the substrate;
a third layer made of an n-type gallium oxide based material provided on a surface of the second layer opposite to the first region;
a third electrode serving as a gate electrode connected to the first n-type region;
having
the first electrode is a cathode electrode,
the second electrode is an anode electrode,
The semiconductor device of claim 1 , wherein the semiconductor device is a static induction thyristor.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2022180164A JP2024069888A (en) | 2022-11-10 | 2022-11-10 | Semiconductor Device |
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