[go: up one dir, main page]

JP7021034B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置 Download PDF

Info

Publication number
JP7021034B2
JP7021034B2 JP2018173396A JP2018173396A JP7021034B2 JP 7021034 B2 JP7021034 B2 JP 7021034B2 JP 2018173396 A JP2018173396 A JP 2018173396A JP 2018173396 A JP2018173396 A JP 2018173396A JP 7021034 B2 JP7021034 B2 JP 7021034B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor layer
nitride semiconductor
drain electrode
gate electrode
semiconductor device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2018173396A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2020047695A (ja
Inventor
泰伸 斉藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp, Toshiba Electronic Devices and Storage Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2018173396A priority Critical patent/JP7021034B2/ja
Priority to US16/287,394 priority patent/US20200091330A1/en
Priority to CN201910171830.3A priority patent/CN110911490B/zh
Publication of JP2020047695A publication Critical patent/JP2020047695A/ja
Priority to US17/494,639 priority patent/US12119396B2/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7021034B2 publication Critical patent/JP7021034B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/60Insulated-gate field-effect transistors [IGFET]
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/40FETs having zero-dimensional [0D], one-dimensional [1D] or two-dimensional [2D] charge carrier gas channels
    • H10D30/47FETs having zero-dimensional [0D], one-dimensional [1D] or two-dimensional [2D] charge carrier gas channels having 2D charge carrier gas channels, e.g. nanoribbon FETs or high electron mobility transistors [HEMT]
    • H10D30/471High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT]
    • H10D30/473High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT] having confinement of carriers by multiple heterojunctions, e.g. quantum well HEMT
    • H10D30/4732High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT] having confinement of carriers by multiple heterojunctions, e.g. quantum well HEMT using Group III-V semiconductor material
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/40FETs having zero-dimensional [0D], one-dimensional [1D] or two-dimensional [2D] charge carrier gas channels
    • H10D30/47FETs having zero-dimensional [0D], one-dimensional [1D] or two-dimensional [2D] charge carrier gas channels having 2D charge carrier gas channels, e.g. nanoribbon FETs or high electron mobility transistors [HEMT]
    • H10D30/471High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT]
    • H10D30/475High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT] having wider bandgap layer formed on top of lower bandgap active layer, e.g. undoped barrier HEMTs such as i-AlGaN/GaN HEMTs
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/40FETs having zero-dimensional [0D], one-dimensional [1D] or two-dimensional [2D] charge carrier gas channels
    • H10D30/47FETs having zero-dimensional [0D], one-dimensional [1D] or two-dimensional [2D] charge carrier gas channels having 2D charge carrier gas channels, e.g. nanoribbon FETs or high electron mobility transistors [HEMT]
    • H10D30/471High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT]
    • H10D30/475High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT] having wider bandgap layer formed on top of lower bandgap active layer, e.g. undoped barrier HEMTs such as i-AlGaN/GaN HEMTs
    • H10D30/4755High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT] having wider bandgap layer formed on top of lower bandgap active layer, e.g. undoped barrier HEMTs such as i-AlGaN/GaN HEMTs having wide bandgap charge-carrier supplying layers, e.g. modulation doped HEMTs such as n-AlGaAs/GaAs HEMTs
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D62/00Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
    • H10D62/10Shapes, relative sizes or dispositions of the regions of the semiconductor bodies; Shapes of the semiconductor bodies
    • H10D62/102Constructional design considerations for preventing surface leakage or controlling electric field concentration
    • H10D62/103Constructional design considerations for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse-biased devices
    • H10D62/105Constructional design considerations for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse-biased devices by having particular doping profiles, shapes or arrangements of PN junctions; by having supplementary regions, e.g. junction termination extension [JTE] 
    • H10D62/106Constructional design considerations for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse-biased devices by having particular doping profiles, shapes or arrangements of PN junctions; by having supplementary regions, e.g. junction termination extension [JTE]  having supplementary regions doped oppositely to or in rectifying contact with regions of the semiconductor bodies, e.g. guard rings with PN or Schottky junctions
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D62/00Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
    • H10D62/10Shapes, relative sizes or dispositions of the regions of the semiconductor bodies; Shapes of the semiconductor bodies
    • H10D62/117Shapes of semiconductor bodies
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D62/00Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
    • H10D62/10Shapes, relative sizes or dispositions of the regions of the semiconductor bodies; Shapes of the semiconductor bodies
    • H10D62/17Semiconductor regions connected to electrodes not carrying current to be rectified, amplified or switched, e.g. channel regions
    • H10D62/343Gate regions of field-effect devices having PN junction gates
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D64/00Electrodes of devices having potential barriers
    • H10D64/20Electrodes characterised by their shapes, relative sizes or dispositions 
    • H10D64/27Electrodes not carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched, e.g. gates
    • H10D64/311Gate electrodes for field-effect devices
    • H10D64/411Gate electrodes for field-effect devices for FETs
    • H10D64/511Gate electrodes for field-effect devices for FETs for IGFETs
    • H10D64/512Disposition of the gate electrodes, e.g. buried gates
    • H10D64/513Disposition of the gate electrodes, e.g. buried gates within recesses in the substrate, e.g. trench gates, groove gates or buried gates
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D62/00Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
    • H10D62/80Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers characterised by the materials
    • H10D62/85Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers characterised by the materials being Group III-V materials, e.g. GaAs
    • H10D62/8503Nitride Group III-V materials, e.g. AlN or GaN

Landscapes

  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Description

本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
スイッチング電源やインバータ回路等に用いられるスイッチング素子においては、低オン抵抗と高耐圧の両立が求められる。これまでスイッチング素子に主に用いられてきた半導体材料はシリコンであり、すでにシリコンの限界近くまでの低オン抵抗と高耐圧が実現されている。耐圧のさらなる向上や、オン抵抗のさらなる低減のためには、半導体材料の変更が必要である。GaNやAlGaNなどの窒化物半導体材料を用いることにより、半導体材料で決まるオン抵抗と耐圧のトレードオフの関係を改善することが可能である。
スイッチング素子が用いられる際には、スイッチング素子のオン状態とオフ状態が繰り返される。オフ状態では、ソース電極とドレイン電極の間に、高い電圧が印加される。このときにゲート電極からドレイン電極に向かって空乏層が延びる。空乏層がドレイン電極に達すると、パンチスルーと呼ばれる状態になり、これ以上空乏層は延びなくなる。そのため、急激に容量の特性が変化し電流振動が発生するという問題があった。また、ドレイン電極が表面保護膜と重なった部分において、窒化物半導体材料と表面保護膜の界面又は表面保護膜中に電子がトラップされ、オン抵抗が増加してしまうという問題があった。
特開2018-022870号公報 特開2018-037435号公報
本発明が解決しようとする課題は、スイッチング時の電流振動や電子のトラップによるオン抵抗の増加が抑制された半導体装置を提供することである。
実施形態の半導体装置は、基板と、基板上に設けられた第1の窒化物半導体層と、第1の窒化物半導体層上に設けられたソース電極と、第1の窒化物半導体層上に設けられたドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極の間に設けられたゲート電極と、第1の窒化物半導体層とドレイン電極の間に設けられ、第1の窒化物半導体層よりバンドギャップの大きな第2の窒化物半導体層と、ゲート電極とドレイン電極の間の第1の窒化物半導体層上において、第2の窒化物半導体層の側方に設けられた、第1の窒化物半導体層よりバンドギャップが大きく第2の窒化物半導体層よりバンドギャップの小さな第3の窒化物半導体層と、第1の窒化物半導体層とソース電極の間に設けられ、第1の窒化物半導体層及び第3の窒化物半導体層よりバンドギャップの大きな第4の窒化物半導体層と、を備える半導体装置であって、半導体装置はトレンチ構造を有し、ゲート電極は絶縁膜を介して第2の窒化物半導体層の側方に設けられる
第1の実施形態の半導体装置の模式断面図である。 第1の実施形態の他の態様の半導体装置の模式断面図である。 第2の実施形態の半導体装置の模式断面図である。 第2の実施形態の他の態様の半導体装置の模式断面図である。 第3の実施形態の半導体装置の模式断面図である。 第3の実施形態の他の態様の半導体装置の模式断面図である。
以下、図面を用いて実施形態を説明する。なお、図面中、同一又は類似の箇所には、同一又は類似の符号を付している。
本明細書中、「窒化物半導体(GaN系半導体)」とは、GaN(窒化ガリウム)、AlN(窒化アルミニウム)、InN(窒化インジウム)及びそれらの中間組成を備える半導体の総称である。
本明細書中、同一又は類似する部材については、同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。
本明細書中、部品等の位置関係を示すために、図面の上方向を「上」、図面の下方向を「下」と記述する。本明細書中、「上」、「下」の概念は、必ずしも重力の向きとの関係を示す用語ではない。
(第1の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、基板と、基板上に設けられた第1の窒化物半導体層と、第1の窒化物半導体層上に設けられ、第1の窒化物半導体層よりバンドギャップの大きな第2の窒化物半導体層と、第2の窒化物半導体層上に設けられたソース電極と、第2の窒化物半導体層上に設けられたドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極の間に設けられたゲート電極と、ドレイン電極とゲート電極の間の第2の窒化物半導体層上に、ドレイン電極と離間して設けられたp型の第3の窒化物半導体層と、を備える。
図1は、本実施形態の半導体装置100aの模式断面図である。本実施形態の半導体装置100aは、窒化物半導体を用いたHEMT(High Electron Mobility Transistor)である。
半導体装置100aは、基板2と、バッファ層4と、第1の窒化物半導体層6と、第2の窒化物半導体層8と、第3の窒化物半導体層10と、絶縁膜20と、ソース電極30と、ドレイン電極32と、ゲート電極34と、を備える。
基板2としては、例えばシリコン(Si)基板、炭化珪素(SiC)基板又はサファイヤ(Al)基板が好ましく用いられる。
第1の窒化物半導体層6は、基板2上に設けられている。第1の窒化物半導体層6は、例えば、アンドープのAlGa1-XN(0≦X<1)である。より具体的には、例えば、アンドープのGaNである。第1の窒化物半導体層の膜厚は、例えば、0.5μm以上3μm以下である。
第2の窒化物半導体層8は、第1の窒化物半導体層6上に設けられ、第1の窒化物半導体層6よりもバンドギャップが大きい。第2の窒化物半導体層8は、例えば、アンドープのAlGa1-YN(0<Y≦1、X<Y)である。第2の窒化物半導体層8の膜厚tは、例えば、15nm以上50nm以下である。
第1の窒化物半導体層6と第2の窒化物半導体層8の間におけるヘテロ接合界面には、2次元電子ガス(2DEG)が形成される。
バッファ層4は、基板2と第1の窒化物半導体層6の間に設けられている。バッファ層4は、基板2と第1の窒化物半導体層6の間の格子不整合を緩和する機能を備える。バッファ層4は、例えば窒化アルミニウムガリウム(AlGa1-WN(0<W<1))の多層構造を有する。
ソース電極30は、第2の窒化物半導体層8の上に設けられている。
ドレイン電極32は、第2の窒化物半導体層8の上に設けられている。
ソース電極30及びドレイン電極32と、第2の窒化物半導体層8は、オーミック接合されていることが好ましい。ソース電極30とドレイン電極32の距離は、例えば5μm以上30μm以下である。
ゲート電極34は、ソース電極30とドレイン電極32の間に設けられている。図1に示された半導体装置100aは、いわゆるトレンチ構造を有する。言い換えると、ゲート電極34と第1の窒化物半導体層6の間の第2の窒化物半導体層8は除去され、ゲート電極34が第1の窒化物半導体層6の一部に食い込む構造となっている。これにより、ゲート電極34の直下においては2DEGが発生しない。そのため、半導体装置100aはいわゆるノーマリーオフの半導体装置となっている、なお、ゲート電極34の構造は図1に示したものに限定されず、例えば、ゲート電極34と第1の窒化物半導体層6の間に、第2の窒化物半導体層8の一部が残ったものとなっていてもかまわない。
ソース電極30、ドレイン電極32及びゲート電極34は、例えば、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)の積層構造又はニッケル(Ni)と金(Au)の積層構造を有する金属電極である。
第3の窒化物半導体層10は、ドレイン電極32とゲート電極34の間の第2の窒化物半導体層8上に、ドレイン電極32と離間して設けられている。第3の窒化物半導体層10の導電型はp型である。第3の窒化物半導体層10は、p型不純物として、Mg(マグネシウム)、Be(ベリリウム)、C(カーボン)又はZn(亜鉛)を含む。第3の窒化物半導体層10におけるp型不純物の濃度は、第3の窒化物のフェルミレベルが価電子帯近くに位置し、かつ結晶品質が大きく劣化しない範囲として、1019cm-3以上1021cm-3以下であることが好ましい。
第3の窒化物半導体層10は、p型となることにより、第3の窒化物半導体層10の下の第1の窒化物半導体層6と第2の窒化物半導体層8の界面付近のフェルミレベルを低くして、2DEG濃度を下げる機能を有する。このため、第3の窒化物半導体層10の下の第1の窒化物半導体層6と第2の窒化物半導体層8の界面付近には、相対的に濃度の低い、第1の2DEG部分が形成されている。一方、第1の2DEG部分が形成された領域の、図1において右側には、相対的に濃度の高い、第2の2DEG部分が形成されている。
ドレイン電極32とゲート電極34の距離dと、基板2の面に平行な方向の第3の窒化物半導体層10の長さdは0.5μm≦d-d≦2μmであることが好ましい。素子耐圧の素子設計は空乏層がdまで伸びる電圧で設計し、空乏層がdを超える領域(第2の2DEG部分)の2DEG濃度を高くすることで、ここから空乏層が伸びにくくし、ドレイン電極32へのパンチスルーを抑制し、また容量変化を滑らかにするように行う。d-d(第2の2DEG部分)はあまり大きくとると素子寸法が大きくなってしまい、あまり小さいとパンチスルー抑制効果が小さくなる事から、前述の範囲が好ましい。
第3の窒化物半導体層10の膜厚tは、第1の2DEG濃度が薄くなり過ぎないよう40nm以下であることが好ましい。第3の窒化物半導体層10を前述の濃度で作成した場合、厚さtが40nmを超えるとtの厚さが前述の範囲では下側に誘起される2DEG(第1の2DEG部分)の濃度が急激に小さくなりこの部分の抵抗が急激に上昇してしまう。結果的に素子のオン抵抗が大きくなり素子特性が悪くなる事から40nm以下とすることが好ましい。
絶縁膜20は、第2の窒化物半導体層8上に設けられている。絶縁膜20は、窒化物半導体材料を保護する、表面保護膜である。また、図1に示した半導体装置100aにおいては、絶縁膜20の一部は、ゲート絶縁膜としての役割を兼ねている。
図1において、ソース電極30の一部は第2の窒化物半導体層8と直接接している。また、ソース電極30と第2の窒化物半導体層8が直接接している部分とゲート電極34の間において、絶縁膜20は、第2の窒化物半導体層8とソース電極30の間の一部に設けられている。これは、ソース電極30近傍の第2の窒化物半導体層8の上面を保護するためである。
また、絶縁膜20は、ゲート電極34と第2の窒化物半導体層8の間、及びゲート電極34と第1の窒化物半導体層6の間に設けられている。また、絶縁膜20は、ドレイン電極32とゲート電極34の間において、第3の窒化物半導体層10を覆うように設けられている。
ドレイン電極32の一部は第2の窒化物半導体層8と直接接している。また、ドレイン電極32と第2の窒化物半導体層8が直接接している部分とゲート電極34の間において、絶縁膜20は、第2の窒化物半導体層8とドレイン電極32の間の一部に設けられている。これは、ドレイン電極32近傍の第2の窒化物半導体層8の上面を保護するためである。
絶縁膜20は、例えば、窒化シリコン(SiN)又は酸化シリコン(SiO)を含む。
図2は、本実施形態の他の態様の半導体装置100bの模式断面図である。半導体装置100bはトレンチ構造を有しない。半導体装置100bにおいては、ゲート電極34と第2の窒化物半導体層8の間に、p型のキャップ層36が設けられている。そして、キャップ層36と第3の窒化物半導体層10が直接接している。
キャップ層36は、キャップ層36の下の第1の窒化物半導体層6と第2の窒化物半導体層8の界面付近のフェルミレベルを低くして2DEGを消失させて、半導体装置100bをノーマリーオフとする機能を有する。キャップ層36は、p型不純物として、Mg(マグネシウム)、Be(ベリリウム)、C(カーボン)又はZn(亜鉛)を含む。キャップ層36におけるp型不純物の濃度は、1019cm-3以上1021cm-3以下であることが好ましい。
次に、本実施形態の作用効果を記載する。
本実施形態においては、ドレイン電極32とゲート電極34の間の第2の窒化物半導体層8上に、ドレイン電極32と離間してp型の第3の窒化物半導体層10が設けられている。このような構成により、ゲート電極34により近い第1の2DEG部分の2DEG濃度よりも、ドレイン電極32により近い第2の2DEG部分の2DEG濃度を高くすることが可能となる。これにより、オフ状態において、第1の2DEG部分が形成された領域では、逆方向電圧と共に空乏層の領域が比較的急激に増加する。一方、第2の2DEG部分が形成された領域では、逆方向電圧と共に空乏層の領域が比較的緩やかに増加する。これにより、第1の2DEG部分が形成された領域を用いて半導体装置の耐圧を大きくしつつ、第2の2DEG部分が形成された領域を用いてオフ状態の空乏層容量変化が緩やかに起こるようにする。よって、いわゆるパンチスルーの発生を抑制することができ、また、電流振動の発生を抑制することが出来る。
また、パンチスルーが起きると絶縁膜20が第2の窒化物半導体層8とドレイン電極32の間に設けられている部分においては、電子がトラップされてオン抵抗が増加するおそれがある。しかし、本実施形態においては、第2の2DEG部分の濃度を高くし、パンチスルーを抑制しているため、電子のトラップによる影響を相対的に小さくすることが出来、結果的にオン抵抗の増加を抑制することが可能となる。
第1の2DEG部分を形成し、スイッチング時の電流振動や電子のトラップによるオン抵抗の増加をより抑制するために、ドレイン電極32とゲート電極34の距離dと、基板面に平行な方向の第3の窒化物半導体層10の長さdは0.5μm≦d-d≦2μmであることが好ましい。また、第3の窒化物半導体層10の膜厚tは第1の2DEG濃度が薄くなり過ぎないよう40nm以下であることが好ましい。
なお、ゲート電極の構造については、本実施形態では図1と図2を用いて説明を行った。しかし、ゲート電極の構造についてはこれらに限定されるものではなく、例えばゲート電極34が第2の窒化物半導体層8と直接接するショットキー構造を有していてもかまわない。
本実施形態の半導体装置によれば、スイッチング時の電流振動や電子のトラップによるオン抵抗の増加が抑制された半導体装置の提供が可能となる。
(第2の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、基板と、基板上に設けられた第1の窒化物半導体層と、第1の窒化物半導体層上に設けられたソース電極と、第1の窒化物半導体層上に設けられたドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極の間に設けられたゲート電極と、第1の窒化物半導体層とドレイン電極の間に設けられ、第1の窒化物半導体層よりバンドギャップの大きな第2の窒化物半導体層と、ゲート電極とドレイン電極の間の第1の窒化物半導体層上において、第2の窒化物半導体層の側方に設けられた、第1の窒化物半導体層よりバンドギャップが大きく第2の窒化物半導体層よりバンドギャップの小さな第3の窒化物半導体層と、第1の窒化物半導体層とソース電極の間に設けられ、第1の窒化物半導体層及び第3の窒化物半導体層よりバンドギャップの大きな第4の窒化物半導体層と、を備える。
第1の実施形態と重複する内容については、記載を省略する。
図3は、本実施形態の半導体装置200aの模式断面図である。
第2の窒化物半導体層8aは、 第1の窒化物半導体層6とドレイン電極32の間に設けられ、第1の窒化物半導体層6よりバンドギャップが大きい。具体的には、第2の窒化物半導体層8aは、例えば、アンドープのAlGa1-YN(0<Y≦1、X<Y)である。第2の窒化物半導体層8aの膜厚tは、例えば、15nm以上50nm以下である。
第1の2DEG部分よりも濃度の高い第2の2DEG部分形成のため、第2の窒化物半導体層8aは、n型不純物としてのSiを含んでいても良い。
第3の窒化物半導体層8bは、ゲート電極34とドレイン電極32の間の第1の窒化物半導体層6上において、第2の窒化物半導体層8aの側方に設けられている。第3の窒化物半導体層8bのバンドギャップは、第1の窒化物半導体層6のバンドギャップよりも大きく、第2の窒化物半導体層8aのバンドギャップよりも小さい。具体的には、第3の窒化物半導体層8bは、例えば、アンドープのAlGa1-ZN(0<Z≦1、X<Z<Y)である。第3の窒化物半導体層8bの膜厚tは、例えば、15nm以上30nm以下である。また、第2の窒化物半導体層の膜厚tと、第3の窒化物半導体層の膜厚tの比t/tは1以上1.7以下である。また、ドレイン電極32とゲート電極の距離dと、ドレイン電極とゲート電極の間における基板面に平行な方向の第3の窒化物半導体層の長さdの比d/dは0.5μm≦d-d≦2μmであることが好ましい。
第4の窒化物半導体層8cは、第1の窒化物半導体層6とソース電極30の間に設けられ、第1の窒化物半導体層6及び第3の窒化物半導体層8bよりもバンドギャップが大きい。具体的には、第4の窒化物半導体層8cは、例えば、アンドープのAlGa1-YN(0<Y≦1、X<Y)である。
図4は、本実施形態の他の態様の半導体装置200bの模式断面図である。ゲート電極34の周辺の構造が図2と同様になっている点以外は、図3に示した半導体装置200aと同様である。
第1の実施形態と同様に、第3の窒化物半導体層8bの下の、第1の窒化物半導体層6と第3の窒化物半導体層8bの間の界面付近には、第1の2DEG部分が形成される。また、第2の窒化物半導体層8aの下の、第1の窒化物半導体層6と第2の窒化物半導体層8aの界面付近には、相対的に2DEG濃度が高い、第2の2DEG部分が形成されている。よって、第1の実施形態と同様に、スイッチング時の電流振動や電子のトラップによるオン抵抗の増加が抑制された半導体装置の提供が可能となる。
なお、第1の2DEG部分を形成し、スイッチング時の電流振動や電子のトラップによるオン抵抗の増加をより抑制するために、第2の2DEG濃度は第1の2DEG濃度より高いことが好ましい。第3の窒化物半導体層8bの組成は、AlGa1-ZN(0<Z≦1、X<Z<Y)であることが好ましい。第3の窒化物半導体層8bの膜厚tは、15nm以上30nm以下であることが好ましい。第2の窒化物半導体層の膜厚tと、第3の窒化物半導体層の膜厚tの比t/tは1以上1.7以下であることが好ましい。また、ドレイン電極32とゲート電極の距離dと、ドレイン電極とゲート電極の間における基板面に平行な方向の第3の窒化物半導体層の長さdの関係は0.5μm≦d-d≦2μmであることが好ましい。
本実施形態によれば、スイッチング時の電流振動や電子のトラップによるオン抵抗の増加が抑制された半導体装置の提供が可能となる。
(第3の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、基板と、基板上に設けられた第1の窒化物半導体層と、第1の窒化物半導体層上に設けられ、第1の窒化物半導体層よりバンドギャップの大きな第2の窒化物半導体層と、第2の窒化物半導体層上に設けられたソース電極と、第2の窒化物半導体層上に設けられたドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極の間に設けられたゲート電極と、ドレイン電極とゲート電極の間の第2の窒化物半導体層内において、ドレイン電極と離間して第2の窒化物半導体層の表面に設けられた、ハロゲン族元素を含むハロゲン含有窒化物半導体層(第3の窒化物半導体層)と、を備える。
第1及び第2の実施形態と重複する内容については、記載を省略する。
図5は、本実施形態の半導体装置300aの模式断面図である。
ハロゲン含有窒化物半導体層12は、ドレイン電極32とゲート電極34の間の第2の窒化物半導体層8内において、ドレイン電極32と離間して第2の窒化物半導体層8の表面に設けられており、ハロゲン族元素を含む。ここでハロゲン族元素は、F(フッ素)、Cl(塩素)、Br(臭素)又はI(ヨウ素)である。本実施形態のハロゲン含有窒化物半導体層12は、ハロゲン族元素のイオン注入、又はハロゲン族元素を含む雰囲気で選択エピタキシャル成長を行い、その後熱処理を行うことにより形成することが出来る。
ハロゲン含有窒化物半導体層12内のハロゲン族元素濃度は1×1012cm-2以上1×1013cm-2以下であることが好ましい。第2の窒化物半導体層8の膜厚tとハロゲン含有窒化物半導体層12の膜厚tの比t/tは1.5以上10以下であることが好ましい。また、ドレイン電極32とゲート電極34の距離dと、基板面に平行な方向のハロゲン含有窒化物半導体層12の長さd4は0.5μm≦d-d≦2μmであることが好ましい。
図6は、本実施形態の他の態様の半導体装置300bの模式断面図である。ゲート電極34の周辺の構造が図2に示した半導体装置100b及び図4に示した半導体装置200bと同様になっている点以外は、図5に示した半導体装置300aと同様である。
本実施形態のような、ハロゲン含有窒化物半導体層12を設ける事により、ハロゲン含有窒化物半導体層12の下の、第1の窒化物半導体層6と第2の窒化物半導体層8の界面付近には、第2の2DEG部分よりも2DEG濃度の低い、第1の2DEG部分が形成される。これにより、第1の実施形態及び第2の実施形態と同様に、スイッチング時の電流振動や電子のトラップによるオン抵抗の増加が抑制された半導体装置の提供が可能となる。
ハロゲン含有窒化物半導体層12の形成には、特に新たにp型不純物を含む窒化物半導体層を形成したり、選択エピタキシャル成長を行って第1の窒化物半導体層6上に窒化物半導体層の段差を設けたりしなくても良い。この点で、本実施形態の半導体装置300a及び300bの形成は、比較的容易である。
なお、第1の2DEG部分を形成し、スイッチング時の電流振動や電子のトラップによるオン抵抗の増加をより抑制するために、ハロゲン含有窒化物半導体層12内のハロゲン族元素濃度は1×1012cm-2以上1×1013cm-2以下であることが好ましい。また、第2の窒化物半導体層8の膜厚tとハロゲン含有窒化物半導体層12の膜厚tの比t/tは1.5以上10以下であることが好ましい。また、ドレイン電極32とゲート電極34の距離dと、基板面に平行な方向のハロゲン含有窒化物半導体層12の長さd4は0.5μm≦d-d≦2μmであることが好ましい。
本実施形態によれば、スイッチング時の電流振動や電子のトラップによるオン抵抗の増加が抑制された半導体装置の提供が可能となる。
本発明のいくつかの実施形態及び実施例を説明したが、これらの実施形態及び実施例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことが出来る。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
2 第1の端子部
4 第2の端子部
6 第1の配線部
8 第1の接続部
10 第2の接続部
12 第2の配線部
14 第3の端子部
15 穴
16 第4の端子部
18 第5の端子部
20 第3の接続部
22 第4の接続部
24 第5の接続部
26 第6の接続部
100 端子板
110 半導体素子
120 電極部材
130 補助配線
132 端部
140 ベース
150 ボンディングワイヤ
200 半導体装置

Claims (7)

  1. 基板と、
    前記基板上に設けられた第1の窒化物半導体層と、
    前記第1の窒化物半導体層上に設けられたソース電極と、
    前記第1の窒化物半導体層上に設けられたドレイン電極と、
    前記ソース電極と前記ドレイン電極の間に設けられたゲート電極と、
    前記第1の窒化物半導体層と前記ドレイン電極の間に設けられ、前記第1の窒化物半導体層よりバンドギャップの大きな第2の窒化物半導体層と、
    前記ゲート電極と前記ドレイン電極の間の前記第1の窒化物半導体層上において、前記第2の窒化物半導体層の側方に設けられた、前記第1の窒化物半導体層よりバンドギャップが大きく前記第2の窒化物半導体層よりバンドギャップの小さな第3の窒化物半導体層と、
    前記第1の窒化物半導体層と前記ソース電極の間に設けられ、前記第1の窒化物半導体層及び前記第3の窒化物半導体層よりバンドギャップの大きな第4の窒化物半導体層と、
    を備える半導体装置であって、
    前記半導体装置はトレンチ構造を有し、
    前記ゲート電極は絶縁膜を介して前記第2の窒化物半導体層の側方に設けられる半導体装置。
  2. 前記ドレイン電極と前記ゲート電極の距離dと、前記ドレイン電極と前記ゲート電極の間における基板面に平行な方向の前記第3の窒化物半導体層の長さdは0.5μm≦d-d≦2μmである請求項記載の半導体装置。
  3. 前記第2の窒化物半導体層の膜厚tと、前記第3の窒化物半導体層の膜厚tの比t/tは1以上1.7以下である請求項又は請求項記載の半導体装置。
  4. 前記ゲート電極が前記第1の窒化物半導体層の一部に食い込む請求項1乃至請求項3いずれか一項記載の半導体装置。
  5. 基板と、
    前記基板上に設けられた第1の窒化物半導体層と、
    前記第1の窒化物半導体層上に設けられ、前記第1の窒化物半導体層よりバンドギャップの大きな第2の窒化物半導体層と、
    前記第2の窒化物半導体層上に設けられたソース電極と、
    前記第2の窒化物半導体層上に設けられたドレイン電極と、
    前記ソース電極と前記ドレイン電極の間に設けられたゲート電極と、
    前記ドレイン電極と前記ゲート電極の間の前記第2の窒化物半導体層内において、前記ドレイン電極と離間して前記第2の窒化物半導体層の表面に設けられた、ハロゲン族元素を含む第3の窒化物半導体層と、
    を備える半導体装置であって、
    前記半導体装置はトレンチ構造を有し、
    前記ゲート電極は絶縁膜を介して前記第2の窒化物半導体層の側方に設けられる半導体装置。
  6. 前記第2の窒化物半導体層の膜厚tと、前記第3の窒化物半導体層の膜厚t4の比t/t4は1.5以上10以下である請求項記載の半導体装置。
  7. 前記ゲート電極が前記第1の窒化物半導体層の一部に食い込む請求項5又は請求項6記載の半導体装置。
JP2018173396A 2018-09-18 2018-09-18 半導体装置 Active JP7021034B2 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018173396A JP7021034B2 (ja) 2018-09-18 2018-09-18 半導体装置
US16/287,394 US20200091330A1 (en) 2018-09-18 2019-02-27 Semiconductor device
CN201910171830.3A CN110911490B (zh) 2018-09-18 2019-03-07 半导体装置
US17/494,639 US12119396B2 (en) 2018-09-18 2021-10-05 Semiconductor device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018173396A JP7021034B2 (ja) 2018-09-18 2018-09-18 半導体装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2020047695A JP2020047695A (ja) 2020-03-26
JP7021034B2 true JP7021034B2 (ja) 2022-02-16

Family

ID=69774524

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018173396A Active JP7021034B2 (ja) 2018-09-18 2018-09-18 半導体装置

Country Status (3)

Country Link
US (2) US20200091330A1 (ja)
JP (1) JP7021034B2 (ja)
CN (1) CN110911490B (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7384374B2 (ja) 2019-02-27 2023-11-21 株式会社ウーノラボ 中央演算処理装置

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003297852A (ja) 2002-03-28 2003-10-17 Fujitsu Quantum Devices Ltd 半導体装置及びその製造方法
US20070278518A1 (en) 2005-11-29 2007-12-06 The Hong Kong University Of Science And Technology Enhancement-Mode III-N Devices, Circuits, and Methods
JP2009218566A (ja) 2008-02-13 2009-09-24 Toshiba Corp 半導体装置
JP2013074070A (ja) 2011-09-27 2013-04-22 Fujitsu Ltd 半導体装置及び半導体装置の製造方法
JP2014041965A (ja) 2012-08-23 2014-03-06 Renesas Electronics Corp 半導体装置
JP2015179786A (ja) 2014-03-19 2015-10-08 株式会社東芝 半導体装置
JP2015179785A (ja) 2014-03-19 2015-10-08 株式会社東芝 半導体装置

Family Cites Families (37)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100660152B1 (ko) * 1997-01-09 2006-12-21 니치아 카가쿠 고교 가부시키가이샤 질화물반도체소자
US6548333B2 (en) * 2000-12-01 2003-04-15 Cree, Inc. Aluminum gallium nitride/gallium nitride high electron mobility transistors having a gate contact on a gallium nitride based cap segment
JP3984471B2 (ja) * 2001-02-27 2007-10-03 松下電器産業株式会社 半導体装置及びその製造方法
JP4041075B2 (ja) * 2004-02-27 2008-01-30 株式会社東芝 半導体装置
JP2006114795A (ja) * 2004-10-18 2006-04-27 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体装置
JP4890899B2 (ja) * 2006-03-17 2012-03-07 日本電信電話株式会社 窒化物半導体を用いたヘテロ構造電界効果トランジスタ
JP5087240B2 (ja) * 2006-06-28 2012-12-05 新日本無線株式会社 窒化物半導体装置の製造方法
JP2010050280A (ja) * 2008-08-21 2010-03-04 Toyota Motor Corp 窒化物半導体装置
JP2010135640A (ja) * 2008-12-05 2010-06-17 Panasonic Corp 電界効果トランジスタ
US8338860B2 (en) * 2009-10-30 2012-12-25 Alpha And Omega Semiconductor Incorporated Normally off gallium nitride field effect transistors (FET)
JP5618571B2 (ja) 2010-03-02 2014-11-05 パナソニック株式会社 電界効果トランジスタ
JP5611653B2 (ja) * 2010-05-06 2014-10-22 株式会社東芝 窒化物半導体素子
JP5654884B2 (ja) * 2011-01-26 2015-01-14 株式会社東芝 窒化物半導体装置の製造方法
JP5597581B2 (ja) * 2011-03-23 2014-10-01 株式会社東芝 窒化物半導体装置及びその製造方法
JP5903642B2 (ja) * 2011-08-08 2016-04-13 パナソニックIpマネジメント株式会社 半導体装置
JP5236787B2 (ja) * 2011-09-27 2013-07-17 シャープ株式会社 窒化物半導体装置およびその製造方法
JP6231730B2 (ja) * 2011-09-28 2017-11-15 富士通株式会社 化合物半導体装置及びその製造方法
US9543391B2 (en) * 2011-10-19 2017-01-10 Samsung Electronics Co., Ltd. High electron mobility transistor having reduced threshold voltage variation and method of manufacturing the same
JP5654512B2 (ja) * 2012-03-26 2015-01-14 株式会社東芝 窒化物半導体装置
JP5696083B2 (ja) * 2012-03-26 2015-04-08 株式会社東芝 窒化物半導体素子及びその製造方法
KR101331650B1 (ko) * 2012-10-29 2013-11-20 삼성전기주식회사 반도체 소자
JP6200227B2 (ja) * 2013-02-25 2017-09-20 ルネサスエレクトロニクス株式会社 半導体装置
CN104037212B (zh) * 2013-03-05 2019-03-22 首尔半导体株式会社 氮化物半导体元件及其制造方法
JP6174874B2 (ja) * 2013-03-15 2017-08-02 ルネサスエレクトロニクス株式会社 半導体装置
JP2014187085A (ja) * 2013-03-22 2014-10-02 Toshiba Corp 半導体装置
JP2015032744A (ja) * 2013-08-05 2015-02-16 株式会社東芝 半導体装置および半導体装置の製造方法
JP2015032745A (ja) * 2013-08-05 2015-02-16 株式会社東芝 半導体装置および半導体装置の製造方法
JP6214978B2 (ja) * 2013-09-17 2017-10-18 株式会社東芝 半導体装置
US9318593B2 (en) * 2014-07-21 2016-04-19 Transphorm Inc. Forming enhancement mode III-nitride devices
JP6404697B2 (ja) * 2014-12-10 2018-10-10 ルネサスエレクトロニクス株式会社 半導体装置および半導体装置の製造方法
JP6631950B2 (ja) 2014-12-11 2020-01-15 パナソニックIpマネジメント株式会社 窒化物半導体装置および窒化物半導体装置の製造方法
CN105097911B (zh) * 2015-07-29 2017-11-03 电子科技大学 一种具有结型半导体层的hemt器件
JP6659283B2 (ja) * 2015-09-14 2020-03-04 株式会社東芝 半導体装置
JP6202409B2 (ja) 2016-02-04 2017-09-27 株式会社パウデック ヘテロ接合バイポーラトランジスタおよび電気機器
US9954092B2 (en) 2016-07-22 2018-04-24 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device, power circuit, and computer
JP6649208B2 (ja) 2016-08-29 2020-02-19 株式会社東芝 半導体装置
CN108321198B (zh) * 2017-01-17 2021-06-08 株式会社东芝 半导体装置、电源电路、计算机和半导体装置的制造方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003297852A (ja) 2002-03-28 2003-10-17 Fujitsu Quantum Devices Ltd 半導体装置及びその製造方法
US20070278518A1 (en) 2005-11-29 2007-12-06 The Hong Kong University Of Science And Technology Enhancement-Mode III-N Devices, Circuits, and Methods
JP2009218566A (ja) 2008-02-13 2009-09-24 Toshiba Corp 半導体装置
JP2013074070A (ja) 2011-09-27 2013-04-22 Fujitsu Ltd 半導体装置及び半導体装置の製造方法
JP2014041965A (ja) 2012-08-23 2014-03-06 Renesas Electronics Corp 半導体装置
JP2015179786A (ja) 2014-03-19 2015-10-08 株式会社東芝 半導体装置
JP2015179785A (ja) 2014-03-19 2015-10-08 株式会社東芝 半導体装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7384374B2 (ja) 2019-02-27 2023-11-21 株式会社ウーノラボ 中央演算処理装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN110911490B (zh) 2023-12-05
US12119396B2 (en) 2024-10-15
US20220029006A1 (en) 2022-01-27
US20200091330A1 (en) 2020-03-19
JP2020047695A (ja) 2020-03-26
CN110911490A (zh) 2020-03-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9490324B2 (en) N-polar III-nitride transistors
US9837519B2 (en) Semiconductor device
JP5793120B2 (ja) 集積されたダイオードを有するsoi基板を備える複合半導体装置
JP6214978B2 (ja) 半導体装置
JP5530682B2 (ja) 窒化物半導体装置
JP6189235B2 (ja) 半導体装置
US10784361B2 (en) Semiconductor device and method for manufacturing the same
JP6649208B2 (ja) 半導体装置
JP2013038409A (ja) 集積されたダイオードを備える複合半導体装置
US20150263155A1 (en) Semiconductor device
JP2007180143A (ja) 窒化物半導体素子
JP2015173151A (ja) 半導体装置
JP5707463B2 (ja) 半導体装置とその製造方法
JP7021034B2 (ja) 半導体装置
US10158012B1 (en) Semiconductor device
TWM529274U (zh) 常關式疊接型高電子遷移率電晶體
JP2015056413A (ja) 窒化物半導体装置
US20170069747A1 (en) Semiconductor device
JP7313197B2 (ja) 半導体装置
JP2016062935A (ja) 半導体装置
JP6313509B2 (ja) 半導体装置
JP2019096720A (ja) 半導体装置、電源回路、及び、コンピュータ
JP2019207991A (ja) 半導体装置

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20200903

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20210730

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210803

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20211001

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20220104

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20220203

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7021034

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150