JP4449467B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
MESFETやHEMTにおいて、ゲート・ドレイン間或いはドレイン・ソース間の横方向の耐圧は、ゲート電極とドレイン電極との横方向或いはドレイン電極とソース電極との間の横方向の距離を十分とることによって、窒化ガリウム系化合物半導体領域の表面における高耐圧化を達成できる。しかし、窒化ガリウム系化合物半導体領域の表面とシリコン基板裏面との間の耐圧は、窒化ガリウム系化合物半導体領域の厚みを大きくできないために制限を受ける。
シリコン又はシリコン化合物から成り且つ互いに対向する一方及び他方の主面を有し且つ前記一方及び他方の主面に対して平行に延びるpn接合を含んでいる基板と、
前記基板の一方の主面上に配置された少なくとも1つの窒化物半導体層を含んでいる主半導体領域と、
前記主半導体領域の表面上に互いに離間して配置されたソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電子の流れを制御するために前記主半導体領域の表面上おいて前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置されたゲート電極と
を備え、前記基板の前記pn接合は前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に電圧が印加されている時に逆バイアス状態になるように形成されていることを特徴とする半導体装置に係わるものである。
また、前記基板の他方の主面の電位を前記ソース電極又は前記ドレイン電極の電位に対して固定するための電位固定手段を有していることが望ましい。
前記電位固定手段は前記基板の他方の主面に形成された導電体層と、前記導電体層を前記ソース電極又は前記ドレイン電極に電気的に接続するための導体とから成ることが望ましい。
また、前記バッファ領域は前記基板との間にpn接合を形成する導電型を有していることが望ましい。
また、前記バッファ領域は複数の半導体層から成り、前記複数の半導体層間にpn接合が形成されていることが望ましい。
また、シリコン又はシリコン化合物から成り且つ第1導電型を有している基板と、前記基板の一方の主面上に配置され且つ前記第1導電型と反対の第2導電型を有し且つ前記基板との間にpn接合を形成している窒化物半導体層を含んでいるバッファ領域と、前記バッファ領域上に配置された少なくとも1つの窒化物半導体層を含んでいる主半導体領域と、前記主半導体領域の表面上に互いに離間して配置されたソース電極及びドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電子の流れを制御するために前記主半導体領域の表面上おいて前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置されたゲート電極と、前記基板の他方の主面の電位を前記ソース電極又は前記ドレイン電極の電位に対して固定するための電位固定手段とを備えた半導体装置を構成することができる。なお、前記基板と前記バッファ領域との間の前記pn接合は前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に電圧が印加されている時に逆バイアス状態になるように形成される。
また、前記基板とバッファ領域との間にpn接合を形成する半導体装置において、前記バッファ領域を複数のバッファ層の積層体で形成し、前記複数のバッファ層の内の前記基板に接触しているバッファ層が前記基板と反対の導電型を有していることが望ましい。
化学式 AlxMyGa1-x-yN
ここで、前記Alはアルミニウム、
前記Mは、In(インジウム)とB(ボロン)とから選択された少なくとも1種の元素、
前記Gaはガリウム、
前記Nは窒素、
前記x及びyは、 0<x≦1、
0≦y<1、
x+y≦1
を満足する数値、
で示される材料から成ることが望ましい。
即ち、第1の層L1は、Al(アルミニウム)を含む窒化物であって、例えばAlN(窒化アルミニウム)、AlInN(窒化インジウム、アルミニウム)、AlGaN(窒化ガリウム アルミニウム)、AlInGaN(窒化ガリウム インジウム アルミニウム)、AlBN(窒化ボロン アルミニウム)、AlBGaN(窒化ガリウム ボロン アルミニウム)及びAlBInGaN(窒化ガリウム インジウム ボロン アルミニウム)から選択された材料から成ることが望ましい。図1及び図2の実施形態では、前記式のxが1、yが0とされた材料に相当するAlN(窒化アルミニウム)が第1の層に使用されている。第1の層L1は、比較的高い抵抗率を有する半導体膜であり、第2の層L2よりもシリコン基板1に近い格子定数及び熱膨張係数を有する。なお、第1の層L1の格子定数が第2の層L2の格子定数よりも小さいことが望ましい。第1の層L1の好ましい厚みは、0.5nm〜50nmである。第1の層L1の厚みが0.5nm未満の場合にはバッファ領域2の上面に形成される主半導体領域3の平坦性が良好に保てなくなる。第1の層L1の厚みが50nmを超えると、第1の層L1と第2の層L2との格子不整差、及び第1の層L1と基板1との熱膨張係数差に起因して第1の層L1内に発生する引っ張り歪みにより、第1の層L1内にクラックが発生する虞れがある。
化学式 AlaMbGa1-a-bN
ここで、前記Alはアルミニウム、
前記MはIn(インジウム)とB(ボロン)とから選択された少なくとも1種の元素、
前記Gaはガリウム、
前記Nは窒素、
前記a及びbは、 0≦a<1、
0≦b≦1、
a+b≦1
a<x
を満足させる数値、
で示される材料から成ることが望ましい。
即ち、第2の層L2は、例えば、GaN(窒化ガリウム)、AlInN(窒化インジウム、アルミニウム)、AlGaN(窒化ガリウム アルミニウム)、AlInGaN(窒化ガリウム インジウム アルミニウム)、AlBN(窒化ボロン アルミニウム)、AlBGaN(窒化ガリウム ボロン アルミニウム)及びAlBInGaN(窒化ガリウム インジウム ボロン アルミニウム)から選択された材料から成ることが望ましい。第2の層L2がAlを含む場合には、Al(アルミニウム)の増大により発生する恐れのあるクラックを防ぐためにAl(アルミニウム)の割合を示すaの値を0<a<0.8を満足する値即ち0よりも大きく且つ0.8よりも小さくすることが望ましい。なお、この実施例1の第2の層L2は、上記化学式におけるa=0及びb=0に相当するGaNから成る。
更に好ましくは、第2の層L2の厚みを第1の層L1の厚みより大きくするのがよい。このようにすれば、第1の層L1と第2の層L2との格子不整差及び第1の層L1とシリコン基板1との熱膨張係数差に起因して第1の層L1に発生する歪の大きさを第1の層L1にクラックが発生しない程度に抑えること、及びチャネル層の電子濃度高濃度に保つことにおいて有利になる。
また、第1の層L1をAlxByGa1-x-yNとし、第2の層L2をAlaBbGa1-a-bNとし、第1及び第2の層の少なくとも一方にB(ボロン)を含めることができる。第1の層と第2の層L1,L2の内の少なくとも一方の層にB(ボロン)が含まれているバッファ領域2は、B(ボロン)を含まないバッファ層よりもシリコン基板1の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する。このため、B(ボロン)を含むバッファ領域2によれば、シリコン基板1とバッファ領域2との間の熱膨張係数差に起因するバッファ層の歪を良好に防止できる。
周知のように電子走行層31と電子供給層32との接合界面に2次元電子ガス層が形成され、ここが電子の通路となる。HEMTのオン動作時には、ソース電極4、電子供給層32、2次元電子ガス層を含む電子走行層31、電子供給層32、及びドレイン電極5の経路で電子が流れる。この電子の流れ即ち電流の流れはゲート電極6に印加される制御電圧で調整される。
まず、p型半導体領域1pとn型半導体領域1nとから成るシリコン基板1を用意する。バッファ領域2側のシリコン基板1の一方の主面は、ミラー指数で示す結晶の面方位において(111)ジャスト面、即ち正確な(111)面である。しかし、シリコン基板1の一方の主面は(111)ジャスト面に対して例えば−4°〜+4°、好ましくは−3°〜+3°、より好ましくは−2°〜+2°傾斜した面であっても良い。シリコン基板1の主面の結晶方位を、(111)ジャスト面又は(111)ジャスト面からのオフ角度が小さい面とすることによって、バッファ領域2及び主半導体領域3をエピタキシャル成長させる際の原子レベルでのステップを無くすこと又は小さくすることができる。
即ち、上面にバッファ領域2が形成されたシリコン基板1をMOCVD装置の反応室内に配置して、反応室内にまずトリメチルガリウムガス即ちTMGガス及びNH3 (アンモニア)ガスを供給して、バッファ領域2の上面に例えば約500〜1000nmの厚みの非ドープGaN即ち導電型決定不純物を含まないGaNから成る電子走行層31を形成する。本実施例ではTMGガスの流量即ちGaの供給量を約62μmol /min、NH3 ガスの流量即ちNH3 の供給量を約0.23mol /minとした。
(1)シリコン基板1の裏面電極7が導電性接合層9と金属支持板8と接続導体10とを介してソース電極4に電気的に接続されているので、裏面電極7の電位がソース電極4の電位、例えばグランド電位に固定される。これにより、HEMTの動作状態の変化によるシリコン基板1及び裏面電極7の電位の変化を防ぐことができ、HEMTの電気的動作が安定する。このように、動作の安定化を図ることによって、ドレイン電極5と裏面電極7との間にソース・ドレイン間の電圧が印加される。しかし、シリコン基板1にpn接合が含まれているので、ドレイン電極5と裏面電極7との間の耐圧が向上しており、ドレイン電極5と裏面電極7との間の破壊が防止されている。即ち、図1では図示を容易にするために、バッファ領域2及び主半導体領域3の厚み方向即ち縦方向の寸法が拡大されて示されているが、実際にはバッファ領域2及び主半導体領域3の厚みはソース電極4とドレイン電極5との間の横方向、即ち平面方向の最短距離に比較して十分に小さい。また、シリコン基板1が単一の導電型から成る場合には、実質的に導体として機能する。従って、主半導体領域3の表面でのソース電極4とドレイン電極5との間の耐圧よりもドレイン電極5と裏面電極7との耐圧が問題となる。従って、主半導体領域3の表面でのソース電極4とドレイン電極5との間の耐圧よりもドレイン電極5と裏面電極7との間の耐圧が問題になる。図1の実施例において、ドレイン電流が流れていないようにゲート電極6が制御されている時即ちHEMTのオフ時において、ドレイン電極5の電位は裏面電極7の電位よりも高くなる。これにより、シリコン基板1のp型半導体領域1pとn型半導体領域1nとの間のpn接合が逆バイアス状態となり、シリコン基板1は高い抵抗値を示す。このため、ドレイン電極5と裏面電極7との間の高耐圧化が達成される。
(2) 図1のHEMTでは、裏面電極7を介して放熱板として機能する金属製支持基板8が形成されている。また、シリコン基板1にpn接合を形成して耐圧向上を図っているので、シリコン基板1を薄く形成でき、主半導体領域3と金属製支持基板8との間の熱抵抗が十分に小さくなっている。このため、主半導体領域3で発生した熱を、金属製支持基板8を通じて外部に良好に放熱させることができる。
(3) 低コストであり且つ加工性も良いシリコン基板1を使用するので、材料コスト及び生産コストの削減が可能である。このため、HEMTのコスト低減が可能である。
(4) シリコン基板1の一方の主面に形成された格子定数がシリコンとGaNとの間の値を有する例えばAlNから成る第1の層L1と例えばGaNから成る第2の層L2とから成るバッファ領域2は、シリコン基板1の結晶方位を良好に引き継ぐことができる。この結果、バッファ領域2の一方の主面に、GaN系半導体から成る主半導体領域3を結晶方位を揃えて良好に形成することができる。このため、主半導体領域3の平坦性が良くなり、HEMTの電気的特性も良くなる。もし、シリコン基板1の一方の主面に、GaN半導体のみによって低温でバッファ層を形成した場合、シリコンとGaNとは格子定数の差が大きいため、このバッファ層の上面に平坦性に優れたGaN系半導体領域を形成することはできない。
(5) AlNから成る第1の層L1とGaNから成る第2の層L2との複合層から成るバッファ領域2は、従来のGaNやAlNの単一層から構成される低温バッファ層に比較して高温で結晶成長させることができる。従って、窒素源となるアンモニアを良好に分解させることができ、バッファ領域2はアモルファス層とならない。このため、バッファ領域2の上に形成されるエピタキシャル成長層即ち主半導体領域3の結晶欠陥の密度を十分に小さくすることができ、リーク電流の発生を防止することができる。この結果、ピンチオフ特性の良好なHEMTを提供することができる。
(6) 基板1がサファイアに比較して熱伝導率に優れるシリコンから形成されるので、デバイスの動作中に発生する熱をシリコン基板1を通じて良好に放熱させることができ、デバイスの耐圧、利得等の諸特性が良好になる。
(7) シリコン基板1は窒化物系化合物半導体に比べて熱膨張係数が小さい為、熱不整に起因した引っ張り歪がエピタキシャル層に加わる。このため、電子供給層32と電子走行層31との間の界面の引っ張り応力を更に強めることができ、結果的にピエゾ分極効果を高めることができる。このため、電子走行層31即ちチャネルの電子密度をサファイア基板を使用したHEMTに比較して高濃度にすることができ、電子走行層31即ちチャネルのシート抵抗を減少してドレイン電流を増大することが可能となる。
図5のMESFETは、図1のHEMTのための主半導体領域3の代りにn型不純物としてSiがドープされたGaNから成るn型半導体層30を有する主半導体領域3aを設け、この他は図1と同一に形成したものである。即ち、図5のMESFETにおいて、シリコン基板1、バッファ領域2、ソース電極4、ドレイン電極5、ゲート電極6、支持板8、導電性接合層9及び接続導体10は図1において同一符号で示すものと同様に形成されている。n型半導体層30はチャネル層又は活性層とも呼ぶことができるものであり、バッファ領域2の上に配置されている。ソース電極4及びゲート電極5はn型半導体層30にオーミック接触し、ゲート電極6はn型半導体層30にショットキバリア接触している。
(1) 裏面電極7を省き、導電性接合層9のみで支持板8にシリコン基板1〜1bを固着することができる。
(2) 裏面電極7とソース電極4又はドレイン電極5との電気的接続を、主半導体領域3又は3a、バッファ領域2又は2a、シリコン基板1又は1a又は1bとから成る半導体基体に形成した貫通孔又は溝、又は半導体基体の側面に導体を配置することによって行うことができる。
(3) バッファ領域2又は2aの第2の層L2に例えばMg(マグネシウム)等のp型不純物を添加してp型半導体領域とすることができる。これにより、図1、図3及び図4のn型半導体と同様な特性を有するnライクの電子走行層31とバッファ領域2又は2aとの間にpn接合が形成され、また図5、図6及び図7のn型半導体層30とバッファ領域2又は2aとの間にpn接合が形成される。これにより、ドレイン電極5又はソース電極4と裏面電極7との間の耐圧が更に向上する。
(4) 図1及び図5のバッファ領域2の全体又は一部にp型不純物を添加し、バッファ領域2とシリコン基板1との間及びバッファ領域2と電子走行層31又はn型半導体層30との間の一方又は両方にpn接合を形成することができる。これにより、ドレイン電極5又はソース電極4と裏面電極7との間の耐圧が向上する。
(5) バッファ領域2の第1の層L1を第1の導電型(例えばp型)、第2の層L2を第2の導電型(例えばn型)として第1及び第2の層L1、L2間にpn接合を形成することができる。これにより、ドレイン電極5又はソース電極4と裏面電極7との間の耐圧が向上する。
(6) 実施例1〜6では、バッファ領域2又は2aの第1の層L1と第2の層L2との間の接合界面に2次元電子ガス層が形成される。この2次元電子ガスの形成を阻止又は抑制するための層を第1及び第2の層L1、L2の間に配置することができる。
(7) バッファ領域2又は2aを省くことができる。また、バッファ領域を単一の例えばGaN層のような単一の窒化物半導体のみで構成することができる。
(8) シリコン基板1を単結晶シリコン以外の多結晶シリコン又はSiC等のシリコン化合物とすることができる。
(8) 主半導体領域3、3aの各層の導電型を実施例と逆にすることができる。
(9) 主半導体領域3、3aの各層を、GaN(窒化ガリウム)、AlInN(窒化インジウム アルミニウム)、AlGaN(窒化ガリウム アルミニウム)、InGaN(窒化ガリウム インジウム)、及びAlInGaN(窒化ガリウム インジウム アルミニウム)から選択された窒化ガリウム系化合物半導体又は窒化インジウム系化合物半導体とすることができる。
(10) 図1、図3及び図4のHEMTにおいて、電子走行層31とバッファ領域2との間に電子供給層32と同様な機能を有する別の電子供給層を設けることができる。
(11) 電位固定手段として、ソース電極4又はドレイン電極5と裏面電極とに同一の電位又は一定の電位差を与えるための手段を設けることができる。
2、2a バッファ領域
3又は3a 主半導体領域
4 ソース電極
5 ドレイン電極
6 ゲート電極
7 裏面電極
8 支持板
10 接続導体
Claims (8)
- シリコン又はシリコン化合物から成り且つ互いに対向する一方及び他方の主面を有し且つ前記一方及び他方の主面に対して平行に延びるpn接合を含んでいる基板と、
前記基板の一方の主面上に配置された少なくとも1つの窒化物半導体層を含んでいる主半導体領域と、
前記主半導体領域の表面上に互いに離間して配置されたソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電子の流れを制御するために前記主半導体領域の表面上おいて前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置されたゲート電極と
を備え、前記基板の前記pn接合は前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に電圧が印加されている時に逆バイアス状態になるように形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 更に、前記基板と前記主半導体領域との間に窒化物半導体から成るバッファ領域を有していることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 更に、前記pn接合が逆バイアス状態になるように前記基板の他方の主面の電位を前記ソース電極又は前記ドレイン電極の電位に対して固定するための電位固定手段を有していることを特徴とする請求項1又は2記載の半導体装置。
- 前記電位固定手段は前記基板の他方の主面に形成された導電体層と、前記導電体層を前記ソース電極又は前記ドレイン電極に電気的に接続するための導体とから成ることを特徴とする請求項3記載の半導体装置。
- 前記バッファ領域は前記基板との間にpn接合を形成する導電型を有していることを特徴とする請求項2記載の半導体装置。
- 前記バッファ領域は、複数の半導体層から成り、前記複数の半導体層間にpn接合が形成されていることを特徴とする請求項2乃至5のいずれかに記載の半導体装置。
- シリコン又はシリコン化合物から成り且つ第1導電型を有している基板と、
前記基板の一方の主面上に配置され且つ前記第1導電型と反対の第2導電型を有し且つ前記基板との間にpn接合を形成している窒化物半導体層を含んでいるバッファ領域と、
前記バッファ領域上に配置された少なくとも1つの窒化物半導体層を含んでいる主半導体領域と、
前記主半導体領域の表面上に互いに離間して配置されたソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電子の流れを制御するために前記主半導体領域の表面上おいて前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置されたゲート電極と、
前記基板の他方の主面の電位を前記ソース電極又は前記ドレイン電極の電位に対して固定するための電位固定手段と
を備え、前記基板と前記バッファ領域との間の前記pn接合は前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に電圧が印加されている時に逆バイアス状態になるように形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記バッファ領域は、複数のバッファ層の積層体から成り、前記複数のバッファ層の内の前記基板に接触しているバッファ層が前記基板と反対の導電型を有していることを特徴とする請求項7記載の半導体装置。
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