JP4568118B2 - Power semiconductor element - Google Patents
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Description
本発明は、電力制御に用いられるパワー半導体素子に関する。特に、本発明は、窒化物半導体を用いた横型パワーFET、ショットキーバリアダイオード(SBD)などに関する。 The present invention relates to a power semiconductor element used for power control. In particular, the present invention relates to a lateral power FET using a nitride semiconductor, a Schottky barrier diode (SBD), and the like.
スイッチング電源やインバータ回路などの電力制御回路では、スイッチング素子やダイオードなどのパワー半導体素子が用いられる。パワー半導体素子に求められる特性は、高耐圧特性と低オン抵抗特性である。パワー半導体素子における耐圧とオン抵抗との間には、素子材料で決まるトレードオフ関係がある。これまでの技術開発の進歩により、パワー半導体素子は、主な素子材料であるシリコンの限界近くまで低オン抵抗が実現されている。オン抵抗を更に低減するには素子材料の変更が必要である。GaNやAlGaNなどの窒化物半導体や炭化珪素(SiC)などのワイドバンドギャップ半導体をスイッチング素子材料として用いる。このようにすると、これらの材料で決まるトレードオフ関係が改善でき、低オン抵抗化が可能である。GaNやAlGaNなどの窒化物半導体を用いたHEMT(High Electron Mobility Transistor)については下記の文献に開示されている。この文献は、IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS,VOL.23,No.10.OCTOBER 2002、第598-590頁のR.Coffie et alによる「p-Capped GaN-AlGaN-GaN High-Electron Mobility Transistors(HEMTs)」である。 In power control circuits such as switching power supplies and inverter circuits, power semiconductor elements such as switching elements and diodes are used. The characteristics required for the power semiconductor element are a high breakdown voltage characteristic and a low on-resistance characteristic. There is a trade-off relationship determined by the element material between the breakdown voltage and the on-resistance in the power semiconductor element. Due to the progress of technological development so far, low on-resistance of power semiconductor elements has been realized to the limit of silicon, which is the main element material. In order to further reduce the on-resistance, it is necessary to change the element material. A wide band gap semiconductor such as a nitride semiconductor such as GaN or AlGaN or silicon carbide (SiC) is used as the switching element material. In this way, the trade-off relationship determined by these materials can be improved, and a low on-resistance can be achieved. A HEMT (High Electron Mobility Transistor) using a nitride semiconductor such as GaN or AlGaN is disclosed in the following document. This document is `` p-Capped GaN-AlGaN-GaN High-Electron Mobility Transistors (HEMTs) '' by R. Coffie et al, IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL.23, No.10.OCTOBER 2002, pp. 598-590. It is.
現在、ワイドバンドギャップ半導体を用いたパワー半導体素子の研究が盛んに行われている。GaNなどの窒化物半導体素子では、低オン抵抗は実現されている。しかし、アバランシェ耐量などパワー素子独特の特性を考慮した設計は行われていない。これは、GaN系素子が高周波(RF)素子をベースにして設計が行われているためである。 Currently, research on power semiconductor devices using wide band gap semiconductors is actively conducted. In nitride semiconductor elements such as GaN, low on-resistance is realized. However, a design that takes into consideration the characteristics unique to the power element such as avalanche resistance has not been performed. This is because GaN-based elements are designed based on radio frequency (RF) elements.
なお、FETにおいて、フィールドプレート電極を設けることで高耐圧化が図られる。このような技術は、特開平5-21793号公報、特開2001-230263号公報、特許第3271613号公報などに記載されている。 In the FET, the field voltage can be increased by providing a field plate electrode. Such a technique is described in JP-A-5-21793, JP-A-2001-230263, Japanese Patent No. 3271613, and the like.
本発明の目的は、高アバランシェ耐量を有し、かつ超低オン抵抗を有するパワー半導体素子を提供することである。 An object of the present invention is to provide a power semiconductor device having a high avalanche resistance and an ultra-low on-resistance.
本発明によれば、ノンドープAlXGa1−XN(0≦X≦1)からなる第1の半導体層と、前記第1の半導体層の一方面上に形成されたノンドープもしくはn型のAlYGa1−YN(0≦Y≦1、X<Y)からなる第2の半導体層と、前記第2の半導体層上に選択的に形成されたp型のAlZGa1−ZN(0≦Z≦1)からなる第3の半導体層と、前記第3の半導体層の両側のうち一方側に位置する前記第2の半導体層上に形成されたドレイン電極と、前記第3の半導体層の両側のうち他方側に位置する前記第2の半導体層上に形成されたソース電極と、少なくとも前記第3の半導体層と前記ドレイン電極との間で前記第3の半導体層に隣接する位置の前記第2の半導体層上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成されたフィールドプレート電極と、前記第3の半導体層上に形成されたゲート電極とを具備し、前記フィールドプレート電極はソース電極と電気的に接続されており、前記第3の半導体層のドレイン電極側の端部が、ゲート電極のドレイン電極側の端部からドレイン電極側に延長されており、第3の半導体層はドレイン電極側の端部がフィールドプレート電極の下部に位置するように形成され、前記フィールドプレート電極の下部に位置する絶縁膜の厚さをt、絶縁膜の比誘電率をεiとし、第2の半導体層の比誘電率をεs、第3の半導体層のドレイン電極側の端部からフィールドプレート電極のドレイン電極側の端部までの距離をLとしたときに、絶縁膜の厚さtが下記に示す関係、εst>εiLを満足するように設定されているパワー半導体素子が提供されている。 According to the present invention, a first semiconductor layer made of non-doped Al X Ga 1-X N (0 ≦ X ≦ 1), and a non-doped or n-type Al formed on one surface of the first semiconductor layer. A second semiconductor layer made of Y Ga 1-Y N (0 ≦ Y ≦ 1, X <Y), and a p-type Al Z Ga 1-Z N selectively formed on the second semiconductor layer. A third semiconductor layer made of (0 ≦ Z ≦ 1), a drain electrode formed on the second semiconductor layer located on one side of both sides of the third semiconductor layer, and the third semiconductor layer A source electrode formed on the second semiconductor layer located on the other side of both sides of the semiconductor layer and adjacent to the third semiconductor layer at least between the third semiconductor layer and the drain electrode An insulating film formed on the second semiconductor layer at a position, and formed on the insulating film A field plate electrode, and a gate electrode formed on the third semiconductor layer. The field plate electrode is electrically connected to a source electrode, and is disposed on the drain electrode side of the third semiconductor layer. The end portion extends from the drain electrode side end portion of the gate electrode to the drain electrode side, and the third semiconductor layer is formed so that the end portion on the drain electrode side is located below the field plate electrode, The thickness of the insulating film located below the field plate electrode is t, the relative dielectric constant of the insulating film is ε i , the relative dielectric constant of the second semiconductor layer is ε s , and the drain electrode side of the third semiconductor layer is the distance from end to end of the drain electrode side of the field plate electrode when is L, the thickness t of the insulating film is set so that the relationship shown below, satisfy the ε s t> ε i L Half the power Body element is provided.
本発明によるパワー半導体素子は、AlGaN系ヘテロ接合構造を組み合わせることで移動度の高い二次元電子ガスを生成し、これを導通時のキャリアとして使用することで低オン抵抗化する。また、バンドギャップの大きい窒化物半導体を用いることと、フィールドプレート構造とし、これにより高耐圧を実現する。加えて、半導体領域表面上にp型のAlGaN層を形成することで、アバランシェ降伏時に発生するホールを速やかに排出することが可能となり、高アバランシェ耐量を得ることが可能になる。アバランシェ降伏が起こるポイントを半導体内部、つまりpn接合面とし、フィールドプレート電極の端部などの半導体とパッシベーション膜との界面などではないようにする。これにより、熱による界面の不安定性などがなく、信頼性の高い素子が実現できる。 The power semiconductor device according to the present invention generates a two-dimensional electron gas having high mobility by combining an AlGaN heterojunction structure, and lowers the on-resistance by using this as a carrier during conduction. Further, a nitride semiconductor having a large band gap is used, and a field plate structure is used, thereby realizing a high breakdown voltage. In addition, by forming a p-type AlGaN layer on the surface of the semiconductor region, holes generated during avalanche breakdown can be quickly discharged, and a high avalanche resistance can be obtained. The point where the avalanche breakdown occurs is in the semiconductor, that is, the pn junction surface, and is not the interface between the semiconductor and the passivation film such as the end of the field plate electrode. Thereby, there is no instability of the interface due to heat, and a highly reliable element can be realized.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、全図に渡って対応する箇所には同じ符号を付して説明を行う。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected and demonstrated to the location corresponding over all the figures.
(第1の実施形態)
図1は本発明の第1の実施形態に係るジャンクション型のパワーHEMT(High Electron Mobility Transistor)の構成を模式的に示す断面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a junction type power HEMT (High Electron Mobility Transistor) according to a first embodiment of the present invention.
このHEMTにはノンドープAlXGa1−XN(0≦X≦1)としてGaN層(X=0)からなるチャネル層1が設けられている。このチャネル層1の厚さは、600Vの耐圧を得るために1〜2μm程度にされている。上記チャネル層1の表面(一方面)上には、n型のAlYGa1−YN(0≦Y≦1、X<Y)として、厚さが0.02μmのバリア層2が形成されている。このバリア層2は、不純物としてSiが1013(atom/cm2)程度のドーズ量でドープされたAl0.2Ga0.8N層(Y=0.2)を含んでいる。さらにバリア層2上には、p型のAlZGa1−ZN(0≦Z≦1)層として、厚さが0.01μmの半導体層3が形成されている。この半導体層3は、不純物としてMgがドープされたAl0.1Ga0.9N層(Z=0.1)を含んでいる。
The HEMT is provided with a
また、上記半導体層3の両側のバリア層2上には、Ti/Al/Ni/Auからなるドレイン電極(D:第1の電極)4とソース電極(S:第2の電極)5とが互いに分離して形成されている。上記ドレインおよびソース電極4,5は、それぞれバリア層2の表面と電気的に接続されている。
On the
上記半導体層3上には、PtやNi/Auからなるゲート電極(G:制御電極)6が形成されている。このゲート電極6は半導体層3の表面と電気的に接続されている。
A gate electrode (G: control electrode) 6 made of Pt or Ni / Au is formed on the
上記ゲート電極6上及びその周囲のバリア層2上を連続的に覆うように、絶縁膜7が形成されている。ゲート電極6とドレイン電極4との間に位置するように、上記絶縁膜7上にはTi/Al/Ni/Auからなるフィールドプレート電極8が形成されている。このフィールドプレート電極8は上記ソース電極5と電気的に接続されている。
An
このような構成でなるHEMTは、ゲート電極6に印加される電圧に応じてチャネル層1の表面領域に形成される空乏層の深さが制御されるジャンクション型のFETとして動作する。従って、ソースおよびドレイン電極5,4間に流れる電流がこの空乏層の深さに応じて制御される。
The HEMT configured as described above operates as a junction type FET in which the depth of a depletion layer formed in the surface region of the
第1の実施形態のHEMTでは、素子材料してバンドギャップが広いAlXGa1−XN、AlYGa1−YN、AlZGa1−ZNなどの窒化物半導体を用いている。このため、臨界電界を高くすることができ、素子の高耐圧化が実現できる。耐圧を決定するゲートとドレインとの間に、フィールドプレート電極8が形成されている。このため、電圧印加時に、ゲート電極6とドレイン電極4との間に加わる電界を緩和することができ、耐圧の低下が抑制できる。バリア層2とチャネル層1とからなるAlGaN/GaNヘテロ界面に、移動度の高い二次元電子ガスが形成されるので、低オン抵抗化が実現される。
In the HEMT of the first embodiment, a nitride semiconductor such as Al X Ga 1-X N, Al Y Ga 1-Y N, or Al Z Ga 1-Z N having a wide band gap is used as an element material. For this reason, the critical electric field can be increased, and a high breakdown voltage of the element can be realized. A
n型のバリア層2上にp型の半導体層3がさらに形成されている。このため、素子内でアバランシェ降伏が起こった場合、発生したホールが速やかにp型の半導体層3に流れ込み、これにより高いアバランシェ耐量が実現される。
A p-
加えるに、バリア層2上にp型の半導体層3が形成されているので、以下のような効果が得られる、つまり、ゲートリーク電流が減少する。
In addition, since the p-
通常のHEMT構造では、ゲート部のショットキー接合に加わる電界によって耐圧が決まる。これに対し、上記実施形態のHEMT構造では、p型の半導体層3とn型のバリア層との間のpn接合に加わる電界によって耐圧が決まる。つまり、ショットキー接合などの素子の特性ばらつきが大きくなりやすいものに比べて、ブレークダウンポイントが半導体層内になる。このため、以下のような効果、つまり、耐圧のばらつきが抑えられるという効果が得られる。
In a normal HEMT structure, the breakdown voltage is determined by the electric field applied to the Schottky junction in the gate portion. In contrast, in the HEMT structure of the above embodiment, the breakdown voltage is determined by the electric field applied to the pn junction between the p-
さらに、通常のHEMT構造などでは、ゲートショットキー界面やフィールドプレート端など、半導体とパッシベーション膜や金属界面などで高電界となる。従って、これらのポイントでアバランシェ降伏が起こる設計を行うと、熱による特性変動などが起きやすい。しかし、上記実施形態のHEMT構造では、ブレークダウンポイントが半導体層内のpn接合となる。このため、アバランシェ降伏の安定性が増し、信頼性の高い素子が実現できる。 Further, in a normal HEMT structure or the like, a high electric field is generated at a semiconductor-passivation film or metal interface, such as a gate Schottky interface or a field plate edge. Therefore, if a design in which avalanche breakdown occurs at these points is performed, characteristic fluctuations due to heat tend to occur. However, in the HEMT structure of the above embodiment, the breakdown point is a pn junction in the semiconductor layer. For this reason, the stability of the avalanche breakdown is increased, and a highly reliable device can be realized.
フィールドプレート電極8をソース電極5と接続することで、ゲート/ドレイン間容量が小さくなり、高速スイッチング動作が実現できる。
By connecting the
p型のAl0.1Ga0.9N層からなる半導体層3は、チャネル層1及びバリア層2と共に結晶成長により均一に形成される。この後、エッチングによってパターニングを行って半導体層3を形成してもよい。あるいは、半導体層3を結晶成長により形成した後、選択酸化するなどの方法で形成してもよい。もしくは、チャネル層1とバリア層2を結晶成長した後、その表面に半導体層3を選択成長により形成してもよい。
The
(第1の実施形態の第1の変形例)
図2は、図1に示すパワーHEMTの第1の変形例による構成を模式的に示す断面図である。図1のパワーHEMTでは、絶縁膜7をゲート電極6上及びその周囲のバリア層2上に渡って連続して形成し、かつフィールドプレート電極8をソース電極5と電気的に接続していた。
(First modification of the first embodiment)
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a configuration according to a first modification of the power HEMT shown in FIG. In the power HEMT of FIG. 1, the insulating
これに対し、図2のパワーHEMTは以下のような構造を有する。つまり、半導体層3とドレイン電極4の間に位置しかつ半導体層3と隣接するように、絶縁膜7が形成される。ゲート電極6を半導体層3上のみならず、絶縁膜7上にまで延長して形成している。すなわち、この第1の変形例では、ゲート電極6が図1に示すフィールドプレート電極8を兼用している。
In contrast, the power HEMT of FIG. 2 has the following structure. That is, the insulating
この変形例のパワーHEMTでは、図1と同様の効果が得られる上に、フィールドプレート電極とゲート電極を一度に形成することができる。このため、以下のような効果が得られる。つまり、図1に比べて製造プロセスが簡略化できる。 In the power HEMT of this modification, the same effect as in FIG. 1 can be obtained, and the field plate electrode and the gate electrode can be formed at a time. For this reason, the following effects are acquired. That is, the manufacturing process can be simplified as compared with FIG.
(第1の実施形態の第2の変形例)
図3は図1に示すパワーHEMTの第2の変形例による構成を模式的に示す断面図である。図3のパワーHEMTが図1のものと異なる点は、ゲート電極6を、半導体層3のドレイン電極4側に隣接したバリア層2の表面まで延長して形成している点である。
(Second modification of the first embodiment)
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a configuration according to a second modification of the power HEMT shown in FIG. The power HEMT in FIG. 3 is different from that in FIG. 1 in that the
つまり、図3のパワーHEMTでは、ゲート電極6は、バリア層2との間でショットキー接合を形成している。
That is, in the power HEMT of FIG. 3, the
この第2の変形例において、ゲート電極6はバリア層2とショットキー接続されている。しかし、半導体層3がゲート電極6と接続されているので、アバランシェ降伏時のホール排出は半導体層3を介して行われ、図1の場合と同様に高いアバランシェ耐量が実現される。その上、図1と同様の効果が得られる。
In the second modification, the
(第1の実施形態の第3の変形例)
図4は、図1に示すパワーHEMTの第3の変形例による構成を模式的に示す断面図である。図3のパワーHEMTでは、ゲート電極6を、半導体層3のドレイン電極4側に隣接したバリア層2の表面まで延長して形成していた。これに対し、図4のパワーHEMTでは、ゲート電極6を、半導体層3のソース電極5側に隣接したバリア層2の表面まで延長して形成している。
(Third Modification of First Embodiment)
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a configuration according to a third modification of the power HEMT shown in FIG. In the power HEMT of FIG. 3, the
この第3の変形例の場合も、ゲート電極6はバリア層2とショットキー接続されている。しかし、半導体層3がゲート電極6と接続されているので、アバランシェ降伏時のホール排出は半導体層3を介して行われ、図1の場合と同様に高いアバランシェ耐量が実現される。その上、図1と同様の効果が得られる。
Also in the case of the third modification, the
(第2の実施形態)
図5は、本発明の第2の実施形態に係るジャンクション型のパワーHEMTの構成を模式的に示す断面図である。図1のパワーHEMTでは、p−AlGaN層からなる半導体層3は、ゲート電極6と同じ長さにされている。つまり、半導体層3のドレイン電極4側の端部と、ゲート電極6のドレイン電極4側の端部の位置は一致している。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a junction type power HEMT according to the second embodiment of the present invention. In the power HEMT of FIG. 1, the
これに対し、第2の実施形態のパワーHEMTでは、p−AlGaN層からなる半導体層3のドレイン電極4側の端部が、ゲート電極6のドレイン電極4側の端部からドレイン電極4側に延長されている。さらに、ドレイン電極4側の端部がフィールドプレート電極8の下部に位置するように半導体層3が形成されている。
On the other hand, in the power HEMT of the second embodiment, the end of the
図6(A)は図5のパワーHEMTの半導体層3の端部付近を抜き出して示す断面図であり、図6(B)は図5のパワーHEMTを動作させた際のバリア層2における電界分布の様子を示す特性図である。
6A is a cross-sectional view showing the vicinity of the end of the
図5に示すように、半導体層3のドレイン電極4側の端部がフィールドプレート電極8の下部に位置するように形成されている。これにより、図6(B)に示すように、電界が集中するポイントが半導体層3の端部とフィールドプレート電極8の端部とになる。図6(B)において、特性カーブ(線)21は、絶縁膜7の膜厚がある程度厚い場合であり、特性カーブ22は絶縁膜7の膜厚がある程度薄い場合である。
As shown in FIG. 5, the end of the
すなわち、フィールドプレート電極8下の絶縁膜7の厚さを適度に厚くすることで、アバランシェ降伏が起きるポイントである、最も電界が高くなるポイントが、半導体層3の端部に設定される。これにより、アバランシェ降伏時のホール排出が速やかに行われ、十分なアバランシェ耐量が確保される。
That is, when the thickness of the insulating
以下に半導体層3の端部における電界が最も高くなるような絶縁膜7の厚さの設定方法について説明する。図7(A)は図5のパワーHEMTの半導体層3の端部付近を抜き出して示す断面図である。図7(B)は図5のパワーHEMTを動作させた際の平面方向における電界分布の様子を示す特性図である。図7(C)は図5のパワーHEMTを動作させた際の垂直方向における電界分布の様子を示す特性図である。図7(B)及び図7(C)において、半導体層3のドレイン電極4側の端部のポイントをA点、フィールドプレート電極8端部直下のバリア層2のポイントをB点、フィールドプレート電極8端部のポイントをC点とする。上記A点乃至C点の各ポイントの電界をそれぞれEA、EB、ECとする。また、A点とB点の間の距離、つまり、フィールドプレート電極8の長さをL、絶縁膜7の厚さをtとする。
A method for setting the thickness of the insulating
各ポイントの電界の大きさと各部の寸法より、A点とB点の間の電圧VABと、C点とB点の間のVCBはそれぞれ以下の(1)式と(2)式で表現される。 From the magnitude of the electric field at each point and the dimensions of each part, the voltage V AB between the points A and B and the V CB between the points C and B are expressed by the following equations (1) and (2), respectively. Is done.
VAB=(EA+EB)L/2 …(1)
VCB=ECt …(2)
フィールドプレート電極8の電位は半導体層3の電位とほぼ等しいので、VABはVCBと等しい。そして、電束密度が連続となることから、EBとECの関係は以下の(3)式で表現される。
V AB = (E A + E B ) L / 2 (1)
V CB = E C t (2)
Since the potential of the
εi・EC=εsEB …(3)
但し、εiは絶縁膜7の比誘電率、εsはバリア層2の比誘電率である。上述した式(1)乃至(3)を変形し、EAとEBの関係を求める。この関係は以下の(4)式で表現される。
ε i · E C = ε s E B (3)
Here, ε i is the relative dielectric constant of the insulating
EA/EB=2εst/εiL−1 …(4)
EAがEBよりも大きくなるようにすることが、アバランシェ耐量を大きくすることになる。従って、(4)式で表されるEAとEBの比が1よりも大きくなればよい。これより、(4)式を変形すると以下の(5)式が得られる。
E A / E B = 2ε s t / ε i L-1 ... (4)
The E A is set to be larger than E B becomes to increase the avalanche resistance. Therefore, the ratio of E A and E B expressed by the equation (4) only needs to be larger than 1. Thus, the following equation (5) can be obtained by modifying equation (4).
εst>εiL …(5)
(5)式の関係を満たすように、絶縁膜7の厚さtとフィールドプレート電極の長さLとを設定することが望ましい。
ε s t> ε i L ... (5)
It is desirable to set the thickness t of the insulating
仮にフィールドプレート電極の長さLを2μmとし、絶縁膜7をSiO2で構成し、AlGaN層からなるバリア層2の組成比を0.2とした場合、比誘電率εiは3.9、εsは9.3となる。従って、絶縁膜7の厚さtは0.83μm以上とすることが望ましい。
If the length L of the field plate electrode is 2 μm, the insulating
AlGaNやGaNなどのワイドバンドギャップ半導体では、臨界電界が絶縁膜の絶縁破壊電界に近くなる。絶縁膜7の絶縁破壊電圧がアバランシェ降伏電圧よりも小さいと、素子耐圧は絶縁破壊電圧で決まる。この場合、素子耐圧に相当する電圧が素子に印加されると素子が破壊する。半導体層の臨界電界と絶縁膜の絶縁破壊電界が等しいとすると、図7(C)に示すC点の電界ECを、図7(B)に示すA点の電界EAよりも小さくすることで、絶縁破壊を避けることができる。
In a wide band gap semiconductor such as AlGaN or GaN, the critical electric field is close to the dielectric breakdown electric field of the insulating film. When the dielectric breakdown voltage of the insulating
上記(1)乃至(3)式を変形して、EAとECの関係を求めると、この関係は以下の(6)式で表現される。 By modifying the above (1) to (3), when determining the relationship between E A and E C, this relationship is expressed by the following equation (6).
EA/EC=2t/L−εi/εs …(6)
上記の(6)式で表現される比が1よりも大きくなることで、絶縁破壊が避けられる。これにより、絶縁膜7の厚さtとフィールドプレート電極の長さLとを、以下の(7)式を満足するように設定することが望ましい。
E A / E C = 2t / L−ε i / ε s (6)
Since the ratio expressed by the above equation (6) is larger than 1, dielectric breakdown can be avoided. Accordingly, it is desirable to set the thickness t of the insulating
2t/L>(1+εi/εs) …(7)
先程と同様に、フィールドプレート電極の長さを2μmとし、絶縁膜7をSiO2で構成し、AlGaN層からなるバリア層2の組成比を0.2とした場合、比誘電率εiは3.9、εsは9.3となる。従って、絶縁膜7の厚さtは1.4μm以上とすることが望ましい。
2t / L> (1 + ε i / ε s ) (7)
Similarly to the above, when the length of the field plate electrode is 2 μm, the insulating
(第3の実施形態)
図8は、本発明の第3の実施形態に係るジャンクション型のパワーHEMTの構成を模式的に示す断面図である。図1に示すような横型パワー素子の耐圧は、ゲートとドレイン間の間隔で決まるので、これを長くすることが望ましい。そして、耐圧に関係無いソースとゲート間の間隔を縮める。これは、オン抵抗を下げることにつながる。第3の実施形態のパワーHEMTでは、高耐圧化及び低オン抵抗化を図るために、ゲートとドレイン間の間隔をゲート・ソース間の間隔よりも広くしている。つまり、間隔Lgdを間隔Lgsよりも広くしている。上記間隔Lgdは、ゲート電極6のドレイン電極4側の端部とドレイン電極4のゲート電極4側の端部との間の距離である。上記間隔Lgsは、ゲート電極6のソース電極5側の端部とソース電極5のゲート電極6側の端部との間の距離である。
(Third embodiment)
FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a junction type power HEMT according to the third embodiment of the present invention. Since the breakdown voltage of the lateral power element as shown in FIG. 1 is determined by the distance between the gate and the drain, it is desirable to increase the breakdown voltage. Then, the interval between the source and the gate not related to the withstand voltage is reduced. This leads to a reduction in on-resistance. In the power HEMT of the third embodiment, the distance between the gate and the drain is made wider than the distance between the gate and the source in order to achieve a high breakdown voltage and a low on-resistance. That is, the interval Lgd is made wider than the interval Lgs. The interval Lgd is the distance between the end of the
図8では、半導体層3のドレイン電極4側の端部がフィールドプレート電極8の下部に位置する場合を示している。しかし、第3の実施形態はこれに限定されるものではなく、図1に示すように、ドレイン電極4側の端部がゲート電極6の端部と一致するように半導体層3を形成するようにしてもよい。図3及び図4に示すように、ゲート電極6を、半導体層3のドレイン電極4側に隣接したバリア層2の表面にまで、あるいは半導体層3のソース電極5側に隣接したバリア層2の表面にまで延長して形成してもよい。
FIG. 8 shows a case where the end of the
(第4の実施形態)
図9は、本発明の第4の実施形態に係るジャンクション型のパワーHEMTの構造を模式的に示す断面図である。図9に示すパワーHEMTは図1のものと以下の点で異なっている。すなわち、P型のAlwGa1−wN(0≦W≦1)として、不純物として例えばMgがドープされたGaN層(W=0)からなる半導体層9が、チャネル層1の裏面(他方面)上に、形成される。半導体層9の表面上にPtからなる裏面電極10が形成されている。この場合、裏面電極10はソース電極5に電気的に接続されている。
(Fourth embodiment)
FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a junction type power HEMT according to the fourth embodiment of the present invention. The power HEMT shown in FIG. 9 differs from that of FIG. 1 in the following points. That is, the
このような構造のパワーHEMTでは、アパランシェ降伏が起こった場合に発生するホールは、半導体層9及び裏面電極10を介しても排出されるので、更にアバランシェ耐量を大きくすることができる。
In the power HEMT having such a structure, holes generated when avalanche breakdown occurs are also discharged through the
(第4の実施形態の変形例)
図10は第4の実施形態の変形例の断面図を示す。図10に示すように、チャネル層1の厚さtdを、ゲート電極6とドレイン電極4との間隔Lgdよりも小さくする。これにより、アバランシェ降伏がチャネル層1と半導体層9との間の接合で起き難くなり、耐圧はチャネル層1の厚さで決まる。この場合、チャネル層1の厚さは結晶成長の際に制御できるので、耐圧のばらつきが少ない素子が製造できる。また、半導体層9中に含まれる不純物の濃度は高濃度であるため、速やかなホール排出が可能となり、高アバランシェ耐量が期待できる。
(Modification of the fourth embodiment)
FIG. 10 shows a cross-sectional view of a modification of the fourth embodiment. As shown in FIG. 10, the thickness td of the
なお、第4の実施形態及びその変形例のHEMTでは、チャネル層1の裏面側に形成された半導体層9に対するコンタクトが、基板裏面より取り出されている。しかし、半導体層9に対するコンタクトは、ソース電極5と同じ表面から取り出してもよい。この場合には導電性基板は必要ない。
In the HEMT according to the fourth embodiment and its modification, the contact with the
p型の半導体層9は、チャネル層1で発生したホールを速やかに排出するため、チャネル層1と同じかもしくはチャネル層1よりも狭いバンドギャップを有することが望ましい。そのため、半導体層9の組成比Wは、チャネル層1の組成比Xと同じか、それよりも小さいことが望ましい。
The p-
(第5の実施形態)
図11は、本発明の第5の実施の形態に係る横型GaN−MISFETの構造を模式的に示す断面図である。
(Fifth embodiment)
FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a lateral GaN-MISFET according to the fifth embodiment of the present invention.
この実施形態のMISFETでは、図5に示すHEMTに対して、ゲート絶縁膜11が追加されている。すなわち、半導体層3上及びその周囲のバリア層2上を連続的に覆うように、ゲート絶縁膜11が形成されている。ゲート電極6は、半導体層3上に位置するゲート絶縁膜11上に形成されている。この場合、ゲート絶縁膜11の一部には開口部が開口され、半導体層3はこの開口部を介してゲート電極6と電気的に接続されている。
In the MISFET of this embodiment, a
このような構造を有するMISFETでは、ゲート電極6に印加される電圧に応じてチャネル層1の表面領域に反転チャネル部が形成される。ソース電極5及びドレイン電極4間に流れる電流は、この反転チャネル部の形成状態に応じて制御される。
In the MISFET having such a structure, an inversion channel portion is formed in the surface region of the
上記実施形態のMISFETでは、素子材料としてバンドギャップが広いAlXGa1−XN、AlYGa1−YN、AlZGa1−ZNなどの窒化物半導体を用いている。このため、臨界電界を高くすることができ、素子の高耐圧化が実現できる。さらに、耐圧を決定するゲートとドレインとの間に、フィールドプレート電極8が形成されている。このため、電圧印加時に、ゲート電極6とドレイン電極4との間に加わる電界を緩和することができ、耐圧の低下が抑制できる。また、バリア層2とチャネル層1とからなるAlGaN/GaNヘテロ界面に、移動度の高い二次元電子ガスが形成されるので、低オン抵抗化が実現される。
In the MISFET of the above-described embodiment, a nitride semiconductor such as Al X Ga 1-X N, Al Y Ga 1-Y N, or Al Z Ga 1-Z N having a wide band gap is used as an element material. For this reason, the critical electric field can be increased, and a high breakdown voltage of the element can be realized. Further, a
n型のバリア層2上にp型の半導体層3が形成されている。このため、素子内でアバランシェ降伏が起こった場合、発生したホールが速やかにp型の半導体層3に流れ込み、これにより高いアバランシェ耐量が実現される。
A p-
また、バリア層2上にp型の半導体層3が形成されているので、ゲートリーク電流が減少するという効果が得られる。
Further, since the p-
上記実施形態の構造では、p型の半導体層3とn型のバリア層2との間のpn接合における電界に耐圧がよって決まる。これにより、ブレークダウンポイントが半導体層内になるので、耐圧のばらつきが抑えられるという効果が得られる。
In the structure of the above embodiment, the withstand voltage is determined by the electric field at the pn junction between the p-
さらに、上記実施形態の構造では、ブレークダウンポイントが半導体層内のpn接合となる。このため、アバランシェ降伏の安定性が増し、信頼性の高い素子が実現できる。 Furthermore, in the structure of the above embodiment, the breakdown point is a pn junction in the semiconductor layer. For this reason, the stability of the avalanche breakdown is increased, and a highly reliable device can be realized.
また、フィールドプレート電極8をソース電極5と接続しているので、ゲートとドレインとの間の容量が小さくなり、高速スイッチング動作が実現できる。
Further, since the
半導体層3がゲート電極6と電気的に接続されているので、ゲートリーク電流を小さくすることができるという効果も得られる。
Since the
(第5の実施形態の第1の変形例)
図12は第5の実施形態の第1の変形例のMISFETを示している。図12のMISFETに示すように、ゲート絶縁膜11には開口部を開口することなく、半導体層3をゲート電極6から絶縁分離してもよい。このような構造を持つMISFETでは、ゲートリーク電流を極めて少なくすることができる。
(First Modification of Fifth Embodiment)
FIG. 12 shows a MISFET according to a first modification of the fifth embodiment. As shown in the MISFET of FIG. 12, the
この場合、半導体層3はゲート電極6と電気的に接続されていないので、電位的にフローティング状態になり、半導体層3にホールを排出することができなくなる。このため、この変形例のMISFETでは、ソース電極5の一部を半導体層3の上部まで延在して形成する。このようにすることで、半導体層3はソース電極5と電気的に接続される。これにより、アバランシェ電流は半導体層3を介してソース電極5に流れ込み、ゲート電極6には流れ込むことがない。これにより、ゲート電極6を駆動するゲート駆動回路への負担が軽減される。
In this case, since the
なお、ゲート絶縁膜11としては、半導体層3との間の界面準位が少ないことが望まれる。このため、ゲート絶縁膜11として、以下のような絶縁膜を用いることが望ましい。この絶縁膜は、AlGaN層を酸化したAlxGa2−xO3膜などの酸化膜や、CVD法などによって堆積したAl2O3、SiNなどの絶縁膜を含む。
Note that it is desirable that the
また、半導体層3の不純物濃度が高すぎると、ゲート電極6に印加した電圧によって生じる反転チャネル部の制御性が悪化する、つまり、ゲート電極6の相互コンダクタンスが小さくなる。これとは反対に、半導体層3の不純物濃度があまりに低いと、ホールを排出する際の排出抵抗が大きくなる。従って、両方の観点より、半導体層3の不純物濃度はバリア層2と同程度にするのが望ましい。
If the impurity concentration of the
(第5の実施形態の第2の変形例)
図13(A)、(B)は、図12に示すパワーMISFETの第2の変形例による構成を模式的に示す断面図と上面図である。図12のパワーMISFETでは、半導体層3が、ゲート幅方向全面に形成されていた。
(Second Modification of Fifth Embodiment)
13A and 13B are a cross-sectional view and a top view schematically showing the configuration of the power MISFET shown in FIG. 12 according to the second modification. In the power MISFET of FIG. 12, the
これに対し、図13(A)、(B)のパワーMISFETでは、半導体層3は、ゲート幅方向において短冊状に形成されている。半導体層3をこのような形状とすることで、ゲートしきい値電圧やオン抵抗の制御が可能となる。
On the other hand, in the power MISFET of FIGS. 13A and 13B, the
半導体層3を短冊状に形成すると、ゲート下に半導体層3が形成されている部分と形成されていない部分の両方が形成される。ゲート下に半導体層3が形成されている部分は、ゲートしきい値電圧が高く、チャネル抵抗やゲートとソースとの間のオフセット抵抗が大きい。逆に、ゲート下に半導体層3が形成されていない部分は、ゲートしきい値電圧が低く、チャネル抵抗やゲート・ソース間のオフセット抵抗が小さい。
When the
素子全体でみると、この両方の部分が並列に動作するのと同様なため、しきい値電圧やオン抵抗は、半導体層3の短冊の間隔や密度を変化させることで、制御が可能となる。
Since the entire element is the same as that both parts operate in parallel, the threshold voltage and the on-resistance can be controlled by changing the interval and density of the strips of the
(第6の実施形態)
図14は、本発明の第6の実施の形態に係る横型GaN−ショットキーバリアダイオード(SBD)の構造を模式的に示す断面図である。
(Sixth embodiment)
FIG. 14 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a lateral GaN-Schottky barrier diode (SBD) according to the sixth embodiment of the present invention.
このSBDでは、図1に示すFETの場合と同様に、ノンドープGaN層からなるチャネル層1が設けられている。また、チャネル層1の表面上には、n型のAl0.2Ga0.8N層(Y=0.2)からなるバリア層2が形成されている。さらにバリア層2上には、p型のAl0.1Ga0.9N層からなる複数の半導体層3が選択的に形成されている。
In this SBD, a
上記複数の半導体層3上及びその周囲のバリア層2上には、これらを連続的に覆うように、Ni/Auからなるアノード電極(A:第2の電極)12が形成されている。このアノード電極12と接するように、バリア層2上は絶縁膜7が形成されている。絶縁膜7上にはNi/Auからなるフィールドプレート電極8が形成されている。このフィールドプレート電極8はアノード電極12と電気的に接続されている。さらに、バリア層2上には、Ti/Al/Ni/Auからなり、上記アノード電極12と分離されたカソード電極(K:第1の電極)13が形成されている。
An anode electrode (A: second electrode) 12 made of Ni / Au is formed on the plurality of
この第6の実施形態のSBDでは、先に説明したHEMTと同様に、バリア層2とチャネル層1とからなるn−AlGaN/GaNへテロ構造が用いられる。これより、高耐圧化及び超低オン抵抗化が実現できる。
In the SBD of the sixth embodiment, an n-AlGaN / GaN heterostructure including a
また、n−AlGaN層からなるバリア層2上に、p−AlGaN層からなる半導体層3が形成されている。これにより、アバランシェ降伏時のホール排出を確保することができ、高電圧耐量が期待できる。また、上記のようにして半導体層3が形成されていることによって、アノード電極12とバリア層2とが直接に接するショットキー接合面積が減少し、逆方向リーク電流を減少することができる。
A
(第7の実施形態)
図15は、第7の実施形態に係るショットキーバリアダイオード(SBD)の構造を模式的に示す断面図である。
(Seventh embodiment)
FIG. 15 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a Schottky barrier diode (SBD) according to the seventh embodiment.
この第7の実施形態のSBDでは、ショットキー接合部端部に半導体層3が形成されている。この場合、半導体層3のカソード電極13側の端部は、フィールドプレート電極8のカソード電極13側の端部と、アノード電極12のカソード電極13側の端部との間に位置する。
In the SBD of the seventh embodiment, the
図16(A)は図15のSBDの半導体層3の端部付近を拡大して示す断面図であり、図16(B)は図15のSBDを動作させた際のバリア層2における電界分布の様子を示す特性図である。
16A is an enlarged cross-sectional view showing the vicinity of the end of the
図15に示すように、半導体層3は、カソード電極13側の端部がフィールドプレート電極8の下部に位置するように形成される。このようであると、図16(B)に示すように、電界が集中するポイントが、半導体層3の端部と、フィールドプレート電極8の端部とになる。なお、図16(B)において、特性カーブ23は絶縁膜7の膜厚がある程度厚い場合であり、特性カーブ24は絶縁膜7の膜厚がある程度薄い場合である。
As shown in FIG. 15, the
すなわち、SBDにおいても、先の第2の実施形態のHEMTの場合と同様に、式(5)、(7)の関係を満たすように絶縁膜7の膜厚tが設定される。これにより、アバランシェ耐量の確保と絶縁膜破壊の回避を図ることができる。
That is, also in the SBD, the film thickness t of the insulating
本発明について、上述した第1乃至第7の実施形態により説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、これ以外にも当該技術者が容易に考え得る変形はすべて適用可能である。 The present invention has been described with reference to the first to seventh embodiments. However, the present invention is not limited to the above embodiment, and all other modifications that can easily be considered by those skilled in the art can be applied.
例えば、ホール排出に用いるp−AlGaN層からなる半導体層3は、ホール排出の観点から、n−AlGaN層からなるバリア層2よりもバンドギャップが狭いことが望ましい。つまり、Alの組成比が小さいことが望ましく、p−GaN層を用いることもできる。また、半導体層3に対するコンタクト抵抗を下げるために、InGaN層などのバンドギャップの狭い半導体層がコンタクト層として用いられる。このコンタクト層を、ゲート電極6またはアノード電極12と半導体層3との間に形成してもよい。
For example, the
また、上記各実施形態では、素子材料として、AlGaN/GaNの組み合わせを用いている。この場合、GaN/InGaNやAlN/AlGaNなどの組み合わせを用いてもよい。 In each of the above embodiments, a combination of AlGaN / GaN is used as the element material. In this case, a combination of GaN / InGaN or AlN / AlGaN may be used.
また、本発明は、ジャンクション型のFETのユニポーラ素子に限定されない。この場合、本発明は、pinダイオードやMISFETのドレイン側にp層を設けたIGBTなどバイポーラ素子であっても横型素子であれば容易に実施が可能である。 Further, the present invention is not limited to a junction type FET unipolar element. In this case, the present invention can be easily implemented as long as it is a lateral element even if it is a bipolar element such as an IGBT in which a p layer is provided on the drain side of a pin diode or MISFET.
以上説明したように、本発明によれば、高アバランシェ耐量を有し、高耐圧及び超低オン抵抗の横型GaN系パワー素子が得られる。 As described above, according to the present invention, a lateral GaN power device having a high avalanche resistance, a high breakdown voltage and an ultra-low on-resistance can be obtained.
Claims (2)
前記第1の半導体層の一方面上に形成されたノンドープもしくはn型のAlYGa1−YN(0≦Y≦1、X<Y)からなる第2の半導体層と、
前記第2の半導体層上に選択的に形成されたp型のAlZGa1−ZN(0≦Z≦1)からなる第3の半導体層と、
前記第3の半導体層の両側のうち一方側に位置する前記第2の半導体層上に形成されたドレイン電極と、
前記第3の半導体層の両側のうち他方側に位置する前記第2の半導体層上に形成されたソース電極と、
少なくとも前記第3の半導体層と前記ドレイン電極との間で前記第3の半導体層に隣接する位置の前記第2の半導体層上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成されたフィールドプレート電極と、
前記第3の半導体層上に形成されたゲート電極とを具備し、
前記フィールドプレート電極はソース電極と電気的に接続されており、
前記第3の半導体層のドレイン電極側の端部が、ゲート電極のドレイン電極側の端部からドレイン電極側に延長されており、第3の半導体層はドレイン電極側の端部がフィールドプレート電極の下部に位置するように形成され、
前記フィールドプレート電極の下部に位置する絶縁膜の厚さをt、絶縁膜の比誘電率をεiとし、第2の半導体層の比誘電率をεs、第3の半導体層のドレイン電極側の端部からフィールドプレート電極のドレイン電極側の端部までの距離をLとしたときに、絶縁膜の厚さtが下記に示す関係
εst>εiL
を満足するように設定されているパワー半導体素子。A first semiconductor layer made of non-doped Al X Ga 1-X N (0 ≦ X ≦ 1);
A second semiconductor layer made of non-doped or n-type Al Y Ga 1-Y N (0 ≦ Y ≦ 1, X <Y) formed on one surface of the first semiconductor layer;
A third semiconductor layer made of the second p-type selectively formed on the semiconductor layer Al Z Ga 1-Z N ( 0 ≦ Z ≦ 1),
A drain electrode formed on the second semiconductor layer located on one side of both sides of the third semiconductor layer;
A source electrode formed on the second semiconductor layer located on the other side of both sides of the third semiconductor layer;
An insulating film formed on the second semiconductor layer at a position adjacent to the third semiconductor layer at least between the third semiconductor layer and the drain electrode;
A field plate electrode formed on the insulating film;
A gate electrode formed on the third semiconductor layer,
The field plate electrode is electrically connected to the source electrode;
The end of the third semiconductor layer on the drain electrode side extends from the end of the gate electrode on the drain electrode side to the drain electrode side, and the end of the third semiconductor layer on the drain electrode side has a field plate electrode. Formed to be located at the bottom of the
The thickness of the insulating film located below the field plate electrode is t, the relative dielectric constant of the insulating film is ε i , the relative dielectric constant of the second semiconductor layer is ε s , and the drain electrode side of the third semiconductor layer from end a distance to the end of the drain electrode side of the field plate electrode when L, the relationship ε s t> ε i L of the thickness t of the insulating film is shown below
Power semiconductor elements that are set to satisfy
前記第1の半導体層上に形成されたノンドープもしくはn型のAlYGa1−YN(0≦Y≦1、X<Y)からなる第2の半導体層と、
前記第2の半導体層上に選択的に形成されたp型のAlZGa1−ZN(0≦Z≦1)からなる第3の半導体層と、
前記第2の半導体層上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成されたフィールドプレート電極と、
前記第3の半導体層の両側のうち一方側に位置する前記第2の半導体層上に形成されたカソード電極と、
前記第3の半導体層の両側のうち他方側に位置する前記第2の半導体層上及び前記第3の半導体層上に渡って形成され、前記第3の半導体層の前記他方側に位置する前記第2の半導体層とショットキー接合を形成するアノード電極とを具備し、
前記第3の半導体層は、カソード側の端部がフィールドプレート電極の下部に位置するように形成され、
前記フィールドプレート電極の下部に位置する絶縁膜の厚さをt、絶縁膜の比誘電率をεiとし、第2の半導体層の比誘電率をεs、第3の半導体層のカソード電極側の端部からフィールドプレート電極のカソード電極側の端部までの距離Lとしたときに、絶縁膜の厚さtが下記に示す関係
εst>εiL
を満足するように設定されているパワー半導体素子。A first semiconductor layer made of non-doped Al X Ga 1-X N (0 ≦ X ≦ 1);
A second semiconductor layer made of non-doped or n-type Al Y Ga 1-Y N (0 ≦ Y ≦ 1, X <Y) formed on the first semiconductor layer;
A third semiconductor layer made of the second p-type selectively formed on the semiconductor layer Al Z Ga 1-Z N ( 0 ≦ Z ≦ 1),
An insulating film formed on the second semiconductor layer;
A field plate electrode formed on the insulating film;
A cathode electrode formed on the second semiconductor layer located on one side of both sides of the third semiconductor layer ;
Wherein said third being the located on the other side of the both sides of the semiconductor layer on the second semiconductor layer and formed over said third semiconductor layer, positioned on the other side of said third semiconductor layer A second semiconductor layer and an anode electrode forming a Schottky junction ;
The third semiconductor layer is formed such that the cathode side end is positioned below the field plate electrode,
The thickness of the insulating film positioned below the field plate electrode is t, the relative dielectric constant of the insulating film is ε i , the relative dielectric constant of the second semiconductor layer is ε s , and the cathode side of the third semiconductor layer is from end when the distance L to the end of the cathode electrode side of the field plate electrode, the relationship ε s t> ε i L of the thickness t of the insulating film is shown below
Power semiconductor elements that are set to satisfy
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