JP5364760B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、III−V族窒化物半導体を用いた半導体装置に関し、コンタクト抵抗が小さいオーミック電極を備えたIII−V族窒化物半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device using a group III-V nitride semiconductor, and relates to a group III-V nitride semiconductor device including an ohmic electrode having a low contact resistance.
III−V族窒化物半導体とは、一般式がBwAlxGayInzN(w+x+y+z=1;0≦w,x,y,z≦1)によって表される、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、ガリウム(Ga)又はインジウム(In)と窒素(N)との化合物からなる化合物半導体をいう。 The III-V nitride semiconductor is aluminum (Al) or boron whose general formula is represented by B w Al x Ga y In z N (w + x + y + z = 1; 0 ≦ w, x, y, z ≦ 1) (B) refers to a compound semiconductor composed of a compound of gallium (Ga) or indium (In) and nitrogen (N).
III−V族窒化物半導体は大きいバンドギャップに基づく高い破壊電圧、高い電子飽和速度及び高い電子移動度等の利点並びにヘテロ接合における高い電子濃度等の利点を有するため、パワー用高耐圧大電力素子及びミリ波帯用高速素子等への応用を目的として、研究開発が進められている。とりわけ、互いのバンドギャップが異なるIII−V族窒化物半導体層を積層したヘテロ接合構造又はこれらを複数積層した量子井戸構造若しくは超格子構造は、素子内の電子濃度の変調度を制御することができるため、III−V族窒化物半導体を用いた素子の基本構造として利用されている。 The III-V nitride semiconductor has advantages such as a high breakdown voltage based on a large band gap, a high electron saturation speed and a high electron mobility, and a high electron concentration at the heterojunction. Research and development are underway for the purpose of application to high-speed devices for millimeter waves and the like. In particular, a heterojunction structure in which III-V nitride semiconductor layers having different band gaps are stacked, or a quantum well structure or superlattice structure in which a plurality of these are stacked can control the degree of modulation of electron concentration in the device. Therefore, it is used as a basic structure of a device using a III-V nitride semiconductor.
ヘテロ接合構造を有するIII−V族窒化物半導体を用いた半導体装置としては、例えば、ヘテロ接合電界効果トランジスタ(Heterojunction Field Effect Transistor:HFET)がある(例えば、特許文献1を参照)。 As a semiconductor device using a group III-V nitride semiconductor having a heterojunction structure, for example, there is a heterojunction field effect transistor (HFET) (see, for example, Patent Document 1).
HFETは例えば、基板の上に順次形成された窒化ガリウム(GaN)からなる動作層と、アンドープの窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)からなる障壁層と、障壁層の上に形成されたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極とを備えている。 The HFET is, for example, an operation layer made of gallium nitride (GaN) sequentially formed on a substrate, a barrier layer made of undoped aluminum gallium nitride (AlGaN), and a source electrode and a drain electrode formed on the barrier layer. And a gate electrode.
AlGaNは、GaNと比べてバンドギャップが大きいため、動作層と障壁層とのヘテロ接合界面には、AlGaNとGaNとの自発分極量差及びピエゾ分極量差に由来する電子、障壁層内に必要に応じてドープされたn型不純物に由来する電子並びに半導体層内の他の制御不能な欠陥に由来する電子等が高濃度に蓄積し、2次元電子ガス層(2DEG)が形成される。2DEG層は、電界効果トランジスタのチャネルキャリアとして動作する。 AlGaN has a larger band gap than GaN, so the heterojunction interface between the working layer and the barrier layer requires electrons from the difference in spontaneous polarization and difference in piezoelectric polarization between AlGaN and GaN, and is required in the barrier layer. Accordingly, electrons derived from the n-type impurity doped, electrons derived from other uncontrollable defects in the semiconductor layer, etc. accumulate at a high concentration to form a two-dimensional electron gas layer (2DEG). The 2DEG layer operates as a channel carrier of the field effect transistor.
また、ヘテロ接合界面を形成するように積層されたIII−V族窒化物半導体層の上に、カソード(オーミック)電極及びアノード電極を形成すれば、2DEG層がダイオードのチャネルキャリアとして動作するショットキーバリアダイオード(SBD)が得られる(例えば、特許文献2を参照。)。 Further, if a cathode (ohmic) electrode and an anode electrode are formed on a group III-V nitride semiconductor layer laminated so as to form a heterojunction interface, the 2DEG layer operates as a channel carrier of the diode. A barrier diode (SBD) is obtained (see, for example, Patent Document 2).
III−V族窒化物半導体を用いた半導体装置をパワー用の高耐圧素子やミリ波帯用の高速素子として応用するためには、オーミック電極部分のコンタクト抵抗を低減し、オン抵抗を下げることが求められる。しかし、従来のHFET及びSBD等においては、ソースドレイン電極又はカソード電極がアンドープのAlGaN層の上に形成されている。このため、電子は、アンドープのAlGaN層のポテンシャル障壁を越えて2DEG層に到達しなければならないため、コンタクト抵抗が大きくなる。 In order to apply a semiconductor device using a group III-V nitride semiconductor as a high-voltage element for power or a high-speed element for the millimeter wave band, it is necessary to reduce the contact resistance of the ohmic electrode portion and lower the on-resistance. Desired. However, in the conventional HFET, SBD, etc., the source / drain electrode or the cathode electrode is formed on the undoped AlGaN layer. For this reason, since electrons must reach the 2DEG layer beyond the potential barrier of the undoped AlGaN layer, the contact resistance increases.
コンタクト抵抗を低減する方法としては、例えば、最表面の障壁層にリセス部を形成し且つ形成したリセス部にオーミックコンタクト層を形成し、オーミックコンタクト層の上にオーミック電極を形成するリセスオーミック構造が知られている(例えば、特許文献3を参照。)。また、導電性を有する不純物を障壁層の表面に導入することによりコンタクト抵抗を低減する方法が知られている(例えば、特許文献4、5を参照)。
As a method for reducing the contact resistance, for example, there is a recess ohmic structure in which a recess is formed in the outermost barrier layer, an ohmic contact layer is formed in the formed recess, and an ohmic electrode is formed on the ohmic contact layer. It is known (for example, refer to Patent Document 3). In addition, a method for reducing contact resistance by introducing an impurity having conductivity into the surface of a barrier layer is known (see, for example,
しかしながら、前記従来のリセスオーミック構造を有する半導体装置においても、障壁層のポテンシャル障壁が残存している。また、リセス部を形成する際のエッチングにより半導体層にエッチングダメージが生じたり、エッチングダメージにより2DEG層のキャリア濃度が低下したりするため、コンタクト抵抗の充分な低減を実現することができないという問題がある。 However, the potential barrier of the barrier layer remains in the conventional semiconductor device having the recess ohmic structure. In addition, the etching at the time of forming the recess portion causes etching damage to the semiconductor layer, or the carrier concentration of the 2DEG layer decreases due to the etching damage, so that the contact resistance cannot be sufficiently reduced. is there.
さらに、掘り込まれたリセス部分のエッチング停止位置を見極めることが困難であり、半導体装置の製造工程が複雑になり、歩留まりが低下するという問題もある。 Further, it is difficult to determine the etching stop position of the recessed portion that has been dug, and there is a problem that the manufacturing process of the semiconductor device becomes complicated and the yield decreases.
本発明は、前記従来の問題を解決し、コンタクト抵抗が小さいオーミック電極を備えたIII−V族窒化物半導体を用いた半導体装置を実現できるようにすることを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above-described conventional problems and to realize a semiconductor device using a group III-V nitride semiconductor having an ohmic electrode having a low contact resistance.
前記の目的を達成するため、本発明は半導体装置を、2次元電子ガス層と直接接触したオーミック電極を有する構成とする。 In order to achieve the above object, the present invention has a semiconductor device having an ohmic electrode in direct contact with a two-dimensional electron gas layer.
具体的に、本発明に係る本発明に係る半導体装置は、基板の上に形成され、2次元電子ガス層を有する第1のIII−V族窒化物半導体層と、第1のIII−V族窒化物半導体層の上に形成され、第1のIII−V族窒化物半導体と比べてバンドギャップが大きい第2のIII−V族窒化物半導体層と、下部が第2のIII−V族窒化物半導体層を貫通して形成され、第1のIII−V族窒化物半導体層における2次元電子ガス層よりも下側の領域に達するオーミック電極と、第1のIII−V族窒化物半導体層及び第2のIII−V族窒化物半導体層におけるオーミック電極と接する部分に、導電性を有する不純物が導入されて形成された不純物ドープ層とを備えていることを特徴とする。 Specifically, a semiconductor device according to the present invention according to the present invention includes a first group III-V nitride semiconductor layer formed on a substrate and having a two-dimensional electron gas layer, and a first group III-V. A second group III-V nitride semiconductor layer formed on the nitride semiconductor layer and having a band gap larger than that of the first group III-V nitride semiconductor, and a lower portion thereof is a second group III-V nitride. An ohmic electrode formed through the physical semiconductor layer and reaching a region below the two-dimensional electron gas layer in the first group III-V nitride semiconductor layer, and the first group III-V nitride semiconductor layer And an impurity doped layer formed by introducing a conductive impurity in a portion in contact with the ohmic electrode in the second III-V nitride semiconductor layer.
本発明の半導体装置によれば、前記第1のIII−V族窒化物半導体層における前記2次元電子ガス層よりも下側の部分に達する開口部を埋めるように形成されたオーミック電極を備えているため、オーミック電極と2次元電子ガス層とが直接接触する。特に、電極と半導体層との接触面に、導電性を有する不純物が導入された不純物ドープ層を備えているため、電極と2次元電子ガス層とが点接触又は線接触ではなく、面接触することになる。従って、電子が障壁層のポテンシャル障壁を越えることなく2次元電子ガス層に到達することができるので、コンタクト抵抗を大きく低減することができる。 According to the semiconductor device of the present invention, the first III-V group nitride semiconductor layer includes an ohmic electrode formed so as to fill an opening reaching a lower part of the two-dimensional electron gas layer. Therefore, the ohmic electrode and the two-dimensional electron gas layer are in direct contact. In particular, the contact surface between the electrode and the semiconductor layer is provided with an impurity doped layer into which an impurity having conductivity is introduced, so that the electrode and the two-dimensional electron gas layer are in surface contact instead of point contact or line contact. It will be. Accordingly, since electrons can reach the two-dimensional electron gas layer without exceeding the potential barrier of the barrier layer, the contact resistance can be greatly reduced.
本発明の半導体装置において、第2のIII−V族窒化物半導体層は、複数のIII−V族窒化物半導体膜が積層された積層構造を有していることが好ましい。 In the semiconductor device of the present invention, the second group III-V nitride semiconductor layer preferably has a stacked structure in which a plurality of group III-V nitride semiconductor films are stacked.
本発明の半導体装置において、オーミック電極は、互いに間隔をおいて2つ形成されており、第2のIII−V族窒化物半導体層の上における2つのオーミック電極同士の間の領域にはゲート電極が形成されていることが好ましい。このような構成とすることにより、コンタクト抵抗が小さいオーミック電極を備えた電界効果トランジスタを実現できる。 In the semiconductor device of the present invention, two ohmic electrodes are formed at a distance from each other, and a gate electrode is provided in a region between the two ohmic electrodes on the second group III-V nitride semiconductor layer. Is preferably formed. With such a configuration, a field effect transistor including an ohmic electrode having a small contact resistance can be realized.
本発明の半導体装置において、第2のIII−V族窒化物半導体層の上に形成された第3のIII−V族窒化物半導体層をさらに備え、オーミック電極は、さらに第3のIII−V族窒化物半導体層を貫通するように形成されていることが好ましい。このような構成とすることにより、キャップ層を有する半導体装置においても、コンタクト抵抗を大きく低減することができる。 The semiconductor device of the present invention further includes a third group III-V nitride semiconductor layer formed on the second group III-V nitride semiconductor layer, and the ohmic electrode further includes a third group III-V. It is preferably formed so as to penetrate the group nitride semiconductor layer. With such a configuration, the contact resistance can be greatly reduced even in a semiconductor device having a cap layer.
この場合において、第3のIII−V族窒化物半導体層は、複数のIII−V族窒化物半導体膜が積層された積層構造を有していることが好ましい。 In this case, the third group III-V nitride semiconductor layer preferably has a stacked structure in which a plurality of group III-V nitride semiconductor films are stacked.
この場合において、オーミック電極は、互いに間隔をおいて2つ形成されており、第2のIII−V族窒化物半導体層の上における2つのオーミック電極同士の間の領域にはゲート電極が形成されていることが好ましい。 In this case, two ohmic electrodes are formed at a distance from each other, and a gate electrode is formed in a region between the two ohmic electrodes on the second group III-V nitride semiconductor layer. It is preferable.
この場合において、第3のIII−V族窒化物半導体層は、2つのオーミック電極同士の間の領域に第2のIII−V族窒化物半導体層を露出するゲートリセス部を有し、ゲート電極は、ゲートリセス部に形成されていることが好ましい。 In this case, the third group III-V nitride semiconductor layer has a gate recess portion that exposes the second group III-V nitride semiconductor layer in a region between the two ohmic electrodes. It is preferable that the gate recess is formed.
この場合において、ゲート電極と第3のIII−V族窒化物半導体層との間に形成され、p型の導電性を有する第4のIII−V族窒化物半導体層をさらに備え、ゲート電極は、第4のIII−V族窒化物半導体層とオーミック接触をしていることが好ましい。 In this case, the semiconductor device further includes a fourth group III-V nitride semiconductor layer formed between the gate electrode and the third group III-V nitride semiconductor layer and having p-type conductivity, Preferably, the fourth group III-V nitride semiconductor layer is in ohmic contact.
本発明の半導体装置において、第2のIII−V族窒化物半導体層の上における、オーミック電極と異なる位置に形成され、第2のIII−V族窒化物半導体層とショットキー接触したアノード電極をさらに備えていることが好ましい。このような構成とすることによりコンタクト抵抗が小さいカソード電極を備えたショットキーバリアダイオードを実現できる。 In the semiconductor device of the present invention, an anode electrode formed at a position different from the ohmic electrode on the second group III-V nitride semiconductor layer and in Schottky contact with the second group III-V nitride semiconductor layer is provided. Furthermore, it is preferable to provide. With such a configuration, a Schottky barrier diode having a cathode electrode with low contact resistance can be realized.
本発明の半導体装置において、オーミック電極は、第2のIII−V族窒化物半導体層を貫通し且つ第1のIII−V族窒化物半導体層における2次元電子ガス層よりも下側に達する開口部を埋めるように形成され、開口部は、上部ほど幅が広くなるように壁面が傾斜していることが好ましい。このような構成とすることにより、オーミック電極を蒸着とリフトオフにより形成することが容易となり、信頼性が高い半導体装置を実現できる。 In the semiconductor device of the present invention, the ohmic electrode has an opening that penetrates the second group III-V nitride semiconductor layer and reaches a lower side than the two-dimensional electron gas layer in the first group III-V nitride semiconductor layer. It is preferable that the wall is inclined so that the width of the opening is wider toward the top. With such a configuration, it becomes easy to form the ohmic electrode by vapor deposition and lift-off, and a highly reliable semiconductor device can be realized.
本発明の半導体装置において、導電性を持つ不純物は、シリコンであることが好ましい。 In the semiconductor device of the present invention, the conductive impurity is preferably silicon.
本発明の半導体装置において、オーミック電極の下部は、前記第1のIII−V族窒化物半導体層における2次元電子ガス層よりも10nm以上の深さにまで形成されていることが好ましい。このような構成とすることにより、コンタクト抵抗を確実に低減できる。また、エッチングにより開口部を形成する際に、エッチングの停止位置を厳密に制御する必要がないため、半導体装置の製造が容易となる。 In the semiconductor device of the present invention, the lower portion of the ohmic electrode is preferably formed to a depth of 10 nm or more than the two-dimensional electron gas layer in the first III-V group nitride semiconductor layer. With such a configuration, the contact resistance can be reliably reduced. In addition, when the opening is formed by etching, it is not necessary to strictly control the etching stop position, which facilitates the manufacture of the semiconductor device.
本発明の半導体装置において、オーミック電極は、第2のIII−V族窒化物半導体層の上面に張り出した張り出し部を有し、張り出し部の長さは1μm以下であることが好ましい。このような構成とすることにより、張り出し部の影響により2次元電子ガス層のシート抵抗が上昇し、コンタクト抵抗が高くなることを抑えることができる。 In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that the ohmic electrode has a protruding portion protruding from the upper surface of the second group III-V nitride semiconductor layer, and the length of the protruding portion is 1 μm or less. With such a configuration, it is possible to suppress an increase in the sheet resistance of the two-dimensional electron gas layer due to the influence of the projecting portion and an increase in contact resistance.
本発明に係る半導体装置によれば、コンタクト抵抗が小さいオーミック電極を備えたIII−V族窒化物半導体を用いた半導体装置を実現できる。 According to the semiconductor device of the present invention, it is possible to realize a semiconductor device using a group III-V nitride semiconductor including an ohmic electrode having a small contact resistance.
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態について図面を参照して説明する。図1は本実施形態に係る半導体装置の断面構成を示している。図1に示すように本実施形態の半導体装置はヘテロジャンクション電界効果トランジスタ(HFET)である。基板11の上に、アンドープのGaNからなる動作層12と、GaNと比べてバンドギャップが大きいアンドープのAlxGa(1-x)N(0<x≦1)からなる障壁層13とが積層されている。動作層12と障壁層13とがヘテロ接合界面を形成するため、動作層12におけるヘテロ接合界面の近傍の領域には2次元電子ガス(2DEG)層が発生する。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of the semiconductor device according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the semiconductor device of this embodiment is a heterojunction field effect transistor (HFET). On the
障壁層13の上にはショットキー電極であるゲート電極16が形成され、ゲート電極16の両側にソース電極及びドレイン電極となるオーミック電極14が形成されている。ゲート電極16及びオーミック電極14を覆うように窒化硅素(SiN)からなる表面保護膜17が形成されている。
A
本実施形態のHFETにおいて、オーミック電極14は基部が、障壁層13を貫通し且つ動作層12における2DEG層よりも下側の領域に達するように形成されている。具体的には、障壁層13を貫通し且つ動作層12を掘り込むように形成された開口部に導電性材料が埋め込まれて形成されている。導電性材料を埋め込む開口部の深さは、2DEG層よりも深ければよく、2DEG層よりも10nm以上深くすればより低抵抗のオーミック電極を得ることができるため好ましい。また、後で述べるように、開口部の深さを2DEG層よりも10nm以上深くすることにより、コンタクト抵抗の値がほぼ一定となるため、開口部をエッチングにより形成する際に、エッチングの停止位置を厳密に制御する必要がなくなる。これにより、半導体装置を容易に製造することが可能となる。
In the HFET of this embodiment, the
また、動作層12及び障壁層13におけるオーミック電極14と接する部分には、シリコン等からなるn型ドーパントが導入されたn型の不純物ドープ層18が形成されている。このように、動作層12及び障壁層13におけるオーミック電極14と接する部分に不純物ドープ層18を形成することにより、コンタクト抵抗をさらに低減することができる。不純物ドープ層18に導入するシリコンの濃度は1×1019cm-3程度とすればよい。
Further, an n-type impurity doped
オーミック電極14を開口部に埋め込み、さらにオーミック電極14と動作層12及び障壁層13との界面にn型ドーパントを導入することにより、オーミック電極14と2DEG層とを直接広い面積でコンタクトさせることができるため、コンタクト抵抗を低減することができる。コンタクト抵抗を低減するためには、オーミック電極14の幅が開口部と完全に一致して形成され、障壁層13の上に張り出していないことが理想である。
The
図2はオーミック電極部分の断面を拡大して示すと共に、オーミック電極14と2DEG層との間に生じる抵抗を示している。オーミック電極14のコンタクト抵抗Rcは、オーミック電極と2DEG層とが直接接している部分の抵抗Rceと、オーミック電極が障壁層13を介して2DEG層と接している部分の抵抗Rcoと、2DEG層のシート抵抗Rsによって決まる。
FIG. 2 shows an enlarged cross section of the ohmic electrode portion and shows the resistance generated between the
図3に示すようにオーミック電極14の障壁層13の上に張り出した張り出し部14aの長さが長くなると、2DEG層のシート抵抗Rsが上昇してしまう。このため、トータルのコンタクト抵抗Rcの値が上昇してしまう。従って、張り出し部14aの長さはできるだけ短いことが好ましい。しかし、プロセス上完全に張り出し部14aをなくすことはできないため、1μm以下とすることが好ましい。
As shown in FIG. 3, when the length of the overhanging
また、開口部の壁面は、傾斜を有する形状とすることが好ましい。オーミック電極14は、障壁層13の上にレジスト膜を選択的に形成した後、金属材料を蒸着し、レジスト膜の上に蒸着された金属材料をレジスト膜と共に除去するリフトオフ法により形成することが一般的である。開口部の壁面を傾斜させることにより、開口部への金属材料の蒸着が容易となり、オーミック電極の開口部の壁面に対する密着性を向上させることができる。
Moreover, it is preferable that the wall surface of the opening has an inclined shape. The
図4は種々のバイアス電圧におけるHFETのドレイン電流とドレイン電圧との特性について本実施形態のHFETと従来のHFETとを比較して示している。どのようなバイアス条件においても、本実施形態のHFETは従来例と比べてオン抵抗が低く、電流値も高くなった。 FIG. 4 shows the characteristics of the drain current and drain voltage of the HFET at various bias voltages in comparison with the HFET of this embodiment and the conventional HFET. Under any bias conditions, the HFET of this embodiment has a lower on-resistance and a higher current value than the conventional example.
(第2の実施形態)
以下に、本発明の第2の実施形態について図面を参照して説明する。図5は第2の実施形態に係る半導体装置の断面構成を示している。図5において図1と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
(Second Embodiment)
The second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 5 shows a cross-sectional configuration of the semiconductor device according to the second embodiment. In FIG. 5, the same components as those of FIG.
図5に示すように本実施形態の半導体装置は、障壁層13の上に形成された、GaN又はAlyGa(1-y)N(0<y≦1)からなるキャップ層21を備えている。キャップ層21の導電型は、n型、p型及びi型のいずれでもよいが、本実施形態においてはp型の場合を例に説明する。
As shown in FIG. 5, the semiconductor device of this embodiment includes a
キャップ層21がp型の場合には、特に、電流コラプスを抑制する効果が得られる。しかし、p型のキャップ層21の上面と接するようにオーミック電極14を形成した場合には、コンタクト抵抗が大きく上昇してしまう。
When the
本実施形態のHFETは、ソース電極及びドレン電極であるオーミック電極14が、キャップ層21及び障壁層13を貫通し、動作層12を2DEG層の下側に至るまで掘り込むことにより形成した開口部を埋めるように形成されている。また、キャップ層21、障壁層13及び動作層12におけるオーミック電極14と接する部分には、シリコン等のn型不純物が導入された不純物ドープ層18が形成されている。
In the HFET of this embodiment, the
図6は開口部の深さとコンタクト抵抗率との関係を示している。図6に示すように開口部の深さが0nm、つまりキャップ層21の上面と接するようにオーミック電極14が形成されている場合には、1×10-3程度のコンタクト抵抗率を示している。これに対し、キャップ層21と障壁層13との界面に達する深さが15nmの開口部を形成し、障壁層13の上面と接するようにオーミック電極14を形成すると、コンタクト抵抗率は10分の1低下となり0.8×10-4程度の値を示す。さらに、開口部の深さを深くすることによりコンタクト抵抗率が低下し、開口部の深さが2DEG層よりも10nm程度深くなると、コンタクト抵抗率は1×10-5程度の値でほぼ一定となった。
FIG. 6 shows the relationship between the depth of the opening and the contact resistivity. As shown in FIG. 6, when the opening depth is 0 nm, that is, when the
このように、開口部を形成し、形成した開口部にオーミック電極を形成することによりオーミック電極のコンタクト抵抗の値を大きく低減できることが明らかである。この場合、開口部の深さを、2DEG層よりも10nm以上深くし、オーミック電極の基部が2DEG層よりも10nm以上下側に達するようにればコンタクト抵抗がより低下するため好ましい。また、開口部の深さを2DEG層よりも10nm以上深くすることにより、コンタクト抵抗の値がほぼ一定となるため、開口部をエッチングにより形成する際に、エッチングの停止位置を厳密に制御する必要がない。これにより、半導体装置を容易に製造することが可能となる。 Thus, it is clear that the contact resistance value of the ohmic electrode can be greatly reduced by forming the opening and forming the ohmic electrode in the formed opening. In this case, it is preferable that the depth of the opening is 10 nm or more deeper than the 2DEG layer and the base of the ohmic electrode reaches 10 nm or more lower than the 2DEG layer because the contact resistance is further reduced. Further, since the contact resistance value becomes substantially constant by making the depth of the opening 10 nm or more deeper than the 2DEG layer, it is necessary to strictly control the etching stop position when the opening is formed by etching. There is no. As a result, the semiconductor device can be easily manufactured.
以上のように、キャップ層が形成されている場合には、特にコンタクト抵抗を低減する効果が大きい。なお、キャップ層がp型の場合だけでなくn型又はアンドープの場合にも同様の効果が得られる。 As described above, when the cap layer is formed, the effect of reducing the contact resistance is particularly great. The same effect can be obtained not only when the cap layer is p-type but also when it is n-type or undoped.
(第3の実施形態)
以下に、本発明の第3の実施形態について図面を参照して説明する。図7は第3の実施形態に係る半導体装置の断面構成を示している。図7において図5と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
(Third embodiment)
The third embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 7 shows a cross-sectional configuration of the semiconductor device according to the third embodiment. In FIG. 7, the same components as those in FIG.
図7に示すように本実施形態の半導体装置は、ゲート電極16とキャップ層21との間に形成されたコントロール層22を備えている。コントロール層22は、p型の導電型を持つGaN又はAlzGa(1-z)N(0<z≦1)からなり、ゲート電極16とオーミック接触している。
As shown in FIG. 7, the semiconductor device of this embodiment includes a
コントロール層22はp型の導電型を有し、ゲート電極16とオーミック接触をしているため、コントロール層22と動作層12とがpnジャンクションを形成する。このため、ゲート電極16にバイアスを加えない状態においてもコントロール層22の直下には空乏層が形成される。その結果、コントロール層22が存在しない通常のショットキー接触をしたゲート電極を有するHFETにおいてはノーマリーオン(デプリッション)型トランジスタとなるのに対し、本実施形態のHFETはノーマリーオフ(エンハンスメント)型トランジスタとなる。特にパワー系電源回路ではスイッチとしてノーマリーオフ型トランジスタが必須であり、本実施形態はそのような用途に有効である。
Since the
(第4の実施形態)
以下に、本発明の第4の実施形態について図面を参照して説明する。図8は第4の実施形態に係る半導体装置の断面構成を示している。
(Fourth embodiment)
The fourth embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 8 shows a cross-sectional configuration of the semiconductor device according to the fourth embodiment.
図8に示すように本実施形態の半導体装置は、ショットキーバリアダイオード(SBD)である。基板11の上に、GaNからなる動作層12と、GaNと比べてバンドギャップが大きいAlxGa(1-x)N(0<x≦1)からなる障壁層13とが積層されている。動作層12と障壁層13とがヘテロ接合界面を形成するため、動作層12におけるヘテロ接合界面の近傍の領域には2DEG層が発生する。
As shown in FIG. 8, the semiconductor device of this embodiment is a Schottky barrier diode (SBD). On the
障壁層13を貫通し、動作層12における2DEG層よりも下側に達するようにカソード電極であるオーミック電極14が形成され、オーミック電極14を囲むようにショットキー電極であるアノード電極19が形成されている。オーミック電極14及びアノード電極19を覆うように窒化硅素(SiN)からなる表面保護膜17が形成されている。
An
本実施形態のおいても障壁層13及び動作層12におけるオーミック電極14と接する部分にはn型不純物が導入された不純物ドープ層18が形成されている。また、オーミック電極14が2DEG層の10nm以上下側に達するように形成することによりコンタクト抵抗をより低減できる。
Also in this embodiment, an impurity doped
図9はアノード電圧と電流密度との関係について本実施形態のSBDと従来のSBDとを比較して示している。図9に示すように本実施形態のSBDは、従来のSBDと比べて電流密度の値が高くなっており、コンタクト抵抗の値が小さくなっていることが明らかである。 FIG. 9 shows the relationship between the anode voltage and the current density by comparing the SBD of this embodiment with the conventional SBD. As shown in FIG. 9, it is clear that the SBD of this embodiment has a higher current density value and a smaller contact resistance value than the conventional SBD.
各実施形態において、障壁層、キャップ層及びコントロール層が、一枚の膜からなる例を示したが、障壁層、キャップ層及びコントロール層はそれぞれ、複数の膜が積層された積層構造を有していてもよい。 In each embodiment, an example in which the barrier layer, the cap layer, and the control layer are formed of a single film has been shown. However, each of the barrier layer, the cap layer, and the control layer has a stacked structure in which a plurality of films are stacked. It may be.
なお、オーミック電極及びショットキー電極は、一般的な材料を用いればよく、例えば、n型オーミック電極にはチタン(Ti)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)及び金(Au)の積層膜を用い、p型オーミック電極にはニッケル(Ni)、白金(Pt)及び金(Au)の積層膜を用い、ショットキー電極にはパラジウム(Pd)又はパラジウムシリコン合金(PdSi)及び金(Au)の積層膜を用いればよい。 Note that common materials may be used for the ohmic electrode and the Schottky electrode. For example, a laminated film of titanium (Ti), aluminum (Al), titanium (Ti), and gold (Au) is used for the n-type ohmic electrode. Used, a laminated film of nickel (Ni), platinum (Pt) and gold (Au) is used for the p-type ohmic electrode, and palladium (Pd) or palladium silicon alloy (PdSi) and gold (Au) are used for the Schottky electrode. A stacked film may be used.
本発明に係る半導体装置は、コンタクト抵抗が小さいオーミック電極を備えたIII−V族窒化物半導体を用いた半導体装置を実現でき、III−V族窒化物半導体を用いた半導体装置等として有用である。 The semiconductor device according to the present invention can realize a semiconductor device using a group III-V nitride semiconductor having an ohmic electrode having a low contact resistance, and is useful as a semiconductor device using a group III-V nitride semiconductor. .
11 基板
12 動作層
13 障壁層
14 オーミック電極
16 ゲート電極
17 表面保護膜
18 不純物ドープ層
19 アノード電極
21 キャップ層
22 コントロール層
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記第1のIII−V族窒化物半導体層の上に形成され、前記第1のIII−V族窒化物半導体層と比べてバンドギャップが大きいアンドープ又はn型の導電型を有する第2のIII−V族窒化物半導体層と、
前記第2のIII−V族窒化物半導体層の上に形成され、p型の導電型を有する第3のIII−V族窒化物半導体層と、
下部が前記第2のIII−V族窒化物半導体層及び第3のIII−V族窒化物半導体層を貫通して形成され、前記第1のIII−V族窒化物半導体層における前記2次元電子ガス層よりも下側の領域に達する第1のオーミック電極とを備えていることを特徴とする半導体装置。 An undoped first group III-V nitride semiconductor layer formed on a substrate and having a two-dimensional electron gas layer;
A second III having an undoped or n-type conductivity type formed on the first III-V nitride semiconductor layer and having a band gap larger than that of the first III-V nitride semiconductor layer. A group V nitride semiconductor layer;
A third group III-V nitride semiconductor layer formed on the second group III-V nitride semiconductor layer and having a p-type conductivity;
Lower is formed through the second group III-V nitride semiconductor layer and the third III-V nitride semiconductor layer, the two-dimensional electrons in the first group III-V nitride semiconductor layer A semiconductor device, comprising: a first ohmic electrode reaching a region below the gas layer.
前記第4のIII−V族窒化物半導体層の上に形成されたゲート電極とをさらに備えていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 Wherein formed on the third group III-V nitride semiconductor layer, and the fourth group III-V nitride semiconductor layer having p-type conductivity,
The semiconductor device according to claim 1, characterized by further comprising a gate electrode formed on the front Symbol fourth III-V nitride semiconductor layer.
前記第2のIII−V族窒化物半導体層はAlThe second group III-V nitride semiconductor layer is made of Al. xx GaGa (1−x)(1-x) N(0<x≦1)であり、N (0 <x ≦ 1),
前記第3のIII−V族窒化物半導体層はAlThe third group III-V nitride semiconductor layer is made of Al. yy GaGa (1−y)(1-y) N(0≦y≦1)であり、N (0 ≦ y ≦ 1),
前記第4のIII−V族窒化物半導体層はAl The fourth group III-V nitride semiconductor layer is made of Al. zz GaGa (1−z)(1-z) N(0≦z≦1)であることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 2, wherein N (0 ≦ z ≦ 1).
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