特開 2022-160871 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022160871

(43)【公開日】2022-10-20

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/338 20060101AFI20221013BHJP

   H01L 29/423 20060101ALI20221013BHJP

   H01L 29/41 20060101ALI20221013BHJP

   H01L 21/337 20060101ALI20221013BHJP

   H01L 21/28 20060101ALI20221013BHJP

【ＦＩ】

H01L29/80 F

H01L29/80 H

H01L29/58 Z

H01L29/44 L

H01L29/80 C

H01L21/28 301B

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021065354

(22)【出願日】2021-04-07

(71)【出願人】

【識別番号】000191238

【氏名又は名称】日清紡マイクロデバイス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100177493

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 修

(72)【発明者】

【氏名】宮越 薫

(72)【発明者】

【氏名】河合 真吾

【テーマコード（参考）】

4M104

5F102

【Ｆターム（参考）】

4M104AA04

4M104AA07

4M104CC01

4M104FF01

4M104GG11

5F102FA01

5F102GB01

5F102GC01

5F102GD04

5F102GJ10

5F102GK04

5F102GK08

5F102GL04

5F102GM04

5F102GM07

5F102GQ02

(57)【要約】      （修正有）

【課題】オフ耐圧とオン抵抗とを独立に設定することが可能な半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置は、サファイアからなる基板１上にノンドープの窒化ガリウムからなるバッファ層２、窒化アルミニウムガリウムからなるｐ型半導体層３、窒化アルミニウムガリウムからなるノンドープ半導体層４およびノンドープ窒化ガリウムからなる上層半導体層５が積層形成している。ノンドープ半導体層４と上層半導体層５の界面に２次元電子ガス層が形成される。ゲート電極Ｇはｐ型半導体層３にオーミック接触し、ソース電極Ｓおよびドレイン電極Ｄは上層半導体層５にオーミック接触する。この半導体装置のオフ耐圧を高くするためノンドープ半導体層４を厚くしても、半導体装置のオン抵抗に影響を与えることはない。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板上に、第１の半導体からなるｐ型の第１半導体層と、該第１半導体層上に前記第１の半導体からなるノンドープの第２半導体層と、該第２半導体層上に前記第１の半導体のバンドギャップより小さいバンドギャップを有する第２の半導体からなる第３半導体層が積層し、
前記第１半導体層にゲート電極がオーミック接触し、前記第３半導体層にソース電極およびドレイン電極がそれぞれオーミック接触し、
前記第２半導体層と前記第３半導体層との界面にチャネルとなる２次元電子ガス層が形成されることを特徴とする半導体装置。

【請求項2】

請求項１記載の半導体装置において、
前記第２半導体層は、前記第１の半導体からなるノンドープの半導体層の代わりに、前記第１の半導体のバンドギャップより小さいバンドギャップを有し、かつ前記第２の半導体のバンドギャップより大きいバンドギャップを有する第３の半導体からなるノンドープの半導体層からなることを特徴とする半導体装置。

【請求項3】

請求項１又は請求項２いずれか記載の半導体装置において、
前記第１半導体層、前記第２半導体層および前記第３半導体層が、III－Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体装置に関し、特にヘテロ接合型の半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来のバンドギャップの異なる半導体層がヘテロ接合した半導体装置の断面図を図３に示す。図３に示す半導体装置は、サファイアからなる基板１０上に窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるバッファ層１１、窒化ガリウムからなるチャネル層１２、ノンドープの窒化アルミニウムガリウム（ＡlＧａＮ）からなるショットキ層１３が順次積層した構造となっている。このような構造の半導体装置では、チャネル層１２とショットキ層１３とからなるヘテロ接合界面直下に電子移動度が極めて大きい２次元電子ガス層からなるチャネルが形成される。図３に示す半導体装置では、ショットキ層１３にショットキ接合するゲート電極Ｇに印加する電圧を制御することにより、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄとの間を流れるキャリア（２次元電子ガス）を制御する構成となっている。

【0003】

ところで図３に示す半導体装置のように、窒化物半導体層（図３に示す例では窒化アルミニウムガリウムからなるショットキ層１３）上に接触して形成されるゲート電極Ｇのショットキ特性は、高いゲートリーク電流が発生し、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）で形成されるＨＥＭＴに比べ、ゲートリーク電流が２桁程度大きくなってしまうことが知られている。このリーク電流は、衝突イオン化のトリガーとなり高出力素子の窒化物半導体装置の重要なパラメータであるオフ耐圧（トランジスタがオフ状態の場合のドレイン耐圧）を低下させ、ワイドギャップ材料の高耐圧という性能を十分に引き出すことができなかった。

【0004】

このような課題を解決するため、バックゲート型の半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１）。図４はバックゲート型の半導体装置の断面図である。図４に示す半導体装置は、サファイアからなる基板２０上に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層２１、ｐ型の窒化ガリウムからなるｐ型半導体層２２、ｎ型の窒化アルミニウムガリウムからなるｎ型半導体層２３が順次積層した構造となっている。このような構造の半導体装置では、ｐ型半導体層２２とｎ型半導体層２３とからなるヘテロ接合界面直下に２次元電子ガス層からなるチャネルが形成される。このような構造の半導体装置では、ｐ型半導体層２２にオーミック接触するゲート電極Ｇに印加する電圧を制御することにより、ｎ型半導体層２３上にオーミック接触するソース電極Ｓとドレイン電極Ｄとの間を流れるキャリアを制御する構成となっている。

【0005】

またゲート電極Ｇをｐ型半導体層２２にオーミック接触する構造とすることで、ゲートリーク電流を低減している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００６－２１０７２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところで従来提案されている半導体装置は、所望の２次元電子ガス濃度とするためｎ型半導体層２３の不純物濃度は高く形成している。ここでｎ型半導体層２３の不純物濃度を高くすることは、オフ耐圧の低下を招いてしまう。そこで、オフ耐圧を高くするためｎ型半導体層２３の不純物濃度を低くすると、２次元電子ガス濃度が低くなりオン抵抗が高くなってしまう。このように従来の半導体装置は、オフ耐圧とオン抵抗がトレードオフの関係となっており、両者の両立は難しかった。本発明はこのような実状に鑑み、オフ耐圧およびオン抵抗を適宜設定することが可能な半導体装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、基板上に、第１の半導体からなるｐ型の第１半導体層と、該第１半導体層上に前記第１の半導体からなるノンドープの第２半導体層と、該第２半導体層上に前記第１の半導体のバンドギャップより小さいバンドギャップを有する第２の半導体からなる第３半導体層が積層し、前記第１半導体層にゲート電極がオーミック接触し、前記第３半導体層にソース電極およびドレイン電極がそれぞれオーミック接触し、前記第２半導体層と前記第３半導体層との界面にチャネルとなる２次元電子ガス層が形成されることを特徴とする。

【0009】

本願請求項２に係る発明は、請求項１記載の半導体装置において、前記第２半導体層は、前記第１の半導体からなるノンドープの半導体層の代わりに、前記第１の半導体のバンドギャップより小さいバンドギャップを有し、かつ前記第２の半導体のバンドギャップより大きいバンドギャップを有する第３の半導体からなるノンドープの半導体層からなることを特徴とする。

【0010】

本願請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２いずれか記載の半導体装置において、前記第１半導体層、前記第２半導体層および前記第３半導体層が、III－Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明の半導体装置は、オフ耐圧を決める第２半導体層の厚さと、オン抵抗を決める第３半導体層の不純物濃度および厚さとを、それぞれ独立に設定することができ、オフ耐圧の向上とオン抵抗の低減を両立して実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施形態の半導体装置の説明図である。

【図2】本発明の実施例の半導体装置の説明図である。

【図3】従来のヘテロ接合型半導体装置の説明図である。

【図4】従来のバックゲート型半導体装置の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明の半導体装置は、オフ耐圧の向上とオン抵抗の低減を両立することができる半導体装置である。以下、本発明の実施形態について説明する。

【0014】

図１は本実施形態の半導体装置の断面図である。図１に示すように基板１上にバッファ層２が積層し、バッファ層２上にｐ型半導体層３（第１半導体層に相当）が積層し、ｐ型半導体層３上にノンドープ半導体層４（第２半導体層に相当）が積層し、ノンドープ半導体層４上に表面半導体層５（第３半導体層に相当）が順次積層した構造となっている。

【0015】

ここでｐ型半導体層３とノンドープ半導体層４は、同一の半導体で構成しても、あるいはノンドープ半導体層４のバンドギャップがｐ型半導体層３のバンドギャップより小さくなる半導体を選択してもよい。ノンドープ半導体層４のバンドギャップは、上層半導体層５のバンドギャップより大きい材料の組み合わせとする。このような条件を満足する材料を選択することで、ノンドープ半導体層４と上層半導体層５とからなるヘテロ接合の直下に、２次元電子ガス層が形成可能となる。

【0016】

なお、ノンドープ半導体層４と上層半導体層５とからなるヘテロ接合の直下に２次元電子ガス層が形成可能であれば、上層半導体層５を構成する半導体の種類、不純物濃度、厚さ等は適宜設定することができる。また上層半導体層５は、単層の半導体層に限定されるものでもなく、少なくとも一部をノンドープ半導体層４よりバンドギャップの大きい半導体層を含むようにしてもよい。

【0017】

ゲート電極Ｇはｐ型半導体層３にオーミック接触し、ソース電極Ｓおよびドレイン電極Ｄは上層半導体層５にオーミック接触するように形成する。このようにゲート電極Ｇをオーミック接触する金属で形成することで、ゲートリーク電流を大幅に低減させることができる。ゲートリーク電流は、III-Ｖ族化合物半導体で構成される半導体装置において大きな課題であり、本発明の第１半導体層、第２半導体層および第３半導体層をIII-Ｖ族化合物半導体で構成した半導体装置に採用することは効果が大きい。

【0018】

次に上層半導体層５について説明する。この上層半導体層５を適宜選択することで、ノーマリーオン型あるいはノーマリーオフ型のいずれかの半導体装置を形成することができる。例えば、上層半導体層５をノンドープ半導体層で構成することで、ノーマリーオフ型の半導体装置を形成することができる。この場合、ゲート電極Ｇに所定の制御電圧を印加することで、キャリアとなる２次元電子ガス層がノンドープ半導体層４と上層半導体層５からなるヘテロ接合の直下に形成され、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄ間を流れる電流を制御することができる。

【0019】

また上層半導体層５をｎ型半導体で構成することで、ノーマリーオン型の半導体装置を形成することができる。この場合、ゲート電極Ｇに制御電圧が印加されない状態で、キャリアとなる次元電子ガス層がノンドープ半導体層４と上層半導体層５からなるヘテロ接合の直下に形成され、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄ間を流れる電流を制御することができる。

【0020】

ノーマリーオフ型の半導体装置の場合もノーマリーオン型の半導体装置の場合も、上層半導体層５の厚さや不純物濃度、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄとの間の寸法が変化しない場合、半導体装置のオン抵抗は所定の値となる。ここで、ノンドープ半導体層４の厚さが変化しても、半導体装置のオン抵抗に影響を与えることはない。

【0021】

一方オフ耐圧は、ノンドープ半導体層４の厚さで決まり、オフ耐圧を高くする場合には、ノンドープ半導体層４の厚さを厚くすればよい。上述の通り、ノンドープ半導体層４の厚さの変更は上述のキャリアの形成に何ら影響を与えない。即ち、オフ耐圧を高くするためノンドープ半導体層４の厚さを厚くしたとしても、半導体装置のオン抵抗は変わらないことになる。

【0022】

以上説明したように本発明の半導体装置は、オフ耐圧の向上とオン抵抗の低減を両立して実現することが可能となる。

【実施例0023】

次に本発明の実施例について説明する。図１に示す半導体装置と同様の構造の半導体装置について説明する。サファイアからなる基板１上にノンドープの窒化ガリウムからなるバッファ層２が積層し、バッファ層２上にｐ型窒化アルミニウムガリウムからなるｐ型半導体層３が積層し、ｐ型半導体層３上にノンドープの窒化アルミニウムガリウムからなるノンドープ半導体層４が積層し、ノンドープ半導体層４上にノンドープ窒化ガリウムからなる表面半導体層が順に積層した構造となっている。

【0024】

ここでｐ型半導体層３とノンドープ半導体層４は、同一の材料の半導体で構成しているので、ｐ型半導体層３とノンドープ半導体層４のバンドギャップは等しくなる。なおこの場合ｐ型半導体層３とノンドープ半導体層４は窒化アルミニウムガリウムであるので、アルミニウムの組成比を変化させれば、バンドギャップを変化させることができる。ノンドープ半導体層４の表面側（上層半導体層５側）のバンドギャップが小さくなるようなアルミニウムの組成比としても良い。なおアルミニウムの組成を変化させる場合であっても、表面半導体層５を構成する窒化ガリウムのバンドギャップより小さくなることはない。

【0025】

ゲート電極Ｇ、ソース電極Ｓおよびドレイン電極Ｄは、それぞれオーミック接触が形成される金属で形成する。

【0026】

図２は、上記構造の半導体装置のバンド図を示す。図２に示す例ではノーマリーオフ型の半導体装置であり、ゲート電極Ｇに印加する制御電圧を制御することで、ノンドープ半導体層４（ｉ‐ＡｌＧａＮ）と表面半導体層５（ｉ-ＧａＮ）との界面に２次元電子ガス層が形成され、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄ間を流れる電流を制御することができる。

【実施例0027】

上述の第１の実施例の変形例として表面半導体層５をｎ型の窒化ガリウムで構成することができる。この場合、ノンドープ半導体層４（ｉ‐ＡｌＧａＮ）と表面半導体層５（ｎ-ＧａＮ）との界面に２次元電子ガス層が形成され、キャリアが形成される。この２次元電子ガスはフェルミ準位以下に形成されるので、ノーマリーオン型の半導体装置とすることができる。