JP4477191B2 - Insulated gate semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、GaN系化合物半導体からなり、高耐圧で耐雑音性に優れた絶縁ゲート型半導体装置に関する。
【0002】
【関連する背景技術】
MOS型の電界効果トランジスタ(MOS-FET)は、金属・酸化膜・半導体により構成された絶縁ゲート構造を有する半導体装置であり、電界効果によりゲート電極下のチャネル領域におけるキャリア密度を制御し、これによってソース・ドレイン領域間に流れる電流IDを制御する如く構成される。
【0003】
この種のMOS-FETにおいて、特に大電力用のパワーFETにおいては、その重要なパラメータの1つであるソース・ドレイン間のオン抵抗、即ち、ゲート電極下のチャネルの抵抗を十分に小さくすることが必要である。ちなみにチャネルの抵抗を小さくするには、その長さLを短くし、且つチャネルの幅Wを広くし、更にはチャネルの厚みdを大きくすればよい。しかしながらチャネルの長さLとその幅Wは、素子構造を実現する上でのパターン設計により対処可能であるが、その厚みdについてはゲート電極に加えられる電圧とチャネル領域が形成される半導体層のキャリア濃度により決定され、一般的には1μm程度と極めて薄い。この為、チャネルの厚みdを大きくするには、例えば不純物の二重拡散処理等によってそのキャリア濃度を高くする必要があり、製造プロセスが複雑化することが否めない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで最近、GaN,AlGaN,InGaAlN等のナイトライド系の化合物半導体が注目されている。この種のGaN系の化合物半導体は、従来のGaAsやSi等の半導体に比較して動作時のオン抵抗が1桁以上小さく、高温動作、高耐圧・大電流動作可能なことが理論的に解明されてきた。
【0005】
しかしながらGaN系の化合物半導体を用いた半導体装置の製造プロセスについては未だに研究開発の途上にあり、如何にして絶縁ゲート構造をなす半導体装置を実現するかと言う点で種々の課題が残されている。しかもチャネルの抵抗を小さくした場合、一般的にノイズに対して誤動作し易くなる等の不具合が生じる等の問題がある。ちなみにSi系のMOS-FETにおいては、チャネル領域が形成される基板に対してソース領域を短絡することで、ソース・ドレイン間にダイオードを形成し、これによって耐雑音性を確保することが行われている。しかしGaN系の化合物半導体においてはどのようにしてダイオードを設けるかについても課題が残されている。
【0006】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、GaN系化合物半導体からなり、高耐圧で耐雑音性に優れた絶縁ゲート型半導体装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するべく本発明に係る絶縁ゲート型半導体装置は、チャネル領域が形成されるゲート近傍の半導体層の長さを短くすることでチャネル長を短くし手そのオン抵抗を低減し、また絶縁ゲート構造をなす半導体層にゲート電極とソース電極との間に並列接続されるpn接合ダイオードを形成したことを特徴とするものである。
【0008】
特に本発明は請求項1に記載するように、低不純物濃度のGaN系半導体からなる第1の半導体層と、この第1の半導体層とは逆導電性の高不純物濃度のGaN系半導体からなり、上記第1の半導体層に埋め込み形成された第2の半導体層と、前記第1の半導体層と同導電性の高不純物濃度のGaN系半導体からなり、前記第2の半導体層に埋め込み形成されてソース領域をなすと共に、前記第2の半導体に形成されるチャネル領域の長さを規定する第3の半導体層と、前記第1の半導体層と同導電性の高不純物濃度のGaN系半導体からなり、前記第2の半導体層から離反して第1の半導体層に埋め込み形成されて、若しくは前記第1の半導体層の裏面に設けられて前記ドレイン領域を形成してなる第4の半導体層と、前記第2の半導体層に形成されるチャネル領域の側部に埋め込み形成される該第2の半導体層とは逆導電性の第5の半導体層と、前記第5の半導体層に埋め込み形成されて前記ゲート電極に接続される前記第2の半導体層と同導電性の第6の半導体層とを備えてGaN系の絶縁ゲート構造を形成した半導体装置であって、前記GaN系の絶縁ゲート構造をなす半導体層に、ゲート電極とソース電極との間に並列接続されるpn接合ダイオードを形成し、前記pn接合ダイオードは、前記第5の半導体層と前記第6の半導体層との間に形成されるものであることを特徴とする。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の参考例に係るGaN系の絶縁ゲート型半導体装置であるパワーMOS‐FETについて説明する。
図1はこの参考例に係るGaN系半導体からなる絶縁ゲート型半導体装置の概略的な素子構造を示す図であり、図2はその概略的な製造手順を分解して示す図である。このMOS-FETは、例えばガスソース分子線エピタキシャル成長法(MBE)を用いてGaN系の半導体層を結晶成長させて製造されるが、有機金属気相化学堆積法(MOCVD)を用いて製造することも可能である。
【0011】
ちなみにこの参考例においては、成長室とパターニング室とを有する超高真空装置を備えたMBE装置を用いた。そしてGaN膜の形成には、そのGa源としてトリエチルガリウムやトリメチルガリウム等の有機金属ガスを用い、また窒素源としてジメチルヒドラジンが用いられる。但し、窒素源としてモノメチルヒドラジンやアンモニア等を用いることも勿論可能である。またn型のドーパントとしてモノシラン、p型のドーパントとしてジシクロペンタジエニルMg等の有機系のMgを用いた。
【0012】
さてこの参考例に係るGaNのMOS-FETは、先ず成長室内に導電性のp型導電性Si基板1を準備し、ラジカル化した窒素(4×10-4Pa≒3×10-6Torr)とGa(6.6×10-5Pa≒5×10-7Torr)とを用いて分子線エピタキシャル法により、成長温度640℃において前記Si基板1上に厚さ5nmのGaNバッファ層2を形成する。次いでこのGaNバッファ層2上に、Ga(1.3×10-4Pa≒1×10-6Torr)とアンモニア(6.6×10-3Pa≒5×10-5Torr)と用い、更にドーパントとしてSi(6.6×10-7Pa≒5×10-9Torr)を用いて第1の半導体層としてのn--GaN層3を3000nm厚に成長させる[図2(a)参照]。
【0013】
次いで上記n--GaN層3の表面にパターニングを行い、ソース電極を形成する領域に矩形状の溝を形成し、この溝内に第2の半導体層としてのキャリア濃度が2×1018cm-3からなる高不純物濃度のp-GaN層4を、1000nm厚に形成する[図2(b)参照]。このp-GaN層4の形成(成長)は、Ga(1.3×10-4Pa≒1×10-6Torr)とアンモニア(6.6×10-3Pa≒5×10-5Torr)と用い、更にドーパントとしてMg(1.3×10-8Pa≒8×10-10Torr)を用いて、成長温度850℃で行われる。
【0014】
しかる後、p-GaN層4を埋め込み形成してなるn--GaN層3の表面に更にパターニングを行い、ソース電極を形成する領域とドレイン領域を形成する領域とにそれぞれ溝を設ける。この場合、ソース電極を形成する領域には、既にp-GaN層4が埋め込み形成されているので、上記溝の一方はこのp-GaN層4に形成されることになる。特にp-GaN層4に形成する溝については、後述するゲート電極によって規定されてp-GaN層4に形成されるチャネルの長さが50nm程度、または50nm以下と短くなるように設けられる。
【0015】
このようにして溝を形成した後、これらの溝内にソース領域をなす第3の半導体層、およびドレイン領域をなす第4の半導体層としてのキャリア濃度が5×1018cm-3からなる高不純物濃度のn+-GaN層5,6を、例えば500nm厚にそれぞれ形成する[図2(c)参照]。これらのn+-GaN層5,6の形成は、Ga(1.3×10-4Pa≒1×10-6Torr)とアンモニア(6.6×10-3Pa≒5×10-5Torr)と用い、更にドーパントとしてSi(1.2×10-7Pa≒9×10-9Torr)を用いて、成長温度850℃で行われる。
【0016】
このようにして第1の半導体層であるn--GaN層3に、第2の半導体層としてのp-GaN層4を埋め込み形成し、更にこのp-GaN層4にソース領域をなす第3の半導体層としてのn+-GaN層5を、また上記p-GaN層4から離反させて前記n--GaN層3にドレイン領域をなす第4の半導体層としてのn+-GaN層6をそれぞれ埋め込み形成したならば、次にその表面をパターニングして図2(d)に示すように、n--GaN層3の前記p-GaN層4とn+-GaN層6との間に幅1μm程度の矩形状の溝7をエッチング形成する。そして溝7の上に絶縁ゲート膜8としてのSiO2を100nm厚に堆積形成する。
【0017】
しかる後、その表面に絶縁膜9を形成し、この絶縁膜9をパターニングしてソース領域をなすn+-GaN層5の表面、およびドレイン領域をなすn+-GaN層6の表面をそれぞれ露出させ[図2(e)参照]、図1に示すように絶縁ゲート膜8の表面にゲート電極Gを、またn+-GaN層5の表面にソース電極Sを、更にn+-GaN層6の表面にドレイン電極Dをそれぞれ蒸着形成する。
【0018】
かくしてこのようにして製造されて、図1に示す如き素子構造の絶縁ゲート構造をなす半導体装置によれば、p-GaN層4の絶縁ゲート膜8とn+-GaN層5とに挟まれた狭い領域がチャネル領域となる。そしてソース領域(n+-GaN層5)から上記チャネル領域(p-GaN層4)を介して溝7の下部のn--GaN層3に流れ込み、更にドレイン領域(n+-GaN層6)へと電流が横方向に流れるMOS-FETが実現される。特に上記チャネル領域は、絶縁ゲート膜8とn+-GaN層5とに挟まれたp-GaN層4の狭い領域に形成されるので、そのチャネル長Lを十分に短くすることができるので、GaN系半導体を用いたことと相俟って高耐圧で大電流を制御し得るパワーFETを実現することが可能となる。
【0019】
また上述した素子構造によれば、p-GaN層4に埋め込み形成されたn+-GaN層5と該p-GaN層4との間にpn接合ダイオード(ツェナーダイオード)10が形成され、このpn接合ダイオード10はソース・ゲート間に並列に作用することになる。この結果、このpn接合ダイオード10によってソース電極S等にスパイク性の高電圧からなる雑音が加わっても、その電圧が押さえ込まれるので、雑音による誤動作が効果的に防止される。従って高耐圧で耐雑音性に優れた溝型短チャネルのパワーFETを実現することが可能となる。
【0020】
ところで上述した参考例は、横型構造の絶縁ゲート型FETであるが、本発明の実施の形態は、縦型構造の絶縁ゲート型FETとして実現することができる。この場合には、例えば図3に示すような素子構造とすればよい。この場合には特に図示しないが、例えばn型のSi基板を準備し、このSi基板上にラジカル化した窒素(4×10-4Pa≒3×10-6Torr)とGa(6.6×10-5Pa≒5×10-7Torr)を用いてGaNバッファ層を5nm厚に形成し、更にドーパントとしてSi(6.6×10-7Pa≒5×10-9Torr)を加えて上記GaNバッファ層上に成長温度850℃で、第1の半導体層としてSiドープのn--GaN層3を3000nm厚に成長させる。
【0021】
しかる後、このn--GaN層3のソース領域およびゲート部を形成すべき領域を選択的にエッチングして溝を形成し、この溝部分にGa(6.6×10-5Pa≒5×10-7Torr)とアンモニア(6.6×10-3Pa≒5×10-5Torr)、およびドーパントとしてMg(6.6×10-7Pa≒5×10-9Torr)を用いて、成長温度850℃で第2の半導体層としてのp-GaN層4を成長させる。
【0022】
次いでp-GaN層4のソース領域およびゲート部を形成すべき領域に溝を形成し、この溝内に第3の半導体層としてn+-GaN層5を成長させる。この際、上記ソース領域を形成すべき領域の側部にも溝を設け、上記n+-GaN層5の成長時に上記溝部にもn+-GaN層10を同時に成長させ、pn接合ダイオードを形成するための第5の半導体層とする。これらのn+-GaN層5,10の形成は、Ga(6.6×10-4Pa≒5×10-7Torr)とアンモニア(6.6×10-3Pa≒5×10-5Torr)と用い、更にドーパントとしてMg(6.6×10-7Pa≒5×10-9Torr)を用いて、成長温度850℃で行われる。
【0023】
その後、n+-GaN層10に選択的に溝を形成し、その溝部にGa(6.6×10-5Pa≒5×10-7Torr)とアンモニア(6.6×10-3Pa≒5×10-5Torr)、およびドーパントとしてMg(6.6×10-7Pa≒5×10-9Torr)を用いて、前述したpn接合ダイオードを形成する為の第6の半導体層としてp-GaN層11を成長させる。
【0024】
しかる後、上述したエピタキシャル層の表面全体に保護膜としてのSiO2を熱化学堆積法にて100nm厚程度に堆積させ、これをパターニングして前記p-GaN層11の表面、および前述したソース領域をなすn+-GaN層5の表面をそれぞれ選択的に露出させる。パターニングにより上記n+-GaN層5の表面を露出させるに際しては、n+-GaN層5の縁部のp-GaN層4が若干露出するようにする。そしてこれらの露出させたn+-GaN層5の表面、およびp-GaN層11の表面に、図3に示すようにソース電極Sおよび補助電極Bをそれぞれ蒸着形成し、また前記n+-GaN層5の表面に堆積させた絶縁ゲート膜8の上面にゲート電極Gを蒸着形成する。そしてこのゲート電極Gと前述した補助電極Bとを電気的に接続し、前記n+-GaN層10とp-GaN層11とにより構成されるpn接合ダイオードをゲート電極Gとソース電極Sとの間に並列接続する。
【0025】
その後、前述したSi基板とGaNバッファ層とを除去し、Siドープのn--GaN層3の裏面側にドレイン領域をなすn+-GaN層6を形成した後、このn+-GaN層6の裏面側にドレイン電極Dを形成する。尚、上記n+-GaN層6については、前述したSiドープのn--GaN層3の成長に先立ってGaNバッファ層の上に形成しておき、このn+-GaN層6の上にSiドープのn--GaN層3を成長させるようにしても良い。
【0026】
かくしてこのようにして製造されるGaN系の半導体装置によれば、その表面に形成されたソース領域から、裏面側に設けられたドレイン領域へと電流が流れる縦型構造のMOS-FETが実現される。そしてそのチャネル長は、専ら、n+-GaN層5の表面からp-GaN層4の表面へと突出して設けられたソース電極Sの突出長により規定されて十分に短いものとなる。そしてこのような縦型の絶縁ゲート構造をなす半導体層の、特にp-GaN層4に埋め込み形成されたn+-GaN層10とp-GaN層11とにより構成されるpn接合ダイオード10が、ゲート電極Gとソース電極Sとの間に並列に作用することになるので、先の実施形態と同様にその耐雑音性を十分に高めることが可能となる。
【0027】
ちなみにこのようにして製作された短チャネル構造のGaN系のパワーMOS-FETにおいては、いずれも500V以上の耐圧を有し、30mV以下のオン電圧で確実に動作することが確認された。また100V程度のパルス性ノイズに対しても誤動作しないことが確認され、ここに耐圧の高い、耐雑音性に優れたパワーMOS-FETをGaN系半導体を用いて実現することができた。
【0028】
尚、このような素子構造を有するパワーMOS-FETは、例えば図4に示すように蛍光灯を駆動するインバータ回路を構築する上で有用である。即ち、この種のインバータ回路においては、そのバラスト回路の周波数特性がランプの点灯の有無により急激に変化し、ランプの不点灯時に点灯周波数から保護周波数に移行する過渡状態において、その進相電流がパワーMOS-FETに流れ込む。するとパワーMOS-FETの寄生ダイオードに流れる貫通電流により、該パワーMOS-FETが破壊する虞が生じる。しかしながら上述した素子構造のGaN系のパワーMOS-FETによれば、高耐圧で損失が少なく、また耐雑音性にも優れるので、上述した不具合の懸念がなく、蛍光灯を駆動するインバータ回路を構築するに適している等の効果が奏せられる。
【0029】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。ここではpチャネル型のMOS-FETを例に説明したが、半導体層の導電性を逆にすることでnチャネル型のMOS-FETを構築することも勿論可能である。またここでは、n層にGaNを用いたが、Si等をドープしたInGaN,InGaAlN,AlGaN,InGaNAs,InGaNP等を用いるようにしても良い。同様にしてp層として、MgドープのInGaN,InGaAlN,AlGaN,InGaNAs,InGaNP等を用いることができる。更には導電性基板としてSiのみならず、SiC,GaAs,GaPGaN等の導電性基板を用いることも可能である。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【0030】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、GaN系の化合物半導体を用いて短チャネル型の絶縁ゲート構造を有する半導体装置を実現し、更にその半導体素子構造中にソース・ゲート間に並列に作用するpn接合ダイオードを備えたものとなっている。こり故、GaN系の半導体が有する高耐圧でオン抵抗が小さいと言う利点を活かしながら、耐雑音性に優れた素子構造の大電力用半導体装置を構築することができ、インバータ回路を構成するに好適である等の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 参考例に係るGaN系の絶縁ゲート型半導体装置の概略的な素子構造を示す図。
【図2】 図1に示す絶縁ゲート型半導体装置の概略的な製造手順を分解して示す図。
【図3】 本発明の実施形態に係る縦型構造の絶縁ゲート型半導体装置の概略的な素子構造を示す図。
【図4】 この発明に係る絶縁ゲート型半導体装置を用いて構成される蛍光灯駆動用のインバータ回路の例を示す図。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an insulated gate semiconductor device made of a GaN compound semiconductor and having high breakdown voltage and excellent noise resistance.
[0002]
[Related background]
A MOS field effect transistor (MOS-FET) is a semiconductor device having an insulated gate structure composed of a metal, an oxide film, and a semiconductor, and controls the carrier density in the channel region under the gate electrode by the field effect. Thus, the current I D flowing between the source and drain regions is controlled.
[0003]
In this type of MOS-FET, especially for high power power FETs, the on-resistance between the source and drain, that is, the resistance of the channel under the gate electrode, which is one of the important parameters, should be made sufficiently small. is required. Incidentally, in order to reduce the channel resistance, it is only necessary to shorten the length L, widen the channel width W, and further increase the channel thickness d. However, although the channel length L and its width W can be dealt with by pattern design for realizing the element structure, the thickness d is the voltage applied to the gate electrode and the semiconductor layer in which the channel region is formed. It is determined by the carrier concentration and is generally very thin, about 1 μm. For this reason, in order to increase the thickness d of the channel, it is necessary to increase the carrier concentration by, for example, a double diffusion process of impurities, and the manufacturing process cannot be denied.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Recently, nitride compound semiconductors such as GaN, AlGaN, InGaAlN and the like have attracted attention. This type of GaN-based compound semiconductor has a theoretically elucidated that the on-resistance during operation is one order of magnitude lower than that of conventional semiconductors such as GaAs and Si, and that it can operate at high temperature, high voltage and high current. It has been.
[0005]
However, the manufacturing process of a semiconductor device using a GaN-based compound semiconductor is still in the process of research and development, and various problems remain in how to realize a semiconductor device having an insulated gate structure. In addition, when the resistance of the channel is reduced, there is a problem that problems such as malfunctions with respect to noise generally occur. Incidentally, in a Si-based MOS-FET, a diode is formed between the source and drain by short-circuiting the source region with respect to the substrate on which the channel region is formed, thereby ensuring noise resistance. ing. However, a problem remains in how to provide a diode in a GaN-based compound semiconductor.
[0006]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an insulated gate semiconductor device made of a GaN compound semiconductor and having high breakdown voltage and excellent noise resistance.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the insulated gate semiconductor device according to the present invention shortens the channel length by reducing the length of the semiconductor layer in the vicinity of the gate where the channel region is formed, thereby reducing the on-resistance. In addition, a pn junction diode connected in parallel between a gate electrode and a source electrode is formed in a semiconductor layer having an insulated gate structure.
[0008]
In particular, according to the present invention, a first semiconductor layer made of a GaN-based semiconductor with a low impurity concentration and the first semiconductor layer are made of a GaN-based semiconductor with a high conductivity concentration of reverse conductivity. A second semiconductor layer embedded in the first semiconductor layer, and a high impurity concentration GaN-based semiconductor having the same conductivity as the first semiconductor layer, and embedded in the second semiconductor layer. Forming a source region and defining a length of a channel region formed in the second semiconductor, and a high impurity concentration GaN semiconductor having the same conductivity as the first semiconductor layer. A fourth semiconductor layer formed by being embedded in the first semiconductor layer away from the second semiconductor layer, or provided on the back surface of the first semiconductor layer to form the drain region; , Formed in the second semiconductor layer A fifth semiconductor layer having a conductivity opposite to that of the second semiconductor layer embedded in the side portion of the channel region to be formed, and the fifth semiconductor layer embedded in the fifth semiconductor layer and connected to the gate electrode A semiconductor device comprising a second semiconductor layer and a sixth semiconductor layer having the same conductivity and having a GaN-based insulated gate structure formed on the semiconductor layer having the GaN-based insulated gate structure; A pn junction diode connected in parallel with a source electrode is formed, and the pn junction diode is formed between the fifth semiconductor layer and the sixth semiconductor layer. To do.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A power MOS-FET which is a GaN-based insulated gate semiconductor device according to a reference example of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a view showing a schematic element structure of an insulated gate semiconductor device made of a GaN-based semiconductor according to this reference example , and FIG. 2 is an exploded view showing a schematic manufacturing procedure thereof. This MOS-FET is manufactured by crystal growth of a GaN-based semiconductor layer using, for example, a gas source molecular beam epitaxial growth method (MBE), and is manufactured using a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD). Is also possible.
[0011]
Incidentally, in this reference example , an MBE apparatus provided with an ultrahigh vacuum apparatus having a growth chamber and a patterning chamber was used. In forming the GaN film, an organic metal gas such as triethylgallium or trimethylgallium is used as the Ga source, and dimethylhydrazine is used as the nitrogen source. However, it is of course possible to use monomethylhydrazine, ammonia or the like as the nitrogen source. Further, monosilane was used as the n-type dopant, and organic Mg such as dicyclopentadienyl Mg was used as the p-type dopant.
[0012]
In the GaN MOS-FET according to this reference example , first, a conductive p-type
[0013]
Next, patterning is performed on the surface of the n − -
[0014]
Thereafter, patterning is further performed on the surface of the n − -
[0015]
After the grooves are formed in this manner, the carrier concentration of the third semiconductor layer forming the source region and the fourth semiconductor layer forming the drain region in these grooves is a high concentration of 5 × 10 18 cm −3. The n + -
[0016]
In this manner, the p −
[0017]
Thereafter, an insulating
[0018]
Thus, according to the semiconductor device manufactured as described above and having the insulated gate structure of the element structure as shown in FIG. 1, the insulating
[0019]
Further, according to the element structure described above, a pn junction diode (zener diode) 10 is formed between the n + -
[0020]
Incidentally, the reference example described above is an insulated gate FET having a lateral structure, but the embodiment of the present invention can be realized as an insulated gate FET having a vertical structure. In this case, for example, an element structure as shown in FIG. In this case, although not shown in particular, for example, an n-type Si substrate is prepared, and radical (4 × 10 −4 Pa≈3 × 10 −6 Torr) and Ga (6.6 ×) are prepared on the Si substrate. The GaN buffer layer is formed to a thickness of 5 nm using 10 −5 Pa≈5 × 10 −7 Torr), and Si (6.6 × 10 −7 Pa≈5 × 10 −9 Torr) is added as a dopant. at a growth temperature of 850 ° C. to GaN buffer layer, n of Si-doped as the first semiconductor layer - growing -
[0021]
Thereafter, the source region and the region where the gate portion of the n − -
[0022]
Next, a trench is formed in a region where the source region and gate portion of the p-
[0023]
Thereafter, a groove is selectively formed in the n + -
[0024]
Thereafter,
[0025]
Then removed and the Si substrate and the GaN buffer layer as described above, n of Si-doped - after forming the n + -
[0026]
Thus, according to the GaN-based semiconductor device manufactured in this way, a vertical structure MOS-FET in which current flows from the source region formed on the front surface to the drain region provided on the back surface side is realized. The The channel length is defined by the protruding length of the source electrode S provided so as to protrude from the surface of the n + -
[0027]
Incidentally, it was confirmed that the GaN-based power MOS-FETs having the short channel structure manufactured as described above have a breakdown voltage of 500 V or more and operate reliably at an ON voltage of 30 mV or less. Moreover, it was confirmed that no malfunction occurred even for pulse noise of about 100 V, and a power MOS-FET with high breakdown voltage and excellent noise resistance could be realized using a GaN-based semiconductor.
[0028]
The power MOS-FET having such an element structure is useful in constructing an inverter circuit for driving a fluorescent lamp, for example, as shown in FIG. That is, in this type of inverter circuit, the frequency characteristic of the ballast circuit changes abruptly depending on whether the lamp is lit or not, and in a transient state where the lighting frequency shifts to the protection frequency when the lamp is not lit, the phase advance current is It flows into the power MOS-FET. Then, there is a risk that the power MOS-FET may be destroyed due to a through current flowing in the parasitic diode of the power MOS-FET. However, the GaN-based power MOS-FET having the above-described element structure has a high withstand voltage, low loss, and excellent noise resistance. Therefore, there is no fear of the above-described problems, and an inverter circuit for driving a fluorescent lamp is constructed. The effect that it is suitable for doing etc. is produced.
[0029]
The present invention is not limited to the embodiment described above. Here, a p-channel MOS-FET has been described as an example, but it is of course possible to construct an n-channel MOS-FET by reversing the conductivity of the semiconductor layer. Here, GaN is used for the n layer, but InGaN, InGaAlN, AlGaN, InGaNAs, InGaNP, etc. doped with Si or the like may be used. Similarly, Mg-doped InGaN, InGaAlN, AlGaN, InGaNAs, InGaNP, or the like can be used as the p layer. Furthermore, it is possible to use not only Si but also a conductive substrate such as SiC, GaAs, and GaPGaN as the conductive substrate. In addition, the present invention can be variously modified and implemented without departing from the scope of the invention.
[0030]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a semiconductor device having a short channel type insulated gate structure is realized using a GaN-based compound semiconductor, and further, the semiconductor element structure acts in parallel between the source and the gate. A pn junction diode is provided. Therefore, it is possible to construct a high-power semiconductor device having an element structure excellent in noise resistance while utilizing the advantage that a GaN-based semiconductor has a high breakdown voltage and low on-resistance, and constitutes an inverter circuit. There are effects such as being suitable.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic element structure of a GaN-based insulated gate semiconductor device according to a reference example .
2 is an exploded view showing a schematic manufacturing procedure of the insulated gate semiconductor device shown in FIG. 1; FIG.
FIG. 3 shows a schematic device structure of an insulated gate semiconductor device of a vertical structure according to the implementation embodiments of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing an example of an inverter circuit for driving a fluorescent lamp configured using the insulated gate semiconductor device according to the present invention.
Claims (1)
この第1の半導体層とは逆導電性の高不純物濃度のGaN系半導体からなり、上記第1の半導体層に埋め込み形成された第2の半導体層と、
前記第1の半導体層と同導電性の高不純物濃度のGaN系半導体からなり、前記第2の半導体層に埋め込み形成されてソース領域をなすと共に、前記第2の半導体に形成されるチャネル領域の長さを規定する第3の半導体層と、
前記第1の半導体層と同導電性の高不純物濃度のGaN系半導体からなり、前記第2の半導体層から離反して第1の半導体層に埋め込み形成されて、若しくは前記第1の半導体層の裏面に設けられて前記ドレイン領域を形成してなる第4の半導体層と、
前記第2の半導体層に形成されるチャネル領域の側部に埋め込み形成される該第2の半導体層とは逆導電性の第5の半導体層と、
前記第5の半導体層に埋め込み形成されて前記ゲート電極に接続される前記第2の半導体層と同導電性の第6の半導体層と
を備えてGaN系の絶縁ゲート構造を形成した半導体装置であって、
前記GaN系の絶縁ゲート構造をなす半導体層に、ゲート電極とソース電極との間に並列接続されるpn接合ダイオードを形成し、
前記pn接合ダイオードは、前記第5の半導体層と前記第6の半導体層との間に形成されるものであることを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。A first semiconductor layer made of a low impurity concentration GaN-based semiconductor;
The first semiconductor layer is made of a GaN-based semiconductor having high conductivity and a reverse conductivity, and a second semiconductor layer embedded in the first semiconductor layer;
The first semiconductor layer is made of a GaN-based semiconductor having the same conductivity and high impurity concentration, is embedded in the second semiconductor layer to form a source region, and a channel region formed in the second semiconductor. A third semiconductor layer defining a length;
The first semiconductor layer is made of a GaN-based semiconductor having the same conductivity and high impurity concentration, and is embedded in the first semiconductor layer away from the second semiconductor layer, or of the first semiconductor layer. A fourth semiconductor layer provided on the back surface and forming the drain region ;
A fifth semiconductor layer having a conductivity opposite to that of the second semiconductor layer embedded in the side portion of the channel region formed in the second semiconductor layer;
A GaN-based insulated gate structure comprising: a second semiconductor layer embedded in the fifth semiconductor layer and connected to the gate electrode; and a sixth semiconductor layer having the same conductivity as the second semiconductor layer. A semiconductor device,
Forming a pn junction diode connected in parallel between the gate electrode and the source electrode in the semiconductor layer having the GaN-based insulated gate structure ;
The insulated gate semiconductor device , wherein the pn junction diode is formed between the fifth semiconductor layer and the sixth semiconductor layer .
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