JP5406508B2 - 横型ｓｂｄ半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置、特に、高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility
Transistor、以下「ＨEMT」と記す）構造を有する横型ＳＢＤ半導体装置（横型ショットキーバリアダイオード半導体装置）に関する。

電力変換装置に使用される半導体素子、いわゆるパワーデバイスは、スイッチングパワーデバイスと整流素子とに大別される。電力変換装置の電源電圧に応じて使用される３００Ｖ、６００Ｖ、１２００Ｖ等の高耐圧スイッチングパワーデバイスとして、パワーＢＪＴ（Bipolar Junction Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のシリコン材料（Ｓｉ）を用いたデバイスが広く実用化されている。

他方、整流素子としては、シリコン材料を使用したＰＮ接合ダイオードとショットキーバリアダイオード（Schottky Barrier Diode、以下「ＳＢＤ」と記す）が、スイッチングパワーデバイスと同様に広く実用化されている。このように現状のパワーデバイスは、シリコン系パワーデバイスが主流であり、成熟した技術レベルに到達し、シリコン材料の物性限界に達する性能を発揮している。

このような状況の下において、デバイス単体として更に高性能化するためには、シリコン材料の物性限界を超える新しい材料を用いるパワーデバイスの実用化が期待されている。特に、高耐圧かつ高速の整流素子においては、高耐圧ＳＢＤが有力な候補となるが、シリコンを用いて高性能化を実現することは極めて困難である。そこで、従来広く使用されているシリコンや砒化ガリウム（ＧａＡｓ）と比較して、高い絶縁破壊電界強度、高い電子移動度、及び高い電子飽和速度等、優れた物性特性を有する炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１））に代表されるIII族窒化物半導体が、高耐圧ＳＢＤを実現するための材料として注目されている。

また、炭化珪素を用いるＳＢＤであるＳｉＣ−ＳＢＤについて、珪素を用いるＳＢＤであるＳｉ−ＳＢＤと同様な構造を有し、基板と垂直な方向に電流を流すＳｉＣ−縦型ＳＢＤが提案されている。このＳｉＣ−縦型ＳＢＤについて、Ｓｉ−ＳＢＤでは実現が困難である１０００Ｖ以上の高耐圧ＳＢＤが開発され、実用化段階に入っている。しかしながら、炭化珪素基板には、基板材料の結晶性に起因する問題があり、大電流ＳｉＣ−縦型ＳＢＤを実現することは困難である。また、炭化珪素基板が高価で低価格化が困難であることから、ＳｉＣ−縦型ＳＢＤを低価格化することは困難である。このため、シリコン系パワーデバイスに替えて、ＳｉＣ−縦型ＳＢＤを広い範囲で実用化するには至っていない。

他方、窒化アルミニウムガリウム（以下、「ＡｌＧａＮ」と記す）と窒化ガリウム（以下、「ＧａＮ」と記する）を用いるＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＳＢＤについては、価格の安いシリコン基板を用いることができ、このシリコン基板の上に窒化物化合物半導体層をエピタキシャル成長でき、このシリコン基板の大口径化が容易であるという、炭化珪素基板を用いるＳｉＣ−ＳＢＤでは得ることができない有利な効果を有する。

また、ＳＢＤは、電子のみを電気伝導キャリアとして利用するユニポーラデバイスであるので、電気伝導キャリアの蓄積効果がなく、本質的に高速動作が可能である。それらの特徴を生かして、高耐圧、大電流、高速性を実現する高性能ＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＳＢＤの研究開発が精力的に進められている。

図８は、従来のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＳＢＤ半導体装置の１例を示す。従来のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＳＢＤ半導体装置４１は、基板４２と、基板４２の上に設けられるＧａＮ半導体層４３（第１の半導体層）と、ＧａＮ半導体層４３の上に設けられ、ＧａＮ半導体層４３より大きなエネルギーバンドギャップを有するＡｌＧａＮ半導体層４４（第２の半導体層）とを備え、ＡｌＧａＮ半導体層４４と接するＧａＮの半導体層４３の表面に２次元電子ガス４５を誘起する。

また、従来の半導体装置４１は、ＡｌＧａＮ半導体層４４の上に設けられ、ＡｌＧａＮ半導体層４４とショットキー接触を有する第１の電極４６と、ＡｌＧａＮ半導体層４４の上に、第１の電極６と絶縁して設けられ、ＡｌＧａＮ半導体層４４とオーミック接触を有する第２の電極７とを備える。

特許文献１及び特許文献２は、それぞれ従来のＡｌＧａＮ／ＧａＡｓ−ＳＢＤ半導体装置の他の例を開示する。

特開２００７−１８０４５４号公報 特開２００７−３０５６０９号公報

ＳＢＤは、電子のみを電気伝導キャリアとして利用するユニポーラデバイスであるので、電気伝導キャリアの蓄積効果がなく、高速動作が可能である。しかしながら、ＳＢＤ自身が、容量、特にショットキー接合容量を有し、このショットキー接合容量の充放電が高速動作を妨げる要因となっている。

特に、横型ＳＢＤにおいては、大電流容量のＳＢＤを実現するために、半導体装置全体に効率的に電流を流すことが要求される。この要求を満たすために、横型ＳＢＤにおいては、アノード電極とカソード電極を交互に配置する櫛型電極構造が採用される。そのため、大電流容量のＳＢＤを設計する場合、櫛型電極の電極幅を広くすることが求められる。この電極幅の増大は、ショットキー接合面積の増大、すなわち、容量の増大をもたらし、高速動作の妨げになっている。

本発明は、このような従来の問題を解決し、ショットキー接合容量を低減し、高速動作が可能な横型ＳＢＤ半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の横型ＳＢＤ半導体装置は、基板と、前記基板の上に設けられた第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上に設けられ、前記第１の半導体層より大きなエネルギーバンドギャップを有し、前記第１の半導体層との界面に２次元電子ガスを誘起する第２の半導体層と、前記第２の半導体層の上に設けられ、前記第２の半導体層とショットキー接触を有するアノード電極と、前記第２の半導体層の上に、前記アノード電極と絶縁して設けられ、前記第２の半導体層とオーミック接触を有するカソード電極と、前記第２の半導体層にあって、前記アノード電極と前記第２の半導体層の接合面の直下の中央部領域に設けられ、前記アノード電極と前記第２の半導体層の接合面の直下の中央部領域に分布する前記２次元電子ガスを消失させる第１の半導体領域と、前記第２の半導体層にあって、前記アノード電極と前記第２の半導体層の接合面の直下の外周部領域に設けられ、前記２次元電子ガスを誘起し、前記アノード電極と前記カソード電極の間に電流を生じる第２の半導体領域と、を有することを特徴とする。

本発明の横型ＳＢＤ半導体装置は、前記半導体領域が、少なくとも前記第２の半導体層に形成されたプラズマ処理領域、前記第２の半導体層の凹部表面を有するリセス領域、又は、イオン注入領域のいずれかを含むことを特徴としても良い。

本発明の横型ＳＢＤ半導体装置は、前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層が、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群のうちの少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素とにより構成されることを特徴としても良い。

本発明により、ショットキー電極中央部の直下に、ショットキー電極の中央部の直下に分布する２次元電子ガスを消失させる半導体領域を設けることにより、ショットキー接合容量を低減することができ、高速動作が可能な横型ＳＢＤ半導体装置を提供することができる。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態の半導体装置を示す図である。本発明の実施形態の半導体装置１は、基板２と、基板２の上に設けられる第１の半導体層３と、第１の半導体層３の上に設けられ、第１の半導体層３より大きなエネルギーバンドギャップを有する第２の半導体層４とを備え、第２の半導体層４と接する第１の半導体層３の表面（第１の半導体層３と第２の半導体層４との界面）に２次元電子ガス５を誘起する。

また、本発明の実施形態の半導体装置１は、第２の半導体層４の上に設けられ、第２の半導体層４とショットキー接触を有する第１の電極６と、第２の半導体層４の上に、第１の電極６と絶縁して設けられ、第２の半導体層４とオーミック接触を有する第２の電極７と、第１の電極６の中央部の直下に設けられ、第１の電極６の中央部の直下に分布する２次元電子ガス５を消失させる半導体領域８とを備える。

本発明の実施形態の半導体装置１は、半導体領域８を備えることにより、第１の電極６の中央部の直下に分布する２次元電子ガス５を消失させことができる。第１の電極６の中央部の直下に分布する２次元電子ガス５を消失させることにより、ショットキー接合部の容量を低減し、高速動作が可能となる。

本発明の実施形態の半導体装置１の第１の電極６の中央部の直下に分布する２次元電子ガス５を消失させる半導体領域８は、プラズマ処理領域、第２の半導体層４の表面を凹状に除去したリセス領域、又は、イオン注入領域から構成される。プラズマ処理領域、第２の半導体層４の表面を凹状に除去したリセス領域、又は、イオン注入領域については、以下の本発明の実施例１〜６において説明する。

第１の半導体層３及び前記第２の半導体層４は、例えば、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群のうちの少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素により構成されます。これらの材料は１例であり、本発明は、本発明の構成及び効果を実現できる任意の半導体材料に適用される。

第１の半導体層３としてＧａＮ層、第２の半導体層４としてＡｌＧａＮ層を用いる場合を例として本発明の実施形態の半導体装置の実施例１〜６を以下に説明する。

図２に基づいて本発明の第１の実施例の半導体装置について説明する。本発明の第１の実施例の半導体装置１１は、基板２と、基板２の上に設けられ、ＧａＮからなる第１の半導体層３と、第１の半導体層３の上に設けられ、ＡｌＧａＮからなる第２の半導体層４とを有する。第１の半導体層３と第２の半導体層４とのヘテロ接合界面近傍に、分極電界により、２次元電子ガス５が誘起される。基板２として、サファイア基板、シリコン基板、又は、窒化物半導体基板が使用される。

本発明の第１の実施例の半導体装置１１は、第２の半導体層４の上に設けられ、第２の半導体層４とショットキー接触を有する第１の電極６と、第２の半導体層４の上で、第１の電極６と絶縁されて設けられ、第２の半導体層４とオーミック接触を有する第２の電極７とを有し、横型ＳＢＤを構成する。

そして、本発明の第１の実施例の半導体装置１１において、第１の電極６は、第２の半導体層４とショットキー接触を有するショットキー電極金属６ａと、ショットキー電極金属６ａの上に設けられショットキー電極金属６ａと接続されるアノード電極６ｂとを有する。また、第１の実施例の半導体装置１１において、第２の電極７は、第２の半導体層４とオーミック接触を有するオーミック電極金属７ａと、オーミック電極金属７ａの上に設けられオーミック電極金属７ａと接続されるカソード電極７ｂとを有する。

ショットキー電極金属６ａと接続されるアノード電極６ｂと、アノード電極６ｂの左右両側に配置され、オーミック電極金属７ａと接続されるカソード電極７ｂとは、フィールド絶縁層１２によって、分離及び絶縁される。フィールド絶縁層１２の厚さは、耐圧設計によって定められ、一般には数μｍ程度である。具体的なフィールド絶縁層１２の厚さは、例えば、６００Ｖ耐圧のＳＢＤの場合、少なくとも３μｍ必要である。

本発明の第１の実施例の半導体装置１１は、第１の電極６の中央部の直下に分布する２次元電子ガスを消失させる半導体領域８としてプラズマ処理領域８ａを備える。詳しく説明すると、第１の実施例の半導体装置１１は、第２の半導体層４の内で、第１の電極６の中央部の直下にプラズマ処理を施されたプラズマ処理領域８ａを備え、このプラズマ処理領域８ａが、第１の電極６の中央部の直下にあるＧａＮ層４内に分布するキャリアを消失させる。その結果、第１の電極６の中央部の直下に分布する２次元電子ガスを消失させることにより、ショットキー接合容量を低減することができる。

プラズマ処理領域８ａは、プラズマ処理によって形成される。プラズマ処理として、具体的には、例えば、フッ素プラズマに代表されるハロゲンガスのプラズマ処理が用いられる。ハロゲンガスのプラズマ処理によって、実際に２次元ガスを消失させることができる。プラズマ処理領域８ａを設けることにより、２次元電子ガスが消失するのは、負のハロゲンイオンにより２次元電子ガスが排除されるためと考えることができる。

横型ＳＢＤの場合、電流容量は半導体の横方向の抵抗、すなわち、２次元電子ガスのシート抵抗により定まる。このシート抵抗の値は、３００〜５００Ω／□程度である。この抵抗成分によって、実用的な電流レベルでは、第１の電極の両端に電流が集中的に流れ、第１の電極の直下の中央部分には電流がほとんど流れず、第１の電極の直下の中央部分は電流通路として機能しない。したがって、第１の実施例の半導体装置においては、第１の電極の中央部の直下に分布する２次元電子ガスが消失することにより、電流容量を低下させることなく、ショットキー接合容量を低減することができる。

図３に基づいて本発明の第２の実施例の半導体装置について説明する。本発明の第２の実施例の半導体装置１６は、基本的には、本発明の第１の実施例の半導体装置と同様な構成を有する。しかしながら、第１の実施例の半導体装置と相違して、第２の実施例の半導体装置１６は、第１の電極６の中央下部に電極絶縁層１８を備える。この電極絶縁層１８は、電極絶縁層１８専用の工程で形成されても良く、フィールド絶縁層１２と同一の工程で形成されても良い。電極絶縁層１８が、フィールド絶縁層１２と同一の工程で形成される場合には、電極絶縁層１８の厚さは、耐圧設計によって定められフィールド絶縁層１２の厚さと同じで、一般には数μｍ程度である。具体的な電極絶縁層１８の厚さは、例えば、６００Ｖ耐圧のＳＢＤの場合、３μｍ程度以上である。

本発明の第２の実施例の半導体装置１６は、第１の実施例の半導体装置と同様に、第１の電極６の中央部の直下に分布する２次元電子ガスを消失させる半導体領域８として、プラズマ処理領域８ａを備える。このプラズマ処理領域８ａが、第１の電極６の中央部の直下に分布する２次元電子ガスを消失させることにより、ショットキー接合容量を低減することができる。これに加えて、第２の実施例の半導体装置１６は、第１の電極６の中央下部に厚い電極絶縁層１８を備えるので、更にショットキー接合容量を低減することができる。

横型ＳＢＤの場合、電流容量は半導体の横方向の抵抗、すなわち、２次元電子ガスのシート抵抗により定まるので、第１の電極６の中央下部に電極絶縁層１８を設けても、電流容量を低下させることなく、ショットキー接合容量を更に低減することが可能となる。

図４に基づいて本発明の第３の実施例の半導体装置について説明する。本発明の第３の実施例の半導体装置２１は、基本的には、本発明の第１の実施例の半導体装置と同様な構成を有する。しかしながら、第１の実施例の半導体装置と相違して、第３の実施例の半導体装置２１は、第１の電極６の中央下部の直下に、凹部表面を有するリセス領域８ｂを備え、凹部表面を有するリセス領域８ｂの直下の２次元電子ガスを消失させる。２次元電子ガスを消失させることにより、電流容量を低減することなくショットキー接合容量を低減することができる。第２の半導体層４の凹部表面は、例えば、反応性イオンエッチングに代表されるドライエッチングにより形成される。

図５に基づいて本発明の第４の実施例の半導体装置について説明する。本発明の第４の実施例の半導体装置２６は、基本的には、本発明の第３の実施例の半導体装置と同様な構成を有する。しかしながら、第３の実施例の半導体装置と相違して、第４の実施例の半導体装置は、第１の電極６の中央下部に厚い電極絶縁層１８を備える。第４の実施例の半導体装置は、リセス領域８ｂと電極絶縁層１８とにより、電流容量を低下させることなく、ショットキー接合容量を更に低減することが可能となる。

なお、第３の実施例及び第４の実施例においては、リセス領域８ｂの表面にショットキー接合が形成されるわけではないので、リセス領域８ｂの表面を凹状に除去することのみによって２次元電子ガスを消失させるためには、リセス領域８ｂの凹部の深さを調節する必要がある。

図６に基づいて本発明の第５の実施例の半導体装置について説明する。本発明の第５の実施例の半導体装置３１は、基本的には、本発明の第１の実施例の半導体装置と同様な構成を有する。しかしながら、第５の実施例の半導体装置と相違して、第５の実施例の半導体装置は、第１の電極６の中央下部の直下にイオン注入領域８ｃを備え、イオン注入領域８ｃにおいて、第２の半導体層４の直下の２次元電子ガスを消失させる。これにより、第５の実施例の半導体装置は、電流容量を低下させることなく、ショットキー接合容量を低減することが可能となる。

イオン注入領域８ｃは、例えば、ボロンイオン（１１Ｂ＋）を、数１０〜数１００ｅＶの注入エネルギーで１０^１２／ｃｍ^２のドーズ量でイオン注入することにより形成される。このイオン種、注入エネルギー、ドーズ量の条件は１例であり、２次元電子ガスを消失させるのに適当なイオン種、注入エネルギー、ドーズ量の条件を選択することが可能である。

図７に基づいて本発明の第６の実施例の半導体装置について説明する。本発明の第６の実施例の半導体装置３６は、基本的には、本発明の第５の実施例の半導体装置と同様な構成を有する。しかしながら、第５の実施例の半導体装置と相違して、第６の実施例の半導体装置３６は、第１の電極６の中央下部に厚い電極絶縁層１８を備える。第６の実施例の半導体装置は、イオン注入領域８ｃと電極絶縁層１８とにより、電流容量を低下させることなく、ショットキー接合容量を更に低減することが可能となる。

本発明の実施形態に係る半導体装置の断面を示す図である。 本発明の第１の実施例に係る半導体装置の断面を示す図である。 本発明の第２の実施例に係る半導体装置の断面を示す図である。 本発明の第３の実施例に係る半導体装置の断面を示す図である。 本発明の第４の実施例に係る半導体装置の断面を示す図である。 本発明の第５の実施例に係る半導体装置の断面を示す図である。 本発明の第６の実施例に係る半導体装置の断面を示す図である。 従来の半導体装置を示す図である。

符号の説明

１：半導体装置、２：基板、３：第１の半導体層、４：第２の半導体層、５：２次元電子ガス、６：第１の電極、６ａ：ショットキー電極金属、６ｂ：アノード電極、７：第２の電極、７ａ：オーミック電極金属、７ｂ：カソード電極、８：半導体領域、８ａ：プラズマ処理領域、８ｂ：リセス領域、８ｃ：イオン注入領域、１１：半導体装置、１２：フィールド絶縁層、１６：半導体装置、１８：電極絶縁層、２１：半導体装置、２６：半導体装置、３１：半導体装置、３６：半導体装置、４１：半導体装置、４２：基板、４３：ＧａＮ層（第１の半導体層）、４４：ＡｌＧａＮ層（第２の半導体層）、４５：２次元電子ガス、４６：第１の電極、４７：第２の電極

Claims (3)

1. 基板と、
   前記基板の上に設けられた第１の半導体層と、
   前記第１の半導体層の上に設けられ、前記第１の半導体層より大きなエネルギーバンドギャップを有し、前記第１の半導体層との界面に２次元電子ガスを誘起する第２の半導体層と、
   前記第２の半導体層の上に設けられ、前記第２の半導体層とショットキー接触を有するアノード電極と、
   前記第２の半導体層の上に、前記アノード電極と絶縁して設けられ、前記第２の半導体層とオーミック接触を有するカソード電極と、
   前記第２の半導体層にあって、前記アノード電極と前記第２の半導体層の接合面の直下の中央部領域に設けられ、前記アノード電極と前記第２の半導体層の接合面の直下の中央部領域に分布する前記２次元電子ガスを消失させる第１の半導体領域と、
   前記第２の半導体層にあって、前記アノード電極と前記第２の半導体層の接合面の直下の外周部領域に設けられ、前記２次元電子ガスを誘起し、前記アノード電極と前記カソード電極の間に電流を生じる第２の半導体領域と、
   を有することを特徴とする横型ＳＢＤ半導体装置。
2. 前記半導体領域が、少なくとも前記第２の半導体層に形成されたプラズマ処理領域、前記第２の半導体層の凹部表面を有するリセス領域、又は、イオン注入領域のいずれかを含むことを特徴とする請求項１記載の横型ＳＢＤ半導体装置。
3. 前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層が、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群のうちの少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素とにより構成されることを特徴とする請求項１又は２記載の横型ＳＢＤ半導体装置。

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