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JP6848746B2 - Semiconductor device - Google Patents
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本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。 The techniques disclosed herein relate to semiconductor devices.

図2に、非特許文献1に開示される半導体装置100を示す。この半導体装置100は、n型の窒化物半導体基板110、窒化物半導体基板110の表面に積層した窒化物半導体層120、窒化物半導体基板110の裏面を被覆するドレイン電極132、窒化物半導体層120の表面の一部を被覆するように設けられているソース電極134、及び、窒化物半導体層120の表面の一部を被覆するように設けられている絶縁ゲート部136を備える。窒化物半導体層120は、n型のドリフト領域121、n型の電流狭窄領域122、p型のp型埋設領域123、n型のソース領域124及びヘテロ接合領域127を有する。ヘテロ接合領域127は、n型の下側ヘテロ領域125及びアンドープの上側ヘテロ領域126を有する。上側ヘテロ領域126のバンドギャップは下側ヘテロ領域125のバンドギャップよりも広い。これにより、下側ヘテロ領域125と上側ヘテロ領域126のヘテロ接合面のうちの下側ヘテロ領域125側に2次元電子ガスが生成される。絶縁ゲート部136は、ヘテロ接合領域127の表面の全範囲に配置されており、ゲート絶縁膜136a及びゲート電極136bを有する。 FIG. 2 shows a semiconductor device 100 disclosed in Non-Patent Document 1. The semiconductor device 100 includes an n-type nitride semiconductor substrate 110, a nitride semiconductor layer 120 laminated on the surface of the nitride semiconductor substrate 110, a drain electrode 132 that covers the back surface of the nitride semiconductor substrate 110, and a nitride semiconductor layer 120. The source electrode 134 is provided so as to cover a part of the surface of the nitride semiconductor layer 120, and the insulating gate portion 136 is provided so as to cover a part of the surface of the nitride semiconductor layer 120. The nitride semiconductor layer 120 has an n-type drift region 121, an n-type current constriction region 122, a p-type p-type buried region 123, an n-type source region 124, and a heterojunction region 127. The heterojunction 127 has an n-type lower hetero region 125 and an undoped upper hetero region 126. The bandgap of the upper heteroregion 126 is wider than the bandgap of the lower heteroregion 125. As a result, a two-dimensional electron gas is generated on the lower hetero region 125 side of the heterojunction surfaces of the lower hetero region 125 and the upper hetero region 126. The insulated gate portion 136 is arranged over the entire surface of the heterojunction region 127, and has a gate insulating film 136a and a gate electrode 136b.

この半導体装置100がオンのときは、下側ヘテロ領域125に生成される2次元電子ガスを経由してソース領域124から電流狭窄領域122に電子が流入する。電流狭窄領域122に流入した電子は、電流狭窄領域122を縦方向に流れてドレイン電極132に向かう。これにより、ドレイン電極132とソース電極134が導通する。 When the semiconductor device 100 is on, electrons flow from the source region 124 into the current constriction region 122 via the two-dimensional electron gas generated in the lower hetero region 125. The electrons that have flowed into the current constriction region 122 flow vertically through the current constriction region 122 and head toward the drain electrode 132. As a result, the drain electrode 132 and the source electrode 134 become conductive.

半導体装置100がオフのときは、p型埋設領域123から電流狭窄領域122内に空乏層が伸びる。電流狭窄領域122は、両側から伸びてくる空乏層が繋がってピンチオフの状態となるように設計されている。電流狭窄領域122がピンチオフすることで、絶縁ゲート部136のゲート絶縁膜136aに加わる電界が緩和され、ゲート絶縁膜136aの絶縁破壊が抑えられる。 When the semiconductor device 100 is off, the depletion layer extends from the p-type buried region 123 into the current constriction region 122. The current constriction region 122 is designed so that the depletion layers extending from both sides are connected to each other in a pinch-off state. By pinching off the current constriction region 122, the electric field applied to the gate insulating film 136a of the insulating gate portion 136 is relaxed, and dielectric breakdown of the gate insulating film 136a is suppressed.

Masakazu KANECHIKA et al. (2007) A Vertical Insulated Gate AlGaN/GaN Heterojunction Field-Effect Transistor, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 46, No. 21, pp.L503-L505Masakazu KANECHIKA et al. (2007) A Vertical Insulated Gate AlGaN / GaN Heterojunction Field-Effect Transistor, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 46, No. 21, pp.L503-L505

しかしながら、電流狭窄領域の不純物濃度が設計値よりも濃い状態で製造されると、半導体装置がオフしたときに、電流狭窄領域が良好にピンチオフされず、ゲート絶縁膜の絶縁破壊が懸念される。電流狭窄領域の不純物濃度のバラツキに対して高い信頼性を有する半導体装置が必要とされている。 However, if the impurity concentration in the current constriction region is higher than the design value, the current constriction region is not satisfactorily pinched off when the semiconductor device is turned off, and there is a concern about dielectric breakdown of the gate insulating film. A semiconductor device having high reliability for variations in impurity concentration in the current constriction region is required.

本明細書が開示する半導体装置は、窒化物半導体層、窒化物半導体層の一方の主面上に設けられている絶縁ゲート部、及び、窒化物半導体層の主面上に設けられているp型ゲート部を備えることができる。窒化物半導体層は、n型のドリフト領域、n型の電流狭窄領域、p型のp型埋設領域、ヘテロ接合領域、及び、n型のソース領域を有する。電流狭窄領域は、ドリフト領域上に設けられている。p型埋設領域は、ドリフト領域上に設けられており、電流狭窄領域を間に置いて配置されている。ヘテロ接合領域は、電流狭窄領域及びp型埋設領域上に設けられており、ヘテロ接合を有する。ソース領域は、p型埋設領域上に設けられており、ヘテロ接合領域によって電流狭窄領域から隔てられている。絶縁ゲート部は、ヘテロ接合領域上に設けられており、p型ゲート部よりもソース領域側に配置されている。p型ゲート部は、ヘテロ接合領域に接するp型のp型ゲート領域を有する。p型ゲート領域は、窒化物半導体層の主面に直交する方向から観測したときに、少なくともp型埋設領域と重複する位置に配置されている部分を有する。 The semiconductor device disclosed in the present specification includes a nitride semiconductor layer, an insulating gate portion provided on one main surface of the nitride semiconductor layer, and p provided on the main surface of the nitride semiconductor layer. A mold gate portion can be provided. The nitride semiconductor layer has an n-type drift region, an n-type current constriction region, a p-type p-type embedded region, a heterojunction region, and an n-type source region. The current constriction region is provided on the drift region. The p-type buried region is provided on the drift region, and is arranged with the current constriction region in between. The heterojunction region is provided on the current constriction region and the p-type buried region and has a heterojunction. The source region is provided on the p-type buried region and is separated from the current constriction region by a heterojunction region. The insulated gate portion is provided on the heterojunction region, and is arranged on the source region side of the p-type gate portion. The p-type gate portion has a p-type p-type gate region in contact with the heterojunction region. The p-type gate region has a portion arranged at least at a position overlapping the p-type buried region when observed from a direction orthogonal to the main surface of the nitride semiconductor layer.

上記半導体装置では、p型ゲート部がヘテロ接合領域上に設けられており、半導体装置がオフのときに、そのp型ゲート部のp型ゲート領域からヘテロ接合領域内に空乏層が伸びる。また、p型ゲート部のp型ゲート領域は、窒化物半導体層の主面に直交する方向から観測したときに、少なくともp型埋設領域と重複する位置に配置されている部分を有する。このため、ヘテロ接合領域の少なくとも一部は、p型埋設領域とp型ゲート領域で挟まれており、半導体装置がオフのときに、この部分が良好に空乏化される。絶縁ゲート部は、p型埋設領域とp型ゲート領域で挟まれたヘテロ接合領域の部分よりもソース領域側に配置されていることから、半導体装置がオフのときに、絶縁ゲート部に高電界が加わることが抑えられる。即ち、上記半導体装置では、電流狭窄領域の不純物濃度が設計値よりも濃い状態で製造されても、絶縁ゲート部に高電界が加わることが抑えられ、絶縁ゲート部の絶縁破壊が抑えられる。このように、上記半導体装置は、電流狭窄領域の不純物濃度のバラツキに対して高い信頼性を有することができる。 In the semiconductor device, the p-type gate portion is provided on the heterojunction region, and when the semiconductor device is off, the depletion layer extends from the p-type gate region of the p-type gate portion into the heterojunction region. Further, the p-type gate region of the p-type gate portion has a portion arranged at least at a position overlapping the p-type buried region when observed from a direction orthogonal to the main surface of the nitride semiconductor layer. Therefore, at least a part of the heterojunction region is sandwiched between the p-type buried region and the p-type gate region, and this portion is satisfactorily depleted when the semiconductor device is off. Since the insulated gate portion is arranged closer to the source region than the portion of the heterojunction region sandwiched between the p-type buried region and the p-type gate region, a high electric field is generated in the insulated gate portion when the semiconductor device is off. Is suppressed. That is, even if the semiconductor device is manufactured in a state where the impurity concentration in the current constriction region is higher than the design value, it is possible to suppress the application of a high electric field to the insulating gate portion and suppress the dielectric breakdown of the insulating gate portion. As described above, the semiconductor device can have high reliability with respect to the variation in the impurity concentration in the current constriction region.

本明細書が開示する半導体装置では、p型ゲート部のp型ゲート領域が、窒化物半導体層の主面に直交する方向から観測したときに、電流狭窄領域に重複する位置からp型埋設領域と重複する位置まで延在して設けられていてもよい。このように、p型ゲート部のp型ゲート領域が広い範囲に設けられていると、半導体装置がオフしたときに、p型ゲート部のp型ゲート領域からヘテロ接合領域及び電流狭窄領域内に向けて空乏層が広範囲に広がることができ、絶縁ゲート部の絶縁破壊がさらに抑えられる。 In the semiconductor device disclosed in the present specification, when the p-type gate region of the p-type gate portion is observed from a direction orthogonal to the main surface of the nitride semiconductor layer, the p-type embedded region overlaps with the current constriction region. It may be extended to a position overlapping with. When the p-type gate region of the p-type gate portion is provided in a wide range in this way, when the semiconductor device is turned off, the p-type gate region of the p-type gate portion is moved into the heterojunction region and the current constriction region. The depletion layer can be spread over a wide area, and the dielectric breakdown of the insulating gate can be further suppressed.

本明細書が開示する半導体装置は、駆動部をさらに備えていてもよい。駆動部は、オン状態のときに、絶縁ゲート部に第1駆動電圧を印加するとともにp型ゲート部に第2駆動電圧を印加するように構成されている。第1駆動電圧が第2駆動電圧よりも大きい。この半導体装置のスイッチング動作は、絶縁ゲート部に印加される第1駆動電圧に基づいて制御される。即ち、この半導体装置は、高い閾値電圧を有しており、ノイズによる誤動作が抑えられる。 The semiconductor device disclosed herein may further include a drive unit. The drive unit is configured to apply a first drive voltage to the insulated gate portion and a second drive voltage to the p-type gate portion when it is in the ON state. The first drive voltage is larger than the second drive voltage. The switching operation of this semiconductor device is controlled based on the first drive voltage applied to the insulated gate portion. That is, this semiconductor device has a high threshold voltage, and malfunction due to noise can be suppressed.

半導体装置の要部断面図を模式的に示す。The cross-sectional view of the main part of the semiconductor device is schematically shown. 従来の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。The cross-sectional view of the main part of the conventional semiconductor device is schematically shown.

図1に示されるように、半導体装置1は、n型の窒化物半導体基板10、窒化物半導体基板10の表面に積層した窒化物半導体層20、窒化物半導体基板10の裏面を被覆するドレイン電極32、窒化物半導体層20の表面の一部を被覆するように設けられているソース電極34、窒化物半導体層20の表面の一部を被覆するように設けられている絶縁ゲート部36、及び、窒化物半導体層20の表面の一部を被覆するように設けられているp型ゲート部38を備える。窒化物半導体層20は、n型のドリフト領域21、n型の電流狭窄領域22、p型のp型埋設領域23、n型のソース領域24及びヘテロ接合領域27を有する。ヘテロ接合領域27は、n型の下側ヘテロ領域25とアンドープの上側ヘテロ領域26を有する。 As shown in FIG. 1, the semiconductor device 1 includes an n-type nitride semiconductor substrate 10, a nitride semiconductor layer 20 laminated on the surface of the nitride semiconductor substrate 10, and a drain electrode covering the back surface of the nitride semiconductor substrate 10. 32, a source electrode 34 provided so as to cover a part of the surface of the nitride semiconductor layer 20, an insulating gate portion 36 provided so as to cover a part of the surface of the nitride semiconductor layer 20, and , A p-type gate portion 38 provided so as to cover a part of the surface of the nitride semiconductor layer 20 is provided. The nitride semiconductor layer 20 has an n-type drift region 21, an n-type current constriction region 22, a p-type p-type buried region 23, an n-type source region 24, and a heterojunction region 27. The heterojunction region 27 has an n-type lower hetero region 25 and an undoped upper hetero region 26.

窒化物半導体基板10は、n型不純物としてシリコンを高濃度に含む窒化ガリウム(GaN)を材料とする。窒化物半導体基板10の裏面全体にドレイン電極32が被覆するように設けられており、窒化物半導体基板10にオーミック接触している。ドレイン電極32は、チタンとアルミニウムの積層電極である。窒化物半導体基板10は、窒化物半導体層20がエピタキシャル成長するための下地基板でもある。 The nitride semiconductor substrate 10 is made of gallium nitride (GaN) containing silicon as an n-type impurity at a high concentration. The drain electrode 32 is provided so as to cover the entire back surface of the nitride semiconductor substrate 10, and is in ohmic contact with the nitride semiconductor substrate 10. The drain electrode 32 is a laminated electrode of titanium and aluminum. The nitride semiconductor substrate 10 is also a base substrate for epitaxially growing the nitride semiconductor layer 20.

ドリフト領域21は、n型不純物としてシリコンを含む窒化ガリウム(GaN)を材料とする。ドリフト領域21は、有機金属化学気相成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)を利用して、窒化物半導体基板10の表面から結晶成長して形成される。 The drift region 21 is made of gallium nitride (GaN) containing silicon as an n-type impurity. The drift region 21 is formed by crystal growth from the surface of the nitride semiconductor substrate 10 by using the Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) method.

電流狭窄領域22は、n型不純物としてシリコンを含む窒化ガリウム(GaN)を材料とする。電流狭窄領域22は、ドリフト領域21の表面上の一部に設けられており、ドリフト領域21の表面から突出した凸状の形態を有する。 The current constriction region 22 is made of gallium nitride (GaN) containing silicon as an n-type impurity. The current constriction region 22 is provided on a part of the surface of the drift region 21, and has a convex shape protruding from the surface of the drift region 21.

p型埋設領域23は、p型不純物としてマグネシウムを含む窒化ガリウム(GaN)を材料とする。p型埋設領域23は、ドリフト領域21の表面上の一部に設けられており、電流狭窄領域22を間に置いて配置されている。p型埋設領域23は、図示しない断面で窒化物半導体層20の表面に露出しており、ソース電極34にオーミック接触している。 The p-type buried region 23 is made of gallium nitride (GaN) containing magnesium as a p-type impurity. The p-type buried region 23 is provided on a part of the surface of the drift region 21, and is arranged with the current constriction region 22 in between. The p-type embedded region 23 is exposed on the surface of the nitride semiconductor layer 20 in a cross section (not shown) and is in ohmic contact with the source electrode 34.

p型埋設領域23は、有機金属化学気相成長法を利用してドリフト領域21の表面から結晶成長した後に、ドライエッチング技術を利用して電流狭窄領域22に対応する部分を除去して形成される。電流狭窄領域22は、有機金属化学気相成長法を利用して、p型埋設領域23の一部を除去した部分に露出するドリフト領域21の表面から結晶成長して形成される。 The p-type buried region 23 is formed by growing crystals from the surface of the drift region 21 by using the metalorganic chemical vapor deposition method, and then removing the portion corresponding to the current constriction region 22 by using the dry etching technique. To. The current constriction region 22 is formed by crystal growth from the surface of the drift region 21 exposed to the portion where a part of the p-type buried region 23 is removed by using the metalorganic chemical vapor deposition method.

ヘテロ接合領域27は、電流狭窄領域22及びp型埋設領域23の表面上に設けられている。下側ヘテロ領域25は、n型不純物としてシリコンを含む窒化ガリウム(GaN)を材料とする。上側ヘテロ領域26は、アンドープの窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)を材料とする。下側ヘテロ領域25は、電流狭窄領域22を結晶成長するときに同時に形成される。上側ヘテロ領域26は、有機金属化学気相成長法を利用して、下側ヘテロ接合領域の表面から結晶成長して形成される。 The heterojunction region 27 is provided on the surfaces of the current constriction region 22 and the p-type buried region 23. The lower hetero region 25 is made of gallium nitride (GaN) containing silicon as an n-type impurity. The upper hetero region 26 is made of undoped aluminum gallium nitride (AlGaN). The lower hetero region 25 is formed at the same time as the current constriction region 22 is crystal-grown. The upper hetero region 26 is formed by crystal growth from the surface of the lower heterojunction region using the metalorganic chemical vapor deposition method.

上側ヘテロ領域26のバンドギャップは、下側ヘテロ領域25のバンドギャップよりも広い。このため、下側ヘテロ領域25と上側ヘテロ領域26のヘテロ接合面のうちの下側ヘテロ領域25側に2次元電子ガスが生成される。半導体装置1は、上側ヘテロ領域26の厚み及び/又は上側ヘテロ領域26のアルミニウム組成が調整されることにより、絶縁ゲート部36及びp型ゲート部38が接地されているときに、下側ヘテロ領域25に2次元電子ガスが生成されないように構成されている。これにより、半導体装置1は、ノーマリオフで動作することができる。 The bandgap of the upper heteroregion 26 is wider than the bandgap of the lower heteroregion 25. Therefore, a two-dimensional electron gas is generated on the lower hetero region 25 side of the heterojunction surfaces of the lower hetero region 25 and the upper hetero region 26. In the semiconductor device 1, the thickness of the upper hetero region 26 and / or the aluminum composition of the upper hetero region 26 is adjusted so that the lower hetero region when the insulating gate portion 36 and the p-type gate portion 38 are grounded. 25 is configured so that two-dimensional electron gas is not generated. As a result, the semiconductor device 1 can operate with normalization off.

ソース領域24は、n型不純物としてシリコンを高濃度に含む領域である。ソース領域24は、p型埋設領域23の表面上に設けられており、窒化物半導体層20の表面に露出しており、ヘテロ接合領域27によって電流狭窄領域22から隔てられている。ソース領域24は、イオン注入技術を利用して、ヘテロ接合領域27の一部に向けてシリコンを照射することで形成されている。ソース領域24は、ソース電極34にオーミック接触している。ソース電極34は、チタンとアルミニウムの積層電極である。 The source region 24 is a region containing a high concentration of silicon as an n-type impurity. The source region 24 is provided on the surface of the p-type buried region 23, is exposed on the surface of the nitride semiconductor layer 20, and is separated from the current constriction region 22 by the heterojunction region 27. The source region 24 is formed by irradiating a part of the heterojunction region 27 with silicon using an ion implantation technique. The source region 24 is in ohmic contact with the source electrode 34. The source electrode 34 is a laminated electrode of titanium and aluminum.

絶縁ゲート部36は、窒化物半導体層20の表面上の一部に設けられており、酸化シリコンのゲート絶縁膜36a及びポリシリコンのゲート電極36bを有する。詳細には、絶縁ゲート部36は、ヘテロ接合領域27の表面の一部を被覆するように設けられており、p型ゲート部38よりもソース領域24側に配置されており、一端がソース領域24に接触している。さらに、絶縁ゲート部36は、窒化物半導体層20の表面に直交する方向から観測したときに、p型埋設領域23の範囲内に収まるように配置されており、p型埋設領域23のソース領域24に隣接する部分と重複するように配置されている。絶縁ゲート部36のゲート電極36bは、駆動部(図示省略)に接続されている。半導体装置1がターンオンするときには、絶縁ゲート部36のゲート電極36bに第1駆動電圧G1が印加される。 The insulating gate portion 36 is provided on a part of the surface of the nitride semiconductor layer 20, and has a silicon oxide gate insulating film 36a and a polysilicon gate electrode 36b. Specifically, the insulated gate portion 36 is provided so as to cover a part of the surface of the heterojunction region 27, is arranged on the source region 24 side of the p-type gate portion 38, and one end thereof is the source region. It is in contact with 24. Further, the insulating gate portion 36 is arranged so as to be within the range of the p-type buried region 23 when observed from a direction orthogonal to the surface of the nitride semiconductor layer 20, and is a source region of the p-type buried region 23. It is arranged so as to overlap the portion adjacent to the 24. The gate electrode 36b of the insulated gate portion 36 is connected to a driving portion (not shown). When the semiconductor device 1 turns on, the first drive voltage G1 is applied to the gate electrode 36b of the insulated gate portion 36.

p型ゲート部38は、窒化物半導体層20の表面上の一部に設けられており、p型不純物を含むp型ゲート領域38a及びNi−Auのp型ゲート電極38bを有する。詳細には、p型ゲート部38は、ヘテロ接合領域27の表面の一部を被覆するように設けられており、絶縁ゲート部36よりも電流狭窄領域22側に配置されている。さらに、p型ゲート部38は、窒化物半導体層20の表面に直交する方向から観測したときに、電流狭窄領域22の全体と重複するように配置されているとともに、電流狭窄領域22に重複する位置からp型埋設領域23と重複する位置まで延在して設けられている。p型ゲート部38のp型ゲート電極38bは、駆動部(図示省略)に接続されている。半導体装置1がターンオンするときには、p型ゲート部38のp型ゲート電極38bに第2駆動電圧G2が印加される。第2駆動電圧G2は、第1駆動電圧G1よりも小さい。 The p-type gate portion 38 is provided on a part of the surface of the nitride semiconductor layer 20, and has a p-type gate region 38a containing p-type impurities and a Ni-Au p-type gate electrode 38b. Specifically, the p-type gate portion 38 is provided so as to cover a part of the surface of the heterojunction region 27, and is arranged on the current constriction region 22 side of the insulating gate portion 36. Further, the p-type gate portion 38 is arranged so as to overlap the entire current constriction region 22 when observed from a direction orthogonal to the surface of the nitride semiconductor layer 20, and also overlaps with the current constriction region 22. It extends from the position to the position overlapping with the p-type buried area 23. The p-type gate electrode 38b of the p-type gate portion 38 is connected to a drive portion (not shown). When the semiconductor device 1 turns on, the second drive voltage G2 is applied to the p-type gate electrode 38b of the p-type gate portion 38. The second drive voltage G2 is smaller than the first drive voltage G1.

次に、半導体装置1の動作を説明する。使用時には、ドレイン電極32に正電圧が印加され、ソース電極34が接地される。絶縁ゲート部36のゲート電極36bに正電圧の第1駆動電圧G1が印加され、p型ゲート部38のp型ゲート電極38bに正電圧の第2駆動電圧G2が印加されると、ヘテロ接合領域27の下側ヘテロ領域25に2次元電子ガスが生成され、半導体装置1がターンオンする。このとき、2次元電子ガスを経由してソース領域24から電流狭窄領域22に電子が流入する。電流狭窄領域22に流入した電子は、その電流狭窄領域22を縦方向に流れてドレイン電極32に向かう。これにより、ドレイン電極32とソース電極34が導通する。 Next, the operation of the semiconductor device 1 will be described. At the time of use, a positive voltage is applied to the drain electrode 32, and the source electrode 34 is grounded. When a positive first drive voltage G1 is applied to the gate electrode 36b of the insulated gate 36 and a positive second drive voltage G2 is applied to the p-type gate electrode 38b of the p-type gate 38, the heterojunction region Two-dimensional electron gas is generated in the lower hetero region 25 of 27, and the semiconductor device 1 turns on. At this time, electrons flow from the source region 24 into the current constriction region 22 via the two-dimensional electron gas. The electrons that have flowed into the current constriction region 22 flow vertically through the current constriction region 22 and head toward the drain electrode 32. As a result, the drain electrode 32 and the source electrode 34 become conductive.

絶縁ゲート部36のゲート電極36b及びp型ゲート部38のp型ゲート電極38bが接地されると、2次元電子ガスが消失し、半導体装置1がターンオフする。このとき、p型埋設領域23及びp型ゲート部38のp型ゲート領域38aから空乏層が伸びてくる。p型ゲート部38のp型ゲート領域38aは、窒化物半導体層20の主面に直交する方向から観測したときに、p型埋設領域23と重複する位置に配置されている部分を有する。このため、ヘテロ接合領域27の一部は、p型埋設領域23とp型ゲート部38のp型ゲート領域38aで挟まれており、半導体装置1がオフのときに、その挟まれた部分が良好に空乏化される。絶縁ゲート部36は、p型埋設領域23とp型ゲート部38で挟まれた部分よりもソース領域24側に配置されていることから、半導体装置1がオフのときに、絶縁ゲート部36に高電界が加わることが抑えられる。即ち、半導体装置1では、電流狭窄領域22の不純物濃度が設計値よりも濃い状態で製造されて電流狭窄領域22が良好にピンチオフされない場合でも、絶縁ゲート部36に高電界が加わることが抑えられ、絶縁ゲート部36の絶縁破壊が抑えられる。このように、半導体装置1は、電流狭窄領域22の不純物濃度のバラツキに対して高い信頼性を有することができる。 When the gate electrode 36b of the insulated gate portion 36 and the p-type gate electrode 38b of the p-type gate portion 38 are grounded, the two-dimensional electron gas disappears and the semiconductor device 1 turns off. At this time, the depletion layer extends from the p-type gate region 38a of the p-type buried region 23 and the p-type gate portion 38. The p-type gate region 38a of the p-type gate portion 38 has a portion arranged at a position overlapping the p-type buried region 23 when observed from a direction orthogonal to the main surface of the nitride semiconductor layer 20. Therefore, a part of the heterojunction region 27 is sandwiched between the p-type buried region 23 and the p-type gate region 38a of the p-type gate portion 38, and when the semiconductor device 1 is off, the sandwiched portion is sandwiched. It is well depleted. Since the insulated gate portion 36 is arranged on the source region 24 side of the portion sandwiched between the p-type buried region 23 and the p-type gate portion 38, the insulated gate portion 36 is provided when the semiconductor device 1 is off. The application of a high electric field is suppressed. That is, in the semiconductor device 1, even if the current constriction region 22 is manufactured in a state where the impurity concentration is higher than the design value and the current constriction region 22 is not pinched off satisfactorily, it is possible to suppress the application of a high electric field to the insulating gate portion 36. , Dielectric breakdown of the insulating gate portion 36 is suppressed. As described above, the semiconductor device 1 can have high reliability with respect to the variation in the impurity concentration in the current constriction region 22.

さらに、半導体装置1では、p型ゲート部38のp型ゲート領域38aが、窒化物半導体層20の表面に直交する方向から観測したときに、電流狭窄領域22の全範囲に重複するように配置されている。このため、半導体装置1がオフのときには、p型ゲート部38のp型ゲート領域38aから電流狭窄領域22内に向けて空乏層が広範囲に広がることができ、絶縁ゲート部36の絶縁破壊がさらに抑えられる。 Further, in the semiconductor device 1, the p-type gate region 38a of the p-type gate portion 38 is arranged so as to overlap the entire range of the current constriction region 22 when observed from a direction orthogonal to the surface of the nitride semiconductor layer 20. Has been done. Therefore, when the semiconductor device 1 is off, the depletion layer can spread over a wide range from the p-type gate region 38a of the p-type gate portion 38 toward the inside of the current constriction region 22, and the dielectric breakdown of the insulating gate portion 36 is further increased. It can be suppressed.

また、半導体装置1は、絶縁ゲート部36とp型ゲート部38の2種類のゲート部を有することを特徴とする。例えば、ヘテロ接合領域27の表面にp型ゲート部38のみが設けられている場合を想定する。この場合、p型ゲート部38にはそもそもゲート絶縁膜が存在しないことから、絶縁破壊という問題が生じない。しかしながら、p型ゲート部38では、p型ゲート領域38aと上側ヘテロ領域26のダイオード構造の拡散電位よりも高い電圧(約3.5V以上)がp型ゲート電極38bに印加されると、リーク電流が流れるという問題がある。このため、p型ゲート部38のみが設けられている場合、閾値電圧をダイオード構造の拡散電位よりも低く設定する必要がある。このような低い閾値電圧は、ノイズによる誤動作が発生し易いという問題がある。また、ヘテロ接合領域27の表面に絶縁ゲート部36のみが設けられている場合、閾値電圧を高く設定することが可能となり、ノイズによる誤動作を抑えることができるものの、本願明細書の背景技術で説明したように、ゲート絶縁膜の絶縁破壊が懸念される。このように、絶縁ゲート部36とp型ゲート部38のいずれか一方のみで構成される場合、ゲート絶縁膜の絶縁破壊の抑制とノイズによる誤作動の抑制を両立させることが難しい。 Further, the semiconductor device 1 is characterized by having two types of gate portions, an insulated gate portion 36 and a p-type gate portion 38. For example, it is assumed that only the p-type gate portion 38 is provided on the surface of the heterojunction region 27. In this case, since the gate insulating film does not exist in the p-type gate portion 38 in the first place, the problem of dielectric breakdown does not occur. However, in the p-type gate portion 38, when a voltage (about 3.5 V or more) higher than the diffusion potential of the diode structure of the p-type gate region 38a and the upper hetero region 26 is applied to the p-type gate electrode 38b, a leak current is generated. There is a problem that flows. Therefore, when only the p-type gate portion 38 is provided, it is necessary to set the threshold voltage lower than the diffusion potential of the diode structure. Such a low threshold voltage has a problem that malfunction due to noise is likely to occur. Further, when only the insulating gate portion 36 is provided on the surface of the heterojunction region 27, the threshold voltage can be set high and malfunction due to noise can be suppressed, but this will be described in the background art of the present specification. As described above, there is a concern about dielectric breakdown of the gate insulating film. As described above, when it is composed of only one of the insulating gate portion 36 and the p-type gate portion 38, it is difficult to suppress the dielectric breakdown of the gate insulating film and the malfunction due to noise at the same time.

一方、半導体装置1は、絶縁ゲート部36とp型ゲート部38の2種類のゲート部を有する。半導体装置1では、絶縁ゲート部36が設けられているので、閾値電圧を高く設定することが可能となり、ノイズによる誤動作を抑えることができる。また、p型ゲート部38が設けられているので、絶縁ゲート部36のゲート絶縁膜36aの絶縁破壊が抑えられている。このように、半導体装置1は、ゲート絶縁膜の絶縁破壊の抑制とノイズによる誤作動の抑制を両立させることができる。さらに、半導体装置1では、p型ゲート部38がヘテロ接合領域27上の広範囲に設けられているので、2次元電子ガスの密度が濃くなり、ヘテロ接合領域27のオン抵抗が低下する。このように、半導体装置1は、ゲート絶縁膜の絶縁破壊の抑制とノイズによる誤作動の抑制を両立させるとともに、異なる駆動電圧を印加することが可能なため低いオン抵抗を有することができる。 On the other hand, the semiconductor device 1 has two types of gate portions, an insulated gate portion 36 and a p-type gate portion 38. Since the semiconductor device 1 is provided with the insulated gate portion 36, the threshold voltage can be set high, and malfunction due to noise can be suppressed. Further, since the p-type gate portion 38 is provided, the dielectric breakdown of the gate insulating film 36a of the insulating gate portion 36 is suppressed. As described above, the semiconductor device 1 can both suppress the dielectric breakdown of the gate insulating film and suppress the malfunction due to noise. Further, in the semiconductor device 1, since the p-type gate portion 38 is provided in a wide range on the heterojunction region 27, the density of the two-dimensional electron gas becomes high and the on-resistance of the heterojunction region 27 decreases. As described above, the semiconductor device 1 can have both low dielectric breakdown of the gate insulating film and suppression of malfunction due to noise, and can have a low on-resistance because different drive voltages can be applied.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of claims. The techniques described in the claims include various modifications and modifications of the specific examples illustrated above. In addition, the technical elements described in the present specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the techniques illustrated in the present specification or drawings can achieve a plurality of purposes at the same time, and achieving one of the purposes itself has technical usefulness.

1:半導体装置、 10:窒化物半導体基板、 20:窒化物半導体層、 21:ドリフト領域、 22:電流狭窄領域、 23:p型領域、 24:ソース領域、 25:下側ヘテロ領域、 26:上側ヘテロ領域、 27:ヘテロ接合領域、 32:ドレイン電極、 34:ソース電極、 36:絶縁ゲート部、 36a:ゲート絶縁膜、 36b:ゲート電極、 38:p型ゲート部、 38a:p型ゲート領域、 38b:p型ゲート電極 1: Semiconductor device, 10: Nitride semiconductor substrate, 20: Nitride semiconductor layer, 21: Drift region, 22: Current constriction region, 23: p-type region, 24: Source region, 25: Lower hetero region, 26: Upper hetero region, 27: Heterojunction region, 32: Drain electrode, 34: Source electrode, 36: Insulated gate, 36a: Gate insulating film, 36b: Gate electrode, 38: p-type gate, 38a: p-type gate region , 38b: p-type gate electrode

Claims (3)

窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層の一方の主面上に設けられている絶縁ゲート部と、
前記窒化物半導体層の前記主面上に設けられているp型ゲート部と、を備えており、
前記窒化物半導体層は、
n型のドリフト領域と、
前記ドリフト領域上に設けられているn型の電流狭窄領域と、
前記ドリフト領域上に設けられており、前記電流狭窄領域を間に置いて配置されているp型のp型埋設領域と、
前記電流狭窄領域及び前記p型埋設領域上に設けられており、ヘテロ接合を有するヘテロ接合領域と、
前記p型埋設領域上に設けられており、前記ヘテロ接合領域によって前記電流狭窄領域から隔てられているn型のソース領域と、を有しており、
前記絶縁ゲート部は、前記ヘテロ接合領域上に設けられており、前記p型ゲート部よりも前記ソース領域側に配置されており、
前記p型ゲート部は、前記ヘテロ接合領域に接するp型のp型ゲート領域を有しており、
前記p型ゲート領域は、前記窒化物半導体層の前記主面に直交する方向から観測したときに、少なくとも前記p型埋設領域と重複する位置に配置されている部分を有する、半導体装置。
Nitride semiconductor layer and
An insulating gate portion provided on one main surface of the nitride semiconductor layer and
It is provided with a p-type gate portion provided on the main surface of the nitride semiconductor layer.
The nitride semiconductor layer is
n-type drift region and
An n-type current constriction region provided on the drift region and
A p-type p-type buried region provided on the drift region and arranged with the current constriction region in between, and a p-type buried region.
A heterojunction region provided on the current constriction region and the p-type buried region and having a heterojunction, and a heterojunction region.
It has an n-type source region that is provided on the p-type buried region and is separated from the current constriction region by the heterojunction region.
The insulating gate portion is provided on the heterojunction region, and is arranged on the source region side of the p-type gate portion.
The p-type gate portion has a p-type p-type gate region in contact with the heterojunction region.
A semiconductor device having a portion of the p-type gate region arranged at least at a position overlapping the p-type embedded region when observed from a direction orthogonal to the main surface of the nitride semiconductor layer.
前記p型ゲート部の前記p型ゲート領域は、前記窒化物半導体層の前記主面に直交する方向から観測したときに、前記電流狭窄領域に重複する位置から前記p型埋設領域と重複する位置まで延在して設けられている、請求項1に記載の半導体装置。 The p-type gate region of the p-type gate portion overlaps with the p-type buried region from a position overlapping the current constriction region when observed from a direction orthogonal to the main surface of the nitride semiconductor layer. The semiconductor device according to claim 1, which is provided so as to extend to. オン状態のときに、前記絶縁ゲート部に第1駆動電圧を印加するとともに前記p型ゲート部に第2駆動電圧を印加するように構成されている駆動部をさらに備えており、
前記第1駆動電圧が前記第2駆動電圧よりも大きい、請求項1又は2に記載の半導体装置。
Further, it is further provided with a drive unit configured to apply a first drive voltage to the insulated gate portion and a second drive voltage to the p-type gate portion when in the ON state.
The semiconductor device according to claim 1 or 2, wherein the first drive voltage is larger than the second drive voltage.
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