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JP7528583B2 - Semiconductor Device - Google Patents
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Description

本開示は、半導体装置に関する。 This disclosure relates to a semiconductor device.

窒化物半導体は、高い飽和電子速度及びワイドバンドギャップ等の特徴を有している。このため、これらの特性を利用して窒化物半導体を高耐圧及び高出力の半導体デバイスに適用することについて種々の検討が行われている。例えば、窒化物半導体の一種であるGaNのバンドギャップは3.4eVであり、Siのバンドギャップ(1.1eV)及びGaAsのバンドギャップ(1.4eV)よりも大きい。このため、GaNは、高い破壊電界強度を有しており、高電圧動作及び高出力を得る電源用の半導体デバイスの材料として極めて有望である。 Nitride semiconductors have characteristics such as a high saturation electron velocity and a wide band gap. For this reason, various studies are being conducted on utilizing these characteristics to apply nitride semiconductors to high-voltage and high-output semiconductor devices. For example, the band gap of GaN, a type of nitride semiconductor, is 3.4 eV, which is larger than the band gap of Si (1.1 eV) and the band gap of GaAs (1.4 eV). For this reason, GaN has a high breakdown field strength and is extremely promising as a material for semiconductor devices for power supplies that operate at high voltages and obtain high output.

窒化物半導体を用いた半導体デバイスとしては、電界効果トランジスタ、特に高電子移動度トランジスタ(high electron mobility transistor:HEMT)についての報告が数多くなされている。例えば、GaN系HEMTでは、GaNを電子走行層(チャネル層)、AlGaNを電子供給層として用いたAlGaN/GaN-HEMTが注目されている。AlGaN/GaN-HEMTでは、GaNとAlGaNとの格子定数差に起因した歪みがAlGaNに生じる。そして、この歪みにより発生したピエゾ分極及びAlGaNの自発分極により、高濃度の2次元電子ガス(2DEG)が得られる。そのため、AlGaN/GaN-HEMTは、高効率のスイッチ素子、電気自動車用等の高耐圧電力デバイス等として期待されている。 As semiconductor devices using nitride semiconductors, there have been many reports on field effect transistors, particularly high electron mobility transistors (HEMTs). For example, in the case of GaN-based HEMTs, AlGaN/GaN-HEMTs, which use GaN as an electron transport layer (channel layer) and AlGaN as an electron supply layer, have attracted attention. In AlGaN/GaN-HEMTs, distortion occurs in AlGaN due to the difference in lattice constant between GaN and AlGaN. Then, a high concentration of two-dimensional electron gas (2DEG) is obtained due to the piezoelectric polarization and spontaneous polarization of AlGaN generated by this distortion. Therefore, AlGaN/GaN-HEMTs are expected to be used as highly efficient switching elements and high-voltage power devices for electric vehicles, etc.

国際公開第2018/037530号International Publication No. 2018/037530

耐圧の向上を目的とした技術として、フィールドプレート構造による電界緩和を図る構造、ドレイン電極側の領域の電子密度を意図的に低減させて電界緩和を図る構造等が提案されている。これらの技術によれば、トランジスタがオフ状態における耐圧(オフ耐圧)を向上できる。しかしながら、オフ耐圧が高いトランジスタに、オフ状態であれば破壊が生じない程度のドレイン電圧が印加されている場合であっても、オン状態で大きなドレイン電流が流れると、破壊が生じることがある。 Technologies proposed to improve breakdown voltage include a field plate structure that reduces the electric field, and a structure that reduces the electric field by intentionally reducing the electron density in the region on the drain electrode side. These technologies can improve the breakdown voltage when the transistor is in the off state (off breakdown voltage). However, even if a drain voltage that would not cause breakdown in the off state is applied to a transistor with high off breakdown voltage, breakdown may occur if a large drain current flows in the on state.

本開示の目的は、オン耐圧を向上することができる半導体装置を提供することにある。 The objective of this disclosure is to provide a semiconductor device that can improve the on-state breakdown voltage.

本開示の一形態によれば、化合物半導体の半導体積層構造と、前記半導体積層構造の上方に設けられたソース電極、ゲート電極及びドレイン電極と、を有し、前記半導体積層構造は、下地と、前記下地の上に設けられた電子走行層と、前記電子走行層の上に設けられた電子供給層と、平面視で前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間に設けられたn型層と、を有し、前記n型層は、前記下地に接する下面と、前記下地と前記電子走行層との界面よりも上方に位置する上面と、を有し、前記n型層の上面は前記電子供給層に覆われている半導体装置が提供される。 According to one embodiment of the present disclosure, there is provided a semiconductor device comprising: a semiconductor laminate structure of compound semiconductors; and a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode provided above the semiconductor laminate structure, wherein the semiconductor laminate structure comprises a base, an electron transit layer provided on the base, an electron supply layer provided on the electron transit layer, and an n-type layer provided between the gate electrode and the drain electrode in a planar view, the n-type layer having a lower surface in contact with the base and an upper surface located above an interface between the base and the electron transit layer , and the upper surface of the n-type layer is covered with the electron supply layer .

本開示によれば、オン耐圧を向上することができる。 This disclosure makes it possible to improve the on-state breakdown voltage.

第1実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a first embodiment. 第2実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a second embodiment. 第2実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図(その1)である。11A to 11C are cross-sectional views (part 1) illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment. 第2実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図(その2)である。13A to 13C are cross-sectional views (part 2) illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to the second 第2実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図(その3)である。13A to 13C are cross-sectional views (part 3) showing the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment. 第2実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図(その4)である。13A to 13C are cross-sectional views (part 4) illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment. 第2実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図(その5)である。5 is a cross-sectional view (part 5) showing the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment; 第2実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図(その6)である。6 is a cross-sectional view (part 6) showing the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment; 第3実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a third embodiment. 第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図(その1)である。11A to 11C are cross-sectional views (part 1) illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment. 第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図(その2)である。13A to 13C are cross-sectional views (part 2) illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment. 第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図(その3)である。13A to 13C are cross-sectional views (part 3) illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment. 第4実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a fourth embodiment. 第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図(その1)である。13A to 13C are cross-sectional views (part 1) illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to a fourth embodiment. 第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図(その2)である。13A to 13C are cross-sectional views (part 2) showing the method for manufacturing a semiconductor device according to the fourth embodiment. 参考例に係る半導体装置を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a reference example. ドレイン電圧と飽和出力との関係を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the relationship between drain voltage and saturated output. 平面視でのゲート電極とn型層との間の距離とオフリーク電流との関係を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the distance between a gate electrode and an n-type layer and the off-leak current in a plan view. 第5実施形態に係るディスクリートパッケージを示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a discrete package according to a fifth embodiment. 第6実施形態に係るPFC回路を示す結線図である。FIG. 13 is a wiring diagram showing a PFC circuit according to a sixth embodiment. 第7実施形態に係る電源装置を示す結線図である。FIG. 13 is a wiring diagram showing a power supply device according to a seventh embodiment. 第8実施形態に係る増幅器を示す結線図である。FIG. 13 is a wiring diagram showing an amplifier according to an eighth embodiment.

まず、電子が高エネルギを持つことにより発生する破壊のメカニズムについて簡単に説明する。電子は電界によってある一方へ向かって加速される。散乱を受けずに加速が継続されると、電子は高い運動エネルギを有することになる。この運動エネルギが非常に高くなった状態から電子が結晶格子に衝突を起こすと、結晶構成原子から電子の電離を引き起こし、一つの電子から二つの電子が発生する(インパクトイオン化)。更に、この二つの電子が再度加速され、非常に高いエネルギを有することになれば、インパクトイオン化の連鎖が発生し得る。この現象は雪崩現象とよばれ、電子の数が急激に増加する正のループとなる。また、2次元電子ガスは電子走行層の電子供給層との界面近傍に発生するが、インパクトイオン化が生じると、電子は電子走行層の厚さ方向の全体に広がり得る。つまり、電子は電子走行層の下面近傍を走行し得る。このように、インパクトイオン化が生じるとドレイン電流が急激に増加する。そして、ドレイン電流の急激な増加によりトランジスタが破壊され得る。本願発明者は、上記の雪崩現象を抑制すべく鋭意検討を行った。この結果、電子が高いエネルギを有することを意図的に制限することで、オン耐圧を向上できることに想到した。 First, the mechanism of destruction caused by electrons having high energy will be briefly explained. Electrons are accelerated in one direction by an electric field. If the acceleration continues without scattering, the electrons will have high kinetic energy. When the electrons collide with the crystal lattice from a state in which the kinetic energy is very high, electrons are ionized from the atoms that constitute the crystal, and two electrons are generated from one electron (impact ionization). Furthermore, if these two electrons are accelerated again and have very high energy, a chain reaction of impact ionization may occur. This phenomenon is called an avalanche phenomenon, and it becomes a positive loop in which the number of electrons increases rapidly. In addition, two-dimensional electron gas is generated near the interface between the electron transport layer and the electron supply layer, but when impact ionization occurs, the electrons may spread throughout the entire thickness direction of the electron transport layer. In other words, the electrons may travel near the bottom surface of the electron transport layer. In this way, when impact ionization occurs, the drain current increases rapidly. And the transistor may be destroyed due to the sudden increase in drain current. The inventor of the present application has conducted extensive research to suppress the above-mentioned avalanche phenomenon. As a result, they came to the conclusion that it is possible to improve the on-state breakdown voltage by intentionally limiting the high energy of electrons.

以下、本開示の実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。 Embodiments of the present disclosure will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. Note that in this specification and drawings, components having substantially the same functional configurations may be denoted by the same reference numerals to avoid redundant description.

(第1実施形態)
まず、第1実施形態について説明する。第1実施形態は、高電子移動度トランジスタ(HEMT)を含む半導体装置に関する。図1は、第1実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
First Embodiment
First, a first embodiment will be described. The first embodiment relates to a semiconductor device including a high electron mobility transistor (HEMT). Fig. 1 is a cross-sectional view showing the semiconductor device according to the first embodiment.

第1実施形態に係る半導体装置100は、図1に示すように、化合物半導体の半導体積層構造101と、半導体積層構造101の上方に設けられたソース電極1s、ゲート電極1g及びドレイン電極1dと、を有する。半導体積層構造101は、下地110と、下地110の上に設けられた電子走行層120と、電子走行層120の上に設けられた電子供給層130と、平面視でゲート電極1gとドレイン電極1dとの間に設けられたn型層140とを有する。n型層140は、下地110に接する下面141と、下地110と電子走行層120との界面102よりも上方に位置する上面142とを有する。 As shown in FIG. 1, the semiconductor device 100 according to the first embodiment has a semiconductor laminate structure 101 of compound semiconductors, and a source electrode 1s, a gate electrode 1g, and a drain electrode 1d provided above the semiconductor laminate structure 101. The semiconductor laminate structure 101 has a base 110, an electron transit layer 120 provided on the base 110, an electron supply layer 130 provided on the electron transit layer 120, and an n-type layer 140 provided between the gate electrode 1g and the drain electrode 1d in a planar view. The n-type layer 140 has a lower surface 141 in contact with the base 110 and an upper surface 142 located above the interface 102 between the base 110 and the electron transit layer 120.

半導体装置100では、電子走行層120の電子供給層130との界面近傍に2次元電子ガス(2DEG)が生成される。オン状態では、2DEGを介してソース電極1sからドレイン電極1dに向けて電子が移動する。このとき、平面視で、ゲート電極1gとドレイン電極1dとの間にn型層140が存在し、n型層140中にイオン化したドナー型不純物が存在する。従って、ゲート電極1gの下方を通過した電子は、n型層140に突入するか、n型層140の近傍を走行する際に、ドナー型不純物により散乱されやすい。このような電子の散乱は、電子がドレイン電極1dに到達するまでに頻繁に生じる。電子の運動エネルギは散乱のたびに低下するため、電子が高い運動エネルギを有することが制限され、インパクトイオン化の発生が抑制される。更に、n型層140の下面141が下地110に接しているため、電子のn型層140の下方の迂回も抑制できる。従って、第1実施形態によれば、インパクトイオン化を起因とする破壊を抑制できる。すなわち、オン耐圧を向上することができ、大きなドレイン電流が流れても破壊されにくくなる。 In the semiconductor device 100, a two-dimensional electron gas (2DEG) is generated near the interface between the electron transit layer 120 and the electron supply layer 130. In the on state, electrons move from the source electrode 1s to the drain electrode 1d through the 2DEG. At this time, in a plan view, an n-type layer 140 exists between the gate electrode 1g and the drain electrode 1d, and ionized donor-type impurities exist in the n-type layer 140. Therefore, electrons that have passed under the gate electrode 1g are likely to be scattered by the donor-type impurities when they enter the n-type layer 140 or travel near the n-type layer 140. Such scattering of electrons occurs frequently before the electrons reach the drain electrode 1d. Since the kinetic energy of the electrons decreases with each scattering, the electrons are limited to have high kinetic energy, and the occurrence of impact ionization is suppressed. Furthermore, since the lower surface 141 of the n-type layer 140 is in contact with the base 110, the electrons can also be prevented from bypassing the n-type layer 140 below. Therefore, according to the first embodiment, it is possible to suppress destruction caused by impact ionization. In other words, it is possible to improve the on-state breakdown voltage, and destruction is less likely to occur even if a large drain current flows.

(第2実施形態)
次に、第2実施形態について説明する。第2実施形態は、GaN系HEMTを含む半導体装置に関する。図2は、第2実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
Second Embodiment
Next, a second embodiment will be described. The second embodiment relates to a semiconductor device including a GaN-based HEMT. Fig. 2 is a cross-sectional view showing the semiconductor device according to the second embodiment.

第2実施形態に係る半導体装置200は、図2に示すように、基板211と、基板211上に設けられた化合物半導体の半導体積層構造201とを有する。半導体積層構造201は、例えば、初期層212と、バッファ層213と、電子走行層220と、電子供給層230と、キャップ層250と、n型層240とを有する。 As shown in FIG. 2, the semiconductor device 200 according to the second embodiment has a substrate 211 and a semiconductor laminate structure 201 of compound semiconductors provided on the substrate 211. The semiconductor laminate structure 201 has, for example, an initial layer 212, a buffer layer 213, an electron transit layer 220, an electron supply layer 230, a cap layer 250, and an n-type layer 240.

基板211は、例えばSi基板である。初期層212は、例えば厚さが100nm~200nmのAlN層である。バッファ層213は、例えば厚さが400nm~600nmのAlGa1-xN層である。バッファ層213のAl組成xは、例えばバッファ層213の下面で0.2、上面で0.8であり、下面から上面にかけて段階的に高くなっている。電子走行層220は、例えば厚さが100nm~1000nmで不純物の意図的なドーピングが行われていないGaN層(i-GaN層)である。電子供給層230は、例えば厚さが20nm~100nmのn型のAlGa1-yN層(n-AlGaN層)である。電子供給層230のAl組成yは、例えば0.2である。電子供給層230には、例えばSiが5×1018cm-3程度の濃度でドーピングされている。キャップ層250は、例えば厚さが1nm~10nmのGaN層である。キャップ層250にSi等のn型不純物がドーピングされていてもよい。バッファ層213は下地の一例である。 The substrate 211 is, for example, a Si substrate. The initial layer 212 is, for example, an AlN layer having a thickness of 100 nm to 200 nm. The buffer layer 213 is, for example, an Al x Ga 1-x N layer having a thickness of 400 nm to 600 nm. The Al composition x of the buffer layer 213 is, for example, 0.2 at the bottom surface of the buffer layer 213 and 0.8 at the top surface, and increases stepwise from the bottom surface to the top surface. The electron transit layer 220 is, for example, a GaN layer (i-GaN layer) having a thickness of 100 nm to 1000 nm and not intentionally doped with impurities. The electron supply layer 230 is, for example, an n-type Al y Ga 1-y N layer (n-AlGaN layer) having a thickness of 20 nm to 100 nm. The Al composition y of the electron supply layer 230 is, for example, 0.2. The electron supply layer 230 is doped with, for example, Si at a concentration of about 5×10 18 cm −3 . The cap layer 250 is, for example, a GaN layer with a thickness of 1 nm to 10 nm. The cap layer 250 may be doped with an n-type impurity such as Si. The buffer layer 213 is an example of an underlayer.

電子走行層220及びバッファ層213に、凹部245が形成されている。凹部245は、電子走行層220の上面からバッファ層213の厚さ方向の途中にかけて形成されている。凹部245のバッファ層213の上面を基準とした深さは、例えば150nm~250nmである。n型層240は凹部245内に形成されている。n型層240は、バッファ層213に接する下面241と、バッファ層213と電子走行層220との界面202よりも上方に位置する上面242とを有する。上面242は、電子走行層220の上面より30nm~100nm程度下方に位置し、電子供給層230の一部が凹部245内に入り込み、n型層240の上面242に接している。n型層240は、n型のGaN層(n-GaN層)であり、Si又はGe等のイオン化したドナー型不純物を含有する。n型層240のドナー型不純物の濃度は、例えば1×1016cm-3~1×1019cm-3である。ドナー型不純物の濃度の下限は、好ましくは1×1017cm-3であり、ドナー型不純物の濃度の上限は、好ましくは1×1018cm-3である。 A recess 245 is formed in the electron transit layer 220 and the buffer layer 213. The recess 245 is formed from the upper surface of the electron transit layer 220 to the middle of the buffer layer 213 in the thickness direction. The depth of the recess 245 with respect to the upper surface of the buffer layer 213 is, for example, 150 nm to 250 nm. The n-type layer 240 is formed in the recess 245. The n-type layer 240 has a lower surface 241 in contact with the buffer layer 213 and an upper surface 242 located above the interface 202 between the buffer layer 213 and the electron transit layer 220. The upper surface 242 is located approximately 30 nm to 100 nm below the upper surface of the electron transit layer 220, and a part of the electron supply layer 230 enters the recess 245 and is in contact with the upper surface 242 of the n-type layer 240. The n-type layer 240 is an n-type GaN layer (n-GaN layer) and contains ionized donor-type impurities such as Si or Ge. The concentration of the donor-type impurities in the n-type layer 240 is, for example, 1×10 16 cm -3 to 1×10 19 cm -3 . The lower limit of the donor-type impurity concentration is preferably 1×10 17 cm -3 , and the upper limit of the donor-type impurity concentration is preferably 1×10 18 cm -3 .

半導体積層構造201に、素子領域を画定する素子分離領域が形成されており、素子領域内において、キャップ層250及び電子供給層230にソース用のリセス260s及びドレイン用のリセス260dが形成されている。リセス260s及び260dは、キャップ層250の上面から電子供給層230の厚さ方向の途中にかけて形成されている。リセス260s内にソース電極1sが形成され、リセス260d内にドレイン電極1dが形成されている。キャップ層250上に、ソース電極1s及びドレイン電極1dを覆うパッシベーション膜270が形成されている。パッシベーション膜270には、平面視でソース電極1s及びドレイン電極1dの間に位置する開口部260gが形成されており、開口部260gを通じてキャップ層250と接するゲート電極1gが形成されている。ゲート電極1gはパッシベーション膜270の上に乗り上げるように形成されていてもよい。 In the semiconductor laminated structure 201, an element isolation region that defines an element region is formed, and in the element region, a source recess 260s and a drain recess 260d are formed in the cap layer 250 and the electron supply layer 230. The recesses 260s and 260d are formed from the upper surface of the cap layer 250 to the middle of the thickness direction of the electron supply layer 230. A source electrode 1s is formed in the recess 260s, and a drain electrode 1d is formed in the recess 260d. A passivation film 270 that covers the source electrode 1s and the drain electrode 1d is formed on the cap layer 250. An opening 260g located between the source electrode 1s and the drain electrode 1d in a plan view is formed in the passivation film 270, and a gate electrode 1g that contacts the cap layer 250 through the opening 260g is formed. The gate electrode 1g may be formed so as to ride up on the passivation film 270.

ソース電極1s及びドレイン電極1dは、例えば厚さが50nm~150nmのTi膜及びその上の厚さが100nm~500nmのAl膜を含む。ゲート電極1gは、例えば厚さが10nm~50nmのNi膜及びその上の厚さが300nm~500nmのAu膜を含み、半導体積層構造201とショットキー接触している。パッシベーション膜270は、例えばSi、Al、Hf、Zr、Ti、Ta又はWの酸化物、窒化物又は酸窒化物の膜であり、好ましくはSi窒化物(SiN)の膜である。パッシベーション膜270の厚さは、例えば2nm~500nmであり、好ましくは100nm程度である。 The source electrode 1s and the drain electrode 1d include, for example, a Ti film having a thickness of 50 nm to 150 nm and an Al film having a thickness of 100 nm to 500 nm thereon. The gate electrode 1g includes, for example, a Ni film having a thickness of 10 nm to 50 nm and an Au film having a thickness of 300 nm to 500 nm thereon, and is in Schottky contact with the semiconductor laminate structure 201. The passivation film 270 is, for example, a film of an oxide, nitride or oxynitride of Si, Al, Hf, Zr, Ti, Ta or W, and is preferably a film of Si nitride (SiN). The thickness of the passivation film 270 is, for example, 2 nm to 500 nm, and is preferably about 100 nm.

平面視で、n型層240は、ゲート電極1gとドレイン電極1dとの間に位置し、ゲート電極1gとn型層240との間の距離Lは50nm以上であることが好ましい。この距離Lが50nm未満であると、ゲート電極1gの周辺のポテンシャル分布がn型層240の影響を受けやすくなる。このため、ドレイン電極1d側のゲート電極端において空乏層が伸びにくくなり、オフリーク電流が大きくなるおそれがある。また、例えば、ゲート電極1gとドレイン電極1dとの間の距離は5μm程度であり、電子が走行する方向でのn型層240の寸法は300nm~500nm程度である。 In plan view, the n-type layer 240 is located between the gate electrode 1g and the drain electrode 1d, and the distance L between the gate electrode 1g and the n-type layer 240 is preferably 50 nm or more. If the distance L is less than 50 nm, the potential distribution around the gate electrode 1g is easily affected by the n-type layer 240. This makes it difficult for the depletion layer to extend at the end of the gate electrode on the drain electrode 1d side, and there is a risk of an increase in off-leak current. In addition, for example, the distance between the gate electrode 1g and the drain electrode 1d is about 5 μm, and the dimension of the n-type layer 240 in the direction in which electrons travel is about 300 nm to 500 nm.

半導体装置200では、電子走行層220の電子供給層230との界面近傍に2DEGが生成される。オン状態では、2DEGを介してソース電極1sからドレイン電極1dに向けて電子が移動する。このとき、平面視で、ゲート電極1gとドレイン電極1dとの間にn型層240が存在し、n型層240中にイオン化したドナー型不純物が存在する。従って、第1実施形態と同様に、インパクトイオン化の発生が抑制される。更に、n型層240の下面241がバッファ層213に接しているため、電子のn型層240の下方の迂回も抑制できる。従って、第2実施形態によれば、インパクトイオン化を起因とする破壊を抑制できる。すなわち、オン耐圧を向上することができ、大きなドレイン電流が流れても破壊されにくくなる。 In the semiconductor device 200, 2DEG is generated near the interface between the electron transit layer 220 and the electron supply layer 230. In the on-state, electrons move from the source electrode 1s to the drain electrode 1d through the 2DEG. At this time, in a plan view, an n-type layer 240 exists between the gate electrode 1g and the drain electrode 1d, and ionized donor-type impurities exist in the n-type layer 240. Therefore, as in the first embodiment, the occurrence of impact ionization is suppressed. Furthermore, since the lower surface 241 of the n-type layer 240 is in contact with the buffer layer 213, the bypass of electrons below the n-type layer 240 can also be suppressed. Therefore, according to the second embodiment, destruction caused by impact ionization can be suppressed. In other words, the on-state breakdown voltage can be improved, and destruction is less likely to occur even if a large drain current flows.

次に、第2実施形態に係る半導体装置200の製造方法について説明する。図3~図8は、第2実施形態に係る半導体装置200の製造方法を示す断面図である。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device 200 according to the second embodiment will be described. Figures 3 to 8 are cross-sectional views showing the method for manufacturing the semiconductor device 200 according to the second embodiment.

まず、図3に示すように、Siの基板211上に、初期層212、バッファ層213及び電子走行層220を形成する。初期層212、バッファ層213及び電子走行層220は、例えば有機金属気相成長(metal organic chemical vapor deposition:MOCVD)法及び分子線エピタキシー(molecular beam epitaxy:MBE)法等の結晶成長法により形成することができる。 First, as shown in FIG. 3, an initial layer 212, a buffer layer 213, and an electron transit layer 220 are formed on a Si substrate 211. The initial layer 212, the buffer layer 213, and the electron transit layer 220 can be formed by a crystal growth method such as metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE).

MOCVD法により初期層212、バッファ層213及び電子走行層220等の窒化物半導体層を形成する場合、例えば、Al源であるトリメチルアルミニウム(TMA)ガス、Ga源であるトリメチルガリウム(TMG)ガス、及びN源であるアンモニア(NH)ガスの混合ガスを用いる。このとき、成長させる窒化物半導体層の組成に応じて、トリメチルアルミニウムガス及びトリメチルガリウムガスの供給の有無及び流量を適宜設定する。各窒化物半導体層に共通の原料であるアンモニアガスの流量は、例えば100ccm~10LM程度とする。また、例えば、成長圧力は50Torr~300Torr程度、成長温度は1000℃~1200℃程度とする。 When nitride semiconductor layers such as the initial layer 212, the buffer layer 213, and the electron transport layer 220 are formed by MOCVD, a mixed gas of, for example, trimethylaluminum (TMA) gas as an Al source, trimethylgallium (TMG) gas as a Ga source, and ammonia (NH 3 ) gas as an N source is used. At this time, the presence or absence of supply of trimethylaluminum gas and trimethylgallium gas and the flow rate are appropriately set according to the composition of the nitride semiconductor layer to be grown. The flow rate of ammonia gas, which is a common raw material for each nitride semiconductor layer, is, for example, about 100 ccm to 10 LM. In addition, for example, the growth pressure is about 50 Torr to 300 Torr, and the growth temperature is about 1000°C to 1200°C.

次いで、図4に示すように、電子走行層220及びバッファ層213に、凹部245を形成する。凹部245は、電子走行層220の上面からバッファ層213の厚さ方向の途中にかけて形成する。凹部245の形成では、例えば、凹部245を形成しようとする領域に開口を有するフォトレジストのパターンを電子走行層220上に形成し、このパターンをマスクとして塩素系ガスを用いたドライエッチングを行う。そして、フォトレジストのパターンを除去する。 Next, as shown in FIG. 4, recesses 245 are formed in the electron transit layer 220 and the buffer layer 213. The recesses 245 are formed from the upper surface of the electron transit layer 220 to midway through the thickness direction of the buffer layer 213. To form the recesses 245, for example, a photoresist pattern having an opening in the area where the recesses 245 are to be formed is formed on the electron transit layer 220, and dry etching is performed using a chlorine-based gas with this pattern as a mask. The photoresist pattern is then removed.

その後、図5に示すように、凹部245内にn型層240を形成する。n型層240の形成では、例えば、凹部245に対応する開口を有するフォトレジストのパターンを電子走行層220上に形成し、このパターンをマスクとしてn型層240を成長させる。そして、フォトレジストのパターンを除去する。n型層240は、例えばMOCVD法及びMBE法等の結晶成長法により形成することができる。MOCVD法によりn型層240を形成する場合、例えば、Si源としてのモノシラン(SiH)ガス又はGe源としてのモノゲルマン(GeH)ガスを、トリメチルガリウムガス及びアンモニアガスの混合ガスに加える。凹部245の形成に用いたフォトレジストのパターンを除去せずに、このパターンを、n型層240を形成する際に用いてもよい。 Thereafter, as shown in FIG. 5, the n-type layer 240 is formed in the recess 245. In forming the n-type layer 240, for example, a photoresist pattern having an opening corresponding to the recess 245 is formed on the electron transit layer 220, and the n-type layer 240 is grown using this pattern as a mask. Then, the photoresist pattern is removed. The n-type layer 240 can be formed by a crystal growth method such as MOCVD and MBE. When forming the n-type layer 240 by MOCVD, for example, monosilane (SiH 4 ) gas as a Si source or monogermane (GeH 4 ) gas as a Ge source is added to a mixed gas of trimethylgallium gas and ammonia gas. The photoresist pattern used in forming the recess 245 may be used in forming the n-type layer 240 without removing this pattern.

続いて、図6に示すように、電子走行層220及びn型層240の上に電子供給層230及びキャップ層250を形成する。電子供給層230及びキャップ層250は、例えばMOCVD法及びMBE法等の結晶成長法により形成することができる。このようにして、初期層212と、バッファ層213と、電子走行層220と、電子供給層230と、キャップ層250と、n型層240とを有する半導体積層構造201が形成される。 Next, as shown in FIG. 6, the electron supply layer 230 and the cap layer 250 are formed on the electron transit layer 220 and the n-type layer 240. The electron supply layer 230 and the cap layer 250 can be formed by a crystal growth method such as MOCVD or MBE. In this way, a semiconductor laminate structure 201 is formed, which includes the initial layer 212, the buffer layer 213, the electron transit layer 220, the electron supply layer 230, the cap layer 250, and the n-type layer 240.

次いで、図7に示すように、ソース電極1sの下方になる領域及びドレイン電極1dの下方になる領域のそれぞれにおいて、キャップ層250と、電子供給層230の表層部とを除去する。この除去は、例えば、レジストマスクを用いたドライエッチングにより行うことができる。この結果、半導体積層構造201に電子供給層230を露出するソース用のリセス260s及びドレイン用のリセス260dが形成される。 Next, as shown in FIG. 7, the cap layer 250 and the surface portion of the electron supply layer 230 are removed in the region below the source electrode 1s and the region below the drain electrode 1d. This removal can be performed, for example, by dry etching using a resist mask. As a result, a source recess 260s and a drain recess 260d that expose the electron supply layer 230 are formed in the semiconductor laminate structure 201.

その後、図8に示すように、リセス260s内にソース電極1sを形成し、リセス260d内にドレイン電極1dを形成する。ソース電極1s及びドレイン電極1dは、例えばリフトオフ法により形成することができる。すなわち、ソース電極1sを形成する予定の領域及びドレイン電極1dを形成する予定の領域を露出し、他の領域を覆うフォトレジストのパターンを形成し、このパターンを成長マスクとして蒸着法により金属膜を形成し、このパターンをその上の金属膜と共に除去する。金属膜の形成では、例えば、厚さが50nm~150nmのTi膜を形成し、その上に厚さが100nm~500nmのAl膜を形成する。次いで、例えば、Nの雰囲気中にて400℃~1000℃(例えば600℃)で熱処理(例えば急速加熱処理(rapid thermal annealing:RTA))を行い、オーミック接触を得る。 Thereafter, as shown in FIG. 8, a source electrode 1s is formed in the recess 260s, and a drain electrode 1d is formed in the recess 260d. The source electrode 1s and the drain electrode 1d can be formed, for example, by a lift-off method. That is, the region where the source electrode 1s is to be formed and the region where the drain electrode 1d is to be formed are exposed, and a photoresist pattern covering the other regions is formed, and a metal film is formed by deposition using this pattern as a growth mask, and this pattern is removed together with the metal film thereon. In forming the metal film, for example, a Ti film having a thickness of 50 nm to 150 nm is formed, and an Al film having a thickness of 100 nm to 500 nm is formed thereon. Next, for example, a heat treatment (for example, rapid thermal annealing (RTA)) is performed at 400° C. to 1000° C. (for example, 600° C.) in an N 2 atmosphere to obtain an ohmic contact.

続いて、図8に示すように、キャップ層250上にソース電極1s及びドレイン電極1dを覆うパッシベーション膜270を形成する。パッシベーション膜270は、例えばプラズマCVD法により形成することができる。パッシベーション膜270は、ALD法又はスパッタ法により形成してもよい。次いで、ソース電極1s及びドレイン電極1dの間において、パッシベーション膜270に開口部260gを形成する。そして、開口部260g内にゲート電極1gを形成する。ゲート電極1gは、例えばリフトオフ法により形成することができる。すなわち、ゲート電極1gを形成する予定の領域を露出するフォトレジストのパターンを形成し、このパターンを成長マスクとして蒸着法により金属膜を形成し、このパターンをその上の金属膜と共に除去する。金属膜の形成では、例えば、厚さが10nm~50nmのNi膜を形成し、その上に厚さが300nm~500nmのAu膜を形成する。 8, a passivation film 270 is formed on the cap layer 250 to cover the source electrode 1s and the drain electrode 1d. The passivation film 270 can be formed by, for example, a plasma CVD method. The passivation film 270 may also be formed by an ALD method or a sputtering method. Next, an opening 260g is formed in the passivation film 270 between the source electrode 1s and the drain electrode 1d. Then, a gate electrode 1g is formed in the opening 260g. The gate electrode 1g can be formed by, for example, a lift-off method. That is, a photoresist pattern is formed to expose the area where the gate electrode 1g is to be formed, and a metal film is formed by deposition using this pattern as a growth mask, and this pattern is removed together with the metal film thereon. In forming the metal film, for example, a Ni film having a thickness of 10 nm to 50 nm is formed, and an Au film having a thickness of 300 nm to 500 nm is formed on top of it.

このようにして、第2実施形態に係る半導体装置200を製造することができる。 In this manner, the semiconductor device 200 according to the second embodiment can be manufactured.

(第3実施形態)
次に、第3実施形態について説明する。第3実施形態は、GaN系HEMTを含む半導体装置に関する。図9は、第3実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
Third Embodiment
Next, a third embodiment will be described. The third embodiment relates to a semiconductor device including a GaN-based HEMT. Fig. 9 is a cross-sectional view showing the semiconductor device according to the third embodiment.

第3実施形態に係る半導体装置300では、図9に示すように、凹部245に代えて、凹部345がバッファ層213に形成されている。凹部345のバッファ層213の上面を基準とした深さは、例えば150nm~250nmである。n型層240はバッファ層213の上面から上方に突出するようにして凹部345内に形成されている。電子走行層220はn型層240の上面242を覆うように形成されている。電子供給層230は電子走行層220の上に形成されており、n型層240の上面242には接していない。他の構成は第2実施形態と同様である。 In the semiconductor device 300 according to the third embodiment, as shown in FIG. 9, a recess 345 is formed in the buffer layer 213 instead of the recess 245. The depth of the recess 345 with respect to the upper surface of the buffer layer 213 is, for example, 150 nm to 250 nm. The n-type layer 240 is formed in the recess 345 so as to protrude upward from the upper surface of the buffer layer 213. The electron transit layer 220 is formed so as to cover the upper surface 242 of the n-type layer 240. The electron supply layer 230 is formed on the electron transit layer 220 and is not in contact with the upper surface 242 of the n-type layer 240. The other configurations are the same as those of the second embodiment.

第3実施形態によっても第2実施形態と同様の効果が得られる。 The third embodiment also provides the same effect as the second embodiment.

次に、第3実施形態に係る半導体装置300の製造方法について説明する。図10~図12は、第3実施形態に係る半導体装置300の製造方法を示す断面図である。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device 300 according to the third embodiment will be described. Figures 10 to 12 are cross-sectional views showing the method for manufacturing the semiconductor device 300 according to the third embodiment.

まず、図10に示すように、第2実施形態と同様にして、バッファ層213の形成までの処理を行う。次いで、バッファ層213に凹部345を形成する。その後、図11に示すように、バッファ層213の上面から上方に突出するようにしてn型層240を凹部345内に形成する。続いて、図12に示すように、バッファ層213及びn型層240の上に電子走行層220、電子供給層230及びキャップ層250を形成する。その後、ソース用のリセス260s及びドレイン用のリセス260dの形成以降の処理を、第2実施形態と同様に行う。 First, as shown in FIG. 10, the process up to the formation of the buffer layer 213 is performed in the same manner as in the second embodiment. Next, a recess 345 is formed in the buffer layer 213. Thereafter, as shown in FIG. 11, the n-type layer 240 is formed in the recess 345 so as to protrude upward from the upper surface of the buffer layer 213. Next, as shown in FIG. 12, the electron transit layer 220, the electron supply layer 230, and the cap layer 250 are formed on the buffer layer 213 and the n-type layer 240. Thereafter, the process after the formation of the source recess 260s and the drain recess 260d is performed in the same manner as in the second embodiment.

このようにして、第3実施形態に係る半導体装置300を製造することができる。 In this manner, the semiconductor device 300 according to the third embodiment can be manufactured.

(第4実施形態)
次に、第4実施形態について説明する。第4実施形態は、GaN系HEMTを含む半導体装置に関する。図13は、第4実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
Fourth Embodiment
Next, a fourth embodiment will be described. The fourth embodiment relates to a semiconductor device including a GaN-based HEMT. Fig. 13 is a cross-sectional view showing the semiconductor device according to the fourth embodiment.

第4実施形態に係る半導体装置400は、図13に示すように、n型層240の上面242を覆う絶縁膜480を凹部245内に有する。絶縁膜480はn型層240と電子供給層230との間に介在する。絶縁膜480は、例えば厚さが5nm~20nmのSi酸化膜又はSi窒化膜である。他の構成は第2実施形態と同様である。 As shown in FIG. 13, the semiconductor device 400 according to the fourth embodiment has an insulating film 480 that covers the upper surface 242 of the n-type layer 240 in the recess 245. The insulating film 480 is interposed between the n-type layer 240 and the electron supply layer 230. The insulating film 480 is, for example, a Si oxide film or a Si nitride film with a thickness of 5 nm to 20 nm. The other configurations are the same as those of the second embodiment.

第4実施形態によっても第2実施形態と同様の効果が得られる。また、第4実施形態では、電子供給層230とn型層240との間を流れるゲートリーク電流を大幅に低減することができる。 The fourth embodiment also provides the same effect as the second embodiment. Furthermore, the fourth embodiment can significantly reduce the gate leakage current flowing between the electron supply layer 230 and the n-type layer 240.

電子供給層230の絶縁膜480との界面近傍はアモルファスであってもよい。この場合、電子供給層230の全体が結晶である場合と比べて、ゲート電極1gとドレイン電極1dとの間の2DEGが少なくなり、電界集中を緩和することができる。 The electron supply layer 230 may be amorphous near the interface with the insulating film 480. In this case, the 2DEG between the gate electrode 1g and the drain electrode 1d is smaller than when the entire electron supply layer 230 is crystalline, and electric field concentration can be alleviated.

なお、絶縁膜480の上面が電子走行層220の上面より上方にあってもよい。 The upper surface of the insulating film 480 may be located above the upper surface of the electron transport layer 220.

次に、第4実施形態に係る半導体装置400の製造方法について説明する。図14~図15は、第4実施形態に係る半導体装置400の製造方法を示す断面図である。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device 400 according to the fourth embodiment will be described. Figures 14 and 15 are cross-sectional views showing the method for manufacturing the semiconductor device 400 according to the fourth embodiment.

まず、図14に示すように、第2実施形態と同様にして、凹部245の形成までの処理を行う。次いで、凹部245内にn型層240及び絶縁膜480を形成する。n型層240及び絶縁膜480の形成では、例えば、凹部245に対応する開口を有するフォトレジストのパターンを電子走行層220上に形成し、このパターンをマスクとしてn型層240を成長させ、n型層240の上に絶縁膜480を形成する。そして、フォトレジストのパターンを除去する。n型層240は、例えばMOCVD法及びMBE法等の結晶成長法により形成することができる。絶縁膜480は、例えばCVD法により形成することができる。凹部245の形成に用いたフォトレジストのパターンを除去せずに、このパターンを、n型層240及び絶縁膜480を形成する際に用いてもよい。 First, as shown in FIG. 14, the process up to the formation of the recess 245 is performed in the same manner as in the second embodiment. Next, the n-type layer 240 and the insulating film 480 are formed in the recess 245. In forming the n-type layer 240 and the insulating film 480, for example, a photoresist pattern having an opening corresponding to the recess 245 is formed on the electron transit layer 220, and the n-type layer 240 is grown using this pattern as a mask, and the insulating film 480 is formed on the n-type layer 240. Then, the photoresist pattern is removed. The n-type layer 240 can be formed by a crystal growth method such as the MOCVD method and the MBE method. The insulating film 480 can be formed by the CVD method. The photoresist pattern used to form the recess 245 may not be removed, and this pattern may be used when forming the n-type layer 240 and the insulating film 480.

次いで、図15に示すように、電子走行層220及び絶縁膜480の上に電子供給層230及びキャップ層250を形成する。電子供給層230の絶縁膜480との界面近傍は結晶化せずにアモルファスとなってもよい。その後、ソース用のリセス260s及びドレイン用のリセス260dの形成以降の処理を、第2実施形態と同様に行う。 Next, as shown in FIG. 15, the electron supply layer 230 and the cap layer 250 are formed on the electron transit layer 220 and the insulating film 480. The electron supply layer 230 may be amorphous near the interface with the insulating film 480 without being crystallized. After that, the processes following the formation of the source recess 260s and the drain recess 260d are performed in the same manner as in the second embodiment.

このようにして、第4実施形態に係る半導体装置400を製造することができる。 In this manner, the semiconductor device 400 according to the fourth embodiment can be manufactured.

ここで、本願発明者らが行った第1シミュレーションについて説明する。第1シミュレーションでは、第2実施形態に係る半導体装置200と、図16に示す参考例に係る半導体装置900とについてドレイン電圧と飽和出力との関係を計算した。この結果を図17に示す。図16は、参考例に係る半導体装置を示す断面図である。図17は、ドレイン電圧と飽和出力との関係を示す図である。図17に示すように、参考例に係る半導体装置900では40V程度のドレイン電圧で破壊が生じるのに対し、第2実施形態では70V程度のドレイン電圧でも動作可能である。 Here, the first simulation performed by the inventors of the present application will be described. In the first simulation, the relationship between drain voltage and saturation output was calculated for the semiconductor device 200 according to the second embodiment and the semiconductor device 900 according to the reference example shown in FIG. 16. The results are shown in FIG. 17. FIG. 16 is a cross-sectional view showing the semiconductor device according to the reference example. FIG. 17 is a diagram showing the relationship between drain voltage and saturation output. As shown in FIG. 17, the semiconductor device 900 according to the reference example breaks down at a drain voltage of about 40 V, whereas the second embodiment can operate at a drain voltage of about 70 V.

次に、本願発明者らが行った第2シミュレーションについて説明する。第2シミュレーションでは、第2実施形態に係る半導体装置200について、平面視でのゲート電極1gとn型層240との間の距離Lとオフリーク電流との関係を計算した。この結果を図18に示す。図18は、平面視でのゲート電極1gとn型層240との間の距離Lとオフリーク電流との関係を示す図である。図18に示すように、距離Lが50nm以上であると、オフリーク電流が非常に小さい。 Next, a second simulation performed by the inventors of the present application will be described. In the second simulation, the relationship between the distance L between the gate electrode 1g and the n-type layer 240 in a plan view and the off-leakage current was calculated for the semiconductor device 200 according to the second embodiment. The results are shown in FIG. 18. FIG. 18 is a diagram showing the relationship between the distance L between the gate electrode 1g and the n-type layer 240 in a plan view and the off-leakage current. As shown in FIG. 18, when the distance L is 50 nm or more, the off-leakage current is very small.

(第5実施形態)
次に、第5実施形態について説明する。第5実施形態は、HEMTのディスクリートパッケージに関する。図19は、第5実施形態に係るディスクリートパッケージを示す図である。
Fifth Embodiment
Next, a fifth embodiment will be described. The fifth embodiment relates to a discrete package of a HEMT. Fig. 19 is a diagram showing the discrete package according to the fifth embodiment.

第5実施形態では、図19に示すように、第1~第4実施形態のいずれかと同様の構造を備えた半導体装置1210の裏面がはんだ等のダイアタッチ剤1234を用いてランド(ダイパッド)1233に固定されている。また、ドレイン電極1dが接続されたドレインパッド1226dに、Alワイヤ等のワイヤ1235dが接続され、ワイヤ1235dの他端が、ランド1233と一体化しているドレインリード1232dに接続されている。ソース電極1sに接続されたソースパッド1226sにAlワイヤ等のワイヤ1235sが接続され、ワイヤ1235sの他端がランド1233から独立したソースリード1232sに接続されている。ゲート電極1gに接続されたゲートパッド1226gにAlワイヤ等のワイヤ1235gが接続され、ワイヤ1235gの他端がランド1233から独立したゲートリード1232gに接続されている。そして、ゲートリード1232gの一部、ドレインリード1232dの一部及びソースリード1232sの一部が突出するようにして、ランド1233及び半導体装置1210等がモールド樹脂1231によりパッケージングされている。 In the fifth embodiment, as shown in FIG. 19, the back surface of a semiconductor device 1210 having a structure similar to any one of the first to fourth embodiments is fixed to a land (die pad) 1233 using a die attachment agent 1234 such as solder. A wire 1235d such as an Al wire is connected to a drain pad 1226d to which a drain electrode 1d is connected, and the other end of the wire 1235d is connected to a drain lead 1232d integrated with the land 1233. A wire 1235s such as an Al wire is connected to a source pad 1226s connected to a source electrode 1s, and the other end of the wire 1235s is connected to a source lead 1232s independent from the land 1233. A wire 1235g such as an Al wire is connected to a gate pad 1226g connected to a gate electrode 1g, and the other end of the wire 1235g is connected to a gate lead 1232g independent from the land 1233. The land 1233 and the semiconductor device 1210 are packaged in the mold resin 1231 so that a portion of the gate lead 1232g, a portion of the drain lead 1232d, and a portion of the source lead 1232s protrude.

このようなディスクリートパッケージは、例えば、次のようにして製造することができる。まず、半導体装置1210をはんだ等のダイアタッチ剤1234を用いてリードフレームのランド1233に固定する。次いで、ワイヤ1235g、1235d及び1235sを用いたボンディングにより、ゲートパッド1226gをリードフレームのゲートリード1232gに接続し、ドレインパッド1226dをリードフレームのドレインリード1232dに接続し、ソースパッド1226sをリードフレームのソースリード1232sに接続する。その後、トランスファーモールド法にてモールド樹脂1231を用いた封止を行う。続いて、リードフレームを切り離す。 Such a discrete package can be manufactured, for example, as follows. First, the semiconductor device 1210 is fixed to the land 1233 of the lead frame using a die attachment agent 1234 such as solder. Next, by bonding using wires 1235g, 1235d, and 1235s, the gate pad 1226g is connected to the gate lead 1232g of the lead frame, the drain pad 1226d is connected to the drain lead 1232d of the lead frame, and the source pad 1226s is connected to the source lead 1232s of the lead frame. After that, sealing is performed using mold resin 1231 by the transfer molding method. Next, the lead frame is separated.

(第6実施形態)
次に、第6実施形態について説明する。第6実施形態は、HEMTを備えたPFC(Power Factor Correction)回路に関する。図20は、第6実施形態に係るPFC回路を示す結線図である。
Sixth Embodiment
Next, a sixth embodiment will be described. The sixth embodiment relates to a PFC (Power Factor Correction) circuit including a HEMT. Fig. 20 is a wiring diagram showing the PFC circuit according to the sixth embodiment.

PFC回路1250には、スイッチ素子(トランジスタ)1251、ダイオード1252、チョークコイル1253、コンデンサ1254及び1255、ダイオードブリッジ1256、並びに交流電源(AC)1257が設けられている。そして、スイッチ素子1251のドレイン電極と、ダイオード1252のアノード端子及びチョークコイル1253の一端子とが接続されている。スイッチ素子1251のソース電極と、コンデンサ1254の一端子及びコンデンサ1255の一端子とが接続されている。コンデンサ1254の他端子とチョークコイル1253の他端子とが接続されている。コンデンサ1255の他端子とダイオード1252のカソード端子とが接続されている。また、スイッチ素子1251のゲート電極にはゲートドライバが接続されている。コンデンサ1254の両端子間には、ダイオードブリッジ1256を介してAC1257が接続される。コンデンサ1255の両端子間には、直流電源(DC)が接続される。そして、本実施形態では、スイッチ素子1251に、第1~第4実施形態のいずれかと同様の構造を備えた半導体装置が用いられている。 The PFC circuit 1250 includes a switch element (transistor) 1251, a diode 1252, a choke coil 1253, capacitors 1254 and 1255, a diode bridge 1256, and an AC power supply (AC) 1257. The drain electrode of the switch element 1251 is connected to the anode terminal of the diode 1252 and one terminal of the choke coil 1253. The source electrode of the switch element 1251 is connected to one terminal of the capacitor 1254 and one terminal of the capacitor 1255. The other terminal of the capacitor 1254 is connected to the other terminal of the choke coil 1253. The other terminal of the capacitor 1255 is connected to the cathode terminal of the diode 1252. A gate driver is connected to the gate electrode of the switch element 1251. The AC 1257 is connected between both terminals of the capacitor 1254 via the diode bridge 1256. A DC power supply (DC) is connected between both terminals of the capacitor 1255. In this embodiment, a semiconductor device having a structure similar to any of the first to fourth embodiments is used for the switch element 1251.

PFC回路1250の製造に際しては、例えば、はんだ等を用いて、スイッチ素子1251をダイオード1252及びチョークコイル1253等に接続する。 When manufacturing the PFC circuit 1250, the switch element 1251 is connected to the diode 1252 and the choke coil 1253, etc., using, for example, solder.

(第7実施形態)
次に、第7実施形態について説明する。第7実施形態は、サーバ電源に好適な、HEMTを備えた電源装置に関する。図21は、第7実施形態に係る電源装置を示す結線図である。
Seventh Embodiment
Next, a seventh embodiment will be described. The seventh embodiment relates to a power supply device equipped with a HEMT, suitable for use as a server power supply. Fig. 21 is a wiring diagram showing the power supply device according to the seventh embodiment.

電源装置には、高圧の一次側回路1261及び低圧の二次側回路1262、並びに一次側回路1261と二次側回路1262との間に配設されるトランス1263が設けられている。 The power supply device is provided with a high-voltage primary circuit 1261, a low-voltage secondary circuit 1262, and a transformer 1263 disposed between the primary circuit 1261 and the secondary circuit 1262.

一次側回路1261には、第6実施形態に係るPFC回路1250、及びPFC回路1250のコンデンサ1255の両端子間に接続されたインバータ回路、例えばフルブリッジインバータ回路1260が設けられている。フルブリッジインバータ回路1260には、複数(ここでは4つ)のスイッチ素子1264a、1264b、1264c及び1264dが設けられている。 The primary side circuit 1261 includes a PFC circuit 1250 according to the sixth embodiment, and an inverter circuit, for example a full-bridge inverter circuit 1260, connected between both terminals of a capacitor 1255 of the PFC circuit 1250. The full-bridge inverter circuit 1260 includes multiple (four in this example) switch elements 1264a, 1264b, 1264c, and 1264d.

二次側回路1262には、複数(ここでは3つ)のスイッチ素子1265a、1265b及び1265cが設けられている。 The secondary circuit 1262 is provided with multiple (here, three) switch elements 1265a, 1265b, and 1265c.

本実施形態では、一次側回路1261を構成するPFC回路1250のスイッチ素子1251、並びにフルブリッジインバータ回路1260のスイッチ素子1264a、1264b、1264c及び1264dに、第1~第4実施形態のいずれかと同様の構造を備えた半導体装置が用いられている。一方、二次側回路1262のスイッチ素子1265a、1265b及び1265cには、シリコンを用いた通常のMIS型FET(電界効果トランジスタ)が用いられている。 In this embodiment, the switch element 1251 of the PFC circuit 1250 constituting the primary side circuit 1261 and the switch elements 1264a, 1264b, 1264c, and 1264d of the full bridge inverter circuit 1260 are made of semiconductor devices having a structure similar to that of any of the first to fourth embodiments. On the other hand, the switch elements 1265a, 1265b, and 1265c of the secondary side circuit 1262 are made of ordinary MIS type FETs (field effect transistors) using silicon.

(第8実施形態)
次に、第8実施形態について説明する。第8実施形態は、HEMTを備えた増幅器に関する。図22は、第8実施形態に係る増幅器を示す結線図である。
Eighth embodiment
Next, an eighth embodiment will be described. The eighth embodiment relates to an amplifier including a HEMT. Fig. 22 is a wiring diagram showing the amplifier according to the eighth embodiment.

増幅器には、ディジタル・プレディストーション回路1271、ミキサー1272a及び1272b、並びにパワーアンプ1273が設けられている。 The amplifier includes a digital predistortion circuit 1271, mixers 1272a and 1272b, and a power amplifier 1273.

ディジタル・プレディストーション回路1271は、入力信号の非線形歪みを補償する。ミキサー1272aは、非線形歪みが補償された入力信号と交流信号とをミキシングする。パワーアンプ1273は、第1~第4実施形態のいずれかと同様の構造を備えた半導体装置を備えており、交流信号とミキシングされた入力信号を増幅する。なお、本実施形態では、例えば、スイッチの切り替えにより、出力側の信号をミキサー1272bで交流信号とミキシングしてディジタル・プレディストーション回路1271に送出できる。この増幅器は、高周波増幅器、高出力増幅器として使用することができる。高周波増幅器は、例えば、携帯電話基地局用送受信装置、レーダー装置及びマイクロ波発生装置に用いることができる。 The digital predistortion circuit 1271 compensates for nonlinear distortion of the input signal. The mixer 1272a mixes the input signal, for which nonlinear distortion has been compensated, with an AC signal. The power amplifier 1273 includes a semiconductor device having a structure similar to that of any of the first to fourth embodiments, and amplifies the input signal mixed with the AC signal. Note that in this embodiment, for example, by switching a switch, the output signal can be mixed with the AC signal by the mixer 1272b and sent to the digital predistortion circuit 1271. This amplifier can be used as a high-frequency amplifier or a high-output amplifier. The high-frequency amplifier can be used, for example, in a transmitting/receiving device for a mobile phone base station, a radar device, and a microwave generating device.

本開示において、基板として、炭化シリコン(SiC)基板、サファイヤ基板、シリコン基板、AlN基板、GaN基板又はダイヤモンド基板を用いてもよい。基板が、導電性、半絶縁性又は絶縁性のいずれであってもよい。電子走行層を基板上に形成できる場合、基板が下地として用いられてもよい。 In the present disclosure, the substrate may be a silicon carbide (SiC) substrate, a sapphire substrate, a silicon substrate, an AlN substrate, a GaN substrate, or a diamond substrate. The substrate may be conductive, semi-insulating, or insulating. If an electron transport layer can be formed on the substrate, the substrate may be used as a base.

ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極の構造は上述の実施形態のものに限定されない。例えば、これらが単層から構成されていてもよい。また、これらの形成方法はリフトオフ法に限定されない。更に、オーミック特性が得られるのであれば、ソース電極及びドレイン電極の形成後の熱処理を省略してもよい。ゲート電極の形成後に熱処理を行ってもよい。 The structures of the gate electrode, source electrode, and drain electrode are not limited to those in the above-described embodiment. For example, they may be composed of a single layer. Furthermore, the method of forming them is not limited to the lift-off method. Furthermore, if ohmic characteristics are obtained, the heat treatment after the formation of the source electrode and drain electrode may be omitted. Heat treatment may be performed after the formation of the gate electrode.

ゲート電極の構造として、上記の実施形態ではショットキー型ゲート構造が用いられているが、MIS(metal-insulator-semiconductor)型ゲート構造が用いられてもよい。 In the above embodiment, a Schottky gate structure is used as the gate electrode structure, but a MIS (metal-insulator-semiconductor) gate structure may also be used.

以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。 Although the preferred embodiments have been described above in detail, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and substitutions can be made to the above-described embodiments without departing from the scope of the claims.

以下、本開示の諸態様を付記としてまとめて記載する。 Various aspects of this disclosure are summarized below as appendices.

(付記1)
化合物半導体の半導体積層構造と、
前記半導体積層構造の上方に設けられたソース電極、ゲート電極及びドレイン電極と、
を有し、
前記半導体積層構造は、
下地と、
前記下地の上に設けられた電子走行層と、
前記電子走行層の上に設けられた電子供給層と、
平面視で前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間に設けられたn型層と、
を有し、
前記n型層は、
前記下地に接する下面と、
前記下地と前記電子走行層との界面よりも上方に位置する上面と、
を有することを特徴とする半導体装置。
(付記2)
前記下地の上面に凹部が形成され、
前記n型層は、前記凹部内に設けられていることを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(付記3)
前記電子走行層に、前記n型層の上面を露出する開口が形成されていることを特徴とする付記1又は2に記載の半導体装置。
(付記4)
前記開口内に設けられ、前記n型層の上面を覆う絶縁膜を有することを特徴とする付記3に記載の半導体装置。
(付記5)
平面視で、前記ゲート電極と前記n型層との間の距離は50nm以上であることを特徴とする付記1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置。
(付記6)
前記n型層は、1×1016cm-3以上1×1019cm-3以下の濃度でドナー型不純物を含むことを特徴とする付記1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置。
(付記7)
前記n型層の上面は、前記電子走行層の上面よりも下方に位置することを特徴とする付記1乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置。
(付記8)
付記1乃至7のいずれか1項に記載の半導体装置を有することを特徴とする増幅器。
(付記9)
付記1乃至7のいずれか1項に記載の半導体装置を有することを特徴とする電源装置。
(Appendix 1)
A semiconductor laminate structure of compound semiconductors;
a source electrode, a gate electrode and a drain electrode provided above the semiconductor laminate structure;
having
The semiconductor laminate structure includes:
The base and
an electron transport layer provided on the underlayer;
an electron supply layer provided on the electron transit layer;
an n-type layer provided between the gate electrode and the drain electrode in a plan view;
having
The n-type layer is
A lower surface in contact with the substrate;
an upper surface located above an interface between the base and the electron transport layer;
A semiconductor device comprising:
(Appendix 2)
A recess is formed on the upper surface of the base,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the n-type layer is provided in the recess.
(Appendix 3)
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the electron transport layer has an opening exposing an upper surface of the n-type layer.
(Appendix 4)
4. The semiconductor device according to claim 3, further comprising an insulating film provided in the opening and covering an upper surface of the n-type layer.
(Appendix 5)
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein a distance between the gate electrode and the n-type layer is 50 nm or more in a plan view.
(Appendix 6)
6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the n-type layer contains a donor-type impurity at a concentration of 1×10 16 cm −3 or more and 1×10 19 cm −3 or less.
(Appendix 7)
7. The semiconductor device according to claim 1, wherein an upper surface of the n-type layer is located lower than an upper surface of the electron transit layer.
(Appendix 8)
8. An amplifier comprising the semiconductor device according to claim 1.
(Appendix 9)
A power supply device comprising the semiconductor device according to any one of claims 1 to 7.

1s:ソース電極
1d:ドレイン電極
1g:ゲート電極
100、200、300、400:半導体装置
101、201:半導体積層構造
110:下地
120、220:電子走行層
130、230:電子供給層
140、240:n型層
141、241:下面
142、242:上面
213:バッファ層
245、345:凹部
1s: source electrode 1d: drain electrode 1g: gate electrode 100, 200, 300, 400: semiconductor device 101, 201: semiconductor laminate structure 110: base 120, 220: electron transit layer 130, 230: electron supply layer 140, 240: n-type layer 141, 241: lower surface 142, 242: upper surface 213: buffer layer 245, 345: recess

Claims (7)

化合物半導体の半導体積層構造と、
前記半導体積層構造の上方に設けられたソース電極、ゲート電極及びドレイン電極と、
を有し、
前記半導体積層構造は、
下地と、
前記下地の上に設けられた電子走行層と、
前記電子走行層の上に設けられた電子供給層と、
平面視で前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間に設けられたn型層と、
を有し、
前記n型層は、
前記下地に接する下面と、
前記下地と前記電子走行層との界面よりも上方に位置する上面と、
を有し、
前記n型層の上面は前記電子供給層に覆われていることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor laminate structure of compound semiconductors;
a source electrode, a gate electrode and a drain electrode provided above the semiconductor laminate structure;
having
The semiconductor laminate structure includes:
The base and
an electron transport layer provided on the underlayer;
an electron supply layer provided on the electron transit layer;
an n-type layer provided between the gate electrode and the drain electrode in a plan view;
having
The n-type layer is
A lower surface in contact with the substrate;
an upper surface located above an interface between the base and the electron transport layer;
having
a top surface of the n-type layer being covered with the electron supply layer ,
前記下地の上面に凹部が形成され、
前記n型層は、前記凹部内に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
A recess is formed on the upper surface of the base,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the n-type layer is provided in the recess.
前記電子走行層に、前記n型層の上面を露出する開口が形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2, characterized in that an opening exposing the upper surface of the n-type layer is formed in the electron transport layer. 前記開口内に設けられ、前記n型層の上面を覆う絶縁膜を有することを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3, further comprising an insulating film disposed in the opening and covering the upper surface of the n-type layer. 前記電子供給層は前記n型層の上面に接していることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置。4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the electron supply layer is in contact with an upper surface of the n-type layer. 平面視で、前記ゲート電極と前記n型層との間の距離は50nm以上であることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の半導体装置。 6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the distance between the gate electrode and the n-type layer is 50 nm or more in a plan view. 前記n型層は、1×1016cm-3以上1×1019cm-3以下の濃度でドナー型不純物を含むことを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の半導体装置。 7. The semiconductor device according to claim 1, wherein the n-type layer contains a donor-type impurity at a concentration of 1×10 16 cm −3 or more and 1×10 19 cm −3 or less.
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