JP7620189B2

JP7620189B2 - Nitride semiconductor devices

Info

Publication number: JP7620189B2
Application number: JP2021028028A
Authority: JP
Inventors: 純赤松
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2021-02-25
Filing date: 2021-02-25
Publication date: 2025-01-23
Anticipated expiration: 2041-02-25
Also published as: JP2022129401A

Description

本発明は、窒化物半導体素子に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor device.

窒化物半導体を用いたトランジスタは、電流コラプス現象の改善が求められている。例えば、特許文献１には、電流コラプス現象の改善のためにフィールドプレート電極を設けた化合物半導体装置が記載されている。 There is a demand for transistors using nitride semiconductors that can reduce the current collapse phenomenon. For example, Patent Document 1 describes a compound semiconductor device that is provided with a field plate electrode to reduce the current collapse phenomenon.

特開２０１４－０７２３７９Patent Publication 2014-072379

フィールドプレート電極を有するトランジスタでは、フィールドプレート電極の電極端に電界が集中するため、フィールドプレート電極を設けない場合よりもトランジスタの破壊電圧が低下する傾向がある。フィールドプレート電極とドレイン電極との間の距離を長くするほど、トランジスタの破壊電圧は向上するが、一方でトランジスタの素子抵抗が増大する。 In a transistor with a field plate electrode, the electric field is concentrated at the end of the field plate electrode, so the breakdown voltage of the transistor tends to be lower than when no field plate electrode is provided. The longer the distance between the field plate electrode and the drain electrode, the higher the breakdown voltage of the transistor, but the higher the element resistance of the transistor.

本発明の一態様の窒化物半導体素子は、チャネルが形成される活性領域を含む窒化物半導体構造と、前記窒化物半導体構造の一部を含むトランジスタ部と、前記窒化物半導体構造の他の一部を含むダイオード部と、を備え、前記トランジスタ部は、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート電極と、前記ソース電極と接続され平面視において前記ゲート電極を覆う第１フィールドプレート電極と、を有し、前記ダイオード部は、前記ソース電極と電気的に接続された第１電極と、前記ドレイン電極と電気的に接続された第２電極と、平面視において前記第１電極と前記第２電極の間に位置する第３電極と、前記第１電極と接続され平面視において前記第３電極を覆う第２フィールドプレート電極と、を有し、前記第１電極は、前記第３電極と短絡されており、前記ゲート電極と前記ドレイン電極を結ぶ方向における前記第１フィールドプレート電極の長さは、前記第３電極と前記第２電極を結ぶ方向における前記第２フィールドプレート電極の長さよりも大きい。 The nitride semiconductor device according to one aspect of the present invention comprises a nitride semiconductor structure including an active region in which a channel is formed, a transistor section including a part of the nitride semiconductor structure, and a diode section including another part of the nitride semiconductor structure, the transistor section having a source electrode, a drain electrode, a gate electrode, and a first field plate electrode connected to the source electrode and covering the gate electrode in a planar view, the diode section having a first electrode electrically connected to the source electrode, a second electrode electrically connected to the drain electrode, a third electrode located between the first electrode and the second electrode in a planar view, and a second field plate electrode connected to the first electrode and covering the third electrode in a planar view, the first electrode being short-circuited to the third electrode, and the length of the first field plate electrode in the direction connecting the gate electrode and the drain electrode is greater than the length of the second field plate electrode in the direction connecting the third electrode and the second electrode.

本発明の一態様の窒化物半導体素子によれば、電流コラプスの低減及び破壊電圧の向上が可能である。 The nitride semiconductor device of one aspect of the present invention makes it possible to reduce current collapse and improve breakdown voltage.

本発明の一実施形態の窒化物半導体素子を示す模式平面図である。1 is a schematic plan view showing a nitride semiconductor device according to one embodiment of the present invention. 図１のＩＩ－ＩＩ線における模式断面図である。2 is a schematic cross-sectional view taken along line II-II in FIG. 1. 実施例の窒化物半導体素子の電流電圧特性を示すグラフである。1 is a graph showing current-voltage characteristics of a nitride semiconductor device according to an example. 実施例の窒化物半導体素子のダイオード部の電流電圧特性を示すグラフである。4 is a graph showing current-voltage characteristics of a diode portion of the nitride semiconductor device of the example. 実施例の窒化物半導体素子のトランジスタ部の電流電圧特性を示すグラフである。4 is a graph showing current-voltage characteristics of a transistor portion of a nitride semiconductor device according to an example.

以下、図面を参照し、本発明の一実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。 One embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that the same elements in each drawing are given the same reference numerals.

図１は、本実施形態の窒化物半導体素子を示す模式平面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線における模式断面図である。図１及び図２に示すとおり、本実施形態の窒化物半導体素子１００は、チャネルが形成される活性領域を含む窒化物半導体構造１０と、窒化物半導体構造１０の一部を含むトランジスタ部２０と、窒化物半導体構造１０の他の一部を含むダイオード部３０と、を有する。 Figure 1 is a schematic plan view showing the nitride semiconductor device of this embodiment. Figure 2 is a schematic cross-sectional view taken along line II-II in Figure 1. As shown in Figures 1 and 2, the nitride semiconductor device 100 of this embodiment has a nitride semiconductor structure 10 including an active region in which a channel is formed, a transistor section 20 including a part of the nitride semiconductor structure 10, and a diode section 30 including another part of the nitride semiconductor structure 10.

トランジスタ部２０は、ソース電極２１と、ドレイン電極２２と、ゲート電極２３と、第１フィールドプレート電極２４と、を有する。第１フィールドプレート電極２４は、ソース電極２１と接続されており、平面視においてゲート電極２３を覆っている。トランジスタ部は、電界効果トランジスタとして機能することができる。 The transistor section 20 has a source electrode 21, a drain electrode 22, a gate electrode 23, and a first field plate electrode 24. The first field plate electrode 24 is connected to the source electrode 21 and covers the gate electrode 23 in a plan view. The transistor section can function as a field effect transistor.

ダイオード部３０は、第１電極３１と、第２電極３２と、第３電極３３と、第２フィールドプレート電極３４と、を有する。第１電極３１は、ソース電極２１と電気的に接続されている。第２電極３２は、ドレイン電極２２と電気的に接続されている。第３電極３３は、平面視において、第１電極３１と第２電極３２の間に位置する。第２フィールドプレート電極は、第１電極３１と接続されており、平面視において第３電極３３を覆っている。第１電極３１は、第３電極３３と短絡されている。これにより、ダイオード部３０は、トランジスタ部２０と類似の構造を有していながら、トランジスタ部２０とは異なりダイオードとして機能させることができる。 The diode section 30 has a first electrode 31, a second electrode 32, a third electrode 33, and a second field plate electrode 34. The first electrode 31 is electrically connected to the source electrode 21. The second electrode 32 is electrically connected to the drain electrode 22. The third electrode 33 is located between the first electrode 31 and the second electrode 32 in a planar view. The second field plate electrode is connected to the first electrode 31 and covers the third electrode 33 in a planar view. The first electrode 31 is short-circuited to the third electrode 33. As a result, the diode section 30 has a similar structure to the transistor section 20, but unlike the transistor section 20, it can function as a diode.

ゲート電極２３とドレイン電極２２を結ぶ方向における第１フィールドプレート電極２４の長さＬ_ｂ１は、第３電極３３と第２電極３２を結ぶ方向における第２フィールドプレート電極３４の長さＬ_ｂ２よりも大きい。これにより、ゲート電極２３にかかる電界よりも第３電極３３にかかる電界の方を強くすることができるため、トランジスタ部２０が破壊される電圧よりもダイオード部３０がパンチスルーする電圧を低くすることができる。したがって、窒化物半導体素子１００に電圧を印加する際に、トランジスタ部２０が破壊されるよりも先にダイオード部３０をパンチスルーさせることができる。ダイオード部３０は、パンチスルー現象により、第１電極３１と第３電極３３との間に実質的に導通経路が形成される。このため、ダイオード部３０がパンチスルーすると、トランジスタ部２０のソース－ドレイン電圧はクランプされる。したがって、トランジスタ部２０の破壊電圧を超える電圧が窒化物半導体素子１００に印加されても、トランジスタ部２０の破壊を回避することができる。すなわち、窒化物半導体素子１００の破壊電圧を向上させることができる。また、ダイオード部３０を設けることによって窒化物半導体素子１００の破壊電圧をトランジスタ部２０の破壊電圧よりも高くすることができるため、トランジスタ部２０のゲート－ドレイン間距離を減少させ、電流コラプスを低減することができる。なお、距離とは最短の距離を指す。 The length L _b1 of the first field plate electrode 24 in the direction connecting the gate electrode 23 and the drain electrode 22 is greater than the length L _b2 of the second field plate electrode 34 in the direction connecting the third electrode 33 and the second electrode 32. This makes it possible to make the electric field applied to the third electrode 33 stronger than the electric field applied to the gate electrode 23, so that the voltage at which the diode section 30 punches through can be made lower than the voltage at which the transistor section 20 is destroyed. Therefore, when a voltage is applied to the nitride semiconductor device 100, the diode section 30 can be punched through before the transistor section 20 is destroyed. In the diode section 30, a substantial conduction path is formed between the first electrode 31 and the third electrode 33 due to the punch-through phenomenon. Therefore, when the diode section 30 punches through, the source-drain voltage of the transistor section 20 is clamped. Therefore, even if a voltage exceeding the breakdown voltage of the transistor section 20 is applied to the nitride semiconductor device 100, the breakdown of the transistor section 20 can be avoided. That is, the breakdown voltage of the nitride semiconductor device 100 can be improved. Furthermore, by providing the diode section 30, the breakdown voltage of the nitride semiconductor device 100 can be made higher than the breakdown voltage of the transistor section 20, and therefore the gate-drain distance of the transistor section 20 can be reduced, thereby reducing current collapse. Note that the distance refers to the shortest distance.

トランジスタ部２０の破壊電圧は、６００Ｖ以上に設定することができ、１２００Ｖ以上に設定することが好ましい。これにより、高耐圧が求められる車載等の用途に用いることができる。トランジスタ部２０の破壊電圧は、例えば１５００Ｖ以下とする。なお、トランジスタ部２０の破壊電圧は、トランジスタ部２０のドレイン－ソース間の電圧である。ダイオード部３０がパンチスルーする電圧は、３００Ｖ以上に設定することができ、９００Ｖ以上に設定することが好ましい。これにより、高耐圧が求められる車載等の用途に用いることができる。ダイオード部３０がパンチスルーする電圧は、例えば１２００Ｖ以下とする。 The breakdown voltage of the transistor section 20 can be set to 600V or more, and is preferably set to 1200V or more. This allows for use in applications such as in-vehicle applications that require a high breakdown voltage. The breakdown voltage of the transistor section 20 is, for example, 1500V or less. The breakdown voltage of the transistor section 20 is the voltage between the drain and source of the transistor section 20. The voltage at which the diode section 30 punches through can be set to 300V or more, and is preferably set to 900V or more. This allows for use in applications such as in-vehicle applications that require a high breakdown voltage. The voltage at which the diode section 30 punches through is, for example, 1200V or less.

窒化物半導体素子１００は、ダイオード部３０によってトランジスタ部２０の破壊確率が低減されるため、トランジスタ部２０の第１フィールドプレート電極２４の長さＬ_ｂ１を増大させることができる。これにより、トランジスタ部２０の電流コラプスの低減が可能である。第１フィールドプレート電極２４の長さＬ_ｂ１は、平面視において、ゲート電極２３から、第１フィールドプレート電極２４のドレイン電極２２側の端までの距離である。第２フィールドプレート電極３４の長さＬ_ｂ２は、平面視において、第３電極３３から、第２フィールドプレート電極３４の第２電極３２側の端までの距離である。距離とは最短の距離を指す。 In the nitride semiconductor device 100, the probability of destruction of the transistor section 20 is reduced by the diode section 30, and therefore it is possible to increase the length L _b1 of the first field plate electrode 24 of the transistor section 20. This makes it possible to reduce current collapse in the transistor section 20. The length L _b1 of the first field plate electrode 24 is the distance from the gate electrode 23 to the end of the first field plate electrode 24 on the drain electrode 22 side in a plan view. The length L _b2 of the second field plate electrode 34 is the distance from the third electrode 33 to the end of the second field plate electrode 34 on the second electrode 32 side in a plan view. The distance refers to the shortest distance.

第１フィールドプレート電極２４の長さＬ_ｂ１は、ゲート電極２３とドレイン電極２２との間の距離Ｌ_ａ１未満とすることができ、ゲート電極２３とドレイン電極２２との間の距離Ｌ_ａ１より０．５μｍ以上小さくすることが好ましい。これにより、第１フィールドプレート電極２４とドレイン電極２２との間の耐圧の向上と、電流コラプスの低減とを両立することができる。第１フィールドプレート電極２４の長さＬ_ｂ１は、１μｍ以上とすることができ、ゲート電極２３とドレイン電極２２との間の距離Ｌ_ａ１の半分以上とすることが好ましい。これにより、電流コラプスの効果的な低減が可能である。第２フィールドプレート電極３４の長さＬ_ｂ２は、１μｍ以上とすることができる。第２フィールドプレート電極３４の長さＬ_ｂ２は、第３電極３３と第２電極３２との間の距離Ｌ_ａ２未満とすることができ、第３電極３３と第２電極３２との間の距離Ｌ_ａ２の半分未満とすることが好ましい。これにより、第２フィールドプレート電極３４と第３電極３３とにかかる電界のバランスを取り、欲するパンチスルー電圧に対して第２電極３２と第３電極３３との間の距離を短くできる利点がある。 The length L _b1 of the first field plate electrode 24 can be less than the distance L _a1 between the gate electrode 23 and the drain electrode 22, and is preferably 0.5 μm or more smaller than the distance L _a1 between the gate electrode 23 and the drain electrode 22. This makes it possible to improve the breakdown voltage between the first field plate electrode 24 and the drain electrode 22 and reduce current collapse at the same time. The length L _b1 of the first field plate electrode 24 can be 1 μm or more, and is preferably half or more of the distance L _a1 between the gate electrode 23 and the drain electrode 22. This makes it possible to effectively reduce current collapse. The length L _b2 of the second field plate electrode 34 can be 1 μm or more. The length L _b2 of the second field plate electrode 34 can be less than the distance L _a2 between the third electrode 33 and the second electrode 32, and is preferably less than half of the distance L _a2 between the third electrode 33 and the second electrode 32. This has the advantage that the electric fields applied to the second field plate electrode 34 and the third electrode 33 are balanced, and the distance between the second electrode 32 and the third electrode 33 can be shortened for a desired punch-through voltage.

ダイオード部３０が第２フィールドプレート電極３４を有することで、第３電極３３の付近の電界を下げることができる。これにより、第２フィールドプレート電極３４を設けない場合と比較してダイオード部３０のパンチスルー電圧を高くすることができるため、第２電極３２と第３電極３３との間の距離を短くすることができる。窒化物半導体素子１００では、トランジスタ部２０がオンかオフかに関わらず、ダイオード部３０をオフとすることができるため、第２フィールドプレート電極３４の長さＬ_ｂ２は、第１フィールドプレート電極２４の長さＬ_ｂ１よりも小さくてよい。 By providing the diode section 30 with the second field plate electrode 34, it is possible to reduce the electric field near the third electrode 33. This makes it possible to increase the punch-through voltage of the diode section 30 compared to a case in which the second field plate electrode 34 is not provided, and therefore it is possible to shorten the distance between the second electrode 32 and the third electrode 33. In the nitride semiconductor device 100, the diode section 30 can be turned off regardless of whether the transistor section 20 is on or off, and therefore the length L _b2 of the second field plate electrode 34 may be smaller than the length L _b1 of the first field plate electrode 24.

ゲート電極２３とドレイン電極２２との間の距離Ｌ_ａ１は、第２電極３２と第３電極３３との間の距離Ｌ_ａ２よりも小さい。ダイオード部３０によってトランジスタ部２０の破壊確率が低減されるため、このようにゲート電極２３とドレイン電極２２との間の距離Ｌ_ａ１を小さくすることができ、これによってトランジスタ部２０の抵抗を低減することができる。 The distance L _a1 between the gate electrode 23 and the drain electrode 22 is smaller than the distance L _a2 between the second electrode 32 and the third electrode 33. Since the diode section 30 reduces the probability of breakdown of the transistor section 20, it is possible to reduce the distance L _a1 between the gate electrode 23 and the drain electrode 22 in this manner, thereby reducing the resistance of the transistor section 20.

ゲート電極２３とドレイン電極２２との間の距離Ｌ_ａ１は、１μｍ以上とすることができ、１０μｍ以上とすることが好ましい。これにより、トランジスタ部２０の破壊電圧をダイオード部３０がパンチスルーする電圧よりも高く設定しやすい。ゲート電極２３とドレイン電極２２との間の距離Ｌ_ａ１は、２０μｍ以下であってよい。これにより、トランジスタ部２０の抵抗をより低減することができる。第２電極３２と第３電極３３との間の距離Ｌ_ａ２は、１μｍ以上とすることができ、３０μｍ以下とすることが好ましい。これにより、トランジスタ部２０の破壊電圧がダイオード部３０のパンチスルー電圧よりも大きくなるように設計しやすい。 The distance L _a1 between the gate electrode 23 and the drain electrode 22 can be 1 μm or more, and preferably 10 μm or more. This makes it easy to set the breakdown voltage of the transistor section 20 higher than the voltage at which the diode section 30 punches through. The distance L _a1 between the gate electrode 23 and the drain electrode 22 can be 20 μm or less. This makes it possible to further reduce the resistance of the transistor section 20. The distance L _a2 between the second electrode 32 and the third electrode 33 can be 1 μm or more, and preferably 30 μm or less. This makes it easy to design the breakdown voltage of the transistor section 20 to be higher than the punch-through voltage of the diode section 30.

ゲート電極２３及び第３電極３３は、例えば同一材料からなる。これにより、同時に形成することができるため、工程数を削減することができ、コストダウンが可能である。ソース電極２１とドレイン電極２２と第１電極３１と第２電極３２とは、例えば同一材料からなる。これにより、同時に形成することができるため、工程数を削減することができ、コストダウンが可能である。 The gate electrode 23 and the third electrode 33 are made of, for example, the same material. This allows them to be formed simultaneously, reducing the number of steps and enabling costs to be reduced. The source electrode 21, the drain electrode 22, the first electrode 31, and the second electrode 32 are made of, for example, the same material. This allows them to be formed simultaneously, reducing the number of steps and enabling costs to be reduced.

ゲート電極２３及び第３電極３３は、例えばＮｉを含む。ゲート電極２３及び第３電極３３は、例えば、窒化物半導体構造１０側より順にＮｉ／Ａｕ／Ｐｔが積層された構造、Ｔｉ／Ａｌが積層された構造、又はＮｉ単膜から構成される。ソース電極２１とドレイン電極２２と第１電極３１と第２電極３２とは、例えば、Ｔｉ／Ａｌから構成される。これらの電極は、例えば、窒化物半導体構造１０の一部を除去し、チャネルと接触する位置に形成する。第１フィールドプレート電極２４及び第２フィールドプレート電極３４は、例えばＡｌから構成される。 The gate electrode 23 and the third electrode 33 contain, for example, Ni. The gate electrode 23 and the third electrode 33 are, for example, composed of a structure in which Ni/Au/Pt are laminated in order from the nitride semiconductor structure 10 side, a structure in which Ti/Al are laminated, or a Ni single film. The source electrode 21, the drain electrode 22, the first electrode 31, and the second electrode 32 are, for example, composed of Ti/Al. These electrodes are formed, for example, by removing a part of the nitride semiconductor structure 10 and at a position in contact with the channel. The first field plate electrode 24 and the second field plate electrode 34 are, for example, composed of Al.

窒化物半導体構造１０は、基板４０の上に配置されていてもよい。基板４０は、例えばサファイア基板である。窒化物半導体構造１０は、複数の窒化物半導体層から構成することができる。窒化物半導体構造１０を構成する窒化物半導体としてはＩＩＩ族窒化物半導体が挙げられる。ＩＩＩ族窒化物半導体は、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＩｎＧａＮである。 The nitride semiconductor structure 10 may be disposed on a substrate 40. The substrate 40 is, for example, a sapphire substrate. The nitride semiconductor structure 10 may be composed of a plurality of nitride semiconductor layers. Examples of nitride semiconductors that compose the nitride semiconductor structure 10 include Group III nitride semiconductors. Examples of Group III nitride semiconductors include GaN, InGaN, AlGaN, AlN, and AlInGaN.

窒化物半導体構造１０は、第１窒化物半導体層１１と、第２窒化物半導体層１２と、ゲートコンタクト層１３と、第３電極コンタクト層１４と、を有することができる。第１窒化物半導体層１１は、チャネルが形成される層である。チャネルは例えば二次元電子ガスである。第１窒化物半導体層１１は、例えば、ＧａＮから構成される。第２窒化物半導体層１２は、第１窒化物半導体層１１の上に設けられており、第１窒化物半導体層１１よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する。第２窒化物半導体層１２は、例えば、ＡｌＧａＮから構成される。ＡｌＧａＮ層の下にそれよりも薄膜のＡｌＮ層を設けてもよい。窒化物半導体構造１０は、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により形成することができる。 The nitride semiconductor structure 10 can have a first nitride semiconductor layer 11, a second nitride semiconductor layer 12, a gate contact layer 13, and a third electrode contact layer 14. The first nitride semiconductor layer 11 is a layer in which a channel is formed. The channel is, for example, a two-dimensional electron gas. The first nitride semiconductor layer 11 is made of, for example, GaN. The second nitride semiconductor layer 12 is provided on the first nitride semiconductor layer 11 and has a band gap energy larger than that of the first nitride semiconductor layer 11. The second nitride semiconductor layer 12 is made of, for example, AlGaN. A thinner AlN layer may be provided below the AlGaN layer. The nitride semiconductor structure 10 can be formed, for example, by metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD).

ゲートコンタクト層１３は、第２窒化物半導体層１２の一部とゲート電極２３との間に位置する。ゲートコンタクト層１３は、例えばｐ型不純物を含有するｐ型不純物含有層を有する。ｐ型不純物は例えばＭｇである。ゲートコンタクト層１３は複数の層によって構成されていてもよい。ゲートコンタクト層１３は、例えば、第２窒化物半導体層１２の全体の上にｐ型不純物含有層を含む層を形成し、その後、ゲート電極２３を形成する部分以外のｐ型不純物含有層を含む層を除去することで形成する。ｐ型不純物含有層を含む層の一部を除去した後に、熱処理を行ってもよい。熱処理は、例えば、Ｈ_２及びＮＨ_３を含む雰囲気中、７００～８００℃の温度で３０分間、行う。この熱処理により、二次元電子ガスの発生を促進することができる。また、その後、ＳｉＯ_２，ＳｉＮ，ＡｌＮ，Ａｌ_２Ｏ_３等のパッシベーション膜を形成し、その後にさらに、Ｎ_２雰囲気中、５５０℃の温度で熱処理を行ってもよい。これにより、二次元電子ガスの発生をさらに促進することができる。 The gate contact layer 13 is located between a part of the second nitride semiconductor layer 12 and the gate electrode 23. The gate contact layer 13 has a p-type impurity-containing layer that contains a p-type impurity, for example. The p-type impurity is, for example, Mg. The gate contact layer 13 may be composed of a plurality of layers. The gate contact layer 13 is formed, for example, by forming a layer containing a p-type impurity-containing layer on the entire second nitride semiconductor layer 12, and then removing the layer containing the p-type impurity-containing layer other than the part where the gate electrode 23 is to be formed. After removing a part of the layer containing the p-type impurity-containing layer, a heat treatment may be performed. The heat treatment is performed, for example, in an atmosphere containing H ₂ and NH ₃ at a temperature of 700 to 800° C. for 30 minutes. This heat treatment can promote the generation of two-dimensional electron gas. In addition, after that, a passivation film such as SiO ₂ , SiN, AlN, Al ₂ O _3, etc. may be formed, and then a heat treatment may be further performed at a temperature of 550° C. in an N ₂ atmosphere. This can further promote the generation of two-dimensional electron gas.

第３電極コンタクト層１４は、第２窒化物半導体層１２の他の一部と第３電極３３との間に位置する。第３電極コンタクト層１４は、例えばｐ型不純物を含有するｐ型不純物含有層を有する。ｐ型不純物は例えばＭｇである。第３電極コンタクト層１４は複数の層によって構成されていてもよい。ゲートコンタクト層１３及び第３電極コンタクト層１４は、例えば同一材料からなる。ゲートコンタクト層１３及び第３電極コンタクト層１４は、同一の層構造を有していてもよい。このようにゲートコンタクト層１３と第３電極コンタクト層１４が同様のものであれば同時に形成することができるため、工程数を削減することができ、コストダウンが可能である。 The third electrode contact layer 14 is located between another part of the second nitride semiconductor layer 12 and the third electrode 33. The third electrode contact layer 14 has, for example, a p-type impurity-containing layer that contains a p-type impurity. The p-type impurity is, for example, Mg. The third electrode contact layer 14 may be composed of multiple layers. The gate contact layer 13 and the third electrode contact layer 14 are made of, for example, the same material. The gate contact layer 13 and the third electrode contact layer 14 may have the same layer structure. In this way, if the gate contact layer 13 and the third electrode contact layer 14 are similar, they can be formed at the same time, which reduces the number of steps and reduces costs.

トランジスタ部２０の窒化物半導体構造１０とダイオード部３０の窒化物半導体構造１０は同じとすることができる。例えば、１つの基板４０の上に窒化物半導体構造１０を形成し、その窒化物半導体構造１０の一部をトランジスタ部２０の一部とし、窒化物半導体構造１０の他の一部をダイオード部３０の一部とすることができる。このようにトランジスタ部２０の窒化物半導体構造１０とダイオード部３０の窒化物半導体構造１０を同時に形成することで、工程数を削減することができ、コストダウンが可能である。 The nitride semiconductor structure 10 of the transistor section 20 and the nitride semiconductor structure 10 of the diode section 30 can be the same. For example, the nitride semiconductor structure 10 can be formed on one substrate 40, with a part of the nitride semiconductor structure 10 being part of the transistor section 20 and another part of the nitride semiconductor structure 10 being part of the diode section 30. By simultaneously forming the nitride semiconductor structure 10 of the transistor section 20 and the nitride semiconductor structure 10 of the diode section 30 in this way, the number of steps can be reduced, enabling costs to be reduced.

窒化物半導体素子１００には、トランジスタ部２０のチャネルとダイオード部３０のチャネルを分断する凹部５０が設けられていてもよい。これにより、ダイオード部３０とトランジスタ部２０との間に流れるリーク電流を低減することができる。トランジスタ部２０の窒化物半導体構造１０とダイオード部３０の窒化物半導体構造１０は一部が繋がっていてもよく、完全に分離されていてもよい。図１及び図２では、トランジスタ部２０とダイオード部３０を最短距離で結ぶ位置に凹部５０が設けられており、他の位置では窒化物半導体構造１０が繋がっている。凹部５０の底面は、窒化物半導体構造１０の一部でもよく、基板４０の表面でもよい。図２では、凹部５０の底面は基板４０の表面である。これによって、トランジスタ部２０の窒化物半導体構造１０とダイオード部３０の窒化物半導体構造１０をより確実に分断することができ、リーク電流をより低減することができる。 The nitride semiconductor element 100 may be provided with a recess 50 that separates the channel of the transistor section 20 from the channel of the diode section 30. This can reduce the leakage current flowing between the diode section 30 and the transistor section 20. The nitride semiconductor structure 10 of the transistor section 20 and the nitride semiconductor structure 10 of the diode section 30 may be partially connected or completely separated. In FIG. 1 and FIG. 2, the recess 50 is provided at a position that connects the transistor section 20 and the diode section 30 at the shortest distance, and the nitride semiconductor structure 10 is connected at other positions. The bottom surface of the recess 50 may be a part of the nitride semiconductor structure 10 or the surface of the substrate 40. In FIG. 2, the bottom surface of the recess 50 is the surface of the substrate 40. This can more reliably separate the nitride semiconductor structure 10 of the transistor section 20 from the nitride semiconductor structure 10 of the diode section 30, and can further reduce the leakage current.

窒化物半導体素子１００は、窒化物半導体素子１００の表面に設けられたパッシベーション膜を有していてもよい。また、窒化物半導体素子１００は、各電極の間に設けられた絶縁膜を有していてもよい。パッシベーション膜及び絶縁膜としては、例えば、シリコンと窒素を含む膜（例えばＳｉＮ膜）、シリコンと酸素を含む膜（例えばＳｉＯ_２膜）、アルミニウムと窒素を含む膜（例えばＡｌＮ膜）、またはアルミニウムと酸素を含む膜（例えばＡｌ_２Ｏ_３膜）が挙げられる。窒化物半導体素子１００は、パッド電極などの他の部材を有していてもよい。 The nitride semiconductor device 100 may have a passivation film provided on the surface of the nitride semiconductor device 100. The nitride semiconductor device 100 may also have an insulating film provided between each electrode. Examples of the passivation film and the insulating film include a film containing silicon and nitrogen (e.g., a SiN film), a film containing silicon and oxygen (e.g., a _SiO2 film), a film containing aluminum and nitrogen (e.g., an AlN film), or a film containing aluminum and oxygen (e.g., _an _Al2O3 film). The nitride semiconductor device 100 may have other members such as a pad electrode.

（実施例）
実施例として、図１及び図２に示す窒化物半導体素子１００と概ね同じ構造の素子を作製した。まず、サファイアからなる基板４０の上に、バッファ層と、６００ｎｍのアンドープＧａＮ層と、１ｎｍのアンドープＡｌＮ層と、９ｎｍのアンドープＡｌＧａＮ層と、３０ｎｍのＭｇドープＧａＮ層と、２０ｎｍのアンドープＧａＮ層と、２０ｎｍのアンドープＡｌＧａＮ層とをこの順に積層し、窒化物半導体構造１０を形成した。アンドープＡｌＧａＮ層の表面には、ゲート電極２３及び第３電極３３として、Ｎｉを形成した。窒化物半導体構造１０の最上層のアンドープＡｌＧａＮ層からＭｇドープＧａＮ層までの三層は、ゲート電極２３及び第３電極３３の直下を除いて除去した。ソース電極２１とドレイン電極２２と第１電極３１と第２電極３２との形成領域においては、窒化物半導体構造１０の一部をアンドープＧａＮ層が露出するまで除去し、その除去によって形成された側面を被覆する位置にソース電極２１とドレイン電極２２と第１電極３１と第２電極３２とを形成した。ソース電極２１とドレイン電極２２と第１電極３１と第２電極３２の積層構造は、基板４０側から順にＴｉ／Ａｌとした。トランジスタ部２０とダイオード部３０の間の窒化物半導体構造１０は一部除去した。ソース電極２１とドレイン電極２２とゲート電極２３と第１電極３１と第２電極３２と第３電極３３を被覆する絶縁膜として、Ａｌ_２Ｏ_３膜とＳｉＮ膜を形成した。絶縁膜の一部を除去し、ソース電極２１と接続する第１フィールドプレート電極２４と、第１電極３１と接続する第２フィールドプレート電極３４とを形成した。 (Example)
As an example, an element having a structure generally the same as that of the nitride semiconductor element 100 shown in Fig. 1 and Fig. 2 was fabricated. First, a buffer layer, a 600 nm undoped GaN layer, a 1 nm undoped AlN layer, a 9 nm undoped AlGaN layer, a 30 nm Mg-doped GaN layer, a 20 nm undoped GaN layer, and a 20 nm undoped AlGaN layer were laminated in this order on a substrate 40 made of sapphire to form a nitride semiconductor structure 10. Ni was formed on the surface of the undoped AlGaN layer as the gate electrode 23 and the third electrode 33. The three layers from the top undoped AlGaN layer to the Mg-doped GaN layer of the nitride semiconductor structure 10 were removed except for the portions immediately below the gate electrode 23 and the third electrode 33. In the formation region of the source electrode 21, the drain electrode 22, the first electrode 31, and the second electrode 32, a part of the nitride semiconductor structure 10 was removed until the undoped GaN layer was exposed, and the source electrode 21, the drain electrode 22, the first electrode 31, and the second electrode 32 were formed at a position covering the side surface formed by the removal. The laminated structure of the source electrode 21, the drain electrode 22, the first electrode 31, and the second electrode 32 was Ti/Al in order from the substrate 40 side. The nitride semiconductor structure 10 between the transistor section 20 and the diode section 30 was partially removed. An Al ₂ O ₃ film and a SiN film were formed as an insulating film covering the source electrode 21, the drain electrode 22, the gate electrode 23, the first electrode 31, the second electrode 32, and the third electrode 33. A part of the insulating film was removed, and a first field plate electrode 24 connected to the source electrode 21 and a second field plate electrode 34 connected to the first electrode 31 were formed.

トランジスタ部２０は、ソース－ゲート間距離を２μｍとし、ゲート長を１μｍとし、ゲート－ドレイン間距離を１０μｍとした。第１フィールドプレート電極２４の長さは９μｍとした。第１フィールドプレート電極２４とドレイン電極２２との間の距離は１μｍとした。ダイオード部３０は、第１電極３１と第３電極３３との間の距離を２μｍとし、第３電極３３の長さを１μｍとし、第２電極３２と第３電極３３との間の距離を１４μｍとした。第２フィールドプレート電極３４の長さは３μｍとした。第２フィールドプレート電極３４と第２電極３２との間の距離は１１μｍとした。このように形成した窒化物半導体素子１００を、ポリイミド樹脂で封止した。 The transistor section 20 had a source-gate distance of 2 μm, a gate length of 1 μm, and a gate-drain distance of 10 μm. The length of the first field plate electrode 24 was 9 μm. The distance between the first field plate electrode 24 and the drain electrode 22 was 1 μm. The diode section 30 had a distance between the first electrode 31 and the third electrode 33 of 2 μm, a length of the third electrode 33 of 1 μm, and a distance between the second electrode 32 and the third electrode 33 of 14 μm. The length of the second field plate electrode 34 was 3 μm. The distance between the second field plate electrode 34 and the second electrode 32 was 11 μm. The nitride semiconductor element 100 thus formed was sealed with polyimide resin.

なお、実施例の窒化物半導体素子１００は、図１及び図２に示す構造と異なり、トランジスタ部２０とダイオード部３０の特性をそれぞれ独立して測定可能とするために、トランジスタ部２０のソース電極２１とダイオード部３０の第１電極３１を繋げず、また、トランジスタ部２０のドレイン電極２２とダイオード部３０の第２電極３２を繋げずに形成した。 The nitride semiconductor device 100 of the embodiment differs from the structure shown in Figures 1 and 2 in that the source electrode 21 of the transistor section 20 and the first electrode 31 of the diode section 30 are not connected, and the drain electrode 22 of the transistor section 20 and the second electrode 32 of the diode section 30 are not connected, so that the characteristics of the transistor section 20 and the diode section 30 can be measured independently.

図３は、実施例の窒化物半導体素子１００の電流電圧特性を示すグラフである。図３は、トランジスタ部２０のソース電極２１とダイオード部３０の第１電極３１を接続し、トランジスタ部２０のドレイン電極２２とダイオード部３０の第２電極３２を接続し、ダイオード部３０の第１電極３１と第３電極３３を短絡して測定することにより得た。窒化物半導体素子１００に印加するゲート電圧を０Ｖとしてソース－ドレイン電圧Ｖ_ｄｓを０Ｖから２０００Ｖまで上げ、素子全体の電流波形を測定した。図３において、実線はドレイン電流Ｉ_ｄを示し、破線はゲート電流Ｉ_ｇを示す。図３から、１２００Ｖ付近において電圧がクランプしていることがわかる。 FIG. 3 is a graph showing the current-voltage characteristics of the nitride semiconductor device 100 of the embodiment. FIG. 3 was obtained by connecting the source electrode 21 of the transistor section 20 and the first electrode 31 of the diode section 30, connecting the drain electrode 22 of the transistor section 20 and the second electrode 32 of the diode section 30, and shorting the first electrode 31 and the third electrode 33 of the diode section 30. The gate voltage applied to the nitride semiconductor device 100 was set to 0 V, and the source-drain voltage V _ds was increased from 0 V to 2000 V, and the current waveform of the entire device was measured. In FIG. 3, the solid line indicates the drain current I _d , and the dashed line indicates the gate current I _g . It can be seen from FIG. 3 that the voltage is clamped at around 1200 V.

図４は、実施例の窒化物半導体素子１００のダイオード部３０の電流電圧特性を示すグラフである。図５は、実施例の窒化物半導体素子１００のトランジスタ部２０の電流電圧特性を示すグラフである。図４及び図５は、それぞれ、ダイオード部３０またはトランジスタ部２０を個別に駆動して電流電圧特性を測定することにより得た。図４において、実線は第２電極３２に流れる電流Ｉ_２を示し、破線は第３電極３３に流れる電流Ｉ_３を示す。図５において、実線はドレイン電流Ｉ_ｄを示し、破線はゲート電流Ｉ_ｇを示す。 Fig. 4 is a graph showing the current-voltage characteristics of the diode section 30 of the nitride semiconductor device 100 of the example. Fig. 5 is a graph showing the current-voltage characteristics of the transistor section 20 of the nitride semiconductor device 100 of the example. Figs. 4 and 5 were obtained by individually driving the diode section 30 or the transistor section 20 and measuring the current-voltage characteristics. In Fig. 4, the solid line indicates the current _I2 flowing through the second electrode 32, and the dashed line indicates the current _I3 flowing through the third electrode 33. In Fig. 5, the solid line indicates the drain current _Id , and the dashed line indicates the gate current _Ig .

図４は、ダイオード部３０の第１電極３１と第２電極３２を電気的に接続し、ダイオード部３０の第１電極３１と第２電極３２の間の電圧を０Ｖから２０００Ｖまで上げたときの電流波形である。図４から、図３と同様に１２００Ｖ付近において電圧がクランプしていることがわかる。 Figure 4 shows the current waveform when the first electrode 31 and the second electrode 32 of the diode section 30 are electrically connected and the voltage between the first electrode 31 and the second electrode 32 of the diode section 30 is increased from 0 V to 2000 V. From Figure 4, it can be seen that the voltage is clamped at around 1200 V, just like in Figure 3.

図５は、トランジスタ部２０単体にかかるソース－ドレイン電圧を０Ｖから２０００Ｖまで上げたときの電流波形である。図５では、１２００Ｖを超えて、１７００Ｖ付近でドレイン電流Ｉ_ｄが上昇し、ゲート電流Ｉ_ｇが負の値となっている。ゲート電流Ｉ_ｇが負になるとは、ドレイン電極２２と第１フィールドプレート電極２４との間の絶縁が破壊されドレイン電極２２から電流が流れ込んでいることを示す。このことから、トランジスタ部２０は１７００Ｖ付近で破壊されたものと推測される。 5 shows a current waveform when the source-drain voltage applied to the transistor section 20 alone is increased from 0V to 2000V. In FIG. 5, the drain current _Id increases and the gate current _Ig becomes negative at around 1700V, exceeding 1200V. The gate current _Ig becoming negative indicates that insulation between the drain electrode 22 and the first field plate electrode 24 has been broken down and current is flowing in from the drain electrode 22. From this, it is presumed that the transistor section 20 was broken down at around 1700V.

以上のことから、２０００Ｖが印加されたときに破壊されるトランジスタ部２０をダイオード部３０と電気的に接続することで、トランジスタ部２０の破壊電圧に到達する前に電圧がクランプされ、トランジスタ部２０の破壊を回避することが可能であるといえる。 From the above, it can be said that by electrically connecting the transistor section 20, which is destroyed when 2000V is applied, to the diode section 30, the voltage is clamped before it reaches the breakdown voltage of the transistor section 20, making it possible to avoid destruction of the transistor section 20.

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。本発明の上述した実施形態を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての形態も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。 The above describes the embodiments of the present invention with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. All forms that a person skilled in the art can implement by appropriately modifying the design based on the above-described embodiments of the present invention also fall within the scope of the present invention as long as they include the gist of the present invention. In addition, a person skilled in the art can come up with various modifications and alterations within the scope of the concept of the present invention, and it is understood that these modifications and alterations also fall within the scope of the present invention.

１００窒化物半導体素子
１０窒化物半導体構造
１１第１窒化物半導体層
１２第２窒化物半導体層
１３ゲートコンタクト層
１４第３電極コンタクト層
２０トランジスタ部
２１ソース電極
２２ドレイン電極
２３ゲート電極
２４第１フィールドプレート電極
３０ダイオード部
３１第１電極
３２第２電極
３３第３電極
３４第２フィールドプレート電極
４０基板
５０凹部 Reference Signs List 100 Nitride semiconductor element 10 Nitride semiconductor structure 11 First nitride semiconductor layer 12 Second nitride semiconductor layer 13 Gate contact layer 14 Third electrode contact layer 20 Transistor section 21 Source electrode 22 Drain electrode 23 Gate electrode 24 First field plate electrode 30 Diode section 31 First electrode 32 Second electrode 33 Third electrode 34 Second field plate electrode 40 Substrate 50 Recess

Claims

a nitride semiconductor structure including an active region in which a channel is formed;
A transistor portion including a part of the nitride semiconductor structure;
a diode portion including another part of the nitride semiconductor structure;
the transistor portion has a source electrode, a drain electrode, a gate electrode, and a first field plate electrode connected to the source electrode and covering the gate electrode in a plan view;
the diode portion includes a first electrode electrically connected to the source electrode, a second electrode electrically connected to the drain electrode, a third electrode located between the first electrode and the second electrode in a plan view, and a second field plate electrode connected to the first electrode and covering the third electrode in a plan view;
the first electrode is shorted to the third electrode;
a length of the first field plate electrode in a direction connecting the gate electrode and the drain electrode is greater than a length of the second field plate electrode in a direction connecting the third electrode and the second electrode.

The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the distance between the gate electrode and the drain electrode is smaller than the distance between the second electrode and the third electrode.

The nitride semiconductor structure comprises:
a first nitride semiconductor layer in which a channel is formed;
a second nitride semiconductor layer provided on the first nitride semiconductor layer and having a band gap energy larger than that of the first nitride semiconductor layer;
a gate contact layer located between a portion of the second nitride semiconductor layer and the gate electrode;
3. The nitride semiconductor device according to claim 1, further comprising: a third electrode contact layer located between another part of said second nitride semiconductor layer and said third electrode.

The nitride semiconductor device according to claim 3, wherein the gate contact layer and the third electrode contact layer are made of the same material.

The nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, wherein the gate electrode and the third electrode are made of the same material.

The nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 5, wherein the source electrode, the drain electrode, the first electrode, and the second electrode are made of the same material.

The nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 6, wherein a recess is provided to separate the channel of the transistor portion from the channel of the diode portion.