JP7753992B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、第1窒化物半導体層および第2窒化物半導体層で構成される分極スーパージャンクション(Polarization Super Junction:以下では、単にPSJともいう)構造を有する半導体装置およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device having a polarization super junction (hereinafter simply referred to as PSJ) structure composed of a first nitride semiconductor layer and a second nitride semiconductor layer, and a method for manufacturing the same.
従来より、PSJ構造を有する半導体装置が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。具体的には、この半導体装置では、基板上に、第1窒化物半導体層、第2窒化物半導体層、第1窒化物半導体層が順に積層されたPSJ構造を有する半導体基板を備えている。なお、第1窒化物半導体層は、例えば、窒化ガリウム層(以下では、単にGaN層ともいう)で構成され、第2窒化物半導体層は、例えば、窒化アルミニウムガリウム層(以下では、単にAlGaN層ともいう)で構成される。そして、PSJ構造では、GaN層とAlGaN層との界面において、一方に2次元電子ガス(以下では、単に2DEGともいう)が生成され、他方に2次元ホールガス(以下では、2DHGともいう)が生成されている。 Semiconductor devices with a PSJ structure have been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1). Specifically, these semiconductor devices include a semiconductor substrate with a PSJ structure in which a first nitride semiconductor layer, a second nitride semiconductor layer, and another first nitride semiconductor layer are stacked in this order on a substrate. The first nitride semiconductor layer is, for example, a gallium nitride layer (hereinafter simply referred to as a GaN layer), and the second nitride semiconductor layer is, for example, an aluminum gallium nitride layer (hereinafter simply referred to as an AlGaN layer). In the PSJ structure, two-dimensional electron gas (hereinafter simply referred to as 2DEG) is generated on one side of the interface between the GaN layer and the AlGaN layer, and two-dimensional hole gas (hereinafter simply referred to as 2DHG) is generated on the other side.
そして、この半導体装置は、上記の半導体基板を用いてMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistorの略)等の半導体素子が形成されて構成されている。また、半導体基板のうちの基板と反対側の一面側に、半導体素子と接続されるゲート電極、ソース電極、ドレイン電極等が纏めて形成されている。このため、この半導体装置では、ゲート電極に所定電圧が印加されることにより、半導体基板の面方向に沿って電流が流れる。 This semiconductor device is constructed by forming semiconductor elements such as MOSFETs (short for Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) on the semiconductor substrate. Furthermore, gate electrodes, source electrodes, drain electrodes, and other elements connected to the semiconductor elements are formed together on one surface of the semiconductor substrate opposite the substrate. Therefore, in this semiconductor device, when a predetermined voltage is applied to the gate electrode, a current flows along the surface of the semiconductor substrate.
しかしながら、上記のような半導体装置では、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極が半導体基板の一面側に纏めて配置されており、各電極の幅や厚さ等の制約が大きくなり易い。 However, in semiconductor devices such as those described above, the gate electrode, source electrode, and drain electrode are all arranged on one side of the semiconductor substrate, which can lead to significant restrictions on the width and thickness of each electrode.
本発明は上記点に鑑み、半導体素子と接続される電極の制約を低減できる半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above, the present invention aims to provide a semiconductor device and a manufacturing method thereof that can reduce the constraints on electrodes connected to semiconductor elements.
上記目的を達成するための請求項1および4では、半導体素子が形成された半導体装置であって、一面(10a)および他面(10b)を有し、半導体素子が形成された半導体基板(10)と、半導体基板の一面側に配置されて半導体素子と電気的に接続される一面側電極(19、21、51、52、61)と、半導体基板の他面側に配置されて半導体素子と電気的に接続される他面側電極(22、53、62)と、を備え、半導体基板は、六方晶とされ、第1主面(11a)がm面とされると共に第1主面の面方向における一方向がc軸方向に沿った方向とされ、第1主面と反対側の第2主面(11b)が半導体基板の他面を構成するGaN基板(11)と、GaN基板の第1主面上に配置され、第1窒化物半導体層で構成されると共にGaN基板の面方向における一方向に沿って延設された複数の第1カラム領域(12)と、GaN基板の第1主面上に配置され、第1窒化物半導体層よりもバンドギャップの高い第2窒化物半導体層で構成されると共に第1カラム領域の間に配置され、第1カラム領域と共にPSJ構造(14)を構成する第2カラム領域(13)と、を有し、第1カラム領域および第2カラム領域は、第1主面におけるc軸方向に沿って交互に配列されており、半導体基板の一面と他面との間に電流が流れるようにする。
また、請求項1では、分極スーパージャンクション構造上に配置され、第1導電型または第2導電型とされたベース層(15)を有し、一面側電極は、ベース層と接続されるベース層用電極(21、52)を有しており、ベース層上にベース層の一部を露出させる状態で配置されたエミッタ層(41)と、エミッタ層と接続される一面側電極としてのエミッタ電極(51)と、を有している。
請求項4では、第1カラム領域および第2カラム領域は、ドープ層で構成され、チャージバランスが維持されている。
In order to achieve the above object, claims 1 and 4 provide a semiconductor device having a semiconductor element formed thereon, the semiconductor substrate (10) having one surface (10a) and another surface (10b) and having the semiconductor element formed thereon, one surface side electrodes (19, 21, 51, 52, 61) arranged on one surface side of the semiconductor substrate and electrically connected to the semiconductor element, and another surface side electrodes (22, 53, 62) arranged on the other surface side of the semiconductor substrate and electrically connected to the semiconductor element, the semiconductor substrate being hexagonal, the first main surface (11a) being an m-plane, one direction in the planar direction of the first main surface being a direction along the c-axis direction, and the second main surface (11b) opposite to the first main surface being an m-plane of the semiconductor substrate. The semiconductor device has a GaN substrate (11) that forms the other surface, a plurality of first column regions (12) that are arranged on the first main surface of the GaN substrate, are composed of a first nitride semiconductor layer, and are extended in one direction in the surface direction of the GaN substrate, and second column regions (13) that are arranged on the first main surface of the GaN substrate, are composed of a second nitride semiconductor layer that has a band gap higher than that of the first nitride semiconductor layer, are arranged between the first column regions, and form a PSJ structure (14) together with the first column regions, the first column regions and the second column regions being arranged alternately along the c-axis direction of the first main surface, allowing a current to flow between one surface and the other surface of the semiconductor substrate.
In addition, in claim 1, the device has a base layer (15) arranged on a polarization super junction structure and having a first conductivity type or a second conductivity type, and the one-side electrode has a base layer electrode (21, 52) connected to the base layer, an emitter layer (41) arranged on the base layer in a state where a part of the base layer is exposed, and an emitter electrode (51) as a one-side electrode connected to the emitter layer.
In the fourth aspect, the first column region and the second column region are formed of doped layers, and charge balance is maintained .
これによれば、PSJ構造をGaN基板の面方向に沿って配列し、半導体基板の厚さ方向に電流が流れるようにしている。このため、半導体素子と接続される各電極を一面側電極および他面側電極として、半導体基板の一面側と他面側に分けて配置することができる。したがって、半導体素子と接続される各電極の制約を低減し易くできる。 This allows the PSJ structures to be arranged along the surface of the GaN substrate, allowing current to flow in the thickness direction of the semiconductor substrate. Therefore, the electrodes connected to the semiconductor element can be arranged separately on one side and the other side of the semiconductor substrate as one-side electrodes and other-side electrodes. This makes it easier to reduce the constraints on the electrodes connected to the semiconductor element.
請求項8は、請求項1に関する半導体装置の製造方法であり、GaN基板を用意することと、GaN基板の第1主面上に、第2カラム領域を構成する第2カラム領域構成層(130)をエピタキシャル成長させることと、第2カラム領域構成層のうちの第1カラム領域が配置される部分に埋込用トレンチ(131)を形成し、埋込用トレンチが形成された部分と異なる部分を第2カラム領域とすることと、埋込用トレンチが埋め込まれるように、第1カラム領域を構成する第1カラム領域構成層(120)をエピタキシャル成長させ、埋込用トレンチに配置された部分を第1カラム領域として、第1カラム領域および第2カラム領域を有するPSJ構造を構成することと、を行う。 Claim 8 relates to a method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, and includes the steps of: preparing a GaN substrate; epitaxially growing a second column region-forming layer (130) that forms a second column region on a first main surface of the GaN substrate; forming a burying trench (131) in a portion of the second column region-forming layer where the first column region is to be located, and designating a portion different from the portion where the burying trench is formed as the second column region; epitaxially growing a first column region-forming layer (120) that forms the first column region so that the burying trench is filled; designating the portion located in the burying trench as the first column region, thereby constructing a PSJ structure having a first column region and a second column region.
これによれば、PSJ構造をGaN基板の面方向に沿って配列し、半導体基板の厚さ方向に電流が流れる半導体装置を製造できる。したがって、半導体素子と接続される各電極の制約を低減し易くできる。 This allows the manufacture of a semiconductor device in which PSJ structures are arranged along the surface of the GaN substrate, allowing current to flow in the thickness direction of the semiconductor substrate. This makes it easier to reduce the constraints on the electrodes connected to the semiconductor element.
請求項11は、請求項1に関する半導体装置の製造方法であり、GaN基板を用意することと、GaN基板の第1主面上に、第1カラム領域を構成する第1カラム領域構成層(120)をエピタキシャル成長させることと、第1カラム領域構成層のうちの第2カラム領域が配置される部分に埋込用トレンチ(121)を形成し、埋込用トレンチが形成された部分と異なる部分を第1カラム領域(12)とすることと、埋込用トレンチが埋め込まれるように、第2カラム領域を構成する第2カラム領域構成層(130)をエピタキシャル成長させ、埋込用トレンチに配置された部分を第2カラム領域として、第1カラム領域および第2カラム領域を有するPSJ構造を構成することと、を行い、分極スーパージャンクション構造を構成することでは、ドープ層で構成される第1カラム領域および第2カラム領域を構成する。 Claim 11 is a method for manufacturing a semiconductor device related to claim 1, comprising the steps of: preparing a GaN substrate; epitaxially growing a first column region-forming layer (120) that constitutes a first column region on a first main surface of the GaN substrate; forming a burying trench (121) in a portion of the first column region-forming layer where the second column region is to be disposed, and designating a portion different from the portion where the burying trench is formed as the first column region (12); epitaxially growing a second column region-forming layer (130) that constitutes the second column region so that the burying trench is filled, and designating the portion located in the burying trench as the second column region, thereby configuring a PSJ structure having first and second column regions , and thereby configuring a polarization superjunction structure, whereby the first and second column regions are configured as doped layers .
これによれば、PSJ構造をGaN基板の面方向に沿って配列し、半導体基板の厚さ方向に電流が流れる半導体装置を製造できる。したがって、半導体素子と接続される各電極の制約を低減し易くできる。 This allows the manufacture of a semiconductor device in which PSJ structures are arranged along the surface of the GaN substrate, allowing current to flow in the thickness direction of the semiconductor substrate. This makes it easier to reduce the constraints on the electrodes connected to the semiconductor element.
なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。 Note that the reference symbols in parentheses attached to each component indicate an example of the correspondence between that component and the specific components described in the embodiments described below.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Note that in the following embodiments, identical or equivalent parts will be denoted by the same reference numerals.
(第1実施形態)
第1実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態の半導体装置は、例えば、自動車等の車両に搭載され、車両用の各種電子装置を駆動するための装置として適用されると好適である。本実施形態では、半導体素子として、トレンチゲート構造の反転型のMOSFETが形成されている半導体装置について説明する。また、以下では、結晶の方位を示す場合、本来ならば所望の数字の上にバー(-)を付すべきであるが、電子出願に基づく表現上の制限が存在するため、本明細書では所望の数字の前にバーを付している。
(First embodiment)
A first embodiment will be described with reference to the drawings. The semiconductor device of this embodiment is suitable for use, for example, in a vehicle such as an automobile, for driving various electronic devices for the vehicle. In this embodiment, a semiconductor device in which an inversion-type MOSFET with a trench gate structure is formed as the semiconductor element will be described. Furthermore, when indicating a crystal orientation, a bar (-) should normally be placed above the desired number. However, due to limitations on expression based on electronic filing, a bar is placed before the desired number in this specification.
本実施形態の半導体装置は、図1に示されるように、第1主面11aおよび第2主面11bを有するGaN基板11を有している。具体的には、GaN基板11は、イオン注入またはエピタキシャル層でn+型とされたn+-GaN基板とされており、本実施形態ではドレイン領域を構成する。また、GaN基板11は、六方晶構造とされている。この場合、GaN基板11の結晶方位は図2のようになる。そして、本実施形態のGaN基板11は、第1主面11aおよび第2主面11bが{1-100}m面とされると共に第1主面11aおよび第2主面11bの面方向における一方向が〈0001〉c軸方向に沿った方向とされている。本実施形態では、図1中の紙面左右方向がc軸方向に沿った方向となり、紙面左側がGa面側とされ、紙面右側がN面側とされている。 As shown in FIG. 1, the semiconductor device of this embodiment includes a GaN substrate 11 having a first major surface 11a and a second major surface 11b. Specifically, the GaN substrate 11 is an n + -GaN substrate made n + -type by ion implantation or an epitaxial layer, and constitutes a drain region in this embodiment. The GaN substrate 11 has a hexagonal crystal structure. In this case, the crystal orientation of the GaN substrate 11 is as shown in FIG. 2. In this embodiment, the first major surface 11a and the second major surface 11b of the GaN substrate 11 are {1-100} m-planes, and one direction in the plane of the first major surface 11a and the second major surface 11b is along the <0001> c-axis direction. In this embodiment, the left-right direction of the paper in FIG. 1 is along the c-axis direction, with the left side of the paper being the Ga-face side and the right side of the paper being the N-face side.
GaN基板11上には、アンドープ層のu-GaN層で構成される第1カラム領域12と、アンドープ層のu-AlGaN層で構成される第2カラム領域13とを有するPSJ構造14が配置されている。なお、本実施形態では、u-GaN層が第1窒化物半導体層に相当し、u-AlGaN層が第1窒化物半導体層よりバンドギャップが高い第2窒化物半導体層に相当している。また、第2カラム領域13を構成するu-AlGaN層は、Al1-xGaxNとすると、0≦x<1を満たすように形成されている。さらに、本実施形態におけるアンドープ層とは、不純物をドープしていない、またはn型不純物およびp型不純物が含まれていたとしても固定電荷が5×1016/cm3未満となる状態のことを示している。また、n型不純物およびp型不純物が含まれていたとしても固定電荷が5×1016/cm3未満となるとは、積極的に不純物をドープするのではなく、製造時にn型不純物またはp型不純物が意図せずに含まれることを想定している。さらに、ここでの固定電荷とは、n型であれば電子を放出した後の正に帯電したイオン化不純物濃度を意味し、p型であればホールを放出した後の負に帯電したイオン化不純物濃度を意味している。 A PSJ structure 14 is disposed on a GaN substrate 11. The PSJ structure 14 includes a first column region 12 formed of an undoped u-GaN layer and a second column region 13 formed of an undoped u-AlGaN layer. In this embodiment, the u-GaN layer corresponds to the first nitride semiconductor layer, and the u-AlGaN layer corresponds to the second nitride semiconductor layer having a higher band gap than the first nitride semiconductor layer. The u-AlGaN layer constituting the second column region 13 is formed so as to satisfy 0≦x<1, where Al 1-x Ga x N. Furthermore, the term "undoped layer" in this embodiment refers to a layer that is not doped with impurities, or a layer that contains n-type and p-type impurities but has a fixed charge of less than 5×10 16 /cm 3 . Furthermore, the phrase "the fixed charge is less than 5×10 16 /cm 3 even when n-type impurities and p-type impurities are contained" assumes that the n-type impurities or p-type impurities are unintentionally contained during manufacturing, rather than being actively doped with impurities. Furthermore, the fixed charge here means the concentration of positively charged ionized impurities after emitting electrons in the case of n-type, and the concentration of negatively charged ionized impurities after emitting holes in the case of p-type.
第1カラム領域12および第2カラム領域13は、それぞれエピタキシャル層で構成されている。そして、第1カラム領域12および第2カラム領域13は、GaN基板11の面方向における一方向を長手方向として延設され、これらが長手方向と交差する方向に交互に配列されることで構成されている。つまり、第1カラム領域12および第2カラム領域13は、ストライプ状に配置されている。なお、第1カラム領域12および第2カラム領域13は、c軸方向に沿って交互に配置されている。 The first column regions 12 and the second column regions 13 are each composed of an epitaxial layer. The first column regions 12 and the second column regions 13 extend in one direction along the surface of the GaN substrate 11 as the longitudinal direction, and are arranged alternately in a direction intersecting the longitudinal direction. In other words, the first column regions 12 and the second column regions 13 are arranged in a stripe pattern. The first column regions 12 and the second column regions 13 are arranged alternately along the c-axis direction.
そして、このようにGaN基板11上に構成されるPSJ構造14では、第1カラム領域12と第2カラム領域13との界面であるAlGaN/GaN界面において、分極効果等により、2DEG(すなわち、分極電荷の負電荷)および2DHG(すなわち、分極電荷の正電荷)が誘起される。具体的には、図3に示されるように、第1カラム領域12では、Ga面側に2DEGが生成され、N面側に2DHGが生成される。これにより、第2カラム領域13では、Ga面側に2DEGが生成され、N面側に2DHGが生成される。なお、図3は、図1中のIII-III線に沿った部分のエネルギーバンド図である。 In the PSJ structure 14 thus constructed on the GaN substrate 11, 2DEG (i.e., negative polarization charges) and 2DHG (i.e., positive polarization charges) are induced at the AlGaN/GaN interface, which is the interface between the first column region 12 and the second column region 13, due to polarization effects and other factors. Specifically, as shown in Figure 3, in the first column region 12, 2DEG is generated on the Ga-face side, and 2DHG is generated on the N-face side. As a result, in the second column region 13, 2DEG is generated on the Ga-face side, and 2DHG is generated on the N-face side. Note that Figure 3 is an energy band diagram of the portion along line III-III in Figure 1.
PSJ構造14上には、図1に示されるように、p型不純物がドープされたp-GaN層で構成されるベース層15が配置されている。ベース層15は、エピタキシャル層で構成され、特に限定されるものではないが、p型不純物であるMg(すなわち、マグネシウム)のドープ量が1×1019/cm2とされ、厚さが500nm程度とされている。 1, a base layer 15 made of a p-GaN layer doped with p-type impurities is disposed on the PSJ structure 14. The base layer 15 is made of an epitaxial layer, and although not particularly limited, the doping amount of the p-type impurity Mg (i.e., magnesium) is 1×10 19 /cm 2 and the thickness is about 500 nm.
ベース層15の表層部には、n+型の不純物がドープされたn-GaN層で構成されるソース領域16が配置されている。なお、このソース領域16は、エピタキシャル層またはイオン注入で構成されるイオン注入層で形成される。また、本実施形態では、ソース領域16が不純物領域に相当している。 A source region 16 made of an n-GaN layer doped with n + type impurities is disposed on the surface of the base layer 15. The source region 16 is formed of an epitaxial layer or an ion-implanted layer formed by ion implantation. In this embodiment, the source region 16 corresponds to an impurity region.
本実施形態では、以上のように、GaN基板11、PSJ構造14、ベース層15、ソース領域16等を含んで半導体基板10が構成されている。そして、本実施形態の半導体基板10は、一面10aがソース領域16で構成され、他面10bがGaN基板11の第2主面11bで構成されている。 In this embodiment, the semiconductor substrate 10 is configured to include the GaN substrate 11, PSJ structure 14, base layer 15, source region 16, etc., as described above. One surface 10a of the semiconductor substrate 10 in this embodiment is configured as the source region 16, and the other surface 10b is configured as the second main surface 11b of the GaN substrate 11.
半導体基板10には、一面10a側からソース領域16およびベース層15を貫通して第1カラム領域12に達するように複数のゲート用トレンチ17が形成されている。なお、複数のゲート用トレンチ17は、半導体基板10の一面10aの面方向のうちの一方向(すなわち、図1紙面奥行き方向)を長手方向とし、各ゲート用トレンチ17が等間隔にストライプ状となるように延設されている。具体的には、複数のゲート用トレンチ17は、第1カラム領域12の長手方向に沿って延設されている。 A plurality of gate trenches 17 are formed in the semiconductor substrate 10, penetrating the source region 16 and base layer 15 from the one surface 10a side to reach the first column region 12. The multiple gate trenches 17 extend longitudinally in one direction of the surface 10a of the semiconductor substrate 10 (i.e., the depth direction in Figure 1), so that the gate trenches 17 form equally spaced stripes. Specifically, the multiple gate trenches 17 extend longitudinally along the first column region 12.
各ゲート用トレンチ17内は、各ゲート用トレンチ17の壁面を覆うように形成されたゲート絶縁膜18と、このゲート絶縁膜18の上に形成されたポリシリコン等により構成されるゲート電極19とにより埋め込まれている。これにより、トレンチゲート構造が構成されている。 Each gate trench 17 is filled with a gate insulating film 18 formed to cover the wall surface of the gate trench 17, and a gate electrode 19 made of polysilicon or the like formed on this gate insulating film 18. This forms a trench gate structure.
また、半導体基板10には、隣合うトレンチゲート構造の間に、一面10a側からソース領域16を貫通してベース層15に達するように、コンタクト用トレンチ20が形成されている。なお、本実施形態のコンタクト用トレンチ20は、第2カラム領域13上に位置するベース層15に達するように形成されている。 In addition, contact trenches 20 are formed in the semiconductor substrate 10 between adjacent trench gate structures, so as to penetrate the source region 16 from the one surface 10a side and reach the base layer 15. Note that in this embodiment, the contact trenches 20 are formed so as to reach the base layer 15 located above the second column region 13.
そして、コンタクト用トレンチ20には、ソース電極21が配置されている。本実施形態のソース電極21は、例えば、Ni/Al等の複数の金属にて構成されている。具体的には、ソース電極21は、n型領域(すなわち、ソース領域16)を構成する部分と接触する部分がn型領域とオーミック接触可能な金属で構成されている。また、ソース電極21は、p型領域(すなわち、ベース層15)と接触する部分がp型領域とオーミック接触可能な金属で構成されている。本実施形態では、ソース電極21は、ベース層15と接触する第1部分21aがNiを含んで構成され、ソース領域16と接触する第2部分21bがAl/Tiを含んで構成されている。なお、本実施形態では、ゲート電極19およびソース電極21が一面側電極に相当する。また、本実施形態では、ソース電極21がベース層用電極に相当する。 A source electrode 21 is disposed in the contact trench 20. In this embodiment, the source electrode 21 is composed of multiple metals, such as Ni/Al. Specifically, the portion of the source electrode 21 that contacts the portion that constitutes the n-type region (i.e., the source region 16) is composed of a metal that can make ohmic contact with the n-type region. In addition, the portion of the source electrode 21 that contacts the p-type region (i.e., the base layer 15) is composed of a metal that can make ohmic contact with the p-type region. In this embodiment, the source electrode 21 has a first portion 21a that contacts the base layer 15 and contains Ni, and a second portion 21b that contacts the source region 16 and contains Al/Ti. In this embodiment, the gate electrode 19 and the source electrode 21 correspond to one-side electrodes. In this embodiment, the source electrode 21 corresponds to a base layer electrode.
半導体基板10の他面10b側には、GaN基板11と電気的に接続されるドレイン電極22が形成されている。なお、本実施形態では、ドレイン電極22が他面側電極に相当する。 A drain electrode 22 electrically connected to the GaN substrate 11 is formed on the other surface 10b of the semiconductor substrate 10. In this embodiment, the drain electrode 22 corresponds to the other surface electrode.
本実施形態の半導体装置では、このような構造により、nチャネルタイプの反転型であるトレンチゲート構造のMOSFETが構成されている。なお、本実施形態では、n+型、n-型が第1導電型に相当しており、p型が第2導電型に相当している。 In the semiconductor device of this embodiment, an n-channel inversion trench gate MOSFET is configured with this structure. In this embodiment, the n + type and n- type correspond to the first conductivity type, and the p type corresponds to the second conductivity type.
次に、本実施形態における半導体装置の作動および効果について、図4Aおよび図4Bを参照しつつ説明する。なお、図4Aおよび図4Bでは、GaN基板11およびドレイン電極22を省略して示している。 Next, the operation and effects of the semiconductor device of this embodiment will be described with reference to Figures 4A and 4B. Note that the GaN substrate 11 and drain electrode 22 are omitted in Figures 4A and 4B.
まず、PSJ構造14では、図4Aに示されるように、第1カラム領域12と第2カラム領域13との界面に2DEG31および2DHG32が発生する。そして、ゲート電極19に、閾値電圧以上の電圧、例えば6Vが印加されると、ベース層15のうちのゲート用トレンチ17に接している表面に反転層が形成される。これにより、ソース電極21から電子が供給され、第1カラム領域12に形成された2DEG31を介してドレイン電極22に電流が流れるオン状態となる。つまり、半導体装置には、半導体基板10の厚さ方向に沿って電流が流れる。この際、2DHG32は、引き抜かれ易い部分が存在しないため、半導体装置を流れる電流は、電子電流が支配的となる。 First, in the PSJ structure 14, as shown in FIG. 4A, 2DEG 31 and 2DHG 32 are generated at the interface between the first column region 12 and the second column region 13. When a voltage equal to or greater than the threshold voltage, for example, 6 V, is applied to the gate electrode 19, an inversion layer is formed on the surface of the base layer 15 that contacts the gate trench 17. This causes electrons to be supplied from the source electrode 21, resulting in an on-state in which current flows to the drain electrode 22 via the 2DEG 31 formed in the first column region 12. In other words, current flows through the semiconductor device along the thickness direction of the semiconductor substrate 10. At this time, because there are no parts of the 2DHG 32 that are easily extracted, the current flowing through the semiconductor device is dominated by electron current.
そして、図4Bに示されるように、ゲート電極19に印加されるゲート電圧が閾値電圧未満の電圧、例えば0Vとなると、ベース層15に反転層が形成されず、ソース電極21から新たな電子が供給されなくなる。このため、ドレイン電極22に正の電圧、例えば300Vが印加されたとしても、半導体装置は、電流が流れないオフ状態となる。この際、第1カラム領域12に供給されていた電子は、ドレイン電極22側から排出される。また、第1カラム領域12に発生する等したホールは、ソース電極21側から排出される。これにより、PSJ構造14は、空乏化し、分極電荷でつり合いが取れるチャージバランス状態になる。なお、図4B中の点線は、電界強度等高線の模式図を示している。 As shown in Figure 4B, when the gate voltage applied to the gate electrode 19 becomes a voltage less than the threshold voltage, for example, 0 V, no inversion layer is formed in the base layer 15, and no new electrons are supplied from the source electrode 21. Therefore, even if a positive voltage, for example, 300 V, is applied to the drain electrode 22, the semiconductor device enters an off state in which no current flows. At this time, electrons supplied to the first column region 12 are discharged from the drain electrode 22 side. Holes generated in the first column region 12 are discharged from the source electrode 21 side. As a result, the PSJ structure 14 becomes depleted, entering a charge-balanced state in which polarization charges are balanced. The dotted lines in Figure 4B show a schematic diagram of electric field intensity contours.
このため、このような半導体装置では、理想的には、GaNの破壊電界強度である3MV/cmまでの耐圧特性が得られる。つまり、例えば、PSJ構造14の厚さを1μmにすることにより、300Vの耐圧を得ることができる。 For this reason, such a semiconductor device ideally achieves a breakdown voltage characteristic of up to 3 MV/cm, which is the breakdown field strength of GaN. In other words, for example, by making the thickness of the PSJ structure 14 1 μm, a breakdown voltage of 300 V can be obtained.
ここで、例えば、シリコンを用いたスーパージャンクション構造を有する半導体装置では、最大破壊強度が0.3MV/cmとなることが報告されている。このため、このような半導体装置と比較すると、本実施形態の半導体装置では、1/10のカラム厚さ(すなわち、カラム深さ)で同じ最大破壊強度を得ることができる。言い換えると、本実施形態の半導体装置では、シリコンを用いたスーパージャンクション構造を有する半導体装置と比較すると、カラム厚さが薄いPSJ構造14を有する半導体装置とでき、製造工程を容易にし易くできる。なお、カラム厚さとは、言い換えると、GaN基板11とPSJ構造14との積層方向に沿った長さのことである。 Here, for example, it has been reported that a semiconductor device having a superjunction structure using silicon has a maximum breakdown strength of 0.3 MV/cm. Therefore, compared to such semiconductor devices, the semiconductor device of this embodiment can achieve the same maximum breakdown strength with a column thickness (i.e., column depth) that is 1/10 of that of such semiconductor devices. In other words, the semiconductor device of this embodiment can be made to have a PSJ structure 14 with a thinner column thickness than a semiconductor device having a superjunction structure using silicon, making the manufacturing process easier. Note that the column thickness is, in other words, the length along the stacking direction of the GaN substrate 11 and the PSJ structure 14.
また、図4Bに示されるように、本実施形態のPSJ構造14では、電界強度が集中し難い。このため、ゲート絶縁膜18に大きな電界強度が印加されることを抑制でき、ゲート絶縁膜18の信頼性を向上できる。 Furthermore, as shown in Figure 4B, the electric field strength is less likely to concentrate in the PSJ structure 14 of this embodiment. This prevents a large electric field strength from being applied to the gate insulating film 18, improving the reliability of the gate insulating film 18.
続いて、上記半導体装置の製造方法について、図5A~図5Dを参照しつつ説明する。 Next, a method for manufacturing the above semiconductor device will be described with reference to Figures 5A to 5D.
まず、図5Aに示されるように、第1主面11aおよび第2主面11bがm面とされ、n+型とされたGaN基板11を用意する。そして、GaN基板11の第1主面11a上に、エピタキシャル成長により、第2カラム領域13を構成する第2カラム領域構成層130を配置する。なお、第2カラム領域構成層130は、アンドープ層のu-AlGaN層で構成される。 5A, an n + type GaN substrate 11 is prepared, with its first main surface 11a and second main surface 11b being m-planes. Then, a second column region-forming layer 130 that forms the second column region 13 is disposed by epitaxial growth on the first main surface 11a of the GaN substrate 11. The second column region-forming layer 130 is composed of an undoped u-AlGaN layer.
続いて、図5Bに示されるように、第2カラム領域構成層130上にレジスト100を配置し、第1カラム領域12の形成予定領域が露出するようにレジスト100をパターニングする。そして、レジスト100をマスクとしたICP-RIE(Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etchingの略)等のドライエッチングを行い、第1カラム領域12を配置するための埋込用トレンチ131を形成する。これにより、第2カラム領域構成層130のうちの埋込用トレンチ131で挟まれる部分にて第2カラム領域13が形成される。つまり、第2カラム領域構成層130のうちの埋込用トレンチ131が形成されなかった部分で第2カラム領域13が構成される。 Next, as shown in FIG. 5B, resist 100 is placed on the second column region forming layer 130, and the resist 100 is patterned so that the region where the first column region 12 is to be formed is exposed. Then, dry etching such as ICP-RIE (Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching) is performed using the resist 100 as a mask to form buried trenches 131 for disposing the first column region 12. As a result, the second column region 13 is formed in the portion of the second column region forming layer 130 that is sandwiched between the buried trenches 131. In other words, the second column region 13 is formed in the portion of the second column region forming layer 130 where the buried trenches 131 are not formed.
次に、図5Cに示されるように、埋込用トレンチ131が埋め込まれるように、エピタキシャル成長により、第1カラム領域12を構成する第1カラム領域構成層120を配置する。これにより、埋込用トレンチ131に配置された部分にて第1カラム領域12が形成され、第1カラム領域12および第2カラム領域13を有するPSJ構造14が構成される。なお、第1カラム領域構成層120は、アンドープ層のu-GaN層で構成される。 Next, as shown in FIG. 5C, a first column region-forming layer 120 that constitutes the first column region 12 is disposed by epitaxial growth so that the burying trench 131 is filled. As a result, the first column region 12 is formed in the portion that is located in the burying trench 131, and a PSJ structure 14 having the first column region 12 and second column region 13 is formed. The first column region-forming layer 120 is composed of an undoped u-GaN layer.
続いて、図5Dに示されるように、第2カラム領域構成層130上に成膜された第1カラム領域構成層120を研磨またはCMP(Chemical Mechanical Polishingの略)法等で除去する。 Next, as shown in FIG. 5D, the first column region forming layer 120 formed on the second column region forming layer 130 is removed by polishing or CMP (Chemical Mechanical Polishing) or other methods.
その後は、詳細な工程については省略するが、所定の半導体製造プロセスを行い、ベース層15、ソース領域16、トレンチゲート構造、ソース電極21、ドレイン電極22等を形成することにより、上記半導体装置が製造される。 After that, although detailed steps will be omitted, the semiconductor device is manufactured by carrying out a predetermined semiconductor manufacturing process to form the base layer 15, source region 16, trench gate structure, source electrode 21, drain electrode 22, etc.
以上説明した本実施形態によれば、PSJ構造14をGaN基板11の面方向に沿って配列し、半導体基板10の厚さ方向に電流が流れるようにしている。このため、半導体素子と接続される各電極19、21、22を半導体基板10の一面10a側と他面10b側に分けて配置することができ、各電極19、21、22の制約を低減し易くできる。 In the present embodiment described above, the PSJ structures 14 are arranged along the surface direction of the GaN substrate 11, allowing current to flow in the thickness direction of the semiconductor substrate 10. Therefore, the electrodes 19, 21, and 22 connected to the semiconductor element can be arranged separately on the one surface 10a and the other surface 10b of the semiconductor substrate 10, making it easier to reduce the constraints on the electrodes 19, 21, and 22.
なお、本実施形態では、PSJ構造14上には、p-GaN層で構成されるベース層15が配置される。このため、半導体装置を製造する際、図5Cの工程を行った後、図5Dの工程を行わず、そのままu-GaN層上にp-GaN層を成膜してベース層15を形成するようにしてもよい。 In this embodiment, a base layer 15 composed of a p-GaN layer is disposed on the PSJ structure 14. Therefore, when manufacturing a semiconductor device, after performing the step in FIG. 5C, the base layer 15 may be formed by depositing a p-GaN layer directly on the u-GaN layer without performing the step in FIG. 5D.
(1)本実施形態では、半導体素子としてMOSFETを形成しており、PSJ構造14上に配置されるベース層15をソース電極21と接続している。このため、オフ時において、第1カラム領域12に存在し得るホールをソース電極21から引き抜くことができ、PSJ構造14が分極電荷でつり合いが取れた状態とできる。 (1) In this embodiment, a MOSFET is formed as the semiconductor element, and the base layer 15 disposed on the PSJ structure 14 is connected to the source electrode 21. Therefore, when the device is off, holes that may be present in the first column region 12 can be extracted from the source electrode 21, and the PSJ structure 14 can be placed in a state where the polarization charge is balanced.
(2)本実施形態では、GaN基板11の面方向に沿って第1カラム領域12と第2カラム領域13とを配列し、半導体基板10の厚さ方向に電流を流している。このため、GaN層とAlGaN層とを積層してPSJ構造を構成し、このPSJ構造を用いてMOSFETを形成する場合と比較すると、大電流を流し易くできる。すなわち、GaN層とAlGaN層とを積層したPSJ構造を有する半導体装置としては、PSJ構造上にゲート電極を配置してMOSFETを形成した半導体装置が考えられる。しかしながら、この半導体装置では、GaN層とAlGaN層とを積層し過ぎると、ゲート電極に印加されるゲート電圧によって半導体装置のオン状態とオフ状態とが切り替えられなくなる可能性がある。これに対し、本実施形態では、GaN基板11の面方向に沿って第1カラム領域12と第2カラム領域13とを配列し、半導体基板10の厚さ方向に電流を流している。このため、第1カラム領域12と第2カラム領域13との本数は適宜変更可能であり、大電流にも対応し易くできる。 (2) In this embodiment, the first column region 12 and the second column region 13 are arranged along the surface of the GaN substrate 11, and current flows in the thickness direction of the semiconductor substrate 10. This makes it easier to pass a large current compared to when a PSJ structure is formed by stacking GaN and AlGaN layers and using this PSJ structure to form a MOSFET. That is, a semiconductor device having a PSJ structure in which GaN and AlGaN layers are stacked can be considered a semiconductor device in which a MOSFET is formed by arranging a gate electrode on the PSJ structure. However, in this semiconductor device, if too many GaN and AlGaN layers are stacked, the semiconductor device may not be able to switch between the on and off states using the gate voltage applied to the gate electrode. In contrast, in this embodiment, the first column region 12 and the second column region 13 are arranged along the surface of the GaN substrate 11, and current flows in the thickness direction of the semiconductor substrate 10. Therefore, the number of first column regions 12 and second column regions 13 can be changed as needed, making it easier to accommodate large currents.
(3)本実施形態では、第1カラム領域12および第2カラム領域13がアンドープ層で構成されている。このため、後述の第3実施形態のように第1カラム領域12および第2カラム領域13がドープ層で構成されている場合と比較して、不純物が少ないためにオフ状態となる際のホールの抜けを早くでき、スイッチング速度を速くできる。 (3) In this embodiment, the first column region 12 and the second column region 13 are composed of undoped layers. Therefore, compared to the case where the first column region 12 and the second column region 13 are composed of doped layers as in the third embodiment described below, the amount of impurities is smaller, which allows holes to escape more quickly when the device is turned off, thereby increasing the switching speed.
(第1実施形態の変形例)
上記第1実施形態の変形例について説明する。上記第1実施形態において、次のようにPSJ構造14をGaN基板11上に形成するようにしてもよい。すなわち、図6Aに示されるように、GaN基板11を用意した後、GaN基板11の第1主面11a上に、エピタキシャル成長により、第1カラム領域12を構成する第1カラム領域構成層120を配置する。続いて、図6Bに示されるように、第1カラム領域構成層120上にレジスト100を配置してドライエッチングを行い、第2カラム領域13を配置するための埋込用トレンチ121を形成する。これにより、第1カラム領域構成層120のうちの埋込用トレンチ121で挟まれる部分にて第1カラム領域12が形成される。つまり、第1カラム領域構成層120のうちの埋込用トレンチ121が形成されなかった部分で第1カラム領域12が構成される。
(Modification of the first embodiment)
A modification of the first embodiment will be described. In the first embodiment, the PSJ structure 14 may be formed on the GaN substrate 11 as follows. That is, as shown in FIG. 6A , after preparing the GaN substrate 11, a first column region-forming layer 120 that forms the first column region 12 is disposed on the first main surface 11a of the GaN substrate 11 by epitaxial growth. Next, as shown in FIG. 6B , a resist 100 is disposed on the first column region-forming layer 120, and dry etching is performed to form burying trenches 121 in which the second column region 13 will be disposed. As a result, the first column region 12 is formed in the portion of the first column region-forming layer 120 that is sandwiched between the burying trenches 121. That is, the first column region 12 is formed in the portion of the first column region-forming layer 120 in which the burying trenches 121 are not formed.
次に、図6Cに示されるように、埋込用トレンチ121が埋め込まれるように、エピタキシャル成長により、第2カラム領域構成層130を配置する。これにより、埋込用トレンチ121に配置された部分にて第2カラム領域13が形成され、第1カラム領域12および第2カラム領域13を有するPSJ構造14が構成される。 Next, as shown in FIG. 6C, a second column region forming layer 130 is deposited by epitaxial growth so as to fill the burying trench 121. As a result, a second column region 13 is formed in the portion located in the burying trench 121, and a PSJ structure 14 having a first column region 12 and a second column region 13 is formed.
その後、図6Dに示されるように、第1カラム領域構成層120上に成膜された第2カラム領域構成層130を除去する。このようにして、PSJ構造14をGaN基板11上に配置するようにしてもよい。 Then, as shown in FIG. 6D, the second column region forming layer 130 formed on the first column region forming layer 120 is removed. In this way, the PSJ structure 14 may be disposed on the GaN substrate 11.
(第2実施形態)
第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対し、半導体素子を変更したものである。その他に関しては、第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
Second Embodiment
A second embodiment will be described. This embodiment differs from the first embodiment in that the semiconductor element is changed. As the rest of the configuration is the same as the first embodiment, a description thereof will be omitted here.
本実施形態の半導体装置では、図7に示されるように、半導体素子としてのHBT(Heterojunction Bipolar Transistorの略)が形成されて構成されている。具体的には、ベース層15上には、ベース層15を挟んで第1カラム領域12と反対側に位置する部分に、n型とされたn-GaN層で構成されるエミッタ層41が配置されている。そして、エミッタ層41上には、エミッタ層41よりも不純物濃度が高くされたn+型のn+-GaN層で構成されるコンタクト層42が配置されている。なお、本実施形態のベース層15は、p型不純物であるMgのドープ量が1×1020/cm2とされ、厚さが100nm以下とされている。 7, the semiconductor device of this embodiment is configured by forming an HBT (abbreviation for Heterojunction Bipolar Transistor) as a semiconductor element. Specifically, an emitter layer 41 made of an n-type n-GaN layer is disposed on the base layer 15, on the side opposite the first column region 12 with the base layer 15 in between. Then, a contact layer 42 made of an n + -type n + -GaN layer having a higher impurity concentration than the emitter layer 41 is disposed on the emitter layer 41. Note that the base layer 15 of this embodiment is doped with Mg, a p-type impurity, at a concentration of 1× 1020 / cm2 and has a thickness of 100 nm or less.
そして、半導体基板10は、一面10aがコンタクト層42で構成され、他面10bがGaN基板11の第2主面11bで構成されている。このため、本実施形態の半導体基板10は、エミッタ層41の間からベース層15が露出するように、半導体基板10の一面10aに露出用トレンチ43が形成されているともいえる。 The semiconductor substrate 10 has one surface 10a formed by the contact layer 42 and the other surface 10b formed by the second major surface 11b of the GaN substrate 11. Therefore, in this embodiment, the semiconductor substrate 10 can also be said to have an exposing trench 43 formed on one surface 10a of the semiconductor substrate 10 so that the base layer 15 is exposed between the emitter layers 41.
そして、コンタクト層42上には、エミッタ電極51が配置されている。ベース層15のうちのエミッタ層41から露出する部分には、ベース電極52が配置されている。半導体基板10の他面10bには、コレクタ電極53が配置されている。なお、本実施形態では、エミッタ電極51およびベース電極52が一面側電極に相当し、コレクタ電極53が他面側電極に相当している。 An emitter electrode 51 is disposed on the contact layer 42. A base electrode 52 is disposed on the portion of the base layer 15 that is exposed from the emitter layer 41. A collector electrode 53 is disposed on the other surface 10b of the semiconductor substrate 10. In this embodiment, the emitter electrode 51 and the base electrode 52 correspond to one-surface electrodes, and the collector electrode 53 corresponds to the other-surface electrode.
次に、本実施形態における半導体装置の作動および効果について、図8Aおよび図8Bを参照しつつ説明する。 Next, the operation and effects of the semiconductor device of this embodiment will be described with reference to Figures 8A and 8B.
上記第1実施形態と同様に、PSJ構造14では、図8Aに示されるように、第1カラム領域12と第2カラム領域13との界面に2DEG31および2DHG32が発生している。そして、ベース電極52に、例えば、3~4Vが印加されると、エミッタ電極51から電子が供給され、第1カラム領域12に形成された2DEG31を介してコレクタ電極53に電流が流れる。この際、2DHG32は、引き抜かれ易い部分が存在しないため、半導体装置を流れる電流は、電子電流が支配的となる。 Similar to the first embodiment described above, in the PSJ structure 14, as shown in FIG. 8A, 2DEG 31 and 2DHG 32 are generated at the interface between the first column region 12 and the second column region 13. When, for example, 3 to 4 V is applied to the base electrode 52, electrons are supplied from the emitter electrode 51, and current flows to the collector electrode 53 via the 2DEG 31 formed in the first column region 12. In this case, because there are no parts of the 2DHG 32 that are easily extracted, the current flowing through the semiconductor device is dominated by electron current.
そして、図8Bに示されるように、ベース電極52に印加される電圧が、例えば0Vとなると、ベースポテンシャルが上昇してエミッタ電極51から新たな電子が供給されなくなる。このため、コレクタ電極53に正の電圧、例えば300Vが印加されたとしても、半導体装置は、電流が流れないオフ状態となる。この際、第1カラム領域12に供給されていた電子は、コレクタ電極53側から排出される。また、第1カラム領域12に発生する等したホールは、ベース電極52側から排出される。これにより、PSJ構造14は、空乏化し、分極電荷でつり合いが取れるチャージバランス状態になる。なお、図8B中の点線は、電界強度等高線の模式図を示している。 As shown in Figure 8B, when the voltage applied to the base electrode 52 becomes, for example, 0 V, the base potential rises and new electrons are no longer supplied from the emitter electrode 51. Therefore, even if a positive voltage, for example, 300 V, is applied to the collector electrode 53, the semiconductor device enters an off state in which no current flows. At this time, electrons supplied to the first column region 12 are discharged from the collector electrode 53. Holes generated in the first column region 12 are discharged from the base electrode 52. This depletes the PSJ structure 14, bringing it into a charge-balanced state where the polarization charges are balanced. The dotted lines in Figure 8B show a schematic diagram of the electric field intensity contours.
以上説明した本実施形態によれば、PSJ構造14をGaN基板11の面方向に沿って配列し、半導体基板10の厚さ方向に電流が流れるようにしている。このため、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。 In the present embodiment described above, the PSJ structures 14 are arranged along the surface direction of the GaN substrate 11, and current flows in the thickness direction of the semiconductor substrate 10. Therefore, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.
(1)本実施形態では、半導体素子としてHBTを形成しており、PSJ構造14上に配置されるベース層15をベース電極52と接続している。このため、オフ時において、第1カラム領域12に存在し得るホールをベース電極52から引き抜くことができ、PSJ構造14が分極電荷でつり合いが取れた状態とできる。 (1) In this embodiment, an HBT is formed as the semiconductor element, and the base layer 15 disposed on the PSJ structure 14 is connected to the base electrode 52. Therefore, when the device is off, holes that may be present in the first column region 12 can be extracted from the base electrode 52, allowing the PSJ structure 14 to be in a state where the polarization charge is balanced.
(第3実施形態)
第3実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対し、第1カラム領域12および第2カラム領域13の構成を変更したものである。その他に関しては、第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
(Third embodiment)
A third embodiment will now be described. This embodiment differs from the first embodiment in that the configurations of the first column region 12 and the second column region 13 are modified. As the rest of the configuration is the same as the first embodiment, a description thereof will be omitted here.
本実施形態の半導体装置における基本的な構成は、第1実施形態と同様とされている。但し、本実施形態では、図9に示されるように、第1カラム領域12は、n型不純物がドープされたn-GaN層で構成され、第2カラム領域13は、p型不純物がドープされたp-AlGaN層で構成されている。つまり、第1カラム領域12および第2カラム領域13は、ドープ層で構成されている。 The basic configuration of the semiconductor device of this embodiment is the same as that of the first embodiment. However, in this embodiment, as shown in FIG. 9, the first column region 12 is composed of an n-GaN layer doped with n-type impurities, and the second column region 13 is composed of a p-AlGaN layer doped with p-type impurities. In other words, the first column region 12 and the second column region 13 are composed of doped layers.
第1カラム領域12にドープされるn型不純物としては、例えば、Si(すなわち、シリコン)が挙げられる。第2カラム領域13にドープされるp型不純物としては、例えば、Mgが挙げられる。そして、第1カラム領域12および第2カラム領域13は、チャージバランスが維持されるように、配列方向(すなわち、C軸方向)に沿った幅やドープされる不純物の活性化率に応じて不純物濃度が調整されている。ここで、チャージバランスが維持されるように第1カラム領域12および第2カラム領域13が構成されるとは、次のように第1カラム領域12および第2カラム領域13が構成されることである。すなわち、第1カラム領域12および第2カラム領域13は、第1カラム領域12の幅とn型不純物濃度とn型不純物の活性化率との積と、第2カラム領域13の幅とp型不純物濃度とp型不純物の活性化率との積が等しくなるように、構成されている。 An example of an n-type impurity doped into the first column region 12 is Si (i.e., silicon). An example of a p-type impurity doped into the second column region 13 is Mg. The impurity concentrations of the first column region 12 and the second column region 13 are adjusted according to the width along the arrangement direction (i.e., the C-axis direction) and the activation rate of the doped impurities so that charge balance is maintained. Here, configuring the first column region 12 and the second column region 13 so that charge balance is maintained means configuring the first column region 12 and the second column region 13 as follows. That is, the first column region 12 and the second column region 13 are configured so that the product of the width of the first column region 12, the n-type impurity concentration, and the activation rate of the n-type impurity is equal to the product of the width of the second column region 13, the p-type impurity concentration, and the activation rate of the p-type impurity.
なお、第1カラム領域12および第2カラム領域13は、積極的に不純物をドープしたドープ層で構成され、固定電荷が5×1016/cm3以上となる不純物濃度とされている。また、GaN層においては、室温では、p型のMgの活性化率が最大10%程度となり、n型のSiの活性化率がほぼ100%程度となる。 The first column region 12 and the second column region 13 are composed of doped layers that are actively doped with impurities, and have an impurity concentration that results in a fixed charge of 5×10 16 /cm 3 or more. In the GaN layer, at room temperature, the activation rate of p-type Mg is approximately 10% at most, and the activation rate of n-type Si is approximately 100%.
そして、このようなPSJ構造14では、第1カラム領域12と第2カラム領域13との界面であるAlGaN/GaN界面において、分極効果等により、2DEGおよび2DHGが誘起される。この場合、本実施形態では、第1カラム領域12がn-GaN層で構成され、第2カラム領域13がp-AlGaN層で構成されている。このため、図10に示されるように、上記の図3と比較すると、第1カラム領域12では、エネルギーバンドが下側凸となるように変化し、第2カラム領域13では、エネルギーバンドが上側凸となるように変化する。なお、図10は、図9中のX-X線に沿った部分のエネルギーバンド図である。 In this PSJ structure 14, 2DEG and 2DHG are induced at the AlGaN/GaN interface between the first column region 12 and the second column region 13 due to polarization effects and the like. In this embodiment, the first column region 12 is composed of an n-GaN layer, and the second column region 13 is composed of a p-AlGaN layer. Therefore, as shown in Figure 10, compared to Figure 3 above, the energy band in the first column region 12 changes to be convex downward, and the energy band in the second column region 13 changes to be convex upward. Note that Figure 10 is an energy band diagram of a portion along line X-X in Figure 9.
したがって、図11および図12に示されるように、本実施形態の半導体装置では、第1実施形態の半導体装置と比較して、伝導体の下端エネルギーEcがフェルミ準位より低くなる領域(すなわち、量子井戸幅d1)が広がる。これにより、第1カラム領域12では、Ga面側に発生する2DEGが増加する。なお、本実施形態の半導体装置では、第1実施形態の半導体装置と比較して、価電子帯の上端エネルギーEvがフェルミ準位より高くなる領域(すなわち、量子井戸幅d2)が減少する。このため、第1カラム領域12では、N面側に発生する2DHGが減少する。 11 and 12, in the semiconductor device of this embodiment, the region where the conductor bottom energy Ec is lower than the Fermi level (i.e., quantum well width d1) is wider than in the semiconductor device of the first embodiment. As a result, the 2DEG generated on the Ga-face side of the first column region 12 increases. Note that in the semiconductor device of this embodiment, the region where the valence band top energy Ev is higher than the Fermi level (i.e., quantum well width d2) is narrower than in the semiconductor device of the first embodiment. As a result, the 2DHG generated on the N-face side of the first column region 12 decreases.
次に、本実施形態における半導体装置の作動および効果について、図13Aおよび図13Bを参照しつつ説明する。なお、図13Aおよび図13Bでは、GaN基板11およびドレイン電極22を省略して示している。 Next, the operation and effects of the semiconductor device of this embodiment will be described with reference to Figures 13A and 13B. Note that the GaN substrate 11 and drain electrode 22 are omitted in Figures 13A and 13B.
本実施形態の半導体装置では、図13Aに示されるように、上記第1実施形態と同様に第1カラム領域12と第2カラム領域13との界面に2DEG31および2DHG32が発生する。また、第1カラム領域12は、n型層で構成されるために固定電荷の正電荷33が発生し、第2カラム領域13は、p型層で構成されるために固定電荷の負電荷34が発生する。そして、上記のように、第1カラム領域12では、Ga面側に発生する2DEG31が増加する。したがって、半導体装置がオン状態である際の電子電流を増加でき、電流能力の向上を図ることができる。 In the semiconductor device of this embodiment, as shown in FIG. 13A, 2DEG 31 and 2DHG 32 are generated at the interface between the first column region 12 and the second column region 13, as in the first embodiment. Furthermore, since the first column region 12 is composed of an n-type layer, fixed positive charges 33 are generated, and since the second column region 13 is composed of a p-type layer, fixed negative charges 34 are generated. Furthermore, as described above, the amount of 2DEG 31 generated on the Ga-face side of the first column region 12 increases. Therefore, the electron current can be increased when the semiconductor device is in the on state, improving current capability.
そして、図13Bに示されるように、ゲート電極19に印加されるゲート電圧が閾値電圧未満の電圧となると、ベース層15に反転層が形成されず、ソース電極21から新たな電子が供給されなくなる。その後、第1カラム領域12に供給されていた電子は、ドレイン電極22側から排出され、第1カラム領域12に発生する等したホールは、ソース電極21側から排出されてオフ状態となる。そして、PSJ構造14は、空乏化し、分極電荷でつり合いが取れると共に、固定電荷でつり合いが取れるチャージバランス状態になる。なお、図13B中の点線は、電界強度等高線の模式図を示している。 As shown in Figure 13B, when the gate voltage applied to the gate electrode 19 becomes less than the threshold voltage, an inversion layer is not formed in the base layer 15, and new electrons are no longer supplied from the source electrode 21. The electrons supplied to the first column region 12 are then discharged from the drain electrode 22, and holes generated in the first column region 12 are discharged from the source electrode 21, resulting in an off-state. The PSJ structure 14 then becomes depleted, entering a charge balance state where the polarization charges are balanced and the fixed charges are balanced. The dotted lines in Figure 13B show a schematic diagram of the electric field intensity contours.
次に、上記半導体装置における製造方法について、図14A~図14Cを参照しつつ説明する。 Next, the manufacturing method for the above semiconductor device will be described with reference to Figures 14A to 14C.
まず、図14Aに示されるように、第1主面11aおよび第2主面11bがm面とされ、n+型とされたGaN基板11を用意する。そして、GaN基板11の第1主面11a上に、エピタキシャル成長により、第2カラム領域13を構成する第2カラム領域構成層130を配置する。この際、本実施形態では、Mg等のp型の不純物をドープしながら第2カラム領域構成層130を配置する。つまり、ドープ層である第2カラム領域構成層130を配置する。 First, as shown in Fig. 14A, an n + type GaN substrate 11 is prepared, with the first main surface 11a and the second main surface 11b being m-planes. Then, a second column region-forming layer 130 that forms the second column region 13 is disposed on the first main surface 11a of the GaN substrate 11 by epitaxial growth. At this time, in this embodiment, the second column region-forming layer 130 is disposed while being doped with a p-type impurity such as Mg. In other words, the second column region-forming layer 130, which is a doped layer, is disposed.
続いて、図14Bに示されるように、第2カラム領域構成層130上にレジスト100を配置し、ドライエッチングを行って第1カラム領域12を配置するための埋込用トレンチ131を形成する。これにより、第2カラム領域構成層130のうちの埋込用トレンチ131で挟まれる部分にて、p-AlGaN層で構成される第2カラム領域13が形成される。 Next, as shown in FIG. 14B, resist 100 is placed on the second column region forming layer 130, and dry etching is performed to form burying trenches 131 for disposing the first column regions 12. As a result, second column regions 13 composed of p-AlGaN layers are formed in the portions of the second column region forming layer 130 that are sandwiched between the burying trenches 131.
次に、図14Cに示されるように、埋込用トレンチ131が埋め込まれるように、エピタキシャル成長により、第1カラム領域12を構成する第1カラム領域構成層120を配置する。この際、本実施形態では、Si等のn型の不純物をドープしながら第1カラム領域構成層120を配置する。つまり、ドープ層である第1カラム領域構成層120を配置する。これにより、埋込用トレンチ131に配置された部分にて第1カラム領域12が形成され、第1カラム領域12および第2カラム領域13を有するPSJ構造14が構成される。なお、第1カラム領域構成層120および第2カラム領域構成層130は、第1カラム領域12および第2カラム領域13を構成した際にチャージバランスが維持されるように、不純物濃度が調整される。 Next, as shown in FIG. 14C , a first column region forming layer 120 that constitutes the first column region 12 is deposited by epitaxial growth so that the burying trench 131 is filled. In this embodiment, the first column region forming layer 120 is deposited while being doped with n-type impurities such as Si. In other words, the first column region forming layer 120, which is a doped layer, is deposited. As a result, the first column region 12 is formed in the portion that is located in the burying trench 131, and a PSJ structure 14 having the first column region 12 and second column region 13 is formed. The impurity concentrations of the first column region forming layer 120 and the second column region forming layer 130 are adjusted so that charge balance is maintained when the first column region 12 and second column region 13 are formed.
その後は、特に図示しないが、上記第1実施形態と同様に図5D以降の工程を行うことにより、本実施形態の半導体装置が製造される。 After that, although not specifically shown, the semiconductor device of this embodiment is manufactured by performing the steps shown in Figure 5D and subsequent steps in the same manner as in the first embodiment described above.
以上説明した本実施形態によれば、PSJ構造14をGaN基板11の面方向に沿って配列し、半導体基板10の厚さ方向に電流が流れるようにしている。このため、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。 In the present embodiment described above, the PSJ structures 14 are arranged along the surface direction of the GaN substrate 11, and current flows in the thickness direction of the semiconductor substrate 10. Therefore, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.
(1)本実施形態では、第1カラム領域12は、n型不純物がドープされたn-GaN層で構成され、第2カラム領域13は、p型不純物がドープされたp-AlGaN層で構成されている。そして、第1カラム領域12および第2カラム領域13は、チャージバランスが維持されている。このため、半導体装置がオン状態となる際には、2DEGを増加でき、電流性能の向上を図ることができる。 (1) In this embodiment, the first column region 12 is composed of an n-GaN layer doped with n-type impurities, and the second column region 13 is composed of a p-AlGaN layer doped with p-type impurities. Charge balance is maintained between the first column region 12 and the second column region 13. Therefore, when the semiconductor device is turned on, the 2DEG can be increased, improving current performance.
(第3実施形態の変形例)
上記第3実施形態の変形例について説明する。上記第3実施形態において、上記第1実施形態の変形例と同様にPSJ構造14をGaN基板11上に形成するようにしてもよい。すなわち、図15Aに示されるように、GaN基板11を用意した後、GaN基板11の第1主面11a上に、エピタキシャル成長により、第1カラム領域12を構成する第1カラム領域構成層120を配置する。この際、Si等のn型の不純物をドープしながら第1カラム領域構成層120を配置する。続いて、図15Bに示されるように、第1カラム領域構成層120上にレジスト100を配置し、ドライエッチングを行って第2カラム領域13を配置するための埋込用トレンチ121を形成する。これにより、第1カラム領域構成層120のうちの埋込用トレンチ121で挟まれる部分にて第1カラム領域12が形成される。次に、図15Cに示されるように、埋込用トレンチ121が埋め込まれるように、エピタキシャル成長により、第2カラム領域構成層130を配置する。この際、Mg等のp型の不純物をドープしながら第2カラム領域構成層130を配置する。これにより、埋込用トレンチ121に配置された部分にて第2カラム領域13が形成され、第1カラム領域12および第2カラム領域13を有するPSJ構造14が構成される。
(Modification of the third embodiment)
A modification of the third embodiment will be described. In the third embodiment, a PSJ structure 14 may be formed on a GaN substrate 11, as in the modification of the first embodiment. That is, as shown in FIG. 15A , after preparing a GaN substrate 11, a first column region-forming layer 120 that forms the first column region 12 is disposed by epitaxial growth on the first main surface 11a of the GaN substrate 11. At this time, the first column region-forming layer 120 is disposed while being doped with an n-type impurity such as Si. Next, as shown in FIG. 15B , a resist 100 is disposed on the first column region-forming layer 120, and dry etching is performed to form burying trenches 121 for disposing the second column region 13. As a result, the first column region 12 is formed in the portion of the first column region-forming layer 120 that is sandwiched between the burying trenches 121. Next, as shown in FIG. 15C , a second column region-forming layer 130 is disposed by epitaxial growth so as to fill the burying trenches 121. At this time, the second column region forming layer 130 is disposed while being doped with a p-type impurity such as Mg. As a result, the second column region 13 is formed in the portion disposed in the burying trench 121, and a PSJ structure 14 having the first column region 12 and the second column region 13 is formed.
その後は、特に図示しないが、上記第1実施形態の変形例と同様に図6Dの工程を行うことにより、PSJ構造14をGaN基板11上に配置するようにしてもよい。なお、PSJ構造14上には、p-GaN層で構成されるベース層15が配置される。このため、半導体装置を製造する際、図15Cの工程を行った後、第1カラム領域構成層120上に成膜された第2カラム領域構成層130を除去せず、そのままp-GaN層を成膜してベース層15を形成するようにしてもよい。つまり、第2カラム領域13を構成するAl1-xGaxN層のxを1とすることにより、連続的にPSJ構造14およびベース層15を形成するようにしてもよい。 6D as in the modified example of the first embodiment, a base layer 15 made of a p-GaN layer is disposed on the PSJ structure 14. Therefore, when manufacturing a semiconductor device, after the step of FIG. 15C is performed, the second column region-forming layer 130 formed on the first column region-forming layer 120 may not be removed, and a p-GaN layer may be formed as is to form the base layer 15. In other words, the PSJ structure 14 and the base layer 15 may be formed continuously by setting x to 1 in the Al 1-x Ga x N layer that forms the second column region 13.
(第4実施形態)
第4実施形態について説明する。本実施形態は、第2実施形態に対し、第1カラム領域12および第2カラム領域13の構成を変更したものである。その他に関しては、第2実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment will now be described. This embodiment differs from the second embodiment in that the configurations of the first column region 12 and the second column region 13 are modified. As the rest of the configuration is the same as the second embodiment, a description thereof will be omitted here.
本実施形態の半導体装置は、図16に示されるように、上記第2実施形態と同様のHBTが形成されて構成されている。但し、本実施形態の半導体装置は、上記第3実施形態と同様に、第1カラム領域12がn型不純物がドープされたn-GaN層で構成され、第2カラム領域13がp型不純物がドープされたp-AlGaN層で構成されている。つまり、第1カラム領域12および第2カラム領域13は、ドープ層で構成されている。なお、第1カラム領域12および第2カラム領域13は、上記第3実施形態と同様に、チャージバランスが維持されるように、幅や不純物濃度が調整されている。 As shown in FIG. 16, the semiconductor device of this embodiment is configured with an HBT similar to that of the second embodiment. However, similar to the third embodiment, the semiconductor device of this embodiment has the first column region 12 configured with an n-GaN layer doped with n-type impurities, and the second column region 13 configured with a p-AlGaN layer doped with p-type impurities. In other words, the first column region 12 and the second column region 13 are configured with doped layers. Note that, similar to the third embodiment, the widths and impurity concentrations of the first column region 12 and the second column region 13 are adjusted to maintain charge balance.
次に、本実施形態における半導体装置の作動および効果について、図17Aおよび図17Bを参照しつつ説明する。 Next, the operation and effects of the semiconductor device of this embodiment will be described with reference to Figures 17A and 17B.
上記第2実施形態と同様に、PSJ構造14では、図17Aに示されるように、第1カラム領域12と第2カラム領域13との界面に2DEG31および2DHG32が発生している。また、上記第3実施形態と同様に、第1カラム領域12では、固定電荷の正電荷33が発生し、第2カラム領域13では、固定電荷の負電荷34が発生する。そして、第1カラム領域12では、Ga面側に発生する2DEG31(すなわち、分極電荷の負電荷)が増加する。したがって、半導体装置がオン状態である際の電子電流を増加でき、電流能力の向上を図ることができる。 As in the second embodiment, in the PSJ structure 14, as shown in FIG. 17A, 2DEG 31 and 2DHG 32 are generated at the interface between the first column region 12 and the second column region 13. Also, as in the third embodiment, fixed positive charges 33 are generated in the first column region 12, and fixed negative charges 34 are generated in the second column region 13. Furthermore, in the first column region 12, the amount of 2DEG 31 (i.e., negative polarization charges) generated on the Ga-face side increases. This increases the electron current when the semiconductor device is in the on state, improving current capability.
そして、図17Bに示されるように、ベース電極52に印加される電圧が、例えば0Vとなると、ベースポテンシャルが上昇してエミッタ電極51から新たな電子が供給されなくなる。このため、コレクタ電極53に正の電圧、例えば300Vが印加されたとしても、半導体装置は、電流が流れないオフ状態となる。この際、第1カラム領域12に供給されていた電子は、コレクタ電極53側から排出される。また、第1カラム領域12に発生する等したホールは、ベース電極52側から排出される。これにより、PSJ構造14は、空乏化し、分極電荷でつり合いが取れると共に、固定電荷でつり合いが取れるチャージバランス状態になる。なお、図17B中の点線は、電界強度等高線の模式図を示している。 As shown in Figure 17B, when the voltage applied to the base electrode 52 becomes, for example, 0 V, the base potential rises and new electrons are no longer supplied from the emitter electrode 51. Therefore, even if a positive voltage, for example, 300 V, is applied to the collector electrode 53, the semiconductor device enters an off state in which no current flows. At this time, electrons supplied to the first column region 12 are discharged from the collector electrode 53. Holes generated in the first column region 12 are discharged from the base electrode 52. As a result, the PSJ structure 14 becomes depleted, and a charge balance state is achieved in which the polarization charges are balanced and the fixed charges are balanced. The dotted lines in Figure 17B show a schematic diagram of the electric field intensity contours.
以上説明した本実施形態によれば、PSJ構造14をGaN基板11の面方向に沿って配列し、半導体基板10の厚さ方向に電流が流れるようにしている。このため、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。 In the present embodiment described above, the PSJ structures 14 are arranged along the surface direction of the GaN substrate 11, and current flows in the thickness direction of the semiconductor substrate 10. Therefore, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.
(1)本実施形態では、第1カラム領域12はn型不純物がドープされたn-GaN層で構成されており、第2カラム領域13は、p型不純物がドープされたp-AlGaN層で構成されている。そして、第1カラム領域12および第2カラム領域13は、チャージバランスが維持されるように、幅および不純物濃度が調整されている。このため、半導体装置がオン状態となる際には、2DEG31を増加でき、電流性能の向上を図ることができる。 (1) In this embodiment, the first column region 12 is composed of an n-GaN layer doped with n-type impurities, and the second column region 13 is composed of a p-AlGaN layer doped with p-type impurities. The widths and impurity concentrations of the first column region 12 and the second column region 13 are adjusted to maintain charge balance. Therefore, when the semiconductor device is turned on, the 2DEG 31 can be increased, improving current performance.
(他の実施形態)
本開示は、実施形態に準拠して記述されたが、本開示は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
(Other embodiments)
Although the present disclosure has been described with reference to the embodiments, it is understood that the present disclosure is not limited to the embodiments or structures. The present disclosure also encompasses various modifications and modifications within the scope of equivalents. In addition, various combinations and forms, as well as other combinations and forms including only one element, more than one element, or less than one element, are also within the scope and spirit of the present disclosure.
例えば、上記第1、第3実施形態では、半導体素子としてのMOSFETが形成された半導体装置を説明し、上記第2、第4実施形態では、半導体素子としてのHBTが形成された半導体装置を説明した。しかしながら、半導体素子は、他の半導体素子であってもよく、図18に示されるように、ダイオードであってもよい。具体的には、この半導体装置では、GaN基板11上にPSJ構造14が配置されて半導体基板10が構成されている。半導体基板10は、PSJ構造14側で一面10aが構成され、GaN基板11の第2主面11bで他面10bが構成されている。そして、半導体基板10には、一面10aに、一面側電極としてのアノード電極61が配置され、他面10bに、他面側電極としてのカソード電極62が配置されている。この場合、上記第3、第4実施形態と同様に、第1カラム領域12および第2カラム領域13がドープ層で構成されるようにしてもよい。 For example, the first and third embodiments described semiconductor devices in which a MOSFET was formed as the semiconductor element, and the second and fourth embodiments described semiconductor devices in which an HBT was formed as the semiconductor element. However, the semiconductor element may be another type of semiconductor element, or may be a diode, as shown in FIG. 18 . Specifically, in this semiconductor device, a PSJ structure 14 is disposed on a GaN substrate 11 to form a semiconductor substrate 10. One surface 10a of the semiconductor substrate 10 is formed on the PSJ structure 14 side, and the other surface 10b is formed by the second major surface 11b of the GaN substrate 11. An anode electrode 61 serving as a one-surface electrode is disposed on the one surface 10a of the semiconductor substrate 10, and a cathode electrode 62 serving as a other-surface electrode is disposed on the other surface 10b. In this case, as in the third and fourth embodiments, the first column region 12 and the second column region 13 may be formed as doped layers.
また、上記第1、第3実施形態では、第1導電型をn型、第2導電型をp型としたnチャネルタイプのトレンチゲート構造のMOSFETを例に挙げて説明した。しかしながら、半導体装置は、nチャネルタイプに対してpチャネルタイプのトレンチゲート構造のMOSFETが形成されていてもよい。さらに、半導体装置は、MOSFET以外に、同様の構造のIGBTが形成された構成とされていてもよい。IGBTの場合、上記第1、第3実施形態におけるn+型のGaN基板11をp+型のGaN基板11に変更する以外は、上記第1実施形態で説明した縦型MOSFETと同様である。 In the first and third embodiments, an n-channel trench gate MOSFET in which the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type has been described as an example. However, the semiconductor device may have a p-channel trench gate MOSFET formed therein instead of an n-channel MOSFET. Furthermore, the semiconductor device may have an IGBT formed therein with a similar structure in addition to the MOSFET. In the case of an IGBT, the vertical MOSFET is the same as that described in the first embodiment, except that the n + type GaN substrate 11 in the first and third embodiments is replaced with a p + type GaN substrate 11.
また、上記第2、第4実施形態では、半導体素子として、第1導電型をn型、第2導電型をp型としたnpn型のHBTを例に挙げて説明した。しかしながら、半導体装置は、半導体素子として、pnp型のHBTが形成されて構成されていてもよい。 Furthermore, in the second and fourth embodiments described above, an npn-type HBT in which the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type was used as an example of the semiconductor element. However, the semiconductor device may also be configured with a pnp-type HBT formed as the semiconductor element.
そして、上記第3、第4実施形態では、第1カラム領域12にn型不純物をドープすると共に、第2カラム領域13にp型不純物をドープした半導体装置を説明した。しかしながら、第1カラム領域12をp型不純物がドープされたドープ層で構成すると共に、第2カラム領域13をn型不純物がドープされたドープ層で構成するようにしてもよい。この場合は、第1カラム領域12および第2カラム領域13がアンドープ層とされている場合と比較して、価電子帯の上端エネルギーEvがフェルミ準位より高くなる領域(すなわち、量子井戸幅d2)が増加するため、ホール濃度が高くなる。したがって、このような半導体装置は、オン状態である際にホール電流が支配的となる構成に適用されると好ましい。 In the third and fourth embodiments, a semiconductor device was described in which the first column region 12 was doped with n-type impurities and the second column region 13 was doped with p-type impurities. However, the first column region 12 may be configured as a layer doped with p-type impurities and the second column region 13 may be configured as a layer doped with n-type impurities. In this case, compared to when the first column region 12 and the second column region 13 are undoped layers, the region where the upper end energy Ev of the valence band is higher than the Fermi level (i.e., the quantum well width d2) increases, resulting in a higher hole concentration. Therefore, such a semiconductor device is preferably applied to a configuration in which hole current is dominant in the on state.
また、上記第3、第4実施形態では、不純物をドープしながらエピタキシャル成長させることにより、第1カラム領域12および第2カラム領域13をドープ層とする例について説明した。しかしながら、ドープ層である第1カラム領域12および第2カラム領域13は、次のように形成されていてもよい。例えば、上記第1実施形態の図5Dの工程を行った後、不純物をイオン注入することにより、n-GaN層で構成される第1カラム領域12を構成すると共に、p-AlGaN層で構成される第2カラム領域13を構成するようにしてもよい。 In the third and fourth embodiments, examples were described in which the first column region 12 and the second column region 13 were formed as doped layers by epitaxial growth while doping with impurities. However, the first column region 12 and the second column region 13, which are doped layers, may also be formed as follows. For example, after performing the step of FIG. 5D in the first embodiment, impurity ions may be implanted to form the first column region 12 composed of an n-GaN layer and the second column region 13 composed of a p-AlGaN layer.
(本発明の特徴)
[請求項1]
半導体素子が形成された半導体装置であって、
一面(10a)および他面(10b)を有し、前記半導体素子が形成された半導体基板(10)と、
前記半導体基板の一面側に配置されて前記半導体素子と電気的に接続される一面側電極(19、21、51、52、61)と、
前記半導体基板の他面側に配置されて前記半導体素子と電気的に接続される他面側電極(22、53、62)と、を備え、
前記半導体基板は、
六方晶とされ、第1主面(11a)がm面とされると共に前記第1主面の面方向における一方向がc軸方向に沿った方向とされ、前記第1主面と反対側の第2主面(11b)が前記半導体基板の他面を構成する窒化ガリウム基板(11)と、
前記窒化ガリウム基板の第1主面上に配置され、第1窒化物半導体層で構成されると共に前記窒化ガリウム基板の面方向における一方向に沿って延設された複数の第1カラム領域(12)と、前記窒化ガリウム基板の第1主面上に配置され、前記第1窒化物半導体層よりもバンドギャップの高い第2窒化物半導体層で構成されると共に前記第1カラム領域の間に配置され、前記第1カラム領域と共に分極スーパージャンクション構造(14)を構成する第2カラム領域(13)と、を有し、
前記第1カラム領域および前記第2カラム領域は、前記第1主面におけるc軸方向に沿って交互に配列されており、
前記半導体基板の一面と他面との間に電流が流れる半導体装置。
[請求項2]
前記分極スーパージャンクション構造上に配置され、第1導電型または第2導電型とされたベース層(15)を有し、
前記一面側電極は、前記ベース層と接続されるベース層用電極(21、52)を有している請求項1に記載の半導体装置。
[請求項3]
前記ベース層上に配置され、前記ベース層用電極と接続される不純物領域(16)と、
前記ベース層を貫通して前記分極スーパージャンクション構造に達するトレンチ(17)の壁面に形成されたゲート絶縁膜(18)と、前記ゲート絶縁膜上に形成された前記一面側電極としてのゲート電極(19)とを有するトレンチゲート構造と、を備える請求項2に記載の半導体装置。
[請求項4]
前記ベース層上に前記ベース層の一部を露出させる状態で配置されたエミッタ層(41)と、
前記エミッタ層と接続される前記一面側電極としてのエミッタ電極(51)と、を有する請求項2に記載の半導体装置。
[請求項5]
前記一面側電極は、前記分極スーパージャンクション構造上に配置されて前記分極スーパージャンクション構造と直接接続される請求項1に記載の半導体装置。
[請求項6]
前記第1カラム領域および前記第2カラム領域は、アンドープ層で構成されている請求項1ないし5のいずれか1つに記載の半導体装置。
[請求項7]
前記第1カラム領域および前記第2カラム領域は、ドープ層で構成され、チャージバランスが維持されている請求項1ないし5のいずれか1つに記載の半導体装置。
[請求項8]
一面(10a)および他面(10b)を有し、半導体素子が形成された半導体基板(10)と、
前記半導体基板の一面側に配置されて前記半導体素子と電気的に接続される一面側電極(19、21、51、52、61)と、
前記半導体基板の他面側に配置されて前記半導体素子と電気的に接続される他面側電極(22、53、62)と、を備え、
前記半導体基板は、
六方晶とされ、第1主面(11a)がm面とされると共に前記第1主面の面方向における一方向がc軸方向に沿った方向とされ、前記第1主面と反対側の第2主面(11b)が前記半導体基板の他面を構成する窒化ガリウム基板(11)と、
前記窒化ガリウム基板の第1主面上に配置され、第1窒化物半導体層で構成されると共に前記窒化ガリウム基板の面方向における一方向に沿って延設された複数の第1カラム領域(12)と、前記窒化ガリウム基板の第1主面上に配置され、前記第1窒化物半導体層よりもバンドギャップの高い第2窒化物半導体層で構成されると共に前記第1カラム領域の間に配置され、前記第1カラム領域と共に分極スーパージャンクション構造(14)を構成する第2カラム領域(13)と、を有し、
前記第1カラム領域および前記第2カラム領域は、前記第1主面におけるc軸方向に沿って交互に配列されており、
前記半導体基板の一面と他面との間に電流が流れる半導体装置の製造方法であって、
前記窒化ガリウム基板を用意することと、
前記窒化ガリウム基板の第1主面上に、前記第2カラム領域を構成する第2カラム領域構成層(130)をエピタキシャル成長させることと、
前記第2カラム領域構成層のうちの前記第1カラム領域が配置される部分に埋込用トレンチ(131)を形成し、前記埋込用トレンチが形成された部分と異なる部分を前記第2カラム領域とすることと、
前記埋込用トレンチが埋め込まれるように、前記第1カラム領域を構成する第1カラム領域構成層(120)をエピタキシャル成長させ、前記埋込用トレンチに配置された部分を前記第1カラム領域として、前記第1カラム領域および前記第2カラム領域を有する前記分極スーパージャンクション構造を構成することと、を行う半導体装置の製造方法。
[請求項9]
一面(10a)および他面(10b)を有し、半導体素子が形成された半導体基板(10)と、
前記半導体基板の一面側に配置されて前記半導体素子と電気的に接続される一面側電極(19、21、51、52、61)と、
前記半導体基板の他面側に配置されて前記半導体素子と電気的に接続される他面側電極(22、53、62)と、を備え、
前記半導体基板は、
六方晶とされ、第1主面(11a)がm面とされると共に前記第1主面の面方向における一方向がc軸方向に沿った方向とされ、前記第1主面と反対側の第2主面(11b)が前記半導体基板の他面を構成する窒化ガリウム基板(11)と、
前記窒化ガリウム基板の第1主面上に配置され、第1窒化物半導体層で構成されると共に前記窒化ガリウム基板の面方向における一方向に沿って延設された複数の第1カラム領域(12)と、前記窒化ガリウム基板の第1主面上に配置され、前記第1窒化物半導体層よりもバンドギャップの高い第2窒化物半導体層で構成されると共に前記第1カラム領域の間に配置され、前記第1カラム領域と共に分極スーパージャンクション構造(14)を構成する第2カラム領域(13)と、を有し、
前記第1カラム領域および前記第2カラム領域は、前記第1主面におけるc軸方向に沿って交互に配列されており、
前記半導体基板の一面と他面との間に電流が流れる半導体装置の製造方法であって、
前記窒化ガリウム基板を用意することと、
前記窒化ガリウム基板の第1主面上に、前記第1カラム領域を構成する第1カラム領域構成層(120)をエピタキシャル成長させることと、
前記第1カラム領域構成層のうちの前記第2カラム領域が配置される部分に埋込用トレンチ(121)を形成し、前記埋込用トレンチが形成された部分と異なる部分を前記第1カラム領域とすることと、
前記埋込用トレンチが埋め込まれるように、前記第2カラム領域を構成する第2カラム領域構成層(130)をエピタキシャル成長させ、前記埋込用トレンチに配置された部分を前記第2カラム領域として、前記第1カラム領域および前記第2カラム領域を有する前記分極スーパージャンクション構造を構成することと、を行う半導体装置の製造方法。
[請求項10]
前記分極スーパージャンクション構造を構成することでは、アンドープ層で構成される前記第1カラム領域および前記第2カラム領域を構成することを行う請求項8または9に記載の半導体装置の製造方法。
[請求項11]
前記分極スーパージャンクション構造を構成することでは、ドープ層で構成される前記第1カラム領域および前記第2カラム領域を構成する請求項8または9に記載の半導体装置の製造方法。
(Features of the present invention)
[Claim 1]
A semiconductor device in which a semiconductor element is formed,
a semiconductor substrate (10) having one surface (10a) and another surface (10b) and on which the semiconductor element is formed;
One-surface electrodes (19, 21, 51, 52, 61) disposed on one surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the semiconductor element;
and an other-surface electrode (22, 53, 62) disposed on the other surface side of the semiconductor substrate and electrically connected to the semiconductor element,
The semiconductor substrate is
a gallium nitride substrate (11) having a hexagonal crystal structure, a first main surface (11a) being an m-plane, one direction in the plane direction of the first main surface being a direction along the c-axis direction, and a second main surface (11b) opposite to the first main surface constituting the other surface of the semiconductor substrate;
a plurality of first column regions (12) arranged on a first main surface of the gallium nitride substrate, each of which is composed of a first nitride semiconductor layer and extends in one direction in the surface direction of the gallium nitride substrate; and second column regions (13) arranged on the first main surface of the gallium nitride substrate, each of which is composed of a second nitride semiconductor layer having a band gap higher than that of the first nitride semiconductor layer, each of which is arranged between the first column regions and which together with the first column regions form a polarization super junction structure (14),
the first column regions and the second column regions are alternately arranged along the c-axis direction on the first main surface,
A semiconductor device in which a current flows between one surface and the other surface of the semiconductor substrate.
[Claim 2]
a base layer (15) disposed on the polarization superjunction structure and having a first conductivity type or a second conductivity type;
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the one-surface electrode has a base layer electrode (21, 52) connected to the base layer.
[Claim 3]
an impurity region (16) disposed on the base layer and connected to the base layer electrode;
3. The semiconductor device according to claim 2, further comprising: a trench gate structure having a gate insulating film (18) formed on a wall surface of a trench (17) that penetrates the base layer and reaches the polarization super junction structure; and a gate electrode (19) formed on the gate insulating film as the one-side electrode.
[Claim 4]
an emitter layer (41) disposed on the base layer in a state where a part of the base layer is exposed;
3. The semiconductor device according to claim 2, further comprising an emitter electrode (51) as the one-surface electrode connected to the emitter layer.
[Claim 5]
The semiconductor device according to claim 1 , wherein the one-surface electrode is disposed on the polarization super junction structure and is directly connected to the polarization super junction structure.
[Claim 6]
6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first column region and the second column region are formed of an undoped layer.
[Claim 7]
6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first column region and the second column region are formed of doped layers, and a charge balance is maintained.
[Claim 8]
a semiconductor substrate (10) having one surface (10a) and another surface (10b) and on which a semiconductor element is formed;
One-surface electrodes (19, 21, 51, 52, 61) disposed on one surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the semiconductor element;
and an other-surface electrode (22, 53, 62) disposed on the other surface side of the semiconductor substrate and electrically connected to the semiconductor element,
The semiconductor substrate is
a gallium nitride substrate (11) having a hexagonal crystal structure, a first main surface (11a) being an m-plane, one direction in the plane direction of the first main surface being a direction along the c-axis direction, and a second main surface (11b) opposite to the first main surface constituting the other surface of the semiconductor substrate;
a plurality of first column regions (12) arranged on a first main surface of the gallium nitride substrate, each of which is composed of a first nitride semiconductor layer and extends in one direction in the surface direction of the gallium nitride substrate; and second column regions (13) arranged on the first main surface of the gallium nitride substrate, each of which is composed of a second nitride semiconductor layer having a band gap higher than that of the first nitride semiconductor layer, each of which is arranged between the first column regions and which together with the first column regions form a polarization super junction structure (14),
the first column regions and the second column regions are alternately arranged along the c-axis direction on the first main surface,
A method for manufacturing a semiconductor device in which a current flows between one surface and another surface of the semiconductor substrate,
providing the gallium nitride substrate;
epitaxially growing a second column region forming layer (130) that forms the second column region on a first main surface of the gallium nitride substrate;
forming a buried trench (131) in a portion of the second column region forming layer where the first column region is to be disposed, and defining a portion different from the portion where the buried trench is formed as the second column region;
epitaxially growing a first column region forming layer (120) that forms the first column region so that the burying trench is filled, and configuring the polarization super junction structure having the first column region and the second column region, with the portion located in the burying trench being the first column region.
[Claim 9]
a semiconductor substrate (10) having one surface (10a) and another surface (10b) and on which a semiconductor element is formed;
One-surface electrodes (19, 21, 51, 52, 61) disposed on one surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the semiconductor element;
and an other-surface electrode (22, 53, 62) disposed on the other surface side of the semiconductor substrate and electrically connected to the semiconductor element,
The semiconductor substrate is
a gallium nitride substrate (11) having a hexagonal crystal structure, a first main surface (11a) being an m-plane, one direction in the plane direction of the first main surface being a direction along the c-axis direction, and a second main surface (11b) opposite to the first main surface constituting the other surface of the semiconductor substrate;
a plurality of first column regions (12) arranged on a first main surface of the gallium nitride substrate, each of which is composed of a first nitride semiconductor layer and extends in one direction in the surface direction of the gallium nitride substrate; and second column regions (13) arranged on the first main surface of the gallium nitride substrate, each of which is composed of a second nitride semiconductor layer having a band gap higher than that of the first nitride semiconductor layer, each of which is arranged between the first column regions and which together with the first column regions form a polarization super junction structure (14),
the first column regions and the second column regions are alternately arranged along the c-axis direction on the first main surface,
A method for manufacturing a semiconductor device in which a current flows between one surface and another surface of the semiconductor substrate,
providing the gallium nitride substrate;
epitaxially growing a first column region forming layer (120) that forms the first column region on a first main surface of the gallium nitride substrate;
forming a buried trench (121) in a portion of the first column region forming layer where the second column region is to be disposed, and defining a portion different from the portion where the buried trench is formed as the first column region;
epitaxially growing a second column region forming layer (130) that forms the second column region so that the burying trench is filled, and configuring the polarization super junction structure having the first column region and the second column region, with the portion located in the burying trench being the second column region.
[Claim 10]
10. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein the polarization superjunction structure is formed by forming the first column region and the second column region each made of an undoped layer.
[Claim 11]
10. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein the first column region and the second column region are formed of doped layers by forming the polarization super junction structure.
10 半導体基板
11 GaN基板
11a 第1主面
11b 第2主面
10a 一面
10b 他面
12 第1カラム領域
13 第2カラム領域
14 PSJ構造
21 ソース電極(一面側電極)
22 ドレイン電極(他面側電極)
REFERENCE SIGNS LIST 10 Semiconductor substrate 11 GaN substrate 11a First main surface 11b Second main surface 10a One surface 10b Other surface 12 First column region 13 Second column region 14 PSJ structure 21 Source electrode (one-surface electrode)
22 Drain electrode (other surface electrode)
Claims (11)
一面(10a)および他面(10b)を有し、前記半導体素子が形成された半導体基板(10)と、
前記半導体基板の一面側に配置されて前記半導体素子と電気的に接続される一面側電極(19、21、51、52、61)と、
前記半導体基板の他面側に配置されて前記半導体素子と電気的に接続される他面側電極(22、53、62)と、を備え、
前記半導体基板は、
六方晶とされ、第1主面(11a)がm面とされると共に前記第1主面の面方向における一方向がc軸方向に沿った方向とされ、前記第1主面と反対側の第2主面(11b)が前記半導体基板の他面を構成する窒化ガリウム基板(11)と、
前記窒化ガリウム基板の第1主面上に配置され、第1窒化物半導体層で構成されると共に前記窒化ガリウム基板の面方向における一方向に沿って延設された複数の第1カラム領域(12)と、前記窒化ガリウム基板の第1主面上に配置され、前記第1窒化物半導体層よりもバンドギャップの高い第2窒化物半導体層で構成されると共に前記第1カラム領域の間に配置され、前記第1カラム領域と共に分極スーパージャンクション構造(14)を構成する第2カラム領域(13)と、を有し、
前記第1カラム領域および前記第2カラム領域は、前記第1主面におけるc軸方向に沿って交互に配列されており、
前記半導体基板の一面と他面との間に電流が流れ、
前記分極スーパージャンクション構造上に配置され、第1導電型または第2導電型とされたベース層(15)を有し、
前記一面側電極は、前記ベース層と接続されるベース層用電極(21、52)を有しており、
前記ベース層上に前記ベース層の一部を露出させる状態で配置されたエミッタ層(41)と、
前記エミッタ層と接続される前記一面側電極としてのエミッタ電極(51)と、を有する半導体装置。 A semiconductor device in which a semiconductor element is formed,
a semiconductor substrate (10) having one surface (10a) and another surface (10b) and on which the semiconductor element is formed;
One-surface electrodes (19, 21, 51, 52, 61) disposed on one surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the semiconductor element;
and an other-surface electrode (22, 53, 62) disposed on the other surface side of the semiconductor substrate and electrically connected to the semiconductor element,
The semiconductor substrate is
a gallium nitride substrate (11) having a hexagonal crystal structure, a first main surface (11a) being an m-plane, one direction in the plane direction of the first main surface being a direction along the c-axis direction, and a second main surface (11b) opposite to the first main surface constituting the other surface of the semiconductor substrate;
a plurality of first column regions (12) arranged on a first main surface of the gallium nitride substrate, each of which is composed of a first nitride semiconductor layer and extends in one direction in the surface direction of the gallium nitride substrate; and second column regions (13) arranged on the first main surface of the gallium nitride substrate, each of which is composed of a second nitride semiconductor layer having a band gap higher than that of the first nitride semiconductor layer, each of which is arranged between the first column regions and which together with the first column regions form a polarization super junction structure (14),
the first column regions and the second column regions are alternately arranged along the c-axis direction on the first main surface,
A current flows between one surface and the other surface of the semiconductor substrate ,
a base layer (15) disposed on the polarization superjunction structure and having a first conductivity type or a second conductivity type;
The one-surface electrode has a base layer electrode (21, 52) connected to the base layer,
an emitter layer (41) disposed on the base layer in a state where a part of the base layer is exposed;
an emitter electrode (51) as the one-surface electrode connected to the emitter layer .
一面(10a)および他面(10b)を有し、前記半導体素子が形成された半導体基板(10)と、
前記半導体基板の一面側に配置されて前記半導体素子と電気的に接続される一面側電極(19、21、51、52、61)と、
前記半導体基板の他面側に配置されて前記半導体素子と電気的に接続される他面側電極(22、53、62)と、を備え、
前記半導体基板は、
六方晶とされ、第1主面(11a)がm面とされると共に前記第1主面の面方向における一方向がc軸方向に沿った方向とされ、前記第1主面と反対側の第2主面(11b)が前記半導体基板の他面を構成する窒化ガリウム基板(11)と、
前記窒化ガリウム基板の第1主面上に配置され、第1窒化物半導体層で構成されると共に前記窒化ガリウム基板の面方向における一方向に沿って延設された複数の第1カラム領域(12)と、前記窒化ガリウム基板の第1主面上に配置され、前記第1窒化物半導体層よりもバンドギャップの高い第2窒化物半導体層で構成されると共に前記第1カラム領域の間に配置され、前記第1カラム領域と共に分極スーパージャンクション構造(14)を構成する第2カラム領域(13)と、を有し、
前記第1カラム領域および前記第2カラム領域は、前記第1主面におけるc軸方向に沿って交互に配列されており、
前記半導体基板の一面と他面との間に電流が流れ、
前記第1カラム領域および前記第2カラム領域は、ドープ層で構成され、チャージバランスが維持されている半導体装置。 A semiconductor device in which a semiconductor element is formed,
a semiconductor substrate (10) having one surface (10a) and another surface (10b) and on which the semiconductor element is formed;
One-surface electrodes (19, 21, 51, 52, 61) disposed on one surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the semiconductor element;
and an other-surface electrode (22, 53, 62) disposed on the other surface side of the semiconductor substrate and electrically connected to the semiconductor element,
The semiconductor substrate is
a gallium nitride substrate (11) having a hexagonal crystal structure, a first main surface (11a) being an m-plane, one direction in the plane direction of the first main surface being a direction along the c-axis direction, and a second main surface (11b) opposite to the first main surface constituting the other surface of the semiconductor substrate;
a plurality of first column regions (12) arranged on a first main surface of the gallium nitride substrate, each of which is composed of a first nitride semiconductor layer and extends in one direction in the surface direction of the gallium nitride substrate; and second column regions (13) arranged on the first main surface of the gallium nitride substrate, each of which is composed of a second nitride semiconductor layer having a band gap higher than that of the first nitride semiconductor layer, each of which is arranged between the first column regions and which together with the first column regions form a polarization super junction structure (14),
the first column regions and the second column regions are alternately arranged along the c-axis direction on the first main surface,
A current flows between one surface and the other surface of the semiconductor substrate ,
The first column region and the second column region are formed of doped layers, and a charge balance is maintained .
前記一面側電極は、前記ベース層と接続されるベース層用電極(21、52)を有している請求項4に記載の半導体装置。 a base layer (15) disposed on the polarization superjunction structure and having a first conductivity type or a second conductivity type;
5. The semiconductor device according to claim 4 , wherein the one-surface electrode has a base layer electrode (21, 52) connected to the base layer.
前記ベース層を貫通して前記分極スーパージャンクション構造に達するトレンチ(17)の壁面に形成されたゲート絶縁膜(18)と、前記ゲート絶縁膜上に形成された前記一面側電極としてのゲート電極(19)とを有するトレンチゲート構造と、を備える請求項5に記載の半導体装置。 an impurity region (16) disposed on the base layer and connected to the base layer electrode;
6. The semiconductor device according to claim 5, further comprising: a trench gate structure having a gate insulating film (18) formed on a wall surface of a trench (17) that penetrates the base layer and reaches the polarization super junction structure; and a gate electrode (19) formed on the gate insulating film as the one -side electrode.
前記半導体基板の一面側に配置されて前記半導体素子と電気的に接続される一面側電極(19、21、51、52、61)と、
前記半導体基板の他面側に配置されて前記半導体素子と電気的に接続される他面側電極(22、53、62)と、を備え、
前記半導体基板は、
六方晶とされ、第1主面(11a)がm面とされると共に前記第1主面の面方向における一方向がc軸方向に沿った方向とされ、前記第1主面と反対側の第2主面(11b)が前記半導体基板の他面を構成する窒化ガリウム基板(11)と、
前記窒化ガリウム基板の第1主面上に配置され、第1窒化物半導体層で構成されると共に前記窒化ガリウム基板の面方向における一方向に沿って延設された複数の第1カラム領域(12)と、前記窒化ガリウム基板の第1主面上に配置され、前記第1窒化物半導体層よりもバンドギャップの高い第2窒化物半導体層で構成されると共に前記第1カラム領域の間に配置され、前記第1カラム領域と共に分極スーパージャンクション構造(14)を構成する第2カラム領域(13)と、を有し、
前記第1カラム領域および前記第2カラム領域は、前記第1主面におけるc軸方向に沿って交互に配列されており、
前記半導体基板の一面と他面との間に電流が流れる半導体装置の製造方法であって、
前記窒化ガリウム基板を用意することと、
前記窒化ガリウム基板の第1主面上に、前記第2カラム領域を構成する第2カラム領域構成層(130)をエピタキシャル成長させることと、
前記第2カラム領域構成層のうちの前記第1カラム領域が配置される部分に埋込用トレンチ(131)を形成し、前記埋込用トレンチが形成された部分と異なる部分を前記第2カラム領域とすることと、
前記埋込用トレンチが埋め込まれるように、前記第1カラム領域を構成する第1カラム領域構成層(120)をエピタキシャル成長させ、前記埋込用トレンチに配置された部分を前記第1カラム領域として、前記第1カラム領域および前記第2カラム領域を有する前記分極スーパージャンクション構造を構成することと、を行う半導体装置の製造方法。 a semiconductor substrate (10) having one surface (10a) and another surface (10b) and on which a semiconductor element is formed;
One-surface electrodes (19, 21, 51, 52, 61) disposed on one surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the semiconductor element;
and an other-surface electrode (22, 53, 62) disposed on the other surface side of the semiconductor substrate and electrically connected to the semiconductor element,
The semiconductor substrate is
a gallium nitride substrate (11) having a hexagonal crystal structure, a first main surface (11a) being an m-plane, one direction in the plane direction of the first main surface being a direction along the c-axis direction, and a second main surface (11b) opposite to the first main surface constituting the other surface of the semiconductor substrate;
a plurality of first column regions (12) arranged on a first main surface of the gallium nitride substrate, each of which is composed of a first nitride semiconductor layer and extends in one direction in the surface direction of the gallium nitride substrate; and second column regions (13) arranged on the first main surface of the gallium nitride substrate, each of which is composed of a second nitride semiconductor layer having a band gap higher than that of the first nitride semiconductor layer, each of which is arranged between the first column regions and which together with the first column regions form a polarization super junction structure (14),
the first column regions and the second column regions are alternately arranged along the c-axis direction on the first main surface,
A method for manufacturing a semiconductor device in which a current flows between one surface and another surface of the semiconductor substrate,
providing the gallium nitride substrate;
epitaxially growing a second column region forming layer (130) that forms the second column region on a first main surface of the gallium nitride substrate;
forming a buried trench (131) in a portion of the second column region forming layer where the first column region is to be disposed, and defining a portion different from the portion where the buried trench is formed as the second column region;
epitaxially growing a first column region forming layer (120) that forms the first column region so that the burying trench is filled, and configuring the polarization super junction structure having the first column region and the second column region, with the portion located in the burying trench being the first column region.
前記半導体基板の一面側に配置されて前記半導体素子と電気的に接続される一面側電極(19、21、51、52、61)と、
前記半導体基板の他面側に配置されて前記半導体素子と電気的に接続される他面側電極(22、53、62)と、を備え、
前記半導体基板は、
六方晶とされ、第1主面(11a)がm面とされると共に前記第1主面の面方向における一方向がc軸方向に沿った方向とされ、前記第1主面と反対側の第2主面(11b)が前記半導体基板の他面を構成する窒化ガリウム基板(11)と、
前記窒化ガリウム基板の第1主面上に配置され、第1窒化物半導体層で構成されると共に前記窒化ガリウム基板の面方向における一方向に沿って延設された複数の第1カラム領域(12)と、前記窒化ガリウム基板の第1主面上に配置され、前記第1窒化物半導体層よりもバンドギャップの高い第2窒化物半導体層で構成されると共に前記第1カラム領域の間に配置され、前記第1カラム領域と共に分極スーパージャンクション構造(14)を構成する第2カラム領域(13)と、を有し、
前記第1カラム領域および前記第2カラム領域は、前記第1主面におけるc軸方向に沿って交互に配列されており、
前記半導体基板の一面と他面との間に電流が流れる半導体装置の製造方法であって、
前記窒化ガリウム基板を用意することと、
前記窒化ガリウム基板の第1主面上に、前記第1カラム領域を構成する第1カラム領域構成層(120)をエピタキシャル成長させることと、
前記第1カラム領域構成層のうちの前記第2カラム領域が配置される部分に埋込用トレンチ(121)を形成し、前記埋込用トレンチが形成された部分と異なる部分を前記第1カラム領域とすることと、
前記埋込用トレンチが埋め込まれるように、前記第2カラム領域を構成する第2カラム領域構成層(130)をエピタキシャル成長させ、前記埋込用トレンチに配置された部分を前記第2カラム領域として、前記第1カラム領域および前記第2カラム領域を有する前記分極スーパージャンクション構造を構成することと、を行い、
前記分極スーパージャンクション構造を構成することでは、ドープ層で構成される前記第1カラム領域および前記第2カラム領域を構成する半導体装置の製造方法。 a semiconductor substrate (10) having one surface (10a) and another surface (10b) and on which a semiconductor element is formed;
One-surface electrodes (19, 21, 51, 52, 61) disposed on one surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the semiconductor element;
and an other-surface electrode (22, 53, 62) disposed on the other surface side of the semiconductor substrate and electrically connected to the semiconductor element,
The semiconductor substrate is
a gallium nitride substrate (11) having a hexagonal crystal structure, a first main surface (11a) being an m-plane, one direction in the plane direction of the first main surface being a direction along the c-axis direction, and a second main surface (11b) opposite to the first main surface constituting the other surface of the semiconductor substrate;
a plurality of first column regions (12) arranged on a first main surface of the gallium nitride substrate, each of which is composed of a first nitride semiconductor layer and extends in one direction in the surface direction of the gallium nitride substrate; and second column regions (13) arranged on the first main surface of the gallium nitride substrate, each of which is composed of a second nitride semiconductor layer having a band gap higher than that of the first nitride semiconductor layer, each of which is arranged between the first column regions and which together with the first column regions form a polarization super junction structure (14),
the first column regions and the second column regions are alternately arranged along the c-axis direction on the first main surface,
A method for manufacturing a semiconductor device in which a current flows between one surface and another surface of the semiconductor substrate,
providing the gallium nitride substrate;
epitaxially growing a first column region forming layer (120) that forms the first column region on a first main surface of the gallium nitride substrate;
forming a buried trench (121) in a portion of the first column region forming layer where the second column region is to be disposed, and defining a portion different from the portion where the buried trench is formed as the first column region;
epitaxially growing a second column region forming layer (130) that forms the second column region so that the burying trench is filled, and configuring the polarization superjunction structure having the first column region and the second column region, with the portion located in the burying trench being the second column region;
A method for manufacturing a semiconductor device in which the polarization super junction structure is formed by forming the first column region and the second column region each formed of a doped layer .
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