JP2009004743A - 電界効果半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明に従うHEMTは、電子走行層4と、この上を覆う電子供給層5と、電子供給層5と、ソース電極6と、ドレイン電極7と、ゲート電極8と、第1及び第2の絶縁膜9,10と、圧電体層11とを有している。第1の絶縁膜9は電子走行層4と電子供給層5とのヘテロ接合面に沿って生じる2DEG層13を分断する働きを有する。圧電体層11はゲート電極8の電圧に応答して第1の絶縁膜9の応力を打ち消す働きを有する。これにより、ノーマリオフ特性を有し且つオン抵抗が小さいHEMTを得ることができる。
【選択図】図1
Description
第1の半導体層と、前記第1の半導体層にヘテロ接合され且つ前記ヘテロ接合に基づいて2次元キャリアガス層を形成することができる材料から成る第2の半導体層とを備えている主半導体領域と、
前記主半導体領域の一方の主面上に配置されたソース電極と、
前記主半導体領域の一方の主面上に前記ソース電極から離間して配置されたドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電流通路を制御するために前記主半導体領域の一方の主面上における前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置されたゲート電極と、
前記ゲート電極と前記主半導体領域の一方の主面との間に配置され且つ平面的に見て前記主半導体領域の一方の主面上における前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の一部のみに配置され且つ前記2次元キャリアガス層のキャリア濃度を低減させる方向の応力を発生する材料で形成された絶縁膜と、
前記ゲート電極と前記絶縁膜との間に配置され且つ前記ゲート電極に印加された電圧に応答して前記絶縁膜の前記応力を打ち消す方向の歪みを発生する材料、即ち電界を印加することで前記絶縁膜の前記応力を打ち消す方向の歪みを発生する材料から成る圧電体層と
を備えていることを特徴とする電界効果半導体装置に係わるものである。
また、請求項3に示すように、前記圧電体層は前記別の絶縁膜の上に延在している延在部分を有し、前記ゲート電極は前記圧電体層の前記延在部分の上に延在している部分を有していることが望ましい。
また、請求項4に示すように、前記圧電体層は前記主半導体領域の一方の主面上における前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記絶縁膜が配置されていない部分の上に延在している延在部分を有し、前記ゲート電極は前記圧電体層の前記延在部分の上に延在している部分を有していることが望ましい。
また、請求項5に示すように、前記2次元キャリアガス層のキャリア濃度を低減させる方向の応力を発生する材料から成る絶縁膜はシリコン窒化物(例えばSiN)から成ることが望ましい。
また、請求項6に示すように、2次元キャリアガス層のキャリア濃度を高める方向の応力を発生する材料から成る別の絶縁膜はシリコン酸化膜から成ることが望ましい。
また、請求項7に示すように、前記圧電体層は、遷移金属又はLi(リチウム)が添加されたZnO(酸化亜鉛)、Pb(鉛)とZr(ジルコニウム)とTi(チタン)とを主成分とする酸化物、及びLa(ランタン)とTi(チタン)とを主成分とする酸化物から選択されたものであるであることが望ましい。
また、請求項8に示すように、前記主半導体領域は、更に、前記第1の半導体層と前記第2の半導体層との間に配置されたスペーサー層を有することが望ましい。
また、請求項9に示すように、前記第2の半導体層は前記ゲート電極に対向する部分に凹部を有していることが望ましい。
また、請求項10に示すように、電界効果半導体装置を、
第1の半導体層と、前記第1の半導体層にヘテロ接合され且つ前記ヘテロ接合に基づいて2次元キャリアガス層を形成することができる材料から第2の半導体層とを備え、且つ第2の半導体層を第1の部分と第2の部分とに分割する溝を有している主半導体領域と、
前記第2の半導体層の第1の部分の上に配置されたソース電極と、
前記第2の半導体層の第2の部分の上に配置されたドレイン電極と、
前記溝の中及び平面的に見て前記第2の半導体層の前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の少なくとも一部の上に配置され且つ印加された電界に応答して前記2次元キャリアガス層におけるキャリア濃度を高めることができる方向の応力を生じる圧電特性を有し且つ絶縁性を有する材料で形成された圧電体層と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電流通路を制御するために前記圧電体層の上に配置されたゲート電極とで構成することができる。
(1)2次元キャリアガス層のキャリア濃度を低減させる方向の応力を発生する材料から成る絶縁膜は、ゲート電極と主半導体領域の一方の主面との間に配置されている。この絶縁膜の応力は第2の半導体層の本来の応力(2次元キャリアガス層を発生させる方向の応力)を打ち消す方向性を有する。この結果、ゲート電極に電圧が印加されていない状態(ノーマリ状態)において、第1の半導体層と第2の半導体層とのヘテロ接合面の絶縁膜に対応する部分の近傍に2次元キャリアガス層が発生しなくなる。これにより、2次元キャリアガス層の分断が生じ、ノーマリ状態においてオフ状態になる。一方、ゲート電極に電圧が印加されると、圧電体層が絶縁膜の応力を打ち消す方向の歪(応力)を発生する。このため、絶縁膜による2次元キャリアガス層の分断が解除され、ソース電極とドレイン電極との間がオン状態になる。この結果、ノーマリオフ特性を有する電界効果半導体装置を提供することができる。更に、絶縁膜は平面的に見て主半導体領域の一方の主面上におけるソース電極とドレイン電極との間の一部のみに配置されている。従って、平面的に見て主半導体領域の一方の主面上におけるソース電極とドレイン電極との間の絶縁膜が配置されていない部分においては絶縁膜による2次元キャリアガス層のキャリア濃度の低減が発生しない。このため、ソース電極とドレイン電極との間のオン抵抗が比較的小さい電界効果半導体装置を提供することができる。要するに、本発明によればノーマリオフ特性を有するにも拘らずオン抵抗が比較的小さい電界効果半導体装置を提供することができる。
(2)ゲート電極と主半導体領域の一方の主面との間に絶縁膜が配置されているので、ゲートリーク電流を低減できる。
請求項10の発明に従う電界効果半導体装置においては、請求項1〜9の発明の電界効果半導体装置における絶縁膜が省かれ、圧電体層が第1の半導体層に接触し且つ第2の半導体層の上に延在している。請求項10の発明における圧電体層はゲート電極に印加された電圧に基づく電界に応答して歪み、2次元キャリアガス層のキャリア濃度を高めることができる方向の応力を第1の半導体層に与える。これにより、2次元キャリアガス層の抵抗即ちオン抵抗が低減する。なお、ゲート電極に電圧が印加されると、圧電体層がゲート絶縁膜として機能して周知の電界効果作用によって第1の半導体層の表面部分にチャネルが生じ、ソース電極とドレイン電極との間がオン状態になる。
AlaGa1-aN,
ここで、aは0≦a<1を満足する数値、
等の窒化物半導体、又は別の化合物半導体で形成することもできる。
AlxGa1-XN,
ここで、xは0<x<1、及びa<xを満足する数値であり、好ましくは0.2〜0.4である。
なお、電子供給層5を、アンドープのAlxGa1-xNで形成する代りに、n型(第1導電型)の不純物を添加したAlxGa1-xNから成る窒化物半導体、又は別の組成の窒化物半導体、又は別の化合物半導体で形成することもできる。
圧電体層11はゲート電極8に印加された制御電圧に応答して図1で矢印17で示す方向の圧縮性歪み(圧縮応力)を発生する。この圧電体層11の圧縮性歪み(圧縮応力)は第1の絶縁膜9の伸張性歪み(伸張性応力)を打ち消す方向性を有する。圧電体層11の圧縮性歪み(圧縮応力)によって第1の絶縁膜9の伸張性歪み(伸張性応力)が打ち消されると、電子供給層5と電子走行層4とのヘテロ接合面の近傍に2DEG層が生じ、第1の絶縁膜9による2DEG層13の分断作用が消失し、ソース電極6とドレイン電極7との間がオン状態になる。
基板1に形成れた背面電極12は図示されていない導体によってソース電極6に接続され、HEMTの安定化に寄与する。
圧電体層11の圧縮性歪み(圧縮性応力)によって第1の絶縁膜9の伸張性歪み(伸張性応力)を打ち消すことができる電圧よりも高い電圧をゲート電極8に印加すると、ゲート電極8の下の2DEG層13の電子濃度が更に高くなる。
(1)ゲート電極8に電圧を印加しないノーマリ状態において、ソース電極6とドレイン電極7との間の一部のみに設けた第1の絶縁膜9の応力に基づいて2DEG層13が分断され、ソース電極6とドレイン電極7との間がオフ状態になる。これにより、ノーマリオフ特性を有する電界効果半導体装置を提供することができる。
(2)第1の絶縁膜9、圧電体層11及びゲート電極8を平面的に見て主半導体領域3の一方の主面14のソース電極6とドレイン電極7との間の一部のみに設けられ、残りの部分には設けられていない。従って、残りの部分の2DEG層13の電子濃度は第1の絶縁膜9に基づいて低減しない。この結果、ノーマリオフ特性を有しているにも拘わらず、オン抵抗の小さい電界効果半導体装置を提供することができる。
(3)上述のように第1の絶縁膜9、圧電体層11及びゲート電極8は平面的に見て主半導体領域3の一方の主面14のソース電極6とドレイン電極7との間の一部のみに設けられている。この結果、ゲート電極8を幅広に形成することが不要になり、ゲート電極8をソース電極6及びドレイン電極7から十分離間させることができ、ゲート・ソース間耐圧、及びゲート・ドレイン間耐圧が大きく設定することができる。
(4)シリコン酸化物から成る第2の絶縁膜10が2DEG層13における電子濃度の増大に寄与するので、ソース電極6とドレイン電極7との間のオン抵抗が低減する。
(5)電子供給層5を特別に薄くしてノーマリオフ特性を得る従来のHEMTに比べて2DEG層13における電子濃度を増大させることができ、オン抵抗の低減を図ることができる。
(6)ゲート電極8と主半導体領域3の一方の主面14との間に第1の絶縁膜9が配置されているので、ゲートリーク電流を低減できる。
ゲート電極8aに電圧を印加した時には、圧電体層11aに働きで電子供給層5と電子走行層4とのヘテロ接合の第1の絶縁膜9に対向する部分の近傍に図1の電界効果半導体装置と同様に2DEG層が形成され、ソース電極6とドレイン電極7との間がオン状態になる。これと共に、圧電体層11aの圧縮性歪み(圧縮性応力)が第2の絶縁膜10を介して電子供給層5に作用し、電子供給層5のピエゾ分極が強められ、2DEG層13の電子濃度が高くなり、ソース電極6とドレイン電極7との間のオン抵抗が低減する。これにより、ノーマリオフ特性を有しているにも拘わらず、オン抵抗が小さい電界効果半導体装置即ちHEMTを提供することが可能になる。また、図3の圧電体層11aとゲート電極8aは第1の絶縁膜9よりも幅広に形成されており、第2の絶縁膜10の上に延在しているので、第1の絶縁膜9の下に生じる2DEG層と第2の絶縁膜9の下に生じる2DEG層との連続性(つながり)が良くなる。なお、図3の実施例3の電界効果半導体装置は、図1の実施例1と同一の基本構成を有するので、図1の実施例1と同一の効果を得ることができる。但し、図3の実施例3の電界効果半導体装置のゲート・ソース間耐圧、及びゲート・ドレイン間耐圧は図1の実施例1よりも劣る。
なお、溝18aを図4で点線19で示す深さに変形し、溝18aの底部に電子供給層5bを残存させることができる。周知のように電子供給層5bが薄い場合には目的とする2DEG層が得られず、ノーマリ状態においてソース電極6とドレイン電極7との間がオフ状態になる。
(1)主半導体領域3,3a、3b、3cを、GaN、AlGaN以外のInGaN、AllnGaN、AlN、InAlN、AlP、GaP、AllnP、GalnP、AlGaP、AlGaAs、GaAs、AlAs、InAs、InP,InN、GaAsP等の別の3−5族化合物半導体、又はZnO等の2−6族化合物半導体、又は更に別の化合物半導体で形成することができる。
(2) 各実施例の電子供給層5〜5cをp型半導体から成る正孔供給層に置き換えることができる。この場合には、2DEG層13に対応する領域に2次元キャリアガス層として2次元正孔ガス層が生じる。
(3)図2の圧電体層11及びゲート電極8を鎖線で示すように横方向に延長させることができる。これにより図3の圧電体層11a及びゲート電極8aに基づくオン抵抗低減効果と同様な効果を得ることができる。
(4)図4の圧電体層11bと電子走行層4との間に絶縁膜を介在させてゲートリーク電流の低減を図ることができる。
(5)周知のゲートフィールドプレート、ソースフィールドプレート、ドレインフィールドプレートの内の1つ又は複数を設けることができる。
(6)主半導体領域3〜3cの最も上に、表面電荷のコントロールのため等の目的で例えばアンドープGaN等から成るキャップ層を設けることができる。
(7)図1〜図5にそれぞれ1つのソース電極6、ドレイン電極7及びのゲート電極8が示されているが、それぞれ複数個設けることができる。
(8)実施例1〜4において、電子供給層(5,5a〜5b)のソース電極6及びドレイン電極7の下の部分を除去し、ソース電極6及びドレイン電極7を電子走行層4に直接に接続することができる。
(9)第1の絶縁膜9を、SiN以外のSiNx(xはSiに対するNの割合を示す任意の数値)、Si2N3,Si3N4等の別のシリコン窒化物、又は主半導体領域3の一方の主面14が延びる方向(面方向)において引っ張り応力即ち伸張性歪みを発生する別の絶縁材料で形成することができる。
(10)第2の絶縁膜10を、SiOX以外の圧縮応力即ち圧縮性歪みを発生する別の絶縁材料で形成することができる。
2 バッファ層
3 主半導体領域
4 電子走行層(第1の半導体層)
5 電子供給層(第2の半導体層)
6 ソース電極
7 ドレイン電極
8 ゲート電極
9 第1の絶縁膜
10 第2の絶縁膜
11 圧電体層
Claims (10)
- 第1の半導体層と、前記第1の半導体層にヘテロ接合され且つ前記ヘテロ接合に基づいて2次元キャリアガス層を形成することができる材料から成る第2の半導体層とを備えている主半導体領域と、
前記主半導体領域の一方の主面上に配置されたソース電極と、
前記主半導体領域の一方の主面上に前記ソース電極から離間して配置されたドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電流通路を制御するために前記主半導体領域の一方の主面上における前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置されたゲート電極と、
前記ゲート電極と前記主半導体領域の一方の主面との間に配置され且つ平面的に見て前記主半導体領域の一方の主面上における前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の一部のみに配置され且つ前記2次元キャリアガス層のキャリア濃度を低減させる方向の応力を発生する材料で形成された絶縁膜と、
前記ゲート電極と前記絶縁膜との間に配置され且つ前記ゲート電極に印加された電圧に応答して前記絶縁膜の前記応力を打ち消す方向の歪みを発生する材料から成る圧電体層と
を備えていることを特徴とする電界効果半導体装置。 - 前記主半導体領域の一方の主面上における前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記絶縁膜が配置されていない部分の上に前記2次元キャリアガス層のキャリア濃度を高める方向の応力を発生する材料から成る別の絶縁膜が配置されていることを特徴とする請求項1記載の電界効果半導体装置。
- 前記圧電体層は前記別の絶縁膜の上に延在している延在部分を有し、前記ゲート電極は前記圧電体層の前記延在部分の上に延在している部分を有していることを特徴とする請求項2記載の電界効果半導体装置。
- 前記圧電体層は前記主半導体領域の一方の主面上における前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記絶縁膜が配置されていない部分の上に延在している延在部分を有し、前記ゲート電極は前記圧電体層の前記延在部分の上に延在している部分を有していることを特徴とする請求項1記載の電界効果半導体装置。
- 前記2次元キャリアガス層のキャリア濃度を低減する方向の応力を発生する材料から成る絶縁膜はシリコン窒化物から成ることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1つに記載の電界効果半導体装置。
- 前記2次元キャリアガス層のキャリア濃度を高める方向の応力を発生する材料から成る別の絶縁膜はシリコン酸化膜から成ることを特徴とする請求項2又は3記載の電界効果半導体装置。
- 前記圧電体層は、遷移金属又はリチウム(Li)が添加されたZnO(酸化亜鉛)、Pb(鉛)とZr(ジルコニウム)とTi(チタン)とを主成分とする酸化物、及びLa(ランタン)とTi(チタン)とを主成分とする酸化物から選択されたものであるであることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1つに記載の電界効果半導体装置。
- 前記主半導体領域は、更に、前記第1の半導体層と前記第2の半導体層との間に配置されたスペーサー層を有することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1つに記載の電界効果半導体装置。
- 前記第2の半導体層は前記ゲート電極に対向する部分に凹部を有していることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1つに記載の電界効果半導体装置。
- 第1の半導体層と、前記第1の半導体層にヘテロ接合され且つ前記ヘテロ接合に基づいて2次元キャリアガス層を形成することができる材料から第2の半導体層とを備え、且つ第2の半導体層を第1の部分と第2の部分とに分割する溝を有している主半導体領域と、
前記第2の半導体層の第1の部分の上に配置されたソース電極と、
前記第2の半導体層の第2の部分の上に配置されたドレイン電極と、
前記溝の中及び平面的に見て前記第2の半導体層の前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の少なくとも一部の上に配置され且つ印加された電界に応答して前記2次元キャリアガス層におけるキャリア濃度を高めることができる方向の応力を生じる圧電特性を有し且つ絶縁性を有する材料で形成された圧電体層と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電流通路を制御するために前記圧電体層の上に配置されたゲート電極と
を備えていることを特徴とする電界効果半導体装置。
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