JP4398780B2 - GaN系半導体装置 - Google Patents
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Description
そして特に、耐圧が高くオン抵抗が低いGaN系半導体装置として特許文献1に記載されたような、GaN系半導体装置がある。
窒化物半導体層上に前記所定の幅よりも狭い幅でショットキー接合する第1アノード電極
と、前記第1アノード電極に接触する部分以外の前記III−V族窒化物半導体層上にショ
ットキー接合すると共に前記第1アノード電極に電気的に接続する第2アノード電極とを
備え、前記第1アノード電極と前記III−V族窒化物半導体層との間で形成されるショッ
トキーバリアの高さが前記第2アノード電極と前記III−V族窒化物半導体層との間で形
成されるショットキーバリアの高さよりも低いGaN系半導体装置において、
前記所定の幅を有するIII−V族窒化物半導体層は、第1の層と前記第1の層よりもバ
ンドギャップエネルギーが大きい第2の層がこの順に積層されたヘテロ構造を含み、前記
アノード電極直下の前記第2の層の厚さが、前記アノード電極直下以外の前記第2の層の
厚さよりも薄いことを特徴とする。
第1アノード電極が接触し、前記第2の層よりもバンドギャップエネルギーの小さいIII
−V族窒化物半導体からなる第3の層が前記III−V族窒化物半導体層に含まれているこ
とを特徴とする。
記第1の層と前記第2の層の間に、前記第2の層よりもバンドギャップエネルギーの大き
いIII−V族窒化物半導体からなる中間層が挿入されていることを特徴とする。
て、前記GaN系半導体装置のカソード電極に接してなる部分のIII−V族窒化物半導体
層は、前記第1の層に接していることを特徴とする。
て、前記III−V族窒化物半導体層の半導体材料は、Al x In y Ga 1-x-y N 1-l-k As l P
k (0≦x≦1、0≦y≦1、0≦l≦1、0≦k≦1、0≦l+k<1)であることを
特徴とする。
、n型不純物を5×10 17 cm −3 以上ドーピングしたInyGa1-yNであることを特
徴とする。
極に接してなる部分のIII−V族窒化物半導体層は、n型不純物の濃度を5×1017c
m−3以上ドーピングしたIn y Ga 1-y Nであることを特徴とする。
て、少なくとも前記アノード電極直下の前記第2の層の厚さが10nm以下、又は前記中
間層の厚さが5nm以下であることを特徴とする。
て、前記第1の層に、Mg、Zn、Cのうち少なくとも一種類のp型不純物を添加したこ
とを特徴とする
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。図1は、本発明に係るGaN系半導体装置の第1の実施形態の断面図である。
図1に示すように、本実施形態に係るGaN系半導体装置は、例えば絶縁性又は半絶縁性の基板1と、基板1上に形成されたバッファ層2と、バッファ層2上に形成され所定の幅Dを有するIII−V族窒化物半導体層3が形成されている。なお後で説明するように、符号11はコンタクト層、符号12はカソード電極である。
以下、図2は、本発明に係るGaN系半導体装置の第2の実施形態の断面図である。
本実施形態の特徴は図2に示したように、少なくともアノード電極10直下のヘテロ構造6をなすバンドギャップエネルギーの大きい層5の厚さが、アノード電極10直下以外の前記ヘテロ構造6をなすバンドギャップエネルギーの大きい層5の厚さよりも薄いことである。なお他の部分は、図1に示した本発明に係るGaN系半導体装置の第1の実施形態と共通する。
以下、図3(a)、(b)は、本発明に係るGaN系半導体装置の第三の実施形態の断面図である。
本実施形態の特徴は、図1、図2に示した第1又は第2の実施形態に係るGaN系半導体装置において、所定の幅Dを有するIII−V族窒化物半導体層3のバンドギャップエネルギーよりもバンドギャップエネルギーの小さいIII−V族窒化物半導体層13が所定の幅Dを有するIII−V族窒化物半導体層3中に含まれている。そして、その層13は少なくとも第1アノード電極8と接触している。
なお他の部分は、図1、図2に示した本発明に係るGaN系半導体装置の第1又は第2の実施形態と共通する。
以下、図4(a)は、本発明に係るGaN系半導体装置の第四の実施形態の断面図である。本実施形態は、図1に示した第1の実施形態に係るGaN系半導体装置を変形したものであり、次段落で説明する特徴点以外はすべて第1の実施形態と共通する。
これにより、ヘテロ構造6をなすバンドギャップエネルギーの小さい層4の側のヘテロ接合の界面に発生する二次元電子ガス7の濃度を高くすることができる。したがって、オン抵抗を一層小さくすることが可能となる。
上記実施の形態に使用されるIII−V族窒化物半導体層の半導体材料の具体的なものとして、AlxInyGa1-x-yN1-l-kAslPk(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦l≦1、0≦k≦1、0≦l+k<1)を用いることが可能である。この材料は、窒化物系化合物半導体が本質的に持つ特性を有しており、高温動作化、高耐圧、高速のGaN系半導体装置の半導体層の材料として適しているためである(なお、以下の説明は、III−V族窒化物半導体層の半導体材料として、AlxInyGa1-x-yN1-l-kAslPk(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦l≦1、0≦k≦1、0≦l+k<1)を用いていることを前提とする。)。
本発明に係るGaN系半導体装置の第1の実施例を図1に示した。
図1に示すように、本実施形態のGaN系半導体装置は、例えば絶縁性又は半絶縁性のサファイア基板1と、基板1上に形成された厚さ50nmのGaNバッファ層2と、バッファ層2上に形成され、濃度1×1018cm-3のC(カーボン)がドーピングされた2000nm厚のアンドープGaN層(バンドギャップエネルギーの小さい層4)を備えている。そして、GaN層上には、GaN層のバンドギャップエネルギーよりも大きく、所定の幅D(好ましくは6ミクロン以下)を有する厚さ30nmのi型Al0.2Ga0.8N層(バンドギャップエネルギーの大きい層5)が形成されている。これにより、互いにバンドギャップエネルギーの大きさが異なる一組の層のヘテロ構造6が構成される。このヘテロ構造6は、所定の幅Dを有するIII−V族窒化物半導体層3の一部分となる。
成長装置はMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)装置を用い、基板1はサファイア基板を用いた。
1)まず、サファイア基板1をMOCVD装置内に導入し、ターボポンプでMOCVD装置内の真空度を1×10-6hPa以下になるまで真空引きした後、真空度を100hPaとし基板1を1100℃に昇温した。温度が安定したところで、基板1を900rpmで回転させ、原料となるトリメチルガリウム(TMG)を100cm3/min、アンモニアを12リットル/minの流量で基板1の表面に導入しGaNから成るバッファ層2の成長を行った。成長時間は4minでバッファ層2の膜厚は50nm程度である。
すなわち、第1アノード電極8として機能するTi/Al電極を幅dでもってAl0.2Ga0.8N層の表面に形成した後、Ti/Al電極で覆われた部分以外のi型Al0.2Ga0.8N層の表面とにショットキー接合し、Ti/Al電極に直接接続するPt/Au電極形成する。
本発明に係るGaN系半導体装置の第2の実施例を図2に示した。
本実施例は、少なくともアノード電極10直下のヘテロ構造6をなすバンドギャップエネルギーの大きい層5の厚さが、前記アノード電極10直下以外のヘテロ構造6をなすバンドギャップエネルギーの大きい層5の厚さよりも薄いという点以外は、図1に示した実施例1に係るGaN系半導体装置と共通する。
本発明に係るGaN系半導体装置の第三の実施例を図3(a)に示した。
本実施例は、第1アノード電極8と接触し、所定の幅Dを有するIII−V族窒化物半導体層3のバンドギャップエネルギーよりもバンドギャップエネルギーの小さいIII−V族窒化物半導体層13が所定の幅Dを有するIII−V族窒化物半導体層3に含まれているという点以外は、図1に示した実施例1に係るGaN系半導体装置と共通する。
本発明に係るGaN系半導体装置の第四の実施例を図4(a)に示した。
本実施例は、ヘテロ構造6をなすバンドギャップエネルギーの大きい層5とバンドギャップエネルギーの小さい層4の間に、バンドギャップエネルギーの大きい層5よりもバンドギャップエネルギーが大きく、かつ、バンドギャップエネルギーの大きい層5よりも薄いIII−V族窒化物半導体層からなる中間層14が挿入されているという点以外は、図1に示した実施例1に係るGaN系半導体装置と共通する。
2 バッファ層
3 所定の幅Dを有するIII−V族窒化物半導体層
4 バンドギャップエネルギーの小さい層
5 バンドギャップエネルギーの大きい層
6 ヘテロ構造
7 二次元電子ガス
8 第1アノード電極
9 第2アノード電極
10 アノード電極
11 コンタクト層
12 カソード電極
13 III−V族窒化物半導体層
14 中間層
15 凸部
16 III−V族窒化物半導体層
Claims (9)
- 所定の幅を有するIII−V族窒化物半導体層と、前記III−V族窒化物半導体層上に前記
所定の幅よりも狭い幅でショットキー接合する第1アノード電極と、前記第1アノード電
極に接触する部分以外の前記III−V族窒化物半導体層上にショットキー接合すると共に
前記第1アノード電極に電気的に接続する第2アノード電極とを備え、前記第1アノード
電極と前記III−V族窒化物半導体層との間で形成されるショットキーバリアの高さが前
記第2アノード電極と前記III−V族窒化物半導体層との間で形成されるショットキーバ
リアの高さよりも低いGaN系半導体装置において、
前記所定の幅を有するIII−V族窒化物半導体層は、第1の層と前記第1の層よりもバ
ンドギャップエネルギーが大きい第2の層がこの順に積層されたヘテロ構造を含み、前記
アノード電極直下の前記第2の層の厚さが、前記アノード電極直下以外の前記第2の層の
厚さよりも薄いことを特徴とするGaN系半導体装置。 - 少なくとも前記第1アノード電極が接触し、前記第2の層よりもバンドギャップエネル
ギーの小さいIII−V族窒化物半導体からなる第3の層が前記III−V族窒化物半導体層に
含まれていることを特徴とする請求項1記載のGaN系半導体装置。 - 前記第1の層と前記第2の層の間に、前記第2の層よりもバンドギャップエネルギーの
大きいIII−V族窒化物半導体からなる中間層が挿入されていることを特徴とする請求項
1又は請求項2記載のGaN系半導体装置。 - 前記GaN系半導体装置のカソード電極に接してなる部分のIII−V族窒化物半導体層
は、前記第1の層に接していることを特徴とする請求項1〜3いずれか1項に記載のGa
N系半導体装置。 - 前記III−V族窒化物半導体層の半導体材料は、AlxInyGa1-x-yN1-l-kAslPk
(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦l≦1、0≦k≦1、0≦l+k<1)であることを特
徴とする請求項1〜4いずれか1項に記載のGaN系半導体装置。 - 前記第3の層は、n型不純物を5×10 17 cm −3 以上ドーピングしたInyGa1-y
Nであることを特徴とする請求項2に記載のGaN系半導体装置。 - 前記カソード電極に接してなる部分のIII−V族窒化物半導体層は、n型不純物の濃度
を5×1017cm−3以上ドーピングしたIn y Ga 1-y Nであることを特徴とする請求
項4に記載のGaN系半導体装置。 - 少なくとも前記アノード電極直下の前記第2の層の厚さが10nm以下、又は前記中間
層の厚さが5nm以下であることを特徴とする請求項1〜7いずれか1項に記載のGaN
系半導体装置。 - 前記第1の層に、Mg、Zn、Cのうち少なくとも一種類のp型不純物を添加したこと
を特徴とする請求項1〜8いずれか1項に記載のGaN系半導体装置。
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