説明

窒化物半導体装置

【課題】チャネル層よりも下側の界面に溜まったキャリアによる高周波成分の損失を低減した窒化物半導体装置を実現できるようにする。
【解決手段】窒化物半導体装置は、第1の窒化物半導体層13と、第1の窒化物半導体層13の上に形成され、第1の窒化物半導体層13と比べてバンドギャップが大きい第2の窒化物半導体層14と、第2の窒化物半導体層14の上に形成された、ソース電極21、ドレイン電極22及びゲート電極23と、第1の窒化物半導体層13よりも下側に形成された高抵抗層11と、高抵抗層11の下側に接して形成された導電層32と、導電層32の下側に形成された下部絶縁層35と、導電層32と電気的に接続されたバイアス端子31とを備えている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、窒化物半導体装置に関し、特に高周波用途の窒化物半導体装置に関する。
【背景技術】
【0002】
III−V族窒化物半導体、すなわち窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)及び窒化インジウム(InN)等の、一般式がAlxGa1-x-yInyN(但し、0≦x≦1、0≦y≦1)で表される混晶物は、広いバンドギャップと直接遷移型のバンド構造とを有している。このような特徴を利用して、短波長光学素子へ応用することが検討されている。さらに、高い破壊電界と飽和電子速度という特長を有するため、高出力の高速電子デバイスへ応用することも検討されている。
【0003】
半絶縁性基板の上に順次エピタキシャル成長したAlxGa1-xN層(但し、0<x≦1)とGaN層との界面には、二次元電子ガス(2Dimensional Electron Gas:以下、2DEGと呼ぶ)が形成される。2DEGは、AlGaN膜中に添加されるドナー不純物と空間的に分離されるので、高い電子移動度を示す。さらに、GaN系材料については、いわゆる飽和ドリフト速度が大きく、例えば1×105V/cm程度の高電界領域においては、高周波トランジスタの材料として現在普及しているGaAs系材料と比較して2倍以上の電子速度を有する。このため、2DEGを利用するヘテロ接合電界効果トランジスタ(Hetero-junction Field Effect Transistor:以下、HFETと呼ぶ)は、高周波・高出力デバイスへの応用が期待されている。
【0004】
高性能なHFETを得るためには、結晶性が優れた窒化物半導体を基板の上に成長させる必要がある。窒化物半導体の結晶性を向上させるためには、できるだけ窒化物半導体と格子整合する基板を用いることが好ましい。このため、炭化珪素(SiC)及びサファイア等の基板が窒化物半導体を成長させる基板として用いられている。しかし、SiC基板及びサファイア基板は高価である。また、基板の裏面に裏面電極を形成する場合、基板を貫通するバイアホールが必要となる。この場合には基板を薄くするために研磨する必要があるが、SiC基板及びサファイア基板はもろいため研磨による破損が生じやすい。これらの問題を回避するために、シリコン(Si)基板の上に窒化物半導体を成長させることが盛んに研究されている。現在では、SiC基板等を用いた場合と比べると多少は劣るものの、実用に耐え得る結晶性の窒化物半導体をSi基板上に成長させることが可能である(例えば、非特許文献1を参照。)。
【非特許文献1】福田益美、平地康剛「GaAs電界効果トランジスタの基礎」電子情報通信学会、1992年、p.214
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、窒化物半導体装置の基板としてSi基板を用いた場合には、窒化物半導体の結晶性以外にも以下のような問題が生じることを本願発明者らは見出した。
【0006】
Si基板は、基板の抵抗値がSiC基板と比べて小さい。このため、窒化物半導体装置を高周波において使用する際に高周波成分がロスしやすい。また、Si基板とエピタキシャル成長層との界面にキャリアが溜まる現象が生じ、界面に溜まったキャリアにより高周波成分がロスする。キャリアが溜まる界面は、Si基板以外の基板を用いた場合にも生じるおそれがある。
【0007】
本発明は、前記の問題を解決し、チャネル層よりも下側の界面に溜まったキャリアによる高周波成分の損失を低減した窒化物半導体装置を実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
前記の目的を達成するため、本発明は窒化物半導体装置を、チャネル層よりも下側に形成された高抵抗層にバイアス電圧を印加できる構成とする。
【0009】
具体的に、本発明に係る窒化物半導体装置は、下部絶縁層と、下部絶縁層の上に配置された導電層と、導電層の上に配置された高抵抗層と、高抵抗層の上に配置された第1の窒化物半導体層と、第1の窒化物半導体層の上に配置され、第1の窒化物半導体層と比べてバンドギャップが大きい第2の窒化物半導体層と、第2の窒化物半導体層の上に配置された、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極と、導電層と電気的に接続されたバイアス端子とを備えていることを特徴とする。
【0010】
本発明の窒化物半導体装置は、第1の窒化物半導体層よりも下側に高抵抗層と導電層とを備えている。このため、第1の窒化物半導体層よりも下側にキャリアが溜まる界面が形成されたとしても、導電層にバイアス電圧を印加することにより、キャリアを逃がすことができる。従って、界面に溜まったキャリアによる高周波成分のロスを低減し、高周波特性が優れた窒化物半導体装置を実現できる。
【0011】
本発明の窒化物半導体装置において、高抵抗層は、シリコン基板であり、導電層は、シリコン基板の裏面に形成され、下部絶縁層は、シリコン基板の裏面側に導電層を介して貼り合わせた絶縁性の保持基板であってもよい。
【0012】
この場合において、保持基板の裏面に形成された裏面電極をさらに備えていてもよい。
【0013】
本発明の窒化物半導体装置において、下部絶縁層は、支持層と埋め込み絶縁層と表面活性層とを有するSOI基板の埋め込み絶縁層であり、導電層は、表面活性層であり、高抵抗層は、SOI基板の上に形成された第3の窒化物半導体層である構成としてもよい。
【0014】
本発明の窒化物半導体装置において、下部絶縁層は支持層と埋め込み絶縁層と表面活性層とを有するSOI基板の埋め込み絶縁層であり、導電層は、表面活性層であり、高抵抗層は、SOI基板の上に形成された第3の窒化物半導体層である構成としてもよい。
【0015】
この場合において、SOI基板の裏面に形成された裏面電極をさらに備えていてもよい。
【0016】
本発明の窒化物半導体装置において、下部絶縁層は、絶縁性の形成基板であり、導電層は、形成基板の上に形成された導電性の窒化物半導体層であり、高抵抗層は、導電性の窒化物半導体層の上に形成された第3の窒化物半導体層であってもよい。
【0017】
この場合において、形成基板の裏面に形成された裏面電極をさらに備えていてもよい。
【0018】
本発明の窒化物半導体装置において、第2の窒化物半導体の上に形成され、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を覆う上部絶縁層をさらに備え、バイアス端子は、上部絶縁層の上に形成された電極パッドであり、電極パッドと導電層とは、上部絶縁層、第2の窒化物半導体層、第1の窒化物半導体層及び高抵抗層を貫通するプラグによって電気的に接続されていてもよい。
【0019】
本発明の窒化物半導体装置において、バイアス端子は、保持基板におけるシリコン基板に覆われていない領域に形成された電極パッドであってもよい。
【0020】
本発明の窒化物半導体装置において、裏面電極はソース電極と電気的に接続されていてもよい。
【発明の効果】
【0021】
本発明に係る窒化物半導体装置によれば、チャネル層よりも下側の界面に溜まったキャリアによる高周波成分の損失を低減した窒化物半導体装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0022】
(第1の実施形態)
第1の実施形態について図面を参照して説明する。図1は第1の実施形態に係る窒化物半導体装置の断面構成を示している。第1の実施形態の窒化物半導体装置は、基本的にはSi基板の上に形成されたHFETである。厚さが500μmのSi基板11の上にバッファ層12を介在させてGaNからなる厚さが1000nmのチャネル層13と、N型のAlxGa1-xN(0<x≦1)からなる厚さが25nmのショットキー層14とが順次形成されている。バッファ層12は、Si基板11とチャネル層13及びショットキー層14との格子不整合を緩和するために設けており、厚さが500nmの高抵抗のAlyGa1-yN(0<y≦1)とすればよい。チャネル層13におけるショットキー層14との界面近傍には2DEGからなるチャネルが形成されている。
【0023】
ショットキー層14の上には、ソース電極21及びドレイン電極22が形成され、ソース電極21及びドレイン電極22はチャネルとオーミック接合している。ソース電極21とドレイン電極22との間にはゲート電極23が形成されている。ソース電極21及びドレイン電極22は、厚さが200nmのチタン(Ti)とアルミニウム(Al)との積層体とすればよく、ゲート電極23は、厚さが400nmのニッケル(Ni)と金(Au)との積層体とすればよい。
【0024】
ショットキー層14は、ソース電極21、ドレイン電極22及びゲート電極23が形成されている領域を除いて厚さが100nmの窒化珪素(SiN)からなる保護膜15に覆われている。保護膜15の上にはソース電極21、ドレイン電極22及びゲート電極23を覆うように上部絶縁層16が形成されている。上部絶縁層16は、第1の絶縁膜16Aと第2の絶縁膜16Bとが積層されており、第1の絶縁膜16Aの上には、ソース電極21と第1のプラグ27により接続されたソース電極パッド25、ドレイン電極と第2のプラグ28により接続されたドレイン電極パッド26及び配線29が形成されている。また、必要に応じてゲート電極23と接続されたゲート電極パッド(図示せず)が形成されている。さらに、後で説明する導電層32にバイアス電圧を印加するバイアス端子であるバイアス電極パッド31が形成されている。
【0025】
本実施形態のSi基板11は高抵抗基板である。ここで言う高抵抗とはHFETが通常動作をしている場合には電流が流れないという意味であり、いわゆる半絶縁性も含まれる。具体的な比抵抗の値は、形成するHFETの特性によって変化するが、1KΩcm〜10MΩcm程度の範囲である。
【0026】
高抵抗のSi基板は、直流成分に対しては十分に高い抵抗値を有しリーク電流が流れることはない。しかし、完全な絶縁性を有しているわけではないため、高周波成分の場合にはリーク電流が流れロスが生じるおそれがある。
【0027】
さらに、今回、本願発明者らは、高抵抗のSi基板と窒化物半導体層との界面にキャリアが溜まる現象が生じることを見出した。界面に溜まったキャリアはSi基板が容量として機能し、高周波成分が大きくロスしてしまう。
【0028】
Si基板と窒化物半導体層との界面にキャリアが溜まる原因は明確ではない。一つの可能性としては、窒化物半導体を成長する際にSi基板にAl等が拡散するということが考えられる。Si基板と窒化物半導体層との界面に溜まるキャリアの影響を低減する方法として、Si基板と窒化物半導体層との界面に外部から電圧を印加することが考えられる。
【0029】
第1の実施形態においては、Si基板11の裏面にバイアス電圧を印加することによりSi基板と窒化物半導体層との界面に溜まったキャリアを逃がす構成としている。基本的な構成としては、高抵抗層におけるチャネルとは反対側の面に接してバイアス電圧を印加する導電層を形成すればよい。
【0030】
具体的には、高抵抗層であるSi基板11の裏面に、バイアス電圧を印加するための導電層32を形成している。導電層32は例えば、TiとAuとの積層体とすればよい。導電層32は、上部絶縁層16に形成されたバイアス電極パッド31と第3のプラグ33により電気的に接続されている。第3のプラグ33は、上部絶縁層16、保護膜15、ショットキー層14、チャネル層13、バッファ層12及びSi基板11を貫通する導体33Aと絶縁膜33Bとにより形成されており、2DEGと絶縁されている。
【0031】
導電層32が半導体装置の底面に露出していると半導体装置の実装が困難であるため、本実施形態においては、導電層32の下側に下部絶縁層として絶縁性の保持基板35を設けている。具体的には、裏面に導電層32が形成されたSi基板11が、保持基板35の上に保持された構成としている。保持基板35の裏面には、例えばクロム(Cr)と金(Au)との積層体からなる裏面電極36が形成されている。
【0032】
第1の実施形態の半導体装置は、バイアス電極パッド31に電圧を印加することにより、Si基板と窒化物半導体層との界面に溜まったキャリアを逃がすことができる。このため、高周波成分のロスを低減し高周波特性を向上させることができる。
【0033】
導電層32に印加するバイアス電圧の詳細については後で説明するが、接地電位とは
また、保持基板35の上に導電層32が形成されたSi基板11を保持する構成とすることにより、通常の半導体装置と同様に実装することができる。保持基板35は、例えばセラミック基板又は樹脂基板等とすればよく、導電層32を介在させてSi基板11と貼り合わせればよい。
【0034】
図2は、第1の実施形態の半導体装置を、等価回路として示している。ドレイン抵抗をgd、Si基板11の抵抗成分をRsubとし、Si基板11の容量成分をCsubとし、バッファ層12の容量成分をCbufとして示している。半導体装置に高周波を印加した際に、バイアス電極パッド31に基板バイアスを印加するとCbufが通電する。これにより、真性領域61の抵抗成分は1/(gd+Rsub)となり、実質の抵抗成分が増加する。その結果、出力抵抗が増加し、ドレインコンダクタンスが減少するため、高周波信号のロスが低減される。
【0035】
なお、図2において、Riは真性層領域の抵抗を示し、Rsub2は保持基板35の抵抗を示す。Cgdはゲートドレイン間容量、Cgsはゲートソース間容量、Cdsはドレインソース間容量を示す。Rg、Rs及びRdはそれぞれゲート、ソース及びドレインの配線抵抗であり、Lg、Ls及びLdはそれぞれ、ゲート、ソース及びドレインの寄生インダクタンス、Cpgはパッケージの寄生容量を示す。
【0036】
図3は、第1の実施形態の半導体装置に印加する基板バイアスを変化させたときの出力特性を示している。図3において縦軸は出力であり、横軸は基板バイアスである。図3に示すように、正の基板バイアスを印加することにより出力が2倍に向上している。但し、基板バイアスの正負は基板と窒化物半導体層との界面に溜まるキャリアが電子であるか正孔であるかによって選択する必要がある。
【0037】
本実施形態において、図4に示すように裏面電極36とソース電極パッド25とを電気的に接続してもよい。このようにすればソース電極21へ接地電位が容易に供給できる。裏面電極36とソース電極パッド25とは、保持基板35を貫通する基板貫通プラグ38と、上部絶縁層16、保護膜15、ショットキー層14、チャネル層13、バッファ層12及びSi基板11を貫通する第4のプラグ37とにより接続すればよい。第4のプラグ37は、導体37Aと絶縁膜37Bとにより形成され、2DEGと絶縁されている。
【0038】
また、バイアス電極パッド31を上部絶縁層16に形成したが、図5に示すように保持基板35の上に形成してもよく、導電層32にバイアス電圧を印加できればどのような構成であっても問題ない。
【0039】
(第2の実施形態)
以下に、本発明の第2の実施形態について図面を参照して説明する。図6は第2の実施形態に係る窒化物半導体装置の断面構成を示している。図6において図1と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
【0040】
図6に示すように第2の実施形態の窒化物半導体装置は、SOI(Silicon on Insulator)基板41の上に形成されたHFETである。支持層41Aと埋め込み絶縁層41Bと導電性の表面活性層41Cと有するSOI基板41の上に、バッファ層12と、チャネル層13と、ショットキー層14とが順次形成されている。上部絶縁層16に形成されたバイアス電極パッド31は、第3のプラグ33を介して表面活性層41Cと接続されている。
【0041】
第2の実施形態の半導体装置は、表面活性層41Cがバイアス電圧を印加するための導電層として機能し、バッファ層12がチャネル層と導電層との間に設けられた高抵抗層として機能する。
【0042】
本実施形態の半導体装置は、保持基板を貼り合わせる必要がないため、形成が容易である。SOI基板41は、貼り合わせにより形成しても、SIMOX(Separation by IMplantation of OXygen)により形成してもよい。
【0043】
(第3の実施形態)
以下に、本発明の第3の実施形態について図面を参照して説明する。図7は第3の実施形態に係る窒化物半導体装置の断面構成を示している。図7において図1と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
【0044】
図7に示すように第3の実施形態の窒化物半導体装置は、絶縁性基板51の上に形成されたHFETである。絶縁性基板51の上にバッファ層52を介在させて導電性半導体層53が形成され、導電性半導体層53の上に高抵抗のバッファ層12、チャネル層13及びショットキー層14が順次形成されている。上部絶縁層16に形成されたバイアス電極パッド31は、第3のプラグ33を介して導電性半導体層53と接続されている。
【0045】
第3の実施形態の半導体装置は、導電性半導体層53がバイアス電圧を印加するための導電層として機能し、バッファ層12がチャネル層と導電層との間に設けられた高抵抗層として機能する。
【0046】
第3の実施形態において、絶縁性基板51にはサファイア又はSiC等の窒化物半導体と格子整合しやすい基板を用いればよい。導電性半導体層53は、エピタキシャル成長により形成した窒化物半導体層とすることが好ましく、例えばN型にドープしたAlzGa1-zN(0<z≦1)とすればよい。但し、導電性であればよく他の材料により形成してもよく、P型であっても問題ない。
【0047】
サファイア又はSiC等の絶縁性基板を用いる場合には、基板自体に電流が流れることによる高周波成分のロスはほとんど生じない。しかし、キャリアが溜まる界面が窒化物半導体層内に生じる可能性がある。第3の実施形態の構成とすれば、界面に溜まったキャリアを逃がすことができるため、窒化物半導体装置の特性を向上させることができる。
【0048】
本発明におけるバイアス端子とは、導電層に基準電位(接地)とは異なる電圧を印加するために、導電層と電気的に接続された端子を意味する。
【0049】
各実施形態において、導電層32に印加する基板バイアスは、基準電位(接地)との間に印加する。このため、導電層32及び導電層32と電気的に接続されたバイアス電極パッド31は、半導体装置の使用時に直接接地されていない状態でなければならない。つまり、バイアス電極パッド31は、少なくともソース電極21及びドレイン電極のうち接地された方から独立している(すなわち、ソース電極21及びドレイン電極のうち接地された方と短絡していない)必要がある。また、導電層32と接地との間に電圧をかけられれば必ずしもパッド状の端子が形成されている必要はない。
【産業上の利用可能性】
【0050】
本発明に係る窒化物半導体装置は、チャネル層よりも下側の界面に溜まったキャリアによる高周波成分の損失を低減した窒化物半導体装置を実現でき、特に高周波用の窒化物半導体装置等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【0051】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体装置を示す断面図である。
【図2】本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体装置を示す等価回路図である。
【図3】本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体装置の出力特性を示すグラフである。
【図4】本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体装置の変形例を示す断面図である。
【図5】本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体装置の変形例を示す断面図である。
【図6】本発明の第2の実施形態に係る窒化物半導体装置を示す断面図である。
【図7】本発明の第3の実施形態に係る窒化物半導体装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【0052】
11 Si基板
12 バッファ層
13 チャネル層
14 ショットキー層
15 保護膜
16 上部絶縁層
16A 第1の絶縁膜
16B 第2の絶縁膜
21 ソース電極
22 ドレイン電極
23 ゲート電極
25 ソース電極パッド
26 ドレイン電極パッド
27 第1のプラグ
28 第2のプラグ
29 配線
31 バイアス電極パッド
32 導電層
33 第3のプラグ
35 保持基板
36 裏面電極
37 第4のプラグ
41 SOI基板
41A 支持層
41B 埋め込み絶縁層
41C 表面活性層
51 絶縁性基板
52 バッファ層
53 導電性半導体層
61 真性領域

【特許請求の範囲】
【請求項1】
下部絶縁層と、
前記下部絶縁層の上に配置された導電層と、
前記導電層の上に配置された高抵抗層と、
前記高抵抗層の上に配置された第1の窒化物半導体層と、
前記第1の窒化物半導体層の上に配置され、前記第1の窒化物半導体層と比べてバンドギャップが大きい第2の窒化物半導体層と、
前記第2の窒化物半導体層の上に配置された、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極と、
前記導電層と電気的に接続されたバイアス端子とを備えていることを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項2】
前記高抵抗層は、シリコン基板であり、
前記導電層は、前記シリコン基板の裏面に形成され、
前記下部絶縁層は、前記シリコン基板の裏面側に前記導電層を介して貼り合わせた絶縁性の保持基板であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体装置。
【請求項3】
前記保持基板の裏面に形成された裏面電極をさらに備えていることを特徴とする請求項2に記載の窒化物半導体装置。
【請求項4】
前記下部絶縁層は、支持層と埋め込み絶縁層と表面活性層とを有するSOI基板の埋め込み絶縁層であり、
前記導電層は、前記表面活性層であり、
前記高抵抗層は、前記SOI基板の上に形成された第3の窒化物半導体層であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体装置。
【請求項5】
前記SOI基板の裏面に形成された裏面電極をさらに備えていることを特徴とする請求項4に記載の窒化物半導体装置。
【請求項6】
前記下部絶縁層は、絶縁性の形成基板であり、
前記導電層は、前記形成基板の上に形成された導電性の窒化物半導体層であり、
前記高抵抗層は、前記導電性の窒化物半導体層の上に形成された第3の窒化物半導体層であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体装置。
【請求項7】
前記形成基板の裏面に形成された裏面電極をさらに備えていることを特徴とする請求項6に記載の窒化物半導体装置。
【請求項8】
前記第2の窒化物半導体の上に形成され、前記ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を覆う上部絶縁層をさらに備え、
前記バイアス端子は、前記上部絶縁層の上に形成された電極パッドであり、
前記電極パッドと前記導電層とは、前記上部絶縁層、第2の窒化物半導体層、第1の窒化物半導体層及び高抵抗層を貫通するプラグによって電気的に接続されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項9】
前記バイアス端子は、前記保持基板における前記シリコン基板に覆われていない領域に形成された電極パッドであることを特徴とする請求項2又は3に記載の窒化物半導体装置。
【請求項10】
前記裏面電極は前記ソース電極と電気的に接続されていることを特徴とする請求項3、5及び7のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2010−103236(P2010−103236A)
【公開日】平成22年5月6日(2010.5.6)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−272007(P2008−272007)
【出願日】平成20年10月22日(2008.10.22)
【出願人】(000005821)パナソニック株式会社 (73,050)
【Fターム(参考)】