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JP2015198175A - nitride semiconductor device - Google Patents

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JP2015198175A
JP2015198175A JP2014075790A JP2014075790A JP2015198175A JP 2015198175 A JP2015198175 A JP 2015198175A JP 2014075790 A JP2014075790 A JP 2014075790A JP 2014075790 A JP2014075790 A JP 2014075790A JP 2015198175 A JP2015198175 A JP 2015198175A
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JP
Japan
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layer
semiconductor
semiconductor layer
field plate
nitride semiconductor
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Application number
JP2014075790A
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Japanese (ja)
Inventor
亮祐 田村
Ryosuke Tamura
亮祐 田村
和行 梅野
Kazuyuki Umeno
和行 梅野
秀介 賀屋
Hidesuke Kaya
秀介 賀屋
高木 啓史
Keishi Takaki
啓史 高木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Furukawa Electric Co Ltd
Original Assignee
Furukawa Electric Co Ltd
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Abstract

【課題】窒化物半導体装置における順方向サージ耐量を向上させること。【解決手段】基板11およびバッファ層12と、バッファ層12の上層に設けられた窒化物半導体からなる電子走行層13、および電子走行層13の上層に設けられるとともに電子走行層13よりも平均的にバンドギャップが広い窒化物半導体からなる電子供給層14を含む半導体積層体と、半導体積層体を構成する半導体層のうちの少なくとも一部の層の上に設けられるアノード電極17Aと、半導体積層体を構成する半導体層のうちの少なくとも一部の層の上にアノード電極17Aと離間して設けられるカソード電極17Cと、を備え、アノード電極17Aとカソード電極17Cとの間に順方向に電圧が印加された状態で、電子走行層13と電子供給層14との界面に生じる2次元電子ガスの生成領域以外の領域に、順方向電流が流れるための電流経路を設ける。【選択図】図1A forward surge withstand capability of a nitride semiconductor device is improved. A substrate 11 and a buffer layer 12, an electron transit layer 13 made of a nitride semiconductor provided in an upper layer of the buffer layer 12, and an electron transit layer 13 provided on an upper layer and more average than the electron transit layer 13. A semiconductor laminate including an electron supply layer 14 made of a nitride semiconductor having a wide band gap, an anode electrode 17A provided on at least a part of the semiconductor layers constituting the semiconductor laminate, and the semiconductor laminate A cathode electrode 17C provided on and separated from the anode electrode 17A on at least a part of the semiconductor layers constituting the semiconductor layer, and a forward voltage is applied between the anode electrode 17A and the cathode electrode 17C. In this state, a forward current flows in a region other than the two-dimensional electron gas generation region generated at the interface between the electron transit layer 13 and the electron supply layer 14. Provision of the order of the current path. [Selection] Figure 1

Description

本発明は、ショットキーバリアダイオードなどの窒化物半導体装置に関する。   The present invention relates to a nitride semiconductor device such as a Schottky barrier diode.

窒化物系半導体に代表されるワイドバンドギャップ半導体は、高い絶縁破壊耐圧、良好な電子輸送特性、良好な熱伝導度を持つので、高温、大パワー、あるいは高周波用半導体デバイスの材料として非常に魅力的である。また、たとえばAlGaN/GaNヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor:FET)は、ピエゾ分極および自発分極によって、ヘテロ接合界面に2次元電子ガス(2 Dimensional Electron Gas:2DEG)が発生している。この2DEGは、高い電子移動度とキャリア密度を有しており、多くの注目を集めている。そのため、このようなAlGaN/GaNヘテロ接合構造を用いたショットキーバリアダイオード(Schottky Barrier Diode:SBD)などの窒化物半導体装置は、高耐圧、低いオン抵抗、および速いスイッチング速度を有し、パワースイッチング応用に非常に好適である。   Wide bandgap semiconductors represented by nitride semiconductors have high dielectric breakdown voltage, good electron transport properties, and good thermal conductivity, so they are very attractive as materials for semiconductor devices for high temperature, high power, or high frequency. Is. Further, for example, a field effect transistor (FET) having an AlGaN / GaN heterojunction structure generates two-dimensional electron gas (2DEG) at the heterojunction interface due to piezo polarization and spontaneous polarization. Yes. This 2DEG has high electron mobility and carrier density, and has attracted much attention. Therefore, a nitride semiconductor device such as a Schottky Barrier Diode (SBD) using such an AlGaN / GaN heterojunction structure has high breakdown voltage, low on-resistance, and fast switching speed, and power switching Very suitable for application.

ここで、SBDにおいてはサージ耐量の特性が重要になる。サージ耐量とは、サージ電流に対して、半導体装置が壊れないことを保証するスペックである。また、順方向に流れるサージ電流の耐量を順方向サージ耐量という。   Here, in the SBD, the surge withstand characteristics are important. The surge resistance is a specification that guarantees that the semiconductor device is not broken against a surge current. Further, the withstand capability of surge current flowing in the forward direction is referred to as forward surge withstand capability.

サージ電流とは、電源のオンオフ時などの非定常状態においてに流れる、定常動作時よりも大きな電流のことである。電源のオンオフ時以外にも、落雷に由来する電流や他の機器からの突発的な大電流が電源ラインを通じて回路に入ってくる場合や、周囲の強い電磁場を吸収して発生する場合などがある。そして、このようなサージ電流が窒化物半導体装置の動作に悪影響を及ぼすと、それに関連して、この窒化物半導体装置を用いたシステムにも悪影響が及ぶ可能性が生じる。そのため、サージ耐量は、電気系統に使用されるパワーデバイスを始めとして、半導体装置の重要な性能指標の1つとなっている。   The surge current is a current that flows in an unsteady state such as when the power is turned on and off, and is larger than that during steady operation. Other than when the power is turned on / off, there may be a case where a current caused by a lightning strike or a sudden large current from another device enters the circuit through the power line, or it is generated by absorbing a strong electromagnetic field around it. . When such a surge current adversely affects the operation of the nitride semiconductor device, there is a possibility that the system using the nitride semiconductor device may be adversely affected. For this reason, surge withstand capability is one of important performance indicators of semiconductor devices including power devices used in electric systems.

国際公開WO2011/162243号公報International Publication WO2011 / 162243

しかしながら、従来のGaNなどの窒化物半導体を用いた窒化物半導体装置としてのSBDにおいては、順方向電流が飽和する特性を有していることによって、順方向サージ耐量が制限されてしまい、順方向サージ耐量が低いという問題があった。   However, in the conventional SBD as a nitride semiconductor device using a nitride semiconductor such as GaN, the forward surge withstand capability is limited due to the characteristic that the forward current is saturated. There was a problem that the surge resistance was low.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、順方向サージ耐量を向上させることができる窒化物半導体装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a nitride semiconductor device capable of improving the forward surge resistance.

上述した課題を解決し、上記目的を達成するために、本発明に係る窒化物半導体装置は、基体と、基体の上層に設けられた窒化物半導体からなる第1半導体層、および第1半導体層の上層に設けられるとともに第1半導体層よりも平均的にバンドギャップが広い窒化物半導体からなる第2半導体層を含む半導体積層体と、半導体積層体を構成する半導体層のうちの少なくとも一部の層の上に設けられるアノード電極と、半導体積層体を構成する半導体層のうちの少なくとも一部の層の上にアノード電極と離間して設けられるカソード電極と、を備え、アノード電極とカソード電極との間に順方向に電圧が印加された状態で、第1半導体層と第2半導体層との界面に生じる2次元電子ガスの生成領域以外の領域を通じて、アノード電極とカソード電極との間に電流が流れる電流経路を有することを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the above object, a nitride semiconductor device according to the present invention includes a base, a first semiconductor layer made of a nitride semiconductor provided on an upper layer of the base, and a first semiconductor layer And a semiconductor stacked body including a second semiconductor layer made of a nitride semiconductor having an average band gap wider than that of the first semiconductor layer, and at least a part of the semiconductor layers constituting the semiconductor stacked body An anode electrode provided on the layer, and a cathode electrode provided on and separated from the anode electrode on at least a part of the semiconductor layers constituting the semiconductor laminate, the anode electrode and the cathode electrode With the voltage applied in the forward direction between the anode electrode and the cathode through the region other than the two-dimensional electron gas generation region generated at the interface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. Characterized in that it has a current path through which a current flows between the electrodes.

本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、半導体積層体が、第2半導体層の上層に選択的に設けられるとともに第2半導体層よりも平均的にバンドギャップが狭いAlxGa1-xNからなる第3半導体層をさらに含むことを特徴とする。 The nitride semiconductor device according to the present invention is the Al x Ga 1 according to the above invention, wherein the semiconductor stacked body is selectively provided above the second semiconductor layer and has an average band gap narrower than that of the second semiconductor layer. The semiconductor device further includes a third semiconductor layer made of -xN .

本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、第3半導体層がn型不純物を含んだn型半導体からなり、第3半導体層の部分が電流経路の少なくとも一部を構成することを特徴とする。   In the nitride semiconductor device according to the present invention, in the above invention, the third semiconductor layer is made of an n-type semiconductor containing an n-type impurity, and the portion of the third semiconductor layer constitutes at least a part of the current path. Features.

本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、第3半導体層の膜厚が20nmより大きく200nm以下であることを特徴とする。   The nitride semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the thickness of the third semiconductor layer is greater than 20 nm and not greater than 200 nm.

本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、第3半導体層に含まれるn型不純物の不純物濃度が3.0×1017cm-3以上3.0×1019cm-3以下であることを特徴とする。 In the nitride semiconductor device according to the present invention, in the above invention, the impurity concentration of the n-type impurity contained in the third semiconductor layer is 3.0 × 10 17 cm −3 or more and 3.0 × 10 19 cm −3 or less. It is characterized by being.

本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、第3半導体層に含まれるn型不純物の不純物濃度が6.0×1017cm-3以上であることを特徴とする。 The nitride semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the impurity concentration of the n-type impurity contained in the third semiconductor layer is 6.0 × 10 17 cm −3 or more.

本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、第3半導体層に含まれるn型不純物の不純物濃度が1.0×1019cm-3以下であることを特徴とする。 The nitride semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the impurity concentration of the n-type impurity contained in the third semiconductor layer is 1.0 × 10 19 cm −3 or less.

本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、第1半導体層の上層に選択的にp型不純物を含むp型半導体からなる第4半導体層が設けられ、アノード電極および第4半導体層が電気的に接続されて、第4半導体層および第1半導体層の部分が、電流経路の少なくとも一部を構成することを特徴とする。   In the nitride semiconductor device according to the present invention, in the above invention, a fourth semiconductor layer made of a p-type semiconductor containing a p-type impurity selectively is provided above the first semiconductor layer, and the anode electrode and the fourth semiconductor layer Are electrically connected, and the fourth semiconductor layer and the first semiconductor layer constitute at least part of the current path.

本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、半導体積層体を構成する層の上層に選択的にp型不純物を含むp型半導体からなる第5半導体層が設けられているとともに、基体と第1半導体層との間に、n型不純物を含むn型半導体からなる第6半導体層が設けられ、第1半導体層、第5半導体層、および第6半導体層の部分から電流経路が構成されていることを特徴とする。   In the nitride semiconductor device according to the present invention, in the above invention, a fifth semiconductor layer made of a p-type semiconductor selectively including a p-type impurity is provided on an upper layer of a layer constituting the semiconductor stacked body, and Between the first semiconductor layer and the first semiconductor layer is a sixth semiconductor layer made of an n-type semiconductor containing an n-type impurity, and a current path is formed from the first semiconductor layer, the fifth semiconductor layer, and the sixth semiconductor layer. It is characterized by being.

本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、アノード電極がショットキー電極であるとともに、カソード電極がオーミック電極であることを特徴とする。   The nitride semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the anode electrode is a Schottky electrode and the cathode electrode is an ohmic electrode.

本発明に係る窒化物半導体装置によれば、順方向サージ耐量を向上させることが可能となる。   The nitride semiconductor device according to the present invention can improve the forward surge withstand capability.

図1は、本発明の実施の形態1によるSBDを示す模式的な断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an SBD according to Embodiment 1 of the present invention. 図2は、本発明の実施の形態1によるSBDにおいてフィールドプレート層にn−GaN層を採用した場合の順方向電流の順方向電圧依存性を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the forward voltage dependency of the forward current when an n-GaN layer is adopted as the field plate layer in the SBD according to the first embodiment of the present invention. 図3は、本発明の実施の形態1によるSBDにおいてフィールドプレート層にp−GaN層を採用した場合の順方向電流の順方向電圧依存性を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the forward voltage dependence of the forward current when the p-GaN layer is adopted as the field plate layer in the SBD according to the first embodiment of the present invention. 図4は、本発明の実施の形態1によるSBDにおいてフィールドプレート層のn型不純物濃度ごとの空乏層幅の逆バイアス依存性を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the reverse bias dependence of the depletion layer width for each n-type impurity concentration of the field plate layer in the SBD according to the first embodiment of the present invention. 図5は、本発明の実施の形態1によるSBDにおける耐圧のフィールドプレート長依存性を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the field plate length dependency of the breakdown voltage in the SBD according to the first embodiment of the present invention. 図6は、本発明の実施の形態2によるSBDを示す模式的な断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an SBD according to Embodiment 2 of the present invention. 図7は、本発明の実施の形態3によるSBDを示す模式的な断面図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing an SBD according to Embodiment 3 of the present invention. 図8は、本発明の実施の形態3によるSBDにおいてフィールドプレート層にi−GaN層またはn−GaN層を採用したSBDにおける順方向電流密度の順方向電圧依存性を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the forward voltage dependence of the forward current density in an SBD employing an i-GaN layer or an n-GaN layer as a field plate layer in the SBD according to the third embodiment of the present invention. 図9は、本発明の実施の形態3によるSBDに逆バイアスを印加した際の空乏層幅のカソード−アノード間電圧依存性を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the cathode-anode voltage dependence of the depletion layer width when a reverse bias is applied to the SBD according to Embodiment 3 of the present invention. 図10は、検討対象としてのSBDを示す模式的な断面図である。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing an SBD as an examination target. 図11は、検討対象としてのSBDの順方向特性を示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing the forward characteristics of the SBD as the object of examination.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付し、重複した説明を適宜省略する。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、以下の実施の形態の説明に用いる「上」、「上方」または「上部」、ならびに「下」、「下方」または「下部」はそれぞれ、半導体装置の基板の主面に対して直角に遠ざかる向き、ならびに基板の主面に近づく向きを示し、半導体装置の実装状態における上下方向とは必ずしも一致しない点にも留意する必要がある。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by the following embodiment. In the drawings, the same or corresponding elements are denoted by the same reference numerals as appropriate, and repeated descriptions are omitted as appropriate. Furthermore, it should be noted that the drawings are schematic, and dimensional relationships between elements may differ from actual ones. Even between the drawings, there are cases in which portions having different dimensional relationships and ratios are included. Further, “upper”, “upper” or “upper” and “lower”, “lower” or “lower” used in the description of the following embodiments are perpendicular to the main surface of the substrate of the semiconductor device, respectively. It should also be noted that the direction of moving away and the direction of approaching the main surface of the substrate are shown and do not necessarily coincide with the vertical direction in the mounting state of the semiconductor device.

まず、本発明の実施の形態について説明するにあたり、本発明の理解を容易にするために、上述した課題を解決すべく本発明者が行った鋭意検討について説明する。まず、本発明者が鋭意検討を行う対象となった従来の窒化物半導体装置について説明する。   First, in describing embodiments of the present invention, in order to facilitate the understanding of the present invention, an intensive study conducted by the present inventor to solve the above-described problems will be described. First, a description will be given of a conventional nitride semiconductor device that has been the subject of intensive studies by the inventors.

まず、本発明者が検討を行う対象とした従来の窒化物半導体装置としてのショットキーバリア(SBD)について説明する。図10は、検討対象としてのSBDを示す模式的な断面図であり、図11は、従来のSBDにおける、順方向電流の順方向電圧依存性である順方向特性の一例を示すグラフである。   First, a Schottky barrier (SBD) as a conventional nitride semiconductor device that is the subject of study by the present inventor will be described. FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing an SBD as an object to be examined, and FIG. 11 is a graph showing an example of a forward characteristic that is a forward voltage dependency of a forward current in a conventional SBD.

図10に示すように、検討対象のSBD100は、基板101上にバッファ層102が設けられて基体が構成されている。バッファ層102上には、アンドープの窒化ガリウム(u−GaN)からなる電子走行層103、およびAlGaNからなる電子供給層104が順次積層されている。電子供給層104上には選択的に、GaNからなるフィールドプレート層105、絶縁膜106、ならびにアノード電極107Aおよびカソード電極107Cが設けられている。これらのフィールドプレート層105、絶縁膜106、アノード電極107A、およびカソード電極107Cは、紙面に対して垂直方向に沿って延びた形状を有する。電子走行層103の電子供給層104との界面には、2次元電子ガス層(2DEG層)A,aが生成されている。電子供給層104の上層にフィールドプレート層105が選択的に設けられていることにより、その下層の2DEG層aが2DEG層Aに比してキャリア濃度(2DEG濃度)が低減されている。   As shown in FIG. 10, the SBD 100 to be studied has a base body in which a buffer layer 102 is provided on a substrate 101. On the buffer layer 102, an electron transit layer 103 made of undoped gallium nitride (u-GaN) and an electron supply layer 104 made of AlGaN are sequentially stacked. On the electron supply layer 104, a field plate layer 105 made of GaN, an insulating film 106, and an anode electrode 107A and a cathode electrode 107C are selectively provided. The field plate layer 105, the insulating film 106, the anode electrode 107A, and the cathode electrode 107C have a shape extending along the direction perpendicular to the paper surface. Two-dimensional electron gas layers (2DEG layers) A and a are generated at the interface between the electron transit layer 103 and the electron supply layer 104. Since the field plate layer 105 is selectively provided on the electron supply layer 104, the carrier concentration (2DEG concentration) of the lower 2DEG layer a is lower than that of the 2DEG layer A.

本発明者の知見によれば、以上のように構成されたGaNを用いたSBD100においては、図11に示すような順方向特性を有する。すなわち、順方向電圧を0Vから増加させていくと、順方向電圧が1V程度の段階でしきい値電圧を超えて順方向電流が増加し始め、8V程度までは順方向電流が増加する。ところが、順方向電圧が8V程度を超えた段階で順方向電流が増加しなくなって飽和する。なお、図11に示す順方向特性において、順方向電流は、SBD100の奥行き(紙面に垂直な方向)に沿った1mm辺りの順方向電流である。これがSBD100単体の場合、順方向電流はたとえば43A程度で飽和する。このような順方向電流の飽和によって、順方向サージ耐量が制限されてしまう。   According to the knowledge of the present inventors, the SBD 100 using GaN configured as described above has forward characteristics as shown in FIG. That is, when the forward voltage is increased from 0V, the forward current starts to increase beyond the threshold voltage when the forward voltage is about 1V, and the forward current increases up to about 8V. However, when the forward voltage exceeds about 8V, the forward current stops increasing and becomes saturated. In the forward characteristics shown in FIG. 11, the forward current is a forward current of about 1 mm along the depth of the SBD 100 (the direction perpendicular to the paper surface). When this is the SBD 100 alone, the forward current is saturated at about 43 A, for example. Such forward current saturation limits the forward surge withstand capability.

そこで本発明者は、上述したSBD100において順方向サージ耐量を向上させるために、従来の炭化シリコン(SiC)を用いたショットキーバリアダイオード(SiC−SBD)におけるサージ耐量を向上させるための技術について検討を行った。このSiC−SBDにおいては、サージ耐量を向上させるためにサージ電流の発生時にPN接合からドリフト層に正孔(ホール)を供給する方法が採用されている。これにより、SiC−SBDのドリフト層の抵抗を低下させて伝導度を変化させてサージ耐量を向上させている。具体的には、まず、SiC−SBDにおいてサージ電流が発生すると、PN接合がオンすることでドリフト層にホールが供給される。このホールの供給によってよりドリフト層にホールが蓄積されて全体の抵抗が低下し、アノード電極とカソード電極との間に大きな順方向電流を流すことができるようになる。   In view of this, the present inventor has examined a technique for improving the surge resistance in a conventional Schottky barrier diode (SiC-SBD) using silicon carbide (SiC) in order to improve the forward surge resistance in the SBD 100 described above. Went. In this SiC-SBD, a method of supplying holes from the PN junction to the drift layer when a surge current is generated is employed in order to improve surge resistance. As a result, the resistance of the SiC-SBD drift layer is lowered to change the conductivity, thereby improving the surge resistance. Specifically, first, when a surge current is generated in SiC-SBD, holes are supplied to the drift layer by turning on the PN junction. By supplying the holes, holes are further accumulated in the drift layer and the overall resistance is lowered, and a large forward current can flow between the anode electrode and the cathode electrode.

ところが、SiC−SBDにおいて有効であったサージ耐量の向上技術も、GaNを用いたSBDなどの窒化物半導体装置に適用することは困難であった。すなわち、上述したSBD100は、チャネルとして2DEGを利用した横型の窒化物半導体装置である。このような窒化物半導体装置において、PN接合を形成するためにチャネルとなる2DEGの近傍にp型層を形成した場合、オン抵抗が増加する可能性がある。また、マグネシウム(Mg)などのp型不純物のGaN層へのドーピング制御も困難であることから、良好な半導体層を得るのが難しいという問題もあった。   However, it has been difficult to apply a surge withstand technology that is effective in SiC-SBD to nitride semiconductor devices such as SBD using GaN. That is, the SBD 100 described above is a lateral nitride semiconductor device that uses 2DEG as a channel. In such a nitride semiconductor device, when a p-type layer is formed in the vicinity of 2DEG serving as a channel in order to form a PN junction, the on-resistance may increase. Further, since it is difficult to control doping of the p-type impurity such as magnesium (Mg) to the GaN layer, there is a problem that it is difficult to obtain a good semiconductor layer.

また、電子供給層104上に設けたフィールドプレート層105にp型不純物をドープすることによって、順方向サージ耐量を向上させる方法も提案されている(たとえば特許文献1)。しかしながら、本発明者がこの方法について検討を行ったところ、詳細は後述するが、フィールドプレート層105にp型不純物をドープしても、順方向サージ耐量を向上させることは困難であるという知見を得るに至った。   In addition, a method for improving the forward surge resistance by doping the field plate layer 105 provided on the electron supply layer 104 with a p-type impurity has been proposed (for example, Patent Document 1). However, when the present inventor examined this method, the details will be described later. However, it has been found that even if the field plate layer 105 is doped with a p-type impurity, it is difficult to improve the forward surge resistance. I came to get.

そこで、本発明者は改めて種々検討を行い、順方向サージ耐量を向上させるためには、順方向サージ電流が流れる際にチャネルとしての2DEG層A,aの生成領域以外の領域に、順方向サージ電流が流れる電流経路を新たに設けるのが好ましいことを想起した。具体的には、本発明者は第1に、2DEG層A,aの少なくとも一部を経由しつつも2DEG層A,a以外をも経由することで大電流を流すことができる電流経路を付与することを想起した。また、本発明者は第2に、2DEG層A,aを一切経由することなく2DEG層A,aとは別の経路に沿って大きな電流が流れる電流経路を付与する方法を想起した。また、このような電流経路は、たとえば順方向サージ電流などの、定常電流に比して大きな電流が流れる時にオンするように構成することが好ましいことも併せて想起した。   In view of this, the present inventor has made various studies again, and in order to improve the forward surge withstand capability, the forward surge current is applied to a region other than the generation region of the 2DEG layers A and a as a channel when the forward surge current flows. It was recalled that it is preferable to newly provide a current path through which a current flows. Specifically, the present inventor firstly provides a current path through which a large current can flow by passing through other than the 2DEG layers A and a while passing through at least a part of the 2DEG layers A and a. I recalled to do. In addition, the inventor secondly recalled a method of providing a current path through which a large current flows along a path different from the 2DEG layers A and a without passing through the 2DEG layers A and a. It has also been recalled that such a current path is preferably configured to be turned on when a current larger than a steady current, such as a forward surge current, flows.

これらの方法によって、順方向サージ電流の発生時に、2DEG層A,a以外の部分に付与された電流経路に沿って順方向サージ電流が流れることになる。そのため、上述したSBD100のような従来の窒化物半導体装置に比して、順方向サージ電流に対する耐量を向上でき、順方向サージ耐量を改善できる。以下に説明する実施の形態は、以上の鋭意検討に基づいて案出されたものである。   By these methods, when a forward surge current is generated, the forward surge current flows along a current path provided to portions other than the 2DEG layers A and a. Therefore, compared to a conventional nitride semiconductor device such as the SBD 100 described above, it is possible to improve the resistance to forward surge current and improve the forward surge resistance. The embodiment described below has been devised based on the above-mentioned diligent study.

(実施の形態1)
まず、本発明の実施の形態1による窒化物半導体装置としてのショットキーバリアダイオード(SBD)について説明する。図1は、この実施の形態1によるSBDを示す模式的な断面図である。
(Embodiment 1)
First, a Schottky barrier diode (SBD) as a nitride semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an SBD according to the first embodiment.

図1に示すように、この実施の形態1によるSBD10は、基板11上に、バッファ層12、電子走行層13、および電子供給層14が順次積層されている。また、電子供給層14および電子走行層13が部分的に除去されたリセス部13aに選択的に、ショットキー電極としてのアノード電極17Aが設けられている。電子供給層14上のアノード電極17A側に選択的に、フィールドプレート層15が設けられている。また、フィールドプレート層15およびアノード電極17Aから離間した領域における、電子供給層14および電子走行層13が部分的に除去されたリセス部13bに選択的に、オーミック電極としてのカソード電極17Cが設けられている。そして、これらの電子供給層14およびフィールドプレート層15と、アノード電極17Aおよびカソード電極17Cの少なくとも一部を覆うように、絶縁膜16が設けられている。   As shown in FIG. 1, in the SBD 10 according to the first embodiment, a buffer layer 12, an electron transit layer 13, and an electron supply layer 14 are sequentially stacked on a substrate 11. Further, an anode electrode 17A as a Schottky electrode is selectively provided in the recess portion 13a from which the electron supply layer 14 and the electron transit layer 13 are partially removed. A field plate layer 15 is selectively provided on the anode electrode 17A side on the electron supply layer. In addition, a cathode electrode 17C as an ohmic electrode is selectively provided in the recess portion 13b in which the electron supply layer 14 and the electron transit layer 13 are partially removed in a region separated from the field plate layer 15 and the anode electrode 17A. ing. An insulating film 16 is provided so as to cover at least a part of the electron supply layer 14 and the field plate layer 15 and the anode electrode 17A and the cathode electrode 17C.

基板11は、たとえばシリコン(Si)基板、ガリウム砒素(GaAs)基板、ガリウムリン(GaP)基板、GaN基板、AlN基板、炭化ケイ素(SiC)基板、炭素(C)基板、またはサファイア(Al23)基板などからなる。バッファ層12は、たとえばAlGaN層、GaN層、またはAlN層などを複数積層させて、平均Al組成比をたとえば0.15〜0.25とした高抵抗層から構成される。なお、バッファ層12にC、Fe、Mgなどの不純物を添加することによって、バッファ層12を半絶縁化させても良い。また、必要に応じて、窒化物半導体装置の構成に必要な種々の層を設けても良い。そして、これらの基板11、バッファ層12、および必要に応じたその他の層により窒化物半導体装置の基体が構成されている。 The substrate 11 is, for example, a silicon (Si) substrate, a gallium arsenide (GaAs) substrate, a gallium phosphide (GaP) substrate, a GaN substrate, an AlN substrate, a silicon carbide (SiC) substrate, a carbon (C) substrate, or sapphire (Al 2 O). 3 ) It consists of a substrate. The buffer layer 12 is composed of a high resistance layer in which, for example, a plurality of AlGaN layers, GaN layers, AlN layers, or the like are stacked, and the average Al composition ratio is, for example, 0.15 to 0.25. Note that the buffer layer 12 may be semi-insulated by adding impurities such as C, Fe, and Mg to the buffer layer 12. Moreover, you may provide the various layers required for the structure of a nitride semiconductor device as needed. The substrate of the nitride semiconductor device is constituted by the substrate 11, the buffer layer 12, and other layers as necessary.

第1半導体層としての電子走行層13は、膜厚がたとえば700nm(0.7μm)のアンドープの窒化ガリウム(u−GaN)から構成される。なお、電子走行層13を構成する材料としてはGaN以外の窒化物半導体材料を用いても良く、AlGaNを用いる場合、そのAl組成比は5%以下とするのが好ましい。   The electron transit layer 13 as the first semiconductor layer is made of undoped gallium nitride (u-GaN) having a film thickness of, for example, 700 nm (0.7 μm). Note that a nitride semiconductor material other than GaN may be used as the material constituting the electron transit layer 13, and when AlGaN is used, the Al composition ratio is preferably 5% or less.

第2半導体層としての電子供給層14は、Al組成比が異なりバンドギャップが異なる少なくとも2種類のIII族窒化物半導体を複数層積層した超格子層から構成された超格子構造を有する。具体的に実施の形態1における電子供給層14は、たとえば平均Al組成比XのAlXGa1-XNの擬似混晶構造を有する。このAlXGa1-XNの擬似混晶構造は、少なくとも2種類の互いに異なる極大Al組成比x1または極小Al組成比x2の種々の値をとるAl組成比xのAlxGa1-xN層が複数積層されたAlGaN超格子層から構成される。なお、Al組成比xについて、x2<X<x1である。また、電子供給層14の平均Al組成比Xは、0<X<1を前提として、電子走行層13との界面での2DEG濃度が高い2DEG層Aにおいて所望の2DEG濃度を得る必要性を考慮すると、10%以上40%以下(0.1≦X≦0.4)が好ましく、15%以上35%以下(0.15≦X≦0.35)がより好ましく、20%以上30%以下(0.2≦X≦0.3)がさらに好ましい。また、AlxGa1-xN超格子層におけるシート抵抗の観点、さらにひずみに対して自由に積層できる格子緩和の観点からも、電子供給層14の平均Al組成比Xは上述の範囲が好ましい。ここで、電子供給層14のバンドギャップは、平均のバンドギャップであり、具体的には積層構造を構成する各半導体層の層厚比によって重み付け(積分)をしたバンドギャップの値である。そして、電子供給層14は、その平均のバンドギャップが、電子走行層13のバンドギャップよりも広くなるように構成されている。 The electron supply layer 14 as the second semiconductor layer has a superlattice structure including a superlattice layer in which a plurality of at least two types of group III nitride semiconductors having different Al composition ratios and different band gaps are stacked. Specifically, the electron supply layer 14 in the first embodiment has, for example, a pseudo mixed crystal structure of Al x Ga 1-x N having an average Al composition ratio X. This Al x Ga 1-x N pseudo-mixed crystal structure has Al x Ga 1-x N having an Al composition ratio x of various values of at least two different maximum Al composition ratio x1 or minimum Al composition ratio x2. It is composed of an AlGaN superlattice layer in which a plurality of layers are stacked. For the Al composition ratio x, x2 <X <x1. In addition, the average Al composition ratio X of the electron supply layer 14 is based on the premise that 0 <X <1 and the necessity of obtaining a desired 2DEG concentration in the 2DEG layer A having a high 2DEG concentration at the interface with the electron transit layer 13 is considered. Then, 10% to 40% (0.1 ≦ X ≦ 0.4) is preferable, 15% to 35% (0.15 ≦ X ≦ 0.35) is more preferable, and 20% to 30% ( 0.2 ≦ X ≦ 0.3) is more preferable. Further, from the viewpoint of sheet resistance in the Al x Ga 1-x N superlattice layer, and also from the viewpoint of lattice relaxation that can be laminated freely against strain, the average Al composition ratio X of the electron supply layer 14 is preferably in the above range. . Here, the band gap of the electron supply layer 14 is an average band gap, specifically, a band gap value weighted (integrated) by the layer thickness ratio of each semiconductor layer constituting the stacked structure. The electron supply layer 14 is configured such that the average band gap is wider than the band gap of the electron transit layer 13.

また、電子供給層14を構成するAlGaN層のうち、極大Al組成比x1のAlx1Ga1-x1N層および極小Al組成比x2のAlx2Ga1-x2N層の膜厚としては、層状になる最低膜厚である2原子層以上、さらに所望の平均Al組成比Xによって2DEG層Aの電子の波動関数をしみ出させる必要がある観点から、具体的にはたとえば0.5nm以上4.0nm以下、好適には0.5nm以上3.5nm以下、より好適には0.5nm以上3.0nm以下とし、この実施の形態1においては、たとえばそれぞれ1.5nm程度にする。また、各AlxGa1-xN層の膜厚は、ミスフィット転位を生じさせないために臨界膜厚以下にするのが好ましい。AlxGa1-xN層の臨界膜厚は、具体的には、GaN層の格子定数に対してAl組成比xが0.6の場合に5nm程度、Al組成比xが0.1の場合に100nm程度である。なお、臨界膜厚は、積層構造において隣接する層に応じて異なる膜厚になることから、必ずしもこれらの膜厚に限定されない。そして、上述の条件に基づいて、各AlxGa1-xN層の膜厚、ならびに層数または組数は、2DEG層Aの2DEG濃度の設定濃度や窒化物半導体装置の設計に応じて適宜最適な値が選択される。この実施の形態1においては、2DEG濃度がたとえば3×1013cm-2未満になるように調整される。 Of the AlGaN layers constituting the electron supply layer 14, the Al x1 Ga 1-x1 N layer having the maximum Al composition ratio x1 and the Al x2 Ga 1-x2 N layer having the minimum Al composition ratio x2 are layered. Specifically, from the viewpoint that it is necessary to exude the electron wave function of the 2DEG layer A with a desired average Al composition ratio X or more, ie, a minimum atomic thickness of 2 atomic layers or more, for example, 0.5 nm or more. The thickness is 0 nm or less, preferably 0.5 nm or more and 3.5 nm or less, more preferably 0.5 nm or more and 3.0 nm or less. In the first embodiment, for example, the thickness is about 1.5 nm. In addition, the thickness of each Al x Ga 1-x N layer is preferably less than or equal to the critical thickness in order not to cause misfit dislocations. Specifically, the critical film thickness of the Al x Ga 1-x N layer is about 5 nm when the Al composition ratio x is 0.6 with respect to the lattice constant of the GaN layer, and the Al composition ratio x is 0.1. In some cases, it is about 100 nm. The critical film thickness is not necessarily limited to these film thicknesses because the film thickness differs depending on the adjacent layers in the stacked structure. Based on the above conditions, the film thickness, the number of layers, or the number of layers of each Al x Ga 1-x N layer are appropriately determined according to the 2DEG concentration set concentration of the 2DEG layer A and the design of the nitride semiconductor device. The optimal value is selected. In the first embodiment, the 2DEG concentration is adjusted to be less than 3 × 10 13 cm −2, for example.

また、電子供給層14の膜厚の下限としては、電子供給層14を極大Al組成比x1のAlx1Ga1-x1N層と極小Al組成比x2のAlx2Ga1-x2N層とが1組積層されたAlx1Ga1-x1N/Alx2Ga1-x2N超格子層から構成することを考慮すると、2nm以上が好ましく、2DEG層Aの2DEG濃度を増加させることを考慮すると、5nm以上が好ましく、10nm以上がより好ましい。また、電子供給層14の膜厚の上限としては、ミスフィット転位が生じない臨界膜厚以下が好ましく、オーミック接触の限界を考慮すると、100nm以下、好適には50nm以下、より好適には30nm以下が好ましい。そして、この実施の形態1において、電子供給層14の膜厚はたとえば20nmである。 The lower limit of the film thickness of the electron supply layer 14, and the Al x2 Ga 1-x2 N layer of Al x1 Ga 1-x1 N layer and the minimum Al composition ratio x2 of the electron supply layer 14 a maximum Al composition ratio x1 Considering that it is composed of a set of Al x1 Ga 1-x1 N / Al x2 Ga 1-x2 N superlattice layers, 2 nm or more is preferable, and considering increasing the 2DEG concentration of 2DEG layer A, 5 nm or more is preferable and 10 nm or more is more preferable. In addition, the upper limit of the film thickness of the electron supply layer 14 is preferably a critical film thickness or less at which misfit dislocation does not occur. Considering the limit of ohmic contact, 100 nm or less, preferably 50 nm or less, more preferably 30 nm or less. Is preferred. In the first embodiment, the thickness of the electron supply layer 14 is, for example, 20 nm.

また、電子供給層14の上層に選択的に、第3半導体層としてのフィールドプレート層15が設けられる。詳細は後述するが、フィールドプレート層15は、順方向サージ電流を流すための電流経路の一部を構成する。また、フィールドプレート層15は、平均的なバンドギャップが電子供給層14の平均的なバンドギャップより狭い窒化物半導体、具体的にはInuAlvGa1-u-vN層(0≦u≦1、0≦v≦1、0≦u+v<1)からなる。これにより、フィールドプレート層15の下層の電子走行層13に生じる2DEGの2DEG濃度が、少なくとも2水準に変化されて低減される。また、フィールドプレート層15は、たとえばn型不純物がドープされたn型半導体層からなる。この実施の形態1におけるフィールドプレート層15は、たとえばn型不純物としてSiがドープされたGaN層からなる。 A field plate layer 15 as a third semiconductor layer is selectively provided on the electron supply layer 14. Although details will be described later, the field plate layer 15 constitutes a part of a current path for flowing a forward surge current. The field plate layer 15 is a nitride semiconductor whose average band gap is narrower than the average band gap of the electron supply layer 14, more specifically, an In u Al v Ga 1-uv N layer (0 ≦ u ≦ 1). , 0 ≦ v ≦ 1, 0 ≦ u + v <1). As a result, the 2DEG concentration of 2DEG generated in the electron transit layer 13 below the field plate layer 15 is changed to at least two levels and reduced. The field plate layer 15 is made of, for example, an n-type semiconductor layer doped with an n-type impurity. Field plate layer 15 in the first embodiment is made of, for example, a GaN layer doped with Si as an n-type impurity.

上述した電子走行層13、電子供給層14、およびフィールドプレート層15により、この実施の形態1における半導体積層体が構成される。なお、窒化物半導体装置の構成によって電子供給層14の上層にエッチング犠牲層を設ける場合、半導体積層体を、電子走行層13、電子供給層14、エッチング犠牲層、およびフィールドプレート層15から構成しても良い。また、電子供給層14の最上層をエッチング犠牲層の代用とすることも可能である。   The electron transit layer 13, the electron supply layer 14, and the field plate layer 15 described above constitute the semiconductor stacked body in the first embodiment. In the case where an etching sacrificial layer is provided on the upper layer of the electron supply layer 14 due to the configuration of the nitride semiconductor device, the semiconductor stacked body includes the electron transit layer 13, the electron supply layer 14, the etching sacrificial layer, and the field plate layer 15. May be. In addition, the uppermost layer of the electron supply layer 14 can be substituted for the etching sacrificial layer.

また、第1電極としてのアノード電極17Aは、アノード電極17Aの形成領域において、電子走行層13の内部までリセスエッチングされたリセス部13aに選択的に設けられている。このアノード電極17Aは、たとえば下部電極層がNi層で上部電極層がAu層のNi/Auの積層構造を有する。これにより、アノード電極17Aは、フィールドプレート層15の下層に発生した2DEG層aに対して側面からショットキー接触する。なお、アノード電極17Aは、電子供給層14上に設けることも可能である。この場合、アノード電極17Aは、電子走行層13に発生した2DEG層Aと電子供給層14を介してショットキー接触する。   Further, the anode electrode 17A as the first electrode is selectively provided in the recess portion 13a that is recess-etched to the inside of the electron transit layer 13 in the formation region of the anode electrode 17A. The anode electrode 17A has, for example, a Ni / Au laminated structure in which the lower electrode layer is a Ni layer and the upper electrode layer is an Au layer. As a result, the anode electrode 17A makes Schottky contact with the 2DEG layer a generated in the lower layer of the field plate layer 15 from the side surface. The anode electrode 17A can also be provided on the electron supply layer 14. In this case, the anode electrode 17A is in Schottky contact with the 2DEG layer A generated in the electron transit layer 13 via the electron supply layer 14.

また、アノード電極17Aは、フィールドプレート層15上に乗り上げて少なくとも1段の段差を形成しているとともに、段差状に形成された絶縁膜16の上層にカソード電極17C側に向かってせり出すように延伸している。この実施の形態1においてアノード電極17Aは、フィールドプレート層15の側面および上面の一部に接触して設けられている。この実施の形態1においては、アノード電極17Aに多段の段差を有する形状、たとえば2段の段差状にフィールドプレート部が設けられる。   The anode electrode 17A runs on the field plate layer 15 to form at least one step, and extends so as to protrude toward the cathode electrode 17C on the upper layer of the insulating film 16 formed in the step shape. doing. In the first embodiment, the anode electrode 17A is provided in contact with part of the side surface and the upper surface of the field plate layer 15. In the first embodiment, the field plate portion is provided in a shape having multiple steps on the anode electrode 17A, for example, two steps.

また、第2電極としてのカソード電極17Cは、カソード電極17Cの形成領域において、電子走行層13までリセスエッチングされたリセス部13bに選択的に設けられている。このカソード電極17Cは、たとえば下部電極層がTi層で上部電極層がAl層のTi/Alの積層構造を有する。これにより、カソード電極17Cは、電子供給層14の下層に発生した2DEG層Aに対して側面からオーミック接触する。なお、カソード電極17Cは、電子供給層14上に設けることも可能である。この場合、カソード電極17Cは、電子走行層13に発生した2DEG層Aと電子供給層14を介してオーミック接触する。   Further, the cathode electrode 17C as the second electrode is selectively provided in the recess portion 13b that is recess-etched up to the electron transit layer 13 in the formation region of the cathode electrode 17C. The cathode electrode 17C has, for example, a Ti / Al laminated structure in which the lower electrode layer is a Ti layer and the upper electrode layer is an Al layer. Accordingly, the cathode electrode 17C is in ohmic contact with the 2DEG layer A generated in the lower layer of the electron supply layer 14 from the side surface. The cathode electrode 17C can also be provided on the electron supply layer 14. In this case, the cathode electrode 17 </ b> C is in ohmic contact with the 2DEG layer A generated in the electron transit layer 13 via the electron supply layer 14.

また、絶縁膜16は、主に、電子供給層14、フィールドプレート層15、およびカソード電極17Cの表面を保護する。絶縁膜16は、たとえば酸化シリコン(SiO2)からなるが、その他の材料、具体的にはたとえば窒化シリコン(SiNx)や酸化アルミニウム(Al23:アルミナ)などから構成しても良く、複数種類の材料を適宜組み合せたり、順次積層させたりして構成しても良い。以上により、実施の形態1によるSBD10が構成されている。 The insulating film 16 mainly protects the surfaces of the electron supply layer 14, the field plate layer 15, and the cathode electrode 17C. The insulating film 16 is made of, for example, silicon oxide (SiO 2 ), but may be made of other materials, specifically, silicon nitride (SiN x ), aluminum oxide (Al 2 O 3 : alumina), or the like. A plurality of types of materials may be appropriately combined or sequentially stacked. The SBD 10 according to the first embodiment is configured as described above.

次に、上述のように構成されたSBD10におけるフィールドプレート層15について説明する。上述したように、この実施の形態1におけるフィールドプレート層15は、n型不純物がドープされたn型半導体層から構成されている。ここで、n型不純物としてはたとえば、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、セレン(Se)、テルル(Te)、硫黄(S)および酸素(O)などを挙げることができる。   Next, the field plate layer 15 in the SBD 10 configured as described above will be described. As described above, the field plate layer 15 in the first embodiment is composed of an n-type semiconductor layer doped with an n-type impurity. Here, examples of the n-type impurity include silicon (Si), germanium (Ge), selenium (Se), tellurium (Te), sulfur (S), and oxygen (O).

まず、本発明者は、順方向電圧を5Vとした場合のフィールドプレート層15における電子濃度分布および正孔濃度分布を導出した。その結果、フィールドプレート層15を、不純物がドープされていないi−GaNから構成した場合、順方向電圧の増加に伴ってフィールドプレート層15に正孔(ホール)が生じ、この正孔が2DEG層A、aに注入されることが判明した。2DEG層A,aに正孔が注入されると、フィールドプレート層15の端部の下層の領域における2DEG濃度Nsが減少し、アクセス抵抗が増加して順方向電流が大きく増加しないと考えられる。また、この場合、チャネル抵抗も増加するため、アノード電極17Aの部分が発熱するという問題も生じる。これに対し、n型不純物を所定の不純物濃度以上にドープしたフィールドプレート層15においては、正孔が蓄積されないことから、アクセス抵抗が増加しないことも確認された。その上、順方向電流は2DEG層A,aの少なくとも一部通過しつつフィールドプレート層15にも流れるため、従来のSBDにおける順方向電流に関する飽和電流を極めて大きくできる。なお、順方向電圧が5V程度の場合においては、n型不純物濃度が1018cm-3オーダー程度までの範囲において順方向電流に差がほとんど生じないことも確認された。 First, the present inventor derived the electron concentration distribution and the hole concentration distribution in the field plate layer 15 when the forward voltage is 5V. As a result, when the field plate layer 15 is made of i-GaN not doped with impurities, holes are generated in the field plate layer 15 as the forward voltage increases, and these holes are generated in the 2DEG layer. It was found that A and a were injected. When holes are injected into the 2DEG layers A and a, it is considered that the 2DEG concentration Ns in the lower region at the end of the field plate layer 15 decreases, the access resistance increases, and the forward current does not increase significantly. In this case, since the channel resistance also increases, there is a problem that the portion of the anode electrode 17A generates heat. On the other hand, in the field plate layer 15 doped with n-type impurities to a predetermined impurity concentration or higher, holes were not accumulated, and it was also confirmed that the access resistance did not increase. In addition, since the forward current flows through the field plate layer 15 while passing at least part of the 2DEG layers A and a, the saturation current related to the forward current in the conventional SBD can be extremely increased. In addition, when the forward voltage was about 5 V, it was also confirmed that there was almost no difference in the forward current in the range where the n-type impurity concentration was about 10 18 cm −3 .

さらに、本発明者は、順方向電圧を10Vとした場合におけるフィールドプレート層15の電子濃度分布および正孔濃度分布を導出した。そして、本発明者は、順方向電圧が5Vの場合とは異なり、フィールドプレート層15をi−GaNから構成した場合と、n型不純物を3.0×1017cm-3の不純物濃度でドープした場合とにおいて、正孔濃度分布に差が生じることを確認した。具体的には、本発明者は、n型不純物濃度Ndを3.0×1017cm-3にすると、フィールドプレート層15のカソード電極17C側端部の近傍に正孔が蓄積することを確認した。 Furthermore, the present inventor has derived the electron concentration distribution and the hole concentration distribution of the field plate layer 15 when the forward voltage is 10V. Then, the inventor doped the n-type impurity at an impurity concentration of 3.0 × 10 17 cm −3 when the field plate layer 15 is made of i-GaN, unlike the case where the forward voltage is 5V. It has been confirmed that there is a difference in the hole concentration distribution between the case of the above cases. Specifically, the present inventor has confirmed that when the n-type impurity concentration Nd is set to 3.0 × 10 17 cm −3 , holes accumulate in the vicinity of the end of the field plate layer 15 on the cathode electrode 17C side. did.

以上の検討に基づいて、本発明者は、n型不純物を種々の不純物濃度Ndとしてフィールドプレート層15に関する種々の実験を行った。図2は、フィールドプレート層15に不純物をドープしない場合およびn型不純物をドープした場合のSBD10における、順方向電流の順方向電圧依存性を示すグラフである。また、図3は、フィールドプレート層15に不純物をドープしない場合およびp型不純物をドープした場合のSBD10における、順方向電流の順方向電圧依存性を示すグラフである。なお、以下の図面において、αE+βの記載は、α×10+βを意味する。 Based on the above examination, the present inventor conducted various experiments on the field plate layer 15 with n-type impurities as various impurity concentrations Nd. FIG. 2 is a graph showing the forward voltage dependency of the forward current in the SBD 10 when the field plate layer 15 is not doped with impurities and when the n-type impurities are doped. FIG. 3 is a graph showing the forward voltage dependence of the forward current in the SBD 10 when the field plate layer 15 is not doped with impurities and when p-type impurities are doped. In the following drawings, the description of αE + β means α × 10 + β .

図2から、フィールドプレート層15に不純物をドープしていない場合(図2中、実線)およびn型不純物をドープしている場合のいずれの場合においても、順方向電圧の増加に伴って、SBD10に流れる順方向電流が増加するのが分かる。また、n型不純物濃度Ndが3.0×1017cm-3の場合(図2中、2点鎖線)、順方向電流はn型不純物をドープしていない場合に比して小さくなることが分かる。すなわち、フィールドプレート層15にドープするn型不純物の不純物濃度Ndを3.0×1017cm-3以下にすると、順方向電圧の増加に伴って増加する順方向電流が、n型不純物をドープしていない場合に比して小さくなる。また、図2から、n型不純物濃度Ndが6.0×1017cm-3の場合(図2中、点線)、順方向電圧が16V以上になると、順方向電流はn型不純物をドープしていない場合に比して大きくなることが分かる。 From FIG. 2, in both cases where the field plate layer 15 is not doped with impurities (solid line in FIG. 2) and when n-type impurities are doped, the SBD 10 increases with an increase in the forward voltage. It can be seen that the forward current flowing in the current increases. Further, when the n-type impurity concentration Nd is 3.0 × 10 17 cm −3 (in FIG. 2, a two-dot chain line), the forward current is smaller than that when the n-type impurity is not doped. I understand. That is, when the impurity concentration Nd of the n-type impurity doped in the field plate layer 15 is 3.0 × 10 17 cm −3 or less, the forward current that increases with the increase in the forward voltage is doped with the n-type impurity. It becomes smaller than the case where it is not. Further, from FIG. 2, when the n-type impurity concentration Nd is 6.0 × 10 17 cm −3 (dotted line in FIG. 2), when the forward voltage becomes 16 V or more, the forward current is doped with the n-type impurity. It turns out that it becomes large compared with the case where it is not.

同様に、n型不純物濃度Ndが1.5×1018cm-3の場合(図2中、一点二短鎖線)には、順方向電圧が11V以上になると、順方向電流はn型不純物をドープしていない場合に比して大きくなることが分かる。さらに、n型不純物濃度Ndが3.0×1018cm-3の場合(図2中、破線)および3.0×1019cm-3の場合(図2中、一点鎖線)においては、順方向電圧の大きさに関わらず、順方向電流はn型不純物をドープしていない場合に比して増加することが分かる。以上から、フィールドプレート層15のn型不純物濃度Ndを3.0×1017cm-3より大きく、好適には6.0×1017cm-3以上、より好適には1.5×1018cm-3以上にすることによって、SBD10において順方向サージ電流が流れる際の電流量を増加させることができる。また、本発明者は、フィールドプレート層15をGaN以外のInuAlvGa1-u-vN層(0≦u≦1、0≦v≦1、0≦u+v<1)から構成した場合においても、上述した傾向と同様の傾向を示すことを確認した。 Similarly, in the case where the n-type impurity concentration Nd is 1.5 × 10 18 cm −3 (in FIG. 2, a one-point two-short chain line), when the forward voltage is 11 V or more, the forward current is reduced to the n-type impurity. It turns out that it becomes large compared with the case where it does not dope. Furthermore, in the case where the n-type impurity concentration Nd is 3.0 × 10 18 cm −3 (broken line in FIG. 2) and 3.0 × 10 19 cm −3 (dotted line in FIG. 2), It can be seen that regardless of the magnitude of the directional voltage, the forward current increases as compared to the case where the n-type impurity is not doped. From the above, the n-type impurity concentration Nd of the field plate layer 15 is larger than 3.0 × 10 17 cm −3 , preferably 6.0 × 10 17 cm −3 or more, more preferably 1.5 × 10 18. By setting it to cm −3 or more, the amount of current when a forward surge current flows in the SBD 10 can be increased. Further, the inventor of the present invention also has a case where the field plate layer 15 is composed of an In u Al v Ga 1-uv N layer (0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, 0 ≦ u + v <1) other than GaN. It was confirmed that the same tendency as the above-mentioned tendency was exhibited.

すなわち、フィールドプレート層15にドープされているn型不純物の不純物濃度Ndは、SBD10の順方向特性の観点から、3.0×1017cm-3よりも大きいことが必要であり、さらに順方向サージ電流が大きな電流であることを考慮すると6.0×1017cm-3以上が好ましい。一方、フィールドプレート層15のn型不純物濃度Ndは、フィールドプレート層15を構成する窒化物半導体の結晶性を所望の結晶性状にする観点から、3.0×1019cm-3以下が必要であり、1.0×1019cm-3以下がより好ましい。すなわち、フィールドプレート層15にドープされているn型不純物の不純物濃度Ndにおいては、以下の(1)式が成立するのが好ましい。
3.0×1017cm-3<Nd≦3.0×1019cm-3 ……(1)
That is, the impurity concentration Nd of the n-type impurity doped in the field plate layer 15 needs to be larger than 3.0 × 10 17 cm −3 from the viewpoint of the forward characteristics of the SBD 10, and further forward direction Considering that the surge current is large, 6.0 × 10 17 cm −3 or more is preferable. On the other hand, the n-type impurity concentration Nd of the field plate layer 15 needs to be 3.0 × 10 19 cm −3 or less from the viewpoint of making the crystallinity of the nitride semiconductor constituting the field plate layer 15 a desired crystallinity. Yes, 1.0 × 10 19 cm −3 or less is more preferable. That is, it is preferable that the following expression (1) is satisfied at the impurity concentration Nd of the n-type impurity doped in the field plate layer 15.
3.0 × 10 17 cm −3 <Nd ≦ 3.0 × 10 19 cm −3 (1)

他方、図3から、上述した図2と同様にSBD10におけるフィールドプレート層15に不純物をドープしていない場合(図3中、実線)、順方向電圧の増加に伴い順方向電流が増加するのに対し、p型不純物をドープすると、順方向電流が飽和することが分かる。すなわち、フィールドプレート層15に、不純物濃度Ndが3.0×1018cm-3となる高濃度でp型不純物をドープした場合(図3中、破線)、順方向電流は、順方向電圧が10V程度になるまでは不純物をドープしていない場合と同様に増加するが、10V程度を超えると減少してしまう。また、p型不純物をドープしていない場合に比して順方向電流が大きくなることもない。さらに、フィールドプレート層15に、不純物濃度Ndが3.0×1019cm-3とさらに高濃度にp型不純物をドープした場合(図3中、一点鎖線)、順方向電流は、順方向電圧が7V程度になるまでは不純物をドープしていない場合と同様に増加するが、7V程度を超えると急激に減少してしまう。これらのことから、フィールドプレート層15にp型不純物をドープした場合、SBD10における順方向サージ電流の発生時において、順方向電流がほとんど流れないことが分かる。本発明者の検討によれば、フィールドプレート層15にp型不純物をドープしても順方向電圧の増加に伴って順方向電流が増加しないのは、p型不純物をドープしても伝導度が変化せずにオン抵抗が増加して、順方向電流の増加に寄与しないことが原因である。これにより、上述した特許文献1などに記載された、フィールドプレート層にp型不純物をドープする技術では、順方向サージ耐量を改善できないことが分かる。 On the other hand, from FIG. 3, when the field plate layer 15 in the SBD 10 is not doped with impurities as in FIG. 2 described above (solid line in FIG. 3), the forward current increases as the forward voltage increases. On the other hand, it can be seen that when the p-type impurity is doped, the forward current is saturated. That is, when the field plate layer 15 is doped with p-type impurities at a high concentration such that the impurity concentration Nd is 3.0 × 10 18 cm −3 (broken line in FIG. 3), the forward current Until it reaches about 10V, it increases in the same manner as when impurities are not doped, but when it exceeds about 10V, it decreases. Further, the forward current does not increase as compared with the case where no p-type impurity is doped. Further, when the field plate layer 15 is doped with p-type impurities at an impurity concentration Nd of 3.0 × 10 19 cm −3 (indicated by a one-dot chain line in FIG. 3), the forward current is the forward voltage. However, when the voltage exceeds about 7V, the voltage decreases rapidly. From these facts, it can be seen that when the field plate layer 15 is doped with a p-type impurity, the forward current hardly flows when the forward surge current is generated in the SBD 10. According to the study of the present inventor, even if the field plate layer 15 is doped with p-type impurities, the forward current does not increase as the forward voltage increases. This is because the on-resistance increases without changing and does not contribute to an increase in forward current. Thus, it can be seen that the technique for doping the field plate layer with the p-type impurity described in the above-mentioned Patent Document 1 cannot improve the forward surge withstand capability.

また、図1に示すフィールドプレート層15の膜厚は、SBD10に順方向サージ電流が流れた場合に、順方向サージ電流をフィールドプレート層15の一部、たとえば上部を通じて効率良く流すためには、20nmより大きく200nm以下とするのが好ましい。一方、フィールドプレート層15の下層における電子走行層13に生じる2DEGの2DEG濃度は、フィールドプレート層15の膜厚が大きいほど低下する。そのため、2DEG層aの2DEG濃度をたとえば7×1012cm-2以下とするためにも、フィールドプレート層15の膜厚は20nmより大きく200nm以下にするのが好ましい。これにより、2DEG層aの2DEG濃度は、2DEG層Aにおける2DEG濃度よりも低減される。なお、2DEG層Aの2DEG濃度としては、7×1012cm-2より高いのが好ましい。また、フィールドプレート層15の膜厚を20nm以下にすると、リークを抑制できない可能性が生じる。他方、フィールドプレート層15の膜厚を300nm以上にすると、不純物濃度を1×1018cm-3以上にした場合にリークが増大する可能性が生じる。さらに、フィールドプレート層15の膜厚は、成長とエッチングを用いた膜厚制御により2DEG濃度の制御が容易になる20nm以上100nm以下がより好ましく、膜厚のばらつきによる2DEG濃度のばらつきを受けにくくなる25nm以上80nm以下がさらに好ましい。ここで、この実施の形態1においてフィールドプレート層15の膜厚は、たとえば30nmである。 Further, the film thickness of the field plate layer 15 shown in FIG. 1 is such that when a forward surge current flows through the SBD 10, in order to efficiently flow the forward surge current through a part of the field plate layer 15, for example, the upper part, It is preferable to be greater than 20 nm and less than or equal to 200 nm. On the other hand, the 2DEG concentration of 2DEG generated in the electron transit layer 13 below the field plate layer 15 decreases as the film thickness of the field plate layer 15 increases. Therefore, in order to set the 2DEG concentration of the 2DEG layer a to 7 × 10 12 cm −2 or less, for example, the film thickness of the field plate layer 15 is preferably set to be larger than 20 nm and not larger than 200 nm. As a result, the 2DEG concentration in the 2DEG layer a is lower than the 2DEG concentration in the 2DEG layer A. The 2DEG concentration of the 2DEG layer A is preferably higher than 7 × 10 12 cm −2 . Further, if the film thickness of the field plate layer 15 is 20 nm or less, there is a possibility that leakage cannot be suppressed. On the other hand, if the film thickness of the field plate layer 15 is 300 nm or more, there is a possibility that leakage increases when the impurity concentration is 1 × 10 18 cm −3 or more. Furthermore, the film thickness of the field plate layer 15 is more preferably 20 nm or more and 100 nm or less, which makes it easy to control the 2DEG concentration by controlling the film thickness using growth and etching, and is less susceptible to variations in 2DEG concentration due to film thickness variations. More preferably, it is 25 nm or more and 80 nm or less. Here, in the first embodiment, the thickness of the field plate layer 15 is, for example, 30 nm.

以上のようにフィールドプレート層15を構成することにより、SBD10に順方向サージ電流が流れた場合において、順方向サージ電流は、電子走行層13の2DEG層A、およびフィールドプレート層15のたとえば上部を流れる。すなわち、順方向サージ電流が発生した時には、2DEG層Aおよびフィールドプレート層15の部分からなる電流経路がオンされて、この電流経路に順方向サージ電流が流れる。他方、通常の順方向電流が流れる定常状態において順方向電流は、2DEG層Aを通じて流れるとともに飽和もしないため、フィールドプレート層15の部分に流れない。すなわち、順方向サージ電流を流す電流経路はオフになる。   By configuring the field plate layer 15 as described above, when a forward surge current flows through the SBD 10, the forward surge current is applied to the 2DEG layer A of the electron transit layer 13 and, for example, the upper portion of the field plate layer 15. Flowing. That is, when a forward surge current is generated, the current path composed of the 2DEG layer A and the field plate layer 15 is turned on, and the forward surge current flows through this current path. On the other hand, in a steady state in which a normal forward current flows, the forward current flows through the 2DEG layer A and does not saturate, and therefore does not flow through the field plate layer 15. That is, the current path through which the forward surge current flows is turned off.

また、SBD10に逆バイアスを印加した場合にフィールドプレート層15が全空乏化するように構成することによって、SBD10の耐圧の低下も抑制できる。すなわち、フィールドプレート層15にドープするn型不純物のドープ量(不純物濃度Nd)は、SBD10に逆バイアスを印加した際に全空乏する程度にするのが望ましい。換言すると、SBD10に逆バイアスを印加した際の空乏化の割合によって、n型不純物の最大の不純物濃度(ドーピング濃度)を決定できる。図4は、フィールドプレート層15にn型不純物を種々の不純物濃度でドープした場合において、SBD10に逆バイアスを印加した際の空乏層幅の印加電圧(V)依存性を示すグラフである。   In addition, when the reverse bias is applied to the SBD 10, the field plate layer 15 is configured to be fully depleted, so that a decrease in the breakdown voltage of the SBD 10 can also be suppressed. That is, it is desirable that the doping amount (impurity concentration Nd) of the n-type impurity doped in the field plate layer 15 is such that it is fully depleted when a reverse bias is applied to the SBD 10. In other words, the maximum impurity concentration (doping concentration) of the n-type impurity can be determined by the depletion ratio when a reverse bias is applied to the SBD 10. FIG. 4 is a graph showing the dependence of the depletion layer width on the applied voltage (V) when a reverse bias is applied to the SBD 10 when the field plate layer 15 is doped with n-type impurities at various impurity concentrations.

図4から、SBD10に逆バイアスを印加した場合においては、逆バイアスの増加に伴ってフィールドプレート層15の空乏層幅も単調増加していることが分かる。また、図4から、n型不純物濃度Ndが増加するのに伴って、フィールドプレート層15の空乏層幅が減少し、不純物濃度Ndが3.0×1019cm-3の場合において、空乏層幅が最も小さくなることが分かる。この場合、n型不純物濃度Ndを3.0×1019cm-3とした場合においても、フィールドプレート層15の膜厚を50nm以下にすることにより、逆バイアスを印加した際に、フィールドプレート層15は全空乏化できる。そのため、図4から、n型不純物を、順方向サージ耐量の改善に必要な不純物濃度でドープした場合であっても、SBD10における耐圧の低下を抑制することができることが分かる。さらに、本発明者の検討によれば、フィールドプレート層15にドープされるn型不純物の不純物濃度Ndを1×1018cm-3以上、好適には1.5×1018cm-3以上にしたとしても、SBD10に対して逆バイアスを印加した時の逆方向特性の悪化が抑制できる。すなわちSBD10の耐圧の低下を招くことなく、フィールドプレート層15に順方向サージ電流を流すことができる。 FIG. 4 shows that when a reverse bias is applied to the SBD 10, the depletion layer width of the field plate layer 15 also monotonously increases as the reverse bias increases. Further, from FIG. 4, as the n-type impurity concentration Nd increases, the depletion layer width of the field plate layer 15 decreases, and when the impurity concentration Nd is 3.0 × 10 19 cm −3 , the depletion layer It can be seen that the width is the smallest. In this case, even when the n-type impurity concentration Nd is set to 3.0 × 10 19 cm −3 , the field plate layer 15 has a thickness of 50 nm or less so that when the reverse bias is applied, the field plate layer 15 15 can be fully depleted. Therefore, it can be seen from FIG. 4 that even when the n-type impurity is doped with an impurity concentration necessary for improving the forward surge withstand capability, a decrease in breakdown voltage in the SBD 10 can be suppressed. Further, according to the study by the present inventor, the impurity concentration Nd of the n-type impurity doped in the field plate layer 15 is set to 1 × 10 18 cm −3 or more, preferably 1.5 × 10 18 cm −3 or more. Even if it does, degradation of the reverse direction characteristic when a reverse bias is applied with respect to SBD10 can be suppressed. That is, a forward surge current can flow through the field plate layer 15 without causing a decrease in the breakdown voltage of the SBD 10.

また、フィールドプレート層15は、アノード電極17Aとカソード電極17Cとの間のリークを低減するために、カソード電極17Cと離間して設けられている。すなわち、電子供給層14の上層において、フィールドプレート層15のアノード電極17Aとカソード電極17Cとの間隔方向(以下、水平方向)に沿った長さLFPは、アノード電極17Aの電子供給層14に接した部分のカソード電極17C側端部と、カソード電極17Cのアノード電極17A側端部との間隔LAC(以下、カソード−アノード間距離LAC)よりも小さい(LFP<LAC)。 The field plate layer 15 is provided apart from the cathode electrode 17C in order to reduce leakage between the anode electrode 17A and the cathode electrode 17C. That is, in the upper layer of the electron supply layer 14, the length L FP along the interval direction (hereinafter referred to as the horizontal direction) between the anode electrode 17A and the cathode electrode 17C of the field plate layer 15 is equal to the electron supply layer 14 of the anode electrode 17A. a cathode electrode 17C side end portion of the contact portion, the distance between the anode electrode 17A side end portion of the cathode electrode 17C L AC (hereinafter, cathode - anode distance L AC) smaller than (L FP <L AC).

ここで、図5は、カソード−アノード間距離LACが14.5μm程度のSBD10の耐圧におけるフィールドプレート層15の長さ(フィールドプレート長)LFP依存性を示すグラフである。図5から、SBD10の耐圧を所定の耐圧以上、具体的にはたとえば700V以上の耐圧に確保する観点から、フィールドプレート層15の長さLFPは、カソード−アノード間距離LACの1/2以下程度(LFP≦LAC/2)が好ましいことが分かる。具体的にカソード−アノード間距離LACが14.5μm程度である場合、フィールドプレート層15の長さLFPは7μm以下程度とするのが好ましい。また、電子供給層14における電界集中を緩和する観点からは、図1に示すフィールドプレート層15のカソード電極17C側端部とアノード電極17Aのフィールドプレート部のカソード電極17C側端部との間の水平方向に沿った間隔は、1μm以上にするのが好ましい。これにより、電子供給層14において電界集中点が分散されて電界が緩和でき、耐圧を向上できる。 Here, FIG. 5, the cathode - anode distance L AC is a graph showing the length (field plate length) L FP-dependent field plate layer 15 in the withstand voltage of SBD10 of about 14.5 [mu] m. From FIG. 5, the length L FP of the field plate layer 15 is ½ of the cathode-anode distance L AC from the viewpoint of securing the breakdown voltage of the SBD 10 to a predetermined breakdown voltage or more, specifically, a breakdown voltage of, for example, 700 V or more. It is understood that the following degree (L FP ≦ L AC / 2) is preferable. Specifically cathode - if anode distance L AC is about 14.5 [mu] m, the length L FP field plate layer 15 is preferably to be about 7μm or less. Further, from the viewpoint of alleviating electric field concentration in the electron supply layer 14, it is between the cathode electrode 17C side end of the field plate layer 15 shown in FIG. 1 and the cathode electrode 17C side end of the field plate portion of the anode electrode 17A. The interval along the horizontal direction is preferably 1 μm or more. Thereby, the electric field concentration points are dispersed in the electron supply layer 14, the electric field can be relaxed, and the breakdown voltage can be improved.

以上説明した本発明の実施の形態1によれば、SBD10において、膜厚が20nmより大きく200nm以下のフィールドプレート層15が設けられ、このフィールドプレート層15に、3.0×1017cm-3より大きく3.0×1019cm-3以下の不純物濃度Ndのn型不純物をドープしている。これにより、SBD10に順方向サージ電流などの過大な順方向電流が流れた場合であっても、この過大な順方向電流を流して、いわゆる抜くことができる電流経路を、2DEG層Aおよびフィールドプレート層15を含む領域で確保できるので、SBD10において、順方向サージ耐量などの過大な順方向電流に対する耐量を向上できる。また、SBD10に逆バイアスを印加した際にフィールドプレート層15を全空乏化できるので耐圧の低下も抑制されるとともに、フィールドプレート層15をカソード電極17Cと離間させていることにより、リーク電流も抑制できる。 According to the first embodiment of the present invention described above, in the SBD 10, the field plate layer 15 having a film thickness of greater than 20 nm and less than or equal to 200 nm is provided, and the field plate layer 15 is provided with 3.0 × 10 17 cm −3. A larger n-type impurity having an impurity concentration Nd of 3.0 × 10 19 cm −3 or less is doped. As a result, even if an excessive forward current such as a forward surge current flows through the SBD 10, a current path that allows the excessive forward current to flow so as to be extracted can be defined as the 2DEG layer A and the field plate. Since the area including the layer 15 can be secured, the SBD 10 can improve the resistance against an excessive forward current such as a forward surge resistance. In addition, since the field plate layer 15 can be fully depleted when a reverse bias is applied to the SBD 10, a decrease in breakdown voltage is also suppressed, and a leakage current is also suppressed by separating the field plate layer 15 from the cathode electrode 17C. it can.

(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2による窒化物半導体装置について説明する。図6は、この実施の形態2による窒化物半導体装置であるSBD20を示す模式的な断面図である。
(Embodiment 2)
Next, a nitride semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an SBD 20 that is a nitride semiconductor device according to the second embodiment.

図6に示すように、実施の形態2によるSBD20においては、実施の形態1と同様に、基板11上に、バッファ層12、電子走行層13、および電子供給層14が順次積層されている。また、電子供給層14上に選択的にたとえばu−GaNからなるフィールドプレート層15が設けられている。また、アノード形成領域およびカソード形成領域にはそれぞれ、電子走行層13までリセスエッチングされたリセス部13a,13bが形成されている。そして、リセス部13a上にアノード電極17Aが設けられているとともに、リセス部13b上にカソード電極17Cが設けられている。また、アノード電極17Aは、絶縁膜16にアノード電極17Aの一部が乗り上げた、フィールドプレート構造を有する。   As shown in FIG. 6, in the SBD 20 according to the second embodiment, as in the first embodiment, the buffer layer 12, the electron transit layer 13, and the electron supply layer 14 are sequentially stacked on the substrate 11. A field plate layer 15 made of u-GaN, for example, is selectively provided on the electron supply layer 14. Recess portions 13a and 13b that are recess-etched up to the electron transit layer 13 are formed in the anode formation region and the cathode formation region, respectively. An anode electrode 17A is provided on the recess portion 13a, and a cathode electrode 17C is provided on the recess portion 13b. The anode electrode 17A has a field plate structure in which a part of the anode electrode 17A is mounted on the insulating film 16.

また、この実施の形態2によるSBD20においては、実施の形態1と異なり、電子走行層13上に、アノード電極17Aと離間または接触して選択的に、p型不純物がドープされたp型半導体層としてのたとえばp−GaN層からなる接合層21が設けられている。第4半導体層としての接合層21には、たとえば、マグネシウム(Mg)などのp型不純物が、1.0×1017cm-3以上3.0×1019cm-3以下、具体的にはたとえば1.0×1019cm-3の不純物濃度でドープされている。また、接合層21は接地されているとともにアノード電極17Aと電気的に接続されている。また、カソード電極17Cは外部電源22に接続されて負の電位に設定されている。その他の構成は、実施の形態1と同様であるので、説明を省略する。以上により、実施の形態2によるSBD20が構成されている。 Further, in the SBD 20 according to the second embodiment, unlike the first embodiment, the p-type semiconductor layer selectively doped with p-type impurities on the electron transit layer 13 while being separated from or in contact with the anode electrode 17A. For example, a bonding layer 21 made of a p-GaN layer is provided. In the bonding layer 21 as the fourth semiconductor layer, for example, p-type impurities such as magnesium (Mg) are 1.0 × 10 17 cm −3 or more and 3.0 × 10 19 cm −3 or less, specifically For example, it is doped with an impurity concentration of 1.0 × 10 19 cm −3 . The bonding layer 21 is grounded and electrically connected to the anode electrode 17A. The cathode electrode 17C is connected to the external power source 22 and set to a negative potential. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted. As described above, the SBD 20 according to the second embodiment is configured.

この実施の形態2によるSBD20においては、電子走行層13上に接合層21が設けられていることにより、接合層21と電子走行層13とによってPN接合が形成される。また、接合層21がアノード電極17Aと短絡していることにより、順方向サージ電流の発生時に接合層21から電子走行層13に正孔が注入される。この正孔の注入によって、電子走行層13の接合層21の下層の領域における伝導度が増加して、接合層21の下層の領域における抵抗が低下する。これにより、図6中矢印に示すように、順方向サージ電流は、アノード電極17Aから接合層21を介して、少なくとも2DEG層A,a以外の抵抗が減少した領域を含む電流経路をなす電子走行層13を通過し、カソード電極17Cに流入する。そのため、順方向サージ電流の発生時においては、順方向サージ電流を電子走行層13における2DEG層A,a以外の領域に流すことができる。   In the SBD 20 according to the second embodiment, since the bonding layer 21 is provided on the electron transit layer 13, a PN junction is formed by the junction layer 21 and the electron transit layer 13. Further, since the bonding layer 21 is short-circuited with the anode electrode 17A, holes are injected from the bonding layer 21 into the electron transit layer 13 when a forward surge current is generated. By the injection of holes, the conductivity in the region under the bonding layer 21 of the electron transit layer 13 increases, and the resistance in the region under the bonding layer 21 decreases. Thereby, as indicated by an arrow in FIG. 6, the forward surge current travels through the anode electrode 17 </ b> A through the bonding layer 21 and travels through an electron path that includes a current path including a region where the resistance other than at least the 2 DEG layers A and a is reduced. It passes through the layer 13 and flows into the cathode electrode 17C. Therefore, when the forward surge current is generated, the forward surge current can be passed through the region other than the 2DEG layers A and a in the electron transit layer 13.

以上説明した実施の形態2によれば、電子走行層13の上層に選択的に、アノード電極17Aと短絡した接合層21を設けていることにより、順方向サージ電流などの過大な順方向電流の発生時にのみ、電子走行層13における接合層21の下層の領域の抵抗を低減して、電子走行層13内における2DEG層A,a以外の領域を通じて順方向電流を流すことができるので、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。   According to the second embodiment described above, the junction layer 21 short-circuited to the anode electrode 17A is selectively provided on the upper layer of the electron transit layer 13, so that an excessive forward current such as a forward surge current is reduced. Only at the time of occurrence, the resistance of the region below the bonding layer 21 in the electron transit layer 13 can be reduced, and the forward current can flow through the regions other than the 2DEG layers A and a in the electron transit layer 13. The same effect as in the first mode can be obtained.

(実施の形態3)
次に、本発明の実施の形態3による窒化物半導体装置について説明する。図7は、この実施の形態3による窒化物半導体装置であるSBD30を示す模式的な断面図である。
(Embodiment 3)
Next, a nitride semiconductor device according to the third embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing an SBD 30 that is a nitride semiconductor device according to the third embodiment.

図7に示すように、実施の形態3によるSBD30においては、基板11上に、バッファ層12、ドリフト層31、u−GaN層からなる電子走行層32、および電子供給層14が順次積層されている。また、電子供給層14の上層に選択的にu−GaN層からなるフィールドプレート層15が設けられている。また、第6半導体層としてのドリフト層31は、不純物濃度がたとえば1.0×1016cm-3以下で膜厚が400nm程度の電子走行層32に比して、高濃度にn型不純物がドープされたAlzGa1-zN層(0≦z<0.05)から構成される。また、ドリフト層31の膜厚は、膜厚が大きすぎるとSBD30において所望とする耐圧が維持できないため、500nm以下が好ましい。他方、ドリフト層31の膜厚が小さすぎると、ドリフト層31の抵抗が増加して、後述する順方向サージ電流などの大きな順方向電流の発生時における電流経路の一部として機能しない可能性があることから、ドリフト層31の膜厚は、100nm以上が好ましい。また、ドリフト層31の抵抗を低減するために、必要に応じてn型不純物のドーピング濃度を増加させることも可能である。そして、この実施の形態3においてドリフト層31は、たとえばAl組成比zが0で膜厚が500nm程度のGaN層から構成される。 As shown in FIG. 7, in the SBD 30 according to the third embodiment, a buffer layer 12, a drift layer 31, an electron transit layer 32 composed of a u-GaN layer, and an electron supply layer 14 are sequentially stacked on a substrate 11. Yes. In addition, a field plate layer 15 made of a u-GaN layer is selectively provided on the electron supply layer 14. Further, the drift layer 31 as the sixth semiconductor layer has a higher concentration of n-type impurities than the electron transit layer 32 having an impurity concentration of, for example, 1.0 × 10 16 cm −3 or less and a film thickness of about 400 nm. It is composed of a doped Al z Ga 1 -z N layer (0 ≦ z <0.05). In addition, the thickness of the drift layer 31 is preferably 500 nm or less because the desired breakdown voltage cannot be maintained in the SBD 30 if the thickness is too large. On the other hand, if the thickness of the drift layer 31 is too small, the resistance of the drift layer 31 increases, and may not function as a part of a current path when a large forward current such as a forward surge current described later is generated. For this reason, the thickness of the drift layer 31 is preferably 100 nm or more. Moreover, in order to reduce the resistance of the drift layer 31, it is possible to increase the doping concentration of the n-type impurity as necessary. In the third embodiment, the drift layer 31 is composed of, for example, a GaN layer having an Al composition ratio z of 0 and a film thickness of about 500 nm.

また、SBD30のアノード形成領域においては、電子走行層32までリセスエッチングされて形成されたリセス部32aが形成されている。リセス部32a内には、p型不純物が高濃度にドープされたp+−GaN層からなる接合層33が埋め込まれている。ここで、第5半導体層としての接合層33におけるp型不純物濃度は、接合層33の下層の電子走行層32に正孔(ホール)を十分に注入するために、1×1018cm-3以上が好ましく、結晶性の悪化を抑制するためには3×1019cm-3以下が好ましい。この実施の形態3において、接合層33におけるp型不純物濃度は、たとえば3.0×1019cm-3である。また、このリセス部32aの形成領域における電子走行層32の膜厚、すなわち接合層33の下層の電子走行層32の膜厚は、少数キャリアである正孔の拡散長に基づいて決定される。この実施の形態3における接合層33の下層の電子走行層32の膜厚は、たとえば300nm以下、好適には150nm以下である。また、リセス部32aに埋め込まれた接合層33の上層には、アノード電極35Aが設けられている。アノード電極35Aは、側面から2DEG層aとショットキー接触している。また、アノード電極35Aは、実施の形態1と同様に、カソード電極35C側に延伸してフィールドプレート層15および絶縁膜16の上層において段差状に乗り上げたフィールドプレート部を有する。 In the anode formation region of the SBD 30, a recess 32a formed by recess etching up to the electron transit layer 32 is formed. A buried layer 33 made of a p + -GaN layer doped with a p-type impurity at a high concentration is buried in the recess 32a. Here, the p-type impurity concentration in the bonding layer 33 as the fifth semiconductor layer is 1 × 10 18 cm −3 in order to sufficiently inject holes into the electron transit layer 32 below the bonding layer 33. The above is preferable, and in order to suppress deterioration of crystallinity, 3 × 10 19 cm −3 or less is preferable. In the third embodiment, the p-type impurity concentration in bonding layer 33 is, for example, 3.0 × 10 19 cm −3 . The film thickness of the electron transit layer 32 in the region where the recess 32a is formed, that is, the film thickness of the electron transit layer 32 below the bonding layer 33 is determined based on the diffusion length of holes that are minority carriers. The film thickness of the electron transit layer 32 below the bonding layer 33 in the third embodiment is, for example, 300 nm or less, preferably 150 nm or less. In addition, an anode electrode 35A is provided on the bonding layer 33 embedded in the recess 32a. The anode electrode 35A is in Schottky contact with the 2DEG layer a from the side surface. Similarly to the first embodiment, the anode electrode 35A has a field plate portion that extends toward the cathode electrode 35C and is stepped on the field plate layer 15 and the insulating film 16.

一方、SBD30のカソードの形成領域においては、電子走行層32の下層のドリフト層31までリセスエッチングされて形成されたリセス部31aが形成されている。このリセス部31aにコンタクト層34が形成されている。コンタクト層34は、たとえばSi、S、Se、Te、Oなどのn型不純物が1×1019cm-3程度の高濃度にドープされたGaN(n−GaN)などの導電材料から構成される。なお、コンタクト層34は、電子走行層32およびドリフト層31におけるカソードの形成領域の少なくとも一部に対して、選択的にn型不純物をドープすることによって形成することも可能である。そして、コンタクト層34の上層に、コンタクト層34と導通してカソード電極35Cが設けられている。カソード電極35Cは、側面において2DEG層Aとオーミック接触しているとともに、コンタクト層34を通じてドリフト層31と電気的に接続されている。その他の構成については、実施の形態1,2と同様なので、その説明を省略する。 On the other hand, in the cathode formation region of the SBD 30, a recess portion 31a formed by recess etching up to the drift layer 31 below the electron transit layer 32 is formed. A contact layer 34 is formed in the recess 31a. The contact layer 34 is made of a conductive material such as GaN (n + -GaN) doped with n-type impurities such as Si, S, Se, Te, and O at a high concentration of about 1 × 10 19 cm −3. The The contact layer 34 can also be formed by selectively doping an n-type impurity into at least a part of the cathode formation region in the electron transit layer 32 and the drift layer 31. A cathode electrode 35 </ b> C is provided on the contact layer 34 in conduction with the contact layer 34. The cathode electrode 35 </ b> C is in ohmic contact with the 2DEG layer A on the side surface and is electrically connected to the drift layer 31 through the contact layer 34. Since other configurations are the same as those in the first and second embodiments, description thereof is omitted.

この実施の形態3によるSBD30においては、アノード電極35Aと電子走行層32との間に接合層33が設けられていることにより、接合層33と電子走行層32とによってPN接合が形成される。そして、順方向サージ電流などの発生時においては、接合層33から電子走行層32に正孔が注入される。この正孔の注入によって、接合層33の下層の領域における電子走行層32の伝導度が増加して、この領域の抵抗が選択的に低下される。なお、接合層33の下層の領域以外の領域には正孔が拡散しないため、この領域以外の抵抗の低下は生じない。これにより、図7中矢印に示すように、順方向サージ電流は、アノード電極35Aから下層の接合層33および電子走行層32を介して、ドリフト層31に流れる。そして、順方向サージ電流は、ドリフト層31内を流れてコンタクト層34を通じてカソード電極35Cに流入する。すなわち、アノード電極35Aの下層の接合層33および電子走行層32、ドリフト層31、およびコンタクト層34によって、順方向サージ電流を流す電流経路が構成される。これにより、順方向サージ電流を2DEG層A,a以外の領域に流すことができる。   In the SBD 30 according to the third embodiment, since the bonding layer 33 is provided between the anode electrode 35 </ b> A and the electron transit layer 32, a PN junction is formed by the junction layer 33 and the electron transit layer 32. When a forward surge current or the like is generated, holes are injected from the bonding layer 33 into the electron transit layer 32. By the injection of holes, the conductivity of the electron transit layer 32 in the region below the bonding layer 33 is increased, and the resistance in this region is selectively reduced. In addition, since holes do not diffuse into the region other than the region below the bonding layer 33, the resistance other than the region does not decrease. Thereby, as indicated by an arrow in FIG. 7, the forward surge current flows from the anode electrode 35 </ b> A to the drift layer 31 through the lower bonding layer 33 and the electron transit layer 32. Then, the forward surge current flows through the drift layer 31 and flows into the cathode electrode 35C through the contact layer 34. That is, the junction layer 33, the electron transit layer 32, the drift layer 31, and the contact layer 34 below the anode electrode 35 </ b> A constitute a current path through which a forward surge current flows. As a result, a forward surge current can be passed through a region other than the 2DEG layers A and a.

また、本発明者は、上述した実施の形態3によるSBD30において、ドリフト層31にドープされるn型不純物の不純物濃度Ndについて検討を行った。図8は、この実施の形態3によるSBD30における順方向電流の順方向電圧依存性、すなわち順方向特性を示すグラフである。図8から、ドリフト層31を、n型不純物がドープされていないi−GaN層から構成した場合、順方向電圧の増加に伴って順方向電流も増加するが、順方向電圧が10Vの場合に順方向電流は0.13A/mm程度である。これに対し、n型不純物の不純物濃度が1.0×1017cm-3であるドリフト層31においては、順方向電圧が10Vの場合において、順方向電流が約2.2倍の0.29A/mm程度まで増加することが分かる。同様に、ドリフト層31のn型不純物の不純物濃度を、4.0×1017cm-3とした場合には、順方向電流が約4.8倍の0.62A/mm程度まで増加し、1.0×1018cm-3とした場合には、順方向電流が約7.5倍の0.98A/mm程度まで増加することが分かる。すなわち、ドリフト層31においては、n型不純物の不純物濃度、すなわち電子濃度を増加させることによって、ドリフト層31におけるオン抵抗が低減するので順方向電流を増加させることが可能になる。なお、ドリフト層31における電子移動度はたとえば300〜400cm2/Vsである。これによって、順方向サージ電流の発生時に、ドリフト層31を、順方向サージ電流を抜く電流経路の一部にすることができる。 In addition, the inventor examined the impurity concentration Nd of the n-type impurity doped in the drift layer 31 in the SBD 30 according to the above-described third embodiment. FIG. 8 is a graph showing the forward voltage dependence of the forward current, that is, the forward characteristic, in the SBD 30 according to the third embodiment. From FIG. 8, when the drift layer 31 is composed of an i-GaN layer that is not doped with n-type impurities, the forward current increases as the forward voltage increases, but when the forward voltage is 10V. The forward current is about 0.13 A / mm. On the other hand, in the drift layer 31 where the impurity concentration of the n-type impurity is 1.0 × 10 17 cm −3 , the forward current is about 2.2 times 0.29 A when the forward voltage is 10V. It turns out that it increases to about / mm. Similarly, when the impurity concentration of the n-type impurity of the drift layer 31 is 4.0 × 10 17 cm −3 , the forward current increases to about 0.62 A / mm, which is about 4.8 times, In the case of 1.0 × 10 18 cm −3 , it can be seen that the forward current increases to about 0.98 A / mm, which is about 7.5 times. In other words, in the drift layer 31, by increasing the impurity concentration of the n-type impurity, that is, the electron concentration, the on-resistance in the drift layer 31 is reduced, so that the forward current can be increased. Note that the electron mobility in the drift layer 31 is, for example, 300 to 400 cm 2 / Vs. Thereby, when the forward surge current is generated, the drift layer 31 can be made a part of a current path for extracting the forward surge current.

また、ドリフト層31におけるn型不純物の不純物濃度が大きすぎると、空乏層が広がらなくなってしまい、等電位面としてドリフト層31や電子走行層32のアノード電極17A側の領域において電界を強めることになる。そのため、ドリフト層31におけるn型不純物の不純物濃度の最大値は、SBD30に逆バイアスを印加した際にドリフト層31が空乏化する最大値から決定される。図9は、ドリフト層31における空乏層幅の逆バイアス依存性を示すグラフである。なお、図9におけるドリフト層31の空乏層幅は、たとえばアノード−カソード間距離が10μm以上、たとえば14.5μm程度のSBD30における水平方向に沿って空乏化する距離である。また、図9において矢印位置は、逆バイアスを600Vとした場合におけるドリフト層31に印加される電圧(300V程度)である。   In addition, if the impurity concentration of the n-type impurity in the drift layer 31 is too high, the depletion layer does not spread, and the electric field is strengthened in the region of the drift layer 31 or the electron transit layer 32 on the anode electrode 17A side as an equipotential surface. Become. Therefore, the maximum value of the impurity concentration of the n-type impurity in the drift layer 31 is determined from the maximum value at which the drift layer 31 is depleted when a reverse bias is applied to the SBD 30. FIG. 9 is a graph showing the reverse bias dependence of the depletion layer width in the drift layer 31. The depletion layer width of the drift layer 31 in FIG. 9 is a distance that is depleted along the horizontal direction in the SBD 30 in which the distance between the anode and the cathode is, for example, 10 μm or more, for example, about 14.5 μm. In FIG. 9, the arrow position is a voltage (about 300 V) applied to the drift layer 31 when the reverse bias is 600 V.

図9から、n型不純物濃度Ndが1.0×1018cm-3の場合には、空乏層幅が5000nm(5μm)程度であることが分かる。同様に、n型不純物濃度Ndが4.0×1017cm-3の場合には、空乏層幅が9000nm(9μm)程度、n型不純物濃度Ndが1.0×1017cm-3の場合には、空乏層幅が17500nm(17.5μm)程度にまでなることが分かる。すなわち、ドリフト層31のn型不純物濃度を、好適には1.0×1017cm-3以上1.0×1018cm-3以下の範囲内にすることで、SBD30に逆バイアスを印加した際にドリフト層31を全空乏化できるので、SBD30における耐圧の低下を抑制できる。 FIG. 9 shows that when the n-type impurity concentration Nd is 1.0 × 10 18 cm −3 , the depletion layer width is about 5000 nm (5 μm). Similarly, when the n-type impurity concentration Nd is 4.0 × 10 17 cm −3 , the depletion layer width is about 9000 nm (9 μm) and the n-type impurity concentration Nd is 1.0 × 10 17 cm −3 . It can be seen that the width of the depletion layer reaches about 17500 nm (17.5 μm). That is, the reverse bias is applied to the SBD 30 by setting the n-type impurity concentration of the drift layer 31 to be preferably in the range of 1.0 × 10 17 cm −3 to 1.0 × 10 18 cm −3 . At this time, the drift layer 31 can be fully depleted, so that a decrease in breakdown voltage in the SBD 30 can be suppressed.

以上説明した実施の形態3によれば、アノード電極35Aと電子走行層32との間に接合層33を介しているとともに、ドリフト層31を設けていることにより、順方向サージ電流の発生時に、接合層33の下層の電子走行層32の抵抗を下げることができる。また、GaN層における少数キャリアの拡散長は150〜300nm程度である。そこで、接合層33の下層の領域における電子走行層32の膜厚を300nm以下にする。これにより、順方向サージ電流が発生した時のみ、PN接合がオンされて、アノード電極35A、接合層33、電子走行層32、およびドリフト層31が接続されることで電流経路がオンされる。これによって、順方向サージ電流の発生時にのみ2DEG層A,a以外の領域を通じて順方向サージ電流を流すことができるので、実施の形態1,2と同様の効果を得ることができる。   According to the third embodiment described above, since the junction layer 33 is interposed between the anode electrode 35A and the electron transit layer 32 and the drift layer 31 is provided, when a forward surge current is generated, The resistance of the electron transit layer 32 below the bonding layer 33 can be lowered. Further, the diffusion length of minority carriers in the GaN layer is about 150 to 300 nm. Therefore, the film thickness of the electron transit layer 32 in the region below the bonding layer 33 is set to 300 nm or less. Thus, only when a forward surge current is generated, the PN junction is turned on, and the current path is turned on by connecting the anode electrode 35A, the junction layer 33, the electron transit layer 32, and the drift layer 31. Thus, since the forward surge current can flow through the region other than the 2DEG layers A and a only when the forward surge current is generated, the same effect as in the first and second embodiments can be obtained.

以上、本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。たとえば、上述の実施の形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いても良い。また、上述の実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。   Although the embodiments of the present invention have been specifically described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications based on the technical idea of the present invention are possible. For example, the numerical values given in the above embodiment are merely examples, and different numerical values may be used as necessary. Further, the present invention is not limited to the above-described embodiment. What was comprised combining each component mentioned above suitably is also contained in this invention. Further effects and modifications can be easily derived by those skilled in the art.

たとえば、上述の実施の形態においては、電子供給層をAlGaN超格子層としているが、AlGaN超格子層以外にも、複数のInuAlvGa1-u-vN層(0≦u<1、0<v≦1、0<u+v<1)を積層させて超格子層としたInAlGaN超格子層を採用することも可能である。また、上述の実施の形態において説明した以外にも、半導体装置における所望の特性に基づいた構造設計に応じて、電子供給層14に本発明の範囲に属する種々の擬似混晶構造を採用することが可能である。 For example, in the above-described embodiment, the electron supply layer is an AlGaN superlattice layer, but in addition to the AlGaN superlattice layer, a plurality of In u Al v Ga 1 -uv N layers (0 ≦ u <1, 0 It is also possible to employ an InAlGaN superlattice layer in which <v ≦ 1, 0 <u + v <1) is laminated to form a superlattice layer. In addition to those described in the above embodiment, various pseudo-mixed crystal structures belonging to the scope of the present invention are employed in the electron supply layer 14 in accordance with the structure design based on desired characteristics in the semiconductor device. Is possible.

また、上述の実施の形態においては、絶縁膜16の材料としてSiO2を用いているが、必ずしもこれに限定されるものではない。具体的に絶縁膜16の材料として、AlN、Al23、SiNx、酸化ガリウム(Ga23)、酸化タンタル(TaO3)、または酸窒化シリコン(SiON)を採用することも可能である。 In the above-described embodiment, SiO 2 is used as the material of the insulating film 16, but the material is not necessarily limited to this. Specifically, AlN, Al 2 O 3 , SiN x , gallium oxide (Ga 2 O 3 ), tantalum oxide (TaO 3 ), or silicon oxynitride (SiON) can be adopted as the material of the insulating film 16. is there.

また、ダイオードのアノード電極の下部電極層は、電子供給層を介して2DEG層とショットキー接触する電極である。そのため、上述したニッケル(Ni)やチタン(Ti)以外にも、たとえば白金(Pt)、パラジウム(Pd)、タングステン(W)、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、タンタル(Ta)、アルミニウム(Al)のうち少なくとも1つを含む金属膜、または、Ti、Ni、Pt、Pd、W、Au、Ag、Cu、Ta、Alのうち少なくとも1つを含む合金よりなる金属膜のうち、少なくとも1つを含む金属膜、または、Ti、W、Taのうち少なくとも1つを含む窒化物合金からなる金属膜など、上記条件を満たす金属材料であれば種々のものを用いても良い。また、ダイオードのアノード電極の上部電極層は、下部電極層より仕事関数の小さい金属からなり、この条件を満たす金属材料であれば種々のものを用いても良い。   The lower electrode layer of the anode electrode of the diode is an electrode that is in Schottky contact with the 2DEG layer through the electron supply layer. Therefore, besides nickel (Ni) and titanium (Ti) described above, for example, platinum (Pt), palladium (Pd), tungsten (W), gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), tantalum ( Ta), a metal film containing at least one of aluminum (Al), or a metal film made of an alloy containing at least one of Ti, Ni, Pt, Pd, W, Au, Ag, Cu, Ta, and Al Of these, various metal materials satisfying the above conditions, such as a metal film containing at least one or a metal film made of a nitride alloy containing at least one of Ti, W, and Ta may be used. good. The upper electrode layer of the anode electrode of the diode is made of a metal having a work function smaller than that of the lower electrode layer, and various materials may be used as long as the metal material satisfies this condition.

また、ダイオードのカソード電極の下部電極層は、電子供給層を介して2DEG層とオーミック接触する電極、または接触抵抗が十分に小さい電極である。ただし、本発明ではこれに限定されず、たとえばTi、Al、シリコン(Si)、鉛(Pb)、クロム(Cr)、In、Taのうち少なくとも1つを含む金属膜、Ti、Al、Si、Pb、Cr、In、Taのうち少なくとも1つを含む合金よりなる金属膜、または、Ti、Al、Si、Taのうち少なくとも1つを含むシリサイド合金よりなる金属膜、または、Ti、W、Taのうち少なくとも1つを含む窒化物合金よりなる金属膜などのうち、少なくとも1つを含む金属膜など、上記条件を満たす金属材料であれば如何なるものを用いても良い。   The lower electrode layer of the cathode electrode of the diode is an electrode that is in ohmic contact with the 2DEG layer through the electron supply layer, or an electrode having a sufficiently small contact resistance. However, the present invention is not limited thereto. For example, a metal film containing at least one of Ti, Al, silicon (Si), lead (Pb), chromium (Cr), In, Ta, Ti, Al, Si, Metal film made of an alloy containing at least one of Pb, Cr, In, Ta, or metal film made of a silicide alloy containing at least one of Ti, Al, Si, Ta, or Ti, W, Ta Any metal material satisfying the above conditions, such as a metal film including at least one of metal films made of a nitride alloy including at least one of them, may be used.

また、上述の実施の形態においては、電子走行層までエッチングして電子走行層のリセス部上に電極を形成しているが、必ずしもこれらに限定されるものではない。具体的には、電子走行層、電子供給層、およびエッチング犠牲層、さらに半導体層またはフィールドプレート層を含み、必要に応じてその他の層を含む半導体積層体のうちの少なくとも1層の上に電極を設けることが可能である。すなわち、半導体積層体を構成するその他の層の上に電極を設けても良い。具体的には、電子供給層の表面に、絶縁層、フィールドプレート層などの窒化物系半導体層、またはこれらの積層膜を介して、アノード電極またはカソード電極を設けることも可能である。   In the above-described embodiment, the electrodes are formed on the recesses of the electron transit layer by etching up to the electron transit layer. However, the present invention is not necessarily limited thereto. Specifically, an electrode is formed on at least one layer of a semiconductor laminate including an electron transit layer, an electron supply layer, an etching sacrificial layer, a semiconductor layer or a field plate layer, and other layers as necessary. Can be provided. That is, an electrode may be provided on another layer constituting the semiconductor stacked body. Specifically, an anode electrode or a cathode electrode can be provided on the surface of the electron supply layer via a nitride semiconductor layer such as an insulating layer or a field plate layer, or a laminated film thereof.

また、上述した実施の形態においては、電子供給層14上にエッチング犠牲層を設けていないが、必要に応じて、電子供給層14上に、電子供給層14の平均Al組成比Xより大きく、好適にはAl組成比Yが40%以上のAlYGa1-YNからなるエッチング犠牲層を設けることも可能である。この場合、エッチング犠牲層であるAlYGa1-YN層上に形成される半導体層のAl組成比が0または極めて小さい材料の場合、エッチングレートがエッチング犠牲層の約25倍以上と極めて大きくできる。また、エッチング犠牲層の膜厚は、エッチング速度の制御によって精密に制御できる膜厚以上のたとえば1nm以上、より好適には2nm以上が好ましく、結晶性の悪化を抑制できる12nm以下が好ましい。 In the above-described embodiment, the etching sacrificial layer is not provided on the electron supply layer 14, but if necessary, the electron supply layer 14 is larger than the average Al composition ratio X of the electron supply layer 14, It is also possible to provide an etching sacrificial layer made of Al Y Ga 1-Y N with an Al composition ratio Y of preferably 40% or more. In this case, when the Al composition ratio of the semiconductor layer formed on the Al Y Ga 1-Y N layer, which is the etching sacrificial layer, is 0 or an extremely small material, the etching rate is extremely large, about 25 times or more of the etching sacrificial layer. it can. Further, the thickness of the etching sacrificial layer is preferably not less than 1 nm, more preferably not less than 2 nm, more preferably not less than 12 nm which can be precisely controlled by controlling the etching rate, and preferably not more than 12 nm which can suppress deterioration of crystallinity.

10,20,30 ショットキーバリアダイオード(SBD)
11 基板
12 バッファ層
13,32 電子走行層
13a,13b,31a,32a リセス部
14 電子供給層
15 フィールドプレート層
16 絶縁膜
17A,35A アノード電極
17C,35C カソード電極
21,33 接合層
22 外部電源
31 ドリフト層
34 コンタクト層
10, 20, 30 Schottky barrier diode (SBD)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Board | substrate 12 Buffer layer 13, 32 Electron travel layer 13a, 13b, 31a, 32a Recess part 14 Electron supply layer 15 Field plate layer 16 Insulating film 17A, 35A Anode electrode 17C, 35C Cathode electrode 21, 33 Junction layer 22 External power supply 31 Drift layer 34 Contact layer

Claims (10)

基体と、
前記基体の上層に設けられた窒化物半導体からなる第1半導体層、および前記第1半導体層の上層に設けられるとともに前記第1半導体層よりも平均的にバンドギャップが広い窒化物半導体からなる第2半導体層を含む半導体積層体と、
前記半導体積層体を構成する半導体層のうちの少なくとも一部の層の上に設けられるアノード電極と、
前記半導体積層体を構成する半導体層のうちの少なくとも一部の層の上に前記アノード電極と離間して設けられるカソード電極と、
を備え、
前記アノード電極と前記カソード電極との間に順方向に電圧が印加された状態で、前記第1半導体層と前記第2半導体層との界面に生じる2次元電子ガスの生成領域以外の領域を通じて、前記アノード電極と前記カソード電極との間に電流が流れる電流経路を有する
ことを特徴とする窒化物半導体装置。
A substrate;
A first semiconductor layer made of a nitride semiconductor provided on the upper layer of the base, and a nitride semiconductor made of a nitride semiconductor provided on the upper layer of the first semiconductor layer and having an average wider band gap than the first semiconductor layer. A semiconductor laminate including two semiconductor layers;
An anode electrode provided on at least a part of the semiconductor layers constituting the semiconductor laminate;
A cathode electrode provided on and separated from the anode electrode on at least a part of the semiconductor layers constituting the semiconductor laminate;
With
Through a region other than the two-dimensional electron gas generation region generated at the interface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer with a voltage applied in a forward direction between the anode electrode and the cathode electrode, A nitride semiconductor device comprising a current path through which a current flows between the anode electrode and the cathode electrode.
前記半導体積層体が、前記第2半導体層の上層に選択的に設けられるとともに前記第2半導体層よりも平均的にバンドギャップが狭いAlxGa1-xNからなる第3半導体層をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体装置。 The semiconductor stacked body further includes a third semiconductor layer made of Al x Ga 1-x N, which is selectively provided on the second semiconductor layer and has an average band gap narrower than that of the second semiconductor layer. The nitride semiconductor device according to claim 1. 前記第3半導体層がn型不純物を含んだn型半導体からなり、前記第3半導体層の部分が前記電流経路の少なくとも一部を構成す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。   3. The nitride semiconductor according to claim 2, wherein the third semiconductor layer is made of an n-type semiconductor containing an n-type impurity, and a portion of the third semiconductor layer constitutes at least a part of the current path. apparatus. 前記第3半導体層の膜厚が20nmより大きく200nm以下であることを特徴とする請求項2または3に記載の窒化物半導体装置。   4. The nitride semiconductor device according to claim 2, wherein the thickness of the third semiconductor layer is greater than 20 nm and equal to or less than 200 nm. 前記第3半導体層に含まれるn型不純物の不純物濃度が3.0×1017cm-3以上3.0×1019cm-3以下であることを特徴とする請求項3または4に記載の窒化物半導体装置。 5. The impurity concentration of the n-type impurity contained in the third semiconductor layer is 3.0 × 10 17 cm −3 or more and 3.0 × 10 19 cm −3 or less. Nitride semiconductor device. 前記第3半導体層に含まれるn型不純物の不純物濃度が6.0×1017cm-3以上であることを特徴とする請求項3〜5のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置。 6. The nitride semiconductor device according to claim 3, wherein an impurity concentration of the n-type impurity contained in the third semiconductor layer is 6.0 × 10 17 cm −3 or more. 前記第3半導体層に含まれるn型不純物の不純物濃度が1.0×1019cm-3以下であることを特徴とする請求項3〜6のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device according to claim 3, wherein an impurity concentration of an n-type impurity contained in the third semiconductor layer is 1.0 × 10 19 cm −3 or less. 前記第1半導体層の上層に選択的にp型不純物を含むp型半導体からなる第4半導体層が設けられ、前記アノード電極および前記第4半導体層が電気的に接続されて、前記第4半導体層および前記第1半導体層の部分が、前記電流経路の少なくとも一部を構成することを特徴とする請求項1または2に記載の窒化物半導体装置。   A fourth semiconductor layer made of a p-type semiconductor containing a p-type impurity selectively is provided above the first semiconductor layer, and the anode electrode and the fourth semiconductor layer are electrically connected to form the fourth semiconductor. 3. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the layer and the portion of the first semiconductor layer constitute at least a part of the current path. 前記半導体積層体を構成する層の上層に選択的にp型不純物を含むp型半導体からなる第5半導体層が設けられているとともに、前記基体と前記第1半導体層との間に、n型不純物を含むn型半導体からなる第6半導体層が設けられ、前記第1半導体層、前記第5半導体層、および前記第6半導体層の部分から前記電流経路が構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の窒化物半導体装置。   A fifth semiconductor layer made of a p-type semiconductor containing a p-type impurity selectively is provided above the layer constituting the semiconductor stacked body, and an n-type is interposed between the base and the first semiconductor layer. A sixth semiconductor layer made of an n-type semiconductor containing an impurity is provided, and the current path is formed by the first semiconductor layer, the fifth semiconductor layer, and the sixth semiconductor layer. The nitride semiconductor device according to claim 1 or 2. 前記アノード電極がショットキー電極であるとともに、前記カソード電極がオーミック電極であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置。   The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the anode electrode is a Schottky electrode and the cathode electrode is an ohmic electrode.
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