(57)【要約】  窒化物半導体装置は、半導体基板１０１と、半導体基板の上に形成された窒化物半導体層１０２とを備えている。半導体基板１０１は、通常領域１０１Ａ、キャリア供給領域１０１Ｃ及び界面電流阻止領域１０１Ｂを有している。界面電流阻止領域は、通常領域及びキャリア供給領域を囲み、界面電流阻止領域とキャリア供給領域とは、それぞれ不純物を含む。キャリア供給領域は、窒化物半導体層と半導体基板との界面に形成されるキャリア層へのキャリアの供給源となり且つキャリアの排出先となる導電型を有する。界面電流阻止領域は、キャリアに対してポテンシャル障壁を形成する導電型を有する。
2012114393.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の上に形成された窒化物半導体層とを備え、
前記半導体基板は、通常領域、キャリア供給領域及び界面電流阻止領域を有し、
前記窒化物半導体層は、素子領域及び該素子領域を囲む素子分離領域を有し、
前記界面電流阻止領域は、前記通常領域及びキャリア供給領域を囲み、
前記界面電流阻止領域と前記キャリア供給領域とは、それぞれ不純物を含み、
前記素子領域の少なくとも一部は、前記通常領域の上方に形成され、
前記キャリア供給領域は、前記窒化物半導体層と前記半導体基板との界面に、前記窒化物半導体層と前記半導体基板との間に印加される電界に応じて形成されるキャリア層へのキャリアの供給源となり且つ前記キャリアの排出先となる導電型を有し、
前記界面電流阻止領域は、前記キャリアに対してポテンシャル障壁を形成する導電型を有する窒化物半導体装置。
【請求項２】
前記キャリア供給領域は、前記通常領域と同一の導電型であり、
前記キャリア供給領域の不純物濃度は、前記通常領域よりも高い請求項１に記載の窒化物半導体装置。
【請求項３】
前記キャリア供給領域は、前記通常領域と異なる導電型である請求項１に記載の窒化物半導体装置。
【請求項４】
前記キャリア供給領域は、前記通常領域と同一の導電型である第１のキャリア供給部と、前記通常領域と異なる導電型である第２のキャリア供給部とを有し、
前記第１のキャリア供給部の不純物濃度は、前記通常領域よりも高い請求項１に記載の窒化物半導体装置。
【請求項５】
前記第１のキャリア供給部と前記第２のキャリア供給部とは互いに間隔をおいて形成されている請求項４に記載の窒化物半導体装置。
【請求項６】
前記キャリア供給領域の不純物濃度は、１×１０16ｃｍ-3以上である請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項７】
前記キャリア供給領域は、前記半導体基板における前記素子領域の直下を除く部分に形成されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項８】
前記界面電流阻止領域は、前記通常領域と同一の導電型であり、
前記界面電流阻止領域の不純物濃度は、前記通常領域よりも高い請求項１〜７のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項９】
前記界面電流阻止領域は、前記通常領域と異なる導電型である請求項１〜７のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１０】
前記界面電流阻止領域は、前記通常領域と同一の導電型である第１の界面電流阻止部と、前記通常領域と異なる導電型である第２の界面電流阻止部とを有し、
前記第１の界面電流阻止部の不純物濃度は、前記通常領域よりも高い請求項１〜７のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１１】
前記第１の界面電流阻止部と前記第２の界面電流阻止部とは互いに間隔をおいて形成されている請求項１０に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１２】
前記界面電流阻止領域の不純物濃度は、１×１０16ｃｍ-3以上である請求項１〜１１のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１３】
前記界面電流阻止領域は、前記半導体基板における前記素子領域の直下を除く部分に形成されている請求項１〜１２のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１４】
前記窒化物半導体層は、第１の層と、該第１の層の上に形成され前記第１の層よりもバンドギャップが大きい第２の層とを有している請求項１〜１３のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１５】
前記窒化物半導体層の上に形成されたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極をさらに備えている請求項１〜１４のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１６】
前記窒化物半導体層の上に形成されたカソード電極及びアノード電極をさらに備えている請求項１〜１４のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１７】
前記半導体基板の前記窒化物半導体層と反対側の面に形成された裏面電極と、
前記窒化物半導体層及び半導体基板を貫通し、前記裏面電極と接続された貫通電極とをさらに備えている請求項１〜１６のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１８】
前記貫通電極は、前記半導体基板の上面において、前記界面電流阻止領域に囲まれている請求項１７に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１９】
前記貫通電極は、前記界面電流阻止領域を貫通するように形成されている請求項１７に記載の窒化物半導体装置。
【請求項２０】
前記素子領域と前記キャリア供給領域とは、平面視において位置がずれている請求項１〜１９のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、窒化物半導体装置に関し、特に電源回路に用いるパワートランジスタ等として適用可能な窒化物半導体を用いた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）に代表される窒化物半導体は、高周波用半導体装置又は高出力半導体装置の材料として注目されている。窒化物半導体を用いた半導体装置を形成する基板としてシリコン（Ｓｉ）基板等を用いることが検討されている。Ｓｉ基板は容易に大口径化することが可能であり、窒化物半導体を成長させる基板としてＳｉ基板を用いれば、窒化物半導体を用いた半導体装置のコストを大きく低減できる。【０００３】
Ｓｉ基板上に窒化物半導体を用いた半導体装置を形成した場合、Ｓｉ基板の電位がデバイス動作に影響を及ぼす。このため、Ｓｉ基板の電位を安定化するために、Ｓｉ基板の裏面に裏面電極を形成し、ソース電極又はドレイン電極と接続することが行われている。裏面電極とソース電極又はドレイン電極とを電気的に接続すると、ソース電極又はドレイン電極と裏面電極との間に高電圧がかかる。このため、半導体装置の縦方向耐圧を大きくする必要がある。Ｓｉ基板上に形成された半導体装置の縦方向耐圧は、Ｓｉ基板上に成長した窒化物半導体層の耐圧と、Ｓｉ基板の耐圧とによって決まる。窒化物半導体層の耐圧を大きくするには、窒化物半導体層の膜厚を厚くする必要がある。しかし、Ｓｉと窒化物半導体とは格子定数及び熱膨張係数が大きく異なるため、Ｓｉ基板上に形成できる窒化物半導体の膜厚には限界がある。【０００４】
このため、耐圧が大きいＳｉ基板を用いることにより、半導体装置の縦方向耐圧を大きくすることが検討されている（例えば、特許文献１を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２１７０４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、本願発明者らはＳｉ基板の耐圧を大きくしても半導体装置の縦方向耐圧がほとんど変化しないことを見出した。また、Ｓｉ基板だけでなく炭化珪素（ＳｉＣ）基板及び砒化ガリウム（ＧａＡｓ）基板等の他の半導体の基板においても同様の問題が生じることを見出した。さらに、半導体装置の縦方向耐圧を大きくできない原因が、半導体装置のスイッチング特性及び高周波特性等の電気的特性にも影響を与えることを見出した。【０００７】
本開示は、本願発明者らが見出した知見に基づき、半導体基板を用いた場合において、縦方向耐圧及び電気的特性を向上した窒化物半導体装置を実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するため、本開示は窒化物半導体装置を、電界に応じてキャリアの供給源となると共にキャリアの排出先となる導電型を有するキャリア供給領域を半導体基板に設けた構成とする。【０００９】
具体的に、例示の窒化物半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の上に形成された窒化物半導体層とを備え、半導体基板は、通常領域、キャリア供給領域及び界面電流阻止領域を有し、窒化物半導体層は、素子領域及び該素子領域を囲む素子分離領域を有し、界面電流阻止領域は、通常領域及びキャリア供給領域を囲み、界面電流阻止領域とキャリア供給領域とは、それぞれ不純物を含み、素子領域の少なくとも一部は、通常領域の上方に形成され、キャリア供給領域は、窒化物半導体層と半導体基板との界面に、窒化物半導体層と半導体基板との間に印加される電界に応じて形成されるキャリア層へのキャリアの供給源となり且つキャリアの排出先となる導電型を有し、界面電流阻止領域は、キャリアに対してポテンシャル障壁を形成する導電型を有する。【００１０】
例示の窒化物半導体装置は、窒化物半導体層と半導体基板との間に印加される電界に応じて形成されるキャリア層へのキャリアの供給源となり且つキャリアの排出先となる導電型を有するキャリア供給領域を半導体基板に設けている。このため、半導体装置のオン状態とオフ状態とを切り換える際に、キャリア層の生成及び消滅が速やかに行われる。従って、窒化物半導体装置のスイッチング特性及び高周波特性等を向上することができる。また、界面に生成されるキャリアに対してポテンシャル障壁を形成する導電型を有する界面電流阻止領域を有しているため、界面に電流パスが形成されにくくなる。従って、窒化物半導体装置の縦方向耐圧を向上することも可能となる。【００１１】
例示の窒化物半導体装置において、キャリア供給領域は通常領域と同一の導電型であり、キャリア供給領域の不純物濃度は通常領域よりも高い構成としてもよい。また、キャリア供給領域は通常領域と異なる導電型としてもよい。【００１２】
さらに、キャリア供給領域は通常領域と同一の導電型である第１のキャリア供給部と、通常領域と異なる導電型である第２のキャリア供給部とを有し、第１のキャリア供給部は不純物濃度を通常領域よりも高い構成としてもよい。この場合において、第１のキャリア供給部と第２のキャリア供給部とは互いに間隔をおいて形成されていることが好ましい。【００１３】
例示の窒化物半導体装置において、キャリア供給領域の不純物濃度は、１×１０16ｃｍ-3以上であることが好ましい。【００１４】
例示の窒化物半導体装置において、キャリア供給領域は半導体基板における素子領域の直下を除く部分に形成されていることが好ましい。【００１５】
例示の半導体装置において、界面電流阻止領域は通常領域と同一の導電型であり、界面電流阻止領域の不純物濃度は通常領域よりも高い構成としてもよい。また、界面電流阻止領域は通常領域と異なる導電型としてもよい。【００１６】
さらに、界面電流阻止領域は通常領域と同一の導電型である第１の界面電流阻止部と、通常領域と異なる導電型である第２の界面電流阻止部とを有し、第１の界面電流阻止部の不純物濃度は通常領域よりも高い構成としてもよい。この場合において、第１の界面電流阻止部と第２の界面電流阻止部とは互いに間隔をおいて形成されていることが好ましい。【００１７】
例示の窒化物半導体装置において、界面電流阻止領域の不純物濃度は、１×１０16ｃｍ-3以上であることが好ましい。【００１８】
例示の窒化物半導体装置において、界面電流阻止領域は、半導体基板における素子領域の直下を除く部分に形成されていることが好ましい。【００１９】
例示の窒化物半導体装置において、窒化物半導体層は、第１の層と、該第１の層の上に形成され第１の層よりもバンドギャップが大きい第２の層とを有していてもよい。【００２０】
例示の窒化物半導体装置は、窒化物半導体層の上に形成されたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極をさらに備えていてもよく、窒化物半導体層の上に形成されたカソード電極及びアノード電極をさらに備えていてもよい。【００２１】
例示の窒化物半導体装置は、半導体基板の窒化物半導体層と反対側の面に形成された裏面電極と、窒化物半導体層及び半導体基板を貫通し、裏面電極と接続された貫通電極とをさらに備えていてもよい。【００２２】
例示の窒化物半導体装置において、貫通電極は、半導体基板の上面において、界面電流阻止領域に囲まれていることが好ましい。【００２３】
例示の窒化物半導体装置において、貫通電極は、界面電流阻止領域を貫通するように形成されていることが好ましい。【００２４】
例示の窒化物半導体装置において、素子領域とキャリア供給領域とは、平面視において位置がずれていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本開示の半導体装置によれば、半導体基板を用いた場合において、窒化物半導体装置の縦方向耐圧向上と優れたスイッチング特性又は高周波特性とを両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は一実施形態に係る半導体装置を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は一実施形態に係る半導体装置の変形例を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のIIｂ−IIｂ線における断面図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は一実施形態に係る半導体装置の変形例を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のIIIｂ−IIIｂ線における断面図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は一実施形態に係る半導体装置の変形例を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のIVｂ−IVｂ線における断面図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は一実施形態に係る半導体装置の変形例を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＶｂ−Ｖｂ線における断面図である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は一実施形態に係る半導体装置の変形例を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のVIｂ−VIｂ線における断面図である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は一実施形態に係る半導体装置の変形例を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のVIIｂ−VIIｂ線における断面図である。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は一実施形態に係る半導体装置の変形例を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のVIIIｂ−VIIIｂ線における断面図である。
【図９】（ａ）及び（ｂ）は一実施形態に係る半導体装置の変形例を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のIXｂ−IXｂ線における断面図である。
【図１０】（ａ）及び（ｂ）は一実施形態に係る半導体装置の変形例を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＸｂ−Ｘｂ線における断面図である。
【図１１】（ａ）及び（ｂ）は一実施形態に係る半導体装置の変形例を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のXIｂ−XIｂ線における断面図である。
【図１２】（ａ）及び（ｂ）は一実施形態に係る半導体装置の変形例を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のXIIｂ−XIIｂ線における断面図である。
【図１３】（ａ）及び（ｂ）は一実施形態に係る半導体装置の変形例を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のXIIIｂ−XIIIｂ線における断面図である。
【図１４】（ａ）及び（ｂ）は一実施形態に係る半導体装置の変形例を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のXIVｂ−XIVｂ線における断面図である。
【図１５】半導体基板上に複数の半導体素子を形成する場合の例を示す平面図である。
【図１６】半導体基板上に複数の半導体素子を形成する場合の例を示す平面図である。
【図１７】半導体基板上に複数の半導体素子を形成する場合の例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本明細書においてＡｌＧａＮとは、３元混晶ＡｌxＧａ1-xＮ（但し０≦ｘ≦１）のことを表す。多元混晶はそれぞれの構成元素記号の配列、例えばＡｌＩｎＮ、ＧａＩｎＮ等と略記する。例えば、窒化物半導体ＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（但し０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）はＡｌＧａＩｎＮと略記する。また、アンドープとは、不純物が意図的に導入されていないことを意味する。
【００２８】
まず、本願発明者らが見出した、半導体基板の耐圧と半導体装置の縦方向耐圧との関係について説明する。
【００２９】
まず、評価用半導体装置としてキャリア（不純物）濃度が異なる種々のｐ型Ｓｉ基板及びｎ型Ｓｉ基板の上に所定の膜厚の窒化物半導体層を形成し、形成した評価用半導体装置の縦方向耐圧を測定した。評価用半導体装置の縦方向耐圧は、Ｓｉ基板の縦方向耐圧と窒化物半導体層の縦方向耐圧の合計値となることが予測される。Ｓｉは、そのキャリア濃度により破壊耐圧が大きく変化することが知られている。一般に、Ｓｉはキャリア濃度が低いほど空乏層の幅が大きくなるため、破壊耐圧が大きくなる傾向がある。従って、キャリア濃度が低いＳｉ基板上に形成した評価用半導体装置の縦方向耐圧が高くなることが期待される。しかし、測定により得られた評価用半導体装置の縦方向耐圧の値は、Ｓｉ基板のキャリア濃度に依存せずほぼ一定となった。これは、評価用半導体装置の縦方向耐圧にＳｉ基板の縦方向耐圧がほとんど寄与していないことを示している。
【００３０】
さらに、本願発明者らは評価用半導体装置について電気容量の測定を行った。これにより、ｐ型Ｓｉ基板上に形成した窒化物半導体層において、ｐ型Ｓｉ基板を基準として窒化物半導体層に正の電圧を印加すると、ｐ型Ｓｉ基板と窒化物半導体層との界面付近のｐ型Ｓｉがｎ型に反転し、高濃度の電子反転層が形成されることを見出した。また、ｐ型Ｓｉ基板を基準として窒化物半導体層に負の電圧を印加すると、ｐ型Ｓｉ基板と窒化物半導体層との界面に正孔蓄積層が形成されることを見出した。
【００３１】
同様に、ｎ型Ｓｉ基板上に形成した窒化物半導体においては、ｎ型Ｓｉ基板を基準として窒化物半導体層に負の電圧を印加すると、ｎ型Ｓｉ基板と窒化物半導体の界面付近のｎ型半導体層がｐ型に反転し、高濃度の正孔反転層が形成されることを見出した。また、ｎ型Ｓｉ基板を基準として窒化物半導体層に正の電圧を印加すると、ｎ型Ｓｉ基板と窒化物半導体層の界面に電子蓄積層が形成されることを見出した。
【００３２】
窒化物半導体層とＳｉ基板との界面に電子反転層、電子蓄積層、正孔反転層及び正孔蓄積層といったキャリア層が形成されると、窒化物半導体層とＳｉ基板との界面においてＳｉ基板の側面に達する電流パスが形成される。このため、窒化物半導体層に縦方向の電圧を印加すると、電流はＳｉ基板内ではなく、窒化物半導体層とＳｉ基板との界面に形成された電流パス及びＳｉ基板の側面を伝って流れる。従って、Ｓｉ基板の縦方向耐圧は半導体装置の縦方向耐圧にほとんど寄与しない。
【００３３】
また、電界の印加に応じて生じるキャリア層の生成及び消滅に遅延が生じることにより、半導体装置のスイッチング特性及び高周波特性が劣化してしまうという現象も認められた。
【００３４】
このような、窒化物半導体とＳｉ基板の界面におけるキャリア層の形成は、窒化物半導体層をＳｉ基板上に結晶成長する技術が向上したことにより検出が可能となったと考えられる。結晶成長技術の向上により、高い結晶性を有する窒化物半導体をＳｉ基板上に成長することが可能となった。これにより、Ｓｉ基板と窒化物半導体層との界面において組成の切り替わりが狭い範囲で生じるようになり、いわゆる界面急峻性が向上したことにより、キャリア層が生じると考えられる。
【００３５】
以上説明したように、窒化物半導体層とＳｉ基板との界面に生じる電流パスの影響を抑えることにより縦方向耐圧を向上することが可能となる。また、窒化物半導体層とＳｉ基板との界面におけるキャリア層の生成速度及び消滅速度を速くすることにより、スイッチング特性及び高周波特性を向上することが可能となる。
【００３６】
以下に、縦方向耐圧並びにスイッチング特性及び高周波特性を向上した半導体装置について詳細に説明する。
【００３７】
図１（ａ）及び（ｂ）は一実施形態に係る半導体装置であり、（ａ）は平面構成を示し、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面構成を示している。図１に示すように本実施形態の半導体装置は、ヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）であり、半導体基板１０１と、半導体基板１０１の上に形成された窒化物半導体層１０２とを有している。本実施形態において半導体基板１０１は、主面の面方位が（１１１）面であるｐ型Ｓｉ基板である。窒化物半導体層１０２は、半導体基板１０１の主面上に順次形成されたバッファ層１２１と、チャネル層１２２と、キャップ層１２３とを有している。バッファ層１２１は、例えば窒化物半導体であるＡｌＮからなる。チャネル層１２２は、例えば厚さが１μｍのアンドープＧａＮからなる。キャップ層１２３は、例えば厚さが２５ｎｍのアンドープＡｌＧａＮからなる。キャップ層１２３のＡｌ組成比は２５％程度とすればよい。
【００３８】
窒化物半導体層１０２は、素子領域１０２Ａと素子領域１０２Ａを囲むように形成された素子分離領域１０２Ｂとを有している。素子分離領域１０２Ｂは、キャップ層１２３とチャネル層１２２との界面よりも下側に達するように形成され、素子領域１０２Ａよりも高抵抗な領域である。素子分離領域１０２Ｂは、例えばアルゴン等の非導電性の不純物をイオン注入することにより形成すればよい。
【００３９】
素子領域１０２Ａの上には、ソース電極１３１、ドレイン電極１３２及びゲート電極１３３が形成されている。ソース電極１３１及びドレイン電極１３２はキャップ層１２３とチャネル層１２２との界面に形成される２次元電子ガス層とオーミック接合している。ソース電極１３１及びドレイン電極１３２は、例えばチタンとアルミニウムとの積層膜等とすればよい。ゲート電極１３３はキャップ層１２３とショットキー接合している。ゲート電極１３３は、例えばニッケルと金との積層膜とすればよい。ゲート電極１３３は、素子領域１０２Ａを横断し、素子分離領域１０２Ｂに跨るように形成されている。なお、ソース電極１３１及びドレイン電極１３２についても同様の構成としてもよい。
【００４０】
窒化物半導体層１０２の表面を覆うように、厚さが２００ｎｍの窒化シリコン（ＳｉＮ）からなるパッシベーション膜１４１が形成されている。半導体基板１０１における窒化物半導体層１０２と反対側の面（裏面）には、アルミニウム等からなる裏面電極１３５が形成されている。裏面電極１３５は配線（図示せず）等によりソース電極１３１と接続されている。
【００４１】
半導体基板１０１は、通常領域１０１Ａ、界面電流阻止領域１０１Ｂ及びキャリア供給領域１０１Ｃを有している。界面電流阻止領域１０１Ｂ及びキャリア供給領域はそれぞれ、通常領域１０１Ａよりも高濃度の不純物を含み、界面電流阻止領域はｐ型不純物を含み、キャリア供給領域１０１Ｃはｎ型不純物を含む。通常領域１０１Ａ及びキャリア供給領域１０１Ｃは、界面電流阻止領域１０１Ｂに囲まれている。キャリア供給領域１０１Ｃと界面電流阻止領域１０１Ｂとは、互いに間隔をおいて形成されている。キャリア供給領域と界面電流阻止領域とは双方とも不純物濃度が高いので、互いに間隔をおいて形成されている方が好ましい。但し、キャリア供給領域１０１Ｃと界面電流阻止領域１０１Ｂとが接していてもよい。図１において、通常領域１０１Ａ、界面電流阻止領域１０１Ｂ及びキャリア供給領域１０１Ｃは、バッファ層１２１と接している。キャリア供給領域１０１Ｃはドレイン電極１３２の外側方に形成されており、キャリア供給領域１０１Ｃの直上には素子分離領域１０２Ｂが形成されている。界面電流阻止領域１０１Ｂは、半導体基板１０１の側面に露出している。
【００４２】
次に、本実施形態の半導体装置の動作について説明する。ソース電極１３１と裏面電極１３５とが接続されている場合において、ソース電極１３１の電位を基準として、ドレイン電極１３２に正の電圧が印加されている場合を考える。この場合、ゲート電極１３３に負の電圧が印加されると、ＨＦＥＴはオフ状態となるため、ドレイン電極１３２から半導体基板１０１に向かって電界が形成される。これにより、ｐ型の半導体基板１０１とバッファ層１２１との界面に電子反転層が形成される。一方、ゲートに正の電圧が印加されると、ＨＦＥＴはオン状態となるため、ドレイン電極１３２から半導体基板１０１に向かって形成された電界はほぼ０となり、ｐ型の半導体基板１０１とバッファ層１２１との界面に形成された電子反転層は消滅する。ＨＦＥＴのスイッチング特性及び高周波特性を向上するためには、ＨＦＥＴのオン状態とオフ状態との遷移の際に、電子反転層の形成と消滅とが素早く行われることが好ましい。
【００４３】
本実施形態の半導体装置は、高濃度のｎ型不純物を含むキャリア供給領域１０１Ｃを有している。このため、ゲート電極１３３に負の電圧が印加された際には、キャリア供給領域１０１Ｃから電子反転層を形成する電子が供給される。一方、ゲート電極１３３に正の電圧が印加された際には、電子反転層を形成する電子がキャリア供給領域１０１Ｃへ排出される。その結果、電子反転層の形成と消滅とが素早く行われ、ＨＦＥＴのスイッチング特性及び高周波特性が向上する。
【００４４】
キャリア供給領域１０１Ｃは、ＨＦＥＴのオン状態とオフ状態との遷移の際に、窒化物半導体層１０２と半導体基板１０１との界面に生成されるキャリアである電子の供給源及び排出先となることができればよい。このため、半導体基板１０１がｐ型の場合、キャリア供給領域１０１Ｃはｎ型不純物を含み、ｎ型不純物の濃度を通常領域１０１Ａのｐ型不純物の濃度よりも高くすればよい。具体的には、ｎ型不純物の濃度を１×１０16ｃｍ-3以上とすればよい。ｎ型不純物の濃度は高い方が好ましいが、高くしすぎるとイオン注入等が困難となり、基板の結晶性等にも影響が出るため１×１０21ｃｍ-3程度以下とすることが好ましい。なお、半導体基板１０１がｎ型の場合にも、キャリア供給領域はｎ型不純物を含んでいればよく、ｎ型不純物の濃度を通常領域１０１Ａのｎ型不純物の濃度よりも高くすればよい。
【００４５】
本実施形態の半導体装置は、高濃度のｐ型不純物を含む界面電流阻止領域１０１Ｂを有している。界面電流阻止領域１０１Ｂは、電子に対してポテンシャル障壁となる。従って、バッファ層１２１と半導体基板１０１との界面に電子反転層が形成されている場合においても、界面に電流パスが生じることが抑えられ、半導体基板１０１の側面に電流が到達できなくなる。その結果、リーク電流は半導体基板１０１を縦方向に貫通するように流れるようになり、半導体装置の縦方向耐圧に半導体基板１０１の縦方向耐圧が寄与することになり、半導体装置の縦方向耐圧を大幅に向上することが可能となる。
【００４６】
本実施形態の半導体装置においては、半導体装置の縦方向耐圧は、窒化物半導体層１０２の縦方向耐圧と半導体基板１０１の縦方向耐圧とによって決まる。窒化物半導体層１０２の膜厚が一定の場合には、半導体装置の縦方向耐圧は半導体基板１０１の縦方向耐圧が大きいほど大きくなる。半導体基板１０１の縦方向耐圧は、半導体基板１０１の厚さと、半導体基板１０１に含まれる不純物の濃度とによって決まる。半導体基板１０１に含まれる不純物濃度が低いほど、半導体基板１０１の縦方向耐圧は高くなる。従って、半導体基板１０１の不純物濃度は低い方が好ましい。半導体基板１０１がＳｉ基板である場合には、通常領域１０１Ａの不純物濃度は１×１０12ｃｍ-3程度〜１×１０16ｃｍ-3程度とすることが好ましい。
【００４７】
本実施形態の半導体装置においては、界面電流阻止領域１０１Ｂは、電子に対してポテンシャル障壁となればよい。従って、半導体基板１０１がｐ型である場合、界面電流阻止領域１０１Ｂは通常領域１０１Ａよりもｐ型不純物の濃度が高い領域であればよい。通常領域１０１Ａに含まれるｐ型不純物の濃度が１×１０12ｃｍ-3程度〜１×１０16ｃｍ-3程度の場合には、１×１０16ｃｍ-3程度以上とすればよい。さらに、ポテンシャル障壁としての機能を高めるためには、１×１０18ｃｍ-3程度以上とすることが好ましく、さらに好ましくは１×１０19ｃｍ-3程度以上とすればよい。不純物濃度は高い方が好ましいが、高くしすぎるとイオン注入等が困難となり、基板の結晶性等にも影響が出るため１×１０21ｃｍ-3程度以下とすることが好ましい。
【００４８】
図１において、素子領域１０２Ａは通常領域１０１Ａの直上に形成されており、キャリア供給領域１０１Ｃの直上には素子分離領域１０２Ｂが形成されている。従って、素子領域１０２Ａとキャリア供給領域１０１Ｃとは平面視においてずれた位置に形成されている。キャリア供給領域１０１Ｃは不純物濃度が高いため、縦方向の電界に対して弱いと考えられる。このため、キャリア供給領域１０１Ｃの直上に、チャネルが形成されていない方が好ましい。従って、素子領域１０２Ａのうち少なくともソース電極１３１とドレイン電極１３２との間の部分は、通常領域１０１Ａの直上に形成されていることが好ましい。しかし、素子領域１０２Ａの一部がキャリア供給領域１０１Ｃの直上に形成されていても問題ない。特に、キャリア供給領域１０１Ｃの不純物濃度が低い場合には、キャリア供給領域１０１Ｃの直上にチャネルを形成する場合もあり得る。なお、通常領域１０１Ａの直上とは、通常領域１０１Ａの上側における平面視において通常領域１０１Ａと重なり合う位置であり、キャリア供給領域１０１Ｃの直上とは、キャリア供給領域１０１Ｃの上側における平面視においてキャリア供給領域１０１Ｃと重なり合う位置である。
【００４９】
また、図１においてキャリア供給領域１０１Ｃは、ドレイン電極１３２の外側方に形成されている。しかし、図２に示すようにキャリア供給領域１０１Ｃは、ソース電極１３１の外側方に形成されていてもよく、図３に示すようにソース電極１３１の外側方とドレイン電極１３２の外側方とのそれぞれに形成されていてもよい。図１〜図３には、キャリア供給領域１０１Ｃをソース電極１３１又はドレイン電極１３２に沿って配置した例を示したが、図４に示すように、ソース電極１３１とドレイン電極１３２とを結ぶ方向にもキャリア供給領域１０１Ｃを形成してかまわない。図４においては、４つの独立したキャリア供給領域１０１Ｃが形成されている例を示しているが、全てのキャリア供給領域１０１Ｃが接続され、平面視において素子領域１０２Ａを囲むようにしてもよい。また、キャリア供給領域１０１Ｃを平面Ｌ字状としてもよい。図５に示すように、複数の島状のキャリア供給領域１０１Ｃを形成してもよい。図５においては、島状のキャリア供給領域１０１Ｃが、素子領域１０２Ａを囲むように形成しているが、ソース電極１３１又はドレイン電極１３２に沿った方向にだけ形成してもよい。
【００５０】
界面電流阻止領域１０１Ｂは、素子領域１０２Ａ中を縦方向に流れ、窒化物半導体層１０２と半導体基板１０１との界面に達した電流が、窒化物半導体層１０２と半導体基板１０１との界面を横方向に流れて、半導体基板１０１の側面に達しないようにできればよい。このため、界面電流阻止領域１０１Ｂは、素子領域１０２Ａを囲むように形成すればよい。また、窒化物半導体層１０２における電流の拡がりを考慮すると、界面電流阻止領域１０１Ｂが半導体基板１０１の側面に達している方が好ましい。また、半導体基板１０１を縦方向に電流が流れる経路を形成するためには、素子領域１０２Ａの直下が界面電流阻止領域１０１Ｂではなく、通常領域１０１Ａであることが好ましい。なお、素子領域１０２Ａの直下とは、素子領域１０２Ａの下側における平面視において素子領域１０２Ａと重なり合う位置をいう。但し、素子領域１０２Ａの直下の一部が界面電流阻止領域１０１Ｂとなっていても問題ない。
【００５１】
界面電流阻止領域１０１Ｂと通常領域１０１Ａとの境界は、電界の局所的な集中を抑制するため、角がない形状とすることが好ましい。例えば、図１（ａ）に示すように、平面形状は角部が面取りされ曲線となった長方形状、角丸長方形状又は長円形状等とすることが好ましい。また、図１（ｂ）に示すように断面形状についても、面取りされた形状又は楕円扇形状等の角がない形状とすることが好ましい。
【００５２】
また、図６に示すようにソース電極１３１と裏面電極１３５とを接続する貫通電極１３９を設けてもよい。貫通電極１３９を形成する場合には、図６に示すように貫通電極１３９が半導体基板１０１の上面において界面電流阻止領域１０１Ｂに取り囲まれているようにすることが好ましい。窒化物半導体層１０２と半導体基板１０１との界面に達した電流が、窒化物半導体層１０２と半導体基板１０１との界面を横方向に流れて貫通電極１３９に達すると、その電流が貫通電極１３９を介して縦方向に流れるおそれがある。また、貫通電極１３９を縦方向に流れる電流が、窒化物半導体層１０２と半導体基板１０１との界面において横方向に流れるおそれもある。しかし、図６に示すような構成とすることにより、窒化物半導体層１０２と半導体基板１０１との界面を横方向に流れる電流が貫通電極１３９に達することを抑えることができる。また、窒化物半導体層１０２と半導体基板１０１との界面において、貫通電極１３９から横方向に電流が流れることを抑えることも可能となる。なお、図７、図８、図９及び図１０に示すように、キャリア供給領域１０１Ｃをどのような配置とする場合にも、貫通電極１３９を形成することができる。
【００５３】
本実施形態において、ソース電極１３１を基準としてドレイン電極１３２に正の電圧が印加される場合について説明した。しかし、半導体装置の用途によっては、ソース電極１３１とドレイン電極１３２との間のチャネルを閉じた状態において、ソース電極１３１を基準としてドレイン電極１３２に負の電圧が印加される場合もある。この場合には、半導体基板１０１からドレイン電極１３２に向かって電界が形成される。これにより、バッファ層１２１と半導体基板１０１との界面には正孔蓄積領域が形成される。この場合には、キャリア供給領域１０１Ｃは、キャリアである正孔の供給及び排出ができるようにｐ型不純物を含む領域とすればよい。また、界面電流阻止領域１０１Ｂは、正孔に対してポテンシャル障壁となるようにｎ型不純物を含む領域とすればよい。
【００５４】
半導体基板１０１がｐ型の場合、キャリア供給領域１０１Ｃは通常領域１０１Ａよりもｐ型不純物の濃度が高ければよい。具体的には、不純物濃度が１×１０16ｃｍ-3以上であることが望ましい。キャリア供給領域１０１Ｃのｐ型不純物の濃度は高い方が好ましいが、高くしすぎるとイオン注入等が困難となり、基板の結晶性等にも影響が出るため１×１０21ｃｍ-3程度以下とすることが好ましい。なお、半導体基板１０１がｎ型の場合にも、キャリア供給領域１０１Ｃはｐ型不純物を含んでいればよく、ｐ型不純物の濃度を通常領域１０１Ａのｎ型不純物の濃度よりも高くすればよい。
【００５５】
界面電流阻止領域１０１Ｂにおけるｎ型不純物の濃度は、窒化物半導体層１０２と半導体基板１０１との間に生成されるキャリアに対するポテンシャル障壁が形成できればどのような値であってもよい。例えば、１×１０16ｃｍ-3程度以上とすればよい。さらに、ポテンシャル障壁としての機能を高めるためには、１×１０18ｃｍ-3程度以上とすることが好ましく、さらに好ましくは１×１０19ｃｍ-3程度以上とすればよい。不純物濃度は高い方が好ましいが、高くしすぎると基板の結晶性等に影響が出るため１×１０21ｃｍ-3程度以下とすることが好ましい。
【００５６】
なお、ソース電極１３１を基準としてドレイン電極１３２に負の電圧を印加する場合には、ドレイン電極１３２と裏面電極１３５とを接続する貫通電極を形成してもよい。
【００５７】
ドレイン電極１３２に正の電圧が印加される状態と、負の電圧が印加される状態とを切り換える動作が要求される場合がある。この場合には、図１１に示すようにｎ型不純物を含む第１のキャリア供給部１１３とｐ型不純物を含む第２のキャリア供給部１１４とを形成すればよい。これにより、半導体基板１０１と窒化物半導体層１０２との界面に電子と正孔のどちらのキャリアが形成されても、キャリアの形成と消滅とを素早く行うことが可能となる。
【００５８】
界面電流阻止領域についても、ｎ型不純物を含む第１の界面電流阻止部１１１とｐ型不純物を含む第２の界面電流阻止部１１２とを形成すればよい。第１の界面電流阻止部１１１は正孔に対してポテンシャル障壁となり、第２の界面電流阻止部１１２は電子に対してポテンシャル障壁となる。従って、ドレイン電極１３２に正の電圧が印加された状態においても、ドレイン電極１３２に負の電圧が印加された状態においても、バッファ層１２１と半導体基板１０１との界面に電流パスが生じることを抑えることができる。
【００５９】
この場合にも、図１２に示すように貫通電極１３９を設けることができる。図１２において、貫通電極１３９は、半導体基板１０１の上面において外側に形成された第１の界面電流阻止部１１１に囲まれている。このため、窒化物半導体層１０２と半導体基板１０１との界面において貫通電極１３９から、横方向に電流が流れることも抑えることができる。
【００６０】
図１１及び図１２において第１の界面電流阻止部１１１が第２の界面電流阻止部１１２よりも外側に形成された例を示したが、第２の界面電流阻止部１１２が第１の界面電流阻止部１１１よりも外側に形成されていてもよい。また、第１の界面電流阻止部１１１と第２の界面電流阻止部１１２とは互いに間隔をおいて形成されていることが好ましい。第１の界面電流阻止部１１１と第２の界面電流阻止部１１２とを間隔をおいて形成した場合には、第１の界面電流阻止部１１１と第２の界面電流阻止部１１２との界面においてトンネル電流が流れることを抑えることができる。
【００６１】
図１１及び図１２においては、第１の界面電流阻止部１１１及び第２の界面電流阻止部１１２がそれぞれ１つずつ形成されている例を示したが、第１の界面電流阻止部１１１と第２の界面電流阻止部１１２とは交互に複数形成されていてもよい。
【００６２】
図１１及び図１２においては、第１のキャリア供給部１１３及び第２のキャリア供給部１１４がそれぞれ複数形成されている例を示したが、第１のキャリア供給部１１３及び第２のキャリア供給部１１４がそれぞれ形成されていれば、それぞれの個数に限定はない。
【００６３】
全ての例において、半導体基板の上に形成する半導体素子はＨＦＥＴ等のトランジスタに限らない。例えば、ダイオードとしてもよい。この場合には、図１３に示すように、素子領域１０２Ａの上にアノード電極１３７とカソード電極１３８とを形成すればよい。キャリア供給領域１０１Ｃの配置は、図２〜図５と同様にアノード１３７側としたり、素子領域１０２Ａを囲むようにしたりしてもよい。キャリア供給領域１０１Ｃの導電型は、ダイオードに印加する電圧に応じて適宜選択すればよい。界面電流阻止領域１０１Ｂの導電型は、裏面電極１３５をアノード電極１３７と接続する場合にはｐ型とすればよく、カソード電極１３８と接続する場合にはｎ型とすればよい。半導体素子がダイオードの場合にも、図１４に示すように、貫通電極１３９を設けることができる。
【００６４】
また、窒化物半導体によりチャネル層及びキャップ層を形成したトランジスタ及びダイオードの例を示したが、他のトランジスタやダイオードでもよい。例えば、窒化物半導体を用いたバイポーラトランジスタ、ＰＮ接合ダイオード及びＰＩＮ接合ダイオード等としてもよい。
【００６５】
図１〜図１４において、半導体基板の上に１つの半導体素子が形成されている例を示した。しかし、半導体基板の上に複数の半導体素子が形成されている場合にも同様の効果が得られる。この場合、図１５及び図１６に示すように、複数の素子領域１０２Ａを囲むように半導体基板の外縁部に界面電流阻止領域１０１Ｂを形成すればよい。この場合には、キャリア供給領域１０１Ｃは、図１５に示すように、それぞれの素子領域１０２Ａを囲むように形成してもよいし、図１６に示すように、複数の素子領域１０２Ａを囲むように形成してもよい。また、図１７に示すようにそれぞれの素子領域１０２Ａを囲むように界面電流阻止領域１０１Ｂを形成してもよい。この場合には、キャリア供給領域１０１Ｃはそれぞれの素子領域１０２Ａを囲むように形成すればよい。図１５〜図１７には界面電流阻止領域及びキャリア供給領域のそれぞれが、１つの導電型の領域からなる例を示したが、界面電流阻止領域及びキャリア供給領域のそれぞれが、ｎ型不純物を含む領域とｐ型不純物を含む領域とを有している構成としてもよい。第１の界面電流阻止部と第２の界面電流阻止部とを形成する場合には、一方は素子領域１０２Ａのそれぞれを囲み、もう一方は複数の素子領域１０２Ａをまとめて囲む構成としてもよい。
【００６６】
なお、素子領域１０２Ａの数は特に限定されない。図１５〜図１７においては、全ての素子領域１０２Ａにトランジスタが形成されている例を示したが、１つ以上の素子領域１０２Ａにダイオード等の他の素子が形成されていてもよい。
【００６７】
素子領域１０２Ａを複数形成する場合にも、キャリア供給領域１０１Ｃの形状は特に限定されず、いくつかのキャリア供給領域が一体となっていても、全てのキャリア供給領域が一体となっていてもよい。また、島状のキャリア供給領域を複数形成してもよい。
【００６８】
このように、界面電流阻止領域及びキャリア供給領域が形成された半導体基板上に、複数の半導体素子を形成してインバータ又はコンバータ等の集積装置を形成すれば、集積装置の耐圧を大幅に向上させ、優れたスイッチング動作や高周波動作が可能となる。
【００６９】
全ての例において、半導体基板がＳｉ基板である例を示した。しかし、Ｓｉ基板に代えて炭化珪素（ＳｉＣ）基板、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）基板、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）基板等を用いてもよい。また、半導体基板がｐ型である場合について説明したが、半導体基板はｎ型であってもよい。半導体基板がＳｉ基板である場合には、ｐ型の不純物はホウ素（Ｂ）等とすればよく、ｎ型の不純物はリン（Ｐ）等とすればよい。
【００７０】
全ての例において、素子分離領域がバッファ層に達していない例を示した。しかし、素子分離領域はバッファ層に達していてもよい。さらに、半導体基板に達していてもよい。素子分離領域は、アルゴン（Ａｒ）等の導電型に寄与しない不純物を注入することにより形成すればよい。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本開示の半導体装置は、半導体基板の上に形成された窒化物半導体を用いた半導体装置において縦方向耐圧とスイッチング特性及び高周波特性を向上することができ、特に電源回路に用いるパワートランジスタ等として適用可能な窒化物半導体装置として有用である。
【符号の説明】
【００７２】
１０１      半導体基板
１０１Ａ    通常領域
１０１Ｂ    界面電流阻止領域
１０１Ｃ    キャリア供給領域
１０２      窒化物半導体層
１０２Ａ    素子領域
１０２Ｂ    素子分離領域
１１１      第１の界面電流阻止部
１１２      第２の界面電流阻止部
１１３      第１のキャリア供給部
１１４      第２のキャリア供給部
１２１      バッファ層
１２２      チャネル層
１２３      キャップ層
１３１      ソース電極
１３２      ドレイン電極
１３３      ゲート電極
１３５      裏面電極
１３７      アノード電極
１３８      カソード電極
１３９      貫通電極
１４１      パッシベーション膜
【図１】
2012114393.tif 000003
【図２】
2012114393.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2012114393.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
2012114393.tif 000019
【国際調査報告】
2012114393.tif 000020
2012114393.tif 000021
2012114393.tif 000022
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