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公開番号2025168232
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-11-07
出願番号2025028427
出願日2025-02-25
発明の名称半導体装置
出願人サンケン電気株式会社
代理人
主分類H10D 30/47 20250101AFI20251030BHJP()
要約【課題】スイッチング速度が向上したPSJ構造を備えたHEMTを得る。
【解決手段】第1窒化物半導体層12と、第1窒化物半導体層12のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第2窒化物半導体層13と、第2窒化物半導体層13のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを有する第3窒化物半導体層14と、を具備し、ドレイン電極22及びソース電極21は第3窒化物半導体層14と直接接しておらず、第1窒化物半導体層12上に形成され、ゲート電極24はドレイン電極11とソース電極21の間において、第3窒化物半導体層14に形成され、ゲート電極24とドレイン電極22の間において、第3窒化物半導体層14の上に局所的に形成された補助電極25を具備
する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
第１の主電極と第２の主電極との間に流れる電流が制御電極の電位で制御される半導体装置であって、
第１窒化物半導体層と、
前記第１窒化物半導体層上に設けられ前記第１窒化物半導体層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第２窒化物半導体層と、
前記第２窒化物半導体層の上面の一部に設けられ前記第２窒化物半導体層のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを有する第３窒化物半導体層と、
を具備し、
前記第１の主電極及び前記第２の主電極は前記第３窒化物半導体層と直接接しておらず、前記第１窒化物半導体層上に形成され、
前記制御電極は、前記第１の主電極と前記第２の主電極の間において、前記第３窒化物半導体層上に形成され、
前記制御電極と前記第１の主電極の間において、前記第３窒化物半導体層の上に局所的に形成された補助電極を具備することを特徴とする半導体装置。
続きを表示（約 910 文字）【請求項２】
第１の主電極と第２の主電極との間に流れる電流が制御電極の電位で制御される半導体装置であって、
第１窒化物半導体層と、
前記第１窒化物半導体層上に設けられ前記第１窒化物半導体層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第２窒化物半導体層と、
前記第２窒化物半導体層の上面の一部に設けられ前記第２窒化物半導体層のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを有する第３窒化物半導体層と、
を具備し、
前記第１の主電極及び前記第２の主電極は前記第３窒化物半導体層と直接接しておらず、前記第１窒化物半導体層上に形成され、
前記制御電極は、前記第１の主電極と前記第２の主電極の間において、前記第３窒化物半導体層上に形成され、
前記制御電極と前記第１の主電極の間において、前記第３窒化物半導体層の上にｐ型の第４窒化物半導体層を間に介して局所的に形成された補助電極を具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記補助電極と前記制御電極とが接続されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１の主電極には前記第２の主電極よりも正側の電位が印加され、
前記電流をオフした状態において、前記補助電極には、前記制御電極の電位よりも大きく前記第１主電極の電位未満の電位が印加されることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第３窒化物半導体層と前記第１の主電極の間の前記第２窒化物半導体層上において、絶縁層を介してフィールドプレート電極を具備することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記フィールドプレート電極と前記補助電極が接続されたことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
平面視において、前記第１の主電極から前記第２の主電極に向かう第１の方向に垂直な第２の方向において、前記補助電極は分散されて複数配置されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、窒化物半導体のヘテロ接合を用いた半導体装置の構造に関する。
続きを表示（約 3,300 文字）【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体（ＧａＮやその混晶半導体）のヘテロ接合を用いた半導体装置として、例えばＨＥＭＴ（ＨｉｇｈＥｌｅｃｔｒｏｎＭｏｂｉｌｉｔｙＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が知られている。このような半導体装置には、オフ時におけるソース・ドレイン間の耐圧が要求される。また、窒化物半導体を用いたＨＥＭＴにおける問題点として電流コラプス現象が知られているが、電流コラプス現象を低減するためにはドレイン・ゲート間の局所的な電界集中を緩和させることが有効であるといわれている。
【０００３】
窒化物半導体を用いたＨＥＭＴ構造の一例として、例えば特許文献１に記載されたようなＰＳＪ（ＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＳｕｐｅｒＪｕｎｃｔｉｏｎ：分極超接合）構造がある。図８（ａ）は、ＰＳＪ構造を備えたＧａＮ－ＨＥＭＴの構造を簡略化して示す断面図であり、図８（ｂ）はこれに対応してその動作原理を示す図である。図８（ａ）に示された半導体装置９においては、例えばサファイアで構成された基板１１上に、例えばノンドープのＧａＮで構成された窒化物半導体層（第１窒化物半導体層１２）がエピタキシャル成長で形成される。第１窒化物半導体層１２の上には、第１窒化物半導体層１２（ＧａＮ）よりもバンドギャップの広いノンドープのＡｌＧａＮ（正確にはＡｌ
１－ｘ
Ｇａ
ｘ
Ｎ：０＜ｘ＜１）で構成された窒化物半導体層（第２窒化物半導体層１３）が形成されている。
【０００４】
第２窒化物半導体層１３の上には、第１窒化物半導体層１２と同様のノンドープのＧａＮで構成された窒化物半導体層（第３窒化物半導体層１４）が形成されている。ここで、第２窒化物半導体層１３の左右両側、かつ第１窒化物半導体層１２上にはそれぞれソース電極（第２の主電極）２１、ドレイン電極（第１の主電極）２２が接続されている。第３窒化物半導体層１４は、第２窒化物半導体層１３の上に局所的に形成され、第３窒化物半導体層１４とソース電極２１、ドレイン電極２２との間にはシリコン酸化膜で構成された絶縁層２３が設けられる。また、第３窒化物半導体層１４におけるソース電極２１側の上には、ｐ型のＧａＮ（ｐ－ＧａＮ）で構成された窒化物半導体層（導電性窒化物半導体層１５）を介して、ゲート電極（制御電極）２４が形成されている。導電性窒化物半導体層１５は、ゲート電極２４と第３窒化物半導体層１４との間で良好なｐｎ接合を形成するために設けられ、これによって、ゲート電極２４直下のチャネルのオン・オフの制御が容易となる。
【０００５】
この構造において、第１窒化物半導体層１２、第２窒化物半導体層１３、第３窒化物半導体層１４からなるヘテロ構造（分極超接合部）においては、図８（ｂ）に示されるように、ピエゾ効果による自発分極によって、第１窒化物半導体層１２と第２窒化物半導体層１３との界面近傍の第１窒化物半導体層１２内に、電子Ｅが平面状に蓄積された２次元電子ガスが形成されると共に、第２窒化物半導体層１３と第３窒化物半導体層１４との界面近傍の第３窒化物半導体層１４内に、ホールＨが平面状に蓄積された２次元ホールガスがそれぞれ形成される。上記の構造においては、オン状態においては、ソース電極２１とドレイン電極２２の間は２次元電子ガスのチャネルで接続され、電流が流れる。一方、上側の２次元ホールガスはソース電極２１、ドレイン電極２２とは接続されない。
【０００６】
ゲート電極２４を負電位とすることによって、ゲート電極２４直下の２次元電子ガスは消滅し、半導体装置９はオフ状態となる。ターンオフにおいて、２次元電子ガスを構成する電子Ｅがドレイン電極２２側に移動し、２次元ホールガスを構成するホールＨがゲート電極２４へと移動する。これにより、ゲート電極２４からドレイン電極２２方向への第３窒化物半導体層１４内における電界強度が略均一化され、ゲート電極２４直下等で局所的に電界強度が高まることが低減される。これによってこの半導体装置９の耐圧を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
特開２０２３－１２３１６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
耐圧の側面から考慮すると、ＰＳＪ構造はドレイン電極２２の近くまで形成することが望ましい。しかし、図８（ｂ）のようなＰＳＪ構造を用いた半導体装置のターンオフ時において、２次元ホールガスのホールＨはゲート電極２４へと移動するがホールＨの移動度（速度に対応）は電子Ｅの移動度の１／４程度と小さい。ゲート電極２４にオフ信号を印加しても、ドレイン電極２２側に存在したホールＨがゲート電極２４へ到達する移動時間は比較的長くなってしまい、ＰＳＪ構造のＨＥＭＴのスイッチング速度を高めることは困難であった。
【０００９】
本開示は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本開示は、第１の主電極と第２の主電極との間に流れる電流が制御電極の電位で制御される半導体装置であって、第１窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層上に設けられ前記第１窒化物半導体層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第２窒化物半導体層と、前記第２窒化物半導体層の上面の一部に設けられ前記第２窒化物半導体層のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを有する第３窒化物半導体層と、を具備し、前記第１の主電極及び前記第２の主電極は前記第３窒化物半導体層と直接接しておらず、前記第１窒化物半導体層上に形成され、前記制御電極は、前記第１の主電極と前記第２の主電極の間において、前記第３窒化物半導体層上に形成され、前記制御電極と前記第１の主電極の間において、前記第３窒化物半導体層の上に局所的に形成された補助電極を具備する。
本開示は、第１の主電極と第２の主電極との間に流れる電流が制御電極の電位で制御される半導体装置であって、第１窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層上に設けられ前記第１窒化物半導体層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第２窒化物半導体層と、前記第２窒化物半導体層の上面の一部に設けられ前記第２窒化物半導体層のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを有する第３窒化物半導体層と、を具備し、前記第１の主電極及び前記第２の主電極は前記第３窒化物半導体層と直接接しておらず、前記第１窒化物半導体層上に形成され、前記制御電極は、前記第１の主電極と前記第２の主電極の間において、前記第３窒化物半導体層上に形成され、前記制御電極と前記第１の主電極の間において、前記第３窒化物半導体層の上にｐ型の第４窒化物半導体層を間に介して局所的に形成された補助電極を具備する。
前記補助電極と前記制御電極とが接続されていてもよい。
前記第１の主電極には前記第２の主電極よりも正側の電位が印加され、前記電流をオフした状態において、前記補助電極には、前記制御電極の電位よりも大きく前記第１主電極の電位未満の電位が印加されていてもよい。
前記第３窒化物半導体層と前記第１の主電極の間の前記第２窒化物半導体層上において、絶縁層を介してフィールドプレート電極を具備してもよい。
前記フィールドプレート電極と前記補助電極が接続されていてもよい。
平面視において、前記第１の主電極から前記第２の主電極に向かう第１の方向に垂直な第２の方向において、前記補助電極は分散されて複数配置されていてもよい。
【発明の効果】
（【００１１】以降は省略されています）

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