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公開番号2025177924
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-12-05
出願番号2024085086
出願日2024-05-24
発明の名称半導体素子
出願人新電元工業株式会社
代理人めぶき弁理士法人
主分類H10D 30/47 20250101AFI20251128BHJP()
要約【課題】ノーマリオフ型でありながら、オン抵抗の増大が抑制された半導体素子を提供する。
【解決手段】半導体素子100は、第1GaN層111とAl_xGa_1-xN(0<x≦1)層112aと第2Al_xGa_1-xN(0<x≦1)層112bと第2GaN層113とp型GaN層114とを有する。第1Al_xGa_1-xN層112aは、無ゲートバイアス状態において、第1GaN層111と第1Al_xGa_1-xN層112aとの間のヘテロ界面に2次元電子ガス21が形成されない厚さに形成される。第2Al_xGa_1-xN層122bは、無ゲートバイアス状態において、第1GaN層111と第2Al_xGa_1-xN層112bとの間のヘテロ界面に2次元電子ガス21が形成される厚さに形成されている。第1Al_xGa_1-xN層112aは、少なくともゲート電極115が形成された領域に形成されている。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
第１ＧａＮ層と、
前記第１ＧａＮ層の上に形成された第１Ａｌ
ｘ
Ｇａ
１－ｘ
Ｎ（０＜ｘ≦１）層と、
前記第１ＧａＮ層の上に前記第１Ａｌ
ｘ
Ｇａ
１－ｘ
Ｎ層と隣接して形成された第２Ａｌ
ｘ
Ｇａ
１－ｘ
Ｎ（０＜ｘ≦１）層と、
前記第１Ａｌ
ｘ
Ｇａ
１－ｘ
Ｎ層及び前記第２Ａｌ
ｘ
Ｇａ
１－ｘ
Ｎ層の上に形成された第２ＧａＮ層と、
前記第２ＧａＮ層の上に形成されたｐ型ＧａＮ層と、
前記第２Ａｌ
ｘ
Ｇａ
１－ｘ
Ｎ層の上に形成されたソース電極と、
前記第２Ａｌ
ｘ
Ｇａ
１－ｘ
Ｎ層の上に形成されたドレイン電極と、
前記ｐ型ＧａＮ層と電気的に接続されたゲート電極と、を有し、
前記ｐ型ＧａＮ層は、前記第２ＧａＮ層の上の前記ソース電極側の領域に島状に形成され、
前記第１Ａｌ
ｘ
Ｇａ
１－ｘ
Ｎ層は、無ゲートバイアス状態において、前記第１ＧａＮ層と前記第１Ａｌ
ｘ
Ｇａ
１－ｘ
Ｎ層との間のヘテロ界面の近傍における前記第１ＧａＮ層の部分に２次元電子ガスが形成されない厚さに形成され、
前記第２Ａｌ
ｘ
Ｇａ
１－ｘ
Ｎ層は、無ゲートバイアス状態において、前記第１ＧａＮ層と前記第２Ａｌ
ｘ
Ｇａ
１－ｘ
Ｎ層との間のヘテロ界面の近傍における前記第１ＧａＮ層の部分に２次元電子ガスが形成される厚さに形成され、
前記第１Ａｌ
ｘ
Ｇａ
１－ｘ
Ｎ層は、少なくとも前記ゲート電極が形成された領域に形成されていること、を特徴とする半導体素子。
続きを表示（約 190 文字）【請求項２】
請求項１に記載の半導体素子であって、
前記第１Ａｌ
ｘ
Ｇａ
１－ｘ
Ｎ層は、前記第２ＧａＮ層が形成された領域に形成されていること、を特徴とする半導体素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体素子であって、
ノーマリオフ型ＧａＮ系電界効果トランジスタであること、を特徴とする半導体素子。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子に関する。
続きを表示（約 2,100 文字）【背景技術】
【０００２】
高周波特性に優れる半導体素子として、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）の開発が行われている。ＨＥＭＴの一つとして、ＧａＮ層の上に、Ａｌ
ｘ
Ｇａ
１－ｘ
Ｎ（０＜ｘ≦１）（以下、「ＡｌＧａＮ」と記すことがある。）の薄膜を結晶成長させることにより形成されたＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合を有するＧａＮ系電界効果トランジスタが挙げられる。ＧａＮ系電界効果トランジスタにおいては、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ接合面に、移動度が高い２次元電子が集まって形成された２次元電子ガス（以下、「２ＤＥＧ」と記すことがある。）の層が形成される。２ＤＥＧは、ＧａＮ層とＡｌ
ｘ
Ｇａ
１－ｘ
Ｎ層とのヘテロ界面を自由に移動することができる（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２０１３－２３９７３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ構造を有するＧａＮ系電界効果トランジスタにおいては、しきい値電圧は負の値を取ることが多い。しきい値電圧が負の値である場合、ノーマリオン型となる。ところが、ＧａＮ系電界効果トランジスタをスイッチング素子として使用する場合、特に大電力を取り扱う分野で使用する場合には、ゲートに正電圧を与えた場合に導通するノーマリオフ型の素子である方が好ましい。
【０００５】
ＧａＮ系電界効果トランジスタにおいて、ノーマリオフ化するために、例えば、Ａｌ
ｘ
Ｇａ
１－ｘ
Ｎ層の厚さを薄くする、Ａｌ
ｘ
Ｇａ
１－ｘ
Ｎ層のＡｌの組成比を小さくする、等の方法があげられる。
【０００６】
図８は、Ａｌ
ｘ
Ｇａ
１－ｘ
Ｎ層９１２の厚さを薄くすることによりノーマリオフ化したＧａＮ系電界効果トランジスタ９００を示す図である。図９は、Ａｌ
ｘ
Ｇａ
１－ｘ
Ｎ層９１２の厚さを薄くすることによりノーマリオフ化したＧａＮ系電界効果トランジスタ９００におけるオン抵抗Ｒonを説明するために示す図である。
【０００７】
図８に示すＧａＮ系電界効果トランジスタ９００は、基板９１０と、基板９１０の上に形成された第１ＧａＮ層９１１と、第１ＧａＮ層９１１の上に形成されたＡｌ
ｘ
Ｇａ
１－ｘ
Ｎ（０＜ｘ≦１）層９１２（以下、単に「Ａｌ
ｘ
Ｇａ
１－ｘ
Ｎ層９１２」と記すことがある。）と、Ａｌ
ｘ
Ｇａ
１－ｘ
Ｎ層９１２の上に形成された第２ＧａＮ層９１３と、第２ＧａＮ層９１３の上に形成されたｐ型ＧａＮ層９１４とを有する。
【０００８】
図８に、ＧａＮ系電界効果トランジスタ９００において、ゲートバイアス状態で、第１ＧａＮ層９１１とＡｌ
ｘ
Ｇａ
１－ｘ
Ｎ層９１２との間のヘテロ界面の近傍における第１ＧａＮ層９１１の部分に形成される２次元電子ガス２１（以下、「２ＤＥＧ２１」と記すことがある。）を黒い丸で示す。また、ゲートバイアス状態において、第２ＧａＮ層９１３とＡｌ
ｘ
Ｇａ
１－ｘ
Ｎ層９１２との間のヘテロ界面の近傍における第２ＧａＮ層９１３の部分に形成される２次元正孔ガス２２（以下、「２ＤＨＧ２２」と記すことがある。）を白い丸で示す。
【０００９】
Ａｌ
ｘ
Ｇａ
１－ｘ
Ｎ層９１２は、無ゲートバイアス状態において、第１ＧａＮ層９１１とＡｌ
ｘ
Ｇａ
１－ｘ
Ｎ層９１２との間のヘテロ界面の近傍における第１ＧａＮ層９１１の部分に２ＤＥＧ２１が形成されない厚さに形成されている。これにより、ＧａＮ系電界効果トランジスタ９００をノーマリオフ型として機能させることができる。
【００１０】
ドレイン－ソース間のオン抵抗Ｒonは、下式で表される。
TIFF
2025177924000002.tif
19
170
ただし、Ｒc-sourceはソース電極９１６の抵抗を、Ｒac１はアクセス抵抗であってソース電極９１６とゲート電極９１５との間の部分の抵抗を、Ｒch-gateはゲート電極９１５の部分の抵抗を、Ｒch-PSJはＰＳＪ領域の抵抗を、Ｒac2はアクセス抵抗であってＰＳＪ領域とドレイン電極９１７との間の部分の抵抗を、Ｒc-drainはドレイン電極９１７の抵抗を、それぞれ示す。
（【００１１】以降は省略されています）

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