[发明专利]氮化物系半导体装置

说明书

技术领域

本发明涉及具有MOS构造的常关型的氮化物类的半导体装置。

背景技术

一直以来，在高频器件用半导体元件中，采用了氮化镓（GaN）类化合物半导体装置（以下称作GaN系半导体元件）作为半导体材料。在GaN系半导体元件中，在衬底的表面上例如设置有使用有机金属化学汽相沉积（MOCVD：Metal－Organic Chemical Vapor Deposirion）法形成的缓冲层、和掺入了杂质的电子渡越层。最近，根据“从除了高频用途以外，还能够应用于功率用半导体元件（功率器件）”的认识，进行处理高耐压、大电流的GaN系半导体元件的研究。

在专利文献1记载了具有MOS构造的氮化镓系半导体元件。图21示出专利文献1所记载的具有MOS构造的氮化镓系半导体元件的概略结构图。如图21所示，以往的氮化镓系半导体元件1000在衬底1012上，隔着用于层叠GaN晶体的缓冲层1014，层叠有作为电子渡越层发挥作用的GaN层1016和作为电子供给层发挥作用的AlGaN层1020，从而形成了异质结构造。在图21的氮化镓系半导体中，利用形成于GaN层1016和AlGaN层1020的界面正下方（GaN层1016的表面）的二维电子气（2DEG：Two Dimensional Electron Gas、以下称作2DEG）作为载流子。

在AlGaN层1020的表面的一部分形成有凹槽部1021。在该凹槽部1021上，隔着栅绝缘膜1022配置有栅电极1028，构成MOS（n型MOS）构造（MOSFET部）。

在向栅电极1028施加电压时，电子聚集到与栅绝缘膜1022接触的GaN层1016的表面，形成MOS沟道（变为导通状态），与形成于GaN层1016和AlGaN层1020的界面的2DEG层1018电连接，变为对源电极1024与漏电极1026之间进行了电导通的状态。

此外，在MOS沟道为截止状态的情况下，向源电极1024与漏电极1026之间施加电压时，能够从栅极端部起耗尽2DEG层1018从而维持高耐压，作为大功率且高耐压的半导体元件来发挥作用。因此，近年来，作为高频且高效的功率用半导体元件，不断进行了氮化物系半导体元件的开发。以往，主要开发了栅极部成为肖特基接合的被称作所谓的HEMT的器件。这样的器件由于绝缘栅比较容易实现驱动电路，并且容易用于在施加到MOSFET部的栅极电压为0V的情况（不施加栅极电压的情况）下变为电截止状态的所谓的常关型器件，因此受到关注。

由于用作功率用半导体元件，因此有高速动作、且导通电阻较低的突出优点。另一方面，可知在要耗尽2DEG层1018时，在MOSFET部的漏侧端部1023集中较大电场，从而有时频繁发生损坏栅绝缘膜1022的不良情况。可知其原因是因为：由于高电场而产生的空穴集中到栅绝缘膜1022和接近栅绝缘膜1022的AlGaN层1020/GaN层1016界面，从而施加到漏电极1026的电压基本被施加到栅绝缘膜1022。

并且，即使在不被损坏时，在长时间范围内向漏电极1026持续施加较大电压的情况下，对栅绝缘膜1022长时间施加高电场，有时会产生其特性随时间经过而劣化这样的可靠性上的问题。

为了防止该情况，考虑将2DEG的电子浓度设为2×10¹²cm^－2左右以下的浓度。由此2DEG容易被耗尽，能够得到维持耐压的效果。但是，在降低2DEG的浓度时，2DEG层1018部分的导通电阻变大，因此作为元件整体的的导通电阻上升，有失去作为本来的氮化物系半导体的优点的不足之处。

此外，作为其他方法，可列举如下方法：在栅电极1028的漏侧端部，使栅电极1028延长至被称作场板的比栅绝缘膜1022厚的绝缘膜上，从而缓和较薄的栅绝缘膜1022部分的电场。但是，在该方法中，可知在2DEG的电子浓度为3×10¹²cm^-2以上的情况下，难以保护栅绝缘膜1022。

进而，作为又一方法，可列举如下方法：通过将GaN层1016设为p型，将集中到栅绝缘膜1022周边的空穴排出到p型区域，从而容易耗尽2DEG层1018。该方法例如非专利文献1所示，通过控制其受主浓度，使耗尽层容易扩展，从而有能够实现高耐压的优点。但是，一般而言，难以形成氮化镓的p型层，而且在1×10¹⁷cm^-3左右进行浓度控制是非常困难的。尤其是在衬底1012由硅形成的情况下，难以得到p型层自身。即，需要被很大程度限制的浓度范围、衬底晶体的选择。