JP2016207934A - Nitride semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化物半導体装置に関し、詳しくは、窒化物半導体層上にソース電極とドレイン電極およびゲート電極が形成された窒化物半導体装置に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor device, and more particularly to a nitride semiconductor device in which a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode are formed on a nitride semiconductor layer.
従来の窒化物半導体装置としては、図10に示すように、チャネル層と障壁層を含むヘテロ構造を有するGaN系電界効果トランジスタがあり、トランジスタ素子表面に絶縁膜を有する電界効果トランジスタに関し、障壁層表面に絶縁膜を堆積することにより、表面準位の数を減らして、ヘテロ界面における分極効果を増大し、2次元電子ガス濃度が高くなり、高い出力を得ることができるというものである(例えば、特開2013-229493公報(特許文献)参照)。 As a conventional nitride semiconductor device, as shown in FIG. 10, there is a GaN field effect transistor having a hetero structure including a channel layer and a barrier layer, and the field effect transistor having an insulating film on the surface of the transistor element. By depositing an insulating film on the surface, the number of surface states is reduced, the polarization effect at the heterointerface is increased, the two-dimensional electron gas concentration is increased, and a high output can be obtained (for example, JP, 2013-229493, A (patent documents)).
なお、図10において、601はSi基板、602はバッファ層、603はチャネル層としてのアンドープGaN層、604は障壁層としてのアンドープAlGaN層、605は絶縁膜、606は2次元電子ガス(2DEG)、607はソース電極、608はゲート電極、609はドレイン電極である。 In FIG. 10, 601 is a Si substrate, 602 is a buffer layer, 603 is an undoped GaN layer as a channel layer, 604 is an undoped AlGaN layer as a barrier layer, 605 is an insulating film, and 606 is a two-dimensional electron gas (2DEG). 607 is a source electrode, 608 is a gate electrode, and 609 is a drain electrode.
ところで、上記従来の窒化物半導体装置では、素子に高電圧が印加された状態で、大電流が流れた(短絡した)場合、電圧×電流のエネルギーがかかることにより素子が一気に発熱し、素子の劣化や破壊を起こしてしまうという問題がある。 By the way, in the conventional nitride semiconductor device, when a large current flows (short circuit) in a state where a high voltage is applied to the element, the element generates heat at a stretch by applying energy of voltage × current. There is a problem of causing deterioration and destruction.
例えば、ノーマリオンのGaN系HFET(Hetero-junction Field Effect Transistor;ヘテロ接合電界効果トランジスタ)において、ゲート電極に−10Vを印加し続けているオフ状態において、ソース電極に0Vを印加すると共にドレイン電極に400Vを印加した際に、何らかの要因によりソース電極・ドレイン電極間で短絡して数A〜数百Aの大電流が素子に流れた場合、その瞬間に数kW〜数百kWのエネルギーが素子にかかることで一気に発熱を起こし、素子が破壊してしまう。 For example, in a normally-on GaN HFET (Hetero-junction Field Effect Transistor), in the OFF state where -10 V is continuously applied to the gate electrode, 0 V is applied to the source electrode and the drain electrode is applied. When 400 V is applied, if a large current of several A to several hundred A flows through the element due to a short circuit between the source electrode and the drain electrode due to some factor, energy of several kW to several hundred kW is instantaneously applied to the element. As a result, heat is generated at once and the device is destroyed.
一般的に、インバータ回路等、使用環境によっては、負荷や電源の異常変動によりトランジスタ素子が短絡状態となることがあり、保護回路が働くまでの時間の間は、短絡状態でもトランジスタが壊れないことが求められている。Siデバイスでは、従来、高電圧(例えば400V)が印加された状態で大電流が流れた(短絡した)場合、10μsec以上、デバイスが壊れないことが求められたが、デバイス性能向上に伴うチップ面積の縮小により、単位面積当たりの発熱量が大きくなり、10μsec以上の短絡時間を確保することが困難になってきている。 In general, depending on the usage environment such as an inverter circuit, the transistor element may be short-circuited due to abnormal fluctuations in the load or power supply, and the transistor will not break even in the short-circuit state until the protection circuit works. Is required. Conventionally, in Si devices, when a large current flows (short-circuited) when a high voltage (for example, 400 V) is applied, it has been required that the device does not break for 10 μsec or more. Due to this reduction, the amount of heat generated per unit area increases, and it has become difficult to ensure a short circuit time of 10 μsec or more.
特にGaNは、その材料物性の優位性から、Siデバイスと比較して大幅な高耐圧/低抵抗化が期待され、そのチップ面積縮小に伴い、短絡時間の増大が大きな課題となっており、短絡時の発熱抑制、発熱分散が重要となる。 In particular, GaN is expected to have a significantly higher breakdown voltage / lower resistance than Si devices due to its superior material properties, and as the chip area shrinks, the increase in short-circuit time has become a major issue. Suppression of heat generation and dispersion of heat generation are important.
そこで、本発明の課題は、耐圧特性を確保しつつ、短絡時に発生するエネルギーを低減することにより、素子の発熱量を低減して、短絡耐量を向上でき、素子の信頼性を向上できる窒化物半導体装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to reduce the amount of heat generated during a short circuit while ensuring the breakdown voltage characteristics, thereby reducing the amount of heat generated by the element, improving the short circuit resistance, and improving the reliability of the element It is to provide a semiconductor device.
前記課題を解決するため、本発明の窒化物半導体装置は、
チャネル層と障壁層と超格子層とを含むヘテロ構造を有する窒化物半導体層と、
上記窒化物半導体層上に、または、上記窒化物半導体層内に少なくとも一部が形成されると共に、互いに間隔をあけて配置されたソース電極およびドレイン電極と、
上記ソース電極と上記ドレイン電極との間かつ上記窒化物半導体層上に形成された絶縁膜と、
上記ソース電極と上記ドレイン電極との間かつ上記窒化物半導体層上に形成されたゲート電極と
を有するトランジスタ素子部を備え、
上記トランジスタ素子部は、負荷短絡時のドレイン電流密度とドレイン電圧との積であるパワー密度が所定のパワー密度以下になるように構成され、
上記超格子層は、上記ソース電極と上記ドレイン電極との間の耐圧が所定の電圧以上になるように構成されていることを特徴としている。
In order to solve the above problems, the nitride semiconductor device of the present invention is
A nitride semiconductor layer having a heterostructure including a channel layer, a barrier layer, and a superlattice layer;
A source electrode and a drain electrode which are formed on the nitride semiconductor layer or in the nitride semiconductor layer and spaced apart from each other;
An insulating film formed between the source electrode and the drain electrode and on the nitride semiconductor layer;
A transistor element portion having a gate electrode formed between the source electrode and the drain electrode and on the nitride semiconductor layer;
The transistor element portion is configured such that a power density that is a product of a drain current density and a drain voltage when a load is short-circuited is equal to or lower than a predetermined power density,
The superlattice layer is configured such that a withstand voltage between the source electrode and the drain electrode is equal to or higher than a predetermined voltage.
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、
上記障壁層の層厚が30nm以下である。
In the nitride semiconductor device of one embodiment,
The barrier layer has a thickness of 30 nm or less.
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、
上記超格子層を構成する層の数が20以上かつ80以下である。
In the nitride semiconductor device of one embodiment,
The number of layers constituting the superlattice layer is 20 or more and 80 or less.
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、
上記超格子層の層厚が0.3μm以上かつ1.5μm以下である。
In the nitride semiconductor device of one embodiment,
The superlattice layer has a layer thickness of 0.3 μm or more and 1.5 μm or less.
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、
上記超格子層は、AlGaNを含み、
上記超格子層の層厚と上記超格子層の平均Al組成比率との積が5μm%以上かつ30μm%以下である。
In the nitride semiconductor device of one embodiment,
The superlattice layer includes AlGaN,
The product of the thickness of the superlattice layer and the average Al composition ratio of the superlattice layer is not less than 5 μm% and not more than 30 μm%.
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、
ドレイン電圧が400V時に上記負荷短絡時の破壊時間が1マイクロ秒以上で、かつ、上記負荷短絡時のドレイン電流密度とドレイン電圧との積であるパワー密度が850kW/cm2以下である。
In the nitride semiconductor device of one embodiment,
When the drain voltage is 400 V, the breakdown time when the load is short-circuited is 1 microsecond or more, and the power density, which is the product of the drain current density and the drain voltage when the load is short-circuited, is 850 kW / cm 2 or less.
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、
上記ドレイン電極および上記ソース電極が配置された上記窒化物半導体層上に、層間絶縁膜を介して形成された放熱部を備える。
In the nitride semiconductor device of one embodiment,
On the nitride semiconductor layer in which the drain electrode and the source electrode are disposed, a heat radiating portion is provided via an interlayer insulating film.
以上より明らかなように、本発明によれば、負荷短絡時のドレイン電流密度とドレイン電圧との積であるパワー密度が所定のパワー密度以下になるように、トランジスタ素子部を構成し、ソース電極とドレイン電極との間の耐圧が所定の電圧以上になるように、超格子層を構成することによって、耐圧特性を確保しつつ、短絡時に素子にかかるエネルギーを低減することで、素子の発熱量を低減して、短絡耐量を向上でき、素子の信頼性を向上できる。 As is clear from the above, according to the present invention, the transistor element portion is configured such that the power density, which is the product of the drain current density and the drain voltage at the time of load short-circuiting, is equal to or lower than the predetermined power density, and the source electrode By configuring the superlattice layer so that the breakdown voltage between the drain electrode and the drain electrode is equal to or higher than a predetermined voltage, the energy generated in the element is reduced by reducing the energy applied to the element during a short circuit while ensuring the breakdown voltage characteristics. Can be improved, the short circuit tolerance can be improved, and the reliability of the element can be improved.
以下、本発明を図示の実施形態により詳細に説明する。なお、各図は本発明を理解する為の簡略図であり、形状や膜厚など実際のデバイスと必ずしも一致しない。また、実施形態にて説明の為に記述されている材料や膜厚などの数値に関しては、あくまで一例である。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to illustrated embodiments. Each figure is a simplified diagram for understanding the present invention, and does not necessarily match an actual device such as shape and film thickness. Further, numerical values such as materials and film thicknesses described for the purpose of explanation in the embodiments are merely examples.
(第1実施形態)
図1は本発明の第1実施形態の窒化物半導体装置の一例としてのノーマリーオンタイプのGaN系HFETの断面図を示している。
(First embodiment)
FIG. 1 is a sectional view of a normally-on type GaN-based HFET as an example of the nitride semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
この第1実施形態のGaN系HFETは、図1に示すように、Si基板101上に形成された例えば超格子層の一例としてのバッファ層102と、バッファ層102上に形成されたチャネル層の一例としてのアンドープGaN層103と、アンドープGaN層103上に形成された障壁層の一例としてのアンドープAlGaN層104を備える。上記バッファ層102とアンドープGaN層103とアンドープAlGaN層104で窒化物半導体層100を構成している。
As shown in FIG. 1, the GaN HFET of the first embodiment includes, for example, a
上記バッファ層102は、例えばAlGaNとAlNを成長させた積層体を1周期として、この積層体を複数周期にわたって積層した構造を有しており、層の数が20以上かつ80以下である。また、バッファ層102の層厚は例えば1μmであるが、0.3μm〜5μmの範囲内で設計に応じた好適な値にすることが可能である。
The
また、アンドープGaN層103は例えば2μmの厚みとするが、0.5μm〜5μmの範囲内で設計に応じた好適な値にすることが可能である。
The
また、アンドープAlGaN層104は、設計に応じた好適な値にすることが可能であるが、AlGaN層104の膜厚が薄い程、閾値電圧が浅くなるため、飽和電流を低減することが可能であり、30nm以下が好ましい。
In addition, the undoped AlGaN
次に、上記アンドープAlGaN層104上に、例えばプラズマCVD法を用いて形成されたシリコン窒化膜等の第1絶縁膜105aおよびその第1絶縁膜上105a上に形成されたシリコン窒化膜等の第2絶縁膜105bを備える。この第1絶縁膜上と第2絶縁膜105bで絶縁膜105を構成している。
Next, on the undoped AlGaN
また、ソース電極107は、ソースオーミック電極107aおよびソース金属配線107bから構成されている。同様にドレイン電極109は、ドレインオーミック電極109aおよびドレイン金属配線109bから構成されている。このソースオーミック電極107aとドレインオーミック電極109aは、Ti/Al/TiN等から形成されている。
The
また、互いに間隔をあけて配置されたソース電極107とドレイン電極109は、第1絶縁膜105aと、第2絶縁膜105bと、第2絶縁膜105b上に形成された第3絶縁膜111と、第3絶縁膜111上に形成された層間絶縁膜112と、アンドープAlGaN層104とを貫通し、2次元電子ガス(2DEG)106に到達するように形成されている。そして、ドレイン電極109上とソース電極107上に、パッシベーション膜113および層間絶縁膜114が順に形成されている。
Further, the
また、ゲート電極108は、ソース電極107とドレイン電極109との間かつアンドープAlGaN層104上にゲート絶縁膜110を介して形成されている。このゲート電極108は、Ni/Au等から形成されている。
The
ゲート電極108は、アンドープAlGaN層104上に形成された絶縁膜105の上に形成されたMISH(Metal Insulator Semiconductor Heterostructure)になっている。ゲート電極108は、窒化物半導体層100の障壁層の一例としてのアンドープAlGaN層104上に、ゲート絶縁膜110を介して接合する基部108aと、その基部108aの上部からドレイン電極109側に向かって延在するゲートフィールドプレート部108bとを有する。
The
なお、上記アンドープGaN層103とアンドープAlGaN層104との界面に2次元電子ガス(2DEG)106が発生する。
A two-dimensional electron gas (2DEG) 106 is generated at the interface between the
上記窒化物半導体層100と絶縁膜105とソース電極107とゲート電極108とドレイン電極109と第3絶縁膜111と層間絶縁膜112でトランジスタ素子部を構成している。
The
バッファ層102を構成する層の数を20以上かつ80以下にすることによって、ソース電極107とドレイン電極109との間の耐圧(耐電圧)を800V以上にすることができる。
By setting the number of layers constituting the
図2はノーマリオン型のGaN系HFETの代表的なI−Vカーブの模式図を示しており、図2において、Idmaxはドレイン電極を流れる飽和電流である。 FIG. 2 is a schematic diagram of a typical IV curve of a normally-on GaN HFET. In FIG. 2, Idmax is a saturation current flowing through the drain electrode.
ここで、飽和電流Idmaxとは、図1に示す第1実施形態のGaN系HFETにおいて、ドレイン電極109への印加電圧Vd(約10V以上)に対して、ゲート電極108への印加電圧Vg=0V、ソース電極107への印加電圧Vs=0V、基板電位=0Vとしたときに、ドレイン電極109に流れる電流を示す。
Here, the saturation current Idmax is the applied voltage Vg = 0 V to the
図2に示すように、負荷短絡時、トランジスタの動作点は、トランジスタ素子がオフしている点Aから、高電圧を維持したまま、大電流が流れる点Bに移行する。このとき、電圧×電流のパワーがかかることにより素子が一気に発熱し、素子の劣化や破壊を起こしてしまう。 As shown in FIG. 2, when the load is short-circuited, the operating point of the transistor shifts from a point A where the transistor element is turned off to a point B where a large current flows while maintaining a high voltage. At this time, when the power of voltage × current is applied, the element generates heat at a stretch and causes deterioration or destruction of the element.
次に、図3に負荷短絡時に素子に流れる電流波形の経時変化を示す。図3において、横軸は時間[任意目盛]、縦軸はドレイン電流I[任意目盛]を表わす。 Next, FIG. 3 shows the change with time of the waveform of the current flowing through the element when the load is short-circuited. In FIG. 3, the horizontal axis represents time [arbitrary scale], and the vertical axis represents drain current I [arbitrary scale].
負荷短絡時、素子に大電流が流れ、電圧×電流のエネルギーに伴う発熱により、ドレイン電流Iが減少し、ある一定時間tpで素子が破壊する。 When the load is short-circuited, a large current flows through the element, and the drain current I decreases due to heat generated by the energy of voltage × current, and the element is destroyed at a certain time tp.
このとき、発熱に伴う温度上昇をΔTj[℃]、素子の過渡熱抵抗をZth[℃/W]、短絡時のエネルギーをPd[W]とすると、次の式(1)を満たす。 At this time, if the temperature rise due to heat generation is ΔTj [° C.], the transient thermal resistance of the element is Zth [° C./W], and the energy at the time of short circuit is Pd [W], the following equation (1) is satisfied.
ΔTj=Zth×Pd ……… 式(1) ΔTj = Zth × Pd (1)
素子が破壊する時間をtp[sec]とすると、マイクロ秒オーダーの十分短い時間では、過渡熱抵抗Zthは、tpの1/2乗にほぼ比例するため、比例定数をKとすると、上記式(1)は以下の式(2)に変形できる。 Assuming that the time at which the device breaks down is tp [sec], the transient thermal resistance Zth is approximately proportional to the 1/2 power of tp in a sufficiently short time on the order of microseconds. 1) can be transformed into the following equation (2).
ΔTj≒K・(tp)0.5・Pd ……… 式(2) ΔTj≈K · (tp) 0.5 · Pd Equation (2)
また、比例定数Kは、素子面積S[cm2]と比例定数Mを用いて、
K=(M/S)
で表わされる。
Further, the proportionality constant K is calculated by using the element area S [cm 2 ] and the proportionality constant M,
K = (M / S)
It is represented by
短絡時のドレイン電流をId[A]、ドレイン電圧をVd[V]とすると、上記式(2)は、以下の通りとなる。 When the drain current at the time of short circuit is Id [A] and the drain voltage is Vd [V], the above equation (2) is as follows.
ΔTj≒(M/S)・(tp)0.5・Pd
=M・(tp)0.5・(Id/S)・Vd
=M・(tp)0.5・(Id/S)・Vd ……… 式(3)
ΔTj≈ (M / S) · (tp) 0.5 · Pd
= M · (tp) 0.5 · (Id / S) · Vd
= M · (tp) 0.5 · (Id / S) · Vd Equation (3)
なお、通常、ソース・ドレイン間のピッチをLsd[cm]、ゲート幅をW[cm]とした場合、素子面積Sは、
S=Lsd×W [cm2]
で表わされる。
Normally, when the pitch between the source and the drain is Lsd [cm] and the gate width is W [cm], the element area S is:
S = Lsd × W [cm 2 ]
It is represented by
上記式(3)より、短絡時間(破壊時間)tpは、以下の式(4)のように示される。 From the above equation (3), the short circuit time (breakdown time) tp is expressed as the following equation (4).
tp=(ΔTj/M)2×((Id/S)×Vd)−2 ……… 式(4) tp = (ΔTj / M) 2 × ((Id / S) × Vd) −2 Equation (4)
短絡時、素子に大電流が流れ、電圧×電流のエネルギーに伴う発熱により素子が破壊する場合、ある一定の臨界温度ΔTcで破壊するものとすると、ΔTj=ΔTc(一定)となり、式(4)は、
tp=(ΔTc/M)2×((Id/S)×Vd)−2 ……… 式(5)
となり、短絡時間(破壊時間)tpは、短絡時のドレイン電流密度(Id/S)とドレイン電圧Vdとの積のほぼ−2乗に比例する。
When a short circuit causes a large current to flow through the element and the element breaks down due to heat generated by the energy of voltage × current, assuming that the element breaks down at a certain critical temperature ΔTc, ΔTj = ΔTc (constant) is obtained. Is
tp = (ΔTc / M) 2 × ((Id / S) × Vd) −2 Equation (5)
Thus, the short circuit time (breakdown time) tp is proportional to approximately −2 to the product of the drain current density (Id / S) and the drain voltage Vd at the time of the short circuit.
一方、第1実施形態に示されるGaN系HFETにおいて、所定の条件での実験により、短絡時のドレイン電流密度(Id/S)とドレイン電圧Vdとの積に対して、短絡時間(破壊時間)tpをプロットすると、図4に示すグラフとなる。図4において、縦軸は短絡時間(破壊時間)tp[μsec]を表し、横軸はドレイン電流密度(Id/S)とドレイン電圧Vdとの積であるパワー密度(Id/S×Vd)[kW/cm2]を表している。 On the other hand, in the GaN-based HFET shown in the first embodiment, the short-circuit time (breakdown time) is calculated with respect to the product of the drain current density (Id / S) and the drain voltage Vd at the time of short-circuit by experiments under predetermined conditions. When tp is plotted, the graph shown in FIG. 4 is obtained. In FIG. 4, the vertical axis represents the short circuit time (breakdown time) tp [μsec], and the horizontal axis represents the power density (Id / S × Vd) [product of drain current density (Id / S) and drain voltage Vd]. kW / cm 2 ].
ここで、(Id/S×Vd)を変数y、tpを変数xとすると、xとyの関係は、
y=7.70×105x−2.16
の近似式で表される。
If (Id / S × Vd) is a variable y and tp is a variable x, the relationship between x and y is
y = 7.70 × 10 5 x− 2.16
It is expressed by the approximate expression of
図4のとおり、短絡時間(破壊時間)tpは、ほぼ−2乗に比例することがわかった。これは、トランジスタ素子がある一定の臨界温度で短絡破壊していることを示している。つまり、上記式(5)が成立することを示しており、短絡時間(破壊時間)tpを改善するためには、パワー密度((Id/S)×Vd)を低減することが1つの手段として非常に有効であることがわかる。 As shown in FIG. 4, the short circuit time (breakdown time) tp was found to be approximately proportional to the −2 power. This indicates that the transistor element is short-circuit broken at a certain critical temperature. That is, the above formula (5) is established, and in order to improve the short circuit time (breakdown time) tp, reducing the power density ((Id / S) × Vd) is one means. It turns out that it is very effective.
したがって、上記GaN系HFETにおいて、例えばドレイン電圧400V時の短絡時間(破壊時間)の目標値を1μsec(マイクロ秒)以上とした場合、負荷短絡時のドレイン電流密度(Id/S)とドレイン電圧Vdとの積(パワー密度)の範囲は、500kW/cm2以下にすると良く、短絡時のドレイン電流密度(Id/S)で表現すると、5×105/Vd[A/cm2]以下にすることが望ましい。 Therefore, in the GaN HFET, for example, when the target value of the short circuit time (breakdown time) when the drain voltage is 400 V is set to 1 μsec (microseconds) or more, the drain current density (Id / S) and the drain voltage Vd when the load is short circuited. And the product (power density) range of 500 kW / cm 2 or less, and when expressed in terms of drain current density (Id / S) at the time of short circuit, it is 5 × 10 5 / Vd [A / cm 2 ] or less. It is desirable.
また、ゲート長Lgについては、図1に示すゲート電極108の基部108aの幅で定義されるが、ゲート長Lgが大きい程、飽和電流を低減できるため、短絡耐量の改善のためには、Lg≧1μmの範囲で、オン抵抗とのトレードオフ関係を考慮し、できる限り大きく設定されることが望ましい。
Further, the gate length Lg is defined by the width of the
以上のとおり、短絡時間(破壊時間)tpを増大させるためには、短絡時の発熱を抑制させること、つまり、短絡時のドレイン電流(飽和電流)を低減させることが非常に重要となる。 As described above, in order to increase the short circuit time (breakdown time) tp, it is very important to suppress the heat generation during the short circuit, that is, to reduce the drain current (saturation current) during the short circuit.
また、上記第1実施形態では、Si基板101を用いたGaN系HFETについて説明したが、Si基板に限らず、サファイヤ基板やSiC基板を用いてもよく、サファイヤ基板やSiC基板上に窒化物半導体層を成長させてもよいし、GaN基板にAlGaN層を成長させる等のように、窒化物半導体からなる基板上に窒化物半導体層を成長させてもよい。
In the first embodiment, the GaN-based HFET using the
また、適宜、バッファ層を基板と各層間に形成してもよい。 Further, a buffer layer may be appropriately formed between the substrate and each layer.
また、上記アンドープGaN層103とアンドープAlGaN層104との間に層厚1nm程度のAlN層をヘテロ改善層として形成してもよい。
Further, an AlN layer having a thickness of about 1 nm may be formed as a hetero improvement layer between the
また、上記アンドープAlGaN層104上にGaNキャップ層を形成してもよい。
Further, a GaN cap layer may be formed on the
例えば、負荷短絡時、図5に示すドレイン端の領域Aで発熱した場合、矢印で示すように基板側と上部側に向かって熱伝導するが、数マイクロ秒〜数十マイクロ秒では、熱伝導が数μm〜数十μmであるため、特に熱伝導率の悪い超格子層のバッファ層102がある場合は、基板側の放熱が制限されるため、熱が籠り、発熱による破壊が顕著となる。
For example, when heat is generated in the drain end region A shown in FIG. 5 when the load is short-circuited, heat conduction is performed toward the substrate side and the upper side as indicated by arrows, but in several microseconds to several tens of microseconds, heat conduction is performed. Is several μm to several tens of μm, and in particular, when there is a
10マイクロ秒後の温度上昇について、単位面積当たりのパワー密度が125[kW/cm2]で熱シミュレーションを実施したところ、バッファ層102の層の数が、例えば160(AlGaN層、AlN層をそれぞれ1層として、AlGaN/AlNは合計2でカウント)であって、バッファ層102の全層厚が2.5μmの場合では430℃である一方、バッファ層102の層の数が80の場合、350℃(超格子がない場合は250℃)まで低減できることがわかった。
When a thermal simulation was performed with a power density per unit area of 125 [kW / cm 2 ] for a temperature increase after 10 microseconds, the number of
したがって、この第1実施形態によれば、バッファ層102の層の数が160である場合と比較して、上記式(5)のM値は350/430=0.81に低減でき、
tp=(ΔTc/M)2×((Id/S)×Vd)−2 ……… 式(5)
より、電流密度(Id/S)、ドレイン電圧Vd、臨界温度ΔTcが同じ条件であれば、短絡時間(破壊時間)tpは(1/M)2に比例するため、短絡時間(破壊時間)は(1/0.81)2=1.52倍と大幅に改善することが可能となる。
Therefore, according to the first embodiment, compared to the case where the number of layers of the
tp = (ΔTc / M) 2 × ((Id / S) × Vd) −2 Equation (5)
Therefore, if the current density (Id / S), the drain voltage Vd, and the critical temperature ΔTc are the same, the short circuit time (destruction time) tp is proportional to (1 / M) 2 , so the short circuit time (destruction time) is (1 / 0.81) 2 = 1.52 times, which can be greatly improved.
したがって、短絡時のドレイン電流密度(Id/S)とドレイン電圧Vdとの積(パワー密度)に対する短絡時間(破壊時間)tpをプロットすると、図6に示すとおりとなり、例えばドレイン電圧400V時の短絡時間(破壊時間)の目標値を1μsec(マイクロ秒)以上とした場合、短絡時のドレイン電流密度(Id/S)とドレイン電圧Vdとの積(パワー密度)の範囲は、850kW/cm2以下にするとよい。また、短絡時のドレイン電流密度(Id/S)で表現すると、8.5×105/Vd[A/cm2]以下が望ましい。 Therefore, when the short circuit time (breakdown time) tp is plotted against the product (power density) of the drain current density (Id / S) and the drain voltage Vd at the time of short circuit, it is as shown in FIG. When the target value of time (breakdown time) is 1 μsec (microseconds) or more, the product (power density) range of drain current density (Id / S) and drain voltage Vd at the time of short circuit is 850 kW / cm 2 or less It is good to. Moreover, it is preferably 8.5 × 10 5 / Vd [A / cm 2 ] or less in terms of drain current density (Id / S) at the time of short circuit.
図6において、縦軸は短絡時間(破壊時間)tp[μsec]を表し、横軸はドレイン電流密度(Id/S)とドレイン電圧Vdとの積であるパワー密度(Id/S×Vd)[kW/cm2]を表している。 In FIG. 6, the vertical axis represents the short circuit time (breakdown time) tp [μsec], and the horizontal axis represents the power density (Id / S × Vd) [product of the drain current density (Id / S) and the drain voltage Vd]. kW / cm 2 ].
ここで、(Id/S×Vd)を変数y、tpを変数xとすると、xとyの関係は、
y=2.31−6x−2.16
の近似式で表される。
If (Id / S × Vd) is a variable y and tp is a variable x, the relationship between x and y is
y = 2.31 -6 x -2.16
It is expressed by the approximate expression of
(第2実施形態)
図7は本発明の第2実施形態の窒化物半導体装置の一例としてのGaN系HFETの平面図である。この第2実施形態のGaN系HFETは、超格子層であるバッファ層の層厚を除いて第1実施形態のGaN系HFETと同一の構成をしている。図7において、201はSi基板、202はバッファ層、203はアンドープGaN層、204はアンドープAlGaN層、205aは第1絶縁膜、205bは第2絶縁膜、206は2次元電子ガス(2DEG)、207はソース電極、207aはソースオーミック電極、207bはソース金属配線、208はゲート電極、209はドレイン電極、209aはドレインオーミック電極、209bはドレイン金属配線、210はゲート絶縁膜、211は第3絶縁膜、212は層間絶縁膜、213はパッシベーション膜、214は層間絶縁膜である。
(Second Embodiment)
FIG. 7 is a plan view of a GaN-based HFET as an example of the nitride semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. The GaN HFET of the second embodiment has the same configuration as the GaN HFET of the first embodiment except for the layer thickness of the buffer layer which is a superlattice layer. In FIG. 7, 201 is a Si substrate, 202 is a buffer layer, 203 is an undoped GaN layer, 204 is an undoped AlGaN layer, 205a is a first insulating film, 205b is a second insulating film, 206 is a two-dimensional electron gas (2DEG), 207 is a source electrode, 207a is a source ohmic electrode, 207b is a source metal wiring, 208 is a gate electrode, 209 is a drain electrode, 209a is a drain ohmic electrode, 209b is a drain metal wiring, 210 is a gate insulating film, and 211 is a third insulating
第1絶縁膜205aと第2絶縁膜205bで絶縁膜205を構成している。
The first
また、バッファ層202とアンドープGaN層203とアンドープGaN層203とアンドープAlGaN層204とで窒化物半導体層200を構成している。バッファ層202の層厚は、0.3μm〜1.5μmの範囲である。
The
窒化物半導体層200と絶縁膜205とソース電極207とゲート電極208とドレイン電極209とゲート絶縁膜210と第3絶縁膜211と層間絶縁膜212でトランジスタ素子部を構成している。
The
この第2実施形態は、バッファ層202の層厚が0.3μm〜1.5μmであることを特徴とする。
The second embodiment is characterized in that the
バッファ層202の層厚を0.3μm〜1.5μmにすることによって、ソース電極207とドレイン電極209との間の耐圧電圧を760V以上にすることができる。
By setting the layer thickness of the
10マイクロ秒後の温度上昇について、単位面積当たりのパワー密度が125[kW/cm2]で熱シミュレーションを実施したところ、バッファ層202の層の数が、例えば160(AlGaN層、AlN層をそれぞれ1層として、AlGaN/AlNは合計2でカウント)であって、バッファ層202の層厚が2.5μmの場合では430℃である一方、バッファ層202の層厚が1.5μmの場合、330℃(超格子がない場合は250℃)まで低減できることがわかった。
For a temperature increase after 10 microseconds, a thermal simulation was performed with a power density per unit area of 125 [kW / cm 2 ]. As a result, the number of
したがって、この第2実施形態によれば、バッファ層202の層厚が2.5μmである場合と比較して、上記式(5)のM値は330/430=0.77に低減でき、
tp=(ΔTc/M)2×((Id/S)×Vd)−2 ……… 式(5)
より、電流密度(Id/S)、ドレイン電圧Vd、臨界温度ΔTcが同じ条件であれば、短絡時間(破壊時間)tpは(1/M)2に比例するため、短絡時間(破壊時間)は(1/0.77)2=1.69倍と大幅に改善することが可能となる。
Therefore, according to the second embodiment, compared to the case where the layer thickness of the
tp = (ΔTc / M) 2 × ((Id / S) × Vd) −2 Equation (5)
Therefore, if the current density (Id / S), the drain voltage Vd, and the critical temperature ΔTc are the same, the short circuit time (destruction time) tp is proportional to (1 / M) 2 , so the short circuit time (destruction time) is (1 / 0.77) 2 = 1.69 times, which can be greatly improved.
(第3実施形態)
図8は本発明の第3実施形態の窒化物半導体装置の一例としてのGaN系HFETの平面図である。この第3実施形態のGaN系HFETは、超格子層であるバッファ層の構成を除いて第1実施形態のGaN系HFETと同一の構成をしている。図8において、301はSi基板、302はバッファ層、303はアンドープGaN層、304はアンドープAlGaN層、305aは第1絶縁膜、305bは第2絶縁膜、306は2次元電子ガス(2DEG)、307はソース電極、307aはソースオーミック電極、307bはソース金属配線、308はゲート電極、309はドレイン電極、309aはドレインオーミック電極、309bはドレイン金属配線、310はゲート絶縁膜、311は第3絶縁膜、312は層間絶縁膜、313はパッシベーション膜、314は層間絶縁膜である。
(Third embodiment)
FIG. 8 is a plan view of a GaN-based HFET as an example of the nitride semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. The GaN HFET of the third embodiment has the same configuration as the GaN HFET of the first embodiment except for the configuration of the buffer layer that is a superlattice layer. 8, 301 is a Si substrate, 302 is a buffer layer, 303 is an undoped GaN layer, 304 is an undoped AlGaN layer, 305a is a first insulating film, 305b is a second insulating film, 306 is a two-dimensional electron gas (2DEG), 307 is a source electrode, 307a is a source ohmic electrode, 307b is a source metal wiring, 308 is a gate electrode, 309 is a drain electrode, 309a is a drain ohmic electrode, 309b is a drain metal wiring, 310 is a gate insulating film, and 311 is a third insulation. 312 is an interlayer insulating film, 313 is a passivation film, and 314 is an interlayer insulating film.
第1絶縁膜305aと第2絶縁膜305bで絶縁膜305を構成している。
The first
また、バッファ層302とアンドープGaN層303とアンドープGaN層303とアンドープAlGaN層304とで窒化物半導体層300を構成している。
The
窒化物半導体層300と絶縁膜305とソース電極307とゲート電極308とドレイン電極309とゲート絶縁膜310と第3絶縁膜311と層間絶縁膜312でトランジスタ素子部を構成している。
The
この第3実施形態は、バッファ層302の層厚とバッファ層302の平均Al組成比率との積が5μm%以上かつ30μm%以下であることを特徴とする。
The third embodiment is characterized in that the product of the layer thickness of the
バッファ層302の層厚とバッファ層302の平均Al組成比率との積を5μm%以上かつ30μm%以下にすることによって、ソース電極307とドレイン電極309との間の耐圧電圧を780V以上にすることができる。
By setting the product of the layer thickness of the
10マイクロ秒後の温度上昇について、単位面積当たりのパワー密度が125[kW/cm2]で熱シミュレーションを実施したところ、バッファ層302の層の数が、例えば160(AlGaN層、AlN層をそれぞれ1層として、AlGaN/AlNは合計2でカウント)であって、バッファ層302の層厚が2.5μmの場合では430℃である一方、バッファ層302の層厚とバッファ層302の平均Al組成比率との積が30μm%である場合、290℃(超格子がない場合は250℃)まで低減できることがわかった。
When a thermal simulation was performed with a power density of 125 [kW / cm 2 ] per unit area for a temperature increase after 10 microseconds, the number of
したがって、この第3実施形態によれば、バッファ層302の層厚が2.5μmである場合と比較して、上記式(5)のM値は290/430=0.67に低減でき、
tp=(ΔTc/M)2×((Id/S)×Vd)−2 ……… 式(5)
より、電流密度(Id/S)、ドレイン電圧Vd、臨界温度ΔTcが同じ条件であれば、短絡時間(破壊時間)tpは(1/M)2に比例するため、短絡時間(破壊時間)は(1/0.67)2=2.23倍と大幅に改善することが可能となる。
Therefore, according to the third embodiment, compared with the case where the layer thickness of the
tp = (ΔTc / M) 2 × ((Id / S) × Vd) −2 Equation (5)
Therefore, if the current density (Id / S), the drain voltage Vd, and the critical temperature ΔTc are the same, the short circuit time (destruction time) tp is proportional to (1 / M) 2 , so the short circuit time (destruction time) is (1 / 0.67) 2 = 2.23 times, which can be greatly improved.
(第4実施形態)
図9は本発明の第4実施形態の窒化物半導体装置の一例としてのGaN系HFETの平面図である。この第4実施形態のGaN系HFETは、放熱部を除いて第1実施形態のGaN系HFETと同一の構成をしている。図7において、401はSi基板、402はバッファ層、403はアンドープGaN層、404はアンドープAlGaN層、405aは第1絶縁膜、405bは第2絶縁膜、406は2次元電子ガス(2DEG)、407はソース電極、407aはソースオーミック電極、407bはソース金属配線、408はゲート電極、409はドレイン電極、409aはドレインオーミック電極、409bはドレイン金属配線、410はゲート絶縁膜、411は第3絶縁膜、412は層間絶縁膜、413はパッシベーション膜、414は層間絶縁膜である。
(Fourth embodiment)
FIG. 9 is a plan view of a GaN-based HFET as an example of the nitride semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. The GaN-based HFET of the fourth embodiment has the same configuration as the GaN-based HFET of the first embodiment except for the heat dissipation portion. In FIG. 7, 401 is an Si substrate, 402 is a buffer layer, 403 is an undoped GaN layer, 404 is an undoped AlGaN layer, 405a is a first insulating film, 405b is a second insulating film, 406 is a two-dimensional electron gas (2DEG), 407 is a source electrode, 407a is a source ohmic electrode, 407b is a source metal wiring, 408 is a gate electrode, 409 is a drain electrode, 409a is a drain ohmic electrode, 409b is a drain metal wiring, 410 is a gate insulating film, 411 is a third
第1絶縁膜405aと第2絶縁膜405bで絶縁膜405を構成している。
The first
また、バッファ層402とアンドープGaN層403とアンドープGaN層403とアンドープAlGaN層404とで窒化物半導体層400を構成している。
Further, the
窒化物半導体層400と絶縁膜405とソース電極407とゲート電極408とドレイン電極409とゲート絶縁膜410と第3絶縁膜411と層間絶縁膜412でトランジスタ素子部を構成している。
The
この第4実施形態は、図7に示すように、窒化物半導体層400の上面に、ドレイン電極409およびソース電極407を備え、層間絶縁膜414またはスルーホール(図示せず)を介して、さらに上面に金属配線415を備えることを特徴とする。金属配線415は、放熱部の一例である。
As shown in FIG. 7, the fourth embodiment includes a
これにより、負荷短絡時ドレイン端部で発生した熱が、層間絶縁膜414またはスルーホール(図示せず)を介して金属配線415に放熱されるため、負荷短絡時の放熱性が向上し、上記式(5)のM値が低減することができ、短絡時間(破壊時間)tpを向上することができる。
As a result, the heat generated at the drain end when the load is short-circuited is dissipated to the
この効果は、上記第1〜第3実施形態のいずれに適用しても変わらないことは自明である。 Obviously, this effect does not change when applied to any of the first to third embodiments.
以上、この発明によれば、短絡時に発生するエネルギーの低減、あるいは短絡破壊時の臨界温度の向上および放熱性の改善により、短絡時間(破壊時間)を大幅に改善することが可能となる。 As described above, according to the present invention, it is possible to significantly improve the short-circuit time (breakdown time) by reducing the energy generated at the time of short-circuiting, improving the critical temperature at the time of short-circuit breakdown, and improving heat dissipation.
また、上記第1〜第4実施形態では、窒化物半導体層100,200,300,400を、GaN層やAlGaN層で構成したが、AlxInyGa1-x-yN(x≧0、y≧0、0≦x+y<1)で表されるGaN系半導体層を含むものでもよい。すなわち、窒化物半導体層100,200,300,400は、AlGaN、GaN、InGaN等を含むものとしてもよい。また、上記第1〜第4実施形態では、ノーマリーオンタイプのHFETについて説明したが、ノーマリオフタイプでも同様の効果が得られる。 In the first to fourth embodiments, the nitride semiconductor layers 100, 200, 300, and 400 are composed of GaN layers or AlGaN layers, but Al x In y Ga 1-xy N (x ≧ 0, y It may include a GaN-based semiconductor layer represented by ≧ 0, 0 ≦ x + y <1). That is, the nitride semiconductor layers 100, 200, 300, and 400 may include AlGaN, GaN, InGaN, or the like. In the first to fourth embodiments, the normally-on type HFET has been described, but the same effect can be obtained even in a normally-off type.
また、上記第1〜第4実施形態では、絶縁膜105,205,305,405の材料としてシリコン酸化膜を用いたが、シリコン窒化膜、ポリイミドやSOG(Spin On Glass;スピン・オン・グラス)またはBPSG(Boron Phosphorus Silicon Glass;ホウ素・リン・シリケート・ガラス)などの絶縁材料を用いてもよい。また、例えばシリコン酸化膜とシリコン窒化膜からなる多層膜構造としてもよい。
In the first to fourth embodiments, the silicon oxide film is used as the material of the insulating
また、上記第1〜第4実施形態では、負荷短絡時のドレイン電流密度とドレイン電圧との積であるパワー密度が所定のパワー密度以下になるように、トランジスタ素子部を構成したが、この所定のパワー密度は、窒化物半導体装置のトランジスタ素子部の構成、ドレイン電圧、短絡時間(破壊時間)の目標値などに応じて適宜設定すればよい。 In the first to fourth embodiments, the transistor element unit is configured such that the power density, which is the product of the drain current density and the drain voltage when the load is short-circuited, is equal to or lower than the predetermined power density. The power density may be appropriately set according to the configuration of the transistor element portion of the nitride semiconductor device, the drain voltage, the target value of the short circuit time (breakdown time), and the like.
この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記第1〜第4実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、上記第1〜第4実施形態で記載した内容を適宜組み合わせたものを、この発明の一実施形態としてもよい。 Although specific embodiments of the present invention have been described, the present invention is not limited to the first to fourth embodiments, and various modifications can be made within the scope of the present invention. For example, what combined suitably the content described in the said 1st-4th embodiment is good also as one Embodiment of this invention.
本発明および実施形態を纏めると、次のようになる。 The present invention and the embodiments are summarized as follows.
本発明の窒化物半導体装置は、
チャネル層103,203,303,403と障壁層104,204,304,404と超格子層102,202,302,402とを含むヘテロ構造を有する窒化物半導体層100,200,300,400と、
上記窒化物半導体層100,200,300,400上に、または、上記窒化物半導体層100,200,300,400内に少なくとも一部が形成されると共に、互いに間隔をあけて配置されたソース電極107,207,307,407およびドレイン電極109,209,309,409と、
上記ソース電極107,207,307,407と上記ドレイン電極109,209,309,409との間かつ上記窒化物半導体層100,200,300,400上に形成された絶縁膜105,205,305,405と、
上記ソース電極107,207,307,407と上記ドレイン電極109,209,309,409との間かつ上記窒化物半導体層100,200,300,400上に形成されたゲート電極108,208,308,408と
を有するトランジスタ素子部を備え、
上記トランジスタ素子部は、負荷短絡時のドレイン電流密度とドレイン電圧との積であるパワー密度が所定のパワー密度以下になるように構成され、
上記超格子層102,202,302,402は、上記ソース電極107,207,307,407と上記ドレイン電極109,209,309,409との間の耐圧が所定の電圧以上になるように構成されていることを特徴とする。
The nitride semiconductor device of the present invention is
A
Source electrodes formed at least partially on
Insulating
The transistor element portion is configured such that a power density that is a product of a drain current density and a drain voltage when a load is short-circuited is equal to or lower than a predetermined power density,
The superlattice layers 102, 202, 302, and 402 are configured such that the withstand voltage between the
本発明の窒化物半導体装置によれば、負荷短絡時のドレイン電流密度とドレイン電圧との積であるパワー密度が所定のパワー密度以下になるように、トランジスタ素子部を構成し、ソース電極とドレイン電極との間の耐圧が所定の電圧以上になるように、超格子層を構成する。このため、ソース電極107,207,307,407とドレイン電極109,209,309,409との間の耐圧特性を確保しつつ、短絡時にトランジスタ素子部にかかるエネルギーを低減することで、素子の発熱量を低減して、短絡耐量を向上でき、素子の信頼性を向上できる。
According to the nitride semiconductor device of the present invention, the transistor element portion is configured such that the power density, which is the product of the drain current density and the drain voltage when the load is short-circuited, is equal to or lower than the predetermined power density. The superlattice layer is configured so that the withstand voltage between the electrodes is equal to or higher than a predetermined voltage. For this reason, while ensuring the breakdown voltage characteristics between the
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、
上記障壁層104,204,304の層厚が30nm以下である。
In the nitride semiconductor device of one embodiment,
The barrier layers 104, 204, and 304 have a layer thickness of 30 nm or less.
上記実施形態によれば、障壁層104,204,304の層厚を30nm以下にすることによって、閾値電圧が低くなり、飽和電流を低減できるので、短絡時に発生するエネルギーを低減できる。 According to the above embodiment, by setting the thickness of the barrier layers 104, 204, and 304 to 30 nm or less, the threshold voltage is lowered and the saturation current can be reduced, so that the energy generated at the time of a short circuit can be reduced.
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、
上記超格子層102,202,302,402を構成する層の数が20以上かつ80以下である。
In the nitride semiconductor device of one embodiment,
The number of layers constituting the superlattice layers 102, 202, 302, 402 is 20 or more and 80 or less.
上記実施形態によれば、超格子層102,202,302,402を構成する層の数を20以上かつ80以下にすることによって、ソース電極107,207,307,407とドレイン電極109,209,309,409との間の耐圧電圧を800V以上にしつつ、短絡時間(破壊時間)を改善できる。
According to the above embodiment, the number of layers constituting the superlattice layers 102, 202, 302, 402 is 20 or more and 80 or less, whereby the
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、
上記超格子層102,202,302,402の層厚が0.3μm以上かつ1.5μm以下である。
In the nitride semiconductor device of one embodiment,
The superlattice layers 102, 202, 302, 402 have a layer thickness of 0.3 μm or more and 1.5 μm or less.
上記実施形態によれば、超格子層102,202,302,402の層厚をが0.3μm以上かつ1.5μm以下にすることによって、ソース電極107,207,307,407とドレイン電極109,209,309,409との間の耐圧電圧を760V以上にしつつ、短絡時間(破壊時間)を改善できる。
According to the embodiment described above, the layer thicknesses of the superlattice layers 102, 202, 302, 402 are 0.3 μm or more and 1.5 μm or less, whereby the
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、
上記超格子層102,202,302,402は、AlGaNを含み、
上記超格子層102,202,302,402の層厚と上記超格子層102,202,302,402の平均Al組成比率との積が5μm%以上かつ30μm%以下である。
In the nitride semiconductor device of one embodiment,
The superlattice layers 102, 202, 302, 402 include AlGaN,
The product of the layer thickness of the superlattice layers 102, 202, 302, 402 and the average Al composition ratio of the superlattice layers 102, 202, 302, 402 is 5 μm% or more and 30 μm% or less.
上記実施形態によれば、超格子層102,202,302,402の層厚と超格子層102,202,302,402の平均Al組成比率との積を5μm%以上かつ30μm%以下にすることによって、ソース電極107,207,307,407とドレイン電極109,209,309,409との間の耐圧電圧を780V以上にしつつ、短絡時間(破壊時間)を改善できる。
According to the above embodiment, the product of the layer thickness of the superlattice layers 102, 202, 302, 402 and the average Al composition ratio of the superlattice layers 102, 202, 302, 402 is set to 5 μm% or more and 30 μm% or less. Thus, the short-circuit time (breakdown time) can be improved while the withstand voltage between the
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、
上記窒化物半導体層1300中に超格子層が存在せず、かつ、ドレイン電圧が400V時に負荷短絡時の破壊時間が1マイクロ秒以上であり、かつ、上記負荷短絡時のドレイン電流密度とドレイン電圧との積であるパワー密度が850kW/cm2以下である。
In the nitride semiconductor device of one embodiment,
There is no superlattice layer in the nitride semiconductor layer 1300, the breakdown time when the load is short-circuited is 1 microsecond or more when the drain voltage is 400 V, and the drain current density and drain voltage when the load is short-circuited And the power density is 850 kW / cm 2 or less.
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、
上記ドレイン電極409および上記ソース電極407が配置された上記窒化物半導体層400上に、層間絶縁膜414を介して形成された放熱部415を備える。
In the nitride semiconductor device of one embodiment,
On the
上記実施形態によれば、負荷短絡時ドレイン端部で発生した熱が、放熱部415に放熱されることによって、負荷短絡時の放熱性が向上するので、短絡時間(破壊時間)を改善できる。
According to the embodiment, the heat generated at the drain end when the load is short-circuited is dissipated to the
100,200,300,400 窒化物半導体層
101,201,301,401 Si基板
102,202,302,402 バッファ層
103,203,303,403 アンドープGaN層
104,204,304,404 アンドープAlGaN層
105,205,305,405 絶縁膜
106,206,306,406 2次元電子ガス
107,207,307,407 ソース電極
108,208,308,408 ゲート電極
109,209,309,409 ドレイン電極
108a,208a,309a,409a 基部
108b,208b,309b,409b ゲートフィールドプレート部
110,210,310,410 ゲート絶縁膜
105a,205a,305a,405a 第1絶縁膜
105b,205b,305b,405b 第2絶縁膜
111,211,311,411 第3絶縁膜
112,212,312,412 層間絶縁膜
113,213,313,413 パシベーション膜
114,214,314,414,514 層間絶縁膜
415 金属配線
100, 200, 300, 400
Claims (5)
上記窒化物半導体層上に、または、上記窒化物半導体層内に少なくとも一部が形成されると共に、互いに間隔をあけて配置されたソース電極およびドレイン電極と、
上記ソース電極と上記ドレイン電極との間かつ上記窒化物半導体層上に形成された絶縁膜と、
上記ソース電極と上記ドレイン電極との間かつ上記窒化物半導体層上に形成されたゲート電極と
を有するトランジスタ素子部を備え、
上記トランジスタ素子部は、負荷短絡時のドレイン電流密度とドレイン電圧との積であるパワー密度が所定のパワー密度以下になるように構成され、
上記超格子層は、上記ソース電極と上記ドレイン電極との間の耐圧が所定の電圧以上になるように構成されていることを特徴とする窒化物半導体装置。 A nitride semiconductor layer having a heterostructure including a channel layer, a barrier layer, and a superlattice layer;
A source electrode and a drain electrode which are formed on the nitride semiconductor layer or in the nitride semiconductor layer and spaced apart from each other;
An insulating film formed between the source electrode and the drain electrode and on the nitride semiconductor layer;
A transistor element portion having a gate electrode formed between the source electrode and the drain electrode and on the nitride semiconductor layer;
The transistor element portion is configured such that a power density that is a product of a drain current density and a drain voltage when a load is short-circuited is equal to or lower than a predetermined power density,
The nitride semiconductor device, wherein the superlattice layer is configured such that a breakdown voltage between the source electrode and the drain electrode is equal to or higher than a predetermined voltage.
上記超格子層を構成する層の数が20以上かつ80以下であることを特徴とする窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device according to claim 1,
The nitride semiconductor device, wherein the number of layers constituting the superlattice layer is 20 or more and 80 or less.
上記超格子層の層厚が0.3μm以上かつ1.5μm以下であることを特徴とする窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device according to claim 1,
A nitride semiconductor device, wherein the superlattice layer has a layer thickness of 0.3 μm or more and 1.5 μm or less.
上記超格子層は、AlGaNを含み、
上記超格子層の層厚と上記超格子層の平均Al組成比率との積が5μm%以上かつ30μm%以下であることを特徴とする窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device according to claim 1,
The superlattice layer includes AlGaN,
A nitride semiconductor device, wherein a product of a thickness of the superlattice layer and an average Al composition ratio of the superlattice layer is 5 μm% or more and 30 μm% or less.
上記ドレイン電極および上記ソース電極が配置された上記窒化物半導体層上に、層間絶縁膜を介して形成された放熱部を備えることを特徴とする窒化物半導体装置。 In the nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
A nitride semiconductor device comprising: a heat radiating portion formed through an interlayer insulating film on the nitride semiconductor layer on which the drain electrode and the source electrode are disposed.
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