[发明专利]切换元件

说明书

技术领域

本发明涉及以HEMT（High Electron Mobility Transistor：高电子迁移率晶体管）等为代表的切换元件。

背景技术

近年，期待着将以GaN为代表的III-V族化合物半导体即氮化物半导体适用于切换元件。特别是，氮化物半导体，与硅等相比，带隙（bandgap）大3.4eV左右，绝缘破坏电场高10倍，电子饱和速度大2.5倍等，具有功率器件中最优的特性。

具体来说，例如，提出了一种在蓝宝石等的基板上，设置了GaN／AlGaN的异质结构的切换元件的方案（例如，参照专利文献1）。在该切换元件中，通过出自GaN的结晶结构（纤锌矿型）的C轴方向上的非对称性的自发极化、基于出自AlGaN和GaN的晶格不匹配的压电效果的极化，生成并得到1×10¹³cm^-2的二维电子气体（2DEG）。该切换元件通过控制该二维电子气体，来切换规定的电极之间的导通／非导通。

关于上述结构的切换元件，参照图6～图8进行具体地说明。图6是表示现有的切换元件的结构的剖视图。图7是表示图6所示的现有的切换元件的关断状态的剖视图。图8是表示图6所示的现有的切换元件的接通状态的剖视图。

如图6所示，切换元件100具备：基板101、在基板101的上表面形成的缓冲层102、由在缓冲层102的上表面形成的未掺杂的GaN构成的电子运行层103、由在电子运行层103的上表面形成的AlGaN构成的电子供给层104、在电子供给层104的上表面形成的源电极105、在电子供给层104的上表面形成的漏电极106、在电子供给层104的上表面形成且配置于源电极105和漏电极106之间的栅电极107。此外，该切换元件100为常开型。

切换元件100，即使栅电极107的电位与源电极105的电位（设为0V）相等，栅电极107打开，也变为在电子运行层103的与电子供给层104接合的界面产生二维电子气体108的状态（接通状态）。此时，若与源电极105的电位相比漏电极106的电位高（若为正的电位），则在漏电极106与源电极105之间，流过电流。

另一方面，切换元件100，当栅电极107的电位，比源电极105的电位（设为0V）低规定值以上时（为负电位时），变为在栅电极107的紧下方，在电子供给层104的与电子运行层103接合的界面不产生二维电子气体108的状态（关断状态）。在该状态下，在漏电极106与源电极105之间，不流过电流。

如图7所示，当切换元件100变为关断状态时，在栅电极107的紧下方形成空乏区109。此时，在功率器件用的切换元件100中，在漏电极106与源电极105之间产生高的电位差（例如，相当于电源电压数100V左右）。于是，在栅电极107附近的漏电极106侧产生高的电场，通过碰撞电离产生电子和空穴。然后，产生的电子110被俘获到起因于电子供给层104的表面（上面）的氮气缺陷的能级等。

当切换元件100从图7所示的关断状态转移至接通状时，如图8所示，在电子供给层104的表面上保持被俘获的电子110规定的时间（例如，数秒～数分这样的长时间）。该电子110，通过对二维电子气体108中的电子带来斥力（库仑力），阻挡流过漏电极106与以及源电极105之间的电流。这是被称为“崩溃现象”的现象，由于通过该现象，切换元件100的接通阻抗变大，高速切换变难，所以成为问题。

在专利文献2中提出了一种用于抑制该崩溃现象的结构的方案。关于该结构，参照图9进行说明。图9是表示现有的切换元件的结构的剖视图。

如图9所示，切换元件200具备：基板201、在基板201的上表面形成的缓冲层202、由在缓冲层202的上表面形成的未掺杂的GaN构成的电子运行层203、由在电子运行层203的上表面形成的AlGaN构成的电子供给层204、一部分在电子运行层203的上表面形成的源电极205、一部分在电子运行层203的上表面形成的漏电极206、在电子供给层204的上表面形成且配置于源电极205与漏电极206之间的栅电极207、在电子供给层204的上表面且在栅电极207与源电极205之间和栅电极207与漏电极206之间形成的钝化层211。

在该切换元件200中，通过将由氮化物构成的钝化层211设置在电子供给层204的上表面，来减少电子供给层204的表面（上表面）的氮气缺陷。另外，在该切换元件200中，通过将栅电极207做成至少伸出到漏电极206侧的结构（场电极结构），缓和在栅电极207附近的漏电极206侧产生的电场，并抑制上述的碰撞电离的发生。