[发明专利]半导体装置及其驱动方法

说明书

本申请是申请号：200780038121.3，申请日：2007.11.20，发明名称：“半导体装置及其驱动方法”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种半导体装置，特别涉及一种用于功率控制的双向开关动作的半导体装置及其驱动方法。

背景技术

近年来，利用了氮化镓(GaN)等的氮化物半导体的场效应晶体管(Field Effect Transistor：FET)作为功率开关装置，对它的研究开发工作非常火热。因为氮化镓能够与氮化铝、氮化铟形成各种各样的混晶，所以与砷化镓(GaAs)等砷系半导体一样，氮化物半导体能够形成异质结。结果是，能够将它应用到利用了异质结而制成的异质结场效应型晶体管(HFET)中。

为确保出现故障时机器设备的安全，就强烈地要求如今在功率电子学领域中所使用的装置大部分是常关型(normally off)的。但是，氮化物半导体，即使不掺杂，在异质结界面也会由于自发极化、压电极化等而产生高浓度的载流子。因此，在使用氮化物半导体制造FET的情况下，容易成为耗尽型(常开型)，而难以得到增强型(常关型)特性(参考例如专利文献1)。

已知以下几种结构是作为利用了氮化物半导体的常关型FET的结构，例如，单纯地使成为AlGaN/GaN异质结的障碍层的AlGaN层的膜厚或Al组分比减少的结构、在栅极部设置凹部来让阈值电压朝着正向位移的结构、在蓝宝石衬底的(10-12)面上制作FET而在氮化物半导体的结晶成长方向上不产生极化电场的结构等。

有人提出了在栅极部形成p型GaN层的结型场效应型晶体管(JFET：Junction Field Effect Transitor)(参考例如专利文献2)。JFET中将内建电势比肖特基结还大的pn结用作栅极。这样一来，便能够使栅极上升电压增大，即使施加正的栅极电压也能够将栅极漏电流抑制在很小的值上，这是有利之处。

在功率电子学领域，要求的是能够控制双向的电流的双向开关，有人提出使用了GaN半导体的双向开关(专利文献3)。

专利文献1：日本公开专利公报特开2004-273486号公报

专利文献2：日本公开专利公报特开2003-228320号公报

专利文献3：美国专利申请公开2005/0189561号说明书

发明内容

但是，若想利用所述现有的使用了氮化物半导体的常关型FET，实现进行功率控制等时所需要的双向开关动作，则会出现以下问题。这里所说的双向开关动作是，至少在一个方向上能够让电流流动，而且能够将双向的电流切断的开关动作。

首先，因为现有的FET相对负偏压的击穿电压(反向击穿电压)很小，所以若不将多个元件组合起来，便无法实现让电流导通、或将电流切断的双向开关主体，这是问题。而且，在使其作为双向开关动作的情况下，从外部机器设备进行的控制变得复杂起来。也很难在四个象限进行控制、使其作为二极管工作亦即作为逆向阻止开关工作。

现有的常关型FET能够施加在栅电极上的电压的容许范围很窄。因此，不能够施加高于1V左右的栅极电压，也就可能由于噪音而产生误动作。

本发明正是为解决上述问题而研究开发出来的，其目的在于：实现具有优良的反向击穿电压特性、仅由一个元件成为双向开关主体且能够施加高的栅极电压的半导体装置。

具体而言，本发明所涉及的半导体装置，包括：半导体层叠层体，形成在衬底上、具有沟道区域，第一电极与第二电极，相互间有间隔地形成在半导体层叠层体上，第一栅电极与第二栅电极，该第一栅电极形成在第一电极与第二电极之间，该第二栅电极形成在该第一栅电极和第二电极之间，以及第一控制层，形成在半导体层叠层体与第一栅电极之间、具有p型导电性。

本发明的半导体装置包括具有p型导电性的第一控制层。因此，通过从第一栅电极对沟道区域施加正向的偏压，便能够将空穴注入沟道区域内。因为注入到沟道区域内的空穴发挥施主离子一样的作用，所以能够在沟道区域内对载流子浓度进行调制。结果是，能够实现工作电流很大的常闭型氮化物半导体晶体管。

在本发明的半导体装置中，可以具有：通过以第一电极的电位为基准将正电压施加在第一栅电极上，空穴便被注入沟道区域的动作模式。

在本发明的半导体装置中，第一栅电极的阈值电压和第二栅电极的阈值电压可以相互不同。

在本发明的半导体装置中，第二栅电极与半导体层叠层体可以形成为肖特基结。

在本发明的半导体装置中，半导体层叠层体具有凹部；第二栅电极与凹部的底面相接触。