JP2006261642A - Field effect transistor and method of fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高周波用高出力トランジスタとして利用可能な電界効果トランジスタおよびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a field effect transistor that can be used as a high-power high-frequency transistor and a method for manufacturing the same.
GaNに代表される III−V族窒化物化合物半導体(Inx Aly Ga1-x-y N(但し0≦x≦1、0≦y≦1)、以下InAlGaNと表記する)は、広いバンドギャップ(例えばGaNのバンドギャップは室温で3.4eV)を有すると共に非常に大きい絶縁破壊電界及び飽和電子速度を持つため、高出力の高速電子デバイス用材料として注目されている。特に、GaN膜上にAlGaN膜を積層したヘテロ接合構造(以下、AlGaN/GaNヘテロ構造と称する)においては、(0001)面上の強い分極電界によってGaN膜中のヘテロ接合界面近傍に電子が高濃度に蓄積し、いわゆる二次元電子ガスが形成される。この二次元電子ガスは、AlGaN膜中に添加されるドナー不純物と空間的に分離されるので、高い電子移動度を示す。さらに、GaN系材料については、いわゆる飽和ドリフト速度が大きく、例えば1×105 V/cm程度の高電界領域においては、高周波トランジスタの材料として現在普及しているGaAs系材料と比較して2倍以上の電子速度を有するため、また、バンドギャップが大きく絶縁破壊電界が大きいため、高周波・高出力デバイスへの応用が期待されている。 Group III-V nitride represented by GaN compound semiconductor (In x Al y Ga 1- xy N ( where 0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1), hereinafter referred to as InAlGaN) is wider bandgap ( For example, the band gap of GaN has 3.4 eV) at room temperature and has a very large breakdown electric field and saturation electron velocity, and therefore has attracted attention as a material for high-power high-speed electronic devices. In particular, in a heterojunction structure in which an AlGaN film is laminated on a GaN film (hereinafter referred to as an AlGaN / GaN heterostructure), a strong polarization electric field on the (0001) plane causes high electrons near the heterojunction interface in the GaN film. Accumulating in concentration, so-called two-dimensional electron gas is formed. Since this two-dimensional electron gas is spatially separated from donor impurities added to the AlGaN film, it exhibits high electron mobility. Furthermore, the GaN-based material has a high so-called saturation drift velocity, and in a high electric field region of about 1 × 10 5 V / cm, for example, is twice as high as the GaAs-based material currently popular as a high-frequency transistor material. Since it has the above electron velocity and has a large band gap and a large dielectric breakdown electric field, it is expected to be applied to a high-frequency / high-power device.
しかしながら、AlGaN/GaNヘテロ構造を有する電界効果トランジスタ(HEFT:Heterojunction Field Effect Transistor)においては、現在まで、材料物性から期待される高周波特性が得られていない。この原因の1つとして、オーミック抵抗に起因する寄生抵抗が大きいことが挙げられる。以下、具体的に説明する。HEFTの特性指標として、遮断周波数fT と相互コンダクタンスgm とが挙げられるが、これらの間には下記(式1)で表される関係がある。 However, the field effect transistor (HEFT: Heterojunction Field Effect Transistor) having an AlGaN / GaN heterostructure has not yet achieved the high frequency characteristics expected from the material properties. One of the causes is a large parasitic resistance due to the ohmic resistance. This will be specifically described below. As a characteristic index of HEFT, cutoff frequency f T and mutual conductance g m can be mentioned, and there is a relationship represented by the following (formula 1).
fT =gm /(2πLg ) ・・・ (式1)
ここで、Lg はゲート長である。(式1)から明らかなように、遮断周波数fT を向上させるためには、相互コンダクタンスgm を大きくすることが重要である。寄生抵抗を考慮した場合、gm は下記(式2)で表される。
f T = g m / (2πL g ) (Formula 1)
Here, L g is the gate length. As is clear from (Equation 1), in order to improve the cutoff frequency f T , it is important to increase the mutual conductance g m . In consideration of the parasitic resistance, g m is expressed by the following (formula 2).
gm =gm int /(1+Rs ・gm int ) ・・・ (式2)
ここで、gm int は真性相互コンダクタンスであり、材料と構造とによって決まる。また、Rs はオーミック電極からチャネルに至るまでの間の寄生抵抗であり、ソース抵抗と呼ばれる。(式2)から分かるように、相互コンダクタンスgm はソース抵抗Rs が小さくなるに従って大きくなり、その結果、遮断周波数fT も向上する。従って、HEFTの高周波特性を向上させるためには、寄生抵抗を減少させる必要がある。
g m = g m int / (1 + R s · g m int ) (Formula 2)
Here, g m int is intrinsic transconductance, which depends on the material and structure. R s is a parasitic resistance from the ohmic electrode to the channel and is called a source resistance. As can be seen from (Equation 2), the mutual conductance g m increases as the source resistance R s decreases, and as a result, the cutoff frequency f T also increases. Therefore, in order to improve the high frequency characteristics of HEFT, it is necessary to reduce the parasitic resistance.
AlGaN/GaN系HEFTにおいては、禁制帯幅(つまりバンドギャップ)の大きいAlGaNにオーミック電極を形成するため、コンタクト抵抗の低減が困難である。そこで、禁制帯幅の小さな材料からなるキャップ層を電極とAlGaNとの間に挟み込み、それによってコンタクト抵抗を低減する方法が用いられてきた。従来、このようなキャップ層としてはGaNが用いられてきた(非特許文献1参照)。しかしながら、この方法によれば、GaNの分極とAlGaNの分極との間に差があるため、GaNとAlGaNとの間のポテンシャルバリアが隆起してしまう。これにより、GaN/AlGaN界面における寄生抵抗が増大し、その結果、高周波特性が劣化してしまう問題があった。 In the AlGaN / GaN-based HEFT, it is difficult to reduce contact resistance because an ohmic electrode is formed on AlGaN having a large forbidden band width (that is, a band gap). Therefore, a method has been used in which a cap layer made of a material having a small forbidden band width is sandwiched between an electrode and AlGaN, thereby reducing contact resistance. Conventionally, GaN has been used as such a cap layer (see Non-Patent Document 1). However, according to this method, since there is a difference between the polarization of GaN and the polarization of AlGaN, the potential barrier between GaN and AlGaN is raised. As a result, the parasitic resistance at the GaN / AlGaN interface increases, and as a result, there is a problem that the high frequency characteristics deteriorate.
この問題に対処するため、特許文献1においては、GaNと格子整合し且つAlGaNよりも分極が大きくなる組成を有するInAlGaNをキャップ層に用いる構造が提案されている。
In order to cope with this problem,
図9(a)は、特許文献1に開示された、従来の電界効果トランジスタの断面構成図である。図9(a)に示すように、サファイア基板101上にアンドープGaNバッファー層102がエピタキシャル成長により形成されている。アンドープGaNバッファー層102の上部には2次元電子ガス107が発生しており、これにより、アンドープGaNバッファー層102の上部は電界効果トランジスタのチャネル層として機能する。アンドープGaNバッファー層102の上にはエピタキシャル成長によりn型AlGaN電子供給層103及びn型InAlGaNキャップ層104が順に形成されている。n型InAlGaNキャップ層104の所定の領域には、n型AlGaN電子供給層103に達する凹部が形成されていると共に、当該凹部にはゲート電極となるPd−Si(PdとSiとの合金)ショットキー電極106が形成されている。また、n型InAlGaNキャップ層104上におけるショットキー電極106の両側方には、ソース電極及びドレイン電極となるTi/Al(Ti層とAl層との積層構造を持つ)オーミック電極105が形成されている。
FIG. 9A is a cross-sectional configuration diagram of a conventional field effect transistor disclosed in
尚、図9(b)は、図9(a)のY−Y’線に沿ったAl及びInのそれぞれの組成の変化を示しており、図9(c)は、図9(a)のY−Y’線に沿った電子のポテンシャルエネルギーの変化を示している。
しかしながら、特許文献1に開示された、従来の電界効果トランジスタにおいては、図9(c)に示すように、InAlGaN/AlGaN界面において大きなポテンシャルバリアが存在し、それによって寄生抵抗が増大してしまうという問題があった。
However, in the conventional field effect transistor disclosed in
前記に鑑み、本発明は、ヘテロ接合を有する電界効果トランジスタにおいて、ヘテロ界面における寄生抵抗の増大を抑制し、それによって高周波特性等のトランジスタ特性を向上させることを目的とする。 In view of the above, an object of the present invention is to suppress an increase in parasitic resistance at a heterointerface in a field effect transistor having a heterojunction, thereby improving transistor characteristics such as high-frequency characteristics.
本願発明者らは、従来の電界効果トランジスタのInAlGaN/AlGaN界面において大きなポテンシャルバリアが生じてしまう原因を検討した結果、次のような知見を得た。すなわち、本願発明者らはInAlGaN層の結晶成長条件を詳細に検討し、その最適化を行なった結果、InAlGaNのボーイングパラメータが従来知られている値(1eV程度)と比較して2〜3倍大きいことを見出した。図10は、カソードルミネッセンス(CL)法によりIn0.09Al0.32Ga0.59Nの禁制帯幅の評価を行なった結果を示す。ここで、InAlGaNの禁制帯幅EgInAlGaN は下記(式3)で表される。 The inventors of the present application have studied the cause of the generation of a large potential barrier at the InAlGaN / AlGaN interface of the conventional field effect transistor, and as a result, have obtained the following knowledge. That is, the inventors of the present invention have examined the crystal growth conditions of the InAlGaN layer in detail and, as a result of optimization, the bowing parameter of InAlGaN is 2 to 3 times that of a conventionally known value (about 1 eV). I found it big. FIG. 10 shows the results of evaluation of the forbidden band width of In 0.09 Al 0.32 Ga 0.59 N by the cathodoluminescence (CL) method. Here, the forbidden band width Eg InAlGaN of InAlGaN is expressed by the following (formula 3).
EgInAlGaN =In組成×EgInN +Al組成×EgAlN +Ga組成×EgGaN
−C×(In組成+Al組成)×Ga組成 ・・・ (式3)
ここで、EgInN 、EgAlN 、EgGaN はそれぞれInN、AlN、GaNの禁制帯幅であり、Cはボーイングパラメータである。前述のように、InAlGaNのボーイングパラメータは従来1eV程度と考えられていたが、図10に示す結果から求められるボーイングパラメータは2.3eVとなる。In0.09Al0.32Ga0.59Nを含むInAlGaNの複数サンプルについて禁制帯幅Egとボーイングパラメータとを調べた結果を図11に示す。以上の評価結果は、InAlGaN中のAl組成及びIn組成を増加させたとしても、禁制帯幅があまり大きくならないことを意味する。その結果、特許文献1に示された組成を有するInAlGaNをキャップ層として用いたとしても、図9(c)に示すように、InAlGaN/AlGaN界面において大きなポテンシャルバリアが存在し、それによって寄生抵抗が増大してしまうという問題が生じることとなる。
Eg InAlGaN = In composition × Eg InN + Al composition × Eg AlN + Ga composition × Eg GaN
−C × (In composition + Al composition) × Ga composition (Formula 3)
Here, Eg InN , Eg AlN , and Eg GaN are forbidden bandwidths of InN, AlN, and GaN, respectively, and C is a bowing parameter. As described above, the bowing parameter of InAlGaN was conventionally considered to be about 1 eV, but the bowing parameter obtained from the result shown in FIG. 10 is 2.3 eV. FIG. 11 shows the results of examining the forbidden band width Eg and the bowing parameter for a plurality of InAlGaN samples containing In 0.09 Al 0.32 Ga 0.59 N. The above evaluation results mean that even if the Al composition and In composition in InAlGaN are increased, the forbidden bandwidth is not so large. As a result, even if InAlGaN having the composition shown in
以上の知見に基づき、本願発明者らは、AlGaN層のAl組成を変化させることによって、キャップ層とAlGaN層との間のポテンシャルバリアをなくし、それによりヘテロ界面における寄生抵抗の増大を抑制することによって高周波特性等の素子特性を向上させることを着想した。すなわち、本発明は、AlGaN層とInAlGaN層との界面において、それぞれの伝導帯の下端の差をできるだけ小さく設定する、言い換えると、それぞれの伝導帯の下端が実質的に連続するように設定するものである。 Based on the above findings, the inventors of the present application eliminate the potential barrier between the cap layer and the AlGaN layer by changing the Al composition of the AlGaN layer, thereby suppressing an increase in parasitic resistance at the heterointerface. The idea was to improve device characteristics such as high-frequency characteristics. That is, the present invention sets the difference between the lower ends of the respective conduction bands as small as possible at the interface between the AlGaN layer and the InAlGaN layer, in other words, sets the lower ends of the respective conduction bands to be substantially continuous. It is.
具体的には、本発明に係る電界効果トランジスタは、窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層の上に形成されたInx Aly Ga1-x-y N層(但し0<x<1、0<y<1、0<x+y<1)と、前記Inx Aly Ga1-x-y N層の上に形成され且つ前記Inx Aly Ga1-x-y N層と接するソース電極及びドレイン電極とを備え、前記窒化物半導体層と前記Inx Aly Ga1-x-y N層との界面において、それぞれの伝導帯の下端が実質的に連続する。 Specifically, the field-effect transistor according to the present invention includes a nitride semiconductor layer, In x Al y Ga 1- xy N layer formed on the nitride semiconductor layer (where 0 <x <1, 0 <y <1, 0 and <x + y <1), and the in x Al y Ga 1-xy N layer formed on and the in x Al y Ga 1-xy N layer in contact with the source electrode and the drain electrode comprising, at the interface between the said nitride semiconductor layer in x Al y Ga 1-xy N layer, the lower end of each of the conduction band is substantially continuous.
本発明の電界効果トランジスタによると、Inx Aly Ga1-x-y N層(以下、InAlGaN層と称する)上には、3×10-6Ω・cm2 以下の非常に低抵抗なオーミック電極(ソース電極及びドレイン電極となる)を形成できる。また、キャップ層としてはたらくInAlGaN層の伝導帯の下端と、電子供給層としてはたらく窒化物半導体層の伝導帯の下端とが連続することから、窒化物半導体層とInAlGaN層との界面におけるポテンシャルバリアを低くすることができるので、寄生抵抗を大幅に低減することが可能となり、高周波特性等のトランジスタ特性を向上させることができる。 According to the field effect transistor of the present invention, In x Al y Ga 1- xy N layer (hereinafter referred to as InAlGaN layer) On, 3 × 10 -6 Ω · cm 2 or less very low resistance ohmic electrodes ( Source electrode and drain electrode) can be formed. In addition, since the lower end of the conduction band of the InAlGaN layer serving as the cap layer and the lower end of the conduction band of the nitride semiconductor layer serving as the electron supply layer are continuous, a potential barrier at the interface between the nitride semiconductor layer and the InAlGaN layer is provided. Since the resistance can be lowered, parasitic resistance can be greatly reduced, and transistor characteristics such as high-frequency characteristics can be improved.
本発明の電界効果トランジスタにおいて、前記Inx Aly Ga1-x-y N層の分極は、前記窒化物半導体層の分極と等しいか又は前記窒化物半導体層の分極よりも大きいことが好ましい。 In the field effect transistor of the present invention, the polarization of In x Al y Ga 1-xy N layer is preferably greater than the polarization of the polarization equal to or the nitride semiconductor layer of the nitride semiconductor layer.
このようにすると、窒化物半導体層とInAlGaN層との界面における空乏層の発生を抑制し、それによって当該界面におけるポテンシャルバリアの増大をより一層抑制することができる。また、チャネル層に高濃度の電子を供給することができるので、ポテンシャルバリアに起因する寄生抵抗のみならず、チャネル抵抗に起因する寄生抵抗も低減することができる。 In this way, it is possible to suppress the generation of a depletion layer at the interface between the nitride semiconductor layer and the InAlGaN layer, thereby further suppressing an increase in potential barrier at the interface. Further, since a high concentration of electrons can be supplied to the channel layer, not only the parasitic resistance due to the potential barrier but also the parasitic resistance due to the channel resistance can be reduced.
本発明の電界効果トランジスタにおいて、前記窒化物半導体層と前記Inx Aly Ga1-x-y N層との界面において、それぞれの格子定数が実質的に等しいことが好ましい。 In the field effect transistor of the present invention, it is preferable that the lattice constants are substantially equal at the interface between the nitride semiconductor layer and the In x Al y Ga 1 -xy N layer.
このようにすると、InAlGaN層を厚く形成することができるため、InAlGaN層の抵抗をより低減することができるので、より一層の寄生抵抗の低減が可能となる。 In this case, since the InAlGaN layer can be formed thick, the resistance of the InAlGaN layer can be further reduced, and therefore, the parasitic resistance can be further reduced.
本発明の電界効果トランジスタにおいて、前記窒化物半導体層と前記Inx Aly Ga1-x-y N層との界面において、それぞれの禁制帯幅が実質的に等しいことが好ましい。 In the field effect transistor of the present invention, it is preferable that the forbidden band widths are substantially equal at the interface between the nitride semiconductor layer and the In x Al y Ga 1 -xy N layer.
このようにすると、窒化物半導体層とInAlGaN層との間の電子親和力の差つまりポテンシャルバリアが、窒化物半導体層とInAlGaN層との間の禁制帯幅の差に比例すると考えられることから、ポテンシャルバリアを非常に小さくすることができるので、ポテンシャルバリアに起因する寄生抵抗の増大をより一層抑制することが可能となる。 In this case, the difference in electron affinity between the nitride semiconductor layer and the InAlGaN layer, that is, the potential barrier is considered to be proportional to the difference in the forbidden band width between the nitride semiconductor layer and the InAlGaN layer. Since the barrier can be made very small, an increase in parasitic resistance caused by the potential barrier can be further suppressed.
本発明の電界効果トランジスタにおいて、前記窒化物半導体層はAlを含み、前記窒化物半導体層におけるAl組成は、前記窒化物半導体層と前記Inx Aly Ga1-x-y N層との界面から離れるに従って大きくなるように変化していることが好ましい。 In the field effect transistor of the present invention, the nitride semiconductor layer includes Al, Al composition in the nitride semiconductor layer is separated from the interface between the said nitride semiconductor layer In x Al y Ga 1-xy N layer It is preferable to change so that it may become large according to this.
このようにすると、窒化物半導体層とInAlGaN層との界面において、それぞれの伝導帯の下端を確実に連続させることができる。従って、当該界面におけるポテンシャルバリアをなくすことができるので、寄生抵抗の増大を確実に抑制することが可能となる。尚、前記窒化物半導体層におけるAl組成は、前記界面から離れるに従って直線状に増加してもよい。また、前記窒化物半導体層におけるAl組成は、前記界面から離れるに従って階段状に増加してもよい。さらに、前記窒化物半導体層におけるAl組成は、前記界面から離れるに従って、上に凸の2次曲線状に増加してもよい。 In this way, the lower ends of the respective conduction bands can be reliably continued at the interface between the nitride semiconductor layer and the InAlGaN layer. Therefore, since the potential barrier at the interface can be eliminated, an increase in parasitic resistance can be reliably suppressed. The Al composition in the nitride semiconductor layer may increase linearly as the distance from the interface increases. Further, the Al composition in the nitride semiconductor layer may increase stepwise as the distance from the interface increases. Furthermore, the Al composition in the nitride semiconductor layer may increase in a convex quadratic curve shape as the distance from the interface increases.
本発明の電界効果トランジスタにおいて、前記窒化物半導体層と前記Inx Aly Ga1-x-y N層との間に、GaN層とAlGaN層とが交互に少なくとも一周期以上積層されてなる多層膜をさらに備えていることが好ましい。 In the field effect transistor of the present invention, between the nitride semiconductor layer and the In x Al y Ga 1-xy N layer, a multilayer film and the GaN layer and the AlGaN layer are laminated at least one cycle or more alternately Furthermore, it is preferable to provide.
このようにすると、InAlGaN層と窒化物半導体層との間の実効的なポテンシャルバリアを低減し、当該ポテンシャルバリアに起因する寄生抵抗の増大を抑制できると共に、InAlGaN層と窒化物半導体層との界面に平行な方向の抵抗も低減することが可能になる。 In this way, the effective potential barrier between the InAlGaN layer and the nitride semiconductor layer can be reduced, an increase in parasitic resistance due to the potential barrier can be suppressed, and the interface between the InAlGaN layer and the nitride semiconductor layer can be suppressed. It is also possible to reduce the resistance in the direction parallel to.
本発明の電界効果トランジスタにおいて、前記窒化物半導体層と前記Inx Aly Ga1-x-y N層との間に、他のInAlGaN層とAlGaN層とが交互に少なくとも一周期以上積層されてなる多層膜をさらに備えていることが好ましい。 In the field effect transistor of the present invention, a multilayer in which another InAlGaN layer and an AlGaN layer are alternately stacked at least one period or more between the nitride semiconductor layer and the In x Al y Ga 1-xy N layer. It is preferable to further comprise a membrane.
このようにすると、InAlGaN層と窒化物半導体層との間の実効的なポテンシャルバリアを低減し、当該ポテンシャルバリアに起因する寄生抵抗の増大を抑制できると共に、InAlGaN層と窒化物半導体層との界面に平行な方向の抵抗も低減することが可能になる。 In this way, the effective potential barrier between the InAlGaN layer and the nitride semiconductor layer can be reduced, an increase in parasitic resistance due to the potential barrier can be suppressed, and the interface between the InAlGaN layer and the nitride semiconductor layer can be suppressed. It is also possible to reduce the resistance in the direction parallel to.
本発明の電界効果トランジスタにおいて、前記窒化物半導体層は、前記窒化物半導体層と前記Inx Aly Ga1-x-y N層との界面に対して垂直な方向においてパルス状のプロファイルを生じるように前記窒化物半導体層の導電型に寄与する不純物が添加された領域を有することが好ましい。 In the field effect transistor of the present invention, the nitride semiconductor layer has a pulse-like profile in a direction perpendicular to the interface between the nitride semiconductor layer and the In x Al y Ga 1-xy N layer. It is preferable to have a region to which an impurity contributing to the conductivity type of the nitride semiconductor layer is added.
このようにすると、不純物添加により伝導帯が押し下げられるため、電子がポテンシャルバリアを通過しやすくなる。従って、ポテンシャルバリアの影響を低減することができるので、寄生抵抗の増大をより一層抑制することが可能となる。この場合、前記領域における前記不純物のピーク濃度が1×1019atoms/cm3 以上であることが好ましい。 In this case, the conduction band is pushed down by the addition of impurities, so that electrons easily pass through the potential barrier. Therefore, since the influence of the potential barrier can be reduced, an increase in parasitic resistance can be further suppressed. In this case, it is preferable that the peak concentration of the impurity in the region is 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more.
本発明の電界効果トランジスタにおいて、前記Inx Aly Ga1-x-y N層の所定の領域に、前記窒化物半導体層に達する凹部が形成されており、前記凹部内に形成されたゲート電極をさらに備えていてもよい。 In the field effect transistor of the present invention, the in a predetermined area of the In x Al y Ga 1-xy N layer, said recess reaching the nitride semiconductor layer is formed, further the gate electrode formed in the recess You may have.
本発明に係る第1の電界効果トランジスタの製造方法は、基板上に第1の窒化物半導体層を形成する工程と、前記第1の窒化物半導体層の上に、前記第1の窒化物半導体層よりも禁制帯幅が大きい第2の窒化物半導体層を形成する工程と、前記第2の窒化物半導体層の上にInx Aly Ga1-x-y N層(但し0<x<1、0<y<1、0<x+y<1)を形成する工程と、前記Inx Aly Ga1-x-y N層の所定の領域に、前記第2の窒化物半導体層に達する凹部を形成する工程と、前記凹部内にゲート電極を形成する工程と、前記Inx Aly Ga1-x-y N層の上に、前記Inx Aly Ga1-x-y N層と接するソース電極及びドレイン電極を形成する工程とを備え、前記第2の窒化物半導体層と前記Inx Aly Ga1-x-y N層との界面において、それぞれの伝導帯の下端が実質的に連続する。 The first field effect transistor manufacturing method according to the present invention includes a step of forming a first nitride semiconductor layer on a substrate, and the first nitride semiconductor on the first nitride semiconductor layer. forming a second nitride semiconductor layer is larger bandgap than layer, in x Al y Ga 1- xy N layer on the second nitride semiconductor layer (where 0 <x <1, 0 <y <1,0 <forming a x + y <1), in a predetermined area of the in x Al y Ga 1-xy N layer, forming a recess reaching said second nitride semiconductor layer When a step of forming a gate electrode in the recess, on said in x Al y Ga 1-xy N layer, forming a source electrode and a drain electrode in contact with said in x Al y Ga 1-xy N layer and a step, at the interface between the said second nitride semiconductor layer in x Al y Ga 1-xy N layer, its The lower end of the conduction band of, respectively is substantially continuous.
第1の電界効果トランジスタの製造方法によると、InAlGaN層上には、3×10-6Ω・cm2 以下の非常に低抵抗なオーミック電極(ソース電極及びドレイン電極)を形成できる。また、キャップ層としてはたらくInAlGaN層の伝導帯の下端と、電子供給層としてはたらく第2の窒化物半導体層の伝導帯の下端とが連続することから、第2の窒化物半導体層とInAlGaN層との界面におけるポテンシャルバリアを低くすることができるので、寄生抵抗を大幅に低減することが可能となり、高周波特性等のトランジスタ特性を向上させることができる。 According to the first method for producing a field effect transistor, an extremely low resistance ohmic electrode (source electrode and drain electrode) of 3 × 10 −6 Ω · cm 2 or less can be formed on the InAlGaN layer. Further, since the lower end of the conduction band of the InAlGaN layer serving as the cap layer and the lower end of the conduction band of the second nitride semiconductor layer serving as the electron supply layer are continuous, the second nitride semiconductor layer and the InAlGaN layer are Since the potential barrier at the interface can be lowered, parasitic resistance can be greatly reduced, and transistor characteristics such as high-frequency characteristics can be improved.
本発明に係る第2の電界効果トランジスタの製造方法は、基板上に第1の窒化物半導体層を形成する工程と、前記第1の窒化物半導体層の上に、前記第1の窒化物半導体層よりも禁制帯幅が大きい第2の窒化物半導体層を形成する工程と、前記第2の窒化物半導体層の所定の領域の上にマスク層を形成する工程と、前記マスク層に覆われていない前記第2の窒化物半導体層の上にInx Aly Ga1-x-y N層(但し0<x<1、0<y<1、0<x+y<1)を選択的に形成する工程と、前記マスク層を除去することによって、前記第2の窒化物半導体層に達する凹部を形成する工程と、前記凹部内にゲート電極を形成する工程と、前記Inx Aly Ga1-x-y N層の上に、前記Inx Aly Ga1-x-y N層と接するソース電極及びドレイン電極を形成する工程とを備えている。 The second field effect transistor manufacturing method according to the present invention includes a step of forming a first nitride semiconductor layer on a substrate, and the first nitride semiconductor on the first nitride semiconductor layer. A step of forming a second nitride semiconductor layer having a larger forbidden band width than the layer; a step of forming a mask layer on a predetermined region of the second nitride semiconductor layer; and a step of covering the mask layer. in x Al y Ga 1-xy N layer on the second nitride semiconductor layer is not (where 0 <x <1,0 <y < 1,0 <x + y <1) selectively forming a If, by removing the mask layer, and forming a recess reaching said second nitride semiconductor layer, forming a gate electrode in the recess, the in x Al y Ga 1-xy N on the layer, a source electrode and a drain electrode in contact with said in x Al y Ga 1-xy N layer And a step of forming.
第2の電界効果トランジスタの製造方法によると、InAlGaN層上には、3×10-6Ω・cm2 以下の非常に低抵抗なオーミック電極(ソース電極及びドレイン電極)を形成できる。また、チャネル部分に損傷を与えることなく、ゲート電極形成用の凹部を形成することができるので、チャネル抵抗に起因する寄生抵抗の増大を抑制することが可能になる。 According to the second method for producing a field effect transistor, an extremely low resistance ohmic electrode (source electrode and drain electrode) of 3 × 10 −6 Ω · cm 2 or less can be formed on the InAlGaN layer. In addition, since the recess for forming the gate electrode can be formed without damaging the channel portion, an increase in parasitic resistance due to the channel resistance can be suppressed.
第2の電界効果トランジスタの製造方法において、前記マスク層はSiO2 から構成されていてもよい。 In the second field effect transistor manufacturing method, the mask layer may be made of SiO 2 .
第2の電界効果トランジスタの製造方法において、前記マスク層の厚さは前記Inx Aly Ga1-x-y N層の厚さよりも大きいことが好ましい。 In the second method for fabricating a field effect transistor, the thickness of the mask layer is the In x Al y Ga preferably greater than the thickness of the 1-xy N layer.
このようにすると、マスク層の上にInAlGaN層が形成されることを防ぐことができるので、マスク層の除去により形成される凹部の寸法を精密に制御することができる。従って、微細なゲート電極を形成することができるため、チャネル長を短くすることができるので、チャネル抵抗に起因する寄生抵抗を低減することが可能になる。 In this way, since the InAlGaN layer can be prevented from being formed on the mask layer, the size of the recess formed by removing the mask layer can be precisely controlled. Therefore, since a fine gate electrode can be formed, the channel length can be shortened, so that the parasitic resistance due to the channel resistance can be reduced.
第2の電界効果トランジスタの製造方法において、前記第2の窒化物半導体層と前記Inx Aly Ga1-x-y N層との界面において、それぞれの伝導帯の下端が実質的に連続することが好ましい。 In the second method for fabricating a field effect transistor, at the interface between the said second nitride semiconductor layer In x Al y Ga 1-xy N layer, is the lower end of each of the conduction band is substantially continuous preferable.
このようにすると、キャップ層としてはたらくInAlGaN層の伝導帯の下端と、電子供給層としてはたらく第2の窒化物半導体層の伝導帯の下端とが連続することから、第2の窒化物半導体層とInAlGaN層との界面におけるポテンシャルバリアを低くすることができるので、寄生抵抗を大幅に低減することが可能となり、高周波特性等のトランジスタ特性を向上させることができる。 In this case, since the lower end of the conduction band of the InAlGaN layer serving as the cap layer and the lower end of the conduction band of the second nitride semiconductor layer serving as the electron supply layer are continuous, the second nitride semiconductor layer Since the potential barrier at the interface with the InAlGaN layer can be lowered, parasitic resistance can be greatly reduced, and transistor characteristics such as high-frequency characteristics can be improved.
この場合において、又は第1の電界効果トランジスタの製造方法において、前記第2の窒化物半導体層はAlを含み、前記第2の窒化物半導体層を形成する工程において、前記第2の窒化物半導体層におけるAl組成を、前記第2の窒化物半導体層と前記Inx Aly Ga1-x-y N層との界面から離れるに従って大きくなるように変化させることが好ましい。 In this case, or in the first field effect transistor manufacturing method, the second nitride semiconductor layer contains Al, and in the step of forming the second nitride semiconductor layer, the second nitride semiconductor layer is formed. It is preferable to change the Al composition in the layer so as to increase as the distance from the interface between the second nitride semiconductor layer and the In x Al y Ga 1 -xy N layer increases.
このようにすると、第2の窒化物半導体層とInAlGaN層との界面において、それぞれの伝導帯の下端を確実に連続させることができる。従って、当該界面におけるポテンシャルバリアをなくすことができるので、寄生抵抗の増大を確実に抑制することが可能となる。尚、前記第2の窒化物半導体層を形成する工程において、前記窒化物半導体層におけるAl組成を、前記界面から離れるに従って直線状に増加させてもよい。また、前記第2の窒化物半導体層を形成する工程において、前記窒化物半導体層におけるAl組成を、前記界面から離れるに従って階段状に増加させてもよい。さらに、前記第2の窒化物半導体層を形成する工程において、前記窒化物半導体層におけるAl組成を、前記界面から離れるに従って、上に凸の2次曲線状に増加させてもよい。 In this way, the lower end of each conduction band can be reliably continued at the interface between the second nitride semiconductor layer and the InAlGaN layer. Therefore, since the potential barrier at the interface can be eliminated, an increase in parasitic resistance can be reliably suppressed. In the step of forming the second nitride semiconductor layer, the Al composition in the nitride semiconductor layer may be increased linearly with distance from the interface. In the step of forming the second nitride semiconductor layer, the Al composition in the nitride semiconductor layer may be increased stepwise as the distance from the interface increases. Furthermore, in the step of forming the second nitride semiconductor layer, the Al composition in the nitride semiconductor layer may be increased in a convex quadratic curve shape as the distance from the interface increases.
第1又は第2の電界効果トランジスタの製造方法において、前記ソース電極及び前記ドレイン電極を形成する工程よりも後に、前記基板に対して熱処理を行なう工程をさらに備え、前記熱処理の温度は、前記Inx Aly Ga1-x-y N層の形成温度よりも低いことが好ましい。 The method for manufacturing the first or second field effect transistor further includes a step of performing a heat treatment on the substrate after the step of forming the source electrode and the drain electrode, and the temperature of the heat treatment is the In it is preferably lower than the formation temperature of the x Al y Ga 1-xy N layer.
このようにすると、熱処理に起因するInAlGaN層の結晶性の劣化を抑制し、高い結晶性を維持することができるので、寄生抵抗の増大を抑制することが可能になる。 By doing so, it is possible to suppress the deterioration of the crystallinity of the InAlGaN layer due to the heat treatment and maintain high crystallinity, and thus it is possible to suppress an increase in parasitic resistance.
第1又は第2の電界効果トランジスタの製造方法において、前記Inx Aly Ga1-x-y N層を形成する工程よりも後に、前記Inx Aly Ga1-x-y N層にn型導電型を供する不純物を、前記Inx Aly Ga1-x-y N層の最上部における前記不純物の濃度が他の部分よりも高くなるように添加する工程と、当該工程の後に、前記Inx Aly Ga1-x-y N層の形成温度よりも低い温度で前記基板に対して熱処理を行なう工程とをさらに備えていることが好ましい。 In the manufacturing method of the first or second field effect transistor, after the step of forming the In x Al y Ga 1-xy N layer, the n-type conductivity type in the In x Al y Ga 1-xy N layer the impurities to provide a step of concentration of the impurities in the top of the in x Al y Ga 1-xy N layer is added so as to be higher than the other portions, after the step, the in x Al y Ga 1 It is preferable to further include a step of performing a heat treatment on the substrate at a temperature lower than the formation temperature of the -xy N layer.
このようにすると、InAlGaN層の不純物濃度を高めることができるので、InAlGaN層の抵抗を下げることができる。また、熱処理に起因するInAlGaN層の結晶性の劣化を抑制し、高い結晶性を維持することができるので、寄生抵抗の低減が可能になる。 In this way, since the impurity concentration of the InAlGaN layer can be increased, the resistance of the InAlGaN layer can be reduced. In addition, since deterioration of the crystallinity of the InAlGaN layer due to heat treatment can be suppressed and high crystallinity can be maintained, parasitic resistance can be reduced.
本発明によると、窒化物半導体層とInAlGaN層とのヘテロ界面における寄生抵抗の増大を抑制できるので、高周波特性等の素子特性を大幅に向上させることができる。 According to the present invention, an increase in parasitic resistance at the heterointerface between the nitride semiconductor layer and the InAlGaN layer can be suppressed, so that device characteristics such as high-frequency characteristics can be greatly improved.
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態に係る電界効果トランジスタ及びその製造方法について図面を参照しながら説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, a field effect transistor and a manufacturing method thereof according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1(a)は、第1の実施形態に係る電界効果トランジスタの断面構成図である。 FIG. 1A is a cross-sectional configuration diagram of a field effect transistor according to the first embodiment.
図1(a)に示すように、サファイア基板1上にアンドープGaNバッファー層2がエピタキシャル成長により形成されている。アンドープGaNバッファー層2の上部には2次元電子ガス7が発生しており、これにより、アンドープGaNバッファー層2の上部は電界効果トランジスタのチャネル層として機能する。アンドープGaNバッファー層2の上にはエピタキシャル成長によりn型AlGaN電子供給層3及びn型InAlGaNキャップ層4が順に形成されている。n型InAlGaNキャップ層4の所定の領域には、n型AlGaN電子供給層3に達する凹部が形成されていると共に、当該凹部に露出するn型AlGaN電子供給層3の上には、ゲート電極となるPd−Si(PdとSiとの合金)ショットキー電極6が形成されている。また、n型InAlGaNキャップ層4上におけるショットキー電極6の両側方には、ソース電極及びドレイン電極となるTi/Al(Ti層とAl層との積層構造を持つ)オーミック電極5が形成されている。
As shown in FIG. 1A, an undoped
尚、アンドープGaNバッファー層2の厚さは例えば2500nmであり、n型AlGaN電子供給層3の厚さは例えば25nmであり、n型InAlGaNキャップ層4の厚さは例えば50nmである。また、n型AlGaN電子供給層3の不純物濃度は例えば4.0×1018atoms/cm3 程度であり、n型InAlGaNキャップ層4の不純物濃度は例えば1.0×1019atoms/cm3 程度である。
The undoped
図1(b)は、図1(a)のX−X’線に沿ったAl及びInのそれぞれの組成の変化を示す図であり、図1(c)は、図1(a)のX−X’線に沿った電子のポテンシャルエネルギーの変化を示す図である。図1(b)に示すように、本実施形態の特徴は、n型AlGaN電子供給層3におけるAl組成が膜厚方向に沿って変化していることである。具体的には、n型AlGaN電子供給層3とn型InAlGaNキャップ層4との界面において、それぞれの禁制帯幅Egが実質的に等しくなるように、言い換えると、当該界面において、それぞれの伝導帯の下端が実質的に連続するように、n型AlGaN電子供給層3におけるAl組成を、n型AlGaN電子供給層3とn型InAlGaNキャップ層4との界面から離れるに従って大きくなるように変化させている。これにより、図1(c)に示すように、InAlGaN/AlGaN界面のポテンシャルバリアを完全になくすことができる。
FIG. 1B is a diagram showing changes in the composition of each of Al and In along the line XX ′ in FIG. 1A, and FIG. It is a figure which shows the change of the potential energy of the electron along -X 'line. As shown in FIG. 1B, the feature of the present embodiment is that the Al composition in the n-type AlGaN
尚、本実施形態において、n型InAlGaNキャップ層4として、例えばIn0.09Al0.42Ga0.59N(Eg=3.68eV、厚さ50nm)を用いた場合には、n型AlGaN電子供給層3として、n型InAlGaNキャップ層4側からアンドープGaNバッファー層2側に向けて組成がAl0.15Ga0.85N(Eg=3.68eV)からAl0.25Ga0.75N(Eg=3.91eV)まで変化するAlGaN(厚さ25nm)を用いることにより、前述の効果を得る。
In the present embodiment, when, for example, In 0.09 Al 0.42 Ga 0.59 N (Eg = 3.68 eV,
また、本実施形態において、n型InAlGaNキャップ層4として、例えばIn0.10Al0.47Ga0.43N(Eg=3.81eV、厚さ50nm)を用いた場合には、n型AlGaN電子供給層3として、n型InAlGaNキャップ層4側からアンドープGaNバッファー層2側に向けて組成がAl0.21Ga0.79N(Eg=3.81eV)からAl0.25Ga0.75N(Eg=3.91eV)まで変化するAlGaN(厚さ25nm)を用いることにより、前述の効果を得る。
In the present embodiment, when, for example, In 0.10 Al 0.47 Ga 0.43 N (Eg = 3.81 eV,
また、本実施形態において、n型AlGaN電子供給層3におけるAl組成を、図1(b)に示すように、n型InAlGaNキャップ層4との界面から離れるに従って直線状に増加させた(傾斜組成)が、これに代えて、例えば図14に示すように、当該界面から離れるに従って階段状に増加させてもよい(階段状組成)。このようにすると、傾斜組成と比較して、n型AlGaN電子供給層3の平均的なAl組成を増加させることが可能となるため、生成されるキャリア濃度が増加するので、寄生抵抗を低減することができる。また、階段状組成において生じる伝導帯の不連続の影響については、各段毎の不連続量を小さくすることによって軽減することができる。具体的には、n型InAlGaNキャップ層4として、例えばIn0.09Al0.42Ga0.59N(Eg=3.68eV、厚さ50nm)を用いた場合には、n型AlGaN電子供給層3として、第1段目となるAl0.18Ga0.82N(Eg=3.75eV、厚さ8nm)と第2段目となるAl0.22Ga0.78N(Eg=3.83eV、厚さ8nm)と第3段目となるAl0.25Ga0.75N(Eg=3.91eV、厚さ9nm)とからなる階段状組成AlGaN(合計厚さ25nm)を用いることにより、前述の効果を得る。また、n型InAlGaNキャップ層4として、例えばIn0.10Al0.47Ga0.43N(Eg=3.81eV、厚さ50nm)を用いた場合には、n型AlGaN電子供給層3として、第1段目となるAl0.22Ga0.78N(Eg=3.83eV、厚さ5nm)と第2段目となるAl0.24Ga0.76N(Eg=3.86eV、厚さ5nm)と第3段目となるAl0.25Ga0.75N(Eg=3.91eV、厚さ15nm)とからなる階段状組成AlGaN(合計厚さ25nm)を用いることにより、前述の効果を得る。尚、上記InAlGaNのバンドギャップの値はボーイングパラメータを2.6として算出したものであり、上記AlGaNのバンドギャップの値はボーイングパラメータを1.0として算出したものである。
In the present embodiment, the Al composition in the n-type AlGaN
また、本実施形態において、n型AlGaN電子供給層3におけるAl組成を、例えば図15に示すように、n型InAlGaNキャップ層4との界面から離れるに従って、上に凸の2次曲線状に増加させてもよい(2次関数的組成)。このようにすると、傾斜組成と比較して、n型AlGaN電子供給層3の平均的なAl組成を増加させることが可能となるため、生成されるキャリア濃度が増加するので、寄生抵抗を低減することができる。また、階段状組成と比較して、n型AlGaN電子供給層3内において電子の移動を妨げる方向に伝導帯が傾斜するものの、階段状組成のような伝導帯の不連続は生じないので、当該不連続に起因する影響を抑制することができる。
In the present embodiment, the Al composition in the n-type AlGaN
以下、キャップ層4に用いられるInAlGaN層の組成に求められる条件について説明する。
Hereinafter, conditions required for the composition of the InAlGaN layer used for the
まず、InAlGaN層を厚く形成するため、つまりInAlGaN層の抵抗を低減して寄生抵抗の低減を図るため、キャップ層4となるInAlGaN層と、バッファー層2となるGaN層とを格子整合させる必要がある。尚、通常、電子供給層(AlGaN層)3の格子定数と下地のバッファー層2の格子定数とは同等に設定される。InAlGaN層とGaN層とを格子整合させるための条件は以下の通りである。InAlGaNの格子定数aInAlGaN は下記(式4)で表される。
First, in order to form a thick InAlGaN layer, that is, to reduce parasitic resistance by reducing the resistance of the InAlGaN layer, it is necessary to lattice match the InAlGaN layer serving as the
aInAlGaN =In組成×aInN +Al組成×aAlN +Ga組成×aGaN
・・・ (式4)
ここで、aInN 、aAlN 、aGaN はそれぞれInN、AlN、GaNの格子定数である。このInAlGaNの格子定数aInAlGaN がGaNの格子定数と等しくなるという条件から、下記(式5)が導き出される。
a InAlGaN = In composition × a InN + Al composition × a AlN + Ga composition × a GaN
... (Formula 4)
Here, a InN , a AlN , and a GaN are lattice constants of InN, AlN, and GaN, respectively. From the condition that the lattice constant a InAlGaN of InAlGaN is equal to the lattice constant of GaN, the following (Formula 5) is derived.
Al組成=4.66×In組成 ・・・ (式5)
すなわち、キャップ層4に用いられるInAlGaN層中のAl組成とIn組成とは(式5)で表される関係を満たすことが好ましい。このようにすると、図2の点線で示す領域においてInAlGaN層の禁制帯幅を自由に変化させることが可能になる。尚、図2は、 III−V族窒化物化合物半導体における禁制帯幅と格子定数との関係を示している。
Al composition = 4.66 × In composition (Formula 5)
That is, it is preferable that the Al composition and the In composition in the InAlGaN layer used for the
次に、n型AlGaN電子供給層3とn型InAlGaNキャップ層4との界面における空乏層の発生を抑制して当該界面におけるポテンシャルバリアの増大をより一層抑制すると共にチャネル層に高濃度の電子を供給してチャネル抵抗に起因する寄生抵抗を低減するため、InAlGaN層が電子供給層3であるAlGaN層以上の分極を有する必要がある。そのためには、InAlGaN層中のAl組成とIn組成とが、以下に説明するような関係を満たすことが求められる。すなわち、分極は、材料固有の自発分極Pspと、外部から加わる力等に起因して格子が歪むことによって生じるピエゾ分極Ppeとの和として与えられる。ここで、自発分極Psp及びピエゾ分極Ppeはそれぞれ下記(式6)及び(式7)で表される(参考文献:Journal Of Applied Physics Vol.87、P334-P336)。
Next, generation of a depletion layer at the interface between the n-type AlGaN
Psp=In組成×Psp InN +Al組成×Psp AlN +Ga組成×Psp GaN
・・・ (式6)
Ppe=e33・dz +e31・(dx +dy ) ・・・ (式7)
ここで、Psp InN 、Psp AlN 、Psp GaN はそれぞれInN、AlN、GaNの自発分極であり、e31及びe33はピエゾ係数であり、dx 及びdy は格子の(0001)面内方向の変位量であり、dz は格子の(0001)面に対して垂直な方向の変位量である。(式6)及び(式7)から求められる、InAlGaN層中に生じる分極の大きさのIn組成依存性を図3に示す。ここで、InAlGaNとGaNとの格子整合を考慮して、(式5)に従い、Al組成がIn組成の4.66倍であるとして計算を行なった。尚、図3には、電子供給層3に用いるAlGaN層の一例として、Al組成が20%のAlGaN層中に発生する分極の大きさも示している。図3に示すように、キャップ層4に用いられるInAlGaN層中に発生する分極を、電子供給層3に用いられるAlGaN層中に発生する分極以上にするためには、In組成を8%以上に設定すると共にAl組成をIn組成の4.66倍である37%以上に設定すればよい。
P sp = In composition × P sp InN + Al composition × P sp AlN + Ga composition × P sp GaN
... (Formula 6)
P pe = e 33 · d z + e 31 · (d x + d y ) (Expression 7)
Here, P sp InN , P sp AlN , and P sp GaN are spontaneous polarizations of InN, AlN, and GaN, respectively, e 31 and e 33 are piezo coefficients, and d x and dy are (0001) planes of the lattice. The amount of displacement in the inward direction, and d z is the amount of displacement in the direction perpendicular to the (0001) plane of the lattice. FIG. 3 shows the In composition dependence of the magnitude of polarization generated in the InAlGaN layer, which is obtained from (Expression 6) and (Expression 7). Here, in consideration of lattice matching between InAlGaN and GaN, calculation was performed according to (Equation 5) assuming that the Al composition is 4.66 times the In composition. FIG. 3 also shows the magnitude of polarization generated in an AlGaN layer having an Al composition of 20% as an example of the AlGaN layer used for the
図4は、本実施形態に係る電界効果トランジスタの電流電圧特性を示す(実線)。図4において、縦軸は単位ゲート幅当たりのドレイン電流を示し、横軸はドレイン電圧を示す。参考のため、図4には、図9(a)に示す従来の電界効果トランジスタの電流電圧特性も示している(破線)。図4に示すように、本実施形態の電界効果トランジスタによれば、従来の電界効果トランジスタと比較して、明らかにドレイン電流の立ち上がりが良くなっている。これは、従来の電界効果トランジスタにおいてはキャップ層と電子供給層との界面においてポテンシャルバリアが形成されているのに対して、本実施形態では当該ポテンシャルバリアが形成されていないことによるものである。 FIG. 4 shows the current-voltage characteristics of the field effect transistor according to this embodiment (solid line). In FIG. 4, the vertical axis indicates the drain current per unit gate width, and the horizontal axis indicates the drain voltage. For reference, FIG. 4 also shows the current-voltage characteristics of the conventional field effect transistor shown in FIG. 9A (broken line). As shown in FIG. 4, according to the field effect transistor of this embodiment, the rise of the drain current is clearly improved as compared with the conventional field effect transistor. This is because in the conventional field effect transistor, a potential barrier is formed at the interface between the cap layer and the electron supply layer, whereas in the present embodiment, the potential barrier is not formed.
以上に説明したように、本実施形態の電界効果トランジスタによると、n型InAlGaNキャップ層4と、Al組成が膜厚方向に沿って変化しているn型AlGaN電子供給層3とが積層された構造を用いている。このため、キャップ層4と電子供給層3とのヘテロ界面において、それぞれの伝導帯の下端を実質的に連続させることができる。従って、キャップ層4と電子供給層3とのヘテロ界面におけるポテンシャルバリアを低くすることができるので、寄生抵抗の増大を抑制でき、それによって高周波特性等の素子特性を大幅に向上させることが可能になる。
As described above, according to the field effect transistor of the present embodiment, the n-type
また、本実施形態の電界効果トランジスタによると、n型InAlGaNキャップ層4上には、3×10-6Ω・cm2 以下の非常に低抵抗なオーミック電極5(ソース電極及びドレイン電極となる)を形成できる。
Further, according to the field effect transistor of the present embodiment, on the n-type
図12は、AlGaN、GaN及びInAlGaNに対する金属の仕事関数とショットキー障壁高さφとの関係を本願発明者らが調べた結果を示す図である。図12に示すように、InAlGaNについては、いずれの金属に対してもφが非常に小さい。これは、InAlGaNの電子親和力が大きいことを示唆しており、どのような金属を用いてもφが小さくなるため、n型InAlGaNにオーミック電極を形成しやすいということになる。 FIG. 12 is a diagram showing the results of investigation by the inventors of the present invention on the relationship between the work function of metal for AlGaN, GaN, and InAlGaN and the Schottky barrier height φ. As shown in FIG. 12, for InAlGaN, φ is very small for any metal. This suggests that the electron affinity of InAlGaN is large. Since any metal is used, φ becomes small, so that an ohmic electrode can be easily formed on n-type InAlGaN.
図13は、Mo(モリブデン)をショットキー電極に用いた場合におけるGaN及びInAlGaNのそれぞれの電流−電圧特性を本願発明者らが調べた結果を示す図である。図13に示すように、GaNの電流−電圧特性(破線)については整流性が見られるのに対して、InAlGaNの電流−電圧特性(実線)については正負どちらのバイアスに対しても電流が流れており、整流性は見られない。このことから、n型InAlGaNには非常に低抵抗なオーミック電極を形成できることが分かる。 FIG. 13 is a diagram showing the results of investigation by the inventors of the present invention on the current-voltage characteristics of GaN and InAlGaN when Mo (molybdenum) is used for the Schottky electrode. As shown in FIG. 13, rectification is observed for the current-voltage characteristic (broken line) of GaN, whereas current flows for both positive and negative biases for the current-voltage characteristic (solid line) of InAlGaN. And no rectification is seen. This shows that an ohmic electrode having a very low resistance can be formed on n-type InAlGaN.
以下、図1(a)に示す本実施形態の電界効果トランジスタの製造方法について説明する。 Hereinafter, a method for manufacturing the field effect transistor of this embodiment shown in FIG. 1A will be described.
図5(a)〜(d)は、本実施形態の電界効果トランジスタの製造方法の各工程を示す断面図である。 5A to 5D are cross-sectional views showing respective steps of the method for manufacturing the field effect transistor of this embodiment.
まず、図5(a)に示すように、サファイア基板1の(0001)面上に有機金属化学的気相堆積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition :MOCVD)法により、アンドープGaNバッファー層2、n型AlGaN電子供給層3及びn型InAlGaNキャップ層4を順に形成する。尚、n型AlGaN電子供給層3の禁制帯幅はアンドープGaNバッファー層2よりも大きい。また、n型AlGaN電子供給層3及びn型InAlGaNキャップ層4にはそれぞれ、SiH4 ガスを用いてSiがドープされている。さらに、n型AlGaN電子供給層3を形成する際には膜厚方向にAl組成を変化させる。具体的には、n型AlGaN電子供給層3におけるAl組成を、n型AlGaN電子供給層3とn型InAlGaNキャップ層4との界面から離れるに従って大きくなるように変化させる。これによって、InAlGaN/AlGaNヘテロ界面においてn型AlGaN電子供給層3の禁制帯幅とn型InAlGaNキャップ層4の禁制帯幅とが実質的に同程度となるように設定する。
First, as shown in FIG. 5A, an undoped
続いて、n型InAlGaNキャップ層4上に、ストライプ状の開口部を有するフォトレジスト(図示省略)を形成する。ここで、当該ストライプの幅は例えば約5μmである。次に、前記フォトレジストをマスクとして、例えばCl2 ガスを用いた誘導結合プラズマ(Induced Coupled Plasma:ICP)エッチングにより、図5(b)に示すように、n型InAlGaNキャップ層4を選択的に除去して、n型AlGaN電子供給層3を露出させるリセス(凹部)を形成する。
Subsequently, a photoresist (not shown) having a stripe-shaped opening is formed on the n-type
次に、図5(c)に示すように、n型InAlGaNキャップ層4上における前記リセスの両側方に、例えば電子ビーム蒸着及びリフトオフにより、ソース電極及びドレイン電極となるTi/Alオーミック電極5を形成する。その後、コンタクト抵抗を低減させるために、例えば600℃のN2 雰囲気中で熱処理を行なう。ここで、当該熱処理温度を、n型InAlGaNキャップ層4の形成温度よりも低くすることが好ましい。このようにすると、熱処理に起因するn型InAlGaNキャップ層4の結晶性の劣化を抑制し、高い結晶性を維持することができるので、寄生抵抗の増大を抑制することが可能になる。
Next, as shown in FIG. 5 (c), Ti /
次に、図5(d)に示すように、前記リセス内に露出するn型AlGaN電子供給層3上に、例えば電子ビーム蒸着及びリフトオフにより、ゲート電極となるPd−Si(PdとSiとの合金)ショットキー電極6を形成する。これにより、図1(a)に示す本実施形態の電界効果トランジスタを完成させることができる。
Next, as shown in FIG. 5D, on the n-type AlGaN
以上に説明した本実施形態の電界効果トランジスタの製造方法によると、図1(a)に示す本実施形態の電界効果トランジスタが得られるため、キャップ層4と電子供給層3とのヘテロ界面におけるポテンシャルバリアを低くすることができるので、寄生抵抗の増大を抑制でき、それによって高周波特性等の素子特性を大幅に向上させることが可能になる。
According to the field effect transistor manufacturing method of the present embodiment described above, the field effect transistor of the present embodiment shown in FIG. 1A is obtained, and therefore the potential at the heterointerface between the
尚、本実施形態の電界効果トランジスタの製造方法において、n型InAlGaNキャップ層4の形成後、n型InAlGaNキャップ層4にn型導電型を供する不純物を添加する際には、n型InAlGaNキャップ層4の最上部における不純物濃度を他の部分よりも高くすることが好ましい。また、不純物の添加後には、n型InAlGaNキャップ層4の形成温度よりも低い温度で熱処理を行なうことが好ましい。このようにすると、n型InAlGaNキャップ層4の不純物濃度を高めることができるので、Ti/Alオーミック電極5とn型InAlGaNキャップ層4との接触抵抗を下げることができると共に、n型InAlGaNキャップ層4の抵抗を下げることができる。また、熱処理に起因するn型InAlGaNキャップ層4の結晶性の劣化を抑制し、高い結晶性を維持することができるので、寄生抵抗の低減が可能になる。
In the method of manufacturing the field effect transistor of this embodiment, after adding the n-type
(第1の実施形態の変形例)
以下、本発明の第1の実施形態の変形例に係る電界効果トランジスタの製造方法について図面を参照しながら説明する。尚、本変形例は、図1(a)に示す第1の実施形態に係る電界効果トランジスタの製造方法である。
(Modification of the first embodiment)
Hereinafter, a method of manufacturing a field effect transistor according to a modification of the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. This modification is a method for manufacturing the field effect transistor according to the first embodiment shown in FIG.
図6(a)〜(f)は、本変形例の電界効果トランジスタの製造方法の各工程を示す断面図である。第1の実施形態においては、図5(b)に示す工程で、n型InAlGaNキャップ層4に対してエッチングを行なうことにより、ゲート電極形成領域となるリセスを形成したが、これに代えて、本変形例では、後述するように、n型AlGaN電子供給層3上のゲート電極形成領域をマスクしてからn型InAlGaNキャップ層4を再成長させることにより、当該リセスを形成するものである。
6A to 6F are cross-sectional views showing respective steps of the method for manufacturing the field effect transistor of the present modification. In the first embodiment, in the step shown in FIG. 5B, the n-type
まず、図6(a)に示すように、サファイア基板1の(0001)面上にMOCVD法により、アンドープGaNバッファー層2及びn型AlGaN電子供給層3を順に形成する。尚、n型AlGaN電子供給層3の禁制帯幅はアンドープGaNバッファー層2よりも大きい。また、n型AlGaN電子供給層3には、SiH4 ガスを用いてSiがドープされている。さらに、n型AlGaN電子供給層3を形成する際には膜厚方向にAl組成を変化させる。具体的には、n型AlGaN電子供給層3におけるAl組成を、n型AlGaN電子供給層3とn型InAlGaNキャップ層4(図6(c)参照)との界面から離れるに従って大きくなるように変化させる。これによって、InAlGaN/AlGaNヘテロ界面においてn型AlGaN電子供給層3の禁制帯幅とn型InAlGaNキャップ層4の禁制帯幅とを実質的に同じにする。言い換えると、InAlGaN/AlGaNヘテロ界面において、n型AlGaN電子供給層3の伝導帯の下端と、n型InAlGaNキャップ層4の伝導帯の下端とを実質的に連続させる。
First, as shown in FIG. 6A, an undoped
次に、n型AlGaN電子供給層3上に、例えばSiH4 ガスとO2 ガスとを用いた気相堆積法、具体的にはCVD(Chemical Vapor Depositon)法により、約100nmの厚さのSiO2 膜を形成する。続いて、当該SiO2 膜を例えば幅5μmのストライプ状に加工するため、例えばフォトレジストをマスクとしてフッ化水素酸(HF)水溶液を用いて当該SiO2 膜を選択的にエッチングすることによって、図6(b)に示すように、SiO2 マスク8を形成する。
Next, on the n-type AlGaN
ここで、SiO2 マスク8となるSiO2 膜の厚さは、後に形成するn型InAlGaNキャップ層4の厚さよりも大きいことが好ましい。このようにすると、SiO2 マスク8の上にn型InAlGaNキャップ層4が形成されることを防ぐことができるので、後の工程でSiO2 マスク8の除去により形成されるリセス(凹部)の寸法を精密に制御することができる。従って、微細なゲート電極を形成することができるため、チャネル長を短くすることができるので、チャネル抵抗に起因する寄生抵抗を低減することが可能になる。
Here, the thickness of the SiO 2 film to be the SiO 2 mask 8 is preferably larger than the thickness of the n-type
次に、図6(c)に示すように、例えばMOCVD法を用いて、n型AlGaN電子供給層3におけるSiO2 マスク8に覆われていない部分からInAlGaN層の成長を開始させ、それによってn型InAlGaNキャップ層4を形成する。尚、n型InAlGaNキャップ層4の厚さはn型AlGaN電子供給層3の厚さよりも小さい。続いて、図6(d)に示すように、例えばフッ化水素酸(HF)水溶液を用いてSiO2 マスク8を除去することによって、n型AlGaN電子供給層3に達する(凹部)を形成する。
Next, as shown in FIG. 6C, the growth of the InAlGaN layer is started from a portion not covered with the SiO 2 mask 8 in the n-type AlGaN
次に、第1の実施形態の図5(c)に示す工程と同様に、図6(e)に示すように、n型InAlGaNキャップ層4上における前記リセスの両側方に、例えば電子ビーム蒸着及びリフトオフにより、ソース電極及びドレイン電極となるTi/Alオーミック電極5を形成する。その後、コンタクト抵抗を低減させるために、例えば600℃のN2 雰囲気中で熱処理を行なう。ここで、当該熱処理温度を、n型InAlGaNキャップ層4の形成温度よりも低くすることが好ましい。このようにすると、熱処理に起因するn型InAlGaNキャップ層4の結晶性の劣化を抑制し、高い結晶性を維持することができるので、寄生抵抗の増大を抑制することが可能になる。
Next, similarly to the process shown in FIG. 5C of the first embodiment, as shown in FIG. 6E, on both sides of the recess on the n-type
次に、第1の実施形態の図5(d)に示す工程と同様に、図6(f)に示すように、前記リセス内のn型AlGaN電子供給層3上に、例えば電子ビーム蒸着及びリフトオフにより、ゲート電極となるPd−Si(PdとSiとの合金)ショットキー電極6を形成する。これにより、図1(a)に示す本実施形態の電界効果トランジスタを完成させることができる。
Next, similarly to the step shown in FIG. 5D of the first embodiment, as shown in FIG. 6F, on the n-type AlGaN
本変形例によると、第1の実施形態と同様の効果が得られる。また、チャネル部分となるゲート電極の下側領域にエッチングに起因する損傷を与えることなく、ゲート電極形成用のリセスを形成することができるため、チャネル抵抗に起因する寄生抵抗の増大等のトランジスタ特性の劣化を防ぐことが可能になる。 According to this modification, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. In addition, since a recess for forming the gate electrode can be formed in the lower region of the gate electrode that becomes the channel portion without causing damage due to etching, transistor characteristics such as an increase in parasitic resistance due to the channel resistance. It becomes possible to prevent degradation of the.
尚、本変形例において、マスク8の材料としてSiO2 を用いたが、これに代えて、III−V族窒化物化合物半導体との間で選択比の得られる他の材料を用いてもよい。
In this modification, SiO 2 is used as the material of the
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態に係る電界効果トランジスタ及びその製造方法について図面を参照しながら説明する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a field effect transistor and a method for manufacturing the same according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図7は、第2の実施形態に係る電界効果トランジスタの断面構成図である。尚、図7において、図1(a)に示す第1の実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付す。第2の実施形態が第1の実施形態と異なる点は、後述するように、n型InAlGaNキャップ層4の直下に、他のInAlGaN層とAlGaN層とが交互に少なくとも一周期以上積層されてなる多層膜が設けられていること、及び、n型AlGaN電子供給層3(第1の実施形態と同様にAl組成が膜厚方向に沿って変化している)にデルタドープ層(n型AlGaN電子供給層3とn型InAlGaNキャップ層4との界面に対して垂直な方向においてパルス状のプロファイルを生じるようにn型AlGaN電子供給層3の導電型に寄与する不純物が添加された領域)が設けられていることである。
FIG. 7 is a cross-sectional configuration diagram of a field effect transistor according to the second embodiment. In FIG. 7, the same components as those in the first embodiment shown in FIG. The second embodiment differs from the first embodiment in that, as will be described later, another InAlGaN layer and an AlGaN layer are alternately stacked at least one period or more directly under the n-type
図7に示すように、サファイア基板1上のアンドープGaNバッファー層2の上には、AlNスペーサ層11及びn型AlGaN電子供給層3がエピタキシャル成長により形成されている。アンドープGaNバッファー層2の上部には2次元電子ガス7が発生しており、これにより、アンドープGaNバッファー層2の上部は電界効果トランジスタのチャネル層として機能する。また、アンドープGaNバッファー層2の下部にはSiO2 マスク20が設けられている。n型AlGaN電子供給層3の上には、例えば厚さ1.5nmのn型InAlGaN薄膜と例えば厚さ1.5nmのn型AlGaN薄膜とが交互に例えば7周期積層されてなる多層膜10が形成されている。多層膜10の上にはエピタキシャル成長によりn型InAlGaNキャップ層4が形成されている。n型InAlGaNキャップ層4の所定の領域には、n型AlGaN電子供給層3に達する凹部が形成されていると共に、当該凹部に露出するn型AlGaN電子供給層3の上には、ゲート電極となるPd−Si(PdとSiとの合金)ショットキー電極6が形成されている。また、n型InAlGaNキャップ層4上におけるショットキー電極6の両側方には、ソース電極及びドレイン電極となるTi/Al(Ti層とAl層との積層構造を持つ)オーミック電極5が形成されている。
As shown in FIG. 7, on the undoped
尚、本実施形態においても、n型AlGaN電子供給層3におけるAl組成は膜厚方向に沿って変化している。具体的には、n型AlGaN電子供給層3とn型InAlGaNキャップ層4との界面(本実施形態では当該界面に多層膜10が介在する)において、それぞれの禁制帯幅Egが実質的に等しくなるように、言い換えると、当該界面において、それぞれの伝導帯の下端が実質的に連続するように、n型AlGaN電子供給層3におけるAl組成を、n型AlGaN電子供給層3とn型InAlGaNキャップ層4との界面から離れるに従って大きくなるように変化させている(図1(b)参照)。これにより、InAlGaN/AlGaN界面のポテンシャルバリアを完全になくすことができる(図1(c)参照)。
Also in this embodiment, the Al composition in the n-type AlGaN
また、n型AlGaN電子供給層3における多層膜10の近傍領域にはデルタドープ層9が形成されている。尚、デルタドープ層9の不純物濃度は1×1019atoms/cm3 程度以上である。
Further, a delta doped
また、アンドープGaNバッファー層2の厚さは例えば2500nmであり、AlNスペーサ層11の厚さは例えば1nmであり、n型AlGaN電子供給層3の厚さは例えば25nmであり、デルタドープ層9の厚さは例えば5nm以下であり、多層膜10の厚さは例えば21nmであり、n型InAlGaNキャップ層4の厚さは例えば50nmである。また、n型AlGaN電子供給層3の不純物濃度は例えば4.0×1018atoms/cm3 程度であり、デルタドープ層9の不純物濃度は例えば1×1019atoms/cm3 以上であり、多層膜10全体としての不純物濃度は例えば1.0×1019atoms/cm3 程度であり、n型InAlGaNキャップ層4の不純物濃度は例えば1.0×1019atoms/cm3 程度である。
Further, the thickness of the undoped
本実施形態の電界効果トランジスタによると、n型AlGaN電子供給層3とn型InAlGaNキャップ層4との界面(本実施形態では当該界面に多層膜10が介在する)において、それぞれの禁制帯幅Egが実質的に等しくなるように、言い換えると、当該界面において、それぞれの伝導帯の下端が実質的に連続するように、n型AlGaN電子供給層3におけるAl組成を変化させている。このため、キャップ層4と電子供給層3とのヘテロ界面におけるポテンシャルバリアを低くすることができるので、寄生抵抗の増大を抑制でき、それによって高周波特性等の素子特性を大幅に向上させることが可能になる。
According to the field effect transistor of the present embodiment, the forbidden band width Eg at the interface between the n-type AlGaN
また、本実施形態の電界効果トランジスタによると、n型AlGaN電子供給層3中にデルタドープ層9が設けられている。このため、不純物添加によりn型AlGaN電子供給層3の伝導帯が押し下げられるため、電子がポテンシャルバリアを通過しやすくなる。すなわち、ポテンシャルバリアの影響を皆無にすることが可能になるため、寄生抵抗の増大をより一層抑制することが可能となる。
Further, according to the field effect transistor of the present embodiment, the delta doped
また、本実施形態の電界効果トランジスタによると、n型AlGaN電子供給層3とn型InAlGaNキャップ層4との間に、InAlGaN層とAlGaN層とが交互に少なくとも一周期以上積層されてなる多層膜10が設けられている。このため、n型AlGaN電子供給層3とn型InAlGaNキャップ層4との間のポテンシャルバリアの影響を抑制し、当該ポテンシャルバリアに起因する寄生抵抗の増大を抑制できると共に、水平方向(n型AlGaN電子供給層3とn型InAlGaNキャップ層4との界面に平行な方向)における寄生抵抗を大幅に低減することができる。
Further, according to the field effect transistor of this embodiment, a multilayer film in which an InAlGaN layer and an AlGaN layer are alternately stacked at least one period or more between the n-type AlGaN
また、本実施形態の電界効果トランジスタによると、アンドープGaNバッファー層2とn型AlGaN電子供給層3との間にはAlNスペーサ層11が介在するため、合金散乱が抑制される結果、チャネル中の電子の移動度が向上し、それによってチャネル抵抗に起因する寄生抵抗が低減される。
Further, according to the field effect transistor of the present embodiment, since the
以上に説明したように、本実施形態の電界効果トランジスタは、InAlGaN層とAlGaN層とを交互に少なくとも一周期積層してなる多層膜10が直下に設けられたn型InAlGaNキャップ層4と、デルタドープ層が設けられ且つAl組成が膜厚方向に沿って変化するn型AlGaN電子供給層3と備えているため、キャップ層4と電子供給層3とのヘテロ界面における寄生抵抗の増大を抑制でき、それによって高周波特性等の素子特性を大幅に向上させることが可能になる。
As described above, the field effect transistor according to this embodiment includes the n-type
以下、図7に示す本実施形態の電界効果トランジスタの製造方法について説明する。 Hereinafter, a method for manufacturing the field effect transistor of this embodiment shown in FIG. 7 will be described.
図8(a)〜(f)は、本実施形態の電界効果トランジスタの製造方法の各工程を示す断面図である。 8A to 8F are cross-sectional views showing respective steps of the method for manufacturing the field effect transistor of this embodiment.
まず、図8(a)に示すように、サファイア基板1の(0001)面上にMOCVD法により、アンドープGaNバッファー層2を途中まで成長させる。続いて、例えばSiH4 ガスとO2 ガスとを用いた気相堆積法(具体的にはCVD法)により、アンドープGaNバッファー層2の上に厚さ約100nmのSiO2 膜を形成する。続いて、当該SiO2 膜に、例えば幅5μmのストライプ状の開口部を複数設けることによって、幅10μmの複数のSiO2 ストライプが形成されるよう、例えばフォトレジストをマスクとしてフッ化水素酸(HF)水溶液を用いて当該SiO2 膜に対して選択的にエッチングを行なう。これにより、SiO2 マスク20が形成される。
First, as shown in FIG. 8A, an undoped
続いて、図8(b)に示すように、例えばMOCVD法により、SiO2 マスク20に覆われていないアンドープGaNバッファー層2の表面からGaNを再成長させることにより、所望の厚さを持つアンドープGaNバッファー層2を完成させる。このMOCVD法によるGaNの成長工程では、SiO2 マスク20上に横方向成長する形でGaNの結晶成長が進むので、SiO2 マスク20上では貫通転位密度が大幅に減少し、その結果、106 cm-2のオーダーの転位密度が得られる。続いて、アンドープGaNバッファー層2の上に、例えばMOCVD法により、AlNスペーサ層11及びn型AlGaN電子供給層3を順次形成する。尚、n型AlGaN電子供給層3の禁制帯幅はアンドープGaNバッファー層2よりも大きい。また、n型AlGaN電子供給層3にはそれぞれ、SiH4 ガスを用いてSiがドープされている。
Subsequently, as shown in FIG. 8B, GaN is regrown from the surface of the undoped
ここで、n型AlGaN電子供給層3を形成する途中において、一旦原料ガスの供給を止め、図8(c)に示すように、SiH4 ガスのみを流すことによってデルタドープ層9を形成し、その後、原料ガスの供給を再開することによって、n型AlGaN電子供給層3の形成を再開する。尚、n型AlGaN電子供給層3を形成する際には膜厚方向にAl組成を変化させる。具体的には、n型AlGaN電子供給層3におけるAl組成を、n型AlGaN電子供給層3とn型InAlGaNキャップ層4との界面から離れるに従って大きくなるように変化させる。これによって、InAlGaN/AlGaNヘテロ界面においてn型AlGaN電子供給層3の禁制帯幅とn型InAlGaNキャップ層4の禁制帯幅とが実質的に同程度となるように設定する。
Here, in the middle of forming the n-type AlGaN
次に、図8(c)に示すように、n型AlGaN電子供給層3の上に、例えば厚さ1.5nmのn型InAlGaN薄膜と例えば厚さ1.5nmのn型AlGaN薄膜とを交互に少なくとも一周期以上積層した構造を有する多層膜10をエピタキシャル成長により形成した後、多層膜10の上にn型InAlGaNキャップ層4を形成する。尚、n型InAlGaNキャップ層4にはSiH4 ガスを用いてSiがドープされている。
Next, as shown in FIG. 8C, on the n-type AlGaN
続いて、n型InAlGaNキャップ層4上に、ストライプ状の開口部を有するフォトレジスト(図示省略)を形成する。ここで、当該ストライプの幅は例えば約5μmである。次に、前記フォトレジストをマスクとして、例えばCl2 ガスを用いた誘導結合プラズマ(ICP)エッチングにより、図8(d)に示すように、n型InAlGaNキャップ層4を選択的に除去して、n型AlGaN電子供給層3を露出させるリセス(凹部)を形成する。このとき、デルタドープ層9よりも深い位置にあるn型AlGaN電子供給層3が露出するようにリセスを形成する。
Subsequently, a photoresist (not shown) having a stripe-shaped opening is formed on the n-type
次に、図8(e)に示すように、n型InAlGaNキャップ層4上における前記リセスの両側方に、例えば電子ビーム蒸着及びリフトオフにより、ソース電極及びドレイン電極となるTi/Alオーミック電極5を形成する。その後、コンタクト抵抗を低減させるために、例えば600℃のN2 雰囲気中で熱処理を行なう。ここで、当該熱処理温度を、n型InAlGaNキャップ層4の形成温度よりも低くすることが好ましい。このようにすると、熱処理に起因するn型InAlGaNキャップ層4の結晶性の劣化を抑制し、高い結晶性を維持することができるので、寄生抵抗の増大を抑制することが可能になる。
Next, as shown in FIG. 8 (e), Ti /
次に、図8(f)に示すように、前記リセス内に露出するn型AlGaN電子供給層3上に、例えば電子ビーム蒸着及びリフトオフにより、ゲート電極となるPd−Si(PdとSiとの合金)ショットキー電極6を形成する。これにより、図7に示す本実施形態の電界効果トランジスタを完成させることができる。
Next, as shown in FIG. 8F, on the n-type AlGaN
以上に説明した本実施形態の電界効果トランジスタの製造方法によると、図7に示す本実施形態の電界効果トランジスタが得られるため、キャップ層4と電子供給層3とのヘテロ界面におけるポテンシャルバリアを低くすることができるので、寄生抵抗の増大を抑制でき、それによって高周波特性等の素子特性を大幅に向上させることが可能になる。
According to the field effect transistor manufacturing method of the present embodiment described above, the field effect transistor of the present embodiment shown in FIG. 7 is obtained, and therefore the potential barrier at the heterointerface between the
尚、本実施形態の電界効果トランジスタの製造方法において、n型InAlGaNキャップ層4の形成後、n型InAlGaNキャップ層4にn型導電型を供する不純物を添加する際には、n型InAlGaNキャップ層4の最上部における不純物濃度を他の部分よりも高くすることが好ましい。また、不純物の添加後には、n型InAlGaNキャップ層4の形成温度よりも低い温度で熱処理を行なうことが好ましい。このようにすると、n型InAlGaNキャップ層4の不純物濃度を高めることができるので、Ti/Alオーミック電極5とn型InAlGaNキャップ層4との接触抵抗を下げることができると共に、n型InAlGaNキャップ層4の抵抗を下げることができる。また、熱処理に起因するn型InAlGaNキャップ層4の結晶性の劣化を抑制し、高い結晶性を維持することができるので、寄生抵抗の低減が可能になる。
In the method of manufacturing the field effect transistor of this embodiment, after adding the n-type
また、本実施形態において、多層膜10として、InAlGaN層とAlGaN層とが交互に少なくとも一周期以上積層されてなる多層膜を用いたが、これに代えて、GaN層とAlGaN層とが交互に少なくとも一周期以上積層されてなる多層膜を用いても、同様の効果が得られる。
In this embodiment, the
また、第1又は第2の実施形態において、サファイア基板1の(0001)面上にアンドープGaNバッファー層2及びn型AlGaN電子供給層3等を結晶成長させたが、当該結晶成長面の面方位は特に限定されるものではない。例えば(0001)面等の代表面に対してオフアングルを持つ面方位を用いてもよい。
In the first or second embodiment, the undoped
また、第1又は第2の実施形態において、サファイア基板1を用いたが、これに代えて、SiC、GaN、AlN、Si、GaAs、ZnO、MgO、ZrB2 、LiGaO2 、LiAlO2 、GaP、InP又はこれらのうちの少なくとも2つの混晶からなる基板を用いても、本実施形態と同様に、結晶性の優れた窒化物半導体をエピタキシャル成長させることが可能である。
In the first or second embodiment, the
また、第1又は第2の実施形態において、電界効果トランジスタを構成するエピタキシャル成長層(GaNバッファー層2及びn型AlGaN電子供給層3等)は、所望のデバイス特性が実現できる限りにおいて、いかなる組成比を有していてもよいし又はいかなる多層構造を含んでいてもよい。また、当該エピタキシャル成長層の結晶成長方法としては、MOCVD法に限らず、例えば分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy:MBE)法又はハイドライド気相成長法(Hydride Vapor Phase Epitaxy :HVPE)法を用いてもよい。また、エピタキシャル成長層の中に互いに異なる結晶成長方法により形成された層が含まれていてもよい。また、当該エピタキシャル成長層は、As若しくはP等のV族元素又はB等の III族元素を構成元素として含んでいてもよい。また、当該エピタキシャル成長層として、GaN系半導体層に限られず、GaAs系半導体層又はInP系半導体層を用いてもよい。
In the first or second embodiment, the epitaxial growth layers (such as the
具体的には、第1又は第2の実施形態において、バッファー層2及び電子供給層3としてそれぞれGaN及びAlGaNを用いたが、これに代えて、GaN及びAlN、InAlGaN及びAlN、又はInGaN及びGaNを用いてもよい。
Specifically, in the first or second embodiment, GaN and AlGaN are used as the
本発明は、電界効果トランジスタおよびその製造方法に関し、高周波用高出力トランジスタに適用した場合、窒化物半導体層とInAlGaN層とのヘテロ界面における寄生抵抗の増大を抑制して高周波特性等の素子特性を大幅に向上させることができ、非常に有用である。 The present invention relates to a field effect transistor and a manufacturing method thereof, and when applied to a high-frequency high-power transistor, suppresses an increase in parasitic resistance at a heterointerface between a nitride semiconductor layer and an InAlGaN layer, thereby improving device characteristics such as high-frequency characteristics It can be greatly improved and is very useful.
1 サファイア基板
2 アンドープGaNバッファー層
3 n型AlGaN電子供給層
4 n型InAlGaNキャップ層
5 Ti/Alオーミック電極
6 Pd−Siショットキー電極
7 2次元電子ガス
8 SiO2 マスク
9 デルタドープ層
10 多層膜
11 AlNスペーサ層
20 SiO2 マスク
DESCRIPTION OF
Claims (24)
前記窒化物半導体層の上に形成されたInx Aly Ga1-x-y N層(但し0<x<1、0<y<1、0<x+y<1)と、
前記Inx Aly Ga1-x-y N層の上に形成され且つ前記Inx Aly Ga1-x-y N層と接するソース電極及びドレイン電極とを備え、
前記窒化物半導体層と前記Inx Aly Ga1-x-y N層との界面において、それぞれの伝導帯の下端が実質的に連続することを特徴とする電界効果トランジスタ。 A nitride semiconductor layer;
The nitride semiconductor layer In x Al y Ga 1-xy N layer formed on the (where 0 <x <1,0 <y < 1,0 <x + y <1),
It said In x Al y Ga 1-xy N layer is formed on the and the In x Al y Ga 1-xy N layer and a source electrode and a drain electrode in contact with,
Wherein said nitride semiconductor layer an In x Al y at the interface between the Ga 1-xy N layer, the field-effect transistor the lower end of each of the conduction band, characterized in that the substantially continuous.
前記Inx Aly Ga1-x-y N層の分極は、前記窒化物半導体層の分極と等しいか又は前記窒化物半導体層の分極よりも大きいことを特徴とする電界効果トランジスタ。 The field effect transistor according to claim 1.
Wherein an In x Al y polarization of Ga 1-xy N layer, field effect transistor being greater than the polarization of the polarization equal to or the nitride semiconductor layer of the nitride semiconductor layer.
前記窒化物半導体層と前記Inx Aly Ga1-x-y N層との界面において、それぞれの格子定数が実質的に等しいことを特徴とする電界効果トランジスタ。 The field effect transistor according to claim 1 or 2,
Wherein said nitride semiconductor layer an In x Al y at the interface between the Ga 1-xy N layer, field effect transistors, each of the lattice constant is equal to or substantially equal.
前記窒化物半導体層と前記Inx Aly Ga1-x-y N層との界面において、それぞれの禁制帯幅が実質的に等しいことを特徴とする電界効果トランジスタ。 The field effect transistor according to any one of claims 1 to 3,
Wherein said nitride semiconductor layer an In x Al y at the interface between the Ga 1-xy N layer, field effect transistors, each of the forbidden band width is equal to or substantially equal.
前記窒化物半導体層はAlを含み、
前記窒化物半導体層におけるAl組成は、前記窒化物半導体層と前記Inx Aly Ga1-x-y N層との界面から離れるに従って大きくなるように変化していることを特徴とする電界効果トランジスタ。 The field effect transistor according to any one of claims 1 to 4,
The nitride semiconductor layer includes Al,
The Al composition in the nitride semiconductor layer, the field-effect transistor, characterized in that has changed so as to increase with distance from the interface between the said nitride semiconductor layer In x Al y Ga 1-xy N layer.
前記窒化物半導体層におけるAl組成は、前記界面から離れるに従って直線状に増加することを特徴とする電界効果トランジスタ。 The field effect transistor according to claim 5,
The field effect transistor according to claim 1, wherein the Al composition in the nitride semiconductor layer increases linearly with distance from the interface.
前記窒化物半導体層におけるAl組成は、前記界面から離れるに従って階段状に増加することを特徴とする電界効果トランジスタ。 The field effect transistor according to claim 5,
The field effect transistor according to claim 1, wherein the Al composition in the nitride semiconductor layer increases stepwise as the distance from the interface increases.
前記窒化物半導体層におけるAl組成は、前記界面から離れるに従って、上に凸の2次曲線状に増加することを特徴とする電界効果トランジスタ。 The field effect transistor according to claim 5,
The field effect transistor according to claim 1, wherein the Al composition in the nitride semiconductor layer increases in a convex quadratic curve as the distance from the interface increases.
前記窒化物半導体層と前記Inx Aly Ga1-x-y N層との間に、GaN層とAlGaN層とが交互に少なくとも一周期以上積層されてなる多層膜をさらに備えていることを特徴とする電界効果トランジスタ。 The field effect transistor according to any one of claims 1 to 8,
Between the nitride semiconductor layer and the In x Al y Ga 1-xy N layer, and characterized in that the GaN layer and the AlGaN layer is further provided with a multilayer film formed by stacking at least one cycle or more alternately Field effect transistor.
前記窒化物半導体層と前記Inx Aly Ga1-x-y N層との間に、他のInAlGaN層とAlGaN層とが交互に少なくとも一周期以上積層されてなる多層膜をさらに備えていることを特徴とする電界効果トランジスタ。 The field effect transistor according to any one of claims 1 to 8,
A multilayer film in which another InAlGaN layer and an AlGaN layer are alternately stacked at least one period or more between the nitride semiconductor layer and the In x Al y Ga 1-xy N layer; A characteristic field effect transistor.
前記窒化物半導体層は、前記窒化物半導体層と前記Inx Aly Ga1-x-y N層との界面に対して垂直な方向においてパルス状のプロファイルを生じるように前記窒化物半導体層の導電型に寄与する不純物が添加された領域を有することを特徴とする電界効果トランジスタ。 The field effect transistor according to any one of claims 1 to 10,
The nitride semiconductor layer has a conductivity type of the nitride semiconductor layer so as to generate a pulse-like profile in a direction perpendicular to an interface between the nitride semiconductor layer and the In x Al y Ga 1-xy N layer. A field effect transistor having a region to which an impurity that contributes to silicon is added.
前記領域における前記不純物のピーク濃度が1×1019atoms/cm3 以上であることを特徴とする電界効果トランジスタ。 The field effect transistor of claim 11, wherein
The field effect transistor according to claim 1, wherein a peak concentration of the impurity in the region is 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more.
前記Inx Aly Ga1-x-y N層の所定の領域に、前記窒化物半導体層に達する凹部が形成されており、
前記凹部内に形成されたゲート電極をさらに備えていることを特徴とする電界効果トランジスタ。 The field effect transistor according to any one of claims 1 to 12,
The In the x Al y Ga 1-xy N predetermined area of the layer, the recess reaching the nitride semiconductor layer is formed,
The field effect transistor further comprising a gate electrode formed in the recess.
前記第1の窒化物半導体層の上に、前記第1の窒化物半導体層よりも禁制帯幅が大きい第2の窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第2の窒化物半導体層の上にInx Aly Ga1-x-y N層(但し0<x<1、0<y<1、0<x+y<1)を形成する工程と、
前記Inx Aly Ga1-x-y N層の所定の領域に、前記第2の窒化物半導体層に達する凹部を形成する工程と、
前記凹部内にゲート電極を形成する工程と、
前記Inx Aly Ga1-x-y N層の上に、前記Inx Aly Ga1-x-y N層と接するソース電極及びドレイン電極を形成する工程とを備え、
前記第2の窒化物半導体層と前記Inx Aly Ga1-x-y N層との界面において、それぞれの伝導帯の下端が実質的に連続することを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。 Forming a first nitride semiconductor layer on a substrate;
Forming a second nitride semiconductor layer having a forbidden band width larger than that of the first nitride semiconductor layer on the first nitride semiconductor layer;
Forming a In x Al y Ga 1-xy N layer on the second nitride semiconductor layer (where 0 <x <1,0 <y < 1,0 <x + y <1),
In a predetermined area of the In x Al y Ga 1-xy N layer, and forming a recess reaching said second nitride semiconductor layer,
Forming a gate electrode in the recess;
Wherein an In the x Al y Ga 1-xy N layer, and forming a source electrode and a drain electrode in contact with said In x Al y Ga 1-xy N layer,
A method of manufacturing a field effect transistor, wherein the lower end of each conduction band is substantially continuous at an interface between the second nitride semiconductor layer and the In x Al y Ga 1-xy N layer.
前記第1の窒化物半導体層の上に、前記第1の窒化物半導体層よりも禁制帯幅が大きい第2の窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第2の窒化物半導体層の所定の領域の上にマスク層を形成する工程と、
前記マスク層に覆われていない前記第2の窒化物半導体層の上にInx Aly Ga1-x-y N層(但し0<x<1、0<y<1、0<x+y<1)を選択的に形成する工程と、
前記マスク層を除去することによって、前記第2の窒化物半導体層に達する凹部を形成する工程と、
前記凹部内にゲート電極を形成する工程と、
前記Inx Aly Ga1-x-y N層の上に、前記Inx Aly Ga1-x-y N層と接するソース電極及びドレイン電極を形成する工程とを備えていることを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。 Forming a first nitride semiconductor layer on a substrate;
Forming a second nitride semiconductor layer having a forbidden band width larger than that of the first nitride semiconductor layer on the first nitride semiconductor layer;
Forming a mask layer on a predetermined region of the second nitride semiconductor layer;
An In x Al y Ga 1-xy N layer (where 0 <x <1, 0 <y <1, 0 <x + y <1) is formed on the second nitride semiconductor layer not covered with the mask layer. Selectively forming, and
Forming a recess reaching the second nitride semiconductor layer by removing the mask layer;
Forming a gate electrode in the recess;
Said In x Al y Ga on the 1-xy N layer, the In x Al y Ga field effect transistor, characterized by comprising a 1-xy N forming a source electrode and a drain electrode in contact with layer Manufacturing method.
前記マスク層はSiO2 からなることを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。 The method of manufacturing a field effect transistor according to claim 15,
The method of manufacturing a field effect transistor, wherein the mask layer is made of SiO 2 .
前記マスク層の厚さは前記Inx Aly Ga1-x-y N層の厚さよりも大きいことを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。 In the manufacturing method of the field effect transistor according to claim 15 or 16,
Method of manufacturing a field effect transistor the thickness of the mask layer may be greater than the thickness of the In x Al y Ga 1-xy N layer.
前記第2の窒化物半導体層と前記Inx Aly Ga1-x-y N層との界面において、それぞれの伝導帯の下端が実質的に連続することを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。 In the manufacturing method of the field effect transistor of any one of Claims 15-17,
A method of manufacturing a field effect transistor, wherein the lower end of each conduction band is substantially continuous at an interface between the second nitride semiconductor layer and the In x Al y Ga 1-xy N layer.
前記第2の窒化物半導体層はAlを含み、
前記第2の窒化物半導体層を形成する工程において、前記第2の窒化物半導体層におけるAl組成を、前記第2の窒化物半導体層と前記Inx Aly Ga1-x-y N層との界面から離れるに従って大きくなるように変化させることを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。 In the manufacturing method of the field effect transistor according to claim 14 or 18,
The second nitride semiconductor layer includes Al;
In the step of forming the second nitride semiconductor layer, the interface between the Al composition of the second nitride semiconductor layer, wherein said second nitride semiconductor layer In x Al y Ga 1-xy N layer A method of manufacturing a field effect transistor, wherein the field effect transistor is changed so as to increase as the distance from the device increases.
前記第2の窒化物半導体層を形成する工程において、前記第2の窒化物半導体層におけるAl組成を、前記界面から離れるに従って直線状に増加させることを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。 The method of manufacturing a field effect transistor according to claim 19,
In the step of forming the second nitride semiconductor layer, the Al composition in the second nitride semiconductor layer is increased linearly with increasing distance from the interface.
前記第2の窒化物半導体層を形成する工程において、前記第2の窒化物半導体層におけるAl組成を、前記界面から離れるに従って階段状に増加させることを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。 The method of manufacturing a field effect transistor according to claim 19,
A method of manufacturing a field effect transistor, wherein in the step of forming the second nitride semiconductor layer, the Al composition in the second nitride semiconductor layer is increased stepwise as the distance from the interface increases.
前記第2の窒化物半導体層を形成する工程において、前記第2の窒化物半導体層におけるAl組成を、前記界面から離れるに従って、上に凸の2次曲線状に増加させることを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。 The method of manufacturing a field effect transistor according to claim 19,
In the step of forming the second nitride semiconductor layer, the Al composition in the second nitride semiconductor layer is increased in a convex quadratic curve shape as the distance from the interface increases. Effect transistor manufacturing method.
前記ソース電極及び前記ドレイン電極を形成する工程よりも後に、前記基板に対して熱処理を行なう工程をさらに備え、
前記熱処理の温度は、前記Inx Aly Ga1-x-y N層の形成温度よりも低いことを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。 In the manufacturing method of the field effect transistor of any one of Claims 14-22,
A step of performing a heat treatment on the substrate after the step of forming the source electrode and the drain electrode;
The method of manufacturing a field effect transistor, wherein a temperature of the heat treatment is lower than a formation temperature of the In x Al y Ga 1-xy N layer.
前記Inx Aly Ga1-x-y N層を形成する工程よりも後に、前記Inx Aly Ga1-x-y N層にn型導電型を供する不純物を、前記Inx Aly Ga1-x-y N層の最上部における前記不純物の濃度が他の部分よりも高くなるように添加する工程と、当該工程の後に、前記Inx Aly Ga1-x-y N層の形成温度よりも低い温度で前記基板に対して熱処理を行なう工程とをさらに備えていることを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。 In the manufacturing method of the field effect transistor of any one of Claims 14-23,
Said In x Al y Ga later than 1-xy N layer forming a said In x Al y Ga 1-xy N layer impurities to provide the n-type conductivity type, the In x Al y Ga 1-xy N a step of concentration of the impurities in the top layer is added to be higher than other portions, after the step, the substrate with the in x Al y Ga temperature lower than the formation temperature of 1-xy N layer And a step of performing a heat treatment on the field effect transistor.
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