JP4592938B2 - Semiconductor device - Google Patents

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    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/20Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L29/2003Nitride compounds

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に関するものであり、詳細には、一般的にInXAlYGa1-X-YN(0≦X≦1、0≦Y≦1)で表される窒化ガリウム系半導体のヘテロ構造を用いた電界効果型トランジスタに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
GaN、AlGaN、InGaN、InAlGaN等の窒化ガリウム系半導体は高い絶縁破壊電界強度、高い熱伝導率、高い電子飽和速度を有しており高周波のパワーデバイス材料として有望である。特に、AlGaN/GaNヘテロ接合構造を有する半導体装置は、AlGaNとGaNとのヘテロ接合界面付近に電子が高濃度で蓄積し、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に添加されるドナー不純物とは空間的に分離されて存在するため高い電子移動度を示し、このヘテロ構造を用いて電界効果型トランジスタを作製した場合、ソース抵抗成分を低減することができる。また、ゲート電極から二次元電子ガスまでの距離dは通常数十nmと短いため、ゲート長Lgが100nm程度と短くても、ゲート長Lgと距離dとの比(すなわち、アスペクト比)Lg/dは、5から10程度に大きくできる。従って、ヘテロ構造を用いた半導体装置は、短チャネル効果が小さく、良好な飽和特性を有する電界効果型トランジスタを容易に作製することができるという優れた特徴を有する。さらにAlGaN/GaN系へテロ構造における二次元電子は1×105V/cm程度の高電界領域で、現在高周波トランジスタとして普及しているAlGaAs/InGaAs系の場合に比べて2倍以上の電子速度を有し、高周波のパワーデバイスへの応用が期待されている。
【0003】
図9に、従来の半導体装置900を示す。半導体装置900は、サファイア基板またはSiC基板901上に、GaNを含むバッファ層902と、GaNまたはInGaNから形成されるチャネル層903と、AlGaNを含む電子供給層904とが順次積層された構造である。電子供給層904上にソース電極906と、ゲート電極907と、ドレイン電極908とが設けられる。
【0004】
このAlGaN/GaN系へテロ構造は、通常[0001]面(c面)のサファイア基板またはSiC基板901上に有機金属気相成長法や分子線エピタキシー法を用いて結晶成長させることで形成される。サファイア基板またはSiC基板901上にGaNを含むバッファ層902を形成する場合、基板901とバッファ層902との格子定数は大きく異なるので、バッファ層902を厚く形成することが必要である。なぜなら、バッファ層902を厚く形成することで、バッファ層902と基板901との格子不整合に基づく歪が十分緩和されるからである。この厚いバッファ層902上に、Siなどのn型不純物を添加したAlGaNを含む電子供給層904を数十nmの厚さで形成すると、選択ドーピングの効果により、AlGaNとGaNとのヘテロ界面において電子親和力の大きいバッファ層902の方に二次元電子ガス(すなわち、チャネル層903)が形成される。MOCVD(有機金属気相成長)法で形成されたヘテロ構造においては、結晶表面は通常、III族原子Gaの面であり、この二次元電子ガスの濃度は、(電子供給層904に含まれる)AlGaNと(バッファ層902に含まれる)GaNとの自発分極の差に、AlGaNが受ける引っ張り応力によるc軸方向のピエゾ分極の効果が加わり、電子供給層904に添加したn型不純物の濃度から予測される値よりも高濃度の電子が蓄積する。電子供給層904のAlGaNのAl組成が0.2から0.3の場合に、チャネル層903の電子濃度は1×1013/cm2程度であり、これはGaAs系デバイスの約3倍になる。このような高濃度の二次元電子ガスが蓄積されることから、GaN系へテロ構造電界効果型トランジスタ(FET)として使用される半導体装置900は、パワーデバイスとして非常に有望視されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の半導体装置900はいくつかの問題点を有する。この問題点として、(1)結晶成長技術、および、結晶成長技術に関連するプロセスが完全ではないため良質の結晶が得られていないこと、(2)エッチングプロセスの工程を経た場合にそのエッチングプロセスにより導入された損傷によりデバイス特性が劣化し、予測されるパワー特性が十分に実現されていないことが挙げられる。
【0006】
結晶成長に関する問題のひとつは、バッファ層902に含まれるノンドープのGaNが通常n型を示し、キャリア濃度も1016/cm3程度あるいはそれ以上と高いことに起因する。これは、結晶成長時に構成元素である窒素(N)が抜け、窒素の空孔ができやすいからと考えられる。このような残留のキャリアがあると装置のGaNバッファ層902を介する漏れ電流成分が大きくなり、特に高温で動作させた場合にピンチオフ特性が悪くなるなど、素子特性の劣化につながる。また、複数のGaN系へテロ構造FETを同一の基板に形成した場合にFET同士が互いに干渉し合い、正常な動作が妨げられるという素子分離に関する問題も生じる。さらにゲート電極907がこのGaNバッファ層902上方に設けられた場合には、ゲートリーク電流の増大や素子耐圧の低下などの問題が発生する。
【0007】
エッチングプロセス技術上の問題点として、(バッファ層902に含まれる)GaN、または、(電子供給層904に含まれる))AlGaNの表面に損傷が形成されることが挙げられる。GaNまたはAlGaNはウェットエッチングを用いて除去あるいは削ることが困難であるため、通常ドライエッチングを用いてエッチング加工が行われるが、ドライエッチング時に形成される表面の損傷などによってバッファ層902または電子供給層904の表面にリーク電流が流れやすくなる。特に表面の窒素が欠乏することで、エッチングにより露出したバッファ層902表面の導電性が高まりリーク電流が増大すると考えられている。
【0008】
本発明は以上述べたGaN系へテロ構造FETの問題点に鑑みなされたものであり、その第一の目的はGaN層中やGaN層表面に意図せず導入される欠陥や傷に伴う残留キャリアによる表面リーク電流を著しく低減した半導体装置(GaN系へテロ構造FET)を提供するものである。本発明の第二の目的は、表面リーク電流を低減しつつ、素子の耐電圧(耐圧)を向上することのできる半導体装置(GaN系へテロ構造FET)を提供するものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、基板と、該基板の上に形成されたGaNからなるバッファ層であって、該バッファ層の表面がGa原子のc面である、バッファ層と、該バッファ層の上に形成されたGaNまたはInGaNからなるチャネル層であって、該チャネル層の表面がGaまたはIn原子のc面である、チャネル層と、該チャネル層の上に形成されたAlGaNからなる電子供給層であって、該電子供給層の表面がAlまたはGa原子のc面である、電子供給層と、該電子供給層の上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、該ソース電極と該ドレイン電極との間に形成されたGaNからなるキャップ層であって、該キャップ層の表面はGaまたはIn原子のc面であり、該キャップ層の少なくとも一部が該電子供給層に接する、キャップ層と、少なくとも一部が該キャップ層に接するように形成されたゲート電極と、を備えた半導体装置であって、前記ゲート電極の少なくとも一部が前記電子供給層に接するように形成されている。
前記ゲート電極が前記キャップ層の上に形成されていてもよい。
前記キャップ層の組成はc面内で前記バッファ層とほぼ格子定数の整合がとれ、かつ該キャップ層内に発生する分極の大きさの絶対値が前記電子供給層内に発生する分極の絶対値よりも小さくなるように該電子供給層は形成されていてもよい。
前記ゲート電極が前記ドレイン電極よりも前記ソース電極の近くに位置していてもよい。
前記ゲート電極の表面積が前記キャップ層の表面積よりも大きくてもよい。
【0010】
本発明の半導体装置は、基板と、該基板の上に形成されたGaNからなるバッファ層であって、該バッファ層の表面がGa原子のc面である、バッファ層と、該バッファ層の上に形成されたGaNまたはInGaNからなるチャネル層であって、該チャネル層の表面がGaまたはIn原子のc面である、チャネル層と、該チャネル層の上に形成されたAlGaNからなる電子供給層であって、該電子供給層の表面がAlまたはGa原子のc面である、電子供給層と、該電子供給層の上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、該ソース電極と該ドレイン電極との間に形成されたInGaAlNからなるキャップ層であって、該キャップ層の表面はGaまたはIn原子のc面であり、該キャップ層の少なくとも一部が該電子供給層に接する、キャップ層と、少なくとも一部が該キャップ層に接するように形成されたゲート電極と、を備えた半導体装置であって、該キャップ層の組成はc面内で前記バッファ層とほぼ格子定数の整合がとれ、かつ該キャップ層内に発生する分極の大きさの絶対値が前記電子供給層内に発生する分極の絶対値よりも小さくなるように該電子供給層は形成されている。
前記ゲート電極の少なくとも一部が前記電子供給層に接するように形成されていてもよい。
前記ゲート電極が前記キャップ層の上に形成されていてもよい。
前記ゲート電極が前記ドレイン電極よりも前記ソース電極の近くに位置していてもよい。
前記ゲート電極の表面積が前記キャップ層の表面積よりも大きくてもよい。
【0011】
本発明の半導体装置は、基板と、該基板の上に形成されたGaNからなるバッファ層であって、該バッファ層の表面がGa原子のc面である、バッファ層と、該バッファ層の上に形成されたGaNまたはInGaNからなるチャネル層であって、該チャネル層の表面がGaまたはIn原子のc面である、チャネル層と、該チャネル層の上に形成されたAlGaNからなる電子供給層であって、該電子供給層の表面がAlまたはGa原子のc面である、電子供給層と、該電子供給層の上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、該ソース電極と該ドレイン電極との間に形成されたGaNからなるキャップ層であって、該キャップ層の表面はGaまたはIn原子のc面であり、該キャップ層の少なくとも一部が該電子供給層に接する、キャップ層と、少なくとも一部が該キャップ層に接するように形成されたゲート電極と、を備えた半導体装置であって、前記キャップ層にn型不純物が部分的あるいは全体に添加されている。
前記ゲート電極の少なくとも一部が前記電子供給層に接するように形成されていてもよい。
前記ゲート電極が前記キャップ層の上に形成されていてもよい。
前記ゲート電極が前記ドレイン電極よりも前記ソース電極の近くに位置していてもよい。
前記ゲート電極の表面積が前記キャップ層の表面積よりも大きくてもよい。
【0028】
上記の構成とすることで、ショットキー接合の障壁高さを高めることにより、ソース抵抗の増大を防止しつつリーク電流を低減すること、あるいはソース抵抗の増大を防止しつつ耐圧の向上を図ることができる半導体装置を提供することができる。さらに、キャップ層をゲート・ドレイン間のより広い範囲に残した構造とすることで、さらに半導体装置の耐圧を向上させることができる。
【0029】
【発明の実施の形態】
(実施の形態1)
本発明の第1の実施形態に係る半導体装置を図面に基づいて説明する。図1Aは本発明の第1の実施形態に係る電界効果型トランジスタ(FET)100の断面図であり、図1Bはその上面図である。電界効果型トランジスタ100は、サファイアまたはSiCから形成される基板101の上に、膜厚が約2〜3μmのGaNバッファ層102、GaNまたはInGaNから形成されるチャネル層103、AlNの組成比が約0.15から0.5であり、Siなどのn型不純物を約2×1018cm-3の濃度で添加したn型AlGaN電子供給層104および膜厚が約10〜20nmのGaNキャップ層105が順次積層された構造である。GaNキャップ層105は中央部のみ残して選択的にエッチング除去され、ゲート電極107がGaNキャップ層105上に形成される。ソース電極106およびドレイン電極108は、ゲート電極107に隣接して、GaNキャップ層105が除去されて露出した後のAlGaN電子供給層104表面上に形成される。ここで、各窒化物層の表面はIII族原子のc面で形成されている。
【0030】
図1Bに示すように、素子形成領域109の周囲には、素子形成領域109を取り囲む分離領域110がイオン注入などのエッチングを伴わない方法によって形成されている。GaNキャップ層105はゲート電極107よりも広い範囲に形成される。また、GaNキャップ層105はソース電極106およびドレイン電極108と接触しないように形成される。GaNキャップ層105は実効的なショットキー電極の障壁高さ(ピークポテンシャル)を高めるように作用し、これはGaNキャップ層105とAlGaN電子供給層104に発生する分極の大きさの差によって説明される。
【0031】
次に、このような構成の電界効果型トランジスタ100に応力が加わった場合に発生する分極の影響について説明する。
【0032】
GaNバッファ層102は格子不整合に伴う圧縮歪を緩和するのに十分に厚いため、歪の影響によるピエゾ分極は発生せず、自発分極のみが発生する。これに対して、AlGaN電子供給層104は引っ張り歪を受け、自発分極に加えて内部に大きなピエゾ分極が発生する。この分極の方向は、基板101のc軸方向すなわち基板101の表面に垂直な方向である。このような分極の効果を考慮して、図1Aに示した半導体装置100についてGaNキャップ層105とゲート電極107との界面を基準(距離0)とした深さ方向のポテンシャルを理論的に計算した結果を図2に示す。
【0033】
図2では、GaNキャップ層105の厚さが10nm、ゲート電圧が0Vに設定している。分極の影響によってGaNキャップ層105に電位差が生じ、それによりAlGaN電子供給層104とのヘテロ界面におけるポテンシャル(図2に示したピークポテンシャル)が引き上げられる。このため実効的なショットキー障壁が高くなる。
【0034】
図3には、GaNキャップ層105の厚さを0〜20nmまで変化させた場合の実効的な障壁高さ(ピークポテンシャル)の変化(図3において×で示す)と、GaNキャップ層105とAlGaN電子供給層104とのヘテロ界面に溜まる電子の濃度変化(図3において○で示す)を理論的に計算した結果を示す。
【0035】
図3に示すように、GaNキャップ層105の厚さが増すとともに、実効的なショットキー電極の障壁高さ(ピークポテンシャル)は徐々に高くなる一方、GaNキャップ層105とAlGaN電子供給層104とのヘテロ界面に溜まる電子の濃度は低下することがわかる。ピークポテンシャルが増加する理由は、GaNキャップ層105に対するショットキー電極の障壁高さが一定であるのに対して、GaNキャップ層105で発生する電位差がGaNキャップ層105の膜厚の増加と共に大きくなるからである。従って、GaNキャップ層105を挿入することはピークポテンシャルを効果的に増大させる。また、GaNキャップ層105の厚さが増すとともに電子濃度は低下する。これはGaNキャップ層105に発生する電位差分だけゲート電極に逆バイアスが印加されたことに起因する。
【0036】
以上のように、GaNキャップ層105を設けることでピークポテンシャルが増し、ヘテロ界面に溜まる電子の濃度が低下する。これらはすべて電界効果型トランジスタの高耐圧化に寄与する。しかしながら、リーク電流にはバッファ層102の表面を伝わって流れる成分があり、特にバッファ層102に含まれるGaNのように表面の窒素原子が欠乏することによってドナーを生成するような材料では、このリーク電流成分を低減することが重要となる。またヘテロ界面に溜まる電子の濃度が低下することは、GaNキャップ層105がある領域の抵抗が増加することにつながり、電界効果型トランジスタのソース抵抗を増大させ、トランジスタの性能低下につながる。
【0037】
本発明の電界効果型トランジスタ100では、ゲート・ソース間の領域のGaNキャップ層105が除去されている(すなわち、ソース電極106とキャップ層105が直接接触していない)ために、ソース抵抗がさらに低減される。さらに、ソース・ゲート間およびゲート・ドレイン間のリーク電流もGaNキャップ層105が除去されている(すなわち、ソース電極106とキャップ層105が直接接触せず、さらにドレイン電極108とキャップ層105が直接接触していない)ことにより低減できる。すでに述べたようにGaNキャップ層105に発生する電位差によって図1Bの矢印aで示す面内方向においてポテンシャルが不連続となり、リーク電流に寄与する電子はこの不連続値を越えるエネルギーを獲得しなければならないからである。室温のエネルギーは26meV程度であるので、ポテンシャルの不連続値が260meVあればリーク電流は4桁程度低下することとなり、極めて大きな効果となる。実際に図3のピークポテンシャルの変化を見ると10nmの厚さのGaNキャップ層105を挿入することで、GaNキャップ層105を挿入しない場合と比較して1eV程度のポテンシャル不連続値が得られるので、さらにリーク電流値を低減できることが期待される。
【0038】
図4は本発明の実施の形態1の第1の変形例である電界効果型トランジスタ(FET)400を示す。電界効果型トランジスタ400は、図1Aを参照して説明した電界効果型トランジスタ100とは、ゲート電極407が積層されるGaNキャップ層405の部分がエッチングによって薄層化あるいは除去された構成とした点で異なる。図4では、ゲート電極407が、電流供給層404に接する例が示されている。このようにGaNキャップ層405が薄層化または除去され、その領域にゲート電極407が積層されることで、GaNキャップ層405による相互コンダクタンスの劣化が防止される。この場合、ショットキー障壁高さの改善はされないものの、GaNキャップ層とAlGaN電子供給層の表面に水平な方向でのポテンシャルの不連続を利用することによりリーク電流の低減に寄与する。
【0039】
なお、図1Aに示される半導体装置100では、キャップ層105の表面積がゲート電極107の表面積より大きい例を示したが、本発明はこれに限定されない。図5に本発明の実施の形態1の第2の変形例である電界効果型トランジスタ(FET)500を示す。電界効果型トランジスタ500は、図1Aを参照して説明した電界効果型トランジスタ100とは、GaNキャップ層505の幅はゲート電極507の幅よりも小さい点で異なる。従って、電界効果型トランジスタ500において、ゲート電極507はGaNキャップ層505の両側に広がった状態で積層されている。この構成としても、リーク電流の低減と耐圧の向上という効果を得ることができる。
(実施の形態2)
図6A〜図6Eに、本発明の第2の実施形態に係る電界効果型トランジスタ(FET)の断面図を示す。図6A〜図6Eに示す電界効果型トランジスタは、耐圧の向上を目的にGaNキャップ層605を設けている。
【0040】
図6Aに示される電界効果型トランジスタ(FET)600は、図1に示した電界効果型トランジスタ(FET)100とは、GaNキャップ層605上に設けられるゲート電極607が、ソース電極606寄りに配置されている点で異なる。これにより、ゲート電極607直下のチャネル層603に広がる空乏層をよりドレイン電極608側に広げることができ、電界効果型トランジスタ600の耐圧を向上させることができる。
【0041】
図6Bに示される電界効果型トランジスタ610は、図6Aに示した電界効果型トランジスタ600とは、ゲート電極607が形成されるGaNキャップ層605の部分がエッチングによって薄層化あるいは除去された構成とした点で異なる。図6Bの電界効果型トランジスタ610では、ゲート電極607が電流供給層604に接するように、GaNキャップ層はエッチングされている。図6Bに示す電界効果型トランジスタ610では、GaNキャップ層605を導入することにより劣化する相互コンダクタンスを改善することができる。
【0042】
図6Cに示される電界効果型トランジスタ620では、ゲート電極607はGaNキャップ層605上のソース電極606側の側縁部およびその側縁部に沿った電子供給層604上に設けられている。従って、GaNキャップ層605は、ゲート電極607とドレイン電極608との間に位置する。図6Cに示す電界効果型トランジスタ620の構成では、ゲート・ソース間のリーク電流は改善されないが、ゲート・ドレイン間の耐圧は改善される。特にゲート電極607がソース電極606側のキャップ層605の側縁部上にまたがって形成されているので、ゲート電極607が電子供給層604に接する部分のドレイン電極側の領域における電界集中を緩和でき、したがって、ゲート・ドレイン間の耐圧がより改善される。また図6Bに示される電界効果型トランジスタ610と同様に、ソース抵抗の増大が防止できFETの相互コンダクタンスが改善できる。
【0043】
以上の実施の形態では、キャップ層605としてGaNを用いた例を説明した。しかしながら、キャップ層605としてGaNを用いた場合、その厚さをあまり厚くできない。なぜなら、図3に示すようにGaNの厚さを増加することによってシート電子濃度が低くなりすぎること、および/または、ピークポテンシャルが高くなりすぎてキャップ層605と電子供給層604の間に正孔が蓄積するようになるという事態が生じるからである。キャップ層605をシート電子濃度に大きな影響を与えずに厚くしたいという要求は、図6Cに示した電界効果型トランジスタ620で特に生じる。電界効果型トランジスタ620でキャップ層605を厚くすれば、ゲート電極607のドレイン側近傍の電界集中が緩和され、電界効果型トランジスタ620の耐圧が向上するからである。さらに、電界効果型トランジスタ620でキャップ層605を厚くすると、ゲート電極607がキャップ層605に重なっている部分の寄生ゲート容量を低減でき、電界効果型トランジスタ620の高周波特性を改善することにつながる。
【0044】
適度に低下させたシート電子濃度を保ちつつ、キャップ層605の厚さを厚くする方法として次の二つが挙げられる。第一は、GaNキャップ層605の代わりにInGaAlNキャップ層を用いることである。第二は、キャップ層にn型不純物を添加し、キャップ層で生じる電位差を少なくするものである。
【0045】
第一の方法において、InGaAlNの組成に要求される要件の1つは、膜厚を厚くためにc面の格子定数をGaNバッファ層の格子定数とほぼ整合させることである。このためにはIn0.18Al0.72NとGaNで格子整合がとれるので、In0.18Al0.72NとGaNの混晶とすればよい。すなわち(In0.18Al0.72xGa1-xNという組成にすればよい。実際には多少の組成のずれは許容される。別の要件は、InGaAlNキャップ層内部の分極の大きさをAlGaN電子供給層604に生じる分極の大きさよりも小さく保つことである。このことは(In0.18Al0.72xGa1-xNのxの値に制限を与えるが、これによるxの値の上限はAlGaN電子供給層604におけるAlNの組成に依存する。しばしば用いられるAlGaN電子供給層604のAlN組成についてxの上限を計算によって求めると、AlGaN電子供給層604のAlN組成が10%の時、xの上限は約0.16、AlGaN電子供給層604のAlN組成が30%の時、xの上限は約0.47となる。xの上限は、AlGaN電子供給層604のAlN組成比の約1.5倍と考えればよい。
【0046】
第二の方法では、添加する不純物の濃度によって適切なキャップ層605の厚さが決定される。キャップ層の材料はGaNであってもInGaAlNであってもよいが、GaNを用いるものと仮定する。図2と同様なポテンシャルをAlGaN電子供給層104以下の領域(すなわち、図2の距離10nm以上の領域)で維持しつつキャップ層の厚さを厚くすることを考えると次のようになる。
【0047】
図2においてキャップ層105の表面電位はショットキー障壁の高さ0.76Vで固定されている。このところで電界が0となり、かつキャップ層105とAlGaN電子供給層104の境界における電位(約1.6V)と電界を等しくするようにドーピングをおこなえばキャップ層の上にいくらでも厚くアンドープのGaN層を形成できることになる。このような条件を見積もると、キャップ層の厚さとして16.7nm、n型不純物のドーピング濃度として3×1018/cm3が得られる。このn型GaNキャップ層の上に所望の厚さのアンドープGaNキャップ層を形成すればよい。
【0048】
上記のキャップ層の構成は、実施形態の実現性を示すための一例であって、実際には様々な濃度と厚さを組み合わせたキャップ層を設計することができる。また図6Bおよび図6Cに示す電界効果型トランジスタ610、620のようにゲート電極による電荷制御がゲート電極607と電界供給層604との接する部分で主になされる場合には、図6Dおよび図6Eに示す電界効果型トランジスタ630,640のようにキャップ層605は、n型GaN層などの半導体層605bとその上に形成した絶縁膜605aの組み合わせでもかまわない。絶縁膜としてはSiO2膜や窒化シリコン膜が用いることができるが、界面準位密度が低いといわれている窒化シリコン膜を用いるほうが望ましい。なお、図6Dに示される電界効果型トランジスタ630は、図6Bに示される電界効果型トランジスタ610のキャップ層605の代わりに、半導体層605bとその上に絶縁膜605aを設けたもの、図6Eに示される電界効果型トランジスタ640は、図6Cに示される電界効果型トランジスタ620のキャップ層605の代わりに、半導体層605bとその上に絶縁膜605aとを設けたものである。電界効果型トランジスタ630においてゲート電極607はAlGaN電子供給層604だけでなくキャップ層605上面にも接するように形成されているが、電界効果型トランジスタ610においてもゲート電極607がAlGaN電子供給層604だけでなくキャップ層605上面にも接するように形成しても何ら差し支えないことはいうまでもない。特に、前述したようにゲート電極607をキャップ層605上にドレイン側へ伸ばすことによって耐圧が向上することが期待される。
(実施の形態3)
実施の形態1および2において説明した電界効果型トランジスタ(FET)の構成は、ヘテロ構造の表面がIII族原子の場合であったが、V族原子の窒素が表面を形成する場合は別の構成にする必要がある。ヘテロ構造の表面をV族原子の窒素とした場合の例を以下に説明する。
【0049】
図7に上記の具体例として電界効果型トランジスタ700を示す。電界効果型トランジスタ700は、サファイアまたはSiCから形成される基板701の上に、膜厚が約2〜3μmでAlNの組成比が約0.15から0.5のAlGaNバッファ層702、Siなどのn型不純物を約2×1018cm-3の濃度で添加したn型AlGaN電子供給層703、膜厚が約15〜20nmのGaNあるいはInGaNよりなるチャネル層704、膜厚が約10nmのAlGaNキャップ層705が順次積層された構造である。この電界効果型トランジスタ700において各AlGaN層におけるAlN組成比は同じでよいが、表面のAlGaNキャップ層705のAlN組成は分極の効果を考慮するとAlGaNバッファ層702のAlN組成よりも大きくすることができる。図1Aに示される電界効果型トランジスタ100と同様に、AlGaNキャップ層705は中央部のみを残して選択的に除去され、ゲート電極707がAlGaNキャップ層705の上に形成される。ソース電極706およびドレイン電極708は、ゲート電極707に隣接して、AlGaNキャップ層705が除去された後のチャネル層704の上に形成される。上記のように、各窒化物層の表面はV族原子(窒素)のc面で形成されている。
【0050】
GaNを主体とするへテロ構造電界効果型トランジスタ700において、表面がV族原子となるような分子線エピタキシー法における成長条件はすでに報告されている。表面がV族原子となるように成膜を行った場合、各層に発生する分極の方向は表面がIII族原子の場合とは逆となるため、図1Aに示した電界効果型トランジスタ100のバッファ層102を形成する材料としてGaNの代わりに、バッファ層702としてAlGaNが用いられている。その上にSiなどのn型不純物を添加したAlGaNを含む電子供給層703、チャネル層704が順次形成されている。チャネル層704への電子供給はチャネル層704の下にあるAlGaN電子供給層703からとチャネル層704と電子供給層703間の分極の差により誘起されるプラスの電荷とによりなされる。従って、通常このチャネル層704にゲート電極が直接形成されることになる。ここでAlGaNバッファ層702は格子歪が緩和するように十分厚く形成され、GaNまたはInGaNを含むチャネル層704は圧縮歪を受けるので数10nmと比較的薄く形成される。キャップ層705としては、GaNの代わりにAlGaNを用いる。
【0051】
このような構成とすることで、ソース抵抗の増大の防止、リーク電流の低減が図られることは実施形態1のところで説明したことと同様の理由による。
【0052】
さらに、本実施形態において多数の変形例が考えられ、図8A〜図8Eに電界効果型トランジスタ(FET)としてそれらの変形例を示す。ただし、図8A〜図8Eに示される電界効果型トランジスタにおいて、各窒化物層の表面はV族原子(窒素)のc面で形成されている。
【0053】
図8Aに示される電界効果型トランジスタ800は、図4に示される電界効果型トランジスタ400と同様にゲート電極807を形成するAlGaNキャップ層805の部分がエッチングによって薄層化または除去された構成としたものである。このような構成とすることで、AlGaNキャップ層805を導入することにより劣化する相互コンダクタンスを改善することができる。
【0054】
図8Bに示される電界効果型トランジスタ810は、図5に示される電界効果型トランジスタ500に対応する。電界効果型トランジスタ(FET)810において、ゲート電極807はAlGaNキャップ層805の上に形成されるが、AlGaNキャップ層805の表面積はゲート電極807の表面積よりも小さい。従って、AlGaNキャップ層805はゲート電極807の底面よりも内側に形成された構成となる。電界効果型トランジスタ810の構成とすることで、リーク電流の低減と耐圧の向上を図ることができる。
【0055】
図8Cに示される電界効果型トランジスタ820は、図6Aに示される電界効果型トランジスタ600に対応する。電界効果型トランジスタ820は、図8Aに示した電界効果型トランジスタ(FET)800とはAlGaNキャップ層805上に設けられるゲート電極807の位置が異なる。ゲート電極807をソース電極806側に配置することによって、ゲート・ドレイン間におけるAlGaNキャップ層805の占める領域がより広くなる。このような構成にすることによってゲート電極807直下のチャネル層804に広がる空乏層をよりドレイン電極808側に広げることができ、電界効果型トランジスタ820の耐圧を向上させることができる。
【0056】
図8Dに示される電界効果型トランジスタ830は、図6Bに示される電界効果型トランジスタ610と対応する。電界効果型トランジスタ830は、図8Cに示した電界効果型トランジスタ820と、ゲート電極807が形成されるAlGaNキャップ層805の部分がエッチングによって薄層化あるいは除去される点で異なる。電界効果型トランジスタ830の構造のように、AlGaNキャップ層805を導入することで、劣化する相互コンダクタンスを改善することができる。
【0057】
図8Eに示される電界効果型トランジスタ840は、図6Cに示される電界効果型トランジスタ620と対応する。電界効果型トランジスタ840は、ゲート電極807とドレイン電極808との間にAlGaNキャップ層805を設ける構造である。電界効果型トランジスタ840の構造にすることで、ゲート・ソース間のリーク電流は改善されないが、ゲート・ドレイン間の耐圧は改善される。
【0058】
キャップ層805の厚さを厚くすることは、電界効果型トランジスタ840の構造でFETのゲート−ドレイン間の耐圧を向上する場合に有効となる。しかしながら、表面がV族原子である場合、AlGaN以外の材料を用いてキャップ層805の厚さを厚くすることは簡単ではない。これはヘテロ構造の表面がIII族の場合と異なって、チャネル層804を構成するGaNが面内で圧縮応力を受けるため自発分極の方向とピエゾ効果による分極の方向が互いに逆向きになり、全体としてGaNのチャネル層804内部に発生する分極の絶対値はかなり小さくなるからである。AlGaNバッファ層802と格子整合する材料ではAlGaNよりも分極の値を小さくできる材料は見つからない。従って、実施の形態2で述べたようなキャップ層805へのドーピングの方がAlGaN以外の材料を用いてキャップ層を厚くするよりもより簡単で有効となる。
【0059】
また実施の形態2で述べたようにキャップ層805としてAlGaN層とその上に形成した絶縁膜の組み合わせを用いることも、電界効果型トランジスタ830、840の場合に有効である。絶縁膜としてはSiO2膜や窒化シリコン膜が用いることができるが、界面準位密度が低いといわれている窒化シリコン膜を用いるほうが望ましい。
【0060】
なお本発明で示したGaNバッファ層102、402、502、602、やAlGaNバッファ層702、802はそれぞれ基板101、401、501、601および701、801上に層厚が100nm程度の比較的薄いAlN層を介して形成される場合が従来より報告されているが、本発明はそのような場合にも本質的に何ら変わることなく適用できることは言うまでも無い。
【0061】
【発明の効果】
本発明の半導体装置は、窒化ガリウム系ヘテロ構造のソース抵抗の増大を防止しつつリーク電流を低減すること、あるいはソース抵抗の増大を防止しつつ耐圧の向上が図ることができる半導体装置(電界効果型トランジスタ)を提供する。
その結果、窒化ガリウム系ヘテロ構造の半導体装置のパワー特性向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1A】本発明の第1の実施の形態による電界効果型トランジスタを説明する断面図である。
【図1B】本発明の第1の実施の形態による電界効果型トランジスタを説明する上面図である。
【図2】本発明の第1の実施形態に関わるポテンシャル図である。
【図3】本発明の第1の実施形態に関わるシート電子濃度およびピークポテンシャルのGaNキャップ層厚依存性を示すグラフである。
【図4】本発明の第1の実施形態の変形例による電界効果型トランジスタを説明する断面図である。
【図5】本発明第1の実施形態の別の変形例による電界効果型トランジスタを説明する断面図である。
【図6A】本発明の第2の実施の形態による電界効果型トランジスタを説明する断面図である。
【図6B】本発明の第2の実施の形態による電界効果型トランジスタを説明する断面図である。
【図6C】本発明の第2の実施の形態による電界効果型トランジスタを説明する断面図である。
【図6D】本発明の第2の実施の形態による電界効果型トランジスタを説明する断面図である。
【図6E】本発明の第2の実施の形態による電界効果型トランジスタを説明する断面図である。
【図7】本発明の第3の実施の形態による電界効果型トランジスタを説明する断面図である。
【図8A】本発明の第3の実施の形態の変形例による電界効果型トランジスタを説明する断面図である。
【図8B】本発明の第3の実施の形態の変形例による電界効果型トランジスタを説明する断面図である。
【図8C】本発明の第3の実施の形態の変形例による電界効果型トランジスタを説明する断面図である。
【図8D】本発明の第3の実施の形態の変形例による電界効果型トランジスタを説明する断面図である。
【図8E】本発明の第3の実施の形態の変形例による電界効果型トランジスタを説明する断面図である。
【図9】従来の電界効果型トランジスタを説明する断面図である。
【符号の説明】
101 基板
102 バッファ層
103 チャネル層
104 電子供給層
105 キャップ層
106 ソース電極
107 ゲート電極
108 ドレイン電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device, and in particular, generally relates to In.XAlYGa1-XYThe present invention relates to a field effect transistor using a heterostructure of a gallium nitride semiconductor represented by N (0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1).
[0002]
[Prior art]
Gallium nitride semiconductors such as GaN, AlGaN, InGaN, and InAlGaN have high dielectric breakdown field strength, high thermal conductivity, and high electron saturation speed, and are promising as high-frequency power device materials. In particular, in a semiconductor device having an AlGaN / GaN heterojunction structure, electrons accumulate at a high concentration near the heterojunction interface between AlGaN and GaN, and so-called two-dimensional electron gas is formed. Since this two-dimensional electron gas exists spatially separated from donor impurities added to AlGaN, it exhibits high electron mobility. When a field effect transistor is fabricated using this heterostructure, the source resistance component is reduced. Can be reduced. Further, since the distance d from the gate electrode to the two-dimensional electron gas is usually as short as several tens of nm, even if the gate length Lg is as short as about 100 nm, the ratio of the gate length Lg to the distance d (that is, the aspect ratio) Lg / d can be increased to about 5 to 10. Therefore, a semiconductor device using a heterostructure has an excellent feature that a short-channel effect is small and a field-effect transistor having good saturation characteristics can be easily manufactured. Furthermore, the two-dimensional electron in the AlGaN / GaN heterostructure is 1 × 10FiveIn the high electric field region of about V / cm, it has an electron velocity more than twice that of the AlGaAs / InGaAs system currently popular as a high frequency transistor, and is expected to be applied to a high frequency power device.
[0003]
FIG. 9 shows a conventional semiconductor device 900. The semiconductor device 900 has a structure in which a buffer layer 902 containing GaN, a channel layer 903 made of GaN or InGaN, and an electron supply layer 904 containing AlGaN are sequentially stacked on a sapphire substrate or SiC substrate 901. . A source electrode 906, a gate electrode 907, and a drain electrode 908 are provided over the electron supply layer 904.
[0004]
This AlGaN / GaN heterostructure is usually formed by crystal growth on a [0001] plane (c-plane) sapphire substrate or SiC substrate 901 using metal organic vapor phase epitaxy or molecular beam epitaxy. . When the buffer layer 902 containing GaN is formed over the sapphire substrate or the SiC substrate 901, the lattice constants of the substrate 901 and the buffer layer 902 are greatly different, so that the buffer layer 902 needs to be formed thick. This is because by forming the buffer layer 902 thick, distortion based on lattice mismatch between the buffer layer 902 and the substrate 901 is sufficiently relieved. When an electron supply layer 904 containing AlGaN doped with an n-type impurity such as Si is formed on the thick buffer layer 902 with a thickness of several tens of nanometers, electrons are generated at the heterointerface between AlGaN and GaN due to the effect of selective doping. A two-dimensional electron gas (that is, a channel layer 903) is formed on the buffer layer 902 having a higher affinity. In the heterostructure formed by the MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) method, the crystal surface is usually a group III atom Ga plane, and the concentration of the two-dimensional electron gas is (included in the electron supply layer 904). The effect of piezoelectric polarization in the c-axis direction due to the tensile stress applied to AlGaN is added to the difference in spontaneous polarization between AlGaN and GaN (included in the buffer layer 902), which is predicted from the concentration of the n-type impurity added to the electron supply layer 904. Accumulate electrons at a higher concentration than the expected value. When the Al composition of AlGaN in the electron supply layer 904 is 0.2 to 0.3, the electron concentration in the channel layer 903 is 1 × 1013/ Cm2This is about three times that of GaAs-based devices. Since such a high-concentration two-dimensional electron gas is accumulated, the semiconductor device 900 used as a GaN-based heterostructure field effect transistor (FET) is very promising as a power device.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional semiconductor device 900 has several problems. The problems are that (1) the crystal growth technique and the process related to the crystal growth technique are not perfect, so that a high-quality crystal is not obtained, and (2) the etching process when the etching process is performed. The device characteristics deteriorate due to the damage introduced by the above, and the predicted power characteristics are not sufficiently realized.
[0006]
One of the problems related to crystal growth is that non-doped GaN contained in the buffer layer 902 is usually n-type and has a carrier concentration of 1016/ CmThreeThis is due to the high degree or higher. This is presumably because nitrogen (N), which is a constituent element, escapes during crystal growth, and nitrogen vacancies are easily formed. Such residual carriers increase the leakage current component through the GaN buffer layer 902 of the device, leading to deterioration of device characteristics such as poor pinch-off characteristics when operated at high temperatures. In addition, when a plurality of GaN-based heterostructure FETs are formed on the same substrate, the FETs interfere with each other, and there is a problem related to element isolation that prevents normal operation. Further, when the gate electrode 907 is provided above the GaN buffer layer 902, problems such as an increase in gate leakage current and a decrease in device breakdown voltage occur.
[0007]
A problem in the etching process technique is that damage is formed on the surface of GaN (included in the buffer layer 902) or AlGaN (included in the electron supply layer 904). Since GaN or AlGaN is difficult to remove or scrape using wet etching, etching is usually performed using dry etching. However, the buffer layer 902 or the electron supply layer is damaged due to damage to the surface formed during dry etching. Leakage current easily flows on the surface of 904. In particular, it is believed that the lack of nitrogen on the surface increases the conductivity of the surface of the buffer layer 902 exposed by etching and increases the leakage current.
[0008]
The present invention has been made in view of the problems of the above-described GaN-based heterostructure FET, and the first object thereof is a residual carrier accompanying defects or scratches that are unintentionally introduced into the GaN layer or the surface of the GaN layer. The present invention provides a semiconductor device (GaN-based heterostructure FET) in which the surface leakage current due to the above is significantly reduced. The second object of the present invention is to provide a semiconductor device (GaN heterostructure FET) capable of improving the withstand voltage (breakdown voltage) of the element while reducing the surface leakage current.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
  A semiconductor device of the present invention includes a substrate and GaN formed on the substrate.Consist ofA buffer layer, the surface of the buffer layer being a c-plane of Ga atoms, and GaN or InGaN formed on the buffer layerConsist ofA channel layer, the surface of the channel layer being a c-plane of Ga or In atoms, and AlGaN formed on the channel layerConsist ofAn electron supply layer, wherein the surface of the electron supply layer is a c-plane of Al or Ga atoms, a source electrode and a drain electrode formed on the electron supply layer, and the source electrode GaN formed between the drain electrodeConsist ofA cap layer, wherein the surface of the cap layer is a c-plane of Ga or In atoms, at least part of the cap layer is in contact with the electron supply layer, and at least part of the cap layer is in contact with the cap layer And a gate device formed as described aboveThe gate electrode is formed so as to be in contact with the electron supply layer.The
The gate electrode may be formed on the cap layer.
The composition of the cap layer is substantially lattice-matched with the buffer layer in the c-plane, and the absolute value of the polarization generated in the cap layer is the absolute value of the polarization generated in the electron supply layer. The electron supply layer may be formed to be smaller than that.
The gate electrode may be located closer to the source electrode than the drain electrode.
The surface area of the gate electrode may be larger than the surface area of the cap layer.
[0010]
  The semiconductor device of the present invention includes a substrate and a buffer layer made of GaN formed on the substrate, wherein the buffer layer has a c-plane of Ga atoms, and a buffer layer on the buffer layer. A channel layer made of GaN or InGaN formed on the channel layer, the surface of the channel layer being a c-plane of Ga or In atoms, and an electron supply layer made of AlGaN formed on the channel layer The surface of the electron supply layer is a c-plane of Al or Ga atoms, the source electrode and the drain electrode formed on the electron supply layer, the source electrode and the drain electrode A cap layer made of InGaAlN formed between and a c-plane of Ga or In atoms, and at least a part of the cap layer is in contact with the electron supply layer A semiconductor device comprising a cap layer and a gate electrode formed so that at least a part thereof is in contact with the cap layer, the composition of the cap layer being substantially lattice constant with the buffer layer in the c-plane. The electron supply layer is formed so as to be matched and the absolute value of the magnitude of the polarization generated in the cap layer is smaller than the absolute value of the polarization generated in the electron supply layer.
  The gate electrode may be formed so as to be in contact with the electron supply layer.
  The gate electrode may be formed on the cap layer.
  The gate electrode may be located closer to the source electrode than the drain electrode.
  The surface area of the gate electrode may be larger than the surface area of the cap layer.
[0011]
  The semiconductor device of the present invention includes a substrate and a buffer layer made of GaN formed on the substrate, wherein the buffer layer has a c-plane of Ga atoms, and a buffer layer on the buffer layer. A channel layer made of GaN or InGaN formed on the channel layer, the surface of the channel layer being a c-plane of Ga or In atoms, and an electron supply layer made of AlGaN formed on the channel layer The surface of the electron supply layer is a c-plane of Al or Ga atoms, the source electrode and the drain electrode formed on the electron supply layer, the source electrode and the drain electrode A cap layer made of GaN formed between and a surface of the cap layer is a c-plane of Ga or In atoms, and at least a part of the cap layer is in contact with the electron supply layer. And up layer, a semiconductor device and a gate electrode formed so as to at least partly in contact with the cap layer, n-type impurity is added to partially or entirely on the cap layer.
  The gate electrode may be formed so as to be in contact with the electron supply layer.
  The gate electrode may be formed on the cap layer.
  The gate electrode may be located closer to the source electrode than the drain electrode.
  The surface area of the gate electrode may be larger than the surface area of the cap layer.
[0028]
With the above configuration, by increasing the barrier height of the Schottky junction, it is possible to reduce leakage current while preventing increase in source resistance, or to improve breakdown voltage while preventing increase in source resistance. A semiconductor device capable of achieving the above can be provided. Furthermore, the breakdown voltage of the semiconductor device can be further improved by providing a structure in which the cap layer is left in a wider range between the gate and the drain.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Embodiment 1)
A semiconductor device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1A is a cross-sectional view of a field effect transistor (FET) 100 according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a top view thereof. The field-effect transistor 100 has a composition ratio of about GaN buffer layer 102 having a thickness of about 2 to 3 μm, channel layer 103 made of GaN or InGaN, and AlN on a substrate 101 made of sapphire or SiC. 0.15 to 0.5, and an n-type impurity such as Si is about 2 × 1018cm-3In this structure, an n-type AlGaN electron supply layer 104 added at a concentration of ˜10 and a GaN cap layer 105 with a thickness of about 10 to 20 nm are sequentially stacked. The GaN cap layer 105 is selectively etched away leaving only the central portion, and a gate electrode 107 is formed on the GaN cap layer 105. The source electrode 106 and the drain electrode 108 are formed adjacent to the gate electrode 107 on the surface of the AlGaN electron supply layer 104 after the GaN cap layer 105 is removed and exposed. Here, the surface of each nitride layer is formed of a c-plane of group III atoms.
[0030]
As shown in FIG. 1B, an isolation region 110 surrounding the element formation region 109 is formed around the element formation region 109 by a method that does not involve etching such as ion implantation. The GaN cap layer 105 is formed in a wider range than the gate electrode 107. The GaN cap layer 105 is formed so as not to contact the source electrode 106 and the drain electrode 108. The GaN cap layer 105 acts to increase the effective barrier height (peak potential) of the Schottky electrode, which is explained by the difference in the magnitude of polarization generated in the GaN cap layer 105 and the AlGaN electron supply layer 104. The
[0031]
Next, the influence of polarization generated when stress is applied to the field effect transistor 100 having such a configuration will be described.
[0032]
Since the GaN buffer layer 102 is sufficiently thick to relieve the compressive strain associated with lattice mismatch, piezo polarization due to the effect of strain does not occur, and only spontaneous polarization occurs. On the other hand, the AlGaN electron supply layer 104 receives tensile strain, and large piezo polarization is generated inside in addition to spontaneous polarization. The direction of this polarization is the c-axis direction of the substrate 101, that is, the direction perpendicular to the surface of the substrate 101. Considering the effect of such polarization, the potential in the depth direction was theoretically calculated with respect to the interface between the GaN cap layer 105 and the gate electrode 107 (distance 0) for the semiconductor device 100 shown in FIG. 1A. The results are shown in FIG.
[0033]
In FIG. 2, the thickness of the GaN cap layer 105 is set to 10 nm and the gate voltage is set to 0V. Due to the influence of polarization, a potential difference is generated in the GaN cap layer 105, and thereby the potential (peak potential shown in FIG. 2) at the heterointerface with the AlGaN electron supply layer 104 is raised. This increases the effective Schottky barrier.
[0034]
FIG. 3 shows the change in effective barrier height (peak potential) when the thickness of the GaN cap layer 105 is changed from 0 to 20 nm (indicated by x in FIG. 3), the GaN cap layer 105 and the AlGaN. The result of theoretical calculation of the change in the concentration of electrons accumulated at the hetero interface with the electron supply layer 104 (indicated by ◯ in FIG. 3) is shown.
[0035]
As shown in FIG. 3, as the thickness of the GaN cap layer 105 increases, the effective Schottky electrode barrier height (peak potential) gradually increases, while the GaN cap layer 105 and the AlGaN electron supply layer 104 It can be seen that the concentration of electrons accumulated at the heterointerface of the lowers. The reason why the peak potential increases is that the barrier height of the Schottky electrode with respect to the GaN cap layer 105 is constant, whereas the potential difference generated in the GaN cap layer 105 increases as the film thickness of the GaN cap layer 105 increases. Because. Therefore, inserting the GaN cap layer 105 effectively increases the peak potential. Further, as the thickness of the GaN cap layer 105 increases, the electron concentration decreases. This is because a reverse bias is applied to the gate electrode by a potential difference generated in the GaN cap layer 105.
[0036]
As described above, the provision of the GaN cap layer 105 increases the peak potential and decreases the concentration of electrons accumulated at the heterointerface. All of these contribute to the high breakdown voltage of the field effect transistor. However, there is a component that flows along the surface of the buffer layer 102 in the leakage current, and this leakage is particularly caused in a material that generates a donor due to a lack of surface nitrogen atoms such as GaN contained in the buffer layer 102. It is important to reduce the current component. In addition, a decrease in the concentration of electrons accumulated at the heterointerface leads to an increase in the resistance of the region where the GaN cap layer 105 is present, increases the source resistance of the field effect transistor, and leads to a decrease in transistor performance.
[0037]
In the field effect transistor 100 of the present invention, since the GaN cap layer 105 in the region between the gate and the source is removed (that is, the source electrode 106 and the cap layer 105 are not in direct contact), the source resistance is further increased. Reduced. Furthermore, the leakage current between the source and gate and between the gate and drain is also removed from the GaN cap layer 105 (that is, the source electrode 106 and the cap layer 105 are not in direct contact, and the drain electrode 108 and the cap layer 105 are directly in contact with each other). It can be reduced by not contacting. As already described, due to the potential difference generated in the GaN cap layer 105, the potential becomes discontinuous in the in-plane direction indicated by arrow a in FIG. 1B, and electrons contributing to the leakage current must acquire energy exceeding this discontinuous value. Because it will not be. Since the energy at room temperature is about 26 meV, if the discontinuity value of potential is 260 meV, the leakage current will be reduced by about four orders of magnitude, which is a very significant effect. When the change of the peak potential in FIG. 3 is actually observed, the potential discontinuity value of about 1 eV can be obtained by inserting the GaN cap layer 105 having a thickness of 10 nm as compared with the case where the GaN cap layer 105 is not inserted. Further, it is expected that the leakage current value can be further reduced.
[0038]
FIG. 4 shows a field effect transistor (FET) 400 which is a first modification of the first embodiment of the present invention. The field effect transistor 400 is different from the field effect transistor 100 described with reference to FIG. 1A in that the portion of the GaN cap layer 405 on which the gate electrode 407 is stacked is thinned or removed by etching. It is different. FIG. 4 shows an example in which the gate electrode 407 is in contact with the current supply layer 404. In this way, the GaN cap layer 405 is thinned or removed, and the gate electrode 407 is laminated in that region, thereby preventing deterioration of mutual conductance due to the GaN cap layer 405. In this case, although the height of the Schottky barrier is not improved, it contributes to the reduction of the leakage current by utilizing the potential discontinuity in the horizontal direction on the surfaces of the GaN cap layer and the AlGaN electron supply layer.
[0039]
In the semiconductor device 100 shown in FIG. 1A, the example in which the surface area of the cap layer 105 is larger than the surface area of the gate electrode 107 is shown, but the present invention is not limited to this. FIG. 5 shows a field effect transistor (FET) 500 which is a second modification of the first embodiment of the present invention. The field effect transistor 500 is different from the field effect transistor 100 described with reference to FIG. 1A in that the width of the GaN cap layer 505 is smaller than the width of the gate electrode 507. Therefore, in the field effect transistor 500, the gate electrode 507 is stacked in a state of spreading on both sides of the GaN cap layer 505. Even with this configuration, it is possible to obtain the effects of reducing leakage current and improving breakdown voltage.
(Embodiment 2)
6A to 6E are cross-sectional views of a field effect transistor (FET) according to the second embodiment of the present invention. The field effect transistor shown in FIGS. 6A to 6E is provided with a GaN cap layer 605 for the purpose of improving the breakdown voltage.
[0040]
The field effect transistor (FET) 600 shown in FIG. 6A is different from the field effect transistor (FET) 100 shown in FIG. 1 in that the gate electrode 607 provided on the GaN cap layer 605 is disposed closer to the source electrode 606. Different in that it is. As a result, the depletion layer extending in the channel layer 603 directly below the gate electrode 607 can be further expanded to the drain electrode 608 side, and the breakdown voltage of the field effect transistor 600 can be improved.
[0041]
The field effect transistor 610 shown in FIG. 6B is different from the field effect transistor 600 shown in FIG. 6A in that the portion of the GaN cap layer 605 where the gate electrode 607 is formed is thinned or removed by etching. It is different in point. In the field effect transistor 610 of FIG. 6B, the GaN cap layer is etched so that the gate electrode 607 is in contact with the current supply layer 604. In the field effect transistor 610 shown in FIG. 6B, the transconductance deteriorated by introducing the GaN cap layer 605 can be improved.
[0042]
In the field effect transistor 620 shown in FIG. 6C, the gate electrode 607 is provided on the side edge on the source electrode 606 side on the GaN cap layer 605 and on the electron supply layer 604 along the side edge. Accordingly, the GaN cap layer 605 is located between the gate electrode 607 and the drain electrode 608. In the configuration of the field effect transistor 620 shown in FIG. 6C, the gate-source leakage current is not improved, but the gate-drain breakdown voltage is improved. In particular, since the gate electrode 607 is formed over the side edge of the cap layer 605 on the source electrode 606 side, electric field concentration in the region on the drain electrode side where the gate electrode 607 is in contact with the electron supply layer 604 can be reduced. Therefore, the breakdown voltage between the gate and the drain is further improved. Further, similarly to the field effect transistor 610 shown in FIG. 6B, an increase in the source resistance can be prevented and the mutual conductance of the FET can be improved.
[0043]
In the above embodiment, an example in which GaN is used as the cap layer 605 has been described. However, when GaN is used as the cap layer 605, the thickness cannot be increased too much. This is because, as shown in FIG. 3, the sheet electron concentration becomes too low by increasing the thickness of GaN, and / or the peak potential becomes too high, so that holes are formed between the cap layer 605 and the electron supply layer 604. This is because there will be a situation in which it will accumulate. The demand to increase the thickness of the cap layer 605 without significantly affecting the sheet electron density occurs particularly in the field effect transistor 620 shown in FIG. 6C. This is because if the cap layer 605 is thickened in the field effect transistor 620, the electric field concentration near the drain side of the gate electrode 607 is relaxed, and the breakdown voltage of the field effect transistor 620 is improved. Further, when the cap layer 605 is thickened in the field effect transistor 620, the parasitic gate capacitance of the portion where the gate electrode 607 overlaps the cap layer 605 can be reduced, which leads to improvement of the high frequency characteristics of the field effect transistor 620.
[0044]
There are the following two methods for increasing the thickness of the cap layer 605 while keeping the sheet electron concentration moderately lowered. The first is to use an InGaAlN cap layer instead of the GaN cap layer 605. Second, an n-type impurity is added to the cap layer to reduce a potential difference generated in the cap layer.
[0045]
In the first method, one of the requirements for the composition of InGaAlN is to make the c-plane lattice constant substantially match the lattice constant of the GaN buffer layer in order to increase the film thickness. To do this, In0.18Al0.72Since lattice matching can be achieved with N and GaN, In0.18Al0.72A mixed crystal of N and GaN may be used. Ie (In0.18Al0.72)xGa1-xThe composition may be N. In practice, some compositional deviation is allowed. Another requirement is to keep the magnitude of polarization inside the InGaAlN cap layer smaller than the magnitude of polarization generated in the AlGaN electron supply layer 604. This means (In0.18Al0.72)xGa1-xThe value of x of N is limited, but the upper limit of the value of x depends on the composition of AlN in the AlGaN electron supply layer 604. When the upper limit of x is calculated by calculation for the AlN composition of the AlGaN electron supply layer 604 that is often used, the upper limit of x is about 0.16 when the AlN composition of the AlGaN electron supply layer 604 is 10%. When the AlN composition is 30%, the upper limit of x is about 0.47. The upper limit of x may be considered to be about 1.5 times the AlN composition ratio of the AlGaN electron supply layer 604.
[0046]
In the second method, an appropriate thickness of the cap layer 605 is determined by the concentration of the impurity to be added. The material of the cap layer may be GaN or InGaAlN, but it is assumed that GaN is used. Considering increasing the thickness of the cap layer while maintaining the same potential as that in FIG. 2 in the region below the AlGaN electron supply layer 104 (that is, the region having a distance of 10 nm or more in FIG. 2).
[0047]
In FIG. 2, the surface potential of the cap layer 105 is fixed at a Schottky barrier height of 0.76V. At this point, if the doping is performed so that the electric field becomes zero and the electric potential (about 1.6 V) at the boundary between the cap layer 105 and the AlGaN electron supply layer 104 is equalized, an undoped GaN layer can be formed on the cap layer as much as possible. It can be formed. When such conditions are estimated, the thickness of the cap layer is 16.7 nm, and the doping concentration of n-type impurities is 3 × 10.18/ CmThreeIs obtained. An undoped GaN cap layer having a desired thickness may be formed on the n-type GaN cap layer.
[0048]
The above-described configuration of the cap layer is an example to show the feasibility of the embodiment, and actually a cap layer in which various concentrations and thicknesses are combined can be designed. In the case where charge control by the gate electrode is mainly performed at the portion where the gate electrode 607 and the electric field supply layer 604 are in contact like the field effect transistors 610 and 620 shown in FIGS. 6B and 6C, FIGS. 6D and 6E. As shown in the field effect transistors 630 and 640, the cap layer 605 may be a combination of a semiconductor layer 605b such as an n-type GaN layer and an insulating film 605a formed thereon. Insulating film is SiO2Although a film or a silicon nitride film can be used, it is preferable to use a silicon nitride film which is said to have a low interface state density. Note that a field effect transistor 630 illustrated in FIG. 6D includes a semiconductor layer 605b and an insulating film 605a provided thereon instead of the cap layer 605 of the field effect transistor 610 illustrated in FIG. 6B. A field-effect transistor 640 shown is obtained by providing a semiconductor layer 605b and an insulating film 605a thereon instead of the cap layer 605 of the field-effect transistor 620 shown in FIG. 6C. In the field effect transistor 630, the gate electrode 607 is formed so as to be in contact with not only the AlGaN electron supply layer 604 but also the upper surface of the cap layer 605. However, also in the field effect transistor 610, the gate electrode 607 includes only the AlGaN electron supply layer 604. Needless to say, the cap layer 605 may be formed so as to be in contact with the upper surface. In particular, as described above, it is expected that the breakdown voltage is improved by extending the gate electrode 607 on the cap layer 605 to the drain side.
(Embodiment 3)
The structure of the field effect transistor (FET) described in the first and second embodiments is the case where the surface of the heterostructure is a group III atom, but when the nitrogen of the group V atom forms the surface, another structure is employed. It is necessary to. An example in which the surface of the heterostructure is a group V atom nitrogen will be described below.
[0049]
FIG. 7 shows a field effect transistor 700 as the above specific example. The field effect transistor 700 includes an AlGaN buffer layer 702 having a film thickness of about 2 to 3 μm and an AlN composition ratio of about 0.15 to 0.5 on a substrate 701 formed of sapphire or SiC, Si and the like. About 2 × 10 n-type impurities18cm-3In this structure, an n-type AlGaN electron supply layer 703 added at a concentration, a channel layer 704 made of GaN or InGaN having a thickness of about 15 to 20 nm, and an AlGaN cap layer 705 having a thickness of about 10 nm are sequentially stacked. In this field effect transistor 700, the AlN composition ratio in each AlGaN layer may be the same, but the AlN composition of the AlGaN cap layer 705 on the surface can be made larger than the AlN composition of the AlGaN buffer layer 702 in consideration of the polarization effect. . Similar to the field effect transistor 100 shown in FIG. 1A, the AlGaN cap layer 705 is selectively removed leaving only the central portion, and a gate electrode 707 is formed on the AlGaN cap layer 705. A source electrode 706 and a drain electrode 708 are formed adjacent to the gate electrode 707 and on the channel layer 704 after the AlGaN cap layer 705 has been removed. As described above, the surface of each nitride layer is formed of the c-plane of group V atoms (nitrogen).
[0050]
In the heterostructure field effect transistor 700 mainly composed of GaN, the growth conditions in the molecular beam epitaxy method in which the surface is a group V atom have already been reported. When the film is formed so that the surface is a group V atom, the direction of polarization generated in each layer is opposite to the case where the surface is a group III atom. Therefore, the buffer of the field effect transistor 100 shown in FIG. AlGaN is used as the buffer layer 702 instead of GaN as a material for forming the layer 102. An electron supply layer 703 containing AlGaN doped with an n-type impurity such as Si and a channel layer 704 are sequentially formed thereon. Electrons are supplied to the channel layer 704 from the AlGaN electron supply layer 703 below the channel layer 704 and positive charges induced by the polarization difference between the channel layer 704 and the electron supply layer 703. Therefore, normally, the gate electrode is directly formed on the channel layer 704. Here, the AlGaN buffer layer 702 is formed to be sufficiently thick so that the lattice strain is relaxed, and the channel layer 704 containing GaN or InGaN is formed to be relatively thin as several tens of nm because it receives compressive strain. As the cap layer 705, AlGaN is used instead of GaN.
[0051]
By adopting such a configuration, an increase in source resistance and a reduction in leakage current can be achieved for the same reason as described in the first embodiment.
[0052]
Furthermore, many modifications can be considered in this embodiment, and these modifications are shown as field effect transistors (FETs) in FIGS. 8A to 8E. However, in the field effect transistor shown in FIGS. 8A to 8E, the surface of each nitride layer is formed of a c-plane of group V atoms (nitrogen).
[0053]
The field effect transistor 800 shown in FIG. 8A has a configuration in which a portion of the AlGaN cap layer 805 that forms the gate electrode 807 is thinned or removed by etching in the same manner as the field effect transistor 400 shown in FIG. Is. By adopting such a configuration, it is possible to improve the mutual conductance that is deteriorated by introducing the AlGaN cap layer 805.
[0054]
A field effect transistor 810 shown in FIG. 8B corresponds to the field effect transistor 500 shown in FIG. In the field effect transistor (FET) 810, the gate electrode 807 is formed on the AlGaN cap layer 805, but the surface area of the AlGaN cap layer 805 is smaller than the surface area of the gate electrode 807. Accordingly, the AlGaN cap layer 805 is formed inside the bottom surface of the gate electrode 807. With the structure of the field-effect transistor 810, leakage current can be reduced and breakdown voltage can be improved.
[0055]
The field effect transistor 820 shown in FIG. 8C corresponds to the field effect transistor 600 shown in FIG. 6A. The field effect transistor 820 is different from the field effect transistor (FET) 800 shown in FIG. 8A in the position of the gate electrode 807 provided on the AlGaN cap layer 805. By disposing the gate electrode 807 on the source electrode 806 side, the area occupied by the AlGaN cap layer 805 between the gate and the drain becomes wider. With such a structure, a depletion layer extending to the channel layer 804 immediately below the gate electrode 807 can be further extended to the drain electrode 808 side, and the withstand voltage of the field-effect transistor 820 can be improved.
[0056]
The field effect transistor 830 shown in FIG. 8D corresponds to the field effect transistor 610 shown in FIG. 6B. The field effect transistor 830 is different from the field effect transistor 820 shown in FIG. 8C in that the portion of the AlGaN cap layer 805 where the gate electrode 807 is formed is thinned or removed by etching. By introducing the AlGaN cap layer 805 as in the structure of the field effect transistor 830, the deteriorated transconductance can be improved.
[0057]
The field effect transistor 840 shown in FIG. 8E corresponds to the field effect transistor 620 shown in FIG. 6C. The field effect transistor 840 has a structure in which an AlGaN cap layer 805 is provided between the gate electrode 807 and the drain electrode 808. With the structure of the field effect transistor 840, the leakage current between the gate and the source is not improved, but the breakdown voltage between the gate and the drain is improved.
[0058]
Increasing the thickness of the cap layer 805 is effective in improving the breakdown voltage between the gate and the drain of the FET in the structure of the field effect transistor 840. However, when the surface is a group V atom, it is not easy to increase the thickness of the cap layer 805 using a material other than AlGaN. Unlike the case where the surface of the heterostructure is a group III, GaN constituting the channel layer 804 receives compressive stress in the plane, so that the direction of spontaneous polarization and the direction of polarization due to the piezo effect are opposite to each other. This is because the absolute value of the polarization generated inside the channel layer 804 of GaN becomes considerably small. For materials that lattice-match with the AlGaN buffer layer 802, a material that can make the polarization value smaller than that of AlGaN cannot be found. Therefore, doping the cap layer 805 as described in Embodiment 2 is simpler and more effective than using a material other than AlGaN to thicken the cap layer.
[0059]
As described in Embodiment Mode 2, it is also effective for the field effect transistors 830 and 840 to use a combination of an AlGaN layer and an insulating film formed thereon as the cap layer 805. Insulating film is SiO2Although a film or a silicon nitride film can be used, it is preferable to use a silicon nitride film which is said to have a low interface state density.
[0060]
Note that the GaN buffer layers 102, 402, 502, and 602 and the AlGaN buffer layers 702 and 802 shown in the present invention are relatively thin AlN having a thickness of about 100 nm on the substrates 101, 401, 501, 601 and 701, 801, respectively. Although it has been reported so far to be formed through layers, it goes without saying that the present invention can be applied to such a case without any substantial change.
[0061]
【The invention's effect】
The semiconductor device of the present invention can reduce leakage current while preventing an increase in source resistance of a gallium nitride heterostructure, or can improve breakdown voltage while preventing an increase in source resistance (electric field effect). Type transistor).
As a result, the power characteristics of the semiconductor device having a gallium nitride heterostructure can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a cross-sectional view illustrating a field effect transistor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 1B is a top view illustrating the field effect transistor according to the first embodiment of the invention.
FIG. 2 is a potential diagram according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing the dependence of sheet electron concentration and peak potential on the GaN cap layer thickness according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a field effect transistor according to a modification of the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a field effect transistor according to another modification of the first embodiment of the present invention.
FIG. 6A is a cross-sectional view illustrating a field effect transistor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6B is a cross-sectional view illustrating a field effect transistor according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 6C is a cross-sectional view illustrating a field effect transistor according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 6D is a cross-sectional view illustrating a field effect transistor according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 6E is a cross-sectional view illustrating a field effect transistor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a field effect transistor according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8A is a cross-sectional view illustrating a field effect transistor according to a modification of the third embodiment of the present invention.
FIG. 8B is a cross-sectional view illustrating a field effect transistor according to a modification of the third embodiment of the present invention.
FIG. 8C is a cross-sectional view illustrating a field effect transistor according to a modification of the third embodiment of the present invention.
FIG. 8D is a cross-sectional view illustrating a field effect transistor according to a modification of the third embodiment of the present invention.
FIG. 8E is a cross-sectional view illustrating a field effect transistor according to a modification of the third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a conventional field effect transistor.
[Explanation of symbols]
101 substrate
102 Buffer layer
103 channel layer
104 Electron supply layer
105 Cap layer
106 Source electrode
107 Gate electrode
108 Drain electrode

Claims (15)

基板と、
該基板の上に形成されたGaNからなるバッファ層であって、該バッファ層の表面がGa原子のc面である、バッファ層と、
該バッファ層の上に形成されたGaNまたはInGaNからなるチャネル層であって、該チャネル層の表面がGaまたはIn原子のc面である、チャネル層と、
該チャネル層の上に形成されたAlGaNからなる電子供給層であって、該電子供給層の表面がAlまたはGa原子のc面である、電子供給層と、
該電子供給層の上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、
該ソース電極と該ドレイン電極との間に形成されたGaNからなるキャップ層であって、該キャップ層の表面はGaまたはIn原子のc面であり、該キャップ層の少なくとも一部が該電子供給層に接する、キャップ層と、
少なくとも一部が該キャップ層に接するように形成されたゲート電極と、
を備えた半導体装置であって、
前記ゲート電極の少なくとも一部が前記電子供給層に接するように形成される半導体装置
A substrate,
A buffer layer made of GaN is formed over the substrate, the surface of the buffer layer is a c-plane of the Ga atoms, a buffer layer,
A channel layer made of GaN or InGaN is formed on the buffer layer, the surface of the channel layer is a c-plane of the Ga or In atoms, and the channel layer,
An electronic supply layer composed of AlGaN formed on the channel layer, the surface of the electron supply layer is a c-plane Al or Ga atoms, and the electron supply layer,
A source electrode and a drain electrode formed on the electron supply layer;
A cap layer made of GaN is formed between said source electrode and said drain electrode, the surface of the cap layer is a c-plane of the Ga or In atoms, at least a portion of the cap layer electronic supplies A cap layer in contact with the layer;
A gate electrode formed so as to be at least partially in contact with the cap layer;
A semiconductor device comprising :
A semiconductor device formed so that at least a part of the gate electrode is in contact with the electron supply layer .
前記ゲート電極が前記キャップ層の上に形成される、請求項1に記載の半導体装置。  The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode is formed on the cap layer. 記キャップ層の組成はc面内で前記バッファ層とほぼ格子定数の整合がとれ、かつ該キャップ層内に発生する分極の大きさの絶対値が前記電子供給層内に発生する分極の絶対値よりも小さくなるように該電子供給層は形成される、請求項1に記載の半導体装置。Before the composition of Kiki cap layer take nearly lattice constant matching between the buffer layer in the c-plane, and the absolute value of the magnitude of the polarization that occurs in the cap layer of the polarization generated in the electron supply layer The semiconductor device according to claim 1, wherein the electron supply layer is formed to be smaller than an absolute value. 前記ゲート電極が前記ドレイン電極よりも前記ソース電極の近くに位置する、請求項1に記載の半導体装置。  The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode is located closer to the source electrode than the drain electrode. 前記ゲート電極の表面積が前記キャップ層の表面積よりも大きい、請求項に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 2 , wherein a surface area of the gate electrode is larger than a surface area of the cap layer. 基板と、A substrate,
該基板の上に形成されたGaNからなるバッファ層であって、該バッファ層の表面がGa原子のc面である、バッファ層と、  A buffer layer made of GaN formed on the substrate, wherein the buffer layer surface is a c-plane of Ga atoms;
該バッファ層の上に形成されたGaNまたはInGaNからなるチャネル層であって、該チャネル層の表面がGaまたはIn原子のc面である、チャネル層と、  A channel layer made of GaN or InGaN formed on the buffer layer, the surface of the channel layer being a c-plane of Ga or In atoms;
該チャネル層の上に形成されたAlGaNからなる電子供給層であって、該電子供給層の表面がAlまたはGa原子のc面である、電子供給層と、  An electron supply layer made of AlGaN formed on the channel layer, the surface of the electron supply layer being a c-plane of Al or Ga atoms;
該電子供給層の上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、  A source electrode and a drain electrode formed on the electron supply layer;
該ソース電極と該ドレイン電極との間に形成されたInGaAlNからなるキャップ層であって、該キャップ層の表面はGaまたはIn原子のc面であり、該キャップ層の少なくとも一部が該電子供給層に接する、キャップ層と、  A cap layer made of InGaAlN formed between the source electrode and the drain electrode, the surface of the cap layer being a c-plane of Ga or In atoms, and at least a part of the cap layer being the electron supply A cap layer in contact with the layer;
少なくとも一部が該キャップ層に接するように形成されたゲート電極と、  A gate electrode formed so as to be at least partially in contact with the cap layer;
を備えた半導体装置であって、A semiconductor device comprising:
該キャップ層の組成はc面内で前記バッファ層とほぼ格子定数の整合がとれ、かつ該キャップ層内に発生する分極の大きさの絶対値が前記電子供給層内に発生する分極の絶対値よりも小さくなるように該電子供給層は形成される半導体装置。  The composition of the cap layer is substantially lattice-matched with the buffer layer in the c-plane, and the absolute value of the magnitude of the polarization generated in the cap layer is the absolute value of the polarization generated in the electron supply layer. A semiconductor device in which the electron supply layer is formed to be smaller than that.
前記ゲート電極の少なくとも一部が前記電子供給層に接するように形成される、請求項6に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 6, wherein at least a part of the gate electrode is formed in contact with the electron supply layer. 前記ゲート電極が前記キャップ層の上に形成される、請求項6に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 6, wherein the gate electrode is formed on the cap layer. 前記ゲート電極が前記ドレイン電極よりも前記ソース電極の近くに位置する、請求項6に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 6, wherein the gate electrode is located closer to the source electrode than the drain electrode. 前記ゲート電極の表面積が前記キャップ層の表面積よりも大きい、請求項8に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 8, wherein a surface area of the gate electrode is larger than a surface area of the cap layer. 基板と、A substrate,
該基板の上に形成されたGaNからなるバッファ層であって、該バッファ層の表面がGa原子のc面である、バッファ層と、  A buffer layer made of GaN formed on the substrate, wherein the buffer layer surface is a c-plane of Ga atoms;
該バッファ層の上に形成されたGaNまたはInGaNからなるチャネル層であって、該チャネル層の表面がGaまたはIn原子のc面である、チャネル層と、  A channel layer made of GaN or InGaN formed on the buffer layer, the surface of the channel layer being a c-plane of Ga or In atoms;
該チャネル層の上に形成されたAlGaNからなる電子供給層であって、該電子供給層の表面がAlまたはGa原子のc面である、電子供給層と、  An electron supply layer made of AlGaN formed on the channel layer, the surface of the electron supply layer being a c-plane of Al or Ga atoms;
該電子供給層の上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、  A source electrode and a drain electrode formed on the electron supply layer;
該ソース電極と該ドレイン電極との間に形成されたGaNからなるキャップ層であって、該キャップ層の表面はGaまたはIn原子のc面であり、該キャップ層の少なくとも一部が該電子供給層に接する、キャップ層と、  A cap layer made of GaN formed between the source electrode and the drain electrode, the surface of the cap layer being a c-plane of Ga or In atoms, and at least a part of the cap layer being the electron supply A cap layer in contact with the layer;
少なくとも一部が該キャップ層に接するように形成されたゲート電極と、  A gate electrode formed so as to be at least partially in contact with the cap layer;
を備えた半導体装置であって、A semiconductor device comprising:
前記キャップ層にn型不純物が部分的あるいは全体に添加された半導体装置。  A semiconductor device in which an n-type impurity is partially or wholly added to the cap layer.
前記ゲート電極の少なくとも一部が前記電子供給層に接するように形成される、請求項11に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 11, wherein at least a part of the gate electrode is formed in contact with the electron supply layer. 前記ゲート電極が前記キャップ層の上に形成される、請求項11に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 11, wherein the gate electrode is formed on the cap layer. 前記ゲート電極が前記ドレイン電極よりも前記ソース電極の近くに位置する、請求項1に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode is located closer to the source electrode than the drain electrode. 前記ゲート電極の表面積が前記キャップ層の表面積よりも大きい、請求項13に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 13, wherein a surface area of the gate electrode is larger than a surface area of the cap layer.
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