JP4746825B2 - Compound semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体装置に関し、特に電子走行層にGaNを用い、電子供給層にAlGaNまたはAlNを用いた電界効果トランジスタ(FET)に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、サファイアやSiC等の基板を用い、AlGaN/GaNヘテロ構造を有する2次元電子ガスを利用したFETの開発が活発になってきている。GaNのバンドギャップは3.4eVと大きいため、半導体装置にGaNを用いることにより、破壊電圧を高くし、高電圧動作を可能にすることができる。
【0003】
図6に、従来のAlGaN/GaN系FETの断面図を示す。サファイアまたは半絶縁性のSiCからなる基板101の上に、AlGaNバッファ層102、GaN電子走行層103、N型AlGaN電子供給層104がこの順番に積層されている。
【0004】
電子走行層104の上に、ショットキゲート電極105が形成され、その両側にソース電極106及びドレイン電極107が形成されている。電子供給層104の表面のうち、ゲート電極105とソース電極106との間の領域、及びゲート電極105とドレイン電極107との間の領域は、保護膜108で被覆されている。
【0005】
基板101の底面に金属層109が形成され、金属層109がパッケージ100に密着している。ソース電極106とパッケージ100とがワイヤ111で電気的に接続されている。パッケージ100は接地されている。
【0006】
基板101の底面に形成された金属層109がパッケージ100を介して接地される。ドレイン電圧が変動すると、ドレイン電極107から出る電気力線の数が変動する。基板101が半絶縁性であるため、基板101内に侵入する電気力線の数も変動してしまう。これは、ゲート電極105直下の電子走行層103の電位が安定しないことを意味する。
【0007】
基板101と電子走行層103との大きな格子不整合を緩和させ、密着性を高めるために、バッファ層102が挿入されている。ところが、バッファ層102内に多数の欠陥が存在し、結果として多くのトラップ準位が形成される。また、バッファ層102も、電子走行層103の電位を不安定にする要因になる。
【0008】
ソース電極106とドレイン電極107との間に電圧を印加した時、ドレイン電極107から発生する電気力線がゲート電極105の端部に集中し、耐圧が低下してしまう。
【0009】
高電圧動作時に加速された電子が、価電子帯の電子を励起する(衝突イオン化)ことにより、電子走行層103内に電子正孔対が生成される。生成された正孔の一部はゲート電極105に流れるが、チャネルに蓄積された正孔がチャネルの電子を増加させるという正帰還現象が起こる。この正帰還現象による絶縁破壊の発生が懸念される。
【0010】
バンドギャップの大きなGaNは、衝突イオン化が生じにくいという点で有利であるが、絶縁破壊の発生を防止するために、チャネル内への正孔の蓄積を抑制することが好ましい。シリコンを用いたMOSFETの場合には、シリコンのバンドギャップが1.1eVと小さいにもかかわらず、P型層の導入やP型基板を用いて、正孔をチャネルから効率的に除去することにより高電圧動作を実現している。
【0011】
ところが、基板101が半絶縁性であるため、電子走行層103内の正孔を効率的に引き抜くことが困難である。
【0012】
【非特許文献1】
A. T. Ping et. al., DC and Microwave Performance of High-Current AlGaN/GaN Heterostructure Field Effect Transistors Grown on p-Type SiC Substrates, IEEE Electron Device Letters, February 1998, Vol.19, No.2, p.54-57
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、AlGaN/GaNのヘテロ構造を有するFETにおいて、チャネルの電位を安定させ、チャネル中に蓄積された正孔を効率的に除去することが可能な化合物半導体装置を提供することである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、
導電性の基板と、
前記基板の上にエピタキシャル成長され、P型導電性を有するバッファ層と、
前記バッファ層の上に形成されたGaNからなる電子走行層と、
前記電子走行層の上に形成されたN型のAlGaNまたはN型のAlNからなる電子供給層と、
前記電子供給層の上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極の両側に配置され、前記電子走行層とオーミック接続されたソース電極及びドレイン電極と
を有し、
前記電子走行層が、P型不純物をドープされたP型領域を含み、該P型領域は、前記電子供給層との界面から離れた位置に配置され、前記電子走行層の底面まで達し、面内において一部分にのみ配置され、かつゲート電極とドレイン電極との間に配置されている化合物半導体装置が提供される。
【0015】
導電性の基板及びバッファ層を用いているため、絶縁性または半絶縁性の基板やバッファ層を用いる場合に比べて、電子走行層の電位を安定させることができる。また、バッファ層をP型にしているため、電子走行層内で発生した正孔を、基板に引き抜くことができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
図1に、第1の実施例による化合物半導体装置(HEMT)の断面図を示す。P型導電性のSiCからなる基板1の主面上に、P型AlGaNからなる厚さ300nmのバッファ層2が形成されている。バッファ層2のP型ドーパントはMgであり、その濃度は例えば2×1017cm-3である。
【0017】
バッファ層2の上に、アンドープのGaNからなる厚さ3μmの電子走行層3が形成されている。その上に、N型Al0.25Ga0.75Nからなる厚さ20nmの電子供給層4が形成されている。電子供給層4のドーパントはSiであり、その濃度は例えば2×1018cm-3である。これらの層は、公知の有機金属化学気相成長(MOCVD)により堆積させることができる。
【0018】
電子供給層4の一部の領域上にゲート電極5が形成されている。ゲート電極5は、Ni層とAu層とがこの順番に積層された2層構造を有し、電子供給層4にショットキ接触する。ゲート電極5の両側に、ゲート電極5から間隔を隔ててソース電極6及びドレイン電極7が配置されている。ソース電極6及びドレイン電極7は、Ti層とAl層とがこの順番に積層された2層構造を有し、電子走行層3とオーミックに接続されている。
【0019】
電子供給層4の表面のうち、ゲート電極5とソース電極6との間の領域、及びゲート電極5とドレイン電極7との間の領域が、窒化ケイ素(SiN)からなる保護膜8で覆われている。
【0020】
以下、ゲート電極5、ソース電極6、ドレイン電極7、及び保護膜8の形成方法について説明する。電子供給層4の表面上にレジスト膜を形成し、ソース電極6及びドレイン電極7を配置すべき位置に開口を形成する。Ti層及びAl層を順番に蒸着し、レジスト膜を除去する。これにより、ソース電極6及びドレイン電極7が残る。450〜900℃で熱処理を行い、オーミック接触を得る。
【0021】
全面上に、CVDにより厚さ20nmの窒化シリコン膜を堆積させる。この窒化シリコン膜上にレジスト膜を形成し、ゲート電極5を配置すべき領域に開口を形成する。レジスト膜をエッチングマスクとし、ゲート電極5を配置すべき領域の窒化シリコン膜をエッチングする。全面にNi層とAu層とを順番に蒸着する。レジスト膜を除去し、ゲート電極5を残す。
【0022】
基板1の底面上に、金属層9が形成されている。金属層9は、Ti層とAu層との2層構造を有し、蒸着により形成される。金属層9を蒸着する時には、ゲート電極5、ソース電極6及びドレイン電極7が形成されている面をレジスト膜で覆っておく。
【0023】
このHEMTは、金属層9がパッケージ10に密着するように、パッケージ10に搭載されている。ソース電極6がワイヤ11によりパッケージ10に接続されている。
【0024】
第1の実施例では、基板1としてP型導電性を有するSiCが使用されている。また、基板1と電子走行層3との間に配置されたバッファ層2もP型導電性を有する。電子走行層3が、バッファ層2、基板1、及び金属層9を介してパッケージ10に接続されるため、電子走行層3の電位を安定させることができる。電子走行層3の電位の十分な安定化効果を得るために、基板1の厚さを200μm以下にすることが好ましい。また、基板を薄くすることは、放熱の点でも有効である。放熱の点で、基板1の厚さを100μm以下にすることがより好ましい。なお、P型SiC基板1の抵抗率は、0.1〜100000Ωcmの範囲である。
【0025】
ドレイン電極7から発生した電気力線の一部はゲート電極5に達するが、大部分の電気力線は導電性のバッファ層2や基板1で終端される。このため、ゲート電極5への電気力線の集中が緩和され、電気力線の集中による耐圧の低下を防止することができる。
【0026】
基板1がP型SiCで形成されているため、半絶縁性SiCを用いた場合に比べて、電子走行層3と電子供給層4との界面に形成される2次元電子ガス層内の電子から基板1側を見た時のポテンシャル障壁が高くなる。このため、2次元電子ガス層から電子が漏れることなく、ドレインまで到達する。逆に、電子走行層3内に発生した正孔は、基板1に移動しやすくなる。このため、電子走行層3内への正孔の蓄積を抑制することができる。これにより、ピンチオフ特性が改善され、破壊耐圧が大きくなり、より高電圧動作を実現することが可能になる。
【0027】
一般に、P型SiC基板は、半絶縁性のSiC基板に比べて欠陥(マイクロパイプ)密度が低い。基板1の材料としてP型SiCを用いることにより、欠陥を介したリーク電流を低減させることができる。
【0028】
SiC基板上にInAlGaN層を成長させると、格子定数の相違に起因する歪により、成長初期は平坦な2次元成長ではなく、島状の3次元成長になる。通常は、この層をバッファ層として、その上に電子走行層を成長させる。しかし、このバッファ層にはN原子の格子位置に発生する空孔による準位(伝導帯下端から0.8V程度低いトラップ準位)や、Al原子やGa原子の格子位置に発生する空孔による準位(価電子帯上端から0.5V程度高いトラップ準位)等が含まれる。これらの準位にキャリアが出入りすると、バッファ層の電位が変動する。
このキャリアの出入りはフェルミ準位が移動することに対応する。
【0029】
バッファ層の成長の際にMg、Zn、C等のP型ドーパントをドープすると、フェルミ準位が価電子帯側に移動する。P型ドーパントの濃度によっては、フェルミ準位が価電子帯の中に存在することもある。これにより発生する多数の正孔(正孔濃度は、欠陥準位密度よりも十分高い)が、価電子帯側の欠陥準位を常時埋めることにより、キャリアの出入りが起こらないようにする。伝導帯側の欠陥準位は、少数キャリアである電子を放出しており、空きのままである。結果として、バッファ層の電位が安定する。
【0030】
図2に、電子走行層3の厚さと2GHzにおけるHEMTの利得との関係を示す。横軸は電子走行層の厚さを単位「μm」で表し、縦軸は利得を単位「dB」で表す。なお、図2にプロットされた利得は、図1に示した基板1の厚さを300μm、比誘電率を10、電子走行層3の比誘電率を9、ゲート電極5に接続されたパッドの形状を100μm×100μmの正方形として計算により求めたものである。バッファ層3は形成されていないものとして計算を行った。
【0031】
電子走行層3が薄くなると、ゲートパッドと基板との間の寄生容量が大きくなるため、利得が低下する。電子走行層3の厚さが3μm以上の領域では、基板が半絶縁性である場合とほぼ同等の利得が得られている。電子走行層3の厚さを3μm以上にすることにより、基板1をP型にしたことによる高周波特性の悪化を防止することができる。
【0032】
次に、第2の実施例について説明する。上記第1の実施例では、基板1の材料としてP型SiCを用いたが、第2の実施例ではN型のSiCを用いる。その他の構成は、第1の実施例による半導体装置の構成と同様である。
【0033】
基板1がN型SiCで形成されていても、バッファ層2はP型であるため、電子走行層3と電子供給層4との界面に形成される2次元電子ガス層内の電子から基板1側を見たときのポテンシャル障壁が高くなる。このため、2次元電子ガス層から電子が漏れることなく、ドレインまで到達する。
【0034】
電子走行層3内で発生した正孔は、P型のバッファ層2に向かって移動する。
バッファ層2に到達した正孔は、バッファ層2と基板1との界面のPN接合部で電子と再結合する。このため、基板1をP型SiCで形成した場合と同様の効果を得ることができる。また、P型バッファ層2は、N型の基板1から電子走行層3へ電子が注入されることを防止する。
【0035】
一般に、N型SiC基板は、半絶縁性のSiC基板に比べて欠陥(マイクロパイプ)密度が低い。基板1の材料としてN型SiCを用いることにより、欠陥を介したリーク電流を低減させることができる。
【0036】
また、一般的なP型SiC基板の抵抗率は0.1〜100000Ωcmであるのに対し、N型SiC基板の抵抗率は0.001〜1Ωcmである。抵抗率の低いN型SiC基板を用いることにより、電子走行層の電位安定性をより高めることができる。
【0037】
図3に、第3の実施例による化合物半導体装置の断面図を示す。基板1から電子供給層4までの積層構造、ゲート電極5、ソース電極6、ドレイン電極7、及び保護膜8の構成は、図1に示した第1の実施例による化合物半導体装置の構成と同一である。
【0038】
第3の実施例では、ソース電極6の横(ゲート電極5とは反対側)に、埋込電極15が配置されている。埋込電極15は、例えばAlで形成され、電子供給層4の上面からP型SiC基板1の上面まで達する。埋込電極15と電子走行層3との界面、特にゲート電極5側の界面に、ZnがドープされたP型の不純物拡散領域16が形成されている。
【0039】
以下、埋込電極15及び不純物拡散領域16の形成方法について説明する。ソース電極6及びドレイン電極7を形成してオーミック接触をとるための熱処理を行った後、全面にレジスト膜を形成し、埋込電極15を配置すべき領域に開口を形成する。レジスト膜をエッチングマスクとして、基板1の上面までエッチングし、凹部を形成する。この凹部内を埋め込むようにAl層を蒸着し、レジスト膜を除去する。
【0040】
新たにレジスト膜を形成し、埋込電極15の近傍に開口を形成する。この開口を通してZnイオンを注入し、不純物拡散領域16を形成する。Znイオンの注入後、活性化のための熱処理を行う。その後、第1の実施例の場合と同様に、保護膜8、ゲート電極5、及び金属層9を形成する。
【0041】
金属層9がパッケージ10に密着するように、FETがパッケージ10に搭載されている。ソース電極6と埋込電極15とがワイヤ17で接続され、埋込電極15がワイヤ18でパッケージ10に接続されている。
【0042】
第3の実施例による半導体装置においては、衝突イオン化により電子走行層3内に発生した正孔が、P型不純物拡散領域16及び埋込電極15を介して基板1に流れる。このため、電子走行層3内への正孔の蓄積を抑制することができる。
【0043】
図4に、第4の実施例による化合物半導体装置の断面図を示す。第4の実施例による半導体装置においては、図1に示した第1の実施例による半導体装置のP型AlGaNバッファ層2とGaN電子走行層3との間に、P型GaN層21が挿入されている。P型GaN層21の厚さは例えば100nmであり、P型不純物であるMgの濃度は例えば2×1017cm-3である。その他の構成は、第1の実施例による半導体装置の構成と同様である。
【0044】
電子走行層3の下にP型GaN層21を配置することにより、電子走行層3と電子供給層4との界面への電子の閉じ込め効果を高めることができる。さらに、電子走行層3内で発生した正孔を、P型GaN層21を介して効果的に引き抜くことができる。
【0045】
図5に、第5の実施例による化合物半導体装置の断面図を示す。第5の実施例による半導体装置においては、電子走行層3の一部に、ZnがドープされたP型領域22が形成されている。P型領域22は、電子走行層3と電子供給層4との界面からある間隔だけ隔てらており、P型AlGaAsバッファ層2に接触している。また、基板1の表面の法線に平行な視線で見たとき、P型領域22は、ゲート電極5とドレイン電極7との間に配置されている。
【0046】
P型領域22は、電子走行層3を成長させた後、その深層部にZnイオンを注入し、活性化のための熱処理を行うことにより形成される。P型領域22を形成した後、電子走行層3の上に電子供給層4を堆積させる。その後の工程は、第1の実施例による半導体装置の製造工程と同様である。
【0047】
第5の実施例では、P型領域22が一部分にのみ配置されているため、全面に配置される場合に比べてゲート容量の増加を抑制することができる。また、P型領域22が、ゲート電極5とドレイン電極7との間に配置されているため、ドレイン電極7から出た電気力線の多くがP型領域22で終端され、ゲート電極5への電気力線の集中を抑制することができる。
【0048】
上記第1〜第5の実施例では、バッファ層2をP型AlGaNで形成したが、P型AlNで形成してもよい。バッファ層2は、基板1と電子走行層3との格子不整合を緩和させる機能を有する。このため、バッファ層2の材料として、電子走行層3の格子定数と等しい格子定数を有するものを用いることが好ましい。なお、基板1の格子定数と電子走行層3の格子定数との中間の格子定数を有する材料を用いても、格子不整合を緩和させることが可能である。
【0049】
電子供給層4を、N型AlGaNの代わりにN型AlNで形成してもよい。また、上記第1〜第5の実施例では、導電性のSiCからなる基板1を用いたが、AlGaN/GaNヘテロ構造を成長させることが可能なその他の金属基板、例えばZrB2基板等を用いることも可能である。
【0050】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【0051】
上記実施例から、以下の付記に示された発明が導出される。
(付記1) 導電性の基板と、
前記基板の上にエピタキシャル成長され、P型導電性を有するバッファ層と、
前記バッファ層の上に形成されたGaNからなる電子走行層と、
前記電子走行層の上に形成されたN型のAlGaNまたはN型のAlNからなる電子供給層と、
前記電子供給層の上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極の両側に配置され、前記電子走行層とオーミック接続されたソース電極及びドレイン電極と
を有する化合物半導体装置。
【0052】
(付記2) 前記基板がSiCで形成されている付記1に記載の化合物半導体装置。
(付記3) さらに、前記電子供給層の上面から、少なくとも前記基板の上面まで達する埋込電極と、
前記埋込電極を前記ソース電極に短絡させる接続部材と
を有する付記1または2に記載の化合物半導体装置。
【0053】
(付記4) 前記埋込電極が、前記ソース電極を挟んで前記ゲート電極とは反対側に配置されており、
さらに、前記埋込電極と前記電子供給層との界面に、P型導電性が付与された不純物拡散領域が配置されている付記3に記載の化合物半導体装置。
【0054】
(付記5) 前記電子走行層が、P型不純物をドープされたP型領域を含み、該P型領域は、前記電子供給層との界面から離れた位置に配置され、前記電子走行層の底面まで達する付記1〜4のいずれかに記載の化合物半導体装置。
【0055】
(付記6) 前記P型領域が、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間に配置されている付記5に記載の化合物半導体装置。
(付記7) 前記基板と前記電子走行層との間に、P型導電性のGaNからなる層が配置されている付記1〜4のいずれかに記載の化合物半導体装置。
【0056】
(付記8) 前記電子走行層の厚さが3μm以上である付記1〜7のいずれかに記載の化合物半導体装置。
(付記9) 前記基板の厚さが100μm以下である付記1〜8のいずれかに記載の化合物半導体装置。
【0057】
(付記10) 前記基板の抵抗率が0.001〜100000Ωcmである付記1〜9のいずれかに記載の化合物半導体装置。
【0058】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、導電性の基板を用いることにより、電子走行層の電位を安定化させることができる。また、基板と電子走行層との間にP型のバッファ層を配置することにより、電子走行層内の電子が基板に漏れてしまうことを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1の実施例による半導体装置の断面図である。
【図2】 電子走行層の厚さと利得との関係を示すグラフである。
【図3】 第3の実施例による半導体装置の断面図である。
【図4】 第4の実施例による半導体装置の断面図である。
【図5】 第5の実施例による半導体装置の断面図である。
【図6】 従来のAlGaN/GaNヘテロ構造を有する半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
1 基板
2 バッファ層
3 電子走行層
4 電子供給層
5 ゲート電極
6 ソース電極
7 ドレイン電極
8 保護膜
9 金属層
10 パッケージ
11、17、18 ワイヤ
15 埋込電極
16 P型不純物拡散領域
21 P型GaN層
22 P型領域
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a compound semiconductor device, and more particularly to a field effect transistor (FET) using GaN for an electron transit layer and AlGaN or AlN for an electron supply layer.
[0002]
[Prior art]
In recent years, FETs using a two-dimensional electron gas having an AlGaN / GaN heterostructure using a substrate such as sapphire or SiC have been actively developed. Since the band gap of GaN is as large as 3.4 eV, the breakdown voltage can be increased and high voltage operation can be achieved by using GaN for the semiconductor device.
[0003]
FIG. 6 shows a cross-sectional view of a conventional AlGaN / GaN FET. On a substrate 101 made of sapphire or semi-insulating SiC, an AlGaN buffer layer 102, a GaN electron transit layer 103, and an N-type AlGaN electron supply layer 104 are laminated in this order.
[0004]
A Schottky gate electrode 105 is formed on the electron transit layer 104, and a source electrode 106 and a drain electrode 107 are formed on both sides thereof. Of the surface of the electron supply layer 104, a region between the gate electrode 105 and the source electrode 106 and a region between the gate electrode 105 and the drain electrode 107 are covered with a protective film 108.
[0005]
A metal layer 109 is formed on the bottom surface of the substrate 101, and the metal layer 109 is in close contact with the package 100. The source electrode 106 and the package 100 are electrically connected by a wire 111. The package 100 is grounded.
[0006]
A metal layer 109 formed on the bottom surface of the substrate 101 is grounded via the package 100. When the drain voltage varies, the number of lines of electric force coming out of the drain electrode 107 varies. Since the substrate 101 is semi-insulating, the number of lines of electric force that enter the substrate 101 also varies. This means that the potential of the electron transit layer 103 immediately below the gate electrode 105 is not stable.
[0007]
A buffer layer 102 is inserted to alleviate a large lattice mismatch between the substrate 101 and the electron transit layer 103 and improve adhesion. However, many defects exist in the buffer layer 102, and as a result, many trap levels are formed. The buffer layer 102 also becomes a factor that makes the potential of the electron transit layer 103 unstable.
[0008]
When a voltage is applied between the source electrode 106 and the drain electrode 107, lines of electric force generated from the drain electrode 107 are concentrated on the end portion of the gate electrode 105, and the breakdown voltage is reduced.
[0009]
Electrons accelerated during high-voltage operation excite valence band electrons (collision ionization), thereby generating electron-hole pairs in the electron transit layer 103. Although some of the generated holes flow to the gate electrode 105, a positive feedback phenomenon occurs in which the holes accumulated in the channel increase the electrons in the channel. There is concern about the occurrence of dielectric breakdown due to this positive feedback phenomenon.
[0010]
GaN having a large band gap is advantageous in that collision ionization is less likely to occur, but it is preferable to suppress accumulation of holes in the channel in order to prevent dielectric breakdown. In the case of a MOSFET using silicon, the hole is efficiently removed from the channel by introducing a P-type layer or using a P-type substrate even though the silicon band gap is as small as 1.1 eV. High voltage operation is realized.
[0011]
However, since the substrate 101 is semi-insulating, it is difficult to efficiently extract holes in the electron transit layer 103.
[0012]
[Non-Patent Document 1]
AT Ping et.al., DC and Microwave Performance of High-Current AlGaN / GaN Heterostructure Field Effect Transistors Grown on p-Type SiC Substrates, IEEE Electron Device Letters, February 1998, Vol.19, No.2, p.54- 57
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a compound semiconductor device capable of stabilizing a channel potential and efficiently removing holes accumulated in a channel in an FET having an AlGaN / GaN heterostructure. is there.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
According to one aspect of the invention,
A conductive substrate;
A buffer layer epitaxially grown on the substrate and having P-type conductivity;
An electron transit layer made of GaN formed on the buffer layer;
An electron supply layer made of N-type AlGaN or N-type AlN formed on the electron transit layer;
A gate electrode formed on the electron supply layer;
Wherein arranged on both sides of the gate electrode, have a said electron transit layer and the ohmic connected source and drain electrodes,
The electron transit layer includes a P-type region doped with a P-type impurity, and the P-type region is disposed at a position away from the interface with the electron supply layer and reaches the bottom surface of the electron transit layer, There is provided a compound semiconductor device which is disposed only in a part and disposed between a gate electrode and a drain electrode .
[0015]
Since the conductive substrate and the buffer layer are used, the potential of the electron transit layer can be stabilized as compared with the case where an insulating or semi-insulating substrate or buffer layer is used. Further, since the buffer layer is P-type, holes generated in the electron transit layer can be extracted to the substrate.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a cross-sectional view of a compound semiconductor device (HEMT) according to the first embodiment. A buffer layer 2 made of P-type AlGaN and having a thickness of 300 nm is formed on the main surface of the substrate 1 made of P-type conductive SiC. The P-type dopant of the buffer layer 2 is Mg, and its concentration is, for example, 2 × 10 17 cm −3 .
[0017]
On the buffer layer 2, an electron transit layer 3 made of undoped GaN and having a thickness of 3 μm is formed. On top of this, an electron supply layer 4 made of N-type Al 0.25 Ga 0.75 N and having a thickness of 20 nm is formed. The dopant of the electron supply layer 4 is Si, and its concentration is, for example, 2 × 10 18 cm −3 . These layers can be deposited by known metal organic chemical vapor deposition (MOCVD).
[0018]
A gate electrode 5 is formed on a partial region of the electron supply layer 4. The gate electrode 5 has a two-layer structure in which an Ni layer and an Au layer are stacked in this order, and is in Schottky contact with the electron supply layer 4. On both sides of the gate electrode 5, a source electrode 6 and a drain electrode 7 are disposed at a distance from the gate electrode 5. The source electrode 6 and the drain electrode 7 have a two-layer structure in which a Ti layer and an Al layer are laminated in this order, and are ohmicly connected to the electron transit layer 3.
[0019]
Of the surface of the electron supply layer 4, the region between the gate electrode 5 and the source electrode 6 and the region between the gate electrode 5 and the drain electrode 7 are covered with a protective film 8 made of silicon nitride (SiN). ing.
[0020]
Hereinafter, a method for forming the gate electrode 5, the source electrode 6, the drain electrode 7, and the protective film 8 will be described. A resist film is formed on the surface of the electron supply layer 4, and openings are formed at positions where the source electrode 6 and the drain electrode 7 are to be disposed. A Ti layer and an Al layer are sequentially deposited, and the resist film is removed. Thereby, the source electrode 6 and the drain electrode 7 remain. Heat treatment is performed at 450 to 900 ° C. to obtain ohmic contact.
[0021]
A silicon nitride film having a thickness of 20 nm is deposited on the entire surface by CVD. A resist film is formed on the silicon nitride film, and an opening is formed in a region where the gate electrode 5 is to be disposed. Using the resist film as an etching mask, the silicon nitride film in the region where the gate electrode 5 is to be disposed is etched. A Ni layer and an Au layer are sequentially deposited on the entire surface. The resist film is removed, leaving the gate electrode 5.
[0022]
A metal layer 9 is formed on the bottom surface of the substrate 1. The metal layer 9 has a two-layer structure of a Ti layer and an Au layer, and is formed by vapor deposition. When the metal layer 9 is deposited, the surface on which the gate electrode 5, the source electrode 6 and the drain electrode 7 are formed is covered with a resist film.
[0023]
The HEMT is mounted on the package 10 so that the metal layer 9 is in close contact with the package 10. A source electrode 6 is connected to the package 10 by a wire 11.
[0024]
In the first embodiment, SiC having P-type conductivity is used as the substrate 1. The buffer layer 2 disposed between the substrate 1 and the electron transit layer 3 also has P-type conductivity. Since the electron transit layer 3 is connected to the package 10 via the buffer layer 2, the substrate 1, and the metal layer 9, the potential of the electron transit layer 3 can be stabilized. In order to obtain a sufficient stabilization effect of the potential of the electron transit layer 3, the thickness of the substrate 1 is preferably set to 200 μm or less. Further, reducing the thickness of the substrate is also effective in terms of heat dissipation. In terms of heat dissipation, the thickness of the substrate 1 is more preferably 100 μm or less. The resistivity of the P-type SiC substrate 1 is in the range of 0.1 to 100000 Ωcm.
[0025]
A part of the electric lines of force generated from the drain electrode 7 reaches the gate electrode 5, but most of the electric lines of force are terminated at the conductive buffer layer 2 and the substrate 1. For this reason, the concentration of the electric lines of force on the gate electrode 5 is alleviated, and a decrease in breakdown voltage due to the concentration of the electric lines of force can be prevented.
[0026]
Since the substrate 1 is formed of P-type SiC, compared with the case where semi-insulating SiC is used, the electrons in the two-dimensional electron gas layer formed at the interface between the electron transit layer 3 and the electron supply layer 4 are reduced. The potential barrier when the substrate 1 side is viewed increases. For this reason, electrons reach the drain without leaking from the two-dimensional electron gas layer. Conversely, holes generated in the electron transit layer 3 are likely to move to the substrate 1. For this reason, accumulation of holes in the electron transit layer 3 can be suppressed. As a result, the pinch-off characteristics are improved, the breakdown voltage is increased, and higher voltage operation can be realized.
[0027]
In general, a P-type SiC substrate has a lower density of defects (micropipes) than a semi-insulating SiC substrate. By using P-type SiC as the material of the substrate 1, it is possible to reduce the leakage current through the defect.
[0028]
When an InAlGaN layer is grown on a SiC substrate, the initial growth stage is not flat two-dimensional growth but island-shaped three-dimensional growth due to strain caused by a difference in lattice constant. Usually, this layer is used as a buffer layer, and an electron transit layer is grown thereon. However, in this buffer layer, there are levels due to vacancies generated at the lattice positions of N atoms (trap levels lower by about 0.8 V from the lower end of the conduction band) and vacancies generated at the lattice positions of Al atoms and Ga atoms. Level (a trap level higher by about 0.5 V from the upper end of the valence band) and the like. When carriers enter and exit these levels, the potential of the buffer layer changes.
The entry and exit of this carrier corresponds to the movement of the Fermi level.
[0029]
When a P-type dopant such as Mg, Zn, or C is doped during the growth of the buffer layer, the Fermi level moves to the valence band side. Depending on the concentration of the P-type dopant, the Fermi level may exist in the valence band. A large number of holes generated thereby (the hole concentration is sufficiently higher than the defect level density) constantly fills the defect level on the valence band side, thereby preventing carriers from entering and exiting. The defect level on the conduction band side emits electrons which are minority carriers and remains vacant. As a result, the potential of the buffer layer is stabilized.
[0030]
FIG. 2 shows the relationship between the thickness of the electron transit layer 3 and the HEMT gain at 2 GHz. The horizontal axis represents the thickness of the electron transit layer in the unit “μm”, and the vertical axis represents the gain in the unit “dB”. Note that the gain plotted in FIG. 2 is that the thickness of the substrate 1 shown in FIG. 1 is 300 μm, the relative dielectric constant is 10, the relative dielectric constant of the electron transit layer 3 is 9, and the pad connected to the gate electrode 5 is used. The shape is obtained by calculation as a square of 100 μm × 100 μm. The calculation was performed assuming that the buffer layer 3 was not formed.
[0031]
As the electron transit layer 3 becomes thinner, the parasitic capacitance between the gate pad and the substrate increases, and the gain decreases. In the region where the thickness of the electron transit layer 3 is 3 μm or more, almost the same gain as that obtained when the substrate is semi-insulating is obtained. By setting the thickness of the electron transit layer 3 to 3 μm or more, it is possible to prevent the high frequency characteristics from being deteriorated due to the P-type substrate 1.
[0032]
Next, a second embodiment will be described. In the first embodiment, P-type SiC is used as the material of the substrate 1, but in the second embodiment, N-type SiC is used. Other configurations are the same as those of the semiconductor device according to the first embodiment.
[0033]
Even if the substrate 1 is formed of N-type SiC, since the buffer layer 2 is P-type, the substrate 1 can be obtained from electrons in the two-dimensional electron gas layer formed at the interface between the electron transit layer 3 and the electron supply layer 4. The potential barrier when looking at the side increases. For this reason, electrons reach the drain without leaking from the two-dimensional electron gas layer.
[0034]
The holes generated in the electron transit layer 3 move toward the P-type buffer layer 2.
The holes that have reached the buffer layer 2 recombine with electrons at the PN junction at the interface between the buffer layer 2 and the substrate 1. For this reason, the effect similar to the case where the board | substrate 1 is formed with P-type SiC can be acquired. The P-type buffer layer 2 prevents electrons from being injected from the N-type substrate 1 into the electron transit layer 3.
[0035]
In general, an N-type SiC substrate has a lower density of defects (micropipes) than a semi-insulating SiC substrate. By using N-type SiC as the material of the substrate 1, the leakage current through the defect can be reduced.
[0036]
The resistivity of a general P-type SiC substrate is 0.1 to 100000 Ωcm, whereas the resistivity of an N-type SiC substrate is 0.001 to 1 Ωcm. By using an N-type SiC substrate having a low resistivity, the potential stability of the electron transit layer can be further increased.
[0037]
FIG. 3 shows a cross-sectional view of the compound semiconductor device according to the third embodiment. The laminated structure from the substrate 1 to the electron supply layer 4, the configuration of the gate electrode 5, the source electrode 6, the drain electrode 7, and the protective film 8 are the same as the configuration of the compound semiconductor device according to the first embodiment shown in FIG. It is.
[0038]
In the third embodiment, a buried electrode 15 is arranged beside the source electrode 6 (on the side opposite to the gate electrode 5). The embedded electrode 15 is made of, for example, Al and reaches from the upper surface of the electron supply layer 4 to the upper surface of the P-type SiC substrate 1. A P-type impurity diffusion region 16 doped with Zn is formed at the interface between the buried electrode 15 and the electron transit layer 3, particularly at the interface on the gate electrode 5 side.
[0039]
Hereinafter, a method for forming the buried electrode 15 and the impurity diffusion region 16 will be described. After forming the source electrode 6 and the drain electrode 7 and performing heat treatment for making ohmic contact, a resist film is formed on the entire surface, and an opening is formed in a region where the embedded electrode 15 is to be disposed. Using the resist film as an etching mask, etching is performed up to the upper surface of the substrate 1 to form a recess. An Al layer is deposited so as to fill the recess, and the resist film is removed.
[0040]
A resist film is newly formed, and an opening is formed in the vicinity of the embedded electrode 15. Zn ions are implanted through this opening to form the impurity diffusion region 16. After the implantation of Zn ions, heat treatment for activation is performed. Thereafter, as in the case of the first embodiment, the protective film 8, the gate electrode 5, and the metal layer 9 are formed.
[0041]
The FET is mounted on the package 10 so that the metal layer 9 is in close contact with the package 10. The source electrode 6 and the embedded electrode 15 are connected by a wire 17, and the embedded electrode 15 is connected to the package 10 by a wire 18.
[0042]
In the semiconductor device according to the third embodiment, holes generated in the electron transit layer 3 due to impact ionization flow to the substrate 1 through the P-type impurity diffusion region 16 and the buried electrode 15. For this reason, accumulation of holes in the electron transit layer 3 can be suppressed.
[0043]
FIG. 4 is a sectional view of a compound semiconductor device according to the fourth embodiment. In the semiconductor device according to the fourth embodiment, a P-type GaN layer 21 is inserted between the P-type AlGaN buffer layer 2 and the GaN electron transit layer 3 of the semiconductor device according to the first embodiment shown in FIG. ing. The thickness of the P-type GaN layer 21 is, for example, 100 nm, and the concentration of Mg, which is a P-type impurity, is, for example, 2 × 10 17 cm −3 . Other configurations are the same as those of the semiconductor device according to the first embodiment.
[0044]
By disposing the P-type GaN layer 21 under the electron transit layer 3, the effect of confining electrons at the interface between the electron transit layer 3 and the electron supply layer 4 can be enhanced. Furthermore, holes generated in the electron transit layer 3 can be effectively extracted through the P-type GaN layer 21.
[0045]
FIG. 5 is a sectional view of a compound semiconductor device according to the fifth embodiment. In the semiconductor device according to the fifth embodiment, a P-type region 22 doped with Zn is formed in a part of the electron transit layer 3. The P-type region 22 is separated from the interface between the electron transit layer 3 and the electron supply layer 4 by a certain distance and is in contact with the P-type AlGaAs buffer layer 2. Further, the P-type region 22 is disposed between the gate electrode 5 and the drain electrode 7 when viewed in a line of sight parallel to the normal line of the surface of the substrate 1.
[0046]
The P-type region 22 is formed by growing the electron transit layer 3 and then implanting Zn ions into the deep layer portion and performing heat treatment for activation. After forming the P-type region 22, the electron supply layer 4 is deposited on the electron transit layer 3. Subsequent processes are the same as those of the semiconductor device according to the first embodiment.
[0047]
In the fifth embodiment, since the P-type region 22 is arranged only in part, an increase in gate capacitance can be suppressed as compared with the case where the P-type region 22 is arranged over the entire surface. In addition, since the P-type region 22 is disposed between the gate electrode 5 and the drain electrode 7, most of the lines of electric force generated from the drain electrode 7 are terminated at the P-type region 22, Concentration of electric field lines can be suppressed.
[0048]
In the first to fifth embodiments, the buffer layer 2 is formed of P-type AlGaN, but may be formed of P-type AlN. The buffer layer 2 has a function of relaxing lattice mismatch between the substrate 1 and the electron transit layer 3. For this reason, it is preferable to use a material having a lattice constant equal to the lattice constant of the electron transit layer 3 as the material of the buffer layer 2. Note that even if a material having a lattice constant intermediate between the lattice constant of the substrate 1 and the lattice constant of the electron transit layer 3 is used, the lattice mismatch can be relaxed.
[0049]
The electron supply layer 4 may be formed of N-type AlN instead of N-type AlGaN. In the first to fifth embodiments, the substrate 1 made of conductive SiC is used. However, another metal substrate capable of growing an AlGaN / GaN heterostructure, such as a ZrB 2 substrate, is used. It is also possible.
[0050]
Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
[0051]
The invention shown in the following supplementary notes is derived from the above embodiments.
(Appendix 1) a conductive substrate;
A buffer layer epitaxially grown on the substrate and having P-type conductivity;
An electron transit layer made of GaN formed on the buffer layer;
An electron supply layer made of N-type AlGaN or N-type AlN formed on the electron transit layer;
A gate electrode formed on the electron supply layer;
A compound semiconductor device having a source electrode and a drain electrode disposed on both sides of the gate electrode and in ohmic contact with the electron transit layer.
[0052]
(Supplementary note 2) The compound semiconductor device according to supplementary note 1, wherein the substrate is made of SiC.
(Additional remark 3) Furthermore, the embedded electrode which reaches from the upper surface of the said electron supply layer to at least the upper surface of the said board | substrate,
The compound semiconductor device according to appendix 1 or 2, further comprising a connection member that short-circuits the embedded electrode to the source electrode.
[0053]
(Supplementary Note 4) The embedded electrode is disposed on the opposite side of the gate electrode with the source electrode interposed therebetween,
The compound semiconductor device according to appendix 3, wherein an impurity diffusion region imparted with P-type conductivity is disposed at an interface between the embedded electrode and the electron supply layer.
[0054]
(Supplementary Note 5) The electron transit layer includes a P-type region doped with a P-type impurity, and the P-type region is disposed at a position away from the interface with the electron supply layer, and the bottom surface of the electron transit layer. 5. The compound semiconductor device according to any one of appendices 1 to 4, which reaches up to
[0055]
(Supplementary note 6) The compound semiconductor device according to supplementary note 5, wherein the P-type region is disposed between the gate electrode and the drain electrode.
(Supplementary note 7) The compound semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 4, wherein a layer made of P-type conductive GaN is disposed between the substrate and the electron transit layer.
[0056]
(Additional remark 8) The compound semiconductor device in any one of Additional remark 1-7 whose thickness of the said electron transit layer is 3 micrometers or more.
(Additional remark 9) The compound semiconductor device in any one of additional remarks 1-8 whose thickness of the above-mentioned substrate is 100 micrometers or less.
[0057]
(Additional remark 10) The compound semiconductor device in any one of additional marks 1-9 whose resistivity of the said board | substrate is 0.001-100000 ohm-cm.
[0058]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the potential of the electron transit layer can be stabilized by using a conductive substrate. In addition, by disposing a P-type buffer layer between the substrate and the electron transit layer, it is possible to prevent electrons in the electron transit layer from leaking to the substrate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the thickness of the electron transit layer and the gain.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a third embodiment.
FIG. 4 is a sectional view of a semiconductor device according to a fourth embodiment.
FIG. 5 is a sectional view of a semiconductor device according to a fifth embodiment.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor device having an AlGaN / GaN heterostructure.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Buffer layer 3 Electron travel layer 4 Electron supply layer 5 Gate electrode 6 Source electrode 7 Drain electrode 8 Protective film 9 Metal layer 10 Package 11, 17, 18 Wire 15 Embedded electrode 16 P-type impurity diffusion region 21 P-type GaN Layer 22 P-type region

Claims (4)

導電性の基板と、
前記基板の上にエピタキシャル成長され、P型導電性を有するバッファ層と、
前記バッファ層の上に形成されたGaNからなる電子走行層と、
前記電子走行層の上に形成されたN型のAlGaNまたはN型のAlNからなる電子供給層と、
前記電子供給層の上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極の両側に配置され、前記電子走行層とオーミック接続されたソース電極及びドレイン電極と
を有し、
前記電子走行層が、P型不純物をドープされたP型領域を含み、該P型領域は、前記電子供給層との界面から離れた位置に配置され、前記電子走行層の底面まで達し、面内において一部分にのみ配置され、かつゲート電極とドレイン電極との間に配置されている化合物半導体装置。
A conductive substrate;
A buffer layer epitaxially grown on the substrate and having P-type conductivity;
An electron transit layer made of GaN formed on the buffer layer;
An electron supply layer made of N-type AlGaN or N-type AlN formed on the electron transit layer;
A gate electrode formed on the electron supply layer;
Wherein arranged on both sides of the gate electrode, have a said electron transit layer and the ohmic connected source and drain electrodes,
The electron transit layer includes a P-type region doped with a P-type impurity, and the P-type region is disposed at a position away from the interface with the electron supply layer and reaches the bottom surface of the electron transit layer, A compound semiconductor device which is arranged only in a part and is arranged between a gate electrode and a drain electrode .
前記基板がSiCで形成されている請求項1に記載の化合物半導体装置。  The compound semiconductor device according to claim 1, wherein the substrate is made of SiC. さらに、前記電子供給層の上面から、少なくとも前記基板の上面まで達する埋込電極と、
前記埋込電極を前記ソース電極に短絡させる接続部材と
を有する請求項1または2に記載の化合物半導体装置。
Furthermore, a buried electrode reaching from the upper surface of the electron supply layer to at least the upper surface of the substrate;
The compound semiconductor device according to claim 1, further comprising a connection member that short-circuits the embedded electrode to the source electrode.
前記埋込電極が、前記ソース電極を挟んで前記ゲート電極とは反対側に配置されており、
さらに、前記埋込電極と前記電子供給層との界面に、P型導電性が付与された不純物拡散領域が配置されている請求項3に記載の化合物半導体装置。
The embedded electrode is disposed on the opposite side of the gate electrode across the source electrode;
4. The compound semiconductor device according to claim 3, wherein an impurity diffusion region imparted with P-type conductivity is disposed at an interface between the buried electrode and the electron supply layer.
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