JP2000260744A - ウエットエッチング制御方法、および半導体装置 - Google Patents

ウエットエッチング制御方法、および半導体装置

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JP2000260744A JP11058064A JP5806499A JP2000260744A JP 2000260744 A JP2000260744 A JP 2000260744A JP 11058064 A JP11058064 A JP 11058064A JP 5806499 A JP5806499 A JP 5806499A JP 2000260744 A JP2000260744 A JP 2000260744A
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wet etching
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Hiroyuki Uchiyama
博幸 内山
Takashi Shioda
貴支 塩田
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】選択性を劣化させることなくエッチング速度を
素子設計に合せて制御できるウエットエッチング制御方
法を提供する。 【解決手段】有機酸に対して0〜75%程度のアスコル
ビン酸を混合し、従来の有機酸系エッチング液と同様な
pH、過酸化水素濃度条件においてエッチング加工を行
う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置製造技術
に係り、特に化合物半導体ヘテロ構造を有し、これらの
選択エッチングを必要とする化合物半導体装置製造技術
に関する。
【0002】
【従来の技術】GaAs等化合物半導体素子の製作工程
において、エッチング加工は重要で、とりわけヘテロ構
造の一方の半導体のみを選択的に加工する選択エッチン
グ技術は現在のヘテロ接合素子形成には必要不可欠とな
っている。
【0003】従来、ドライエッチングによる方法、例え
ばジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス・20
巻・11冊・L847−L850頁・1981年(Jour
nalof Applied Physics,vol.20,No.11,p.L847-L850)
に記載されているように、高選択性と加工形状制御の面
で優れていた。しかしながら、これらの方法ではエッチ
ング加工時に印加する高周波プラズマの影響で活性層に
損傷が侵入することが分かり、問題となった。
【0004】そこで、例えばジャーナル・オブ・ヴァキ
ューム・サイエンス・テクノロジー・B15巻・1冊・
167−170頁(Journal of Vacuum Science Te
chnology,B15,1,p.167-170)に記載されているような、
有機酸を用いてpHを制御することにより選択加工する
方法が提案され、損傷とは無縁の加工方法として利用さ
れている。しかしながら、この方法においても高性能化
され薄層化された素子の加工においてはエッチング速度
が約200nm/minと高速過ぎ、サイドエッチング量の
制御等が困難であり、高選択性を維持しながらデバイス
設計に合せてエッチング速度を調節できる高度なウエッ
トエッチング制御方法が望まれていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、選択ウエットエッチングにより化合物半導
体ヘテロ構造を加工する際、選択性能を低下させること
なくエッチング速度の制御を行い、エッチング制御性・
歩留まり向上を可能とするウエットエッチング制御方法
を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】GaAs/AlGaAs
ヘテロ構造において、GaAsのみを選択的に加工する
手段としてクエン酸−過酸化水素−アンモニア−水系の
ウエットエッチング液があり、pHを6〜8に調節する
ことにより選択加工が可能となる。このエッチング液の
クエン酸にアスコルビン酸を混合すると、エッチング選
択性を低下させることなく、エッチング速度をクエン酸
のみの場合の値から約1/2まで低下させることができ
る。
【0007】図1に上記クエン酸とアスコルビン酸の混
合割合とGaAs,AlGaAsエッチング速度の関係
を示す。これによると、アスコルビン酸0%(クエン酸
100%)の場合のGaAsエッチング速度約240nm
/minがアスコルビン酸75%では約110nm/minと、
1/2以下に低下している。AlGaAsのエッチング
速度もアスコルビン酸50%までは低下する傾向にあ
り、アスコルビン酸75%までは良好な選択性が維持さ
れていることが分かる。
【0008】図2にGaAs/AlGaAs選択性とア
スコルビン酸混合割合の関係を示す。選択性はアスコル
ビン酸混合割合25%〜50%までの範囲でアスコルビ
ン酸無添加の場合よりも約20%程向上している。アス
コルビン酸混合割合75%まではAl0.3Ga0.7Asで
80以上、Al0.1Ga0.9Asで35以上と十分な選択
性が維持されるが、80%以上では急激に低下し、選択
比はほとんど1に近づいている。このアスコルビン酸混
合割合0〜75%までの効果を利用すれば、GaAs/
AlGaAs選択性を十分維持しながら、GaAsエッ
チング速度を応用しやすい値に調節することができ、薄
層化された高性能素子を加工する場合などにプロセスマ
ージンを大きくとることが可能となる。
【0009】また、アスコルビン酸の混合割合が25〜
50%の範囲では、選択性が約20%向上しており、従
来法では困難であったAl混晶比が0.15以下のAl
GaAsに対しても65以上の高選択性が確保される。
これらの現象を応用し、エッチング条件を最適化するこ
とでこれまで作製困難であった新規素子への応用や、エ
ッチング停止層の薄層化やAl混晶比の低下が可能にな
ることによるソース抵抗抑制効果等の素子性能向上や歩
留まり向上が期待できる。
【0010】さらに、クエン酸以外のpH調整を利用す
る有機酸系エッチング液に対しても同様な効果が得られ
る。例えば、InGaAs/InAlAsヘテロ構造の
InGaAsのみを選択的に加工するアジピン酸系エッ
チング液においても、アスコルビン酸混合によりエッチ
ング速度制御や選択性向上の効果が得られる。
【0011】図3はpH5.5、アジピン酸+アスコル
ビン酸濃度17%、過酸化水素濃度3%、30℃の条件
におけるアスコルビン酸混合割合In0.5Ga0.5As、
In0.5Al0.5Asエッチング速度、選択性の関係を示
す。GaAs/AlGaAs系選択エッチングと同様
に、エッチング速度は低下する傾向にあり、アスコルビ
ン酸混合割合0%〜75%までの間に約1/2まで変化
する。選択比としてはやはりアスコルビン酸25〜50
%において、アスコルビン酸無添加に比較して25%程
度向上している。アスコルビン酸を混合し、0〜75%
までの範囲で最適化した条件を選ぶことで、これまで作
製が困難であったInP系電子デバイスの実現や製作歩
留まりの大幅な向上が期待できる。
【0012】これらの現象は、アスコルビン酸の添加が
GaAsやInGaAsのエッチング速度を低下させる
が、それ以上にエッチング停止層に用いているAlGa
AsやInAlAsのエッチング速度を低下させるため
に生ずるものである。アスコルビン酸80%以上の条件
では選択性が発現しないため、エッチング反応自体の変
化ではなく、エッチング停止反応に影響を与えることで
本発明の効果が得られるものである。エッチング反応に
は影響を与えないため、エッチング加工後の断面形状は
アスコルビン酸添加前後で全く変化は見られなかった。
【0013】
【発明の実施の形態】(実施例1)図4は本発明のウエ
ットエッチングをGaAs系HEMT(High Electron
Mobility Transistor)素子作製に応用した一例であ
る。このHEMT素子は3段リセスオフセットゲート構
造となっており、ゲート電極形成までに3回のリセス工
程を行う。図において1は半絶縁性GaAs基板、2は
Al0.25Ga0.75Asキャリア供給層、3はIn0.5
0.5Asチャネル層、4はAl0.25Ga0.75Asキャ
リア供給層、5はAl0.25Ga0.75Asバリア層、6は
Planarドープ層、7はn−GaAsカバー層、8
はAl0.25Ga0.75Asエッチング停止層、9はn+
GaAsキャップ層、10はAl0.25Ga0.75Asエッ
チング停止層、11はn+−GaAsキャップ層、12
はSiO2、13はPSG、14はソース・ドレイン電
極、15はゲートリセス用マスク(SiO2/PSG多
層膜)、16はゲート電極である。
【0014】まず、レジストマスクを利用して本発明の
ウエットエッチングにより予め1段目と2段目のリセス
エッチングを行う。エッチング液としてはクエン酸−L
アスコルビン酸−過酸化水素−アンモニア−水系エッチ
ング液を利用した。エッチング条件は、クエン酸+アス
コルビン酸濃度2.3wt%、アスコルビン酸混合割合4
0%、過酸化水素濃度2.0wt%、pH6.5(アンモ
ニアにより調整)、エッチング温度30±0.1℃であ
る。厚さ3nmのAl0.25Ga0.75As層8、10をエッ
チング停止層として、それぞれ幅0.45μm・厚さ7
0nm、幅1.2μm、厚さ80nmの加工寸法でn+−Ga
Asキャップ層9、11の加工を行う(図4(a))。
【0015】ここで、本発明のウエットエッチング制御
方法により選択性の良好なアスコルビン酸混合割合40
%の条件で加工を行ったため、Al0.25Ga0.75As停
止層厚3nmでも有効にエッチング停止が可能となり、大
幅に歩留まりが向上した。
【0016】次に絶縁膜12と平坦化膜13による多層
膜構造と電子線描画、絶縁膜ドライエッチングによりゲ
ートマスク15の形成を行い(図4(b)、(c))、
本発明のウエットエッチング制御方法により3段目のゲ
ートリセス加工を行った(図4(d))。
【0017】厚さ30nmのn−GaAsカバー層7を選
択的にエッチング除去し、サイドエッチングにより幅
0.45μmの開口を形成する。エッチング停止層とし
ては15nmのAl0.25Ga0.75Asバリア層5を利用し
ている。エッチング条件は、クエン酸+アスコルビン酸
濃度2.3wt%、アスコルビン酸混合割合70%、過酸
化水素濃度2.0wt%、pH6.5(アンモニアにより
調整)、エッチング温度30±0.1℃である。このエ
ッチング条件を選択することにより、GaAsエッチン
グ速度を従来の230nm/minから110nm/minに抑制
でき、サイドエッチング量の厳密な制御とエッチング停
止層での有効な停止が可能となった。最後にゲート電極
16を形成した(図4(e))。
【0018】本発明の効果により歩留まりが従来に比較
して約40%向上した。本実施例はGaAs系HEMT
素子について述べたが、もちろんこのHEMT素子を基
本構造とするMMIC(Microwave Monolithic Integ
rated Circuit)などの集積回路にも有効である。実際
に本発明を本実施例のGaAs系HEMTを基本構造と
するミリ波MMICに応用したところ、77GHzにお
いて10dB以上の高周波利得が得られた。
【0019】また、さらに本発明によるAlxGa1-x
sバリア層5のAl混晶比率xの低下や膜厚の低下を行
うことで、より高性能な化合物半導体素子や集積回路が
達成できる。例えば上記実施例の3段目のリセス加工に
おいて(図4(d))、AlGaAs停止層のAl混晶
比率xを0.1、膜厚を10nm、またはAl混晶比率x
を0.25、膜厚を3nmと結晶構造を設計し、本発明の
ウエットエッチング制御方法を利用することによりソー
ス抵抗が大幅に抑制され、さらに集積回路の高周波特性
が改善される。実際に、ミリ波MMICに応用したとこ
ろ、77GHzにおいて13dB以上という高周波利得
を達成できた。
【0020】本実施例では3段リセス構造のHEMT素
子への応用について述べたが、基本的なHEMT構造や
2段リセス構造HEMTなど、その他の構造のHEMT
素子についても同様な効果が得られる。また、MESF
ET(Metal SemiconductorField Effect Transisto
r)など、GaAs/AlGaAs選択エッチングを用
いる素子や集積回路においても同様の効果が得られる。
【0021】(実施例2)図5は本発明をInP系HE
MT素子形成に応用した一例である。InGaAs/I
nAlAsヘテロ構造のInGaAs層のみを選択的に
加工する工程で、エッチング液としては本発明のアジピ
ン酸−Lアスコルビン酸−過酸化水素−アンモニア−水
系エッチング液を用いる。図において21はInP基
板、22はIn0.5Al0.5Asバッファ層、23はun
―In0.5Ga0.5Asバリア層、24はun―In0.5
Al0.5As、25はn−In0.5Al0.5Asキャリア
供給層、26はun―In0.5Al0.5Asエッチング停
止層、27はn−In0.5Ga0.5Asカバー層、28は
ソース・ドレイン電極、29はゲート電極である。
【0022】エッチング加工を行うn−In0.5Ga0.5
As層27の厚さは160nmで、開口寸法は0.45μ
mであり、停止層であるun−In0.5Al0.5As層2
6は厚さ10nmとなっている。工程としては電子線描画
装置を用いて開口寸法0.15μmのレジストマスクを
形成し、本発明のウエットエッチング技術を用いて16
0nmのn−In0.5Ga0.5As層27のみを選択的に加
工する。
【0023】その後、蒸着装置によりゲート金属29を
被着し、リフトオフ法によりゲート電極形成を行う。エ
ッチング条件を、アジピン酸+アスコルビン酸濃度15
%、アスコルビン酸混合割合40%、過酸化水素濃度
1.2%、pH5.5以下、エッチング温度30±0.
1℃と設定することで、従来のアジピン酸系エッチング
液に比較してIn0.5Ga0.5As/In0.5Al0.5As
選択比を25%向上することが可能となった。これによ
り従来方法よりもエッチング精度が改善され、3インチ
ウェハ面内についてしきい電位で80mV以内、エッチ
ング量にして1.0nm以内に制御することが可能となっ
た。また、均一性としてはしきい電位の標準偏差22m
Vという良好な値が得られており、従来方法に比較して
50%以上の高歩留まり化が達成された。
【0024】本実施例は基本的なInP系HEMT素子
への応用例を述べたが、2段リセス構造、3段リセス構
造等複雑な構造を有するHEMT素子およびこれらのH
EMT素子を基本構造とするMMIC等集積回路の製作
においても有効である。特に、本実施例のInP系HE
MT素子を基本構造とするMMICの製作には有効で、
従来方法に比較して80%以上の高歩留まり化が達成さ
れている。
【0025】(実施例3)図6はC−Top構造HBT
(Heterojunction Bipolar Transistor)素子作製に
本発明を応用した一例である。この素子はエミッタコン
タクト層のエミッタ層側の面積をベース・コレクタ面積
以下とし、反対側の面積を大きくすることでエミッタ接
地電流増幅率を大きくすることが可能であり、ベース下
のサイドエッチング量の制御が重要となる。図におい
て、31は半絶縁性GaAs基板、32はn+−GaA
sエミッタコンタクト層、33はn+−Al0.3Ga0.7
As層、34はn+−GaAsエミッタコンタクト層、
35はn+−Al0.3Ga0.7As層、36はn−In0.5
Ga0.5Pエミッタ層、37はp+−GaAs0.50.5
ース層、38はn−GaAsコレクタ層、39はn+
GaAsコレクタ層、40はn+−In0.5Ga0.5As
コレクタコンタクト層、41はコレクタ電極、42はS
iO2側壁、43はレジストマスク、44はベース電
極、45はSiO2、46はエミッタ電極である。
【0026】まず、n−GaAsコレクタ層38および
高ドープn−GaAsコレクタ層39、高ドープn−I
0.5Ga0.5Asコレクタコンタクト層40をコレクタ
電極41であるWSiをマスクとしてドライエッチング
により自己整合的に加工する(図6(a))。
【0027】側壁SiO242を形成した後、レジスト
43をマスクとして高ドープp−GaAs0.50.5ベー
ス層37から、n−In0.5Ga0.5Pエミッタ層36、
高ドープn−Al0.3Ga0.7As層35の途中までをド
ライエッチングにより除去する。
【0028】その後本発明のクエン酸−アスコルビン酸
−過酸化水素−アンモニア−水系ウエットエッチング液
によりエッチング停止層である高ドープn−Al0.3
0.7As層33までの高ドープn−GaAsエミッタ
コンタクト層34を除去する(図6(b))。
【0029】この際、ベース下のサイドエッチング量を
300nmまでに抑制する必要があるが、本発明のウエッ
トエッチング制御方法により選択性を損なうことなくエ
ッチング速度を抑制できるため、制御性が大幅に向上し
た(図6(c))。
【0030】具体的なエッチング条件は、クエン酸+L
アスコルビン酸濃度2.3wt%、アスコルビン酸混合割
合60%、過酸化水素濃度2.0wt%、pH6.5(ア
ンモニアにより調整)、エッチング温度5±0.1℃で
ある。クエン酸にアスコルビン酸を混合することによ
り、選択性を維持しながらエッチング速度を30nm/mi
nまで低下できるため、制御性が従来よりも50%以上
向上し、製作歩留まりとしては80%以上の向上が達成
できた。
【0031】その後、SiO2層45を堆積し、ベース
電極44およびエミッタ電極46を形成して素子とした
(図6(d))。なお、本実施例はC−Top構造HB
T素子への応用例を述べたが、その他の構造のHBT素
子やこれらを基本構造とする集積回路等についても同様
の効果が得られる。
【0032】
【発明の効果】本発明によれば、アスコルビン酸混合割
合の増減により、選択的に加工したい材料のエッチング
速度を1/2以下まで低下させることができる。また、
エッチング停止したい材料のエッチング速度もそれ以上
に低下させるため、高い選択性を維持することが可能で
ある。これにより高い選択性を維持したまま、デバイス
設計に合せてエッチング速度を調節することが可能とな
る。
【0033】すなわち本発明により、従来方法では困難
であったエッチング量やサイドエッチング量制御が容易
になり、HEMTやHBT、MESFET素子またはこ
れらを基本構造とする集積回路の製作歩留まりを大幅に
改善できる。また、アスコルビン酸混合割合によっては
選択性向上効果が得られるため、エッチング停止層の薄
層化等が可能となり、よりソース抵抗を抑制した新規高
性能素子や集積回路を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】クエン酸系エッチング液におけるアスコルビン
酸混合割合とGaAs,AlGaAsエッチング速度の
関係を説明する図。
【図2】クエン酸系エッチング液におけるアスコルビン
酸混合割合とGaAs/AlGaAs選択性の関係を説
明する図。
【図3】アジピン酸エッチング液におけるアスコルビン
酸混合割合とInGaAs,InAlAsエッチング速
度、選択性の関係を説明する図。
【図4】3段リセスオフセットゲート構造HEMT素子
とその製作工程を説明する図。
【図5】InP系HEMT素子の構造を説明する図。
【図6】C−Top構造HBT素子とその製作工程を説
明する図。
【符号の説明】
1…半絶縁性GaAs基板、2…Al0.25Ga0.75As
キャリア供給層、3…In0.5Ga0.5Asチャネル層、
4…Al0.25Ga0.75Asキャリア供給層、5…Al
0.25Ga0.75Asバリア層、6…Planarドープ
層、7…n−GaAsカバー層、8…Al0.25Ga0.75
Asエッチング停止層、9…n+−GaAsキャップ
層、10…Al0.25Ga0.75Asエッチング停止層、1
1…n+−GaAsキャップ層、12…SiO2、13…
PSG、14…ソース・ドレイン電極、15…ゲートリ
セス用マスク(SiO2/PSG多層膜)、16…ゲー
ト電極、21…InP基板、22…In0.5Al0.5As
バッファ層、23…un―In0.5Ga0.5Asバリア
層、24…un―In0.5Al0.5As、25…n−In
0.5Al0.5Asキャリア供給層、26…un―In0.5
Al0.5Asエッチング停止層、27…n−In0.5Ga
0.5Asカバー層、28…ソース・ドレイン電極、29
…ゲート電極、31…半絶縁性GaAs基板、32…n
+−GaAsエミッタコンタクト層、33…n+−Al
0.3Ga0.7As層、34…n+−GaAsエミッタコン
タクト層、35…n+−Al0.3Ga0.7As層、36…
n−In0.5Ga0.5Pエミッタ層、37…p+−GaA
0.50.5ベース層、38…n−GaAsコレクタ層、
39…n+−GaAsコレクタ層、40…n+−In0.5
Ga0.5Asコレクタコンタクト層、41…コレクタ電
極、42…SiO2側壁、43…レジストマスク、44
…ベース電極、45…SiO2、46…エミッタ電極。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】有機酸−過酸化水素−アンモニア系エッチ
    ング液を用い、pHを制御することにより互いに異なる
    化合物半導体ヘテロ構造の一方を選択的に加工する工程
    において、有機酸にアスコルビン酸を混合し、その割合
    を変化させることで、エッチング速度を制御しながら上
    記エッチングの選択性を向上させることを特徴とするウ
    エットエッチング制御方法。
  2. 【請求項2】請求項1記載の方法において、有機酸に対
    するアスコルビン酸混合割合を0.1〜75%に設定す
    ることを特徴とするウエットエッチング制御方法。
  3. 【請求項3】請求項1または2記載の方法において、G
    aAs/AlGaAsヘテロ構造のGaAsを選択的に
    エッチングすることを目的とし、上記有機酸がクエン酸
    で上記pH設定範囲が6〜8であるか、またはInGa
    As/InAlAsヘテロ構造のInGaAsを選択的
    にエッチングすることを目的として、上記有機酸がアジ
    ピン酸で上記pH設定範囲が6.5以下であることを特
    徴とするウエットエッチング制御方法。
  4. 【請求項4】請求項1ないし3のいずれか記載のウエッ
    トエッチング制御方法を利用して製作したことを特徴と
    する化合物半導体装置。
  5. 【請求項5】GaAsとAlxGa1-xAsとが接した積
    層構造を有する化合物半導体装置において、上記Alx
    Ga1-xAs層のAl混晶比xが0.05〜0.15の
    範囲にあるとき、上記AlxGa1-xAs層の膜厚は8〜
    10nmの範囲にあり、上記Al混晶比xが0.25〜
    0.3の範囲にあるとき、上記膜厚は2〜5nmの範囲に
    あることを特徴とする化合物半導体装置。
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