JP2001326232A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP2001326232A
JP2001326232A JP2000139760A JP2000139760A JP2001326232A JP 2001326232 A JP2001326232 A JP 2001326232A JP 2000139760 A JP2000139760 A JP 2000139760A JP 2000139760 A JP2000139760 A JP 2000139760A JP 2001326232 A JP2001326232 A JP 2001326232A
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JP
Japan
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layer
channel
gan
semiconductor
semiconductor device
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Application number
JP2000139760A
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Japanese (ja)
Inventor
Yukihiko Maeda
就彦 前田
Naoki Kobayashi
小林  直樹
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve high-temperature and high-withstand voltage operating characteristics as compared with a conventional GaN-family device. SOLUTION: This semiconductor device is equipped with a semiconductor substrate, the buffer layer of a nitride semiconductor that is formed on the semiconductor substrate, and the channel layer of the nitride semiconductor that is formed in an upper layer as compared with the buffer layer. The channel layer is formed by an AlXGa1-XN layer (0<X<1).

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置に関
し、特に窒化物半導体を用いた半導体装置に関するもの
である。
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a semiconductor device using a nitride semiconductor.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、窒化物半導体を用いた電界効果ト
ランジスタ(Field Effect Transistor:FET )またはヘ
テロ構造電界効果トランジスタ(Heterostructure Fiel
d Effect Transistor:HFET)においては、電子が走行す
るチャネル層にGaNやInXGa1-XN (0<X<
1)が用いられている(特願平10−56529号、特
願平10−69176号参照)。これらの材料を用いた
デバイス(GaN系デバイス)は、従来のGaAs系の
FETまたはHFETよりも高温・高耐圧動作が可能で
あることが上記特許出願の明細書に開示されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a field effect transistor (FET) or a heterostructure field effect transistor using a nitride semiconductor has been used.
d Effect Transistor (HFET), GaN or In x Ga 1 -xN (0 <X <
1) is used (see Japanese Patent Application Nos. 10-56529 and 10-69176). The specification of the above patent application discloses that devices using these materials (GaN-based devices) can operate at higher temperatures and higher withstand voltages than conventional GaAs-based FETs or HFETs.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、さらに
高温・高耐圧動作を向上させるためには、半導体材料の
結晶結合力が大きくなるようにチャネル材料を改良する
必要がある。また、窒化物半導体を用いたヘテロ構造電
界効果トランジスタ(HFET)においては、ヘテロ界
面に特有の正または負の分極電荷が発生する。HFET
がチャネル電子の形成されるヘテロ界面以外にもヘテロ
界面を有し、このヘテロ界面が正の分極電荷を誘起する
場合には、このヘテロ界面に電子が引きつけられ、チャ
ネル電子層以外にも電子層が形成される。このような非
チャネル電子の存在は、HFETの低周波動作に影響を
与えないものの、HFETの高周波特性を劣化させる。
電子が走行するチャネル層直下の障壁としてAlXGa
1-XN層(0<X<1)が設けられている場合に上述の
ような状況が起こり得、HFETを高周波デバイスとし
て用いる場合には、非チャネル電子を消滅させることに
より、高周波特性を向上させる必要がある。本発明は、
このような課題を解決するためのものであり、従来のG
aN系デバイスよりも高温動作特性・高耐圧動作特性を
向上させた半導体装置(FETおよびHFET)を提供
することを目的とする。また、従来よりも高周波特性の
優れた半導体装置(HFET)を提供することをその他
の目的とする。
However, in order to further improve the high temperature and high withstand voltage operation, it is necessary to improve the channel material so that the crystal bonding force of the semiconductor material is increased. Further, in a heterostructure field effect transistor (HFET) using a nitride semiconductor, a positive or negative polarization charge unique to a hetero interface is generated. HFET
Has a heterointerface other than the heterointerface where the channel electrons are formed, and when this heterointerface induces a positive polarization charge, the electrons are attracted to the heterointerface and the electron layer is formed in addition to the channel electron layer. Is formed. The presence of such non-channel electrons does not affect the low frequency operation of the HFET, but degrades the high frequency characteristics of the HFET.
Al x Ga as a barrier just below the channel layer where electrons travel
The above situation can occur when the 1-X N layer (0 <X <1) is provided. When the HFET is used as a high-frequency device, the non-channel electrons are eliminated to improve the high-frequency characteristics. Need to improve. The present invention
In order to solve such a problem, the conventional G
It is an object of the present invention to provide a semiconductor device (FET and HFET) having improved high-temperature operation characteristics and high breakdown voltage operation characteristics as compared with an aN-based device. Another object of the present invention is to provide a semiconductor device (HFET) having better high-frequency characteristics than conventional ones.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明に係る半導体装置は、半導体基板と、
この半導体基板上に形成された窒化物半導体のバッファ
層と、このバッファ層よりも上層に形成された窒化物半
導体のチャネル層とを備え、前記チャネル層は、AlX
Ga1-XN層(0<X<1)によって形成されている。
このような構成により本発明は、従来のGaNよりもバ
ンドギャップの広いAlXGa1-XNを用いることによ
り、チャネル層における結晶結合力が大きくなり、高温
動作特性・高耐圧動作特性を特に向上させることができ
る。これは窒化物半導体を用いたFETまたはHFET
における高温・高耐圧動作は、半導体材料の大きな結合
力によりもたらされ、一般的に結晶結合力とバンドギャ
ップとの間には正の相関があり、バンドギャップの大き
な半導体ほど大きな結晶結合力を持つことから、高温動
作特性・高耐圧動作特性を向上させることができること
による。
In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention comprises a semiconductor substrate,
A buffer layer of a nitride semiconductor formed on the semiconductor substrate; and a channel layer of a nitride semiconductor formed above the buffer layer, wherein the channel layer is formed of Al x
It is formed by a Ga 1-X N layer (0 <X <1).
With such a configuration, the present invention increases the crystal bonding force in the channel layer by using Al x Ga 1 -xN having a wider band gap than conventional GaN, and particularly enhances the high-temperature operation characteristics and high breakdown voltage operation characteristics. Can be improved. This is FET or HFET using nitride semiconductor
The high-temperature and high-withstand-voltage operation in is caused by the large bonding force of the semiconductor material. Generally, there is a positive correlation between the crystal bonding force and the band gap. This has the effect of improving the high-temperature operation characteristics and the high breakdown voltage operation characteristics.

【0005】また、本発明はその他の態様として以下に
示す構成を含むものである。すなわち、前記チャネル層
上に形成されたソース電極、ゲート電極およびドレイン
電極を備え、電界効果トランジスタを構成している。こ
のように構成することにより本発明は、従来よりも高温
動作特性・高耐圧動作特性を特に向上させた電界効果ト
ランジスタを実現できる。また、前記チャネル層上に形
成された窒化物半導体の障壁層と、この障壁層上に形成
されたソース電極、ゲート電極およびドレイン電極とを
備え、ヘテロ構造電界効果トランジスタを構成してい
る。このように構成することにより本発明は、従来より
も高温動作特性・高耐圧動作特性を特に向上させたヘテ
ロ構造電界効果トランジスタを実現できる。また、前記
バッファ層の上に形成されたGaN層を備える。このよ
うに構成することにより本発明は、このGaN層上に形
成される層(チャネル層等)の結晶性を向上させること
ができる。
Further, the present invention includes the following configuration as another embodiment. That is, the semiconductor device includes a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode formed on the channel layer, and constitutes a field effect transistor. With such a configuration, the present invention can realize a field-effect transistor with particularly improved high-temperature operation characteristics and high withstand voltage operation characteristics as compared with the related art. The semiconductor device further includes a nitride semiconductor barrier layer formed on the channel layer, and a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode formed on the barrier layer, thereby forming a heterostructure field effect transistor. With such a configuration, the present invention can realize a heterostructure field effect transistor with particularly improved high-temperature operation characteristics and high breakdown voltage operation characteristics as compared with the related art. In addition, a GaN layer formed on the buffer layer is provided. With this configuration, the present invention can improve the crystallinity of a layer (such as a channel layer) formed on the GaN layer.

【0006】さらに、半導体基板と、この半導体基板上
に形成された窒化物半導体のバッファ層と、このバッフ
ァ層よりも上層に形成された窒化物半導体のチャネル層
と、このチャネル層直下に形成されたAlX1Ga1-X1
(0<X1<1)の第1の障壁層と、前記チャネル層直
上に形成されたAlX2Ga1-X2N(0<X2<1)の第
2の障壁層と、この第2の障壁層上に形成されたソース
電極、ゲート電極およびドレイン電極とを備え、前記第
1の障壁層のAl組成X1には、この第1の障壁層直下
の層構造とAl組成不連続を起こさないように、深さ方
向に減少する傾斜が施されている。このように構成する
ことにより本発明は、チャネル層の直下に設けられたA
XGa1-XN層(0<X<1)に副次的電子層が発生す
ることを防止することができ、HFETの高周波特性を
特に向上できる。なお、前記チャネル層は、GaN、I
YGa1-YN(0<Y≦1)、またはAlZGa1-Z
(0<Z≦1,Z< X1,Z<X2)の何れかで形成
されていてもよい。また、前記半導体基板は、SiC基
板、サファイア基板またはGaN基板であってもよい。
Further, a semiconductor substrate, a buffer layer of a nitride semiconductor formed on the semiconductor substrate, a channel layer of the nitride semiconductor formed above the buffer layer, and a layer formed immediately below the channel layer Al X1 Ga 1-X1 N
A first barrier layer of (0 <X1 <1), a second barrier layer of Al X2 Ga 1-X2 N (0 <X2 <1) formed immediately above the channel layer, and a second barrier layer A source electrode, a gate electrode, and a drain electrode formed on the first barrier layer. The Al composition X1 of the first barrier layer does not have an Al composition discontinuity with the layer structure immediately below the first barrier layer. Is provided with a slope that decreases in the depth direction. With this configuration, the present invention provides an A
l X Ga 1-X N layer (0 <X <1) to be able to prevent the secondary electron layer occurs, especially improved frequency characteristics of the HFET. The channel layer is made of GaN, I
n Y Ga 1-Y N ( 0 <Y ≦ 1), or Al Z Ga 1-Z N
(0 <Z ≦ 1, Z <X1, Z <X2). Further, the semiconductor substrate may be a SiC substrate, a sapphire substrate, or a GaN substrate.

【0007】[0007]

【発明の実施の形態】次に、本発明の一つの実施の形態
(層構造)について説明する。本発明においては、従来
のGaN系材料よりもバンドギャップの大きな材料でチ
ャネル層を形成することにより、高温動作特性・高耐圧
動作特性を向上させる。例えばこのような条件を満たす
材料として、AlXGa1-XN(0<X<1)を用いると
よい。
Next, one embodiment (layer structure) of the present invention will be described. In the present invention, high-temperature operation characteristics and high withstand voltage operation characteristics are improved by forming a channel layer using a material having a larger band gap than a conventional GaN-based material. For example, Al x Ga 1 -xN (0 <X <1) may be used as a material satisfying such conditions.

【0008】ここで、AlXGa1-XN(0<X<1)の
バンドギャップについて説明する。GaNのバンドギャ
ップEg(GaN)の大きさが3.4、AlGaNのバ
ンドギャップEg(AlN)の大きさが6.2であるこ
とから(参考:Eg(InN)=2.2eV<Eg(G
aN))、AlXGa1-XN(0<X<1)のバンドギャ
ップEg(AlXGa1-XN)は、これらEg(GaN)
およびEg(AlN)を用いた次式で与えられ、
Here, the band gap of Al x Ga 1 -xN (0 <X <1) will be described. Since the size of the band gap Eg (GaN) of GaN is 3.4 and the size of the band gap Eg (AlN) of AlGaN is 6.2 (Reference: Eg (InN) = 2.2 eV <Eg (G
aN)) and the band gap Eg (Al X Ga 1-X N) of Al X Ga 1-X N (0 <X <1)
And Eg (AlN) given by

【0009】 Eg(AlXGa1-XN)=XEg(AlN)+(1−X)Eg(GaN) =3.4+2.8X [eV](0<X<1)Eg (Al x Ga 1 -xN) = XEg (AlN) + (1-X) Eg (GaN) = 3.4 + 2.8X [eV] (0 <X <1)

【0010】となる。したがって、AlGaNはGaN
に比べて大きなバンドギャップを持ち、結晶結合力もよ
り大きく、GaNを上回る高温・高耐圧動作が可能とな
る。
## EQU1 ## Therefore, AlGaN is GaN
Has a larger band gap and a larger crystal bonding force than GaN, and can operate at a higher temperature and higher withstand voltage than GaN.

【0011】なお、以上の議論はGaAs系においても
同様であるが、AlGaAsはGaAsに比べて電子移
動度が著しく低下するため、高周波デバイスのチャネル
材料として適当でない。それに対して、GaN系におい
てAlGaNの電子移動度は、GaNの電子移動度に比
べて低下するものの許容範囲内(5〜6割程度以上の移
動度)の高い値である。ちなみに、本願発明者らによっ
て、GaNおよびAl 0.1Ga0.9Nの室温電子移動度と
して、それぞれ350および170cm2 /Vsが観測
されている。そのため、AlGaNをチャネル材料とし
て用いることにより、GaAs系を用いた場合よりも高
温・高耐圧動作が可能なデバイスを実現することができ
る。また、GaN系においてはGaAs系よりも強い結
晶結合力が得られ、バンドギャップが大きくなり、耐振
動特性および耐放射特性も向上する。
[0011] The above discussion also applies to the GaAs system.
Similar, but AlGaAs has a higher electron transfer than GaAs.
As the mobility drops significantly, the channel of high frequency devices
Not suitable as material. In contrast, GaN-based smell
Therefore, the electron mobility of AlGaN is lower than that of GaN.
Although the total decrease is within the allowable range (more than 50-60%
(Mobility) is a high value. By the way, by the present inventors,
GaN and Al 0.1Ga0.9Room temperature electron mobility of N
And 350 and 170 cm respectivelyTwo/ Vs observed
Have been. Therefore, AlGaN is used as the channel material.
, It is higher than when a GaAs system is used.
A device that can operate at high temperature and high withstand voltage can be realized.
You. In addition, the GaN system has stronger bonding than the GaAs system.
Crystal bonding force, a large band gap,
Dynamic characteristics and radiation resistance are also improved.

【0012】次に、本発明の具体的な適用例について説
明する。図1は、本発明を適用したFETを示す断面図
である。同図に示すように、SiC基板1上にAlX0
1-X0Nバッファ層2が形成され、その上にAlX1Ga
1-X1Nチャネル層3が形成され、その上にソース電極1
0、ゲート電極11およびドレイン電極12が形成さ
れ、これらによりFETが構成されている。なお、0<
X0≦1,0<X1<1である。
Next, a specific application example of the present invention will be described.
I will tell. FIG. 1 is a sectional view showing an FET to which the present invention is applied.
It is. As shown in FIG.X0G
a1-X0An N buffer layer 2 is formed, and AlX1Ga
1-X1An N channel layer 3 is formed, on which a source electrode 1 is formed.
0, the gate electrode 11 and the drain electrode 12 are formed.
These constitute an FET. Note that 0 <
X0 ≦ 1, 0 <X1 <1.

【0013】図2は、本発明を適用したHFETを示す
断面図である。同図に示すように、SiC基板1上にA
X0Ga1-X0Nバッファ層2が形成され、その上にAl
X1Ga1-X1Nチャネル層3が形成され、その上にAlX2
Ga1-X2N障壁層4が形成され、その上にソース電極1
0、ゲート電極11およびドレイン電極12が形成さ
れ、これらによりHFETが構成されている。なお、0
<X0≦1,0<X1<X2<1である。本構造におい
ては、デバイス動作に寄与する電子はAlX2Ga 1-X2
障壁層4とAlX1Ga1-X1Nチャネル層3との界面近傍
のチャネル領域に集中的に存在する。
FIG. 2 shows an HFET to which the present invention is applied.
It is sectional drawing. As shown in FIG.
lX0Ga1-X0An N buffer layer 2 is formed, and Al
X1Ga1-X1An N-channel layer 3 is formed, on which AlX2
Ga1-X2An N barrier layer 4 is formed, on which a source electrode 1 is formed.
0, the gate electrode 11 and the drain electrode 12 are formed.
These constitute an HFET. Note that 0
<X0 ≦ 1, 0 <X1 <X2 <1. This structure smells
Therefore, electrons that contribute to device operation are AlX2Ga 1-X2N
Barrier layer 4 and AlX1Ga1-X1Near the interface with the N channel layer 3
Intensively in the channel region.

【0014】また、図1、2に示した構造に中間層を付
加することにより、チャネル層等の結晶性を向上させる
ことができる。図3は、図1の構造に中間層としてGa
N層を設けた例を示す。同図に示すように、SiC基板
1上にAlX0Ga1-X0Nバッファ層2が形成され、その
上に中間層としてGaN層5が形成され、その上にAl
X1Ga1-X1Nチャネル層3が形成され、その上にソース
電極10,ゲート電極11およびドレイン電極12が形
成され、これらによりFETが構成されている。なお、
0<X0≦1,0<X1<1である。
By adding an intermediate layer to the structure shown in FIGS. 1 and 2, the crystallinity of the channel layer and the like can be improved. FIG. 3 shows the structure of FIG.
An example in which an N layer is provided will be described. As shown in FIG. 1, an Al X0 Ga 1-X0 N buffer layer 2 is formed on a SiC substrate 1, a GaN layer 5 is formed thereon as an intermediate layer, and an Al layer is formed thereon.
An X1 Ga1 -X1 N channel layer 3 is formed, on which a source electrode 10, a gate electrode 11, and a drain electrode 12 are formed, and these constitute an FET. In addition,
0 <X0 ≦ 1, 0 <X1 <1.

【0015】図4は、図2の構造に中間層としてGaN
層を設けた例を示す。同図に示すように、SiC基板1
上にAlX0Ga1-X0Nバッファ層2が形成され、その上
に中間層としてGaN層5が形成され、その上にAlX1
Ga1-X1Nチャネル層3が形成され、その上にAlX2
1-X2N障壁層4が形成され、その上にソース電極1
0,ゲート電極11およびドレイン電極12が形成さ
れ、これらによりFETが構成されている。なお、0<
X0≦1,0<X1<X2<1である。
FIG. 4 shows the structure of FIG.
An example in which a layer is provided is shown. As shown in FIG.
An Al X0 Ga 1-X0 N buffer layer 2 is formed thereon, a GaN layer 5 is formed thereon as an intermediate layer, and an Al X1
A Ga 1 -X 1 N channel layer 3 is formed, and an Al X2 G
a 1-X2 N barrier layer 4 is formed, and a source electrode 1 is formed thereon.
0, a gate electrode 11 and a drain electrode 12 are formed, and these constitute an FET. Note that 0 <
X0 ≦ 1, 0 <X1 <X2 <1.

【0016】ところで、上述したように図2および図4
に示す窒化物半導体を用いたヘテロ構造電界効果トラン
ジスタ(HFET)においては、ヘテロ界面に特有の正
または負の分極電荷が発生する。HFETがチャネル電
子の形成されるヘテロ界面以外にもヘテロ界面を有し、
このヘテロ界面が正の分極電荷を誘起する場合には、こ
のヘテロ界面に電子が引きつけられ、チャネル電子層以
外にも電子層が形成される。このような非チャネル電子
の存在は、HFETの低周波動作に影響を与えないもの
の、HFETの高周波特性を劣化させる。電子が走行す
るチャネル層直下の障壁としてAlXGa1-XN層(0<
X<1)が設けられている場合は、上述のような状況が
起こり得る。そこで、HFETを高周波デバイスとして
用いる場合には、非チャネル電子を消滅させることによ
り、高周波特性を向上させることができる。
By the way, as described above, FIGS.
In the heterostructure field effect transistor (HFET) using a nitride semiconductor shown in (1), a positive or negative polarization charge unique to the hetero interface is generated. The HFET has a heterointerface other than the heterointerface where the channel electrons are formed,
When the hetero interface induces a positive polarization charge, electrons are attracted to the hetero interface, and an electron layer is formed in addition to the channel electron layer. The presence of such non-channel electrons does not affect the low frequency operation of the HFET, but degrades the high frequency characteristics of the HFET. An Al x Ga 1 -x N layer (0 <
If X <1) is provided, the situation described above may occur. Therefore, when an HFET is used as a high-frequency device, high-frequency characteristics can be improved by eliminating non-channel electrons.

【0017】図5は、電子が走行するチャネル層の直下
にAlXGa1-XN層(0<X<1)が設けられたHFE
Tを示す。同図に示すように、SiC基板101上にA
X0Ga1-X0Nバッファ層102が形成され、その上に
中間層としてGaN層105が形成され、その上にAl
X1Ga1-X1N障壁層106が形成され、その上にGaN
チャネル層103が形成され、その上にAlX2Ga1-X2
N障壁層104が形成され、その上にソース電極11
0、ゲート電極111およびドレイン電極112が形成
されている。なお、0<X0≦1,0<X1<X2<
1,X1:一定である。
FIG. 5 shows an HFE in which an Al x Ga 1 -xN layer (0 <X <1) is provided immediately below a channel layer through which electrons travel.
T is shown. As shown in FIG.
1 X0 Ga 1-X0 N buffer layer 102 is formed, GaN layer 105 is formed thereon as an intermediate layer, and Al
X1 Ga 1 -X1 N barrier layer 106 is formed, and GaN
A channel layer 103 is formed, on which Al X2 Ga 1-X2
An N barrier layer 104 is formed, on which a source electrode 11 is formed.
0, a gate electrode 111 and a drain electrode 112 are formed. Note that 0 <X0 ≦ 1, 0 <X1 <X2 <
1, X1: constant.

【0018】この構造は特願平10−56529号に開
示されているものであり、電子が走行するGaNチャネ
ル層の直下にAlXGa1-XN層(0<X<1)を設けた
ダブルへテロ構造を用いることにより、チャネル内の2
次元電子ガスの分布幅が縮小されてアスペクト比が向上
し、相互コンダクタンス(gm)を増大させることがで
きる。
[0018] This structure is one that is disclosed in Japanese Patent Application No. 10-56529, provided Al X Ga 1-X N layer immediately below the GaN channel layer in which electrons travel (0 <X <1) By using a double heterostructure, two
The distribution width of the two-dimensional electron gas is reduced, the aspect ratio is improved, and the transconductance (gm) can be increased.

【0019】図6は、図5の層構造におけるチャネル・
ポテンシャル構造を2次元電子の分布とともに示したも
のであり、チャネル電子以外に副次的な2次元電子層が
形成されている。この副次的な電子層の存在は、HFE
Tの低周波動作に影響しないが、高周波特性の劣化原因
となっている。そこで、以下に示す工夫により上述の副
次的な電子層の発生を防ぐ。
FIG. 6 shows the channel structure in the layer structure of FIG.
FIG. 3 shows a potential structure together with a distribution of two-dimensional electrons, and a secondary two-dimensional electron layer is formed in addition to channel electrons. The presence of this secondary electron layer is due to HFE
It does not affect the low frequency operation of T, but causes deterioration of high frequency characteristics. Therefore, the following measures are taken to prevent the above-described secondary electronic layer from being generated.

【0020】図7は、図5の構造に本発明を適用した層
構造である。同図に示すように、SiC基板1上にAl
X0Ga1-X0Nバッファ層2が形成され、その上に中間層
としてGaN層5が形成され、その上にAlX1Ga1-X1
N障壁層6が形成され、その上にGaNチャネル層3が
形成され、その上にAlX2Ga1-X2N障壁層4が形成さ
れ、その上にソース電極10、ゲート電極11およびド
レイン電極12が形成されている。なお、0<X0≦
1,0<X1<X2<1,X1:傾斜,0<XA<1,
XBはほぼ0(XB<0.05)である。
FIG. 7 shows a layer structure obtained by applying the present invention to the structure of FIG. As shown in FIG.
X0 Ga 1-X0 N buffer layer 2 is formed, GaN layer 5 is formed as an intermediate layer thereon, Al X1 Ga 1-X1 thereon
An N barrier layer 6 is formed, a GaN channel layer 3 is formed thereon, an Al X2 Ga 1 -X 2 N barrier layer 4 is formed thereon, and a source electrode 10, a gate electrode 11 and a drain electrode 12 are formed thereon. Are formed. Note that 0 <X0 ≦
1,0 <X1 <X2 <1, X1: slope, 0 <XA <1,
XB is almost 0 (XB <0.05).

【0021】本構造においては、電子が走行するGaN
チャネル層の直下のAlXGa1-XN層がAlXGa1-X
層直下のGaN層とAl組成不連続を起こさないよう
に、AlXGa1-XN層のAl組成Xに深さ方向に減少す
る傾斜を施し、GaN層とX=0で接続されている。傾
斜の付け方は、例えば図8に示すようなものが考えられ
る。
In this structure, GaN on which electrons travel
The Al x Ga 1 -xN layer immediately below the channel layer is Al x Ga 1 -xN
The Al composition X of the Al x Ga 1 -xN layer is inclined so as to decrease in the depth direction so as not to cause the Al composition discontinuity with the GaN layer immediately below the layer, and is connected to the GaN layer at X = 0. . For example, a method shown in FIG. 8 can be considered.

【0022】図8(a)〜(f)は、AlXGa1-XN層
のAl組成Xに施す深さ方向に減少する傾斜を示す。こ
れらの図に示すように、Al組成X1の分布のさせ方に
は種々のバリエーションがある。少なくとも電子が走行
するGaNチャネル層の直下のAlXGa1-XN層がAl
XGa1-XN層直下のGaN層とAl組成不連続を起こさ
ないように、AlXGa1-XN層のAl組成Xに深さ方向
に減少する傾斜を施してやればよい。ただし、Al組成
X1の分布が不連続な箇所においては、そのギャップΔ
XがΔX≦0.05となるようにする必要がある。な
お、このような傾斜はAlXGa1-XN層を気相成長させ
る際に、Alを含むソースガスの供給を調整することに
よって容易に実施される。
FIGS. 8 (a) to 8 (f) show the inclination decreasing in the depth direction applied to the Al composition X of the Al x Ga 1 -xN layer. As shown in these figures, there are various variations in the distribution of the Al composition X1. At least the Al x Ga 1 -xN layer immediately below the GaN channel layer where electrons travel is Al
As it not cause GaN layer and the Al composition discontinuous immediately below X Ga 1-X N layer, may do it by applying a gradient of decreasing in the depth direction of the Al composition X of Al X Ga 1-X N layer. However, in a place where the distribution of the Al composition X1 is discontinuous, the gap Δ
It is necessary to make X satisfy ΔX ≦ 0.05. Note that such inclination can be easily performed by adjusting the supply of a source gas containing Al when the Al x Ga 1 -xN layer is grown in a vapor phase.

【0023】図9は、図7において図8のAl組成変化
を用いた場合のチャネル・ポテンシャル構造を2次元電
子の分布とともに示す。チャネル電子の存在するヘテロ
界面以外にはポテンシャル・プロファイルの不連続とそ
れに伴う分極電荷の発生および電子の発生が消滅する結
果、チャネル電子のみが存在し、図に示すような副次的
な2次元電子層の形成が解消されている様子が示されて
いる。このように本発明によってHFETの高周波特性
を向上させることができる。なお、GaNチャネル層を
InYGa1-YNチャネル層(0<Y≦1)に置き換え、
またAlZGa1 -ZNチャネル層(0<Z≦1,Z<X
1,Z<X2)と置き換えても上記同様の効果が得られ
る。
FIG. 9 shows the channel potential structure in the case of using the Al composition change of FIG. 8 in FIG. 7 together with the two-dimensional electron distribution. As a result of the discontinuity of the potential profile, the generation of polarization charges and the generation of electrons disappear, except for the hetero interface where the channel electrons are present, only the channel electrons are present and the secondary two-dimensional as shown in the figure The state in which the formation of the electronic layer has been eliminated is shown. As described above, the high frequency characteristics of the HFET can be improved by the present invention. Note that the GaN channel layer is replaced with an In Y Ga 1-Y N channel layer (0 <Y ≦ 1),
The Al Z Ga 1 -Z N channel layer (0 <Z ≦ 1, Z <X
1, Z <X2), the same effect as above can be obtained.

【0024】以上においては、基板材料としてSiCを
用いたが、本発明はこれに限られるものではない。例え
ばサファイア基板またはGaN基板を用いてもよい。そ
の場合、AlX0Ga1-X0Nバッファ層2におけるAl組
成X0を0≦X0≦1にする必要がある。
In the above, SiC was used as the substrate material, but the present invention is not limited to this. For example, a sapphire substrate or a GaN substrate may be used. In this case, the Al composition X0 in the Al X0 Ga 1-X0 N buffer layer 2 needs to be 0 ≦ X0 ≦ 1.

【0025】[0025]

【発明の効果】以上説明したとおり本発明は、窒化物半
導体を用いたFETまたはHFETの高温動作における
信頼性の向上、耐熱性の向上、耐圧の増加を実現するこ
とができる。また、耐振動特性および耐放射線特性の向
上も実現できる。さらに、チャネル層の直下に設けられ
たAlXGa1-XN層(0<X<1)に副次的電子層が発
生することを防止することができ、HFETの高周波特
性を向上できる。
As described above, according to the present invention, it is possible to improve the reliability, the heat resistance, and the breakdown voltage of a FET or HFET using a nitride semiconductor in a high-temperature operation. In addition, it is possible to improve the vibration resistance and radiation resistance. Further, it is possible to prevent a secondary electron layer from being generated in the Al x Ga 1 -xN layer (0 <X <1) provided immediately below the channel layer, thereby improving the high-frequency characteristics of the HFET.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の一つの実施の形態(FET)を示す
断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing one embodiment (FET) of the present invention.

【図2】 本発明のその他の形態( HFET)を示す
断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing another embodiment (HFET) of the present invention.

【図3】 図1の構成にGaN層付加した様子を示す断
面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state in which a GaN layer is added to the configuration of FIG.

【図4】 図2の構成にGaN層付加した様子を示す断
面図である。
FIG. 4 is a sectional view showing a state in which a GaN layer is added to the configuration of FIG. 2;

【図5】 特願平に開示されている断面図である。FIG. 5 is a sectional view disclosed in Japanese Patent Application No. Hei.

【図6】 図5におけるチャネル・ポテンシャル構造を
示す説明図である。
6 is an explanatory diagram showing a channel potential structure in FIG.

【図7】 本発明のその他の形態(HFET)を示す断
面図である。
FIG. 7 is a sectional view showing another embodiment (HFET) of the present invention.

【図8】 図7におけるAl組成の傾斜例を示す説明図
である。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing an example of a gradient of the Al composition in FIG. 7;

【図9】 図7におけるチャネル・ポテンシャル構造を
示す説明図である。
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a channel potential structure in FIG. 7;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…SiC基板、2…AlX0Ga1-X0Nバッファ層、3
…AlX1Ga1-X1Nチャネル層、4…AlX2Ga1-X2
障壁層、5…GaN層、10…ソース電極10、11…
ゲート電極、12…ドレイン電極。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... SiC substrate, 2 ... Al X0 Ga 1-X0 N buffer layer, 3
... Al X1 Ga 1-X1 N channel layer, 4 ... Al X2 Ga 1-X2 N
Barrier layers, 5 GaN layers, 10 source electrodes 10, 11
Gate electrode, 12 ... Drain electrode.

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基板と、この半導体基板上に形成
された窒化物半導体のバッファ層と、このバッファ層よ
りも上層に形成された窒化物半導体のチャネル層とを備
え、 前記チャネル層は、AlXGa1-XN(0<X<1)によ
って形成されていることを特徴とする半導体装置。
1. A semiconductor substrate, comprising: a buffer layer of a nitride semiconductor formed on the semiconductor substrate; and a channel layer of a nitride semiconductor formed above the buffer layer. A semiconductor device comprising Al x Ga 1 -xN (0 <X <1).
【請求項2】 請求項1に記載の半導体装置において、 前記チャネル層上に形成されたソース電極、ゲート電極
およびドレイン電極を備え、電界効果トランジスタを構
成していることを特徴とする半導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode formed on the channel layer to form a field effect transistor.
【請求項3】 請求項1に記載の半導体装置において、 前記チャネル層上に形成された窒化物半導体の障壁層
と、 この障壁層上に形成されたソース電極、ゲート電極およ
びドレイン電極とを備え、ヘテロ構造電界効果トランジ
スタを構成していることを特徴とする半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, further comprising: a nitride semiconductor barrier layer formed on the channel layer; and a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode formed on the barrier layer. And a heterostructure field effect transistor.
【請求項4】 請求項2または請求項3に記載の半導体
装置において、 前記バッファ層と前記チャネル層との間に形成されたG
aN層を備えたことを特徴とする半導体装置。
4. The semiconductor device according to claim 2, wherein G is formed between said buffer layer and said channel layer.
A semiconductor device comprising an aN layer.
【請求項5】 半導体基板と、この半導体基板上に形成
された窒化物半導体のバッファ層と、このバッファ層よ
りも上層に形成された窒化物半導体のチャネル層と、こ
のチャネル層直下に形成されたAlX1Ga1-X1N(0<
X1<1)の第1の障壁層と、前記チャネル層直上に形
成されたAlX2Ga1-X2N(0<X2<1)の第2の障
壁層と、この第2の障壁層上に形成されたソース電極、
ゲート電極およびドレイン電極とを備え、 前記第1の障壁層のAl組成X1には、この第1の障壁
層直下の層構造とAl組成不連続を起こさないように、
深さ方向に減少する傾斜が施されていることを特徴とす
る半導体装置。
5. A semiconductor substrate, a buffer layer of a nitride semiconductor formed on the semiconductor substrate, a channel layer of the nitride semiconductor formed above the buffer layer, and a layer formed immediately below the channel layer. Al X1 Ga 1-X1 N (0 <
A first barrier layer of X1 <1), a second barrier layer of Al X2 Ga 1-X2 N (0 <X2 <1) formed directly on the channel layer, and Formed source electrode,
A gate electrode and a drain electrode, wherein the Al composition X1 of the first barrier layer does not have an Al composition discontinuity with the layer structure immediately below the first barrier layer.
A semiconductor device characterized by having a slope that decreases in a depth direction.
【請求項6】 請求項5において、 前記チャネル層は、GaN、InYGa1-YN(0<Y≦
1)、またはAlZGa1-ZN(0<Z≦1,Z<X1,
Z<X2)の何れかで形成されていることを特徴とする
半導体装置。
6. The semiconductor device according to claim 5, wherein the channel layer is made of GaN, In Y Ga 1 -YN (0 <Y ≦
1), or Al Z Ga 1-Z N ( 0 <Z ≦ 1, Z <X1,
Z <X2).
【請求項7】 請求項1または請求項5において、 前記半導体基板は、SiC基板、サファイア基板または
GaN基板であることを特徴とする半導体装置。
7. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is a SiC substrate, a sapphire substrate, or a GaN substrate.
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