JP2003243424A - Heterojunction field effect transistor - Google Patents

Heterojunction field effect transistor

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JP2003243424A
JP2003243424A JP2002044515A JP2002044515A JP2003243424A JP 2003243424 A JP2003243424 A JP 2003243424A JP 2002044515 A JP2002044515 A JP 2002044515A JP 2002044515 A JP2002044515 A JP 2002044515A JP 2003243424 A JP2003243424 A JP 2003243424A
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Tomoyuki Yamada
朋幸 山田
Takehiko Makita
毅彦 槇田
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Oki Electric Industry Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heterojunction field effect transistor that flattens a surface, and prevents deterioration in characteristics caused by the grain state of the surface. <P>SOLUTION: The heterojunction field effect transistor is a semiconductor device where at least a low-temperature buffer layer, a channel layer, a spacer layer, and an electron supply layer are successively formed. In this case, a cap layer is further formed on the electron supply layer, and the lattice constant of the cap layer is nearly the same as that of the channel layer and is different from those of the spacer and electron supply layers. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

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、ヘテロ接合電界効
果トランジスタに関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a heterojunction field effect transistor.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体素子の一つであるトランジスタに
は、種々のものが知られているが、近年では、低電圧・
高速動作が可能で、低雑音性能が得られることから、ヘ
テロ接合電界効果トランジスタが注目されている。ヘテ
ロ接合電界効果トランジスタは、III−V族化合物半
導体基板上にノンドープIII−V族化合物半導体層と
n型III−V族化合物半導体層とを形成したときに、
そのヘテロ接合面に発生する高い移動度の二次元電子ガ
ス濃度をゲート電極により制御する構成となっている。
2. Description of the Related Art Various types of transistors, which are one of semiconductor elements, are known.
Heterojunction field effect transistors have been attracting attention because they can operate at high speed and can obtain low noise performance. The heterojunction field effect transistor has a non-doped III-V compound semiconductor layer and an n-type III-V compound semiconductor layer formed on a III-V compound semiconductor substrate.
The gate electrode controls the high-mobility two-dimensional electron gas concentration generated at the heterojunction surface.

【0003】当該ヘテロ接合電界効果トランジスタとし
ては、III−Nitride系(特に、AlGaN/
GaN系)の半導体素子として、Stacia Kel
ler et al.:IEFE Trans. El
ectron Devices,48,552(200
1),’’Gallium nitride Base
d High Power Heterojuncti
on Field effect Transisto
rs:Process Development an
d Present Status at UCS
B’’に記載のものが挙げられる。
As the heterojunction field effect transistor, a III-nitride type (in particular, AlGaN /
(GaN-based) semiconductor element, Staci Kel
ler et al. : IEFE Trans. El
electron Devices, 48, 552 (200
1), '' Gallium nitride Base
d High Power Heterojuncti
on Field effect Transisto
rs: Process Development an
d Present Status at UCS
Examples thereof include those described in B ″.

【0004】AlGaN/GaN系のヘテロ接合電界効
果トランジスタにおいて上記文献では、有機金属気相成
長法(MOCVD法)により成長させたAlGaN/G
aN積層膜表面のAlGaN膜が、Al組成比0.25
より大きいとグレイン状になり、積層膜成長パラメータ
のアンモニア流量を減らすことにより、グレイン状から
平坦状に改善できることが記述されている。しかしなが
ら、この方法においても、なお、グレイン状態は残って
おり、良質な平坦膜は得られていない。
In the AlGaN / GaN heterojunction field effect transistor described in the above document, AlGaN / G grown by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD method).
The AlGaN film on the surface of the aN laminated film has an Al composition ratio of 0.25.
It is described that if it is larger than that, it becomes grainy and can be improved from grainy to flat by reducing the ammonia flow rate of the laminated film growth parameter. However, even in this method, the grain state still remains, and a good flat film is not obtained.

【0005】AlGaN表面層がグレイン状になると、
二次元電子濃度を大きくできなくなり、ヘテロ接合電界
効果トランジスタの電流値を大きくすることが不可能と
なる。また、グレイン状となることで、表面欠陥が多く
なり、高周波特性が劣化する。つまり、ヘテロ接合電界
効果トランジスタ特性が劣化する。
When the AlGaN surface layer becomes grainy,
It becomes impossible to increase the two-dimensional electron concentration, and it becomes impossible to increase the current value of the heterojunction field effect transistor. Further, the grainy shape increases the number of surface defects and deteriorates the high frequency characteristics. That is, the characteristics of the heterojunction field effect transistor are deteriorated.

【0006】図5に、上記文献を参考にしたヘテロ接合
電界効果トランジスタのAl0.26Ga0.74N/GaN積
層構造を示す。その構造としては、サファイア(Al2
3)からなる基板101上に、GaN層(低温バッフ
ァ層)102、ノンドープGaN層(チャネル層)10
3、ノンドープAl0.26Ga0.74N層(スペーサ層)1
04、n型のAl0.26Ga0.74N層(電子供給層)10
5およびノンドープAl0.26Ga0.74N層(キャップ
層)106が順次形成されたものとなっている。
FIG. 5 shows an Al 0.26 Ga 0.74 N / GaN laminated structure of a heterojunction field effect transistor with reference to the above-mentioned document. As its structure, sapphire (Al 2
A GaN layer (low temperature buffer layer) 102 and a non-doped GaN layer (channel layer) 10 are formed on a substrate 101 made of O 3 ).
3, non-doped Al 0.26 Ga 0.74 N layer (spacer layer) 1
04, n-type Al 0.26 Ga 0.74 N layer (electron supply layer) 10
5 and a non-doped Al 0.26 Ga 0.74 N layer (cap layer) 106 are sequentially formed.

【0007】上記文献と同様に、本発明者らの実験で
も、最表面層であるノンドープAl0. 26Ga0.74N層1
06を、その表面が完全な平坦膜として形成することは
不可能で、その表面には亀裂が見られる等、依然として
グレイン状であった。
[0007] Similar to the above document, in our experiments, a non-doped Al 0. 26 Ga 0.74 N layer 1 which is the uppermost surface layer
It was impossible to form 06 as a completely flat film on the surface, and cracks were observed on the surface, and it was still grainy.

【0008】グレイン状になる一因としては、前記電子
供給層およびスペーサ層のAl0.26Ga0.74Nの格子定
数(原子間距離と等価)が、チャネル層であるGaNの
格子定数より小さいために、格子不整合が生じること
で、表面から内部に向かって亀裂が入るためと考えられ
る。
One of the causes of the grain shape is that the lattice constant (equivalent to the interatomic distance) of Al 0.26 Ga 0.74 N in the electron supply layer and the spacer layer is smaller than that of GaN which is the channel layer. It is considered that the lattice mismatch causes cracks to form from the surface to the inside.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】以上から、本発明は、
表面を平坦な状態とし、上述の表面がグレイン状となる
ことに起因する特性劣化を生じないヘテロ接合電界効果
トランジスタを提供することを目的とする。
From the above, the present invention is
An object of the present invention is to provide a heterojunction field effect transistor in which the surface is made flat and the characteristic deterioration due to the above-mentioned surface becoming grainy is not caused.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すべく鋭
意検討の結果、本発明者らは、以下に示す本発明により
当該課題を解決することができることを見出した。すな
わち、本発明は、 <1> 基板上に、少なくとも、低温バッファ層、チャ
ネル層、スペーサー層、電子供給層が順次形成された半
導体素子であって、前記電子供給層上に、さらに、キャ
ップ層が形成されており、該キャップ層の格子定数が、
前記チャネル層の格子定数と略同一であり、前記スペー
サー層および前記電子供給層の格子定数とは異なること
を特徴とするヘテロ接合電界効果トランジスタである。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that the problems can be solved by the present invention described below. That is, the present invention is a semiconductor element in which at least a low temperature buffer layer, a channel layer, a spacer layer, and an electron supply layer are sequentially formed on a substrate, and the cap layer is further formed on the electron supply layer. Are formed, and the lattice constant of the cap layer is
A heterojunction field effect transistor, which has substantially the same lattice constant as that of the channel layer and is different from the lattice constants of the spacer layer and the electron supply layer.

【0011】<2> 前記チャネル層がGaNからな
り、前記スペーサー層および前記電子供給層がAli
1-iN(0<i<1)からなり、前記キャップ層がA
xInyGa1-x-yN(0≦x<1、0≦y<1)から
なることを特徴とする<1>に記載のヘテロ接合電界効
果トランジスタである。
<2> The channel layer is made of GaN, and the spacer layer and the electron supply layer are made of Al i G.
a 1-i N (0 <i <1), and the cap layer is A
The heterojunction field effect transistor according to <1>, which is made of l x In y Ga 1-xy N (0 ≦ x <1, 0 ≦ y <1).

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】<ヘテロ接合電界効果トランジス
タ>本発明のヘテロ接合電界効果トランジスタは、基板
上に、少なくとも、ノンドープのGaNまたはAlGa
N等からなる低温バッファ層、ノンドープGaN等から
なるチャネル層、ノンドープAlGaN等からなるスペ
ーサー層、n型AlGaN等からなる電子供給層が順次
形成されており、前記電子供給層上に、さらに、n型の
AlxInyGa1-x-yN(0≦x<1、0≦y<1)等
からなるキャップ層が形成されている。上記キャップ層
は、平坦な状態で形成されているため、表面欠陥に起因
する二次元電子濃度の減少を防ぎ、高周波特性の低下等
といったヘテロ接合電界効果トランジスタ特性の劣化を
防止することができる。なお、上記「平坦」とは、キャ
ップ層表面に亀裂がほとんど無い、もしくは全く無い状
態をいい、具体的には、原子間力顕微鏡(AFM)で測
定した表面粗さ(下記式(1)で表わされるRMS)
が、0.4nm以下、好ましくは、0.3nm以下の範
囲にあることをいう。RMSが0.4nmを超えると、
表面の亀裂が多くなり、その結果、欠陥の数が多くなっ
て、表面層(キャップ層)が平坦でなくなり、ヘテロ接
合電界効果トランジスタの特性が劣化しやすくなること
がある。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION <Heterojunction Field Effect Transistor> The heterojunction field effect transistor of the present invention has at least non-doped GaN or AlGa on a substrate.
A low temperature buffer layer made of N or the like, a channel layer made of non-doped GaN or the like, a spacer layer made of non-doped AlGaN or the like, and an electron supply layer made of n-type AlGaN or the like are sequentially formed, and n is further formed on the electron supply layer. A cap layer made of Al x In y Ga 1-xy N (0 ≦ x <1, 0 ≦ y <1) or the like is formed. Since the cap layer is formed in a flat state, it is possible to prevent the two-dimensional electron concentration from decreasing due to surface defects and prevent the deterioration of the heterojunction field effect transistor characteristics such as the deterioration of high frequency characteristics. The term "flat" means that the surface of the cap layer has almost no cracks or no cracks. More specifically, the surface roughness is measured by an atomic force microscope (AFM). RMS represented)
Is 0.4 nm or less, preferably 0.3 nm or less. When RMS exceeds 0.4 nm,
The number of surface cracks increases, and as a result, the number of defects increases, the surface layer (cap layer) becomes uneven, and the characteristics of the heterojunction field effect transistor are likely to deteriorate.

【0013】[0013]

【数1】 [Equation 1]

【0014】上記式(1)中、Ziは、測定点iでの表
面の高さを示し、Zaveは、全ての測定点に対する平均
高さを示し、nは、測定点の数を示す。
In the above formula (1), Z i represents the height of the surface at the measurement point i, Z ave represents the average height for all the measurement points, and n represents the number of measurement points. .

【0015】前記「平坦」なキャップ層は、これを構成
するn型のAlxInyGa1-x-yNの格子定数をGaN
の格子定数と略同一となるように、格子整合させること
で得られる。ここで、前記「略同一」とは、GaNの格
子定数をCとした場合、AlxInyGa1-x-yNの格子
定数が、0.997C〜1.01Cの範囲にあることを
いう。かかる範囲にあることで、亀裂(表面欠陥)が無
くなり、平坦な表面が得られる。
The “flat” cap layer has a lattice constant of n-type Al x In y Ga 1-xy N of GaN.
It is obtained by performing lattice matching so that the lattice constant is substantially the same as the lattice constant of. Here, the term “substantially the same” means that when the lattice constant of GaN is C, the lattice constant of Al x In y Ga 1-xy N is in the range of 0.997C to 1.01C. Within such a range, cracks (surface defects) are eliminated and a flat surface can be obtained.

【0016】既述のように、従来のヘテロ接合電界効果
トランジスタの表面に亀裂が生じるのは、チャネル層
と、該チャネル層と接触するスペーサー層や電子供給層
と、の格子定数が異なるため、格子不整合が生じ、チャ
ネル層から厚み方向に離れるほど格子がフリーなるため
と考えられる。従って、キャップ層を、チャネル層を構
成する材料(例えば、GaN)と格子整合させることが
できれば、電子供給層の格子は、この上のキャップ層の
格子からも応力を受け、亀裂を生じなくなると考えられ
る。その結果、キャップ層表面は、欠陥がほとんどな
い、もしくは全くない平坦な状態となり、ヘテロ接合電
界効果トランジスタの特性劣化を防ぐことができる。
As described above, cracks are generated on the surface of the conventional heterojunction field effect transistor because the lattice constants of the channel layer and the spacer layer and the electron supply layer in contact with the channel layer are different. It is considered that the lattice mismatch occurs and the lattice becomes free as it goes away from the channel layer in the thickness direction. Therefore, if the cap layer can be lattice-matched with the material forming the channel layer (for example, GaN), the lattice of the electron supply layer is also subjected to stress from the lattice of the cap layer on the electron supply layer, and cracks do not occur. Conceivable. As a result, the surface of the cap layer is in a flat state with little or no defects, and deterioration of the characteristics of the heterojunction field effect transistor can be prevented.

【0017】本発明のヘテロ接合電界効果トランジスタ
では、キャップ層として、好ましくは、n型のAlx
yGa1-x-yNからなる層を電子供給層上に形成する。
前記AlxInyGa1-x-yNは、当該式中のx、yを、
0≦x<1、0≦y<1の範囲で適宜設定することで、
GaNからなるチャネル層と格子整合するようになる。
In the heterojunction field effect transistor of the present invention, the cap layer is preferably n-type Al x I.
A layer made of n y Ga 1-xy N is formed on the electron supply layer.
The above Al x In y Ga 1-xy N is obtained by replacing x and y in the formula with
By setting appropriately in the range of 0 ≦ x <1, 0 ≦ y <1,
It comes to be lattice-matched with the channel layer made of GaN.

【0018】GaN(チャネル層)と格子整合するAl
xInyGa1-x-yNをキャップ層とすることで、電子供
給層の上部(キャップ層と電子供給層との界面)がキャ
ップ層から応力を受け、下層のチャネル層との相互作用
により、亀裂の発生が抑制されると考えられるこのよう
な亀裂の発生が抑制されることによって、表面が平坦と
なって、既述の効果が奏されると考えられる。
Al lattice-matched with GaN (channel layer)
By using x In y Ga 1-xy N as the cap layer, the upper part of the electron supply layer (interface between the cap layer and the electron supply layer) receives stress from the cap layer, and the interaction with the lower channel layer causes By suppressing the generation of such cracks, which are considered to suppress the generation of cracks, it is considered that the surface becomes flat and the above-described effect is achieved.

【0019】AlxInyGa1-x-yNの当該式中のx、
yは、図1に示すGaN系積層構造を有する材料の格子
定数とバンドギャップとの関係から設定することができ
る。
X in the formula of Al x In y Ga 1-xy N,
y can be set from the relationship between the lattice constant and the band gap of the material having the GaN-based laminated structure shown in FIG.

【0020】すなわち、GaNと格子整合するAlx
yGa1-x-yNは、前記「略同一」の意義を考慮して、
図1に示すように、AlN、GaN、InNからなる三
角形内で格子定数の値が3.179〜3.221Å(C
をGaNの格子定数3.189Åとして、0.997C
〜1.01Cに対応)の領域(図1の斜線で示された部
分)で表わされる。従って、上記領域内で、x、yの値
を定めることで、GaNと格子整合するAlxInyGa
1-x-yNからなる平坦なキャップ層が形成される。な
お、図1中のAlN、GaN、InNの格子定数(Å)
は、それぞれ、3.112、3.189、3.548で
あり、バンドギャップ(eV)は、それぞれ、3.3
9.6.20、1.89である。
That is, Al x I lattice-matched with GaN
n y Ga 1-xy N is the same as the above “substantially the same”.
As shown in FIG. 1, the lattice constants of 3.179 to 3.221Å (C
Is 0.997C as the lattice constant of GaN is 3.189Å.
(Corresponding to 1.01C) (hatched portion in FIG. 1). Therefore, by defining the values of x and y in the above region, Al x In y Ga lattice-matched with GaN can be obtained.
A flat cap layer of 1-xy N is formed. The lattice constants (Å) of AlN, GaN, and InN in FIG.
Are 3.112, 3.189, and 3.548, respectively, and the band gap (eV) is 3.3, respectively.
They are 9.6.20 and 1.89.

【0021】ここで、n型のAlxInyGa1-x-yNに
おいて、x=y=0の場合のGaNをキャップ層として
電子供給層を被った場合のその表面の原子間力顕微鏡
(AFM)像を図2に示す。図2から明らかなように、
その表面に亀裂は見られない。また、表面粗さ(RM
S)は、0.31nmであり、その表面は平坦であるこ
とが確認できる。すなわち、AFMの結果から、格子整
合することで、表面に欠陥がない平坦なキャップ層が形
成されることが確認できる。
Here, in the n-type Al x In y Ga 1-xy N, an atomic force microscope (AFM) of the surface of the n-type Al x In y Ga 1-xy N when the electron supply layer is covered with GaN when x = y = 0 is used as the cap layer. The image is shown in FIG. As is clear from FIG.
No cracks are visible on its surface. Also, the surface roughness (RM
S) is 0.31 nm, and it can be confirmed that the surface is flat. That is, it can be confirmed from the results of the AFM that a flat cap layer having no defects on the surface is formed by lattice matching.

【0022】さらに、n型のAlxInyGa1-x-yNか
らなるキャップ層を、そのバンドギャップが、図1の三
角形内で斜線で示した範囲内で、例えば、Al0.26Ga
0.74Nのバンドギャップと一致するような組成にすれ
ば、AlxInyGa1-x-yNとAl0.26Ga0.74Nとの
バンドギャップが等しくなり、バンドの不連続が小さく
なるため、ヘテロ接合電界効果トランジスタの直列抵抗
成分を低くすることが可能で、ヘテロ接合電界効果トラ
ンジスタ特性をより良好にすることができる。なお、直
列抵抗成分を低くする手段としては、他に、キャップ層
と電子供給層とのキャリア濃度を高める手段等を挙げる
こともできる。
Further, the cap layer made of n-type Al x In y Ga 1-xy N has a band gap within the range shown by the diagonal lines in FIG. 1, for example, Al 0.26 Ga.
If the composition is made to match the band gap of 0.74 N, the band gaps of Al x In y Ga 1-xy N and Al 0.26 Ga 0.74 N become equal and the band discontinuity becomes small, so that the heterojunction electric field is reduced. The series resistance component of the effect transistor can be reduced, and the characteristics of the heterojunction field effect transistor can be improved. Other means for reducing the series resistance component include means for increasing the carrier concentration between the cap layer and the electron supply layer.

【0023】以上から、n−AlxInyGa1-x-yNか
らなるキャップ層は、GaNと格子整合させ、そのバン
ドギャップを電子供給層を構成する材料(例えば、Al
0.26Ga0.74N)と一致させた状態を中心として、図1
に示される三角形内の斜線領域に入るような組成にする
ことが好ましいといえる。
From the above, the cap layer made of n-Al x In y Ga 1-xy N is lattice-matched with GaN, and its band gap is made of a material (for example, Al).
0.26 Ga 0.74 N)
It can be said that it is preferable to make the composition so as to fall within the shaded area in the triangle shown in FIG.

【0024】<ヘテロ接合電界効果トランジスタの製造
方法>本発明のヘテロ接合電界効果トランジスタの製造
方法は、少なくとも、電子供給層上にGaN(チャネル
層)と略同一の格子定数を有するn型のAlxInyGa
1-x-yNからなるキャップ層を形成するキャップ層形成
工程、を有することが好ましい。以下、本発明のヘテロ
接合電界効果トランジスタの製造方法について図面を参
照して説明する。
<Manufacturing Method of Heterojunction Field Effect Transistor> In the manufacturing method of the heterojunction field effect transistor of the present invention, at least n-type Al having substantially the same lattice constant as GaN (channel layer) on the electron supply layer is formed. x In y Ga
It is preferable to have a cap layer forming step of forming a cap layer made of 1-xy N. Hereinafter, a method for manufacturing the heterojunction field effect transistor of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0025】図3は、本発明のヘテロ接合電界効果トラ
ンジスタの製造工程を示す図である。図3(a)は、半
導体素子の積層構造を示したものである。かかる積層構
造は、例えば、有機金属気相成長法(MOCVD法)に
より作製することができる。ここで、窒素(N)の原料
ガスとしては、例えば、アンモニア(NH3)、ガリウ
ムの原料ガスとしては、例えば、トリメチルガリウム
(TMG);アルミニウムの原料ガスとしては、例え
ば、トリメチルアルミニウム;インジウムの原料ガスと
しては、例えば、トリメチルインジウム(TMI);n
型ドーパントとしては、シラン(SiH4);を適用す
ることが好ましい。
FIG. 3 is a diagram showing a manufacturing process of the heterojunction field effect transistor of the present invention. FIG. 3A shows the laminated structure of the semiconductor element. Such a laminated structure can be produced by, for example, a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method). Here, the source gas of nitrogen (N) is, for example, ammonia (NH 3 ), the source gas of gallium is, for example, trimethylgallium (TMG), and the source gas of aluminum is, for example, trimethylaluminum, indium. As the source gas, for example, trimethylindium (TMI); n
Silane (SiH 4 ); is preferably applied as the type dopant.

【0026】具体的には、まず、成長装置に設置した5
00〜700℃の基板1上に、低温バッファ層2を厚さ
20〜60nmで形成し、その後、基板1の温度を10
00〜1100℃として、チャネル層3を厚さ2〜3μ
mで形成する。ここで、チャネル層形成時の原料ガスの
流量としては、NH3:5リットル/分、TMG:69
μmol/分で行うことが好ましい。
Specifically, first, 5 installed in the growth apparatus
A low temperature buffer layer 2 having a thickness of 20 to 60 nm is formed on the substrate 1 at a temperature of 00 to 700 ° C., and then the temperature of the substrate 1 is set to 10
The channel layer 3 has a thickness of 2-3 μm.
It is formed by m. Here, the flow rate of the source gas at the time of forming the channel layer is NH 3 : 5 liter / min, TMG: 69
It is preferable to carry out at μmol / min.

【0027】基板1としては、サファイア(Al23
やSiCの他、最近研究レベルで使われているGaN単
結晶の基板を使用することが好ましい。また、低温バッ
ファ層2を構成する材料としては、GaNやAlGaN
等を挙げることができる。さらに、チャネル層3を構成
する材料としては、ノンドーブGaN等を挙げることが
できる。
The substrate 1 is sapphire (Al 2 O 3 )
In addition to SiC and SiC, it is preferable to use a GaN single crystal substrate which has recently been used at the research level. Further, as a material forming the low temperature buffer layer 2, GaN or AlGaN is used.
Etc. can be mentioned. Furthermore, examples of the material forming the channel layer 3 include non-dove GaN.

【0028】形成したチャネル層3上に、スペーサー層
4を厚さ5〜15nmで形成する。形成したスペーサー
層4上に、キャリア濃度が(1〜10)×1018cm-3
の電子供給層5を厚さ10〜40nmで形成する。
A spacer layer 4 having a thickness of 5 to 15 nm is formed on the formed channel layer 3. On the formed spacer layer 4, the carrier concentration is (1 to 10) × 10 18 cm −3
The electron supply layer 5 is formed to have a thickness of 10 to 40 nm.

【0029】スペーサー層4を構成する材料としては、
Al、GaおよびNからなる半導体材料で、特に、ノン
ドープAl0.26Ga0.74N等を挙げることができる。ま
た、電子供給層5を構成する材料としては、Al、Ga
およびNからなる半導体材料で、特に、n−Al0.26
0.74N等を挙げることができる。ここで、スペーサー
層4および電子供給層5を形成する際の温度は、100
0〜1100℃とすることが好ましい。また、NH3
TMG、TMAの流量は、Al0.26Ga0.74N層につい
ては、それぞれ、5リットル/分、29.5μmol/
分、5.2μmol/分といった条件で行うことが好ま
しい。
As a material for forming the spacer layer 4,
A semiconductor material composed of Al, Ga and N, particularly non-doped Al 0.26 Ga 0.74 N. In addition, as a material forming the electron supply layer 5, Al or Ga is used.
And N are semiconductor materials, especially n-Al 0.26 G
a 0.74 N and the like can be mentioned. Here, the temperature for forming the spacer layer 4 and the electron supply layer 5 is 100
The temperature is preferably 0 to 1100 ° C. Also, NH 3 ,
The flow rates of TMG and TMA are 5 liter / min and 29.5 μmol / min for the Al 0.26 Ga 0.74 N layer, respectively.
Min, 5.2 μmol / min.

【0030】次に、形成した電子供給層上に、キャリア
濃度を(1〜5)×1018cm-3としたn型のAlx
yGa1-x-yN(0≦x<1、0≦y<1、)からなる
キャップ層を厚さ10〜20nmで形成する(キャップ
層形成工程)。AlxInyGa1-x-yNのx、yは、既
述のように、GaNと格子整合するように設定するが、
バンドギャップ等を考慮して、x、yをそれぞれ、0.
29、0.07程度とすることが好ましい。なお、かか
るキャップ層も、一般的なMOCVD法によって形成す
ることができる。
Next, n-type Al x I having a carrier concentration of (1-5) × 10 18 cm -3 was formed on the formed electron supply layer.
A cap layer made of n y Ga 1-xy N (0 ≦ x <1, 0 ≦ y <1,) is formed with a thickness of 10 to 20 nm (cap layer forming step). Although x and y of Al x In y Ga 1-xy N are set so as to be lattice-matched with GaN as described above,
Considering the band gap and the like, x and y are respectively set to 0.
It is preferably about 29, 0.07. The cap layer can also be formed by a general MOCVD method.

【0031】次に、キャップ層6が形成された積層体
(ウエハ)を成長装置から取り出し、公知のフォトリソ
グラフィにより図3(b)のようなレジストパターン1
1を形成する。
Next, the laminated body (wafer) on which the cap layer 6 is formed is taken out from the growth apparatus, and the resist pattern 1 as shown in FIG.
1 is formed.

【0032】その後、オーミック電極(ソース電極、ド
レイン電極)形成用として、金属積層薄膜21を厚さ3
00〜400nmで真空蒸着により形成し、リフトオフ
法によりレジストパターン11上の金属積層薄膜21を
除去し、図3(c)に示すような電極構造を形成する。
当該電極構造を形成したウエハを窒素雰囲気中、450
℃以上で数分間アニールすることによりオーミック接触
を有するオーミック電極(ソース電極、ドレイン電極)
21’が得られる。
After that, a metal laminated thin film 21 having a thickness of 3 is formed for forming ohmic electrodes (source electrode, drain electrode).
It is formed by vacuum evaporation at a thickness of 00 to 400 nm, the metal laminated thin film 21 on the resist pattern 11 is removed by a lift-off method, and an electrode structure as shown in FIG. 3C is formed.
The wafer on which the electrode structure is formed is heated in a nitrogen atmosphere at 450
Ohmic electrode (source electrode, drain electrode) having ohmic contact by annealing for several minutes at ℃ or more
21 'is obtained.

【0033】オーミック電極21’積層構造としては、
例えば、Ti薄膜、Al薄膜、Ni薄膜、Au薄膜をこ
の順に積層した構成とすることができる。このオーミッ
ク電極21’におけるキャップ層5に接触する第一層目
の金属(金属薄膜21を構成する金属)としては、Ti
以外に、Al、Pd、Nd等から1種を選択して用いる
こともできる。なお、前記アニール条件は一例であって
これに限定されるものではない。
As the ohmic electrode 21 'laminated structure,
For example, a Ti thin film, an Al thin film, a Ni thin film, and an Au thin film may be laminated in this order. The metal of the first layer (metal forming the metal thin film 21) in contact with the cap layer 5 in the ohmic electrode 21 ′ is Ti.
Besides, one kind may be selected and used from Al, Pd, Nd and the like. It should be noted that the annealing condition is an example and is not limited to this.

【0034】次いで、再びフォトリソグラフィにより図
3(d)のレジストパターン31を形成し、ショットキ
ー金属を蒸着し、リフトオフ法により、図3(e)に示
すようなゲート電極41が形成されたヘテロ接合電界効
果トランジスタが作製される。なお、前記ショットキー
金属としては、Re、W、Pt、Ni、Pd、Au等か
ら1種を適宜選択することができる。
Next, the resist pattern 31 of FIG. 3D is formed again by photolithography, a Schottky metal is vapor-deposited, and a gate electrode 41 as shown in FIG. 3E is formed by lift-off method. A junction field effect transistor is produced. The Schottky metal may be appropriately selected from Re, W, Pt, Ni, Pd, Au and the like.

【0035】以上のようにして、本発明のヘテロ接合電
界効果トランジスタが製造される。なお、上記製造方法
は例示であって、種々の公知の層を適宜設ける等、本発
明から奏される効果を阻害しない範囲で種々の変更を加
えることができる。
The heterojunction field effect transistor of the present invention is manufactured as described above. Note that the above manufacturing method is an example, and various modifications can be made such that various known layers are appropriately provided within a range that does not impair the effects of the present invention.

【0036】[0036]

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
るが、本発明はこれらに限定されるものではない。
EXAMPLES The present invention will now be described in detail with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.

【0037】(実施例1)この実施例において、層の形
成には、有機金属気相成長法(MOCVD法)を用い、
窒素(N)の原料ガスとしては、アンモニア(N
3)、ガリウムの原料ガスとしては、トリメチルガリ
ウム(TMG);アルミニウムの原料ガスとしては、ト
リメチルアルミニウム;インジウムの原料ガスとして
は、トリメチルインジウム(TMI);n型ドーパント
としては、シラン(SiH4);を用いる。まず、成長
装置に設置した600℃のサファイア基板(厚さ0.3
mm)上に、GaN低温バッファ層を厚さ30nmで形
成し、その後、基板の温度を1050℃として、ノンド
ープGaNからなるチャネル層を厚さ2.5μmで形成
した。また、チャネル層形成時の原料ガスの流量として
は、NH3:5リットル/分、TMG:69μmol/
分で行った(以下、同様)。
Example 1 In this example, a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method) was used to form a layer.
As a source gas of nitrogen (N), ammonia (N
H 3 ), gallium source gas is trimethyl gallium (TMG); aluminum source gas is trimethyl aluminum; indium source gas is trimethyl indium (TMI); n-type dopant is silane (SiH 4). ); Is used. First, a 600 ° C. sapphire substrate (thickness 0.3
mm), a GaN low-temperature buffer layer having a thickness of 30 nm was formed, and then the channel temperature of the substrate was set to 1050 ° C. to form a channel layer made of non-doped GaN having a thickness of 2.5 μm. The flow rate of the source gas at the time of forming the channel layer is NH 3 : 5 liter / min, TMG: 69 μmol /
Minutes (hereinafter the same).

【0038】形成したチャネル層上に、ノンドープAl
0.26Ga0.74Nからなるスペーサー層を厚さ10nmで
形成した。その後、前記スペーサー層上に、n型のAl
0.26Ga0.74Nからなる電子供給層(キャリア濃度5×
1018cm-3)を厚さ20nmで形成した。ここで、ス
ペーサー層4および電子供給層5を形成する際の温度
は、1050℃とした。
Non-doped Al is formed on the formed channel layer.
A spacer layer made of 0.26 Ga 0.74 N was formed to a thickness of 10 nm. Then, n-type Al is formed on the spacer layer.
Electron supply layer consisting of 0.26 Ga 0.74 N (carrier concentration 5 ×
10 18 cm −3 ) was formed with a thickness of 20 nm. Here, the temperature when forming the spacer layer 4 and the electron supply layer 5 was 1050 ° C.

【0039】形成した電子供給層上に、キャリア濃度を
1×1018cm-3としたn型のAl 0.29In0.07Ga
0.64N(格子定数:3.189Å、バンドギャップ:
4.12eV)からなるキャップ層を厚さ10nmで形
成した(キャップ層形成工程)。
A carrier concentration is formed on the formed electron supply layer.
1 x 1018cm-3N-type Al 0.29In0.07Ga
0.64N (lattice constant: 3.189Å, band gap:
4.12 eV) cap layer with a thickness of 10 nm
(Cap layer forming step).

【0040】形成したキャップ層の表面を原子間力顕微
鏡(AFM)で測定した。測定したAFM像は、図2と
ほぼ同様で、その表面には欠陥が存在しないことが確認
できた。また、その表面粗さ(RMS)を測定したとこ
ろ、0.2nmであった。すなわち、作製した積層体の
表面(キャップ層の表面)は、平坦であり表面欠陥が無
いに等しい状態であることが確認できた。
The surface of the formed cap layer was measured by an atomic force microscope (AFM). The measured AFM image was almost the same as that in FIG. 2, and it could be confirmed that there were no defects on the surface. The surface roughness (RMS) was measured and found to be 0.2 nm. That is, it was confirmed that the surface of the manufactured laminate (the surface of the cap layer) was flat and had a surface defect-free state.

【0041】次に、キャップ層が形成された積層体(ウ
エハ)を成長装置から取り出し、公知のフォトリソグラ
フィによりレジストパターンを形成し、オーミック電極
(ソース電極、ドレイン電極)形成用として、Ti薄膜
を厚さ15nm、Al薄膜を厚さ220nm、Ni薄膜
を厚さ40nm、Au薄膜を厚さ50nmでこの順に真
空蒸着して金属積層薄膜を形成し、リフトオフ法により
レジストパターン上の金属積層薄膜を除去した。
Next, the laminated body (wafer) on which the cap layer is formed is taken out from the growth apparatus, a resist pattern is formed by known photolithography, and a Ti thin film is formed for forming an ohmic electrode (source electrode, drain electrode). 15 nm thick, Al thin film 220 nm thick, Ni thin film 40 nm thick, Au thin film 50 nm thick vacuum-deposited in this order to form a metal laminated thin film, and the metal laminated thin film on the resist pattern is removed by lift-off method. did.

【0042】この金属積層薄膜が形成されたウエハを窒
素雰囲気中、450℃以上で数分間アニールすることに
よりオーミック接触を有するオーミック電極(ソース電
極、ドレイン電極)が得られた。次いで、再びフォトリ
ソグラフィによりレジストパターンを形成し、ショット
キー金属としてReを蒸着し、リフトオフ法により、ゲ
ート電極を形成し、ヘテロ接合電界効果トランジスタを
作製した。
An ohmic electrode (source electrode, drain electrode) having ohmic contact was obtained by annealing the wafer on which this metal laminated thin film was formed at 450 ° C. or higher for several minutes in a nitrogen atmosphere. Next, a resist pattern was formed again by photolithography, Re was deposited as a Schottky metal, and a gate electrode was formed by a lift-off method to manufacture a heterojunction field effect transistor.

【0043】(比較例1)キャップ層に、n型のAl
0.29In0.07Ga0.64Nの代わりにノンドープのAl
0.26Ga0.74Nからなる層(厚さ5nm)を形成した以
外は、実施例1と同様にして、ヘテロ接合電界効果トラ
ンジスタを作製した。図4に、オーミック接触する前の
ノンドープAl0.26Ga0.74Nからなるキャップ層の表
面状態について、AFMの測定結果を示す。図4より、
表面がグレイン状であることが確認された。さらに、A
FMから算出した表面粗さ(RMS)は0.94nm
で、表面欠陥の存在が確認された。これは、格子不整合
により表面に細かい亀裂が生じたためと考えられる。
Comparative Example 1 n-type Al was used for the cap layer.
0.29 In 0.07 Ga 0.64 N instead of N undoped Al
A heterojunction field effect transistor was produced in the same manner as in Example 1 except that a layer (thickness 5 nm) made of 0.26 Ga 0.74 N was formed. FIG. 4 shows the AFM measurement results for the surface state of the cap layer made of non-doped Al 0.26 Ga 0.74 N before ohmic contact. From Figure 4,
It was confirmed that the surface was grainy. Furthermore, A
Surface roughness (RMS) calculated from FM is 0.94 nm
Then, the existence of surface defects was confirmed. It is considered that this is because the surface was cracked due to the lattice mismatch.

【0044】実施例1および比較例1で作製したヘテロ
接合電界効果トランジスタについて、ホール効果測定お
よび電流−電圧特性測定によりその特性を評価したとこ
ろ、比較例1では、表面欠陥に起因する特性の劣化が見
られたのに対し、実施例1では、常に良好な特性が得ら
れた。
The characteristics of the heterojunction field effect transistors manufactured in Example 1 and Comparative Example 1 were evaluated by Hall effect measurement and current-voltage characteristic measurement. In Comparative Example 1, deterioration of characteristics due to surface defects was observed. However, in Example 1, good characteristics were always obtained.

【0045】[0045]

【発明の効果】本発明によれば、表面を平坦なものと
し、表面がグレイン状となることに起因する特性劣化を
生じないヘテロ接合電界効果トランジスタを提供するこ
とができる。
According to the present invention, it is possible to provide a heterojunction field effect transistor in which the surface is made flat and the characteristics are not deteriorated due to the grainy surface.

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

【図1】 半導体のバンドギャップと格子定数との関係
を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a relationship between a band gap of a semiconductor and a lattice constant.

【図2】 キャップ層表面の原子間力顕微鏡像を示す写
真である。
FIG. 2 is a photograph showing an atomic force microscope image of the cap layer surface.

【図3】 ヘテロ接合電界効果トランジスタの製造工程
の例を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing an example of a manufacturing process of a heterojunction field effect transistor.

【図4】 比較例1のノンドープAl0.26Ga0.74Nか
らなるキャップ層の原子間力顕微鏡像を示す写真であ
る。
FIG. 4 is a photograph showing an atomic force microscope image of a cap layer made of non-doped Al 0.26 Ga 0.74 N in Comparative Example 1.

【図5】 ヘテロ接合電界効果トランジスタのAl0.26
Ga0.74N/GaN積層構造を示す断面図である。
FIG. 5: Al 0.26 of a heterojunction field effect transistor
It is a sectional view showing a Ga 0.74 N / GaN laminated structure.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・基板 2・・・低温バッファ層 3・・・チャネル層 4・・・スペーサー層 5・・・電子供給層 6・・・キャップ層 11,31・・・レジストパターン 21・・・金属薄膜 21’・・・オーミック電極 41・・・ゲート電極 1 ... Substrate 2 ... Low temperature buffer layer 3 ... Channel layer 4 ... Spacer layer 5 ... Electron supply layer 6 ... Cap layer 11, 31 ... Resist pattern 21 ... Metal thin film 21 '... Ohmic electrode 41 ... Gate electrode

フロントページの続き Fターム(参考) 5F102 GB01 GC01 GD01 GJ02 GJ04 GJ10 GK04 GL04 GM04 GM08 GQ01 GT01 GT03 HC01 HC11 HC19 HC21 Continued front page    F-term (reference) 5F102 GB01 GC01 GD01 GJ02 GJ04                       GJ10 GK04 GL04 GM04 GM08                       GQ01 GT01 GT03 HC01 HC11                       HC19 HC21

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板上に、少なくとも、低温バッファ
層、チャネル層、スペーサー層、電子供給層が順次形成
された半導体素子であって、 前記電子供給層上に、さらに、キャップ層が形成されて
おり、 該キャップ層の格子定数が、前記チャネル層の格子定数
と略同一であり、前記スペーサー層および前記電子供給
層の格子定数とは異なることを特徴とするヘテロ接合電
界効果トランジスタ。
1. A semiconductor device in which at least a low-temperature buffer layer, a channel layer, a spacer layer, and an electron supply layer are sequentially formed on a substrate, and a cap layer is further formed on the electron supply layer. A heterojunction field effect transistor, wherein a lattice constant of the cap layer is substantially the same as a lattice constant of the channel layer and different from lattice constants of the spacer layer and the electron supply layer.
【請求項2】 前記チャネル層がGaNからなり、前記
スペーサー層および前記電子供給層がAliGa1-i
(0<i<1)からなり、前記キャップ層がAlxIny
Ga1-x-yN(0≦x<1、0≦y<1)からなること
を特徴とする請求項1に記載のヘテロ接合電界効果トラ
ンジスタ。
2. The channel layer is made of GaN, and the spacer layer and the electron supply layer are Al i Ga 1 -i N.
(0 <i <1), and the cap layer is Al x In y
The heterojunction field effect transistor according to claim 1, wherein the heterojunction field effect transistor is made of Ga 1-xy N (0 ≦ x <1, 0 ≦ y <1).
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