JP2008071877A - GaN-BASED SEMICONDUCTOR ELEMENT - Google Patents

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Yukio Shakuda
幸男 尺田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a GaN-based semiconductor element capable of causing the inverted distribution of a channel layer and reducing on resistance. <P>SOLUTION: On a sapphire substrate 1, a GaN buffer layer 2, an undoped GaN layer 3, an n<SP>+</SP>-type GaN drain layer 4, an n<SP>-</SP>-type GaN layer 5, and a p-type GaN-based multilayer film channel layer 6 are laminated. The p-type GaN-based multilayer film channel layer 6 is, for example, in a multilayered film structure where a p-type GaN layer and the undoped GaN layer are laminated alternately. A GaN layer without doping any impurities is used as an intermediate layer, thus expanding a depletion layer region laterally. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、大電流が得られるパワートランジスタ等の半導体増幅素子等に用いられるGaN系半導体素子に関する。   The present invention relates to a GaN-based semiconductor element used for a semiconductor amplifying element such as a power transistor that can obtain a large current.

GaNやAlGaN等のGaN系III−V族化合物半導体をチャネル層に用いたMOS型FETやHEMT(High Electron Mobility Transistor)等は、SiやGaAs等を用いたMOS型FET、HEMTに比べ、動作時のオン抵抗が1桁以上も小さく、高耐圧で高温動作や大電流動作が可能となるデバイスとして注目されている。   MOS type FETs and HEMTs (High Electron Mobility Transistors) using GaN-based III-V group compound semiconductors such as GaN and AlGaN for the channel layer are more operating than MOS type FETs and HEMTs using Si, GaAs, etc. The device has been attracting attention as a device capable of high temperature operation and large current operation with a high withstand voltage and a small on-resistance.

上記GaN系半導体素子は、例えば、図5に示すように、半絶縁性のサファイア基板51上に、GaNバッファ層52、アンドープGaN層53、n型GaNドレイン層54、n型GaN層5、p型GaNチャネル層56が積層されており、p型GaNチャネル層56の上には、ストライプ状のリッジ形状を有するn型GaNソース層57が形成されている。また、n型GaNソース層57のリッジ形状の全面とp型GaNチャネル層56の表面の一部に渡ってソース電極60が形成されている。 For example, as shown in FIG. 5, the GaN-based semiconductor element includes a GaN buffer layer 52, an undoped GaN layer 53, an n + -type GaN drain layer 54, and an n -type GaN layer 5 on a semi-insulating sapphire substrate 51. The p-type GaN channel layer 56 is laminated, and an n-type GaN source layer 57 having a striped ridge shape is formed on the p-type GaN channel layer 56. A source electrode 60 is formed over the entire surface of the ridge shape of the n-type GaN source layer 57 and a part of the surface of the p-type GaN channel layer 56.

他方、p型GaNチャネル層56表面に積層された絶縁膜58上にゲート電極59が形成され、メサエッチングされたn型GaNドレイン層54の露出した表面にドレイン電極61が形成されている。
特開2004−260140号公報
On the other hand, the gate electrode 59 is formed on the insulating film 58 laminated on the surface of the p-type GaN channel layer 56, and the drain electrode 61 is formed on the exposed surface of the mesa-etched n + -type GaN drain layer 54.
JP 2004-260140 A

上記従来のGaN系半導体素子では、ゲート電極59にバイアス電圧を印加したとき、図5に示すようにp型GaNチャネル層56内に空乏層が発生するが、この空乏層が横(図の左右方向)に拡がりにくい。空乏層の横への拡がりがないと、空乏層がn型GaNソース層57の近くにまで達することができず、反転分布が起こりにくくなり、オン抵抗が高くなって、ドレイン電極61とソース電極60との間に電流が流れないという問題があった。   In the conventional GaN-based semiconductor device, when a bias voltage is applied to the gate electrode 59, a depletion layer is generated in the p-type GaN channel layer 56 as shown in FIG. Direction). If the depletion layer does not spread to the side, the depletion layer cannot reach the vicinity of the n-type GaN source layer 57, the inversion distribution hardly occurs, the on-resistance increases, and the drain electrode 61 and the source electrode There was a problem that current did not flow between 60.

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、チャネル層の反転分布を起こりやすくし、オン抵抗を小さくすることができるGaN系半導体素子を提供することを目的としている。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a GaN-based semiconductor element that can easily cause an inversion distribution of a channel layer and can reduce on-resistance.

上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、GaN系半導体からなるチャネル層と、前記チャネル層を挟んで配置されたソース層及びドレイン層を備えたGaN系半導体素子であって、前記チャネル層はアンドープGaN系層を中間に含む多層膜構造で形成されていることを特徴とするGaN系半導体素子である。   In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is a GaN-based semiconductor element comprising a channel layer made of a GaN-based semiconductor, and a source layer and a drain layer arranged with the channel layer interposed therebetween, The channel layer is a GaN-based semiconductor device having a multilayer structure including an undoped GaN-based layer in the middle.

また、請求項2記載の発明は、前記チャネル層の多層膜のうち、電極が接する側にGaN層が形成されていることを特徴とする請求項1に記載のGaN系半導体素子である。   The invention according to claim 2 is the GaN-based semiconductor device according to claim 1, wherein a GaN layer is formed on the side of the multilayer film of the channel layer that contacts the electrode.

また、請求項3記載の発明は、前記チャネル層が、不純物がドープされたAlGaN層を含むことを特徴とする請求項2記載のGaN系半導体素子である。   The invention according to claim 3 is the GaN-based semiconductor device according to claim 2, wherein the channel layer includes an AlGaN layer doped with impurities.

また、請求項4記載の発明は、前記アンドープGaN系層が、アンドープGaN層又はアンドープAlGaN層からなることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のGaN系半導体素子である。   According to a fourth aspect of the present invention, the undoped GaN-based layer comprises an undoped GaN layer or an undoped AlGaN layer. The GaN-based semiconductor device according to any one of the first to third aspects, It is.

本発明によれば、チャネル層を多層膜構造とし、中間層として不純物がドープされていないアンドープGaN系層を挿入しているので、n型又はp型のGaN層を1層のみ設けている場合と比較して、空乏層が横方向に拡がり、反転分布が発生しやすくなって、オン抵抗を小さくすることができる。   According to the present invention, since the channel layer has a multilayer structure and an undoped GaN-based layer that is not doped with impurities is inserted as an intermediate layer, only one n-type or p-type GaN layer is provided. As compared with, the depletion layer spreads in the lateral direction, and inversion distribution is likely to occur, and the on-resistance can be reduced.

また、上記アンドープGaN系層をアンドープAlGaNで構成したり、中間層に不純物がドープされたAlGaN層を挿入することで、すべてGaN層を基本とした多層膜構造とするよりも、チャネル層におけるクラックの発生を抑制することができる。   In addition, the above-mentioned undoped GaN-based layer is composed of undoped AlGaN, or by inserting an AlGaN layer doped with impurities in the intermediate layer, the channel layer has cracks rather than a multilayer film structure based on the GaN layer. Can be suppressed.

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図1は本発明のGaN系半導体素子の断面構造を示し、図2は、図1のGaN系半導体素子を上から見た上面図であり、図2のA−A断面が図1の断面図に相当する。本発明のGaN系半導体素子は、六方晶化合物半導体であるIII−V族GaN系半導体が用いられており、上記III−V族GaN系半導体は、4元混晶系のAlGaInN(x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)で表される。また、図1、2はNPN構造の例を示すが、本発明は、PNP構造にも適用することができる。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a GaN-based semiconductor device of the present invention, FIG. 2 is a top view of the GaN-based semiconductor device of FIG. 1 as viewed from above, and the AA cross-section of FIG. It corresponds to. The GaN-based semiconductor element of the present invention uses a III-V group GaN-based semiconductor that is a hexagonal compound semiconductor, and the III-V group GaN-based semiconductor is a quaternary mixed crystal Al x Ga y In z. N (x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1). 1 and 2 show examples of the NPN structure, the present invention can also be applied to the PNP structure.

サファイア基板1上にGaNバッファ層2、アンドープGaN層3、n型GaNドレイン層4、n型GaN層5、p型GaN系多層膜チャネル層6が積層されており、p型GaN系多層膜チャネル層6の上には、リッジ形状を有するn型GaNソース層8が形成されている。また、n型GaNソース層8は、リッジ部Aとリッジ部Bと2つのリッジ部を有し、このリッジ部Aとリッジ部Bの上面から側面にかけて、さらにリッジ部A、B間のp型GaN系多層膜チャネル層6の表面に渡ってソース電極10が形成されている。絶縁物からなる選択成長用マスク7がリッジ部A及びBを挟むようにして形成されており、選択成長用マスク7の上にゲート電極9が形成されている。 A GaN buffer layer 2, an undoped GaN layer 3, an n + -type GaN drain layer 4, an n -type GaN layer 5, and a p-type GaN-based multilayer channel layer 6 are stacked on the sapphire substrate 1. An n-type GaN source layer 8 having a ridge shape is formed on the film channel layer 6. The n-type GaN source layer 8 has a ridge portion A, a ridge portion B, and two ridge portions. From the top surface to the side surface of the ridge portion A and ridge portion B, the p-type between the ridge portions A and B is further provided. A source electrode 10 is formed over the surface of the GaN-based multilayer film channel layer 6. A selective growth mask 7 made of an insulating material is formed so as to sandwich the ridge portions A and B, and a gate electrode 9 is formed on the selective growth mask 7.

また、メサエッチングされて形成された溝内部において、露出したn型GaNドレイン層4にはドレイン電極12が形成されており、ドレイン電極12によってリークが発生しないように、p型GaN系多層膜チャネル層6からn型GaN層5とn型GaNドレイン層4の側面の一部にかけて絶縁膜11が設けられている。後述するように、n型GaNソース層8は選択成長によって形成されるが、そのときに用いられる選択成長用マスク7をゲート電極9のための絶縁膜として使用する。 In addition, a drain electrode 12 is formed in the exposed n + -type GaN drain layer 4 inside the groove formed by mesa etching, and a p-type GaN-based multilayer film is formed so that leakage does not occur due to the drain electrode 12. An insulating film 11 is provided from the channel layer 6 to part of the side surfaces of the n -type GaN layer 5 and the n + -type GaN drain layer 4. As will be described later, the n-type GaN source layer 8 is formed by selective growth, and the selective growth mask 7 used at that time is used as an insulating film for the gate electrode 9.

選択成長用マスク7には、SiO、Si、ZrO、Al等の透明絶縁物が用いられる。また、n型のドーパントにはSiが、p型のドーパントにはMgが用いられる。ソース電極10、ドレイン電極12には、TaSi/Auからなる多層金属膜等が、ゲート電極にはNi/Auからなる多層金属膜等が用いられる。 For the selective growth mask 7, a transparent insulator such as SiO 2 , Si 3 N 4 , ZrO 2 , Al 2 O 3 or the like is used. Further, Si is used for the n-type dopant, and Mg is used for the p-type dopant. A multilayer metal film made of TaSi / Au or the like is used for the source electrode 10 and the drain electrode 12, and a multilayer metal film made of Ni / Au or the like is used for the gate electrode.

型GaNドレイン層4は、ドレイン電極12とのオーミック接触を取るために、例えば、キャリア濃度が1×1018cm−3となるように不純物Siがドーピングされており、n型GaN層5は、n型層とp型層との接合界面でのエネルギー障壁を下げて電流を流れやすくするために設けられる中間層であり、1×1017cm−3となるように不純物Siがドーピングされている。 The n + -type GaN drain layer 4 is doped with impurity Si so that the carrier concentration becomes 1 × 10 18 cm −3 , for example, in order to make an ohmic contact with the drain electrode 12, and the n -type GaN layer Reference numeral 5 denotes an intermediate layer provided to lower the energy barrier at the junction interface between the n-type layer and the p-type layer to facilitate current flow, and is doped with impurity Si so as to be 1 × 10 17 cm −3. Has been.

また、p型GaN系多層膜チャネル層6は、いくつかの半導体層が積層されて形成されており、その一例を図3、4に示す。図3は、p型GaN系多層膜チャネル層6が、p型GaN層6aとアンドープGaN系層との多層膜構造となっている例を示す。アンドープGaN系層としてアンドープGaN層6bを用いている。   The p-type GaN-based multilayer channel layer 6 is formed by laminating several semiconductor layers, an example of which is shown in FIGS. FIG. 3 shows an example in which the p-type GaN-based multilayer channel layer 6 has a multilayer structure of a p-type GaN layer 6a and an undoped GaN-based layer. An undoped GaN layer 6b is used as the undoped GaN-based layer.

型GaN層5と接触する側(最下層)には、p型GaN層6aが配置され、その上にアンドープGaN層6bが、さらにその上にはp型GaN層6aと、p型GaN層6aとアンドープGaN層6bとが交互に繰り返して積層されており、n型GaNソース層8及びソース電極10と接触する側の半導体層(最上層)をp型GaN層6aとした積層構造となっている。 A p-type GaN layer 6a is disposed on the side in contact with the n -type GaN layer 5 (lowermost layer), an undoped GaN layer 6b is disposed thereon, and a p-type GaN layer 6a and p-type GaN are disposed thereon. Layers 6a and undoped GaN layers 6b are alternately and repeatedly stacked, and a stacked structure in which a semiconductor layer (uppermost layer) in contact with the n-type GaN source layer 8 and the source electrode 10 is a p-type GaN layer 6a It has become.

すなわち、最上層と最下層とはp型GaN層6aで構成し、中間層として不純物をドープしていないアンドープGaN層6bを挿入して、アンドープGaN層6bをp型GaN層6aでサンドイッチ状に挟みこんだ構造としたものである。   That is, the uppermost layer and the lowermost layer are composed of a p-type GaN layer 6a, an undoped GaN layer 6b that is not doped with impurities is inserted as an intermediate layer, and the undoped GaN layer 6b is sandwiched with the p-type GaN layer 6a. It has a sandwiched structure.

このようにすることで、不純物をドープしていないアンドープGaN層6bは、不純物をドープしてキャリア濃度を高めたp型GaN層6aよりも空乏層の範囲が横方向(図の矢印方向)に拡がりやすいので、チャネル層全体としてn型GaNソース層8の直下まで空乏層を伸ばすことができ、反転分布を起こしやすくすることができる。   By doing so, the undoped GaN layer 6b that is not doped with impurities has a depletion layer in the lateral direction (in the direction of the arrow in the figure) as compared with the p-type GaN layer 6a doped with impurities to increase the carrier concentration. Since it is easy to spread, the depletion layer can be extended to just below the n-type GaN source layer 8 as the entire channel layer, and an inversion distribution can be easily caused.

また、p型GaN系多層膜チャネル層6の最上層は、ソース電極10とのオーミック接触をとる必要があるので、p型GaN層6aにしておく必要がある。そして、p型GaN層6aは、ソース電極10とオーミック接触をとるため、またゲート電極に電圧がかからない状態で素子がオンとならないように、キャリア濃度を高めておく必要があり、例えば、キャリア濃度4×1016〜1×1018cm−3となるように不純物Mgがドーピングされている。 Further, since the uppermost layer of the p-type GaN-based multilayer channel layer 6 needs to make ohmic contact with the source electrode 10, it is necessary to make the p-type GaN layer 6a. The p-type GaN layer 6a needs to have a high carrier concentration so as to be in ohmic contact with the source electrode 10 and not to turn on the element when no voltage is applied to the gate electrode. Impurity Mg is doped so as to be 4 × 10 16 to 1 × 10 18 cm −3 .

一方、図4は、p型GaN系多層膜チャネル層6の他の構成を示す。図3と同じく、最上層はp型GaN層で、不純物がドープされた半導体層でサンドイッチ状に挟んだ中間層は、アンドープGaN層6bで変わらないが、中間層のうち、p型にドープされた半導体層がp型GaN層ではなく、p型AlGaN層6cになっている。このように、最上層以外のp型ドープ層をp型AlGaN層とすることによって、強度を強くすることができ、クラックの発生を抑制することができるという利点がある。   On the other hand, FIG. 4 shows another configuration of the p-type GaN-based multilayer channel layer 6. As in FIG. 3, the uppermost layer is a p-type GaN layer, and the intermediate layer sandwiched between the impurity-doped semiconductor layers is the same as the undoped GaN layer 6b, but the intermediate layer is doped p-type. The semiconductor layer is not a p-type GaN layer but a p-type AlGaN layer 6c. Thus, by using a p-type AlGaN layer as the p-type doped layer other than the uppermost layer, there is an advantage that the strength can be increased and the occurrence of cracks can be suppressed.

また、図示はしていないが、図3又は図4の構成において、アンドープGaN層6bをアンドープAlGaN層に代えて構成するようにしても良い。この効果は、上述したように、クラックの発生を抑制することができるということである。   Although not shown, in the configuration of FIG. 3 or FIG. 4, the undoped GaN layer 6b may be replaced with an undoped AlGaN layer. This effect is that the generation of cracks can be suppressed as described above.

ところで、図3、4の多層膜の積層数は、多くしすぎると、1層の厚みが薄くなりすぎてアンドープGaN層又はアンドープAlGaN層における空乏層の横方向への拡がりが得られない場合があるので、不純物がドープされていないアンドープGaN系層は、1層〜2層程度としておくのが望ましい。また、PNP構造のMOSFETでは、チャネル層がn型になるので、上記のp型GaN層6aはn型GaN層に、p型AlGaN層6cはn型AlGaN層に置き換えて構成することができる。   By the way, if the number of stacked multilayer films in FIGS. 3 and 4 is too large, the thickness of one layer becomes too thin, and the depletion layer in the undoped GaN layer or the undoped AlGaN layer may not be expanded in the lateral direction. Therefore, it is desirable that the undoped GaN-based layer that is not doped with impurities be about 1 to 2 layers. In the PNP structure MOSFET, since the channel layer is n-type, the p-type GaN layer 6a can be replaced with an n-type GaN layer, and the p-type AlGaN layer 6c can be replaced with an n-type AlGaN layer.

次に、図1、2に示されるGaN系半導体素子の製造方法について述べる。製造方法としては、主としてMOCVD法(有機金属気相成長法)を用いる。まず、MOCVD装置内に、サファイア基板1を搬送し、その上に、GaNバッファ層2を600〜700℃の低温で成長させる。その後、1000℃以上に基板温度を上げてGaNバッファ層2上にアンドープGaN層3、n型GaNドレイン層4、n型GaN層5、p型GaN系多層膜チャネル層6を順にエピタキシャル成長させる。p型GaN系多層膜チャネル層6の構造は、上述したとおりである。 Next, a method for manufacturing the GaN-based semiconductor device shown in FIGS. As a manufacturing method, an MOCVD method (metal organic chemical vapor deposition method) is mainly used. First, the sapphire substrate 1 is transferred into the MOCVD apparatus, and the GaN buffer layer 2 is grown on the sapphire substrate 1 at a low temperature of 600 to 700 ° C. Thereafter, the substrate temperature is raised to 1000 ° C. or higher, and the undoped GaN layer 3, n + -type GaN drain layer 4, n -type GaN layer 5, and p-type GaN-based multilayer channel layer 6 are epitaxially grown in this order on the GaN buffer layer 2. . The structure of the p-type GaN-based multilayer channel layer 6 is as described above.

各半導体層の製造については、例えば、GaN層を作製する場合は、キャリアガスの水素又は窒素とともに、Ga原子の原料ガスであるトリメチルガリウム(TMGa)、および、窒素原子の原料ガスであるアンモニア(NH)を用いた。n型GaNとする場合には、n型のドーパントガスとしてのシラン(SiH)等、p型GaNとする場合には、p型のドーパントガスとしてのCPMg(シクロペンタジエチルマグネシウム)等を上記反応ガスに加える。AlGaN層を作製する場合は、TMGa、NHにトリメチルアルミニウム(TMA)を加える。 Regarding the production of each semiconductor layer, for example, when producing a GaN layer, together with hydrogen or nitrogen as a carrier gas, trimethylgallium (TMGa) as a Ga atom source gas and ammonia (as a nitrogen atom source gas) NH 3) was used. In the case of n-type GaN, silane (SiH 4 ) or the like as an n-type dopant gas, and in the case of p-type GaN, CP 2 Mg (cyclopentadiethyl magnesium) or the like as a p-type dopant gas is used. Add to the reaction gas. When fabricating the AlGaN layer, TMGa, added trimethylaluminum (TMA) in NH 3.

このようにして各半導体層の成分に対応する反応ガス、n型、p型にする場合のドーパントガスを供給して、最適な成長温度に変化させて順次結晶成長させることにより、所定の組成で、所定の導電型の半導体層を、必要な厚さに形成した。不純物のドーピング濃度は、それぞれの原料ガスの流量によって制御した。   In this way, by supplying the reaction gas corresponding to the components of each semiconductor layer, the dopant gas for making the n-type and p-type, the crystal is grown in order by changing to the optimum growth temperature, thereby having a predetermined composition. A semiconductor layer of a predetermined conductivity type was formed to a required thickness. The doping concentration of impurities was controlled by the flow rate of each source gas.

次に、積層されたウエハをMOCVD装置から取り出して、選択成長用マスクをCVD、プラズマCVD、スパッタ等によりp型GaN系多層膜チャネル層6上に積層し、選択成長用マスク上にレジストを所定形状にパターニングした後、エッチングにより選択成長用マスクの全体形状を形成するとともに、選択的にエッチング除去して開口部を形成し、その後、レジストを除去する。   Next, the laminated wafer is taken out from the MOCVD apparatus, and a selective growth mask is laminated on the p-type GaN-based multilayer channel layer 6 by CVD, plasma CVD, sputtering, or the like, and a resist is applied on the selective growth mask. After patterning into a shape, the entire shape of the selective growth mask is formed by etching, and selectively removed by etching to form an opening, and then the resist is removed.

選択成長用マスク7の開口部は、図1、2では、n型GaNソース層8が形成されている領域にほぼ一致し、選択成長用マスクが除去された領域(図2の破線部分)が、円形の中央マスク部に相当し、ここを中心として、同心円状に開口部を設けたパターンとなる。この開口部から結晶成長を行わせると、形成されるエピタキシャル層は、ドーナツ状に連なったリッジ部を有する形状となる。   1 and 2, the opening of the selective growth mask 7 substantially coincides with the region where the n-type GaN source layer 8 is formed, and the region where the selective growth mask is removed (the broken line portion in FIG. 2). This corresponds to a circular central mask portion, and is a pattern in which openings are provided concentrically around the center mask portion. When crystal growth is performed from the opening, the formed epitaxial layer has a shape having a ridge portion connected in a donut shape.

ところで、サファイア基板等の成長用基板とGaNとでは、格子定数が異なるため、成長用基板上に成長させたGaN系半導体層においては、基板から上下方向に伸びる転位(格子欠陥)が存在している。このような転位を低減する方法として、選択横方向成長(ELO:Epitaxial Lateral Overgrowth)が良く知られている。本発明では、上記選択成長を用いた。   By the way, since the growth substrate such as a sapphire substrate and GaN have different lattice constants, the GaN-based semiconductor layer grown on the growth substrate has dislocations (lattice defects) extending vertically from the substrate. Yes. As a method for reducing such dislocations, selective lateral growth (ELO: Epitaxial Lateral Overgrowth) is well known. In the present invention, the above selective growth is used.

この選択成長は、誘電体マスク等による選択成長用マスク7でp型GaN系多層膜チャネル層6を覆うことにより、最初に選択成長用マスク7の開口部から成長が起こり(選択成長)、その後選択成長用マスク7の上にも成長層が拡がることで横方向に結晶成長が形成される。   In this selective growth, the p-type GaN-based multilayer channel layer 6 is covered with a selective growth mask 7 such as a dielectric mask, so that growth first occurs from the opening of the selective growth mask 7 (selective growth), and thereafter Crystal growth is also formed in the lateral direction by expanding the growth layer on the selective growth mask 7.

次に、再び、MOCVD装置内で結晶成長を開始し、選択成長用マスク7の開口部から結晶成長が行われる選択成長により、n型GaNソース層8が形成される。n型GaNソース層8は、リッジ部A、リッジ部Bと左右にリッジ形状を有する構造となる。より具体的には、リッジ部A、Bに挟まれた中央の窪みを中心として、その周囲をリッジ形状が取り囲むようにして環状に連なって形成されている。   Next, crystal growth is started again in the MOCVD apparatus, and the n-type GaN source layer 8 is formed by selective growth in which crystal growth is performed from the opening of the selective growth mask 7. The n-type GaN source layer 8 has a structure having a ridge shape on the left and right sides of the ridge portion A and the ridge portion B. More specifically, it is formed in a ring shape so that a ridge shape surrounds the center recess between the ridge portions A and B.

その後、リッジ部A、Bに挟まれた中央の窪みに存在する選択成長用マスクをフッ酸(HF)系溶液等を用いたウエットエッチングにより、剥離除去する。図2の破線で囲まれた部分が、上記選択成長用マスクが除去された領域に相当する。   Thereafter, the selective growth mask present in the central depression sandwiched between the ridges A and B is removed by wet etching using a hydrofluoric acid (HF) solution or the like. A portion surrounded by a broken line in FIG. 2 corresponds to a region where the selective growth mask is removed.

次に、ソース電極10を蒸着、スパッタ等により、n型GaNソース層8における左右のリッジ部側面と選択成長用マスクが除去されたp型GaN系多層膜チャネル層6表面に渡って形成する。また、残された選択成長用マスク7の上にゲート電極9を蒸着、スパッタ等により形成する。   Next, the source electrode 10 is formed over the surface of the p-type GaN-based multilayer channel layer 6 from which the left and right ridge side surfaces of the n-type GaN source layer 8 and the selective growth mask have been removed by vapor deposition, sputtering, or the like. A gate electrode 9 is formed on the remaining selective growth mask 7 by vapor deposition, sputtering, or the like.

ソース電極10は、n型GaNソース層8でドーナツ状に連なったリッジ部の内側側面とリッジ部上面の一部、選択成長用マスクが除去された領域に渡って形成されている。また、図2のように、ソース電極10、n型GaNソース層8、ゲート電極9、選択成長用マスク7等は、上から見て同心円状に形成される。   The source electrode 10 is formed across the inner side surface of the ridge portion connected in a donut shape in the n-type GaN source layer 8, a part of the top surface of the ridge portion, and the region where the selective growth mask is removed. As shown in FIG. 2, the source electrode 10, the n-type GaN source layer 8, the gate electrode 9, the selective growth mask 7 and the like are formed concentrically when viewed from above.

次に、メサエッチングを行って、p型GaN系多層膜チャネル層6からn型GaNドレイン層4にかけて溝部分を形成し、n型GaNドレイン層4を露出させ、SiO等の絶縁膜11をCVD、プラズマCVD、スパッタ等でメサエッチングによって形成された溝部分に積層し、露出したn型GaNドレイン層4の表面と側面の一部を残して、レジストで覆い、エッチングを行って絶縁膜11の一部(レジストで覆われていない部分)を除去し、絶縁膜11が除去された領域にドレイン電極12を蒸着、スパッタ等で形成する。このようにして、図1、2に示すGaN系半導体素子が完成する。 Next, by performing mesa etching, p-type GaN-based form a groove portion of a multilayer film channel layer 6 toward the n + -type GaN drain layer 4, to expose the n + -type GaN drain layer 4, an insulating film such as SiO 2 11 is stacked in a groove formed by mesa etching by CVD, plasma CVD, sputtering, etc., and the surface of the exposed n + -type GaN drain layer 4 and a part of the side surface are left, covered with a resist, and etched. Part of the insulating film 11 (the part not covered with the resist) is removed, and the drain electrode 12 is formed by vapor deposition, sputtering, or the like in the region from which the insulating film 11 has been removed. In this way, the GaN-based semiconductor device shown in FIGS.

なお、以上の実施例では、選択成長を用いてn型GaNソース層8を形成する構成のGaN系半導体素子について説明したが、本発明の図3、4に示すp型GaN系多層膜チャネル層の積層構造は、図5の選択成長を用いない従来のGaN系半導体素子構造にも適用できるものであり、p型GaNチャネル層56の代わりに、図3、図4のp型GaN系多層膜チャネル層構造を適用すれば良い。
In the above embodiment, the GaN-based semiconductor element configured to form the n-type GaN source layer 8 using selective growth has been described. However, the p-type GaN-based multilayer channel layer shown in FIGS. 5 is applicable to the conventional GaN-based semiconductor device structure that does not use the selective growth of FIG. 5, and instead of the p-type GaN channel layer 56, the p-type GaN-based multilayer film of FIGS. A channel layer structure may be applied.

本発明のGaN系半導体素子の断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-section of the GaN-type semiconductor element of this invention. 図1のGaN系半導体素子を上面から見た図である。It is the figure which looked at the GaN-type semiconductor element of FIG. 1 from the upper surface. 本発明におけるGaN系多層膜チャネル層の積層構造を示す図である。It is a figure which shows the laminated structure of the GaN-type multilayer film channel layer in this invention. 本発明におけるGaN系多層膜チャネル層の他の積層構造を示す図である。It is a figure which shows the other laminated structure of the GaN-type multilayer film channel layer in this invention. 従来のGaN系半導体素子の断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-section of the conventional GaN-type semiconductor element.

符号の説明Explanation of symbols

1 サファイア基板
2 GaNバッファ層
3 アンドープGaN層
4 n型GaNドレイン層
5 n型GaN層
6 p型GaN系多層膜チャネル層
7 選択成長用マスク
8 n型GaNソース層
9 ゲート電極
10 ソース電極
11 絶縁膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sapphire substrate 2 GaN buffer layer 3 Undoped GaN layer 4 n + type GaN drain layer 5 n type GaN layer 6 p type GaN-based multilayer channel layer 7 Mask for selective growth 8 n type GaN source layer 9 Gate electrode 10 Source electrode 11 Insulating film

Claims (4)

GaN系半導体からなるチャネル層と、前記チャネル層を挟んで配置されたソース層及びドレイン層を備えたGaN系半導体素子であって、
前記チャネル層はアンドープGaN系層を中間に含む多層膜構造で形成されていることを特徴とするGaN系半導体素子。
A GaN-based semiconductor element comprising a channel layer made of a GaN-based semiconductor, and a source layer and a drain layer arranged with the channel layer interposed therebetween,
The channel layer is formed of a multilayer film structure including an undoped GaN-based layer in the middle thereof.
前記チャネル層の多層膜のうち、電極が接する側にGaN層が形成されていることを特徴とする請求項1に記載のGaN系半導体素子。   2. The GaN-based semiconductor device according to claim 1, wherein a GaN layer is formed on a side of the multilayer film of the channel layer that contacts the electrode. 前記チャネル層は、不純物がドープされたAlGaN層を含むことを特徴とする請求項2記載のGaN系半導体素子。   The GaN-based semiconductor device according to claim 2, wherein the channel layer includes an AlGaN layer doped with impurities. 前記アンドープGaN系層は、アンドープGaN層又はアンドープAlGaN層からなることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のGaN系半導体素子。   4. The GaN-based semiconductor device according to claim 1, wherein the undoped GaN-based layer includes an undoped GaN layer or an undoped AlGaN layer. 5.
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