JP2009026975A - Semiconductor apparatus - Google Patents

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Takao Noda
隆夫 野田
Yasunobu Saito
泰伸 斉藤
Wataru Saito
渉 齋藤
Hidetoshi Fujimoto
英俊 藤本
Hiroshi Yoshioka
啓 吉岡
Tomohiro Nitta
智洋 新田
Yorito Kakiuchi
頼人 垣内
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor apparatus which suppresses a longitudinal leak current. <P>SOLUTION: The semiconductor apparatus includes a substrate, a first conductivity type GaN layer provided on the substrate, a barrier layer provided on the GaN layer and formed of In<SB>X</SB>Al<SB>Y</SB>Ga<SB>1-X-Y</SB>N (4.66X≤Y≤4.66X+0.41, X+Y≤1), a channel layer provided on the barrier layer and formed of GaN, an electron supply layer provided on the channel layer and formed of a nitride semiconductor having a larger band gap than the channel layer, a source electrode provided in contact with a surface of the electron supply layer, a drain electrode provided in contact with the surface of the electron supply layer, and a gate electrode provided between the source electrode and drain electrode on the electron supply layer. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に特に窒化物半導体のヘテロ接合構造を用いた半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device using a heterojunction structure of a nitride semiconductor.

窒化ガリウム(GaN)系半導体材料は、絶縁破壊電界が大きく、かつ電子の飽和ドリフト速度が大きいという特長を持っており、この材料系を用いた電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)は、高耐圧・低損失パワー素子、あるいは高耐圧・高周波素子として注目されている。特に、AlGaNとGaNのヘテロ構造をMOCVD(metal organic chemical vapor deposition)法、MBE(molecular beam epitaxy)法等の気相成長法でSiC、サファイア、Si等の基板上にエピタキシャル成長させ、AlGaN/GaNヘテロ界面の2次元電子ガスをチャネルとして用いる高電子移動度トランジスタ(HEMT:High Electron Mobility Transistor)は、優れた電子輸送特性を持っており、研究開発が活発に進められている。例えば、特許文献1参照。   Gallium nitride (GaN) -based semiconductor materials are characterized by a high breakdown electric field and a high saturation drift velocity of electrons. Field effect transistors (FETs) using this material system are It is attracting attention as a withstand voltage / low loss power element or a high withstand voltage / high frequency element. In particular, a heterostructure of AlGaN and GaN is epitaxially grown on a substrate of SiC, sapphire, Si or the like by a vapor phase growth method such as a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method or a molecular beam epitaxy (MBE) method. A high electron mobility transistor (HEMT) that uses a two-dimensional electron gas at the interface as a channel has excellent electron transport characteristics, and research and development are being actively promoted. For example, see Patent Document 1.

GaN系HEMTをその一応用分野であるスイッチング電源用パワー素子として用いる場合、オン/オフ切り替え時に基板の電位が大きく変動することを防ぐために導電性基板を使用し、ソース電極に接続することがある。このような素子においては、オフ時にドレイン電極と基板との間の縦方向にスイッチング動作電圧が印加され、その縦方向電圧により基板とドレイン電極との間に縦方向リーク電流が生じてしまう問題がある。
特開2002−057158号公報
When a GaN-based HEMT is used as a power element for a switching power supply, which is one of its application fields, a conductive substrate may be used to prevent the substrate potential from fluctuating greatly during on / off switching, and may be connected to a source electrode. . In such an element, a switching operation voltage is applied in the vertical direction between the drain electrode and the substrate when the device is turned off, and the vertical voltage causes a vertical leakage current between the substrate and the drain electrode. is there.
JP 2002-057158 A

本発明は、縦方向リーク電流を抑制する半導体装置を提供する。   The present invention provides a semiconductor device that suppresses longitudinal leakage current.

本発明の一態様によれば、基板と、前記基板の上に設けられた第1導電型のGaN層と、前記GaN層の上に設けられたInAlGa1−X−YN(4.66X≦Y≦4.66X+0.41、X+Y≦1)からなるバリア層と、前記バリア層の上に設けられたGaNからなるチャネル層と、前記チャネル層の上に設けられ、前記チャネル層よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体からなる電子供給層と、前記電子供給層の表面に接して設けられたソース電極と、前記電子供給層の表面に接して設けられたドレイン電極と、前記電子供給層の上における前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられたゲート電極と、を備えたことを特徴とする半導体装置が提供される。 According to one aspect of the present invention, a substrate, a first conductivity type GaN layer provided on the substrate, and an In X Al Y Ga 1-XY N ( 4.66X ≦ Y ≦ 4.66X + 0.41, X + Y ≦ 1), a channel layer made of GaN provided on the barrier layer, and provided on the channel layer, the channel layer An electron supply layer made of a nitride semiconductor having a larger band gap, a source electrode provided in contact with the surface of the electron supply layer, a drain electrode provided in contact with the surface of the electron supply layer, and the electrons There is provided a semiconductor device comprising: a gate electrode provided between the source electrode and the drain electrode on a supply layer.

本発明によれば、縦方向リーク電流を抑制する半導体装置が提供される。   According to the present invention, a semiconductor device that suppresses longitudinal leakage current is provided.

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。以下の実施形態では、半導体装置としてGaN系HEMT(High Electron Mobility Transistor)を一例に挙げて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, a GaN-based HEMT (High Electron Mobility Transistor) will be described as an example of a semiconductor device.

[第1の実施形態]
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の要部断面を示す模式図である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic view showing a cross-section of the main part of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.

導電性基板(例えばn型シリコン基板)2の主面上には、バッファ層(例えばn型AlN/n型AlGaNからなる)3が設けられている。基板2の主面の反対側の面には裏面電極1が設けられている。   On the main surface of the conductive substrate (for example, n-type silicon substrate) 2, a buffer layer (for example, made of n-type AlN / n-type AlGaN) 3 is provided. A back electrode 1 is provided on the surface opposite to the main surface of the substrate 2.

バッファ層3の上にはn型GaN層4が設けられ、n型GaN層4の上にはバリア層5が設けられている。バリア層5の上には、チャネル層6と電子供給層7とのヘテロ接合構造が設けられている。   An n-type GaN layer 4 is provided on the buffer layer 3, and a barrier layer 5 is provided on the n-type GaN layer 4. A heterojunction structure of the channel layer 6 and the electron supply layer 7 is provided on the barrier layer 5.

バリア層5は、InAlGa1−X−YNからなり、ここでInの組成比X、Alの組成比Yは、4.66X≦Y≦4.66X+0.41およびX+Y≦1を満足する。具体的には、本実施形態では、In0.05Al0.5Ga0.45Nをバリア層5として用いている。 Barrier layer 5 is made of In X Al Y Ga 1-X -Y N, where the composition ratio of an In X, the composition ratio Y of Al is a 4.66X ≦ Y ≦ 4.66X + 0.41 and X + Y ≦ 1 Satisfied. Specifically, in the present embodiment, In 0.05 Al 0.5 Ga 0.45 N is used as the barrier layer 5.

チャネル層6は、例えば不純物が添加されていないノンドープのGaNからなり、電子供給層7は、チャネル層6のGaNよりもバンドギャップが大きい例えばノンドープのAl0.2Ga0.8Nからなる。 The channel layer 6 is made of, for example, non-doped GaN to which no impurity is added, and the electron supply layer 7 is made of, for example, non-doped Al 0.2 Ga 0.8 N having a band gap larger than that of the GaN of the channel layer 6.

電子供給層7の表面上には、ソース電極8とドレイン電極9とが互いに離間して設けられている。ソース電極8及びドレイン電極9は、電子供給層7の表面にオーミック接触している。   On the surface of the electron supply layer 7, a source electrode 8 and a drain electrode 9 are provided apart from each other. The source electrode 8 and the drain electrode 9 are in ohmic contact with the surface of the electron supply layer 7.

ソース電極8とドレイン電極9との間における電子供給層7上には、絶縁膜(例えばシリコン窒化膜)11を介してゲート電極10が設けられている。なお、絶縁膜11を設けずに、ゲート電極10を電子供給層7の表面にショットキー接触させた構造であってもよい。ゲート電極10に加える電圧を制御することで、その下の電子供給層7とチャネル層6とのヘテロ接合界面における2次元電子ガス濃度が増減し、ソース電極8とドレイン電極9間に流れる主電流が変化する。   A gate electrode 10 is provided on the electron supply layer 7 between the source electrode 8 and the drain electrode 9 via an insulating film (for example, a silicon nitride film) 11. Note that the gate electrode 10 may be in Schottky contact with the surface of the electron supply layer 7 without providing the insulating film 11. By controlling the voltage applied to the gate electrode 10, the two-dimensional electron gas concentration at the heterojunction interface between the electron supply layer 7 and the channel layer 6 thereunder increases or decreases, and the main current flowing between the source electrode 8 and the drain electrode 9. Changes.

以下、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。   Hereinafter, a method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment will be described.

まず、例えば、800〜1200℃程度の温度のn型シリコン基板1上に、MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)法によって、n型AlN/n型AlGaN系材料からなるバッファ層3、n型GaN層4、In0.05Al0.5Ga0.45Nからなるバリア層5、ノンドープGaNからなるチャネル層6、Al0.2Ga0.8Nからなる電子供給層7を連続的にエピタキシャル成長する。 First, for example, a buffer layer 3 made of an n-type AlN / n-type AlGaN-based material and an n-type GaN layer are formed on an n-type silicon substrate 1 at a temperature of about 800 to 1200 ° C. by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). 4. A barrier layer 5 made of In 0.05 Al 0.5 Ga 0.45 N, a channel layer 6 made of non-doped GaN, and an electron supply layer 7 made of Al 0.2 Ga 0.8 N are continuously epitaxially grown. .

例えば、n型GaN層4の厚さは500(nm)、バリア層5の厚さは100(nm)、チャネル層6の厚さは2(μm)、電子供給層7の厚さは30(nm)とする。また、n型GaN層4のドナー濃度は、1×1018(cm−3)である。 For example, the n-type GaN layer 4 has a thickness of 500 (nm), the barrier layer 5 has a thickness of 100 (nm), the channel layer 6 has a thickness of 2 (μm), and the electron supply layer 7 has a thickness of 30 ( nm). The donor concentration of the n-type GaN layer 4 is 1 × 10 18 (cm −3 ).

次に、前述の工程までで得られたウェーハ表面全面に、例えば、PECVD(Plasma Enhanced chemical vapor deposition)法で、絶縁膜11としてシリコン窒化膜を10(nm)程堆積した後、フォトリソグラフィーおよびドライエッチングにより絶縁膜11に開口を形成し、その開口を介して電子供給層7の表面に接するソース電極8およびドレイン電極9を形成する。その後、絶縁膜11上にゲート電極10を形成する。   Next, about 10 nm of silicon nitride film is deposited as an insulating film 11 on the entire surface of the wafer obtained up to the above-described process by, for example, PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), and then photolithography and dry processing are performed. An opening is formed in the insulating film 11 by etching, and the source electrode 8 and the drain electrode 9 that are in contact with the surface of the electron supply layer 7 are formed through the opening. Thereafter, the gate electrode 10 is formed on the insulating film 11.

n型シリコン基板2は、その裏面に形成された裏面電極1および配線等を介してソース電極8と電気的に接続され、その基板2の上に設けられたバッファ層3及びn型GaN層4もn型にドーピングされている。したがって、基板1、バッファ層3およびn型GaN層4の電位がソース電位またはソース電位に近い電位に固定され、本実施形態に係る半導体装置を例えばスイッチング電源用パワー素子として用いた場合におけるオン・オフ切り替え時に、基板1、バッファ層3およびn型GaN層4の電位が大きく変動することを防げる。また、オフ状態ではドレイン電極9と基板1との間の縦方向にスイッチング動作電圧が印加されるが、その際、バッファ層3はn型にドーピングされているため、比較的欠陥密度の高いバッファ層3に電界がかかることを防げる。   The n-type silicon substrate 2 is electrically connected to the source electrode 8 through the back electrode 1 and wiring formed on the back surface, and the buffer layer 3 and the n-type GaN layer 4 provided on the substrate 2. Is also doped n-type. Therefore, the potential of the substrate 1, the buffer layer 3, and the n-type GaN layer 4 is fixed to the source potential or a potential close to the source potential, and the on / off in the case where the semiconductor device according to the present embodiment is used as a power element for a switching power supply, for example It is possible to prevent the potentials of the substrate 1, the buffer layer 3, and the n-type GaN layer 4 from greatly fluctuating when switching off. In the off state, a switching operation voltage is applied in the vertical direction between the drain electrode 9 and the substrate 1. At this time, since the buffer layer 3 is doped n-type, the buffer having a relatively high defect density. It is possible to prevent an electric field from being applied to the layer 3.

n型GaN層4と、ノンドープGaNからなるチャネル層5との間には、GaNよりもバンドギャップが大きいInAlGaNからなるバリア層5が設けられ、GaNとInAlGaNとのヘテロ界面の伝導帯不連続により、オフ状態のときに縦方向電界による基板1からドレイン電極9への電子電流を防げる。   Between the n-type GaN layer 4 and the channel layer 5 made of non-doped GaN, a barrier layer 5 made of InAlGaN having a band gap larger than that of GaN is provided. Due to the conduction band discontinuity at the heterointerface between GaN and InAlGaN. In the off state, the electron current from the substrate 1 to the drain electrode 9 due to the vertical electric field can be prevented.

ここで、バリア層5に用いるInAlGaNの組成比を、In0.05Al0.5Ga0.45Nとすることで、InAlGaNとGaNとの格子定数差が0.6%と小さくでき、バリア層5上下界面付近の結晶欠陥密度が非常に低くなる。そのため、チャネル層6とバリア層5との界面近傍の電子トラップ濃度が低減でき、高電圧印加時のオン抵抗増加現象(電流コラプス)を十分に低減することができる。 Here, by setting the composition ratio of InAlGaN used for the barrier layer 5 to In 0.05 Al 0.5 Ga 0.45 N, the lattice constant difference between InAlGaN and GaN can be reduced to 0.6%, and the barrier The crystal defect density in the vicinity of the upper and lower interfaces of the layer 5 becomes very low. Therefore, the electron trap concentration in the vicinity of the interface between the channel layer 6 and the barrier layer 5 can be reduced, and the on-resistance increase phenomenon (current collapse) when a high voltage is applied can be sufficiently reduced.

In0.05Al0.5Ga0.45NとGaNとのヘテロ界面の伝導帯不連続は0.7(eV)程度であるが、バリア層5はGaNとの格子定数差が小さいために比較的厚く、例えば100(nm)の厚さで形成でき、且つバリア層7のAl組成Yが、Y≧0.5と大きいため、バリア層7の大きな自発分極によるバックバリアが生じ、ドレイン電極9に大きな正バイアスが印加されたオフ状態においてドレイン電極9とその下の縦方向へのリーク電流を十分防ぐことができる。 The conduction band discontinuity at the hetero interface between In 0.05 Al 0.5 Ga 0.45 N and GaN is about 0.7 (eV), but the barrier layer 5 has a small lattice constant difference from GaN. Since the Al composition Y of the barrier layer 7 is as large as Y ≧ 0.5, for example, the barrier layer 7 can be formed with a thickness of 100 (nm), a back barrier due to large spontaneous polarization of the barrier layer 7 occurs, and the drain electrode In the off state in which a large positive bias is applied to the drain electrode 9, the drain electrode 9 and the vertical leakage current thereunder can be sufficiently prevented.

すなわち、本実施形態によれば、高電圧印加時のオン抵抗増加現象(電流コラプス)を十分に低減でき、且つオフ状態における縦方向リーク電流を防いで、良好なスイッチング特性を有する半導体装置を提供できる。   That is, according to the present embodiment, a semiconductor device having satisfactory switching characteristics can be provided in which the on-resistance increase phenomenon (current collapse) when a high voltage is applied can be sufficiently reduced, and the vertical leakage current in the off state is prevented. it can.

[第2の実施形態]
図2は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の要部断面を示す模式図である。
[Second Embodiment]
FIG. 2 is a schematic diagram showing a cross-section of the main part of a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.

導電性基板(例えばn型シリコン基板)2の主面上には、バッファ層(例えばAlN/AlGaNからなる)13が設けられている。基板2の主面の反対側の面には裏面電極1が設けられている。   A buffer layer (eg, made of AlN / AlGaN) 13 is provided on the main surface of the conductive substrate (eg, n-type silicon substrate) 2. A back electrode 1 is provided on the surface opposite to the main surface of the substrate 2.

バッファ層13の上にはn型GaN層14が設けられ、n型GaN層14の上にはバリア層15が設けられている。バリア層15の上には、チャネル層16と電子供給層17とのヘテロ接合構造が設けられている。   An n-type GaN layer 14 is provided on the buffer layer 13, and a barrier layer 15 is provided on the n-type GaN layer 14. A heterojunction structure of the channel layer 16 and the electron supply layer 17 is provided on the barrier layer 15.

バリア層15は、InAlGa1−X−YNからなり、ここでInの組成比X、Alの組成比Yは、4.66X≦Y≦4.66X+0.41およびX+Y≦1を満足する。具体的には、本実施形態では、In0.1Al0.8Ga0.1Nをバリア層15として用いている。 Barrier layer 15 is made of In X Al Y Ga 1-X -Y N, where the composition ratio of an In X, the composition ratio Y of Al is a 4.66X ≦ Y ≦ 4.66X + 0.41 and X + Y ≦ 1 Satisfied. Specifically, in the present embodiment, In 0.1 Al 0.8 Ga 0.1 N is used as the barrier layer 15.

チャネル層16は、例えば不純物が添加されていないノンドープのGaNからなり、電子供給層17は、チャネル層6のGaNよりもバンドギャップが大きい例えばn型のAl0.25Ga0.75Nからなる。 The channel layer 16 is made of, for example, non-doped GaN to which no impurity is added, and the electron supply layer 17 is made of, for example, n-type Al 0.25 Ga 0.75 N having a larger band gap than the GaN of the channel layer 6. .

電子供給層17の表面上には、ソース電極8とドレイン電極9とが互いに離間して設けられている。ソース電極8及びドレイン電極9は、電子供給層7の表面にオーミック接触している。   On the surface of the electron supply layer 17, the source electrode 8 and the drain electrode 9 are provided so as to be separated from each other. The source electrode 8 and the drain electrode 9 are in ohmic contact with the surface of the electron supply layer 7.

ソース電極8とドレイン電極9との間における電子供給層7上には、絶縁膜(例えばシリコン窒化膜)11を介してゲート電極10が設けられている。なお、絶縁膜11を設けずに、ゲート電極10を電子供給層7の表面にショットキー接触させた構造であってもよい。ゲート電極10に加える電圧を制御することで、その下の電子供給層17とチャネル層16とのヘテロ接合界面における2次元電子ガス濃度が増減し、ソース電極8とドレイン電極9間に流れる主電流が変化する。   A gate electrode 10 is provided on the electron supply layer 7 between the source electrode 8 and the drain electrode 9 via an insulating film (for example, a silicon nitride film) 11. Note that the gate electrode 10 may be in Schottky contact with the surface of the electron supply layer 7 without providing the insulating film 11. By controlling the voltage applied to the gate electrode 10, the two-dimensional electron gas concentration at the heterojunction interface between the electron supply layer 17 and the channel layer 16 thereunder increases or decreases, and the main current flowing between the source electrode 8 and the drain electrode 9. Changes.

n型シリコン基板2は、その裏面に形成された裏面電極1および配線等を介してソース電極8と電気的に接続されている。さらに、本実施形態では、n型GaN層14上のバリア層15、チャネル層16および電子供給層17の一部が例えばドライエッチングにより除去されて開口部が形成され、その開口部を介して、ソース電極8の一部が、開口部の底部に露出するn型GaN層14の表面に接している。この接触はオーミック性を有しており、n型GaN層14はソース電極8と同電位に保たれている。   The n-type silicon substrate 2 is electrically connected to the source electrode 8 through the back electrode 1 formed on the back surface, wiring, and the like. Furthermore, in this embodiment, a part of the barrier layer 15, the channel layer 16, and the electron supply layer 17 on the n-type GaN layer 14 is removed by, for example, dry etching to form an opening, and through the opening, A part of the source electrode 8 is in contact with the surface of the n-type GaN layer 14 exposed at the bottom of the opening. This contact has ohmic properties, and the n-type GaN layer 14 is kept at the same potential as the source electrode 8.

例えば、n型GaN層14の厚さは500(nm)、バリア層15の厚さは50(nm)、チャネル層16の厚さは3(μm)、電子供給層17の厚さは25(nm)である。また、n型GaN層14のドナー濃度は、2×1018(cm−3)である。 For example, the n-type GaN layer 14 has a thickness of 500 (nm), the barrier layer 15 has a thickness of 50 (nm), the channel layer 16 has a thickness of 3 (μm), and the electron supply layer 17 has a thickness of 25 ( nm). The donor concentration of the n-type GaN layer 14 is 2 × 10 18 (cm −3 ).

本実施形態におけるバッファ層13はドーピングされていないが、基板2及びn型GaN層14は共にソース電極8に接続されているため、バッファ層13を挟む上下の層は同電位になるため、比較的欠陥密度の高いバッファ層13にはスイッチング動作時に電界がかからない。   Although the buffer layer 13 in this embodiment is not doped, since both the substrate 2 and the n-type GaN layer 14 are connected to the source electrode 8, the upper and lower layers sandwiching the buffer layer 13 have the same potential. No electric field is applied to the buffer layer 13 having a high defect density during the switching operation.

n型GaN層14と、ノンドープGaNからなるチャネル層15との間には、GaNよりもバンドギャップが大きいInAlGaNからなるバリア層15が設けられ、GaNとInAlGaNとのヘテロ界面の伝導帯不連続により、オフ状態のときに縦方向電界による基板1からドレイン電極9への電子電流を防げる。   A barrier layer 15 made of InAlGaN having a band gap larger than that of GaN is provided between the n-type GaN layer 14 and the channel layer 15 made of non-doped GaN. Due to the conduction band discontinuity at the heterointerface between GaN and InAlGaN. In the off state, the electron current from the substrate 1 to the drain electrode 9 due to the vertical electric field can be prevented.

ここで、バリア層15に用いるInAlGaNの組成比を、In0.1Al0.8Ga0.1Nとすることで、InAlGaNとGaNとの格子定数差が0.8%と小さくでき、バリア層15上下界面付近の結晶欠陥密度が非常に低くなる。そのため、チャネル層16とバリア層15との界面近傍の電子トラップ濃度が低減でき、高電圧印加時のオン抵抗増加現象(電流コラプス)を十分に低減することができる。 Here, by setting the composition ratio of InAlGaN used for the barrier layer 15 to In 0.1 Al 0.8 Ga 0.1 N, the lattice constant difference between InAlGaN and GaN can be reduced to 0.8%, and the barrier The crystal defect density near the upper and lower interfaces of the layer 15 becomes very low. Therefore, the electron trap concentration in the vicinity of the interface between the channel layer 16 and the barrier layer 15 can be reduced, and the on-resistance increase phenomenon (current collapse) when a high voltage is applied can be sufficiently reduced.

また、本実施形態では、In0.1Al0.8Ga0.1NとGaNとのヘテロ界面の伝導帯不連続は1.28(eV)であり、上記第1の実施形態に比べて大きいため、バリア層15の厚さは第1の実施形態に比べて薄い50(nm)であるが、ドレイン電極9に大きな正バイアスが印加されたオフ状態においてドレイン電極9とその下の縦方向へのリーク電流を十分防ぐことができる。さらに、第1の実施形態と同様、バリア層17のAl組成Yが、Y≧0.5と大きいため、バリア層17の大きな自発分極によるバックバリアが生じ、このことによってもオフ時の縦方向リーク電流を防ぐことができる。 In the present embodiment, the conduction band discontinuity at the heterointerface between In 0.1 Al 0.8 Ga 0.1 N and GaN is 1.28 (eV), which is compared with the first embodiment. Since it is large, the thickness of the barrier layer 15 is 50 (nm), which is thinner than that of the first embodiment. However, the drain electrode 9 and the vertical direction below the drain electrode 9 in the off state where a large positive bias is applied to the drain electrode 9 Leakage current can be sufficiently prevented. Further, similarly to the first embodiment, since the Al composition Y of the barrier layer 17 is as large as Y ≧ 0.5, a back barrier is generated due to the large spontaneous polarization of the barrier layer 17, which also causes the vertical direction when off. Leakage current can be prevented.

すなわち、本実施形態においても、高電圧印加時のオン抵抗増加現象(電流コラプス)を十分に低減でき、且つオフ状態における縦方向リーク電流を防いで、良好なスイッチング特性を有する半導体装置を提供できる。   That is, also in the present embodiment, a semiconductor device having good switching characteristics can be provided by sufficiently reducing the on-resistance increase phenomenon (current collapse) when a high voltage is applied, and preventing the vertical leakage current in the off state. .

バリア層として用いられるInAlGa1−X−YNの組成比は、上記実施形態で挙げたものに限定されず、4.66X≦Y≦4.66X+0.41、およびX+Y≦1を満足すれば、InAlGaNとGaNとの格子定数差を1%以内に抑えて、電子に対する障壁として機能するのに十分な厚さ(数十nm)にバリア層を形成しても、バリア層とその上下のGaNとのそれぞれのヘテロ界面での結晶欠陥を抑制することができる。 The composition ratio of In X Al Y Ga 1- XYN used as the barrier layer is not limited to that described in the above embodiment, and 4.66X ≦ Y ≦ 4.66X + 0.41 and X + Y ≦ 1. If satisfied, even if the barrier layer is formed to a thickness (several tens of nm) sufficient to function as a barrier against electrons by suppressing the lattice constant difference between InAlGaN and GaN to within 1%, the barrier layer and its Crystal defects at the respective heterointerfaces with the upper and lower GaN can be suppressed.

図3は、バリア層におけるInの組成比X(横軸)と、Alの組成比Y(縦軸)との関係を示す。   FIG. 3 shows the relationship between the In composition ratio X (horizontal axis) and the Al composition ratio Y (vertical axis) in the barrier layer.

XとYが、Y=4.66Xの関係にあれば、InAlGa1−X−YNとGaNとの格子定数差が0%となり、Y=4.66X+0.41の関係にあれば、GaNの格子定数に対してInAlGa1−X−YNの格子定数が1%小さくなる。GaNの格子定数に対してInAlGa1−X−YNの格子定数が1%大きくなっても、バリア層を電子に対する障壁として機能させることが実質期待できず、したがって、縦方向リーク電流を防ぐ機能を有するバリア層を、GaNとの格子定数差を小さくして形成するには、4.66X≦Y≦4.66X+0.41を満たす、すなわち図3におけるY=4.66Xの直線とY=4.66X+0.41の直線との間の範囲のX、Yにする必要がある。なお、X+Y=1は、XとYの組成比の和が1以下になることによる制約条件である。 If X and Y are in the relationship of Y = 4.66X, the lattice constant difference between In X Al Y Ga 1- XYN and GaN is 0%, and Y = 4.66X + 0.41. For example, the lattice constant of In X Al Y Ga 1- XYN is 1% smaller than that of GaN. Even if the lattice constant of In X Al Y Ga 1-X -Y N with respect to the lattice constant of GaN becomes 1% greater, it can not be substantially expected to function barrier layer as a barrier to electrons, thus, longitudinal leak In order to form a barrier layer having a function of preventing current with a small lattice constant difference from GaN, 4.66X ≦ Y ≦ 4.66X + 0.41 is satisfied, that is, a straight line of Y = 4.66X in FIG. And X = Y in the range between Y = 4.66X + 0.41 straight line. X + Y = 1 is a constraint condition that the sum of the composition ratios of X and Y is 1 or less.

−1%≦GaNに対するAlGaNの格子定数差≦0%は、
3.157オングストローム≦AlGaNのa軸の格子定数≦GaNのa軸の格子定数(=3.189)と表すことができる。
−1% ≦ AlGaN lattice constant difference ≦ 0%
3.157 Å ≦ lattice constant of AlGaN a-axis ≦ lattice constant of GaN a-axis (= 3.189).

また、縦方向リーク電流の防止効果を高めるには、Y≧0.5が望ましく、この条件を上記条件に加えたものは、図3において4本の直線、X+Y=1、Y=4.66X+0.41、Y=4.66X、およびY=0.5で囲まれた四角形の範囲となる。   Further, in order to enhance the effect of preventing the vertical leakage current, it is desirable that Y ≧ 0.5, and when this condition is added to the above conditions, the four straight lines in FIG. 3, X + Y = 1, Y = 4.66X + 0 .41, Y = 4.66X, and Y = 0.5.

また、現状、窒化物半導体にとってp型よりもn型の方が作りやすいことから、上記実施形態では第1導電型をn型としたが、p型であってもよい。   In addition, since the n-type is easier to make than the p-type for nitride semiconductors at present, the first conductivity type is n-type in the above embodiment, but it may be p-type.

本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の要部断面を示す模式図。1 is a schematic diagram showing a cross section of a main part of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の要部断面を示す模式図。The schematic diagram which shows the principal part cross section of the semiconductor device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る半導体装置のバリア層におけるInの組成比XとAlの組成比Yとの関係を示す模式図。The schematic diagram which shows the relationship between the composition ratio X of In and the composition ratio Y of Al in the barrier layer of the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

2…基板、3,13…バッファ層、4,14…n型GaN層、5,15…バリア層、6,16…チャネル層、7,17…電子供給層、8…ソース電極、9…ドレイン電極、10…ゲート電極   DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 ... Substrate, 3, 13 ... Buffer layer, 4, 14 ... N-type GaN layer, 5, 15 ... Barrier layer, 6, 16 ... Channel layer, 7, 17 ... Electron supply layer, 8 ... Source electrode, 9 ... Drain Electrode, 10 ... Gate electrode

Claims (5)

基板と、
前記基板の上に設けられた第1導電型のGaN層と、
前記GaN層の上に設けられたInAlGa1−X−YN(4.66X≦Y≦4.66X+0.41、X+Y≦1)からなるバリア層と、
前記バリア層の上に設けられたGaNからなるチャネル層と、
前記チャネル層の上に設けられ、前記チャネル層よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体からなる電子供給層と、
前記電子供給層の表面に接して設けられたソース電極と、
前記電子供給層の表面に接して設けられたドレイン電極と、
前記電子供給層の上における前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられたゲート電極と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
A substrate,
A first conductivity type GaN layer provided on the substrate;
A barrier layer made of the In provided on the GaN layer X Al Y Ga 1-X- Y N (4.66X ≦ Y ≦ 4.66X + 0.41, X + Y ≦ 1),
A channel layer made of GaN provided on the barrier layer;
An electron supply layer provided on the channel layer and made of a nitride semiconductor having a larger band gap than the channel layer;
A source electrode provided in contact with the surface of the electron supply layer;
A drain electrode provided in contact with the surface of the electron supply layer;
A gate electrode provided between the source electrode and the drain electrode on the electron supply layer;
A semiconductor device comprising:
前記バリア層におけるAl組成比Yが、Y≧0.5であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein an Al composition ratio Y in the barrier layer satisfies Y ≧ 0.5. 前記基板は導電性であり、かつ、前記基板と前記ソース電極とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the substrate is conductive, and the substrate and the source electrode are electrically connected. 前記ソース電極は、前記第1導電型のGaN層にオーミック接触していることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the source electrode is in ohmic contact with the first conductivity type GaN layer. 前記基板と前記第1導電型のGaN層との間に、窒化物半導体からなるバッファ層が設けられたことを特徴とする請求項4記載の半導体装置。   5. The semiconductor device according to claim 4, wherein a buffer layer made of a nitride semiconductor is provided between the substrate and the GaN layer of the first conductivity type.
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