JP2010267881A - Field-effect transistor and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば民生機器の電源回路等に用いられるパワートランジスタに適用可能な窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a field effect transistor using a nitride semiconductor that can be applied to a power transistor used in, for example, a power supply circuit of a consumer device, and a manufacturing method thereof.
窒化ガリウム(GaN)に代表されるIII族窒化物半導体は、例えば窒化ガリウム(GaN)及び窒化アルミニウム(AlN)等の禁止帯幅が室温でそれぞれ3.4eV及び6.2eVと大きいワイドギャップ半導体であり、絶縁破壊電界が大きく且つ電子飽和速度が砒化ガリウム(GaAs)等の化合物半導体やシリコン(Si)等と比べて大きいという特徴を有している。そこで、高周波用電子デバイス又は高出力電子デバイスとして、GaN系の窒化物半導体材料を用いた電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor:FET)の研究開発が活発に行われている。 Group III nitride semiconductors typified by gallium nitride (GaN) are wide gap semiconductors such as gallium nitride (GaN) and aluminum nitride (AlN), which have large forbidden band widths of 3.4 eV and 6.2 eV, respectively, at room temperature. In addition, the dielectric breakdown electric field is large and the electron saturation speed is higher than that of a compound semiconductor such as gallium arsenide (GaAs) or silicon (Si). Thus, research and development of field effect transistors (FETs) using GaN-based nitride semiconductor materials are being actively conducted as high-frequency electronic devices or high-power electronic devices.
また、(0001)面上のAlGaN/GaNヘテロ構造においては、その界面に自発分極及びピエゾ分極によって生じる高濃度のキャリアが不純物をドーピングしない状態でも発生する。従って、このような特徴に基づき、窒化物半導体のヘテロ接合を用いた低オン抵抗の横型チャネル構造のデプレッション型(ノーマリオン型)電界効果トランジスタが報告されている(非特許文献1参照)。 Further, in the AlGaN / GaN heterostructure on the (0001) plane, high concentration carriers generated by spontaneous polarization and piezoelectric polarization are generated at the interface even when no impurity is doped. Therefore, a depletion type (normally on type) field effect transistor having a low on-resistance lateral channel structure using a nitride semiconductor heterojunction has been reported (see Non-Patent Document 1).
ところで、このような横型チャネル構造の電界効果トランジスタにおいて耐圧を向上させるにはゲート電極とドレイン電極との間隔を大きくすることが必要となり、高耐圧の電界効果トランジスタを実現しようとするとデバイスサイズが大きくなる課題が存在する。 By the way, in order to improve the breakdown voltage in a field effect transistor having such a lateral channel structure, it is necessary to increase the distance between the gate electrode and the drain electrode. To achieve a high breakdown voltage field effect transistor, the device size increases. There is a problem.
これに対し、より小さなデバイスサイズで高耐圧を実現可能な電界効果トランジスタとして、SIT(Static Induction Transistor:静電誘導トランジスタ)やPBT(Permable Base Transistor)と呼ばれる縦型チャネル構造の電界効果トランジスタがある。縦型チャネル構造の電界効果トランジスタは、半導体層の表面に凸部を形成し、凸部の上方及び下方にソース電極及びドレイン電極をそれぞれ形成し、凸部の側壁にゲート電極を形成して構成される。そして一般的に、ゲート電極に印加するゲート電圧により、チャネルを流れる電流が制御される。 On the other hand, as a field effect transistor capable of realizing a high breakdown voltage with a smaller device size, there are field effect transistors having a vertical channel structure called SIT (Static Induction Transistor) or PBT (Permable Base Transistor). . A field effect transistor having a vertical channel structure is configured by forming a convex portion on the surface of a semiconductor layer, forming a source electrode and a drain electrode above and below the convex portion, and forming a gate electrode on the side wall of the convex portion. Is done. In general, the current flowing through the channel is controlled by the gate voltage applied to the gate electrode.
しかしながら、従来例の縦型チャネル構造を有する電界効果トランジスタでは、ゲート電極に電圧を印加していない状態(ゲート電圧0V)におけるリーク電流が大きく、十分なノーマリオフ動作が実現されない。 However, in the conventional field effect transistor having a vertical channel structure, a leak current is large when no voltage is applied to the gate electrode (gate voltage 0 V), and a sufficiently normally-off operation is not realized.
そこで本発明は、かかる問題点に鑑み、ゲート電圧0Vにおけるリーク電流を低減し、十分なノーマリオフ動作を実現可能な縦型チャネル構造の電界効果トランジスタ及びその製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a field effect transistor having a vertical channel structure capable of reducing a leakage current at a gate voltage of 0 V and realizing a sufficient normally-off operation, and a manufacturing method thereof.
前記の目的を達成するため、本発明の窒化物半導体電界効果トランジスタは、第1導電型の第1の窒化物半導体層と、前記第1の窒化物半導体層の上に形成され、平坦部及び凸部が表面に設けられ、前記第1の窒化物半導体層のキャリア濃度よりも低いキャリア濃度を有する第1導電型の第2の窒化物半導体層と、前記凸部の上方に形成されたソース電極と、前記第1の窒化物半導体層と電気的に接続されたドレイン電極と、前記凸部の側面に接するように前記平坦部の上に形成された第2導電型の第3の半導体層と、前記第3の半導体層の上に形成されたゲート電極とを備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a nitride semiconductor field effect transistor according to the present invention is formed on a first conductivity type first nitride semiconductor layer, the first nitride semiconductor layer, a flat portion, and A first conductivity type second nitride semiconductor layer having a convex portion provided on the surface and having a carrier concentration lower than the carrier concentration of the first nitride semiconductor layer, and a source formed above the convex portion An electrode, a drain electrode electrically connected to the first nitride semiconductor layer, and a second conductivity type third semiconductor layer formed on the flat portion so as to be in contact with a side surface of the convex portion And a gate electrode formed on the third semiconductor layer.
この構成によれば、第1導電型の第2の窒化物半導体層と第2導電型の第3の半導体層との接合により発生するビルトインポテンシャルが、第2の窒化物半導体層のポテンシャルエネルギーを変化させる。従って、第2の窒化物半導体層の凸部を横断するように空乏層が形成され、空乏層によりチャネルが分断される。その結果、ゲート電圧を印加していない状態で電流は流れないため、ゲート電圧0Vにおけるリーク電流を低減し、縦型チャネル構造の電界効果トランジスタにおいて十分なノーマリオフ動作が可能となる。 According to this configuration, the built-in potential generated by the junction of the first conductivity type second nitride semiconductor layer and the second conductivity type third semiconductor layer reduces the potential energy of the second nitride semiconductor layer. Change. Therefore, a depletion layer is formed so as to cross the convex portion of the second nitride semiconductor layer, and the channel is divided by the depletion layer. As a result, no current flows when no gate voltage is applied, so that a leakage current at a gate voltage of 0 V is reduced, and a sufficiently normally off operation is possible in a field effect transistor having a vertical channel structure.
また、金属と半導体との接合であるショットキー接合と比べてビルトインポテンシャルが大きいpn接合が用いられるため、ゲートの立ち上がり電圧を大きくすることができ、大きなドレイン電流を得ることができる。また同時に、正のゲート電圧を印加しても、ゲートリーク電流を小さく抑えることが可能となる。 In addition, since a pn junction having a larger built-in potential than a Schottky junction that is a junction between a metal and a semiconductor is used, the rising voltage of the gate can be increased and a large drain current can be obtained. At the same time, even if a positive gate voltage is applied, the gate leakage current can be kept small.
ここで、本発明の電界効果トランジスタは、前記第3の半導体層は構成元素に酸素または硫黄を含むことを特徴としている。 Here, the field effect transistor of the present invention is characterized in that the third semiconductor layer contains oxygen or sulfur as a constituent element.
この構成によれば、酸素または硫黄を構成元素に有するワイドバンドギャップ半導体を第3の半導体層に用いることができ、大きなビルトインポテンシャルを得ることが可能となる。 According to this configuration, a wide band gap semiconductor having oxygen or sulfur as a constituent element can be used for the third semiconductor layer, and a large built-in potential can be obtained.
また、本発明の電界効果トランジスタは、前記第3の半導体層がデラフォサイト構造、カルコゲナイド構造、岩塩構造及びウルツ鉱型構造のいずれかの結晶構造を有することを特徴としている。 The field effect transistor of the present invention is characterized in that the third semiconductor layer has a crystal structure of any one of a delafossite structure, a chalcogenide structure, a rock salt structure, and a wurtzite structure.
また、本発明の電界効果トランジスタは、前記第3の半導体層が窒化物半導体層であることを特徴とする。 The field effect transistor of the present invention is characterized in that the third semiconductor layer is a nitride semiconductor layer.
また、本発明の電界効果トランジスタは、前記第1の窒化物半導体層及び前記第2の窒化物半導体層がそれぞれn型半導体層であり、前記第3の半導体層がp型半導体層であることを特徴とする。 In the field effect transistor of the present invention, the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer are each an n-type semiconductor layer, and the third semiconductor layer is a p-type semiconductor layer. It is characterized by.
また、本発明の電界効果トランジスタは、さらに、前記ソース電極の上方に形成された、前記第3の半導体層と同じ材料の半導体層と、前記ソース電極の上方に形成された、前記ゲート電極と同じ材料の電極との少なくともいずれか一方を備えることを特徴とする。 The field effect transistor of the present invention further includes a semiconductor layer formed above the source electrode and made of the same material as the third semiconductor layer, and the gate electrode formed above the source electrode. It is characterized by comprising at least one of electrodes made of the same material.
この構成によれば、第3の半導体層及びゲート電極はソース電極をマスクとしたセルフアラインプロセスにて形成可能であり、よりチップ面積が小さな縦型チャネルを有する電界効果トランジスタを実現することが可能となる。 According to this configuration, the third semiconductor layer and the gate electrode can be formed by a self-align process using the source electrode as a mask, and a field effect transistor having a vertical channel with a smaller chip area can be realized. It becomes.
また本発明は、基板上に第1導電型の第1の窒化物半導体層を形成する工程と、前記第1の窒化物半導体層の上に、平坦部及び凸部が表面に設けられ、前記第1の窒化物半導体層のキャリア濃度よりも低いキャリア濃度を有する第1導電型の第2の窒化物半導体層を形成する工程と、前記第2の窒化物半導体層の上方にソース電極を形成する工程と、前記第1の窒化物半導体層と電気的に接続されたドレイン電極を形成する工程と、前記凸部の側面に接するように前記平坦部の上に第2導電型の第3の半導体層を形成する工程と、前記第3の半導体層の上にゲート電極を形成する工程とを含む電界効果トランジスタの製造方法とすることもできる。 According to the present invention, a step of forming a first conductivity type first nitride semiconductor layer on a substrate, a flat portion and a convex portion are provided on the surface of the first nitride semiconductor layer, Forming a first conductivity type second nitride semiconductor layer having a carrier concentration lower than the carrier concentration of the first nitride semiconductor layer, and forming a source electrode above the second nitride semiconductor layer A step of forming a drain electrode electrically connected to the first nitride semiconductor layer, and a second conductive type third electrode on the flat portion so as to contact a side surface of the convex portion. It can also be set as the manufacturing method of a field effect transistor including the process of forming a semiconductor layer, and the process of forming a gate electrode on the said 3rd semiconductor layer.
本発明の電界効果トランジスタ及びその製造方法によると、高いオフ耐圧を有する窒化物半導体を用いたノーマリオフ型且つ大電流の縦型チャネル構造の電界効果トランジスタを実現できる。 According to the field effect transistor and the method of manufacturing the same of the present invention, it is possible to realize a normally-off and large current vertical channel structure field effect transistor using a nitride semiconductor having a high off breakdown voltage.
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る縦型チャネル構造の電界効果トランジスタについて図面を参照しながら説明する。
(First embodiment)
A vertical channel structure field effect transistor according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本実施形態に係る縦型チャネル構造の電界効果トランジスタの断面図である。
図1に示すように、この電界効果トランジスタは、n型GaN基板101、高濃度n型GaN層102、n型GaN層103、高濃度n型InAlGaN層104、タングステンシリサイド(WSi)ソース電極105、p型酸化亜鉛(ZnO)層106、p型ZnO層117、ニッケル(Ni)/金(Au)ゲート電極107、チタン(Ti)/アルミニウム(Al)ドレイン電極109、及びNi/Au電極108を備える。
FIG. 1 is a sectional view of a field effect transistor having a vertical channel structure according to the present embodiment.
As shown in FIG. 1, the field effect transistor includes an n-
同電界効果トランジスタでは、主面の面方位が(0001)面のn型GaN基板101の主面上に、高濃度n型GaN層102と、n型GaN層103と、高濃度n型InAlGaN層104とが順次エピタキシャル成長されている。
In the field effect transistor, a high-concentration n-
n型GaN層103は、高濃度n型GaN層102の上に形成され、表面に平坦部124及び凸部122が設けられ、高濃度n型GaN層102のキャリア濃度よりも低いキャリア濃度を有する半導体層である。
The n-
高濃度n型InAlGaN層104は、凸部122の上面に選択的に形成されている。高濃度n型InAlGaN層104は、例えばIn0.02Al0.38Ga0.60Nから構成され、n型GaN層103に格子整合する形で形成されている。n型GaN層103と高濃度n型InAlGaN層104の一部が選択的に除去されており、高濃度n型InAlGaN層104表面から例えば250nmの深さの切り欠き部121が形成されている。
The high concentration n-
Ni/Auゲート電極107はNi/Auから構成され、Ti/Alドレイン電極109はTi/Alから構成され、Ni/Au電極108はNi/Auから構成される。
The Ni /
p型ZnO層106は、構成元素に酸素を含む酸化物半導体層であり、凸部122の側面に接するように平坦部124の上に形成されている。Ni/Auゲート電極107は、そのp型ZnO層106の上に形成されている。
The p-
WSiソース電極105は、WSiから構成され、高濃度n型InAlGaN層104の上(n型GaN層103の凸部122の上方)に形成され、高濃度n型InAlGaN層104とオーミック接触して形成されている。このWSiソース電極105をマスクとして、p型ZnO層106及びNi/Auゲート電極107が所謂セルフアライン工程にて形成されている。WSiソース電極105の上方に位置するNi/Au電極108は、ソース電極の一部として機能する。n型GaN基板101の裏面には、Ti/Alドレイン電極109がn型GaN基板101にオーミック接触して形成されている。
The
ここで、WSiソース電極105上方に形成されたp型ZnO層117は、n型GaN層103の平坦部124の上に形成されたp型ZnO層106と同じ材料の半導体層である。同じく、WSiソース電極105上方に形成されたNi/Au電極108は、p型ZnO層106の上に形成されたNi/Auゲート電極107と同じ材料の電極である。
Here, the p-
例えば、n型GaN層103の凸部122の幅は0.6μm、n型GaN層103のキャリア濃度は1×1017cm-3、p型ZnO層106のキャリア濃度は1×1018cm-3であることが望ましい。
For example, the width of the
上記構造の電界効果トランジスタでは、n型GaN層103とp型ZnO層106との接合により発生するビルトインポテンシャルにより、n型GaN層103のポテンシャルエネルギーが上昇する。それにより、ゲート電圧を印加していない状態(ゲート電圧0V)においてもn型GaN層103の凸部122を横断するようにn型GaN層103内に空乏層が形成され、空乏層によりチャネルが分断される。従って、ゲート電圧を印加していない状態で電流は流れず、所謂ノーマリオフ動作が実現可能となる。
In the field effect transistor having the above structure, the potential energy of the n-
次に本実施形態に係る電界効果トランジスタの製造方法の一例について説明する。図2は、同電界効果トランジスタの製造方法を示す断面図である。 Next, an example of the manufacturing method of the field effect transistor according to the present embodiment will be described. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the same field effect transistor.
まずはMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法により、n型GaN基板101の主面上に、膜厚500nmの高濃度n型GaN層102、膜厚2μmのn型GaN層103、及び膜厚20nmの高濃度n型InAlGaN層104が順次エピタキシャル成長される(図2(a))。
First, a high concentration n-
続いて、例えばスパッタ等によりWSiが高濃度n型InAlGaN層104の上に堆積された後、ドライエッチングにより部分的にWSiが除去され、WSiソース電極105が形成される(図2(b)及び図2(c))。
Subsequently, WSi is deposited on the high-concentration n-
続いて、WSiソース電極105をマスクとして、例えばICP(Inductively Coupled Plasma)等のドライエッチングにより高濃度n型InAlGaN層104及びn型GaN層103の一部が除去され、凸型構造(凸部122)が形成される(図2(d))。
Subsequently, using the
続いて、WSiソース電極105をマスクとしたセルフアラインプロセスで、例えばPLD(Pulsed Laser Deposition)等によりn型GaN層103の平坦部124の上にp型ZnO層106が堆積された後、p型ZnO層106の上にNi/Auゲート電極107が堆積される。このp型ZnO層106及びNi/Auゲート電極107の形成において、WSiソース電極105の上にp型ZnO層117及びNi/Au電極108が形成される。
Subsequently, after the p-
最後に、n型GaN基板101の裏面にTi/Alドレイン電極109が形成される(図2(e))。
Finally, a Ti /
以上のように本実施形態の電界効果トランジスタは、縦型チャネル構造を有するため、小さなデバイス面積でも高耐圧の電界効果トランジスタを実現できる。 As described above, since the field effect transistor of this embodiment has a vertical channel structure, a high withstand voltage field effect transistor can be realized even with a small device area.
また、本実施形態の電界効果トランジスタでは、p型ZnO層106よりTi/Alドレイン電極109側に位置するGaN層が露出することがないため、GaNを用いた横型チャネル構造の電界効果トランジスタで課題であった電流コラプス現象が生じることなく、高信頼性の電界効果トランジスタが実現可能となる。
Further, in the field effect transistor of this embodiment, the GaN layer located on the Ti /
また、本実施形態のトランジスタでは、ゲート長はp型ZnO層106の厚さで制御可能である。従って、電子ビームリソグラフィのような高コスト・低スループットのプロセス工程を用いることなく、従来の横型チャネル構造の電界効果トランジスタでは困難であった50nm以下のゲート長を実現できるため、低コストで高性能の電界効果トランジスタを実現することが可能となる。
In the transistor of this embodiment, the gate length can be controlled by the thickness of the p-
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態に係る縦型チャネル構造の電界効果トランジスタについて図面を参照しながら説明する。
(Second Embodiment)
A field effect transistor having a vertical channel structure according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図3は本実施形態に係る縦型チャネル構造の電界効果トランジスタの断面図である。
図3に示すように、この電界効果トランジスタは、サファイア基板110、AlNバッファ層111、高濃度n型GaN層102、n型GaN層103、高濃度n型InAlGaN層104、WSiソース電極105、p型酸化ニッケル(NiO)層112、Ni/Auゲート電極107、Ti/Alドレイン電極109、p型NiO層113、及びNi/Au電極108を備える。
FIG. 3 is a sectional view of a field effect transistor having a vertical channel structure according to the present embodiment.
As shown in FIG. 3, the field effect transistor includes a
同電界効果トランジスタでは、主面の面方位が(0001)面のサファイア基板110の主面上に、AlNバッファ層111と、高濃度n型GaN層102と、n型GaN層103と、高濃度n型InAlGaN層104とが順次エピタキシャル成長されている。
In the same field effect transistor, an
n型GaN層103は、高濃度n型GaN層102の上に形成され、表面に平坦部124及び凸部122が設けられ、高濃度n型GaN層102のキャリア濃度よりも低いキャリア濃度を有する半導体層である。
The n-
高濃度n型InAlGaN層104は、凸部122の上面に選択的に形成されている。高濃度n型InAlGaN層104は、例えばIn0.02Al0.38Ga0.60Nから構成され、n型GaN層103に格子整合する形で形成されている。n型GaN層103と高濃度n型InAlGaN層104の一部が選択的に除去されており、高濃度n型InAlGaN層104表面から例えば250nmの深さの切り欠き部121が形成されている。さらに、n型GaN層103と高濃度n型GaN層102の一部が選択的に除去されており、切り欠き部123が形成されている。
The high concentration n-
p型NiO層112は、構成元素に酸素を含む酸化物半導体層であり、凸部122の側面に接するように平坦部124の上に形成されている。Ni/Auゲート電極107は、そのp型NiO層112の上に形成されている。
The p-
WSiソース電極105は、高濃度n型InAlGaN層104の上(凸部122の上方)に形成され、高濃度n型InAlGaN層104とオーミック接触して形成されている。このWSiソース電極105をマスクとして、p型NiO層112及びNi/Auゲート電極107が所謂セルフアライン工程にて形成されている。WSiソース電極105の上方に位置するNi/Au電極108はソース電極の一部として機能する。高濃度n型GaN層102の切り欠き部123が形成された部分には、Ti/Alドレイン電極109が高濃度n型GaN層102にオーミック接触して形成されている。Ti/Alドレイン電極109は、高濃度n型GaN層102と電気的に接続されている。
The
ここで、WSiソース電極105上方に形成されたp型NiO層113は、n型GaN層103の平坦部124の上に形成されたp型NiO層112と同じ材料の半導体層である。同じく、WSiソース電極105上方に形成されたNi/Au電極108は、p型NiO層112の上に形成されたNi/Auゲート電極107と同じ材料の電極である。
Here, the p-
例えば、n型GaN層103の凸部122の幅は0.6μm、n型GaN層103のキャリア濃度は1×1017cm-3、p型NiO層112のキャリア濃度は1×1018cm-3であることが望ましい。
For example, the width of the
上記構造の電界効果トランジスタでは、n型GaN層103とp型NiO層112との接合により発生するビルトインポテンシャルにより、n型GaN層103のポテンシャルエネルギーが上昇する。それにより、ゲート電圧を印加していない状態(ゲート電圧0V)においてもn型GaN層103の凸部122を横断するようにn型GaN層103内に空乏層が形成され、空乏層によりチャネルが分断される。従って、ゲート電圧を印加していない状態で電流は流れず、所謂ノーマリオフ動作が実現可能となる。
In the field effect transistor having the above structure, the potential energy of the n-
次に本実施形に係る電界効果トランジスタの製造方法の一例について説明する。図4は、同電界効果トランジスタの製造方法を示す断面図である。 Next, an example of a method for manufacturing the field effect transistor according to this embodiment will be described. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the same field effect transistor.
まずはMOCVD法により、サファイア基板110の主面上に、膜厚30nmのAlNバッファ層111、膜厚500nmの高濃度n型GaN層102、膜厚2μmのn型GaN層103、及び膜厚20nmの高濃度n型InAlGaN層104が順次エピタキシャル成長される。
First, by MOCVD, an
続いて、例えばスパッタ等によりWSiが高濃度n型InAlGaN層104の上に堆積された後、ドライエッチングにより部分的にWSiが除去され、WSiソース電極105が形成される(図4(a))。
Subsequently, WSi is deposited on the high-concentration n-
続いて、WSiソース電極105をマスクとして、例えばICP等のドライエッチングにより高濃度n型InAlGaN層104及びn型GaN層103の一部が除去され、凸型構造(凸部122)が形成される。さらに、n型GaN層103及び高濃度n型GaN層102層の一部がエッチングにより除去される(図4(b))。
Subsequently, using the
続いて、WSiソース電極105をマスクとしたセルフアラインプロセスで、例えばPLD等によりn型GaN層103の平坦部124の上にp型NiO層112が堆積された後、p型NiO層112の上にNi/Auゲート電極107が堆積される(図4(c))。このp型NiO層112及びNi/Auゲート電極107の形成において、WSiソース電極105の上にp型NiO層113及びNi/Au電極108が形成される。
Subsequently, after the p-
最後に、高濃度n型GaN層102層の上にTi/Alドレイン電極109が形成される(図4(d))。
Finally, a Ti /
以上のように本実施形態の電界効果トランジスタは、縦型チャネル構造を有するため、小さなデバイス面積でも高耐圧の電界効果トランジスタを実現できる。 As described above, since the field effect transistor of this embodiment has a vertical channel structure, a high withstand voltage field effect transistor can be realized even with a small device area.
(第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態に係る縦型チャネル構造の電界効果トランジスタについて図面を参照しながら説明する。
(Third embodiment)
A field effect transistor having a vertical channel structure according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図5は本実施形態に係る縦型チャネル構造の電界効果トランジスタの断面図である。
図5に示すように、この電界効果トランジスタは、n型GaN基板101、高濃度n型GaN層102、n型GaN層103、高濃度n型InAlGaN層104、WSiソース電極105、p型GaN層114、Ni/Auゲート電極107、Ti/Alドレイン電極109、及びNi/Au電極108を備える。
FIG. 5 is a sectional view of a field effect transistor having a vertical channel structure according to the present embodiment.
As shown in FIG. 5, this field effect transistor includes an n-
同電界効果トランジスタでは、主面の面方位が(0001)面のn型GaN基板101の主面上に、高濃度n型GaN層102と、n型GaN層103と、高濃度n型InAlGaN層104とが順次エピタキシャル成長されている。さらに、n型GaN層103の上に、p型GaN層114がエピタキシャル成長されている。
In the field effect transistor, a high-concentration n-
n型GaN層103は、高濃度n型GaN層102の上に形成され、表面に平坦部124及び凸部122が設けられ、高濃度n型GaN層102のキャリア濃度よりも低いキャリア濃度を有する半導体層である。
The n-
高濃度n型InAlGaN層104は、凸部122の上面に選択的に形成されている。高濃度n型InAlGaN層104は、例えばIn0.02Al0.38Ga0.60Nから構成され、n型GaN層103に格子整合する形で形成されている。
The high concentration n-
p型GaN層114は、凸部122の側面に接するように平坦部124の上に形成されている。Ni/Auゲート電極107は、そのp型GaN層114の上に形成されている。
The p-
WSiソース電極105は、高濃度n型InAlGaN層104の上(凸部122の上方)に形成され、高濃度n型InAlGaN層104とオーミック接触して形成されている。このWSiソース電極105をマスクとして、Ni/Auゲート電極107が所謂セルフアライン工程にて形成されている。WSiソース電極105の上方に位置するNi/Au電極108は、ソース電極の一部として機能する。n型GaN基板101の裏面にTi/Alドレイン電極109がn型GaN基板101にオーミック接触して形成されている。Ti/Alドレイン電極109は、高濃度n型GaN層102と電気的に接続されている。
The
ここで、WSiソース電極105上方に形成されたNi/Au電極108は、p型GaN層114の上に形成されたNi/Auゲート電極107と同じ材料の電極である。
Here, the Ni /
例えば、n型GaN層103の凸部122の幅は0.6μm、n型GaN層103のキャリア濃度は1×1017cm-3、p型GaN層114のキャリア濃度は1×1018cm-3であることが望ましい。
For example, the width of the
上記構造の電界効果トランジスタでは、n型GaN層103とp型GaN層114との接合により発生するビルトインポテンシャルにより、n型GaN層103のポテンシャルエネルギーが上昇する。それにより、ゲート電圧を印加していない状態(ゲート電圧0V)においてもn型GaN層103の凸部122を横断するようにn型GaN層103内に空乏層が形成され、空乏層によりチャネルが分断される。従って、ゲート電圧を印加していない状態で電流は流れず、所謂ノーマリオフ動作が実現可能となる。
In the field effect transistor having the above structure, the potential energy of the n-
次に本実施形態に係る電界効果トランジスタの製造方法の一例について説明する。図6は同電界効果トランジスタの製造方法を示す断面図である。 Next, an example of the manufacturing method of the field effect transistor according to the present embodiment will be described. FIG. 6 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the same field effect transistor.
まずは、n型GaN基板101の主面上に、MOCVD法により、膜厚500nmの高濃度n型GaN層102、膜厚200nmのn型GaN層103、及び膜厚200nmのp型GaN層114が順次エピタキシャル成長される(図6(a))。
First, a high-concentration n-
続いて、例えばICP等のドライエッチングにより、具体的には塩素(Cl2)を主成分とするドライエッチングにより、p型GaN層114の一部が選択的に除去され開口部130が形成され、該開口部130からはn型GaN層103の表面が露出する(図6(b))。
Subsequently, a part of the p-
続いて、MOCVD法により、膜厚2μmのn型GaN層103、及び膜厚20nmの高濃度n型InAlGaN層104が順次エピタキシャル成長される。さらに例えばスパッタ等によりWSiが高濃度n型InAlGaN層104の上に堆積された後、ドライエッチングによりWSiが部分的に除去さて、WSiソース電極105が形成される。
Subsequently, an n-
続いて、WSiソース電極105をマスクとして、例えばICP等のドライエッチングにより、p型GaN層114の表面が露出するまで高濃度n型InAlGaN層104及びn型GaN層103の一部が除去される(図6(c))。
Subsequently, using the
続いて、WSiソース電極105をマスクとしたセルフアラインプロセスにより、p型GaN層114の上にNi/Auゲート電極107が形成される。このNi/Auゲート電極107の形成において、WSiソース電極105の上方にNi/Au電極108が形成される。
Subsequently, the Ni /
最後に、n型GaN基板101の裏面にTi/Alドレイン電極109が形成される(図6(d))。
Finally, a Ti /
以上のように本実施形態の電界効果トランジスタは、縦型チャネル構造を有するため、小さなデバイス面積でも高耐圧の電界効果トランジスタを実現できる。 As described above, since the field effect transistor of this embodiment has a vertical channel structure, a high withstand voltage field effect transistor can be realized even with a small device area.
以上、本発明の電界効果トランジスタ及びその製造方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。 The field effect transistor and the method for manufacturing the same according to the present invention have been described above based on the embodiment. However, the present invention is not limited to this embodiment. The present invention includes various modifications made by those skilled in the art without departing from the scope of the present invention.
例えば、上記実施形態において、本発明の第3の半導体層としてのp型ZnO層106又は岩塩構造のp型NiO層112に代わり、構成元素に酸素または硫黄を含み、デラフォサイト構造、カルコゲナイド構造、岩塩構造及びウルツ鉱型構造のいずれかの結晶構造を有する半導体層が用いられても良い。例えば、p型銅アルミニウム酸化物(CuAl2O2)、p型ストロンチウム銅酸化物(SrCu2O2)、p型ランタン銅酸化物、p型ランタン銅セレン酸化物(LaCuOSe)、又はp型ランタン銅硫化物(LaCuS)等から構成される半導体層が用いられても良い。特にCuAl2O2は高い正孔濃度(1×1018cm-3以上)が得られるため、特に好ましい材料である。このとき、ZnOをはじめとする半導体はパルスレーザ堆積法等の比較的簡便な装置で成膜可能である。さらに、ZnOをはじめとする半導体は、酸やアルカリ等を用いたウェットエッチングプロセスで加工可能であり、このような材料を用いることによりドライエッチングプロセスによる半導体層へのダメージを回避することができる。
For example, in the above embodiment, instead of the p-
また、上記第3の実施形態において、本発明の第3の半導体層としてp型GaN層114を例示したが、GaN層以外の他の窒化物半導体層が用いられても良い。
In the third embodiment, the p-
また、上記実施形態において、本発明の第1の窒化物半導体層として高濃度n型GaN層102を例示したが、GaN層以外の他の窒化物半導体層が用いられても良い。また、本発明の第2の窒化物半導体層としてn型GaN層103を例示したが、GaN層以外の第1の窒化物半導体層のキャリア濃度より低いキャリア濃度を有する窒化物半導体層が用いられても良い。
Moreover, in the said embodiment, although the high concentration n-
また、上記実施形態において、本発明の第1導電型としてn型、本発明の第2導電型としてp型を例示したが、それぞれが逆の導電型になっていても良い。つまり、n型GaN層103及び高濃度n型GaN層102がそれぞれn型半導体層であり、p型GaN層114がp型半導体層であるとしたが、それぞれが逆の導電型になっていても良い。
Moreover, in the said embodiment, although the n type was illustrated as a 1st conductivity type of this invention and a p type was illustrated as a 2nd conductivity type of this invention, each may become a reverse conductivity type. That is, the n-
本発明は、電界効果トランジスタ及びその製造方法に有用であり、特に民生機器の電源回路等に用いられるパワートランジスタ及びその製造方法等に有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful for a field effect transistor and a method for manufacturing the same, and particularly useful for a power transistor used for a power supply circuit for a consumer device and the method for manufacturing the same.
101 n型GaN基板
102 高濃度n型GaN層
103 n型GaN層
104 高濃度n型InAlGaN層
105 WSiソース電極
106、117 p型ZnO層
107 Ni/Auゲート電極
108 Ni/Au電極
109 Ti/Alドレイン電極
110 サファイア基板
111 AlNバッファ層
112、113 p型NiO層
114 p型GaN層
121、123 切り欠き部
122 凸部
124 平坦部
130 開口部
101 n-
Claims (7)
前記第1の窒化物半導体層の上に形成され、平坦部及び凸部が表面に設けられ、前記第1の窒化物半導体層のキャリア濃度よりも低いキャリア濃度を有する第1導電型の第2の窒化物半導体層と、
前記凸部の上方に形成されたソース電極と、
前記第1の窒化物半導体層と電気的に接続されたドレイン電極と、
前記凸部の側面に接するように前記平坦部の上に形成された第2導電型の第3の半導体層と、
前記第3の半導体層の上に形成されたゲート電極とを備える
電界効果トランジスタ。 A first nitride semiconductor layer of a first conductivity type;
A first conductivity type second layer formed on the first nitride semiconductor layer, provided with a flat portion and a convex portion on the surface, and having a carrier concentration lower than that of the first nitride semiconductor layer. A nitride semiconductor layer of
A source electrode formed above the convex portion;
A drain electrode electrically connected to the first nitride semiconductor layer;
A third semiconductor layer of the second conductivity type formed on the flat portion so as to be in contact with the side surface of the convex portion;
A field effect transistor comprising: a gate electrode formed on the third semiconductor layer.
請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 The field effect transistor according to claim 1, wherein the third semiconductor layer contains oxygen or sulfur as a constituent element.
請求項2に記載の電界効果トランジスタ。 The field effect transistor according to claim 2, wherein the third semiconductor layer has a crystal structure of any one of a delafossite structure, a chalcogenide structure, a rock salt structure, and a wurtzite structure.
請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 The field effect transistor according to claim 1, wherein the third semiconductor layer is a nitride semiconductor layer.
前記第3の半導体層がp型半導体層である
請求項1〜4のいずれか1項に記載の電界効果トランジスタ。 Each of the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer is an n-type semiconductor layer;
The field effect transistor according to claim 1, wherein the third semiconductor layer is a p-type semiconductor layer.
請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 The field effect transistor further includes a semiconductor layer formed above the source electrode and made of the same material as the third semiconductor layer, and an electrode made of the same material as the gate electrode formed above the source electrode. The field effect transistor according to claim 1, comprising at least one of the following.
前記第1の窒化物半導体層の上に、平坦部及び凸部が表面に設けられ、前記第1の窒化物半導体層のキャリア濃度よりも低いキャリア濃度を有する第1導電型の第2の窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第2の窒化物半導体層の上方にソース電極を形成する工程と、
前記第1の窒化物半導体層と電気的に接続されたドレイン電極を形成する工程と、
前記凸部の側面に接するように前記平坦部の上に第2導電型の第3の半導体層を形成する工程と、
前記第3の半導体層の上にゲート電極を形成する工程とを含む
電界効果トランジスタの製造方法。 Forming a first conductivity type first nitride semiconductor layer on a substrate;
A first conductivity type second nitridation having a flat portion and a convex portion provided on the surface of the first nitride semiconductor layer and having a carrier concentration lower than that of the first nitride semiconductor layer. Forming a physical semiconductor layer;
Forming a source electrode above the second nitride semiconductor layer;
Forming a drain electrode electrically connected to the first nitride semiconductor layer;
Forming a second semiconductor layer of the second conductivity type on the flat portion so as to be in contact with the side surface of the convex portion;
Forming a gate electrode on the third semiconductor layer. A method of manufacturing a field effect transistor.
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