JP2010287594A - Field effect transistor - Google Patents

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敏志 中澤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a field effect transistor which has small parasitic resistance while actualizing normally off operation. <P>SOLUTION: The field effect transistor includes a buffer layer 2 formed on a substrate 1 and made of GaN, an electron supply layer 3 formed on the buffer layer 2 and made of In<SB>x</SB>Al<SB>y</SB>Ag<SB>1-x-y</SB>N (where 0≤x≤1, 0≤y≤1, and 0<x+y≤1), and a cap layer 4 which is formed on the electron supply layer 3 and has a different composition from the electron supply layer 3, to which an n-type impurity of high concentration is added, and which is made of In<SB>s</SB>Al<SB>t</SB>Ag<SB>1-s-t</SB>N (where 0≤s≤1, 0≤t≤1, and 0<s+t≤1). A recess 4a is formed in the cap layer 4, a source electrode 5 and a drain electrode 7 are formed in both regions by the recess 4a in the cap layer 4, and a gate electrode 6 is formed at the recess 4a in the cap layer 4 with the insulating film 8 interposed. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、電界効果トランジスタに関し、特に、III族窒化物半導体からなり、パワートランジスタに適用可能な電界効果トランジスタに関する。   The present invention relates to a field effect transistor, and more particularly to a field effect transistor made of a group III nitride semiconductor and applicable to a power transistor.

窒化ガリウム(GaN)に代表されるIII族窒化物半導体は、高い絶縁破壊電界及び高い飽和電子速度といった、珪素(Si)又は砒化ガリウム(GaAs)を凌ぐ優れた物性値を有している。このため、III族窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor:以下、FETと略称する。)は、次世代の高周波デバイス又はハイパワースイッチングデバイスとして有望視され、開発が盛んに行われている。III族窒化物半導体は、極めて大きな分極を有するという特徴があり、GaN、窒化インジウム(InN)又は窒化アルミニウム(AlN)からなるヘテロ接合界面においては、不純物を添加しなくても高濃度のキャリアが発生する。これはデバイスの大電力化及び高出力化の観点からは好ましいものの、同時にノーマリオフ動作を実現することが難しいということを意味する。現在、パワーエレクトロニクス市場で用いられているデバイスは、そのほとんどがノーマリオフ型であるため、III族窒化物半導体系デバイスにおいてもノーマリオフ動作が強く求められている。   A group III nitride semiconductor typified by gallium nitride (GaN) has excellent physical properties exceeding silicon (Si) or gallium arsenide (GaAs) such as a high breakdown electric field and a high saturation electron velocity. For this reason, field effect transistors (hereinafter referred to as FETs) using group III nitride semiconductors are considered promising as next-generation high-frequency devices or high-power switching devices, and are actively developed. ing. Group III nitride semiconductors are characterized by having extremely large polarization, and high-concentration carriers are not added at the heterojunction interface made of GaN, indium nitride (InN), or aluminum nitride (AlN) without adding impurities. appear. This is preferable from the viewpoint of increasing the power consumption and output of the device, but it means that it is difficult to realize a normally-off operation at the same time. At present, most of the devices used in the power electronics market are normally-off type, and therefore normally-off operation is strongly demanded also in group III nitride semiconductor devices.

このため、特許文献1においては、電子供給層にInN、AlN及びGaNの混晶であるInAlGaNを用いることによって発生する分極を制御して、キャリアの発生を抑制することによりノーマリオフ動作を実現している。   For this reason, in Patent Document 1, a normally-off operation is realized by controlling the polarization generated by using InAlGaN, which is a mixed crystal of InN, AlN and GaN, in the electron supply layer, and suppressing the generation of carriers. Yes.

特許第3209270号公報Japanese Patent No. 3209270 特開2003−188190号公報JP 2003-188190 A

Joural Of Appleid Physics Vol.87 P334-P336, 2005Joural Of Appleid Physics Vol.87 P334-P336, 2005

しかしながら、特許文献1に記載されている条件では、ピエゾ分極しか考慮されていないため、必ずしもノーマリオフ動作が実現できるとは限らない。また、特許文献1に記載されている構造を用いてノーマリオフ型を実現しようとすると、ソース電極とゲート電極との間及びゲート電極とドレイン電極との間においてもキャリアが発生しなくなるため、寄生抵抗の大幅な増大が避けられない。この不具合を緩和するために、特許文献2に記載されている構造を用いる方法が考えられる。   However, under the conditions described in Patent Document 1, only piezo polarization is taken into consideration, and therefore a normally-off operation cannot always be realized. Further, when a normally-off type is realized by using the structure described in Patent Document 1, carriers are not generated between the source electrode and the gate electrode and between the gate electrode and the drain electrode, so that the parasitic resistance A significant increase is inevitable. In order to alleviate this problem, a method using the structure described in Patent Document 2 can be considered.

図9は特許文献2に記載された、n型GaNからなるキャップ層を有する従来の電界効果トランジスタの断面構成を示している。図9に示すように、サファイア基板11の上には、アンドープGaNからなるバッファ層12、アンドープInAlGaNからなる電子供給層13及び高濃度に不純物が添加されたn型GaNからなるキャップ層14が順次エピタキシャル成長により形成されている。キャップ層14にはその下の電子供給層13を露出する開口部が形成され、露出された電子供給層13の上には、ニッケル(Ni)/金(Au)からなるゲート電極16が形成されている。また、キャップ層14上における開口部の両側方の領域には、チタン(Ti)/アルミニウム(Al)からなるソース電極15及びドレイン電極17がそれぞれ形成されている。バッファ層12における電子供給層13との界面の近傍には、2次元電子ガス層18が形成される。   FIG. 9 shows a cross-sectional configuration of a conventional field effect transistor described in Patent Document 2 having a cap layer made of n-type GaN. As shown in FIG. 9, on the sapphire substrate 11, a buffer layer 12 made of undoped GaN, an electron supply layer 13 made of undoped InAlGaN, and a cap layer 14 made of n-type GaN doped with a high concentration of impurities are sequentially formed. It is formed by epitaxial growth. An opening that exposes the electron supply layer 13 therebelow is formed in the cap layer 14, and a gate electrode 16 made of nickel (Ni) / gold (Au) is formed on the exposed electron supply layer 13. ing. Further, a source electrode 15 and a drain electrode 17 made of titanium (Ti) / aluminum (Al) are respectively formed in regions on both sides of the opening on the cap layer 14. A two-dimensional electron gas layer 18 is formed in the vicinity of the interface between the buffer layer 12 and the electron supply layer 13.

この構成により、キャップ層14をキャリアが移動することが可能となるため、デバイスの低抵抗化が可能となる。特に、特許文献2に記載された電界効果トランジスタは、ノーマリオン型であるため、ある程度の効果が見込まれる。しかしながら、上記の構成をノーマリオフ型のデバイスに適用した場合は、ゲート電極16がキャップ層14と離れて形成されているため、ソース電極15側のキャップ層14とゲート電極16との間、及びドレイン電極17側のキャップ層14とゲート電極16との間においてキャリアが存在しない領域が発生して、寄生抵抗が増大するという問題が生じる。   With this configuration, carriers can move through the cap layer 14, and thus the resistance of the device can be reduced. In particular, since the field effect transistor described in Patent Document 2 is a normally-on type, a certain degree of effect is expected. However, when the above configuration is applied to a normally-off type device, since the gate electrode 16 is formed away from the cap layer 14, the gap between the cap layer 14 on the source electrode 15 side and the gate electrode 16, and the drain A region where no carrier exists between the cap layer 14 on the electrode 17 side and the gate electrode 16 is generated, resulting in a problem that parasitic resistance increases.

本発明は、前記従来の問題に鑑み、ノーマリオフ型動作を実現しながら、寄生抵抗が小さい電界効果トランジスタを得られるようにすることを目的とする。   In view of the above-described conventional problems, an object of the present invention is to obtain a field effect transistor having a low parasitic resistance while realizing a normally-off operation.

前記の目的を達成するため、本発明は、電界効果トランジスタを、電子供給層の上に形成されたキャップ層に開口部を設け、該開口部に絶縁膜を介在させた状態でゲート電極を形成する構成とする。   In order to achieve the above object, the present invention provides a field effect transistor in which an opening is formed in a cap layer formed on an electron supply layer, and a gate electrode is formed with an insulating film interposed in the opening. The configuration is as follows.

具体的に、本発明に係る電界効果トランジスタは、基板の上に形成された、GaNからなる第1の半導体層と、第1の半導体層の上に形成された、InAlGa1−x−yN(但し、0≦x≦1、0≦y≦1、0<x+y≦1)からなる第2の半導体層と、第2の半導体層の上に形成され、第2の半導体層とは異なる組成を有し且つ高濃度のn型不純物が添加された、InAlGa1−s−tN(但し、0≦s≦1、0≦t≦1、0≦s+t≦1)からなる第3の半導体層とを備え、第3の半導体層には開口部が形成されており、第3の半導体層における開口部の両側方の領域には、ソース電極及びドレイン電極が形成され、第3の半導体層の開口部には、ゲート電極が絶縁膜を介在させて形成されていることを特徴とする。 Specifically, the field-effect transistor according to the present invention is formed on the substrate, a first semiconductor layer made of GaN, formed on the first semiconductor layer, In x Al y Ga 1- a second semiconductor layer formed of xy N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 <x + y ≦ 1), and the second semiconductor layer. and high-concentration n-type impurity has a different composition than the is added, in s Al t Ga 1- s-t n ( where, 0 ≦ s ≦ 1,0 ≦ t ≦ 1,0 ≦ s + t ≦ 1 ), And an opening is formed in the third semiconductor layer, and a source electrode and a drain electrode are formed in regions on both sides of the opening in the third semiconductor layer. The gate electrode is formed in the opening of the third semiconductor layer with an insulating film interposed therebetween.

本発明の電界効果トランジスタによると、第3の半導体層の開口部にゲート電極が絶縁膜を介在させて形成されているため、電子供給層である第2の半導体層の分極を適当な大きさに制御することができる。このため、ノーマリオフ型動作を実現でき、且つ低抵抗な第3の半導体層をゲート電極の直近にまで近づけることができるので、寄生抵抗を低減することが可能となる。   According to the field effect transistor of the present invention, since the gate electrode is formed in the opening of the third semiconductor layer with the insulating film interposed therebetween, the polarization of the second semiconductor layer that is the electron supply layer has an appropriate size. Can be controlled. For this reason, a normally-off type operation can be realized, and the low-resistance third semiconductor layer can be brought close to the gate electrode, so that parasitic resistance can be reduced.

本発明の電界効果トランジスタにおいて、ゲート電極は、絶縁膜を介在させた状態で開口部の壁面と接するように形成されていることが好ましい。   In the field effect transistor of the present invention, the gate electrode is preferably formed so as to be in contact with the wall surface of the opening with an insulating film interposed therebetween.

本発明の電界効果トランジスタにおいて、第2の半導体層を構成するInAlGa1−x−yN(但し、0≦x≦1、0≦y≦1、0<x+y≦1)の組成は、y<1.2x+1.8x+0.15を満たすことが好ましい。 In the field effect transistor of the present invention, the composition of In x Al y Ga 1-xy N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 <x + y ≦ 1) constituting the second semiconductor layer. Preferably satisfies y <1.2x 2 + 1.8x + 0.15.

このようにすると、電子供給層である第2の半導体層の分極を適当な大きさに制御することができるため、ノーマリオフ型動作を確実に実現することができる。   In this way, the polarization of the second semiconductor layer, which is an electron supply layer, can be controlled to an appropriate magnitude, so that normally-off operation can be reliably realized.

本発明の電界効果トランジスタにおいて、第3の半導体層と第2の半導体層との導電帯端のエネルギー差は、第2の半導体層を構成するInAlGa1−x−yN(但し、0≦x≦1、0≦y≦1、0<x+y≦1)と同一の濃度のキャリアを発生し得る組成を有するAlGa1−uN(但し、0<u≦1)と、第3の半導体層を構成するInAlGa1−s−tN(但し、0≦s≦1、0≦t≦1、0≦s+t<1)との導電帯端のエネルギー差よりも小さいことが好ましい。 In the field effect transistor of the present invention, the energy difference at the conduction band edge between the third semiconductor layer and the second semiconductor layer is In x Al y Ga 1-xy N (provided that the second semiconductor layer is formed) , 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 <x + y ≦ 1) and Al u Ga 1-u N (where 0 <u ≦ 1) having a composition capable of generating carriers of the same concentration; Than the energy difference at the conduction band edge with In s Al t Ga 1-st N (where 0 ≦ s ≦ 1, 0 ≦ t ≦ 1, 0 ≦ s + t <1) constituting the third semiconductor layer Small is preferable.

このようにすると、電子供給層である第2の半導体層の分極を適当な大きさに制御することができるため、ノーマリオフ型動作を実現できると共に、第3の半導体層からチャネルへのキャリアの移動を妨げるエネルギー障壁の高さを低くすることができるので、寄生抵抗を確実に低減することが可能となる。   In this way, the polarization of the second semiconductor layer, which is an electron supply layer, can be controlled to an appropriate magnitude, so that a normally-off type operation can be realized, and carriers are transferred from the third semiconductor layer to the channel. Since the height of the energy barrier that hinders the reduction can be reduced, the parasitic resistance can be surely reduced.

本発明に係る電界効果トランジスタによると、電子供給層(第2の半導体層)の分極を適当な大きさに制御することができるため、ノーマリオフ型動作を実現でき、且つ寄生抵抗の低減が可能となる。   According to the field effect transistor of the present invention, the polarization of the electron supply layer (second semiconductor layer) can be controlled to an appropriate size, so that normally-off operation can be realized and parasitic resistance can be reduced. Become.

本発明の一実施形態に係る電界効果トランジスタを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the field effect transistor which concerns on one Embodiment of this invention. 電界効果トランジスタのしきい値電圧とキャリア濃度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the threshold voltage of a field effect transistor, and carrier concentration. InAlGaN層のIn組成及びAl組成とキャリア濃度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between In composition of an InAlGaN layer, Al composition, and carrier concentration. しきい値電圧とIn組成及びAl組成との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a threshold voltage, In composition, and Al composition. ノーマリオフ動作を実現できるIn組成及びAl組成の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship of In composition and Al composition which can implement | achieve normally-off operation. 本発明の第1の実施形態に係る電界効果トランジスタの断面方向における導電帯端のエネルギーバンドを示すグラフである。It is a graph which shows the energy band of the conduction band edge in the cross-sectional direction of the field effect transistor which concerns on the 1st Embodiment of this invention. (a)〜(e)は本発明の一実施形態に係る電界効果トランジスタの製造方法を示す工程順の断面図である。(A)-(e) is sectional drawing of the order of a process which shows the manufacturing method of the field effect transistor which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る電界効果トランジスタのドレイン電流−電圧特性を示すグラフである。It is a graph which shows the drain current-voltage characteristic of the field effect transistor which concerns on one Embodiment of this invention. 従来例に係る電界効果トランジスタを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the field effect transistor which concerns on a prior art example.

(一実施形態)
本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
(One embodiment)
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1に示すように、サファイアからなる基板1の主面上には、アンドープGaNからなるバッファ層2、アンドープInAlGa1−x−yN(但し、0≦x≦1、0≦y≦1、0<x+y≦1)からなる電子供給層3、及び高濃度に不純物が添加されたn型GaNからなるキャップ層4が順次エピタキシャル成長により形成されている。 As shown in FIG. 1, on the main surface of a substrate 1 made of sapphire, a buffer layer 2 made of undoped GaN, undoped In x Al y Ga 1-xy N (however, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ An electron supply layer 3 composed of y ≦ 1, 0 <x + y ≦ 1) and a cap layer 4 composed of n-type GaN doped with a high concentration of impurities are sequentially formed by epitaxial growth.

ここで、電子供給層3の各組成x、yは、y<1.2x+1.8x+0.15の関係を満たしている。また、n型のキャップ層4は、GaNに限られず、電子供給層3と組成が異なる組成の半導体層、すなわちInAlGa1−s−tN(但し、0≦s≦1、0≦t≦1、0≦s+t≦1)からなる半導体層を用いることができる。 Here, the compositions x and y of the electron supply layer 3 satisfy the relationship y <1.2x 2 + 1.8x + 0.15. The n-type cap layer 4 is not limited to GaN, and is a semiconductor layer having a composition different from that of the electron supply layer 3, that is, In s Al t Ga 1-st N (where 0 ≦ s ≦ 1, 0 ≦ t ≦ 1, 0 ≦ s + t ≦ 1) can be used.

キャップ層4には、その下の電子供給層3を露出する凹部が形成され、露出された電子供給層3の上には、例えばニッケル(Ni)/金(Au)からなるゲート電極6が窒化珪素(SiN)からなる絶縁膜8を介在させて形成されている。なお、ここでは絶縁膜8に窒化珪素を用いたが、窒化珪素に代えて、酸化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ニオブ、酸化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化スカンジウム又は酸化タンタル等を用いることができる。また、キャップ層4の上における凹部の両側方の領域には、それぞれチタン(Ti)/アルミニウム(Al)からなるソース電極5及びドレイン電極7が形成されている。   The cap layer 4 is formed with a recess that exposes the electron supply layer 3 thereunder, and a gate electrode 6 made of, for example, nickel (Ni) / gold (Au) is nitrided on the exposed electron supply layer 3. It is formed with an insulating film 8 made of silicon (SiN) interposed. Although silicon nitride is used for the insulating film 8 here, silicon oxide, aluminum nitride, aluminum oxide, hafnium oxide, niobium oxide, gallium oxide, magnesium oxide, scandium oxide, tantalum oxide, or the like is used instead of silicon nitride. be able to. In addition, a source electrode 5 and a drain electrode 7 made of titanium (Ti) / aluminum (Al) are respectively formed in regions on both sides of the recess on the cap layer 4.

ゲート電極6に適当な値の電圧を印加することにより、バッファ層2の上部には2次元電子ガスが発生するため、該バッファ層2の上部は電界効果トランジスタのチャネル層として機能する。   By applying a voltage having an appropriate value to the gate electrode 6, two-dimensional electron gas is generated above the buffer layer 2, so that the upper portion of the buffer layer 2 functions as a channel layer of the field effect transistor.

ところで、n型不純物が高濃度にドープされたキャップ層4とゲート電極6とが接触すると、良好なショットキー特性が得られず、リーク電流が増大してしまうため、デバイス特性を劣化させるという問題が生じる。このため、従来はキャップ層4とゲート電極6とを近接させて形成することは困難であった。しかしながら、本実施形態においては、ゲート電極6をキャップ層4との間に絶縁膜8を介在させて接するように形成されているため、ゲート電極6からキャップ層4へのリーク電流が抑制される。このように、本実施形態においては、キャップ層4をゲート電極6に近接させて形成することができるため、寄生抵抗を大幅に低減することが可能となる。   By the way, if the cap layer 4 doped with a high concentration of n-type impurities and the gate electrode 6 are in contact with each other, a good Schottky characteristic cannot be obtained, and a leakage current increases, thereby deteriorating device characteristics. Occurs. For this reason, conventionally, it has been difficult to form the cap layer 4 and the gate electrode 6 close to each other. However, in this embodiment, since the gate electrode 6 is formed so as to be in contact with the cap layer 4 with the insulating film 8 interposed therebetween, leakage current from the gate electrode 6 to the cap layer 4 is suppressed. . Thus, in this embodiment, since the cap layer 4 can be formed close to the gate electrode 6, it is possible to greatly reduce the parasitic resistance.

ここで、電子供給層3を構成するInAlGa1−x−yN(但し、0≦x≦1、0≦y≦1、0<x+y≦1)におけるIn組成、Al組成及びGa組成の各組成制御により、本実施形態に係る電界効果トランジスタのノーマリオフ化を図る方法について説明する。 Here, In x Al y Ga 1- x-y N ( where, 0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 <x + y ≦ 1) In the composition in, Al composition and Ga constituting the electron supply layer 3 A method for achieving the normally-off of the field effect transistor according to the present embodiment by controlling each composition of the composition will be described.

ゲート電極6と半導体層(電子供給層3)との間に絶縁膜8が介在する、いわゆるMIS(Metal-Insulator-Semiconductor)構造を有する電界効果トランジスタのしきい値電圧(Vth)とキャリア濃度(n)との関係は、以下の式(1)で表される。 Threshold voltage (V th ) and carrier concentration of a field effect transistor having a so-called MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) structure in which an insulating film 8 is interposed between the gate electrode 6 and the semiconductor layer (electron supply layer 3). The relationship with ( ns ) is represented by the following formula (1).

th = φ−ΔE−{q(e+e)/e}n ……(1)
式(1)において、φはショットキー障壁の高さ、ΔEは電子供給層3を構成する半導体とチャネル層を構成する半導体との導電帯端のエネルギー差、qは素電荷、d及びdはそれぞれ電子供給層3及び絶縁膜8の膜厚、e及びeは電子供給層3を構成する半導体及び絶縁膜8の比誘電率、eは真空中の誘電率をそれぞれ表している。
V th = φ-ΔE c - {q (e s d i + e i d s) / e s e i e 0} n s ...... (1)
In Equation (1), φ is the height of the Schottky barrier, ΔE c is the energy difference at the conduction band edge between the semiconductor constituting the electron supply layer 3 and the semiconductor constituting the channel layer, q is an elementary charge, d s and the film thickness of each d i is the electron supply layer 3 and the insulating film 8, e s and e i is the relative dielectric constant of the semiconductor and the insulating film 8 that constitutes the electron supply layer 3, e 0 represents the dielectric constant in vacuum, respectively ing.

図2にしきい値電圧(Vth)とキャリア濃度(n)との関係を示す。図2において、Vth>0となるように、キャリア濃度(n)を制御すれば、MIS型電界効果トランジスタのノーマリオフ動作を実現することができる。 FIG. 2 shows the relationship between the threshold voltage (V th ) and the carrier concentration (n s ). In FIG. 2, the normally-off operation of the MIS field effect transistor can be realized by controlling the carrier concentration ( ns ) so that V th > 0.

次に、キャリア濃度(n)とIn組成及びAl組成との関係を求める。キャリア(電子)は、InAlGaN層とGaN層との界面における各分極の大きさの差によって生じる。キャリア濃度(n)と分極(Ptotal)の関係は、以下の式(2)で表される(例えば、非特許文献1を参照。)。 Next, determine the relation between the carrier concentration (n s) and the In composition and the Al composition. Carriers (electrons) are generated by the difference in the magnitude of each polarization at the interface between the InAlGaN layer and the GaN layer. The relationship between the carrier concentration ( ns ) and the polarization ( Ptotal ) is expressed by the following formula (2) (for example, see Non-Patent Document 1).

= Ptotal/q−(e/qd)(φ−ΔE+E) ……(2)
式(2)において、Eはフェルミエネルギーを表す。分極(Ptotal)は材料固有の自発分極Pspと、外部から力が加わる等の理由により格子が歪むことによって生じるピエゾ分極Ppeとの和で与えられ、それぞれの分極は以下の式(3)〜(5)で表される。
n s = P total / q- ( e s e 0 / qd s) (φ-ΔE c + E f) ...... (2)
In the formula (2), E f represents Fermi energy. The polarization (P total ) is given by the sum of the spontaneous polarization P sp peculiar to the material and the piezo polarization P pe generated when the lattice is distorted due to an external force or the like. ) To (5).

total = Psp+Ppe ……(3)
sp = In組成×Psp InN+Al組成×Psp AlN+Ga組成×Psp GaN ……(4)
pe = e33+e31(d+d)……(5)
ここで、Psp InN、Psp AlN及びPsp GaNは、それぞれInN、AlN及びGaNの自発分極、e31及びe33はピエゾ係数、d、dは結晶格子の(0001)面の面内方向の変位量、dは結晶格子の(0001)面と垂直な方向の変位量をそれぞれ表している。また、InAlGaNの格子定数は、以下の式(6)で表される。
P total = P sp + P pe ...... (3)
P sp = In composition × P sp InN + Al composition × P sp AlN + Ga composition × P sp GaN (4)
P pe = e 33 d z + e 31 (d x + d y ) (5)
Here, P sp InN , P sp AlN, and P sp GaN are spontaneous polarizations of InN, AlN, and GaN, respectively, e 31 and e 33 are piezo coefficients, and d x and dy are (0001) planes of the crystal lattice. The amount of displacement in the inward direction, d z , represents the amount of displacement in the direction perpendicular to the (0001) plane of the crystal lattice. Further, the lattice constant of InAlGaN is expressed by the following formula (6).

InAlGaN = In組成×aInN+Al組成×aAlN+Ga組成×aGaN ……(6)
従って、(0001)面の面内方向の変位量であるd、dは以下の式(7)で表される。
a InAlGaN = In composition × a InN + Al composition × a AlN + Ga composition × a GaN (6)
Thus, represented by (0001) is the displacement amount in the plane direction of the plane d x, d y the following equation (7).

= d = (aInAlGaN−aGaN)/aGaN ……(7)
また、(0001)面と垂直な方向の変位量は、(0001)面の面内方向の変位量に応じて変化するため、以下の式(8)で表される。
d x = d y = (a InAlGaN -a GaN) / a GaN ...... (7)
Further, since the displacement amount in the direction perpendicular to the (0001) plane changes according to the displacement amount in the in-plane direction of the (0001) plane, it is expressed by the following equation (8).

= −2(C13/C33)d ……(8)
ここで、C13及びC33は、InAlGaNの弾性定数を表す。
d z = −2 (C 13 / C 33 ) d x (8)
Here, C 13 and C 33 represent the elastic constants of InAlGaN.

式(7)及び式(8)を式(3)〜(5)に代入することにより、分極とIn組成及びAl組成との関係が導かれる。ここで、式(6)を用いて、aInAlGaNとaGaNとが互いに等しい(aInAlGaN=aGaN)とすると、InAlGaNとGaNとの格子定数が等しい、すなわち格子整合する条件が求まり、すなわち、Al組成 = 4.66×In組成となる。 By substituting Equations (7) and (8) into Equations (3) to (5), the relationship between polarization, In composition, and Al composition is derived. Here, using Equation (6), if a InAlGaN and a GaN are equal to each other (a InAlGaN = a GaN ), the lattice constants of InAlGaN and GaN are equal, that is, a lattice matching condition is obtained. Al composition = 4.66 × In composition.

以上の各式(2)〜(8)を用いて求めたキャリア濃度(n)とIn組成及びAl組成との関係を図3に示す。さらに、式(2)で求まるキャリア濃度(n)を式(1)に代入することにより得られる、しきい値電圧(Vth)とIn組成及びAl組成との関係を図4に示す。図4において、しきい値電圧の値が正(Vth>0)となるように、In組成及びAl組成を設定することにより、ノーマリオフ動作を実現できる。 FIG. 3 shows the relationship between the carrier concentration ( ns ) obtained using the above equations (2) to (8), the In composition, and the Al composition. Further, FIG. 4 shows the relationship between the threshold voltage (V th ), the In composition, and the Al composition obtained by substituting the carrier concentration (n s ) obtained by the expression (2) into the expression (1). In FIG. 4, a normally-off operation can be realized by setting the In composition and the Al composition so that the threshold voltage value is positive (V th > 0).

次に、InAlGaNを電子供給層3として用いるには、バッファ層2に用いているGaNよりもバンドギャップが大きいことが求められる。InAlGaNのバンドギャップEg InAlGaNは、以下の式(9)で表される。 Next, in order to use InAlGaN as the electron supply layer 3, the band gap is required to be larger than that of GaN used for the buffer layer 2. The band gap E g InAlGaN of InAlGaN is represented by the following formula (9).

g InAlGaN = In組成×Eg InN+Al組成×Eg AlN+Ga組成×Eg GaN−c×(In組成+Al組成)×(1−In組成−Al組成) ……(9)
ここで、Eg InN、Eg AlN及びEg GaNは、それぞれInN、AlN及びGaNのバンドギャップを示す。また、cはボウイングパラメータであり、InAlGaNにおいては、2.5程度の値となる。ここで、Eg InAlGaN>Eg GaNの条件から、以下の式(10)が得られる。
E g InAlGaN = In composition × E g InN + Al composition × E g AlN + Ga composition × E g GaN −c × (In composition + Al composition) × (1-In composition−Al composition) (9)
Here, E g InN , E g AlN, and E g GaN indicate band gaps of InN, AlN, and GaN, respectively. Further, c is a bowing parameter, which is about 2.5 in InAlGaN. Here, the following formula (10) is obtained from the condition of E g InAlGaN > E g GaN .

Al組成 >{√(5410×In組成+9)−50×In組成−3}/50 …(10)
以上の条件を満たす、ノーマリオフ動作を実現できるIn組成及びAl組成の関係を図5に示す。図5より、特許文献1が示す格子整合条件(Al組成=4.66×In組成)が必ずしもノーマリオフとノーマリオンとの境界にはならず、以下の式(11)で示す、
Al組成 < 1.2×(In組成)+1.8×In組成+0.15 ……(11)
を満たすAl組成とすることにより、初めてノーマリオフ動作を確実に実現できることが分かる。
Al composition> {√ (5410 × In composition + 9) −50 × In composition−3} / 50 (10)
FIG. 5 shows the relationship between the In composition and the Al composition that can realize a normally-off operation that satisfies the above conditions. From FIG. 5, the lattice matching condition (Al composition = 4.66 × In composition) disclosed in Patent Document 1 does not necessarily become a boundary between normally-off and normally-on, and is expressed by the following formula (11).
Al composition <1.2 × (In composition) 2 + 1.8 × In composition + 0.15 (11)
It can be seen that the normally-off operation can be surely realized for the first time by setting the Al composition to satisfy the above condition.

また、本願発明者は、これまで行った種々の検討により、一般に電子供給層に用いられるAlGaNと比較して、InAlGaNは電子親和力が大きいことを見出している。これは、図6に示すように、GaNとの界面においてキャリアの移動の妨げとなるポテンシャル障壁が低くなることを意味する。このため、InAlGaNを電子供給層3に用いることにより、キャップ層4からバッファ層2の上部に存在するチャネルにキャリアが移動しやすくなるので、寄生抵抗を低減することが可能となる。   The inventors of the present application have found that InAlGaN has a higher electron affinity than AlGaN generally used for the electron supply layer, based on various studies conducted so far. As shown in FIG. 6, this means that the potential barrier that hinders carrier movement at the interface with GaN is lowered. For this reason, by using InAlGaN for the electron supply layer 3, carriers can easily move from the cap layer 4 to the channel existing above the buffer layer 2, so that the parasitic resistance can be reduced.

以下、前記のように構成された本実施形態に係る電界効果トランジスタの製造方法について図7(a)〜図7(e)を参照しながら説明する。   Hereinafter, a method of manufacturing the field effect transistor according to the present embodiment configured as described above will be described with reference to FIGS. 7A to 7E.

まず、図7(a)に示すように、例えば、有機金属化学的気相堆積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)法により、主面の面方位が(0001)面であるサファイアからなる基板1の主面上に、厚さが約2μmのアンドープGaNからなるバッファ層2、厚さが約15nmのアンドープInAlGaNからなる電子供給層3及び厚さが約50nmのn型GaNからなるキャップ層4を順次エピタキシャル成長する。キャップ層4には、シラン(SiH)ガスを用いた珪素(Si)がドープされており、その不純物濃度は約1×1019cm−3である。また、電子供給層3におけるIn組成及びAl組成は、それぞれ0.04及び0.20である。電子供給層3のこれらのIn組成及びAl組成は上記の式(11)を満たすように設定されている。 First, as shown in FIG. 7A, a substrate 1 made of sapphire whose principal surface has a (0001) plane by, for example, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. A buffer layer 2 made of undoped GaN with a thickness of about 2 μm, an electron supply layer 3 made of undoped InAlGaN with a thickness of about 15 nm, and a cap layer 4 made of n-type GaN with a thickness of about 50 nm on the main surface of Epitaxially grows sequentially. The cap layer 4 is doped with silicon (Si) using silane (SiH 4 ) gas, and the impurity concentration is about 1 × 10 19 cm −3 . The In composition and Al composition in the electron supply layer 3 are 0.04 and 0.20, respectively. These In composition and Al composition of the electron supply layer 3 are set so as to satisfy the above formula (11).

次に、リソグラフィ法により、キャップ層4の上に、ゲート電極形成用のストライプ状の開口部を有する第1のレジストパターン(図示せず)を形成する。ここで、ストライプ状の開口幅は約1μmである。続いて、形成された第1のレジストパターンをマスクとして、例えば塩素(Cl)ガスを用いた誘導結合プラズマ(Inductively Coupled Plasma:ICP)エッチング法により、キャップ層4をエッチングして、該キャップ層4にその下の電子供給層3を露出するリセス(開口部)4aを形成する。続いて、第1のレジストパターンを除去することにより、図7(b)の構成を得る。 Next, a first resist pattern (not shown) having a stripe-shaped opening for forming a gate electrode is formed on the cap layer 4 by lithography. Here, the stripe-shaped opening width is about 1 μm. Subsequently, by using the formed first resist pattern as a mask, the cap layer 4 is etched by, for example, an inductively coupled plasma (ICP) etching method using chlorine (Cl 2 ) gas. 4 is formed with a recess (opening) 4a exposing the electron supply layer 3 therebelow. Subsequently, by removing the first resist pattern, the configuration of FIG. 7B is obtained.

次に、リソグラフィ法及びエッチング法により、リセス4aを含めキャップ層4の上にレジスト膜を成膜し、その後、成膜されたレジスト膜にリセス4aの両側方で且つリセス4aから間隔をおいた領域であるオーミック電極形成領域に開口部を形成して、第2のレジストパターン(図示せず)を形成する。続いて、例えば電子ビーム蒸着法により、開口部を有する第2のレジストパターンの上に、Ti膜とAl膜とを順次積層する。続いて、第2のレジストパターンを除去する、いわゆるリフトオフ法により、図7(c)に示すように、それぞれTi/Alからなるソース電極5及びドレイン電極7を形成する。その後、コンタクト抵抗の低減を図るために、ソース電極5及びドレイン電極7に対して、例えば600℃の窒素(N)雰囲気中で熱処理を行う。 Next, a resist film is formed on the cap layer 4 including the recess 4a by lithography and etching, and then the resist film thus formed is spaced on both sides of the recess 4a and from the recess 4a. An opening is formed in the ohmic electrode formation region, which is a region, and a second resist pattern (not shown) is formed. Subsequently, a Ti film and an Al film are sequentially stacked on the second resist pattern having the opening by, for example, an electron beam evaporation method. Subsequently, as shown in FIG. 7C, a source electrode 5 and a drain electrode 7 made of Ti / Al are formed by a so-called lift-off method by removing the second resist pattern. Thereafter, in order to reduce the contact resistance, the source electrode 5 and the drain electrode 7 are heat-treated in a nitrogen (N 2 ) atmosphere at 600 ° C., for example.

次に、図7(d)に示すように、ソース電極5及びドレイン電極7をレジスト膜によりマスクした後、例えばプラズマ援用化学的気相堆積法(Plasma-assisted Chemcal Vapor Deposition:PCVD)法により、リセス4aの底面及び壁面を含めキャップ層4の上面を覆うように、厚さが約2nmの窒化珪素(SiN)からなる絶縁膜8を堆積する。   Next, as shown in FIG. 7D, after the source electrode 5 and the drain electrode 7 are masked with a resist film, for example, by a plasma-assisted chemical vapor deposition (PCVD) method, An insulating film 8 made of silicon nitride (SiN) having a thickness of about 2 nm is deposited so as to cover the upper surface of the cap layer 4 including the bottom surface and wall surface of the recess 4a.

次に、図7(e)に示すように、例えば電子ビーム蒸着法及びリフトオフ法により、絶縁膜8を介在させてリセス4aを埋めるように、ショットキー電極である、Ni/Auの積層膜からなるゲート電極6を形成する。   Next, as shown in FIG. 7E, the Ni / Au laminated film, which is a Schottky electrode, is filled so as to fill the recess 4a with the insulating film 8 interposed, for example, by an electron beam evaporation method and a lift-off method. A gate electrode 6 is formed.

以上の工程により、図1に示す本実施形態に係る電界効果トランジスタを製造することができる。   Through the above steps, the field effect transistor according to the present embodiment shown in FIG. 1 can be manufactured.

図8に本実施形態に係る電界効果トランジスタのドレイン電流(IDS)−電圧(VDS)特性を示す。ゲート電圧(V)が0Vの場合にドレイン電流が流れておらず、ノーマリオフ動作が実現できていることが分かる。 FIG. 8 shows the drain current (I DS ) -voltage (V DS ) characteristics of the field effect transistor according to this embodiment. It can be seen that when the gate voltage (V G ) is 0 V, no drain current flows and a normally-off operation can be realized.

このように、本実施形態に係る電界効果トランジスタの製造方法により、ノーマリオフ動作を行えると共に、寄生抵抗が小さい電界効果トランジスタを実現することが可能となる。   As described above, the field effect transistor manufacturing method according to the present embodiment makes it possible to realize a field effect transistor having a normally-off operation and a low parasitic resistance.

本発明に係る電界効果トランジスタは、ノーマリオフ型動作を実現でき、且つ寄生抵抗の低減が可能となり、III族窒化物半導体からなるパワートランジスタに適用可能な電界効果トランジスタ等に有用である。   The field effect transistor according to the present invention can realize a normally-off type operation and reduce parasitic resistance, and is useful for a field effect transistor applicable to a power transistor made of a group III nitride semiconductor.

1 基板
2 バッファ層
3 電子供給層
4 キャップ層
4a リセス(開口部)
5 ソース電極
6 ゲート電極
7 ドレイン電極
8 絶縁膜
1 Substrate 2 Buffer layer 3 Electron supply layer 4 Cap layer 4a Recess (opening)
5 Source electrode 6 Gate electrode 7 Drain electrode 8 Insulating film

Claims (5)

基板の上に形成された、GaNからなる第1の半導体層と、
前記第1の半導体層の上に形成された、InAlGa1−x−yN(但し、0≦x≦1、0≦y≦1、0<x+y≦1)からなる第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の上に形成され、前記第2の半導体層とは異なる組成を有し且つ高濃度のn型不純物が添加された、InAlGa1−s−tN(但し、0≦s≦1、0≦t≦1、0≦s+t≦1)からなる第3の半導体層とを備え、
前記第3の半導体層には開口部が形成されており、
前記第3の半導体層における前記開口部の両側方の領域には、ソース電極及びドレイン電極が形成され、
前記第3の半導体層の前記開口部には、ゲート電極が絶縁膜を介在させて形成されていることを特徴とする電界効果トランジスタ。
A first semiconductor layer made of GaN formed on a substrate;
Formed on the first semiconductor layer, In x Al y Ga 1- x-y N ( where, 0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 <x + y ≦ 1) consisting essentially of a second A semiconductor layer;
Formed on the second semiconductor layer, the second, high concentration n-type impurity having a composition different from the semiconductor layer is added, In s Al t Ga 1- s-t N ( where , 0 ≦ s ≦ 1, 0 ≦ t ≦ 1, 0 ≦ s + t ≦ 1)
An opening is formed in the third semiconductor layer,
A source electrode and a drain electrode are formed in regions on both sides of the opening in the third semiconductor layer,
A field effect transistor, wherein a gate electrode is formed in the opening of the third semiconductor layer with an insulating film interposed.
前記ゲート電極は、前記絶縁膜を介在させた状態で前記開口部の壁面と接するように形成されていることを特徴とする請求項1に記載の電界効果トランジスタ。   2. The field effect transistor according to claim 1, wherein the gate electrode is formed so as to be in contact with a wall surface of the opening with the insulating film interposed therebetween. 前記第2の半導体層を構成するInAlGa1−x−yN(但し、0≦x≦1、0≦y≦1、0<x+y≦1)の組成は、
y<1.2x+1.8x+0.15
を満たすことを特徴とする請求項1又は2に記載の電界効果トランジスタ。
The composition of In x Al y Ga 1-xy N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 <x + y ≦ 1) constituting the second semiconductor layer is
y <1.2x 2 + 1.8x + 0.15
The field effect transistor according to claim 1, wherein:
前記第3の半導体層と前記第2の半導体層との導電帯端のエネルギー差は、前記第2の半導体層を構成するInAlGa1−x−yN(但し、0≦x≦1、0≦y≦1、0<x+y≦1)と同一の濃度のキャリアを発生し得る組成を有するAlGa1−uN(但し、0<u≦1)と、前記第3の半導体層を構成するInAlGa1−s−tN(但し、0≦s≦1、0≦t≦1、0≦s+t<1)との導電帯端のエネルギー差よりも小さいことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電界効果トランジスタ。 The energy difference at the conduction band edge between the third semiconductor layer and the second semiconductor layer is the In x Al y Ga 1-xy N (where 0 ≦ x ≦ Al u Ga 1-u N (where 0 <u ≦ 1) having a composition capable of generating carriers with the same concentration as 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 <x + y ≦ 1), and the third semiconductor It is smaller than the energy difference of the conduction band edge with In s Al t Ga 1-st N (where 0 ≦ s ≦ 1, 0 ≦ t ≦ 1, 0 ≦ s + t <1) constituting the layer. The field effect transistor according to any one of claims 1 to 3. エンハンスメント型として作用すること特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の電界効果トランジスタ。   The field effect transistor according to claim 1, wherein the field effect transistor acts as an enhancement type.
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