JP2011124514A - Group-iii nitride-based semiconductor element, and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、シリコン基板上に形成されるIII族窒化物系半導体素子、特にGaN系半
導体素子およびその製造方法に関する。
The present invention relates to a group III nitride semiconductor device formed on a silicon substrate, in particular, a GaN semiconductor device and a method for manufacturing the same.
III族窒化物系化合物に代表されるワイドバンドギャップ半導体は、高い絶縁破壊耐
圧、良好な電子輸送特性、良好な熱伝導度を持つので、高温、大パワー、あるいは高周波
用半導体デバイスの材料として非常に魅力的である。また、たとえばAlGaN/GaN
ヘテロ構造を有する電界効果トランジスタ(FET)は、ピエゾ効果によって、界面に2
次元電子ガスが発生している。この2次元電子ガスは、高い電子移動度とキャリア密度を
有しており、多くの注目を集めている。また、AlGaN/GaNヘテロ構造を用いたヘ
テロ接合FET(HFET)は、低いオン抵抗、および速いスイッチング速度を持ち、高
温動作が可能である。これらの特徴は、パワースイッチング応用に非常に好適である。
Wide band gap semiconductors typified by Group III nitride compounds have high dielectric breakdown voltage, good electron transport properties, and good thermal conductivity, making them extremely useful as semiconductor devices for high temperature, high power, or high frequency applications. Attractive. For example, AlGaN / GaN
A field effect transistor (FET) having a heterostructure has a 2
Dimensional electron gas is generated. This two-dimensional electron gas has high electron mobility and carrier density, and has attracted much attention. In addition, a heterojunction FET (HFET) using an AlGaN / GaN heterostructure has a low on-resistance and a high switching speed, and can operate at a high temperature. These features are very suitable for power switching applications.
III族窒化物系半導体は、一般的には、シリコン(Si)、炭化シリコン(SiC)
、サファイア等の異種材料基板上に有機金属気相成長(MOCVD:Metal Oxi
de Chemical Vapor Deposition)法や分子線エピタキシー
(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法等によって結晶成長が行
われるが、量産時のコスト低減のために、成長用の基板としてSiを用いることが検討さ
れている。
Group III nitride semiconductors are generally silicon (Si), silicon carbide (SiC).
Metal organic chemical vapor deposition (MOCVD: Metal Oxi) on a dissimilar material substrate such as sapphire
Crystal growth is performed by de Chemical Vapor Deposition (MBE) method, Molecular Beam Epitaxy (MBE) method, etc., but using Si as a substrate for growth is being studied for cost reduction in mass production. .
しかしながら、Siからなる基板とIII族窒化物系半導体とは、格子定数や熱膨張係
数といった物性定数が異なるため、AlN、InGaN、AlGaN、GaN等の材料か
らなるバッファ層を形成することによって、基板と半導体層の格子不整合を緩和すること
等が検討されている。
However, since a substrate made of Si and a group III nitride semiconductor have different physical constants such as a lattice constant and a thermal expansion coefficient, by forming a buffer layer made of a material such as AlN, InGaN, AlGaN, or GaN, the substrate Reducing lattice mismatch between the semiconductor layer and the semiconductor layer has been studied.
特許文献1には、シリコン基板上にSiナノワイヤを形成し、該ナノワイヤの先端にG
aNからなる化合物半導体を堆積することによって、基板と化合物半導体との間の格子不
整合や熱的不整合を緩和することが記載されている。
In
It is described that the lattice mismatch and the thermal mismatch between the substrate and the compound semiconductor are alleviated by depositing a compound semiconductor made of aN.
しかしながら、Siの絶縁破壊電圧は0.3MV/cmであり、III族窒化物系半導
体の3.0MV/cmと比較して大きく劣っている。このため、Siからなる基板とGa
Nからなる化合物半導体層が直接接触している場合、Si基板を通るリーク経路によって
絶縁破壊が起こってしまい、デバイスの高耐圧が困難であった。
However, the dielectric breakdown voltage of Si is 0.3 MV / cm, which is greatly inferior to 3.0 MV / cm of Group III nitride semiconductors. Therefore, a substrate made of Si and Ga
When the compound semiconductor layer made of N is in direct contact, dielectric breakdown occurs due to a leak path passing through the Si substrate, making it difficult to achieve high breakdown voltage of the device.
このような問題を解決するためには、III族窒化物系半導体の薄膜を10μm程度ま
で厚く形成する必要があるが、結晶成長に時間がかかり、製造コストが大幅に増加してし
まうという問題があった。
In order to solve such a problem, it is necessary to form a group III nitride semiconductor thin film to a thickness of about 10 μm. However, it takes time for crystal growth, and the manufacturing cost is greatly increased. there were.
特許文献2には、Si基板上に形成された窒化物半導体素子において、縦方向耐圧を高
くするために、導電性Si基板2a上にSiO2層2b、及びSi層2cを順次形成した
基板を用いることが記載されている(図11参照)。
しかしながら、特許文献2に記載の発明でも、III族窒化物系半導体が形成される側
にSi層2cを有していることから、その表面に平行な方向については導電性があり、S
i層2cを通るリーク経路によって絶縁破壊が起こってしまうという問題があった。
However, even in the invention described in
There is a problem in that dielectric breakdown occurs due to a leak path passing through the
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、低コストで製造すること
ができ、かつ、高い絶縁破壊耐圧を有するIII族窒化物系半導体素子、およびIII族
窒化物系半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made to solve the above-described problems, and can be manufactured at a low cost, and has a high breakdown voltage. A group III nitride semiconductor device and a group III nitride semiconductor An object is to provide a method for manufacturing an element.
上記課題を解決するために、本発明のIII族窒化物半導体素子は、シリコン層、絶縁
層、およびシリコンからなる複数の核領域と前記複数の核領域の間を埋める絶縁領域を有
する複合層がこの順に形成された基板と、前記基板上に形成されたIII族窒化物系半導
体からなるバッファ層と、前記バッファ層上に形成されたIII族窒化物半導体からなる
動作層と、前記動作層上に形成された第1の電極および第2の電極とを備え、前記核領域
のそれぞれの最大幅L1が、前記第1の電極および前記第2の電極の間の距離L2よりも
小さいことを特徴とするものである。
In order to solve the above problems, the group III nitride semiconductor device of the present invention includes a silicon layer, an insulating layer, and a composite layer having a plurality of core regions made of silicon and an insulating region filling between the plurality of core regions. A substrate formed in this order, a buffer layer made of a group III nitride semiconductor formed on the substrate, an operation layer made of a group III nitride semiconductor formed on the buffer layer, and the operation layer and a first electrode and a second electrode formed on, that each of the maximum width L 1 of the core region is less than the distance L 2 between the first electrode and the second electrode It is characterized by.
本発明の他の態様に係るIII族窒化物系半導体素子は、前記絶縁領域がSiO2から
なることを特徴とするものである。
A group III nitride semiconductor device according to another aspect of the present invention is characterized in that the insulating region is made of SiO 2 .
本発明のIII族窒化物半導体素子の製造方法は、シリコン層、絶縁層、および表面に
シリコンからなる複数の核領域と前記複数の核領域の間を埋める絶縁領域を有する複合層
がこの順に形成された基板を調整する工程と、前記基板上に前記核領域を核として、II
I族窒化物半導体からなるバッファ層を形成する工程と、前記バッファ層上にIII族窒
化物半導体からなる動作層を形成する工程と、前記動作層上に第1の電極および第2の電
極を、前記複数の核領域の最大幅L1以上の所定間隔L2だけ離間して形成する工程とを
備えるものである。
In the method for manufacturing a group III nitride semiconductor device of the present invention, a silicon layer, an insulating layer, and a composite layer having a plurality of core regions made of silicon on the surface and an insulating region filling between the plurality of core regions are formed in this order. Preparing the prepared substrate, and using the nucleus region as a nucleus on the substrate, II
A step of forming a buffer layer made of a group I nitride semiconductor, a step of forming an operation layer made of a group III nitride semiconductor on the buffer layer, and a first electrode and a second electrode on the operation layer. , in which and forming spaced apart by the maximum width L 1 or more predetermined distance L 2 of the plurality of core regions.
本発明によれば、III族窒化物半導体からなるバッファ層および動作層を厚く形成し
なくても、十分な絶縁破壊電圧特性(耐圧)を有するIII族窒化物半導体素子を形成す
ることができる。所望の耐圧を得るためのIII族窒化物半導体からなる層の厚さを薄く
することができるので、製造コストを低減することができるという効果を奏する。
According to the present invention, a group III nitride semiconductor device having sufficient breakdown voltage characteristics (breakdown voltage) can be formed without forming a buffer layer and an operating layer made of a group III nitride semiconductor thick. Since the thickness of the layer made of a group III nitride semiconductor for obtaining a desired breakdown voltage can be reduced, the manufacturing cost can be reduced.
以下に、図面を参照して本発明に係るIII族窒化物系半導体素子を説明する。 The group III nitride semiconductor device according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
(第一の実施形態)
図1は、本発明の第一の実施形態に係るIII族窒化物系半導体素子100の概略構成
を示す断面図である。図1に示すように、本発明のIII族窒化物系半導体素子100は
、シリコン層11、絶縁層13、および表面にシリコンからなる複数の核領域15と前記
複数の核領域の間を埋める絶縁領域17を有するL/S(ライン/ストライプ)層19が
この順に形成された基板10と、この基板10上に形成された(後述する)AlN層21
、およびGaN層とAlxGa1−xN層(0<x≦1)とが交互に複数積層されたマル
チ層23からなるバッファ層20と、前記バッファ層20上に形成されたIII族窒化物
半導体からなる動作層30と、動作層30上に形成された複数の電極(第1の電極41、
第2の電極43)とを備えている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a group III
, And a
A second electrode 43).
すなわち、本発明の第一の実施形態に係るIII族窒化物系半導体素子100は、ショ
ットキーバリアダイオード(SBD)である。
That is, the group III
ここで、III族窒化物系化合物半導体とは、GaNを代表とする化合物半導体であり
、例えば、AlaInbGa1−a−bN(0≦a<1、0≦b<1、a+b<1)で表
される化合物半導体である。なお、本発明に用いられるIII族窒化物系化合物半導体は
、V族元素として、窒素(N)の一部が砒素(As)やリン(P)に置換されたものであ
ってもよい。
Here, the group III nitride compound semiconductor is a compound semiconductor typified by GaN, for example, Al a In b Ga 1 -abN (0 ≦ a <1, 0 ≦ b <1, a + b It is a compound semiconductor represented by <1). The group III nitride compound semiconductor used in the present invention may be one in which a part of nitrogen (N) is substituted with arsenic (As) or phosphorus (P) as a group V element.
図2は、図1の本発明の第一の実施形態に係るIII族窒化物系半導体素子100の層
別の上視図である。図2(a)は、L/S層19の部分の上視図であり、図2(b)は動
作層30および電極の上視図である。
ここで、L/S層19は、図2(a)に示すように、表面にシリコンからなる所定形状
の複数の核領域15と、該核領域15の間を埋めるように形成された絶縁領域17を有し
ており、絶縁領域17は、例えば、SiO2等の絶縁体で形成されている。また、基板1
0の核領域15は、その最大幅L1が、動作層30上に形成される複数の電極41、43
の隣接する距離L2よりも小さくなるように形成されている(図2(b))。
FIG. 2 is a top view of the group III
Here, as shown in FIG. 2A, the L /
The zero
Are formed to be smaller than the adjacent distance L 2 (FIG. 2B).
なお、図2(a)では、基板10のIII族窒化物系半導体を形成する層(L/S層1
9)は、表出する核領域15の平面形状としてライン/ストライプパターンのものを例示
したが、これに限定されるものではなく、円形や矩形、六角形等の多角形の核領域15を
備えた複合層であってもよい。
In FIG. 2A, the layer (the L / S layer 1) for forming the group III nitride semiconductor of the
9) illustrates a line / stripe pattern as the planar shape of the
次に図を参照して本発明のIII族窒化物系半導体素子の製造方法について説明する。
図3、4は、本発明の一実施形態に係るIII族窒化物系半導体素子100を製造する工
程を説明する断面模式図である。
まず、図3(a)に示すような、シリコン層11、絶縁層13、および別のシリコン層
15’を備えた基板(基板前駆体)10’を調製する。このとき、別のシリコン層15’
の主面(露出している側の表面)の面方位は、(111)面であることが望ましい。また
、基板10’の作成方法としては、従来公知のイオン注入法や、貼り合わせ等の方法を採
用することができる。
Next, a method for manufacturing a group III nitride semiconductor device of the present invention will be described with reference to the drawings.
3 and 4 are schematic cross-sectional views illustrating a process for manufacturing a group III
First, as shown in FIG. 3A, a substrate (substrate precursor) 10 ′ provided with a
The surface orientation of the main surface (exposed surface) is preferably the (111) plane. Further, as a method for producing the
次に、シリコン層15’上に所定パターンのマスクMを形成し、マスクMが形成されて
いない部分のシリコン層15’を酸化することによって、Siからなる核領域15とSi
O2からなる絶縁領域17とを備えたL/S層19を形成する(図3(b))。シリコン
層15’の酸化方法は、熱酸化等、従来から知られている種々の方法を用いることができ
る。以上の工程により、基板10を形成する。
Next, a mask M having a predetermined pattern is formed on the
An L /
次に、マスクMを除去し、L/S層19の表面に露出した核領域15を成長核として、
選択横方向成長(ELOG:Epitaxial Lateral Overgrowt
h)によって島状のAlN層21を形成する(図3(c))。このとき、L/S層の表面
には、エピタキシャル成長の核とならない部分、すなわちSiO2からなる絶縁領域17
が形成されているが、成長条件を適宜設定することにより、Siからなる核領域15を核
としてエピタキシャル成長をすることができる。更に、ELOGによってAlN層21は
、転位の低減された層とすることができる。
Next, the mask M is removed, and the
Selective lateral growth (ELOG: Epitaxial Lateral Overgrowt)
h), an island-shaped
However, by appropriately setting the growth conditions, epitaxial growth can be performed with the
次に、島状に成長されたAlN層21上にGaN/AlxGa1−xN(ただし、0<
x≦1)の多層構造からなるマルチ層23を形成することにより、バッファ層20を形成
する(図4(a))。マルチ層23の形成にあたっては、例えば、成長圧力を変更するこ
とによって横方向の成長を促進し、その表面が平坦となるようにする。
Next, the island-like GaN / Al on the grown
The
更に、バッファ層20上に、素子を形成するためのIII族窒化物系半導体からなる動
作層30を形成する。動作層30は、AlyInzGa1−y−zN(ただし、0≦y≦
1、0≦z≦1、0≦x+y≦1)で表されるIII族窒化物系半導体からなる単一の組
成の1層で形成してもよく、組成の異なる複数の層、または一つの層の中で組成が変化す
る層で形成してもよい。
Further, an
1, 0 ≦ z ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) may be formed of one layer of a single composition made of a group III nitride-based semiconductor, a plurality of layers having different compositions, or a single layer You may form in the layer from which a composition changes among layers.
動作層30は、例えば、p型のGaN(p−GaN)、アンドープのGaN(un−G
aN)からなる単層、p−GaNまたはun−GaNとAlGaNの積層(AlGaN/
p−GaN(un−GaN))、あるいは、バッファ層20側がGaNであり、積層方向
に徐々にAl組成が増加するAlyGa1−yN(0≦y≦1)からなる層で形成するこ
とができる。
The
aN), p-GaN or un-GaN and AlGaN stack (AlGaN /
p-GaN (un-GaN)) or a layer made of Al y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ 1) in which the
絶縁領域17の最大幅は、バッファ層20の厚さよりも小さくすることが望ましい。こ
のように絶縁領域17の最大幅を設定することにより、選択横方向成長によってAlN層
21を島状に形成した場合でも、バッファ層20の最表面、すなわち動作層30が形成さ
れる面の平坦性を高くすることができる。
It is desirable that the maximum width of the insulating
その後、動作層30上に複数の電極41、43を形成することによって、本発明の第一
の実施形態に係るIII族窒化物系半導体素子100が完成する。
Thereafter, by forming a plurality of
第一の実施形態に係るIII族窒化物系半導体素子100は、電極41、43をそれぞ
れオーミック電極、ショットキー電極として形成することで、ショットキーバリアダイオ
ード(SBD)として用いることができる。このとき、オーミック電極は、スパッタおよ
びリフトオフ法を用いてTi/Alを厚さがそれぞれ25nm、200nmとなるように
堆積し、600℃で10分の熱処理を行うことによって形成することができる。また、シ
ョットキー電極は、同様にスパッタおよびリフトオフ法を用いてNi/Auを厚さがそれ
ぞれ50nm、100nmとなるように堆積することによって形成することができる。
The group III
このように形成されたIII族窒化物系半導体素子100は、表面にシリコンからなる
複数の核領域とこの核領域の間を埋める絶縁領域を有する複合層を備えた基板10上に形
成されているため、電極間でSi基板を通るリーク経路が形成されず、高い絶縁破壊電圧
を実現することができる。
The group III
また、L/S層19の表面の一部に露出したSiからなる核領域15を核として、選択
横方向成長しているため、転位密度が小さくなり、その上に形成されるIII族窒化物系
化合物半導体からなる各層の結晶品質を向上させることができる。
Further, since the selective lateral growth is performed with the
更に、従来、高耐圧化のためにはIII族窒化物系化合物半導体からなる層を厚く成長
させる必要があったが、同じ耐圧を得る場合にもIII族窒化物系化合物半導体層の厚さ
を薄くすることができるため、コストを大幅に低減することが可能となる。
Further, conventionally, it has been necessary to grow a layer made of a group III nitride compound semiconductor in order to increase the breakdown voltage. However, when obtaining the same breakdown voltage, the thickness of the group III nitride compound semiconductor layer is also reduced. Since the thickness can be reduced, the cost can be significantly reduced.
(第二の実施形態)
次に、本発明の第二の実施形態に係るIII族窒化物系半導体素子について説明する。
図5は、本発明の第二の実施形態に係るIII族窒化物系半導体素子200の概略構成
を示す断面図である。
(Second embodiment)
Next, a group III nitride semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a group III
III族窒化物系半導体素子200は、III族窒化物系半導体素子100と同様に基
板10、バッファ層20および動作層30を備えているが、動作層30上に形成される電
極の構造が異なっている。すなわち、III族窒化物系半導体素子200では、動作層3
0上に2つのオーミック電極(ソース電極51、ドレイン電極53)が離間して形成され
、2つのオーミック電極間の動作層30の表面には、例えばSiO2からなる絶縁膜60
が形成されている。そして、絶縁膜60上にゲート電極55が形成されて、いわゆるMO
S型の電界効果トランジスタMOSFET(FET:Field Effect Tra
nsistor)を形成している。
The group III
Two ohmic electrodes (a
Is formed. Then, a
S-type field effect transistor MOSFET (FET: Field Effect Tra)
nistor).
III族窒化物系半導体素子200においても、基板10の核領域15の最大幅L1が
、ソース電極51とドレイン電極53の間の距離L3よりも小さくなるように形成されて
いる。このような構成とすることで、ソース電極51−ドレイン電極53間に高い電圧が
印加された場合であっても、基板10を通るリーク経路が形成されないため、高い絶縁破
壊電圧を実現することができる。
The group III
なお、本実施形態において、III族窒化物系半導体素子200は、動作層30の表面
に直接絶縁膜60を形成しているが、本発明は、このような構造に限定されるものではな
い。
すなわち、図6に示すIII族窒化物系半導体素子300のように、動作層30の表面
のうち、ソース電極51−ドレイン電極53間の一部を除去して断面が逆台形状のリセス
部31を形成し、該リセス部31の内表面に絶縁膜60を介してゲート電極55を形成し
てもよい。このとき、動作層30は、p−GaNまたはun−GaNからなるチャネル層
33とAlGaNからなる電子供給層35からなり、リセス部31の底面31aがチャネ
ル層33に達する深さまで形成されていることが望ましい。
In the present embodiment, the group III
That is, as in the group III
このような構造にすることで、チャネル層33と電子供給層35との間で、自発分極お
よびピエゾ効果に起因する分極のため、2次元電子ガス(2DEG:2dimensio
nal electron gas)が発生する。2DEGは、高いキャリア密度と電子
移動度を有するため、III族窒化物系半導体素子300を、オン抵抗が低く、スイッチ
ング特性に優れたMOSFETとすることができる。
With such a structure, a two-dimensional electron gas (2DEG: 2dimension) is generated between the
nal electron gas) occurs. Since 2DEG has a high carrier density and electron mobility, the group III
本発明のIII族窒化物系半導体素子は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が
可能である。
例えば、図6における動作層30は、チャネル層33と電子供給層35によって形成さ
れているが、チャネル層33と電子供給層35の間に数nmのAlNからなる層を挿入し
てもよい。このような構成により、チャネル層33と電子供給層35の間に形成される2
次元電子ガスのキャリア密度を高くし、かつ、電子移動度を更に向上させることができる
。
The group III nitride semiconductor device of the present invention can be variously modified without departing from the spirit of the invention.
For example, although the
The carrier density of the dimensional electron gas can be increased and the electron mobility can be further improved.
以下、本発明の実施例を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
実施例1のIII族窒化物系半導体素子は、図1に示すSBDと同様の構成を備えてい
る。以下、実施例1に係るIII族窒化物系半導体素子の製造方法について説明する。
The group III nitride semiconductor device of Example 1 has the same configuration as the SBD shown in FIG. Hereinafter, a method for manufacturing a group III nitride semiconductor device according to Example 1 will be described.
まず、SiO2層(絶縁層)13、Si層(別のシリコン層)15’の厚さがそれぞれ
5μm、0.5μmの基板(基板前駆体)10’を調製する。PCVD(Plasma−
enhanced Chemical Vapor Deposition)、またはL
PCVD(Low Pressure CVD)により、基板10’上に厚さが500n
mのSiNを成膜する。その後、フォトリソグラフィによりライン及びスペースの幅がそ
れぞれ1μmの(図示しない)L/Sパターンを形成する。
First, a substrate (substrate precursor) 10 ′ having thicknesses of 5 μm and 0.5 μm of SiO 2 layer (insulating layer) 13 and Si layer (another silicon layer) 15 ′ is prepared. PCVD (Plasma-
enhanced Chemical Vapor Deposition), or L
A thickness of 500 n is formed on the substrate 10 'by PCVD (Low Pressure CVD).
m SiN is deposited. Thereafter, an L / S pattern (not shown) having a line width and a space width of 1 μm is formed by photolithography.
次に、反応性イオンエッチング(RIE)によりSiNの一部を除去し、その後レジス
トを除去する。このSiNは、以下の酸化工程におけるマスクMとして利用する。
次にウェット酸化により、基板のSi層15’を酸化し、その後、RIEによりマスク
を除去する。
Next, a part of SiN is removed by reactive ion etching (RIE), and then the resist is removed. This SiN is used as a mask M in the following oxidation process.
Next, the
L/Sパターンを形成した基板10をRCA洗浄した後、有機金属化学気相成長(MO
CVD)装置にセットし、原料ガスとしてトリメチルガリウム(TMGa)、トリメチル
アルミニウム(TMAl)、NH3を用いてAlN層21、マルチ層23、GaN層、A
lGaN層を順次成長する。
After the
CVD) was set in the apparatus, trimethyl gallium as source gases (TMGa), trimethyl aluminum (TMAl),
The lGaN layer is grown sequentially.
AlN層21は、原料ガスとしてTMAlとNH3を用い、成長圧力50Torrで、
平均厚さが100nmとなるように島状に成長する。
マルチ層23は、厚さが200nmのGaNからなる層と、厚さが20nmのAlNか
らなる層を交互に8ペア積層した構造を有する。このとき、最初の4ペアは、原料ガスと
してTMGa、TMAlおよびNH3を用い、成長圧力500Torrで成長する。残り
の4ペアは、成長面の平坦化を目的として、成長圧力50Torrで成長する。
The
It grows in an island shape so that the average thickness is 100 nm.
The multi-layer 23 has a structure in which eight pairs of layers made of GaN having a thickness of 200 nm and layers made of AlN having a thickness of 20 nm are alternately stacked. At this time, the first four pairs are grown at a growth pressure of 500 Torr using TMGa, TMAl and NH 3 as source gases. The remaining four pairs grow at a growth pressure of 50 Torr for the purpose of flattening the growth surface.
更にGaN層、AlGaN層は、原料ガスとしてTMGa、TMAlおよびNH3を用
い、成長圧力200Torrで、厚さがそれぞれ800nm、25nmとなるように成長
する。AlGaN層35のAl組成は20%とする。
Further, the GaN layer and the AlGaN layer are grown so as to have thicknesses of 800 nm and 25 nm, respectively, using TMGa, TMAl and NH 3 as source gases at a growth pressure of 200 Torr. The Al composition of the
AlGaN/GaNヘテロ接合構造では、上述したように2DEGが発生するため、こ
の2DEGがチャネルとして機能する。このため、本実施例では、AlGaN/GaNの
積層構造が動作層30として機能する。
In the AlGaN / GaN heterojunction structure, 2DEG is generated as described above, and thus this 2DEG functions as a channel. For this reason, in this embodiment, the AlGaN / GaN laminated structure functions as the
その後、スパッタリングとリフトオフ法を用いてAlGaN層上にTi/Alからなる
オーミック電極を形成し、600℃、10分の熱処理を行う。Ti/Alの厚さはそれぞ
れ25nm、200nmである。同様の方法で、Ni/Auからなるショットキー電極を
形成する。Ni/Auの厚さはそれぞれ50nm、100nmである。以上の工程により
、実施例1に係る半導体素子(SBD)が完成する。
Thereafter, an ohmic electrode made of Ti / Al is formed on the AlGaN layer by sputtering and a lift-off method, and heat treatment is performed at 600 ° C. for 10 minutes. The thickness of Ti / Al is 25 nm and 200 nm, respectively. A Schottky electrode made of Ni / Au is formed by the same method. The thicknesses of Ni / Au are 50 nm and 100 nm, respectively. Through the above steps, the semiconductor element (SBD) according to Example 1 is completed.
図7は、実施例1のIII族窒化物系半導体素子400の上視図である。図7に示すよ
うに、本実施例のIII族窒化物系半導体素子400は、動作層30上に2つの電極(シ
ョットキー電極、オーミック電極)を備えている。ショットキー電極71は、直径300
μmの円形であり、オーミック電極73は、ショットキー電極71と同心円状の開口を備
えた形状である。本実施例では、ショットキー電極71とオーミック電極73との間隔(
電極間距離)Laを3μm〜70μmで変化させたときの耐圧を測定した。
FIG. 7 is a top view of the group III
The
The breakdown voltage when the electrode distance) L a varied 3μm~70μm was measured.
なお、比較例1として、従来技術に係るSOI基板を用い、それ以外は実施例1と同様
の構成とした半導体素子を作成し、ショットキー電極とオーミック電極との間隔を3μm
〜70μmで変化させた時の耐圧を測定した。
As Comparative Example 1, a semiconductor element having the same configuration as that of Example 1 except that an SOI substrate according to the prior art was used was prepared, and the distance between the Schottky electrode and the ohmic electrode was 3 μm.
The withstand voltage was measured when it was changed at ˜70 μm.
図8は、電極間距離Laと耐圧の関係を示すグラフである。図8に示す通り、基板とし
て導電性のSiが表面全体に存在するSOI基板を用いた比較例1の場合には、電極間距
離Laを大きくしても耐圧が700V程度であった。これに対し、本発明の実施例1では
、電極間距離Laを大きくするにしたがって耐圧が向上し、電極間距離Laを20μm以
上とすることで2500V以上の耐圧を得ることができた。ここで、耐圧とは、電極間の
リーク電流が1×10−5A/mmを超えた時点で、電極間に印加した電圧とした。
Figure 8 is a graph showing the relation between the electrode distance L a and the breakdown voltage. As shown in FIG. 8, in the case of Comparative Example 1 using an SOI substrate Si conductive as the substrate is present on the entire surface breakdown voltage by increasing the electrode distance L a was about 700 V. In contrast, in Example 1 of the present invention improves the breakdown voltage according to increase the inter-electrode distance L a, the inter-electrode distance L a could be obtained breakdown voltage of more than 2500V by the above 20 [mu] m. Here, the breakdown voltage is a voltage applied between the electrodes when the leak current between the electrodes exceeds 1 × 10 −5 A / mm.
実施例2のIII族窒化物系半導体素子は、図6に示すMOSFET300と同様の構
成を備えている。以下、実施例2に係るIII族窒化物系半導体素子の製造方法について
説明するが、AlGaN層を形成する工程までは、実施例1と同様であるため、説明を省
略する。
The group III nitride semiconductor device of Example 2 has the same configuration as
AlGaN層35上にPCVDによりSiO2膜を成膜し、フォトリソグラフィとRI
Eによりゲートのリセス部を形成するためのエッチングマスクを形成する。その後、ドラ
イエッチングにより、ゲート部のAlGaN層をエッチングし、リセス部31を形成する
。
A SiO 2 film is formed on the
An etching mask for forming a recess portion of the gate is formed by E. Thereafter, the recess portion 31 is formed by etching the AlGaN layer in the gate portion by dry etching.
RCA洗浄を行った後、絶縁膜60として、厚さが60nmのSiO2膜を形成する。
オーミック電極(ソース電極51、ドレイン電極53)を形成する部分のSiO2膜を
除去した後、スパッタリングとリフトオフ法を用いてオーミック電極を形成する。オーミ
ック電極は、厚さがそれぞれ25nm、200nmのTi/Alからなる。オーミック電
極形成後、600℃で10分間の熱処理を行う。
After performing the RCA cleaning, a SiO 2 film having a thickness of 60 nm is formed as the insulating
After removing the portion of the SiO 2 film where the ohmic electrodes (
その後、SiO2膜60上に、スパッタリングとリフトオフ法を用いてゲート電極55
を形成する。ゲート電極55は、厚さがそれぞれ50nm、100nmのTi/Alから
なる。
Thereafter, the
Form. The
図9は、実施例2のIII族窒化物系半導体素子500の上視図である。図8に示すよ
うに、本実施例のIII族窒化物系半導体素子500は、動作層30上に2つのオーミッ
ク電極(ソース電極51、ドレイン電極53)と、2つのオーミック電極の間に絶縁膜6
0を介してゲート電極55を備えている。
FIG. 9 is a top view of the group III
A
ゲート電極55は、内径が300μmの円環形状である。また、ドレイン電極53は、
ゲート電極55の外側に、ゲート電極55から5μm離隔して形成される。ソース電極5
1は円形であり、ゲート電極55の内側に所定距離Lbをおいて形成される。本実施例で
は、ソース電極51とゲート電極55との電極間距離Lbを3μm〜70μmで変化させ
たときの耐圧を測定した。
The
The
1 is circular, is formed at a predetermined distance L b on the inside of the
なお、比較例2として、従来技術に係るSOI基板を用い、それ以外は実施例2と同様
の構成とした半導体素子を作成し、ドレイン電極とゲート電極との間隔を3μm〜70μ
mで変化させた時の耐圧を測定した。
As Comparative Example 2, a semiconductor device having the same configuration as that of Example 2 except that an SOI substrate according to the related art was used was prepared, and the interval between the drain electrode and the gate electrode was 3 μm to 70 μm.
The pressure resistance when changing with m was measured.
図10は、電極間距離Lbと耐圧の関係を示すグラフである。図10に示す通り、基板
として導電性のSi基板を用いた比較例2の場合には、電極間距離Lbを大きくしても耐
圧が700V程度であったのに対し、基板として本発明の基板を用いた場合には、電極距
離Lbを30μm以上とすることで2600V以上の耐圧を得ることができる。
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the interelectrode distance Lb and the breakdown voltage. As shown in FIG. 10, in the case of Comparative Example 2 using a conductive Si substrate as a substrate, whereas breakdown voltage by increasing the electrode distance L b was about 700 V, the present invention as a substrate in the case of using the substrate, an electrode distance L b can be obtained breakdown voltage of more than 2600V by the above 30 [mu] m.
100、200、300、400、500 III族窒化物半導体素子
10 基板
10’ 基板(基板前駆体)
11 シリコン層
13 絶縁層
15 核領域
15’ 別のシリコン層
17 絶縁領域
19 L/S層
20 バッファ層
21 AlN層
23 マルチ層
30 動作層
31 リセス部
31a 底面
33 チャネル層
35 電子供給層
41 第1の電極
43 第2の電極
51 ソース電極
53 ドレイン電極
55 ゲート電極
60 絶縁膜
71 ショットキー電極
73 オーミック電極
100, 200, 300, 400, 500 Group III
11
Claims (6)
埋める絶縁領域を有する複合層がこの順に形成された基板と、
前記基板上に形成されたIII族窒化物系半導体からなるバッファ層と、
前記バッファ層上に形成されたIII族窒化物半導体からなる動作層と、
前記動作層上に形成された第1の電極および第2の電極と
を備え、
前記核領域のそれぞれの最大幅L1が、前記第1の電極および前記第2の電極の間の距
離L2よりも小さいことを特徴とするIII族窒化物系半導体素子。 A substrate in which a composite layer having a silicon layer, an insulating layer, and a plurality of nucleus regions made of silicon and an insulating region filling between the plurality of nucleus regions is formed in this order;
A buffer layer made of a group III nitride semiconductor formed on the substrate;
An operation layer made of a group III nitride semiconductor formed on the buffer layer;
A first electrode and a second electrode formed on the operating layer;
Each of the maximum width L 1 is, the first electrode and the group III nitride semiconductor device characterized by less than the distance L 2 between the second electrode of the nucleus region.
半導体素子。 The group III nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the insulating region is made of SiO 2 .
とを特徴とする請求項1または2に記載のIII族窒化物系半導体素子。 3. The group III nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the first electrode is an ohmic electrode, and the second electrode is a Schottky electrode. 4.
動作層の表面であって前記ソース電極と前記ドレイン電極の間に形成された絶縁膜と、前
記絶縁膜上に形成されたゲート電極を更に備えることを特徴とする請求項1または2に記
載のIII族窒化物系半導体素子。 The first electrode is a source electrode, the second electrode is a drain electrode, an insulating film formed between the source electrode and the drain electrode on the surface of the operation layer, and the insulation The group III nitride semiconductor device according to claim 1, further comprising a gate electrode formed on the film.
埋める絶縁領域を有する複合層をこの順に備えた基板を調製する工程と、
前記基板上に前記核領域を核として、III族窒化物半導体からなるバッファ層を形成
する工程と、
前記バッファ層上にIII族窒化物半導体からなる動作層を形成する工程と、
前記動作層上に第1の電極および第2の電極を、前記複数の核領域の最大幅L1以上の
所定間隔L2だけ離間して形成する工程と
を備えるIII族窒化物系半導体素子の製造方法。 Preparing a substrate comprising a silicon layer, an insulating layer, and a composite layer having a plurality of core regions made of silicon and an insulating region filling the plurality of core regions in this order;
Forming a buffer layer made of a group III nitride semiconductor using the nucleus region as a nucleus on the substrate;
Forming an operation layer made of a group III nitride semiconductor on the buffer layer;
Wherein the first electrode and the second electrode on the active layer, the group III nitride semiconductor device and forming spaced apart by the maximum width L 1 or more predetermined distance L 2 of the plurality of core regions Production method.
基板前駆体を調製する工程と、
前記別のシリコン層の所定の部分を酸化させる工程と
を備える請求項5に記載のIII族窒化物系半導体素子の製造方法。 Preparing the substrate comprises preparing a substrate precursor comprising one silicon layer, an insulating layer, and another silicon layer;
The method for manufacturing a group III nitride semiconductor device according to claim 5, further comprising a step of oxidizing a predetermined portion of the another silicon layer.
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