JP2011210750A - Field effect transistor, method of manufacturing field effect transistor, and electronic device - Google Patents

Field effect transistor, method of manufacturing field effect transistor, and electronic device Download PDF

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Takashi Inoue
隆 井上
Yuji Ando
裕二 安藤
Tatsuo Nakayama
達峰 中山
Kazuki Ota
一樹 大田
Yasuhiro Okamoto
康宏 岡本
Kazutomi Endo
一臣 遠藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a field effect transistor which attains a high threshold voltage and low ON resistance, and in which parallel conduction is suppressed.SOLUTION: The field effect transistor has a buffer layer 602 of group III nitride, a channel layer 603, a barrier layer 605 and a cap layer 606 which are laminated in this order on a substrate 601. An upper surface of each semiconductor layer is a group III atom surface perpendicular to a (0001) crystal axis, the buffer layer 602 is lattice-relaxed, and the barrier layer 605 has tensile strain and the channel layer 603 and cap layer 606 have compressive strain, or the channel layer 603 is lattice-relaxed and the cap layer 606 has tensile strain. The cap layer 606, a gate insulating film 607 and a gate electrode 608 are laminated in this order in a part of a region on the barrier layer 605, and a source electrode 609 and a drain electrode 610 are formed in the other region.

Description

本発明は、電界効果トランジスタ、電界効果トランジスタの製造方法、および電子装置に関する。   The present invention relates to a field effect transistor, a method for manufacturing a field effect transistor, and an electronic device.

昨今は、地球温暖化防止対策等の、地球規模の環境保全を考慮して、省エネルギー化に向けた技術開発が社会的に強く求められている。技術開発の中でも、IT機器、家電、製品、自動車に搭載される車載電子機器の消費電力削減等は、温室効果ガスである二酸化炭素(CO2)削減等に直結するため重要である。 In recent years, there has been a strong social demand for technological development for energy saving in consideration of global environmental conservation such as global warming prevention measures. Among technological developments, reductions in power consumption of in-vehicle electronic devices mounted on IT equipment, home appliances, products, and automobiles are important because they are directly linked to the reduction of carbon dioxide (CO 2 ), which is a greenhouse gas.

電源装置には、直流電力から交流電力を生成するインバータや、交流電力から直流電力を生成するコンバータなどがある。電源装置には、シリコン(Si)のトランジスタが多く利用されてきた。しかしながら、シリコンのトランジスタでは、通電状態における電力損失(オン損失)と、通電状態と遮断状態を切り替える時の電力損失(スイッチング損失)がともに比較的大きいために、エネルギーのロスが大きい。そのため、シリコン(Si)のトランジスタと比較して、高耐圧、オン抵抗が低い等の優れた性質を有する電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor: 以下、FETと略することがある)について、近年、活発に研究開発が行われている。このような電界効果トランジスタとして、シリコンカーバイド(SiC)から形成された電界効果トランジスタ、および、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)等のIII族窒化物半導体から形成された電界効果トランジスタがある。   Examples of the power supply device include an inverter that generates AC power from DC power and a converter that generates DC power from AC power. Many silicon (Si) transistors have been used for power supply devices. However, a silicon transistor has a large energy loss because both a power loss (on loss) in an energized state and a power loss (switching loss) when switching between an energized state and a cut-off state are relatively large. Therefore, field effect transistors (hereinafter referred to as FETs) having excellent properties such as high breakdown voltage and low on-resistance compared to silicon (Si) transistors have recently been actively used. Research and development is underway. As such a field effect transistor, there are a field effect transistor formed from silicon carbide (SiC) and a field effect transistor formed from a group III nitride semiconductor such as gallium nitride (GaN) or aluminum gallium nitride (AlGaN). is there.

SiCまたはIII族窒化物半導体は、ワイドバンドギャップ半導体であり、かつ高耐圧材料である。この様な高耐圧材料から構成されたトランジスタでは、電極間距離を短縮できるために、チャネル距離を短縮でき、ひいては通電時のオン抵抗を低減、すなわちオン損失を低減できる。また、例えば、III族窒化物のヘテロ接合電界効果トランジスタ(HEMT)を用いた場合には、半導体ヘテロ接合界面をチャネルとして利用できるため、高いチャネル電子移動度を活用することができ、高速動作特性に優れ、スイッチング損失を低くし得る。高速動作(高周波動作)が可能となると、誘導素子の小型化が出来るため、電源装置の小型化も実現できる。   The SiC or group III nitride semiconductor is a wide band gap semiconductor and a high pressure resistant material. In a transistor composed of such a high withstand voltage material, the distance between the electrodes can be shortened, so that the channel distance can be shortened. As a result, the on-resistance during energization can be reduced, that is, the on-loss can be reduced. Also, for example, when using a III-nitride heterojunction field effect transistor (HEMT), the semiconductor heterojunction interface can be used as a channel, so high channel electron mobility can be utilized, and high-speed operation characteristics Excellent switching loss. When high-speed operation (high-frequency operation) is possible, the inductive element can be reduced in size, and the power supply device can also be reduced in size.

III族窒化物半導体から形成された電界効果トランジスタ(FET)としては、例えば、非特許文献1に記載のFETがある。図19に、このFETの構造を示す。図示のとおり、このFETは、SiC基板101上に、GaNバッファ層102およびn-AlGaN電子供給層104が前記順序で積層されたヘテロ接合電界トランジスタ(通称、HEMT:High Electron Mobility Transistor、高電子移動度トランジスタともいう)構造を有する。n-AlGaN電子供給層104上の一部には、n-GaN層106、AlN層107、およびn-GaN層108が前記順序で積層された3層キャップ層105が形成されている。3層キャップ層105の中央部付近には、開口部(リセス)が形成され、3層キャップ層105を貫通してn-AlGaN電子供給層104の上部まで達している。ゲート絶縁膜109は、前記3層キャップ層105上面および前記開口部(リセス)内部を覆うように形成されている。ゲート電極110は、ゲート絶縁膜109を介して前記開口部(リセス)を埋め込むように形成されている。ソース電極111およびドレイン電極112は、それぞれ、n-AlGaN電子供給層104上面における3層キャップ層105が形成されていない部分に形成されている。ソース電極111およびドレイン電極112は、3層キャップ層105およびゲート電極110を挟んで対向するように配置され、それぞれ、3層キャップ層105の両側面に接触している。GaNバッファ層102において、n-AlGaN電子供給層104との界面には、2次元電子ガス(2DEG)103によるチャネル(通電経路)が発生している。   As a field effect transistor (FET) formed of a group III nitride semiconductor, for example, there is an FET described in Non-Patent Document 1. FIG. 19 shows the structure of this FET. As shown in the figure, this FET is a heterojunction field transistor (commonly known as HEMT: High Electron Mobility Transistor) in which a GaN buffer layer 102 and an n-AlGaN electron supply layer 104 are stacked in the above order on a SiC substrate 101. (Also referred to as a transistor). A part of the n-AlGaN electron supply layer 104 is formed with a three-layer cap layer 105 in which an n-GaN layer 106, an AlN layer 107, and an n-GaN layer 108 are stacked in the above order. An opening (recess) is formed in the vicinity of the center of the three-layer cap layer 105, and reaches the upper portion of the n-AlGaN electron supply layer 104 through the three-layer cap layer 105. The gate insulating film 109 is formed so as to cover the upper surface of the three-layer cap layer 105 and the inside of the opening (recess). The gate electrode 110 is formed so as to fill the opening (recess) with the gate insulating film 109 interposed therebetween. The source electrode 111 and the drain electrode 112 are each formed in a portion where the three-layer cap layer 105 is not formed on the upper surface of the n-AlGaN electron supply layer 104. The source electrode 111 and the drain electrode 112 are arranged to face each other with the three-layer cap layer 105 and the gate electrode 110 interposed therebetween, and are in contact with both side surfaces of the three-layer cap layer 105, respectively. In the GaN buffer layer 102, a channel (energization path) due to the two-dimensional electron gas (2DEG) 103 is generated at the interface with the n-AlGaN electron supply layer 104.

M. Kanamura,T. Ohki, T. Kikkwa, T. Imada, A. Yamada, and N. Hara, “Enhancement-Mode GaN MIS-HEMTs With n-GaN/i-AlN/n-GaN Triple Cap Layer and High-k Gate Dielectrics,” IEEE Electron Device Letters, Vol. 31, No. 3, pp. 189-191, March 2010.M. Kanamura, T. Ohki, T. Kikkwa, T. Imada, A. Yamada, and N. Hara, “Enhancement-Mode GaN MIS-HEMTs With n-GaN / i-AlN / n-GaN Triple Cap Layer and High -k Gate Dielectrics, ”IEEE Electron Device Letters, Vol. 31, No. 3, pp. 189-191, March 2010.

一方、電界効果トランジスタ(FET)を用いた電子装置(電子機器)の高電力化および低損失化(省エネルギー化)のためには、高い閾値電圧と、低いオン抵抗との両立が求められる。しかしながら、非特許文献1に記載の電界効果トランジスタ(FET)では、高い閾値電圧と、低いオン抵抗とを両立できない。さらに、非特許文献1の電界効果トランジスタ(FET)では、意図しない通電経路が形成されてしまうパラレル伝導により、動作に問題が起こるおそれがある。すなわち、図19のデバイス構造の場合には、MIS(MOS)チャネルがオンになることにより、図23の113に示した通電経路が形成される。これがパラレル伝導である。このパラレル伝導は、電子移動度の比較的低いMIS(MOS)チャネルを介するので、オン電流の低減、オン抵抗の増大、そしてスイッチング速度の低減を招く。   On the other hand, in order to increase the power and reduce the loss (energy saving) of an electronic device (electronic device) using a field effect transistor (FET), both a high threshold voltage and a low on-resistance are required. However, the field effect transistor (FET) described in Non-Patent Document 1 cannot achieve both a high threshold voltage and a low on-resistance. Furthermore, in the field effect transistor (FET) of Non-Patent Document 1, there is a possibility that a problem may occur in operation due to parallel conduction in which an unintended energization path is formed. That is, in the case of the device structure of FIG. 19, the energization path indicated by 113 in FIG. 23 is formed by turning on the MIS (MOS) channel. This is parallel conduction. Since this parallel conduction is via the MIS (MOS) channel having a relatively low electron mobility, it leads to a reduction in on-current, an increase in on-resistance, and a reduction in switching speed.

そこで、本発明は、高い閾値電圧と、低いオン抵抗とを両立可能であり、かつ、パラレル伝導を抑制できる電界効果トランジスタ、電界効果トランジスタの製造方法、および電子装置を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a field effect transistor, a method of manufacturing a field effect transistor, and an electronic device that can achieve both a high threshold voltage and a low on-resistance and can suppress parallel conduction. .

前記目的を達成するために、本発明の第一の電界効果トランジスタは、
基板、バッファ層、チャネル層、障壁層、キャップ層、ゲート絶縁膜、ゲート電極、ソース電極、およびドレイン電極を含み、
前記バッファ層は、格子緩和されたAlxGa1-xN(0≦x<1)から形成され、
前記チャネル層は、前記バッファ層よりAl組成比の小さいAluGa1-uN(0≦u<x)、前記バッファ層と同じ組成のAlxGa1-xN(0≦x<1)またはInGaNから形成され、
前記障壁層は、前記バッファ層よりAl組成比の大きいAlyGa1-yN(x<y≦1)から形成され、
前記キャップ層は、前記障壁層よりAl組成比の小さいAlzGa1-zN(0≦z<y)から形成され、
前記バッファ層上面、前記チャネル層上面、前記障壁層上面、および前記キャップ層上面は、それぞれ、(0001)結晶軸に垂直なGa面またはAl面であり、
前記基板上に、前記バッファ層、前記チャネル層、および前記障壁層が、前記順序で積層され、
前記キャップ層は、前記障壁層上の一部の領域に形成され、
前記キャップ層上に、前記ゲート絶縁膜、および前記ゲート電極が、前記順序で積層され、
前記ソース電極および前記ドレイン電極は、前記障壁層上の、前記キャップ層が形成されていない領域上に形成されていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the first field effect transistor of the present invention comprises:
Including substrate, buffer layer, channel layer, barrier layer, cap layer, gate insulating film, gate electrode, source electrode, and drain electrode,
The buffer layer is formed of lattice-relaxed Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1),
The channel layer is Al u Ga 1-u N (0 ≦ u <x) having an Al composition ratio smaller than that of the buffer layer, and Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1) having the same composition as the buffer layer. Or formed from InGaN,
The barrier layer is made of Al y Ga 1-y N (x <y ≦ 1) having a larger Al composition ratio than the buffer layer,
The cap layer is formed of Al z Ga 1-z N (0 ≦ z <y) having a smaller Al composition ratio than the barrier layer,
The upper surface of the buffer layer, the upper surface of the channel layer, the upper surface of the barrier layer, and the upper surface of the cap layer are respectively a Ga plane or an Al plane perpendicular to the (0001) crystal axis,
The buffer layer, the channel layer, and the barrier layer are stacked in the order on the substrate,
The cap layer is formed in a partial region on the barrier layer;
The gate insulating film and the gate electrode are stacked in the order on the cap layer,
The source electrode and the drain electrode are formed on a region on the barrier layer where the cap layer is not formed.

また、本発明の第二の電界効果トランジスタは、
基板、バッファ層、チャネル層、障壁層、キャップ層、ゲート絶縁膜、ゲート電極、ソース電極、およびドレイン電極を含み、
前記バッファ層、前記チャネル層、前記障壁層、および前記キャップ層は、それぞれ、III族窒化物半導体により形成され、
前記バッファ層上面、前記チャネル層上面、前記障壁層上面、および前記キャップ層上面は、それぞれ、(0001)結晶軸に垂直なIII族原子面であり、
前記バッファ層は、格子緩和されており、
前記障壁層は、引っ張り歪みを有し、
前記チャネル層および前記キャップ層がいずれも圧縮歪みを有するか、または、前記チャネル層が格子緩和され、かつ前記キャップ層が引っ張り歪みを有し、
前記基板上に、前記バッファ層、前記チャネル層、および前記障壁層が、前記順序で積層され、
前記キャップ層は、前記障壁層上の一部の領域に形成され、
前記キャップ層上に、前記ゲート絶縁膜、および前記ゲート電極が、前記順序で積層され、
前記ソース電極および前記ドレイン電極は、前記障壁層上の、前記キャップ層が形成されていない領域上に形成されていることを特徴とする。
The second field effect transistor of the present invention is
Including substrate, buffer layer, channel layer, barrier layer, cap layer, gate insulating film, gate electrode, source electrode, and drain electrode,
The buffer layer, the channel layer, the barrier layer, and the cap layer are each formed of a group III nitride semiconductor,
The upper surface of the buffer layer, the upper surface of the channel layer, the upper surface of the barrier layer, and the upper surface of the cap layer are each a group III atomic plane perpendicular to the (0001) crystal axis,
The buffer layer is lattice-relaxed;
The barrier layer has tensile strain;
The channel layer and the cap layer both have compressive strain, or the channel layer is lattice relaxed and the cap layer has tensile strain;
The buffer layer, the channel layer, and the barrier layer are stacked in the order on the substrate,
The cap layer is formed in a partial region on the barrier layer;
The gate insulating film and the gate electrode are stacked in the order on the cap layer,
The source electrode and the drain electrode are formed on a region on the barrier layer where the cap layer is not formed.

本発明の第一の電界効果トランジスタの製造方法は、
基板上に、バッファ層、チャネル層、障壁層、およびキャップ層を前記順序で積層させる半導体層積層工程と、
前記キャップ層上に、ゲート絶縁膜材料を形成するゲート絶縁膜材料形成工程と、
前記ゲート絶縁膜材料上に、ゲート電極材料を形成するゲート電極材料形成工程と、
前記ゲート電極材料の一部を除去してゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、
前記ゲート絶縁膜材料の一部を除去してゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜形成工程と、
前記キャップ層の一部を除去するキャップ層一部除去工程と、
前記障壁層上の、前記キャップ層が除去された領域上に、ソース電極およびドレイン電極を形成する、ソース電極およびドレイン電極形成工程とを含み、
前記半導体層積層工程において、前記バッファ層、前記チャネル層、前記障壁層、および前記キャップ層を、それぞれ、(0001)結晶軸に垂直なIII族原子面で成長させ、
前記バッファ層を、格子緩和されたAlxGa1-xN(0≦x<1)から形成し、
前記チャネル層を、前記バッファ層よりAl組成比の小さいAluGa1-uN(0≦u<x)、前記バッファ層と同じ組成のAlxGa1-xN(0≦x<1)またはInGaNから形成し、
前記障壁層を、前記バッファ層よりAl組成比の大きいAlyGa1-yN(x<y≦1)から形成し、
前記キャップ層を、前記障壁層よりAl組成比の小さいAlzGa1-zN(0≦z<y)から形成することを特徴とする。
The first method for producing a field effect transistor of the present invention is as follows.
A semiconductor layer laminating step of laminating a buffer layer, a channel layer, a barrier layer, and a cap layer in the above order on a substrate;
A gate insulating film material forming step of forming a gate insulating film material on the cap layer;
A gate electrode material forming step of forming a gate electrode material on the gate insulating film material;
Forming a gate electrode by removing a part of the gate electrode material; and
A gate insulating film forming step of forming a gate insulating film by removing a part of the gate insulating film material;
A cap layer partial removal step of removing a part of the cap layer;
Forming a source electrode and a drain electrode on the barrier layer on the region where the cap layer has been removed,
In the semiconductor layer stacking step, the buffer layer, the channel layer, the barrier layer, and the cap layer are each grown on a group III atomic plane perpendicular to the (0001) crystal axis,
The buffer layer is formed of lattice-relaxed Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1),
The channel layer is made of Al u Ga 1-u N (0 ≦ u <x) having an Al composition ratio smaller than that of the buffer layer, Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1) having the same composition as the buffer layer. Or formed from InGaN,
The barrier layer is formed of Al y Ga 1-y N (x <y ≦ 1) having a higher Al composition ratio than the buffer layer,
The cap layer is formed of Al z Ga 1-z N (0 ≦ z <y) having an Al composition ratio smaller than that of the barrier layer.

本発明の第二の電界効果トランジスタの製造方法は、
基板上に、バッファ層、チャネル層、障壁層、およびキャップ層を前記順序で積層させる半導体層積層工程と、
前記キャップ層上に、ゲート絶縁膜材料を形成するゲート絶縁膜材料形成工程と、
前記ゲート絶縁膜材料上に、ゲート電極材料を形成するゲート電極材料形成工程と、
前記ゲート電極材料の一部を除去してゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、
前記ゲート絶縁膜材料の一部を除去してゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜形成工程と、
前記キャップ層の一部を除去するキャップ層一部除去工程と、
前記障壁層上の、前記キャップ層が除去された領域上に、ソース電極およびドレイン電極を形成する、ソース電極およびドレイン電極形成工程とを含み、
前記半導体層積層工程において、前記バッファ層、前記チャネル層、前記障壁層、および前記キャップ層を、それぞれ、(0001)結晶軸に垂直なIII族原子面で成長させ、
前記バッファ層を、格子緩和されるように形成し、
前記障壁層を、引っ張り歪みを有するように形成し、
前記チャネル層および前記キャップ層がいずれも圧縮歪みを有するか、または、前記チャネル層が格子緩和され、かつ前記キャップ層が引っ張り歪みを有するように、前記チャネル層および前記キャップ層を形成することを特徴とする。
The method for producing the second field effect transistor of the present invention comprises:
A semiconductor layer laminating step of laminating a buffer layer, a channel layer, a barrier layer, and a cap layer in the above order on a substrate;
A gate insulating film material forming step of forming a gate insulating film material on the cap layer;
A gate electrode material forming step of forming a gate electrode material on the gate insulating film material;
Forming a gate electrode by removing a part of the gate electrode material; and
A gate insulating film forming step of forming a gate insulating film by removing a part of the gate insulating film material;
A cap layer partial removal step of removing a part of the cap layer;
Forming a source electrode and a drain electrode on the barrier layer on the region where the cap layer has been removed,
In the semiconductor layer stacking step, the buffer layer, the channel layer, the barrier layer, and the cap layer are each grown on a group III atomic plane perpendicular to the (0001) crystal axis,
Forming the buffer layer so as to be lattice-relaxed;
Forming the barrier layer to have tensile strain;
Forming the channel layer and the cap layer so that both the channel layer and the cap layer have compressive strain, or the channel layer is lattice-relaxed and the cap layer has tensile strain. Features.

本発明の電子装置は、前記本発明の第一もしくは第二の電界効果トランジスタ、または前記本発明の第一もしくは第二の製造方法により製造される電界効果トランジスタを含むことを特徴とする。   The electronic device of the present invention includes the first or second field effect transistor of the present invention or the field effect transistor manufactured by the first or second manufacturing method of the present invention.

本発明によれば、高い閾値電圧と、低いオン抵抗とを両立可能であり、かつ、パラレル伝導を抑制できる電界効果トランジスタ、電界効果トランジスタの製造方法、および電子装置を提供することが可能である。   According to the present invention, it is possible to provide a field effect transistor that can achieve both a high threshold voltage and a low on-resistance, and that can suppress parallel conduction, a method for manufacturing the field effect transistor, and an electronic device. .

本発明の実施形態1におけるFETの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of FET in Embodiment 1 of this invention. 図1における多層エピタキシャル層の構造の一例(AlGaNバッファ・タイプ)における伝導帯ポテンシャルの概念図(ゲート電圧Vg=閾値電圧Vthの場合)である。FIG. 2 is a conceptual diagram (in the case of gate voltage Vg = threshold voltage Vth ) of a conduction band potential in an example of the structure of the multilayer epitaxial layer in FIG. 1 (AlGaN buffer type). 本発明の実施形態1におけるGaN-FETのゲート直下の伝導帯および価電子帯のエネルギー分布を例示するポテンシャル図である。FIG. 3 is a potential diagram illustrating the energy distribution of a conduction band and a valence band immediately below a gate of a GaN-FET in Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施形態1におけるGaN-FETのゲート以外の領域での伝導帯および価電子帯のエネルギーを例示するポテンシャル図である。FIG. 3 is a potential diagram illustrating the energy of a conduction band and a valence band in a region other than the gate of the GaN-FET in Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施例1におけるGaN-FETにおける、閾値Vthの、ゲート絶縁膜(アルミナ)厚依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the gate insulating film (alumina) thickness dependence of the threshold value Vth in GaN-FET in Example 1 of this invention. 本発明の実施形態2におけるFETの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of FET in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態3におけるFETの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of FET in Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施形態3におけるGaN-FETのゲート直下の伝導帯および価電子帯のエネルギー分布を例示するポテンシャル図である。It is a potential diagram which illustrates the energy distribution of the conduction band and valence band right under the gate of GaN-FET in Embodiment 3 of this invention. 図8Aにおける、チャネル部の拡大図である。It is an enlarged view of the channel part in FIG. 8A. 本発明の実施形態3におけるGaN-FETの、ゲート電極とオーミック電極との間の領域における伝導帯ポテンシャルおよびキャリア電子濃度の分布を例示するグラフである。It is a graph which illustrates distribution of the conduction-band potential and carrier electron concentration in the area | region between a gate electrode and an ohmic electrode of GaN-FET in Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施形態3におけるGaN-FETの、オーミック電極下方の領域における伝導帯ポテンシャルおよびキャリア電子濃度の分布を例示するグラフである。It is a graph which illustrates distribution of the conduction band potential and carrier electron concentration in the area | region under an ohmic electrode of GaN-FET in Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施形態1のFETにおける、キャリア電子濃度のゲート絶縁膜厚依存性の計算結果を例示するグラフである。It is a graph which illustrates the calculation result of the gate insulating film thickness dependence of carrier electron concentration in FET of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態1のFETにおける、キャリア電子濃度のキャップ層厚依存性の計算結果を例示するグラフである。It is a graph which illustrates the calculation result of the cap layer thickness dependence of carrier electron concentration in FET of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態1のFETにおける、キャリア電子濃度の障壁層Al組成比依存性の計算結果を示すグラフである。It is a graph which shows the calculation result of barrier layer Al composition ratio dependence of carrier electron concentration in FET of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態1のFETにおける、キャリア電子濃度の障壁層厚依存性の計算結果を例示するグラフである。It is a graph which illustrates the calculation result of the barrier layer thickness dependence of carrier electron concentration in FET of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態1のFETの変形例における、キャリア電子濃度のゲート絶縁膜厚依存性の計算結果を例示するグラフである。It is a graph which illustrates the calculation result of the gate insulating film thickness dependence of carrier electron concentration in the modification of FET of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態1のFETの変形例における、キャリア電子濃度のキャップ層厚依存性の計算結果を例示するグラフである。It is a graph which illustrates the calculation result of the cap layer thickness dependence of carrier electron concentration in the modification of FET of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態1のFETの変形例における、キャリア電子濃度の障壁層Al組成比依存性の計算結果を示すグラフである。It is a graph which shows the calculation result of barrier layer Al composition ratio dependence of the carrier electron concentration in the modification of FET of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態1のFETの変形例における、キャリア電子濃度の障壁層厚依存性の計算結果を例示するグラフである。It is a graph which illustrates the calculation result of the barrier layer thickness dependence of carrier electron concentration in the modification of FET of Embodiment 1 of this invention. 非特許文献1のMIS GaN-HEMTの構造を示す断面図である。2 is a cross-sectional view showing the structure of MIS GaN-HEMT of Non-Patent Document 1. 図19のMIS GaN-HEMTにおける、ゲート直下の伝導帯および価電子帯ポテンシャルの計算結果を例示するグラフである。20 is a graph illustrating calculation results of a conduction band and a valence band potential directly under a gate in the MIS GaN-HEMT of FIG. 19. 図19のMIS GaN-HEMTにおいて、ゲート電極とオーミック電極との間の領域における伝導帯ポテンシャルおよびキャリア電子濃度分布の計算結果を例示するグラフである。20 is a graph illustrating calculation results of a conduction band potential and a carrier electron concentration distribution in a region between a gate electrode and an ohmic electrode in the MIS GaN-HEMT of FIG. 図19のMIS GaN-HEMTにおいて、オーミック電極下方の領域における伝導帯ポテンシャルおよびキャリア電子濃度分布の計算結果を例示するグラフである。20 is a graph illustrating calculation results of a conduction band potential and a carrier electron concentration distribution in a region below an ohmic electrode in the MIS GaN-HEMT of FIG. 図19のノーマリーOFF特性MIS GaN-HEMTにおける、パラレル伝導発生機構を模式的に示す断面図である。FIG. 20 is a cross-sectional view schematically showing a parallel conduction generation mechanism in the normally-OFF characteristic MIS GaN-HEMT of FIG.

以下、本発明についてさらに具体的に説明する。ただし、本発明は、以下の説明により限定されない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically. However, the present invention is not limited by the following description.

本発明の電界効果トランジスタにおいて、「オン抵抗」は、電圧オン時(電圧印加時)における、正バイアス印加側と負バイアス印加側との間(例えば、ソース電極とドレイン電極との間)の電気抵抗を言う。「コンタクト抵抗」は、直接接触する2つの部分の間の抵抗を言い、例えば、「オーミック・コンタクト抵抗」は、オーミック電極(ソース電極、ドレイン電極)が電子供給層と直接接触している場合に、前記オーミック電極と前記電子供給層との間の電気抵抗を言う。   In the field effect transistor of the present invention, the `` on resistance '' is an electric current between the positive bias application side and the negative bias application side (for example, between the source electrode and the drain electrode) when the voltage is on (voltage application). Say resistance. `` Contact resistance '' refers to the resistance between two parts that are in direct contact.For example, `` ohmic contact resistance '' is when the ohmic electrode (source electrode, drain electrode) is in direct contact with the electron supply layer. The electrical resistance between the ohmic electrode and the electron supply layer.

本発明において、各構成要素の配置関係を示す場合、「上に」は、特に断らない限り、他の構成要素を介さずに上面に直接接触した状態でも良いし、間に他の構成要素が存在していても良い。「下に」も同様とする。また、各構成要素の配置関係を示す場合、「上面に」は、他の構成要素を介さずに上面に直接接触した状態とする。「下面に」も同様とする。   In the present invention, in the case of showing the arrangement relationship of each component, unless otherwise specified, “on” may be in a state of directly contacting the upper surface without passing through other components, and other components may be in between. May exist. The same applies to “under”. Further, in the case of showing the arrangement relationship of each component, “on the upper surface” is in a state of being in direct contact with the upper surface without passing through other components. The same applies to “on the bottom surface”.

本発明において、n-型不純物(ドナー不純物)濃度、p-型不純物(アクセプター不純物)濃度、キャリア濃度等を、体積密度(cm-3等)で表す場合、特に断らない限りは、原子数についての体積密度を表す。n-型不純物濃度、p-型不純物(アクセプター不純物)濃度、キャリア濃度等を、面積密度(cm-2等)で表す場合も同様に、特に断らない限りは、原子数についての面積密度を表す。 In the present invention, when n-type impurity (donor impurity) concentration, p-type impurity (acceptor impurity) concentration, carrier concentration, etc. are expressed by volume density (cm −3, etc.) Represents the volume density. Similarly, when the n-type impurity concentration, p-type impurity (acceptor impurity) concentration, carrier concentration, etc. are expressed in area density (cm -2 etc.), the area density in terms of the number of atoms is expressed unless otherwise specified. .

本発明において、イオン化された不純物の濃度は、特に断らない限り、電界効果トランジスタのいずれの電極にも電圧を印加しない状態における濃度をいうものとする。   In the present invention, the concentration of ionized impurities means a concentration in a state where no voltage is applied to any electrode of the field effect transistor unless otherwise specified.

本発明において、「組成」および「組成比」とは、例えば、AlxGa1-xNの組成で表される半導体層において、xの数値を「Al組成比」という。また、本発明において、半導体層の組成または組成比を規定する場合、導電性等を発現させる不純物(ドーパント)は、半導体層を構成する元素として考慮しないものとする。例えば、p-型GaN層とn-型GaN層とは、不純物(ドーパント)が異なるが、組成は同一であるものとする。また、例えば、n-型GaN層と、不純物濃度がさらに高いn+GaN層とがあった場合、それらの組成は同一であるものとする。 In the present invention, “composition” and “composition ratio” refer to, for example, the numerical value of x in the semiconductor layer represented by the composition of Al x Ga 1-x N as “Al composition ratio”. In the present invention, when defining the composition or composition ratio of the semiconductor layer, impurities (dopants) that develop conductivity and the like are not considered as elements constituting the semiconductor layer. For example, a p-type GaN layer and an n-type GaN layer are different in impurity (dopant) but have the same composition. Further, for example, when there are an n-type GaN layer and an n + GaN layer having a higher impurity concentration, the compositions thereof are assumed to be the same.

本発明において、基板、半導体層等の「主面」は、最も面積の広い面をいい、例えば、いわゆる上面もしくは下面、または表面もしくは裏面をいう。   In the present invention, a “main surface” of a substrate, a semiconductor layer or the like refers to a surface having the largest area, for example, a so-called upper surface or lower surface, or front surface or back surface.

ここで、本発明のFETにおいて、「格子緩和」とは、薄膜(FETを構成する各半導体層)の格子定数が、バルク材料の格子定数と一致している状態を指す。半導体結晶において、前記「バルク材料」とは、表面、界面、端の効果が無視できる状態にある半導体結晶を言う。なお、格子定数が、バルク材料の格子定数と一致している状態とは、前記格子定数が、バルク材料の格子定数と厳密に一致していても良いが、厳密に一致しておらず、多少の誤差を有していても良い。前記誤差は、好ましくは±0.1%以内、より好ましくは±0.03%以内、理想的には0である。また、本発明において、「格子緩和した(された)」層は、全体が格子緩和されていなくても、一部が格子緩和されていれば良い。例えば、前記バッファ層は、前述のとおり、格子緩和された層である。前記基板と前記バッファ層の格子定数が異なり、かつ、それらの間に格子緩和作用を有する層等がない場合は、前記バッファ層は、歪みエネルギーを転位発生によって開放させる働きを有し、転位の影響を軽減させるに十分な厚みを有する必要がある。前記バッファ層が十分厚く、かつ、その上に他の構成要素が積層されていない場合、前記バッファ層の最表面(最も上に位置する格子面であり、「上面」に同じ)の格子定数は、同一組成のバルク半導体のそれと一致している。そのようなバッファ層上に同一組成の薄膜半導体層をエピタキシャル成長する場合には、新たな転位の発生が抑制される。一方、前記基板と前記バッファ層の格子定数が等しい場合は、転位の影響は無視し得るが、基板-バッファ層界面における結晶欠陥や界面準位の影響を抑制するために、前記バッファ層の厚さは、ある程度大きいことが必要である。前記バッファ層の適切な厚さは、前記基板と前記バッファ層の格子定数差、基板-バッファ層界面の状態にも依存するが、概ね0.1〜10μm程度である。   Here, in the FET of the present invention, “lattice relaxation” refers to a state in which the lattice constant of the thin film (each semiconductor layer constituting the FET) matches the lattice constant of the bulk material. In the semiconductor crystal, the “bulk material” refers to a semiconductor crystal in which the effects of the surface, interface, and edge are negligible. Note that the state in which the lattice constant matches the lattice constant of the bulk material may be that the lattice constant exactly matches the lattice constant of the bulk material, but is not exactly the same. May have an error of. The error is preferably within ± 0.1%, more preferably within ± 0.03%, ideally zero. In the present invention, the “lattice-relaxed” layer may be partially lattice-relaxed even if it is not entirely lattice-relaxed. For example, the buffer layer is a lattice-relaxed layer as described above. When the lattice constants of the substrate and the buffer layer are different and there is no layer having a lattice relaxation action between them, the buffer layer has a function of releasing strain energy by the occurrence of dislocation, It is necessary to have a sufficient thickness to reduce the influence. When the buffer layer is sufficiently thick and no other component is laminated thereon, the lattice constant of the outermost surface of the buffer layer (the uppermost lattice plane is the same as the “upper surface”) is This is consistent with that of a bulk semiconductor of the same composition. When a thin film semiconductor layer having the same composition is epitaxially grown on such a buffer layer, generation of new dislocations is suppressed. On the other hand, when the lattice constants of the substrate and the buffer layer are equal, the influence of dislocation can be ignored, but in order to suppress the influence of crystal defects and interface states at the substrate-buffer layer interface, the thickness of the buffer layer The size needs to be large to some extent. The appropriate thickness of the buffer layer is approximately 0.1 to 10 μm, although it depends on the lattice constant difference between the substrate and the buffer layer and the state of the substrate-buffer layer interface.

本発明において、「閾値電圧」は、前記チャネル層内のキャリア濃度が0から正になる臨界点のゲート電圧をいう。実際のGaN-FETでは通常、測定の便宜の観点から、ドレイン電圧Vd=10〜15V印加時において、ドレイン電流密度がId=1mA/mmとなるゲート電圧などをもって閾値を定義することが多い。これと同様の定義により、本発明のFETにおける閾値電圧を定義しても良い。また、閾値電圧は、前記のように、符号Vthで表すことがある。なお、本発明のFETにおいては、閾値電圧Vthは特に制限されないが、本発明の素子を電力制御用デバイスとして使用する場合などでは、0V以上すなわちノーマリーOFF動作が可能であることが好ましく、3V以上であることがより好ましく、4V以上であることがさらに好ましく、5V以上であることがさらに好ましく、6V以上であることがさらに好ましい。閾値電圧Vthの上限値は特に制限されないが、例えば、10V、または20Vである。 In the present invention, the “threshold voltage” refers to a gate voltage at a critical point where the carrier concentration in the channel layer becomes positive from 0. In actual GaN-FETs, for the convenience of measurement, the threshold is often defined by the gate voltage at which the drain current density is I d = 1 mA / mm when the drain voltage V d = 10 to 15 V is applied. . The threshold voltage in the FET of the present invention may be defined by the same definition. Further, the threshold voltage may be represented by the symbol V th as described above. In the FET of the present invention, the threshold voltage V th is not particularly limited, but when the element of the present invention is used as a power control device, it is preferable that 0 V or more, that is, normally OFF operation is possible, and 3 V More preferably, it is 4V or more, more preferably 5V or more, and further preferably 6V or more. The upper limit value of the threshold voltage Vth is not particularly limited, but is, for example, 10V or 20V.

以下、本発明の実施形態について説明する。ただし、以下の実施形態は例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、図面においては、説明の便宜上、各部の構造は適宜簡略化して示す場合があり、各部の寸法比等は、実際とは異なる場合がある。また、数式、グラフ、およびそれらの説明等は、理論に基づくものであり、これらは、本発明の電界効果トランジスタ等における実際の現象を、定性的にまたは近似的に示す。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. However, the following embodiment is an illustration and this invention is not limited to these. In the drawings, for convenience of explanation, the structure of each part may be simplified as appropriate, and the dimensional ratio of each part may be different from the actual one. The mathematical formulas, graphs, explanations thereof, and the like are based on the theory, and these show qualitatively or approximately the actual phenomenon in the field effect transistor or the like of the present invention.

本発明のFETの具体的な実施形態について述べるに先立ち、本発明の関連技術について説明する。本発明者らは、前記非特許文献1のFETおよび一般的なFETについて検証し、または独自に研究した結果、以下のことを見出した。   Prior to describing specific embodiments of the FET of the present invention, the related art of the present invention will be described. As a result of verifying or independently researching the FET and the general FET of Non-Patent Document 1, the present inventors have found the following.

まず、前記非特許文献1のFETについて説明する。図19に示したとおり、このFETのゲートを形成する部分においては、3層キャップ層とn-AlGaN電子供給層にゲートリセスを形成し、n-AlGaN電子供給層104をわずかに残している。したがって、このFETは、理論計算によれば、図20のバンド図に示したように、ノーマリーOFF特性(閾値電圧Vthが正の値)を得ることが可能であり、待機時の遮蔽性能と通電時の高速性能が得られると考えられる。なお、図20は、図19のMIS(Metal-Insulator-Semiconductor)GaN-HEMTにおける、ゲート直下の伝導帯および価電子帯ポテンシャルの計算結果を例示するグラフ(バンド図)である。同図において、横軸は、ゲート電極110の最下端から下方に向かって基板主面と垂直方向の距離[Å]を示す。なお、1Åは、10-10mすなわち0.1nmに等しい。縦軸は、伝導体下端エネルギーEc[eV]を示す。図左から右に向かって、ゲート絶縁膜109(アルミナ)、n-AlGaN電子供給層104(n-AlGaN)、およびGaNバッファ層102(GaN)の状態を、それぞれ示す。「Fermi Level」は、フェルミ準位を示す。以下で説明する全てのバンド図において同じである。また、図20に示した計算は、ゲート電圧Vg=0の条件で行った。ここで、バンド図の計算においては、シュレーディンガー方程式とポアソン方程式を連立させて自己無撞着解を求めた。この方法で、量子力学的な効果を取り込んだ1次元の伝導帯・価電子帯ポテンシャル、および電子や正孔のキャリア濃度を得ることができる。キャリア統計に関しては、2次元電子ガス(2DEG)には2次元量子統計を、バルク電子と正孔にはフェルミ・ディラク統計を採用した。分極効果に関しては、アンバチャーのモテ゛ル(O. Ambacher, et al., "Pyroelectric properties of Al(In)GaN/GaN hetero- and quantum well structures," Journal of Physics C:Condensed Matter, Vol. 14, pp. 3399-3434(2002))を採用し、分極電荷は固定電荷として導入した。以下で説明する全てのバンド図において、同じ計算方法を用いた。 First, the FET of Non-Patent Document 1 will be described. As shown in FIG. 19, in the portion where the gate of this FET is formed, a gate recess is formed in the three-layer cap layer and the n-AlGaN electron supply layer, and the n-AlGaN electron supply layer 104 is left slightly. Therefore, according to the theoretical calculation, as shown in the band diagram of FIG. 20, this FET can obtain a normally OFF characteristic (threshold voltage Vth is a positive value), and has a shielding performance during standby. It is considered that high-speed performance during energization can be obtained. FIG. 20 is a graph (band diagram) illustrating the calculation results of the conduction band and valence band potential directly under the gate in the MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) GaN-HEMT of FIG. In the figure, the horizontal axis indicates the distance [Å] in the direction perpendicular to the main surface of the substrate from the lowermost end of the gate electrode 110 downward. Note that 1 mm is equal to 10 −10 m, that is, 0.1 nm. The vertical axis represents the conductor lower end energy Ec [eV]. From left to right in the figure, the states of the gate insulating film 109 (alumina), the n-AlGaN electron supply layer 104 (n-AlGaN), and the GaN buffer layer 102 (GaN) are shown. “Fermi Level” indicates the Fermi level. The same applies to all band diagrams described below. Further, the calculation shown in FIG. 20 was performed under the condition of the gate voltage V g = 0. Here, in the calculation of the band diagram, the Schrödinger equation and the Poisson equation were combined to obtain a self-consistent solution. With this method, it is possible to obtain a one-dimensional conduction band / valence band potential that incorporates quantum mechanical effects and carrier concentrations of electrons and holes. Regarding carrier statistics, we adopted two-dimensional quantum statistics for the two-dimensional electron gas (2DEG) and Fermi-Dirac statistics for the bulk electrons and holes. Regarding the polarization effect, the model of ambassador (O. Ambacher, et al., "Pyroelectric properties of Al (In) GaN / GaN hetero- and quantum well structures," Journal of Physics C: Condensed Matter, Vol. 14, pp. 3399-3434 (2002)) and the polarization charge was introduced as a fixed charge. The same calculation method was used for all band diagrams described below.

また、図19のFETでは、3層キャップ構造を適用している。したがって、ゲート・オーミック電極間すなわちゲート・ソース間(ゲート電極とソース電極との間の領域)またはゲート・ドレイン間(ゲート電極とドレイン電極との間の領域)においては、理論計算上、図21のグラフに示したように、エピ中の分極電荷の総和を正にすることが出来る。これにより、ゲート電圧がゼロ・ボルト以下(Vg≦0V)のバイアス条件下において、ゲート・オーミック電極間で十分なチャネル・キャリア電子を確保し、オン抵抗の低減を実現している。なお、図21は、図19のMISGaN-HEMTにおいて、ゲート電極とオーミック電極との間の領域における伝導帯ポテンシャルおよびキャリア電子濃度分布の計算結果を例示するグラフである。同図において、横軸は、GaN層108最表面(上面)から下方に向かって基板主面と垂直方向の距離[Å]を示す。なお、1Åは、10-10mすなわち0.1nmに等しい。縦軸は、伝導体下端エネルギーEc[eV]またはキャリア電子濃度[cm-3]を示す。図左から右に向かって、n-GaN層108(n-GaN)、AlN層107(AlN)、n-GaN層106(n-GaN)、n-AlGaN電子供給層104(n-AlGaN)、およびGaNバッファ層102(GaN)の状態を、それぞれ示す。 In the FET of FIG. 19, a three-layer cap structure is applied. Therefore, in the theoretical calculation, between the gate and the ohmic electrode, that is, between the gate and the source (the region between the gate electrode and the source electrode) or between the gate and the drain (the region between the gate electrode and the drain electrode), theoretically, FIG. As shown in the graph, the sum of polarization charges in the epi can be made positive. As a result, sufficient channel carrier electrons are secured between the gate and the ohmic electrode under a bias condition where the gate voltage is zero volt or less (V g ≦ 0 V), and the on-resistance is reduced. FIG. 21 is a graph illustrating calculation results of the conduction band potential and the carrier electron concentration distribution in the region between the gate electrode and the ohmic electrode in the MISGaN-HEMT of FIG. In the figure, the horizontal axis indicates the distance [Å] perpendicular to the substrate main surface from the outermost surface (upper surface) of the GaN layer 108 downward. Note that 1 mm is equal to 10 −10 m, that is, 0.1 nm. The vertical axis represents the conductor lower end energy Ec [eV] or the carrier electron concentration [cm −3 ]. From left to right in the figure, n-GaN layer 108 (n-GaN), AlN layer 107 (AlN), n-GaN layer 106 (n-GaN), n-AlGaN electron supply layer 104 (n-AlGaN), And states of the GaN buffer layer 102 (GaN) are shown.

また、図19のFETにおいては、図示したとおり、オーミック電極(ソース電極111およびドレイン電極112)は、n-AlGaN電子供給層104に接するように形成されている。したがって、理論計算上は、図22のグラフに示したように、ここでもエピ中の分極電荷の総和を正にすることが出来る。したがって、図21の説明でも述べたとおり、ゲート電圧がゼロ・ボルト以下(Vg≦0V)のバイアス条件下において、ゲート・オーミック電極間で十分なチャネル・キャリア電子を確保し、オン抵抗の低減を実現している。なお、図22は、図19のMISGaN-HEMTにおいて、オーミック電極下方の領域における伝導帯ポテンシャルおよびキャリア電子濃度分布の計算結果を例示するグラフである。同図において、横軸は、オーミック電極の最下端から下方に向かって基板主面と垂直方向の距離[Å]を示す。なお、1Åは、10-10mすなわち0.1nmに等しい。縦軸は、伝導体下端エネルギーEc[eV]を示す。図左から右に向かって、n-AlGaN電子供給層104(n-AlGaN)、およびGaNバッファ層102(GaN)の状態を、それぞれ示す。 In the FET of FIG. 19, the ohmic electrodes (source electrode 111 and drain electrode 112) are formed in contact with the n-AlGaN electron supply layer 104, as shown. Therefore, in the theoretical calculation, as shown in the graph of FIG. 22, the total sum of the polarization charges in the epi can also be positive here. Therefore, as described in the description of FIG. 21, sufficient channel carrier electrons are secured between the gate and the ohmic electrode under the bias condition where the gate voltage is zero volts or less (V g ≦ 0 V), and the on-resistance is reduced. Is realized. FIG. 22 is a graph illustrating the calculation results of the conduction band potential and the carrier electron concentration distribution in the region below the ohmic electrode in the MISGaN-HEMT of FIG. In the figure, the horizontal axis indicates the distance [Å] perpendicular to the main surface of the substrate from the bottom end of the ohmic electrode downward. Note that 1 mm is equal to 10 −10 m, that is, 0.1 nm. The vertical axis represents the conductor lower end energy Ec [eV]. From the left to the right, the n-AlGaN electron supply layer 104 (n-AlGaN) and the GaN buffer layer 102 (GaN) are shown.

さらに、非特許文献1のFETでは、図19に示したとおり、ゲート・オーミック間には、ゲート絶縁膜109(アルミナ)を形成している。これにより、通電時にゲート電極へ走行電子が流れ込むゲートリーク電流を抑制することができる。したがって、このFETには、ゲート電圧として、ゲート・ショットキー接合のターン・オン電圧(Vf)以上の正の電圧をかけることが可能である。すなわち、ゲート絶縁膜109があることで、ゲート絶縁膜109がない場合よりも、通電時のオン電流密度が向上する。 Further, in the FET of Non-Patent Document 1, as shown in FIG. 19, a gate insulating film 109 (alumina) is formed between the gate and the ohmic. As a result, it is possible to suppress a gate leakage current in which traveling electrons flow into the gate electrode when energized. Therefore, a positive voltage higher than the turn-on voltage (V f ) of the gate-Schottky junction can be applied to the FET as the gate voltage. In other words, the presence of the gate insulating film 109 improves the on-current density during energization as compared to the case without the gate insulating film 109.

ここで、III族窒化物半導体から形成されたFET(以下、単に「III族窒化物FET」ということがある)には、前記のとおり、シリコンのトランジスタと比較して、耐圧、オン抵抗等の特性に優れるという利点がある。反面、現在提案されているIII族窒化物FETの構造では、閾値電圧を3Vよりも高くすることが困難であるという課題がある。例えば、非特許文献1に記載のFETの構造(図19)では、原理的に、一定以上に閾値電圧(Vth)を高くすることが出来ない。ゲート電極の下方(ゲート直下)のエピ構造は、n-AlGaN/GaNのシンプルなHEMT構造であるので、ゲート直下のエピ中には正の分極電荷が発生している。したがって、ゲートリセス形成時にn-AlGaN電子供給層をどれほど薄くしても、Vthの正方向へのシフト量には限りがある。材料物性値に基づいた量子効果をも含む1次元バンド計算によると、非特許文献1の記述をそのままに解釈した場合においては、非特許文献1のFETの構造(図19)では、Vthは、高くても1V程度にしかならないことが当業者には明らかである。なお、非特許文献1には、「デバイスのしきい値は3Vであり」との記載があるが、これは、ゲート絶縁膜と下地半導体の界面に負の電荷がトラップされているのが原因であると考えられる。この電荷は、安定に固定されたものでなく、電圧印加によって充放電される性質のものである。したがって、非特許文献1に記載されているしきい値3Vという数値は見かけのものであり、このFETでは、実際に閾値電圧3Vで安定に動作することは困難である。 Here, as described above, an FET formed from a group III nitride semiconductor (hereinafter sometimes simply referred to as a “group III nitride FET”) has a breakdown voltage, an on-resistance, and the like as compared with a silicon transistor. There is an advantage of excellent characteristics. On the other hand, the structure of the currently proposed group III nitride FET has a problem that it is difficult to make the threshold voltage higher than 3V. For example, in the FET structure described in Non-Patent Document 1 (FIG. 19), in principle, the threshold voltage (V th ) cannot be increased beyond a certain level. Since the epi structure below the gate electrode (directly under the gate) is a simple HEMT structure of n-AlGaN / GaN, positive polarization charges are generated in the epi directly under the gate. Therefore, no matter how thin the n-AlGaN electron supply layer is when the gate recess is formed, the amount of shift of Vth in the positive direction is limited. According to the one-dimensional band calculation including the quantum effect based on the material property values, when the description of Non-Patent Document 1 is interpreted as it is, in the FET structure of Non-Patent Document 1 (FIG. 19), V th is It is obvious to those skilled in the art that even if it is high, it is only about 1V. Non-Patent Document 1 describes that “the threshold value of the device is 3 V”, which is because negative charges are trapped at the interface between the gate insulating film and the underlying semiconductor. It is thought that. This electric charge is not stably fixed but has a property of being charged and discharged by voltage application. Therefore, the numerical value of the threshold value 3V described in Non-Patent Document 1 is apparent, and it is difficult for this FET to actually operate stably at the threshold voltage 3V.

数百ボルトのドレイン電圧のかかる電源用途では、FETの閾値電圧(Vth)は、約3V以上であることが好ましい。特に、III族窒化物FETを、Si-IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)に代えて用いるには、Vth=5〜6Vまたはそれ以上が必要であることが多い。 In power supply applications where a drain voltage of several hundred volts is applied, the threshold voltage (V th ) of the FET is preferably about 3V or higher. In particular, in order to use a group III nitride FET instead of Si-IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), V th = 5 to 6 V or more is often necessary.

また、GaN-HEMT構造を有するIII族窒化物FETでは、ゲート電圧Vgを高くすると、本来意図している通電経路(チャネル)以外に、電子蓄積型の副次的なチャネルが形成される場合がある。例えば、図19のFETの構造では、図21のバンド図からわかるとおり、3層キャップ中のAlN層107とその下のn-GaN層106界面にもチャネルが形成されている。さらに、ゲート電圧Vgを高くすると、ゲート直下(ゲート電極の下方)では、図23に示すとおり、ゲート絶縁膜109と半導体104とのMIS界面(あるいはMOS界面)に、電子蓄積型の副次的なチャネル(パラレル伝導パス)113が形成される。これにより、2DEG103によるチャネルと、チャネル113とのパラレル伝導が生じる。なお、MISは、Metal-Insulator-Semiconductorの略であり、MOSは、Metal-Oxide-Semiconductorの略である。 In III-nitride FETs with a GaN-HEMT structure, when the gate voltage Vg is increased, an electron storage type secondary channel is formed in addition to the originally intended energization path (channel). There is. For example, in the FET structure of FIG. 19, as can be seen from the band diagram of FIG. 21, a channel is also formed at the interface between the AlN layer 107 in the three-layer cap and the n-GaN layer 106 below it. Further, when the gate voltage Vg is increased, an electron storage type secondary is formed directly below the gate (below the gate electrode) at the MIS interface (or MOS interface) between the gate insulating film 109 and the semiconductor 104 as shown in FIG. A typical channel (parallel conduction path) 113 is formed. As a result, parallel conduction between the channel by the 2DEG 103 and the channel 113 occurs. Note that MIS is an abbreviation for Metal-Insulator-Semiconductor, and MOS is an abbreviation for Metal-Oxide-Semiconductor.

パラレル伝導が生じると、本来の通電経路である半導体ヘテロ界面チャネル(図23では、2DEG103)が変調される代わりに、パラレル伝導パス(図23では、MIS(MOS)チャネル113)が変調されるようになる。したがって、本来の通電経路におけるシート電子濃度は低下する。ここで、パラレル伝導パス(MIS(MOS)界面チャネル)の電子移動度が比較的高い場合には、その分オン電流が増加し、オン抵抗が低減するというメリットが得られる可能性もある。パラレル伝導が生じると、本来の半導体ヘテロ界面チャネルの電流に対して、MIS(MOS)界面のチャネルの電流が付加されるためである。しかし、MIS(MOS)界面チャネルの電子移動度が半導体ヘテロ接合チャネルの電子移動度より極端に低い(例えば10分の1以下など)場合には、パラレル伝導が生じると、オン電流は低減し、オン抵抗が増加してしまう。さらに、素子全体のチャネル移動度が、電子移動度が低い(遅い)方のMIS(MOS)界面のチャネル移動度で決定されてしまう。学会、学術論文等により公表されている最新の研究結果によれば、図19の構造を有するFETでは、MIS(MOS)界面の電子移動度は、界面散乱のため、最も高いものでも現状220[cm2/Vs]程度である。この数値は、同じFETにおける半導体ヘテロ接合(層104/103)界面の電子移動度より1桁低い。このため、このFETにおいてパラレル伝導が生じると、チャネル移動度低下、オン電流低減、およびオン抵抗増加という前記のデメリットが生じる。非特許文献1のFET(図19)では、本来、半導体ヘテロ接合界面における2次元電子ガス103の高いチャネル電子移動度(1700〜2000[cm2/Vs])を活用した高速動作が期待される。しかし、実際には、前記パラレル伝導が、素子のチャネル移動度を低下させ、高速スイッチング動作およびスイッチング損失低減の妨げとなっている。 When parallel conduction occurs, the parallel conduction path (MIS (MOS) channel 113 in FIG. 23) is modulated instead of modulating the semiconductor heterointerface channel (2DEG103 in FIG. 23), which is the original conduction path. become. Therefore, the sheet electron density in the original energization path is lowered. Here, when the electron mobility of the parallel conduction path (MIS (MOS) interface channel) is relatively high, there is a possibility that the on-current is increased by that amount and the on-resistance is reduced. This is because when parallel conduction occurs, the channel current at the MIS (MOS) interface is added to the current at the semiconductor heterointerface channel. However, when the electron mobility of the MIS (MOS) interface channel is extremely lower than the electron mobility of the semiconductor heterojunction channel (for example, 1/10 or less), when parallel conduction occurs, the on-current decreases, On-resistance increases. Furthermore, the channel mobility of the entire device is determined by the channel mobility at the MIS (MOS) interface with the lower (slower) electron mobility. According to the latest research results published by academic societies, academic papers, etc., in the FET having the structure of FIG. 19, the electron mobility at the MIS (MOS) interface is the highest even at the highest level because of interface scattering. cm 2 / Vs]. This figure is an order of magnitude lower than the electron mobility at the semiconductor heterojunction (layer 104/103) interface in the same FET. For this reason, when parallel conduction occurs in this FET, the above-mentioned demerits of channel mobility reduction, on-current reduction, and on-resistance increase occur. The FET of Non-Patent Document 1 (FIG. 19) is originally expected to operate at high speed using the high channel electron mobility (1700 to 2000 [cm 2 / Vs]) of the two-dimensional electron gas 103 at the semiconductor heterojunction interface. . However, in practice, the parallel conduction reduces the channel mobility of the device, and hinders high-speed switching operation and reduction of switching loss.

本発明者らは、このような課題を見出し、研究を重ねた結果、本発明に到達した。   As a result of finding out such a problem and repeating researches, the present inventors have reached the present invention.

[実施形態1]
以下、本発明の実施形態1のFETについて説明する。図1の断面図に、このFETの構造を模式的に示す。同図のFETは、前記本発明の第一の電界効果トランジスタの一例であるとともに、前記本発明の第二の電界効果トランジスタの一例でもある。なお、本実施形態の変形例および他の各実施形態の電界効果トランジスタ(FET)も、同様に、前記本発明の第一の電界効果トランジスタの一例であるとともに、前記本発明の第二の電界効果トランジスタの一例でもある。
[Embodiment 1]
Hereinafter, the FET according to the first embodiment of the present invention will be described. The cross-sectional view of FIG. 1 schematically shows the structure of this FET. The FET shown in the figure is an example of the first field effect transistor of the present invention and also an example of the second field effect transistor of the present invention. The modification of the present embodiment and the field effect transistors (FETs) of the other embodiments are also examples of the first field effect transistor of the present invention, and the second electric field of the present invention. It is also an example of an effect transistor.

図1に示すとおり、このFETは、基板601、バッファ層602、チャネル層603、障壁層605、キャップ層606、ゲート絶縁膜607、ゲート電極608、ソース電極609、およびドレイン電極610を含む。バッファ層602は、格子緩和されたAlxGa1-xN(0≦x<1)から形成されている。前記チャネル層603は、前記バッファ層よりAl組成比の小さいAluGa1-uN(0≦u<x)、前記バッファ層と同じ組成のAlxGa1-xN(0≦x<1)またはInGaNから形成されている。前記障壁層604は、バッファ層602よりAl組成比の大きいAlyGa1-yN(x<y≦1)から形成されている。キャップ層606は、障壁層604よりAl組成比の小さいAlzGa1-zN(0≦z<y)から形成されている。バッファ層602上面、チャネル層603上面、障壁層605上面、およびキャップ層606上面は、それぞれ、(0001)結晶軸に垂直なGa面またはAl面である。基板601上には、バッファ層602、チャネル層603、および障壁層605が、前記順序で積層されている。キャップ層606は、障壁層605上の一部の領域に形成されている。前記キャップ層606上には、前記ゲート絶縁膜607、および前記ゲート電極608が、前記順序で積層されている。ソース電極609およびドレイン電極610は、障壁層605上の、キャップ層606が形成されていない領域上に形成されている。同図のFETにおいては、ソース電極609およびドレイン電極610は、ゲート電極608を挟んで対向するように形成されている。チャネル層603において、障壁層605との界面には、2DEG604により、チャネル(通電経路)が形成されている。また、同図のFETは、さらに、絶縁体から形成された表面保護膜611を含む。表面保護膜611は、ゲート・ソース間およびゲート・ドレイン間の障壁層605上面と、それに隣接したキャップ層606側面、ゲート絶縁膜607側面、ゲート電極608側面、ソース電極609側面、およびドレイン電極610側面を覆うように形成されている。なお、本発明のFETにおいて、前記表面保護膜は、なくても良いが、例えば図1のように、表面保護膜を有することが好ましい。 As shown in FIG. 1, the FET includes a substrate 601, a buffer layer 602, a channel layer 603, a barrier layer 605, a cap layer 606, a gate insulating film 607, a gate electrode 608, a source electrode 609, and a drain electrode 610. The buffer layer 602 is made of lattice-relaxed Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1). The channel layer 603 includes Al u Ga 1-u N (0 ≦ u <x) having a smaller Al composition ratio than the buffer layer, and Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1) having the same composition as the buffer layer. ) Or InGaN. The barrier layer 604 is made of Al y Ga 1-y N (x <y ≦ 1) having a larger Al composition ratio than the buffer layer 602. The cap layer 606 is made of Al z Ga 1-z N (0 ≦ z <y) having a smaller Al composition ratio than the barrier layer 604. The upper surface of the buffer layer 602, the upper surface of the channel layer 603, the upper surface of the barrier layer 605, and the upper surface of the cap layer 606 are respectively a Ga plane or an Al plane perpendicular to the (0001) crystal axis. On the substrate 601, the buffer layer 602, the channel layer 603, and the barrier layer 605 are stacked in the above order. The cap layer 606 is formed in a partial region on the barrier layer 605. On the cap layer 606, the gate insulating film 607 and the gate electrode 608 are stacked in the above order. The source electrode 609 and the drain electrode 610 are formed on a region on the barrier layer 605 where the cap layer 606 is not formed. In the FET in the figure, the source electrode 609 and the drain electrode 610 are formed so as to face each other with the gate electrode 608 interposed therebetween. In the channel layer 603, a channel (energization path) is formed by 2DEG 604 at the interface with the barrier layer 605. In addition, the FET in the figure further includes a surface protective film 611 formed of an insulator. The surface protection film 611 includes a top surface of the barrier layer 605 between the gate and the source and between the gate and drain, the side surface of the cap layer 606 adjacent thereto, the side surface of the gate insulating film 607, the side surface of the gate electrode 608, the side surface of the source electrode 609, and the drain electrode 610. It is formed so as to cover the side surface. In the FET of the present invention, the surface protective film may be omitted, but it is preferable to have a surface protective film as shown in FIG.

また、図1のFETは、構成を有することにより、バッファ層602は、格子緩和されており、障壁層605は、引っ張り歪みを有する。さらに、チャネル層603およびキャップ層607がいずれも圧縮歪みを有するか、または、チャネル層603が格子緩和され、かつキャップ層606が引っ張り歪みを有する。バッファ層602上面、チャネル層603上面、障壁層605上面、およびキャップ層606上面は、それぞれ、(0001)結晶軸に垂直なIII族原子面である。   1 has a configuration, the buffer layer 602 is lattice-relaxed, and the barrier layer 605 has tensile strain. Further, both the channel layer 603 and the cap layer 607 have compressive strain, or the channel layer 603 is lattice-relaxed and the cap layer 606 has tensile strain. The upper surface of the buffer layer 602, the upper surface of the channel layer 603, the upper surface of the barrier layer 605, and the upper surface of the cap layer 606 are each a group III atomic plane perpendicular to the (0001) crystal axis.

本発明の前記第一の電界効果トランジスタは、例えば、前記バッファ層におけるAl組成比xが、0<x<1を満たし、前記チャネル層は、前記バッファ層よりAl組成比の小さいAluGa1-uN(0≦u<x)またはInGaNから形成され、前記キャップ層のAl組成比zが、前記バッファ層のAl組成比xより小さい(0≦z<x)ことが好ましい。この場合において、前記バッファ層のAl組成比xは、閾値電圧Vthのさらなる適正化およびオン抵抗のさらなる改善の観点から、0.05以上、0.2以下であることが好ましい。前記障壁層のAl組成比yは、キャリア閉じ込めのさらなる改善およびオン抵抗の更なる改善の観点から、0.2以上、1以下であることが好ましい。前記チャネル層のAl組成比uは、電子移動度のさらなる向上の観点から、0.1以下であることが好ましい。前記キャップ層のAl組成比zも、電子移動度のさらなる向上の観点から、0.1以下であることが好ましい。前記チャネル層は、窒化ガリウム(GaN)から形成されていることが特に好ましい。前記キャップ層は、窒化ガリウム(GaN)から形成されていることが特に好ましい。前記キャップ層は、ノンドープ(アンドープ)であることが好ましいが、n-型不純物またはp-型不純物を含んでいても良い。 It said first field effect transistor of the present invention, for example, the Al composition ratio x of the buffer layer is, 0 <meet x <1, wherein the channel layer is less Al u Ga 1 Al composition ratio than that of the buffer layer Preferably, the cap layer is made of -uN (0 ≦ u <x) or InGaN, and the Al composition ratio z of the cap layer is smaller than the Al composition ratio x of the buffer layer (0 ≦ z <x). In this case, the Al composition ratio x of the buffer layer is preferably 0.05 or more and 0.2 or less from the viewpoint of further optimization of the threshold voltage V th and further improvement of the on-resistance. The Al composition ratio y of the barrier layer is preferably 0.2 or more and 1 or less from the viewpoint of further improvement of carrier confinement and further improvement of on-resistance. The Al composition ratio u of the channel layer is preferably 0.1 or less from the viewpoint of further improving the electron mobility. The Al composition ratio z of the cap layer is also preferably 0.1 or less from the viewpoint of further improving the electron mobility. The channel layer is particularly preferably made of gallium nitride (GaN). The cap layer is particularly preferably formed from gallium nitride (GaN). The cap layer is preferably non-doped (undoped), but may contain an n-type impurity or a p-type impurity.

また、本発明の前記第一の電界効果トランジスタの別の一例として、前記チャネル層が、前記バッファ層と同じ組成のAlxGa1-xN(0≦x<1)またはInGaNから形成され、前記ゲート電極の下方に形成された半導体層のうち少なくとも1つは、p-型層であっても良い。この場合において、前記バッファ層および前記チャネル層の少なくとも一方が、前記p-型層であっても良い。この場合において、前記障壁層のAl組成比yは、キャリア閉じ込めのさらなる改善およびオン抵抗のさらなる改善の観点から、0.2以上、1以下であることが好ましい。前記バッファ層のAl組成比xは、電子移動度のさらなる向上の観点から、0.2以下であることが好ましい。前記キャップ層のAl組成比zも、電子移動度のさらなる向上の観点から、0.2以下であることが好ましい。前記バッファ層は、格子緩和されたGaNから形成されていることが特に好ましい。前記チャネル層は、GaNまたはInGaNから形成されていることがより好ましく、GaNから形成されていることが特に好ましい。前記キャップ層は、GaNから形成されていることが、特に好ましい。エッチング条件を適切に選択すれば、GaNは、Alを含む他のIII族窒化物半導体と比較して、ドライエッチング速度を速くできる傾向がある。このため、前記キャップ層がGaNから形成されていると、その一部をエッチングにより除去(選択性エッチング)しやすい。前記キャップ層は、ノンドープ(アンドープ)であることが好ましいが、n-型不純物またはp-型不純物を含んでいても良い。また、前記キャップ層がGaNから形成されている場合において、前記p-型層における、イオン化したp-型不純物の面密度(ξc/q[cm-2])と、前記障壁層のAl組成比yとが、下記数式(A)を満たしていると、ノーマリーOFF動作が可能となるため好ましい。

ξc/q<5.25×1013y (A)
As another example of the first field effect transistor of the present invention, the channel layer is formed of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1) or InGaN having the same composition as the buffer layer, At least one of the semiconductor layers formed below the gate electrode may be a p-type layer. In this case, at least one of the buffer layer and the channel layer may be the p-type layer. In this case, the Al composition ratio y of the barrier layer is preferably 0.2 or more and 1 or less from the viewpoint of further improvement of carrier confinement and further improvement of on-resistance. The Al composition ratio x of the buffer layer is preferably 0.2 or less from the viewpoint of further improving the electron mobility. The Al composition ratio z of the cap layer is also preferably 0.2 or less from the viewpoint of further improving the electron mobility. The buffer layer is particularly preferably formed from lattice-relaxed GaN. The channel layer is more preferably formed of GaN or InGaN, and particularly preferably formed of GaN. The cap layer is particularly preferably made of GaN. If etching conditions are appropriately selected, GaN tends to increase the dry etching rate as compared with other group III nitride semiconductors containing Al. For this reason, when the cap layer is formed of GaN, a part of the cap layer is easily removed by etching (selective etching). The cap layer is preferably non-doped (undoped), but may contain an n-type impurity or a p-type impurity. Further, when the cap layer is formed of GaN, the surface density (ξ c / q [cm −2 ]) of ionized p-type impurities in the p-type layer and the Al composition of the barrier layer It is preferable that the ratio y satisfies the following formula (A) because a normally OFF operation is possible.

ξ c /q<5.25×10 13 y (A)

本発明の前記第二の電界効果トランジスタにおいて、例えば、前記チャネル層および前記キャップ層がいずれも圧縮歪みを有することが好ましい。この場合において、前記バッファ層は、例えば、GaN、AlGaN、InGaN、InAlN、またはInAlGaNから形成されていても良い。前記チャネル層の形成材料は、前記バッファ層の形成材料よりもバンドギャップが小さくても良い。例えば、前記チャネル層は、InGaN、InAlN、InAlGaN、またはInNから形成されていても良い。前記障壁層の形成材料は、前記バッファ層の形成材料よりもバンドギャップが大きくても良い。例えば、前記障壁層は、AlGaN、AlN、InGaN、InAlN、InAlGaN、またはGaNから形成されていても良い。前記キャップ層の形成材料は、前記バッファ層の形成材料よりもバンドギャップが小さくても良い。例えば、前記キャップ層は、InGaN、InAlN、InAlGaN、またはInNから形成されていても良い。   In the second field effect transistor of the present invention, for example, it is preferable that both the channel layer and the cap layer have compressive strain. In this case, the buffer layer may be formed of, for example, GaN, AlGaN, InGaN, InAlN, or InAlGaN. The channel layer forming material may have a smaller band gap than the buffer layer forming material. For example, the channel layer may be formed of InGaN, InAlN, InAlGaN, or InN. The material for forming the barrier layer may have a larger band gap than the material for forming the buffer layer. For example, the barrier layer may be made of AlGaN, AlN, InGaN, InAlN, InAlGaN, or GaN. The material for forming the cap layer may have a smaller band gap than the material for forming the buffer layer. For example, the cap layer may be made of InGaN, InAlN, InAlGaN, or InN.

また、本発明の前記第二の電界効果トランジスタの別の一例として、前記チャネル層が、格子緩和され、前記キャップ層が、引っ張り歪みを有し、前記ゲート電極の下方に形成された半導体層のうち少なくとも1つは、p-型層であっても良い。この場合において、前記バッファ層は、例えば、GaN、AlGaN、InGaN、InAlN、InAlGaN、またはInNから形成されていても良い。前記チャネル層は、例えば、GaN、AlGaN、InGaN、InAlN、InAlGaN、またはInNから形成されていても良い。前記障壁層の形成材料は、前記バッファ層の形成材料よりもバンドギャップが大きくても良い。例えば、前記障壁層は、AlGaN、AlN、InGaN、InAlN、InAlGaN、またはGaNから形成されていても良い。前記キャップ層の形成材料は、前記障壁層の形成材料よりもバンドギャップが小さくても良い。例えば、前記キャップ層は、GaN、AlGaN、InGaN、InAlN、InAlGaN、またはInNから形成されていても良い。   As another example of the second field effect transistor of the present invention, the channel layer is lattice-relaxed, the cap layer has tensile strain, and a semiconductor layer formed below the gate electrode At least one of them may be a p-type layer. In this case, the buffer layer may be made of, for example, GaN, AlGaN, InGaN, InAlN, InAlGaN, or InN. The channel layer may be formed of, for example, GaN, AlGaN, InGaN, InAlN, InAlGaN, or InN. The material for forming the barrier layer may have a larger band gap than the material for forming the buffer layer. For example, the barrier layer may be made of AlGaN, AlN, InGaN, InAlN, InAlGaN, or GaN. The material for forming the cap layer may have a smaller band gap than the material for forming the barrier layer. For example, the cap layer may be made of GaN, AlGaN, InGaN, InAlN, InAlGaN, or InN.

本発明の前記第一または第二の電界効果トランジスタにおいて、前記ソース電極および前記ドレイン電極の下方の少なくとも一部に、n-型不純物含有領域が形成され、前記n-型不純物含有領域が、少なくとも前記障壁層の一部を含むことが好ましい。これにより、前記障壁層のつくる伝導帯障壁に起因した抵抗成分が低減され、コンタクト抵抗のさらなる低減の効果が得られる。なお、前記n-型不純物含有領域におけるn-型不純物濃度は、例えば1×1017(1E17)cm-3以上、好ましくは1×1018(1E18)cm-3以上、より好ましくは1×1019(1E19)cm-3以上である。前記n-型不純物含有領域におけるn-型不純物濃度の上限値は、特に制限されないが、例えば、1×1023(1E23)cm-3以下である。 In the first or second field effect transistor of the present invention, an n-type impurity-containing region is formed at least partly below the source electrode and the drain electrode, and the n-type impurity-containing region is at least It is preferable that a part of the barrier layer is included. Thereby, the resistance component resulting from the conduction band barrier formed by the barrier layer is reduced, and the effect of further reducing the contact resistance can be obtained. The n-type impurity concentration in the n-type impurity-containing region is, for example, 1 × 10 17 (1E17) cm −3 or more, preferably 1 × 10 18 (1E18) cm −3 or more, more preferably 1 × 10. 19 (1E19) cm −3 or more. The upper limit value of the n-type impurity concentration in the n-type impurity-containing region is not particularly limited, but is, for example, 1 × 10 23 (1E23) cm −3 or less.

本発明の前記第一または第二の電界効果トランジスタにおいて、前記障壁層の膜厚は、特に制限されないが、キャリア閉じこめをさらに改善し、前記障壁層の結晶品質を維持する観点から、1nm以上、10nm以下であることが好ましい。   In the first or second field effect transistor of the present invention, the thickness of the barrier layer is not particularly limited, but from the viewpoint of further improving carrier confinement and maintaining the crystal quality of the barrier layer, It is preferably 10 nm or less.

このような本発明の第一または第二の電界効果トランジスタの製造方法は、特に制限されないが、本発明の前記第一または第二の製造方法により製造することが好ましい。前記本発明の第一または第二の製造方法において、各工程を行う順序は特に制限されず、また、同時でも逐次でも良い。各層の形成方法は特に制限されず、例えば、有機金属気相成長(Metal organic Chemical Vapor Deposition: MOCVDと略する)法、原子層堆積(ALD)法等を適宜用いることができる。各層の除去方法も特に制限されず、例えば、ウェットエッチング、ドライエッチング等を適宜用いることができる。   The method for producing the first or second field effect transistor of the present invention is not particularly limited, but is preferably produced by the first or second production method of the present invention. In the first or second production method of the present invention, the order of performing each step is not particularly limited, and may be simultaneous or sequential. The formation method of each layer is not particularly limited, and for example, a metal organic chemical vapor deposition (abbreviated as MOCVD) method, an atomic layer deposition (ALD) method, or the like can be used as appropriate. The method for removing each layer is not particularly limited, and for example, wet etching, dry etching, or the like can be used as appropriate.

本発明の前記第一または第二の製造方法においては、例えば、まず、キャップ層までエピタキシャル成長したエピウエハを用意し、その後、オーミック電極形成領域およびゲート・オーミック電極間領域の前記キャップ層を除去(以下、「ゲート外リセス」ということがある)すれば良い。これ以外には、本発明の前記第一または第二の電界効果トランジスタは、例えば、障壁層までエピタキシャル成長で形成したあと、ゲート電極を形成する箇所のみにキャップ層を再成長で形成する方法を用いて製造しても良い。ただし、再成長を用いないほうが、製造条件を制御しやすいため、本発明の前記第一または第二の製造方法により製造することが好ましい。本発明の前記第一または第二の製造方法は、さらに具体的には、例えば、後述の実施例に記載の方法により行うことができる。   In the first or second manufacturing method of the present invention, for example, first, an epitaxial wafer epitaxially grown up to the cap layer is prepared, and then the cap layer in the ohmic electrode formation region and the gate-ohmic electrode region is removed (hereinafter, referred to as the following). (Sometimes called “recesses outside the gate”). Other than this, the first or second field effect transistor of the present invention uses, for example, a method in which the barrier layer is formed by epitaxial growth and then the cap layer is formed by regrowth only at the portion where the gate electrode is formed. May be manufactured. However, since it is easier to control the manufacturing conditions without using regrowth, it is preferable to manufacture the first or second manufacturing method of the present invention. More specifically, the first or second production method of the present invention can be performed, for example, by the method described in Examples described later.

なお、非特許文献1のFETは、図19の構造から明らかなように、ゲートリセス(ゲート電極およびゲート絶縁膜が埋め込まれる開口部)を形成して製造する必要がある。これに対し、本発明の前記第一または第二の電界効果トランジスタは、ゲートリセスを形成して製造しても良いが、ゲートリセスを形成せずに製造可能であるというメリットがある。ゲートリセスを形成せずに製造すれば、例えば、下記(a)〜(d)のような効果がある。

(a)閾値電圧(Vth)がリセスエッチング深さのばらつきによってばらつくことがない。
(b)リセスエッチングにより、ゲートリセス底面の半導体のラフネスが増加することがなく、ストイキオメトリーの乱れも生じない。
(c)前記(b)により、ゲート絶縁膜(図1では607)と障壁層(図1では605)界面に界面準位が形成されにくく、電子トラップや放出が発生しにくい。このため、FETのI-V特性のヒステリシスやゲート電圧のプラス・マイナス方向へのシフトの発生は抑制され、理想特性に極めて近いI-V、C-V特性が得られる。
(d)キャップ層を極めて薄く(例えば2nmに)することが可能である。これにより、MIS(MOS)チャネル電子蓄積を抑制できる。
Note that the FET of Non-Patent Document 1 needs to be manufactured by forming a gate recess (an opening in which the gate electrode and the gate insulating film are embedded), as is apparent from the structure of FIG. In contrast, the first or second field effect transistor of the present invention may be manufactured by forming a gate recess, but has an advantage that it can be manufactured without forming a gate recess. If manufactured without forming the gate recess, for example, the following effects (a) to (d) are obtained.

(a) The threshold voltage (V th ) does not vary due to variations in the recess etching depth.
(b) The recess etching does not increase the roughness of the semiconductor on the bottom surface of the gate recess, and does not disturb the stoichiometry.
(c) Due to the above (b), interface states are not easily formed at the interface between the gate insulating film (607 in FIG. 1) and the barrier layer (605 in FIG. 1), and electron traps and emission are less likely to occur. For this reason, the hysteresis of the IV characteristics of the FET and the occurrence of the shift of the gate voltage in the plus / minus direction are suppressed, and IV and CV characteristics that are very close to the ideal characteristics can be obtained.
(d) The cap layer can be made extremely thin (for example, 2 nm). Thereby, MIS (MOS) channel electron accumulation can be suppressed.

ここで、本発明の前記第一または第二の電界効果トランジスタは、前記のとおり、パラレル伝導が抑制されている。以下、パラレル伝導抑制により得られる効果について、具体的に述べる。   Here, in the first or second field effect transistor of the present invention, parallel conduction is suppressed as described above. Hereinafter, the effect obtained by suppressing parallel conduction will be specifically described.

本発明の前記第一または第二の電界効果トランジスタは、障壁層(図1では605)上において、ゲート・オーミック電極間(ゲート電極とオーミック電極の間の領域)およびオーミック電極下方には、キャップ層(図1では606)が存在しない。したがって、本発明の前記第一または第二の電界効果トランジスタは、ゲート電圧Vgを高くしてもパラレル伝導パスが形成されず、この副次的なチャネルが、非特許文献1のFET(図19)のようにパラレル伝導を生じることがない。したがって、チャネルは、半導体ヘテロ接合界面(図1では層605と603の界面)の2次元電子ガス(図1では604)のみとなり、HEMT構造本来の高いチャネル電子移動度(例えば、1700〜2000[cm2/Vs])を犠牲にすることがない。このため、FETの高周波動作とチャネルのオン抵抗低減が可能となる。さらに、本発明の前記第一または第二の電界効果トランジスタは、例えば、真性チャネル(実際に2次元電子ガスが走行する部分)の上方以外にはゲート電極が存在しない構造とすることができる。この場合において、前記ゲート電極とは、フィールドプレート構造を適用した場合は、フィールドプレート部分以外のゲート電極部分である。このような構造によれば、ゲート電極と、ゲート絶縁膜と、半導体との積層構造からなる部分の寄生ゲート容量を極力除去でき、チャネルの充電遅延τcを極小化できる。これによれば、本発明の前記第一または第二の電界効果トランジスタにおけるスイッチング速度をいっそう増大させる。本発明の前記第一または第二の電界効果トランジスタは、スイッチング速度が速く、オン抵抗が低いことにより、これを電源装置等に用いれば、スイッチング損失低減や装置小型化を実現できる。 The first or second field effect transistor of the present invention has a cap on the barrier layer (605 in FIG. 1) between the gate and the ohmic electrode (region between the gate electrode and the ohmic electrode) and below the ohmic electrode. There is no layer (606 in FIG. 1). Therefore, the first or second field effect transistor of the present invention does not form a parallel conduction path even when the gate voltage Vg is increased, and this secondary channel is the FET (see FIG. No parallel conduction occurs as in 19). Therefore, the channel is only a two-dimensional electron gas (604 in FIG. 1) at the semiconductor heterojunction interface (interface of the layers 605 and 603 in FIG. 1), and the channel electron mobility inherent in the HEMT structure (for example, 1700 to 2000 [ cm 2 / Vs]) is not sacrificed. For this reason, the high frequency operation of the FET and the on-resistance of the channel can be reduced. Further, the first or second field effect transistor of the present invention may have a structure in which no gate electrode is present except above the intrinsic channel (the portion where the two-dimensional electron gas actually travels). In this case, the gate electrode is a gate electrode portion other than the field plate portion when a field plate structure is applied. According to such a structure, it is possible to remove as much as possible the parasitic gate capacitance of the portion composed of the laminated structure of the gate electrode, the gate insulating film, and the semiconductor, and to minimize the channel charging delay τ c . This further increases the switching speed in the first or second field effect transistor of the present invention. Since the first or second field effect transistor of the present invention has a high switching speed and a low on-resistance, if it is used in a power supply device or the like, switching loss can be reduced and the device can be downsized.

一般に、FETのスイッチング遅延(スイッチング速度の逆数)は、真性FETの遅延とFET寄生部分の遅延の和である。さらに、真性FETの遅延は、真性遅延τi、ドレイン遅延τd、および充電遅延τcに分けられ、FET寄生部分の遅延は、寄生抵抗遅延τRと寄生リアクタンスによる遅延τLCから成る。通常、FETの遅延の約6割は、真性FETの遅延であり、さらにその3分の2以上が真性遅延τiである。そして、この真性遅延τiは、チャネル電子移動度の逆数に比例する。FETのスイッチング速度は、チャネルの電子移動度のみで決まるものではないが、チャネル電子移動度を向上させれば、最も効果的にFETのスイッチング速度を向上させ、チャネルのオン抵抗をも低減することができる。 In general, the FET switching delay (the reciprocal of the switching speed) is the sum of the intrinsic FET delay and the FET parasitic delay. Further, the delay of the intrinsic FET is divided into an intrinsic delay τ i , a drain delay τ d , and a charge delay τ c , and the delay of the FET parasitic part is composed of a parasitic resistance delay τ R and a delay τ LC due to parasitic reactance. Usually, about 60% of the delay of the FET is the delay of the intrinsic FET, and more than two-thirds is the intrinsic delay τ i . This intrinsic delay τ i is proportional to the reciprocal of the channel electron mobility. FET switching speed is not only determined by channel electron mobility, but improving channel electron mobility will most effectively increase FET switching speed and reduce channel on-resistance. Can do.

また、本発明の前記第一または第二の電界効果トランジスタにおいては、例えば、前記キャップ層(図1では606)が、チャネルへのキャリア蓄積と、オン抵抗のさらなる改善の観点から、なるべく薄いことが好ましい。前記キャップ層の厚さは、好ましくは、1nm以上、20nm以下であり、より好ましくは、1nm以上、5nm以下であり、さらに好ましくは、1nm以上、3nm以下であり、例えば2nmとすることができる。前記キャップ層をなるべく薄くすることで、FETオン時において、MIS(MOS)チャネルに蓄積するシート電荷(前記キャップ層における、前記ゲート絶縁膜との界面に蓄積する電子)の量を、極力抑制することができる。これにより、ゲート電圧Vgを正方向に増大させた場合において、前記MIS(MOS)チャネルへの電子蓄積により半導体ヘテロ接合界面チャネルが変調されなくなることを、極力防止することができる。さらに、万が一、ゲート電圧Vgをデバイス動作電圧以上に極端に正方向に印加したとしても、前記キャップ層の厚みが薄ければ、MIS(MOS)チャネルに蓄積するシート電荷量を極力抑制することが可能である。 Further, in the first or second field effect transistor of the present invention, for example, the cap layer (606 in FIG. 1) is as thin as possible from the viewpoint of carrier accumulation in the channel and further improvement of on-resistance. Is preferred. The thickness of the cap layer is preferably 1 nm or more and 20 nm or less, more preferably 1 nm or more and 5 nm or less, and further preferably 1 nm or more and 3 nm or less, for example, 2 nm. . By making the cap layer as thin as possible, the amount of sheet charge (electrons accumulated at the interface with the gate insulating film in the cap layer) stored in the MIS (MOS) channel when the FET is on is suppressed as much as possible. be able to. As a result, when the gate voltage Vg is increased in the positive direction, it is possible to prevent the semiconductor heterojunction interface channel from being modulated due to the accumulation of electrons in the MIS (MOS) channel as much as possible. Furthermore, any chance, even the gate voltage V g as applied to the extreme forward direction or device operation voltage, if the thickness of the cap layer is thin, prevented to the utmost sheet the amount of electric charge stored in the MIS (MOS) channel Is possible.

本発明の前記第一または第二の電界効果トランジスタは、例えば、前記チャネル層と前記バッファ層とのヘテロ接合界面における負の分極電荷、または、前記チャネル層もしくは前記バッファ層に含まれるイオン化したp-型不純物(イオン化アクセプタ)の負の固定電荷を有する。これらの負電荷により、本発明の前記第一または第二の電界効果トランジスタは、例えば、ゲートリセスを掘らなくとも、Vth=5〜6VのノーマリーOFFの閾値電圧を実現できる。これは、Si-IGBTに代えて用いる(リプレースする)に足るだけのスペックである。ただし、この説明は、本発明を限定するものではない、例えば、本発明の前記第一または第二の電界効果トランジスタは、前記のとおり、ゲートリセスを掘って製造することもできる。また、Vth=5〜6Vは、好適な数値の一例であり、これには限定されない。 The first or second field effect transistor according to the present invention includes, for example, a negative polarization charge at a heterojunction interface between the channel layer and the buffer layer, or ionized p contained in the channel layer or the buffer layer. It has a negative fixed charge of -type impurity (ionization acceptor). Due to these negative charges, the first or second field effect transistor of the present invention can realize a normally-off threshold voltage of V th = 5 to 6 V, for example, without digging a gate recess. This is a specification that can be used in place of (replaces) Si-IGBT. However, this description does not limit the present invention. For example, the first or second field effect transistor of the present invention can be manufactured by digging a gate recess as described above. V th = 5 to 6 V is an example of a suitable numerical value, and is not limited to this.

以下、本発明の前記第一または第二の電界効果トランジスタが、どのようなメカニズムで、高い閾値電圧の実現およびMIS(MOS)チャネル電子蓄積の効果的な抑制等ができるか、理論計算を用いて説明する。ただし、これらは例示であって、本発明を限定しない。また、前記のとおり、数式、グラフ、およびそれらの説明等は、理論に基づくものであり、これらは、本発明の前記第一または第二の電界効果トランジスタ等における実際の現象を、定性的にまたは近似的に示すものである。   Hereinafter, the theoretical calculation is used to determine how the first or second field effect transistor of the present invention can realize a high threshold voltage and effectively suppress MIS (MOS) channel electron accumulation. I will explain. However, these are examples and do not limit the present invention. Further, as described above, the mathematical formulas, graphs, explanations thereof, and the like are based on the theory, and these qualitatively represent the actual phenomenon in the first or second field effect transistor of the present invention. Or it shows approximately.

まず、本発明の前記第一または第二の電界効果トランジスタは、前記のとおり、(0001)結晶軸に垂直なIII族原子面(前記第一の電界効果トランジスタにおいては、(0001)結晶軸に垂直なGa面またはAl面)を上面とするIII族窒化物半導体の多層構造を有する。本発明の前記第一または第二の電界効果トランジスタは、例えば、GaN(窒化ガリウム)とAlGaN(窒化アルミニウムガリウム)とを用いたGaN-FETとすることができる。より具体的には、例えば、前記障壁層としてAlGaNを、前記チャネル層としてGaNを用いたAlGaN/GaNヘテロ接合により、チャネル(通電経路)を形成することができる。前記AlGaN障壁層は、電子供給層として機能し、前記GaNチャネル層は、電子走行層として機能する。   First, as described above, the first or second field effect transistor of the present invention has a group III atomic plane perpendicular to the (0001) crystal axis (in the first field effect transistor, the (0001) crystal axis It has a multi-layer structure of a group III nitride semiconductor having a vertical Ga plane or Al plane) as an upper surface. The first or second field effect transistor of the present invention can be, for example, a GaN-FET using GaN (gallium nitride) and AlGaN (aluminum gallium nitride). More specifically, for example, a channel (energization path) can be formed by an AlGaN / GaN heterojunction using AlGaN as the barrier layer and GaN as the channel layer. The AlGaN barrier layer functions as an electron supply layer, and the GaN channel layer functions as an electron transit layer.

本発明の前記第一または第二の電界効果トランジスタは、前記基板上に、前記バッファ層、前記チャネル層、および前記障壁層が、前記順序で積層されている。また、前記バッファ層、前記チャネル層、および前記障壁層以外に、他の半導体層を含んでいても良いし、含んでいなくても良い。以下、本発明の前記第一または第二の電界効果トランジスタについて説明する場合において、前記バッファ層、前記チャネル層、および前記障壁層を含む半導体層の積層構造の全体または一部を、単に「エピ層」ということがある。また、前記エピ層の一部または全体のいずれであるかを明確に示す場合は、「エピ層の一部」「エピ層全体」などということがある。前記エピ層には、例えば、前記AlGaN/GaNチャネルのヘテロ接合界面等において、正の分極電荷(自然分極とピエゾ分極)が生じる。このため、FETがノーマリーOFF特性(閾値電圧Vth>0V)を得やすくするには、以下で詳説するように、前記エピ層全体の分極電荷または固定電荷の総和が負になるようにすることが好ましい。 In the first or second field effect transistor of the present invention, the buffer layer, the channel layer, and the barrier layer are stacked in the above order on the substrate. In addition to the buffer layer, the channel layer, and the barrier layer, other semiconductor layers may or may not be included. Hereinafter, when the first or second field effect transistor of the present invention is described, the whole or a part of the laminated structure of the semiconductor layer including the buffer layer, the channel layer, and the barrier layer is simply referred to as “epi. Sometimes referred to as “layer”. Further, when clearly showing whether it is a part or the whole of the epi layer, it may be referred to as “a part of the epi layer”, “the whole epi layer” or the like. In the epilayer, for example, positive polarization charges (natural polarization and piezoelectric polarization) are generated at the heterojunction interface of the AlGaN / GaN channel. For this reason, in order to make it easier for the FET to obtain a normally OFF characteristic (threshold voltage V th > 0 V), as described in detail below, the sum of polarization charges or fixed charges of the entire epi layer should be negative. Is preferred.

ここで、AlGaN系ヘテロ接合における分極効果に伴う分極電荷(界面電荷)の生成についての一般的な事実(物理法則)を述べる。   Here, a general fact (physical law) about the generation of polarization charge (interface charge) accompanying the polarization effect in the AlGaN heterojunction will be described.

格子緩和した(0001)面AlxGa1-xN層上にAlxGa1-xNよりAl組成比の低いAlaGa1-aN層(a<x)を成長した場合、AlaGa1-aN層には圧縮歪が働いてピエゾ分極による分極電荷(界面電荷)が発生する。さらに、自発性分極の差分が分極電荷(界面電荷)として付加されるため、AlaGa1-aN層の基板側には面密度(-σa)の負電荷が発生し、表面側(基板と反対側)には面密度(+σa)の正電荷が発生する。ここで、分極電荷の絶対値σaは、組成比の差(x-a)にほぼ比例して増加する。すなわち、σaは、下記数式(B)のように近似的に表される。なお、下記数式(B)中、qは、素電荷であり、q=1.60219×10-19Cである。以下の各数式中においても、特に断らない限り、同じである。 When grown to lattice relaxation (0001) plane Al x Ga 1-x N layer on the Al x Ga 1-x N low Al composition ratio than AlaGa 1-a N layer (a <x), Al a Ga 1 -a Compressive strain is applied to the N layer to generate polarization charge (interface charge) due to piezoelectric polarization. Furthermore, since the difference in spontaneous polarization is added as polarization charge (interface charge), a negative charge with surface density (-σ a ) is generated on the substrate side of the Al a Ga 1-a N layer, and the surface side ( A positive charge having a surface density (+ σ a ) is generated on the opposite side of the substrate. Here, the absolute value σa of the polarization charge increases almost in proportion to the difference (xa) in the composition ratio. That is, σ a is approximately expressed as the following formula (B). In the following formula (B), q is an elementary charge, and q = 1.60219 × 10 −19 C. The same applies to the following formulas unless otherwise specified.

σa/q[cm-2]=5.25×1013×(x-a) (B) σ a / q [cm -2 ] = 5.25 × 10 13 × (xa) (B)

前記AlxGa1-xN層と前記AlaGa1-aN層の間に他の半導体層が挿入された場合でも、その半導体層が格子緩和していない限り、同様な分極電荷(界面電荷)が発生する。 Even when another semiconductor layer is inserted between the Al x Ga 1-x N layer and the Al a Ga 1-a N layer, as long as the semiconductor layer is not lattice-relaxed, the same polarization charge (interface) Charge) is generated.

一方、格子緩和した(0001)面AlxGa1-xN層上にAlxGa1-xNよりAl組成比の高いAlbGa1-bN層(x<b)を成長した場合、AlbGa1-bN層には引張り歪が働いてピエゾ分極による分極電荷(界面電荷)が発生する。さらに、自発性分極の差分が分極電荷(界面電荷)として付加されるため、AlbGa1-bN層の基板側には面密度(+σb)の正電荷が発生し、表面側(基板と反対側)には面密度(-σb)の負電荷が発生する。ここで、分極電荷の絶対値σbは、組成比の差(b-x)にほぼ比例して増加する。すなわち、σbは、下記数式(C)のように近似的に表される。 On the other hand, when grown to lattice relaxation (0001) plane Al x Ga 1-x N layer on the Al x Ga 1-x N high Al composition ratio than Al b Ga 1-b N layer (x <b), In the Al b Ga 1-b N layer, tensile strain acts to generate a polarization charge (interface charge) due to piezoelectric polarization. Furthermore, since the difference in spontaneous polarization is added as a polarization charge (interface charge), a positive charge having a surface density (+ σ b ) is generated on the substrate side of the Al b Ga 1-b N layer, and the surface side ( A negative charge having an areal density (−σ b ) is generated on the opposite side of the substrate. Here, the absolute value σ b of the polarization charge increases almost in proportion to the difference (bx) in the composition ratio. That is, σ b is approximately expressed as the following formula (C).

σb/q[cm-2]=5.25×1013×(b-x) (C) σ b / q [cm -2 ] = 5.25 × 10 13 × (bx) (C)

前記AlxGa1-xN層と前記AlbGa1-bN層の間に他の半導体層が挿入された場合でも、その半導体層が格子緩和していない限り、同様な分極電荷(界面電荷)が発生する。 Even when another semiconductor layer is inserted between the Al x Ga 1-x N layer and the Al b Ga 1-b N layer, as long as the semiconductor layer is not lattice-relaxed, the same polarization charge (interface) Charge) is generated.

前記エピ層全体の分極電荷または固定電荷の総和が負になるようにするためには、例えば、第一に、チャネル層とバッファ層とのヘテロ界面に負の分極電荷を生成させて利用する方法(下記ケースA)、第二に、チャネル層またはバッファ層にp-型不純物をドーピングする方法(下記ケースB)、そして、第三に、InGaNキャップ層を採用する方法(下記ケースC)などが考えられる。以下、これらについて、前記順序で説明する。   In order to make the total polarization charge or fixed charge of the entire epilayer negative, for example, first, a method in which a negative polarization charge is generated at the heterointerface between the channel layer and the buffer layer and used. (Case A below), second, a method of doping a p-type impurity in the channel layer or buffer layer (Case B below), and third, a method of employing an InGaN cap layer (Case C below), etc. Conceivable. Hereinafter, these will be described in the above order.

[ケースA. AlGaNバッファ層を用いるタイプ]
前記バッファ層にAlGaNを用い、GaNチャネル層/AlGaNバッファ層のヘテロ界面での負の分極電荷を利用するタイプのFETについて、ゲート直下(ゲート電極の下方)で表1のようなエピ構造を想定してFETの閾値電圧Vthを考察する。以下の理論計算において、半導体表面の分極電荷は、電極や表面保護膜等に誘起された電荷によって補償されてゼロになっていると仮定している。また、実験結果により検証した傾向に基づき、バッファ層裏面やバッファ層中の分極電荷は、バッファ層が緩和してゆく過程で補償されていると仮定している。
[Case A. Type using AlGaN buffer layer]
For the type of FET that uses AlGaN as the buffer layer and uses negative polarization charge at the hetero interface of the GaN channel layer / AlGaN buffer layer, the epi structure shown in Table 1 is assumed directly under the gate (below the gate electrode) Then, consider the threshold voltage V th of the FET. In the following theoretical calculation, it is assumed that the polarization charge on the surface of the semiconductor is zero by being compensated by the charge induced in the electrode, the surface protective film, or the like. Further, based on the tendency verified by the experimental results, it is assumed that the polarization charge in the back surface of the buffer layer and in the buffer layer is compensated in the process of relaxing the buffer layer.

Figure 2011210750
Figure 2011210750

ここで、前記表1において、ゲート絶縁膜の厚さをTf、比誘電率をεf、キャップ層の厚さをTs、比誘電率をεs、障壁層の厚さをTh、比誘電率をεh、チャネル層の厚さをTc、比誘電率をεc、バッファ層の厚さは、格子緩和に十分な厚さであり、比誘電率はεbであるとした。また、界面分極密度は、ゲート絶縁膜とキャップ層間ではゼロと仮定し、キャップ層と障壁層間では-σs、障壁層とチャネル層間ではσh、チャネル層とバッファ層間では-σcとした。さらに、伝導帯下端ポテンシャルの不連続量は、ゲート絶縁膜とキャップ層間ではΔEc3、キャップ層と障壁層間ではΔEc2、障壁層とチャネル層間ではΔEc1、チャネル層とバッファ層間ではΔEc0と表した。なお、AlGaNバッファ構造を用いることによって、GaN-FETでノーマリーOFF特性を得やすくなることは、T. Inoue et al., ”Polarization Engineering on Buffer Layer in GaN-Based Heterojunction FETs,” IEEE Trans. Electron Devices, Vol.55, No.2, pp.483-488, Feb.2008.に記載されている。 Here, in Table 1, the thickness of the gate insulating film is T f , the relative dielectric constant is ε f , the thickness of the cap layer is T s , the relative dielectric constant is ε s , and the thickness of the barrier layer is T h , The relative dielectric constant is ε h , the channel layer thickness is T c , the relative dielectric constant is ε c , the buffer layer thickness is sufficient for lattice relaxation, and the relative dielectric constant is ε b . The interface polarization density was assumed to be zero between the gate insulating film and the cap layer, and was assumed to be −σ s between the cap layer and the barrier layer, σ h between the barrier layer and the channel layer, and −σ c between the channel layer and the buffer layer. Further, the discontinuity of the conduction band bottom potential is expressed as ΔEc3 between the gate insulating film and the cap layer, ΔEc2 between the cap layer and the barrier layer, ΔEc1 between the barrier layer and the channel layer, and ΔEc0 between the channel layer and the buffer layer. Note that the use of an AlGaN buffer structure makes it easier to obtain normally-OFF characteristics in GaN-FETs, as described in T. Inoue et al., “Polarization Engineering on Buffer Layer in GaN-Based Heterojunction FETs,” IEEE Trans. Electron Devices , Vol.55, No.2, pp.483-488, Feb.2008.

このバッファ層のAlGaNは、Al組成比をx(0<x<1)としてAlxGa1-xNとする。障壁層のAlGaNは、Al組成比をyとしてAlyGa1-yNとする。AlyGa1-yN障壁層とGaNチャネル層とのヘテロ界面がチャネルとして有効に機能するために、Al組成比yはxより大きくx<y≦1とする。したがって、ゲート・オーミック電極間およびオーミック電極(ソースおよびドレイン電極)直下では、0<σhcすなわち前記エピ層全体の分極電荷総和が正となる。これにより、ゲート・オーミック電極間およびオーミック電極直下(オーミック電極の下方)では、AlyGa1-yN障壁層とGaNチャネル層とのヘテロ界面チャネルは、Vg=0VでON、すなわちノーマリーON状態となる。ここで、キャップ層のAlGaNは、Al組成比をzとしてAlzGa1-zNとする。 The AlGaN of the buffer layer is Al x Ga 1-x N where the Al composition ratio is x (0 <x <1). The AlGaN of the barrier layer is Al y Ga 1-y N where the Al composition ratio is y. In order for the hetero interface between the Al y Ga 1-y N barrier layer and the GaN channel layer to function effectively as a channel, the Al composition ratio y is larger than x and x <y ≦ 1. Accordingly, 0 <σ h −σ c, that is, the total polarization charge of the entire epilayer is positive between the gate and ohmic electrodes and immediately below the ohmic electrodes (source and drain electrodes). As a result, the heterointerface channel between the Al y Ga 1-y N barrier layer and the GaN channel layer is ON at V g = 0 V, that is, normally ON, between the gate and the ohmic electrode and directly below the ohmic electrode (below the ohmic electrode). It becomes a state. Here, the AlGaN of the cap layer is Al z Ga 1-z N where the Al composition ratio is z.

最もシンプルな構造の一例として、前記エピ層中の全てのエピタキシャル層がノンドープである場合を考察する。ゲート下(ゲート電極下方)の伝導帯ポテンシャルは、Vg=Vthのとき、図2の概観図に示したようになる。同図において、左側から順に、ゲート絶縁膜(Al2O3)、キャップ層(AlzGa1-zN)、障壁層(AlyGa1-yN)、チャネル層(GaN)およびバッファ層(AlxGa1-xN)の状態を示す。同図において、他の記号等は、例えば、前記表1およびその説明において示したとおりである。ここで、Fを電界強度、qΦB(q:電気素量)をゲート電極とゲート絶縁体の間のポテンシャル障壁として閾値電圧Vthを表すと、Vthは距離Tcに依らず、下記数式(1)のとおりとなる。 As an example of the simplest structure, consider the case where all epitaxial layers in the epi layer are non-doped. The conduction band potential below the gate (below the gate electrode) is as shown in the overview diagram of FIG. 2 when V g = V th . In the figure, in order from the left side, the gate insulating film (Al 2 O 3), the cap layer (Al z Ga 1-z N ), the barrier layer (Al y Ga 1-y N ), the channel layer (GaN) and the buffer layer The state of (Al x Ga 1-x N) is shown. In the figure, other symbols and the like are as shown in Table 1 and the description thereof, for example. Here, when F is the electric field strength and qΦ B (q: elementary electric quantity) is the potential barrier between the gate electrode and the gate insulator and the threshold voltage V th is expressed, V th does not depend on the distance T c and the following formula As shown in (1).

qVth=-ΔEc3+ΔEc2-ΔEc1+qΦB―FfTf-FsTs-FhTh[eV] (1) qV th = -ΔEc3 + ΔEc2-ΔEc1 + qΦ B ― F f T f -F s T s -F h T h [eV] (1)

系が平衡状態にある場合には、ゲート電極に誘起された電荷とエピ中の分極電荷の総和(±を考慮した算術和)は、電荷中性の条件からゼロになる。このことを利用すると、分極電荷間にガウスの定理を適用することによって、各電界Fを、例えば下記数式(2)〜(5)のように、簡単に書き下すことが出来る。なお、以下の各数式において、εoは、真空の誘電率である。 When the system is in an equilibrium state, the sum of the charge induced in the gate electrode and the polarization charge in the epi (an arithmetic sum considering ±) becomes zero from the charge neutral condition. By utilizing this, by applying Gauss's theorem between polarization charges, each electric field F can be easily written down as in the following formulas (2) to (5), for example. In the following equations, ε o is a vacuum dielectric constant.

Ff=-q(σsch)/εoεf (2)
Fs=-q(σsch)/εoεs (3)
Fh=q(σhc)/εoεh (4)
Fc=-qσcoεc (5)
F f = -q (σ s + σ ch ) / ε o ε f (2)
F s = -q (σ s + σ ch ) / ε o ε s (3)
F h = q (σ hc ) / ε o ε h (4)
F c = -qσ c / ε o ε c (5)

前記数式(1)〜(5)に基づき、Vthは、下記数式(6)のように表される。 Based on the formulas (1) to (5), V th is expressed as the following formula (6).

qVth=-ΔEc3+ΔEc2-ΔEc1+qΦB
+(q/εo)(σsch)(Tff+Tss)+(q/εo)(σch)Thh (6)
=-ΔEc3+ΔEc2-ΔEc1+qΦB
+(q/εos(Tff+Tss)+(q/εo)(σch)(Tff+Tss+Thh) (7)
qV th = -ΔEc3 + ΔEc2-ΔEc1 + qΦ B
+ (q / ε o ) (σ s + σ ch ) (T f / ε f + T s / ε s ) + (q / ε o ) (σ ch ) T h / ε h ( 6)
= -ΔEc3 + ΔEc2-ΔEc1 + qΦ B
+ (q / ε o ) σ s (T f / ε f + T s / ε s ) + (q / ε o ) (σ ch ) (T f / ε f + T s / ε s + T h / ε h ) (7)

ここで、実効的距離T1およびT2を、下記数式(8)および(9)のとおり定義する。 Here, the effective distances T 1 and T 2 are defined as in the following formulas (8) and (9).

T1≡Tff+Tss (8)
T2≡Tff+Tss+Thh (9)
T 1 ≡ T f / ε f + T s / ε s (8)
T 2 ≡T f / ε f + T s / ε s + T h / ε h (9)

これによると、Vthは、下記数式(10)のように、より明確に表現できる。 According to this, V th can be expressed more clearly as the following formula (10).

qVth=-ΔEc3+ΔEc2-ΔEc1+qΦB+(q/εosT1+(q/εo)(σch)T2 (10) qV th = -ΔEc3 + ΔEc2-ΔEc1 + qΦ B + (q / ε o ) σ s T 1 + (q / ε o ) (σ ch ) T 2 (10)

次に、諸々の物理パラメータのVthへの寄与を、分極電荷の総和(σhsc)によって分類し、AlzGa1-zNキャップ層のAl組成比zの範囲に対して、FETがノーマリーOFF特性を示すために、またはさらに高い閾値電圧Vthを示すために好適な条件について検証する。 Next, the contribution of various physical parameters to Vth is classified by the sum of polarization charges (σ hsc ), and the Al composition ratio z of the Al z Ga 1-z N cap layer falls within the range. On the other hand, a condition suitable for the FET to exhibit a normally OFF characteristic or to exhibit a higher threshold voltage Vth will be verified.

[A-(1). 分極電荷の総和(σhsc)>0となる場合]
AlzGa1-zNキャップ層のAl組成比zがAlxGa1-xNバッファ層のAl組成比xより大きく、x<z≦1であるとき、エピ中の分極電荷の総和(σhsc)が正になる。エピ中の分極電荷の総和(σhsc)が正であれば、ゲート絶縁膜には裏から表にかけて電界がかかるので、前記数式(6)から、ゲート絶縁膜やキャップ層の厚みTf、Tsを増せば増すほど、Vthは負方向にシフトする。逆にゲート絶縁膜やキャップ層の厚みTf、Tsを薄くすればするほどVthは正方向にシフトする。ただし、ゲート耐圧の劣化を招かないために、ゲート絶縁膜の厚みは、薄くしすぎないことが好ましい。また、キャップ層の薄層化には、限度がある。
[A- (1). When total polarization charge (σ hsc )> 0]
When the Al composition ratio z of the Al z Ga 1-z N cap layer is larger than the Al composition ratio x of the Al x Ga 1-x N buffer layer and x <z ≦ 1, the sum of polarization charges in the epi (σ hsc ) becomes positive. If the total sum of polarization charges in epi (σ hsc ) is positive, an electric field is applied to the gate insulating film from the back to the front, so from the formula (6), the gate insulating film and the cap layer As the thicknesses T f and T s increase, V th shifts in the negative direction. Conversely, Vth shifts in the positive direction as the thicknesses T f and T s of the gate insulating film and the cap layer are reduced. However, it is preferable that the thickness of the gate insulating film is not too thin so as not to cause deterioration of the gate breakdown voltage. In addition, there is a limit to thinning the cap layer.

[A-(2). 分極電荷の総和(σhsc)<0となる場合]
AlzGa1-zNキャップ層のAl組成比zがAlxGa1-xNバッファ層のAl組成比xより小さく、0≦z<xであるとき、エピ中の分極電荷の総和(σhsc)が負になる。デバイスが実際にノーマリーOFF特性になるためには、Vth>0Vでなければならない。また、閾値電圧Vthは、ΔEcやΦBをも考慮して算出する必要がある。エピ全体の分極電荷の総和(σhsc)が負であれば、ゲート絶縁膜には表から裏にかけて電界がかかるので、前記数式(6)から、ゲート絶縁膜やキャップ層の厚みTf、Tsを増せば増すほど、Vthは正方向にシフトする。このことを用いてFETの閾値Vthを、例えばVth=+5〜+6V、またはそれ以上に高くすることが可能である。
[A- (2). Total polarization charge (σ hsc ) <0]
When the Al composition ratio z of the Al z Ga 1-z N cap layer is smaller than the Al composition ratio x of the Al x Ga 1-x N buffer layer and 0 ≦ z <x, the sum of polarization charges in the epi (σ hsc ) becomes negative. In order for the device to actually be normally OFF, V th > 0V must be satisfied. The threshold voltage V th needs to be calculated in consideration of the ΔEc and [Phi B. If the sum of the polarization charges of the entire epi (σ hsc ) is negative, an electric field is applied from the front to the back of the gate insulating film, so from the formula (6), the gate insulating film and the cap layer As the thicknesses T f and T s increase, V th shifts in the positive direction. This can be used to increase the FET threshold V th to, for example, V th = + 5 to +6 V or higher.

従って、本発明の前記第一または第二の電界効果トランジスタがノーマリーOFF特性(エンハンスメント・モード)を有するためには、分極電荷の総和(σhsc)<0となることが好ましい。ただし、真性ゲート容量減少による相互コンダクタンス(gm)低下を防止する観点から、ゲート絶縁膜厚を大きくしすぎないことが好ましい。したがって、順方向耐圧維持およびgm維持の両立の観点から、ゲート絶縁膜の膜厚は、30nm以上、70nm以下であることが好ましい。 Therefore, in order for the first or second field effect transistor of the present invention to have a normally OFF characteristic (enhancement mode), the sum of polarization charges (σ h −σ s −σ c ) <0 may be satisfied. preferable. However, it is preferable not to make the gate insulating film thickness too large from the viewpoint of preventing a decrease in mutual conductance (g m ) due to a decrease in intrinsic gate capacitance. Therefore, the thickness of the gate insulating film is preferably not less than 30 nm and not more than 70 nm from the viewpoint of achieving both forward breakdown voltage maintenance and g m maintenance.

キャップ層(AlzGa1-zN)としてGaNを採用した場合(z=0)には、ゲート外(ゲート・オーミック間およびオーミック電極直下)のデバイス構造をリセスエッチングなどで形成する場合に、GaNキャップ層のAlyGa1-yN障壁層に対する選択性エッチングを適用出来る。このことは、実際のデバイス作製上において大きなメリットである。キャップ層AlzGa1-zNがi-GaNである場合には、ΔEc2=ΔEc1、σshであるから、閾値電圧Vthは、下記数式(11)のように単純化して表すことができる。 When GaN is adopted as the cap layer (Al z Ga 1-z N) (z = 0), when the device structure outside the gate (between the gate and ohmic and directly under the ohmic electrode) is formed by recess etching or the like, Selective etching can be applied to the Al y Ga 1-y N barrier layer of the GaN cap layer. This is a great merit in actual device fabrication. When the cap layer Al z Ga 1-z N is i-GaN, since ΔE c2 = ΔE c1 and σ s = σ h , the threshold voltage V th is simplified as shown in the following formula (11). Can be expressed.

qVth=-ΔEc3+qΦB+(q/εohT1+(q/εo)(σch)T2
=-ΔEc3+qΦB-(q/εohThh+(q/εocT2 (11)
qV th = -ΔE c3 + qΦ B + (q / ε o ) σ h T 1 + (q / ε o ) (σ ch ) T 2
= -ΔE c3 + qΦ B- (q / ε o ) σ h T h / ε h + (q / ε o ) σ c T 2 (11)

前記数式(11)で、(q/εohThhの項は、障壁層厚とチャネル分極電荷のVthへの寄与を示し、(q/εocT2の項はバッファ層分極電荷のVthへの寄与を示している。前記数式(11)に基づけば、Vthがより正方向にシフトするには、(q/εohThhの項から、障壁層厚はより薄い方が好ましく、またチャネル分極σhはより小さいこと、すなわち障壁層のAl組成比はより低いことが好ましい。また、(q/εocT2の項から、バッファ層分極電荷σcはより大きいこと、すなわちバッファ層のAl組成比はより高いことが好ましい。 In the equation (11), the term (q / ε o ) σ h T h / ε h represents the contribution of the barrier layer thickness and the channel polarization charge to V th , and (q / ε o ) σ c T 2 This term indicates the contribution of the buffer layer polarization charge to Vth . Based on the equation (11), in order to shift V th in a more positive direction, from the term (q / ε o ) σ h T h / ε h , the thinner barrier layer is preferable, and the channel The polarization σ h is preferably smaller, that is, the Al composition ratio of the barrier layer is preferably lower. Further, from the term of (q / ε o ) σ c T 2 , it is preferable that the buffer layer polarization charge σ c is larger, that is, the Al composition ratio of the buffer layer is higher.

ただし、障壁層厚Thは、薄くしすぎないことが好ましい。障壁層厚Thが適度な厚さを有することにより、ゲート・オーミック間において、チャネルが、エピの最表面(上面)に近接し過ぎ、チャネル電子がエピの最表面(上面)からの影響を受けて電流コラプスを生じることを防止しやすいためである。また、AlyGa1-yN障壁層のAl組成比yは、低くしすぎないことが好ましい。yを低くしすぎなければ、AlyGa1-yN障壁層/GaNチャネル層のヘテロ界面チャネルに誘起される正の分極電荷の減少により、チャネル電子濃度が減少しすぎる(すなわち、オフ耐圧は増加するが、オン電流が減少しオン抵抗が増加する)ことを防止できる。また、バッファ層のAl組成比xを高くすると、AlyGa1-yN障壁層/GaNチャネル層のヘテロ界面チャネルに誘起される正の分極電荷を確保するためのAlyGa1-yN障壁層のAl組成比yをその分高くする必要が生じる。Al組成比yは30%(0.3)以下であることが、エピ成長の観点からは好ましい。Al組成比yの範囲が、y≦0.3であれば、エピ成長にMOCVDを用いてFETを量産する場合も、3元系のAlyGa1-yN(1<y<1で、AlNを除く)を安定に成長させやすい。また、y≦0.3であれば、格子欠陥や転位を生じずに成長できる膜厚(いわゆる臨界膜厚)が小さすぎず、膜厚の許容度の観点から好ましい。 However, the barrier layer thickness T h is preferably not too thin. When the barrier layer thickness T h is moderate, the channel is too close to the outermost surface (upper surface) of the epi between the gate and ohmic, and the channel electrons are affected by the uppermost surface (upper surface) of the epi. This is because it is easy to prevent current collapse from occurring. Further, the Al composition ratio y of the Al y Ga 1-y N barrier layer is preferably not too low. If y is not too low, the channel electron concentration will be too low due to the decrease in positive polarization charge induced in the hetero interface channel of the Al y Ga 1-y N barrier layer / GaN channel layer (that is, the off breakdown voltage is Increase, but the on-current decreases and the on-resistance increases). Also, increasing the Al composition ratio x of the buffer layer, Al y Ga 1-y Al to ensure a positive polarization charge induced in the hetero interface channel N barrier layer / GaN channel layer y Ga 1-y N It is necessary to increase the Al composition ratio y of the barrier layer accordingly. The Al composition ratio y is preferably 30% (0.3) or less from the viewpoint of epi growth. If the range of the Al composition ratio y is y ≦ 0.3, even when mass-producing FETs using MOCVD for epi growth, the ternary Al y Ga 1-y N (1 <y <1 and AlN It is easy to grow stably. Further, if y ≦ 0.3, the film thickness that can be grown without causing lattice defects or dislocations (so-called critical film thickness) is not too small, which is preferable from the viewpoint of film thickness tolerance.

一方、障壁層に2元系のAlNを用いると、チャネル電子に与える合金散乱が低減する、AlN/GaNチャネルのシート・チャネル電子濃度が最大になり、オン電流密度の最大化、オン抵抗の最小化といったメリットがある等の観点から好ましい。なお、AlNの臨界膜厚は、種々の条件により異なるが、例えば、GaN上で2nm程度である。ただし、この数値は例示であって、本発明を何ら限定しない。   On the other hand, when binary AlN is used for the barrier layer, alloy scattering given to channel electrons is reduced, the sheet / channel electron concentration of the AlN / GaN channel is maximized, the on-current density is maximized, and the on-resistance is minimized. It is preferable from the viewpoint of having merit such as. The critical film thickness of AlN varies depending on various conditions, but is about 2 nm on GaN, for example. However, this numerical value is an example and does not limit the present invention.

[A-(3). 分極電荷の総和(σhsc)=0となる場合]
キャップ層AlzGa1-zNがバッファ層AlxGa1-xNと同一組成、すなわちx=zであるケースでは、σshcであるため、エピ中の分極電荷の総和(σhsc)は、σhsc=0とゼロになる。この場合、前記数式(6)から、Vthは、下記数式(12)のとおり表される。
[A- (3). When total polarization charge (σ hsc ) = 0]
In the case where the cap layer Al z Ga 1-z N has the same composition as the buffer layer Al x Ga 1-x N, that is, x = z, σ s = σ hc The sum (σ h −σ s −σ c ) becomes zero when σ h −σ s −σ c = 0. In this case, from the formula (6), V th is expressed as the following formula (12).

qVth=-ΔEc3+ΔEc2-ΔEc1+qΦB+(q/εo)(σch)Thh (12) qV th = -ΔE c3 + ΔE c2 -ΔE c1 + qΦ B + (q / ε o ) (σ ch ) T h / ε h (12)

前記数式(12)によれば、Vthはゲート絶縁膜やキャップ層の厚さに依存しない。この場合のポテンシャルの特徴として、エピ全体の分極電荷の総和がゼロなので、ゲート電圧がゼロ(Vg=0V)のときにはゲート絶縁膜とキャップ層には電界がかからず、ゲート絶縁膜とキャップ層の伝導帯ポテンシャルが水平(フラットバンド)になる。これにより、製造プロセスによってキャップ層厚やゲート絶縁膜厚が変化したとしても、Vthが変化しない。すなわち、FETのキャップ層厚やゲート絶縁膜厚をさほど厳密に制御しなくてもVthが安定し、製造工程の制御が容易である。ただし、この場合は、AlzGa1-zNキャップ層のAl組成比zがAlxGa1-xNバッファ層のAl組成比xより小さく0≦z<xである場合のように、ゲート絶縁膜やキャップ層の厚みTf、Tsを増せば増すほどVthが正方向にシフトするということはない。この観点からは、このケースでは、FETの閾値電圧Vthの上昇に限界がある。 According to the equation (12), V th does not depend on the thickness of the gate insulating film or the cap layer. The potential characteristic in this case is that the total polarization charge of the entire epi is zero, so when the gate voltage is zero (V g = 0V), no electric field is applied to the gate insulating film and cap layer, and the gate insulating film and cap The conduction band potential of the layer becomes horizontal (flat band). Thereby, even if the cap layer thickness and the gate insulating film thickness are changed by the manufacturing process, Vth does not change. That is, Vth is stable and the manufacturing process can be easily controlled even if the cap layer thickness of the FET and the gate insulating film thickness are not strictly controlled. However, in this case, the Al composition ratio z of the Al z Ga 1-z N cap layer is smaller than the Al composition ratio x of the Al x Ga 1-x N buffer layer, and 0 ≦ z <x. As the thicknesses T f and T s of the insulating film and the cap layer are increased, V th does not shift in the positive direction. From this viewpoint, in this case, there is a limit to the increase in the threshold voltage V th of the FET.

[ケースB. p-GaNチャネル層あるいはp-GaNバッファ層を用いるタイプ]
上記ケースAでは、主にGaN-FETにノーマリーOFF特性を与える目的で、バッファ層にAlGaNを用い、GaNチャネル層とAlGaNバッファ層とのヘテロ界面での負の分極電荷を利用する場合について説明した。本ケースでは、バッファ層にGaNを用い、チャネル層またはバッファ層にp-型不純物をドーピングすることによって、GaN-FETにノーマリーOFF特性を与えるデバイス構造について説明する。バッファ層にGaNを用いたエピウエハは、エピタキシャル多層膜の成長条件によっては、バッファ層にAlGaNを用いたウエハより反り(歪み)を生じにくい場合がある。しかしながら、歪みによる分極電荷に代えて、前記p-型不純物ドーピングを用いることで、例えば、ノーマリーOFF動作が可能となる。
[Case B. Type using p-GaN channel layer or p-GaN buffer layer]
In Case A above, the case where AlGaN is used for the buffer layer and negative polarization charge at the heterointerface between the GaN channel layer and the AlGaN buffer layer is used mainly for the purpose of giving the GaN-FET normally OFF characteristics. . In this case, a device structure will be described in which GaN is used for the buffer layer and p-type impurities are doped in the channel layer or the buffer layer to give the GaN-FET normally OFF characteristics. An epiwafer using GaN as a buffer layer may be less likely to warp (strain) than a wafer using AlGaN as a buffer layer depending on the growth conditions of the epitaxial multilayer. However, by using the p-type impurity doping instead of the polarization charge due to strain, for example, a normally OFF operation can be performed.

以下では、下記表2のエピ構造を想定する。AlyGa1-yN障壁層が障壁層として有効に機能するように、AlzGa1-zNキャップ層のAl組成比zは、AlyGa1-yN障壁層のAl組成比yよりも小さく、0≦z<yとする。 In the following, the epi structure shown in Table 2 below is assumed. In order for the Al y Ga 1-y N barrier layer to function effectively as a barrier layer, the Al composition ratio z of the Al z Ga 1-z N cap layer is equal to the Al composition ratio y of the Al y Ga 1-y N barrier layer. And 0 ≦ z <y.

Figure 2011210750
Figure 2011210750

GaNからなるチャネル層またはバッファ層に、p-型不純物によるアクセプタをエピ成長の段階でドーピングした場合を想定する。この場合において、アクセプタは、エピの層厚t方向において、t1からt2にわたり分布し、イオン化したアクセプタの体積濃度が厚み方向距離tの関数としてNa(t)[1/cm3]で与えられるものとする。このとき、イオン化したアクセプタによる負電荷のシート電荷量は、下記数式(13)で表すことができる。 Assume that a channel layer or buffer layer made of GaN is doped with an acceptor of p-type impurities at the stage of epi growth. In this case, the acceptors are distributed from t 1 to t 2 in the epi layer thickness t direction, and the volume concentration of the ionized acceptor is expressed as Na (t) [1 / cm 3 ] as a function of the thickness direction distance t. Shall be given. At this time, the sheet charge amount of the negative charge due to the ionized acceptor can be expressed by the following formula (13).

Figure 2011210750
Figure 2011210750

この場合のFETの閾値Vthは前記数式(6)において、σcに前記数式(13)のξcを代入したもので表される。すなわち、下記数式(14)〜(16)が成立する。 In this case, the threshold value V th of the FET is expressed by substituting ξ c of Equation (13) into σ c in Equation (6). That is, the following formulas (14) to (16) are established.

qVth=-ΔEc3+ΔEc2-ΔEc1+qΦB
+(q/εo)(σsch)(Tff+Tss)+(q/εo)(ξch)Thh (14)
=-ΔEc3+ΔEc2-ΔEc1+qΦB
+(q/εos(Tff+Tss)+(q/εo)(ξch)(Tff+Tss+Thh) (15)
=-ΔEc3+ΔEc2-ΔEc1+qΦB+(q/εosT1+(q/εo)(ξch)T2 (16)
qV th = -ΔE c3 + ΔE c2 -ΔE c1 + qΦ B
+ (q / ε o ) (σ s + ξ ch ) (T f / ε f + T s / ε s ) + (q / ε o ) (ξ ch ) T h / ε h ( 14)
= -ΔEc3 + ΔEc2-ΔEc1 + qΦ B
+ (q / ε o ) σ s (T f / ε f + T s / ε s ) + (q / ε o ) (ξ ch ) (T f / ε f + T s / ε s + T h / ε h ) (15)
= -ΔEc3 + ΔEc2-ΔEc1 + qΦ B + (q / ε o ) σ s T 1 + (q / ε o ) (ξ ch ) T 2 (16)

以下、ケースAの場合と同様に、諸物理パラメータのVthへの寄与を、固定電荷の総和(σhsc)によって分類し、FETがノーマリーOFF特性を示すための好適な条件について検証する。 Hereinafter, as in Case A, the contribution of various physical parameters to V th is classified by the sum of fixed charges (σ hsc ), which is suitable for the FET to show normally-off characteristics. Verify the conditions.

[B-(1). 固定電荷の総和(σhsc)>0となる場合]
エピ中の固定電荷の総和(σhsc)が正であれば、ゲート絶縁膜には裏から表にかけて電界がかかる。したがって、前記数式(14)から、ゲート絶縁膜やキャップ層の厚みTf、Tsを増せば増すほど、Vthは負方向にシフトする。逆にゲート絶縁膜やキャップ層の厚みTf、Tsを薄くすればするほどVthは正方向にシフトする。ただし、ゲート耐圧の劣化を招かないために、ゲート絶縁膜の厚みは、薄くしすぎないことが好ましい。また、キャップ層の薄層化には、限度がある。
[B- (1). When total fixed charge (σ hsc )> 0]
If the total of fixed charges in the epi (σ h −σ s −ξ c ) is positive, an electric field is applied from the back to the front of the gate insulating film. Therefore, from the formula (14), Vth shifts in the negative direction as the thicknesses T f and T s of the gate insulating film and the cap layer increase. Conversely, Vth shifts in the positive direction as the thicknesses T f and T s of the gate insulating film and the cap layer are reduced. However, it is preferable that the thickness of the gate insulating film is not too thin so as not to cause deterioration of the gate breakdown voltage. In addition, there is a limit to thinning the cap layer.

[B-(2). 固定電荷の総和(σhsc)<0となる場合]
デバイスが実際にノーマリーOFF特性になるためには、Vth>0Vでなければならない。また、閾値電圧Vthは、ΔEcやΦBまで考慮して算出する必要がある。エピ中の固定電荷の総和(σhsc)が負であれば、ゲート絶縁膜には表から裏にかけて電界がかかるので、前記数式(14)からゲート絶縁膜やキャップ層の厚みTf、Tsを増せば増すほど、Vthは正方向にシフトする。このことを用いて、FETの閾値電圧Vthを、Vth=+5〜+6Vまたはそれ以上に高くすることが可能である。したがって、本発明の前記第一または第二の電界効果トランジスタがノーマリーOFF特性(エンハンスメント・モード)を有するためには、固定電荷の総和(σhsc)<0となることが好ましい。ただし、真性ゲート容量減少による相互コンダクタンス(gm)低下を防止する観点から、ゲート絶縁膜厚を大きくしすぎないことが好ましい。したがって、順方向耐圧維持およびgm維持の両立の観点から、ゲート絶縁膜の膜厚は、30nm以上、70nm以下であることが好ましい。
[B- (2). When the total fixed charge (σ hsc ) <0]
In order for the device to actually be normally OFF, V th > 0V must be satisfied. The threshold voltage V th needs to be calculated in consideration of ΔEc and [Phi B. If the sum of the fixed charges in the epi (σ hsc ) is negative, an electric field is applied to the gate insulating film from the front to the back, so from the equation (14), the gate insulating film and the cap layer As the thicknesses T f and T s increase, V th shifts in the positive direction. Using this, the threshold voltage V th of the FET can be increased to V th = + 5 to +6 V or higher. Therefore, in order for the first or second field effect transistor of the present invention to have a normally OFF characteristic (enhancement mode), the total fixed charge (σ h −σ s −ξ c ) <0. preferable. However, it is preferable not to make the gate insulating film thickness too large from the viewpoint of preventing a decrease in mutual conductance (g m ) due to a decrease in intrinsic gate capacitance. Therefore, the thickness of the gate insulating film is preferably not less than 30 nm and not more than 70 nm from the viewpoint of achieving both forward breakdown voltage maintenance and g m maintenance.

ゲート・オーミック電極間およびオーミック電極直下において、AlyGa1-yN障壁層とGaNチャネル層とのヘテロ界面チャネルがVg=0VでON、すなわちノーマリーON状態となるためには、ξchである必要がある。したがって、ξcの範囲は、下記数式(17)で表される。 In order for the heterointerface channel between the Al y Ga 1-y N barrier layer and the GaN channel layer to be ON at Vg = 0V, that is, normally ON, between the gate and ohmic electrodes and directly below the ohmic electrode, ξ c <σ Must be h . Therefore, the range of ξ c is expressed by the following formula (17).

σhsch (17) σ hsch (17)

キャップ層AlzGa1-zNにGaNを採用した場合(z=0)には、ゲート外(ゲート・オーミック間およびオーミック電極直下)のデバイス構造をリセスエッチングなどで形成する場合に、GaNキャップ層のAlyGa1-yN障壁層に対する選択性エッチングを適用出来る。このことは、実際のデバイス作製上における大きなメリットである。この場合、σhsとなるので、前記数式(17)から、ξcの範囲は、0<ξchであればよい。GaNバッファ構造においては、AlyGa1-yN障壁層とGaNチャネル層とのヘテロ界面における分極電荷の面密度σh/qは、AlyGa1-yN障壁層のAl組成比yに依存してσh/q=5.25×1013×y[cm-2]の関係がある。したがって、p-型不純物となるイオン化したアクセプタの面密度ξc/qに求められる具体的な範囲は、AlyGa1-yN障壁層のAl組成比yに依存して、下記数式(18)のとおりとなる。 When GaN is adopted for the cap layer Al z Ga 1-z N (z = 0), when forming the device structure outside the gate (between the gate and ohmic and directly under the ohmic electrode) by recess etching, etc. Selective etching of the Al y Ga 1-y N barrier layer can be applied. This is a great merit in actual device fabrication. In this case, since σ h = σ s , the range of ξc may be 0 <ξ ch from Equation (17). In the GaN buffer structure, the surface density σ h / q of polarization charge at the hetero interface between the Al y Ga 1-y N barrier layer and the GaN channel layer is equal to the Al composition ratio y of the Al y Ga 1-y N barrier layer. Depending on the relationship, σ h /q=5.25×10 13 × y [cm −2 ]. Therefore, the specific range required for the surface density ξ c / q of the ionized acceptor that becomes a p-type impurity depends on the Al composition ratio y of the Al y Ga 1-y N barrier layer, and the following formula (18 ) As follows.

O<ξc/q<5.25×1013y [cm-2] (18) O <ξ c /q<5.25×10 13 y [cm -2 ] (18)

キャップ層AlzGa1-zNがi-GaNである場合には、ΔEc2=ΔEc1、σshであるから、閾値Vthは、下記数式(19)のように単純化して表すことができる。 When the cap layer Al z Ga 1-z N is i-GaN, since ΔE c2 = ΔE c1 and σ s = σ h , the threshold V th is simplified as shown in the following equation (19). Can be represented.

qVth=-ΔEc3+qΦB+(q/εohT1+(q/εo)(ξch)T2
=-ΔEc3+qΦB-(q/εohThh+(q/εocT2 (19)
qV th = -ΔE c3 + qΦ B + (q / ε o ) σ h T 1 + (q / ε o ) (ξ ch ) T 2
= -ΔE c3 + qΦ B- (q / ε o ) σ h T h / ε h + (q / ε o ) ξ c T 2 (19)

前記数式(19)で、(q/εohThhの項は、障壁層厚とチャネル分極電荷のVthへの寄与を示し、(q/εocT2の項はイオン化したアクセプタによる負電荷のVthへの寄与を示している。 In the equation (19), the term (q / ε o ) σ h T h / ε h represents the contribution of the barrier layer thickness and the channel polarization charge to V th , and (q / ε o ) ξ c T 2 This term indicates the contribution of negative charge to V th by the ionized acceptor.

[B-(3). 固定電荷の総和(σhsc)=0となる場合]
この場合、前記数式(14)に基づき、Vthは、下記数式(20)で表される。
[B- (3). Fixed charge total (σ hsc ) = 0]
In this case, V th is represented by the following formula (20) based on the formula (14).

qVth=-ΔEc3+ΔEc2-ΔEc1+qΦB+(q/εo)(ξch)Thh (20) qV th = -ΔE c3 + ΔE c2 -ΔE c1 + qΦ B + (q / ε o ) (ξ ch ) T h / ε h (20)

すなわち、Vthは、ゲート絶縁膜やキャップ層の厚さに依存しなくなる。この場合のポテンシャルの特徴として、エピ中の分極電荷の総和がゼロなので、ゲート電圧がゼロ(Vg=0V)のときにはゲート絶縁膜とキャップ層には電界がかからず、ゲート絶縁膜とキャップ層の伝導帯ポテンシャルが水平(フラットバンド)になる。これにより、製造プロセスによってキャップ層厚やゲート絶縁膜厚が変化したとしても、Vthが変化しない。すなわち、FETのキャップ層厚やゲート絶縁膜厚をさほど厳密に制御しなくてもVthが安定し、製造工程の制御が容易である。ただし、この場合は、固定電荷の総和(σhsc)<0となる場合のように、ゲート絶縁膜やキャップ層の厚みTf、Tsを増せば増すほどVthが正方向にシフトするということはない。この観点からは、このケースでは、FETの閾値電圧Vthの上昇に限界がある。 That is, V th does not depend on the thickness of the gate insulating film or the cap layer. As a feature of the potential in this case, since the sum of polarization charges in the epi is zero, when the gate voltage is zero (Vg = 0V), no electric field is applied to the gate insulating film and the cap layer, and the gate insulating film and the cap layer The conduction band potential of becomes horizontal (flat band). Thereby, even if the cap layer thickness and the gate insulating film thickness are changed by the manufacturing process, Vth does not change. That is, Vth is stable and the manufacturing process can be easily controlled even if the cap layer thickness of the FET and the gate insulating film thickness are not strictly controlled. However, in this case, the V th increases as the thicknesses T f and T s of the gate insulating film and the cap layer increase as in the case where the total fixed charge (σ h −σ s −ξ c ) <0. There is no shift in the positive direction. From this viewpoint, in this case, there is a limit to the increase in the threshold voltage V th of the FET.

[ケースC. InGaNキャップを用いるタイプ]
ケースAおよびBでは、バッファ層に工夫して、FETとしてノーマリーOFF特性を実現する方法について説明した。本ケースでは、バッファ層にGaN、チャネル層にGaN、障壁層にAlyGa1-yN(0<y≦1)、そしてキャップ層にInzGa1-zN(0<z≦1)を用いる。このように、InGaNキャップを用いるタイプ(T.Mizutani,“AlGaN/GaN HEMTs With Thin InGaN Cap Layer for Normally Off Operation,”IEEE Electron Device Letters, Vol.28, No.7, pp.549-551, July 2007.)のFETも、多層エピタキシャル膜中の分極電荷の総和(σhs)がこの場合、常に(σhs)<0と負になるので(σcはこの場合σc=0である)、ゲート絶縁膜厚さを厚くすればするほどFETの閾値Vthが正方向にシフトすることにより、高い閾値のノーマリーOFF特性を得ることが出来る。なお、「ゲート外リセス構造」を適用した場合には、ゲート・オーミック電極間およびオーミック電極(ソースおよびドレイン電極)直下では、エピ全体の分極電荷総和はσhであり、0<σhと正である。したがって、ゲート・オーミック電極間およびオーミック電極直下において、AlyGa1-yN障壁層/GaNチャネル層のヘテロ界面チャネルはVg=0VでON、すなわちノーマリーON状態となる。
[Case C. Type using InGaN cap]
In Cases A and B, the method for realizing a normally OFF characteristic as an FET has been described by devising the buffer layer. In this case, GaN for the buffer layer, GaN for the channel layer, Al y Ga 1-y N (0 <y ≦ 1) for the barrier layer, and In z Ga 1-z N (0 <z ≦ 1) for the cap layer Is used. Thus, the type using an InGaN cap (T. Mizutani, “AlGaN / GaN HEMTs With Thin InGaN Cap Layer for Normally Off Operation,” IEEE Electron Device Letters, Vol. 28, No. 7, pp. 549-551, July In the FET of 2007.), the total polarization charge (σ hs ) in the multilayer epitaxial film is always negative (σ hs ) <0 in this case (σ c in this case σ c As the gate insulating film thickness increases, the FET threshold value Vth shifts in the positive direction, whereby a normally-off characteristic with a high threshold value can be obtained. When the “outside gate recess structure” is applied, the polarization charge sum of the entire epi is σ h between the gate and ohmic electrodes and directly under the ohmic electrodes (source and drain electrodes), and 0 <σ h and positive It is. Therefore, the hetero interface channel of the Al y Ga 1-y N barrier layer / GaN channel layer is ON at Vg = 0V, that is, normally ON, between the gate and the ohmic electrode and immediately below the ohmic electrode.

以上、ケースA、B、Cに分類して、GaN-MISFETにおいてノーマリーOFF特性を得るための好ましい構造について説明した。   The preferred structures for obtaining normally-off characteristics in the GaN-MISFET have been described above by classifying into cases A, B, and C.

ケースBでは、バッファ層にGaNを用い、チャネル層またはバッファ層にp-型不純物をドーピングしたことによって、GaN-FETにノーマリーOFF特性を与えた。バッファ層にp-型ドープしたp-GaNを用いる場合には、バッファ層がアクセプタによって導電性を帯びる。この場合、FETのバッファ層耐圧を劣化させない観点から、前記バッファ層のp-型不純物濃度が高すぎないことが好ましい。また、チャネル層にp-型ドープしたp-GaNを用いる場合には、AlyGa1-yN障壁層とp-GaNチャネル層とのヘテロ界面のチャネル電子が、p-型不純物による不純物散乱を受けて低下しないという観点から、前記p-型不純物濃度が高すぎないことが好ましい。 In Case B, GaN was used for the buffer layer, and the channel layer or buffer layer was doped with p-type impurities to give the GaN-FET normally OFF characteristics. When p-type doped p-GaN is used for the buffer layer, the buffer layer is made conductive by the acceptor. In this case, from the viewpoint of not deteriorating the buffer layer breakdown voltage of the FET, it is preferable that the p-type impurity concentration of the buffer layer is not too high. In addition, when p-type doped p-GaN is used for the channel layer, the channel electrons at the heterointerface between the Al y Ga 1-y N barrier layer and the p-GaN channel layer are scattered by impurities due to p-type impurities. Therefore, it is preferable that the p-type impurity concentration is not too high from the viewpoint that the concentration does not decrease.

ケースCでは、InGaNキャップ構造を用いて、GaN-FETにノーマリーOFF特性を与えるデバイス構造について説明した。この構造の場合の注意点は、前記各層(バッファ層にGaN、チャネル層にGaN、障壁層にAlyGa1-yN(0<y≦1))との組み合わせでは、InGaNキャップ層の価電子帯にホールが生成しやすいことである。特に、ゲート電圧VgがVg≦0Vのオフ状態では、InGaNキャップ層にホールが生成しやすい。InzGa1-zNキャップ層におけるホールの生成を防止するには、InzGa1-zNキャップ層のIn組成比zは、3%以下(z≦0.03)が好ましく、1%以下(z≦0.01)がより好ましい。ただし、In組成比zを小さくすると、エピ中の負の分極電荷の絶対量が低減するので、同じ閾値電圧を得るために、より厚いゲート絶縁膜が必要になる。または、前記各層(バッファ層、チャネル層、障壁層)の組成を適宜変更することで、InGaNキャップ層におけるホールの発生を防止しても良い。また、InGaNのようにInを含む層は、エピ成長上、GaNやAlGaNより形成が難しい点、および、InGaNの表面は、製造工程中において、GaNやAlGaNの表面よりダメージを受けやすい点に注意して製造する。 In Case C, we explained a device structure that gives a GaN-FET normally OFF characteristics using an InGaN cap structure. Note that in this structure, the combination of the above layers (GaN for the buffer layer, GaN for the channel layer, and Al y Ga 1-y N (0 <y ≦ 1) for the barrier layer) It is easy to generate holes in the electron band. In particular, in the off state where the gate voltage V g is V g ≦ 0 V, holes are easily generated in the InGaN cap layer. To prevent the formation of holes in an In z Ga 1-z N cap layer, In z Ga 1-z N In composition ratio z of the cap layer is preferably 3% or less (z ≦ 0.03), 1% or less ( z ≦ 0.01) is more preferable. However, if the In composition ratio z is reduced, the absolute amount of negative polarization charge in the epi is reduced, so that a thicker gate insulating film is required to obtain the same threshold voltage. Alternatively, generation of holes in the InGaN cap layer may be prevented by appropriately changing the composition of each layer (buffer layer, channel layer, barrier layer). Also note that layers containing In like InGaN are more difficult to form than GaN and AlGaN due to epi growth, and that the surface of InGaN is more susceptible to damage than the surface of GaN or AlGaN during the manufacturing process. To manufacture.

以上のケースA〜Cにおいて、FETにノーマリーOFF特性を与える実際のデバイス構造としては、ケースA(AlGaNバッファ構造に基づく構造)が特に好ましい。その場合のエピ構造の基本的プロファイル(各層の組成)は、A-(2)で述べた通り、バッファ層が、Al組成比xのAlxGa1-xN(0<x<1)であり、障壁層が、Al組成比yがxより大きいAlyGa1-yN(x<y≦1)であり、キャップ層は、Al組成比zがxより小さいAlzGa1-zN(0≦z<x)である。ただし、前記のとおり、これらは例示であって、本発明は、これらのみに限定されない。例えば、前記ケースA〜Cは、バッファ層がAlGaNまたはGaN、チャネル層がGaN、障壁層がAlGaNである組み合わせについて述べたが、前記各層は、前述のとおり、他のIII族窒化物半導体から形成されていても良い。 In the above cases A to C, the case A (structure based on the AlGaN buffer structure) is particularly preferable as the actual device structure that gives the FET a normally OFF characteristic. In this case, the basic profile of epi structure (composition of each layer) is Al x Ga 1-x N (0 <x <1) with Al composition ratio x as described in A- (2). The barrier layer is Al y Ga 1-y N (x <y ≦ 1) where the Al composition ratio y is larger than x, and the cap layer is Al z Ga 1-z N where the Al composition ratio z is smaller than x. (0 ≦ z <x). However, as described above, these are examples, and the present invention is not limited to these. For example, in the cases A to C, a combination in which the buffer layer is AlGaN or GaN, the channel layer is GaN, and the barrier layer is AlGaN is described. Each layer is formed of another group III nitride semiconductor as described above. May be.

次に、本来の半導体ヘテロ接合界面チャネル(図1においては、2DEG604)がオン状態のデバイス動作時において、MIS(MOS)チャネルへの電子蓄積を抑制する条件について述べる。MIS(MOS)チャネルに電子蓄積が生じなければ、ゲート電圧Vgを正方向に増大させても半導体ヘテロ接合界面チャネルが変調されなくなるという現象を防止することができる。以下では、前記ケースAのAlGaNバッファ構造の場合について述べる。 Next, conditions for suppressing the accumulation of electrons in the MIS (MOS) channel during device operation when the original semiconductor heterojunction interface channel (2DEG604 in FIG. 1) is in the on state will be described. If no electron accumulation occurs in the MIS (MOS) channel, it is possible to prevent the phenomenon that the semiconductor heterojunction interface channel is not modulated even if the gate voltage Vg is increased in the positive direction. Hereinafter, the case of the AlGaN buffer structure of case A will be described.

まず、デバイスがオン状態を開始するゲート電圧(すなわち閾値電圧)Vg=Vthにおいて、MIS(MOS)チャネルに電子蓄積が生じないためには、MISチャネル界面の伝導帯ポテンシャルqVmisが正である必要がある。すなわち、図2に示すqVmisについて、下記数式(21)を満たす必要がある。 First, in order to prevent electron accumulation in the MIS (MOS) channel at the gate voltage (that is, the threshold voltage) V g = V th at which the device starts to turn on, the conduction band potential qV mis at the MIS channel interface is positive. There must be. That is, the following formula (21) needs to be satisfied for qV mis shown in FIG.

qVmis=ΔEc1-ΔEc2+(q/εo)(σhc)Thh-(q/εo)(σsch)Tss>0 (21) qV mis = ΔEc1-ΔEc2 + (q / ε o ) (σ hc ) T h / ε h- (q / ε o ) (σ s + σ ch ) T s / ε s > 0 (21 )

バッファ層がAlxGa1-xN、チャネル層がGaN、障壁層がAlyGa1-yN、キャップ層がGaNである場合には、σhc、ΔEc1=ΔEc2であるから、前記数式(21)は、簡略化して、下記数式(22)のように表される。 When the buffer layer is Al x Ga 1-x N, the channel layer is GaN, the barrier layer is Al y Ga 1-y N, and the cap layer is GaN, σ h = σ c , ΔEc1 = ΔEc2 The equation (21) is simplified and expressed as the following equation (22).

qVmis=(q/εo)(σhc)Thh-(q/εocTss>0 (22) qV mis = (q / ε o ) (σ hc ) T h / ε h- (q / ε o ) σ c T s / ε s > 0 (22)

さらに、Vgを正に印加して、半導体ヘテロ接合チャネルをオンにし、チャネルに蓄積された電子が飽和状態になった場合に、MIS(MOS)チャネルに電子蓄積が生じないための条件は、近似的に、下記数式(23)で表すことができる。 Furthermore, when V g is applied positively to turn on the semiconductor heterojunction channel and the electrons accumulated in the channel become saturated, the conditions for preventing the accumulation of electrons in the MIS (MOS) channel are: Approximately, it can be expressed by the following formula (23).

qVmis=(q/εo)(σhc)Thh-(q/εocTss≧ΔEc1 (23) qV mis = (q / ε o ) (σ hc ) T h / ε h- (q / ε o ) σ c T s / ε s ≥ΔEc1 (23)

ここで、各分極電荷密度は、その層のAl組成比に依存して、σc/q=5.25×1017x[m-2]、σh/q=5.25×1017(y-x)[m-2]、およびσs/q=5.25×1017(y-x)[m-2]と見積もることができる。さらに、各半導体層の比誘電率はほぼ等しいので、各半導体層の比誘電率を全てεrとおくと、下記数式(24)が得られる。 Here, each polarization charge density depends on the Al composition ratio of the layer, σ c /q=5.25×10 17 x [m −2 ], σ h /q=5.25×10 17 (yx) [m −2 ], and σ s /q=5.25×10 17 (yx) [m −2 ]. Furthermore, since the relative dielectric constants of the respective semiconductor layers are substantially equal, when the relative dielectric constants of the respective semiconductor layers are all set to ε r , the following formula (24) is obtained.

5.25×1017(q2oεr)[(y-2x)Th-xTs]≧ΔEc1 (24) 5.25 × 10 17 (q 2 / ε o ε r ) [(y-2x) T h -xT s ] ≧ ΔEc1 (24)

前記数式(24)の左辺は出来るだけ大きいほうが、MIS(MOS)チャネル電子蓄積を抑制するために効果的である。前記数式(24)の左辺を出来るだけ大きくするには、バッファ層のAl組成比xをあまり上げないこと、キャップ層厚Tsを出来るだけ薄くすること、障壁層のAl組成比yはバッファ層のAl組成比xの2倍より多くし、障壁層厚Thを厚くすることが有効であることが分かる。バッファ層のAl組成比xは、エピの反りの抑制等の結晶成長上の理由により、例えば、10%程度(x≒0.1)とする。この場合、障壁層のAl組成比yは、20%より多いこと(y>0.2)であることが好ましく、さらに、障壁層厚さThを厚めにすることが好ましい。 The larger the left side of the equation (24), the more effective it is to suppress the MIS (MOS) channel electron accumulation. In order to increase the left side of the formula (24) as much as possible, the Al composition ratio x of the buffer layer should not be increased so much, the cap layer thickness T s should be as thin as possible, and the Al composition ratio y of the barrier layer should be of and more than twice the Al composition ratio x, it can be seen it is effective to increase the barrier layer thickness T h. The Al composition ratio x of the buffer layer is, for example, about 10% (x≈0.1) for reasons of crystal growth such as suppression of epi warping. In this case, Al composition ratio y of the barrier layer is preferably greater than 20% that (y> 0.2), further, it is preferable to thicker barrier layer thickness T h.

さらに、本発明の前記第一または第二のFETは、前記のとおり、ゲートリセスを形成せずに製造することができる。これによれば、キャップ層厚Tsは、リセス深さによらずにエピ成長で定義されるため、きわめて薄くすることが可能であり、例えばTs=2nmとすることも出来る。これにより、FETのオン時においてMIS(MOS)チャネルへの電子蓄積を有効に抑制することが出来る。さらに、万が一、ゲート電圧Vgをデバイス動作電圧を大きく越えて正方向に印加したとしても、キャップ層厚が薄いために、MIS(MOS)チャネルに蓄積するシート電荷量を極力抑制することが可能である。ただし、MIS(MOS)チャネル電子蓄積を抑制するための好適条件のみならず、閾値電圧Vthをより大きくするための好適条件等も考慮して、前記各構成要素の組成、厚み等(例えば、障壁層厚、障壁層のAl組成比、バッファ層のAl組成比など)を適宜選択することが好ましい。 Furthermore, as described above, the first or second FET of the present invention can be manufactured without forming a gate recess. According to this, since the cap layer thickness T s is defined by epi growth regardless of the recess depth, it can be made extremely thin, for example, T s = 2 nm. Thereby, it is possible to effectively suppress the accumulation of electrons in the MIS (MOS) channel when the FET is turned on. Furthermore, any chance, even the gate voltage V g as the application of a device operating voltage increased beyond the positive direction, for the cap layer is thin, the sheet amount of electric charge stored in the MIS (MOS) channel can be suppressed as much as possible It is. However, considering not only suitable conditions for suppressing MIS (MOS) channel electron accumulation, but also suitable conditions for increasing the threshold voltage Vth , etc., the composition, thickness, etc. of each component (for example, It is preferable to appropriately select a barrier layer thickness, an Al composition ratio of the barrier layer, an Al composition ratio of the buffer layer, and the like.

なお、上記の理論計算に基づく前記各構成要素の組成、厚み等の好適条件について、以下、図11〜18のグラフに基づき説明する。   In addition, suitable conditions, such as a composition of each said component based on said theoretical calculation, thickness, are demonstrated below based on the graph of FIGS.

前記ケースAのFETにおいて、チャネル層603内に形成されるキャリア濃度のゲート電圧依存性の計算結果の一例を、図11に示す。同図において、横軸は、ゲート電圧(V)を示す。縦軸は、チャネル604内のキャリア濃度(cm-2)を示し、GaNチャネル層603とAlN障壁層605との界面における計算値である。ここでは、一例として、バッファ層602のAl組成比をx=0.1、チャネル層603のAl組成比をu=0.0、障壁層605のAl組成比をy=1.0、キャップ層606のAl組成比をz=0.0とし、ゲート絶縁膜607の材質をAl2O3とした場合の結果を示した。各層の膜厚は、AlGaNバッファ層602が1μm、GaNチャネル層603が25nm、AlN障壁層605が2nm、GaNキャップ層606が5nmとして計算した。Al2O3ゲート絶縁膜607の膜厚は、30nmから70nmの範囲で変化させた。 FIG. 11 shows an example of the calculation result of the gate voltage dependence of the carrier concentration formed in the channel layer 603 in the case A FET. In the figure, the horizontal axis indicates the gate voltage (V). The vertical axis represents the carrier concentration (cm −2 ) in the channel 604 and is a calculated value at the interface between the GaN channel layer 603 and the AlN barrier layer 605. Here, as an example, the Al composition ratio of the buffer layer 602 is x = 0.1, the Al composition ratio of the channel layer 603 is u = 0.0, the Al composition ratio of the barrier layer 605 is y = 1.0, and the Al composition ratio of the cap layer 606 is The results when z = 0.0 and the material of the gate insulating film 607 is Al 2 O 3 are shown. The thickness of each layer was calculated assuming that the AlGaN buffer layer 602 was 1 μm, the GaN channel layer 603 was 25 nm, the AlN barrier layer 605 was 2 nm, and the GaN cap layer 606 was 5 nm. The film thickness of the Al 2 O 3 gate insulating film 607 was changed in the range of 30 nm to 70 nm.

図11に示すとおり、ゲート絶縁膜607に発生する内部電界に起因して、ゲート絶縁膜厚の増加に伴ってVthは正側に移動し、30nm以上のゲート絶縁膜厚において+2V以上のVthが得られることが分かる。一方、ゲート絶縁膜厚の増加に伴って、真性ゲート容量が減少して相互コンダクタンス(gm)が低下する。このように、順方向耐圧維持およびgm維持の観点から、ゲート絶縁膜607の膜厚は、5nm以上、200nm以下であることが望ましい。前記ゲート絶縁膜の膜厚は、さらに好ましくは、30nm以上、70nm以下である。これにより、Vthをさらに適正化することが可能である。 As shown in FIG. 11, due to the internal electric field generated in the gate insulating film 607, Vth moves to the positive side as the gate insulating film thickness increases, and + 2V or higher in the gate insulating film thickness of 30 nm or more. It can be seen that V th is obtained. On the other hand, as the gate insulating film thickness increases, the intrinsic gate capacitance decreases and the mutual conductance (gm) decreases. Thus, from the viewpoint of maintaining forward breakdown voltage and maintaining gm, the thickness of the gate insulating film 607 is preferably 5 nm or more and 200 nm or less. The thickness of the gate insulating film is more preferably 30 nm or more and 70 nm or less. Thereby, it is possible to further optimize Vth .

前記ケースAのFETにおいて、チャネル層603内およびキャップ層606内に蓄積されるキャリア濃度の、GaNキャップ層606膜厚に対する依存性の計算結果の一例を、図12に示す。同図において、横軸は、GaNキャップ層606厚(nm)である。縦軸は、チャネル604内のキャリア濃度(cm-2)を示し、GaNチャネル層603とAlN障壁層605との界面における計算値である。Al2O3ゲート絶縁膜607の膜厚を30nmで固定したこと、およびGaNスペーサ層厚以外のパラメータは、図11の計算に用いた値と同じにしてある。 FIG. 12 shows an example of the calculation result of the dependence of the carrier concentration accumulated in the channel layer 603 and the cap layer 606 on the film thickness of the GaN cap layer 606 in the case A FET. In the figure, the horizontal axis represents the GaN cap layer 606 thickness (nm). The vertical axis represents the carrier concentration (cm −2 ) in the channel 604 and is a calculated value at the interface between the GaN channel layer 603 and the AlN barrier layer 605. The parameters other than that the thickness of the Al 2 O 3 gate insulating film 607 is fixed at 30 nm and the thickness of the GaN spacer layer are the same as the values used in the calculation of FIG.

図12に示すとおり、キャップ層606の膜厚が小さいほど、チャネル層内に蓄積するキャリア濃度が増加し、キャップ層606内に蓄積するキャリア濃度が減少することが分かる。このように、一定のキャリアをチャネル内に蓄積する観点から、前記ゲート電極下方(ゲート下)のキャップ層厚は0.5nm以上、20nm以下であることが好ましい。前記ゲート電極下方(ゲート下)のスペーサ層の厚さは、さらに好ましくは、0.5nm以上、10nm以下である。例えば、図12において、キャップ層606の膜厚が0.5nm以上、10nm以下であれば、全体の約50%以上のキャリアがチャネル内に蓄積され、オン抵抗がさらに改善される。   As shown in FIG. 12, it can be seen that the smaller the film thickness of the cap layer 606, the higher the carrier concentration accumulated in the channel layer and the lower the carrier concentration accumulated in the cap layer 606. Thus, from the viewpoint of accumulating certain carriers in the channel, the cap layer thickness below the gate electrode (under the gate) is preferably 0.5 nm or more and 20 nm or less. The thickness of the spacer layer below the gate electrode (under the gate) is more preferably 0.5 nm or more and 10 nm or less. For example, in FIG. 12, if the thickness of the cap layer 606 is 0.5 nm or more and 10 nm or less, about 50% or more of the carriers are accumulated in the channel, and the on-resistance is further improved.

前記ケースAのFETにおいて、チャネル層内およびキャップ層内に蓄積されるキャリア濃度の、AlGaN障壁層605のAl組成比(y)に対する依存性の計算結果の一例を、図13に示す。同図において、横軸は、障壁層605のAl組成比を示す。縦軸は、チャネル604内のキャリア濃度(cm-2)を示し、GaNチャネル層603とAlN障壁層605との界面における計算値である。ここで、Al2O3ゲート絶縁膜607の膜厚を30nmで固定したことと、障壁層605のAl組成比以外のパラメータは、図11の計算に用いた値と同じにしてある。 FIG. 13 shows an example of a calculation result of the dependence of the carrier concentration accumulated in the channel layer and the cap layer on the Al composition ratio (y) of the AlGaN barrier layer 605 in the case A FET. In the figure, the horizontal axis represents the Al composition ratio of the barrier layer 605. The vertical axis represents the carrier concentration (cm −2 ) in the channel 604 and is a calculated value at the interface between the GaN channel layer 603 and the AlN barrier layer 605. Here, parameters other than the Al 2 O 3 gate insulating film 607 having a fixed film thickness of 30 nm and the Al composition ratio of the barrier layer 605 are the same as the values used in the calculation of FIG.

図13に示すとおり、障壁層605のAl組成比yの増加と共に、チャネル層603内に蓄積するキャリア濃度が増加し、キャップ層606内に蓄積するキャリア濃度が減少することが分かる。これは、障壁層のAl組成比増加により、障壁層との界面の伝導帯オフセットが増加すると共に、障壁層に生じる分極電界が増加して、チャネル層内へのキャリア閉じ込めが向上するためである。図13において、障壁層605のAl組成比が40%(0.4)以上であれば、キャリア閉じ込めおよびオン抵抗がさらに改善されることが分かる。   As shown in FIG. 13, it can be seen that as the Al composition ratio y of the barrier layer 605 increases, the carrier concentration accumulated in the channel layer 603 increases and the carrier concentration accumulated in the cap layer 606 decreases. This is because an increase in the Al composition ratio of the barrier layer increases the conduction band offset at the interface with the barrier layer and increases the polarization electric field generated in the barrier layer, thereby improving carrier confinement in the channel layer. . In FIG. 13, it can be seen that when the Al composition ratio of the barrier layer 605 is 40% (0.4) or more, carrier confinement and on-resistance are further improved.

前記ケースAのFETにおいて、チャネル層603内およびキャップ層606内に蓄積されるキャリア濃度の、AlN障壁層605の膜厚に対する依存性の計算結果の一例を、図14に示す。同図において、横軸は、AlN障壁層605の厚み(nm)を示す。縦軸は、チャネル604内のキャリア濃度(cm-2)を示し、GaNチャネル層603とAlN障壁層605との界面における計算値である。ここで、Al2O3ゲート絶縁膜607の膜厚を30nmで固定したことと、障壁層厚以外のパラメータは、図11の計算に用いた値と同じにしてある。 FIG. 14 shows an example of the calculation result of the dependence of the carrier concentration accumulated in the channel layer 603 and the cap layer 606 on the film thickness of the AlN barrier layer 605 in the case A FET. In the figure, the horizontal axis indicates the thickness (nm) of the AlN barrier layer 605. The vertical axis represents the carrier concentration (cm −2 ) in the channel 604 and is a calculated value at the interface between the GaN channel layer 603 and the AlN barrier layer 605. Here, the parameters other than the thickness of the Al 2 O 3 gate insulating film 607 fixed at 30 nm and the barrier layer thickness are the same as those used in the calculation of FIG.

図14に示すとおり、障壁層厚の増加と共に、チャネル層内へのキャリア閉じ込めが向上して、チャネル層内に蓄積するキャリア濃度が増加し、スペーサ層内に蓄積するキャリア濃度が減少することが分かる。一方、AlN障壁層の層厚が10nm以下であれば、格子歪みが比較的小さく、転位が発生しにくいと考えられる。すなわち、図14において、AlN障壁層厚が、1nm以上、10nm以下であれば、キャリア閉じ込めがさらに改善され、かつ、障壁層の結晶品質を維持しやすいことが分かる。   As shown in FIG. 14, as the barrier layer thickness increases, carrier confinement in the channel layer is improved, the carrier concentration accumulated in the channel layer is increased, and the carrier concentration accumulated in the spacer layer is decreased. I understand. On the other hand, if the thickness of the AlN barrier layer is 10 nm or less, it is considered that the lattice strain is relatively small and dislocations are not easily generated. That is, in FIG. 14, it can be seen that when the AlN barrier layer thickness is 1 nm or more and 10 nm or less, carrier confinement is further improved and the crystal quality of the barrier layer is easily maintained.

前記ケースBのFETにおいて、チャネル層603内に形成されるキャリア濃度のゲート電圧依存性の計算結果の一例を、図15に示す。同図において、横軸は、ゲート電圧(V)を示す。縦軸は、チャネル604内のキャリア濃度(cm-2)を示し、GaNチャネル層603とAlN障壁層605との界面における計算値である。ここでは、一例として、バッファ層602およびチャネル層603のAl組成比をx=0.0、障壁層605のAl組成比をy=1.0、キャップ層606のAl組成比をz=0.0とし、ゲート絶縁膜607の材質をAl2O3とした場合の結果を示した。各層の膜厚は、GaNバッファ層602が1μm、GaNチャネル層603が160nm、AlN障壁層605が2nm、GaNキャップ層606が5nmとして計算した。Al2O3ゲート絶縁膜607の膜厚は、30nmから70nmの範囲で変化させた。 FIG. 15 shows an example of the calculation result of the gate voltage dependence of the carrier concentration formed in the channel layer 603 in the case B FET. In the figure, the horizontal axis indicates the gate voltage (V). The vertical axis represents the carrier concentration (cm −2 ) in the channel 604 and is a calculated value at the interface between the GaN channel layer 603 and the AlN barrier layer 605. Here, as an example, the Al composition ratio of the buffer layer 602 and the channel layer 603 is x = 0.0, the Al composition ratio of the barrier layer 605 is y = 1.0, the Al composition ratio of the cap layer 606 is z = 0.0, and the gate insulating film The result when the material of 607 is Al 2 O 3 is shown. The thickness of each layer was calculated assuming that the GaN buffer layer 602 was 1 μm, the GaN channel layer 603 was 160 nm, the AlN barrier layer 605 was 2 nm, and the GaN cap layer 606 was 5 nm. The film thickness of the Al 2 O 3 gate insulating film 607 was changed in the range of 30 nm to 70 nm.

図15に示すとおり、ゲート絶縁膜607に発生する内部電界に起因して、ゲート絶縁膜厚の増加に伴ってVthは正側に移動し、30nm以上のゲート絶縁膜厚において+4V以上のVthが得られることが分かる。一方、ゲート絶縁膜厚の増加に伴って、真性ゲート容量が減少して相互コンダクタンス(gm)が低下する。このように、順方向耐圧維持およびgm維持の観点から、ゲート絶縁膜607の膜厚は、5nm以上、200nm以下であることが望ましい。前記ゲート絶縁膜の膜厚は、さらに好ましくは、30nm以上、70nm以下である。これにより、Vthをさらに適正化することが可能である。 As shown in FIG. 15, due to the internal electric field generated in the gate insulating film 607, V th moves to the positive side as the gate insulating film thickness increases, and + 4V or higher in the gate insulating film thickness of 30 nm or more. It can be seen that V th is obtained. On the other hand, as the gate insulating film thickness increases, the intrinsic gate capacitance decreases and the mutual conductance (gm) decreases. Thus, from the viewpoint of maintaining forward breakdown voltage and maintaining gm, the thickness of the gate insulating film 607 is preferably 5 nm or more and 200 nm or less. The thickness of the gate insulating film is more preferably 30 nm or more and 70 nm or less. Thereby, it is possible to further optimize Vth .

前記ケースBのFETにおいて、チャネル層603内およびキャップ層606内に蓄積されるキャリア濃度の、GaNキャップ層606膜厚に対する依存性の計算結果の一例を、図16に示す。同図において、横軸は、GaNキャップ層606厚(nm)である。縦軸は、チャネル604内のキャリア濃度(cm-2)を示し、GaNチャネル層603とAlN障壁層605との界面における計算値である。Al2O3ゲート絶縁膜607の膜厚を30nmで固定したこと、およびGaNスペーサ層厚以外のパラメータ以外は、図15の計算に用いた値と同じにしてある。 FIG. 16 shows an example of the calculation result of the dependency of the carrier concentration accumulated in the channel layer 603 and the cap layer 606 on the film thickness of the GaN cap layer 606 in the case B FET. In the figure, the horizontal axis represents the GaN cap layer 606 thickness (nm). The vertical axis represents the carrier concentration (cm −2 ) in the channel 604 and is a calculated value at the interface between the GaN channel layer 603 and the AlN barrier layer 605. The values are the same as those used in the calculation of FIG. 15 except that the thickness of the Al 2 O 3 gate insulating film 607 is fixed at 30 nm and parameters other than the GaN spacer layer thickness.

図16に示すとおり、キャップ層606の膜厚が小さいほど、チャネル層内に蓄積するキャリア濃度が増加し、キャップ層606内に蓄積するキャリア濃度が減少することが分かる。このように、一定のキャリアをチャネル内に蓄積する観点から、前記ゲート電極下方(ゲート下)のキャップ層厚は0.5nm以上、20nm以下であることが好ましい。前記ゲート電極下方(ゲート下)のスペーサ層の厚さは、さらに好ましくは、0.5nm以上、7nm以下である。例えば、図16において、キャップ層606の膜厚が0.5nm以上、7nm以下であれば、全体の約50%以上のキャリアがチャネル内に蓄積され、オン抵抗がさらに改善される。   As shown in FIG. 16, it can be seen that the carrier concentration accumulated in the channel layer increases and the carrier concentration accumulated in the cap layer 606 decreases as the thickness of the cap layer 606 decreases. Thus, from the viewpoint of accumulating certain carriers in the channel, the cap layer thickness below the gate electrode (under the gate) is preferably 0.5 nm or more and 20 nm or less. The thickness of the spacer layer below the gate electrode (under the gate) is more preferably 0.5 nm or more and 7 nm or less. For example, in FIG. 16, when the thickness of the cap layer 606 is 0.5 nm or more and 7 nm or less, about 50% or more of the carriers are accumulated in the channel, and the on-resistance is further improved.

前記ケースBのFETにおいて、チャネル層内およびキャップ層内に蓄積されるキャリア濃度の、AlGaN障壁層605のAl組成比(y)に対する依存性の計算結果の一例を、図17に示す。同図において、横軸は、障壁層605のAl組成比を示す。縦軸は、チャネル604内のキャリア濃度(cm-2)を示し、GaNチャネル層603とAlN障壁層605との界面における計算値である。ここで、Al2O3ゲート絶縁膜607の膜厚を30nmで固定したことと、障壁層605のAl組成比以外のパラメータは、図15の計算に用いた値と同じにしてある。 FIG. 17 shows an example of the calculation result of the dependence of the carrier concentration accumulated in the channel layer and the cap layer on the Al composition ratio (y) of the AlGaN barrier layer 605 in the case B FET. In the figure, the horizontal axis represents the Al composition ratio of the barrier layer 605. The vertical axis represents the carrier concentration (cm −2 ) in the channel 604 and is a calculated value at the interface between the GaN channel layer 603 and the AlN barrier layer 605. Here, the parameters other than the Al 2 O 3 gate insulating film 607 fixed at 30 nm and the Al composition ratio of the barrier layer 605 are the same as the values used in the calculation of FIG.

図17に示すとおり、障壁層605のAl組成比yの増加と共に、チャネル層603内に蓄積するキャリア濃度が増加し、キャップ層606内に蓄積するキャリア濃度が減少することが分かる。これは、障壁層のAl組成比増加により、障壁層との界面の伝導帯オフセットが増加すると共に、障壁層に生じる分極電界が増加して、チャネル層内へのキャリア閉じ込めが向上するためである。図17において、障壁層605のAl組成比が40%(0.4)以上であれば、キャリア閉じ込めおよびオン抵抗がさらに改善されることが分かる。   As shown in FIG. 17, it can be seen that as the Al composition ratio y of the barrier layer 605 increases, the carrier concentration accumulated in the channel layer 603 increases and the carrier concentration accumulated in the cap layer 606 decreases. This is because an increase in the Al composition ratio of the barrier layer increases the conduction band offset at the interface with the barrier layer and increases the polarization electric field generated in the barrier layer, thereby improving carrier confinement in the channel layer. . In FIG. 17, it can be seen that when the Al composition ratio of the barrier layer 605 is 40% (0.4) or more, carrier confinement and on-resistance are further improved.

前記ケースBのFETにおいて、チャネル層603内およびキャップ層606内に蓄積されるキャリア濃度の、AlN障壁層605の膜厚に対する依存性の計算結果の一例を、図18に示す。同図において、横軸は、AlN障壁層605の厚み(nm)を示す。縦軸は、チャネル604内のキャリア濃度(cm-2)を示し、GaNチャネル層603とAlN障壁層605との界面における計算値である。ここで、Al2O3ゲート絶縁膜607の膜厚を30nmで固定したことと、障壁層厚以外のパラメータは、図15の計算に用いた値と同じにしてある。 FIG. 18 shows an example of the calculation result of the dependence of the carrier concentration accumulated in the channel layer 603 and the cap layer 606 on the film thickness of the AlN barrier layer 605 in the case B FET. In the figure, the horizontal axis indicates the thickness (nm) of the AlN barrier layer 605. The vertical axis represents the carrier concentration (cm −2 ) in the channel 604 and is a calculated value at the interface between the GaN channel layer 603 and the AlN barrier layer 605. Here, the parameters other than the thickness of the Al 2 O 3 gate insulating film 607 fixed at 30 nm and the barrier layer thickness are the same as the values used in the calculation of FIG.

図18に示すとおり、障壁層厚の増加と共に、チャネル層内へのキャリア閉じ込めが向上して、チャネル層内に蓄積するキャリア濃度が増加し、スペーサ層内に蓄積するキャリア濃度が減少することが分かる。一方、AlN障壁層の層厚が10nm以下であれば、格子歪みが比較的小さく、転位が発生しにくいと考えられる。すなわち、図18において、AlN障壁層厚が、1nm以上、10nm以下であれば、キャリア閉じ込めがさらに改善され、かつ、障壁層の結晶品質を維持しやすいことが分かる。   As shown in FIG. 18, as the barrier layer thickness increases, carrier confinement in the channel layer is improved, the carrier concentration accumulated in the channel layer is increased, and the carrier concentration accumulated in the spacer layer is decreased. I understand. On the other hand, if the thickness of the AlN barrier layer is 10 nm or less, it is considered that the lattice strain is relatively small and dislocations are not easily generated. That is, in FIG. 18, it can be seen that when the AlN barrier layer thickness is 1 nm or more and 10 nm or less, carrier confinement is further improved and the crystal quality of the barrier layer is easily maintained.

[実施形態2]
図6の断面図に、本発明のFETの別の一実施形態の構造を、模式的に示す。同図のFETは、障壁層が、ノンドープのスペーサ層623およびn-ドープした電子供給層624の二層構造から形成されている。スペーサ層623および電子供給層624は、チャネル層上に前記順序で積層され、オーミック電極(ソース電極609およびドレイン電極610)は、電子供給層624上面に接触するように配置されている。スペーサ層623および電子供給層624の形成材料および組成は特に制限されず、例えば、AlGaNでも良いし、前述した他のIII族窒化物半導体でも良い。これら以外は、図6のFETの構造は、図1のFETと同じである。なお、図6において、バッファ層は、符号621で表しており、チャネル層は、符号622で表しており、キャップ層は、符号626で表しており、ゲート絶縁膜は、符号627で表しており、ゲート電極は、符号628で表しており、表面保護膜は、符号629で表している。
[Embodiment 2]
The cross-sectional view of FIG. 6 schematically shows the structure of another embodiment of the FET of the present invention. In the FET of the figure, the barrier layer is formed of a two-layer structure of a non-doped spacer layer 623 and an n-doped electron supply layer 624. The spacer layer 623 and the electron supply layer 624 are stacked on the channel layer in the above order, and the ohmic electrodes (the source electrode 609 and the drain electrode 610) are disposed so as to contact the upper surface of the electron supply layer 624. The formation material and composition of the spacer layer 623 and the electron supply layer 624 are not particularly limited, and may be, for example, AlGaN or another group III nitride semiconductor described above. Except for these, the structure of the FET of FIG. 6 is the same as the FET of FIG. In FIG. 6, the buffer layer is represented by reference numeral 621, the channel layer is represented by reference numeral 622, the cap layer is represented by reference numeral 626, and the gate insulating film is represented by reference numeral 627. The gate electrode is represented by reference numeral 628, and the surface protective film is represented by reference numeral 629.

図6において、オーミック電極(609、610)は、n-ドープした電子供給層624に直接接触しているため、別途、n-型不純物のイオン注入を行わずとも、良好なオーミック接触を得ることができる。特に、電子供給層624の表面が、電子状態が十分に縮退するまでにn-型不純物を大量に含んでいれば、オーミック接触は、ノンアロイで形成することも可能である。前記n-型不純物濃度は、特に制限されないが、例えば、1×1017(1E17)cm-3以上、好ましくは1×1018(1E18)cm-3以上、より好ましくは1×1019(1E19)cm-3以上である。前記n-型不純物濃度の上限値は、特に制限されないが、例えば、1×1023(1E23)cm-3以下である。ノンドープのスペーサ層623は、チャネル層622内で走行する電子(厳密には、電子の波動関数であり、上下方向にもある程度の広がりを持っている)が、n-型電子供給層624内の不純物によって不純物散乱されることを防ぎ、チャネル電子の電子移動度低下を防ぐ働きをする。 In FIG. 6, since the ohmic electrodes (609, 610) are in direct contact with the n-doped electron supply layer 624, good ohmic contact can be obtained without separately performing ion implantation of n-type impurities. Can do. In particular, if the surface of the electron supply layer 624 contains a large amount of n-type impurities before the electronic state is sufficiently degenerated, the ohmic contact can be formed non-alloyed. The n-type impurity concentration is not particularly limited, but for example, 1 × 10 17 (1E17) cm −3 or more, preferably 1 × 10 18 (1E18) cm −3 or more, more preferably 1 × 10 19 (1E19 ) Cm -3 or more. The upper limit value of the n-type impurity concentration is not particularly limited, but is, for example, 1 × 10 23 (1E23) cm −3 or less. The non-doped spacer layer 623 is an electron traveling in the channel layer 622 (strictly speaking, it is a wave function of electrons and has a certain extent in the vertical direction). It prevents impurities from being scattered by impurities and prevents the electron mobility of channel electrons from decreasing.

本実施形態のFETの構造は、本発明の前記第一および第二のFETのいずれにも適用できる。本実施形態のFETの製造方法も特に制限されず、図1のFETと同様にして製造できる。   The structure of the FET of this embodiment can be applied to both the first and second FETs of the present invention. The manufacturing method of the FET of this embodiment is not particularly limited, and can be manufactured in the same manner as the FET of FIG.

[実施形態3]
図7の断面図に、本発明のFETのさらに別の一実施形態の構造を、模式的に示す。図7のFETは、障壁層が、スペーサ層623、電子供給層624およびストッパ層625の三層構造から形成されている。スペーサ層623および電子供給層624は、チャネル層622上に前記順序で積層されている。実施形態2と同様、スペーサ層623はノンドープであり、電子供給層624はn-ドーピングされている。スペーサ層623および電子供給層624の形成材料および組成は、実施形態2と同様である。オーミック電極(ソース電極609およびドレイン電極610)は、電子供給層624上面に接触するように配置されている。ストッパ層625は、特に制限されないが、例えば、ごく薄い(1nm程度の)AlNから形成されている。ストッパ層625は、電子供給層624上において、ソース電極609とドレイン電極610との間の領域に配置され、電子供給層624と、キャップ層626および表面保護膜640との間に挟まれている。これら以外は、図7のFETの構造は、図6(実施形態2)のFETと同様である。なお、図7において、ゲート絶縁膜は、符号630で表しており、表面保護膜は、符号640で表している。ゲート絶縁膜630は、例えば、シリコン酸化膜により形成しても良く、表面保護膜640は、例えば、アルミナにより形成しても良いが、これらには限定されない。表面保護膜640がアルミナにより形成されていると、例えば、障壁層上面(すなわちAlNストッパ層625上面)に発生する負の分極電荷を補償できるため好ましい。
[Embodiment 3]
The cross-sectional view of FIG. 7 schematically shows the structure of still another embodiment of the FET of the present invention. In the FET of FIG. 7, the barrier layer has a three-layer structure of a spacer layer 623, an electron supply layer 624, and a stopper layer 625. The spacer layer 623 and the electron supply layer 624 are stacked on the channel layer 622 in the above order. Similar to the second embodiment, the spacer layer 623 is non-doped, and the electron supply layer 624 is n-doped. The formation material and composition of the spacer layer 623 and the electron supply layer 624 are the same as those in the second embodiment. The ohmic electrodes (source electrode 609 and drain electrode 610) are disposed so as to be in contact with the upper surface of the electron supply layer 624. The stopper layer 625 is not particularly limited, and is made of, for example, very thin (about 1 nm) AlN. The stopper layer 625 is disposed on the electron supply layer 624 in a region between the source electrode 609 and the drain electrode 610, and is sandwiched between the electron supply layer 624, the cap layer 626, and the surface protective film 640. . Except for these, the structure of the FET of FIG. 7 is the same as the FET of FIG. 6 (Embodiment 2). In FIG. 7, the gate insulating film is denoted by reference numeral 630, and the surface protective film is denoted by reference numeral 640. The gate insulating film 630 may be formed of, for example, a silicon oxide film, and the surface protective film 640 may be formed of, for example, alumina, but is not limited thereto. The surface protective film 640 is preferably formed of alumina because, for example, negative polarization charges generated on the upper surface of the barrier layer (that is, the upper surface of the AlN stopper layer 625) can be compensated.

図7のFETにおけるストッパ層625は、製造工程において、キャップ層626に対するエッチング選択性を高める働きをする。図7のFETの製造方法自体は、特に制限されない。例えば、障壁層を前記の三層構造により形成することと、オーミック電極(ソース電極609、ドレイン電極610)形成に先立ち、オーミック電極形成領域のストッパ層625を選択的に除去すること以外は、実施形態1および2のFETと同様に製造できる。より具体的には、例えば、後述の実施例3の製造方法により製造しても良い。また、本実施形態のFETの構造は、本発明の前記第一および第二のFETのいずれにも適用できる。   The stopper layer 625 in the FET of FIG. 7 functions to increase the etching selectivity with respect to the cap layer 626 in the manufacturing process. The manufacturing method itself of the FET of FIG. 7 is not particularly limited. For example, except that the barrier layer is formed by the above three-layer structure and the stopper layer 625 in the ohmic electrode formation region is selectively removed prior to the formation of the ohmic electrode (source electrode 609, drain electrode 610). It can be manufactured in the same manner as the FETs of the first and second embodiments. More specifically, for example, it may be manufactured by the manufacturing method of Example 3 described later. Further, the structure of the FET of this embodiment can be applied to both the first and second FETs of the present invention.

(実施例1)
図1に示す構造のFETを製造し、その性能について検証した。本実施例のFETにおける各半導体層(多層エピタキシャル膜)およびゲート絶縁膜は、下記表3に示す組成および厚み(厚さ)を有していた。なお、1Åは、10-10mすなわち0.1nmに等しい。
Example 1
An FET having the structure shown in FIG. 1 was manufactured and its performance was verified. Each semiconductor layer (multilayer epitaxial film) and gate insulating film in the FET of this example had the compositions and thicknesses (thicknesses) shown in Table 3 below. Note that 1 mm is equal to 10 −10 m, that is, 0.1 nm.

Figure 2011210750
Figure 2011210750

本実施例のFETは、以下のようにして製造した。すなわち、まず、(111)面珪素(Si)基板601上に、アンドープAlNとアンドープGaNを交互に積層した超格子からなる核生成層(200nm、図示せず)、アンドープAl0.08Ga0.92Nからなるバッファ層602(1μm)、アンドープGaNからなるチャネル層603、アンドープAl0.28Ga0.72Nからなる障壁層605、およびアンドープGaNキャップ層606を、前記順序で成長させた(半導体層積層工程)。この工程は、本実施例では、有機金属気相成長(Metalorganic Chemical Vapor Deposition: MOCVDと略する)法により行ったが、他の方法でも良い。また、結晶成長は、(0001)結晶軸に垂直なGa面(Al面)成長とした。 The FET of this example was manufactured as follows. That is, first, a nucleation layer (200 nm, not shown) composed of a superlattice in which undoped AlN and undoped GaN are alternately stacked on a (111) -plane silicon (Si) substrate 601, and an undoped Al 0.08 Ga 0.92 N A buffer layer 602 (1 μm), a channel layer 603 made of undoped GaN, a barrier layer 605 made of undoped Al 0.28 Ga 0.72 N, and an undoped GaN cap layer 606 were grown in this order (semiconductor layer stacking step). In this embodiment, this step is performed by a metalorganic chemical vapor deposition (abbreviated as MOCVD) method, but other methods may be used. The crystal growth was Ga plane (Al plane) growth perpendicular to the (0001) crystal axis.

なお、本実施例では行わなかったが、オーミック接触をさらに良好にする場合は、前記半導体層積層工程後、オーミック電極を形成する領域に、Siなどのn-型不純物を選択的にイオン注入し、例えば、約1200度で5分程度の活性化アニールを施しても良い。   Although not performed in this example, when the ohmic contact is further improved, an n-type impurity such as Si is selectively ion-implanted into a region where an ohmic electrode is formed after the semiconductor layer stacking step. For example, activation annealing may be performed at about 1200 degrees for about 5 minutes.

次に、原子層堆積(ALD)法を用いて、ゲート絶縁膜607となるAl2O3を堆積させた(ゲート絶縁膜材料形成工程)。次に、ゲート電極608用途として、ポリシリコンを堆積させた(ゲート電極材料形成工程)。 Next, Al 2 O 3 to be the gate insulating film 607 was deposited using an atomic layer deposition (ALD) method (gate insulating film material forming step). Next, polysilicon was deposited for use as the gate electrode 608 (gate electrode material forming step).

さらに、ゲート電極形成領域以外の部分において、前記ポリシリコンの層、前記Al2O3の層、およびアンドープGaNキャップ層606を、リセスエッチングにより除去した。より具体的には、以下のとおりである。 Further, the polysilicon layer, the Al 2 O 3 layer, and the undoped GaN cap layer 606 were removed by recess etching in a portion other than the gate electrode formation region. More specifically, it is as follows.

すなわち、まず、ゲート電極608を形成するために、レジストで、前記ポリシリコンの層のゲート部(ゲート電極となる部分)上面をカバーし、前記ゲート部以外が開口になるようにパターニングした。その後、マグネトロンRIE装置を用い、塩素系ガスにより、前記ポリシリコンの層における前記ゲート部以外の部分を選択的にエッチング除去し、ゲート電極608を形成した(ゲート電極形成工程)。さらに、フッ酸を用いたウェットエッチングで、前記アルミナ(Al2O3)の層における前記ゲート部以外の部分を選択的に除去し、ゲート絶縁膜607を形成した(ゲート絶縁膜形成工程)。さらに、BCl3とSF6の混合ガスを用いたICPドライエッチングで、AlGaN障壁層605に対するアンドープGaNキャップ層606の選択性エッチングを行い、アンドープGaNキャップ層606における前記ゲート部以外の部分を選択的に除去した(キャップ層一部除去工程)。この選択性エッチングにおいては、Al組成比28%のAl0.28Ga0.72N(障壁層605)とGaN(キャップ層606)とで、1:35のエッチングレート選択比をとることが出来た。 That is, in order to form the gate electrode 608, patterning was performed so that the upper surface of the gate portion (portion serving as the gate electrode) of the polysilicon layer was covered with a resist and the portions other than the gate portion were opened. Thereafter, using a magnetron RIE apparatus, a portion other than the gate portion in the polysilicon layer was selectively etched away with a chlorine-based gas to form a gate electrode 608 (gate electrode forming step). Further, a portion other than the gate portion in the alumina (Al 2 O 3 ) layer was selectively removed by wet etching using hydrofluoric acid to form a gate insulating film 607 (gate insulating film forming step). Further, selective etching of the undoped GaN cap layer 606 with respect to the AlGaN barrier layer 605 is performed by ICP dry etching using a mixed gas of BCl 3 and SF 6 , and a portion other than the gate portion in the undoped GaN cap layer 606 is selectively used. (Cap layer partial removal step). In this selective etching, Al 0.28 Ga 0.72 N (barrier layer 605) having an Al composition ratio of 28% and GaN (cap layer 606) can achieve an etching rate selection ratio of 1:35.

さらに、AlGaN障壁層605上に、チタン(Ti)/アルミニウム(Al)/ニッケル(Ni)/金(Au)を蒸着し、アロイ処理することにより、ソース電極609、ドレイン電極610をそれぞれ形成し、チャネル層603とのオーム性接触をとった(ソース電極およびドレイン電極形成工程)。   Further, on the AlGaN barrier layer 605, titanium (Ti) / aluminum (Al) / nickel (Ni) / gold (Au) is deposited and alloyed to form a source electrode 609 and a drain electrode 610, respectively. Ohmic contact with the channel layer 603 was taken (source electrode and drain electrode formation step).

そして、プラズマ励起気相成長(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition:PECVDと略する)法を用いて、窒化珪素(Si3N4)からなる表面保護膜611を50nm堆積させた。この工程は、本実施例では、プラズマ励起気相成長(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition:PECVDと略する)法により行ったが、他の方法により行っても良い。また、表面保護膜の材質も特に制限されず、例えば他の絶縁体でも良いし、厚みも、前記の厚みに限定されず、適宜設定可能である。さらに、電極部(ゲート電極608、ソース電極609およびドレイン電極610の上面)における表面保護膜を、六弗化硫黄(SF6)を用いて表面保護膜をエッチング除去し、開口部を形成した。なお、本実施例では、六弗化硫黄(SF6)を用いたが、他の反応性ガスを用いても良い。以上のようにして、本実施例のFETを製造した。 Then, a surface protective film 611 made of silicon nitride (Si 3 N 4 ) was deposited by 50 nm using a plasma-enhanced chemical vapor deposition (abbreviated as PECVD) method. In this embodiment, this process is performed by a plasma-enhanced chemical vapor deposition (abbreviated as PECVD) method, but may be performed by another method. Further, the material of the surface protective film is not particularly limited, and may be another insulator, for example, and the thickness is not limited to the above-described thickness, and can be set as appropriate. Further, the surface protective film in the electrode portion (the upper surfaces of the gate electrode 608, the source electrode 609, and the drain electrode 610) was etched away using sulfur hexafluoride (SF 6 ) to form an opening. In this embodiment, sulfur hexafluoride (SF 6 ) is used, but other reactive gas may be used. The FET of this example was manufactured as described above.

以上のとおり、本実施例のFETは、選択性エッチングを駆使することが可能であり、Si-MOSFET量産プロセスと親和性の高い「ゲート先行型プロセス」(オーミック電極形成よりもゲート電極形成が先に行われるプロセス)により製造することができた。なお、この製造方法は、本発明の前記第一または第二の製造方法の一例である。   As described above, the FET of this embodiment can make full use of selective etching, and has a high affinity with the Si-MOSFET mass production process (the gate-first process) (the formation of the gate electrode precedes the formation of the ohmic electrode). Can be manufactured by a process performed in This manufacturing method is an example of the first or second manufacturing method of the present invention.

図3に、本実施例のFETにおけるゲート電極608下方の、基板主面に垂直な方向の伝導帯エネルギー、および価電子帯エネルギーの計算結果を示す。同図において、横軸は、ゲート電極608の最下端から下方に向かって基板主面と垂直方向の距離[Å]を示す。なお、1Åは、10-10mすなわち0.1nmに等しい。縦軸は、エネルギーレベルEc[eV]を示す。アルミナを用いたゲート絶縁膜607の厚さは、ここでは、前記表3に記載のとおり、300Å(30nm)とした。図示のとおり、本実施例のFETにおいては、約3Vの閾値電圧(Vth)が得られた。この閾値電圧については、実験により検証した。 FIG. 3 shows the calculation results of the conduction band energy and the valence band energy in the direction perpendicular to the main surface of the substrate below the gate electrode 608 in the FET of this example. In the figure, the horizontal axis indicates the distance [Å] perpendicular to the main surface of the substrate from the lowermost end of the gate electrode 608 downward. Note that 1 mm is equal to 10 −10 m, that is, 0.1 nm. The vertical axis represents the energy level Ec [eV]. Here, the thickness of the gate insulating film 607 using alumina was set to 300 mm (30 nm) as described in Table 3 above. As shown in the drawing, a threshold voltage (V th ) of about 3 V was obtained in the FET of this example. This threshold voltage was verified by experiment.

また、図4に、ゲート電圧Vg=0Vにおける、ゲート・オーミック間およびオーミック電極直下(オーミック電極の下方)の伝導帯エネルギーとキャリア電子濃度の計算結果のプロットを示す。同図において、横軸は、ゲート電極608の最下端から下方に向かって基板主面と垂直方向の距離[Å]を示す。なお、1Åは、10-10mすなわち0.1nmに等しい。縦軸は、伝導体下端エネルギーEc[eV]を示す。図示のとおり、本実施例のFETによれば、半導体ヘテロ接合界面に、高濃度のキャリア電子の生成が見られ、オン抵抗低減が実現される。オン時のシートチャネル電子濃度は、7×1012[cm-2]が得られ、最大ドレイン電流密度は900mA/mm、オン電流密度は720mA/mm以上を得ることが出来た。なお、これらの数値は、全て、実験により検証した。さらに、チャネル電子移動度は、1800[cm2/Vs]という高い数値を、実験により確認した。 FIG. 4 shows a plot of calculation results of the conduction band energy and the carrier electron concentration between the gate and ohmic and immediately below the ohmic electrode (below the ohmic electrode) at the gate voltage Vg = 0V. In the figure, the horizontal axis indicates the distance [Å] perpendicular to the main surface of the substrate from the lowermost end of the gate electrode 608 downward. Note that 1 mm is equal to 10 −10 m, that is, 0.1 nm. The vertical axis represents the conductor lower end energy Ec [eV]. As shown in the figure, according to the FET of this example, generation of high-concentration carrier electrons is observed at the semiconductor heterojunction interface, and on-resistance reduction is realized. The sheet channel electron concentration at the on time was 7 × 10 12 [cm −2 ], the maximum drain current density was 900 mA / mm, and the on current density was 720 mA / mm or more. All these numerical values were verified by experiments. Furthermore, the channel electron mobility was confirmed to be a high value of 1800 [cm 2 / Vs] by experiments.

このように、本実施例の電界効果トランジスタ(FET)は、ゲートリセスを形成することなく製造することができた。そのため、閾値電圧(Vth)が、リセスエッチング深さのばらつきによってばらつくことがなかった。さらに、ゲートリセスを形成しないので、リセス底面の半導体のラフネスが増加することはなく、ストイキオメトリーの乱れも生じなかった。このことによって、ゲート絶縁膜607と半導体界面606に界面準位が形成されにくく、電子トラップや放出が発生しにくかった。したがって、FETのI-V特性のヒステリシスやゲート電圧のプラス・マイナス方向へのシフトの発生は抑制され、理想特性に極めて近いI-V、C-V特性が得られた。 As described above, the field effect transistor (FET) of this example could be manufactured without forming a gate recess. Therefore, the threshold voltage (V th ) did not vary due to variations in the recess etching depth. Further, since no gate recess is formed, the roughness of the semiconductor on the bottom surface of the recess does not increase, and the stoichiometry is not disturbed. This makes it difficult for interface states to be formed between the gate insulating film 607 and the semiconductor interface 606, and electron traps and emission are difficult to occur. Therefore, the hysteresis of the IV characteristics of the FET and the shift of the gate voltage in the plus / minus direction were suppressed, and IV and CV characteristics very close to the ideal characteristics were obtained.

さらに、本実施例のFETにおいては、ゲート電極部以外ではキャップ層606が存在しないために、ゲート電圧Vgを高くしてもパラレル伝導パスが形成されず、この副次的なチャネルがパラレル伝導を生じることがなかった。さらに、本実施例のFET構造では、ゲートリセスを形成する必要がないため、エピ成長時の膜厚制御によって、キャップ層606の厚さを、前記のとおりきわめて薄く(2nm)することができた。このことにより、FETのオン時において、MIS(MOS)チャネルへの電子蓄積を抑制することが出来た。したがって、本実施例のFETでは、チャネルは、半導体ヘテロ接合界面(605/603)の2次元電子ガス604のみとなり、HEMT構造本来の高いチャネル電子移動度1800[cm2/Vs]を実現した。このことは、例えば、本実施例のFET(HEMT)電源装置に用いてスイッチング損失低減や装置小型化を実現するのに好適である。さらに、本実施例のFETは、万が一、ゲート電圧Vgをデバイス動作電圧を大きく越えて正方向に印加したとしても、キャップ層厚が薄いために、MIS(MOS)チャネルに蓄積するシート電荷量を極限にまで抑制することが可能である。 Further, in the FET of this embodiment, since the cap layer 606 does not exist except for the gate electrode portion, a parallel conduction path is not formed even if the gate voltage Vg is increased, and this secondary channel conducts parallel conduction. It never happened. Furthermore, in the FET structure of this example, since it is not necessary to form a gate recess, the thickness of the cap layer 606 can be made extremely thin (2 nm) as described above by controlling the film thickness during epi growth. As a result, it was possible to suppress the accumulation of electrons in the MIS (MOS) channel when the FET was turned on. Therefore, in the FET of this example, the channel is only the two-dimensional electron gas 604 at the semiconductor heterojunction interface (605/603), and the high channel electron mobility 1800 [cm 2 / Vs] inherent to the HEMT structure is realized. This is suitable, for example, for realizing a reduction in switching loss and a reduction in size of the device by using the FET (HEMT) power supply device of this embodiment. Furthermore, even if the gate voltage Vg greatly exceeds the device operating voltage and is applied in the positive direction, the FET of this embodiment has a small cap layer thickness, so the sheet charge amount accumulated in the MIS (MOS) channel is reduced. It is possible to suppress to the limit.

さらに、図5に、ゲート絶縁膜607(アルミナ)の厚さを、200Åから700Åまで変えた場合における、閾値電圧Vthの実験値の変化をプロットした。図示のとおり、本実施例のFET(前記表3の構造)の場合、ゲート絶縁膜607(アルミナ)の厚さ700Åで、約7Vという高いVthが実現できた。この値は、Si-IGBTをリプレースするに足る値である。 Further, FIG. 5 plots changes in the experimental value of the threshold voltage Vth when the thickness of the gate insulating film 607 (alumina) is changed from 200 to 700 mm. As shown in the figure, in the case of the FET of the present example (structure shown in Table 3), a high Vth of about 7 V was realized with the thickness of the gate insulating film 607 (alumina) being 700 mm. This value is sufficient to replace the Si-IGBT.

なお、本実施例では、AlGaNバッファ構造(前記実施形態1のケースA)に基づくエピ構造を有するFETの製造方法(製作プロセス)を説明した。GaNバッファ構造(前記実施形態1のケースB)に基づくエピ構造を有するFETも、本実施例と同様に、ゲート外リセスを用いた製造方法により製造することが出来る。   In the present example, a manufacturing method (manufacturing process) of an FET having an epi structure based on an AlGaN buffer structure (case A of the first embodiment) has been described. An FET having an epi structure based on a GaN buffer structure (case B of the first embodiment) can also be manufactured by a manufacturing method using an out-gate recess as in this example.

(実施例2)
図6に示す構造のFETを製造した。本実施例のFETにおける各半導体層およびゲート絶縁膜は、下記表4に示す組成および厚み(厚さ)を有していた。なお、1Åは、10-10mすなわち0.1nmに等しい。本実施例のFETは、障壁層を、n-ドープしたn-Al0.28Ga0.72N電子供給層624とノンドープのAl0.28Ga0.72Nスペーサ層623の2層構造(n-Al0.28Ga0.72N/i-Al0.28Ga0.72N)から形成しているため、オーミック電極に対するオーミック接触がとりやすい。
(Example 2)
An FET having the structure shown in FIG. 6 was manufactured. Each semiconductor layer and gate insulating film in the FET of this example had the composition and thickness (thickness) shown in Table 4 below. Note that 1 mm is equal to 10 −10 m, that is, 0.1 nm. In the FET of this example, the barrier layer has a two-layer structure of an n-doped n-Al 0.28 Ga 0.72 N electron supply layer 624 and a non-doped Al 0.28 Ga 0.72 N spacer layer 623 (n-Al 0.28 Ga 0.72 N / i-Al 0.28 Ga 0.72 N) makes it easy to make ohmic contact with the ohmic electrode.

Figure 2011210750
Figure 2011210750

本実施例のFETは、障壁層を、図6および表4に記載の二層構造で形成すること以外は、実施例1のFETと同様にして製造することができた。   The FET of this example could be manufactured in the same manner as the FET of Example 1 except that the barrier layer was formed with the two-layer structure shown in FIG. 6 and Table 4.

本実施例のFETは、オーミック電極(609、610)を、n-ドープしたn-Al0.28Ga0.72N電子供給層624に直接接触するように形成したため、別途、n-型不純物のイオン注入を行わずとも、良好なオーミック接触を得ることができた。 In the FET of this example, the ohmic electrode (609, 610) was formed so as to be in direct contact with the n-doped n-Al 0.28 Ga 0.72 N electron supply layer 624, and therefore, n-type impurity ion implantation was performed separately. Even without this, good ohmic contact could be obtained.

本実施例では、n-Al0.28Ga0.72N電子供給層624に、n-型不純物として28Siを5×1019(5E19)cm-3という高濃度でドーピングした。そのため、n-Al0.28Ga0.72N電子供給層624の表面の電子状態が十分に縮退し、オーミック接触をノンアロイで形成することができた。また、n-Al0.28Ga0.72N電子供給層624とGaNチャネル層622の間には、i-Al0.28Ga0.72Nスペーサ層623が挿入された構造になっている。このスペーサ層623は、チャネル層622で走行する電子(詳しくは電子の波動関数であり、上下方向にもある程度の広がりを持っている)が、n-Al0.28Ga0.72N電子供給層624の不純物によって不純物散乱されることを防ぎ、チャネル電子の電子移動度低下を防ぐ働きをする。 In this example, the n-Al 0.28 Ga 0.72 N electron supply layer 624 was doped with 28 Si as an n-type impurity at a high concentration of 5 × 10 19 (5E19) cm −3 . Therefore, the electronic state of the surface of the n-Al 0.28 Ga 0.72 N electron supply layer 624 was sufficiently degenerated, and an ohmic contact could be formed in a non-alloy. In addition, an i-Al 0.28 Ga 0.72 N spacer layer 623 is inserted between the n-Al 0.28 Ga 0.72 N electron supply layer 624 and the GaN channel layer 622. This spacer layer 623 is an impurity of the n-Al 0.28 Ga 0.72 N electron supply layer 624, which is an electron traveling in the channel layer 622 (specifically, it is a wave function of electrons and has a certain extent in the vertical direction). Prevents impurities from being scattered and prevents the electron mobility of channel electrons from decreasing.

本実施例のFETは、ゲート絶縁膜627(アルミナ)厚が600Åにおいて、閾値電圧Vthは、約6Vという高い値を達成したこと。前記値は、実験による実証値である。 In the FET of this example, when the gate insulating film 627 (alumina) thickness is 600 mm, the threshold voltage V th has achieved a high value of about 6V. The above values are experimentally verified values.

(実施例3)
図7に示した構造のFETを製造した。本実施例のFETにおける各半導体層およびゲート絶縁膜は、下記表5に示す組成および厚み(厚さ)を有していた。下記表5のとおり、障壁層は、ごく薄い(1nm程度の)AlNストッパ層625と、n-Al0.28Ga0.72N電子供給層624とi-Al0.28Ga0.72Nスペーサ層623との三層構造から形成されている。
Example 3
An FET having the structure shown in FIG. 7 was manufactured. Each semiconductor layer and gate insulating film in the FET of this example had the composition and thickness (thickness) shown in Table 5 below. As shown in Table 5 below, the barrier layer has a three-layer structure including a very thin (about 1 nm) AlN stopper layer 625, an n-Al 0.28 Ga 0.72 N electron supply layer 624, and an i-Al 0.28 Ga 0.72 N spacer layer 623. Formed from.

Figure 2011210750
Figure 2011210750

本実施例のFETは、以下のようにして製造した。すなわち、まず、(111)面珪素(Si)基板601上に、アンドープAlNとアンドープGaNを交互に積層した超格子からなる核生成層(200nm、図示せず)、バッファ層621、チャネル層622、スペーサ層623、電子供給層624、ストッパ層625、およびキャップ層626を、前記順序で成長させた(半導体層積層工程)。この半導体層積層工程は、各半導体層の構造、組成および厚さを上記表5のとおりとする以外は、実施例1と同様の有機金属気相成長(Metalorganic Chemical Vapor Deposition: MOCVDと略する)法により行った。また、結晶成長は、(0001)結晶軸に垂直なGa面(Al面)成長とした。このようにして作製したエピウエハに、原子層堆積(ALD)法を用いて、ゲート絶縁膜630となる厚さ40nmのSiO2を堆積させた(ゲート絶縁膜材料形成工程)。 The FET of this example was manufactured as follows. That is, first, on a (111) plane silicon (Si) substrate 601, a nucleation layer (200 nm, not shown) made of a superlattice in which undoped AlN and undoped GaN are alternately stacked, a buffer layer 621, a channel layer 622, The spacer layer 623, the electron supply layer 624, the stopper layer 625, and the cap layer 626 were grown in the above order (semiconductor layer stacking step). In this semiconductor layer stacking step, metal organic chemical vapor deposition (abbreviated as MOCVD) is the same as in Example 1 except that the structure, composition and thickness of each semiconductor layer are as shown in Table 5 above. Done by law. The crystal growth was Ga plane (Al plane) growth perpendicular to the (0001) crystal axis. A 40 nm thick SiO 2 film to be the gate insulating film 630 was deposited on the epitaxial wafer thus fabricated by using an atomic layer deposition (ALD) method (gate insulating film material forming step).

さらに、前記SiO2上に、ゲート電極608用途としてポリシリコンを堆積させた(ゲート電極材料形成工程)。さらに、ゲート電極608を形成するために、レジストでゲート部(ゲート電極形成領域)の上面をカバーし、ゲート部以外が開口になるようにパターニングした。その後、マグネトロンRIE装置を用い、塩素系ガスにより、前記ゲート部以外のポリシリコンを、SiO2に対して選択的にエッチング除去した(ゲート電極形成工程)。さらに、フッ素系ガスを用いたドライエッチングにより、前記ゲート部以外のSiO2を選択的に除去した(ゲート絶縁膜形成工程)。さらに、AlNストッパ層625に対するGaNキャップ層626の選択性エッチングを、BCl3とSF6の混合ガスを用いたICPドライエッチングで行い、前記ゲート部以外のGaNキャップ層626を選択的に除去した(キャップ層一部除去工程)。この、AlNストッパ層625に対するGaNキャップ層626の選択性エッチングでは、1:115と二桁を超えるエッチングレート選択比をとることが出来た。 Further, polysilicon was deposited on the SiO 2 for use as the gate electrode 608 (gate electrode material forming step). Further, in order to form the gate electrode 608, the upper surface of the gate part (gate electrode formation region) was covered with a resist, and patterning was performed so that the part other than the gate part was an opening. Thereafter, using a magnetron RIE apparatus, polysilicon other than the gate portion was selectively etched away with respect to SiO 2 with a chlorine-based gas (gate electrode forming step). Further, SiO 2 other than the gate portion was selectively removed by dry etching using a fluorine-based gas (gate insulating film forming step). Further, selective etching of the GaN cap layer 626 with respect to the AlN stopper layer 625 was performed by ICP dry etching using a mixed gas of BCl 3 and SF 6 to selectively remove the GaN cap layer 626 other than the gate portion ( Cap layer partial removal step). In this selective etching of the GaN cap layer 626 with respect to the AlN stopper layer 625, an etching rate selection ratio of 1: 115, which is more than two orders of magnitude, was achieved.

AlNストッパ層625の上に直接オーミック電極(609、610)を形成すると、オーミック接触抵抗が高くなる。このため、オーミック電極形成領域上面が開口となるようにレジストでパターニングし、前記オーミック電極形成領域のAlNストッパ層625を、水酸化カリウム(KOH)水溶液でウェットエッチ除去してn-Al0.28Ga0.72N電子供給層624上面を露出させた。さらに、そのn-Al0.28Ga0.72N電子供給層624上面に、チタン(Ti)/アルミニウム(Al)/ニッケル(Ni)/金(Au)を蒸着し、アロイ処理することにより、ソース電極609、ドレイン電極610をそれぞれ形成し、チャネル層622とのオーム性接触をとった(ソース電極およびドレイン電極形成工程)。さらに、ALD法を用いて、アルミナからなる表面保護膜640を15nm堆積させた。その後、電極部(ゲート電極608、ソース電極609およびドレイン電極610上面)の表面保護膜(アルミナ)を、フッ酸を用いたウェットエッチングにより除去して開口部を形成した。以上のようにして、本実施例のFETを製造することができた。 When the ohmic electrode (609, 610) is directly formed on the AlN stopper layer 625, the ohmic contact resistance is increased. For this reason, the ohmic electrode forming region is patterned with a resist so that the upper surface becomes an opening, and the AlN stopper layer 625 in the ohmic electrode forming region is removed by wet etching with an aqueous potassium hydroxide (KOH) solution to remove n-Al 0.28 Ga 0.72 The upper surface of the N electron supply layer 624 was exposed. Further, on the top surface of the n-Al 0.28 Ga 0.72 N electron supply layer 624, titanium (Ti) / aluminum (Al) / nickel (Ni) / gold (Au) is deposited and alloyed to obtain a source electrode 609, A drain electrode 610 was formed, and ohmic contact with the channel layer 622 was made (source electrode and drain electrode forming step). Furthermore, a surface protective film 640 made of alumina was deposited by 15 nm using the ALD method. Thereafter, the surface protective film (alumina) on the electrode portions (the upper surfaces of the gate electrode 608, the source electrode 609, and the drain electrode 610) was removed by wet etching using hydrofluoric acid to form openings. As described above, the FET of this example could be manufactured.

図8Aに、本実施例のFETにおけるゲート電極下方の、基板主面に垂直な方向の伝導帯エネルギーおよび価電子帯エネルギーの計算値を示した。同図において、横軸は、ゲート電極608の最下端から下方に向かって基板主面と垂直方向の距離[Å]を示す。なお、1Åは、10-10mすなわち0.1nmに等しい。縦軸は、電子エネルギーEc[eV]を示す。また、図8Bに、図8Aにおけるチャネル部(ゲート電極最下端からの距離300〜600Å)を拡大して示す。図示のように、本実施例のFETによれば、閾値電圧として7.5Vという高い値を得ることができた。なお、この値は、実験により検証した。 FIG. 8A shows calculated values of conduction band energy and valence band energy in a direction perpendicular to the main surface of the substrate below the gate electrode in the FET of this example. In the figure, the horizontal axis indicates the distance [Å] perpendicular to the main surface of the substrate from the lowermost end of the gate electrode 608 downward. Note that 1 mm is equal to 10 −10 m, that is, 0.1 nm. The vertical axis represents the electron energy Ec [eV]. FIG. 8B shows an enlarged view of the channel portion (distance 300 to 600 mm from the lowermost end of the gate electrode) in FIG. 8A. As shown in the drawing, according to the FET of this example, a high value of 7.5 V could be obtained as the threshold voltage. This value was verified by experiment.

図9に、本実施例のFETの、ゲート・オーミック間における伝導帯エネルギーとキャリア電子濃度を示す。同図において、横軸は、ゲート電極608の最下端から下方に向かって基板主面と垂直方向の距離[Å]を示す。なお、1Åは、10-10mすなわち0.1nmに等しい。縦軸は、伝導体下端エネルギーEc[eV]を示す。図示のとおり、Vg=0Vにおいて、GaNチャネル層には高濃度のキャリア電子が生成している。また、図10に、本実施例のFETの、オーミック電極直下における伝導帯エネルギーとキャリア電子濃度を示す。同図において、横軸は、ゲート電極608の最下端から下方に向かって基板主面と垂直方向の距離[Å]を示す。1Åは、10-10mすなわち0.1nmに等しい。縦軸は、伝導体下端エネルギーEc[eV]を示す。図示のとおり、オーミック電極直下においても、GaNチャネル層には高濃度のキャリア電子が生成していることがわかる。なお、図9に示したように、ゲート・オーミック間では、表面にAlNストッパ層625があるために、表面の伝導帯ポテンシャルが著しく切り立っており、このままでは良好なオーミック接触の形成に支障を来す恐れがある。しかし、図10に示したように、オーミック電極形成部ではAlNストッパ層625を除去しているために、表面での伝導帯ポテンシャルはフェルミレベルに近く、良好なオーミック接触の形成が可能であることがわかる。このため、本構造のFETは、十分に低いオン抵抗を得ることができ、チャネル・シート電子濃度もVg=12Vで7×1012[cm-2]が得られ、最大ドレイン電流密度は900mA/mm、オン電流密度は720mA/mm以上を得ることが出来た。なお、これらチャネル・シート電子濃度、最大ドレイン電流密度、およびオン電流密度の数値は、全て、実験により検証した。 FIG. 9 shows the conduction band energy and carrier electron concentration between the gate and ohmic of the FET of this example. In the figure, the horizontal axis indicates the distance [Å] perpendicular to the main surface of the substrate from the lowermost end of the gate electrode 608 downward. Note that 1 mm is equal to 10 −10 m, that is, 0.1 nm. The vertical axis represents the conductor lower end energy Ec [eV]. As shown in the figure, at V g = 0V, high concentration carrier electrons are generated in the GaN channel layer. FIG. 10 shows the conduction band energy and carrier electron concentration immediately below the ohmic electrode of the FET of this example. In the figure, the horizontal axis indicates the distance [Å] perpendicular to the main surface of the substrate from the lowermost end of the gate electrode 608 downward. One inch is equal to 10 −10 m or 0.1 nm. The vertical axis represents the conductor lower end energy Ec [eV]. As shown in the figure, it can be seen that high-concentration carrier electrons are generated in the GaN channel layer even immediately under the ohmic electrode. As shown in FIG. 9, since there is an AlN stopper layer 625 on the surface between the gate and the ohmic, the conduction band potential on the surface is remarkably raised, and this will hinder the formation of a good ohmic contact. There is a fear. However, as shown in FIG. 10, since the AlN stopper layer 625 is removed in the ohmic electrode forming portion, the conduction band potential on the surface is close to the Fermi level, and a good ohmic contact can be formed. I understand. For this reason, the FET of this structure can obtain a sufficiently low on-resistance, the channel sheet electron concentration is 7 × 10 12 [cm -2 ] at V g = 12 V, and the maximum drain current density is 900 mA. / mm, on-current density was over 720mA / mm. The numerical values of the channel / sheet electron concentration, the maximum drain current density, and the on-current density were all verified by experiments.

本実施例の電界効果トランジスタ(FET)は、ゲートリセスを形成することなく製造することができた。そのため、閾値電圧(Vth)が、リセスエッチング深さのばらつきによってばらつくことがなかった。さらに、ゲートリセスを形成しないので、リセス底面の半導体のラフネスが増加することはなく、ストイキオメトリーの乱れも生じなかった。このことによって、ゲート絶縁膜607と半導体界面606に界面準位が形成されにくく、電子トラップや放出が発生しにくかった。したがって、FETのI-V特性のヒステリシスやゲート電圧のプラス・マイナス方向へのシフトの発生は抑制され、理想特性に極めて近いI-V、C-V特性が得られた。 The field effect transistor (FET) of this example could be manufactured without forming a gate recess. Therefore, the threshold voltage (V th ) did not vary due to variations in the recess etching depth. Further, since no gate recess is formed, the roughness of the semiconductor on the bottom surface of the recess does not increase, and the stoichiometry is not disturbed. This makes it difficult for interface states to be formed between the gate insulating film 607 and the semiconductor interface 606, and electron traps and emission are difficult to occur. Therefore, the hysteresis of the IV characteristics of the FET and the shift of the gate voltage in the plus / minus direction were suppressed, and IV and CV characteristics very close to the ideal characteristics were obtained.

さらに、本実施例のFETにおいては、ゲート電極部以外ではキャップ層626が存在しないために、ゲート電圧Vgを高くしてもパラレル伝導パスが形成されず、この副次的なチャネルがパラレル伝導を生じることがなかった。さらに、本実施例のFET構造では、ゲートリセスを形成する必要がないため、エピ成長時の膜厚制御によって、キャップ層626の厚さを、前記のとおりきわめて薄く(2nm)することができた。このことにより、FETのオン時において、MIS(MOS)チャネルへの電子蓄積を抑制することが出来た。したがって、本実施例のFETでは、チャネルは、半導体ヘテロ接合界面(623/622)の2次元電子ガス604のみとなり、HEMT構造本来の高いチャネル電子移動度1800[cm2/Vs]を実現した。このことは、例えば、本実施例のFET(HEMT)電源装置に用いてスイッチング損失低減や装置小型化を実現するのに好適である。さらに、本実施例のFETは、万が一、ゲート電圧Vgをデバイス動作電圧を大きく越えて正方向に印加したとしても、キャップ層厚が薄いために、MIS(MOS)チャネルに蓄積するシート電荷量を極限にまで抑制することが可能である。 Furthermore, in the FET of this embodiment, since the cap layer 626 does not exist except for the gate electrode portion, a parallel conduction path is not formed even when the gate voltage Vg is increased, and this secondary channel conducts parallel conduction. It never happened. Furthermore, in the FET structure of this example, since it is not necessary to form a gate recess, the thickness of the cap layer 626 can be made extremely thin (2 nm) as described above by controlling the film thickness during epi growth. As a result, it was possible to suppress the accumulation of electrons in the MIS (MOS) channel when the FET was turned on. Therefore, in the FET of this example, the channel is only the two-dimensional electron gas 604 at the semiconductor heterojunction interface (623/622), and the HEMT structure inherent high channel electron mobility 1800 [cm 2 / Vs] is realized. This is suitable, for example, for realizing a reduction in switching loss and a reduction in size of the device by using the FET (HEMT) power supply device of this embodiment. Furthermore, even if the gate voltage Vg greatly exceeds the device operating voltage and is applied in the positive direction, the FET of this embodiment has a small cap layer thickness, so the sheet charge amount accumulated in the MIS (MOS) channel is reduced. It is possible to suppress to the limit.

以上、本発明を、前記各実施形態および前記各実施例に基づき説明したが、本発明は、これらに限定されず、種々変更が可能である。例えば、前記各実施形態および前記各実施例において、各半導体層は、主にアンドープ層として説明したが、例えば、不純物濃度1×1017cm-3程度以下のp-形若しくはn-形であっても良い。ただし、前記チャネル層は、チャネル電子が不純物散乱を受けて電子移動度を低下させることを防ぐ観点から、ノンドープ(アンドープ)であることが好ましい。 As mentioned above, although this invention was demonstrated based on each said embodiment and each said Example, this invention is not limited to these, A various change is possible. For example, in each of the embodiments and the examples, each semiconductor layer has been mainly described as an undoped layer. However, for example, the semiconductor layer may be p-type or n-type having an impurity concentration of about 1 × 10 17 cm −3 or less. May be. However, the channel layer is preferably non-doped (undoped) from the viewpoint of preventing channel electrons from being subjected to impurity scattering and reducing electron mobility.

本発明において、n-型不純物としては、Si等を用いることができ、p-型不純物としては、マグネシウム(Mg)等を用いることができるが、これらに限定されない。   In the present invention, Si or the like can be used as the n-type impurity, and magnesium (Mg) or the like can be used as the p-type impurity, but is not limited thereto.

前記各実施形態および前記各実施例においては、基板としてSiを用いたが、炭化珪素(SiC)、サファイア(Al2O3)、GaN、ダイヤモンド(C)など、他の基板であっても良い。 In each of the embodiments and the examples, Si is used as a substrate, but other substrates such as silicon carbide (SiC), sapphire (Al 2 O 3 ), GaN, diamond (C) may be used. .

前記各実施形態および前記各実施例において、核生成層としては、AlNとGaNの超格子を用いたが、AlN、AlGaN、GaNなどの単層を用いても良い。   In each of the embodiments and the examples, a superlattice of AlN and GaN is used as the nucleation layer, but a single layer such as AlN, AlGaN, or GaN may be used.

前記各実施形態および前記各実施例において、バッファ層材料としては、主にGaNまたはAlGaNを用いたが、窒化インジウム・ガリウム(InGaN)、窒化インジウムアルミニウム(InAlN)、InAlGaNなど他のIII族窒化物半導体を用いても良い。   In each of the above embodiments and each of the above examples, GaN or AlGaN is mainly used as the buffer layer material. However, other group III nitrides such as indium gallium nitride (InGaN), indium aluminum nitride (InAlN), and InAlGaN are used. A semiconductor may be used.

前記各実施形態および前記各実施例において、チャネル層およびキャップ層の材料としては、主にGaNまたはAlGaNを用いたが、バッファ層よりバンドギャップの小さい他のIII族窒化物半導体を用いても良い。具体的には、例えば、InGaN、InAlN、InAlGaN、InNなどを用いても良い。前記チャネル層および前記キャップ層のAl組成比は、特に制限されないが、合金散乱(アロイ散乱)を防ぐ観点からは、10%以下であることが好ましい。   In each of the embodiments and the examples, GaN or AlGaN is mainly used as a material for the channel layer and the cap layer, but other group III nitride semiconductors having a smaller band gap than the buffer layer may be used. . Specifically, for example, InGaN, InAlN, InAlGaN, InN, or the like may be used. The Al composition ratio of the channel layer and the cap layer is not particularly limited, but is preferably 10% or less from the viewpoint of preventing alloy scattering (alloy scattering).

前記各実施形態および前記各実施例において、障壁層材料としてはAlGaNを用いたが、バッファ層よりバンドギャップの大きい他のIII族窒化物半導体を用いても良い。前記障壁層材料は、例えば、InGaN、InAlN、InAlGaN、GaN、AlNなどであっても良い。GaN、AlNなどの2元系材料を用いた場合には、チャネル電子の受ける合金散乱(アロイ散乱)を抑制することが可能であり、散乱によるチャネル電子移動度低減を抑制できる。   In each of the embodiments and the examples, AlGaN is used as the barrier layer material, but another group III nitride semiconductor having a larger band gap than the buffer layer may be used. The barrier layer material may be, for example, InGaN, InAlN, InAlGaN, GaN, AlN, or the like. When a binary material such as GaN or AlN is used, alloy scattering (alloy scattering) received by channel electrons can be suppressed, and reduction in channel electron mobility due to scattering can be suppressed.

前記各実施形態および前記各実施例において、ゲート絶縁膜としては、Al2O3または酸化珪素(SiO2)を用いたが、窒化珪素(Si3N4)、酸化ハフニウム(HfO2)など他の絶縁体を用いても良い。また、前記ゲート絶縁膜として、ジルコン酸チタン酸鉛、Pb(Zr,Ti)O3などの強誘電体薄膜や、チタン酸バリウム・ストロンチウム、(BaxSr1-x)TiO3などの高誘電率薄膜を用いてもよい。強誘電体薄膜や高誘電率薄膜をゲート絶縁膜に用いた場合には、その薄膜中の誘電分極ベクトルがデバイス表面から裏面にかけて配向している場合には、素子の閾値Vthをより正方向にシフトさせる効果がある。なお、本発明のFETにおいて、「デバイス表面」とは、基板と反対側(基板上に、前記バッファ層、前記チャネル層、前記障壁層、および前記キャップ層が積層されている側)の面をいい、「裏面(デバイス裏面)」とは、基板側の面(デバイス表面と反対側の面)をいう。さらに強誘電体薄膜や高誘電率薄膜をゲート絶縁膜に用いた場合には、その高い誘電率のために真性ゲート容量Cgが増大する。相互コンダクタンス(トランスコンダクタンス)gmは、チャネル電子のピーク速度をνpeakとしたとき、gm〜Cgνpeakの関係があるので、前記真性ゲート容量Cgの増大により、相互コンダクタンスgmが増大するメリットがある。このことは、本発明のFET(前記第一または第二のFET)を情報通信用途に用いた場合に、特に好都合である。 In each embodiment and each example, Al 2 O 3 or silicon oxide (SiO 2 ) is used as the gate insulating film, but silicon nitride (Si 3 N 4 ), hafnium oxide (HfO 2 ), etc. Alternatively, the insulator may be used. In addition, as the gate insulating film, ferroelectric thin films such as lead zirconate titanate and Pb (Zr, Ti) O 3 , high dielectrics such as barium strontium titanate and (Ba x Sr 1-x ) TiO 3 A rate film may be used. When a ferroelectric thin film or a high dielectric constant thin film is used for the gate insulating film, if the dielectric polarization vector in the thin film is oriented from the device surface to the back surface, the threshold value Vth of the element is made more positive. Has the effect of shifting. In the FET of the present invention, the “device surface” is the surface opposite to the substrate (the side on which the buffer layer, the channel layer, the barrier layer, and the cap layer are stacked on the substrate). The “back surface (device back surface)” means a surface on the substrate side (surface opposite to the device surface). When further using a ferroelectric thin film or a high dielectric constant thin film on the gate insulating film, an intrinsic gate capacitance C g due to its high dielectric constant is increased. Since the mutual conductance (transconductance) g m has a relationship of g m to C g ν peak when the peak velocity of the channel electrons is ν peak , the increase in the intrinsic gate capacitance C g causes the mutual conductance g m to increase. There are increasing benefits. This is particularly advantageous when the FET of the present invention (the first or second FET) is used for information communication.

前記各実施形態および前記各実施例においては、表面保護膜(パッシベーション膜)としてSi3N4またはAl2O3を用いたが、SiO2など他の絶縁体を用いても良い。 In each of the embodiments and the examples, Si 3 N 4 or Al 2 O 3 is used as the surface protective film (passivation film), but other insulators such as SiO 2 may be used.

前記各実施形態および前記各実施例においては、ソース電極、ドレイン電極の材料としてTi/Al/Nb/Auを用いたが、Ti/Al、Ti/Al/モリブデン(Mo)/Au、Ti/Al/ニオビウム(Nb)/Auなど他の材料を用いても良い。   In each of the embodiments and the examples, Ti / Al / Nb / Au is used as a material for the source electrode and the drain electrode, but Ti / Al, Ti / Al / molybdenum (Mo) / Au, Ti / Al Other materials such as / Niobium (Nb) / Au may be used.

前記各実施形態および前記各実施例においては、ゲート電極の材料として、ポリシリコンを用いたが、Ni/Au、Ni/パラディウム(Pd)/Au、Ni/白金(Pt)/Au、Ti/Au、Ti/Pd/Au、Ti/Pt/Auなどの金属など他の材料を用いても良い。   In each of the embodiments and the examples, polysilicon is used as the material of the gate electrode. However, Ni / Au, Ni / Palladium (Pd) / Au, Ni / Platinum (Pt) / Au, Ti / Au Other materials such as metals such as Ti / Pd / Au and Ti / Pt / Au may be used.

以上、説明したとおり、本発明によれば、高い閾値電圧と、低いオン抵抗とを両立可能であり、かつ、パラレル伝導を抑制できる電界効果トランジスタ、電界効果トランジスタの製造方法、および電子装置を提供することができる。本発明の電界効果トランジスタのその他の効果および用途については、例えば以下のとおりである。ただし、以下は例示であって、本発明の電界効果トランジスタは、以下の効果を奏するもの、または以下の用途に用いるもののみに限定されない。   As described above, according to the present invention, there are provided a field effect transistor that can achieve both a high threshold voltage and a low on-resistance, and that can suppress parallel conduction, a method for manufacturing the field effect transistor, and an electronic device. can do. Other effects and applications of the field effect transistor of the present invention are as follows, for example. However, the following are exemplifications, and the field effect transistor of the present invention is not limited only to those having the following effects or used for the following uses.

本発明の電界効果トランジスタ(FET)は、III族窒化物半導体というワイドバンドギャップ材料を用いた素子であるために、高耐圧特性を実現でき、良好な信頼性を有する。このため、本発明の電界効果トランジスタ(FET)は、例えば、スイッチング電源、インバータ回路などの電力制御用のパワー半導体素子として用いることができる。本発明によれば、例えば、自動車のエンジンルームなどにおける200℃前後の過酷な高温化でも安定に動作可能なFETを得ることも可能である。   Since the field effect transistor (FET) of the present invention is an element using a wide band gap material called a group III nitride semiconductor, it can realize high withstand voltage characteristics and has good reliability. Therefore, the field effect transistor (FET) of the present invention can be used as a power semiconductor element for power control such as a switching power supply and an inverter circuit. According to the present invention, for example, it is possible to obtain an FET that can operate stably even at a severe temperature increase of around 200 ° C. in an engine room of an automobile.

さらに、本発明のFETは、HEMT構造による高いチャネル移動度を有することで、スイッチング速度すなわち情報を演算する速度を高速にすることができる。本発明のFETは、例えば、通信、演算などの情報通信用途のFETとしても有効に用いることができる。すなわち、情報通信用の用途にも適している。本発明のFETは、例えば、マイクロ波、ミリ波等の高い周波数領域において、高い出力電力を得ることも可能である。そのような特性は、上記の高耐圧特性とともに、情報通信用に用いる場合の利点である。   Furthermore, the FET of the present invention has a high channel mobility due to the HEMT structure, so that the switching speed, that is, the speed of calculating information can be increased. The FET of the present invention can be effectively used as an FET for information communication applications such as communication and computation. That is, it is also suitable for information communication applications. The FET of the present invention can also obtain a high output power in a high frequency region such as a microwave and a millimeter wave. Such a characteristic is an advantage when used for information communication together with the high breakdown voltage characteristic.

また、本発明のFETは、例えば、ノーマリーOFF(エンハンスメント)特性を有することにより、負電源が不要で、電子装置の電源系を単純化、小型化、低コスト化することが出来る。さらに、本発明のFETは、加えて、ゲート電極にゲート絶縁膜を適用したMIS(MOS)構造で構成されているので、ゲートリーク電流を極めて低いレベルに抑制できる。したがって、本発明によれば、雑音指数(Noise Figure、NF)が大幅に低減されたFETを得ることも可能である。本発明のFETは、例えば、前記雑音指数が大幅に低減されることにより、通信機端末などへの応用に好適である。また、本発明のFETは、GaAs系素子と異なり、砒素(As)などの有害物質を必須としない。このため、本発明のFETは、例えば、通信機端末等に用いても環境への負荷が小さい。   Further, the FET of the present invention has, for example, a normally OFF (enhancement) characteristic, so that a negative power supply is unnecessary, and the power supply system of the electronic device can be simplified, reduced in size, and reduced in cost. Furthermore, since the FET of the present invention has a MIS (MOS) structure in which a gate insulating film is applied to the gate electrode, the gate leakage current can be suppressed to an extremely low level. Therefore, according to the present invention, it is also possible to obtain an FET with a significantly reduced noise figure (Noise Figure, NF). The FET of the present invention is suitable for application to a communication device terminal or the like because, for example, the noise figure is greatly reduced. Further, unlike the GaAs element, the FET of the present invention does not require a harmful substance such as arsenic (As). For this reason, even if the FET of the present invention is used in, for example, a communication device terminal, the load on the environment is small.

本発明のFETは、III族窒化物電界効果トランジスタであることに加え、前記のとおり、高い閾値電圧と、低いオン抵抗とを両立可能であり、かつ、パラレル伝導を抑制できるという効果を奏する。このため、本発明のFETは、省エネルギー化の目的にも適している。   In addition to being a group III nitride field effect transistor, the FET of the present invention can achieve both a high threshold voltage and a low on-resistance as described above, and can suppress parallel conduction. For this reason, the FET of the present invention is also suitable for the purpose of energy saving.

本発明の電界効果トランジスタ(FET)は、前記のとおり、様々な電子装置(電子機器)に広範に用いることができる。本発明の電子装置は、前記の通り、本発明の電界効果トランジスタを含むことが特徴である。本発明の電子装置の用途は特に限定されず、例えば、電力制御装置、モーター制御装置(例えば電気自動車用、エアコン用等)、電源装置(例えばコンピュータ用等)、インバータ照明、高周波電力発生装置(例えば電子レンジ用、電磁調理器用等)、画像表示装置、情報記録再生装置、通信装置、演算装置(例えば、本発明のFETを演算素子として含む)等に広く用いることができる。   As described above, the field effect transistor (FET) of the present invention can be widely used in various electronic devices (electronic devices). As described above, the electronic device of the present invention is characterized by including the field effect transistor of the present invention. Applications of the electronic device of the present invention are not particularly limited. For example, a power control device, a motor control device (for example, for an electric vehicle, for an air conditioner), a power supply device (for example, for a computer), inverter lighting, a high-frequency power generation device ( For example, it can be widely used for an image display device, an information recording / reproducing device, a communication device, a computing device (for example, including the FET of the present invention as a computing element), etc.

101 半絶縁性炭化ケイ素(SiC)基板
102 窒化ガリウム(GaN)バッファ
103 2次元電子ガス
104 n-型窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)
105 3層キャップ
106 n-型窒化ガリウム(GaN)
107 窒化アルミニウム(AlN)
108 n-型窒化ガリウム(GaN)
109 酸化アルミニウム(Al2O3)
110 ゲート電極
111 ソース電極
112 ドレイン電極
113 パラレル伝導パス
601 基板(Siなど)
602 バッファ層(AlxGa1-xNなど)
603 チャネル層(GaNなど)
604 2次元電子ガス
605 障壁層(AlyGa1-yN[x<y≦1]など)
606 キャップ層(GaNなど)
607 ゲート絶縁膜(アルミナなど)
608 ゲート電極(ポリシリコンなど)
609 ソース電極
610 ドレイン電極
611 表面保護膜(シリコン窒化膜SiNなど)
621 バッファ層(Al0.08Ga0.92N)
622 チャネル層(GaN)
623 スペーサ層(i-Al0.28Ga0.72N)
624 電子供給層(n-Al0.28Ga0.72N)
625 ストッパ層(AlN)
626 キャップ層(GaN)
627 ゲート絶縁膜(アルミナ)
628 ゲート電極(ポリシリコン)
629 表面保護膜(シリコン窒化膜)
630 ゲート絶縁膜(シリコン酸化膜)
640 表面保護膜(アルミナ)
101 Semi-insulating silicon carbide (SiC) substrate
102 Gallium nitride (GaN) buffer
103 2D electron gas
104 n-type aluminum gallium nitride (AlGaN)
105 3 layer cap
106 n-type gallium nitride (GaN)
107 Aluminum nitride (AlN)
108 n-type gallium nitride (GaN)
109 Aluminum oxide (Al 2 O 3 )
110 Gate electrode
111 Source electrode
112 Drain electrode
113 Parallel conduction path
601 Substrate (Si etc.)
602 buffer layer (Al x Ga 1-x N etc.)
603 channel layer (GaN, etc.)
604 2D electron gas
605 barrier layer (Al y Ga 1-y N [x <y ≦ 1] etc.)
606 Cap layer (GaN, etc.)
607 Gate insulation film (alumina, etc.)
608 Gate electrode (polysilicon, etc.)
609 Source electrode
610 Drain electrode
611 Surface protective film (silicon nitride film, SiN, etc.)
621 Buffer layer (Al 0.08 Ga 0.92 N)
622 channel layer (GaN)
623 Spacer layer (i-Al 0.28 Ga 0.72 N)
624 Electron supply layer (n-Al 0.28 Ga 0.72 N)
625 Stopper layer (AlN)
626 Cap layer (GaN)
627 Gate insulation film (alumina)
628 Gate electrode (polysilicon)
629 Surface protective film (silicon nitride film)
630 Gate insulation film (silicon oxide film)
640 Surface protective film (alumina)

Claims (25)

基板、バッファ層、チャネル層、障壁層、キャップ層、ゲート絶縁膜、ゲート電極、ソース電極、およびドレイン電極を含み、
前記バッファ層は、格子緩和されたAlxGa1-xN(0≦x<1)から形成され、
前記チャネル層は、前記バッファ層よりAl組成比の小さいAluGa1-uN(0≦u<x)、前記バッファ層と同じ組成のAlxGa1-xN(0≦x<1)またはInGaNから形成され、
前記障壁層は、前記バッファ層よりAl組成比の大きいAlyGa1-yN(x<y≦1)から形成され、
前記キャップ層は、前記障壁層よりAl組成比の小さいAlzGa1-zN(0≦z<y)から形成され、
前記バッファ層上面、前記チャネル層上面、前記障壁層上面、および前記キャップ層上面は、それぞれ、(0001)結晶軸に垂直なGa面またはAl面であり、
前記基板上に、前記バッファ層、前記チャネル層、および前記障壁層が、前記順序で積層され、
前記キャップ層は、前記障壁層上の一部の領域に形成され、
前記キャップ層上に、前記ゲート絶縁膜、および前記ゲート電極が、前記順序で積層され、
前記ソース電極および前記ドレイン電極は、前記障壁層上の、前記キャップ層が形成されていない領域上に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。
Including substrate, buffer layer, channel layer, barrier layer, cap layer, gate insulating film, gate electrode, source electrode, and drain electrode,
The buffer layer is formed of lattice-relaxed Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1),
The channel layer is Al u Ga 1-u N (0 ≦ u <x) having an Al composition ratio smaller than that of the buffer layer, and Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1) having the same composition as the buffer layer. Or formed from InGaN,
The barrier layer is made of Al y Ga 1-y N (x <y ≦ 1) having a larger Al composition ratio than the buffer layer,
The cap layer is formed of Al z Ga 1-z N (0 ≦ z <y) having a smaller Al composition ratio than the barrier layer,
The upper surface of the buffer layer, the upper surface of the channel layer, the upper surface of the barrier layer, and the upper surface of the cap layer are respectively a Ga plane or an Al plane perpendicular to the (0001) crystal axis,
The buffer layer, the channel layer, and the barrier layer are stacked in the order on the substrate,
The cap layer is formed in a partial region on the barrier layer;
The gate insulating film and the gate electrode are stacked in the order on the cap layer,
The field effect transistor according to claim 1, wherein the source electrode and the drain electrode are formed on a region of the barrier layer where the cap layer is not formed.
前記バッファ層におけるAl組成比xが、0<x<1を満たし、
前記チャネル層は、前記バッファ層よりAl組成比の小さいAluGa1-uN(0≦u<x)またはInGaNから形成され、
前記キャップ層のAl組成比zが、前記バッファ層のAl組成比xより小さい(0≦z<x)ことを特徴とする請求項1記載の電界効果トランジスタ。
Al composition ratio x in the buffer layer satisfies 0 <x <1,
The channel layer is made of Al u Ga 1-u N (0 ≦ u <x) or InGaN having a smaller Al composition ratio than the buffer layer,
2. The field effect transistor according to claim 1, wherein the Al composition ratio z of the cap layer is smaller than the Al composition ratio x of the buffer layer (0 ≦ z <x).
前記チャネル層がGaNから形成されていることを特徴とする請求項2記載の電界効果トランジスタ。   3. The field effect transistor according to claim 2, wherein the channel layer is made of GaN. 前記キャップ層がGaNから形成されていることを特徴とする請求項2または3記載の電界効果トランジスタ。   4. The field effect transistor according to claim 2, wherein the cap layer is made of GaN. 前記チャネル層が、前記バッファ層と同じ組成のAlxGa1-xN(0≦x<1)またはInGaNから形成され、
前記ゲート電極の下方に形成された半導体層のうち少なくとも1つは、p-型層であることを特徴とする請求項1記載の電界効果トランジスタ。
The channel layer is formed of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1) or InGaN having the same composition as the buffer layer;
2. The field effect transistor according to claim 1, wherein at least one of the semiconductor layers formed below the gate electrode is a p-type layer.
前記バッファ層および前記チャネル層の少なくとも一方が、前記p-型層であることを特徴とする請求項5記載の電界効果トランジスタ。   6. The field effect transistor according to claim 5, wherein at least one of the buffer layer and the channel layer is the p-type layer. 前記バッファ層が、格子緩和されたGaNから形成され、
前記チャネル層が、GaNまたはInGaNから形成されていることを特徴とする請求項5または6記載の電界効果トランジスタ。
The buffer layer is formed of lattice-relaxed GaN;
7. The field effect transistor according to claim 5, wherein the channel layer is made of GaN or InGaN.
前記チャネル層が、GaNから形成されていることを特徴とする請求項7記載の電界効果トランジスタ。   8. The field effect transistor according to claim 7, wherein the channel layer is made of GaN. 前記キャップ層が、n-型不純物またはp-型不純物を含むことを特徴とする請求項5から8のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。   9. The field effect transistor according to claim 5, wherein the cap layer contains an n-type impurity or a p-type impurity. 前記キャップ層が、GaNから形成されていることを特徴とする請求項5から9のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。   The field effect transistor according to claim 5, wherein the cap layer is made of GaN. 前記p-型層における、イオン化したp-型不純物の面密度(ξc/q[cm-2])と、前記障壁層のAl組成比yとが、下記数式(A)を満たすことを特徴とする請求項10記載の電界効果トランジスタ。

ξc/q<5.25×1013y (A)
In the p-type layer, the surface density of the ionized p-type impurity (ξ c / q [cm −2 ]) and the Al composition ratio y of the barrier layer satisfy the following formula (A): The field effect transistor according to claim 10.

ξ c /q<5.25×10 13 y (A)
基板、バッファ層、チャネル層、障壁層、キャップ層、ゲート絶縁膜、ゲート電極、ソース電極、およびドレイン電極を含み、
前記バッファ層、前記チャネル層、前記障壁層、および前記キャップ層は、それぞれ、III族窒化物半導体により形成され、
前記バッファ層上面、前記チャネル層上面、前記障壁層上面、および前記キャップ層上面は、それぞれ、(0001)結晶軸に垂直なIII族原子面であり、
前記バッファ層は、格子緩和されており、
前記障壁層は、引っ張り歪みを有し、
前記チャネル層および前記キャップ層がいずれも圧縮歪みを有するか、または、前記チャネル層が格子緩和され、かつ前記キャップ層が引っ張り歪みを有し、
前記基板上に、前記バッファ層、前記チャネル層、および前記障壁層が、前記順序で積層され、
前記キャップ層は、前記障壁層上の一部の領域に形成され、
前記キャップ層上に、前記ゲート絶縁膜、および前記ゲート電極が、前記順序で積層され、
前記ソース電極および前記ドレイン電極は、前記障壁層上の、前記キャップ層が形成されていない領域上に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。
Including substrate, buffer layer, channel layer, barrier layer, cap layer, gate insulating film, gate electrode, source electrode, and drain electrode,
The buffer layer, the channel layer, the barrier layer, and the cap layer are each formed of a group III nitride semiconductor,
The upper surface of the buffer layer, the upper surface of the channel layer, the upper surface of the barrier layer, and the upper surface of the cap layer are each a group III atomic plane perpendicular to the (0001) crystal axis,
The buffer layer is lattice-relaxed;
The barrier layer has tensile strain;
The channel layer and the cap layer both have compressive strain, or the channel layer is lattice relaxed and the cap layer has tensile strain;
The buffer layer, the channel layer, and the barrier layer are stacked in the order on the substrate,
The cap layer is formed in a partial region on the barrier layer;
The gate insulating film and the gate electrode are stacked in the order on the cap layer,
The field effect transistor according to claim 1, wherein the source electrode and the drain electrode are formed on a region of the barrier layer where the cap layer is not formed.
前記チャネル層および前記キャップ層がいずれも圧縮歪みを有することを特徴とする請求項12記載の電界効果トランジスタ。   13. The field effect transistor according to claim 12, wherein both the channel layer and the cap layer have compressive strain. 前記バッファ層が、GaN、AlGaN、InGaN、InAlN、またはInAlGaNから形成されていることを特徴とする請求項13記載の電界効果トランジスタ。   14. The field effect transistor according to claim 13, wherein the buffer layer is made of GaN, AlGaN, InGaN, InAlN, or InAlGaN. 前記チャネル層が、InGaN、InAlN、InAlGaN、またはInNから形成され、かつ、
前記チャネル層の形成材料は、前記バッファ層の形成材料よりもバンドギャップが小さいことを特徴とする請求項13または14記載の電界効果トランジスタ。
The channel layer is formed of InGaN, InAlN, InAlGaN, or InN; and
The field effect transistor according to claim 13 or 14, wherein the channel layer forming material has a band gap smaller than that of the buffer layer forming material.
前記障壁層が、AlGaN、AlN、InGaN、InAlN、InAlGaN、またはGaNから形成され、かつ、
前記障壁層の形成材料は、前記バッファ層の形成材料よりもバンドギャップが大きいことを特徴とする請求項13から15のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。
The barrier layer is formed of AlGaN, AlN, InGaN, InAlN, InAlGaN, or GaN; and
The field effect transistor according to any one of claims 13 to 15, wherein a material for forming the barrier layer has a larger band gap than a material for forming the buffer layer.
前記キャップ層が、InGaN、InAlN、InAlGaN、またはInNから形成され、かつ、
前記キャップ層の形成材料は、前記バッファ層の形成材料よりもバンドギャップが小さいことを特徴とする請求項13から16のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。
The cap layer is formed of InGaN, InAlN, InAlGaN, or InN; and
The field effect transistor according to any one of claims 13 to 16, wherein a material for forming the cap layer has a smaller band gap than a material for forming the buffer layer.
前記チャネル層が、格子緩和され、
前記キャップ層が、引っ張り歪みを有し、
前記ゲート電極の下方に形成された半導体層のうち少なくとも1つは、p-型層であることを特徴とする請求項12記載の電界効果トランジスタ。
The channel layer is lattice relaxed;
The cap layer has tensile strain;
13. The field effect transistor according to claim 12, wherein at least one of the semiconductor layers formed below the gate electrode is a p-type layer.
前記バッファ層が、GaN、AlGaN、InGaN、InAlN、InAlGaN、またはInNから形成されていることを特徴とする請求項18記載の電界効果トランジスタ。   The field effect transistor according to claim 18, wherein the buffer layer is formed of GaN, AlGaN, InGaN, InAlN, InAlGaN, or InN. 前記チャネル層が、GaN、AlGaN、InGaN、InAlN、InAlGaN、またはInNから形成されていることを特徴とする請求項18または19記載の電界効果トランジスタ。   The field effect transistor according to claim 18 or 19, wherein the channel layer is formed of GaN, AlGaN, InGaN, InAlN, InAlGaN, or InN. 前記障壁層が、AlGaN、AlN、InGaN、InAlN、InAlGaN、またはGaNから形成され、かつ、
前記障壁層の形成材料は、前記バッファ層の形成材料よりもバンドギャップが大きいことを特徴とする請求項18から20のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。
The barrier layer is formed of AlGaN, AlN, InGaN, InAlN, InAlGaN, or GaN; and
21. The field effect transistor according to claim 18, wherein a material for forming the barrier layer has a larger band gap than a material for forming the buffer layer.
前記キャップ層が、GaN、AlGaN、InGaN、InAlN、InAlGaN、またはInNから形成され、かつ、
前記キャップ層の形成材料は、前記障壁層の形成材料よりもバンドギャップが小さいことを特徴とする請求項18から21のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。
The cap layer is formed of GaN, AlGaN, InGaN, InAlN, InAlGaN, or InN; and
The field effect transistor according to any one of claims 18 to 21, wherein a material for forming the cap layer has a smaller band gap than a material for forming the barrier layer.
基板上に、バッファ層、チャネル層、障壁層、およびキャップ層を前記順序で積層させる半導体層積層工程と、
前記キャップ層上に、ゲート絶縁膜材料を形成するゲート絶縁膜材料形成工程と、
前記ゲート絶縁膜材料上に、ゲート電極材料を形成するゲート電極材料形成工程と、
前記ゲート電極材料の一部を除去してゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、
前記ゲート絶縁膜材料の一部を除去してゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜形成工程と、
前記キャップ層の一部を除去するキャップ層一部除去工程と、
前記障壁層上の、前記キャップ層が除去された領域上に、ソース電極およびドレイン電極を形成する、ソース電極およびドレイン電極形成工程とを含み、
前記半導体層積層工程において、前記バッファ層、前記チャネル層、前記障壁層、および前記キャップ層を、それぞれ、(0001)結晶軸に垂直なIII族原子面で成長させ、
前記バッファ層を、格子緩和されたAlxGa1-xN(0≦x<1)から形成し、
前記チャネル層を、前記バッファ層よりAl組成比の小さいAluGa1-uN(0≦u<x)、前記バッファ層と同じ組成のAlxGa1-xN(0≦x<1)またはInGaNから形成し、
前記障壁層を、前記バッファ層よりAl組成比の大きいAlyGa1-yN(x<y≦1)から形成し、
前記キャップ層を、前記障壁層よりAl組成比の小さいAlzGa1-zN(0≦z<y)から形成することを特徴とする、電界効果トランジスタの製造方法。
A semiconductor layer laminating step of laminating a buffer layer, a channel layer, a barrier layer, and a cap layer in the above order on a substrate;
A gate insulating film material forming step of forming a gate insulating film material on the cap layer;
A gate electrode material forming step of forming a gate electrode material on the gate insulating film material;
Forming a gate electrode by removing a part of the gate electrode material; and
A gate insulating film forming step of forming a gate insulating film by removing a part of the gate insulating film material;
A cap layer partial removal step of removing a part of the cap layer;
Forming a source electrode and a drain electrode on the barrier layer on the region where the cap layer has been removed,
In the semiconductor layer stacking step, the buffer layer, the channel layer, the barrier layer, and the cap layer are each grown on a group III atomic plane perpendicular to the (0001) crystal axis,
The buffer layer is formed of lattice-relaxed Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1),
The channel layer is made of Al u Ga 1-u N (0 ≦ u <x) having an Al composition ratio smaller than that of the buffer layer, Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1) having the same composition as the buffer layer. Or formed from InGaN,
The barrier layer is formed of Al y Ga 1-y N (x <y ≦ 1) having a higher Al composition ratio than the buffer layer,
A method of manufacturing a field effect transistor, wherein the cap layer is formed of Al z Ga 1-z N (0 ≦ z <y) having an Al composition ratio smaller than that of the barrier layer.
基板上に、バッファ層、チャネル層、障壁層、およびキャップ層を前記順序で積層させる半導体層積層工程と、
前記キャップ層上に、ゲート絶縁膜材料を形成するゲート絶縁膜材料形成工程と、
前記ゲート絶縁膜材料上に、ゲート電極材料を形成するゲート電極材料形成工程と、
前記ゲート電極材料の一部を除去してゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、
前記ゲート絶縁膜材料の一部を除去してゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜形成工程と、
前記キャップ層の一部を除去するキャップ層一部除去工程と、
前記障壁層上の、前記キャップ層が除去された領域上に、ソース電極およびドレイン電極を形成する、ソース電極およびドレイン電極形成工程とを含み、
前記半導体層積層工程において、前記バッファ層、前記チャネル層、前記障壁層、および前記キャップ層を、それぞれ、(0001)結晶軸に垂直なIII族原子面で成長させ、
前記バッファ層を、格子緩和されるように形成し、
前記障壁層を、引っ張り歪みを有するように形成し、
前記チャネル層および前記キャップ層がいずれも圧縮歪みを有するか、または、前記チャネル層が格子緩和され、かつ前記キャップ層が引っ張り歪みを有するように、前記チャネル層および前記キャップ層を形成することを特徴とする、電界効果トランジスタの製造方法。
A semiconductor layer laminating step of laminating a buffer layer, a channel layer, a barrier layer, and a cap layer in the above order on a substrate;
A gate insulating film material forming step of forming a gate insulating film material on the cap layer;
A gate electrode material forming step of forming a gate electrode material on the gate insulating film material;
Forming a gate electrode by removing a part of the gate electrode material; and
A gate insulating film forming step of forming a gate insulating film by removing a part of the gate insulating film material;
A cap layer partial removal step of removing a part of the cap layer;
Forming a source electrode and a drain electrode on the barrier layer on the region where the cap layer has been removed,
In the semiconductor layer stacking step, the buffer layer, the channel layer, the barrier layer, and the cap layer are each grown on a group III atomic plane perpendicular to the (0001) crystal axis,
Forming the buffer layer so as to be lattice-relaxed;
Forming the barrier layer to have tensile strain;
Forming the channel layer and the cap layer so that both the channel layer and the cap layer have compressive strain, or the channel layer is lattice-relaxed and the cap layer has tensile strain. A method for manufacturing a field effect transistor, which is characterized.
請求項1から22のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ、または請求項23もしくは24記載の製造方法により製造される電界効果トランジスタを含むことを特徴とする電子装置。   An electronic device comprising the field effect transistor according to any one of claims 1 to 22, or the field effect transistor manufactured by the manufacturing method according to claim 23 or 24.
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