JP2012054341A - Semiconductor substrate and semiconductor device - Google Patents

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Takashi Egawa
孝志 江川
Osamu Oda
小田  修
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a normally-off semiconductor device that has a high threshold voltage and a low leakage current.SOLUTION: The semiconductor device comprises a semiconductor element having a high electron mobility transistor (HEMT) structure including a ground layer (buffer layer) 3 of a III-nitride containing at least Al provided on a substrate 2, and a semiconductor group provided on the ground layer 3 and layered with a first semiconductor layer (channel layer) 4 of a III-nitride containing at least Al, preferably of GaN, and a second semiconductor layer (electron supply layer) 6 of a III-nitride containing at least Al, preferably of AlxGa1-xN where X≥0.2. The semiconductor device further comprises an insulating film 7 of a mixed crystal of Al2O3-SiO2 formed on the semiconductor element and a gate electrode 9 formed on the insulating film 7.

Description

本発明は、III族窒化物を用いた半導体基板およびそれを用いた半導体装置、具体的にはMIS(Metal-Insulater-Semiconductor:金属-絶縁体-半導体)またはMOS(Metal-Oxide-Semiconductor:金属-酸化物-半導体)型HEMT(High Electron Mobility Transistor:高電子移動度トランジスター)素子に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor substrate using group III nitride and a semiconductor device using the same, specifically, MIS (Metal-Insulater-Semiconductor) or MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) The present invention relates to a (oxide-semiconductor) type HEMT (High Electron Mobility Transistor) element.

GaNをはじめとするIII族窒化物半導体は、バンドギャップが大きく、破壊電界強度が高く、かつ高融点であることから、GaAs系材料に代わる、高出力、高周波、高温用の半導体デバイス材料として期待されており、そうした物性を活かすデバイスとして、HEMT素子などが研究、開発されている。例えば、サファイアやSiC等の基板上にいわゆるチャネル層としてGaNを形成し、さらにその上に、いわゆる電子供給層としてAlGaNやAlNを形成するヘテロ構造型のHEMT素子などが研究、開発されている。   III-nitride semiconductors such as GaN have high band gap, high breakdown electric field strength, and high melting point, so they are expected as high-power, high-frequency, and high-temperature semiconductor device materials to replace GaAs-based materials. As a device that makes use of such physical properties, HEMT elements and the like have been researched and developed. For example, a heterostructure type HEMT device in which GaN is formed as a so-called channel layer on a substrate such as sapphire or SiC, and further AlGaN or AlN is formed thereon as a so-called electron supply layer has been studied and developed.

上記のようなHEMT素子においては、チャネル層と電子供給層の(a軸の)格子定数差に起因して、表面から基板へと電界が生ずるピエゾ効果(圧電効果)ならびに自発分極効果により、チャネル層表面に2次元電子ガスを生成する。AlGaNにおいてAl濃度が高いほど、その格子定数差も大きくなるので、係るピエゾ効果ならびに自発分極効果も増大する。   In the HEMT device as described above, due to the difference in lattice constant (of the a axis) between the channel layer and the electron supply layer, a channel effect is generated due to a piezo effect (piezoelectric effect) and a spontaneous polarization effect that generate an electric field from the surface to the substrate. A two-dimensional electron gas is generated on the surface of the layer. In AlGaN, the higher the Al concentration, the larger the lattice constant difference, so that the piezo effect and the spontaneous polarization effect also increase.

このHEMT素子は、係るチャネル層表面において、高いキャリア濃度(シートキャリア濃度)を有するため、大電流のトランジスターとして鋭意研究開発がなされている。特に、III族窒化物半導体はシリコンよりもバンドギャップが大きいため、その耐圧が大きく、また高温動作が可能であるため、パワーMOSやIGBTなどのシリコンパワーデバイスに代わるパワーデバイスとして有望である。   Since this HEMT device has a high carrier concentration (sheet carrier concentration) on the surface of the channel layer, it has been intensively researched and developed as a high-current transistor. In particular, a group III nitride semiconductor has a larger band gap than silicon, has a high breakdown voltage, and can operate at a high temperature. Therefore, it is promising as a power device that can replace silicon power devices such as power MOS and IGBT.

しかし、このHEMT素子は高いキャリア濃度のために通常はノーマリオンデバイスとなる。すなわち、ゲートに電圧をかけていない状態でソースとドレインの間に電流が流れるタイプの素子しかできない。実際の応用においては、特にパワーデバイスなどでは安全上の観点から、ゲートに電圧をかけていない状態でソースとドレインの間に電流が流れないノーマリーオフデバイスが望まれている。  However, this HEMT device is normally a normally-on device due to its high carrier concentration. That is, only a device in which a current flows between the source and the drain without applying a voltage to the gate can be formed. In actual applications, a normally-off device is desired in which a current does not flow between the source and the drain when no voltage is applied to the gate, particularly in a power device or the like, from the viewpoint of safety.

実際、実用化されているシリコンのパワーデバイス、パワーMOSやIGBTはノーマリーオフデバイスである。このため、III族窒化物半導体においても、MIS(MOS)型HEMT素子のようなノーマリーオフデバイスの実現が望まれている。  In fact, silicon power devices, power MOSs, and IGBTs that are in practical use are normally off devices. For this reason, even in the group III nitride semiconductor, it is desired to realize a normally-off device such as a MIS (MOS) type HEMT device.

窒化物系MIS(MOS)型HEMT素子においても、ノーマリーオフデバイスを実現するために様々な試みがなされている。その主なものとしては、
(1)リセスゲート構造による方法(特許文献1、非特許文献1〜4参照)
(2)Alを含むIII族窒化物からなる半導体層のAl濃度を減らして、ピエゾ効果(圧電効果)、自発分極効果抑える方法
(3)フッ素イオンをAlを含むIII族窒化物からなる半導体層に注入して自発分極効果抑える方法(非特許文献5〜11参照)
(4)Alを含むIII族窒化物からなる第2の半導体層(電子供給層)の厚さを極力薄くする方法(特許文献2、非特許文献12〜15参照)
(5)基板に非極性、反極性の基板を用いて、その上に成長したAlを含むIII族窒化物からなる第2の半導体層(電子供給層)の自発分極を少なくする方法(非特許文献16、17参照)
(6)Alを含むIII族窒化物からなる第2の半導体層(電子供給層)の上にp型のIII族窒化物からなる層を成長させ、接合型のHEMTとする方法(特許文献3〜5、非特許文献18〜20参照)
(7)Alを含むIII族窒化物からなる第2の半導体層(電子供給層)の上に、それよりもバンドギャップが小さい半導体層を設けて第2の半導体層(電子供給層)の伝導帯を持ちあげる方法(非特許文献21参照)、などがある。
Various attempts have also been made to realize a normally-off device in a nitride-based MIS (MOS) type HEMT device. The main ones are:
(1) Method using a recess gate structure (see Patent Document 1, Non-Patent Documents 1 to 4)
(2) A method of suppressing the piezoelectric effect (piezoelectric effect) and the spontaneous polarization effect by reducing the Al concentration of a semiconductor layer made of group III nitride containing Al. (3) A semiconductor layer made of group III nitride containing fluorine ions for Al. To suppress the spontaneous polarization effect by injecting into a non-patent document 5-11
(4) Method for reducing the thickness of the second semiconductor layer (electron supply layer) made of Group III nitride containing Al as much as possible (see Patent Document 2 and Non-Patent Documents 12 to 15)
(5) A method of reducing the spontaneous polarization of the second semiconductor layer (electron supply layer) made of a group III nitride containing Al grown on a nonpolar or antipolar substrate as the substrate (non-patented) (Refer to References 16 and 17)
(6) Method of growing a layer made of p-type group III nitride on a second semiconductor layer (electron supply layer) made of group III nitride containing Al to form a junction type HEMT (Patent Document 3) -5, see non-patent documents 18-20)
(7) Conduction of the second semiconductor layer (electron supply layer) by providing a semiconductor layer having a smaller band gap on the second semiconductor layer (electron supply layer) made of Group III nitride containing Al. There is a method of lifting a belt (see Non-Patent Document 21).

しかし、いずれの方法においても、ノーマリーオフにはなるものの、大きいしきい値電圧は得られなかった。   However, although either method is normally off, a large threshold voltage cannot be obtained.

(8)一方、酸化物膜や絶縁物膜をAlを含むIII族窒化物からなる第2の半導体層(電子供給層)の上に堆積させたMIS(MOS)構造を用いる方法(特許文献6〜8、非特許文献22〜33参照)についても、それらの膜をスパッタリングやプラズマCVDやレーザーアブレーションや原子層エピタキシーなどで堆積させる、あるいは表面に形成した窒化物層をオゾンやプラズマラジカルで後から参加させるなど既に様々な方法が試みられているが、一般的にはしきい値電圧は小さく、また大きいしきい値電圧が得られても、界面準位が多く、正常に動作する半導体装置はできなかった。   (8) On the other hand, a method using a MIS (MOS) structure in which an oxide film or an insulator film is deposited on a second semiconductor layer (electron supply layer) made of a group III nitride containing Al (Patent Document 6) -8 and non-patent documents 22 to 33), these films are deposited by sputtering, plasma CVD, laser ablation, atomic layer epitaxy, or the like, or a nitride layer formed on the surface is later formed by ozone or plasma radicals. Various methods have already been tried, such as participation, but generally the threshold voltage is small, and even if a large threshold voltage is obtained, there are many interface states, and a semiconductor device that operates normally could not.

また、絶縁物膜として非晶質のAlOnNy膜を用いるという発明がなされている(特許文献9参照)が、非晶質を用いているため、界面準位が多く、正常に動作する半導体装置はできなかった。また、絶縁物膜として、AlN膜の上にAl2O3膜を積層させるという発明がなされているが (特許文献10参照)が、本発明のように混晶を用いないため、半導体層と絶縁物膜との物理化学的整合性は取れないので、本発明と全く異なる発明である。   Further, an invention has been made in which an amorphous AlOnNy film is used as an insulator film (see Patent Document 9). However, since an amorphous film is used, a semiconductor device having many interface states and operating normally is used. could not. Further, although an invention has been made in which an Al2O3 film is laminated on an AlN film as an insulator film (see Patent Document 10), since a mixed crystal is not used as in the present invention, a semiconductor layer and an insulator film are used. Therefore, the present invention is completely different from the present invention.

特開2008−198789号公報JP 2008-198789 A 特開2007−250950号公報JP 2007-250950 A 特開2007−66979号公報JP 2007-66979 A 特開2006−339561号公報JP 2006-339561 A 特開2007−19309号公報JP 2007-19309 A 特開2003−332356号公報JP 2003-332356 A 特開2006−210518号公報JP 2006-210518 A 特開2007−250950号公報JP 2007-250950 A 特開2005−183597号公報JP 2005-183597 A 特開2006−32552号公報JP 2006-32552 A

S. Maroldt et al., Jpn. J. Appl. Physics, 48(2009) 04C-83.S. Maroldt et al., Jpn. J. Appl. Physics, 48 (2009) 04C-83. M. Kuraguchi et al., phys. stat. sol. (a), 204(2007), 2010.M. Kuraguchi et al., Phys.stat.sol. (A), 204 (2007), 2010. T. Oka et al., IEEE Electron Device Lett., 29(2008), 668.T. Oka et al., IEEE Electron Device Lett., 29 (2008), 668. W. Saito et al., IEEE Trans. Electron Devices, 53(2006), 356.W. Saito et al., IEEE Trans. Electron Devices, 53 (2006), 356. W. Chen et al., Appl. Phys. Lett., 92(2008), 253501.W. Chen et al., Appl. Phys. Lett., 92 (2008), 253501. Y. Cai et al., IEEE Electron Device Lett., 26(2005), 435.Y. Cai et al., IEEE Electron Device Lett., 26 (2005), 435. Y. Cai et al., IEEE Trans. Electron Devices, 53(2006), 2207.Y. Cai et al., IEEE Trans. Electron Devices, 53 (2006), 2207. D. Song et al., IEEE Electron Device Lett., 28(2007), 189.D. Song et al., IEEE Electron Device Lett., 28 (2007), 189. T. Paiacios et al., IEEE Electron Device Lett., 27(2006), 428.T. Paiacios et al., IEEE Electron Device Lett., 27 (2006), 428. C.S. Suh et al., IEEE IDEM Tech. Digest, #35.3(2006).C.S.Suh et al., IEEE IDEM Tech. Digest, # 35.3 (2006). A. Basu et al., Int. Conf. Compound Semiconductor MANTECH Tech Digest (2008), pp. 253.A. Basu et al., Int. Conf. Compound Semiconductor MANTECH Tech Digest (2008), pp. 253. T.J. Anderson et al., IEEE Electron Device Lett., 30(2009), 1251.T.J.Anderson et al., IEEE Electron Device Lett., 30 (2009), 1251. C. Ostermaier et al., IEEE Electron Device Lett., 30(2009), 1030.C. Ostermaier et al., IEEE Electron Device Lett., 30 (2009), 1030. Y. Ohmaki et al., Jpn. J. Appl. Phys., 45(2006), L1168.Y. Ohmaki et al., Jpn. J. Appl. Phys., 45 (2006), L1168. A. Endoh et al., Jpn. J. Appl. Phys., 43(2004), 2255.A. Endoh et al., Jpn. J. Appl. Phys., 43 (2004), 2255. T. Fujiwara et al., Appl. Phys. Express, 2(2009), 011001.T. Fujiwara et al., Appl. Phys. Express, 2 (2009), 011001. M. Kuroda et al. , J. Appl. Phys., 102(2007), 093703.M. Kuroda et al., J. Appl. Phys., 102 (2007), 093703. T. Fujii et al., 46(2007), 115.T. Fujii et al., 46 (2007), 115. Y. Uemoto et al., IEDM09 (2009), 165.Y. Uemoto et al., IEDM09 (2009), 165. Y. Uemoto et al., IEEE Trans. Electron Devices, 54(2007), 3393.Y. Uemoto et al., IEEE Trans. Electron Devices, 54 (2007), 3393. T. Mizutani et al., IEEE Electron Device Lett., 28(2007), 549.T. Mizutani et al., IEEE Electron Device Lett., 28 (2007), 549. Y. Niiyama et al, 47(2008), 5409, 7128.Y. Niiyama et al, 47 (2008), 5409, 7128. M. Tajima et al, Jpn. J. Appl. Phys., 48(2009) 020203.M. Tajima et al, Jpn. J. Appl. Phys., 48 (2009) 020203. C.F. Lo et al., J. Vac. Sci. Technol. B, 8(2010), 52.C.F.Lo et al., J. Vac. Sci. Technol. B, 8 (2010), 52. S. Sugiura et al., Solid State Electronics, 54(2010)79.S. Sugiura et al., Solid State Electronics, 54 (2010) 79. M. Kuroda et al. IEEE Trans. Electron Devices, 57(2010) 368.M. Kuroda et al. IEEE Trans. Electron Devices, 57 (2010) 368. H. Kambayashi et al., IEEE Electron Device Lett., 28(2007), 1077.H. Kambayashi et al., IEEE Electron Device Lett., 28 (2007), 1077. K. Matocha et al., IEEE Electron Device Lett., 52(2005), 6.K. Matocha et al., IEEE Electron Device Lett., 52 (2005), 6. S.C. Binari et al., Proc. Electrochem. Soc., Vol.95-21. pp.136.S.C.Binari et al., Proc. Electrochem. Soc., Vol.95-21.pp.136. R. Therrien et al., Microchem. Eng., 48(1999), 303.R. Therrien et al., Microchem. Eng., 48 (1999), 303. F. Ren et al., Solid-State Electron. 43(1999), 1817.F. Ren et al., Solid-State Electron. 43 (1999), 1817. P. Chen et al., Proc. Mater. Res. Soc., 622(2000), T.2.9.1.P. Chen et al., Proc. Mater. Res. Soc., 622 (2000), T.2.9.1. K.-W. Lee et al., Electron Lett., 38(2002), 829.K.-W. Lee et al., Electron Lett., 38 (2002), 829.

本発明は上記点に鑑みてなされたものであり、絶縁物膜としてAl2O3−SiO2の混晶を用い、しきい値電圧を高くするとともに、界面準位を少なくし、ノーマリーオフでかつ正常に動作する半導体素子を得ることができるようにすることを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and uses an Al2O3-SiO2 mixed crystal as an insulating film, increases the threshold voltage, reduces the interface state, and is normally off and normally. It is an object of the present invention to obtain a semiconductor element that operates.

上記の(1)から(7)に記載されたノーマリーオフデバイスの方法は原理的に高いしきい値電圧は得られない。一方、(8)で述べたMOS型ないしはMIS型構造は高いしきい値電圧ノーマリーオフデバイスが可能であるが、実際には多くの研究にも係らず、実際に実用に供することができる高いしきい値電圧のノーマリーオフデバイスは実現されていない。本発明者らは、その理由について鋭意検討した結果以下の結論に達した。   In principle, the normally-off device method described in (1) to (7) above cannot provide a high threshold voltage. On the other hand, the MOS type or MIS type structure described in (8) is capable of a high threshold voltage normally-off device, but in reality, it can be practically used regardless of many studies. A normally-off device with a threshold voltage has not been realized. As a result of diligent investigation on the reason, the present inventors have reached the following conclusion.

従来のMOS型ないしはMIS型構造では絶縁層として、その下の半導体層と物理化学的に整合せず、界面の準位が多いため、MOS型ないしはMIS型のデバイスの動作をすることができなかった。本発明者らはこれまでの絶縁層と異なり、絶縁層の下の半導体層と物理化学的に整合し、かつ不必要な界面準位が少なくなる絶縁層材料としてAl2O3−SiO2の混晶からなる絶縁膜材料に注目した。   In the conventional MOS type or MIS type structure, the MOS layer or MIS type device cannot be operated because the insulating layer does not physically match the underlying semiconductor layer and has many interface levels. It was. The present inventors, unlike conventional insulating layers, consist of a mixed crystal of Al2O3-SiO2 as an insulating layer material that is physicochemically matched with the semiconductor layer under the insulating layer and reduces unnecessary interface states. We focused on insulating film materials.

本発明は上記検討を基になされたもので、請求項1に記載の発明では、基板と、前記基板の上に形成されたバッファー層としての下地層と、前記下地層の上に形成された半導体層群と、を備える半導体基板であって、前記半導体層群は、III族窒化物からなる単一層ないしは多重層で構成されるチャネル層としての第1の半導体層と、前記第1の半導体層よりバンドギャップが大きいIII族窒化物からなる単一層ないしは多重層で構成される電子供給層としての第2の半導体層と、がこの順に前記下地層の側から積層されてなり、前記半導体層群の上にAl2O3−SiO2の混晶からなる絶縁膜が形成されていることを特徴とする。   The present invention has been made on the basis of the above investigation. In the invention according to claim 1, the substrate, the underlayer as a buffer layer formed on the substrate, and the base layer are formed. A semiconductor substrate comprising a semiconductor layer group, wherein the semiconductor layer group includes a first semiconductor layer as a channel layer formed of a single layer or multiple layers made of a group III nitride, and the first semiconductor A second semiconductor layer as an electron supply layer composed of a single layer or multiple layers made of a group III nitride having a larger band gap than the layer, and is laminated in this order from the base layer side, and the semiconductor layer An insulating film made of a mixed crystal of Al2O3-SiO2 is formed on the group.

請求項2に記載の発明では、請求項1に記載の半導体基板において、前記第1の半導体層を流れる電流を大きくするために、前記第2の半導体層を構成する単一層ないしは多重層に不純物が添加されていることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor substrate according to the first aspect, in order to increase a current flowing through the first semiconductor layer, an impurity is contained in a single layer or multiple layers constituting the second semiconductor layer. Is added.

請求項3に記載の発明では、請求項1又は2に記載の半導体基板において、前記半導体層群は、前記第2の半導体層と前記Al2O3−SiO2の混晶からなる絶縁膜との間に、伝導体の位置を制御するためにIII族窒化物からなる単一層ないしは多重層で構成される伝導帯端調整層としての第3の半導体層を有していることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor substrate according to the first or second aspect, the semiconductor layer group is between the second semiconductor layer and the insulating film made of the mixed crystal of Al2O3-SiO2. In order to control the position of the conductor, it has a third semiconductor layer as a conduction band edge adjusting layer composed of a single layer or multiple layers made of group III nitride.

請求項4に記載の発明では、請求項1乃至3のいずれか1つに記載の半導体基板にソース電極、ゲート電極が形成され、前記Al2O3−SiO2の混晶からなる絶縁膜の上にゲート電極が形成されている半導体装置を特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, a source electrode and a gate electrode are formed on the semiconductor substrate according to any one of the first to third aspects, and the gate electrode is formed on the insulating film made of the mixed crystal of Al2O3-SiO2. A semiconductor device in which is formed.

半導体積層構造を用いて形成されたMOS型HEMT素子の構成を示す概要図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the MOS type HEMT element formed using the semiconductor laminated structure. 変形例に係るMOS型HEMT素子の構成を示す概要図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the MOS type HEMT element which concerns on a modification. 変形例に係るMOS型HEMT素子の構成を示す概要図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the MOS type HEMT element which concerns on a modification.

図1は、本実施の形態に係る半導体積層構造1を用いて形成されたMOS型HEMT素子の構成を示す概念図である。なお、図示の都合上、図1における各層の厚みの比率は、実際の比率を反映したものとはなっていない。   FIG. 1 is a conceptual diagram showing a configuration of a MOS type HEMT element formed using the semiconductor multilayer structure 1 according to the present embodiment. For convenience of illustration, the ratio of the thickness of each layer in FIG. 1 does not reflect the actual ratio.

半導体積層構造1は、所定の基板2の上に、下地層(バッファー層)3と、第1の半導体層(チャネル層)4と、第2の半導体層(電子供給層)6とを備える。以下、第1の半導体層(チャネル層)4と、第2の半導体層(電子供給層)6とを総じて、単に半導体層もしくは半導体層群と称することがある。また、以下に示すように半導体積層構造1は基板2の上にこれら半導体層群をエピタキシャル成長させることで形成され、基板と同様の態様でその後の素子形成に供されることから、半導体積層構造1のことをエピタキシャル基板とも称する場合がある。   The semiconductor multilayer structure 1 includes a base layer (buffer layer) 3, a first semiconductor layer (channel layer) 4, and a second semiconductor layer (electron supply layer) 6 on a predetermined substrate 2. Hereinafter, the first semiconductor layer (channel layer) 4 and the second semiconductor layer (electron supply layer) 6 may be simply referred to as a semiconductor layer or a semiconductor layer group. Further, as shown below, the semiconductor multilayer structure 1 is formed by epitaxially growing these semiconductor layer groups on the substrate 2 and is used for subsequent element formation in the same manner as the substrate. This is sometimes referred to as an epitaxial substrate.

また、MOS型HEMT素子は、係る半導体積層構造1に、ソース電極8、ゲート電極9、ドレイン電極10を形成してなる。   The MOS HEMT device is formed by forming a source electrode 8, a gate electrode 9, and a drain electrode 10 on the semiconductor multilayer structure 1.

また、基板2は、その上に形成する下地層(バッファー層)3や半導体層の組成や構造、あるいは各層の形成手法に応じて適宜に選択される。例えば、基板2としては、サファイア、炭化ケイ素、シリコン、ゲルマニウム、酸化物(ZnO、LiAlO2,LiGaO2,MgAl2O4,(LaSr)(AlTa)O3,NdGaO3,MgOなど)、Si-Ge合金、III―V族化合物(GaAs,AlN,GaN,AlGaN、AlInN)、ホウ化物(ZrB2など)、などを用いることができる。基板2の厚みには特段の材質上の制限はないが、取り扱いの便宜上、数百μm〜数mmの厚みのものが好適である。   The substrate 2 is appropriately selected according to the composition and structure of the underlying layer (buffer layer) 3 and the semiconductor layer formed thereon and the formation method of each layer. For example, as the substrate 2, sapphire, silicon carbide, silicon, germanium, oxide (ZnO, LiAlO2, LiGaO2, MgAl2O4, (LaSr) (AlTa) O3, NdGaO3, MgO, etc.), Si-Ge alloy, III-V group Compounds (GaAs, AlN, GaN, AlGaN, AlInN), borides (such as ZrB2), and the like can be used. There is no particular limitation on the thickness of the substrate 2, but a thickness of several hundred μm to several mm is preferable for convenience of handling.

また、下地層(バッファー層)3は、その上に形成する半導体層の組成や構造、あるいは各層の形成手法に応じて、様々なIII族窒化物からなる単一層ないしは多重層から形成される。下地層(バッファー層)3は0.5μm以上から5μm以下の厚みに形成されるのが好ましく、歪や転位密度ができるだけ少ない構造とするのが望ましい。   The underlayer (buffer layer) 3 is formed from a single layer or multiple layers made of various Group III nitrides depending on the composition and structure of the semiconductor layer formed thereon or the formation method of each layer. The underlayer (buffer layer) 3 is preferably formed to a thickness of 0.5 μm or more and 5 μm or less, and preferably has a structure with as little strain and dislocation density as possible.

また、このような、下地層(バッファー層)3は、例えばMOCVD法やMBE法などの公知の成膜手法にて形成することができる。成膜条件を適宜に調整することにより、転位密度が1×1011/cm2以下であるように、好ましくは、5×1010/cm2以下であるように、より好ましくは、1×1010/cm2以下であるように形成されてなる。   In addition, such an underlayer (buffer layer) 3 can be formed by a known film formation method such as MOCVD method or MBE method. By appropriately adjusting the film forming conditions, the dislocation density is 1 × 10 11 / cm 2 or less, preferably 5 × 10 10 / cm 2 or less, more preferably 1 × 10 10 / cm 2 or less. It is formed as it is.

第1の半導体層(チャネル層)4は、好ましくは高抵抗のIII族窒化物にて形成される。より好ましくは、抵抗を低減する要因となる不純物を含まない、GaN(i−GaN)にて形成される。図1においては、第1の半導体層(チャネル層)4をi−GaNにて形成した場合を例示している。第1の半導体層(チャネル層)4も、例えばMOCVD法やMBE法などの公知の成膜手法にて形成される。上記のような高い結晶性を有する下地層(バッファー層)3の上に形成されてなることにより、第1の半導体層(チャネル層)4も良好な結晶品質を有してなる。   The first semiconductor layer (channel layer) 4 is preferably formed of a high-resistance group III nitride. More preferably, it is formed of GaN (i-GaN) that does not contain impurities that cause a reduction in resistance. FIG. 1 illustrates the case where the first semiconductor layer (channel layer) 4 is formed of i-GaN. The first semiconductor layer (channel layer) 4 is also formed by a known film formation method such as MOCVD method or MBE method. By being formed on the base layer (buffer layer) 3 having high crystallinity as described above, the first semiconductor layer (channel layer) 4 also has good crystal quality.

なお、第1の半導体層(チャネル層)4の上面近傍には、第2の半導体層(電子供給層)6からキャリアとなる電子が供給されることにより、高濃度の2次元電子ガスが生成する2次元電子ガス領域5が形成されることになる。そのため、第1の半導体層(チャネル層)4は、この2次元電子ガス領域5を確保するだけの厚みが必要であるが、一方で、あまりに厚みが大きすぎるとクラックが発生しやすくなることから、数μm程度の厚みに形成されるのが好適である。   In addition, near the upper surface of the first semiconductor layer (channel layer) 4, electrons serving as carriers are supplied from the second semiconductor layer (electron supply layer) 6, thereby generating a high-concentration two-dimensional electron gas. A two-dimensional electron gas region 5 is formed. For this reason, the first semiconductor layer (channel layer) 4 needs to be thick enough to secure the two-dimensional electron gas region 5, but if the thickness is too large, cracks are likely to occur. The thickness is preferably about several μm.

第2の半導体層(電子供給層)6は、少なくともAlを含むIII族窒化物にて形成されてなる。好ましくは、AlxGa1−xNなる組成を有するIII族窒化物にて、第2の半導体層(電子供給層)6のバンドギャップが第1の半導体層(チャネル層)4のバンドギャップよりも大きくなるように形成される。第2の半導体層(電子供給層)6は、全体として、5nm〜60nmの厚みに形成されるのが、2次元電子ガス領域5の形成の点ならびにデバイス動作の点(すなわちゲート電圧印加に対する主電流の制御性という点)からは好ましい。   The second semiconductor layer (electron supply layer) 6 is formed of a group III nitride containing at least Al. Preferably, in the group III nitride having a composition of AlxGa1-xN, the band gap of the second semiconductor layer (electron supply layer) 6 is larger than the band gap of the first semiconductor layer (channel layer) 4. Formed. The second semiconductor layer (electron supply layer) 6 is formed to have a thickness of 5 nm to 60 nm as a whole. The second semiconductor layer (electron supply layer) 6 has a point of forming the two-dimensional electron gas region 5 and a point of device operation (that is, main gate voltage application). This is preferable from the viewpoint of current controllability.

第2の半導体層(電子供給層)6は、例えばMOCVD法やMBE法などの公知の成膜手法にて形成される。第2の半導体層(電子供給層)6をxの値が大きいIII族窒化物、つまりは、Al過剰なIII族窒化物にて形成するほど、ピエゾ効果は増し、2次元電子ガス領域5におけるシートキャリア濃度は向上する。好ましくは、第2の半導体層(電子供給層)6はx≧0.2をみたす範囲のIII族窒化物にて形成される。ただし、xが大きい場合は、クラックが生じやすくなるため、クラックが生じない成長条件を選択することが必要である。また、2次元電子ガス領域5と第2の半導体層(電子供給層)6の間に第2の半導体層(電子供給層)6よりもバンドギャップが大きい半導体層を生成させて2次元電子ガス領域5の電子の移動度を高めることもできる。   The second semiconductor layer (electron supply layer) 6 is formed by a known film forming method such as MOCVD method or MBE method. The piezo effect increases as the second semiconductor layer (electron supply layer) 6 is formed of a group III nitride having a large value of x, that is, an Al-rich group III nitride. The sheet carrier concentration is improved. Preferably, the second semiconductor layer (electron supply layer) 6 is formed of a group III nitride in a range satisfying x ≧ 0.2. However, if x is large, cracks are likely to occur, so it is necessary to select growth conditions that do not cause cracks. Further, a two-dimensional electron gas is generated by generating a semiconductor layer having a band gap larger than that of the second semiconductor layer (electron supply layer) 6 between the two-dimensional electron gas region 5 and the second semiconductor layer (electron supply layer) 6. The mobility of electrons in the region 5 can also be increased.

第2の半導体層(電子供給層)6の表面に形成させるAl2O3−SiO2の混晶からなる絶縁膜7は、スパッタリング、プラズマCVD、蒸着法、レーザーアブレーション、ALE(原子層エピタキシー)、ALD(原子層堆積法)、MOCVD(有機金属気相成長法)、MBE(分子線エピタキシー)、などの様々な薄膜成長法を用いることが可能である。Al2O3−SiO2混晶の組成比については、第2半導体層6の表面と物理化学的に整合するように組成比を決定する。具体的には、格子定数、熱膨張率、界面準位密度などの観点からその組成を決定する。   The insulating film 7 made of a mixed crystal of Al2O3-SiO2 formed on the surface of the second semiconductor layer (electron supply layer) 6 is formed by sputtering, plasma CVD, vapor deposition, laser ablation, ALE (atomic layer epitaxy), ALD (atomic atoms). Various thin film growth methods such as layer deposition method, MOCVD (metal organic vapor phase epitaxy), MBE (molecular beam epitaxy), etc. can be used. As for the composition ratio of the Al 2 O 3 —SiO 2 mixed crystal, the composition ratio is determined so as to physicochemically match the surface of the second semiconductor layer 6. Specifically, the composition is determined from the viewpoint of lattice constant, coefficient of thermal expansion, interface state density, and the like.

また、上記のような様々な薄膜成長法により、第2の半導体層(電子供給層)6の表面にAl2O3−SiO2の混晶からなる絶縁膜7を形成させる際に、Alを酸化する目的で、薄膜成長装置に水素ガスを流す配管の途中に水を加熱ないしは冷却して水蒸気圧力を制御する装置を設置し、もって水素ガス中の水蒸気圧を制御することによって、水素ガス中の酸素分圧を精密制御すると、より効果的に第2の半導体層(電子供給層)6の表面と物理化学的に整合する高品質のAl2O3−SiO2の混晶からなる絶縁膜7が形成できる。   For the purpose of oxidizing Al when the insulating film 7 made of a mixed crystal of Al 2 O 3 —SiO 2 is formed on the surface of the second semiconductor layer (electron supply layer) 6 by various thin film growth methods as described above. An oxygen partial pressure in the hydrogen gas is installed by controlling the water vapor pressure in the hydrogen gas by installing a device for controlling the water vapor pressure by heating or cooling water in the middle of the pipe for flowing hydrogen gas to the thin film growth apparatus. If the control is precisely controlled, an insulating film 7 made of a mixed crystal of high-quality Al2O3-SiO2 that is more effectively physicochemically matched with the surface of the second semiconductor layer (electron supply layer) 6 can be formed.

ソース電極8およびドレイン電極10は、第2の半導体層(電子供給層)6の表面に、例えば、Ti/Au/Ni/Auにてオーミック接合により形成される。ソース電極8およびドレイン電極10の形成に際しては、第2の半導体層(電子供給層)6の表面の電極形成箇所に、所定のコンタクト処理がなされた上で行われてもよい。また、ゲート電極9は、Al2O3−SiO2の混晶からなる絶縁膜7の表面に、例えば、Pd/Ti/Auにてショットキー接合により形成される。   The source electrode 8 and the drain electrode 10 are formed on the surface of the second semiconductor layer (electron supply layer) 6 by, for example, ohmic contact with Ti / Au / Ni / Au. The source electrode 8 and the drain electrode 10 may be formed after a predetermined contact process is performed on the electrode forming portion on the surface of the second semiconductor layer (electron supply layer) 6. The gate electrode 9 is formed on the surface of the insulating film 7 made of a mixed crystal of Al2O3-SiO2 by, for example, Schottky junction with Pd / Ti / Au.

このような構成を有するMOS型HEMT素子において、第1の半導体層(チャネル層)4と第2の半導体層(電子供給層)6との格子定数差に起因して、表面から基板へと電界が生ずるピエゾ効果ならびに自発分極効果により、第1の半導体層(チャネル層)4の表面に2次元電子ガス層5が生成することになる。   In the MOS HEMT device having such a configuration, an electric field is generated from the surface to the substrate due to the lattice constant difference between the first semiconductor layer (channel layer) 4 and the second semiconductor layer (electron supply layer) 6. The two-dimensional electron gas layer 5 is generated on the surface of the first semiconductor layer (channel layer) 4 by the piezoelectric effect and the spontaneous polarization effect.

通常はこの二次元電子ガス領域によるシートキャリア濃度が大きいため、ノーマリオンのMOS型HEMT素子が作られる。このようなMOS型HEMT素子をノーマリオンにするためには、この二次元電子ガス領域におけるシートキャリア濃度を減少させるために、既に述べたように、(1)リセスゲート構造による方法、(2)Alを含むIII族窒化物からなる半導体層のAl濃度を減らして、ピエゾ効果(圧電効果)、自発分極効果抑える方法、(3)フッ素イオンをAlを含むIII族窒化物からなる半導体層に注入して自発分極効果抑える方法、(4)Alを含むIII族窒化物からなる第2の半導体層(電子供給層)6の厚さを極力薄くする方法、(5)基板に非極性、反極性の基板を用いて、その上に成長したAlを含むIII族窒化物からなる第2の半導体層(電子供給層)6の自発分極を少なくする方法、などが試みられてきたが、いずれの方法も2次元電子ガス層によるシートキャリア濃度を減少してしまうため、大電流が流せるというMOS型HEMT素子の特徴が抑制されてしまう上、仮にノーマリーオフができても、しきい値電圧が小さい、という欠点を有している。   Normally, since the sheet carrier concentration by this two-dimensional electron gas region is large, a normally-on MOS type HEMT device is produced. In order to make such a MOS type HEMT device normally-on, in order to reduce the sheet carrier concentration in the two-dimensional electron gas region, as described above, (1) a method using a recessed gate structure, (2) Al A method of suppressing the piezoelectric effect (piezoelectric effect) and the spontaneous polarization effect by reducing the Al concentration of the semiconductor layer made of group III nitride containing silicon, and (3) injecting fluorine ions into the semiconductor layer made of group III nitride containing Al. (4) a method of reducing the thickness of the second semiconductor layer (electron supply layer) 6 made of a group III nitride containing Al as much as possible, and (5) nonpolar and antipolarity on the substrate. A method of reducing the spontaneous polarization of the second semiconductor layer (electron supply layer) 6 made of a group III nitride containing Al grown on the substrate has been tried. 2D electronic gas Since the sheet carrier concentration by the layer is reduced, the feature of the MOS type HEMT device that allows a large current to flow is suppressed, and the threshold voltage is small even if normally-off is possible. is doing.

また、大電流が流せるというMOS型HEMT素子の特徴を活かしして、かつしきい値電圧を大きくするために、(6)Alを含むIII族窒化物からなる第2の半導体層(電子供給層)6の上にp型のIII族窒化物からなる層を成長させ、接合型のHEMTとする方法、(7)Alを含むIII族窒化物からなる第2の半導体層(電子供給層)6の上に、それよりもバンドギャップが小さい半導体層を設けて第2の半導体層(電子供給層)6の伝導帯を持ちあげる方法、も試みられてきたが、しきい値電圧が十分大きくなく、ゲートのリーク電流も大きい、という欠点を有している。   Further, in order to take advantage of the characteristics of the MOS type HEMT device that allows a large current to flow and to increase the threshold voltage, (6) a second semiconductor layer made of a group III nitride containing Al (electron supply layer) ) A method of growing a layer made of p-type group III nitride on 6 to form a junction type HEMT, (7) Second semiconductor layer (electron supply layer) 6 made of group III nitride containing Al On the other hand, a method of raising the conduction band of the second semiconductor layer (electron supply layer) 6 by providing a semiconductor layer having a band gap smaller than that has been tried, but the threshold voltage is not sufficiently high. Further, there is a disadvantage that the leakage current of the gate is large.

これに対して、(8)酸化物膜や絶縁物膜をAlを含むIII族窒化物からなる第2の半導体層(電子供給層)6の上に堆積させたMIS(MOS)構造を用いる方法は、シリコンのMOSデバイスに類似した方法であり、最も有望ではあるが、これまで試みられてきたMIS(MOS)構造の絶縁膜7は、Si3N4、SiO2、SiO2、Gd2O3、ポリシリコンなどであり、しきい値電圧が大きくても界面準位密度が大きく、良好な半導体装置は製造できなかった。   In contrast, (8) a method using a MIS (MOS) structure in which an oxide film or an insulator film is deposited on a second semiconductor layer (electron supply layer) 6 made of a group III nitride containing Al. Is a method similar to a silicon MOS device, and most promising, but the MIS (MOS) structure insulating film 7 that has been tried so far is Si3N4, SiO2, SiO2, Gd2O3, polysilicon, etc. Even if the threshold voltage was large, the interface state density was large, and a good semiconductor device could not be manufactured.

また、本実施の形態に係るMOS型HEMT素子では、Al2O3−SiO2の混晶からなる絶縁膜7を用いているため、半導体積層構造1の表面と物理化学的に整合する膜が形成されているため、しきい値電圧も高く、リーク電流も小さいMOS型HEMT素子が実現されており、係る半導体装置は、従来開示された技術から容易に想到される値を遙かに上回るものである。本実施の形態においては、第2の半導体層(電子供給層)6の表面に形成させるAl2O3−SiO2の混晶からなる絶縁膜7が、第2の半導体層(電子供給層)6と物理化学的に整合するように組成を制御でき、そのため電気的に活性な界面準位が少なくなることで、大きいしきい値電圧で動作可能なノーマリーオフ素子が実現できたと推察される。   Further, since the MOS type HEMT device according to the present embodiment uses the insulating film 7 made of a mixed crystal of Al 2 O 3 —SiO 2, a film that is physicochemically matched with the surface of the semiconductor multilayer structure 1 is formed. Therefore, a MOS type HEMT element having a high threshold voltage and a small leakage current has been realized, and such a semiconductor device far exceeds the value easily conceived from the conventionally disclosed technology. In the present embodiment, the insulating film 7 made of a mixed crystal of Al 2 O 3 —SiO 2 formed on the surface of the second semiconductor layer (electron supply layer) 6 is combined with the second semiconductor layer (electron supply layer) 6 and physical chemistry. It can be inferred that a normally-off element that can operate at a large threshold voltage could be realized by reducing the electrically active interface state because the composition can be controlled so as to match.

以上、説明したように、本実施の形態に係るMOS型HEMT素子においては、基板2の上にIII族窒化物からなる下地層(バッファー層)3を設けた上で、III族窒化物、好ましくはGaNからなる第1半導体層4と、少なくともAlを含むIII族窒化物、好ましくはAlxGa1−xNであってx≧0.2である第2の半導体層(電子供給層)6が積層されてなる半導体層群を形成し、その上にAl2O3−SiO2の混晶からなる絶縁膜7をできるだけ物理化学的に整合するよう形成することにより、第2の半導体層(電子供給層)4とAl2O3−SiO2の混晶からなる絶縁膜7の間に電気的に活性な界面準位を少なくすることにより、大きいしきい値電圧(少なくとも+1V以上、好ましくは+3V以上)で動作可能なノーマリーオフ素子が実現されている。   As described above, in the MOS type HEMT device according to the present embodiment, a group III nitride, preferably a base layer (buffer layer) 3 made of a group III nitride is provided on a substrate 2. And a first semiconductor layer 4 made of GaN and a group III nitride containing at least Al, preferably AlxGa1-xN, and a second semiconductor layer (electron supply layer) 6 where x ≧ 0.2. And a second semiconductor layer (electron supply layer) 4 and an Al2O3- layer by forming an insulating film 7 made of a mixed crystal of Al2O3-SiO2 on the semiconductor layer group so as to match the physicochemical as much as possible. A normally-off element that can operate at a large threshold voltage (at least +1 V or more, preferably +3 V or more) by reducing the electrically active interface state between the insulating films 7 made of a mixed crystal of SiO 2. There has been realized.

<変形例>
MOS型HEMT素子の構造は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、種々の構造をとることが可能である。図2、図3は、本実施の形態に係る半導体積層構造1を用いて作製される、上記とは異なる構造のMOS型HEMT素子の例について示す図である。
<Modification>
The structure of the MOS type HEMT element is not limited to the above-described embodiment, and various structures can be adopted. 2 and 3 are diagrams showing an example of a MOS type HEMT device having a structure different from the above, which is manufactured by using the semiconductor multilayer structure 1 according to the present embodiment.

図2は、第2の半導体層(電子供給層)6を構成する単一層ないしは多重層のどれか一つ以上に不純物を添加することにより、2次元電子ガス領域5におけるシートキャリア濃度を大きくできるため、より電流が流れるMOS型HEMT素子ができる。また、自発分極やピエゾ分極に頼らず、不純物濃度により2次元電子ガス領域5におけるシートキャリア濃度を大きくできるので、第2の半導体層(電子供給層)6の厚さが薄くても、電流が流れるMOS型HEMT素子ができる。この際、第2の半導体層(電子供給層)6を薄くすることができるため、より容易にノーマリーオフのMOS型HEMT素子ができるため、より大きいしきい値電圧のMOS型HEMT素子ができる。添加する不純物としては、n型のドーパントとしてSiをドープしても良いし、また、Siに代わる他の元素が、第2の半導体層(電子供給層)を構成する単一層ないしは多重層のどれか一つ以上ドープされる態様であってもよい。   In FIG. 2, the sheet carrier concentration in the two-dimensional electron gas region 5 can be increased by adding an impurity to one or more of the single layer or multiple layers constituting the second semiconductor layer (electron supply layer) 6. Therefore, a MOS type HEMT device in which more current flows can be obtained. In addition, since the sheet carrier concentration in the two-dimensional electron gas region 5 can be increased by the impurity concentration without depending on spontaneous polarization or piezo polarization, even if the thickness of the second semiconductor layer (electron supply layer) 6 is thin, the current can be supplied. A flowing MOS type HEMT device is formed. At this time, since the second semiconductor layer (electron supply layer) 6 can be made thinner, a normally-off MOS type HEMT device can be more easily formed, so that a MOS type HEMT device having a larger threshold voltage can be obtained. . As an impurity to be added, Si may be doped as an n-type dopant, and other elements in place of Si may be either a single layer or multiple layers constituting the second semiconductor layer (electron supply layer). One or more doped embodiments may be used.

図3は、第2の半導体層(電子供給層)6の上に、第2の半導体層(電子供給層)6とAl2O3−SiO2の混晶からなる絶縁膜7の間に、伝導体の位置を制御するためにIII族窒化物からなる単一層ないしは多重層で構成される第3の半導体層(伝導帯端調整層)11を有するMOS型HEMT構造を示している。第3の半導体層(伝導帯端調整層)11は、バンドギャップが大きいため、第2の半導体層(電子供給層)6の伝導帯端の高さを調整する機能を有し、このためノーマリーオフのしきい値電圧を大きくすることができる。   FIG. 3 shows the position of the conductor on the second semiconductor layer (electron supply layer) 6 and between the second semiconductor layer (electron supply layer) 6 and the insulating film 7 made of a mixed crystal of Al 2 O 3 —SiO 2. 2 shows a MOS type HEMT structure having a third semiconductor layer (conduction band edge adjusting layer) 11 composed of a single layer or multiple layers made of group III nitride. Since the third semiconductor layer (conduction band edge adjusting layer) 11 has a large band gap, it has a function of adjusting the height of the conduction band edge of the second semiconductor layer (electron supply layer) 6. The threshold voltage of marily off can be increased.

この図3に示す構造においても、絶縁膜7としてAl2O3とSiO2からなる混晶結晶を用い、絶縁膜7の下の半導体層(この例では第3の半導体層11)と物理化学的に整合させることにより、上述した実施の形態と同様、大きいしきい値電圧で動作可能なノーマリーオフ素子を実現することができる。   Also in the structure shown in FIG. 3, a mixed crystal made of Al 2 O 3 and SiO 2 is used as the insulating film 7 and is physicochemically matched with the semiconductor layer under the insulating film 7 (the third semiconductor layer 11 in this example). Thus, a normally-off element that can operate with a large threshold voltage can be realized as in the above-described embodiment.

また、ソース電極とドレイン電極の下の半導体層は、第2の半導体層(電子供給層)6であっても、第3の半導体層(伝導帯端調整層)11であっても、その一部を例えば反応性イオンエッチング(RIE)にてエッチングして、その一部分を露出させたうえで、ソース電極8およびドレイン電極10を形成した構成になっていてもよい。   Further, the semiconductor layer under the source electrode and the drain electrode may be either the second semiconductor layer (electron supply layer) 6 or the third semiconductor layer (conduction band edge adjusting layer) 11. For example, the portion may be etched by reactive ion etching (RIE) to expose a part of the portion, and the source electrode 8 and the drain electrode 10 may be formed.

また、ソース電極とドレイン電極の下の半導体層は、第2の半導体層(電子供給層)6であっても、第3の半導体層(伝導帯端調整層)11であっても、その一部を例えば反応性イオンエッチング(RIE)にてエッチングして、その一部分を露出させたうえで、コンタクト層としてSiをドープしたGaNを選択再成長によって設け、ソース電極とドレイン電極をその上部に形成した構成になっていてもよい。   Further, the semiconductor layer under the source electrode and the drain electrode may be either the second semiconductor layer (electron supply layer) 6 or the third semiconductor layer (conduction band edge adjusting layer) 11. The part is etched by, for example, reactive ion etching (RIE), and a part thereof is exposed. Then, Si doped GaN is provided as a contact layer by selective regrowth, and a source electrode and a drain electrode are formed thereon. It may be configured as described above.

また、ソース電極とドレイン電極の下の半導体層は、第2の半導体層(電子供給層)6であっても、第3の半導体層(伝導帯端調整層)11であっても、第2の半導体層(電子供給層)6の一部までテーパ状の溝を設け、その底面上にゲート電極9を設けた構成になっていてもよい。   Further, the semiconductor layer under the source electrode and the drain electrode may be the second semiconductor layer (electron supply layer) 6 or the third semiconductor layer (conduction band edge adjusting layer) 11. A tapered groove may be provided up to a part of the semiconductor layer (electron supply layer) 6, and the gate electrode 9 may be provided on the bottom surface.

以上のような構造を有するMOS型HEMT素子においても、上述の実施の形態と同様に、第2半導体層4とAl2O3−SiO2の混晶からなる絶縁膜7の間に電気的に活性な界面準位を少なくすることにより、大きいしきい値電圧で動作可能なノーマリーオフ素子が実現される。   Also in the MOS type HEMT device having the above-described structure, an electrically active interface state is formed between the second semiconductor layer 4 and the insulating film 7 made of a mixed crystal of Al2O3-SiO2, similarly to the above-described embodiment. By reducing the position, a normally-off element that can operate with a large threshold voltage is realized.

なお、本発明は上述した種々の実施の形態およびその変形例に限られるものでなく、それらを適宜組み合わせた構成としたものであってもよい。   The present invention is not limited to the above-described various embodiments and modifications thereof, and may be configured by appropriately combining them.

本実施例においては、上述の実施の形態に係る半導体積層構造1と、これを用いたMOS型HEMT素子とを作製した。まず、2インチ径の厚さ600μmのC面サファイア単結晶を用い、これを所定のMOCVD装置の反応菅内に設置した。MOCVD装置は、反応ガスあるいはキャリアガスとして、少なくともH2、N2、TMG(トリメチルガリウム)、TMA(トリメチルアルミニウム)、NH3、およびシランガスが、反応管内に供給可能とされている。キャリアガスとして、水素を流速3.5m/secで流しながら、反応管内の圧力を25Torrに保ちつつ、基板29を1210℃まで昇温した後、10分間保持し、基板29のサーマルクリーニングを実施した。   In this example, the semiconductor multilayer structure 1 according to the above-described embodiment and a MOS type HEMT device using the same were manufactured. First, a C-plane sapphire single crystal having a diameter of 2 inches and a thickness of 600 μm was used and placed in a reaction vessel of a predetermined MOCVD apparatus. In the MOCVD apparatus, at least H2, N2, TMG (trimethylgallium), TMA (trimethylaluminum), NH3, and silane gas can be supplied into the reaction tube as a reaction gas or a carrier gas. The substrate 29 was heated to 1210 ° C. while flowing hydrogen as a carrier gas at a flow rate of 3.5 m / sec and the pressure in the reaction tube was maintained at 25 Torr, and then held for 10 minutes to perform thermal cleaning of the substrate 29. .

その後、基板温度を1210℃に保ちつつ、TMAとそのキャリアガスである水素とを供給するとともに、NH3とそのキャリアガスである水素とを供給することにより、下地層(バッファー層)3として、として、1.5μmの厚さのAlN層を成長させた。その際には、TMAとNH3との供給モル比がTMA:NH3=1:400となるようにそれぞれの流量を制御した。このようにして得た下地層(バッファー層)3の(002)面についてのX線ロッキングカーブ半値幅は、70秒であり、転位密度は3×1013/cm2であった。   Thereafter, while maintaining the substrate temperature at 1210 ° C., TMA and its carrier gas, hydrogen, are supplied, and NH 3 and its carrier gas, hydrogen, are supplied, thereby forming an underlayer (buffer layer) 3 as An AlN layer having a thickness of 1.5 μm was grown. At that time, the respective flow rates were controlled so that the supply molar ratio of TMA and NH3 was TMA: NH3 = 1: 400. The half width of the X-ray rocking curve for the (002) plane of the base layer (buffer layer) 3 thus obtained was 70 seconds, and the dislocation density was 3 × 10 13 / cm 2.

引き続き、温度を1110℃、圧力を750Torrとしたうえで、TMGとNH3とを供給モル比がTMG:NH3=1:1800となるように供給して、第1の半導体層(チャネル層)4として厚さ2.5μmのGaN層を形成した。この際、成膜速度を約3.5μm/hrとなるように、TMG及びNH3の供給量を設定した。   Subsequently, after the temperature was set to 1110 ° C. and the pressure was set to 750 Torr, TMG and NH 3 were supplied at a supply molar ratio of TMG: NH 3 = 1: 1800 to form the first semiconductor layer (channel layer) 4. A GaN layer having a thickness of 2.5 μm was formed. At this time, the supply amounts of TMG and NH3 were set so that the film formation rate was about 3.5 μm / hr.

第1の半導体層(チャネル層)4であるGaN層の形成後、1090℃とし、TMAとTMGとNH3とを供給モル比がTMA:TMG:NH3=0.15:0.6:1800となるように供給して、Al0.25Ga0.75Nなる組成を有する第2の半導体層(電子供給層)6を形成した。以上により、半導体積層構造1を得た。   After the formation of the GaN layer as the first semiconductor layer (channel layer) 4, the temperature is set to 1090 ° C., and the supply molar ratio of TMA, TMG, and NH 3 becomes TMA: TMG: NH 3 = 0.15: 0.6: 1800. Thus, a second semiconductor layer (electron supply layer) 6 having a composition of Al 0.25 Ga 0.75 N was formed. Thus, the semiconductor multilayer structure 1 was obtained.

このようにして得られた半導体積層構造1の表面に、Al2O3とSiO2の混晶の膜を作製した。H2供給配管を有する真空蒸着装置において、電子ビーム蒸着によりAlとSiを蒸着した。この蒸着をしている間、半導体層基板は加熱し、AlとSiが酸化するように、熱力学的計算に基づいた酸素分圧となるように、H2供給配管に微量の水蒸気を混ぜて、酸素分圧を精密制御したH2を供給して、Al2O3とSiO2の混晶の絶縁膜7を形成した。なお、AlとSiを蒸着する際に、抵抗加熱法で蒸着しても良い。   A mixed crystal film of Al 2 O 3 and SiO 2 was formed on the surface of the semiconductor multilayer structure 1 thus obtained. In a vacuum deposition apparatus having an H2 supply pipe, Al and Si were deposited by electron beam deposition. During this deposition, the semiconductor layer substrate is heated, and a small amount of water vapor is mixed in the H2 supply pipe so that the oxygen partial pressure is based on thermodynamic calculation so that Al and Si are oxidized. The insulating film 7 of mixed crystal of Al2O3 and SiO2 was formed by supplying H2 whose oxygen partial pressure was precisely controlled. In addition, when depositing Al and Si, the deposition may be performed by a resistance heating method.

さらに、Al2O3-SiO2の混晶絶縁膜7のついた半導体積層構造1の表面をRIEなどでエッチングしてパターニングした後、半導体積層構造1の表面の所定位置に、Ti/Au/Ni/Auからなるソース電極8およびドレイン電極10をオーミック接合にて形成し、Pd/Ti/Auからなるゲート電極9を、ショットキー接合にて形成し、MOS型HEMT素子を得た。   Further, after etching and patterning the surface of the semiconductor multilayer structure 1 with the mixed crystal insulating film 7 of Al 2 O 3 —SiO 2 by RIE or the like, Ti / Au / Ni / Au is formed at a predetermined position on the surface of the semiconductor multilayer structure 1. The source electrode 8 and the drain electrode 10 to be formed were formed by ohmic junction, and the gate electrode 9 made of Pd / Ti / Au was formed by Schottky junction to obtain a MOS type HEMT device.

このようにして得られたMOS型HEMT素子について、電流密度970mA/mm、しきい値電圧7.7V、ゲート長を2μmとした場合の室温におけるトランスコンダクタンスは200mS/mmが得られた。
(比較例)
本比較例としては、絶縁膜7として通常よく用いられる、Al2O3とSiO2をスパッタリングで成長したこと以外は、実施例に係るMOS型HEMT素子と同じ半導体積層構造を有するMOS型HEMT素子を作製した。
With respect to the MOS HEMT device thus obtained, a transconductance at room temperature of 200 mS / mm was obtained when the current density was 970 mA / mm, the threshold voltage was 7.7 V, and the gate length was 2 μm.
(Comparative example)
As this comparative example, a MOS type HEMT device having the same semiconductor multilayer structure as that of the MOS type HEMT device according to the example was manufactured except that Al 2 O 3 and SiO 2 which are usually used as the insulating film 7 were grown by sputtering.

このようにして得られたMOS型HEMT素子については、それぞれ、電流密度380mA/mm、しきい値電圧1.3V、ゲート長を2μmとした場合の室温におけるトランスコンダクタンスは120mS/mmであった。すなわち、本比較例におけるMOS型HEMT素子は、実施例よりもデバイス特性が劣っていることがわかる。   The MOS type HEMT devices thus obtained each had a transconductance at room temperature of 120 mS / mm when the current density was 380 mA / mm, the threshold voltage was 1.3 V, and the gate length was 2 μm. That is, it can be seen that the MOS type HEMT device in this comparative example has inferior device characteristics than the example.

以上の実施例および比較例より、本実施の形態に係るMOS型HEMT素子においては、安定で界面準位が少なく、しきい値電圧が大きいより顕著に優れた特性を有してなることがわかる。   From the above examples and comparative examples, it can be seen that the MOS type HEMT device according to the present embodiment has a remarkably superior characteristic than that of a stable, low interface state and high threshold voltage. .

なお、上述の実施の形態および実施例によれば、以下のような半導体装置の製造方法を得ることができる。すなわち、
基板の上にバッファー層としての下地層を形成する工程と、
前記下地層の上に、III族窒化物からなる単一層ないしは多重層で構成されるチャネル層としての第1の半導体層と、前記第1の半導体層よりバンドギャップが大きいIII族窒化物からなる単一層ないしは多重層で構成される電子供給層としての第2の半導体層と、を積層して半導体層群を形成する工程と、
前記半導体層群の上にAl2O3−SiO2の混晶からなる絶縁膜を形成する工程と、
前記半導体層群の上にソース電極、ドレイン電極を形成するとともに、前記絶縁膜の上にゲート電極を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
According to the above-described embodiment and examples, the following method for manufacturing a semiconductor device can be obtained. That is,
Forming a base layer as a buffer layer on the substrate;
A first semiconductor layer as a channel layer composed of a single layer or multiple layers made of group III nitride and a group III nitride having a band gap larger than that of the first semiconductor layer are formed on the base layer. A step of stacking a second semiconductor layer as an electron supply layer composed of a single layer or multiple layers to form a semiconductor layer group;
Forming an insulating film made of a mixed crystal of Al2O3-SiO2 on the semiconductor layer group;
Forming a source electrode and a drain electrode on the semiconductor layer group, and forming a gate electrode on the insulating film.

この製造方法において、Al2O3−SiO2絶縁層を作成するために、AlとSiを酸化する目的で、薄膜成長装置に水素ガスを流す配管の途中に水を加熱ないしは冷却して水蒸気圧力を制御する装置を有し、もって水素ガス中の水蒸気圧を制御することによって、水素ガス中の酸素分圧を精密制御することによりAlとSiの酸化を行うようにすれば、結晶品質の良い絶縁膜を下地層の上方の半導体層群の上に堆積でき、リーク電流が少なく、界面準位が少なく、良好なデバイス特性を有する半導体装置が実現される。   In this manufacturing method, in order to oxidize Al and Si in order to create an Al2O3-SiO2 insulating layer, an apparatus for controlling water vapor pressure by heating or cooling water in the middle of a pipe through which hydrogen gas flows to a thin film growth apparatus Therefore, by controlling the water vapor pressure in the hydrogen gas, the oxygen partial pressure in the hydrogen gas is controlled precisely to oxidize Al and Si, so that an insulating film with a good crystal quality is formed. A semiconductor device that can be deposited on the semiconductor layer group above the formation layer, has a small leakage current, a low interface state, and has good device characteristics is realized.

1 半導体積層構造
2 基板
3 下地層(バッファー層)
4 第1半導体層(チャネル層)
5 二次元電子ガス領域
6 第2半導体層(電子供給層)
7 Al2O3−SiO2絶縁層
8 ドレイン電極
9 ゲート電極
10 ソース電極
11 第3半導体層(伝導帯端調整層)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor laminated structure 2 Substrate 3 Underlayer (buffer layer)
4 First semiconductor layer (channel layer)
5 Two-dimensional electron gas region 6 Second semiconductor layer (electron supply layer)
7 Al2O3-SiO2 insulating layer 8 Drain electrode 9 Gate electrode 10 Source electrode 11 Third semiconductor layer (conduction band edge adjusting layer)

Claims (4)

基板と、
前記基板の上に形成されたバッファー層としての下地層と、
前記下地層の上に形成された半導体層群と、を備える半導体基板であって、
前記半導体層群は、
III族窒化物からなる単一層ないしは多重層で構成されるチャネル層としての第1の半導体層と、
前記第1の半導体層よりバンドギャップが大きいIII族窒化物からなる単一層ないしは多重層で構成される電子供給層としての第2の半導体層と、
がこの順に前記下地層の側から積層されてなり、
前記半導体層群の上にAl2O3−SiO2の混晶からなる絶縁膜が形成されていることを特徴とする半導体基板。
A substrate,
An underlayer as a buffer layer formed on the substrate;
A semiconductor substrate comprising a semiconductor layer group formed on the underlayer,
The semiconductor layer group is
A first semiconductor layer as a channel layer composed of a single layer or multiple layers made of group III nitride;
A second semiconductor layer as an electron supply layer composed of a single layer or multiple layers made of a group III nitride having a band gap larger than that of the first semiconductor layer;
Is laminated in this order from the base layer side,
An insulating film made of a mixed crystal of Al2O3-SiO2 is formed on the semiconductor layer group.
請求項1に記載の半導体基板において、前記第1の半導体層を流れる電流を大きくするために、前記第2の半導体層を構成する単一層ないしは多重層に不純物が添加されていることを特徴とする半導体基板。   The semiconductor substrate according to claim 1, wherein an impurity is added to a single layer or multiple layers constituting the second semiconductor layer in order to increase a current flowing through the first semiconductor layer. Semiconductor substrate. 請求項1又は2に記載の半導体基板において、前記半導体層群は、前記第2の半導体層と前記Al2O3−SiO2の混晶からなる絶縁膜との間に、伝導体の位置を制御するためにIII族窒化物からなる単一層ないしは多重層で構成される伝導帯端調整層としての第3の半導体層を有していることを特徴とする半導体基板。   3. The semiconductor substrate according to claim 1, wherein the semiconductor layer group controls a position of a conductor between the second semiconductor layer and the insulating film made of the mixed crystal of Al 2 O 3 —SiO 2. A semiconductor substrate comprising a third semiconductor layer as a conduction band edge adjusting layer composed of a single layer or multiple layers made of group III nitride. 請求項1乃至3のいずれか1つに記載の半導体基板にソース電極、ゲート電極が形成され、前記Al2O3−SiO2の混晶からなる絶縁膜の上にゲート電極が形成されていることを特徴とする半導体装置。   A source electrode and a gate electrode are formed on the semiconductor substrate according to claim 1, and the gate electrode is formed on the insulating film made of the mixed crystal of Al 2 O 3 —SiO 2. Semiconductor device.
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JP2020126892A (en) * 2019-02-01 2020-08-20 トヨタ自動車株式会社 Semiconductor device and method of manufacturing the same

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