JP2012084781A - Field-effect transistor and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a field-effect transistor having high reproducibility of transistor characteristics, high speed, and high power, and to provide a method of manufacturing the same.SOLUTION: A field-effect transistor 10 comprises a diamond substrate 11, a second electrode 13 and a third electrode 14 that are formed apart from each other on one surface 11a side of the diamond substrate 11, and a first electrode 15 formed between the two electrodes 13 and 14 so as to be spaced apart from the electrodes. A group III nitride semiconductor layer 12 is provided between the first electrode 15 and the diamond substrate 11, and a hole conduction channel region 16 is formed in a region near an interface 17 between the diamond substrate 11 and the group III nitride semiconductor layer 12.

Description

本発明は、電界効果トランジスタ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a field effect transistor and a manufacturing method thereof.

電界効果トランジスタ(Field effect transistor:以下、FETとも略称する)とは、ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極の3つの電極を有する素子であり、前記ゲート電極に印加する電圧を操作して、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間を流れる電流を制御する素子である。 A field effect transistor (hereinafter also abbreviated as FET) is an element having three electrodes, a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode, and operates the voltage applied to the gate electrode to control the source. It is an element for controlling the current flowing between the electrode and the drain electrode.

ダイヤモンドは、極めて優れた機械的、電気的、熱的、化学的、光学的特性を有す究極な材料であり、同材料の優れた特性を十分に引き出すことによって、様々なデバイスへの応用が可能である。そして、ダイヤモンド膜中のキャリア(電子および正孔)の移動度が非常に高いという特性を有する。
そのため、ダイヤモンドを用いて、過酷な環境下で安定・高周波・大電流・高耐圧動作可能な高速・ハイパワー電界効果トランジスタの開発が期待されている。
現状のダイヤモンドを主材料とする電界効果トランジスタの構造は、主に4つの構造に大別できる。
Diamond is the ultimate material with extremely good mechanical, electrical, thermal, chemical, and optical properties. By fully exploiting the excellent properties of this material, it can be applied to various devices. Is possible. And it has the characteristic that the mobility of the carrier (electron and hole) in a diamond film is very high.
Therefore, the development of high-speed, high-power field-effect transistors that can operate stably, with high frequency, large current, and high withstand voltage in harsh environments is expected using diamond.
The structure of the current field effect transistor mainly composed of diamond can be roughly classified into four structures.

第1の構造は、アクセプタやドナーを不純物としてドーピングしたダイヤモンド中のキャリア伝導層をチャネルとして用い、整流性(ショットキー性)金属電極をゲート電極として、電界によりキャリアを制御する構造である。この構造は、従来のシリコンやガリウム砒素系半導体で用いられている動作原理と同じ原理を有する。
しかしながら、この構造では、ダイヤモンド内部のドーパントのイオン化エネルギーが大きく、つまり活性化率が小さく、室温において電界効果トランジスタとして駆動させるための十分な電子および正孔濃度を確保することが容易ではないため、高速・ハイパワー電界効果トランジスタの実現は不可能である。
The first structure is a structure in which carriers are controlled by an electric field using a carrier conductive layer in diamond doped with acceptors and donors as impurities and using a rectifying (Schottky) metal electrode as a gate electrode. This structure has the same principle as that used in conventional silicon and gallium arsenide semiconductors.
However, in this structure, the ionization energy of the dopant inside the diamond is large, that is, the activation rate is small, and it is not easy to ensure a sufficient electron and hole concentration for driving as a field effect transistor at room temperature. Realization of high-speed, high-power field effect transistors is impossible.

第2の構造は、マイクロ波プラズマ気相成長法にてダイヤモンド表面を水素プラズマ処理することにより、自発的に形成されるダイヤモンド水素終端表面の正孔キャリアからなる表面伝導層をチャネルとして用い、上記同様ゲート電極の電界によりキャリアを制御する構造である(非特許文献1)。この構造はダイヤモンドに特徴的な動作原理に基づくものであり、現在最も実験的に進んでいる電界効果トランジスタ構造である。
しかしながら、この構造は、ダイヤモンド水素終端表面の熱的な不安定性のために、デバイス特性が動作環境により大きく依存してしまう問題がある。
The second structure uses a surface conductive layer made of hole carriers on the diamond hydrogen terminated surface formed spontaneously by performing hydrogen plasma treatment on the diamond surface by microwave plasma vapor deposition, as a channel, and Similarly, the carrier is controlled by the electric field of the gate electrode (Non-Patent Document 1). This structure is based on the principle of operation characteristic of diamond, and is the most experimentally advanced field effect transistor structure.
However, this structure has a problem that the device characteristics greatly depend on the operating environment due to thermal instability of the diamond hydrogen termination surface.

第3の構造は、上記ダイヤモンド内ドーパントのイオン化エネルギーが大きい欠点を克服するために、アクセプタ不純物であるボロンを表面からの深さが1nm以内に濃度1020cm−3程度でデルタ(局所)ドーピングすることによって、正孔濃度を十分確保しながら、上記同様ゲート電極による電界制御性を可能とし、同時にチャネル構造を有する構造である(非特許文献2)。
しかしながら、この構造では、ナノスケールの局所的なドーピング技術が難しく、デバイス性能の向上が難しい。
In the third structure, in order to overcome the disadvantage that the ionization energy of the dopant in diamond is large, boron, which is an acceptor impurity, is delta (local) doped at a concentration of about 10 20 cm −3 within a depth of 1 nm from the surface. By doing so, the electric field controllability by the gate electrode is made possible while ensuring a sufficient hole concentration, and at the same time, it has a channel structure (Non-Patent Document 2).
However, in this structure, nano-scale local doping technology is difficult, and it is difficult to improve device performance.

第4の構造は、特許文献1および特許文献2に記載のIII族窒化物半導体(例えば、窒化アルミニウム等の半導体)とダイヤモンドとのヘテロ接合構造を利用する構造である。
特許文献1には、窒化アルミニウム/ダイヤモンドの積層構造において、前記窒化アルミニウム膜中にシリコンをドナーとしてドーピングすることにより、膜中のシリコン準位とダイヤモンド伝導帯端エネルギー準位との位置エネルギー差を利用して、ダイヤモンド内へ電子を供給する変調ドーピングを利用する構造が開示されている。ここで、トランジスタのチャネルはダイヤモンド内の2次元的な電子である。
The fourth structure is a structure using a heterojunction structure of a group III nitride semiconductor (for example, a semiconductor such as aluminum nitride) described in Patent Document 1 and Patent Document 2 and diamond.
In Patent Document 1, in the aluminum nitride / diamond laminated structure, by doping silicon into the aluminum nitride film as a donor, the potential energy difference between the silicon level in the film and the diamond conduction band edge energy level is obtained. A structure is disclosed that utilizes modulation doping to utilize and supply electrons into diamond. Here, the channel of the transistor is a two-dimensional electron in diamond.

一方、特許文献2には、窒化アルミニウムや窒化ボロン等の残留歪に起因する自発性分極およびピエゾ分極効果によって発生する正の固定電荷を補償するために発生する界面近傍のダイヤモンド内の2次元電子をチャネルとして利用する構造が開示されている。
両者ともに、電子をキャリアとして動作させるものであり、不純物ドーパント濃度の不均一性や、残留歪分布の不均一性のために、デバイス性能のバラツキや再現性が問題となる。更に、n型ダイヤモンドと金属のポテンシャル障壁は4eV以上あるため、低抵抗なオーム性電極を得ることが極めて難しい。
以上説明したように、トランジスタ特性の再現性が高く、高速・ハイパワーダイヤモンドヘテロ接合電界効果トランジスタに関する報告はなかった。
On the other hand, Patent Document 2 discloses a two-dimensional electron in diamond in the vicinity of an interface generated to compensate for positive fixed charges generated by spontaneous polarization and piezoelectric polarization effects caused by residual strain such as aluminum nitride and boron nitride. A structure is disclosed in which is used as a channel.
Both of them operate using electrons as carriers, and variations in device performance and reproducibility pose problems due to non-uniformity of impurity dopant concentration and non-uniformity of residual strain distribution. Furthermore, since the potential barrier between n-type diamond and metal is 4 eV or more, it is extremely difficult to obtain a low-resistance ohmic electrode.
As described above, there has been no report on a high-speed / high-power diamond heterojunction field effect transistor with high reproducibility of transistor characteristics.

特開2002−324812号公報JP 2002-324812 A 特開2008−186936号公報JP 2008-186936 A

H.Kawarada,M.Aoki,and M.Ito,Appl.Phys.Letter 65 (1994) 1563−1565.“ENHANCEMENT−MODE METAL−SEMICONDUCTOR FIELD−EFFECT TRANSISTORS USING HOMOEPITAXIAL DIAMONDS.”H. Kawarada, M .; Aoki, and M.A. Ito, Appl. Phys. Letter 65 (1994) 1563-1565. “ENHANCEMENT-MODE METAL-SEMICONDUCTOR FIELD-EFFECT TRANSISTORS USING HOMOEPITIAL DIAMONDS.” A.Aleksov,A.Vescan,M.Kunze,P.Gluche,W.Ebert,E.Kohn,A.Bergmaier,G.Dollinger:Diamond Relat.Mat.8(1999)941.“Diamond junction FETs based on delta−doped channels.”A. Aleksov, A.M. Vescan, M.M. Kunze, P.M. Gluche, W.M. Ebert, E .; Kohn, A .; Bergmaier, G.A. Dollinger: Diamond Relat. Mat. 8 (1999) 941. “Diamond junction FETs based on delta-doped channels.”

本発明は、トランジスタ特性の再現性が高く、高速・ハイパワーダイヤモンドヘテロ接合電界効果トランジスタ及びその製造方法を提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a high-speed, high-power diamond heterojunction field effect transistor with high reproducibility of transistor characteristics and a method for manufacturing the same.

上記事情を鑑みて、本発明者らは研究開発を行い、ダイヤモンド/III族窒化物半導体ヘテロ接合界面のダイヤモンド側に自然発生的に発現する2次元的な正孔伝導層をチャネルとする新しい動作原理のFETにより、上記課題を解決できることを解明して、本発明を完成した。
本発明の特筆すべきところは、(1)III族窒化物半導体の膜厚を制御することで、ダイヤモンド内の正孔チャネルに対する低抵抗なオーム電極を容易に作製することができること、(2)正孔チャネルがIII族窒化物半導体下部に存在するため、自動的にチャネルが保護されており動作安定性に優れること、(3)意図的な不純物ドーピングを必要としないことである。
また、本技術は、例えばIII族窒化物半導体としてAlNを用いた場合、正孔をキャリアとして動作させるものであり、特許文献1および特許文献2に記載のエネルギーバンド図とは異なる構造を有する。
また、ダイヤモンド単結晶基板上に成長させたIII族窒化物半導体薄膜は、高濃度の転位や結晶粒界を含む結晶学的構造であり、薄膜内の残留歪はほぼ緩和しているため、正孔の発現機構は特許文献2に記載の機構とは異なる。
更に、水素終端表面を有すダイヤモンド電界効果トランジスタと差別化するために、あえて酸素終端表面を有すダイヤモンド上に窒化アルミニウムを成長させ、電界効果トランジスタ動作を実証した。
In view of the above circumstances, the present inventors have researched and developed a new operation in which a channel is a two-dimensional hole conduction layer that naturally appears on the diamond side of the diamond / III nitride semiconductor heterojunction interface. The present invention was completed by elucidating that the above problem can be solved by the FET of the principle.
The special point of the present invention is that (1) a low-resistance ohmic electrode for a hole channel in diamond can be easily produced by controlling the film thickness of the group III nitride semiconductor, (2) Since the hole channel exists under the group III nitride semiconductor, the channel is automatically protected and excellent in operational stability, and (3) no intentional impurity doping is required.
Further, in the present technology, for example, when AlN is used as a group III nitride semiconductor, holes are operated as carriers, and the structure differs from the energy band diagrams described in Patent Document 1 and Patent Document 2.
In addition, a group III nitride semiconductor thin film grown on a diamond single crystal substrate has a crystallographic structure including high-concentration dislocations and crystal grain boundaries, and the residual strain in the thin film is almost relaxed. The mechanism of pore development is different from the mechanism described in Patent Document 2.
Furthermore, in order to differentiate it from a diamond field effect transistor having a hydrogen termination surface, aluminum nitride was grown on diamond having an oxygen termination surface, and field effect transistor operation was demonstrated.

このように、本技術はダイヤモンドとIII族窒化物半導体を組み合わせて利用することで、電界効果トランジスタの特性を飛躍的に改善し、安定・高周波・大電流・高耐圧動作可能であり、トランジスタ特性の再現性が高く、高速・ハイパワー電界効果トランジスタの実用化を図るものである。
本発明は、以下の構成を有する。
In this way, this technology dramatically improves the characteristics of field-effect transistors by using a combination of diamond and a group III nitride semiconductor, enabling stable, high-frequency, high-current, and high-voltage operation, and transistor characteristics. Therefore, the high-speed, high-power field effect transistor is put to practical use.
The present invention has the following configuration.

本発明の電界効果トランジスタは、ダイヤモンド基板と、前記ダイヤモンド基板の一面側に離間して形成された第2の電極及び第3の電極と、前記2つの電極の間に離間して形成された第1の電極と、を有する電界効果トランジスタであって、前記第1の電極と前記ダイヤモンド基板との間にIII族窒化物半導体層が設けられ、前記ダイヤモンド基板と前記III族窒化物半導体層との界面の近傍領域に正孔伝導チャネル領域が形成されていることを特徴とする。 The field effect transistor of the present invention includes a diamond substrate, a second electrode and a third electrode formed on one side of the diamond substrate, and a second electrode formed between the two electrodes. A group III nitride semiconductor layer provided between the first electrode and the diamond substrate, and the diamond substrate and the group III nitride semiconductor layer. A hole conduction channel region is formed in a region near the interface.

本発明の電界効果トランジスタは、前記正孔伝導チャネル領域が、前記ダイヤモンド基板内に設けられていることが好ましい。
本発明の電界効果トランジスタは、前記第2の電極及び/又は前記第3の電極と前記ダイヤモンド基板との間にIII族窒化物半導体層が設けられていることが好ましい。
本発明の電界効果トランジスタは、前記第2の電極及び/又は前記第3の電極と前記ダイヤモンド基板との間のIII族窒化物半導体層の層厚が、前記第1の電極と前記ダイヤモンド基板との間のIII族窒化物半導体層の層厚より薄いことが好ましい。
In the field effect transistor of the present invention, the hole conduction channel region is preferably provided in the diamond substrate.
In the field effect transistor of the present invention, a group III nitride semiconductor layer is preferably provided between the second electrode and / or the third electrode and the diamond substrate.
In the field effect transistor of the present invention, the thickness of the group III nitride semiconductor layer between the second electrode and / or the third electrode and the diamond substrate is such that the first electrode, the diamond substrate, It is preferable that the thickness of the group III nitride semiconductor layer is less than the thickness of the intermediate layer.

本発明の電界効果トランジスタは、前記第1の電極がゲート電極であり、前記第2の電極がソース電極であり、前記第3の電極がドレイン電極であることが好ましい。
本発明の電界効果トランジスタは、前記III族窒化物半導体層が六方晶結晶粒子を有する多結晶体からなることが好ましい。
本発明の電界効果トランジスタは、前記III族窒化物半導体層がAlN、BN、GaN、InNの群から選ばれるいずれか一の化合物からなることが好ましい。
In the field effect transistor of the present invention, it is preferable that the first electrode is a gate electrode, the second electrode is a source electrode, and the third electrode is a drain electrode.
In the field effect transistor of the present invention, the group III nitride semiconductor layer is preferably made of a polycrystalline body having hexagonal crystal grains.
In the field effect transistor of the present invention, the group III nitride semiconductor layer is preferably made of any one compound selected from the group consisting of AlN, BN, GaN, and InN.

本発明の電界効果トランジスタは、前記ダイヤモンド基板が単結晶基板であり、その一面が(111)結晶面と平行であることが好ましい。
本発明の電界効果トランジスタは、前記ダイヤモンド基板の一面が酸素修飾されていることが好ましい。
In the field effect transistor of the present invention, it is preferable that the diamond substrate is a single crystal substrate, and one surface thereof is parallel to the (111) crystal surface.
In the field effect transistor of the present invention, it is preferable that one surface of the diamond substrate is oxygen-modified.

本発明の電界効果トランジスタの製造方法は、減圧、800℃以上の高温条件下で、ダイヤモンド基板を水素・アンモニア雰囲気にて熱処理する工程と、MOVPE法により、減圧、1200℃以上の高温条件下で、前記ダイヤモンド基板の一面にIII族窒化物半導体層を形成する工程と、前記III族窒化物半導体層を部分的に除去する工程と、前記ダイヤモンド基板の一面側に第2の電極及び第3の電極を形成するとともに、前記III族窒化物半導体層の一面に第1の電極を形成する工程とを有することを特徴とする。 The field effect transistor manufacturing method of the present invention includes a step of heat-treating a diamond substrate in a hydrogen / ammonia atmosphere under a high pressure condition of 800 ° C. under reduced pressure, and a high pressure condition of 1200 ° C. or higher using a MOVPE method. A step of forming a group III nitride semiconductor layer on one surface of the diamond substrate, a step of partially removing the group III nitride semiconductor layer, a second electrode and a third surface on the one surface side of the diamond substrate. Forming an electrode, and forming a first electrode on one surface of the group III nitride semiconductor layer.

本発明の電界効果トランジスタの製造方法は、前記MOVPE法の成膜条件が、ダイヤモンド基板を内部に配置した容器内にトリメチルアルミニウムガス、アンモニアガス及び水素ガスを流通させた状態で、1〜760Torrに減圧しながら、前記ダイヤモンド基板を1200℃〜2000℃の温度に加熱することが好ましい。 In the field effect transistor manufacturing method of the present invention, the film formation condition of the MOVPE method is 1 to 760 Torr in a state where trimethylaluminum gas, ammonia gas, and hydrogen gas are circulated in a container in which a diamond substrate is disposed. It is preferable to heat the diamond substrate to a temperature of 1200 ° C. to 2000 ° C. while reducing the pressure.

本発明の電界効果トランジスタの製造方法は、蒸着法及び/又はスパッタ法により、前記第1の電極、前記第2の電極及び前記第3の電極を形成することが好ましい。
本発明の電界効果トランジスタの製造方法は、前記III族窒化物半導体層を形成する前に、前記ダイヤモンド基板の一面を酸性溶液処理又は熱処理することが好ましい。
本発明の電界効果トランジスタの製造方法は、リソグラフィー法により、前記III族窒化物半導体層を部分的に除去することが好ましい。
In the method for producing a field effect transistor of the present invention, it is preferable that the first electrode, the second electrode, and the third electrode are formed by a vapor deposition method and / or a sputtering method.
In the method for producing a field effect transistor of the present invention, it is preferable that one surface of the diamond substrate is subjected to an acid solution treatment or a heat treatment before the formation of the group III nitride semiconductor layer.
In the method for producing a field effect transistor of the present invention, it is preferable that the group III nitride semiconductor layer is partially removed by a lithography method.

本発明の電界効果トランジスタの製造方法は、前記III族窒化物半導体層を部分的に除去して、前記III族窒化物半導体層の層厚をより薄くした2つの段部を形成することが好ましい。
本発明の電界効果トランジスタの製造方法は、前記III族窒化物半導体層を部分的に除去して、前記III族窒化物半導体層を除去した2つの除去部を形成することが好ましい。
In the method of manufacturing a field effect transistor according to the present invention, it is preferable that the group III nitride semiconductor layer is partially removed to form two stepped portions having a thinner group III nitride semiconductor layer. .
In the method of manufacturing a field effect transistor according to the present invention, it is preferable that the group III nitride semiconductor layer is partially removed to form two removed portions from which the group III nitride semiconductor layer is removed.

本発明の電界効果トランジスタは、ダイヤモンド基板と、前記ダイヤモンド基板の一面側に離間して形成された第2の電極及び第3の電極と、前記2つの電極の間に離間して形成された第1の電極と、を有する電界効果トランジスタであって、前記第1の電極と前記ダイヤモンド基板との間にIII族窒化物半導体層が設けられ、前記ダイヤモンド基板と前記III族窒化物半導体層との界面の近傍領域に正孔伝導チャネル領域が形成されている構成なので、正孔をキャリアとして動作させることができ、(2)正孔伝導チャネル領域がIII族窒化物半導体層下部に存在するため、自動的にチャネルが保護されており動作安定性に優れ、安定・高周波・大電流・高耐圧動作可能であり、トランジスタ特性の再現性が高く、高速・ハイパワー電界効果トランジスタとすることができる。
特に、ダイヤモンド単結晶基板上に成長させたIII族窒化物半導体薄膜のようなIII族窒化物半導体層は、高濃度の転位や結晶粒界を含む結晶学的構造であり、薄膜内の残留歪をほぼ緩和させることができ、III族窒化物半導体層の膜厚およびデバイスのサイズのみの制御でトランジスタ特性を制御できるため、再現性が良い。
以上により、安定・高周波・大電流・高耐圧動作可能であり、トランジスタ特性の再現性が高く、高速・ハイパワー電界効果トランジスタとすることができる。
The field effect transistor of the present invention includes a diamond substrate, a second electrode and a third electrode formed on one side of the diamond substrate, and a second electrode formed between the two electrodes. A group III nitride semiconductor layer provided between the first electrode and the diamond substrate, and the diamond substrate and the group III nitride semiconductor layer. Since the hole conduction channel region is formed in the vicinity of the interface, the hole can be operated as a carrier. (2) Since the hole conduction channel region exists under the group III nitride semiconductor layer, The channel is automatically protected and has excellent operation stability, stable, high frequency, large current, and high voltage operation capability, high reproducibility of transistor characteristics, high speed and high power It can be a field effect transistor.
In particular, a group III nitride semiconductor layer such as a group III nitride semiconductor thin film grown on a diamond single crystal substrate has a crystallographic structure including a high concentration of dislocations and grain boundaries, and residual strain in the thin film Since the transistor characteristics can be controlled only by controlling the film thickness of the group III nitride semiconductor layer and the device size, the reproducibility is good.
As described above, stable, high frequency, large current, and high withstand voltage operation is possible, transistor characteristics are highly reproducible, and a high-speed, high-power field effect transistor can be obtained.

本発明の電界効果トランジスタの製造方法は、減圧、800℃以上の高温条件下で、ダイヤモンド基板を水素・アンモニア雰囲気にて熱処理する工程と、MOVPE法により、減圧、1200℃以上の高温条件下で、前記ダイヤモンド基板の一面にIII族窒化物半導体層を形成する工程と、前記III族窒化物半導体層を部分的に除去する工程と、前記ダイヤモンド基板の一面側に第2の電極及び第3の電極を形成するとともに、前記III族窒化物半導体層の一面に第1の電極を形成する工程とを有する構成なので、(1)ダイヤモンド内の正孔チャネルに対する低抵抗なオーム電極を作製することが容易であるとともに、(3)意図的な不純物ドーピングを必要としないで、正孔をキャリアとして動作させ、安定・高周波・大電流・高耐圧動作可能であり、トランジスタ特性の再現性が高く、高速・ハイパワー電界効果トランジスタを容易に製造することができる。 The field effect transistor manufacturing method of the present invention includes a step of heat-treating a diamond substrate in a hydrogen / ammonia atmosphere under a high pressure condition of 800 ° C. under reduced pressure, and a high pressure condition of 1200 ° C. or higher using a MOVPE method. A step of forming a group III nitride semiconductor layer on one surface of the diamond substrate, a step of partially removing the group III nitride semiconductor layer, a second electrode and a third surface on the one surface side of the diamond substrate. And a step of forming a first electrode on one surface of the group III nitride semiconductor layer. (1) A low-resistance ohmic electrode for a hole channel in diamond can be produced. It is easy and (3) does not require intentional impurity doping, operates as a hole, and is stable, high frequency, large current, high A pressure operation possible, it is possible to reproducibility of the transistor characteristic is high, to easily manufacture a high-speed, high-power field-effect transistor.

本発明の電界効果トランジスタの一例を示す模式図であって、図1(a)は平面図であり、図1(b)は図1(a)のA−A’線における断面図である。FIG. 1A is a schematic diagram illustrating an example of a field effect transistor according to the present invention, FIG. 1A is a plan view, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of FIG. 本発明の電界効果トランジスタの製造工程の一例を示す工程図である。It is process drawing which shows an example of the manufacturing process of the field effect transistor of this invention. 本発明の電界効果トランジスタの製造工程の一例を示す工程図である。It is process drawing which shows an example of the manufacturing process of the field effect transistor of this invention. 本発明の電界効果トランジスタの別の一例を示す模式図であって、図4(a)は平面図であり、図4(b)は図4(a)のB−B’線における断面図である。FIG. 4A is a schematic view showing another example of the field effect transistor of the present invention, FIG. 4A is a plan view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG. is there. 実施例1のヘテロ接合構造体(AlNとダイヤモンド)のX線回折法の2θ−ωスキャンのプロファイル結果を示すグラフである。It is a graph which shows the profile result of 2 (theta) -omega scan of the X-ray-diffraction method of the heterojunction structure (AlN and diamond) of Example 1. FIG. 実施例1のヘテロ接合構造体の窒化アルミニウムとダイヤモンド界面(ヘテロ界面)近傍の断面透過型電子顕微鏡像(図6(a))と透過電子回折パターン(図6(b)、図6(c))である。Cross-sectional transmission electron microscope image (FIG. 6 (a)) and transmission electron diffraction pattern (FIG. 6 (b), FIG. 6 (c)) in the vicinity of the aluminum nitride and diamond interface (hetero interface) of the heterojunction structure of Example 1. ). 実施例1の電界効果トランジスタの表面光学顕微鏡像(a)、(b)及び断面模式図(c)であって、図7(a)が平面図であり、図7(b)が拡大図であり、図7(c)が断面模式図である。FIG. 7 is a surface optical microscope image (a), (b) and a schematic cross-sectional view (c) of the field effect transistor of Example 1, FIG. 7 (a) being a plan view, and FIG. 7 (b) being an enlarged view. FIG. 7C is a schematic sectional view. 本発明の電界効果トランジスタのトランジスタ特性評価の測定配置である。It is measurement arrangement | positioning of transistor characteristic evaluation of the field effect transistor of this invention. 本発明の電界効果トランジスタの電流電圧特性を示すグラフの一例を示すグラフであって、ゲート幅(Wg)30μm、ゲート長(Lg)160μmの電界効果トランジスタの電流電圧特性を示すグラフであり、図9(a)は、ドレイン電流(Id)−ドレイン電圧(Vd)のゲート電圧依存性を示すグラフであり、図9(b)はゲート電流(Ig)−ドレイン電圧(Vd)のゲート電圧依存性を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the graph which shows the current voltage characteristic of the field effect transistor of this invention, Comprising: It is a graph which shows the current voltage characteristic of the field effect transistor of gate width (Wg) 30 micrometers and gate length (Lg) 160 micrometers, 9 (a) is a graph showing the gate voltage dependency of drain current (Id) −drain voltage (Vd), and FIG. 9 (b) is the gate voltage dependency of gate current (Ig) −drain voltage (Vd). It is a graph which shows. 本発明の電界効果トランジスタのC−Vg特性の一例を示すグラフであって、ゲート幅(Wg)30μm、ゲート長(Lg)160μmの電界効果トランジスタのソース電極とゲート電極との間の静電容量−電圧特性(C−Vg特性)を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the C-Vg characteristic of the field effect transistor of this invention, Comprising: The electrostatic capacitance between the source electrode and gate electrode of a field effect transistor with a gate width (Wg) of 30 micrometers and a gate length (Lg) of 160 micrometers -It is a graph which shows a voltage characteristic (C-Vg characteristic). 本発明の電界効果トランジスタの界面からの深さに対する正孔濃度pの値を示すグラフである。It is a graph which shows the value of the hole concentration p with respect to the depth from the interface of the field effect transistor of this invention. 本発明の電界効果トランジスタのバンド構造の一例を示す図であって、図12(a)は本発明の電界効果トランジスタの空乏状態のバンド構造であり、図12(b)はフラットバンド状態のバンド構造であり、図12(c)は正孔蓄積状態のバンド構造である。FIG. 12A is a diagram illustrating an example of a band structure of a field effect transistor according to the present invention. FIG. 12A is a depleted band structure of the field effect transistor of the present invention, and FIG. FIG. 12C shows a band structure in a hole accumulation state.

(本発明の第1の実施形態)
以下、添付図面を参照しながら、本発明の第1の実施形態である電界効果トランジスタ及びその製造方法について説明する。
(First embodiment of the present invention)
Hereinafter, a field effect transistor and a manufacturing method thereof according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

<電界効果トランジスタ>
まず、本発明の第1の実施形態である電界効果トランジスタについて説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態である電界効果トランジスタの一例を示す図であって、図1(a)は平面図であり、図1(b)は図1(a)のA−A’線における断面図である。
図1(a)に示すように、本発明の第1の実施形態である電界効果トランジスタ10は、平面視略矩形状のダイヤモンド基板11と、平面視略矩形状のIII族窒化物半導体層12と、平面視略矩形状の第1の電極15、第2の電極13及び第3の電極14とを有して概略構成されている。
<Field effect transistor>
First, the field effect transistor according to the first embodiment of the present invention will be described.
1A and 1B are diagrams showing an example of a field effect transistor according to the first embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a plan view, and FIG. 1B is A in FIG. It is sectional drawing in the -A 'line.
As shown in FIG. 1A, a field effect transistor 10 according to a first embodiment of the present invention includes a diamond substrate 11 having a substantially rectangular shape in plan view and a group III nitride semiconductor layer 12 having a substantially rectangular shape in plan view. And a first electrode 15, a second electrode 13, and a third electrode 14 having a substantially rectangular shape in plan view.

図1(b)に示すように、III族窒化物半導体層12は、ダイヤモンド基板11の一面11a上に形成されている。
III族窒化物半導体層12には、2つの段部12e、12fが設けられるとともに、2つの段部12e、12fの一面12cから突出する突出部12dが設けられており、突出部12dの一面12a上に第1の電極15が設けられている。
2つの段部12e、12fの一面12cには、それぞれ、第2の電極13及び第3の電極14が設けられている。
III族窒化物半導体層12の他面12bは、ダイヤモンド基板11の一面11aと接しており、III族窒化物半導体層12とダイヤモンド基板11の界面17とされている。界面17を介して、ダイヤモンド基板11とIII族窒化物半導体層12はヘテロ接合されている。
As shown in FIG. 1B, the group III nitride semiconductor layer 12 is formed on the one surface 11 a of the diamond substrate 11.
The group III nitride semiconductor layer 12 is provided with two step portions 12e and 12f, and a protrusion 12d protruding from one surface 12c of the two step portions 12e and 12f, and one surface 12a of the protrusion 12d. A first electrode 15 is provided thereon.
A second electrode 13 and a third electrode 14 are provided on one surface 12c of the two step portions 12e and 12f, respectively.
The other surface 12 b of group III nitride semiconductor layer 12 is in contact with one surface 11 a of diamond substrate 11, and serves as interface 17 between group III nitride semiconductor layer 12 and diamond substrate 11. The diamond substrate 11 and the group III nitride semiconductor layer 12 are heterojunction through the interface 17.

ダイヤモンド基板11は、単結晶のダイヤモンド基板である。不純物の添加量の少ない透明な単結晶ダイヤモンド基板が好ましい。例えば、IIa型絶縁性ダイヤモンド単結晶基板を挙げることができる。IIa型絶縁性基板とは、不純物濃度(ボロンや窒素)が1ppm以下の基板である。これにより、III族窒化物半導体層12とのヘテロ接合を形成させた場合に、界面17の近傍領域に正孔伝導チャネル領域16を形成することができる。 The diamond substrate 11 is a single crystal diamond substrate. A transparent single crystal diamond substrate with a small amount of added impurities is preferred. For example, a type IIa insulating diamond single crystal substrate can be mentioned. The IIa type insulating substrate is a substrate having an impurity concentration (boron or nitrogen) of 1 ppm or less. Thereby, when a heterojunction with group III nitride semiconductor layer 12 is formed, hole conduction channel region 16 can be formed in a region near interface 17.

しかし、ダイヤモンド基板11は、III族窒化物半導体層12とのヘテロ接合を形成させた場合に、界面17の近傍領域に正孔伝導チャネル領域16中の正孔を発生させることができればよく、不純物が添加されていてもよい。不純物濃度および種類は、III族窒化物半導体層12とのヘテロ接合を形成させた場合に、界面17の近傍領域に正孔伝導チャネル領域16中の正孔の濃度を増加させるものが好ましい。 However, the diamond substrate 11 only needs to be able to generate holes in the hole conduction channel region 16 in the vicinity of the interface 17 when the heterojunction with the group III nitride semiconductor layer 12 is formed. May be added. The impurity concentration and type are preferably those that increase the concentration of holes in the hole conduction channel region 16 in the region near the interface 17 when a heterojunction with the group III nitride semiconductor layer 12 is formed.

ダイヤモンド基板11の一面11aは、(111)面又は(111)結晶面と平行な面を用いることが好ましい。これにより、安定性の高いIII族窒化物半導体層12を形成することができ、電界効果トランジスタのトランジスタ特性の再現性を向上させることができる。しかし、他の安定な指数面を用いても構わない。 The one surface 11a of the diamond substrate 11 is preferably a (111) plane or a plane parallel to the (111) crystal plane. Thereby, the highly stable group III nitride semiconductor layer 12 can be formed, and the reproducibility of the transistor characteristics of the field effect transistor can be improved. However, other stable index surfaces may be used.

なお、ダイヤモンド基板11の代わりに、他の材料(例えば、同じ結晶構造を有すシリコン等)からなる基板にダイヤモンドを成長させた基板を用いても構わない。このダイヤモンドの単結晶成長膜上にIII族窒化物半導体層12を形成することにより、界面17の近傍領域に正孔伝導チャネル領域16を形成した電界効果トランジスタを形成できる。このダイヤモンドの成長方法も特に限られるものではない。 Instead of the diamond substrate 11, a substrate obtained by growing diamond on a substrate made of another material (for example, silicon having the same crystal structure) may be used. By forming the group III nitride semiconductor layer 12 on the diamond single crystal growth film, a field effect transistor in which the hole conduction channel region 16 is formed in the region near the interface 17 can be formed. The method for growing the diamond is not particularly limited.

ダイヤモンド基板11は、その一面を強酸に浸漬する処理または熱処理により、表面を酸素修飾する酸素終端表面処理することが好ましい。これにより、ダイヤモンド基板11とIII族窒化物半導体層12をヘテロ接合させた場合に、界面17の近傍領域に正孔伝導チャネル領域16をより容易に形成することができる。この際、酸素終端表面の作製方法は特に限られるものではない。
なお、ダイヤモンド基板11は、その一面11aを水素終端表面処理または水素と酸素とが混合した終端表面処理したものを用いても構わない。
The diamond substrate 11 is preferably subjected to an oxygen-terminated surface treatment in which one surface is oxygen-modified by a treatment of dipping one surface in a strong acid or a heat treatment. Thereby, when the diamond substrate 11 and the group III nitride semiconductor layer 12 are heterojunctioned, the hole conduction channel region 16 can be more easily formed in the region near the interface 17. At this time, the method for producing the oxygen-terminated surface is not particularly limited.
Note that the diamond substrate 11 may be obtained by subjecting one surface 11a to a hydrogen termination surface treatment or a termination surface treatment in which hydrogen and oxygen are mixed.

図1(b)に示すように、第2の電極13及び前記第3の電極14とダイヤモンド基板11との間にIII族窒化物半導体層12が設けられていることが好ましい。ダイヤモンド基板11とIII族窒化物半導体層12とからなるヘテロ接合構造体を形成することにより、ダイヤモンド基板11とIII族窒化物半導体層12との界面17の近傍領域に正孔伝導チャネル領域16を形成した電界効果トランジスタを形成できる。 As shown in FIG. 1B, it is preferable that a group III nitride semiconductor layer 12 is provided between the second electrode 13 and the third electrode 14 and the diamond substrate 11. By forming a heterojunction structure composed of the diamond substrate 11 and the group III nitride semiconductor layer 12, the hole conduction channel region 16 is formed in the vicinity of the interface 17 between the diamond substrate 11 and the group III nitride semiconductor layer 12. The formed field effect transistor can be formed.

III族窒化物半導体層12は、AlN、BN、GaN、InNの群から選ばれるいずれか一の化合物からなることが好ましく、AlNがより好ましい。これにより、ダイヤモンド基板11とIII族窒化物半導体層12との界面17の近傍領域に正孔伝導チャネル領域16を形成した電界効果トランジスタを形成できる。 The group III nitride semiconductor layer 12 is preferably made of any one compound selected from the group consisting of AlN, BN, GaN, and InN, and more preferably AlN. Thereby, a field effect transistor in which the hole conduction channel region 16 is formed in the region near the interface 17 between the diamond substrate 11 and the group III nitride semiconductor layer 12 can be formed.

III族窒化物半導体層12が六方晶結晶粒子を有する多結晶体からなることが好ましく、六方晶窒化アルミニウム(AlN)がより好ましい。これにより、ダイヤモンド単結晶基板の(111)面上にIII族窒化物半導体層12を形成した場合に、ダイヤモンド単結晶基板の(111)面に六方晶結晶粒子の(0001)面を密着させるように形成することができ、ダイヤモンド基板11とIII族窒化物半導体層12との界面17の近傍領域に正孔伝導チャネル領域16を形成した電界効果トランジスタを形成できる。
なお、六方晶のIII族窒化物半導体および立方晶のIII族窒化物半導体を用いることもできる。また、両材料の成長方法も任意である。
The group III nitride semiconductor layer 12 is preferably made of a polycrystal having hexagonal crystal grains, more preferably hexagonal aluminum nitride (AlN). Thus, when the group III nitride semiconductor layer 12 is formed on the (111) plane of the diamond single crystal substrate, the (0001) plane of the hexagonal crystal grains is brought into close contact with the (111) plane of the diamond single crystal substrate. A field effect transistor in which the hole conduction channel region 16 is formed in the vicinity of the interface 17 between the diamond substrate 11 and the group III nitride semiconductor layer 12 can be formed.
A hexagonal group III nitride semiconductor and a cubic group III nitride semiconductor can also be used. Moreover, the growth method of both materials is also arbitrary.

図1(a)及び図1(b)に示すように、第2の電極13及び第3の電極14は、III族窒化物半導体層12の一面12c上に離間されて形成されている。
また、第2の電極13及び第3の電極14の間で、III族窒化物半導体層12の突出部12dを介在させて、第1の電極15が設けられている。
As shown in FIGS. 1A and 1B, the second electrode 13 and the third electrode 14 are formed on the one surface 12 c of the group III nitride semiconductor layer 12 so as to be separated from each other.
Further, the first electrode 15 is provided between the second electrode 13 and the third electrode 14 with the protruding portion 12 d of the group III nitride semiconductor layer 12 interposed therebetween.

第1の電極15がゲート電極であり、第2の電極13がソース電極であり、第3の電極14がドレイン電極であることが好ましい。これにより、ソース電極(S)−ドレイン電極(D)−ゲート電極(G)を有する一般的な3端子構造の電界効果トランジスタを形成することができる。 It is preferable that the first electrode 15 is a gate electrode, the second electrode 13 is a source electrode, and the third electrode 14 is a drain electrode. Thus, a general three-terminal field effect transistor having a source electrode (S) -drain electrode (D) -gate electrode (G) can be formed.

第1の電極15、第2の電極13、第3の電極14の材料は、金属又は合金のような導電性材料を用いる。なお、金属材料以外の材料でも、オーミック特性およびショットキー特性が得られるものであればよい。
特に、複数の金属からなる積層構造体として形成することが好ましい。これにより、第2の電極13、第3の電極14から正孔伝導チャネル領域16への電流注入特性を向上させることができ、第1の電極15から正孔伝導チャネル領域16内のキャリアを制御可能な電圧を効率的に印加できるとともに、外部の水や空気に対する各電極の安定性を向上させることができる。
前記積層構造体としては、膜厚25nmのチタン、膜厚100nmのアルミニウム、膜厚50nmのチタン、膜厚250nmの金を基板側この順序及び膜厚で成膜した4層構造体や、膜厚200nmのニッケル、膜厚200nmの金を基板側からこの順序で成膜した2層構造体等を挙げることができる。
As the material of the first electrode 15, the second electrode 13, and the third electrode 14, a conductive material such as a metal or an alloy is used. It should be noted that any material other than the metal material may be used as long as ohmic characteristics and Schottky characteristics are obtained.
In particular, it is preferably formed as a laminated structure made of a plurality of metals. Thereby, the current injection characteristics from the second electrode 13 and the third electrode 14 to the hole conduction channel region 16 can be improved, and the carriers in the hole conduction channel region 16 from the first electrode 15 are controlled. A possible voltage can be efficiently applied, and the stability of each electrode with respect to external water or air can be improved.
Examples of the laminated structure include a four-layer structure in which titanium with a thickness of 25 nm, aluminum with a thickness of 100 nm, titanium with a thickness of 50 nm, and gold with a thickness of 250 nm are formed in this order and thickness on the substrate side. Examples thereof include a two-layer structure in which 200 nm of nickel and 200 nm of gold are formed in this order from the substrate side.

図1(b)に示すように、ダイヤモンド基板11とIII族窒化物半導体層12との界面17の近傍領域に正孔伝導チャネル領域16が形成されている。より具体的には、正孔伝導チャネル領域16が、ダイヤモンド基板11内に設けられている。これにより、ソース電極である第2の電極13と、ドレイン電極である第3の電極14との間で、正孔伝導チャネル領域16内に電流を流すことができる。また、その電流を、ゲート電極である第1の電極15で制御することができる。 As shown in FIG. 1B, a hole conduction channel region 16 is formed in a region in the vicinity of the interface 17 between the diamond substrate 11 and the group III nitride semiconductor layer 12. More specifically, the hole conduction channel region 16 is provided in the diamond substrate 11. As a result, a current can flow in the hole conduction channel region 16 between the second electrode 13 that is the source electrode and the third electrode 14 that is the drain electrode. The current can be controlled by the first electrode 15 which is a gate electrode.

図1(b)に示すように、第1の電極15とダイヤモンド基板11との間のIII族窒化物半導体層12の層厚tが、第2の電極13及び第3の電極14とダイヤモンド基板11との間のIII族窒化物半導体層12の層厚tより厚いことが好ましい。これにより、第2の電極13及び第3の電極14とIII族窒化物半導体層12との間の抵抗を低くすることができ、ソース電極である第2の電極13と、ドレイン電極である第3の電極14との間で、正孔伝導チャネル領域16内に効率よく電流を流すことができる。また、その電流を、ゲート電極である第1の電極15で制御することができる。
なお、図1(b)で、第2の電極13及び第3の電極14とダイヤモンド基板11との間のIII族窒化物半導体層12の層厚tは同じ厚さとされているが、第2の電極13及び第3の電極14とダイヤモンド基板11との間のIII族窒化物半導体層12の層厚が異なっていてもよい。その場合、厚い方の層厚をtとして、これがtより薄くされていることが好ましい。
第1の電極15とダイヤモンド基板11との間のIII族窒化物半導体層12の層厚tは、70nm以上500nm以下とすることが好ましく、100nm以上350nm以下とすることがより好ましい。70nm未満の場合には、漏れ電流が発生するので好ましくない。
第2の電極13及び第3の電極14とダイヤモンド基板11との間のIII族窒化物半導体層12の層厚tは、70nm以下とすることが好ましく、10nm以下とすることがより好ましい。70nm超の場合には、第2の電極13及び第3の電極14から正孔伝導チャネル領域16内にキャリアを注入して、電流を流すことが困難となる。
第2の電極13及び第3の電極14とダイヤモンド基板11との間には、III族窒化物半導体層12を無くしてもよい。この場合でも、第2の電極13及び第3の電極14とダイヤモンド基板11との間の抵抗を低くすることができ、ソース電極である第2の電極13と、ドレイン電極である第3の電極14との間で、正孔伝導チャネル領域16内に効率よく電流を流すことができる。
As shown in FIG. 1B, the layer thickness t 1 of the group III nitride semiconductor layer 12 between the first electrode 15 and the diamond substrate 11 is equal to the second electrode 13 and the third electrode 14 and diamond. it is preferably greater than the thickness t 2 of the group III nitride semiconductor layer 12 between the substrate 11. Thereby, the resistance between the second electrode 13 and the third electrode 14 and the group III nitride semiconductor layer 12 can be reduced, and the second electrode 13 as the source electrode and the first electrode as the drain electrode can be reduced. A current can be efficiently passed in the hole conduction channel region 16 between the three electrodes 14. The current can be controlled by the first electrode 15 which is a gate electrode.
In FIG. 1 (b), the layer thickness t 2 of the group III nitride semiconductor layer 12 between the second electrode 13 and third electrode 14 and the diamond substrate 11 is the same thickness, the The layer thickness of the group III nitride semiconductor layer 12 between the second electrode 13 and the third electrode 14 and the diamond substrate 11 may be different. In that case, the thicker the layer thickness as t 2, it is preferred that this is thinner than t 1.
The layer thickness t 1 of the group III nitride semiconductor layer 12 between the first electrode 15 and the diamond substrate 11 is preferably 70 nm or more and 500 nm or less, and more preferably 100 nm or more and 350 nm or less. When it is less than 70 nm, a leakage current is generated, which is not preferable.
Thickness t 2 of the group III nitride semiconductor layer 12 between the second electrode 13 and third electrode 14 and the diamond substrate 11 is preferably set to 70nm or less, and more preferably to 10nm or less. If it exceeds 70 nm, it becomes difficult to inject carriers from the second electrode 13 and the third electrode 14 into the hole conduction channel region 16 to cause a current to flow.
The group III nitride semiconductor layer 12 may be eliminated between the second electrode 13 and the third electrode 14 and the diamond substrate 11. Even in this case, the resistance between the second electrode 13 and the third electrode 14 and the diamond substrate 11 can be reduced, and the second electrode 13 that is the source electrode and the third electrode that is the drain electrode. 14, current can flow efficiently in the hole conduction channel region 16.

<電界効果トランジスタの製造方法>
次に、本発明の第1の実施形態である電界効果トランジスタの製造方法について説明する。
本発明の第1の実施形態である電界効果トランジスタの製造工程は、MOVPE法により、ダイヤモンド基板の一面にIII族窒化物半導体層を形成する工程(III族窒化物半導体層形成工程)と、前記III族窒化物半導体層を部分的に除去する工程(III族窒化物半導体層パターン形成工程)と、前記ダイヤモンド基板の一面側に第2の電極及び第3の電極を形成するとともに、前記III族窒化物半導体層の一面に第1の電極を形成する工程(第1の電極、第2の電極及び第3の電極形成工程)とを有して概略構成されている。
なお、III族窒化物半導体層の材料として窒化アルミニウム(AlN)を用い、複数の電界効果トランジスタを一括して形成する方法を一例として説明する。
図2及び図3は、本発明の第1の実施形態である電界効果トランジスタの製造工程の一例を示す工程図である。
<Method of manufacturing field effect transistor>
Next, the manufacturing method of the field effect transistor which is the 1st Embodiment of this invention is demonstrated.
The field effect transistor manufacturing process according to the first embodiment of the present invention includes a step of forming a group III nitride semiconductor layer on one surface of a diamond substrate by a MOVPE method (group III nitride semiconductor layer forming step), A step of partially removing the group III nitride semiconductor layer (group III nitride semiconductor layer pattern forming step), forming a second electrode and a third electrode on one surface side of the diamond substrate, and the group III And a step of forming a first electrode on one surface of the nitride semiconductor layer (first electrode, second electrode and third electrode forming step).
A method of forming a plurality of field effect transistors at once using aluminum nitride (AlN) as the material of the group III nitride semiconductor layer will be described as an example.
2 and 3 are process diagrams showing an example of the manufacturing process of the field effect transistor according to the first embodiment of the present invention.

{III族窒化物半導体層形成工程}
まず、高温高圧合成で単結晶のダイヤモンド基板を作製する。なお、市販のダイヤモンド単結晶基板を用いてもよい。
次に、前記ダイヤモンド基板を、硝酸と塩素酸ナトリウム(NaClO)混合溶液中で1時間沸騰処理を行い、その後、硝酸とフッ化水素酸混合溶液中で1時間沸騰処理を行う。これにより、ダイヤモンド基板の表面の不純物を除去するとともに、一面が酸素終端表面であるダイヤモンド基板とすることができる。
なお、前記酸性溶液処理又は前記熱処理のみを実施してもよい。これにより、一面が酸素終端表面であるダイヤモンド基板とすることができる。
なお、酸素終端表面を有するダイヤモンドを得た後、水素雰囲気にて前記ダイヤモンド基板を水素アニール処理(熱処理)してもよい。また、水素とアンモニアの混合雰囲気にてアニール処理(熱処理)してもいい。前記アニール処理時間は、例えば、5分とする。
前記熱処理の加熱温度は、800℃〜2000℃の温度とすることが好ましく、1000℃〜1500℃とすることがより好ましく、1200℃〜1400℃とすることが更に好ましい。
{Group III nitride semiconductor layer forming step}
First, a single crystal diamond substrate is prepared by high-temperature and high-pressure synthesis. A commercially available diamond single crystal substrate may be used.
Next, the diamond substrate is boiled in a mixed solution of nitric acid and sodium chlorate (NaClO 3 ) for 1 hour, and then boiled in a mixed solution of nitric acid and hydrofluoric acid for 1 hour. Thus, impurities on the surface of the diamond substrate can be removed, and a diamond substrate having one surface that is an oxygen-terminated surface can be obtained.
Note that only the acidic solution treatment or the heat treatment may be performed. Thereby, it can be set as the diamond substrate which one side is an oxygen termination surface.
Note that after obtaining a diamond having an oxygen-terminated surface, the diamond substrate may be subjected to hydrogen annealing treatment (heat treatment) in a hydrogen atmosphere. Further, annealing (heat treatment) may be performed in a mixed atmosphere of hydrogen and ammonia. The annealing time is, for example, 5 minutes.
The heating temperature of the heat treatment is preferably 800 ° C to 2000 ° C, more preferably 1000 ° C to 1500 ° C, and still more preferably 1200 ° C to 1400 ° C.

次に、前記ダイヤモンド基板を有機金属気相成長装置に搬入し、有機金属気相成長法(MOVPE法)により、前記ダイヤモンド基板の一面上に窒化アルミニウムの成長を行う。
有機金属気相成長法(MOVPE法)の成膜条件は、有機金属気相成長装置内にトリメチルアルミニウムガス(TMAIガス)、アンモニアガス(NHガス)及び水素ガス(Hガス)を流通させた状態で、1〜760Torr以下の減圧条件にて、前記ダイヤモンド基板を1200℃〜2000℃の温度に加熱する。
なお、MOVPE法の成膜における前記熱処理の加熱温度は、1220℃〜1500℃とすることがより好ましく、1240℃〜1400℃とすることが更に好ましい。
また、MOVPE法の成膜における前記熱処理の減圧条件は、10Torr〜500Torrとすることがより好ましく、20Torr〜300Torrとすることが更に好ましい。
例えば、TMAIガスの流量は10〜1000sccm、NHガスの流量は0.01〜1slmとする。
なお、NHガスは、窒化アルミニウム成長後でも、成長温度が600℃以下に降温するまで供給し続けることが好ましい。
また、III族窒化物半導体層の膜厚は、100〜2000nmとすることが好ましく、300〜1600nmとすることがより好ましい。
Next, the diamond substrate is carried into a metal organic vapor phase epitaxy apparatus, and aluminum nitride is grown on one surface of the diamond substrate by a metal organic vapor phase epitaxy method (MOVPE method).
The deposition conditions for the metal organic chemical vapor deposition method (MOVPE method) are as follows: trimethylaluminum gas (TMAI gas), ammonia gas (NH 3 gas), and hydrogen gas (H 2 gas) are circulated in the metal organic vapor phase growth apparatus. In this state, the diamond substrate is heated to a temperature of 1200 ° C. to 2000 ° C. under a reduced pressure condition of 1 to 760 Torr or less.
Note that the heating temperature of the heat treatment in the MOVPE film formation is more preferably 1220 ° C to 1500 ° C, and still more preferably 1240 ° C to 1400 ° C.
Further, the reduced pressure condition of the heat treatment in the MOVPE film formation is more preferably 10 Torr to 500 Torr, and further preferably 20 Torr to 300 Torr.
For example, the flow rate of TMAI gas is set to 10 to 1000 sccm, and the flow rate of NH 3 gas is set to 0.01 to 1 slm.
Note that it is preferable to continue supplying NH 3 gas until the growth temperature falls to 600 ° C. or lower even after the growth of aluminum nitride.
The thickness of the group III nitride semiconductor layer is preferably 100 to 2000 nm, and more preferably 300 to 1600 nm.

以上の工程により、図2(a)に示すように、ダイヤモンド基板11の一面11a上にAlNからなるIII族窒化物半導体層12を形成する。ダイヤモンド基板とAlNからなるIII族窒化物半導体層12との界面にはヘテロ接合が形成される。これにより、ダイヤモンド基板11とIII族窒化物半導体層12との界面の近傍領域に正孔伝導チャネル領域を形成することができる。 Through the above steps, a group III nitride semiconductor layer 12 made of AlN is formed on one surface 11a of the diamond substrate 11, as shown in FIG. A heterojunction is formed at the interface between the diamond substrate and the group III nitride semiconductor layer 12 made of AlN. Thereby, a hole conduction channel region can be formed in a region near the interface between diamond substrate 11 and group III nitride semiconductor layer 12.

{III族窒化物半導体層パターン形成工程}
次に、前記ダイヤモンド基板上のAlNをパターニングし、パターン下部のAlNを残し、パターン以外のAlNを完全にエッチングし除去する。
次に、パターニングは通常のフォトリソグラフィー法を用い、AlNのエッチングは誘導結合プラズマエッチング装置を用いる。エッチングガスには塩素Clを用いて、ドライエッチングプロセス技術を用いることができる。これにより、図2(b)に示す素子分離構造を形成することができる。
なお、AlNのパターニング加工は、通常のフォトリソグラフィー法に限られるものではなく、電子ビームリソグラフィーやレーザリソグラフィーを用いても構わない。また、以下の工程で示す電極のパターニングその他薄膜層のパターニングでも同様に、通常のフォトリソグラフィー法に限られるものではなく、電子ビームリソグラフィーやレーザリソグラフィーを用いても構わない。
また、上記の素子分離等のエッチング工程では、結晶成長時の選択成長技術や、ウエットエッチング技術を用いても構わない。
{Group III nitride semiconductor layer pattern forming step}
Next, AlN on the diamond substrate is patterned to leave AlN under the pattern, and AlN other than the pattern is completely etched and removed.
Next, a normal photolithography method is used for patterning, and an inductively coupled plasma etching apparatus is used for etching AlN. A dry etching process technique can be used using chlorine Cl 2 as an etching gas. Thereby, the element isolation structure shown in FIG. 2B can be formed.
The patterning process of AlN is not limited to a normal photolithography method, and electron beam lithography or laser lithography may be used. Similarly, electrode patterning and other thin film layer patterning shown in the following steps are not limited to ordinary photolithography, and electron beam lithography or laser lithography may be used.
In the etching process such as element isolation described above, a selective growth technique during crystal growth or a wet etching technique may be used.

次に、ソース−ドレイン(S−D)電極の接触抵抗を下げるために、ソース−ドレイン(S−D)電極に用いる金属直下の窒化アルミニウムを上記同様の方法で薄膜化する。
具体的には、図2(c)に示すように、所定の位置のIII族窒化物半導体層12を部分的に除去して、前記III族窒化物半導体層12の層厚をより薄くした2つの段部12e、12fを形成して、突出部12dを有する凸構造のAlNとする。
Next, in order to reduce the contact resistance of the source-drain (SD) electrode, the aluminum nitride just under the metal used for the source-drain (SD) electrode is thinned by the same method as described above.
Specifically, as shown in FIG. 2C, the group III nitride semiconductor layer 12 at a predetermined position is partially removed to make the group III nitride semiconductor layer 12 thinner. Two step portions 12e and 12f are formed to form a convex structure AlN having a protruding portion 12d.

{第1の電極、第2の電極及び第3の電極形成工程}
次に、蒸着法又はスパッタ法を用いて、ダイヤモンド基板11の一面11a側に金属膜又は複数の金属の積層構造体を形成してから、これをパターニングして、第1の電極15、第2の電極13及び第3の電極14を形成する。
{First electrode, second electrode and third electrode forming step}
Next, a vapor deposition method or a sputtering method is used to form a metal film or a laminated structure of a plurality of metals on the one surface 11a side of the diamond substrate 11, and this is then patterned to form the first electrode 15, The electrode 13 and the third electrode 14 are formed.

具体的には、まず、膜厚25nmのチタン、膜厚100nmのアルミニウム、膜厚50nmのチタン、膜厚250nmの金をこの順序及び膜厚で成膜して、4層構造体を形成する。この成膜には、例えば、電子ビーム蒸着法を用いる。
次に、フォトリソグラフィー法により、リフトオフによりパターンを作製する。
次に、4層構造体の熱処理を行う。この熱処理時間は、400℃〜1400℃とすることが好ましく、600℃〜1200℃とすることがより好ましい。熱処理時間は、10sec〜10minとすることが好ましく、30sec〜5minとすることがより好ましい。例えば、900℃、1minの条件とする。
これにより、図3(a)に示すように、ソース電極及びドレイン電極として用いる第2の電極13及び第3の電極14を形成する。
Specifically, first, titanium with a thickness of 25 nm, aluminum with a thickness of 100 nm, titanium with a thickness of 50 nm, and gold with a thickness of 250 nm are formed in this order and thickness to form a four-layer structure. For this film formation, for example, an electron beam evaporation method is used.
Next, a pattern is produced by lift-off by a photolithography method.
Next, heat treatment of the four-layer structure is performed. The heat treatment time is preferably 400 ° C. to 1400 ° C., more preferably 600 ° C. to 1200 ° C. The heat treatment time is preferably 10 sec to 10 min, and more preferably 30 sec to 5 min. For example, the conditions are 900 ° C. and 1 min.
Thereby, as shown in FIG. 3A, the second electrode 13 and the third electrode 14 used as the source electrode and the drain electrode are formed.

次に、第1の電極のために、膜厚200nmのニッケル、膜厚200nmの金をこの順序で成膜して、2層構造体を形成する。成膜には、例えば、電子ビーム蒸着法を用いる。
次に、フォトリソグラフィー法により、リフトオフによりパターンを作製する。
次に、2層構造体の熱処理を行う。この熱処理時間は、400℃〜1400℃とすることが好ましく、600℃〜1200℃とすることがより好ましい。熱処理時間は、10sec〜10minとすることが好ましく、30sec〜5minとすることがより好ましい。例えば、900℃、1minの条件とする。
これにより、図3(b)に示すように、ゲート電極として用いる第1の電極15を形成する。
Next, for the first electrode, nickel having a thickness of 200 nm and gold having a thickness of 200 nm are formed in this order to form a two-layer structure. For film formation, for example, an electron beam evaporation method is used.
Next, a pattern is produced by lift-off by a photolithography method.
Next, heat treatment of the two-layer structure is performed. The heat treatment time is preferably 400 ° C. to 1400 ° C., more preferably 600 ° C. to 1200 ° C. The heat treatment time is preferably 10 sec to 10 min, and more preferably 30 sec to 5 min. For example, the conditions are 900 ° C. and 1 min.
Thereby, as shown in FIG.3 (b), the 1st electrode 15 used as a gate electrode is formed.

次に、例えば、電界効果トランジスタ素子毎にダイヤモンド基板を分割して、素子分離を行う。
以上の工程により、図3(c)に示すように、本発明の実施形態である電界効果トランジスタ10を製造することができる。
Next, for example, the diamond substrate is divided for each field effect transistor element, and element isolation is performed.
Through the above steps, a field effect transistor 10 according to an embodiment of the present invention can be manufactured as shown in FIG.

(本発明の第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態である電界効果トランジスタについて説明する。
図4は、本発明の実施形態である電界効果トランジスタの別の一例を示す図であって、図4(a)は平面図であり、図4(b)は図4(a)のB−B’線における断面図である。
図4(a)に示すように、本発明の第2の実施形態である電界効果トランジスタ20は、第2の電極13及び第3の電極14とダイヤモンド基板11との間にIII族窒化物半導体層22が設けられていないことを除いて本発明の第1の実施形態である電界効果トランジスタ10と同様の構成とされている。
(Second embodiment of the present invention)
Next, a field effect transistor according to a second embodiment of the present invention will be described.
4A and 4B are diagrams showing another example of the field effect transistor according to the embodiment of the present invention. FIG. 4A is a plan view, and FIG. It is sectional drawing in a B 'line.
As shown in FIG. 4A, the field effect transistor 20 according to the second embodiment of the present invention includes a group III nitride semiconductor between the second electrode 13 and the third electrode 14 and the diamond substrate 11. The configuration is the same as that of the field effect transistor 10 according to the first embodiment of the present invention except that the layer 22 is not provided.

図4に示すように、III族窒化物半導体層22の他面22bは、ダイヤモンド基板11の一面11aと接しており、III族窒化物半導体層22とダイヤモンド基板11の界面27とされている。これにより、ダイヤモンド基板11とIII族窒化物半導体層22との界面27の近傍領域に正孔伝導チャネル領域26が形成されている。 As shown in FIG. 4, the other surface 22 b of the group III nitride semiconductor layer 22 is in contact with the one surface 11 a of the diamond substrate 11 and serves as an interface 27 between the group III nitride semiconductor layer 22 and the diamond substrate 11. As a result, a hole conduction channel region 26 is formed in a region near the interface 27 between the diamond substrate 11 and the group III nitride semiconductor layer 22.

本発明の実施形態である電界効果トランジスタ10、20は、ダイヤモンド基板11と、ダイヤモンド基板11の一面11a側に離間して形成された第2の電極13及び第3の電極14と、2つの電極13、14の間に離間して形成された第1の電極15と、を有する電界効果トランジスタであって、第1の電極15とダイヤモンド基板11との間にIII族窒化物半導体層12、22が設けられ、ダイヤモンド基板11とIII族窒化物半導体層12、22との界面17、27の近傍領域に正孔伝導チャネル領域16、26が形成されている構成なので、正孔をキャリアとして動作させることができ、正孔伝導チャネル領域がIII族窒化物半導体層下部に存在するため、自動的にチャネルが保護されており動作安定性に優れ、安定・高周波・大電流・高耐圧動作可能であり、トランジスタ特性の再現性が高く、高速でパワーの大きい電界効果トランジスタとすることができる。特に、ダイヤモンド単結晶基板上に成長させたIII族窒化物半導体薄膜のようなIII族窒化物半導体層は、高濃度の転位や結晶粒界を含む結晶学的構造であり、薄膜内の残留歪をほぼ緩和させることができ、トランジスタ特性の再現性が高くすることができる。以上により、安定・高周波・大電流・高耐圧動作可能であり、トランジスタ特性の再現性が高く、高速でパワーの大きい電界効果トランジスタとすることができる。 The field effect transistors 10 and 20 according to the embodiment of the present invention include a diamond substrate 11, a second electrode 13 and a third electrode 14 formed on the one surface 11 a side of the diamond substrate 11, and two electrodes. A field effect transistor having a first electrode 15 formed between the first electrode 15 and the diamond substrate 11, and a group III nitride semiconductor layer 12, 22 between the first electrode 15 and the diamond substrate 11. And the hole conduction channel regions 16 and 26 are formed in the vicinity of the interfaces 17 and 27 between the diamond substrate 11 and the group III nitride semiconductor layers 12 and 22, so that the holes are operated as carriers. Since the hole conduction channel region exists under the group III nitride semiconductor layer, the channel is automatically protected and has excellent operational stability, stable and high frequency. And large current and high breakdown voltage and operable, high reproducibility of the transistor characteristics can be a large field-effect transistor of the power at a high speed. In particular, a group III nitride semiconductor layer such as a group III nitride semiconductor thin film grown on a diamond single crystal substrate has a crystallographic structure including a high concentration of dislocations and grain boundaries, and residual strain in the thin film Can be almost alleviated and the reproducibility of transistor characteristics can be improved. As described above, stable, high-frequency, large current, and high withstand voltage operations are possible, transistor characteristics are highly reproducible, and a high-speed and high-power field effect transistor can be obtained.

本発明の実施形態である電界効果トランジスタ10、20は、正孔伝導チャネル領域16、26が、ダイヤモンド基板11内に設けられている構成なので、正孔をキャリアとして動作させ、動的にチャネルが保護されており動作安定性に優れ、安定・高周波・大電流・高耐圧動作可能であり、トランジスタ特性の再現性が高く、高速でパワーの大きい電界効果トランジスタとすることができる。 In the field effect transistors 10 and 20 according to the embodiment of the present invention, since the hole conduction channel regions 16 and 26 are provided in the diamond substrate 11, the holes are operated as carriers and the channels are dynamically formed. It is protected, has excellent operational stability, is capable of stable, high frequency, large current, and high breakdown voltage operation, has high reproducibility of transistor characteristics, and can be a field effect transistor with high speed and high power.

本発明の実施形態である電界効果トランジスタ10、20は、第2の電極13及び/又は第3の電極14とダイヤモンド基板11との間にIII族窒化物半導体層12が設けられている構成なので、正孔をキャリアとして動作させ、動的にチャネルが保護されており動作安定性に優れ、安定・高周波・大電流・高耐圧動作可能であり、トランジスタ特性の再現性が高く、高速でパワーの大きい電界効果トランジスタとすることができる。 The field effect transistors 10 and 20 according to the embodiment of the present invention have a configuration in which a group III nitride semiconductor layer 12 is provided between the second electrode 13 and / or the third electrode 14 and the diamond substrate 11. It operates with holes as carriers, the channel is dynamically protected, has excellent operational stability, is capable of stable, high frequency, large current, and high withstand voltage operation, has high reproducibility of transistor characteristics, and has high power at high speed. A large field effect transistor can be obtained.

本発明の実施形態である電界効果トランジスタ10、20は、第2の電極13及び/又は第3の電極14とダイヤモンド基板11との間のIII族窒化物半導体層12の層厚tが、第1の電極15とダイヤモンド基板11との間のIII族窒化物半導体層12の層厚tより薄い構成なので、正孔をキャリアとして動作させ、動的にチャネルが保護されており動作安定性に優れ、安定・高周波・大電流・高耐圧動作可能であり、トランジスタ特性の再現性が高く、高速でパワーの大きい電界効果トランジスタとすることができる。 In the field effect transistors 10 and 20 according to the embodiment of the present invention, the layer thickness t 2 of the group III nitride semiconductor layer 12 between the second electrode 13 and / or the third electrode 14 and the diamond substrate 11 is The structure is thinner than the layer thickness t 1 of the group III nitride semiconductor layer 12 between the first electrode 15 and the diamond substrate 11, so that the holes are operated as carriers, the channel is dynamically protected, and the operation stability is improved. It is excellent in stability, high frequency, large current, high withstand voltage operation, high reproducibility of transistor characteristics, high speed and high power field effect transistor.

本発明の実施形態である電界効果トランジスタ10、20は、第1の電極15がゲート電極であり、第2の電極13がソース電極であり、第3の電極14がドレイン電極である構成なので、正孔をキャリアとして動作させ、動的にチャネルが保護されており動作安定性に優れ、安定・高周波・大電流・高耐圧動作可能であり、トランジスタ特性の再現性が高く、高速でパワーの大きい電界効果トランジスタとすることができる。 In the field effect transistors 10 and 20 according to the embodiment of the present invention, the first electrode 15 is a gate electrode, the second electrode 13 is a source electrode, and the third electrode 14 is a drain electrode. Operates with holes as carriers, the channel is dynamically protected, excellent in operational stability, stable, high frequency, large current, and high withstand voltage operation, high reproducibility of transistor characteristics, high speed and high power It can be a field effect transistor.

本発明の実施形態である電界効果トランジスタ10、20は、III族窒化物半導体層12、22が六方晶結晶粒子を有する多結晶体からなる構成なので、ダイヤモンド基板11とIII族窒化物半導体層12、22との界面17、27の近傍領域に正孔伝導チャネル領域16、26を形成できるとともに、III族窒化物半導体層12、22の層構造を安定化し、トランジスタ特性の再現性が高い電界効果トランジスタとすることができる。 In the field effect transistors 10 and 20 according to the embodiment of the present invention, the group III nitride semiconductor layers 12 and 22 are made of a polycrystal having hexagonal crystal grains, so that the diamond substrate 11 and the group III nitride semiconductor layer 12 are formed. Hole conduction channel regions 16 and 26 can be formed in the vicinity of the interfaces 17 and 27, and the layer structure of the group III nitride semiconductor layers 12 and 22 is stabilized, and the transistor characteristics are highly reproducible. It can be a transistor.

本発明の実施形態である電界効果トランジスタ10、20は、III族窒化物半導体層12、22がAlN、BN、GaN、InNの群から選ばれるいずれか一の化合物からなる構成なので、正孔をキャリアとして動作させ、動的にチャネルが保護されており動作安定性に優れ、安定・高周波・大電流・高耐圧動作可能であり、トランジスタ特性の再現性が高く、高速でパワーの大きい電界効果トランジスタとすることができる。 In the field effect transistors 10 and 20 according to the embodiment of the present invention, the group III nitride semiconductor layers 12 and 22 are composed of any one compound selected from the group consisting of AlN, BN, GaN, and InN. A field effect transistor that operates as a carrier, has a dynamically protected channel, has excellent operational stability, is capable of stable, high-frequency, large-current, and high-voltage operation, has high reproducibility of transistor characteristics, and high power at high speed It can be.

本発明の実施形態である電界効果トランジスタ10、20は、ダイヤモンド基板11が単結晶基板であり、その一面11aが(111)結晶面と平行である構成なので、ダイヤモンド基板11とIII族窒化物半導体層12、22との界面17、27の近傍領域に正孔伝導チャネル領域16、26を形成できるとともに、III族窒化物半導体層12、22の層構造を安定化し、トランジスタ特性の再現性が高い電界効果トランジスタとすることができる。 In the field effect transistors 10 and 20 according to the embodiment of the present invention, the diamond substrate 11 is a single crystal substrate, and one surface 11a thereof is parallel to the (111) crystal plane. The hole conduction channel regions 16 and 26 can be formed in the vicinity of the interfaces 17 and 27 with the layers 12 and 22, and the layer structure of the group III nitride semiconductor layers 12 and 22 is stabilized, so that the transistor characteristics are highly reproducible. It can be a field effect transistor.

本発明の実施形態である電界効果トランジスタ10、20は、ダイヤモンド基板11の一面が酸素修飾されている構成なので、ダイヤモンド基板11とIII族窒化物半導体層12、22との界面17、27の近傍領域に正孔伝導チャネル領域16、26を容易に形成でき、正孔をキャリアとして動作させることが可能で、トランジスタ特性の再現性が高い電界効果トランジスタとすることができる。 Since the field effect transistors 10 and 20 according to the embodiment of the present invention have a structure in which one surface of the diamond substrate 11 is oxygen-modified, the vicinity of the interfaces 17 and 27 between the diamond substrate 11 and the group III nitride semiconductor layers 12 and 22. The hole conduction channel regions 16 and 26 can be easily formed in the region, can operate using holes as carriers, and can be a field effect transistor with high reproducibility of transistor characteristics.

本発明の実施形態である電界効果トランジスタ10、20の製造方法は、減圧、800℃以上の高温条件下で、ダイヤモンド基板11を水素・アンモニア雰囲気にて熱処理する工程と、MOVPE法により、減圧、1200℃以上の高温条件下で、ダイヤモンド基板11の一面11aにIII族窒化物半導体層12、22を形成する工程と、III族窒化物半導体層11、22を部分的に除去する工程と、前記ダイヤモンド基板11の一面11a側に第2の電極13及び第3の電極14を形成するとともに、前記III族窒化物半導体層12、22の一面12a、22aに第1の電極15を形成する工程と、を有する構成なので、ダイヤモンド内の正孔チャネルに対する低抵抗なオーム電極を作製することが容易であるとともに、意図的な不純物ドーピングを必要としないで、正孔をキャリアとして動作させ、安定・高周波・大電流・高耐圧動作可能であり、トランジスタ特性の再現性が高く、高速でパワーの大きい電界効果トランジスタを容易に製造することができる。 The method of manufacturing the field effect transistors 10 and 20 according to the embodiment of the present invention includes a step of heat-treating the diamond substrate 11 in a hydrogen / ammonia atmosphere under a reduced pressure and a high temperature condition of 800 ° C. or more, and a reduced pressure by a MOVPE method. A step of forming group III nitride semiconductor layers 12 and 22 on one surface 11a of diamond substrate 11 under a high temperature condition of 1200 ° C. or higher; a step of partially removing group III nitride semiconductor layers 11 and 22; Forming the second electrode 13 and the third electrode 14 on the one surface 11a side of the diamond substrate 11, and forming the first electrode 15 on the one surface 12a, 22a of the group III nitride semiconductor layers 12, 22. Therefore, it is easy to produce a low-resistance ohmic electrode for the hole channel in diamond, Easily manufacture field effect transistors with high power at high speed, with high reproducibility of transistor characteristics, capable of stable, high frequency, large current, and high voltage operation with no need for doping. can do.

本発明の実施形態である電界効果トランジスタ10、20の製造方法は、MOVPE法の成膜条件が、ダイヤモンド基板11を内部に配置した容器内にトリメチルアルミニウムガス、アンモニアガス及び水素ガスを流通させた状態で、1〜760Torrに減圧しながら、ダイヤモンド基板11を1200℃〜2000℃の温度に加熱する構成なので、ダイヤモンド基板11とIII族窒化物半導体層12、22との界面17、27の近傍領域に正孔伝導チャネル領域16、26を容易に形成できる。 In the manufacturing method of the field effect transistors 10 and 20 according to the embodiment of the present invention, the film formation conditions of the MOVPE method are such that trimethylaluminum gas, ammonia gas, and hydrogen gas are circulated in a container in which the diamond substrate 11 is disposed. In this state, the diamond substrate 11 is heated to a temperature of 1200 ° C. to 2000 ° C. while reducing the pressure to 1 to 760 Torr. Therefore, the region near the interfaces 17 and 27 between the diamond substrate 11 and the group III nitride semiconductor layers 12 and 22 In addition, the hole conduction channel regions 16 and 26 can be easily formed.

本発明の実施形態である電界効果トランジスタ10、20の製造方法は、蒸着法及び/又はスパッタ法により、第1の電極15、第2の電極13及び第3の電極14を形成する構成なので、ダイヤモンド基板11とIII族窒化物半導体層12、22との界面17、27の近傍領域に正孔伝導チャネル領域16、26を備えた電界効果トランジスタを容易に製造することができる。 Since the manufacturing method of the field effect transistors 10 and 20 according to the embodiment of the present invention is configured to form the first electrode 15, the second electrode 13, and the third electrode 14 by vapor deposition and / or sputtering, A field effect transistor having hole conduction channel regions 16 and 26 in the vicinity of the interfaces 17 and 27 between the diamond substrate 11 and the group III nitride semiconductor layers 12 and 22 can be easily manufactured.

本発明の実施形態である電界効果トランジスタ10、20の製造方法は、III族窒化物半導体層12、22を形成する前に、ダイヤモンド基板11の一面11aを酸性溶液処理又は熱処理する構成なので、ダイヤモンド基板11とIII族窒化物半導体層12、22との界面17、27の近傍領域に正孔伝導チャネル領域16、26を容易に形成できる。 Since the method for manufacturing the field effect transistors 10 and 20 according to the embodiment of the present invention has a configuration in which the one surface 11a of the diamond substrate 11 is subjected to an acid solution treatment or heat treatment before the group III nitride semiconductor layers 12 and 22 are formed. Hole conduction channel regions 16 and 26 can be easily formed in the vicinity of the interfaces 17 and 27 between the substrate 11 and the group III nitride semiconductor layers 12 and 22.

本発明の実施形態である電界効果トランジスタ10、20の製造方法は、リソグラフィー法により、III族窒化物半導体層12、22を部分的に除去する構成なので、第2の電極13及び第3の電極14との間の正孔の移動による電流の流れを容易にでき、ダイヤモンド基板11とIII族窒化物半導体層12、22との界面17、27の近傍領域に正孔伝導チャネル領域16、26を容易に形成できる。 Since the method of manufacturing the field effect transistors 10 and 20 according to the embodiment of the present invention is configured to partially remove the group III nitride semiconductor layers 12 and 22 by lithography, the second electrode 13 and the third electrode The hole conduction channel region 16, 26 can be easily formed in the vicinity of the interface 17, 27 between the diamond substrate 11 and the group III nitride semiconductor layers 12, 22. Can be easily formed.

本発明の実施形態である電界効果トランジスタ10の製造方法は、III族窒化物半導体層12を部分的に除去して、III族窒化物半導体層12の層厚tをより薄くした2つの段部12e、12fを形成する構成なので、第2の電極13及び第3の電極14との間の正孔の移動による電流の流れを容易にでき、ダイヤモンド基板11とIII族窒化物半導体層12との界面17の近傍領域に正孔伝導チャネル領域16を容易に形成できる。 Method for manufacturing a field effect transistor 10 which is an embodiment of the invention, a group III nitride semiconductor layer 12 is partially removed, the two stages that thinner thickness t 2 of the group III nitride semiconductor layer 12 Since the portions 12e and 12f are formed, the flow of current due to the movement of holes between the second electrode 13 and the third electrode 14 can be facilitated, and the diamond substrate 11 and the group III nitride semiconductor layer 12 Thus, the hole conduction channel region 16 can be easily formed in the region near the interface 17.

本発明の実施形態である電界効果トランジスタ20の製造方法は、III族窒化物半導体層22を部分的に除去して、III族窒化物半導体層22を除去した2つの除去部を形成する構成なので、第2の電極13及び第3の電極14との間の正孔の移動による電流の流れを容易にでき、ダイヤモンド基板11とIII族窒化物半導体層22との界面27の近傍領域に正孔伝導チャネル領域26を容易に形成できる。 The manufacturing method of the field effect transistor 20 according to the embodiment of the present invention has a configuration in which the group III nitride semiconductor layer 22 is partially removed to form two removal portions from which the group III nitride semiconductor layer 22 is removed. The current flow due to the movement of holes between the second electrode 13 and the third electrode 14 can be facilitated, and holes are formed in the vicinity of the interface 27 between the diamond substrate 11 and the group III nitride semiconductor layer 22. The conductive channel region 26 can be easily formed.

本発明の実施形態である電界効果トランジスタ及びその製造方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で、種々変更して実施することができる。本実施形態の具体例を以下の実施例で示す。しかし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 The field effect transistor and the manufacturing method thereof according to the embodiment of the present invention are not limited to the above embodiment, and can be implemented with various modifications within the scope of the technical idea of the present invention. Specific examples of this embodiment are shown in the following examples. However, the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
<ヘテロ接合構造体の作製>
まず、IIa型絶縁性(111)面方位ダイヤモンド基板を、硝酸と塩素酸ナトリウム(NaClO)混合溶液中で1時間沸騰処理を行い、その後、硝酸とフッ化水素酸混合溶液中で1時間沸騰処理を行った。
次に、有機金属気相成長装置(MOVPE装置)に搬入し、水素とアンモニアの混合雰囲気にて、100Torr、1250℃の条件で、5分間、アニール処理(熱処理)した。
次に、そのまま、MOVPE装置内で、表1に示す成長条件で、有機金属気相成長法(MOVPE法)により、前記ダイヤモンド基板の一面上に窒化アルミニウムを層厚が1.6μmとなるように成長させた。なお、従来のMOVPE装置は、成長温度が1000℃程度でだが、本実施例の装置では1250℃以上に加熱可能なように改良した。
なお、NHは、窒化アルミニウム成長後でも、成長温度が600℃以下に降温するまで供給し続けた。
Example 1
<Production of heterojunction structure>
First, a type IIa insulating (111) oriented diamond substrate is boiled in a mixed solution of nitric acid and sodium chlorate (NaClO 3 ) for 1 hour, and then boiled in a mixed solution of nitric acid and hydrofluoric acid for 1 hour. Processed.
Next, it was carried into a metal organic vapor phase epitaxy apparatus (MOVPE apparatus) and annealed (heat treatment) for 5 minutes under a condition of 100 Torr and 1250 ° C. in a mixed atmosphere of hydrogen and ammonia.
Next, as it is, in the MOVPE apparatus, aluminum nitride is deposited on one surface of the diamond substrate by a metal organic vapor phase epitaxy method (MOVPE method) under the growth conditions shown in Table 1 so that the layer thickness becomes 1.6 μm. Grown up. Although the conventional MOVPE apparatus has a growth temperature of about 1000 ° C., the apparatus of this embodiment has been improved so that it can be heated to 1250 ° C. or higher.
Note that NH 3 was continuously supplied until the growth temperature dropped to 600 ° C. or less even after the aluminum nitride growth.

以上の工程により、ダイヤモンド基板とIII族窒化物半導体層(AlN)とからなるヘテロ接合構造体(実施例1)を形成した。 Through the above steps, a heterojunction structure (Example 1) composed of a diamond substrate and a group III nitride semiconductor layer (AlN) was formed.

<実施例1のヘテロ接合構造体の結晶学的評価>
次に、実施例1のヘテロ接合構造体の結晶学的評価を行った。
まず、実施例1のヘテロ接合構造体の1.6μm成長させた窒化アルミニウムをX線回折法により評価した。
図5は、実施例1のヘテロ接合構造体のAlNのX線回折法の2θ−ωスキャンのプロファイル結果を示すグラフである。図5(a)はダイヤモンド(111)を中心に2θをワイドレンジである30°〜90°の範囲で測定した時の2θ−ωスキャンの結果を示すグラフであり、図5(b)は、AlNの(0002)を中心に2θを詳細に測定した結果を示すグラフであり、図5(c)は、AlNの(10−11)を中心に2θを詳細に測定した結果を示すグラフである。
<Crystallographic Evaluation of Heterojunction Structure of Example 1>
Next, crystallographic evaluation of the heterojunction structure of Example 1 was performed.
First, the aluminum nitride grown to 1.6 μm of the heterojunction structure of Example 1 was evaluated by the X-ray diffraction method.
FIG. 5 is a graph showing the 2θ-ω scan profile result of the AlN X-ray diffraction method of the heterojunction structure of Example 1. FIG. 5A is a graph showing the result of 2θ-ω scanning when 2θ is measured in the range of 30 ° to 90 °, which is a wide range, centering on diamond (111), and FIG. FIG. 5C is a graph showing the result of measuring 2θ in detail centering on (10-11) of AlN. FIG. 5C is a graph showing the result of measuring 2θ in detail centering on (0002) of AlN. .

図5(a)、図5(b)のAlNの(0002)面のピークから、窒化アルミニウムの(0001)面、つまりc軸がダイヤモンドの(111)面に配向している事が確認できた。
また、図5(b)(c)により、回折角2θとブラッグの法則により窒化アルミニウムの格子定数を求めたところ、c軸格子定数(cAlN)は4.978Å、a軸格子定数(aAlN)は3.115Åであった。
From the peak of the (0002) plane of AlN in FIGS. 5 (a) and 5 (b), it was confirmed that the (0001) plane of aluminum nitride, that is, the c axis was oriented to the (111) plane of diamond. .
5B and 5C, the lattice constant of aluminum nitride was determined by the diffraction angle 2θ and Bragg's law. The c-axis lattice constant (c AlN ) was 4.978 は, and the a-axis lattice constant (a AlN ) Was 3.115cm.

図6は、実施例1のヘテロ接合構造体の窒化アルミニウムとダイヤモンド界面(ヘテロ界面)近傍の断面透過型電子顕微鏡像(図5(a))と透過電子回折パターン(図6(b)、図6(c))である。
図6(a)に示すように、実施例1のヘテロ接合構造体の窒化アルミニウムは高密度の欠陥(転位および結晶粒界)を有し緩和しており、連続膜というよりは、コラム(グレイン)構造に酷似した構造であることがわかる。
また、図6(b)、(c)に示す透過電子回折パターンより、窒化アルミニウムは2つのドメイン構造を有していることがわかる。
また、配向関係は(0001)窒化アルミニウムと(111)ダイヤモンドが平行であることがわかる。更に、(1−100)窒化アルミニウム及び(11−20)窒化アルミニウムと(0−22)ダイヤモンドが平行であることがわかる。
6 shows a cross-sectional transmission electron microscope image (FIG. 5A) and a transmission electron diffraction pattern (FIG. 6B, FIG. 6) in the vicinity of the aluminum nitride and diamond interface (hetero interface) of the heterojunction structure of Example 1. 6 (c)).
As shown in FIG. 6 (a), the aluminum nitride of the heterojunction structure of Example 1 has a high density of defects (dislocations and crystal grain boundaries) and is relaxed, and is not a continuous film but a column (grain). It can be seen that the structure is very similar to the structure.
Further, from the transmission electron diffraction patterns shown in FIGS. 6B and 6C, it can be seen that aluminum nitride has two domain structures.
It can also be seen that (0001) aluminum nitride and (111) diamond are parallel in the orientation relationship. Further, it can be seen that (1-100) aluminum nitride and (11-20) aluminum nitride and (0-22) diamond are parallel.

<電界効果トランジスタの作製>
次に、実施例1のヘテロ接合構造体の窒化アルミニウムをパターニングして、ダイヤモンド基板上に複数の素子が分離されてなる素子分離構造を形成した。
なお、パターニングはフォトリソグラフィー法を用い、AlNのエッチングは誘導結合プラズマエッチング装置を用い、エッチングガスには塩素Clを用いた。また、エッチングの際、フォトレジストにより形成したパターン下部の窒化アルミニウムを残し、パターン以外の窒化アルミニウムを完全にエッチングし除去した。
<Fabrication of field effect transistor>
Next, the aluminum nitride of the heterojunction structure of Example 1 was patterned to form an element isolation structure in which a plurality of elements were isolated on a diamond substrate.
Note that patterning was performed using a photolithography method, AlN was etched using an inductively coupled plasma etching apparatus, and chlorine Cl 2 was used as an etching gas. Further, during the etching, the aluminum nitride below the pattern formed by the photoresist was left, and the aluminum nitride other than the pattern was completely etched and removed.

次に、ソース−ドレイン(S−D)電極の接触抵抗を下げるために、ソース−ドレイン(S−D)電極に用いる金属直下に配置される窒化アルミニウムを、上記と同様にフォトリソグラフィー法および誘導結合プラズマエッチング装置を用いて、薄膜化した。
これにより、凸構造を形成した。
Next, in order to lower the contact resistance of the source-drain (SD) electrode, aluminum nitride disposed immediately below the metal used for the source-drain (SD) electrode is formed by photolithography and induction in the same manner as described above. The film was thinned using a coupled plasma etching apparatus.
Thereby, a convex structure was formed.

次に、電子ビーム蒸着法を用いて、前記薄膜化した窒化アルミニウム上に、チタン(25nm)、アルミニウム(100nm)、チタン(50nm)、金(250nm)をこの順序及び膜厚で堆積して、4層構造体を形成した(以下、Ti(25nm)/Al(100nm)/Ti(50nm)/Au(250nm)と示す場合がある)。
次に、フォトレジストを塗布した後、フォトリソグラフィー法により、フォトレジストをソース電極及びドレイン電極の形状にパターニングしてから、リフトオフにより前記4層構造体をパターン化した。
なお、1枚のダイヤモンド基板上には複数の正方形状のソース電極及びドレイン電極を作製した。前記正方形状のソース電極及びドレイン電極は150μm角とした。
次に、前記4層構造体の金属を900℃、1minの条件で熱処理して、ソース電極及びドレイン電極を形成した。
Next, using electron beam evaporation, titanium (25 nm), aluminum (100 nm), titanium (50 nm), and gold (250 nm) are deposited in this order and film thickness on the thinned aluminum nitride, A four-layer structure was formed (hereinafter sometimes referred to as Ti (25 nm) / Al (100 nm) / Ti (50 nm) / Au (250 nm)).
Next, after applying a photoresist, the photoresist was patterned into the shape of a source electrode and a drain electrode by photolithography, and then the four-layer structure was patterned by lift-off.
Note that a plurality of square source and drain electrodes were formed on one diamond substrate. The square source electrode and drain electrode were 150 μm square.
Next, the metal of the four-layer structure was heat-treated at 900 ° C. for 1 min to form a source electrode and a drain electrode.

次に、電子ビーム蒸着法を用いて、前記薄膜化した窒化アルミニウム上に、ニッケル(200nm)、金(200nm)をこの順序及び膜厚で堆積して、2層構造体を形成した(以下、Ni(200nm)/Au(200nm)と示す場合がある)。
次に、フォトレジストを塗布した後、フォトリソグラフィー法により、フォトレジストをゲート電極の形状にパターニングしてから、リフトオフにより前記2層構造体をパターン化した。
なお、一対のソース電極及びドレイン電極の間には、ゲート電極の長さ(ゲート長)Lgが10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、ゲート電極の幅(ゲート幅)Wgが160μmのものを作製した。また、各ゲートには一端側に正方形状の端子部を形成した。前記正方形状の端子部の1辺の長さは150μmとした。
次に、前記2層構造体を900℃、1minの条件で熱処理して、ゲート電極を形成した。
Next, using electron beam evaporation, nickel (200 nm) and gold (200 nm) were deposited in this order and film thickness on the thinned aluminum nitride to form a two-layer structure (hereinafter, referred to as “the two-layer structure”). Ni (200 nm) / Au (200 nm) may be indicated).
Next, after applying a photoresist, the photoresist was patterned into the shape of a gate electrode by photolithography, and then the two-layer structure was patterned by lift-off.
Between the pair of source and drain electrodes, the gate electrode length (gate length) Lg is 10 μm, 20 μm, 30 μm, 40 μm, 50 μm, 60 μm, and the gate electrode width (gate width) Wg is 160 μm. Was made. Each gate has a square terminal on one end. The length of one side of the square terminal portion was 150 μm.
Next, the two-layer structure was heat-treated at 900 ° C. for 1 min to form a gate electrode.

以上の工程により、ソース電極及びドレイン電極を備え、ゲート電極の長さLgがそれぞれ10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μmである複数の電界効果トランジスタ素子を有するダイヤモンド基板(実施例1)を形成した。 Through the above-described steps, a diamond substrate (Example 1) having a plurality of field effect transistor elements each including a source electrode and a drain electrode and having a gate electrode length Lg of 10 μm, 20 μm, 30 μm, 40 μm, 50 μm, and 60 μm, respectively. Formed.

<実施例1の電界効果トランジスタ特性評価>
実施例1の電界効果トランジスタのデバイス特性評価結果を以下に記述する。
図7は、実施例1の電界効果トランジスタの表面光学顕微鏡像(a)、(b)及び断面模式図(c)である。図7(a)が平面図であり、図7(b)が拡大図であり、図7(c)が断面模式図である。図7(a)に示す数値は各トランジスタのゲート長のサイズである。
<Evaluation of Field Effect Transistor Characteristics of Example 1>
The device characteristic evaluation results of the field effect transistor of Example 1 are described below.
7 is a surface optical microscopic image (a), (b) and a schematic cross-sectional view (c) of the field effect transistor of Example 1. FIG. Fig.7 (a) is a top view, FIG.7 (b) is an enlarged view, FIG.7 (c) is a cross-sectional schematic diagram. The numerical value shown in FIG. 7A is the size of the gate length of each transistor.

図7(a)に示すように、複数の電界効果トランジスタ素子を有するダイヤモンド基板(実施例1)には、2つの正方形状のソース・ドレイン電極が並んで配置されている。
図7(a)及び図7(b)に示すように、正方形状のソース電極及びドレイン電極の1辺の長さは160μmである。
また、各電界効果トランジスタのゲート電極の幅Wgは160μmであり、ゲート電極の長Lgは10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μmである。各ゲート電極の一端側には正方形状の端子部が形成されている。
更に、図7(c)に示すように、ゲート電極は、凸構造AlN上に形成されている。
As shown in FIG. 7A, two square source / drain electrodes are arranged side by side on a diamond substrate (Example 1) having a plurality of field effect transistor elements.
As shown in FIGS. 7A and 7B, the length of one side of the square source electrode and drain electrode is 160 μm.
Further, the width Wg of the gate electrode of each field effect transistor is 160 μm, and the length Lg of the gate electrode is 10 μm, 20 μm, 30 μm, 40 μm, 50 μm, and 60 μm. A square terminal portion is formed on one end side of each gate electrode.
Further, as shown in FIG. 7C, the gate electrode is formed on the convex structure AlN.

図8は、本発明の電界効果トランジスタのトランジスタ特性評価の測定配置である。この測定配置により、複数の電界効果トランジスタ素子を有するダイヤモンド基板(実施例1)の各電界効果トランジスタのトランジスタ特性評価を行った。なお、この配置はソース(S)をグランドとした一般的なpチャネル測定に用いる配置である。 FIG. 8 shows a measurement arrangement for evaluating transistor characteristics of the field effect transistor of the present invention. With this measurement arrangement, the transistor characteristics of each field effect transistor on a diamond substrate (Example 1) having a plurality of field effect transistor elements were evaluated. This arrangement is an arrangement used for general p-channel measurement with the source (S) as the ground.

図9は、ゲート幅(Wg)160μm、ゲート長(Lg)30μmの電界効果トランジスタの電流電圧特性を示すグラフであり、図9(a)は、ドレイン電流(Id)−ドレイン電圧(Vd)のゲート電圧依存性を示すグラフ(Id−Vd特性を示すグラフ)であり、図9(b)はゲート電流(Ig)−ドレイン電圧(Vd)のゲート電圧依存性を示すグラフ(Ig−Vd特性を示すグラフ)である。ゲート電圧Vgは2Vから−5Vまで1V間隔で変えて、Ig−Vd特性を測定した。
ドレイン電流(Id)はゲート幅(Wg)にて規格化している。また、ゲート電流(Ig)は、ゲートリーク電流である。
FIG. 9 is a graph showing the current-voltage characteristics of a field effect transistor having a gate width (Wg) of 160 μm and a gate length (Lg) of 30 μm. FIG. 9A shows the drain current (Id) −drain voltage (Vd). FIG. 9B is a graph showing the gate voltage dependency (a graph showing the Id-Vd characteristic), and FIG. 9B is a graph showing the gate voltage dependency of the gate current (Ig) −the drain voltage (Vd) (the Ig-Vd characteristic is shown). Graph). The gate voltage Vg was changed from 1V to -5V at 1V intervals, and Ig-Vd characteristics were measured.
The drain current (Id) is normalized by the gate width (Wg). The gate current (Ig) is a gate leakage current.

図9(a)に示すように、ゲート電圧(Vg)によりドレイン電流(Id)が制御されている。更に、ピンチオフ状態も確認できる。
また、負のドレイン電圧(Vd)に対して負のドレイン電流(Id)が得られているので、キャリアは正孔であることがわかる。
更に、図9(a)及び図9(b)に示すように、ドレイン電流(Id)はゲートリーク電流(Ig)と比較して十分大きい。
なお、図9の結果から、最大ドレイン電流(Idmax)および最大相互コンダクタンス(gmmax)を算出でき、それぞれ、Idmax=6.8mA/mm、gmmax=2.9mS/mmであった。
As shown in FIG. 9A, the drain current (Id) is controlled by the gate voltage (Vg). Furthermore, a pinch-off state can also be confirmed.
Further, since a negative drain current (Id) is obtained with respect to the negative drain voltage (Vd), it can be seen that the carriers are holes.
Furthermore, as shown in FIGS. 9A and 9B, the drain current (Id) is sufficiently larger than the gate leakage current (Ig).
From the results shown in FIG. 9, the maximum drain current (Id max ) and the maximum transconductance (gm max ) can be calculated, and Id max = 6.8 mA / mm and gm max = 2.9 mS / mm, respectively.

図10は、ゲート幅(Wg)160μm、ゲート長(Lg)30μmの電界効果トランジスタのソース電極とゲート電極との間の静電容量−電圧特性(C−Vg特性)を示すグラフである。
図10に示すように、Vg=7〜10V付近においては空乏層の広がりを確認することができる。
また、Vg=−3〜7V付近においては、キャリアの蓄積による静電容量(空乏層)が一定(C=6.8×10−13F)になっている。
更に、Vg=−10〜−3V付近においては、キャリアの増加に伴い、ゲートリーク電流(Ig)が増加してしまい、静電容量は減少した。
FIG. 10 is a graph showing capacitance-voltage characteristics (C-Vg characteristics) between a source electrode and a gate electrode of a field effect transistor having a gate width (Wg) of 160 μm and a gate length (Lg) of 30 μm.
As shown in FIG. 10, the spread of the depletion layer can be confirmed in the vicinity of Vg = 7 to 10V.
In the vicinity of Vg = −3 to 7V, the electrostatic capacity (depletion layer) due to the accumulation of carriers is constant (C = 6.8 × 10 −13 F).
Furthermore, in the vicinity of Vg = −10 to −3 V, the gate leakage current (Ig) increased with the increase in carriers, and the capacitance decreased.

次に、ドレイン電流の平方根−ゲート電圧特性(Id1/2−Vg特性)をプロットしてから、線形フィットしたところ、ゲート電圧(Vg)が−2Vで高い線形性を示した。
そのため、先ほどの静電容量C=6.8×10−13Fを用いて、その時の実効移動度(μ)および閾値電圧(Vt)を、算出した。
その結果、Vd=−5Vと時の実効移動度(μ)および閾値電圧(Vt)は、それぞれμ=316cm/VsおよびVt=3Vと見積もられた。また、Vdが−5V、Vgが−5Vのとき、相互コンダクタンス(gm)は3mS/mmとなった。
なお、ゲート幅(Wg)160μm、ゲート長(Lg)30μmの電界効果トランジスタにおいて、Vd=−5V、Vg=−5V印加時、ドレイン電流Id≧6.8mA/mm、実効移動度μ≧300cm/Vs、相互コンダクタンスgm≧2.5mS/mmが得られ、高速・ハイパワーであると評価した。さらに測定環境に対する動作安定性も優れていた。
Next, after plotting the square root-gate voltage characteristics (Id 1/2 -Vg characteristics) of the drain current and performing a linear fit, the gate voltage (Vg) was -2V and high linearity was shown.
Therefore, the effective mobility (μ) and the threshold voltage (Vt) at that time were calculated using the capacitance C = 6.8 × 10 −13 F.
As a result, when Vd = −5 V, the effective mobility (μ) and threshold voltage (Vt) were estimated to be μ = 316 cm 2 / Vs and Vt = 3 V, respectively. Further, when Vd was −5 V and Vg was −5 V, the mutual conductance (gm) was 3 mS / mm.
In a field effect transistor having a gate width (Wg) of 160 μm and a gate length (Lg) of 30 μm, when Vd = −5 V and Vg = −5 V are applied, drain current Id ≧ 6.8 mA / mm, effective mobility μ ≧ 300 cm 2 / Vs and mutual conductance gm ≧ 2.5 mS / mm were obtained, and the high speed and high power were evaluated. Furthermore, the operation stability with respect to the measurement environment was also excellent.

次に、ドレイン電流の平方根−ゲート電圧特性(Id1/2−Vg特性)より得られた閾値電圧(Vt)の値を基準にし、キャリア密度Q/qを静電容量−電圧特性から見積もった。その結果、Abs(Vg)+Vt=4Vのとき、Q/q=3.9×1011cm−2であり、チャネル抵抗R(オン抵抗)はR=4.55kΩであった。 Next, the carrier density Q / q was estimated from the capacitance-voltage characteristics based on the threshold voltage (Vt) value obtained from the square root of the drain current-gate voltage characteristics (Id 1/2 -Vg characteristics). . As a result, when Abs (Vg) + Vt = 4V, Q / q = 3.9 × 10 11 cm −2 and the channel resistance R (ON resistance) was R = 4.55 kΩ.

次に、C−V測定の結果より、チャネルキャリア密度分布がダイヤモンド中で分布していることを仮定して、ダイヤモンドの比誘電率を用い、深さ方向に対する正孔濃度pを算出した。 Next, from the results of CV measurement, assuming that the channel carrier density distribution is distributed in diamond, the hole concentration p in the depth direction was calculated using the relative dielectric constant of diamond.

図11は、電界効果トランジスタの界面からの深さに対する正孔濃度pの値を示すグラフである。この結果は、2次元的に正孔が分布していることを示唆している。また、ピークの半値幅から、このチャネル幅は1nm以下であると考えられる。 FIG. 11 is a graph showing the value of the hole concentration p with respect to the depth from the interface of the field effect transistor. This result suggests that holes are distributed two-dimensionally. Further, from the half width of the peak, this channel width is considered to be 1 nm or less.

以上の結果から、電界効果トランジスタのゲート電圧に対するバンド構造の変化の考察を行った。
図12(a)は本発明の電界効果トランジスタの空乏状態のバンド構造であり、図12(b)はフラットバンド状態のバンド構造であり、図12(c)は正孔蓄積の状態のバンド構造である。
図12(a)に示すように、Vg>Vtの場合、ダイヤモンド−窒化アルミニウム界面は空乏化している。
また、Vg=Vtにてフラットバンドを形成する。更に、Vg<Vtにおいて、正孔キャリアの蓄積が起こると考察した。
From the above results, the change of the band structure with respect to the gate voltage of the field effect transistor was considered.
12A shows a band structure in a depletion state of the field effect transistor of the present invention, FIG. 12B shows a band structure in a flat band state, and FIG. 12C shows a band structure in a hole accumulation state. It is.
As shown in FIG. 12A, when Vg> Vt, the diamond-aluminum nitride interface is depleted.
Further, a flat band is formed at Vg = Vt. Furthermore, it was considered that hole carrier accumulation occurs when Vg <Vt.

(実施例2)
AlNの成長後、成長条件と同じ条件で、水素アニール処理(熱処理)を行った他は実施例1と同様にして、複数の電界効果トランジスタ素子を有するダイヤモンド基板(実施例2)を形成した。
実施例1と同様に方法で、トランジスタ特性を測定して、キャリアの有無を調査したところ、電流は装置の検出限界以下であったため、AlNを堆積することがキャリアの生成を担っていることを傍証する結果であった。
(Example 2)
After the growth of AlN, a diamond substrate having a plurality of field effect transistor elements (Example 2) was formed in the same manner as in Example 1 except that hydrogen annealing treatment (heat treatment) was performed under the same conditions as the growth conditions.
The transistor characteristics were measured by the same method as in Example 1, and the presence or absence of carriers was investigated. As the current was below the detection limit of the device, it was confirmed that deposition of AlN was responsible for carrier generation. It was a result to prove.

本結果より、窒化アルミニウムの膜厚・膜質やデバイススケールの最適化により大幅な改善が見込まれ、高周波・大電流・高耐圧動作可能な高速・パワー電界効果トランジスタの実現のための可能性を十分有するものである。 From these results, significant improvements can be expected by optimizing the film thickness, film quality, and device scale of aluminum nitride, and there is sufficient potential for realizing high-speed, power field-effect transistors capable of high-frequency, large-current, and high-voltage operation. It is what you have.

本発明の電界効果トランジスタ及びその製造方法は、トランジスタ特性の再現性が高く、高速でパワーの大きい電界効果トランジスタ及びその製造方法に関するものであり、電界効果トランジスタの製造産業等において利用可能性がある。 The field effect transistor and the manufacturing method thereof according to the present invention relate to a field effect transistor having high reproducibility of transistor characteristics, high speed and high power, and a manufacturing method thereof, and may be used in the field effect transistor manufacturing industry and the like. .

10…電界効果トランジスタ、11…ダイヤモンド基板、11a…一面、12…III族窒化物半導体層、12a…一面、12b…他面、12c…一面、12d…突出部、12e、12f…段部、13…第2の電極、14…第3の電極、15…第1の電極、16…正孔伝導チャネル領域、17…界面、20…電界効果トランジスタ、22…III族窒化物半導体層、22a…一面、22b…他面、26…正孔伝導チャネル領域、27…界面。

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Field effect transistor, 11 ... Diamond substrate, 11a ... One side, 12 ... Group III nitride semiconductor layer, 12a ... One side, 12b ... Other side, 12c ... One side, 12d ... Projection part, 12e, 12f ... Step part, 13 ... Second electrode, 14 ... Third electrode, 15 ... First electrode, 16 ... Hole conduction channel region, 17 ... Interface, 20 ... Field effect transistor, 22 ... Group III nitride semiconductor layer, 22a ... One side 22b ... the other side, 26 ... the hole conduction channel region, 27 ... the interface.

Claims (16)

ダイヤモンド基板と、前記ダイヤモンド基板の一面側に離間して形成された第2の電極及び第3の電極と、前記2つの電極の間に離間して形成された第1の電極と、を有する電界効果トランジスタであって、
前記第1の電極と前記ダイヤモンド基板との間にIII族窒化物半導体層が設けられ、前記ダイヤモンド基板と前記III族窒化物半導体層との界面の近傍領域に正孔伝導チャネル領域が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。
An electric field having a diamond substrate, a second electrode and a third electrode formed separately on one surface side of the diamond substrate, and a first electrode formed separately between the two electrodes An effect transistor,
A group III nitride semiconductor layer is provided between the first electrode and the diamond substrate, and a hole conduction channel region is formed in the vicinity of the interface between the diamond substrate and the group III nitride semiconductor layer. A field effect transistor characterized by comprising:
前記正孔伝導チャネル領域が、前記ダイヤモンド基板内に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 The field effect transistor according to claim 1, wherein the hole conduction channel region is provided in the diamond substrate. 前記第2の電極及び/又は前記第3の電極と前記ダイヤモンド基板との間にIII族窒化物半導体層が設けられていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電界効果トランジスタ。 3. The field effect transistor according to claim 1, wherein a group III nitride semiconductor layer is provided between the second electrode and / or the third electrode and the diamond substrate. . 前記第2の電極及び/又は前記第3の電極と前記ダイヤモンド基板との間のIII族窒化物半導体層の層厚が、前記第1の電極と前記ダイヤモンド基板との間のIII族窒化物半導体層の層厚より薄いことを特徴とする請求項3に記載の電界効果トランジスタ。 The group III nitride semiconductor layer between the second electrode and / or the third electrode and the diamond substrate has a layer thickness of the group III nitride semiconductor between the first electrode and the diamond substrate. The field effect transistor according to claim 3, wherein the field effect transistor is thinner than a layer thickness. 前記第1の電極がゲート電極であり、前記第2の電極がソース電極であり、前記第3の電極がドレイン電極であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の電界効果トランジスタ。 5. The device according to claim 1, wherein the first electrode is a gate electrode, the second electrode is a source electrode, and the third electrode is a drain electrode. 6. Field effect transistor. 前記III族窒化物半導体層が六方晶結晶粒子を有する多結晶体からなることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の電界効果トランジスタ。   The field effect transistor according to claim 1, wherein the group III nitride semiconductor layer is made of a polycrystalline body having hexagonal crystal grains. 前記III族窒化物半導体層がAlN、BN、GaN、InNの群から選ばれるいずれか一の化合物からなることを特徴とする請求項6に記載の電界効果トランジスタ。   The field effect transistor according to claim 6, wherein the group III nitride semiconductor layer is made of any one compound selected from the group consisting of AlN, BN, GaN, and InN. 前記ダイヤモンド基板が単結晶基板であり、その一面が(111)結晶面と平行であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の電界効果トランジスタ。   The field effect transistor according to claim 1, wherein the diamond substrate is a single crystal substrate, and one surface thereof is parallel to a (111) crystal surface. 前記ダイヤモンド基板の一面が酸素修飾されていることを特徴とする請求項8に記載の電界効果トランジスタ。   9. The field effect transistor according to claim 8, wherein one surface of the diamond substrate is oxygen-modified. 減圧、800℃以上の高温条件下で、ダイヤモンド基板を水素・アンモニア雰囲気にて熱処理する工程と、
MOVPE法により、減圧、1200℃以上の高温条件下で、前記ダイヤモンド基板の一面にIII族窒化物半導体層を形成する工程と、
前記III族窒化物半導体層を部分的に除去する工程と、
前記ダイヤモンド基板の一面側に第2の電極及び第3の電極を形成するとともに、前記III族窒化物半導体層の一面に第1の電極を形成する工程とを有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 step of heat-treating the diamond substrate in a hydrogen / ammonia atmosphere under reduced pressure and at a high temperature of 800 ° C. or higher;
Forming a group III nitride semiconductor layer on one surface of the diamond substrate under reduced pressure and at a high temperature of 1200 ° C. or higher by a MOVPE method;
Partially removing the group III nitride semiconductor layer;
Forming a second electrode and a third electrode on one surface of the diamond substrate, and forming a first electrode on one surface of the group III nitride semiconductor layer. Manufacturing method.
前記MOVPE法の成膜条件が、ダイヤモンド基板を内部に配置した容器内にトリメチルアルミニウムガス、アンモニアガス及び水素ガスを流通させた状態で、1〜760Torrに減圧しながら、前記ダイヤモンド基板を1200℃〜2000℃の温度に加熱することを特徴とする請求項10に記載の電界効果トランジスタの製造方法。   The film formation condition of the MOVPE method is that the diamond substrate is 1200 ° C. to 760 ° C. while reducing the pressure to 1 to 760 Torr in a state where trimethylaluminum gas, ammonia gas and hydrogen gas are circulated in a container in which the diamond substrate is disposed. The method of manufacturing a field effect transistor according to claim 10, wherein the field effect transistor is heated to a temperature of 2000 ° C. 蒸着法及び/又はスパッタ法により、前記第1の電極、前記第2の電極及び前記第3の電極を形成することを特徴とする請求項10又は請求項11に記載の電界効果トランジスタの製造方法。   12. The method of manufacturing a field effect transistor according to claim 10, wherein the first electrode, the second electrode, and the third electrode are formed by vapor deposition and / or sputtering. . 前記III族窒化物半導体層を形成する前に、前記ダイヤモンド基板の一面を酸性溶液処理又は熱処理することを特徴とする請求項10〜12のいずれか1項に記載の電界効果トランジスタの製造方法。 13. The method of manufacturing a field effect transistor according to claim 10, wherein one surface of the diamond substrate is subjected to an acid solution treatment or a heat treatment before forming the group III nitride semiconductor layer. リソグラフィー法により、前記III族窒化物半導体層を部分的に除去することを特徴とする請求項10〜13のいずれか1項に記載の電界効果トランジスタの製造方法。 The method for manufacturing a field effect transistor according to claim 10, wherein the group III nitride semiconductor layer is partially removed by a lithography method. 前記III族窒化物半導体層を部分的に除去して、前記III族窒化物半導体層の層厚をより薄くした2つの段部を形成することを特徴とする請求項14に記載の電界効果トランジスタの製造方法。 15. The field effect transistor according to claim 14, wherein the group III nitride semiconductor layer is partially removed to form two step portions in which the layer thickness of the group III nitride semiconductor layer is thinner. Manufacturing method. 前記III族窒化物半導体層を部分的に除去して、前記III族窒化物半導体層を除去した2つの除去部を形成することを特徴とする請求項14に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
15. The method of manufacturing a field effect transistor according to claim 14, wherein the group III nitride semiconductor layer is partially removed to form two removal portions from which the group III nitride semiconductor layer is removed.
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