JP2013149914A - Photoelectrochemical device and manufacturing method for semiconductor device - Google Patents

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Toshiyuki Oishi
敏之 大石
Hiroshi Otsuka
浩志 大塚
Koji Yamanaka
宏治 山中
Yutaro Yamaguchi
裕太郎 山口
Masatoshi Nakayama
正敏 中山
Akifumi Imai
章文 今井
Yasuyuki Miyamoto
恭幸 宮本
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Tokyo Institute of Technology NUC
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Tokyo Institute of Technology NUC
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectrochemical device and a manufacturing method for a semiconductor device, which can precisely control a threshold of a nitride semiconductor by using photoelectrochemical reaction.SOLUTION: The manufacturing method includes: an oxidation step in which, while controlling a power supply 8 connected between a counter cathode 7 and an acting anode 5, light 4 having energy higher than a bandgap in a GaN layer of a sample 3 is irradiated upon the sample 3 to generate a pair of electrons and holes and the holes having moved to the surface of the sample 3 are subjected to oxidation reaction in the interface between the surface of the sample 3 and an oxidizing solution 2 to oxidize an AlGaN layer on the surface of the sample 3 to turn it into a thin film; and a threshold monitor step in which, by sweeping voltage of the power supply 8, measurement is taken of a threshold level Vth at which electrons are present in the GaN layer causing current to stop flowing any more. The oxidation step is carried out until the threshold level Vth measured in the threshold monitor step reaches a target threshold.

Description

この発明は、GaNに代表される窒化物半導体の高電子移動度トランジスタ(以下、HEMTと呼ぶ)などの半導体装置の製造に使用される光電気化学装置および半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a photoelectrochemical device used for manufacturing a semiconductor device such as a nitride semiconductor high electron mobility transistor (hereinafter referred to as HEMT) typified by GaN, and a method for manufacturing the semiconductor device.

GaNに代表される窒化物半導体は、従来のGaAs半導体と比較して絶縁破壊電界が大きく、また、自発分極、ピエゾ分極というGaAs半導体にはない性質を持ち、高濃度の2次元電子ガスを発生できる。これらの性質を用いることにより、GaAs半導体では実現できなかった高周波で高出力電力の増幅器や、耐電力が高くオン抵抗の低いスイッチデバイスが可能となる。
これらに用いるデバイスとしてHEMTがあり、その重要な特性の1つが閾値である。閾値は、トランジスタがオンになる電圧を示しており、増幅器やスイッチの特性を決める重要なパラメータとなる。このため、閾値の制御性に優れたHEMTの製造方法が望まれている。
Nitride semiconductors typified by GaN have a higher dielectric breakdown electric field than conventional GaAs semiconductors, and have properties not found in GaAs semiconductors such as spontaneous polarization and piezo polarization, and generate high-concentration two-dimensional electron gas. it can. By using these properties, a high-frequency and high-output power amplifier that cannot be realized with a GaAs semiconductor, and a switch device with high power resistance and low on-resistance can be realized.
There is HEMT as a device used for these, and one of the important characteristics is a threshold value. The threshold value indicates a voltage at which the transistor is turned on, and is an important parameter that determines the characteristics of the amplifier and the switch. For this reason, the manufacturing method of HEMT excellent in the controllability of a threshold value is desired.

AlGaN層とGaN層のヘテロ接合を用いたHEMTでは、図1を用いて後述するように閾値(電流を遮断するために必要なゲート電圧)がAlGaNの膜厚に依存し、膜厚が薄くなるほど閾値が増加する。つまり、AlGaNバリア層を薄くして、ゲート電極とGaNチャネル層との距離を近づけることにより、閾値電圧を大きくすることができる。
したがって、HEMTの製造において、AlGaNを薄膜化して閾値を制御することが重要となる。
従来、AlGaNを薄膜化する方法としては、非特許文献1に記載されるドライエッチングが一般的であった。また、非特許文献2には、光電気化学反応でAlGaNを薄膜化する方法が開示されている。
In a HEMT using a heterojunction of an AlGaN layer and a GaN layer, as will be described later with reference to FIG. 1, the threshold value (gate voltage necessary for interrupting current) depends on the film thickness of AlGaN, and the film thickness decreases. The threshold increases. That is, the threshold voltage can be increased by reducing the thickness of the AlGaN barrier layer and reducing the distance between the gate electrode and the GaN channel layer.
Therefore, in manufacturing the HEMT, it is important to control the threshold value by reducing the thickness of AlGaN.
Conventionally, dry etching described in Non-Patent Document 1 has been a common method for thinning AlGaN. Non-Patent Document 2 discloses a method of thinning AlGaN by a photoelectrochemical reaction.

中田健 他、「リセスゲートを用いたノーマリーオフAlGaN/GaN HEMT」、電子情報通信学会 信学技報、ED2005−129、p.51Takeshi Nakata et al., “Normally Off AlGaN / GaN HEMT Using Recessed Gate”, IEICE Technical Report, ED2005-129, p. 51 N.Harada et al.,“Formation of recessed-Oxide gate for normally-off AlGaN/GaN high electron mobility transistors using selective electrochemical oxidation”,Applied Physics Express 4 (2011) 021002.N. Harada et al. “Formation of recessed-Oxide gate for normally-off AlGaN / GaN high electron mobility transistors using selective electrochemical oxidation”, Applied Physics Express 4 (2011) 021002.

従来のドライエッチングによるAlGaNの薄膜化では、そのプロセス中にHEMTの閾値をモニタできず、エッチング速度で膜厚を制御するので、HEMTの閾値のばらつきが大きいという課題があった。
ここで、HEMTの閾値Vthについて説明する。
まず、閾値Vthは、下記式(1)で表される。ただし、φは仕事関数、ΔEはヘテロ接合における伝導帯の差、qは素電荷、Nは不純物濃度、dは不純物がドーピングされた領域の膜厚、εは誘電率、σは分極強さ、dは不純物がドーピングされていない領域の膜厚である。
Vth=φ−ΔE−qNd /2ε−qσ(d+d)/ε ・・・(1)
In the conventional AlGaN thinning by dry etching, the HEMT threshold cannot be monitored during the process, and the film thickness is controlled by the etching rate.
Here, the HEMT threshold Vth will be described.
First, the threshold value Vth is expressed by the following formula (1). Where φ b is the work function, ΔE c is the conduction band difference at the heterojunction, q is the elementary charge, N is the impurity concentration, d d is the film thickness of the doped region, ε is the dielectric constant, and σ is the fraction The maximum strength, d i, is the thickness of the region where no impurities are doped.
Vth = φ b −ΔE c −qNd d 2 / 2ε−qσ (d d + d i ) / ε (1)

窒化物半導体のHEMTでは、上記式(1)の右辺第3項の寄与は小さいと考えられている。また、伝導帯の差ΔEと分極の強さσの値は材料によって決まっており、これを変更するのは難しい。
そこで、HEMTの閾値を制御するには、仕事関数φまたは膜厚dを変更することが考えられる。ここで、φは金属の変更により可能であるが、値を大きく変えることができない。したがって、閾値の制御には、膜厚dを変更することが効率的である。
In the HEMT of a nitride semiconductor, the contribution of the third term on the right side of the above formula (1) is considered to be small. The values of the conduction band difference ΔE c and the polarization strength σ are determined by the material, and it is difficult to change them.
Therefore, to control the HEMT threshold, it is conceivable to change the work function φ b or the film thickness d i . Here, φ b can be changed by changing the metal, but the value cannot be changed greatly. Therefore, it is efficient to change the film thickness d i for controlling the threshold.

図1は、AlGaNとGaNのヘテロ接合を利用したHEMTの閾値とAlGaNの膜厚dとの関係を示すグラフである。なお、図1のHEMTでは、不純物をドーピングした領域の膜厚dを0nmとしており、膜厚dはAlGaNの膜厚となる。このため、横軸をAlGaN膜厚と表記している。
また、図1に示すグラフでは、φが1.1eV、ΔEが0.2eV、Nが1e15cm−3、dが0nm、σが1e13cm−2とした。AlGaN/GaNは分極効果が強く、不純物領域を用いないことが多いため、上述したようにdを0nmで計算している。
Figure 1 is a graph showing the relationship between the thickness d i of the threshold and the AlGaN HEMT utilizing heterojunction between AlGaN and GaN. In the HEMT of FIG. 1, the film thickness d d of the impurity-doped region is 0 nm, and the film thickness d i is the thickness of AlGaN. For this reason, the horizontal axis is expressed as the AlGaN film thickness.
In the graph shown in FIG. 1, φ b is 1.1 eV, ΔE c is 0.2 eV, N is 1e 15 cm −3 , dd is 0 nm, and σ is 1e 13 cm −2 . Since AlGaN / GaN has a strong polarization effect and often does not use an impurity region, d d is calculated at 0 nm as described above.

図1に示すように、AlGaN膜厚が薄くなるにつれて閾値は増加する。AlGaNの膜厚に対する閾値の傾きは0.2V/nmであり、AlGaNの膜厚を1nm変化させると、閾値は0.2Vも変化する。このため、精度の高い膜厚制御が望まれる。特に、スイッチや単一電源対応のトランジスタでは、閾値が0以上であるエンハンスメント型(ノーマリーオフ型)が望まれている。この場合、AlGaNの膜厚を約5nm以下にする必要があり、より精度の高い閾値の制御が求められている。   As shown in FIG. 1, the threshold value increases as the AlGaN film thickness decreases. The slope of the threshold with respect to the AlGaN film thickness is 0.2 V / nm, and when the AlGaN film thickness is changed by 1 nm, the threshold value also changes by 0.2 V. For this reason, highly accurate film thickness control is desired. In particular, an enhancement type (normally off type) having a threshold value of 0 or more is desired for a switch or a single power supply compatible transistor. In this case, the film thickness of AlGaN needs to be about 5 nm or less, and more accurate threshold control is required.

AlGaNを薄膜化する一般的な方法として、非特許文献1に記載されるドライエッチングがある。非特許文献1では、塩素ガスを用いた誘導結合型反応性イオンエッチング(ICP−RIE)で、ゲート電極の下のAlGaN層を薄くしている(非特許文献1の図5参照)。エッチング速度を6nm/分に制御して最適化し、エッチング時間を0〜150秒の間で変化させている。
また、エッチング時間の増加、すなわちバリア膜厚の減少とともに、HEMTの閾値が増加し、150秒で0.3Vとエンハンスメント型となっている(非特許文献1の図6参照)。元のバリア層厚は25nmであるので、ドライエッチングで10nmまで薄くしている。
As a general method for thinning AlGaN, there is dry etching described in Non-Patent Document 1. In Non-Patent Document 1, the AlGaN layer under the gate electrode is thinned by inductively coupled reactive ion etching (ICP-RIE) using chlorine gas (see FIG. 5 of Non-Patent Document 1). The etching rate is optimized by controlling to 6 nm / min, and the etching time is changed between 0 and 150 seconds.
Further, as the etching time increases, that is, the barrier film thickness decreases, the HEMT threshold increases, and the enhancement type is 0.3 V in 150 seconds (see FIG. 6 of Non-Patent Document 1). Since the original barrier layer thickness is 25 nm, the thickness is reduced to 10 nm by dry etching.

非特許文献1に代表される従来の技術では、上述したようにAlGaNの膜厚をエッチング時間で制御している。このため、エッチング速度が膜厚制御の精度を決定する重要なパラメータとなる。エッチング速度は、ガスと半導体との反応で決定され、この反応は、マスクの開口率(ウエハの中でエッチングされる部分の占める割合)、エッチングチャンバーの汚れ具合、エッチング条件の再現性などの様々な要因によって変化する。
つまり、エッチング速度は、エッチングする開口部の割合やプロセスの環境により変動しやすく、これに応じてAlGaNの膜厚が変動するため、閾値がばらつく要因となる。
このように、従来のドライエッチングでは、AlGaNの薄膜化プロセス中にHEMTの閾値をその場(in situ)で測定できないため、閾値のばらつきが大きい。
例えば、15nmに薄膜化する場合に、プロセスのばらつきが10%であるとすると、図1に示すように、閾値が0.3Vも変化してしまう。
In the conventional technique represented by Non-Patent Document 1, the film thickness of AlGaN is controlled by the etching time as described above. Therefore, the etching rate is an important parameter that determines the accuracy of film thickness control. The etching rate is determined by the reaction between the gas and the semiconductor, and this reaction varies depending on various factors such as the aperture ratio of the mask (percentage of the portion to be etched in the wafer), how dirty the etching chamber is, and the reproducibility of the etching conditions. It depends on various factors.
That is, the etching rate is likely to vary depending on the ratio of the openings to be etched and the process environment, and the film thickness of AlGaN varies accordingly, which causes the threshold to vary.
As described above, in the conventional dry etching, the HEMT threshold value cannot be measured in situ during the AlGaN thinning process, and thus the variation in the threshold value is large.
For example, when the thickness is reduced to 15 nm and the process variation is 10%, the threshold value changes by 0.3 V as shown in FIG.

また、非特許文献2に示すように、光電気化学反応によりAlGaNを薄膜化する方法が提案されている。非特許文献2では、Al組成xが0.25であり、膜厚が25nmのAlGaNの上部をゲート酸化膜に置き換えることにより、AlGaNを薄膜化している(非特許文献2のFig.1参照)。ゲート酸化膜を20nm形成し、AlGaNを約5nmまで薄くすることで、閾値が1.2Vのエンハンスメント型のHEMTが実現されている。   Further, as shown in Non-Patent Document 2, a method of thinning AlGaN by a photoelectrochemical reaction has been proposed. In Non-Patent Document 2, AlGaN is thinned by replacing the upper part of AlGaN having an Al composition x of 0.25 and a film thickness of 25 nm with a gate oxide film (see FIG. 1 of Non-Patent Document 2). . An enhancement type HEMT with a threshold value of 1.2 V is realized by forming a gate oxide film of 20 nm and thinning AlGaN to about 5 nm.

しかしながら、非特許文献2には、単に光化学反応を進めるための電流が流れるように電圧を設定することは記載されているが、プロセス中に電圧を変動させてHEMTの閾値を測定することは考慮されていない。
すなわち、電圧で変化するチャネルの電子量に応じて電流が変化する原理を利用して、その場(in situ)で電流−電圧特性を測定して閾値を制御するということが想定されていない。
However, Non-Patent Document 2 describes that the voltage is simply set so that a current for proceeding the photochemical reaction flows, but it is considered that the HEMT threshold is measured by changing the voltage during the process. It has not been.
That is, it is not assumed that the threshold is controlled by measuring the current-voltage characteristics in situ using the principle that the current changes according to the amount of electrons in the channel that changes with voltage.

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、光電気化学反応を用いて窒化物半導体の閾値を精密に制御することができる光電気化学装置および半導体装置の製造方法を得ることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a photoelectrochemical device and a semiconductor device manufacturing method capable of precisely controlling a threshold value of a nitride semiconductor using a photoelectrochemical reaction. The purpose is to obtain.

この発明に係る光電気化学装置は、酸化溶液を保持する容器と、容器内の酸化溶液に接触させた陰極と、半導体試料に電気的に接続され、当該半導体試料とともに容器内の酸化溶液に接触させた陽極とを備える光電気化学装置において、陰極と陽極の間に接続した電源を制御しながら、半導体試料のチャネル層のバンドギャップより高いエネルギーの光を当該半導体試料に照射して電子とホールの対を発生させ、半導体試料の表面に移動したホールを当該半導体試料の表面と酸化溶液との界面での酸化反応に供することにより、当該半導体試料の表面のバリア層を酸化して薄膜化する酸化工程と、電源の電圧を挿引して、チャネル層に電子が存在して電流が流れなくなる閾値を測定する閾値モニタ工程とを実行する制御部を有し、制御部が、閾値モニタ工程で測定された閾値が目標閾値に達するまで酸化工程を実行する。   The photoelectrochemical device according to the present invention includes a container that holds an oxidizing solution, a cathode that is in contact with the oxidizing solution in the container, and a semiconductor sample that is electrically connected to the oxidizing solution in the container together with the semiconductor sample. In a photoelectrochemical apparatus comprising an anode, a semiconductor sample is irradiated with light having energy higher than the band gap of the channel layer of the semiconductor sample while controlling a power source connected between the cathode and the anode. The holes that have moved to the surface of the semiconductor sample are subjected to an oxidation reaction at the interface between the surface of the semiconductor sample and the oxidizing solution, thereby oxidizing the barrier layer on the surface of the semiconductor sample and making it thin A controller that performs an oxidation step and a threshold monitoring step of measuring a threshold at which electrons are present in the channel layer and no current flows by inserting a voltage of a power source; Threshold measured in value monitor process executes an oxidation step to reach the target threshold.

この発明によれば、光電気化学反応を用いて窒化物半導体の閾値を精密に制御することができるという効果がある。   According to the present invention, there is an effect that the threshold value of the nitride semiconductor can be precisely controlled using a photoelectrochemical reaction.

AlGaNとGaNのヘテロ接合を利用したHEMTの閾値とAlGaNの膜厚dとの関係を示すグラフである。It is a graph showing the relationship between the threshold and the AlGaN with a thickness d i of the HEMT utilizing heterojunction between AlGaN and GaN. この発明の実施の形態1に係る光電気化学装置を概略的に示す図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which shows schematically the photoelectrochemical apparatus which concerns on Embodiment 1 of this invention. この発明に係る光電気化学反応の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the photoelectrochemical reaction which concerns on this invention. 図2の光電気化学装置において電源電圧を負から正に挿引した場合の電流−電圧特性を示すグラフである。It is a graph which shows the current-voltage characteristic at the time of drawing a power supply voltage from negative to positive in the photoelectrochemical apparatus of FIG. AlGaN薄膜化プロセスのバンド図である。It is a band figure of an AlGaN thin film formation process. 実施の形態1に係る光電気化学反応を用いた薄膜化のプロセスシーケンスを示す図である。2 is a diagram showing a process sequence for thinning using a photoelectrochemical reaction according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態1に係る光電気化学装置の別の構成を示す図である。It is a figure which shows another structure of the photoelectrochemical apparatus which concerns on Embodiment 1. FIG. この発明の実施の形態3に係る時間経過に伴う電流−電圧特性を示すグラフである。It is a graph which shows the current-voltage characteristic with the passage of time concerning Embodiment 3 of this invention. 実施の形態3に係る光電気化学反応を用いた薄膜化のプロセスシーケンスを示す図である。6 is a diagram showing a process sequence for thinning using a photoelectrochemical reaction according to Embodiment 3. FIG. この発明の実施の形態4に係る光電気化学装置を用いたHEMTの製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of HEMT using the photoelectrochemical apparatus which concerns on Embodiment 4 of this invention.

実施の形態1.
図2は、この発明の実施の形態1に係る光電気化学装置を概略的に示す図である。図2において、実施の形態1に係る光電気化学装置では、容器1の酸化溶液2の中に、試料3を取り付けた作用陽極5、参照極6および対向陰極7を配置し、作用陽極5と対向陰極7との間に電源8と電流計9を直列に接続し、電流計9の参照極6に接続する一端と作用陽極5との間に電圧計10を接続している。制御部8Aは、マイクロコンピュータなどから構成され、電流計9または電圧計10の計測値に基づいて、あらかじめプログラムされたシーケンスにしたがい光源4Aによる紫外光4の照射および電源8の直流電圧を制御して光電気化学反応を実行する。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 2 is a diagram schematically showing a photoelectrochemical apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. 2, in the photoelectrochemical device according to Embodiment 1, the working anode 5, the reference electrode 6 and the counter cathode 7 to which the sample 3 is attached are arranged in the oxidizing solution 2 of the container 1, and the working anode 5 and A power source 8 and an ammeter 9 are connected in series between the counter cathode 7 and a voltmeter 10 is connected between one end of the ammeter 9 connected to the reference electrode 6 and the working anode 5. The control unit 8A is composed of a microcomputer or the like, and controls the irradiation of the ultraviolet light 4 by the light source 4A and the DC voltage of the power supply 8 according to a preprogrammed sequence based on the measurement value of the ammeter 9 or the voltmeter 10. To perform the photoelectrochemical reaction.

酸化溶液2は、グリコール水溶液などの水酸化物イオン(OH)を含む溶液であり、水酸化カリウム水溶液や塩酸水溶液であってもよい。
また、試料3は、これを利用したHEMTと同様に、少なくともチャネル層上にバリア層が形成された半導体試料であり、例えば、Si基板上に、緩衝層、GaNチャネル層、AlGaNバリア層を、この順で結晶成長させたものを使用する。また、AlGaN層側が光4を照射する面となる。
The oxidation solution 2 is a solution containing hydroxide ions (OH ) such as an aqueous glycol solution, and may be an aqueous potassium hydroxide solution or an aqueous hydrochloric acid solution.
Sample 3 is a semiconductor sample in which a barrier layer is formed on at least a channel layer, similar to HEMTs using this, and for example, a buffer layer, a GaN channel layer, and an AlGaN barrier layer are formed on a Si substrate. A crystal grown in this order is used. Further, the AlGaN layer side is a surface on which the light 4 is irradiated.

光4は、試料3中のGaN層内に電子とホールの対を発生させるための光である。光4としては、GaN層のバンドギャップより高いエネルギーの光、すなわちバンドギャップエネルギー3.4eVより短い波長の光(365nm以下)の紫外光が望ましい。   The light 4 is light for generating a pair of electrons and holes in the GaN layer in the sample 3. The light 4 is desirably light having energy higher than the band gap of the GaN layer, that is, ultraviolet light having a wavelength shorter than the band gap energy of 3.4 eV (365 nm or less).

また、試料3は、図2中に符号aで示すように作用陽極5と電気的に接続される。参照極6には飽和カロメル電極を用い、対向陰極7にはPt電極を用いる。この装置において、光電気化学反応は下記式(2)に従って進行する。
ただし、下記式(2)の左辺第1項は、AlGaN層の表面において酸化される半導体であるGaNまたはAlNである。なお、AlGaNであれば、GaNとAlNの中間物(混合物)であってもよい。
2GaN(または2AlN)+6h(ホール)+6OH→Ga(Al)+3HO+N↑ ・・・(2)
Further, the sample 3 is electrically connected to the working anode 5 as indicated by a symbol a in FIG. A saturated calomel electrode is used for the reference electrode 6 and a Pt electrode is used for the counter cathode 7. In this apparatus, the photoelectrochemical reaction proceeds according to the following formula (2).
However, the first term on the left side of the following formula (2) is GaN or AlN which is a semiconductor oxidized on the surface of the AlGaN layer. If it is AlGaN, it may be an intermediate (mixture) of GaN and AlN.
2GaN (or 2AlN) + 6h + (hole) + 6OH → Ga 2 O 3 (Al 2 O 3 ) + 3H 2 O + N 2 ↑ (2)

図3は、この発明に係る光電気化学反応の概要を示す図である。図3の反応過程(A)において、GaN(チャネル層)のバンドギャップエネルギーよりもエネルギーの高い光4(紫外光)を試料3に照射することで、試料3の内部に電子11とh(以下、ホールと記載する)12の対が発生する。このとき生じたホール12は、反応過程(B)に示すように、試料3の内部から表面へ移動する。 FIG. 3 is a diagram showing an outline of the photoelectrochemical reaction according to the present invention. In the reaction process (A) of FIG. 3, the sample 3 is irradiated with light 4 (ultraviolet light) having energy higher than the band gap energy of GaN (channel layer), so that electrons 11 and h + ( 12 pairs (hereinafter referred to as holes) are generated. The holes 12 generated at this time move from the inside of the sample 3 to the surface as shown in the reaction process (B).

次に、反応過程(C)に示すように、酸化溶液2と試料3の表面との界面において、酸化溶液2中に存在する水酸化物イオンOH13と、ホール12、GaN(またはAlN)が酸化反応を起こし、酸化膜Ga(Al)、水、窒素が形成される。このようにしてAlGaN層が酸化されて薄膜化する。 Next, as shown in the reaction process (C), hydroxide ions OH - 13, holes 12, GaN (or AlN) present in the oxidation solution 2 at the interface between the oxidation solution 2 and the surface of the sample 3 are shown. Causes an oxidation reaction to form an oxide film Ga 2 O 3 (Al 2 O 3 ), water, and nitrogen. In this way, the AlGaN layer is oxidized and thinned.

図4は、図2の光電気化学装置において、電源電圧を負から正に挿引した場合の電流−電圧特性を示すグラフである。図4に示すように、電源8の電圧を負から正の値に挿引していくと、チャネルに電子がない状態で電流が流れ、電圧を増加させてチャネルに電子が存在する状態にすると電流が流れなくなる。この電流が流れなくなる電圧がHEMTの閾値Vthとなる。
本発明では、上記式(2)に示す光電気化学反応において作用陽極5と対向陰極7の間に印加する電源8の電圧を挿引したときに電流が流れなくなる電圧がHEMTの閾値電圧に相当することに着目して、この光電気化学プロセス中にその場で当該閾値を測定しながら、AlGaN層の薄膜化を実施している。
FIG. 4 is a graph showing current-voltage characteristics when the power supply voltage is inserted from negative to positive in the photoelectrochemical apparatus of FIG. As shown in FIG. 4, when the voltage of the power supply 8 is pulled from a negative value to a positive value, a current flows in a state where there are no electrons in the channel, and when the voltage is increased so that electrons exist in the channel. Current stops flowing. The voltage at which this current does not flow is the HEMT threshold Vth.
In the present invention, the voltage at which no current flows when the voltage of the power supply 8 applied between the working anode 5 and the counter cathode 7 is inserted in the photoelectrochemical reaction represented by the above formula (2) corresponds to the threshold voltage of the HEMT. Focusing on this, the AlGaN layer is thinned while measuring the threshold value in situ during this photoelectrochemical process.

このように、本発明は、電圧で変化するチャネルの電子量に応じて電流が変化する原理を使って、その場で電流−電圧特性における閾値Vthを測定する。
光電気化学反応を利用した従来の装置では、光電気化学反応を単に進めるための制御を行うことが一般的であり、光電気化学反応の生成物を利用したその後のデバイスの特性を考慮した制御を行うものではなかった。
本発明は、上記式(2)の光電気化学反応がそのプロセス中にHMETの閾値Vthに相当する電圧を測定できることに注目して、閾値Vthを測定しながら薄膜化(酸化)を行うことにより、高精度な閾値の制御が可能である。
As described above, the present invention measures the threshold value Vth in the current-voltage characteristic on the spot using the principle that the current changes according to the amount of electrons of the channel that changes with voltage.
In a conventional apparatus using a photoelectrochemical reaction, it is common to perform control to simply advance the photoelectrochemical reaction, and control in consideration of the characteristics of the subsequent device using the product of the photoelectrochemical reaction. Did not do.
The present invention pays attention to the fact that the photoelectrochemical reaction of the above formula (2) can measure a voltage corresponding to the threshold Vth of HMET during the process, and by performing thinning (oxidation) while measuring the threshold Vth. Highly accurate threshold control is possible.

次に、本発明における光電気化学反応についてバンド図を用い詳細に説明する。
図5は、AlGaN薄膜化プロセスのバンド図であって、図5(a)は、電圧計10で計測した電圧が閾値Vth以下の場合であり、図5(b)は、電圧計10で計測した電圧が閾値Vthより高い場合を示しており、図5(c)は、電圧計10で計測した電圧が閾値Vthと等しい場合を示している。
Next, the photoelectrochemical reaction in the present invention will be described in detail with reference to band diagrams.
FIG. 5 is a band diagram of the AlGaN thinning process. FIG. 5A shows a case where the voltage measured by the voltmeter 10 is equal to or lower than the threshold value Vth, and FIG. FIG. 5C shows the case where the voltage measured by the voltmeter 10 is equal to the threshold value Vth.

図5(a)に示すバンド図では、作用陽極5と対向陰極7の間が閾値Vthより低い値にバイアスされているため、チャネルに電子は存在しない。ここで、紫外光4を照射することにより、GaN層14に電子11とホール12の対が発生する。このとき、GaN層14内の電界によりホール12はAlGaN層15の表面(図中の左側)に移動する。
表面に移動したホール12は、図3で前述したように、酸化溶液2とAlGaN層15の表面との界面で水酸化物イオンOH13とともにAlGaN層15を酸化するため、AlGaN層15が薄膜化していく。ここで重要なのは、酸化を進めるためには、ホール12がAlGaN層15の表面に移動する必要があることである。
In the band diagram shown in FIG. 5A, since the gap between the working anode 5 and the counter cathode 7 is biased to a value lower than the threshold value Vth, no electrons exist in the channel. Here, irradiation with ultraviolet light 4 generates a pair of electrons 11 and holes 12 in the GaN layer 14. At this time, the hole 12 moves to the surface of the AlGaN layer 15 (left side in the figure) by the electric field in the GaN layer 14.
The holes 12 that have moved to the surface oxidize the AlGaN layer 15 together with the hydroxide ions OH - 13 at the interface between the oxidation solution 2 and the surface of the AlGaN layer 15 as described above with reference to FIG. It will become. What is important here is that the holes 12 need to move to the surface of the AlGaN layer 15 in order to proceed with oxidation.

図5(b)に示すバンド図では、作用陽極5と対向陰極7の間に閾値Vthよりも高い電圧が印加されているため、チャネル内に電子17が存在する。この場合には、紫外光4を照射して発生したホール12がチャネル内の電子12と再結合16して、AlGaN層15の表面に移動できない。したがって、酸化溶液2とAlGaN層15の表面との界面で酸化反応は進行せず、電流が流れない。   In the band diagram shown in FIG. 5B, since a voltage higher than the threshold value Vth is applied between the working anode 5 and the counter cathode 7, electrons 17 exist in the channel. In this case, the holes 12 generated by irradiating the ultraviolet light 4 recombine with the electrons 12 in the channel 16 and cannot move to the surface of the AlGaN layer 15. Therefore, the oxidation reaction does not proceed at the interface between the oxidation solution 2 and the surface of the AlGaN layer 15, and no current flows.

図5(c)に示すバンド図では、作用陽極5と対向陰極7の間に閾値Vthと等しい電圧が印加されている。この場合は、チャネル内に電子はないが、バンドの曲がりもない。このため、ホール12がAlGaN層15の表面へ移動せず、電流も流れない。
図5(a)から図5(c)までを考慮した場合、電源8で試料3のチャネルに印加する電圧を変化させて、電流計9で電流(酸化に伴い水酸化物イオンOH13が消費されることで生じる電流)をモニタすることにより、図4で示したような電流−電圧特性が得られる。すなわち、閾値Vthの前後で電流が急激に変化するため、閾値Vthそのものを測定することができる。
In the band diagram shown in FIG. 5C, a voltage equal to the threshold value Vth is applied between the working anode 5 and the counter cathode 7. In this case, there are no electrons in the channel, but there is no band bending. For this reason, the holes 12 do not move to the surface of the AlGaN layer 15 and no current flows.
5A to 5C, the voltage applied to the channel of the sample 3 by the power source 8 is changed, and the current (hydroxide ions OH - 13 accompanying oxidation are generated by the ammeter 9). The current-voltage characteristics as shown in FIG. 4 are obtained by monitoring the current generated by consumption. That is, since the current changes rapidly before and after the threshold value Vth, the threshold value Vth itself can be measured.

図6は、実施の形態1に係る光電気化学反応を用いた薄膜化のプロセスシーケンス(電源8の電圧設定方法)を示す図である。図6に示すように、上記式(2)の光電気化学反応を、HEMTの閾値とする目標閾値になるように制御する。
また、期間A,C,Eは、この光電気化学反応でAlGaN層を酸化する期間である。破線bは、各期間の閾値Vthであり、期間A,C,Eの酸化で試料3に印加する電圧(以下、酸化電圧と記載する)は、図5(a)で示したように、その時点での閾値Vth(以下、目標閾値に至るまでの閾値Vthをモニタ電圧と適宜記載する)よりも低い電圧である。さらに、期間B,D,Fは、その従前の酸化により変化したモニタ電圧(閾値)を測定する期間である。
FIG. 6 is a diagram showing a process sequence (voltage setting method of the power supply 8) for thinning using the photoelectrochemical reaction according to the first embodiment. As shown in FIG. 6, the photoelectrochemical reaction of the above formula (2) is controlled so as to become a target threshold value as a HEMT threshold value.
Periods A, C, and E are periods in which the AlGaN layer is oxidized by this photoelectrochemical reaction. The broken line b is the threshold value Vth of each period, and the voltage applied to the sample 3 by the oxidation in the periods A, C, E (hereinafter referred to as the oxidation voltage) is as shown in FIG. The voltage is lower than the threshold value Vth at the time (hereinafter, the threshold value Vth until reaching the target threshold value is appropriately described as a monitor voltage). Furthermore, periods B, D, and F are periods during which the monitor voltage (threshold value) changed by the previous oxidation is measured.

最初は電源8の電圧を負として期間Aで酸化を行い、AlGaN層を薄膜化する。
この期間Aとして酸化が進行し過ぎない所定の期間を設定し、ある程度の薄膜化が進行したところ(期間Aの酸化が完了した時点)で、図4で示した電源8の電圧を挿引して、この時点でのモニタ電圧を測定する(期間B)。このとき、モニタ電圧が目標閾値に達していない場合は、期間Cで同様に酸化を行い期間Dでその時点のモニタ電圧を測定する。この処理をモニタ電圧が目標閾値に達するまで繰り返して、目標閾値になった時点で当該プロセスを終了する。
Initially, the voltage of the power source 8 is negative and oxidation is performed in the period A, thereby thinning the AlGaN layer.
A predetermined period in which the oxidation does not proceed excessively is set as the period A, and when the thinning of the film has progressed to some extent (when the oxidation in the period A is completed), the voltage of the power source 8 shown in FIG. Then, the monitor voltage at this time is measured (period B). At this time, if the monitor voltage does not reach the target threshold value, oxidation is similarly performed in the period C, and the monitor voltage at that time is measured in the period D. This process is repeated until the monitor voltage reaches the target threshold value, and the process ends when the target threshold value is reached.

このように、本発明では、HEMTの閾値Vth自体を確認しながら、AlGaN層を薄膜化することができるので、従来のプロセスよりも精度よく、HEMTの閾値Vthを所望の値に制御することが可能である。
なお、酸化を行う期間A,C,Eは、事前に予備実験を行うことで酸化速度を見積もることができる。ただし、光電気化学装置の状況(紫外線4の強度や酸化溶液2の濃度など)や試料3の構造(AlGaNの組成や膜厚)のばらつきが多少あっても、本発明では、閾値Vthを測定しながらプロセスを進行させるので、酸化速度の見積もりは、大まかな目安であってもかまわない。
As described above, in the present invention, the AlGaN layer can be thinned while checking the HEMT threshold Vth itself, so that the HEMT threshold Vth can be controlled to a desired value with higher accuracy than the conventional process. Is possible.
In addition, during the periods A, C, and E during oxidation, the oxidation rate can be estimated by conducting preliminary experiments in advance. However, in the present invention, the threshold value Vth is measured even if there are some variations in the situation of the photoelectrochemical apparatus (intensity of the ultraviolet ray 4 and the concentration of the oxidizing solution 2) and the structure of the sample 3 (AlGaN composition and film thickness). However, since the process proceeds, the estimation of the oxidation rate may be a rough guide.

また、制御部8Aに、図6に示したシーケンスをプログラムすることで、上記プロセスを自動的に実行できる。
さらに、AlGaN層15が単一な組成でなく、複数の層(例えば、InAlGaN、GaN、InN、InAlNからなる層)であっても、本発明では、その場で閾値を測定できるので、精度の良い閾値制御が可能である。
Further, the above process can be automatically executed by programming the sequence shown in FIG. 6 in the control unit 8A.
Furthermore, even if the AlGaN layer 15 is not a single composition but a plurality of layers (for example, a layer made of InAlGaN, GaN, InN, InAlN), the present invention can measure the threshold value on the spot, so Good threshold control is possible.

本発明に係る光電気化学装置は様々な形態の装置が考えられるが、その概要は、図2で示したものと同様である。簡単なものは、ビーカーなどの容器に酸化溶液を入れ、電極を吊すような構成でも実現できる。この場合、試料は作用陽極にワックスなどで貼り付け、はんだや導電性接着剤でワイヤーなどの配線を試料に取り付けて作用陽極と電気的に接続する。紫外光は、ビーカーの外側から照射すればよい。   The photoelectrochemical device according to the present invention may be various types of devices, the outline of which is the same as that shown in FIG. A simple structure can be realized by putting an oxidizing solution in a container such as a beaker and hanging an electrode. In this case, the sample is affixed to the working anode with wax or the like, and a wiring such as a wire is attached to the sample with solder or a conductive adhesive, and is electrically connected to the working anode. The ultraviolet light may be irradiated from the outside of the beaker.

図7は、実施の形態1に係る光電気化学装置の別の構成を示す図であり、試料3がウエハ形状のような定型である場合に好適な装置である。図7に示すように、容器1Aの一端には、紫外光4を透過する材質で形成された窓18aが設けられる。容器1Aの窓18aに対向する側は開口しており、その開口周縁部にはO−リング19を配置するリング溝が形成されている。容器1Aの内部には、図7に示すように、参照極6と対向陰極7が取り付けられ、試料3が酸化溶液2と接するように配置される。   FIG. 7 is a diagram showing another configuration of the photoelectrochemical apparatus according to Embodiment 1, and is an apparatus suitable when the sample 3 has a fixed shape such as a wafer shape. As shown in FIG. 7, a window 18 a made of a material that transmits ultraviolet light 4 is provided at one end of the container 1 </ b> A. The side of the container 1A facing the window 18a is opened, and a ring groove for arranging the O-ring 19 is formed on the peripheral edge of the opening. As shown in FIG. 7, a reference electrode 6 and a counter cathode 7 are attached inside the container 1 </ b> A, and the sample 3 is disposed so as to contact the oxidizing solution 2.

ウエハ形状の試料3は、容器1Aに取り付けたときに窓18a側を向く表面に形成した電極が作用陽極5と電気的に接続している。また、試料3は、上述のリング溝に配置したO−リング19を介して容器1Aの開口部に取り付けられる。この後、ふた18bを試料3の裏側(窓18aでない一面側)から取り付けることで、O−リング19で容器1Aがシールされる。また、作用陽極5と対向陰極7との間には、電源8と電流計9が直列に接続され、試料3のチャネルに印加する電源8の電圧を測定する電圧計10が接続される。   In the wafer-shaped sample 3, an electrode formed on the surface facing the window 18a when attached to the container 1A is electrically connected to the working anode 5. The sample 3 is attached to the opening of the container 1A via the O-ring 19 disposed in the ring groove. Then, the container 1A is sealed with the O-ring 19 by attaching the lid 18b from the back side of the sample 3 (one side which is not the window 18a). A power source 8 and an ammeter 9 are connected in series between the working anode 5 and the counter cathode 7, and a voltmeter 10 for measuring the voltage of the power source 8 applied to the channel of the sample 3 is connected.

この状態で、ランプ電源4bで紫外ランプ4aを点灯し、紫外光4を窓18aを介して試料3に照射することにより、上記式(2)に示す光電気化学反応が進行し、AlGaN層を薄膜化できる。このとき、電圧計10でモニタ電圧を測定しながら酸化することで、目標閾値の窒化物半導体を得ることができる。
なお、制御部8Aが、電流計9または電圧計10の計測値に基づいて、あらかじめプログラムされたシーケンスにしたがい、紫外ランプ4aによる紫外光4の照射および電源8の直流電圧を制御して光電気化学反応を実行する。
In this state, the ultraviolet lamp 4a is turned on by the lamp power source 4b, and the sample 3 is irradiated with the ultraviolet light 4 through the window 18a, whereby the photoelectrochemical reaction shown in the above formula (2) proceeds, and the AlGaN layer is Can be thinned. At this time, by performing oxidation while measuring the monitor voltage with the voltmeter 10, a nitride semiconductor having a target threshold value can be obtained.
The control unit 8A controls the irradiation of the ultraviolet light 4 by the ultraviolet lamp 4a and the direct current voltage of the power supply 8 according to a sequence programmed in advance based on the measured value of the ammeter 9 or the voltmeter 10 to perform photoelectric operation. Perform a chemical reaction.

このように構成することで、図2で示した装置と同様の効果を得ることができる。
なお、参照極6は、酸化溶液2の電位をモニタするための電極であり、光電気化学反応に直接関与しないため、これを省略した構成であってもよい。
By configuring in this way, the same effect as that of the apparatus shown in FIG. 2 can be obtained.
Note that the reference electrode 6 is an electrode for monitoring the potential of the oxidation solution 2 and does not directly participate in the photoelectrochemical reaction, and thus may be omitted.

以上のように、この実施の形態1によれば、対向陰極7と作用陽極5との間に接続した電源8を制御(電圧を制御)しながら、試料3のGaN層14のバンドギャップより高いエネルギーの光4を試料3に照射して電子11とホール12の対を発生させ、試料3の表面に移動したホール12を試料3の表面と酸化溶液2との界面での酸化反応に供することにより、試料3の表面のAlGaN層15を酸化して薄膜化する酸化工程と、電源8の電圧を挿引して、GaN層14に電子が存在して電流が流れなくなる閾値Vthを測定する閾値モニタ工程とを実行する制御部8Aを有し、制御部8Aが、閾値モニタ工程で測定された閾値Vthが目標閾値に達するまで酸化工程を実行する。
このようにすることにより、上記式(2)の光電気化学反応を用いたAlGaN層15の薄膜化において、HEMTの閾値Vthを精密に制御することができる。
As described above, according to the first embodiment, the power supply 8 connected between the counter cathode 7 and the working anode 5 is controlled (voltage is controlled), and is higher than the band gap of the GaN layer 14 of the sample 3. The sample 3 is irradiated with energy light 4 to generate a pair of electrons 11 and holes 12, and the holes 12 moved to the surface of the sample 3 are subjected to an oxidation reaction at the interface between the surface of the sample 3 and the oxidizing solution 2. Thus, the oxidation step of oxidizing the AlGaN layer 15 on the surface of the sample 3 to make it thin, and the threshold value Vth for measuring the threshold value Vth at which no current flows due to the presence of electrons in the GaN layer 14 by inserting the voltage of the power source 8. The control unit 8A executes the monitoring step, and the control unit 8A executes the oxidation step until the threshold value Vth measured in the threshold value monitoring step reaches the target threshold value.
In this way, the HEMT threshold Vth can be precisely controlled in thinning the AlGaN layer 15 using the photoelectrochemical reaction of the above formula (2).

実施の形態2.
上記実施の形態1では、電源8の電圧を変えながら酸化を行う場合を示したが、本発明に係る光電気化学反応は、ホールがAlGaN層の表面に移動することで進行し、その間に酸化溶液2の水酸化物イオンOHが消費されることで電流が生じる。すなわち、閾値Vth未満の電圧では電流が流れ、それ以上の電圧では電流が流れない。
Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment, the case where the oxidation is performed while changing the voltage of the power supply 8 is shown. However, the photoelectrochemical reaction according to the present invention proceeds by moving the holes to the surface of the AlGaN layer, and the oxidation is performed during that time. A current is generated by the consumption of the hydroxide ions OH of the solution 2. That is, a current flows at a voltage lower than the threshold value Vth, and no current flows at a voltage higher than that.

そこで、実施の形態2では、電源8の電流を変化させながら電圧をモニタする。光電気化学反応は、上記式(2)にしたがって進行するので、電流の値は、AlまたはGa原子の数(AlGaNの酸化膜厚を決定する因子)に対応する。このように、電源8の電流の積算量をモニタすることにより、AlGaNのおおよその酸化膜厚を推定でき、酸化速度の制御も可能である。   Therefore, in the second embodiment, the voltage is monitored while changing the current of the power supply 8. Since the photoelectrochemical reaction proceeds according to the above formula (2), the value of the current corresponds to the number of Al or Ga atoms (a factor that determines the oxide film thickness of AlGaN). Thus, by monitoring the integrated amount of the current of the power source 8, the approximate oxide film thickness of AlGaN can be estimated, and the oxidation rate can be controlled.

なお、実施の形態2に係る電源8は、上記実施の形態1と同様に制御部8Aによって、プログラマブルに電流と電圧の挿引が可能である。すなわち、上記シーケンスを制御部8Aにプログラムすることで、上記光電気化学反応による薄膜化プロセスの自動化が可能である。   Note that the power supply 8 according to the second embodiment can be programmed to insert current and voltage by the control unit 8A as in the first embodiment. That is, by programming the sequence in the control unit 8A, it is possible to automate the thinning process by the photoelectrochemical reaction.

以上のように、この実施の形態2によれば、酸化工程で対向陰極7と作用陽極5との間に通電する電源8の電流を制御して酸化反応による試料3のAlGaN層15の薄膜化の進行を制御するので、上記実施の形態1と同様な効果を得ることができる。   As described above, according to the second embodiment, the AlGaN layer 15 of the sample 3 is thinned by the oxidation reaction by controlling the current of the power supply 8 energized between the counter cathode 7 and the working anode 5 in the oxidation process. Since the progress is controlled, the same effect as in the first embodiment can be obtained.

実施の形態3.
上記実施の形態2では、酸化するための電流が一定になるようなシーケンスを示した。
これに対して、この実施の形態3では、電源8の電圧をモニタしながら電流を制御することでモニタ電圧(閾値Vth)の測定回数を低減する。
Embodiment 3 FIG.
In the second embodiment, the sequence in which the current for oxidation becomes constant is shown.
On the other hand, in the third embodiment, the number of times of measurement of the monitor voltage (threshold value Vth) is reduced by controlling the current while monitoring the voltage of the power supply 8.

図8は、この発明の実施の形態3に係る時間経過に伴う電流−電圧特性を示すグラフである。図8において、時間t1から時間t2に時間が経過し、この間に酸化が行われる。酸化が進行(薄膜化が進行)すると、図1に示したように、閾値Vthは増加するため、横軸の正方向にモニタ電圧が増加する。ここで、電流が一定値Ibであると、モニタ電圧は、Vm1からVm2へ増加し目標閾値に近づく。   FIG. 8 is a graph showing current-voltage characteristics over time according to Embodiment 3 of the present invention. In FIG. 8, time elapses from time t1 to time t2, during which oxidation is performed. When the oxidation progresses (thinning progresses), the threshold voltage Vth increases as shown in FIG. 1, so that the monitor voltage increases in the positive direction of the horizontal axis. Here, if the current is a constant value Ib, the monitor voltage increases from Vm1 to Vm2 and approaches the target threshold value.

図9は、実施の形態3に係る光電気化学反応を用いた薄膜化のプロセスシーケンスを示す図であり、図8に示した電流−電圧特性を利用したシーケンスを示している。
図9において、折れ線dは、酸化時に通電する電流(以下、酸化電流と記載する)の値を示しており、折れ線eは目標閾値までのモニタ電圧の値である。折れ線d,eに示すように、モニタ電圧が目標閾値に近づくまで、一定の酸化電流で酸化を続ける。
FIG. 9 is a diagram showing a process sequence of thinning using a photoelectrochemical reaction according to Embodiment 3, and shows a sequence using the current-voltage characteristics shown in FIG.
In FIG. 9, a broken line d indicates a value of a current that is passed during oxidation (hereinafter referred to as an oxidation current), and a broken line e is a value of the monitor voltage up to a target threshold value. As indicated by the broken lines d and e, the oxidation is continued with a constant oxidation current until the monitor voltage approaches the target threshold value.

モニタ電圧と目標閾値との差ΔVが所定の値よりも小さくなった時点で、モニタ電圧が目標閾値に近づいたと判断し、折れ線dで示すように酸化電流を徐々に下げていく。
このようにすることで、モニタ電圧を目標閾値に精度よく近づけていくことができる。目標閾値までの正確なモニタは、上記実施の形態1で図4を用いて説明した方法で行い、薄膜化プロセスを完了する。
When the difference ΔV between the monitor voltage and the target threshold value becomes smaller than a predetermined value, it is determined that the monitor voltage has approached the target threshold value, and the oxidation current is gradually lowered as indicated by the broken line d.
In this way, the monitor voltage can be brought close to the target threshold with high accuracy. Accurate monitoring up to the target threshold is performed by the method described with reference to FIG. 4 in the first embodiment, and the thinning process is completed.

なお、この実施の形態3に係る電源8は、上記実施の形態1と同様に、制御部8Aによって、プログラマブルに電流と電圧の挿引が可能である。すなわち、上記シーケンスを制御部8Aにプログラムすることにより自動化が可能である。   Note that the power supply 8 according to the third embodiment can be programmed to insert and remove current and voltage by the control unit 8A, as in the first embodiment. In other words, the above sequence can be automated by programming the control unit 8A.

以上のように、この実施の形態3によれば、電源8の電圧をモニタしながら電流を制御することで、上記実施の形態1と同様な効果を得ることができる上、プロセス中にモニタ電圧(閾値)を測定する回数を低減することができる。   As described above, according to the third embodiment, by controlling the current while monitoring the voltage of the power supply 8, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and the monitor voltage can be obtained during the process. The number of times (threshold) is measured can be reduced.

実施の形態4.
実施の形態4では、上記実施の形態1〜3で示したような光電気化学反応による薄膜化方法で、窒化物半導体を用いたHEMTを製造する方法について述べる。
図10は、この発明の実施の形態4に係る光電気化学装置を用いたHEMTの製造方法を示す図であり、上述した光電気化学反応でゲート電極下のチャネル層を薄膜化した場合を示している。なお、図10(a)から図10(c)へ工程が進むものとする。
Embodiment 4 FIG.
In the fourth embodiment, a method for manufacturing a HEMT using a nitride semiconductor by a thin film formation method by a photoelectrochemical reaction as described in the first to third embodiments will be described.
FIG. 10 is a view showing a method for manufacturing a HEMT using the photoelectrochemical apparatus according to Embodiment 4 of the present invention, and shows a case where the channel layer under the gate electrode is thinned by the photoelectrochemical reaction described above. ing. Note that the process proceeds from FIG. 10A to FIG. 10C.

なお、図10では、HEMTの代表的な構造を述べるが、基板の種類は、Si基板20に限らず、SiC、GaN基板などであってもよく、層構造も図10に限定されるものではない。例えば、GaN層22の代わりに、AlGaN/GaN層であってもよく、AlGaN層23の代わりに、AlGaN/GaNなどの複数の層構成であってもよく、InGaAlNなどの他の構造を含んだ層などであってもよい。
このような構成であっても、HEMTの閾値Vthを測定する原理は同じであるので、上記実施の形態1〜3で示したものと同様の効果が得られる。
In FIG. 10, a representative structure of the HEMT is described. However, the type of the substrate is not limited to the Si substrate 20, and may be a SiC, GaN substrate, and the layer structure is not limited to FIG. Absent. For example, instead of the GaN layer 22, an AlGaN / GaN layer may be used, and instead of the AlGaN layer 23, a plurality of layer configurations such as AlGaN / GaN may be used, and other structures such as InGaAlN are included. It may be a layer or the like.
Even in such a configuration, since the principle of measuring the HEMT threshold Vth is the same, the same effects as those described in the first to third embodiments can be obtained.

図10(a)の工程において、Si基板20上に緩衝層21、GaN層22、AlGaN層23を構成する半導体を順に結晶成長させて積層する。GaN層22は、HEMTのチャネル、AlGaN層23は、HEMTのバリアである。この結晶成長は、MOCVDやMBE法などの既存の方法を利用することができる。   In the step of FIG. 10A, the semiconductors constituting the buffer layer 21, the GaN layer 22, and the AlGaN layer 23 are sequentially grown on the Si substrate 20 and stacked. The GaN layer 22 is a HEMT channel, and the AlGaN layer 23 is a HEMT barrier. For this crystal growth, an existing method such as MOCVD or MBE can be used.

上述した半導体層を結晶成長させた後、AlGaN層23上にソース電極24とドレイン電極25を形成する。このとき、ソース電極24とドレイン電極25の下には、高濃度不純物領域を形成してオーミック抵抗を低減させることもできる。
次に、AlGaN層23上で酸化(薄膜化)しない領域を酸化防止層26で覆う。この酸化防止層26は、酸化溶液2との反応を防止するものであり、例えば酸化膜や窒化膜、レジストなどでよい。また、酸化防止層26は、熱CVD、スパッタ、cat−CVD、プラズマCVDといった既存の手法で形成することができる。
また、酸化防止層26で部分的に覆ったパターンは、通常の写真製版を行って、エッチングすることで形成することができる。
図10(a)に図示を省略したが、試料のソース電極またはドレイン電極は作用陽極5に電気的に接続される。
After the above-described semiconductor layer is crystal-grown, a source electrode 24 and a drain electrode 25 are formed on the AlGaN layer 23. At this time, a high-concentration impurity region can be formed under the source electrode 24 and the drain electrode 25 to reduce ohmic resistance.
Next, a region that is not oxidized (thinned) on the AlGaN layer 23 is covered with an antioxidant layer 26. This antioxidant layer 26 prevents reaction with the oxidizing solution 2 and may be, for example, an oxide film, a nitride film, a resist, or the like. The antioxidant layer 26 can be formed by an existing method such as thermal CVD, sputtering, cat-CVD, or plasma CVD.
Further, the pattern partially covered with the antioxidant layer 26 can be formed by performing normal photolithography and etching.
Although not shown in FIG. 10A, the source electrode or drain electrode of the sample is electrically connected to the working anode 5.

この後、図2あるいは図7に示した光電気化学装置に上記試料を設置し、GaNのバンドギャップエネルギーよりもエネルギーの高い光4(紫外光)を試料に照射する。これにより、酸化防止層26で覆われていないAlGaN層26の部分領域(ゲート電極30を形成する領域)に酸化層27が形成されて、この領域のAlGaN層26が薄膜化する。このとき、上記実施の形態1〜3で示した方法でHEMTの閾値Vthを制御する。   Thereafter, the sample is placed in the photoelectrochemical apparatus shown in FIG. 2 or FIG. 7, and the sample is irradiated with light 4 (ultraviolet light) having energy higher than the band gap energy of GaN. As a result, an oxide layer 27 is formed in a partial region (region where the gate electrode 30 is formed) of the AlGaN layer 26 that is not covered with the antioxidant layer 26, and the AlGaN layer 26 in this region is thinned. At this time, the HEMT threshold value Vth is controlled by the method described in the first to third embodiments.

図10(b)の工程では、酸化防止層26と、上記光電気化学反応で形成された酸化層27が除去される。これらの除去方法としては、ドライエッチングまたはウェットエッチングを利用する。酸化層27を除去することで、AlGaN層23の部分領域(ゲート電極30を形成する領域)に溝28が形成される。   In the step of FIG. 10B, the antioxidant layer 26 and the oxide layer 27 formed by the photoelectrochemical reaction are removed. As these removal methods, dry etching or wet etching is used. By removing the oxide layer 27, a groove 28 is formed in a partial region of the AlGaN layer 23 (region where the gate electrode 30 is formed).

なお、エッチングで用いるガスや溶液は、酸化膜の組成により異なるものを使用する。例えば、GaNの酸化膜であれば塩酸、フッ酸などで溶解することができる。AlNの酸化膜であれば、熱リン酸、フッ酸、フッ化アンモニウム、水酸化カリウムなどで溶解できる。AlGaNの酸化物であれば、上記酸を混合した溶液で溶解可能である。一方、ドライエッチングであれば、Ar、CF、CHFなどのガスのプラズマを用いることができる。 Note that the gas or solution used for etching is different depending on the composition of the oxide film. For example, a GaN oxide film can be dissolved with hydrochloric acid, hydrofluoric acid, or the like. An AlN oxide film can be dissolved with hot phosphoric acid, hydrofluoric acid, ammonium fluoride, potassium hydroxide, or the like. If it is an oxide of AlGaN, it can be dissolved in a solution in which the acid is mixed. On the other hand, in the case of dry etching, plasma of gas such as Ar, CF 4 , CHF 3 can be used.

図10(c)の工程では、溝28上に新たに絶縁膜29を形成しその上にゲート電極30を形成する。これ以降に、保護膜や配線、ビアホール配線、容量および抵抗などを必要に応じて形成することにより、所望の閾値VthのHEMTが得られる。   In the step of FIG. 10C, an insulating film 29 is newly formed on the trench 28, and a gate electrode 30 is formed thereon. Thereafter, a HEMT having a desired threshold value Vth can be obtained by forming a protective film, wiring, via-hole wiring, capacitance, resistance, and the like as necessary.

なお、上記説明では、光電気化学反応で形成された酸化層27を除去する場合を示したが、この酸化層27をゲート電極30下の絶縁膜29として利用してもよい。
また、光電気化学反応で使う酸化溶液2の中に、酸化膜のエッチャント(塩酸やフッ酸など)を入れておくことで、酸化を行いながら酸化層27を除去するようにしてもよい。
In the above description, the oxide layer 27 formed by the photoelectrochemical reaction is removed. However, the oxide layer 27 may be used as the insulating film 29 under the gate electrode 30.
Alternatively, an oxide film etchant (hydrochloric acid, hydrofluoric acid, or the like) may be placed in the oxidizing solution 2 used in the photoelectrochemical reaction to remove the oxide layer 27 while performing oxidation.

以上のように、この実施の形態4によれば、対向陰極7と、図10に示す半導体試料に電気的に接続した作用陽極5とを酸化溶液2に接触させ、対向陰極7と作用陽極5の間に接続した電源8を制御しながら、半導体試料のGaN層22のバンドギャップより高いエネルギーの光4を当該半導体試料に照射して電子とホールの対を発生させ、半導体試料の表面に移動したホールを当該半導体試料の表面と酸化溶液2との界面での酸化反応に供することにより、当該半導体試料の表面のAlGaN層を酸化して薄膜化する酸化工程と、電源8の電圧を挿引して、GaN層14に電子が存在して電流が流れなくなる閾値Vthを測定する閾値モニタ工程とを備え、閾値モニタ工程で測定された閾値が目標閾値に達するまで酸化工程を実行する。
このようにすることで、上記式(2)の光電気化学反応を用いたAlGaN層(バリア層)の薄膜化でHEMTの閾値Vthを精密に制御することができ、所望の閾値VthのHEMTを製造することができる。
As described above, according to the fourth embodiment, the counter cathode 7 and the working anode 5 electrically connected to the semiconductor sample shown in FIG. While controlling the power supply 8 connected between the semiconductor samples, the semiconductor sample is irradiated with light 4 having energy higher than the band gap of the GaN layer 22 of the semiconductor sample to generate electron-hole pairs and move to the surface of the semiconductor sample. The oxidized hole is subjected to an oxidation reaction at the interface between the surface of the semiconductor sample and the oxidizing solution 2 to oxidize and thin the AlGaN layer on the surface of the semiconductor sample, and the voltage of the power supply 8 is subtracted. And a threshold value monitoring step for measuring a threshold value Vth at which no current flows due to the presence of electrons in the GaN layer 14, and the oxidation step is performed until the threshold value measured in the threshold value monitoring step reaches a target threshold value.
By doing so, the HEMT threshold value Vth can be precisely controlled by thinning the AlGaN layer (barrier layer) using the photoelectrochemical reaction of the above formula (2), and the HEMT having the desired threshold value Vth can be controlled. Can be manufactured.

なお、本発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。   In the present invention, within the scope of the invention, any combination of each embodiment, any component of each embodiment can be modified, or any component can be omitted in each embodiment. .

1,1A 容器、2 酸化溶液、3 試料、4 光(紫外光)、4a 紫外ランプ、4b ランプ電源、4A 光源、5 作用陽極、6 参照極、7 対向陰極、8 電源、8A 制御部、9 電流計、10 電圧計、11,17 電子、12 ホール、13 水酸化物イオン、14,22 GaN層、15,23 AlGaN層、16 再結合、18a 窓、18b ふた、19 O−リング、20 Si基板、21 緩衝層、24 ソース電極、25 ドレイン電極、26 酸化防止層、27 酸化層、28 溝、29 絶縁膜、30 ゲート電極。   1, 1A container, 2 oxidation solution, 3 sample, 4 light (ultraviolet light), 4a ultraviolet lamp, 4b lamp power supply, 4A light source, 5 working anode, 6 reference electrode, 7 counter cathode, 8 power supply, 8A control unit, 9 Ammeter, 10 Voltmeter, 11,17 electrons, 12 holes, 13 hydroxide ions, 14,22 GaN layer, 15,23 AlGaN layer, 16 recombination, 18a window, 18b lid, 19 O-ring, 20 Si Substrate, 21 buffer layer, 24 source electrode, 25 drain electrode, 26 antioxidant layer, 27 oxide layer, 28 groove, 29 insulating film, 30 gate electrode.

Claims (5)

酸化溶液を保持する容器と、前記容器内の酸化溶液に接触させた陰極と、半導体試料に電気的に接続され、当該半導体試料とともに前記容器内の酸化溶液に接触させた陽極とを備える光電気化学装置において、
前記陰極と前記陽極の間に接続した電源を制御しながら、前記半導体試料のチャネル層のバンドギャップより高いエネルギーの光を当該半導体試料に照射して電子とホールの対を発生させ、前記半導体試料の表面に移動した前記ホールを当該半導体試料の表面と前記酸化溶液との界面での酸化反応に供することにより、当該半導体試料の表面のバリア層を酸化して薄膜化する酸化工程と、
前記電源の電圧を挿引して、前記チャネル層に電子が存在して電流が流れなくなる閾値を測定する閾値モニタ工程とを実行する制御部を有し、
前記制御部は、前記閾値モニタ工程で測定された前記閾値が目標閾値に達するまで前記酸化工程を実行することを特徴とする光電気化学装置。
A photoelectric device comprising a container for holding an oxidizing solution, a cathode brought into contact with the oxidizing solution in the container, and an anode electrically connected to the semiconductor sample and brought into contact with the oxidizing solution in the container together with the semiconductor sample. In chemical equipment,
While controlling the power source connected between the cathode and the anode, the semiconductor sample is irradiated with light having energy higher than the band gap of the channel layer of the semiconductor sample to generate a pair of electrons and holes. An oxidation step in which the hole moved to the surface of the semiconductor sample is subjected to an oxidation reaction at the interface between the surface of the semiconductor sample and the oxidizing solution, thereby oxidizing and thinning the barrier layer on the surface of the semiconductor sample;
A control unit that performs a threshold monitoring step of inserting a voltage of the power supply and measuring a threshold at which electrons are present in the channel layer and no current flows;
The said control part performs the said oxidation process until the said threshold value measured at the said threshold value monitoring process reaches a target threshold value, The photoelectrochemical apparatus characterized by the above-mentioned.
前記制御部は、前記電源の電圧を制御して前記酸化反応による前記半導体試料のバリア層の薄膜化の進行を制御することを特徴とする請求項1記載の光電気化学装置。   The photoelectrochemical apparatus according to claim 1, wherein the control unit controls the progress of thinning of the barrier layer of the semiconductor sample by the oxidation reaction by controlling the voltage of the power source. 前記制御部は、前記電源の電流を制御して前記酸化反応による前記半導体試料のバリア層の薄膜化の進行を制御することを特徴とする請求項1記載の光電気化学装置。   The photoelectrochemical apparatus according to claim 1, wherein the control unit controls the progress of thinning of the barrier layer of the semiconductor sample by the oxidation reaction by controlling the current of the power source. チャネル層上にバリア層が配置された半導体試料を用いて、前記バリア層を介して前記チャネル層の電位を制御するゲート電極を備えた半導体装置を製造する方法において、
陰極と、前記半導体試料に電気的に接続した陽極とを酸化溶液に接触させ、
前記陰極と前記陽極の間に接続した電源を制御しながら、前記半導体試料のチャネル層のバンドギャップより高いエネルギーの光を当該半導体試料に照射して電子とホールの対を発生させ、前記半導体試料の表面に移動した前記ホールを当該半導体試料の表面と前記酸化溶液との界面での酸化反応に供することにより、当該半導体試料の表面のバリア層を酸化して薄膜化する酸化工程と、
前記電源の電圧を挿引して、前記チャネル層に電子が存在して電流が流れなくなる閾値を測定する閾値モニタ工程とを備え、
前記閾値モニタ工程で測定された前記閾値が目標閾値に達するまで前記酸化工程を実行することを特徴とする半導体装置の製造方法。
In a method for manufacturing a semiconductor device including a gate electrode that controls a potential of the channel layer through the barrier layer, using a semiconductor sample in which a barrier layer is disposed on the channel layer.
Bringing the cathode and an anode electrically connected to the semiconductor sample into contact with an oxidizing solution;
While controlling the power source connected between the cathode and the anode, the semiconductor sample is irradiated with light having energy higher than the band gap of the channel layer of the semiconductor sample to generate a pair of electrons and holes. An oxidation step in which the hole moved to the surface of the semiconductor sample is subjected to an oxidation reaction at the interface between the surface of the semiconductor sample and the oxidizing solution, thereby oxidizing and thinning the barrier layer on the surface of the semiconductor sample;
A threshold monitoring step of measuring a threshold at which electrons are present in the channel layer and no current flows by inserting a voltage of the power source,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the oxidation step is executed until the threshold value measured in the threshold value monitoring step reaches a target threshold value.
前記半導体装置は、前記チャネル層と前記バリア層が窒化物半導体で形成された高電子移動度トランジスタであることを特徴とする請求項4記載の半導体装置の製造方法。   5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the semiconductor device is a high electron mobility transistor in which the channel layer and the barrier layer are formed of a nitride semiconductor.
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