JP2014090033A - Compound semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents

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哲郎 石黒
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve a highly reliable compound semiconductor device which achieves successful normally-off without causing problems such as increase in electrical resistance and an unstable operation, which are caused by dry etching of a p-type semiconductor layer though the p-type semiconductor layer is used for controlling 2DEG.SOLUTION: An AlGaN/GaN HEMT comprises: a compound semiconductor lamination structure 2; a gate electrode 7 formed above the compound semiconductor lamination structure 2; and a p-type semiconductor layer 3a locally formed between the compound semiconductor lamination structure 2 and the gate electrode 7. The compound semiconductor lamination structure 2 has flatness to an atomic step level on a surface in an unformed surface where the p-type semiconductor layer 3a is not formed.

Description

本発明は、化合物半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a compound semiconductor device and a manufacturing method thereof.

窒化物半導体は、高い飽和電子速度及びワイドバンドギャップ等の特徴を利用し、高耐圧及び高出力の半導体デバイスへの適用が検討されている。例えば、窒化物半導体であるGaNのバンドギャップは3.4eVであり、Siのバンドギャップ(1.1eV)及びGaAsのバンドギャップ(1.4eV)よりも大きく、高い破壊電界強度を有する。そのためGaNは、高電圧動作且つ高出力を得る電源用の半導体デバイスの材料として極めて有望である。   Nitride semiconductors have been studied for application to high breakdown voltage and high output semiconductor devices utilizing characteristics such as high saturation electron velocity and wide band gap. For example, the band gap of GaN, which is a nitride semiconductor, is 3.4 eV, which is larger than the band gap of Si (1.1 eV) and the band gap of GaAs (1.4 eV), and has a high breakdown electric field strength. Therefore, GaN is extremely promising as a material for a semiconductor device for a power supply that obtains high voltage operation and high output.

窒化物半導体を用いたデバイスとしては、電界効果トランジスタ、特に高電子移動度トランジスタ(High Electron Mobility Transistor:HEMT)についての報告が数多くなされている。例えばGaN系のHEMT(GaN−HEMT)では、GaNを電子走行層として、AlGaNを電子供給層として用いたAlGaN/GaN・HEMTが注目されている。AlGaN/GaN・HEMTでは、GaNとAlGaNとの格子定数差に起因した歪みがAlGaNに生じる。これにより発生したピエゾ分極及びAlGaNの自発分極により、高濃度の2次元電子ガス(2DEG)が得られる。そのため、高効率のスイッチ素子、電気自動車用等の高耐圧電力デバイスとして期待されている。   As devices using nitride semiconductors, many reports have been made on field effect transistors, in particular, high electron mobility transistors (HEMTs). For example, in a GaN-based HEMT (GaN-HEMT), AlGaN / GaN.HEMT using GaN as an electron transit layer and AlGaN as an electron supply layer has attracted attention. In AlGaN / GaN.HEMT, strain caused by the difference in lattice constant between GaN and AlGaN is generated in AlGaN. A high-concentration two-dimensional electron gas (2DEG) is obtained by the piezoelectric polarization generated thereby and the spontaneous polarization of AlGaN. Therefore, it is expected as a high-efficiency power device for high-efficiency switching elements, electric vehicles and the like.

特開平10−189533号公報JP-A-10-189533 特開2009−38175号公報JP 2009-38175 A

Yasuhiro Uemoto, Masahiro Hikita, Hiroaki Ueno, Hisayoshi Matsuo, Hidetoshi Ishida, Manabu Yanagihara, Tetsuzo Ueda, Tsuyoshi Tanaka, and Daisuke Ueda, "Gate Injection Transistor (GIT) - A Normally-off AlGaN/GaN Power Transistor Using Conductivity Modulation", IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, 54, 3393 (2007).Yasuhiro Uemoto, Masahiro Hikita, Hiroaki Ueno, Hisayoshi Matsuo, Hidetoshi Ishida, Manabu Yanagihara, Tetsuzo Ueda, Tsuyoshi Tanaka, and Daisuke Ueda, "Gate Injection Transistor (GIT)-A Normally-off AlGaN / GaN Power Transistor Using Conductivity Modulation", IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, 54, 3393 (2007). 引田正洋, 柳原学, 上本康裕, 上田哲三, 田中毅, 上田大助, "GaNパワーデバイス", Panasonic Technical Journal Vol.55, No.2, (2009)Masahiro Hikida, Manabu Yanagihara, Yasuhiro Uemoto, Tetsuzo Ueda, Kei Tanaka, Daisuke Ueda, "GaN Power Device", Panasonic Technical Journal Vol.55, No.2, (2009)

窒化物半導体デバイスでは、2DEGの発生量を局所的に制御する技術が要求されている。例えばHEMTの場合には、いわゆるフェイルセーフの観点から、電圧のオフ時には電流が流れない、所謂ノーマリ・オフの実現が望まれる。そのためには、電圧のオフ時においてゲート電極の下方における2DEGの発生量を抑える工夫が必要である。
ノーマリ・オフのGaN・HEMTを実現するための手法の一つとして、p型GaN層又はp型AlGaN層等のp型半導体層を、化合物半導体積層構造とゲート電極との間に形成し、バンド変調効果により2DEGの濃度を制御する手法が提案されている。
In nitride semiconductor devices, a technique for locally controlling the amount of 2DEG generated is required. For example, in the case of HEMT, from the viewpoint of so-called fail-safe, it is desired to realize so-called normally-off in which no current flows when the voltage is turned off. For this purpose, it is necessary to devise a technique for suppressing the amount of 2DEG generated below the gate electrode when the voltage is turned off.
As one of the methods for realizing a normally-off GaN / HEMT, a p-type semiconductor layer such as a p-type GaN layer or a p-type AlGaN layer is formed between a compound semiconductor multilayer structure and a gate electrode. A method for controlling the concentration of 2DEG by a modulation effect has been proposed.

化合物半導体積層構造上にp型半導体層を配置させた構造においては、電圧を印加しない状態ではpn接合の拡散電位により2DEGは存在せず、正の電圧を印加してpn接合の拡散電位を減少させることで2DEGを生成して導通を得る。従って、p型半導体層を用いる場合、電圧を印加するゲート電極下以外の領域に存するp型半導体層をドライエッチングにより除去し、当該領域では2DEGを生成させておくことが必要である。   In a structure in which a p-type semiconductor layer is arranged on a compound semiconductor multilayer structure, 2DEG does not exist due to the diffusion potential of the pn junction when no voltage is applied, and the diffusion potential of the pn junction is decreased by applying a positive voltage. By doing so, 2DEG is generated and conduction is obtained. Therefore, when a p-type semiconductor layer is used, it is necessary to remove the p-type semiconductor layer existing in a region other than under the gate electrode to which a voltage is applied by dry etching and generate 2DEG in the region.

しかしながらこの場合、p型半導体層のドライエッチングに起因して以下の諸問題が惹起される。
p型半導体層のドライエッチングにより化合物半導体積層構造がダメージを受け、化合物半導体積層構造における2DEGの走行領域の電気抵抗が増加する。
化合物半導体積層構造の表面に荒れが生じ、この表面荒れに起因した界面準位の形成によって動作不安定性が招来される。
エッチング時におけるp型半導体層の残し量に不均一性が生じ、化合物半導体積層構造のオーバーエッチングにより電気抵抗が増加する。この残し量の不均一性及びオーバーエッチングにより、オーミック電極の形成に不安定性・不均一性を及ぼす。更に、大口径の基板を用いた量産プロセスにおいて、残し量の不均一性及びオーバーエッチングにより、基板面内で電気抵抗の大きな分布が形成されるという問題もある。
However, in this case, the following problems are caused due to dry etching of the p-type semiconductor layer.
The compound semiconductor multilayer structure is damaged by dry etching of the p-type semiconductor layer, and the electrical resistance of the 2DEG traveling region in the compound semiconductor multilayer structure increases.
Roughness occurs on the surface of the compound semiconductor multilayer structure, and the instability of operation is caused by the formation of interface states due to the rough surface.
Non-uniformity occurs in the remaining amount of the p-type semiconductor layer during etching, and electrical resistance increases due to over-etching of the compound semiconductor multilayer structure. Due to the non-uniformity of the remaining amount and over-etching, instability and non-uniformity are exerted on the formation of the ohmic electrode. Further, in a mass production process using a large-diameter substrate, there is a problem that a large distribution of electric resistance is formed in the substrate surface due to non-uniformity of the remaining amount and over-etching.

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、2DEGの制御にp型半導体層を用いるも、p型半導体層のドライエッチングに起因して発生する電気抵抗の増加及び動作不安定性等の諸問題を惹起することなく、確実なノーマリ・オフを実現する信頼性の高い化合物半導体装置及びその製造方法を提供することである。   The present invention has been made in view of the above problems. The object of the present invention is to use a p-type semiconductor layer to control 2DEG, but without causing problems such as an increase in electrical resistance and operational instability caused by dry etching of the p-type semiconductor layer. It is an object to provide a highly reliable compound semiconductor device that realizes a normally-off and a manufacturing method thereof.

化合物半導体装置の一態様は、化合物半導体積層構造と、前記化合物半導体積層構造の上方に形成された電極と、前記化合物半導体積層構造と前記電極との間に局所的に形成されたp型半導体層とを含み、前記化合物半導体積層構造は、その表面で前記p型半導体層の非形成面が原子ステップレベルの平坦性を有する。   One aspect of the compound semiconductor device includes a compound semiconductor multilayer structure, an electrode formed above the compound semiconductor multilayer structure, and a p-type semiconductor layer locally formed between the compound semiconductor multilayer structure and the electrode In the compound semiconductor multilayer structure, the non-formation surface of the p-type semiconductor layer has an atomic step level flatness on the surface thereof.

化合物半導体装置の製造方法の一態様は、化合物半導体積層構造を形成する工程と、化合物半導体積層構造の上方にp型半導体層を形成する工程と、前記p型半導体層を熱処理して、前記p型半導体層の一部を残存させる工程と、残存した前記p型半導体層の上方に電極を形成する工程とを含み、前記化合物半導体積層構造は、前記熱処理により、その表面で前記p型半導体層の非形成面が原子ステップレベルの平坦性を有する。   One aspect of a method for manufacturing a compound semiconductor device includes a step of forming a compound semiconductor multilayer structure, a step of forming a p-type semiconductor layer above the compound semiconductor multilayer structure, and heat-treating the p-type semiconductor layer, A step of leaving a part of the p-type semiconductor layer and a step of forming an electrode above the remaining p-type semiconductor layer, and the compound semiconductor multilayer structure is formed on the surface of the p-type semiconductor layer by the heat treatment. The non-formed surface has flatness at the atomic step level.

上記の各態様によれば、2DEGの制御にp型半導体層を用いるも、p型半導体層のドライエッチングに起因して発生する電気抵抗の増加及び動作不安定性等の諸問題を惹起することなく、確実なノーマリ・オフを実現する信頼性の高い化合物半導体装置が実現する。   According to each aspect described above, a p-type semiconductor layer is used for controlling 2DEG, but without causing problems such as an increase in electrical resistance and operational instability caused by dry etching of the p-type semiconductor layer. Thus, a highly reliable compound semiconductor device that realizes reliable normally-off is realized.

第1の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTの製造方法を工程順に示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the manufacturing method of AlGaN / GaN * HEMT by 1st Embodiment to process order. 図1に引き続き、第1の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTの製造方法を工程順に示す概略断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating the AlGaN / GaN HEMT manufacturing method according to the first embodiment in the order of steps, following FIG. 1. 図2に引き続き、第1の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTの製造方法を工程順に示す概略断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating the AlGaN / GaN HEMT manufacturing method according to the first embodiment in the order of steps, following FIG. 2. 第1の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTを用いたHEMTチップを示す概略平面図である。1 is a schematic plan view showing a HEMT chip using an AlGaN / GaN.HEMT according to a first embodiment. 第1の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTを用いたHEMTチップのディスクリートパッケージを示す概略平面図である。1 is a schematic plan view showing a discrete package of a HEMT chip using an AlGaN / GaN.HEMT according to a first embodiment. 第2の実施形態によるPFC回路を示す結線図である。It is a connection diagram which shows the PFC circuit by 2nd Embodiment. 第3の実施形態による電源装置の概略構成を示す結線図である。It is a connection diagram which shows schematic structure of the power supply device by 3rd Embodiment. 第4の実施形態による高周波増幅器の概略構成を示す結線図である。It is a connection diagram which shows schematic structure of the high frequency amplifier by 4th Embodiment.

以下、諸実施形態について図面を参照して詳細に説明する。以下の諸実施形態では、化合物半導体装置の構成について、その製造方法と共に説明する。
なお、以下の図面において、図示の便宜上、相対的に正確な大きさ及び厚みに示していない構成部材がある。
Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings. In the following embodiments, the structure of a compound semiconductor device will be described along with its manufacturing method.
In the following drawings, there are constituent members that are not shown in a relatively accurate size and thickness for convenience of illustration.

(第1の実施形態)
本実施形態では、化合物半導体装置として、AlGaN/GaN・HEMTを開示する。
図1〜図3は、本実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
(First embodiment)
In this embodiment, AlGaN / GaN.HEMT is disclosed as a compound semiconductor device.
1 to 3 are schematic cross-sectional views showing the AlGaN / GaN HEMT manufacturing method according to the present embodiment in the order of steps.

先ず、図1(a),(b)に示すように、成長用基板として例えば半絶縁性のSiC基板1上に、化合物半導体積層構造2及びp型半導体層3を形成する。成長用基板としては、SiC基板の代わりに、サファイア基板、GaAs基板、Si基板、GaN基板等を用いても良い。また、基板の導電性としては、半絶縁性、導電性を問わない。   First, as shown in FIGS. 1A and 1B, a compound semiconductor multilayer structure 2 and a p-type semiconductor layer 3 are formed on a semi-insulating SiC substrate 1 as a growth substrate, for example. As the growth substrate, a sapphire substrate, GaAs substrate, Si substrate, GaN substrate, or the like may be used instead of the SiC substrate. Further, the conductivity of the substrate may be semi-insulating or conductive.

化合物半導体積層構造2は、バッファ層2a、電子走行層2b、中間層(スペーサ層)2c、及び電子供給層2dを有して構成される。電子供給層2d上に、p型半導体層3が形成される。なお、電子供給層2d上に薄いn−GaNをキャップ層として形成し、このキャップ層上にp型半導体層を形成するようにしても良い。   The compound semiconductor multilayer structure 2 includes a buffer layer 2a, an electron transit layer 2b, an intermediate layer (spacer layer) 2c, and an electron supply layer 2d. A p-type semiconductor layer 3 is formed on the electron supply layer 2d. Note that thin n-GaN may be formed as a cap layer on the electron supply layer 2d, and a p-type semiconductor layer may be formed on the cap layer.

詳細には、SiC基板1上に、例えば有機金属気相成長(MOVPE:Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法により、以下の各化合物半導体をエピタキシャル成長する。MOVPE法の代わりに、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法等を用いても良い。   In detail, the following compound semiconductors are epitaxially grown on the SiC substrate 1 by, for example, metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE). Instead of the MOVPE method, a molecular beam epitaxy (MBE) method or the like may be used.

SiC基板1上に、バッファ層2a、電子走行層2b、中間層2c、電子供給層2d、及びp型半導体層3となる各化合物半導体を順次成長する。バッファ層2aは、SiC基板1上に、AlNを例えば0.1μm程度の厚みに成長することで形成される。電子走行層2bは、i(インテンショナリ・アンドープ)−GaNを1μm程度〜3μm程度、例えば1μm程度の厚みに成長することで形成される。中間層2cは、i−AlGaNを例えば5nm程度の厚みに成長することで形成される。電子供給層2dは、n−AlGaNを例えば20nm程度の厚みに成長することで形成される。n−AlGaNのAl組成は10%程度〜30%程度、例えば20%程度(Al0.2Ga0.8N)とされる。p型半導体層3は、p−GaNを例えば60nm程度の厚みに成長することで形成される。中間層2cは形成しない場合もある。電子供給層2dは、i−AlGaNを形成するようにしても良い。p型半導体層3は、p−GaNの代わりにp−AlGaNを形成するようにしても良い。 On the SiC substrate 1, the respective compound semiconductors to be the buffer layer 2a, the electron transit layer 2b, the intermediate layer 2c, the electron supply layer 2d, and the p-type semiconductor layer 3 are sequentially grown. The buffer layer 2a is formed on the SiC substrate 1 by growing AlN to a thickness of about 0.1 μm, for example. The electron transit layer 2b is formed by growing i (intentional undoped) -GaN to a thickness of about 1 μm to 3 μm, for example, about 1 μm. The intermediate layer 2c is formed by growing i-AlGaN to a thickness of about 5 nm, for example. The electron supply layer 2d is formed by growing n-AlGaN to a thickness of about 20 nm, for example. The Al composition of n-AlGaN is about 10% to 30%, for example about 20% (Al 0.2 Ga 0.8 N). The p-type semiconductor layer 3 is formed by growing p-GaN to a thickness of about 60 nm, for example. The intermediate layer 2c may not be formed. The electron supply layer 2d may be formed of i-AlGaN. The p-type semiconductor layer 3 may be formed of p-AlGaN instead of p-GaN.

GaNの成長には、原料ガスとしてGa源であるトリメチルガリウム(TMGa)ガス及びアンモニア(NH3)ガスの混合ガスを用いる。AlGaNの成長には、原料ガスとしてトリメチルアルミニウム(TMAl)ガス、TMGaガス及びNH3ガスの混合ガスを用いる。成長する化合物半導体層に応じて、TMAlガス及びTMGaガスの供給の有無及び流量を適宜設定する。共通原料であるNH3ガスの流量は、100sccm〜10slm程度とする。また、成長圧力は50Torr〜760Torr程度、成長温度は800℃〜1200℃程度とする。 For the growth of GaN, a mixed gas of trimethylgallium (TMGa) gas and ammonia (NH 3 ) gas, which is a Ga source, is used as a source gas. For the growth of AlGaN, a mixed gas of trimethylaluminum (TMAl) gas, TMGa gas and NH 3 gas is used as a source gas. The presence / absence and flow rate of TMAl gas and TMGa gas are appropriately set according to the compound semiconductor layer to be grown. The flow rate of NH 3 gas, which is a common raw material, is about 100 sccm to 10 slm. The growth pressure is about 50 Torr to 760 Torr, and the growth temperature is about 800 ° C. to 1200 ° C.

AlGaNをn型として成長する際、即ち電子供給層2d(n−AlGaN)の形成には、n型不純物をAlGaNの原料ガスに添加する。ここでは、例えばSiを含む例えばシラン(SiH4)ガスを所定の流量で原料ガスに添加し、AlGaNにSiをドーピングする。Siのドーピング濃度は、1×1018/cm3程度〜1×1020/cm3程度、例えば5×1018/cm3程度とする。 When growing AlGaN as n-type, that is, for forming the electron supply layer 2d (n-AlGaN), an n-type impurity is added to the AlGaN source gas. Here, for example, silane (SiH 4 ) gas containing Si, for example, is added to the source gas at a predetermined flow rate, and AlGaN is doped with Si. The doping concentration of Si is about 1 × 10 18 / cm 3 to about 1 × 10 20 / cm 3 , for example, about 5 × 10 18 / cm 3 .

GaNをp型として成長する際、即ちp型半導体層3(p−GaN)の形成には、p型不純物、例えばMg,Beから選ばれたものをGaNの原料ガスに添加し、p−GaN中に極性反転結晶領域を形成する。本実施形態では、p型不純物としてMgを用いる。Mgを所定の流量で原料ガスに添加し、GaNにMgをドーピングする。Mgのドーピング濃度は、例えば5×1019/cm3程度〜1×1020/cm3程度とする。ドーピング濃度が5×1019/cm3程度よりも低いと、十分にp型とはならず、ノーマリオンとなる。1×1020/cm3程度よりも高いと、結晶性が悪化し、十分な特性が得られなくなる。従って、Mgのドーピング濃度を5×1019/cm3程度〜1×1020/cm3程度とすることにより、十分な特性の得られるp型半導体となる。本実施形態では、p型半導体層3のMgのドーピング濃度を5×1019/cm3程度とする。 When growing GaN as p-type, that is, for forming the p-type semiconductor layer 3 (p-GaN), a p-type impurity, for example, selected from Mg and Be, is added to the GaN source gas, and p-GaN is added. A polarity reversal crystal region is formed therein. In this embodiment, Mg is used as the p-type impurity. Mg is added to the source gas at a predetermined flow rate, and GaN is doped with Mg. The doping concentration of Mg is, for example, about 5 × 10 19 / cm 3 to about 1 × 10 20 / cm 3 . When the doping concentration is lower than about 5 × 10 19 / cm 3 , the p-type is not sufficiently obtained and normally-on is obtained. If it is higher than about 1 × 10 20 / cm 3 , the crystallinity deteriorates and sufficient characteristics cannot be obtained. Therefore, by setting the Mg doping concentration to about 5 × 10 19 / cm 3 to about 1 × 10 20 / cm 3 , a p-type semiconductor with sufficient characteristics can be obtained. In the present embodiment, the Mg doping concentration of the p-type semiconductor layer 3 is about 5 × 10 19 / cm 3 .

図1(a)のように、化合物半導体積層構造2が形成された状態では、電子走行層2cの電子供給層2eとの界面(正確には、中間層2dとの界面。以下、GaN/AlGaN界面と記す。)には、GaNの格子定数とAlGaNの格子定数との差に起因した歪みによるピエゾ分極が生じる。このピエゾ分極の効果と、電子走行層2c及び電子供給層2eの自発分極の効果とが相俟って、GaN/AlGaN界面の全域で高い電子濃度の2次元電子ガス(2DEG)が発生する。
図1(b)のように、化合物半導体積層構造2上にp型半導体層3が形成されると、バンド変調効果により2DEGの濃度が制御され、本実施形態では2DEGが消失する。
As shown in FIG. 1A, in the state where the compound semiconductor multilayer structure 2 is formed, the interface between the electron transit layer 2c and the electron supply layer 2e (more precisely, the interface with the intermediate layer 2d. Hereinafter, GaN / AlGaN). Piezo polarization due to strain caused by the difference between the lattice constant of GaN and the lattice constant of AlGaN occurs at the interface). The piezoelectric polarization effect and the spontaneous polarization effect of the electron transit layer 2c and the electron supply layer 2e combine to generate a two-dimensional electron gas (2DEG) having a high electron concentration throughout the GaN / AlGaN interface.
When the p-type semiconductor layer 3 is formed on the compound semiconductor multilayer structure 2 as shown in FIG. 1B, the concentration of 2DEG is controlled by the band modulation effect, and 2DEG disappears in this embodiment.

続いて、素子分離構造を形成する。
詳細には、化合物半導体積層構造2の素子分離領域に、例えばアルゴン(Ar)を注入する。これにより、化合物半導体積層構造2に素子分離構造が形成される。素子分離構造により、化合物半導体積層構造2上で活性領域が画定される。
なお、素子分離は、上記の注入法の代わりに、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)法等既知の他の方法を用いて行っても良い。このとき、化合物半導体積層構造2のドライエッチングには、例えば塩素系のエッチングガスを用いる。
Subsequently, an element isolation structure is formed.
Specifically, for example, argon (Ar) is implanted into the element isolation region of the compound semiconductor multilayer structure 2. Thereby, an element isolation structure is formed in the compound semiconductor multilayer structure 2. An active region is defined on the compound semiconductor multilayer structure 2 by the element isolation structure.
Note that element isolation may be performed using another known method such as an STI (Shallow Trench Isolation) method instead of the above implantation method. At this time, for example, a chlorine-based etching gas is used for the dry etching of the compound semiconductor multilayer structure 2.

続いて、図1(c)に示すように、p型半導体層3上にマスク10を形成する。
詳細には、p型半導体層3上に、CVD(Chemical Vapor Deposition)、スパッタリング、真空蒸着、ALD(Atomic Layer Deposition)等の成膜方法によりSiO2,Al23,SiN等の高耐熱の保護材料を堆積する。本実施形態では、例えばCVD法によりSiO2を30nm程度の厚みに成膜する。堆積したSiO2をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工し、p型半導体層3上のゲート電極の形成予定領域にSiO2を残存させる。以上により、p型半導体層3上にSiO2からなるマスク10が形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 1C, a mask 10 is formed on the p-type semiconductor layer 3.
Specifically, high heat resistance such as SiO 2 , Al 2 O 3 , SiN or the like is formed on the p-type semiconductor layer 3 by a film forming method such as CVD (Chemical Vapor Deposition), sputtering, vacuum deposition, or ALD (Atomic Layer Deposition). Deposit protective material. In this embodiment, SiO 2 is formed to a thickness of about 30 nm by, for example, CVD. The deposited SiO 2 is processed by lithography and dry etching to leave SiO 2 in the region where the gate electrode is to be formed on the p-type semiconductor layer 3. Thus, the mask 10 made of SiO 2 is formed on the p-type semiconductor layer 3.

続いて、図2(a)に示すように、p型半導体層3を熱処理する。
詳細には、MOCVD装置のチャンバー内にSiC基板1を設置し、マスク10の形成された状態でp型半導体層3を熱処理する。熱処理条件は、チャンバー内に水素を導入して水素雰囲気とし、900℃程度〜1100℃程度の範囲内の温度、ここでは1000℃程度とする。この熱処理により、マスク10の存在しない領域では、p型半導体層3のp−GaNが熱脱離により蒸発し、マスク10の存在する領域では、マスク10下にp−GaNが局所的に残存する。残存したp−GaNをp型半導体層3aとする。このとき、電子供給層2dの表層には、高耐熱性を有する高Al組成AlGaN層4が形成され、熱脱離の進行が抑制される。高Al組成AlGaN層4は、電子供給層2dの他の部位(高Al組成AlGaN層4の非形成部位)よりもAl組成が高い。具体的には、高Al組成AlGaN層4のAl組成は、50%程度〜100%程度、例えば75%程度(Al0.75Ga0.25N)となる。本実施形態では、電子供給層2dの表層に1nm程度〜2nm程度、例えば2nm程度の厚みに高Al組成AlGaN層4が形成されてGaNの熱脱離が停止する。
Subsequently, as shown in FIG. 2A, the p-type semiconductor layer 3 is heat-treated.
Specifically, the SiC substrate 1 is placed in the chamber of the MOCVD apparatus, and the p-type semiconductor layer 3 is heat-treated with the mask 10 formed. The heat treatment conditions are such that hydrogen is introduced into the chamber to form a hydrogen atmosphere, and the temperature is in the range of about 900 ° C. to about 1100 ° C., here about 1000 ° C. By this heat treatment, p-GaN of the p-type semiconductor layer 3 evaporates due to thermal desorption in a region where the mask 10 does not exist, and p-GaN locally remains under the mask 10 in a region where the mask 10 exists. . The remaining p-GaN is defined as a p-type semiconductor layer 3a. At this time, a high Al composition AlGaN layer 4 having high heat resistance is formed on the surface layer of the electron supply layer 2d, and the progress of thermal desorption is suppressed. The high Al composition AlGaN layer 4 has a higher Al composition than other parts of the electron supply layer 2d (parts where the high Al composition AlGaN layer 4 is not formed). Specifically, the Al composition of the high Al composition AlGaN layer 4 is about 50% to 100%, for example, about 75% (Al 0.75 Ga 0.25 N). In the present embodiment, the high Al composition AlGaN layer 4 is formed on the surface layer of the electron supply layer 2d to a thickness of about 1 nm to 2 nm, for example, about 2 nm, and thermal desorption of GaN stops.

上記の熱処理により、マスク10下の領域以外におけるp型半導体層3が完全に除去される。電子供給層2dの表面のうちでp型半導体層3の非形成面、即ち高Al組成AlGaN層4の表面は、極めて優れた平坦性、ここでは原子ステップレベル(AlGaNを構成する原子の数個程度の段差(例えば0.26nm程度)レベル)の平坦性を有する。   By the heat treatment, the p-type semiconductor layer 3 other than the region under the mask 10 is completely removed. Among the surfaces of the electron supply layer 2d, the non-formation surface of the p-type semiconductor layer 3, that is, the surface of the high Al composition AlGaN layer 4 has extremely excellent flatness, here, the atomic step level (several atoms constituting the AlGaN). Flatness of a level difference (for example, about 0.26 nm level).

上記の熱処理における温度について、900℃程度よりも低温とすれば、p型半導体層3の十分な熱脱離が困難となる。1100程度よりも高温とすれば、マスク10下にp型半導体層3を残存させることが困難となる。900℃程度〜1100℃程度の範囲内の温度とすることにより、マスク10下の領域以外におけるp型半導体層3を完全に除去し、マスク10下にはp型半導体層3を所期量だけ残存させることができる。   If the temperature in the heat treatment is lower than about 900 ° C., sufficient thermal desorption of the p-type semiconductor layer 3 becomes difficult. If the temperature is higher than about 1100, it is difficult to leave the p-type semiconductor layer 3 under the mask 10. By setting the temperature within the range of about 900 ° C. to about 1100 ° C., the p-type semiconductor layer 3 outside the region under the mask 10 is completely removed, and the p-type semiconductor layer 3 is placed under the mask 10 by a predetermined amount. It can be left.

p型半導体層3aの形成により、p型半導体層3aの下方に位置整合する領域のみで2DEGが消失した状態となり、その他の領域では2DEGが復活生成する。
電子供給層2dの表面のうち、p型半導体層3aの非形成面には高Al組成AlGaN層4が形成されているため、2DEGの濃度が高くなり、より低抵抗なトランジスタが実現する。一方、ゲート電極の形成予定領域には、高Al組成AlGaN層4が形成されないため、2DEGの濃度が必要以上に高くなることはない。
Due to the formation of the p-type semiconductor layer 3a, 2DEG disappears only in the region aligned below the p-type semiconductor layer 3a, and 2DEG is restored and generated in other regions.
Since the high Al composition AlGaN layer 4 is formed on the non-formation surface of the p-type semiconductor layer 3a in the surface of the electron supply layer 2d, the concentration of 2DEG is increased and a transistor with lower resistance is realized. On the other hand, since the high Al composition AlGaN layer 4 is not formed in the region where the gate electrode is to be formed, the concentration of 2DEG does not become higher than necessary.

続いて、図2(b)に示すように、マスク10を除去する。
詳細には、所定の薬液、例えばフッ酸を用いて、マスク10をウェット処理する。これにより、マスク10が除去される。
Subsequently, as shown in FIG. 2B, the mask 10 is removed.
Specifically, the mask 10 is wet-treated using a predetermined chemical solution, for example, hydrofluoric acid. Thereby, the mask 10 is removed.

続いて、図2(c)に示すように、電子供給層2dに電極用リセス2A,2Bを形成する。
詳細には、化合物半導体積層構造2の電子供給層2dの表面におけるソース電極及びドレイン電極の形成予定領域に、電極用リセス2A,2Bを形成する。
電子供給層2dの表面、即ち高Al組成AlGaN層4の表面におけるソース電極及びドレイン電極の形成予定位置を開口するレジストマスクを形成する。このレジストマスクを用いて、電極形成予定位置の高Al組成AlGaN層4をドライエッチングして除去する。ドライエッチングは、高Al組成AlGaN層4下の電子供給層2dの一部まで除去するように行っても良い。エッチングガスには、例えばAr等の不活性ガス及びCl2等の塩素系ガスを用いる。以上により、電子供給層2dに電極用リセス2A,2Bが形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 2C, electrode recesses 2A and 2B are formed in the electron supply layer 2d.
Specifically, electrode recesses 2A and 2B are formed in regions where the source and drain electrodes are to be formed on the surface of the electron supply layer 2d of the compound semiconductor multilayer structure 2.
A resist mask is formed that opens the planned positions for forming the source electrode and the drain electrode on the surface of the electron supply layer 2 d, that is, on the surface of the high Al composition AlGaN layer 4. Using this resist mask, the high Al composition AlGaN layer 4 at the electrode formation scheduled position is removed by dry etching. The dry etching may be performed so as to remove part of the electron supply layer 2d under the high Al composition AlGaN layer 4. As the etching gas, for example, an inert gas such as Ar and a chlorine-based gas such as Cl 2 are used. Thus, the electrode recesses 2A and 2B are formed in the electron supply layer 2d.

電極用リセス2A,2Bが形成される電子供給層2d(高Al組成AlGaN層4)の表面は、上記のように原子ステップレベルの平坦面とされている。そのため、ドライエッチングで電極用リセス2A,2Bを形成した場合でも、電極用リセス2A,2Bの形成面(被エッチング面)は、基板全面に亘って均一に形成される。   The surface of the electron supply layer 2d (high Al composition AlGaN layer 4) on which the electrode recesses 2A and 2B are formed is a flat surface at the atomic step level as described above. Therefore, even when the electrode recesses 2A and 2B are formed by dry etching, the formation surfaces (surfaces to be etched) of the electrode recesses 2A and 2B are uniformly formed over the entire surface of the substrate.

続いて、図3(a)に示すように、一対のオーミック電極であるソース電極5及びドレイン電極6を形成する。
先ず、ソース電極及びドレイン電極を形成するためのレジストマスクを形成する。レジストを化合物半導体積層構造2上に塗布し、電子供給層2dの電極用リセス2A,2Bを露出させる開口を形成する。以上により、当該開口を有するレジストマスクが形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 3A, a source electrode 5 and a drain electrode 6 which are a pair of ohmic electrodes are formed.
First, a resist mask for forming a source electrode and a drain electrode is formed. A resist is applied on the compound semiconductor multilayer structure 2 to form openings for exposing the electrode recesses 2A and 2B of the electron supply layer 2d. Thus, a resist mask having the opening is formed.

このレジストマスクを用いて、電極材料として、例えばTa/Alを、例えば蒸着法により開口内を含むレジストマスク上に堆積する。Taの厚みは20nm程度、Alの厚みは200nm程度とする。リフトオフ法により、レジストマスク及びその上に堆積したTa/Alを除去する。その後、SiC基板1を、例えば窒素雰囲気中において400℃〜1000℃程度の温度、例えば550℃程度で熱処理し、残存したTa/Alを電子供給層2dとオーミックコンタクトさせる。Ta/Alの電子供給層2dとのオーミックコンタクトが得られるのであれば、熱処理が不要な場合もある。以上により、電子供給層2dの電極用リセス2A,2Bを埋め込むソース電極5及びドレイン電極6が形成される。   Using this resist mask, for example, Ta / Al is deposited as an electrode material on the resist mask including the inside of the opening, for example, by vapor deposition. The thickness of Ta is about 20 nm, and the thickness of Al is about 200 nm. The resist mask and Ta / Al deposited thereon are removed by a lift-off method. Thereafter, the SiC substrate 1 is heat-treated in a nitrogen atmosphere, for example, at a temperature of about 400 ° C. to 1000 ° C., for example, about 550 ° C., and the remaining Ta / Al is brought into ohmic contact with the electron supply layer 2d. If an ohmic contact with the Ta / Al electron supply layer 2d is obtained, heat treatment may be unnecessary. As a result, the source electrode 5 and the drain electrode 6 that fill the electrode recesses 2A and 2B of the electron supply layer 2d are formed.

ソース電極5及びドレイン電極6が形成される電極用リセス2A,2Bは、その形成面(被エッチング面)が基板全面に亘って均一とされている。そのため、ソース電極5及びドレイン電極6を均一に形成することができ、低抵抗なオーミック電極が実現する。   The electrode recesses 2A and 2B in which the source electrode 5 and the drain electrode 6 are formed have a uniform formation surface (surface to be etched) over the entire surface of the substrate. Therefore, the source electrode 5 and the drain electrode 6 can be formed uniformly, and a low-resistance ohmic electrode is realized.

続いて、図3(b)に示すように、ゲート電極7を形成する。
詳細には、先ず、ゲート電極を形成するためのレジストマスクを形成する。レジストを化合物半導体積層構造2上に塗布し、p型半導体層3aの表面を露出させる開口を形成する。以上により、当該開口を有するレジストマスクが形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 3B, a gate electrode 7 is formed.
Specifically, first, a resist mask for forming the gate electrode is formed. A resist is applied on the compound semiconductor multilayer structure 2 to form an opening that exposes the surface of the p-type semiconductor layer 3a. Thus, a resist mask having the opening is formed.

このレジストマスクを用いて、電極材料として、例えばNi/Auを、例えば蒸着法により、p型半導体層3aの表面を露出させる開口内を含むレジストマスク上に堆積する。Niの厚みは30nm程度、Auの厚みは400nm程度とする。リフトオフ法により、レジストマスク及びその上に堆積したNi/Auを除去する。以上により、p型半導体層3a上にゲート電極7が形成される。   Using this resist mask, for example, Ni / Au is deposited as an electrode material on the resist mask including the inside of the opening exposing the surface of the p-type semiconductor layer 3a by, for example, vapor deposition. The thickness of Ni is about 30 nm, and the thickness of Au is about 400 nm. The resist mask and Ni / Au deposited thereon are removed by a lift-off method. Thus, the gate electrode 7 is formed on the p-type semiconductor layer 3a.

続いて、図3(c)に示すように、保護絶縁膜8を形成する。
詳細には、SiC基板1の全面を覆うように絶縁物を堆積する。絶縁物としては、例えばPECVD法によりSiNを堆積する。以上により、保護絶縁膜8が形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 3C, a protective insulating film 8 is formed.
Specifically, an insulator is deposited so as to cover the entire surface of SiC substrate 1. As the insulator, for example, SiN is deposited by PECVD. Thus, the protective insulating film 8 is formed.

しかる後、ソース電極5、ドレイン電極6、ゲート電極7と接続される配線の形成等の諸工程を経て、本実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTが形成される。   Thereafter, the AlGaN / GaN.HEMT according to the present embodiment is formed through various processes such as formation of wirings connected to the source electrode 5, the drain electrode 6, and the gate electrode 7.

本実施形態では、ゲート電極7の直下にエネルギーバンドを持ち上げるp型半導体層3aを配置したため、ノーマリ・オフが達成される。p型半導体層3をゲート電極7の領域に残存させるべく、p型半導体層3の当該領域以外の部位を除去する際にドライエッチングを用いないため、ドライエッチング起因のダメージを受けることなく、低抵抗のトランジスタとなる。電子供給層2dでp型半導体層3が除去された領域では、その表面が原子ステップレベルの平坦性を有するため、ドライエッチング起因の表面荒れによる界面準位が形成されず、安定動作が可能となる。ゲート電極7の領域以外における電子供給層2dの表層には、高Al組成AlGaN層4が形成されてp−GaNの熱脱離が停止するため、p−GaNの残し量の不均一性は皆無となる。しかも、電子供給層2dの表面のオーバーエッチングの懸念はないため、オン抵抗の不均一性が発生することはない。   In the present embodiment, since the p-type semiconductor layer 3a that lifts the energy band is disposed immediately below the gate electrode 7, normally-off is achieved. In order to leave the p-type semiconductor layer 3 in the region of the gate electrode 7, dry etching is not used when removing portions other than the region of the p-type semiconductor layer 3. It becomes a transistor of resistance. In the region where the p-type semiconductor layer 3 is removed by the electron supply layer 2d, the surface has flatness at the atomic step level, so that interface states due to surface roughness caused by dry etching are not formed, and stable operation is possible. Become. Since the high Al composition AlGaN layer 4 is formed on the surface layer of the electron supply layer 2d other than the region of the gate electrode 7 and thermal desorption of p-GaN is stopped, there is no non-uniformity in the remaining amount of p-GaN. It becomes. In addition, since there is no concern about overetching of the surface of the electron supply layer 2d, on-resistance non-uniformity does not occur.

ゲート電極7の領域以外における電子供給層2dの表層には高Al組成AlGaN層4が形成されるため、2DEGの濃度が高くなり、より低抵抗なトランジスタとなる。その一方で、ゲート電極7の領域には高Al組成AlGaN層4が存しないため、2DEGの濃度が必要以上に高くなることがなく、ノーマリ・オフは阻害されない。これにより、低抵抗な信頼性の高いノーマリ・オフのAlGaN/GaN・HEMTが実現する。   Since the high Al composition AlGaN layer 4 is formed on the surface layer of the electron supply layer 2d other than the region of the gate electrode 7, the concentration of 2DEG is increased, and the transistor has a lower resistance. On the other hand, since the high Al composition AlGaN layer 4 does not exist in the region of the gate electrode 7, the concentration of 2DEG is not increased more than necessary, and normally-off is not inhibited. As a result, a low-resistance highly reliable normally-off AlGaN / GaN HEMT is realized.

また、基板面内でp型半導体層3のエピタキシャル結晶成長に起因して、p型半導体層3に膜厚分布が形成されても、p型半導体層3の熱処理工程では、電子供給層2dの表層における高Al組成AlGaN層4が熱脱離のストッパーとして機能する。そのため、p型半導体層3のみが除去され、p型半導体層3の膜厚分布に起因したp−GaNの残し量の不均一性は発生せず、オン抵抗の基板面内におけるバラツキが生じない。   In addition, even if a film thickness distribution is formed in the p-type semiconductor layer 3 due to the epitaxial crystal growth of the p-type semiconductor layer 3 in the substrate surface, in the heat treatment process of the p-type semiconductor layer 3, the electron supply layer 2d The high Al composition AlGaN layer 4 in the surface layer functions as a thermal desorption stopper. Therefore, only the p-type semiconductor layer 3 is removed, the non-uniformity of the remaining amount of p-GaN due to the film thickness distribution of the p-type semiconductor layer 3 does not occur, and the on-resistance in the substrate plane does not vary. .

以上説明したように、本実施形態によれば、電子供給層2d上でゲート電極7下の領域に局所的にp型半導体層3aを形成するも、電子供給層2dのp型半導体層3aの非形成面は原子ステップレベルの平坦性が達成される。これにより、p型半導体層のドライエッチングに起因して発生する電気抵抗の増加及び動作不安定性等の諸問題を惹起することなく、確実なノーマリ・オフを実現する信頼性の高いAlGaN/GaN・HEMTが実現する。   As described above, according to the present embodiment, although the p-type semiconductor layer 3a is locally formed in the region under the gate electrode 7 on the electron supply layer 2d, the p-type semiconductor layer 3a of the electron supply layer 2d Non-formed surfaces achieve atomic step level flatness. As a result, a highly reliable AlGaN / GaN, which realizes reliable normally-off without causing problems such as an increase in electrical resistance and operational instability caused by dry etching of the p-type semiconductor layer. HEMT is realized.

本実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTは、いわゆるディスクリートパッケージに適用される。
このディスクリートパッケージでは、本実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTのチップが搭載される。以下、本実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTのチップ(以下、HEMTチップと言う)のディスクリートパッケージについて例示する。
The AlGaN / GaN HEMT according to the present embodiment is applied to a so-called discrete package.
In this discrete package, the AlGaN / GaN HEMT chip according to the present embodiment is mounted. Hereinafter, the discrete package of the AlGaN / GaN.HEMT chip (hereinafter referred to as a HEMT chip) according to the present embodiment will be exemplified.

HEMTチップの概略構成を図4に示す。
HEMTチップ100では、その表面に、上述したAlGaN/GaN・HEMTのトランジスタ領域101と、ドレイン電極が接続されたドレインパッド102と、ゲート電極が接続されたゲートパッド103と、ソース電極が接続されたソースパッド104とが設けられている。
FIG. 4 shows a schematic configuration of the HEMT chip.
In the HEMT chip 100, the AlGaN / GaN.HEMT transistor region 101, the drain pad 102 connected to the drain electrode, the gate pad 103 connected to the gate electrode, and the source electrode are connected to the surface. A source pad 104 is provided.

図5は、ディスクリートパッケージを示す概略平面図である。
ディスクリートパッケージを作製するには、先ず、HEMTチップ100を、ハンダ等のダイアタッチ剤111を用いてリードフレーム112に固定する。リードフレーム112にはドレインリード112aが一体形成されており、ゲートリード112b及びソースリード112cがリードフレーム112と別体として離間して配置される。
FIG. 5 is a schematic plan view showing the discrete package.
In order to manufacture a discrete package, first, the HEMT chip 100 is fixed to the lead frame 112 using a die attach agent 111 such as solder. A drain lead 112 a is integrally formed on the lead frame 112, and the gate lead 112 b and the source lead 112 c are arranged separately from the lead frame 112.

続いて、Alワイヤ113を用いたボンディングにより、ドレインパッド102とドレインリード112a、ゲートパッド103とゲートリード112b、ソースパッド104とソースリード112cをそれぞれ電気的に接続する。
その後、モールド樹脂114を用いて、トランスファーモールド法によりHEMTチップ100を樹脂封止し、リードフレーム112を切り離す。以上により、ディスクリートパッケージが形成される。
Subsequently, the drain pad 102 and the drain lead 112a, the gate pad 103 and the gate lead 112b, and the source pad 104 and the source lead 112c are electrically connected by bonding using the Al wire 113, respectively.
Thereafter, the HEMT chip 100 is resin-sealed by a transfer molding method using the mold resin 114, and the lead frame 112 is separated. Thus, a discrete package is formed.

(第2の実施形態)
本実施形態では、第1の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTを備えたPFC(Power Factor Correction)回路を開示する。
図6は、PFC回路を示す結線図である。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, a PFC (Power Factor Correction) circuit including the AlGaN / GaN HEMT according to the first embodiment is disclosed.
FIG. 6 is a connection diagram showing the PFC circuit.

PFC回路20は、スイッチ素子(トランジスタ)21と、ダイオード22と、チョークコイル23と、コンデンサ24,25と、ダイオードブリッジ26と、交流電源(AC)27とを備えて構成される。スイッチ素子21に、第1の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTが適用される。   The PFC circuit 20 includes a switching element (transistor) 21, a diode 22, a choke coil 23, capacitors 24 and 25, a diode bridge 26, and an AC power supply (AC) 27. The AlGaN / GaN HEMT according to the first embodiment is applied to the switch element 21.

PFC回路20では、スイッチ素子21のドレイン電極と、ダイオード22のアノード端子及びチョークコイル23の一端子とが接続される。スイッチ素子21のソース電極と、コンデンサ24の一端子及びコンデンサ25の一端子とが接続される。コンデンサ24の他端子とチョークコイル23の他端子とが接続される。コンデンサ25の他端子とダイオード22のカソード端子とが接続される。コンデンサ24の両端子間には、ダイオードブリッジ26を介してAC27が接続される。コンデンサ25の両端子間には、直流電源(DC)が接続される。なお、スイッチ素子21には不図示のPFCコントローラが接続される。   In the PFC circuit 20, the drain electrode of the switch element 21 is connected to the anode terminal of the diode 22 and one terminal of the choke coil 23. The source electrode of the switch element 21 is connected to one terminal of the capacitor 24 and one terminal of the capacitor 25. The other terminal of the capacitor 24 and the other terminal of the choke coil 23 are connected. The other terminal of the capacitor 25 and the cathode terminal of the diode 22 are connected. An AC 27 is connected between both terminals of the capacitor 24 via a diode bridge 26. A direct current power supply (DC) is connected between both terminals of the capacitor 25. A PFC controller (not shown) is connected to the switch element 21.

本実施形態では、第1の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTをPFC回路20に適用する。これにより、信頼性の高いPFC回路30が実現する。   In the present embodiment, the AlGaN / GaN HEMT according to the first embodiment is applied to the PFC circuit 20. Thereby, a highly reliable PFC circuit 30 is realized.

(第3の実施形態)
本実施形態では、第1の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTを備えた電源装置を開示する。
図7は、第3の実施形態による電源装置の概略構成を示す結線図である。
(Third embodiment)
In the present embodiment, a power supply device including the AlGaN / GaN.HEMT according to the first embodiment is disclosed.
FIG. 7 is a connection diagram illustrating a schematic configuration of the power supply device according to the third embodiment.

本実施形態による電源装置は、高圧の一次側回路31及び低圧の二次側回路32と、一次側回路31と二次側回路32との間に配設されるトランス33とを備えて構成される。
一次側回路31は、第2の実施形態によるPFC回路20と、PFC回路20のコンデンサ25の両端子間に接続されたインバータ回路、例えばフルブリッジインバータ回路30とを有している。フルブリッジインバータ回路30は、複数(ここでは4つ)のスイッチ素子34a,34b,34c,34dを備えて構成される。
二次側回路32は、複数(ここでは3つ)のスイッチ素子35a,35b,35cを備えて構成される。
The power supply device according to this embodiment includes a high-voltage primary circuit 31 and a low-voltage secondary circuit 32, and a transformer 33 disposed between the primary circuit 31 and the secondary circuit 32. The
The primary circuit 31 includes the PFC circuit 20 according to the second embodiment and an inverter circuit connected between both terminals of the capacitor 25 of the PFC circuit 20, for example, a full bridge inverter circuit 30. The full bridge inverter circuit 30 includes a plurality (four in this case) of switch elements 34a, 34b, 34c, and 34d.
The secondary circuit 32 includes a plurality (three in this case) of switch elements 35a, 35b, and 35c.

本実施形態では、一次側回路31を構成するPFC回路が第2の実施形態によるPFC回路20であると共に、フルブリッジインバータ回路30のスイッチ素子34a,34b,34c,34dが、第1の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTとされている。一方、二次側回路32のスイッチ素子35a,35b,35cは、シリコンを用いた通常のMIS・FETとされている。   In the present embodiment, the PFC circuit constituting the primary circuit 31 is the PFC circuit 20 according to the second embodiment, and the switch elements 34a, 34b, 34c, and 34d of the full bridge inverter circuit 30 are the first embodiment. AlGaN / GaN.HEMT. On the other hand, the switch elements 35a, 35b, and 35c of the secondary circuit 32 are normal MIS • FETs using silicon.

本実施形態では、第2の実施形態によるPFC回路20と、第1の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTとを、高圧回路である一次側回路31に適用する。これにより、信頼性の高い大電力の電源装置が実現する。   In the present embodiment, the PFC circuit 20 according to the second embodiment and the AlGaN / GaN HEMT according to the first embodiment are applied to the primary circuit 31 that is a high-voltage circuit. As a result, a highly reliable high-power power supply device is realized.

(第4の実施形態)
本実施形態では、第1の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTを備えた高周波増幅器を開示する。
図8は、第4の実施形態による高周波増幅器の概略構成を示す結線図である。
(Fourth embodiment)
In the present embodiment, a high-frequency amplifier including the AlGaN / GaN HEMT according to the first embodiment is disclosed.
FIG. 8 is a connection diagram illustrating a schematic configuration of the high-frequency amplifier according to the fourth embodiment.

本実施形態による高周波増幅器は、ディジタル・プレディストーション回路41と、ミキサー42a,42bと、パワーアンプ43とを備えて構成される。
ディジタル・プレディストーション回路41は、入力信号の非線形歪みを補償するものである。ミキサー42aは、非線形歪みが補償された入力信号と交流信号をミキシングするものである。パワーアンプ43は、交流信号とミキシングされた入力信号を増幅するものであり、第1の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTを有している。なお図8では、例えばスイッチの切り替えにより、出力側の信号をミキサー42bで交流信号とミキシングしてディジタル・プレディストーション回路41に送出できる構成とされている。
The high-frequency amplifier according to the present embodiment includes a digital predistortion circuit 41, mixers 42a and 42b, and a power amplifier 43.
The digital predistortion circuit 41 compensates for nonlinear distortion of the input signal. The mixer 42a mixes an input signal with compensated nonlinear distortion and an AC signal. The power amplifier 43 amplifies the input signal mixed with the AC signal, and includes the AlGaN / GaN HEMT according to the first embodiment. In FIG. 8, for example, by switching the switch, the output side signal is mixed with the AC signal by the mixer 42b and sent to the digital predistortion circuit 41.

本実施形態では、第1の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTを高周波増幅器に適用する。これにより、信頼性の高い高耐圧の高周波増幅器が実現する。   In this embodiment, the AlGaN / GaN HEMT according to the first embodiment is applied to a high frequency amplifier. As a result, a high-reliability, high-voltage high-frequency amplifier is realized.

(他の実施形態)
第1の実施形態では、化合物半導体装置としてAlGaN/GaN・HEMTを例示した。化合物半導体装置としては、AlGaN/GaN・HEMT以外にも、以下のようなHEMTに適用できる。
(Other embodiments)
In the first embodiment, AlGaN / GaN.HEMT is exemplified as the compound semiconductor device. As a compound semiconductor device, besides the AlGaN / GaN.HEMT, the following HEMT can be applied.

・その他の装置例1
本例では、化合物半導体装置として、InAlN/GaN・HEMTを開示する。
InAlNとGaNは、組成によって格子定数を近くすることが可能な化合物半導体である。この場合、上記した第1の実施形態では、電子走行層がi−GaN、中間層がAlN、電子供給層がn−InAlN、p型半導体層がp−GaNで形成される。この場合のピエゾ分極は殆ど発生しないため、2次元電子ガスは主にInAlNの自発分極により発生する。
・ Other device example 1
In this example, InAlN / GaN.HEMT is disclosed as a compound semiconductor device.
InAlN and GaN are compound semiconductors that can have a lattice constant close to the composition. In this case, in the first embodiment described above, the electron transit layer is formed of i-GaN, the intermediate layer is formed of AlN, the electron supply layer is formed of n-InAlN, and the p-type semiconductor layer is formed of p-GaN. In this case, the piezoelectric polarization hardly occurs, so that the two-dimensional electron gas is mainly generated by the spontaneous polarization of InAlN.

本例によれば、上述したAlGaN/GaN・HEMTと同様に、2DEGの制御にp型半導体層を用いるも、p型半導体層のドライエッチングに起因して発生する電気抵抗の増加及び動作不安定性等の諸問題を惹起することなく、確実なノーマリ・オフを実現する信頼性の高いInAlN/GaN・HEMTが実現する。   According to this example, similarly to the AlGaN / GaN HEMT described above, the p-type semiconductor layer is used to control 2DEG, but the increase in electrical resistance and operational instability caused by dry etching of the p-type semiconductor layer are achieved. A highly reliable InAlN / GaN.HEMT that realizes reliable normally-off without causing various problems such as the above is realized.

・その他の装置例2
本例では、化合物半導体装置として、InAlGaN/GaN・HEMTを開示する。
GaNとInAlGaNは、後者の方が前者よりも組成によって格子定数を小さくすることができる化合物半導体である。この場合、上記した第1の実施形態では、電子走行層がi−GaN、中間層がi−InAlGaN、電子供給層がn−InAlGaN、p型半導体層がp−GaNで形成される。
・ Other device example 2
In this example, InAlGaN / GaN.HEMT is disclosed as a compound semiconductor device.
GaN and InAlGaN are compound semiconductors in which the latter can make the lattice constant smaller by the composition than the former. In this case, in the first embodiment described above, the electron transit layer is formed of i-GaN, the intermediate layer is formed of i-InAlGaN, the electron supply layer is formed of n-InAlGaN, and the p-type semiconductor layer is formed of p-GaN.

本例によれば、上述したAlGaN/GaN・HEMTと同様に、2DEGの制御にp型半導体層を用いるも、p型半導体層のドライエッチングに起因して発生する電気抵抗の増加及び動作不安定性等の諸問題を惹起することなく、確実なノーマリ・オフを実現する信頼性の高いInAlGaN/GaN・HEMTが実現する。   According to this example, similarly to the AlGaN / GaN HEMT described above, the p-type semiconductor layer is used to control 2DEG, but the increase in electrical resistance and operational instability caused by dry etching of the p-type semiconductor layer are achieved. Thus, a highly reliable InAlGaN / GaN HEMT that realizes reliable normally-off without causing various problems such as these is realized.

以下、化合物半導体装置及びその製造方法、並びに電源装置及び高周波増幅器の諸態様を付記としてまとめて記載する。   Hereinafter, various aspects of the compound semiconductor device, the manufacturing method thereof, the power supply device, and the high-frequency amplifier will be collectively described as appendices.

(付記1)化合物半導体積層構造と、
前記化合物半導体積層構造の上方に形成された電極と、
前記化合物半導体積層構造と前記電極との間に局所的に形成されたp型半導体層と
を含み、
前記化合物半導体積層構造は、その表面で前記p型半導体層の非形成面が原子ステップレベルの平坦性を有することを特徴とする化合物半導体装置。
(Additional remark 1) Compound semiconductor laminated structure,
An electrode formed above the compound semiconductor multilayer structure;
A p-type semiconductor layer locally formed between the compound semiconductor multilayer structure and the electrode,
In the compound semiconductor multilayer structure, a non-formation surface of the p-type semiconductor layer has flatness at an atomic step level on the surface thereof.

(付記2)前記化合物半導体積層構造は、原子ステップレベルの平坦性を有する前記p型半導体層の非形成面に、他の部位よりもAl組成率の高い表層が形成されていることを特徴とする付記1に記載の化合物半導体装置。   (Appendix 2) The compound semiconductor multilayer structure is characterized in that a surface layer having a higher Al composition ratio than other parts is formed on a non-formation surface of the p-type semiconductor layer having flatness at an atomic step level. The compound semiconductor device according to appendix 1.

(付記3)前記表層は、その厚みが1nm〜2nmの範囲内の値であることを特徴とする付記2に記載の化合物半導体装置。   (Supplementary note 3) The compound semiconductor device according to supplementary note 2, wherein the surface layer has a thickness in a range of 1 nm to 2 nm.

(付記4)前記化合物半導体積層構造の上方において、前記電極の両側に形成された一対のオーミック電極を更に含み、
前記化合物半導体積層構造は、前記オーミック電極との間では前記表層が非形成とされていることを特徴とする付記2又は3に記載の化合物半導体装置。
(Appendix 4) Above the compound semiconductor multilayer structure, further includes a pair of ohmic electrodes formed on both sides of the electrode,
The compound semiconductor device according to appendix 2 or 3, wherein the surface layer is not formed between the compound semiconductor multilayer structure and the ohmic electrode.

(付記5)化合物半導体積層構造を形成する工程と、
化合物半導体積層構造の上方にp型半導体層を形成する工程と、
前記p型半導体層を熱処理して、前記p型半導体層の一部を残存させる工程と、
残存した前記p型半導体層の上方に電極を形成する工程と
を含み、
前記化合物半導体積層構造は、前記熱処理により、その表面で前記p型半導体層の非形成面が原子ステップレベルの平坦性を有することを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
(Additional remark 5) The process of forming a compound semiconductor laminated structure,
Forming a p-type semiconductor layer above the compound semiconductor multilayer structure;
Heat-treating the p-type semiconductor layer to leave a part of the p-type semiconductor layer;
Forming an electrode above the remaining p-type semiconductor layer,
In the compound semiconductor multilayer structure, the non-formation surface of the p-type semiconductor layer has an atomic step level flatness on the surface by the heat treatment.

(付記6)前記化合物半導体積層構造は、前記熱処理により、原子ステップレベルの平坦面である前記p型半導体層の非形成面に、他の部位よりもAl組成率の高い表層が形成されることを特徴とする付記5に記載の化合物半導体装置の製造方法。   (Appendix 6) In the compound semiconductor multilayer structure, a surface layer having a higher Al composition ratio than other portions is formed on the non-formation surface of the p-type semiconductor layer, which is a flat surface at an atomic step level, by the heat treatment. Item 6. The method for manufacturing a compound semiconductor device according to appendix 5.

(付記7)前記表層は、その厚みが1nm〜2nmの範囲内の値であることを特徴とする付記6に記載の化合物半導体装置の製造方法。   (Supplementary note 7) The method for manufacturing a compound semiconductor device according to supplementary note 6, wherein the surface layer has a thickness in a range of 1 nm to 2 nm.

(付記8)前記化合物半導体積層構造の上方において、前記電極の両側に一対のオーミック電極を形成する工程を更に含み、
前記化合物半導体積層構造は、前記オーミック電極との間では前記表層が非形成とされることを特徴とする付記6又は7に記載の化合物半導体装置の製造方法。
(Appendix 8) The method further includes the step of forming a pair of ohmic electrodes on both sides of the electrode above the compound semiconductor multilayer structure,
8. The method of manufacturing a compound semiconductor device according to appendix 6 or 7, wherein the surface layer is not formed between the compound semiconductor multilayer structure and the ohmic electrode.

(付記9)前記熱処理の温度は、900℃〜1100℃の範囲内の値とされることを特徴とする付記5〜8のいずれか1項に記載の化合物半導体装置の製造方法。   (Additional remark 9) The temperature of the said heat processing shall be a value within the range of 900 degreeC-1100 degreeC, The manufacturing method of the compound semiconductor device of any one of Additional remarks 5-8 characterized by the above-mentioned.

(付記10)変圧器と、前記変圧器を挟んで高圧回路及び低圧回路とを備えた電源装置であって、
前記高圧回路はトランジスタを有しており、
前記トランジスタは、
化合物半導体積層構造と、
前記化合物半導体積層構造の上方に形成された電極と、
前記化合物半導体積層構造と前記電極との間に局所的に形成されたp型半導体層と
を含み、
前記化合物半導体積層構造は、その表面で前記p型半導体層の非形成面が原子ステップレベルの平坦性を有することを特徴とする電源装置。
(Supplementary note 10) A power supply device comprising a transformer and a high-voltage circuit and a low-voltage circuit across the transformer,
The high-voltage circuit has a transistor,
The transistor is
Compound semiconductor multilayer structure,
An electrode formed above the compound semiconductor multilayer structure;
A p-type semiconductor layer locally formed between the compound semiconductor multilayer structure and the electrode,
In the compound semiconductor multilayer structure, a non-formation surface of the p-type semiconductor layer has an atomic step level flatness on a surface thereof.

(付記11)入力した高周波電圧を増幅して出力する高周波増幅器であって、
トランジスタを有しており、
前記トランジスタは、
化合物半導体積層構造と、
前記化合物半導体積層構造の上方に形成された電極と、
前記化合物半導体積層構造と前記電極との間に局所的に形成されたp型半導体層と
を含み、
前記化合物半導体積層構造は、その表面で前記p型半導体層の非形成面が原子ステップレベルの平坦性を有することを特徴とする高周波増幅器。
(Appendix 11) A high frequency amplifier that amplifies and outputs an input high frequency voltage,
Has a transistor,
The transistor is
Compound semiconductor multilayer structure,
An electrode formed above the compound semiconductor multilayer structure;
A p-type semiconductor layer locally formed between the compound semiconductor multilayer structure and the electrode,
The high-frequency amplifier characterized in that the non-formation surface of the p-type semiconductor layer has an atomic step level flatness on the surface of the compound semiconductor multilayer structure.

1 SiC基板
2,11 化合物半導体積層構造
2a バッファ層
2b 電子走行層
2c 中間層
2d 電子供給層
2A,2B 電極用リセス
3 p型半導体層
4 高Al組成AlGaN層
5 ソース電極
6 ドレイン電極
7 ゲート電極
8 保護絶縁膜
10 マスク
20 PFC回路
21,34a,34b,34c,34d,35a,35b,35c スイッチ素子
22 ダイオード
23 チョークコイル
24,25 コンデンサ
26 ダイオードブリッジ
30 フルブリッジインバータ回路
31 一次側回路
32 二次側回路
33 トランス
41 ディジタル・プレディストーション回路
42a,42b ミキサー
43 パワーアンプ
100 HEMTチップ
101 トランジスタ領域
102 ドレインパッド
103 ゲートパッド
104 ソースパッド
111 ダイアタッチ剤
112 リードフレーム
112a ドレインリード
112b ゲートリード
112c ソースリード
113 Alワイヤ
114 モールド樹脂
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 SiC substrate 2,11 Compound semiconductor laminated structure 2a Buffer layer 2b Electron travel layer 2c Intermediate layer 2d Electron supply layer 2A, 2B Electrode recess 3 P-type semiconductor layer 4 High Al composition AlGaN layer 5 Source electrode 6 Drain electrode 7 Gate electrode 8 Protective insulating film 10 Mask 20 PFC circuit 21, 34a, 34b, 34c, 34d, 35a, 35b, 35c Switch element 22 Diode 23 Choke coil 24, 25 Capacitor 26 Diode bridge 30 Full bridge inverter circuit 31 Primary side circuit 32 Secondary Side circuit 33 Transformer 41 Digital predistortion circuit 42a, 42b Mixer 43 Power amplifier 100 HEMT chip 101 Transistor region 102 Drain pad 103 Gate pad 104 Source pad 111 Die attach agent 112 Lead frame 112a Drain lead 112b Gate lead 112c Source lead 113 Al wire 114 Mold resin

Claims (9)

化合物半導体積層構造と、
前記化合物半導体積層構造の上方に形成された電極と、
前記化合物半導体積層構造と前記電極との間に局所的に形成されたp型半導体層と
を含み、
前記化合物半導体積層構造は、その表面で前記p型半導体層の非形成面が原子ステップレベルの平坦性を有することを特徴とする化合物半導体装置。
Compound semiconductor multilayer structure,
An electrode formed above the compound semiconductor multilayer structure;
A p-type semiconductor layer locally formed between the compound semiconductor multilayer structure and the electrode,
In the compound semiconductor multilayer structure, a non-formation surface of the p-type semiconductor layer has flatness at an atomic step level on the surface thereof.
前記化合物半導体積層構造は、原子ステップレベルの平坦性を有する前記p型半導体層の非形成面に、他の部位よりもAl組成率の高い表層が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体装置。   2. The compound semiconductor multilayer structure according to claim 1, wherein a surface layer having a higher Al composition ratio than other portions is formed on a non-formation surface of the p-type semiconductor layer having flatness at an atomic step level. The compound semiconductor device described in 1. 前記表層は、その厚みが1nm〜2nmの範囲内の値であることを特徴とする請求項2に記載の化合物半導体装置。   The compound semiconductor device according to claim 2, wherein the surface layer has a thickness in a range of 1 nm to 2 nm. 前記化合物半導体積層構造の上方において、前記電極の両側に形成された一対のオーミック電極を更に含み、
前記化合物半導体積層構造は、前記オーミック電極との間では前記表層が非形成とされていることを特徴とする請求項2又は3に記載の化合物半導体装置。
Above the compound semiconductor multilayer structure, further comprising a pair of ohmic electrodes formed on both sides of the electrode,
4. The compound semiconductor device according to claim 2, wherein the surface layer is not formed between the compound semiconductor multilayer structure and the ohmic electrode. 5.
化合物半導体積層構造を形成する工程と、
化合物半導体積層構造の上方にp型半導体層を形成する工程と、
前記p型半導体層を熱処理して、前記p型半導体層の一部を残存させる工程と、
残存した前記p型半導体層の上方に電極を形成する工程と
を含み、
前記化合物半導体積層構造は、前記熱処理により、その表面で前記p型半導体層の非形成面が原子ステップレベルの平坦性を有することを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
Forming a compound semiconductor multilayer structure;
Forming a p-type semiconductor layer above the compound semiconductor multilayer structure;
Heat-treating the p-type semiconductor layer to leave a part of the p-type semiconductor layer;
Forming an electrode above the remaining p-type semiconductor layer,
In the compound semiconductor multilayer structure, the non-formation surface of the p-type semiconductor layer has an atomic step level flatness on the surface by the heat treatment.
前記化合物半導体積層構造は、前記熱処理により、原子ステップレベルの平坦面である前記p型半導体層の非形成面に、他の部位よりもAl組成率の高い表層が形成されることを特徴とする請求項5に記載の化合物半導体装置の製造方法。   The compound semiconductor multilayer structure is characterized in that a surface layer having a higher Al composition ratio than other portions is formed on the non-formation surface of the p-type semiconductor layer, which is a flat surface at an atomic step level, by the heat treatment. A method for manufacturing a compound semiconductor device according to claim 5. 前記表層は、その厚みが1nm〜2nmの範囲内の値であることを特徴とする請求項6に記載の化合物半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a compound semiconductor device according to claim 6, wherein the surface layer has a thickness in a range of 1 nm to 2 nm. 前記化合物半導体積層構造の上方において、前記電極の両側に一対のオーミック電極を形成する工程を更に含み、
前記化合物半導体積層構造は、前記オーミック電極との間では前記表層が非形成とされることを特徴とする請求項6又は7に記載の化合物半導体装置の製造方法。
The method further includes forming a pair of ohmic electrodes on both sides of the electrode above the compound semiconductor multilayer structure,
The method for manufacturing a compound semiconductor device according to claim 6, wherein the surface layer is not formed between the compound semiconductor multilayer structure and the ohmic electrode.
前記熱処理の温度は、900℃〜1100℃の範囲内の値とされることを特徴とする請求項5〜8のいずれか1項に記載の化合物半導体装置の製造方法。   9. The method of manufacturing a compound semiconductor device according to claim 5, wherein the temperature of the heat treatment is set to a value within a range of 900 ° C. to 1100 ° C. 10.
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