JP2014110345A - Field effect transistor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitride semiconductor field effect transistor which has a high threshold value and which can reduce a gate leakage current and obtain a large maximum current.SOLUTION: A field effect transistor comprises: a semiconductor lamination structure 10 including a first semiconductor layer 11 composed of a first nitride semiconductor and a second semiconductor layer 12 composed of a second nitride semiconductor having bandgap energy larger than that of the first nitride semiconductor, in which a two-dimensional electron gas layer is produced on a boundary surface of the first semiconductor layer 11 on the second semiconductor layer 12 side; a source electrode 32 and a drain electrode 33; and a gate electrode 21 arranged on the second semiconductor layer 12, for controlling a flow of electrons in the two-dimensional electron gas layer between the source electrode 32 and the drain electrode 33. The field effect transistor further comprises: a third semiconductor layer 23 composed of a p-type nitride semiconductor between the gate electrode 21 and the second semiconductor layer 12; and a fourth semiconductor layer 22 composed of a nitride semiconductor arranged between the third semiconductor layer 23 and the gate electrode, in which the gate electrode forms Schottky contact with the fourth semiconductor layer 22.

Description

本発明は、窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタに関する。   The present invention relates to a field effect transistor using a nitride semiconductor.

近年、GaAs系化合物半導体に代えてGaN系化合物半導体を用いた高電子移動度トランジスタ(GaN系HEMT)に代表される電界効果トランジスタ(以下、「GaN系FET」という)が、次世代型の高速FETとして注目されている。GaN系化合物半導体はバンドギャップが広く、電子有効質量から見積もられる飽和電子移動度も高いことから、より大出力で高耐圧かつ高温動作可能な高周波デバイスを実現できる可能性があり、研究が重ねられている。   In recent years, field effect transistors (hereinafter referred to as “GaN-based FETs”) represented by high electron mobility transistors (GaN-based HEMTs) using GaN-based compound semiconductors instead of GaAs-based compound semiconductors have been developed as next-generation high-speed transistors. It is attracting attention as an FET. Since GaN-based compound semiconductors have a wide band gap and high saturation electron mobility estimated from the effective electron mass, there is a possibility that a high-frequency device capable of operating at higher voltage and operating at higher temperatures can be realized. ing.

GaN系化合物半導体を用いたGaN系FETは、例えば、絶縁性のサファイア基板上にバッファ層、GaN層、AlGaN層を順次積層し、AlGaN層の上面に、ソース電極、ゲート電極、ドレイン電極が形成されることにより構成される。この構造のHEMTは、不純物のドーピングにより発生したキャリアにより駆動するGaAs系化合物半導体FETとは異なり、自発分極とピエゾ分極との両作用により発生する高濃度のキャリアによって動作する。すなわち、GaN層の上にAlGaN層を成長すると、自発分極とピエゾ分極との両作用によりヘテロ界面に正の固定電荷が発生し、AlGaN層表面には負の分極電荷が発生する。分極電荷濃度はAlGaN層の組成や膜厚によって変化するが、AlGaN/GaNヘテロ構造では、1×1013/cm程度の極めて大きなシート電子濃度が発生する。このヘテロ構造にオーミック電極を形成し電極間に電界を印加すると、1×1013/cm程度の高電子濃度の電荷輸送に基づく電流が流れる。 A GaN-based FET using a GaN-based compound semiconductor is formed by, for example, sequentially stacking a buffer layer, a GaN layer, and an AlGaN layer on an insulating sapphire substrate, and forming a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode on the upper surface of the AlGaN layer. It is constituted by being done. Unlike the GaAs compound semiconductor FET that is driven by carriers generated by impurity doping, the HEMT having this structure operates by high-concentration carriers generated by both actions of spontaneous polarization and piezoelectric polarization. That is, when an AlGaN layer is grown on the GaN layer, positive fixed charges are generated at the heterointerface due to both spontaneous polarization and piezoelectric polarization, and negative polarization charges are generated on the surface of the AlGaN layer. Although the polarization charge concentration varies depending on the composition and film thickness of the AlGaN layer, an extremely large sheet electron concentration of about 1 × 10 13 / cm 2 is generated in the AlGaN / GaN heterostructure. When an ohmic electrode is formed in this heterostructure and an electric field is applied between the electrodes, a current based on charge transport with a high electron concentration of about 1 × 10 13 / cm 2 flows.

このGaN系FETは、従来のSiパワーデバイス(MOSFETやIGBT)に比べると高耐圧でかつ低オン抵抗のデバイスが作製できると言われており、このGaN系FETを用いることにより、機器の消費電力を低減できると期待される。   This GaN-based FET is said to be able to produce a device having a higher breakdown voltage and a lower on-resistance than conventional Si power devices (MOSFETs and IGBTs). By using this GaN-based FET, the power consumption of the device Is expected to be reduced.

しかしながら、窒化物半導体からなる電界効果トランジスタには、ノーマリオフ化が難しいという課題があった。   However, a field effect transistor made of a nitride semiconductor has a problem that it is difficult to make normally-off.

上記課題に鑑み、特許文献1には、ノーマリオフ型の窒化物半導体からなる電界効果トランジスタを提供することを目的として、窒化物半導体積層構造の上に、高濃度p型GaN層を介してゲート電極を形成してゲート電極と高濃度p型GaN層とをオーミック接合させてゲート領域にpn接合を形成することが開示されている。
また、特許文献2には、特許文献1と同様の目的で形成されたp−GaN選択再成長層28の上層に、厚さ1nm程度のi−GaN選択再成長層29を形成してp−GaN選択再成長層28の表層酸化を防止して、安定したエンハンスメントモードGaN−HEMT特性を得る技術が開示されている。
In view of the above problems, Patent Document 1 discloses that a gate electrode is formed on a nitride semiconductor multilayer structure via a high-concentration p-type GaN layer for the purpose of providing a field effect transistor made of a normally-off type nitride semiconductor. Forming a pn junction in the gate region by forming an ohmic contact between the gate electrode and the high-concentration p-type GaN layer.
Further, in Patent Document 2, an i-GaN selective regrowth layer 29 having a thickness of about 1 nm is formed on the p-GaN selective regrowth layer 28 formed for the same purpose as that of Patent Document 1, and p- A technique for preventing surface oxidation of the GaN selective regrowth layer 28 and obtaining stable enhancement mode GaN-HEMT characteristics is disclosed.

特開2006−339561号公報JP 2006-339561 A 特開2008−153330号公報JP 2008-153330 A

しかしながら、特許文献1及び2に開示された窒化物半導体からなる電界効果トランジスタは、ノーマリオフ化が実現できても、閾値電圧が十分に高くないという問題があった。
また、特許文献1及び2に開示された電界効果トランジスタは、ゲートリーク電流が大きく、損失が大きいという問題があった。このような電界効果トランジスタにおいて、ゲートリーク電流を抑制するためには、小さいゲートバイアスで駆動する必要があるが、そうするとチャネルが生じる部分にある空乏層をゲートバイアスによって十分に消滅させることができず、チャネルに空乏層が一部残存した状態となってしまうという問題があった。
その結果、ソース−ドレイン間の抵抗を充分に小さくすることができず、得られる最大電流が小さくなってしまううえ、損失が大きく、ゲートリーク電流が大きいという問題があった。
However, the field effect transistor made of a nitride semiconductor disclosed in Patent Documents 1 and 2 has a problem that the threshold voltage is not sufficiently high even if normally-off can be realized.
Further, the field effect transistors disclosed in Patent Documents 1 and 2 have a problem that the gate leakage current is large and the loss is large. In such a field effect transistor, in order to suppress the gate leakage current, it is necessary to drive with a small gate bias. However, the depletion layer in the portion where the channel is generated cannot be sufficiently eliminated by the gate bias. There is a problem that a part of the depletion layer remains in the channel.
As a result, the resistance between the source and the drain cannot be made sufficiently small, the maximum current obtained becomes small, the loss is large, and the gate leakage current is large.

本発明は、このような問題を解決し、高い閾値電圧を有し、ゲート電極に順方向バイアスを印加した際におけるゲートリーク電流が低減でき、しかも大きな最大電流が得られる窒化物半導体からなる電界効果トランジスタを提供することを目的とする。   The present invention solves such problems, has a high threshold voltage, can reduce a gate leakage current when a forward bias is applied to the gate electrode, and can be an electric field made of a nitride semiconductor that can obtain a large maximum current. An object is to provide an effect transistor.

以上の目的を達成するために、
本発明に係る電界効果トランジスタは、
第1の窒化物半導体からなる第1の半導体層と、前記第1の窒化物半導体よりもバンドギャップエネルギーが大きい第2の窒化物半導体からなる第2の半導体層とを有し、前記第1の半導体層の前記第2の半導体層側の界面に2次元電子ガス層が生じる半導体積層構造と、
ソース電極と、ドレイン電極と、前記第2の半導体層上に設けられ、前記ソース電極と前記ドレイン電極間にある2次元電子ガス層を流れる電子の流れを制御するゲート電極と、
を備え、
前記ゲート電極と前記第2の半導体層との間に、p型窒化物半導体からなる第3の半導体層と、前記第3の半導体層と前記ゲート電極の間に設けられた窒化物半導体からなる第4の半導体層とを含み、
前記ゲート電極は前記第4の半導体層と接して設けられ、前記ゲート電極はショットキー接触していることを特徴とする。
To achieve the above objectives,
The field effect transistor according to the present invention is
A first semiconductor layer made of a first nitride semiconductor; and a second semiconductor layer made of a second nitride semiconductor having a bandgap energy larger than that of the first nitride semiconductor. A semiconductor stacked structure in which a two-dimensional electron gas layer is formed at an interface of the semiconductor layer on the second semiconductor layer side;
A source electrode, a drain electrode, a gate electrode that is provided on the second semiconductor layer and controls a flow of electrons flowing through a two-dimensional electron gas layer between the source electrode and the drain electrode;
With
A third semiconductor layer made of a p-type nitride semiconductor and a nitride semiconductor provided between the third semiconductor layer and the gate electrode are disposed between the gate electrode and the second semiconductor layer. A fourth semiconductor layer,
The gate electrode is provided in contact with the fourth semiconductor layer, and the gate electrode is in Schottky contact.

また、本発明に係る電界効果トランジスタは、
第1の窒化物半導体からなる第1の半導体層と、前記第1の窒化物半導体よりもバンドギャップエネルギーが大きい第2の窒化物半導体からなる第2の半導体層とを有し、前記第1の半導体層の前記第2の半導体層側の界面に2次元電子ガス層が生じる半導体積層構造と、
ソース電極と、ドレイン電極と、前記第2の半導体層上に設けられ、前記ソース電極と前記ドレイン電極間にある2次元電子ガス層を流れる電子の流れを制御するゲート電極と、
を備え、
前記ゲート電極と前記第2の半導体層との間に、p型窒化物半導体からなる第3の半導体層と、前記第3の半導体層と前記ゲート電極の間に設けられた窒化物半導体からなる第4の半導体層とを含み、
前記第4の半導体層は、そのp型不純物濃度が5×1017cm−3以下であり、かつ膜厚が3nm以上であることを特徴とする。
The field effect transistor according to the present invention is
A first semiconductor layer made of a first nitride semiconductor; and a second semiconductor layer made of a second nitride semiconductor having a bandgap energy larger than that of the first nitride semiconductor. A semiconductor stacked structure in which a two-dimensional electron gas layer is formed at an interface of the semiconductor layer on the second semiconductor layer side;
A source electrode, a drain electrode, a gate electrode that is provided on the second semiconductor layer and controls a flow of electrons flowing through a two-dimensional electron gas layer between the source electrode and the drain electrode;
With
A third semiconductor layer made of a p-type nitride semiconductor and a nitride semiconductor provided between the third semiconductor layer and the gate electrode are disposed between the gate electrode and the second semiconductor layer. A fourth semiconductor layer,
The fourth semiconductor layer has a p-type impurity concentration of 5 × 10 17 cm −3 or less and a film thickness of 3 nm or more.

したがって、本発明によれば、高い閾値電圧を有し、ゲートリーク電流が低減でき、しかも大きな最大電流と低い抵抗とが得られる窒化物半導体からなる電界効果トランジスタを提供することができる。   Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a field effect transistor made of a nitride semiconductor that has a high threshold voltage, can reduce a gate leakage current, and can obtain a large maximum current and a low resistance.

本発明に係る実施形態の電界効果トランジスタの構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the field effect transistor of embodiment which concerns on this invention. 図1の電界効果トランジスタのバンド構造を示す図である。It is a figure which shows the band structure of the field effect transistor of FIG. 本発明に係る実施例4及び5の、ゲート電圧Vに対するドレイン電流Iを示すグラフである。Example 4 and 5 according to the present invention, is a graph of drain current I d with respect to the gate voltage V g. 本発明に係る実施例4及び5の、ゲートリーク電流Igを示すグラフである。It is a graph which shows the gate leakage current Ig of Example 4 and 5 which concerns on this invention. 本発明に係る実施例1〜5の、閾値Vthを示すグラフである。It is a graph which shows the threshold value Vth of Examples 1-5 which concern on this invention. 本発明に係る実施例の電界効果トランジスタの平面図である。It is a top view of the field effect transistor of the Example which concerns on this invention.

以下、図面を参照しながら本発明に係る実施形態の電界効果トランジスタについて説明する。   Hereinafter, field effect transistors according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

実施形態.
本発明に係る実施形態の電界効果トランジスタは、GaN系HEMTであり、図1に示すように、例えば、アンドープのGaNからなる第1の窒化物半導体層11(第1の半導体層)と、例えば、アンドープ又はn型不純物を含有させたAlGaNからなる第2の窒化物半導体層12(第2の半導体層)とを含む半導体積層構造10を備える。以上の半導体積層構造10において、第2の窒化物半導体層は、第1の窒化物半導体よりもバンドギャップエネルギーが大きい第2の窒化物半導体によって構成されており、これにより、第2の窒化物半導体層との界面近傍の第1の窒化物半導体層11に2次元電子ガス層15が形成される。以上の構成において、後述するゲート電極21に印加される電圧に対応して、空乏層16が2次元電子ガス層15(チャネル)を制御する。
尚、実施形態の半導体積層構造10は、さらに第1の窒化物半導体層11と第2の窒化物半導体層12の間に、例えば、AlNからなるスペーサ層13を含んでいてもよい。
Embodiment.
The field effect transistor according to the embodiment of the present invention is a GaN-based HEMT. As shown in FIG. 1, for example, a first nitride semiconductor layer 11 (first semiconductor layer) made of undoped GaN, for example, And a semiconductor multilayer structure 10 including a second nitride semiconductor layer 12 (second semiconductor layer) made of AlGaN containing undoped or n-type impurities. In the semiconductor stacked structure 10 described above, the second nitride semiconductor layer is composed of a second nitride semiconductor having a bandgap energy larger than that of the first nitride semiconductor, whereby the second nitride semiconductor is formed. A two-dimensional electron gas layer 15 is formed on the first nitride semiconductor layer 11 in the vicinity of the interface with the semiconductor layer. In the above configuration, the depletion layer 16 controls the two-dimensional electron gas layer 15 (channel) in response to a voltage applied to the gate electrode 21 described later.
The semiconductor multilayer structure 10 according to the embodiment may further include a spacer layer 13 made of, for example, AlN between the first nitride semiconductor layer 11 and the second nitride semiconductor layer 12.

また、実施形態の半導体積層構造10では、例えば、ストライプ状にメサ部10aが形成されており、2次元電子ガス層15はメサ部のみに存在する。すなわち、メサ部10aはその両側が例えばエッチング等により第1の窒化物半導体層11の途中まで除去されることにより形成されており、2次元電子ガス層15は、メサ部10aにおいて、第1の窒化物半導体層11における第2の窒化物半導体層12との界面近傍の全体にわたって形成される。   In the semiconductor multilayer structure 10 of the embodiment, for example, the mesa portion 10a is formed in a stripe shape, and the two-dimensional electron gas layer 15 exists only in the mesa portion. That is, the mesa portion 10a is formed by removing both sides of the first nitride semiconductor layer 11 to the middle of the first nitride semiconductor layer 11, for example, by etching or the like, and the two-dimensional electron gas layer 15 is formed in the first portion of the mesa portion 10a. The nitride semiconductor layer 11 is formed over the entire vicinity of the interface with the second nitride semiconductor layer 12.

実施形態の電界効果トランジスタにおいて、ソース電極32は、例えば、メサ部の2つの側面の一方(第1側面)に設けられて2次元電子ガス層15に接続される。ソース電極32は、メサ部の第1側面からメサ部上面に延在して設けられていてもよいし、2次元電子ガス層15に電気的に接続される限り、メサ部上面のみに設けられていてもよい。ソース電極32をメサ部上面のみに設ける場合には、例えば、第2の窒化物半導体層12にn型不純物をドープして低抵抗にしたり、ソース電極32を形成する部分に高濃度にn型不純物をドープして低抵抗の高濃度ソース領域を形成するようにすることができる。   In the field effect transistor of the embodiment, the source electrode 32 is provided, for example, on one of the two side surfaces (first side surface) of the mesa unit and connected to the two-dimensional electron gas layer 15. The source electrode 32 may be provided so as to extend from the first side surface of the mesa portion to the upper surface of the mesa portion, or provided only on the upper surface of the mesa portion as long as it is electrically connected to the two-dimensional electron gas layer 15. It may be. When the source electrode 32 is provided only on the upper surface of the mesa portion, for example, the second nitride semiconductor layer 12 is doped with an n-type impurity to make the resistance low, or the portion where the source electrode 32 is formed is highly doped with n-type. A high-concentration source region having a low resistance can be formed by doping impurities.

実施形態の電界効果トランジスタにおいて、ドレイン電極33は、例えば、メサ部の2つの側面の他方(第2側面)に設けられて2次元電子ガス層15に接続される。ドレイン電極33は、メサ部10aの第2側面からメサ部上面に延在して設けられていてもよいし、2次元電子ガス層15に電気的に接続される限り、メサ部上面のみに設けられていてもよい。ドレイン電極33をメサ部上面のみに設ける場合には、ソース電極32の場合と同様、例えば、第2の窒化物半導体層12にn型不純物をドープして低抵抗にしたり、ドレイン電極33を形成する部分に高濃度にn型不純物をドープして低抵抗の高濃度ドレイン領域を形成するようにすることができる。   In the field effect transistor of the embodiment, the drain electrode 33 is provided, for example, on the other of the two side surfaces (second side surface) of the mesa unit and connected to the two-dimensional electron gas layer 15. The drain electrode 33 may be provided to extend from the second side surface of the mesa unit 10 a to the upper surface of the mesa unit, or provided only on the upper surface of the mesa unit as long as it is electrically connected to the two-dimensional electron gas layer 15. It may be done. When the drain electrode 33 is provided only on the upper surface of the mesa portion, as in the case of the source electrode 32, for example, the second nitride semiconductor layer 12 is doped with an n-type impurity to reduce resistance, or the drain electrode 33 is formed. A high-concentration drain region having a low resistance can be formed by doping the portion to be doped with n-type impurities at a high concentration.

実施形態の電界効果トランジスタにおいて、ゲート電極21を含むゲート構造20は、例えば、p型GaNからなる第3のp型窒化物半導体層23(第3の半導体層)と、例えばアンドープのGaNからなりゲート電極21とショットキー接触する第4の窒化物半導体層22(第4の半導体層)とをさらに含んでなる。   In the field effect transistor of the embodiment, the gate structure 20 including the gate electrode 21 is made of, for example, a third p-type nitride semiconductor layer 23 (third semiconductor layer) made of p-type GaN and, for example, undoped GaN. It further includes a fourth nitride semiconductor layer 22 (fourth semiconductor layer) in Schottky contact with the gate electrode 21.

以上のようなゲート構造とすることにより、以下のような作用効果が得られる。
まず、p型である第3のp型窒化物半導体層23を第2の窒化物半導体層12の上に形成することにより、第1の窒化物半導体層11と第2の窒化物半導体層12のポテンシャルエネルギーが引き上げられ、ノーマリオフ化が容易になる。すなわち、ノーマリオフ化は、ゲート電圧をゼロとしたときに、2次元電子ガス層15が生じる部分(第1の窒化物半導体層11の第2の窒化物半導体層12との界面近傍)の伝導帯の下端がフェルミ準位より高くなることで実現されるが、ポテンシャルエネルギーが引き上げられた分、伝導帯の下端が引き上げられ、ノーマリオフが容易になるというものである。尚、2次元電子ガス層15の伝導帯の下端の位置は、第1の窒化物半導体層11と第2の窒化物半導体層12の組成を適宜変更することによっても調整できる。
With the gate structure as described above, the following operational effects can be obtained.
First, a p-type third p-type nitride semiconductor layer 23 is formed on the second nitride semiconductor layer 12 to thereby form the first nitride semiconductor layer 11 and the second nitride semiconductor layer 12. Potential energy is raised, and normally-off becomes easier. That is, normally-off is the conduction band of the portion where the two-dimensional electron gas layer 15 occurs when the gate voltage is zero (near the interface between the first nitride semiconductor layer 11 and the second nitride semiconductor layer 12). This is realized by raising the lower end of Fermi level higher than the Fermi level, but the lower end of the conduction band is raised by the amount of potential energy being raised, and normally-off is facilitated. The position of the lower end of the conduction band of the two-dimensional electron gas layer 15 can also be adjusted by appropriately changing the composition of the first nitride semiconductor layer 11 and the second nitride semiconductor layer 12.

さらに、p型である第3のp型窒化物半導体層23に加えて、本実施形態では、アンドープの第4の窒化物半導体層22を第3のp型窒化物半導体層21とゲート電極21の間に設けている。
この第4の窒化物半導体層22は、アンドープであることからホール濃度が小さく、ゲート電極21との接合はショットキー性になり、ゲート電極21との界面近傍に空乏層が発生する。このような空乏層を含む積層構造のゲート構造20を備えた電界効果トランジスタにおいて、ゲート電圧が正となる方向に電圧を印加してオン動作をさせる場合、主として、ゲート構造内の主にキャリアの少ない部分、つまり第4の窒化物半導体層22内の空乏層にバイアスがかかり、第1の窒化物半導体層11の2次元電子ガス層15が生じる部分にはバイアスがかかりにくいものと考えられる。つまり、第4の窒化物半導体層22を設けることで、2次元電子ガス層15が生じる部分における、ゲート電圧の印加に伴う伝導帯の引き下げ幅を小さくすることができる。
この様子を図2のバンドギャップの模式図に示している。この図2の模式図には、閾値よりゲート電圧が低い状態でまだ2次元電子ガス層が発生していないときの様子を示している。このように、ゲート電圧が正(+)となる方向に電圧を印加しても、第4の窒化物半導体層22とゲート電極21とのショットキー接合部の空乏層が大きく下がる(矢印A1で示す)のに対して、2次元電子ガス層となる部分の低下は少ない(矢印A2で示す)。
Further, in addition to the p-type third p-type nitride semiconductor layer 23, in this embodiment, the undoped fourth nitride semiconductor layer 22 is replaced with the third p-type nitride semiconductor layer 21 and the gate electrode 21. Between.
Since the fourth nitride semiconductor layer 22 is undoped, the hole concentration is low, the junction with the gate electrode 21 is Schottky, and a depletion layer is generated in the vicinity of the interface with the gate electrode 21. In a field effect transistor including a gate structure 20 having a stacked structure including such a depletion layer, when a voltage is applied in a direction in which the gate voltage is positive, an ON operation is performed mainly in the gate structure. It is considered that a bias is applied to a small portion, that is, a depletion layer in the fourth nitride semiconductor layer 22, and a portion where the two-dimensional electron gas layer 15 of the first nitride semiconductor layer 11 is generated is hardly biased. That is, by providing the fourth nitride semiconductor layer 22, it is possible to reduce the conduction band pull-down width associated with the application of the gate voltage in the portion where the two-dimensional electron gas layer 15 is generated.
This is shown in the schematic diagram of the band gap of FIG. The schematic diagram of FIG. 2 shows a state where a two-dimensional electron gas layer has not yet been generated with a gate voltage lower than the threshold value. Thus, even when a voltage is applied in the direction in which the gate voltage is positive (+), the depletion layer at the Schottky junction between the fourth nitride semiconductor layer 22 and the gate electrode 21 is greatly lowered (in the arrow A1). However, there is little decrease in the portion that becomes the two-dimensional electron gas layer (indicated by arrow A2).

このように、ゲートバイアスを強く与えなければ2次元電子ガス層となる部分の伝導帯下端がフェルミ準位FL以下に下がらず、2次元電子ガス層(チャネル)が発生しない。したがって、本実施形態のゲート構造を備えることにより、ゲート電極の閾値電圧が大きいノーマリオフのトランジスタが実現できる。なお、図2ではスペーサ層13を省略したが、スペーサ層13がある場合も同様である。
また、ゲートバイアスを強めると、従来の構造ではゲートリーク電流が増える傾向にあるが、本実施形態の構造では、ゲートバイアスを強めて第1の窒化物半導体層11の伝導帯をフェルミ準位以下に下げて2次元電子ガス層を発生させても、ゲート電極21と第4の窒化物半導体層22とがショットキー性接合しているためにショットキー障壁があり、ゲートリーク電流を小さくできる。
As described above, unless the gate bias is applied strongly, the lower end of the conduction band of the portion that becomes the two-dimensional electron gas layer does not fall below the Fermi level FL, and the two-dimensional electron gas layer (channel) is not generated. Therefore, by providing the gate structure of this embodiment, a normally-off transistor having a large threshold voltage of the gate electrode can be realized. In FIG. 2, the spacer layer 13 is omitted, but the same applies to the case where the spacer layer 13 is present.
Further, when the gate bias is increased, the gate leakage current tends to increase in the conventional structure. However, in the structure of this embodiment, the gate bias is increased and the conduction band of the first nitride semiconductor layer 11 is lower than the Fermi level. Even when the two-dimensional electron gas layer is generated by lowering the gate current, the Schottky barrier is present because the gate electrode 21 and the fourth nitride semiconductor layer 22 are in Schottky junction, and the gate leakage current can be reduced.

したがって、上記ゲート構造20を備えた本実施形態の電界効果トランジスタは、閾値を高くでき、ゲート電極に順方向バイアスを印加した際におけるゲートリーク電流が低減できる。
また、ゲートリーク電流が低減されたことで、チャネルに空乏層が残存しない程度に十分にゲート電圧を高くして駆動することができるので、ソース−ドレイン間の抵抗を充分に小さくすることができ、得られる最大電流を大きくできる。
Therefore, the field effect transistor of this embodiment having the gate structure 20 can increase the threshold and reduce the gate leakage current when a forward bias is applied to the gate electrode.
In addition, since the gate leakage current is reduced, the gate voltage can be sufficiently increased so that no depletion layer remains in the channel, so that the resistance between the source and the drain can be sufficiently reduced. The maximum current that can be obtained can be increased.

このように、本実施形態の電界効果トランジスタにおいて、閾値を高くするためには、ゲート電極21と第4の窒化物半導体層22とがショットキー接合していることが重要であり、ゲート電極21と良好なショットキー接合をするために、第4の窒化物半導体層22の膜厚は、好ましくは3nm以上、より好ましくは5nm以上、よりいっそう好ましくは7nm以上に設定する。また、第4の窒化物半導体層22の膜厚は、好ましくは1000nm以下、より好ましくは300nm以下に設定する。さらに膜厚を薄くして100nm以下に設定することもできる。これによって、閾値電圧および実際の駆動時に必要なゲート駆動電圧の過剰な上昇を防ぐことができる。また、製造精度の点からも、このような膜厚範囲とすることが好ましい。つまり、図1に示すゲート構造20のように、第3の窒化物半導体層23および第4の窒化物半導体層22をゲート電極21の直下に選択的に設けた形状とする場合には、第3の窒化物半導体層23および第4の窒化物半導体層22を成長後、その一部をエッチング等により除去して第2の窒化物半導体層12を露出させこのような形状とするが、このとき、除去量が過剰に大きいと除去量の制御が困難となるので、第4の窒化物半導体層22の膜厚を上記の範囲とすることが好ましい。また、後述する選択的エッチングを用いる場合は、除去量の制御は容易であるが、除去量が大きいほどエッチング時間のマージンを大きく取ることとなり、露出された第2の窒化物半導体層12がエッチングに曝される時間が長くなりやすく、この結果、第2の窒化物半導体層12に対するエッチングによるダメージが大きくなりやすい。このため、第4の窒化物半導体層22の膜厚を上記の範囲とすることが好ましい。  Thus, in the field effect transistor of this embodiment, in order to increase the threshold value, it is important that the gate electrode 21 and the fourth nitride semiconductor layer 22 are in Schottky junction. In order to achieve good Schottky junction, the thickness of the fourth nitride semiconductor layer 22 is preferably set to 3 nm or more, more preferably 5 nm or more, and even more preferably 7 nm or more. The film thickness of the fourth nitride semiconductor layer 22 is preferably set to 1000 nm or less, more preferably 300 nm or less. Furthermore, the film thickness can be reduced to 100 nm or less. As a result, it is possible to prevent an excessive increase in the threshold voltage and the gate drive voltage necessary for actual driving. Moreover, it is preferable to set it as such a film thickness range also from the point of manufacture accuracy. That is, when the third nitride semiconductor layer 23 and the fourth nitride semiconductor layer 22 are selectively provided directly below the gate electrode 21 as in the gate structure 20 shown in FIG. After the growth of the third nitride semiconductor layer 23 and the fourth nitride semiconductor layer 22, a part thereof is removed by etching or the like to expose the second nitride semiconductor layer 12 and have such a shape. When the removal amount is excessively large, it is difficult to control the removal amount. Therefore, the thickness of the fourth nitride semiconductor layer 22 is preferably set in the above range. When selective etching described later is used, the removal amount can be easily controlled. However, the larger the removal amount, the larger the etching time margin becomes, and the exposed second nitride semiconductor layer 12 is etched. As a result, the damage to the second nitride semiconductor layer 12 due to etching tends to increase. For this reason, it is preferable that the film thickness of the fourth nitride semiconductor layer 22 be in the above range.

以下、実施形態に係る電界効果トランジスタにおける各構成要素について詳細に説明する。   Hereinafter, each component in the field effect transistor according to the embodiment will be described in detail.

第1の窒化物半導体層11
第1の窒化物半導体層11は、2次元電子ガス層15が形成される層であり、ソース電極32及びドレイン電極33がゲート電極21と同じ面側に設けられる構造では、アンドープの窒化物半導体により構成されることが好ましい。また、縦型GaN系HEMTに代表される、ソース電極32がゲート電極21と同じ面側(上面側)に設けられドレイン電極がゲート電極21と反対の面(下面)に設けられる構造では、n型不純物がドープされたn型窒化物半導体により構成することが好ましい。
また、2次元電子ガス層15が形成される層を構成する材料は、GaNに限定されるものではなく、III族窒化物半導体から選択することができ、InAlGa1−x−yN(0≦x、0≦y、x+y≦1)を用いることができる。
First nitride semiconductor layer 11
The first nitride semiconductor layer 11 is a layer on which the two-dimensional electron gas layer 15 is formed. In the structure in which the source electrode 32 and the drain electrode 33 are provided on the same surface side as the gate electrode 21, an undoped nitride semiconductor is formed. It is preferable that it is comprised. In a structure represented by a vertical GaN-based HEMT, the source electrode 32 is provided on the same surface side (upper surface side) as the gate electrode 21, and the drain electrode is provided on the surface (lower surface) opposite to the gate electrode 21. Preferably, the n-type nitride semiconductor is doped with a type impurity.
The material constituting the layer in which the two-dimensional electron gas layer 15 is formed is not limited to GaN, and can be selected from a group III nitride semiconductor. In x Al y Ga 1-xy N (0 ≦ x, 0 ≦ y, x + y ≦ 1) can be used.

第2の窒化物半導体層12
第2の窒化物半導体層12は、第1の族窒化物半導体層11がGaN層である場合には、AlGaN層を用いることが好ましく、AlGaN層としては、AlGa1−aN(0<a<1)を用いることができる。好ましくは、0<a≦0.4とする。Al混晶比aが0.4未満の範囲であると、結晶性の良好なAlGaN層が形成可能なため、移動度を高いものにできる。高耐圧化のためには、アンドープの層であることが好ましい。
なお、上述のように、第1の窒化物半導体層11がGaN層である場合は第2の窒化物半導体層をAlGaN層とすることが好ましいが、第2の窒化物半導体層を第1の窒化物半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きい層とし、第1の窒化物半導体層に2次元電子ガス層が形成される構成であればよく、第1,2の窒化物半導体層としては種々の窒化物半導体材料を採用することができる。
また、第2の窒化物半導体層12は、膜厚の増加や、n型不純物濃度の増加や、AlGaNのAl混晶比の増加などによって、電界効果トランジスタを低抵抗化することができるが、閾値上昇とトレードオフの関係である。しかし、上述したように、本実施形態の電界効果トランジスタは、抵抗を増大させることなく閾値を上昇させることができるので、このような低抵抗化の手段を採用しても十分な閾値を得ることが可能になる。
Second nitride semiconductor layer 12
The second nitride semiconductor layer 12 is preferably an AlGaN layer when the first group nitride semiconductor layer 11 is a GaN layer. As the AlGaN layer, Al a Ga 1-a N (0 <A <1) can be used. Preferably, 0 <a ≦ 0.4. If the Al mixed crystal ratio a is less than 0.4, an AlGaN layer with good crystallinity can be formed, and the mobility can be increased. In order to increase the withstand voltage, an undoped layer is preferable.
As described above, when the first nitride semiconductor layer 11 is a GaN layer, the second nitride semiconductor layer is preferably an AlGaN layer, but the second nitride semiconductor layer is the first nitride semiconductor layer. The first and second nitride semiconductor layers may have various band gap energies as long as the two-dimensional electron gas layer is formed on the first nitride semiconductor layer. A nitride semiconductor material can be employed.
The second nitride semiconductor layer 12 can reduce the resistance of the field-effect transistor by increasing the film thickness, increasing the n-type impurity concentration, increasing the Al mixed crystal ratio of AlGaN, etc. This is a relationship between the threshold rise and the trade-off. However, as described above, the field effect transistor according to the present embodiment can increase the threshold without increasing the resistance, so that a sufficient threshold can be obtained even when such a resistance reduction means is employed. Is possible.

半導体積層構造10
半導体積層構造10は、第1の窒化物半導体層11と第2の窒化物半導体層12の他に、さらに以下のような層を含んでいてもよい。
Semiconductor laminated structure 10
The semiconductor multilayer structure 10 may further include the following layers in addition to the first nitride semiconductor layer 11 and the second nitride semiconductor layer 12.

(a)第1の窒化物半導体層11と第2の窒化物半導体層12の間に設けられるスペーサ層13
スペーサ層13は、第1の窒化物半導体層11をGaN層とし、第2の窒化物半導体層12をAlGaN層とする場合、例えば、AlN層により構成することができる。
AlNからなるスペーサ層13は、AlGaNからなる第2の窒化物半導体層12よりも薄膜で設けられる。このようなスペーサ層13を設けることで、第2の窒化物半導体層12のみの場合よりもチャネルにおけるキャリア移動度を向上させることができる。AlNによりスペーサ層13を構成する場合は、その膜厚を2nm以下の膜厚とすると、結晶性よく形成でき好ましく、特に0.5〜1nm程度の膜厚とすることが好ましい。
(A) Spacer layer 13 provided between first nitride semiconductor layer 11 and second nitride semiconductor layer 12
When the first nitride semiconductor layer 11 is a GaN layer and the second nitride semiconductor layer 12 is an AlGaN layer, the spacer layer 13 can be composed of, for example, an AlN layer.
The spacer layer 13 made of AlN is provided in a thinner film than the second nitride semiconductor layer 12 made of AlGaN. By providing such a spacer layer 13, the carrier mobility in the channel can be improved as compared with the case of only the second nitride semiconductor layer 12. When the spacer layer 13 is made of AlN, the film thickness is preferably 2 nm or less so that it can be formed with good crystallinity, and particularly preferably about 0.5 to 1 nm.

ソース電極32、ドレイン電極33
ソース電極31、ドレイン電極33等の電極は、例えばTi、Al、Cu、W、Au、Ag、Mo、Ni、Pt、In、Rh、Ir、Cr等導電性に優れた材質で構成される。また金属材料に限定せず、導電性酸化物、導電性を有する導電性プラスチック等も利用できる。さらに電極は単一元素の材料のみならず、合金化、共晶化、混晶等、複数の元素で構成し、例えばITOや酸化亜鉛(ZnO)等が利用できる。さらにまた2層以上の層構造も採用できる。好ましくは、AlGaN系やGaN系半導体層に対して、Ti/Al電極が採用される。また、各電極とワイヤとの密着性等を考慮して、パッド電極を形成してもよい。なお、本明細書において、例えばTi/Alとは、半導体側からTiとAlが順に積層された構造を指す。
Source electrode 32, drain electrode 33
The electrodes such as the source electrode 31 and the drain electrode 33 are made of a material having excellent conductivity such as Ti, Al, Cu, W, Au, Ag, Mo, Ni, Pt, In, Rh, Ir, and Cr. Moreover, it is not limited to a metal material, A conductive oxide, the conductive plastic which has electroconductivity, etc. can be utilized. Furthermore, the electrode is composed of not only a single element material but also a plurality of elements such as alloying, eutectic, mixed crystal, etc., and for example, ITO, zinc oxide (ZnO) or the like can be used. Furthermore, a layer structure of two or more layers can be employed. Preferably, a Ti / Al electrode is employed for an AlGaN-based or GaN-based semiconductor layer. Further, the pad electrode may be formed in consideration of the adhesion between each electrode and the wire. In this specification, for example, Ti / Al refers to a structure in which Ti and Al are sequentially stacked from the semiconductor side.

ゲート構造20
本発明において、ゲート構造20は、上述したように、半導体積層構造10側から順に、第3のp型窒化物半導体層23、アンドープの第4の窒化物半導体層22、ゲート電極21を含み、第4の窒化物半導体層22がゲート電極21とショットキー接触する。
Gate structure 20
In the present invention, as described above, the gate structure 20 includes the third p-type nitride semiconductor layer 23, the undoped fourth nitride semiconductor layer 22, and the gate electrode 21 in this order from the semiconductor multilayer structure 10 side. The fourth nitride semiconductor layer 22 is in Schottky contact with the gate electrode 21.

(第3のp型窒化物半導体層23)
第3のp型窒化物半導体層23は、III族窒化物半導体により形成することができるが、好ましくは、p型AlGaN又はp型GaNにより形成する。AlGaNにより形成する場合には、第2の窒化物半導体層12よりもバンドギャップエネルギーの小さいAlGaNとする。また、上述したようにその一部を除去する場合には、第2の窒化物半導体層12が除去されないように第3のp型窒化物半導体層23が選択的にエッチングされる選択的エッチングを用いることが好ましく、この場合には、第3のp型窒化物半導体層23を第2の窒化物半導体層12と異なる組成とする。例えば、第2の窒化物半導体層12がAlGaNであれば、第3のp型窒化物半導体層23はGaNであることが好ましい。第3のp型窒化物半導体層23には、p型不純物として例えばMgを含有させる。第3のp型窒化物半導体層23のホール濃度は5×1017cm−3以上とすることができる。
また、第3のp型窒化物半導体層23の膜厚は、上述したp型層を設けた効果を得るために、好ましくは5nm以上、より好ましくは10nm以上とする。膜厚が厚くなるとゲートバイアスがチャネルに効きにくくなるため、また、製造容易のため、好ましくは1000nm以下、より好ましくは100nm以下とする。典型的には、10〜50nmとする。
(Third p-type nitride semiconductor layer 23)
The third p-type nitride semiconductor layer 23 can be formed of a group III nitride semiconductor, but is preferably formed of p-type AlGaN or p-type GaN. In the case of forming with AlGaN, AlGaN having a band gap energy smaller than that of the second nitride semiconductor layer 12 is used. Further, as described above, in the case where a part thereof is removed, selective etching is performed in which the third p-type nitride semiconductor layer 23 is selectively etched so that the second nitride semiconductor layer 12 is not removed. In this case, the third p-type nitride semiconductor layer 23 has a composition different from that of the second nitride semiconductor layer 12. For example, if the second nitride semiconductor layer 12 is AlGaN, the third p-type nitride semiconductor layer 23 is preferably GaN. The third p-type nitride semiconductor layer 23 contains, for example, Mg as a p-type impurity. The hole concentration of the third p-type nitride semiconductor layer 23 can be 5 × 10 17 cm −3 or more.
The film thickness of the third p-type nitride semiconductor layer 23 is preferably 5 nm or more, more preferably 10 nm or more in order to obtain the above-described effect of providing the p-type layer. When the film thickness is increased, the gate bias is less effective for the channel, and for ease of manufacture, the thickness is preferably 1000 nm or less, more preferably 100 nm or less. Typically, the thickness is 10 to 50 nm.

(第4の窒化物半導体層22)
第4の窒化物半導体層22は、第3のp型窒化物半導体層23よりもp型不純物濃度が小さいか、もしくはp型不純物を含有しないIII族窒化物半導体により形成することができる。具体的には、p型不純物濃度が1×1018cm−3以下であることが好ましく、さらに好ましくは1×1018cm−3より小さくし、より一層好ましくは5×1017cm−3以下とする。さらには1×1017cm−3以下とすることが好ましい。また、n型不純物濃度も同様に1×1017cm−3以下であることが好ましい。好ましくは、アンドープのGaNにより形成する。なお、本実施形態においてアンドープとは、形成時に意図的に不純物を添加しないものであり、例えば不純物濃度が1×1017cm−3以下もしくは不純物を含まないものをいう。また、第4の窒化物半導体層22のホール濃度は5×1017cm−3より小さいことが好ましい。
また、第3のp型窒化物半導体層23と第4の窒化物半導体層22とは、ゲート電極側から見た平面視において、同じ形状とすることができる。ゲート電極21はこれらの層よりも小さい幅で設け、第4の窒化物半導体層22の表面の一部をゲート電極21から露出させてもよいが、同じ幅で設け、第4の窒化物半導体層22の表面を完全に被覆させることができる。また、ゲート電極21と第2の窒化物半導体層12との間に設けられる第3,4の窒化物半導体層22,23は、ソース電極32およびドレイン電極33とは接触しないように配置する。
また、第4の窒化物半導体層22の膜厚は、好ましくは3nm以上、より好ましくは5nm以上、さらに好ましくは7nm以上とする。後述する図5に示すように、3nm以上の第4の窒化物半導体層22を設けることで閾値を上昇させることができ、7nm以上とすることでさらに閾値を上昇させることができる。さらには、10nm以上とすることが好ましく、また、50nm以上とすることでゲートリーク電流を大幅に低減することができる。膜厚が厚くなるとゲートバイアスがチャネルに効きにくくなるため、また、製造容易のため、好ましくは1000nm以下、より好ましくは300nm以下とする。さらに膜厚を薄くして100nm以下とすることもできる
なお、本実施形態では、第3のp型窒化物半導体層と第4の窒化物半導体層とを別個の層として設けたが、別の形態として、第3のp型窒化物半導体層と第4の窒化物半導体層とを1つの層とし、この層のゲート電極と接する側に、第4の窒化物半導体層に相当するp型不純物低濃度領域を形成し、当該領域よりもチャネル側に、第3のp型窒化物半導体層に相当するp型不純物高濃度領域を形成することもできる。p型不純物濃度は連続的に変化させてもよい。
(Fourth Nitride Semiconductor Layer 22)
The fourth nitride semiconductor layer 22 can be formed of a group III nitride semiconductor having a p-type impurity concentration lower than that of the third p-type nitride semiconductor layer 23 or containing no p-type impurity. Specifically, it is preferable that p-type impurity concentration of 1 × 10 18 cm -3 or less, and more preferably less than 1 × 10 18 cm -3, even more preferably 5 × 10 17 cm -3 or less And Furthermore, it is preferable to set it as 1 * 10 < 17 > cm <-3> or less. Similarly, the n-type impurity concentration is preferably 1 × 10 17 cm −3 or less. Preferably, it is made of undoped GaN. In the present embodiment, undoped means that an impurity is not intentionally added at the time of formation, for example, an impurity concentration of 1 × 10 17 cm −3 or less or no impurity. The hole concentration of the fourth nitride semiconductor layer 22 is preferably smaller than 5 × 10 17 cm −3 .
In addition, the third p-type nitride semiconductor layer 23 and the fourth nitride semiconductor layer 22 can have the same shape in plan view as viewed from the gate electrode side. The gate electrode 21 may be provided with a width smaller than these layers, and a part of the surface of the fourth nitride semiconductor layer 22 may be exposed from the gate electrode 21. The surface of the layer 22 can be completely covered. The third and fourth nitride semiconductor layers 22 and 23 provided between the gate electrode 21 and the second nitride semiconductor layer 12 are arranged so as not to contact the source electrode 32 and the drain electrode 33.
The film thickness of the fourth nitride semiconductor layer 22 is preferably 3 nm or more, more preferably 5 nm or more, and further preferably 7 nm or more. As shown in FIG. 5 described later, the threshold can be raised by providing a fourth nitride semiconductor layer 22 of 3 nm or more, and the threshold can be further raised by setting it to 7 nm or more. Furthermore, the thickness is preferably 10 nm or more, and the gate leakage current can be significantly reduced by setting the thickness to 50 nm or more. When the film thickness is increased, the gate bias is less effective for the channel, and for ease of manufacture, the thickness is preferably 1000 nm or less, more preferably 300 nm or less. The film thickness can be further reduced to 100 nm or less. In the present embodiment, the third p-type nitride semiconductor layer and the fourth nitride semiconductor layer are provided as separate layers. As a form, the third p-type nitride semiconductor layer and the fourth nitride semiconductor layer are formed as one layer, and a p-type impurity corresponding to the fourth nitride semiconductor layer is formed on the side in contact with the gate electrode of this layer A low concentration region can be formed, and a p-type impurity high concentration region corresponding to the third p-type nitride semiconductor layer can be formed on the channel side of the region. The p-type impurity concentration may be continuously changed.

(ゲート電極21)
ゲート電極21の材料としては、第4の窒化物半導体層22に対してショットキー接触するものを選択することができる。このような材料としては、仕事関数が小さいものが挙げられ、Hg、Zr、Ti、Ta、Al、Zn、Feを用いることが好ましい。例えば、Ti/AlやTi/Al/Ti/Ptで形成される。また、この上にさらに、ワイヤ等を接続するためのパッド電極を設けてもよい。
(Gate electrode 21)
As a material of the gate electrode 21, a material that makes a Schottky contact with the fourth nitride semiconductor layer 22 can be selected. Examples of such a material include materials having a small work function, and it is preferable to use Hg, Zr, Ti, Ta, Al, Zn, and Fe. For example, Ti / Al or Ti / Al / Ti / Pt is used. Further, a pad electrode for connecting a wire or the like may be further provided thereon.

以下、本発明に係る実施例について説明する。   Examples according to the present invention will be described below.

実施例
実施例として、ゲート構造において、第4の窒化物半導体層22の厚さを、3nm(実施例1)、5nm(実施例2)、7nm(実施例3)、10nm(実施例4)、50nm(実施例5)とした電界効果トランジスタを作製し、それぞれの閾値電圧を測定した。
実施例1〜5において、第4の窒化物半導体層22の膜厚以外は以下のようにした。
尚、実施例1〜5の電界効果トランジスタの上方からみた電極配置(平面構造)は、図6に示すようにし、その寸法は後述するようにした。
Example As an example, in the gate structure, the thickness of the fourth nitride semiconductor layer 22 is 3 nm (Example 1), 5 nm (Example 2), 7 nm (Example 3), 10 nm (Example 4). A field effect transistor having a thickness of 50 nm (Example 5) was prepared, and each threshold voltage was measured.
In Examples 1 to 5, the thickness of the fourth nitride semiconductor layer 22 other than the thickness was set as follows.
The electrode arrangement (planar structure) viewed from above the field effect transistors of Examples 1 to 5 was as shown in FIG. 6, and the dimensions thereof were described later.

半導体積層構造10
半導体積層構造10は、サファイア基板上に、バッファ層を介して、厚さが3μmのアンドープGaN層からなる第1の窒化物半導体層11と、厚さが0.75nmのアンドープAlNからなるスペーサ層13と、厚さが11nmのアンドープAl0.3Ga0.7Nからなる第2の窒化物半導体層12とを順に積層して作製した。
Semiconductor laminated structure 10
The semiconductor multilayer structure 10 includes a first nitride semiconductor layer 11 made of an undoped GaN layer having a thickness of 3 μm and a spacer layer made of undoped AlN having a thickness of 0.75 nm on a sapphire substrate via a buffer layer. 13 and a second nitride semiconductor layer 12 made of undoped Al 0.3 Ga 0.7 N having a thickness of 11 nm were sequentially stacked.

メサ構造10a
メサ構造10aは、サファイア基板上に各半導体層を積層した後、メサ部10aとする部分の両側を第1の窒化物半導体層11の途中までエッチングにより除去することにより作製した。
メサ部10aは、長手方向の長さLが12μm、幅W1が100μm、高さhが100nmになるようにした。
Mesa structure 10a
The mesa structure 10a was produced by laminating each semiconductor layer on a sapphire substrate and then removing both sides of the portion to be the mesa portion 10a by etching to the middle of the first nitride semiconductor layer 11.
The mesa portion 10a was configured such that the length L in the longitudinal direction was 12 μm, the width W1 was 100 μm, and the height h was 100 nm.

ゲート構造20
ゲート構造20は、厚さ20nmのp型GaNからなる第3の窒化物半導体層23とアンドープGaNからなる第4の窒化物半導体層22とを順に積層した後、第3の窒化物半導体層23および第4の窒化物半導体層22の一部を除去し、幅W2が1μmになるように、メサ構造10aの全長にわたって形成した。ゲート電極21は、第4の窒化物半導体層22の上にほぼ同じ幅で形成した。
また、ゲート電極21は、第4の窒化物半導体層22側から、Ti(厚さ10nm)/Al(厚さ100nm)/Ti(厚さ50nm)/Pt(厚さ200nm)の4層構造とした。
Gate structure 20
The gate structure 20 is formed by sequentially stacking a third nitride semiconductor layer 23 made of p-type GaN having a thickness of 20 nm and a fourth nitride semiconductor layer 22 made of undoped GaN, and then the third nitride semiconductor layer 23. A part of the fourth nitride semiconductor layer 22 was removed, and the mesa structure 10a was formed over the entire length so that the width W2 was 1 μm. The gate electrode 21 was formed on the fourth nitride semiconductor layer 22 with substantially the same width.
The gate electrode 21 has a four-layer structure of Ti (thickness 10 nm) / Al (thickness 100 nm) / Ti (thickness 50 nm) / Pt (thickness 200 nm) from the fourth nitride semiconductor layer 22 side. did.

ソース電極32、ドレイン電極33
ソース電極32は、例えば、メサ部10の一方の側面からメサ部10の上面に延在して形成し、ドレイン電極33は、メサ部10の他方の側面からメサ部10の上面に延在して形成した。また、ソース電極32及びドレイン電極33とゲート電極21(ゲート構造20)との間隔はそれぞれ2μm及び7μmとした。
Source electrode 32, drain electrode 33
For example, the source electrode 32 extends from one side surface of the mesa unit 10 to the upper surface of the mesa unit 10, and the drain electrode 33 extends from the other side surface of the mesa unit 10 to the upper surface of the mesa unit 10. Formed. The intervals between the source and drain electrodes 32 and 33 and the gate electrode 21 (gate structure 20) were 2 μm and 7 μm, respectively.

さらに、実施例1〜5と比較するために、アンドープGaNからなる第4の窒化物半導体層22を形成していない以外は、実施例と同様に作製した電界効果トランジスタを作製して比較例とした。
尚、実施例及び比較例の電界効果トランジスタの上面には、ゲート電極21、ソース電極32及びドレイン電極33の接続用表面を除き、SiOからなる保護膜40を形成した。
Furthermore, in order to compare with Examples 1 to 5, a field effect transistor produced in the same manner as in Example was produced except that the fourth nitride semiconductor layer 22 made of undoped GaN was not formed. did.
A protective film 40 made of SiO 2 was formed on the upper surfaces of the field effect transistors of the example and the comparative example, except for the connection surfaces of the gate electrode 21, the source electrode 32, and the drain electrode 33.

以上のように作製した、実施例1〜5の電界効果トランジスタと比較例の電界効果トランジスタの、ゲート電極幅あたりのドレイン電流I=1mA/mmにおける閾値電圧Vthを評価した。
その結果を図5に示す。
図5に示すように、比較例の電界効果トランジスタの閾値Vthが約1.3Vであるのに対して、実施例の電界効果トランジスタの閾値Vthは、低いもの(実施例2)でも約1.9Vであり、他の実施例1,3−5は、いずれも2V以上であった。
また、第4の窒化物半導体層22の膜厚が7nm以上では膜厚の増加とともに閾値Vthが上昇する傾向にあった。
The threshold voltage Vth at the drain current I d = 1 mA / mm per gate electrode width of the field effect transistors of Examples 1 to 5 and the field effect transistor of the comparative example manufactured as described above was evaluated.
The result is shown in FIG.
As shown in FIG. 5, the threshold value V th of the field effect transistor of the comparative example is about 1.3 V, whereas the threshold value V th of the field effect transistor of the example is about a low value (Example 2). The voltage was 1.9 V, and the other Examples 1 and 3-5 were all 2 V or higher.
Further, when the thickness of the fourth nitride semiconductor layer 22 is 7 nm or more, the threshold value Vth tends to increase as the thickness increases.

また、実施例4及び5、比較例のゲート電圧Vに対するドレイン電流を図3に示し、ゲートリーク電流を図4に示す。 In Examples 4 and 5 show the drain current versus gate voltage V g of Comparative Example 3 shows a gate leakage current in FIG.

15 2次元電子ガス層
10 半導体積層構造
11 GaN層
12 AlGaN層
16 空乏層
20 ゲート構造
21 ゲート電極
22 第4の窒化物半導体層
23 p型GaN層
32 ソース電極
33 ドレイン電極
40 保護膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 Two-dimensional electron gas layer 10 Semiconductor laminated structure 11 GaN layer 12 AlGaN layer 16 Depletion layer 20 Gate structure 21 Gate electrode 22 4th nitride semiconductor layer 23 p-type GaN layer 32 Source electrode 33 Drain electrode 40 Protective film

Claims (8)

第1の窒化物半導体からなる第1の半導体層と、前記第1の窒化物半導体よりもバンドギャップエネルギーが大きい第2の窒化物半導体からなる第2の半導体層とを有し、前記第1の半導体層の前記第2の半導体層側の界面に2次元電子ガス層が生じる半導体積層構造と、
ソース電極と、ドレイン電極と、前記第2の半導体層上に設けられ、前記ソース電極と前記ドレイン電極間にある2次元電子ガス層を流れる電子の流れを制御するゲート電極と、
を備え、
前記ゲート電極と前記第2の半導体層との間に、p型窒化物半導体からなる第3の半導体層と、前記第3の半導体層と前記ゲート電極の間に設けられた窒化物半導体からなる第4の半導体層とを含み、
前記ゲート電極は前記第4の半導体層と接して設けられ、前記ゲート電極はショットキー接触していることを特徴とする電界効果トランジスタ。
A first semiconductor layer made of a first nitride semiconductor; and a second semiconductor layer made of a second nitride semiconductor having a bandgap energy larger than that of the first nitride semiconductor. A semiconductor stacked structure in which a two-dimensional electron gas layer is formed at an interface of the semiconductor layer on the second semiconductor layer side;
A source electrode, a drain electrode, a gate electrode that is provided on the second semiconductor layer and controls a flow of electrons flowing through a two-dimensional electron gas layer between the source electrode and the drain electrode;
With
A third semiconductor layer made of a p-type nitride semiconductor and a nitride semiconductor provided between the third semiconductor layer and the gate electrode are disposed between the gate electrode and the second semiconductor layer. A fourth semiconductor layer,
The field effect transistor, wherein the gate electrode is provided in contact with the fourth semiconductor layer, and the gate electrode is in Schottky contact.
前記第4の半導体層は、前記第3の半導体層よりもp型不純物濃度が小さい請求項1記載の電界効果トランジスタ。   The field effect transistor according to claim 1, wherein the fourth semiconductor layer has a p-type impurity concentration lower than that of the third semiconductor layer. 前記第4の半導体層は、そのp型不純物濃度が1×1018cm−3以下であり、その膜厚が7nm以上である請求項1又は2記載の電界効果トランジスタ。 3. The field effect transistor according to claim 1, wherein the fourth semiconductor layer has a p-type impurity concentration of 1 × 10 18 cm −3 or less and a thickness of 7 nm or more. 第1の窒化物半導体からなる第1の半導体層と、前記第1の窒化物半導体よりもバンドギャップエネルギーが大きい第2の窒化物半導体からなる第2の半導体層とを有し、前記第1の半導体層の前記第2の半導体層側の界面に2次元電子ガス層が生じる半導体積層構造と、
ソース電極と、ドレイン電極と、前記第2の半導体層上に設けられ、前記ソース電極と前記ドレイン電極間にある2次元電子ガス層を流れる電子の流れを制御するゲート電極と、
を備え、
前記ゲート電極と前記第2の半導体層との間に、p型窒化物半導体からなる第3の半導体層と、前記第3の半導体層と前記ゲート電極の間に設けられた窒化物半導体からなる第4の半導体層とを含み、
前記第4の半導体層は、そのp型不純物濃度が1×1018cm−3以下であり、かつ膜厚が3nm以上であることを特徴とする電界効果トランジスタ。
A first semiconductor layer made of a first nitride semiconductor; and a second semiconductor layer made of a second nitride semiconductor having a bandgap energy larger than that of the first nitride semiconductor. A semiconductor stacked structure in which a two-dimensional electron gas layer is formed at an interface of the semiconductor layer on the second semiconductor layer side;
A source electrode, a drain electrode, a gate electrode that is provided on the second semiconductor layer and controls a flow of electrons flowing through a two-dimensional electron gas layer between the source electrode and the drain electrode;
With
A third semiconductor layer made of a p-type nitride semiconductor and a nitride semiconductor provided between the third semiconductor layer and the gate electrode are disposed between the gate electrode and the second semiconductor layer. A fourth semiconductor layer,
The fourth semiconductor layer has a p-type impurity concentration of 1 × 10 18 cm −3 or less and a film thickness of 3 nm or more.
前記第3の半導体層は、p型GaNからなる請求項1〜4のうちのいずれか1つに記載の電界効果トランジスタ。   The field effect transistor according to claim 1, wherein the third semiconductor layer is made of p-type GaN. 前記第4の半導体層は、GaNからなる請求項1〜5のうちのいずれか1つに記載の電界効果トランジスタ。   The field effect transistor according to claim 1, wherein the fourth semiconductor layer is made of GaN. 前記第4の半導体層の膜厚が10nm以上である請求項1〜6のうちのいずれか1つに記載の電界効果トランジスタ。   The field effect transistor according to claim 1, wherein the film thickness of the fourth semiconductor layer is 10 nm or more. 前記第4の半導体層の膜厚が50nm以上である請求項1〜7のうちのいずれか1つに記載の電界効果トランジスタ。   The field effect transistor according to claim 1, wherein the film thickness of the fourth semiconductor layer is 50 nm or more.
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