JP2014216363A - Field effect transistor - Google Patents

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Yukihiko Maeda
就彦 前田
廣木 正伸
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress falling, at a high temperature, of a drain current of a depletion type field effect transistor that uses a nitride semiconductor.SOLUTION: A field effect transistor includes a first barrier wall layer 102 comprising a second nitride semiconductor in which a main surface is a (0001) surface, a second barrier wall layer 105 and a third barrier wall layer 106 which have a layer thickness of 1.5-5 nm, and are formed on the first barrier wall layer 102 of a source formation region 122 and a drain formation region 123 which sandwich a gate formation region 121, being made from a third nitride semiconductor having a larger band gap energy than the seconde nitride semiconductor, and a fourth barrier wall layer 107 and a fifth barrier wall layer 108 which are formed over them and made from the second nitride semiconductor containing an impurity introduction region 171 and an impurity introduction region 181 on its lower side. The layer thickness of the first barrier wall layer 102 of the gate formation region 121 is a thickness to form a secondary electron in the first barrier wall layer 102 of the gate formation region 121.

Description

本発明は、窒化物半導体を用いたデプレション型の電界効果トランジスタに関するものである。   The present invention relates to a depletion type field effect transistor using a nitride semiconductor.

窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)として、例えば、ヘテロ構造電界効果トランジスタ(HFET:Heterostructure Field Effect Transistor)がある。この窒化物半導体FETは、次世代の高温・高出力・高耐圧の高周波トランジスタとして非常に有望であり、実用化に向けて現在盛んに研究が行われている。窒化物半導体FETは、通常、極性面方向である+c面((0001)面)方向に形成され、ヘテロ界面に大きな分極電荷が存在するために、一般に、キャリア供給のためのドーピング処理が施されていなくても、伝導に寄与するキャリアが、チャネル電子(2次元電子)としてチャネルに誘起される。   An example of a field effect transistor (FET) using a nitride semiconductor is a heterostructure field effect transistor (HFET). This nitride semiconductor FET is very promising as a next-generation high-temperature / high-output / high-voltage high-frequency transistor, and is actively researched for practical use. Nitride semiconductor FETs are usually formed in the + c plane ((0001) plane) direction, which is the polar plane direction, and since there is a large polarization charge at the hetero interface, doping processing for supplying carriers is generally performed. Even if not, carriers contributing to conduction are induced in the channel as channel electrons (two-dimensional electrons).

このような特徴を有する窒化物半導体FETの特徴は、大電流が得られ易いという有利な面がある一方、一般に、デバイス動作としては、しきい値が負の、いわゆるデプレション型(あるいは、ノーマリーオン型)のデバイス動作に向いている。つまり、ゲート電極に電圧を印加しない状態(すなわちゲート電圧がゼロの時)であっても、ドレイン電圧の印加によってドレイン電流が流れ、ゲート電極に負の電圧を印加することによって、ドレイン電流がゼロになる(すなわちピンチオフする)というトランジスタ動作に向いている。   The nitride semiconductor FET having such a feature has an advantageous aspect that a large current is easily obtained. On the other hand, as a device operation, in general, a so-called depletion type (or no-node) having a negative threshold value is used. Suitable for device operation of (Mary-on type). That is, even when no voltage is applied to the gate electrode (that is, when the gate voltage is zero), the drain current flows by applying the drain voltage, and by applying a negative voltage to the gate electrode, the drain current becomes zero. This is suitable for the transistor operation of becoming (that is, pinching off).

このため、これと相反するデバイス動作であるしきい値が正のいわゆるエンハンスメント型(ノーマリーオフ型)のデバイス動作は、GaN系のヘテロ構造電界効果トランジスタ(HFET)においては実現可能ではあるが(非特許文献1参照)、一般的な窒化物半導体FETとしては、実現することが容易ではなく、この点で不利である。   For this reason, a so-called enhancement-type (normally-off type) device operation with a positive threshold, which is a device operation contrary to this, can be realized in a GaN-based heterostructure field effect transistor (HFET) ( As a general nitride semiconductor FET, it is not easy to realize and disadvantageous in this respect.

M. A. Khan et al., "Enhancement and depletion mode GaN/AlGaN heterostructure field effect transistors", Appl. Phys. Lett., vol.68, no.4, pp.514-516,1996.M. A. Khan et al., "Enhancement and depletion mode GaN / AlGaN heterostructure field effect transistors", Appl. Phys. Lett., Vol.68, no.4, pp.514-516, 1996. N. MAEDA et al., "Superior Pinch-Off Characteristics at 400℃ in AlGaN/GaN Heterostructure Field Effect Transistors", Jpn. J. Appl. Phys., vol. 38, pp. L987-L989, 1999.N. MAEDA et al., "Superior Pinch-Off Characteristics at 400 ℃ in AlGaN / GaN Heterostructure Field Effect Transistors", Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 38, pp. L987-L989, 1999. N. MAEDA et al., "High-Temperature Characteristics in Normally Off AlGaN/GaN Heterostructure Field-Effect Transistors with Recessed-Gate Enhanced-Barrier Structures", Appl. Phys. Express, vol.5, 084201, 2012.N. MAEDA et al., "High-Temperature Characteristics in Normally Off AlGaN / GaN Heterostructure Field-Effect Transistors with Recessed-Gate Enhanced-Barrier Structures", Appl. Phys. Express, vol.5, 084201, 2012.

ところで、窒化物半導体デバイスの魅力のひとつは、窒化物半導体の耐熱特性ゆえに高温環境で用いるとこができる点である。しかし、高温においては電子移動度が低下するために、ドレイン電流が大きく低下してしまうというデバイス動作に不利な点が存在する(非特許文献2)。このため、窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタにおいて、高温でもドレイン電流の低下が小さいデバイスを開発することが強く望まれていた。   By the way, one of the attractions of nitride semiconductor devices is that they can be used in high-temperature environments because of the heat resistance characteristics of nitride semiconductors. However, since the electron mobility decreases at high temperatures, there is a disadvantage in device operation that the drain current is greatly decreased (Non-patent Document 2). For this reason, in field effect transistors using nitride semiconductors, it has been strongly desired to develop a device with a small decrease in drain current even at high temperatures.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、窒化物半導体を用いたデプレション型の電界効果トランジスタのドレイン電流の高温における低下が、抑制できるようにすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and is intended to suppress a decrease in the drain current of a depletion type field effect transistor using a nitride semiconductor at a high temperature. Objective.

本発明に係る電界効果トランジスタは、主表面を(0001)面とした第1窒化物半導体からなるチャネル層と、第1窒化物半導体より大きなバンドギャップエネルギーの第2窒化物半導体からなりチャネル層の上に形成された第1障壁層と、第1障壁層の上にゲート絶縁層を介して形成されたゲート電極と、ゲート電極が形成されたゲート形成領域を挟んだソース形成領域およびドレイン形成領域の第1障壁層の上に形成され、第2窒化物半導体より大きなバンドギャップエネルギーの第3窒化物半導体からなり、層厚1.5〜5nmとされた第2障壁層および第3障壁層と、第2障壁層および第3障壁層の上に形成されて第2障壁層および第3障壁層の側にn型の不純物が導入された第2窒化物半導体からなる第4障壁層および第5障壁層と、第4障壁層および第5障壁層の上に形成されたソース電極およびドレイン電極とを備え、ゲート形成領域の第1障壁層の層厚は、ゲート形成領域の第1障壁層に2次元電子が形成される厚さとされている。   The field effect transistor according to the present invention includes a channel layer made of a first nitride semiconductor having a main surface of (0001) plane and a second nitride semiconductor having a band gap energy larger than that of the first nitride semiconductor. A first barrier layer formed thereon, a gate electrode formed on the first barrier layer via a gate insulating layer, and a source formation region and a drain formation region sandwiching the gate formation region in which the gate electrode is formed A second barrier layer and a third barrier layer formed of a third nitride semiconductor having a band gap energy larger than that of the second nitride semiconductor and having a thickness of 1.5 to 5 nm. A fourth barrier layer and a fifth barrier layer made of a second nitride semiconductor formed on the second barrier layer and the third barrier layer and having an n-type impurity introduced on the second barrier layer and third barrier layer sides; barrier And a source electrode and a drain electrode formed on the fourth barrier layer and the fifth barrier layer, and the layer thickness of the first barrier layer in the gate formation region is two-dimensional in the first barrier layer in the gate formation region. The thickness is such that electrons are formed.

上記電界効果トランジスタにおいて、ソース形成領域およびドレイン形成領域における全障壁層の厚さは、10nm〜100nmの範囲とされ、ゲート絶縁層は、層厚が2nm以上100nm以下とされていればよい。   In the field effect transistor, the thickness of all barrier layers in the source formation region and the drain formation region may be in the range of 10 nm to 100 nm, and the gate insulating layer may have a thickness of 2 nm to 100 nm.

上記電界効果トランジスタにおいて、第2窒化物半導体/第1窒化物半導体の半導体材料の組み合わせは、AlXGa1-XN/GaN(0<X<1)、AlX1Ga1-X1N/InX2Ga1-X2N(0<X1<1、0≦X2≦1)、AlX1Ga1-X1N/AlX2Ga1-X2N(0<X1<1、0≦X2<1、X1>X2)、GaN/InXGa1-XN(0<X≦1)、InX1Ga1-X1N/InX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0<X2≦1、X1<X2)、InXAl1-XN/GaN(0≦X<0.5)、InX1Al1-X1N/AlX2Ga1-X2N(0≦X1<0.5、0≦X2<1、X1+X2<1)、InX1Al1-X1N/InX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0≦X2≦1)の中より選択した組み合わせであればよい。 In the field effect transistor, the combination of the semiconductor material of the second nitride semiconductor / first nitride semiconductor is Al X Ga 1-X N / GaN (0 <X <1), Al X1 Ga 1-X1 N / In. X2 Ga 1-X2 N (0 <X1 <1,0 ≦ X2 ≦ 1), Al X1 Ga 1-X1 N / Al X2 Ga 1-X2 N (0 <X1 <1,0 ≦ X2 <1, X1> X2), GaN / In X Ga 1-X N (0 <X ≦ 1), In X1 Ga 1-X1 N / In X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <1,0 <X2 ≦ 1, X1 < X2), In X Al 1- X N / GaN (0 ≦ X <0.5), In X1 Al 1-X1 N / Al X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <0.5,0 ≦ X2 < 1, X1 + X2 <1), In X1 Al 1 -X1 N / In X2 Ga 1 -X2 N (0 ≦ X1 <1, 0 ≦ X2 ≦ 1) may be used.

上記電界効果トランジスタにおいて、第3窒化物半導体/第2窒化物半導体の組み合わせは、AlX1Ga1-X1N/AlX2Ga1-X2N(0<X1≦1、0≦X2<1、X1>X2)、InX1Al1-X1N/AlX2Ga1-X2N(0≦X1<0.5、0≦X2<1、X1+X2<1)、AlXGa1-XN/GaN(0<X≦1)、InXAl1-XN/GaN(0≦X<0.5)、AlX1Ga1-X1N/InX2Ga1-X2N(0<X1≦1、0≦X2≦1)、GaN/InXGa1-XN(0<X≦1)、InX1Ga1-X1N/InX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0<X2≦1、X1<X2)、InX1Al1-X1N/InX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0≦X2≦1)、InX1Al1-X1N/InX2Al1-X2N(0≦X1<X2≦1)の中より選択した組み合わせであればよい。 In the field effect transistor, the combination of the third nitride semiconductor / second nitride semiconductor is Al X1 Ga 1 -X1 N / Al X2 Ga 1 -X2 N (0 <X1 ≦ 1, 0 ≦ X2 <1, X1 > X2), In X1 Al 1 -X1 N / Al X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <0.5,0 ≦ X2 <1, X1 + X2 <1), Al X Ga 1-X N / GaN (0 <X ≦ 1), In X Al 1-X N / GaN (0 ≦ X <0.5), Al X1 Ga 1-X1 N / In X2 Ga 1-X2 N (0 <X1 ≦ 1, 0 ≦ X2 ≦ 1), GaN / In X Ga 1-X N (0 <X ≦ 1), In X1 Ga 1-X1 N / In X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <1, 0 <X2 ≦ 1, X1 <X2), In X1 Al 1-X1 N / In X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <1, 0 ≦ X2 ≦ 1), In X1 Al 1-X1 N / In X2 Al 1-X2 N (0 ≦ X1 <X2 ≦ 1) It is sufficient to.

以上説明したことにより、本発明によれば、窒化物半導体を用いたデプレション型の電界効果トランジスタのドレイン電流の高温における低下が、抑制できるようになるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an excellent effect that a decrease in drain current at a high temperature of a depletion type field effect transistor using a nitride semiconductor can be suppressed.

図1は、本発明の実施の形態における電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a field effect transistor according to an embodiment of the present invention. 図2は、ソース形成領域122とゲート形成領域121とにおけるポテンシャル形状と電子分布の状態を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing potential shapes and electron distribution states in the source formation region 122 and the gate formation region 121. 図3は、リセスゲート構造の電界効果トランジスタにおけるバンドギャップの状態を示すバンド図である。FIG. 3 is a band diagram showing a band gap state in a field effect transistor having a recessed gate structure. 図4は、ソース形成領域122とゲート形成領域121とにおけるポテンシャル形状と高温における電子分布を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing the potential shape and the electron distribution at a high temperature in the source formation region 122 and the gate formation region 121. 図5は、窒化物半導体を用いたエンハンスメント型の電界効果トランジスタの構成例を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration example of an enhancement type field effect transistor using a nitride semiconductor.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態における電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。この電界効果トランジスタは、主表面を(0001)面とした第1窒化物半導体からなるチャネル層101と、第1窒化物半導体より大きなバンドギャップエネルギーの第2窒化物半導体からなりチャネル層101の上に形成された第1障壁層102と、第1障壁層102の上にゲート絶縁層103を介して形成されたゲート電極104とを備える。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a field effect transistor according to an embodiment of the present invention. This field effect transistor includes a channel layer 101 made of a first nitride semiconductor having a main surface of (0001) plane, and a channel layer 101 made of a second nitride semiconductor having a larger band gap energy than the first nitride semiconductor. The first barrier layer 102 formed on the first barrier layer 102 and the gate electrode 104 formed on the first barrier layer 102 with the gate insulating layer 103 interposed therebetween.

また、この電界効果トランジスタは、ゲート電極104が形成されたゲート形成領域121を挟んだソース形成領域122およびドレイン形成領域123の第1障壁層102の上に形成され、第2窒化物半導体より大きなバンドギャップエネルギーの第3窒化物半導体からなり、層厚1.5〜5nmとされた第2障壁層105および第3障壁層106を備える。   The field effect transistor is formed on the first barrier layer 102 in the source formation region 122 and the drain formation region 123 across the gate formation region 121 where the gate electrode 104 is formed, and is larger than the second nitride semiconductor. A second barrier layer 105 and a third barrier layer 106 made of a third nitride semiconductor having a band gap energy and having a layer thickness of 1.5 to 5 nm are provided.

また、この電界効果トランジスタは、第2障壁層105および第3障壁層106の上に形成された第2窒化物半導体からなる第4障壁層107および第5障壁層108と、第4障壁層107および第5障壁層108の上に形成されたソース電極109およびドレイン電極110とを備える。ここで、実施の形態では、第4障壁層107および第5障壁層108は、第2障壁層105および第3障壁層106の側にn型の不純物が導入された不純物導入領域171および不純物導入領域181を備える。   The field effect transistor includes a fourth barrier layer 107 and a fifth barrier layer 108 made of a second nitride semiconductor formed on the second barrier layer 105 and the third barrier layer 106, and a fourth barrier layer 107. And a source electrode 109 and a drain electrode 110 formed on the fifth barrier layer 108. Here, in the embodiment, the fourth barrier layer 107 and the fifth barrier layer 108 include an impurity introduction region 171 in which an n-type impurity is introduced on the second barrier layer 105 and the third barrier layer 106 side, and an impurity introduction. A region 181 is provided.

なお、ゲート形成領域121の第1障壁層102の層厚は、ゲート形成領域121の第1障壁層102に2次元電子が形成される厚さとされている。従って、この電界効果トランジスタは、いわゆるデプレション型(ノーマリーオン型)である。また、実施の形態では、ゲート形成領域121の第1障壁層102の層厚は、ソース形成領域122およびドレイン形成領域123の第1障壁層102の層厚以下とし、いわゆるリセスゲート構造としている。   The layer thickness of the first barrier layer 102 in the gate formation region 121 is set to a thickness at which two-dimensional electrons are formed in the first barrier layer 102 in the gate formation region 121. Therefore, this field effect transistor is a so-called depletion type (normally on type). In the embodiment, the thickness of the first barrier layer 102 in the gate formation region 121 is equal to or less than the thickness of the first barrier layer 102 in the source formation region 122 and the drain formation region 123, and a so-called recess gate structure is employed.

上述した実施の形態における電界効果トランジスタは、図2に示すように、電子輸送には、ソース形成領域122とゲート形成領域121との境界に形成されるポテンシャル・ステップを超える過程が含まれるようになる。図2は、ソース形成領域122とゲート形成領域121とにおけるポテンシャル形状と電子分布の状態を示す説明図である。図2では、ソース形成領域122とゲート形成領域121との境界を例に示しており、図示していないが、ゲート形成領域121とドレイン形成領域123との間においても同様である。   In the field effect transistor according to the above-described embodiment, as shown in FIG. 2, the electron transport includes a process exceeding the potential step formed at the boundary between the source formation region 122 and the gate formation region 121. Become. FIG. 2 is an explanatory diagram showing potential shapes and electron distribution states in the source formation region 122 and the gate formation region 121. In FIG. 2, the boundary between the source formation region 122 and the gate formation region 121 is illustrated as an example, and although not illustrated, the same is true between the gate formation region 121 and the drain formation region 123.

第1障壁層102の層厚が、2つの領域で異なる結果、ソース形成領域122のチャネルのポテンシャル位置が、ゲート形成領域121のチャネルのポテンシャル位置よりも低くなり、ソース形成領域122の2次元電子濃度が、ゲート形成領域121の2次元電子濃度よりも高い状態となる。図2において、符号201および符号202は、ポテンシャル変化と伝導帯位置との対応関係を示している。このように、リセスゲート構造のソース形成領域122とゲート形成領域121との境界においては、チャネルにポテンシャル・ステップが形成される。   As a result of the layer thickness of the first barrier layer 102 being different in the two regions, the channel potential position of the source formation region 122 becomes lower than the channel potential position of the gate formation region 121, and the two-dimensional electrons of the source formation region 122 The concentration is higher than the two-dimensional electron concentration in the gate formation region 121. In FIG. 2, reference numerals 201 and 202 indicate the correspondence between the potential change and the conduction band position. As described above, a potential step is formed in the channel at the boundary between the source formation region 122 and the gate formation region 121 of the recessed gate structure.

従って、リセスゲート構造における電子輸送においては、ソース形成領域122とゲート形成領域121との境域に形成されるポテンシャル・ステップを超える過程が含まれ、この過程が抵抗のひとつとして付加されることになる。ゲート形成領域121のチャネルのポテンシャル位置および2次元電子濃度は、ゲート電圧の印加により変化させることができる。この際、ソース形成領域122とゲート形成領域121との境域におけるソース形成領域122のポテンシャルの位置も、ゲート電圧印加による電界の影響を受けて変化する。このため、ソース形成領域122とゲート形成領域121との境界におけるチャネルのポテンシャルには、ゲート電圧印加時にもステップが存在する。   Therefore, the electron transport in the recessed gate structure includes a process exceeding the potential step formed at the boundary between the source forming region 122 and the gate forming region 121, and this process is added as one of the resistances. The channel potential position and the two-dimensional electron concentration in the gate formation region 121 can be changed by applying a gate voltage. At this time, the position of the potential of the source formation region 122 at the boundary between the source formation region 122 and the gate formation region 121 also changes due to the influence of the electric field due to the gate voltage application. Therefore, there is a step in the channel potential at the boundary between the source formation region 122 and the gate formation region 121 even when a gate voltage is applied.

従って、いずれのゲート電圧のときも、電子輸送には、ソース形成領域122とゲート形成領域121との境域に形成されるポテンシャル・ステップを超える過程が含まれ、この過程が抵抗のひとつとして付加されることになる。高温においては、電子が上述したポテンシャル・ステップを超える過程が熱的に促進されるが、例えば400℃程度の高温では当該効果は著しく大きくはなく、ポテンシャル・ステップによる抵抗は有意に存在する。   Therefore, at any gate voltage, electron transport includes a process exceeding the potential step formed at the boundary between the source formation region 122 and the gate formation region 121, and this process is added as one of the resistances. Will be. At a high temperature, the process of electrons exceeding the above-described potential step is thermally accelerated. However, for example, at a high temperature of about 400 ° C., the effect is not very significant, and a resistance due to the potential step exists significantly.

次に、電界効果トランジスタのチャネル層,障壁層におけるポテンシャル形状および電子分布について、図3を用いて説明する。図3において、(a)は、第4障壁層107にドーピングがされていない場合を示し、(b)は、第4障壁層107に不純物導入領域171を備える場合を示している。不純物導入領域171の存在により、ポテンシャルの形状が変化する。なお、図3では、主に、ソース形成領域122の状態を示しているが、ドレイン形成領域123においても同様である。   Next, potential shapes and electron distributions in the channel layer and the barrier layer of the field effect transistor will be described with reference to FIG. 3A shows the case where the fourth barrier layer 107 is not doped, and FIG. 3B shows the case where the fourth barrier layer 107 includes the impurity introduction region 171. The presence of the impurity introduction region 171 changes the potential shape. FIG. 3 mainly shows the state of the source formation region 122, but the same applies to the drain formation region 123.

また、第4障壁層107にドーピングがされていない場合、図3の(a)に示すように、高温(400℃程度)においても室温(25℃程度)と同様に、電子301は、チャネル層101に存在する。これに対し、不純物導入領域171を備える場合、図3の(b)に示すように、高温状態では、第2障壁層105の下にも電子302が存在するようになる。   Further, when the fourth barrier layer 107 is not doped, as shown in FIG. 3A, the electrons 301 are transferred to the channel layer even at a high temperature (about 400 ° C.) as at room temperature (about 25 ° C.). 101 exists. On the other hand, when the impurity introduction region 171 is provided, the electrons 302 are also present under the second barrier layer 105 in a high temperature state as shown in FIG.

次に、ソース形成領域122とゲート形成領域121とにおけるポテンシャル形状と高温における電子分布について、図4を用いて説明する。図4は、ソース形成領域122とゲート形成領域121とにおけるポテンシャル形状と高温における電子分布を示す説明図である。図4において、符号401,符号402,および符号403は、ポテンシャル変化と伝導帯位置との対応関係を示している。また、ソース形成領域122では、電子411が、チャネル層101に存在し、電子412が第2障壁層105の下に存在し、ゲート形成領域121では、電子413が、チャネル層101に存在していることを示している。   Next, potential shapes and electron distribution at high temperatures in the source formation region 122 and the gate formation region 121 will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is an explanatory diagram showing the potential shape and the electron distribution at a high temperature in the source formation region 122 and the gate formation region 121. In FIG. 4, reference numerals 401, 402, and 403 indicate correspondence relationships between potential changes and conduction band positions. In the source formation region 122, electrons 411 exist in the channel layer 101, electrons 412 exist under the second barrier layer 105, and in the gate formation region 121, electrons 413 exist in the channel layer 101. It shows that.

図2を用いて説明したように、リセスゲート構造における電子輸送においては、符号401から符号402にかけての、ソース形成領域122とゲート形成領域121との境域のチャネル層101に形成されるポテンシャル・ステップを超える過程が含まれ、この過程が抵抗のひとつとして付加される。   As described with reference to FIG. 2, in the electron transport in the recessed gate structure, the potential step formed in the channel layer 101 at the boundary between the source formation region 122 and the gate formation region 121 from 401 to 402 is expressed as follows. This process is added as one of the resistances.

これに対し、本発明によれば、高温においては、同時に、ソース形成領域122とゲート形成領域121との境域において、ソース形成領域122の障壁層半導体とゲート形成領域121のチャネル層101における負のポテンシャル・ステップを通過する、符号403から符号401へのエネルギー的に有利な過程が含まれる。この過程は、実空間においては、リセスゲート構造の段差側面に沿って、第1障壁層102からチャネル層101に電子が流入する過程である。   On the other hand, according to the present invention, at a high temperature, at the same time, at the boundary between the source formation region 122 and the gate formation region 121, the negative barrier layer semiconductor of the source formation region 122 and the channel layer 101 of the gate formation region 121 are negative. An energetically favorable process from 403 to 401 that goes through the potential step is included. This process is a process in which electrons flow from the first barrier layer 102 into the channel layer 101 along the step side surface of the recess gate structure in real space.

従って、符号403から符号401への過程により、リセスゲート構造におけるソース形成領域122とゲート形成領域121との境域に存在する電子輸送における抵抗が低減される。この結果、高温における電子移動度の低下によるチャネル抵抗の増大を相殺することになる。このように、本発明によれば、高温においてもドレイン電流の低下が大きく抑制され、通常の極性面上(すなわちc軸方向)に形成する窒化物半導体を用いたデプレション型の電界効果トランジスタにおいて、高温でもドレイン電流の減少の小さい状態が実現され、ドレイン電流の高温における低下が抑制できるようになる。   Accordingly, the process from reference numeral 403 to reference numeral 401 reduces the resistance in electron transport that exists in the boundary between the source formation region 122 and the gate formation region 121 in the recess gate structure. As a result, an increase in channel resistance due to a decrease in electron mobility at a high temperature is offset. As described above, according to the present invention, in the depletion type field effect transistor using the nitride semiconductor formed on the normal polarity plane (that is, in the c-axis direction), the decrease in the drain current is greatly suppressed even at high temperatures. Even when the temperature is high, a state in which the decrease in the drain current is small is realized, and the decrease in the drain current at the high temperature can be suppressed.

[実施例]
次に、実施例を用いて説明する。はじめに製造方法について簡単に説明する。
[Example]
Next, a description will be given using an example. First, the manufacturing method will be briefly described.

まず、c面サファイアからなる基板あるいはSiCからなる基板あるいはSiからなる基板を用意する。次に、用意した基板の上に、まず、層厚2μmのGaNからなるチャネル層101、層厚4nmのAl0.3Ga0.7Nからなる第1障壁層102、および層厚2nmのAl0.5Ga0.5N層(第2障壁層105および第3障壁層106)を形成する。また、Al0.5Ga0.5N層の上に、層厚20nmのAl0.3Ga0.7N層(第4障壁層107および第5障壁層108)を形成する。層厚20nmのAl0.3Ga0.7N層の形成では、堆積初期(下側10nm)に、2×1019cm-3程度の濃度でシリコンをドーピングした。これらは、よく知られた有機金属気相成長法(MOVPE:Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)などの結晶成長法によって成長すればよい。 First, a substrate made of c-plane sapphire, a substrate made of SiC, or a substrate made of Si is prepared. Next, on the prepared substrate, first, a channel layer 101 made of GaN having a layer thickness of 2 μm, a first barrier layer 102 made of Al 0.3 Ga 0.7 N having a layer thickness of 4 nm, and Al 0.5 Ga 0.5 N having a layer thickness of 2 nm. Layers (second barrier layer 105 and third barrier layer 106) are formed. Further, an Al 0.3 Ga 0.7 N layer (fourth barrier layer 107 and fifth barrier layer 108) having a thickness of 20 nm is formed on the Al 0.5 Ga 0.5 N layer. In the formation of an Al 0.3 Ga 0.7 N layer having a layer thickness of 20 nm, silicon was doped at a concentration of about 2 × 10 19 cm −3 in the initial stage of deposition (lower 10 nm). These may be grown by a crystal growth method such as a well-known metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE).

次に、公知のリソグラフィー技術により形成したマスクパターンを用い、また、塩素系ガスによるドライエッチング法によって、層厚20nmのAl0.3Ga0.7N層から第1障壁層102の一部にかけてゲート形成領域121に溝(リセス)を形成した。ゲート形成領域121では、第1障壁層102が層厚4nm残留する状態とした。このパターニングにより、第2障壁層105および第3障壁層106、第4障壁層107および第5障壁層108が形成される。また、第4障壁層107および第5障壁層108には、不純物導入領域171および不純物導入領域181が形成された状態となる。 Next, a gate formation region 121 is formed from an Al 0.3 Ga 0.7 N layer having a thickness of 20 nm to a part of the first barrier layer 102 by using a mask pattern formed by a known lithography technique and by a dry etching method using a chlorine-based gas. Grooves (recesses) were formed. In the gate formation region 121, the first barrier layer 102 remains in a state where the layer thickness is 4 nm. By this patterning, the second barrier layer 105, the third barrier layer 106, the fourth barrier layer 107, and the fifth barrier layer 108 are formed. In addition, the impurity introduction region 171 and the impurity introduction region 181 are formed in the fourth barrier layer 107 and the fifth barrier layer 108.

次に、電極金属材料の蒸着などにより、第4障壁層107の上に第4障壁層107および第5障壁層108を形成し、第5障壁層108の上にドレイン電極110を形成する。次に、ゲート絶縁層103を形成する。例えば、よく知られた原子層堆積法(ALD:Atomic Layer Deposition)などの堆積方法により、Al23を層厚25nm程度堆積することで、ゲート絶縁層103を形成すればよい。次に、ゲート形成領域121のゲート絶縁層103の上に、所定の電極金属を蒸着することなどによりゲート電極104を形成する。これらのことにより、図1を用いて説明した電界効果トランジスタが得られる。 Next, the fourth barrier layer 107 and the fifth barrier layer 108 are formed on the fourth barrier layer 107 by vapor deposition of an electrode metal material, and the drain electrode 110 is formed on the fifth barrier layer 108. Next, the gate insulating layer 103 is formed. For example, the gate insulating layer 103 may be formed by depositing Al 2 O 3 with a thickness of about 25 nm by a well-known deposition method such as atomic layer deposition (ALD). Next, the gate electrode 104 is formed on the gate insulating layer 103 in the gate formation region 121 by evaporating a predetermined electrode metal or the like. As a result, the field effect transistor described with reference to FIG. 1 is obtained.

以上のようにして作製した実施例における電界効果トランジスタの静特性評価を行ったところ、−4Vなるしきい値を有するデプレッション型のデバイス動作が確認され、また、室温において1.2A/mmなるドレイン電流密度が得られたが、300℃の高温においても上述したドレイン電流の低下量はたかだか10%であった。   When the static characteristics of the field effect transistor in the example manufactured as described above were evaluated, a depletion type device operation having a threshold value of −4 V was confirmed, and a drain of 1.2 A / mm at room temperature was confirmed. Although the current density was obtained, the amount of decrease in the drain current described above was at most 10% even at a high temperature of 300 ° C.

ところで、第2障壁層105および第3障壁層106の層厚は、高温において直下に2次元電子を形成しうるために層厚1.5nm以上であることが必要であるが、層厚が大きくなるとソース電極109から電子を注入する際の抵抗が大きくなるため、層厚5nmを超えることは望ましくない。従って、第2障壁層105および第3障壁層106の層厚は、1.5nm以上5nm以下とする。なお、この範囲は、上層に不純物がドーピングされた不純物導入領域171,不純物導入領域181が存在しているために、全体に厚くなる方向にシフトしている。   By the way, the layer thickness of the second barrier layer 105 and the third barrier layer 106 needs to be 1.5 nm or more in order to be able to form two-dimensional electrons immediately under high temperature, but the layer thickness is large. Then, since the resistance when electrons are injected from the source electrode 109 is increased, it is not desirable to exceed the layer thickness of 5 nm. Therefore, the thicknesses of the second barrier layer 105 and the third barrier layer 106 are 1.5 nm or more and 5 nm or less. This range shifts in the direction of increasing the thickness as a whole because the impurity introduction region 171 and the impurity introduction region 181 doped with impurities exist in the upper layer.

また、ソース形成領域122,ドレイン形成領域123における全ての障壁層の総層厚は、当該の領域のチャネルに一般に高濃度の2次元電子を誘起するために10nm以上が必要である。一方、2次元電子の濃度が飽和するのは一般に全ての層厚が100nm以下である。従って、ソース形成領域122,ドレイン形成領域123における全ての障壁層の総層厚は、10nm以上100nm以下とする。   Further, the total thickness of all the barrier layers in the source formation region 122 and the drain formation region 123 is generally required to be 10 nm or more in order to induce high-concentration two-dimensional electrons in the channel of the region. On the other hand, the two-dimensional electron concentration is generally saturated when the thickness of all layers is 100 nm or less. Therefore, the total thickness of all the barrier layers in the source formation region 122 and the drain formation region 123 is 10 nm to 100 nm.

ゲート形成領域121における第1障壁層102は、デプレッション型のデバイス動作をするためには、当該の領域の2次元電子が存在するためには、層厚4nm以上が必要となる。一方、この領域における第1障壁層102の層厚が大きくなると、相互コンダクタンスが低下するので、層厚20nmは超えない方がよい。従って、ゲート形成領域121における第1障壁層102の層厚は4nm以上20nm以下とすればよい。   In order for the first barrier layer 102 in the gate formation region 121 to operate as a depletion type device, a layer thickness of 4 nm or more is necessary in order for two-dimensional electrons in the region to exist. On the other hand, if the thickness of the first barrier layer 102 in this region increases, the mutual conductance decreases, so it is better not to exceed the layer thickness of 20 nm. Therefore, the thickness of the first barrier layer 102 in the gate formation region 121 may be 4 nm or more and 20 nm or less.

また、ゲート電極104下のゲート絶縁層103の層厚は、ゲート耐圧の増大およびゲートリーク電流の低減の効果を得るために層厚2nm以上であることが必要である。層厚が増大するほど上述の効果は大きくなるが、一方、同時に電界効果トランジスタの利得は低減するので、実用的な電界効果トランジスタの利得を得るための条件から、絶縁膜の層厚は100nm以下としてよい。   The layer thickness of the gate insulating layer 103 under the gate electrode 104 needs to be 2 nm or more in order to obtain the effects of increasing the gate breakdown voltage and reducing the gate leakage current. The above effect increases as the layer thickness increases. On the other hand, the gain of the field effect transistor decreases at the same time. Therefore, the layer thickness of the insulating film is 100 nm or less from the condition for obtaining a practical field effect transistor gain. As good as

なお、本実施例においては、第1障壁層102および第4障壁層107,第5障壁層108を構成する第2窒化物半導体と、チャネル層101を構成する第1窒化物半導体との半導体材料の組み合わせとして、第2窒化物半導体としてAl0.3Ga0.7N、第1窒化物半導体としてGaNとした構造を用いたが、これらの組み合わせに限るものではない。 In the present embodiment, the semiconductor material of the first nitride layer constituting the first barrier layer 102, the fourth barrier layer 107, and the fifth barrier layer 108, and the first nitride semiconductor constituting the channel layer 101 is used. As a combination of the above, a structure in which Al 0.3 Ga 0.7 N is used as the second nitride semiconductor and GaN is used as the first nitride semiconductor is used, but the combination is not limited thereto.

第2窒化物半導体/第1窒化物半導体の半導体材料の組み合わせは、AlXGa1-XN/GaN(0<X<1)、AlX1Ga1-X1N/InX2Ga1-X2N(0<X1<1、0≦X2≦1)、AlX1Ga1-X1N/AlX2Ga1-X2N(0<X1<1、0≦X2<1、X1>X2)、GaN/InXGa1-XN(0<X≦1)、InX1Ga1-X1N/InX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0<X2≦1、X1<X2)、InXAl1-XN/GaN(0≦X<0.5)、InX1Al1-X1N/AlX2Ga1-X2N(0≦X1<0.5、0≦X2<1、X1+X2<1)、InX1Al1-X1N/InX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0≦X2≦1)のいずれかであれば、第2窒化物半導体の方が第1窒化物半導体よりもバンドギャップが大きく、本発明による効果を得ることができる。 The combination of the semiconductor material of the second nitride semiconductor / first nitride semiconductor is Al X Ga 1-X N / GaN (0 <X <1), Al X1 Ga 1-X1 N / In X2 Ga 1-X2 N (0 <X1 <1, 0 ≦ X2 ≦ 1), Al X1 Ga 1 -X1 N / Al X2 Ga 1 -X2 N (0 <X1 <1, 0 ≦ X2 <1, X1> X2), GaN / In X Ga 1-X N (0 <X ≦ 1), In X1 Ga 1-X1 N / In X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <1,0 <X2 ≦ 1, X1 <X2), In X Al 1-X N / GaN (0 ≦ X <0.5), In X1 Al 1-X1 N / Al X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <0.5, 0 ≦ X2 <1, X1 + X2 <1) In X1 Al 1 -X1 N / In X2 Ga 1 -X2 N (0 ≦ X1 <1, 0 ≦ X2 ≦ 1), the second nitride semiconductor is more preferable than the first nitride semiconductor. The band gap is large, and the effect of the present invention Can be obtained.

また、本実施例において、第2障壁層105および第3障壁層106を構成する第3窒化物半導体と、第2窒化物半導体の半導体材料の組み合わせとして、第3窒化物半導体としてAl0.5Ga0.5N、第2窒化物半導体としてAl0.3Ga0.7Nとした構造を用いたが、これに限るものではない。 In this embodiment, as a combination of the third nitride semiconductor composing the second barrier layer 105 and the third barrier layer 106 and the semiconductor material of the second nitride semiconductor, Al 0.5 Ga 0.5 is used as the third nitride semiconductor. N, the structure of Al 0.3 Ga 0.7 N was used as the second nitride semiconductor, but the structure is not limited to this.

第3窒化物半導体/第2窒化物半導体の組み合わせとして、AlX1Ga1-X1N/AlX2Ga1-X2N(0<X1≦1、0≦X2<1、X1>X2)、InX1Al1-X1N/AlX2Ga1-X2N(0≦X1<0.5、0≦X2<1、X1+X2<1)、AlXGa1-XN/GaN(0<X≦1)、InXAl1-XN/GaN(0≦X<0.5)、AlX1Ga1-X1N/InX2Ga1-X2N(0<X1≦1、0≦X2≦1)、GaN/InXGa1-XN(0<X≦1)、InX1Ga1-X1N/InX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0<X2≦1、X1<X2)、InX1Al1-X1N/InX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0≦X2≦1)、InX1Al1-X1N/InX2Al1-X2N(0≦X1<X2≦1)のいずれかであれば、第3窒化物半導体の方が第2窒化物半導体よりもバンドギャップが大きく、本発明による効果を得ることができる。 As a combination of the third nitride semiconductor / second nitride semiconductor, Al X1 Ga 1 -X1 N / Al X2 Ga 1 -X2 N (0 <X1 ≦ 1, 0 ≦ X2 <1, X1> X2), In X1 Al 1 -X 1 N / Al X 2 Ga 1 -X 2 N (0 ≦ X1 <0.5, 0 ≦ X2 <1, X1 + X2 <1), Al X Ga 1-X N / GaN (0 <X ≦ 1), In X Al 1-X N / GaN (0 ≦ X <0.5), Al X1 Ga 1-X1 N / In X2 Ga 1-X2 N (0 <X1 ≦ 1, 0 ≦ X2 ≦ 1), GaN / In X Ga 1-X N ( 0 <X ≦ 1), In X1 Ga 1-X1 N / In X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <1,0 <X2 ≦ 1, X1 <X2), In X1 Al 1-X1 N / In X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <1, 0 ≦ X2 ≦ 1), In X1 Al 1-X1 N / In X2 Al 1-X2 N (0 ≦ X1 <X2 ≦ 1) ), The third nitride semiconductor is the second nitride. Larger band gap than the conductor, it is possible to obtain the effect of the present invention.

また、本実施例においては、ゲート絶縁層103をAl23から構成したが、これに限るものではなく、ゲート絶縁層103は、SiN、SiO2、AlN、ZrO2、HfO2などの様々な絶縁材料から構成することができる。 In this embodiment, the gate insulating layer 103 is made of Al 2 O 3. However, the present invention is not limited to this, and the gate insulating layer 103 may be made of various materials such as SiN, SiO 2 , AlN, ZrO 2 , and HfO 2. It can be made of any insulating material.

以上に説明したように、本発明によれば、障壁層を第1障壁層と、第2障壁層,第3障壁層と、第4障壁層,第5障壁層との3層構造とし、中間の第2障壁層,第3障壁層は、他の障壁層より大きなバンドギャップエネルギーの状態としたので、窒化物半導体を用いたデプレション型の電界効果トランジスタのドレイン電流の高温における低下が、抑制できるようになる。   As described above, according to the present invention, the barrier layer has a three-layer structure including the first barrier layer, the second barrier layer, the third barrier layer, the fourth barrier layer, and the fifth barrier layer. Since the second barrier layer and the third barrier layer have a larger band gap energy than the other barrier layers, a decrease in the drain current of the depletion type field effect transistor using a nitride semiconductor at a high temperature is suppressed. become able to.

本発明によれば、例えば300℃の高温において、ゲート形成領域両側の第2障壁層,第3障壁層下の第1障壁層内に熱的に励起されて存在する電子が、ゲート形成領域のチャネル層にエネルギー的に有利に輸送されるようになる。これによって、ゲート形成領域両側とゲート形成領域との境界における抵抗が低減され、高温における電子移動度の低下によるドレイン電流の低下が大幅に低減され、高温でもドレイン電流の減少が抑制されるようになる。   According to the present invention, at a high temperature of, for example, 300 ° C., electrons that are thermally excited in the second barrier layer on both sides of the gate formation region and the first barrier layer under the third barrier layer exist in the gate formation region. It is transported energetically favorably to the channel layer. As a result, the resistance at the boundary between the gate forming region and the gate forming region is reduced, the decrease in drain current due to the decrease in electron mobility at high temperature is greatly reduced, and the decrease in drain current is suppressed even at high temperatures. Become.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.

ところで、障壁層より大きなバンドギャップエネルギーの窒化物半導体からなる薄い層を障壁層の間に挟む構成は、窒化物半導体を用いたエンハンスメント型の電界効果トランジスタにも適用可能である。この場合について、図5を用いて以下に説明する。   By the way, a structure in which a thin layer made of a nitride semiconductor having a band gap energy larger than that of the barrier layer is sandwiched between the barrier layers can be applied to an enhancement type field effect transistor using a nitride semiconductor. This case will be described below with reference to FIG.

この電界効果トランジスタは、主表面を(0001)面とした第1窒化物半導体からなるチャネル層501と、第1窒化物半導体より大きなバンドギャップエネルギーの第2窒化物半導体からなりチャネル層501の上に形成された第1障壁層502と、第1障壁層502の上にゲート絶縁層503を介して形成されたゲート電極504とを備える。   This field effect transistor includes a channel layer 501 made of a first nitride semiconductor having a main surface of (0001) plane, and a channel layer 501 made of a second nitride semiconductor having a larger band gap energy than the first nitride semiconductor. A first barrier layer 502 formed on the first barrier layer 502 and a gate electrode 504 formed on the first barrier layer 502 with a gate insulating layer 503 interposed therebetween.

また、この電界効果トランジスタは、ゲート電極504が形成されたゲート形成領域521を挟んだソース形成領域522およびドレイン形成領域523の第1障壁層502の上に形成され、第2窒化物半導体より大きなバンドギャップエネルギーの第3窒化物半導体からなり、層厚1.5〜5nmとされた第2障壁層505および第3障壁層506を備える。   The field effect transistor is formed on the first barrier layer 502 in the source formation region 522 and the drain formation region 523 across the gate formation region 521 in which the gate electrode 504 is formed, and is larger than the second nitride semiconductor. A second barrier layer 505 and a third barrier layer 506 made of a third nitride semiconductor having a band gap energy and having a layer thickness of 1.5 to 5 nm are provided.

また、この電界効果トランジスタは、第2障壁層505および第3障壁層506の上に形成された第2窒化物半導体からなる第4障壁層507および第5障壁層508と、第4障壁層507および第5障壁層508の上に形成されたソース電極509およびドレイン電極510とを備える。また、第4障壁層507および第5障壁層508は、第2障壁層505および第3障壁層506の側にn型の不純物が導入された不純物導入領域571および不純物導入領域581を備える。   The field effect transistor includes a fourth barrier layer 507 and a fifth barrier layer 508 made of a second nitride semiconductor formed on the second barrier layer 505 and the third barrier layer 506, and a fourth barrier layer 507. And a source electrode 509 and a drain electrode 510 formed on the fifth barrier layer 508. The fourth barrier layer 507 and the fifth barrier layer 508 include an impurity introduction region 571 and an impurity introduction region 581 into which an n-type impurity is introduced on the second barrier layer 505 and the third barrier layer 506 side.

なお、ゲート形成領域521の第1障壁層502の層厚は、ゲート形成領域521の第1障壁層502に2次元電子が空乏する厚さとされている。例えば、ゲート形成領域521では、障壁層502がない状態としてもよい。従って、この電界効果トランジスタは、いわゆるエンハンスメント型(ノーマリーオフ型)である。なお、この電界効果トランジスタにおいても、ゲート形成領域521の第1障壁層502の層厚は、ソース形成領域522およびドレイン形成領域523の第1障壁層502の層厚以下とし、いわゆるリセスゲート構造としている。   Note that the thickness of the first barrier layer 502 in the gate formation region 521 is set such that two-dimensional electrons are depleted in the first barrier layer 502 in the gate formation region 521. For example, the gate formation region 521 may have no barrier layer 502. Therefore, this field effect transistor is a so-called enhancement type (normally off type). Also in this field effect transistor, the thickness of the first barrier layer 502 in the gate formation region 521 is equal to or less than the thickness of the first barrier layer 502 in the source formation region 522 and the drain formation region 523, and a so-called recess gate structure is formed. .

次に、製造方法について説明する。まず、c面サファイアからなる基板あるいはSiCからなる基板あるいはSiからなる基板を用意する。次に、用意した基板の上に、まず、層厚2μmのGaNからなるチャネル層501、層厚4nmのAl0.3Ga0.7Nからなる第1障壁層502、および層厚2nmのAl0.5Ga0.5N層(第2障壁層505および第3障壁層506)を形成する。なお、第1障壁層502および第2障壁層505,第3障壁層506は、シリコンを2×1019cm-3程度ドーピングして形成する。 Next, a manufacturing method will be described. First, a substrate made of c-plane sapphire, a substrate made of SiC, or a substrate made of Si is prepared. Next, on the prepared substrate, first, a channel layer 501 made of GaN having a layer thickness of 2 μm, a first barrier layer 502 made of Al 0.3 Ga 0.7 N having a layer thickness of 4 nm, and Al 0.5 Ga 0.5 N having a layer thickness of 2 nm. Layers (second barrier layer 505 and third barrier layer 506) are formed. Note that the first barrier layer 502, the second barrier layer 505, and the third barrier layer 506 are formed by doping silicon with about 2 × 10 19 cm −3 .

また、Al0.5Ga0.5N層の上に、層厚10nmのAl0.3Ga0.7N層(第4障壁層507および第5障壁層508)を形成する。層厚10nmのAl0.3Ga0.7N層の形成では、堆積初期(下側6nm)に、2×1019cm-3程度の濃度でシリコンをドーピングした。これらは、よく知られた有機金属気相成長法などの結晶成長法によって成長すればよい。 Further, an Al 0.3 Ga 0.7 N layer (fourth barrier layer 507 and fifth barrier layer 508) having a thickness of 10 nm is formed on the Al 0.5 Ga 0.5 N layer. In the formation of an Al 0.3 Ga 0.7 N layer having a layer thickness of 10 nm, silicon was doped at a concentration of about 2 × 10 19 cm −3 in the initial stage of deposition (lower 6 nm). These may be grown by a crystal growth method such as a well-known metal organic chemical vapor deposition method.

次に、公知のリソグラフィー技術により形成したマスクパターンを用い、また、塩素系ガスによるドライエッチング法によって、層厚10nmのAl0.3Ga0.7N層から第1障壁層502の一部にかけてゲート形成領域521に溝(リセス)を形成する。ゲート形成領域521では、第1障壁層502が層厚3nm残留する状態とした。このパターニングにより、第2障壁層505および第3障壁層506、第4障壁層507および第5障壁層508が形成される。また、第4障壁層507および第5障壁層508には、不純物導入領域571および不純物導入領域581が形成された状態となる。 Next, a gate formation region 521 is formed from an Al 0.3 Ga 0.7 N layer having a thickness of 10 nm to a part of the first barrier layer 502 by using a mask pattern formed by a known lithography technique and by a dry etching method using a chlorine-based gas. Grooves (recesses) are formed. In the gate formation region 521, the first barrier layer 502 is in a state where the layer thickness remains 3 nm. By this patterning, the second barrier layer 505, the third barrier layer 506, the fourth barrier layer 507, and the fifth barrier layer 508 are formed. Further, the impurity introduction region 571 and the impurity introduction region 581 are formed in the fourth barrier layer 507 and the fifth barrier layer 508.

次に、電極金属材料の蒸着などにより、第4障壁層507の上に第4障壁層507および第5障壁層508を形成し、第5障壁層508の上にドレイン電極510を形成する。次に、ゲート絶縁層503を形成する。例えば、よく知られた原子層堆積法などの堆積方法により、Al23を層厚25nm程度堆積することで、ゲート絶縁層503を形成すればよい。次に、ゲート形成領域521のゲート絶縁層503の上に、所定の電極金属を蒸着することなどによりゲート電極504を形成する。これらのことにより、エンハンスメント型の電界効果トランジスタが得られる(非特許文献3参照)。 Next, the fourth barrier layer 507 and the fifth barrier layer 508 are formed on the fourth barrier layer 507, and the drain electrode 510 is formed on the fifth barrier layer 508 by vapor deposition of an electrode metal material. Next, the gate insulating layer 503 is formed. For example, the gate insulating layer 503 may be formed by depositing Al 2 O 3 with a thickness of about 25 nm by a well-known deposition method such as atomic layer deposition. Next, a gate electrode 504 is formed on the gate insulating layer 503 in the gate formation region 521 by depositing a predetermined electrode metal or the like. Thus, an enhancement type field effect transistor can be obtained (see Non-Patent Document 3).

以上のようにして作製したエンハンスメント型の電界効果トランジスタの静特性評価を行ったところ、+5Vなるしきい値を有するエンハンスメント型のデバイス動作が確認され、また、室温において0.6A/mmなるドレイン電流密度が得られたが、300℃の高温においても上述したドレイン電流の低下量はたかだか5%であった。   When the static characteristics of the enhancement type field effect transistor fabricated as described above were evaluated, an enhancement type device operation having a threshold of +5 V was confirmed, and a drain current of 0.6 A / mm at room temperature. Although the density was obtained, the amount of decrease in the drain current described above was at most 5% even at a high temperature of 300 ° C.

ところで、第2障壁層505および第3障壁層506の層厚は、高温において直下に2次元電子を形成しうるために層厚1.5nm以上であることが必要であるが、層厚が大きくなるとソース電極509から電子を注入する際の抵抗が大きくなるため、層厚5nmを超えることは望ましくない。従って、第2障壁層505および第3障壁層506の層厚は、1.5nm以上5nm以下とすればよい。   By the way, the layer thickness of the second barrier layer 505 and the third barrier layer 506 needs to be 1.5 nm or more in order to be able to form two-dimensional electrons immediately under high temperature, but the layer thickness is large. Then, since the resistance when electrons are injected from the source electrode 509 is increased, it is not desirable to exceed the layer thickness of 5 nm. Therefore, the thicknesses of the second barrier layer 505 and the third barrier layer 506 may be 1.5 nm or more and 5 nm or less.

また、ソース形成領域522,ドレイン形成領域523における全ての障壁層の総層厚は、当該の領域のチャネルに一般に高濃度の2次元電子を誘起するために10nm以上が必要である。一方、2次元電子の濃度が飽和するのは一般に全ての層厚が100nm以下である。従って、ソース形成領域522,ドレイン形成領域523における全ての障壁層の総層厚は、10nm以上100nm以下とすればよい。   Further, the total thickness of all the barrier layers in the source formation region 522 and the drain formation region 523 generally needs to be 10 nm or more in order to induce high-concentration two-dimensional electrons in the channel of the region. On the other hand, the two-dimensional electron concentration is generally saturated when the thickness of all layers is 100 nm or less. Therefore, the total layer thickness of all the barrier layers in the source formation region 522 and the drain formation region 523 may be 10 nm or more and 100 nm or less.

ゲート形成領域521における第1障壁層502は、エンハンスメント型のデバイス動作をするためには、当該の領域の2次元電子が空乏するためには、層厚10nm以下であり、また、層厚が0であってもよい。   The first barrier layer 502 in the gate formation region 521 has a layer thickness of 10 nm or less for depletion of two-dimensional electrons in the region in order to perform enhancement type device operation, and the layer thickness is 0 It may be.

また、ゲート電極504下のゲート絶縁層503の層厚は、ゲート耐圧の増大およびゲートリーク電流の低減の効果を得るために層厚2nm以上であることが必要である。層厚が増大するほど上述の効果は大きくなるが、一方、同時に電界効果トランジスタの利得は低減するので、実用的な電界効果トランジスタの利得を得るための条件から、絶縁膜の層厚は100nm以下としてよい。   In addition, the layer thickness of the gate insulating layer 503 under the gate electrode 504 needs to be 2 nm or more in order to obtain the effects of increasing the gate breakdown voltage and reducing the gate leakage current. The above effect increases as the layer thickness increases. On the other hand, the gain of the field effect transistor decreases at the same time. Therefore, the layer thickness of the insulating film is 100 nm or less from the condition for obtaining a practical field effect transistor gain. As good as

なお、上述したエンハンスメント型の電界効果トランジスタにおいて、第1障壁層502および第4障壁層507,第5障壁層508を構成する第2窒化物半導体と、チャネル層501を構成する第1窒化物半導体との半導体材料の組み合わせとして、第2窒化物半導体としてAl0.3Ga0.7N、第1窒化物半導体としてGaNとした構造を用いたが、これらの組み合わせに限るものではない。 In the enhancement-type field effect transistor described above, the second nitride semiconductor constituting the first barrier layer 502, the fourth barrier layer 507, and the fifth barrier layer 508, and the first nitride semiconductor constituting the channel layer 501 are included. As a combination of the semiconductor materials, a structure in which Al 0.3 Ga 0.7 N is used as the second nitride semiconductor and GaN is used as the first nitride semiconductor is used, but the combination is not limited thereto.

第2窒化物半導体/第1窒化物半導体の半導体材料の組み合わせは、AlXGa1-XN/GaN(0<X<1)、AlX1Ga1-X1N/InX2Ga1-X2N(0<X1<1、0≦X2≦1)、AlX1Ga1-X1N/AlX2Ga1-X2N(0<X1<1、0≦X2<1、X1>X2)、GaN/InXGa1-XN(0<X≦1)、InX1Ga1-X1N/InX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0<X2≦1、X1<X2)、InXAl1-XN/GaN(0≦X<0.5)、InX1Al1-X1N/AlX2Ga1-X2N(0≦X1<0.5、0≦X2<1、X1+X2<1)、InX1Al1-X1N/InX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0≦X2≦1)のいずれかであれば、第2窒化物半導体の方が第1窒化物半導体よりもバンドギャップが大きい状態となる。 The combination of the semiconductor material of the second nitride semiconductor / first nitride semiconductor is Al X Ga 1-X N / GaN (0 <X <1), Al X 1Ga 1-X1 N / In X2 Ga 1-X2 N (0 <X1 <1, 0 ≦ X2 ≦ 1), Al X1 Ga 1 -X1 N / Al X2 Ga 1 -X2 N (0 <X1 <1, 0 ≦ X2 <1, X1> X2), GaN / In X Ga 1-X N (0 <X ≦ 1), In X1 Ga 1-X1 N / In X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <1,0 <X2 ≦ 1, X1 <X2), In X Al 1-X N / GaN (0 ≦ X <0.5), In X1 Al 1-X1 N / Al X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <0.5, 0 ≦ X2 <1, X1 + X2 <1) In X1 Al 1 -X1 N / In X2 Ga 1 -X2 N (0 ≦ X1 <1, 0 ≦ X2 ≦ 1), the second nitride semiconductor is more preferable than the first nitride semiconductor. As a result, the band gap becomes large.

また、本実施例において、図1を用いて説明した電界効果トランジスタにおいて、第2障壁層505および第3障壁層506を構成する第3窒化物半導体と、第2窒化物半導体の半導体材料の組み合わせとして、第3窒化物半導体としてAl0.5Ga0.5N、第2窒化物半導体としてAl0.3Ga0.7Nとした構造を用いたが、これに限るものではない。 In this embodiment, in the field effect transistor described with reference to FIG. 1, the combination of the third nitride semiconductor constituting the second barrier layer 505 and the third barrier layer 506 and the semiconductor material of the second nitride semiconductor. As the third nitride semiconductor, a structure having Al 0.5 Ga 0.5 N as the second nitride semiconductor and Al 0.3 Ga 0.7 N as the second nitride semiconductor is used, but the structure is not limited to this.

第3窒化物半導体/第2窒化物半導体の組み合わせとして、AlX1Ga1-X1N/AlX2Ga1-X2N(0<X1≦1、0≦X2<1、X1>X2)、InX1Al1-X1N/AlX2Ga1-X2N(0≦X1<0.5、0≦X2<1、X1+X2<1)、AlXGa1-XN/GaN(0<X≦1)、InXAl1-XN/GaN(0≦X<0.5)、AlX1Ga1-X1N/InX2Ga1-X2N(0<X1≦1、0≦X2≦1)、GaN/InXGa1-XN(0<X≦1)、InX1Ga1-X1N/InX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0<X2≦1、X1<X2)、InX1Al1-X1N/InX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0≦X2≦1)、InX1Al1-X1N/InX2Al1-X2N(0≦X1<X2≦1)のいずれかであれば、第3窒化物半導体の方が第2窒化物半導体よりもバンドギャップが大きい状態となる。 As a combination of the third nitride semiconductor / second nitride semiconductor, Al X1 Ga 1 -X1 N / Al X2 Ga 1 -X2 N (0 <X1 ≦ 1, 0 ≦ X2 <1, X1> X2), In X1 Al 1 -X 1 N / Al X 2 Ga 1 -X 2 N (0 ≦ X1 <0.5, 0 ≦ X2 <1, X1 + X2 <1), Al X Ga 1-X N / GaN (0 <X ≦ 1), In X Al 1-X N / GaN (0 ≦ X <0.5), Al X1 Ga 1-X1 N / In X2 Ga 1-X2 N (0 <X1 ≦ 1, 0 ≦ X2 ≦ 1), GaN / In X Ga 1-X N ( 0 <X ≦ 1), In X1 Ga 1-X1 N / In X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <1,0 <X2 ≦ 1, X1 <X2), In X1 Al 1-X1 N / In X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <1, 0 ≦ X2 ≦ 1), In X1 Al 1-X1 N / In X2 Al 1-X2 N (0 ≦ X1 <X2 ≦ 1) ), The third nitride semiconductor is the second nitride. Band gap becomes larger state than conductors.

また、ゲート絶縁層503をAl23から構成したが、これに限るものではなく、SiN、SiO2、AlN、ZrO2、HfO2などの様々な絶縁材料から構成することができる。 Further, although the gate insulating layer 503 is made of Al 2 O 3 , it is not limited to this, and can be made of various insulating materials such as SiN, SiO 2 , AlN, ZrO 2 , and HfO 2 .

101…チャネル層、102…第1障壁層、103…ゲート絶縁層、104…ゲート電極、105…第2障壁層、106…第3障壁層、107…第4障壁層、108…第5障壁層、109…ソース電極、110…ドレイン電極、171…不純物導入領域、181…不純物導入領域、121…ゲート形成領域、122…ソース形成領域、123…ドレイン形成領域。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Channel layer, 102 ... 1st barrier layer, 103 ... Gate insulating layer, 104 ... Gate electrode, 105 ... 2nd barrier layer, 106 ... 3rd barrier layer, 107 ... 4th barrier layer, 108 ... 5th barrier layer , 109 ... source electrode, 110 ... drain electrode, 171 ... impurity introduction region, 181 ... impurity introduction region, 121 ... gate formation region, 122 ... source formation region, 123 ... drain formation region.

Claims (4)

主表面を(0001)面とした第1窒化物半導体からなるチャネル層と、
前記第1窒化物半導体より大きなバンドギャップエネルギーの第2窒化物半導体からなり前記チャネル層の上に形成された第1障壁層と、
前記第1障壁層の上にゲート絶縁層を介して形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極が形成されたゲート形成領域を挟んだソース形成領域およびドレイン形成領域の前記第1障壁層の上に形成され、前記第2窒化物半導体より大きなバンドギャップエネルギーの第3窒化物半導体からなり、層厚1.5〜5nmとされた第2障壁層および第3障壁層と、
前記第2障壁層および前記第3障壁層の上に形成されて前記第2障壁層および前記第3障壁層の側にn型の不純物が導入された前記第2窒化物半導体からなる第4障壁層および第5障壁層と、
前記第4障壁層および前記第5障壁層の上に形成されたソース電極およびドレイン電極と
を備え、
前記ゲート形成領域の前記第1障壁層の層厚は、前記ゲート形成領域の前記第1障壁層に2次元電子が形成される厚さとされている
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。
A channel layer made of a first nitride semiconductor having a main surface of (0001) plane;
A first barrier layer made of a second nitride semiconductor having a larger band gap energy than the first nitride semiconductor and formed on the channel layer;
A gate electrode formed on the first barrier layer via a gate insulating layer;
The third nitride semiconductor is formed on the first barrier layer in the source formation region and the drain formation region sandwiching the gate formation region where the gate electrode is formed, and has a larger band gap energy than the second nitride semiconductor. A second barrier layer and a third barrier layer having a layer thickness of 1.5 to 5 nm,
A fourth barrier made of the second nitride semiconductor formed on the second barrier layer and the third barrier layer and having an n-type impurity introduced on the second barrier layer and the third barrier layer side. A layer and a fifth barrier layer;
A source electrode and a drain electrode formed on the fourth barrier layer and the fifth barrier layer,
The field effect transistor according to claim 1, wherein a thickness of the first barrier layer in the gate formation region is a thickness at which two-dimensional electrons are formed in the first barrier layer in the gate formation region.
請求項1記載の電界効果トランジスタにおいて、
前記ソース形成領域および前記ドレイン形成領域における全障壁層の厚さは、10nm〜100nmの範囲とされ、
前記ゲート絶縁層は、層厚が2nm以上100nm以下とされている
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。
The field effect transistor of claim 1, wherein
The thickness of all barrier layers in the source formation region and the drain formation region is in the range of 10 nm to 100 nm,
The gate insulating layer has a layer thickness of 2 nm to 100 nm.
請求項1または2記載の電界効果トランジスタにおいて、
前記第2窒化物半導体/前記第1窒化物半導体の半導体材料の組み合わせは、AlXGa1-XN/GaN(0<X<1)、AlX1Ga1-X1N/InX2Ga1-X2N(0<X1<1、0≦X2≦1)、AlX1Ga1-X1N/AlX2Ga1-X2N(0<X1<1、0≦X2<1、X1>X2)、GaN/InXGa1-XN(0<X≦1)、InX1Ga1-X1N/InX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0<X2≦1、X1<X2)、InXAl1-XN/GaN(0≦X<0.5)、InX1Al1-X1N/AlX2Ga1-X2N(0≦X1<0.5、0≦X2<1、X1+X2<1)、InX1Al1-X1N/InX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0≦X2≦1)の中より選択した組み合わせであることを特徴とする電界効果トランジスタ。
The field effect transistor according to claim 1 or 2,
The combination of the semiconductor material of the second nitride semiconductor / first nitride semiconductor is Al x Ga 1-x N / GaN (0 <X <1), Al x1 Ga 1-x1 N / In x2 Ga 1- X2 N (0 <X1 <1,0 ≦ X2 ≦ 1), Al X1 Ga 1-X1 N / Al X2 Ga 1-X2 N (0 <X1 <1,0 ≦ X2 <1, X1> X2), GaN / In X Ga 1-X N (0 <X ≦ 1), In X1 Ga 1-X1 N / In X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <1,0 <X2 ≦ 1, X1 <X2), In X Al 1-X N / GaN (0 ≦ X <0.5), In X1 Al 1-X1 N / Al X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <0.5, 0 ≦ X2 <1, X1 + X2 < 1) A field effect transistor having a combination selected from In X1 Al 1 -X1 N / In X2 Ga 1 -X2 N (0 ≦ X1 <1, 0 ≦ X2 ≦ 1).
請求項1〜3のいずれか1項に記載の電界効果トランジスタにおいて、
前記第3窒化物半導体/前記第2窒化物半導体の組み合わせは、AlX1Ga1-X1N/AlX2Ga1-X2N(0<X1≦1、0≦X2<1、X1>X2)、InX1Al1-X1N/AlX2Ga1-X2N(0≦X1<0.5、0≦X2<1、X1+X2<1)、AlXGa1-XN/GaN(0<X≦1)、InXAl1-XN/GaN(0≦X<0.5)、AlX1Ga1-X1N/InX2Ga1-X2N(0<X1≦1、0≦X2≦1)、GaN/InXGa1-XN(0<X≦1)、InX1Ga1-X1N/InX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0<X2≦1、X1<X2)、InX1Al1-X1N/InX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0≦X2≦1)、InX1Al1-X1N/InX2Al1-X2N(0≦X1<X2≦1)の中より選択した組み合わせであることを特徴とする電界効果トランジスタ。
The field effect transistor according to any one of claims 1 to 3,
The combination of the third nitride semiconductor / second nitride semiconductor is Al X1 Ga 1 -X1 N / Al X2 Ga 1 -X2 N (0 <X1 ≦ 1, 0 ≦ X2 <1, X1> X2), In X1 Al 1-X1 N / Al X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <0.5, 0 ≦ X2 <1, X1 + X2 <1), Al X Ga 1-X N / GaN (0 <X ≦ 1) ), In X Al 1-X N / GaN (0 ≦ X <0.5), Al X1 Ga 1-X1 N / In X2 Ga 1-X2 N (0 <X1 ≦ 1, 0 ≦ X2 ≦ 1), GaN / In X Ga 1-X N (0 <X ≦ 1), In X1 Ga 1-X1 N / In X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <1,0 <X2 ≦ 1, X1 <X2), In X1 Al 1-X1 N / In X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <1, 0 ≦ X2 ≦ 1), In X1 Al 1-X1 N / In X2 Al 1-X2 N (0 ≦ X1 <X2 ≦ 1) is a combination selected from The field effect transistor.
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