JP2015204425A - Field effect transistor and method of manufacturing the same - Google Patents

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前田 就彦
Yukihiko Maeda
就彦 前田
廣木 正伸
Masanobu Hiroki
正伸 廣木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To manufacture an enhancement FET using a nitride semiconductor easily, with good controllability and reproducibility.SOLUTION: A field effect transistor includes a channel layer 101 composed of a first nitride semiconductor, and a barrier layer 102 composed of a second nitride semiconductor having a bandgap energy larger than that of the first nitride semiconductor, and formed on the channel layer 101. The channel layer 101 and barrier layer 102 in a gate formation region 121 have a principal surface of -c plane, and the channel layer 101 and barrier layer 102 in a source formation region 122 and a drain formation region 123 have a principal surface of +c plane.

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およびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a field effect transistor using a nitride semiconductor and a manufacturing method thereof.

GaNなどの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。   An example of a field effect transistor (FET) using a nitride semiconductor such as GaN 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.

GaNを用いたGaN系のHFETなどの窒化物半導体FETは、通常、極性面方向である+c面((0001)面)方向に形成される。このように成長した窒化物半導体のヘテロ構造では、ヘテロ界面に大きな分極電荷が存在するものとなる。この結果、窒化物半導体FETでは、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。   A nitride semiconductor FET such as a GaN-based HFET using GaN is usually formed in the + c plane ((0001) plane) direction which is the polar plane direction. A nitride semiconductor heterostructure grown in this way has a large polarization charge at the heterointerface. As a result, in the nitride semiconductor FET, carriers that contribute to conduction are generally induced in the channel as channel electrons (two-dimensional electrons) even if the doping process for supplying carriers is not performed.

このような特徴を有する窒化物半導体FETは、大電流が得られやす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。   Nitride semiconductor FETs having such characteristics have an advantage that a large current can be easily obtained, but in general, the device operation is a so-called depletion type (or normally on) having a negative threshold value. Type) device operation. 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).

一方、上述した動作と相反する動作のデバイスとして、いわゆるエンハンスメント型(ノーマリーオフ型)がある。この、ゲート電極に電圧を印加しない状態(ゲート電圧がゼロの時)においては、ドレイン電圧の印加によっても、ドレイン電流が流れず、ゲート電極に正の電圧を印加することによってドレイン電流が流れるというトランジスタ動作のデバイス動作は、一般的な窒化物半導体FETにとっては不利である。このように、しきい値が正のエンハンスメント型のデバイス動作は、一般的な窒化物半導体FETとしては不利ではあるが、実現が可能であることが示されている(非特許文献1参照)。   On the other hand, there is a so-called enhancement type (normally off type) as a device having an operation contrary to the above-described operation. In this state where no voltage is applied to the gate electrode (when the gate voltage is zero), the drain current does not flow even when the drain voltage is applied, and the drain current flows when a positive voltage is applied to the gate electrode. The device operation of the transistor operation is disadvantageous for a general nitride semiconductor FET. Thus, it has been shown that enhancement-type device operation with a positive threshold value can be realized although it is disadvantageous as a general nitride semiconductor FET (see Non-Patent Document 1).

電力応用においては、デプレション型のデバイス動作と同時に、エンハンスメント型のデバイス動作を実現することが必須である。このため、エンハンスメント型のデバイスの研究が、デプレション型のデバイスの研究と同時に盛んに進められている。   In power applications, it is essential to realize enhancement type device operation simultaneously with depletion type device operation. For this reason, research on enhancement-type devices is being actively pursued simultaneously with research on depletion-type devices.

エンハンスメント型動作を得るための基本的な要請は、まず、ゲートに電圧を印加しない状態において、ゲート電極下には電子(キャリア)が存在しないことがあげられる。これは、しきい値が正となるための条件である。加えて、ゲート電極以外の領域においては、電子が存在することがあげられる。これは、正のゲート電圧印加によるオン状態において、ドレイン電流を得るための条件である。   The basic requirement for obtaining an enhancement type operation is that no electrons (carriers) are present under the gate electrode when no voltage is applied to the gate. This is a condition for the threshold value to be positive. In addition, electrons can be present in regions other than the gate electrode. This is a condition for obtaining a drain current in the ON state by applying a positive gate voltage.

上述した条件を満たすための最も一般的な代表的な技術に、ゲート電極領域下の一部の領域の障壁層半導体の層厚を、これ以外の領域の障壁層半導体の層厚よりも小さくする、リセスゲート構造がある(非特許文献2参照)。   In the most general representative technique for satisfying the above-described conditions, the thickness of the barrier layer semiconductor in a part of the region under the gate electrode region is made smaller than the thickness of the barrier layer semiconductor in the other region. There is a recess gate structure (see Non-Patent Document 2).

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. W.B. Lanford et al. , "Recessed-gate enhancement-mode GaN HEMT with high threshold voltage", ELECTRONICS LETTERS, vol.41, no.7, 2005.W.B.Lanford et al., "Recessed-gate enhancement-mode GaN HEMT with high threshold voltage", ELECTRONICS LETTERS, vol.41, no.7, 2005. R. Dimitrov et al. , "Two-dimensional electron gases in Ga-face and N-face AlGaNOGaN heterostructures grown by plasma-induced molecular beam epitaxy and metalorganic chemical vapor deposition on sapphire", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol.87, no.7, pp.3375-3380, 2000.R. Dimitrov et al., “Two-dimensional electron gases in Ga-face and N-face AlGaNOGaN heterostructures grown by plasma-induced molecular beam epitaxy and metalorganic chemical vapor deposition on sapphire”, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol.87, no .7, pp.3375-3380, 2000.

しかし、リセスゲート構造によりリセス領域(障壁層半導体の層厚を小さくした領域)の電子を空乏させるためには、一般に当該領域の障壁層半導体の層厚を5nm以下の非常に小さい層厚とする必要がある。また、FETのしきい値は、障壁層の膜厚に強く依存するため、正のしきい値(すなわちエンハンスメント型動作)を実現する際の作製プロセス上のマージンが狭い。これらのため、制御性および再現性よく、窒化物半導体を用いたエンハンスメント型のFETを作製するのが困難であるという問題があった。   However, in order to deplete electrons in the recess region (region where the thickness of the barrier layer semiconductor is reduced) by the recess gate structure, it is generally necessary to set the barrier layer semiconductor in the region to a very small thickness of 5 nm or less. There is. Further, since the threshold value of the FET strongly depends on the thickness of the barrier layer, a margin in the manufacturing process when realizing a positive threshold value (that is, enhancement type operation) is narrow. For these reasons, there is a problem that it is difficult to manufacture an enhancement type FET using a nitride semiconductor with good controllability and reproducibility.

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エンハンスメント型のFETが、制御性および再現性よくより容易に製造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 problems, and an object of the present invention is to enable enhancement-type FETs using nitride semiconductors to be more easily manufactured with good controllability and reproducibility. And

本発明に係る電界効果トランジスタは、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障壁層と、障壁層の上に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、ゲート形成領域のチャネル層および障壁層は、主表面を−c面とされ、ソース形成領域およびドレイン形成領域のチャネル層および障壁層は、主表面を+c面とされている。   A field effect transistor according to the present invention includes a channel layer made of a first nitride semiconductor, a barrier layer formed on the channel layer made of a second nitride semiconductor having a larger band gap energy than the first nitride semiconductor, A gate electrode formed on the barrier layer, and a source electrode and a drain electrode formed on the barrier layer in the source formation region and the drain formation region sandwiching the gate formation region in which the gate electrode is formed, The channel layer and the barrier layer in the formation region have a main surface as a −c plane, and the channel layer and the barrier layer in the source formation region and the drain formation region have a main surface as a + c plane.

上記電界効果トランジスタにおいて、チャネル層から障壁層の積層方向の一部領域に不純物が導入された不純物層が形成されているようにしてもよい。   In the field effect transistor, an impurity layer into which an impurity is introduced may be formed in a partial region of the barrier layer in the stacking direction from the channel layer.

上記電界効果トランジスタにおいて、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3窒化物半導体からなりチャネル層の下に形成された下部障壁層を備え、ゲート形成領域の下部障壁層は、主表面を−c面とされ、ソース形成領域およびドレイン形成領域の下部障壁層は、主表面を+c面とされているようにしてもよい。   The field effect transistor includes a lower barrier layer made of a third nitride semiconductor having a band gap energy larger than that of the first nitride semiconductor and formed under the channel layer. The lower barrier layer in the gate formation region has a main surface. The lower barrier layer of the source formation region and the drain formation region may be a −c plane, and the main surface may be a + c plane.

上記電界効果トランジスタにおいて、ゲート電極は、ゲート絶縁層を介して障壁層の上に形成されているようにするとよい。   In the field effect transistor, the gate electrode may be formed on the barrier layer with a gate insulating layer interposed therebetween.

また、本発明に係る電界効果トランジスタの製造方法は、サファイアからなる基板の上の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にAlNを堆積し、基板のゲート形成領域に基板表面が露出する露出領域と、ソース形成領域およびドレイン形成領域に形成されたAlN層の領域とを備える素子形成面を形成する第1工程と、基板の素子形成面の上に、ゲート形成領域の主表面は−c面とし、ソース形成領域およびドレイン形成領域の主表面は+c面とし、第1窒化物半導体をエピタキシャル成長してチャネル層を形成する第2工程と、チャネル層の上に、ゲート形成領域の主表面は−c面とし、ソース形成領域およびドレイン形成領域の主表面は+c面とし、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窒化物半導体をエピタキシャル成長して障壁層を形成する第3工程と、ゲート形成領域の障壁層の上にゲート電極を形成する第4工程と、ソース形成領域およびドレイン形成領域の障壁層の上にソース電極およびドレイン電極を形成する第5工程とを備える。   In the method of manufacturing a field effect transistor according to the present invention, AlN is deposited on a source formation region and a drain formation region sandwiching a gate formation region on a sapphire substrate, and the substrate surface is exposed in the gate formation region of the substrate. A first step of forming an element formation surface comprising an exposed region to be formed, and an AlN layer region formed in the source formation region and the drain formation region, and the main surface of the gate formation region on the element formation surface of the substrate is -C plane, the main surfaces of the source formation region and the drain formation region are + c planes, the second step of epitaxially growing the first nitride semiconductor to form the channel layer, and the main region of the gate formation region on the channel layer The surface is a −c plane, and the main surfaces of the source formation region and the drain formation region are a + c plane, and have a larger band gap energy than the first nitride semiconductor. A third step of epitaxially growing a 2-nitride semiconductor to form a barrier layer; a fourth step of forming a gate electrode on the barrier layer in the gate formation region; and a barrier layer in the source formation region and the drain formation region. A fifth step of forming a source electrode and a drain electrode.

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エンハンスメント型のFETが、制御性および再現性よくより容易に製造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 an enhancement type FET using a nitride semiconductor can be more easily manufactured with good controllability and reproducibility.

図1は、本発明の実施の形態1における電界効果トランジスタの構成を示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a field effect transistor according to Embodiment 1 of the present invention. 図2は、実施の形態1におけるゲート形成領域121およびソース形成領域122,ドレイン形成領域123の各々の領域における、チャネル層101と障壁層102とのヘテロ構造におけるポテンシャルの状態を説明するための説明図である。FIG. 2 is a diagram for explaining a potential state in a heterostructure of the channel layer 101 and the barrier layer 102 in each of the gate formation region 121, the source formation region 122, and the drain formation region 123 in Embodiment 1. FIG. 図3は、本発明の実施の形態2における電界効果トランジスタの構成を示す構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram showing the configuration of the field effect transistor according to the second embodiment of the present invention. 図4Aは、本発明の実施の形態2における電界効果トランジスタの一部製造方法について説明する各構成の状態を示す構成図である。FIG. 4A is a configuration diagram showing a state of each configuration for explaining a partial manufacturing method of the field-effect transistor in the second embodiment of the present invention. 図4Bは、本発明の実施の形態2における電界効果トランジスタの一部製造方法について説明する各構成の状態を示す構成図である。FIG. 4B is a configuration diagram showing a state of each configuration for explaining a partial manufacturing method of the field effect transistor according to the second embodiment of the present invention. 図4Cは、本発明の実施の形態2における電界効果トランジスタの一部製造方法について説明する各構成の状態を示す構成図である。FIG. 4C is a configuration diagram illustrating a state of each configuration for explaining a partial manufacturing method of the field effect transistor according to the second embodiment of the present invention. 図4Dは、本発明の実施の形態2における電界効果トランジスタの一部製造方法について説明する各構成の状態を示す構成図である。FIG. 4D is a configuration diagram illustrating a state of each configuration for explaining a partial manufacturing method of the field effect transistor according to the second embodiment of the present invention. 図5は、本発明の実施の形態3における電界効果トランジスタの構成を示す構成図である。FIG. 5 is a configuration diagram showing the configuration of the field effect transistor according to Embodiment 3 of the present invention.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

[実施の形態1]
はじめに、本発明の実施の形態1について図1を用いて説明する。図1は、本発明の実施の形態1における電界効果トランジスタの構成を示す構成図である。図1では、断面を模式的に示している。
[Embodiment 1]
First, Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a field effect transistor according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 1 schematically shows a cross section.

この電界効果トランジスタは、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の上に形成された障壁層102とを備える。また、この電界効果トランジスタは、障壁層102の上に形成されたゲート電極103を備える。実施の形態1では、障壁層102の上に、ゲート絶縁層104を介してゲート電極103が形成されている。   This field effect transistor includes a channel layer 101 made of a first nitride semiconductor and a barrier layer 102 made of a second nitride semiconductor having a band gap energy larger than that of the first nitride semiconductor and formed on the channel layer 101. Prepare. The field effect transistor also includes a gate electrode 103 formed on the barrier layer 102. In Embodiment 1, the gate electrode 103 is formed over the barrier layer 102 with the gate insulating layer 104 interposed therebetween.

また、ゲート電極103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の障壁層102の上には、ソース電極105およびドレイン電極106を備える。   A source electrode 105 and a drain electrode 106 are provided on the barrier layer 102 in the source formation region 122 and the drain formation region 123 with the gate formation region 121 where the gate electrode 103 is formed therebetween.

上述した構成において、実施の形態1では、ゲート形成領域121のチャネル層101および障壁層102は、主表面を−c面((000−1)面)とし、ソース形成領域122およびドレイン形成領域123のチャネル層101および障壁層102は、主表面を+c面としている。窒化物半導体の−c面は、窒素原子面(窒素原子極性面)であり、窒化物半導体の+c面は、III族原子面(III族原子極性面)である。   In the above-described configuration, in the first embodiment, the channel layer 101 and the barrier layer 102 in the gate formation region 121 have a main surface as a −c plane ((000-1) plane), and a source formation region 122 and a drain formation region 123. The channel layer 101 and the barrier layer 102 have a main surface as a + c plane. The −c plane of the nitride semiconductor is a nitrogen atom plane (nitrogen atom polar plane), and the + c plane of the nitride semiconductor is a group III atom plane (group III atom polar plane).

上記構成とした実施の形態1によれば、ソース形成領域122およびドレイン形成領域123においては、チャネル層101と障壁層102とのヘテロ界面近傍のチャネル層101に2次元電子131が形成されるようになる。   According to Embodiment 1 configured as described above, two-dimensional electrons 131 are formed in channel layer 101 in the vicinity of the heterointerface between channel layer 101 and barrier layer 102 in source formation region 122 and drain formation region 123. become.

例えば、表面方向の面方位がIII族原子面となる窒化物半導体は、分子線エピタキシー(MBE;Molecular Beam Epitaxy)法によって、主表面を(0001)面としたサファイア基板上に、5nm以上のAlNバッファー層を積層した後に、GaN、AlGaN等の窒化物半導体をエピタキシャル成長することで形成できる(非特許文献3参照)。   For example, a nitride semiconductor whose surface orientation is a group III atomic plane is formed on a sapphire substrate whose main surface is a (0001) plane by molecular beam epitaxy (MBE) (MBE) method. After the buffer layer is stacked, it can be formed by epitaxially growing a nitride semiconductor such as GaN or AlGaN (see Non-Patent Document 3).

また、表面方向の面方位が窒素原子面となる窒化物半導体は、MBE法によって、主表面を(0001)面としたサファイア基板上にGaNをエピタキシャル成長することで実現できる(非特許文献3参照)。また、GaNに限らず、AlGaN等の窒化物半導体においてAl組成が0.5未満の窒化物半導体をエピタキシャル成長してもよい。Al組成が0.5未満の窒化物半導体とすることは、サファイア表面上にMBE法によって成長した場合に、窒化物半導体の表面方向の面方位が窒素原子面となるための条件である。   A nitride semiconductor whose surface orientation is a nitrogen atom plane can be realized by epitaxially growing GaN on a sapphire substrate whose main surface is a (0001) plane by MBE (see Non-Patent Document 3). . Further, not only GaN, but also a nitride semiconductor such as AlGaN may be epitaxially grown with a nitride semiconductor having an Al composition of less than 0.5. The nitride semiconductor having an Al composition of less than 0.5 is a condition for the plane orientation in the surface direction of the nitride semiconductor to be a nitrogen atom plane when grown on the sapphire surface by the MBE method.

なお、有機金属気相成長(MOVPE;Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法によって、サファイア(0001)基板、シリコンカーバイド(0001)基板、シリコン(111)基板上に窒化物半導体をエピタキシャル成長すると、一般には、表面の面方位はIII族原子面となる。   In general, when a nitride semiconductor is epitaxially grown on a sapphire (0001) substrate, a silicon carbide (0001) substrate, or a silicon (111) substrate by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE), The plane orientation of is the group III atomic plane.

次に、ゲート形成領域121およびソース形成領域122,ドレイン形成領域123の各々の領域における、チャネル層101と障壁層102とのヘテロ構造におけるポテンシャルの状態について、図2を用いて説明する。図2において、(a)は、ソース形成領域122,ドレイン形成領域123における、チャネル層101と障壁層102とのヘテロ構造におけるポテンシャル形状および電子分布の状態を示している。また、図2において、(b)は、ゲート形成領域121におけるチャネル層101と障壁層102とのヘテロ構造におけるポテンシャル形状を示している。   Next, the potential state in the heterostructure of the channel layer 101 and the barrier layer 102 in each of the gate formation region 121, the source formation region 122, and the drain formation region 123 will be described with reference to FIGS. 2A shows the potential shape and the electron distribution state in the heterostructure of the channel layer 101 and the barrier layer 102 in the source formation region 122 and the drain formation region 123. FIG. 2B shows the potential shape in the heterostructure of the channel layer 101 and the barrier layer 102 in the gate formation region 121. FIG.

図2の(a)に示すように、窒化物半導体からなるチャネル層101,障壁層102の表面方向の面方位が、III族原子面の領域では、チャネル層101と障壁層102とのヘテロ界面に、正の分極電荷201が存在する結果、チャネル層101のヘテロ界面近傍に2次元電子131が誘起される。   As shown in FIG. 2A, the heterointerface between the channel layer 101 and the barrier layer 102 is in a region where the surface orientation of the channel layer 101 and the barrier layer 102 made of a nitride semiconductor is a group III atomic plane. In addition, as a result of the presence of the positive polarization charge 201, two-dimensional electrons 131 are induced in the vicinity of the heterointerface of the channel layer 101.

一方、図2の(b)に示すように、窒化物半導体からなるチャネル層101,障壁層102の表面方向の面方位が、窒素原子面の領域では、チャネル層101と障壁層102とのヘテロ界面に、負の分極電荷202が存在するため、チャネル層101のヘテロ界面近傍には2次元電子は誘起されていない。この2次元電子が存在しない状態(電子空乏)は、障壁層102の層厚に依らずに実現される。   On the other hand, as shown in FIG. 2B, the channel layer 101 and the barrier layer 102 are heterogeneous in the region where the surface orientation of the channel layer 101 and the barrier layer 102 made of a nitride semiconductor is a nitrogen atom plane. Since negative polarization charges 202 exist at the interface, two-dimensional electrons are not induced in the vicinity of the heterointerface of the channel layer 101. This state where two-dimensional electrons do not exist (electron depletion) is realized regardless of the thickness of the barrier layer 102.

上述したように、実施の形態1では、ゲート形成領域121は、電子空乏の状態となり、ゲート電極103の下には電子が存在しない状態(しきい値が正となるための条件)となる。一方、ゲート電極103以外の領域であるソース形成領域122およびドレイン形成領域123においては、電子が存在し、正のゲート電圧印加によるオン状態においてドレイン電流を得るための条件が成立する。このように、実施の形態によれば、エンハンスメント型動作を得るための基本的な状態が得られるようになる。   As described above, in the first embodiment, the gate formation region 121 is in an electron depletion state, and no electrons exist under the gate electrode 103 (a condition for the threshold to be positive). On the other hand, electrons exist in the source formation region 122 and the drain formation region 123, which are regions other than the gate electrode 103, and a condition for obtaining a drain current is established in an on state by applying a positive gate voltage. As described above, according to the embodiment, a basic state for obtaining an enhancement type operation can be obtained.

ここで、ゲート電極103下に電子が存在しないという状態が、一般に任意の層厚の障壁層102に対して実現されるのが本発明の特徴である。この特徴により、窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタにおいて、エンハンスメント型動作を実現するための構造を作製する際に十分に広い作製プロセス上のマージンが確保され、制御性および再現性よくエンハンスメント型の電界効果トランジスタを作製することが可能となる。   Here, it is a feature of the present invention that a state in which no electrons exist under the gate electrode 103 is generally realized for the barrier layer 102 having an arbitrary thickness. This feature ensures a sufficiently wide manufacturing process margin when fabricating a structure for realizing enhancement-type operation in a field effect transistor using a nitride semiconductor, and is an enhancement-type with good controllability and reproducibility. A field effect transistor can be manufactured.

なお、チャネル層101から障壁層102の積層方向の所望とする一部領域に、n型あるいはp型の不純物を導入して不純物層(不純物導入領域)を形成することで、所望とする正のしきい値を実現することができる。また、実施の形態1のようにゲート絶縁層104を用いることで、ゲート耐圧が高く、ゲートリーク電流の低い良好な特性のエンハンスメント型の電界効果トランジスタとすることができる。なお、ゲート絶縁層を用いずに、ショットキーゲート電極構造としてもよい。   Note that an impurity layer (impurity introduction region) is formed by introducing an n-type or p-type impurity into a desired partial region in the stacking direction of the barrier layer 102 from the channel layer 101, thereby forming a desired positive A threshold can be realized. Further, by using the gate insulating layer 104 as in Embodiment Mode 1, an enhancement-type field effect transistor having high characteristics with high gate breakdown voltage and low gate leakage current can be obtained. Note that a Schottky gate electrode structure may be employed without using a gate insulating layer.

[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2について、図3,図4A〜図4Dを用いて説明する。図3は、本発明の実施の形態2における電界効果トランジスタの構成を示す構成図である。また、図4A〜図4Dは、本発明の実施の形態2における電界効果トランジスタの一部製造方法について説明する各構成の状態を示す構成図である。図3,図4A〜図4Dでは、断面を模式的に示している。
[Embodiment 2]
Next, Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 4A to 4D. FIG. 3 is a configuration diagram showing the configuration of the field effect transistor according to the second embodiment of the present invention. 4A to 4D are configuration diagrams illustrating states of each configuration for explaining a partial manufacturing method of the field effect transistor according to Embodiment 2 of the present invention. 3 and 4A to 4D schematically show cross sections.

この電界効果トランジスタは、まず、主表面を(0001)としたサファイアからなる基板301と、基板301のソース形成領域122およびドレイン形成領域123に形成されたAlN層302とを備える。また、基板301およびAlN層302の上に形成されたチャネル層101と、チャネル層101の上に形成された障壁層102とを備える。また、この電界効果トランジスタは、障壁層102の上に形成されたゲート電極103を備える。実施の形態1では、障壁層102の上に、ゲート絶縁層104を介してゲート電極103が形成されている。   The field effect transistor includes a substrate 301 made of sapphire whose main surface is (0001), and an AlN layer 302 formed in the source formation region 122 and the drain formation region 123 of the substrate 301. In addition, a channel layer 101 formed on the substrate 301 and the AlN layer 302 and a barrier layer 102 formed on the channel layer 101 are provided. The field effect transistor also includes a gate electrode 103 formed on the barrier layer 102. In Embodiment 1, the gate electrode 103 is formed over the barrier layer 102 with the gate insulating layer 104 interposed therebetween.

また、ゲート電極103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の障壁層102の上には、ソース電極105およびドレイン電極106を備える。また、障壁層102積層方向の一部領域に、n型あるいはp型の不純物を導入した不純物層303を備える。   A source electrode 105 and a drain electrode 106 are provided on the barrier layer 102 in the source formation region 122 and the drain formation region 123 with the gate formation region 121 where the gate electrode 103 is formed therebetween. Further, an impurity layer 303 into which an n-type or p-type impurity is introduced is provided in a partial region in the barrier layer 102 stacking direction.

上述したチャネル層101,障壁層102,ゲート電極103,ゲート絶縁層104,ソース電極105,およびドレイン電極106は、前述した実施の形態1と同様である。この実施の形態2においても、ゲート形成領域121のチャネル層101および障壁層102は、主表面を−c面とし、ソース形成領域122およびドレイン形成領域123のチャネル層101および障壁層102は、主表面を+c面としている。   The above-described channel layer 101, barrier layer 102, gate electrode 103, gate insulating layer 104, source electrode 105, and drain electrode 106 are the same as those in the first embodiment. Also in the second embodiment, the channel layer 101 and the barrier layer 102 in the gate formation region 121 have the main surface as the −c plane, and the channel layer 101 and the barrier layer 102 in the source formation region 122 and the drain formation region 123 are the main surfaces. The surface is a + c plane.

実施の形態2では、ゲート形成領域121では、窒素原子面(−c面)とし、ソース形成領域122およびドレイン形成領域123では、III族原子面(+c面)とするために、基板301のソース形成領域122およびドレイン形成領域123にAlN層302を形成している。基板301のゲート形成領域121は、サファイア面となっている。   In Embodiment 2, the source of the substrate 301 is used so that the gate formation region 121 has a nitrogen atom plane (−c plane) and the source formation region 122 and the drain formation region 123 have a group III atom plane (+ c plane). An AlN layer 302 is formed in the formation region 122 and the drain formation region 123. The gate formation region 121 of the substrate 301 is a sapphire surface.

なお、AlN層302を形成した段階において、AlN層302の表面と、ゲート形成領域121の基板301の露出面とは、ほぼ同一の平面となる平坦な状態とすることが望ましい。例えば、ソース形成領域122およびドレイン形成領域123は、基板301をAlN層302と同じ厚さエッチング除去して薄層化し、この後、AlN層302を形成すればよい。   Note that when the AlN layer 302 is formed, it is desirable that the surface of the AlN layer 302 and the exposed surface of the substrate 301 in the gate formation region 121 be in a flat state that is substantially the same plane. For example, the source formation region 122 and the drain formation region 123 may be thinned by removing the substrate 301 by etching the same thickness as the AlN layer 302, and then forming the AlN layer 302.

実施の形態2によれば、まず、ゲート形成領域121においては、チャネル層101が基板301に接してエピタキシャル成長している。一方、ソース形成領域122およびドレイン形成領域123においては、チャネル層101が、AlN層302の上にエピタキシャル成長している。ここで、上述したように、AlN層302の最上面との位置と、ゲート形成領域121における基板301の最上面の位置とは、一致している状態が理想であるが、両者の間に相異(段差)がが5nm以下であればよい。段差が5nm以下であれば、チャネルが形成される障壁層102/チャネル層101のヘテロ構造の界面において形成される段差は高々5nm以下であり、この程度の段差であれば、電子輸送を大きく妨げてトランジスタの特性を著しく劣化させてることが生じない。   According to the second embodiment, first, in the gate formation region 121, the channel layer 101 is epitaxially grown in contact with the substrate 301. On the other hand, in the source formation region 122 and the drain formation region 123, the channel layer 101 is epitaxially grown on the AlN layer 302. Here, as described above, the position of the uppermost surface of the AlN layer 302 and the position of the uppermost surface of the substrate 301 in the gate formation region 121 are ideally matched, but there is a phase between the two. The difference (step) may be 5 nm or less. If the level difference is 5 nm or less, the level difference formed at the interface between the barrier layer 102 and the channel layer 101 where the channel is formed is 5 nm or less at most. Thus, the transistor characteristics do not deteriorate significantly.

次に、実施の形態2における電界効果トランジスタの製造方法について説明する。まず、図4Aに示すように、ゲート形成領域121における基板301上に、マスクパターン401を形成する。例えば、基板301の上に、スパッタ法などにより酸化シリコン膜を堆積形成し、形成した酸化シリコン膜を、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によいパターニングすることで、酸化シリコンからなるマスクパターン401を形成すればよい。   Next, a method for manufacturing the field effect transistor according to the second embodiment will be described. First, as shown in FIG. 4A, a mask pattern 401 is formed on the substrate 301 in the gate formation region 121. For example, a silicon oxide film is deposited and formed on the substrate 301 by a sputtering method or the like, and the formed silicon oxide film is patterned well by a known lithography technique and etching technique, thereby forming a mask pattern 401 made of silicon oxide. do it.

次に、マスクパターン401をマスクとして、基板301をエッチングし、図4Bに示すように、ソース形成領域122およびドレイン形成領域123の基板301を薄層化し、マスクパターン401の直下に、凸部301aを形成する。例えば、収束イオンビーム(FIB;Focused Ion Beam)法等の加工方法により、マスクパターン401の形成されていない領域の基板301を、この後形成するAlN層302の厚さだけ切削すればよい。例えば、厚さ10nmエッチングし、厚さ10nmの凸部301aを形成すればよい。   Next, using the mask pattern 401 as a mask, the substrate 301 is etched, and as shown in FIG. 4B, the substrate 301 in the source formation region 122 and the drain formation region 123 is thinned, and a convex portion 301a is formed immediately below the mask pattern 401. Form. For example, the substrate 301 in the region where the mask pattern 401 is not formed may be cut by the thickness of the AlN layer 302 to be formed later by a processing method such as a focused ion beam (FIB) method. For example, etching may be performed with a thickness of 10 nm to form a convex portion 301a with a thickness of 10 nm.

次に、MBE法によりAlNを堆積することで、図4Cに示すように、基板301およびマスクパターン401の上に、AlN膜402を形成する。AlN膜402は、凸部301aと同じ厚さに形成する。例えば、厚さ10nmに形成すればよい。この後、マスクパターン401を除去(リフトオフ)することで、図4Dに示すように、ソース形成領域122およびドレイン形成領域123に、層厚10nmのAlN層302が形成された状態が得られる。このとき、凸部301aの最上面301bの位置と、AlN層302の最上面302aとの位置とは、一致して1つの平面を形成する状態となる。   Next, AlN is deposited by MBE to form an AlN film 402 on the substrate 301 and the mask pattern 401 as shown in FIG. 4C. The AlN film 402 is formed to the same thickness as the convex portion 301a. For example, it may be formed to a thickness of 10 nm. Thereafter, the mask pattern 401 is removed (lifted off) to obtain a state in which an AlN layer 302 having a layer thickness of 10 nm is formed in the source formation region 122 and the drain formation region 123 as shown in FIG. 4D. At this time, the position of the uppermost surface 301b of the convex portion 301a and the position of the uppermost surface 302a of the AlN layer 302 coincide with each other to form one plane.

以上のようにしてAlN層302を形成した後、MBE法により、GaNを層厚3μmエピタキシャル成長し、引き続いて、Al0.3Ga0.7Nを層厚20nmエピタキシャル成長することで、チャネル層101および障壁層102を形成する。ここで、Al0.3Ga0.7Nのエピタキシャル成長においては、下端より成長方向に4〜12nmの位置の厚さ8nmの領域に、5×1018cm-3程度のホール濃度を生じるように、Mgをドーピングし、不純物層303を形成する。 After forming the AlN layer 302 as described above, the channel layer 101 and the barrier layer 102 are formed by epitaxially growing GaN with a thickness of 3 μm by MBE and subsequently epitaxially growing Al 0.3 Ga 0.7 N with a thickness of 20 nm. Form. Here, in the epitaxial growth of Al 0.3 Ga 0.7 N, Mg is doped so as to generate a hole concentration of about 5 × 10 18 cm −3 in an 8 nm thick region at a position of 4 to 12 nm in the growth direction from the lower end. Then, the impurity layer 303 is formed.

以上のように障壁層102を形成した後、ソース電極105およびドレイン電極106を形成する。例えば、各電極位置に開口部を備えるマスクパターンを形成し、次いで、蒸着などにより電極金属を堆積し、この後、マスクパターンをリフトオフすることで、ソース電極105およびドレイン電極106が形成できる。   After forming the barrier layer 102 as described above, the source electrode 105 and the drain electrode 106 are formed. For example, the source electrode 105 and the drain electrode 106 can be formed by forming a mask pattern having an opening at each electrode position, then depositing an electrode metal by vapor deposition or the like, and then lifting off the mask pattern.

次に、ソース電極105およびドレイン電極106の間に、ゲート絶縁層104を形成する。例えば、原子層堆積(ALD;Atomic Layer Deposition)法によりAl23を堆積することで、層厚25nmのゲート絶縁層104とすればよい。さらに、ゲート絶縁膜104上に、ゲート電極金属を蒸着することによるリフトオフ法によりゲート電極103を形成すればよい。ゲート長は例えば1μmとすればよい。 Next, the gate insulating layer 104 is formed between the source electrode 105 and the drain electrode 106. For example, the gate insulating layer 104 having a layer thickness of 25 nm may be formed by depositing Al 2 O 3 by atomic layer deposition (ALD). Further, the gate electrode 103 may be formed on the gate insulating film 104 by a lift-off method by depositing a gate electrode metal. The gate length may be 1 μm, for example.

上述した実施の形態2における実際に作製した電界効果トランジスタの静特性評価を行ったところ、+3.0V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た。また、上述した製造方法により実施の形態2における電界効果トランジスタを繰り返し作製し、静特性評価を行ったところ、同じ特性のエンハンスメント型の動作が得られることが確認された。   When the static characteristics evaluation of the field effect transistor actually manufactured in the second embodiment described above was performed, an enhancement type device operation having a threshold value of +3.0 V was confirmed. Further, when the field effect transistor in Embodiment 2 was repeatedly produced by the manufacturing method described above and the static characteristics were evaluated, it was confirmed that enhancement-type operation with the same characteristics was obtained.

[実施の形態3]
次に、本発明の実施の形態3について図5を用いて説明する。図5は、本発明の実施の形態3における電界効果トランジスタの構成を示す構成図である。図5では、断面を模式的に示している。
[Embodiment 3]
Next, Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a configuration diagram showing the configuration of the field effect transistor according to Embodiment 3 of the present invention. FIG. 5 schematically shows a cross section.

この電界効果トランジスタは、まず、主表面を(0001)としたサファイアからなる基板301と、基板301のソース形成領域122およびドレイン形成領域123に形成されたAlN層302とを備える。また、基板301およびAlN層302の上に形成されたチャネル層101と、チャネル層101の上に形成された障壁層102とを備える。また、この電界効果トランジスタは、障壁層102の上に形成されたゲート電極103を備える。実施の形態1では、障壁層102の上に、ゲート絶縁層104を介してゲート電極103が形成されている。   The field effect transistor includes a substrate 301 made of sapphire whose main surface is (0001), and an AlN layer 302 formed in the source formation region 122 and the drain formation region 123 of the substrate 301. In addition, a channel layer 101 formed on the substrate 301 and the AlN layer 302 and a barrier layer 102 formed on the channel layer 101 are provided. The field effect transistor also includes a gate electrode 103 formed on the barrier layer 102. In Embodiment 1, the gate electrode 103 is formed over the barrier layer 102 with the gate insulating layer 104 interposed therebetween.

また、ゲート電極103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の障壁層102の上には、ソース電極105およびドレイン電極106を備える。また、障壁層102積層方向の一部領域に、n型あるいはp型の不純物を導入した不純物層303を備える。また、実施の形態3では、チャネル層101の下に形成された下部障壁層501を備える。下部障壁層501は、チャネル層101を構成する第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3窒化物半導体から構成されている。下部障壁層501は、例えば、障壁層102と同じ第2窒化物半導体から構成してもよい。   A source electrode 105 and a drain electrode 106 are provided on the barrier layer 102 in the source formation region 122 and the drain formation region 123 with the gate formation region 121 where the gate electrode 103 is formed therebetween. Further, an impurity layer 303 into which an n-type or p-type impurity is introduced is provided in a partial region in the barrier layer 102 stacking direction. In the third embodiment, the lower barrier layer 501 formed under the channel layer 101 is provided. The lower barrier layer 501 is made of a third nitride semiconductor having a larger band gap energy than the first nitride semiconductor constituting the channel layer 101. The lower barrier layer 501 may be made of the same second nitride semiconductor as the barrier layer 102, for example.

上述したチャネル層101,障壁層102,ゲート電極103,ゲート絶縁層104,ソース電極105,およびドレイン電極106は、前述した実施の形態1と同様である。この実施の形態3においても、ゲート形成領域121のチャネル層101および障壁層102は、主表面を−c面とし、ソース形成領域122およびドレイン形成領域123のチャネル層101および障壁層102は、主表面を+c面としている。同様に、下部障壁層501も、ゲート形成領域121では主表面を−c面とし、ソース形成領域122およびドレイン形成領域123では主表面を+c面としている。   The above-described channel layer 101, barrier layer 102, gate electrode 103, gate insulating layer 104, source electrode 105, and drain electrode 106 are the same as those in the first embodiment. Also in the third embodiment, the channel layer 101 and the barrier layer 102 in the gate formation region 121 have a main surface as the −c plane, and the channel layer 101 and the barrier layer 102 in the source formation region 122 and the drain formation region 123 The surface is a + c plane. Similarly, the lower barrier layer 501 also has a main surface in the gate formation region 121 as a −c plane and a main surface in the source formation region 122 and the drain formation region 123 as a + c plane.

また、実施の形態3でも、ゲート形成領域121では、窒素原子面(−c面)とし、ソース形成領域122およびドレイン形成領域123では、III族原子面(+c面)とするために、前述した実施の形態2と同様に、基板301のソース形成領域122およびドレイン形成領域123にAlN層302を形成している。   In the third embodiment, the gate formation region 121 has a nitrogen atom plane (−c plane), and the source formation region 122 and the drain formation region 123 have a group III atom plane (+ c plane) as described above. As in the second embodiment, an AlN layer 302 is formed in the source formation region 122 and the drain formation region 123 of the substrate 301.

実施の形態3における電界効果トランジスタは、チャネル層101を下部障壁層501と障壁層102とで挾む、ダブルヘテロ構造としている。このようにダブルヘテロ構造とすることで、前述した実施の形態2のヘテロ構造に比較して、一般に、より高い正のしきい値が得られるという特徴がある。   The field effect transistor in Embodiment 3 has a double hetero structure in which the channel layer 101 is sandwiched between the lower barrier layer 501 and the barrier layer 102. Such a double hetero structure is characterized in that a higher positive threshold is generally obtained as compared with the hetero structure of the second embodiment described above.

一方、実施の形態2と比較すると、実施の形態3では、ヘテロ構造の結晶成長の難易度がより高いという不利な点が存在する。ただし、実施の形態3における下部障壁層501によって、より高耐圧のトランジスタ特性が得られるという有利な点が存在する。   On the other hand, compared with the second embodiment, the third embodiment has a disadvantage that the degree of difficulty of crystal growth of the heterostructure is higher. However, the lower barrier layer 501 in the third embodiment has an advantageous point that transistor characteristics with higher breakdown voltage can be obtained.

なお、実施の形態3においても、実施の形態2で説明した製造方法により作製することができる。実施の形態3では、AlN層302の層厚を10nmとし、下部障壁層501は、Al0.05Ga0.95Nから構成して層厚2μmとし、チャネル層101は、GaNから構成して層厚40nmとし、障壁層102は、Al0.3Ga0.7Nから構成して層厚20nmとした。また、障壁層102においては、下端より成長方向に4〜12nmの位置の厚さ8nmの領域に、5×1018cm-3程度のホール濃度を生じるように、Mgをドーピングし、不純物層303を形成する。これらは、MBE法によりエピタキシャル成長することで形成した。 Note that the third embodiment can also be manufactured by the manufacturing method described in the second embodiment. In the third embodiment, the thickness of the AlN layer 302 is 10 nm, the lower barrier layer 501 is made of Al 0.05 Ga 0.95 N and the layer thickness is 2 μm, and the channel layer 101 is made of GaN and the layer thickness is 40 nm. The barrier layer 102 is made of Al 0.3 Ga 0.7 N and has a layer thickness of 20 nm. The barrier layer 102 is doped with Mg so that a hole concentration of about 5 × 10 18 cm −3 is generated in a region of 8 nm thickness at a position 4 to 12 nm in the growth direction from the lower end, and the impurity layer 303. Form. These were formed by epitaxial growth by the MBE method.

また、実施の形態2と同様に、障壁層102を形成した後、ソース電極105およびドレイン電極106を形成し、次いで、ソース電極105およびドレイン電極106の間に、層厚25nmのAl23からなるゲート絶縁層104を形成する。実施の形態3においても、ゲート長は1μmとする。 Similarly to Embodiment 2, after the barrier layer 102 is formed, the source electrode 105 and the drain electrode 106 are formed, and then, between the source electrode 105 and the drain electrode 106, Al 2 O 3 having a layer thickness of 25 nm. A gate insulating layer 104 made of is formed. Also in the third embodiment, the gate length is 1 μm.

上述した実施の形態3における実際に作製した電界効果トランジスタの静特性評価を行ったところ、+4.0V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た。また、上述した製造方法により実施の形態3における電界効果トランジスタを繰り返し作製し、静特性評価を行ったところ、同じ特性のエンハンスメント型の動作が得られることが確認された。   When the static characteristics evaluation of the field effect transistor actually fabricated in the above-described third embodiment was performed, an enhancement type device operation having a threshold value of +4.0 V was confirmed. Further, when the field effect transistor in Embodiment 3 was repeatedly produced by the manufacturing method described above and the static characteristics were evaluated, it was confirmed that an enhancement-type operation with the same characteristics was obtained.

以上に説明したように、本発明によれば、ゲート電極下には電子が存在せず、かつ、ゲート電極以外の領域においては電子が存在する、というエンハンスメント型動作のための構成を備える電界効果トランジスタが、十分に広い作製プロセス上のマージンのもとに実現することが可能となり、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が、制御性および再現性よくより容易に製造できるようになる。   As described above, according to the present invention, the field effect has a configuration for enhancement type operation in which no electrons exist under the gate electrode and electrons exist in a region other than the gate electrode. Transistors can be realized with a sufficiently wide manufacturing process margin, and enhancement-type field effect transistors using nitride semiconductors can be more easily manufactured with good controllability and reproducibility. .

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.

例えば、実施の形態2において、障壁層/チャネル層の窒化物半導体材料の組み合わせとして、障壁層をAl0.3Ga0.7Nとし、チャネル層をGaNとした構造を用いたが、これに限るものではない。例えば、障壁層/チャネル層の組み合わせが、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<0.5、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<0.5)、InX1Al1-X1N/InX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0≦X2≦1)のいずれかであればよい。これらのいずれかの組み合わせにより障壁層/チャネル層を構成すれば、障壁層のバンドギャップがチャネル層よりも大きいものとなり、前述した実施の形態1と同様である。 For example, in Embodiment 2, the barrier layer / channel layer nitride semiconductor material combination is a structure in which the barrier layer is Al 0.3 Ga 0.7 N and the channel layer is GaN. However, the present invention is not limited to this. . For example, the combination of the barrier layer / channel layer 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 <0.5, 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 <0.5), In X1 Al 1-X1 Any of N / In X2 Ga 1 -X2 N (0 ≦ X1 <1, 0 ≦ X2 ≦ 1) may be used. If the barrier layer / channel layer is constituted by any combination of these, the band gap of the barrier layer is larger than that of the channel layer, which is the same as in the first embodiment.

また、実施の形態3において、 障壁層/チャネル層の窒化物半導体材料の組み合わせとして、障壁層をAl0.3Ga0.7Nとし、チャネル層をGaNとした構造を用いたが、これに限るものではない。例えば、障壁層/チャネル層の組み合わせが、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<0.5、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<0.5)、InX1Al1-X1N/InX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0≦X2≦1)のいずれかであればよい。これらのいずれかの組み合わせにより障壁層/チャネル層を構成すれば、障壁層のバンドギャップがチャネル層よりも大きいものとなり、前述した実施の形態2と同様である。 In the third embodiment, the combination of the barrier layer / channel layer nitride semiconductor material is a structure in which the barrier layer is Al 0.3 Ga 0.7 N and the channel layer is GaN. However, the present invention is not limited to this. . For example, the combination of the barrier layer / channel layer 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 <0.5, 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 <0.5), In X1 Al 1-X1 Any of N / In X2 Ga 1 -X2 N (0 ≦ X1 <1, 0 ≦ X2 ≦ 1) may be used. If the barrier layer / channel layer is constituted by any combination of these, the band gap of the barrier layer is larger than that of the channel layer, which is the same as in the second embodiment.

また、実施の形態3において、チャネル層/下部障壁層の窒化物半導体材料の組み合わせとして、チャネル層をGaN、下部障壁層をAl0.05Ga0.95Nとした構造を用いたが、これに限るものではない。例えば、チャネル層/下部障壁層の組み合わせが、GaN/AlXGa1-XN(0<X<0.5)、InX1Ga1-X1N/AlX2Ga1-X2N(0≦X1≦1、0<X2<0.5)、AlX1Ga1-X1N/AlX2Ga1-X2N(0≦X1<X2<0.5)、InXGa1-XN/GaN(0<X≦1)、InX1Ga1-X1N/InX2Ga1-X2N(0<X1≦1、0≦X2<1、X2<X1)のいずれかであればよい。これらのいずれかの組み合わせによりチャネル層/下部障壁層を構成すれば、下部障壁層のバンドギャップがチャネル層よりも大きいものとなり、前述した実施の形態3と同様である。 In the third embodiment, the channel layer / lower barrier layer nitride semiconductor material combination is a structure in which the channel layer is GaN and the lower barrier layer is Al 0.05 Ga 0.95 N. However, the present invention is not limited to this. Absent. For example, the combination of the channel layer / lower barrier layer, GaN / Al X Ga 1- X N (0 <X <0.5), In X1 Ga 1-X1 N / Al X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 ≦ 1, 0 <X2 <0.5), Al X1 Ga 1-X1 N / Al X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <X2 <0.5), In X Ga 1-X N / GaN (0 <X ≦ 1), In X1 Ga 1 -X1 N / In X2 Ga 1 -X2 N (0 <X1 ≦ 1, 0 ≦ X2 <1, X2 <X1) may be used. If the channel layer / lower barrier layer is configured by any combination of these, the band gap of the lower barrier layer becomes larger than that of the channel layer, which is the same as in the third embodiment.

また、上述した実施の形態2,3において、ゲート絶縁層をAl23から構成したが、これに限るものではない。ゲート絶縁層は、SiN、SiO2、AlN、ZrO2、HfO2のいずれかから構成してもよく、また、これ以外の絶縁材料から構成してもよい。 Further, in the second and third embodiments described above, although the gate insulating layer was formed from Al 2 O 3, not limited to this. The gate insulating layer may be composed of any one of SiN, SiO 2 , AlN, ZrO 2 , and HfO 2 , or may be composed of an insulating material other than this.

101…チャネル層、102…障壁層、103…ゲート電極、104…ゲート絶縁層、105…ソース電極、106…ドレイン電極、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、131…2次元電子。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Channel layer, 102 ... Barrier layer, 103 ... Gate electrode, 104 ... Gate insulating layer, 105 ... Source electrode, 106 ... Drain electrode, 121 ... Gate formation region, 122 ... Source formation region, 123 ... Drain formation region, 131 ... two-dimensional electrons.

Claims (5)

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障壁層と、
前記障壁層の上に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チャネル層および前記障壁層は、主表面を−c面とされ、
前記ソース形成領域および前記ドレイン形成領域の前記チャネル層および前記障壁層は、主表面を+c面とされている
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;
A 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 barrier layer;
A source electrode and a drain electrode formed on the barrier layer in a source formation region and a drain formation region sandwiching a gate formation region in which the gate electrode is formed, and
The channel layer and the barrier layer in the gate formation region have a main surface as a −c plane,
The channel layer and the barrier layer of the source formation region and the drain formation region have a main surface as a + c plane.
請求項1記載の電界効果トランジスタにおいて、
前記チャネル層から前記障壁層の積層方向の一部領域に不純物が導入された不純物層が形成されていることを特徴とする電界効果トランジスタ。
The field effect transistor of claim 1, wherein
A field effect transistor, wherein an impurity layer into which an impurity is introduced is formed in a partial region of the barrier layer in the stacking direction from the channel layer.
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3窒化物半導体からなり前記チャネル層の下に形成された下部障壁層を備え、
前記ゲート形成領域の前記下部障壁層は、主表面を−c面とされ、
前記ソース形成領域および前記ドレイン形成領域の前記下部障壁層は、主表面を+c面とされている
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。
The field effect transistor according to claim 1 or 2,
A lower barrier layer made of a third nitride semiconductor having a larger band gap energy than the first nitride semiconductor and formed under the channel layer;
The lower barrier layer of the gate formation region has a main surface as a -c plane,
The lower barrier layer of the source formation region and the drain formation region has a main surface as a + c plane.
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、
前記ゲート電極は、ゲート絶縁層を介して前記障壁層の上に形成されていることを特徴とする電界効果トランジスタ。
The field effect transistor according to any one of claims 1 to 3,
The field effect transistor, wherein the gate electrode is formed on the barrier layer through a gate insulating layer.
サファイアからなる基板の上の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にAlNを堆積し、前記基板の前記ゲート形成領域に基板表面が露出する露出領域と、前記ソース形成領域およびドレイン形成領域に形成されたAlN層の領域とを備える素子形成面を形成する第1工程と、
前記基板の前記素子形成面の上に、前記ゲート形成領域の主表面は−c面とし、前記ソース形成領域および前記ドレイン形成領域の主表面は+c面とし、第1窒化物半導体をエピタキシャル成長してチャネル層を形成する第2工程と、
前記チャネル層の上に、前記ゲート形成領域の主表面は−c面とし、前記ソース形成領域および前記ドレイン形成領域の主表面は+c面とし、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窒化物半導体をエピタキシャル成長して障壁層を形成する第3工程と、
前記ゲート形成領域の前記障壁層の上にゲート電極を形成する第4工程と、
前記ソース形成領域および前記ドレイン形成領域の前記障壁層の上にソース電極およびドレイン電極を形成する第5工程と
を備えることを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
AlN is deposited on a source formation region and a drain formation region sandwiching a gate formation region on a substrate made of sapphire, and an exposed region in which the substrate surface is exposed in the gate formation region of the substrate, and the source formation region and the drain formation A first step of forming an element formation surface comprising an AlN layer region formed in the region;
On the element formation surface of the substrate, a main surface of the gate formation region is a −c plane, a main surface of the source formation region and the drain formation region is a + c plane, and a first nitride semiconductor is epitaxially grown. A second step of forming a channel layer;
On the channel layer, the main surface of the gate formation region is a −c plane, the main surfaces of the source formation region and the drain formation region are + c planes, and has a bandgap energy larger than that of the first nitride semiconductor. A third step of epitaxially growing a 2-nitride semiconductor to form a barrier layer;
A fourth step of forming a gate electrode on the barrier layer in the gate formation region;
And a fifth step of forming a source electrode and a drain electrode on the barrier layer in the source formation region and the drain formation region.
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