JP2017085056A - Compound semiconductor epitaxial substrate and compound semiconductor device - Google Patents

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淳二 小谷
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compound semiconductor epitaxial substrate and a compound semiconductor device and the like capable of suppressing a leakage current of a GaN-based HEMT.SOLUTION: A compound semiconductor epitaxial substrate 100 includes a GaN substrate 101, and a GaN-based epitaxial layer 109 on the substrate 101. A dislocation density of the epitaxial layer 109 is equal to or less than 7×10cm.SELECTED DRAWING: Figure 8

Description

本発明は、化合物半導体エピタキシャル基板及び化合物半導体装置等に関する。   The present invention relates to a compound semiconductor epitaxial substrate, a compound semiconductor device, and the like.

窒化物半導体は、高い飽和電子速度及びワイドバンドギャップ等の特徴を有している。このため、これらの特性を利用して窒化物半導体を高耐圧及び高出力の半導体デバイスに適用することについて種々の検討が行われている。例えば、窒化物半導体の一種であるGaNのバンドギャップは3.4eVであり、Siのバンドギャップ(1.1eV)及びGaAsのバンドギャップ(1.4eV)よりも大きい。このため、GaNは、高い破壊電界強度を有しており、高電圧動作及び高出力を得る電源用の半導体デバイスの材料として極めて有望である。   A nitride semiconductor has characteristics such as a high saturation electron velocity and a wide band gap. For this reason, various studies have been conducted on applying nitride semiconductors to high breakdown voltage and high output semiconductor devices using these characteristics. For example, the band gap of GaN, which is a kind of nitride semiconductor, is 3.4 eV, which is larger than the band gap of Si (1.1 eV) and the band gap of GaAs (1.4 eV). For this reason, GaN has a high breakdown electric field strength and is extremely promising as a material for a semiconductor device for a power supply that obtains high voltage operation and high output.

窒化物半導体を用いた半導体デバイスとしては、電界効果トランジスタ、特に高電子移動度トランジスタ(high electron mobility transistor:HEMT)についての報告が数多くなされている。例えば、GaN系HEMTでは、GaNをチャネル層、AlGaNをキャリア供給層(バリア層)に用いたAlGaN/GaN−HEMTが注目されている。AlGaN/GaN−HEMTでは、GaNとAlGaNとの格子定数差に起因した歪みがAlGaNに生じる。そして、この歪みにより発生したピエゾ分極及びAlGaNの自発分極により、高濃度の2次元電子ガス(two-dimensional electron gas:2DEG)が得られる。   As semiconductor devices using nitride semiconductors, many reports have been made on field effect transistors, particularly high electron mobility transistors (HEMT). For example, in GaN-based HEMTs, attention is focused on AlGaN / GaN-HEMTs using GaN as a channel layer and AlGaN as a carrier supply layer (barrier layer). In AlGaN / GaN-HEMT, strain is generated in AlGaN due to the difference in lattice constant between GaN and AlGaN. A high-concentration two-dimensional electron gas (2DEG) is obtained by the piezoelectric polarization generated by this strain and the spontaneous polarization of AlGaN.

近年では、キャリア供給層にInAlNを用いたInAlN/GaN−HEMTについても検討されている。InAlNはAlGaNよりも強い自発分極を持つため、InAlN層が薄くても、高濃度の2DEGが得られる。また、In0.17Al0.83NはGaNと格子整合する。このため、AlGaN/GaN−HEMTと比べて、ソースとゲートとの間のアクセス抵抗及びゲートとドレインとの間のアクセス抵抗が低くすることができる。また、キャリア供給層が薄いほど、ゲート電極と2DEGとの間の距離が短くなるため、より高い相互コンダクタンス(gm)が得られる。このような背景から、InAlN/GaN−HEMTは、AlGaN/GaN−HEMTより高性能のHEMTとして期待されている。 In recent years, an InAlN / GaN-HEMT using InAlN as a carrier supply layer has also been studied. Since InAlN has a spontaneous polarization stronger than that of AlGaN, a high concentration of 2DEG can be obtained even if the InAlN layer is thin. In 0.17 Al 0.83 N lattice matches with GaN. For this reason, compared with AlGaN / GaN-HEMT, the access resistance between a source and a gate and the access resistance between a gate and a drain can be made low. Further, the thinner the carrier supply layer, the shorter the distance between the gate electrode and 2DEG, so that higher transconductance (g m ) can be obtained. Against this background, InAlN / GaN-HEMT is expected as a high-performance HEMT than AlGaN / GaN-HEMT.

しかしながら、従来のGaN系HEMTには、ゲートリーク電流が大きいという問題がある。   However, the conventional GaN-based HEMT has a problem that the gate leakage current is large.

特開2010−180081号公報JP 2010-180081 A 特開2006−52102号公報JP 2006-52102 A

本発明の目的は、GaN系HEMTのリーク電流を抑制することができる化合物半導体エピタキシャル基板、化合物半導体装置等を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a compound semiconductor epitaxial substrate, a compound semiconductor device, and the like that can suppress the leakage current of a GaN-based HEMT.

化合物半導体エピタキシャル基板の一態様には、GaNの基板と、前記基板上のGaN系のエピタキシャル層と、が含まれる。前記エピタキシャル層の転位密度が7×107cm-2以下である。 One embodiment of the compound semiconductor epitaxial substrate includes a GaN substrate and a GaN-based epitaxial layer on the substrate. The dislocation density of the epitaxial layer is 7 × 10 7 cm −2 or less.

化合物半導体装置の一態様には、上記の化合物半導体エピタキシャル基板と、前記化合物半導体エピタキシャル基板上方のソース電極、ゲート電極及びドレイン電極と、が含まれる。   One aspect of the compound semiconductor device includes the above-described compound semiconductor epitaxial substrate and a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode above the compound semiconductor epitaxial substrate.

化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法の一態様では、チャンバ内でGaNの基板の表面の熱処理を行い、前記基板上にGaN系のエピタキシャル層を形成する。前記熱処理を行う際に、前記チャンバの外部で原子状窒素を発生させ、前記原子状窒素を前記チャンバ内に供給する。   In one aspect of the method for producing a compound semiconductor epitaxial substrate, the surface of the GaN substrate is heat-treated in a chamber to form a GaN-based epitaxial layer on the substrate. At the time of performing the heat treatment, atomic nitrogen is generated outside the chamber, and the atomic nitrogen is supplied into the chamber.

化合物半導体装置の製造方法の一態様では、上記の方法で化合物半導体エピタキシャル基板を製造し、前記化合物半導体エピタキシャル基板上方にソース電極、ゲート電極及びドレイン電極を形成する。   In one aspect of the method for manufacturing a compound semiconductor device, a compound semiconductor epitaxial substrate is manufactured by the above-described method, and a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode are formed above the compound semiconductor epitaxial substrate.

上記の化合物半導体装置等によれば、適切なエピタキシャル層が含まれるため、リーク電流を抑制することができる。   According to the above compound semiconductor device and the like, since an appropriate epitaxial layer is included, the leakage current can be suppressed.

電流AFM観察で得られた像を示す図である。It is a figure which shows the image obtained by electric current AFM observation. 断面TEM分析で得られた像を示す図である。It is a figure which shows the image obtained by the cross-sectional TEM analysis. 転位密度とリーク電流との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a dislocation density and leakage current. GaN基板の表面のAFM像を示す図である。It is a figure which shows the AFM image of the surface of a GaN substrate. Ga粒が形成されるメカニズムを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the mechanism in which Ga grain is formed. エピタキシャル層中に転位が発生するメカニズムを示す図である。It is a figure which shows the mechanism in which a dislocation | rearrangement generate | occur | produces in an epitaxial layer. N/Ga比と転位密度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between N / Ga ratio and a dislocation density. 第1の実施形態に係る化合物半導体エピタキシャル基板及び化合物半導体装置を示す図である。It is a figure showing a compound semiconductor epitaxial substrate and a compound semiconductor device concerning a 1st embodiment. 化合物半導体装置のIds−Vds特性を示す図である。It is a figure which shows the Ids-Vds characteristic of a compound semiconductor device. 第1の実施形態の変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the modification of 1st Embodiment. N/Ga比とドレイン電流比との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between N / Ga ratio and drain current ratio. 熱処理装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the heat processing apparatus. GaN基板の表面のAFM像を示す図である。It is a figure which shows the AFM image of the surface of a GaN substrate. エピタキシャル層中に転位が発生するメカニズムを示す図である。It is a figure which shows the mechanism in which a dislocation | rearrangement generate | occur | produces in an epitaxial layer. 第1の実施形態に係る化合物半導体エピタキシャル基板及び化合物半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the compound semiconductor epitaxial substrate which concerns on 1st Embodiment, and a compound semiconductor device in process order. 第1の実施形態の他の変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other modification of 1st Embodiment. 第2の実施形態に係るディスクリートパッケージを示す図である。It is a figure which shows the discrete package which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係るPFC回路を示す結線図である。It is a connection diagram which shows the PFC circuit which concerns on 3rd Embodiment. 第4の実施形態に係る電源装置を示す結線図である。It is a connection diagram which shows the power supply device which concerns on 4th Embodiment. 第5の実施形態に係る増幅器を示す結線図である。It is a connection diagram which shows the amplifier which concerns on 5th Embodiment.

本願発明者らは上記課題を解決すべく種々の実験を行った。これら実験について説明する。   The inventors of the present application conducted various experiments to solve the above problems. These experiments will be described.

本願発明者らは、リーク電流と貫通転位との関係に着目し、原子間力顕微鏡(atomic force microscope:AFM)を用いて、電流AFM観察を行った。電流AFM観察では、通常のAFM観察とは異なり、導電性金属で被覆されている導電性カンチレバーを用い、探針と試料との間に一定のバイアス、例えば10V以下程度のバイアスを印加しながら試料の表面を走査する。電流を測定しながら、この走査を行うことにより、試料の表面の形状を表す像とともに電流の分布を表す像を取得することができる。このため、電流AFM観察によれば、ミクロなリーク電流パスと表面の形状との関係を直接的に得ることができる。図1に電流AFM観察で得られた像を示す。図1(a)には試料の表面の形状を反映した像を示し、図1(b)は電流の分布を反映した像を示す。図1(a)及び図1(b)には同一視野の像を示してある。図1(a)中の矢印で示す箇所にピットが観察され、図1(b)中の矢印で示す箇所にリーク電流パスが観察された。図1に示すように、ピットの位置とリーク電流パスの位置とが一致していた。   The inventors of the present application focused on the relationship between leakage current and threading dislocation, and performed current AFM observation using an atomic force microscope (AFM). Unlike normal AFM observation, the current AFM observation uses a conductive cantilever coated with a conductive metal, and applies a constant bias between the probe and the sample, for example, a bias of about 10 V or less. Scan the surface. By performing this scanning while measuring the current, an image representing the current distribution can be obtained together with the image representing the shape of the surface of the sample. For this reason, according to the current AFM observation, the relationship between the micro leak current path and the surface shape can be obtained directly. FIG. 1 shows an image obtained by current AFM observation. FIG. 1A shows an image reflecting the shape of the surface of the sample, and FIG. 1B shows an image reflecting the current distribution. FIG. 1A and FIG. 1B show images of the same field of view. Pits were observed at locations indicated by arrows in FIG. 1A, and leakage current paths were observed at locations indicated by arrows in FIG. As shown in FIG. 1, the position of the pit coincides with the position of the leakage current path.

本願発明者らは、透過型電子顕微鏡(transmission electron microscope:TEM)を用いて、ピットの断面TEM分析を行った。図2に断面TEM分析で得られた像を示す。図2に示すように、試料の表面に現れるピットの下に螺旋転位又は螺旋転位と刃状転位との混合転位が観察された。以下、螺旋転位及び混合転位を総称して転位ということがある。   The inventors of the present application performed cross-sectional TEM analysis of the pits using a transmission electron microscope (TEM). FIG. 2 shows an image obtained by cross-sectional TEM analysis. As shown in FIG. 2, screw dislocations or mixed dislocations of screw dislocations and edge dislocations were observed under the pits appearing on the surface of the sample. Hereinafter, screw dislocations and mixed dislocations are sometimes collectively referred to as dislocations.

このようにして、転位がリーク電流のパスになっていることが明らかになった。   Thus, it has been clarified that the dislocation is a leakage current path.

また、転位のリーク電流への影響の大きさについて調査を行った結果、転位に起因するピットの試料表面での形状は平均して半径rが25nmの円に近似できること、及び、転位を介する単位面積当たりのリーク電流の大きさは転位以外の部分を介する単位面積当たりのリーク電流の大きさの約1000倍であることが明らかになった。そして、これらに基づいて、転位密度と、転位を介するリーク電流の大きさや転位以外の部分を介するリーク電流の大きさとの関係を求めた。転位密度が0cm-2の場合の試料表面1cm2当たりのリーク電流の大きさを「1」とすると、転位密度がρ(cm-2)の場合、試料表面1cm2の領域内では、転位を介するリーク電流の大きさは「1000×πr2×ρ」(cm-2)で表され、残部を介するリーク電流の大きさは「1×(1−πr2×ρ)」(cm-2)で表される。これらをグラフ化した結果を図3に示す。図3に示すように、転位密度が高くなるにつれて転位を介するリーク電流は単調に増加する。一方、残部を介するリーク電流は、転位密度が1×109cm-2以下の範囲でほぼ一定であり、転位密度が1×109cm-2超の範囲で徐々に低下する。これは、転位密度が1×109cm-2超となると、試料の大部分に転位が存在するようになるからである。更に、図3に示すように、転位を介するリーク電流の大きさは、転位密度が7×107cm-2超の範囲で、残部を介するリーク電流の大きさより大きいことが明らかになった。これは、転位密度が7×107cm-2以下であれば、転位を介するリーク電流の影響が、残部を介するリーク電流の影響より小さいことを意味する。従って、リーク電流の低減には、転位密度を7×107cm-2以下にすることが重要である。 Further, as a result of investigating the magnitude of the influence of the dislocation on the leakage current, the shape of the pit caused by the dislocation on the sample surface can be approximated to a circle having a radius r of 25 nm on average, and the unit via the dislocation The magnitude of the leakage current per area was found to be about 1000 times the magnitude of the leakage current per unit area through the portion other than the dislocation. Based on these, the relationship between the dislocation density and the magnitude of the leak current via the dislocation and the magnitude of the leak current via the portion other than the dislocation was obtained. When the dislocation density is set to "1" the magnitude of the leakage current of the sample surface 1 cm 2 per in the case of 0 cm -2, if the dislocation density ρ (cm -2), in the area of the sample surface 1 cm 2, the dislocation The magnitude of the leakage current passing through is expressed by “1000 × πr 2 × ρ” (cm −2 ), and the magnitude of the leakage current passing through the remainder is “1 × (1-πr 2 × ρ)” (cm −2 ) It is represented by The results of graphing these are shown in FIG. As shown in FIG. 3, as the dislocation density increases, the leakage current via the dislocation increases monotonously. On the other hand, the leakage current through the balance is almost constant when the dislocation density is 1 × 10 9 cm −2 or less, and gradually decreases when the dislocation density exceeds 1 × 10 9 cm −2 . This is because when the dislocation density exceeds 1 × 10 9 cm −2 , dislocations are present in most of the sample. Furthermore, as shown in FIG. 3, it has been clarified that the magnitude of the leakage current via the dislocation is larger than the magnitude of the leakage current via the remainder in the range where the dislocation density exceeds 7 × 10 7 cm −2 . This means that if the dislocation density is 7 × 10 7 cm −2 or less, the influence of the leakage current via the dislocation is smaller than the influence of the leakage current via the remainder. Therefore, in order to reduce the leakage current, it is important to set the dislocation density to 7 × 10 7 cm −2 or less.

そして、本願発明者らは、7×107cm-2以下の転位密度の実現のために鋭意検討を行った。GaN系のエピタキシャル層の転位密度の低減には、GaN基板を用いることが有効である。しかしながら、従来のGaN基板の表面には、図4(a)に示すように、切り出し後の研磨で生じた多数の研磨傷が存在するため、このままで結晶性の高いGaN系のエピタキシャル層を成長させることはできない。水素(H2)ガス又は窒素(N2)ガスとアンモニア(NH3)ガスとの混合ガスを用いて高温環境下で熱処理を行うことで研磨傷を除去することができるが、この熱処理後には、図4(b)に示すように、GaN基板の表面にGa粒が存在する。図4(a)及び(b)には、AFM像を示してある。 The inventors of the present application have made extensive studies to achieve a dislocation density of 7 × 10 7 cm −2 or less. In order to reduce the dislocation density of the GaN-based epitaxial layer, it is effective to use a GaN substrate. However, as shown in FIG. 4 (a), a large number of polishing flaws caused by polishing after cutting are present on the surface of the conventional GaN substrate, so that a GaN-based epitaxial layer with high crystallinity is grown as it is. I can't let you. Polishing flaws can be removed by performing heat treatment in a high-temperature environment using hydrogen (H 2 ) gas or a mixed gas of nitrogen (N 2 ) gas and ammonia (NH 3 ) gas. As shown in FIG. 4B, Ga particles are present on the surface of the GaN substrate. 4A and 4B show AFM images.

ここで、Ga粒が形成されるメカニズムについて説明する。図5は、Ga粒が形成されるメカニズムを示す模式図である。GaN基板1はステージ10に載置されて熱処理に供される。NH3ガスはGaN基板1の表面への原子状窒素の供給のために用いられるが、NH3分子は化学的に安定であり、NH3分子の熱分解効率は低い。例えば、供給されたNH3分子11の一部から原子状窒素12が得られ、これがGaN基板1の表面に吸着するが、NH3分子11の一部はそのまま排出される。その一方で、高温環境下では、GaN基板1の表面からN原子13が脱離する。このため、GaN基板1の表面への原子状窒素12の供給量がN原子13の脱離量より少ない場合、GaN基板1の表面にGa原子が残り、これが凝集することでGa液滴が発生する。そして、Ga液滴が凝固するとGa粒14が形成される。また、N原子13の脱離に伴ってGaN基板1の表面にN空孔欠陥が発生する。 Here, the mechanism by which Ga grains are formed will be described. FIG. 5 is a schematic diagram showing the mechanism by which Ga grains are formed. The GaN substrate 1 is placed on the stage 10 and subjected to heat treatment. NH 3 gas is used for supplying atomic nitrogen to the surface of the GaN substrate 1, but NH 3 molecules are chemically stable, and the thermal decomposition efficiency of NH 3 molecules is low. For example, atomic nitrogen 12 is obtained from a part of the supplied NH 3 molecule 11 and is adsorbed on the surface of the GaN substrate 1, but a part of the NH 3 molecule 11 is discharged as it is. On the other hand, N atoms 13 are desorbed from the surface of the GaN substrate 1 in a high temperature environment. For this reason, when the supply amount of atomic nitrogen 12 to the surface of the GaN substrate 1 is smaller than the desorption amount of N atoms 13, Ga atoms remain on the surface of the GaN substrate 1 and aggregate to form Ga droplets. To do. When the Ga droplet is solidified, Ga particles 14 are formed. In addition, N vacancy defects are generated on the surface of the GaN substrate 1 as the N atoms 13 are desorbed.

Ga粒が残り、N空孔欠陥が存在するGaN基板上にGaN系のエピタキシャル層を成長したのでは、良好な結晶性が得られない。つまり、図6に示すように、GaN基板1の表面上にGa粒14が存在し、N空孔欠陥を高密度で含む低N領域15が存在する場合、GaN基板1に含まれる転位16が少ないとしても、GaNのエピタキシャル層2中にGa粒14又はN空孔欠陥を起点とする多数の転位17が含まれる。   If a GaN-based epitaxial layer is grown on a GaN substrate where Ga grains remain and N-vacancy defects exist, good crystallinity cannot be obtained. That is, as shown in FIG. 6, when Ga grains 14 exist on the surface of the GaN substrate 1 and there are low N regions 15 containing N vacancy defects at high density, dislocations 16 included in the GaN substrate 1 Even if few, the GaN epitaxial layer 2 contains a large number of dislocations 17 starting from Ga grains 14 or N-vacancy defects.

図7にGaN基板の表面におけるN/Ga比とエピタキシャル層の転位密度との関係を示す。N/Ga比とは、Ga原子の量を1としたときのN原子の量を示し、理想的には1である。図7に示すように、0.95のN/Ga比を境界に転位密度が大きく変化し、N/Ga比が0.95以上であれば、7×107cm-2以下の転位密度が実現可能である。 FIG. 7 shows the relationship between the N / Ga ratio on the surface of the GaN substrate and the dislocation density of the epitaxial layer. The N / Ga ratio indicates the amount of N atoms when the amount of Ga atoms is 1, and is ideally 1. As shown in FIG. 7, when the N / Ga ratio is 0.95, the dislocation density changes greatly. If the N / Ga ratio is 0.95 or more, the dislocation density is 7 × 10 7 cm −2 or less. It is feasible.

このように、表面におけるN/Ga比が0.95以上のGaN基板を用いることで、転位密度が7×107cm-2以下のエピタキシャル層が得られ、リーク電流を十分に抑制することができることが判明した。また、詳細は後述するが、研磨傷を除去するための熱処理においてプラズマ装置から原子状窒素を炉内へ供給することが、0.95以上のN/Ga比の実現に効果的であることも判明した。 Thus, by using a GaN substrate having an N / Ga ratio of 0.95 or more on the surface, an epitaxial layer having a dislocation density of 7 × 10 7 cm −2 or less can be obtained, and the leakage current can be sufficiently suppressed. It turns out that you can. Although details will be described later, supplying atomic nitrogen from the plasma apparatus into the furnace in the heat treatment for removing the polishing flaws is effective in realizing an N / Ga ratio of 0.95 or more. found.

本願発明者らは、これら新たな知見に基づき更に鋭意検討を行った結果、下記の実施形態に想到した。   As a result of further intensive studies based on these new findings, the inventors have arrived at the following embodiment.

以下、実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。   Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

(第1の実施形態)
先ず、第1の実施形態について説明する。第1の実施形態は化合物半導体エピタキシャル基板及びそれを用いたHEMTの一例に関する。図8は、第1の実施形態に係る化合物半導体エピタキシャル基板及び化合物半導体装置を示す図である。
(First embodiment)
First, the first embodiment will be described. The first embodiment relates to a compound semiconductor epitaxial substrate and an example of a HEMT using the same. FIG. 8 is a diagram illustrating the compound semiconductor epitaxial substrate and the compound semiconductor device according to the first embodiment.

図8(a)に示すように、第1の実施形態に係る化合物半導体エピタキシャル基板100には、GaNの基板101、基板101上のチャネル層104、チャネル層104上のスペーサ層105、及びスペーサ層105上のキャリア供給層106が含まれる。チャネル層104は、例えば厚さが1μm程度の、不純物の意図的なドーピングが行われていないGaN層(i−GaN層)である。スペーサ層105は、例えば厚さが1nm程度の、不純物の意図的なドーピングが行われていないAlN層(i−AlN層)である。キャリア供給層106は、例えば厚さが10nm程度の、不純物の意図的なドーピングが行われていないIn0.17Al0.83N層(i−InAlN層)である。スペーサ層105若しくはキャリア供給層106又はこれらの両方に、n型の不純物、例えばSiがドープされていてもよい。チャネル層104、スペーサ層105及びキャリア供給層106がGaN系のエピタキシャル層109に含まれる。エピタキシャル層109の転位密度が7×107cm-2以下であり、好ましくは1×105cm-2以下である。好ましくは、基板101のエピタキシャル層109側の一部におけるN/Ga比が0.95以上である。 As shown in FIG. 8A, the compound semiconductor epitaxial substrate 100 according to the first embodiment includes a GaN substrate 101, a channel layer 104 on the substrate 101, a spacer layer 105 on the channel layer 104, and a spacer layer. A carrier supply layer 106 on 105 is included. The channel layer 104 is, for example, a GaN layer (i-GaN layer) having a thickness of about 1 μm and not intentionally doped with impurities. The spacer layer 105 is, for example, an AlN layer (i-AlN layer) having a thickness of about 1 nm and not intentionally doped with impurities. The carrier supply layer 106 is, for example, an In 0.17 Al 0.83 N layer (i-InAlN layer) having a thickness of about 10 nm and not intentionally doped with impurities. The spacer layer 105 or the carrier supply layer 106 or both of them may be doped with an n-type impurity such as Si. The channel layer 104, the spacer layer 105, and the carrier supply layer 106 are included in the GaN-based epitaxial layer 109. The dislocation density of the epitaxial layer 109 is 7 × 10 7 cm −2 or less, preferably 1 × 10 5 cm −2 or less. Preferably, the N / Ga ratio in part of the substrate 101 on the epitaxial layer 109 side is 0.95 or more.

図8(b)に示すように、第1の実施形態に係る化合物半導体装置120には、化合物半導体エピタキシャル基板100、並びに化合物半導体エピタキシャル基板100上のソース電極110s、ゲート電極110g及びドレイン電極110dが含まれる。ソース電極110s及びドレイン電極110dは、例えばTi膜及びその上のAl膜を含み、化合物半導体エピタキシャル基板100とオーミック接触している。ゲート電極110gは、例えばNi膜及びその上のAu膜を含み、化合物半導体エピタキシャル基板100とショットキー接触している。   As shown in FIG. 8B, the compound semiconductor device 120 according to the first embodiment includes a compound semiconductor epitaxial substrate 100, and a source electrode 110s, a gate electrode 110g, and a drain electrode 110d on the compound semiconductor epitaxial substrate 100. included. The source electrode 110s and the drain electrode 110d include, for example, a Ti film and an Al film thereon, and are in ohmic contact with the compound semiconductor epitaxial substrate 100. The gate electrode 110g includes, for example, a Ni film and an Au film thereon, and is in Schottky contact with the compound semiconductor epitaxial substrate 100.

第1の実施形態によれば、上記の実験結果から明らかなように、リーク電流を低減することができる。   According to the first embodiment, the leakage current can be reduced as is apparent from the above experimental results.

第1の実施形態に係る化合物半導体装置120では、電流コラプスを低減することもできる。図9(a)に化合物半導体装置120のIds−Vds特性を示し、図9(b)に参考例の化合物半導体装置のIds−Vds特性を示す。参考例では、GaNの基板のエピタキシャル層側の一部におけるN/Ga比が0.95未満であり、エピタキシャル層の転位密度が7×107cm-2超である。DC測定では直流電圧測定を行い、パルス測定ではストレス印加保持バイアスから、各測定点へ電圧を瞬間的に変化させてドレイン電流を測定した。ストレス印加保持バイアスはオフストレスとし、ソース−ゲート間の電圧Vgsを−5V、ソース−ドレイン間の電圧Vdsを50Vとした。図9に示すように、化合物半導体装置120におけるDC測定の結果とパルス測定の結果との差が、参考例におけるそれよりも大幅に小さい。このことは、化合物半導体装置120において、電流コラプスが大幅に抑制されていることを意味する。電流コラプスを抑制する効果は、基板のエピタキシャル層側の一部におけるN/Ga比が0.95以上であり、エピタキシャル層との界面の近傍のN空孔欠陥の濃度が低いことにより得られる。HEMTの動作時にN空孔の欠陥準位に電子がトラップされにくくなるため、電流コラプスが抑制される。 In the compound semiconductor device 120 according to the first embodiment, the current collapse can be reduced. FIG. 9A shows the Ids-Vds characteristics of the compound semiconductor device 120, and FIG. 9B shows the Ids-Vds characteristics of the compound semiconductor device of the reference example. In the reference example, the N / Ga ratio in a part of the epitaxial layer side of the GaN substrate is less than 0.95, and the dislocation density of the epitaxial layer is more than 7 × 10 7 cm −2 . In DC measurement, DC voltage measurement was performed, and in pulse measurement, the drain current was measured by instantaneously changing the voltage from the stress application holding bias to each measurement point. The stress application holding bias was off-stress, the source-gate voltage Vgs was -5V, and the source-drain voltage Vds was 50V. As shown in FIG. 9, the difference between the DC measurement result and the pulse measurement result in the compound semiconductor device 120 is significantly smaller than that in the reference example. This means that current collapse is greatly suppressed in the compound semiconductor device 120. The effect of suppressing current collapse is obtained when the N / Ga ratio in a part of the substrate on the epitaxial layer side is 0.95 or more and the concentration of N vacancy defects in the vicinity of the interface with the epitaxial layer is low. Since electrons are not easily trapped in the defect level of the N vacancy during the operation of the HEMT, current collapse is suppressed.

図10(a)に示すように、化合物半導体エピタキシャル基板及び化合物半導体装置のいずれにおいても、キャリア供給層106上にキャップ層107が形成されていてもよい。キャップ層107は、例えば厚さが5nm程度のn型のGaN層(n−GaN層)である。GaNキャップ層が、不純物の意図的なドーピングが行われていないGaN層(i−GaN層)であってもよい。図10(b)に示すように、化合物半導体エピタキシャル基板及び化合物半導体装置のいずれにおいても、キャップ層107上に絶縁膜108が形成されていてもよい。絶縁膜108は、例えば酸化アルミニウム膜である。化合物半導体装置においては、絶縁膜108にソース電極110s用の開口部及びドレイン電極110d用の開口部が形成され、ソース電極110s及びドレイン電極110dはキャップ層107と接する。図10(c)に示すように、キャップ層107にもソース電極110s用の開口部及びドレイン電極110d用の開口部が形成され、ソース電極110s及びドレイン電極110dがキャリア供給層106と接していてもよい。   As shown in FIG. 10A, a cap layer 107 may be formed on the carrier supply layer 106 in any of the compound semiconductor epitaxial substrate and the compound semiconductor device. The cap layer 107 is an n-type GaN layer (n-GaN layer) having a thickness of about 5 nm, for example. The GaN cap layer may be a GaN layer (i-GaN layer) that is not intentionally doped with impurities. As shown in FIG. 10B, an insulating film 108 may be formed on the cap layer 107 in both the compound semiconductor epitaxial substrate and the compound semiconductor device. The insulating film 108 is, for example, an aluminum oxide film. In the compound semiconductor device, an opening for the source electrode 110 s and an opening for the drain electrode 110 d are formed in the insulating film 108, and the source electrode 110 s and the drain electrode 110 d are in contact with the cap layer 107. As shown in FIG. 10C, an opening for the source electrode 110s and an opening for the drain electrode 110d are also formed in the cap layer 107, and the source electrode 110s and the drain electrode 110d are in contact with the carrier supply layer 106. Also good.

上記のように、GaNの基板1の表面におけるN/Ga比は0.95以上であり、N原子の脱離に伴う転位の抑制のためにはN/Ga比は1.00以下で十分である。その一方で、N/Ga比が1.05超であると、HEMTを流れる電流の安定性が低下しやすい。このため、N/Ga比は1.05以下であることが好ましい。N/Ga比が1.00超であることは、基板1の表面にGa空孔欠陥が存在することを意味し、Ga空孔欠陥がアクセプタ型の点欠陥として電子を捕獲することで負にチャージアップし、HEMTの電流の安定性が低下する。   As described above, the N / Ga ratio on the surface of the substrate 1 of GaN is 0.95 or more, and the N / Ga ratio of 1.00 or less is sufficient for suppressing dislocation accompanying the desorption of N atoms. is there. On the other hand, if the N / Ga ratio is greater than 1.05, the stability of the current flowing through the HEMT tends to be reduced. For this reason, it is preferable that N / Ga ratio is 1.05 or less. An N / Ga ratio exceeding 1.00 means that Ga vacancy defects exist on the surface of the substrate 1, and the Ga vacancy defects are negatively captured by capturing electrons as acceptor-type point defects. Charge up and HEMT current stability decreases.

ここで、本願発明者らが行ったシミュレーションについて説明する。このシミュレーションでは、ソース−ゲート間の距離を1μm、ゲート長を1.5μm、ゲート−ドレイン間の距離を3μmとし、ストレス印加前のソース−ゲート間の電圧Vgsを−1V、ソース−ドレイン間の電圧Vdsを30Vとし、ストレス印加時の電圧Vgsを−10V、電圧Vdsを100Vとした。ストレス印加時間は10msecとした。ストレス印加後にストレス印加前の電圧へ戻し、1msec後の電流値をストレス印加後のドレイン電流値Idとし、ストレス印加前のドレイン電流値Id0に対する比(Id/Id0)を算出した。この結果を図11に示す。この比の値が1.0に近いほど、ドレイン電流値の変動が小さく、電流の安定性が高いことを示す。 Here, the simulation performed by the present inventors will be described. In this simulation, the source-gate distance is 1 μm, the gate length is 1.5 μm, the gate-drain distance is 3 μm, the source-gate voltage Vgs before stress application is −1 V, and the source-drain distance The voltage Vds was 30 V, the voltage Vgs at the time of applying stress was −10 V, and the voltage Vds was 100 V. The stress application time was 10 msec. The voltage was returned to the voltage before applying stress after applying stress, and the current value after 1 msec was taken as the drain current value I d after applying stress, and the ratio (I d / I d0 ) to the drain current value I d0 before applying stress was calculated. The result is shown in FIG. The closer the value of this ratio is to 1.0, the smaller the fluctuation of the drain current value and the higher the current stability.

図11に示すように、1.05のN/Ga比を境界にドレイン電流比が大きく変化し、N/Ga比が1.05以下であれば、顕著に高いドレイン電流比が得られる。N/Ga比が高いほど、Ga空孔欠陥の密度が高く、電子がGa空孔欠陥に捕獲されやすく、エピタキシャル層との界面のポテンシャルが持ち上がる。そして、Ga空孔欠陥の密度がある臨界値に達すると、界面のポテンシャルが二次元電子ガス(2DEG)まで到達し、急激にドレイン電流比が低下する。このシミュレーションの結果からすると、臨界値は1.05程度である。従って、HEMTを流れる電流の安定性の観点から、N/Ga比は1.05以下であることが好ましい。N/Ga比が1.06以上であるとドレイン電流比の変化が緩やかであるが、これは、界面のポテンシャルがある程度持ち上がると、それ以降は界面にホールが発生し、それ以上のポテンシャル変動が抑制されるためである。N/Ga比が1.00であってもドレイン電流比が1.0未満となっているが、これは、チャネル層に不可避的に5×1015cm-3程度の濃度で含まれる炭素に起因する電流コラプスのためである。 As shown in FIG. 11, the drain current ratio changes greatly with an N / Ga ratio of 1.05 as a boundary. If the N / Ga ratio is 1.05 or less, a significantly high drain current ratio can be obtained. The higher the N / Ga ratio, the higher the density of Ga vacancy defects, the more easily electrons are captured by Ga vacancy defects, and the potential at the interface with the epitaxial layer is raised. When the density of Ga vacancy defects reaches a certain critical value, the interface potential reaches the two-dimensional electron gas (2DEG), and the drain current ratio rapidly decreases. From the result of this simulation, the critical value is about 1.05. Therefore, from the viewpoint of the stability of the current flowing through the HEMT, the N / Ga ratio is preferably 1.05 or less. When the N / Ga ratio is 1.06 or more, the change in drain current ratio is gradual. However, if the potential at the interface rises to some extent, holes are generated at the interface thereafter, and the potential fluctuation further increases. This is because it is suppressed. Even if the N / Ga ratio is 1.00, the drain current ratio is less than 1.0. This is unavoidably caused by the carbon contained in the channel layer at a concentration of about 5 × 10 15 cm −3. This is due to current collapse.

次に、第1の実施形態に係る化合物半導体エピタキシャル基板及び化合物半導体装置の製造に用いる熱処理装置について説明する。図12は、熱処理装置の構成を示す模式図である。   Next, a heat treatment apparatus used for manufacturing the compound semiconductor epitaxial substrate and the compound semiconductor device according to the first embodiment will be described. FIG. 12 is a schematic diagram showing the configuration of the heat treatment apparatus.

この熱処理装置には、プラズマ発生装置30、イオントラップ40及び有機金属化学気相成長(metal organic chemical vapor deposition:MOCVD)装置50が含まれる。プラズマ発生装置30では、NH3ガスを用いて原子状窒素31を発生させる。プラズマ発生装置30として電子サイクロトロン共鳴(electron cyclotron resonance:ECR)プラズマ発生装置を用いることが好ましい。高密度でプラズマを発生することができるからである。プラズマ状態を安定化させるため、例えばアルゴン(Ar)ガス及びN2ガスを8対2の割合でプラズマ発生装置30内に導入することが好ましい。プラズマ状態が安定していれば、Arガスを導入せずN2ガスのみを導入してもよい。イオントラップ40に陰極41及び陽極42が含まれており、これらの間に数V〜数10V程度の電圧を印加することで、電荷を帯びたイオン43が除去される。原子状窒素31は電荷を帯びないため、イオントラップ40を通過する。イオントラップ40を通過した原子状窒素31はMOCVD装置50に供給される。MOCVD装置50には、H2ガス又はN2ガスとNH3ガスとの混合ガスも供給される。MOCVD装置50では、GaN基板1をステージ10に載置して熱処理を行う。例えば、熱処理の温度を約1000℃とし、時間を約10分間とする。この熱処理装置を用いることで、GaN基板1の表面に吸着する原子状窒素12の密度が飛躍的に向上し、Ga粒の発生を抑制しながらGaN基板1の表面の研磨傷を除去することできる。MOCVD装置50はチャンバの一例である。図13に、図12に示す熱処理装置を用いた熱処理後のGaN基板の表面のAFM像を示す。図13に示すように、図4(a)に観察される研磨傷及び図4(b)に観察されるGa粒は観察されない。このため、図14に示すように、GaN基板1とエピタキシャル層2との界面を起点とする転位はほとんど発生せず、GaN基板1に含まれる転位16が少なければ、エピタキシャル層2に含まれる転位も少ない。 The heat treatment apparatus includes a plasma generator 30, an ion trap 40, and a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) apparatus 50. In the plasma generator 30, atomic nitrogen 31 is generated using NH 3 gas. It is preferable to use an electron cyclotron resonance (ECR) plasma generator as the plasma generator 30. This is because plasma can be generated at a high density. In order to stabilize the plasma state, it is preferable to introduce, for example, argon (Ar) gas and N 2 gas into the plasma generator 30 at a ratio of 8 to 2. If the plasma state is stable, only N 2 gas may be introduced without introducing Ar gas. The ion trap 40 includes a cathode 41 and an anode 42. By applying a voltage of about several volts to several tens of volts between them, the charged ions 43 are removed. Since the atomic nitrogen 31 is not charged, it passes through the ion trap 40. The atomic nitrogen 31 that has passed through the ion trap 40 is supplied to the MOCVD apparatus 50. The MOCVD apparatus 50 is also supplied with a H 2 gas or a mixed gas of N 2 gas and NH 3 gas. In the MOCVD apparatus 50, the GaN substrate 1 is placed on the stage 10 and heat treatment is performed. For example, the heat treatment temperature is about 1000 ° C. and the time is about 10 minutes. By using this heat treatment apparatus, the density of the atomic nitrogen 12 adsorbed on the surface of the GaN substrate 1 is dramatically improved, and polishing scratches on the surface of the GaN substrate 1 can be removed while suppressing the generation of Ga particles. . The MOCVD apparatus 50 is an example of a chamber. FIG. 13 shows an AFM image of the surface of the GaN substrate after the heat treatment using the heat treatment apparatus shown in FIG. As shown in FIG. 13, the polishing scratches observed in FIG. 4 (a) and the Ga particles observed in FIG. 4 (b) are not observed. For this reason, as shown in FIG. 14, dislocations starting from the interface between the GaN substrate 1 and the epitaxial layer 2 hardly occur. If the dislocations 16 included in the GaN substrate 1 are small, the dislocations included in the epitaxial layer 2 are present. There are few.

次に、第1の実施形態に係る化合物半導体エピタキシャル基板及び化合物半導体装置の製造方法について説明する。図15は、第1の実施形態に係る化合物半導体エピタキシャル基板及び化合物半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。   Next, a method for manufacturing a compound semiconductor epitaxial substrate and a compound semiconductor device according to the first embodiment will be described. FIG. 15 is a cross-sectional view illustrating the compound semiconductor epitaxial substrate and the method for manufacturing the compound semiconductor device according to the first embodiment in the order of steps.

先ず、GaNの基板101を準備し、図12に示す熱処理装置を用いた熱処理により、基板101の表面に存在する研磨傷を除去する。この熱処理によれば、Ga粒の形成、及びN/Ga比が0.95未満の低N領域の形成を抑制しながら、研磨傷を除去することができる。   First, a GaN substrate 101 is prepared, and polishing scratches existing on the surface of the substrate 101 are removed by heat treatment using a heat treatment apparatus shown in FIG. According to this heat treatment, polishing flaws can be removed while suppressing the formation of Ga grains and the formation of a low N region having an N / Ga ratio of less than 0.95.

次いで、図15(a)に示すように、基板101上に、チャネル層104、スペーサ層105及びキャリア供給層106を含むエピタキシャル層109を形成する。チャネル層104、スペーサ層105及びキャリア供給層106は、例えばMOCVD法又は分子線エピタキシー(molecular beam epitaxy:MBE)法等の結晶成長法により形成することができる。原料ガスとして、例えばトリメチルアルミニウム(TMA)ガス、トリメチルガリウム(TMG)ガス、トリメチルインジウム(TMI)ガス及びアンモニア(NH3)ガスの混合ガスを用い、キャリアガスとして窒素(N2)ガスを用いる。形成しようとする化合物半導体層に応じて、TMAガス、TMGガス及びTMIガスの供給の有無並びに流量を適宜設定する。NH3ガスの供給量は、例えば100ccm(cubic centimeter per minute)〜10Lm(liter per minute)程度とする。成長圧力は50Torr〜300Torr程度とし、成長温度は1000℃〜1200℃程度とする。 Next, as shown in FIG. 15A, an epitaxial layer 109 including a channel layer 104, a spacer layer 105, and a carrier supply layer 106 is formed on the substrate 101. The channel layer 104, the spacer layer 105, and the carrier supply layer 106 can be formed by a crystal growth method such as an MOCVD method or a molecular beam epitaxy (MBE) method. For example, a mixed gas of trimethylaluminum (TMA) gas, trimethylgallium (TMG) gas, trimethylindium (TMI) gas, and ammonia (NH 3 ) gas is used as the source gas, and nitrogen (N 2 ) gas is used as the carrier gas. The presence / absence of supply of TMA gas, TMG gas, and TMI gas and the flow rate are appropriately set according to the compound semiconductor layer to be formed. The supply amount of NH 3 gas is, for example, about 100 ccm (cubic centimeter per minute) to 10 Lm (liter per minute). The growth pressure is about 50 Torr to 300 Torr, and the growth temperature is about 1000 ° C. to 1200 ° C.

このようにして第1の実施形態に係る化合物半導体エピタキシャル基板100を製造することができる。図12に示す熱処理装置を用いた熱処理が行われた後にエピタキシャル層109が形成されているため、エピタキシャル層109の転位密度は7×107cm-2以下である。 In this way, the compound semiconductor epitaxial substrate 100 according to the first embodiment can be manufactured. Since the epitaxial layer 109 is formed after the heat treatment using the heat treatment apparatus shown in FIG. 12, the dislocation density of the epitaxial layer 109 is 7 × 10 7 cm −2 or less.

チャネル層104の下部にFe又はCをドーピングしてもよい。Fe又はCがドーピングされた部分では、ポテンシャルが持ち上がり、電子の回り込みを抑制することができる。チャネル層104の上部に不純物がドーピングされていると、電流コラプスが生じやすい。このため、チャネル層104の形成初期にFe又はCをドーピングし、その後、ドーピングを停止してもよい。   The channel layer 104 may be doped with Fe or C. In the portion doped with Fe or C, the potential is raised and the wraparound of electrons can be suppressed. When impurities are doped on the channel layer 104, current collapse is likely to occur. For this reason, Fe or C may be doped at the initial stage of formation of the channel layer 104, and then doping may be stopped.

低圧力若しくは低V/III比又はこれらの両方でGaN層を形成すると、横方向に成長しやすいため、高い平坦性を得やすい。このため、チャネル層104の形成初期は、チャンバ内の圧力及び原料ガスのV/III比を低めにし、その後に、チャンバ内の圧力及び原料ガスのV/III比を上げてもよい。   When a GaN layer is formed at a low pressure or a low V / III ratio or both, it is easy to grow in the lateral direction, and thus high flatness is easily obtained. Therefore, at the initial stage of formation of the channel layer 104, the pressure in the chamber and the V / III ratio of the source gas may be lowered, and then the pressure in the chamber and the V / III ratio of the source gas may be increased.

化合物半導体装置を製造する場合は、化合物半導体エピタキシャル基板100に素子領域を画定する素子分離領域を形成する。素子分離領域の形成では、例えば、素子分離領域を形成する予定の領域を露出するフォトレジストのパターンをキャリア供給層106上に形成し、このパターンをマスクとしてAr等のイオン注入を行う。このパターンをエッチングマスクとして塩素系ガスを用いたドライエッチングを行ってもよい。その後、素子領域内において、図15(b)に示すように、キャリア供給層106上にソース電極110s及びドレイン電極110dを形成する。ソース電極110s及びドレイン電極110dは、例えばリフトオフ法により形成することができる。すなわち、ソース電極110sを形成する予定の領域及びドレイン電極110dを形成する予定の領域を露出し、他の領域を覆うフォトレジストのパターンを形成し、このパターンを成長マスクとして蒸着法により金属膜を形成し、このパターンをその上の金属膜と共に除去する。金属膜の形成では、例えば、厚さが100nm程度のTi膜を形成し、その上に厚さが300nm程度のAl膜を形成する。次いで、例えば、N2ガス雰囲気中にて400℃〜800℃(例えば600℃)で、急速加熱処理(rapid thermal annealing:RTA)等の熱処理を行い、オーミック接触を得る。更に、図15(c)に示すように、ソース電極110s及びドレイン電極110dの間において、キャリア供給層106上にゲート電極110gを形成する。ゲート電極110gは、例えばリフトオフ法により形成することができる。すなわち、ゲート電極110gを形成する予定の領域を露出するフォトレジストのパターンを形成し、このパターンを成長マスクとして蒸着法により金属膜を形成し、このパターンをその上の金属膜と共に除去する。金属膜の形成では、例えば、厚さが50nm程度のNi膜を形成し、その上に厚さが300nm程度のAu膜を形成する。 When manufacturing a compound semiconductor device, an element isolation region that defines an element region is formed in the compound semiconductor epitaxial substrate 100. In the formation of the element isolation region, for example, a photoresist pattern exposing the region where the element isolation region is to be formed is formed on the carrier supply layer 106, and ion implantation of Ar or the like is performed using this pattern as a mask. Dry etching using a chlorine-based gas may be performed using this pattern as an etching mask. Thereafter, in the element region, as illustrated in FIG. 15B, the source electrode 110 s and the drain electrode 110 d are formed on the carrier supply layer 106. The source electrode 110s and the drain electrode 110d can be formed by, for example, a lift-off method. That is, a region where the source electrode 110s is to be formed and a region where the drain electrode 110d is to be formed are exposed, and a photoresist pattern covering the other region is formed. Then, the pattern is removed together with the metal film thereon. In the formation of the metal film, for example, a Ti film having a thickness of about 100 nm is formed, and an Al film having a thickness of about 300 nm is formed thereon. Next, for example, heat treatment such as rapid thermal annealing (RTA) is performed at 400 ° C. to 800 ° C. (for example, 600 ° C.) in an N 2 gas atmosphere to obtain ohmic contact. Further, as shown in FIG. 15C, a gate electrode 110g is formed on the carrier supply layer 106 between the source electrode 110s and the drain electrode 110d. The gate electrode 110g can be formed by, for example, a lift-off method. That is, a photoresist pattern exposing a region where the gate electrode 110g is to be formed is formed, a metal film is formed by vapor deposition using this pattern as a growth mask, and this pattern is removed together with the metal film thereon. In the formation of the metal film, for example, a Ni film having a thickness of about 50 nm is formed, and an Au film having a thickness of about 300 nm is formed thereon.

そして、必要に応じて保護膜及び配線等を形成して、化合物半導体装置を完成させる。   And a protective film, wiring, etc. are formed as needed and a compound semiconductor device is completed.

図16(a)に示すように、エピタキシャル層109は、Fe、Mg若しくはC又はこれらの任意の組み合わせがドーピングされたドーピング層201をチャネル層104より下方に含むことが好ましい。基板101が導電性であったとしても、オフリークを低減することができるからである。   As shown in FIG. 16A, the epitaxial layer 109 preferably includes a doping layer 201 doped with Fe, Mg, C, or any combination thereof below the channel layer 104. This is because even if the substrate 101 is conductive, off-leakage can be reduced.

基板101の熱処理では、MOCVD装置50内にTMIも供給することが好ましい。Inの表面マイグレーション長はGaのそれより長いため、TMIの供給によりサーファクタント効果が得られ、より優れた平坦性が得られる。InとNとの結合は弱く、1000℃程度の高温環境下ではInN膜は実質的に成長しないが、図16(b)に示すように、微量のIn202がGaN基板上に偏析して残存し得る。   In the heat treatment of the substrate 101, it is preferable to supply TMI into the MOCVD apparatus 50. Since the surface migration length of In is longer than that of Ga, the surfactant effect can be obtained by supplying TMI, and more excellent flatness can be obtained. The bond between In and N is weak, and the InN film does not substantially grow under a high temperature environment of about 1000 ° C., but a small amount of In202 remains segregated on the GaN substrate as shown in FIG. obtain.

基板101の熱処理では、MOCVD装置50内にTMAも供給することが好ましい。AlとNとの結合は強いため、図16(c)に示すように、TMAの供給により基板101の表面上にAl及びNを含むAlN含有層203が形成され、このAlN含有層203がGaNの基板101の表面からのN原子の脱離を抑制する。このため、Ga液滴の発生が抑制され、Ga粒の形成が抑制される。このようにして形成された化合物半導体エピタキシャル基板には、基板101上のAlN含有層203が含まれる。   It is preferable to supply TMA into the MOCVD apparatus 50 for the heat treatment of the substrate 101. Since the bond between Al and N is strong, as shown in FIG. 16C, an AlN-containing layer 203 containing Al and N is formed on the surface of the substrate 101 by supplying TMA, and the AlN-containing layer 203 is formed of GaN. Detachment of N atoms from the surface of the substrate 101 is suppressed. For this reason, generation | occurrence | production of Ga droplet is suppressed and formation of Ga particle is suppressed. The compound semiconductor epitaxial substrate formed in this way includes the AlN-containing layer 203 on the substrate 101.

(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について説明する。第2の実施形態は、HEMTのディスクリートパッケージに関する。図17は、第2の実施形態に係るディスクリートパッケージを示す図である。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. The second embodiment relates to a HEMT discrete package. FIG. 17 is a diagram illustrating a discrete package according to the second embodiment.

第2の実施形態では、図17に示すように、第1の実施形態のHEMTのHEMTチップ1210の裏面がはんだ等のダイアタッチ剤1234を用いてランド(ダイパッド)1233に固定されている。また、ドレイン電極110dが接続されたドレインパッド1226dに、Alワイヤ等のワイヤ1235dが接続され、ワイヤ1235dの他端が、ランド1233と一体化しているドレインリード1232dに接続されている。ソース電極110sに接続されたソースパッド1226sにAlワイヤ等のワイヤ1235sが接続され、ワイヤ1235sの他端がランド1233から独立したソースリード1232sに接続されている。ゲート電極110gに接続されたゲートパッド1226gにAlワイヤ等のワイヤ1235gが接続され、ワイヤ1235gの他端がランド1233から独立したゲートリード1232gに接続されている。そして、ゲートリード1232gの一部、ドレインリード1232dの一部及びソースリード1232sの一部が突出するようにして、ランド1233及びHEMTチップ1210等がモールド樹脂1231によりパッケージングされている。   In the second embodiment, as shown in FIG. 17, the back surface of the HEMT chip 1210 of the HEMT of the first embodiment is fixed to a land (die pad) 1233 using a die attach agent 1234 such as solder. A wire 1235d such as an Al wire is connected to the drain pad 1226d to which the drain electrode 110d is connected, and the other end of the wire 1235d is connected to a drain lead 1232d integrated with the land 1233. A wire 1235 s such as an Al wire is connected to the source pad 1226 s connected to the source electrode 110 s, and the other end of the wire 1235 s is connected to a source lead 1232 s independent of the land 1233. A wire 1235g such as an Al wire is connected to the gate pad 1226g connected to the gate electrode 110g, and the other end of the wire 1235g is connected to a gate lead 1232g independent of the land 1233. The land 1233, the HEMT chip 1210, and the like are packaged with the mold resin 1231 so that a part of the gate lead 1232g, a part of the drain lead 1232d, and a part of the source lead 1232s protrude.

このようなディスクリートパッケージは、例えば、次のようにして製造することができる。先ず、HEMTチップ1210をはんだ等のダイアタッチ剤1234を用いてリードフレームのランド1233に固定する。次いで、ワイヤ1235g、1235d及び1235sを用いたボンディングにより、ゲートパッド1226gをリードフレームのゲートリード1232gに接続し、ドレインパッド1226dをリードフレームのドレインリード1232dに接続し、ソースパッド1226sをリードフレームのソースリード1232sに接続する。その後、トランスファーモールド法にてモールド樹脂1231を用いた封止を行う。続いて、リードフレームを切り離す。   Such a discrete package can be manufactured as follows, for example. First, the HEMT chip 1210 is fixed to the land 1233 of the lead frame using a die attach agent 1234 such as solder. Next, by bonding using wires 1235g, 1235d, and 1235s, the gate pad 1226g is connected to the gate lead 1232g of the lead frame, the drain pad 1226d is connected to the drain lead 1232d of the lead frame, and the source pad 1226s is connected to the source of the lead frame. Connect to lead 1232s. Thereafter, sealing using a mold resin 1231 is performed by a transfer molding method. Subsequently, the lead frame is separated.

(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態について説明する。第3の実施形態は、HEMTを備えたPFC(Power Factor Correction)回路に関する。図18は、第3の実施形態に係るPFC回路を示す結線図である。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described. The third embodiment relates to a PFC (Power Factor Correction) circuit including a HEMT. FIG. 18 is a connection diagram illustrating a PFC circuit according to the third embodiment.

PFC回路1250には、スイッチ素子(トランジスタ)1251、ダイオード1252、チョークコイル1253、コンデンサ1254及び1255、ダイオードブリッジ1256、並びに交流電源(AC)1257が設けられている。そして、スイッチ素子1251のドレイン電極と、ダイオード1252のアノード端子及びチョークコイル1253の一端子とが接続されている。スイッチ素子1251のソース電極と、コンデンサ1254の一端子及びコンデンサ1255の一端子とが接続されている。コンデンサ1254の他端子とチョークコイル1253の他端子とが接続されている。コンデンサ1255の他端子とダイオード1252のカソード端子とが接続されている。また、スイッチ素子1251のゲート電極にはゲートドライバが接続されている。コンデンサ1254の両端子間には、ダイオードブリッジ1256を介してAC1257が接続される。コンデンサ1255の両端子間には、直流電源(DC)が接続される。そして、本実施形態では、スイッチ素子1251に、第1の実施形態のHEMTが用いられている。   The PFC circuit 1250 is provided with a switch element (transistor) 1251, a diode 1252, a choke coil 1253, capacitors 1254 and 1255, a diode bridge 1256, and an AC power supply (AC) 1257. The drain electrode of the switch element 1251 is connected to the anode terminal of the diode 1252 and one terminal of the choke coil 1253. A source electrode of the switch element 1251 is connected to one terminal of the capacitor 1254 and one terminal of the capacitor 1255. The other terminal of the capacitor 1254 and the other terminal of the choke coil 1253 are connected. The other terminal of the capacitor 1255 and the cathode terminal of the diode 1252 are connected. A gate driver is connected to the gate electrode of the switch element 1251. An AC 1257 is connected between both terminals of the capacitor 1254 via a diode bridge 1256. A direct current power supply (DC) is connected between both terminals of the capacitor 1255. In this embodiment, the HEMT of the first embodiment is used for the switch element 1251.

PFC回路1250の製造に際しては、例えば、はんだ等を用いて、スイッチ素子1251をダイオード1252及びチョークコイル1253等に接続する。   In manufacturing the PFC circuit 1250, the switch element 1251 is connected to the diode 1252, the choke coil 1253, and the like using, for example, solder.

(第4の実施形態)
次に、第4の実施形態について説明する。第4の実施形態は、HEMTを備えた電源装置に関する。図19は、第4の実施形態に係る電源装置を示す結線図である。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described. The fourth embodiment relates to a power supply device including a HEMT. FIG. 19 is a connection diagram illustrating a power supply device according to the fourth embodiment.

電源装置には、高圧の一次側回路1261及び低圧の二次側回路1262、並びに一次側回路1261と二次側回路1262との間に配設されるトランス1263が設けられている。   The power supply device is provided with a high-voltage primary circuit 1261 and a low-voltage secondary circuit 1262, and a transformer 1263 disposed between the primary circuit 1261 and the secondary circuit 1262.

一次側回路1261には、第3の実施形態に係るPFC回路1250、及びPFC回路1250のコンデンサ1255の両端子間に接続されたインバータ回路、例えばフルブリッジインバータ回路1260が設けられている。フルブリッジインバータ回路1260には、複数(ここでは4つ)のスイッチ素子1264a、1264b、1264c及び1264dが設けられている。   The primary circuit 1261 is provided with an inverter circuit connected between both terminals of the PFC circuit 1250 according to the third embodiment and the capacitor 1255 of the PFC circuit 1250, for example, a full bridge inverter circuit 1260. The full bridge inverter circuit 1260 is provided with a plurality (here, four) of switch elements 1264a, 1264b, 1264c, and 1264d.

二次側回路1262には、複数(ここでは3つ)のスイッチ素子1265a、1265b及び1265cが設けられている。   The secondary side circuit 1262 is provided with a plurality (three in this case) of switch elements 1265a, 1265b, and 1265c.

本実施形態では、一次側回路1261を構成するPFC回路1250のスイッチ素子1251、並びにフルブリッジインバータ回路1260のスイッチ素子1264a、1264b、1264c及び1264dに、第1の実施形態のHEMTが用いられている。一方、二次側回路1262のスイッチ素子1265a、1265b及び1265cには、シリコンを用いた通常のMIS型FET(電界効果トランジスタ)が用いられている。   In the present embodiment, the HEMT of the first embodiment is used for the switch element 1251 of the PFC circuit 1250 and the switch elements 1264a, 1264b, 1264c, and 1264d of the full bridge inverter circuit 1260 that constitute the primary circuit 1261. . On the other hand, normal MIS type FETs (field effect transistors) using silicon are used for the switch elements 1265a, 1265b, and 1265c of the secondary side circuit 1262.

(第5の実施形態)
次に、第5の実施形態について説明する。第5の実施形態は、HEMTを備えた増幅器に関する。図20は、第5の実施形態に係る増幅器を示す結線図である。
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment will be described. The fifth embodiment relates to an amplifier including a HEMT. FIG. 20 is a connection diagram illustrating an amplifier according to the fifth embodiment.

増幅器には、ディジタル・プレディストーション回路1271、ミキサー1272a及び1272b、並びにパワーアンプ1273が設けられている。   The amplifier is provided with a digital predistortion circuit 1271, mixers 1272a and 1272b, and a power amplifier 1273.

ディジタル・プレディストーション回路1271は、入力信号の非線形歪みを補償する。ミキサー1272aは、非線形歪みが補償された入力信号と交流信号とをミキシングする。パワーアンプ1273は、第1の実施形態のHEMTを備えており、交流信号とミキシングされた入力信号を増幅する。なお、本実施形態では、例えば、スイッチの切り替えにより、出力側の信号をミキサー1272bで交流信号とミキシングしてディジタル・プレディストーション回路1271に送出できる。この増幅器は、高周波増幅器、高出力増幅器として使用することができる。高周波増幅器は、例えば、携帯電話基地局用送受信装置、レーダー装置及びマイクロ波発生装置に用いることができる。   The digital predistortion circuit 1271 compensates for nonlinear distortion of the input signal. The mixer 1272a mixes the input signal compensated for nonlinear distortion and the AC signal. The power amplifier 1273 includes the HEMT according to the first embodiment, and amplifies the input signal mixed with the AC signal. In the present embodiment, for example, by switching the switch, the signal on the output side can be mixed with the AC signal by the mixer 1272b and sent to the digital predistortion circuit 1271. This amplifier can be used as a high-frequency amplifier or a high-power amplifier. The high-frequency amplifier can be used in, for example, a mobile phone base station transceiver device, a radar device, and a microwave generator.

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。   Hereinafter, various aspects of the present invention will be collectively described as supplementary notes.

(付記1)
GaNの基板と、
前記基板上のGaN系のエピタキシャル層と、
を有し、
前記エピタキシャル層の転位密度が7×107cm-2以下であることを特徴とする化合物半導体エピタキシャル基板。
(Appendix 1)
A GaN substrate;
A GaN-based epitaxial layer on the substrate;
Have
A compound semiconductor epitaxial substrate, wherein the dislocation density of the epitaxial layer is 7 × 10 7 cm −2 or less.

(付記2)
前記基板の前記エピタキシャル層側の一部におけるN/Ga比が0.95以上であることを特徴とする、付記1に記載の化合物半導体エピタキシャル基板。
(Appendix 2)
The compound semiconductor epitaxial substrate according to appendix 1, wherein an N / Ga ratio in a part of the substrate on the epitaxial layer side is 0.95 or more.

(付記3)
前記エピタキシャル層はチャネル層及びキャリア供給層を有することを特徴とする付記1又は2に記載の化合物半導体エピタキシャル基板。
(Appendix 3)
The compound semiconductor epitaxial substrate according to appendix 1 or 2, wherein the epitaxial layer includes a channel layer and a carrier supply layer.

(付記4)
前記エピタキシャル層は、前記チャネル層と前記基板との間に、Fe、Mg若しくはC又はこれらの任意の組み合わせがドーピングされた層を有することを特徴とする付記3に記載の化合物半導体エピタキシャル基板。
(Appendix 4)
The compound semiconductor epitaxial substrate according to appendix 3, wherein the epitaxial layer has a layer doped with Fe, Mg, C, or any combination thereof between the channel layer and the substrate.

(付記5)
前記基板上にInが偏析していることを特徴とする付記1乃至4のいずれか1項に記載の化合物半導体エピタキシャル基板。
(Appendix 5)
The compound semiconductor epitaxial substrate according to any one of appendices 1 to 4, wherein In is segregated on the substrate.

(付記6)
前記基板上にAl及びNを含む層を有することを特徴とする付記1乃至4のいずれか1項に記載の化合物半導体エピタキシャル基板。
(Appendix 6)
5. The compound semiconductor epitaxial substrate according to any one of appendices 1 to 4, further comprising a layer containing Al and N on the substrate.

(付記7)
前記基板の前記エピタキシャル層側の一部におけるN/Ga比が0.95以上1.05以下であることを特徴とする付記1乃至6のいずれか1項に記載の化合物半導体エピタキシャル基板。
(Appendix 7)
The compound semiconductor epitaxial substrate according to any one of appendices 1 to 6, wherein an N / Ga ratio in a part of the substrate on the epitaxial layer side is 0.95 or more and 1.05 or less.

(付記8)
付記1乃至7のいずれか1項に記載の化合物半導体エピタキシャル基板と、
前記化合物半導体エピタキシャル基板上方のソース電極、ゲート電極及びドレイン電極と、
を有することを特徴とする化合物半導体装置。
(Appendix 8)
The compound semiconductor epitaxial substrate according to any one of appendices 1 to 7,
A source electrode, a gate electrode and a drain electrode above the compound semiconductor epitaxial substrate;
A compound semiconductor device comprising:

(付記9)
付記8に記載の化合物半導体装置を有することを特徴とする電源装置。
(Appendix 9)
A power supply device comprising the compound semiconductor device according to appendix 8.

(付記10)
付記8に記載の化合物半導体装置を有することを特徴とする増幅器。
(Appendix 10)
An amplifier comprising the compound semiconductor device according to appendix 8.

(付記11)
チャンバ内でGaNの基板の表面の熱処理を行う工程と、
前記基板上にGaN系のエピタキシャル層を形成する工程と、
を有し、
前記熱処理を行う工程は、
前記チャンバの外部で原子状窒素を発生させる工程と、
前記原子状窒素を前記チャンバ内に供給する工程と、
を有することを特徴とする化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法。
(Appendix 11)
Heat treating the surface of the GaN substrate in the chamber;
Forming a GaN-based epitaxial layer on the substrate;
Have
The step of performing the heat treatment includes
Generating atomic nitrogen outside the chamber;
Supplying the atomic nitrogen into the chamber;
A method for producing a compound semiconductor epitaxial substrate, comprising:

(付記12)
前記エピタキシャル層を形成する工程はチャネル層及びキャリア供給層を形成する工程を有することを特徴とする付記11に記載の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法。
(Appendix 12)
The method of manufacturing a compound semiconductor epitaxial substrate according to appendix 11, wherein the step of forming the epitaxial layer includes a step of forming a channel layer and a carrier supply layer.

(付記13)
前記エピタキシャル層を形成する工程は、前記チャネル層と前記基板との間に、Fe、Mg若しくはC又はこれらの任意の組み合わせがドーピングされた層を形成する工程を有することを特徴とする付記12に記載の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法。
(Appendix 13)
The step of forming the epitaxial layer includes a step of forming a layer doped with Fe, Mg, C, or any combination thereof between the channel layer and the substrate. The manufacturing method of the compound semiconductor epitaxial substrate of description.

(付記14)
前記原子状窒素を前記チャンバ内に供給する工程において、Inの原料も前記チャンバ内に供給することを特徴とする付記11乃至13のいずれか1項に記載の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法。
(Appendix 14)
14. The method of manufacturing a compound semiconductor epitaxial substrate according to any one of appendices 11 to 13, wherein in the step of supplying the atomic nitrogen into the chamber, an In raw material is also supplied into the chamber.

(付記15)
前記原子状窒素を前記チャンバ内に供給する工程において、Alの原料も前記チャンバ内に供給することを特徴とする付記11乃至13のいずれか1項に記載の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法。
(Appendix 15)
14. The method of manufacturing a compound semiconductor epitaxial substrate according to any one of appendices 11 to 13, wherein in the step of supplying the atomic nitrogen into the chamber, an Al raw material is also supplied into the chamber.

(付記16)
付記11乃至15のいずれか1項に記載の方法で化合物半導体エピタキシャル基板を製造する工程と、
前記化合物半導体エピタキシャル基板上方にソース電極、ゲート電極及びドレイン電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
(Appendix 16)
A step of manufacturing a compound semiconductor epitaxial substrate by the method according to any one of appendices 11 to 15,
Forming a source electrode, a gate electrode and a drain electrode above the compound semiconductor epitaxial substrate;
A method for producing a compound semiconductor device, comprising:

30:プラズマ発生装置
31:原子状窒素
40:イオントラップ
50:MOCVD装置
100:化合物半導体エピタキシャル基板
101:基板
104:チャネル層
105:スペーサ層
106:キャリア供給層
107:キャップ層
108:絶縁膜
109:エピタキシャル層
110s:ソース電極
110d:ドレイン電極
110g:ゲート電極
120:化合物半導体装置
30: Plasma generator 31: Atomic nitrogen 40: Ion trap 50: MOCVD apparatus 100: Compound semiconductor epitaxial substrate 101: Substrate 104: Channel layer 105: Spacer layer 106: Carrier supply layer 107: Cap layer 108: Insulating film 109: Epitaxial layer 110s: source electrode 110d: drain electrode 110g: gate electrode 120: compound semiconductor device

Claims (10)

GaNの基板と、
前記基板上のGaN系のエピタキシャル層と、
を有し、
前記エピタキシャル層の転位密度が7×107cm-2以下であることを特徴とする化合物半導体エピタキシャル基板。
A GaN substrate;
A GaN-based epitaxial layer on the substrate;
Have
A compound semiconductor epitaxial substrate, wherein the dislocation density of the epitaxial layer is 7 × 10 7 cm −2 or less.
前記基板の前記エピタキシャル層側の一部におけるN/Ga比が0.95以上であることを特徴とする、請求項1に記載の化合物半導体エピタキシャル基板。   2. The compound semiconductor epitaxial substrate according to claim 1, wherein an N / Ga ratio in a part of the substrate on the epitaxial layer side is 0.95 or more. 前記エピタキシャル層はチャネル層及びキャリア供給層を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の化合物半導体エピタキシャル基板。   The compound semiconductor epitaxial substrate according to claim 1, wherein the epitaxial layer includes a channel layer and a carrier supply layer. 前記エピタキシャル層は、前記チャネル層と前記基板との間に、Fe、Mg若しくはC又はこれらの任意の組み合わせがドーピングされた層を有することを特徴とする請求項3に記載の化合物半導体エピタキシャル基板。   4. The compound semiconductor epitaxial substrate according to claim 3, wherein the epitaxial layer includes a layer doped with Fe, Mg, C, or any combination thereof between the channel layer and the substrate. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の化合物半導体エピタキシャル基板と、
前記化合物半導体エピタキシャル基板上方のソース電極、ゲート電極及びドレイン電極と、
を有することを特徴とする化合物半導体装置。
The compound semiconductor epitaxial substrate according to any one of claims 1 to 4,
A source electrode, a gate electrode and a drain electrode above the compound semiconductor epitaxial substrate;
A compound semiconductor device comprising:
請求項5に記載の化合物半導体装置を有することを特徴とする電源装置。   A power supply device comprising the compound semiconductor device according to claim 5. 請求項5に記載の化合物半導体装置を有することを特徴とする増幅器。   An amplifier comprising the compound semiconductor device according to claim 5. チャンバ内でGaNの基板の表面の熱処理を行う工程と、
前記基板上にGaN系のエピタキシャル層を形成する工程と、
を有し、
前記熱処理を行う工程は、
前記チャンバの外部で原子状窒素を発生させる工程と、
前記原子状窒素を前記チャンバ内に供給する工程と、
を有することを特徴とする化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法。
Heat treating the surface of the GaN substrate in the chamber;
Forming a GaN-based epitaxial layer on the substrate;
Have
The step of performing the heat treatment includes
Generating atomic nitrogen outside the chamber;
Supplying the atomic nitrogen into the chamber;
A method for producing a compound semiconductor epitaxial substrate, comprising:
前記エピタキシャル層を形成する工程はチャネル層及びキャリア供給層を形成する工程を有することを特徴とする請求項8に記載の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法。   9. The method of manufacturing a compound semiconductor epitaxial substrate according to claim 8, wherein the step of forming the epitaxial layer includes a step of forming a channel layer and a carrier supply layer. 請求項8又は9に記載の方法で化合物半導体エピタキシャル基板を製造する工程と、
前記化合物半導体エピタキシャル基板上方にソース電極、ゲート電極及びドレイン電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
Producing a compound semiconductor epitaxial substrate by the method according to claim 8 or 9,
Forming a source electrode, a gate electrode and a drain electrode above the compound semiconductor epitaxial substrate;
A method for producing a compound semiconductor device, comprising:
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