JP2020167275A - Semiconductor device, manufacturing method of semiconductor device and electronic device - Google Patents

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Abstract

To realize a semiconductor device having excellent characteristics by using a nitride semiconductor.SOLUTION: A semiconductor device 10A includes a channel layer 11 using a nitride semiconductor, and a barrier layer 12 thereon. On the barrier layer 12, a gate electrode 15, a source electrode 16 and a drain electrode 17 are provided. In a region above the barrier layer 12 where the gate electrode 15 is provided, a cap structure 14 having a cap layer 14a using InGaN, and a cap layer 14b provided thereon and using GaN is provided. In the cap structure 14, the surface of InGaN is protected by GaN, and damage on InGaN, and generation of leakage current resulting therefrom are restrained. By piezo polarization generated in the InGaN on the barrier layer 12, damage on which is restrained, concentration of 2DEG13 of the channel layer 11 below the gate electrode 15 is lowered, and normally-off is achieved.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、半導体装置、半導体装置の製造方法及び電子装置に関する。 The present invention relates to semiconductor devices, methods for manufacturing semiconductor devices, and electronic devices.

半導体材料として窒化物半導体を用いた半導体装置が知られている。例えば、ガリウムナイトライド(GaN)を用いたチャネル層上に、アルミニウムガリウムナイトライド(AlGaN)を用いたバリア層を設け、チャネル層に二次元電子ガスを生成する半導体装置が知られている。このような半導体装置に関し、例えば、バリア層上にそのバリア層に対して所定の応力を与える絶縁体のパッシベーション膜を設ける技術が知られている。このほか、バリア層上にp型GaN等のキャップ層を設ける技術、バリア層上にインジウムガリウムナイトライド(InGaN)のキャップ層を設ける技術が知られている。 A semiconductor device using a nitride semiconductor as a semiconductor material is known. For example, a semiconductor device is known in which a barrier layer using aluminum gallium nitride (AlGaN) is provided on a channel layer using gallium nitride (GaN), and a two-dimensional electron gas is generated in the channel layer. Regarding such a semiconductor device, for example, a technique is known in which a passivation film of an insulator that applies a predetermined stress to the barrier layer is provided on the barrier layer. In addition, a technique of providing a cap layer such as p-type GaN on the barrier layer and a technique of providing an indium gallium nitride (InGaN) cap layer on the barrier layer are known.

特開2009−267155号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2009-267155 特開2015−173151号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-173151 特開2009−32713号公報JP-A-2009-32713

IEEEエレクトロンデバイスレターズ(IEEE Electron Device Letters)、2007年7月、第28巻、第7号、p.549〜551IEEE Electron Device Letters, July 2007, Vol. 28, No. 7, p. 549-551

窒化物半導体を用いる上記のような半導体装置では、バリア層上に設けられる絶縁体のパッシベーション膜、p型GaN等やInGaNのキャップ層により、チャネル層に生成される二次元電子ガスの濃度が変調される。これを利用し、チャネル層に生成される二次元電子ガスの濃度を部分的に変調し、半導体装置の特性を高める試みもなされている。しかし、絶縁体のパッシベーション膜では、変調効果が小さく、十分な特性の半導体装置が得られない場合がある。p型GaN等のキャップ層では、それに含まれるp型不純物の他層への拡散によって、また、InGaNのキャップ層では、それ自体の熱等によるダメージによって、半導体装置の特性の劣化を招く場合がある。 In the above-mentioned semiconductor device using a nitride semiconductor, the concentration of the two-dimensional electron gas generated in the channel layer is modulated by the passivation film of the insulator provided on the barrier layer, the p-type GaN, and the cap layer of InGaN. Will be done. Attempts have also been made to utilize this to partially modulate the concentration of two-dimensional electron gas generated in the channel layer to enhance the characteristics of the semiconductor device. However, with the passivation film of an insulator, the modulation effect is small, and a semiconductor device having sufficient characteristics may not be obtained. In the cap layer such as p-type GaN, the diffusion of p-type impurities contained therein to other layers, and in the cap layer of InGaN itself, damage due to heat or the like may cause deterioration of the characteristics of the semiconductor device. is there.

1つの側面では、本発明は、窒化物半導体を用い、優れた特性を有する半導体装置を実現することを目的とする。 In one aspect, it is an object of the present invention to use a nitride semiconductor to realize a semiconductor device having excellent characteristics.

1つの態様では、第1窒化物半導体を含有するチャネル層と、前記チャネル層上に設けられ、第2窒化物半導体を含有するバリア層と、前記バリア層上の第1領域に設けられたキャップ構造とを含み、前記キャップ構造は、InGa1−xN(0<x<1)を含有する第1層と、前記第1層上に設けられ、GaNを含有する第2層とを有する半導体装置が提供される。 In one embodiment, a channel layer containing a first nitride semiconductor, a barrier layer provided on the channel layer and containing a second nitride semiconductor, and a cap provided in a first region on the barrier layer. The cap structure includes a first layer containing In x Ga 1-x N (0 <x <1) and a second layer provided on the first layer and containing GaN. The semiconductor device to have is provided.

また、1つの態様では、上記のような半導体装置の製造方法、上記のような半導体装置を備える電子装置が提供される。 Further, in one aspect, a method for manufacturing a semiconductor device as described above and an electronic device including the semiconductor device as described above are provided.

1つの側面では、窒化物半導体を用い、優れた特性を有する半導体装置を実現することが可能になる。 On one aspect, it becomes possible to realize a semiconductor device having excellent characteristics by using a nitride semiconductor.

半導体装置の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the semiconductor device. 第1の実施の形態に係る半導体装置の一例について説明する図である。It is a figure explaining an example of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係る半導体装置の一例のエネルギーバンド構造について説明する図である。It is a figure explaining the energy band structure of an example of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係る半導体装置の変形例について説明する図である。It is a figure explaining the modification of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment. 第2の実施の形態に係る半導体装置の一例について説明する図である。It is a figure explaining an example of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施の形態に係る半導体装置の第1の変形例について説明する図である。It is a figure explaining the 1st modification of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施の形態に係る半導体装置の第2の変形例について説明する図である。It is a figure explaining the 2nd modification of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施の形態に係る半導体装置の一例について説明する図である。It is a figure explaining an example of the semiconductor device which concerns on 3rd Embodiment. 第4の実施の形態に係る半導体装置の一例について説明する図である。It is a figure explaining an example of the semiconductor device which concerns on 4th Embodiment. 第4の実施の形態に係る半導体装置の形成方法の一例について説明する図(その1)である。It is a figure (the 1) explaining an example of the forming method of the semiconductor device which concerns on 4th Embodiment. 第4の実施の形態に係る半導体装置の形成方法の一例について説明する図(その2)である。It is a figure (the 2) explaining an example of the forming method of the semiconductor device which concerns on 4th Embodiment. 第4の実施の形態に係る半導体装置の形成方法の一例について説明する図(その3)である。It is a figure (the 3) explaining an example of the forming method of the semiconductor device which concerns on 4th Embodiment. 第4の実施の形態に係る半導体装置の形成方法の一例について説明する図(その4)である。It is a figure (the 4) explaining an example of the forming method of the semiconductor device which concerns on 4th Embodiment. 第4の実施の形態に係る半導体装置の形成方法の一例について説明する図(その5)である。It is a figure (the 5) explaining an example of the forming method of the semiconductor device which concerns on 4th Embodiment. 第5の実施の形態に係る半導体装置の一例について説明する図である。It is a figure explaining an example of the semiconductor device which concerns on 5th Embodiment. 第5の実施の形態に係る半導体装置の形成方法の一例について説明する図(その1)である。It is a figure (the 1) explaining an example of the forming method of the semiconductor device which concerns on 5th Embodiment. 第5の実施の形態に係る半導体装置の形成方法の一例について説明する図(その2)である。It is a figure (the 2) explaining an example of the forming method of the semiconductor device which concerns on 5th Embodiment. 第5の実施の形態に係る半導体装置の形成方法の一例について説明する図(その3)である。It is a figure (the 3) explaining an example of the forming method of the semiconductor device which concerns on 5th Embodiment. 第5の実施の形態に係る半導体装置の形成方法の一例について説明する図(その4)である。It is a figure (the 4) explaining an example of the forming method of the semiconductor device which concerns on 5th Embodiment. 第6の実施の形態に係る半導体装置の一例について説明する図である。It is a figure explaining an example of the semiconductor device which concerns on 6th Embodiment. 第7の実施の形態に係る半導体パッケージの一例について説明する図である。It is a figure explaining an example of the semiconductor package which concerns on 7th Embodiment. 第8の実施の形態に係る力率改善回路の一例について説明する図である。It is a figure explaining an example of the power factor improvement circuit which concerns on 8th Embodiment. 第9の実施の形態に係る電源装置の一例について説明する図である。It is a figure explaining an example of the power-source device which concerns on 9th Embodiment. 第10の実施の形態に係る増幅器の一例について説明する図である。It is a figure explaining an example of the amplifier which concerns on 10th Embodiment.

はじめに、窒化物半導体を用いた半導体装置の例について説明する。
図1は半導体装置の例を示す図である。図1(A)には、半導体装置の第1の例の要部断面図を模式的に示している。図1(B)には、半導体装置の第2の例の要部断面図を模式的に示している。
First, an example of a semiconductor device using a nitride semiconductor will be described.
FIG. 1 is a diagram showing an example of a semiconductor device. FIG. 1A schematically shows a cross-sectional view of a main part of a first example of a semiconductor device. FIG. 1B schematically shows a cross-sectional view of a main part of a second example of a semiconductor device.

図1(A)に示す半導体装置100Aは、高電子移動度トランジスタ(High Electron Mobility Transistor;HEMT)の一例である。半導体装置100Aは、窒化物半導体が用いられたチャネル層101と、チャネル層101上に設けられ、窒化物半導体が用いられたバリア層102とを有する。例えば、チャネル層101にはGaNが用いられ、バリア層102にはAlGaNが用いられる。バリア層102との接合界面近傍のチャネル層101内に、二次元電子ガス(Two Dimensional Electron Gas;2DEG)103が生成される。半導体装置100Aは更に、バリア層102上に設けられたキャップ層104Aと、キャップ層104A上に設けられたゲート電極105と、バリア層102上に設けられたソース電極106及びドレイン電極107とを有する。キャップ層104Aにはp型窒化物半導体、例えば、p型不純物としてマグネシウム(Mg)を含有したGaN(p型GaN)が用いられる。このようなキャップ層104A上に、ゲート電極105が設けられ、ゲート電極105両側のバリア層102上に、ソース電極106及びドレイン電極107が設けられる。ゲート電極105、ソース電極106及びドレイン電極107には、金属が用いられる。 The semiconductor device 100A shown in FIG. 1A is an example of a High Electron Mobility Transistor (HEMT). The semiconductor device 100A has a channel layer 101 in which a nitride semiconductor is used, and a barrier layer 102 that is provided on the channel layer 101 and in which a nitride semiconductor is used. For example, GaN is used for the channel layer 101 and AlGaN is used for the barrier layer 102. Two dimensional electron gas (2DEG) 103 is generated in the channel layer 101 near the junction interface with the barrier layer 102. The semiconductor device 100A further includes a cap layer 104A provided on the barrier layer 102, a gate electrode 105 provided on the cap layer 104A, and a source electrode 106 and a drain electrode 107 provided on the barrier layer 102. .. For the cap layer 104A, a p-type nitride semiconductor, for example, GaN (p-type GaN) containing magnesium (Mg) as a p-type impurity is used. A gate electrode 105 is provided on such a cap layer 104A, and a source electrode 106 and a drain electrode 107 are provided on the barrier layers 102 on both sides of the gate electrode 105. Metal is used for the gate electrode 105, the source electrode 106, and the drain electrode 107.

例示の半導体装置100Aは、p型GaNのキャップ層104Aの固定電荷により、ゲート電極105下方のチャネル層101とバリア層102との接合界面の伝導帯を押し上げ、2DEG103の生成を抑えようとするものである。 The exemplary semiconductor device 100A attempts to suppress the formation of 2DEG 103 by pushing up the conduction band at the junction interface between the channel layer 101 and the barrier layer 102 below the gate electrode 105 by the fixed charge of the p-type GaN cap layer 104A. Is.

また、図1(B)に示す半導体装置100Bは、HEMTの別例である。半導体装置100Bは、バリア層102上に設けられたキャップ層104BにInGaNが用いられる点で、上記半導体装置100Aと相違する。 Further, the semiconductor device 100B shown in FIG. 1B is another example of HEMT. The semiconductor device 100B is different from the semiconductor device 100A in that InGaN is used for the cap layer 104B provided on the barrier layer 102.

例示の半導体装置100Bにおいて、AlGaNのバリア層102上に設けられるInGaNのキャップ層104Bは、圧縮ひずみを有する。半導体装置100Bは、この圧縮歪みに起因してキャップ層104Bに発生するピエゾ分極により、ゲート電極105下方のチャネル層101とバリア層102との接合界面の伝導帯を押し上げ、2DEG103の生成を抑えようとするものである。 In the exemplary semiconductor device 100B, the InGaN cap layer 104B provided on the AlGaN barrier layer 102 has compressive strain. The semiconductor device 100B pushes up the conduction band at the junction interface between the channel layer 101 and the barrier layer 102 below the gate electrode 105 by the piezo polarization generated in the cap layer 104B due to this compression strain, and suppresses the formation of the 2DEG 103. Is to be.

半導体装置100A及び半導体装置100Bにおいて、ゲート電極105下方のチャネル層101に生成される2DEG103が抑えられれば、ゲート電圧オフ時にドレイン電極107とソース電極106との間に流れる電流が遮断される、ノーマリオフ型のHEMTが実現される。このようにチャネル層101の2DEG103の生成を部分的に抑えるように変調するために、半導体装置100A及び半導体装置100Bではそれぞれ、p型GaNを用いたキャップ層104A及びInGaNを用いたキャップ層104Bが設けられる。 In the semiconductor device 100A and the semiconductor device 100B, if the 2DEG 103 generated in the channel layer 101 below the gate electrode 105 is suppressed, the current flowing between the drain electrode 107 and the source electrode 106 is cut off when the gate voltage is turned off. A mold HEMT is realized. In order to modulate the channel layer 101 so as to partially suppress the formation of the 2DEG103, in the semiconductor device 100A and the semiconductor device 100B, the cap layer 104A using p-type GaN and the cap layer 104B using InGaN are used, respectively. Provided.

しかし、半導体装置100Aのように、キャップ層104Aにp型GaNを用いると、それに含有されるMg等のp型不純物がチャネル層101に拡散し、オン抵抗(Ron)の悪化を招く場合がある。更に、GaNに注入されるMg等のp型不純物の活性化率が低いために、キャップ層104Aの寄与が小さく、チャネル層101の2DEG103の濃度が十分に変調されない場合がある。p型不純物の活性化率が低いことから、GaNに多量のp型不純物を導入すると、前述のようなp型不純物のチャネル層101への拡散、オン抵抗の悪化が起こり易くなる。 However, when p-type GaN is used for the cap layer 104A as in the semiconductor device 100A, p-type impurities such as Mg contained therein may diffuse to the channel layer 101, resulting in deterioration of the on-resistance (Ron). .. Further, since the activation rate of p-type impurities such as Mg injected into GaN is low, the contribution of the cap layer 104A is small, and the concentration of 2DEG103 in the channel layer 101 may not be sufficiently modulated. Since the activation rate of p-type impurities is low, when a large amount of p-type impurities is introduced into GaN, the above-mentioned diffusion of p-type impurities into the channel layer 101 and deterioration of on-resistance are likely to occur.

また、キャップ層104BにInGaNを用いる半導体装置100Bでは、その製造過程において、バリア層102上のキャップ層104Bの形成後、キャップ層104Bが表面に露出した状態で高温の熱に曝される場合がある。このようにキャップ層104Bが表面に露出した状態で高温の熱に曝されると、比較的熱に弱いインジウム(In)が脱離する等、キャップ層104Bがダメージを受け易くなる。キャップ層104Bがダメージを受けると、リーク電流が増大したり、チャネル層101の2DEG103の十分な変調効果が得られなかったりする場合がある。 Further, in the semiconductor device 100B using InGaN for the cap layer 104B, in the manufacturing process, after the cap layer 104B is formed on the barrier layer 102, the cap layer 104B may be exposed to high temperature heat while being exposed to the surface. is there. When the cap layer 104B is exposed to high-temperature heat while being exposed to the surface in this way, the cap layer 104B is liable to be damaged, such as desorption of indium (In), which is relatively sensitive to heat. If the cap layer 104B is damaged, the leakage current may increase or the sufficient modulation effect of the 2DEG 103 of the channel layer 101 may not be obtained.

このように半導体装置100A及び半導体装置100Bでは、窒化物半導体を用い、低オン抵抗、低リーク電流、2DEG103の濃度変調によるノーマリオフ化等、十分な特性を実現することができない場合がある。 As described above, in the semiconductor device 100A and the semiconductor device 100B, it may not be possible to realize sufficient characteristics such as low on-resistance, low leakage current, and normalization by density modulation of 2DEG103 by using a nitride semiconductor.

以上のような点に鑑み、ここでは、以下に実施の形態として例示するような構成を採用し、窒化物半導体を用い、優れた特性を有する半導体装置を実現する。
[第1の実施の形態]
図2は第1の実施の形態に係る半導体装置の一例について説明する図である。図2には、半導体装置の一例の要部断面図を模式的に示している。
In view of the above points, here, a configuration as illustrated below as an embodiment is adopted, and a nitride semiconductor is used to realize a semiconductor device having excellent characteristics.
[First Embodiment]
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 2 schematically shows a cross-sectional view of a main part of an example of a semiconductor device.

図2に示す半導体装置10Aは、HEMTの一例である。半導体装置10Aは、チャネル層11、バリア層12、キャップ構造14、ゲート電極15、ソース電極16及びドレイン電極17を有する。 The semiconductor device 10A shown in FIG. 2 is an example of HEMT. The semiconductor device 10A has a channel layer 11, a barrier layer 12, a cap structure 14, a gate electrode 15, a source electrode 16, and a drain electrode 17.

チャネル層11は、所定の基板(図示せず)、例えば、シリコンカーバイド(SiC)等の基板やその上に核形成層又はバッファ層が形成された基板の上に設けられる。チャネル層11には、窒化物半導体、例えば、GaNが用いられる。このほか、チャネル層11には、InGaN、AlGaN、インジウムアルミニウムガリウムナイトライド(InAlGaN)等の窒化物半導体が用いられてもよい。チャネル層11は、1種の窒化物半導体の単層構造であってもよいし、1種又は2種以上の窒化物半導体の積層構造であってもよい。チャネル層11には、例えば、アンドープの窒化物半導体が用いられる。例えば、チャネル層11は、有機金属気相成長(Metal Organic Chemical Vapor Deposition;MOCVD、又はMetal Organic Vaper Phase Epitaxy;MOVPE)法を用いて所定の基板上に形成される。チャネル層11は、電子走行層とも称される。 The channel layer 11 is provided on a predetermined substrate (not shown), for example, a substrate such as silicon carbide (SiC) or a substrate on which a nucleation layer or a buffer layer is formed. A nitride semiconductor, for example, GaN is used for the channel layer 11. In addition, a nitride semiconductor such as InGaN, AlGaN, or indium aluminum gallium nitride (InAlGaN) may be used for the channel layer 11. The channel layer 11 may have a single-layer structure of one kind of nitride semiconductor, or may have a laminated structure of one kind or two or more kinds of nitride semiconductors. For the channel layer 11, for example, an undoped nitride semiconductor is used. For example, the channel layer 11 is formed on a predetermined substrate using the Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD, or Metal Organic Vaper Phase Epitaxy; MOVPE) method. The channel layer 11 is also referred to as an electronic traveling layer.

バリア層12は、チャネル層11上に設けられる。バリア層12には、窒化物半導体、例えば、AlGaNが用いられる。このほか、バリア層12には、インジウムアルミニウムナイトライド(InAlN)、InAlGaN、アルミニウムナイトライド(AlN)等の窒化物半導体が用いられてもよい。バリア層12は、1種の窒化物半導体の単層構造であってもよいし、1種又は2種以上の窒化物半導体の積層構造であってもよい。バリア層12には、例えば、アンドープの窒化物半導体が用いられる。例えば、バリア層12は、MOVPE法を用いてチャネル層11上に形成される。バリア層12は、電子供給層とも称される。 The barrier layer 12 is provided on the channel layer 11. A nitride semiconductor, for example, AlGaN is used for the barrier layer 12. In addition, a nitride semiconductor such as indium aluminum nitride (InAlN), InAlGaN, or aluminum nitride (AlN) may be used for the barrier layer 12. The barrier layer 12 may have a single-layer structure of one type of nitride semiconductor, or may have a laminated structure of one type or two or more types of nitride semiconductors. For the barrier layer 12, for example, an undoped nitride semiconductor is used. For example, the barrier layer 12 is formed on the channel layer 11 using the MOVPE method. The barrier layer 12 is also referred to as an electron supply layer.

ここで、チャネル層11及びバリア層12には、バンドギャップの異なる窒化物半導体が用いられる。チャネル層11上に、それよりもバンドギャップの大きい窒化物半導体を用いたバリア層12が設けられることで、バンド不連続を有するヘテロ接合構造が形成される。フェルミ準位がチャネル層11とバリア層12との接合界面の伝導帯よりも上(高エネルギー側)となるようにすることで、接合界面のチャネル層11に2DEG13が生成される。チャネル層11上に、それよりも格子定数の大きい窒化物半導体を用いたバリア層12が設けられることで、バリア層12にピエゾ分極が発生する。バリア層12に用いられる窒化物半導体の自発分極、及びその格子定数に起因して発生するピエゾ分極により、接合界面のチャネル層11に高濃度の2DEG13が生成される。チャネル層11及びバリア層12には、それらの接合界面近傍に、このように2DEG13が生成されるような組み合わせの窒化物半導体が用いられる。 Here, nitride semiconductors having different band gaps are used for the channel layer 11 and the barrier layer 12. By providing the barrier layer 12 using a nitride semiconductor having a band gap larger than that on the channel layer 11, a heterojunction structure having a band discontinuity is formed. By setting the Fermi level above the conduction band (high energy side) of the junction interface between the channel layer 11 and the barrier layer 12, 2DEG13 is generated in the channel layer 11 of the junction interface. Piezo polarization is generated in the barrier layer 12 by providing the barrier layer 12 using a nitride semiconductor having a larger lattice constant than the channel layer 11. The spontaneous polarization of the nitride semiconductor used for the barrier layer 12 and the piezo polarization generated due to its lattice constant produce a high concentration of 2DEG13 in the channel layer 11 at the junction interface. For the channel layer 11 and the barrier layer 12, nitride semiconductors having a combination such that 2DEG13 is generated in the vicinity of their junction interface are used.

尚、図2には、チャネル層11とバリア層12との接合界面に沿ってその近傍に生成される2DEG13のうちの一部を消失させた状態を図示している。この点については後述する。 Note that FIG. 2 illustrates a state in which a part of 2DEG13 generated in the vicinity of the junction interface between the channel layer 11 and the barrier layer 12 is eliminated. This point will be described later.

キャップ構造14は、バリア層12上の一部の領域、この例では、ゲート電極15が設けられる領域に設けられる。キャップ構造14には、窒化物半導体が用いられる。キャップ構造14は、バリア層12上に設けられた下層側の第1のキャップ層14aと、そのキャップ層14a上に設けられた上層側の第2のキャップ層14bとを有する。下層側のキャップ層14aには、InGa1−xN(0<x<1)(単にInGaNとも記す)が用いられる。上層側のキャップ層14bには、GaNが用いられる。InGaNを含有するキャップ層14aは、図2に示すように、チャネル層11の一部の2DEG13の生成を抑える機能を有する。この点については後述する。GaNを含有するキャップ層14bは、比較的熱に弱いInを含有するキャップ層14aの表面を保護する機能を有する。 The cap structure 14 is provided in a part of the barrier layer 12, in this example, in the area where the gate electrode 15 is provided. A nitride semiconductor is used for the cap structure 14. The cap structure 14 has a first cap layer 14a on the lower layer side provided on the barrier layer 12 and a second cap layer 14b on the upper layer side provided on the cap layer 14a. In x Ga 1-x N (0 <x <1) (also simply referred to as InGaN) is used for the cap layer 14a on the lower layer side. GaN is used for the cap layer 14b on the upper layer side. As shown in FIG. 2, the cap layer 14a containing InGaN has a function of suppressing the formation of 2DEG13, which is a part of the channel layer 11. This point will be described later. The cap layer 14b containing GaN has a function of protecting the surface of the cap layer 14a containing In, which is relatively heat-sensitive.

下層側のキャップ層14aには、例えば、アンドープのInGaNが用いられる。キャップ層14aのInGaNは、例えば、MOVPE法を用いてバリア層12上に形成される。上層側のキャップ層14bには、例えば、アンドープのGaNが用いられる。キャップ層14bのGaNは、例えば、MOVPE法を用いてキャップ層14a上に形成される。 For the cap layer 14a on the lower layer side, for example, undoped InGaN is used. The InGaN of the cap layer 14a is formed on the barrier layer 12 by using, for example, the MOVPE method. For the cap layer 14b on the upper layer side, for example, undoped GaN is used. The GaN of the cap layer 14b is formed on the cap layer 14a by using, for example, the MOVPE method.

ゲート電極15は、キャップ構造14上に設けられる。ゲート電極15とキャップ構造14との間には、酸化物、窒化物、酸窒化物等の保護膜が介在されてもよい。ゲート電極15は、ショットキー電極又はショットキーゲート電極として機能する。ゲート電極15には、金属が用いられる。例えば、ゲート電極15として、ニッケル(Ni)とその上に設けられた金(Au)とを有する金属電極が設けられる。ゲート電極15は、蒸着法等を用いて形成される。 The gate electrode 15 is provided on the cap structure 14. A protective film such as an oxide, a nitride, or an oxynitride may be interposed between the gate electrode 15 and the cap structure 14. The gate electrode 15 functions as a Schottky electrode or a Schottky gate electrode. A metal is used for the gate electrode 15. For example, as the gate electrode 15, a metal electrode having nickel (Ni) and gold (Au) provided on the nickel (Ni) is provided. The gate electrode 15 is formed by using a vapor deposition method or the like.

ソース電極16及びドレイン電極17は、ゲート電極15両側のバリア層12上に設けられる。ソース電極16及びドレイン電極17は、オーミック電極として機能するように、バリア層12上に設けられる。ソース電極16及びドレイン電極17には、金属が用いられる。例えば、ソース電極16及びドレイン電極17として、タンタル(Ta)とその上に設けられたアルミニウム(Al)とを有する金属電極が設けられる。ソース電極16及びドレイン電極17は、蒸着法等を用いて形成される。 The source electrode 16 and the drain electrode 17 are provided on the barrier layers 12 on both sides of the gate electrode 15. The source electrode 16 and the drain electrode 17 are provided on the barrier layer 12 so as to function as ohmic electrodes. Metal is used for the source electrode 16 and the drain electrode 17. For example, as the source electrode 16 and the drain electrode 17, a metal electrode having tantalum (Ta) and aluminum (Al) provided on the tantalum (Ta) is provided. The source electrode 16 and the drain electrode 17 are formed by using a vapor deposition method or the like.

続いて、チャネル層11に生成される2DEG13の濃度変調について説明する。
図3は第1の実施の形態に係る半導体装置の一例のエネルギーバンド構造について説明する図である。図3(A)には、キャップ構造が設けられない領域におけるゲート電圧オフ時の厚さ方向のエネルギーバンド構造を示している。図3(B)には、キャップ構造が設けられる領域におけるゲート電圧オフ時の厚さ方向のエネルギーバンド構造を示している。
Subsequently, the concentration modulation of 2DEG13 generated in the channel layer 11 will be described.
FIG. 3 is a diagram illustrating an energy band structure of an example of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 3A shows an energy band structure in the thickness direction when the gate voltage is off in a region where the cap structure is not provided. FIG. 3B shows an energy band structure in the thickness direction when the gate voltage is off in the region where the cap structure is provided.

ここでは、チャネル層11にGaNを用い、バリア層12にAlGaNを用いた半導体装置10Aを例にする。このような半導体装置10Aでは、バリア層12のAlGaNが、チャネル層11のGaNよりも、バンドギャップが大きく、格子定数が小さい。これに起因したバンド不連続と分極、及びフェルミ準位Efがバリア層12とチャネル層11との接合界面(AlGaN/GaN接合界面)の伝導帯Ecよりも上になることにより、図3(A)に示すように、AlGaN/GaN接合界面近傍に高濃度の2DEG13が生成される。 Here, a semiconductor device 10A in which GaN is used for the channel layer 11 and AlGaN is used for the barrier layer 12 is taken as an example. In such a semiconductor device 10A, the AlGaN of the barrier layer 12 has a larger bandgap and a smaller lattice constant than the GaN of the channel layer 11. Due to this, the band discontinuity and polarization, and the Fermi level Ef are higher than the conduction band Ec of the junction interface (AlGaN / GaN junction interface) between the barrier layer 12 and the channel layer 11, so that FIG. 3 (A) ), A high concentration of 2DEG13 is generated near the AlGaN / GaN junction interface.

上記図2に示した半導体装置10Aの、キャップ構造14が設けられない領域、即ちゲート電極15両側の領域の下方のチャネル層11には、この図3(A)に示すようなエネルギーバンド構造に基づき、2DEG13が生成される。 In the semiconductor device 10A shown in FIG. 2, the region where the cap structure 14 is not provided, that is, the channel layer 11 below the region on both sides of the gate electrode 15 has an energy band structure as shown in FIG. 3 (A). Based on this, 2DEG13 is generated.

半導体装置10Aでは、ゲート電極15が設けられる領域のAlGaNを用いたバリア層12上に、InGaNを用いたキャップ層14aとその上のGaNを用いたキャップ層14bとを有するキャップ構造14が設けられる。キャップ層14aのInGaNは、バリア層12のAlGaNよりも、大きな格子定数を有する。そのため、バリア層12のAlGaN上に設けられるキャップ層14aのInGaNは、圧縮ひずみを有する。この圧縮ひずみにより、キャップ層14aのInGaN中には、バリア層12のAlGaNに発生するのとは逆のピエゾ分極が発生する。このキャップ層14aのInGaN中に発生するピエゾ分極により、図3(B)に示すように、バリア層12のAlGaN及びチャネル層11のGaNの伝導帯Ecが押し上げられ、AlGaN/GaN接合界面近傍の2DEG13の生成が抑えられる。例えば、AlGaN/GaN接合界面の伝導帯Ecが、フェルミ準位Efよりも上まで押し上げられることで、2DEG13は消失する。 In the semiconductor device 10A, a cap structure 14 having a cap layer 14a using InGaN and a cap layer 14b using GaN on it is provided on the barrier layer 12 using AlGaN in the region where the gate electrode 15 is provided. .. The InGaN of the cap layer 14a has a larger lattice constant than the AlGaN of the barrier layer 12. Therefore, the InGaN of the cap layer 14a provided on the AlGaN of the barrier layer 12 has a compressive strain. Due to this compressive strain, piezo polarization opposite to that generated in AlGaN of the barrier layer 12 is generated in InGaN of the cap layer 14a. As shown in FIG. 3B, the piezopolarization generated in the InGaN of the cap layer 14a pushes up the conduction band Ec of the AlGaN of the barrier layer 12 and the GaN of the channel layer 11, and is near the AlGaN / GaN junction interface. The production of 2DEG13 is suppressed. For example, the conduction band Ec at the AlGaN / GaN junction interface is pushed up above the Fermi level Ef, so that 2DEG13 disappears.

上記図2に示した半導体装置10Aの、キャップ構造14が設けられた領域、即ちゲート電極15下方のチャネル層11では、この図3(B)に示すようなエネルギーバンド構造に基づき、2DEG13の生成が抑えられ、2DEG13が低減又は消失される。 In the region of the semiconductor device 10A shown in FIG. 2 where the cap structure 14 is provided, that is, in the channel layer 11 below the gate electrode 15, 2DEG13 is generated based on the energy band structure as shown in FIG. 3B. Is suppressed and 2DEG13 is reduced or eliminated.

半導体装置10Aでは、チャネル層11に生成される2DEG13が、バリア層12上に設けられるキャップ層14aのInGaNにより、部分的に低濃度化されるように、変調される。この例では、ゲート電極15下方のチャネル層11の2DEG13が、他の部位よりも低濃度化されるように変調され、これにより、ノーマリオフ型のHEMTとして機能する半導体装置10Aが実現される。 In the semiconductor device 10A, the 2DEG 13 generated in the channel layer 11 is modulated by the InGaN of the cap layer 14a provided on the barrier layer 12 so as to be partially reduced in concentration. In this example, the 2DEG13 of the channel layer 11 below the gate electrode 15 is modulated so that the concentration is lower than that of other parts, thereby realizing a semiconductor device 10A that functions as a normal-off type HEMT.

キャップ構造14について更に述べる。
上記のようにチャネル層11の2DEG13を部分的に低濃度化するキャップ層14aのInGaNは、比較的熱に弱いInを含有する。そのため、InGaNのキャップ層14aは、表面に露出した状態で数百℃といった高温に曝されると、Inが脱離する等のダメージを受け易い。例えば、半導体装置10Aの製造過程において、キャップ層14aのInGaNは、その形成後からその上に設けられるゲート電極15の形成終了までの間(パッシベーション膜やゲート電極の形成時等)、高温に曝され得る。高温に曝されてInGaNがダメージを受けてしまうと、リーク電流が増大したり、ゲート電極15下方のチャネル層11の2DEG13を十分に低濃度化することができなかったりすることが起こり得る。
The cap structure 14 will be further described.
As described above, the InGaN of the cap layer 14a that partially reduces the concentration of 2DEG13 of the channel layer 11 contains In that is relatively heat-sensitive. Therefore, when the InGaN cap layer 14a is exposed to a high temperature of several hundred ° C. while being exposed to the surface, the InGaN cap layer 14a is susceptible to damage such as desorption of In. For example, in the manufacturing process of the semiconductor device 10A, the InGaN of the cap layer 14a is exposed to a high temperature from the time when the cap layer 14a is formed until the end of the formation of the gate electrode 15 provided on the cap layer 14a (when the passivation film or the gate electrode is formed, etc.). Can be done. If InGaN is damaged by exposure to a high temperature, the leakage current may increase or the concentration of 2DEG13 in the channel layer 11 below the gate electrode 15 may not be sufficiently reduced.

半導体装置10Aでは、このようなダメージを受け得るキャップ層14a上に、そのキャップ層14aのInGaNを保護するキャップ層14bが設けられる。このキャップ層14bには、GaNが用いられる。キャップ層14bのGaNは、キャップ層14aのInGaNをMOVPE法で形成する場合、その原料ガスを切り替えた(In源の供給を停止した)MOVPE法によって、InGaN上に連続して形成することができる。このようにキャップ層14aは、そのInGaNに連続して形成されるキャップ層14bのGaNによって保護されることで、表面に露出した状態で高温の熱に曝されることが回避される。これにより、バリア層12上には、チャネル層11の2DEG13を部分的に低濃度化するキャップ層14aとして、ダメージが抑えられたInGaNが形成される。 In the semiconductor device 10A, a cap layer 14b that protects the InGaN of the cap layer 14a is provided on the cap layer 14a that can receive such damage. GaN is used for the cap layer 14b. When the InGaN of the cap layer 14a is formed by the MOVPE method, the GaN of the cap layer 14b can be continuously formed on the InGaN by the MOVPE method in which the raw material gas is switched (the supply of the In source is stopped). .. In this way, the cap layer 14a is protected by the GaN of the cap layer 14b continuously formed on the InGaN, so that the cap layer 14a is prevented from being exposed to high temperature heat while being exposed to the surface. As a result, InGaN with suppressed damage is formed on the barrier layer 12 as a cap layer 14a for partially reducing the concentration of 2DEG13 of the channel layer 11.

キャップ層14aのInGaNがキャップ層14bのGaNによって保護され、そのInGaNのダメージが抑えられることで、ダメージを受けたInGaNに起因するリーク電流の発生が抑えられ、信頼性の高い半導体装置10Aが実現される。更に、GaNによる保護によってInGaNのダメージが抑えられることで、そのInGaNにより、ゲート電極15下方のチャネル層11の2DEG13の生成が十分に抑えられ、ノーマリオフ化が実現される。また、p型窒化物半導体をキャップ層に用いた場合に生じるようなp型不純物の拡散、それによるオン抵抗の悪化が回避される。InGaNとそれを保護するGaNとを有するキャップ構造14を設けることで、窒化物半導体を用いた、高信頼性、ノーマリオフ型、低オン抵抗といった優れた特性を有する半導体装置10Aが実現される。 The InGaN of the cap layer 14a is protected by the GaN of the cap layer 14b, and the damage of the InGaN is suppressed. Therefore, the generation of leakage current due to the damaged InGaN is suppressed, and a highly reliable semiconductor device 10A is realized. Will be done. Further, since the damage of InGaN is suppressed by the protection by GaN, the formation of 2DEG13 in the channel layer 11 below the gate electrode 15 is sufficiently suppressed by the InGaN, and normalization is realized. Further, diffusion of p-type impurities, which occurs when a p-type nitride semiconductor is used for the cap layer, and deterioration of on-resistance due to the diffusion are avoided. By providing the cap structure 14 having InGaN and the GaN that protects it, a semiconductor device 10A using a nitride semiconductor having excellent characteristics such as high reliability, normal off type, and low on-resistance is realized.

ところで、ノーマリオフ化を実現するための技術の1つとして、AlGaN等が用いられるバリア層の厚さや組成を調整し、分極効果による2DEGの発生を抑えるものがある。しかし、この技術では、チャネル層の2DEG濃度が減少すると共にチャネル層の抵抗が増大し、オン抵抗の増大を招いてしまう。従って、この技術では、ノーマリオフ化と低オン抵抗の両立が難しい。これに対し、半導体装置10Aでは、ゲート電極15が設けられる領域のバリア層12上に、上記のようなキャップ構造14が設けられる。これにより、低オン抵抗を実現しつつ、ゲート電極15下方のチャネル層11の2DEG13の部分的な低濃度化、それによるノーマリオフ化が実現される。 By the way, as one of the techniques for realizing normalization, there is a technique of adjusting the thickness and composition of a barrier layer in which AlGaN or the like is used to suppress the generation of 2DEG due to the polarization effect. However, in this technique, the 2DEG concentration in the channel layer decreases and the resistance of the channel layer increases, leading to an increase in on-resistance. Therefore, with this technique, it is difficult to achieve both normalization and low on-resistance. On the other hand, in the semiconductor device 10A, the cap structure 14 as described above is provided on the barrier layer 12 in the region where the gate electrode 15 is provided. As a result, while achieving low on-resistance, the concentration of 2DEG13 in the channel layer 11 below the gate electrode 15 is partially reduced, and thus normalization is realized.

上記のような構成を有する半導体装置10Aについて行ったシミュレーションの結果の一例を表1に示す。 Table 1 shows an example of the results of a simulation performed on the semiconductor device 10A having the above configuration.

Figure 2020167275
Figure 2020167275

表1には、キャップ構造14が設けられる「キャップ構造あり」の領域と、キャップ構造14が設けられない「キャップ構造なし」の領域の、チャネル層11の2DEG13の濃度[cm−3]及びシート抵抗[Ω/□]のシミュレーション結果の一例を示している。表1より、チャネル層11の2DEG13の濃度は、「キャップ構造あり」の領域、即ちゲート電極15下方では、「キャップ構造なし」の領域、即ちゲート電極15両側の領域の下方に比べて、大幅に低減する。更に、チャネル層11のシート抵抗は、「キャップ構造あり」の領域では、「キャップ構造なし」の領域に比べて、大幅に増大する。 Table 1 shows the concentration [cm -3 ] of 2DEG13 of the channel layer 11 and the sheet in the “with cap structure” region where the cap structure 14 is provided and the “without cap structure” region where the cap structure 14 is not provided. An example of the simulation result of the resistance [Ω / □] is shown. From Table 1, the concentration of 2DEG13 in the channel layer 11 is significantly higher in the “with cap structure” region, that is, below the gate electrode 15, than in the “without cap structure” region, that is, below the regions on both sides of the gate electrode 15. To reduce to. Further, the sheet resistance of the channel layer 11 is significantly increased in the “with cap structure” region as compared with the “without cap structure” region.

このように、上記半導体装置10Aでは、キャップ構造14により、チャネル層11に生成される2DEG13が、ゲート電極15下方で低濃度化されるように変調され、ノーマリオフ化される。ゲート電極15が設けられる領域にキャップ構造14が設けられることで、優れたデバイス特性を有する半導体装置10Aが実現される。 As described above, in the semiconductor device 10A, the cap structure 14 modulates the 2DEG 13 generated in the channel layer 11 so as to reduce the concentration below the gate electrode 15 to normalize off. By providing the cap structure 14 in the region where the gate electrode 15 is provided, the semiconductor device 10A having excellent device characteristics is realized.

キャップ構造14において、そのキャップ層14aのInGaNの厚さは、2nm以下とすることが好ましい。キャップ層14aのInGaNの厚さが2nmを上回ると、キャップ層14aに電子がリークする可能性が高まり、キャップ層14aの耐圧が低下し得るためである。更に、キャップ構造14において、そのキャップ層14aのInGaNのIn組成xは、0.05以上0.20以下(0.05≦x≦0.20)の範囲とすることが好ましい。In組成xが0.05を下回ると、GaNとの差異が小さくなり、InGaNを設けることによる効果が小さくなり得るためである。In組成xが0.20を上回ると、キャップ層14aに電子がリークする可能性が高まり、キャップ層14aの耐圧が低下し得るためである。更に、In組成xが0.20を上回ると、バリア層12のAlGaNとの格子不整合が大きくなり、適切なピエゾ分極が得られず、InGaNを設けることによる効果が小さくなり得るためである。 In the cap structure 14, the thickness of InGaN in the cap layer 14a is preferably 2 nm or less. This is because if the thickness of InGaN in the cap layer 14a exceeds 2 nm, the possibility of electrons leaking into the cap layer 14a increases, and the withstand voltage of the cap layer 14a may decrease. Further, in the cap structure 14, the In composition x of InGaN of the cap layer 14a is preferably in the range of 0.05 or more and 0.20 or less (0.05 ≦ x ≦ 0.20). This is because when the In composition x is less than 0.05, the difference from GaN becomes small, and the effect of providing InGaN can be small. This is because if the In composition x exceeds 0.20, the possibility of electrons leaking to the cap layer 14a increases, and the withstand voltage of the cap layer 14a may decrease. Further, when the In composition x exceeds 0.20, the lattice mismatch of the barrier layer 12 with AlGaN becomes large, appropriate piezo polarization cannot be obtained, and the effect of providing InGaN can be reduced.

また、キャップ構造14において、そのキャップ層14bのGaNの厚さは、2nm以上とすることが好ましい。キャップ層14bのGaNの厚さが2nmを下回ると、キャップ層14aのInGaNの表面がGaNによって十分に被覆されず、InGaNのダメージを十分に抑えられなくなり得るためである。 Further, in the cap structure 14, the thickness of GaN in the cap layer 14b is preferably 2 nm or more. This is because if the thickness of the GaN of the cap layer 14b is less than 2 nm, the surface of the InGaN of the cap layer 14a is not sufficiently covered with GaN, and the damage of the InGaN may not be sufficiently suppressed.

InGaNのキャップ層14aとそれを保護するGaNのキャップ層14bとを有するキャップ構造14の厚さは、例えば、その上に設けられるゲート電極15の電界による適切なオンオフ動作の実現等の観点から、5nm以下に設定することができる。 The thickness of the cap structure 14 having the InGaN cap layer 14a and the GaN cap layer 14b that protects the cap layer 14a is determined, for example, from the viewpoint of realizing an appropriate on / off operation by the electric field of the gate electrode 15 provided on the cap layer 14a. It can be set to 5 nm or less.

尚、ゲート電極15は、必ずしもその全体がキャップ構造14の上面上に設けられることを要しない。
図4は第1の実施の形態に係る半導体装置の変形例について説明する図である。図4には、半導体装置の一例の要部断面図を模式的に示している。
The gate electrode 15 does not necessarily have to be entirely provided on the upper surface of the cap structure 14.
FIG. 4 is a diagram illustrating a modified example of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 4 schematically shows a cross-sectional view of a main part of an example of a semiconductor device.

図4に示す半導体装置10Bは、ゲート電極15の一部がキャップ構造14の上面14c上に設けられ、ゲート電極15の他部がバリア層12の上面12c上に設けられた構成を有する点で、上記半導体装置10Aと相違する。半導体装置10Bでは、キャップ構造14の一側面(キャップ層14aのInGaNの一側面及びキャップ層14bのGaNの一側面)が、ゲート電極15で被覆される。 The semiconductor device 10B shown in FIG. 4 has a configuration in which a part of the gate electrode 15 is provided on the upper surface 14c of the cap structure 14 and the other part of the gate electrode 15 is provided on the upper surface 12c of the barrier layer 12. , Different from the semiconductor device 10A. In the semiconductor device 10B, one side surface of the cap structure 14 (one side surface of InGaN of the cap layer 14a and one side surface of GaN of the cap layer 14b) is covered with the gate electrode 15.

このような半導体装置10Bにおいても、キャップ構造14により、チャネル層11に生成される2DEG13が、ゲート電極15下方で部分的に低濃度化されるように変調される。これにより、ノーマリオフ化が実現される。 Also in such a semiconductor device 10B, the cap structure 14 modulates the 2DEG 13 generated in the channel layer 11 so that the concentration is partially reduced below the gate electrode 15. As a result, normalization is realized.

このほか、ゲート電極15は、バリア層12上に設けられたキャップ構造14の上面及び側面を全て覆うように、キャップ構造14よりも大きな寸法で設けられてもよい。また、ゲート電極15は、その縁が、バリア層12上に設けられたキャップ構造14の縁よりも内側に位置するように、キャップ構造14も小さな寸法で設けられてもよい。 In addition, the gate electrode 15 may be provided with a size larger than that of the cap structure 14 so as to cover all the upper surface and the side surface of the cap structure 14 provided on the barrier layer 12. Further, the gate electrode 15 may be provided with a small size so that the edge thereof is located inside the edge of the cap structure 14 provided on the barrier layer 12.

[第2の実施の形態]
図5は第2の実施の形態に係る半導体装置の一例について説明する図である。図5には、半導体装置の一例の要部断面図を模式的に示している。
[Second Embodiment]
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a semiconductor device according to the second embodiment. FIG. 5 schematically shows a cross-sectional view of a main part of an example of a semiconductor device.

図5に示す半導体装置10Cは、HEMTの一例である。半導体装置10Cは、チャネル層11、バリア層12、キャップ構造14、ゲート電極15、ソース電極16及びドレイン電極17を有する。半導体装置10Cは、キャップ構造14が、ゲート電極15とドレイン電極17との間のバリア層12上に設けられた構成を有する。この例では、バリア層12上の、ゲート電極15下の一部からドレイン電極17に到達するまでの領域に、キャップ構造14が設けられる。ゲート電極15の一部は、キャップ構造14の上面14c上に設けられ、ゲート電極15の他部は、バリア層12の上面12c上に設けられる。このように半導体装置10Cは、ゲート電極15とドレイン電極17との間のバリア層12上にキャップ構造14を有する点で、上記第1の実施の形態で述べた半導体装置10A(図2)と相違する。 The semiconductor device 10C shown in FIG. 5 is an example of HEMT. The semiconductor device 10C has a channel layer 11, a barrier layer 12, a cap structure 14, a gate electrode 15, a source electrode 16, and a drain electrode 17. The semiconductor device 10C has a structure in which the cap structure 14 is provided on the barrier layer 12 between the gate electrode 15 and the drain electrode 17. In this example, the cap structure 14 is provided in the region on the barrier layer 12 from a part under the gate electrode 15 to reach the drain electrode 17. A part of the gate electrode 15 is provided on the upper surface 14c of the cap structure 14, and the other part of the gate electrode 15 is provided on the upper surface 12c of the barrier layer 12. As described above, the semiconductor device 10C has the cap structure 14 on the barrier layer 12 between the gate electrode 15 and the drain electrode 17, and is different from the semiconductor device 10A (FIG. 2) described in the first embodiment. It is different.

半導体装置10Cのキャップ構造14は、上記半導体装置10Aと同様に、InGaNのキャップ層14aとその表面を保護するGaNのキャップ層14bとを有する。半導体装置10Cでは、このようなキャップ構造14が、ゲート電極15とドレイン電極17との間のバリア層12上に設けられる。半導体装置10Cでは、このようにバリア層12上に設けられるキャップ構造14により、その下方のチャネル層11の2DEG13が低濃度化される。 Similar to the semiconductor device 10A, the cap structure 14 of the semiconductor device 10C has an InGaN cap layer 14a and a GaN cap layer 14b that protects the surface thereof. In the semiconductor device 10C, such a cap structure 14 is provided on the barrier layer 12 between the gate electrode 15 and the drain electrode 17. In the semiconductor device 10C, the cap structure 14 provided on the barrier layer 12 in this way reduces the concentration of 2DEG13 in the channel layer 11 below it.

即ち、半導体装置10Cにおいても、上記半導体装置10Aについて述べたのと同様に、AlGaN等のバリア層12上に設けられるキャップ層14aのInGaNが有する圧縮ひずみにより、そのInGaN中にピエゾ分極が発生する。このキャップ層14aのInGaN中に発生するピエゾ分極により、ゲート電極15とドレイン電極17との間の領域に対応する、チャネル層11とバリア層12との接合界面の伝導帯Ecが押し上げられ、2DEG13の生成が抑えられる。これにより、ゲート電極15とドレイン電極17との間の領域の、その下方のチャネル層11の2DEG13が低濃度化される。 That is, also in the semiconductor device 10C, piezo polarization is generated in the InGaN due to the compressive strain of the InGaN of the cap layer 14a provided on the barrier layer 12 such as AlGaN, as described for the semiconductor device 10A. .. The piezo polarization generated in the InGaN of the cap layer 14a pushes up the conduction band Ec at the junction interface between the channel layer 11 and the barrier layer 12, which corresponds to the region between the gate electrode 15 and the drain electrode 17, and 2DEG13. Generation is suppressed. As a result, the concentration of 2DEG13 in the channel layer 11 below the region between the gate electrode 15 and the drain electrode 17 is reduced.

このように、ゲート電極15とドレイン電極17との間のバリア層12上にキャップ構造14が設けられ、その下方のチャネル層11の2DEG13が低濃度化されることで、高耐圧の半導体装置10Cが実現される。ゲート電極15とドレイン電極17との間に生じる電界を緩和し、高いドレイン電圧が印加される条件が用いられても適正に動作する、優れたデバイス特性を有する半導体装置10Cが実現される。 In this way, the cap structure 14 is provided on the barrier layer 12 between the gate electrode 15 and the drain electrode 17, and the concentration of 2DEG13 in the channel layer 11 below the cap structure 14 is reduced, so that the high withstand voltage semiconductor device 10C Is realized. A semiconductor device 10C having excellent device characteristics is realized, which relaxes the electric field generated between the gate electrode 15 and the drain electrode 17 and operates properly even when a condition in which a high drain voltage is applied is used.

半導体装置10Cでは、上記半導体装置10Aについて述べたのと同様に、キャップ層14aのInGaNが、その上に形成されるキャップ層14bのGaNによって保護される。これにより、キャップ層14aのInGaNからInが脱離する等のダメージが抑えられ、リーク電流の発生が抑えられる、信頼性の高い半導体装置10Cが実現される。 In the semiconductor device 10C, the InGaN of the cap layer 14a is protected by the GaN of the cap layer 14b formed on the InGaN of the cap layer 14a, as described for the semiconductor device 10A. As a result, a highly reliable semiconductor device 10C is realized in which damage such as desorption of In from InGaN of the cap layer 14a is suppressed and generation of leakage current is suppressed.

上記のような構成を有する半導体装置10Cについて行ったシミュレーションの結果の一例を表2に示す。 Table 2 shows an example of the results of a simulation performed on the semiconductor device 10C having the above configuration.

Figure 2020167275
Figure 2020167275

表2には、キャップ構造14が設けられる「ドレイン側」と、キャップ構造14が設けられない「ソース側」の、チャネル層11の2DEG13の濃度[×1012cm−3]及びシート抵抗[Ω/□]のシミュレーション結果の一例を示している。表2より、「ドレイン側」のチャネル層11の2DEG13の濃度は、「ソース側」のチャネル層11の2DEG13の濃度に比べて低くなる。更に、「ドレイン側」のチャネル層11のシート抵抗は、「ソース側」のチャネル層11のシート抵抗に比べて高くなる。 Table 2 shows the concentration [× 10 12 cm -3 ] of 2DEG13 of the channel layer 11 and the sheet resistance [Ω] on the “drain side” where the cap structure 14 is provided and the “source side” where the cap structure 14 is not provided. / □] shows an example of the simulation result. From Table 2, the concentration of 2DEG13 in the “drain side” channel layer 11 is lower than the concentration of 2DEG13 in the “source side” channel layer 11. Further, the sheet resistance of the “drain side” channel layer 11 is higher than the sheet resistance of the “source side” channel layer 11.

このように、半導体装置10Cでは、キャップ構造14により、チャネル層11に生成される2DEG13が、ゲート電極15とドレイン電極17との間の領域の下方で低濃度化されるように変調され、高耐圧化される。ゲート電極15とドレイン電極17との間にキャップ構造14が設けられることで、高耐圧で優れたデバイス特性を有する半導体装置10Cが実現される。 As described above, in the semiconductor device 10C, the cap structure 14 modulates the 2DEG 13 generated in the channel layer 11 so as to have a low concentration below the region between the gate electrode 15 and the drain electrode 17, and the concentration is high. The pressure resistance is increased. By providing the cap structure 14 between the gate electrode 15 and the drain electrode 17, a semiconductor device 10C having a high withstand voltage and excellent device characteristics is realized.

尚、半導体装置10Cにおいても、上記半導体装置10Aについて述べたのと同様に、キャップ層14aのInGaNは、その厚さを2nm以下とすることが好ましく、そのIn組成xを0.05以上0.20以下の範囲とすることが好ましい。また、キャップ層14bのGaNは、その厚さを2nm以上とすることが好ましい。InGaNのキャップ層14aとそれを保護するGaNのキャップ層14bとを有するキャップ構造14の厚さは、例えば、5nm以下に設定することができる。 In the semiconductor device 10C as well, as described for the semiconductor device 10A, the InGaN of the cap layer 14a preferably has a thickness of 2 nm or less, and its In composition x is 0.05 or more and 0. The range is preferably 20 or less. Further, the thickness of the GaN of the cap layer 14b is preferably 2 nm or more. The thickness of the cap structure 14 having the InGaN cap layer 14a and the GaN cap layer 14b that protects the cap layer 14a can be set to, for example, 5 nm or less.

図6は第2の実施の形態に係る半導体装置の第1の変形例について説明する図である。図6には、半導体装置の一例の要部断面図を模式的に示している。
図6に示す半導体装置10Dは、ゲート電極15の全体がキャップ構造14(そのキャップ層14b)の上面14c上に設けられる点で、上記半導体装置10C(図5)と相違する。
FIG. 6 is a diagram illustrating a first modification of the semiconductor device according to the second embodiment. FIG. 6 schematically shows a cross-sectional view of a main part of an example of a semiconductor device.
The semiconductor device 10D shown in FIG. 6 differs from the semiconductor device 10C (FIG. 5) in that the entire gate electrode 15 is provided on the upper surface 14c of the cap structure 14 (cap layer 14b thereof).

半導体装置10Dによっても、キャップ構造14により、ゲート電極15(その全体)下からドレイン電極17までの領域の、その下方のチャネル層11の2DEG13が低濃度化され、高耐圧化が実現される。 Also in the semiconductor device 10D, the cap structure 14 reduces the concentration of 2DEG13 in the channel layer 11 below the gate electrode 15 (the whole thereof) to the drain electrode 17, and realizes high withstand voltage.

図7は第2の実施の形態に係る半導体装置の第2の変形例について説明する図である。図7には、半導体装置の一例の要部断面図を模式的に示している。
図7に示す半導体装置10Eは、ゲート電極15がソース電極16側に偏って設けられ、ゲート電極15とドレイン電極17との間隔が、ゲート電極15とソース電極との間隔よりも広い、非対称構造を有する点で、上記半導体装置10Cと相違する。
FIG. 7 is a diagram illustrating a second modification of the semiconductor device according to the second embodiment. FIG. 7 schematically shows a cross-sectional view of a main part of an example of a semiconductor device.
The semiconductor device 10E shown in FIG. 7 has an asymmetric structure in which the gate electrode 15 is provided unevenly toward the source electrode 16 and the distance between the gate electrode 15 and the drain electrode 17 is wider than the distance between the gate electrode 15 and the source electrode. It is different from the above-mentioned semiconductor device 10C in that it has.

半導体装置10Eでは、このように間隔を広げられたゲート電極15とドレイン電極17との間のバリア層12上に、InGaNのキャップ層14aとそれを保護するGaNのキャップ層14bとを有するキャップ構造14が設けられる。 The semiconductor device 10E has a cap structure having an InGaN cap layer 14a and a GaN cap layer 14b that protects the InGaN cap layer 14a on the barrier layer 12 between the gate electrode 15 and the drain electrode 17 that are spaced apart in this way. 14 is provided.

半導体装置10Eによっても、キャップ構造14により、ゲート電極15とドレイン電極17との間の領域の、その下方のチャネル層11の2DEG13が低濃度化され、高耐圧化が実現される。更に、半導体装置10Eでは、ゲート電極15とドレイン電極17との間隔が広げられることで、それらの間に生じる電界の緩和効果が高められ、耐圧が向上される。 Also in the semiconductor device 10E, the cap structure 14 reduces the concentration of 2DEG13 in the channel layer 11 below the region between the gate electrode 15 and the drain electrode 17, and realizes a high withstand voltage. Further, in the semiconductor device 10E, by widening the distance between the gate electrode 15 and the drain electrode 17, the effect of relaxing the electric field generated between them is enhanced, and the withstand voltage is improved.

尚、第2の実施の形態で述べた半導体装置10C,10D,10Eは、上記第1の実施の形態で述べた半導体装置10A,10Bと、共通の1枚の基板上に混載されてもよい。例えば、1枚の基板上に、半導体装置10Aと半導体装置10Cとが混載された半導体装置等を得ることもできる。 The semiconductor devices 10C, 10D, and 10E described in the second embodiment may be mixedly mounted on one substrate common to the semiconductor devices 10A and 10B described in the first embodiment. .. For example, it is possible to obtain a semiconductor device or the like in which a semiconductor device 10A and a semiconductor device 10C are mixedly mounted on one substrate.

[第3の実施の形態]
図8は第3の実施の形態に係る半導体装置の一例について説明する図である。図8には、半導体装置の一例の要部断面図を模式的に示している。
[Third Embodiment]
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a semiconductor device according to the third embodiment. FIG. 8 schematically shows a cross-sectional view of a main part of an example of a semiconductor device.

図8に示す半導体装置10Fは、ショットキーバリアダイオード(Schottky Barrier Diode;SBD)の一例である。半導体装置10Fは、チャネル層11、バリア層12、キャップ構造14、カソード電極18(オーミック電極)及びアノード電極19(ショットキー電極)を有する。 The semiconductor device 10F shown in FIG. 8 is an example of a Schottky Barrier Diode (SBD). The semiconductor device 10F has a channel layer 11, a barrier layer 12, a cap structure 14, a cathode electrode 18 (ohmic electrode), and an anode electrode 19 (Schottky electrode).

半導体装置10Fのチャネル層11及びバリア層12には、上記半導体装置10A(図2)等について述べたのと同様の窒化物半導体が用いられる。半導体装置10Fのキャップ構造14は、InGaNのキャップ層14aとその表面を保護するGaNのキャップ層14bとを有する。半導体装置10Fのキャップ構造14は、カソード電極18とアノード電極19との間のバリア層12上の、アノード電極19寄りの一部の領域に設けられる。半導体装置10Fのカソード電極18及びアノード電極19には、金属が用いられる。カソード電極18は、オーミック電極として機能するようにバリア層12上に設けられ、アノード電極19は、ショットキー電極として機能するようにバリア層12上に設けられる。 For the channel layer 11 and the barrier layer 12 of the semiconductor device 10F, the same nitride semiconductor as described for the semiconductor device 10A (FIG. 2) and the like is used. The cap structure 14 of the semiconductor device 10F has an InGaN cap layer 14a and a GaN cap layer 14b that protects the surface thereof. The cap structure 14 of the semiconductor device 10F is provided in a part of the area near the anode electrode 19 on the barrier layer 12 between the cathode electrode 18 and the anode electrode 19. Metal is used for the cathode electrode 18 and the anode electrode 19 of the semiconductor device 10F. The cathode electrode 18 is provided on the barrier layer 12 so as to function as an ohmic electrode, and the anode electrode 19 is provided on the barrier layer 12 so as to function as a Schottky electrode.

一般に、SBDでは、逆方向バイアスの印加時に、ショットキー接続されるアノード電極側に電界が集中し易い。半導体装置10Fでは、バリア層12上のアノード電極19寄りの一部の領域にキャップ構造14が設けられ、その領域の下方のチャネル層11の2DEG13が低濃度化されることで、逆方向バイアス印加時のアノード電極19側の電界が緩和される。これにより、逆方向耐圧の高いSBDが実現される。 Generally, in SBD, when a reverse bias is applied, the electric field tends to concentrate on the anode electrode side connected to the shot key. In the semiconductor device 10F, the cap structure 14 is provided in a part of the region near the anode electrode 19 on the barrier layer 12, and the concentration of 2DEG13 in the channel layer 11 below the region is reduced, so that a reverse bias is applied. The electric field on the anode electrode 19 side at that time is relaxed. As a result, SBD with high reverse pressure resistance is realized.

尚、第3の実施の形態で述べた半導体装置10Fは、上記第1の実施の形態で述べた半導体装置10A,10Bや上記第2の実施の形態で述べた半導体装置10C,10D,10Eと、共通の1枚の基板上に混載されてもよい。例えば、1枚の基板上に、半導体装置10Aと半導体装置10Fとが混載された半導体装置や、1枚の基板上に、半導体装置10Cと半導体装置10Fとが混載された半導体装置等を得ることもできる。或いは、1枚の基板上に、半導体装置10A及び半導体装置10Cと、半導体装置10Fとが混載された半導体装置等を得ることもできる。 The semiconductor device 10F described in the third embodiment includes the semiconductor devices 10A and 10B described in the first embodiment and the semiconductor devices 10C, 10D and 10E described in the second embodiment. , May be mixedly mounted on one common substrate. For example, obtaining a semiconductor device in which a semiconductor device 10A and a semiconductor device 10F are mixedly mounted on one substrate, a semiconductor device in which a semiconductor device 10C and a semiconductor device 10F are mixedly mounted on one substrate, or the like is obtained. You can also. Alternatively, it is also possible to obtain a semiconductor device or the like in which the semiconductor device 10A, the semiconductor device 10C, and the semiconductor device 10F are mixedly mounted on one substrate.

[第4の実施の形態]
ここでは、上記第1の実施の形態で述べたような構成を含む半導体装置及びその形成方法の一例について説明する。
[Fourth Embodiment]
Here, an example of a semiconductor device including the configuration as described in the first embodiment and a method for forming the semiconductor device will be described.

図9は第4の実施の形態に係る半導体装置の一例について説明する図である。図9には、半導体装置の一例の要部断面図を模式的に示している。
図9に示す半導体装置10Gは、HEMTの一例である。半導体装置10Gは、基板20と、その上に設けられた核形成層21とを有する。基板20には、例えば、半絶縁性SiC基板が用いられる。核形成層21には、窒化物半導体、例えば、AlNが用いられる。核形成層21は、例えば、MOVPE法を用いて形成される。
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of the semiconductor device according to the fourth embodiment. FIG. 9 schematically shows a cross-sectional view of a main part of an example of a semiconductor device.
The semiconductor device 10G shown in FIG. 9 is an example of HEMT. The semiconductor device 10G has a substrate 20 and a nucleation layer 21 provided on the substrate 20. For the substrate 20, for example, a semi-insulating SiC substrate is used. A nitride semiconductor, for example, AlN, is used for the nucleation layer 21. The nucleation layer 21 is formed, for example, by using the MOVPE method.

基板20上に設けられた核形成層21上に、上記第1の実施の形態で述べたようなチャネル層11及びバリア層12が設けられる。チャネル層11及びバリア層12には、上記半導体装置10A(図2)等について述べたのと同様の窒化物半導体が用いられる。例えば、チャネル層11にはGaNが用いられ、バリア層12にはAlGaNが用いられる。バリア層12上の一部の領域に、InGaNのキャップ層14aとその表面を保護するGaNのキャップ層14bとを有するキャップ構造14が設けられる。キャップ構造14上に、ゲート電極15が設けられ、ゲート電極15両側のバリア層12上に、ソース電極16及びドレイン電極17が設けられる。ゲート電極15両側のバリア層12上、並びにソース電極16及びドレイン電極17上には、パッシベーション膜22が設けられる。 The channel layer 11 and the barrier layer 12 as described in the first embodiment are provided on the nucleation layer 21 provided on the substrate 20. For the channel layer 11 and the barrier layer 12, nitride semiconductors similar to those described for the semiconductor device 10A (FIG. 2) and the like are used. For example, GaN is used for the channel layer 11 and AlGaN is used for the barrier layer 12. A cap structure 14 having an InGaN cap layer 14a and a GaN cap layer 14b that protects the surface thereof is provided in a part of the region on the barrier layer 12. The gate electrode 15 is provided on the cap structure 14, and the source electrode 16 and the drain electrode 17 are provided on the barrier layers 12 on both sides of the gate electrode 15. A passivation film 22 is provided on the barrier layers 12 on both sides of the gate electrode 15, and on the source electrode 16 and the drain electrode 17.

半導体装置10Gでは、バリア層12上の、ゲート電極15が設けられる領域に、キャップ構造14が設けられる。このバリア層12上に設けられるキャップ構造14の、InGaNのキャップ層14aに発生するピエゾ分極により、伝導帯が押し上げられ、ゲート電極15が設けられる領域に対応するチャネル層11の2DEG13が低濃度化される。これにより、ノーマリオフ型のHEMTとして機能する半導体装置10Gが実現される。更に、半導体装置10Gでは、InGaNのキャップ層14a上に、それを保護するGaNのキャップ層14bが設けられる。これにより、ノーマリオフ型のHEMTとして機能する、高信頼性の半導体装置10Gが実現される。 In the semiconductor device 10G, the cap structure 14 is provided on the barrier layer 12 in the region where the gate electrode 15 is provided. The conduction band is pushed up by the piezo polarization generated in the InGaN cap layer 14a of the cap structure 14 provided on the barrier layer 12, and the concentration of 2DEG13 of the channel layer 11 corresponding to the region where the gate electrode 15 is provided is reduced. Will be done. As a result, a semiconductor device 10G that functions as a normally-off type HEMT is realized. Further, in the semiconductor device 10G, a GaN cap layer 14b for protecting the InGaN cap layer 14a is provided on the InGaN cap layer 14a. As a result, a highly reliable semiconductor device 10G that functions as a normally-off type HEMT is realized.

続いて、上記構成を有する半導体装置10Gの形成方法の一例について説明する。
図10〜図14は第4の実施の形態に係る半導体装置の形成方法の一例について説明する図である。図10〜図14にはそれぞれ、半導体装置形成の各工程の一例の要部断面図を模式的に示している。
Subsequently, an example of a method for forming the semiconductor device 10G having the above configuration will be described.
10 to 14 are views for explaining an example of a method for forming a semiconductor device according to the fourth embodiment. 10 to 14 schematically show a cross-sectional view of a main part of an example of each process of forming a semiconductor device.

まず、図10に示すように、基板20上に、MOVPE法を用いて、核形成層21、チャネル層11、バリア層12、キャップ層14a及びキャップ層14bが順次成長される。ここでは、基板20に半絶縁性SiC基板が用いられ、その上に、AlNの核形成層21、GaNのチャネル層11、AlGa1−yN(0<y<1)のバリア層12、InGa1−xN(0<x<1)のキャップ層14a及びGaNのキャップ層14bが成長される場合を例にする。例えば、基板20上に、厚さ100nmのAlNの核形成層21が成長され、その上に、厚さ3μmのGaNのチャネル層11が成長され、その上に、厚さ6nmのAl0.4Ga0.6Nのバリア層12が成長される。このバリア層12上に、例えば、厚さ1nmのIn0.2Ga0.8Nのキャップ層14aが成長され、その上に、厚さ3nmのGaNのキャップ層14bが成長される。 First, as shown in FIG. 10, the nucleation layer 21, the channel layer 11, the barrier layer 12, the cap layer 14a, and the cap layer 14b are sequentially grown on the substrate 20 by using the MOVPE method. Here, a semi-insulating SiC substrate is used as the substrate 20, and an AlN nucleation layer 21, a GaN channel layer 11, and a barrier layer 12 of Al y Ga 1-y N (0 <y <1) are used on the substrate 20. , In x Ga 1-x N (0 <x <1) cap layer 14a and GaN cap layer 14b are grown as an example. For example, an AlN nucleation layer 21 having a thickness of 100 nm is grown on the substrate 20, a GaN channel layer 11 having a thickness of 3 μm is grown on the nucleation layer 21, and an Al 0.4 having a thickness of 6 nm is grown on the channel layer 11. The barrier layer 12 of Ga 0.6 N is grown. For example, a cap layer 14a of In 0.2 Ga 0.8 N having a thickness of 1 nm is grown on the barrier layer 12, and a GaN cap layer 14b having a thickness of 3 nm is grown on the cap layer 14a.

MOVPE法を用いた各層の成長において、AlNの成長には、Al源であるトリメチルアルミニウム(Tri-Methyl-Aluminum;TMAl)とアンモニア(NH)との混合ガスが用いられる。GaNの成長には、ガリウム(Ga)源であるトリメチルガリウム(Tri-Methyl-Gallium;TMGa)とNHとの混合ガスが用いられる。AlGaNの成長には、TMAlとTMGaとNHとの混合ガスが用いられる。InGaNの成長には、In源であるトリメチルインジウム(Tri-Methyl-Indium;TMIn)とTMGaとNHとの混合ガスが用いられる。成長する窒化物半導体に応じて、TMAl、TMGa、TMInの供給と停止(切り替え)、供給時の流量(他原料との混合比)が適宜設定される。成長圧力は、1kPa〜100kPa程度、成長温度は600℃〜1200℃程度とされる。 In the growth of each layer using the MOVPE method, a mixed gas of trimethylaluminum (Tri-Methyl-Aluminum; TMAl), which is an Al source, and ammonia (NH 3 ) is used for the growth of AlN. A mixed gas of trimethylgallium (Tri-Methyl-Gallium; TMGa), which is a gallium (Ga) source, and NH 3 is used for the growth of GaN. A mixed gas of TMAl, TMGa, and NH 3 is used for the growth of AlGaN. For the growth of InGaN, a mixed gas of trimethylindium (Tri-Methyl-Indium; TMIn), which is an In source, TMGa, and NH 3 is used. Depending on the growing nitride semiconductor, the supply and stop (switching) of TMAl, TMGa, and TMIn, and the flow rate at the time of supply (mixing ratio with other raw materials) are appropriately set. The growth pressure is about 1 kPa to 100 kPa, and the growth temperature is about 600 ° C. to 1200 ° C.

図10に示す工程では、InGaNのキャップ層14aの成長後、続けてGaNのキャップ層14bを成長することができる。これにより、InGaNがGaNで保護される。このようにInGaNがGaNで保護されることで、後述する以降の工程において、InGaNが表面に露出した状態で高温に曝されることが回避される。これにより、InGaNからのInの脱離等が抑えられ、所定の組成のInGaNを含有するキャップ層14aを備える半導体装置10Gが形成されるようになる。 In the step shown in FIG. 10, after the growth of the InGaN cap layer 14a, the GaN cap layer 14b can be continuously grown. As a result, InGaN is protected by GaN. By protecting InGaN with GaN in this way, it is possible to avoid exposure of InGaN to a high temperature while being exposed to the surface in the subsequent steps described later. As a result, desorption of In from InGaN is suppressed, and the semiconductor device 10G including the cap layer 14a containing InGaN having a predetermined composition is formed.

各層の成長後、InGaNのキャップ層14a及びGaNのキャップ層14bが、図11に示すように、バリア層12上の一部の領域(ゲート電極15を形成する領域)に設けられるようにパターニングされ、キャップ構造14が形成される。 After the growth of each layer, the InGaN cap layer 14a and the GaN cap layer 14b are patterned so as to be provided in a part of the region (the region forming the gate electrode 15) on the barrier layer 12 as shown in FIG. , The cap structure 14 is formed.

その際は、まず、成長された最上層のGaNのキャップ層14b上に、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いて、保護膜(図示せず)が形成される。保護膜の形成には、原子層堆積(Atomic Layer Deposition;ALD)法、スパッタ法等が用いられてもよい。保護膜には、例えば、シリコン(Si)、Al、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)、Ta又はタングステン(W)を含む酸化物、窒化物又は酸窒化物が用いられる。例えば、保護膜として、酸化シリコン(SiO)が形成される。形成された保護膜上に、フォトリソグラフィ技術を用いて、ゲート電極15を形成する領域以外の部位に開口を有するレジストが形成され、これをマスクとするエッチング、例えば、フッ素系又は塩素系ガスを用いたドライエッチングが行われる。このエッチングにより、レジストの開口から露出する保護膜、その下のGaNのキャップ層14b及びInGaNのキャップ層14aが除去される。このような方法により、図11に示すような、ゲート電極15を形成する領域のバリア層12上に、InGaNのキャップ層14aとGaNのキャップ層14bとを有するキャップ構造14が形成された状態が得られる。保護膜は、キャップ構造14上に残存されてもよいし(図示せず)、キャップ構造14上から除去されてもよい。 At that time, first, a protective film (not shown) is formed on the grown uppermost GaN cap layer 14b by using a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Atomic layer deposition (ALD) method, sputtering method and the like may be used for forming the protective film. As the protective film, for example, oxides, nitrides or oxynitrides containing silicon (Si), Al, hafnium (Hf), zirconium (Zr), titanium (Ti), Ta or tungsten (W) are used. For example, silicon oxide (SiO 2 ) is formed as a protective film. On the formed protective film, a resist having an opening is formed in a portion other than the region where the gate electrode 15 is formed by using photolithography technology, and etching using this as a mask, for example, fluorine-based or chlorine-based gas. The dry etching used is performed. By this etching, the protective film exposed from the opening of the resist, the GaN cap layer 14b under the protective film, and the InGaN cap layer 14a are removed. By such a method, a state in which a cap structure 14 having an InGaN cap layer 14a and a GaN cap layer 14b is formed on the barrier layer 12 in the region forming the gate electrode 15 as shown in FIG. can get. The protective film may remain on the cap structure 14 (not shown) or may be removed from the cap structure 14.

キャップ構造14の形成後、フォトリソグラフィ技術を用いて、素子間分離領域に開口を有するレジストが設けられ、エッチング(塩素系ガスを用いたドライエッチング等)又はイオン注入により、素子間分離領域(図示せず)が形成されてもよい。 After the cap structure 14 is formed, a resist having an opening is provided in the inter-element separation region using photolithography technology, and the inter-element separation region (FIG. 6) is formed by etching (dry etching using chlorine-based gas, etc.) or ion implantation. (Not shown) may be formed.

次いで、図12に示すように、キャップ構造14両側のバリア層12上に、ソース電極16及びドレイン電極17が形成される。その際は、まず、フォトリソグラフィ技術、蒸着技術及びリフトオフ技術を用いて、ソース電極16及びドレイン電極17を形成する領域のバリア層12上に、電極用金属、例えば、厚さ20nmのTaと厚さ200nmのAlとの積層体が形成される。その後、窒素雰囲気中、400℃〜1000℃、例えば、550℃で熱処理が行われ、電極用金属がオーミック接続される。このような方法により、図12に示すような、キャップ構造14両側のバリア層12上に、ソース電極16及びドレイン電極17が形成された状態が得られる。 Next, as shown in FIG. 12, the source electrode 16 and the drain electrode 17 are formed on the barrier layers 12 on both sides of the cap structure 14. In that case, first, using a photolithography technique, a vapor deposition technique, and a lift-off technique, an electrode metal, for example, Ta having a thickness of 20 nm and a thickness on the barrier layer 12 in the region where the source electrode 16 and the drain electrode 17 are formed. A laminate with Al having a diameter of 200 nm is formed. Then, heat treatment is performed at 400 ° C. to 1000 ° C., for example, 550 ° C. in a nitrogen atmosphere, and the electrode metal is ohmic-connected. By such a method, a state in which the source electrode 16 and the drain electrode 17 are formed on the barrier layers 12 on both sides of the cap structure 14 as shown in FIG. 12 can be obtained.

次いで、図13に示すように、キャップ構造14、ソース電極16及びドレイン電極17が形成されたバリア層12上に、パッシベーション膜22が形成される。例えば、プラズマCVD法を用いて、厚さ2nm〜500nm、例えば、厚さ100nmのパッシベーション膜22が形成される。パッシベーション膜22の形成には、ALD法、スパッタ法等が用いられてもよい。パッシベーション膜22には、例えば、Si、Al、Hf、Zr、Ti、Ta又はWを含む酸化物、窒化物又は酸窒化物が用いられる。例えば、パッシベーション膜22として、窒化シリコン(SiN)が形成される。このような方法により、図13に示すような、キャップ構造14、ソース電極16及びドレイン電極17が形成されたバリア層12上に、パッシベーション膜22が形成された状態が得られる。 Next, as shown in FIG. 13, the passivation film 22 is formed on the barrier layer 12 on which the cap structure 14, the source electrode 16, and the drain electrode 17 are formed. For example, a passivation film 22 having a thickness of 2 nm to 500 nm, for example, a thickness of 100 nm is formed by using a plasma CVD method. An ALD method, a sputtering method, or the like may be used for forming the passivation film 22. For the passivation film 22, for example, an oxide, a nitride or an acid nitride containing Si, Al, Hf, Zr, Ti, Ta or W is used. For example, silicon nitride (SiN) is formed as the passivation film 22. By such a method, a state in which the passivation film 22 is formed on the barrier layer 12 on which the cap structure 14, the source electrode 16 and the drain electrode 17 are formed as shown in FIG. 13 can be obtained.

次いで、図14に示すように、ゲート電極15を形成する領域のパッシベーション膜22が除去され、キャップ構造14が露出される。その際は、まず、フォトリソグラフィ技術を用いて、ゲート電極15を形成する領域に開口を有するレジストが形成され、これをマスクとするエッチングが行われる。このエッチングにより、レジストの開口から露出するパッシベーション膜22が除去される。パッシベーション膜22のエッチングは、例えば、フッ素系又は塩素系ガスを用いたドライエッチングによって行われる。このほか、パッシベーション膜22のエッチングは、フッ酸やバッファードフッ酸等を用いたウェットエッチングによって行われてもよい。このような方法により、図14に示すような、ゲート電極15を形成する領域のパッシベーション膜22が除去されてキャップ構造14が露出された状態が得られる。 Next, as shown in FIG. 14, the passivation film 22 in the region forming the gate electrode 15 is removed, and the cap structure 14 is exposed. At that time, first, a resist having an opening is formed in the region forming the gate electrode 15 by using a photolithography technique, and etching is performed using this as a mask. By this etching, the passivation film 22 exposed from the opening of the resist is removed. Etching of the passivation film 22 is performed by, for example, dry etching using a fluorine-based or chlorine-based gas. In addition, the passivation film 22 may be etched by wet etching using hydrofluoric acid, buffered hydrofluoric acid, or the like. By such a method, as shown in FIG. 14, the passivation film 22 in the region forming the gate electrode 15 is removed, and the cap structure 14 is exposed.

尚、パッシベーション膜22をエッチングする際のマスクとするレジストの開口位置や開口サイズは、適宜設定することができる。例えば、レジストをマスクとするエッチングによってパッシベーション膜22が除去された部位から、キャップ構造14の全部又は一部とバリア層12の一部とが露出した状態や、キャップ構造14の上面の一部のみが露出した状態等を得ることもできる。 The opening position and opening size of the resist used as a mask when etching the passivation film 22 can be appropriately set. For example, a state in which all or part of the cap structure 14 and a part of the barrier layer 12 are exposed from the portion where the passivation film 22 is removed by etching using a resist as a mask, or only a part of the upper surface of the cap structure 14. It is also possible to obtain an exposed state or the like.

その後、フォトリソグラフィ技術、蒸着技術及びリフトオフ技術を用いて、パッシベーション膜22から露出するキャップ構造14上に、電極用金属、例えば、厚さ30nmのNiと厚さ400nmのAuとの積層体が形成され、ゲート電極15が形成される。これにより、上記図9に示したような半導体装置10Gが得られる。 Then, using a photolithography technique, a vapor deposition technique, and a lift-off technique, a laminate of an electrode metal, for example, Ni having a thickness of 30 nm and Au having a thickness of 400 nm is formed on the cap structure 14 exposed from the passivation film 22. The gate electrode 15 is formed. As a result, the semiconductor device 10G as shown in FIG. 9 is obtained.

尚、ここでは半導体装置10Gのチャネル層11に単層構造のGaNを用い、バリア層12に単層構造のAlGaNを用いる例を示したが、チャネル層11及びバリア層12の構成は、この例に限定されるものではない。例えば、半導体装置10Gにおいて、チャネル層11には、InGaN、AlGaN、InAlGaN等の窒化物半導体が用いられてもよく、1種の窒化物半導体の単層構造が用いられてもよいし、1種又は2種以上の窒化物半導体の積層構造が用いられてもよい。また、半導体装置10Gにおいて、バリア層12には、InAlN、InAlGaN、AlN等の窒化物半導体が用いられてもよく、1種の窒化物半導体の単層構造が用いられてもよいし、1種又は2種以上の窒化物半導体の積層構造が用いられてもよい。 Here, an example is shown in which GaN having a single layer structure is used for the channel layer 11 of the semiconductor device 10G and AlGaN having a single layer structure is used for the barrier layer 12, but the configuration of the channel layer 11 and the barrier layer 12 is this example. It is not limited to. For example, in the semiconductor device 10G, a nitride semiconductor such as InGaN, AlGaN, or InAlGaN may be used for the channel layer 11, or a single layer structure of one kind of nitride semiconductor may be used, or one kind. Alternatively, a laminated structure of two or more types of nitride semiconductors may be used. Further, in the semiconductor device 10G, a nitride semiconductor such as InAlN, InAlGaN, or AlN may be used for the barrier layer 12, or a single layer structure of one kind of nitride semiconductor may be used, or one kind. Alternatively, a laminated structure of two or more types of nitride semiconductors may be used.

また、半導体装置10Gのゲート電極15、ソース電極16及びドレイン電極17に用いる金属の種類及び層構造は上記の例に限定されるものではなく、それらの形成方法も上記の例に限定されるものではない。ゲート電極15、ソース電極16及びドレイン電極17にはそれぞれ、単層構造が用いられてもよいし、積層構造が用いられてもよい。ソース電極16及びドレイン電極17の形成時には、それらの電極用金属の形成によってオーミック接続が実現されるようであれば、必ずしも上記のような熱処理が行われることを要しない。ゲート電極15の形成時には、その電極用金属の形成後、更に熱処理が行われてもよい。 Further, the types and layer structures of the metals used for the gate electrode 15, the source electrode 16 and the drain electrode 17 of the semiconductor device 10G are not limited to the above examples, and their forming methods are also limited to the above examples. is not. A single-layer structure or a laminated structure may be used for the gate electrode 15, the source electrode 16, and the drain electrode 17, respectively. When forming the source electrode 16 and the drain electrode 17, it is not always necessary to perform the above heat treatment as long as ohmic connection is realized by forming the metal for the electrode. When forming the gate electrode 15, further heat treatment may be performed after the metal for the electrode is formed.

また、ここでは半導体装置10Gの基板20に半絶縁性SiC基板を用いる例を示したが、電界効果トランジスタの機能を持つ構造部に窒化物半導体が用いられていれば、他の基板材料が用いられてもよい。基板20は、半絶縁性であってもよいし、導電性であってもよい。基板20には、半絶縁性SiC基板のほか、導電性SiC基板、サファイヤ基板、GaN基板、Si基板、ダイヤモンド基板等が用いられてもよい。 Further, although an example in which a semi-insulating SiC substrate is used for the substrate 20 of the semiconductor device 10G is shown here, if a nitride semiconductor is used for the structural portion having the function of a field effect transistor, another substrate material can be used. May be done. The substrate 20 may be semi-insulating or conductive. As the substrate 20, in addition to the semi-insulating SiC substrate, a conductive SiC substrate, a sapphire substrate, a GaN substrate, a Si substrate, a diamond substrate and the like may be used.

[第5の実施の形態]
ここでは、上記第2の実施の形態で述べたような構成を含む半導体装置及びその形成方法の一例について説明する。
[Fifth Embodiment]
Here, an example of a semiconductor device including the configuration as described in the second embodiment and a method for forming the semiconductor device will be described.

図15は第5の実施の形態に係る半導体装置の一例について説明する図である。図15には、半導体装置の一例の要部断面図を模式的に示している。
図15に示す半導体装置10Hは、HEMTの一例である。半導体装置10Hは、基板20と、その上に設けられた核形成層21とを有する。基板20には、例えば、半絶縁性SiC基板が用いられる。核形成層21には、窒化物半導体、例えば、AlNが用いられる。基板20上に設けられた核形成層21上に、チャネル層11及びバリア層12が設けられる。例えば、チャネル層11にはGaNが用いられ、バリア層12にはAlGaNが用いられる。バリア層12上に、InGaNのキャップ層14aとその表面を保護するGaNのキャップ層14bとを有するキャップ構造14、並びにゲート電極15、ソース電極16及びドレイン電極17が設けられる。キャップ構造14は、ゲート電極15とドレイン電極17との間のバリア層12上に設けられる。ゲート電極15両側のバリア層12上、ソース電極16及びドレイン電極17上、並びにゲート電極15とドレイン電極17との間のキャップ構造14上には、パッシベーション膜22が設けられる。
FIG. 15 is a diagram illustrating an example of a semiconductor device according to the fifth embodiment. FIG. 15 schematically shows a cross-sectional view of a main part of an example of a semiconductor device.
The semiconductor device 10H shown in FIG. 15 is an example of HEMT. The semiconductor device 10H has a substrate 20 and a nucleation layer 21 provided on the substrate 20. For the substrate 20, for example, a semi-insulating SiC substrate is used. A nitride semiconductor, for example, AlN, is used for the nucleation layer 21. The channel layer 11 and the barrier layer 12 are provided on the nucleation layer 21 provided on the substrate 20. For example, GaN is used for the channel layer 11 and AlGaN is used for the barrier layer 12. On the barrier layer 12, a cap structure 14 having an InGaN cap layer 14a and a GaN cap layer 14b that protects the surface thereof, and a gate electrode 15, a source electrode 16, and a drain electrode 17 are provided. The cap structure 14 is provided on the barrier layer 12 between the gate electrode 15 and the drain electrode 17. A passivation film 22 is provided on the barrier layers 12 on both sides of the gate electrode 15, on the source electrode 16 and the drain electrode 17, and on the cap structure 14 between the gate electrode 15 and the drain electrode 17.

半導体装置10Hでは、バリア層12上の、ゲート電極15とドレイン電極17との間の領域に、キャップ構造14が設けられる。このバリア層12上に設けられるキャップ構造14の、InGaNのキャップ層14aに発生するピエゾ分極により、伝導帯が押し上げられ、ゲート電極15とドレイン電極17との間の領域に対応する、その領域の下方のチャネル層11の2DEG13が低濃度化される。これにより、HEMTとして機能する、高耐圧の半導体装置10Hが実現される。更に、半導体装置10Hでは、InGaNのキャップ層14a上に、それを保護するGaNのキャップ層14bが設けられる。これにより、HEMTとして機能する、高信頼性の半導体装置10Hが実現される。 In the semiconductor device 10H, the cap structure 14 is provided in the region between the gate electrode 15 and the drain electrode 17 on the barrier layer 12. The conduction band is pushed up by the piezo polarization generated in the InGaN cap layer 14a of the cap structure 14 provided on the barrier layer 12, and corresponds to the region between the gate electrode 15 and the drain electrode 17. The concentration of 2DEG13 in the lower channel layer 11 is reduced. As a result, a high withstand voltage semiconductor device 10H that functions as a HEMT is realized. Further, in the semiconductor device 10H, a GaN cap layer 14b for protecting the InGaN cap layer 14a is provided on the InGaN cap layer 14a. As a result, a highly reliable semiconductor device 10H that functions as a HEMT is realized.

続いて、上記構成を有する半導体装置10Hの形成方法の一例について説明する。
図16〜図19は第5の実施の形態に係る半導体装置の形成方法の一例について説明する図である。図16〜図19にはそれぞれ、半導体装置形成の各工程の一例の要部断面図を模式的に示している。
Subsequently, an example of a method for forming the semiconductor device 10H having the above configuration will be described.
16 to 19 are views for explaining an example of a method for forming a semiconductor device according to the fifth embodiment. 16 to 19 schematically show a cross-sectional view of a main part of an example of each process of forming a semiconductor device.

半導体装置10Hの形成では、まず、上記第4の実施の形態で述べた半導体装置10Gの形成と同様に、基板20上に、MOVPE法を用いて、核形成層21、チャネル層11、バリア層12、キャップ層14a及びキャップ層14bが順次成長される(図10)。例えば、基板20に半絶縁性SiC基板が用いられ、その基板20上に、厚さ100nmのAlNの核形成層21が成長され、その上に、厚さ3μmのGaNのチャネル層11が成長され、その上に、厚さ6nmのAl0.5Ga0.5Nのバリア層12が成長される。このバリア層12上に、例えば、厚さ1nmのIn0.2Ga0.8Nのキャップ層14aが成長され、その上に、厚さ3nmのGaNのキャップ層14bが成長される。 In the formation of the semiconductor device 10H, first, as in the formation of the semiconductor device 10G described in the fourth embodiment, the nucleation layer 21, the channel layer 11, and the barrier layer are formed on the substrate 20 by using the MOVPE method. 12. The cap layer 14a and the cap layer 14b are sequentially grown (FIG. 10). For example, a semi-insulating SiC substrate is used for the substrate 20, an AlN cambium 21 having a thickness of 100 nm is grown on the substrate 20, and a GaN channel layer 11 having a thickness of 3 μm is grown on the nucleation layer 21. On top of this, a 6 nm-thick Al 0.5 Ga 0.5 N barrier layer 12 is grown. For example, a cap layer 14a of In 0.2 Ga 0.8 N having a thickness of 1 nm is grown on the barrier layer 12, and a GaN cap layer 14b having a thickness of 3 nm is grown on the cap layer 14a.

InGaNのキャップ層14aの成長後、続けてGaNのキャップ層14bが成長され、InGaNがGaNで保護されることで、後述する以降の工程において、InGaNが表面に露出した状態で高温に曝されることが回避される。これにより、InGaNからのInの脱離等が抑えられ、所定の組成のInGaNを含有するキャップ層14aを備える半導体装置10Hが形成されるようになる。 After the growth of the InGaN cap layer 14a, the GaN cap layer 14b is subsequently grown, and the InGaN is protected by GaN, so that the InGaN is exposed to a high temperature in a state of being exposed to the surface in the subsequent steps described later. Is avoided. As a result, the desorption of In from InGaN is suppressed, and the semiconductor device 10H including the cap layer 14a containing InGaN having a predetermined composition is formed.

各層の成長後、InGaNのキャップ層14a及びGaNのキャップ層14bが、図16に示すように、バリア層12上の一部の領域(ゲート電極15とドレイン電極17との間となる領域)に設けられるようにパターニングされ、キャップ構造14が形成される。その際は、最上層のGaNのキャップ層14b上に保護膜(図示せず)が形成され、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、ゲート電極15とドレイン電極17との間の領域以外の保護膜、キャップ層14b及びキャップ層14aが除去される。これにより、図16に示すような、キャップ構造14がバリア層12上の一部の領域に形成された状態が得られる。保護膜は、キャップ構造14上に残存されてもよいし(図示せず)、キャップ構造14上から除去されてもよい。 After the growth of each layer, the InGaN cap layer 14a and the GaN cap layer 14b are formed in a part of the barrier layer 12 (the region between the gate electrode 15 and the drain electrode 17) as shown in FIG. The cap structure 14 is formed by being patterned so as to be provided. In that case, a protective film (not shown) is formed on the uppermost GaN cap layer 14b, and protection other than the region between the gate electrode 15 and the drain electrode 17 is performed by using photolithography technology and etching technology. The film, cap layer 14b and cap layer 14a are removed. As a result, as shown in FIG. 16, a state in which the cap structure 14 is formed in a part of the region on the barrier layer 12 can be obtained. The protective film may remain on the cap structure 14 (not shown) or may be removed from the cap structure 14.

キャップ構造14の形成後には、素子間分離領域(図示せず)が形成されてもよい。
次いで、図17に示すように、バリア層12上に、ソース電極16及びドレイン電極17が形成される。その際は、まず、フォトリソグラフィ技術、蒸着技術及びリフトオフ技術を用いて、ソース電極16及びドレイン電極17を形成する領域のバリア層12上に、電極用金属、例えば、厚さ20nmのTaと厚さ200nmのAlとの積層体が形成される。その後、窒素雰囲気中、400℃〜1000℃、例えば、550℃で熱処理が行われ、電極用金属がオーミック接続される。これにより、図17に示すような、バリア層12上に、ソース電極16及びドレイン電極17が形成された状態が得られる。
After the formation of the cap structure 14, an inter-element separation region (not shown) may be formed.
Next, as shown in FIG. 17, the source electrode 16 and the drain electrode 17 are formed on the barrier layer 12. In that case, first, using a photolithography technique, a vapor deposition technique, and a lift-off technique, an electrode metal, for example, Ta having a thickness of 20 nm and a thickness on the barrier layer 12 in the region forming the source electrode 16 and the drain electrode 17 A laminate with Al having a diameter of 200 nm is formed. Then, heat treatment is performed at 400 ° C. to 1000 ° C., for example, 550 ° C. in a nitrogen atmosphere, and the electrode metal is ohmic-connected. As a result, a state in which the source electrode 16 and the drain electrode 17 are formed on the barrier layer 12 as shown in FIG. 17 can be obtained.

次いで、図18に示すように、キャップ構造14、ソース電極16及びドレイン電極17が形成されたバリア層12上に、パッシベーション膜22が形成される。例えば、プラズマCVD法、ALD法、スパッタ法等を用いて、厚さ2nm〜500nm、例えば、厚さ100nmのパッシベーション膜22が形成される。パッシベーション膜22には、例えば、Si、Al、Hf、Zr、Ti、Ta又はWを含む酸化物、窒化物又は酸窒化物が用いられる。例えば、パッシベーション膜22として、SiNが形成される。これにより、図18に示すような、キャップ構造14、ソース電極16及びドレイン電極17が形成されたバリア層12上に、パッシベーション膜22が形成された状態が得られる。 Next, as shown in FIG. 18, the passivation film 22 is formed on the barrier layer 12 on which the cap structure 14, the source electrode 16, and the drain electrode 17 are formed. For example, a passivation film 22 having a thickness of 2 nm to 500 nm, for example, a thickness of 100 nm is formed by using a plasma CVD method, an ALD method, a sputtering method, or the like. For the passivation film 22, for example, an oxide, a nitride or an acid nitride containing Si, Al, Hf, Zr, Ti, Ta or W is used. For example, SiN is formed as the passivation film 22. As a result, as shown in FIG. 18, a state in which the passivation film 22 is formed on the barrier layer 12 on which the cap structure 14, the source electrode 16 and the drain electrode 17 are formed can be obtained.

次いで、図19に示すように、ゲート電極15を形成する領域のパッシベーション膜22が除去される。その際は、まず、フォトリソグラフィ技術を用いて、ゲート電極15を形成する領域に開口を有するレジストが形成され、これをマスクとするエッチングが行われる。このエッチングにより、レジストの開口から露出するパッシベーション膜22が除去される。パッシベーション膜22のエッチングは、例えば、フッ素系又は塩素系ガスを用いたドライエッチング、或いはフッ酸やバッファードフッ酸等を用いたウェットエッチングによって行われる。これにより、図19に示すような、ゲート電極15を形成する領域のパッシベーション膜22が除去された状態が得られる。パッシベーション膜22が除去された領域には、キャップ構造14の端部が露出されていてもよい。 Then, as shown in FIG. 19, the passivation film 22 in the region forming the gate electrode 15 is removed. At that time, first, a resist having an opening is formed in a region forming the gate electrode 15 by using a photolithography technique, and etching is performed using this as a mask. By this etching, the passivation film 22 exposed from the opening of the resist is removed. The passivation film 22 is etched, for example, by dry etching using a fluorine-based or chlorine-based gas, or wet etching using hydrofluoric acid, buffered hydrofluoric acid, or the like. As a result, as shown in FIG. 19, a state in which the passivation film 22 in the region forming the gate electrode 15 is removed can be obtained. The end portion of the cap structure 14 may be exposed in the region where the passivation film 22 has been removed.

尚、パッシベーション膜22をエッチングする際のマスクとするレジストの開口位置や開口サイズは、適宜設定することができる。例えば、レジストをマスクとするエッチングによってパッシベーション膜22が除去された部位から、キャップ構造14及びバリア層12のうち、キャップ構造14のみが露出した状態や、バリア層12のみが露出した状態等を得ることもできる。 The opening position and opening size of the resist used as a mask when etching the passivation film 22 can be appropriately set. For example, from the portion where the passivation film 22 is removed by etching using a resist as a mask, a state in which only the cap structure 14 is exposed or a state in which only the barrier layer 12 is exposed is obtained among the cap structure 14 and the barrier layer 12. You can also do it.

その後、フォトリソグラフィ技術、蒸着技術及びリフトオフ技術を用いて、パッシベーション膜22が除去された領域に、電極用金属、例えば、厚さ30nmのNiと厚さ400nmのAuとの積層体が形成され、ゲート電極15が形成される。これにより、上記図15に示したような半導体装置10Hが得られる。 Then, using a photolithography technique, a vapor deposition technique, and a lift-off technique, a laminate of an electrode metal, for example, Ni having a thickness of 30 nm and Au having a thickness of 400 nm is formed in the region where the passivation film 22 has been removed. The gate electrode 15 is formed. As a result, the semiconductor device 10H as shown in FIG. 15 is obtained.

尚、ここでは半導体装置10Hのチャネル層11に単層構造のGaNを用い、バリア層12に単層構造のAlGaNを用いる例を示したが、チャネル層11及びバリア層12の構成は、この例に限定されるものではない。例えば、半導体装置10Hにおいて、チャネル層11には、InGaN、AlGaN、InAlGaN等の窒化物半導体が用いられてもよく、1種の窒化物半導体の単層構造が用いられてもよいし、1種又は2種以上の窒化物半導体の積層構造が用いられてもよい。また、半導体装置10Hにおいて、バリア層12には、InAlN、InAlGaN、AlN等の窒化物半導体が用いられてもよく、1種の窒化物半導体の単層構造が用いられてもよいし、1種又は2種以上の窒化物半導体の積層構造が用いられてもよい。 Here, an example is shown in which GaN having a single layer structure is used for the channel layer 11 of the semiconductor device 10H and AlGaN having a single layer structure is used for the barrier layer 12, but the configuration of the channel layer 11 and the barrier layer 12 is this example. It is not limited to. For example, in the semiconductor device 10H, a nitride semiconductor such as InGaN, AlGaN, or InAlGaN may be used for the channel layer 11, or a single layer structure of one kind of nitride semiconductor may be used, or one kind. Alternatively, a laminated structure of two or more types of nitride semiconductors may be used. Further, in the semiconductor device 10H, a nitride semiconductor such as InAlN, InAlGaN, or AlN may be used for the barrier layer 12, or a single layer structure of one kind of nitride semiconductor may be used, or one kind. Alternatively, a laminated structure of two or more types of nitride semiconductors may be used.

また、半導体装置10Hのゲート電極15、ソース電極16及びドレイン電極17に用いる金属の種類及び層構造は上記の例に限定されるものではなく、それらの形成方法も上記の例に限定されるものではない。ゲート電極15、ソース電極16及びドレイン電極17にはそれぞれ、単層構造が用いられてもよいし、積層構造が用いられてもよい。ソース電極16及びドレイン電極17の形成時には、それらの電極用金属の形成によってオーミック接続が実現されるようであれば、必ずしも上記のような熱処理が行われることを要しない。ゲート電極15の形成時には、その電極用金属の形成後、更に熱処理が行われてもよい。 Further, the types and layer structures of the metals used for the gate electrode 15, the source electrode 16 and the drain electrode 17 of the semiconductor device 10H are not limited to the above examples, and their forming methods are also limited to the above examples. is not. A single-layer structure or a laminated structure may be used for the gate electrode 15, the source electrode 16, and the drain electrode 17, respectively. When forming the source electrode 16 and the drain electrode 17, it is not always necessary to perform the above heat treatment as long as ohmic connection is realized by forming the metal for the electrode. When forming the gate electrode 15, further heat treatment may be performed after the metal for the electrode is formed.

また、ここでは半導体装置10Hの基板20に半絶縁性SiC基板を用いる例を示したが、電界効果トランジスタの機能を持つ構造部に窒化物半導体が用いられていれば、他の基板材料が用いられてもよい。基板20は、半絶縁性であってもよいし、導電性であってもよい。基板20には、半絶縁性SiC基板のほか、導電性SiC基板、サファイヤ基板、GaN基板、Si基板、ダイヤモンド基板等が用いられてもよい。 Further, although an example in which a semi-insulating SiC substrate is used for the substrate 20 of the semiconductor device 10H is shown here, if a nitride semiconductor is used for the structural portion having the function of a field effect transistor, another substrate material can be used. May be done. The substrate 20 may be semi-insulating or conductive. As the substrate 20, in addition to the semi-insulating SiC substrate, a conductive SiC substrate, a sapphire substrate, a GaN substrate, a Si substrate, a diamond substrate and the like may be used.

[第6の実施の形態]
ここでは、上記第3の実施の形態で述べたような構成を含む半導体装置及びその形成方法の一例について説明する。
[Sixth Embodiment]
Here, an example of a semiconductor device including the configuration as described in the third embodiment and a method for forming the semiconductor device will be described.

図20は第6の実施の形態に係る半導体装置の一例について説明する図である。図20には、半導体装置の一例の要部断面図を模式的に示している。
図20に示す半導体装置10Iは、SBDの一例である。半導体装置10Iは、基板20と、その上に設けられた核形成層21とを有する。基板20には、例えば、半絶縁性SiC基板が用いられる。核形成層21には、窒化物半導体、例えば、AlNが用いられる。基板20上に設けられた核形成層21上に、チャネル層11及びバリア層12が設けられる。例えば、チャネル層11にはGaNが用いられ、バリア層12にはAlGaNが用いられる。バリア層12上に、InGaNのキャップ層14aとその表面を保護するGaNのキャップ層14bとを有するキャップ構造14、並びにカソード電極18(オーミック電極)及びアノード電極19(ショットキー電極)が設けられる。キャップ構造14は、カソード電極18とアノード電極19との間のバリア層12上の、アノード電極19寄りの一部の領域に設けられる。カソード電極18は、オーミック電極として機能するようにバリア層12上に設けられ、アノード電極19は、ショットキー電極として機能するようにバリア層12上に設けられる。キャップ構造14、カソード電極18及びアノード電極19が設けられたバリア層12上には、パッシベーション膜22が設けられる。
FIG. 20 is a diagram illustrating an example of a semiconductor device according to the sixth embodiment. FIG. 20 schematically shows a cross-sectional view of a main part of an example of a semiconductor device.
The semiconductor device 10I shown in FIG. 20 is an example of SBD. The semiconductor device 10I has a substrate 20 and a nucleation layer 21 provided on the substrate 20. For the substrate 20, for example, a semi-insulating SiC substrate is used. A nitride semiconductor, for example, AlN, is used for the nucleation layer 21. The channel layer 11 and the barrier layer 12 are provided on the nucleation layer 21 provided on the substrate 20. For example, GaN is used for the channel layer 11 and AlGaN is used for the barrier layer 12. On the barrier layer 12, a cap structure 14 having an InGaN cap layer 14a and a GaN cap layer 14b that protects the surface thereof, and a cathode electrode 18 (ohmic electrode) and an anode electrode 19 (Schottky electrode) are provided. The cap structure 14 is provided in a part of the barrier layer 12 between the cathode electrode 18 and the anode electrode 19 near the anode electrode 19. The cathode electrode 18 is provided on the barrier layer 12 so as to function as an ohmic electrode, and the anode electrode 19 is provided on the barrier layer 12 so as to function as a Schottky electrode. A passivation film 22 is provided on the barrier layer 12 provided with the cap structure 14, the cathode electrode 18, and the anode electrode 19.

半導体装置10Iでは、バリア層12上のアノード電極19寄りの一部の領域にキャップ構造14が設けられ、そのInGaNのキャップ層14aに発生するピエゾ分極の作用により、その領域の下方のチャネル層11の2DEG13が低濃度化される。これにより、逆方向バイアス印加時のアノード電極19側の電界が緩和され、SBDとして機能する、逆方向耐圧の高い半導体装置10Iが実現される。更に、半導体装置10Iでは、InGaNのキャップ層14a上に、それを保護するGaNのキャップ層14bが設けられる。これにより、SBDとして機能する、高信頼性の半導体装置10Iが実現される。 In the semiconductor device 10I, the cap structure 14 is provided in a part of the region near the anode electrode 19 on the barrier layer 12, and the channel layer 11 below the region is provided by the action of the piezo polarization generated in the cap layer 14a of the InGaN. 2DEG13 is reduced in concentration. As a result, the electric field on the anode electrode 19 side when the reverse bias is applied is relaxed, and the semiconductor device 10I having a high reverse withstand voltage that functions as an SBD is realized. Further, in the semiconductor device 10I, a GaN cap layer 14b for protecting the InGaN cap layer 14a is provided on the InGaN cap layer 14a. As a result, a highly reliable semiconductor device 10I that functions as an SBD is realized.

上記構成を有する半導体装置10Iは、上記第4及び第5の実施の形態において上記図10及び図16〜図18について述べたような方法を用いて、形成することができる。
即ち、まず、上記図10の例に従い、基板20上に、MOVPE法を用いて、核形成層21、チャネル層11、バリア層12、キャップ層14a及びキャップ層14bが順次成長される。この時、InGaNのキャップ層14aの成長後、続けてGaNのキャップ層14bが成長されることで、InGaNがGaNで保護される。
The semiconductor device 10I having the above configuration can be formed by using the methods described with respect to FIGS. 10 and 16 to 18 in the fourth and fifth embodiments.
That is, first, according to the example of FIG. 10, the nucleation layer 21, the channel layer 11, the barrier layer 12, the cap layer 14a and the cap layer 14b are sequentially grown on the substrate 20 by using the MOVPE method. At this time, after the growth of the InGaN cap layer 14a, the GaN cap layer 14b is continuously grown to protect the InGaN with GaN.

次いで、上記図16の例に従い、InGaNのキャップ層14a及びGaNのキャップ層14bがパターニングされ、キャップ構造14が形成される。
次いで、上記図17の例に従い、バリア層12上に電極用金属が形成され、カソード電極18及びアノード電極19が形成される。その際、カソード電極18は、オーミック電極として機能するようにバリア層12上に形成され、アノード電極19は、ショットキー電極として機能するようにバリア層12上に形成される。半導体装置10Iの形成では、カソード電極18及びアノード電極19についてそれぞれオーミック接続及びショットキー接続が実現されるように、形成が別々の工程で行われてもよく、また、互いに異なる種類の電極用金属が用いられてもよい。
Then, according to the example of FIG. 16, the InGaN cap layer 14a and the GaN cap layer 14b are patterned to form the cap structure 14.
Next, according to the example of FIG. 17, the electrode metal is formed on the barrier layer 12, and the cathode electrode 18 and the anode electrode 19 are formed. At that time, the cathode electrode 18 is formed on the barrier layer 12 so as to function as an ohmic electrode, and the anode electrode 19 is formed on the barrier layer 12 so as to function as a Schottky electrode. In the formation of the semiconductor device 10I, the formation may be performed in separate steps so that ohmic connection and shotkey connection are realized for the cathode electrode 18 and the anode electrode 19, respectively, and different types of electrode metals are formed. May be used.

次いで、上記図18の例に従い、キャップ構造14、カソード電極18及びアノード電極19が形成されたバリア層12上に、パッシベーション膜22が形成される。
例えば、このような方法が用いられ、図20に示すような構成を有する半導体装置10Iが形成される。
Next, the passivation film 22 is formed on the barrier layer 12 on which the cap structure 14, the cathode electrode 18, and the anode electrode 19 are formed according to the example of FIG.
For example, such a method is used to form a semiconductor device 10I having a configuration as shown in FIG.

尚、半導体装置10Iにおいても、チャネル層11には、GaNのほか、InGaN、AlGaN、InAlGaN等の窒化物半導体が用いられてもよく、1種の窒化物半導体の単層構造が用いられてもよいし、1種又は2種以上の窒化物半導体の積層構造が用いられてもよい。バリア層12には、AlGaNのほか、InAlN、InAlGaN、AlN等の窒化物半導体が用いられてもよく、1種の窒化物半導体の単層構造が用いられてもよいし、1種又は2種以上の窒化物半導体の積層構造が用いられてもよい。また、基板20には、半絶縁性SiC基板のほか、導電性SiC基板、サファイヤ基板、GaN基板、Si基板、ダイヤモンド基板等が用いられてもよい。 In the semiconductor device 10I as well, in addition to GaN, a nitride semiconductor such as InGaN, AlGaN, or InAlGaN may be used for the channel layer 11, or a single layer structure of one type of nitride semiconductor may be used. Alternatively, a laminated structure of one or more types of nitride semiconductors may be used. In addition to AlGaN, a nitride semiconductor such as InAlN, InAlGaN, or AlN may be used for the barrier layer 12, or a single-layer structure of one type of nitride semiconductor may be used, or one or two types. The above-mentioned laminated structure of nitride semiconductor may be used. Further, as the substrate 20, in addition to the semi-insulating SiC substrate, a conductive SiC substrate, a sapphire substrate, a GaN substrate, a Si substrate, a diamond substrate and the like may be used.

以上、第1〜第6の実施の形態で述べたような構成を有する半導体装置10A,10B,10C,10D,10E,10F,10G,10H,10I等は、各種電子装置に適用することができる。一例として、上記のような構成を有する半導体装置を、半導体パッケージ、力率改善回路、電源装置及び増幅器に適用する場合について、以下に説明する。 As described above, the semiconductor devices 10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F, 10G, 10H, 10I and the like having the configurations as described in the first to sixth embodiments can be applied to various electronic devices. .. As an example, a case where a semiconductor device having the above configuration is applied to a semiconductor package, a power factor improving circuit, a power supply device, and an amplifier will be described below.

[第7の実施の形態]
ここでは、上記のような構成を有する半導体装置の、半導体パッケージへの適用例を、第7の実施の形態として説明する。
[7th Embodiment]
Here, an example of application of the semiconductor device having the above configuration to a semiconductor package will be described as a seventh embodiment.

図21は第7の実施の形態に係る半導体パッケージの一例について説明する図である。図21には、半導体パッケージの一例の要部平面図を模式的に示している。
図21に示す半導体パッケージ200は、ディスクリートパッケージの一例である。半導体パッケージ200は、例えば、上記第1の実施の形態で述べた半導体装置10A、半導体装置10Aが搭載されたリードフレーム210、及びそれらを封止する樹脂220を含む。
FIG. 21 is a diagram illustrating an example of a semiconductor package according to the seventh embodiment. FIG. 21 schematically shows a plan view of a main part of an example of a semiconductor package.
The semiconductor package 200 shown in FIG. 21 is an example of a discrete package. The semiconductor package 200 includes, for example, the semiconductor device 10A described in the first embodiment, the lead frame 210 on which the semiconductor device 10A is mounted, and the resin 220 that seals them.

半導体装置10Aは、リードフレーム210のダイパッド210a上にダイアタッチ材等(図示せず)を用いて搭載される。半導体装置10Aには、上記ゲート電極15に接続されたパッド15a、ソース電極16に接続されたパッド16a及びドレイン電極17に接続されたパッド17aが設けられる。パッド15a、パッド16a及びパッド17aはそれぞれ、Al等のワイヤ230を用いてリードフレーム210のゲートリード211、ソースリード212及びドレインリード213に接続される。ゲートリード211、ソースリード212及びドレインリード213の各一部が露出するように、リードフレーム210とそれに搭載された半導体装置10A及びそれらを接続するワイヤ230が、樹脂220で封止される。 The semiconductor device 10A is mounted on the die pad 210a of the lead frame 210 using a die attach material or the like (not shown). The semiconductor device 10A is provided with a pad 15a connected to the gate electrode 15, a pad 16a connected to the source electrode 16, and a pad 17a connected to the drain electrode 17. The pads 15a, 16a, and 17a are respectively connected to the gate lead 211, the source lead 212, and the drain lead 213 of the lead frame 210 by using a wire 230 such as Al. The lead frame 210, the semiconductor device 10A mounted therein, and the wire 230 connecting them are sealed with the resin 220 so that each part of the gate lead 211, the source lead 212, and the drain lead 213 is exposed.

例えば、上記第1の実施の形態で述べた半導体装置10Aが用いられ、このような構成を有する半導体パッケージ200が得られる。ここでは、半導体装置10Aを例にしたが、HEMTとして機能する他の半導体装置10B,10C,10D,10E,10G,10H等を用いて、同様に高性能の半導体パッケージを得ることが可能である。 For example, the semiconductor device 10A described in the first embodiment is used, and a semiconductor package 200 having such a configuration can be obtained. Here, the semiconductor device 10A is taken as an example, but it is possible to obtain a similarly high-performance semiconductor package by using other semiconductor devices 10B, 10C, 10D, 10E, 10G, 10H, etc. that function as HEMTs. ..

上記のように、半導体装置10A,10B,10C,10D,10E,10G,10H等では、バリア層12上の一部の領域に、InGaNのキャップ層14aとその表面を保護するGaNのキャップ層14bとを有するキャップ構造14が設けられる。そして、キャップ構造14下方のチャネル層11の2DEG13が低濃度化される。キャップ構造14が、ゲート電極15下に設けられることで、HEMTのノーマリオフ化が実現される。キャップ構造14が、ゲート電極15とドレイン電極17との間に設けられることで、HEMTの高耐圧化が実現される。InGaNのキャップ層14aがGaNのキャップ層14bで保護されることで、高信頼性のHEMTが実現される。このような優れた特性を有する半導体装置10A,10B,10C,10D,10E,10G,10H等が用いられ、高性能の半導体パッケージ200が実現される。 As described above, in the semiconductor devices 10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10G, 10H and the like, the InGaN cap layer 14a and the GaN cap layer 14b that protects the surface thereof are formed in a part of the region on the barrier layer 12. A cap structure 14 having the above is provided. Then, the concentration of 2DEG13 in the channel layer 11 below the cap structure 14 is reduced. By providing the cap structure 14 under the gate electrode 15, normalization of HEMT is realized. By providing the cap structure 14 between the gate electrode 15 and the drain electrode 17, a high withstand voltage of HEMT is realized. By protecting the InGaN cap layer 14a with the GaN cap layer 14b, a highly reliable HEMT is realized. Semiconductor devices 10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10G, 10H and the like having such excellent characteristics are used, and a high-performance semiconductor package 200 is realized.

また、SBDとして機能する半導体装置10F,10I等を用いてディスクリートパッケージを得ることもできる。上記のように、半導体装置10F,10I等では、キャップ構造14が、カソード電極18とアノード電極19との間のアノード電極19寄りの一部の領域に設けられることで、SBDの逆方向耐圧の向上が実現される。InGaNのキャップ層14aがGaNのキャップ層14bで保護されることで、高信頼性のSBDが実現される。このような優れた特性を有する半導体装置10F,10I等が用いられ、高性能の半導体パッケージが実現される。 Further, a discrete package can be obtained by using semiconductor devices 10F, 10I, etc. that function as SBDs. As described above, in the semiconductor devices 10F, 10I, etc., the cap structure 14 is provided in a part of the region between the cathode electrode 18 and the anode electrode 19 near the anode electrode 19, so that the SBD has a reverse pressure resistance. Improvements are realized. By protecting the InGaN cap layer 14a with the GaN cap layer 14b, highly reliable SBD is realized. Semiconductor devices 10F, 10I and the like having such excellent characteristics are used, and a high-performance semiconductor package is realized.

[第8の実施の形態]
ここでは、上記のような構成を有する半導体装置の、力率改善回路への適用例を、第8の実施の形態として説明する。
[Eighth Embodiment]
Here, an example of application of the semiconductor device having the above configuration to the power factor improving circuit will be described as the eighth embodiment.

図22は第8の実施の形態に係る力率改善回路の一例について説明する図である。図22には、力率改善回路の一例の等価回路図を示している。
図22に示す力率改善(Power Factor Correction;PFC)回路300は、スイッチ素子310、ダイオード320、チョークコイル330、コンデンサ340、コンデンサ350、ダイオードブリッジ360及び交流電源370(AC)を含む。
FIG. 22 is a diagram illustrating an example of a power factor improving circuit according to the eighth embodiment. FIG. 22 shows an equivalent circuit diagram of an example of the power factor improving circuit.
The power factor correction (PFC) circuit 300 shown in FIG. 22 includes a switch element 310, a diode 320, a choke coil 330, a capacitor 340, a capacitor 350, a diode bridge 360, and an AC power supply 370 (AC).

PFC回路300において、スイッチ素子310のドレイン電極と、ダイオード320のアノード端子及びチョークコイル330の一端子とが接続される。スイッチ素子310のソース電極と、コンデンサ340の一端子及びコンデンサ350の一端子とが接続される。コンデンサ340の他端子とチョークコイル330の他端子とが接続される。コンデンサ350の他端子とダイオード320のカソード端子とが接続される。また、スイッチ素子310のゲート電極には、ゲートドライバが接続される。コンデンサ340の両端子間には、ダイオードブリッジ360を介して交流電源370が接続され、コンデンサ350の両端子間から直流電源(DC)が取り出される。 In the PFC circuit 300, the drain electrode of the switch element 310, the anode terminal of the diode 320, and one terminal of the choke coil 330 are connected. The source electrode of the switch element 310 is connected to one terminal of the capacitor 340 and one terminal of the capacitor 350. The other terminal of the capacitor 340 and the other terminal of the choke coil 330 are connected. The other terminal of the capacitor 350 and the cathode terminal of the diode 320 are connected. A gate driver is connected to the gate electrode of the switch element 310. An AC power supply 370 is connected between both terminals of the capacitor 340 via a diode bridge 360, and a direct current power supply (DC) is taken out from both terminals of the capacitor 350.

例えば、このような構成を有するPFC回路300のスイッチ素子310に、HEMTとして機能する上記半導体装置10A,10B,10C,10D,10E,10G,10H等が用いられる。 For example, the semiconductor devices 10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10G, 10H and the like that function as HEMTs are used for the switch element 310 of the PFC circuit 300 having such a configuration.

上記のように、半導体装置10A,10B,10C,10D,10E,10G,10H等では、バリア層12上の一部の領域に、InGaNのキャップ層14aとその表面を保護するGaNのキャップ層14bとを有するキャップ構造14が設けられる。そして、キャップ構造14下方のチャネル層11の2DEG13が低濃度化される。キャップ構造14が、ゲート電極15下に設けられることで、HEMTのノーマリオフ化が実現される。キャップ構造14が、ゲート電極15とドレイン電極17との間に設けられることで、HEMTの高耐圧化が実現される。InGaNのキャップ層14aがGaNのキャップ層14bで保護されることで、高信頼性のHEMTが実現される。このような優れた特性を有する半導体装置10A,10B,10C,10D,10E,10G,10H等が用いられ、高性能のPFC回路300が実現される。 As described above, in the semiconductor devices 10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10G, 10H and the like, the InGaN cap layer 14a and the GaN cap layer 14b that protects the surface thereof are formed in a part of the region on the barrier layer 12. A cap structure 14 having the above is provided. Then, the concentration of 2DEG13 in the channel layer 11 below the cap structure 14 is reduced. By providing the cap structure 14 under the gate electrode 15, normalization of HEMT is realized. By providing the cap structure 14 between the gate electrode 15 and the drain electrode 17, a high withstand voltage of HEMT is realized. By protecting the InGaN cap layer 14a with the GaN cap layer 14b, a highly reliable HEMT is realized. Semiconductor devices 10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10G, 10H and the like having such excellent characteristics are used, and a high-performance PFC circuit 300 is realized.

また、PFC回路300のダイオード320やダイオードブリッジ360には、SBDとして機能する上記半導体装置10F,10I等が用いられてもよい。上記のように、半導体装置10F,10I等では、キャップ構造14が、カソード電極18とアノード電極19との間のアノード電極19寄りの一部の領域に設けられることで、SBDの逆方向耐圧の向上が実現される。InGaNのキャップ層14aがGaNのキャップ層14bで保護されることで、高信頼性のSBDが実現される。このような優れた特性を有する半導体装置10F,10I等が用いられ、高性能のPFC回路300が実現される。 Further, the semiconductor devices 10F, 10I and the like that function as SBDs may be used for the diode 320 and the diode bridge 360 of the PFC circuit 300. As described above, in the semiconductor devices 10F, 10I, etc., the cap structure 14 is provided in a part of the region between the cathode electrode 18 and the anode electrode 19 near the anode electrode 19, so that the SBD has a reverse pressure resistance. Improvements are realized. By protecting the InGaN cap layer 14a with the GaN cap layer 14b, highly reliable SBD is realized. Semiconductor devices 10F, 10I and the like having such excellent characteristics are used, and a high-performance PFC circuit 300 is realized.

[第9の実施の形態]
ここでは、上記のような構成を有する半導体装置の、電源装置への適用例を、第9の実施の形態として説明する。
[9th Embodiment]
Here, an example of application of the semiconductor device having the above configuration to the power supply device will be described as a ninth embodiment.

図23は第9の実施の形態に係る電源装置の一例について説明する図である。図23には、電源装置の一例の等価回路図を示している。
図23に示す電源装置400は、高圧の一次側回路410及び低圧の二次側回路420、並びに一次側回路410と二次側回路420との間に設けられるトランス430を含む。
FIG. 23 is a diagram illustrating an example of the power supply device according to the ninth embodiment. FIG. 23 shows an equivalent circuit diagram of an example of the power supply device.
The power supply device 400 shown in FIG. 23 includes a high-voltage primary circuit 410, a low-voltage secondary circuit 420, and a transformer 430 provided between the primary circuit 410 and the secondary circuit 420.

一次側回路410には、上記第8の実施の形態で述べたようなPFC回路300、及びPFC回路300のコンデンサ350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440が含まれる。フルブリッジインバータ回路440には、複数(ここでは一例として4つ)のスイッチ素子441、スイッチ素子442、スイッチ素子443及びスイッチ素子444が含まれる。 The primary side circuit 410 includes an inverter circuit connected between both terminals of the PFC circuit 300 and the capacitor 350 of the PFC circuit 300 as described in the eighth embodiment, for example, a full bridge inverter circuit 440. Is done. The full bridge inverter circuit 440 includes a plurality of (four as an example here) switch element 441, switch element 442, switch element 443, and switch element 444.

二次側回路420には、複数(ここでは一例として3つ)のスイッチ素子421、スイッチ素子422及びスイッチ素子423が含まれる。
例えば、このような構成を有する電源装置400の、一次側回路410に含まれるPFC回路300のスイッチ素子310、及びフルブリッジインバータ回路440のスイッチ素子441〜444に、HEMTとして機能する上記半導体装置10A,10B,10C,10D,10E,10G,10H等が用いられる。例えば、電源装置400の、二次側回路420のスイッチ素子421〜423には、シリコンを用いた通常のMIS(Metal Insulator Semiconductor)型電界効果トランジスタが用いられる。
The secondary circuit 420 includes a plurality of (three as an example here) switch elements 421, switch elements 422, and switch elements 423.
For example, the semiconductor device 10A that functions as HEMT in the switch element 310 of the PFC circuit 300 included in the primary side circuit 410 and the switch elements 441 to 444 of the full bridge inverter circuit 440 of the power supply device 400 having such a configuration. , 10B, 10C, 10D, 10E, 10G, 10H and the like are used. For example, a normal MIS (Metal Insulator Semiconductor) type field effect transistor using silicon is used for the switch elements 421 to 423 of the secondary circuit 420 of the power supply device 400.

上記のように、半導体装置10A,10B,10C,10D,10E,10G,10H等では、バリア層12上の一部の領域に、InGaNのキャップ層14aとその表面を保護するGaNのキャップ層14bとを有するキャップ構造14が設けられる。そして、キャップ構造14下方のチャネル層11の2DEG13が低濃度化される。キャップ構造14が、ゲート電極15下に設けられることで、HEMTのノーマリオフ化が実現される。キャップ構造14が、ゲート電極15とドレイン電極17との間に設けられることで、HEMTの高耐圧化が実現される。InGaNのキャップ層14aがGaNのキャップ層14bで保護されることで、高信頼性のHEMTが実現される。このような優れた特性を有する半導体装置10A,10B,10C,10D,10E,10G,10H等が用いられ、高性能の電源装置400が実現される。 As described above, in the semiconductor devices 10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10G, 10H and the like, the InGaN cap layer 14a and the GaN cap layer 14b that protects the surface thereof are formed in a part of the region on the barrier layer 12. A cap structure 14 having the above is provided. Then, the concentration of 2DEG13 in the channel layer 11 below the cap structure 14 is reduced. By providing the cap structure 14 under the gate electrode 15, normalization of HEMT is realized. By providing the cap structure 14 between the gate electrode 15 and the drain electrode 17, a high withstand voltage of HEMT is realized. By protecting the InGaN cap layer 14a with the GaN cap layer 14b, a highly reliable HEMT is realized. Semiconductor devices 10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10G, 10H and the like having such excellent characteristics are used, and a high-performance power supply device 400 is realized.

また、一次側回路410に含まれるPFC回路300のダイオード320やダイオードブリッジ360には、上記第8の実施の形態で述べたように、SBDとして機能する上記半導体装置10F,10I等が用いられてもよい。優れた特性を有する半導体装置10F,10I等が用いられ、高性能のPFC回路300が実現され、そのようなPFC回路300が用いられ、高性能の電源装置400が実現される。 Further, as the diode 320 and the diode bridge 360 of the PFC circuit 300 included in the primary side circuit 410, as described in the eighth embodiment, the semiconductor devices 10F, 10I and the like functioning as SBDs are used. May be good. Semiconductor devices 10F, 10I and the like having excellent characteristics are used to realize a high-performance PFC circuit 300, and such a PFC circuit 300 is used to realize a high-performance power supply device 400.

[第10の実施の形態]
ここでは、上記のような構成を有する半導体装置の、増幅器への適用例を、第10の実施の形態として説明する。
[10th Embodiment]
Here, an example of application of the semiconductor device having the above configuration to an amplifier will be described as a tenth embodiment.

図24は第10の実施の形態に係る増幅器の一例について説明する図である。図24には、増幅器の一例の等価回路図を示している。
図24に示す増幅器500は、ディジタルプレディストーション回路510、ミキサー520、ミキサー530、及びパワーアンプ540を含む。
FIG. 24 is a diagram illustrating an example of an amplifier according to the tenth embodiment. FIG. 24 shows an equivalent circuit diagram of an example of an amplifier.
The amplifier 500 shown in FIG. 24 includes a digital pre-distortion circuit 510, a mixer 520, a mixer 530, and a power amplifier 540.

ディジタルプレディストーション回路510は、入力信号の非線形歪みを補償する。ミキサー520は、非線形歪みが補償された入力信号SIと交流信号とをミキシングする。パワーアンプ540は、入力信号SIが交流信号とミキシングされた信号を増幅する。増幅器500では、例えば、スイッチの切り替えにより、出力信号SOをミキサー530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510に送出することができる。増幅器500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。 The digital predistortion circuit 510 compensates for the non-linear distortion of the input signal. The mixer 520 mixes the input signal SI and the AC signal in which the non-linear distortion is compensated. The power amplifier 540 amplifies the signal in which the input signal SI is mixed with the AC signal. In the amplifier 500, for example, the output signal SO can be mixed with the AC signal by the mixer 530 and transmitted to the digital predistortion circuit 510 by switching the switch. The amplifier 500 can be used as a high frequency amplifier or a high output amplifier.

このような構成を有する増幅器500のパワーアンプ540に、HEMTとして機能する上記半導体装置10A,10B,10C,10D,10E,10G,10H等が用いられる。 The semiconductor devices 10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10G, 10H and the like that function as HEMTs are used as the power amplifier 540 of the amplifier 500 having such a configuration.

上記のように、半導体装置10A,10B,10C,10D,10E,10G,10H等では、バリア層12上の一部の領域に、InGaNのキャップ層14aとその表面を保護するGaNのキャップ層14bとを有するキャップ構造14が設けられる。そして、キャップ構造14下方のチャネル層11の2DEG13が低濃度化される。キャップ構造14が、ゲート電極15下に設けられることで、HEMTのノーマリオフ化が実現される。キャップ構造14が、ゲート電極15とドレイン電極17との間に設けられることで、HEMTの高耐圧化が実現される。InGaNのキャップ層14aがGaNのキャップ層14bで保護されることで、高信頼性のHEMTが実現される。このような優れた特性を有する半導体装置10A,10B,10C,10D,10E,10G,10H等が用いられ、高性能の増幅器500が実現される。 As described above, in the semiconductor devices 10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10G, 10H and the like, the InGaN cap layer 14a and the GaN cap layer 14b that protects the surface thereof are formed in a part of the region on the barrier layer 12. A cap structure 14 having the above is provided. Then, the concentration of 2DEG13 in the channel layer 11 below the cap structure 14 is reduced. By providing the cap structure 14 under the gate electrode 15, normalization of HEMT is realized. By providing the cap structure 14 between the gate electrode 15 and the drain electrode 17, a high withstand voltage of HEMT is realized. By protecting the InGaN cap layer 14a with the GaN cap layer 14b, a highly reliable HEMT is realized. Semiconductor devices 10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10G, 10H and the like having such excellent characteristics are used, and a high-performance amplifier 500 is realized.

また、増幅器500にダイオードが用いられる場合、そのダイオードには、半導体装置10F,10I等のSBDが用いられてもよい。上記のように、半導体装置10F,10I等では、キャップ構造14が、カソード電極18とアノード電極19との間のアノード電極19寄りの一部の領域に設けられることで、SBDの逆方向耐圧の向上が実現される。InGaNのキャップ層14aがGaNのキャップ層14bで保護されることで、高信頼性のSBDが実現される。このような優れた特性を有する半導体装置10F,10I等が用いられ、高性能の増幅器500が実現される。 When a diode is used for the amplifier 500, an SBD such as a semiconductor device 10F or 10I may be used for the diode. As described above, in the semiconductor devices 10F, 10I, etc., the cap structure 14 is provided in a part of the region between the cathode electrode 18 and the anode electrode 19 near the anode electrode 19, so that the SBD has a reverse pressure resistance. Improvements are realized. By protecting the InGaN cap layer 14a with the GaN cap layer 14b, highly reliable SBD is realized. Semiconductor devices 10F, 10I and the like having such excellent characteristics are used, and a high-performance amplifier 500 is realized.

上記半導体装置10A,10B,10C,10D,10E,10F,10G,10H,10I等を適用した各種電子装置(上記第7〜第10の実施の形態で述べた半導体パッケージ200、PFC回路300、電源装置400及び増幅器500等)は、各種電子機器に搭載することができる。例えば、コンピュータ(パーソナルコンピュータ、スーパーコンピュータ、サーバ等)、スマートフォン、携帯電話、タブレット端末、センサ、カメラ、オーディオ機器、測定装置、検査装置、製造装置といった、各種電子機器に搭載することが可能である。 Various electronic devices to which the semiconductor devices 10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F, 10G, 10H, 10I, etc. are applied (semiconductor package 200, PFC circuit 300, power supply described in the seventh to tenth embodiments above). The device 400, the amplifier 500, etc.) can be mounted on various electronic devices. For example, it can be installed in various electronic devices such as computers (personal computers, supercomputers, servers, etc.), smartphones, mobile phones, tablet terminals, sensors, cameras, audio devices, measuring devices, inspection devices, manufacturing devices, etc. ..

10A,10B,10C,10D,10E,10F,10G,10H,10I,100A,100B 半導体装置
11,101 チャネル層
12,102 バリア層
12c,14c 上面
13,103 2DEG
14 キャップ構造
14a,14b,104A,104B キャップ層
15,105 ゲート電極
15a,16a,17a パッド
16,106 ソース電極
17,107 ドレイン電極
18 カソード電極
19 アノード電極
20 基板
21 核形成層
22 パッシベーション膜
200 半導体パッケージ
210 リードフレーム
210a ダイパッド
211 ゲートリード
212 ソースリード
213 ドレインリード
220 樹脂
230 ワイヤ
300 PFC回路
310,421,422,423,441,442,443,444 スイッチ素子
320 ダイオード
330 チョークコイル
340,350 コンデンサ
360 ダイオードブリッジ
370 交流電源
400 電源装置
410 一次側回路
420 二次側回路
430 トランス
440 フルブリッジインバータ回路
500 増幅器
510 ディジタルプレディストーション回路
520,530 ミキサー
540 パワーアンプ
10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F, 10G, 10H, 10I, 100A, 100B Semiconductor device 11,101 Channel layer 12,102 Barrier layer 12c, 14c Top surface 13,103 2DEG
14 Cap structure 14a, 14b, 104A, 104B Cap layer 15,105 Gate electrode 15a, 16a, 17a Pad 16,106 Source electrode 17,107 Drain electrode 18 Cathode electrode 19 Anopole electrode 20 Substrate 21 Nucleation layer 22 Passion film 200 Semiconductor Package 210 Lead frame 210a Die pad 211 Gate lead 212 Source lead 213 Drain lead 220 Resin 230 Wire 300 PFC circuit 310,421,422,423,441,442,443,444 Switch element 320 Diode 330 Choke coil 340,350 Condenser 360 Diode Bridge 370 AC power supply 400 Power supply unit 410 Primary side circuit 420 Secondary side circuit 430 Transformer 440 Full bridge Inverter circuit 500 Amplifier 510 Digital predistortion circuit 520, 530 Mixer 540 Power amplifier

Claims (11)

第1窒化物半導体を含有するチャネル層と、
前記チャネル層上に設けられ、第2窒化物半導体を含有するバリア層と、
前記バリア層上の第1領域に設けられたキャップ構造と
を含み、
前記キャップ構造は、
InGa1−xN(0<x<1)を含有する第1層と、
前記第1層上に設けられ、GaNを含有する第2層と
を有することを特徴とする半導体装置。
A channel layer containing a first nitride semiconductor and
A barrier layer provided on the channel layer and containing a second nitride semiconductor,
Including a cap structure provided in the first region on the barrier layer
The cap structure
The first layer containing In x Ga 1-x N (0 <x <1) and
A semiconductor device provided on the first layer and having a second layer containing GaN.
前記チャネル層の前記バリア層との界面近傍に、二次元電子ガスが生成され、
前記バリア層上に設けられた前記キャップ構造の前記第1層は、圧縮ひずみを有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
Two-dimensional electron gas is generated in the vicinity of the interface between the channel layer and the barrier layer.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first layer of the cap structure provided on the barrier layer has a compressive strain.
前記バリア層上の前記第1領域とは異なる第2領域の下方の前記チャネル層には、前記第1領域の下方の前記チャネル層よりも、高濃度の二次元電子ガスが生成されることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。 A higher concentration of two-dimensional electron gas is generated in the channel layer below the second region different from the first region on the barrier layer than in the channel layer below the first region. The semiconductor device according to claim 1 or 2. 前記キャップ構造の前記第2層上に設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極両側の前記バリア層上にそれぞれ設けられたソース電極及びドレイン電極と
を含むことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置。
A gate electrode provided on the second layer of the cap structure and
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, further comprising a source electrode and a drain electrode provided on the barrier layer on both sides of the gate electrode.
前記バリア層上に設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極両側の前記バリア層上にそれぞれ設けられたソース電極及びドレイン電極と
を含み、
前記キャップ構造が設けられる前記第1領域は、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の前記バリア層上の領域であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置。
The gate electrode provided on the barrier layer and
The source electrode and the drain electrode provided on the barrier layer on both sides of the gate electrode are included.
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, wherein the first region provided with the cap structure is a region on the barrier layer between the gate electrode and the drain electrode.
前記バリア層上に設けられたオーミック電極及びショットキー電極を含み、
前記キャップ構造が設けられる前記第1領域は、前記オーミック電極と前記ショットキー電極との間の前記バリア層上の、前記ショットキー電極寄りの領域であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置。
Including an ohmic electrode and a Schottky electrode provided on the barrier layer,
The first region in which the cap structure is provided is a region on the barrier layer between the ohmic electrode and the Schottky electrode, which is closer to the Schottky electrode, according to claims 1 to 3. The semiconductor device according to any one.
前記第1層は、膜厚が2nm以下であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 6, wherein the first layer has a film thickness of 2 nm or less. 前記第1層は、Inの組成xが0.20以下であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 7, wherein the first layer has an In composition x of 0.20 or less. 前記第2層は、膜厚が2nm以上であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 8, wherein the second layer has a film thickness of 2 nm or more. 第1窒化物半導体を含有するチャネル層上に、第2窒化物半導体を含有するバリア層を形成する工程と、
前記バリア層上の第1領域に、キャップ構造を形成する工程と
を含み、
前記キャップ構造を形成する工程は、
InGa1−xN(0<x<1)を含有する第1層を形成する工程と、
前記第1層上に、GaNを含有する第2層を形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A step of forming a barrier layer containing a second nitride semiconductor on a channel layer containing a first nitride semiconductor, and a step of forming a barrier layer containing the second nitride semiconductor.
The first region on the barrier layer includes a step of forming a cap structure.
The step of forming the cap structure is
A step of forming a first layer containing In x Ga 1-x N (0 <x <1) and
A method for manufacturing a semiconductor device, which comprises a step of forming a second layer containing GaN on the first layer.
第1窒化物半導体を含有するチャネル層と、
前記チャネル層上に設けられ、第2窒化物半導体を含有するバリア層と、
前記バリア層上の第1領域に設けられたキャップ構造と
を含み、
前記キャップ構造は、
InGa1−xN(0<x<1)を含有する第1層と、
前記第1層上に設けられ、GaNを含有する第2層と
を有する半導体装置を備えることを特徴とする電子装置。
A channel layer containing a first nitride semiconductor and
A barrier layer provided on the channel layer and containing a second nitride semiconductor,
Including a cap structure provided in the first region on the barrier layer
The cap structure
The first layer containing In x Ga 1-x N (0 <x <1) and
An electronic device provided on the first layer and including a semiconductor device having a second layer containing GaN.
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