JP2023146620A - nitride semiconductor device - Google Patents

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Abstract

To realize excellent on-resistance-temperature characteristics by reducing temperature dependency of an on-resistance of a nitride semiconductor HEMT.SOLUTION: A nitride semiconductor device 10 includes a substrate 12, a buffer layer 14 disposed on the substrate 12, an electron transit layer 16 disposed on the buffer layer 14, and an electron supply layer 20 disposed on the electron transit layer 16. The electron transit layer 16 includes a plurality of superlattice layers 16A in which superlattice layers 16A of a first nitride semiconductor layer 16A1 composed of AlN and a second nitride semiconductor layer 16A2 including GaN are repeatedly laminated. The second nitride semiconductor layer 16A2 of the uppermost superlattice layer 16A among the plurality of superlattice layers 16A is provided as an uppermost layer of the electron transit layer 16. The electron supply layer 20 is composed of a third nitride semiconductor layer having a larger bandgap than that of each of the superlattice layers 16A.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本開示は、窒化物半導体装置に関する。 The present disclosure relates to a nitride semiconductor device.

現在、窒化ガリウム(GaN)等のIII族窒化物半導体(以下、単に「窒化物半導体」と言う場合がある)を用いた高電子移動度トランジスタ(HEMT)の製品化が進んでいる。HEMTは、半導体ヘテロ接合の界面付近に形成された二次元電子ガス(2DEG)を導電経路(チャネル)として使用する。HEMTを利用したパワーデバイスは、典型的なシリコン(Si)パワーデバイスと比較して低オン抵抗および高速・高周波動作を可能にしたデバイスとして認知されている。 Currently, high electron mobility transistors (HEMTs) using Group III nitride semiconductors (hereinafter sometimes simply referred to as "nitride semiconductors") such as gallium nitride (GaN) are being commercialized. HEMT uses a two-dimensional electron gas (2DEG) formed near the interface of a semiconductor heterojunction as a conductive path (channel). Power devices using HEMT are recognized as devices that enable lower on-resistance and higher speed/higher frequency operation than typical silicon (Si) power devices.

例えば、窒化物半導体HEMTは、窒化ガリウム(GaN)層によって構成された電子走行層と、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)層によって構成された電子供給層とを含む。これら電子走行層と電子供給層とのヘテロ接合の界面付近において電子走行層中に2DEGが形成される。また、ノーマリーオフ型HEMTの場合、例えば、アクセプタ型不純物を含む半導体層(例えばp型GaN層)がゲート電極の直下において電子走行層上に設けられる。この構成では、p型GaN層から下方に広がる空乏層によりp型GaN層の直下のチャネルが消失することで、ノーマリーオフが実現される。特許文献1は、このようなノーマリーオフ型の窒化物半導体HEMTを開示している。 For example, a nitride semiconductor HEMT includes an electron transit layer made of a gallium nitride (GaN) layer and an electron supply layer made of an aluminum gallium nitride (AlGaN) layer. 2DEG is formed in the electron transit layer near the interface of the heterojunction between the electron transit layer and the electron supply layer. Further, in the case of a normally-off type HEMT, for example, a semiconductor layer (for example, a p-type GaN layer) containing an acceptor type impurity is provided on the electron transit layer directly under the gate electrode. In this configuration, the channel directly under the p-type GaN layer disappears due to a depletion layer extending downward from the p-type GaN layer, thereby realizing normally-off. Patent Document 1 discloses such a normally-off type nitride semiconductor HEMT.

特開2017-73506号公報JP 2017-73506 Publication

一般的に、電子走行層をGaN層で構成しつつ、電子供給層をAlGaN層で構成した窒化物半導体HEMTは、オン抵抗の温度依存性が大きく、温度の上昇に伴ってオン抵抗が増加する。これは、電子走行層のGaN結晶中において熱エネルギーによる格子散乱が増加することで、チャネルとして使用する2DEGの移動度が低下することに起因する。例えば、いくつかのHEMT製品では、室温時と比べて、150℃の温度下ではオン抵抗が約2倍程度に増加する。特に、比較的高い耐圧(例えば、650V耐圧)が求められるHEMT構造ではオン抵抗も高くなることから、HEMTの動作時に導通損失および発熱も大きくなる。 Generally, in a nitride semiconductor HEMT in which the electron transit layer is made of a GaN layer and the electron supply layer is made of an AlGaN layer, the on-resistance has a large temperature dependence, and the on-resistance increases as the temperature rises. . This is because lattice scattering due to thermal energy increases in the GaN crystal of the electron transport layer, thereby decreasing the mobility of 2DEG used as a channel. For example, in some HEMT products, the on-resistance increases approximately twice as much at a temperature of 150° C. as compared to room temperature. In particular, in a HEMT structure that requires a relatively high breakdown voltage (for example, 650V breakdown voltage), the on-resistance is also high, which increases conduction loss and heat generation during HEMT operation.

また、窒化物半導体HEMTでは、チップコストを抑える等の観点からチップサイズをより小さくすることが求められる。このため、十分な放熱面積を得るためにチップ面積を大きくすることが難しく、その結果、小チップに大電流が流れることで発生したジュール熱を十分に逃がすことが困難となり得る。したがって、オン抵抗が温度に応じて正の相関関係で増加しかつオン抵抗の温度依存性が大きい窒化物半導体HEMTでは、チップ温度の上昇に伴いオン抵抗が大きく増加し、それによりチップ温度がさらに上昇するといったことが起こり得る。したがって、窒化物半導体HEMTのオン抵抗の温度依存性を低減して良好なオン抵抗-温度特性を実現する上で未だ改善の余地がある。 Further, in nitride semiconductor HEMTs, it is required to further reduce the chip size from the viewpoint of reducing chip cost. For this reason, it is difficult to increase the chip area in order to obtain a sufficient heat dissipation area, and as a result, it may be difficult to sufficiently dissipate the Joule heat generated when a large current flows through the small chip. Therefore, in a nitride semiconductor HEMT where the on-resistance increases in a positive correlation with temperature and the temperature dependence of the on-resistance is large, the on-resistance increases significantly as the chip temperature rises, which further increases the chip temperature. It is possible that there will be an increase. Therefore, there is still room for improvement in reducing the temperature dependence of the on-resistance of a nitride semiconductor HEMT and achieving good on-resistance-temperature characteristics.

本開示の一態様による窒化物半導体装置は、AlNによって構成された第1窒化物半導体層とGaNを含む第2窒化物半導体層との超格子層が繰り返し積層された複数の超格子層を含む電子走行層であって、前記複数の超格子層のうち最上層の超格子層の前記第2窒化物半導体層が前記電子走行層の最上層として設けられた前記電子走行層と、前記最上層の超格子層の前記第2窒化物半導体層に二次元電子ガスを発生させるべく、前記複数の超格子層の各々よりも大きなバンドギャップを有する第3窒化物半導体層によって構成された電子供給層と、前記電子供給層の一部の上に配置されるとともに、アクセプタ型不純物を含む第4窒化物半導体層によって構成されたゲート層と、前記ゲート層上に配置されたゲート電極と、前記二次元電子ガスに電気的に接続されたソース電極およびドレイン電極とを備える。 A nitride semiconductor device according to one aspect of the present disclosure includes a plurality of superlattice layers in which superlattice layers of a first nitride semiconductor layer made of AlN and a second nitride semiconductor layer containing GaN are stacked repeatedly. an electron transit layer in which the second nitride semiconductor layer of the uppermost superlattice layer among the plurality of superlattice layers is provided as the uppermost layer of the electron transit layer; and the uppermost layer. In order to generate a two-dimensional electron gas in the second nitride semiconductor layer of the superlattice layer, an electron supply layer is formed of a third nitride semiconductor layer having a larger band gap than each of the plurality of superlattice layers. a gate layer formed of a fourth nitride semiconductor layer disposed on a part of the electron supply layer and containing acceptor-type impurities; a gate electrode disposed on the gate layer; A source electrode and a drain electrode are electrically connected to the dimensional electron gas.

本開示の一態様による窒化物半導体装置は、窒化物半導体HEMTにおけるオン抵抗の温度依存性を低減して良好なオン抵抗-温度特性を実現することができる。 A nitride semiconductor device according to one embodiment of the present disclosure can reduce temperature dependence of on-resistance in a nitride semiconductor HEMT and achieve good on-resistance-temperature characteristics.

図1は、第1実施形態に係る例示的な窒化物半導体装置の概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an exemplary nitride semiconductor device according to the first embodiment. 図2は、図1の窒化物半導体装置の基板上にエピタキシャル成長により形成されたバッファ層、電子走行層(複数の超格子層)、スペーサ層、および電子供給層の例示的な構造を概略的に示す図である。FIG. 2 schematically shows an exemplary structure of a buffer layer, an electron transport layer (multiple superlattice layers), a spacer layer, and an electron supply layer formed by epitaxial growth on the substrate of the nitride semiconductor device of FIG. FIG. 図3は、第2実施形態に係る例示的な窒化物半導体装置の概略断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of an exemplary nitride semiconductor device according to the second embodiment.

以下、添付図面を参照して本開示による半導体装置のいくつかの実施形態を説明する。なお、図面に示される構成要素は、分かり易さおよび明瞭化のために部分的に拡大されている場合があり、必ずしも一定の縮尺で描かれていない。また、理解を容易にするために、断面図では、ハッチング線が省略されている場合がある。添付の図面は、本開示の実施形態を例示するに過ぎず、本開示を制限するものとみなされるべきではない。 Hereinafter, some embodiments of a semiconductor device according to the present disclosure will be described with reference to the accompanying drawings. It should be noted that components shown in the drawings may be partially enlarged for ease of understanding and clarity, and are not necessarily drawn to scale. Further, in order to facilitate understanding, hatching lines may be omitted in the cross-sectional views. The accompanying drawings are merely illustrative of embodiments of the disclosure and should not be considered as limiting the disclosure.

以下の詳細な記載は、本開示の例示的な実施形態を具体化する装置、システム、および方法を含む。この詳細な記載は本来説明のためのものに過ぎず、本開示の実施形態またはこのような実施形態の適用および使用を限定することを意図しない。 The following detailed description includes devices, systems, and methods that embody example embodiments of the present disclosure. This detailed description is illustrative in nature and is not intended to limit the embodiments of the disclosure or the application and uses of such embodiments.

[第1実施形態]
図1は、第1実施形態に係る例示的な窒化物半導体装置10の概略断面図である。図2は、図1の窒化物半導体装置10の幾つかの窒化物半導体層の例示的な積層構造を示す図である。
[First embodiment]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an exemplary nitride semiconductor device 10 according to the first embodiment. FIG. 2 is a diagram showing an exemplary stacked structure of several nitride semiconductor layers of the nitride semiconductor device 10 of FIG. 1.

[窒化物半導体装置の全体構造]
まず、図1および図2を参照して、窒化物半導体装置10の全体構造について説明する。窒化物半導体装置10は、例えば、窒化ガリウム(GaN)等の窒化物半導体を用いた高電子移動度トランジスタ(HEMT)として構成され得る。窒化物半導体装置10は、基板12と、基板12上に形成されたバッファ層14と、バッファ層14上に形成された電子走行層16と、電子走行層16上に形成された電子供給層20とを含む。
[Overall structure of nitride semiconductor device]
First, the overall structure of nitride semiconductor device 10 will be described with reference to FIGS. 1 and 2. The nitride semiconductor device 10 may be configured as a high electron mobility transistor (HEMT) using a nitride semiconductor such as gallium nitride (GaN), for example. The nitride semiconductor device 10 includes a substrate 12, a buffer layer 14 formed on the substrate 12, an electron transit layer 16 formed on the buffer layer 14, and an electron supply layer 20 formed on the electron transit layer 16. including.

なお、図示を簡略化するために図1には示されていないが、窒化物半導体装置10は、基板12とバッファ層14との間に核生成層13(図2参照)を含み得る。また、図1には示されていないが、窒化物半導体装置10は、電子走行層16と電子供給層20との間にスペーサ層18(図2参照)を含み得る。 Although not shown in FIG. 1 to simplify the illustration, the nitride semiconductor device 10 may include a nucleation layer 13 (see FIG. 2) between the substrate 12 and the buffer layer 14. Although not shown in FIG. 1, the nitride semiconductor device 10 may include a spacer layer 18 (see FIG. 2) between the electron transit layer 16 and the electron supply layer 20.

基板12は、シリコン(Si)、シリコンカーバイド(SiC)、窒化アルミニウム(AlN)、GaN、サファイア、または他の基板材料で形成され得る。例えば、基板12は、Si基板である。基板12の厚さは、例えば200μm以上1500μm以下であってよい。なお、図面(例えば、図1)に示される互いに直交するXYZ軸のZ方向は、基板12の主面と直交する方向である。本明細書において使用される「平面視」という用語は、明示的に別段の記載がない限り、Z方向に沿って上方から窒化物半導体装置10を視ることをいう。 Substrate 12 may be formed of silicon (Si), silicon carbide (SiC), aluminum nitride (AlN), GaN, sapphire, or other substrate material. For example, the substrate 12 is a Si substrate. The thickness of the substrate 12 may be, for example, 200 μm or more and 1500 μm or less. Note that the Z direction of mutually orthogonal XYZ axes shown in the drawings (for example, FIG. 1) is a direction that is orthogonal to the main surface of the substrate 12. The term "planar view" used in this specification refers to viewing the nitride semiconductor device 10 from above along the Z direction, unless explicitly stated otherwise.

核生成層13(図2参照)は、窒化物半導体層によって基板12上に構成されている。核生成層13は、例えば、100nm以上500mm以下の厚さを有するAlN層であってよい。バッファ層14は、核生成層13上に設けられており、基板12と電子走行層16との間の格子不整合を緩和することができる任意の材料によって形成され得る。例えば、バッファ層14は、1つまたは複数の窒化物半導体層を含む。例えば、バッファ層14は、AlN層、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)層、および異なるアルミニウム(Al)組成を有するグレーテッドAlGaN層のうちの少なくとも1つを含み得る。例えば、バッファ層14は、単一のAlN層、単一のAlGaN層、AlGaN/GaN超格子構造を有する層、AlN/AlGaN超格子構造を有する層、またはAlN/GaN超格子構造を有する層によって形成され得る。 The nucleation layer 13 (see FIG. 2) is formed on the substrate 12 by a nitride semiconductor layer. The nucleation layer 13 may be, for example, an AlN layer having a thickness of 100 nm or more and 500 mm or less. Buffer layer 14 is provided on nucleation layer 13 and may be formed of any material that can alleviate the lattice mismatch between substrate 12 and electron transport layer 16. For example, buffer layer 14 includes one or more nitride semiconductor layers. For example, buffer layer 14 may include at least one of an AlN layer, an aluminum gallium nitride (AlGaN) layer, and a graded AlGaN layer having a different aluminum (Al) composition. For example, the buffer layer 14 may be formed by a single AlN layer, a single AlGaN layer, a layer having an AlGaN/GaN superlattice structure, a layer having an AlN/AlGaN superlattice structure, or a layer having an AlN/GaN superlattice structure. can be formed.

一例では、図2に示されるように、バッファ層14は、基板12上に順に積層された第1バッファ層14A、第2バッファ層14B、および第3バッファ層14Cを含む。第1バッファ層14Aは、例えば200nm以上500nm以下の厚さを有するAlN層であってよい。第2バッファ層14Bは、例えば500nm以上1000nm以下の厚さを有するGaN層であってよい。第3バッファ層14Cは、例えば400nm以上1000nm以下の厚さを有するグレーテッドAlGaN層であってよい。この場合、グレーテッドAlGaN層は、第2バッファ層14Bに近い位置から順にAl組成が25%、50%、75%に段階的に増加する3層のAlGaNで構成されてよい。なお、バッファ層14におけるリーク電流を抑制するために、バッファ層14の一部に不純物を導入して半絶縁性にしてもよい。その場合、不純物は例えば炭素(C)または鉄(Fe)であり、不純物の濃度は例えば4×1016cm-3以上であってよい。 In one example, as shown in FIG. 2, the buffer layer 14 includes a first buffer layer 14A, a second buffer layer 14B, and a third buffer layer 14C, which are sequentially stacked on the substrate 12. The first buffer layer 14A may be an AlN layer having a thickness of, for example, 200 nm or more and 500 nm or less. The second buffer layer 14B may be a GaN layer having a thickness of, for example, 500 nm or more and 1000 nm or less. The third buffer layer 14C may be a graded AlGaN layer having a thickness of, for example, 400 nm or more and 1000 nm or less. In this case, the graded AlGaN layer may be composed of three layers of AlGaN in which the Al composition increases stepwise from a position close to the second buffer layer 14B to 25%, 50%, and 75%. Note that in order to suppress leakage current in the buffer layer 14, impurities may be introduced into a part of the buffer layer 14 to make it semi-insulating. In that case, the impurity is, for example, carbon (C) or iron (Fe), and the concentration of the impurity may be, for example, 4×10 16 cm −3 or more.

電子走行層16は、AlNによって構成された第1窒化物半導体層16A1とGaNを含む第2窒化物半導体層16A2との超格子層16Aが繰り返し積層された複数の超格子層16Aを含む。また、必ずしも限定されないが、電子走行層16は、バッファ層14上に設けられるとともに窒化物半導体層によって構成されたベース層16Bを含み得る。ベース層16Bは、電子走行層16を十分な厚さで形成して電子走行層16の結晶品質を向上させるために設けられている。ベース層16Bは、例えば100nm以上1000nm以下の厚さを有するGaN層であってよい。電子走行層16がベース層16Bを含む場合、複数の超格子層16Aは、ベース層16B上に設けられている。複数の超格子層16Aのうち最上層の超格子層16Aの第2窒化物半導体層16A2は、電子走行層16の最上層として設けられている。 The electron transit layer 16 includes a plurality of superlattice layers 16A in which superlattice layers 16A of a first nitride semiconductor layer 16A1 made of AlN and a second nitride semiconductor layer 16A2 containing GaN are repeatedly stacked. Although not necessarily limited, the electron transit layer 16 may include a base layer 16B provided on the buffer layer 14 and made of a nitride semiconductor layer. The base layer 16B is provided to improve the crystal quality of the electron transit layer 16 by forming the electron transit layer 16 with a sufficient thickness. The base layer 16B may be a GaN layer having a thickness of, for example, 100 nm or more and 1000 nm or less. When the electron transit layer 16 includes the base layer 16B, the plurality of superlattice layers 16A are provided on the base layer 16B. The second nitride semiconductor layer 16A2 of the uppermost superlattice layer 16A among the plurality of superlattice layers 16A is provided as the uppermost layer of the electron transit layer 16.

第1実施形態では、第1窒化物半導体層16A1はAlN層であり、第2窒化物半導体層16A2は例えばGaN層である。超格子層16Aの層数は、例えば、電子走行層16の厚さ(複数の超格子層16Aの合計厚さ)と窒化物半導体HEMTの耐圧との関係等を考慮して決定され得る。超格子層16Aの層数を増やすことで、窒化物半導体HEMTの耐圧を向上させることができる。一例では、超格子層16Aの層数は10以上100以下であり、好ましくは10以上40以下であり、第1実施形態では例えば30程度である。第1実施形態では、窒化物半導体HEMTは、例えば600V以上、好ましくは650V以上の耐圧を有するように構成されている。 In the first embodiment, the first nitride semiconductor layer 16A1 is an AlN layer, and the second nitride semiconductor layer 16A2 is, for example, a GaN layer. The number of superlattice layers 16A can be determined, for example, in consideration of the relationship between the thickness of the electron transport layer 16 (the total thickness of the plurality of superlattice layers 16A) and the breakdown voltage of the nitride semiconductor HEMT. By increasing the number of superlattice layers 16A, the breakdown voltage of the nitride semiconductor HEMT can be improved. In one example, the number of superlattice layers 16A is 10 or more and 100 or less, preferably 10 or more and 40 or less, and in the first embodiment, for example, about 30. In the first embodiment, the nitride semiconductor HEMT is configured to have a breakdown voltage of, for example, 600V or more, preferably 650V or more.

各超格子層16Aにおいて、第2窒化物半導体層16A2は、第1窒化物半導体層16A1の厚さよりも大きな厚さを有し得る。例えば第1実施形態では、第2窒化物半導体層16A2(GaN層)の厚さは、第1窒化物半導体層16A1(AlN層)の厚さの2倍以上であってよい。第1窒化物半導体層16A1の厚さは、例えば1nm以上3nm以下であってよく、第2窒化物半導体層16A2の厚さは、例えば2nm以上6nm以下であってよい。複数の超格子層16Aの合計厚さは、例えば30nm以上900nm以下であってよい。電子走行層16が複数の超格子層16Aとともにベース層16Bを含む場合、電子走行層16は例えば0.5μm2μm以下の厚さを有し得る。 In each superlattice layer 16A, the second nitride semiconductor layer 16A2 may have a thickness greater than the thickness of the first nitride semiconductor layer 16A1. For example, in the first embodiment, the thickness of the second nitride semiconductor layer 16A2 (GaN layer) may be twice or more the thickness of the first nitride semiconductor layer 16A1 (AlN layer). The thickness of the first nitride semiconductor layer 16A1 may be, for example, 1 nm or more and 3 nm or less, and the thickness of the second nitride semiconductor layer 16A2 may be, for example, 2 nm or more and 6 nm or less. The total thickness of the plurality of superlattice layers 16A may be, for example, 30 nm or more and 900 nm or less. When the electron transit layer 16 includes the base layer 16B along with the plurality of superlattice layers 16A, the electron transit layer 16 may have a thickness of, for example, 0.5 μm or less and 2 μm or less.

第1実施形態では、GaN層である第2窒化物半導体層16A2が、AlN層である第1窒化物半導体層16A1よりも大きな厚さで形成されているため、各超格子層16Aは、Alを含みつつGaNを主体とした層として構成されている。その結果、GaNの特性を活かした複数の超格子層16Aを構成することができる。この点については後で説明する。 In the first embodiment, since the second nitride semiconductor layer 16A2, which is a GaN layer, is formed with a larger thickness than the first nitride semiconductor layer 16A1, which is an AlN layer, each superlattice layer 16A is made of Al The layer is composed mainly of GaN. As a result, it is possible to configure a plurality of superlattice layers 16A that take advantage of the characteristics of GaN. This point will be explained later.

なお、電子走行層16におけるリーク電流を抑制するために、電子走行層16の一部に不純物を導入して電子走行層16の表層領域以外を半絶縁性にしてもよい。その場合、不純物は例えばCであり、不純物の濃度は、例えばピーク濃度で1×1019cm-3以上であってよい。 Note that in order to suppress leakage current in the electron transit layer 16, impurities may be introduced into a part of the electron transit layer 16 to make the area other than the surface layer region of the electron transit layer 16 semi-insulating. In that case, the impurity is, for example, C, and the concentration of the impurity may be, for example, 1×10 19 cm −3 or more in peak concentration.

電子供給層20は、電子走行層16の各超格子層16Aよりも大きなバンドギャップを有する第3窒化物半導体層によって構成されている。例えば、電子供給層20は、AlGaN層であってよい。Alを含む窒化物半導体層では、Al組成が大きくなるほどバンドギャップが大きくなる。例えば、第1実施形態では、電子供給層20がAlGaN層であり、電子走行層16の各超格子層16Aが、AlN層(第1窒化物半導体層16A1)とGaN層(第2窒化物半導体層16A2)との超格子構造を有している。この場合には、電子供給層20(AlGaN層)のAl組成が各超格子層16A(AlN層とGaN層との超格子構造)のAl組成よりも大きくなるように、電子供給層20および各超格子層16Aが構成されている。電子供給層20のAl組成は、必ずしもこの範囲に限定されないが、例えば25%以上50%以下であり、好ましくは40%以上50%以下である。電子走行層16の各超格子層16AのAl組成は、電子供給層20のAl組成に基づいて設定されてよい。電子供給層20は、例えば10nm以上20nm以下の厚さを有し得る。 The electron supply layer 20 is constituted by a third nitride semiconductor layer having a larger band gap than each superlattice layer 16A of the electron transit layer 16. For example, the electron supply layer 20 may be an AlGaN layer. In a nitride semiconductor layer containing Al, the band gap increases as the Al composition increases. For example, in the first embodiment, the electron supply layer 20 is an AlGaN layer, and each superlattice layer 16A of the electron transit layer 16 includes an AlN layer (first nitride semiconductor layer 16A1) and a GaN layer (second nitride semiconductor layer 16A1). It has a superlattice structure with layer 16A2). In this case, the electron supply layer 20 and each A superlattice layer 16A is configured. The Al composition of the electron supply layer 20 is not necessarily limited to this range, but is, for example, 25% or more and 50% or less, preferably 40% or more and 50% or less. The Al composition of each superlattice layer 16A of the electron transit layer 16 may be set based on the Al composition of the electron supply layer 20. The electron supply layer 20 may have a thickness of, for example, 10 nm or more and 20 nm or less.

電子走行層16の最上層の第2窒化物半導体層16A2と電子供給層20とは、互いに異なる格子定数を有する窒化物半導体によって構成されている。したがって、電子走行層16の最上層の第2窒化物半導体層16A2を構成する窒化物半導体(例えば、GaN)と電子供給層20を構成する窒化物半導体(例えば、AlGaN)との接合は、スペーサ層18(図2参照)を介した格子不整合系の接合である。第2窒化物半導体層16A2(電子走行層16)および電子供給層20の自発分極と、電子供給層20のヘテロ接合部が受ける応力に起因するピエゾ分極とによって、スペーサ層18を介した最上層の第2窒化物半導体層16A2と電子供給層20とのヘテロ接合界面付近における最上層の第2窒化物半導体層16A2の伝導帯のエネルギーレベルは、フェルミ準位よりも低くなる。これにより、スペーサ層18を介した最上層の第2窒化物半導体層16A2と電子供給層20とのヘテロ接合界面に近い位置(例えば、最上層の第2窒化物半導体層16A2の上面から数nm程度の距離)において、電子走行層16(最上層の第2窒化物半導体層16A2)内には二次元電子ガス(2DEG)22(図1参照)が広がっている。 The second nitride semiconductor layer 16A2, which is the uppermost layer of the electron transit layer 16, and the electron supply layer 20 are made of nitride semiconductors having different lattice constants. Therefore, the junction between the nitride semiconductor (for example, GaN) that constitutes the second nitride semiconductor layer 16A2, which is the uppermost layer of the electron transport layer 16, and the nitride semiconductor (for example, AlGaN) that constitutes the electron supply layer 20 is formed using a spacer. This is a lattice-mismatched junction via layer 18 (see FIG. 2). The uppermost layer is formed through the spacer layer 18 by spontaneous polarization of the second nitride semiconductor layer 16A2 (electron transit layer 16) and the electron supply layer 20, and piezoelectric polarization caused by stress applied to the heterojunction of the electron supply layer 20. The energy level of the conduction band of the uppermost second nitride semiconductor layer 16A2 near the heterojunction interface between the second nitride semiconductor layer 16A2 and the electron supply layer 20 is lower than the Fermi level. As a result, a position close to the heterojunction interface between the uppermost second nitride semiconductor layer 16A2 and the electron supply layer 20 via the spacer layer 18 (for example, several nm from the upper surface of the uppermost second nitride semiconductor layer 16A2) A two-dimensional electron gas (2DEG) 22 (see FIG. 1) spreads within the electron transit layer 16 (the uppermost second nitride semiconductor layer 16A2) at a distance of about 1000 nm.

図2に示されるように、スペーサ層18は、電子走行層16の最上層の第2窒化物半導体層16A2と電子供給層20との間に配置されている。スペーサ層18は、AlNを含む窒化物半導体層(第5窒化物半導体層に対応する)によって構成されている。第1実施形態では、スペーサ層18は例えばAlN層である。最上層の第2窒化物半導体層16A2(第1実施形態ではGaN層)と電子供給層20(第1実施形態ではAlGaN層)とのヘテロ接合界面にスペーサ層18を挿入することで、2DEG22の移動度を向上させることができる。 As shown in FIG. 2, the spacer layer 18 is disposed between the second nitride semiconductor layer 16A2, which is the uppermost layer of the electron transit layer 16, and the electron supply layer 20. The spacer layer 18 is constituted by a nitride semiconductor layer (corresponding to the fifth nitride semiconductor layer) containing AlN. In the first embodiment, the spacer layer 18 is, for example, an AlN layer. By inserting the spacer layer 18 at the heterojunction interface between the uppermost second nitride semiconductor layer 16A2 (GaN layer in the first embodiment) and the electron supply layer 20 (AlGaN layer in the first embodiment), the 2DEG 22 is Mobility can be improved.

AlNを含むスペーサ層18は、各超格子層16A(第1窒化物半導体層16A1と第2窒化物半導体層16A2との超格子構造)のAl組成以上のAl組成を有している。また、スペーサ層18のAl組成は、電子供給層20のAl組成よりも大きい。スペーサ層18のAl組成は、必ずしもこの範囲に限定されないが、例えば80%以上である。スペーサ層18は、各超格子層16Aの第1窒化物半導体層16A1の厚さ以下の厚さを有し得る。スペーサ層18の厚さは、例えば1nm以上3nm以下であってよい。 The spacer layer 18 containing AlN has an Al composition higher than that of each superlattice layer 16A (superlattice structure of the first nitride semiconductor layer 16A1 and the second nitride semiconductor layer 16A2). Further, the Al composition of the spacer layer 18 is larger than that of the electron supply layer 20. Although the Al composition of the spacer layer 18 is not necessarily limited to this range, it is, for example, 80% or more. The spacer layer 18 may have a thickness equal to or less than the thickness of the first nitride semiconductor layer 16A1 of each superlattice layer 16A. The thickness of the spacer layer 18 may be, for example, 1 nm or more and 3 nm or less.

窒化物半導体装置10はさらに、電子供給層20の一部の上に配置されたゲート層24と、ゲート層24上に配置されたゲート電極26とを含む。
ゲート層24は、アクセプタ型不純物を含む窒化物半導体層(第4窒化物半導体層に対応する)によって構成されている。ゲート層24は、電子供給層20よりも小さなバンドギャップを有する任意の材料によって構成され得る。例えば、電子供給層20がAlGaN層である場合、ゲート層24は、アクセプタ型不純物がドープされたGaN層、すなわちp型GaN層であってよい。アクセプタ型不純物は、例えば、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、および炭素(C)のうちの少なくとも1つを含み得る。アクセプタ型不純物は、例えば7×1018cm-3以上1×1020cm-3以下の最大濃度を有し得る。
Nitride semiconductor device 10 further includes a gate layer 24 disposed on a portion of electron supply layer 20 and a gate electrode 26 disposed on gate layer 24.
The gate layer 24 is constituted by a nitride semiconductor layer (corresponding to the fourth nitride semiconductor layer) containing acceptor type impurities. Gate layer 24 may be comprised of any material with a smaller bandgap than electron supply layer 20. For example, when the electron supply layer 20 is an AlGaN layer, the gate layer 24 may be a GaN layer doped with acceptor type impurities, that is, a p-type GaN layer. The acceptor type impurity may include, for example, at least one of zinc (Zn), magnesium (Mg), and carbon (C). The acceptor type impurity may have a maximum concentration of, for example, 7×10 18 cm −3 or more and 1×10 20 cm −3 or less.

ゲート電極26は、ゲート層24の上面の一部または全部の上に配置されており、ゲート層24とショットキー接合を形成している。ゲート電極26は、1つまたは複数の金属層によって構成されており、例えば窒化チタン(TiN)層であってよい。あるいは、ゲート電極26は、第1金属層(例えば、Ti層)と、第1金属層上に設けられた第2金属層(例えば、TiN層)とによって構成されてもよい。ゲート電極26は、例えば、50nm以上300nm以下の厚さを有し得る。ゲート電極26の直下にアクセプタ型不純物を含む窒化物半導体層がゲート層24として設けられた構成では、ゲート層24に含まれるアクセプタ型不純物の存在により電子走行層16のチャネル(2DEG22)が消失することで、ノーマリーオフ型の窒化物半導体HEMTが実現される。 The gate electrode 26 is disposed on part or all of the upper surface of the gate layer 24 and forms a Schottky junction with the gate layer 24. The gate electrode 26 is constituted by one or more metal layers, and may be, for example, a titanium nitride (TiN) layer. Alternatively, the gate electrode 26 may be composed of a first metal layer (for example, a Ti layer) and a second metal layer (for example, a TiN layer) provided on the first metal layer. The gate electrode 26 may have a thickness of, for example, 50 nm or more and 300 nm or less. In a configuration in which a nitride semiconductor layer containing acceptor type impurities is provided as the gate layer 24 directly under the gate electrode 26, the channel (2DEG 22) of the electron transport layer 16 disappears due to the presence of the acceptor type impurities contained in the gate layer 24. In this way, a normally-off type nitride semiconductor HEMT is realized.

窒化物半導体装置10はさらに、電子供給層20、ゲート層24、およびゲート電極26を覆うパッシベーション層28を含む。パッシベーション層28は、例えば、窒化シリコン(SiN)膜、二酸化シリコン(SiO)膜、酸窒化シリコン(SiON)膜、アルミナ(Al)膜、AlN膜、および酸窒化アルミニウム(AlON)膜のうちのいずれか1つの単膜か、またはそれらの2つ以上の任意の組み合わせを含む複合膜によって構成されている。 Nitride semiconductor device 10 further includes a passivation layer 28 covering electron supply layer 20, gate layer 24, and gate electrode 26. The passivation layer 28 is made of, for example, a silicon nitride (SiN) film, a silicon dioxide (SiO 2 ) film, a silicon oxynitride (SiON) film, an alumina (Al 2 O 3 ) film, an AlN film, and an aluminum oxynitride (AlON) film. It is composed of a single film of any one of these or a composite film containing any combination of two or more thereof.

パッシベーション層28は、電子供給層20の上面をソース接続領域20Aとして露出させるソース側開口部28Aと、電子供給層20の上面をドレイン接続領域20Bとして露出させるドレイン側開口部28Bとを含む。ゲート層24は、ソース側開口部28Aとドレイン側開口部28Bとの間に位置している。 Passivation layer 28 includes a source side opening 28A that exposes the top surface of electron supply layer 20 as source connection region 20A, and a drain side opening 28B that exposes the top surface of electron supply layer 20 as drain connection region 20B. The gate layer 24 is located between the source side opening 28A and the drain side opening 28B.

窒化物半導体装置10はさらに、2DEG22に電気的に接続されたソース電極32およびドレイン電極34を含む。
ソース電極32は、パッシベーション層28のソース側開口部28Aを介して電子供給層20のソース接続領域20Aに接しており、電子供給層20の直下の2DEG22にオーミック接触している。ドレイン電極34は、パッシベーション層28のドレイン側開口部28Bを介して電子供給層20のドレイン接続領域20Bに接しており、電子供給層20の直下の2DEG22にオーミック接触している。
Nitride semiconductor device 10 further includes a source electrode 32 and a drain electrode 34 electrically connected to 2DEG 22.
The source electrode 32 is in contact with the source connection region 20A of the electron supply layer 20 through the source side opening 28A of the passivation layer 28, and is in ohmic contact with the 2DEG 22 directly under the electron supply layer 20. The drain electrode 34 is in contact with the drain connection region 20B of the electron supply layer 20 via the drain side opening 28B of the passivation layer 28, and is in ohmic contact with the 2DEG 22 directly under the electron supply layer 20.

ソース電極32およびドレイン電極34は、例えば、Ti層、TiN層、Al層、AlSiCu層、およびAlCu層のうちの少なくとも1つを用いた1つまたは複数の金属層によって構成されている。例えば、ソース電極32およびドレイン電極34は、同じ材料で形成されている。 The source electrode 32 and the drain electrode 34 are constituted by one or more metal layers using at least one of a Ti layer, a TiN layer, an Al layer, an AlSiCu layer, and an AlCu layer, for example. For example, source electrode 32 and drain electrode 34 are formed of the same material.

ゲート層24は、リッジ部24Aと、リッジ部24Aの両側から互いに反対方向に延在するソース側延在部24Bおよびドレイン側延在部24Cとを含み得る。第1実施形態では、ゲート層24は、リッジ部24Aとソース側延在部24Bとドレイン側延在部24Cとによって形成されたステップ構造を有している。 The gate layer 24 may include a ridge portion 24A, and a source side extension portion 24B and a drain side extension portion 24C extending in opposite directions from both sides of the ridge portion 24A. In the first embodiment, the gate layer 24 has a step structure formed by a ridge portion 24A, a source side extension portion 24B, and a drain side extension portion 24C.

リッジ部24Aは、ゲート層24の相対的に厚い部分に相当する。ゲート電極26は、リッジ部24Aの上面に位置している。リッジ部24Aは、図1のXZ平面に沿った断面において矩形状または台形状を有し得る。リッジ部24Aは、例えば100nm以上200nm以下の厚さを有し得る。なお、リッジ部24Aの厚さとは、リッジ部24Aの上面から下面(電子供給層20に接するゲート層24の下面)までの距離のことである。このリッジ部24A(ゲート層24)の厚さは、ゲート耐圧などの種々のパラメータを考慮して決定され得る。 The ridge portion 24A corresponds to a relatively thick portion of the gate layer 24. The gate electrode 26 is located on the upper surface of the ridge portion 24A. The ridge portion 24A may have a rectangular or trapezoidal shape in a cross section taken along the XZ plane in FIG. The ridge portion 24A may have a thickness of, for example, 100 nm or more and 200 nm or less. Note that the thickness of the ridge portion 24A is the distance from the top surface of the ridge portion 24A to the bottom surface (the bottom surface of the gate layer 24 in contact with the electron supply layer 20). The thickness of this ridge portion 24A (gate layer 24) can be determined in consideration of various parameters such as gate breakdown voltage.

ソース側延在部24Bは、リッジ部24Aからパッシベーション層28のソース側開口部28Aに向かって(図1において-X方向に)延在している。ドレイン側延在部24Cは、リッジ部24Aからパッシベーション層28のドレイン側開口部28Bに向かって(図1において+X方向に)延在している。図1の例では、ドレイン側延在部24Cは、ソース側延在部24Bよりもリッジ部24Aから長く延びている。ただし、ソース側延在部24Bとドレイン側延在部24Cは同じ長さであってもよい。ソース側延在部24Bは、リッジ部24Aからソース側開口部28Aに向かう方向において、例えば0.2μm以上0.3μm以下の長さを有し得る。ドレイン側延在部24Cは、リッジ部24Aからドレイン側開口部28Bに向かう方向において、例えば0.2μm以上0.6μm以下の長さを有し得る。ソース側延在部24Bおよびドレイン側延在部24Cは、例えば5nm以上30nm以下の厚さを有し得る。 The source-side extension portion 24B extends from the ridge portion 24A toward the source-side opening 28A of the passivation layer 28 (in the −X direction in FIG. 1). The drain side extension portion 24C extends from the ridge portion 24A toward the drain side opening 28B of the passivation layer 28 (in the +X direction in FIG. 1). In the example of FIG. 1, the drain side extension part 24C extends longer from the ridge part 24A than the source side extension part 24B. However, the source side extension part 24B and the drain side extension part 24C may have the same length. The source side extension portion 24B may have a length of, for example, 0.2 μm or more and 0.3 μm or less in the direction from the ridge portion 24A toward the source side opening 28A. The drain side extension portion 24C may have a length of, for example, 0.2 μm or more and 0.6 μm or less in the direction from the ridge portion 24A toward the drain side opening 28B. The source side extension part 24B and the drain side extension part 24C may have a thickness of, for example, 5 nm or more and 30 nm or less.

ソース電極32の一部は、パッシベーション層28のソース側開口部28A内に充填されており、ドレイン電極34の一部は、パッシベーション層28のドレイン側開口部28B内に充填されている。 A portion of the source electrode 32 is filled in the source side opening 28A of the passivation layer 28, and a portion of the drain electrode 34 is filled in the drain side opening 28B of the passivation layer 28.

ソース電極32は、必ずしもこの構成に限定されないが、ソース電極部32Aと、ソース電極部32Aに連続するソースフィールドプレート部32Bとを含み得る。ソース電極部32Aは、ソース側開口部28Aに充填された充填領域と、充填領域と一体に形成されるとともに平面視においてソース側開口部28Aの周辺に位置する上部領域とを含む。ソースフィールドプレート部32Bは、ソース電極部32Aの上部領域と一体に形成されており、平面視においてゲート層24の全体(すなわち、リッジ部24A、ソース側延在部24B、およびドレイン側延在部24Cの全て)を覆うようにパッシベーション層28上に設けられている。 Although the source electrode 32 is not necessarily limited to this configuration, it may include a source electrode section 32A and a source field plate section 32B continuous with the source electrode section 32A. The source electrode portion 32A includes a filling region that fills the source side opening 28A, and an upper region that is formed integrally with the filling region and is located around the source side opening 28A in plan view. The source field plate section 32B is formed integrally with the upper region of the source electrode section 32A, and includes the entire gate layer 24 (i.e., the ridge section 24A, the source side extension section 24B, and the drain side extension section) in a plan view. 24C) on the passivation layer 28.

ソースフィールドプレート部32Bは、ドレイン電極34の近傍に端部32Cを有している。この端部32Cは、平面視においてドレイン電極34とドレイン側延在部24Cとの間に位置している。ソースフィールドプレート部32Bは、ゲート-ソース間電圧が0Vの状態でソース-ドレイン間に高電圧が印加された際に、ソースフィールドプレート部32Bの直下の2DEG22に向けて空乏層を伸ばすことで、ゲート電極26の端部付近およびゲート層24の端部近傍の電界集中を緩和する役割を果たす。 The source field plate portion 32B has an end portion 32C near the drain electrode 34. This end portion 32C is located between the drain electrode 34 and the drain side extension portion 24C in plan view. The source field plate portion 32B extends the depletion layer toward the 2DEG 22 directly below the source field plate portion 32B when a high voltage is applied between the source and drain while the gate-source voltage is 0V. It plays a role of alleviating electric field concentration near the end of the gate electrode 26 and near the end of the gate layer 24.

[窒化物半導体HEMTのオン抵抗とオン抵抗-温度特性との関係]
図2に示されるように、電子走行層16は、第1窒化物半導体層16A1と第2窒化物半導体層A2との超格子構造(超格子層16A)が繰り返し積層された複数の超格子層16Aを含む。上記したように、第1窒化物半導体層16A1はAlN層であり、第2窒化物半導体層16A2は第1実施形態では例えばGaN層である。したがって、各超格子層16Aは、Alを含みGaNを主体とした層とみなすことができる。このような超格子層16Aを電子走行層16に採用することによって、電子走行層16をAlGaN層で構成した場合の利点を得つつ、電子走行層16をGaN層で構成した場合の利点を得ることができる。以下、この点について説明する。なお、分かり易さのために、以下では、図1の構成と同様な構成については同じ参照符号を用いて説明する。
[Relationship between on-resistance and on-resistance-temperature characteristics of nitride semiconductor HEMT]
As shown in FIG. 2, the electron transit layer 16 includes a plurality of superlattice layers in which a superlattice structure (superlattice layer 16A) of a first nitride semiconductor layer 16A1 and a second nitride semiconductor layer A2 is repeatedly stacked. Contains 16A. As described above, the first nitride semiconductor layer 16A1 is an AlN layer, and the second nitride semiconductor layer 16A2 is, for example, a GaN layer in the first embodiment. Therefore, each superlattice layer 16A can be regarded as a layer containing Al and mainly composed of GaN. By employing such a superlattice layer 16A as the electron transit layer 16, it is possible to obtain the advantages when the electron transit layer 16 is composed of an AlGaN layer, and also obtain the advantages when the electron transit layer 16 is composed of a GaN layer. be able to. This point will be explained below. Note that for ease of understanding, components similar to those in FIG. 1 will be described below using the same reference numerals.

一般的に、電子走行層16をGaN層で構成しつつ、電子供給層20をAlGaN層で構成した窒化物半導体HEMTは、オン抵抗の温度依存性が大きく、温度の上昇に伴ってオン抵抗が増加する。これは、電子走行層16をGaN層のみで構成した場合には、電子走行層16のGaN結晶中で熱エネルギーによる格子散乱が増加することで、チャネルとして使用する2DEG22の移動度が低下することに起因する。 Generally, in a nitride semiconductor HEMT in which the electron transit layer 16 is made of a GaN layer and the electron supply layer 20 is made of an AlGaN layer, the on-resistance is highly temperature dependent, and the on-resistance decreases as the temperature rises. To increase. This is because when the electron transit layer 16 is composed of only a GaN layer, lattice scattering due to thermal energy increases in the GaN crystal of the electron transit layer 16, and the mobility of the 2DEG 22 used as a channel decreases. caused by.

このようなオン抵抗の温度依存性は、電子供給層20に使用されるAlGaN層のAl組成よりも小さなAl組成を有するAlGaN層、すなわち、低Al組成のAlGaN層を電子走行層16に使用することによって改善され得る。電子走行層16を低Al組成のAlGaN層で構成しつつ、電子供給層20を高Al組成のAlGaN層で構成した場合には、電子走行層16をGaN層で構成しつつ、電子供給層20をAlGaN層で構成した場合に比べて、オン抵抗の温度依存性を低減することができる。これは、電子走行層16に低Al組成のAlGaN層を用いた場合には、高温下での動作時に、電子走行層16のAlGaN結晶中において熱エネルギーによる格子散乱が(電子走行層16にGaN層を用いた場合に比べて)減少するためである。したがって、電子走行層16にAlGaN層を用いることで、窒化物半導体HEMTのオン抵抗-温度特性を向上させることができる。 Such temperature dependence of on-resistance can be solved by using an AlGaN layer having an Al composition smaller than that of the AlGaN layer used for the electron supply layer 20, that is, an AlGaN layer with a low Al composition for the electron transport layer 16. This can be improved by When the electron transit layer 16 is composed of an AlGaN layer with a low Al composition and the electron supply layer 20 is composed of an AlGaN layer with a high Al composition, the electron transit layer 16 is composed of a GaN layer and the electron supply layer 20 is composed of a GaN layer. The temperature dependence of the on-resistance can be reduced compared to the case where the transistor is composed of an AlGaN layer. This is because when an AlGaN layer with a low Al composition is used for the electron transit layer 16, lattice scattering due to thermal energy occurs in the AlGaN crystal of the electron transit layer 16 (GaN (compared to the case where a layer is used). Therefore, by using an AlGaN layer for the electron transit layer 16, the on-resistance-temperature characteristics of the nitride semiconductor HEMT can be improved.

一方、GaN層はAlGaN層よりも結晶品質の点で優れる。このため、電子走行層16にGaN層を用いた窒化物半導体HEMTでは、電子走行層16にAlGaN層を用いたものに比べて、より小さな規格化オン抵抗が得られる。これは、結晶品質に優れるGaN層では、AlGaN層に比べて散乱要因が小さくなる(格子散乱が少なくなる)ことにより2DEG22の移動度の低下が抑制されるためである。なお、規格化オン抵抗とは、単位面積あたりのオン抵抗のことを言う。このため、電子走行層16にGaN層を用いた窒化物半導体HEMTでは、電子走行層16にAlGaN層を用いたものに比べて規格化オン抵抗を小さくして電流密度を高くすることができる。 On the other hand, the GaN layer is superior to the AlGaN layer in terms of crystal quality. Therefore, in a nitride semiconductor HEMT using a GaN layer for the electron transit layer 16, a smaller normalized on-resistance can be obtained compared to one using an AlGaN layer for the electron transit layer 16. This is because the GaN layer, which has excellent crystal quality, has smaller scattering factors (less lattice scattering) than the AlGaN layer, thereby suppressing a decrease in the mobility of the 2DEG 22. Note that the normalized on-resistance refers to the on-resistance per unit area. Therefore, in a nitride semiconductor HEMT using a GaN layer for the electron transit layer 16, the normalized on-resistance can be lowered and the current density can be increased compared to one using an AlGaN layer for the electron transit layer 16.

以上を考慮して、第1実施形態では、AlN層である第1窒化物半導体層16A1とGaN層である第2窒化物半導体層A2との超格子層16Aが繰り返し積層された複数の超格子層16Aが電子走行層16に適用されている。このような電子走行層16を用いた窒化物半導体HEMTでは、電子走行層16にAlGaN層を用いた場合に得られるオン抵抗の温度依存性の低減効果に加えて、電子走行層16にGaN層を用いた場合に得られる規格化オン抵抗の低減効果を得ることができる。 In consideration of the above, in the first embodiment, a plurality of superlattice layers in which the superlattice layer 16A of the first nitride semiconductor layer 16A1, which is an AlN layer, and the second nitride semiconductor layer A2, which is a GaN layer, are repeatedly laminated. Layer 16A is applied to electron transport layer 16. In a nitride semiconductor HEMT using such an electron transit layer 16, in addition to the effect of reducing the temperature dependence of on-resistance obtained when using an AlGaN layer for the electron transit layer 16, a GaN layer is used for the electron transit layer 16. It is possible to obtain the effect of reducing the normalized on-resistance that can be obtained when using.

[窒化物半導体装置の作用]
次に、窒化物半導体装置10の作用について説明する。
電子走行層16は、複数の超格子層16Aを含む。各超格子層16Aは、AlNによって構成された第1窒化物半導体層16A1とGaNを含む第2窒化物半導体層16A2との超格子構造を有し、第1実施形態ではAlN層とGaN層との超格子構造を有している。最上層の超格子層16Aの第2窒化物半導体層16A2は電子走行層16の最上層として設けられており、最上層の超格子層16Aの第2窒化物半導体層16A2に2DEG22が発生する。
[Function of nitride semiconductor device]
Next, the operation of the nitride semiconductor device 10 will be explained.
The electron transport layer 16 includes a plurality of superlattice layers 16A. Each superlattice layer 16A has a superlattice structure of a first nitride semiconductor layer 16A1 made of AlN and a second nitride semiconductor layer 16A2 containing GaN, and in the first embodiment, an AlN layer and a GaN layer are used. It has a superlattice structure. The second nitride semiconductor layer 16A2 of the uppermost superlattice layer 16A is provided as the uppermost layer of the electron transit layer 16, and 2DEG22 is generated in the second nitride semiconductor layer 16A2 of the uppermost superlattice layer 16A.

この構成では、高温時における各超格子層16Aでの格子散乱が(電子走行層16がAlGaN層で構成される場合と同様に)減少することで、2DEG22の移動度の低下が抑制される。これにより、電子走行層16がGaN層で構成される場合に比べて、窒化物半導体HEMT(窒化物半導体装置10)のオン抵抗の温度依存性が低減することでオン抵抗-温度特性を向上させることができる。 In this configuration, lattice scattering in each superlattice layer 16A at high temperatures is reduced (as in the case where the electron transport layer 16 is composed of an AlGaN layer), thereby suppressing a decrease in the mobility of the 2DEG 22. This reduces the temperature dependence of the on-resistance of the nitride semiconductor HEMT (nitride semiconductor device 10), thereby improving the on-resistance-temperature characteristics, compared to the case where the electron transit layer 16 is composed of a GaN layer. be able to.

また、AlN層とGaN層との超格子層16Aを用いた電子走行層16では、電子走行層16がGaN層で構成される場合と同様な結晶品質が、2DEG22の発生箇所において維持される。したがって、超格子層16Aを用いた電子走行層16では、電子走行層16がAlGaN層で構成される場合に比べて散乱要因が低減することで規格化オン抵抗が低減される。 Further, in the electron transit layer 16 using the superlattice layer 16A of an AlN layer and a GaN layer, the same crystal quality as in the case where the electron transit layer 16 is composed of a GaN layer is maintained at the location where the 2DEG 22 occurs. Therefore, in the electron transit layer 16 using the superlattice layer 16A, the normalized on-resistance is reduced by reducing scattering factors compared to the case where the electron transit layer 16 is composed of an AlGaN layer.

その結果、電子走行層16に超格子層16Aを使用することで、電子走行層16がGaN層で構成される場合と同様に規格化オン抵抗を低減しつつ、電子走行層16がGaN層で構成される場合に比べてオン抵抗の温度依存性を低減して良好なオン抵抗-温度特性を実現することができる。 As a result, by using the superlattice layer 16A for the electron transit layer 16, the normalized on-resistance can be reduced in the same way as when the electron transit layer 16 is composed of a GaN layer, while the electron transit layer 16 is made of a GaN layer. It is possible to reduce the temperature dependence of the on-resistance and achieve good on-resistance-temperature characteristics compared to the case where the on-resistance is configured.

第1実施形態の窒化物半導体装置10は、以下の利点を有する。
(1-1)窒化物半導体装置10の電子走行層16は、AlNによって構成された第1窒化物半導体層16A1とGaNを含む第2窒化物半導体層16A2との超格子層16Aが繰り返し積層された複数の超格子層16Aを含む。このような超格子層16Aで電子走行層16が構成された窒化物半導体HEMTでは、電子走行層16がGaN層で構成される場合に比べてオン抵抗の温度依存性を低減して良好なオン抵抗-温度特性を実現することができる。また、電子走行層16がGaN層で構成される場合と同様に規格化オン抵抗を低減することができる。
The nitride semiconductor device 10 of the first embodiment has the following advantages.
(1-1) The electron transport layer 16 of the nitride semiconductor device 10 is formed by repeatedly stacking a superlattice layer 16A of a first nitride semiconductor layer 16A1 made of AlN and a second nitride semiconductor layer 16A2 containing GaN. The superlattice layer 16A includes a plurality of superlattice layers 16A. In a nitride semiconductor HEMT in which the electron transit layer 16 is composed of such a superlattice layer 16A, the temperature dependence of the on-resistance is reduced compared to the case where the electron transit layer 16 is composed of a GaN layer, and good on-state performance is achieved. It is possible to realize resistance-temperature characteristics. Furthermore, the normalized on-resistance can be reduced similarly to the case where the electron transit layer 16 is composed of a GaN layer.

(1-2)超格子層16Aの層数は10以上100以下である。超格子層16Aの層数を増やすことで、窒化物半導体HEMTの耐圧を向上させることができる。したがって、上記(1-1)の利点を得ながら、超格子層16Aの層数を増やすことで窒化物半導体HEMTに要求される所望の耐圧(例えば、650V耐圧)を実現することができる。 (1-2) The number of layers of the superlattice layer 16A is 10 or more and 100 or less. By increasing the number of superlattice layers 16A, the breakdown voltage of the nitride semiconductor HEMT can be improved. Therefore, by increasing the number of superlattice layers 16A while obtaining the advantage (1-1) above, a desired breakdown voltage (for example, 650V breakdown voltage) required for a nitride semiconductor HEMT can be achieved.

(1-3)第2窒化物半導体層16A2の厚さは、第1窒化物半導体層16A1の厚さよりも大きい。この構成によれば、超格子層16Aは、GaNを含む第2窒化物半導体層16A2の特性をより活かした層として構成され得る。例えば、第2窒化物半導体層16A2はGaN層であってよい。この場合には、超格子層16Aは、Alを含みつつGaNを主体として構成される。これにより、電子走行層16をGaNの特性を活かした超格子層16Aによって構成することができる。 (1-3) The thickness of the second nitride semiconductor layer 16A2 is greater than the thickness of the first nitride semiconductor layer 16A1. According to this configuration, the superlattice layer 16A can be configured as a layer that makes better use of the characteristics of the second nitride semiconductor layer 16A2 containing GaN. For example, the second nitride semiconductor layer 16A2 may be a GaN layer. In this case, the superlattice layer 16A is composed mainly of GaN while containing Al. Thereby, the electron transit layer 16 can be configured by the superlattice layer 16A that takes advantage of the characteristics of GaN.

(1-4)電子走行層16は、GaN層によって構成されたベース層16Bを含み得る。この構成では、複数の超格子層16Aを含む電子走行層16を十分な厚さで形成することができるため電子走行層16の結晶品質を向上させることができる。 (1-4) The electron transit layer 16 may include a base layer 16B made of a GaN layer. With this configuration, the electron transit layer 16 including the plurality of superlattice layers 16A can be formed with a sufficient thickness, so that the crystal quality of the electron transit layer 16 can be improved.

(1-5)窒化物半導体装置10は、電子供給層20と最上層の超格子層16Aの第2窒化物半導体層16A2との間に配置されたスペーサ層18を含む。スペーサ層18は、AlNを含む窒化物半導体層によって構成されている。このようなスペーサ層18を設けることで、2DEG22の移動度を向上させて窒化物半導体HEMTのオン抵抗を低減することができる。 (1-5) The nitride semiconductor device 10 includes a spacer layer 18 disposed between the electron supply layer 20 and the second nitride semiconductor layer 16A2 of the uppermost superlattice layer 16A. The spacer layer 18 is made of a nitride semiconductor layer containing AlN. By providing such a spacer layer 18, the mobility of the 2DEG 22 can be improved and the on-resistance of the nitride semiconductor HEMT can be reduced.

(1-6)スペーサ層18のAl組成は、各超格子層16AのAl組成以上である。この構成では、最上層の超格子層16Aの第2窒化物半導体層16A2に、2DEG22をより安定的に発生させることができる。 (1-6) The Al composition of the spacer layer 18 is greater than or equal to the Al composition of each superlattice layer 16A. With this configuration, 2DEG 22 can be more stably generated in the second nitride semiconductor layer 16A2 of the uppermost superlattice layer 16A.

(1-7)スペーサ層18の厚さは、各超格子層16Aの第1窒化物半導体層16A1の厚さ以下である。この構成では、2DEG22とソース電極32との間および2DEG22とドレイン電極34との間に存在するスペーサ層18の厚さによってオーミック抵抗が増加することを抑制することができる。 (1-7) The thickness of the spacer layer 18 is equal to or less than the thickness of the first nitride semiconductor layer 16A1 of each superlattice layer 16A. With this configuration, it is possible to suppress an increase in ohmic resistance due to the thickness of the spacer layer 18 existing between the 2DEG 22 and the source electrode 32 and between the 2DEG 22 and the drain electrode 34.

(1-8)電子供給層20は、AlGaN層であってよい。この場合、スペーサ層18のAl組成は、電子供給層20のAl組成よりも大きい。この構成では、スペーサ層18を用いる効果、すなわち2DEG22の移動度を向上させる効果をより高めることができる。 (1-8) The electron supply layer 20 may be an AlGaN layer. In this case, the Al composition of the spacer layer 18 is larger than that of the electron supply layer 20. With this configuration, the effect of using the spacer layer 18, that is, the effect of improving the mobility of the 2DEG 22 can be further enhanced.

(1-9)スペーサ層18は、AlN層であってよい。この場合、各超格子層16Aの第1窒化物半導体層16A1(すなわちAlN層)と同じ構成によってスペーサ層18を構成することができる。この構成では、スペーサ層18を備える窒化物半導体装置10の製造プロセスを容易化することができる。 (1-9) Spacer layer 18 may be an AlN layer. In this case, the spacer layer 18 can be configured with the same configuration as the first nitride semiconductor layer 16A1 (ie, AlN layer) of each superlattice layer 16A. With this configuration, the manufacturing process of the nitride semiconductor device 10 including the spacer layer 18 can be facilitated.

(1-10)核生成層13、バッファ層14、電子走行層16(ベース層16Bおよび複数の超格子層16A)、スペーサ層18、電子供給層20、およびゲート層24は、基板12上にエピタキシャル成長によって順次形成することができる。この場合、比較的安価なシリコン基板を基板12に用いることで、窒化物半導体装置10を安価に製造することができる。 (1-10) Nucleation layer 13, buffer layer 14, electron transport layer 16 (base layer 16B and plurality of superlattice layers 16A), spacer layer 18, electron supply layer 20, and gate layer 24 are arranged on substrate 12. They can be formed sequentially by epitaxial growth. In this case, by using a relatively inexpensive silicon substrate as the substrate 12, the nitride semiconductor device 10 can be manufactured at low cost.

[第2実施形態]
図3は、第2実施形態に係る例示的な窒化物半導体装置10Aの概略断面図である。図3において、第1実施形態に係る窒化物半導体装置10と同様の構成要素には、同じ符号を付している。以下では、第1実施形態と同様な構成要素については説明を省略し、第1実施形態と異なる構成要素について説明する。
[Second embodiment]
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of an exemplary nitride semiconductor device 10A according to the second embodiment. In FIG. 3, the same components as those of the nitride semiconductor device 10 according to the first embodiment are given the same reference numerals. In the following, descriptions of components similar to those in the first embodiment will be omitted, and components different from those in the first embodiment will be described.

図3に示されるように、第2実施形態に係る窒化物半導体装置10Aでは、電子供給層20は、パッシベーション層28のソース側開口部28Aに連通する第1開口部20Cと、パッシベーション層28のドレイン側開口部28Bに連通する第2開口部20Dとを含む。なお、第1実施形態と同様、第2実施形態に係る窒化物半導体装置10も、図2に示されるように電子走行層16と電子供給層20との間にスペーサ層18を有しているが、図示を簡略化するために図3ではスペーサ層18は示されていない。 As shown in FIG. 3, in the nitride semiconductor device 10A according to the second embodiment, the electron supply layer 20 has a first opening 20C communicating with the source side opening 28A of the passivation layer 28, and a first opening 20C communicating with the source side opening 28A of the passivation layer 28. A second opening 20D that communicates with the drain side opening 28B is included. Note that, like the first embodiment, the nitride semiconductor device 10 according to the second embodiment also has a spacer layer 18 between the electron transit layer 16 and the electron supply layer 20, as shown in FIG. However, the spacer layer 18 is not shown in FIG. 3 to simplify the illustration.

第2実施形態では、電子供給層20の第1開口部20Cは、スペーサ層18(図2参照)の上面をソース接続領域18Aとして露出させる一方、電子供給層20の第2開口部20Dは、スペーサ層18(図2参照)の上面をドレイン接続領域18Bとして露出させる。したがって、ソース電極32(図3の例ではソース電極部32A)は、電子供給層20の第1開口部20Cを介してスペーサ層18(図2参照)に接しており、ドレイン電極34は、電子供給層20の第2開口部20Dを介してスペーサ層18(図2参照)に接している。ソース電極32およびドレイン電極34は、2DEG22とオーミック接触している。第2実施形態では、ソース電極32およびドレイン電極34は金(Au)を含む電極材料、例えば、Ti層とAlCu層とTi層とAu層との4層で構成されてもよい。 In the second embodiment, the first opening 20C of the electron supply layer 20 exposes the upper surface of the spacer layer 18 (see FIG. 2) as the source connection region 18A, while the second opening 20D of the electron supply layer 20 exposes the upper surface of the spacer layer 18 (see FIG. 2). The upper surface of spacer layer 18 (see FIG. 2) is exposed as drain connection region 18B. Therefore, the source electrode 32 (source electrode part 32A in the example of FIG. 3) is in contact with the spacer layer 18 (see FIG. 2) via the first opening 20C of the electron supply layer 20, and the drain electrode 34 is in contact with the spacer layer 18 (see FIG. 2). The supply layer 20 is in contact with the spacer layer 18 (see FIG. 2) through the second opening 20D. The source electrode 32 and the drain electrode 34 are in ohmic contact with the 2DEG 22. In the second embodiment, the source electrode 32 and the drain electrode 34 may be made of an electrode material containing gold (Au), for example, four layers including a Ti layer, an AlCu layer, a Ti layer, and an Au layer.

第2実施形態の窒化物半導体装置10Aは、第1実施形態の(1-1)~(1-10)の利点に加えて、以下の利点を有する。
(2-1)第2実施形態では、パッシベーション層28のソース側開口部28Aおよびドレイン側開口部28Bに露出した電子供給層20が除去されている。このため、ソース電極32が電子供給層20およびスペーサ層18を介して2DEG22とオーミック接触する第1実施形態に比べて、第2実施形態では、ソース電極32はスペーサ層18のみを介して2DEG22とオーミック接触する。同様に、ドレイン電極34が電子供給層20およびスペーサ層18を介して2DEG22とオーミック接触する第1実施形態に比べて、第2実施形態では、ドレイン電極34はスペーサ層18のみを介して2DEG22とオーミック接触する。これにより、2DEG22とソース電極32との間のオーミック抵抗および2DEG22とドレイン電極34との間のオーミック抵抗を減らすことができる。
The nitride semiconductor device 10A of the second embodiment has the following advantages in addition to the advantages (1-1) to (1-10) of the first embodiment.
(2-1) In the second embodiment, the electron supply layer 20 exposed in the source-side opening 28A and drain-side opening 28B of the passivation layer 28 is removed. Therefore, compared to the first embodiment in which the source electrode 32 is in ohmic contact with the 2DEG 22 via the electron supply layer 20 and the spacer layer 18, in the second embodiment, the source electrode 32 is in ohmic contact with the 2DEG 22 via the spacer layer 18 only. Ohmic contact. Similarly, compared to the first embodiment in which the drain electrode 34 is in ohmic contact with the 2DEG 22 via the electron supply layer 20 and the spacer layer 18, in the second embodiment, the drain electrode 34 is in ohmic contact with the 2DEG 22 via the spacer layer 18 only. Ohmic contact. Thereby, the ohmic resistance between the 2DEG 22 and the source electrode 32 and the ohmic resistance between the 2DEG 22 and the drain electrode 34 can be reduced.

(2-2)ソース電極32およびドレイン電極34は、Auを含む電極材料(例えば、Ti層とAlCu層とTi層とAu層との4層)で構成されてよい。窒化物半導体HEMTが例えばRF(Radio Frequency)向けの通信デバイスとして実用化される場合、上記のようなオーミック抵抗を低減することが望まれる。この場合、ソース電極32およびドレイン電極34にAuを含む電極材料を用いることで、オーミック抵抗を低下させることができる。したがって、上記(2-1)の利点と併せて、第2実施形態の窒化物半導体HEMTは、RF向けの通信デバイスに適した構成とすることができる。 (2-2) The source electrode 32 and the drain electrode 34 may be made of an electrode material containing Au (for example, four layers of a Ti layer, an AlCu layer, a Ti layer, and an Au layer). When a nitride semiconductor HEMT is put into practical use, for example, as a communication device for RF (Radio Frequency), it is desirable to reduce the ohmic resistance as described above. In this case, by using an electrode material containing Au for the source electrode 32 and the drain electrode 34, the ohmic resistance can be reduced. Therefore, in addition to the above advantage (2-1), the nitride semiconductor HEMT of the second embodiment can have a configuration suitable for an RF communication device.

[変更例]
上記各実施形態は、以下のように変更して実施することができる。また、上記各実施形態および以下の各変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
[Example of change]
Each of the above embodiments can be modified and implemented as follows. Moreover, each of the above embodiments and each of the following modified examples can be implemented in combination with each other within a technically consistent range.

・上記各実施形態では、窒化物半導体装置10は、窒化物半導体HEMTとして構成されたが、窒化物半導体HEMTに限定されず、窒化物半導体ダイオードとして構成されてもよい。例えば、基板12上に、核生成層13、バッファ層14、電子走行層16のベース層16B(任意で省略可能)、電子走行層16の複数の超格子層16A、スペーサ層18(任意で省略可能)、および電子供給層20をエピタキシャル成長によって順次形成した図2の窒化物半導体層構造を、窒化物半導体ダイオードに採用してもよい。本開示の構造による利点は、図2の窒化物半導体層構造における電子走行層16に複数の超格子層16Aを採用することによって得られるものである。 - In each of the above embodiments, the nitride semiconductor device 10 is configured as a nitride semiconductor HEMT, but is not limited to a nitride semiconductor HEMT, and may be configured as a nitride semiconductor diode. For example, on the substrate 12, a nucleation layer 13, a buffer layer 14, a base layer 16B (optional) of the electron transit layer 16, a plurality of superlattice layers 16A of the electron transit layer 16, a spacer layer 18 (optional) The nitride semiconductor layer structure shown in FIG. 2 in which the electron supply layer 20 and electron supply layer 20 are sequentially formed by epitaxial growth may be adopted as a nitride semiconductor diode. The advantages of the structure of the present disclosure are obtained by employing a plurality of superlattice layers 16A in the electron transit layer 16 in the nitride semiconductor layer structure of FIG.

・上記各実施形態では、窒化物半導体装置10は、ノーマリーオフ型の窒化物半導体HEMTとして構成されたが、ノーマリーオン型の窒化物半導体HEMTとして構成されてもよい。 - In each of the above embodiments, the nitride semiconductor device 10 is configured as a normally-off type nitride semiconductor HEMT, but may be configured as a normally-on type nitride semiconductor HEMT.

・超格子構造を有する電子走行層16において、GaNを含む第2窒化物半導体層16A2は、GaN層に限定されず、例えばAlGaN層であってもよい。この場合も、電子供給層20(例えばAlGaN層)のAl組成は、各超格子層16A(この変形例では、AlN層の第1窒化物半導体層16A1とAlGaN層の第2窒化物半導体層16A2との超格子構造)のAl組成よりも大きなバンドギャップを有するように設定される。なお、上記第1実施形態で説明したように、AlGaNよりもGaNのほうが結晶品質の点では優れるため、良好なオン抵抗-温度特性を維持する観点からは第2窒化物半導体層16A2にGaNを使用するのがよい。 - In the electron transit layer 16 having a superlattice structure, the second nitride semiconductor layer 16A2 containing GaN is not limited to a GaN layer, and may be, for example, an AlGaN layer. Also in this case, the Al composition of the electron supply layer 20 (for example, AlGaN layer) is different from that of each superlattice layer 16A (in this modification, the first nitride semiconductor layer 16A1 of the AlN layer and the second nitride semiconductor layer 16A2 of the AlGaN layer). It is set to have a larger band gap than the Al composition of the superlattice structure (with a superlattice structure). Note that, as explained in the first embodiment, GaN is superior to AlGaN in terms of crystal quality, so from the viewpoint of maintaining good on-resistance-temperature characteristics, it is preferable to use GaN in the second nitride semiconductor layer 16A2. Good to use.

・電子走行層16は複数の超格子層16Aのみで構成されてもよい。すなわち、ベース層16Bは必須ではなく電子走行層16から省略されてもよい。
・スペーサ層18すなわちAlNを含む第5窒化物半導体層は、AlN層に限定されず、例えばAlGaN層であってもよい。この場合も、スペーサ層18と各超格子層16Aとの間のAl組成の関係、および、スペーサ層18と電子供給層20との間のAl組成の関係は、上記第1実施形態で説明した関係が維持される。
- The electron transit layer 16 may be composed only of the plurality of superlattice layers 16A. That is, the base layer 16B is not essential and may be omitted from the electron transport layer 16.
- The spacer layer 18, ie, the fifth nitride semiconductor layer containing AlN, is not limited to an AlN layer, and may be, for example, an AlGaN layer. In this case as well, the relationship in Al composition between the spacer layer 18 and each superlattice layer 16A and the relationship in Al composition between the spacer layer 18 and the electron supply layer 20 are as explained in the first embodiment. Relationships are maintained.

・上記各実施形態において、スペーサ層18は省略されてもよい。
・本開示で使用される「~上に」という用語は、文脈によって明らかにそうでないことが示されない限り、「~上に」と「~の上方に」の意味を含む。したがって、「第1層が第2層上に形成される」という表現は、或る実施形態では第1層が第2層に接触して第2層上に直接配置され得るが、他の実施形態では第1層が第2層に接触することなく第2層の上方に配置され得ることが意図される。すなわち、「~上に」という用語は、第1層と第2層との間に他の層が形成される構造を排除しない。例えば、電子供給層20が電子走行層16上に形成される上記各実施形態は、2DEG22を安定して形成するために電子供給層20と電子走行層16との間に中間層(例えば上記各実施形態のようなスペーサ層18)が位置する構造も含む。
- In each of the above embodiments, the spacer layer 18 may be omitted.
- As used in this disclosure, the term "on" includes the meanings of "on" and "above" unless the context clearly indicates otherwise. Thus, the phrase "the first layer is formed on the second layer" refers to the fact that in some embodiments the first layer may be directly disposed on the second layer in contact with the second layer, but in other embodiments. It is contemplated that the first layer may be placed above the second layer without contacting the second layer. That is, the term "on" does not exclude structures in which other layers are formed between the first layer and the second layer. For example, in each of the above embodiments in which the electron supply layer 20 is formed on the electron transit layer 16, an intermediate layer (for example, each of the above It also includes a structure in which a spacer layer 18) as in the embodiment is located.

・本開示で使用されるZ軸方向は必ずしも鉛直方向である必要はなく、鉛直方向に完全に一致している必要もない。したがって、本開示による種々の構造(例えば、図1に示される構造)は、本明細書で説明されるZ軸方向の「上」および「下」が鉛直方向の「上」および「下」であることに限定されない。例えば、X軸方向が鉛直方向であってもよく、またはY軸方向が鉛直方向であってもよい。 - The Z-axis direction used in the present disclosure does not necessarily need to be a vertical direction, nor does it need to completely coincide with the vertical direction. Accordingly, in various structures according to the present disclosure (e.g., the structure shown in FIG. 1), "upper" and "lower" in the Z-axis direction described herein are "upper" and "lower" in the vertical direction. Not limited to one thing. For example, the X-axis direction may be a vertical direction, or the Y-axis direction may be a vertical direction.

・本開示で使用される「垂直」、「水平」、「上方」、「下方」、「上」、「下」、「前方」、「後方」、「横」、「左」、「右」、「前」、「後」等の方向を示す用語は、説明および図示された装置の特定の向きに依存する。本開示においては、様々な代替的な向きを想定することができ、したがって、これらの方向を示す用語は、狭義に解釈されるべきではない。 ・“Vertical”, “horizontal”, “above”, “downward”, “above”, “bottom”, “front”, “backward”, “lateral”, “left”, “right” used in this disclosure , "front", "back", etc., are dependent upon the particular orientation of the device described and illustrated. Various alternative orientations may be envisioned in this disclosure, and therefore, these directional terms should not be construed narrowly.

[付記]
上記各実施形態および各変更例から把握できる技術的思想を以下に記載する。なお、各付記に記載された構成要素に対応する実施形態の構成要素の符号を括弧書きで示す。符号は、理解の補助のために例として示すものであり、各付記に記載された構成要素は、符号で示される構成要素に限定されるべきではない。
[Additional notes]
The technical ideas that can be grasped from each of the above embodiments and modifications are described below. Note that the reference numerals of the constituent elements of the embodiment corresponding to the constituent elements described in each supplementary note are shown in parentheses. The symbols are shown as examples to aid understanding, and the components described in each appendix should not be limited to the components indicated by the symbols.

(付記A1)
AlNによって構成された第1窒化物半導体層(16A1)とGaNを含む第2窒化物半導体層(16A2)との超格子層(16A)が繰り返し積層された複数の超格子層(16A)を含む電子走行層(16)であって、前記複数の超格子層(16A)のうち最上層の超格子層(16A)の前記第2窒化物半導体層(16A2)が前記電子走行層(16)の最上層として設けられた前記電子走行層(16)と、
前記最上層の超格子層(16A)の前記第2窒化物半導体層(16A2)に二次元電子ガス(22)を発生させるべく、各前記超格子層(16A)よりも大きなバンドギャップを有する第3窒化物半導体層によって構成された電子供給層(20)と、
前記電子供給層(20)の一部の上に配置されるとともに、アクセプタ型不純物を含む第4窒化物半導体層によって構成されたゲート層(24)と、
前記ゲート層(24)上に配置されたゲート電極(26)と、
前記二次元電子ガス(22)に電気的に接続されたソース電極(32)およびドレイン電極(34)と、
を備える窒化物半導体装置(10;10A)。
(Appendix A1)
Includes a plurality of superlattice layers (16A) in which superlattice layers (16A) of a first nitride semiconductor layer (16A1) made of AlN and a second nitride semiconductor layer (16A2) containing GaN are stacked repeatedly. In the electron transit layer (16), the second nitride semiconductor layer (16A2) of the uppermost superlattice layer (16A) among the plurality of superlattice layers (16A) is the electron transit layer (16). the electron transit layer (16) provided as the top layer;
In order to generate a two-dimensional electron gas (22) in the second nitride semiconductor layer (16A2) of the uppermost superlattice layer (16A), a second nitride semiconductor layer (16A2) having a larger band gap than each superlattice layer (16A) is used. an electron supply layer (20) constituted by a trinitride semiconductor layer;
a gate layer (24) disposed on a portion of the electron supply layer (20) and constituted by a fourth nitride semiconductor layer containing acceptor type impurities;
a gate electrode (26) disposed on the gate layer (24);
a source electrode (32) and a drain electrode (34) electrically connected to the two-dimensional electron gas (22);
A nitride semiconductor device (10; 10A) comprising:

(付記A2)
前記複数の超格子層(16A)の層数は10以上100以下である、付記A1に記載の窒化物半導体装置(10;10A)。
(Appendix A2)
The nitride semiconductor device (10; 10A) according to appendix A1, wherein the number of layers of the plurality of superlattice layers (16A) is 10 or more and 100 or less.

(付記A3)
前記第2窒化物半導体層(16A2)の厚さは前記第1窒化物半導体層(16A1)の厚さよりも大きい、付記A1またはA2に記載の窒化物半導体装置(10;10A)。
(Appendix A3)
The nitride semiconductor device (10; 10A) according to appendix A1 or A2, wherein the second nitride semiconductor layer (16A2) is thicker than the first nitride semiconductor layer (16A1).

(付記A4)
前記第1窒化物半導体層(16A1)の厚さは1nm以上3nm以下であり、
前記第2窒化物半導体層(16A2)の厚さは2nm以上6nm以下である、付記A3に記載の窒化物半導体装置(10;10A)。
(Appendix A4)
The thickness of the first nitride semiconductor layer (16A1) is 1 nm or more and 3 nm or less,
The nitride semiconductor device (10; 10A) according to appendix A3, wherein the second nitride semiconductor layer (16A2) has a thickness of 2 nm or more and 6 nm or less.

(付記A5)
前記電子供給層(20)と前記最上層の超格子層(16A)の前記第2窒化物半導体層(16A2)との間に配置されたスペーサ層(18)をさらに備え、
前記スペーサ層(18)は、AlNを含む第5窒化物半導体層によって構成されている、付記A1~A4のうちのいずれか一つに記載の窒化物半導体装置(10;10A)。
(Appendix A5)
further comprising a spacer layer (18) disposed between the electron supply layer (20) and the second nitride semiconductor layer (16A2) of the uppermost superlattice layer (16A),
The nitride semiconductor device (10; 10A) according to any one of appendices A1 to A4, wherein the spacer layer (18) is constituted by a fifth nitride semiconductor layer containing AlN.

(付記A6)
前記スペーサ層(18)のAl組成は、各前記超格子層(16A)のAl組成以上である、付記A5に記載の窒化物半導体装置(10;10A)。
(Appendix A6)
The nitride semiconductor device (10; 10A) according to appendix A5, wherein the Al composition of the spacer layer (18) is greater than or equal to the Al composition of each of the superlattice layers (16A).

(付記A7)
前記スペーサ層(18)の厚さは、前記第1窒化物半導体層(16A1)の厚さ以下である、付記A5またはA6に記載の窒化物半導体装置(10;10A)。
(Appendix A7)
The nitride semiconductor device (10; 10A) according to appendix A5 or A6, wherein the spacer layer (18) has a thickness equal to or less than the first nitride semiconductor layer (16A1).

(付記A8)
前記スペーサ層(18)はAlN層またはAlGaN層である、付記A5~A7のうちのいずれか一つに記載の窒化物半導体装置(10;10A)。
(Appendix A8)
The nitride semiconductor device (10; 10A) according to any one of appendices A5 to A7, wherein the spacer layer (18) is an AlN layer or an AlGaN layer.

(付記A9)
前記ソース電極(32)は、前記電子供給層(20)の第1開口部(20C)を介して前記スペーサ層(18)に接しており、前記ドレイン電極(34)は、前記電子供給層(20)の第2開口部(20D)を介して前記スペーサ層(18)に接している、付記A5~A8のうちのいずれか一項に記載の窒化物半導体装置(10A)。
(Appendix A9)
The source electrode (32) is in contact with the spacer layer (18) through the first opening (20C) of the electron supply layer (20), and the drain electrode (34) is in contact with the spacer layer (18) through the first opening (20C) of the electron supply layer (20). The nitride semiconductor device (10A) according to any one of appendices A5 to A8, which is in contact with the spacer layer (18) through the second opening (20D) of 20).

(付記A10)
前記ソース電極(32)および前記ドレイン電極(34)はAuを含む、付記A9に記載の窒化物半導体装置(10A)。
(Appendix A10)
The nitride semiconductor device (10A) according to Appendix A9, wherein the source electrode (32) and the drain electrode (34) contain Au.

(付記A11)
前記電子供給層(20)は、複数の超格子層(16A)の下にGaN層によって構成されたベース層(16B)を含む、付記A5~A10のうちのいずれか一つに記載の窒化物半導体装置(10;10A)。
(Appendix A11)
The electron supply layer (20) includes a base layer (16B) formed of a GaN layer under a plurality of superlattice layers (16A), and is a nitride according to any one of Appendices A5 to A10. Semiconductor device (10; 10A).

(付記A12)
前記電子供給層(20)はAlGaN層であり、
前記スペーサ層(18)のAl組成は、前記電子供給層(20)のAl組成よりも大きい、付記A5~A11のうちのいずれか一つに記載の窒化物半導体装置(10;10A)。
(Appendix A12)
The electron supply layer (20) is an AlGaN layer,
The nitride semiconductor device (10; 10A) according to any one of appendices A5 to A11, wherein the spacer layer (18) has a larger Al composition than the electron supply layer (20).

(付記A13)
前記電子供給層(20)のAl組成は25%以上50%以下であり、
前記スペーサ層(18)のAl組成は80%以上である、付記A12に記載の窒化物半導体装置(10;10A)。
(Appendix A13)
The Al composition of the electron supply layer (20) is 25% or more and 50% or less,
The nitride semiconductor device (10; 10A) according to appendix A12, wherein the spacer layer (18) has an Al composition of 80% or more.

(付記A14)
前記第2窒化物半導体層(16A2)はGaN層またはAlGaN層である、付記A1~A13のうちのいずれか一つに記載の窒化物半導体装置(10;10A)。
(Appendix A14)
The nitride semiconductor device (10; 10A) according to any one of appendices A1 to A13, wherein the second nitride semiconductor layer (16A2) is a GaN layer or an AlGaN layer.

(付記A15)
前記電子供給層(20)はAlGaN層であり、
前記ゲート層(24)は、MgおよびZnのうちの少なくとも一つを前記アクセプタ型不純物として含むGaN層である、付記A1~A14のうちのいずれか一つに記載の窒化物半導体装置(10;10A)。
(Appendix A15)
The electron supply layer (20) is an AlGaN layer,
The nitride semiconductor device (10; 10A).

(付記A16)
前記電子走行層(16)は、シリコン基板(12)上にバッファ層(14)を介して形成されている、付記A1~A15のうちのいずれか一つに記載の窒化物半導体装置(10;10A)。
(Appendix A16)
The electron transit layer (16) is formed on a silicon substrate (12) with a buffer layer (14) interposed therebetween, in the nitride semiconductor device (10) according to any one of appendices A1 to A15; 10A).

(付記B1)
基板(12)と、
前記基板の上に配置されたバッファ層(14)と、
前記バッファ層の上に配置された電子走行層(16)と、
前記電子走行層(16)の上に配置された電子供給層(20)と、を備え、
前記電子走行層(16)は、AlNによって構成された第1窒化物半導体層(16A1)とGaNを含む第2窒化物半導体層(16A2)との超格子層(16A)が繰り返し積層された複数の超格子層(16A)を含み、
前記複数の超格子層(16A)のうち最上層の超格子層(16A)の前記第2窒化物半導体層(16A2)が前記電子走行層(16)の最上層として設けられており、
前記電子供給層(20)は、前記複数の超格子層(16A)の各々よりも大きなバンドギャップを有する第3窒化物半導体層によって構成されている、窒化物半導体装置(10;10A)。
(Appendix B1)
a substrate (12);
a buffer layer (14) disposed on the substrate;
an electron transit layer (16) disposed on the buffer layer;
an electron supply layer (20) disposed on the electron transit layer (16),
The electron transit layer (16) is a plurality of superlattice layers (16A) in which a first nitride semiconductor layer (16A1) made of AlN and a second nitride semiconductor layer (16A2) containing GaN are repeatedly laminated. including a superlattice layer (16A) of
The second nitride semiconductor layer (16A2) of the uppermost superlattice layer (16A) among the plurality of superlattice layers (16A) is provided as the uppermost layer of the electron transport layer (16),
A nitride semiconductor device (10; 10A), wherein the electron supply layer (20) is constituted by a third nitride semiconductor layer having a larger band gap than each of the plurality of superlattice layers (16A).

(付記B2)
前記電子供給層(20)と前記最上層の超格子層(16A)の前記第2窒化物半導体層(16A2)との間に配置されたスペーサ層(18)をさらに備え、
前記スペーサ層(18)は、AlNを含む窒化物半導体層によって構成されている、付記B1に記載の窒化物半導体装置(10:10A)。
(Appendix B2)
further comprising a spacer layer (18) disposed between the electron supply layer (20) and the second nitride semiconductor layer (16A2) of the uppermost superlattice layer (16A),
The nitride semiconductor device (10:10A) according to appendix B1, wherein the spacer layer (18) is constituted by a nitride semiconductor layer containing AlN.

以上の説明は単に例示である。本開示の技術を説明する目的のために列挙された構成要素および方法(製造プロセス)以外に、より多くの考えられる組み合わせおよび置換が可能であることを当業者は認識し得る。本開示は、特許請求の範囲を含む本開示の範囲内に含まれるすべての代替、変形、および変更を包含することが意図される。 The above description is merely illustrative. Those skilled in the art will recognize that many more possible combinations and permutations are possible beyond those listed for the purpose of describing the techniques of the present disclosure. This disclosure is intended to cover all alternatives, variations, and modifications falling within the scope of this disclosure, including the claims.

10,10A…窒化物半導体装置
12…基板
14…バッファ層
16…電子走行層
16A…超格子層
16A1…第1窒化物半導体層
16A2…第2窒化物半導体層
18…スペーサ層
20…電子供給層
20C…第1開口部
20D…第2開口部
22…二次元電子ガス(2DEG)
24…ゲート層
26…ゲート電極
32…ソース電極
34…ドレイン電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 10A...Nitride semiconductor device 12...Substrate 14...Buffer layer 16...Electron transit layer 16A...Superlattice layer 16A1...First nitride semiconductor layer 16A2...Second nitride semiconductor layer 18...Spacer layer 20...Electron supply layer 20C...First opening 20D...Second opening 22...Two-dimensional electron gas (2DEG)
24... Gate layer 26... Gate electrode 32... Source electrode 34... Drain electrode

Claims (17)

AlNによって構成された第1窒化物半導体層とGaNを含む第2窒化物半導体層との超格子層が繰り返し積層された複数の超格子層を含む電子走行層であって、前記複数の超格子層のうち最上層の超格子層の前記第2窒化物半導体層が前記電子走行層の最上層として設けられた前記電子走行層と、
前記最上層の超格子層の前記第2窒化物半導体層に二次元電子ガスを発生させるべく、各前記超格子層よりも大きなバンドギャップを有する第3窒化物半導体層によって構成された電子供給層と、
前記電子供給層の一部の上に配置されるとともに、アクセプタ型不純物を含む第4窒化物半導体層によって構成されたゲート層と、
前記ゲート層上に配置されたゲート電極と、
前記二次元電子ガスに電気的に接続されたソース電極およびドレイン電極と、
を備える窒化物半導体装置。
An electron transport layer including a plurality of superlattice layers in which superlattice layers of a first nitride semiconductor layer made of AlN and a second nitride semiconductor layer containing GaN are stacked repeatedly, the plurality of superlattice layers being stacked repeatedly. the electron transit layer in which the second nitride semiconductor layer of the uppermost superlattice layer among the layers is provided as the uppermost layer of the electron transit layer;
In order to generate two-dimensional electron gas in the second nitride semiconductor layer of the uppermost superlattice layer, an electron supply layer constituted by a third nitride semiconductor layer having a larger band gap than each of the superlattice layers. and,
a gate layer disposed on a portion of the electron supply layer and configured with a fourth nitride semiconductor layer containing acceptor type impurities;
a gate electrode disposed on the gate layer;
a source electrode and a drain electrode electrically connected to the two-dimensional electron gas;
A nitride semiconductor device comprising:
前記複数の超格子層の層数は10以上100以下である、請求項1に記載の窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the number of the plurality of superlattice layers is 10 or more and 100 or less. 前記第2窒化物半導体層の厚さは前記第1窒化物半導体層の厚さよりも大きい、請求項1または2に記載の窒化物半導体装置。 3. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the second nitride semiconductor layer has a thickness greater than the first nitride semiconductor layer. 前記第1窒化物半導体層の厚さは1nm以上3nm以下であり、
前記第2窒化物半導体層の厚さは2nm以上6nm以下である、請求項3に記載の窒化物半導体装置。
The thickness of the first nitride semiconductor layer is 1 nm or more and 3 nm or less,
The nitride semiconductor device according to claim 3, wherein the second nitride semiconductor layer has a thickness of 2 nm or more and 6 nm or less.
前記電子供給層と前記最上層の超格子層の前記第2窒化物半導体層との間に配置されたスペーサ層をさらに備え、
前記スペーサ層は、AlNを含む第5窒化物半導体層によって構成されている、請求項1~4のうちのいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
further comprising a spacer layer disposed between the electron supply layer and the second nitride semiconductor layer of the uppermost superlattice layer,
The nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, wherein the spacer layer is constituted by a fifth nitride semiconductor layer containing AlN.
前記スペーサ層のAl組成は、各前記超格子層のAl組成以上である、請求項5に記載の窒化物半導体装置。 6. The nitride semiconductor device according to claim 5, wherein the Al composition of the spacer layer is greater than or equal to the Al composition of each of the superlattice layers. 前記スペーサ層の厚さは、前記第1窒化物半導体層の厚さ以下である、請求項5または6に記載の窒化物半導体装置。 7. The nitride semiconductor device according to claim 5, wherein the spacer layer has a thickness less than or equal to the first nitride semiconductor layer. 前記スペーサ層はAlN層またはAlGaN層である、請求項5~7のうちのいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device according to claim 5, wherein the spacer layer is an AlN layer or an AlGaN layer. 前記ソース電極は、前記電子供給層の第1開口部を介して前記スペーサ層に接しており、前記ドレイン電極は、前記電子供給層の第2開口部を介して前記スペーサ層に接している、請求項5~8のうちのいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。 The source electrode is in contact with the spacer layer through a first opening of the electron supply layer, and the drain electrode is in contact with the spacer layer through a second opening of the electron supply layer. The nitride semiconductor device according to any one of claims 5 to 8. 前記ソース電極および前記ドレイン電極はAuを含む、請求項9に記載の窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device according to claim 9, wherein the source electrode and the drain electrode contain Au. 前記電子供給層はAlGaN層であり、
前記スペーサ層のAl組成は、前記電子供給層のAl組成よりも大きい、請求項5~10のうちのいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
The electron supply layer is an AlGaN layer,
The nitride semiconductor device according to any one of claims 5 to 10, wherein the spacer layer has a larger Al composition than the electron supply layer.
前記電子供給層のAl組成は25%以上50%以下であり、
前記スペーサ層のAl組成は80%以上である、請求項11に記載の窒化物半導体装置。
The Al composition of the electron supply layer is 25% or more and 50% or less,
The nitride semiconductor device according to claim 11, wherein the spacer layer has an Al composition of 80% or more.
前記第2窒化物半導体層はGaN層またはAlGaN層である、請求項1~12のうちのいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the second nitride semiconductor layer is a GaN layer or an AlGaN layer. 前記電子供給層はAlGaN層であり、
前記ゲート層は、MgおよびZnのうちの少なくとも一つを前記アクセプタ型不純物として含むGaN層である、請求項1~13のうちのいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
The electron supply layer is an AlGaN layer,
14. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the gate layer is a GaN layer containing at least one of Mg and Zn as the acceptor type impurity.
前記電子走行層は、シリコン基板上にバッファ層を介して形成されている、請求項1~14のうちのいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the electron transit layer is formed on a silicon substrate with a buffer layer interposed therebetween. 基板と、
前記基板の上に配置されたバッファ層と、
前記バッファ層の上に配置された電子走行層と、
前記電子走行層の上に配置された電子供給層と、を備え、
前記電子走行層は、AlNによって構成された第1窒化物半導体層とGaNを含む第2窒化物半導体層との超格子層が繰り返し積層された複数の超格子層を含み、
前記複数の超格子層のうち最上層の超格子層の前記第2窒化物半導体層が前記電子走行層の最上層として設けられており、
前記電子供給層は、前記複数の超格子層の各々よりも大きなバンドギャップを有する第3窒化物半導体層によって構成されている、窒化物半導体装置。
A substrate and
a buffer layer disposed on the substrate;
an electron transport layer disposed on the buffer layer;
an electron supply layer disposed on the electron transit layer,
The electron transport layer includes a plurality of superlattice layers in which superlattice layers of a first nitride semiconductor layer made of AlN and a second nitride semiconductor layer containing GaN are stacked repeatedly,
The second nitride semiconductor layer of the uppermost superlattice layer among the plurality of superlattice layers is provided as the uppermost layer of the electron transport layer,
A nitride semiconductor device, wherein the electron supply layer is constituted by a third nitride semiconductor layer having a larger band gap than each of the plurality of superlattice layers.
前記電子供給層と前記最上層の超格子層の前記第2窒化物半導体層との間に配置されたスペーサ層をさらに備え、
前記スペーサ層は、AlNを含む窒化物半導体層によって構成されている、請求項16に記載の窒化物半導体装置。
further comprising a spacer layer disposed between the electron supply layer and the second nitride semiconductor layer of the uppermost superlattice layer,
17. The nitride semiconductor device according to claim 16, wherein the spacer layer is constituted by a nitride semiconductor layer containing AlN.
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