JP2024015771A - semiconductor equipment - Google Patents

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憲司 磯
淳 須田
裕二 安藤
大貴 田中
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Mitsubishi Chemical Corp
Tokai National Higher Education and Research System NUC
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Mitsubishi Chemical Corp
Tokai National Higher Education and Research System NUC
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Abstract

【課題】高温環境下での動作時におけるリーク電流の抑制を実現した半導体装置を提供する。【解決手段】基板100、半導体積層構造200、ソース電極600S、ゲート電極600G、ドレイン電極600D及びゲート絶縁膜700を備えた半導体装置10であって、半導体積層構造は、基板上に形成された第1の窒化物半導体からなる第1半導体層300と、第1半導体層の上に形成され、第1の窒化物半導体よりもバンドギャップの大きな第2の窒化物半導体からなる第2半導体層400と、を含む。ゲート電極とドレイン電極との間に逆方向バイアスを100V印加したときの、動作温度400Kにおけるゲートリーク電流値が2×10-5A/mm以下である。【選択図】図1The present invention provides a semiconductor device that achieves suppression of leakage current during operation in a high-temperature environment. A semiconductor device 10 includes a substrate 100, a semiconductor stacked structure 200, a source electrode 600S, a gate electrode 600G, a drain electrode 600D, and a gate insulating film 700, in which the semiconductor stacked structure includes a first semiconductor layer 300 made of a first nitride semiconductor; a second semiconductor layer 400 made of a second nitride semiconductor formed on the first semiconductor layer and having a larger band gap than the first nitride semiconductor; ,including. When a reverse bias of 100 V is applied between the gate electrode and the drain electrode, the gate leakage current value at an operating temperature of 400 K is 2×10 −5 A/mm or less. [Selection diagram] Figure 1

Description

本発明は、半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device.

窒化物半導体は、高い飽和電子速度及びワイドバンドギャップ等の特徴を有している。このため、これらの特性を利用して窒化物半導体を高耐圧及び高出力の半導体デバイスに適用することについて種々の検討が行われてきた。
近年、数十GHzから数百GHzの高周波向けデバイス用途として、GaN系高電子移動度トランジスタ(HEMT)(以下、「GaN-HEMT」と称する場合がある。)の開発が盛んに行われている。例えば、AlGa1-xN(0<x<1)を電子供給層として用いたAlGaN/GaN-HEMTは、自発分極およびピエゾ分極によりAlGa1-xN(0<x<1)/GaNのヘテロ界面に二次元電子ガス(以下、「2DEG」と称する場合がある。)が生じ、何もドープしなくとも1×1013cm-2程度以上のシートキャリア濃度が得られる。これにより、高周波動作が実現される(特許文献1,2)。
Nitride semiconductors have characteristics such as high saturated electron velocity and wide bandgap. For this reason, various studies have been conducted on applying nitride semiconductors to high voltage and high output semiconductor devices by utilizing these characteristics.
In recent years, GaN-based high electron mobility transistors (HEMTs) (hereinafter sometimes referred to as "GaN-HEMTs") have been actively developed for high frequency device applications from tens of GHz to hundreds of GHz. . For example, an AlGaN/GaN-HEMT using Al x Ga 1-x N (0<x<1) as an electron supply layer has Al x Ga 1-x N (0<x<1) due to spontaneous polarization and piezo polarization. A two-dimensional electron gas (hereinafter sometimes referred to as "2DEG") is generated at the /GaN hetero interface, and a sheet carrier concentration of about 1×10 13 cm −2 or more can be obtained without doping anything. Thereby, high frequency operation is realized (Patent Documents 1 and 2).

国際公開第2014/108946号International Publication No. 2014/108946 特許第5390768号公報Patent No. 5390768

半導体デバイスがオフ状態において、電極間に流れる意図せぬ電流をリーク電流という。特に、ソース電極-ドレイン電極間のリーク電流をドレインリーク電流、ソース電極-ゲート電極間のリーク電流をゲートリーク電流と呼ぶ。半導体デバイスに大きなリーク電流が流れることは、エネルギー効率の面で不利になることばかりでなく、安全性の面でも大きな問題となる。このためリーク電流の抑制は重要な課題である。 An unintended current flowing between electrodes when a semiconductor device is off is called leakage current. In particular, the leakage current between the source electrode and the drain electrode is called a drain leakage current, and the leakage current between the source electrode and the gate electrode is called a gate leakage current. A large leakage current flowing through a semiconductor device is not only disadvantageous in terms of energy efficiency, but also poses a major problem in terms of safety. Therefore, suppressing leakage current is an important issue.

一方では、HEMTデバイスを高温環境下で採用したいというニーズが年々高まっている。例えば、宇宙環境においては通信のために高周波が必要とされるが、環境温度が極めて高い。月面を例にとると、日中の表面温度は100℃以上に達する。このため、高温動作に耐えうるHEMTデバイスの開発は急を要する。 On the other hand, the need to use HEMT devices in high-temperature environments is increasing year by year. For example, in the space environment, high frequencies are required for communication, but the environmental temperature is extremely high. Taking the moon as an example, the surface temperature during the day reaches over 100 degrees Celsius. Therefore, there is an urgent need to develop HEMT devices that can withstand high-temperature operation.

常温での動作ではゲートリーク電流、および、ドレインリーク電流が問題ない場合でも、動作温度を上げると両者ともリーク電流が増大する。これは、従来のHEMTデバイスではキャリア補償層にドーピングした層、例えばGaN:Fe層やAlNバッファー層がリーク源になっていると考えられるが、詳細はいまだ明らかではない。
以上のように、高温環境下での動作時におけるリーク電流の抑制を実現した半導体装置はこれまで得られていなかった。
Even if there is no problem with gate leakage current and drain leakage current when operating at room temperature, when the operating temperature is raised, both leakage currents increase. This is thought to be caused by a layer doped in the carrier compensation layer, such as a GaN:Fe layer or an AlN buffer layer, as a leak source in conventional HEMT devices, but the details are not yet clear.
As described above, a semiconductor device that achieves suppression of leakage current during operation in a high-temperature environment has not been obtained so far.

そこで、本発明は、高温環境下での動作時におけるリーク電流の抑制を実現した半導体装置を提供することを課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor device that achieves suppression of leakage current during operation in a high-temperature environment.

上記課題に対し、本発明者らは鋭意検討を行い、高温動作時のゲートリーク電流値又はドレインリーク電流値が一定値以下である半導体装置により、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。 The inventors of the present invention have conducted intensive studies to solve the above problems, and have discovered that the above problems can be solved with a semiconductor device whose gate leakage current value or drain leakage current value during high-temperature operation is below a certain value, and have completed the present invention. I ended up doing it.

すなわち、本発明の要旨は、以下のとおりである。
[1] 基板、半導体積層構造、ソース電極、ゲート電極及びドレイン電極を備えた半導体装置であって、
前記半導体積層構造は、前記基板上に形成された第1の窒化物半導体からなる第1半導体層と、前記第1半導体層の上に形成され、前記第1の窒化物半導体よりもバンドギャップの大きな第2の窒化物半導体からなる第2半導体層と、を含み、
前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間に逆方向バイアスを100V印加したときの、動作温度400Kにおけるゲートリーク電流値が2×10-5A/mm以下である、半導体装置。
[2] 前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間に逆方向バイアスを100V印加したときの、動作温度500Kにおけるゲートリーク電流値が1×10-4A/mm未満である、前記[1]に記載の半導体装置。
That is, the gist of the present invention is as follows.
[1] A semiconductor device comprising a substrate, a semiconductor stacked structure, a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode,
The semiconductor stacked structure includes a first semiconductor layer made of a first nitride semiconductor formed on the substrate, and a first semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and having a band gap smaller than that of the first nitride semiconductor. a second semiconductor layer made of a large second nitride semiconductor;
A semiconductor device having a gate leakage current value of 2×10 −5 A/mm or less at an operating temperature of 400 K when a reverse bias of 100 V is applied between the gate electrode and the drain electrode.
[2] In the above [1], the gate leakage current value at an operating temperature of 500 K is less than 1×10 −4 A/mm when a reverse bias of 100 V is applied between the gate electrode and the drain electrode. The semiconductor device described.

[3] 基板、半導体積層構造、ソース電極、ゲート電極及びドレイン電極を備えた半導体装置であって、
前記半導体積層構造は、前記基板上に形成された第1の窒化物半導体からなる第1半導体層と、前記第1半導体層の上に形成され、前記第1の窒化物半導体よりもバンドギャップの大きな第2の窒化物半導体からなる第2半導体層と、を含み、
前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間に逆方向バイアスを20V印加したときの、動作温度400Kにおけるゲートリーク電流値が1×10-5A/mm以下である、半導体装置。
[4] 前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間に逆方向バイアスを20V印加したときの、動作温度500Kにおけるゲートリーク電流値が4×10-5A/mm以下である、前記[3]に記載の半導体装置。
[5] 前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間に逆方向バイアスを20V印加したときの、動作温度600Kにおけるゲートリーク電流値が1×10-4A/mm未満である、前記[3]又は[4]に記載の半導体装置。
[3] A semiconductor device comprising a substrate, a semiconductor stacked structure, a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode,
The semiconductor stacked structure includes a first semiconductor layer made of a first nitride semiconductor formed on the substrate, and a first semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and having a band gap smaller than that of the first nitride semiconductor. a second semiconductor layer made of a large second nitride semiconductor;
A semiconductor device having a gate leakage current value of 1×10 −5 A/mm or less at an operating temperature of 400 K when a reverse bias of 20 V is applied between the gate electrode and the drain electrode.
[4] In [3] above, the gate leakage current value at an operating temperature of 500 K is 4×10 −5 A/mm or less when a reverse bias of 20 V is applied between the gate electrode and the drain electrode. The semiconductor device described.
[5] The above [3], wherein the gate leakage current value at an operating temperature of 600 K is less than 1×10 −4 A/mm when a reverse bias of 20 V is applied between the gate electrode and the drain electrode. The semiconductor device according to [4].

[6] 基板、半導体積層構造、ソース電極、ゲート電極及びドレイン電極を備えた半導体装置であって、
前記半導体積層構造は、前記基板上に形成された第1の窒化物半導体からなる第1半導体層と、前記第1半導体層の上に形成され、前記第1の窒化物半導体よりもバンドギャップの大きな第2の窒化物半導体からなる第2半導体層と、を含み、
前記ゲート電極と前記ソース電極との間に逆方向バイアスを10V印加し、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に順方向バイアスを100V印加したときの、動作温度400Kにおけるドレインリーク電流値が5×10-5A/mm未満である、半導体装置。
[7] 前記ゲート電極と前記ソース電極との間に逆方向バイアスを10V印加し、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に順方向バイアスを100V印加したときの、動作温度500Kにおけるドレインリーク電流値が5×10-4A/mm未満である、前記[6]に記載の半導体装置。
[8] 前記ゲート電極と前記ソース電極との間に逆方向バイアスを10V印加し、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に順方向バイアスを100V印加したときの、動作温度600Kにおけるドレインリーク電流値が1×10-3A/mm未満である、前記[6]又は[7]に記載の半導体装置。
[6] A semiconductor device comprising a substrate, a semiconductor stacked structure, a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode,
The semiconductor stacked structure includes a first semiconductor layer made of a first nitride semiconductor formed on the substrate, and a first semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and having a band gap smaller than that of the first nitride semiconductor. a second semiconductor layer made of a large second nitride semiconductor;
When a reverse bias of 10 V is applied between the gate electrode and the source electrode and a forward bias of 100 V is applied between the source electrode and the drain electrode, the drain leak current value at an operating temperature of 400 K is 5. A semiconductor device having a power consumption of less than ×10 −5 A/mm.
[7] Drain leak current at an operating temperature of 500 K when a reverse bias of 10 V is applied between the gate electrode and the source electrode and a forward bias of 100 V is applied between the source electrode and the drain electrode. The semiconductor device according to [6] above, wherein the semiconductor device has a value of less than 5×10 −4 A/mm.
[8] Drain leak current at an operating temperature of 600 K when a reverse bias of 10 V is applied between the gate electrode and the source electrode and a forward bias of 100 V is applied between the source electrode and the drain electrode. The semiconductor device according to [6] or [7], wherein the semiconductor device has a value of less than 1×10 −3 A/mm.

[9] 基板、半導体積層構造、ソース電極、ゲート電極及びドレイン電極を備えた半導体装置であって、
前記半導体積層構造は、前記基板上に形成された第1の窒化物半導体からなる第1半導体層と、前記第1半導体層の上に形成され、前記第1の窒化物半導体よりもバンドギャップの大きな第2の窒化物半導体からなる第2半導体層と、を含み、
前記ゲート電極と前記ソース電極との間に逆方向バイアスを10V印加し、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に順方向バイアスを20V印加したときの、動作温度400Kにおけるドレインリーク電流値が3×10-5A/mm未満である、半導体装置。
[10] 前記ゲート電極と前記ソース電極との間に逆方向バイアスを10V印加し、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に順方向バイアスを20V印加したときの、動作温度500Kにおけるドレインリーク電流値が1.5×10-4A/mm以下である、前記[9]に記載の半導体装置。
[11] 前記ゲート電極と前記ソース電極との間に逆方向バイアスを10V印加し、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に順方向バイアスを20V印加したときの、動作温度600Kにおけるドレインリーク電流値が1×10-3A/mm未満である、前記[9]又は[10]に記載の半導体装置。
[9] A semiconductor device comprising a substrate, a semiconductor stacked structure, a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode,
The semiconductor stacked structure includes a first semiconductor layer made of a first nitride semiconductor formed on the substrate, and a first semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and having a band gap smaller than that of the first nitride semiconductor. a second semiconductor layer made of a large second nitride semiconductor;
When a reverse bias of 10 V is applied between the gate electrode and the source electrode and a forward bias of 20 V is applied between the source electrode and the drain electrode, the drain leak current value at an operating temperature of 400 K is 3. A semiconductor device having a power consumption of less than ×10 −5 A/mm.
[10] Drain leak current at an operating temperature of 500 K when a reverse bias of 10 V is applied between the gate electrode and the source electrode and a forward bias of 20 V is applied between the source electrode and the drain electrode. The semiconductor device according to the above [9], wherein the semiconductor device has a value of 1.5×10 −4 A/mm or less.
[11] Drain leak current at an operating temperature of 600 K when a reverse bias of 10 V is applied between the gate electrode and the source electrode and a forward bias of 20 V is applied between the source electrode and the drain electrode. The semiconductor device according to [9] or [10], wherein the semiconductor device has a value of less than 1×10 −3 A/mm.

[12] 前記第1の窒化物半導体は、GaNを含み、
前記第2の窒化物半導体は、AlGa1-xN(0<x<1)を含む、前記[1]~[11]のいずれか1に記載の半導体装置。
[13] 前記基板が、GaN基板である、前記[1]~[12]のいずれか1に記載の半導体装置。
[14] 前記GaN基板の400Kにおける抵抗率が1×10Ωcm以上である、前記[13]に記載の半導体装置。
[15] 前記GaN基板の500Kにおける抵抗率が1×10Ωcm以上である、前記[13]又は[14]に記載の半導体装置。
[16] 前記GaN基板の600Kにおける抵抗率が1×10Ωcm以上である、前記[13]~[15]のいずれか1に記載の半導体装置。
[17] 前記GaN基板が、CドープされたGaN基板である、前記[13]~[16]のいずれか1に記載の半導体装置。
[12] The first nitride semiconductor includes GaN,
The semiconductor device according to any one of [1] to [11], wherein the second nitride semiconductor contains Al x Ga 1-x N (0<x<1).
[13] The semiconductor device according to any one of [1] to [12], wherein the substrate is a GaN substrate.
[14] The semiconductor device according to [13], wherein the GaN substrate has a resistivity of 1×10 7 Ωcm or more at 400K.
[15] The semiconductor device according to [13] or [14], wherein the GaN substrate has a resistivity of 1×10 6 Ωcm or more at 500K.
[16] The semiconductor device according to any one of [13] to [15], wherein the GaN substrate has a resistivity of 1×10 5 Ωcm or more at 600K.
[17] The semiconductor device according to any one of [13] to [16], wherein the GaN substrate is a C-doped GaN substrate.

本実施形態に係る半導体装置は、高温環境下での動作時におけるリーク電流が効果的に抑制されている。そのため、高温条件下での高速動作が必要となる環境での適用に非常に好適である。 In the semiconductor device according to this embodiment, leakage current is effectively suppressed during operation in a high-temperature environment. Therefore, it is very suitable for application in environments where high-speed operation under high-temperature conditions is required.

図1は、本実施形態に係る半導体装置の一例を示した模式断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a semiconductor device according to this embodiment. 図2は、実施例1及び比較例1で用いたGaN基板における抵抗率の測定結果を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the measurement results of the resistivity of the GaN substrates used in Example 1 and Comparative Example 1. 図3は、実施例1に係る半導体装置における2端子測定の結果を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the results of two-terminal measurements on the semiconductor device according to Example 1. 図4は、実施例1に係る半導体装置における3端子測定の結果を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the results of three-terminal measurements on the semiconductor device according to Example 1. 図5は、比較例1に係る半導体装置における2端子測定の結果を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the results of two-terminal measurements on the semiconductor device according to Comparative Example 1. 図6は、比較例1に係る半導体装置における3端子測定の結果を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the results of three-terminal measurements on the semiconductor device according to Comparative Example 1.

以下に本発明について詳述するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更して実施することができる。
本明細書では、[0001]軸に平行な結晶軸がc軸、<10-10>軸に平行な結晶軸がm軸、<11-20>軸に平行な結晶軸がa軸と呼ばれる。c軸に直交する結晶面はc面(c-plane)と呼ばれる。
六方晶のミラー指数(hkil)は、h+k=-iの関係があることから、(hkl)と3桁で表記されることもある。例えば、(0004)を3桁で表記すると(004)である。
本明細書において、結晶軸、結晶面、結晶方位等に言及する場合には、特に断らない限り、それぞれ、基板や半導体層における結晶軸、結晶面、結晶方位等を意味する。
本明細書において、特定の位置における炭素(C)濃度、Fe濃度は共に、二次イオン質量分析(Secondary Ion Mass Spectrometry、SIMS)を用いたそれぞれの検出量により決定される値である。
本明細書において、「~」という表現を用いる場合、その前後の数値又は物性値を含む表現として用いる。すなわち、「A~B」は、A以上B以下であることを意味する。
本明細書において、ゲート電極と半導体はショットキー接合である。従って、ゲート電極が正極になるように電圧を印加することを「順方向バイアス」、ゲート電極が負極になるように電圧を印加することを「逆方向バイアス」、と定義する。ソース電極とドレイン電極間においては、学術界の一般的な表記に従って、ドレイン電極が正極になるように電圧を印加することを「順方向バイアス」と定義する。
The present invention will be described in detail below, but the present invention is not limited to the following embodiments, and can be implemented with various modifications within the scope of the gist.
In this specification, the crystal axis parallel to the [0001] axis is called the c-axis, the crystal axis parallel to the <10-10> axis is called the m-axis, and the crystal axis parallel to the <11-20> axis is called the a-axis. A crystal plane perpendicular to the c-axis is called a c-plane.
The hexagonal Miller index (hkil) is sometimes expressed as (hkl) with three digits because there is a relationship h+k=-i. For example, (0004) is expressed in three digits as (004).
In this specification, when referring to a crystal axis, a crystal plane, a crystal orientation, etc., unless otherwise specified, each refers to a crystal axis, a crystal plane, a crystal orientation, etc. in a substrate or a semiconductor layer.
In this specification, both the carbon (C) concentration and the Fe concentration at a specific position are values determined by respective detection amounts using secondary ion mass spectrometry (SIMS).
In this specification, when the expression "~" is used, it is used as an expression including numerical values or physical property values before and after it. That is, "A to B" means greater than or equal to A and less than or equal to B.
In this specification, the gate electrode and the semiconductor are Schottky junctions. Therefore, applying a voltage so that the gate electrode becomes a positive electrode is defined as "forward bias," and applying a voltage so that the gate electrode becomes a negative electrode is defined as "reverse bias." According to general notation in academic circles, "forward bias" is defined as applying a voltage between the source electrode and the drain electrode so that the drain electrode becomes a positive electrode.

[半導体装置]
第一実施形態に係る半導体装置は、基板、半導体積層構造、ソース電極、ゲート電極及びドレイン電極を備える。半導体積層構造は、基板上に形成された第1の窒化物半導体からなる第1半導体層と、第1半導体層の上に形成され、第1の窒化物半導体よりもバンドギャップの大きな第2の窒化物半導体からなる第2半導体層と、を含む。
半導体装置は、ゲート電極とドレイン電極間に逆方向バイアスを100V印加したときの、動作温度400Kにおけるゲートリーク電流値が2×10-5A/mm以下である。
[Semiconductor device]
The semiconductor device according to the first embodiment includes a substrate, a semiconductor stacked structure, a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode. The semiconductor stacked structure includes a first semiconductor layer made of a first nitride semiconductor formed on a substrate, and a second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and having a larger band gap than the first nitride semiconductor. a second semiconductor layer made of a nitride semiconductor.
The semiconductor device has a gate leakage current value of 2×10 −5 A/mm or less at an operating temperature of 400 K when a reverse bias of 100 V is applied between the gate electrode and the drain electrode.

ゲート電極とドレイン電極間に逆方向バイアスを100V印加したときの、動作温度400Kにおけるゲートリーク電流値が2×10-5A/mm以下であることは、半導体装置がオフ状態にあるときに、高温環境下におけるゲートリーク電流が効果的に抑制されていることを意味する。これにより、半導体装置を高温環境下で動作させた際に大きなゲートリーク電流が流れ、装置が故障することを防止することができる。
なお、本明細書における高温環境下とは、50℃以上の環境下を意図しており、例えば100℃以上でもよく、150℃以上でもよい。また、上限は特に限定されないが、通常、500℃以下である。
The fact that the gate leakage current value at an operating temperature of 400 K when applying a reverse bias of 100 V between the gate electrode and the drain electrode is 2×10 −5 A/mm or less means that when the semiconductor device is in the off state, This means that gate leakage current in a high-temperature environment is effectively suppressed. This can prevent a large gate leakage current from flowing and causing the device to malfunction when the semiconductor device is operated in a high-temperature environment.
Note that the term "high temperature environment" as used herein refers to an environment of 50°C or higher, and may be, for example, 100°C or higher, or 150°C or higher. Further, the upper limit is not particularly limited, but is usually 500°C or less.

ゲート電極とドレイン電極間に逆方向バイアスを100V印加したときの、動作温度400Kにおけるゲートリーク電流値は、2×10-5A/mm以下であればよいが、ゲートリーク電流による装置の故障リスクを低減する観点からは、1.5×10-5A/mm以下が好ましく、1×10-5A/mm以下がより好ましい。ゲートリーク電流値は小さいほど好ましいが、通常1.0×10-8A/mm以上となる。 When a reverse bias of 100V is applied between the gate electrode and the drain electrode, the gate leakage current value at an operating temperature of 400K should be 2×10 -5 A/mm or less, but there is a risk of device failure due to gate leakage current. From the viewpoint of reducing the current, it is preferably 1.5×10 −5 A/mm or less, more preferably 1×10 −5 A/mm or less. The smaller the gate leakage current value is, the more preferable it is, but it is usually 1.0×10 −8 A/mm or more.

また、半導体装置は、より温度の高い動作環境下においても、ゲートリーク電流が抑制されることが望ましい。この観点から、ゲート電極とドレイン電極間に逆方向バイアスを100V印加したときの、動作温度500Kにおけるゲートリーク電流値が、1×10-4A/mm未満であることが好ましく、8×10-5A/mm以下が好ましく、5×10-5A/mm以下がより好ましく、3×10-5A/mm以下がさらに好ましい。動作温度500Kにおけるゲートリーク電流が上記範囲であると、ゲートリーク電流による装置の故障リスクをより低減することができる。ゲートリーク電流値は小さいほど好ましいが、通常1.0×10-8A/mm以上となる。 Further, it is desirable that gate leakage current of a semiconductor device be suppressed even under a higher temperature operating environment. From this point of view, it is preferable that the gate leakage current value at an operating temperature of 500 K when a reverse bias of 100 V is applied between the gate electrode and the drain electrode is less than 1 x 10 -4 A/mm, and 8 x 10 - It is preferably 5 A/mm or less, more preferably 5×10 −5 A/mm or less, even more preferably 3×10 −5 A/mm or less. When the gate leakage current at an operating temperature of 500K is within the above range, the risk of failure of the device due to the gate leakage current can be further reduced. The smaller the gate leakage current value is, the more preferable it is, but it is usually 1.0×10 −8 A/mm or more.

第二実施形態に係る半導体装置は、基板、半導体積層構造、ソース電極、ゲート電極及びドレイン電極を備える。半導体積層構造は、基板上に形成された、第1の窒化物半導体からなる第1半導体層と、第1半導体層の上に形成され、第1の窒化物半導体よりもバンドギャップの大きな第2の窒化物半導体からなる第2半導体層と、を含む。
半導体装置は、ゲート電極とドレイン電極間に逆方向バイアスを20V印加したときの、動作温度400Kにおけるゲートリーク電流値が1×10-5A/mm以下である。
The semiconductor device according to the second embodiment includes a substrate, a semiconductor stacked structure, a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode. The semiconductor stacked structure includes a first semiconductor layer made of a first nitride semiconductor formed on a substrate, and a second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and having a larger band gap than the first nitride semiconductor. a second semiconductor layer made of a nitride semiconductor.
The semiconductor device has a gate leakage current value of 1×10 −5 A/mm or less at an operating temperature of 400 K when a reverse bias of 20 V is applied between the gate electrode and the drain electrode.

ゲート電極とドレイン電極間に逆方向バイアスを20V印加したときの、動作温度400Kにおけるゲートリーク電流値が1×10-5A/mm以下であることは、半導体装置がオフ状態にあるときに、高温環境下におけるゲートリーク電流が効果的に抑制されていることを意味する。これにより、半導体装置を高温環境下で動作させた際に大きなゲートリーク電流が流れ、装置が故障することを防止することができる。 The fact that the gate leakage current value at an operating temperature of 400 K when applying a reverse bias of 20 V between the gate electrode and the drain electrode is 1×10 −5 A/mm or less means that when the semiconductor device is in the off state, This means that gate leakage current in a high-temperature environment is effectively suppressed. This can prevent a large gate leakage current from flowing and causing the device to malfunction when the semiconductor device is operated in a high-temperature environment.

ゲート電極とドレイン電極間に逆方向バイアスを20V印加したときの、動作温度400Kにおけるゲートリーク電流値は、1×10-5A/mm以下であればよいが、ゲートリーク電流による装置の故障リスクを低減する観点からは、8×10-6A/mm以下が好ましく、5×10-6A/mm以下がより好ましく、2×10-6A/mm以下がさらに好ましく、1×10-6A/mm以下が特に好ましく、5×10-7A/mm以下が最も好ましい。ゲートリーク電流値は小さいほど好ましいが、通常1.0×10-8A/mm以上となる。 When applying a reverse bias of 20V between the gate electrode and the drain electrode, the gate leakage current value at an operating temperature of 400K should be 1×10 -5 A/mm or less, but there is a risk of device failure due to gate leakage current. From the viewpoint of reducing the current, it is preferably 8×10 −6 A/mm or less, more preferably 5×10 −6 A/mm or less, even more preferably 2×10 −6 A/mm or less, and 1×10 −6 A/mm or less is particularly preferable, and 5×10 −7 A/mm or less is most preferable. The smaller the gate leakage current value is, the more preferable it is, but it is usually 1.0×10 −8 A/mm or more.

また、半導体装置は、より温度の高い動作環境下においても、ゲートリーク電流が抑制されることが望ましい。この観点から、ゲート電極とドレイン電極間に逆方向バイアスを20V印加したときの、動作温度500Kにおけるゲートリーク電流値が、4×10-5A/mm以下であることが好ましく、2×10-5A/mm以下が好ましく、1×10-5A/mm以下がより好ましく、8×10-6A/mm以下がさらに好ましく、5×10-6A/mm以下が特に好ましい。動作温度500Kにおけるゲートリーク電流が上記範囲であると、ゲートリーク電流による装置の故障リスクをより低減することができる。ゲートリーク電流値は小さいほど好ましいが、通常1.0×10-8A/mm以上となる。 Further, it is desirable that gate leakage current of a semiconductor device be suppressed even under a higher temperature operating environment. From this point of view, it is preferable that the gate leakage current value at an operating temperature of 500 K when a reverse bias of 20 V is applied between the gate electrode and the drain electrode is 4×10 −5 A/mm or less, and 2×10 −5 A/mm or less. It is preferably 5 A/mm or less, more preferably 1×10 −5 A/mm or less, further preferably 8×10 −6 A/mm or less, particularly preferably 5×10 −6 A/mm or less. When the gate leakage current at an operating temperature of 500K is within the above range, the risk of failure of the device due to the gate leakage current can be further reduced. The smaller the gate leakage current value is, the more preferable it is, but it is usually 1.0×10 −8 A/mm or more.

同様の観点から、半導体装置は、より温度の高い動作環境下においても、ゲートリーク電流が抑制されることが望ましい。この観点から、ゲート電極とドレイン電極間に逆方向バイアスを20V印加したときの、動作温度600Kにおけるゲートリーク電流値が、1×10-4A/mm未満であることが好ましく、9×10-5A/mm以下が好ましく、8×10-5A/mm以下がより好ましい。動作温度600Kにおけるゲートリーク電流が上記範囲であると、ゲートリーク電流による装置の故障リスクをより低減することができる。ゲートリーク電流値は小さいほど好ましいが、通常1.0×10-8A/mm以上となる。 From a similar point of view, it is desirable that gate leakage current of a semiconductor device be suppressed even under a higher temperature operating environment. From this point of view, it is preferable that the gate leakage current value at an operating temperature of 600 K is less than 1×10 −4 A/mm when a reverse bias of 20 V is applied between the gate electrode and the drain electrode, and 9×10 −4 A/mm . It is preferably 5 A/mm or less, more preferably 8×10 −5 A/mm or less. When the gate leakage current at an operating temperature of 600K is within the above range, the risk of failure of the device due to the gate leakage current can be further reduced. The smaller the gate leakage current value is, the more preferable it is, but it is usually 1.0×10 −8 A/mm or more.

第三実施形態に係る半導体装置は、基板、半導体積層構造、ソース電極、ゲート電極及びドレイン電極を備える。半導体積層構造は、基板上に形成された第1の窒化物半導体からなる第1半導体層と、第1半導体層の上に形成され、第1の窒化物半導体よりもバンドギャップの大きな第2の窒化物半導体からなる第2半導体層と、を含む。
半導体装置は、ゲート電極とソース電極間に逆方向バイアスを10V印加し、ソース電極とドレイン電極間に順方向バイアスを100V印加したときの、動作温度400Kにおけるドレインリーク電流値が5×10-5A/mm未満である。
A semiconductor device according to a third embodiment includes a substrate, a semiconductor stacked structure, a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode. The semiconductor stacked structure includes a first semiconductor layer made of a first nitride semiconductor formed on a substrate, and a second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and having a larger band gap than the first nitride semiconductor. a second semiconductor layer made of a nitride semiconductor.
The semiconductor device has a drain leak current value of 5×10 −5 at an operating temperature of 400 K when a reverse bias of 10 V is applied between the gate electrode and the source electrode and a forward bias of 100 V is applied between the source electrode and the drain electrode. less than A/mm.

ゲート電極とソース電極間に逆方向バイアスを10V印加し、ソース電極とドレイン電極間に順方向バイアスを100V印加したときの、動作温度400Kにおけるドレインリーク電流値が5×10-5A/mm未満であることは、半導体装置がオフ状態にあるときに、高温環境下におけるドレインリーク電流が効果的に抑制されていることを意味する。これにより、半導体装置を高温環境下で動作させた際に大きなドレインリーク電流が流れ、装置が故障することを防止することができる。 The drain leakage current value at an operating temperature of 400K is less than 5×10 -5 A/mm when a reverse bias of 10V is applied between the gate electrode and the source electrode and a forward bias of 100V is applied between the source and drain electrodes. This means that drain leakage current in a high-temperature environment is effectively suppressed when the semiconductor device is in an off state. This can prevent a large drain leakage current from flowing and causing the device to malfunction when the semiconductor device is operated in a high-temperature environment.

ゲート電極とソース電極間に逆方向バイアスを10V印加し、ソース電極とドレイン電極間に順方向バイアスを100V印加したときの、動作温度400Kにおけるドレインリーク電流値は、5×10-5A/mm未満であればよいが、ドレインリーク電流による装置の故障リスクを低減する観点からは、4×10-5A/mm以下が好ましく、3×10-5A/mm以下がより好ましく、2×10-5A/mm以下がさらに好ましい。ドレインリーク電流値は小さいほど好ましいが、通常1.0×10-8A/mm以上となる。 When a reverse bias of 10 V is applied between the gate electrode and the source electrode, and a forward bias of 100 V is applied between the source electrode and the drain electrode, the drain leakage current value at an operating temperature of 400 K is 5 × 10 -5 A/mm. It may be less than 4×10 −5 A/mm, more preferably 3×10 −5 A/mm or less, and 2×10 -5 A/mm or less is more preferable. The smaller the drain leakage current value is, the more preferable it is, but it is usually 1.0×10 −8 A/mm or more.

また、半導体装置は、より温度の高い動作環境下においても、ドレインリーク電流が抑制されることが望ましい。この観点から、ゲート電極とソース電極間に逆方向バイアスを10V印加し、ソース電極とドレイン電極間に順方向バイアスを100V印加したときの、動作温度500Kにおけるドレインリーク電流値が、5×10-4A/mm未満であることが好ましく、2×10-4A/mm以下が好ましく、1×10-4A/mm以下がより好ましく、8×10-5A/mm以下がさらに好ましく、6×10-5A/mm以下がさらにより好ましく、4×10-5A/mm以下が特に好ましい。動作温度500Kにおけるドレインリーク電流が上記範囲であると、ドレインリーク電流による装置の故障リスクをより低減することができる。ドレインリーク電流値は小さいほど好ましいが、通常1.0×10-8A/mm以上となる。 Further, it is desirable that drain leakage current of the semiconductor device be suppressed even under a higher temperature operating environment. From this point of view, when a reverse bias of 10 V is applied between the gate electrode and the source electrode, and a forward bias of 100 V is applied between the source electrode and the drain electrode, the drain leakage current value at an operating temperature of 500 K is 5 × 10 - It is preferably less than 4 A/mm, preferably less than 2×10 −4 A/mm, more preferably less than 1×10 −4 A/mm, even more preferably less than 8×10 −5 A/mm, and even more preferably less than 6 It is even more preferably at most ×10 −5 A/mm, particularly preferably at most 4×10 −5 A/mm. When the drain leakage current at an operating temperature of 500K is within the above range, the risk of failure of the device due to the drain leakage current can be further reduced. The smaller the drain leakage current value is, the more preferable it is, but it is usually 1.0×10 −8 A/mm or more.

同様の観点から、半導体装置は、より温度の高い動作環境下においても、ドレインリーク電流が抑制されることが望ましい。この観点から、ゲート電極とソース電極間に逆方向バイアスを10V印加し、ソース電極とドレイン電極間に順方向バイアスを100V印加したときの、動作温度600Kにおけるドレインリーク電流値が、1×10-3A/mm未満であることが好ましく、9×10-4A/mm以下が好ましく、8×10-4A/mm以下がより好ましい。動作温度600Kにおけるドレインリーク電流が上記範囲であると、ドレインリーク電流による装置の故障リスクをより低減することができる。ドレインリーク電流値は小さいほど好ましいが、通常1.0×10-8A/mm以上となる。 From a similar point of view, it is desirable that drain leakage current of a semiconductor device be suppressed even under a higher temperature operating environment. From this point of view, when a reverse bias of 10 V is applied between the gate electrode and the source electrode, and a forward bias of 100 V is applied between the source electrode and the drain electrode, the drain leakage current value at an operating temperature of 600 K is 1×10 It is preferably less than 3 A/mm, preferably 9×10 −4 A/mm or less, and more preferably 8×10 −4 A/mm or less. When the drain leak current at an operating temperature of 600 K is within the above range, the risk of failure of the device due to drain leak current can be further reduced. The smaller the drain leakage current value is, the more preferable it is, but it is usually 1.0×10 −8 A/mm or more.

第四実施形態に係る半導体装置は、基板、半導体積層構造、ソース電極、ゲート電極及びドレイン電極を備える。半導体積層構造は、基板上に形成された第1の窒化物半導体からなる第1半導体層と、第1半導体層の上に形成され、第1の窒化物半導体よりもバンドギャップの大きな第2の窒化物半導体からなる第2半導体層と、を含む。
半導体装置は、ゲート電極とソース電極間に逆方向バイアスを10V印加し、ソース電極とドレイン電極間に順方向バイアスを20V印加したときの、動作温度400Kにおけるドレインリーク電流値が3×10-5A/mm未満である。
The semiconductor device according to the fourth embodiment includes a substrate, a semiconductor stacked structure, a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode. The semiconductor stacked structure includes a first semiconductor layer made of a first nitride semiconductor formed on a substrate, and a second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and having a larger band gap than the first nitride semiconductor. a second semiconductor layer made of a nitride semiconductor.
The semiconductor device has a drain leakage current value of 3×10 −5 at an operating temperature of 400 K when a reverse bias of 10 V is applied between the gate electrode and the source electrode, and a forward bias of 20 V is applied between the source electrode and the drain electrode. less than A/mm.

ゲート電極とソース電極間に逆方向バイアスを10V印加し、ソース電極とドレイン電極間に順方向バイアスを20V印加したときの、動作温度400Kにおけるドレインリーク電流値が3×10-5A/mm未満であることは、半導体装置がオフ状態にあるときに、高温環境下におけるドレインリーク電流が効果的に抑制されていることを意味する。これにより、半導体装置を高温環境下で動作させた際に大きなドレインリーク電流が流れ、装置が故障することを防止することができる。 The drain leakage current value at an operating temperature of 400 K is less than 3×10 -5 A/mm when a reverse bias of 10 V is applied between the gate electrode and the source electrode and a forward bias of 20 V is applied between the source electrode and the drain electrode. This means that drain leakage current in a high-temperature environment is effectively suppressed when the semiconductor device is in an off state. This can prevent a large drain leakage current from flowing and causing the device to malfunction when the semiconductor device is operated in a high-temperature environment.

ゲート電極とソース電極間に逆方向バイアスを10V印加し、ソース電極とドレイン電極間に順方向バイアスを20V印加したときの、動作温度400Kにおけるドレインリーク電流値は、3×10-5A/mm未満であればよいが、ドレインリーク電流による装置の故障リスクを低減する観点からは、1×10-5A/mm以下が好ましく、8×10-6A/mm以下がより好ましく、6×10-6A/mm以下がさらに好ましく、3×10-6A/mm以下がさらにより好ましく、1×10-6A/mm以下が特に好ましい。ドレインリーク電流値は小さいほど好ましいが、通常1.0×10-8A/mm以上となる。 When a reverse bias of 10 V is applied between the gate electrode and the source electrode, and a forward bias of 20 V is applied between the source electrode and the drain electrode, the drain leakage current value at an operating temperature of 400 K is 3 × 10 -5 A/mm. It may be less than 1×10 −5 A/mm, more preferably 8×10 −6 A/mm or less, and 6×10 -6 A/mm or less is more preferable, 3×10 −6 A/mm or less is even more preferable, and 1×10 −6 A/mm or less is particularly preferable. The smaller the drain leakage current value is, the more preferable it is, but it is usually 1.0×10 −8 A/mm or more.

また、半導体装置は、より温度の高い動作環境下においても、ドレインリーク電流が抑制されることが望ましい。この観点から、ゲート電極とソース電極間に逆方向バイアスを10V印加し、ソース電極とドレイン電極間に順方向バイアスを20V印加したときの、動作温度500Kにおけるドレインリーク電流値が、1.5×10-4A/mm以下であることが好ましく、1×10-4A/mm以下が好ましく、8×10-5A/mm以下がより好ましく、5×10-5A/mm以下がさらに好ましく、3×10-5A/mm以下が特に好ましい。動作温度500Kにおけるドレインリーク電流が上記範囲であると、ドレインリーク電流による装置の故障リスクをより低減することができる。ドレインリーク電流値は小さいほど好ましいが、通常1.0×10-8A/mm以上となる。 Further, it is desirable that drain leakage current of the semiconductor device be suppressed even under a higher temperature operating environment. From this point of view, when a reverse bias of 10 V is applied between the gate electrode and the source electrode, and a forward bias of 20 V is applied between the source electrode and the drain electrode, the drain leakage current value at an operating temperature of 500 K is 1.5× It is preferably 10 −4 A/mm or less, 1×10 −4 A/mm or less, more preferably 8×10 −5 A/mm or less, even more preferably 5×10 −5 A/mm or less. , 3×10 −5 A/mm or less is particularly preferable. When the drain leakage current at an operating temperature of 500K is within the above range, the risk of failure of the device due to the drain leakage current can be further reduced. The smaller the drain leakage current value is, the more preferable it is, but it is usually 1.0×10 −8 A/mm or more.

同様の観点から、半導体装置は、より温度の高い動作環境下においても、ドレインリーク電流が抑制されることが望ましい。この観点から、ゲート電極とソース電極間に逆方向バイアスを10V印加し、ソース電極とドレイン電極間に順方向バイアスを20V印加したときの、動作温度600Kにおけるドレインリーク電流値が、1×10-3A/mm未満であることが好ましく、8×10-4A/mm以下が好ましく、5×10-4A/mm以下がより好ましく、3×10-4A/mm以下が特に好ましい。動作温度600Kにおけるドレインリーク電流が上記範囲であると、ドレインリーク電流による装置の故障リスクをより低減することができる。ドレインリーク電流値は小さいほど好ましいが、通常1.0×10-8A/mm以上となる。 From a similar point of view, it is desirable that drain leakage current of a semiconductor device be suppressed even under a higher temperature operating environment. From this point of view, when a reverse bias of 10 V is applied between the gate electrode and the source electrode, and a forward bias of 20 V is applied between the source electrode and the drain electrode, the drain leak current value at an operating temperature of 600 K is 1×10 It is preferably less than 3 A/mm, preferably 8×10 −4 A/mm or less, more preferably 5×10 −4 A/mm or less, particularly preferably 3×10 −4 A/mm or less. When the drain leak current at an operating temperature of 600 K is within the above range, the risk of failure of the device due to drain leak current can be further reduced. The smaller the drain leakage current value is, the more preferable it is, but it is usually 1.0×10 −8 A/mm or more.

・構成
図1は、本実施形態に係る半導体装置の一例を示した模式断面図である。半導体装置10において、基板100上に、半導体積層構造200が形成されている。半導体積層構造200は、第1半導体層300及び第2半導体層400を順に含み、任意でキャップ層500も含む。
半導体積層構造200上に、ソース電極600S、ドレイン電極600D、及びゲート電極600Gが形成されている。ソース電極600Sとゲート電極600Gの間、及び、ドレイン電極600Dとゲート電極600Gの間には、それぞれゲート絶縁膜700が任意で形成されている。
第1半導体層300は、第1の窒化物半導体からなる層であるが、例えば、C含有GaN層301とi-GaN層302からなる。C含有GaN層301は基板100上に形成されることが好ましく、i-GaN層302はC含有GaN層301上に形成されることが好ましい。
第2半導体層400は、第2の窒化物半導体からなる層であるが、例えば、第1半導体層300を構成するi-GaN層302上に形成されることが好ましい。
半導体積層構造200がキャップ層500を含む場合、キャップ層500は、第2半導体層400上に形成されることが好ましい。ソース電極600S、ドレイン電極600D及びゲート電極600Gは、それぞれ、キャップ層500上に形成されている。
-Structure FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a semiconductor device according to this embodiment. In the semiconductor device 10, a semiconductor stacked structure 200 is formed on a substrate 100. The semiconductor stacked structure 200 includes a first semiconductor layer 300 and a second semiconductor layer 400 in this order, and optionally also includes a cap layer 500.
A source electrode 600S, a drain electrode 600D, and a gate electrode 600G are formed on the semiconductor stacked structure 200. A gate insulating film 700 is optionally formed between the source electrode 600S and the gate electrode 600G, and between the drain electrode 600D and the gate electrode 600G.
The first semiconductor layer 300 is a layer made of a first nitride semiconductor, and is made of, for example, a C-containing GaN layer 301 and an i-GaN layer 302. The C-containing GaN layer 301 is preferably formed on the substrate 100, and the i-GaN layer 302 is preferably formed on the C-containing GaN layer 301.
The second semiconductor layer 400 is a layer made of a second nitride semiconductor, and is preferably formed, for example, on the i-GaN layer 302 that constitutes the first semiconductor layer 300.
When the semiconductor stacked structure 200 includes a cap layer 500, the cap layer 500 is preferably formed on the second semiconductor layer 400. A source electrode 600S, a drain electrode 600D, and a gate electrode 600G are each formed on the cap layer 500.

・基板
本発明の第一実施形態~第四実施形態のいずれにおいても(これらをまとめて「本実施形態」と呼ぶ場合がある。)、半導体装置は、基板を備える。
基板は、特に限定されないが、例えば、シリコン基板、サファイア基板、SiC基板、GaN基板でもよい。中でも、基板上でエピタキシャル成長される窒化物半導体からなる層の結晶品質が高く、デバイス性能に優れるという観点からは、基板はGaN基板であることが好ましい。
-Substrate In any of the first to fourth embodiments of the present invention (these may be collectively referred to as "this embodiment"), the semiconductor device includes a substrate.
The substrate is not particularly limited, and may be, for example, a silicon substrate, a sapphire substrate, a SiC substrate, or a GaN substrate. Among these, it is preferable that the substrate be a GaN substrate from the viewpoint that a layer made of a nitride semiconductor epitaxially grown on the substrate has high crystal quality and excellent device performance.

基板がGaN基板である場合、400Kにおける抵抗率が1×10Ωcm以上がさらに好ましい。
本発明者らは、GaN基板の400Kにおける抵抗率が1×10Ωcm以上であると、半導体装置の高温動作時のドレインリーク電流が顕著に抑制されることを見出した。その理由はいまだ明らかではないが、次のように考えている。
すなわち、HEMT構造内は空乏層の広がりがドレインリーク電流を阻害するが、高温環境下では、基板の抵抗率が減少することで、基板を経由してドレインリーク電流が流れてしまうと考えられる。この知見に基づけば、半導体装置に用いるGaN基板として、高温環境下でも高い抵抗率を有するものを用いることで、半導体装置の高温動作時のドレインリーク電流を効果的に抑制できるようになるものと考えられる。
When the substrate is a GaN substrate, it is more preferable that the resistivity at 400K is 1×10 7 Ωcm or more.
The present inventors have found that when the resistivity of the GaN substrate at 400K is 1×10 7 Ωcm or more, drain leakage current during high-temperature operation of a semiconductor device is significantly suppressed. The reason for this is not yet clear, but I think it is as follows.
That is, in the HEMT structure, the spread of the depletion layer inhibits drain leakage current, but in a high-temperature environment, it is thought that the resistivity of the substrate decreases, causing drain leakage current to flow through the substrate. Based on this knowledge, by using a GaN substrate used in semiconductor devices that has high resistivity even in high-temperature environments, it will be possible to effectively suppress drain leakage current during high-temperature operation of semiconductor devices. Conceivable.

また、GaN基板の400Kにおける抵抗率が1×10Ωcm以上であると、半導体装置の高温動作時のゲートリーク電流についても、顕著に抑制されることを見出した。
ゲートリーク電流の発生原因は、ソース電極とゲート電極間の表面電流やチャネル層の欠陥等と言われているが詳細なメカニズムは不明である。本実施形態におけるゲートリーク電流の発生メカニズムも不明であるが、基板の抵抗率変化がゲートリーク電流変化に繋がっていることから、基板の抵抗率がチャネル層付近のポテンシャルに影響を与えており、その結果として空乏層分布が変化することでゲートリーク電流が変化すると考えられる。
Furthermore, it has been found that when the resistivity of the GaN substrate at 400K is 1×10 7 Ωcm or more, gate leakage current during high-temperature operation of the semiconductor device is also significantly suppressed.
The cause of gate leakage current is said to be a surface current between the source electrode and the gate electrode, a defect in the channel layer, etc., but the detailed mechanism is unknown. The mechanism by which the gate leakage current occurs in this embodiment is also unknown, but since changes in the resistivity of the substrate are linked to changes in the gate leakage current, the resistivity of the substrate affects the potential near the channel layer. It is thought that the gate leakage current changes due to a change in the depletion layer distribution as a result.

上記の観点から、GaN基板は、400Kにおける抵抗率が1×10Ωcm以上が好ましく、1×1010Ωcm以上がより好ましく、5×1010Ωcm以上がさらに好ましく、1×1011Ωcm以上が特に好ましい。400Kにおける抵抗率は高ければ高いほどよいので、上限は特に制限されない。 From the above viewpoint, the resistivity of the GaN substrate at 400K is preferably 1×10 7 Ωcm or more, more preferably 1×10 10 Ωcm or more, even more preferably 5×10 10 Ωcm or more, and even more preferably 1×10 11 Ωcm or more. Particularly preferred. The higher the resistivity at 400K, the better, so the upper limit is not particularly limited.

同様の観点から、GaN基板は、500Kにおける抵抗率が1×10Ωcm以上であることも好ましく、1×10Ωcm以上がより好ましく、1×10Ωcm以上がさらに好ましい。500Kにおける抵抗率は高ければ高いほどよいので、上限は特に制限されない。 From the same viewpoint, the resistivity of the GaN substrate at 500K is preferably 1×10 6 Ωcm or more, more preferably 1×10 7 Ωcm or more, and even more preferably 1×10 8 Ωcm or more. The higher the resistivity at 500K, the better, so the upper limit is not particularly limited.

同様の観点から、GaN基板は、600Kにおける抵抗率が1×10Ωcm以上であることも好ましく、1×10Ωcm以上がより好ましく、1×10Ωcm以上が特に好ましい。600Kにおける抵抗率は高ければ高いほどよいので、上限は特に制限されない。 From the same viewpoint, it is also preferable that the resistivity of the GaN substrate at 600K is 1×10 5 Ωcm or more, more preferably 1×10 6 Ωcm or more, and particularly preferably 1×10 7 Ωcm or more. The higher the resistivity at 600K, the better, so the upper limit is not particularly limited.

基板は、炭素(C)がドープされた基板、すなわち、Cドープ層を有するGaN基板であることも好ましい。この場合、Cドープ層のc軸方向の厚みは、GaN基板のc軸方向の厚みと一致する必要はない。 The substrate is also preferably a carbon (C) doped substrate, ie a GaN substrate with a C-doped layer. In this case, the thickness of the C-doped layer in the c-axis direction does not need to match the thickness of the GaN substrate in the c-axis direction.

例えばGaN基板全体の厚みが400μmであるのに対して、Cドープ層の厚さはGaN基板の表層100μmにあれば十分である。もちろん、Cドープ層の厚みは上記に限定されず、それよりも厚い場合や薄い場合を何ら排除するものではなく、また、GaN基板の厚み方向全体がCドープ層で構成されるGaN基板であってもよい。 For example, while the overall thickness of the GaN substrate is 400 μm, it is sufficient that the thickness of the C-doped layer is 100 μm in the surface layer of the GaN substrate. Of course, the thickness of the C-doped layer is not limited to the above, and does not exclude cases where it is thicker or thinner than that, and the entire thickness direction of the GaN substrate is composed of a C-doped layer. You can.

GaN基板のCドープ層中のC濃度は、1.0×1016atoms/cm以上1.0×1020atoms/cm以下であるのが好ましい。補償不純物であるCは、高抵抗化に寄与するため、C濃度が1.0×1016atoms/cm以上であるとGaN結晶の高抵抗化の観点から好ましく、また1.0×1020atoms/cm以下であるとGaN結晶の結晶品質を良好に保つ観点から好ましい。 The C concentration in the C-doped layer of the GaN substrate is preferably 1.0×10 16 atoms/cm 3 or more and 1.0×10 20 atoms/cm 3 or less. Since C, which is a compensating impurity, contributes to high resistance, it is preferable that the C concentration is 1.0×10 16 atoms/cm 3 or more from the viewpoint of increasing the resistance of the GaN crystal, and 1.0×10 20 Atoms/cm 3 or less is preferable from the viewpoint of maintaining good crystal quality of the GaN crystal.

GaN基板のCドープ層中のC濃度は、以下段階的に、上限は6.0×1019atoms/cm以下、5.0×1019atoms/cm以下、3.0×1019atoms/cm以下、1.0×1019atoms/cm以下、5.0×1018atoms/cm以下であるのが好ましく、下限は1.0×1016atoms/cm以上、3.0×1016atoms/cm以上、5.0×1016atoms/cm以上、1.0×1017atoms/cm以上、3.0×1017atoms/cm以上、5.0×1017atoms/cm以上であるのが好ましい。上記C濃度の好ましい上下限の組み合わせは任意である。 The C concentration in the C-doped layer of the GaN substrate is determined in stages as follows: the upper limit is 6.0×10 19 atoms/cm 3 or less, 5.0×10 19 atoms/cm 3 or less, and 3.0×10 19 atoms /cm 3 or less, 1.0×10 19 atoms/cm 3 or less, 5.0×10 18 atoms/cm 3 or less, and the lower limit is 1.0×10 16 atoms/cm 3 or more, 3. 0×10 16 atoms/cm 3 or more, 5.0×10 16 atoms/cm 3 or more, 1.0×10 17 atoms/cm 3 or more, 3.0×10 17 atoms/cm 3 or more, 5.0× It is preferable that it is 10 17 atoms/cm 3 or more. The combination of the preferable upper and lower limits of the above C concentration is arbitrary.

・半導体積層構造
本実施形態に係る半導体装置は、基板上に形成された第1の窒化物半導体からなる第1半導体層と、第1半導体層の上に形成され、第1の窒化物半導体よりもバンドギャップの大きな第2の窒化物半導体からなる第2半導体層と、を含む半導体積層構造を備える。
- Semiconductor stacked structure The semiconductor device according to this embodiment includes a first semiconductor layer made of a first nitride semiconductor formed on a substrate, and a first semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and made of a first nitride semiconductor. and a second semiconductor layer made of a second nitride semiconductor having a large bandgap.

・・第1半導体層
第1半導体層は、基板上に形成された、第1の窒化物半導体からなる窒化物半導体結晶層である。第1の窒化物半導体の好適な例として、GaNが挙げられる。
第1の窒化物半導体がGaNである場合、第1半導体層は、炭素(C)を含有するC含有GaN層及びi-GaN層を含むことが好ましい。第1半導体層は、1層からなっても、2層以上からなってもよく、C含有GaN層、i-GaN層以外のGaNからなる結晶相をさらに含んでいてもよい。
...First Semiconductor Layer The first semiconductor layer is a nitride semiconductor crystal layer formed on the substrate and made of a first nitride semiconductor. A suitable example of the first nitride semiconductor is GaN.
When the first nitride semiconductor is GaN, the first semiconductor layer preferably includes a C-containing GaN layer containing carbon (C) and an i-GaN layer. The first semiconductor layer may be composed of one layer or two or more layers, and may further include a crystal phase composed of GaN other than the C-containing GaN layer and the i-GaN layer.

・・・C含有GaN層
第1半導体層は、炭素(C)濃度が1×1016atoms/cm以上であるC含有GaN層を含むことが好ましい。C含有GaN層とは、エピタキシャル成長されるGaNからなる結晶層であって、不純物となる炭素(C)を含有する層である。
C含有GaN層が存在すると、C含有GaN層によって画される異なる領域間の補償不純物の移動が阻害される。
これは、例えば、基板がCをドープしたものである場合、基板中のCが補償不純物としてHEMT構造中を熱拡散により移動し、2DEG領域まで到達することがある。2DEGにCのような補償不純物が拡散すると、2DEGの電子の移動が阻害され、半導体装置としての性能が低下する恐れがある。一方、C含有GaN層が存在する場合、補償不純物の移動を阻害するため、半導体装置の性能低下を抑制することができる。
... C-containing GaN layer The first semiconductor layer preferably includes a C-containing GaN layer having a carbon (C) concentration of 1×10 16 atoms/cm 3 or more. The C-containing GaN layer is a crystal layer made of GaN epitaxially grown, and is a layer containing carbon (C) as an impurity.
The presence of the C-containing GaN layer inhibits the migration of compensating impurities between different regions defined by the C-containing GaN layer.
This is because, for example, when the substrate is doped with C, the C in the substrate moves as a compensation impurity through thermal diffusion in the HEMT structure and may reach the 2DEG region. When a compensating impurity such as C diffuses into the 2DEG, the movement of electrons in the 2DEG may be inhibited, and the performance as a semiconductor device may deteriorate. On the other hand, when the C-containing GaN layer is present, it inhibits the movement of compensating impurities, and therefore it is possible to suppress the performance deterioration of the semiconductor device.

C含有GaN層におけるC濃度は1×1016atoms/cm以上が好ましく、より効果的に補償不純物の移動を阻害する観点から、5×1016atoms/cm以上がより好ましく、1×1017atoms/cm以上がさらに好ましい。また、C含有GaN層におけるC濃度は、貫通転位等の欠陥発生を防ぐ観点から、1×1019atoms/cm未満が好ましく、1×1018atoms/cm未満がより好ましく、5×1017atoms/cm未満がさらに好ましい。 The C concentration in the C-containing GaN layer is preferably 1×10 16 atoms/cm 3 or more, and from the viewpoint of more effectively inhibiting the movement of compensation impurities, it is more preferably 5×10 16 atoms/cm 3 or more, and 1×10 16 atoms/cm 3 or more. More preferably, it is 17 atoms/cm 3 or more. Further, from the viewpoint of preventing defects such as threading dislocations, the C concentration in the C-containing GaN layer is preferably less than 1×10 19 atoms/cm 3 , more preferably less than 1×10 18 atoms/cm 3 , and more preferably less than 5×10 18 atoms/cm 3 . More preferably, it is less than 17 atoms/cm 3 .

C含有GaN層のc軸方向の厚みは、正常なデバイス作製の観点から、50nm以上が好ましく、100nm以上がより好ましく、200nm以上がさらに好ましい。また、リーク電流減少の観点から、C含有GaN層の厚みは、900nm以下が好ましく、600nm以下がより好ましく、500nm以下がさらに好ましい。 From the viewpoint of normal device fabrication, the thickness of the C-containing GaN layer in the c-axis direction is preferably 50 nm or more, more preferably 100 nm or more, and even more preferably 200 nm or more. Further, from the viewpoint of reducing leakage current, the thickness of the C-containing GaN layer is preferably 900 nm or less, more preferably 600 nm or less, and even more preferably 500 nm or less.

C含有GaN層のc軸方向の厚さは、正常なデバイス作製の観点から、第1半導体層の総膜厚の5%以上が好ましく、10%以上がより好ましく、20%以上がさらに好ましい。また、同様の観点から、上記厚さは、第1半導体層の総膜厚の90%以下が好ましく、80%以下がより好ましく、70%以下がさらに好ましい。なお、第1半導体層の総膜厚とは、第1半導体層中にC含有GaN層に加えて、後述するi-GaN層等が含まれる場合は、これらも含めたc軸方向の合計の厚みをいう。 From the viewpoint of normal device fabrication, the thickness of the C-containing GaN layer in the c-axis direction is preferably 5% or more, more preferably 10% or more, and even more preferably 20% or more of the total film thickness of the first semiconductor layer. Moreover, from the same viewpoint, the above-mentioned thickness is preferably 90% or less of the total film thickness of the first semiconductor layer, more preferably 80% or less, and even more preferably 70% or less. Note that the total film thickness of the first semiconductor layer is the total film thickness in the c-axis direction including, if the first semiconductor layer includes an i-GaN layer, which will be described later, in addition to the C-containing GaN layer. Refers to thickness.

・・・i-GaN層
本実施形態において、第1半導体層が上記C含有GaN層を含む場合、第1半導体層は、C含有GaN層よりも[0001]軸方向にi-GaN層を有することが好ましい。i-GaN層は、C含有GaN層上に直接配置されることがより好ましい。
C含有GaN層よりも[0001]軸方向にi-GaN層を有するとは、C含有GaN層よりも+c軸方向、すなわち結晶のGa極性面方向にi-GaN層が存在することを意味する。
...i-GaN layer In this embodiment, when the first semiconductor layer includes the above-mentioned C-containing GaN layer, the first semiconductor layer has the i-GaN layer in the [0001] axis direction from the C-containing GaN layer. It is preferable. More preferably, the i-GaN layer is placed directly on the C-containing GaN layer.
Having an i-GaN layer in the [0001] axis direction than the C-containing GaN layer means that the i-GaN layer exists in the +c-axis direction, that is, in the direction of the Ga polar plane of the crystal, than the C-containing GaN layer. .

i-GaN層は、意図的な不純物のドープを行わずにエピタキシャル成長されるGaNからなる結晶層であり、C含有GaN層とはC濃度により区別される。すなわち、i-GaN層のC濃度は1×1016atoms/cm未満である。i-GaN層はいわゆるチャネル層として機能する。 The i-GaN layer is a crystalline layer made of GaN epitaxially grown without intentional doping with impurities, and is distinguished from the C-containing GaN layer by the C concentration. That is, the C concentration of the i-GaN layer is less than 1×10 16 atoms/cm 3 . The i-GaN layer functions as a so-called channel layer.

第1半導体層のc軸方向の厚さは、HEMT動作時のドレインリーク電流を減少させるために、薄ければ薄い方が理想的である。第1半導体層中のi-GaN層のc軸方向の厚みは、正常なデバイス作製の観点から、50nm以上が好ましく、100nm以上がより好ましく、200nm以上がさらに好ましい。また、リーク電流減少の観点から、i-GaN層の厚みは、900nm以下が好ましく、600nm以下がより好ましく、500nm以下がさらに好ましい。
第1半導体層中のi-GaN層の上端面は、第1半導体層の上端面と一致することが好ましい。
The thickness of the first semiconductor layer in the c-axis direction is ideally as thin as possible in order to reduce drain leakage current during HEMT operation. The thickness of the i-GaN layer in the first semiconductor layer in the c-axis direction is preferably 50 nm or more, more preferably 100 nm or more, and even more preferably 200 nm or more, from the viewpoint of normal device fabrication. Further, from the viewpoint of reducing leakage current, the thickness of the i-GaN layer is preferably 900 nm or less, more preferably 600 nm or less, and even more preferably 500 nm or less.
Preferably, the top surface of the i-GaN layer in the first semiconductor layer coincides with the top surface of the first semiconductor layer.

・・第2半導体層
第2半導体層は、上記第1半導体層の上に形成され、第1の窒化物半導よりもバンドギャップの大きな第2の窒化物半導体からなる。第2の窒化物半導体は、そのバンドギャップが、第1の窒化物半導体のバンドギャップよりも大きければ特に限定されないが、例えば、第1の窒化物半導体がGaNである場合、第2の窒化物半導体は好ましくは、AlGa1-xN(0<x<1)又はAlInGaNである。第2半導体層は、1層からなっても、2層以上からなってもよい。
...Second Semiconductor Layer The second semiconductor layer is formed on the first semiconductor layer, and is made of a second nitride semiconductor having a larger band gap than the first nitride semiconductor. The second nitride semiconductor is not particularly limited as long as its band gap is larger than that of the first nitride semiconductor. For example, if the first nitride semiconductor is GaN, the second nitride semiconductor The semiconductor is preferably Al x Ga 1-x N (0<x<1) or AlInGaN. The second semiconductor layer may consist of one layer, or may consist of two or more layers.

第1半導体層と第2半導体層の間におけるヘテロ接合界面には、2次元電子ガス(2DEG)が形成される。具体的には、第1半導体層が上記のi-GaN層を有する場合、i-GaN層と第2半導体層に挟まれた領域に2DEGが発生する。第2半導体層は、いわゆるバリア層又は電子供給層として機能する。 A two-dimensional electron gas (2DEG) is formed at the heterojunction interface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. Specifically, when the first semiconductor layer includes the above-mentioned i-GaN layer, 2DEG is generated in the region sandwiched between the i-GaN layer and the second semiconductor layer. The second semiconductor layer functions as a so-called barrier layer or an electron supply layer.

典型例として、(0001)面を主面とするGaN基板上に形成したGaN(第1半導体層)/AlGa1-xN(0<x<1)(第2半導体層)のヘテロ構造では、自発分極およびピエゾ分極によりヘテロ界面に2DEGが生じ、何もドープしなくとも1×1013cm-2程度以上のシートキャリア濃度が得られることから、高周波動作が実現される。 A typical example is a GaN (first semiconductor layer)/Al x Ga 1-x N (0<x<1) (second semiconductor layer) heterostructure formed on a GaN substrate with the (0001) plane as the main surface. In this case, 2DEG is generated at the hetero interface due to spontaneous polarization and piezoelectric polarization, and a sheet carrier concentration of about 1×10 13 cm −2 or more can be obtained without doping anything, thereby achieving high frequency operation.

第2半導体層のc軸方向の厚みは、正常なデバイス作製の観点から、1nm以上が好ましく、5nm以上がより好ましく、10nm以上がさらに好ましい。また、リーク電流減少の観点から、第2半導体層の厚みは、50nm以下が好ましく、40nm以下がより好ましく、30nm以下がさらに好ましい。なお、第2半導体層が2層以上の第2の窒化物半導体からなる層から構成される場合には、上記厚みは第2半導体層の総膜厚である。 The thickness of the second semiconductor layer in the c-axis direction is preferably 1 nm or more, more preferably 5 nm or more, and even more preferably 10 nm or more, from the viewpoint of normal device fabrication. Further, from the viewpoint of reducing leakage current, the thickness of the second semiconductor layer is preferably 50 nm or less, more preferably 40 nm or less, and even more preferably 30 nm or less. Note that when the second semiconductor layer is composed of two or more layers of second nitride semiconductor, the above thickness is the total thickness of the second semiconductor layer.

・・キャップ層
半導体積層構造は、第1半導体層と第2半導体層とを含むが、さらに第2半導体層の上に、キャップ層が形成されていてもよい。キャップ層は第2の窒化物半導体とは異なる窒化物半導体からなることが好ましく、例えば、第2の窒化物半導体がAlGa1-xN(0<x<1)又はAlInGaNである場合、GaNからなるキャップ層であることが好ましい。キャップ層は、1層からなっても、2層以上からなってもよい。
... Cap layer Although the semiconductor stacked structure includes a first semiconductor layer and a second semiconductor layer, a cap layer may be further formed on the second semiconductor layer. The cap layer is preferably made of a nitride semiconductor different from the second nitride semiconductor, for example, when the second nitride semiconductor is Al x Ga 1-x N (0<x<1) or AlInGaN, Preferably, the cap layer is made of GaN. The cap layer may consist of one layer, or may consist of two or more layers.

キャップ層のc軸方向の厚みは、正常なデバイス作製の観点から、0.1nm以上が好ましく、0.5nm以上がより好ましく、1nm以上がさらに好ましい。また、リーク電流減少の観点から、キャップ層の厚みは、10nm以下が好ましく、8nm以下がより好ましく、5nm以下がさらに好ましい。なお、キャップ層が2層以上の層から構成される場合には、上記厚みはキャップ層の総膜厚である。 From the viewpoint of normal device fabrication, the thickness of the cap layer in the c-axis direction is preferably 0.1 nm or more, more preferably 0.5 nm or more, and even more preferably 1 nm or more. Further, from the viewpoint of reducing leakage current, the thickness of the cap layer is preferably 10 nm or less, more preferably 8 nm or less, and even more preferably 5 nm or less. Note that when the cap layer is composed of two or more layers, the above thickness is the total thickness of the cap layer.

・電極
本実施形態に係る半導体装置は、ソース電極とゲート電極とドレイン電極を備える。好ましくは、上記の半導体積層構造の上方に、ソース電極とゲート電極とドレイン電極が形成される。
- Electrode The semiconductor device according to this embodiment includes a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode. Preferably, a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode are formed above the semiconductor stacked structure.

ソース電極は、例えば金属電極であり、具体的には、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)を含む積層構造、モリブデン(Mo)とアルミニウム(Al)を含む積層構造、等が挙げられる。 The source electrode is, for example, a metal electrode, and specifically includes a laminated structure containing titanium (Ti) and aluminum (Al), a laminated structure containing molybdenum (Mo) and aluminum (Al), and the like.

ドレイン電極は、例えば金属電極であり、具体的には、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)を含む積層構造、モリブデン(Mo)とアルミニウム(Al)を含む積層構造、等が挙げられる。 The drain electrode is, for example, a metal electrode, and specifically includes a laminated structure containing titanium (Ti) and aluminum (Al), a laminated structure containing molybdenum (Mo) and aluminum (Al), and the like.

ソース電極及びドレイン電極と、半導体積層構造とは、それぞれオーミック接合されていることが好ましい。ソース電極とドレイン電極の距離は、例えば5μm以上30μm以下である。 It is preferable that the source electrode and the drain electrode and the semiconductor stacked structure are each connected to each other in an ohmic contact. The distance between the source electrode and the drain electrode is, for example, 5 μm or more and 30 μm or less.

ゲート電極は、例えば金属電極であり、具体的には、ニッケル(Ni)と金(Au)を含む積層構造、白金(Pt)と金(Au)を含む積層構造等が挙げられる。ゲート長は、例えば1μm以上15μm以下である。
ゲート電極は、ソース電極とドレイン電極の間に形成されることが好ましい。ゲート電極とソース電極の距離は、例えば1μm以上15μm以下である。ゲート電極とドレイン電極の距離は、例えば1μm以上15μm以下である。
The gate electrode is, for example, a metal electrode, and specifically includes a stacked structure containing nickel (Ni) and gold (Au), a stacked structure containing platinum (Pt) and gold (Au), and the like. The gate length is, for example, 1 μm or more and 15 μm or less.
Preferably, the gate electrode is formed between the source electrode and the drain electrode. The distance between the gate electrode and the source electrode is, for example, 1 μm or more and 15 μm or less. The distance between the gate electrode and the drain electrode is, for example, 1 μm or more and 15 μm or less.

ゲート電極と上記の半導体積層構造の間にゲート絶縁膜を有していてもよい。すなわち、ゲート絶縁膜を介して、半導体積層構造の上方にゲート電極が形成されていてもよい。
また、ゲート電極とソース電極との間、ゲート電極とドレイン電極との間に、それぞれゲート絶縁膜を有していてもよい。
A gate insulating film may be provided between the gate electrode and the semiconductor stacked structure. That is, the gate electrode may be formed above the semiconductor stacked structure with the gate insulating film interposed therebetween.
Furthermore, a gate insulating film may be provided between the gate electrode and the source electrode, and between the gate electrode and the drain electrode.

ゲート絶縁膜は、例えば、酸化物又は酸窒化物である。ゲート絶縁膜は、例えば、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン、酸窒化シリコン、又は、酸窒化アルミニウムである。 The gate insulating film is, for example, an oxide or an oxynitride. The gate insulating film is, for example, silicon oxide, aluminum oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, or aluminum oxynitride.

好ましい態様の一例では、キャップ層の上に、ソース電極とゲート電極とドレイン電極が形成され、より好ましくは、ソース電極とゲート電極との間、ゲート電極とドレイン電極との間には、それぞれゲート絶縁膜を有する。
別の好ましい態様では、第2半導体層の上に、ソース電極及びドレイン電極が形成され、キャップ層の上に、ゲート電極が形成される。
別の好ましい態様では、キャップ層の上に、ソース電極及びドレイン電極が形成され、ゲート絶縁膜の上に、ゲート電極が形成される。
In an example of a preferred embodiment, a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode are formed on the cap layer, and more preferably, a gate electrode is formed between the source electrode and the gate electrode, and between the gate electrode and the drain electrode, respectively. It has an insulating film.
In another preferred embodiment, a source electrode and a drain electrode are formed on the second semiconductor layer, and a gate electrode is formed on the cap layer.
In another preferred embodiment, a source electrode and a drain electrode are formed on the cap layer, and a gate electrode is formed on the gate insulating film.

・用途
本実施形態に係る半導体装置は、高温環境下での高速動作が必要とされる場合において、リーク電流の抑制が可能であるため、砂漠や宇宙などの高温環境下での通信等に好適に使用することができる。
・Applications The semiconductor device according to this embodiment is suitable for communication in high-temperature environments such as deserts and outer space because it is possible to suppress leakage current when high-speed operation is required in high-temperature environments. It can be used for.

[半導体装置の製造方法]
本実施形態に係る半導体装置の製造方法は特に限定されないが、以下にその一例となる一実施形態を説明する。また、かかる製造方法によって得られる半導体装置の好ましい態様は、上述した[半導体装置]に記載した好ましい態様と同様である。
上記一実施形態となる半導体装置の製造方法は、基板を用意する工程、次いで、上記基板上に半導体積層構造を形成する工程、半導体積層構造の上方に電極を生成する工程、を少なくとも含む。
[Method for manufacturing semiconductor device]
Although the method for manufacturing the semiconductor device according to this embodiment is not particularly limited, one embodiment will be described below. Further, preferred embodiments of the semiconductor device obtained by this manufacturing method are the same as the preferred embodiments described in the above-mentioned [Semiconductor Device].
The method for manufacturing a semiconductor device according to the above embodiment includes at least the steps of preparing a substrate, then forming a semiconductor stacked structure on the substrate, and forming an electrode above the semiconductor stacked structure.

・基板を用意する方法
本実施形態に係る半導体装置に用いる基板は、上述した[半導体装置]に記載した通り、特に限定されないが、GaN基板であることが好ましく、400Kにおける抵抗率が1×10Ωcm以上であるGaN基板であることがより好ましい。また、CドープされたCドープ層を有するGaN基板であってもよい。
・Method of preparing a substrate The substrate used in the semiconductor device according to the present embodiment is not particularly limited as described in [Semiconductor device] above, but is preferably a GaN substrate, and has a resistivity of 1×10 at 400K. A GaN substrate having a resistance of 7 Ωcm or more is more preferable. Alternatively, it may be a GaN substrate having a C-doped layer.

上記の基板は、公知の方法で製造して用いてもよいし、市販品を入手して用いてもよい。GaN基板を製造する場合には、上記の基板を用意する工程とは、GaN基板を製造する工程となる。
400Kにおける抵抗率が1×10Ωcm以上であるGaN基板は、例えば、シード上にHVPE(ハイドライド気相成長;Hydride Vapor Phase Epitaxy)法を用いてC等の補償不純物をドーピングしながらバルクGaN結晶を成長させ、スライス、研削、研磨等の加工を行うことにより、得ることができる。
CドープされたGaN基板は、例えば、シード上にHVPE法を用いてCドープバルクGaN結晶を成長させ、スライス、研削、研磨等の加工を行うことにより、得ることができる。
The above-mentioned substrate may be manufactured by a known method and used, or a commercially available product may be obtained and used. When manufacturing a GaN substrate, the step of preparing the substrate described above is a step of manufacturing the GaN substrate.
A GaN substrate with a resistivity of 1×10 7 Ωcm or more at 400 K is grown as a bulk GaN crystal while doping a compensating impurity such as C onto the seed using the HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy) method. It can be obtained by growing and processing such as slicing, grinding, polishing, etc.
A C-doped GaN substrate can be obtained, for example, by growing a C-doped bulk GaN crystal on a seed using the HVPE method and performing processing such as slicing, grinding, polishing, etc.

・半導体積層構造の形成方法
半導体積層構造は、基板上に形成された第1の窒化物半導体からなる第1半導体層と、上記第1半導体層の上に形成され、第1の窒化物半導体よりもバンドギャップの大きな第2の窒化物半導体からなる第2半導体層とを含む。したがって、半導体積層構造の形成方法は、基板上に第1半導体層を形成する工程と、第1半導体層の上に第2半導体層を形成する工程を含む。
・Method for forming a semiconductor stacked structure A semiconductor stacked structure includes a first semiconductor layer made of a first nitride semiconductor formed on a substrate, and a first semiconductor layer formed on the first semiconductor layer. Also includes a second semiconductor layer made of a second nitride semiconductor with a large band gap. Therefore, a method for forming a semiconductor stacked structure includes a step of forming a first semiconductor layer on a substrate, and a step of forming a second semiconductor layer on the first semiconductor layer.

基板上に第1半導体層を形成する方法は、特に限定されず、公知の種々の方法を採用することができるが、好適な例としては、MOCVD(有機金属気相成長;metal organic chemical vapor deposition)法や、分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy、MBE)法を用いることが挙げられる。
以下では、GaNからなる第1半導体層を形成する方法を具体的に説明する。
The method for forming the first semiconductor layer on the substrate is not particularly limited, and various known methods can be employed, but a preferred example is MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). ) method and molecular beam epitaxy (MBE) method.
Below, a method for forming the first semiconductor layer made of GaN will be specifically described.

MOCVD法を用いる場合、原料ガスとして、GaNを形成するためのGa源やN源を含む原料ガスであれば特に限定されず、公知のものを用いることができる。 When using the MOCVD method, the raw material gas is not particularly limited as long as it contains a Ga source and a N source for forming GaN, and any known gas can be used.

第1半導体層にCをドープしてC含有GaN層を形成する場合、Cの濃度が1×1016atoms/cm以上であるC含有GaN層のc軸方向の厚さ(厚み方向の高さ)は、上記[半導体装置]の「・半導体積層構造\・・第1半導体層\・・・C含有GaN層」に記載したように、50nm以上であることが、正常なデバイス作製の観点から好ましく、また、リーク電流減少の観点から、900nm以下が好ましい。 When doping the first semiconductor layer with C to form a C-containing GaN layer, the thickness in the c-axis direction (height in the thickness direction) of the C-containing GaN layer with a C concentration of 1×10 16 atoms/cm 3 or more is As described in "Semiconductor stacked structure\...first semiconductor layer\...C-containing GaN layer" in the above [Semiconductor device], the thickness is 50 nm or more from the viewpoint of normal device fabrication. In addition, from the viewpoint of reducing leakage current, the thickness is preferably 900 nm or less.

C含有GaN層におけるCの濃度は1×1016atoms/cm以上であればよいが、かかる濃度は、5×1016atoms/cm以上や、1×1017atoms/cm以上などであってもよい。 The concentration of C in the C-containing GaN layer may be 1×10 16 atoms/cm 3 or more, but such a concentration may be 5×10 16 atoms/cm 3 or more, 1×10 17 atoms/cm 3 or more, etc. There may be.

C含有GaN層におけるCの濃度は、過剰なドーピングによる結晶品質の著しい低下を避けるために、1×1019atoms/cm未満が好ましく、1×1018atoms/cm未満や、5×1017atoms/cm未満などであってもよい。 The concentration of C in the C-containing GaN layer is preferably less than 1×10 19 atoms/cm 3 , less than 1×10 18 atoms/cm 3 , or less than 5×10 atoms/cm 3 to avoid significant deterioration of crystal quality due to excessive doping. It may be less than 17 atoms/cm 3 .

Cのドープは、従来公知の方法を用いることができる。例えば、MOCVD法やMBE法を用いることが好ましい。 For doping with C, a conventionally known method can be used. For example, it is preferable to use MOCVD method or MBE method.

MOCVD法を用いる場合、原料ガスとして、例えば、CH(メタン)等の炭化水素ガスを用いることができるが、簡素化の観点から、GaNを形成するためのGa源やN源も含む原料ガスを用いることが好ましい。かかる観点から、Cの原料ガスとして、トリメチルガリウム(TMG)、トリエチルガリウム(TEG)を用いることが好ましく、TMGがより好ましい。また、TMGとアンモニア(NH)との混合ガスや、TEGとNHの混合ガスを用いることがさらに好ましい。 When using the MOCVD method, a hydrocarbon gas such as CH 4 (methane) can be used as a raw material gas, but from the viewpoint of simplification, a raw material gas that also contains a Ga source and a N source for forming GaN is used. It is preferable to use From this viewpoint, it is preferable to use trimethyl gallium (TMG) or triethyl gallium (TEG) as the raw material gas for C, and TMG is more preferable. Further, it is more preferable to use a mixed gas of TMG and ammonia (NH 3 ) or a mixed gas of TEG and NH 3 .

トリメチルガリウム(TMG)とアンモニア(NH)の混合ガスを用いる場合、TMGの供給速度は、Si等の不純物濃度低減の観点から、100μmol/min以上が好ましく、200μmol/min以上がより好ましい。また、TMGの供給速度は、膜厚制御性の観点から、500μmol/min以下が好ましく、300μmol/min以下がより好ましい。
また、TMG:NHで表される供給速度の比は、C濃度の制御性の観点から、1:100~1:4000が好ましく、1:500~1:4000又は1:100~1:2000がより好ましく、1:500~1:2000がさらに好ましい。
When using a mixed gas of trimethyl gallium (TMG) and ammonia (NH 3 ), the TMG supply rate is preferably 100 μmol/min or more, more preferably 200 μmol/min or more, from the viewpoint of reducing the concentration of impurities such as Si. Further, from the viewpoint of film thickness controllability, the TMG supply rate is preferably 500 μmol/min or less, more preferably 300 μmol/min or less.
Further, the ratio of the supply rate expressed by TMG:NH 3 is preferably 1:100 to 1:4000, preferably 1:500 to 1:4000 or 1:100 to 1:2000 from the viewpoint of controllability of C concentration. is more preferable, and even more preferably 1:500 to 1:2000.

上記のように、第1半導体層として、C含有GaN層を形成した後、i-GaN層を形成してもよい。
i-GaN層を形成する方法は、意図的な不純物のドープを伴わずに行う点以外はC含有GaN層を形成する方法と変わらず、好適な例としては、MOCVD法や、MBE法を用いることが挙げられる。
As described above, the i-GaN layer may be formed after forming the C-containing GaN layer as the first semiconductor layer.
The method for forming the i-GaN layer is the same as the method for forming the C-containing GaN layer, except that it is performed without intentional doping of impurities, and preferred examples include the MOCVD method and the MBE method. This can be mentioned.

i-GaN層の形成にMOCVD法を用いる場合、原料ガスとして、例えば、CH(メタン)等の炭化水素ガスを用いることができるが、簡素化の観点から、GaNを形成するためのGa源やN源も含む原料ガスを用いることが好ましい。 When using the MOCVD method to form the i-GaN layer, a hydrocarbon gas such as CH 4 (methane) can be used as the raw material gas, but from the viewpoint of simplification, the Ga source for forming GaN is It is preferable to use a raw material gas that also contains a nitrogen source.

トリメチルガリウム(TMG)とアンモニア(NH)の混合ガスを用いる場合、TMGの供給速度は、Si等の不純物濃度低減の観点から、50μmol/min以上が好ましく、100μmol/min以上がより好ましい。また、TMGの供給速度は、膜厚制御性の観点から、250μmol/min以下が好ましく、150μmol/min以下がより好ましい。
また、TMG:NHで表される供給速度の比は、C濃度低減の観点から、1:400~1:16000が好ましく、1:400~1:1800又は1:2000~1:16000がより好ましく、1:2000~1:8000がさらに好ましい。
When using a mixed gas of trimethyl gallium (TMG) and ammonia (NH 3 ), the TMG supply rate is preferably 50 μmol/min or more, more preferably 100 μmol/min or more, from the viewpoint of reducing the concentration of impurities such as Si. Further, from the viewpoint of film thickness controllability, the TMG supply rate is preferably 250 μmol/min or less, more preferably 150 μmol/min or less.
In addition, the ratio of the supply rate expressed by TMG:NH 3 is preferably 1:400 to 1:16000, more preferably 1:400 to 1:1800 or 1:2000 to 1:16000, from the viewpoint of reducing C concentration. Preferably, 1:2000 to 1:8000 is more preferable.

第1半導体層中のi-GaN層のc軸方向の厚みは、上記[半導体層装置]の「・半導体積層構造\・・第1半導体層\・・・i-GaN層」に記載した内容と同様であり、50nm以上であることが、正常なデバイス作製の観点から好ましく、また、リーク電流減少の観点から、900nm以下が好ましい。 The thickness of the i-GaN layer in the first semiconductor layer in the c-axis direction is as described in "Semiconductor stacked structure\...first semiconductor layer\...i-GaN layer" in [Semiconductor layer device] above. The thickness is preferably 50 nm or more from the viewpoint of normal device fabrication, and is preferably 900 nm or less from the viewpoint of reducing leakage current.

・第2半導体層の形成方法
上記の第1半導体層を形成した後、第1半導体層の上に、第2半導体層を形成する。第2半導体層を構成する第2の窒化物半導体は、そのバンドギャップが、第1の窒化物半導体のバンドギャップよりも大きければ特に限定されないが、例えば、第1の窒化物半導体がGaNである場合、第2の窒化物半導体は好ましくは、AlGa1-xN(0<x<1)又はAlInGaNである。第1半導体層と第2半導体層に挟まれた領域に2DEGが発生する。
- Formation method of second semiconductor layer After forming the above-mentioned first semiconductor layer, a second semiconductor layer is formed on the first semiconductor layer. The second nitride semiconductor constituting the second semiconductor layer is not particularly limited as long as its band gap is larger than the band gap of the first nitride semiconductor, but for example, the first nitride semiconductor is GaN. In this case, the second nitride semiconductor is preferably Al x Ga 1-x N (0<x<1) or AlInGaN. 2DEG is generated in a region sandwiched between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer.

第2半導体層を形成する方法は、特に限定されず、従来公知の方法を採用すればよいが、好適な例としては、MOCVD法やMBE法を用いることが挙げられる。
第1半導体層上の第2半導体層のc軸方向の好ましい厚みは、上記[半導体層装置]の「・半導体積層構造\・・第2半導体層」に記載した内容と同様である。
The method for forming the second semiconductor layer is not particularly limited, and any conventionally known method may be used, but preferred examples include MOCVD and MBE.
The preferable thickness in the c-axis direction of the second semiconductor layer on the first semiconductor layer is the same as that described in "Semiconductor stacked structure\...Second semiconductor layer" in the above [Semiconductor layer device].

上記の第2半導体層を形成した場合、必要に応じてキャップ層等の従来公知の層を、従来公知の方法により形成することができる。 When the above second semiconductor layer is formed, a conventionally known layer such as a cap layer can be formed by a conventionally known method if necessary.

・電極の形成方法
電極の形成方法は、半導体積層構造の上方にソース電極とゲート電極とドレイン電極を形成する工程を含む。
電極の形成方法は、特に限定されず、従来公知の方法を採用すればよいが、好適な例としては、フォトリソグラフィー法を用いることが挙げられる。
-Method for forming electrodes The method for forming electrodes includes a step of forming a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode above the semiconductor stacked structure.
The method for forming the electrode is not particularly limited, and any conventionally known method may be used, but a preferred example is the use of photolithography.

ソース電極は、例えば金属電極であり、具体的には、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)を含む積層構造、モリブデン(Mo)とアルミニウム(Al)を含む積層構造、等が挙げられる。
ドレイン電極は、例えば金属電極であり、具体的には、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)を含む積層構造、モリブデン(Mo)とアルミニウム(Al)を含む積層構造、等が挙げられる。
ソース電極及びドレイン電極と、半導体積層構造とは、それぞれオーミック接合されていることが好ましい。
The source electrode is, for example, a metal electrode, and specifically includes a laminated structure containing titanium (Ti) and aluminum (Al), a laminated structure containing molybdenum (Mo) and aluminum (Al), and the like.
The drain electrode is, for example, a metal electrode, and specifically includes a laminated structure containing titanium (Ti) and aluminum (Al), a laminated structure containing molybdenum (Mo) and aluminum (Al), and the like.
It is preferable that the source electrode and the drain electrode and the semiconductor stacked structure are each connected to each other in an ohmic contact.

ゲート電極は、例えば金属電極であり、具体的には、ニッケル(Ni)と金(Au)を含む積層構造、白金(Pt)と金(Au)を含む積層構造等が挙げられる。
ゲート電極は、ソース電極とドレイン電極の間に形成されることが好ましい。また、ゲート電極と半導体積層構造の間にゲート絶縁膜を有していてもよい。すなわち、ゲート絶縁膜を介して、半導体積層構造の上方にゲート電極が形成されていてもよい。また、ゲート電極とソース電極との間、ゲート電極とドレイン電極との間に、それぞれゲート絶縁膜を有していてもよい。
The gate electrode is, for example, a metal electrode, and specifically includes a stacked structure containing nickel (Ni) and gold (Au), a stacked structure containing platinum (Pt) and gold (Au), and the like.
Preferably, the gate electrode is formed between the source electrode and the drain electrode. Further, a gate insulating film may be provided between the gate electrode and the semiconductor stacked structure. That is, the gate electrode may be formed above the semiconductor stacked structure with the gate insulating film interposed therebetween. Furthermore, a gate insulating film may be provided between the gate electrode and the source electrode, and between the gate electrode and the drain electrode.

ゲート絶縁膜は、例えば、酸化物又は酸窒化物である。ゲート絶縁膜は、例えば、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン、酸窒化シリコン、又は、酸窒化アルミニウムである。
ゲート絶縁膜の形成方法は、特に限定されず、従来公知の方法を採用すればよいが、好適な例としては、PECVD(プラズマCVD;plasma-enhanced chemical vapor deposition)法を用いることが挙げられる。
The gate insulating film is, for example, an oxide or an oxynitride. The gate insulating film is, for example, silicon oxide, aluminum oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, or aluminum oxynitride.
The method for forming the gate insulating film is not particularly limited, and any conventionally known method may be used, but a preferred example is a PECVD (plasma-enhanced chemical vapor deposition) method.

以下に実施例を挙げ、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されない。 The present invention will be specifically described below with reference to Examples, but the present invention is not limited thereto.

[実施例1]
HVPE法により得られたCドープ層を有するc面GaN基板上に、MOCVD法により半導体積層構造を堆積させて、HEMT構造のGaNエピタキシャル基板を得た。c面GaN基板全体のc軸方向の厚みは400μmであり、そのうちCドープ層は、Ga極性面側に約100μmの厚みで存在していた。Cドープ層のC濃度は3×1018atoms/cmであった。
Cドープ層を有するc面GaN基板の400Kにおける抵抗率は2.3×1011Ωcm、500Kにおける抵抗率は4.2×10Ωcm、600Kにおける抵抗率は1.2×10Ωcmであった。なお、抵抗率は後述する方法で測定した。
[Example 1]
A semiconductor stacked structure was deposited by MOCVD on a c-plane GaN substrate having a C-doped layer obtained by HVPE to obtain a HEMT-structured GaN epitaxial substrate. The thickness of the entire c-plane GaN substrate in the c-axis direction was 400 μm, of which the C-doped layer was present with a thickness of about 100 μm on the Ga polar surface side. The C concentration of the C-doped layer was 3×10 18 atoms/cm 3 .
The resistivity of the c-plane GaN substrate with a C-doped layer at 400K is 2.3×10 11 Ωcm, the resistivity at 500K is 4.2×10 8 Ωcm, and the resistivity at 600K is 1.2×10 7 Ωcm. Ta. Note that the resistivity was measured by the method described below.

第1半導体層の形成として、具体的には、c面GaN基板をMOCVD装置内にセットし、水素/窒素混合ガス雰囲気中及び大気圧にて1090℃に加熱し、トリメチルガリウム(TMG)とNHガスを供給した。ガスの供給速度は、TMGを410μmol/minとし、NHガスを5slmとした。かかる条件で2.7分結晶成長させることで、第1半導体層のうち、C濃度が1×1017atoms/cmであるC含有GaN層を形成した。C含有GaN層の厚さは300nmであった。
次いで、得られたC含有GaN層の上に、TMGとNHガスの供給速度や成長時間、すなわちガス供給量を変更したi-GaN層を200nm成長させた。
Specifically, to form the first semiconductor layer, a c-plane GaN substrate is set in an MOCVD apparatus, heated to 1090°C in a hydrogen/nitrogen mixed gas atmosphere and atmospheric pressure, and trimethylgallium (TMG) and NH 3 gases were supplied. The gas supply rates were 410 μmol/min for TMG and 5 slm for NH 3 gas. By growing the crystal for 2.7 minutes under these conditions, a C-containing GaN layer having a C concentration of 1×10 17 atoms/cm 3 was formed in the first semiconductor layer. The thickness of the C-containing GaN layer was 300 nm.
Next, on the obtained C-containing GaN layer, an i-GaN layer of 200 nm was grown by changing the supply rate and growth time of TMG and NH 3 gas, that is, the gas supply amount.

第2半導体層の形成として、上記で形成したi-GaN層の上に、AlGa1-xN(0<x<1)層を18nmの厚さで形成した。
次いで、GaNキャップ層を2nmの厚さとなるように成長させ、半導体積層構造を形成した。
以上により、基板と半導体層積層構造を備えたHEMT構造のGaNエピタキシャル基板を得た。
To form the second semiconductor layer, an Al x Ga 1-x N (0<x<1) layer with a thickness of 18 nm was formed on the i-GaN layer formed above.
Next, a GaN cap layer was grown to a thickness of 2 nm to form a semiconductor stacked structure.
Through the above steps, a HEMT-structured GaN epitaxial substrate having a substrate and a semiconductor layer stacked structure was obtained.

フォトリソグラフィーの手法により、上記で得たGaNエピタキシャル基板上に電極を形成した。
ソース電極及びドレイン電極はMo(7nm)/Al(75nm)/Mo(50nm)/Au(120nm)を、ゲート電極はNi(36nm)/Au(370nm)を、それぞれ電子ビームにより蒸着した。なお、括弧書き内の値はそれぞれの厚みを示す。ゲート長、ゲート電極とソース電極の距離、ゲート電極とドレイン電極の距離は、それぞれ順に2μm、2μm、5μmとした。
ゲート電極とソース電極との間、及び、ゲート電極とドレイン電極との間には、それぞれゲート絶縁膜としてSiNxを60nmの厚みでPECVD法により形成した。
以上により、HEMT構造の半導体装置(HEMT素子ともいう。)を得た。
Electrodes were formed on the GaN epitaxial substrate obtained above by photolithography.
Mo (7 nm)/Al (75 nm)/Mo (50 nm)/Au (120 nm) was deposited on the source electrode and drain electrode, and Ni (36 nm)/Au (370 nm) was deposited on the gate electrode using an electron beam. Note that the values in parentheses indicate the respective thicknesses. The gate length, the distance between the gate electrode and the source electrode, and the distance between the gate electrode and the drain electrode were set to 2 μm, 2 μm, and 5 μm, respectively.
SiNx with a thickness of 60 nm was formed as a gate insulating film between the gate electrode and the source electrode and between the gate electrode and the drain electrode by PECVD.
Through the above steps, a semiconductor device with a HEMT structure (also referred to as a HEMT element) was obtained.

[比較例1]
補償不純物としてCに代えてFeを用い、Feドープ層を有するc面GaN基板とした点以外は実施例1と同様の方法でHEMT構造の半導体装置(HEMT素子)を得た。Feドープ層は、Ga極性面側に約100μmの厚みで存在しており、Feドープ層のFe濃度は3×1018atoms/cmであった。
Feドープ層を有するc面GaN基板の400Kにおける抵抗率は3.2×10Ωcm、500Kにおける抵抗率は1.2×10Ωcm、600Kにおける抵抗率は1.5×10Ωcmであった。なお、抵抗率は後述する方法で測定した。
[Comparative example 1]
A semiconductor device (HEMT element) having a HEMT structure was obtained in the same manner as in Example 1 except that Fe was used instead of C as a compensation impurity and a c-plane GaN substrate having an Fe-doped layer was used. The Fe-doped layer was present on the Ga polar surface side with a thickness of about 100 μm, and the Fe concentration of the Fe-doped layer was 3×10 18 atoms/cm 3 .
The resistivity of the c-plane GaN substrate with an Fe-doped layer at 400K is 3.2×10 6 Ωcm, the resistivity at 500K is 1.2×10 5 Ωcm, and the resistivity at 600K is 1.5×10 4 Ωcm. Ta. Note that the resistivity was measured by the method described below.

[基板の抵抗率の測定]
c面GaN基板の表面にTi30nmとAu100nmを連続で真空蒸着し、ホール測定を行った。ホール測定では、4端子Van der Pauw法を用い、測定温度を変化させながら抵抗率(比抵抗)を測定した。
実施例1の比抵抗の測定結果を図2の「●」で、比較例1の比抵抗の測定結果を図2の「▲」で、それぞれ示す。なお、全ての温度域におけるそれぞれのホール測定で決定されたキャリアの型はp型であった。
[Measurement of resistivity of substrate]
30 nm of Ti and 100 nm of Au were successively vacuum-deposited on the surface of a c-plane GaN substrate, and hole measurements were performed. In the Hall measurement, resistivity (specific resistance) was measured using a four-terminal Van der Pauw method while changing the measurement temperature.
The measurement results of the specific resistance of Example 1 are shown by "●" in FIG. 2, and the measurement results of the specific resistance of Comparative Example 1 are shown by "▲" in FIG. 2, respectively. Note that the carrier type determined by each Hall measurement in all temperature ranges was p-type.

[半導体装置の評価]
・2端子測定
HEMT構造の半導体装置において、ゲート電極とドレイン電極との間に逆方向バイアスを印加して、2端子逆耐圧特性を評価した。HEMT素子は温度可変ステージの上に真空吸着で密着させた。温度可変ステージ温度を300K、400K、500K、又は600Kに変化させて、それぞれの温度での2端子逆耐圧特性を評価した。実施例1の結果を図3に、比較例1の結果を図5に、それぞれ示した。Vgdはゲート電極とドレイン電極との間のバイアス値、-Igはゲートリーク電流を示す。
なお測定において、1×10-4A/mmをカットオフ電流とした。カットオフ電流とは、リーク電流の良否を判断する閾値のことであり、1×10-4A/mm以上の値はリークしていることを示す。図3及び図5の結果から、Vgdが100Vにおける-Igの値を表1に、Vgdが20Vにおける-Igの値を表2に、それぞれ示した。表1、表2中、「リーク」とは、ゲートリーク電流値が1×10-4A/mm以上であったことを意味する。
[Evaluation of semiconductor devices]
- Two-terminal measurement In the HEMT structure semiconductor device, a reverse bias was applied between the gate electrode and the drain electrode, and the two-terminal reverse breakdown voltage characteristics were evaluated. The HEMT element was closely attached to the temperature variable stage by vacuum suction. The temperature variable stage temperature was changed to 300K, 400K, 500K, or 600K, and the two-terminal reverse breakdown voltage characteristics were evaluated at each temperature. The results of Example 1 are shown in FIG. 3, and the results of Comparative Example 1 are shown in FIG. 5, respectively. Vgd is the bias value between the gate electrode and the drain electrode, and -Ig is the gate leakage current.
In the measurement, 1×10 −4 A/mm was used as the cutoff current. The cutoff current is a threshold value for determining the quality of leakage current, and a value of 1×10 −4 A/mm or more indicates leakage. From the results shown in FIGS. 3 and 5, the values of -Ig at Vgd of 100V are shown in Table 1, and the values of -Ig at Vgd of 20V are shown in Table 2, respectively. In Tables 1 and 2, "leak" means that the gate leak current value was 1×10 −4 A/mm or more.

・3端子測定
HEMT構造の半導体装置において、ゲート電極とソース電極との間に逆方向バイアスを10V印加し、ソース電極とドレイン電極との間に順方向バイアスを印加して、3端子耐圧特性を評価した。HEMT素子は温度可変ステージの上に真空吸着で密着させた。温度可変ステージ温度を300K、400K、500K、又は600Kに変化させて、それぞれの温度での3端子耐圧特性を評価した。実施例1の結果を図4に、比較例1の結果を図6に、それぞれ示した。Vdsはソース電極とドレイン電極との間のバイアス値、Idはドレインリーク電流を示す。
なお測定において、1×10-3A/mmをカットオフ電流とした。カットオフ電流とは、リーク電流の良否を判断する閾値のことであり、1×10-3A/mm以上の値はリークしていることを示す。図4及び図6の結果から、Vdsが100VにおけるIdの値を表3に、Vdsが20VにおけるIdの値を表4に、それぞれ示した。表3、表4中、「リーク」とは、ドレインリーク電流値が1×10-3A/mm以上であったことを意味する。
・3-terminal measurement In a semiconductor device with a HEMT structure, a reverse bias of 10 V is applied between the gate electrode and the source electrode, and a forward bias is applied between the source electrode and the drain electrode to measure the 3-terminal breakdown voltage characteristics. evaluated. The HEMT element was closely attached to the temperature variable stage by vacuum suction. The temperature variable stage temperature was changed to 300K, 400K, 500K, or 600K, and the three-terminal breakdown voltage characteristics at each temperature were evaluated. The results of Example 1 are shown in FIG. 4, and the results of Comparative Example 1 are shown in FIG. 6, respectively. Vds represents a bias value between the source electrode and drain electrode, and Id represents a drain leakage current.
In the measurement, 1×10 −3 A/mm was used as the cutoff current. The cutoff current is a threshold value for determining the quality of leakage current, and a value of 1×10 −3 A/mm or more indicates leakage. From the results shown in FIGS. 4 and 6, Table 3 shows the Id values when Vds is 100V, and Table 4 shows the Id values when Vds is 20V. In Tables 3 and 4, "leak" means that the drain leak current value was 1×10 −3 A/mm or more.

表1の結果から、Vgdが100Vの場合、動作温度400Kにおいて、比較例1のHEMT素子はゲートリーク電流値が2×10-5A/mmを超えていたのに対し、実施例1のHEMT素子はゲートリーク電流値が2×10-5A/mm以下となり、比較例1に対してかなり小さい値となった。また、動作温度500K及び600Kにおいては、比較例1のHEMT素子はゲートリーク電流値がカットオフ電流値を超えており、リークと判断されたのに対し、実施例1のHEMT素子は動作温度500Kにおいては、ゲートリーク電流値が1×10-4A/mm未満の小さい値となった。 From the results in Table 1, when Vgd is 100 V and the operating temperature is 400 K, the gate leakage current value of the HEMT element of Comparative Example 1 exceeds 2 × 10 -5 A/mm, whereas the HEMT element of Example 1 The gate leakage current value of the device was 2×10 −5 A/mm or less, which was considerably smaller than that of Comparative Example 1. Furthermore, at operating temperatures of 500K and 600K, the gate leakage current value of the HEMT element of Comparative Example 1 exceeded the cutoff current value and was determined to be a leak, whereas the HEMT element of Example 1 had an operating temperature of 500K. In this case, the gate leakage current value was a small value of less than 1×10 −4 A/mm.

表2の結果から、Vgdが20Vの場合、動作温度400Kにおいて、比較例1のHEMT素子は、ゲートリーク電流値が1×10-5A/mmを超えていたのに対し、実施例1のHEMT素子は、ゲートリーク電流値が1×10-5A/mm以下であった。また、動作温度500Kにおいては、比較例1のHEMT素子はゲートリーク電流値が4×10-5A/mmを超えていたのに対し、実施例1のHEMT素子は、ゲートリーク電流は4×10-5A/mm以下となった。動作温度が400K、500Kのいずれにおいても、実施例1のHEMT素子におけるゲートリーク電流値は、比較例1に比べてかなり大きかった。また、動作温度600Kにおいては、比較例1のHEMT素子はゲートリーク電流値がカットオフ電流値を超えており、リークと判断されたのに対し、実施例1のHEMT素子は1×10-4A/mm未満の小さい値となった。 From the results in Table 2, when Vgd is 20V and the operating temperature is 400K, the gate leakage current value of the HEMT element of Comparative Example 1 exceeds 1×10 -5 A/mm, whereas that of Example 1 The HEMT element had a gate leakage current value of 1×10 −5 A/mm or less. Furthermore, at an operating temperature of 500K, the gate leakage current value of the HEMT element of Comparative Example 1 exceeded 4 × 10 -5 A/mm, whereas the gate leakage current value of the HEMT element of Example 1 exceeded 4 × 10 -5 A/mm. It became 10 −5 A/mm or less. At both operating temperatures of 400K and 500K, the gate leakage current value in the HEMT element of Example 1 was considerably larger than that of Comparative Example 1. Furthermore, at an operating temperature of 600K, the gate leakage current value of the HEMT element of Comparative Example 1 exceeded the cutoff current value and was determined to be a leak, whereas the HEMT element of Example 1 had a gate leakage current value of 1×10 -4 The value was small, less than A/mm.

表3の結果から、Vdsが100Vの場合、動作温度400Kにおいて、比較例1のHEMT素子はドレインリーク電流値が5×10-5A/mmであったのに対し、実施例1のHEMT素子はドレインリーク電流値が5×10-5A/mm未満となり、比較例1に対して小さい値となった。また、動作温度500Kにおいては、比較例1のHEMT素子はドレインリーク電流値が5×10-4A/mmを超えていたのに対し、実施例1のHEMT素子はドレインリーク電流値が5×10-4A/mm未満であり、比較例1に対してかなり小さい値となった。また、動作温度600Kにおいては、比較例1のHEMT素子はドレインリーク電流値がカットオフ電流値を超えており、リークと判断されたのに対し、実施例1のHEMT素子はドレインリーク電流値が1×10-3A/mm未満の小さい値となった。 From the results in Table 3, when Vds is 100 V and the operating temperature is 400 K, the drain leakage current value of the HEMT element of Comparative Example 1 was 5 × 10 -5 A/mm, while that of the HEMT element of Example 1. The drain leak current value was less than 5×10 −5 A/mm, which was smaller than that of Comparative Example 1. Furthermore, at an operating temperature of 500 K, the HEMT device of Comparative Example 1 had a drain leakage current value of more than 5×10 −4 A/mm, whereas the HEMT device of Example 1 had a drain leakage current value of more than 5×10 −4 A/mm. It was less than 10 −4 A/mm, which was a considerably smaller value than Comparative Example 1. Furthermore, at an operating temperature of 600 K, the drain leak current value of the HEMT element of Comparative Example 1 exceeded the cutoff current value and was determined to be a leak, whereas the HEMT element of Example 1 had a drain leak current value of The value was small, less than 1×10 −3 A/mm.

表4の結果から、Vdsが20Vの場合、動作温度400Kにおいて、比較例1のドレインリーク電流値が3×10-5A/mmであったのに対し、実施例1のHEMT素子はドレインリーク電流値が3×10-5A/mm未満となり、比較例1に対して小さい値となった。また、動作温度500Kにおいては、比較例1のHEMT素子はドレインリーク電流値が1.5×10-4A/mmを超えていたのに対し、実施例1のHEMT素子はドレインリーク電流値が1.5×10-4A/mm未満であり、比較例1に対してかなり小さい値となった。また、動作温度600Kにおいては、比較例1のHEMT素子はドレインリーク電流値がカットオフ電流値を超えており、リークと判断されたのに対し、実施例1のHEMT素子はドレインリーク電流値が1×10-3A/mm未満の小さい値となった。 From the results in Table 4, when Vds is 20V and the operating temperature is 400K, the drain leakage current value of Comparative Example 1 is 3×10 -5 A/mm, whereas the HEMT element of Example 1 has a drain leakage current value of 3×10 −5 A/mm. The current value was less than 3×10 −5 A/mm, which was smaller than that of Comparative Example 1. Furthermore, at an operating temperature of 500 K, the drain leak current value of the HEMT element of Comparative Example 1 exceeded 1.5 × 10 -4 A/mm, whereas the drain leak current value of the HEMT element of Example 1 exceeded 1.5 × 10 -4 A/mm. It was less than 1.5×10 −4 A/mm, which was a considerably smaller value than Comparative Example 1. Furthermore, at an operating temperature of 600 K, the drain leak current value of the HEMT element of Comparative Example 1 exceeded the cutoff current value and was determined to be a leak, whereas the HEMT element of Example 1 had a drain leak current value of The value was small, less than 1×10 −3 A/mm.

Figure 2024015771000002
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Figure 2024015771000003
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Figure 2024015771000004
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Figure 2024015771000005
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Claims (17)

基板、半導体積層構造、ソース電極、ゲート電極及びドレイン電極を備えた半導体装置であって、
前記半導体積層構造は、前記基板上に形成された第1の窒化物半導体からなる第1半導体層と、前記第1半導体層の上に形成され、前記第1の窒化物半導体よりもバンドギャップの大きな第2の窒化物半導体からなる第2半導体層と、を含み、
前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間に逆方向バイアスを100V印加したときの、動作温度400Kにおけるゲートリーク電流値が2×10-5A/mm以下である、半導体装置。
A semiconductor device comprising a substrate, a semiconductor stacked structure, a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode,
The semiconductor stacked structure includes a first semiconductor layer made of a first nitride semiconductor formed on the substrate, and a first semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and having a band gap smaller than that of the first nitride semiconductor. a second semiconductor layer made of a large second nitride semiconductor;
A semiconductor device having a gate leakage current value of 2×10 −5 A/mm or less at an operating temperature of 400 K when a reverse bias of 100 V is applied between the gate electrode and the drain electrode.
前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間に逆方向バイアスを100V印加したときの、動作温度500Kにおけるゲートリーク電流値が1×10-4A/mm未満である、請求項1に記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a gate leakage current value at an operating temperature of 500 K is less than 1×10 −4 A/mm when a reverse bias of 100 V is applied between the gate electrode and the drain electrode. . 基板、半導体積層構造、ソース電極、ゲート電極及びドレイン電極を備えた半導体装置であって、
前記半導体積層構造は、前記基板上に形成された第1の窒化物半導体からなる第1半導体層と、前記第1半導体層の上に形成され、前記第1の窒化物半導体よりもバンドギャップの大きな第2の窒化物半導体からなる第2半導体層と、を含み、
前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間に逆方向バイアスを20V印加したときの、動作温度400Kにおけるゲートリーク電流値が1×10-5A/mm以下である、半導体装置。
A semiconductor device comprising a substrate, a semiconductor stacked structure, a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode,
The semiconductor stacked structure includes a first semiconductor layer made of a first nitride semiconductor formed on the substrate, and a first semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and having a band gap smaller than that of the first nitride semiconductor. a second semiconductor layer made of a large second nitride semiconductor;
A semiconductor device having a gate leakage current value of 1×10 −5 A/mm or less at an operating temperature of 400 K when a reverse bias of 20 V is applied between the gate electrode and the drain electrode.
前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間に逆方向バイアスを20V印加したときの、動作温度500Kにおけるゲートリーク電流値が4×10-5A/mm以下である、請求項3に記載の半導体装置。 4. The semiconductor device according to claim 3, wherein a gate leakage current value at an operating temperature of 500 K is 4×10 −5 A/mm or less when a reverse bias of 20 V is applied between the gate electrode and the drain electrode. . 前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間に逆方向バイアスを20V印加したときの、動作温度600Kにおけるゲートリーク電流値が1×10-4A/mm未満である、請求項3又は4に記載の半導体装置。 5. The method according to claim 3, wherein a gate leakage current value at an operating temperature of 600 K is less than 1×10 −4 A/mm when a reverse bias of 20 V is applied between the gate electrode and the drain electrode. Semiconductor equipment. 基板、半導体積層構造、ソース電極、ゲート電極及びドレイン電極を備えた半導体装置であって、
前記半導体積層構造は、前記基板上に形成された第1の窒化物半導体からなる第1半導体層と、前記第1半導体層の上に形成され、前記第1の窒化物半導体よりもバンドギャップの大きな第2の窒化物半導体からなる第2半導体層と、を含み、
前記ゲート電極と前記ソース電極との間に逆方向バイアスを10V印加し、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に順方向バイアスを100V印加したときの、動作温度400Kにおけるドレインリーク電流値が5×10-5A/mm未満である、半導体装置。
A semiconductor device comprising a substrate, a semiconductor stacked structure, a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode,
The semiconductor stacked structure includes a first semiconductor layer made of a first nitride semiconductor formed on the substrate, and a first semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and having a band gap smaller than that of the first nitride semiconductor. a second semiconductor layer made of a large second nitride semiconductor;
When a reverse bias of 10 V is applied between the gate electrode and the source electrode and a forward bias of 100 V is applied between the source electrode and the drain electrode, the drain leak current value at an operating temperature of 400 K is 5. A semiconductor device having a power consumption of less than ×10 −5 A/mm.
前記ゲート電極と前記ソース電極との間に逆方向バイアスを10V印加し、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に順方向バイアスを100V印加したときの、動作温度500Kにおけるドレインリーク電流値が5×10-4A/mm未満である、請求項6に記載の半導体装置。 When a reverse bias of 10 V is applied between the gate electrode and the source electrode and a forward bias of 100 V is applied between the source electrode and the drain electrode, the drain leak current value at an operating temperature of 500 K is 5. 7. The semiconductor device according to claim 6, wherein the semiconductor device has an electric current of less than ×10 −4 A/mm. 前記ゲート電極と前記ソース電極との間に逆方向バイアスを10V印加し、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に順方向バイアスを100V印加したときの、動作温度600Kにおけるドレインリーク電流値が1×10-3A/mm未満である、請求項6又は7に記載の半導体装置。 When a reverse bias of 10 V is applied between the gate electrode and the source electrode and a forward bias of 100 V is applied between the source electrode and the drain electrode, the drain leak current value at an operating temperature of 600 K is 1. The semiconductor device according to claim 6 or 7, wherein the semiconductor device has an electric current of less than ×10 −3 A/mm. 基板、半導体積層構造、ソース電極、ゲート電極及びドレイン電極を備えた半導体装置であって、
前記半導体積層構造は、前記基板上に形成された第1の窒化物半導体からなる第1半導体層と、前記第1半導体層の上に形成され、前記第1の窒化物半導体よりもバンドギャップの大きな第2の窒化物半導体からなる第2半導体層と、を含み、
前記ゲート電極と前記ソース電極との間に逆方向バイアスを10V印加し、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に順方向バイアスを20V印加したときの、動作温度400Kにおけるドレインリーク電流値が3×10-5A/mm未満である、半導体装置。
A semiconductor device comprising a substrate, a semiconductor stacked structure, a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode,
The semiconductor stacked structure includes a first semiconductor layer made of a first nitride semiconductor formed on the substrate, and a first semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and having a band gap smaller than that of the first nitride semiconductor. a second semiconductor layer made of a large second nitride semiconductor;
When a reverse bias of 10 V is applied between the gate electrode and the source electrode and a forward bias of 20 V is applied between the source electrode and the drain electrode, the drain leak current value at an operating temperature of 400 K is 3. A semiconductor device having a power consumption of less than ×10 −5 A/mm.
前記ゲート電極と前記ソース電極との間に逆方向バイアスを10V印加し、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に順方向バイアスを20V印加したときの、動作温度500Kにおけるドレインリーク電流値が1.5×10-4A/mm以下である、請求項9に記載の半導体装置。 When a reverse bias of 10 V is applied between the gate electrode and the source electrode and a forward bias of 20 V is applied between the source electrode and the drain electrode, the drain leak current value at an operating temperature of 500 K is 1. 10. The semiconductor device according to claim 9, wherein the semiconductor device has an electric current of .5×10 −4 A/mm or less. 前記ゲート電極と前記ソース電極との間に逆方向バイアスを10V印加し、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に順方向バイアスを20V印加したときの、動作温度600Kにおけるドレインリーク電流値が1×10-3A/mm未満である、請求項9又は10に記載の半導体装置。 When a reverse bias of 10 V is applied between the gate electrode and the source electrode and a forward bias of 20 V is applied between the source electrode and the drain electrode, the drain leak current value at an operating temperature of 600 K is 1. The semiconductor device according to claim 9 or 10, wherein the semiconductor device has a conductivity of less than ×10 −3 A/mm. 前記第1の窒化物半導体は、GaNを含み、
前記第2の窒化物半導体は、AlGa1-xN(0<x<1)を含む、請求項1、3、6又は9に記載の半導体装置。
The first nitride semiconductor includes GaN,
10. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second nitride semiconductor includes Al x Ga 1-x N (0<x<1).
前記基板が、GaN基板である、請求項1、3、6又は9に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the substrate is a GaN substrate. 前記GaN基板の400Kにおける抵抗率が1×10Ωcm以上である、請求項13に記載の半導体装置。 14. The semiconductor device according to claim 13, wherein the resistivity of the GaN substrate at 400K is 1×10 7 Ωcm or more. 前記GaN基板の500Kにおける抵抗率が1×10Ωcm以上である、請求項13に記載の半導体装置。 14. The semiconductor device according to claim 13, wherein the GaN substrate has a resistivity of 1×10 6 Ωcm or more at 500K. 前記GaN基板の600Kにおける抵抗率が1×10Ωcm以上である、請求項13に記載の半導体装置。 14. The semiconductor device according to claim 13, wherein the GaN substrate has a resistivity of 1×10 5 Ωcm or more at 600K. 前記GaN基板が、CドープされたGaN基板である、請求項13に記載の半導体装置。 14. The semiconductor device according to claim 13, wherein the GaN substrate is a C-doped GaN substrate.
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