JP2024047542A - NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICE - Patent application - Google Patents

NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICE - Patent application Download PDF

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JP2024047542A JP2023117518A JP2023117518A JP2024047542A JP 2024047542 A JP2024047542 A JP 2024047542A JP 2023117518 A JP2023117518 A JP 2023117518A JP 2023117518 A JP2023117518 A JP 2023117518A JP 2024047542 A JP2024047542 A JP 2024047542A
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Abstract

Figure 2024047542000001

【課題】窒化物半導体装置において、他のデバイスパラメータに対する影響を抑制しつつ、ゲート閾値電圧を上昇させる。
【解決手段】窒化物半導体装置10は、窒化物半導体によって構成された電子走行層16と、電子走行層16上に形成され、電子走行層16よりも大きなバンドギャップを有する窒化物半導体によって構成された電子供給層18と、電子供給層18上に形成され、アクセプタ型不純物を含む窒化物半導体によって構成されたゲート層20と、ゲート層20上に形成されたゲート電極22と、電子供給層18上に形成されたソース電極26およびドレイン電極28とを備えている。ゲート層20は、ゲート電極22に接する上面20Aを含む。上面20Aは、Ga極性面である。
【選択図】図2

Figure 2024047542000001

In a nitride semiconductor device, the gate threshold voltage is increased while suppressing the effect on other device parameters.
[Solution] A nitride semiconductor device 10 includes an electron transit layer 16 made of a nitride semiconductor, an electron supply layer 18 formed on the electron transit layer 16 and made of a nitride semiconductor having a larger band gap than the electron transit layer 16, a gate layer 20 formed on the electron supply layer 18 and made of a nitride semiconductor containing acceptor-type impurities, a gate electrode 22 formed on the gate layer 20, and a source electrode 26 and a drain electrode 28 formed on the electron supply layer 18. The gate layer 20 includes an upper surface 20A in contact with the gate electrode 22. The upper surface 20A is a Ga-polar surface.
[Selected figure] Figure 2

Description

本開示は、窒化物半導体装置および窒化物半導体装置の製造方法に関する。 This disclosure relates to a nitride semiconductor device and a method for manufacturing a nitride semiconductor device.

現在、窒化ガリウム(GaN)等の窒化物半導体を用いた高電子移動度トランジスタ(High Electron Mobility Transistor,HEMT)の製品化が進んでいる。窒化物半導体HEMTは、例えば、窒化ガリウム(GaN)層によって構成された電子走行層と、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)層によって構成された電子供給層とを含む。電子走行層と電子供給層とがヘテロ接合を形成することにより、電子走行層と電子供給層との界面付近の電子走行層内に、HEMTのチャネルとして機能する二次元電子ガス(2DEG)が生じる。 Currently, high electron mobility transistors (HEMTs) using nitride semiconductors such as gallium nitride (GaN) are being commercialized. A nitride semiconductor HEMT includes, for example, an electron transit layer made of a gallium nitride (GaN) layer and an electron supply layer made of an aluminum gallium nitride (AlGaN) layer. The electron transit layer and the electron supply layer form a heterojunction, generating a two-dimensional electron gas (2DEG) that functions as a channel for the HEMT in the electron transit layer near the interface between the electron transit layer and the electron supply layer.

HEMTのノーマリーオフ動作を実現するために、ゲート電極と電子走行層との間にゲート層としてアクセプタ型不純物を含む窒化物半導体層(例えばp型GaN層)を設けることが知られている。特許文献1は、このようなノーマリーオフ型のHEMTを開示している。 To achieve normally-off operation of a HEMT, it is known to provide a nitride semiconductor layer (e.g., a p-type GaN layer) containing acceptor-type impurities as a gate layer between the gate electrode and the electron transport layer. Patent Document 1 discloses such a normally-off HEMT.

特開2017-73506号公報JP 2017-73506 A

[概要]
ノーマリーオフ型HEMTにおいて、他のデバイスパラメータ(例えば、オン抵抗、最大定格電圧など)に与える影響を抑制しつつ、ゲート閾値電圧を制御する技術が望まれている。
[overview]
In a normally-off type HEMT, a technique for controlling the gate threshold voltage while suppressing the influence on other device parameters (eg, on-resistance, maximum rated voltage, etc.) is desired.

本開示の一態様による窒化物半導体装置は、窒化物半導体によって構成された電子走行層と、前記電子走行層上に形成され、前記電子走行層よりも大きなバンドギャップを有する窒化物半導体によって構成された電子供給層と、前記電子供給層上に形成され、アクセプタ型不純物を含む窒化物半導体によって構成されたゲート層と、前記ゲート層上に形成されたゲート電極と、前記電子供給層上に形成されたソース電極およびドレイン電極とを備えている。前記ゲート層は、前記ゲート電極に接する上面を含む。前記上面は、Ga極性面である。 A nitride semiconductor device according to one aspect of the present disclosure includes an electron transit layer made of a nitride semiconductor, an electron supply layer formed on the electron transit layer and made of a nitride semiconductor having a band gap larger than that of the electron transit layer, a gate layer formed on the electron supply layer and made of a nitride semiconductor containing an acceptor-type impurity, a gate electrode formed on the gate layer, and a source electrode and a drain electrode formed on the electron supply layer. The gate layer includes an upper surface in contact with the gate electrode. The upper surface is a Ga polar surface.

本開示の一態様による窒化物半導体装置の製造方法は、窒化物半導体によって構成された電子走行層を形成すること、前記電子走行層上に、前記電子走行層よりも大きなバンドギャップを有する窒化物半導体によって構成された電子供給層を形成すること、前記電子供給層上に、アクセプタ型不純物を含む窒化物半導体によって構成されたゲート層を形成すること、前記ゲート層上にゲート電極を形成すること、前記電子供給層上にソース電極およびドレイン電極を形成することを含んでいる。前記ゲート層は、前記ゲート電極に接する上面を含む。前記上面は、Ga極性面である。 A method for manufacturing a nitride semiconductor device according to one aspect of the present disclosure includes forming an electron transit layer made of a nitride semiconductor, forming an electron supply layer made of a nitride semiconductor having a band gap larger than that of the electron transit layer on the electron transit layer, forming a gate layer made of a nitride semiconductor containing an acceptor-type impurity on the electron supply layer, forming a gate electrode on the gate layer, and forming a source electrode and a drain electrode on the electron supply layer. The gate layer includes an upper surface in contact with the gate electrode. The upper surface is a Ga-polar surface.

図1は、第1実施形態に係る例示的な窒化物半導体装置の概略平面図である。FIG. 1 is a schematic plan view of an exemplary nitride semiconductor device according to the first embodiment. 図2は、図1のF2-F2線に沿った窒化物半導体装置の概略断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the nitride semiconductor device taken along line F2-F2 in FIG. 図3(a)および図3(b)は、それぞれGa極性GaNおよびN極性GaNの結晶構造を示す模式図である。3(a) and 3(b) are schematic diagrams showing the crystal structures of Ga-polar GaN and N-polar GaN, respectively. 図4は、図2に示す窒化物半導体装置の例示的な製造工程を示す概略断面図である。4A to 4C are schematic cross-sectional views showing exemplary manufacturing steps for the nitride semiconductor device shown in FIG. 図5は、図4に示す工程に続く製造工程を示す概略断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing step subsequent to the step shown in FIG. 図6は、図5に示す工程に続く製造工程を示す概略断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing step subsequent to the step shown in FIG. 図7は、図6に示す工程に続く製造工程を示す概略断面図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing step subsequent to the step shown in FIG. 図8は、図7に示す工程に続く製造工程を示す概略断面図である。FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing step subsequent to the step shown in FIG. 図9は、図8に示す工程に続く製造工程を示す概略断面図である。FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing step subsequent to the step shown in FIG. 図10は、図9に示す工程に続く製造工程を示す概略断面図である。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing step subsequent to the step shown in FIG. 図11は、変更例に係る例示的な窒化物半導体装置の概略断面図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of an exemplary nitride semiconductor device according to a modified example. 図12は、第2実施形態に係る例示的な窒化物半導体装置の概略平面図である。FIG. 12 is a schematic plan view of an exemplary nitride semiconductor device according to the second embodiment. 図13は、図12のF13-F13線に沿った窒化物半導体装置の概略断面図である。FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of the nitride semiconductor device taken along line F13-F13 in FIG. 図14は、図13の一部を拡大して示す概略断面図である。FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing an enlarged portion of FIG. 図15は、図13の窒化物半導体装置において、2つのゲート層および2つのゲート電極に係る部分を示す概略断面図である。FIG. 15 is a schematic cross-sectional view showing a portion relating to two gate layers and two gate electrodes in the nitride semiconductor device of FIG. 図16は、比較例の窒化物半導体装置を示す概略断面図である。FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing a nitride semiconductor device of a comparative example. 図17は、図13の窒化物半導体装置の例示的な製造工程を示す概略断面図である。17A to 17C are schematic cross-sectional views showing exemplary manufacturing steps for the nitride semiconductor device of FIG. 図18は、図17に続く製造工程を示す概略断面図である。FIG. 18 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process subsequent to FIG. 図19は、図18に続く製造工程を示す概略断面図である。FIG. 19 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process subsequent to FIG. 図20は、図19に続く製造工程を示す概略断面図である。FIG. 20 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process subsequent to FIG. 図21は、図20に続く製造工程を示す概略断面図である。FIG. 21 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process subsequent to FIG. 図22は、図21に続く製造工程を示す概略断面図である。FIG. 22 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process subsequent to FIG. 図23は、図22に続く製造工程を示す概略断面図である。FIG. 23 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process subsequent to FIG. 図24は、図23に続く製造工程を示す概略断面図である。FIG. 24 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process subsequent to FIG. 図25は、図24に続く製造工程を示す概略断面図である。FIG. 25 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process subsequent to FIG. 図26は、図25に続く製造工程を示す概略断面図である。FIG. 26 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process subsequent to FIG. 図27は、図26に続く製造工程を示す概略断面図である。FIG. 27 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process subsequent to FIG. 図28は、図27に続く製造工程を示す概略断面図である。FIG. 28 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process following FIG. 図29は、第3実施形態に係る例示的な窒化物半導体装置の概略断面図である。FIG. 29 is a schematic cross-sectional view of an exemplary nitride semiconductor device according to the third embodiment. 図30は、図29の窒化物半導体装置の例示的な製造工程を示す概略断面図である。30A to 30C are schematic cross-sectional views showing exemplary manufacturing steps for the nitride semiconductor device of FIG. 図31は、図30に続く製造工程を示す概略断面図である。FIG. 31 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process subsequent to FIG. 図32は、変更例の窒化物半導体装置の概略断面図である。FIG. 32 is a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor device according to a modified example.

[詳細な説明]
以下、添付図面を参照して本開示の窒化物半導体装置のいくつかの実施形態を説明する。なお、説明を簡単かつ明確にするために、図面に示される構成要素は必ずしも一定の縮尺で描かれていない。また、理解を容易にするために、断面図では、ハッチング線が省略されている場合がある。添付の図面は、本開示の実施形態を例示するに過ぎず、本開示を制限するものとみなされるべきではない。
Detailed Description
Hereinafter, some embodiments of the nitride semiconductor device of the present disclosure will be described with reference to the accompanying drawings. Note that for simplicity and clarity of description, components shown in the drawings are not necessarily drawn to scale. Also, hatching lines may be omitted in cross-sectional views to facilitate understanding. The accompanying drawings are merely illustrative of embodiments of the present disclosure and should not be considered as limiting the present disclosure.

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

<第1実施形態>
(窒化物半導体装置の概略構造)
図1は、第1実施形態に係る例示的な窒化物半導体装置10の概略平面図である。図2は、図1のF2-F2線に沿った窒化物半導体装置10の概略断面図である。図2に示すように、窒化物半導体装置10は、半導体基板12と、半導体基板12上に形成されたバッファ層14とを含んでいてよい。図1および図2に示される互いに直交するXYZ軸のZ軸方向は、半導体基板12の面と直交する方向である。なお、本明細書において使用される「平面視」という用語は、明示的に別段の記載がない限り、Z軸方向に沿って上方から窒化物半導体装置10を視ることをいう。窒化物半導体装置10は、電子走行層16と、電子走行層16上に形成された電子供給層18とをさらに含む。
First Embodiment
(Schematic structure of nitride semiconductor device)
FIG. 1 is a schematic plan view of an exemplary nitride semiconductor device 10 according to the first embodiment. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the nitride semiconductor device 10 taken along line F2-F2 in FIG. 1. As shown in FIG. 2, the nitride semiconductor device 10 may include a semiconductor substrate 12 and a buffer layer 14 formed on the semiconductor substrate 12. The Z-axis direction of the mutually orthogonal XYZ axes shown in FIG. 1 and FIG. 2 is a direction orthogonal to the surface of the semiconductor substrate 12. Note that the term "planar view" used in this specification refers to viewing the nitride semiconductor device 10 from above along the Z-axis direction, unless otherwise expressly stated. The nitride semiconductor device 10 further includes an electron transit layer 16 and an electron supply layer 18 formed on the electron transit layer 16.

半導体基板12は、シリコン(Si)、シリコンカーバイド(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、サファイア、または他の基板材料によって形成することができる。一例では、半導体基板12は、Si基板であってよい。半導体基板12の厚さは、例えば200μm以上1500μm以下とすることができる。 The semiconductor substrate 12 may be formed of silicon (Si), silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), sapphire, or other substrate materials. In one example, the semiconductor substrate 12 may be a Si substrate. The thickness of the semiconductor substrate 12 may be, for example, 200 μm or more and 1500 μm or less.

バッファ層14は、1つまたは複数の窒化物半導体層を含んでいてよい。電子走行層16は、バッファ層14上に形成することができる。バッファ層14は、例えば半導体基板12と電子走行層16との間の熱膨張係数の不整合に起因する半導体基板12の反りや、窒化物半導体装置10におけるクラックの発生を抑制することができる任意の材料によって構成することができる。例えば、バッファ層14は、窒化アルミニウム(AlN)層、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)層、および異なるアルミニウム(Al)組成を有するグレーデッドAlGaN層のうちの少なくとも1つを含むことができる。例えば、バッファ層14は、単一のAlN層、単一のAlGaN層、AlGaN/GaN超格子構造を有する層、AlN/AlGaN超格子構造を有する層、またはAlN/GaN超格子構造を有する層によって構成されていてもよい。 The buffer layer 14 may include one or more nitride semiconductor layers. The electron transit layer 16 may be formed on the buffer layer 14. The buffer layer 14 may be made of any material that can suppress warping of the semiconductor substrate 12 caused by mismatching of the thermal expansion coefficient between the semiconductor substrate 12 and the electron transit layer 16, or the occurrence of cracks in the nitride semiconductor device 10. For example, the buffer layer 14 may include at least one of an aluminum nitride (AlN) layer, an aluminum gallium nitride (AlGaN) layer, and a graded AlGaN layer having a different aluminum (Al) composition. For example, the buffer layer 14 may be made of a single AlN layer, a single AlGaN layer, a layer having an AlGaN/GaN superlattice structure, a layer having an AlN/AlGaN superlattice structure, or a layer having an AlN/GaN superlattice structure.

一例において、バッファ層14は、半導体基板12上に形成されたAlN層である第1バッファ層と、AlN層上に形成されたAlGaN層である第2バッファ層を含むことができる。第1バッファ層は、例えば、200nmの厚さを有するAlN層であってよく、一方、第2バッファ層は、例えば、300nmの厚さを有するグレーデッドAlGaN層を複数回積層することによって形成されていてもよい。なお、バッファ層14におけるリーク電流を抑制するために、バッファ層14の一部に不純物を導入してバッファ層14を半絶縁性にしてもよい。その場合、不純物は、例えば炭素(C)または鉄(Fe)であり、不純物の濃度は、例えば4×1016cm-3以上とすることができる。 In one example, the buffer layer 14 may include a first buffer layer which is an AlN layer formed on the semiconductor substrate 12, and a second buffer layer which is an AlGaN layer formed on the AlN layer. The first buffer layer may be an AlN layer having a thickness of, for example, 200 nm, while the second buffer layer may be formed by stacking graded AlGaN layers having a thickness of, for example, 300 nm multiple times. In order to suppress leakage current in the buffer layer 14, impurities may be introduced into a part of the buffer layer 14 to make the buffer layer 14 semi-insulating. In this case, the impurity may be, for example, carbon (C) or iron (Fe), and the concentration of the impurity may be, for example, 4×10 16 cm −3 or more.

電子走行層16は、窒化物半導体によって構成されている。電子走行層16は、例えば、GaN層であってよい。電子走行層16の厚さは、例えば、0.5μm以上2μm以下とすることができる。なお、電子走行層16におけるリーク電流を抑制するために、電子走行層16の一部に不純物を導入することによって、電子走行層16の表層領域以外を半絶縁性にしてもよい。この場合、不純物は、例えばCであってよい。電子走行層16中の不純物濃度は、例えば4×1016cm-3以上とすることができる。すなわち、電子走行層16は、不純物濃度の異なる複数のGaN層、一例では、CドープGaN層と、ノンドープGaN層とを含むことができる。この場合、CドープGaN層は、バッファ層14上に形成されていてよい。CドープGaN層は、0.3μm以上2μm以下の厚さを有することができる。CドープGaN層中のC濃度は、5×1017cm-3以上9×1019cm-3以下とすることができる。ノンドープGaN層は、CドープGaN層上に形成され、0.05μm以上0.4μm以下の厚さを有することができる。ノンドープGaN層は、電子供給層18と接している。一例では、電子走行層16は、厚さ0.4μmのCドープGaN層と、厚さ0.4μmのノンドープGaN層とを含んでいてよい。また、CドープGaN層中のC濃度は約2×1019cm-3であってよい。 The electron transit layer 16 is made of a nitride semiconductor. The electron transit layer 16 may be, for example, a GaN layer. The thickness of the electron transit layer 16 may be, for example, 0.5 μm or more and 2 μm or less. In order to suppress leakage current in the electron transit layer 16, impurities may be introduced into a part of the electron transit layer 16 to make the electron transit layer 16 semi-insulating except for the surface layer region. In this case, the impurity may be, for example, C. The impurity concentration in the electron transit layer 16 may be, for example, 4×10 16 cm −3 or more. That is, the electron transit layer 16 may include a plurality of GaN layers having different impurity concentrations, for example, a C-doped GaN layer and a non-doped GaN layer. In this case, the C-doped GaN layer may be formed on the buffer layer 14. The C-doped GaN layer may have a thickness of 0.3 μm or more and 2 μm or less. The C concentration in the C-doped GaN layer may be 5×10 17 cm −3 or more and 9×10 19 cm −3 or less. The non-doped GaN layer may be formed on the C-doped GaN layer and have a thickness of 0.05 μm or more and 0.4 μm or less. The non-doped GaN layer is in contact with the electron supply layer 18. In one example, the electron transit layer 16 may include a C-doped GaN layer having a thickness of 0.4 μm and a non-doped GaN layer having a thickness of 0.4 μm. The C concentration in the C-doped GaN layer may be about 2×10 19 cm −3 .

電子供給層18は、電子走行層16よりも大きなバンドギャップを有する窒化物半導体によって構成されている。電子供給層18は、例えばAlGaN層であってよい。Al組成が大きいほどバンドギャップが大きくなるため、AlGaN層である電子供給層18は、GaN層である電子走行層16よりも大きなバンドギャップを有している。一例では、電子供給層18は、AlGa1-xNによって構成され、xは0.1<x<0.4であり、より好ましくは、0.1<x<0.3である。電子供給層18は、5nm以上20nm以下の厚さを有していてよい。一例では、電子供給層18は、8nm以上の厚さを有していてよい。 The electron supply layer 18 is made of a nitride semiconductor having a larger band gap than the electron transit layer 16. The electron supply layer 18 may be, for example, an AlGaN layer. Since the band gap increases as the Al composition increases, the electron supply layer 18, which is an AlGaN layer, has a larger band gap than the electron transit layer 16, which is a GaN layer. In one example, the electron supply layer 18 is made of Al x Ga 1-x N, where x is 0.1<x<0.4, and more preferably 0.1<x<0.3. The electron supply layer 18 may have a thickness of 5 nm or more and 20 nm or less. In one example, the electron supply layer 18 may have a thickness of 8 nm or more.

電子走行層16と電子供給層18とは、互いに異なる格子定数を有する窒化物半導体によって構成されている。したがって、電子走行層16を構成する窒化物半導体(例えば、GaN)と電子供給層18を構成する窒化物半導体(例えば、AlGaN)とは、格子不整合系のヘテロ接合を形成する。電子走行層16および電子供給層18の自発分極と、ヘテロ接合界面付近の結晶歪みに起因するピエゾ分極とによって、ヘテロ接合界面付近における電子走行層16の伝導帯のエネルギーレベルはフェルミ準位よりも低くなる。これにより、電子走行層16と電子供給層18とのヘテロ接合界面に近い位置(例えば、界面から数nm程度の範囲内)において電子走行層16内に二次元電子ガス(2DEG)が広がっている。なお、電子供給層18のAl組成および厚さのうちの少なくとも一方を増加させることにより、電子走行層16に生成される2DEGのシートキャリア密度を増加させることができる。 The electron transit layer 16 and the electron supply layer 18 are made of nitride semiconductors having different lattice constants. Therefore, the nitride semiconductor (e.g., GaN) constituting the electron transit layer 16 and the nitride semiconductor (e.g., AlGaN) constituting the electron supply layer 18 form a heterojunction of a lattice mismatch system. Due to spontaneous polarization of the electron transit layer 16 and the electron supply layer 18 and piezoelectric polarization caused by crystal distortion near the heterojunction interface, the energy level of the conduction band of the electron transit layer 16 near the heterojunction interface is lower than the Fermi level. As a result, two-dimensional electron gas (2DEG) spreads in the electron transit layer 16 at a position close to the heterojunction interface between the electron transit layer 16 and the electron supply layer 18 (for example, within a range of about several nm from the interface). In addition, by increasing at least one of the Al composition and thickness of the electron supply layer 18, the sheet carrier density of the 2DEG generated in the electron transit layer 16 can be increased.

(ゲート層およびゲート電極)
窒化物半導体装置10は、電子供給層18上に形成されたゲート層20と、ゲート層20上に形成されたゲート電極22とをさらに含む。ゲート層20は、電子供給層18の一部の上に形成されていてよい。
(Gate layer and gate electrode)
The nitride semiconductor device 10 further includes a gate layer 20 formed on the electron supply layer 18, and a gate electrode 22 formed on the gate layer 20. The gate layer 20 may be formed on a portion of the electron supply layer 18.

ゲート層20は、アクセプタ型不純物を含む窒化物半導体によって構成されている。本実施形態では、ゲート層20は、アクセプタ型不純物がドーピングされた窒化ガリウム層(p型GaN層)であってよい。アクセプタ型不純物は、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、および炭素(C)のうちの少なくとも1つを含むことができる。ゲート層20中のアクセプタ型不純物の最大濃度は、7×1018cm-3以上1×1020cm-3以下とすることができる。一例では、ゲート層20は、MgおよびZnのうちの少なくとも一方を不純物として含むGaNであってよい。ゲート層20のさらなる詳細については後述する。 The gate layer 20 is made of a nitride semiconductor containing an acceptor-type impurity. In this embodiment, the gate layer 20 may be a gallium nitride layer (p-type GaN layer) doped with an acceptor-type impurity. The acceptor-type impurity may include at least one of zinc (Zn), magnesium (Mg), and carbon (C). The maximum concentration of the acceptor-type impurity in the gate layer 20 may be 7×10 18 cm −3 or more and 1×10 20 cm −3 or less. In one example, the gate layer 20 may be GaN containing at least one of Mg and Zn as an impurity. Further details of the gate layer 20 will be described later.

ゲート電極22は、1つまたは複数の金属層によって構成されていてよい。一例では、ゲート電極22は、窒化チタン(TiN)層によって構成されていてよい。別の例では、ゲート電極22は、Tiからなる第1金属層と、第1金属層上に設けられたTiNからなる第2金属層とによって構成されていてもよい。ゲート電極22は、ゲート層20とショットキー接合を形成することができる。ゲート電極22は、平面視でゲート層20よりも小さい領域に形成され得る。ゲート電極22の厚さは、例えば、50nm以上200nm以下であってよい。 The gate electrode 22 may be composed of one or more metal layers. In one example, the gate electrode 22 may be composed of a titanium nitride (TiN) layer. In another example, the gate electrode 22 may be composed of a first metal layer made of Ti and a second metal layer made of TiN provided on the first metal layer. The gate electrode 22 can form a Schottky junction with the gate layer 20. The gate electrode 22 can be formed in an area smaller than the gate layer 20 in a plan view. The thickness of the gate electrode 22 may be, for example, 50 nm or more and 200 nm or less.

窒化物半導体装置10は、電子供給層18、ゲート層20、およびゲート電極22を覆うパッシベーション層24をさらに含んでいてよい。パッシベーション層24は、X軸方向に離隔された第1開口24Aおよび第2開口24Bを有している。ゲート層20は、第1開口24Aと第2開口24Bとの間に位置している。より詳細には、ゲート層20は、第1開口24Aと第2開口24Bとの間であって、第2開口24Bよりも第1開口24Aの近くに配置されていてよい。パッシベーション層24は、例えば、窒化シリコン(SiN)、二酸化シリコン(SiO)、酸窒化シリコン(SiON)、酸化アルミニウム(Al)、AlN、および酸窒化アルミニウム(AlON)のうちの少なくとも1つによって形成されていてよい。パッシベーション層24の厚さは、例えば、80nm以上150nm以下であってよい。 The nitride semiconductor device 10 may further include a passivation layer 24 covering the electron supply layer 18, the gate layer 20, and the gate electrode 22. The passivation layer 24 has a first opening 24A and a second opening 24B spaced apart in the X-axis direction. The gate layer 20 is located between the first opening 24A and the second opening 24B. More specifically, the gate layer 20 may be located between the first opening 24A and the second opening 24B, and closer to the first opening 24A than the second opening 24B. The passivation layer 24 may be formed of at least one of silicon nitride (SiN), silicon dioxide (SiO 2 ), silicon oxynitride (SiON), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), AlN, and aluminum oxynitride (AlON). The thickness of the passivation layer 24 may be, for example, 80 nm or more and 150 nm or less.

(ソース電極およびドレイン電極)
窒化物半導体装置10は、第1開口24Aを介して電子供給層18に接しているソース電極26と、第2開口24Bを介して電子供給層18に接しているドレイン電極28とをさらに含む。ソース電極26およびドレイン電極28は、1つまたは複数の金属層(例えば、Ti層、TiN層、Al層、AlSiCu層、およびAlCu層などの任意の組み合わせ)によって構成することができる。
(Source and drain electrodes)
The nitride semiconductor device 10 further includes a source electrode 26 in contact with the electron supply layer 18 through the first opening 24A, and a drain electrode 28 in contact with the electron supply layer 18 through the second opening 24B. The source electrode 26 and the drain electrode 28 can be formed of one or more metal layers (e.g., any combination of a Ti layer, a TiN layer, an Al layer, an AlSiCu layer, an AlCu layer, etc.).

ソース電極26の少なくとも一部は、第1開口24A内に充填されているので、第1開口24Aを介して電子供給層18直下の2DEGとオーミック接触することができる。同様に、ドレイン電極28の少なくとも一部は、第2開口24B内に充填されているので、第2開口24Bを介して電子供給層18直下の2DEGとオーミック接触することができる。 At least a portion of the source electrode 26 is filled in the first opening 24A, and therefore can make ohmic contact with the 2DEG directly below the electron supply layer 18 through the first opening 24A. Similarly, at least a portion of the drain electrode 28 is filled in the second opening 24B, and therefore can make ohmic contact with the 2DEG directly below the electron supply layer 18 through the second opening 24B.

(フィールドプレート電極)
窒化物半導体装置10は、任意選択で、パッシベーション層24上に形成され、かつ平面視でゲート層20とドレイン電極28との間の領域に少なくとも部分的に延在するフィールドプレート電極30をさらに含んでいてよい。図2に示す例では、フィールドプレート電極30は、ソース電極26と一体的に形成されている。一体的に形成された電極のうち、ソース電極26は、少なくともパッシベーション層24の第1開口24Aに埋設された部分を含んでいてよく、フィールドプレート電極30は、残りの部分を含んでいてよい。なお、フィールドプレート電極30は、ソース電極26に電気的に接続されるだけでよく、必ずしもソース電極26と連続していなくてもよい。
(field plate electrode)
The nitride semiconductor device 10 may optionally further include a field plate electrode 30 formed on the passivation layer 24 and extending at least partially into a region between the gate layer 20 and the drain electrode 28 in a plan view. In the example shown in FIG. 2, the field plate electrode 30 is formed integrally with the source electrode 26. Of the electrodes formed integrally, the source electrode 26 may include at least a portion embedded in the first opening 24A of the passivation layer 24, and the field plate electrode 30 may include the remaining portion. Note that the field plate electrode 30 may only be electrically connected to the source electrode 26 and may not necessarily be continuous with the source electrode 26.

フィールドプレート電極30は、ドレイン電極28から離隔されている。フィールドプレート電極30は、平面視でドレイン電極28(第2開口24B)とゲート層20との間に位置する端部30Aを含んでいてよい。 The field plate electrode 30 is spaced apart from the drain electrode 28. The field plate electrode 30 may include an end 30A located between the drain electrode 28 (second opening 24B) and the gate layer 20 in a plan view.

フィールドプレート電極30は、ゲート電極22にゲート電圧が印加されていないゼロバイアスの状態でドレイン電極28にドレイン電圧が印加された場合に、ゲート電極22の端部近傍の電界集中を緩和させることができる。 The field plate electrode 30 can reduce electric field concentration near the end of the gate electrode 22 when a drain voltage is applied to the drain electrode 28 in a zero bias state where no gate voltage is applied to the gate electrode 22.

(窒化物半導体装置の平面レイアウト)
次に、図1を参照して、窒化物半導体装置10の平面レイアウトの一例について説明する。図1では、ゲート電極22、ソース電極26、ドレイン電極28、およびフィールドプレート電極30は破線で描かれている。また、パッシベーション層24については、第1開口24Aおよび第2開口24Bが実線で描かれており、それ以外の部分は透過的に示されている。
(Plane layout of nitride semiconductor device)
Next, an example of a planar layout of the nitride semiconductor device 10 will be described with reference to Fig. 1. In Fig. 1, the gate electrode 22, the source electrode 26, the drain electrode 28, and the field plate electrode 30 are depicted by dashed lines. In addition, for the passivation layer 24, a first opening 24A and a second opening 24B are depicted by solid lines, and the other portions are shown transparently.

図1に示されるように、ゲート層20は、平面視において、ドレイン電極28を取り囲むように形成されていてよい。ゲート層20は、Y軸方向に延びる本体部60と、隣り合う2つの本体部60を接続する接続部62とを含んでいてよい。ゲート層20の本体部60は、パッシベーション層24の第1開口24Aと第2開口24Bとの間に配置されている。 As shown in FIG. 1, the gate layer 20 may be formed to surround the drain electrode 28 in a plan view. The gate layer 20 may include a body portion 60 extending in the Y-axis direction and a connection portion 62 connecting two adjacent body portions 60. The body portion 60 of the gate layer 20 is disposed between the first opening 24A and the second opening 24B of the passivation layer 24.

ゲート電極22は、平面視において、ゲート層20と重なるように配置されている。したがって、ゲート電極22は、ゲート層20と同様、平面視において、ドレイン電極28を取り囲むように形成されていてよい。ゲート電極22は、Y軸方向に延びる本体部64と、隣り合う2つの本体部64を接続する接続部66とを含んでいてよい。ゲート電極22は、平面視でゲート層20よりも小さい面積を有していてよい。 The gate electrode 22 is arranged so as to overlap the gate layer 20 in a planar view. Thus, like the gate layer 20, the gate electrode 22 may be formed so as to surround the drain electrode 28 in a planar view. The gate electrode 22 may include a main body portion 64 extending in the Y-axis direction and a connection portion 66 that connects two adjacent main body portions 64. The gate electrode 22 may have an area smaller than that of the gate layer 20 in a planar view.

窒化物半導体装置10は、ゲート配線68、ソース配線70、およびドレイン配線72を含んでいてよい。図1では、ゲート配線68、ソース配線70、およびドレイン配線72は、一点鎖線で描かれている。ゲート配線68、ソース配線70、およびドレイン配線72は、Z軸方向においてソース電極26およびドレイン電極28よりも上方に位置している。ゲート配線68は、X軸方向に延びるとともに、ゲート電極22の接続部66の上方に配置されていてよい。ソース配線70およびドレイン配線72は、X軸方向に延びるとともに、それぞれ平面視でソース電極26およびドレイン電極28と交差するように配置されていてよい。一例では、ゲート電極22は、接続部66上に配置されたビア74を介してゲート配線68に電気的に接続されていてよい。ソース電極26は、ビア76を介してソース配線70に電気的に接続されていてよい。ドレイン電極28は、ビア78を介してドレイン配線72に電気的に接続されていてよい。 The nitride semiconductor device 10 may include a gate wiring 68, a source wiring 70, and a drain wiring 72. In FIG. 1, the gate wiring 68, the source wiring 70, and the drain wiring 72 are depicted by dashed lines. The gate wiring 68, the source wiring 70, and the drain wiring 72 are located above the source electrode 26 and the drain electrode 28 in the Z-axis direction. The gate wiring 68 may extend in the X-axis direction and be disposed above the connection portion 66 of the gate electrode 22. The source wiring 70 and the drain wiring 72 may extend in the X-axis direction and be disposed so as to intersect with the source electrode 26 and the drain electrode 28 in a plan view, respectively. In one example, the gate electrode 22 may be electrically connected to the gate wiring 68 through a via 74 disposed on the connection portion 66. The source electrode 26 may be electrically connected to the source wiring 70 through a via 76. The drain electrode 28 may be electrically connected to the drain wiring 72 through a via 78.

窒化物半導体装置10の平面レイアウトは、図1に示す例に限られない。任意の他の平面レイアウトを窒化物半導体装置10に適用することができる。
(ゲート層の詳細)
再び図2を参照すると、ゲート層20は、ゲート電極22に接する第1GaN層32と、電子供給層18に接する第2GaN層34とを含んでいてよい。第1GaN層32は、Ga極性GaNによって構成されている。また、第2GaN層34は、N極性GaNによって構成されている。
The planar layout of the nitride semiconductor device 10 is not limited to the example shown in Fig. 1. Any other planar layout may be applied to the nitride semiconductor device 10.
(Details of the gate layer)
2, the gate layer 20 may include a first GaN layer 32 in contact with the gate electrode 22 and a second GaN layer 34 in contact with the electron supply layer 18. The first GaN layer 32 is made of Ga-polar GaN. The second GaN layer 34 is made of N-polar GaN.

ウルツ鉱型構造を有するGaN結晶では、Ga原子とN原子とが[0001]方向に延びるc軸方向に互いに僅かにずれて配列されているため、結晶構造が非対称性を有している。この非対称性により分極が生じ、結果として、GaN結晶のc面((0001)面)は極性面となっている。Ga原子が最表面に位置するように結晶成長が進むことにより得られるGaNをGa極性GaNと呼び、Ga極性GaNの上面をGa極性面と呼ぶ。一方、N原子が最表面に位置するように結晶成長が進むことにより得られるGaNをN極性GaNと呼び、N極性GaNの上面をN極性面と呼ぶ。 In GaN crystals with a wurtzite structure, Ga atoms and N atoms are arranged slightly offset from each other in the c-axis direction extending in the [0001] direction, resulting in an asymmetric crystal structure. This asymmetry causes polarization, and as a result, the c-plane ((0001) plane) of the GaN crystal is a polar plane. GaN obtained by crystal growth proceeding so that Ga atoms are located at the top surface is called Ga-polar GaN, and the top surface of Ga-polar GaN is called a Ga-polar plane. On the other hand, GaN obtained by crystal growth proceeding so that N atoms are located at the top surface is called N-polar GaN, and the top surface of N-polar GaN is called an N-polar plane.

図3(a)および図3(b)は、それぞれGa極性GaNおよびN極性GaNの結晶構造を示す模式図である。図3中の矢印は、GaN結晶の成長方向を示している。図3(a)に示すように、Ga極性GaNでは、成長方向において、Ga原子がN原子よりも上方に位置している。また、図3(b)に示すように、N極性GaNでは、成長方向において、N原子がGa原子よりも上方に位置している。このようなGa原子およびN原子の配置は、例えば、球面収差補正走査透過型電子顕微鏡によってGaN結晶を観察することによって識別することが可能である。 Figures 3(a) and 3(b) are schematic diagrams showing the crystal structures of Ga-polar GaN and N-polar GaN, respectively. The arrows in Figure 3 indicate the growth direction of the GaN crystal. As shown in Figure 3(a), in Ga-polar GaN, the Ga atoms are located above the N atoms in the growth direction. As shown in Figure 3(b), in N-polar GaN, the N atoms are located above the Ga atoms in the growth direction. Such arrangements of Ga atoms and N atoms can be identified by observing the GaN crystal with, for example, a spherical aberration corrected scanning transmission electron microscope.

再び図2を参照して、ゲート層20は、ゲート電極22に接する上面20Aと、電子供給層18に接する底面20Bとを含んでいる。ゲート層20は、電子供給層18上に成長するため、ゲート層20の底面20Bから上面20Aに向かう方向(図2のZ軸方向)が、ゲート層20の成長方向である。 Referring again to FIG. 2, the gate layer 20 includes an upper surface 20A in contact with the gate electrode 22 and a bottom surface 20B in contact with the electron supply layer 18. Since the gate layer 20 grows on the electron supply layer 18, the direction from the bottom surface 20B toward the upper surface 20A of the gate layer 20 (the Z-axis direction in FIG. 2) is the growth direction of the gate layer 20.

ゲート層20の上面20Aは、Ga極性GaNである第1GaN層32の上面に相当する。したがって、ゲート層20の上面20Aは、Ga極性面である。ゲート電極22は、Ga極性面であるゲート層20の上面20Aに接している。ゲート層20の上面20Aは、ゲート電極22とショットキー接合を形成している。一方、ゲート層20の底面20Bは、N極性GaNである第2GaN層34の底面に相当する。したがって、ゲート層20の底面20Bは、Ga極性面である。電子供給層18は、Ga極性面であるゲート層20の底面20Bに接している。 The top surface 20A of the gate layer 20 corresponds to the top surface of the first GaN layer 32, which is Ga-polar GaN. Therefore, the top surface 20A of the gate layer 20 is a Ga-polar surface. The gate electrode 22 contacts the top surface 20A of the gate layer 20, which is a Ga-polar surface. The top surface 20A of the gate layer 20 forms a Schottky junction with the gate electrode 22. On the other hand, the bottom surface 20B of the gate layer 20 corresponds to the bottom surface of the second GaN layer 34, which is N-polar GaN. Therefore, the bottom surface 20B of the gate layer 20 is a Ga-polar surface. The electron supply layer 18 contacts the bottom surface 20B of the gate layer 20, which is a Ga-polar surface.

ゲート層20中、第1GaN層32と第2GaN層34との界面において、GaN結晶の極性が反転している。なお、第1GaN層32と第2GaN層34の界面は、必ずしも平坦でなくてもよい。第1GaN層32と第2GaN層34との間に、異なる極性のGaNが混在する中間層が存在していてもよい。 In the gate layer 20, the polarity of the GaN crystal is inverted at the interface between the first GaN layer 32 and the second GaN layer 34. The interface between the first GaN layer 32 and the second GaN layer 34 does not necessarily have to be flat. An intermediate layer containing GaN of different polarities may be present between the first GaN layer 32 and the second GaN layer 34.

第1GaN層32は、第2GaN層34よりも薄くてもよい。一例では、ゲート層20は、100nm以上150nm未満の厚さを有し、第1GaN層32は、5nm以上30nm未満の厚さを有していてよい。 The first GaN layer 32 may be thinner than the second GaN layer 34. In one example, the gate layer 20 may have a thickness of 100 nm or more and less than 150 nm, and the first GaN layer 32 may have a thickness of 5 nm or more and less than 30 nm.

一例では、第1GaN層32は、第2GaN層34よりも高い濃度で水素を含んでいてもよい。これは、後述する第1GaN層32の成長に用いられるキャリアガスと、第2GaN層34の成長に用いられるキャリアガスとの違いに起因し得る。 In one example, the first GaN layer 32 may contain a higher concentration of hydrogen than the second GaN layer 34. This may be due to a difference between the carrier gas used to grow the first GaN layer 32 and the carrier gas used to grow the second GaN layer 34, which will be described later.

第2GaN層34は、第1GaN層32に覆われたリッジ部36と、リッジ部36よりも薄い第1延在部38および第2延在部40とを含んでいてよい。リッジ部36は、第2GaN層34の上面34Aを含む。第1GaN層32は、第2GaN層34の上面34A上に形成されていてよい。リッジ部36、第1延在部38、および第2延在部40は、いずれも電子供給層18に接している。第1延在部38および第2延在部40は、平面視でリッジ部36から外側に延びている。なお、本開示では、第1延在部38および第2延在部40の各々を、単に「延在部」とも呼ぶ。別の例では、ゲート層20は、第1延在部38および第2延在部40のうちの少なくとも一方を含んでいてもよい。ゲート層20が第1延在部38および第2延在部40のうちの少なくとも一方を含むことにより、ゲート層20内の局所的な電界集中を抑制することができる。なお、図1においては、第1延在部38および第2延在部40は省略されている。 The second GaN layer 34 may include a ridge portion 36 covered by the first GaN layer 32, and a first extension portion 38 and a second extension portion 40 that are thinner than the ridge portion 36. The ridge portion 36 includes an upper surface 34A of the second GaN layer 34. The first GaN layer 32 may be formed on the upper surface 34A of the second GaN layer 34. The ridge portion 36, the first extension portion 38, and the second extension portion 40 are all in contact with the electron supply layer 18. The first extension portion 38 and the second extension portion 40 extend outward from the ridge portion 36 in a planar view. In this disclosure, each of the first extension portion 38 and the second extension portion 40 is also simply referred to as an "extension portion." In another example, the gate layer 20 may include at least one of the first extension portion 38 and the second extension portion 40. By including at least one of the first extension portion 38 and the second extension portion 40 in the gate layer 20, localized electric field concentration in the gate layer 20 can be suppressed. Note that the first extension portion 38 and the second extension portion 40 are omitted in FIG. 1.

第1延在部38は、リッジ部36から第1開口24Aに向かって延びている。第1開口24Aに埋め込まれたソース電極26と第1延在部38との間には、パッシベーション層24が配置されている。 The first extension 38 extends from the ridge portion 36 toward the first opening 24A. A passivation layer 24 is disposed between the source electrode 26 embedded in the first opening 24A and the first extension 38.

第2延在部40は、リッジ部36から第2開口24Bに向かって延びている。第2開口24Bに埋め込まれたドレイン電極28と第2延在部40との間には、パッシベーション層24が配置されている。 The second extension 40 extends from the ridge portion 36 toward the second opening 24B. A passivation layer 24 is disposed between the drain electrode 28 embedded in the second opening 24B and the second extension 40.

リッジ部36は、第1延在部38と第2延在部40との間にあり、第1延在部38および第2延在部40と一体的に形成されている。第1延在部38および第2延在部40の存在により、ゲート層20の底面20Bは、上面20Aよりも大きな面積を有している。図2に示す例では、第2延在部40は、第1延在部38よりも、平面視でリッジ部36の外側に向けて長く延びていてよい。すなわち、第2延在部40は、第1延在部38よりも大きいX軸方向の寸法を有していてよい。第1延在部38は、X軸方向において、例えば0.2μm以上0.3μm以下の寸法を有し得る。一方、第2延在部40は、X軸方向において、例えば0.2μm以上0.6μm以下の寸法を有し得る。 The ridge portion 36 is between the first extension portion 38 and the second extension portion 40, and is formed integrally with the first extension portion 38 and the second extension portion 40. Due to the presence of the first extension portion 38 and the second extension portion 40, the bottom surface 20B of the gate layer 20 has a larger area than the top surface 20A. In the example shown in FIG. 2, the second extension portion 40 may extend longer toward the outside of the ridge portion 36 in a planar view than the first extension portion 38. That is, the second extension portion 40 may have a dimension in the X-axis direction larger than that of the first extension portion 38. The first extension portion 38 may have a dimension in the X-axis direction of, for example, 0.2 μm or more and 0.3 μm or less. On the other hand, the second extension portion 40 may have a dimension in the X-axis direction of, for example, 0.2 μm or more and 0.6 μm or less.

リッジ部36は、第2GaN層34の比較的厚い部分に相当する。リッジ部36は、例えば、80nm以上150nm以下の厚さを有していてよい。一例では、リッジ部36は、110nmよりも大きい厚さを有していてよい。 The ridge portion 36 corresponds to a relatively thick portion of the second GaN layer 34. The ridge portion 36 may have a thickness of, for example, 80 nm or more and 150 nm or less. In one example, the ridge portion 36 may have a thickness greater than 110 nm.

第1延在部38および第2延在部40の各々は、リッジ部36の厚さよりも小さい厚さを有している。一例では、第1延在部38および第2延在部40の各々は、リッジ部36の厚さの半分以下の厚さを有していてよい。 Each of the first extension portion 38 and the second extension portion 40 has a thickness that is smaller than the thickness of the ridge portion 36. In one example, each of the first extension portion 38 and the second extension portion 40 may have a thickness that is less than half the thickness of the ridge portion 36.

第1延在部38は、略一定の厚さを有する第1ステップ部42と、第1ステップ部42をリッジ部36に接続する第1中間部44とを含んでいてよい。なお、本明細書において「略一定の厚さ」とは、厚さが製造上のばらつき(例えば、20%)の範囲内にあることを指す。一例では、第1ステップ部42の厚さは、5nm以上25nm以下であってよい。第1中間部44の厚さは、第1ステップ部42の厚さ以上リッジ部36の厚さ未満であってよい。 The first extension portion 38 may include a first step portion 42 having a substantially constant thickness, and a first intermediate portion 44 connecting the first step portion 42 to the ridge portion 36. In this specification, "substantially constant thickness" refers to the thickness being within the range of manufacturing variation (e.g., 20%). In one example, the thickness of the first step portion 42 may be 5 nm or more and 25 nm or less. The thickness of the first intermediate portion 44 may be greater than or equal to the thickness of the first step portion 42 and less than the thickness of the ridge portion 36.

同様に、第2延在部40は、略一定の厚さを有する第2ステップ部46と、第2ステップ部46をリッジ部36に接続する第2中間部48とを含んでいてよい。一例では、第2ステップ部46の厚さは、5nm以上25nm以下であってよい。第2中間部48の厚さは、第2ステップ部46の厚さ以上リッジ部36の厚さ未満であってよい。第2ステップ部46は、第1ステップ部42と同じ厚さを有していてよい。 Similarly, the second extension portion 40 may include a second step portion 46 having a substantially constant thickness, and a second intermediate portion 48 connecting the second step portion 46 to the ridge portion 36. In one example, the thickness of the second step portion 46 may be 5 nm or more and 25 nm or less. The thickness of the second intermediate portion 48 may be greater than or equal to the thickness of the second step portion 46 and less than the thickness of the ridge portion 36. The second step portion 46 may have the same thickness as the first step portion 42.

第1延在部38は、N極性GaNによって構成されている。したがって、第1延在部38は、少なくとも一部がN極性面である上面38Aを含んでいてよい。より詳細には、第1延在部38の上面38Aのうち、第1ステップ部42に含まれる部分が、N極性面であってよい。 The first extension 38 is made of N-polar GaN. Therefore, the first extension 38 may include an upper surface 38A, at least a portion of which is an N-polar surface. More specifically, the portion of the upper surface 38A of the first extension 38 that is included in the first step portion 42 may be an N-polar surface.

第2延在部40は、N極性GaNによって構成されている。したがって、第2延在部40は、少なくとも一部がN極性面である上面40Aを含んでいてよい。より詳細には、第2延在部40の上面40Aのうち、第2ステップ部46に含まれる部分が、N極性面であってよい。 The second extension portion 40 is made of N-polar GaN. Therefore, the second extension portion 40 may include an upper surface 40A, at least a portion of which is an N-polar surface. More specifically, the portion of the upper surface 40A of the second extension portion 40 that is included in the second step portion 46 may be an N-polar surface.

(窒化物半導体装置の製造方法)
次に、図2に示す窒化物半導体装置10の製造方法の一例を説明する。図4~図10は、窒化物半導体装置10の例示的な製造工程を示す概略断面図である。なお、理解を容易にするために、図4~図10では、図2の構成要素と同様な構成要素には同一の符号が付されている。
(Method of Manufacturing a Nitride Semiconductor Device)
Next, an example of a method for manufacturing the nitride semiconductor device 10 shown in Fig. 2 will be described. Fig. 4 to Fig. 10 are schematic cross-sectional views showing exemplary manufacturing steps for the nitride semiconductor device 10. For ease of understanding, in Fig. 4 to Fig. 10, the same components as those in Fig. 2 are denoted by the same reference numerals.

窒化物半導体装置10の製造方法は、窒化物半導体によって構成された電子走行層16を形成すること、電子走行層16上に、電子走行層16よりも大きなバンドギャップを有する窒化物半導体によって構成された電子供給層18を形成することを含む。 The method for manufacturing the nitride semiconductor device 10 includes forming an electron transit layer 16 made of a nitride semiconductor, and forming an electron supply layer 18 made of a nitride semiconductor having a larger band gap than the electron transit layer 16 on the electron transit layer 16.

図4に示すように、例えばSi基板である半導体基板12上に、バッファ層14が形成され、次いで、バッファ層14上に電子走行層16が形成されてよい。バッファ層14、電子走行層16、および電子供給層18は、有機金属気相成長(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)法を用いてエピタキシャル成長させることができる。 As shown in FIG. 4, a buffer layer 14 may be formed on a semiconductor substrate 12, which may be, for example, a Si substrate, and then an electron transit layer 16 may be formed on the buffer layer 14. The buffer layer 14, the electron transit layer 16, and the electron supply layer 18 may be epitaxially grown using a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method.

詳細な図示は省略するが、一例では、バッファ層14は多層バッファ層であってよい。多層バッファ層は、半導体基板12上に形成されたAlN層(第1バッファ層)と、AlN層上に形成されたグレーデッドAlGaN層(第2バッファ層)とを含み得る。グレーデッドAlGaN層は、例えば、AlN層に近い側から順にAl組成を75%、50%、25%とした3つのAlGaN層を積層することによって形成することができる。 Although detailed illustration is omitted, in one example, the buffer layer 14 may be a multi-layer buffer layer. The multi-layer buffer layer may include an AlN layer (first buffer layer) formed on the semiconductor substrate 12 and a graded AlGaN layer (second buffer layer) formed on the AlN layer. The graded AlGaN layer may be formed, for example, by stacking three AlGaN layers with Al compositions of 75%, 50%, and 25%, in that order, from the side closest to the AlN layer.

バッファ層14上に形成される電子走行層16は、GaN層であってよい。電子走行層16上に形成される電子供給層18は、AlGaN層であってよい。したがって、電子供給層18は、電子走行層16よりも大きなバンドギャップを有する窒化物半導体によって構成されている。 The electron transit layer 16 formed on the buffer layer 14 may be a GaN layer. The electron supply layer 18 formed on the electron transit layer 16 may be an AlGaN layer. Therefore, the electron supply layer 18 is composed of a nitride semiconductor having a larger band gap than the electron transit layer 16.

窒化物半導体装置10の製造方法は、電子供給層18上に、アクセプタ型不純物を含む窒化物半導体によって構成されたゲート層20を形成すること、ゲート層20上にゲート電極22を形成すること、電子供給層18上にソース電極26およびドレイン電極28を形成することをさらに含む。 The method for manufacturing the nitride semiconductor device 10 further includes forming a gate layer 20 made of a nitride semiconductor containing acceptor-type impurities on the electron supply layer 18, forming a gate electrode 22 on the gate layer 20, and forming a source electrode 26 and a drain electrode 28 on the electron supply layer 18.

図5は、図4に示す工程に続く製造工程を示す概略断面図である。図5に示すように、電子供給層18上に第1窒化物半導体層50が形成され、次いで、第1窒化物半導体層50上に第2窒化物半導体層52が形成される。第1窒化物半導体層50および第2窒化物半導体層52は、MOCVD法を用いてエピタキシャル成長させることができる。第1窒化物半導体層50および第2窒化物半導体層52は、アクセプタ型不純物を含む窒化物半導体によって構成されていてよい。一例では、第1窒化物半導体層50および第2窒化物半導体層52を成長させる間にマグネシウムをドーピングすることによって、アクセプタ型不純物を含む第1窒化物半導体層50および第2窒化物半導体層52を形成することができる。第1窒化物半導体層50および第2窒化物半導体層52にドーピングされるマグネシウムの量は、例えば、成長チャンバ内に導入されるドーピングガス(例えば、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(CpMg))の流量、成長温度などを制御することにより調整することができる。一例では、第1窒化物半導体層50および第2窒化物半導体層52は、1×1018cm-3以上1×1020cm-3未満の濃度のマグネシウムを不純物として含んでいてよい。 FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process following the process shown in FIG. 4. As shown in FIG. 5, a first nitride semiconductor layer 50 is formed on the electron supply layer 18, and then a second nitride semiconductor layer 52 is formed on the first nitride semiconductor layer 50. The first nitride semiconductor layer 50 and the second nitride semiconductor layer 52 can be epitaxially grown using the MOCVD method. The first nitride semiconductor layer 50 and the second nitride semiconductor layer 52 may be composed of a nitride semiconductor containing an acceptor-type impurity. In one example, the first nitride semiconductor layer 50 and the second nitride semiconductor layer 52 containing an acceptor-type impurity can be formed by doping with magnesium during the growth of the first nitride semiconductor layer 50 and the second nitride semiconductor layer 52. The amount of magnesium doped into the first nitride semiconductor layer 50 and the second nitride semiconductor layer 52 can be adjusted, for example, by controlling the flow rate of a doping gas (e.g., biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg)) introduced into the growth chamber, the growth temperature, and the like. In one example, the first nitride semiconductor layer 50 and the second nitride semiconductor layer 52 may contain magnesium as an impurity at a concentration of not less than 1×10 18 cm −3 and less than 1×10 20 cm −3 .

第1窒化物半導体層50および第2窒化物半導体層52は、いずれもGaNから形成されていてよい。GaNの成長において用いられるキャリアガスを制御することにより、極性の異なる第1窒化物半導体層50および第2窒化物半導体層52を形成することができる。具体的には、第1窒化物半導体層50は、キャリアガスとして窒素(N)を用いて成長させたN極性GaNであり、第2窒化物半導体層52は、キャリアガスとして水素(H)を用いて成長させたGa極性GaNである。なお、図2に示す第1GaN層32は、第2窒化物半導体層52の一部から形成され、一方、第2GaN層34は、第1窒化物半導体層50の一部から形成されている。 The first nitride semiconductor layer 50 and the second nitride semiconductor layer 52 may both be formed of GaN. By controlling the carrier gas used in the growth of GaN, the first nitride semiconductor layer 50 and the second nitride semiconductor layer 52 with different polarities can be formed. Specifically, the first nitride semiconductor layer 50 is N-polarity GaN grown using nitrogen (N 2 ) as a carrier gas, and the second nitride semiconductor layer 52 is Ga-polarity GaN grown using hydrogen (H 2 ) as a carrier gas. The first GaN layer 32 shown in FIG. 2 is formed from a part of the second nitride semiconductor layer 52, while the second GaN layer 34 is formed from a part of the first nitride semiconductor layer 50.

電子供給層18上でGaN結晶成長が開始される際には、キャリアガスとしてNが用いられる。キャリアガスとしてNが用いられている間は、N原子が最表面に位置するようにGaN結晶の成長が進行する。次いで、キャリアガスをNからHに切り替えることにより、Ga原子が最表面に位置するようにGaN結晶の成長が進行する。これにより、まずN極性GaNである第1窒化物半導体層50を電子供給層18上に形成し、次いで、Ga極性GaNである第2窒化物半導体層52を第1窒化物半導体層50上に形成することができる。一例では、第2窒化物半導体層52は、第1窒化物半導体層50よりも薄くなるように形成されてよい。N極性GaNである第1窒化物半導体層50の膜厚均一性は、Ga極性GaNである第2窒化物半導体層52よりも良好である。 When GaN crystal growth is started on the electron supply layer 18, N 2 is used as a carrier gas. While N 2 is used as a carrier gas, GaN crystal growth proceeds so that N atoms are located on the top surface. Next, by switching the carrier gas from N 2 to H 2 , GaN crystal growth proceeds so that Ga atoms are located on the top surface. This allows the first nitride semiconductor layer 50, which is N-polarity GaN, to be formed on the electron supply layer 18, and then the second nitride semiconductor layer 52, which is Ga-polarity GaN, to be formed on the first nitride semiconductor layer 50. In one example, the second nitride semiconductor layer 52 may be formed to be thinner than the first nitride semiconductor layer 50. The thickness uniformity of the first nitride semiconductor layer 50, which is N-polarity GaN, is better than that of the second nitride semiconductor layer 52, which is Ga-polarity GaN.

図6は、図5に示す工程に続く製造工程を示す概略断面図である。図6に示すように、第2窒化物半導体層52上にゲート電極22が形成される。ゲート電極22は、第2窒化物半導体層52上に、金属層(図示略)を形成し、次いで当該金属層をリソグラフィおよびエッチングによって選択的に除去することによって形成することができる。 Figure 6 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process following the process shown in Figure 5. As shown in Figure 6, a gate electrode 22 is formed on the second nitride semiconductor layer 52. The gate electrode 22 can be formed by forming a metal layer (not shown) on the second nitride semiconductor layer 52 and then selectively removing the metal layer by lithography and etching.

ゲート電極22は、Ga極性GaNである第2窒化物半導体層52上に形成される。Ga極性GaNである第2窒化物半導体層52は、Ga極性面である上面52Aを含む。したがって、ゲート電極22は、第2窒化物半導体層52の、Ga極性面である上面52Aに接している。 The gate electrode 22 is formed on the second nitride semiconductor layer 52, which is Ga-polar GaN. The second nitride semiconductor layer 52, which is Ga-polar GaN, includes an upper surface 52A, which is a Ga-polar surface. Therefore, the gate electrode 22 is in contact with the upper surface 52A, which is a Ga-polar surface, of the second nitride semiconductor layer 52.

図7は、図6に示す工程に続く製造工程を示す概略断面図である。図7に示すように、ゲート電極22の上面および側面と、ゲート電極22の周囲の領域の第2窒化物半導体層52を覆うマスク54が形成され、次いで、マスク54を用いて第1窒化物半導体層50および第2窒化物半導体層52がエッチングされる。この結果、マスク54の下に位置する第1窒化物半導体層50および第2窒化物半導体層52はエッチング後も残り、図2を参照して説明した第2GaN層34のリッジ部36と、リッジ部36上の第1GaN層32とが形成される。マスク54に覆われていない第2窒化物半導体層52は、エッチングにより除去される。マスク54に覆われていない領域の第1窒化物半導体層50の厚さは、エッチングにより、リッジ部36の厚さの半分以下まで減少してよい。マスク54は、エッチング後に除去される。 7 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process following the process shown in FIG. 6. As shown in FIG. 7, a mask 54 is formed to cover the upper and side surfaces of the gate electrode 22 and the second nitride semiconductor layer 52 in the region around the gate electrode 22, and then the first nitride semiconductor layer 50 and the second nitride semiconductor layer 52 are etched using the mask 54. As a result, the first nitride semiconductor layer 50 and the second nitride semiconductor layer 52 located under the mask 54 remain even after etching, and the ridge portion 36 of the second GaN layer 34 and the first GaN layer 32 on the ridge portion 36 described with reference to FIG. 2 are formed. The second nitride semiconductor layer 52 not covered by the mask 54 is removed by etching. The thickness of the first nitride semiconductor layer 50 in the region not covered by the mask 54 may be reduced by etching to half or less of the thickness of the ridge portion 36. The mask 54 is removed after etching.

図8は、図7に示す工程に続く製造工程を示す概略断面図である。図8に示すように、ゲート電極22の上面および側面と、リッジ部36と、リッジ部36の周囲の領域の第1窒化物半導体層50を覆うマスク56が形成され、次いで、マスク56を用いて第1窒化物半導体層50がエッチングされる。この結果、マスク56の下に位置する第1窒化物半導体層50はエッチング後も残り、リッジ部36、第1延在部38、および第2延在部40を含む第2GaN層34が形成される。マスク56は、エッチング後に除去される。図7および図8に示すエッチング工程によって、第1GaN層32および第2GaN層34を含むゲート層20を得ることができる。ゲート層20の形状は、エッチング条件に依存して変化し得る。第1延在部38は、略一定の厚さを有する第1ステップ部42と、第1ステップ部42をリッジ部36に接続する第1中間部44とを含んでいてよい。第2延在部40は、略一定の厚さを有する第2ステップ部46と、第2ステップ部46をリッジ部36に接続する第2中間部48とを含んでいてよい。 8 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process following the process shown in FIG. 7. As shown in FIG. 8, a mask 56 is formed to cover the upper and side surfaces of the gate electrode 22, the ridge portion 36, and the first nitride semiconductor layer 50 in the region around the ridge portion 36, and then the first nitride semiconductor layer 50 is etched using the mask 56. As a result, the first nitride semiconductor layer 50 located under the mask 56 remains after etching, and the second GaN layer 34 including the ridge portion 36, the first extension portion 38, and the second extension portion 40 is formed. The mask 56 is removed after etching. The etching process shown in FIG. 7 and FIG. 8 can obtain the gate layer 20 including the first GaN layer 32 and the second GaN layer 34. The shape of the gate layer 20 can change depending on the etching conditions. The first extension portion 38 may include a first step portion 42 having a substantially constant thickness and a first intermediate portion 44 connecting the first step portion 42 to the ridge portion 36. The second extension portion 40 may include a second step portion 46 having a substantially constant thickness and a second intermediate portion 48 that connects the second step portion 46 to the ridge portion 36.

図9は、図8に示す工程に続く製造工程を示す概略断面図である。図9に示すように、窒化物半導体装置10の製造方法は、電子供給層18、ゲート層20、およびゲート電極22の露出した表面全体を覆うようにパッシベーション層24を形成することをさらに含む。一例では、パッシベーション層24は、減圧CVD(Low-Pressure Chemical Vapor Deposition,LPCVD)法により形成されたSiN層であってよい。 FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process subsequent to the process shown in FIG. 8. As shown in FIG. 9, the method for manufacturing the nitride semiconductor device 10 further includes forming a passivation layer 24 so as to cover the entire exposed surfaces of the electron supply layer 18, the gate layer 20, and the gate electrode 22. In one example, the passivation layer 24 may be a SiN layer formed by a low-pressure chemical vapor deposition (LPCVD) method.

パッシベーション層24は、ゲート層20の上面20Aの一部を覆っている。ゲート層20の上面20Aは、Ga極性面である。また、パッシベーション層24は、第1延在部38の上面38Aおよび第2延在部40の上面40Aを覆っている。第1延在部38および第2延在部40は、N極性GaNによって構成されている第2GaN層34の一部である。したがって、第1延在部38は、少なくとも一部がN極性面である上面38Aを含む同様に、第2延在部40は、少なくとも一部がN極性面である上面40Aを含む。このように、パッシベーション層24に覆われるゲート層20の表面は、Ga極性面およびN極性面の両方を含んでいる。 The passivation layer 24 covers a portion of the upper surface 20A of the gate layer 20. The upper surface 20A of the gate layer 20 is a Ga-polar surface. The passivation layer 24 also covers the upper surface 38A of the first extension 38 and the upper surface 40A of the second extension 40. The first extension 38 and the second extension 40 are part of the second GaN layer 34 made of N-polar GaN. Thus, the first extension 38 includes an upper surface 38A at least partially of which is an N-polar surface, and similarly, the second extension 40 includes an upper surface 40A at least partially of which is an N-polar surface. In this way, the surface of the gate layer 20 covered by the passivation layer 24 includes both a Ga-polar surface and an N-polar surface.

図10は、図9に示す工程に続く製造工程を示す概略断面図である。図10に示すように、パッシベーション層24に第1開口24Aおよび第2開口24Bが形成され、次いで、パッシベーション層24を覆う金属層58が形成される。この工程では、パッシベーション層24を貫通して電子供給層18を露出させる第1開口24Aおよび第2開口24Bが形成される。第1開口24Aおよび第2開口24Bは、ゲート層20が第1開口24Aと第2開口24Bとの間に位置するように形成される。ゲート層20は、第2開口24Bよりも第1開口24Aの近くに位置していてよい。金属層58は、第1開口24Aおよび第2開口24Bを充填し、第1開口24Aおよび第2開口24Bを介して電子供給層18と接するように形成される。一例では、金属層58は、Ti層、TiN層、Al層、AlSiCu層、およびAlCu層のうちの少なくとも1つを含んでいてよい。 10 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process following the process shown in FIG. 9. As shown in FIG. 10, a first opening 24A and a second opening 24B are formed in the passivation layer 24, and then a metal layer 58 is formed to cover the passivation layer 24. In this process, a first opening 24A and a second opening 24B are formed to penetrate the passivation layer 24 and expose the electron supply layer 18. The first opening 24A and the second opening 24B are formed so that the gate layer 20 is located between the first opening 24A and the second opening 24B. The gate layer 20 may be located closer to the first opening 24A than the second opening 24B. The metal layer 58 is formed to fill the first opening 24A and the second opening 24B and to contact the electron supply layer 18 through the first opening 24A and the second opening 24B. In one example, the metal layer 58 may include at least one of a Ti layer, a TiN layer, an Al layer, an AlSiCu layer, and an AlCu layer.

次いで、金属層58をリソグラフィおよびエッチングによって選択的に除去することにより、図2に示すソース電極26、ドレイン電極28、およびフィールドプレート電極30を形成することができる。この結果、図2に示す窒化物半導体装置10を得ることができる。 Then, the metal layer 58 is selectively removed by lithography and etching to form the source electrode 26, the drain electrode 28, and the field plate electrode 30 shown in FIG. 2. As a result, the nitride semiconductor device 10 shown in FIG. 2 can be obtained.

このように、ゲート層20を形成することは、電子供給層18上に、キャリアガスとしてNを用いて成長させたN極性GaNである第1窒化物半導体層50を形成すること、第1窒化物半導体層50上に、キャリアガスとしてHを用いて成長させたGa極性GaNである第2窒化物半導体層52を形成することを含んでいる。 In this manner, forming the gate layer 20 includes forming a first nitride semiconductor layer 50 which is N-polarity GaN grown on the electron supply layer 18 using N2 as a carrier gas, and forming a second nitride semiconductor layer 52 which is Ga-polarity GaN grown on the first nitride semiconductor layer 50 using H2 as a carrier gas.

(窒化物半導体装置の作用)
以下、本実施形態の窒化物半導体装置10の作用について説明する。窒化物半導体装置10のゲート電極22にゲート閾値電圧を超える電圧が印加されると、電子走行層16に2DEGによるチャネルが形成されてソース-ドレイン間が導通する。一方、ゼロバイアス時には、電子走行層16中、ゲート層20の下に位置する領域の少なくとも一部で2DEGが形成されない。これは、ゲート層20がアクセプタ型不純物を含んでいるために、電子走行層16および電子供給層18のエネルギーレベルが引き上げられ、その結果、2DEGが空乏化されるためである。これにより、窒化物半導体装置10のノーマリーオフ動作が実現される。
(Functions of the nitride semiconductor device)
The operation of the nitride semiconductor device 10 of this embodiment will be described below. When a voltage exceeding the gate threshold voltage is applied to the gate electrode 22 of the nitride semiconductor device 10, a channel by 2DEG is formed in the electron transit layer 16, and conduction occurs between the source and the drain. On the other hand, at zero bias, 2DEG is not formed in at least a part of the region of the electron transit layer 16 located under the gate layer 20. This is because the gate layer 20 contains acceptor-type impurities, which raises the energy levels of the electron transit layer 16 and the electron supply layer 18, resulting in depletion of the 2DEG. This realizes a normally-off operation of the nitride semiconductor device 10.

窒化物半導体装置10のゲート閾値電圧は、電子供給層18により形成されるエネルギー障壁に加えて、ゲート電極22とゲート層20との間に形成されるショットキー障壁に依存している。窒化物半導体装置10のゲート閾値電圧を高くする方法の1つは、ゲート電極22とゲート層20との間のショットキー障壁高さを大きくすることである。ゲート電極22とゲート層20との間のショットキー障壁高さは、ゲート電極22と接するゲート層20の上面20Aの状態の影響を受ける。金属層とGaN層とを接合させる場合、金属層とGaN層との間のショットキー障壁高さは、金属層と接するGaN層の表面がGa極性面である場合の方が、表面がN極性面である場合と比べて大きい。 The gate threshold voltage of the nitride semiconductor device 10 depends on the Schottky barrier formed between the gate electrode 22 and the gate layer 20, in addition to the energy barrier formed by the electron supply layer 18. One method for increasing the gate threshold voltage of the nitride semiconductor device 10 is to increase the Schottky barrier height between the gate electrode 22 and the gate layer 20. The Schottky barrier height between the gate electrode 22 and the gate layer 20 is affected by the state of the upper surface 20A of the gate layer 20 in contact with the gate electrode 22. When a metal layer and a GaN layer are joined together, the Schottky barrier height between the metal layer and the GaN layer is greater when the surface of the GaN layer in contact with the metal layer is a Ga polar surface than when the surface is an N polar surface.

この点、本実施形態の窒化物半導体装置10では、ゲート電極22に接するゲート層20の上面20Aは、Ga極性面である。したがって、ゲート電極22とゲート層20との間のショットキー障壁高さを大きくすることができる。また、ゲート層20の上面20AをGa極性面とすることによる、ゲート閾値電圧以外の他のデバイスパラメータ(例えば、オン抵抗、最大定格電圧など)への影響は比較的小さい。したがって、本実施形態の窒化物半導体装置10によれば、他のデバイスパラメータへの影響を抑制しつつ、ゲート閾値電圧を増加させることができる。 In this regard, in the nitride semiconductor device 10 of this embodiment, the upper surface 20A of the gate layer 20 in contact with the gate electrode 22 is a Ga polar surface. Therefore, the Schottky barrier height between the gate electrode 22 and the gate layer 20 can be increased. In addition, the effect of making the upper surface 20A of the gate layer 20 a Ga polar surface on device parameters other than the gate threshold voltage (e.g., on-resistance, maximum rated voltage, etc.) is relatively small. Therefore, according to the nitride semiconductor device 10 of this embodiment, the gate threshold voltage can be increased while suppressing the effect on other device parameters.

本実施形態の窒化物半導体装置10は、以下の利点を有する。
(1-1)ゲート層20は、ゲート電極22に接する上面20Aを含み、上面20Aは、Ga極性面である。これにより、ゲート電極22とゲート層20との間のショットキー障壁高さを大きくすることができるので、他のデバイスパラメータへの影響を抑制しつつ、ゲート閾値電圧を増加させることができる。
The nitride semiconductor device 10 of this embodiment has the following advantages.
(1-1) The gate layer 20 includes an upper surface 20A in contact with the gate electrode 22, and the upper surface 20A is a Ga polar surface. This makes it possible to increase the Schottky barrier height between the gate electrode 22 and the gate layer 20, thereby making it possible to increase the gate threshold voltage while suppressing the effects on other device parameters.

(1-2)ゲート層20は、ゲート電極22に接する第1GaN層32と、電子供給層18に接する第2GaN層34とを含んでいてよい。第1GaN層32は、Ga極性GaNによって構成され、第2GaN層34は、N極性GaNによって構成されている。ゲート層20は、Ga極性GaNによって構成された第1GaN層32よりも膜厚の均一性が良好なN極性GaNによって構成された第2GaN層34を含んでいる。したがって、ゲート層20がGa極性GaNのみによって構成されている場合と比較して、ゲート層20の膜厚の均一性を向上させることができる。 (1-2) The gate layer 20 may include a first GaN layer 32 in contact with the gate electrode 22 and a second GaN layer 34 in contact with the electron supply layer 18. The first GaN layer 32 is made of Ga-polar GaN, and the second GaN layer 34 is made of N-polar GaN. The gate layer 20 includes the second GaN layer 34 made of N-polar GaN, which has better thickness uniformity than the first GaN layer 32 made of Ga-polar GaN. Therefore, the thickness uniformity of the gate layer 20 can be improved compared to when the gate layer 20 is made of only Ga-polar GaN.

(1-3)第2GaN層34は、第1GaN層32よりも厚くてよい。ゲート層20は、Ga極性GaNによって構成された第1GaN層32よりも膜厚の均一性が良好なN極性GaNによって構成された第2GaN層34をより多い割合で含んでいる。したがって、ゲート層20の膜厚の均一性をさらに向上させることができる。 (1-3) The second GaN layer 34 may be thicker than the first GaN layer 32. The gate layer 20 contains a greater proportion of the second GaN layer 34 made of N-polarity GaN, which has better thickness uniformity than the first GaN layer 32 made of Ga-polarity GaN. Therefore, the thickness uniformity of the gate layer 20 can be further improved.

(1-4)ゲート層20は、100nm以上150nm未満の厚さを有するとともに、第1GaN層32は、5nm以上30nm未満の厚さを有していてよい。これにより、ゲート層20の膜厚の所望の均一性を維持しつつ、ゲート閾値電圧を増加させることができる。 (1-4) The gate layer 20 may have a thickness of 100 nm or more and less than 150 nm, and the first GaN layer 32 may have a thickness of 5 nm or more and less than 30 nm. This allows the gate threshold voltage to be increased while maintaining the desired uniformity in the thickness of the gate layer 20.

(1-5)第2GaN層34は、電子供給層18に接するとともに、第1GaN層32に覆われたリッジ部36と、電子供給層18に接するとともに、平面視でリッジ部36よりも外側に延びる延在部(第1延在部38および/または第2延在部40)とを含んでいてよい。第1延在部38および第2延在部40は、リッジ部36よりも薄い。第2GaN層34が、リッジ部36よりも薄い第1延在部38および/または第2延在部40を含むことにより、ゲート層20中の局所的な電界集中を抑制することができる。したがって、窒化物半導体装置10のゲート信頼性を向上させることができる。 (1-5) The second GaN layer 34 may include a ridge portion 36 that is in contact with the electron supply layer 18 and is covered by the first GaN layer 32, and an extension portion (first extension portion 38 and/or second extension portion 40) that is in contact with the electron supply layer 18 and extends outward from the ridge portion 36 in a planar view. The first extension portion 38 and the second extension portion 40 are thinner than the ridge portion 36. By including the first extension portion 38 and/or the second extension portion 40 that are thinner than the ridge portion 36 in the second GaN layer 34, local electric field concentration in the gate layer 20 can be suppressed. Therefore, the gate reliability of the nitride semiconductor device 10 can be improved.

<ゲート層の変更例>
図11は、ゲート層の変更例を説明するための例示的な窒化物半導体装置100の概略断面図である。図11において、図2に示す窒化物半導体装置10と同様の構成要素には同じ符号が付されている。また、窒化物半導体装置10と同様な構成要素については詳細な説明を省略する。
<Example of changing the gate layer>
Fig. 11 is a schematic cross-sectional view of an exemplary nitride semiconductor device 100 for explaining a modification of the gate layer. In Fig. 11, the same components as those in the nitride semiconductor device 10 shown in Fig. 2 are denoted by the same reference numerals. Further, detailed description of the same components as those in the nitride semiconductor device 10 will be omitted.

図11に示すように、窒化物半導体装置100は、電子供給層18上に形成されたゲート層102を含む。ゲート層102は、ゲート電極22に接する上面102Aと、電子供給層18に接する底面102Bとを含んでいる。ゲート層102は、電子供給層18上に成長するため、ゲート層102の底面102Bから上面102Aに向かう方向(図11のZ軸方向)が、ゲート層102の成長方向である。 As shown in FIG. 11, the nitride semiconductor device 100 includes a gate layer 102 formed on an electron supply layer 18. The gate layer 102 includes an upper surface 102A in contact with the gate electrode 22 and a bottom surface 102B in contact with the electron supply layer 18. Since the gate layer 102 grows on the electron supply layer 18, the direction from the bottom surface 102B toward the upper surface 102A of the gate layer 102 (the Z-axis direction in FIG. 11) is the growth direction of the gate layer 102.

ゲート層102は、Ga極性GaNによって構成されている。したがって、ゲート層102の上面102Aは、Ga極性面である。ゲート電極22は、Ga極性面であるゲート層102の上面102Aに接している。ゲート層102の上面102Aは、ゲート電極22とショットキー接合を形成している。一方、ゲート層102の底面102Bは、N極性面である。電子供給層18は、N極性面であるゲート層102の底面102Bに接している。 The gate layer 102 is made of Ga-polar GaN. Therefore, the top surface 102A of the gate layer 102 is a Ga-polar surface. The gate electrode 22 is in contact with the top surface 102A of the gate layer 102, which is a Ga-polar surface. The top surface 102A of the gate layer 102 forms a Schottky junction with the gate electrode 22. On the other hand, the bottom surface 102B of the gate layer 102 is an N-polar surface. The electron supply layer 18 is in contact with the bottom surface 102B of the gate layer 102, which is an N-polar surface.

窒化物半導体装置100では、ゲート電極22に接するゲート層102の上面102Aは、Ga極性面であるため、ゲート電極22とゲート層102との間のショットキー障壁高さを大きくすることができる。また、ゲート層102の上面102AをGa極性面とすることによる、ゲート閾値電圧以外の他のデバイスパラメータへの影響は比較的小さい。したがって、他のデバイスパラメータへの影響を抑制しつつ、ゲート閾値電圧を増加させることができる。 In the nitride semiconductor device 100, the upper surface 102A of the gate layer 102 in contact with the gate electrode 22 is a Ga polar surface, so the Schottky barrier height between the gate electrode 22 and the gate layer 102 can be increased. In addition, the effect of making the upper surface 102A of the gate layer 102 a Ga polar surface on device parameters other than the gate threshold voltage is relatively small. Therefore, the gate threshold voltage can be increased while suppressing the effect on other device parameters.

また、ゲート層102は、ゲート層102の上面102Aを含むリッジ部104と、リッジ部104よりも薄い第1延在部106および第2延在部108とを含んでいてよい。ゲート電極22は、リッジ部104上に形成されている。リッジ部104、第1延在部106、および第2延在部108は、いずれも電子供給層18に接している。第1延在部106および第2延在部108は、平面視でリッジ部104から外側に延びている。なお、本開示では、第1延在部106および第2延在部108の各々を、単に「延在部」とも呼ぶ。別の例では、ゲート層102は、第1延在部106および第2延在部108のうちの少なくとも一方を含んでいてもよい。ゲート層102が第1延在部106および第2延在部108のうちの少なくとも一方を含むことにより、ゲート層102内の局所的な電界集中を抑制することができる。したがって、窒化物半導体装置100のゲート信頼性を向上させることができる。 The gate layer 102 may include a ridge portion 104 including the upper surface 102A of the gate layer 102, and a first extension portion 106 and a second extension portion 108 that are thinner than the ridge portion 104. The gate electrode 22 is formed on the ridge portion 104. The ridge portion 104, the first extension portion 106, and the second extension portion 108 are all in contact with the electron supply layer 18. The first extension portion 106 and the second extension portion 108 extend outward from the ridge portion 104 in a planar view. In this disclosure, each of the first extension portion 106 and the second extension portion 108 is also simply referred to as an "extension portion." In another example, the gate layer 102 may include at least one of the first extension portion 106 and the second extension portion 108. By including at least one of the first extension portion 106 and the second extension portion 108 in the gate layer 102, localized electric field concentration in the gate layer 102 can be suppressed. Therefore, the gate reliability of the nitride semiconductor device 100 can be improved.

第1延在部106は、リッジ部104から第1開口24Aに向かって延びている。第1開口24Aに埋め込まれたソース電極26と第1延在部106との間には、パッシベーション層24が配置されている。 The first extension 106 extends from the ridge portion 104 toward the first opening 24A. A passivation layer 24 is disposed between the first extension 106 and the source electrode 26 embedded in the first opening 24A.

第2延在部108は、リッジ部104から第2開口24Bに向かって延びている。第2開口24Bに埋め込まれたドレイン電極28と第2延在部108との間には、パッシベーション層24が配置されている。 The second extension 108 extends from the ridge portion 104 toward the second opening 24B. A passivation layer 24 is disposed between the drain electrode 28 embedded in the second opening 24B and the second extension 108.

リッジ部104は、第1延在部106と第2延在部108との間にあり、第1延在部106および第2延在部108と一体的に形成されている。第1延在部106および第2延在部108の存在により、ゲート層102の底面102Bは、上面102Aよりも大きな面積を有している。図11に示す例では、第2延在部108は、第1延在部106よりも、平面視でリッジ部104の外側に向けて長く延びていてよい。すなわち、第2延在部108は、第1延在部106よりも大きいX軸方向の寸法を有していてよい。第1延在部106は、X軸方向において、例えば0.2μm以上0.3μm以下の寸法を有し得る。一方、第2延在部108は、X軸方向において、例えば0.2μm以上0.6μm以下の寸法を有し得る。 The ridge portion 104 is between the first extension portion 106 and the second extension portion 108, and is formed integrally with the first extension portion 106 and the second extension portion 108. Due to the presence of the first extension portion 106 and the second extension portion 108, the bottom surface 102B of the gate layer 102 has a larger area than the top surface 102A. In the example shown in FIG. 11, the second extension portion 108 may extend longer toward the outside of the ridge portion 104 in a planar view than the first extension portion 106. That is, the second extension portion 108 may have a dimension in the X-axis direction that is larger than that of the first extension portion 106. The first extension portion 106 may have a dimension in the X-axis direction of, for example, 0.2 μm or more and 0.3 μm or less. On the other hand, the second extension portion 108 may have a dimension in the X-axis direction of, for example, 0.2 μm or more and 0.6 μm or less.

リッジ部104は、ゲート層102の比較的厚い部分に相当する。リッジ部104は、例えば、80nm以上150nm以下の厚さを有していてよい。一例では、リッジ部104は、110nmよりも大きい厚さを有していてよい。 The ridge portion 104 corresponds to a relatively thick portion of the gate layer 102. The ridge portion 104 may have a thickness of, for example, 80 nm or more and 150 nm or less. In one example, the ridge portion 104 may have a thickness greater than 110 nm.

第1延在部106および第2延在部108の各々は、リッジ部104の厚さよりも小さい厚さを有している。一例では、第1延在部106および第2延在部108の各々は、リッジ部104の厚さの半分以下の厚さを有していてよい。 Each of the first extension portion 106 and the second extension portion 108 has a thickness that is smaller than the thickness of the ridge portion 104. In one example, each of the first extension portion 106 and the second extension portion 108 may have a thickness that is less than half the thickness of the ridge portion 104.

第1延在部106は、略一定の厚さを有する第1ステップ部110と、第1ステップ部110をリッジ部104に接続する第1中間部112とを含んでいてよい。一例では、第1ステップ部110の厚さは、5nm以上25nm以下であってよい。第1中間部112の厚さは、第1ステップ部110の厚さ以上リッジ部104の厚さ未満であってよい。 The first extension portion 106 may include a first step portion 110 having a substantially constant thickness, and a first intermediate portion 112 connecting the first step portion 110 to the ridge portion 104. In one example, the thickness of the first step portion 110 may be 5 nm or more and 25 nm or less. The thickness of the first intermediate portion 112 may be greater than or equal to the thickness of the first step portion 110 and less than the thickness of the ridge portion 104.

同様に、第2延在部108は、略一定の厚さを有する第2ステップ部114と、第2ステップ部114をリッジ部104に接続する第2中間部116とを含んでいてよい。一例では、第2ステップ部114の厚さは、5nm以上25nm以下であってよい。第2中間部116の厚さは、第2ステップ部114の厚さ以上リッジ部104の厚さ未満であってよい。第2ステップ部114は、第1ステップ部110と同じ厚さを有していてよい。 Similarly, the second extension portion 108 may include a second step portion 114 having a substantially constant thickness, and a second intermediate portion 116 connecting the second step portion 114 to the ridge portion 104. In one example, the thickness of the second step portion 114 may be 5 nm or more and 25 nm or less. The thickness of the second intermediate portion 116 may be greater than or equal to the thickness of the second step portion 114 and less than the thickness of the ridge portion 104. The second step portion 114 may have the same thickness as the first step portion 110.

第1延在部106は、Ga極性GaNによって構成されている。したがって、第1延在部106は、少なくとも一部がGa極性面である上面106Aを含んでいてよい。より詳細には、第1延在部106の上面106Aのうち、第1ステップ部110に含まれる部分が、Ga極性面であってよい。 The first extension 106 is made of Ga-polar GaN. Therefore, the first extension 106 may include an upper surface 106A, at least a portion of which is a Ga-polar surface. More specifically, the portion of the upper surface 106A of the first extension 106 that is included in the first step portion 110 may be a Ga-polar surface.

第2延在部108は、Ga極性GaNによって構成されている。したがって、第2延在部108は、少なくとも一部がGa極性面である上面108Aを含んでいてよい。より詳細には、第2延在部108の上面108Aのうち、第2ステップ部114に含まれる部分が、Ga極性面であってよい。 The second extension portion 108 is composed of Ga-polar GaN. Therefore, the second extension portion 108 may include an upper surface 108A, at least a portion of which is a Ga-polar surface. More specifically, the portion of the upper surface 108A of the second extension portion 108 that is included in the second step portion 114 may be a Ga-polar surface.

窒化物半導体装置100の製造方法は、図5に示す製造工程において、第1窒化物半導体層50を形成せず、電子供給層18上に第2窒化物半導体層52が直接形成されるという点を除いて、窒化物半導体装置10の製造方法と同様であってよい。窒化物半導体装置100の製造方法では、GaN層の極性を反転させるためのキャリアガスの制御が不要であるため、製造工程の複雑さを低減することができる。 The method for manufacturing the nitride semiconductor device 100 may be similar to the method for manufacturing the nitride semiconductor device 10, except that in the manufacturing process shown in FIG. 5, the first nitride semiconductor layer 50 is not formed, and the second nitride semiconductor layer 52 is formed directly on the electron supply layer 18. The method for manufacturing the nitride semiconductor device 100 does not require control of the carrier gas to invert the polarity of the GaN layer, and therefore the complexity of the manufacturing process can be reduced.

<第1実施形態の他の変更例>
上記実施形態および変更例は、以下のように変更して実施することができる。
・ゲート層20を形成するためのGaN結晶成長において、キャリアガスをNからHに切り替える代わりに、キャリアガス中のHの割合をNに対して徐々に増加させるように制御してもよい。この場合、第1GaN層32と第2GaN層34との間に、異なる極性のGaNが混在する中間層が存在していてもよい。
<Other Modifications of the First Embodiment>
The above-described embodiment and modified examples can be implemented with the following modifications.
In the GaN crystal growth for forming the gate layer 20, instead of switching the carrier gas from N2 to H2 , the ratio of H2 in the carrier gas may be controlled to be gradually increased relative to N2 . In this case, an intermediate layer containing GaN of different polarities may be present between the first GaN layer 32 and the second GaN layer 34.

・図2に示す例において、第2GaN層34は、第1延在部38および第2延在部40を含んでいなくてもよい。すなわち、第2GaN層34は、略均一な厚さを有するように形成されていてよい。その場合、第2GaN層34は、第1GaN層32とX軸方向において同じ幅を有していてよい。 In the example shown in FIG. 2, the second GaN layer 34 may not include the first extension portion 38 and the second extension portion 40. That is, the second GaN layer 34 may be formed to have a substantially uniform thickness. In that case, the second GaN layer 34 may have the same width in the X-axis direction as the first GaN layer 32.

・図11に示す例において、ゲート層102は、第1延在部106および第2延在部108を含んでいなくてもよい。すなわち、ゲート層102は、略均一な厚さを有するように形成されていてよい。 - In the example shown in FIG. 11, the gate layer 102 may not include the first extension portion 106 and the second extension portion 108. In other words, the gate layer 102 may be formed to have a substantially uniform thickness.

<第2実施形態>
窒化物半導体装置では、たとえば、ゲート電極への正電圧の印加時に、ゲート層の端部付近における電子供給層の部分に電界が局所的に集中することがある。このような局所的な電界集中は、窒化物半導体装置の耐圧低下を招く要因となり得る。以下に説明する第2実施形態および第3実施形態に係る窒化物半導体装置によれば、このような電界集中を緩和することができる。
Second Embodiment
In a nitride semiconductor device, for example, when a positive voltage is applied to a gate electrode, an electric field may locally concentrate in a portion of the electron supply layer near an end of the gate layer. Such local electric field concentration may cause a decrease in the breakdown voltage of the nitride semiconductor device. According to the nitride semiconductor device of the second and third embodiments described below, such electric field concentration can be alleviated.

(窒化物半導体装置の断面構造)
図12は、第2実施形態に係る例示的な窒化物半導体装置210Aの概略平面図である。図13は、図12のF13-F13線に沿った窒化物半導体装置210Aの概略断面図である。図14は、図13の一部を拡大して示す概略断面図である。なお、図13、図14は、窒化物半導体装置210Aに含まれる1つのゲート層222およびゲート電極224に係る構成について示している。
(Cross-sectional structure of nitride semiconductor device)
Fig. 12 is a schematic plan view of an illustrative nitride semiconductor device 210A according to the second embodiment. Fig. 13 is a schematic cross-sectional view of the nitride semiconductor device 210A taken along line F13-F13 in Fig. 12. Fig. 14 is a schematic cross-sectional view showing an enlarged portion of Fig. 13. Note that Figs. 13 and 14 show the configuration related to one gate layer 222 and gate electrode 224 included in the nitride semiconductor device 210A.

なお、本実施形態において使用される「平面視」という用語は、図13に示される互いに直交するXYZ軸のZ軸方向に窒化物半導体装置210Aを視ることをいう。また、図13に示される窒化物半導体装置210Aにおいて、便宜上、+Z方向を上、-Z方向を下、+X方向を右、-X方向を左と定義する。明示的に別段の記載がない限り、「平面視」とは、窒化物半導体装置210AをZ軸に沿って上方から視ることを指す。 The term "planar view" used in this embodiment refers to viewing the nitride semiconductor device 210A in the Z-axis direction of the mutually orthogonal XYZ axes shown in FIG. 13. For convenience, in the nitride semiconductor device 210A shown in FIG. 13, the +Z direction is defined as up, the -Z direction as down, the +X direction as right, and the -X direction as left. Unless otherwise explicitly stated, "planar view" refers to viewing the nitride semiconductor device 210A from above along the Z-axis.

窒化物半導体装置210Aは、窒化物半導体を用いた高電子移動度トランジスタ(HEMT)として構成され得る。
図13に示されるように、窒化物半導体装置210Aは、基板212と、基板212上に形成されたバッファ層214と、バッファ層214上に形成された電子走行層216と、電子走行層216上に形成された電子供給層218と、を含む。さらに、この窒化物半導体装置210Aは、電子供給層218上に形成されたゲート層222と、ゲート層222の上に形成されたゲート電極224を含む。
The nitride semiconductor device 210A can be configured as a high electron mobility transistor (HEMT) using a nitride semiconductor.
13, the nitride semiconductor device 210A includes a substrate 212, a buffer layer 214 formed on the substrate 212, an electron transit layer 216 formed on the buffer layer 214, and an electron supply layer 218 formed on the electron transit layer 216. The nitride semiconductor device 210A further includes a gate layer 222 formed on the electron supply layer 218, and a gate electrode 224 formed on the gate layer 222.

基板212としては、たとえばシリコン(Si)基板を用いることができる。基板212の厚さは、たとえば200μm以上1500μm以下であってよい。基板212は、上面212Sを含む。基板212は、Si基板に代えて、シリコンカーバイド(SiC)基板、窒化ガリウム(GaN)基板、またはサファイア基板などを用いることもできる。なお、以下の説明において、明示的に別段の記載がない限り、厚さとは、図13および図14のZ方向に沿った寸法を指す。 The substrate 212 may be, for example, a silicon (Si) substrate. The thickness of the substrate 212 may be, for example, 200 μm or more and 1500 μm or less. The substrate 212 includes an upper surface 212S. Instead of a Si substrate, the substrate 212 may be a silicon carbide (SiC) substrate, a gallium nitride (GaN) substrate, a sapphire substrate, or the like. In the following description, unless otherwise explicitly stated, the thickness refers to the dimension along the Z direction in FIG. 13 and FIG. 14.

バッファ層214は、基板212と電子走行層216との間の熱膨張係数の不整合によるウェハ反りやクラックの発生を抑制することができる任意の材料によって構成され得る。また、バッファ層214は、1つまたは複数の窒化物半導体層を含むことができる。バッファ層214は、たとえば、窒化物アルミニウム(AlN)層、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)層、および異なるアルミニウム(Al)組成を有するグレーデッドAlGaN層のうち少なくとも1つを含んでもよい。たとえば、バッファ層214は、AlNの単膜、AlGaNの単膜、AlGaN/GaN超格子構造を有する膜、AlN/AlGaN超格子構造を有する膜、またはAlN/GaN超格子構造を有する膜などによって構成されていてもよい。 The buffer layer 214 may be made of any material capable of suppressing the occurrence of wafer warpage or cracks due to mismatch in thermal expansion coefficient between the substrate 212 and the electron transit layer 216. The buffer layer 214 may also include one or more nitride semiconductor layers. The buffer layer 214 may include, for example, at least one of an aluminum nitride (AlN) layer, an aluminum gallium nitride (AlGaN) layer, and a graded AlGaN layer having different aluminum (Al) compositions. For example, the buffer layer 214 may be made of a single film of AlN, a single film of AlGaN, a film having an AlGaN/GaN superlattice structure, a film having an AlN/AlGaN superlattice structure, or a film having an AlN/GaN superlattice structure.

一例において、バッファ層214は、基板212上に形成されたAlN層である第1バッファ層と、AlN層(第1バッファ層)上に形成されたAlGaN層である第2バッファ層を含むことができる。第1バッファ層はたとえば200nmの厚さを有するAlN層であってよく、第2バッファ層はたとえば300nmの厚さを有するグレーデッドAlGaN層であってよい。なお、バッファ層214におけるリーク電流を抑制するために、バッファ層214の一部に不純物を導入することによってバッファ層214の表層領域以外を半絶縁性にしてもよい。この場合、不純物は、たとえば炭素(C)または鉄(Fe)である。不純物濃度は、たとえば4×1016cm-3以上であってよい。 In one example, the buffer layer 214 may include a first buffer layer which is an AlN layer formed on the substrate 212, and a second buffer layer which is an AlGaN layer formed on the AlN layer (first buffer layer). The first buffer layer may be an AlN layer having a thickness of, for example, 200 nm, and the second buffer layer may be a graded AlGaN layer having a thickness of, for example, 300 nm. In order to suppress leakage current in the buffer layer 214, impurities may be introduced into a portion of the buffer layer 214 to make the buffer layer 214 semi-insulating except for the surface region. In this case, the impurity is, for example, carbon (C) or iron (Fe). The impurity concentration may be, for example, 4×10 16 cm −3 or more.

電子走行層216は、基板212上に形成されたバッファ層214上に形成されているため、基板212の上方に形成されているともいえるし、基板212上に形成されているともいえる。電子走行層216は、たとえばGaN層であってよい。電子走行層216の厚さは、たとえば0.5μm以上2μm以下であってよい。第2実施形態の電子走行層216は、バッファ層214上に形成された第1半導体層216Aと、第1半導体層216A上に形成された第2半導体層216Bと、を含む。第1半導体層216Aは、基板212の上方に形成されているともいえるし、基板212上に形成されているともいえる。第1半導体層216Aと第2半導体層216Bは、不純物濃度の異なるGaN層である。 The electron travel layer 216 is formed on the buffer layer 214 formed on the substrate 212, and therefore can be said to be formed above the substrate 212 or on the substrate 212. The electron travel layer 216 may be, for example, a GaN layer. The thickness of the electron travel layer 216 may be, for example, 0.5 μm or more and 2 μm or less. The electron travel layer 216 of the second embodiment includes a first semiconductor layer 216A formed on the buffer layer 214 and a second semiconductor layer 216B formed on the first semiconductor layer 216A. The first semiconductor layer 216A can be said to be formed above the substrate 212 or on the substrate 212. The first semiconductor layer 216A and the second semiconductor layer 216B are GaN layers with different impurity concentrations.

一例では、第1半導体層216Aは、不純物として炭素(C)を含むCドープGaN層であり、第2半導体層216Bは、ノンドープGaN層である。第1半導体層216Aは、0.5μm以上2μm以下であってよい。第1半導体層216A中のC濃度は、5×1017cm-3以上9×1019cm-3以下であってよい。第2半導体層216Bは、0.05μm以上0.4μm以下であってよい。第2半導体層216Bは、電子供給層218と接している。バッファ層214と第1半導体層216Aとの間に、1つまたは複数の窒化物半導体層が含まれていてもよい。一例では、電子走行層216は、厚さ0.4μmの第1半導体層216Aと、厚さ0.4μmの第2半導体層216Bとを含む。第1半導体層216A中のC濃度は約2×1019cm-3であってよい。 In one example, the first semiconductor layer 216A is a C-doped GaN layer containing carbon (C) as an impurity, and the second semiconductor layer 216B is a non-doped GaN layer. The first semiconductor layer 216A may be 0.5 μm or more and 2 μm or less. The C concentration in the first semiconductor layer 216A may be 5×10 17 cm −3 or more and 9×10 19 cm −3 or less. The second semiconductor layer 216B may be 0.05 μm or more and 0.4 μm or less. The second semiconductor layer 216B is in contact with the electron supply layer 218. One or more nitride semiconductor layers may be included between the buffer layer 214 and the first semiconductor layer 216A. In one example, the electron travel layer 216 includes a first semiconductor layer 216A having a thickness of 0.4 μm and a second semiconductor layer 216B having a thickness of 0.4 μm. The C concentration in the first semiconductor layer 216A may be about 2×10 19 cm −3 .

電子供給層218は、電子走行層216よりも大きなバンドギャップを有する窒化物半導体により構成される。電子供給層218は、たとえばAlGaN層であってよい。窒化物半導体では、Al組成が高いほどバンドギャップが大きくなる。このため、AlGaN層である電子供給層218は、GaN層である電子走行層216よりも大きなバンドギャップを有する。一例では、電子供給層218は、AlGa1-xNによって構成されている。つまり、電子供給層218は、AlGa1-xN層であるといえる。xは0<x<0.4であり、より好ましくは0.1<x<0.3である。電子供給層218は、たとえば5nm以上20nm以下の厚さを有することができる。 The electron supply layer 218 is made of a nitride semiconductor having a larger band gap than the electron transit layer 216. The electron supply layer 218 may be, for example, an AlGaN layer. In a nitride semiconductor, the higher the Al composition, the larger the band gap. Therefore, the electron supply layer 218, which is an AlGaN layer, has a larger band gap than the electron transit layer 216, which is a GaN layer. In one example, the electron supply layer 218 is made of Al x Ga 1-x N. That is, the electron supply layer 218 can be said to be an Al x Ga 1-x N layer. x is 0<x<0.4, and more preferably 0.1<x<0.3. The electron supply layer 218 can have a thickness of, for example, 5 nm or more and 20 nm or less.

電子走行層216と電子供給層218とは、バルク領域において異なる格子定数を有する。したがって、電子走行層216と電子供給層218とは、格子不整合系のヘテロ接合を構成する。電子走行層216および電子供給層218の自発分極と、電子走行層216のヘテロ接合部が受ける圧縮応力に起因するピエゾ分極とによって、電子走行層216と電子供給層218との間のヘテロ接合界面付近における電子走行層216の伝導帯のエネルギーレベルはフェルミ準位よりも低くなる。これにより、電子走行層216と電子供給層218とのヘテロ接合界面に近い位置(たとえば、界面から数nm程度の距離)において電子走行層216内には二次元電子ガス(2DEG)220が広がっている。 The electron transit layer 216 and the electron supply layer 218 have different lattice constants in the bulk region. Therefore, the electron transit layer 216 and the electron supply layer 218 form a lattice-mismatched heterojunction. Due to spontaneous polarization of the electron transit layer 216 and the electron supply layer 218 and piezoelectric polarization caused by compressive stress applied to the heterojunction of the electron transit layer 216, the energy level of the conduction band of the electron transit layer 216 near the heterojunction interface between the electron transit layer 216 and the electron supply layer 218 becomes lower than the Fermi level. As a result, a two-dimensional electron gas (2DEG) 220 spreads in the electron transit layer 216 near the heterojunction interface between the electron transit layer 216 and the electron supply layer 218 (for example, at a distance of about several nm from the interface).

ゲート層222は、電子供給層218上に形成されている。ゲート層222は、Y方向に延びるように形成されている。窒化物半導体装置210Aは、X方向に配列された複数のゲート層222を含む(図15参照)。ゲート層222は、電子供給層218よりも小さなバンドギャップを有するとともに、アクセプタ型不純物を含む窒化物半導体によって構成されている。ゲート層222は、たとえばAlGaN層である電子供給層218よりも小さなバンドギャップを有する任意の材料によって構成され得る。一例では、ゲート層222は、アクセプタ型不純物がドーピングされたGaN層(p型GaN層)である。アクセプタ型不純物は、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、およびCのうち少なくとも1つを含むことができる。ゲート層222中のアクセプタ型不純物の最大濃度は、たとえば1×1018cm-3以上1×1020cm-3以下であってよい。ゲート層222は、たとえば50nm以上200nm以下の厚さであってよい。 The gate layer 222 is formed on the electron supply layer 218. The gate layer 222 is formed to extend in the Y direction. The nitride semiconductor device 210A includes a plurality of gate layers 222 arranged in the X direction (see FIG. 15). The gate layer 222 has a band gap smaller than that of the electron supply layer 218 and is made of a nitride semiconductor containing an acceptor-type impurity. The gate layer 222 may be made of any material having a band gap smaller than that of the electron supply layer 218, which is, for example, an AlGaN layer. In one example, the gate layer 222 is a GaN layer (p-type GaN layer) doped with an acceptor-type impurity. The acceptor-type impurity may include at least one of magnesium (Mg), zinc (Zn), and C. The maximum concentration of the acceptor-type impurity in the gate layer 222 may be, for example, 1×10 18 cm −3 or more and 1×10 20 cm −3 or less. The gate layer 222 may be, for example, 50 nm to 200 nm thick.

ゲート電極224は、ゲート層222の上面222Sの全部の上に配置されている。ゲート電極224は、ゲート層222の上面222S上に形成されている。ゲート電極224は、ゲート層222とショットキー接合を構成している。ゲート電極224は、1つまたは複数の金属層によって構成されていてよい。一例では、ゲート電極224は、窒化チタン(TiN)層によって構成されている。別の例では、ゲート電極224は、Tiからなる第1金属層と、第1金属層上に設けられたTiNからなる第2金属層とによって構成されていてもよい。ゲート電極224は、たとえば50nm以上200nm以下の厚さであってよい。 The gate electrode 224 is disposed on the entire upper surface 222S of the gate layer 222. The gate electrode 224 is formed on the upper surface 222S of the gate layer 222. The gate electrode 224 forms a Schottky junction with the gate layer 222. The gate electrode 224 may be composed of one or more metal layers. In one example, the gate electrode 224 is composed of a titanium nitride (TiN) layer. In another example, the gate electrode 224 may be composed of a first metal layer made of Ti and a second metal layer made of TiN provided on the first metal layer. The gate electrode 224 may have a thickness of, for example, 50 nm to 200 nm.

窒化物半導体装置210Aはさらに、パッシベーション層226を含む。パッシベーション層226は、電子供給層218、ゲート層222、およびゲート電極224を覆っている。パッシベーション層226は、たとえば二酸化シリコン(SiO)、窒化シリコン(SiN)、酸窒化シリコン(SiON)、アルミナ(Al)、AlN、および酸窒化アルミニウム(AlON)のうちいずれか1つを含む材料によって構成され得る。一例では、パッシベーション層226は、SiOを含む材料によって形成されている。 The nitride semiconductor device 210A further includes a passivation layer 226. The passivation layer 226 covers the electron supply layer 218, the gate layer 222, and the gate electrode 224. The passivation layer 226 may be made of a material including any one of silicon dioxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiN), silicon oxynitride (SiON), alumina (Al 2 O 3 ), AlN, and aluminum oxynitride (AlON). In one example, the passivation layer 226 is formed of a material including SiO 2 .

パッシベーション層226は、平坦な上面226Sを含む。パッシベーション層226は、ソース開口部2261、ドレイン開口部2262を含む。ソース開口部2261は、上面226Sから電子供給層218の上面までパッシベーション層226を貫通している。ソース開口部2261は、電子供給層218の上面をソース接続領域2181として露出させる。ドレイン開口部2262は、上面226Sから電子供給層218の上面までパッシベーション層226を貫通している。ドレイン開口部2262は、電子供給層218の上面をドレイン接続領域2182として露出させる。ゲート層222は、ソース開口部2261とドレイン開口部2262との間に位置している。 The passivation layer 226 includes a flat upper surface 226S. The passivation layer 226 includes a source opening 2261 and a drain opening 2262. The source opening 2261 penetrates the passivation layer 226 from the upper surface 226S to the upper surface of the electron supply layer 218. The source opening 2261 exposes the upper surface of the electron supply layer 218 as a source connection region 2181. The drain opening 2262 penetrates the passivation layer 226 from the upper surface 226S to the upper surface of the electron supply layer 218. The drain opening 2262 exposes the upper surface of the electron supply layer 218 as a drain connection region 2182. The gate layer 222 is located between the source opening 2261 and the drain opening 2262.

窒化物半導体装置210Aはさらに、ソース電極232およびドレイン電極234を含む。
ソース電極232は、パッシベーション層226のソース開口部2261により電子供給層218のソース接続領域2181に接している。ソース電極232は、電子供給層218の直下の2DEG220にオーミック接触している。ドレイン電極234は、パッシベーション層226のドレイン開口部2262により電子供給層218のドレイン接続領域2182に接している。ドレイン電極234は、電子供給層218の直下の2DEG220にオーミック接触している。
The nitride semiconductor device 210 A further includes a source electrode 232 and a drain electrode 234 .
The source electrode 232 is in contact with a source connection region 2181 of the electron supply layer 218 through a source opening 2261 of the passivation layer 226. The source electrode 232 is in ohmic contact with the 2DEG 220 directly below the electron supply layer 218. The drain electrode 234 is in contact with a drain connection region 2182 of the electron supply layer 218 through a drain opening 2262 of the passivation layer 226. The drain electrode 234 is in ohmic contact with the 2DEG 220 directly below the electron supply layer 218.

ソース電極232およびドレイン電極234は、たとえば、Ti層、TiN層、Al層、AlSiCu層、およびAlCu層のうちの少なくとも1つを用いた1つまたは複数の金属層によって構成されている。たとえば、ソース電極232およびドレイン電極234は、同じ材料で形成されている。 The source electrode 232 and the drain electrode 234 are formed of one or more metal layers using at least one of, for example, a Ti layer, a TiN layer, an Al layer, an AlSiCu layer, and an AlCu layer. For example, the source electrode 232 and the drain electrode 234 are formed of the same material.

ソース電極232の一部は、パッシベーション層226のソース開口部2261内に充填されている。ドレイン電極234の一部は、パッシベーション層226のドレイン開口部2262内に充填されている。ソース電極232は、ソース開口部2261に充填された充填領域と、充填領域と一体に形成されるとともに平面視においてソース開口部2261の周辺に位置する上部領域とを含む。 A portion of the source electrode 232 is filled in the source opening 2261 of the passivation layer 226. A portion of the drain electrode 234 is filled in the drain opening 2262 of the passivation layer 226. The source electrode 232 includes a filling region filled in the source opening 2261 and an upper region formed integrally with the filling region and positioned around the source opening 2261 in a plan view.

窒化物半導体装置210Aは、ソース電極232に連続するソースフィールドプレート部236を含み得る。ソースフィールドプレート部236は、ソース電極232の上部領域と一体に形成されており、平面視においてゲート層222の全体を覆うようにパッシベーション層226の上面226Sに設けられている。ソースフィールドプレート部236は、ソース電極232の一部として構成されてもよい。 The nitride semiconductor device 210A may include a source field plate portion 236 that is continuous with the source electrode 232. The source field plate portion 236 is formed integrally with the upper region of the source electrode 232, and is provided on the upper surface 226S of the passivation layer 226 so as to cover the entire gate layer 222 in a plan view. The source field plate portion 236 may be configured as part of the source electrode 232.

ソースフィールドプレート部236は、ドレイン電極234の近傍に端部2361を有している。この端部2361は、平面視においてドレイン電極234とゲート電極224との間に位置している。ソースフィールドプレート部236は、ゲート-ソース間電圧が0Vの状態でソース-ドレイン間に高電圧が印加された際に、ソースフィールドプレート部236の直下の2DEG220に向けて空乏層を伸ばすことで、ゲート電極224の端部付近およびゲート層222の端部近傍の電界集中を緩和する役割を果たす。 The source field plate portion 236 has an end 2361 near the drain electrode 234. This end 2361 is located between the drain electrode 234 and the gate electrode 224 in a plan view. When a high voltage is applied between the source and drain with the gate-source voltage at 0V, the source field plate portion 236 extends the depletion layer toward the 2DEG 220 directly below the source field plate portion 236, thereby playing a role in mitigating electric field concentration near the end of the gate electrode 224 and near the end of the gate layer 222.

(窒化物半導体装置の平面レイアウト)
次に、図12を参照して、窒化物半導体装置210Aの平面レイアウトの一例について説明する。図12では、ゲート電極224、ソース電極232、ドレイン電極234、およびソースフィールドプレート部236は破線で描かれている。また、パッシベーション層226については、ソース開口部2261およびドレイン開口部2262が実線で描かれており、それ以外の部分は透過的に示されている。
(Plane layout of nitride semiconductor device)
Next, an example of a planar layout of the nitride semiconductor device 210A will be described with reference to Fig. 12. In Fig. 12, the gate electrode 224, the source electrode 232, the drain electrode 234, and the source field plate portion 236 are drawn with dashed lines. In addition, for the passivation layer 226, the source opening 2261 and the drain opening 2262 are drawn with solid lines, and the other portions are shown transparently.

図12に示されるように、ゲート層222は、平面視において、ドレイン電極234を取り囲むように形成されていてよい。ゲート層222は、Y軸方向に延びる本体部80と、隣り合う2つの本体部80を接続する接続部82とを含んでいてよい。ゲート層222の本体部80は、パッシベーション層226のソース開口部2261とドレイン開口部2262との間に配置されている。 12, the gate layer 222 may be formed to surround the drain electrode 234 in a plan view. The gate layer 222 may include a body portion 80 extending in the Y-axis direction and a connection portion 82 connecting two adjacent body portions 80. The body portion 80 of the gate layer 222 is disposed between the source opening 2261 and the drain opening 2262 of the passivation layer 226.

ゲート電極224は、平面視において、ゲート層222と重なるように配置されている。したがって、ゲート電極224は、ゲート層222と同様、平面視において、ドレイン電極234を取り囲むように形成されていてよい。ゲート電極224は、Y軸方向に延びる本体部84と、隣り合う2つの本体部84を接続する接続部86とを含んでいてよい。ゲート電極224は、平面視でゲート層222よりも小さい面積を有していてよい。 The gate electrode 224 is disposed so as to overlap the gate layer 222 in a planar view. Thus, like the gate layer 222, the gate electrode 224 may be formed so as to surround the drain electrode 234 in a planar view. The gate electrode 224 may include a main body portion 84 extending in the Y-axis direction and a connection portion 86 that connects two adjacent main body portions 84. The gate electrode 224 may have an area smaller than that of the gate layer 222 in a planar view.

窒化物半導体装置210Aは、ゲート配線88、ソース配線90、およびドレイン配線92を含んでいてよい。図12では、ゲート配線88、ソース配線90、およびドレイン配線92は、一点鎖線で描かれている。ゲート配線88、ソース配線90、およびドレイン配線92は、Z軸方向においてソース電極232およびドレイン電極234よりも上方に位置している。ゲート配線88は、X軸方向に延びるとともに、ゲート電極224の接続部86の上方に配置されていてよい。ソース配線90およびドレイン配線92は、X軸方向に延びるとともに、それぞれ平面視でソース電極232およびドレイン電極234と交差するように配置されていてよい。一例では、ゲート電極224は、接続部86上に配置されたビア94を介してゲート配線88に電気的に接続されていてよい。ソース電極232は、ビア96を介してソース配線90に電気的に接続されていてよい。ドレイン電極234は、ビア98を介してドレイン配線92に電気的に接続されていてよい。 The nitride semiconductor device 210A may include a gate wiring 88, a source wiring 90, and a drain wiring 92. In FIG. 12, the gate wiring 88, the source wiring 90, and the drain wiring 92 are depicted by dashed lines. The gate wiring 88, the source wiring 90, and the drain wiring 92 are located above the source electrode 232 and the drain electrode 234 in the Z-axis direction. The gate wiring 88 may extend in the X-axis direction and be disposed above the connection portion 86 of the gate electrode 224. The source wiring 90 and the drain wiring 92 may extend in the X-axis direction and be disposed so as to intersect with the source electrode 232 and the drain electrode 234 in a plan view, respectively. In one example, the gate electrode 224 may be electrically connected to the gate wiring 88 through a via 94 disposed on the connection portion 86. The source electrode 232 may be electrically connected to the source wiring 90 through a via 96. The drain electrode 234 may be electrically connected to the drain wiring 92 through a via 98.

窒化物半導体装置210Aの平面レイアウトは、図12に示す例に限られない。任意の他の平面レイアウトを窒化物半導体装置210Aに適用することができる。
(ゲート層およびゲート電極の例示的な構造)
図14に示されるように、ゲート層222は、たとえば断面視台形状である。ゲート層222は、上面222Sと、上面222Sとは反対側を向く下面222Rとを含む。ゲート層222の下面222Rは、電子供給層218の上面218Sと接する。ここで、Z方向は、ゲート層222の厚さ方向に対応する。図14は、ゲート層222の厚さ方向およびゲート層222の幅方向に沿う平面でゲート層222を切った断面構造を示している。ゲート層222の厚さは、ゲート層222の上面222Sから下面222Rまでの距離のことである。ゲート層222の厚さは、ゲート耐圧などの種々のパラメータを考慮して決定され得る。
The planar layout of the nitride semiconductor device 210A is not limited to the example shown in Fig. 12. Any other planar layout may be applied to the nitride semiconductor device 210A.
(Exemplary Structure of Gate Layer and Gate Electrode)
As shown in Fig. 14, the gate layer 222 has, for example, a trapezoidal shape in cross section. The gate layer 222 includes an upper surface 222S and a lower surface 222R facing the opposite side to the upper surface 222S. The lower surface 222R of the gate layer 222 contacts the upper surface 218S of the electron supply layer 218. Here, the Z direction corresponds to the thickness direction of the gate layer 222. Fig. 14 shows a cross-sectional structure of the gate layer 222 cut by a plane along the thickness direction and width direction of the gate layer 222. The thickness of the gate layer 222 is the distance from the upper surface 222S to the lower surface 222R of the gate layer 222. The thickness of the gate layer 222 can be determined in consideration of various parameters such as the gate breakdown voltage.

ゲート層222の下面222Rは、ゲート層222の上面222Sよりも大きな面積を有している。つまり、ゲート層222は、X方向における下面222Rの幅W11に対して、X方向における上面222Sの幅W12が小さい形状である。ゲート長は、ゲート層222の下面222Rの幅W11により規定される。下面222Rの幅W11は、たとえば0.2μm以上0.5μm以下であってよい。好ましくは、下面222Rの幅W11は、たとえば0.3μmであってよい。 The lower surface 222R of the gate layer 222 has a larger area than the upper surface 222S of the gate layer 222. In other words, the gate layer 222 has a shape in which the width W12 of the upper surface 222S in the X direction is smaller than the width W11 of the lower surface 222R in the X direction. The gate length is determined by the width W11 of the lower surface 222R of the gate layer 222. The width W11 of the lower surface 222R may be, for example, 0.2 μm or more and 0.5 μm or less. Preferably, the width W11 of the lower surface 222R may be, for example, 0.3 μm.

ゲート層222は、ソース電極232寄りに配置されているソース側ゲート面2221と、ソース側ゲート面2221とは反対側の面であって、ドレイン電極234寄りに配置されているドレイン側ゲート面2222とを含む。ソース側ゲート面2221は、図13に示すソース電極232の側を向く面である。ドレイン側ゲート面2222は、図13に示すドレイン電極234の側を向く面である。 The gate layer 222 includes a source-side gate surface 2221 disposed closer to the source electrode 232, and a drain-side gate surface 2222 disposed on the opposite side of the source-side gate surface 2221 closer to the drain electrode 234. The source-side gate surface 2221 faces the source electrode 232 shown in FIG. 13. The drain-side gate surface 2222 faces the drain electrode 234 shown in FIG. 13.

図14に示されるように、ソース側ゲート面2221およびドレイン側ゲート面2222は、電子供給層218の上面218Sに対して、電子供給層218の上面218Sの上のソース電極232とドレイン電極234とが並ぶ方向、つまりX方向に対して所定の角度を有する傾斜面である。 As shown in FIG. 14, the source side gate surface 2221 and the drain side gate surface 2222 are inclined surfaces that have a predetermined angle with respect to the direction in which the source electrode 232 and the drain electrode 234 on the upper surface 218S of the electron supply layer 218 are aligned, that is, the X direction, relative to the upper surface 218S of the electron supply layer 218.

ソース側ゲート面2221の傾斜角度θ11は、電子供給層218の上面218Sとソース側ゲート面2221とがなす角度のうち、鋭角のものをいう。ソース側ゲート面2221の傾斜角度θ11は、たとえば80°以上90°以下である。 The inclination angle θ11 of the source side gate surface 2221 refers to the acute angle between the upper surface 218S of the electron supply layer 218 and the source side gate surface 2221. The inclination angle θ11 of the source side gate surface 2221 is, for example, 80° or more and 90° or less.

ドレイン側ゲート面2222の傾斜角度θ12は、電子供給層218の上面218Sとドレイン側ゲート面2222とがなす角度のうち、鋭角のものをいう。ドレイン側ゲート面2222の傾斜角度θ12は、たとえば60°以上80°以下である。 The inclination angle θ12 of the drain side gate surface 2222 refers to the acute angle between the upper surface 218S of the electron supply layer 218 and the drain side gate surface 2222. The inclination angle θ12 of the drain side gate surface 2222 is, for example, 60° or more and 80° or less.

第2実施形態のゲート層222は、ソース電極232の側を向くソース側ゲート面2221の傾斜角度θ11に対して、ドレイン電極234の側を向くドレイン側ゲート面2222の傾斜角度θ12が小さい。ゲート層222は、X方向において、ソース電極232の側の形状と、ドレイン電極234の側の形状とが異なる。つまり、第2実施形態のゲート層222は、X方向において非対称の形状を有する。 In the gate layer 222 of the second embodiment, the inclination angle θ12 of the drain side gate surface 2222 facing the drain electrode 234 is smaller than the inclination angle θ11 of the source side gate surface 2221 facing the source electrode 232. In the gate layer 222, the shape of the source electrode 232 side and the shape of the drain electrode 234 side are different in the X direction. In other words, the gate layer 222 of the second embodiment has an asymmetric shape in the X direction.

ゲート電極224は、ゲート層222の上面222Sの一部の上に形成されている。ゲート電極224は、たとえば断面視台形状である。ゲート電極224は、上面224Sと、上面224Sとは反対側を向く下面224Rとを含む。ゲート電極224の下面224Rは、ゲート層222の上面222Sと接する。 The gate electrode 224 is formed on a portion of the upper surface 222S of the gate layer 222. The gate electrode 224 is, for example, trapezoidal in cross section. The gate electrode 224 includes an upper surface 224S and a lower surface 224R facing the opposite side to the upper surface 224S. The lower surface 224R of the gate electrode 224 is in contact with the upper surface 222S of the gate layer 222.

ゲート電極224の下面224Rは、ゲート電極224の上面224Sよりも大きな面積を有している。つまり、ゲート電極224は、X方向における下面224Rの幅W21に対して、X方向における上面224Sの幅W22が小さい形状である。 The lower surface 224R of the gate electrode 224 has a larger area than the upper surface 224S of the gate electrode 224. In other words, the gate electrode 224 has a shape in which the width W22 of the upper surface 224S in the X direction is smaller than the width W21 of the lower surface 224R in the X direction.

ゲート電極224は、ソース電極232寄りに配置されているソース側電極面2241と、ソース側電極面2241とは反対側の面であって、ドレイン電極234よりに配置されているドレイン側電極面2242とを含む。ソース側電極面2241は、図13に示すソース電極232の側を向く面である。ドレイン側電極面2242は、図13に示すドレイン電極234の側を向く面である。 The gate electrode 224 includes a source side electrode surface 2241 disposed closer to the source electrode 232, and a drain side electrode surface 2242, which is the surface opposite the source side electrode surface 2241 and disposed closer to the drain electrode 234. The source side electrode surface 2241 is the surface facing the source electrode 232 shown in FIG. 13. The drain side electrode surface 2242 is the surface facing the drain electrode 234 shown in FIG. 13.

ソース側電極面2241およびドレイン側電極面2242は、ゲート層222の上面222Sに対して、ソース電極232とドレイン電極234とが並ぶ方向、つまりX方向に対して所定の角度を有する傾斜面である。 The source side electrode surface 2241 and the drain side electrode surface 2242 are inclined surfaces that have a predetermined angle with respect to the direction in which the source electrode 232 and the drain electrode 234 are aligned, i.e., the X direction, with respect to the upper surface 222S of the gate layer 222.

ソース側電極面2241の傾斜角度θ21は、ゲート層222の上面222Sとソース側電極面2241とがなす角度のうち、鋭角のものをいう。ソース側電極面2241の傾斜角度θ21は、たとえば80°以上90°以下である。ソース側電極面2241の傾斜角度θ21は、たとえば、ソース側ゲート面2221の傾斜角度θ11と等しい。なお、ソース側電極面2241の傾斜角度θ21は、ソース側ゲート面2221の傾斜角度θ11より小さくてもよく、またソース側ゲート面2221の傾斜角度θ11より大きくてもよい。 The inclination angle θ21 of the source side electrode surface 2241 refers to the acute angle among the angles formed between the upper surface 222S of the gate layer 222 and the source side electrode surface 2241. The inclination angle θ21 of the source side electrode surface 2241 is, for example, 80° or more and 90° or less. The inclination angle θ21 of the source side electrode surface 2241 is, for example, equal to the inclination angle θ11 of the source side gate surface 2221. Note that the inclination angle θ21 of the source side electrode surface 2241 may be smaller than the inclination angle θ11 of the source side gate surface 2221, or may be larger than the inclination angle θ11 of the source side gate surface 2221.

ドレイン側電極面2242の傾斜角度θ22は、ゲート層222の上面222Sとドレイン側電極面2242とがなす角度のうち、鋭角のものをいう。ドレイン側電極面2242の傾斜角度θ22は、たとえば60°以上80°以下である。ドレイン側電極面2242の傾斜角度θ22は、たとえば、ドレイン側ゲート面2222の傾斜角度θ12と等しい。なお、ドレイン側電極面2242の傾斜角度θ22は、ドレイン側ゲート面2222の傾斜角度θ12より小さくてもよく、またドレイン側ゲート面2222の傾斜角度θ12より大きくてもよい。 The inclination angle θ22 of the drain side electrode surface 2242 refers to an acute angle among the angles formed between the upper surface 222S of the gate layer 222 and the drain side electrode surface 2242. The inclination angle θ22 of the drain side electrode surface 2242 is, for example, 60° or more and 80° or less. The inclination angle θ22 of the drain side electrode surface 2242 is, for example, equal to the inclination angle θ12 of the drain side gate surface 2222. Note that the inclination angle θ22 of the drain side electrode surface 2242 may be smaller than the inclination angle θ12 of the drain side gate surface 2222, or may be larger than the inclination angle θ12 of the drain side gate surface 2222.

第2実施形態のゲート電極224は、ソース電極232の側を向くソース側電極面2241の傾斜角度θ21に対して、ドレイン電極234の側を向くドレイン側電極面2242の傾斜角度θ22が小さい。ゲート電極224は、X方向において、ソース電極232の側の形状と、ドレイン電極234の側の形状とが異なる。つまり、第2実施形態のゲート電極224は、X方向において非対称の形状を有する。 In the gate electrode 224 of the second embodiment, the inclination angle θ22 of the drain side electrode surface 2242 facing the drain electrode 234 is smaller than the inclination angle θ21 of the source side electrode surface 2241 facing the source electrode 232. In the gate electrode 224, the shape of the source electrode 232 side and the shape of the drain electrode 234 side are different in the X direction. In other words, the gate electrode 224 of the second embodiment has an asymmetric shape in the X direction.

第2実施形態のゲート電極224は、ゲート層222の上面222Sの一部の上に形成されている。ゲート電極224の下面224Rの幅W21は、ゲート層222の上面222Sの幅W12よりも短い。したがって、ゲート層222の上面222Sは、ゲート電極224の下面224Rと接触していない領域、すなわち、ゲート電極224の下面224Rから露出するとともにゲート電極224の外側に延在するゲートサイドスペース(以下、サイドスペースと呼ぶ)領域を含む。図14の例では、ゲート層222の上面222Sは、X方向におけるゲート電極224の両側壁の外側に延在する2つのサイドスペース領域として、第1サイドスペース部222S1と第2サイドスペース部222S2とを含む。第1サイドスペース部222S1は、ソース電極232寄りに位置する領域である。第2サイドスペース部222S2は、ドレイン電極234寄りに位置する領域である。 The gate electrode 224 of the second embodiment is formed on a part of the upper surface 222S of the gate layer 222. The width W21 of the lower surface 224R of the gate electrode 224 is shorter than the width W12 of the upper surface 222S of the gate layer 222. Therefore, the upper surface 222S of the gate layer 222 includes a region that is not in contact with the lower surface 224R of the gate electrode 224, that is, a gate side space (hereinafter referred to as a side space) region that is exposed from the lower surface 224R of the gate electrode 224 and extends outside the gate electrode 224. In the example of FIG. 14, the upper surface 222S of the gate layer 222 includes a first side space portion 222S1 and a second side space portion 222S2 as two side space regions extending outside both side walls of the gate electrode 224 in the X direction. The first side space portion 222S1 is a region located closer to the source electrode 232. The second side space portion 222S2 is a region located closer to the drain electrode 234.

図15は、窒化物半導体装置210AのX方向に並べられた2つのゲート層222およびゲート電極224に係る構成を示す。なお、図15では、図13に示されるパッシベーション層226およびソースフィールドプレート部236が省略されている。 Figure 15 shows the configuration of two gate layers 222 and a gate electrode 224 arranged in the X direction of a nitride semiconductor device 210A. Note that the passivation layer 226 and the source field plate portion 236 shown in Figure 13 are omitted in Figure 15.

図15に示されるように、窒化物半導体装置210Aは、2つのゲート層222および2つのゲート電極224と、2つのドレイン電極234とを含む。2つのゲート層222を区別するために、一方のゲート層222を第1ゲート層222A、他方のゲート層222を第2ゲート層222Bとして説明する。同様に2つのゲート電極224について、第1ゲート層222Aの上のゲート電極224を第1ゲート電極224A、第2ゲート層222Bの上のゲート電極224を第2ゲート電極224Bとして説明する。また、2つのドレイン電極234について、ソース電極232と第1ゲート層222Aを挟むドレイン電極234を第1ドレイン電極234A、ソース電極232と第2ゲート層222Bを挟むドレイン電極234を第2ドレイン電極234Bとして説明する。 15, the nitride semiconductor device 210A includes two gate layers 222 and two gate electrodes 224, and two drain electrodes 234. In order to distinguish between the two gate layers 222, one gate layer 222 will be described as the first gate layer 222A, and the other gate layer 222 will be described as the second gate layer 222B. Similarly, for the two gate electrodes 224, the gate electrode 224 on the first gate layer 222A will be described as the first gate electrode 224A, and the gate electrode 224 on the second gate layer 222B will be described as the second gate electrode 224B. In addition, for the two drain electrodes 234, the drain electrode 234 sandwiching the source electrode 232 and the first gate layer 222A will be described as the first drain electrode 234A, and the drain electrode 234 sandwiching the source electrode 232 and the second gate layer 222B will be described as the second drain electrode 234B.

第1ゲート層222Aと第2ゲート層222Bは、ソース電極232を挟んで配置されている。第1ゲート電極224Aは、第1ゲート層222Aの上に形成されている。第2ゲート電極224Bは、第2ゲート層222Bの上に形成されている。第1ドレイン電極234Aは、ソース電極232と第1ゲート層222Aを挟むように配置されている。第2ドレイン電極234Bは、ソース電極232と第2ゲート層222Bを挟むように配置されている。 The first gate layer 222A and the second gate layer 222B are disposed on either side of the source electrode 232. The first gate electrode 224A is formed on the first gate layer 222A. The second gate electrode 224B is formed on the second gate layer 222B. The first drain electrode 234A is disposed so as to sandwich the source electrode 232 and the first gate layer 222A. The second drain electrode 234B is disposed so as to sandwich the source electrode 232 and the second gate layer 222B.

第1ゲート層222Aと第2ゲート層222Bは、ソース電極232に対して、互いに対称となる位置に配置されている。つまり、ソース電極232の中心から第1ゲート層222Aまでの距離L1Aは、ソース電極232の中心から第2ゲート層222Bまでの距離L1Bと等しい。ここで、第1ゲート層222Aまでの距離L1Aと第2ゲート層222Bまでの距離L1Bとの差がたとえば第1ゲート層222Aまでの距離L1Aの10%以内であれば、第1ゲート層222Aまでの距離L1Aと第2ゲート層222Bまでの距離L1Bとが互いに等しいといえる。 The first gate layer 222A and the second gate layer 222B are disposed at positions symmetrical to each other with respect to the source electrode 232. In other words, the distance L1A from the center of the source electrode 232 to the first gate layer 222A is equal to the distance L1B from the center of the source electrode 232 to the second gate layer 222B. Here, if the difference between the distance L1A to the first gate layer 222A and the distance L1B to the second gate layer 222B is, for example, within 10% of the distance L1A to the first gate layer 222A, it can be said that the distance L1A to the first gate layer 222A and the distance L1B to the second gate layer 222B are equal to each other.

第1ゲート層222Aと第2ゲート層222Bは、ソース電極232に対して、互いに対称となる形状に形成されている。第1ゲート層222Aは、ソース電極232の側のソース側ゲート面2221Aと、第1ドレイン電極234Aの側のドレイン側ゲート面2222Bとを含む。第2ゲート層222Bは、ソース電極232の側のソース側ゲート面2221Bと、第2ドレイン電極234Bの側のドレイン側ゲート面2222Bとを含む。第1ゲート層222Aのソース側ゲート面2221Aの傾斜角度は、第2ゲート層222Bのソース側ゲート面2221Bの傾斜角度と等しい。第1ゲート層222Aのドレイン側ゲート面2222Aの傾斜角度は、第2ゲート層222Bのドレイン側ゲート面2222Bの傾斜角度と等しい。ここで、2つの傾斜角度の差が一方の傾斜角度の10%以内であれば、2つの傾斜角度は互いに等しいといえる。 The first gate layer 222A and the second gate layer 222B are formed in a shape symmetrical to each other with respect to the source electrode 232. The first gate layer 222A includes a source side gate surface 2221A on the side of the source electrode 232 and a drain side gate surface 2222B on the side of the first drain electrode 234A. The second gate layer 222B includes a source side gate surface 2221B on the side of the source electrode 232 and a drain side gate surface 2222B on the side of the second drain electrode 234B. The inclination angle of the source side gate surface 2221A of the first gate layer 222A is equal to the inclination angle of the source side gate surface 2221B of the second gate layer 222B. The inclination angle of the drain side gate surface 2222A of the first gate layer 222A is equal to the inclination angle of the drain side gate surface 2222B of the second gate layer 222B. Here, if the difference between the two tilt angles is within 10% of one of the tilt angles, the two tilt angles can be said to be equal to each other.

第1ゲート電極224Aと第2ゲート電極224Bは、ソース電極232に対して、互いに対称となる形状に形成されている。第1ゲート電極224Aは、ソース電極232の側のソース側電極面2241Aと、第1ドレイン電極234Aの側のドレイン側電極面2242Aとを含む。第2ゲート電極224Bは、ソース電極232の側のソース側電極面2241Bと、第2ドレイン電極234Bの側のドレイン側電極面2242Bとを含む。第1ゲート電極224Aのソース側電極面2241Aの傾斜角度は、第2ゲート電極224Bのソース側電極面2241Bの傾斜角度と等しい。第1ゲート電極224Aのドレイン側電極面2242Aの傾斜角度は、第2ゲート電極224Bのドレイン側電極面2242Bの傾斜角度と等しい。 The first gate electrode 224A and the second gate electrode 224B are formed in a shape symmetrical to each other with respect to the source electrode 232. The first gate electrode 224A includes a source side electrode surface 2241A on the source electrode 232 side and a drain side electrode surface 2242A on the first drain electrode 234A side. The second gate electrode 224B includes a source side electrode surface 2241B on the source electrode 232 side and a drain side electrode surface 2242B on the second drain electrode 234B side. The inclination angle of the source side electrode surface 2241A of the first gate electrode 224A is equal to the inclination angle of the source side electrode surface 2241B of the second gate electrode 224B. The inclination angle of the drain side electrode surface 2242A of the first gate electrode 224A is equal to the inclination angle of the drain side electrode surface 2242B of the second gate electrode 224B.

第1ゲート層222Aの幅W11Aは、第2ゲート層222Bの幅W11Bと等しい。ここで、第1ゲート層222Aの幅W11Aと第2ゲート層222Bの幅W11Bとの差がたとえば第1ゲート層222Aの幅W11Aの10%以内であれば、第1ゲート層222Aの幅W11Aと第2ゲート層222Bの幅W11Bは互いに等しいといえる。 The width W11A of the first gate layer 222A is equal to the width W11B of the second gate layer 222B. Here, if the difference between the width W11A of the first gate layer 222A and the width W11B of the second gate layer 222B is, for example, within 10% of the width W11A of the first gate layer 222A, then the width W11A of the first gate layer 222A and the width W11B of the second gate layer 222B can be said to be equal to each other.

第1ゲート電極224Aの幅W21Aは、第2ゲート電極224Bの幅W21Bと等しい。ここで、第1ゲート電極224Aの幅W21Aと第2ゲート電極224Bの幅W21Bとの差がたとえば第1ゲート電極224Aの幅W21Aの10%以内であれば、第1ゲート電極224Aの幅W21Aと第2ゲート電極224Bの幅W21Bは互いに等しいといえる。 The width W21A of the first gate electrode 224A is equal to the width W21B of the second gate electrode 224B. Here, if the difference between the width W21A of the first gate electrode 224A and the width W21B of the second gate electrode 224B is, for example, within 10% of the width W21A of the first gate electrode 224A, it can be said that the width W21A of the first gate electrode 224A and the width W21B of the second gate electrode 224B are equal to each other.

第1ドレイン電極234Aと第2ドレイン電極234Bは、ソース電極232に対して、互いに対称となる位置に配置されている。つまり、ソース電極232の中心から第1ドレイン電極234Aまでの距離L2Aは、ソース電極232の中心から第2ドレイン電極234Bまでの距離L2Bと等しい。ここで、第1ドレイン電極234Aまでの距離L2Aと第2ドレイン電極234Bまでの距離L2Bとの差がたとえば第1ドレイン電極234Aまでの距離L2Aの10%以内であれば、第1ドレイン電極234Aまでの距離L2Aと第2ドレイン電極234Bまでの距離L2Bとが互いに等しいといえる。 The first drain electrode 234A and the second drain electrode 234B are disposed at positions symmetrical to each other with respect to the source electrode 232. In other words, the distance L2A from the center of the source electrode 232 to the first drain electrode 234A is equal to the distance L2B from the center of the source electrode 232 to the second drain electrode 234B. Here, if the difference between the distance L2A to the first drain electrode 234A and the distance L2B to the second drain electrode 234B is, for example, within 10% of the distance L2A to the first drain electrode 234A, it can be said that the distance L2A to the first drain electrode 234A and the distance L2B to the second drain electrode 234B are equal to each other.

なお、図15では、窒化物半導体装置210Aは、1つのソース電極232、2つのゲート層222A,222B、2つのゲート電極224A,224B、および2つのドレイン電極234A,234Bを含むものとして示されている。実際には、窒化物半導体装置210Aは、図15の構造が繰り返されることにより、多数のソース電極232、ゲート層222およびゲート電極224、およびドレイン電極234を含む。 In FIG. 15, the nitride semiconductor device 210A is shown as including one source electrode 232, two gate layers 222A and 222B, two gate electrodes 224A and 224B, and two drain electrodes 234A and 234B. In reality, the nitride semiconductor device 210A includes multiple source electrodes 232, gate layers 222 and gate electrodes 224, and drain electrodes 234, by repeating the structure of FIG. 15.

(作用)
(比較例)
図16は、第2実施形態の窒化物半導体装置210Aに対する比較例の窒化物半導体装置210Xの一部を拡大して示す概略断面図である。図16の構造は、図13の構造との比較例として示されている。なお、比較例の窒化物半導体装置210Xについて、第2実施形態の窒化物半導体装置210Aと同様の構成要素については同一の符号を付している。
(Action)
(Comparative Example)
Fig. 16 is a schematic cross-sectional view showing an enlarged portion of a nitride semiconductor device 210X as a comparative example to the nitride semiconductor device 210A of the second embodiment. The structure of Fig. 16 is shown as an example for comparison with the structure of Fig. 13. Note that in the nitride semiconductor device 210X as the comparative example, components similar to those in the nitride semiconductor device 210A of the second embodiment are denoted by the same reference numerals.

比較例の窒化物半導体装置210Xにおいて、ゲート層222Xは、断面視矩形状に形成されている。つまり、ゲート層222Xのソース側ゲート面2221Xおよびドレイン側ゲート面2222Xは、電子供給層218の上面218Sに対して垂直に形成されている。ゲート層222Xの上面222SXの幅(X方向の長さ)は、ゲート層222Xの下面222RXの幅と等しい。ゲート電極224Xは、ゲート層222Xの上面222Sの一部の上に形成されている。ゲート電極224Xは、断面視矩形状に形成されている。つまり、ゲート電極224Xのソース側電極面2241Xおよびドレイン側電極面2242Xは、ゲート層222Xの上面222Sに対して垂直に形成されている。ゲート電極224Xの上面224SXの幅は、ゲート電極224Xの下面224RXの幅と等しい。 In the comparative nitride semiconductor device 210X, the gate layer 222X is formed in a rectangular shape in cross section. That is, the source side gate surface 2221X and the drain side gate surface 2222X of the gate layer 222X are formed perpendicular to the upper surface 218S of the electron supply layer 218. The width (length in the X direction) of the upper surface 222SX of the gate layer 222X is equal to the width of the lower surface 222RX of the gate layer 222X. The gate electrode 224X is formed on a part of the upper surface 222S of the gate layer 222X. The gate electrode 224X is formed in a rectangular shape in cross section. That is, the source side electrode surface 2241X and the drain side electrode surface 2242X of the gate electrode 224X are formed perpendicular to the upper surface 222S of the gate layer 222X. The width of the upper surface 224SX of the gate electrode 224X is equal to the width of the lower surface 224RX of the gate electrode 224X.

この比較例の窒化物半導体装置210Xでは、ドレイン-ソース間に高電圧が印加されると、ドレイン-ソース間領域におけるゲート電極224Xの端部付近に電界集中が生じる。このような電界集中は、電子供給層218等の絶縁破壊を引き起こすため、ドレイン-ソース間耐圧を低下させる要因となり得る。また、この比較例の窒化物半導体装置210Xでは、ゲート電極224Xへの正電圧の印加時に、ゲート電極224Xの端部付近のゲート層222Xの部分に電界が局所的に集中する。このような局所的な電界集中は、ゲート層222Xの結晶欠陥ひいては結晶破壊をもたらすため、ゲート耐圧を低下させる要因となり得る。 In the nitride semiconductor device 210X of this comparative example, when a high voltage is applied between the drain and source, an electric field concentration occurs near the end of the gate electrode 224X in the drain-source region. Such electric field concentration can cause dielectric breakdown of the electron supply layer 218, etc., and can be a factor in reducing the drain-source breakdown voltage. In addition, in the nitride semiconductor device 210X of this comparative example, when a positive voltage is applied to the gate electrode 224X, an electric field is locally concentrated in a portion of the gate layer 222X near the end of the gate electrode 224X. Such local electric field concentration can cause crystal defects and ultimately crystal breakdown in the gate layer 222X, and can be a factor in reducing the gate breakdown voltage.

(第2実施形態の窒化物半導体装置)
図13,図14に示す窒化物半導体装置210Aにおいて、ゲート層222は、電子供給層218の上面218Sに対して、傾斜角度θ12にて傾斜したドレイン側ゲート面2222を含む。このように傾斜したドレイン側ゲート面2222を含むゲート層222は、ゲート層222のドレイン電極234の側の端部における電界集中を緩和することができる。このため、この窒化物半導体装置210Aは、電子供給層218等の絶縁破壊を抑制することができ、ドレイン-ソース間耐圧の低下を抑制することができる。
(Nitride Semiconductor Device of Second Embodiment)
13 and 14, the gate layer 222 includes a drain-side gate surface 2222 inclined at an inclination angle θ12 with respect to an upper surface 218S of the electron supply layer 218. The gate layer 222 including the inclined drain-side gate surface 2222 in this manner can reduce electric field concentration at an end of the gate layer 222 on the drain electrode 234 side. Therefore, the nitride semiconductor device 210A can suppress dielectric breakdown of the electron supply layer 218, etc., and suppress a decrease in the drain-source breakdown voltage.

また、ゲート電極224は、ゲート層222の上面222Sに対して、傾斜角度θ22にて傾斜したドレイン側電極面2242を含む。このように傾斜したドレイン側電極面を含むゲート電極224は、ゲート電極224への正電圧の印加時に、ゲート電極224の端部付近のゲート層222の部分における電界集中を緩和することができる。このため、この窒化物半導体装置210Aは、ゲート層222の結晶欠陥、結晶破壊を抑制することができ、ゲート耐圧の低下を抑制することができる。 The gate electrode 224 also includes a drain-side electrode surface 2242 that is inclined at an inclination angle θ22 with respect to the upper surface 222S of the gate layer 222. The gate electrode 224 that includes such an inclined drain-side electrode surface can reduce electric field concentration in the portion of the gate layer 222 near the end of the gate electrode 224 when a positive voltage is applied to the gate electrode 224. Therefore, this nitride semiconductor device 210A can suppress crystal defects and crystal destruction in the gate layer 222, and can suppress a decrease in the gate breakdown voltage.

ゲート層222は、ソース電極232の側のソース側ゲート面2221と、ドレイン電極234の側のドレイン側ゲート面2222とを含む。ソース側ゲート面2221の傾斜角度θ11は、ドレイン側ゲート面2222の傾斜角度θ12よりも大きい。したがって、ソース側ゲート面2221をドレイン側ゲート面2222と同じ傾斜角度にて形成した場合と比べ、ゲート層222の幅W11、つまりゲート長を短くすることができる。 The gate layer 222 includes a source-side gate surface 2221 on the side of the source electrode 232 and a drain-side gate surface 2222 on the side of the drain electrode 234. The inclination angle θ11 of the source-side gate surface 2221 is larger than the inclination angle θ12 of the drain-side gate surface 2222. Therefore, the width W11 of the gate layer 222, i.e., the gate length, can be made shorter than when the source-side gate surface 2221 is formed at the same inclination angle as the drain-side gate surface 2222.

(第2実施形態の窒化物半導体装置の製造方法)
次に、図13、図15の窒化物半導体装置210Aの製造方法の一例について説明する。
(Method of Manufacturing the Nitride Semiconductor Device of the Second Embodiment)
Next, an example of a method for manufacturing the nitride semiconductor device 210A shown in FIGS. 13 and 15 will be described.

図17から図28は、窒化物半導体装置210Aの例示的な製造工程を示す概略断面図である。なお、第2実施形態の窒化物半導体装置210Aは、図15に示されるように、ソース電極232に対して2つのゲート層222および2つのゲート電極224が対称形状を有している。このため、図17から図28では、図15に示す状態に基づいて、製造工程に係る断面形状を示している。また、理解を容易にするために、図16から図27では、図13の構成要素と同様の構成要素には同一の符号を付している。 Figures 17 to 28 are schematic cross-sectional views showing exemplary manufacturing steps of the nitride semiconductor device 210A. As shown in Figure 15, the nitride semiconductor device 210A of the second embodiment has two gate layers 222 and two gate electrodes 224 that are symmetrical with respect to the source electrode 232. Therefore, Figures 17 to 28 show cross-sectional shapes related to the manufacturing steps based on the state shown in Figure 15. Also, for ease of understanding, the same reference numerals are used in Figures 16 to 27 for components similar to those in Figure 13.

図17に示されるように、窒化物半導体装置210Aの製造方法は、たとえばSi基板である基板212上に、バッファ層214、第1窒化物半導体層216、第2窒化物半導体層218、および第3窒化物半導体層222を順次形成することを含む。バッファ層214、第1窒化物半導体層216、第2窒化物半導体層218、および第3窒化物半導体層222は、有機金属気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いて、エピタキシャル成長させることができる。 As shown in FIG. 17, the method for manufacturing the nitride semiconductor device 210A includes sequentially forming a buffer layer 214, a first nitride semiconductor layer 216, a second nitride semiconductor layer 218, and a third nitride semiconductor layer 222 on a substrate 212, which is, for example, a Si substrate. The buffer layer 214, the first nitride semiconductor layer 216, the second nitride semiconductor layer 218, and the third nitride semiconductor layer 222 can be epitaxially grown using a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method.

詳細な図示は省略するが、一例では、バッファ層214は多層バッファ層であってよい。多層バッファ層は、基板212上にAlN層(第1バッファ層)が形成された後、AlN層上にグレーデッドAlGaN層(第2バッファ層)が形成される。グレーデッドAlGaN層は、たとえばAlN層に近い側から順にAl組成を75%、50%、25%とした3つのAlGaN層を積層することによって形成することができる。 Although detailed illustration is omitted, in one example, the buffer layer 214 may be a multi-layer buffer layer. In the multi-layer buffer layer, an AlN layer (first buffer layer) is formed on the substrate 212, and then a graded AlGaN layer (second buffer layer) is formed on the AlN layer. The graded AlGaN layer can be formed, for example, by stacking three AlGaN layers with Al compositions of 75%, 50%, and 25% in that order from the side closest to the AlN layer.

バッファ層214上に第1窒化物半導体層216が形成される。つまり、基板212上にバッファ層214を介して第1窒化物半導体層216が形成される。第1窒化物半導体層216は、GaN層であってよい。第1窒化物半導体層216は、図13~図15の電子走行層216を構成する。 The first nitride semiconductor layer 216 is formed on the buffer layer 214. That is, the first nitride semiconductor layer 216 is formed on the substrate 212 with the buffer layer 214 interposed therebetween. The first nitride semiconductor layer 216 may be a GaN layer. The first nitride semiconductor layer 216 constitutes the electron transit layer 216 in FIGS. 13 to 15.

続いて、第1窒化物半導体層216上に第2窒化物半導体層218が形成される。第2窒化物半導体層218は、AlGaN層であってよい。したがって、第2窒化物半導体層218は、第1窒化物半導体層216よりも大きなバンドギャップを有する。第2窒化物半導体層218は、図13~図15の電子供給層218を構成する。 Then, a second nitride semiconductor layer 218 is formed on the first nitride semiconductor layer 216. The second nitride semiconductor layer 218 may be an AlGaN layer. Therefore, the second nitride semiconductor layer 218 has a larger band gap than the first nitride semiconductor layer 216. The second nitride semiconductor layer 218 constitutes the electron supply layer 218 in FIGS. 13 to 15.

続いて、第2窒化物半導体層218上に第3窒化物半導体層222が形成される。第3窒化物半導体層222は、アクセプタ型不純物を含むGaN層(p型GaN層)であってよい。アクセプタ型不純物は、たとえばマグネシウムであってよい。第3窒化物半導体層222は、図13~図15のゲート層222を構成する。 Then, a third nitride semiconductor layer 222 is formed on the second nitride semiconductor layer 218. The third nitride semiconductor layer 222 may be a GaN layer containing an acceptor-type impurity (a p-type GaN layer). The acceptor-type impurity may be, for example, magnesium. The third nitride semiconductor layer 222 constitutes the gate layer 222 in FIGS. 13 to 15.

バッファ層214、第1窒化物半導体層216、第2窒化物半導体層218、および第3窒化物半導体層222は、格子定数の比較的近い窒化物半導体によって構成されている。このため、バッファ層214、第1窒化物半導体層216、第2窒化物半導体層218、および第3窒化物半導体層222は、連続的にエピタキシャル成長させることができる。 The buffer layer 214, the first nitride semiconductor layer 216, the second nitride semiconductor layer 218, and the third nitride semiconductor layer 222 are composed of nitride semiconductors with relatively similar lattice constants. Therefore, the buffer layer 214, the first nitride semiconductor layer 216, the second nitride semiconductor layer 218, and the third nitride semiconductor layer 222 can be epitaxially grown continuously.

図18に示されるように、窒化物半導体装置210Aの製造方法はさらに、第3窒化物半導体層222上に金属層224を形成することを含む。金属層224は、図13~図15に示されるゲート電極224を構成する。金属層224は、たとえばTiN層であってよい。TiN層は、スパッタ法によって形成される。 As shown in FIG. 18, the method for manufacturing the nitride semiconductor device 210A further includes forming a metal layer 224 on the third nitride semiconductor layer 222. The metal layer 224 constitutes the gate electrode 224 shown in FIGS. 13 to 15. The metal layer 224 may be, for example, a TiN layer. The TiN layer is formed by a sputtering method.

窒化物半導体装置210Aの製造方法は、さらに第1マスク262を形成することを含む。第1マスク262は、図15に示される第1ゲート電極224Aと第2ゲート電極224Bとの間の領域に対応する金属層224の部分を覆うように形成される。第1マスク262として、第3窒化物半導体層222の上に、たとえばSiO膜を形成する。第1マスク262は、金属層224の上面224Sを覆う第1マスク層261を形成し、この第1マスク層261をパターニングして得られる。なお、図18では、第1マスク層261は破線にて示されている。 The method for manufacturing the nitride semiconductor device 210A further includes forming a first mask 262. The first mask 262 is formed so as to cover a portion of the metal layer 224 corresponding to the region between the first gate electrode 224A and the second gate electrode 224B shown in FIG. 15. As the first mask 262, for example, a SiO 2 film is formed on the third nitride semiconductor layer 222. The first mask 262 is obtained by forming a first mask layer 261 that covers the upper surface 224S of the metal layer 224 and patterning the first mask layer 261. In FIG. 18, the first mask layer 261 is indicated by a dashed line.

図19に示されるように、窒化物半導体装置210Aの製造方法はさらに、金属層224および第1マスク262を覆う第2マスク層264を形成することを含む。第2マスク層264は、セルフアライメント用の第2マスクを形成するためのものである。第2マスク層264は、たとえばSiN層であってよい。第2マスク層264は、図14に示されるゲート電極224の幅W21,W22に応じた膜厚にて形成される。 As shown in FIG. 19, the method for manufacturing the nitride semiconductor device 210A further includes forming a second mask layer 264 covering the metal layer 224 and the first mask 262. The second mask layer 264 is for forming a second mask for self-alignment. The second mask layer 264 may be, for example, a SiN layer. The second mask layer 264 is formed to a thickness corresponding to the widths W21 and W22 of the gate electrode 224 shown in FIG. 14.

図20に示されるように、窒化物半導体装置210Aの製造方法はさらに、第2マスク264A,264Bを形成することを含む。第2マスク264A,264Bは、金属層224および第1マスク262の表面が露出されるまで、図19に示される第2マスク層264をエッチバックすることにより得られる。第2マスク264A,264Bは、たとえば第1マスク262の側壁(サイドウォール)として形成され得る。第2マスク264A,264Bは、たとえば断面台形状に形成される。第2マスク264A,264Bは、第1マスク262とは反対側の側面2642が金属層224の上面224Sに対して傾斜した面として形成される。 20, the method for manufacturing the nitride semiconductor device 210A further includes forming second masks 264A and 264B. The second masks 264A and 264B are obtained by etching back the second mask layer 264 shown in FIG. 19 until the surfaces of the metal layer 224 and the first mask 262 are exposed. The second masks 264A and 264B can be formed, for example, as side walls of the first mask 262. The second masks 264A and 264B are formed, for example, with a trapezoidal cross section. The second masks 264A and 264B are formed such that the side surface 2642 opposite the first mask 262 is inclined with respect to the upper surface 224S of the metal layer 224.

図21に示されるように、窒化物半導体装置210Aの製造方法はさらに、第1マスク262を剥離することを含む。第1マスク262の剥離により、金属層224の上に、2つの第2マスク264A,264Bが形成される。 21, the method for manufacturing the nitride semiconductor device 210A further includes removing the first mask 262. By removing the first mask 262, two second masks 264A and 264B are formed on the metal layer 224.

図22に示されるように、窒化物半導体装置210Aの製造方法はさらに、ゲート電極224を形成することを含む。ゲート電極224は、第1ゲート電極224Aと第2ゲート電極224Bとを含む。2つの第2マスク264A,264Bから露出される金属層224(図21参照)をパターニングすることにより、第1ゲート電極224Aおよび第2ゲート電極224Bが形成される。 As shown in FIG. 22, the method for manufacturing the nitride semiconductor device 210A further includes forming a gate electrode 224. The gate electrode 224 includes a first gate electrode 224A and a second gate electrode 224B. The first gate electrode 224A and the second gate electrode 224B are formed by patterning the metal layer 224 (see FIG. 21) exposed from the two second masks 264A and 264B.

このとき、第1ゲート電極224Aは、第2マスク264A,264Bに応じた形状に形成される。図22に示されるように、第1ゲート電極224Aは、断面視台形状に形成される。そして、第1ゲート電極224Aは、第2ゲート電極224Bの側を向くソース側電極面2241Aと、第2ゲート電極224Bとは反対側を向くドレイン側電極面2242Aとを含む。ソース側電極面2241Aは図14に示される傾斜角度θ11を有する。ドレイン側電極面2242Aは、図14に示される傾斜角度θ12を有する。 At this time, the first gate electrode 224A is formed into a shape corresponding to the second masks 264A and 264B. As shown in FIG. 22, the first gate electrode 224A is formed into a trapezoidal shape in cross section. The first gate electrode 224A includes a source side electrode surface 2241A facing the second gate electrode 224B side, and a drain side electrode surface 2242A facing the opposite side to the second gate electrode 224B. The source side electrode surface 2241A has an inclination angle θ11 as shown in FIG. 14. The drain side electrode surface 2242A has an inclination angle θ12 as shown in FIG. 14.

同様に、第2ゲート電極224Bは、第2マスク264A,264Bに応じた形状に形成される。図22に示されるように、第2ゲート電極224Bは、断面視台形状に形成される。そして、第2ゲート電極224Bは、第1ゲート電極224Aの側を向くソース側電極面2241Bと、第2ゲート電極224Bとは反対側を向くドレイン側電極面2242Bとを含む。ソース側電極面2241Bは図14に示される傾斜角度θ21を有する。ドレイン側電極面2242Bは、図14に示される傾斜角度θ22を有する。 Similarly, the second gate electrode 224B is formed in a shape corresponding to the second masks 264A and 264B. As shown in FIG. 22, the second gate electrode 224B is formed in a trapezoidal shape in cross section. The second gate electrode 224B includes a source side electrode surface 2241B facing the first gate electrode 224A side, and a drain side electrode surface 2242B facing the opposite side to the second gate electrode 224B. The source side electrode surface 2241B has an inclination angle θ21 as shown in FIG. 14. The drain side electrode surface 2242B has an inclination angle θ22 as shown in FIG. 14.

図23に示されるように、窒化物半導体装置210Aの製造方法はさらに、第3マスク層266を形成することを含む。第3マスク層266は、たとえばSiN層である。第3マスク層266は、たとえばプラズマ化学的蒸着(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition:PECVD)法によって形成され得る。第3マスク層266は、第3窒化物半導体層222の上面222S、第1ゲート電極224Aおよび第2ゲート電極224Bの側面、第2マスク264A,264Bの上面および側面を覆うように形成される。 23, the method for manufacturing the nitride semiconductor device 210A further includes forming a third mask layer 266. The third mask layer 266 is, for example, a SiN layer. The third mask layer 266 can be formed, for example, by a plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method. The third mask layer 266 is formed so as to cover the upper surface 222S of the third nitride semiconductor layer 222, the side surfaces of the first gate electrode 224A and the second gate electrode 224B, and the upper and side surfaces of the second masks 264A and 264B.

図24に示されるように、窒化物半導体装置210Aの製造方法はさらに、第1ゲート電極224Aおよび第2ゲート電極224Bの側面であるソース側電極面2241A,2241Bおよびドレイン側電極面2242、および第2マスク264A,264Bの側面2641,2642を覆う第3マスク2661,2662を形成することを含む。第3マスク2661,2662は、第3窒化物半導体層222の上面が露出するまで、図23に示される第3マスク層266をエッチバックすることによって得られる。 24, the method for manufacturing the nitride semiconductor device 210A further includes forming third masks 2661 and 2662 that cover the source side electrode surfaces 2241A and 2241B and the drain side electrode surface 2242, which are the side surfaces of the first gate electrode 224A and the second gate electrode 224B, and the side surfaces 2641 and 2642 of the second masks 264A and 264B. The third masks 2661 and 2662 are obtained by etching back the third mask layer 266 shown in FIG. 23 until the upper surface of the third nitride semiconductor layer 222 is exposed.

図25に示されるように、窒化物半導体装置210Aの製造方法はさらに、第1ゲート層222Aおよび第2ゲート層222Bを形成することを含む。第1ゲート層222Aおよび第2ゲート層222Bは、第2マスク264A,264Bおよび第3マスク2661,2662から露出される第3窒化物半導体層222をエッチングことによって得られる。 25, the method for manufacturing the nitride semiconductor device 210A further includes forming a first gate layer 222A and a second gate layer 222B. The first gate layer 222A and the second gate layer 222B are obtained by etching the third nitride semiconductor layer 222 exposed from the second masks 264A, 264B and the third masks 2661, 2662.

このとき、第1ゲート層222Aは、第1ゲート電極224Aを覆う第3マスク2661,2662に応じた形状に形成される。図25に示されるように、第1ゲート層222Aは、断面視台形状に形成される。そして、第1ゲート層222Aは、第2ゲート層222Bの側を向くソース側ゲート面2221Aと、第2ゲート層222Bとは反対側を向くドレイン側ゲート面2222Aとを含む。ソース側ゲート面2221Aは、図14に示される傾斜角度θ11を有する。ドレイン側ゲート面2222Aは、図14に示される傾斜角度θ12を有する。 At this time, the first gate layer 222A is formed into a shape corresponding to the third masks 2661, 2662 that cover the first gate electrode 224A. As shown in FIG. 25, the first gate layer 222A is formed into a trapezoidal shape in cross section. The first gate layer 222A includes a source side gate surface 2221A facing the second gate layer 222B side, and a drain side gate surface 2222A facing the opposite side to the second gate layer 222B. The source side gate surface 2221A has an inclination angle θ11 as shown in FIG. 14. The drain side gate surface 2222A has an inclination angle θ12 as shown in FIG. 14.

同様に、第2ゲート層222Bは、第2ゲート電極224Bを覆う第3マスク2661,2662に応じた形状に形成される。図25に示されるように、第2ゲート層222Bは、断面視台形状に形成される。そして、第2ゲート層222Bは、第1ゲート層222Aの側を向くソース側ゲート面2221Bと、第1ゲート層222Aとは反対側を向くドレイン側ゲート面2222Bとを含む。ソース側ゲート面2221Bは、図14に示される傾斜角度θ11を有する。ドレイン側ゲート面2222Bは、図14に示される傾斜角度θ12を有する。 Similarly, the second gate layer 222B is formed in a shape corresponding to the third masks 2661, 2662 covering the second gate electrode 224B. As shown in FIG. 25, the second gate layer 222B is formed in a trapezoidal shape in cross section. The second gate layer 222B includes a source side gate surface 2221B facing the first gate layer 222A side, and a drain side gate surface 2222B facing the opposite side to the first gate layer 222A. The source side gate surface 2221B has an inclination angle θ11 as shown in FIG. 14. The drain side gate surface 2222B has an inclination angle θ12 as shown in FIG. 14.

図26に示されるように、窒化物半導体装置210Aの製造方法はさらに、第2マスク264A,264Bおよび各第3マスク2661,2662を除去することを含む。
図27に示されるように、窒化物半導体装置210Aの製造方法はさらに、電子供給層218、第1および第2ゲート層222A,222B、第1および第2ゲート電極224A,224Bの露出した表面全体を覆うパッシベーション層226を形成することを含む。パッシベーション層226は、たとえばSiN層であってよい。パッシベーション層226は、たとえば減圧CVD(Low-Pressure Chemical Vapor Deposition,LPCVD)法により形成され得る。
As shown in FIG. 26, the method for manufacturing the nitride semiconductor device 210A further includes removing the second masks 264A, 264B and the third masks 2661, 2662.
27, the method for manufacturing the nitride semiconductor device 210A further includes forming a passivation layer 226 that covers the entire exposed surfaces of the electron supply layer 218, the first and second gate layers 222A, 222B, and the first and second gate electrodes 224A, 224B. The passivation layer 226 may be, for example, a SiN layer. The passivation layer 226 may be formed by, for example, a low-pressure chemical vapor deposition (LPCVD) method.

図28に示されるように、窒化物半導体装置210Aの製造方法はさらに、パッシベーション層226にソース開口部2261およびドレイン開口部2262を形成することを含む。ソース開口部2261およびドレイン開口部2262は、パッシベーション層226をリソグラフィおよびエッチングによって選択的に除去して形成され得る。 28, the method for manufacturing the nitride semiconductor device 210A further includes forming a source opening 2261 and a drain opening 2262 in the passivation layer 226. The source opening 2261 and the drain opening 2262 can be formed by selectively removing the passivation layer 226 by lithography and etching.

窒化物半導体装置210Aの製造方法はさらに、ソース電極232、ドレイン電極234A,234B、及びソースフィールドプレート部236を形成することを含む。ソース電極232、ドレイン電極234A,234B、およびソースフィールドプレート部236は、ソース開口部2261およびドレイン開口部2262を充填し、パッシベーション層226を覆う金属層を形成することと、金属層をリソグラフィおよびエッチングによって選択的に除去して得られる。金属層は、Ti層、TiN層、Al層、AlSiCu層、およびAlCu層のうちの少なくとも1つを含んでいてよい。これにより、図13~図15に示される窒化物半導体装置210Aが得られる。 The method for manufacturing the nitride semiconductor device 210A further includes forming the source electrode 232, the drain electrodes 234A, 234B, and the source field plate portion 236. The source electrode 232, the drain electrodes 234A, 234B, and the source field plate portion 236 are obtained by forming a metal layer that fills the source opening 2261 and the drain opening 2262 and covers the passivation layer 226, and selectively removing the metal layer by lithography and etching. The metal layer may include at least one of a Ti layer, a TiN layer, an Al layer, an AlSiCu layer, and an AlCu layer. This results in the nitride semiconductor device 210A shown in Figures 13 to 15.

第2実施形態の窒化物半導体装置210Aの製造方法では、第1マスク262の両側に側壁(サイドウォール)として形成される2つの第2マスク264A,264Bを用いて、第1ゲート電極224Aおよび第2ゲート電極224Bを形成している。この場合、第1マスク262を用いずに2つの第2マスクを形成する方法と比べ、第2マスク264A,264Bの幅(図21におけるX方向の長さ)を短くすることができる。 In the method for manufacturing the nitride semiconductor device 210A of the second embodiment, the first gate electrode 224A and the second gate electrode 224B are formed using two second masks 264A and 264B formed as sidewalls on both sides of the first mask 262. In this case, the width of the second masks 264A and 264B (the length in the X direction in FIG. 21) can be made shorter than in a method in which two second masks are formed without using the first mask 262.

個別の第2マスク264A,264Bは、図18に示す金属層224を覆うマスク層と、そのマスク層を覆うレジスト膜を形成し、そのレジスト膜にフォトリソグラフィによって形成したパターンをマスクとしてマスク層をエッチングすることにより形成することができる。この場合、第2マスク264A,264Bの幅は、パターンを形成するレジスト膜を露光する露光機の性能に依存した値となる。たとえば、i線を用いた露光機では、最小幅が0.7μm程度となる。 The second masks 264A and 264B can be formed by forming a mask layer that covers the metal layer 224 shown in FIG. 18, forming a resist film that covers the mask layer, and etching the mask layer using a pattern formed on the resist film by photolithography as a mask. In this case, the width of the second masks 264A and 264B depends on the performance of the exposure machine that exposes the resist film that forms the pattern. For example, with an exposure machine that uses i-line, the minimum width is about 0.7 μm.

これに対し、第1マスク262の両側に形成される側壁、つまり第2マスク264A,264Bの幅は、第1マスク262を覆う第2マスク層264(図19参照)の膜厚によって決まる。したがって、第2マスク層264の膜厚を調整することにより、第2マスク264A,264Bの幅を調整することができる。また、ゲート層222は、ゲート電極224を覆う第3マスク2661,2662によって形成される。したがって、ゲート層222の幅は、ゲート電極224を覆う第3マスク2661,2662の膜厚、つまり第3マスク層266の膜厚によって決まる。このように、露光機等の制約に影響されることなく、ゲート層222およびゲート電極224を形成することができる。このため、露光機の性能による線幅よりも狭い幅のゲート層222およびゲート電極224を形成することができる。ゲート層222の幅を小さくすると、窒化物半導体装置210Aのオン抵抗を小さくすることができる。 On the other hand, the width of the side walls formed on both sides of the first mask 262, that is, the width of the second masks 264A and 264B, is determined by the film thickness of the second mask layer 264 (see FIG. 19) that covers the first mask 262. Therefore, the width of the second masks 264A and 264B can be adjusted by adjusting the film thickness of the second mask layer 264. The gate layer 222 is also formed by the third masks 2661 and 2662 that cover the gate electrode 224. Therefore, the width of the gate layer 222 is determined by the film thickness of the third masks 2661 and 2662 that cover the gate electrode 224, that is, the film thickness of the third mask layer 266. In this way, the gate layer 222 and the gate electrode 224 can be formed without being affected by the constraints of the exposure machine, etc. Therefore, the gate layer 222 and the gate electrode 224 can be formed with a width narrower than the line width determined by the performance of the exposure machine. By reducing the width of the gate layer 222, the on-resistance of the nitride semiconductor device 210A can be reduced.

以上記述したように、本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
(2-1)窒化物半導体装置210Aは、電子走行層216、電子供給層218、ゲート層222、ゲート電極224、ソース電極232、およびドレイン電極234を含む。電子走行層216は、窒化物半導体によって構成される。電子供給層218は、電子走行層216上に形成され、電子走行層216よりもバンドギャップが小さい窒化物半導体によって構成される。ゲート層222は、電子供給層218上に形成され、電子供給層218よりもバンドギャップが小さい窒化物半導体によって構成される。ゲート電極224は、ゲート層222上に形成される。ソース電極232とドレイン電極234は、ゲート層222に対してX方向の両側に配置され、電子供給層218と接している。
As described above, according to this embodiment, the following effects are achieved.
(2-1) The nitride semiconductor device 210A includes an electron transit layer 216, an electron supply layer 218, a gate layer 222, a gate electrode 224, a source electrode 232, and a drain electrode 234. The electron transit layer 216 is made of a nitride semiconductor. The electron supply layer 218 is formed on the electron transit layer 216 and made of a nitride semiconductor having a smaller band gap than the electron transit layer 216. The gate layer 222 is formed on the electron supply layer 218 and made of a nitride semiconductor having a smaller band gap than the electron supply layer 218. The gate electrode 224 is formed on the gate layer 222. The source electrode 232 and the drain electrode 234 are disposed on both sides of the gate layer 222 in the X direction and are in contact with the electron supply layer 218.

ゲート層222は、X方向の両側面のうちソース電極232寄りに配置されているソース側ゲート面2221と、ソース側ゲート面2221とは反対側のドレイン側ゲート面2222を含む。ドレイン側ゲート面2222は、ゲート層222の厚さ方向およびX方向の双方と直交する方向から視てソース側ゲート面2221の傾斜角度θ11よりも小さい傾斜角度θ12を有する。 The gate layer 222 includes a source-side gate surface 2221 disposed closer to the source electrode 232 on both sides in the X direction, and a drain-side gate surface 2222 opposite the source-side gate surface 2221. The drain-side gate surface 2222 has an inclination angle θ12 smaller than the inclination angle θ11 of the source-side gate surface 2221 when viewed from a direction perpendicular to both the thickness direction of the gate layer 222 and the X direction.

このように傾斜したドレイン側ゲート面2222を含むゲート層222は、ゲート層222のドレイン電極234の側の端部における電界集中を緩和することができる。このため、この窒化物半導体装置210Aは、電子供給層218等の絶縁破壊を抑制することができ、ドレイン-ソース間耐圧の低下を抑制することができる。 The gate layer 222 including the inclined drain-side gate surface 2222 in this manner can reduce electric field concentration at the end of the gate layer 222 on the drain electrode 234 side. As a result, the nitride semiconductor device 210A can suppress dielectric breakdown of the electron supply layer 218, etc., and suppress a decrease in the drain-source breakdown voltage.

(2-2)ゲート電極224は、ゲート層222の上面222Sに対して、傾斜角度θ22にて傾斜したドレイン側電極面2242を含む。このように傾斜したドレイン側電極面2242を含むゲート電極224は、ゲート電極224への正電圧の印加時に、ゲート電極224の端部付近のゲート層222の部分における電界集中を緩和することができる。このため、この窒化物半導体装置210Aは、ゲート層222の結晶欠陥、結晶破壊を抑制することができ、ゲート耐圧の低下を抑制することができる。 (2-2) The gate electrode 224 includes a drain side electrode surface 2242 that is inclined at an inclination angle θ22 with respect to the upper surface 222S of the gate layer 222. The gate electrode 224 including the inclined drain side electrode surface 2242 in this manner can reduce electric field concentration in the portion of the gate layer 222 near the end of the gate electrode 224 when a positive voltage is applied to the gate electrode 224. Therefore, this nitride semiconductor device 210A can suppress crystal defects and crystal destruction in the gate layer 222, and can suppress a decrease in the gate breakdown voltage.

(2-3)ゲート層222は、ソース電極232の側のソース側ゲート面2221と、ドレイン電極234の側のドレイン側ゲート面2222とを含む。ソース側ゲート面2221の傾斜角度θ11は、ドレイン側ゲート面2222の傾斜角度θ12よりも大きい。したがって、ソース側ゲート面2221をドレイン側ゲート面2222と同じ傾斜角度にて形成した場合と比べ、ゲート層222の幅W11、つまりゲート長を短くすることができる。 (2-3) The gate layer 222 includes a source-side gate surface 2221 on the side of the source electrode 232 and a drain-side gate surface 2222 on the side of the drain electrode 234. The inclination angle θ11 of the source-side gate surface 2221 is larger than the inclination angle θ12 of the drain-side gate surface 2222. Therefore, the width W11 of the gate layer 222, i.e., the gate length, can be made shorter than when the source-side gate surface 2221 is formed at the same inclination angle as the drain-side gate surface 2222.

(2-4)第2実施形態の窒化物半導体装置210Aの製造方法では、第1マスク262の両側に側壁(サイドウォール)として形成される2つの第2マスク264A,264Bを用いて、第1ゲート電極224Aおよび第2ゲート電極224Bを形成している。この場合、第1マスク262を用いずに2つの第2マスクを形成する方法と比べ、第2マスク264A,264Bの幅を短くすることができる。これにより、2つの第2マスク264A,264Bをそれぞれフォトリソグラフィによって形成する場合と比べ、ゲート層222およびゲート電極224の幅を小さくすることができる。 (2-4) In the manufacturing method of the nitride semiconductor device 210A of the second embodiment, the first gate electrode 224A and the second gate electrode 224B are formed using two second masks 264A, 264B formed as sidewalls on both sides of the first mask 262. In this case, the width of the second masks 264A, 264B can be made shorter than in a method of forming two second masks without using the first mask 262. This allows the width of the gate layer 222 and the gate electrode 224 to be made smaller than in a case where the two second masks 264A, 264B are each formed by photolithography.

<第3実施形態>
(窒化物半導体装置の断面構造)
図29は、第3実施形態に係る例示的な窒化物半導体装置210Bの概略断面図である。図14は、図13の一部を拡大して示す概略断面図である。なお、図29は、第2実施形態の窒化物半導体装置210Aを示す図13に対応した状態を示している。図29において、第2実施形態の窒化物半導体装置210Aと同様の構成要素には同じ符号が付されている。また、第2実施形態と同様な構成要素については詳細な説明を省略する。
Third Embodiment
(Cross-sectional structure of nitride semiconductor device)
Fig. 29 is a schematic cross-sectional view of an exemplary nitride semiconductor device 210B according to the third embodiment. Fig. 14 is a schematic cross-sectional view showing an enlarged portion of Fig. 13. Fig. 29 shows a state corresponding to Fig. 13 showing the nitride semiconductor device 210A of the second embodiment. In Fig. 29, the same components as those in the nitride semiconductor device 210A of the second embodiment are denoted by the same reference numerals. Further, detailed description of the same components as those in the second embodiment will be omitted.

第3実施形態の窒化物半導体装置210Bは、ゲート層282およびゲート電極284を含む。ゲート層282は、上面282Sと、上面282Sとは反対側を向く下面282Rと、ソース電極232の側を向くソース側ゲート面2821と、ドレイン電極234の側を向くドレイン側ゲート面2822とを含む。ゲート電極284は、上面284Sと、上面284Sとは反対側を向く下面284Rと、ソース電極232の側を向くソース側電極面2841と、ドレイン電極234の側を向くドレイン側電極面2842とを含む。 The nitride semiconductor device 210B of the third embodiment includes a gate layer 282 and a gate electrode 284. The gate layer 282 includes an upper surface 282S, a lower surface 282R facing the opposite side to the upper surface 282S, a source side gate surface 2821 facing the source electrode 232, and a drain side gate surface 2822 facing the drain electrode 234. The gate electrode 284 includes an upper surface 284S, a lower surface 284R facing the opposite side to the upper surface 284S, a source side electrode surface 2841 facing the source electrode 232, and a drain side electrode surface 2842 facing the drain electrode 234.

ソース側ゲート面2821の傾斜角度は、図14に示される第2実施形態のソース側ゲート面2221の傾斜角度θ11と同じである。ドレイン側ゲート面2822の傾斜角度は、図14に示される第2実施形態のドレイン側ゲート面2222の傾斜角度θ12と同じである。つまり、ドレイン側ゲート面2822は、ソース側ゲート面2821の傾斜角度よりも小さい傾斜角度を有している。 The inclination angle of the source side gate surface 2821 is the same as the inclination angle θ11 of the source side gate surface 2221 of the second embodiment shown in FIG. 14. The inclination angle of the drain side gate surface 2822 is the same as the inclination angle θ12 of the drain side gate surface 2222 of the second embodiment shown in FIG. 14. In other words, the drain side gate surface 2822 has an inclination angle smaller than the inclination angle of the source side gate surface 2821.

ソース側電極面2841の傾斜角度は、図14に示される第2実施形態のソース側電極面2241の傾斜角度θ21と同じである。ドレイン側電極面2842の傾斜角度は、図14に示される第2実施形態のドレイン側電極面2242の傾斜角度θ22と同じである。つまり、ドレイン側電極面2842は、ソース側電極面2841の傾斜角度よりも小さい傾斜角度を有している。 The inclination angle of the source side electrode surface 2841 is the same as the inclination angle θ21 of the source side electrode surface 2241 of the second embodiment shown in FIG. 14. The inclination angle of the drain side electrode surface 2842 is the same as the inclination angle θ22 of the drain side electrode surface 2242 of the second embodiment shown in FIG. 14. In other words, the drain side electrode surface 2842 has an inclination angle smaller than the inclination angle of the source side electrode surface 2841.

第3実施形態のゲート層282は、ソース側ゲート面2821がゲート電極284のソース側電極面2841と面一となっている。また、ゲート層282は、ドレイン側ゲート面2822がゲート電極284のドレイン側電極面2842と面一となっている。 In the third embodiment, the gate layer 282 has a source side gate surface 2821 that is flush with the source side electrode surface 2841 of the gate electrode 284. In addition, the gate layer 282 has a drain side gate surface 2822 that is flush with the drain side electrode surface 2842 of the gate electrode 284.

このように形成されるゲート層282およびゲート電極284を含む窒化物半導体装置210Bは、第2実施形態の窒化物半導体装置210Aと同様に、電界集中を緩和することができる。 The nitride semiconductor device 210B including the gate layer 282 and gate electrode 284 thus formed can reduce electric field concentration, similar to the nitride semiconductor device 210A of the second embodiment.

(第3実施形態の窒化物半導体装置の製造方法)
次に、図29に示される窒化物半導体装置210Bの製造方法の一例について説明する。
(Method of Manufacturing the Nitride Semiconductor Device of the Third Embodiment)
Next, an example of a method for manufacturing the nitride semiconductor device 210B shown in FIG. 29 will be described.

第3実施形態の窒化物半導体装置210Bの製造方法は、第2実施形態の窒化物半導体装置210Aの製造方法に対して、ゲート層282およびゲート電極284を形成する工程が異なる。これらの工程について詳述する。 The method for manufacturing the nitride semiconductor device 210B of the third embodiment differs from the method for manufacturing the nitride semiconductor device 210A of the second embodiment in the steps of forming the gate layer 282 and the gate electrode 284. These steps will be described in detail.

図30に示されるように、窒化物半導体装置210Bの製造方法は、たとえばSi基板である基板212上に、バッファ層214、第1窒化物半導体層216、第2窒化物半導体層218、および第3窒化物半導体層282を順次形成することを含む。第3窒化物半導体層282は、第2実施形態の第3窒化物半導体層222と同じ材料を含む。第3窒化物半導体層282は、図29のゲート層282を構成する。窒化物半導体装置210Aの製造方法はさらに、第3窒化物半導体層282上に金属層284を形成することを含む。金属層284は、図29に示されるゲート電極284を構成する。金属層284は、たとえばTiN層であってよい。 30, the method for manufacturing the nitride semiconductor device 210B includes sequentially forming a buffer layer 214, a first nitride semiconductor layer 216, a second nitride semiconductor layer 218, and a third nitride semiconductor layer 282 on a substrate 212, which is, for example, a Si substrate. The third nitride semiconductor layer 282 includes the same material as the third nitride semiconductor layer 222 of the second embodiment. The third nitride semiconductor layer 282 constitutes the gate layer 282 of FIG. 29. The method for manufacturing the nitride semiconductor device 210A further includes forming a metal layer 284 on the third nitride semiconductor layer 282. The metal layer 284 constitutes the gate electrode 284 shown in FIG. 29. The metal layer 284 may be, for example, a TiN layer.

窒化物半導体装置210Bの製造方法はさらに、金属層284の上面に2つの第2マスク264A,264Bを形成することを含む。この第2マスク264A,264Bは、第2実施形態の窒化物半導体装置210Aの製造方法において、図21に示される工程と同じである。つまり、図30は、第2実施形態の図20に続く製造工程として示される。 The method for manufacturing the nitride semiconductor device 210B further includes forming two second masks 264A, 264B on the upper surface of the metal layer 284. These second masks 264A, 264B are the same as those in the process shown in FIG. 21 in the method for manufacturing the nitride semiconductor device 210A of the second embodiment. In other words, FIG. 30 is shown as a manufacturing process following FIG. 20 of the second embodiment.

図31に示されるように、窒化物半導体装置210Bの製造方法は、ゲート電極284A,284Bとゲート層282A,282Bとを形成することとを含む。ゲート電極284A,284Bは、ソース側電極面2841A,2841Bと、ドレイン側電極面2842A,2842Bとを含む。ゲート層282A,282Bは、ソース側ゲート面2821A,2821Bと、ドレイン側ゲート面2822A,2822Bとを含む。第2マスク264A,264Bから露出する金属層284(図30参照)をエッチングすることにより、第1ゲート電極284Aおよび第2ゲート電極284Bが得られる。続いて、第2マスク264A,264B、第1ゲート電極284A、および第2ゲート電極284Bから露出する第3窒化物半導体層282(図30参照)をエッチングすることにより、第1ゲート層282Aおよび第2ゲート層282Bが得られる。 31, the method for manufacturing the nitride semiconductor device 210B includes forming the gate electrodes 284A, 284B and the gate layers 282A, 282B. The gate electrodes 284A, 284B include source side electrode surfaces 2841A, 2841B and drain side electrode surfaces 2842A, 2842B. The gate layers 282A, 282B include source side gate surfaces 2821A, 2821B and drain side gate surfaces 2822A, 2822B. The first gate electrode 284A and the second gate electrode 284B are obtained by etching the metal layer 284 (see FIG. 30) exposed from the second masks 264A, 264B. Next, the third nitride semiconductor layer 282 (see FIG. 30) exposed from the second masks 264A, 264B, the first gate electrode 284A, and the second gate electrode 284B is etched to obtain the first gate layer 282A and the second gate layer 282B.

この後、図27、図28に示される第2実施形態の窒化物半導体装置210Aの製造方法と同様にして、パッシベーション層226、ソース電極232、およびドレイン電極234(図29参照)が形成される。これにより、図29に示される窒化物半導体装置210Bが得られる。 Then, the passivation layer 226, the source electrode 232, and the drain electrode 234 (see FIG. 29) are formed in the same manner as in the manufacturing method of the nitride semiconductor device 210A of the second embodiment shown in FIG. 27 and FIG. 28. This results in the nitride semiconductor device 210B shown in FIG. 29.

(効果)
以上記述したように、第3実施形態によれば、以下の効果を奏する。
(3-1)第3実施形態の窒化物半導体装置210Bは、ゲート層282およびゲート電極284を含む。ゲート層282のドレイン側ゲート面2822は、ソース側ゲート面2821の傾斜角度よりも小さい傾斜角度を有している。したがって、第2実施形態の窒化物半導体装置210Aと同様に、第3実施形態の窒化物半導体装置210Bは、ゲート層282のドレイン電極234の側の端部における電界集中を緩和することができる。このため、この窒化物半導体装置210Bは、電子供給層218等の絶縁破壊を抑制することができ、ドレイン-ソース間耐圧の低下を抑制することができる。
(effect)
As described above, according to the third embodiment, the following effects are achieved.
(3-1) The nitride semiconductor device 210B of the third embodiment includes a gate layer 282 and a gate electrode 284. The drain-side gate surface 2822 of the gate layer 282 has an inclination angle smaller than the inclination angle of the source-side gate surface 2821. Therefore, similar to the nitride semiconductor device 210A of the second embodiment, the nitride semiconductor device 210B of the third embodiment can reduce electric field concentration at the end of the gate layer 282 on the drain electrode 234 side. Therefore, the nitride semiconductor device 210B can suppress dielectric breakdown of the electron supply layer 218, etc., and suppress a decrease in the drain-source breakdown voltage.

(3-2)ゲート電極284のドレイン側電極面2842は、ソース側電極面2841の傾斜角度よりも小さい傾斜角度を有している。したがって、ドレイン側電極面2842を含むゲート電極284は、ゲート電極284への正電圧の印加時に、ゲート電極284の端部付近のゲート層282の部分における電界集中を緩和することができる。このため、この窒化物半導体装置210Bは、ゲート層222の結晶欠陥、結晶破壊を抑制することができ、ゲート耐圧の低下を抑制することができる。 (3-2) The drain side electrode surface 2842 of the gate electrode 284 has an inclination angle smaller than the inclination angle of the source side electrode surface 2841. Therefore, the gate electrode 284 including the drain side electrode surface 2842 can reduce electric field concentration in the portion of the gate layer 282 near the end of the gate electrode 284 when a positive voltage is applied to the gate electrode 284. Therefore, this nitride semiconductor device 210B can suppress crystal defects and crystal destruction in the gate layer 222, and can suppress a decrease in the gate breakdown voltage.

(3-3)第3実施形態の窒化物半導体装置210Bは、ゲート層282のソース側ゲート面2821とゲート電極284のソース側電極面2841とが面一である。また、窒化物半導体装置210Bは、ゲート層282のドレイン側ゲート面2822とゲート電極284のドレイン側電極面2842とが面一である。したがって、第3実施形態のゲート層282は、第2実施形態のゲート層222の第1サイドスペース部222S1と第2サイドスペース部222S2とを含んでいない。たとえばゲート電極284の幅を第2実施形態のゲート電極224の幅と同じとした場合、第3実施形態のゲート層282の幅は、第2実施形態のゲート層222の幅よりも小さくなる。したがって、第3実施形態の窒化物半導体装置210Bは、第2実施形態の窒化物半導体装置210Aと比べ、ゲート長を短くすることができる。 (3-3) In the nitride semiconductor device 210B of the third embodiment, the source side gate surface 2821 of the gate layer 282 and the source side electrode surface 2841 of the gate electrode 284 are flush with each other. In addition, in the nitride semiconductor device 210B, the drain side gate surface 2822 of the gate layer 282 and the drain side electrode surface 2842 of the gate electrode 284 are flush with each other. Therefore, the gate layer 282 of the third embodiment does not include the first side space portion 222S1 and the second side space portion 222S2 of the gate layer 222 of the second embodiment. For example, if the width of the gate electrode 284 is the same as the width of the gate electrode 224 of the second embodiment, the width of the gate layer 282 of the third embodiment is smaller than the width of the gate layer 222 of the second embodiment. Therefore, the nitride semiconductor device 210B of the third embodiment can have a shorter gate length than the nitride semiconductor device 210A of the second embodiment.

(3-4)第3実施形態の窒化物半導体装置210Bの製造方法において、ゲート層282は、ゲート電極284に続いて、ゲート電極284から露出する第3窒化物半導体層282をエッチングして形成される。したがって、第2実施形態の窒化物半導体装置210Aと比べ、工程数が少ない。このため、第3実施形態の窒化物半導体装置210Bの製造に係る時間を短くすることができる。 (3-4) In the method for manufacturing the nitride semiconductor device 210B of the third embodiment, the gate layer 282 is formed by etching the gate electrode 284 and then the third nitride semiconductor layer 282 exposed from the gate electrode 284. Therefore, the number of steps is smaller than that of the nitride semiconductor device 210A of the second embodiment. This makes it possible to shorten the time required for manufacturing the nitride semiconductor device 210B of the third embodiment.

<第2実施形態および第3実施形態の変更例>
上記実施形態はたとえば以下のように変更できる。上記実施形態と以下の各変更例は、技術的な矛盾が生じない限り、互いに組み合せることができる。なお、以下の変更例において、上記実施形態と共通する部分については、上記実施形態と同一の符号を付してその説明を省略する。
<Modifications of the second and third embodiments>
The above embodiment can be modified, for example, as follows. The above embodiment and the following modified examples can be combined with each other as long as no technical contradiction occurs. In the following modified examples, the same reference numerals as in the above embodiment are used for the parts common to the above embodiment, and the description thereof will be omitted.

・上記実施形態に対して、ゲート層222,282の形状を適宜変更することができる。
図32に示される変更例の窒化物半導体装置210Cのように、ゲート層292は、ステップ構造を有し得る。一例では、ゲート層292は、リッジ部293と、リッジ部293の両側から互いに反対方向に延在するソース側ステップ部294およびドレイン側ステップ部295とを含む。これらリッジ部293、ソース側ステップ部294、およびドレイン側ステップ部295によって、ゲート層292のステップ構造が形成されている。
The shapes of the gate layers 222 and 282 in the above embodiment may be changed as appropriate.
32, the gate layer 292 may have a step structure. In one example, the gate layer 292 includes a ridge portion 293, and a source side step portion 294 and a drain side step portion 295 extending in opposite directions from both sides of the ridge portion 293. The step structure of the gate layer 292 is formed by the ridge portion 293, the source side step portion 294, and the drain side step portion 295.

リッジ部293は、ゲート層292の相対的に厚い部分に相当する。リッジ部293は、上面293Sと、上面293Sとは反対側を向く下面293Rとを含む。ゲート電極224は、リッジ部293の上面293Sの全体に接している。リッジ部293は、図32のXZ平面に沿った断面において台形状を有し得る。リッジ部293は、たとえば100nm以上200nm以下の厚さを有し得る。リッジ部293の厚さとは、リッジ部293の上面から下面(電子供給層218に接するゲート層292の下面)までの距離のことである。リッジ部293(ゲート層292)の厚さは、ゲート耐圧などの種々のパラメータを考慮して決定され得る。 The ridge portion 293 corresponds to a relatively thick portion of the gate layer 292. The ridge portion 293 includes an upper surface 293S and a lower surface 293R facing the opposite side to the upper surface 293S. The gate electrode 224 contacts the entire upper surface 293S of the ridge portion 293. The ridge portion 293 may have a trapezoidal shape in a cross section along the XZ plane in FIG. 32. The ridge portion 293 may have a thickness of, for example, 100 nm or more and 200 nm or less. The thickness of the ridge portion 293 refers to the distance from the upper surface of the ridge portion 293 to the lower surface (the lower surface of the gate layer 292 that contacts the electron supply layer 218). The thickness of the ridge portion 293 (gate layer 292) may be determined taking into account various parameters such as the gate breakdown voltage.

リッジ部293は、たとえば図13,図14に示す第2実施形態のゲート層222と同じ形状を有している。リッジ部293は、ソース電極232の側のソース側ゲート面2931と、ソース側ゲート面2931とは反対側であって、ドレイン電極234の側のドレイン側ゲート面2932とを含む。ソース側ゲート面2931は、電子供給層218の上面218Sに対して傾斜している。ソース側ゲート面2931の傾斜角度は、図14に示される第2実施形態のソース側ゲート面2221の傾斜角度θ11と同じである。ドレイン側ゲート面2932は、電子供給層218の上面218Sに対して傾斜している。ドレイン側ゲート面2932の傾斜角度は、図14に示される第2実施形態のドレイン側ゲート面2222の傾斜角度θ12と同じである。なお、リッジ部293は、図29に示す第3実施形態のゲート層282と同じ形状を有していてもよい。 The ridge portion 293 has the same shape as the gate layer 222 of the second embodiment shown in, for example, FIG. 13 and FIG. 14. The ridge portion 293 includes a source side gate surface 2931 on the source electrode 232 side and a drain side gate surface 2932 on the drain electrode 234 side opposite to the source side gate surface 2931. The source side gate surface 2931 is inclined with respect to the upper surface 218S of the electron supply layer 218. The inclination angle of the source side gate surface 2931 is the same as the inclination angle θ11 of the source side gate surface 2221 of the second embodiment shown in FIG. 14. The drain side gate surface 2932 is inclined with respect to the upper surface 218S of the electron supply layer 218. The inclination angle of the drain side gate surface 2932 is the same as the inclination angle θ12 of the drain side gate surface 2222 of the second embodiment shown in FIG. 14. The ridge portion 293 may have the same shape as the gate layer 282 of the third embodiment shown in FIG. 29.

ソース側ステップ部294は、リッジ部293のソース側ゲート面2931からパッシベーション層226のソース開口部2261に向かって延在している。ドレイン側ステップ部295は、リッジ部293のドレイン側ゲート面2932からパッシベーション層226のドレイン開口部2262に向かって延在している。図32の例では、ドレイン側ステップ部295は、ソース側ステップ部294よりもリッジ部293から長く延びている。ただし、ソース側ステップ部294とドレイン側ステップ部295は同じ長さであってもよい。ソース側ステップ部294の厚さとドレイン側ステップ部295の厚さは、互いに等しい。ここで、ソース側ステップ部294の厚さとドレイン側ステップ部295の厚さの差がたとえばソース側ステップ部294の厚さの10%以内であれば、ソース側ステップ部294の厚さとドレイン側ステップ部295の厚さとが互いに等しいといえる。 The source side step 294 extends from the source side gate surface 2931 of the ridge portion 293 toward the source opening 2261 of the passivation layer 226. The drain side step 295 extends from the drain side gate surface 2932 of the ridge portion 293 toward the drain opening 2262 of the passivation layer 226. In the example of FIG. 32, the drain side step 295 extends longer from the ridge portion 293 than the source side step 294. However, the source side step 294 and the drain side step 295 may be the same length. The thickness of the source side step 294 and the thickness of the drain side step 295 are equal to each other. Here, if the difference between the thickness of the source side step 294 and the thickness of the drain side step 295 is, for example, within 10% of the thickness of the source side step 294, it can be said that the thickness of the source side step 294 and the thickness of the drain side step 295 are equal to each other.

この変更例の窒化物半導体装置210Cは、第2実施形態の窒化物半導体装置210Aと同様に、ゲート層292における電界集中を緩和することができる。そして、ゲート耐圧の低下を抑制することができる。 As with the nitride semiconductor device 210A of the second embodiment, the nitride semiconductor device 210C of this modified example can reduce electric field concentration in the gate layer 292. This can also suppress a decrease in the gate breakdown voltage.

ソースフィールドプレート部236は、ソース電極232の上部領域と一体に形成されており、平面視においてゲート層222の全体(図13の例では、リッジ部293、ソース側ステップ部294、およびドレイン側ステップ部295の全て)を覆うようにパッシベーション層226上に設けられている。 The source field plate portion 236 is formed integrally with the upper region of the source electrode 232, and is provided on the passivation layer 226 so as to cover the entire gate layer 222 in plan view (in the example of FIG. 13, the ridge portion 293, the source side step portion 294, and the drain side step portion 295).

この変更例の窒化物半導体装置210Cは、ソース側ステップ部294およびドレイン側ステップ部295により、ゲート層222と電子供給層218との界面に蓄積されるホール密度を低減することができる。したがって、ホール蓄積に起因する電子供給層218のバンドベンディングを抑制し、ゲートリーク電流の増大を抑制することができる。 The nitride semiconductor device 210C of this modified example can reduce the density of holes accumulated at the interface between the gate layer 222 and the electron supply layer 218 by using the source side step portion 294 and the drain side step portion 295. Therefore, band bending of the electron supply layer 218 caused by hole accumulation can be suppressed, and an increase in gate leakage current can be suppressed.

・上記各実施形態に対し、ソースフィールドプレート部236が省略されてもよい。
・第2実施形態において、ゲート層222は、第1サイドスペース部222S1と第2サイドスペース部222S2のいずれか一方を含まない形状としてもよい。たとえば、ゲート層222のソース側ゲート面2221とゲート電極224のソース側電極面2241とが面一であってもよい。また、ゲート層222のドレイン側ゲート面2222とゲート電極224のドレイン側電極面2242とが面一であってもよい。これらの場合、ゲート層222の幅が狭くされてもよく、ゲート電極224の幅が広くされてもよい。
In each of the above embodiments, the source field plate portion 236 may be omitted.
In the second embodiment, the gate layer 222 may have a shape that does not include either the first side space portion 222S1 or the second side space portion 222S2. For example, the source side gate surface 2221 of the gate layer 222 and the source side electrode surface 2241 of the gate electrode 224 may be flush with each other. Also, the drain side gate surface 2222 of the gate layer 222 and the drain side electrode surface 2242 of the gate electrode 224 may be flush with each other. In these cases, the width of the gate layer 222 may be narrowed, and the width of the gate electrode 224 may be widened.

本明細書に記載の様々な例のうちの1つまたは複数を、技術的に矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
本明細書において、「AおよびBのうちの少なくとも1つ」とは、「Aのみ、または、Bのみ、または、AおよびBの両方」を意味するものとして理解されるべきである。
One or more of the various examples described in this specification may be combined to the extent that they are not technically inconsistent.
In this specification, "at least one of A and B" should be understood to mean "A only, or B only, or both A and B."

本開示で使用される「~上に」という用語は、文脈によって明らかにそうでないことが示されない限り、「~上に」と「~の上方に」の意味を含む。したがって、「第1層が第2層上に形成される」という表現は、或る実施形態では第1層が第2層に接触して第2層上に直接配置され得るが、他の実施形態では第1層が第2層に接触することなく第2層の上方に配置され得ることが意図される。すなわち、「~上に」という用語は、第1層と第2層との間に他の層が形成される構造を排除しない。例えば、電子供給層18が電子走行層16上に形成されている構造は、2DEGを安定して形成するために電子供給層18と電子走行層16との間に中間層が位置している構造を含んでいてもよい。 The term "on" as used in this disclosure includes the meanings "on" and "above" unless the context clearly indicates otherwise. Thus, the expression "a first layer is formed on a second layer" is intended to mean that in some embodiments, the first layer may be placed directly on the second layer in contact with the second layer, while in other embodiments, the first layer may be placed above the second layer without contacting the second layer. That is, the term "on" does not exclude a structure in which another layer is formed between the first layer and the second layer. For example, a structure in which the electron supply layer 18 is formed on the electron transit layer 16 may include a structure in which an intermediate layer is located between the electron supply layer 18 and the electron transit layer 16 to stably form a 2DEG.

本開示における「第1」、「第2」、「第3」等の用語は、単に対象物を区別するために用いられており、対象物を順位づけするものではない。
本開示で使用される「垂直」、「水平」、「上方」、「下方」、「上」、「下」、「前方」、「後方」、「縦」、「横」、「左」、「右」、「前」、「後」などの方向を示す用語は、説明および図示された装置の特定の向きに依存する。本開示においては、様々な代替的な向きを想定することができ、したがって、これらの方向を示す用語は、狭義に解釈されるべきではない。
The terms "first", "second", "third", etc. in this disclosure are used merely to distinguish objects and do not rank the objects.
The directional terms used in this disclosure, such as "vertical,""horizontal,""upper,""lower,""top,""bottom,""front,""rear,""longitudinal,""lateral,""left,""right,""front,""rear," and the like, depend on the particular orientation of the device being described and illustrated. Various alternative orientations can be envisioned in this disclosure, and therefore these directional terms should not be construed in a narrow sense.

例えば、本開示で使用されるZ軸方向は必ずしも鉛直方向である必要はなく、鉛直方向に完全に一致している必要もない。したがって、本開示による種々の構造(例えば、図2に示される構造)は、本明細書で説明されるZ軸方向の「上」および「下」が鉛直方向の「上」および「下」であることに限定されない。例えば、X軸方向が鉛直方向であってもよく、またはY軸方向が鉛直方向であってもよい。 For example, the Z-axis direction used in this disclosure does not necessarily have to be vertical, nor does it have to completely coincide with the vertical direction. Therefore, various structures according to this disclosure (e.g., the structure shown in FIG. 2) are not limited to the "up" and "down" in the Z-axis direction described in this specification being "up" and "down" in the vertical direction. For example, the X-axis direction may be vertical, or the Y-axis direction may be vertical.

[付記]
本開示から把握できる技術的思想を以下に記載する。なお、限定する意図ではなく理解の補助のために、付記に記載される構成要素には、実施形態中の対応する構成要素の参照符号が付されている。参照符号は、理解の補助のために例として示すものであり、各付記に記載された構成要素は、参照符号で示される構成要素に限定されるべきではない。
[Additional Notes]
The technical ideas that can be understood from the present disclosure are described below. Note that, for the purpose of aiding understanding, not for the purpose of limitation, the components described in the appendices are given the reference numbers of the corresponding components in the embodiments. The reference numbers are shown as examples for the purpose of aiding understanding, and the components described in each appendix should not be limited to the components indicated by the reference numbers.

(付記A1)
窒化物半導体によって構成された電子走行層(16)と、
前記電子走行層(16)上に形成され、前記電子走行層(16)よりも大きなバンドギャップを有する窒化物半導体によって構成された電子供給層(18)と、
前記電子供給層(18)上に形成され、アクセプタ型不純物を含む窒化物半導体によって構成されたゲート層(20;102)と、
前記ゲート層(20;102)上に形成されたゲート電極(22)と、
前記電子供給層(18)上に形成されたソース電極(26)およびドレイン電極(28)と
を備え、
前記ゲート層(20;102)は、前記ゲート電極(22)に接する上面(20A;102A)を含み、前記上面(20A;102A)は、Ga極性面である、窒化物半導体装置(10;100)。
(Appendix A1)
An electron transit layer (16) made of a nitride semiconductor;
an electron supply layer (18) formed on the electron transit layer (16) and made of a nitride semiconductor having a band gap larger than that of the electron transit layer (16);
A gate layer (20; 102) formed on the electron supply layer (18) and made of a nitride semiconductor containing an acceptor-type impurity;
a gate electrode (22) formed on the gate layer (20; 102);
a source electrode (26) and a drain electrode (28) formed on the electron supply layer (18);
The nitride semiconductor device (10; 100), wherein the gate layer (20; 102) includes an upper surface (20A; 102A) in contact with the gate electrode (22), and the upper surface (20A; 102A) is a Ga polar surface.

(付記A2)
前記ゲート層(20)は、
前記ゲート電極(22)に接する第1GaN層(32)と、
前記電子供給層(18)に接する第2GaN層(34)と
を含み、前記第1GaN層(32)は、Ga極性GaNによって構成され、前記第2GaN層(34)は、N極性GaNによって構成されている、付記A1に記載の窒化物半導体装置。
(Appendix A2)
The gate layer (20)
a first GaN layer (32) in contact with the gate electrode (22);
and a second GaN layer (34) in contact with the electron supply layer (18), wherein the first GaN layer (32) is made of Ga-polar GaN and the second GaN layer (34) is made of N-polar GaN.

(付記A3)
前記第2GaN層(34)は、前記第1GaN層(32)よりも厚い、付記A2に記載の窒化物半導体装置。
(Appendix A3)
The nitride semiconductor device according to Appendix A2, wherein the second GaN layer (34) is thicker than the first GaN layer (32).

(付記A4)
前記ゲート層(20)は、100nm以上150nm未満の厚さを有し、前記第1GaN層(32)は、5nm以上30nm未満の厚さを有している、付記A2または付記A3に記載の窒化物半導体装置。
(Appendix A4)
The nitride semiconductor device according to Appendix A2 or Appendix A3, wherein the gate layer (20) has a thickness of 100 nm or more and less than 150 nm, and the first GaN layer (32) has a thickness of 5 nm or more and less than 30 nm.

(付記A5)
前記第2GaN層(34)は、
前記電子供給層(18)に接するとともに、前記第1GaN層(32)に覆われたリッジ部(36)と、
前記電子供給層(18)に接するとともに、平面視で前記リッジ部(36)よりも外側に延びる延在部(38;40)と
を含み、前記延在部(38;40)は、前記リッジ部(36)よりも薄い、付記A2~付記A4のうちのいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。
(Appendix A5)
The second GaN layer (34) is
a ridge portion (36) in contact with the electron supply layer (18) and covered with the first GaN layer (32);
and an extension portion (38; 40) that is in contact with the electron supply layer (18) and extends outward beyond the ridge portion (36) in a planar view, the extension portion (38; 40) being thinner than the ridge portion (36).

(付記A6)
前記延在部(38;40)は、少なくとも一部がN極性面である上面(38A,40A)を含む、付記A5に記載の窒化物半導体装置。
(Appendix A6)
The nitride semiconductor device according to Appendix A5, wherein the extension portion (38; 40) includes an upper surface (38A, 40A) at least a portion of which is an N-polar surface.

(付記A7)
前記ゲート層(102)は、Ga極性GaNによって構成されている、付記A1に記載の窒化物半導体装置。
(Appendix A7)
The nitride semiconductor device according to claim A1, wherein the gate layer (102) is made of Ga-polar GaN.

(付記A8)
前記ゲート層(102)は、
前記電子供給層(18)に接するとともに、前記ゲート層(102)の前記上面(102A)を含むリッジ部(104)と、
前記電子供給層(18)に接するとともに、平面視で前記リッジ部(104)から外側に延びる、前記リッジ部(104)よりも薄い延在部(106;108)と
を含む、付記A7に記載の窒化物半導体装置。
(Appendix A8)
The gate layer (102)
a ridge portion (104) in contact with the electron supply layer (18) and including the upper surface (102A) of the gate layer (102);
an extension portion (106; 108) that is in contact with the electron supply layer (18) and extends outward from the ridge portion (104) in a plan view and is thinner than the ridge portion (104).

(付記A9)
前記ゲート層(20;102)の前記上面(20A;102A)は、前記ゲート電極(22)とショットキー接合を形成している、付記A1~付記A8のうちのいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。
(Appendix A9)
The nitride semiconductor device according to any one of Appendix A1 to Appendix A8, wherein the upper surface (20A; 102A) of the gate layer (20; 102) forms a Schottky junction with the gate electrode (22).

(付記A10)
前記電子供給層(18)、前記ゲート層、および前記ゲート電極(22)を覆うとともに、第1開口(24A)および第2開口(24B)を有するパッシベーション層(24)をさらに備え、
前記ソース電極(26)は、前記第1開口(24A)を介して前記電子供給層(18)に接しており、
前記ドレイン電極(28)は、前記第2開口(24B)を介して前記電子供給層(18)に接しており、
前記ゲート層(20;102)は、前記第1開口(24A)と前記第2開口(24B)との間に位置している、付記A1~付記A9のうちのいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。
(Appendix A10)
a passivation layer (24) covering the electron supply layer (18), the gate layer, and the gate electrode (22) and having a first opening (24A) and a second opening (24B);
The source electrode (26) is in contact with the electron supply layer (18) through the first opening (24A),
The drain electrode (28) is in contact with the electron supply layer (18) through the second opening (24B),
The nitride semiconductor device according to any one of Appendix A1 to Appendix A9, wherein the gate layer (20; 102) is located between the first opening (24A) and the second opening (24B).

(付記A11)
前記電子走行層(16)は、GaNによって構成され、
前記電子供給層(18)は、AlGa1-xNによって構成され、0.1<x<0.3である、
付記A1~付記A10のうちのいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。
(Appendix A11)
The electron transport layer (16) is made of GaN,
The electron supply layer (18) is composed of Al x Ga 1-x N, where 0.1<x<0.3.
The nitride semiconductor device according to any one of Appendix A1 to Appendix A10.

(付記A12)
前記第1GaN層(32)は、前記第2GaN層(34)よりも高い濃度で水素を含んでいる、付記A2に記載の窒化物半導体装置。
(Appendix A12)
The nitride semiconductor device according to Appendix A2, wherein the first GaN layer (32) contains hydrogen at a higher concentration than the second GaN layer (34).

(付記A13)
半導体基板(12)と、前記半導体基板(12)上に形成されたバッファ層(14)とをさらに備え、前記電子走行層(16)は、前記バッファ層(14)上に形成されている、付記A1~付記A12のうちのいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。
(Appendix A13)
The nitride semiconductor device according to any one of Appendix A1 to Appendix A12, further comprising a semiconductor substrate (12) and a buffer layer (14) formed on the semiconductor substrate (12), and the electron transit layer (16) is formed on the buffer layer (14).

(付記A14)
前記電子供給層(18)、前記ゲート層、および前記ゲート電極(22)を覆うとともに、第1開口(24A)および第2開口(24B)を有するパッシベーション層(24)をさらに備え、
前記ソース電極(26)は、前記第1開口(24A)を介して前記電子供給層(18)に接しており、
前記ドレイン電極(28)は、前記第2開口(24B)を介して前記電子供給層(18)に接しており、
前記ゲート層(102)は、
前記電子供給層(18)に接するとともに、前記ゲート層(102)の前記上面(102A)を含むリッジ部(104)と、
前記電子供給層(18)に接するとともに、前記リッジ部(104)から前記第1開口(24A)に向かって延びる第1延在部(106)と、
前記電子供給層(18)に接するとともに、前記リッジ部(104)から前記第2開口(24B)に向かって延びる第2延在部(108)と
を含み、前記第1延在部(106)および前記第2延在部(108)は、前記リッジ部(104)よりも薄い、付記A1~付記A13のうちのいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。
(Appendix A14)
a passivation layer (24) covering the electron supply layer (18), the gate layer, and the gate electrode (22) and having a first opening (24A) and a second opening (24B);
The source electrode (26) is in contact with the electron supply layer (18) through the first opening (24A),
The drain electrode (28) is in contact with the electron supply layer (18) through the second opening (24B),
The gate layer (102)
a ridge portion (104) in contact with the electron supply layer (18) and including the upper surface (102A) of the gate layer (102);
a first extension portion (106) in contact with the electron supply layer (18) and extending from the ridge portion (104) toward the first opening (24A);
and a second extension portion (108) that is in contact with the electron supply layer (18) and extends from the ridge portion (104) toward the second opening (24B), wherein the first extension portion (106) and the second extension portion (108) are thinner than the ridge portion (104).

(付記A15)
窒化物半導体によって構成された電子走行層(16)を形成すること、
前記電子走行層(16)上に、前記電子走行層(16)よりも大きなバンドギャップを有する窒化物半導体によって構成された電子供給層(18)を形成すること、
前記電子供給層(18)上に、アクセプタ型不純物を含む窒化物半導体によって構成されたゲート層(20)を形成すること、
前記ゲート層(20)上にゲート電極(22)を形成すること、
前記電子供給層(18)上にソース電極(26)およびドレイン電極(28)を形成すること
を含み、
前記ゲート層(20)は、前記ゲート電極(22)に接する上面(20A)を含み、前記上面(20A)は、Ga極性面である、窒化物半導体装置(10)の製造方法。
(Appendix A15)
forming an electron transit layer (16) made of a nitride semiconductor;
forming an electron supply layer (18) made of a nitride semiconductor having a band gap larger than that of the electron transport layer (16) on the electron transport layer (16);
forming a gate layer (20) made of a nitride semiconductor containing an acceptor-type impurity on the electron supply layer (18);
forming a gate electrode (22) on the gate layer (20);
forming a source electrode (26) and a drain electrode (28) on the electron supply layer (18);
The method for manufacturing a nitride semiconductor device (10), wherein the gate layer (20) includes an upper surface (20A) in contact with the gate electrode (22), and the upper surface (20A) is a Ga polar surface.

(付記A16)
前記ゲート層(20)を形成することは、
前記電子供給層(18)上に、キャリアガスとしてNを用いて成長させたN極性GaNである第1窒化物半導体層(50)を形成すること、
前記第1窒化物半導体層(50)上に、キャリアガスとしてHを用いて成長させたGa極性GaNである第2窒化物半導体層(52)を形成すること
を含む、付記A15に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
(Appendix A16)
Forming the gate layer (20) comprises:
forming a first nitride semiconductor layer (50) on the electron supply layer (18), the first nitride semiconductor layer (50) being N-polar GaN grown using N2 as a carrier gas;
forming a second nitride semiconductor layer (52) on the first nitride semiconductor layer (50), the second nitride semiconductor layer (52) being Ga-polar GaN grown using H2 as a carrier gas.

(付記A17)
前記ゲート層(20)は、
前記ゲート電極(22)に接する第1GaN層(32)と、
前記電子供給層(18)に接する第2GaN層(34)と
を含み、前記第1GaN層(32)は、Ga極性GaNによって構成され、前記第2GaN層(34)は、N極性GaNによって構成されている、付記A15または付記A16に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
(Appendix A17)
The gate layer (20)
a first GaN layer (32) in contact with the gate electrode (22);
and a second GaN layer (34) in contact with the electron supply layer (18), wherein the first GaN layer (32) is made of Ga-polarity GaN, and the second GaN layer (34) is made of N-polarity GaN.

(付記A18)
前記第2GaN層(34)は、前記第1GaN層(32)よりも厚い、付記A17に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
(Appendix A18)
The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to Appendix A17, wherein the second GaN layer (34) is thicker than the first GaN layer (32).

(付記A19)
前記ゲート層(20)は、100nm以上150nm未満の厚さを有し、前記第1GaN層(32)は、5nm以上30nm未満の厚さを有している、付記A17または付記A18に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
(Appendix A19)
The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to Appendix A17 or Appendix A18, wherein the gate layer (20) has a thickness of 100 nm or more and less than 150 nm, and the first GaN layer (32) has a thickness of 5 nm or more and less than 30 nm.

(付記A20)
前記ゲート層(20)の前記上面(20A)は、前記ゲート電極(22)とショットキー接合を形成している、付記A15~付記A19のうちのいずれか1つに記載の窒化物半導体装置の製造方法。
(Appendix A20)
The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to any one of Appendix A15 to Appendix A19, wherein the upper surface (20A) of the gate layer (20) forms a Schottky junction with the gate electrode (22).

(付記B1)
窒化物半導体によって構成された電子走行層(216)と、
前記電子走行層(216)上に形成され、前記電子走行層(216)よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体によって構成された電子供給層(218)と、
前記電子供給層(218)上に形成され、前記電子供給層(218)よりもバンドギャップが小さい窒化物半導体によって構成されたゲート層(222)と、
前記ゲート層(222)上に形成されたゲート電極(224)と、
前記ゲート層(222)に対して所定方向の両側に配置され、前記電子走行層(216)と接しているソース電極(232)およびドレイン電極(234)と、
を含み、
前記ゲート層(222)は、
前記所定方向の両側面のうち前記ソース電極(232)寄りに配置されているソース側ゲート面(2221)と、
前記ソース側ゲート面(2221)とは反対側の面であって、前記ゲート層(222)の厚さ方向および前記所定方向の双方と直交する方向から視て前記ソース側ゲート面(2221)よりも小さい傾斜角度(θ12)を有するドレイン側ゲート面(2222)と、
を含む、窒化物半導体装置。
(Appendix B1)
An electron transit layer (216) made of a nitride semiconductor;
an electron supply layer (218) formed on the electron transit layer (216) and made of a nitride semiconductor having a band gap larger than that of the electron transit layer (216);
a gate layer (222) formed on the electron supply layer (218) and made of a nitride semiconductor having a band gap smaller than that of the electron supply layer (218);
a gate electrode (224) formed on the gate layer (222);
a source electrode (232) and a drain electrode (234) disposed on both sides of the gate layer (222) in a predetermined direction and in contact with the electron transit layer (216);
Including,
The gate layer (222)
A source-side gate surface (2221) disposed closer to the source electrode (232) on both side surfaces in the predetermined direction;
a drain-side gate surface (2222) which is a surface opposite to the source-side gate surface (2221) and has a smaller inclination angle (θ12) than the source-side gate surface (2221) when viewed from a direction perpendicular to both the thickness direction of the gate layer (222) and the predetermined direction;
A nitride semiconductor device comprising:

(付記B2)
前記ソース側ゲート面(2221)の傾斜角度は80°以上90°以下であり、前記ドレイン側ゲート面(2222)の傾斜角度は60°以上80°以下である、付記B1に記載の窒化物半導体装置。
(Appendix B2)
The nitride semiconductor device according to Appendix B1, wherein an inclination angle of the source side gate surface (2221) is 80° or more and 90° or less, and an inclination angle of the drain side gate surface (2222) is 60° or more and 80° or less.

(付記B3)
前記ゲート層(222)の前記電子供給層(218)と接する下面の長さは、0.2μm以上0.5μm以下である、付記B1または付記B2に記載の窒化物半導体装置。
(Appendix B3)
The nitride semiconductor device according to claim Bl or B2, wherein a length of a lower surface of the gate layer (222) in contact with the electron supply layer (218) is 0.2 μm or more and 0.5 μm or less.

(付記B4)
前記ゲート電極(224)は、前記所定方向の両側面であって、前記ソース電極(232)寄りのソース側電極面(2241)および前記ドレイン電極(234)寄りのドレイン側電極面(2242)を含み、
前記ドレイン側電極面(2242)の傾斜角度(θ22)は、前記ソース側電極面(2241)の傾斜角度(θ21)よりも小さい、
付記B1から付記B3のいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。
(Appendix B4)
The gate electrode (224) has both side surfaces in the predetermined direction, and includes a source side electrode surface (2241) closer to the source electrode (232) and a drain side electrode surface (2242) closer to the drain electrode (234),
The inclination angle (θ22) of the drain side electrode surface (2242) is smaller than the inclination angle (θ21) of the source side electrode surface (2241);
The nitride semiconductor device according to any one of Appendix B1 to Appendix B3.

(付記B5)
前記ドレイン側電極面(2242)の傾斜角度(θ22)は、前記ドレイン側ゲート面(2222)の傾斜角度(θ12)以下である、付記B4に記載の窒化物半導体装置。
(Appendix B5)
The nitride semiconductor device according to Appendix B4, wherein an inclination angle (θ22) of the drain side electrode surface (2242) is equal to or smaller than an inclination angle (θ12) of the drain side gate surface (2222).

(付記B6)
前記ドレイン側電極面(2242)の傾斜角度(θ22)は、前記ドレイン側ゲート面(2222)の傾斜角度(θ12)以上である、付記B4に記載の窒化物半導体装置。
(Appendix B6)
The nitride semiconductor device according to Appendix B4, wherein an inclination angle (θ22) of the drain side electrode surface (2242) is equal to or greater than an inclination angle (θ12) of the drain side gate surface (2222).

(付記B7)
前記ソース側電極面(2241)の傾斜角度(θ21)は、前記ソース側ゲート面(2221)の傾斜角度(θ11)以下である、付記B4から付記B6のいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。
(Appendix B7)
The nitride semiconductor device according to any one of Appendix B4 to Appendix B6, wherein an inclination angle (θ21) of the source side electrode surface (2241) is equal to or smaller than an inclination angle (θ11) of the source side gate surface (2221).

(付記B8)
前記ソース側電極面(2241)の傾斜角度(θ21)は、前記ソース側ゲート面(2221)の傾斜角度(θ11)以上である、付記B4から付記B6のいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。
(Appendix B8)
The nitride semiconductor device according to any one of Appendix B4 to Appendix B6, wherein an inclination angle (θ21) of the source side electrode surface (2241) is equal to or greater than an inclination angle (θ11) of the source side gate surface (2221).

(付記B9)
平面視において、前記ドレイン側電極面(2242)は、前記ドレイン側ゲート面(2222)よりも前記ソース電極(232)寄りに位置している、付記B4から付記B8のいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。
(Appendix B9)
The nitride semiconductor device according to any one of Appendix B4 to Appendix B8, wherein, in a planar view, the drain side electrode surface (2242) is located closer to the source electrode (232) than the drain side gate surface (2222).

(付記B10)
前記ドレイン側電極面(2242)と前記ドレイン側ゲート面(2222)とが面一となっている、付記B4から付記B9のいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。
(Appendix B10)
The nitride semiconductor device according to any one of Appendix B4 to Appendix B9, wherein the drain side electrode surface (2242) and the drain side gate surface (2222) are flush with each other.

(付記B11)
平面視において、前記ソース側電極面(2241)は、前記ソース側ゲート面(2221)よりも前記ドレイン電極(234)寄りに位置している、付記B7から付記B10のいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。
(Appendix B11)
The nitride semiconductor device according to any one of Appendix B7 to Appendix B10, wherein, in a planar view, the source side electrode surface (2241) is located closer to the drain electrode (234) than the source side gate surface (2221).

(付記B12)
前記ソース側電極面(2241)と前記ソース側ゲート面(2221)とが面一となっている、付記B7から付記B11のいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。
(Appendix B12)
The nitride semiconductor device according to any one of Appendix B7 to Appendix B11, wherein the source side electrode surface (2241) and the source side gate surface (2221) are flush with each other.

(付記B13)
前記ゲート層(222)として、前記ソース電極(232)に対して前記所定方向の両側に配置された第1ゲート層(222)および第2ゲート層(222)を含み、
前記ゲート電極(224)として、前記第1ゲート層(222)上に形成された第1ゲート電極(224)、および前記第2ゲート層(222)上に形成された第2ゲート電極(224)を含む、
付記B1から付記B12のいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。
(Appendix B13)
The gate layer (222) includes a first gate layer (222) and a second gate layer (222) arranged on both sides of the source electrode (232) in the predetermined direction,
The gate electrode (224) includes a first gate electrode (224) formed on the first gate layer (222) and a second gate electrode (224) formed on the second gate layer (222).
The nitride semiconductor device according to any one of Appendix B1 to Appendix B12.

(付記B14)
前記ゲート層(222)は、前記ドレイン電極(234)に向けて前記ドレイン側ゲート面(2222)から連続するように設けられたドレイン側ステップ部と、前記ソース電極(232)に向けて前記ソース側ゲート面(2221)から連続するように設けられたソース側ステップ部と、を含む、
付記B1から付記B13のいずれか1つに記載の窒化物半導体装置。
(Appendix B14)
The gate layer (222) includes a drain side step portion provided so as to continue from the drain side gate surface (2222) toward the drain electrode (234), and a source side step portion provided so as to continue from the source side gate surface (2221) toward the source electrode (232).
The nitride semiconductor device according to any one of Appendix B1 to Appendix B13.

(付記B15)
電子走行層(216)と、前記電子走行層(216)上の電子供給層(218)と、前記電子供給層(218)上のゲート層(222)と、前記ゲート層(222)上のゲート電極(224)と、前記ゲート層(222)に対して所定方向の両側に配置され、前記電子走行層(216)と接しているソース電極(232)およびドレイン電極(234)と、を含み、前記ゲート層(222)は、前記ソース電極(232)に対して前記所定方向の両側に配置された第1ゲート層(222)および第2ゲート層(222)を含み、前記ゲート電極(224)は、前記第1ゲート層(222)上に形成された第1ゲート電極(224)、および前記第2ゲート層(222)上に形成された第2ゲート電極(224)を含む窒化物半導体装置の製造方法であって、
基板上に、前記電子走行層(216)を構成する第1窒化物半導体層(216)と、前記電子供給層(218)を構成する第2窒化物半導体層(218)と、前記ゲート層(222)を構成する第3窒化物半導体層(222)と、をこの順に形成すること、
前記第3窒化物半導体層(222)上に、前記ゲート電極(224)を構成する金属層(224)と、第1マスク層(261)と、をこの順に形成すること、
前記第1マスク層(261)をパターニングして、前記金属層(224)を部分的に覆う第1マスク(262)を形成すること、
前記金属層(224)および前記第1マスク(262)を覆う第2マスク層(264)を形成すること、
前記第2マスク層(264)をエッチバックして、前記第1マスクの両側面を覆う第2マスク(264A,264B)を形成すること、
前記第1マスク(262)を除去すること、
前記第2マスク(264A,264B)を用いて前記金属層をエッチングして前記第1ゲート電極(224A)および前記第2ゲート電極(224B)を形成すること、
前記第1ゲート電極(224A)および前記第2ゲート電極(224B)を用いて前記第3窒化物半導体層(33)をエッチングして前記第1ゲート層(222A)および前記第2ゲート層(222B)を形成すること、
を含む、窒化物半導体装置の製造方法。
(Appendix B15)
a gate layer (222) on the electron supply layer (218), a gate electrode (224) on the gate layer (222), and a source electrode (232) and a drain electrode (234) disposed on both sides of the gate layer (222) in a predetermined direction and in contact with the electron transit layer (216), the gate layer (222) including a first gate layer (222) and a second gate layer (222) disposed on both sides of the source electrode (232) in the predetermined direction, the gate electrode (224) including a first gate electrode (224) formed on the first gate layer (222) and a second gate electrode (224) formed on the second gate layer (222),
forming, on a substrate, in this order, a first nitride semiconductor layer (216) constituting the electron transit layer (216), a second nitride semiconductor layer (218) constituting the electron supply layer (218), and a third nitride semiconductor layer (222) constituting the gate layer (222);
forming a metal layer (224) constituting the gate electrode (224) and a first mask layer (261) in this order on the third nitride semiconductor layer (222);
patterning the first mask layer (261) to form a first mask (262) partially covering the metal layer (224);
forming a second mask layer (264) covering the metal layer (224) and the first mask (262);
Etching back the second mask layer (264) to form second masks (264A, 264B) covering both side surfaces of the first mask;
removing the first mask (262);
Etching the metal layer using the second mask (264A, 264B) to form the first gate electrode (224A) and the second gate electrode (224B);
Etching the third nitride semiconductor layer (33) using the first gate electrode (224A) and the second gate electrode (224B) to form the first gate layer (222A) and the second gate layer (222B);
A method for manufacturing a nitride semiconductor device comprising the steps of:

(付記B16)
前記第1ゲート電極(224)および前記第2ゲート電極(224)を形成した後、前記第2マスクを除去すること、
前記第1ゲート電極(224)、前記第2ゲート電極(224)、および前記第3窒化物半導体層(222)を覆う第3マスク層(266)を形成すること、
前記第3マスク層(266)をエッチバックして前記第1ゲート電極(224)の両側面および前記第2ゲート電極(224)の両側面を覆う第3マスク(2661,2662)を形成すること、
を含み、
前記第1ゲート層(222A)および前記第2ゲート層(222B)を、前記第1ゲート電極(224)、前記第2ゲート電極(224)、および前記第3マスク(2661,2662)を用いて前記第3窒化物半導体層(222)をエッチングすることにより形成する、
付記B15に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
(Appendix B16)
removing the second mask after forming the first gate electrode (224) and the second gate electrode (224);
forming a third mask layer (266) covering the first gate electrode (224), the second gate electrode (224), and the third nitride semiconductor layer (222);
Etching back the third mask layer (266) to form a third mask (2661, 2662) covering both side surfaces of the first gate electrode (224) and both side surfaces of the second gate electrode (224);
Including,
forming the first gate layer (222A) and the second gate layer (222B) by etching the third nitride semiconductor layer (222) using the first gate electrode (224), the second gate electrode (224), and the third mask (2661, 2662);
A method for manufacturing a nitride semiconductor device according to Appendix B15.

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

10,100…窒化物半導体装置
12…半導体基板
14…バッファ層
16…電子走行層
18…電子供給層
20,102…ゲート層
20A,102A…上面
20B,102B…底面
22…ゲート電極
24…パッシベーション層
24A…第1開口
24B…第2開口
26…ソース電極
28…ドレイン電極
30…フィールドプレート電極
32…第1GaN層
34…第2GaN層
36,104…リッジ部
38,106…第1延在部
40,108…第2延在部
42,110…第1ステップ部
44,112…第1中間部
46,114…第2ステップ部
48,116…第2中間部
50…第1窒化物半導体層
52…第2窒化物半導体層
54,56…マスク
58…金属層
60,64,80,84…本体部
62,66,82,86…接続部
68,88…ゲート配線
70,90…ソース配線
72,92…ドレイン配線
74,76,78,94,96,98…ビア
210A,210B,210C…窒化物半導体装置
212…基板
212S…上面
214…バッファ層
216…電子走行層(第1窒化物半導体層)
216A…第1半導体層
216B…第2半導体層
218…電子供給層(第2窒化物半導体層)
218S…上面
2181…ソース接続領域
2182…ドレイン接続領域
220…二次元電子ガス
222…ゲート層(第3窒化物半導体層)
222A…第1ゲート層
222B…第2ゲート層
222R…下面
222S…上面
2221,2221A,2221B…ソース側ゲート面
2222,2222A,2222B…ドレイン側ゲート面
222S1…第1サイドスペース部
222S2…第2サイドスペース部
224…ゲート電極(金属層)
224A…第1ゲート電極
224B…第2ゲート電極
224R…下面
224S…上面
2241,2241A,2241B…ソース側電極面
2242,2242A,2242B…ドレイン側電極面
226…パッシベーション層
226S…上面
2261…ソース開口部
2262…ドレイン開口部
232…ソース電極
234…ドレイン電極
234A…第1ドレイン電極
234B…第2ドレイン電極
236…ソースフィールドプレート部
2361…端部
261…第1マスク層
262…第1マスク
264…第2マスク層
264A…第2マスク
264B…第2マスク
2641…側面
2642…側面
266…第3マスク層
2661,2662…第3マスク
282…第3窒化物半導体層
282…ゲート層
282A…第1ゲート層
282B…第2ゲート層
2821,2821A,2821B…ソース側ゲート面
2822,2822A,2822B…ドレイン側ゲート面
284…ゲート電極(金属層)
284A…第1ゲート電極
284B…第2ゲート電極
2841,2841A,2841B…ソース側電極面
2842,2842A,2842B…ドレイン側電極面
292…ゲート層
293…リッジ部
293S…上面
2931…ソース側ゲート面
2932…ドレイン側ゲート面
294…ソース側ステップ部
295…ドレイン側ステップ部
θ11,θ12…傾斜角度
θ21,θ22…傾斜角度
L1A,L1B…距離
L2A,L2B…距離
W11,W11A,W11B…幅
W12…幅
W21,W21A,W21B…幅
W22…幅
REFERENCE SIGNS LIST 10,100...Nitride semiconductor device 12...Semiconductor substrate 14...Buffer layer 16...Electron transit layer 18...Electron supply layer 20,102...Gate layer 20A,102A...Top surface 20B,102B...Bottom surface 22...Gate electrode 24...Passivation layer 24A...First opening 24B...Second opening 26...Source electrode 28...Drain electrode 30...Field plate electrode 32...First GaN layer 34...Second GaN layer 36,104...Ridge portion 38,106...First extension portion 40,108...Second extension portion 42,110...First step portion 44,112...First intermediate portion 46,114...Second step portion 48,116...Second intermediate portion 50...First nitride semiconductor layer 52...Second nitride semiconductor layer 54, 56... Mask 58... Metal layer 60, 64, 80, 84... Main body portion 62, 66, 82, 86... Connection portion 68, 88... Gate wiring 70, 90... Source wiring 72, 92... Drain wiring 74, 76, 78, 94, 96, 98... Vias 210A, 210B, 210C... Nitride semiconductor device 212... Substrate 212S... Upper surface 214... Buffer layer 216... Electron transit layer (first nitride semiconductor layer)
216A: First semiconductor layer 216B: Second semiconductor layer 218: Electron supply layer (second nitride semiconductor layer)
218S: upper surface 2181: source connection region 2182: drain connection region 220: two-dimensional electron gas 222: gate layer (third nitride semiconductor layer)
222A: First gate layer 222B: Second gate layer 222R: Lower surface 222S: Upper surface 2221, 2221A, 2221B: Source side gate surface 2222, 2222A, 2222B: Drain side gate surface 222S1: First side space portion 222S2: Second side space portion 224: Gate electrode (metal layer)
224A...first gate electrode 224B...second gate electrode 224R...lower surface 224S...upper surface 2241, 2241A, 2241B...source side electrode surface 2242, 2242A, 2242B...drain side electrode surface 226...passivation layer 226S...upper surface 2261...source opening 2262...drain opening 232...source electrode 234...drain electrode 234A...first drain electrode 234B...second drain electrode 236...source field plate portion 2361...end 261...first mask layer 262...first mask 264...second mask layer 264A...second mask 264B...second mask 2641...side surface 2642...side surface 266...third mask layer 2661, 2662...third mask 282...Third nitride semiconductor layer 282...Gate layer 282A...First gate layer 282B...Second gate layer 2821, 2821A, 2821B...Source side gate surface 2822, 2822A, 2822B...Drain side gate surface 284...Gate electrode (metal layer)
284A...First gate electrode 284B...Second gate electrode 2841, 2841A, 2841B...Source side electrode surface 2842, 2842A, 2842B...Drain side electrode surface 292...Gate layer 293...Ridge portion 293S...Upper surface 2931...Source side gate surface 2932...Drain side gate surface 294...Source side step portion 295...Drain side step portion θ11, θ12...Tilt angle θ21, θ22...Tilt angle L1A, L1B...Distance L2A, L2B...Distance W11, W11A, W11B...Width W12...Width W21, W21A, W21B...Width W22...Width

Claims (15)

窒化物半導体によって構成された電子走行層と、
前記電子走行層上に形成され、前記電子走行層よりも大きなバンドギャップを有する窒化物半導体によって構成された電子供給層と、
前記電子供給層上に形成され、アクセプタ型不純物を含む窒化物半導体によって構成されたゲート層と、
前記ゲート層上に形成されたゲート電極と、
前記電子供給層上に形成されたソース電極およびドレイン電極と
を備え、
前記ゲート層は、前記ゲート電極に接する上面を含み、前記上面は、Ga極性面である、窒化物半導体装置。
an electron transit layer made of a nitride semiconductor;
an electron supply layer formed on the electron transit layer and made of a nitride semiconductor having a band gap larger than that of the electron transit layer;
a gate layer formed on the electron supply layer and made of a nitride semiconductor containing an acceptor-type impurity;
a gate electrode formed on the gate layer;
a source electrode and a drain electrode formed on the electron supply layer;
the gate layer includes an upper surface in contact with the gate electrode, the upper surface being a Ga polar surface.
前記ゲート層は、
前記ゲート電極に接する第1GaN層と、
前記電子供給層に接する第2GaN層と
を含み、前記第1GaN層は、Ga極性GaNによって構成され、前記第2GaN層は、N極性GaNによって構成されている、請求項1に記載の窒化物半導体装置。
The gate layer is
a first GaN layer in contact with the gate electrode;
2. The nitride semiconductor device according to claim 1, further comprising: a second GaN layer in contact with said electron supply layer, said first GaN layer being made of Ga-polarity GaN, and said second GaN layer being made of N-polarity GaN.
前記第2GaN層は、前記第1GaN層よりも厚い、請求項2に記載の窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device of claim 2, wherein the second GaN layer is thicker than the first GaN layer. 前記ゲート層は、100nm以上150nm未満の厚さを有し、前記第1GaN層は、5nm以上30nm未満の厚さを有している、請求項2に記載の窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device of claim 2, wherein the gate layer has a thickness of 100 nm or more and less than 150 nm, and the first GaN layer has a thickness of 5 nm or more and less than 30 nm. 前記第2GaN層は、
前記電子供給層に接するとともに、前記第1GaN層に覆われたリッジ部と、
前記電子供給層に接するとともに、平面視で前記リッジ部よりも外側に延びる延在部と
を含み、前記延在部は、前記リッジ部よりも薄い、請求項2に記載の窒化物半導体装置。
The second GaN layer is
a ridge portion in contact with the electron supply layer and covered with the first GaN layer;
The nitride semiconductor device according to claim 2 , further comprising: an extension portion in contact with said electron supply layer and extending outward beyond said ridge portion in a plan view, said extension portion being thinner than said ridge portion.
前記延在部は、少なくとも一部がN極性面である上面を含む、請求項5に記載の窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device according to claim 5, wherein the extension portion includes an upper surface, at least a portion of which is an N-polar surface. 前記ゲート層は、Ga極性GaNによって構成されている、請求項1に記載の窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device of claim 1, wherein the gate layer is made of Ga-polar GaN. 前記ゲート層は、
前記電子供給層に接するとともに、前記ゲート層の前記上面を含むリッジ部と、
前記電子供給層に接するとともに、平面視で前記リッジ部から外側に延びる、前記リッジ部よりも薄い延在部と
を含む、請求項7に記載の窒化物半導体装置。
The gate layer is
a ridge portion in contact with the electron supply layer and including the upper surface of the gate layer;
The nitride semiconductor device according to claim 7 , further comprising: an extension portion that is in contact with said electron supply layer, that extends outward from said ridge portion in a plan view, and that is thinner than said ridge portion.
前記ゲート層の前記上面は、前記ゲート電極とショットキー接合を形成している、請求項1~8のうちのいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 8, wherein the upper surface of the gate layer forms a Schottky junction with the gate electrode. 前記電子供給層、前記ゲート層、および前記ゲート電極を覆うとともに、第1開口および第2開口を有するパッシベーション層をさらに備え、
前記ソース電極は、前記第1開口を介して前記電子供給層に接しており、
前記ドレイン電極は、前記第2開口を介して前記電子供給層に接しており、
前記ゲート層は、前記第1開口と前記第2開口との間に位置している、請求項1~8のうちのいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
a passivation layer covering the electron supply layer, the gate layer, and the gate electrode and having a first opening and a second opening;
the source electrode is in contact with the electron supply layer through the first opening,
the drain electrode is in contact with the electron supply layer through the second opening,
9. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein said gate layer is located between said first opening and said second opening.
前記電子走行層は、GaNによって構成され、
前記電子供給層は、AlGa1-xNによって構成され、0.1<x<0.3である、
請求項1~8のうちのいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
the electron transport layer is made of GaN;
The electron supply layer is made of Al x Ga 1-x N, where 0.1<x<0.3.
The nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 8.
前記第1GaN層は、前記第2GaN層よりも高い濃度で水素を含んでいる、請求項2に記載の窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device according to claim 2, wherein the first GaN layer contains hydrogen at a higher concentration than the second GaN layer. 半導体基板と、前記半導体基板上に形成されたバッファ層とをさらに備え、前記電子走行層は、前記バッファ層上に形成されている、請求項1~8のうちのいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 8, further comprising a semiconductor substrate and a buffer layer formed on the semiconductor substrate, and the electron transit layer is formed on the buffer layer. 窒化物半導体によって構成された電子走行層を形成すること、
前記電子走行層上に、前記電子走行層よりも大きなバンドギャップを有する窒化物半導体によって構成された電子供給層を形成すること、
前記電子供給層上に、アクセプタ型不純物を含む窒化物半導体によって構成されたゲート層を形成すること、
前記ゲート層上にゲート電極を形成すること、
前記電子供給層上にソース電極およびドレイン電極を形成すること
を含み、
前記ゲート層は、前記ゲート電極に接する上面を含み、前記上面は、Ga極性面である、窒化物半導体装置の製造方法。
forming an electron transit layer made of a nitride semiconductor;
forming an electron supply layer on the electron transit layer, the electron supply layer being made of a nitride semiconductor having a band gap larger than that of the electron transit layer;
forming a gate layer made of a nitride semiconductor containing an acceptor-type impurity on the electron supply layer;
forming a gate electrode on the gate layer;
forming a source electrode and a drain electrode on the electron supply layer;
the gate layer includes an upper surface in contact with the gate electrode, the upper surface being a Ga polar surface.
前記ゲート層を形成することは、
前記電子供給層上に、キャリアガスとしてNを用いて成長させたN極性GaNである第1窒化物半導体層を形成すること、
前記第1窒化物半導体層上に、キャリアガスとしてHを用いて成長させたGa極性GaNである第2窒化物半導体層を形成すること
を含む、請求項14に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
forming the gate layer
forming a first nitride semiconductor layer, which is N-polar GaN grown using N2 as a carrier gas, on the electron supply layer;
15. The method of claim 14, further comprising: forming a second nitride semiconductor layer on the first nitride semiconductor layer, the second nitride semiconductor layer being Ga-polar GaN grown using H2 as a carrier gas.
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