JP3709437B2 - GaN-based heterojunction field effect transistor and method for controlling its characteristics - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体材料を用いた電子デバイスに関し、さらに詳細には、窒化ガリウム系半導体材料を用いた負性抵抗を有するヘテロ接合電界効果型トランジスタ及びその特性を制御する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
ヘテロ接合電界効果型トランジスタ(FET)は格子定数などが異なる二つの材料の界面に形成される二次元電子ガスをチャンネルとしたトランジスタであり、AlGaAs系半導体材料や、窒化物系半導体材料を用いたヘテロ接合電界効果型トランジスタが開発されている。
【0003】
負性抵抗特性を示すヘテロ接合電界効果型トランジスタとしては、AlGaAs系半導体材料を用いて開発されている。まず二つのチャンネルを形成し、それらの間でソースとドレイン間の電流をスイッチングさせることにより負性抵抗を得る構造がある。二つのチャンネルを形成するには、バンドギャップの大きなAlGaAs層をバンドギャップの小さなGaAs層で挟み、AlGaAs層とGaAs層の二つの界面をチャンネルとして用いる。また、スイッチングを効率良く行なうために基板側にも電極をつけた構造も開発されている。この素子については、以下の参考文献を参照できる。
(1)A. Kastalsky and S. Luryi, "Novel real-space hot-electron transfer device", IEEE Electron Device Lett., vol. 4, no. 9, pp. 334-336, 1983.(2)A. Kastalsky, S. Luryi, A. C. Gossard, and R. Hendel, "A field-effect transistor with a negative differential resistance", IEEE Electron Device Lett., vol. 5, no. 2, pp. 57-60, 1984.
【0004】
これらの素子において負性抵抗が生じるのは、二つのチャンネル間をスイッチングする過程で、電子移動度が高いGaAs層部分に形成されているチャンネル内の電子が、電子移動度の低いAlGaAs層に移動する為である。AlGaAs層への移動は、チャンネル内の電子がソース・ドレイン間に印加された電圧により加速され大きな運動エネルギー(熱エネルギー)をもつ為である。このエネルギーを得た電子は、GaAs層とAlGaAs層の間に形成されているバリアーを乗り越えることができるため、GaAs層中のチャンネルからAlGaAs層中へ移動する。
【0005】
この場合、基板側に電圧を印加しないと室温では負性抵抗特性が観察されない問題点がある。またドレイン電流・ドレイン電圧により得られる素子のパワー特性は〜数ミリワット程度であり、パワー素子としての利用は困難である。
また、単に、電子移動度が高いGaAs層中のチャンネル内の電子が、電子移動度が低いAlGaAs層へ移動することを利用して負性抵抗特性を得る構造もある。これについては、以下の参考文献が参照できる。
(3)M. S. Shur, D. K. Arch, R. R. Daniels, and J. K. Abrokwah, "New negative resistance regime of heterostructure insulated gate transistor (HIGFET) operation", IEEE Electron Device Lett., vol. 7, no. 2, pp. 78-80,
1986.
【0006】
この素子については、ゲート電流を調べることにより実際に、ソース・ドレイン間の電圧が高い時に、ゲート部分で熱電子放出が起こっているか確かめられている。これによれば、ソース・ドレイン間の電圧を高くしていくと、チャンネル内の電子が高エネルギーを得てゲート電極部のバリアーを乗り越えてゲート電極に到達するため、ゲート電流の増加が観測される。
また窒化物半導体材料を用いたヘテロ接合電界効果型トランジスタにおいても、負性抵抗を有するものが開発されている。この素子については以下の参考文献を参照できる。
(4)J. Deng, R. Gasaka, M. S. Shur, M. A. Khan, and J. W. Yang, "Negative differential conductivity in AlGaN/GaN HEMTs: real space charge transfer from 2D to 3D GaN states", Fall Meetinng of the Materials Research Society held in Boston, Massachusette, November 28 - December
3, 1999.
【0007】
このデバイスの負性抵抗成分は正の高いゲート電圧をかける事によりAlGaNとGaNの界面に形成されている二次元電子ガス密度の増加による移動度の低下及び高移動度の二次元電子チャンネルから低移動度の三次元GaN 層側にキャリア電子が溢れ出して流れる現象によるものである。
デバイスの構造においては普通の高電子移動度トランジスタ(HEMT)構造と違いはない。その結果、参考文献(4)に示されているようにこのデバイスにおいて負性抵抗成分が現れるのは高いゲート電圧領域だけであり、再現性においては問題がある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、窒化物系半導体材料を用いた負性抵抗を有するヘテロ接合電界効果型トランジスタの性能及び再現性を高めることである。
従来のAlGaAs系半導体材料を用いた負性抵抗を有するヘテロ接合電界効果型トランジスタは、GaAs層からAlGaAs層への熱電子放出を利用したものである。しかしながら、このAlGaAsとGaAsの間の障壁を乗り越える熱電子放出の物理的な過程は、トンネリング現象や、拡散現象も関係しており、室温では負性抵抗特性を得ることが困難である。またAlGaAsやGaAs材料においての高温での素子特性の悪化及び素子の低パワー特性により、高温高パワー素子としては使用できない。
【0009】
また窒化物系半導体材料を用いたヘテロ接合電界効果型トランジスタにおいて負性抵抗が得られている素子も構造的には、負性抵抗を示さない通常の素子構造と同じであり、再現性が得られているとはいえない。
そこで本発明は、高温及び高パワー下でも安定である窒化物系半導体材料を用い、室温で再現性良く負性抵抗特性を示す素子構造と、その制御方法を提示することが課題である。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、これらの問題点を解決するために、GaN系ヘテロ接合電界効果型トランジスタにおいて、ヘテロ接合からわずかに離れた位置に、n型にドーピングされたGaN層を配置し、チャンネル内の電子がGaN層側へ熱放出する際の障壁の高さを制御する。このn型にドーピングされたGaN層のドーピング濃度およびヘテロ接合からの距離を調節することにより、負性抵抗を示すドレイン電圧やゲート電圧を制御できる。
【0011】
また熱放出によってn型にドーピングされたGaN層に移動した電子が、ドレイン電極にそのまま移動到達できるようにすることにより、不必要な電子のチャージを防ぐことができる。ドレイン電極をn型にドーピングされたGaN層にコンタクトさせておくことにより、n型にドーピングされたGaN層の電圧もドレイン電圧によって制御されるようになるため、動作が安定する。
【0012】
図2に、本発明のヘテロ接合電界効果型トランジスタのドレイン.ソース動作領域の概略図を示す。
1)ゲート電極に0付近の電圧を、ドレイン電極には正の電圧を印加すると、図中実線矢印で示すように、ドレイン電流はヘテロ界面に形成されている二次元電子チャンネルに沿って流れる。
2)ゲート電極には負の電圧を、トレイン電極には正の電圧を増加させるとヘテロ界面に形成されている二次元電子チャンネルが空乏化され、図中点線矢印で示すように、ドレイン電流は二次元電子チャンネル下のn型にドーピングされたGaN層に流れの経路を変化させる。負性抵抗特性は電子移動度が高い二次元電子チャンネルから電子移動度が低いGaN層に流れの経路を変化させる過程で起こる。
3)さらにゲート電極に負の電圧を増加させると、ヘテロ界面の二次元電子チャンネルは完全に空乏化され、図中一点鎖線矢印で示すように、ドレイン電流は二次元電子チャンネル下のn型にドーピングされたGaN層を沿って流れるためドレイン電流は減少する。
【0013】
また図3に、図2中のドレイン・ゲート領域のヘテロ接合に対して垂直断面でのバンド構造の模式図を示す。ゲート電極に負の電圧を、ドレイン電極には正の電圧を加えると、二次元電子ガス及びn型にドーピングされたGaN層にも電圧が加わる。その結果、二次元電子ガスを閉じ込めていたチャンネルのGaN層側の伝導帯エネルギー準位が、図2を参照して上述した1)から3)の順に低くなり、チャンネル電流がGaN層側に容易に移動できるようになる状況を図示したものである。
【0014】
従来のワイドバンドギャップ系の負性抵抗特性を示すAlGaN/GaN構造は有機金属気相成長法(MOCVD)を用いている。しかし、MOCVD法は膜厚の制御が容易ではなく結晶成長のその場観察ができないため結晶品質が均一ではない。また有機金属を用いているため酸素やカーボンなどの不純物の混入が避けられない。
そのため本発明でのヘテロ接合電界効果型トランジスタの再現性を高めるために、成長膜厚の制御性のすぐれた分子線成長法(MBE)を用いてデバイス作製用の結晶構造を成長する。
【0015】
【発明の実施の形態】
図1に、本発明の提示する窒化物系半導体材料を用いた負性抵抗を有するヘテロ接合電界効果型トランジスタの構造を示す。図1に示すこのワイドバンドギャップ系半導体のへテロ接合電界効果トランジスタの製造プロセスは以下の通りである。
【0016】
基板にはサファイア(0001)C面を用いる。SiCやGaNなどの基板を用いても良いが高価で大口径かつ欠陥が少ない基板を入手するのは現状では困難であるからである。
サファイア基板とGaNは格子定数の差が16.3%と大きいためサファイア基板上に直接GaNを成長すると多量の結晶欠陥がGaN層に導入される。これを避けるためには基板とGaN層の間に緩衝層をいれる。
【0017】
本製造プロセスでは、MBE法を用いてサファイア基板上にAlN層(厚さ90 nm)の緩衝層を750 ℃で成長し、その後GaN層(厚さ1nm)とAlN層(厚さ1nm)からなる超格子多重緩衝層を950 ℃の高温度で三組成長する。さらにAlN(厚さ120nm)の緩衝層を950 ℃の高温度で成長した。このAlN/GaN超格子多重構造及びAlN緩衝層の導入は貫通転位を減らし、GaN結晶品質を上げるのに重要である。
【0018】
その上にMBE法を用いてノンドープGaN層を成長温度860℃で膜厚2000nm成長した。このGaN層の膜厚は厚いほど良いが、成長時間などの兼合いから2000nmとした。ドーピングをしないのはチャンネルから下のGaN 層へ流れるリーク電流を減らすためである。
次に成長温度を860℃に固定したまま、シリコン(Si)を2×1016cm−3ドーピングした厚さ20nmのGaN層、ノンドープの厚さ2nmのGaN層、ノンドープの厚さ2nmのAlGaNスペーサー層を成長し、最後にその上にシリコン(Si)を2×1018cm−3 ドーピングしたAlGaN障壁層を20nm成長した。
【0019】
シリコンを2×1016cm−3程度ドーピングした厚さ20 nmのGaN層は、デバイスの負性抵抗特性を安定して引き出すために重要な役割を果たす。ノンドープのGaN層とAlGaNスペーサー層は、二次元電子ガスが形成される部分であるため、不純物散乱を減らす目的からノンドープにしてある。厚さとしてはそれぞれ2−3nmが良い。
AlGaNスペーサー層とAlGaN障壁層のアルミの組成比は15〜30 %が適当である。アルミの組成比を減らすとAlGaNの格子定数がGaNに近くなり、AlGaN障壁層の結晶品質は上昇する。しかし、自発分極の差や、格子定数差による歪応力によるピエゾ電界分極が小さくなり、二次元電子ガス密度が減少する。またAlGaN障壁層とGaN層とのバンドギャップ差が小さくなり、AlGaN/GaN界面において良好な二次元電子チャンネルが出来にくい問題がある。
【0020】
一方、アルミの組成比を大きくすると二次元電子ガスの密度が増加し、かつAlGaNとGaNとのバンドギャップ差が大きくなりAlGaN/GaN界面に深いチャンネルができるが、もう一方で大きな格子定数差によりAlGaN障壁層に多量の結晶欠陥が入る。この結晶欠陥はゲートリーク電流のもとになる。そのため最適なアルミの組成比を選択するのが重要である。この実施例では20 %のアルミ組成比を用いた。
【0021】
以上のヘテロ接合電界効果型トランジスタ製造のための結晶構造ができたら、次にトランジスタ構造形成のためのパターニング段階に入る。
まず、結晶表面保護膜として酸化膜(SiO)を500 ℃で100 nm位堆積し、フォトリソグラフィ法でメサパターニングを行う。その後フッ酸溶液を用いて、酸化膜をメサの形状に合わせてエッチングする。その後、メサの形状になっている酸化膜をマスクとして用いて、成長した基板をドライエッチングによりメサパターン状に加工する。
【0022】
このメサエッチングにより素子と素子の間が分離され、お互いの素子間に電流が流れないようになる。ドライエッチングは電子サイクロトロン共鳴(ECR)法を用いた塩素プラズマを用いて行う。ドライエッチングはウエットエッチング法に比べエッチングの異方性つまり垂直性があり、急峻な界面及びエッチング速度の制御が簡単である。エッチングレートはエピタキシャル膜の結晶品質、塩素プラズマの圧力、加速エネルギーなどによって違うが一時間に500〜700 nmである。
【0023】
その後メサを形成したのと同様の方法で、ドレイン電極のn型GaN層にコンタクトする形状に合わせてメサの一部をエッチングする。エッチングの深さは、n型GaN層に届く深さである。よって30nm程度でよい。
メサエッチング後メサ上に残っている酸化膜をフッ酸溶液中で除去し、全面に絶縁膜を形成する。絶縁膜にはAlN,SiO,SiN,Siが良い。その後、ソースとドレイン電極の窓開けを行う。つまりソースとドレイン電極の形状に合わせて、絶縁膜を除去する。
【0024】
ソース及びドレインの電極メタルとしては、基板表面側から、Ti/Al/Ni/Au(30/220/40/50nm)の構造を用いた。電極メタル形成には高真空電子ビーム蒸着法を用いた。電子ビーム蒸着後リフトオフ法でソース及びドレイン部分以外のメタルを除去する。リフトオフ用の溶液としてはアセトンを用いた。
【0025】
その後、電極メタルとAlGaN/GaN層との合金化のためアニールを行った。アニールは高速のランプアニール法を用い、750 ℃で30秒間行った。アニール温度が高すぎたり時間が長すぎるとメタルの過度な拡散によりお互いの電極がつながるので注意する。大体は700〜900 ℃で10〜60秒間が良い。
【0026】
次はゲート電極を形成する。ゲートのパターニングはフォトリソグラフィ法を用いるが、ゲート長が短く微細パターンを用いる場合には電子ビームリソグラフィ法を用いる。ゲートの長さが2000 nm以下である場合は電子ビームリソグラフィ法を用いた方が歩留まりが良い。本発明では電子ビームリソグラフィ法を用いてゲート長を850 nmにした。ゲート電極メタルとしては、基板表面側からPt/Au(50/200 nm)を用いた。ゲートメタルの形成にも高真空電子ビーム蒸着法を用いた。ゲート電極パターンのリフトオフにはアセトン溶液を用いた。ゲート電極については、アニールは行なわない。
【0027】
【発明の効果】
二次元電子チャンネルの下にn型GaN層を設けることで得られた負性抵抗特性を図4に示す。横軸はソース・ドレイン電圧で、縦軸はドレイン電流である。ドレイン電圧が、1−3V程度と低い時でも再現性良く負性抵抗が見られる。
このデバイスはゲート電圧を制御することで負性抵抗特性を制御できるので、高周波発信器、増幅器及びスイッチング素子などに応用できる。また、窒化ガリウムのワイドバンドギャップ系半導体は、高温及び高パワーなどの条件においても安定に動作するため、高電力素子、自動車エンジンの高温素子及び携帯電話の基地局用高周波素子としても用いられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】AlGaN/GaNワイドバンドギャップ系半導体のヘテロ接合電界効果型トランジスタの構造を示す図である。
【図2】本発明のヘテロ接合電界効果型トランジスタのドレイン・ソース動作領域の概略図である。井戸状に形成されたドレイン電極及び二次元電子チャンネル下に形成されたGaNドーピング層によるチャンネル電流流れの変化を表している。
【図3】図2のドレイン・ゲート領域のヘテロ接合に対して垂直断面構造において各々のゲート及びドレイン電圧変化に対する伝導帯準位及びフェルミレベル準位の変化を表す図である。
【図4】負性抵抗を示すヘテロ接合電界効果型トランジスタのドレイン電流対ドレイン・ソース間電圧特性を表す図である。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electronic device using a nitride semiconductor material, and more particularly to a heterojunction field effect transistor having a negative resistance using a gallium nitride based semiconductor material and a method for controlling the characteristics thereof.
[0002]
[Prior art]
A heterojunction field-effect transistor (FET) is a transistor using a channel of a two-dimensional electron gas formed at the interface between two materials having different lattice constants, and uses an AlGaAs semiconductor material or a nitride semiconductor material. Heterojunction field effect transistors have been developed.
[0003]
Heterojunction field effect transistors exhibiting negative resistance characteristics have been developed using AlGaAs-based semiconductor materials. First, there is a structure in which two channels are formed and a negative resistance is obtained by switching a current between a source and a drain between them. In order to form two channels, an AlGaAs layer having a large band gap is sandwiched between GaAs layers having a small band gap, and two interfaces between the AlGaAs layer and the GaAs layer are used as channels. In addition, a structure in which an electrode is also provided on the substrate side has been developed for efficient switching. The following references can be referred to for this element.
(1) A. Kastalsky and S. Luryi, "Novel real-space hot-electron transfer device", IEEE Electron Device Lett., Vol. 4, no. 9, pp. 334-336, 1983. (2) A. Kastalsky, S. Luryi, AC Gossard, and R. Hendel, "A field-effect transistor with a negative differential resistance", IEEE Electron Device Lett., Vol. 5, no. 2, pp. 57-60, 1984.
[0004]
Negative resistance occurs in these devices in the process of switching between two channels, and electrons in the channel formed in the GaAs layer portion with high electron mobility move to the AlGaAs layer with low electron mobility. It is to do. The movement to the AlGaAs layer is because electrons in the channel are accelerated by the voltage applied between the source and the drain and have a large kinetic energy (thermal energy). Since the electrons that have obtained this energy can get over the barrier formed between the GaAs layer and the AlGaAs layer, they move from the channel in the GaAs layer into the AlGaAs layer.
[0005]
In this case, there is a problem that the negative resistance characteristic is not observed at room temperature unless a voltage is applied to the substrate side. Further, the power characteristic of the element obtained by the drain current / drain voltage is about several milliwatts, and it is difficult to use it as a power element.
There is also a structure in which negative resistance characteristics are obtained simply by utilizing the fact that electrons in a channel in a GaAs layer with high electron mobility move to an AlGaAs layer with low electron mobility. The following references can be referred to for this.
(3) MS Shur, DK Arch, RR Daniels, and JK Abrokwah, "New negative resistance regime of heterostructure insulated gate transistor (HIGFET) operation", IEEE Electron Device Lett., Vol. 7, no. 2, pp. 78- 80,
1986.
[0006]
With respect to this device, it is confirmed by checking the gate current whether thermionic emission actually occurs at the gate portion when the source-drain voltage is high. According to this, when the voltage between the source and drain is increased, electrons in the channel gain high energy and go over the barrier of the gate electrode part and reach the gate electrode, so an increase in gate current is observed. The
In addition, heterojunction field effect transistors using nitride semiconductor materials have been developed that have negative resistance. The following references can be referred to for this element.
(4) J. Deng, R. Gasaka, MS Shur, MA Khan, and JW Yang, "Negative differential conductivity in AlGaN / GaN HEMTs: real space charge transfer from 2D to 3D GaN states", Fall Meetinng of the Materials Research Society held in Boston, Massachusette, November 28-December
3, 1999.
[0007]
The negative resistance component of this device has a low mobility due to an increase in the two-dimensional electron gas density formed at the interface between AlGaN and GaN by applying a positive positive gate voltage and a low mobility from the two-dimensional electron channel with high mobility. This is due to a phenomenon in which carrier electrons overflow and flow toward the three-dimensional GaN layer side of mobility.
The device structure is no different from the ordinary high electron mobility transistor (HEMT) structure. As a result, as shown in Reference (4), the negative resistance component appears only in the high gate voltage region in this device, and there is a problem in reproducibility.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The problem to be solved by the present invention is to improve the performance and reproducibility of a heterojunction field effect transistor having a negative resistance using a nitride-based semiconductor material.
A conventional heterojunction field-effect transistor having a negative resistance using an AlGaAs-based semiconductor material utilizes thermionic emission from a GaAs layer to an AlGaAs layer. However, the physical process of thermionic emission over the barrier between AlGaAs and GaAs is also related to a tunneling phenomenon and a diffusion phenomenon, and it is difficult to obtain a negative resistance characteristic at room temperature. In addition, AlGaAs and GaAs materials cannot be used as high-temperature and high-power devices due to the deterioration of device characteristics at high temperatures and the low power characteristics of the devices.
[0009]
In addition, elements having a negative resistance in a heterojunction field effect transistor using a nitride-based semiconductor material are structurally the same as a normal element structure that does not exhibit a negative resistance, and thus reproducibility is obtained. It cannot be said that it is done.
Therefore, an object of the present invention is to provide an element structure that exhibits negative resistance characteristics with good reproducibility at room temperature using a nitride-based semiconductor material that is stable even at high temperatures and high power, and a control method thereof.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, in order to solve these problems, in a GaN-based heterojunction field effect transistor, an n-type doped GaN layer is disposed at a position slightly away from the heterojunction, Controls the height of the barrier when electrons emit heat to the GaN layer side. By adjusting the doping concentration of the n-type doped GaN layer and the distance from the heterojunction, the drain voltage and gate voltage exhibiting negative resistance can be controlled.
[0011]
Moreover, unnecessary electrons can be prevented from being charged by allowing electrons that have moved to the n-type doped GaN layer by heat release to reach the drain electrode as they are. By bringing the drain electrode into contact with the n-type doped GaN layer, the voltage of the n-type doped GaN layer is also controlled by the drain voltage, so that the operation is stabilized.
[0012]
FIG. 2 shows the drain of the heterojunction field effect transistor of the present invention. A schematic diagram of the source operating area is shown.
1) When a voltage near 0 is applied to the gate electrode and a positive voltage is applied to the drain electrode, the drain current flows along the two-dimensional electron channel formed at the heterointerface as shown by the solid arrow in the figure.
2) When a negative voltage is applied to the gate electrode and a positive voltage is applied to the train electrode, the two-dimensional electron channel formed at the heterointerface is depleted. As shown by the dotted arrow in the figure, the drain current is The flow path is changed to the n-type doped GaN layer under the two-dimensional electron channel. Negative resistance characteristics occur in the process of changing the flow path from a two-dimensional electron channel with high electron mobility to a GaN layer with low electron mobility.
3) When the negative voltage is further increased at the gate electrode, the two-dimensional electron channel at the heterointerface is completely depleted, and the drain current becomes n-type below the two-dimensional electron channel, as indicated by the dashed line arrow in the figure. The drain current is reduced because it flows along the doped GaN layer.
[0013]
FIG. 3 is a schematic diagram of a band structure in a vertical section with respect to the heterojunction of the drain / gate region in FIG. When a negative voltage is applied to the gate electrode and a positive voltage is applied to the drain electrode, a voltage is also applied to the two-dimensional electron gas and the n-type doped GaN layer. As a result, the conduction band energy level on the GaN layer side of the channel in which the two-dimensional electron gas is confined decreases in the order of 1) to 3) described above with reference to FIG. 2, and the channel current is easily on the GaN layer side. The situation where it becomes possible to move to is illustrated.
[0014]
A conventional AlGaN / GaN structure showing negative resistance characteristics of a wide band gap system uses metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). However, the MOCVD method is not uniform in crystal quality because the film thickness is not easily controlled and crystal growth cannot be observed in situ. Moreover, since organic metals are used, it is inevitable that impurities such as oxygen and carbon are mixed.
Therefore, in order to improve the reproducibility of the heterojunction field effect transistor according to the present invention, a crystal structure for device fabrication is grown using a molecular beam growth method (MBE) with excellent control of the growth film thickness.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows the structure of a heterojunction field effect transistor having a negative resistance using a nitride-based semiconductor material proposed by the present invention. The manufacturing process of this wide band gap semiconductor heterojunction field effect transistor shown in FIG. 1 is as follows.
[0016]
A sapphire (0001) C surface is used for the substrate. This is because it is difficult to obtain a substrate that is expensive, has a large diameter, and has few defects.
Since the difference in lattice constant between the sapphire substrate and GaN is as large as 16.3%, a large amount of crystal defects are introduced into the GaN layer when GaN is grown directly on the sapphire substrate. In order to avoid this, a buffer layer is inserted between the substrate and the GaN layer.
[0017]
In this manufacturing process, an MBN method is used to grow an AlN layer (thickness 90 nm) buffer layer on a sapphire substrate at 750 ° C., and then a GaN layer (thickness 1 nm) and an AlN layer (thickness 1 nm). The superlattice multi-buffer layer is tri-compositioned at a high temperature of 950.degree. Further, a buffer layer of AlN (thickness 120 nm) was grown at a high temperature of 950.degree. The introduction of this AlN / GaN superlattice multiple structure and AlN buffer layer is important for reducing threading dislocations and improving the quality of GaN crystals.
[0018]
A non-doped GaN layer was grown to a thickness of 2000 nm at a growth temperature of 860 ° C. using the MBE method. The thicker the GaN layer, the better. However, the thickness is set to 2000 nm in consideration of growth time and the like. The reason for not doping is to reduce the leakage current flowing from the channel to the underlying GaN layer.
Next, with the growth temperature fixed at 860 ° C., a 20 nm-thick GaN layer doped with silicon (Si) at 2 × 10 16 cm −3 , a non-doped 2 nm thick GaN layer, a non-doped 2 nm thick AlGaN spacer A layer was grown, and finally an AlGaN barrier layer doped with silicon (Si) at 2 × 10 18 cm −3 was grown thereon to a thickness of 20 nm.
[0019]
A GaN layer having a thickness of 20 nm doped with silicon by about 2 × 10 16 cm −3 plays an important role in stably extracting the negative resistance characteristics of the device. Since the non-doped GaN layer and the AlGaN spacer layer are portions where a two-dimensional electron gas is formed, they are non-doped for the purpose of reducing impurity scattering. The thickness is preferably 2-3 nm.
The composition ratio of aluminum in the AlGaN spacer layer and the AlGaN barrier layer is suitably 15 to 30%. When the composition ratio of aluminum is reduced, the lattice constant of AlGaN becomes close to that of GaN, and the crystal quality of the AlGaN barrier layer increases. However, the piezoelectric field polarization due to the difference in spontaneous polarization and the strain stress due to the difference in lattice constant is reduced, and the two-dimensional electron gas density is reduced. In addition, there is a problem that the band gap difference between the AlGaN barrier layer and the GaN layer becomes small, and it is difficult to form a good two-dimensional electron channel at the AlGaN / GaN interface.
[0020]
On the other hand, when the composition ratio of aluminum is increased, the density of the two-dimensional electron gas increases and the band gap difference between AlGaN and GaN increases and a deep channel is formed at the AlGaN / GaN interface. A large amount of crystal defects enter the AlGaN barrier layer. This crystal defect causes a gate leakage current. Therefore, it is important to select an optimal aluminum composition ratio. In this example, an aluminum composition ratio of 20% was used.
[0021]
Once the crystal structure for manufacturing the above heterojunction field effect transistor is formed, the patterning step for forming the transistor structure is then started.
First, an oxide film (SiO 2 ) is deposited as a crystal surface protective film to a thickness of about 100 nm at 500 ° C., and mesa patterning is performed by photolithography. Thereafter, the oxide film is etched in accordance with the shape of the mesa using a hydrofluoric acid solution. Thereafter, the grown substrate is processed into a mesa pattern by dry etching using the oxide film in the mesa shape as a mask.
[0022]
By this mesa etching, the elements are separated from each other, so that no current flows between the elements. Dry etching is performed using chlorine plasma using an electron cyclotron resonance (ECR) method. Compared with the wet etching method, the dry etching has etching anisotropy, that is, perpendicularity, and it is easy to control the steep interface and the etching rate. Although the etching rate varies depending on the crystal quality of the epitaxial film, the pressure of chlorine plasma, the acceleration energy, etc., it is 500 to 700 nm per hour.
[0023]
Thereafter, a part of the mesa is etched according to the shape in contact with the n-type GaN layer of the drain electrode by the same method as that for forming the mesa. The depth of etching is the depth that reaches the n-type GaN layer. Therefore, it may be about 30 nm.
The oxide film remaining on the mesa after the mesa etching is removed in a hydrofluoric acid solution to form an insulating film on the entire surface. For the insulating film, AlN, SiO 2 , SiN, or Si 3 N 4 is preferable. Thereafter, the source and drain electrodes are opened. That is, the insulating film is removed in accordance with the shape of the source and drain electrodes.
[0024]
As the source and drain electrode metals, a Ti / Al / Ni / Au (30/220/40/50 nm) structure was used from the substrate surface side. A high vacuum electron beam evaporation method was used to form the electrode metal. After the electron beam evaporation, the metal other than the source and drain portions is removed by a lift-off method. Acetone was used as the lift-off solution.
[0025]
Thereafter, annealing was performed for alloying the electrode metal and the AlGaN / GaN layer. Annealing was performed at 750 ° C. for 30 seconds using a high-speed lamp annealing method. Note that if the annealing temperature is too high or the time is too long, the electrodes will be connected to each other due to excessive metal diffusion. Generally, 700 to 900 ° C. and 10 to 60 seconds are preferable.
[0026]
Next, a gate electrode is formed. Photolithography is used for patterning the gate, but electron beam lithography is used when the gate length is short and a fine pattern is used. When the gate length is 2000 nm or less, the yield is better when the electron beam lithography method is used. In the present invention, the gate length is set to 850 nm using an electron beam lithography method. As the gate electrode metal, Pt / Au (50/200 nm) was used from the substrate surface side. High vacuum electron beam evaporation was also used to form the gate metal. An acetone solution was used for lift-off of the gate electrode pattern. The gate electrode is not annealed.
[0027]
【The invention's effect】
FIG. 4 shows the negative resistance characteristics obtained by providing the n-type GaN layer under the two-dimensional electron channel. The horizontal axis is the source / drain voltage, and the vertical axis is the drain current. Negative resistance can be seen with good reproducibility even when the drain voltage is as low as about 1-3V.
Since this device can control the negative resistance characteristic by controlling the gate voltage, it can be applied to a high-frequency oscillator, an amplifier, a switching element, and the like. Further, the wide band gap semiconductor of gallium nitride operates stably even under conditions such as high temperature and high power, and is therefore used as a high power element, a high temperature element for an automobile engine, and a high frequency element for a base station of a mobile phone.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing the structure of an AlGaN / GaN wide bandgap semiconductor heterojunction field effect transistor.
FIG. 2 is a schematic diagram of a drain / source operation region of a heterojunction field effect transistor of the present invention. It shows a change in channel current flow due to a drain electrode formed in a well shape and a GaN doping layer formed under a two-dimensional electron channel.
3 is a diagram showing changes in conduction band levels and Fermi level levels with respect to changes in gate and drain voltages in a vertical cross-sectional structure with respect to the heterojunction of the drain / gate region of FIG. 2;
FIG. 4 is a diagram illustrating drain current versus drain-source voltage characteristics of a heterojunction field effect transistor exhibiting negative resistance.

Claims (5)

ドーピングされていないGaN層とAlGaN障壁層との間にヘテロ接合が形成され、かつ該ヘテロ接合のヘテロ界面に二次元電子チャンネルが形成されるGaN系ヘテロ接合電界効果型トランジスタにおいて、
n型にドーピングされたGaN層を、ヘテロ接合を形成するドーピングされていないGaN層の二つの側面の内、ヘテロ接合とは反対側の側面に接するように配置させたGaN系ヘテロ接合電界効果型トランジスタ。
Heterojunction between the GaN layer and the AlGaN barrier layer is not doped is formed, and the GaN-based heterojunction field effect transistor two-dimensional electron channel at the hetero-interface is Ru is formed in the heterojunction,
GaN-based heterojunction field-effect type in which n-type doped GaN layer is placed in contact with the side opposite to the heterojunction of the two sides of the undoped GaN layer forming the heterojunction Transistor.
ドレイン電極がAlGaN障壁層上部と前記のn型にドーピングされたGaN層の両方に接触している請求項1に記載のGaN系ヘテロ接合電界効果トランジスタ。  The GaN-based heterojunction field effect transistor according to claim 1, wherein the drain electrode is in contact with both the upper portion of the AlGaN barrier layer and the n-type doped GaN layer. 前記のn型にドーピングされたGaN層のドーピング濃度およびヘテロ接合からの距離を調節することにより、負性抵抗を示すドレイン電圧及びゲート電圧を制御可能にした請求項1に記載のGaN系ヘテロ接合電界効果トランジスタ。  2. The GaN-based heterojunction according to claim 1, wherein a drain voltage and a gate voltage exhibiting negative resistance can be controlled by adjusting a doping concentration of the n-type doped GaN layer and a distance from the heterojunction. Field effect transistor. 分子線成長法(MBE)を用いてデバイス作製用の結晶構造を成長させた請求項1に記載のGaN系ヘテロ接合電界効果トランジスタ。  The GaN-based heterojunction field effect transistor according to claim 1, wherein a crystal structure for device fabrication is grown using molecular beam growth (MBE). ドーピングされていないGaN層とAlGaN障壁層との間にヘテロ接合がが形成され、かつ該ヘテロ接合のヘテロ界面に二次元電子チャンネルが形成されるGaN系ヘテロ接合電界効果型トランジスタの特性を制御する方法において、
n型にドーピングされたGaN層を、ヘテロ接合を形成するドーピングされていないGaN層の二つの側面の内、ヘテロ接合とは反対側の側面に接するように配置させ、
このn型にドーピングされたGaN層のドーピング濃度を変化させるか、或いは前記ドーピングされていないGaN層の厚さを調節して、前記n型にドーピングされたGaN層の前記ヘテロ接合からの位置を制御することにより、負性抵抗を生じるソース・ドレイン及びゲート電圧を制御することから成るGaN系ヘテロ接合電界効果型トランジスタの特性を制御する方法。
Heterojunction between the GaN layer and the AlGaN barrier layer is not doped is formed, and to control the properties of the GaN-based heterojunction field effect transistor two-dimensional electron channel at the hetero-interface of the heterojunction Ru is formed In the method
The n-type doped GaN layer is disposed so as to be in contact with the side surface opposite to the heterojunction among the two side surfaces of the undoped GaN layer forming the heterojunction,
Alters the doping concentration of the doped GaN layer on the n-type, or by adjusting the thickness of the GaN layer that is not the doping, the position from the heterojunction doped GaN layer on the n-type A method for controlling the characteristics of a GaN-based heterojunction field effect transistor comprising controlling a source / drain and a gate voltage generating a negative resistance by controlling.
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