JP4446869B2 - Heterojunction type III-V compound semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、ヘテロ接合構造を備えるIII-V族化合物半導体装置とその製造方法に関する。   The present invention relates to a III-V compound semiconductor device having a heterojunction structure and a method for manufacturing the same.

III-V族化合物半導体装置の研究が活発であり、例えば、窒化ガリウム(GaN)を利用したヘテロ接合型のIII-V族化合物半導体装置の研究が活発に行われている。この一例が非特許文献1に提案されている。
非特許文献1に開示されているヘテロ接合型のIII-V族化合物半導体装置は、UID(unintentionally doped)−GaN層と、そのUID−GaN層のバンドギャップよりもバンドギャップが大きいAlGaN層をヘテロ接合した構造を備えている。AlGaN層は、半導体結晶内にAlを含有しており、UID−GaN層よりバンドギャップが大きい。AlGaN層の表面にソース電極とゲート電極が形成されている。GaN層の裏面にはドレインとなるn−GaN層とドレイン電極が形成されている。UID−GaN層とn−GaN層の間に、開口を有するp型のGaN層が形成されている。その開口とゲート電極は対向する位置に形成されている。
このヘテロ接合型のIII-V族化合物半導体装置では、ゲート電極に閾値電圧より低い電圧を印加すると、UID−GaN層とAlGaN層のヘテロ接合界面のUID−GaN層側の伝導帯エネルギー準位が、フェルミ準位より上昇する。伝導帯エネルギー準位がフェルミ準位よりも高くなるので、ヘテロ接合界面近傍のUID−GaN層に電子(2DEG(2 Dimensional Electron Gas:2次元電子ガスと一般的に称される))が存在しない状態となる。したがって、ヘテロ接合型半導体装置はオフとなる。一方、ゲート電極に閾値電圧より高い電圧を印加すると、UID−GaN層とAlGaN層のヘテロ接合界面のUID−GaN層側にポテンシャル井戸が形成される。そのポテンシャル井戸では、伝導帯エネルギー準位がフェルミ準位より下降する。伝導帯エネルギー準位がフェルミ準位よりも低くなるので、ヘテロ接合界面近傍のUID−GaN層に電子を発生させることができる。発生した電子は、2次元電子ガスが発生している領域の電位差に基づいて、ソース電極に対向するポテンシャル井戸内から、ヘテロ接合界面に沿ってゲート電極に対向するポテンシャル井戸内まで移動する。ゲート電極に対向するポテンシャル井戸内まで移動した電子は、二つの導電機構によってUID−GaN層に移動する。一つはポテンシャル井戸内の伝導帯エネルギー準位とUID−GaN層の伝導体エネルギー準位との間のエネルギー障壁を越えてUID−GaN層内に移動する導電機構である。他の一つはヘテロ接合界面に存在する欠陥に起因して形成される準位を介してUID−GaN層内に移動する導電機構である。これらの導電機構によってUID−GaN層内に移動した電子は、p−GaN層の開口とドレイン層を経由してドレイン電極へ移動する。これにより、ヘテロ接合型の半導体装置がオンとなる。
Journal of Applied Physics. Volume 95, Number 4. p2073-2078
Research on III-V compound semiconductor devices is active, and for example, research on heterojunction type III-V compound semiconductor devices using gallium nitride (GaN) is being actively conducted. An example of this is proposed in Non-Patent Document 1.
A heterojunction type III-V group compound semiconductor device disclosed in Non-Patent Document 1 includes a UID (unintentionally doped) -GaN layer and an AlGaN layer having a larger band gap than the band gap of the UID-GaN layer. It has a joined structure. The AlGaN layer contains Al in the semiconductor crystal and has a larger band gap than the UID-GaN layer. A source electrode and a gate electrode are formed on the surface of the AlGaN layer. An n-GaN layer serving as a drain and a drain electrode are formed on the back surface of the GaN layer. A p-type GaN layer having an opening is formed between the UID-GaN layer and the n-GaN layer. The opening and the gate electrode are formed at opposing positions.
In this heterojunction type III-V compound semiconductor device, when a voltage lower than the threshold voltage is applied to the gate electrode, the conduction band energy level on the UID-GaN layer side of the heterojunction interface between the UID-GaN layer and the AlGaN layer is reduced. It rises above the Fermi level. Since the conduction band energy level is higher than the Fermi level, there is no electron (2DEG (2 Dimensional Electron Gas)) in the UID-GaN layer near the heterojunction interface. It becomes a state. Therefore, the heterojunction semiconductor device is turned off. On the other hand, when a voltage higher than the threshold voltage is applied to the gate electrode, a potential well is formed on the UID-GaN layer side of the heterojunction interface between the UID-GaN layer and the AlGaN layer. In the potential well, the conduction band energy level falls below the Fermi level. Since the conduction band energy level is lower than the Fermi level, electrons can be generated in the UID-GaN layer near the heterojunction interface. The generated electrons move from the potential well facing the source electrode to the potential well facing the gate electrode along the heterojunction interface based on the potential difference in the region where the two-dimensional electron gas is generated. Electrons that have moved into the potential well facing the gate electrode move to the UID-GaN layer by two conductive mechanisms. One is a conduction mechanism that moves into the UID-GaN layer across the energy barrier between the conduction band energy level in the potential well and the conductor energy level of the UID-GaN layer. The other is a conductive mechanism that moves into the UID-GaN layer through a level formed due to defects present at the heterojunction interface. Electrons that have moved into the UID-GaN layer by these conductive mechanisms move to the drain electrode through the opening of the p-GaN layer and the drain layer. Accordingly, the heterojunction semiconductor device is turned on.
Journal of Applied Physics. Volume 95, Number 4. p2073-2078

非特許文献1で提案されているヘテロ接合型のIII-V族化合物半導体装置は、サファイア基板上に、ドレインとなるn−GaN層、開口を有するp−GaN層、UID−GaN層、そしてAlGaN層を順にエピタキシャル成長して製造する。それぞれの層には、サファイア基板との間の格子不整合等に基づく結晶欠陥が伝播している。したがって、UID−GaN層とAlGaN層のヘテロ接合界面のほぼ全域に、結晶欠陥が高密度で存在していることになる。
ヘテロ接合界面の全域に結晶欠陥が高密度で存在していると、ヘテロ接合型半導体装置をオフしても、ヘテロ接合界面に高密度で存在する結晶欠陥に起因して形成される準位を介して電流が流れてしまう。結晶欠陥に起因して形成される準位を介してヘテロ接合界面を通過する電流が流れてしまうので、ヘテロ接合型半導体装置をオフさせてもリーク電流が流れてしまうという問題が発生する。
リーク電流を防止するためには、高価ではあるけれども、層内全域に亘って結晶欠陥が少ないGaN基板を用意し、その上にそれよりも大きなバンドギャップを有するIII-V族化合物をヘテロ接合すればよい。ヘテロ接合界面の全域において結晶欠陥が少なければ、結晶欠陥に起因して形成される準位を介してヘテロ接合界面を越えて流れてしまう電流を抑制することができ、リーク電流に対策することができるはずである。
しかしながら、層内全域に亘って結晶欠陥が少ないGaN基板を利用すると、ヘテロ接合型の半導体装置をオンしたときに、ポテンシャル井戸内の電子がGaN基板に移動するのに要するエネルギーが大きくなってしまう。この結果、オン抵抗が増大してしまう。
したがって、バンドギャップが小さいIII-V族化合物と、バンドギャップが大きいIII-V族化合物をヘテロ接合した半導体装置であり、ヘテロ接合界面を電流が通過して流れる縦型の半導体装置の場合、III-V族化合物の結晶欠陥が高密度であればオフ時のリーク電流が問題となり、III-V族化合物の結晶欠陥が低密度であればオン時の抵抗が高くなってしまうという問題を含んでいる。
本発明では、オフ時のリーク電流を抑制するとともにオン時の抵抗を低減することができるヘテロ接合型のIII-V族化合物半導体装置を実現する。またそのための製造方法を提案する。
A heterojunction type III-V group compound semiconductor device proposed in Non-Patent Document 1 includes an n-GaN layer serving as a drain, a p-GaN layer having an opening, a UID-GaN layer, and an AlGaN on a sapphire substrate. The layers are produced by epitaxial growth in sequence. Crystal defects based on lattice mismatch with the sapphire substrate propagate to each layer. Therefore, crystal defects exist at a high density in almost the entire region of the heterojunction interface between the UID-GaN layer and the AlGaN layer.
If crystal defects are present at high density throughout the heterojunction interface, the levels formed due to crystal defects existing at high density at the heterojunction interface will be reduced even if the heterojunction semiconductor device is turned off. Current will flow through. Since a current passing through the heterojunction interface flows through a level formed due to crystal defects, there arises a problem that a leak current flows even when the heterojunction semiconductor device is turned off.
In order to prevent leakage current, a GaN substrate having a small number of crystal defects over the entire layer is prepared, and a III-V compound having a larger band gap is heterojunctioned thereon. That's fine. If there are few crystal defects in the entire region of the heterojunction interface, current flowing beyond the heterojunction interface via the level formed due to the crystal defects can be suppressed, and countermeasures against leakage current can be taken. It should be possible.
However, if a GaN substrate having few crystal defects throughout the entire layer is used, the energy required for electrons in the potential well to move to the GaN substrate increases when the heterojunction semiconductor device is turned on. . As a result, the on-resistance increases.
Accordingly, in the case of a semiconductor device in which a III-V group compound having a small band gap and a III-V group compound having a large band gap are heterojunction, and a vertical semiconductor device in which current flows through the heterojunction interface, III If the crystal defect of the -V group compound is high density, the leakage current at the off time becomes a problem. If the crystal defect of the III-V compound compound is low density, the resistance at the on time becomes high. Yes.
The present invention realizes a heterojunction type III-V group compound semiconductor device that can suppress a leakage current when turned off and reduce a resistance when turned on. A manufacturing method for this purpose is also proposed.

本発明のヘテロ接合型のIII-V族化合物半導体装置は、III-V族化合物半導体の下層と、その下層にヘテロ接合されているとともに下層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有するIII-V族化合物半導体の上層と、上層の表面の一部に形成されている主電極と、上層の表面の他の一部に形成されているゲート電極を備えている。
下層は、ヘテロ接合界面と平行な面内において、結晶欠陥高密度領域と結晶欠陥低密度領域が分布していることを特徴とする。主電極は、結晶欠陥低密度領域に対向する領域内に形成されており、ゲート電極は、結晶欠陥高密度領域に対向する領域に形成されていることを特徴とする。
ゲート電極は、結晶欠陥高密度領域に対向する領域内の一部に形成されていてもよいし、結晶欠陥高密度領域とほぼ同形の領域に形成されていてもよいし、結晶欠陥高密度領域を超えて形成されていてもよい。ゲート電極は、上層に対してショットキー接触していてもよいし、絶縁膜を介して上層に対向していてもよい。
A heterojunction type III-V compound semiconductor device according to the present invention comprises a lower layer of a III-V compound semiconductor, a III-V group that is heterojunctioned to the lower layer and has a larger band gap than the lower band gap. An upper layer of the compound semiconductor, a main electrode formed on a part of the surface of the upper layer, and a gate electrode formed on another part of the surface of the upper layer are provided.
The lower layer is characterized in that crystal defect high density regions and crystal defect low density regions are distributed in a plane parallel to the heterojunction interface. The main electrode is formed in a region facing the crystal defect low density region, and the gate electrode is formed in a region facing the crystal defect high density region.
The gate electrode may be formed in a part of a region facing the crystal defect high-density region, or may be formed in a region substantially the same shape as the crystal defect high-density region, or the crystal defect high-density region. May be formed. The gate electrode may be in Schottky contact with the upper layer, or may be opposed to the upper layer through an insulating film.

上記の半導体装置では、結晶欠陥の低密度なヘテロ接合界面に主電極が対向している。結晶欠陥低密度領域では、結晶欠陥が少ないことからそのヘテロ接合界面を通過して流れるリーク電流はほとんど流れない。結晶欠陥が高密度な領域にはゲート電極が対向している。結晶欠陥高密度領域はゲート電極のゲートオフ電圧の影響を強く得られることから、結晶欠陥高密度領域からヘテロ接合界面を通過して流れるリーク電流を効果的に抑制することができる。したがって、半導体装置のオフ時には、ヘテロ接合界面に沿って流れる電流が存在しないことから、主電極から隔てられた部位において、結晶欠陥が高密度のヘテロ接合界面が存在していても、リーク電流を増大させることにならない。
半導体装置のオン時には、ゲート電極に対向する領域において、キャリアがポテンシャル井戸から下層に移動する。ゲート電極に対向する領域では、ヘテロ接合界面における結晶欠陥が高密度であるために、結晶欠陥に起因して形成される準位を介してポテンシャル井戸内のキャリアが下層に移動することができる。この結果、オン抵抗が低減される。半導体装置のオン時には、ヘテロ接合界面の下層側にポテンシャル井戸が形成される。キャリアは、主電極に対向するポテンシャル井戸内から、ヘテロ接合界面に沿ってゲート電極に対向するポテンシャル井戸内に移動する。ゲート電極に対向するヘテロ接合界面の結晶欠陥に起因して形成される準位を介して、キャリアは下層に流れる。下層に流れたキャリアは、結晶欠陥高密度領域に高密度に存在する結晶欠陥に沿って下層を通過する。キャリアが下層を通過するときの抵抗も低い。
本発明のヘテロ接合型のIII-V族化合物半導体装置は、オフ時のリーク電流を抑制することができるとともに、オン時の抵抗を低減することができる。
In the semiconductor device described above, the main electrode faces the low density heterojunction interface having crystal defects. In the crystal defect low density region, since there are few crystal defects, almost no leakage current flows through the heterojunction interface. The gate electrode is opposed to the region where the crystal defects are high density. Since the crystal defect high-density region can be strongly influenced by the gate-off voltage of the gate electrode, the leakage current flowing from the crystal defect high-density region through the heterojunction interface can be effectively suppressed. Therefore, when the semiconductor device is turned off, there is no current flowing along the heterojunction interface. Therefore, even if there is a heterojunction interface with a high density of crystal defects in the part separated from the main electrode, the leakage current is reduced. It will not increase.
When the semiconductor device is turned on, carriers move from the potential well to the lower layer in the region facing the gate electrode. In the region facing the gate electrode, the number of crystal defects at the heterojunction interface is high, so that carriers in the potential well can move to the lower layer through the levels formed due to the crystal defects. As a result, the on-resistance is reduced. When the semiconductor device is on, a potential well is formed on the lower layer side of the heterojunction interface. Carriers move from within the potential well facing the main electrode into the potential well facing the gate electrode along the heterojunction interface. Carriers flow to the lower layer through levels formed due to crystal defects at the heterojunction interface facing the gate electrode. The carriers that have flowed to the lower layer pass through the lower layer along crystal defects that exist at high density in the crystal defect high-density region. Resistance when the carrier passes through the lower layer is also low.
The heterojunction type III-V group compound semiconductor device of the present invention can suppress the leakage current when turned off and can reduce the resistance when turned on.

上記のヘテロ接合型のIII-V族化合物半導体装置のリーク電流をさらに抑制するためには、結晶欠陥高密度領域に対向する領域を超えて広がるゲート電極を形成することが好ましい。
半導体装置のオフ時に、ゲート電極のゲートオフ電圧の影響によって結晶欠陥が高密度に存在するヘテロ接合界面にキャリアが生成される現象を確実に防止することができる。
In order to further suppress the leakage current of the heterojunction type III-V compound semiconductor device, it is preferable to form a gate electrode that extends beyond the region facing the high-density region of crystal defects.
When the semiconductor device is turned off, a phenomenon in which carriers are generated at the heterojunction interface where crystal defects exist at a high density due to the influence of the gate-off voltage of the gate electrode can be reliably prevented.

下層内の結晶欠陥低密度領域の少なくとも一部に絶縁性の領域をさらに備えていることが好ましい。ここでいう絶縁性の領域とは、例えば絶縁体、誘電体、あるいは多数キャリアの導電型に対して反対導電型の半導体、あるいはそれらの組合せによって形成することができる。
この絶縁性領域の存在によって、下層内の結晶欠陥低密度領域側の抵抗を高くすることができる。ひいては、III-V族化合物半導体装置のオフ時において、主電極下方のポテンシャル井戸内(結晶欠陥低密度領域と一致する)からリーク電流が流れることを抑制できる。
It is preferable that an insulating region is further provided in at least a part of the crystal defect low density region in the lower layer. The insulating region here can be formed of, for example, an insulator, a dielectric, a semiconductor having a conductivity type opposite to that of majority carriers, or a combination thereof.
Due to the presence of this insulating region, the resistance on the side of the crystal defect low density region in the lower layer can be increased. As a result, when the III-V compound semiconductor device is turned off, it is possible to suppress the leakage current from flowing in the potential well below the main electrode (corresponding to the crystal defect low density region).

絶縁性領域は、ヘテロ接合界面に発生する2次元電子ガスの存在範囲に位置していないことが好ましい。この位置関係であれば、ヘテロ接合界面に形成されるポテンシャル井戸内を移動するキャリアが、絶縁性領域の存在によってその移動が邪魔されることがない。   It is preferable that the insulating region is not located in the existence range of the two-dimensional electron gas generated at the heterojunction interface. With this positional relationship, carriers moving in the potential well formed at the heterojunction interface are not hindered by the presence of the insulating region.

上記のIII-V族化合物半導体装置は以下の製造方法を利用して、簡単に作成することができる。この製造方法は、半導体基板を用意する工程を備えている。その半導体基板の表面に、開口が分散配置されているエピタキシャル成長禁止部材を形成する工程を備えている。そのエピタキシャル成長禁止部材の開口において露出する半導体基板の表面から、III−V族化合物をエピタキシャル成長することによって下層を形成する工程を備えている。その下層の表面から、下層のIII-V族化合物のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有するIII-V族化合物をエピタキシャル成長することによって上層を形成する工程を備えている。エピタキシャル成長禁止部材に対向する領域内の上層の表面に主電極を形成する工程を備えている。さらに、前記開口に対向する領域の上層の表面にゲート電極を形成する工程を備えている。
なお、開口に対向する領域の上層の表面、あるいはエピタキシャル成長禁止部材に対向する領域の上層の表面とは、他の工程によってエピタキシャル成長禁止部材が除去されてしまった場合には、もともと開口が存在していた位置と、もともとエピタキシャル成長禁止部材が存在していた位置に対向するという意味で解釈することができる。
エピタキシャル成長禁止部材とは、その表面からIII-V族化合物の結晶がエピタキシャル成長しない材料が選択される。典型的には、酸化シリコン、窒化シリコンなどを好適に利用することができる。
エピタキシャル成長禁止部材の開口において露出する半導体基板の表面から、エピタキシャル成長してIII−V族化合物の下層を形成すると、半導体基板と下層の格子不整合等に基づいて、下層内には開口の位置から層厚方向に向けて結晶欠陥が伝播して形成される。これが結晶欠陥高密度領域となる。一方、エピタキシャル成長禁止部材の上方には、結晶が横方向に向けて成長するので、結晶欠陥が比較的少ない結晶欠陥低密度領域が形成される。したがって、前記開口に対向する領域の上層の表面にゲート電極を形成すると、ゲート電極下方の下層側界面に結晶欠陥高密度領域が存在することになる。さらに、エピタキシャル禁止部材に対向する領域の上層の表面に主電極を形成すると、その主電極下方の下層側界面に結晶欠陥低密度領域が存在することになる。エピタキシャル成長禁止部材とその開口位置に基づいて、ゲート電極と主電極の位置を決定するだけで、上記のヘテロ接合型のIII-V族化合物半導体装置を簡単に得ることができる。
The above III-V compound semiconductor device can be easily produced by using the following manufacturing method. This manufacturing method includes a step of preparing a semiconductor substrate. A step of forming an epitaxial growth inhibiting member having openings dispersedly arranged on the surface of the semiconductor substrate is provided. A step of forming a lower layer by epitaxially growing a III-V group compound from the surface of the semiconductor substrate exposed at the opening of the epitaxial growth prohibiting member is provided. From the surface of the lower layer, there is provided a step of forming an upper layer by epitaxially growing a III-V group compound having a band gap larger than that of the lower layer III-V group compound. Forming a main electrode on the surface of the upper layer in a region facing the epitaxial growth prohibiting member; Furthermore, a step of forming a gate electrode on a surface of an upper layer in a region facing the opening is provided.
Note that the surface of the upper layer in the region facing the opening or the surface of the upper layer in the region facing the epitaxial growth prohibiting member originally has an opening when the epitaxial growth prohibiting member has been removed by another process. Can be interpreted in the sense of facing the position where the epitaxial growth prohibiting member originally existed.
As the epitaxial growth prohibiting member, a material that does not epitaxially grow III-V group crystals from the surface thereof is selected. Typically, silicon oxide, silicon nitride, or the like can be preferably used.
When the lower layer of the III-V compound is formed by epitaxial growth from the surface of the semiconductor substrate exposed at the opening of the epitaxial growth prohibiting member, the layer is formed from the position of the opening in the lower layer based on lattice mismatching between the semiconductor substrate and the lower layer. Crystal defects are propagated and formed in the thickness direction. This becomes a crystal defect high density region. On the other hand, since the crystal grows in the lateral direction above the epitaxial growth prohibiting member, a crystal defect low density region with relatively few crystal defects is formed. Therefore, when a gate electrode is formed on the surface of the upper layer in the region facing the opening, a crystal defect high-density region exists at the lower layer side interface below the gate electrode. Furthermore, when the main electrode is formed on the surface of the upper layer in the region facing the epitaxial prohibiting member, a crystal defect low density region exists at the lower layer side interface below the main electrode. The above heterojunction type III-V compound semiconductor device can be easily obtained simply by determining the positions of the gate electrode and the main electrode based on the epitaxial growth prohibiting member and the opening position thereof.

ゲート電極形成工程では、前記開口に対向する領域を超えてゲート電極を形成することが好ましい。この位置関係に形成されるゲート電極は、結晶欠陥高密度領域に対向する領域を超えて形成されることになる。   In the gate electrode formation step, the gate electrode is preferably formed beyond the region facing the opening. The gate electrode formed in this positional relationship is formed beyond the region facing the crystal defect high density region.

本発明のへテロ接合型のIII-V族化合物半導体装置は、オフ時のリーク電流を抑制することができる。さらにオン時の抵抗を低減することができる。   The heterojunction type III-V compound semiconductor device of the present invention can suppress a leakage current at the time of OFF. Furthermore, the resistance at the time of ON can be reduced.

最初に実施例の主要な特徴を列記する。
(第1形態) III-V族化合物半導体は、GaN系化合物半導体である。
(第2形態) ゲート電極は、結晶欠陥高密度領域に対向する領域の上層の表面の領域を超えて形成される。
(第3形態) ゲート電極は、結晶欠陥高密度領域に対向する上層の表面の領域内から領域外まで伸びて形成される。
(第4形態) ドレイン電極は、下層の裏面全体(他の半導体層が介在する場合は、その半導体層の裏面全体)に電気的に接触している。
(第5形態) 結晶欠陥高密度領域とは、結晶欠陥密度が1×10cm−2以上の領域である。
First, the main features of the embodiment are listed.
(First Form) The III-V group compound semiconductor is a GaN-based compound semiconductor.
(2nd form) A gate electrode is formed exceeding the area | region of the surface of the upper layer of the area | region facing a crystal defect high density area | region.
(3rd form) A gate electrode is extended and formed from the area | region of the surface of the upper layer facing a crystal defect high density area | region to the area outside.
(Fourth Embodiment) The drain electrode is in electrical contact with the entire back surface of the lower layer (or the entire back surface of the semiconductor layer when another semiconductor layer is interposed).
(5th form) A crystal defect high density area | region is an area | region whose crystal defect density is 1 * 10 < 6 > cm <-2 > or more.

図面を参照して以下に実施例を詳細に説明する。
図1に本実施例のヘテロ接合型のIII-V族化合物半導体装置(以下、半導体装置10という)の要部断面図を模式的に示す。
半導体装置10は、真性のGaN(窒化ガリウム)からなる下層46を備えている。下層46は、層厚方向(紙面上下方向)に直交する面内において、結晶欠陥70の多い領域と少ない領域が分布している。結晶欠陥70は層厚方向に貫通して存在している。なお、後述するように、結晶欠陥70は、下層46のみならず、その上下の各半導体層内に亘って存在している。また、結晶欠陥70が多く存在する結晶欠陥高密度領域72は、残部の結晶欠陥70が少ない領域(結晶欠陥低密度領域)と区別される。典型的には、結晶欠陥密度が1×10cm−2以上の場合に、結晶欠陥高密度領域72として評価することができる。
下層46上にn型不純物を含有するAlGaNからなる上層48が形成されている。上層48は、半導体結晶内にAlを含有しており、GaN層よりバンドギャップが大きい。この下層46と上層48によってヘテロ接合構造を構成している。結晶欠陥高密度領域72と結晶欠陥低密度領域は、ヘテロ接合界面と平行な面内において分布しているとも言える。
結晶欠陥高密度領域72に対向する領域の上層48の表面にゲート電極52が形成されている。ゲート電極52は、結晶欠陥高密度領域72に対向する領域を超えて上層48の表面に形成されている。ゲート電極52は、ニッケル(Ni)と金(Au)の積層構造からなり、上層48の表面とショットキー接触している。結晶欠陥70が少ない領域(結晶欠陥低密度領域である)に対向する領域の上層48の表面に電気的に接触するソース電極54が形成されている。このソース電極54は、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)の積層構造からなり、上層48の表面に対してオーミック接触している。
さらに、下層46の裏面側にはn型不純物を含有するGaNのドレイン層42が形成されている。したがって、下層46の裏面は、ドレイン層42を介してドレイン電極32と電気的に接続している。
Embodiments will be described in detail below with reference to the drawings.
FIG. 1 schematically shows a cross-sectional view of an essential part of a heterojunction type III-V group compound semiconductor device (hereinafter referred to as a semiconductor device 10) of this example.
The semiconductor device 10 includes a lower layer 46 made of intrinsic GaN (gallium nitride). In the lower layer 46, a region having a large number of crystal defects 70 and a region having a small number of crystal defects 70 are distributed in a plane orthogonal to the layer thickness direction (up and down direction in the drawing). The crystal defect 70 exists penetrating in the layer thickness direction. As will be described later, the crystal defect 70 exists not only in the lower layer 46 but also in the semiconductor layers above and below it. Further, the crystal defect high density region 72 in which many crystal defects 70 exist is distinguished from the region in which the remaining crystal defects 70 are small (crystal defect low density region). Typically, when the crystal defect density is 1 × 10 6 cm −2 or more, the crystal defect high-density region 72 can be evaluated.
An upper layer 48 made of AlGaN containing an n-type impurity is formed on the lower layer 46. The upper layer 48 contains Al in the semiconductor crystal and has a larger band gap than the GaN layer. The lower layer 46 and the upper layer 48 constitute a heterojunction structure. It can be said that the crystal defect high density region 72 and the crystal defect low density region are distributed in a plane parallel to the heterojunction interface.
A gate electrode 52 is formed on the surface of the upper layer 48 in a region facing the crystal defect high density region 72. The gate electrode 52 is formed on the surface of the upper layer 48 beyond the region facing the crystal defect high-density region 72. The gate electrode 52 has a laminated structure of nickel (Ni) and gold (Au), and is in Schottky contact with the surface of the upper layer 48. A source electrode 54 that is in electrical contact with the surface of the upper layer 48 in a region facing a region having few crystal defects 70 (a crystal defect low density region) is formed. The source electrode 54 has a laminated structure of titanium (Ti) and aluminum (Al), and is in ohmic contact with the surface of the upper layer 48.
Furthermore, a GaN drain layer 42 containing n-type impurities is formed on the back side of the lower layer 46. Therefore, the back surface of the lower layer 46 is electrically connected to the drain electrode 32 via the drain layer 42.

次に、この接合半導体装置10の動作を説明する。
本実施例の接合半導体装置10のソース電極54を接地し、ドレイン電極32に5Vを印加した状態で、ゲート電極52に閾値電圧より低い電圧を印加すると、下層46と上層48のヘテロ接合界面の下層46側の伝導帯エネルギー準位は、フェルミ準位よりも上昇する。ゲート電極52から離れた位置であるソース電極54下方の下層46側の伝導帯エネルギー準位は、ゲートオフ電圧の影響が小さく、場合によってはポテンシャル井戸が形成され、このポテンシャル井戸内に電子が誘起される場合がある。しかしながら、この場合でも、ソース電極54下方のヘテロ接合界面の結晶性が良いので、ポテンシャル井戸内の電子が、下層46内に移動することは防止される。リーク電流が流れてしまう事態が防止される。ゲート電極52下方のヘテロ接合界面には、結晶欠陥高密度領域72が存在しているが、この領域はゲート電極52のゲートオフ電圧の影響を強く得ることができるので、ポテンシャル井戸は形成されず、電子が存在しない状態を得ることができる。したがって、この結晶欠陥高密度領域72からリーク電流が流れてしまう事態も防止される。したがって、リーク電流が流れることなく、半導体装置10をオフすることができる。
一方、ソース電極54を接地し、ドレイン電極32に5Vを印加した状態で、ゲート電極52に閾値電圧より高い電圧を印加すると、下層46と上層48のヘテロ接合界面の下層46側にポテンシャル井戸が形成される。そのポテンシャル井戸では、伝導帯エネルギー準位がフェルミ準位より下降する。伝導帯エネルギー準位がフェルミ準位よりも低くなるので、ポテンシャル井戸内に電子(2次元電子ガス)を存在させることができる。図2に、オン状態における電子の流れを矢印で示す。図2に示すように、このポテンシャル井戸内の電子は、まずソース電極54下方のポテンシャル井戸内からゲート電極52下方のポテンシャル井戸内までヘテロ接合界面に沿って移動する。ゲート電極52下方まで移動してきた電子は、下層46側界面に存在する結晶欠陥高密度領域72に起因する準位を介して下層46内へ移動する。結晶欠陥高密度領域72に起因する準位を介して移動するので、ポテンシャル井戸内の電子を大きなエネルギーを必要とせずに、下層46内へ移動させることができる。この半導体装置10のオン抵抗は小さい。
Next, the operation of the junction semiconductor device 10 will be described.
When a voltage lower than the threshold voltage is applied to the gate electrode 52 with the source electrode 54 of the junction semiconductor device 10 of the present embodiment grounded and 5 V applied to the drain electrode 32, the heterojunction interface between the lower layer 46 and the upper layer 48 is applied. The conduction band energy level on the lower layer 46 side is higher than the Fermi level. The conduction band energy level on the lower layer 46 side below the source electrode 54 that is located away from the gate electrode 52 is less affected by the gate-off voltage, and in some cases, a potential well is formed, and electrons are induced in this potential well. There is a case. However, even in this case, since the crystallinity of the heterojunction interface below the source electrode 54 is good, the electrons in the potential well are prevented from moving into the lower layer 46. A situation in which a leak current flows is prevented. There is a crystal defect high density region 72 at the heterojunction interface below the gate electrode 52, but since this region can strongly influence the gate-off voltage of the gate electrode 52, a potential well is not formed, A state in which no electrons exist can be obtained. Therefore, a situation in which a leak current flows from the crystal defect high density region 72 is also prevented. Therefore, the semiconductor device 10 can be turned off without leakage current flowing.
On the other hand, when a voltage higher than the threshold voltage is applied to the gate electrode 52 while the source electrode 54 is grounded and 5 V is applied to the drain electrode 32, a potential well is formed on the lower layer 46 side of the heterojunction interface between the lower layer 46 and the upper layer 48. It is formed. In the potential well, the conduction band energy level falls below the Fermi level. Since the conduction band energy level is lower than the Fermi level, electrons (two-dimensional electron gas) can exist in the potential well. In FIG. 2, the flow of electrons in the ON state is indicated by arrows. As shown in FIG. 2, the electrons in the potential well first move along the heterojunction interface from the potential well below the source electrode 54 to the potential well below the gate electrode 52. The electrons that have moved to the lower side of the gate electrode 52 move into the lower layer 46 through the levels caused by the crystal defect high-density region 72 present at the lower layer 46 side interface. Since it moves through the level caused by the crystal defect high-density region 72, electrons in the potential well can be moved into the lower layer 46 without requiring large energy. The on-resistance of the semiconductor device 10 is small.

次に、この現象を図3に示すエネルギーバンドダイアグラムを用いて説明する。図3に示すエネルギーバンドダイアグラムは、図2のIII−III線に対応する下層46と上層48が接する界面近傍のエネルギーバンドダイアグラムである。
図3(a)は、オンのときのエネルギーバンドを示している。下層46と上層48のヘテロ接合界面に形成されるポテンシャル井戸の伝導帯エネルギー準位がフェルミ準位より下降している。このポテンシャル井戸内の電子は、結晶欠陥に起因する準位を介することによって、伝導帯エネルギー準位との間のエネルギー障壁を越えて下層46内に容易に移動することができる。なお、結晶欠陥が存在しない場合、この伝導帯エネルギー準位との間の大きなエネルギー障壁を越えて下層46内に移動する必要があり、オン抵抗が増大する。
図3(b)は、オフのときのエネルギーバンドダイアグラムである。ゲート電極52に閾値電圧より低い電圧を印加することで、下層46と上層48が接する界面のうち下層46側界面近傍の伝導帯エネルギー準位は、フェルミ準位よりも上側に存在することになり、この下層46側界面近傍に電子が存在しないことになる。半導体装置10はオフされる。このとき、ソース電極54下方のヘテロ接合界面に結晶欠陥が多く存在すると、場合によってはリーク電流が発生してしまうことがある。しかしながら、本実施例では、ソース電極54下方のヘテロ接合界面の結晶性は良いので、ポテンシャル井戸と下層46の導電帯エネルギー準位との間のエネルギー障壁が大きく、この領域でリーク電流が発生することが防止される。
本実施例の半導体装置10は、下層46内において結晶欠陥70の量を分布させることで、結晶欠陥70が少ない領域ではリーク電流を防止し、結晶欠陥70が多い領域では電子を下層46内に容易に移動させることで、リーク電流の防止と低オン抵抗化の両者を具備することができる。
Next, this phenomenon will be described using the energy band diagram shown in FIG. The energy band diagram shown in FIG. 3 is an energy band diagram in the vicinity of the interface between the lower layer 46 and the upper layer 48 corresponding to the line III-III in FIG.
FIG. 3A shows an energy band when the power is on. The conduction band energy level of the potential well formed at the heterojunction interface between the lower layer 46 and the upper layer 48 is lower than the Fermi level. Electrons in the potential well can easily move into the lower layer 46 across the energy barrier between the conduction band energy levels through the levels caused by crystal defects. When there is no crystal defect, it is necessary to move into the lower layer 46 over a large energy barrier between the conduction band energy levels, and the on-resistance increases.
FIG. 3B is an energy band diagram when turned off. By applying a voltage lower than the threshold voltage to the gate electrode 52, the conduction band energy level in the vicinity of the lower layer 46 side interface in the interface between the lower layer 46 and the upper layer 48 exists above the Fermi level. Thus, no electrons are present in the vicinity of the interface on the lower layer 46 side. The semiconductor device 10 is turned off. At this time, if there are many crystal defects at the heterojunction interface below the source electrode 54, a leakage current may occur in some cases. However, in this embodiment, since the crystallinity of the heterojunction interface below the source electrode 54 is good, the energy barrier between the potential well and the conduction band energy level of the lower layer 46 is large, and a leak current is generated in this region. It is prevented.
The semiconductor device 10 according to the present embodiment distributes the amount of crystal defects 70 in the lower layer 46 to prevent leakage current in a region where the crystal defects 70 are small, and electrons in the region 46 where the crystal defects 70 are large. By easily moving, both leakage current prevention and low on-resistance can be achieved.

また、この半導体装置10は、ゲート電極52下方の下層46側界面に結晶欠陥高密度領域72が存在していることで、ソース電極54とドレイン電極32間の電流量の制御を安定的に行えるという利点を有する。例えば、結晶欠陥高密度領域72がソース電極54下方に存在していると、結晶欠陥を介したリーク電流が大きくなり、ゲート電極52に閾値電圧より低い電圧を印加しても、電流をオフすることができない事態が発生してしまう。
一方、ゲート電極52下方の下層46側界面に結晶欠陥高密度領域72が存在していても、ゲート電極52に印加するゲート電圧の影響が、ゲート電極52下方の下層46と上層48のヘテロ接合界面(電流が流れ易いヘテロ接合界面)に大きく影響させることができるので、ゲート電圧に基づいて電流量の調整を安定的に実現できる。
また、本実施例の半導体装置10は、下層46内を結晶欠陥高密度領域72が層厚方向に貫通している。したがって、ゲート電極52下方で下層46内に移動した電子は、その結晶欠陥高密度領域72を亘ってドレイン電極32まで移動することができる。極めてオン抵抗が低減された半導体装置を得ることができる。
また、本実施例のヘテロ結合半導体装置10は、ゲート電極52が結晶欠陥高密度領域72に対向する領域を超えて外側に伸びて形成されている。ゲート電極52が伸びていると、この部分の下方のポテンシャル井戸内に、ゲートオン電圧によって誘起される電子量を多くすることができる。換言すると、ヘテロ接合界面に沿って横方向に移動する領域に対向してゲート電極52が伸びて形成されているので、この横方向の移動の抵抗を下げることができ、さらにオン抵抗を低減できるという利点を有する。
In addition, the semiconductor device 10 can stably control the amount of current between the source electrode 54 and the drain electrode 32 because the crystal defect high-density region 72 exists at the lower layer 46 side interface below the gate electrode 52. Has the advantage. For example, if the crystal defect high-density region 72 exists below the source electrode 54, the leak current through the crystal defect increases, and the current is turned off even when a voltage lower than the threshold voltage is applied to the gate electrode 52. The situation that cannot be done will occur.
On the other hand, even if the crystal defect high density region 72 exists at the lower layer 46 side interface below the gate electrode 52, the influence of the gate voltage applied to the gate electrode 52 is caused by the heterojunction between the lower layer 46 and the upper layer 48 below the gate electrode 52. Since the interface (heterojunction interface where current can easily flow) can be greatly affected, it is possible to stably adjust the amount of current based on the gate voltage.
In the semiconductor device 10 of this embodiment, the crystal defect high-density region 72 penetrates the lower layer 46 in the layer thickness direction. Therefore, the electrons that have moved into the lower layer 46 below the gate electrode 52 can move to the drain electrode 32 across the crystal defect high-density region 72. A semiconductor device with extremely low on-resistance can be obtained.
Further, in the heterojunction semiconductor device 10 of this embodiment, the gate electrode 52 extends outward beyond the region facing the crystal defect high-density region 72. When the gate electrode 52 extends, the amount of electrons induced by the gate-on voltage can be increased in the potential well below this portion. In other words, since the gate electrode 52 is formed so as to be opposed to the region moving in the lateral direction along the heterojunction interface, the resistance of the lateral movement can be lowered, and the on-resistance can be further reduced. Has the advantage.

次に、本実施例の半導体装置10の製造方法を図4〜7を用いて説明する。
図4に示すように、まずサファイア基板22を用意する。サファイア基板22に代えて、例えばシリコン基板、炭化ケイ素基板、ガリウムヒ素基板等の材料からなる基板を利用することもできる。このサファイア基板22上に、低温下で有機金属気相エピタキシャル(MOCVD)法を用いて、バッファ層24を約50nmの層厚で形成する。このとき、ガリウム原料としてトリメチルガリウム(TMGa)、窒素原料としてアンモニアガス(NH)を好適に利用することができる。このバッファ層24の材料は、次の工程でそのバッファ層24上に形成する化合物結晶と同じ結晶、あるいは格子定数と熱膨張係数が類似する結晶であればよい。
次に、このバッファ層24上に、スパッタ法あるいはCVD法を用いて、開口幅がL26の酸化シリコン層26(エピタキシャル成長禁止部材の一例)をパターニングする。この酸化シリコン層26は、平面視したときに例えばストライプ状に分散配置して形成されている。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device 10 of this embodiment will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 4, first, a sapphire substrate 22 is prepared. Instead of the sapphire substrate 22, for example, a substrate made of a material such as a silicon substrate, a silicon carbide substrate, or a gallium arsenide substrate can be used. A buffer layer 24 is formed on the sapphire substrate 22 with a layer thickness of about 50 nm by metal organic vapor phase epitaxy (MOCVD) at a low temperature. At this time, trimethylgallium (TMGa) can be preferably used as the gallium source, and ammonia gas (NH 3 ) can be preferably used as the nitrogen source. The material of the buffer layer 24 may be the same crystal as the compound crystal formed on the buffer layer 24 in the next step, or a crystal having a similar lattice constant and thermal expansion coefficient.
Next, a silicon oxide layer 26 (an example of an epitaxial growth prohibiting member) having an opening width L26 is patterned on the buffer layer 24 by sputtering or CVD. The silicon oxide layers 26 are formed in a dispersed manner, for example, in a stripe shape when viewed in plan.

次に、図5に示すように、このバッファ層24上に有機金属気相エピタキシャル法を用いて、n―GaNからなるドレイン層42を形成する。このとき、ガリウム原料としてトリメチルガリウム(TMGa)、窒素原料としてアンモニアガス(NH)、ドーパント材料としてモノシラン(SiH)を好適に利用することができる。
このドレイン層42を形成する段階は、いわゆる選択横成長法の技術を好適に利用することができる。有機金属気相エピタキシャル法を利用する選択横成長法では、水素雰囲気中において、III族の有機金属とV族の水素化物が化学反応して結晶が成長する。選択横方法成長法により結晶を成長させると、酸化シリコン層26の開口から層厚方向(紙面上下方向)に結晶成長したGaN結晶は、サファイア基板22と格子定数等が一致しないので、結晶欠陥が多く、転位が貫通した結晶欠陥高密度領域72を形成する。一方、酸化シリコン層26の上方の領域では、酸化シリコン層26からGaN結晶は成長することができないので、GaN結晶が横方向に成長し、転位が横に曲がって形成される。この酸化シリコン層26の上方の領域は、結晶欠陥の少ない領域(結晶欠陥低密度領域)となる。
なお、必要に応じて結晶成長が縦方向より横方向が早くなる条件(例えば、温度、ガス流量等を調整する)で設定すると、成長したドレイン層42の表面を平坦化することができる。また、この段階で、裏面側のサファイア基板22とバッファ層24と酸化シリコン層26を研磨して除去してもよい。本実施例では、除去しない例を示す。
Next, as shown in FIG. 5, a drain layer 42 made of n-GaN is formed on the buffer layer 24 by metal organic vapor phase epitaxy. At this time, trimethylgallium (TMGa) can be preferably used as the gallium source, ammonia gas (NH 3 ) as the nitrogen source, and monosilane (SiH 4 ) as the dopant material.
In the step of forming the drain layer 42, a technique of so-called selective lateral growth can be preferably used. In the selective lateral growth method using the metal organic vapor phase epitaxy method, a group III organic metal and a group V hydride chemically react in a hydrogen atmosphere to grow crystals. When the crystal is grown by the selective lateral growth method, the GaN crystal grown in the layer thickness direction (up and down direction in the drawing) from the opening of the silicon oxide layer 26 does not coincide with the sapphire substrate 22 and the lattice constant and the like, and thus has crystal defects. Many of the crystal defect high density regions 72 through which dislocations penetrate are formed. On the other hand, in the region above the silicon oxide layer 26, since the GaN crystal cannot grow from the silicon oxide layer 26, the GaN crystal grows in the lateral direction and dislocations are formed by bending horizontally. The region above the silicon oxide layer 26 is a region with few crystal defects (crystal defect low density region).
If necessary, the surface of the grown drain layer 42 can be planarized by setting the conditions such that the crystal growth is faster in the horizontal direction than in the vertical direction (for example, adjusting the temperature, gas flow rate, etc.). At this stage, the sapphire substrate 22, the buffer layer 24, and the silicon oxide layer 26 on the back surface side may be polished and removed. In this embodiment, an example of not removing is shown.

次に、有機金属気相エピタキシャル法を用いて、GaNからなる下層46を約10μmの層厚で形成する。このとき、ガリウム原料としてトリメチルガリウム(TMGa)、窒素原料としてアンモニアガス(NH)を好適に利用することができる。ドーパント材料としてモノシラン(SiH)を利用して、この下層46をn型化してもよい。
さらに、有機金属気相エピタキシャル法を用いて、AlGaNからなる上層48を約25nmの膜厚で形成する。このとき、アルミニウム原料としてトリメチルアルミニウム(TMAl)、ガリウム原料としてトリメチルガリウム(TMGa)、窒素原料としてアンモニアガス(NH)を好適に利用することができる。
図6に示すように、結晶欠陥高密度領域72は、ドレイン層42と下層46と上層48を貫通して層厚方向に伝播している。
Next, a lower layer 46 made of GaN is formed with a layer thickness of about 10 μm by using a metal organic vapor phase epitaxial method. At this time, trimethylgallium (TMGa) can be preferably used as the gallium source, and ammonia gas (NH 3 ) can be preferably used as the nitrogen source. The lower layer 46 may be made n-type by using monosilane (SiH 4 ) as a dopant material.
Further, the upper layer 48 made of AlGaN is formed with a film thickness of about 25 nm by using a metal organic vapor phase epitaxial method. At this time, trimethylaluminum (TMAl) can be preferably used as the aluminum source, trimethylgallium (TMGa) as the gallium source, and ammonia gas (NH 3 ) as the nitrogen source.
As shown in FIG. 6, the crystal defect high density region 72 penetrates the drain layer 42, the lower layer 46, and the upper layer 48 and propagates in the layer thickness direction.

次に、裏面側のサファイア基板22とバッファ層24と酸化シリコン層26を研磨し、さらにドレイン層42を所望の層厚になるまで研磨する。研磨した面のダメージを低減するためにRIE法などを用いて、その研磨した面をエッチングしてもよい。その後に、図7に示すように、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)を順に蒸着してドレイン電極32を形成する。
次に、上層48表面にチタン(Ti)とアルミニウム(Al)を順に蒸着する。その後に、フォト工程とエッチング技術を利用してソース電極54をパターニングする。ソース電極54は、結晶欠陥高密度領域72以外の領域(結晶欠陥低密度領域)に対向して上層48の表面にパターニングする。パターニングした後に、RTA(Rapid Thermal Anneal)法によって550℃で30秒の熱処理を実施する。上層48に対するソース電極54の接触抵抗が低減され、オーミック接触が実現される。
次に、リフトオフ法を利用してゲート電極52を形成する。即ち、ゲート電極44を形成したい場所以外にレジスト膜を成膜した後に、ニッケル(Ni)と金(Au)を順に蒸着する。その後に、レジスト膜とともにそのレジスト膜上に形成されているニッケル(Ni)と金(Au)を剥離する。これにより、所望する位置にゲート電極52を形成することができる。ゲート電極52は、結晶欠陥高密度領域72に対向して上層48の表面に形成される。ここで、図中のL26は、先の工程で研磨除去された酸化シリコン層26の開口幅である。ゲート電極52の幅L52は、この酸化シリコン層26の開口幅L26よりも大きく形成されており、開口の外周輪郭から幅D52だけ外側に伸びて大きく形成されている。
なお、ゲート電極52とソース電極54を形成する位置は、例えば上層48の表面に現れる結晶欠陥の量に基づいて形成することもできる。
上記の工程を経て、本実施例の半導体装置を得ることができる。
Next, the back side sapphire substrate 22, the buffer layer 24, and the silicon oxide layer 26 are polished, and the drain layer 42 is further polished to a desired layer thickness. In order to reduce the damage on the polished surface, the polished surface may be etched using RIE or the like. Thereafter, as shown in FIG. 7, titanium (Ti) and aluminum (Al) are sequentially deposited to form the drain electrode 32.
Next, titanium (Ti) and aluminum (Al) are sequentially deposited on the surface of the upper layer 48. Thereafter, the source electrode 54 is patterned using a photo process and an etching technique. The source electrode 54 is patterned on the surface of the upper layer 48 so as to face a region other than the crystal defect high density region 72 (crystal defect low density region). After patterning, heat treatment is performed at 550 ° C. for 30 seconds by RTA (Rapid Thermal Anneal) method. The contact resistance of the source electrode 54 with respect to the upper layer 48 is reduced, and ohmic contact is realized.
Next, the gate electrode 52 is formed using a lift-off method. That is, after a resist film is formed in a place other than where the gate electrode 44 is to be formed, nickel (Ni) and gold (Au) are sequentially deposited. Thereafter, the nickel (Ni) and gold (Au) formed on the resist film together with the resist film are peeled off. Thereby, the gate electrode 52 can be formed at a desired position. The gate electrode 52 is formed on the surface of the upper layer 48 so as to face the crystal defect high density region 72. Here, L26 in the figure is the opening width of the silicon oxide layer 26 polished and removed in the previous step. The width L52 of the gate electrode 52 is formed larger than the opening width L26 of the silicon oxide layer 26, and is formed to extend outward from the outer peripheral contour of the opening by a width D52.
The positions where the gate electrode 52 and the source electrode 54 are formed can also be formed based on the amount of crystal defects that appear on the surface of the upper layer 48, for example.
Through the above steps, the semiconductor device of this embodiment can be obtained.

半導体装置10は、次の変形例であってもよい。
図8に示す半導体装置110は、ゲート電極152が上層148と下層146が接する界面のうち下層146側界面に存在する結晶欠陥高密度領域172の外周輪郭に対向して上層の表面に形成されている。結晶欠陥高密度領域172の内側に対向する位置にゲート電極152は形成されていない。
この場合でも、オフのときに、外周輪郭に対向するゲート電極152のゲートオフ電圧によってヘテロ接合界面に電子が存在しない状態をつくりだせるので、ソース電極154下方からゲート電極152下方の結晶欠陥高密度領域172に電子が流入する事態を防止でき、リーク電流が流れるのを防止することができる。また、ソース電極154の下方のヘテロ接合界面は結晶性がよいので、この領域でリーク電流が発生することも防止される。また、ゲート電極152が結晶欠陥高密度領域172に対向する領域を超えて外側に伸びているので、オンのときに、この伸びている部分の下方のポテンシャル井戸内に、ゲートオン電圧によって多くの電子を誘起できるので、オン抵抗を低減することができる。
図9に示す半導体装置210は、下層146内の結晶欠陥高密度領域272以外の領域(結晶欠陥低密度領域)に酸化シリコンからなる絶縁領域262が形成されている。この絶縁領域262は、p型の半導体領域で形成されていてもよい。
この絶縁領域262の存在によって、下層246内の結晶欠陥低密度領域側の抵抗を大きくすることができる。ひいては、ソース電極254下方の領域(結晶欠陥低密度領域と一致する)において、下層246内にリーク電流が流れることを抑制できる。
The semiconductor device 10 may be the following modification.
In the semiconductor device 110 shown in FIG. 8, the gate electrode 152 is formed on the surface of the upper layer facing the outer peripheral contour of the crystal defect high density region 172 existing at the lower layer 146 side interface among the interfaces where the upper layer 148 and the lower layer 146 are in contact. Yes. The gate electrode 152 is not formed at a position facing the inside of the crystal defect high density region 172.
Even in this case, when off, a state in which no electrons exist at the heterojunction interface can be created by the gate-off voltage of the gate electrode 152 facing the outer peripheral contour, so that a high-density crystal defect region below the gate electrode 152 from below the source electrode 154 The situation where electrons flow into 172 can be prevented, and leakage current can be prevented from flowing. In addition, since the heterojunction interface below the source electrode 154 has good crystallinity, the occurrence of leakage current in this region is prevented. Further, since the gate electrode 152 extends outward beyond the region facing the crystal defect high-density region 172, many electrons are generated in the potential well below the extending portion by the gate-on voltage when turned on. Can be induced, so that the on-resistance can be reduced.
In the semiconductor device 210 illustrated in FIG. 9, an insulating region 262 made of silicon oxide is formed in a region (crystal defect low density region) other than the crystal defect high density region 272 in the lower layer 146. This insulating region 262 may be formed of a p-type semiconductor region.
The presence of the insulating region 262 can increase the resistance on the crystal defect low density region side in the lower layer 246. As a result, leakage current can be suppressed from flowing in the lower layer 246 in the region below the source electrode 254 (which coincides with the crystal defect low density region).

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
上記実施例は、GaN系化合物半導体を例に説明しているが、これに代えて、GaAs(ガリウムヒ素)系化合物半導体、InP(インジウムリン)等を利用してもよい。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
In the above embodiment, a GaN-based compound semiconductor has been described as an example, but a GaAs (gallium arsenide) -based compound semiconductor, InP (indium phosphide), or the like may be used instead.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.

実施例の半導体装置の要部断面図を示す。The principal part sectional drawing of the semiconductor device of an Example is shown. オンのときの電流の流れを示す。Current flow when on. 実施例の半導体装置のエネルギーバンドダイアグラムを示す。The energy band diagram of the semiconductor device of an Example is shown. 実施例の半導体装置の製造方法を示す(1)。The manufacturing method of the semiconductor device of an Example is shown (1). 実施例の半導体装置の製造方法を示す(2)。The manufacturing method of the semiconductor device of an Example is shown (2). 実施例の半導体装置の製造方法を示す(3)。The manufacturing method of the semiconductor device of an Example is shown (3). 実施例の半導体装置の製造方法を示す(4)。The manufacturing method of the semiconductor device of an Example is shown (4). 実施例の半導体装置の変形例を示す(1)。A modification of the semiconductor device of the embodiment is shown (1). 実施例の半導体装置の変形例を示す(2)。A modification of the semiconductor device of the embodiment is shown (2).

符号の説明Explanation of symbols

22:サファイア基板
24:バッファ層
26:酸化シリコン層
32:ドレイン電極
42:ドレイン層
46:下層
48:上層
52:ゲート電極
54:ソース電極
70:結晶欠陥
72:結晶欠陥高密度領域
262:絶縁領域
22: sapphire substrate 24: buffer layer 26: silicon oxide layer 32: drain electrode 42: drain layer 46: lower layer 48: upper layer 52: gate electrode 54: source electrode 70: crystal defect 72: crystal defect high density region 262: insulating region

Claims (6)

III-V族化合物半導体の下層と、
その下層にヘテロ接合されており、下層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有するIII-V族化合物半導体の上層と、
上層の表面の一部に形成されている主電極と、
上層の表面の他の一部に形成されているゲート電極と、
を備えており、
前記下層は、ヘテロ接合界面と平行な面内において、結晶欠陥高密度領域と結晶欠陥低密度領域が分布しており、
主電極は、結晶欠陥低密度領域に対向する領域内に形成されており、
ゲート電極は、結晶欠陥高密度領域に対向する領域に形成されていることを特徴とするヘテロ接合型のIII-V族化合物半導体装置。
A lower layer of a III-V compound semiconductor;
An upper layer of a III-V compound semiconductor that is heterojunction with the lower layer and has a band gap larger than that of the lower layer;
A main electrode formed on a part of the surface of the upper layer;
A gate electrode formed on another part of the surface of the upper layer;
With
In the lower layer, the crystal defect high density region and the crystal defect low density region are distributed in a plane parallel to the heterojunction interface,
The main electrode is formed in a region facing the crystal defect low density region,
The heterojunction type III-V group compound semiconductor device, wherein the gate electrode is formed in a region facing the crystal defect high density region.
ゲート電極は、結晶欠陥高密度領域に対向する領域を超えて形成されていることを特徴とする請求項1の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode is formed beyond a region facing the crystal defect high density region. 下層内の結晶欠陥低密度領域の一部に、絶縁性の領域が形成されていることを特徴とする請求項1又は2の半導体装置。   3. The semiconductor device according to claim 1, wherein an insulating region is formed in a part of the crystal defect low density region in the lower layer. 前記絶縁性の領域は、ヘテロ接合界面に発生する2次元電子ガスの存在範囲外に形成されていることを特徴とする請求項3の半導体装置。   4. The semiconductor device according to claim 3, wherein the insulating region is formed outside a range where a two-dimensional electron gas generated at the heterojunction interface exists. 半導体基板を用意する工程と、
その半導体基板の表面に、開口が分散配置されているエピタキシャル成長禁止部材を形成する工程と、
そのエピタキシャル成長禁止部材の開口において露出する半導体基板の表面から、III-V族化合物をエピタキシャル成長することによって下層を形成する工程と、
その下層の表面から、下層のIII-V族化合物のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有するIII-V族化合物をエピタキシャル成長することによって上層を形成する工程と、
エピタキシャル成長禁止部材に対向する領域内の上層の表面に主電極を形成する工程と、
前記開口に対向する領域の上層の表面にゲート電極を形成する工程と、
を備えるヘテロ接合型のIII-V族化合物半導体装置の製造方法。
Preparing a semiconductor substrate;
Forming an epitaxial growth prohibiting member in which openings are dispersedly arranged on the surface of the semiconductor substrate;
Forming a lower layer by epitaxially growing a III-V compound from the surface of the semiconductor substrate exposed at the opening of the epitaxial growth prohibiting member;
Forming an upper layer from the surface of the lower layer by epitaxially growing a III-V group compound having a band gap larger than the band gap of the lower group III-V compound;
Forming a main electrode on the surface of the upper layer in the region facing the epitaxial growth prohibiting member;
Forming a gate electrode on the surface of the upper layer of the region facing the opening;
A method of manufacturing a heterojunction type III-V compound semiconductor device comprising:
ゲート電極形成工程では、前記開口に対向する領域を超えてゲート電極を形成することを特徴とする請求項5の製造方法。   6. The method according to claim 5, wherein in the gate electrode forming step, the gate electrode is formed beyond a region facing the opening.
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