JP4745652B2 - Semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関し、より詳細には、ヘテロ構造を用いた電界効果型トランジスタなどの半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device such as a field effect transistor using a heterostructure.

窒化ガリウム(化学式GaN)などの化合物半導体は、シリコン(元素記号Si)などの単体半導体と比較して、電子移動度が高く、トランジスタなどに使用した場合にスイッチング時間の短縮などが望めることから、研究が進められている。化合物半導体を用いたトランジスタとしては、化合物半導体のヘテロ構造を用いたものが挙げられる。   Compound semiconductors such as gallium nitride (chemical formula GaN) have higher electron mobility than single semiconductors such as silicon (element symbol Si), and can be expected to reduce switching time when used in transistors, etc. Research is ongoing. As a transistor using a compound semiconductor, a transistor using a heterostructure of a compound semiconductor can be given.

たとえば、窒化物系III−V族化合物半導体のヘテロ構造を用いた電界効果型トランジスタは、窒化ガリウム(化学式GaN)で形成されるGaN層と、GaNよりも格子定数の小さい窒化アルミニウムガリウム(化学式AlGaN)で形成されるAlGaN層とのヘテロ接合構造を含む(たとえば、特許文献1参照)。ソース電極、ドレイン電極およびゲート電極は、AlGaN層のGaN層に接する側と反対側の表面に形成される。AlGaNは、GaNに比べて格子定数が小さいので、AlGaN/GaNヘテロ構造では、AlGaNが格子歪を受けることによって、ピエゾ効果および自発分極が生じる。これによって電子が誘起され、GaN層とAlGaN層とのヘテロ界面に2次元電子ガス層が形成される。ここで、2次元電子ガス層とは、ヘテロ界面に平行な方向には自由に動き回ることができるけれども、ヘテロ界面に垂直な方向には動き回ることのできない電子(以後、2次元電子ガスと称する)の層のことである。   For example, a field effect transistor using a nitride III-V compound semiconductor heterostructure includes a GaN layer formed of gallium nitride (chemical formula GaN) and aluminum gallium nitride (chemical formula AlGaN) having a smaller lattice constant than GaN. ) Is formed (see, for example, Patent Document 1). The source electrode, drain electrode, and gate electrode are formed on the surface of the AlGaN layer opposite to the side in contact with the GaN layer. Since AlGaN has a smaller lattice constant than GaN, in the AlGaN / GaN heterostructure, the piezoelectric effect and spontaneous polarization occur when AlGaN is subjected to lattice strain. As a result, electrons are induced, and a two-dimensional electron gas layer is formed at the heterointerface between the GaN layer and the AlGaN layer. Here, the two-dimensional electron gas layer is an electron that can freely move in a direction parallel to the heterointerface but cannot move in a direction perpendicular to the heterointerface (hereinafter referred to as a two-dimensional electron gas). It is a layer of.

このように、ヘテロ構造を用いた電界効果型トランジスタでは、ゲート電圧がゼロの場合でも電子が流れることのできる領域が形成され、さらにその領域には電子が存在するので、ゲート電圧を印加しない状態でも、ソース電極とドレイン電極との間に電圧を印加すると、ドレイン電流が流れる。このため、ヘテロ構造を用いた電界効果型トランジスタは、ノーマルオンタイプのトランジスタと呼ばれる。   Thus, in a field effect transistor using a heterostructure, a region in which electrons can flow even when the gate voltage is zero is formed, and electrons are present in that region, so that no gate voltage is applied. However, when a voltage is applied between the source electrode and the drain electrode, a drain current flows. For this reason, a field effect transistor using a hetero structure is called a normally-on type transistor.

図5は、従来のヘテロ構造を用いた電界効果型トランジスタの電流−電圧特性の一例を模式的に示す図である。図5において、横軸はソース電極とドレイン電極との間に印加される電圧(以後、ソース−ドレイン間電圧と称する)VDS(V)を示し、縦軸はドレイン電流I(mA)を示す。また、図5において、参照符61で示される曲線はゲート電圧Vgがマイナス(−)6Vの場合を示し、参照符62で示される曲線はゲート電圧Vgがマイナス(−)4Vの場合を示し、参照符63で示される曲線はゲート電圧Vgがマイナス(−)2Vの場合を示し、参照符64で示される曲線はゲート電圧Vgが0Vの場合を示し、参照符65で示される曲線はゲート電圧Vgが2Vの場合を示す。 FIG. 5 is a diagram schematically illustrating an example of current-voltage characteristics of a field effect transistor using a conventional heterostructure. In FIG. 5, the horizontal axis represents a voltage (hereinafter referred to as source-drain voltage) V DS (V) applied between the source electrode and the drain electrode, and the vertical axis represents the drain current I D (mA). Show. In FIG. 5, a curve indicated by reference numeral 61 indicates a case where the gate voltage Vg is minus (−) 6V, a curve indicated by reference numeral 62 indicates a case where the gate voltage Vg is minus (−) 4V, A curve indicated by reference numeral 63 indicates a case where the gate voltage Vg is minus (−) 2V, a curve indicated by reference numeral 64 indicates a case where the gate voltage Vg is 0V, and a curve indicated by the reference numeral 65 indicates a gate voltage. The case where Vg is 2V is shown.

図5に示すように、従来のトランジスタでは、参照符64で示されるゲート電圧Vgがゼロ(0)の場合でも、ソース−ドレイン間電圧VDSの増加に伴ってドレイン電流Iが流れる。 As shown in FIG. 5, in the conventional transistor, even when the gate voltage Vg indicated by reference numeral 64 is zero (0), the drain current ID flows as the source-drain voltage V DS increases.

米国特許第5,192,987号明細書(第4欄,第5図)US Pat. No. 5,192,987 (column 4, FIG. 5)

一般的な回路への応用を考えた場合、ゲート電圧がゼロのときに電流が流れるノーマルオンタイプのトランジスタよりも、ゲート電圧がゼロのときには電流が流れないノーマルオフタイプのトランジスタの方が望ましい。これは以下の理由による。ノーマルオフタイプのトランジスタでは、ゲートに電圧を印加しない限り、回路に問題が生じてもソース−ドレイン間に過電流が流れる可能性が無いので、トランジスタ自体が壊れる可能性は極めて小さい。これに対し、ノーマルオンタイプのトランジスタでは、何らかの理由でゲート電圧がゼロになると、ソース−ドレイン間に過電流が流れるので、トランジスタそのものが破壊される可能性がある。   When considering application to a general circuit, a normally-off type transistor in which no current flows when the gate voltage is zero is preferable to a normal-on type transistor in which a current flows when the gate voltage is zero. This is due to the following reason. In a normally-off type transistor, unless a voltage is applied to the gate, there is no possibility that an overcurrent flows between the source and the drain even if a problem occurs in the circuit. Therefore, the possibility that the transistor itself is broken is very small. On the other hand, in a normally-on type transistor, if the gate voltage becomes zero for some reason, an overcurrent flows between the source and the drain, so that the transistor itself may be destroyed.

ノーマルオフタイプのトランジスタは、シリコン(Si)を用いた金属−酸化膜−半導体構造の電界効果型トランジスタ(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect
Transistor;略称MOSFET)では実現可能である。図6は、シリコン(Si)を用いたノーマルオフタイプのトランジスタの電流−電圧特性の一例を模式的に示す図である。図6では、図5と同様に、横軸はソース−ドレイン間電圧VDS(V)を示し、縦軸はドレイン電流I(mA)を示す。また、図6において、参照符71で示される曲線はゲート電圧Vgが0Vの場合を示し、参照符72で示される曲線はゲート電圧Vgが2Vの場合を示し、参照符73で示される曲線はゲート電圧Vgが4Vの場合を示し、参照符74で示される曲線はゲート電圧Vgが6Vの場合を示し、参照符75で示される曲線はゲート電圧Vgが8Vの場合を示す。図6に示すように、Siを用いたノーマルオフタイプのトランジスタでは、参照符71で示されるゲート電圧がゼロの場合には、ソース−ドレイン間に電圧を印加してもドレイン電流Iは流れない。
The normally-off type transistor is a metal-oxide-semiconductor field effect metal-oxide-semiconductor field effect transistor using silicon (Si).
Transistor (abbreviated as MOSFET) can be realized. FIG. 6 is a diagram schematically illustrating an example of current-voltage characteristics of a normally-off type transistor using silicon (Si). In FIG. 6, as in FIG. 5, the horizontal axis represents the source-drain voltage V DS (V), and the vertical axis represents the drain current I D (mA). In FIG. 6, a curve indicated by reference numeral 71 indicates a case where the gate voltage Vg is 0V, a curve indicated by reference numeral 72 indicates a case where the gate voltage Vg is 2V, and a curve indicated by reference numeral 73 is The case where the gate voltage Vg is 4V is shown, the curve indicated by reference numeral 74 indicates the case where the gate voltage Vg is 6V, and the curve indicated by reference numeral 75 indicates the case where the gate voltage Vg is 8V. As shown in FIG. 6, in a normally-off type transistor using Si, when the gate voltage indicated by reference numeral 71 is zero, the drain current ID flows even when a voltage is applied between the source and the drain. Absent.

Siを用いたノーマルオフタイプのトランジスタとしては、たとえば、エンハンスメント形のn型MOSFETが挙げられる。Siを用いたエンハンスメント形のn型MOSFETでは、p型半導体基板の表面部付近にn型のソース領域およびドレイン領域が離隔して形成され、ソース領域とドレイン領域との間のp型半導体基板の表面部に絶縁膜を介してゲート電極が形成される。   As a normally-off type transistor using Si, for example, an enhancement type n-type MOSFET can be cited. In an enhancement type n-type MOSFET using Si, an n-type source region and a drain region are formed in the vicinity of a surface portion of a p-type semiconductor substrate, and the p-type semiconductor substrate between the source region and the drain region is formed. A gate electrode is formed on the surface portion through an insulating film.

これと同様の構造は、GaNなどの化合物半導体を用いても形成可能であるけれども、GaNの場合には、高品質のp型基板を形成することが困難であり、またSiのように不純物イオンの注入および拡散などによってp型層中にn型層を形成することが極めて困難であるという問題がある。このため、Siを用いたMOSFETと同様の構成のMOSFET、すなわちヘテロ構造を用いない化合物半導体MOSFETは実現されるに至っていない。   A similar structure can be formed using a compound semiconductor such as GaN. However, in the case of GaN, it is difficult to form a high-quality p-type substrate, and impurity ions such as Si are used. There is a problem that it is extremely difficult to form an n-type layer in a p-type layer by implantation and diffusion of s. For this reason, a MOSFET having the same configuration as that of a MOSFET using Si, that is, a compound semiconductor MOSFET not using a heterostructure has not been realized.

また、ヘテロ構造を用いた化合物半導体MOSFETは実現されているけれども、このMOSFETは、前述の特許文献1などに開示の電界効果型トランジスタと同様、ヘテロ界面に2次元電子ガス層が形成されるので、ノーマルオンタイプとなる。   Further, although a compound semiconductor MOSFET using a heterostructure has been realized, this MOSFET has a two-dimensional electron gas layer formed at the heterointerface as in the field effect transistor disclosed in the above-mentioned Patent Document 1 or the like. , Normal on type.

このように、化合物半導体のヘテロ構造を用いてノーマルオフタイプの電界効果型トランジスタを作製することは原理的に困難である。   Thus, it is theoretically difficult to fabricate a normal-off type field effect transistor using a compound semiconductor heterostructure.

本発明の目的は、半導体のヘテロ構造を含むにも拘らず、ゲート電圧が印加されていない状態では電流が流れないノーマルオフタイプの電界効果型トランジスタなどの半導体装置を提供することである。   An object of the present invention is to provide a semiconductor device such as a normally-off type field effect transistor in which a current does not flow in a state where a gate voltage is not applied despite the inclusion of a semiconductor heterostructure.

本発明は、窒化物系III−V族化合物半導体で構成される第1半導体層と、
第1半導体層に接して設けられ、窒化物系III−V族化合物半導体で構成される第2半導体層と、
第2半導体層の第1半導体層に接する側と反対側にそれぞれ設けられるソース電極、ゲート電極およびドレイン電極と、
第2半導体層に応力を付与可能な応力付与手段であって、ピエゾ効果を有する材料で形成され、第2半導体層とゲート電極との間に設けられるピエゾ効果材層を備える応力付与手段とを備え、
第1半導体層と第2半導体層とは、下記式(1)および(2)の関係を満足することを特徴とする半導体装置。
≦a …(1)
Eg<Eg …(2)
(ここで、aは第1半導体層を構成する半導体材料のa軸格子定数を示し、aは第2半導体層を構成する半導体材料のa軸格子定数を示す。Egは第1半導体層を構成する半導体材料のバンドキャップを示し、Egは第2半導体層を構成する半導体材料のバンドギャップを示す。
The present invention includes a first semiconductor layer composed of a nitride III-V compound semiconductor,
A second semiconductor layer provided in contact with the first semiconductor layer and made of a nitride III-V compound semiconductor;
A source electrode, a gate electrode, and a drain electrode provided on a side opposite to the side in contact with the first semiconductor layer of the second semiconductor layer,
Stress applying means capable of applying stress to the second semiconductor layer, the stress applying means including a piezoelectric effect material layer formed of a material having a piezoelectric effect and provided between the second semiconductor layer and the gate electrode. Prepared,
The semiconductor device, wherein the first semiconductor layer and the second semiconductor layer satisfy a relationship of the following formulas (1) and (2) .
a 1 ≦ a 2 (1)
Eg 1 <Eg 2 (2)
(Where a 1 represents the a-axis lattice constant of the semiconductor material constituting the first semiconductor layer, a 2 represents the a-axis lattice constant of the semiconductor material constituting the second semiconductor layer. Eg 1 represents the first semiconductor. shows the bandgap of the semiconductor material constituting the layers, Eg 2 shows the band gap of the semiconductor material of the second semiconductor layer.)

また本発明は、ピエゾ効果を有する材料が、ペロブスカイト構造を有する酸化物であることを特徴とする。   In addition, the present invention is characterized in that the material having a piezo effect is an oxide having a perovskite structure.

また本発明は、ペロブスカイト構造を有する酸化物が、BaTiO、(Pb,La)(Zr,Ti)O、SrBiTa、BiTi、LiNbOおよびSrNbからなる群から選ばれる1種または2種以上であることを特徴とする。 In the present invention, the oxide having a perovskite structure may be BaTiO 3 , (Pb, La) (Zr, Ti) O 3 , SrBi 2 Ta 2 O 9 , Bi 4 Ti 3 O 9 , LiNbO 3 and Sr 2 Nb 2. characterized in that from the group consisting of O 7 is one or more selected.

また本発明は、ピエゾ効果を有する材料が、蛍石型構造を有するフッ化物であることを特徴とする。   Further, the present invention is characterized in that the material having a piezo effect is a fluoride having a fluorite structure.

また本発明は、蛍石型構造を有するフッ化物が、BaMgFおよびBaMnFのうちの少なくともいずれか一方であることを特徴とする。 The present invention is also characterized in that the fluoride having a fluorite structure is at least one of BaMgF 4 and BaMnF 4 .

また本発明は、ピエゾ効果を有する材料が、ポリフッ化ビニリデンであることを特徴とする。   Further, the invention is characterized in that the material having a piezo effect is polyvinylidene fluoride.

本発明によれば、半導体装置は、互いに接して設けられ、上記式(1)および(2)の関係を満足する第1半導体層および第2半導体層と、第2半導体層に応力を付与可能な応力付与手段とを備える。上記式(1)に示すように、第2半導体層を構成する半導体材料のa軸格子定数aは、第1半導体層を構成する半導体材料のa軸格子定数a以上(a≦a)である。このため、応力付与手段によって第2半導体層に応力を付与しない状態では、第2半導体層は面内引張応力を受けないので、第1半導体層と第2半導体層とのヘテロ界面には、電子は誘起されず、2次元電子ガス層は形成されない。上記式(2)に示すように、第2半導体層を構成する半導体材料のバンドギャップEgは、第1半導体層を構成する半導体材料のバンドギャップEgよりも大きい(Eg<Eg)ので、2次元電子ガス層が形成されていない状態では、第2半導体層から第1半導体層に電子が注入されても、注入された電子は第1半導体層から第2半導体層に流入することができない。すなわち、応力付与手段によって第2半導体層に応力を付与しない状態では、電流は流れない。ここで、面内引張応力とは、第1半導体層と第2半導体層とのヘテロ界面に平行な方向に作用する引張応力のことである。 According to the present invention, the semiconductor device is provided in contact with each other, and stress can be applied to the first semiconductor layer and the second semiconductor layer that satisfy the relationship of the above formulas (1) and (2), and the second semiconductor layer. Stress applying means. As shown in the above formula (1), the a-axis lattice constant a 2 of the semiconductor material constituting the second semiconductor layer is not less than the a-axis lattice constant a 1 of the semiconductor material constituting the first semiconductor layer (a 1 ≦ a 2 ). For this reason, in a state where no stress is applied to the second semiconductor layer by the stress applying means, the second semiconductor layer is not subjected to in-plane tensile stress. Therefore, an electron is present at the heterointerface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. Is not induced, and a two-dimensional electron gas layer is not formed. As shown in the above formula (2), the band gap Eg 2 of the semiconductor material constituting the second semiconductor layer is larger than the band gap Eg 1 of the semiconductor material constituting the first semiconductor layer (Eg 1 <Eg 2 ). Therefore, in the state where the two-dimensional electron gas layer is not formed, even if electrons are injected from the second semiconductor layer into the first semiconductor layer, the injected electrons flow into the second semiconductor layer from the first semiconductor layer. I can't. That is, no current flows when no stress is applied to the second semiconductor layer by the stress applying means. Here, the in-plane tensile stress is a tensile stress acting in a direction parallel to the heterointerface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer.

応力付与手段によって第2半導体層に面内引張応力などの応力を付与すると、第1半導体層と第2半導体層とのヘテロ界面に電子が誘起され、2次元電子ガス層が形成される。この状態で、第2半導体層から第1半導体層に電子が注入されると、注入された電子は第1半導体層から第2半導体層に流入することができるので、電流が流れる。   When stress such as in-plane tensile stress is applied to the second semiconductor layer by the stress applying means, electrons are induced at the heterointerface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, and a two-dimensional electron gas layer is formed. In this state, when electrons are injected from the second semiconductor layer into the first semiconductor layer, the injected electrons can flow from the first semiconductor layer into the second semiconductor layer, so that a current flows.

このように、本発明の半導体装置は、第1半導体層と第2半導体層とのヘテロ構造を含むにも拘らず、第1半導体層と第2半導体層とのヘテロ界面に2次元電子ガス層が形成されている状態と形成されていない状態とに変化させ、電流が流れる状態と流れない状態とを切換えることができる。したがって、たとえば第2半導体層の上にソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を設け、ゲート電圧がゼロの場合には応力付与手段による第2半導体層への応力の付与を行なわず、ゲート電極に負または正の電圧を印加する際に、応力付与手段によって第2半導体層に応力を付与するように構成することによって、ゲート電圧が印加されていない状態では電流が流れないノーマルオフタイプの電界効果型トランジスタを実現することができる。
また、応力付与手段は、ピエゾ効果を有する材料で形成されるピエゾ効果材層を備える。ここで、ピエゾ効果を有する材料とは、外部から応力が付与されると誘電分極を生じ、電圧が印加されると歪みを生じて変形する材料のことである。ピエゾ効果材層に電圧を印加すると、ピエゾ効果材層に結晶変位が生じてピエゾ効果材層が変形し、その変形によって第2半導体層に応力が付与され、第1半導体層と第2半導体層とのヘテロ界面に2次元電子ガス層が形成される。ピエゾ効果材層に電圧を印加しない状態では、第2半導体層に応力が付与されないので、第1半導体層と第2半導体層とのヘテロ界面には2次元電子ガス層は形成されない。このように、ピエゾ効果材層を用いると、ピエゾ効果材層に電圧を印加するか否かによって、ヘテロ界面への2次元電子ガス層の形成の有無を容易に制御することができるので、電流が流れる状態と流れない状態とを容易に、また迅速に切換えることができる。したがって、半導体装置の動作速度を向上させることができる。
また、半導体装置は、第2半導体層の第1半導体層に接する側と反対側にソース電極、ゲート電極およびドレイン電極を備え、ピエゾ効果材層は、第2半導体層とゲート電極との間に設けられる。これによって、第1半導体層をチャネル層とする電界効果型トランジスタが実現される。ピエゾ効果材層は、第2半導体層とゲート電極との間に設けられるので、ゲート電極によって電圧を印加することができる。ゲート電極に印加される電圧であるゲート電圧がゼロの場合、ピエゾ効果材層には電圧が印加されないので、ピエゾ効果材層の変形は生じず、第2半導体層には応力が付与されない。このため、ゲート電圧がゼロの場合には、2次元電子ガス層は形成されないので、ソース電極とドレイン電極との間に電圧を印加しても電流は流れない。ゲート電極にゲート電圧を印加すると、ピエゾ効果材層に電圧が印加され、ピエゾ効果材層の変形が生じるので、第2半導体層に応力が付与され、第1半導体層と第2半導体層とのヘテロ界面に2次元電子ガス層が形成される。この状態でソース電極とドレイン電極との間に電圧を印加すると電流が流れる。
このようにゲート電極を用いてピエゾ効果材層に電圧を印加する構成とすると、ピエゾ効果材層に電圧を印加するための電極をゲート電極と別に設ける場合に必要な、ピエゾ効果材層への電圧の印加とゲート電極へのゲート電圧の印加とを同期して行なう手段が不要となるので、装置構成を簡略化することができる。また、同期がずれることがないので、ゲート電圧がゼロの場合にピエゾ効果材層に電圧が印加されることを防ぎ、ソース電極とドレイン電極との間に過電流が流れることを防止することができる。したがって、ピエゾ効果材層に電圧を印加するための電極をゲート電極と別に設ける場合に比べて、過電流による半導体装置の破壊を一層抑制することができる。
また、第1半導体層および第2半導体層を構成する半導体材料は、窒化物系III−V族化合物半導体であることが好ましい。窒化物系III−V族化合物半導体は、シリコンなどに比べて高い電子移動度を示すので、窒化物系III−V族化合物半導体を用いることによって、たとえば電界効果型トランジスタにおけるスイッチング時間を短縮し、半導体装置の応答性を向上させることができる。したがって、電力損失を抑え、電力の利用効率を大幅に向上させることができるので、半導体装置の省エネルギ化および小形化を図ることができる。
As described above, the semiconductor device of the present invention includes the heterostructure of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, but the two-dimensional electron gas layer at the heterointerface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. It is possible to switch between a state in which current flows and a state in which current does not flow by changing between a state in which the current is formed and a state in which the current is not formed. Therefore, for example, when a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode are provided on the second semiconductor layer and the gate voltage is zero, stress is not applied to the second semiconductor layer by the stress applying means, and the gate electrode is negatively applied. Alternatively, when applying a positive voltage, a stress is applied to the second semiconductor layer by the stress applying means, so that a current does not flow when no gate voltage is applied. A transistor can be realized.
The stress applying means includes a piezo effect material layer formed of a material having a piezo effect. Here, the material having a piezo effect is a material that generates dielectric polarization when a stress is applied from the outside and deforms when a voltage is applied. When a voltage is applied to the piezo effect material layer, crystal displacement occurs in the piezo effect material layer, and the piezo effect material layer is deformed. Due to the deformation, stress is applied to the second semiconductor layer, and the first semiconductor layer and the second semiconductor layer A two-dimensional electron gas layer is formed at the heterointerface with In a state where no voltage is applied to the piezo effect material layer, no stress is applied to the second semiconductor layer, so that a two-dimensional electron gas layer is not formed at the heterointerface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. As described above, when a piezo effect material layer is used, whether or not a two-dimensional electron gas layer is formed at the heterointerface can be easily controlled depending on whether or not a voltage is applied to the piezo effect material layer. It is possible to easily and quickly switch between the state where the air flows and the state where the air does not flow. Therefore, the operation speed of the semiconductor device can be improved.
In addition, the semiconductor device includes a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode on the opposite side of the second semiconductor layer that is in contact with the first semiconductor layer, and the piezo effect material layer is interposed between the second semiconductor layer and the gate electrode. Provided. Thus, a field effect transistor having the first semiconductor layer as a channel layer is realized. Since the piezo effect material layer is provided between the second semiconductor layer and the gate electrode, a voltage can be applied by the gate electrode. When the gate voltage, which is a voltage applied to the gate electrode, is zero, no voltage is applied to the piezo effect material layer, so that the piezo effect material layer is not deformed and no stress is applied to the second semiconductor layer. For this reason, when the gate voltage is zero, since the two-dimensional electron gas layer is not formed, no current flows even if a voltage is applied between the source electrode and the drain electrode. When a gate voltage is applied to the gate electrode, a voltage is applied to the piezo effect material layer, and the piezo effect material layer is deformed. Therefore, stress is applied to the second semiconductor layer, and the first semiconductor layer and the second semiconductor layer A two-dimensional electron gas layer is formed at the heterointerface. When a voltage is applied between the source electrode and the drain electrode in this state, a current flows.
When the voltage is applied to the piezo effect material layer using the gate electrode in this way, the piezo effect material layer required when the electrode for applying the voltage to the piezo effect material layer is provided separately from the gate electrode. Since a means for synchronizing the application of the voltage and the application of the gate voltage to the gate electrode is not required, the device configuration can be simplified. In addition, since synchronization is not lost, it is possible to prevent voltage from being applied to the piezo effect material layer when the gate voltage is zero, and to prevent overcurrent from flowing between the source electrode and the drain electrode. it can. Therefore, it is possible to further suppress the destruction of the semiconductor device due to the overcurrent as compared with the case where an electrode for applying a voltage to the piezoelectric effect material layer is provided separately from the gate electrode.
The semiconductor material constituting the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is preferably a nitride III-V compound semiconductor. Since nitride-based III-V compound semiconductors exhibit higher electron mobility than silicon and the like, by using a nitride-based III-V compound semiconductor, for example, the switching time in a field effect transistor is shortened, The responsiveness of the semiconductor device can be improved. Accordingly, power loss can be suppressed and power utilization efficiency can be greatly improved, so that energy saving and downsizing of the semiconductor device can be achieved.

また本発明によれば、ピエゾ効果を有する材料は、ペロブスカイト構造を有する酸化物であることが好ましい。ペロブスカイト構造を有する酸化物は、顕著なピエゾ効果を示し、印加される電圧(以後、単に印加電圧とも称する)を効率良く結晶変位に変換することができる。したがって、ピエゾ効果を有する材料としてペロブスカイト構造を有する酸化物を用いることによって、ピエゾ効果材層への印加電圧を第2半導体層に付与する応力に効率的に変換することができるので、第1半導体層と第2半導体層とのヘテロ界面への2次元電子ガス層の形成の有無を効率良く制御することができる。   According to the invention, the material having a piezo effect is preferably an oxide having a perovskite structure. An oxide having a perovskite structure exhibits a remarkable piezo effect, and can efficiently convert an applied voltage (hereinafter simply referred to as an applied voltage) into crystal displacement. Therefore, by using an oxide having a perovskite structure as a material having a piezo effect, the voltage applied to the piezo effect material layer can be efficiently converted into a stress applied to the second semiconductor layer. Whether or not a two-dimensional electron gas layer is formed at the heterointerface between the layer and the second semiconductor layer can be efficiently controlled.

また本発明によれば、ピエゾ効果を有する材料は、ペロブスカイト構造を有する酸化物の中でも、BaTiO、(Pb,La)(Zr,Ti)O、SrBiTa、BiTi、LiNbOおよびSrNbからなる群から選ばれる1種または2種以上であることが好ましい。これらの化合物は、特に顕著なピエゾ効果を示し、印加電圧を一層効率良く結晶変位に変換させることができる。したがって、これらの化合物を用いることによって、2次元電子ガス層が形成されている状態と形成されていない状態とをより小さい電圧で切換えることができるので、半導体装置の消費電力量を低減することができる。 In addition, according to the present invention, the material having a piezo effect is, among oxides having a perovskite structure, BaTiO 3 , (Pb, La) (Zr, Ti) O 3 , SrBi 2 Ta 2 O 9 , Bi 4 Ti 3. One or more selected from the group consisting of O 9 , LiNbO 3 and Sr 2 Nb 2 O 7 are preferred. These compounds exhibit a particularly remarkable piezo effect and can convert the applied voltage into crystal displacement more efficiently. Therefore, by using these compounds, the state in which the two-dimensional electron gas layer is formed and the state in which the two-dimensional electron gas layer is not formed can be switched with a smaller voltage, so that the power consumption of the semiconductor device can be reduced. it can.

また本発明によれば、ピエゾ効果を有する材料は、蛍石型構造を有するフッ化物であることが好ましく、その中でも、BaMgFおよびBaMnFのうちの少なくともいずれか一方であることがより好ましい。蛍石型構造を有するフッ化物、特にBaMgFおよびBaMnFは、ペロブスカイト構造を有する酸化物と同様、顕著なピエゾ効果を示し、印加電圧を効率良く結晶変位に変換することができる。したがって、ピエゾ効果を有する材料として蛍石型構造を有するフッ化物、好ましくはBaMgFおよびBaMnFのうちの少なくともいずれか一方を用いることによって、ピエゾ効果材層への印加電圧を第2半導体層に付与する応力に効率的に変換することができるので、第1半導体層と第2半導体層とのヘテロ界面への2次元電子ガス層の形成の有無を効率良く制御することができる。 According to the present invention, the material having a piezo effect is preferably a fluoride having a fluorite structure, and more preferably, at least one of BaMgF 4 and BaMnF 4 . Fluorides having a fluorite structure, particularly BaMgF 4 and BaMnF 4 , like the oxide having a perovskite structure, exhibit a remarkable piezo effect and can efficiently convert the applied voltage into crystal displacement. Therefore, by using a fluoride having a fluorite structure as a material having a piezo effect, preferably at least one of BaMgF 4 and BaMnF 4 , an applied voltage to the piezo effect material layer is applied to the second semiconductor layer. Since the stress can be efficiently converted to the applied stress, the presence / absence of the formation of the two-dimensional electron gas layer at the heterointerface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer can be efficiently controlled.

また本発明によれば、ピエゾ効果を有する材料は、ポリフッ化ビニリデンであることが好ましい。ポリフッ化ビニリデンを用いることによって、酸化物などの無機材料を用いる場合に比べて、低い温度でピエゾ効果材層を形成することができる。したがって、加熱による第1半導体層および第2半導体層の特性の変化、たとえばバンドギャップの変化などを抑制することができるので、半導体装置の誤作動を防止し、信頼性を向上させることができる。   According to the present invention, the material having a piezo effect is preferably polyvinylidene fluoride. By using polyvinylidene fluoride, a piezo effect material layer can be formed at a lower temperature than when an inorganic material such as an oxide is used. Therefore, changes in characteristics of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer due to heating, for example, changes in the band gap, can be suppressed, so that malfunction of the semiconductor device can be prevented and reliability can be improved.

図1は、本発明の実施の一形態である半導体装置1の構成を簡略化して示す断面図である。本実施の形態として例示する半導体装置1は、電界効果型トランジスタ1である。半導体装置1は、基板11、バッファ層12、第1半導体層であるチャネル層13、第2半導体層であるバリア層14、応力付与手段であるピエゾ効果膜層15、ソース電極16、ドレイン電極17およびゲート電極18を含んで構成される。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing a simplified configuration of a semiconductor device 1 according to an embodiment of the present invention. A semiconductor device 1 exemplified as the present embodiment is a field effect transistor 1. The semiconductor device 1 includes a substrate 11, a buffer layer 12, a channel layer 13 that is a first semiconductor layer, a barrier layer 14 that is a second semiconductor layer, a piezoelectric effect film layer 15 that is stress applying means, a source electrode 16, and a drain electrode 17. And the gate electrode 18.

バッファ層12、チャネル層13およびバリア層14は、基板11の厚み方向の一方側の表面部にこの順に順次積層される。チャネル層13は、厚み方向の一方側の表面部でバリア層14に接し、他方側の表面部でバッファ層12に接するように設けられる。チャネル層13とバリア層14とは、ヘテロ接合を形成する。バリア層14のチャネル層13に接する側と反対側の表面部には、ピエゾ効果材層15、ソース電極16およびドレイン電極17が設けられる。ピエゾ効果材層15のバリア層14に接する側と反対側の表面部には、ゲート電極18が設けられる。すなわち、ピエゾ効果材層15は、バリア層14とゲート電極18との間に設けられ、ゲート電極18によって電圧を印加することができる。   The buffer layer 12, the channel layer 13, and the barrier layer 14 are sequentially stacked in this order on the surface portion on one side in the thickness direction of the substrate 11. The channel layer 13 is provided so as to be in contact with the barrier layer 14 at one surface portion in the thickness direction and in contact with the buffer layer 12 at the other surface portion. The channel layer 13 and the barrier layer 14 form a heterojunction. A piezoelectric effect material layer 15, a source electrode 16, and a drain electrode 17 are provided on the surface portion of the barrier layer 14 opposite to the side in contact with the channel layer 13. A gate electrode 18 is provided on the surface portion of the piezoelectric effect material layer 15 opposite to the side in contact with the barrier layer 14. That is, the piezo effect material layer 15 is provided between the barrier layer 14 and the gate electrode 18, and a voltage can be applied by the gate electrode 18.

ソース電極16、ドレイン電極17およびゲート電極18は、離間して設けられる。ピエゾ効果材層15は、ソース電極16とドレイン電極17との間に設けられる。本実施の形態では、ピエゾ効果材層15は、バリア層14のソース電極16およびドレイン電極17が形成されている部分を除く残余の部分全体を覆うように、ソース電極16およびドレイン電極17に接して設けられる。   The source electrode 16, the drain electrode 17, and the gate electrode 18 are provided apart from each other. The piezo effect material layer 15 is provided between the source electrode 16 and the drain electrode 17. In the present embodiment, the piezo effect material layer 15 is in contact with the source electrode 16 and the drain electrode 17 so as to cover the entire remaining portion of the barrier layer 14 except the portion where the source electrode 16 and the drain electrode 17 are formed. Provided.

チャネル層13とバリア層14とは、下記式(1)および(2)の関係を満足するように形成される。
≦a …(1)
Eg<Eg …(2)
The channel layer 13 and the barrier layer 14 are formed so as to satisfy the relationship of the following formulas (1) and (2).
a 1 ≦ a 2 (1)
Eg 1 <Eg 2 (2)

ここで、aは、チャネル層13を構成する半導体材料のa軸格子定数(以後、単にチャネル層13のa軸格子定数とも称する)を示す。aは、バリア層14を構成する半導体材料のa軸格子定数(以後、バリア層14のa軸格子定数とも称する)を示す。Egは、チャネル層13を構成する半導体材料のバンドキャップ(以後、チャネル層13のバンドギャップとも称する)を示す。Egは、バリア層14を構成する半導体材料のバンドギャップ(以後、バリア層14のバンドギャップとも称する)を示す。 Here, a 1 represents the a-axis lattice constant of the semiconductor material constituting the channel layer 13 (hereinafter also simply referred to as the a-axis lattice constant of the channel layer 13). a 2 represents the a-axis lattice constant of the semiconductor material constituting the barrier layer 14 (hereinafter also referred to as the a-axis lattice constant of the barrier layer 14). Eg 1 indicates a band cap (hereinafter also referred to as a band gap of the channel layer 13) of a semiconductor material constituting the channel layer 13. Eg 2 indicates the band gap of the semiconductor material constituting the barrier layer 14 (hereinafter also referred to as the band gap of the barrier layer 14).

また、a軸格子定数とは、GaN系の半導体が採るウルツ鉱構造などの結晶格子のa軸方向の格子定数のことである。なお、本明細書中のa軸格子定数およびバンドギャップの値は、特に指定のない限り、バルク状態すなわち無歪み状態における値である。これらのa軸格子定数およびバンドギャップの値は、たとえば赤崎勇編「アドバンスト エレクトロニクスI−1 III−V族化合物半導体」(株式会社倍風館、2002年10月30日初版第4刷発行、330〜331ページ)などに記載されている。また、a軸格子定数に関しては、基板上に目的とする半導体材料を転位による格子緩和が生じるくらい厚く成膜し、得られた半導体膜をX線回折法で分析することによって求めることもできる。また、バンドギャップに関しては、a軸格子定数を測定する際と同様にして形成した半導体膜を顕微フォトルミネッセンス法などのフォトルミネッセンス法で分析することによって求めることができる。   The a-axis lattice constant is a lattice constant in the a-axis direction of a crystal lattice such as a wurtzite structure taken by a GaN-based semiconductor. Note that the values of the a-axis lattice constant and the band gap in this specification are values in the bulk state, that is, the unstrained state, unless otherwise specified. The values of these a-axis lattice constants and band gaps are described in, for example, Isamu Akasaki “Advanced Electronics I-1 III-V Group Compound Semiconductor” (Hafukan Co., Ltd., published on October 30, 2002, the fourth edition, 330) ˜page 331). The a-axis lattice constant can also be obtained by depositing a target semiconductor material on the substrate so as to cause a lattice relaxation due to dislocation, and analyzing the obtained semiconductor film by an X-ray diffraction method. The band gap can be obtained by analyzing a semiconductor film formed in the same manner as when measuring the a-axis lattice constant by a photoluminescence method such as a microphotoluminescence method.

バリア層14のa軸格子定数aがチャネル層13のa軸格子定数aよりも小さい(a>a)場合、バリア層14が面内引張応力を受けて電子が誘起され、チャネル層13とバリア層14との界面に2次元電子ガス層が形成される。 When the a-axis lattice constant a 2 of the barrier layer 14 is smaller than the a-axis lattice constant a 1 of the channel layer 13 (a 1 > a 2 ), the barrier layer 14 receives an in-plane tensile stress to induce electrons, and the channel A two-dimensional electron gas layer is formed at the interface between the layer 13 and the barrier layer 14.

本実施の形態では、上記式(1)に示すように、バリア層14のa軸格子定数aは、チャネル層13のa軸格子定数a以上(a≦a)であるので、バリア層14は、チャネル層13との界面に平行な方向に作用する面内引張応力を受けない。このため、外力を加えない状態では、チャネル層13とバリア層14とのヘテロ界面には、電子は誘起されない。 In the present embodiment, the a-axis lattice constant a 2 of the barrier layer 14 is not less than the a-axis lattice constant a 1 of the channel layer 13 (a 1 ≦ a 2 ) as shown in the above formula (1). The barrier layer 14 is not subjected to in-plane tensile stress acting in a direction parallel to the interface with the channel layer 13. For this reason, in the state where no external force is applied, electrons are not induced at the heterointerface between the channel layer 13 and the barrier layer 14.

具体的には、バリア層14のa軸格子定数aがチャネル層13のa軸格子定数aよりも大きい(a<a)場合、バリア層14は面内圧縮応力を受けるので、正孔が誘起される。また、バリア層14のa軸格子定数aがチャネル層13のa軸格子定数aと等しい(a=a)場合、バリア層14は面内引張応力も面内圧縮応力も受けないので、電子も正孔も誘起されない。ここで、面内圧縮応力とは、チャネル層13とバリア層14とのヘテロ界面に平行な方向に作用する圧縮応力のことである。 Specifically, when the a-axis lattice constant a 2 of the barrier layer 14 is larger than the a-axis lattice constant a 1 of the channel layer 13 (a 1 <a 2 ), the barrier layer 14 receives in-plane compressive stress. Holes are induced. When the a-axis lattice constant a 2 of the barrier layer 14 is equal to the a-axis lattice constant a 1 of the channel layer 13 (a 1 = a 2 ), the barrier layer 14 is not subjected to in-plane tensile stress or in-plane compressive stress. Therefore, neither electrons nor holes are induced. Here, the in-plane compressive stress is a compressive stress acting in a direction parallel to the heterointerface between the channel layer 13 and the barrier layer 14.

このように、外力を加えない状態では、チャネル層13とバリア層14との界面には、電子が誘起されず、2次元電子ガス層は形成されない。2次元電子ガス層が形成されていないと、上記式(2)に示すようにバリア層14のバンドギャップEgはチャネル層13のバンドギャップEgよりも大きい(Eg<Eg)ので、ソース電極16とドレイン電極17との間に電圧を印加しても、ドレイン電流は流れない。 Thus, in the state where no external force is applied, electrons are not induced at the interface between the channel layer 13 and the barrier layer 14, and a two-dimensional electron gas layer is not formed. If the two-dimensional electron gas layer is not formed, the band gap Eg 2 of the barrier layer 14 is larger than the band gap Eg 1 of the channel layer 13 (Eg 1 <Eg 2 ) as shown in the above formula (2). Even if a voltage is applied between the source electrode 16 and the drain electrode 17, no drain current flows.

本実施の形態では、バリア層14に接してピエゾ効果材層15が設けられる。ピエゾ効果材層15は、後述するピエゾ効果を有する材料(以後、ピエゾ材料とも称する)で形成されるので、電圧の印加によって変形し、その変形によってバリア層14に応力を付与することができる。具体的には、ゲート電極18に電圧を印加すると、ピエゾ効果材層15に電圧が印加され、ピエゾ効果材層15に結晶変位が生じてピエゾ効果材層15が変形し、これによってバリア層14に面内引張応力などの応力が付与される。   In the present embodiment, the piezoelectric effect material layer 15 is provided in contact with the barrier layer 14. Since the piezo effect material layer 15 is formed of a material having a piezo effect (hereinafter also referred to as a piezo material), which will be described later, it can be deformed by applying a voltage, and stress can be applied to the barrier layer 14 by the deformation. Specifically, when a voltage is applied to the gate electrode 18, a voltage is applied to the piezo effect material layer 15, crystal displacement occurs in the piezo effect material layer 15, and the piezo effect material layer 15 is deformed, and thereby the barrier layer 14. Stress such as in-plane tensile stress is applied to the surface.

前述のように電子が誘起されていない状態または正孔が誘起された状態で、ピエゾ効果材層15に電圧を印加し、バリア層14に面内引張応力などの応力を付与すると、バリア層14に歪みが生じ、チャネル層13とバリア層14との界面に電子が誘起され、2次元電子ガス層が形成される。これによって、ドレイン電流が流れることのできる状態となるので、ソース電極16とドレイン電極17との間に電圧を印加するとドレイン電流が流れる。   As described above, when a voltage is applied to the piezoelectric effect material layer 15 in a state where electrons are not induced or holes are induced, and a stress such as in-plane tensile stress is applied to the barrier layer 14, the barrier layer 14 As a result, strain is generated and electrons are induced at the interface between the channel layer 13 and the barrier layer 14 to form a two-dimensional electron gas layer. As a result, a drain current can flow, and when a voltage is applied between the source electrode 16 and the drain electrode 17, the drain current flows.

ゲート電極18に印加される電圧(以後、ゲート電圧と称する)がゼロであり、ピエゾ効果材層15に電圧が印加されないと、ピエゾ効果材層15の変形は生じないので、バリア層14には応力が付与されない。この状態は、前述の外力を加えていない状態であり、この状態ではヘテロ界面に2次元電子ガス層が形成されないので、ソース電極16とドレイン電極17との間に電圧を印加してもドレイン電流は流れない。   Since the voltage applied to the gate electrode 18 (hereinafter referred to as the gate voltage) is zero and no voltage is applied to the piezo effect material layer 15, the piezo effect material layer 15 is not deformed. No stress is applied. This state is a state in which the aforementioned external force is not applied. In this state, since a two-dimensional electron gas layer is not formed at the heterointerface, the drain current can be applied even if a voltage is applied between the source electrode 16 and the drain electrode 17. Does not flow.

このように、本実施の形態の半導体装置1は、チャネル層13とバリア層14とのヘテロ構造を含むにも拘らず、チャネル層13とバリア層14とのヘテロ界面に2次元電子ガス層が形成されている状態と、形成されていない状態との2つの状態に変化させることができるので、電流が流れる状態と流れない状態とを切換えることができる。したがって、半導体装置1として、ノーマルオフタイプの電界効果型トランジスタを得ることができる。これによって、ゲート電圧がゼロの場合にソース電極16とドレイン電極17との間に過電流が流れることを防ぎ、過電流による半導体装置1の破壊を抑えることができる。   As described above, the semiconductor device 1 according to the present embodiment includes the heterostructure of the channel layer 13 and the barrier layer 14, but the two-dimensional electron gas layer is present at the heterointerface between the channel layer 13 and the barrier layer 14. Since it can be changed into two states, a state where it is formed and a state where it is not formed, it is possible to switch between a state where current flows and a state where current does not flow. Therefore, a normal-off type field effect transistor can be obtained as the semiconductor device 1. As a result, it is possible to prevent an overcurrent from flowing between the source electrode 16 and the drain electrode 17 when the gate voltage is zero, and to suppress the breakdown of the semiconductor device 1 due to the overcurrent.

また、本実施の形態では、ピエゾ効果材層15によってバリア層14に応力を付与するので、ピエゾ効果材層15に電圧を印加するか否かによって、バリア層14に作用する応力を変化させ、チャネル層13とバリア層14とのヘテロ界面に2次元電子ガス層が形成されるか否かを制御することができる。したがって、ドレイン電流が流れる状態(以後、導通状態とも称する)と、ドレイン電流が流れない状態(以後、遮断状態とも称する)との切換え動作を容易に制御することができる。また、ドレイン電流が流れる導通状態と、ドレイン電流が流れない遮断状態とを迅速に切換えることができるので、道通状態と遮断状態との切換えに要する時間であるスイッチング時間を短縮し、半導体装置1の動作速度を向上させることができる。   In the present embodiment, since stress is applied to the barrier layer 14 by the piezo effect material layer 15, the stress acting on the barrier layer 14 is changed depending on whether a voltage is applied to the piezo effect material layer 15, Whether or not a two-dimensional electron gas layer is formed at the heterointerface between the channel layer 13 and the barrier layer 14 can be controlled. Therefore, the switching operation between the state in which the drain current flows (hereinafter also referred to as the conduction state) and the state in which the drain current does not flow (hereinafter also referred to as the cutoff state) can be easily controlled. Further, since it is possible to quickly switch between a conduction state in which the drain current flows and a cut-off state in which the drain current does not flow, the switching time, which is the time required for switching between the passage state and the cut-off state, is shortened, and the semiconductor device 1 The operation speed can be improved.

また、本実施の形態では、ゲート電極18によってピエゾ効果材層15に電圧を印加するので、ピエゾ効果材層15に電圧を印加するための電極を別に設ける必要がない。また、ゲート電圧がゼロ、すなわちゲート電極18に電圧が印加されていないと、ピエゾ効果材層15に電圧が印加されず、ゲート電極18に電圧を印加すると、ピエゾ効果材層15に電圧が印加されることになる。このように、ゲート電極18を用いてピエゾ効果材層15に電圧を印加する構成とすると、ピエゾ効果材層15への電圧の印加をゲート電極18への電圧の印加と同期して行なわせることができるので、ピエゾ効果材層15への電圧の印加とゲート電極18へのゲート電圧の印加とを同期して行なう手段が不要となる。したがって、ピエゾ効果材層15に電圧を印加するための電極をゲート電極18と別に設ける場合に比べ、装置構成を簡略化することができる。   In the present embodiment, since a voltage is applied to the piezo effect material layer 15 by the gate electrode 18, it is not necessary to separately provide an electrode for applying a voltage to the piezo effect material layer 15. When the gate voltage is zero, that is, when no voltage is applied to the gate electrode 18, no voltage is applied to the piezo effect material layer 15. When a voltage is applied to the gate electrode 18, a voltage is applied to the piezo effect material layer 15. Will be. When the voltage is applied to the piezo effect material layer 15 using the gate electrode 18 as described above, the voltage is applied to the piezo effect material layer 15 in synchronization with the application of the voltage to the gate electrode 18. Therefore, a means for synchronizing the application of the voltage to the piezoelectric effect material layer 15 and the application of the gate voltage to the gate electrode 18 becomes unnecessary. Therefore, the apparatus configuration can be simplified as compared with the case where an electrode for applying a voltage to the piezoelectric effect material layer 15 is provided separately from the gate electrode 18.

また、ゲート電極18への電圧の印加とピエゾ効果材層15への電圧の印加との同期がずれることがないので、ゲート電圧がゼロの場合にピエゾ効果材層15に電圧が印加されることを防ぎ、ソース電極16とドレイン電極17との間に過電流が流れることをより確実に防止することができる。したがって、ピエゾ効果材層15に電圧を印加するための電極をゲート電極18と別に設ける場合に比べて、過電流による半導体装置1の破壊を一層抑制することができる。   In addition, since the application of the voltage to the gate electrode 18 and the application of the voltage to the piezo effect material layer 15 are not synchronized, the voltage is applied to the piezo effect material layer 15 when the gate voltage is zero. This prevents the overcurrent from flowing between the source electrode 16 and the drain electrode 17 more reliably. Therefore, as compared with the case where an electrode for applying a voltage to the piezoelectric effect material layer 15 is provided separately from the gate electrode 18, the breakdown of the semiconductor device 1 due to overcurrent can be further suppressed.

チャネル層13のa軸格子定数aとバリア層14のa軸格子定数aとの差は、小さい方が好ましい。具体的には、バリア層14のa軸格子定数aから、チャネル層13のa軸格子定数aを差引いた値(a−a)が、0.002nm以下であることが好ましい。これによって、より小さい電圧で、チャネル層13とバリア層14との界面に2次元電子ガス層を形成させ、半導体装置1である電界効果型トランジスタ1を作動させる(オンする)ことができるので、半導体装置1の消費電力量を低減することができる。 The difference between the a-axis lattice constant a 2 of the a-axis lattice constant a 1 and a barrier layer 14 of the channel layer 13, is preferably small. Specifically, the value (a 2 −a 1 ) obtained by subtracting the a-axis lattice constant a 1 of the channel layer 13 from the a-axis lattice constant a 2 of the barrier layer 14 is preferably 0.002 nm or less. As a result, a two-dimensional electron gas layer can be formed at the interface between the channel layer 13 and the barrier layer 14 with a smaller voltage, and the field effect transistor 1 that is the semiconductor device 1 can be operated (turned on). The power consumption of the semiconductor device 1 can be reduced.

バリア層14のバンドギャップEgからチャネル層13のバンドギャップEgを差引いた値(Eg−Eg)は、0.05eV以上であることが好ましい。これによって、チャネル層13とバリア層14とのヘテロ界面に2次元電子ガスを閉じ込めることができる。 The value (Eg 2 −Eg 1 ) obtained by subtracting the band gap Eg 1 of the channel layer 13 from the band gap Eg 2 of the barrier layer 14 is preferably 0.05 eV or more. As a result, the two-dimensional electron gas can be confined at the heterointerface between the channel layer 13 and the barrier layer 14.

チャネル層13と基板11との間に設けられるバッファ層12は、基板11とチャネル層13との界面への積層欠陥の発生を防止するために設けられる。バッファ層12を設けずに基板11の表面部にチャネル層13を直接形成すると、基板11を構成する材料の結晶構造とチャネル層13を構成する半導体材料の結晶構造とが異なる場合に、基板11とチャネル層13との界面付近に積層欠陥と呼ばれる格子歪みが発生する恐れがある。積層欠陥が発生すると、電子などのキャリアが散乱され、キャリアの輸送性能が低下する可能性がある。したがって、基板11とチャネル層13との間にはバッファ層12を設けることが好ましい。バッファ層12を設けることによって、積層欠陥の発生を防止することができるので、積層欠陥によるキャリアの散乱を防ぎ、キャリア輸送性能に優れる半導体装置1を実現することができる。   The buffer layer 12 provided between the channel layer 13 and the substrate 11 is provided to prevent the occurrence of stacking faults at the interface between the substrate 11 and the channel layer 13. If the channel layer 13 is formed directly on the surface of the substrate 11 without providing the buffer layer 12, the crystal structure of the material constituting the substrate 11 is different from the crystal structure of the semiconductor material constituting the channel layer 13. There is a possibility that lattice distortion called stacking fault may occur in the vicinity of the interface between and the channel layer 13. When stacking faults occur, carriers such as electrons are scattered, and the carrier transport performance may be reduced. Therefore, it is preferable to provide the buffer layer 12 between the substrate 11 and the channel layer 13. By providing the buffer layer 12, it is possible to prevent the occurrence of stacking faults, so that it is possible to realize the semiconductor device 1 that prevents carrier scattering due to stacking faults and has excellent carrier transport performance.

基板11の材料としては、たとえばサファイア、シリコン(化学式Si)、窒化ガリウム(化学式GaN)、窒化アルミニウム(化学式AlN)、炭化ケイ素(化学式SiC)、酸化亜鉛(ZnO)などが挙げられる。基板11の厚さは、たとえば300μmである。   Examples of the material of the substrate 11 include sapphire, silicon (chemical formula Si), gallium nitride (chemical formula GaN), aluminum nitride (chemical formula AlN), silicon carbide (chemical formula SiC), and zinc oxide (ZnO). The thickness of the substrate 11 is, for example, 300 μm.

バッファ層12は、たとえば半導体材料で形成される。バッファ層12を構成する半導体材料は、バッファ層12と基板11との界面付近およびバッファ層12とチャネル層13との界面付近への積層欠陥の発生を防止することができるように、基板11を構成する材料およびチャネル層13を構成する半導体材料の種類などに応じて適宜選択される。   The buffer layer 12 is made of, for example, a semiconductor material. The semiconductor material constituting the buffer layer 12 is formed on the substrate 11 so as to prevent the occurrence of stacking faults near the interface between the buffer layer 12 and the substrate 11 and near the interface between the buffer layer 12 and the channel layer 13. The material is appropriately selected according to the material and the type of semiconductor material constituting the channel layer 13.

バッファ層12、チャネル層13およびバリア層14を構成する半導体材料としては、窒化ガリウム(GaN)、ヒ化ガリウム(化学式GaAs)などのIII−V族化合物半導体、硫化亜鉛(化学式ZnS)などのII−VI族化合物半導体などの化合物半導体を用いることが好ましく、その中でも、窒化物系III−V族化合物半導体を用いることがさらに好ましい。化合物半導体、特に窒化物系III−V族化合物半導体は、シリコン(Si)などの単体半導体と比較して、より高い電子移動度を示すので、これらの半導体でバッファ層12、チャネル層13およびバリア層14を形成することによって、スイッチング時間を短縮し、半導体装置1の応答性を向上させることができる。これによって、電力損失を抑え、電力の利用効率を大幅に向上させることができるので、半導体装置1の省エネルギ化および小形化を図ることができる。   Examples of the semiconductor material constituting the buffer layer 12, the channel layer 13, and the barrier layer 14 include III-V group compound semiconductors such as gallium nitride (GaN) and gallium arsenide (chemical formula GaAs), and II such as zinc sulfide (chemical formula ZnS). It is preferable to use a compound semiconductor such as a -VI group compound semiconductor, and among these, it is more preferable to use a nitride-based III-V group compound semiconductor. Since compound semiconductors, particularly nitride-based III-V compound semiconductors, exhibit higher electron mobility than single semiconductors such as silicon (Si), the buffer layer 12, the channel layer 13 and the barrier are formed by these semiconductors. By forming the layer 14, the switching time can be shortened and the responsiveness of the semiconductor device 1 can be improved. As a result, power loss can be suppressed and power utilization efficiency can be greatly improved, so that energy saving and miniaturization of the semiconductor device 1 can be achieved.

また、化合物半導体は、a軸格子定数およびバンドギャップの調整が容易であることから、チャネル層13およびバリア層14を構成する半導体材料として特に好適である。   In addition, a compound semiconductor is particularly suitable as a semiconductor material constituting the channel layer 13 and the barrier layer 14 because the a-axis lattice constant and the band gap can be easily adjusted.

ここで、窒化物系III−V族化合物半導体とは、少なくとも窒素(元素記号N)を含むV族元素と、ホウ素(元素記号B)、アルミニウム(元素記号Al)、ガリウム(元素記号Ga)、インジウム(元素記号In)などのIII族元素との化合物半導体のことである。窒化物系III−V族化合物半導体としては、窒化ガリウム(GaN)などの二元化合物半導体、窒化アルミニウム−ガリウム−インジウム(AlGaInN)、窒化ホウ素−ガリウム−インジウム(BGaInN)などの多元化合物半導体などが挙げられる。   Here, the nitride III-V compound semiconductor is a group V element including at least nitrogen (element symbol N), boron (element symbol B), aluminum (element symbol Al), gallium (element symbol Ga), It is a compound semiconductor with a group III element such as indium (element symbol In). Examples of nitride III-V compound semiconductors include binary compound semiconductors such as gallium nitride (GaN), and multi-element compound semiconductors such as aluminum nitride-gallium-indium (AlGaInN) and boron nitride-gallium-indium (BGaInN). Can be mentioned.

なお、多元化合物半導体を化学式で表す場合には、構成元素を並べて示す。たとえば、AlGaInNは、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)および窒素(N)の四元化合物半導体を表す。多元化合物半導体において、各元素の組成比を示す場合には、化学式において各元素の横に添え字として記載する。たとえば、A、BおよびCをIII族元素とし、DをV族元素とすると、ABCDの四元化合物半導体は、A1−x−yD(0<x<1,0<y<1,x+y<1)で表される。 Note that when a multi-element compound semiconductor is represented by a chemical formula, constituent elements are shown side by side. For example, AlGaInN represents a quaternary compound semiconductor of aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), and nitrogen (N). In a multi-component compound semiconductor, when the composition ratio of each element is shown, it is described as a subscript beside each element in the chemical formula. For example, when A, B and C are group III elements and D is a group V element, the quaternary compound semiconductor of ABCD is A x B y C 1-xy D (0 <x <1, 0 <y <1, x + y <1).

上記式(1)および(2)の関係を満足するチャネル層13およびバリア層14は、各層を構成する半導体材料に含まれる元素および各元素の組成比を適宜選択することによって実現することができる。たとえば、GaNのa軸格子定数は0.3189nm(3.189Å)であり、300Kにおけるバンドギャップは3.3eVであり、Al0.2Ga0.75In0.05Nのa軸格子定数は0.3191nm(3.191Å)であり、300Kにおけるバンドギャップは3.5eVであるので、チャネル層13をGaNで形成し、バリア層14をAl0.2Ga0.75In0.05Nで形成することによって、上記式(1)および(2)の関係を満足するチャネル層13およびバリア層14を実現することができる。 The channel layer 13 and the barrier layer 14 that satisfy the relationship of the above formulas (1) and (2) can be realized by appropriately selecting the elements contained in the semiconductor material constituting each layer and the composition ratio of each element. . For example, the a-axis lattice constant of GaN is 0.3189 nm (3.189Å), the band gap at 300 K is 3.3 eV, and the a-axis lattice constant of Al 0.2 Ga 0.75 In 0.05 N is Since the band gap at 300 K is 3.5 eV, the channel layer 13 is formed of GaN, and the barrier layer 14 is formed of Al 0.2 Ga 0.75 In 0.05 N. By forming, the channel layer 13 and the barrier layer 14 that satisfy the relationship of the above formulas (1) and (2) can be realized.

バッファ層12、チャネル層13およびバリア層14は、たとえば、有機金属化学気相成長(Molecular Organic Chemical Vapor Deposition;略称MOCVD)法、分子線エピタキシ(Molecular Beam Epitaxy;略称:MBE)法などによって形成することができる。これらの方法を用いてバッファ層12を形成する際の基板11の温度は、400℃以上、800℃以下であることが好ましい。基板11の温度を前記範囲にすることによって、基板11とバッファ層12との界面への積層欠陥の発生を一層抑制することができる。   The buffer layer 12, the channel layer 13, and the barrier layer 14 are formed by, for example, a metal organic chemical vapor deposition (abbreviation: MOCVD) method, a molecular beam epitaxy (abbreviation: MBE) method, or the like. be able to. The temperature of the substrate 11 when the buffer layer 12 is formed using these methods is preferably 400 ° C. or higher and 800 ° C. or lower. By setting the temperature of the substrate 11 within the above range, it is possible to further suppress the occurrence of stacking faults at the interface between the substrate 11 and the buffer layer 12.

バッファ層12の厚さは、たとえば20nmである。チャネル層13の厚さd1は、たとえば3μmである。バリア層14の厚さd2は、たとえば20nmである。本実施の形態では、第1半導体層であるチャネル層13の厚さd1は、第2半導体層であるバリア層14の厚さd2よりも大きく(d1>d2)なるように選択される。たとえば、チャネル層13の厚さd1が1〜3μm程度である場合、バリア層14の厚さd2は数十nmである。   The thickness of the buffer layer 12 is 20 nm, for example. The thickness d1 of the channel layer 13 is 3 μm, for example. The thickness d2 of the barrier layer 14 is 20 nm, for example. In the present embodiment, the thickness d1 of the channel layer 13 that is the first semiconductor layer is selected to be larger than the thickness d2 of the barrier layer 14 that is the second semiconductor layer (d1> d2). For example, when the thickness d1 of the channel layer 13 is about 1 to 3 μm, the thickness d2 of the barrier layer 14 is several tens of nm.

ピエゾ効果材層15は、ピエゾ効果を有する材料(ピエゾ材料)で形成される。ピエゾ効果材層15を形成するピエゾ材料としては、ピエゾ効果を有するものであれば特に制限されず、無機材料および有機材料のいずれを用いてもよい。以後、ピエゾ材料として用いられる無機材料を無機ピエゾ材料とも称する。また、ピエゾ材料として用いられる有機材料を有機ピエゾ材料とも称する。   The piezo effect material layer 15 is formed of a material having a piezo effect (piezo material). The piezo material for forming the piezo effect material layer 15 is not particularly limited as long as it has a piezo effect, and either an inorganic material or an organic material may be used. Hereinafter, an inorganic material used as a piezo material is also referred to as an inorganic piezo material. An organic material used as a piezo material is also referred to as an organic piezo material.

無機ピエゾ材料としては、ペロブスカイト構造を有する酸化物、蛍石型構造を有するフッ化物が好適に用いられる。これらの化合物は、顕著なピエゾ効果を示し、印加電圧を効率良く結晶変位に変換することができる。ピエゾ材料として、ペロブスカイト構造を有する酸化物および蛍石型構造を有するフッ化物のうちの少なくともいずれか1種を用いることによって、印加電圧をバリア層14に付与する応力に効率的に変換することのできるピエゾ効果材層15を実現することができる。したがって、チャネル層13とバリア層14とのヘテロ界面への2次元電子ガス層の形成の有無を効率良く制御することができる。これらの化合物の中でも、ペロブスカイト構造を有する酸化物は、優れたピエゾ効果を示すので、特に好適に用いられる。   As the inorganic piezo material, an oxide having a perovskite structure and a fluoride having a fluorite structure are preferably used. These compounds exhibit a remarkable piezo effect and can efficiently convert the applied voltage into crystal displacement. By using at least one of an oxide having a perovskite structure and a fluoride having a fluorite structure as a piezo material, an applied voltage can be efficiently converted into a stress applied to the barrier layer 14. A piezo effect material layer 15 can be realized. Therefore, the presence / absence of the formation of the two-dimensional electron gas layer at the heterointerface between the channel layer 13 and the barrier layer 14 can be efficiently controlled. Among these compounds, an oxide having a perovskite structure is particularly preferably used because it exhibits an excellent piezo effect.

ペロブスカイト構造を有する酸化物としては、ピエゾ効果を有するものであれば特に制限されず、公知のものを使用できる。その中でも、チタン酸バリウム(化学式BaTiO)、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛(化学式(Pb,La)(Zr,Ti)O)、タンタル酸ストロンチウムビスマス(化学式SrBiTa)、チタン酸ビスマス(化学式BiTi)、ニオブ酸リチウム(化学式LiNbO)およびニオブ酸ストロンチウム(化学式SrNb)は、強誘電体メモリ(Ferro-electric Random Access Memory;略称FeRAM)の強誘電体膜材料として用いられるほどに特に顕著なピエゾ効果を示し、印加電圧を一層効率良く結晶変位に変換させることができるので、好適に用いられる。これらの化合物を用いることによって、2次元電子ガス層が形成されている状態と形成されていない状態とをより小さい電圧で切換えることができるので、半導体装置1の消費電力量を低減することができる。 The oxide having a perovskite structure is not particularly limited as long as it has a piezo effect, and known oxides can be used. Among them, barium titanate (chemical formula BaTiO 3 ), lead lanthanum zirconate titanate (chemical formula (Pb, La) (Zr, Ti) O 3 ), strontium bismuth tantalate (chemical formula SrBi 2 Ta 2 O 9 ), titanic acid Bismuth (Chemical Formula Bi 4 Ti 3 O 9 ), Lithium Niobate (Chemical Formula LiNbO 3 ), and Strontium Niobate (Chemical Formula Sr 2 Nb 2 O 7 ) are used in Ferro-electric Random Access Memory (abbreviated as FeRAM). It is preferably used because it exhibits a particularly remarkable piezo effect as it is used as a ferroelectric film material and can convert the applied voltage into crystal displacement more efficiently. By using these compounds, the state in which the two-dimensional electron gas layer is formed and the state in which the two-dimensional electron gas layer is not formed can be switched with a smaller voltage, so that the power consumption of the semiconductor device 1 can be reduced. .

ここで、(Pb,La)(Zr,Ti)Oは、鉛(Pb)、ランタン(La)、ジルコニウム(Zr)およびチタン(Ti)の複合酸化物を表す。(Pb,La)(Zr,Ti)Oとしては、たとえばPb0.8La0.2Zr0.2Ti0.8などが挙げられる。(Pb,La)(Zr,Ti)Oは、PbおよびLaのいずれか一方を含有しないもの、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛Pb(Zr,Ti)Oなど、ならびにZrおよびTiのいずれか一方を含有しないものも含む。 Here, (Pb, La) (Zr, Ti) O 3 represents a composite oxide of lead (Pb), lanthanum (La), zirconium (Zr), and titanium (Ti). Examples of (Pb, La) (Zr, Ti) O 3 include Pb 0.8 La 0.2 Zr 0.2 Ti 0.8 O 3 . (Pb, La) (Zr, Ti) O 3 does not contain any one of Pb and La, for example, lead zirconate titanate Pb (Zr, Ti) O 3 , and any one of Zr and Ti Including those that do not contain.

蛍石型構造を有するフッ化物としては、ピエゾ効果を有するものであれば特に制限されず、公知のものを使用できる。その中でも、優れたピエゾ効果を示すことから、フッ化マグネシウムバリウム(化学式BaMgF)、フッ化マンガンバリウム(化学式BaMnF)が好適に用いられる。 The fluoride having a fluorite structure is not particularly limited as long as it has a piezo effect, and known ones can be used. Among these, magnesium barium fluoride (chemical formula BaMgF 4 ) and manganese barium fluoride (chemical formula BaMnF 4 ) are preferably used because they exhibit an excellent piezo effect.

これらの無機ピエゾ材料でピエゾ効果材層15を形成する場合、ピエゾ効果材層15は、反応性スパッタリング法などのスパッタ法、スピンコート法などによって形成することができる。たとえば、反応性スパッタリング法を用いる場合には、前述のピエゾ材料をターゲットに用い、バリア層14の表面に堆積させることによってピエゾ効果材層15を形成することができる。このときの基板11の温度は、たとえば600℃程度である。スパッタガスとしては、たとえば、アルゴン(分子式Ar)などの希ガスに、酸素(分子式O)などの活性ガスを混合したプラズマなどが挙げられる。また、スピンコート法を用いる場合には、前述のピエゾ材料を適当な溶剤に溶解または分散させた溶液をバリア層14の表面に塗布した後、焼成することによって形成することができる。このときの焼成温度は、たとえば500〜700℃程度である。 When the piezo effect material layer 15 is formed from these inorganic piezo materials, the piezo effect material layer 15 can be formed by a sputtering method such as a reactive sputtering method, a spin coating method, or the like. For example, when the reactive sputtering method is used, the piezo effect material layer 15 can be formed by using the piezo material described above as a target and depositing it on the surface of the barrier layer 14. The temperature of the board | substrate 11 at this time is about 600 degreeC, for example. Examples of the sputtering gas include plasma in which an active gas such as oxygen (molecular formula O 2 ) is mixed with a rare gas such as argon (molecular formula Ar). In addition, when the spin coating method is used, it can be formed by applying a solution obtained by dissolving or dispersing the above-described piezo material in an appropriate solvent on the surface of the barrier layer 14 and then baking it. The firing temperature at this time is about 500-700 degreeC, for example.

ピエゾ効果材層15のピエゾ材料として用いられる有機材料としては、優れたピエゾ効果を示すことから、ポリフッ化ビニリデンが好適に用いられる。   As the organic material used as the piezo material of the piezo effect material layer 15, polyvinylidene fluoride is preferably used since it exhibits an excellent piezo effect.

有機ピエゾ材料を用いる場合には、スピンコート法などによってピエゾ効果材層15を形成することができる。具体的には、前述の有機ピエゾ材料を適当な溶剤に溶解または分散させた溶液をバリア層14の表面に塗布した後、乾燥させることによってピエゾ効果材層15を形成することができる。塗布後の乾燥温度は、たとえば80〜150℃であり、無機ピエゾ材料を用いてスパッタ法でピエゾ効果材層15を形成する際の基板11の温度および無機ピエゾ材料を用いてスピンコート法でピエゾ効果材層15を形成する際の焼成温度よりも低い。また、有機ピエゾ材料を用いると、無機ピエゾ材料を用いてスピンコート法でピエゾ効果材層15を形成する場合に必要な焼成工程が不要になる。   When an organic piezo material is used, the piezo effect material layer 15 can be formed by a spin coating method or the like. Specifically, the piezo effect material layer 15 can be formed by applying a solution obtained by dissolving or dispersing the above-described organic piezo material in an appropriate solvent to the surface of the barrier layer 14 and then drying it. The drying temperature after application is, for example, 80 to 150 ° C., and the temperature of the substrate 11 when the piezoelectric effect material layer 15 is formed by sputtering using an inorganic piezo material and the piezo by spin coating using the inorganic piezo material. It is lower than the firing temperature when forming the effect material layer 15. In addition, when an organic piezo material is used, a firing step required when the piezo effect material layer 15 is formed by spin coating using an inorganic piezo material is not necessary.

このように、有機ピエゾ材料を用いた場合には、前述の無機ピエゾ材料を用いる場合に比べて、低い温度でピエゾ効果材層15を形成することができる。これによって、基板11、ならびにピエゾ効果材層15の形成前に基板11の一方の表面部側に形成されるバッファ層12、チャネル層13およびバリア層14などの各層の加熱による特性変化を防ぐことができる。たとえば、チャネル層13およびバリア層14への加熱による格子欠陥の発生を防ぎ、バンドギャップなどの変化を抑制することができる。したがって、ポリフッ化ビニリデンなどの有機ピエゾ材料を用いることによって、半導体装置1の誤作動を防止し、信頼性を向上させることができる。   Thus, when an organic piezo material is used, the piezo effect material layer 15 can be formed at a lower temperature than when the above-described inorganic piezo material is used. This prevents changes in characteristics due to heating of the layers such as the buffer layer 12, the channel layer 13, and the barrier layer 14 formed on the one surface portion side of the substrate 11 before the formation of the substrate 11 and the piezoelectric effect material layer 15. Can do. For example, generation of lattice defects due to heating of the channel layer 13 and the barrier layer 14 can be prevented, and changes in the band gap and the like can be suppressed. Therefore, by using an organic piezo material such as polyvinylidene fluoride, malfunction of the semiconductor device 1 can be prevented and reliability can be improved.

ピエゾ材料として無機材料および有機材料のいずれを用いるかは、チャネル層13、バリア層14などの各層を構成する材料の種類などに応じて適宜選択することができる。   Whether an inorganic material or an organic material is used as the piezo material can be appropriately selected according to the type of material constituting each layer such as the channel layer 13 and the barrier layer 14.

ピエゾ効果材層15の厚さは、たとえば100〜1500nmである。ピエゾ効果材層15の厚さは、これに限定されず、バリア層14の厚さd2、バリア層14を構成する半導体材料の種類、ピエゾ効果材層15を構成するピエゾ材料の種類などの各種条件に応じて、広い範囲から適宜選択することができる。   The thickness of the piezo effect material layer 15 is, for example, 100 to 1500 nm. The thickness of the piezo effect material layer 15 is not limited to this. Various thicknesses such as the thickness d2 of the barrier layer 14, the type of semiconductor material constituting the barrier layer 14, and the type of piezo material constituting the piezo effect material layer 15 are available. According to conditions, it can select suitably from a wide range.

本実施の形態とは異なるけれども、ピエゾ効果材層15は、ソース電極16およびドレイン電極17に接しないように、ソース電極16およびドレイン電極17から間隔を空けて設けられてもよい。ただし、バリア層14に対して効率的に面内引張応力を付与するためには、本実施の形態のように、バリア層14のソース電極16およびドレイン電極17が形成されていない部分全体を覆うように、ソース電極16およびドレイン電極17に接してピエゾ効果材層15を形成する方が好ましい。このようにバリア層14のソース電極16およびドレイン電極17が形成されていない部分全体を覆うようにピエゾ効果材層15を形成することによって、バリア層14のより多くの部分にピエゾ効果材層15からの応力を付与し、バリア層14を効率的に歪ませることができる。   Although different from the present embodiment, the piezoelectric effect material layer 15 may be provided at a distance from the source electrode 16 and the drain electrode 17 so as not to contact the source electrode 16 and the drain electrode 17. However, in order to efficiently apply in-plane tensile stress to the barrier layer 14, the entire portion of the barrier layer 14 where the source electrode 16 and the drain electrode 17 are not formed is covered as in the present embodiment. Thus, it is preferable to form the piezoelectric effect material layer 15 in contact with the source electrode 16 and the drain electrode 17. In this way, by forming the piezo effect material layer 15 so as to cover the entire portion of the barrier layer 14 where the source electrode 16 and the drain electrode 17 are not formed, the piezo effect material layer 15 is formed in a larger portion of the barrier layer 14. Therefore, the barrier layer 14 can be efficiently distorted.

ソース電極16およびドレイン電極17は、たとえばハフニウム(化学式Hf)、アルミニウム(化学式Al)、金(化学式Au)などの金属材料などの導電性材料で形成される。ソース電極16およびドレイン電極17は、前述の導電性材料で形成される膜をその厚み方向に積層して成る多層導電膜で形成されてもよい。ソース電極16およびドレイン電極17は、たとえば、バリア層14の厚み方向一方側の表面部にソース電極16およびドレイン電極17を形成するべく予め定める部分が開口されたレジストマスクを形成した後、レジストマスクで覆われていない部分に前述の導電性材料をスパッタ法などによって堆積させて導電膜を形成することによって形成される。ソース電極16およびドレイン電極17の厚さ、すなわちソース電極16およびドレイン電極17となる導電膜の厚さは、たとえば300nmである。   The source electrode 16 and the drain electrode 17 are formed of a conductive material such as a metal material such as hafnium (chemical formula Hf), aluminum (chemical formula Al), or gold (chemical formula Au). The source electrode 16 and the drain electrode 17 may be formed of a multilayer conductive film formed by stacking films formed of the above-described conductive materials in the thickness direction. The source electrode 16 and the drain electrode 17 are formed by, for example, forming a resist mask having openings that are predetermined in order to form the source electrode 16 and the drain electrode 17 on the surface portion on one side in the thickness direction of the barrier layer 14. The conductive material is formed by depositing the above-described conductive material by a sputtering method or the like on a portion not covered with the film. The thickness of the source electrode 16 and the drain electrode 17, that is, the thickness of the conductive film that becomes the source electrode 16 and the drain electrode 17, is, for example, 300 nm.

ゲート電極18は、たとえば金(Au)などの導電性材料で形成される。ゲート電極18は、たとえばスパッタ法などによって形成することができる。ゲート電極18の厚さは、たとえば200nmである。   The gate electrode 18 is formed of a conductive material such as gold (Au). The gate electrode 18 can be formed, for example, by sputtering. The thickness of the gate electrode 18 is, for example, 200 nm.

以上に述べた基板11、バッファ層12、チャネル層13、バリア層14、ソース電極16、ドレイン電極17およびゲート電極18の厚さ、ならびに各層の形成工程などにおける温度などは、以上に述べた値に制限されず、基板11および各層を構成する材料の種類などに応じて広い範囲から適宜選択することができる。   The thicknesses of the substrate 11, the buffer layer 12, the channel layer 13, the barrier layer 14, the source electrode 16, the drain electrode 17, and the gate electrode 18 described above, and the temperature in the formation process of each layer are the values described above. However, it can be appropriately selected from a wide range according to the type of the material constituting the substrate 11 and each layer.

以上のように、本実施の形態の半導体装置1は、第2半導体層であるバリア層14に応力を付与する応力付与手段として、ピエゾ効果材層15を備える。応力付与手段は、ピエゾ効果材層15に限定されず、ピエゾ効果材層15のように、バリア層14に少なくとも面内引張応力を付与することができ、かつその応力の付与状態を制御することのできるものであれば、応力付与手段として用いることができる。ただし、本実施の形態のように、ピエゾ効果材層15を用いる方が、バリア層14への応力の付与状態の制御が容易であり、また装置構成を簡略化することができるので好ましい。   As described above, the semiconductor device 1 of the present embodiment includes the piezo effect material layer 15 as a stress applying unit that applies stress to the barrier layer 14 that is the second semiconductor layer. The stress applying means is not limited to the piezo effect material layer 15, and at least in-plane tensile stress can be applied to the barrier layer 14 as in the piezo effect material layer 15, and the stress application state is controlled. Can be used as stress applying means. However, it is preferable to use the piezo effect material layer 15 as in the present embodiment because it is easy to control the state of stress applied to the barrier layer 14 and the apparatus configuration can be simplified.

図2は、本発明の実施の他の形態である半導体装置2の構成を簡略化して示す断面図である。本実施の形態の半導体装置2は、前述の実施の一形態の半導体装置1と類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。本実施の形態の半導体装置2において注目すべきは、バッファ層22が、異なる半導体材料で形成される2種類の層を含むことである。具体的には、バッファ層22は、第1バッファ層20と、第1バッファ層20を構成する半導体材料と異なる半導体材料で形成される第2バッファ層21とが交互に積層された積層構造を有する。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing a simplified configuration of a semiconductor device 2 according to another embodiment of the present invention. The semiconductor device 2 of the present embodiment is similar to the semiconductor device 1 of the above-described embodiment, and corresponding portions are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. It should be noted in the semiconductor device 2 of the present embodiment that the buffer layer 22 includes two types of layers formed of different semiconductor materials. Specifically, the buffer layer 22 has a stacked structure in which first buffer layers 20 and second buffer layers 21 formed of a semiconductor material different from the semiconductor material constituting the first buffer layer 20 are alternately stacked. Have.

このように、バッファ層22を複数の層で形成すると、基板11と接する側に基板11との格子整合性に優れるバッファ層を設け、チャネル層13と接する側にチャネル層13との格子整合性に優れるバッファ層を設けることができる。したがって、バッファ層22と基板11との界面付近およびバッファ層22とチャネル層13との界面付近への積層欠陥の発生を一層抑制することができるので、キャリア輸送性能を向上させることができる。   Thus, when the buffer layer 22 is formed of a plurality of layers, a buffer layer having excellent lattice matching with the substrate 11 is provided on the side in contact with the substrate 11, and lattice matching with the channel layer 13 is provided on the side in contact with the channel layer 13. Can be provided. Therefore, the occurrence of stacking faults in the vicinity of the interface between the buffer layer 22 and the substrate 11 and in the vicinity of the interface between the buffer layer 22 and the channel layer 13 can be further suppressed, so that the carrier transport performance can be improved.

バッファ層22は、前述の実施形態のバッファ層12と同様の材料を用いて形成することができる。バッファ層22は、たとえば、MOCVD法、MBE法などを用いて、基板11の表面部に第1バッファ層20および第2バッファ層21を交互に積層することによって形成することができる。バッファ層22の全体の厚さは、たとえば20nmである。   The buffer layer 22 can be formed using the same material as the buffer layer 12 of the above-described embodiment. The buffer layer 22 can be formed by alternately laminating the first buffer layer 20 and the second buffer layer 21 on the surface portion of the substrate 11 by using, for example, the MOCVD method, the MBE method, or the like. The total thickness of the buffer layer 22 is, for example, 20 nm.

本実施の形態では、バッファ層22は、3つの第1バッファ層20と3つの第2バッファ層21とを含む。バッファ層22を構成する層の数はこれに限定されず、広い範囲から適宜選択することができる。たとえば、バッファ層22は、1つの第1バッファ層20と1つの第2バッファ層21とで形成されてもよい。また、バッファ層22を構成する層の種類は、本実施の形態では2種類であるけれども、これに限定されず、3種類以上であってもよい。   In the present embodiment, the buffer layer 22 includes three first buffer layers 20 and three second buffer layers 21. The number of layers constituting the buffer layer 22 is not limited to this, and can be appropriately selected from a wide range. For example, the buffer layer 22 may be formed of one first buffer layer 20 and one second buffer layer 21. Moreover, although there are two types of layers constituting the buffer layer 22 in the present embodiment, the type is not limited to this and may be three or more types.

以上に述べた実施の第一形態および他の形態の半導体装置1,2は、電界効果型トランジスタであるけれども、本発明の半導体装置は、これに限定されず、少なくとも、上記式(1)および(2)を満足する第1半導体層および第2半導体層の2種類の半導体層と、第2半導体層に応力を付与する応力付与手段とを備えるものであれば、どのような構成であってもよい。   Although the semiconductor devices 1 and 2 of the first embodiment and the other embodiments described above are field effect transistors, the semiconductor device of the present invention is not limited to this, and at least the above formula (1) and What is the configuration as long as it includes two types of semiconductor layers, the first semiconductor layer and the second semiconductor layer satisfying (2), and stress applying means for applying stress to the second semiconductor layer? Also good.

(実施例1)
本実施例では、以下のようにして、前述の図1に示す半導体装置1と同様の構成の電界効果型トランジスタ(略称FET)を作製した。
Example 1
In this example, a field effect transistor (abbreviated as FET) having the same configuration as that of the semiconductor device 1 shown in FIG. 1 was manufactured as follows.

MOCVD法を用いて、厚さ350μmのサファイア基板(以後、単に基板とも称する)上に、窒化ガリウム(GaN)からなる厚さ20nmのバッファ層を基板温度500℃で成長させ、引続いて基板温度1100℃で窒化ガリウム(GaN)からなるチャネル層を3μm成長させた。さらにチャネル層の上に、基板温度1100℃で、Al0.2Ga0.75In0.05Nからなるバリア層を20nm成長させた。 Using a MOCVD method, a 20 nm thick buffer layer made of gallium nitride (GaN) is grown at a substrate temperature of 500 ° C. on a 350 μm thick sapphire substrate (hereinafter also referred to simply as a substrate). A channel layer made of gallium nitride (GaN) was grown at 1100 ° C. by 3 μm. Further, a barrier layer made of Al 0.2 Ga 0.75 In 0.05 N was grown to 20 nm on the channel layer at a substrate temperature of 1100 ° C.

なお、チャネル層を構成するGaNのa軸格子定数aは0.3189nm(3.189Å)であり、300KにおけるバンドギャップEgは3.3eVである。バリア層を構成するAl0.2Ga0.75In0.05Nのa軸格子定数aは0.3191nm(3.191Å)であり、300KにおけるバンドギャップEgは3.5eVである。 The a-axis lattice constant a 1 of GaN constituting the channel layer is 0.3189 nm (3.1893), and the band gap Eg 1 at 300 K is 3.3 eV. The a-axis lattice constant a 2 of Al 0.2 Ga 0.75 In 0.05 N constituting the barrier layer is 0.3191 nm (3.191 19), and the band gap Eg 2 at 300 K is 3.5 eV.

次いで、バリア層の上にレジスト層を形成し、フォトリソグラフィー技術を用いてパターニングし、ソース電極およびドレイン電極を形成するべく予め定める部分が開口されたレジストマスクを形成した。バリア層のレジストマスクで覆われていない部分に、ハフニウム(Hf)を10nm、アルミニウム(Al)を100nm、ハフニウム(Hf)を40nm、金(Au)を240nm順次堆積させて、Hf(10nm)/Al(100nm)/Hf(40nm)/Au(240nm)の多層膜を形成し、温度825℃で30秒間熱処理を行ない、ソース電極およびドレイン電極を形成した。   Next, a resist layer was formed on the barrier layer, and was patterned using a photolithography technique to form a resist mask in which predetermined portions were opened to form a source electrode and a drain electrode. Hafnium (Hf) is deposited to 10 nm, aluminum (Al) is deposited to 100 nm, hafnium (Hf) is deposited to 40 nm, and gold (Au) is deposited to 240 nm sequentially on the portion of the barrier layer that is not covered with the resist mask, and Hf (10 nm) / A multilayer film of Al (100 nm) / Hf (40 nm) / Au (240 nm) was formed, and heat treatment was performed at a temperature of 825 ° C. for 30 seconds to form a source electrode and a drain electrode.

次いで、レジストマスクを除去し、バリア層のソース電極およびドレイン電極が形成されていない部分に、スパッタ法によって基板温度600℃でチタン酸バリウム(BaTiO)を1μm堆積させ、ピエゾ効果材層を形成した。本実施例では、チタン酸バリウム(BaTiO)をターゲットに用いて、アルゴン(Ar)と酸素(O)とを混合したプラズマによる反応性スパッタリングによってピエゾ効果材層を形成した。 Next, the resist mask is removed, and 1 μm of barium titanate (BaTiO 3 ) is deposited by sputtering at a substrate temperature of 600 ° C. on the portion of the barrier layer where the source electrode and drain electrode are not formed to form a piezo-effect material layer did. In this example, a piezoelectric effect material layer was formed by reactive sputtering using plasma in which argon (Ar) and oxygen (O 2 ) were mixed using barium titanate (BaTiO 3 ) as a target.

形成されたピエゾ効果材層、ソース電極およびドレイン電極の上に、ゲート電極を形成するべく予め定める部分が開口されたレジストマスクを形成し、ピエゾ効果材層のレジストマスクで覆われていない部分に、金(Au)を0.5μm堆積させ、ゲート電極を形成した。   On the formed piezo effect material layer, the source electrode and the drain electrode, a resist mask having a predetermined portion opened to form a gate electrode is formed, and the piezo effect material layer is not covered with the resist mask. Gold (Au) was deposited to a thickness of 0.5 μm to form a gate electrode.

以上のようにして、実施例1の電界効果型トランジスタを作製した。作製したトランジスタについて、ソース−ドレイン間電圧VDSとドレイン電流Iとの関係(以後、電流−電圧特性と称する)を、ゲート電圧Vgを変化させて調べた。その結果を図3に示す。 As described above, the field effect transistor of Example 1 was fabricated. With respect to the manufactured transistor, the relationship between the source-drain voltage V DS and the drain current ID (hereinafter referred to as current-voltage characteristics) was examined by changing the gate voltage Vg. The result is shown in FIG.

図3は、実施例1で作製したトランジスタの電流−電圧特性を示す図である。図3において、横軸はソース−ドレイン間電圧VDS(V)を示し、縦軸はドレイン電流I(mA)を示す。また、図3において、参照符31で示される曲線はゲート電圧Vgが0Vの場合を示し、参照符32で示される曲線はゲート電圧Vgが3Vの場合を示し、参照符33で示される曲線はゲート電圧Vgが6Vの場合を示し、参照符34で示される曲線はゲート電圧Vgが9Vの場合を示し、参照符35で示される曲線はゲート電圧Vgが12Vの場合を示す。 FIG. 3 is a graph showing current-voltage characteristics of the transistor manufactured in Example 1. In FIG. 3, the horizontal axis represents the source-drain voltage V DS (V), and the vertical axis represents the drain current I D (mA). In FIG. 3, a curve indicated by reference numeral 31 indicates a case where the gate voltage Vg is 0V, a curve indicated by reference numeral 32 indicates a case where the gate voltage Vg is 3V, and a curve indicated by the reference numeral 33 is The case where the gate voltage Vg is 6V is shown, the curve indicated by reference numeral 34 indicates the case where the gate voltage Vg is 9V, and the curve indicated by reference numeral 35 indicates the case where the gate voltage Vg is 12V.

図3に示すように、実施例1で作製したトランジスタは、参照符31で示されるゲート電圧Vgがゼロ(0)の場合には、ソース−ドレイン間電圧VDSを増加させてもドレイン電流Iは流れず、ノーマルオフタイプのトランジスタであることが判った。 As shown in FIG. 3, in the transistor manufactured in Example 1, when the gate voltage Vg indicated by reference numeral 31 is zero (0), the drain current I is increased even if the source-drain voltage V DS is increased. D did not flow and was found to be a normally-off type transistor.

(実施例2)
本実施例では、実施例1と同様の構造のトランジスタにおいて、ピエゾ効果材層を形成するピエゾ材料の種類を変化させた場合の電流−電圧特性を調べた。
(Example 2)
In this example, in the transistor having the same structure as that of Example 1, the current-voltage characteristics when the type of the piezo material forming the piezo effect material layer was changed were examined.

具体的には、表1に示す各ピエゾ材料を用いて表1に示す厚さのピエゾ効果材層を形成し、さらに基板として炭化ケイ素(SiC)基板を用い、バッファ層を窒化アルミニウム(AlN)で形成し、チャネル層を、In0.05Ga0.95Nを基板温度800℃で成長させて形成し、バリア層を、Al0.1Ga0.83In0.07Nを基板温度800℃で成長させて形成する以外は、実施例1と同様にして、表1に示すサンプル1〜8のトランジスタを作製した。ピエゾ効果材層以外の層および基板の厚さは、実施例1のトランジスタと同様とした。 Specifically, a piezo effect material layer having the thickness shown in Table 1 is formed using each piezo material shown in Table 1, and a silicon carbide (SiC) substrate is used as the substrate, and the buffer layer is made of aluminum nitride (AlN). The channel layer is formed by growing In 0.05 Ga 0.95 N at a substrate temperature of 800 ° C., and the barrier layer is formed by using Al 0.1 Ga 0.83 In 0.07 N at a substrate temperature of 800 ° C. The transistors of Samples 1 to 8 shown in Table 1 were fabricated in the same manner as in Example 1 except that the transistors were grown at 0 ° C. Layers other than the piezoelectric effect material layer and the thickness of the substrate were the same as those of the transistor of Example 1.

なお、チャネル層を構成するIn0.05Ga0.95Nのa軸格子定数aは0.3207nm(3.207Å)であり、300KにおけるバンドギャップEgは3.25eVである。バリア層を構成するAl0.1Ga0.83In0.07Nのa軸格子定数aは0.3207nm(3.207Å)であり、300KにおけるバンドギャップEgは3.4eVである。 The a-axis lattice constant a 1 of In 0.05 Ga 0.95 N constituting the channel layer is 0.3207 nm (3.2073), and the band gap Eg 1 at 300 K is 3.25 eV. The a-axis lattice constant a 2 of Al 0.1 Ga 0.83 In 0.07 N constituting the barrier layer is 0.3207 nm (3.207 Å), and the band gap Eg 2 at 300 K is 3.4 eV.

表1に示すサンプル1〜8の各トランジスタについて、実施例1と同様にして、電流−電圧特性を調べたところ、ゲート電圧がゼロの場合には、ソース−ドレイン間電圧VDSを増加させてもドレイン電流Iは流れず、ノーマルオフタイプのトランジスタであることが判った。 The current-voltage characteristics of each of the transistors 1 to 8 shown in Table 1 were examined in the same manner as in Example 1. When the gate voltage was zero, the source-drain voltage VDS was increased. However, the drain current ID did not flow, and it was found that the transistor was a normally-off type transistor.

また、サンプル1〜8の各トランジスタについて、ソース−ドレイン間電圧VDSが20Vであるときにドレイン電流Iが200mAとなるゲート電圧Vg(V)を求めた。結果を表1に示す。 For each of the transistors in Samples 1 to 8, the gate voltage Vg (V) at which the drain current ID was 200 mA when the source-drain voltage V DS was 20 V was obtained. The results are shown in Table 1.

Figure 0004745652
Figure 0004745652

サンプル1とサンプル7との比較、およびサンプル2とサンプル8との比較から、ピエゾ材料としてペロブスカイト構造を有する酸化物を用いたサンプル1および2のトランジスタは、蛍石型構造を有するフッ化物を用いたサンプル7および8のトランジスタに比べ、より小さいゲート電圧Vgで同量のドレイン電流Iを流すことができることが判った。 From the comparison between sample 1 and sample 7, and the comparison between sample 2 and sample 8, the transistors of samples 1 and 2 using oxides having a perovskite structure as piezo materials use fluorides having a fluorite structure. It was found that the same amount of drain current ID can be flowed with a smaller gate voltage Vg than the transistors of Samples 7 and 8.

(実施例3)
本実施例では、ピエゾ効果材層であるチタン酸バリウム(BaTiO)層の厚さを200nmにする以外は、実施例1と同様にして、実施例3の電界効果型トランジスタを作製した。
(Example 3)
In this example, the field effect transistor of Example 3 was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the barium titanate (BaTiO 3 ) layer, which is a piezoelectric effect material layer, was 200 nm.

作製したトランジスタについて、実施例1と同様にして、電流−電圧特性を調べたところ、ゲート電圧がゼロの場合には、ソース−ドレイン間電圧VDSを増加させてもドレイン電流Iは流れず、ノーマルオフタイプのトランジスタであることが判った。 When the current-voltage characteristics of the manufactured transistor were examined in the same manner as in Example 1, when the gate voltage was zero, the drain current ID did not flow even when the source-drain voltage V DS was increased. It was found to be a normally-off type transistor.

また、作製したトランジスタについて、ソース−ドレイン間電圧VDSが20Vであるときにドレイン電流Iが200mAとなるゲート電圧Vg(V)を求めたところ、20Vであった。 Further, when the gate voltage Vg (V) at which the drain current ID is 200 mA when the source-drain voltage V DS is 20 V is obtained for the manufactured transistor, it is 20 V.

この結果と表1に示す実施例2のサンプル1の結果とを比較すると、チャネル層のa軸格子定数aとバリア層のa軸格子定数aとが等しいサンプル1のトランジスタの方が、チャネル層のa軸格子定数aとバリア層のa軸格子定数aとの差が0.0002nmである実施例3のトランジスタに比べ、より小さいゲート電圧Vgで同量のドレイン電流Iを流すことができることが判った。このことから、チャネル層のa軸格子定数aとバリア層のa軸格子定数aとの差が小さいほど、より小さいゲート電圧でトランジスタをオンさせることができることが判る。 Comparing the results of this result and sample 1 of Example 2 shown in Table 1, towards the a-axis lattice constant a 1 and a barrier layer a-axis lattice constant a 2 are equal sample 1 of the transistor channel layer, the difference between the a-axis lattice constant a 2 of the a-axis lattice constant a 1 and a barrier layer of the channel layer than in the transistor of example 3 is 0.0002Nm, the drain current I D of the same amount in a smaller gate voltage Vg It turned out that it can flow. Therefore, as the difference between the a-axis lattice constant a 2 of the a-axis lattice constant a 1 and a barrier layer of the channel layer is small, it can be seen that it is possible to turn on the transistor with a smaller gate voltage.

(実施例4)
本実施例では、以下のようにして、前述の図2に示す半導体装置2と同様の構成のトランジスタを作製した。
Example 4
In this example, a transistor having the same configuration as that of the semiconductor device 2 shown in FIG. 2 was manufactured as follows.

MOCVD法を用いて、厚さ350μmのシリコン(Si)基板上に、窒化ガリウム(GaN)膜および窒化アルミニウム(AlN)膜をGaN膜から順に基板温度500℃で交互に成長させ、GaN膜10層とAlN膜10層とのGaN/AlN多層膜からなる厚さ200nmのバッファ層を形成した。GaN/AlN多層膜を構成する各層のGaN膜およびAlN膜の厚さは、それぞれ10nmとした。引続いて基板温度1100℃で窒化ガリウム(GaN)からなる厚さ1.5μmのチャネル層を形成した。さらにチャネル層の上に、基板温度1100℃で、B0.02Ga0.9In0.08Nからなる厚さ10nmのバリア層を形成した。 Using MOCVD, a gallium nitride (GaN) film and an aluminum nitride (AlN) film are alternately grown on a 350 μm thick silicon (Si) substrate in this order from the GaN film at a substrate temperature of 500 ° C. A buffer layer having a thickness of 200 nm made of a GaN / AlN multilayer film of 10 layers of AlN was formed. The thickness of the GaN film and AlN film of each layer constituting the GaN / AlN multilayer film was 10 nm. Subsequently, a channel layer having a thickness of 1.5 μm made of gallium nitride (GaN) was formed at a substrate temperature of 1100 ° C. Further, a 10 nm thick barrier layer made of B 0.02 Ga 0.9 In 0.08 N was formed on the channel layer at a substrate temperature of 1100 ° C.

なお、チャネル層を構成するGaNのa軸格子定数aは0.3189nm(3.189Å)であり、300KにおけるバンドギャップEgは3.3eVである。バリア層を構成するB0.02Ga0.9In0.08Nのa軸格子定数aは0.3205nm(3.205Å)であり、300KにおけるバンドギャップEgは3.5eVである。 The a-axis lattice constant a 1 of GaN constituting the channel layer is 0.3189 nm (3.1893), and the band gap Eg 1 at 300 K is 3.3 eV. The a-axis lattice constant a 2 of B 0.02 Ga 0.9 In 0.08 N constituting the barrier layer is 0.3205 nm (3.205 Å), and the band gap Eg 2 at 300 K is 3.5 eV.

次いで、実施例1と同様にして、Hf(10nm)/Al(100nm)/Hf(40nm)/Au(240nm)多層膜からなるソース電極およびドレイン電極を形成した。その後、バリア層のソース電極およびドレイン電極が形成された部分を除く部分に、スピンコート法を用いてポリフッ化ビニリデン(比重1.79、融点175℃)を塗布し、ピエゾ効果材層として厚さ500nmのポリフッ化ビニリデン膜を形成した。次いで、実施例1と同様にして、ゲート電極を形成した。   Next, in the same manner as in Example 1, a source electrode and a drain electrode composed of a multilayer film of Hf (10 nm) / Al (100 nm) / Hf (40 nm) / Au (240 nm) were formed. Thereafter, polyvinylidene fluoride (specific gravity: 1.79, melting point: 175 ° C.) is applied to the portion of the barrier layer excluding the portion where the source electrode and the drain electrode are formed, using a spin coating method, and the thickness is obtained as a piezoelectric effect material layer. A 500 nm polyvinylidene fluoride film was formed. Next, a gate electrode was formed in the same manner as in Example 1.

以上のようにして、実施例4の電界効果型トランジスタを作製した。作製したトランジスタについて、実施例1と同様にして電流−電圧特性を調べた。その結果を図4に示す。   As described above, the field-effect transistor of Example 4 was produced. About the produced transistor, it carried out similarly to Example 1, and investigated the current-voltage characteristic. The result is shown in FIG.

図4は、実施例4で作製したトランジスタの電流−電圧特性を示す図である。図4において、横軸はソース−ドレイン間電圧VDS(V)を示し、縦軸はドレイン電流I(mA)を示す。また、図4において、参照符41で示される曲線はゲート電圧Vgが0Vの場合を示し、参照符42で示される曲線はゲート電圧Vgが3Vの場合を示し、参照符43で示される曲線はゲート電圧Vgが6Vの場合を示し、参照符44で示される曲線はゲート電圧Vgが9Vの場合を示し、参照符45で示される曲線はゲート電圧Vgが12Vの場合を示す。 FIG. 4 is a graph showing current-voltage characteristics of the transistor manufactured in Example 4. In FIG. 4, the horizontal axis represents the source-drain voltage V DS (V), and the vertical axis represents the drain current I D (mA). In FIG. 4, the curve indicated by reference numeral 41 indicates the case where the gate voltage Vg is 0 V, the curve indicated by reference numeral 42 indicates the case where the gate voltage Vg is 3 V, and the curve indicated by the reference numeral 43 is The case where the gate voltage Vg is 6V, the curve indicated by reference numeral 44 indicates the case where the gate voltage Vg is 9V, and the curve indicated by reference numeral 45 indicates the case where the gate voltage Vg is 12V.

図4に示すように、実施例4のトランジスタは、実施例1のトランジスタと同様、参照符41で示されるゲート電圧Vgがゼロの場合にはドレイン電流Iが流れず、ノーマルオフタイプのトランジスタであることが判った。 As shown in FIG. 4, in the transistor of the fourth embodiment, the drain current ID does not flow when the gate voltage Vg indicated by reference numeral 41 is zero, as in the transistor of the first embodiment. It turned out that.

また、実施例1のトランジスタと実施例4のトランジスタとを比較すると、実施例4のトランジスタでは、同じ大きさのゲート電圧Vgを印加したときに得られるドレイン電流Iの大きさが、実施例1のトランジスタと比べて小さくなっている。たとえば、実施例4のトランジスタでは、参照符45で示されるゲート電圧Vgが12Vの場合には、ドレイン電流Iは150mAであるけれども、実施例1のトランジスタでは、図3の参照符35で示されるゲート電圧Vgが12Vの場合には、ドレイン電流Iは200mAになっている。 Further, comparing the transistor of Example 1 with the transistor of Example 4, in the transistor of Example 4, the magnitude of the drain current ID obtained when the same gate voltage Vg was applied was The size is smaller than that of the first transistor. For example, in the transistor of Example 4, when the gate voltage Vg indicated by reference numeral 45 is 12 V, the drain current ID is 150 mA. However, in the transistor of Example 1, it is indicated by reference numeral 35 in FIG. When the gate voltage Vg applied is 12V, the drain current ID is 200 mA.

これは、実施例1のトランジスタでは、ピエゾ材料としてペロブスカイト構造の酸化物を用いているので、ポリフッ化ビニリデンを用いた実施例4のトランジスタに比べ、より小さな電圧でピエゾ効果材層の変形が生じ、バリア層に応力を付与することができたためであると推察される。   This is because the transistor of Example 1 uses an oxide having a perovskite structure as the piezo material, so that the piezoelectric effect material layer is deformed at a smaller voltage than the transistor of Example 4 using polyvinylidene fluoride. This is presumed to be because stress could be applied to the barrier layer.

以上のように、第1半導体層であるチャネル層と第2半導体層であるバリア層とを上記式(1)および(2)の関係を満足するように形成し、応力付与手段としてピエゾ効果材層を設けることによって、ノーマルオフタイプの電界効果型トランジスタを実現することができた。   As described above, the channel layer, which is the first semiconductor layer, and the barrier layer, which is the second semiconductor layer, are formed so as to satisfy the relationship of the above formulas (1) and (2), and the piezo-effect material is used as the stress applying means. By providing the layer, a normally-off type field effect transistor could be realized.

本発明の実施の一形態である半導体装置1の構成を簡略化して示す断面図である。It is sectional drawing which simplifies and shows the structure of the semiconductor device 1 which is one Embodiment of this invention. 本発明の実施の他の形態である半導体装置2の構成を簡略化して示す断面図である。It is sectional drawing which simplifies and shows the structure of the semiconductor device 2 which is the other embodiment of this invention. 実施例1で作製したトランジスタの電流−電圧特性を示す図である。6 is a graph showing current-voltage characteristics of a transistor manufactured in Example 1. FIG. 実施例4で作製したトランジスタの電流−電圧特性を示す図である。6 is a graph showing current-voltage characteristics of a transistor manufactured in Example 4. FIG. 従来のヘテロ構造を用いた電界効果型トランジスタの電流−電圧特性の一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically an example of the current-voltage characteristic of the field effect transistor using the conventional hetero structure. シリコンを用いたノーマルオフタイプのトランジスタの電流−電圧特性の一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically an example of the current-voltage characteristic of the normally-off type transistor using silicon.

符号の説明Explanation of symbols

1,2 半導体装置
11 基板
12,22 バッファ層
13 チャネル層
14 バリア層
15 ピエゾ効果材層
16 ソース電極
17 ドレイン電極
18 ゲート電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2 Semiconductor device 11 Substrate 12, 22 Buffer layer 13 Channel layer 14 Barrier layer 15 Piezoelectric effect material layer 16 Source electrode 17 Drain electrode 18 Gate electrode

Claims (6)

窒化物系III−V族化合物半導体で構成される第1半導体層と、
第1半導体層に接して設けられ、窒化物系III−V族化合物半導体で構成される第2半導体層と、
第2半導体層の第1半導体層に接する側と反対側にそれぞれ設けられるソース電極、ゲート電極およびドレイン電極と、
第2半導体層に応力を付与可能な応力付与手段であって、ピエゾ効果を有する材料で形成され、第2半導体層とゲート電極との間に設けられるピエゾ効果材層を備える応力付与手段とを備え、
第1半導体層と第2半導体層とは、下記式(1)および(2)の関係を満足することを特徴とする半導体装置。
≦a …(1)
Eg<Eg …(2)
(ここで、aは第1半導体層を構成する半導体材料のa軸格子定数を示し、aは第2半導体層を構成する半導体材料のa軸格子定数を示す。Egは第1半導体層を構成する半導体材料のバンドキャップを示し、Egは第2半導体層を構成する半導体材料のバンドギャップを示す。
A first semiconductor layer composed of a nitride III-V compound semiconductor;
A second semiconductor layer provided in contact with the first semiconductor layer and made of a nitride III-V compound semiconductor;
A source electrode, a gate electrode, and a drain electrode provided on a side opposite to the side in contact with the first semiconductor layer of the second semiconductor layer,
Stress applying means capable of applying stress to the second semiconductor layer, the stress applying means including a piezoelectric effect material layer formed of a material having a piezoelectric effect and provided between the second semiconductor layer and the gate electrode. Prepared,
The semiconductor device, wherein the first semiconductor layer and the second semiconductor layer satisfy a relationship of the following formulas (1) and (2) .
a 1 ≦ a 2 (1)
Eg 1 <Eg 2 (2)
(Where a 1 represents the a-axis lattice constant of the semiconductor material constituting the first semiconductor layer, a 2 represents the a-axis lattice constant of the semiconductor material constituting the second semiconductor layer. Eg 1 represents the first semiconductor. shows the bandgap of the semiconductor material constituting the layers, Eg 2 shows the band gap of the semiconductor material of the second semiconductor layer.)
ピエゾ効果を有する材料が、ペロブスカイト構造を有する酸化物であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the material having a piezo effect is an oxide having a perovskite structure. ペロブスカイト構造を有する酸化物が、BaTiO、(Pb,La)(Zr,Ti)O、SrBiTa、BiTi、LiNbOおよびSrNbからなる群から選ばれる1種または2種以上であることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。 The oxide having a perovskite structure is composed of BaTiO 3 , (Pb, La) (Zr, Ti) O 3 , SrBi 2 Ta 2 O 9 , Bi 4 Ti 3 O 9 , LiNbO 3 and Sr 2 Nb 2 O 7. The semiconductor device according to claim 2, wherein the semiconductor device is one or more selected from the group consisting of: ピエゾ効果を有する材料が、蛍石型構造を有するフッ化物であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the material having a piezo effect is a fluoride having a fluorite structure. 蛍石型構造を有するフッ化物が、BaMgFおよびBaMnFのうちの少なくともいずれか一方であることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。 Fluoride having a fluorite structure, the semiconductor device according to claim 4, characterized in that at least either of the BaMgF 4 and BaMnF 4. ピエゾ効果を有する材料が、ポリフッ化ビニリデンであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the material having a piezo effect is polyvinylidene fluoride.
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