JP5126733B2 - Field effect transistor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は窒化物半導体材料を用いた電子デバイスに関し、さらに詳細にはエンハンスメント形のバリア層とチャネル層のヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an electronic device using a nitride semiconductor material, and more particularly to a field effect transistor having a heterojunction structure of an enhancement type barrier layer and a channel layer and a method for manufacturing the same.
バンドギャップの大きい窒化物半導体材料であるGaNは、絶縁破壊電圧が高いこと、飽和ドリフト速度が大きいこと、などの諸特性がある。そのためGaN材料を用いれば、シリコン系の電子デバイスと比較して、耐圧特性を犠牲にすることなく低抵抗化が可能である。また、化学的に安定であり、高温で安定なため、大出力化を必要とする電子デバイスの材料に用いることが可能である。 GaN, which is a nitride semiconductor material having a large band gap, has various characteristics such as a high breakdown voltage and a high saturation drift speed. Therefore, if a GaN material is used, the resistance can be reduced without sacrificing the breakdown voltage characteristics as compared with a silicon-based electronic device. In addition, since it is chemically stable and stable at a high temperature, it can be used as a material for an electronic device that requires high output.
電子デバイスに用いるGaNは、良質な結晶成長が可能な六方晶系に属するウルツ鉱型の結晶であり、結晶方位のc軸方向に分極を持つ。そのため、c面に平行にAlGaN/GaN接合などのヘテロ接合を形成すれば、ピエゾ効果によりヘテロ界面に空間固定電荷を発生させることができる。これを利用してヘテロ界面に2次元電子ガスを形成できる。このため、トランジスタ等において、キャリアの走行するチャネル部分の形成には、c面と平行に形成されたAlGaN/GaNヘテロ接合やInAlN/GaNヘテロ接合が用いられる。 GaN used for electronic devices is a wurtzite crystal belonging to the hexagonal system capable of high-quality crystal growth, and has polarization in the c-axis direction of the crystal orientation. Therefore, if a heterojunction such as an AlGaN / GaN junction is formed in parallel to the c-plane, a space fixed charge can be generated at the heterointerface due to the piezoelectric effect. By utilizing this, a two-dimensional electron gas can be formed at the heterointerface. For this reason, in a transistor or the like, an AlGaN / GaN heterojunction or an InAlN / GaN heterojunction formed in parallel with the c-plane is used to form a channel portion where carriers travel.
現在、主に作製されている窒化物半導体を用いたトランジスタは、AlGaN/GaNヘテロ接合電界効果トランジスタである。このトランジスタは次のように作製される。層構造としては基板上に約2〜3μmのノンドープのGaNを成長し、その上にAlGaNバリア層を20〜40nm程度成長させる。
AlGaNバリア層には、オーミック抵抗の低減のため、n型のドーピングを行う。ソース電極とドレイン電極には、Ti/Al/Auなどの金属を用いる。またゲート電極には白金やニッケルなどの金属を用いる。AlGaNバリア層上に直接ゲート電極を形成する構造は、MES構造(MEtal Semiconductor構造)と呼ばれている。また一方で、AlGaNバリア層とゲート電極の間に窒化硅素膜や酸化硅素膜などの誘電体をはさみ込んだ構造は、MIS構造(Metal Insulator Semiconductor構造)と呼ばれている。
Currently, a transistor using a nitride semiconductor mainly produced is an AlGaN / GaN heterojunction field effect transistor. This transistor is manufactured as follows. As a layer structure, about 2 to 3 μm of non-doped GaN is grown on a substrate, and an AlGaN barrier layer is grown thereon to a thickness of about 20 to 40 nm.
The AlGaN barrier layer is n-type doped to reduce ohmic resistance. A metal such as Ti / Al / Au is used for the source electrode and the drain electrode. A metal such as platinum or nickel is used for the gate electrode. The structure in which the gate electrode is formed directly on the AlGaN barrier layer is called a MES structure (MEtal Semiconductor structure). On the other hand, a structure in which a dielectric such as a silicon nitride film or a silicon oxide film is sandwiched between the AlGaN barrier layer and the gate electrode is called a MIS structure (Metal Insulator Semiconductor structure).
このような構造では、ゲート電圧がゼロの時に、ゲート部直下のチャネルには電子が存在し、電流が流れる構造である。そのため、しきい電圧は−3〜−5V程度であり、ノーマリーオン(デプレション形)の動作特性となる。そのためインバータなどの電力変換等に用いる場合、応用範囲が限定される。またゲート駆動回路が複雑になるなどの欠点がある。 In such a structure, when the gate voltage is zero, electrons exist in the channel immediately below the gate portion, and a current flows. For this reason, the threshold voltage is about −3 to −5 V, which is normally on (depletion type) operating characteristics. Therefore, the application range is limited when used for power conversion of an inverter or the like. There are also disadvantages such as a complicated gate drive circuit.
ノーマリーオフ(エンハンスメント形)にするための方法として、第一にリセスゲートを用いた方法がある(非特許文献1、2、5参照)。この方法では、ゲート部直下のAlGaNバリア層を薄くしてあるリセス構造を用いる。AlGaNバリア層を薄くすれば、ゲート部直下のチャネル内の電子をほぼ枯渇させることが可能である。しきい電圧は主に、ゲート部のAlGaNバリア層の厚さ、ゲート電極の仕事関数、およびチャネル内の電子のフェルミレベルの関係から決まる。
As a method for achieving normally-off (enhancement type), first, there is a method using a recess gate (see Non-Patent
ゲート電極材料の仕事関数から決まるゲート電極のフェルミレベルは、バリア層のバンドギャップの禁制帯内にあるため、バリア層を薄くすれば、チャネル内の電子のフェルミレベルが、ゲート電極のフェルミレベルに近付く。これにより、しきい電圧を0V程度にまで変化させることができる。しかしながら、しきい電圧は完全には正になりにくい。または、AlGaNバリア層の厚さを正確に制御するのが困難であり、しきい電圧の制御が困難である。 Since the Fermi level of the gate electrode determined by the work function of the gate electrode material is within the band gap forbidden band of the barrier layer, if the barrier layer is thinned, the Fermi level of electrons in the channel becomes the Fermi level of the gate electrode. Get closer. Thereby, the threshold voltage can be changed to about 0V. However, the threshold voltage is unlikely to be completely positive. Alternatively, it is difficult to accurately control the thickness of the AlGaN barrier layer, and it is difficult to control the threshold voltage.
第二の方法は、フッ素等のハロゲンを用いる方法である(非特許文献4参照)。ゲート部のAlGaNバリア層表面をフッ素プラズマ等により表面処理し、チャネル内の電子を枯渇させる方法である。これは、フッ素の大きな電気陰性度を利用したものである。しかしながら、フッ素は一般に安定ではないという欠点を持つ。またしきい電圧を制御するのは困難である。 The second method is a method using a halogen such as fluorine (see Non-Patent Document 4). In this method, the surface of the AlGaN barrier layer in the gate portion is surface-treated with fluorine plasma or the like to deplete electrons in the channel. This utilizes the large electronegativity of fluorine. However, fluorine has the disadvantage that it is generally not stable. It is also difficult to control the threshold voltage.
第三の方法は、p型GaN層をゲート部に用いる方法である(非特許文献3参照)。この方法では、p型GaN層をAlGaNバリア層上に成長し、デバイス作製時にゲート部分のp型GaN層のみを残して、p型GaN層を取り除くことにより、ゲート部分のみのチャネル内の電子を枯渇させる構造である。これにより、ノーマリーオフ特性を得ている。
しかしながら、しきい電圧を正にするには、AlGaNバリア層を薄くしなければならず、その結果ゲート部以外の部分でバリア層表面の電子準位の影響が大きくなるため電流コラプスなどの問題がある。また、AlGaNバリア層を10nm以下にするとp型GaN層を取り除いた部分のシート抵抗が高くなるため、AlGaNバリア層はある程度の厚みを確保しなけばならず、その結果しきい電圧の制御が困難になる上、ゲート部とチャネル間の距離が厚いため、利得が低下するという問題がある。さらに、AlGaNバリア層とp型GaN層のエッチング選択比が小さいため、係る半導体素子の加工精度が悪くなるという問題がある。
However, in order to make the threshold voltage positive, the AlGaN barrier layer must be thinned. As a result, the influence of the electron level on the surface of the barrier layer is increased in portions other than the gate portion, so that there is a problem such as current collapse. is there. In addition, if the AlGaN barrier layer is 10 nm or less, the sheet resistance of the portion excluding the p-type GaN layer increases, so the AlGaN barrier layer must have a certain thickness, and as a result, it is difficult to control the threshold voltage. In addition, since the distance between the gate portion and the channel is large, there is a problem that the gain is lowered. Furthermore, since the etching selectivity between the AlGaN barrier layer and the p-type GaN layer is small, there is a problem that the processing accuracy of the semiconductor element is deteriorated.
本発明は、上記の問題点を解決することを目的とし、しきい電圧の制御可能であり、ノーマリーオフ特性を持つエンハンスメント形の窒化物半導体からなるヘテロ接合を有する電界効果トランジスタ及びその製造方法を提供する。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and to control a threshold voltage and to provide a field effect transistor having a heterojunction made of an enhancement type nitride semiconductor having a normally-off characteristic and a method for manufacturing the same I will provide a.
上記の課題に鑑み、本願発明者は、従来のヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタを鋭意研究した結果、p型InGaN層がゲート領域のバリア層に積層された層構造とすることで、しきい電圧の制御可能であり、ノーマリーオフ動作が可能な素子となることを見出した。 In view of the above-mentioned problems, the inventors of the present invention have made extensive studies on a field effect transistor having a conventional heterojunction structure, and as a result, the p-type InGaN layer has a layer structure in which a barrier layer in a gate region is stacked. It has been found that the voltage can be controlled and an element capable of normally-off operation is obtained.
本発明は、
1.窒化物半導体からなるノンドープバリア層とチャネル層のヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタにおいて、p型InGaN層が、ゲート領域のバリア層に積層された構造を有することを特徴とするヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタ、を提供する。
また、本発明は、
2.窒化物半導体からなるノンドープバリア層とチャネル層のヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタにおいて、バリア層のゲート領域にリセス構造を備え、p型InGaN層が、前記リセス構造部のバリア層上に積層された構造を有するヘテロ接合構造の電界効果トランジスタとすることもできる。
3.上記ヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタにおいて、バリア層/チャネル層の構造を、AlGaN/GaN、AlN/GaN、InAlN/GaN、AlGaN/InGaNなどのヘテロ構造とすることができる。
4.上記ヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタにおいて、ゲート電極直下に絶縁層を積層させ、MIS構造とすることができる。
5.上記ヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタにおいて、ソース電極、ドレイン電極及びゲート領域のp型InGaN層を除いたバリア層上に終端化膜(パッシベーション膜)を形成し、ゲートリークを防止することができる。
さらに、本発明は、
6.窒化物半導体からなるノンドープバリア層とチャネル層のヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタを製造する際に、チャネル層にノンドープバリア層を積層させた後、バリア層にp型InGaN層を積層させ、さらにゲート領域以外のp型InGaN層を除去して、p型InGaN層がゲート領域のバリア層に積層された構造を形成することができる。
また、本願発明は、
7.窒化物半導体からなるノンドープバリア層とチャネル層のヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタを製造する際に、チャネル層にノンドープバリア層を積層させた後、ゲート領域のバリア層をエッチングにより薄くしてリセス構造を形成し、リセス構造部分のバリア層にp型InGaN層を積層させることもできる。
The present invention
1. In a field effect transistor having a heterojunction structure of a non-doped barrier layer and a channel layer made of a nitride semiconductor, the p-type InGaN layer has a structure in which the p-type InGaN layer is stacked on the barrier layer of the gate region, and has a heterojunction structure A field effect transistor is provided.
The present invention also provides:
2. In a field effect transistor having a heterojunction structure of a non-doped barrier layer and a channel layer made of a nitride semiconductor, the gate region of the barrier layer has a recess structure, and a p-type InGaN layer is stacked on the barrier layer of the recess structure portion. A field effect transistor having a heterojunction structure having the above structure can be obtained.
3. In the field effect transistor having the heterojunction structure, the barrier layer / channel layer structure may be a heterostructure such as AlGaN / GaN, AlN / GaN, InAlN / GaN, or AlGaN / InGaN.
4). In the field effect transistor having the heterojunction structure, an MIS structure can be formed by stacking an insulating layer directly under the gate electrode.
5. In the field effect transistor having the heterojunction structure, a termination film (passivation film) can be formed on the barrier layer excluding the source electrode, the drain electrode, and the p-type InGaN layer in the gate region, thereby preventing gate leakage. .
Furthermore, the present invention provides
6). When manufacturing a field effect transistor having a heterojunction structure of a non-doped barrier layer and a channel layer made of a nitride semiconductor, a non- doped barrier layer is stacked on the channel layer, and then a p-type InGaN layer is stacked on the barrier layer. By removing the p-type InGaN layer other than the gate region, a structure in which the p-type InGaN layer is stacked on the barrier layer in the gate region can be formed.
In addition, the present invention
7. When manufacturing a field effect transistor having a heterojunction structure of a non-doped barrier layer and a channel layer made of a nitride semiconductor, after laminating the non-doped barrier layer on the channel layer, the gate layer barrier layer is thinned by etching to make a recess. It is also possible to form a structure and stack a p-type InGaN layer on the barrier layer in the recess structure portion.
本発明は、従来のヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタにおいて、p型InGaN層がゲート領域のバリア層に積層された層構造を有することで、しきい電圧の制御可能であり、ノーマリーオフ動作が可能となるという優れた効果を有する。 In the field effect transistor having a conventional heterojunction structure, the present invention has a layer structure in which a p-type InGaN layer is stacked on a barrier layer in a gate region, so that a threshold voltage can be controlled and a normally-off operation is performed. Has the excellent effect of becoming possible.
本発明で用いることの可能な窒化物半導体材料は、III族元素とV族元素から構成される窒素を含む半導体である。結晶の構造は、良質な結晶成長が可能な六方晶系に属するウルツ鉱型の結晶であり、結晶方位のc軸方向に分極を持つものである。 The nitride semiconductor material that can be used in the present invention is a semiconductor containing nitrogen composed of a group III element and a group V element. The crystal structure is a wurtzite crystal belonging to the hexagonal system capable of high-quality crystal growth, and has polarization in the c-axis direction of the crystal orientation.
チャネル部分で2次元電子ガスが走行する部分には、GaNなどの二元素からなる結晶が適している。これは、AlGaNやInGaNなどの三元素の混晶さらに四元素の混晶は、組成の不均一性から生じる合金散乱が大きいためである。しかしながら、Inについては電子の有効質量を小さくできることから、InGaNの場合には、移動度の向上が期待できる。なおこの場合In組成が大きなInGaN材料は、バンドギャップが小さくなり、耐圧がGaNよりも大きく劣るため、In組成の小さなInGaN材料を用いるのがよい。
本発明の構造が適用可能なヘテロ接合構造は、チャネル層/バリア層の順に、GaN/AlGaN、GaN/AlN、GaN/InAlN、InGaN/AlGaNなどのヘテロ構造である。
A crystal made of two elements such as GaN is suitable for the portion where the two-dimensional electron gas travels in the channel portion. This is because a mixed crystal of three elements, such as AlGaN and InGaN, and a mixed crystal of four elements have a large alloy scattering resulting from a non-uniform composition. However, since the effective mass of electrons can be reduced for In, in the case of InGaN, improvement in mobility can be expected. In this case, since an InGaN material having a large In composition has a small band gap and a breakdown voltage that is significantly inferior to that of GaN, an InGaN material having a small In composition is preferably used.
The heterojunction structure to which the structure of the present invention can be applied is a heterostructure such as GaN / AlGaN, GaN / AlN, GaN / InAlN, InGaN / AlGaN in the order of channel layer / barrier layer.
以下、本発明の特徴を、図に沿って具体的に説明する。なお、以下の説明は、本願発明の理解を容易にするためのものであり、これに制限されるものではない。すなわち、本願発明の技術思想に基づく変形、実施態様、他の例は、本願発明に含まれるものである。 The features of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings. In addition, the following description is for making an understanding of this invention easy, and is not restrict | limited to this. That is, modifications, embodiments, and other examples based on the technical idea of the present invention are included in the present invention.
(実施例1)
図1は、AlGaN/GaNヘテロ接合電界効果トランジスタを示す。結晶基板1として、MOCVD法等によりGaN基板を結晶成長させた。なお、結晶基板としては、この他にサファイア基板、SiC基板、シリコン基板等を用いることもできる。次に、基板側から低温成長GaNバッファ層2などの結晶性を向上させる構造を形成した後に、高抵抗のGaN層3を成長させた。
その後、AlGaNバリア層4を成長させた。この時、高抵抗のGaN層3とAlGaNバリア層4のヘテロ接合部分に、AlGaNバリア層4のアルミニウムの組成に依存したピエゾ効果により正の固定電荷が発生しn型のチャネルが形成される。その後、p型InGaN層5を成長させた。
Example 1
FIG. 1 shows an AlGaN / GaN heterojunction field effect transistor. As the
Thereafter, the
ドーピングにはマグネシウム、亜鉛等のp型ドーパントを用いて、チャネル中の電子を枯渇させることができる濃度にした。この時、電子をトラップする準位があれば良いので、鉄等のドーパントでも可能である。なお、p型ドーパントであるマグネシウム等は拡散の問題が生じる場合がある。なお、p型InGaN層にマグネシウム等を用いてドーピングした場合、GaNよりもアクセプタ濃度を高くすることができる。 For doping, p-type dopants such as magnesium and zinc were used so that the electrons in the channel could be depleted. At this time, since it is sufficient if there is a level for trapping electrons, a dopant such as iron is also possible. In addition, the p-type dopant such as magnesium may cause a diffusion problem. When the p-type InGaN layer is doped with magnesium or the like, the acceptor concentration can be made higher than that of GaN.
AlGaNバリア層4の厚さは薄い方が、p型InGaN層5によってチャネルが高抵抗化する。AlGaNバリア層4をノンドープで15nm厚とし、p型InGaN層5をホール濃度約5×1018cm−3で10nm厚とした場合に、チャネルは数万Ω以上のシート抵抗を示した。なお、p型InGaN層5のホール濃度は、直接測定するのが困難なため、p型GaN層へのドーピングの条件を参考にして推測した値である。
As the thickness of the
次に、p型InGaN層の結晶成長後の素子作製について示す。まず、ゲート領域のみをフォトレジストでマスクした後、アルゴンプラズマ、塩素プラズマ等によるドライエッチングを用いて、ゲート領域以外のp型InGaN層5を除去した。InGaN層はエッチングレートが、GaN層やAlGaN層よりも大きいため、ほぼ選択的に除去でき、これはプロセス上大きな利点である。
ここで、電子サイクロトロン共鳴(ECR)法を用いたアルゴンプラズマによるドライエッチングで、エッチングレートを測定した。引き出し電圧が200V、2.45GHzのRFパワーが200W、アルゴンガス圧が約1×10−2Paの時に、GaN膜はエッチングレートが300nm/時であったが、InGaN層はその約3〜4倍程度であった。
Next, device fabrication after crystal growth of the p-type InGaN layer will be described. First, after masking only the gate region with a photoresist, the p-
Here, the etching rate was measured by dry etching with argon plasma using an electron cyclotron resonance (ECR) method. When the extraction voltage is 200 V, the RF power of 2.45 GHz is 200 W, and the argon gas pressure is about 1 × 10 −2 Pa, the GaN film has an etching rate of 300 nm / hour. It was about twice.
p型InGaN層5を最初にエッチングを行う利点は、非接触のシート抵抗測定装置等をもちいながら、実際に抵抗が低くなるのを確認できることである。上記のドライエッチングの条件で、アルゴンプラズマによるドライエッチングによりエッチングしながら、シート抵抗を計ると、最初に数万Ω以上あった抵抗が、30秒のエッチングで約1000Ωに、1分のエッチングで800Ωに、2分のエッチングでは800Ωから変化がなかった。
この方法により、本発明の構造を用いれば、選択的にInGaN層をエッチング可能であり、再現性良くプロセスを行うことができることがわかった。
The advantage of first etching the p-
By this method, it was found that the InGaN layer can be selectively etched using the structure of the present invention, and the process can be performed with good reproducibility.
次にメサ形成により各素子を電気的に絶縁させる行程を示す。フォトレジストを用いて、ソース電極10、ゲート電極11、ドレイン電極12が並ぶ方向に20μm、ゲート幅方向に50μmの長方形のメサ形成用のレジストパターンを形成した。ただし、メサ形成用のパターンの幅や長さは必要に応じて変えることができる。ここでは、ゲート電極11の幅とメサの幅は同じ幅にした。なお、フォトレジストのパターン形成には、通常用いられているステッパー等を用いた露光方法を用いればよい。
Next, a process of electrically insulating each element by mesa formation will be described. Using a photoresist, a rectangular mesa forming resist pattern of 20 μm in the direction in which the
その後、メサ形成用のフォトレジストをマスクとして、成長した基板をドライエッチングによりメサパターン状に加工した。エッチングレートはエピタキシャル膜の結晶品質、塩素プラズマの圧力、加速エネルギー(プラズマの引き出し電圧)などによって異なるが1時間に200〜300nmとした。100nm程度エッチングして、メサ以外の部分のAlGaN層等を除去した。 Thereafter, using the photoresist for mesa formation as a mask, the grown substrate was processed into a mesa pattern by dry etching. The etching rate varies depending on the crystal quality of the epitaxial film, the pressure of chlorine plasma, the acceleration energy (plasma extraction voltage), etc., but is set to 200 to 300 nm per hour. Etching was performed to about 100 nm to remove the AlGaN layer and the like other than the mesa.
このメサの形成により同じ基板上の素子と素子の間が分離され、お互いの素子間に電流が流れないようになる。ドライエッチングは、同じく電子サイクロトロン共鳴(ECR)法を用いた塩素プラズマによるエッチングなどが好ましい。ドライエッチングはウエットエッチング法に比べエッチングの方向性があり、エッチング速度の制御が簡単である。
素子分離については、塩素系のガスを用いたドライエッチング以外にもイオン注入によっても可能である。窒素イオン等を高速で打ち込むことにより、電気的に絶縁性を持たせて、素子分離を行うことができる。
By forming the mesa, the elements on the same substrate are separated from each other, so that no current flows between the elements. As the dry etching, chlorine plasma etching using the electron cyclotron resonance (ECR) method is also preferable. Dry etching has a direction of etching compared to the wet etching method, and the etching rate is easily controlled.
The element isolation can be performed not only by dry etching using a chlorine-based gas but also by ion implantation. By implanting nitrogen ions or the like at high speed, element isolation can be performed while providing electrical insulation.
メサエッチング後、メサ以外の部分に絶縁膜を形成した。絶縁膜には、酸化硅素膜、窒化硅素膜等を用いることができる。ウエハ表面全体に絶縁膜をプラズマCVD等を用いて厚さ100nm程度形成した後、メサ以外の部分をフォトレジストでカバーした後に、メサ上のみエッチングにより除去した。
メサの端で、ゲート電極11がある部分において、メサの側面のAlGaN/GaNチャネル構造にゲート電極11が接すると、ゲートリーク電流が増加するので、メサ側面も絶縁膜によりカバーするようにする。
After the mesa etching, an insulating film was formed in a portion other than the mesa. As the insulating film, a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like can be used. After an insulating film was formed on the entire wafer surface with a thickness of about 100 nm using plasma CVD or the like, portions other than the mesa were covered with photoresist, and then only the mesa was removed by etching.
When the
その後、ソース電極10とドレイン電極12を形成した。ソース電極10及びドレイン電極12の電極メタルとしては、基板表面側から、Ti/Al/Ni/Au (30/220/40/50 nm)の構造を用いた。電極メタルの蒸着には高真空電子ビーム蒸着法を用いた。電子ビーム蒸着後リフトオフ法でソース及びドレイン部分以外のメタルを除去した。リフトオフ用の溶液としてはアセトンを用いればよい。その後、電極メタルと表面層との合金化のためアニールを行った。アニールは高速のランプアニール法(RTA)を用い、800℃で30秒間行った。
Thereafter, the
その後、ゲート電極11を形成した。ゲートのパターニングはフォトリソグラフィー法を用いたが、ゲート長が短く微細パターンを用いる場合には電子ビームリソグラフィ法を用いることができる。例えば、ゲートの長さが200nm以下の場合は電子ビームリソグラフィ法を用いる。ゲート電極メタルとしては、基板表面側から、Ni/Au (50/200nm)を用いた。ゲートメタルの形成にも高真空電子ビーム蒸着法を用いた。
Thereafter, the
また、図1では省略されているが、必要に応じて、窒化珪素膜等でAlGaNバリア層4の表面をカバーすることができる。これは、ドレインとゲート間のAlGaNバリア層4の表面準位に電子がトラップされてドレイン電流が低下する現象である電流コラプスを抑制するために有効であるためである。また、耐圧を向上させるために、必要に応じて、酸化珪素膜で表面をカバーすることもできる。
Although not shown in FIG. 1, the surface of the
図2に実施例1のトランジスタの動作特性を示す。これは、ドレイン電圧を2Vで保った時の、ドレイン電流のゲート電圧依存性である。素子のゲート長は2μm、ソースとドレイン間隔は14μm、ソースとゲート間隔は2μm、ゲート幅は50μmである。これより、しきい電圧は、+0.8V程度であり、ノーマリーオフが達成されていることがわかる。p型InGaN層はバンドギャップが小さいため、チャネル中の電子を枯渇させる効果が大きいと考えられる。 FIG. 2 shows the operating characteristics of the transistor of Example 1. This is the gate voltage dependence of the drain current when the drain voltage is kept at 2V. The gate length of the element is 2 μm, the source-drain distance is 14 μm, the source-gate distance is 2 μm, and the gate width is 50 μm. This shows that the threshold voltage is about +0.8 V, and normally-off is achieved. Since the p-type InGaN layer has a small band gap, it is considered that the effect of depleting electrons in the channel is large.
また、厚さ約20nmのAlGaNバリア層を持つAlGaN/GaNヘテロ構造上に、厚さ5nmのGaN層を成長した場合と同じ厚さのInGaN層を成長した場合における両者のシート抵抗を比較した。その結果、GaN層の場合は550Ωであり、InGaN層の場合は800Ωであった。
これより、GaN層をAlGaNバリア層上に成長する場合よりも、本発明のようにInGaN層をAlGaNバリア層上に成長する方が、AlGaNバリア層表面側ヘテロ界面に、より大きなマイナスの空間固定電荷がピエゾ効果により発生し、チャネル内の電子がより枯渇するものと考えられる。
以上から、p型GaN層を用いた場合より、しきい電圧を大きくでき、完全なノーマリーオフ動作が得られることが分かった。
In addition, the sheet resistances of the case where an InGaN layer having the same thickness as that of a GaN layer having a thickness of 5 nm was grown on an AlGaN / GaN heterostructure having an AlGaN barrier layer having a thickness of about 20 nm were compared. As a result, it was 550Ω for the GaN layer and 800Ω for the InGaN layer.
As a result, the growth of the InGaN layer on the AlGaN barrier layer as in the present invention is larger than the case where the GaN layer is grown on the AlGaN barrier layer. It is considered that charges are generated by the piezo effect and electrons in the channel are more depleted.
From the above, it was found that the threshold voltage can be increased and a completely normally-off operation can be obtained as compared with the case where the p-type GaN layer is used.
実施例1の素子は、しきい電圧がプラスになることを調べるために作製した素子であり、ゲート部にMES構造を用いた。また、素子表面にバッシベーション膜を施していない。そのため、ゲート電圧を大きくするとゲートリーク電流が大きくなるため、ドレイン電流量は少ない。しかしながら、MIS構造を用いれば、ゲートリークを防ぐことが可能で、大きなゲート電圧を加えることができるため、ドレイン電流を大きくすることも可能である。 The element of Example 1 was an element manufactured for investigating that the threshold voltage was positive, and used an MES structure for the gate portion. Further, no passivation film is applied to the element surface. For this reason, when the gate voltage is increased, the gate leakage current increases, so the amount of drain current is small. However, if the MIS structure is used, gate leakage can be prevented and a large gate voltage can be applied, so that the drain current can be increased.
(実施例2)
図3は、ゲート領域がリセス構造となっている実施例である。この素子においては、ゲートとドレイン間のAlGaNバリア層4が厚くなっているため、AlGaNバリア層4上の表面準位によるコラプスの影響が小さい。
(Example 2)
FIG. 3 shows an embodiment in which the gate region has a recess structure. In this element, since the
この素子の作製方法として、ゲート部のAlGaNバリア層4をエッチングによりリセス構造にした後に、p型InGaN層5を選択的に成長した。p型InGaN層5をゲート領域にのみ成長させるため、ゲート領域以外でp型ドーピングの拡散等がおこりにくいという利点がある。その後、メサ構造の形成、絶縁膜の形成、ソース電極10、ドレイン電極12、窒化珪素膜を用いた表面保護層の形成、ゲート電極11の形成、についは実施例1とほぼ同様の処理を行った。また、ゲート領域にはMIS構造を用いるのも有効である。
また、ドレインとゲート間の厚いAlGaNバリア層4を選択的に成長させる方法もある。この場合はゲート部のInGaN層を窒化珪素膜や酸化珪素膜などによりカバーして選択的に成長させる。
As a method for manufacturing this element, the p-
There is also a method of selectively growing a thick
横型素子で高耐圧化が可能であるため、例えば、他の電子部品と集積化が可能であり、家庭用DC電源のAC−DC変換部等を小型化できる。また、高速動作が可能であり、省エネルギー化にも効果があるので、家庭用電源のインバータ、コンバータ等に有用である。 Since the lateral element can increase the breakdown voltage, for example, it can be integrated with other electronic components, and the AC-DC conversion unit of the household DC power source can be downsized. Further, since it can operate at high speed and is effective in energy saving, it is useful for inverters, converters, etc. for household power supplies.
1:基板
2:バッファ層
3:キャリア層
4:バリア層
5:p型InGaN層
10:ソース電極
11:ゲート電極
12:ドレイン電極
1: substrate 2: buffer layer 3: carrier layer 4: barrier layer 5: p-type InGaN layer 10: source electrode 11: gate electrode 12: drain electrode
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