JP5170885B2 - Field effect transistor and manufacturing method thereof - Google Patents

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本発明は、窒化物(GaN)系化合物半導体による電界効果トランジスタ及びその製造方法に関し、特に、そのゲート電極及びソース電極間及び/又はゲート電極及びドレイン電極間に保護ダイオードを内蔵させた電界効果トランジスタとその製造方法に関する。   The present invention relates to a field effect transistor using a nitride (GaN) -based compound semiconductor and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a field effect transistor having a protective diode built in between a gate electrode and a source electrode and / or between a gate electrode and a drain electrode. And its manufacturing method.

GaN,InGaN,AlGaN,AlInGaN等のGaN系化合物半導体は、SiやGaAs系の半導体材料に比べてバンドギャップエネルギーが大きく、この半導体材料を用いた電子デバイスは、耐熱温度が高く且つ高温動作に優れていることから、近年は、GaN系半導体を用いたFET等の電子デバイスは、高電圧大電流を制御する電力用デバイスとして利用されるようになってきている。   GaN-based compound semiconductors such as GaN, InGaN, AlGaN, and AlInGaN have a larger band gap energy than Si and GaAs-based semiconductor materials, and electronic devices using these semiconductor materials have high heat resistance and excellent high-temperature operation. Therefore, in recent years, electronic devices such as FETs using GaN-based semiconductors have come to be used as power devices for controlling high voltage and large current.

窒化物系(GaN)化合物半導体を用いたFET(電界効果トランジスタ)は、シリコンやサファイア等の基板の上に、GaNから成るバッファ層を含む下部半導体層が形成され、その上にアンドープGaNからなる電子走行層と当該電子走行層に比べて薄いアンドープAlaGa1-aN(0<a<1)からなる電子供給層とから成る半導体動作層が形成されたヘテロ接合構造を有する。そして、このヘテロ接合構造体の半導体動作層上にトランジスタ形成領域が区画され、当該領域にソース電極、ゲート電極、ドレイン電極が配置されるのである。 An FET (Field Effect Transistor) using a nitride (GaN) compound semiconductor has a lower semiconductor layer including a buffer layer made of GaN formed on a substrate such as silicon or sapphire, and is made of undoped GaN thereon. It has a heterojunction structure in which a semiconductor operation layer including an electron transit layer and an electron supply layer made of undoped Al a Ga 1-a N (0 <a <1) which is thinner than the electron transit layer is formed. A transistor formation region is defined on the semiconductor operation layer of the heterojunction structure, and a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode are disposed in the region.

電力用トランジスタ(パワートランジスタ)は、一般的に、変圧器か変成器(コイル)等のインダクタンス系負荷を駆動することから特にオン状態からオフ状態になる時に負荷側から大きなキックバック電圧(逆起電力)が電極間に印加されたり、静電気等により電極間に定格値以上の大きな電圧が印加されることとなる。電極間に定格以上の電圧が印加されるとトランジスタ内部では所謂アヴァランシェ崩壊が発生し素子は破壊する。このような事態を防止するために、多くのシリコン系半導体のバイポーラ型やMOS型のパワートランジスタでは電極間に素子の降伏電圧以上の電圧が印加された場合にトランジスタを破壊から保護するために保護ダイオードを電極間に並列接続してこれを保護することが行われてきた。   Since a power transistor (power transistor) generally drives an inductance load such as a transformer or a transformer (coil), a large kickback voltage (back electromotive force) is generated from the load side particularly when the power transistor is turned on. Power) is applied between the electrodes, or a large voltage exceeding the rated value is applied between the electrodes due to static electricity or the like. When a voltage higher than the rated voltage is applied between the electrodes, so-called avalanche collapse occurs inside the transistor and the element is destroyed. To prevent this situation, many silicon-based semiconductor bipolar and MOS power transistors are protected to protect them from breakdown when a voltage higher than the breakdown voltage of the device is applied between the electrodes. It has been practiced to protect the diode by connecting it in parallel between the electrodes.

そして、シリコン系半導体においては、半導体内に比較的簡単にPN接合を形成することができることから、保護ダイオードを外付けするのではなくトランジスタの形成時に半導体素子に内蔵させることが従来から行われてきた。   In silicon-based semiconductors, since a PN junction can be formed relatively easily in a semiconductor, it has been conventionally performed that a protective diode is not provided externally but is incorporated in a semiconductor element when a transistor is formed. It was.

一方、炭化珪素接合型のパワートランジスタにおいても、図14に示すように、静電気、サージエネルギ等からトランジスタを保護するために、保護用ダイオードを素子形成時に内蔵させるべく、SiC−JFET2と、このSiC−JFET2を保護するための保護用ダイオード4,6,8とを同一チップ上に形成し、第1及び第2のツェナーダイオード群4,6によって、SiC−JFET2にかかるサージ電圧をクランプしたり、サージエネルギを放出させることが知られている(例えば、特許文献1を参照)。
特開2003−68759号公報
On the other hand, in the silicon carbide junction type power transistor, as shown in FIG. 14, in order to protect the transistor from static electricity, surge energy, etc., a SiC-JFET 2 and this SiC -Protective diodes 4, 6 and 8 for protecting JFET 2 are formed on the same chip, and the first and second Zener diode groups 4 and 6 clamp the surge voltage applied to SiC-JFET 2, It is known to discharge surge energy (see, for example, Patent Document 1).
JP 2003-68759 A

しかし、特許文献1に記載の炭素珪素接合型のパワートランジスタにおいては、トランジスタを形成するセルの外周にトランジスタの形成領域とほぼ領域を必要とするダイオード形成領域を設け、トランジスタを形成した後にダイオードを形成し、その後トランジスタの電極とダイオードの電極を素子上でワイヤリング接続する工程を必要としていた。   However, in the carbon-silicon junction type power transistor described in Patent Document 1, a diode formation region that requires almost the same region as the transistor formation region is provided on the outer periphery of the cell forming the transistor, and the diode is formed after the transistor is formed. A process of forming and then wiring-connecting the electrode of the transistor and the electrode of the diode on the element is required.

一方、窒化ガリウム(GaN)系化合物半導体による電界効果トランジスタにおいては、半導体動作層の上にダイオードを形成することが難しかったことから、従来は、GaN系化合物半導体によるパワートランジスタに保護用ダイオードを外付けして使用するようにしており、保護ダイオードを内蔵する従来のシリコン系半導体のバイポーラ型やMOS型のパワートランジスタと比較して使用勝手が悪かったのである。   On the other hand, in a field effect transistor using a gallium nitride (GaN) compound semiconductor, it has been difficult to form a diode on the semiconductor operation layer. In comparison with conventional silicon-based semiconductor bipolar or MOS type power transistors with built-in protective diodes, they are not easy to use.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、GaN系化合物半導体による電界効果トランジスタにおいて、ゲート電極及びソース電極間及び/又はゲート電極及びドレイン電極間に、外部負荷からの逆起電力等のサージ電圧や静電気からトランジスタを有効に保護するためのダイオードを内蔵させた電力制御用の電界効果トランジスタとその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems. In a field effect transistor using a GaN-based compound semiconductor, a back electromotive force from an external load is generated between a gate electrode and a source electrode and / or between a gate electrode and a drain electrode. It is an object of the present invention to provide a power control field effect transistor having a built-in diode for effectively protecting the transistor from surge voltage such as electric power or static electricity, and a manufacturing method thereof.

このため、本発明は、基板上に少なくともバッファ層を含む下部半導体層と、当該下部半導体層上に形成された半導体動作層と、当該半導体動作層の上に形成されたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を有する窒化ガリウム系化合物半導体からなる電界効果トランジスタにおいて、前記ゲート電極及び前記ソース電極間と、前記ゲート電極及び前記ドレイン電極間と、の何れか一方又は両方に並列接続されるダイオードが、前記電極間であって前記半導体動作層表面から前記半導体動作層と前記下部半導体層との界面近傍に至る溝により形成されたことを特徴とする電界効果トランジスタを提供するものである。   For this reason, the present invention provides a lower semiconductor layer including at least a buffer layer on a substrate, a semiconductor operation layer formed on the lower semiconductor layer, a source electrode, a drain electrode formed on the semiconductor operation layer, In a field effect transistor comprising a gallium nitride compound semiconductor having a gate electrode, a diode connected in parallel between one or both of the gate electrode and the source electrode, and between the gate electrode and the drain electrode, The present invention provides a field effect transistor formed by a groove between the electrodes and extending from the surface of the semiconductor operation layer to the vicinity of the interface between the semiconductor operation layer and the lower semiconductor layer.

ここで、前記半導体動作層は、電子走行層と、前記電子走行層よりもバンドギャップエネルギーの大きい材料からなる電子供給層と、からなり、具体的には、前記電子走行層はアンドープのGaNであり、前記電子供給層はn型のAlGaNである。   Here, the semiconductor operation layer includes an electron transit layer and an electron supply layer made of a material having a larger band gap energy than the electron transit layer. Specifically, the electron transit layer is made of undoped GaN. And the electron supply layer is n-type AlGaN.

そして、前記溝の幅により前記双方向ダイオードの降伏電圧を調整するが、前記双方向ダイオードの降伏電圧は、前記溝の幅を所定値に設定することにより前記電界効果トランジスタの降伏電圧よりも低く設定するのである。これにより、トランジスタの定格電圧に対応した降伏電圧を保護用ダイオードに持たせるのである。   The breakdown voltage of the bidirectional diode is adjusted according to the width of the groove, and the breakdown voltage of the bidirectional diode is lower than the breakdown voltage of the field effect transistor by setting the width of the groove to a predetermined value. Set it. As a result, the protection diode has a breakdown voltage corresponding to the rated voltage of the transistor.

本発明は、さらに、基板上に少なくともバッファ層を含む下部半導体層と、電子走行層及び電子供給層により形成された半導体動作層と、を有する窒化ガリウム系化合物半導体の上に形成されたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を有する電界効果トランジスタの製造方法であって、(a)前記基板上に前記下部半導体層を形成するステップと、(b)前記半導体動作層を形成するステップと、(c)前記半導体動作層上に、ソース電極、ゲート電極及びドレイン電極を形成するステップと、(d)ダイオード形成領域を設け、当該ダイオード形成領域において前記半導体動作層から前記下部半導体層に至る溝を、前記ゲート電極と前記ソース電極間及び/又は前記ゲート電極と前記ドレイン電極間に形成するステップと、の各ステップを含み、以って、前記ゲート電極及び前記ソース電極間と、前記ゲート電極及び前記ドレイン電極間と、の何れか一方又は両方にダイオードを形成することを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法を提供するものである。   The present invention further provides a source electrode formed on a gallium nitride compound semiconductor having a lower semiconductor layer including at least a buffer layer on a substrate, and a semiconductor operation layer formed of an electron transit layer and an electron supply layer. A method of manufacturing a field effect transistor having a drain electrode and a gate electrode, comprising: (a) forming the lower semiconductor layer on the substrate; (b) forming the semiconductor operating layer; ) Forming a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode on the semiconductor operation layer; and (d) providing a diode formation region, and a groove extending from the semiconductor operation layer to the lower semiconductor layer in the diode formation region. Forming between the gate electrode and the source electrode and / or between the gate electrode and the drain electrode. Therefore, a diode is formed between any one or both of the gate electrode and the source electrode and between the gate electrode and the drain electrode. It is to provide.

ここで、前記ステップ(a)は、(a−1)Si基板の上にAlN層を形成するステップと、(a−2)前記AlN層の上にGaN/AlN複合層を積層したバッファ層を形成するステップと、(a−3)前記バッファ層の上にp型のGaNによる下部半導体層を形成するステップと、の各サブステップを含む。そして、前記ステップ(d)は、(d−1)前記電子走行層の上にマスク層を形成するステップと、(d−2)前記ゲート電極及び前記ソース電極間に及び/又は前記ゲート電極及び前記ドレイン電極間に形成する溝の形成領域に対応する前記マスク層を取り除くステップと、(d−3)前記溝の形成領域をエッチングにより取り除くステップと、の各ステップを含むのである。   Here, the step (a) includes (a-1) a step of forming an AlN layer on the Si substrate, and (a-2) a buffer layer in which a GaN / AlN composite layer is laminated on the AlN layer. And (a-3) forming a lower semiconductor layer of p-type GaN on the buffer layer. The step (d) includes (d-1) a step of forming a mask layer on the electron transit layer, and (d-2) between the gate electrode and the source electrode and / or the gate electrode and The step includes removing the mask layer corresponding to the groove forming region formed between the drain electrodes, and (d-3) removing the groove forming region by etching.

このように、本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体からなる電界効果トランジスタ(以下、適宜「本FET」という)においては、ゲート電極及びソース電極間と、ゲート電極及びドレイン電極間と、の何れか一方又は両方に並列接続されるダイオードが、前記電極間であって半導体動作層から下部半導体層に至る溝により形成され、このダイオードは、溝の幅に対応して調整可能なリーク電流を利用している。これによって、本FETにおいては、電界効果トランジスタの定格電圧値以下で当該溝間にリーク電流が流れるように設定させることにより、外部負荷からの逆起電力等のサージ電圧や静電気からトランジスタを有効に保護するためのダイオードを、GaN系化合物半導体による電界効果トランジスタデバイスに内蔵させることができたのである。   As described above, in the field effect transistor (hereinafter referred to as “the present FET” as appropriate) made of a gallium nitride compound semiconductor according to the present invention, any one of the gate electrode and the source electrode and the gate electrode and the drain electrode is selected. A diode connected in parallel to one or both is formed by a groove between the electrodes and extending from the semiconductor operation layer to the lower semiconductor layer, and this diode utilizes a leakage current that can be adjusted according to the width of the groove. ing. As a result, in this FET, by setting the leak current to flow between the grooves below the rated voltage value of the field effect transistor, the transistor is effectively prevented from surge voltage such as counter electromotive force from an external load or static electricity. A diode for protection could be incorporated in a field effect transistor device made of a GaN compound semiconductor.

以下、本発明に係る保護ダイオードを内蔵したFETについて、図面を参照しつつ詳しく説明する。   Hereinafter, an FET incorporating a protection diode according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本FET11の構成を説明するものであり、図1(a)は、上面側から見た本FETの構成を説明するための図であり、図1(b)は、本FET11の等価回路を示す。   FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of the FET 11, FIG. 1A is a diagram for explaining the configuration of the FET viewed from the upper surface side, and FIG. An equivalent circuit is shown.

図1(a)に示すように、本発明に係る保護ダイオードを内蔵するFET11は、GaN系の半導体動作層105の上にドレイン電極12、ソース電極13及びゲート電極が形成されるトランジスタ領域(1)と、これに隣接するダイオード領域(2)を有する。そして、少なくともダイオード領域(2)において、半導体動作層105からその下の下部半導体層104(図2及び3参照)に至る溝15がゲート電極14とソース電極13間、ゲート電極14とドレイン電極12間の何れか一方又は両方に形成され、これにより電極間(14−13間、14−12間の何れか一方又は両方)に並列接続されるダイオードD1、D2、D3及びD4を生じさせるのである。なお、半導体動作層105は、電子走行層と、該電子走行層上に形成された電子供給層とからなり、下部半導体層104は、少なくともバッファ層を含むものである。また、溝15は、少なくとも半導体動作層105の表面から、電子走行層と下部半導体層104とが接触する界面まで達するものであればよく、また該界面から下部半導体層104側に入り込んだ領域まで達するものであってもよい。 As shown in FIG. 1A, the FET 11 incorporating the protection diode according to the present invention includes a transistor region (1) in which a drain electrode 12, a source electrode 13, and a gate electrode are formed on a GaN-based semiconductor operation layer 105. And a diode region (2) adjacent thereto. At least in the diode region (2), the grooves 15 extending from the semiconductor operation layer 105 to the lower semiconductor layer 104 (see FIGS. 2 and 3) therebelow are formed between the gate electrode 14 and the source electrode 13 and between the gate electrode 14 and the drain electrode 12. This creates diodes D1, D2, D3 and D4 that are formed in either or both of them, and connected in parallel between the electrodes (between 14-13 and / or 14-12). . The semiconductor operation layer 105 includes an electron transit layer and an electron supply layer formed on the electron transit layer, and the lower semiconductor layer 104 includes at least a buffer layer. The groove 15 only needs to reach at least the surface of the semiconductor operation layer 105 to the interface where the electron transit layer and the lower semiconductor layer 104 are in contact with each other, and to the region entering the lower semiconductor layer 104 side from the interface. It may be reached.

そして、図1(b)に示すように、ゲート電極14とソース電極13間に並列接続されたダイオードD1およびD2と、ゲート電極14とドレイン電極12間に並列接続されたダイオードD3およびD4とは、半導体動作層105と下部半導体層104のバッファ層間に流れるリーク電流によって生じる双方向ダイオードを形成するのである。 As shown in FIG. 1B, the diodes D1 and D2 connected in parallel between the gate electrode 14 and the source electrode 13 and the diodes D3 and D4 connected in parallel between the gate electrode 14 and the drain electrode 12 are A bidirectional diode generated by a leak current flowing between the buffer layers of the semiconductor operation layer 105 and the lower semiconductor layer 104 is formed.

そして、図4及び図5において説明するように、電極12、13、14間をアイソレーションする溝15は、その電流方向の幅により双方向ダイオードD1、D2、D3及びD4の降伏電圧を調整できるので、溝15の幅の調整により本FET11の定格電圧に対応してその降伏電圧よりも低く設定するのである。   As shown in FIGS. 4 and 5, the trench 15 that isolates the electrodes 12, 13, and 14 can adjust the breakdown voltage of the bidirectional diodes D1, D2, D3, and D4 according to the width in the current direction. Therefore, by adjusting the width of the groove 15, it is set lower than the breakdown voltage corresponding to the rated voltage of the FET 11.

図2は、本FETの図1(a)におけるダイオード領域(図1(a)に示す()の領域)のB−B’断面を示すものであり、種々の溝形成の例を示すものである。 FIG. 2 shows a BB ′ cross section of the diode region (region ( 2 ) shown in FIG. 1A) in FIG. 1A of this FET, and shows examples of various groove formations. It is.

図2(a)に示す第1の実施例は、ゲート電極14とドレイン電極12間のみに溝15が設けられ、図1(b)に示す等価回路においてD3及びD4のダイオードが形成されることとなる。図2(a)において、ゲート電極14とドレイン電極12間において、半導体動作層105からその下の下部半導体層104(図2及び3参照)に至る溝15が形成され、これによりゲート電極14とドレイン電極12間に並列接続されるダイオードD3及びD4が形成されるのである。   In the first embodiment shown in FIG. 2A, the groove 15 is provided only between the gate electrode 14 and the drain electrode 12, and the diodes D3 and D4 are formed in the equivalent circuit shown in FIG. It becomes. In FIG. 2A, a groove 15 is formed between the gate electrode 14 and the drain electrode 12 from the semiconductor operation layer 105 to the lower semiconductor layer 104 (see FIGS. 2 and 3) therebelow. Thus, diodes D3 and D4 connected in parallel between the drain electrodes 12 are formed.

図2(b)に示す第2の実施例は、ゲート電極14とソース電極13間のみに溝15が設けられ、図1(b)に示す等価回路においてD1及びD2のダイオードが形成されることとなる。図2(b)において、ゲート電極14とソース電極13間において、半導体動作層105からその下の下部半導体層104(図2及び3参照)に至る溝15が形成され、これによりゲート電極14とソース電極13間に並列接続されるダイオードD1及びD2が形成されるのである。   In the second embodiment shown in FIG. 2B, the groove 15 is provided only between the gate electrode 14 and the source electrode 13, and the diodes D1 and D2 are formed in the equivalent circuit shown in FIG. It becomes. In FIG. 2B, a groove 15 is formed between the gate electrode 14 and the source electrode 13 from the semiconductor operation layer 105 to the lower semiconductor layer 104 (see FIGS. 2 and 3) therebelow. Diodes D1 and D2 connected in parallel between the source electrodes 13 are formed.

図2(c)に示す第3の実施例は、ゲート電極14とドレイン電極12間と、ゲート電極14とソース電極13間の両方の電極間に溝15が設けられ、図1(b)と同じ等価回路となる。図2(c)において、ゲート電極14とソース電極13間、ゲート電極14とドレイン電極12間の両方において、半導体動作層105からその下の下部半導体層104(図2及び3参照)に至る溝15が形成され、これによりゲート電極14とドレイン電極12間、そしてゲート電極14とソース電極13間にそれぞれ並列接続されるダイオードD1、D2、D3及びD4が形成されるのである。   In the third embodiment shown in FIG. 2C, grooves 15 are provided between the gate electrode 14 and the drain electrode 12, and between both the gate electrode 14 and the source electrode 13, and FIG. The same equivalent circuit. In FIG. 2C, a groove extending from the semiconductor operation layer 105 to the lower semiconductor layer 104 (see FIGS. 2 and 3) below the gate electrode 14 and the source electrode 13 and between the gate electrode 14 and the drain electrode 12. 15 is formed, thereby forming diodes D1, D2, D3 and D4 connected in parallel between the gate electrode 14 and the drain electrode 12 and between the gate electrode 14 and the source electrode 13, respectively.

図3は、本FETの図1(a)のダイオード領域(2)におけるB−B’断面を示し、種々の溝形成の他の例を示すものである。図3(a)は、ゲート電極部の領域に溝を掘り込んだ形態の例を、図3(b)は、ソース電極部及びドレイン電極部の領域に溝を掘り込んだ形態の例を、そして、図3(c)は、ソース電極部、ドレイン電極部及びゲート電極部の全電極領域部に溝を掘り込んだ形態の例を、それぞれ示す。 FIG. 3 shows a BB ′ cross section in the diode region (2) of FIG. 1A of this FET, and shows another example of forming various grooves. 3A shows an example of a form in which a groove is dug in the region of the gate electrode part, and FIG. 3B shows an example of a form in which a groove is dug in the region of the source electrode part and the drain electrode part. FIG. 3C shows an example in which grooves are dug in all the electrode region portions of the source electrode portion, the drain electrode portion, and the gate electrode portion.

図3(a)に示すダイオード領域(図1(a)に示す(2)の領域)における第1の溝形成の例では、ゲート電極14の形成領域全体において、半導体動作層105からその下の下部半導体層104(図2及び3参照)に至る溝15が形成され、当該溝15の上にゲート電極14が形成される。   In the example of forming the first groove in the diode region shown in FIG. 3A (the region (2) shown in FIG. 1A), the entire region where the gate electrode 14 is formed extends from the semiconductor operation layer 105 to the bottom. A trench 15 reaching the lower semiconductor layer 104 (see FIGS. 2 and 3) is formed, and a gate electrode 14 is formed on the trench 15.

図3(b)に示すダイオード領域(図1(a)に示す(2)の領域)における第2の溝形成の例では、ドレイン電極12の形成領域及びソース電極13の形成領域において、半導体動作層105からその下の下部半導体層104(図2及び3参照)に至る溝15が形成され、当該溝15の上にドレイン電極12とソース電極13が形成される。   In the example of the second groove formation in the diode region shown in FIG. 3B (region (2) shown in FIG. 1A), the semiconductor operation is performed in the formation region of the drain electrode 12 and the formation region of the source electrode 13. A trench 15 is formed from the layer 105 to the lower semiconductor layer 104 (see FIGS. 2 and 3) below the layer 105, and the drain electrode 12 and the source electrode 13 are formed on the trench 15.

図3(c)に示すダイオード領域(図1(a)に示す(2)の領域)における第3の溝形成の例では、ドレイン電極12、ソース電極13及びゲート電極12の全電極の形成領域において、半導体動作層105からその下の下部半導体層104(図2及び3参照)に至る溝15が形成され、当該溝15の上にドレイン電極12、ソース電極13及びゲート電極14が形成される。   In the example of the third groove formation in the diode region shown in FIG. 3C (region (2) shown in FIG. 1A), the formation region of all electrodes of the drain electrode 12, the source electrode 13 and the gate electrode 12 is formed. 2, a groove 15 is formed from the semiconductor operation layer 105 to the lower semiconductor layer 104 (see FIGS. 2 and 3) thereunder, and a drain electrode 12, a source electrode 13, and a gate electrode 14 are formed on the groove 15. .

図4は、ダイオード領域部に設けられた電極間距離(溝の幅)と降伏電圧との関係を示すものである。   FIG. 4 shows the relationship between the interelectrode distance (groove width) provided in the diode region and the breakdown voltage.

保護ダイオードを内蔵した本FETにおいては、上述したように、トランジスタ領域(1)に隣接するダイオード領域(図1の(2)に示す領域)において、半導体動作層とその下の下部半導体層を構成するバッファ層間に流れるリーク電流によって生じる電極間の溝の幅により、実質的な双方向ダイオード(図1(b)のD1、D2、D3及びD4)を形成させ、電極間をアイソレーションする溝15の幅の調整によりリーク電流が制御できることを利用する。すなわち、電極間に形成される双方向ダイオードの降伏電圧を利用するのである。このように、双方向ダイオードの降伏電圧は、溝15の幅を所定値に設定することにより調整できるので、これを本FETの降伏電圧に対応させるのである。   In the present FET incorporating the protection diode, as described above, the semiconductor operation layer and the lower semiconductor layer therebelow are configured in the diode region adjacent to the transistor region (1) (the region shown in (2) of FIG. 1). The groove 15 between the electrodes forms a substantially bidirectional diode (D1, D2, D3 and D4 in FIG. 1B) depending on the width of the groove between the electrodes generated by the leak current flowing between the buffer layers. The fact that the leakage current can be controlled by adjusting the width is used. That is, the breakdown voltage of the bidirectional diode formed between the electrodes is used. Thus, since the breakdown voltage of the bidirectional diode can be adjusted by setting the width of the groove 15 to a predetermined value, this corresponds to the breakdown voltage of this FET.

図4(b)のグラフに示すように、電極間距離を図4(a)に示す距離と定義し、この電極間距離に対応する双方向ダイオードの耐電圧特性は実験によって得られるので、本FETの定格電圧に対応して、ダイオード領域における電極間距離(溝の幅)を選定することになる。   As shown in the graph of FIG. 4B, the distance between the electrodes is defined as the distance shown in FIG. 4A, and the withstand voltage characteristics of the bidirectional diode corresponding to the distance between the electrodes can be obtained by experiment. Corresponding to the rated voltage of the FET, the interelectrode distance (groove width) in the diode region is selected.

図5は、一例として、電極間距離を所定値に設定にした場合の実験データを示すものであり、電極間に印加される電圧を横軸にとり、リーク電流値を縦軸にとった実際の実験データを示している。この実験例では、図5に示すように、電極間に約400V以上の電圧が印加された場合に、リーク電流が流れ始めることを示している。このように、本発明のFETでは、電極間に設けられた溝間に流れるリーク電流を利用して保護用ダイオード(図1(b)のD1、D2、D3及びD4)を形成するのである。   FIG. 5 shows, as an example, experimental data when the distance between the electrodes is set to a predetermined value. The horizontal axis indicates the voltage applied between the electrodes, and the actual value with the leakage current value on the vertical axis. Experimental data is shown. In this experimental example, as shown in FIG. 5, when a voltage of about 400 V or more is applied between the electrodes, a leakage current starts to flow. As described above, in the FET of the present invention, the protection diodes (D1, D2, D3, and D4 in FIG. 1B) are formed by using the leakage current flowing between the grooves provided between the electrodes.

次に、本発明に係る保護ダイオードを内蔵するFETの製造方法について、半導体基板を形成するための工程を含めて説明する。   Next, a method for manufacturing an FET incorporating a protection diode according to the present invention will be described including a process for forming a semiconductor substrate.

図6は、本発明に係る保護ダイオードを内蔵するMOS型FET(完成)の構造の一例を示すものである。   FIG. 6 shows an example of the structure of a MOS FET (completed) incorporating a protection diode according to the present invention.

図7乃至11において、最初に、Siからなる基板(101)を、例えば有機金属気層成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)させるべくMOCVD装置にセットし、濃度100%の水素ガスをキャリアガスとして用い、トリメチルガリウム(TMGa)と、トリメチルアルミニウム(TMAl)と、NHと、を、それぞれ58μmol/min、100μmol/min、12l/minの流量で導入し、成長温度1050℃で、基板101上に、AlN層102、バッファ層103、p−GaNからなる下部半導体層104を順次エピタキシャル成長させる。尚、下部半導体層104に対するp型のドーピング源としてビスシクロペンタディエニルマグネシウム(Cp2Mg)を用い、Mgの濃度が、1×1017cm−3程度になるようにCp2Mgの流量を調整する。 7 to 11, first, a substrate (101) made of Si is set in a MOCVD apparatus to perform, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), and hydrogen gas with a concentration of 100% is used as a carrier gas. And trimethylgallium (TMGa), trimethylaluminum (TMAl), and NH 3 are introduced at flow rates of 58 μmol / min, 100 μmol / min, and 12 l / min, respectively, and the growth temperature is 1050 ° C. on the substrate 101. Then, the AlN layer 102, the buffer layer 103, and the lower semiconductor layer 104 made of p-GaN are epitaxially grown sequentially. Note that biscyclopentadienylmagnesium (Cp2Mg) is used as a p-type doping source for the lower semiconductor layer 104, and the flow rate of Cp2Mg is adjusted so that the Mg concentration is about 1 × 10 17 cm −3 .

次に、TMGaとNHとを、それぞれ19μmol/min、12l/minの流量で導入し、成長温度1050℃で、下部半導体層104上にアンドープGaNからなる電子走行層105aをエピタキシャル成長させ、さらに、TMAlとTMGaとNHとを、それぞれ125μmol/min、19μmol/min、12l/minの流量で導入し、電子走行層105a上にAl組成が25%のアンドープ−AlGaNからなる電子供給層105bをエピタキシャル成長させ、半導体動作層105を形成する。尚、半導体動作層105は、厚さが25nm、キャリア濃度が5×1017cm−3のnGaN層からなる単層であってもよい。ドーパントは、Si(原料ガスはシランSiH)を用いることができる。 Next, TMGa and NH 3 are introduced at flow rates of 19 μmol / min and 12 l / min, respectively, and an electron transit layer 105a made of undoped GaN is epitaxially grown on the lower semiconductor layer 104 at a growth temperature of 1050 ° C., and TMAl, TMGa, and NH 3 are introduced at flow rates of 125 μmol / min, 19 μmol / min, and 12 l / min, respectively, and an electron supply layer 105b made of undoped-AlGaN having an Al composition of 25% is epitaxially grown on the electron transit layer 105a. The semiconductor operation layer 105 is formed. The semiconductor operation layer 105 may be a single layer made of an n - GaN layer having a thickness of 25 nm and a carrier concentration of 5 × 10 17 cm −3 . Si (source gas is silane SiH 4 ) can be used as the dopant.

尚、上記において、バッファ層103は、厚さ200nm/20nmのGaN/AlN複合層を8層だけ積層したものとする。また、AlN層102、下部半導体層104、電子走行層105a、電子供給層105bの厚さは、それぞれ100nm、500nm、100nm、20nmとする。   In the above description, the buffer layer 103 is formed by stacking only eight GaN / AlN composite layers having a thickness of 200 nm / 20 nm. The thicknesses of the AlN layer 102, the lower semiconductor layer 104, the electron transit layer 105a, and the electron supply layer 105b are 100 nm, 500 nm, 100 nm, and 20 nm, respectively.

次に、図8に示すように、プラズマ化学気相成長(PCVD)法を用いて、電子供給層105b上に、SiO2からなるマスク層110を厚さ500nmで形成し、フォトリソグラフィとCHFガスを用いてパターニングを行い、ゲート電極14及び溝15(図1(a)参照)を形成するための開口部110aを形成する。この溝15形成のための開口部において、本発明に係る保護ダイオードを内蔵するFETにおける保護ダイオードが形成されるのである。 Next, as shown in FIG. 8, a mask layer 110 made of SiO 2 is formed with a thickness of 500 nm on the electron supply layer 105b by using plasma enhanced chemical vapor deposition (PCVD), and photolithography and CHF 3 gas are formed. Then, patterning is performed to form an opening 110a for forming the gate electrode 14 and the trench 15 (see FIG. 1A). In the opening for forming the groove 15, a protection diode in the FET incorporating the protection diode according to the present invention is formed.

次に、図9乃至11に示すように、マスク層110を除去し、SiHとNOを原料ガスとしたプラズマ化学気相成長法(PCVD)を用いて、半導体動作層105上とリセス部105c内における下部半導体層104の表面104aとにわたってSiOからなる厚さ60nmのゲート絶縁膜108を形成するのである。 Next, as shown in FIGS. 9 to 11, the mask layer 110 is removed, and a recess is formed on the semiconductor operation layer 105 by plasma enhanced chemical vapor deposition (PCVD) using SiH 4 and N 2 O as source gases. A gate insulating film 108 made of SiO 2 and having a thickness of 60 nm is formed across the surface 104a of the lower semiconductor layer 104 in the portion 105c.

そして、ゲート絶縁膜103の一部をフッ酸で除去し、リフトオフ法を用いて半導体動作層105上にソース電極13、ドレイン電極12を形成する。なお、ソース電極13、ドレイン電極12は、いずれも厚さ25nm/300nmのTi/Al構造とする。また、金属膜の成膜は、スパッタ法や真空蒸着法を用いて行うことができる。そして、ソース電極13、ドレイン電極12を形成後、600℃、10分のアニールを行ない、つぎに、リフトオフ法を用いて、リセス部105cにTi/Al/Ti構造のゲート電極14を形成し、図6に示すMOS型FET100が完成するのである。   Then, a part of the gate insulating film 103 is removed with hydrofluoric acid, and the source electrode 13 and the drain electrode 12 are formed on the semiconductor operation layer 105 by using a lift-off method. The source electrode 13 and the drain electrode 12 both have a Ti / Al structure with a thickness of 25 nm / 300 nm. The metal film can be formed using a sputtering method or a vacuum evaporation method. Then, after forming the source electrode 13 and the drain electrode 12, annealing is performed at 600 ° C. for 10 minutes, and then a Ti / Al / Ti structure gate electrode 14 is formed in the recess portion 105c by using a lift-off method. The MOS type FET 100 shown in FIG. 6 is completed.

図12は、本発明に係る保護ダイオードを内蔵するHEMT型FETの構造の一例を示すものである。そして、図13は、図12に示した本発明に係るHEMT型FETの製造工程の例を示す。   FIG. 12 shows an example of the structure of a HEMT type FET incorporating a protection diode according to the present invention. FIG. 13 shows an example of a manufacturing process of the HEMT type FET according to the present invention shown in FIG.

図13に示すように、最初に、Siからなる基板(101)を、例えば有機金属気層成長させるべくMOCVD装置にセットし、濃度100%の水素ガスをキャリアガスとして用い、トリメチルガリウム(TMGa)と、トリメチルアルミニウム(TMAl)と、NHと、を、それぞれ58μmol/min、100μmol/min、12l/minの流量で導入し、成長温度1050℃で、基板101上に、AlN層102、バッファ層103、p−GaNからなる下部半導体層104を順次エピタキシャル成長させる。 As shown in FIG. 13, first, a substrate (101) made of Si is set in, for example, an MOCVD apparatus to grow a metal-organic gas layer, and hydrogen gas having a concentration of 100% is used as a carrier gas, and trimethylgallium (TMGa) is used. And trimethylaluminum (TMAl) and NH 3 are introduced at flow rates of 58 μmol / min, 100 μmol / min, and 12 l / min, respectively, and the growth temperature is 1050 ° C., the AlN layer 102 and the buffer layer are formed on the substrate 101. 103, the lower semiconductor layer 104 made of p-GaN is sequentially epitaxially grown.

次に、TMGaとNHとを、それぞれ19μmol/min、12l/minの流量で導入し、成長温度1050℃で、下部半導体層104上にアンドープGaNからなる電子走行層105aをエピタキシャル成長させ、さらに、TMAlとTMGaとNHとを、それぞれ125μmol/min、19μmol/min、12l/minの流量で導入し、電子走行層105a上にAl組成が25%のアンドープ−AlGaNからなる電子供給層105bをエピタキシャル成長させ、半導体動作層105を形成する。尚、バッファ層103は、厚さ200nm/20nmのGaN/AlN複合層を8層だけ積層したものとする。また、AlN層102、下部半導体層104、電子走行層105a、電子供給層105bの厚さは、それぞれ100nm、500nm、100nm、20nmとする。 Next, TMGa and NH 3 are introduced at flow rates of 19 μmol / min and 12 l / min, respectively, and an electron transit layer 105a made of undoped GaN is epitaxially grown on the lower semiconductor layer 104 at a growth temperature of 1050 ° C., and TMAl, TMGa, and NH 3 are introduced at flow rates of 125 μmol / min, 19 μmol / min, and 12 l / min, respectively, and an electron supply layer 105b made of undoped-AlGaN having an Al composition of 25% is epitaxially grown on the electron transit layer 105a. The semiconductor operation layer 105 is formed. Note that the buffer layer 103 is formed by stacking only eight GaN / AlN composite layers having a thickness of 200 nm / 20 nm. The thicknesses of the AlN layer 102, the lower semiconductor layer 104, the electron transit layer 105a, and the electron supply layer 105b are 100 nm, 500 nm, 100 nm, and 20 nm, respectively.

次に、プラズマ化学気相成長(PCVD)法を用いて、電子供給層105b上に、SiO2からなるマスク層110を厚さ500nmで形成し、フォトリソグラフィとCHFガスを用いてパターニングを行い、ゲート電極14及び溝15(図1(a)参照)を形成するための開口部110aを形成する。この溝15形成のための開口部において、本発明に係る保護ダイオードを内蔵するFETにおける保護ダイオードが形成されるのである。 Next, a plasma chemical vapor deposition (PCVD) method is used to form a mask layer 110 made of SiO 2 with a thickness of 500 nm on the electron supply layer 105b, and patterning is performed using photolithography and CHF 3 gas. An opening 110a for forming the gate electrode 14 and the trench 15 (see FIG. 1A) is formed. In the opening for forming the groove 15, a protection diode in the FET incorporating the protection diode according to the present invention is formed.

その後、リフトオフ法を用いて半導体動作層105上にソース電極13、ドレイン電極12を形成する。なお、ソース電極13、ドレイン電極12は、いずれも厚さ25nm/300nmのTi/Al構造とする。また、金属膜の成膜は、スパッタ法や真空蒸着法を用いて行うことができる。そして、ソース電極13、ドレイン電極12を形成後、600℃、10分のアニールを行ない、リフトオフ法を用いて、ゲート部105cにNi/Au構造のゲート電極14を形成し、これにより、図12に示すHEMT型FET100が完成するのである。   Thereafter, the source electrode 13 and the drain electrode 12 are formed on the semiconductor operation layer 105 by using a lift-off method. The source electrode 13 and the drain electrode 12 both have a Ti / Al structure with a thickness of 25 nm / 300 nm. The metal film can be formed using a sputtering method or a vacuum evaporation method. Then, after forming the source electrode 13 and the drain electrode 12, annealing is performed at 600 ° C. for 10 minutes, and a gate electrode 14 having a Ni / Au structure is formed in the gate portion 105c by using a lift-off method. This completes the HEMT type FET 100 shown in FIG.

以上詳しく説明したように、本発明においては、半導体基板上に少なくともバッファ層を含む下部半導体層104と、電子走行層及び電子供給層により形成された半導体動作層105と、を有する窒化ガリウム系化合物半導体の上に形成されたソース電極13、ドレイン電極12及びゲート電極14を有する電界効果トランジスタ11において、電界効果トランジスタ11を形成するトランジスタ領域(1)の隣にダイオード形成領域(2)を設け、このダイオード形成領域(2)において、半導体動作層105から下部半導体層104に至る溝15が、ゲート電極14とソース電極13間及び/又はゲート電極14とドレイン電極12間に形成され、この溝の幅に対応する降伏電圧により生じる下部半導体層104のバッファ層に流れるリーク電流により、電極間に並列接続されるダイオードを生じさせるのである。   As described above in detail, in the present invention, a gallium nitride compound having a lower semiconductor layer 104 including at least a buffer layer on a semiconductor substrate, and a semiconductor operation layer 105 formed of an electron transit layer and an electron supply layer. In a field effect transistor 11 having a source electrode 13, a drain electrode 12, and a gate electrode 14 formed on a semiconductor, a diode formation region (2) is provided next to a transistor region (1) for forming the field effect transistor 11, In this diode formation region (2), a groove 15 extending from the semiconductor operation layer 105 to the lower semiconductor layer 104 is formed between the gate electrode 14 and the source electrode 13 and / or between the gate electrode 14 and the drain electrode 12, and this groove The current flowing in the buffer layer of the lower semiconductor layer 104 generated by the breakdown voltage corresponding to the width. The leakage current is produce a diode connected in parallel between the electrodes.

これにより、本発明は、GaN系化合物半導体によるFETにおいて、外部負荷からの逆起電力等のサージ電圧や静電気からトランジスタを有効に保護するためのダイオードを内蔵させることを可能にしたのである。   Thus, the present invention makes it possible to incorporate a diode for effectively protecting the transistor from a surge voltage such as a counter electromotive force from an external load or static electricity in an FET made of a GaN-based compound semiconductor.

本発明は、窒化物(GaN)系化合物半導体による電界効果トランジスタ及びその製造方法に関し、そのゲート電極及びソース電極間及び/又はゲート電極及びドレイン電極間に保護ダイオードを内蔵させた電界効果トランジスタとその製造方法に関するに関するものであり、産業上の利用可能性を有する。   The present invention relates to a field effect transistor using a nitride (GaN) -based compound semiconductor and a method for manufacturing the same, and a field effect transistor including a protective diode built in between a gate electrode and a source electrode and / or between a gate electrode and a drain electrode, and the method It relates to a manufacturing method and has industrial applicability.

本FET11の構成を説明するものであり、図1(a)は、上面側から見た本FETの構成を説明するための図であり、図1(b)は、本FET11の等価回路を示す。FIG. 1A is a diagram for explaining the configuration of the FET as viewed from the upper surface side, and FIG. 1B shows an equivalent circuit of the FET 11. . 本FETの図1(a)におけるトランジスタ領域(1)のA−A’断面の形態の例を示すものである。An example of the form of the A-A ′ cross section of the transistor region (1) in FIG. 1A of this FET is shown. 本FETの図1(a)のダイオード領域(2)におけるB−B’断面を示し、種々の溝形成の例を示すものである。The B-B 'cross section in the diode region (2) of FIG. 1A of this FET is shown, and various examples of groove formation are shown. ダイオード領域部に設けられた電極間距離(溝の幅)と降伏電圧との関係を示すものである。This shows the relationship between the distance between electrodes (width of groove) provided in the diode region and the breakdown voltage. 電極間に印加される電圧を横軸にとり、リーク電流値を縦軸にとった実際の実験データを示す。Actual experimental data is shown with the voltage applied between the electrodes on the horizontal axis and the leakage current value on the vertical axis. 本発明に係る保護ダイオードを内蔵するMOS型FET(完成)の構造の一例を示す。An example of the structure of a MOS type FET (completed) incorporating a protection diode according to the present invention is shown. 図6に示すMOS型FETの製造工程を説明する図(その1)である。FIG. 7 is a view (No. 1) for describing a manufacturing step of the MOS FET shown in FIG. 6; 図6に示すMOS型FETの製造工程を説明する図(その2)である。FIG. 7 is a diagram (No. 2) for describing a manufacturing step of the MOS FET illustrated in FIG. 6; 図6に示すMOS型FETの製造工程を説明する図(その3)である。FIG. 7 is a view (No. 3) for describing a manufacturing step of the MOS FET shown in FIG. 6; 図6に示すMOS型FETの製造工程を説明する図(その4)である。FIG. 7 is a diagram (No. 4) for explaining a step of manufacturing the MOS FET shown in FIG. 6; 図6に示すMOS型FETの製造工程を説明する図(その5)である。FIG. 7 is a view (No. 5) for explaining a manufacturing step of the MOS FET shown in FIG. 6; 本発明に係る保護ダイオードを内蔵するHEMT型FET(完成)の構造の一例を示す1 shows an example of a structure of a HEMT type FET (completed) incorporating a protection diode according to the present invention. 図13に示すHEMT型FETの製造工程を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing process of HEMT type FET shown in FIG. 炭化珪素接合型のパワートランジスタにおいて、保護ダイオードを内蔵させた従来技術の例を示す。The example of the prior art which incorporated the protective diode in the silicon carbide junction type power transistor is shown.

符号の説明Explanation of symbols

11:本発明に係る電界効果トランジスタ(FET)
12:ドレイン電極
13:ソース電極
14:ゲート電極
15:溝
104:下部半導体層(バッファ層を含む)
105:半導体動作層
11: Field effect transistor (FET) according to the present invention
12: Drain electrode 13: Source electrode 14: Gate electrode 15: Groove 104: Lower semiconductor layer (including buffer layer)
105: Semiconductor operating layer

Claims (12)

基板上に形成されたバッファ層を含む下部半導体層と、
当該下部半導体層の上に形成された電子走行層を含む半導体動作層と、
当該半導体動作層の上に形成されたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極とを有する窒化ガリウム系化合物半導体からなる電界効果トランジスタにおいて、
トランジスタ機能を有するトランジスタ領域と該トランジスタ領域に隣接するダイオード領域とを有し、
該ダイオード領域においては、前記ゲート電極及び前記ソース電極間と、前記ゲート電極及び前記ドレイン電極間と、の何れか一方又は両方において、前記半導体動作層表面から、前記電子走行層と前記下部半導体層との界面または前記下部半導体層に至る溝が形成され、該溝は、前記電極間において、前記下部半導体層を流れるリーク電流によって、前記電極間に並列接続される双方向ダイオードとして機能するものであることを特徴とする電界効果トランジスタ。
A lower semiconductor layer including a buffer layer formed on the substrate;
A semiconductor operation layer including an electron transit layer formed on the lower semiconductor layer;
In a field effect transistor made of a gallium nitride compound semiconductor having a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode formed on the semiconductor operation layer,
A transistor region having a transistor function and a diode region adjacent to the transistor region;
In the diode region, and between the gate electrode and the source electrode, the gate electrode and the between the drain electrode, either or Oite both of, before Symbol semiconductor operating layer surface, wherein said electron transit layer A groove extending to the interface with the lower semiconductor layer or the lower semiconductor layer is formed, and the groove functions as a bidirectional diode connected in parallel between the electrodes due to a leakage current flowing through the lower semiconductor layer between the electrodes. A field effect transistor characterized by comprising:
前記半導体動作層は、前記電子走行層と、前記電子走行層よりもバンドギャップエネルギーの大きい材料からなる電子供給層と、からなることを特徴とする請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 The semiconductor active layer, the electric field effect transistor according to claim 1, wherein said electron transit layer, and the electron supply layer made of a material having a large band gap energy than the electron transit layer, in that it consists of. 前記溝の幅により前記双方向ダイオードの降伏電圧を調整することを特徴とする請求項1又は2に記載の電界効果トランジスタ。   3. The field effect transistor according to claim 1, wherein a breakdown voltage of the bidirectional diode is adjusted according to a width of the groove. 前記双方向ダイオードの降伏電圧は、前記溝の幅を所定値に設定することにより、前記電界効果トランジスタの降伏電圧よりも低く設定されていることを特徴とする請求項3に記載の電界効果トランジスタ。   4. The field effect transistor according to claim 3, wherein the breakdown voltage of the bidirectional diode is set lower than the breakdown voltage of the field effect transistor by setting the width of the groove to a predetermined value. . 前記電子走行層はアンドープのGaNであり、前記電子供給層はn型のAlGaNであることを特徴とする請求項2乃至4の何れかの項に記載の電界効果トランジスタ。 5. The field effect transistor according to claim 2 , wherein the electron transit layer is undoped GaN, and the electron supply layer is n-type AlGaN. 基板上に形成されたバッファ層を含む下部半導体層と、
当該下部半導体層の上に形成された電子走行層を含む半導体動作層と、
当該半導体動作層の上に形成されたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を有する窒化ガリウム系化合物半導体からなる電界効果トランジスタの製造方法であって、
(a)前記基板上に前記下部半導体層を形成するステップと、
(b)前記下部半導体層上に前記半導体動作層を形成するステップと、
(c)前記半導体動作層上に、ソース電極、ゲート電極及びドレイン電極を形成するステップと、
(d)トランジスタ機能を有するトランジスタ領域と該トランジスタ領域に隣接するダイオード領域とを形成し、該ダイオード領域において、前記半導体動作層表面から前記電子走行層と前記下部半導体層との界面または前記下部半導体層に至る溝を、前記ゲート電極と前記ソース電極間及び/又は前記ゲート電極と前記ドレイン電極間に形成するステップと、
の各ステップを含み、前記ステップ(d)において形成された前記溝は、前記電極間において、前記下部半導体層を流れるリーク電流によって、前記電極間に並列接続される双方向ダイオードとして機能するものであることを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
A lower semiconductor layer including a buffer layer formed on the substrate;
A semiconductor operation layer including an electron transit layer formed on the lower semiconductor layer ;
A manufacturing method of the semiconductor source electrode formed on the operation layer, the electric field effect transistor from the gallium nitride-based compound semiconductor having a drain electrode and a gate electrode,
(A) forming the lower semiconductor layer on the substrate;
(B) forming the semiconductor operating layer on the lower semiconductor layer;
(C) forming a source electrode, a gate electrode and a drain electrode on the semiconductor operation layer;
(D) forming a transistor region having a transistor function and a diode region adjacent to the transistor region , wherein an interface between the electron transit layer and the lower semiconductor layer from the surface of the semiconductor operation layer or the lower semiconductor in the diode region; Forming a trench leading to a layer between the gate electrode and the source electrode and / or between the gate electrode and the drain electrode;
The groove formed in the step (d) functions as a bidirectional diode connected in parallel between the electrodes by a leakage current flowing through the lower semiconductor layer between the electrodes. A method for producing a field effect transistor, characterized in that:
前記ステップ(a)は、
(a−1)Si基板の上にAlN層を形成するステップと、
(a−2)前記AlN層の上にGaN/AlN複合層を積層したバッファ層を形成するステップと、
(a−3)前記バッファ層の上にp型のGaN層を形成するステップと、
の各ステップを含むことを特徴とする請求項6記載の電界効果トランジスタの製造方法。
The step (a)
(A-1) forming an AlN layer on the Si substrate;
(A-2) forming a buffer layer in which a GaN / AlN composite layer is laminated on the AlN layer;
(A-3) forming a p-type GaN layer on the buffer layer;
The method of manufacturing a field effect transistor according to claim 6, comprising the steps of:
前記ステップ(d)は、
(d−1)前記電子走行層の上にマスク層を形成するステップと、
(d−2)前記ゲート電極及び前記ソース電極間及び/又は前記ゲート電極及び前記ドレイン電極間に形成する溝の形成領域に対応する前記マスク層を取り除くステップと、
(d−3)前記溝の形成領域をエッチングにより取り除くステップと、
の各ステップを含むことを特徴とする請求項6または7に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
The step (d)
(D-1) forming a mask layer on the electron transit layer;
(D-2) removing the mask layer corresponding to a groove forming region formed between the gate electrode and the source electrode and / or between the gate electrode and the drain electrode;
(D-3) removing the groove formation region by etching;
The method of manufacturing a field effect transistor according to claim 6 or 7, comprising the steps of:
前記半導体動作層は、前記電子走行層と、前記電子走行層よりもバンドギャップエネルギーの大きい材料からなる電子供給層とからなり、
前記電子走行層はアンドープのGaNであり、前記電子供給層はn型のAlGaNであることを特徴とする請求項6乃至8の何れかの項に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
The semiconductor operation layer includes the electron transit layer and an electron supply layer made of a material having a larger band gap energy than the electron transit layer,
The electron transit layer is an undoped GaN, a method of manufacturing a field effect transistor according to any one of claims 6-8 wherein the electron supply layer is characterized by an n-type AlGaN.
前記電極間をアイソレーションする前記溝の幅により、前記双方向ダイオードの降伏電圧を調整することを特徴とする請求項6乃至9の何れかの項に記載の電界効果トランジスタの製造方法。 10. The method of manufacturing a field effect transistor according to claim 6 , wherein a breakdown voltage of the bidirectional diode is adjusted according to a width of the groove for isolating the electrodes . 前記双方向ダイオードの降伏電圧は、前記溝の幅を所定値に設定することにより、前記電界効果トランジスタの降伏電圧よりも低く設定されていることを特徴とする請求項10に記載の電界効果トランジスタの製造方法。 11. The field effect transistor according to claim 10 , wherein the breakdown voltage of the bidirectional diode is set lower than the breakdown voltage of the field effect transistor by setting the width of the groove to a predetermined value. Manufacturing method. 基板上に形成されたバッファ層を含む下部半導体層と、  A lower semiconductor layer including a buffer layer formed on the substrate;
当該下部半導体層の上に形成された電子走行層を含む半導体動作層と、  A semiconductor operation layer including an electron transit layer formed on the lower semiconductor layer;
当該半導体動作層の上に形成されたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極とを有する窒化ガリウム系化合物半導体からなる電界効果トランジスタにおいて、  In a field effect transistor made of a gallium nitride compound semiconductor having a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode formed on the semiconductor operation layer,
トランジスタ機能を有するトランジスタ領域と該トランジスタ領域に隣接するダイオード領域とを有し、  A transistor region having a transistor function and a diode region adjacent to the transistor region;
該ダイオード領域においては、前記ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極の少なくとも一つが、前記半導体動作層表面から、前記電子走行層と前記下部半導体層との界面または前記下部半導体層に至る溝の上に形成され、該溝は、前記ゲート電極及び前記ソース電極間と、前記ゲート電極及び前記ドレイン電極間と、の何れか一方又は両方において、前記下部半導体層を流れるリーク電流によって、前記電極間に並列接続される双方向ダイオードとして機能するものであることを特徴とする電界効果トランジスタ。  In the diode region, at least one of the source electrode, the drain electrode, and the gate electrode is on the groove between the surface of the semiconductor operation layer and the interface between the electron transit layer and the lower semiconductor layer or the lower semiconductor layer. The trench is formed in parallel between the electrodes due to a leakage current flowing through the lower semiconductor layer in one or both of the gate electrode and the source electrode and between the gate electrode and the drain electrode. A field effect transistor which functions as a bidirectional diode to be connected.
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