JP5252813B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、窒化物半導体結晶を用いた半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device using a nitride semiconductor crystal.

特許文献1に、窒化物半導体結晶を用いた半導体装置が開示されている。この半導体装置は、窒化物半導体結晶と、その窒化物半導体結晶の上側表面に絶縁層を介して対向するゲート電極を有している。窒化物半導体結晶は、第1種類の窒化物半導体(窒化ガリウム)で構成された第1層と、第1層の上側に積層されているとともに第2種類の窒化物半導体(窒化ガリウム・アルミニウム)で構成された第2層を有している。第1層と第2層はバンドギャップが互いに異なることから、両者の境界面はヘテロ接合面となっている。第1層と第2層とのヘテロ接合面の一部には、ゲート電極が一方側から対向している。   Patent Document 1 discloses a semiconductor device using a nitride semiconductor crystal. This semiconductor device has a nitride semiconductor crystal and a gate electrode facing the upper surface of the nitride semiconductor crystal via an insulating layer. The nitride semiconductor crystal includes a first layer composed of a first type nitride semiconductor (gallium nitride) and a second type nitride semiconductor (gallium nitride / aluminum) laminated on the upper side of the first layer. It has the 2nd layer comprised by these. Since the first layer and the second layer have different band gaps, the interface between them is a heterojunction surface. A gate electrode is opposed to a part of the heterojunction surface between the first layer and the second layer from one side.

ヘテロ接合電界効果トランジスタでは、チャネルとなるヘテロ接合面を(0001)結晶面上に形成すると、ピエゾ効果及び自発分極に起因する電界の発生によって、ヘテロ接合面に高密度の2次元電子ガス層が形成される。ヘテロ接合面に高密度の2次元電子ガス層が形成されると、ゲート電極に電圧を印加していない時でも、ヘテロ接合面は多数の電子が走行可能な状態となっており、半導体装置はオンの状態となる。即ち、半導体装置は、ノーマリオン型の挙動を示す。
それに対して、特許文献1の半導体装置では、チャネルとなるヘテロ接合面を(11−20)結晶面上に形成している。(11−20)結晶面は、厚み方向に極性が変化しない無極性面である。そのことから、(11−20)結晶面上に形成したヘテロ接合面では、自発分極及びピエゾ分極が発生せず、2次元電子ガス層の密度が顕著に低下する。その結果、ゲート電極に電圧を印加しない状態では、ヘテロ接合面における電子の走行が抑止され、半導体装置はオフの状態となる。特許文献1には、ほぼノーマリオフ型の動作特性が確認されたと報告されている。
In a heterojunction field effect transistor, when a heterojunction plane that becomes a channel is formed on a (0001) crystal plane, a high-density two-dimensional electron gas layer is formed on the heterojunction plane due to the generation of an electric field due to the piezoelectric effect and spontaneous polarization. It is formed. When a high-density two-dimensional electron gas layer is formed on the heterojunction surface, even when no voltage is applied to the gate electrode, the heterojunction surface is in a state where a large number of electrons can travel. Turns on. That is, the semiconductor device exhibits normally-on behavior.
On the other hand, in the semiconductor device of Patent Document 1, a heterojunction surface to be a channel is formed on the (11-20) crystal plane. The (11-20) crystal plane is a nonpolar plane whose polarity does not change in the thickness direction. Therefore, spontaneous polarization and piezoelectric polarization do not occur on the heterojunction plane formed on the (11-20) crystal plane, and the density of the two-dimensional electron gas layer is significantly reduced. As a result, in the state where no voltage is applied to the gate electrode, the traveling of electrons on the heterojunction surface is suppressed, and the semiconductor device is turned off. In Patent Document 1, it is reported that almost normally-off operation characteristics have been confirmed.

ここで、(11−20)という表記の「2」の前に付された「−」は、一般に「2」の上部に付すべき「バー」を示すものである。本願の明細書及び特許請求の範囲では、結晶面や結晶軸の表記を同様に行うものとする。また、特に言及しない限り、例えば(1−100)結晶面という表記は、(1−100)結晶面とそれに等価な結晶面を含むものとする。同様に、例えば<11−20>結晶軸という表記は、<11−20>結晶軸とそれに等価な結晶軸を含むものとする。   Here, “-” added before “2” in the notation of (11-20) generally indicates “bar” to be added to the upper part of “2”. In the specification and claims of this application, the crystal plane and the crystal axis are represented in the same manner. Unless otherwise specified, for example, the expression (1-100) crystal plane includes a (1-100) crystal plane and an equivalent crystal plane. Similarly, for example, the expression <11-20> crystal axis includes a <11-20> crystal axis and a crystal axis equivalent thereto.

特開2006−324465号公報JP 2006-324465 A

特許文献1の半導体装置は、その製造工程において、主表面が(1102)結晶面であるサファイア基板の上に、(11−20)結晶軸配向の窒化物半導体層を結晶成長させる必要がある。しかしながら、このような結晶成長は非常に困難であり、結晶成長させた窒化物半導体層の表面に、必ずしも良好な(11−20)結晶面が現れるとは限らない。特許文献1の半導体装置は、ノーマリオフ動作を期待できる構造を有しているが、その構造を実際に実現することは難しいという問題がある。
本発明は、上記の課題を解決する。本発明は、ノーマリオフ動作を実現するとともに、その製造が比較的に容易な半導体装置を具現化するための技術を提供する。
In the manufacturing process of the semiconductor device of Patent Document 1, it is necessary to grow a (11-20) crystal axis oriented nitride semiconductor layer on a sapphire substrate whose main surface is a (1102) crystal plane. However, such crystal growth is very difficult, and a good (11-20) crystal plane does not always appear on the surface of the nitride semiconductor layer on which the crystal has been grown. Although the semiconductor device of Patent Document 1 has a structure that can be expected to be normally off, there is a problem that it is difficult to actually realize the structure.
The present invention solves the above problems. The present invention provides a technique for realizing a normally-off operation and realizing a semiconductor device that is relatively easy to manufacture.

本発明によって具現化される半導体装置は、上側表面が(0001)結晶面である窒化物半導体結晶とゲート電極を備えている。前記窒化物半導体結晶の上側表面には、少なくとも一つのトレンチが形成されている。前記ゲート電極は、少なくとも前記トレンチの側面に絶縁層を介して対向している。そして、前記トレンチの側面の少なくとも一部は、(11−22)結晶面又は(1−101)結晶面であることを特徴とする。
ここで、窒化物半導体結晶の上側表面とは、鉛直上方に位置する表面を意図するものではなく、半導体装置の各構成の位置関係を明確にするために便宜上定めるものである。本明細書および特許請求の範囲では、窒化物半導体結晶の複数の表面のうち、ゲート電極が配設された表面を上側表面と定め、上側表面に対向する表面を下側表面と定める。そして、下側表面から上側表面に向かう方向を上方と表現し、上側表面から下側表面に向かう方向を下方と表現し、上側表面及び下側表面に平行な方向を側方と表現する。
A semiconductor device embodied by the present invention includes a nitride semiconductor crystal whose upper surface is a (0001) crystal plane and a gate electrode. At least one trench is formed on the upper surface of the nitride semiconductor crystal. The gate electrode is opposed to at least the side surface of the trench via an insulating layer. At least a part of the side surface of the trench is a (11-22) crystal plane or a (1-101) crystal plane.
Here, the upper surface of the nitride semiconductor crystal is not intended to be a surface positioned vertically upward, but is defined for the sake of convenience in order to clarify the positional relationship of each component of the semiconductor device. In the present specification and claims, of the plurality of surfaces of the nitride semiconductor crystal, the surface on which the gate electrode is disposed is defined as the upper surface, and the surface facing the upper surface is defined as the lower surface. A direction from the lower surface to the upper surface is expressed as upward, a direction from the upper surface to the lower surface is expressed as downward, and a direction parallel to the upper surface and the lower surface is expressed as side.

この半導体装置では、トレンチの側面に(11−22)結晶面又は(1−101)結晶面が形成され、そのトレンチの側面にゲート電極が対向する構造を有している。それにより、キャリアが走行するチャネルが(11−22)結晶面又は(1−101)結晶面上に形成される。(11−22)結晶面と(1−101)結晶面は、例えば(0001)結晶面と比較して、厚み方向に極性の変化が小さい半極性面である。そのことから、(0001)結晶面上に形成されたチャネルでは、ピエゾ効果や自発分極に起因する電界の発生が抑制され、二次元電子ガス層の密度は顕著に低下する。その結果、ゲート電極に電圧を印加しない状態では、チャネルにおいて電子の走行が抑止され、半導体装置はオフの状態となる。
主たる表面が(0001)結晶面である窒化物半導体結晶は、その製造が比較的に容易であり、均質な結晶を得やすいという利点を持つ。本発明に係る半導体装置は、表面が(0001)結晶面である窒化物半導体結晶を利用することから、容易に製造することができる。
This semiconductor device has a structure in which a (11-22) crystal plane or a (1-101) crystal plane is formed on a side surface of a trench, and a gate electrode is opposed to the side surface of the trench. As a result, a channel on which carriers travel is formed on the (11-22) crystal plane or the (1-101) crystal plane. The (11-22) crystal plane and the (1-101) crystal plane are, for example, semipolar planes with a small change in polarity in the thickness direction compared to the (0001) crystal plane. Therefore, in the channel formed on the (0001) crystal plane, the generation of an electric field due to the piezo effect and spontaneous polarization is suppressed, and the density of the two-dimensional electron gas layer is significantly reduced. As a result, in a state where no voltage is applied to the gate electrode, electron travel is suppressed in the channel, and the semiconductor device is turned off.
A nitride semiconductor crystal whose main surface is a (0001) crystal plane has an advantage that it is relatively easy to manufacture and it is easy to obtain a homogeneous crystal. Since the semiconductor device according to the present invention uses a nitride semiconductor crystal whose surface is a (0001) crystal plane, it can be easily manufactured.

上記した半導体装置では、窒化物半導体結晶が、第1種類の窒化物半導体で構成された第1層と、第1領域の上方に積層されているとともに第2種類の窒化物半導体で構成された第2層を備えていることが好ましい。この場合、前記第1層と前記第2層の境界面の少なくとも一部は、前記トレンチの側面に平行であることが好ましい。
この半導体装置では、(11−22)結晶面又は(1−101)結晶面上に第1層と第2層のヘテロ接合面が形成されており、そのヘテロ接合面に沿ってチャネルが形成される。ゲート電極に電圧を印加した状態では、ヘテロ接合面に沿って高密度の二次元電子ガス層が形成され、多数の電子が走行可能なチャネルが形成される。それにより、半導体装置のオン抵抗は顕著に低下する。
In the semiconductor device described above, the nitride semiconductor crystal is composed of the first layer composed of the first type nitride semiconductor and the second layer nitride semiconductor which is laminated above the first region. A second layer is preferably provided. In this case, it is preferable that at least a part of the boundary surface between the first layer and the second layer is parallel to the side surface of the trench.
In this semiconductor device, the heterojunction planes of the first layer and the second layer are formed on the (11-22) crystal plane or the (1-101) crystal plane, and a channel is formed along the heterojunction plane. The In a state where a voltage is applied to the gate electrode, a high-density two-dimensional electron gas layer is formed along the heterojunction surface, and a channel capable of traveling a large number of electrons is formed. Thereby, the on-resistance of the semiconductor device is significantly reduced.

上記の構造を採用する場合、前記第1種類の窒化物半導体は窒化ガリウムとし、前記第2種類の窒化物半導体は窒化ガリウム・アルミニウムとすることが好ましい。
これらの材料の組み合わせであると、適度なバンドギャップの差異によって、チャネルに適したヘテロ接合面が形成される。
In the case of adopting the above structure, it is preferable that the first type nitride semiconductor is gallium nitride and the second type nitride semiconductor is gallium nitride / aluminum.
With a combination of these materials, a heterojunction surface suitable for the channel is formed due to an appropriate band gap difference.

上記の半導体装置では、前記トレンチが<1−100>結晶軸に平行に伸びており、前記トレンチの側面が(11−22)結晶面であることが好ましい。
あるいは、前記トレンチが<11−20>結晶軸に平行に伸びており、前記トレンチの側面が(1−101)結晶面であることが好ましい。
これらの構成であれば、前記トレンチの側面に(11−22)結晶面又は(1−101)結晶面をより広く形成することができる。
In the above semiconductor device, it is preferable that the trench extends in parallel with the <1-100> crystal axis, and a side surface of the trench is a (11-22) crystal plane.
Alternatively, it is preferable that the trench extends in parallel with the <11-20> crystal axis, and the side surface of the trench is a (1-101) crystal plane.
With these configurations, the (11-22) crystal plane or the (1-101) crystal plane can be formed wider on the side surface of the trench.

本発明に係る半導体装置は、以下に説明する製造方法によって製造することができる。この製造方法は、上側表面が(0001)結晶面である窒化物半導体結晶を用意する工程と、前記窒化物半導体結晶の上側表面に、<1−100>結晶軸又は<11−20>結晶軸に平行に伸びるトレンチを形成するトレンチ形成工程と、前記トレンチを形成した窒化物半導体結晶をアンモニアを含むガスの雰囲気下で加熱処理し、前記トレンチの側面の少なくとも一部に(11−22)結晶面又は(1−101)結晶面を形成する熱処理工程と、前記トレンチの側面に絶縁層を介して対向するゲート電極を形成する電極形成工程を備えている。   The semiconductor device according to the present invention can be manufactured by a manufacturing method described below. This manufacturing method includes a step of preparing a nitride semiconductor crystal whose upper surface is a (0001) crystal plane, and a <1-100> crystal axis or a <11-20> crystal axis on the upper surface of the nitride semiconductor crystal. Forming a trench extending parallel to the trench, and heat-treating the nitride semiconductor crystal in which the trench is formed in an atmosphere of gas containing ammonia, and forming (11-22) crystal on at least a part of the side surface of the trench A heat treatment step for forming a plane or a (1-101) crystal plane, and an electrode formation step for forming a gate electrode facing the side surface of the trench through an insulating layer.

窒化物半導体結晶をアンモニアを含むガスの雰囲気下で加熱処理すると、結晶の表面エネルギーが最小となるようにIII族元素の原子や窒素原子の移動が起こり、窒化物半導体結晶の表面は比較的に表面エネルギーが小さい結晶面へ変化する。従って、窒化物半導体結晶の(0001)結晶面にトレンチを形成し、トレンチ形成後の窒化物半導体をアンモニアを含む反応ガス雰囲気下で加熱処理すると、トレンチの側面に(11−22)結晶面や(1−101)結晶面を形成することができる。この手法によると、窒化物半導体結晶の表面に、均質な(11−22)結晶面や(1−101)結晶面を容易に形成することができる。
この製造方法によれば、表面が(0001)結晶面である窒化物半導体結晶から、特別な結晶成長を行うことなく、上記した半導体装置を容易に製造することができる。
When a nitride semiconductor crystal is heat-treated in an atmosphere containing ammonia, group III element atoms and nitrogen atoms move to minimize the surface energy of the crystal, and the surface of the nitride semiconductor crystal is relatively The surface energy changes to a small crystal plane. Therefore, when a trench is formed in the (0001) crystal plane of the nitride semiconductor crystal and the nitride semiconductor after the trench formation is heat-treated in a reaction gas atmosphere containing ammonia, the (11-22) crystal plane or A (1-101) crystal plane can be formed. According to this method, a uniform (11-22) crystal plane or (1-101) crystal plane can be easily formed on the surface of the nitride semiconductor crystal.
According to this manufacturing method, the above-described semiconductor device can be easily manufactured from a nitride semiconductor crystal having a (0001) crystal plane on its surface without performing special crystal growth.

上記の製造方法は、前記トレンチの側面に形成した(11−22)結晶面又は(1−101)結晶面に、第2種類の窒化物半導体で構成される第2層を結晶成長させる工程をさらに備えることが好ましい。
それにより、(11−22)結晶面又は(1−101)結晶面上にヘテロ接合面を形成し、そのヘテロ接合面に沿ってチャネルが形成される半導体装置を製造することができる。
The manufacturing method includes a step of crystal-growing a second layer made of the second type nitride semiconductor on the (11-22) crystal plane or the (1-101) crystal plane formed on the side surface of the trench. It is preferable to further provide.
Thereby, a semiconductor device in which a heterojunction plane is formed on the (11-22) crystal plane or the (1-101) crystal plane and a channel is formed along the heterojunction plane can be manufactured.

トレンチの側面に第2層を積層する場合、トレンチの側面には窒化ガリウムの結晶面が露出しており、積層させる第2種類の窒化物半導体は窒化ガリウム・アルミニウムであることが好ましい。
これらの材料の組み合わせにより、適度なバンドギャップの差異によって、チャネルに適したヘテロ接合面を形成することができる。
When the second layer is stacked on the side surface of the trench, the crystal surface of gallium nitride is exposed on the side surface of the trench, and the second type nitride semiconductor to be stacked is preferably gallium nitride / aluminum.
By combining these materials, a heterojunction surface suitable for a channel can be formed with an appropriate difference in band gap.

本発明により、窒化物半導体結晶を用いる半導体装置であって、ノーマリオフ動作を実現するとともに、その製造が比較的に容易な半導体装置が具現化される。   According to the present invention, a semiconductor device using a nitride semiconductor crystal, which realizes a normally-off operation and is relatively easy to manufacture, is realized.

最初に、以下に説明する実施例の主要な特徴を列記する。
(特徴1) トレンチ形成後の窒化物半導体結晶を熱処理する際は、窒化物半導体結晶の上側表面(トレンチの形成範囲は除く)に、窒化ガリウム・アルミニウム層を形成しておくことが好ましい。窒化ガリウム・アルミニウム層は結合度が強く、熱処理において原子が離脱しないことから、窒化物半導体結晶の上側表面を維持するマスクとして機能する。
(特徴2) 窒化物半導体基板の上側表面に<1−100>結晶軸に平行に伸びるトレンチを形成した場合、その後の熱処理によってトレンチの側面に(11−22)結晶面を形成することができる。窒化物半導体基板の上側表面に<11−20>結晶軸に平行に伸びるトレンチを形成した場合、その後の熱処理によってトレンチの側面に(1−101)結晶面を形成することができる
(特徴3) 半導体装置は、窒化物半導体結晶の上側表面に形成されているソース電極と、窒化物半導体結晶の下側表面に形成されているドレイン電極を備えている。
First, the main features of the embodiments described below are listed.
(Feature 1) When the nitride semiconductor crystal after the trench formation is heat-treated, it is preferable to form a gallium nitride / aluminum layer on the upper surface of the nitride semiconductor crystal (excluding the trench formation range). Since the gallium nitride / aluminum layer has a high degree of bonding and atoms do not leave during heat treatment, it functions as a mask for maintaining the upper surface of the nitride semiconductor crystal.
(Feature 2) When a trench extending parallel to the <1-100> crystal axis is formed on the upper surface of the nitride semiconductor substrate, a (11-22) crystal plane can be formed on the side surface of the trench by subsequent heat treatment. . When a trench extending parallel to the <11-20> crystal axis is formed on the upper surface of the nitride semiconductor substrate, a (1-101) crystal plane can be formed on the side surface of the trench by subsequent heat treatment (feature 3). The semiconductor device includes a source electrode formed on the upper surface of the nitride semiconductor crystal and a drain electrode formed on the lower surface of the nitride semiconductor crystal.

(実施例1)
図1は、実施例1の半導体装置10の要部断面図を模式的に示している。図1は、半導体装置10の単位構造を模式的に示すものである。半導体装置10には、図1に示す単位構造が図1の左右方向に繰返し形成されている。
Example 1
FIG. 1 schematically shows a cross-sectional view of a main part of a semiconductor device 10 according to the first embodiment. FIG. 1 schematically shows a unit structure of the semiconductor device 10. In the semiconductor device 10, the unit structure shown in FIG. 1 is repeatedly formed in the left-right direction of FIG.

半導体装置10は、窒化物半導体結晶20を備えている。窒化物半導体結晶20は、窒化物半導体の結晶体であり、六方晶の構造を有している。窒化物半導体結晶20の上側表面20aは(0001)結晶面であり、下側表面20bは(000−1)結晶面である。
窒化物半導体結晶20は、窒化ガリウム(GaN)で構成されたGaN層(第1層)22、24、26と、窒化ガリウム・アルミニウム(AlGaN)で構成されたAlGaN層(第2層)27、28を備えている。AlGaN層27、28は、GaN層22、24、26の上方に積層されている。GaN層22、24、26とAlGaN層27、28はバンドギャップが互いに異なることから、GaN層22、24、26とAlGaN層27、28の境界面30はヘテロ接合面となっている。以下、GaN層22、24、26とAlGaN層27、28の境界面30を、単にヘテロ接合面30と記すことがある。
The semiconductor device 10 includes a nitride semiconductor crystal 20. The nitride semiconductor crystal 20 is a crystal of a nitride semiconductor and has a hexagonal crystal structure. The upper surface 20a of the nitride semiconductor crystal 20 is a (0001) crystal plane, and the lower surface 20b is a (000-1) crystal plane.
The nitride semiconductor crystal 20 includes a GaN layer (first layer) 22, 24, 26 made of gallium nitride (GaN), an AlGaN layer (second layer) 27 made of gallium nitride / aluminum (AlGaN), 28. The AlGaN layers 27 and 28 are stacked above the GaN layers 22, 24 and 26. Since the GaN layers 22, 24 and 26 and the AlGaN layers 27 and 28 have different band gaps, the boundary surface 30 between the GaN layers 22, 24 and 26 and the AlGaN layers 27 and 28 is a heterojunction surface. Hereinafter, the interface 30 between the GaN layers 22, 24, 26 and the AlGaN layers 27, 28 may be simply referred to as a heterojunction surface 30.

GaN層(第1層)22、24、26の上側表面26aには、トレンチ46が形成されている。図2に、トレンチ46に係る構造を拡大して示す。図1、2に示すように、トレンチ46は、<1−100>結晶軸に平行(図1の奥行方向)に伸びている。トレンチ46は略V字形状の断面を有しており、トレンチ46の一対の側面46aは<11−22>結晶面となっている。トレンチ46の側面46aと底面46bは、略120度の角度を成している。また、トレンチ46の側面46aとGaN層(第1層)22、24、26の上側表面26aも、略120度の角度を成している。   A trench 46 is formed in the upper surface 26 a of the GaN layer (first layer) 22, 24, 26. FIG. 2 shows an enlarged structure related to the trench 46. As shown in FIGS. 1 and 2, the trench 46 extends in parallel to the <1-100> crystal axis (in the depth direction of FIG. 1). The trench 46 has a substantially V-shaped cross section, and a pair of side surfaces 46a of the trench 46 is a <11-22> crystal plane. The side surface 46a and the bottom surface 46b of the trench 46 form an angle of about 120 degrees. Further, the side surface 46a of the trench 46 and the upper surface 26a of the GaN layers (first layer) 22, 24, 26 also form an angle of approximately 120 degrees.

図1、図2に示すように、トレンチ46の内部には、ゲート電極36とゲート絶縁膜37が形成されている。ゲート絶縁膜37は、トレンチ46の表面(側面46a及び底面46b)上、及び、トレンチ46の両側に位置するGaN層(第1層)22、24、26の上側表面26a上に形成されている。ゲート電極36は、ゲート絶縁膜37の上に形成されている。ゲート電極36は、ゲート絶縁膜37を介して、トレンチ46の側面46a及び底面46bに対向している。ゲート絶縁膜37やゲート電極36を構成する材料は特に限定されない。本実施例では、ゲート絶縁膜37を酸化シリコン(SiO)によって形成し、ゲート電極36を多結晶シリコン(Poly Si)によって形成している。 As shown in FIGS. 1 and 2, a gate electrode 36 and a gate insulating film 37 are formed inside the trench 46. The gate insulating film 37 is formed on the surface (side surface 46 a and bottom surface 46 b) of the trench 46 and on the upper surface 26 a of the GaN layers (first layers) 22, 24, 26 located on both sides of the trench 46. . The gate electrode 36 is formed on the gate insulating film 37. The gate electrode 36 faces the side surface 46 a and the bottom surface 46 b of the trench 46 through the gate insulating film 37. The material forming the gate insulating film 37 and the gate electrode 36 is not particularly limited. In this embodiment, the gate insulating film 37 is formed of silicon oxide (SiO 2 ), and the gate electrode 36 is formed of polycrystalline silicon (Poly Si).

窒化物半導体結晶20のGaN層22、24、26は、導入されている不純物の種類や濃度に応じて、GaN基板層22と、高抵抗GaN層24と、p型GaN層26と、ソース領域42に区分することができる。また、AlGaN層27、28は、ガリウムとアルミニウムの含有率に応じて、第1AlGaN層27と第2AlGaN層28に区分することができる。ソース領域42は、ヘテロ接合面30を越えて第1AlGaN層27まで伸びている。   The GaN layers 22, 24, and 26 of the nitride semiconductor crystal 20 include the GaN substrate layer 22, the high-resistance GaN layer 24, the p-type GaN layer 26, and the source region according to the type and concentration of the introduced impurity. 42. The AlGaN layers 27 and 28 can be divided into a first AlGaN layer 27 and a second AlGaN layer 28 according to the content ratios of gallium and aluminum. The source region 42 extends to the first AlGaN layer 27 beyond the heterojunction surface 30.

GaN基板層22は、窒化物半導体結晶20の最下層部に位置している。GaN基板層22は、n型の不純物を含むn型の半導体領域となっている。なお、GaN基板層22は不純物が導入されていないi型の半導体領域とすることもできる。
高抵抗GaN層24は、GaN基板層22の上方に積層されている。高抵抗GaN層24は、n型の不純物を比較的に低濃度に含むn型の半導体領域となっている。本実施例では、n型の不純物にシリコン(Si)が用いられており、その濃度は約1×1016cm−3に調整されている。
The GaN substrate layer 22 is located in the lowermost layer portion of the nitride semiconductor crystal 20. The GaN substrate layer 22 is an n-type semiconductor region containing n-type impurities. The GaN substrate layer 22 may be an i-type semiconductor region into which no impurity is introduced.
The high resistance GaN layer 24 is stacked above the GaN substrate layer 22. The high resistance GaN layer 24 is an n type semiconductor region containing an n type impurity at a relatively low concentration. In this embodiment, silicon (Si) is used as an n-type impurity, and its concentration is adjusted to about 1 × 10 16 cm −3 .

p型GaN層26は、高抵抗GaN層24の上方に積層されている。p型GaN層26は、p型の不純物を含むp型の半導体領域となっている。本実施例では、p型の不純物にマグネシウム(Mg)が用いられており、その濃度は約5×1019cm−3に調整されている。なお、p型GaN層26は、高抵抗GaN層24の一部の上方に形成されている。p型GaN層26は、窒化物半導体基板20の上側表面20a(トレンチ46の形成範囲は除く)の下方に位置しており、トレンチ46の側方に位置している。p型GaN層26とトレンチ46の側面46aとの間には、高抵抗GaN層24の一部が介在している。
ソース領域42は、p型GaN層26の一部の上方に形成されている。また、ソース領域42の一部は、ゲート電極36の下方に位置している。ソース領域42は、n型の不純物を比較的に高濃度に含むn型の半導体領域となっている。本実施例では、n型の不純物にシリコン(Si)が用いられており、その濃度は約3×1018cm−3に調整されている。
The p-type GaN layer 26 is stacked above the high resistance GaN layer 24. The p-type GaN layer 26 is a p-type semiconductor region containing p-type impurities. In this embodiment, magnesium (Mg) is used as a p-type impurity, and its concentration is adjusted to about 5 × 10 19 cm −3 . The p-type GaN layer 26 is formed above part of the high-resistance GaN layer 24. The p-type GaN layer 26 is located below the upper surface 20 a of the nitride semiconductor substrate 20 (excluding the formation range of the trench 46) and is located on the side of the trench 46. A part of the high-resistance GaN layer 24 is interposed between the p-type GaN layer 26 and the side surface 46 a of the trench 46.
The source region 42 is formed above part of the p-type GaN layer 26. A part of the source region 42 is located below the gate electrode 36. The source region 42 is an n-type semiconductor region containing an n-type impurity at a relatively high concentration. In this embodiment, silicon (Si) is used as an n-type impurity, and its concentration is adjusted to about 3 × 10 18 cm −3 .

第1AlGaN層27は、ガリウムとアルミニウムの含有比がy:1−yの窒化ガリウム・アルミニウム(AlGa1−yN)で構成されている。本実施例では、y=0.3に調整されている。第1AlGaN層27は、p型GaN層26の上方に積層されており、GaN層(第1層)22、24、26の上側表面26a(トレンチ46の形成範囲は除く)に沿って形成されている。
第2AlGaN層28は、ガリウムとアルミニウムの含有比がx:1−xの窒化ガリウム・アルミニウム(AlGa1−xN)で構成されている。本実施例では、第1AlGaN層27と同じく、y=0.3に調整されている。第2AlGaN層28は、GaN層(第1層)22、24、26の上側表面26a及びトレンチ46の表面46a、46bの略全体に亘って、略一定の層厚で積層されている。
The first AlGaN layer 27 is composed of gallium nitride aluminum (Al y Ga 1-y N) having a gallium and aluminum content ratio of y: 1-y. In this embodiment, y is adjusted to 0.3. The first AlGaN layer 27 is stacked above the p-type GaN layer 26, and is formed along the upper surfaces 26a of the GaN layers (first layers) 22, 24, 26 (excluding the formation range of the trench 46). Yes.
The second AlGaN layer 28 is made of gallium aluminum nitride (Al x Ga 1-x N) having a gallium and aluminum content ratio of x: 1-x. In the present embodiment, y is adjusted to 0.3 as with the first AlGaN layer 27. The second AlGaN layer 28 is laminated with a substantially constant layer thickness over substantially the entire upper surface 26a of the GaN layers (first layer) 22, 24, 26 and the surfaces 46a, 46b of the trench 46.

以上の構成により、窒化物半導体結晶20では、GaN層22、24、26とAlGaN層27、28との境界面であるヘテロ接合面30が、GaN層(第1層)22、24、26の上側表面26a及びトレンチ46の表面46a、46bに略平行に拡がっている。先に説明したように、トレンチ46の側面46aは(11−22)結晶面となっている。従って、ヘテロ接合面30のトレンチ側面46aに平行な範囲は、(11−22)結晶面上に位置している。
ヘテロ接合面30のトレンチ側面46aに平行な範囲、即ち、ヘテロ接合面30の(11−22)結晶面上に位置する範囲には、ゲート電極36が一方側から対向しているとともに、p型半導体領域26が高抵抗GaN層24を介して他方側から対向している。
With the above configuration, in the nitride semiconductor crystal 20, the heterojunction surface 30 that is a boundary surface between the GaN layers 22, 24, 26 and the AlGaN layers 27, 28 is formed of the GaN layers (first layers) 22, 24, 26. The upper surface 26a and the surfaces 46a and 46b of the trench 46 extend substantially in parallel. As described above, the side surface 46a of the trench 46 is a (11-22) crystal plane. Therefore, the range parallel to the trench side surface 46a of the heterojunction surface 30 is located on the (11-22) crystal plane.
In a range parallel to the trench side surface 46a of the heterojunction plane 30, that is, a range located on the (11-22) crystal plane of the heterojunction plane 30, the gate electrode 36 is opposed from one side, and is p-type. The semiconductor region 26 is opposed from the other side through the high-resistance GaN layer 24.

ソース電極32は、窒化物半導体基板20の上側表面20a(トレンチ46の形成範囲は除く)に配設されている。窒化物半導体結晶20の上側表面20aには、複数のソース電極32と複数のゲート電極36が、図1の左右方向に交互に配設されている。また、窒化物半導体結晶20の下側表面20bには、ドレイン電極34が形成されている。
ソース電極28とドレイン電極30を構成する材料は特に限定されず、例えば金属を用いて構成することができる。本実施例では、ソース電極28とドレイン電極30を、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)を積層した積層体によって構成している。
The source electrode 32 is disposed on the upper surface 20a of the nitride semiconductor substrate 20 (excluding the formation range of the trench 46). On the upper surface 20a of the nitride semiconductor crystal 20, a plurality of source electrodes 32 and a plurality of gate electrodes 36 are alternately arranged in the left-right direction in FIG. A drain electrode 34 is formed on the lower surface 20 b of the nitride semiconductor crystal 20.
The material which comprises the source electrode 28 and the drain electrode 30 is not specifically limited, For example, it can comprise using a metal. In the present embodiment, the source electrode 28 and the drain electrode 30 are constituted by a laminate in which titanium (Ti) and aluminum (Al) are laminated.

次に、半導体装置10の動作を説明する。半導体装置10では、ヘテロ接合面30の一部がトレンチ側面46aに平行に形成されている。即ち、ヘテロ接合面30の一部は、(11−22)結晶面上に形成されている。(11−22)結晶面は、例えば(0001)結晶面と異なり、その垂直方向に極性の変化が少ない半極性面である。そのことから、(11−22)結晶面上に形成されたヘテロ接合面30では、例えば(0001)結晶面上に形成された場合と比較して、二次元電子ガス層の密度が有意に低下する。また、ゲート電極36に電圧を印加していない状態では、高抵抗GaN層24とp型GaN層26の境界面から空乏層が伸び、その空乏層はヘテロ接合面30まで達している。それにより、ゲート電極36に電圧を印加していない状態では、ヘテロ接合面30の少なくともトレンチ46の側面46aに平行な範囲において、二次元電子ガス層の形成が禁止される。ゲート電極36に電圧が印加されていない状態では、電子がヘテロ接合面30に沿って走行することが確実に禁止され、ソース電極32とドレイン電極34の間が電気的に遮断される。   Next, the operation of the semiconductor device 10 will be described. In the semiconductor device 10, a part of the heterojunction surface 30 is formed in parallel to the trench side surface 46a. That is, a part of the heterojunction plane 30 is formed on the (11-22) crystal plane. Unlike the (0001) crystal plane, the (11-22) crystal plane is a semipolar plane with little change in polarity in the vertical direction. Therefore, in the heterojunction plane 30 formed on the (11-22) crystal plane, for example, the density of the two-dimensional electron gas layer is significantly reduced as compared with the case where the heterojunction plane 30 is formed on the (0001) crystal plane. To do. When no voltage is applied to the gate electrode 36, the depletion layer extends from the boundary surface between the high-resistance GaN layer 24 and the p-type GaN layer 26, and the depletion layer reaches the heterojunction surface 30. As a result, in the state where no voltage is applied to the gate electrode 36, the formation of the two-dimensional electron gas layer is prohibited in a range parallel to at least the side surface 46 a of the trench 46 of the heterojunction surface 30. In a state where no voltage is applied to the gate electrode 36, the electrons are reliably prohibited from traveling along the heterojunction surface 30, and the source electrode 32 and the drain electrode 34 are electrically disconnected.

一方、ゲート電極36に正の電圧を印加した状態では、高抵抗GaN層24に形成されていた空乏層が縮小し、ヘテロ接合面30に二次元電子ガス層が形成される。ゲート電極36に正の電圧を印加することにより、ヘテロ接合面30に沿って多数の電子が走行可能なチャネルが形成され、ソース電極32とドレイン電極34の間は通電可能な状態となる。このように、半導体装置10は、安定したノーマリオフ動作を実現することができる。   On the other hand, when a positive voltage is applied to the gate electrode 36, the depletion layer formed in the high-resistance GaN layer 24 is reduced, and a two-dimensional electron gas layer is formed on the heterojunction surface 30. By applying a positive voltage to the gate electrode 36, a channel through which a large number of electrons can travel is formed along the heterojunction surface 30, and the source electrode 32 and the drain electrode 34 can be energized. Thus, the semiconductor device 10 can realize a stable normally-off operation.

半導体装置10のしきい値電圧(オンするのに要するゲート電圧)は、高抵抗GaN層24の不純物濃度、p型GaN層26の不純物濃度、p型GaN層26の位置や寸法、トレンチ46の深さなどによって変化する。従って、これらの設定を適宜変更することによって、所望のしきい値電圧を有する半導体装置10を具現化することができる。   The threshold voltage (gate voltage required to turn on) of the semiconductor device 10 is the impurity concentration of the high-resistance GaN layer 24, the impurity concentration of the p-type GaN layer 26, the position and size of the p-type GaN layer 26, the trench 46 It varies depending on the depth. Therefore, the semiconductor device 10 having a desired threshold voltage can be realized by appropriately changing these settings.

(半導体装置10の製造方法)
次に半導体装置10の製造方法を説明する。
先ず、図3に示すように、窒化ガリウムを主材料とするとともに、その主表面が(0001)結晶面である窒化ガリウム基板22(後にGaN基板層22となる)を用意する。次に、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を利用して、窒化ガリウム基板22の上に、n型の窒化ガリウム層24(後に高抵抗GaN層24となる)を結晶成長させる。次に、MOCVD法を利用して、n型の窒化ガリウム層24の上に、p型の窒化ガリウム層26(後にp型GaN層26となる)を結晶成長させる。次に、MOCVD法を利用して、p型の窒化ガリウム層26の上に、窒化ガリウム・アルミニウム層27(後に第1AlGaN層27となる)を結晶成長させる。
次に、結晶成長によって得られた窒化物半導体結晶20の上側表面20aの一部に、イオン注入法によってシリコンを注入し、ソース領域42を形成する。なお、イオン注入法によるシリコンの注入後に、熱処理による活性化を実施する。以上の工程により、図3に示す半製品10aが得られる。
(Manufacturing method of the semiconductor device 10)
Next, a method for manufacturing the semiconductor device 10 will be described.
First, as shown in FIG. 3, a gallium nitride substrate 22 (which will later become a GaN substrate layer 22) is prepared, whose main material is gallium nitride and whose main surface is a (0001) crystal plane. Next, an n -type gallium nitride layer 24 (which later becomes a high-resistance GaN layer 24) is grown on the gallium nitride substrate 22 by using a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method. Next, a p-type gallium nitride layer 26 (which will later become a p-type GaN layer 26) is grown on the n -type gallium nitride layer 24 by MOCVD. Next, a gallium nitride / aluminum layer 27 (which will later become the first AlGaN layer 27) is grown on the p-type gallium nitride layer 26 by MOCVD.
Next, silicon is implanted into a part of the upper surface 20a of the nitride semiconductor crystal 20 obtained by the crystal growth by an ion implantation method to form the source region. Note that activation by heat treatment is performed after silicon is implanted by an ion implantation method. The semi-finished product 10a shown in FIG. 3 is obtained by the above process.

次に、図4に示すように、リソグラフィー技術とRIE技術を利用して、ソース領域42とp型の窒化ガリウム層26を貫通し、n型の窒化ガリウム層24に達するトレンチ46を形成する。このとき使用するマスク60は、例えば酸化シリコンで形成することができる。トレンチ46は、<1−100>結晶軸に平行に形成する。以上の工程により、図4に示す半製品10bが得られる。トレンチ46の形成後、マスク60を除去する。なお、この段階のトレンチ46の側面46aや底面46bは、特定の結晶面を持っていない。 Next, as shown in FIG. 4, using the lithography technique and the RIE technique, a trench 46 that penetrates the source region 42 and the p-type gallium nitride layer 26 and reaches the n -type gallium nitride layer 24 is formed. . The mask 60 used at this time can be formed of, for example, silicon oxide. The trench 46 is formed in parallel to the <1-100> crystal axis. The semi-finished product 10b shown in FIG. 4 is obtained by the above process. After the trench 46 is formed, the mask 60 is removed. Note that the side surface 46a and the bottom surface 46b of the trench 46 at this stage do not have a specific crystal plane.

次に、図4に示すトレンチ46の形成後の窒化物半導体基板20に、アンモニア(NH)を含む反応ガスの雰囲気下で熱処理を行う。この熱処理の温度は約1050℃であり、その時間は10分である。この熱処理により、窒化ガリウム層24、26が露出しているトレンチ46の側面46aや底面46bでは、表面エネルギーが最小となるように、窒素原子やガリウム原子の移動が生じる。その結果、図5に示すように、トレンチ46の側面46aは表面エネルギーが比較的に低い(11−22)結晶面となり、トレンチ46の底面46bは(0001)結晶面となる。以上の工程により、図5に示す半製品10cが得られる。
この熱処理において、窒素原子やガリウム原子は、主に、トレンチ46の底面46bから、トレンチ46の側面46bへと移動する。即ち、巨視的に見れば、トレンチ46の底面46bに露出していたn型の窒化ガリウム層24が、トレンチ46の側面46aに露出していたp型の窒化ガリウム層26に積層されるように移動する。その結果、トレンチ46の側面46aは、主にn型の窒化ガリウム層24によって構成される。
なお、窒化ガリウムの結晶に比して、窒化ガリウム・アルミニウムの結晶は結合力が強いことから、窒化ガリウム・アルミニウム層27からの原子の移動は実質的に発生しない。従って、窒化物半導体基板20の上側表面20aの形状は、熱処理の前後で維持される。
Next, the nitride semiconductor substrate 20 after the formation of the trench 46 shown in FIG. 4 is subjected to heat treatment in an atmosphere of a reactive gas containing ammonia (NH 3 ). The temperature of this heat treatment is about 1050 ° C., and the time is 10 minutes. By this heat treatment, movement of nitrogen atoms and gallium atoms occurs on the side surfaces 46a and bottom surfaces 46b of the trenches 46 where the gallium nitride layers 24 and 26 are exposed so that the surface energy is minimized. As a result, as shown in FIG. 5, the side surface 46a of the trench 46 becomes a (11-22) crystal plane with relatively low surface energy, and the bottom surface 46b of the trench 46 becomes a (0001) crystal plane. The semi-finished product 10c shown in FIG. 5 is obtained by the above process.
In this heat treatment, nitrogen atoms and gallium atoms mainly move from the bottom surface 46 b of the trench 46 to the side surface 46 b of the trench 46. That is, when viewed macroscopically, the n -type gallium nitride layer 24 exposed on the bottom surface 46 b of the trench 46 is stacked on the p-type gallium nitride layer 26 exposed on the side surface 46 a of the trench 46. Move to. As a result, the side surface 46 a of the trench 46 is mainly constituted by the n-type gallium nitride layer 24.
Note that, since the gallium nitride / aluminum crystal has a stronger bonding force than the gallium nitride crystal, the movement of atoms from the gallium nitride / aluminum layer 27 does not substantially occur. Therefore, the shape of the upper surface 20a of the nitride semiconductor substrate 20 is maintained before and after the heat treatment.

次に、図6に示すように、MOCVD法を利用して、窒化物半導体基板20の上側表面20a及びトレンチの内面46a、46b上に、窒化ガリウム・アルミニウム層28(後に第2AlGaN層28となる)を結晶成長させる。それにより、図6に示す半製品10dが得られる。
次に、図7に示すように、窒化ガリウム・アルミニウム層28の上に、ゲート絶縁膜37とゲート電極36を順に形成する。それにより、図7に示す半製品10eが得られる。
次に、窒化物半導体結晶20の上側表面20aにソース電極32を形成し、窒化物半導体結晶20の下側表面20bにドレイン電極34を形成する。ソース電極32を形成する際には、窒化ガリウム・アルミニウム層28にソース領域42を露出させる孔を形成しておき、ソース領域34に接触するようにソース電極32を形成する。以上の工程によって、図1に示す半導体装置10を製造することができる。
Next, as shown in FIG. 6, the MOCVD method is used to form a gallium nitride / aluminum layer 28 (to be a second AlGaN layer 28 later) on the upper surface 20a of the nitride semiconductor substrate 20 and the inner surfaces 46a and 46b of the trench. ) Is grown. Thereby, the semi-finished product 10d shown in FIG. 6 is obtained.
Next, as shown in FIG. 7, a gate insulating film 37 and a gate electrode 36 are sequentially formed on the gallium nitride / aluminum layer 28. Thereby, the semi-finished product 10e shown in FIG. 7 is obtained.
Next, the source electrode 32 is formed on the upper surface 20 a of the nitride semiconductor crystal 20, and the drain electrode 34 is formed on the lower surface 20 b of the nitride semiconductor crystal 20. When forming the source electrode 32, a hole exposing the source region 42 is formed in the gallium nitride / aluminum layer 28, and the source electrode 32 is formed so as to be in contact with the source region 34. Through the above steps, the semiconductor device 10 shown in FIG. 1 can be manufactured.

以上のように、半導体装置10は、主表面が(0001)結晶面である窒化ガリウム基板22から形成することができる。主表面が(0001)結晶面である窒化ガリウム基板22は、例えば主表面が(11−22)結晶面や(1−101)結晶面である窒化ガリウム基板と比較して、比較的に容易に製造することができる。本実施例で説明した技術によれば、主表面が(11−22)結晶面や(1−101)結晶面である窒化ガリウム基板を用いることなく、(11−22)結晶面や(1−101)結晶面上にヘテロ接合面30を有する半導体装置10を製造することができる。   As described above, the semiconductor device 10 can be formed from the gallium nitride substrate 22 whose main surface is the (0001) crystal plane. The gallium nitride substrate 22 whose main surface is a (0001) crystal plane is relatively easy compared with, for example, a gallium nitride substrate whose main surface is a (11-22) crystal plane or a (1-101) crystal plane. Can be manufactured. According to the technique described in this embodiment, the (11-22) crystal plane or (1-1-) crystal plane can be used without using a gallium nitride substrate whose main surface is the (11-22) crystal plane or the (1-101) crystal plane. 101) The semiconductor device 10 having the heterojunction plane 30 on the crystal plane can be manufactured.

以上、実施例1の半導体装置10について詳細に説明したが、トレンチ46に係る構成については、図8に示すように変更することもできる。即ち、図8に示すように、トレンチ46を<11−20>結晶軸に平行に形成し、その一対の側面46aが(1−101)結晶面であってもよい。(1−101)結晶面は、(11−22)結晶面と同様に半極性面である。そのことから、トレンチ46の側面46aが(1−101)結晶面であっても、半導体装置10は安定したノーマリオフ動作を実現することができる。
図8に示すトレンチ46は、以下のように形成することができる。即ち、上記した半導体装置10の製造方法において、窒化物半導体結晶20の上側表面20aにトレンチ46を形成する際に、<11−20>結晶軸に平行に伸びるトレンチ46を形成するトレンチ46を<11−20>結晶軸に平行に形成すると、その後の熱処理によってトレンチ46の側面46aに(1−101)結晶面が形成され、図8に示すトレンチ46が得られる。
The semiconductor device 10 according to the first embodiment has been described in detail above. However, the configuration related to the trench 46 can be changed as shown in FIG. That is, as shown in FIG. 8, the trench 46 may be formed in parallel to the <11-20> crystal axis, and the pair of side surfaces 46a may be (1-101) crystal planes. The (1-101) crystal plane is a semipolar plane similar to the (11-22) crystal plane. Therefore, even when the side surface 46a of the trench 46 is a (1-101) crystal plane, the semiconductor device 10 can realize a stable normally-off operation.
The trench 46 shown in FIG. 8 can be formed as follows. That is, in the manufacturing method of the semiconductor device 10 described above, when the trench 46 is formed on the upper surface 20a of the nitride semiconductor crystal 20, the trench 46 that forms the trench 46 extending in parallel to the <11-20> crystal axis is formed <11-20> When formed parallel to the crystal axis, a subsequent heat treatment forms a (1-101) crystal plane on the side surface 46a of the trench 46, and the trench 46 shown in FIG. 8 is obtained.

(実施例2)
図9は、実施例1の半導体装置100の要部断面図を模式的に示している。図9は、半導体装置100の単位構造を模式的に示すものである。半導体装置100には、図1に示す単位構造が図1の左右方向に繰返し形成されている。
(Example 2)
FIG. 9 schematically illustrates a cross-sectional view of a main part of the semiconductor device 100 according to the first embodiment. FIG. 9 schematically shows a unit structure of the semiconductor device 100. In the semiconductor device 100, the unit structure shown in FIG. 1 is repeatedly formed in the left-right direction of FIG.

半導体装置100は、窒化物半導体結晶120を備えている。窒化物半導体結晶120の上側表面120aは(0001)結晶面であり、下側表面120bは(000−1)結晶面である。
窒化物半導体結晶120は、窒化ガリウム(GaN)で構成されたGaN層(第1層)122、124、126と、窒化ガリウム・アルミニウム(AlGaN)を主材料とするAlGaN層127を備えている。AlGaN層127は、GaN層122、124、216の上方に積層されている。
The semiconductor device 100 includes a nitride semiconductor crystal 120. The upper surface 120a of the nitride semiconductor crystal 120 is a (0001) crystal plane, and the lower surface 120b is a (000-1) crystal plane.
The nitride semiconductor crystal 120 includes GaN layers (first layers) 122, 124, and 126 made of gallium nitride (GaN), and an AlGaN layer 127 mainly composed of gallium nitride and aluminum (AlGaN). The AlGaN layer 127 is stacked above the GaN layers 122, 124, and 216.

GaN層(第1層)122、124、126の上側表面126aには、トレンチ146が形成されている。図10に、トレンチ146に係る構造を拡大して示す。図9、10に示すように、トレンチ146は、<1−100>結晶軸に平行(図1の奥行方向)に伸びている。トレンチ146は略V字形状の断面を有しており、トレンチ146の一対の側面146aは<11−22>結晶面となっている。トレンチ146の側面146aと底面146bは、略120度の角度を成している。また、トレンチ146の側面146aとGaN層(第1層)122、124、126の上側表面126aも、略120度の角度を成している。   A trench 146 is formed in the upper surface 126a of the GaN layer (first layer) 122, 124, 126. FIG. 10 shows an enlarged structure related to the trench 146. As shown in FIGS. 9 and 10, the trench 146 extends parallel to the <1-100> crystal axis (the depth direction in FIG. 1). The trench 146 has a substantially V-shaped cross section, and a pair of side surfaces 146a of the trench 146 is a <11-22> crystal plane. The side surface 146a and the bottom surface 146b of the trench 146 form an angle of approximately 120 degrees. Further, the side surface 146a of the trench 146 and the upper surface 126a of the GaN layers (first layers) 122, 124, 126 also form an angle of approximately 120 degrees.

図9、図10に示すように、トレンチ146の内部には、ゲート電極136とゲート絶縁膜137が形成されている。ゲート絶縁膜137は、トレンチ146の表面(側面146a及び1底面46b)に形成されている。ゲート電極136は、ゲート絶縁膜137の上に形成されている。ゲート電極136は、ゲート絶縁膜137を介して、トレンチ146の側面146a及び底面146bに対向している。   As shown in FIGS. 9 and 10, a gate electrode 136 and a gate insulating film 137 are formed inside the trench 146. The gate insulating film 137 is formed on the surface (side surface 146a and 1 bottom surface 46b) of the trench 146. The gate electrode 136 is formed on the gate insulating film 137. The gate electrode 136 faces the side surface 146a and the bottom surface 146b of the trench 146 with the gate insulating film 137 interposed therebetween.

窒化物半導体結晶120のGaN層122、124、126は、GaN基板層122と、高抵抗GaN層124と、p型GaN層126と、ソース領域142に区分することができる。GaN基板層122、高抵抗GaN層124、p型GaN層126、ソース領域142に係る構成は、実施例1で説明したGaN基板層22、高抵抗GaN層24、p型GaN層26、ソース領域42に係る構成にそれぞれ等しい。また、窒化物半導体結晶120のGaN層127に係る構成は、実施例1で説明した第1AlGaN層127に係る構成に等しい。   The GaN layers 122, 124, and 126 of the nitride semiconductor crystal 120 can be divided into a GaN substrate layer 122, a high-resistance GaN layer 124, a p-type GaN layer 126, and a source region 142. The configuration related to the GaN substrate layer 122, the high-resistance GaN layer 124, the p-type GaN layer 126, and the source region 142 includes the GaN substrate layer 22, the high-resistance GaN layer 24, the p-type GaN layer 26, and the source region described in the first embodiment. 42, respectively. The configuration related to the GaN layer 127 of the nitride semiconductor crystal 120 is equal to the configuration related to the first AlGaN layer 127 described in the first embodiment.

窒化物半導体結晶120の上側表面120aには、ソース電極132が形成されている。また、窒化物半導体結晶120の下側表面120bには、ドレイン電極134が形成されている。ソース電極132、ドレイン電極134に係る構成は、実施例1で説明したソース電極32、ドレイン電極34に係る構成にそれぞれ等しい。   A source electrode 132 is formed on the upper surface 120 a of the nitride semiconductor crystal 120. A drain electrode 134 is formed on the lower surface 120 b of the nitride semiconductor crystal 120. The configuration related to the source electrode 132 and the drain electrode 134 is the same as the configuration related to the source electrode 32 and the drain electrode 34 described in the first embodiment.

以上の構成により、本実施例の半導体装置100は、実施例1で説明した半導体装置10と比較して、下記の相違点を有する。即ち、本実施例の半導体装置100は、AlGaN層127が、GaN層(第1層)122、124、126の上側表面126a(トレンチ146の形成範囲は除く)のみに形成されており、トレンチ146の表面146a、146bには高抵抗GaN層124が露出している。そして、トレンチ146の表面146a、146bには、ゲート絶縁膜137が直接的に形成されている。   With the above configuration, the semiconductor device 100 of the present embodiment has the following differences compared to the semiconductor device 10 described in the first embodiment. That is, in the semiconductor device 100 of this embodiment, the AlGaN layer 127 is formed only on the upper surface 126a of the GaN layers (first layers) 122, 124, 126 (excluding the formation range of the trench 146). The high resistance GaN layer 124 is exposed on the surfaces 146a and 146b. A gate insulating film 137 is directly formed on the surfaces 146 a and 146 b of the trench 146.

次に、半導体装置100の動作を説明する。半導体装置100では、トレンチ146の側面146aが(11−22)結晶面上に形成されており、トレンチ146の側面146aにゲート絶縁膜137が形成されている。(11−22)結晶面は、その垂直方向に極性の変化が少ない半極性面である。そのことから、トレンチ146の側面146aでは、ゲート絶縁膜137あるいはゲート電極136の膜応力に起因するピエゾ電界の発生が比較的に抑制される。従って、ゲート電極136に電圧を印加していない状態では、トレンチ146の側面146a近傍に高密度の二次元電子ガス層が形成されない。さらに、ゲート電極136に電圧を印加していない状態では、p型GaN層126から空乏層が伸びることによって、トレンチ146の側面146aに二次元電子ガス層が形成されることが禁止される。ゲート電極136に電圧が印加されていない状態では、電子がトレンチ146の側面146aに沿って走行することが確実に禁止され、ソース電極132とドレイン電極134が間を電気的に遮断される。   Next, the operation of the semiconductor device 100 will be described. In the semiconductor device 100, the side surface 146a of the trench 146 is formed on the (11-22) crystal plane, and the gate insulating film 137 is formed on the side surface 146a of the trench 146. The (11-22) crystal plane is a semipolar plane with little change in polarity in the vertical direction. Therefore, on the side surface 146a of the trench 146, the generation of a piezo electric field due to the film stress of the gate insulating film 137 or the gate electrode 136 is relatively suppressed. Therefore, in a state where no voltage is applied to the gate electrode 136, a high-density two-dimensional electron gas layer is not formed in the vicinity of the side surface 146a of the trench 146. Furthermore, in the state where no voltage is applied to the gate electrode 136, the depletion layer extends from the p-type GaN layer 126, thereby preventing a two-dimensional electron gas layer from being formed on the side surface 146 a of the trench 146. In a state where no voltage is applied to the gate electrode 136, the electrons are reliably prohibited from traveling along the side surface 146 a of the trench 146, and the source electrode 132 and the drain electrode 134 are electrically disconnected from each other.

一方、ゲート電極136に正の電圧を印加した状態では、高抵抗GaN層124に形成されていた空乏層が縮小し、トレンチ146の側面146aに沿って二次元電子ガス層の形成が許容される。ゲート電極136に正の電圧を印加することにより、トレンチ146の側面146aに沿って多数の電子が走行可能なチャネルが形成され、ソース電極132とドレイン電極134の間は通電可能な状態となる。このように、半導体装置100は、安定したノーマリオフ動作を実現することができる。   On the other hand, when a positive voltage is applied to the gate electrode 136, the depletion layer formed in the high-resistance GaN layer 124 is reduced, and the formation of a two-dimensional electron gas layer is allowed along the side surface 146a of the trench 146. . By applying a positive voltage to the gate electrode 136, a channel through which a large number of electrons can travel is formed along the side surface 146a of the trench 146, and the source electrode 132 and the drain electrode 134 can be energized. As described above, the semiconductor device 100 can realize a stable normally-off operation.

実施例2の半導体装置100の製造方法は、実施例1で説明した半導体装置10の製造方法と多くの部分で共通する。詳しくは、実施例1で説明した半導体装置10の製造工程から、第2AlGaN層128の形成工程を除くことによって、実施例2の半導体装置100を製造することができる。従って、実施例2の半導体装置100も、実施例1の半導体装置10と同様に、主表面が(0001)結晶面である窒化ガリウム基板から製造することができる。   The manufacturing method of the semiconductor device 100 of the second embodiment is common in many parts to the manufacturing method of the semiconductor device 10 described in the first embodiment. Specifically, the semiconductor device 100 of Example 2 can be manufactured by removing the process of forming the second AlGaN layer 128 from the manufacturing process of the semiconductor device 10 described in Example 1. Therefore, similarly to the semiconductor device 10 of the first embodiment, the semiconductor device 100 of the second embodiment can be manufactured from a gallium nitride substrate whose main surface is a (0001) crystal plane.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。本明細書または図面に例示した技術は、複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. The technology illustrated in this specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of them.

実施例1の半導体装置の単位構造を示す模式図。FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a unit structure of the semiconductor device according to the first embodiment. 実施例1のトレンチの構造を拡大して示す図。FIG. 3 is an enlarged view showing the structure of a trench of Example 1. 実施例1の半導体装置の第1の製造過程を示す図。FIG. 3 is a diagram showing a first manufacturing process of the semiconductor device of Example 1; 実施例1の半導体装置の第2の製造過程を示す図。FIG. 6 is a diagram showing a second manufacturing process of the semiconductor device of Example 1; 実施例1の半導体装置の第3の製造過程を示す図。FIG. 6 is a diagram showing a third manufacturing process of the semiconductor device of Example 1; 実施例1の半導体装置の第4の製造過程を示す図。FIG. 6 is a diagram showing a fourth manufacturing process of the semiconductor device of Example 1; 実施例1の半導体装置の第5の製造過程を示す図。FIG. 6 is a diagram showing a fifth manufacturing process of the semiconductor device of Example 1; トレンチの構成を変更した例を示す図。The figure which shows the example which changed the structure of the trench. 実施例2の半導体装置の単位構造を示す模式図。FIG. 6 is a schematic diagram showing a unit structure of a semiconductor device of Example 2. 実施例2のトレンチの構造を拡大して示す図。The figure which expands and shows the structure of the trench of Example 2.

符号の説明Explanation of symbols

・10、100:半導体装置
・20、120:窒化物半導体結晶
・22、122:GaN基板層(第1層の一部)
・24、124:高抵抗GaN層(第1層の一部)
・26、126:p型GaN層(第1層の一部)
・27、127:第1AlGaN層(第2層の一部)
・28:第2AlGaN層(第2層の一部)
・30:ヘテロ接合面
・32、132:ソース電極
・34、134:ドレイン電極
・36、136:ゲート電極
・37、137:ゲート絶縁膜
・42、142:ソース領域
10, 100: semiconductor device 20, 120: nitride semiconductor crystal 22, 122: GaN substrate layer (part of first layer)
24, 124: high-resistance GaN layer (part of the first layer)
26, 126: p-type GaN layer (part of the first layer)
27, 127: first AlGaN layer (part of the second layer)
28: Second AlGaN layer (part of the second layer)
30: heterojunction surface 32, 132: source electrode 34, 134: drain electrode 36, 136: gate electrode 37, 137: gate insulating film 42, 142: source region

Claims (3)

上側表面が(0001)結晶面である窒化物半導体結晶を用意する工程と、
前記窒化物半導体結晶の上側表面に、<1−100>結晶軸又は<11−20>結晶軸に平行に伸びるトレンチを形成するトレンチ形成工程と、
前記トレンチを形成した窒化物半導体結晶をアンモニアを含むガスの雰囲気下で加熱し、前記トレンチの側面の少なくとも一部に(11−22)結晶面又は(1−101)結晶面を形成する熱処理工程と、
前記トレンチの側面に絶縁層を介して対向するゲート電極を形成する工程と、
を備える半導体装置の製造方法。
Preparing a nitride semiconductor crystal whose upper surface is a (0001) crystal plane;
Forming a trench extending in parallel with the <1-100> crystal axis or the <11-20> crystal axis on the upper surface of the nitride semiconductor crystal;
A heat treatment step of heating the nitride semiconductor crystal in which the trench is formed in an atmosphere of gas containing ammonia to form a (11-22) crystal plane or a (1-101) crystal plane on at least a part of the side surface of the trench. When,
Forming a gate electrode facing the side surface of the trench through an insulating layer;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
前記トレンチの側面に形成した(11−22)結晶面又は(1−101)結晶面に、第2種類の窒化物半導体で構成される第2層を結晶成長させる工程をさらに備えることを特徴とする請求項に記載の製造方法。 The method further includes the step of crystal-growing a second layer made of the second type nitride semiconductor on the (11-22) crystal plane or the (1-101) crystal plane formed on the side surface of the trench. The manufacturing method according to claim 1 . 前記トレンチの側面には窒化ガリウムの結晶面が露出しており、前記第2種類の窒化物半導体は窒化ガリウム・アルミニウムであることを特徴とする請求項に記載の製造方法。 3. The manufacturing method according to claim 2, wherein a crystal plane of gallium nitride is exposed on a side surface of the trench, and the second type nitride semiconductor is gallium nitride / aluminum.
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