JP5292895B2 - Nitride semiconductor transistor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a normally-off type field effect transistor that is used for a power control device in which a drain current density equivalent to a high-frequency transistor in an on-state is available and a forward leakage current density of a gate electrode is suppressed when a positive voltage of 10-volt is applied to the gate electrode. <P>SOLUTION: A field effect transistor is produced. It adopts an MIS-type structure in which a gate electrode is provided on the surface of an electron supply layer consisting of a nitride semiconductor through an insulation film to suppress a forward leakage current density of the gate electrode. A drain electrode has such a structure that an ohmic contact is formed on a p-type nitride semiconductor layer formed on the surface of the electron supply layer. The field effect transistor has a function to inject holes from the drain electrode portion into a channel layer beyond the electron supply layer in an on-state during a high-voltage operation. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、窒化物系半導体を用いた電界効果トランジスタに関する。本発明は、特に、電力制御用デバイスに適用可能であり、低いゲートリーク電流を保ったまま、低オン抵抗と高耐圧化を実現する構造を有する窒化物半導体トランジスタに関する。   The present invention relates to a field effect transistor using a nitride semiconductor. The present invention is particularly applicable to a power control device, and relates to a nitride semiconductor transistor having a structure that realizes low on-resistance and high breakdown voltage while maintaining a low gate leakage current.

窒化物系半導体は、バンドギャップが大きく、電子飽和速度が高いという特長を有している。この利点を利用して、窒化物系半導体を用いた電界効果トランジスタは、高周波デバイス用だけではなく、電力制御用デバイスへの実用化開発が盛んに行われている。電力制御用デバイスへの応用では、スイッチング動作の際、OFF状態とするため、ゲート電極へ負のゲート・バイアスVgsを印加する必要がない、エンハンスメント(ノーマリ・オフ)型電界効果トランジスタであることが要求される。 Nitride-based semiconductors are characterized by a large band gap and a high electron saturation rate. Utilizing this advantage, field effect transistors using nitride-based semiconductors are actively developed for practical use not only for high-frequency devices but also for power control devices. In an application to a power control device, it is an enhancement (normally off) type field effect transistor that does not require a negative gate bias V gs to be applied to the gate electrode in order to be turned off during the switching operation. Is required.

図6に、電力制御用デバイスへの応用を目的として、提案されているノーマリ・オフ型電界効果トランジスタの一例を示す(特許文献1を参照)。図6に例示される電界効果トランジスタは、ノーマリ・オン型の高周波用トランジスタと同等のドレイン電流を得るために、次の構造を利用している。従来、ノーマリ・オフ型電界効果トランジスタとする際に、電子供給層のAl組成を低くしたり、厚さを薄くしたりする手段が利用されているが、図6に例示される電界効果トランジスタでは、ゲート電極の直下にp+AlGaN層を形成することによりノーマリ・オフ型を実現している。この構造では、ゲート電極に正の電圧を加えると、p+AlGaN層からチャネル層中へ正孔が注入される。その際、注入された正孔に起因して、ゲート電極直下のチャネル領域内では、電子の発生が誘起される。従って、ゲート電極直下のチャネル領域内に存在する電子濃度を高めることができ、ON状態における、ドレイン電流密度が格段に増加する。すなわち、ON状態における、ドレイン電流−ドレイン電圧(Ids−Vds)特性から算定されるオン抵抗の低減がなされている。図6に例示されるノーマリ・オフ型電界効果トランジスタは、ON状態において、ノーマリ・オン型トランジスタと同等の高いドレイン電流密度が得られることが、その特長として挙げられている。
特開2007−19309号公報
FIG. 6 shows an example of a normally-off field effect transistor that has been proposed for the purpose of application to a power control device (see Patent Document 1). The field effect transistor illustrated in FIG. 6 uses the following structure in order to obtain a drain current equivalent to that of a normally-on type high-frequency transistor. Conventionally, when a normally-off type field effect transistor is used, means for reducing the Al composition of the electron supply layer or reducing the thickness has been used. In the field effect transistor illustrated in FIG. A normally-off type is realized by forming a p + AlGaN layer directly under the gate electrode. In this structure, when a positive voltage is applied to the gate electrode, holes are injected from the p + AlGaN layer into the channel layer. At that time, generation of electrons is induced in the channel region immediately below the gate electrode due to the injected holes. Therefore, the concentration of electrons existing in the channel region directly under the gate electrode can be increased, and the drain current density in the ON state is remarkably increased. That is, the ON resistance calculated from the drain current-drain voltage (Ids-Vds) characteristics in the ON state is reduced. The normally-off type field effect transistor illustrated in FIG. 6 is characterized as having a high drain current density equivalent to that of a normally-on type transistor in the ON state.
JP 2007-19309 A

従来のMIS型ノーマリ・オフ型電力制御用トランジスタでは、スイッチング動作は、「OFF状態」では、ゲート電圧Vgs=0Vとし、「ON状態」では、ゲート電圧Vgsを、+10V程度に設定している。「ON状態」へのスイッチング動作のため、+10V程度のゲート電圧Vgsを印加する上では、図6に例示されるノーマリ・オフ型電界効果トランジスタでは、下記の点を改良することが必要である。 In the conventional MIS type normally-off type power control transistor, the switching operation is set to the gate voltage V gs = 0 V in the “OFF state”, and the gate voltage V gs is set to about +10 V in the “ON state”. . For applying the gate voltage V gs of about +10 V for the switching operation to the “ON state”, the normally-off type field effect transistor illustrated in FIG. 6 needs to improve the following points. .

高周波デバイスとして利用される、ノーマリ・オン型トランジスタでは、ショットキー・ゲート電極が利用されており、そのショットキー障壁ΦBは、1eV程度である。その際、ゲート電圧Vgsが+2V程度に達すると、ショットキー接合に流れる順方向電流が急激に増加するため、ショットキー・ゲート電極に印加可能なゲート電圧Vgsの上限は、+2V程度となっている。一方、図6に例示されるノーマリ・オフ型電界効果トランジスタでは、例えば、ゲート電極の直下にp+AlGaN層を形成し、ゲート電極/p+AlGaN層/AlGaN電子供給層/GaNチャネル層の積層構造が利用されている。従って、ゲート電極に正のゲート電圧Vgsを印加すると、p+AlGaN層/AlGaN電子供給層/GaNチャネル層で構成されるpn接合は、順方向にバイアスされる。このpn接合の順方向電流は、ゲート電圧Vgsが、+4Vから+6V程度を超えない範囲では、低い水準であるが、ゲート電圧Vgsが、+6Vを超えると、急激に増加する。従って、「ON状態」へのスイッチング動作に、+6V以上の「オン信号」を採用する際、実際に印加されるゲート電圧Vgsは、例えば、+5V程度となるように、電圧変換を行うなど、回路設計時に特別な配慮を払う必要がある。 A normally-on transistor used as a high-frequency device uses a Schottky gate electrode, and its Schottky barrier Φ B is about 1 eV. At this time, when the gate voltage V gs reaches about +2 V, the forward current flowing through the Schottky junction increases rapidly, so the upper limit of the gate voltage V gs that can be applied to the Schottky gate electrode is about +2 V. ing. On the other hand, in the normally-off type field effect transistor illustrated in FIG. 6, for example, a p + AlGaN layer is formed immediately below the gate electrode, and a stack of gate electrode / p + AlGaN layer / AlGaN electron supply layer / GaN channel layer is formed. Structure is used. Therefore, when a positive gate voltage V gs is applied to the gate electrode, the pn junction constituted by the p + AlGaN layer / AlGaN electron supply layer / GaN channel layer is forward-biased. Forward current of the pn junction, the gate voltage V gs is in a range not exceeding about + 6V from + 4V, although at a lower level, the gate voltage V gs is more than + 6V, rapidly increases. Therefore, when an “ON signal” of +6 V or higher is used for the switching operation to the “ON state”, the gate voltage V gs actually applied is, for example, converted to a voltage of about +5 V. Special consideration must be given when designing the circuit.

例えば、ゲート電極/p+AlGaN層の部分を、絶縁膜を挟んだゲート電極/絶縁膜/p+AlGaN層のMIS構造に置き換えると、ゲート電圧Vgsは、MIS構造部分に印加されるバイアスVMISと、p+AlGaN層/AlGaN電子供給層/GaNチャネル層で構成されるpn接合に印加されるバイアスVpnとに分割される。すなわち、Vgs=VMIS+Vpnとなる。VMIS>0Vの場合、p+型半導体上に形成されている、ゲート電極/絶縁膜/p+AlGaN層のMIS構造は、逆方向にバイアスされた状態となっている。従って、該ゲート電極/絶縁膜/p+AlGaN層のMISダイオードの逆方向電流IMIS-Rと、pn接合の順方向電流Ipn-Fが等しくなる(IMIS-R=Ipn-F)ように、ゲート電圧Vgsは、VMISとVpnに分割される。 For example, when the part of the gate electrode / p + AlGaN layer is replaced with the MIS structure of the gate electrode / insulating film / p + AlGaN layer sandwiching the insulating film, the gate voltage V gs is applied to the bias V applied to the MIS structure part. The MIS is divided into a bias V pn applied to a pn junction composed of a p + AlGaN layer / AlGaN electron supply layer / GaN channel layer. That is, Vgs = V MIS + V pn . When V MIS > 0 V, the MIS structure of the gate electrode / insulating film / p + AlGaN layer formed on the p + type semiconductor is biased in the reverse direction. Therefore, the reverse current I MIS-R of the MIS diode of the gate electrode / insulating film / p + AlGaN layer becomes equal to the forward current I pn-F of the pn junction (I MIS-R = I pn-F ). Thus, the gate voltage V gs is divided into V MIS and V pn .

その結果、例えば、ゲート電圧Vgsが、+6Vを超え、+10Vに達しても、実際に、pn接合に印加されるバイアスVpnは、+5V以下に抑制することも可能となる。すなわち、ゲート電極/絶縁膜/p+AlGaN層のMIS構造において、絶縁膜によって、ゲート電極からp+AlGaN層への正孔の注入、p+AlGaN層からゲート電極への電子の放出が抑制されるため、ゲート電流(順方向のリーク電流)の急激な上昇を抑えることが可能となる。一方、ゲート電圧Vgsは、VMISとVpnに分割されるため、実際に、p+AlGaN層/AlGaN電子供給層/GaNチャネル層で構成されるpn接合に印加されるバイアスVpnの制御は、難しさを増す。ゲート電極/絶縁膜/p+AlGaN層のMISダイオードの逆方向のIMIS-R−VMIS-R特性を利用して、ゲート電流(順方向のリーク電流)が抑制されている状態では、p+AlGaN層から、GaNチャネル層への正孔注入が押さえられる。従って、GaNチャネル層への正孔注入に起因する、電子の発生も抑制され、オン抵抗の低減効果の達成が困難となる。すなわち、ゲート電圧Vgsが、+6Vを超えても、p+AlGaN層の電位の正方向への変化ΔV(pn接合に印加される順方向バイアスVpn)が少ないため、ON状態になった状態でも、ドレイン電流密度の増加効果を十分に達成することは困難となる。 As a result, for example, even if the gate voltage V gs exceeds + 6V and reaches + 10V, the bias V pn applied to the pn junction can actually be suppressed to + 5V or less. That is, in the MIS structure of the gate electrode / insulating film / p + AlGaN layer by an insulating film, the injection of holes from the gate electrode to the p + AlGaN layer, the electron emission from the p + AlGaN layer to the gate electrode is suppressed Therefore, it is possible to suppress a rapid increase in the gate current (forward leakage current). On the other hand, since the gate voltage V gs is divided into V MIS and V pn , the control of the bias V pn actually applied to the pn junction composed of the p + AlGaN layer / AlGaN electron supply layer / GaN channel layer is performed. Increases the difficulty. In the state where the gate current (forward leakage current) is suppressed by using the reverse I MIS-R -V MIS-R characteristic of the MIS diode of the gate electrode / insulating film / p + AlGaN layer, p + Hole injection from the AlGaN layer to the GaN channel layer is suppressed. Therefore, the generation of electrons due to hole injection into the GaN channel layer is also suppressed, and it is difficult to achieve the effect of reducing the on-resistance. That is, even when the gate voltage V gs exceeds +6 V, the change in the positive direction of the potential of the p + AlGaN layer ΔV (forward bias V pn applied to the pn junction) is small, and thus the ON state is reached. However, it is difficult to sufficiently achieve the effect of increasing the drain current density.

本発明の目的は、「ON状態」では、ノーマリ・オン型高周波トランジスタと同等のドレイン電流密度が得られ、例えば、電力制御トランジスタで用いられる、正の電圧10Vの「オン信号」をゲート電極に印加した際、ゲート電極に流れるゲートリーク電流を十分に低い水準に抑制でき、電力制御用デバイスへの応用に適するノーマリ・オフ型トランジスタを提供することにある。   The object of the present invention is to obtain a drain current density equivalent to that of a normally-on type high-frequency transistor in the “ON state”. For example, an “on signal” having a positive voltage of 10 V used in a power control transistor is used as a gate electrode. An object of the present invention is to provide a normally-off type transistor that can suppress a gate leakage current flowing through a gate electrode to a sufficiently low level when applied, and is suitable for application to a power control device.

本発明の窒化物半導体トランジスタは、上記の課題を解決するため、下記の構成を採用している。例えば、正の電圧10Vの「オン信号」をゲート電極に印加した際、ゲート電極に流れる順方向電流を抑制するため、ゲート電極と窒化物半導体からなる電子供給層の間に絶縁膜を挿入して、MIS構造とする。また、「ON状態」において、高いドレイン電流密度を得るため、ドレイン電極と、窒化物半導体からなる電子供給層の間にp型窒化物半導体層を挿入して、このp型窒化物半導体層に対して、ドレイン電極がオーミック接触を形成する構造とする。その際、p型窒化物半導体層/窒化物半導体からなる電子供給層/チャネル層の積層構造は、P+In-接合またはP+-接合を構成するため、正のドレイン電圧を印加して、このP+In-接合またはP+-接合に順方向バイアスが印加される状態とする。この順方向バイアス状態において、ドレイン電極からp型窒化物半導体層に正孔を注入し、さらに、拡散電流として、正孔が電子供給層を超えて、チャネル層に注入される状態とする。 The nitride semiconductor transistor of the present invention employs the following configuration in order to solve the above problems. For example, when an “on signal” with a positive voltage of 10 V is applied to the gate electrode, an insulating film is inserted between the gate electrode and the electron supply layer made of a nitride semiconductor in order to suppress the forward current flowing through the gate electrode. Thus, the MIS structure is used. In the “ON state”, in order to obtain a high drain current density, a p-type nitride semiconductor layer is inserted between the drain electrode and the electron supply layer made of a nitride semiconductor, and the p-type nitride semiconductor layer is inserted into the p-type nitride semiconductor layer. On the other hand, the drain electrode forms an ohmic contact. At this time, the p-type nitride semiconductor layer / the electron supply layer / channel layer structure composed of the nitride semiconductor has a P + In junction or a P + n junction, and therefore a positive drain voltage is applied. A forward bias is applied to the P + In junction or P + n junction. In this forward bias state, holes are injected from the drain electrode into the p-type nitride semiconductor layer, and further, as a diffusion current, holes are injected into the channel layer beyond the electron supply layer.

すなわち、本発明にかかる窒化物半導体トランジスタ、例えば、その第1の形態の窒化物半導体トランジスタは、下記の構成を有する。   That is, the nitride semiconductor transistor according to the present invention, for example, the nitride semiconductor transistor of the first embodiment has the following configuration.

電子を、ゲート電極直下のチャネル領域を走行するキャリアとするノーマリ・オフ型窒化物半導体トランジスタにおいて、
該窒化物半導体トランジスタは、
ゲート電極と窒化物半導体界面に絶縁膜を挿入したMIS構造を有する電界効果トランジスタであり、
基板、
該基板上に成長により形成される緩衝層、
前記緩衝層上にエピタキシャル成長により形成される、
キャリアが走行する第1の窒化物半導体層、
電子を供給する第2の窒化物半導体層、
ドレイン電極とその周辺部領域にのみ、p型の導電性を有する第3の窒化物半導体層を配置し、
ドレイン電極は、前記p型の導電性を有する第3の窒化物半導体層とオーミック接触をしており、
ソース電極は、電子を供給する第2の窒化物半導体層とオーミック接触をしている
ことを特徴とするトランジスタとする。
In a normally-off type nitride semiconductor transistor in which electrons are carriers that run in the channel region directly under the gate electrode,
The nitride semiconductor transistor is
A field effect transistor having a MIS structure in which an insulating film is inserted between a gate electrode and a nitride semiconductor interface;
substrate,
A buffer layer formed by growth on the substrate;
Formed by epitaxial growth on the buffer layer;
A first nitride semiconductor layer on which carriers travel;
A second nitride semiconductor layer for supplying electrons;
A third nitride semiconductor layer having p-type conductivity is disposed only in the drain electrode and its peripheral region,
The drain electrode is in ohmic contact with the third nitride semiconductor layer having p-type conductivity,
The source electrode is a transistor that is in ohmic contact with the second nitride semiconductor layer that supplies electrons.

本発明にかかる窒化物半導体トランジスタにおいては、ゲート電極を、絶縁膜を介して、窒化物半導体からなる電子供給層上に形成して、MIS構造としている。このMIS構造に、ゲート電圧として、正の電圧を印加した状態では、順方向にバイアスされるが、印加されるゲート電圧は、絶縁膜層内の電界に起因する電位差と、窒化物半導体からなる電子供給層中の電界に起因する電位差に分割される。その結果、絶縁膜層を超えて、ゲート電極へと流れる電流密度は抑制される。例えば、10Vの「正の電圧」をゲート電極に印加した際にも、ゲート電極への流れる順方向のリーク電流は、電力制御デバイスとして利用する場合に許容される範囲に抑制される。また、「ON状態」において、p型窒化物半導体層/窒化物半導体からなる電子供給層/チャネル層の積層構造に順方向バイアスを印加し、ドレイン電極からp型窒化物半導体層に正孔を注入し、さらに、拡散電流として、正孔が電子供給層を超えて、チャネル層に注入される状態としている。その結果、「ON状態」では、チャネル層に注入される正孔に起因して、該正孔が注入された領域では、ソース電極側より電子が供給され、チャネル層に電子が誘起される。チャネル層にゲート電極直下のチャネル領域を通過して、ドレイン領域に流入する電子が増加するため、全体として、ドレイン電流密度の上昇がなされる。すなわち、ゲート電極領域において「ノーマリ・OFF」状態を達成するため、電子供給層自体は、ノンドープの窒化物半導体とした際、ドレイン領域において、電子供給層から供給され、チャネル層の界面に蓄積されるキャリア(電子)密度は抑制される。一方、「ON状態」において、p型窒化物半導体層/窒化物半導体からなる電子供給層/チャネル層の積層構造に順方向バイアスを印加し、ドレイン電極からp型窒化物半導体層に正孔を注入し、「電荷中性」を保つため、注入される正孔量に対応する電子の誘起がソース電極側からの電子の供給によりなされる条件が達成されると、高いドレイン電流密度が達成される。達成されるドレイン電流密度は、高周波トランジスタのドレイン電流密度と同等以上の水準となる。   In the nitride semiconductor transistor according to the present invention, a gate electrode is formed on an electron supply layer made of a nitride semiconductor via an insulating film to form a MIS structure. When a positive voltage is applied as a gate voltage to this MIS structure, the MIS structure is biased in the forward direction. The applied gate voltage is composed of a potential difference caused by an electric field in the insulating film layer and a nitride semiconductor. It is divided into potential differences caused by the electric field in the electron supply layer. As a result, the current density flowing to the gate electrode beyond the insulating film layer is suppressed. For example, even when a “positive voltage” of 10 V is applied to the gate electrode, the forward leakage current flowing to the gate electrode is suppressed to an allowable range when used as a power control device. In the “ON state”, a forward bias is applied to the stacked structure of the electron supply layer / channel layer made of p-type nitride semiconductor layer / nitride semiconductor, and holes are introduced from the drain electrode to the p-type nitride semiconductor layer. Further, as a diffusion current, holes are injected into the channel layer beyond the electron supply layer. As a result, in the “ON state”, due to holes injected into the channel layer, electrons are supplied from the source electrode side in the region where the holes are injected, and electrons are induced in the channel layer. Since electrons flowing through the channel region directly below the gate electrode and flowing into the drain region increase, the drain current density is increased as a whole. That is, in order to achieve a “normally OFF” state in the gate electrode region, the electron supply layer itself is supplied from the electron supply layer in the drain region and accumulated at the interface of the channel layer when a non-doped nitride semiconductor is used. The carrier (electron) density is suppressed. On the other hand, in the “ON state”, a forward bias is applied to the stacked structure of the electron supply layer / channel layer made of p-type nitride semiconductor layer / nitride semiconductor and holes are introduced from the drain electrode to the p-type nitride semiconductor layer. In order to inject and maintain “charge neutrality”, a high drain current density is achieved when the conditions for inducing electrons corresponding to the amount of injected holes are achieved by supplying electrons from the source electrode side. The The achieved drain current density is equivalent to or higher than the drain current density of the high-frequency transistor.

従って、本発明によって、高周波トランジスタと同等のドレイン電流密度が得られ、電力制御トランジスタで用いられる正の電圧10Vがゲート電極に加えられてもゲート電極にリーク電流が流れない電力制御用ノーマリ・オフ型トランジスタが提供される   Therefore, according to the present invention, a drain current density equivalent to that of a high-frequency transistor can be obtained, and even when a positive voltage of 10 V used in the power control transistor is applied to the gate electrode, a leakage current does not flow through the gate electrode. Type transistor is provided

以下に、本発明にかかる窒化物半導体トランジスタをさらに詳しく説明する。   Hereinafter, the nitride semiconductor transistor according to the present invention will be described in more detail.

本発明にかかる窒化物半導体トランジスタは、下記の3種の形態の電界効果トランジスタとすることが好ましい。   The nitride semiconductor transistor according to the present invention is preferably a field effect transistor of the following three types.

本発明の第1の形態では、
電子を、ゲート電極直下のチャネル領域を走行するキャリアとするノーマリ・オフ型窒化物半導体トランジスタにおいて、
該窒化物半導体トランジスタは、
ゲート電極と窒化物半導体界面に絶縁膜を挿入したMIS構造を有する電界効果トランジスタであり、
基板、
該基板上に成長により形成される緩衝層、
前記緩衝層上にエピタキシャル成長により形成される、
キャリアが走行する第1の窒化物半導体層、
電子を供給する第2の窒化物半導体層、
ドレイン電極とその周辺部領域にのみ、p型の導電性を有する第3の窒化物半導体層を配置し、
ドレイン電極は、前記p型の導電性を有する第3の窒化物半導体層とオーミック接触をしており、
ソース電極は、電子を供給する第2の窒化物半導体層とオーミック接触をしている
ことを特徴とするトランジスタとする。
In the first aspect of the present invention,
In a normally-off type nitride semiconductor transistor in which electrons are carriers that run in the channel region directly under the gate electrode,
The nitride semiconductor transistor is
A field effect transistor having a MIS structure in which an insulating film is inserted between a gate electrode and a nitride semiconductor interface;
substrate,
A buffer layer formed by growth on the substrate;
Formed by epitaxial growth on the buffer layer;
A first nitride semiconductor layer on which carriers travel;
A second nitride semiconductor layer for supplying electrons;
A third nitride semiconductor layer having p-type conductivity is disposed only in the drain electrode and its peripheral region,
The drain electrode is in ohmic contact with the third nitride semiconductor layer having p-type conductivity,
The source electrode is a transistor that is in ohmic contact with the second nitride semiconductor layer that supplies electrons.

本発明の第2の形態では、
電子を、ゲート電極直下のチャネル領域を走行するキャリアとするノーマリ・オフ型窒化物半導体トランジスタにおいて、
該窒化物半導体トランジスタは、
ゲート電極と窒化物半導体界面に絶縁膜を挿入したMIS構造を有する電界効果トランジスタであり、
基板、
該基板上に成長により形成される緩衝層、
前記緩衝層上にエピタキシャル成長により形成される、
キャリアが走行する第1の窒化物半導体層、
電子を供給する第2の窒化物半導体層、
ドレイン電極とその周辺部領域の一部に、p型の導電性を有する第3の窒化物半導体層を配置し、
ドレイン電極は、前記p型の導電性を有する第3の窒化物半導体層、および、電子を供給する第2の窒化物半導体層と接触しており、
ソース電極は、電子を供給する第2の窒化物半導体層とオーミック接触をしている
ことを特徴とする窒化物半導体トランジスタとする。
In the second aspect of the present invention,
In a normally-off type nitride semiconductor transistor in which electrons are carriers that run in the channel region directly under the gate electrode,
The nitride semiconductor transistor is
A field effect transistor having a MIS structure in which an insulating film is inserted between a gate electrode and a nitride semiconductor interface;
substrate,
A buffer layer formed by growth on the substrate;
Formed by epitaxial growth on the buffer layer;
A first nitride semiconductor layer on which carriers travel;
A second nitride semiconductor layer for supplying electrons;
A third nitride semiconductor layer having p-type conductivity is disposed on the drain electrode and a part of its peripheral region;
The drain electrode is in contact with the third nitride semiconductor layer having p-type conductivity and the second nitride semiconductor layer supplying electrons,
The source electrode is a nitride semiconductor transistor that is in ohmic contact with the second nitride semiconductor layer that supplies electrons.

本発明の第3の形態では、
電子を、ゲート電極直下のチャネル領域を走行するキャリアとするノーマリ・オフ型窒化物半導体トランジスタにおいて、
該窒化物半導体トランジスタは、
ゲート電極と窒化物半導体界面に絶縁膜を挿入したMIS構造を有する電界効果トランジスタであり、
基板、
該基板上に成長により形成される緩衝層、
前記緩衝層上にエピタキシャル成長により形成される、
電子または正孔に対するエネルギー障壁を形成する第4の窒化物半導体層、
キャリアが走行する第1の窒化物半導体層、
電子を供給する第2の窒化物半導体層、
ドレイン電極とその周辺部領域にのみ、p型の導電性を有する第3の窒化物半導体層を配置し、
ドレイン電極は、前記p型の導電性を有する第3の窒化物半導体層とオーミック接触をしており、
ソース電極は、電子を供給する第2の窒化物半導体層とオーミック接触をしており、
ソース電極と導電性の基板は、電気的に接続されている
ことを特徴とする窒化物半導体トランジスタとする。
In the third aspect of the present invention,
In a normally-off type nitride semiconductor transistor in which electrons are carriers that run in the channel region directly under the gate electrode,
The nitride semiconductor transistor is
A field effect transistor having a MIS structure in which an insulating film is inserted between a gate electrode and a nitride semiconductor interface;
substrate,
A buffer layer formed by growth on the substrate;
Formed by epitaxial growth on the buffer layer;
A fourth nitride semiconductor layer that forms an energy barrier against electrons or holes;
A first nitride semiconductor layer on which carriers travel;
A second nitride semiconductor layer for supplying electrons;
A third nitride semiconductor layer having p-type conductivity is disposed only in the drain electrode and its peripheral region,
The drain electrode is in ohmic contact with the third nitride semiconductor layer having p-type conductivity,
The source electrode is in ohmic contact with the second nitride semiconductor layer that supplies electrons,
The nitride semiconductor transistor is characterized in that the source electrode and the conductive substrate are electrically connected.

本発明の窒化物半導体トランジスタにおいては、
ゲート電極と窒化物半導体界面に絶縁膜を挿入したMIS構造は、
窒化物半導体上に、形成される、絶縁材料からなる絶縁膜と、
該絶縁膜上に形成されるゲート電極で構成されている構造を選択することができる。
In the nitride semiconductor transistor of the present invention,
The MIS structure with an insulating film inserted between the gate electrode and the nitride semiconductor interface is
An insulating film made of an insulating material and formed on the nitride semiconductor;
A structure including a gate electrode formed on the insulating film can be selected.

また、ゲート電極と窒化物半導体界面に絶縁膜を挿入したMIS構造は、
前記第2の窒化物半導体層上に、形成される、絶縁材料からなる絶縁膜と、
該絶縁膜上に形成されるゲート電極で構成され、
該ゲート電極の下に配置される前記第2の窒化物半導体層は、フッ素原子が添加されたフッ素原子含有領域を有し、
前記第2の窒化物半導体層のフッ素原子含有領域は、面密度として、1×1013cm-2程度のフッ素原子を含んでいる構造を選択することができる。
In addition, the MIS structure in which an insulating film is inserted between the gate electrode and the nitride semiconductor interface is
An insulating film made of an insulating material, formed on the second nitride semiconductor layer;
The gate electrode is formed on the insulating film,
The second nitride semiconductor layer disposed under the gate electrode has a fluorine atom-containing region to which fluorine atoms are added,
As the fluorine atom-containing region of the second nitride semiconductor layer, a structure containing about 1 × 10 13 cm −2 of fluorine atoms can be selected as the surface density.

さらには、ゲート電極と窒化物半導体界面に絶縁膜を挿入したMIS構造は、
ゲート電極の直下の第2の窒化物半導体層部分に、選択的に成長されるアンドープの窒化物半導体層と、
該アンドープの窒化物半導体層の表面を覆うように形成される、絶縁材料からなる絶縁膜と、
該絶縁膜上に形成されるゲート電極で構成され、
前記第2の窒化物半導体層とアンドープの窒化物半導体層の界面には、負の分極電荷が発生している構造を選択することができる。
Furthermore, the MIS structure in which an insulating film is inserted between the gate electrode and the nitride semiconductor interface is
An undoped nitride semiconductor layer selectively grown on a portion of the second nitride semiconductor layer immediately below the gate electrode;
An insulating film formed of an insulating material so as to cover the surface of the undoped nitride semiconductor layer;
The gate electrode is formed on the insulating film,
A structure in which negative polarization charges are generated at the interface between the second nitride semiconductor layer and the undoped nitride semiconductor layer can be selected.

本発明の窒化物半導体トランジスタにおいては、
前記p型の導電性を有する第3の窒化物半導体層は、電子を供給する第2の窒化物半導体層の表面に形成され、
前記p型の導電性を有する第3の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層との接合は、p+n接合またはp+i接合を構成している構造を採用することが好ましい。
In the nitride semiconductor transistor of the present invention,
The third nitride semiconductor layer having p-type conductivity is formed on the surface of the second nitride semiconductor layer that supplies electrons,
The junction between the third nitride semiconductor layer having the p-type conductivity and the second nitride semiconductor layer preferably employs a structure constituting a p + n junction or a p + i junction.

その際、
電子を供給する第2の窒化物半導体層は、キャリアが走行する第1の窒化物半導体層の表面に形成され、
電子を供給する第2の窒化物半導体層とキャリアが走行する第1の窒化物半導体層との接合面は、ヘテロ接合界面を構成している構造を採用することが好ましい。
that time,
The second nitride semiconductor layer that supplies electrons is formed on the surface of the first nitride semiconductor layer in which carriers travel,
The junction surface between the second nitride semiconductor layer that supplies electrons and the first nitride semiconductor layer in which carriers travel preferably employs a structure that forms a heterojunction interface.

特に、本発明の第3の形態にかかる窒化物半導体トランジスタでは、
電子または正孔に対するエネルギー障壁を形成する第4の窒化物半導体層は、緩衝層の表面に形成され、
キャリアが走行する第1の窒化物半導体層は、第4の窒化物半導体層の表面に形成され、
第1の窒化物半導体層/第4の窒化物半導体層/緩衝層の積層構造において、
第4の窒化物半導体層は、
導電性の基板中の導電性を決定するキャリアである、電子また正孔に対して、緩衝層から第1の窒化物半導体層への注入経路における、エネルギー障壁を形成する構造を採用することが好ましい。
In particular, in the nitride semiconductor transistor according to the third aspect of the present invention,
A fourth nitride semiconductor layer that forms an energy barrier against electrons or holes is formed on the surface of the buffer layer;
The first nitride semiconductor layer in which carriers travel is formed on the surface of the fourth nitride semiconductor layer,
In the stacked structure of the first nitride semiconductor layer / the fourth nitride semiconductor layer / the buffer layer,
The fourth nitride semiconductor layer is
It is possible to adopt a structure that forms an energy barrier in the injection path from the buffer layer to the first nitride semiconductor layer with respect to electrons and holes, which are carriers that determine the conductivity in the conductive substrate. preferable.

例えば、
前記導電性の基板は、n型導電性の基板であり、
電子または正孔に対するエネルギー障壁を形成する第4の窒化物半導体層は、電子に対するエネルギー障壁を形成する窒化物半導体層である構造を採用することができる。
For example,
The conductive substrate is an n-type conductive substrate,
The fourth nitride semiconductor layer that forms an energy barrier against electrons or holes can employ a structure that is a nitride semiconductor layer that forms an energy barrier against electrons.

あるいは、
前記導電性の基板は、p型導電性の基板であり、
電子または正孔に対するエネルギー障壁を形成する第4の窒化物半導体層は、正孔に対するエネルギー障壁を形成する窒化物半導体層である構造を採用することもできる。
Or
The conductive substrate is a p-type conductive substrate,
The fourth nitride semiconductor layer that forms an energy barrier against electrons or holes may employ a structure that is a nitride semiconductor layer that forms an energy barrier against holes.

本発明の第3の形態にかかる窒化物半導体トランジスタでは、例えば、
前記導電性の基板の裏面には、裏面電極が形成されており、
ソース電極と、導電性の基板の裏面電極とが電気的に接続されている構造を採用する。
In the nitride semiconductor transistor according to the third aspect of the present invention, for example,
A back electrode is formed on the back surface of the conductive substrate,
A structure in which the source electrode and the back electrode of the conductive substrate are electrically connected is employed.

一方、本発明の第1の形態、第2の形態にかかる窒化物半導体トランジスタでは、
前記基板は、高抵抗基板であることが望ましい。
On the other hand, in the nitride semiconductor transistor according to the first and second embodiments of the present invention,
The substrate is preferably a high resistance substrate.

本発明の第2の形態にかかる窒化物半導体トランジスタでは、
ドレイン電極は、前記p型の導電性を有する第3の窒化物半導体層とオーミック接触をしており、
ドレイン電極は、電子を供給する第2の窒化物半導体層と接触して、ショットキー接合を形成している構造を採用することが好ましい。例えば、
ドレイン電極と電子を供給する第2の窒化物半導体層との接触により形成される、ショットキー接合の障壁高さは、0.8eV〜1.1eVの範囲である構造を選択することが可能である。
In the nitride semiconductor transistor according to the second aspect of the present invention,
The drain electrode is in ohmic contact with the third nitride semiconductor layer having p-type conductivity,
The drain electrode preferably employs a structure in which a Schottky junction is formed in contact with the second nitride semiconductor layer that supplies electrons. For example,
It is possible to select a structure in which the barrier height of the Schottky junction formed by the contact between the drain electrode and the second nitride semiconductor layer that supplies electrons is in the range of 0.8 eV to 1.1 eV. is there.

本発明にかかる窒化物半導体トランジスタでは、例えば、
前記p型の導電性を有する第3の窒化物半導体層は、電子を供給する第2の窒化物半導体層の表面に形成され、
電子を供給する第2の窒化物半導体層は、キャリアが走行する第1の窒化物半導体層の表面に形成され、
前記p型の導電性を有する第3の窒化物半導体層/第2の窒化物半導体層/第1の窒化物半導体層の積層構造は、p+n接合またはp+in接合を構成しており、
該p+n接合またはp+in接合によって形成されている、ビルト・イン・ポテンシャルは、0.7eV〜5.0eVの範囲である構造を利用することが好ましい。
In the nitride semiconductor transistor according to the present invention, for example,
The third nitride semiconductor layer having p-type conductivity is formed on the surface of the second nitride semiconductor layer that supplies electrons,
The second nitride semiconductor layer that supplies electrons is formed on the surface of the first nitride semiconductor layer in which carriers travel,
The stacked structure of the third nitride semiconductor layer / second nitride semiconductor layer / first nitride semiconductor layer having p-type conductivity constitutes a p + n junction or a p + in junction. ,
It is preferable to use a structure in which the built-in potential formed by the p + n junction or the p + in junction is in the range of 0.7 eV to 5.0 eV.

本発明にかかる窒化物半導体トランジスタでは、例えば、
電子を供給する第2の窒化物半導体層とキャリアが走行する第1の窒化物半導体層との接合面に形成される、ヘテロ接合界面には、
第2の窒化物半導体層と第1の窒化物半導体層と間の伝導帯端エネルギーの不連続により、伝導帯にポテンシャル障壁が形成され、
該へテロ接合界面において、伝導帯に形成されるポテンシャル障壁は、0.13eV〜0.77eVの範囲である構造を選択することができる。
In the nitride semiconductor transistor according to the present invention, for example,
In the heterojunction interface formed at the junction surface between the second nitride semiconductor layer that supplies electrons and the first nitride semiconductor layer in which carriers travel,
Due to the discontinuity of the conduction band edge energy between the second nitride semiconductor layer and the first nitride semiconductor layer, a potential barrier is formed in the conduction band,
A structure in which the potential barrier formed in the conduction band at the heterojunction interface is in the range of 0.13 eV to 0.77 eV can be selected.

さらには、
電子を供給する第2の窒化物半導体層とキャリアが走行する第1の窒化物半導体層との接合面に形成される、ヘテロ接合界面には、
第2の窒化物半導体層と第1の窒化物半導体層と間の価電子帯端エネルギーの不連続により、価電子帯にポテンシャル障壁が形成され、
該へテロ接合界面において、価電子帯に形成されるポテンシャル障壁は、0.05eV〜0.33eVの範囲である構造を選択することができる。
Moreover,
In the heterojunction interface formed at the junction surface between the second nitride semiconductor layer that supplies electrons and the first nitride semiconductor layer in which carriers travel,
Due to the discontinuity of the valence band edge energy between the second nitride semiconductor layer and the first nitride semiconductor layer, a potential barrier is formed in the valence band,
A structure in which the potential barrier formed in the valence band at the heterojunction interface is in the range of 0.05 eV to 0.33 eV can be selected.

本発明にかかる窒化物半導体トランジスタでは、通常、
基板上にエピタキシャル成長により形成される、窒化物半導体層は、
(0001)面成長している構造に作製することが好ましい。
In the nitride semiconductor transistor according to the present invention,
A nitride semiconductor layer formed by epitaxial growth on a substrate is
It is preferable to produce a structure having a (0001) plane growth.

上述の本発明にかかる窒化物半導体トランジスタにおける、好ましい形態について、さらに説明する。   A preferred embodiment of the above-described nitride semiconductor transistor according to the present invention will be further described.

まず、第1の形態、第2の形態では、緩衝層、キャリアが走行する第1の窒化物半導体層、電子を供給する第2の窒化物半導体層、p型の導電性を有する第3の窒化物半導体層には、緩衝層を基板上に成長し、この緩衝層上に第1の窒化物半導体/第2の窒化物半導体層/第3の窒化物半導体層を順次積層したエピタキシャル成長膜を利用することができる。例えば、キャリアが走行する第1の窒化物半導体層、電子を供給する第2の窒化物半導体層、p型の導電性を有する第3の窒化物半導体層として、GaNチャネル層、AlGaN電子供給層、P+型AlGaN層を選択する際には、緩衝層として、下記の構成を選択することが好ましい。 First, in the first and second embodiments, the buffer layer, the first nitride semiconductor layer in which carriers travel, the second nitride semiconductor layer for supplying electrons, and the third having p-type conductivity. The nitride semiconductor layer includes an epitaxial growth film in which a buffer layer is grown on the substrate, and a first nitride semiconductor / second nitride semiconductor layer / third nitride semiconductor layer is sequentially stacked on the buffer layer. Can be used. For example, a first nitride semiconductor layer in which carriers travel, a second nitride semiconductor layer that supplies electrons, a third nitride semiconductor layer having p-type conductivity, a GaN channel layer, an AlGaN electron supply layer When selecting the P + -type AlGaN layer, it is preferable to select the following configuration as the buffer layer.

基板上に成長により、緩衝層を形成する工程では、まず、下地層として、ノンドープのAlN薄膜を成長させ、核生成層として利用することが好ましい。この核生成層として利用する、ノンドープのAlN薄膜の膜厚は、4nm〜200nmの範囲に選択することが望ましい。ノンドープのAlN薄膜自体は、絶縁性の薄膜となる。次いで、核生成層を、下地層として、AlGaN/GaN周期層をエピタキシャル成長により形成する。   In the step of forming the buffer layer by growth on the substrate, it is preferable to first grow a non-doped AlN thin film as the underlayer and use it as the nucleation layer. The thickness of the non-doped AlN thin film used as the nucleation layer is preferably selected in the range of 4 nm to 200 nm. The non-doped AlN thin film itself becomes an insulating thin film. Next, an AlGaN / GaN periodic layer is formed by epitaxial growth using the nucleation layer as a base layer.

このAlGaN/GaN周期層は、膜厚tbのAlGaN層と膜厚twのGaN層を交互に積層した構造である。その膜厚周期(tb+tw)は、1nm〜5nmの範囲に選択し、AlGaN/GaN周期層の合計膜厚は、100nm〜500nmの範囲に選択することが望ましい。膜厚tbのAlGaN層の組成:Alx0Ga1-x0Nにおける、Al組成(x0)は、1.0≧x0≧0.1の範囲に選択する。膜厚tbのAlGaN層と膜厚twのGaN層の比率tb:twは、1:2〜2:1の範囲に選択することが好ましい。 The AlGaN / GaN periodic layer has a structure formed by laminating GaN layer having a film thickness t b of the AlGaN layer and the thickness t w alternately. The film thickness period (t b + t w ) is preferably selected in the range of 1 nm to 5 nm, and the total film thickness of the AlGaN / GaN periodic layer is preferably selected in the range of 100 nm to 500 nm. Composition of AlGaN layer having thickness t b : Al composition (x 0 ) in Al x0 Ga 1-x0 N is selected in the range of 1.0 ≧ x 0 ≧ 0.1. Thickness t b of the AlGaN layer and the thickness t ratio of GaN layer of w t b: t w is 1: 2 to 2: it is preferable to select one of the ranges.

AlGaN/GaN周期層では、Alx0Ga1-x0N層の伝導帯端エネルギーEc(Alx0Ga1-x0N)とGaN層の伝導帯端エネルギーEc(GaN)の差、バンド不連続ΔEc(Alx0Ga1-x0N/GaN)に起因して、伝導帯端エネルギーは、周期的な構造を有する。また、AlGaN層の価電子帯端エネルギーEv(Alx0Ga1-x0N)とGaN層の価電子帯端エネルギーEv(GaN)の差、バンド不連続ΔEv(Alx0Ga1-x0N/GaN)に起因して、価電子帯端エネルギーは、周期的な構造を有する。膜厚周期(tb+tw)が十分に薄いと、自由キャリアの電子、正孔は、上記の周期的なポテンシャル構造に代えて、実効的な伝導帯端エネルギーEc-eff(Alx0Ga1-x0N/GaN)、実効的な価電子帯端エネルギーEv-eff(Alx0Ga1-x0N/GaN)に支配される状態となる。この実効的な伝導帯端エネルギーEc-eff(Alx0Ga1-x0N/GaN)は、Ec(Alx0Ga1-x0N)>Ec-eff(Alx0Ga1-x0N/GaN)>Ec(GaN)に位置し、実効的な価電子帯端エネルギーEv-eff(Alx0Ga1-x0N/GaN)は、Ev(GaN)>Ev-eff(Alx0Ga1-x0N/GaN)>Ev(Alx0Ga1-x0N)に位置している。その位置は、膜厚比率tb:twと、膜厚周期(tb+tw)に依存する。例えば、膜厚比率tb:twが同じであっても、膜厚周期(tb+tw)が減少すると、Ec-eff(Alx0Ga1-x0N/GaN)は上昇し、Ev-eff(Alx0Ga1-x0N/GaN)は下降する。 In the AlGaN / GaN periodic layer, the difference between the conduction band edge energy Ec of the Al x0 Ga 1-x0 N layer (Al x0 Ga 1-x0 N) and the conduction band edge energy Ec (GaN) of the GaN layer, the band discontinuity ΔEc ( Due to (Al x0 Ga 1-x0 N / GaN), the conduction band edge energy has a periodic structure. Further, the difference between the valence band edge energy Ev (Al x0 Ga 1 -x0 N) of the AlGaN layer and the valence band edge energy Ev (GaN) of the GaN layer, the band discontinuity ΔEv (Al x0 Ga 1 -x0 N / GaN). ), The valence band edge energy has a periodic structure. When the film thickness period (t b + t w ) is sufficiently thin, electrons and holes of free carriers are converted into effective conduction band edge energy Ec -eff (Al x0 Ga 1) instead of the above periodic potential structure. −x0 N / GaN), which is controlled by the effective valence band edge energy Ev −eff (Al x0 Ga 1−x0 N / GaN). The effective conduction band edge energy Ec -eff (Al x0 Ga 1- x0 N / GaN) is, Ec (Al x0 Ga 1- x0 N)> Ec -eff (Al x0 Ga 1-x0 N / GaN)> The effective valence band edge energy Ev -eff (Al x0 Ga 1 -x0 N / GaN) located in Ec (GaN) is expressed as Ev (GaN)> Ev -eff (Al x0 Ga 1 -x0 N / GaN). )> Ev (Al x0 Ga 1-x0 N). The position depends on the film thickness ratio t b : t w and the film thickness cycle (t b + t w ). For example, even if the film thickness ratio t b : t w is the same, when the film thickness period (t b + t w ) decreases, Ec −eff (Al x0 Ga 1−x0 N / GaN) increases and Ev − eff ( Alx0Ga1 -x0N / GaN) falls.

AlN核生成層と、AlGaN/GaN周期層とのヘテロ接合界面では、AlNの伝導帯端エネルギーEc(AlN)と、実効的な伝導帯端エネルギーEc-eff(Alx0Ga1-x0N/GaN)との差違に相当する、バンド不連続:ΔEc(AlN/(Alx0Ga1-x0N/GaN))が存在する。 At the heterojunction interface between the AlN nucleation layer and the AlGaN / GaN periodic layer, the conduction band edge energy Ec (AlN) of AlN and the effective conduction band edge energy Ec -eff (Al x0 Ga 1 -x0 N / GaN) ), Which is equivalent to the difference from), has a band discontinuity: ΔEc (AlN / (Al x0 Ga 1-x0 N / GaN)).

AlGaN/GaN周期層の表面において、通常、その実効的な格子定数a(AlGaN/GaN)は、GaNの格子定数a(GaN)、Alx0Ga1−x0Nの格子定数a(Alx0Ga1−x0N)に対して、a(GaN)≧a(AlGaN/GaN)>a(Alx0Ga1−x0N)となる。すなわち、核生成層として利用するAlNの格子定数a(AlN)から、AlGaN/GaNの各薄膜層を周期的に積層することで、格子緩和が進み、その表面では、実効的な格子定数a(AlGaN/GaN)となる。 On the surface of the AlGaN / GaN periodic layer, the effective lattice constant a (AlGaN / GaN) is usually GaN lattice constant a (GaN), Al x0 Ga1- x0 N lattice constant a (Al x0 Ga1- x0). N), a (GaN) ≧ a (AlGaN / GaN)> a (Al x0 Ga1- x0 N). That is, the lattice relaxation proceeds by periodically laminating each AlGaN / GaN thin film layer from the lattice constant a (AlN) of AlN used as a nucleation layer, and the effective lattice constant a ( AlGaN / GaN).

GaNチャネル層、AlGaN電子供給層、P+型AlGaN層は、この実効的な格子定数a(AlGaN/GaN)を有するAlGaN/GaN周期層の表面にエピタキシャル成長により形成することができる。 The GaN channel layer, AlGaN electron supply layer, and P + -type AlGaN layer can be formed by epitaxial growth on the surface of the AlGaN / GaN periodic layer having this effective lattice constant a (AlGaN / GaN).

上記の例では、核生成層として利用するAlN層を形成した後、AlGaN/GaN周期層構造を用いて、格子緩和を行っているが、該周期構造の平均Al組成を有するAlGaN層単一層を利用しても、同様の格子緩和効果が得られる。   In the above example, after forming an AlN layer used as a nucleation layer, lattice relaxation is performed using an AlGaN / GaN periodic layer structure, but an AlGaN layer having an average Al composition of the periodic structure is formed. Even if it is used, the same lattice relaxation effect can be obtained.

同様に、第3の形態では、緩衝層、電子または正孔に対するエネルギー障壁を形成する第4の窒化物半導体層、キャリアが走行する第1の窒化物半導体層、電子を供給する第2の窒化物半導体層、p型の導電性を有する第3の窒化物半導体層は、緩衝層を基板上に成長し、この緩衝層上に第4の窒化物半導体/第1の窒化物半導体層/第2の窒化物半導体層/第3の窒化物半導体層を順次積層したエピタキシャル成長膜を利用することができる。例えば、電子または正孔に対するエネルギー障壁を形成する第4の窒化物半導体層、キャリアが走行する第1の窒化物半導体層、電子を供給する第2の窒化物半導体層、p型の導電性を有する第3の窒化物半導体層として、P+型AlGaNバリア層、GaNチャネル層、AlGaN電子供給層、P+型AlGaN層を選択する際には、緩衝層として、下記の構成を選択することが好ましい。 Similarly, in the third embodiment, the buffer layer, the fourth nitride semiconductor layer that forms an energy barrier against electrons or holes, the first nitride semiconductor layer in which carriers travel, the second nitride that supplies electrons The third nitride semiconductor layer having p-type conductivity is formed on the substrate, and a buffer layer is grown on the substrate, and the fourth nitride semiconductor / first nitride semiconductor layer / first nitride layer is formed on the buffer layer. An epitaxially grown film in which two nitride semiconductor layers / third nitride semiconductor layers are sequentially stacked can be used. For example, a fourth nitride semiconductor layer that forms an energy barrier against electrons or holes, a first nitride semiconductor layer that carries carriers, a second nitride semiconductor layer that supplies electrons, and p-type conductivity When the P + -type AlGaN barrier layer, the GaN channel layer, the AlGaN electron supply layer, and the P + -type AlGaN layer are selected as the third nitride semiconductor layer, the following configuration can be selected as the buffer layer: preferable.

基板上にエピタキシャル成長により、緩衝層を形成する工程では、まず、下地層として、ノンドープのAlN薄膜を成長させ、核生成層として利用することが好ましい。この核生成層として利用する、ノンドープのAlN薄膜の膜厚は、4nm〜200nmの範囲に選択することが望ましい。ノンドープのAlN薄膜自体は、絶縁性の薄膜となる。次いで、核生成層を、下地層として、AlGaN/GaN周期層をエピタキシャル成長により形成する。   In the step of forming the buffer layer by epitaxial growth on the substrate, it is preferable to first grow a non-doped AlN thin film as the underlayer and use it as a nucleation layer. The thickness of the non-doped AlN thin film used as the nucleation layer is preferably selected in the range of 4 nm to 200 nm. The non-doped AlN thin film itself becomes an insulating thin film. Next, an AlGaN / GaN periodic layer is formed by epitaxial growth using the nucleation layer as a base layer.

このAlGaN/GaN周期層は、膜厚tbのAlGaN層と膜厚twのGaN層を交互に積層した構造である。その膜厚周期:(tb+tw)は、1nm〜5nmの範囲に選択し、AlGaN/GaN周期層の合計膜厚は、100nm〜500nmの範囲に選択することが望ましい。膜厚tbのAlGaN層の組成:Alx0Ga1−x0Nにおける、Al組成(x0)は、1.0≧x0≧0.05の範囲に選択する。膜厚tbのAlGaN層と膜厚twのGaN層の比率、tb:twは、2:1〜1:2の範囲に選択することが好ましい。 The AlGaN / GaN periodic layer has a structure formed by laminating GaN layer having a film thickness t b of the AlGaN layer and the thickness t w alternately. The film thickness period: (t b + t w ) is preferably selected in the range of 1 nm to 5 nm, and the total film thickness of the AlGaN / GaN periodic layer is preferably selected in the range of 100 nm to 500 nm. Composition of AlGaN layer having thickness t b : Al composition (x 0 ) in Al x0 Ga1- x0 N is selected in the range of 1.0 ≧ x 0 ≧ 0.05. The ratio of the GaN layer having a thickness t b of the AlGaN layer and the thickness t w, t b: t w is 2: 1 to 1: it is preferable to select the 2 range.

AlGaN/GaN周期層の表面において、通常、その実効的な格子定数a(AlGaN/GaN)は、GaNの格子定数a(GaN)、Alx0Ga1−x0Nの格子定数a(Alx0Ga1−x0N)に対して、a(GaN)>a(AlGaN/GaN)≧a(Alx0Ga1−x0N)となる。すなわち、核生成層として利用するAlNの格子定数a(AlN)から、AlGaN/GaNの各薄膜層を周期的に積層することで、格子緩和が進み、その表面では、実効的な格子定数a(AlGaN/GaN)となる。 On the surface of the AlGaN / GaN periodic layer, the effective lattice constant a (AlGaN / GaN) is usually GaN lattice constant a (GaN), Al x0 Ga1- x0 N lattice constant a (Al x0 Ga1- x0). N), a (GaN)> a (AlGaN / GaN) ≧ a (Al x0 Ga1- x0 N). That is, the lattice relaxation proceeds by periodically laminating each AlGaN / GaN thin film layer from the lattice constant a (AlN) of AlN used as a nucleation layer, and the effective lattice constant a ( AlGaN / GaN).

上記の例では、核生成層として利用するAlN層を形成した後、AlGaN/GaN周期層構造を用いて、格子緩和を行っているが、該周期構造の平均Al組成を有するAlGaN層単一層を利用しても、同様の格子緩和効果が得られる。   In the above example, after forming an AlN layer used as a nucleation layer, lattice relaxation is performed using an AlGaN / GaN periodic layer structure, but an AlGaN layer having an average Al composition of the periodic structure is formed. Even if it is used, the same lattice relaxation effect can be obtained.

+型AlGaNバリア層、GaNチャネル層、AlGaN電子供給層、P+型AlGaN層は、この実効的な格子定数a(AlGaN/GaN)を有するAlGaN/GaN周期層の表面にエピタキシャル成長により形成することができる。 The P + -type AlGaN barrier layer, GaN channel layer, AlGaN electron supply layer, and P + -type AlGaN layer are formed by epitaxial growth on the surface of the AlGaN / GaN periodic layer having this effective lattice constant a (AlGaN / GaN). Can do.

前記緩衝層、電子または正孔に対するエネルギー障壁を形成する第4の窒化物半導体層、キャリアが走行する第1の窒化物半導体層、電子を供給する第2の窒化物半導体層、p型の導電性を有する第3の窒化物半導体層は、基板上に、六方晶の結晶系(ウルツ鉱型構造)を有する成長膜で形成する。表1に、六方晶の結晶系を有する、III族窒化物系半導体;AlN、GaN、InNの構造定数、物性定数の一部を示す。   The buffer layer, a fourth nitride semiconductor layer that forms an energy barrier against electrons or holes, a first nitride semiconductor layer in which carriers travel, a second nitride semiconductor layer that supplies electrons, and p-type conductivity The third nitride semiconductor layer having the property is formed of a growth film having a hexagonal crystal system (wurtzite structure) on the substrate. Table 1 shows some of the structural constants and physical constants of Group III nitride semiconductors having a hexagonal crystal system; AlN, GaN, and InN.

一般に、III族窒化物系半導体のエピタキシャル成長に利用可能な基板としては、下記表2−1に示すものが知られている。その基板材料の熱・電気的特性を表2−2に示す。   In general, substrates shown in Table 2-1 are known as substrates that can be used for epitaxial growth of group III nitride semiconductors. The thermal and electrical characteristics of the substrate material are shown in Table 2-2.

なお、各種基板表面に、核生成層用のAlN層を成長させた際、両者の結晶方位の関係は、下記表2−3に示すものとなることが報告されている。   It has been reported that when an AlN layer for a nucleation layer is grown on the surface of various substrates, the relationship between the crystal orientations of both is as shown in Table 2-3 below.

本発明にかかる窒化物半導体トランジスタにおいては、前記緩衝層、電子または正孔に対するエネルギー障壁を形成する第4の窒化物半導体層、キャリアが走行する第1の窒化物半導体層、電子を供給する第2の窒化物半導体層、p型の導電性を有する第3の窒化物半導体層は、いずれも、(0001)面成長膜であることが好ましい。そのため、基板上に形成される、AlN核生成層が、C面((0001)面)成長可能な基板を利用することが好ましい。従って、基板として、SiCのC面((0001)面)基板、サファイア(α−Al23)のC面((0001)面)基板、Siのo面((111)面)基板、AlN,GaNのC面((0001)面)基板を利用することが好ましい。Si基板、SiC基板は、大口径の基板が容易に入手可能であり、上記の多層エピタキシャル膜を作製する上では、好適な基板である。 In the nitride semiconductor transistor according to the present invention, the buffer layer, the fourth nitride semiconductor layer forming an energy barrier against electrons or holes, the first nitride semiconductor layer in which carriers travel, the first supplying electrons. Both the nitride semiconductor layer 2 and the third nitride semiconductor layer having p-type conductivity are preferably (0001) plane growth films. Therefore, it is preferable to use a substrate on which the AlN nucleation layer formed on the substrate is capable of C-plane ((0001) plane) growth. Therefore, as a substrate, an SiC C-plane ((0001) plane) substrate, a sapphire (α-Al 2 O 3 ) C-plane ((0001) plane) substrate, an Si o-plane ((111) plane) substrate, AlN , It is preferable to use a C-plane ((0001) plane) substrate of GaN. As the Si substrate and the SiC substrate, a large-diameter substrate is easily available, and is a suitable substrate for producing the multilayer epitaxial film.

第1の形態、第2の形態では、基板として、高抵抗基板を利用する。該高抵抗基板の抵抗率ρsubは、ρsub≧1×105 Ω・cmとすることが好ましい。 In the first and second embodiments, a high resistance substrate is used as the substrate. The resistivity ρ sub of the high resistance substrate is ρ sub ≧ 1 × 10 5 It is preferable to set to Ω · cm.

その表面に形成される、核生成層用のAlN層も、絶縁性のAlNとする。AlNのバンド・ギャップ・エネルギーをEg(AlN)とすると、そのAlN核生成層の表面においては、その伝導帯端Ec(AlN−top)とフェルミ・レベルEfとの差違(Ec(AlN−top)−Ef)は、(Ec(AlN−top)−Ef)≒1/2・Eg(AlN)となる。 The AlN layer for the nucleation layer formed on the surface is also made of insulating AlN. If the band gap energy of AlN is Eg (AlN), the difference between the conduction band edge Ec (AlN-top) and the Fermi level E f (Ec (AlN-top) on the surface of the AlN nucleation layer. ) −E f ) is (Ec (AlN−top) −E f ) ≈1 / 2 · Eg (AlN).

第1の形態、第2の形態では、キャリアが走行する第1の窒化物半導体層は、ノンドープの窒化物半導体で構成することが好ましい。その際、第1の窒化物半導体層の膜厚tS1と、残留するドナー濃度ND-S1は、該第1の窒化物半導体層の誘電率をεr-S1とする際、下記の条件を満たす範囲に選択することが好ましい。例えば、(ND-S1・tS1)は、(1×1016 cm-3)・(10-4cm)≧ND-S1・tS1≧(0.01×1015 cm-3)・(10-4cm)の範囲とする。その際、第1の窒化物半導体層の膜厚tS1は、動作電圧(ドレイン電圧Vds)300V〜600Vを達成する上では、GaNの絶縁破壊電界強度(EB(GaN))3×106cm-1を考慮すると、EB(GaN)・tS1≧300Vの条件を満たすように、1000nm以上を選択することが好ましい。一方、ウエハのそりを5000nm以下とし、クラックの発生を抑えるため、第1の窒化物半導体層の膜厚tS1は、5000nm以下に選択することが好ましい。 In the first form and the second form, it is preferable that the first nitride semiconductor layer in which carriers travel is composed of a non-doped nitride semiconductor. At that time, the film thickness t S1 of the first nitride semiconductor layer and the remaining donor concentration N D-S1 are as follows when the dielectric constant of the first nitride semiconductor layer is ε r-S1. It is preferable to select a range that satisfies the above. For example, (N D-S1 · t S1 ) is (1 × 10 16 cm −3 ) · (10 −4 cm) ≧ N D-S1 · t S1 ≧ (0.01 × 10 15 cm −3 ) · The range is (10 −4 cm). At this time, the film thickness t S1 of the first nitride semiconductor layer is GaN breakdown field strength (E B (GaN)) 3 × 10 in order to achieve an operating voltage (drain voltage V ds ) of 300 V to 600 V. Considering 6 cm −1 , it is preferable to select 1000 nm or more so as to satisfy the condition of E B (GaN) · t S1 ≧ 300V. On the other hand, the film thickness t S1 of the first nitride semiconductor layer is preferably selected to be 5000 nm or less in order to reduce the warpage of the wafer to 5000 nm or less and suppress the occurrence of cracks.

なお、該第1の窒化物半導体層が空乏化している場合、その空間電荷に起因するポテンシャルの変化量は、1/2・{q/εr-S1}・ND-S1・(tS12 eVとなる。 When the first nitride semiconductor layer is depleted, the amount of change in potential due to the space charge is 1/2 · {q / ε r-S1 } · N D-S1 · (t S1 ) 2 eV.

キャリアが走行する第1の窒化物半導体層と、緩衝層の界面が、例えば、GaNチャネル層と、AlGaN/GaN周期層との界面である場合、この界面には、バンド不連続に起因する障壁が存在する。この電子に対する障壁は、GaNの伝導帯端エネルギーEc(GaN)と、実効的な伝導帯端エネルギーEc-eff(Alx0Ga1-x0N/GaN)との差違に相当する。このバンド不連続:ΔEc((Alx0Ga1-x0N/GaN)/GaN)={Ec-eff(Alx0Ga1-x0N/GaN)−Ec(GaN)}を利用して、GaNチャネル層中に電子の閉じ込めを行う。また、正孔に対する障壁は、GaNの価電子帯端エネルギーEv(GaN)と、実効的な伝導帯端エネルギーEv-eff(Alx0Ga1-x0N/GaN)との差違に相当する。このバンド不連続:ΔEv((Alx0Ga1-x0N/GaN)/GaN)={Ev(GaN)−Ev-eff(Alx0Ga1-x0N/GaN)}を利用して、GaNチャネル層中に正孔の閉じ込めを行う。 When the interface between the first nitride semiconductor layer in which carriers travel and the buffer layer is, for example, an interface between a GaN channel layer and an AlGaN / GaN periodic layer, this interface has a barrier caused by band discontinuity. Exists. This barrier to electrons corresponds to the difference between the conduction band edge energy Ec (GaN) of GaN and the effective conduction band edge energy Ec -eff (Al x0 Ga 1 -x0 N / GaN). The band discontinuity: ΔEc ((Al x0 Ga 1 -x0 N / GaN) / GaN) = by using a {Ec -eff (Al x0 Ga 1 -x0 N / GaN) -Ec (GaN)}, GaN channel Electrons are confined in the layer. The barrier against holes corresponds to the difference between the valence band edge energy Ev (GaN) of GaN and the effective conduction band edge energy Ev -eff (Al x0 Ga 1 -x0 N / GaN). Using this band discontinuity: ΔEv ((Al x0 Ga 1 -x0 N / GaN) / GaN) = {Ev (GaN) -Ev -eff (Al x0 Ga 1 -x0 N / GaN)}, a GaN channel Hole confinement in the layer.

従って、温度T(T=300K)に対して、ΔEc((Alx0Ga1-x0N/GaN)/GaN)>2kT(kは、ボルツマン定数を表す)ならびに、ΔEv((Alx0Ga1-x0N/GaN)/GaN)>2kTを満たすように、AlGaN/GaN周期層の構成を、上述の範囲に選択することが好ましい。 Therefore, for temperature T (T = 300 K), ΔEc ((Al x0 Ga 1−x0 N / GaN) / GaN)> 2 kT (k represents Boltzmann constant) and ΔEv ((Al x0 Ga 1− x0 N / GaN) / GaN) > 2kT to meet, the structure of the AlGaN / GaN periodic layer, is preferably selected from the range described above.

電子を供給する第2の窒化物半導体層も、ノンドープの窒化物半導体で構成することが好ましい。その際、第2の窒化物半導体層の膜厚tS2と、残留するドナー濃度ND-S2は、該第2の窒化物半導体の誘電率をεr-S2とする際、下記の条件を満たす範囲に選択することが好ましい。第2の窒化物半導体層と第1の窒化物半導体層との界面に発生する分極電荷σS2/S1が、σS2/S1=1×1013cm-2である場合、σS2/S1より(ND-S2・tS2)が十分に小さい条件を満たす範囲に選択する。例えば、(ND-S2・tS2)は、(5×1018 cm-3)・(30×10-7cm)≧ND-S2・tS2≧(1×1015 cm-3)・(30×10-7cm)の範囲とする。 The second nitride semiconductor layer that supplies electrons is also preferably composed of a non-doped nitride semiconductor. At this time, the film thickness t S2 of the second nitride semiconductor layer and the remaining donor concentration N D-S2 satisfy the following conditions when the dielectric constant of the second nitride semiconductor is ε r-S2. It is preferable to select the range to satisfy. When the polarization charge σ S2 / S1 generated at the interface between the second nitride semiconductor layer and the first nitride semiconductor layer is σ S2 / S1 = 1 × 10 13 cm −2 , from σ S2 / S1 The range is selected so that (N D-S2 · t S2 ) satisfies a sufficiently small condition. For example, (N D-S2 · t S2 ) is (5 × 10 18 cm −3 ) · (30 × 10 −7 cm) ≧ N D-S2 · t S2 ≧ (1 × 10 15 cm −3 ) · The range is (30 × 10 −7 cm).

なお、該第2の窒化物半導体層が空乏化している場合、その空間電荷に起因するポテンシャルの変化量は、1/2・{q/εr-S2}・ND-S2・(tS22 eVとなる。その際、ゲート金属と第2の窒化物半導体層のショットキー障壁高さで、ノーマリ・オフ化が可能な条件、例えば、1.5eV≧1/2・{q/εr-S2}・ND-S2・(tS22 eV≧0eVを満たすように、残留するドナー濃度ND-S2に対して、膜厚tS2を選択することが好ましい。 When the second nitride semiconductor layer is depleted, the amount of change in potential due to the space charge is 1/2 · {q / ε r-S2 } · N D-S2 · (t S2 ) 2 eV. At that time, the gate metal and the second nitride semiconductor layer have a Schottky barrier height and can be normally turned off, for example, 1.5 eV ≧ 1/2 · {q / ε r-S2 } · N It is preferable to select the film thickness t S2 for the remaining donor concentration N D-S2 so as to satisfy D-S2 · (t S2 ) 2 eV ≧ 0 eV.

例えば、電子を供給する第2の窒化物半導体層として、AlGaN電子供給層を採用し、キャリアが走行する第1の窒化物半導体層として、GaNチャネル層を用い、AlGaN電子供給層とGaNチャネル層とのヘテロ接合界面を形成する。AlGaN電子供給層の組成:Alx2Ga1-x2Nにおける、Al組成(x2)は、下記のように選択することが好ましい。 For example, an AlGaN electron supply layer is adopted as the second nitride semiconductor layer for supplying electrons, a GaN channel layer is used as the first nitride semiconductor layer in which carriers travel, and an AlGaN electron supply layer and a GaN channel layer are used. To form a heterojunction interface. Composition of AlGaN electron supply layer: The Al composition (x 2 ) in Al x2 Ga 1-x2 N is preferably selected as follows.

このヘテロ接合界面では、Alx2Ga1-x2Nの伝導帯端エネルギーEc(Alx2Ga1-x2N)とGaNの伝導帯端エネルギーEc(GaN)の差による、バンド不連続ΔEc(Alx2Ga1-x2N/GaN)={Ec(Alx2Ga1-x2N)−Ec(GaN)}が存在する。また、Alx2Ga1-x2Nの価電子帯端エネルギーEv(Alx0Ga1-x0N)とGaNの価電子帯端エネルギーEv(GaN)の差による、バンド不連続ΔEv(Alx2Ga1-x2N/GaN)={Ev(GaN)−Ev(Alx2Ga1-x2N)}が存在する。このバンド不連続ΔEc(Alx2Ga1-x2N/GaN)を電子に対する障壁として、GaNチャネル層内に電子を蓄積する。また、バンド不連続ΔEv(Alx2Ga1-x2N/GaN)は、正孔に対する障壁として利用する。 This heterojunction interface, Al x2 Ga 1-x2 due to the difference of the conduction band edge energy Ec (Al x2 Ga 1-x2 N) and GaN of the conduction band edge energy Ec (GaN) of N, band discontinuity .DELTA.Ec (Al x2 Ga 1-x2 N / GaN) = {Ec (Al x2 Ga 1-x2 N) -Ec (GaN)} is present. Further, the band discontinuity ΔEv (Al x2 Ga 1 ) due to the difference between the valence band edge energy Ev (Al x0 Ga 1 -x0 N) of Al x2 Ga 1 -x2 N and the valence band edge energy Ev (GaN) of GaN. -x2 N / GaN) = {Ev (GaN) -Ev (Al x2 Ga 1-x2 N)} is present. Electrons are stored in the GaN channel layer using this band discontinuity ΔEc (Al x2 Ga 1 -x2 N / GaN) as a barrier against electrons. The band discontinuity ΔEv (Al x2 Ga 1 -x2 N / GaN) is used as a barrier against holes.

従って、温度T(T=300K)に対して、ΔEc((Alx2Ga1-x2N/GaN)/GaN)>2kT(kは、ボルツマン定数を表す)ならびに、ΔEv((Alx2Ga1-x2N/GaN)/GaN)>2kTを満たすように、Alx2Ga1-x2NのAl組成(x2)は、x2≧0.04の範囲に選択することが好ましい。 Therefore, for temperature T (T = 300K), ΔEc ((Al x2 Ga 1−x2 N / GaN) / GaN)> 2 kT (k represents Boltzmann constant) and ΔEv ((Al x2 Ga 1− The Al composition (x 2 ) of Al x2 Ga 1-x2 N is preferably selected in the range of x 2 ≧ 0.04 so as to satisfy x 2 N / GaN) / GaN)> 2 kT.

一方、GaN上にエピタキシャル成長する際、格子不整合に依存する臨界膜厚を考慮すると、Alx2Ga1-x2NのAl組成(x2)は、0.5≧x2の範囲に選択することが好ましい。 On the other hand, considering the critical film thickness depending on lattice mismatch when epitaxially growing on GaN, the Al composition (x 2 ) of Al x2 Ga 1-x2 N should be selected in the range of 0.5 ≧ x 2. Is preferred.

従って、第2の窒化物半導体層/第1の窒化物半導体層を、Alx2Ga1-x2N/GaNの構造とする際、Alx2Ga1-x2NのAl組成(x2)は、0.5≧x2≧0.04の範囲に選択することが望ましい。 Therefore, when the second nitride semiconductor layer / first nitride semiconductor layer has an Al x2 Ga 1 -x2 N / GaN structure, the Al composition (x 2 ) of Al x2 Ga 1 -x2 N is: It is desirable to select in the range of 0.5 ≧ x 2 ≧ 0.04.

一方、ソース電極は、電子を供給する第2の窒化物半導体層の表面にオーミック接触を形成する。その際、その接触抵抗率ρCを、ρC≦1x10-3 Ω・cm-2とすることが望ましい。そのため、電子を供給する第2の窒化物半導体層として、AlGaN電子供給層を用いる場合、そのAlx2Ga1-x2NのAl組成(x2)は、0.4≧x2≧0の範囲に選択することが好ましい。 On the other hand, the source electrode forms an ohmic contact with the surface of the second nitride semiconductor layer that supplies electrons. At that time, the contact resistivity ρ C is preferably ρ C ≦ 1 × 10 −3 Ω · cm −2 . Therefore, when an AlGaN electron supply layer is used as the second nitride semiconductor layer for supplying electrons, the Al composition (x 2 ) of Al x2 Ga 1 -x2 N is in the range of 0.4 ≧ x 2 ≧ 0. It is preferable to select.

ソース電極の直下においては、電子を供給する第2の窒化物半導体層とキャリアが走行する第1の窒化物半導体層とのヘテロ接合界面に、電子を蓄積させ、二次元電子ガスを形成することが好ましい。従って、このヘテロ接合界面における、第2の窒化物半導体層の伝導帯端エネルギーEc(S2-rear)と、フェルミ・レベルEfとの差(Ec(S2-rear)−Ef)を、少なくとも、(Ec(S2-rear)−Ef)≧2kTとすることが好ましい。二次元電子ガスの形成に利用される、ヘテロ接合界面における、第2の窒化物半導体層の伝導帯端エネルギーEc(S2-rear)と、第1の窒化物半導体層の伝導帯端エネルギーEc(S1-front)の差は、{Ec(S2-rear)−Ec(S1-front)}>(Ec(S2-rear)−Ef)≧2kTとする。好ましくは、0.77eV≧{Ec(S2-rear)−Ec(S1-front)}≧0.1eVの範に選択する。 Immediately below the source electrode, electrons are accumulated at the heterojunction interface between the second nitride semiconductor layer that supplies electrons and the first nitride semiconductor layer in which carriers travel, thereby forming a two-dimensional electron gas. Is preferred. Therefore, at the heterojunction interface, the difference between the conduction band edge energy Ec (S2 −rear ) of the second nitride semiconductor layer and the Fermi level E f (Ec (S2 −rear ) −E f ) is at least , (Ec (S2− rear ) −E f ) ≧ 2 kT . The conduction band edge energy Ec (S2- rear ) of the second nitride semiconductor layer and the conduction band edge energy Ec (1) of the first nitride semiconductor layer at the heterojunction interface used for forming the two-dimensional electron gas. difference S1 -front) shall be {Ec (S2 -rear) -Ec ( S1 -front)}> (Ec (S2 -rear) -E f) ≧ 2kT. Preferably, it selects the range of 0.77eV ≧ {Ec (S2 -rear) -Ec (S1 -front)} ≧ 0.1eV.

一方、このヘテロ接合界面における、第2の窒化物半導体層の価電子帯端エネルギーEv(S2-rear)と、第1の窒化物半導体層の価電子帯端エネルギーEv(S1-front)の差も、{Ev(S1-front)−Ev(S2-rear)}>2kTとする。好ましくは、0.33eV≧{Ev(S1-front)−Ev(S2-rear)}≧0.05eVの範囲に選択する。 On the other hand, at the heterojunction interface, the difference between the valence band edge energy Ev (S2 −rear ) of the second nitride semiconductor layer and the valence band edge energy Ev (S1 −front ) of the first nitride semiconductor layer. Also, {Ev (S1- front ) -Ev (S2- rear )}> 2kT . Preferably, a range of 0.33 eV ≧ {Ev (S1 −front ) −Ev (S2 −rear )} ≧ 0.05 eV is selected.

勿論、ソース電極の直下においては、第1の窒化物半導体層の価電子帯端エネルギーEv(S1-front)と、フェルミ・レベルEfとの差(Ef−Ev(S1-front))を、少なくとも、(Ef−Ev(S1-front))≫kTとなる。第1の窒化物半導体層の伝導帯端エネルギーEc(S1-front)と、フェルミ・レベルEfとの差(Ef−Ec(S1-front))は、(Ef−Ec(S1-front))>kTとする。 Of course, immediately below the source electrode, the difference between the valence band edge energy Ev (S1 -front ) of the first nitride semiconductor layer and the Fermi level E f (E f -Ev (S1 -front )) is obtained. , At least, (E f −Ev (S1 −front )) >> kT. A first nitride semiconductor layer of the conduction band edge energy Ec (S1 -front), the difference between the Fermi level E f (E f -Ec (S1 -front)) is, (E f -Ec (S1 -front ))> KT.

さらに、ソース電極は、第2の窒化物半導体層の表面にオーミック接触を形成する。すなわち、第2の窒化物半導体層に対して、その表面に接するソース電極の金属から、電子の注入が生じる構成とする。その際、第2の窒化物半導体層と、その表面に接するソース電極の金属との間の障壁高さ障壁、ΦM/S2は、第2の窒化物半導体の電子親和力eχ(S2)eVと、その表面に接する金属材料Mohmicの仕事関数eψ(Mohmic)eVとの差、{eψ(Mohmic)−eχ(S2)}に相当する。本発明においては、ΦM/S2は、0.85eV≧ΦM/S2≧0eVの範囲に選択することが好ましい。 Furthermore, the source electrode forms an ohmic contact with the surface of the second nitride semiconductor layer. That is, the second nitride semiconductor layer is configured such that electrons are injected from the metal of the source electrode in contact with the surface thereof. At that time, the barrier height barrier, Φ M / S2 , between the second nitride semiconductor layer and the metal of the source electrode in contact with the surface thereof is the electron affinity eχ (S2) eV of the second nitride semiconductor. This corresponds to the difference from the work function eψ (M ohmic ) eV of the metal material Mohmic in contact with the surface thereof, {eψ (M ohmic ) −eχ (S2)}. In the present invention, Φ M / S2 is preferably selected in the range of 0.85 eV ≧ Φ M / S2 ≧ 0 eV.

ドレイン電圧Vdsが、オフセット電圧より高く(Vds>Voff-set)、ゲート電圧Vgsが、Vgs>VTである際、「ON状態」となり、ドレイン電流Idが流れると、このソース電極/第2の窒化物半導体層/第1の窒化物半導体層は、逆方向にバイアスされる状態となる。その結果、ソース電極から、第2の窒化物半導体層へと、電子が注入され、さらに、第2の窒化物半導体層と第1の窒化物半導体層の界面に蓄積される。その際、ドレイン電流Idに相当する電流が、ソース電極を流れる。 When the drain voltage V ds is higher than the offset voltage (V ds > V off-set ) and the gate voltage V gs is V gs > V T , when the drain voltage I d flows, The source electrode / second nitride semiconductor layer / first nitride semiconductor layer is biased in the reverse direction. As a result, electrons are injected from the source electrode into the second nitride semiconductor layer and further accumulated at the interface between the second nitride semiconductor layer and the first nitride semiconductor layer. At that time, a current corresponding to the drain current I d flows through the source electrode.

ソース電極を形成する際、第2の窒化物半導体の表面に接する金属材料Mohmicとしては、Ti、Nb、Mo、Taなどが利用できる。これらの金属材料Mohmicの仕事関数eψ(Mohmic)eVは、例えば、Tiの仕事関数は、eψ(Ti)eV=4.3eVである。ソース電極の形成において、第2の窒化物半導体の表面に接する金属材料Mohmicとして、仕事関数eψ(Mohmic)eVが、5.0eV≧eψ(Mohmic)≧4.0eVの範囲の金属を利用することができる。 When forming the source electrode, Ti, Nb, Mo, Ta, or the like can be used as the metal material Mohmic in contact with the surface of the second nitride semiconductor. The work function eψ (M ohmic ) eV of these metal materials Mohmic is, for example, the work function of Ti is eψ (Ti) eV = 4.3 eV. In the formation of the source electrode, a metal having a work function eψ (M ohmic ) eV in the range of 5.0 eV ≧ eψ (M ohmic ) ≧ 4.0 eV is used as the metal material M ohmic in contact with the surface of the second nitride semiconductor. Can be used.

ドレイン電極は、p型導電性の第3の窒化物半導体層の表面に接触して、オーミック接触を形成する。p型導電性の第3の窒化物半導体層は、第2の窒化物半導体層と同じ、窒化物半導体であるが、アクセプタを高濃度にドーピングして、P+型の導電性を示す窒化物半導体層とすることが好ましい。p型導電性の第3の窒化物半導体層中にドーピングするアクセプタ不純物原子の濃度NA-S3は、5×1019 cm-3≧ND-S1≧2×1018 cm-3の範囲とする。なお、p型導電性の第3の窒化物半導体層の膜厚tS3は、200nm≧tS3≧20nmの範囲に選択することができる。 The drain electrode contacts the surface of the p-type conductive third nitride semiconductor layer to form an ohmic contact. The p-type conductive third nitride semiconductor layer is the same nitride semiconductor as the second nitride semiconductor layer. However, the p-type conductive third nitride semiconductor layer is doped with an acceptor at a high concentration to exhibit P + -type conductivity. A semiconductor layer is preferable. The concentration N A-S3 of acceptor impurity atoms doped in the p-type conductive third nitride semiconductor layer is in the range of 5 × 10 19 cm −3 ≧ N D-S1 ≧ 2 × 10 18 cm −3 . To do. The film thickness t S3 of the p-type conductive third nitride semiconductor layer can be selected in the range of 200 nm ≧ t S3 ≧ 20 nm.

第3の窒化物半導体層と、その表面に接するドレイン電極の金属との間の障壁高さ障壁、ΦM/S3は、第3の窒化物半導体の電子親和力eχ(S3)eVと、その表面に接する金属材料Mdreinの仕事関数eψ(Mdrein)eVとの差、{eψ(Mdrain)−eχ(S3)}に相当する。このドレイン電極を形成する際、p型導電性の第3の窒化物半導体の表面に接する金属材料Mdrainとしては、Ni、Pt、Au、Pdなどが利用できる。これらの金属材料Mdrainの仕事関数eψ(Mdrain)eVは、例えば、Niの仕事関数は、eψ(Ni)eV=5.2eVである。ドレイン電極形成では、p型導電性の第3の窒化物半導体の表面に接する金属材料Mdrainとして、仕事関数eψ(Mdrain)eVが、6.0eV≧eψ(Mdrain)≧5.1eVの範囲の金属を利用することができる。 The barrier height barrier between the third nitride semiconductor layer and the metal of the drain electrode in contact with the surface thereof, Φ M / S3 is the electron affinity eχ (S3) eV of the third nitride semiconductor and the surface thereof This corresponds to the difference from the work function eψ (M drein ) eV of the metal material M drein in contact with, {eψ (M drain ) −eχ (S3)} When the drain electrode is formed, Ni, Pt, Au, Pd, or the like can be used as the metal material M drain in contact with the surface of the p-type conductive third nitride semiconductor. The work function eψ (M drain ) eV of these metal materials M drain is, for example, the work function of Ni is eψ (Ni) eV = 5.2 eV. In the formation of the drain electrode, the work function eψ (M drain ) eV is 6.0 eV ≧ eψ (M drain ) ≧ 5.1 eV as the metal material M drain in contact with the surface of the p-type conductive third nitride semiconductor. A range of metals can be utilized.

ゲート電極の直下では、第2の窒化物半導体の表面には、絶縁膜を介して、ゲート電極が形成されている。ゲート電極/絶縁膜の界面では、ゲート電極のうち、絶縁膜の表面に接する金属材料Mgateの仕事関数eψ(Mgate)eVと、絶縁膜の表面の絶縁材料Ifrontの電子親和力eχ(Ifront)eVとの差、(eψ(Mgate)−eχ(Ifront))eVに相当する、障壁ΦM/Iが生成する。絶縁膜/第2の窒化物半導体層の界面では、絶縁膜の裏面の絶縁材料Irearの電子親和力eχ(Irear)eVと、第2の窒化物半導体層の電子親和力eχ(S2)eVとの差、(eχ(S2)−eχ(Irear))eVに相当する、障壁ΦI/Sが生成する。 Immediately below the gate electrode, a gate electrode is formed on the surface of the second nitride semiconductor via an insulating film. At the gate electrode / insulating film interface, among the gate electrodes, the work function eψ (M gate ) eV of the metal material M gate in contact with the surface of the insulating film and the electron affinity eχ (I of the insulating material I front on the surface of the insulating film. front ) The barrier Φ M / I corresponding to the difference from eV, (eψ (M gate ) −eχ (I front )) eV, is generated. At the insulating film / second nitride semiconductor layer interface, the electron affinity eχ (I rear ) eV of the insulating material I rear on the back surface of the insulating film and the electron affinity eχ (S2) eV of the second nitride semiconductor layer The barrier Φ I / S corresponding to (eχ (S2) −eχ (I rear )) eV is generated.

ゲート電極のうち、絶縁膜の表面に接する金属材料Mgateとしては、Ni、Pt、Au、Pd、Al、Mo、Nb,Taなどが利用できる。これらの金属材料Mgateの仕事関数eψ(Mgate)eVは、例えば、Niの仕事関数は、eψ(Ni)eV=5.1eVである。絶縁膜の表面に接する金属材料Mgateとして、仕事関数eψ(Mgate)eVが、6.0eV≧eψ(Mgate)≧4.0eVの範囲の金属を利用することができる。 Among the gate electrodes, Ni, Pt, Au, Pd, Al, Mo, Nb, Ta, or the like can be used as the metal material M gate in contact with the surface of the insulating film. The work function eψ (M gate ) eV of these metal materials M gate is, for example, eψ (Ni) eV = 5.1 eV. As the metal material M gate in contact with the surface of the insulating film, a metal having a work function eψ (M gate ) eV of 6.0 eV ≧ eψ (M gate ) ≧ 4.0 eV can be used.

絶縁膜は、例えば、SiN、SiO2、Al23、Hf23、MgO、ZnOなどの絶縁体からなる膜が利用できる。その際には、絶縁膜が単層の場合は、表面の絶縁材料Ifrontと、裏面の絶縁材料Irearは、同じ絶縁材料であり、電子親和力eχ(Ifront)eVと電子親和力eχ(Irear)eVは等しくなっている。例えば、SiNの電子親和力は、eχ(SiN)eV=0.9eVである。絶縁膜として、電子親和力eχ(I)が、eχ(I)≧eψ(Mgate)の範囲の絶縁材料を利用することができる。絶縁膜を複数層、例えば、SiO2/SiN、Hf23/Al23などで構成してもよい。 As the insulating film, for example, a film made of an insulator such as SiN, SiO 2 , Al 2 O 3 , Hf 2 O 3 , MgO, or ZnO can be used. In this case, when the insulating film is a single layer, the insulating material I front on the front surface and the insulating material I rear on the back surface are the same insulating material, and the electron affinity eχ (I front ) eV and the electron affinity eχ (I rear ) eV is equal. For example, the electron affinity of SiN is eχ (SiN) eV = 0.9 eV. As the insulating film, an insulating material having an electron affinity eχ (I) in a range of eχ (I) ≧ eψ (M gate ) can be used. The insulating film may be composed of a plurality of layers, for example, SiO 2 / SiN, Hf 2 O 3 / Al 2 O 3 or the like.

その他、ゲート電極の直下では、ゲート電極/絶縁膜/第2の窒化物半導体層の構造を、絶縁膜と第2の窒化物半導体層の界面に、アンドープの薄膜の窒化物半導体膜を挿入する構造へと変更することができる。挿入されるアンドープの薄膜の窒化物半導体膜の膜厚tspacerと、残留するドナー濃度ND-spacerは、例えば、(ND-spacer・tspacerS2)を、(1×1017 cm-3)・(10×10-7cm)≧ND-spacerS2・tspacerS2≧(1×1015 cm-3)・(10×10-7cm)の範囲とすることが可能である。 In addition, immediately under the gate electrode, the structure of the gate electrode / insulating film / second nitride semiconductor layer is inserted, and an undoped thin nitride semiconductor film is inserted at the interface between the insulating film and the second nitride semiconductor layer. It can be changed to a structure. The thickness t spacer of the undoped thin nitride semiconductor film to be inserted and the remaining donor concentration N D-spacer are, for example, (N D-spacer · t spacerS2 ), (1 × 10 17 cm −3 ) (10 × 10 −7 cm) ≧ N D-spacerS2 · t spacerS2 ≧ (1 × 10 15 cm −3 ) · (10 × 10 −7 cm)

本発明にかかる窒化物半導体トランジスタでは、ドレイン電圧Vdsを、Vds=0Vとし、ゲート電圧Vgsを、Vgs=0Vとする際、「OFF状態」となっている。その際、ゲート電極の直下では、ゲート電極/絶縁膜/第2の窒化物半導体層/第1の窒化物半導体層の積層構造において、第2の窒化物半導体層/第1の窒化物半導体層の界面には、キャリア(電子)が存在しない状態となっている。従って、第2の窒化物半導体層/第1の窒化物半導体層の界面では、第1の窒化物半導体層の伝導帯端エネルギーEc(S1-front)と、フェルミ・レベルEfとの差(Ec(S1-front)−Ef)は、(Ec(S1-front)−Ef)>kTとなっている。一方、第2の窒化物半導体と、第1の窒化物半導体の伝導帯端エネルギーの差、バンド不連続{Ec(S2)−Ec(S1)}=ΔEc(S2/S1)を考慮すると、この界面における、第2の窒化物半導体層の伝導帯端エネルギーEc(S2-rear)と、フェルミ・レベルEfとの差(Ec(S2-rear)−Ef)は、(Ec(S2-rear)−Ef)>ΔEc(S2/S1)+kTとなっている。さらには、チャネル領域では、絶縁膜/第2の窒化物半導体層の界面における、第2の窒化物半導体層の伝導帯端エネルギーEc(S2-front)と、フェルミ・レベルEfとの差(Ec(S2-front)−Ef)は、(Ec(S2-front)−Ef)>(Ec(S2-rear)−Ef)>ΔEc(S2/S1)+kTとなっている。従って、少なくとも、ゲート電極の直下のチャネル領域では、アンドープの薄膜の窒化物半導体膜/第2の窒化物半導体層部分は、空乏化している状態となっている。 In the nitride semiconductor transistor according to the present invention, when the drain voltage V ds is set to V ds = 0V and the gate voltage V gs is set to V gs = 0V, the nitride semiconductor transistor is in the “OFF state”. In that case, immediately below the gate electrode, the second nitride semiconductor layer / first nitride semiconductor layer in the stacked structure of the gate electrode / insulating film / second nitride semiconductor layer / first nitride semiconductor layer. In the interface, no carriers (electrons) exist. Therefore, at the interface between the second nitride semiconductor layer and the first nitride semiconductor layer, the difference between the conduction band edge energy Ec (S1 -front ) of the first nitride semiconductor layer and the Fermi level E f ( Ec (S1 -front) -E f) has become a (Ec (S1 -front) -E f )> kT. On the other hand, considering the difference in conduction band edge energy between the second nitride semiconductor and the first nitride semiconductor, the band discontinuity {Ec (S2) −Ec (S1)} = ΔEc (S2 / S1) at the interface, and the second nitride semiconductor layer of the conduction band edge energy Ec (S2 -rear), the difference between the Fermi level E f (Ec (S2 -rear) -E f) is, (Ec (S2 -rear ) −E f )> ΔEc (S2 / S1) + kT. Furthermore, in the channel region, the difference between the conduction band edge energy Ec (S2 -front ) of the second nitride semiconductor layer and the Fermi level E f at the interface between the insulating film and the second nitride semiconductor layer ( Ec (S2 -front) -E f) has a (Ec (S2 -front) -E f )> (Ec (S2 -rear) -E f)> ΔEc (S2 / S1) + kT. Therefore, at least in the channel region directly below the gate electrode, the undoped thin nitride semiconductor film / second nitride semiconductor layer portion is depleted.

第3の形態では、基板として、導電性の基板を利用する。   In the third embodiment, a conductive substrate is used as the substrate.

該導電性基板として、n型伝導性の基板を利用する場合、緩衝層と、キャリアが走行する第1の窒化物半導体層の間に、電子に対するエネルギー障壁を形成する第4の窒化物半導体層が設けられる。   When an n-type conductive substrate is used as the conductive substrate, a fourth nitride semiconductor layer that forms an energy barrier against electrons between the buffer layer and the first nitride semiconductor layer in which carriers travel. Is provided.

例えば、電子に対するエネルギー障壁を形成する第4の窒化物半導体層として、P+導電性の窒化物半導体層を利用することができる。このP+導電性の窒化物半導体層の膜厚tS4:P+と、アクセプタ不純物濃度NA-S4は、例えば、(NA-S4・tS4:P+)は、(5×1019 cm-3)・(30×10-7cm)≧(NA-S4・tS4:P+)≧(5×1018 cm-3)・(30×10-7cm)の範囲とすることが可能である。第1の窒化物半導体層とP+導電性の窒化物半導体層との接合面は、nP+型接合となっている。電子に対するエネルギー障壁は、nP+型接合のビルト・イン・ポテンシャル、eVbuilt-in(S1/S4)に相当する。 For example, a P + conductive nitride semiconductor layer can be used as the fourth nitride semiconductor layer that forms an energy barrier against electrons. The film thickness t S4: P + of the P + conductive nitride semiconductor layer and the acceptor impurity concentration N A-S4 are, for example, (N A-S4 · t S4: P + ), (5 × 10 19 cm − 3 ) ・ (30 × 10 −7 cm) ≧ (NA −S4 · t S4: P + ) ≧ (5 × 10 18 cm −3 ) · (30 × 10 −7 cm) is there. The junction surface between the first nitride semiconductor layer and the P + conductive nitride semiconductor layer is an nP + type junction. The energy barrier for electrons corresponds to the built-in potential of the nP + type junction, eV built-in (S1 / S4).

あるいは、電子に対するエネルギー障壁を形成する第4の窒化物半導体層として、絶縁性であり、導電性基板に対して、その伝導帯端エネルギーEcの差、すなわち、基板の伝導帯端エネルギーEc(Sub)と、第4の窒化物半導体層の伝導帯端エネルギーEc(S3)の差、ΔEc(Sub/S3)が大きなものを選択することもできる。第4の窒化物半導体層として、例えば、0.77eV>ΔEc(Sub/S3)> 3kT eVの条件を満足する、絶縁性の窒化物半導体層を利用することもできる。その際、基板/緩衝層/第4の窒化物半導体層/第1の窒化物半導体層の構造は、例えば、N+/n/i/nの導電性を示す。すなわち、n−i−n型のトンネル・ダイオード構造が構成され、第4の窒化物半導体層は、電子に対するエネルギー障壁として機能する。 Alternatively, the fourth nitride semiconductor layer that forms an energy barrier against electrons is insulative and has a difference in conduction band edge energy Ec with respect to the conductive substrate, that is, the conduction band edge energy Ec (Sub of the substrate). ) And the difference between the conduction band edge energies Ec (S3) of the fourth nitride semiconductor layer, ΔEc (Sub / S3) can be selected. As the fourth nitride semiconductor layer, for example, an insulating nitride semiconductor layer that satisfies the condition of 0.77 eV> ΔEc (Sub / S3)> 3 kT eV can be used. In this case, the structure of the substrate / buffer layer / fourth nitride semiconductor layer / first nitride semiconductor layer exhibits N + / n / i / n conductivity, for example. That is, an n-i-n type tunnel diode structure is formed, and the fourth nitride semiconductor layer functions as an energy barrier against electrons.

また、n型伝導性の基板の裏面には、裏面電極を設け、該裏面電極は、ソース電極と等しい電位に保つ構成とする。その際には、nP+型接合は、逆方向にバイアスされた状態となり、このnP+型接合を超えて、n型伝導性の基板から、第1の窒化物半導体層への電子の流入は抑制される。また、n−i−n型のヘテロ接合を、電子に対するエネルギー障壁として利用する場合も、n型伝導性の基板から第1の窒化物半導体層への電子の流入は抑制される。 Further, a back electrode is provided on the back surface of the n-type conductive substrate, and the back electrode is kept at the same potential as the source electrode. In this case, the nP + type junction is biased in the reverse direction, and the inflow of electrons from the n type conductive substrate to the first nitride semiconductor layer beyond the nP + type junction is performed. It is suppressed. Also, when an n-i-n heterojunction is used as an energy barrier against electrons, the inflow of electrons from the n-type conductive substrate to the first nitride semiconductor layer is suppressed.

該導電性基板として、p型伝導性の基板を利用する場合、緩衝層と、キャリアが走行する第1の窒化物半導体層の間に、正孔に対するエネルギー障壁を形成する第4の窒化物半導体層が設けられる。   When a p-type conductive substrate is used as the conductive substrate, a fourth nitride semiconductor that forms an energy barrier against holes between the buffer layer and the first nitride semiconductor layer in which carriers travel. A layer is provided.

例えば、正孔に対するエネルギー障壁を形成する第4の窒化物半導体層として、絶縁性であり、第1の窒化物半導体に対する価電子帯端エネルギーEvの差、すなわち、バンド不連続{Ev(S1)−Ev(S3)}=ΔEv(S1/S3)が大きなものを選択することが好ましい。例えば、0.3eV>ΔEv(S1/S3)>3kT eVの範囲に選択することができる。   For example, the fourth nitride semiconductor layer that forms an energy barrier against holes is insulative and has a difference in valence band edge energy Ev with respect to the first nitride semiconductor, that is, a band discontinuity {Ev (S1) -Ev (S3)} = It is preferable to select one having a large ΔEv (S1 / S3). For example, a range of 0.3 eV> ΔEv (S1 / S3)> 3 kT eV can be selected.

また、p型伝導性の基板の裏面には、裏面電極を設け、該裏面電極は、ソース電極と等しい電位に保つ構成とする。その際には、第1の窒化物半導体層/第4の窒化物半導体層/緩衝層/p型伝導性の基板の間は、逆方向にバイアスされた状態となり、第4の窒化物半導体層を超えて、pn型伝導性の基板から、第1の窒化物半導体層への正孔の流入は抑制される。   In addition, a back electrode is provided on the back surface of the p-type conductive substrate, and the back electrode is kept at the same potential as the source electrode. At that time, the first nitride semiconductor layer / fourth nitride semiconductor layer / buffer layer / p-type conductive substrate is biased in the reverse direction, and the fourth nitride semiconductor layer The flow of holes from the pn-type conductive substrate to the first nitride semiconductor layer is suppressed.

本発明にかかる窒化物半導体トランジスタの「ON状態」の動作特性を以下に説明する。   The operating characteristics of the “ON state” of the nitride semiconductor transistor according to the present invention will be described below.

図1に示す構造では、例えば、ゲート電極と窒化物半導体界面に絶縁膜を挿入したMIS構造を有するAlGaN/GaNヘテロ接合トランジスタにおいて、ドレイン電極直下にp+AlGaN層を形成し、ドレイン電極はp+AlGaN層とオーミック接触をしている。 In the structure shown in FIG. 1, for example, in an AlGaN / GaN heterojunction transistor having a MIS structure in which an insulating film is inserted between the gate electrode and the nitride semiconductor interface, a p + AlGaN layer is formed immediately below the drain electrode, and the drain electrode is p + Has ohmic contact with the AlGaN layer.

第2の窒化物半導体層/第1の窒化物半導体層は、例えば、AlGaN/GaNヘテロ接合を形成しており、「ON状態」では、チャネル領域において、この界面に生じる2次元電子ガスの電流輸送により、トランジスタが動作する。ゲート電極直下には、絶縁膜を挟んで、AlGaNからなる電子供給層上に、ゲート電極が形成されている。その際、ゲート電極に印加されるゲート電圧Vgs=0Vである際には、チャネル領域では、第2の窒化物半導体層/第1の窒化物半導体層は、空乏化するように、第2の窒化物半導体層/第1の窒化物半導体層の膜厚、残留ドナー濃度、ならびに、ゲート電極における障壁高さが選択されている。一方、ゲート電圧Vgsを正とすると、第2の窒化物半導体層/第1の窒化物半導体層の界面に2次元電子ガスが蓄積して、「ON状態」となる。すなわち、閾値電圧VTを正の値とする、「ノーマリー・OFF」型の窒化物半導体トランジスタとなっている。 The second nitride semiconductor layer / first nitride semiconductor layer forms, for example, an AlGaN / GaN heterojunction. In the “ON state”, a current of a two-dimensional electron gas generated at this interface in the channel region. The transistor operates by transport. A gate electrode is formed immediately below the gate electrode on an electron supply layer made of AlGaN with an insulating film interposed therebetween. At that time, when the gate voltage V gs = 0 V applied to the gate electrode, the second nitride semiconductor layer / first nitride semiconductor layer is depleted in the channel region so that the second nitride semiconductor layer / first nitride semiconductor layer is depleted. The nitride semiconductor layer / first nitride semiconductor layer thickness, residual donor concentration, and barrier height at the gate electrode are selected. On the other hand, when the gate voltage V gs is positive, the two-dimensional electron gas accumulates at the interface between the second nitride semiconductor layer / first nitride semiconductor layer and becomes “ON state”. That is, it is a “normally OFF” type nitride semiconductor transistor in which the threshold voltage V T is a positive value.

ドレイン電極に正の電圧を印加し、ゲート電極に閾値電圧VTより高いゲート電圧Vgsを印加して、「ON状態」とした際、ゲートに順方向バイアスは印加されるが、MIS構造を選択しているので、ゲートリーク電流は抑制されている。具体的には、ゲート電圧Vgsとし、Vgs=10Vを印加しても、順方向のリーク電流は低い水準に保たれている。 When a positive voltage is applied to the drain electrode and a gate voltage V gs higher than the threshold voltage V T is applied to the gate electrode to make the “ON state”, a forward bias is applied to the gate, but the MIS structure is Since it is selected, the gate leakage current is suppressed. Specifically, even when the gate voltage V gs is applied and V gs = 10 V is applied, the forward leakage current is kept at a low level.

ドレイン電極直下には、P型の第3の窒化物半導体層/第2の窒化物半導体層/第1の窒化物半導体層の積層構造、例えば、p+AlGaN層/AlGaNからなる電子供給層/GaNからなるチャネル層の積層構造により、P+In-接合またはP+-接合が構成されている。その際、ドレイン電極は、P型の第3の窒化物半導体層、例えば、p+AlGaN層とオーミック接合を形成している。 Immediately below the drain electrode, a stacked structure of a P-type third nitride semiconductor layer / second nitride semiconductor layer / first nitride semiconductor layer, for example, an electron supply layer made of p + AlGaN layer / AlGaN / A P + In junction or a P + n junction is formed by a laminated structure of channel layers made of GaN. At that time, the drain electrode forms an ohmic junction with a P-type third nitride semiconductor layer, for example, a p + AlGaN layer.

ゲート電極に印加されるゲート電圧Vgsが、閾値電圧VTより低い(Vgs<VT)場合には、ドレイン電極に正の電圧を印加しても、ドレイン電流は流れず、「OFF状態」となっている。その際、例えば、p+AlGaN層/AlGaNからなる電子供給層/GaNからなるチャネル層の積層構造のP+In-接合またはP+-接合は、順方向にバイアスされた状態となっており、ドレイン電極から正孔が注入される。GaNからなるチャネル層中に正孔が注入されると、ゲート−ドレイン間のチャネル層中には、注入された正孔に相当する電子が誘起される。 When the gate voltage V gs applied to the gate electrode is lower than the threshold voltage V T (V gs <V T ), the drain current does not flow even when a positive voltage is applied to the drain electrode. " At this time, for example, the P + In junction or the P + n junction of the p + AlGaN layer / the electron supply layer made of AlGaN / the channel layer made of GaN is in a forward biased state. Holes are injected from the drain electrode. When holes are injected into the channel layer made of GaN, electrons corresponding to the injected holes are induced in the channel layer between the gate and the drain.

電力制御デバイスでは、高い耐圧を実現するため、ゲート−ドレイン距離を大きく取っている。「ON状態」となると、ゲート−ドレイン間のチャネル層中に正孔が注入される。このチャネル層中に注入される正孔の量に相当する量の電子が、ソース電極側から供給され、該注入領域に電子が誘起される。その際、ドレイン電極−ゲート−ソース間の領域では、チャネル層中の電子は、第2の窒化物半導体層/第1の窒化物半導体層へテロ接合界面に蓄積される。正孔の注入量を増すと、その界面に蓄積可能な最大の電子濃度以上まで、注入される正孔の量に相当する量の電子の誘起が可能である。その状況では、高周波デバイスと同等以上のドレイン電流密度が得られる。従って、ゲート耐圧を得るため、ゲート−ドレイン間距離を高周波デバイスより長くとっても、低オン抵抗化が可能となっている。   In a power control device, a large gate-drain distance is taken in order to achieve a high breakdown voltage. In the “ON state”, holes are injected into the channel layer between the gate and the drain. An amount of electrons corresponding to the amount of holes injected into the channel layer is supplied from the source electrode side, and electrons are induced in the injection region. At this time, in the region between the drain electrode-gate-source, electrons in the channel layer are accumulated at the heterojunction interface of the second nitride semiconductor layer / first nitride semiconductor layer. When the amount of injected holes is increased, an amount of electrons equivalent to the amount of injected holes can be induced up to the maximum electron concentration that can be accumulated at the interface. In that situation, a drain current density equal to or higher than that of the high frequency device can be obtained. Therefore, in order to obtain a gate breakdown voltage, the on-resistance can be reduced even when the gate-drain distance is longer than that of the high-frequency device.

ゲート電極に印加されるゲート電圧Vgsが、閾値電圧VTより低い(Vgs<VT)場合には、ドレイン電極に正の電圧を印加しても、ゲート電極直下のチャネル領域を電子は流れない。その際、ドレイン電極から注入された正孔は、ゲート−ドレイン間の電界によって、ゲート電極のドレイン側の端まで進む。正孔の拡散長は、アプライドフィジクスレター巻86 号05 2105(2005)(Appl. Phys. Lett. Vol.86, 05 2105 (2005))に記載のように、転位密度が106cm-2にまで低減しても、0.2μmと小さい。従って、ゲート電圧Vgsが、閾値電圧VTより低い(Vgs<VT)範囲では、正孔は、ドレイン電極直下のチャネル領域を超えて、ゲート電極−ソース電極間まで拡散することは無い。従って、チャネル層中に注入される正孔の量に相当する量の電子の誘起が起因となって、ドレイン電流が流れることは無い。 If the gate voltage V gs applied to the gate electrode is lower than the threshold voltage V T (V gs <V T ), even if a positive voltage is applied to the drain electrode, the electrons will flow through the channel region immediately below the gate electrode. Not flowing. At that time, holes injected from the drain electrode travel to the drain side end of the gate electrode by an electric field between the gate and the drain. As described in Applied Physics Letter Vol. 86 No. 05 2105 (2005) (Appl. Phys. Lett. Vol. 86, 05 2105 (2005)), the hole diffusion length is 10 6 cm −2. Even if it is reduced to 0.2, it is as small as 0.2 μm. Therefore, in the range where the gate voltage V gs is lower than the threshold voltage V T (V gs <V T ), holes do not diffuse between the gate electrode and the source electrode beyond the channel region immediately below the drain electrode. . Therefore, drain current does not flow due to induction of electrons corresponding to the amount of holes injected into the channel layer.

すなわち、本発明にかかる窒化物半導体トランジスタでは、高周波トランジスタと同等以上のドレイン電流密度が得られ、オン抵抗が低く、電力制御トランジスタで用いられる正の電圧10Vをゲート電極に加えられても、ゲート電極に流れる順方向のゲートリーク電流は低い水準であり、高い耐圧を有する電力制御用ノーマリ・オフ型トランジスタが得られる。   That is, in the nitride semiconductor transistor according to the present invention, the drain current density equal to or higher than that of the high frequency transistor is obtained, the on-resistance is low, and the gate voltage can be increased even when the positive voltage 10V used in the power control transistor is applied to the gate electrode. The gate leakage current in the forward direction flowing through the electrode is at a low level, and a normally-off type transistor for power control having a high breakdown voltage can be obtained.

以下に、具体例を挙げて、本発明の半導体装置をより詳しく説明する。ここに示す具体例は、本発明の最良の実施形態の一例であるが、本発明は、これら具体例に例示される形態に限定されるものではない。   Hereinafter, the semiconductor device of the present invention will be described in more detail with reference to specific examples. The specific examples shown here are examples of the best mode of the present invention, but the present invention is not limited to the forms exemplified in these specific examples.

以下に例示する具体例は、本発明の半導体装置を電界効果トランジスタの形態に構成する事例である。   The specific example illustrated below is an example in which the semiconductor device of the present invention is configured in the form of a field effect transistor.

(第一の形態)
以下に、本発明の第1の形態の電界効果トランジスタの構造と、その動作原理を説明する。
(First form)
The structure of the field effect transistor according to the first embodiment of the present invention and the operating principle thereof will be described below.

図1は、本発明の第1の形態の電界効果トランジスタの構造の一例を模式的に示す断面図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of the structure of the field effect transistor according to the first embodiment of the present invention.

基板1上に、膜厚t2の緩衝層2、チャネル層として、膜厚t3の第1の窒化物半導体層3、電子供給層として、膜厚t4の第2の窒化物半導体層4、ならびに、P型の伝導性を有する、膜厚t5の第3の窒化物半導体層5が、順次成長されている。ドレイン領域以外では、第3の窒化物半導体層5は、エッチング除去され、第2の窒化物半導体層4の表面が露出されている。 On the substrate 1, buffer layer 2 having a thickness t 2, as the channel layer, the first nitride semiconductor layer 3 having a thickness of t 3, as an electron supply layer, a second nitride film thickness t 4 the semiconductor layer 4 In addition, the third nitride semiconductor layer 5 having the thickness t 5 and having P-type conductivity is grown sequentially. Except for the drain region, the third nitride semiconductor layer 5 is removed by etching, and the surface of the second nitride semiconductor layer 4 is exposed.

電子供給層の第2の窒化物半導体層4の表面に、ソース電極6が形成され、P型の伝導性を有する第3の窒化物半導体層5の表面に、ドレイン電極7が形成されている。ソース電極6は、第2の窒化物半導体層4とオーミック接合を形成し、ドレイン電極7は、第3の窒化物半導体層5とオーミック接合を形成している。ソース電極6とドレイン電極7とで挟まれる領域に、ゲート電極8が設けられている。   A source electrode 6 is formed on the surface of the second nitride semiconductor layer 4 of the electron supply layer, and a drain electrode 7 is formed on the surface of the third nitride semiconductor layer 5 having P-type conductivity. . The source electrode 6 forms an ohmic junction with the second nitride semiconductor layer 4, and the drain electrode 7 forms an ohmic junction with the third nitride semiconductor layer 5. A gate electrode 8 is provided in a region sandwiched between the source electrode 6 and the drain electrode 7.

電子供給層の第2の窒化物半導体層4の表面に、ゲート電極8を形成するリセス部が形成されている。このリセス部が形成された、第2の窒化物半導体層4の表面は、絶縁膜9で被覆されており、リセス部に絶縁膜9を介して、ゲート電極8が埋め込まれる形状で形成されている。このゲート電極8は、ゲート長Lgate-8とされ、その直下には、ゲート電極8/絶縁膜9/第2の窒化物半導体層4により、MIS構造が構成されている
絶縁膜9の膜厚は、第2の窒化物半導体層4の表面とリセス部の底部分では、膜厚t9であり、リセス部の側壁を被覆している部分では、膜厚t9-wellである。
A recess for forming the gate electrode 8 is formed on the surface of the second nitride semiconductor layer 4 of the electron supply layer. The surface of the second nitride semiconductor layer 4 on which the recess is formed is covered with an insulating film 9, and the recess is formed in a shape in which the gate electrode 8 is embedded via the insulating film 9. Yes. The gate electrode 8 has a gate length L gate-8, and a MIS structure is formed immediately below the gate electrode 8 / insulating film 9 / second nitride semiconductor layer 4. The thickness is the film thickness t 9 at the surface of the second nitride semiconductor layer 4 and the bottom portion of the recess portion, and the film thickness t 9-well at the portion covering the sidewall of the recess portion.

リセス部の深さdrecessは、絶縁膜9の膜厚t9よりも、大きく選択することができる。また、絶縁膜9の膜厚t9を、リセス部の深さdrecessよりも厚く選択することもできる。 The depth d Recess of the recessed portion can be than the thickness t 9 of the insulating film 9 is selected to be greater. Further, the thickness t 9 of the insulating film 9 may be chosen thicker than the depth d Recess of the recessed portion.

また、リセス部の幅Wrecessは、リセス部の側壁面の絶縁膜の膜厚t9-wellと、ゲート電極8のゲート長Lgate-8に対して、Wrecess=Lgate-8+2×t9-wellの条件を満たすように設定される。 The width W Recess of the recessed portion, and the thickness t 9-well of the insulating film side wall surface of the recessed portion, the gate length L Gate-8 of the gate electrode 8, W recess = L gate- 8 + 2 × It is set so as to satisfy the condition of t9-well .

リセス部の直下のチャネル領域では、第2の窒化物半導体層4の膜厚は、リセス部の形成に伴いエッチングされ、薄くなっている。リセス部直下の第2の窒化物半導体層4の膜厚t4-recessは、リセス部の深さdrecessを応じて、t4-recess=t4−drecessになっている。 In the channel region immediately below the recess portion, the thickness of the second nitride semiconductor layer 4 is etched and thinned along with the formation of the recess portion. Thickness t 4-Recess of the second nitride semiconductor layer 4 immediately below the recess portion in accordance with the depth d Recess of the recessed portion, and it is t 4-recess = t 4 -d recess.

ゲート電極8の直下のチャネル領域では、ゲート電極8/絶縁膜9/膜厚t4-recessの第2の窒化物半導体層4/第1の窒化物半導体層3の積層構造となっている。ゲート電極8に印加されるゲート電圧Vgsを、Vgs=0Vとした際、このチャネル領域には、キャリア(電子)が存在しない状態とされている。すなわち、閾値電圧VTは、VT>0Vとなっている。 The channel region immediately below the gate electrode 8 has a stacked structure of the gate electrode 8 / insulating film 9 / second nitride semiconductor layer 4 / first nitride semiconductor layer 3 having a film thickness t 4 -recess . When the gate voltage V gs applied to the gate electrode 8 is set to V gs = 0V, no carriers (electrons) exist in this channel region. That is, the threshold voltage V T is V T > 0V.

ゲート電極8/絶縁膜9の界面では、ゲート電極8のうち、絶縁膜9の表面に接する金属材料Mgateの仕事関数eψ(Mgate)eVと、絶縁膜9の表面の絶縁材料Ifrontの電子親和力eχ(Ifront)eVとの差、(eψ(Mgate)−eχ(Ifront))eVに相当する、障壁ΦM/Iが生成する。絶縁膜9/第2の窒化物半導体層4の界面では、絶縁膜9の裏面の絶縁材料Irearの電子親和力eχ(Irear)eVと、第2の窒化物半導体層4の電子親和力eχ(S2)eVとの差、(eχ(S2)−eχ(Irear))eVに相当する、障壁ΦI/Sが生成する。 At the interface between the gate electrode 8 and the insulating film 9, the work function eψ (M gate ) eV of the metal material M gate in contact with the surface of the insulating film 9 in the gate electrode 8 and the insulating material I front on the surface of the insulating film 9. A barrier Φ M / I corresponding to the difference from the electron affinity eχ (I front ) eV, (eψ (M gate ) −eχ (I front )) eV, is generated. At the interface between the insulating film 9 and the second nitride semiconductor layer 4, the electron affinity eχ (I rear ) eV of the insulating material I rear on the back surface of the insulating film 9 and the electron affinity eχ ( S2) A barrier Φ I / S corresponding to the difference from eV, (eχ (S2) −eχ (I rear )) eV is generated.

また、第2の窒化物半導体層4/第1の窒化物半導体層3の界面では、第2の窒化物半導体と第1の窒化物半導体との伝導帯エネルギー差によるバンド不連続ΔEc(S2/S1)が存在している。また、価電子帯エネルギー差によるバンド不連続ΔEv(S2/S1)が存在している。   Further, at the interface between the second nitride semiconductor layer 4 and the first nitride semiconductor layer 3, the band discontinuity ΔEc (S2 / S2) due to the conduction band energy difference between the second nitride semiconductor and the first nitride semiconductor. S1) exists. There is also a band discontinuity ΔEv (S2 / S1) due to the valence band energy difference.

「ON状態」となった際には、第2の窒化物半導体層4/第1の窒化物半導体層3の界面では、バンド不連続ΔEc(S2/S1)に相当するエネルギー障壁を利用して、キャリア(電子)が蓄積される。その際、バンド不連続ΔEc(S2/S1)>2kTとなるように、第2の窒化物半導体層4/第1の窒化物半導体層の材料を選択することが好ましい。   In the “ON state”, an energy barrier corresponding to the band discontinuity ΔEc (S2 / S1) is used at the interface between the second nitride semiconductor layer 4 and the first nitride semiconductor layer 3. , Carriers (electrons) are accumulated. At that time, the material of the second nitride semiconductor layer 4 / the first nitride semiconductor layer is preferably selected so that the band discontinuity ΔEc (S2 / S1)> 2 kT.

gs=0Vとした際、このチャネル領域には、キャリア(電子)が存在しない状態であるので、ゲート電極8直下の膜厚t4-recessの第2の窒化物半導体層4、ならびに、第1の窒化物半導体層3の表面側は、空乏化している。また、第2の窒化物半導体層4/第1の窒化物半導体層3のヘテロ接合界面は、キャリア(電子)は蓄積されていない。その場合、第1の窒化物半導体層3の表面側の空乏化している領域の膜厚t3g-scは、t3≧t3g-scとなる。 When V gs = 0V, there is no carrier (electron) in this channel region, so the second nitride semiconductor layer 4 having a film thickness t 4-recess immediately below the gate electrode 8 and the first The surface side of one nitride semiconductor layer 3 is depleted. Further, carriers (electrons) are not accumulated at the heterojunction interface between the second nitride semiconductor layer 4 and the first nitride semiconductor layer 3. In that case, the film thickness t 3g-sc of the depleted region on the surface side of the first nitride semiconductor layer 3 is t 3 ≧ t 3g-sc .

第2の窒化物半導体層4は、アンドープあるいは、n型不純物(ドナー)を添加しており、含まれるn型不純物(ドナー)濃度を、ND(S2)cm-3とすると、空乏化した際、イオン化したn型不純物(ドナー)に起因する空間電荷の面密度は、ND(S2)・t4-recesscm-2となる。第1の窒化物半導体層3は、アンドープであり、含まれる残留n型不純物(ドナー)濃度を、ND(S1)cm-3とすると、膜厚t3g-scが空乏化した際、イオン化したn型不純物(ドナー)に起因する空間電荷の面密度は、ND(S1)・t3g-sccm-2となる。 The second nitride semiconductor layer 4 is undoped or doped with an n-type impurity (donor), and is depleted when the concentration of the included n-type impurity (donor) is N D (S2) cm −3 . At this time, the surface density of the space charge due to the ionized n-type impurity (donor) is N D (S2) · t 4−recess cm −2 . The first nitride semiconductor layer 3 is undoped, and when the residual n-type impurity (donor) concentration contained is N D (S1) cm −3 , ionization occurs when the film thickness t 3g-sc is depleted. The surface density of the space charge resulting from the n-type impurity (donor) is N D (S1) · t 3g-sc cm −2 .

gs=0Vとした際、第2の窒化物半導体層4、第1の窒化物半導体層3中の空乏化部分は、空間電荷に起因するバンド・ベンド(曲がり)を示す。その結果、膜厚t4-recessの第2の窒化物半導体層4中に、伝導帯端のエネルギー・レベル差、ΔEc(S2:ND(S2)・t4-recess)と、第2の窒化物半導体層4と第1の窒化物半導体層3の間に生じる分極電界に由来するエネルギー・レベル差、ΔEcp(S1:Polarization)が生じている。第1の窒化物半導体層3の膜厚t3g-scの空乏化領域中に、伝導帯端のエネルギー・レベル差、ΔEc(S1:ND(S1)・t3g-sc)が生じている。 When V gs = 0V, depleted portions in the second nitride semiconductor layer 4 and the first nitride semiconductor layer 3 exhibit band bends (bends) due to space charge. As a result, in the second nitride semiconductor layer 4 having the film thickness t 4-recess , the energy level difference at the conduction band edge, ΔEc (S2: N D (S2) · t 4-recess ), and the second There is an energy level difference ΔEcp (S1: Polarization) derived from the polarization electric field generated between the nitride semiconductor layer 4 and the first nitride semiconductor layer 3. In the depletion region of the film thickness t 3g-sc of the first nitride semiconductor layer 3, an energy level difference ΔEc (S1: N D (S1) · t 3g-sc ) is generated. .

gs=0Vとした際、ゲート電極8の直下のチャネル領域における、バンド図を考慮すると、ΦM/I≧ΦI/S+ΔEc(S2:ND(S2)・t4-recess)+ΔEcp(S1:Polarization)+ΔEc(S2/S1)+ΔEc(S1:ND(S1)・t3g-sc)の関係を満すことが、ノーマリ・オフ型トランジスタを構成する際、必要である。例えば、前記条件を達成するように、第2の窒化物半導体層4と第1の窒化物半導体層3の窒化物半導体材料の組み合わせ、(ND(S2)、t4-recess)の組み合わせ、(ND(S1)、t3g-sc)の組み合わせを適宜選択する。 Considering the band diagram in the channel region immediately below the gate electrode 8 when V gs = 0 V, Φ M / I ≧ Φ I / S + ΔEc (S2: N D (S2) · t 4-recess ) + ΔEcp ( It is necessary to satisfy the relationship of (S1: Polarization) + ΔEc (S2 / S1) + ΔEc (S1: N D (S1) · t 3g-sc ) when configuring a normally-off transistor. For example, a combination of nitride semiconductor materials of the second nitride semiconductor layer 4 and the first nitride semiconductor layer 3 so as to achieve the above condition, a combination of (N D (S2), t 4-recess ), A combination of (N D (S1), t 3g-sc ) is appropriately selected.

「ON状態」とするためには、第1の窒化物半導体層3中に存在する空乏化領域を消失させることが可能な、正のゲート電圧Vgsをゲート電極8に印加する必要がある。従って、「OFF状態」から「ON状態」へと移行させる、閾値電圧VTは、少なくとも、VT>ΔEc(S1:ND(S1)・t3g-sc)/q>0V(但し、qは、電子の電荷量(単位電荷)を表す)となる。 In order to enter the “ON state”, it is necessary to apply to the gate electrode 8 a positive gate voltage V gs that can eliminate the depletion region present in the first nitride semiconductor layer 3. Therefore, the threshold voltage V T to be shifted from the “OFF state” to the “ON state” is at least V T > ΔEc (S1: N D (S1) · t 3g-sc ) / q> 0 V (where q Represents the charge amount (unit charge) of electrons.

ドレイン電極7の直下では、ドレイン電極7/P型の伝導性を有する第3の窒化物半導体層5/第2の窒化物半導体層4/第1の窒化物半導体層3の積層構造が形成されている。   Immediately below the drain electrode 7, a stacked structure of the drain electrode 7 / the third nitride semiconductor layer 5 / the second nitride semiconductor layer 4 / the first nitride semiconductor layer 3 having P-type conductivity is formed. ing.

P型の伝導性を有する第3の窒化物半導体層5は、p型不純物(アクセプタ)が高濃度で添加されており、p+層として機能する。ドレイン電極7/P型の伝導性を有する第3の窒化物半導体層5の間では、オーミック性接触が達成されている。この界面では、ドレイン電極7のうち、第3の窒化物半導体層5に接する金属材料Mohmicの仕事関数eψ(Mohmic)eVと、第3の窒化物半導体層5の電子親和力eχ(S3)eVとの差、(eψ(Mohmic)−eχ(S3))eVに相当する、障壁ΦM/S3が生成する。この障壁ΦM/S3に起因して、p+層の界面に形成される空乏化領域の厚さは、極めて薄い。そのため、空乏化領域をトンネリングして、p+層中からドレイン電極7へと電子は、速やかに放出され、見かけ上、ドレイン電極7からP型の伝導性を有する第3の窒化物半導体層5へと正孔が注入される。 The third nitride semiconductor layer 5 having P-type conductivity is doped with a p-type impurity (acceptor) at a high concentration and functions as a p + layer. Ohmic contact is achieved between the drain electrode 7 / P-type third nitride semiconductor layer 5 having conductivity. At this interface, of the drain electrode 7, the work function eψ (M ohmic ) eV of the metal material M ohmic that is in contact with the third nitride semiconductor layer 5 and the electron affinity eχ (S 3) of the third nitride semiconductor layer 5. A barrier Φ M / S3 corresponding to the difference from eV, (eψ (M ohmic ) −eχ (S3)) eV, is generated. Due to this barrier Φ M / S3 , the thickness of the depletion region formed at the interface of the p + layer is extremely thin. Therefore, the depletion region is tunneled, and electrons are quickly emitted from the p + layer to the drain electrode 7, and apparently the third nitride semiconductor layer 5 having P-type conductivity from the drain electrode 7. Holes are injected into.

一方、P型の伝導性を有する第3の窒化物半導体層5/第2の窒化物半導体層4/第1の窒化物半導体層3の部分は、P+In-接合またはP+-接合を構成する。その際、P+In-接合またはP+-接合では、P+層における、伝導帯端エネルギーEc(P+)とフェルミ・レベル・エンルギーEfの差違(Ec(P+)−Ef)と、n-層における、伝導帯端エネルギーEc(n-)とフェルミ・レベル・エンルギーEfの差違(Ec(n-)−Ef)との間に差違ある。従って、P+In-接合またはP+-接合には、{(Ec(P+)−Ef)−(Ec(n-)−Ef)}に相当するビルト・イン・ポテンシャルeVbuilt-inが生成されている。そのため、第2の窒化物半導体層4中に含まれるn型不純物(ドナー)はイオン化している。すなわち、この第2の窒化物半導体層4は、空乏化している。また、第2の窒化物半導体層4/第1の窒化物半導体層3の界面には、バンド不連続ΔEc(S2/S1)が存在しているため、キャリア(電子)が発生した際には、この界面に蓄積される。 On the other hand, the portion of the third nitride semiconductor layer 5 / second nitride semiconductor layer 4 / first nitride semiconductor layer 3 having P-type conductivity is a P + In junction or a P + n junction. Configure. At that time, in the P + In junction or the P + n junction, the difference between the conduction band edge energy Ec (P + ) and the Fermi level energy L f in the P + layer (Ec (P + ) −E f ). And the difference between the conduction band edge energy Ec (n ) and the Fermi level energy L f in the n layer (Ec (n ) −E f ). Accordingly, P + an In - the bonding, - bonding or P + n {(Ec (P +) -E f) - (Ec (n -) -E f)} corresponds to the built-in potential eV Built- in is generated. Therefore, the n-type impurity (donor) contained in the second nitride semiconductor layer 4 is ionized. That is, the second nitride semiconductor layer 4 is depleted. In addition, since the band discontinuity ΔEc (S2 / S1) exists at the interface between the second nitride semiconductor layer 4 and the first nitride semiconductor layer 3, when carriers (electrons) are generated. Accumulated at this interface.

ドレイン電極7に印加されるドレイン電圧Vdsが、正の電圧である場合、ドレイン電極7直下のエネルギーバンドを図2に示す。その際、P+In-接合(P+-接合)は、順方向にバイアスされた状態となり、第2の窒化物半導体層4に対して、正孔の拡散と、電子の拡散が起こる。すなわち、P+層である、P型の伝導性を有する第3の窒化物半導体層5から、In-領域である第2の窒化物半導体層4/第1の窒化物半導体層3に向かって、正孔が拡散する。同時に、第1の窒化物半導体層3中から、第2の窒化物半導体層4/第1の窒化物半導体層3の界面に、さらには、その界面のバンド不連続ΔEc(S2/S1)を超えて、第2の窒化物半導体層4へと電子が拡散する。 When the drain voltage V ds applied to the drain electrode 7 is a positive voltage, the energy band immediately below the drain electrode 7 is shown in FIG. At that time, the P + In junction (P + n junction) is forward-biased, and hole diffusion and electron diffusion occur in the second nitride semiconductor layer 4. That is, from the third nitride semiconductor layer 5 having P-type conductivity, which is a P + layer, toward the second nitride semiconductor layer 4 / first nitride semiconductor layer 3 which is an In region. , Holes diffuse. At the same time, the band discontinuity ΔEc (S2 / S1) at the interface of the second nitride semiconductor layer 4 / first nitride semiconductor layer 3 is further generated from the first nitride semiconductor layer 3 to the interface of the second nitride semiconductor layer 4 / first nitride semiconductor layer 3. Beyond that, electrons diffuse into the second nitride semiconductor layer 4.

この拡散電流として、第3の窒化物半導体層5から、第2の窒化物半導体層4を超えて、第1の窒化物半導体層3へと注入された正孔は、第1の窒化物半導体層3中の価電子帯のバンド・ベンド(曲がり)に従って、分布する。   As the diffusion current, holes injected from the third nitride semiconductor layer 5 over the second nitride semiconductor layer 4 to the first nitride semiconductor layer 3 are transferred to the first nitride semiconductor. It is distributed according to the band bend (bending) of the valence band in the layer 3.

gs=0Vでは、「OFF状態」となっており、ドレイン電圧Vdsは、正の電圧であっても、ドレイン電流は流れていない。そのため、第1の窒化物半導体層3中に形成されている上記の正孔濃度分布と、電子濃度分布は、平衡状態となっている。図3に、ドレイン電圧Vdsは、正の電圧である際、「OFF状態」である場合について、図1に例示する本発明の第1の形態の電界効果トランジスタの第1の窒化物半導体層3中に形成されている正孔濃度を模式的に示す。 When V gs = 0 V, the state is “OFF state”, and even if the drain voltage V ds is a positive voltage, no drain current flows. Therefore, the hole concentration distribution and the electron concentration distribution formed in the first nitride semiconductor layer 3 are in an equilibrium state. FIG. 3 shows the first nitride semiconductor layer of the field effect transistor of the first embodiment of the present invention illustrated in FIG. 1 when the drain voltage V ds is a positive voltage and is in the “OFF state”. The hole density | concentration currently formed in 3 is shown typically.

ゲート電極8直下のチャネル領域からソース電極6までの部分では、正孔濃度は「0」となっている。ゲート電極8直下のチャネル領域のドレイン電極7側の端からドレイン電極7までの部分には、正孔が分布している。その際、ドレイン電極7直下の領域では、正孔濃度が高く、ゲート電極8直下のチャネル領域のドレイン電極7側の端に向かって、正孔濃度は減少する。「OFF状態」の場合、ゲート電極8直下のチャネル領域では、第1の窒化物半導体層3は空乏化しているが、ドレイン電極7側に存在する正孔が僅かに拡散している。その正孔が僅かに拡散している領域は、第1の窒化物半導体層3における、正孔の拡散長Lholeに相当する。また、ドレイン電極7には、正のドレイン電圧Vdsが印加されている際、第1の窒化物半導体層3中に形成されている正孔濃度に起因して、電位差が存在する。すなわち、ドレイン電極7直下の領域では、電位が高く、ゲート電極8直下のチャネル領域からソース電極6までの部分では、電位が低い。その間、ゲート電極8直下のチャネル領域のドレイン電極7側の端からドレイン電極7までの部分には、電位勾配が形成されている。 In the portion from the channel region immediately below the gate electrode 8 to the source electrode 6, the hole concentration is “0”. Holes are distributed from the end of the channel region immediately below the gate electrode 8 on the drain electrode 7 side to the drain electrode 7. At that time, the hole concentration is high in the region immediately below the drain electrode 7, and the hole concentration decreases toward the drain electrode 7 side end of the channel region directly below the gate electrode 8. In the “OFF state”, in the channel region immediately below the gate electrode 8, the first nitride semiconductor layer 3 is depleted, but the holes present on the drain electrode 7 side are slightly diffused. The region where the holes are slightly diffused corresponds to the hole diffusion length L hole in the first nitride semiconductor layer 3. In addition, when a positive drain voltage V ds is applied to the drain electrode 7, there is a potential difference due to the concentration of holes formed in the first nitride semiconductor layer 3. That is, the potential is high in the region immediately below the drain electrode 7, and the potential is low in the portion from the channel region immediately below the gate electrode 8 to the source electrode 6. In the meantime, a potential gradient is formed in the portion from the drain electrode 7 side end of the channel region immediately below the gate electrode 8 to the drain electrode 7.

なお、第1の窒化物半導体層3における、正孔の拡散長Lholeは、第1の窒化物半導体の組成、ならびに、転位密度に依存する。例えば、GaNの場合、その転位密度を106cm-2にまで低減しても、正孔の拡散長Lholeは、0.2μmであることが、アプライドフィジクスレター巻86 号05 2105(2005)(Appl. Phys. Lett. Vol.86, 05 2105 (2005))に報告されている。 Note that the hole diffusion length L hole in the first nitride semiconductor layer 3 depends on the composition of the first nitride semiconductor and the dislocation density. For example, in the case of GaN, even if the dislocation density is reduced to 10 6 cm −2 , the hole diffusion length L hole is 0.2 μm. Applied Physics Letter Vol. 86 No. 05 2105 (2005 ) (Appl. Phys. Lett. Vol. 86, 05 2105 (2005)).

gs=0Vの場合、ドレイン電極7に印加される、正のドレイン電圧Vdsが高くなるとともに、ゲート電極8直下のチャネル領域のドレイン電極7側の端からドレイン電極7までの部分に存在する正孔濃度も上昇する。その場合にも、ゲート電極8直下のチャネル領域のドレイン電極7側における、正孔が僅かに拡散している領域は、正孔の拡散長Lhole≒0.2μm程度である。従って、ゲート長Lgate-8をこの正孔の拡散長Lholeよりも有意に長くする(Lgate-8≫Lhole)と、ゲート電極8直下のチャネル領域を超えて、ゲート電極8とソース電極6の間の領域まで拡散によって、正孔が達することは無い。すなわち、ゲート電極8直下のチャネル領域を超えて、拡散してくる正孔と、電子との再結合による、再結合電流が生じることは回避される。従って、高いオフ耐圧が得られる。 When V gs = 0V, the positive drain voltage V ds applied to the drain electrode 7 increases, and the channel region immediately below the gate electrode 8 exists in the portion from the end on the drain electrode 7 side to the drain electrode 7. The hole concentration also increases. Also in this case, the region where the holes are slightly diffused on the drain electrode 7 side of the channel region directly under the gate electrode 8 is the hole diffusion length L hole ≈0.2 μm. Therefore, if the gate length L gate-8 is made significantly longer than the hole diffusion length L hole (L gate-8 >> L hole ), the gate electrode 8 and the source beyond the channel region immediately below the gate electrode 8 are obtained. Holes do not reach the region between the electrodes 6 by diffusion. That is, the occurrence of a recombination current due to recombination of holes and electrons that diffuse beyond the channel region immediately below the gate electrode 8 is avoided. Therefore, a high off breakdown voltage can be obtained.

一方、Vgs>VT>0Vとし、「ON状態」となると、ゲート電極8直下のチャネル領域でも、第2の窒化物半導体層4/第1の窒化物半導体層3の界面にキャリア(電子)が蓄積した状態となる。従って、ソース電極6側から流入する電子と、ドレイン電極7から注入される正孔は、ゲート電極8直下のチャネル領域の第2の窒化物半導体層4/第1の窒化物半導体層3の界面近傍で再結合すると、再結合電流が発生する。 On the other hand, when V gs > V T > 0 V and the “ON state” is established, carriers (electrons) are also present at the interface between the second nitride semiconductor layer 4 and the first nitride semiconductor layer 3 even in the channel region immediately below the gate electrode 8. ) Is accumulated. Therefore, the electrons flowing from the source electrode 6 side and the holes injected from the drain electrode 7 are the interface between the second nitride semiconductor layer 4 / first nitride semiconductor layer 3 in the channel region immediately below the gate electrode 8. When recombining in the vicinity, a recombination current is generated.

「ON状態」となる際に達成される、この状況は、図6に例示するp+ゲート・ノーマリ・オフ・電界効果型トランジスタにおける「ON状態」の状況に類似しており、同様に高いドレイン電流密度を与える。従って、図7に例示するMIS構造・ノーマリ・オフ・電界効果型トランジスタと比較すると、図1に例示する、本発明の第1の形態の電界効果トランジスタにおいては、有意に高いドレイン電流密度が達成される。   This situation, which is achieved when entering the “ON state”, is similar to the “ON state” situation in the p + gate, normally-off, field effect transistor illustrated in FIG. Give density. Therefore, compared with the MIS structure, normally-off, and field effect transistor illustrated in FIG. 7, the field effect transistor according to the first embodiment of the present invention illustrated in FIG. 1 achieves a significantly higher drain current density. Is done.

次に、具体例を用いて、本発明の第1の形態の電界効果トランジスタの構造を説明する。   Next, the structure of the field effect transistor according to the first embodiment of the present invention will be described using a specific example.

(第1の実施形態)
図4は、第1の実施形態の電界効果トランジスタのデバイス構造を模式的に示す断面図である。この第1の実施形態の電界効果トランジスタは、以下に説明する構造を有している。
(First embodiment)
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the device structure of the field effect transistor of the first embodiment. The field effect transistor according to the first embodiment has a structure described below.

基板1として、高抵抗Si基板を用いている。例えば、(111)面Si基板上に、(0001)面成長した、緩衝層2、第1の窒化物半導体層3、第2の窒化物半導体層4、第3の窒化物半導体層5を順次エピタキシャル成長により形成する。   As the substrate 1, a high resistance Si substrate is used. For example, the buffer layer 2, the first nitride semiconductor layer 3, the second nitride semiconductor layer 4, and the third nitride semiconductor layer 5, which are grown on the (111) plane Si substrate, are grown in order. It is formed by epitaxial growth.

(111)面Si基板上に、例えば、核生成層として、膜厚4nmのAlNバッファ層、引き続き、AlGaN/GaN周期層を1000nm形成し、このAlNバッファ層とAlGaN/GaN周期層を、緩衝層2として利用する。AlGaN/GaN周期層上に、第1の窒化物半導体層3として、膜厚1000nmのGaN層、第2の窒化物半導体層4として、Al0.20Ga0.80N(Al組成0.20)からなる膜厚30nmのAlGaN層を形成する。さらに、第3の窒化物半導体層5として、Zn−ドープAl0.20Ga0.80N(Al組成0.20)からなる膜厚30nmのp+−AlGaN層を形成する。このp+−AlGaN層中に、添加されるZn濃度は、1019cm-3に選択する。 On the (111) plane Si substrate, for example, an AlN buffer layer having a film thickness of 4 nm is formed as a nucleation layer, and then an AlGaN / GaN periodic layer is formed to 1000 nm. The AlN buffer layer and the AlGaN / GaN periodic layer are formed as a buffer layer. Use as 2. On the AlGaN / GaN periodic layer, a film made of Al 0.20 Ga 0.80 N (Al composition 0.20) as the first nitride semiconductor layer 3 as a GaN layer with a thickness of 1000 nm and as the second nitride semiconductor layer 4 An AlGaN layer having a thickness of 30 nm is formed. Further, as the third nitride semiconductor layer 5, a p + -AlGaN layer having a thickness of 30 nm made of Zn-doped Al 0.20 Ga 0.80 N (Al composition 0.20) is formed. The Zn concentration added to this p + -AlGaN layer is selected to be 10 19 cm −3 .

ドレイン電極領域をレジストでカバーして、それ以外の領域の第3の窒化物半導体層5をエッチング除去する。このp+−AlGaN層の選択的エッチングには、三塩化ホウ素(BCl3)ガスを主成分としたICPプラズマを利用する。 The drain electrode region is covered with a resist, and the third nitride semiconductor layer 5 in other regions is removed by etching. For the selective etching of the p + -AlGaN layer, ICP plasma mainly composed of boron trichloride (BCl 3 ) gas is used.

露呈されたAlGaN層の表面に形成するソース電極6として、Ti、Al金属を蒸着、リフトオフ工程を用いて形成する。p+−AlGaN層の表面に形成するドレイン電極7として、Ni、Au金属を蒸着、リフトオフ工程を用いて形成する。窒素雰囲気中、650℃で熱処理することにより、オーミック性のコンタクトを形成している。 As the source electrode 6 formed on the surface of the exposed AlGaN layer, Ti and Al metal are formed by vapor deposition and a lift-off process. As the drain electrode 7 formed on the surface of the p + -AlGaN layer, Ni and Au metals are formed by vapor deposition and a lift-off process. An ohmic contact is formed by heat treatment at 650 ° C. in a nitrogen atmosphere.

素子分離を、窒素のイオン注入にて実施する。窒素のイオン注入条件は、厚さ1μmのレジスト膜をマスクとして、加速電圧:100kV,注入密度:2×1014 cm-2を選択している。素子分離の後、プラズマCVD法によりSiN膜200nmを形成する。このSiN膜に、リセス部を形成するための開口部を形成する。リセス部のSiN膜を、開口幅2.0μmで六フッ化イオウ(SF6)ガスを主成分としたICPプラズマを用いて除去する。このSiN膜の開口部に露呈しているAlGaN層を、三塩化ホウ素(BCl3)ガスを主成分としたICPプラズマを用いて、20nmエッチング除去して、リセス部を形成する。従って、リセス部の直下においては、AlGaN層の厚さは、10nmとなる。 Element isolation is performed by nitrogen ion implantation. As the nitrogen ion implantation conditions, acceleration voltage: 100 kV and implantation density: 2 × 10 14 cm −2 are selected using a resist film having a thickness of 1 μm as a mask. After element isolation, a 200 nm SiN film is formed by plasma CVD. An opening for forming a recess is formed in the SiN film. The SiN film in the recess portion is removed using ICP plasma whose opening width is 2.0 μm and whose main component is sulfur hexafluoride (SF 6 ) gas. The AlGaN layer exposed in the opening of the SiN film is etched away by 20 nm using ICP plasma mainly composed of boron trichloride (BCl 3 ) gas to form a recess. Therefore, immediately below the recess portion, the thickness of the AlGaN layer is 10 nm.

その後、ゲート絶縁膜として、例えば、プラズマCVD法によりSiN膜を20nm形成する。リセス部の側壁を被覆する、SiN膜の膜厚は、20nmとなっている。なお、リセス部の深さ20nmと、SiN膜の膜厚20nmが等しいため、リセス部の底面を被覆するSiN膜の表面と、リセス部以外のAlGaN層の表面は、同じレベルに位置している。   Thereafter, as the gate insulating film, a SiN film is formed to a thickness of 20 nm, for example, by plasma CVD. The thickness of the SiN film covering the side wall of the recess is 20 nm. Since the depth of the recess portion is 20 nm and the thickness of the SiN film is 20 nm, the surface of the SiN film covering the bottom surface of the recess portion and the surface of the AlGaN layer other than the recess portion are located at the same level. .

ゲート電極8を、例えば、Ni20nm,Au200nmを蒸着、リフトオフして形成する。その際、リセス部に、ゲート絶縁膜を介して、埋め込むように形成されているゲート電極8は、(2.0μm−2×20nm)に相当するゲート長を有する。   The gate electrode 8 is formed by evaporating and lifting off, for example, Ni 20 nm and Au 200 nm. At that time, the gate electrode 8 formed so as to be embedded in the recess portion through the gate insulating film has a gate length corresponding to (2.0 μm−2 × 20 nm).

なお、リフトオフにより形成される電極の幅は、リセス部の幅より広く、ドレイン電極7側では、合計厚さ(200nm+20nm)のSiN膜で被覆されている、リセス部以外のAlGaN層の表面を一部被覆している。SiN膜を介して、このリセス部以外のAlGaN層の表面上を覆う部分は、フィールドプレート電極とし機能する。このフィールドプレート電極部分は、リセス部からドレイン電極7側に、5μm張り出している。   The width of the electrode formed by lift-off is wider than the width of the recess portion, and on the drain electrode 7 side, the surface of the AlGaN layer other than the recess portion, which is covered with the SiN film having the total thickness (200 nm + 20 nm), is integrated. The part is covered. A portion covering the surface of the AlGaN layer other than the recess portion via the SiN film functions as a field plate electrode. The field plate electrode portion extends 5 μm from the recess portion to the drain electrode 7 side.

また、リセス部のドレイン電極7側の端から、第3の窒化物半導体層5のゲート電極側の端までの幅は、12μmに選択している。第3の窒化物半導体層5自体の幅は、100μmに選択している。   The width from the end of the recess portion on the drain electrode 7 side to the end of the third nitride semiconductor layer 5 on the gate electrode side is selected to be 12 μm. The width of the third nitride semiconductor layer 5 itself is selected to be 100 μm.

リセス部の底面において、ゲート電極8の直下のAlGaN層の厚さと、ゲート長の比率は、(2.0μm−2×20nm)/10nmである。   On the bottom surface of the recess portion, the ratio of the thickness of the AlGaN layer immediately below the gate electrode 8 to the gate length is (2.0 μm−2 × 20 nm) / 10 nm.

対比のため、図5に例示する、従来構造のMIS型ノーマリ・オフ・トランジスタと、図6に例示する、従来構造のP+ゲート・ノーマリ・オフ・トランジスタを、以下の手順で作製する。 For comparison, a conventional structure MIS type normally-off transistor illustrated in FIG. 5 and a conventional structure P + gate normally-off transistor illustrated in FIG. 6 are manufactured by the following procedure.

図5に例示する、従来構造のMIS型ノーマリ・オフ・トランジスタは、上記の第1の実施形態の電界効果トランジスタに対して、次の点を変更した構造としている。ドレイン電極部を、第2の窒化物半導体層4のAlGaN層の表面に、ソース電極6と同じ構成のオーミック電極を形成して、ドレイン電極7として利用している。   The MIS type normally-off transistor having a conventional structure illustrated in FIG. 5 has a structure in which the following points are changed with respect to the field effect transistor of the first embodiment. The drain electrode portion is used as the drain electrode 7 by forming an ohmic electrode having the same configuration as the source electrode 6 on the surface of the AlGaN layer of the second nitride semiconductor layer 4.

具体的には、Zn−ドープAl0.20Ga0.80N(Al組成0.20)からなる膜厚30nmのp+−AlGaN層の形成ステップを省いている。また、ソース電極6を形成する工程において、ドレイン電極7も併せて形成する。その際、リセス部のドレイン電極7側の端から、ドレイン電極7のゲート電極8側の端までの幅は、12μmに選択している。 Specifically, the step of forming a 30 nm thick p + -AlGaN layer made of Zn-doped Al 0.20 Ga 0.80 N (Al composition 0.20) is omitted. Further, in the step of forming the source electrode 6, the drain electrode 7 is also formed. At this time, the width from the end of the recess portion on the drain electrode 7 side to the end of the drain electrode 7 on the gate electrode 8 side is selected to be 12 μm.

図6に例示する、従来構造のP+ゲート・ノーマリ・オフ・トランジスタは、上記の第1の実施形態の電界効果トランジスタに対して、次の点を変更した構造としている。ドレイン電極部を、第2の窒化物半導体層4のAlGaN層の表面に、ソース電極6と同じ構成のオーミック電極を形成して、ドレイン電極7として利用している。一方、ゲート部分の構造は、第2の窒化物半導体層4として、Al0.20Ga0.80N(Al組成0.20)からなる膜厚30nmのAlGaN層を利用し、その表面にP+ゲート構造を作製している。 The conventional P + gate normally-off transistor illustrated in FIG. 6 has a structure in which the following points are changed with respect to the field-effect transistor of the first embodiment. The drain electrode portion is used as the drain electrode 7 by forming an ohmic electrode having the same configuration as the source electrode 6 on the surface of the AlGaN layer of the second nitride semiconductor layer 4. On the other hand, the structure of the gate portion uses a 30 nm thick AlGaN layer made of Al 0.20 Ga 0.80 N (Al composition 0.20) as the second nitride semiconductor layer 4, and has a P + gate structure on the surface thereof. I am making it.

具体的には、第2の窒化物半導体層4上に、Zn−ドープAl0.20Ga0.80N(Al組成0.20)からなる膜厚30nmのp+−AlGaN層を形成する。このp+−AlGaN層をエッチング加工して、リセス部に相当する位置に、幅2.0μmのP+ゲート部を作製する。すなわち、幅2.0μmのレジスト・マスクを利用し、それ以外の領域のp+−AlGaN層をエッチング除去する。このp+−AlGaN層の選択的エッチングには、三塩化ホウ素(BCl3)ガスを主成分としたICPプラズマを利用する。 Specifically, a p + -AlGaN layer having a thickness of 30 nm made of Zn-doped Al 0.20 Ga 0.80 N (Al composition 0.20) is formed on the second nitride semiconductor layer 4. This p + -AlGaN layer is etched to form a P + gate portion having a width of 2.0 μm at a position corresponding to the recess portion. That is, using a resist mask having a width of 2.0 μm, the p + -AlGaN layer in other regions is removed by etching. For the selective etching of the p + -AlGaN layer, ICP plasma mainly composed of boron trichloride (BCl 3 ) gas is used.

露呈されたAlGaN層の表面に形成するソース電極6、ドレイン電極7として、Ti、Al金属を蒸着、リフトオフ工程を用いて形成する。窒素雰囲気中、650℃で熱処理することにより、オーミック性のコンタクトを形成している。   As the source electrode 6 and the drain electrode 7 formed on the surface of the exposed AlGaN layer, Ti and Al metal are formed by vapor deposition and lift-off process. An ohmic contact is formed by heat treatment at 650 ° C. in a nitrogen atmosphere.

幅2.0μmのP+ゲート部(p+−AlGaN層)の表面に形成するゲート電極8として、Ni、Au金属を蒸着、リフトオフ工程を用いて形成する。このゲート電極8も、窒素雰囲気中、650℃で熱処理することにより、オーミック性のコンタクトを形成している。 As the gate electrode 8 to be formed on the surface of the P + gate portion (p + -AlGaN layer) having a width of 2.0 μm, Ni and Au metals are formed by vapor deposition and a lift-off process. The gate electrode 8 is also heat-treated at 650 ° C. in a nitrogen atmosphere to form an ohmic contact.

その後、ソース電極6とドレイン電極7とで挟まれる領域に、プラズマCVD法によりSiN膜200nmを形成する。この厚さ200nmのSiN膜は、露呈されているAlGaN層の表面を被覆する、保護絶縁膜として機能する。   Thereafter, a 200 nm SiN film is formed by plasma CVD in a region sandwiched between the source electrode 6 and the drain electrode 7. This 200 nm thick SiN film functions as a protective insulating film that covers the exposed surface of the AlGaN layer.

その際、P+ゲート部のドレイン電極7側の端から、ドレイン電極7のゲート電極8側の端までの幅は、12μmに選択している。 At this time, the width from the end of the P + gate portion on the drain electrode 7 side to the end of the drain electrode 7 on the gate electrode 8 side is selected to be 12 μm.

ゲート電極8の直下のAlGaN層の厚さと、P+ゲート部のゲート長の比率は、(2.0μm)/30nmである。 The ratio of the thickness of the AlGaN layer immediately below the gate electrode 8 to the gate length of the P + gate portion is (2.0 μm) / 30 nm.

ドレイン電極7に、正のドレイン電圧Vds=20Vを印加し、ゲート電極8に、正のゲート電圧Vgs=VT+5Vを印加し、「ON状態」となっている場合における、各トランジスタの第2の窒化物半導体層4、第1の窒化物半導体層3中に存在する電子、正孔の分布を、図4、図5、図6中に模式的に示す。 A positive drain voltage V ds = 20 V is applied to the drain electrode 7, and a positive gate voltage V gs = V T +5 V is applied to the gate electrode 8. Distributions of electrons and holes existing in the second nitride semiconductor layer 4 and the first nitride semiconductor layer 3 are schematically shown in FIGS. 4, 5, and 6.

図5に示す、従来構造のMIS型ノーマリ・オフ・トランジスタの場合、「ON状態」では、第2の窒化物半導体層4と第1の窒化物半導体層3の界面に電子が蓄積されている。   In the case of the MIS normally-off transistor having the conventional structure shown in FIG. 5, electrons are accumulated at the interface between the second nitride semiconductor layer 4 and the first nitride semiconductor layer 3 in the “ON state”. .

図4に示す第1の実施形態の電界効果トランジスタの場合、「ON状態」では、第2の窒化物半導体層4と第1の窒化物半導体層3の界面に電子が蓄積されている。また、ドレイン電極7側の第3の窒化物半導体層5(p+AlGaN層)から、第2の窒化物半導体層4へと、正孔が拡散により注入されている。さらに、第2の窒化物半導体層4を超えて、第1の窒化物半導体層3中への拡散した正孔は、第2の窒化物半導体層4と第1の窒化物半導体層3の界面に近接した、第1の窒化物半導体層3中の領域に分布する。第1の窒化物半導体層3内の正孔濃度の分布は、ゲート電極8直下のチャネル領域、ならびに、ソース電極6側では、正孔濃度は、0となっている。ゲート電極8のドレイン電極7側の端から、ドレイン電極7側の第3の窒化物半導体層5(p+AlGaN層)の直下までの領域に、正孔は分布している。 In the field effect transistor of the first embodiment shown in FIG. 4, electrons are accumulated at the interface between the second nitride semiconductor layer 4 and the first nitride semiconductor layer 3 in the “ON state”. In addition, holes are injected by diffusion from the third nitride semiconductor layer 5 (p + AlGaN layer) on the drain electrode 7 side to the second nitride semiconductor layer 4. Further, the holes diffused into the first nitride semiconductor layer 3 beyond the second nitride semiconductor layer 4 are caused by the interface between the second nitride semiconductor layer 4 and the first nitride semiconductor layer 3. Distributed in a region in the first nitride semiconductor layer 3 adjacent to the first nitride semiconductor layer 3. In the distribution of the hole concentration in the first nitride semiconductor layer 3, the hole concentration is 0 in the channel region immediately below the gate electrode 8 and the source electrode 6 side. Holes are distributed in the region from the end of the gate electrode 8 on the drain electrode 7 side to the region immediately below the third nitride semiconductor layer 5 (p + AlGaN layer) on the drain electrode 7 side.

図5に示す、従来構造のMIS型ノーマリ・オフ・トランジスタと比較すると、第1の実施形態の電界効果トランジスタでは、拡散によって、注入された正孔に対応するように、拡散によって電子の注入がなされる結果、第2の窒化物半導体層4と第1の窒化物半導体層3の界面に蓄積される電子の量が増加している。   Compared to the MIS type normally-off transistor having the conventional structure shown in FIG. 5, in the field effect transistor of the first embodiment, electrons are injected by diffusion so as to correspond to the injected holes. As a result, the amount of electrons accumulated at the interface between the second nitride semiconductor layer 4 and the first nitride semiconductor layer 3 is increased.

図6に示す、従来構造のP+ゲート・ノーマリ・オフ・トランジスタの場合、「ON状態」では、P+ゲート部の直下では、p+AlGaN層/AlGaN層/GaN層からなるP+In-接合またはP+-接合は、順方向にバイアスされる。その結果、p+AlGaN層(P+ゲート部)から、AlGaN層(第2の窒化物半導体層4)を超えて、GaN層(第1の窒化物半導体層3)中へと拡散した正孔は、第2の窒化物半導体層4と第1の窒化物半導体層3の界面に近接した、第1の窒化物半導体層3中の領域に分布する。第1の窒化物半導体層3内の正孔濃度の分布は、ゲート電極8直下のチャネル領域と、そのソース電極6側に集中している。一方、ゲート電極8のドレイン電極7側の端から、ドレイン電極7の直下までの領域では、正孔濃度は、0となっている。 In the case of the P + gate normally-off transistor having the conventional structure shown in FIG. 6, in the “ON state”, P + In made of p + AlGaN layer / AlGaN layer / GaN layer is directly under the P + gate portion. The junction or P + n junction is forward biased. As a result, holes diffused from the p + AlGaN layer (P + gate portion) to the GaN layer (first nitride semiconductor layer 3) beyond the AlGaN layer (second nitride semiconductor layer 4). Are distributed in a region in the first nitride semiconductor layer 3 close to the interface between the second nitride semiconductor layer 4 and the first nitride semiconductor layer 3. The distribution of the hole concentration in the first nitride semiconductor layer 3 is concentrated on the channel region immediately below the gate electrode 8 and on the source electrode 6 side. On the other hand, in the region from the end of the gate electrode 8 on the drain electrode 7 side to immediately below the drain electrode 7, the hole concentration is 0.

図5に示す、従来構造のMIS型ノーマリ・オフ・トランジスタと比較すると、図6に示す、従来構造のP+ゲート・ノーマリ・オフ・トランジスタでは、拡散によって、注入された正孔に対応するように、拡散によって電子の注入がなされる結果、第2の窒化物半導体層4と第1の窒化物半導体層3の界面に蓄積される電子の量が増加している。 Compared with the MIS type normally-off transistor having the conventional structure shown in FIG. 5, the P + gate normally-off transistor having the conventional structure shown in FIG. 6 corresponds to the injected holes by diffusion. In addition, as a result of the electron injection by diffusion, the amount of electrons accumulated at the interface between the second nitride semiconductor layer 4 and the first nitride semiconductor layer 3 is increased.

図7に、図4、図5、図6に示す三種のノーマリ・オフ・トランジスタについて、ドレイン電極7に、正のドレイン電圧Vds=20Vを印加する条件で、測定されるドレイン電流−ゲート電圧(Id−Vgs)特性を対比して示す。 FIG. 7 shows drain current-gate voltage measured under the condition that a positive drain voltage V ds = 20 V is applied to the drain electrode 7 for the three types of normally-off transistors shown in FIGS. The (I d −V gs ) characteristics are shown in comparison.

図4に示す第1の実施形態の電界効果トランジスタと、図5に示す従来構造のMIS型ノーマリ・オフ・トランジスタは、ともに、MIS構造のゲート電極を採用しており、その閾値電圧VTは、ともに、VT≒3Vとなっている。一方、図6に示す従来構造のP+ゲート・ノーマリ・オフ・トランジスタでは、P+ゲートを採用しているため、その閾値電圧VTは、VT≒1.8Vとなっている。 The field effect transistor of the first embodiment shown in FIG. 4 and the conventional MIS type normally-off transistor shown in FIG. 5 both employ a MIS structure gate electrode, and the threshold voltage V T is In both cases, V T ≈3V. On the other hand, since the P + gate normally-off transistor having the conventional structure shown in FIG. 6 employs a P + gate, the threshold voltage V T is V T ≈1.8V.

図4に示す第1の実施形態の電界効果トランジスタと、図5に示す従来構造のMIS型ノーマリ・オフ・トランジスタは、ともに、ゲート電圧Vgs=10Vの条件で動作でき、その際、ドレイン電流密度Id/Wgateは、それぞれ、Id/Wgate≒0.40A/mm、Id/Wgate≒0.20A/mmである。一方、図6に示す従来構造のP+ゲート・ノーマリ・オフ・トランジスタでは、ゲートリーク電流の上昇のため、ゲート電圧Vgs=7V以下の範囲でしか、良好な動作しない。その際、ゲート電圧Vgs=7Vにおける、ドレイン電流密度Id/Wgateは、Id/Wgate≒0.29A/mmである。 Both the field effect transistor of the first embodiment shown in FIG. 4 and the MIS type normally-off transistor of the conventional structure shown in FIG. 5 can operate under the condition of the gate voltage V gs = 10V. The densities I d / W gate are I d / W gate ≈0.40 A / mm and I d / W gate ≈0.20 A / mm, respectively. On the other hand, the P + gate normally-off transistor of the conventional structure shown in FIG. 6, for the increase of the gate leakage current, only in the range of the gate voltage V gs = 7V, no good operation. At that time, the drain current density I d / W gate at the gate voltage V gs = 7 V is I d / W gate ≈0.29 A / mm.

図4に示す第1の実施形態の電界効果トランジスタと、図6に示す従来構造のP+ゲート・ノーマリ・オフ・トランジスタでは、「ON状態」では、p+AlGaN層/AlGaN層/GaN層からなるP+In-接合またはP+-接合に順方向のバイアスが印加される構造を採用することで、チャネル層のGaN層中に正孔が注入され、注入された正孔によってドレイン電流に寄与する電子が誘起され、ドレイン電流密度が上昇している。そのドレイン電流密度は、ノーマリ・オンの従来型高周波デバイスのドレイン電流密度と遜色の無い値である。 In the field effect transistor of the first embodiment shown in FIG. 4 and the P + gate normally-off transistor of the conventional structure shown in FIG. 6, in the “ON state”, from the p + AlGaN layer / AlGaN layer / GaN layer. By adopting a structure in which a forward bias is applied to the P + In junction or P + n junction, holes are injected into the GaN layer of the channel layer, and a drain current is generated by the injected holes. Contributing electrons are induced, and the drain current density is increased. The drain current density is comparable to the drain current density of normally-on conventional high-frequency devices.

一方、図5に示す従来構造のMIS型ノーマリ・オフ・トランジスタでは、チャネル層のGaN層中への正孔注入はなされていないので、ドレイン電流密度は相対的に低くなっている。そのドレイン電流密度は、ノーマリ・オンの従来型高周波デバイスのドレイン電流密度と比較して、低くなっている。   On the other hand, in the MIS type normally-off transistor having the conventional structure shown in FIG. 5, the hole current is not injected into the GaN layer of the channel layer, so that the drain current density is relatively low. Its drain current density is low compared to the drain current density of normally-on conventional high frequency devices.

図8に、図4、図5、図6に示す三種のノーマリ・オフ・トランジスタについて、ドレイン電極7に、正のドレイン電圧Vds=20Vを印加する条件で、測定されるゲート電流−ゲート電圧(Ig−Vgs)特性を対比して示す。 FIG. 8 shows the gate current-gate voltage measured under the condition that a positive drain voltage V ds = 20 V is applied to the drain electrode 7 for the three types of normally-off transistors shown in FIGS. The (I g -V gs ) characteristics are shown in comparison.

図4に示す第1の実施形態の電界効果トランジスタと、図5に示す従来構造のMIS型ノーマリ・オフ・トランジスタは、ともに、MIS構造のゲート電極を採用しており、ゲート電圧Vgs=10V以下の範囲では、ゲート電流密度I8/Wgateは、I8/Wgate<10-9 A/mmの範囲である。一方、図6に示す従来構造のP+ゲート・ノーマリ・オフ・トランジスタでは、P+ゲートを採用しているため、p+AlGaN層/AlGaN層/GaN層からなるP+In-接合またはP+-接合に順方向のバイアスが印加され、ゲート電圧Vgsがその閾値電圧VTを超えると、ゲート電流密度I8/Wgateが上昇を示す。ゲート電圧Vgsが8V付近で、デバイス安定動作の目安である、ゲート電流密度I8/Wgateの水準10-3A/mmに達している。 The field effect transistor of the first embodiment shown in FIG. 4 and the conventional MIS type normally-off transistor shown in FIG. 5 both employ a MIS structure gate electrode, and have a gate voltage V gs = 10V. In the following range, the gate current density I 8 / W gate is in the range of I 8 / W gate <10 −9 A / mm. On the other hand, since the P + gate normally-off transistor having the conventional structure shown in FIG. 6 employs a P + gate, a P + In junction composed of p + AlGaN layer / AlGaN layer / GaN layer or P + When a forward bias is applied to the n junction and the gate voltage V gs exceeds its threshold voltage V T , the gate current density I 8 / W gate increases. When the gate voltage V gs is around 8 V, the gate current density I 8 / W gate level of 10 −3 A / mm, which is a standard for device stable operation, is reached.

図4に示す第1の実施形態の電界効果トランジスタの構造は、電力制御用デバイスに要求される、高ドレイン電流密度、正のゲート電圧Vgs=10V印加時の低ゲート電流密度の二つの要件をともに満足すると判断される。 The structure of the field effect transistor of the first embodiment shown in FIG. 4 has two requirements for a power control device: a high drain current density and a low gate current density when a positive gate voltage V gs = 10 V is applied. It is judged that both are satisfied.

第1の実施形態の電界効果トランジスタでは、基板として、高抵抗の(111)面Si基板を用いて、その上に、(0001)面成長したIII族窒化物のエピタキシャル膜を利用して、デバイスを作製している。その表面に、(0001)面成長したIII族窒化物のエピタキシャル膜を形成でき、高抵抗な基板であれば、高抵抗の(111)面Si基板に代えて、サファイア基板、SiC基板、ZnO基板等を利用することができる。   In the field effect transistor according to the first embodiment, a high-resistance (111) Si substrate is used as a substrate, and a (0001) -plane grown III-nitride epitaxial film is used on the device. Is making. If a (0001) -plane-grown III-nitride epitaxial film can be formed on the surface and the substrate is a high-resistance substrate, a sapphire substrate, SiC substrate, ZnO substrate can be used instead of the high-resistance (111) -plane Si substrate. Etc. can be used.

また、基板上に成長する核生成層として、膜厚4nmのAlNバッファ層、引き続き、AlGaN/GaN周期層を1000nm形成し、このAlNバッファ層とAlGaN/GaN周期層を、緩衝層2として利用している。それに代えて、核生成層として、膜厚4nmのAlNバッファ層、引き続き、AlGaN/GaN周期層の平均Al組成と等しいAl組成のAlGaN単層を1000nm形成し、このAlNバッファ層とAlGaN単層を、緩衝層2として利用することもできる。   Further, as a nucleation layer grown on the substrate, an AlN buffer layer having a thickness of 4 nm and subsequently an AlGaN / GaN periodic layer of 1000 nm are formed, and this AlN buffer layer and the AlGaN / GaN periodic layer are used as the buffer layer 2. ing. Instead, an AlN buffer layer having a thickness of 4 nm is formed as a nucleation layer, and then an AlGaN single layer having an Al composition equal to the average Al composition of the AlGaN / GaN periodic layer is formed to 1000 nm, and the AlN buffer layer and the AlGaN single layer are formed. The buffer layer 2 can also be used.

(第2の実施形態)
図9は、第2の実施形態の電界効果トランジスタのデバイス構造を模式的に示す断面図である。この第2の実施形態の電界効果トランジスタは、以下に説明する構造を有している。
(Second Embodiment)
FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing the device structure of the field effect transistor of the second embodiment. The field effect transistor of the second embodiment has a structure described below.

基板1として、高抵抗Si基板を用いている。例えば、(111)面Si基板上に、(0001)面成長した、緩衝層2、第1の窒化物半導体層3、第2の窒化物半導体層4、第3の窒化物半導体層5を順次エピタキシャル成長により形成する。   As the substrate 1, a high resistance Si substrate is used. For example, the buffer layer 2, the first nitride semiconductor layer 3, the second nitride semiconductor layer 4, and the third nitride semiconductor layer 5, which are grown on the (111) plane Si substrate, are grown in order. It is formed by epitaxial growth.

(111)面Si基板上に、例えば、核生成層として、膜厚4nmのAlNバッファ層、引き続き、AlGaN/GaN周期層を1000nm形成し、このAlNバッファ層とAlGaN/GaN周期層を、緩衝層2として利用する。AlGaN/GaN周期層上に、第1の窒化物半導体層3として、膜厚1000nmのGaN層、第2の窒化物半導体層4として、Al0.20Ga0.80N(Al組成0.20)からなる膜厚30nmのAlGaN層を形成する。さらに、第3の窒化物半導体層5として、Zn−ドープAl0.20Ga0.80N(Al組成0.20)からなる膜厚30nmのp+−AlGaN層を形成する。このp+−AlGaN層中に、添加されるZn濃度は、1019cm-3に選択する。 On the (111) plane Si substrate, for example, an AlN buffer layer having a film thickness of 4 nm is formed as a nucleation layer, and then an AlGaN / GaN periodic layer is formed to 1000 nm. The AlN buffer layer and the AlGaN / GaN periodic layer are formed as a buffer layer. Use as 2. On the AlGaN / GaN periodic layer, a film made of Al 0.20 Ga 0.80 N (Al composition 0.20) as the first nitride semiconductor layer 3 as a GaN layer with a thickness of 1000 nm and as the second nitride semiconductor layer 4 An AlGaN layer having a thickness of 30 nm is formed. Further, as the third nitride semiconductor layer 5, a p + -AlGaN layer having a thickness of 30 nm made of Zn-doped Al 0.20 Ga 0.80 N (Al composition 0.20) is formed. The Zn concentration added to this p + -AlGaN layer is selected to be 10 19 cm −3 .

ドレイン電極領域をレジストでカバーして、それ以外の領域の第3の窒化物半導体層5をエッチング除去する。このp+−AlGaN層の選択的エッチングには、三塩化ホウ素(BCl3)ガスを主成分としたICPプラズマを利用する。 The drain electrode region is covered with a resist, and the third nitride semiconductor layer 5 in other regions is removed by etching. For the selective etching of the p + -AlGaN layer, ICP plasma mainly composed of boron trichloride (BCl 3 ) gas is used.

露呈されたAlGaN層の表面に形成するソース電極6として、Ti、Al金属を蒸着、リフトオフ工程を用いて形成する。p+−AlGaN層の表面に形成するドレイン電極7として、Ni、Au金属を蒸着、リフトオフ工程を用いて形成する。窒素雰囲気中、650℃で熱処理することにより、オーミック性のコンタクトを形成している。 As the source electrode 6 formed on the surface of the exposed AlGaN layer, Ti and Al metal are formed by vapor deposition and a lift-off process. As the drain electrode 7 formed on the surface of the p + -AlGaN layer, Ni and Au metals are formed by vapor deposition and a lift-off process. An ohmic contact is formed by heat treatment at 650 ° C. in a nitrogen atmosphere.

素子分離を、窒素のイオン注入にて実施する。窒素のイオン注入条件は、厚さ1μmのレジスト膜をマスクとして、加速電圧:100kV,注入密度:2×1014 cm-2を選択している。素子分離の後、プラズマCVD法によりSiN膜200nmを形成する。このSiN膜に、開口部を形成する。SiN膜を、開口幅2.0μmで六フッ化イオウ(SF6)ガスを主成分としたICPプラズマを用いて除去する。本第2の実施形態では、このSiN膜の開口部に露呈しているAlGaN層の表面から、フッ素(F)を拡散させ、フッ素拡散領域を形成している。 Element isolation is performed by nitrogen ion implantation. As the nitrogen ion implantation conditions, acceleration voltage: 100 kV and implantation density: 2 × 10 14 cm −2 are selected using a resist film having a thickness of 1 μm as a mask. After element isolation, a 200 nm SiN film is formed by plasma CVD. Openings are formed in this SiN film. The SiN film is removed using ICP plasma whose opening width is 2.0 μm and whose main component is sulfur hexafluoride (SF 6 ) gas. In the second embodiment, fluorine (F) is diffused from the surface of the AlGaN layer exposed in the opening of the SiN film to form a fluorine diffusion region.

例えば、アイ・イ・イ・イ エレクトロン・デバイス・レターズ2005年第26巻435ページ(IEEE Electron Device Letters, Vol.26, p.435 (2005))に記載の条件に従って、四フッ化炭素(CF4)ガスを用いたプラズマ中に、開口部に露呈しているAlGaN層を2分30秒間曝露させる。この処理によって、開口部に露呈しているAlGaN層の表面から、拡散深さ60nmの範囲まで、フッ素原子の拡散が進行する。表面から導入されるフッ素原子の濃度は、表面濃度は、5×1019 cm-3に相当し、この領域全体に導入されるフッ素原子の面密度は、1×1015 cm-2に選択されている。従って、フッ素拡散領域では、導入されたフッ素原子により、第1の窒化物半導体層/第2の窒化物半導体層の界面に発生する正の分極電荷が打ち消される。 For example, carbon tetrafluoride (CF 4 ) The AlGaN layer exposed in the opening is exposed to plasma using gas for 2 minutes and 30 seconds. By this treatment, diffusion of fluorine atoms proceeds from the surface of the AlGaN layer exposed in the opening to a range of a diffusion depth of 60 nm. The concentration of fluorine atoms introduced from the surface corresponds to a surface concentration of 5 × 10 19 cm −3, and the surface density of fluorine atoms introduced into the entire region is selected to be 1 × 10 15 cm −2. ing. Therefore, in the fluorine diffusion region, the positive polarization charge generated at the interface between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer is canceled by the introduced fluorine atoms.

その後、ゲート絶縁膜として、例えば、プラズマCVD法によりSiN膜を20nm形成する。開口部に露呈しているAlGaN層の表面、ならびに、SiN膜の開口部側壁を被覆する、SiN膜の膜厚は、20nmとなっている。   Thereafter, as the gate insulating film, a SiN film is formed to a thickness of 20 nm, for example, by plasma CVD. The thickness of the SiN film covering the surface of the AlGaN layer exposed to the opening and the opening side wall of the SiN film is 20 nm.

ゲート電極8を、例えば、Ni20nm,Au200nmを蒸着、リフトオフして形成する。その際、開口部に、ゲート絶縁膜を介して、埋め込むように形成されているゲート電極8は、(2.0μm−2×20nm)に相当するゲート長を有する。   The gate electrode 8 is formed by evaporating and lifting off, for example, Ni 20 nm and Au 200 nm. At that time, the gate electrode 8 formed so as to be embedded in the opening via a gate insulating film has a gate length corresponding to (2.0 μm−2 × 20 nm).

なお、リフトオフにより形成される電極の幅は、開口部の幅より広く、ドレイン電極7側では、合計厚さ(200nm+20nm)のSiN膜で被覆されている、開口部以外のAlGaN層の表面を一部被覆している。SiN膜を介して、この開口部以外のAlGaN層の表面上を覆う部分は、フィールドプレート電極とし機能する。このフィールドプレート電極部分は、開口部からドレイン電極7側に、5μm張り出している。   Note that the width of the electrode formed by lift-off is wider than the width of the opening, and on the drain electrode 7 side, the surface of the AlGaN layer other than the opening, which is covered with the SiN film having the total thickness (200 nm + 20 nm), is integrated. The part is covered. A portion covering the surface of the AlGaN layer other than the opening via the SiN film functions as a field plate electrode. The field plate electrode portion extends 5 μm from the opening to the drain electrode 7 side.

また、開口部のドレイン電極7側の端から、第3の窒化物半導体層5のゲート電極側の端までの幅は、12μmに選択している。第3の窒化物半導体層5自体の幅は、100μmに選択している。   The width from the end of the opening on the drain electrode 7 side to the end of the third nitride semiconductor layer 5 on the gate electrode side is selected to be 12 μm. The width of the third nitride semiconductor layer 5 itself is selected to be 100 μm.

リセス部の底面において、ゲート電極8の直下のAlGaN層の厚さと、ゲート長の比率は、(2.0μm−2×20nm)/10nmである。   On the bottom surface of the recess portion, the ratio of the thickness of the AlGaN layer immediately below the gate electrode 8 to the gate length is (2.0 μm−2 × 20 nm) / 10 nm.

ゲート電極8直下においては、ゲート電極/絶縁膜/i型AlGaN領域/AlGaN層/GaN層の積層構造が形成されている。その結果、ゲート電極8に、ゲート電圧Vgs=0Vを印加した状態では、「OFF状態」となっている。ゲート部は、MIS構造で構成されている。 Immediately below the gate electrode 8, a laminated structure of gate electrode / insulating film / i-type AlGaN region / AlGaN layer / GaN layer is formed. As a result, when the gate voltage V gs = 0 V is applied to the gate electrode 8, the gate electrode 8 is “OFF state”. The gate portion has a MIS structure.

第2の実施形態の電界効果トランジスタにおいても、ドレイン電極7に、正のドレイン電圧Vds=20Vを印加する条件で、測定されるゲート電流−ゲート電圧(Ig−Vgs)特性は、第1の実施形態の電界効果トランジスタと実質的に同様なものとなる。また、ドレイン電極7に、正のドレイン電圧Vds=20Vを印加する条件で、測定されるドレイン電流−ゲート電圧(Id−Vgs)特性に関しても、第2の実施形態の電界効果トランジスタの性能は、第1の実施形態の電界効果トランジスタの性能と、実質的に同様なものとなる。 Also in the field effect transistor according to the second embodiment, the measured gate current-gate voltage (I g -V gs ) characteristic is as follows when a positive drain voltage V ds = 20 V is applied to the drain electrode 7. This is substantially the same as the field effect transistor of the first embodiment. Further, regarding the drain current-gate voltage (I d -V gs ) characteristics measured under the condition that a positive drain voltage V ds = 20 V is applied to the drain electrode 7, the field effect transistor of the second embodiment is also used. The performance is substantially the same as the performance of the field effect transistor of the first embodiment.

図4に示す第1の実施形態の電界効果トランジスタの構造と同様に、図9に示す第2の実施形態の電界効果トランジスタの構造も、電力制御用デバイスに要求される、高ドレイン電流密度、正のゲート電圧Vgs=10V印加時の低ゲート電流密度の二つの要件をともに満足すると判断される。 Similar to the structure of the field effect transistor of the first embodiment shown in FIG. 4, the structure of the field effect transistor of the second embodiment shown in FIG. 9 also has a high drain current density required for the power control device, It is judged that both of the two requirements of the low gate current density when the positive gate voltage V gs = 10 V is applied are satisfied.

第2の実施形態の電界効果トランジスタでは、基板として、高抵抗の(111)面Si基板を用いて、その上に、(0001)面成長したIII族窒化物のエピタキシャル膜を利用して、デバイスを作製している。その表面に、(0001)面成長したIII族窒化物のエピタキシャル膜を形成でき、高抵抗な基板であれば、高抵抗の(111)面Si基板に代えて、サファイア基板、SiC基板、ZnO基板等を利用することができる。   In the field effect transistor of the second embodiment, a high-resistance (111) Si substrate is used as a substrate, and a (0001) -plane grown Group III nitride epitaxial film is used on the device. Is making. If a (0001) -plane-grown III-nitride epitaxial film can be formed on the surface and the substrate is a high-resistance substrate, a sapphire substrate, SiC substrate, ZnO substrate can be used instead of the high-resistance (111) -plane Si substrate. Etc. can be used.

(第3の実施形態)
図10は、第3の実施形態の電界効果トランジスタのデバイス構造を模式的に示す断面図である。この第3の実施形態の電界効果トランジスタは、以下に説明する構造を有している。
(Third embodiment)
FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing the device structure of the field effect transistor of the third embodiment. The field effect transistor of the third embodiment has a structure described below.

基板1として、高抵抗SiC基板を用いている。例えば、(0001)面SiC基板上に、(0001)面成長した、緩衝層2、第1の窒化物半導体層3、第2の窒化物半導体層4、第3の窒化物半導体層5を順次エピタキシャル成長により形成する。   As the substrate 1, a high resistance SiC substrate is used. For example, the buffer layer 2, the first nitride semiconductor layer 3, the second nitride semiconductor layer 4, and the third nitride semiconductor layer 5 that are grown on the (0001) plane on the (0001) plane SiC substrate are sequentially formed. It is formed by epitaxial growth.

(0001)面SiC基板上に、例えば、核生成層として、膜厚4nmのAlNバッファ層、引き続き、AlGaN/GaN周期層を1000nmを形成し、このAlNバッファ層とAlGaN/GaN周期層を、緩衝層2として利用する。AlGaN/GaN周期層上に、第1の窒化物半導体層3として、膜厚1000nmのGaN層、第2の窒化物半導体層4として、Al0.20Ga0.80N(Al組成0.20)からなる膜厚30nmのAlGaN層を形成する。さらに、第3の窒化物半導体層5として、Zn−ドープAl0.20Ga0.80N(Al組成0.20)からなる膜厚30nmのp+−AlGaN層を形成する。このp+−AlGaN層中に、添加されるZn濃度は、1019cm-3に選択する。 On a (001) plane SiC substrate, for example, an AlN buffer layer having a film thickness of 4 nm is formed as a nucleation layer, and then an AlGaN / GaN periodic layer having a thickness of 1000 nm is formed. The AlN buffer layer and the AlGaN / GaN periodic layer are buffered. Used as layer 2. On the AlGaN / GaN periodic layer, a film made of Al 0.20 Ga 0.80 N (Al composition 0.20) as the first nitride semiconductor layer 3 as a GaN layer with a thickness of 1000 nm and as the second nitride semiconductor layer 4 An AlGaN layer having a thickness of 30 nm is formed. Further, as the third nitride semiconductor layer 5, a p + -AlGaN layer having a thickness of 30 nm made of Zn-doped Al 0.20 Ga 0.80 N (Al composition 0.20) is formed. The Zn concentration added to this p + -AlGaN layer is selected to be 10 19 cm −3 .

ドレイン電極領域をレジストでカバーして、それ以外の領域の第3の窒化物半導体層5をエッチング除去する。このp+−AlGaN層の選択的エッチングには、三塩化ホウ素(BCl3)ガスを主成分としたICPプラズマを利用する。 The drain electrode region is covered with a resist, and the third nitride semiconductor layer 5 in other regions is removed by etching. For the selective etching of the p + -AlGaN layer, ICP plasma mainly composed of boron trichloride (BCl 3 ) gas is used.

素子分離を、窒素のイオン注入にて実施する。窒素のイオン注入条件は、厚さ1μmのレジスト膜をマスクとして、加速電圧:100kV,注入密度:5×1014 cm-2を選択している。素子分離の後、プラズマCVD法によりSiN膜200nmを形成する。このSiN膜に、開口部を形成する。SiN膜を、開口幅2.0μmで六フッ化イオウ(SF6)ガスを主成分としたICPプラズマを用いて除去する。 Element isolation is performed by nitrogen ion implantation. As the nitrogen ion implantation conditions, acceleration voltage: 100 kV and implantation density: 5 × 10 14 cm −2 are selected using a resist film having a thickness of 1 μm as a mask. After element isolation, a 200 nm SiN film is formed by plasma CVD. Openings are formed in this SiN film. The SiN film is removed using ICP plasma whose opening width is 2.0 μm and whose main component is sulfur hexafluoride (SF 6 ) gas.

本第3の実施形態では、このSiN膜の開口部に露呈しているAlGaN層の表面に、選択成長により、アンドープGaNを10nm成長している。従って、この開口部においては、アンドープGaN層/AlGaN層/GaN層の積層構造が形成される。   In the third embodiment, undoped GaN is grown to 10 nm by selective growth on the surface of the AlGaN layer exposed in the opening of the SiN film. Therefore, a laminated structure of undoped GaN layer / AlGaN layer / GaN layer is formed in this opening.

さらに、選択成長用マスクとして利用したSiN膜を、BHF処理により除去する。露呈されたAlGaN層の表面に形成するソース電極6として、Ti、Al金属を蒸着、リフトオフ工程を用いて形成する。p+−AlGaN層の表面に形成するドレイン電極7として、Ni、Au金属を蒸着、リフトオフ工程を用いて形成する。窒素雰囲気中、650℃で熱処理することにより、オーミック性のコンタクトを形成している。 Further, the SiN film used as the selective growth mask is removed by BHF treatment. As the source electrode 6 formed on the surface of the exposed AlGaN layer, Ti and Al metal are formed by vapor deposition and a lift-off process. As the drain electrode 7 formed on the surface of the p + -AlGaN layer, Ni and Au metals are formed by vapor deposition and a lift-off process. An ohmic contact is formed by heat treatment at 650 ° C. in a nitrogen atmosphere.

その後、ゲート絶縁膜として、例えば、プラズマCVD法によりSiN膜を20nm形成する。   Thereafter, as the gate insulating film, a SiN film is formed to a thickness of 20 nm, for example, by plasma CVD.

ゲート電極8を、例えば、Ni20nm,Au200nmを蒸着、リフトオフして形成する。   The gate electrode 8 is formed by evaporating and lifting off, for example, Ni 20 nm and Au 200 nm.

なお、リフトオフにより形成されるゲート電極8の幅は、選択成長されたアンドープGaN層の幅より広く、アンドープGaN層に近接するAlGaN層の表面を一部被覆している。SiN膜を介して、このアンドープGaN層以外のAlGaN層の表面上を覆う部分は、フィールドプレート電極とし機能する。このフィールドプレート電極部分は、開口部からドレイン電極7側に、5μm張り出している。   Note that the width of the gate electrode 8 formed by lift-off is wider than that of the selectively grown undoped GaN layer, and partially covers the surface of the AlGaN layer adjacent to the undoped GaN layer. A portion covering the surface of the AlGaN layer other than the undoped GaN layer via the SiN film functions as a field plate electrode. The field plate electrode portion extends 5 μm from the opening to the drain electrode 7 side.

また、開口部のドレイン電極7側の端から、第3の窒化物半導体層5のゲート電極側の端までの幅は、12μmに選択している。第3の窒化物半導体層5自体の幅は、100μmに選択している。   The width from the end of the opening on the drain electrode 7 side to the end of the third nitride semiconductor layer 5 on the gate electrode side is selected to be 12 μm. The width of the third nitride semiconductor layer 5 itself is selected to be 100 μm.

ゲート電極8直下においては、ゲート電極/絶縁膜/GaN層/AlGaN層/GaN層の積層構造が形成されている。その際、GaN層/AlGaN層の界面、ならびに、AlGaN層/GaN層の界面には、分極効果に起因して、それぞれ、σp(GaN/AlGaN)とσp(AGaN/GaN)の界面電荷が生成する。AlGaN層の膜厚を30nmに選択する際、格子不整合に起因して、AlGaN層のみに引っ張り歪が存在する状態となる。その結果、界面電荷の和、{σp(GaN/AlGaN)+σp(AGaN/GaN)}は、実質的に、{σp(GaN/AlGaN)+σp(AGaN/GaN)}≒0となっている。その結果、第3の実施形態の電界効果トランジスタにおいても、ゲート電極8に、ゲート電圧Vgs=0Vを印加した状態では、「OFF状態」となっている。ゲート部は、MIS構造で構成されている。 A laminated structure of gate electrode / insulating film / GaN layer / AlGaN layer / GaN layer is formed immediately below the gate electrode 8. At that time, the interface charges of σ p (GaN / AlGaN) and σ p (AGaN / GaN) are caused at the GaN layer / AlGaN layer interface and the AlGaN layer / GaN layer interface, respectively, due to the polarization effect. Produces. When the thickness of the AlGaN layer is selected to be 30 nm, tensile strain exists only in the AlGaN layer due to lattice mismatch. As a result, the sum of the interface charges, {σ p (GaN / AlGaN) + σ p (AGaN / GaN)}, is substantially {σ p (GaN / AlGaN) + σ p (AGaN / GaN)} ≈0. ing. As a result, the field effect transistor of the third embodiment is also in the “OFF state” when the gate voltage V gs = 0 V is applied to the gate electrode 8. The gate portion has a MIS structure.

第3の実施形態の電界効果トランジスタにおいても、ドレイン電極7に、正のドレイン電圧Vds=20Vを印加する条件で、測定されるゲート電流−ゲート電圧(Ig−Vgs)特性は、第1の実施形態の電界効果トランジスタと実質的に同様なものとなる。また、ドレイン電極7に、正のドレイン電圧Vds=20Vを印加する条件で、測定されるドレイン電流−ゲート電圧(Id−Vgs)特性に関しても、第3の実施形態の電界効果トランジスタの性能は、第1の実施形態の電界効果トランジスタの性能と、実質的に同様なものとなる。 Also in the field effect transistor of the third embodiment, the measured gate current-gate voltage (I g -V gs ) characteristic is as follows when a positive drain voltage V ds = 20 V is applied to the drain electrode 7. This is substantially the same as the field effect transistor of the first embodiment. Further, regarding the measured drain current-gate voltage (I d -V gs ) characteristics under the condition that a positive drain voltage V ds = 20 V is applied to the drain electrode 7, the field effect transistor of the third embodiment is also used. The performance is substantially the same as the performance of the field effect transistor of the first embodiment.

図4に示す第1の実施形態の電界効果トランジスタの構造と同様に、図10に示す第3の実施形態の電界効果トランジスタの構造も、電力制御用デバイスに要求される、高ドレイン電流密度、正のゲート電圧Vgs=10V印加時の低ゲート電流密度の二つの要件をともに満足すると判断される。 Similar to the structure of the field effect transistor of the first embodiment shown in FIG. 4, the structure of the field effect transistor of the third embodiment shown in FIG. 10 also has a high drain current density required for the power control device, It is judged that both the two requirements of the low gate current density when the positive gate voltage V gs = 10 V is applied are satisfied.

第3の実施形態の電界効果トランジスタでは、基板として、高抵抗の(0001)面SiC基板を用いて、その上に、(0001)面成長したIII族窒化物のエピタキシャル膜を利用して、デバイスを作製している。その表面に、(0001)面成長したIII族窒化物のエピタキシャル膜を形成でき、高抵抗な基板であれば、高抵抗の(0001)面SiC基板に代えて、サファイア基板、Si基板、ZnO基板等を利用することができる。   In the field effect transistor of the third embodiment, a high-resistance (0001) plane SiC substrate is used as a substrate, and a (0001) plane grown III-nitride epitaxial film is used on the device. Is making. If a (0001) -plane-grown III-nitride epitaxial film can be formed on the surface, and a high-resistance substrate, a sapphire substrate, Si substrate, or ZnO substrate can be used instead of the high-resistance (001) plane SiC substrate. Etc. can be used.

(第2の形態)
以下に、本発明の第2の形態の電界効果トランジスタの構造と、その動作原理を説明する。
(Second form)
The structure of the field effect transistor according to the second embodiment of the present invention and its operating principle will be described below.

図11の(a)は、本発明の第2の形態の電界効果トランジスタの構造の一例を模式的に示す、平面図であり、図11の(b)は、そのドレイン電極部分を、破線で示す部位にて、切断して、その切断面側から観察する際、観測される構造を模式的に示す断面図である。   FIG. 11A is a plan view schematically showing an example of the structure of the field effect transistor according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 11B shows the drain electrode portion with a broken line. It is sectional drawing which shows typically the structure observed when cut | disconnecting in the site | part shown and observing from the cut surface side.

基板1上に、膜厚t2の緩衝層2、チャネル層として、膜厚t3の第1の窒化物半導体層3、電子供給層として、膜厚t4の第2の窒化物半導体層4、ならびに、P型の伝導性を有する、膜厚t5の第3の窒化物半導体層5が、順次成長されている。ドレイン領域以外では、第3の窒化物半導体層5は、エッチング除去され、第2の窒化物半導体層4の表面が露出されている。ドレイン領域では、第3の窒化物半導体層5は、ストライプ状にエッチング加工されており、ストライプ状の第3の窒化物半導体層5の間に、第2の窒化物半導体層4の表面が露出されている部分が存在している。 On the substrate 1, buffer layer 2 having a thickness t 2, as the channel layer, the first nitride semiconductor layer 3 having a thickness of t 3, as an electron supply layer, a second nitride film thickness t 4 the semiconductor layer 4 In addition, the third nitride semiconductor layer 5 having the thickness t 5 and having P-type conductivity is grown sequentially. Except for the drain region, the third nitride semiconductor layer 5 is removed by etching, and the surface of the second nitride semiconductor layer 4 is exposed. In the drain region, the third nitride semiconductor layer 5 is etched into a stripe shape, and the surface of the second nitride semiconductor layer 4 is exposed between the stripe-shaped third nitride semiconductor layers 5. There is a part that is.

電子供給層の第2の窒化物半導体層4の表面に、ソース電極6が形成されている。一方、ドレイン領域では、ストライプ状の第3の窒化物半導体層5の表面、ならびに、その間に露呈している第2の窒化物半導体層4の表面に、ドレイン電極7が形成されている。ソース電極6は、第2の窒化物半導体層4とオーミック接合を形成している。一方、ドレイン電極7は、ストライプ状の第3の窒化物半導体層5とオーミック接合を形成している。また、その間に露呈している第2の窒化物半導体層4に対しては、ドレイン電極7は、ショットキー接合を形成している。ソース電極6とドレイン電極7とで挟まれる領域に、ゲート電極8が設けられている。   A source electrode 6 is formed on the surface of the second nitride semiconductor layer 4 of the electron supply layer. On the other hand, in the drain region, the drain electrode 7 is formed on the surface of the striped third nitride semiconductor layer 5 and on the surface of the second nitride semiconductor layer 4 exposed therebetween. The source electrode 6 forms an ohmic junction with the second nitride semiconductor layer 4. On the other hand, the drain electrode 7 forms an ohmic junction with the striped third nitride semiconductor layer 5. Further, the drain electrode 7 forms a Schottky junction with respect to the second nitride semiconductor layer 4 exposed in the meantime. A gate electrode 8 is provided in a region sandwiched between the source electrode 6 and the drain electrode 7.

電子供給層の第2の窒化物半導体層4の表面に、ゲート電極8を形成するリセス部が形成されている。このリセス部が形成された、第2の窒化物半導体層4の表面は、絶縁膜9で被覆されており、リセス部に絶縁膜9を介して、ゲート電極8が埋め込まれる形状で形成されている。このゲート電極8は、ゲート長Lgate-8とされ、その直下には、ゲート電極8/絶縁膜9/第2の窒化物半導体層4により、MIS構造が構成されている
絶縁膜9の膜厚は、第2の窒化物半導体層4の表面とリセス部の底部分では、膜厚t9であり、リセス部の側壁を被覆している部分では、膜厚t9-wellである。
A recess for forming the gate electrode 8 is formed on the surface of the second nitride semiconductor layer 4 of the electron supply layer. The surface of the second nitride semiconductor layer 4 on which the recess is formed is covered with an insulating film 9, and the recess is formed in a shape in which the gate electrode 8 is embedded via the insulating film 9. Yes. The gate electrode 8 has a gate length L gate-8, and a MIS structure is formed immediately below the gate electrode 8 / insulating film 9 / second nitride semiconductor layer 4. The thickness is the film thickness t 9 at the surface of the second nitride semiconductor layer 4 and the bottom portion of the recess portion, and the film thickness t 9-well at the portion covering the sidewall of the recess portion.

リセス部の深さdrecessは、絶縁膜9の膜厚t9よりも、大きく選択することができる。また、絶縁膜9の膜厚t9を、リセス部の深さdrecessよりも厚く選択することもできる。 The depth d Recess of the recessed portion can be than the thickness t 9 of the insulating film 9 is selected to be greater. Further, the thickness t 9 of the insulating film 9 may be chosen thicker than the depth d Recess of the recessed portion.

また、リセス部の幅Wrecessは、リセス部の側壁面の絶縁膜の膜厚t9-wellと、ゲート電極8のゲート長Lgate-8に対して、Wrecess=Lgate-8+2×t9-wellの条件を満たすように設定される。 The width W Recess of the recessed portion, and the thickness t 9-well of the insulating film side wall surface of the recessed portion, the gate length L Gate-8 of the gate electrode 8, W recess = L gate- 8 + 2 × It is set so as to satisfy the condition of t9-well .

リセス部の直下のチャネル領域では、第2の窒化物半導体層4の膜厚は、リセス部の形成に伴いエッチングされ、薄くなっている。リセス部直下の第2の窒化物半導体層4の膜厚t4-recessは、リセス部の深さdrecessを応じて、t4-recess=t4−drecessになっている。 In the channel region immediately below the recess portion, the thickness of the second nitride semiconductor layer 4 is etched and thinned along with the formation of the recess portion. Thickness t 4-Recess of the second nitride semiconductor layer 4 immediately below the recess portion in accordance with the depth d Recess of the recessed portion, and it is t 4-recess = t 4 -d recess.

ゲート電極8の直下のチャネル領域では、ゲート電極8/絶縁膜9/膜厚t4-recessの第2の窒化物半導体層4/第1の窒化物半導体層3の積層構造となっている。ゲート電極8に印加されるゲート電圧Vgsを、Vgs=0Vとした際、このチャネル領域には、キャリア(電子)が存在しない状態とされている。すなわち、閾値電圧VTは、VT>0Vとなっている。 The channel region immediately below the gate electrode 8 has a stacked structure of the gate electrode 8 / insulating film 9 / second nitride semiconductor layer 4 / first nitride semiconductor layer 3 having a film thickness t 4 -recess . When the gate voltage V gs applied to the gate electrode 8 is set to V gs = 0V, no carriers (electrons) exist in this channel region. That is, the threshold voltage V T is V T > 0V.

ゲート電極8/絶縁膜9の界面では、ゲート電極8のうち、絶縁膜9の表面に接する金属材料Mgateの仕事関数eψ(Mgate)eVと、絶縁膜9の表面の絶縁材料Ifrontの電子親和力eχ(Ifront)eVとの差、(eψ(Mgate))eVに相当する、障壁ΦM/Iが生成する。絶縁膜9/第2の窒化物半導体層4の界面では、絶縁膜9の裏面の絶縁材料Irearの電子親和力eχ(Irear)eVと、第2の窒化物半導体層4の電子親和力eχ(S2)との差、(eχ(S2)−eχ(Irear))eVに相当する、障壁ΦI/S)が生成する。 At the interface between the gate electrode 8 and the insulating film 9, the work function eψ (M gate ) eV of the metal material M gate in contact with the surface of the insulating film 9 in the gate electrode 8 and the insulating material I front on the surface of the insulating film 9. A barrier Φ M / I corresponding to the difference from the electron affinity eχ (I front ) eV, (eψ (M gate )) eV, is generated. At the interface between the insulating film 9 and the second nitride semiconductor layer 4, the electron affinity eχ (I rear ) eV of the insulating material I rear on the back surface of the insulating film 9 and the electron affinity eχ ( A barrier Φ I / S ) corresponding to (eχ (S2) −eχ (I rear )) eV is generated.

また、第2の窒化物半導体層4/第1の窒化物半導体層3の界面では、第2の窒化物半導体と第1の窒化物半導体との伝導帯エネルギー差によるバンド不連続ΔEc(S2/S1)が存在している。また、価電子帯エネルギー差によるバンド不連続ΔEv(S2/S1)が存在している。   Further, at the interface between the second nitride semiconductor layer 4 and the first nitride semiconductor layer 3, the band discontinuity ΔEc (S2 / S2) due to the conduction band energy difference between the second nitride semiconductor and the first nitride semiconductor. S1) exists. There is also a band discontinuity ΔEv (S2 / S1) due to the valence band energy difference.

「ON状態」となった際には、第2の窒化物半導体層4/第1の窒化物半導体層3の界面では、バンド不連続ΔEc(S2/S1)に相当するエネルギー障壁を利用して、キャリア(電子)が蓄積される。その際、バンド不連続ΔEc(S2/S1)>2kTとなるように、第2の窒化物半導体層4/第1の窒化物半導体層の材料を選択することが好ましい。   In the “ON state”, an energy barrier corresponding to the band discontinuity ΔEc (S2 / S1) is used at the interface between the second nitride semiconductor layer 4 and the first nitride semiconductor layer 3. , Carriers (electrons) are accumulated. At that time, the material of the second nitride semiconductor layer 4 / the first nitride semiconductor layer is preferably selected so that the band discontinuity ΔEc (S2 / S1)> 2 kT.

gs=0Vとした際、このチャネル領域には、キャリア(電子)が存在しない状態であるので、ゲート電極8直下の膜厚t4-recessの第2の窒化物半導体層4、ならびに、第1の窒化物半導体層3の表面側は、空乏化している。また、第2の窒化物半導体層4/第1の窒化物半導体層3のヘテロ接合界面は、キャリア(電子)は蓄積されていない。その場合、第1の窒化物半導体層3の表面側の空乏化している領域の膜厚t3g-scは、t3≧t3g-scとなる。 When V gs = 0V, there is no carrier (electron) in this channel region, so the second nitride semiconductor layer 4 having a film thickness t 4-recess immediately below the gate electrode 8 and the first The surface side of one nitride semiconductor layer 3 is depleted. Further, carriers (electrons) are not accumulated at the heterojunction interface between the second nitride semiconductor layer 4 and the first nitride semiconductor layer 3. In that case, the film thickness t 3g-sc of the depleted region on the surface side of the first nitride semiconductor layer 3 is t 3 ≧ t 3g-sc .

第2の窒化物半導体層4は、アンドープあるいは、n型不純物(ドナー)を添加しており、含まれるn型不純物(ドナー)濃度を、ND(S2)cm-3とすると、空乏化した際、イオン化したn型不純物(ドナー)に起因する空間電荷の面密度は、ND(S2)・t4-recesscm-2となる。第1の窒化物半導体層3は、アンドープであり、含まれる残留n型不純物(ドナー)濃度を、ND(S1)cm-3とすると、膜厚t3g-scが空乏化した際、イオン化したn型不純物(ドナー)に起因する空間電荷の面密度は、ND(S1)・t3g-sccm-2となる。 The second nitride semiconductor layer 4 is undoped or doped with an n-type impurity (donor), and is depleted when the concentration of the included n-type impurity (donor) is N D (S2) cm −3 . At this time, the surface density of the space charge due to the ionized n-type impurity (donor) is N D (S2) · t 4−recess cm −2 . The first nitride semiconductor layer 3 is undoped, and when the residual n-type impurity (donor) concentration contained is N D (S1) cm −3 , ionization occurs when the film thickness t 3g-sc is depleted. The surface density of the space charge resulting from the n-type impurity (donor) is N D (S1) · t 3g-sc cm −2 .

gs=0Vとした際、第2の窒化物半導体層4、第1の窒化物半導体層3中の空乏化部分は、空間電荷に起因するバンド・ベンド(曲がり)を示す。その結果、膜厚t4-recessの第2の窒化物半導体層4中に、伝導帯端のエネルギー・レベル差、ΔEc(S2:ND(S2)・t4-recess)と、第2の窒化物半導体層4と第1の窒化物半導体層3の間に生じる分極電界に由来するエネルギー・レベル差、ΔEcp(S1:Polarization)が生じている。第1の窒化物半導体層3の膜厚t3g-scの空乏化領域中に、伝導帯端のエネルギー・レベル差、ΔEc(S1:ND(S1)・t3g-sc)が生じている。 When V gs = 0V, depleted portions in the second nitride semiconductor layer 4 and the first nitride semiconductor layer 3 exhibit band bends (bends) due to space charge. As a result, in the second nitride semiconductor layer 4 having the film thickness t 4-recess , the energy level difference at the conduction band edge, ΔEc (S2: N D (S2) · t 4-recess ), and the second There is an energy level difference ΔEcp (S1: Polarization) derived from the polarization electric field generated between the nitride semiconductor layer 4 and the first nitride semiconductor layer 3. In the depletion region of the film thickness t 3g-sc of the first nitride semiconductor layer 3, an energy level difference ΔEc (S1: N D (S1) · t 3g-sc ) is generated. .

gs=0Vとした際、ゲート電極8の直下のチャネル領域における、バンド図を考慮すると、ΦM/I≧ΦI/S+ΔEc(S2:ND(S2)・t4-recess)+ΔEcp(S1:Polarization)+ΔEc(S2/S1)+ΔEc(S1:ND(S1)・t3g-sc)の関係を満すことが、ノーマリ・オフ型トランジスタを構成する際、必要である。例えば、前記条件を達成するように、第2の窒化物半導体層4と第1の窒化物半導体層を構成する窒化物半導体材料の組み合わせ、(ND(S2)、t4-recess)の組み合わせ、(ND(S1)、t3g-sc)の組み合わせを適宜選択する。 Considering the band diagram in the channel region immediately below the gate electrode 8 when V gs = 0 V, Φ M / I ≧ Φ I / S + ΔEc (S2: N D (S2) · t 4-recess ) + ΔEcp ( It is necessary to satisfy the relationship of (S1: Polarization) + ΔEc (S2 / S1) + ΔEc (S1: N D (S1) · t 3g-sc ) when configuring a normally-off transistor. For example, a combination of the second nitride semiconductor layer 4 and the nitride semiconductor material constituting the first nitride semiconductor layer, a combination of (N D (S2), t 4-recess ) so as to achieve the above condition , (N D (S1), t 3g-sc ) is appropriately selected.

「ON状態」とするためには、第1の窒化物半導体層3中に存在する空乏化領域を消失させることが可能な、正のゲート電圧Vgsをゲート電極8に印加する必要がある。従って、「OFF状態」から「ON状態」へと移行させる、閾値電圧VTは、少なくとも、VT>ΔEc(S1:ND(S1)・t3g-sc)/q>0V(但し、qは、電子の電荷量(単位電荷)を表す)となる。 In order to enter the “ON state”, it is necessary to apply to the gate electrode 8 a positive gate voltage V gs that can eliminate the depletion region present in the first nitride semiconductor layer 3. Therefore, the threshold voltage V T to be shifted from the “OFF state” to the “ON state” is at least V T > ΔEc (S1: N D (S1) · t 3g-sc ) / q> 0 V (where q Represents the charge amount (unit charge) of electrons.

ドレイン電極7の直下において、ストライプ状の第3の窒化物半導体層5が存在する領域では、ドレイン電極7/P型の伝導性を有する第3の窒化物半導体層5/第2の窒化物半導体層4/第1の窒化物半導体層3の積層構造が形成されている。一方、第2の半導体層4の表面が露呈している領域では、ドレイン電極7/第2の窒化物半導体層4/第1の窒化物半導体層3の積層構造が形成されている。   Immediately below the drain electrode 7, in the region where the striped third nitride semiconductor layer 5 is present, the drain electrode 7 / third nitride semiconductor layer 5 having P-type conductivity / second nitride semiconductor. A layered structure of layer 4 / first nitride semiconductor layer 3 is formed. On the other hand, in the region where the surface of the second semiconductor layer 4 is exposed, a stacked structure of the drain electrode 7 / the second nitride semiconductor layer 4 / the first nitride semiconductor layer 3 is formed.

図12の(a)は、ドレイン電極7の直下において、ストライプ状の第3の窒化物半導体層5が存在する領域のバンド・ダイアグラムを模式的に示す。図12の(b)は、ドレイン電極7の直下において、第2の半導体層4の表面が露呈している領域のバンド・ダイアグラムを模式的に示す。   FIG. 12A schematically shows a band diagram of a region where the striped third nitride semiconductor layer 5 is present immediately below the drain electrode 7. FIG. 12B schematically shows a band diagram of a region where the surface of the second semiconductor layer 4 is exposed immediately below the drain electrode 7.

P型の伝導性を有する第3の窒化物半導体層5は、p型不純物(アクセプタ)が高濃度で添加されており、p+層として機能する。ドレイン電極7/P型の伝導性を有する第3の窒化物半導体層5の間では、オーミック性接触が達成されている。この界面では、ドレイン電極7のうち、第3の窒化物半導体層5に接する金属材料Mohmicの仕事関数eψ(Mohmic)eVと、第3の窒化物半導体層5の電子親和力eχ(S3)eVとの差、(eψ(Mohmic)−eχ(S3))eVに相当する、障壁ΦM/S3が生成する。この障壁ΦM/S3に起因して、p+層の界面に形成される空乏化領域の厚さは、極めて薄い。そのため、空乏化領域をトンネリングして、p+層中からドレイン電極7へと電子は、速やかに放出され、見かけ上、ドレイン電極7からP型の伝導性を有する第3の窒化物半導体層5へと正孔が注入される。 The third nitride semiconductor layer 5 having P-type conductivity is doped with a p-type impurity (acceptor) at a high concentration and functions as a p + layer. Ohmic contact is achieved between the drain electrode 7 / P-type third nitride semiconductor layer 5 having conductivity. At this interface, of the drain electrode 7, the work function eψ (M ohmic ) eV of the metal material M ohmic that is in contact with the third nitride semiconductor layer 5 and the electron affinity eχ (S 3) of the third nitride semiconductor layer 5. A barrier Φ M / S3 corresponding to the difference from eV, (eψ (M ohmic ) −eχ (S3)) eV, is generated. Due to this barrier Φ M / S3 , the thickness of the depletion region formed at the interface of the p + layer is extremely thin. Therefore, the depletion region is tunneled, and electrons are quickly emitted from the p + layer to the drain electrode 7, and apparently the third nitride semiconductor layer 5 having P-type conductivity from the drain electrode 7. Holes are injected into.

P型の伝導性を有する第3の窒化物半導体層5/第2の窒化物半導体層4/第1の窒化物半導体層3の積層構造部分は、P+In-接合またはP+-接合を構成する。その際、P+In-接合またはP+-接合では、P+層における、伝導帯端エネルギーEc(P+)とフェルミ・レベル・エンルギーEfの差違(Ec(P+)−Ef)と、n-層における、伝導帯端エネルギーEc(n-)とフェルミ・レベル・エンルギーEfの差違(Ec(n-)−Ef)との間に差違ある。従って、P+In-接合またはP+-接合には、{(Ec(P+)−Ef)−(Ec(n-)−Ef)}に相当するビルト・イン・ポテンシャルeVbuilt-inが生成されている。そのため、第2の窒化物半導体層4中に含まれるn型不純物(ドナー)はイオン化している。すなわち、この第2の窒化物半導体層4は、空乏化している。その際、第2の窒化物半導体層4/第1の窒化物半導体層3の界面には、バンド不連続ΔEc(S2/S1)が存在しているため、キャリア(電子)が発生した際には、この界面に電子が蓄積される。 The stacked structure portion of the third nitride semiconductor layer 5 / second nitride semiconductor layer 4 / first nitride semiconductor layer 3 having P-type conductivity is a P + In junction or a P + n junction. Configure. At that time, in the P + In junction or the P + n junction, the difference between the conduction band edge energy Ec (P + ) and the Fermi level energy L f in the P + layer (Ec (P + ) −E f ). And the difference between the conduction band edge energy Ec (n ) and the Fermi level energy L f in the n layer (Ec (n ) −E f ). Accordingly, P + an In - the bonding, - bonding or P + n {(Ec (P +) -E f) - (Ec (n -) -E f)} corresponds to the built-in potential eV Built- in is generated. Therefore, the n-type impurity (donor) contained in the second nitride semiconductor layer 4 is ionized. That is, the second nitride semiconductor layer 4 is depleted. At this time, since the band discontinuity ΔEc (S2 / S1) exists at the interface between the second nitride semiconductor layer 4 and the first nitride semiconductor layer 3, when carriers (electrons) are generated. Will accumulate electrons at this interface.

ドレイン電極7に印加されるドレイン電圧Vdsが、正の電圧である場合、P+In-接合(P+-接合)は、順方向にバイアスされた状態となり、第2の窒化物半導体層4に対して、正孔の拡散と、電子の拡散が起こる。すなわち、P+層である、P型の伝導性を有する第3の窒化物半導体層5から、In-領域である第2の窒化物半導体層4/第1の窒化物半導体層3に向かって、正孔が拡散する。同時に、第1の窒化物半導体層3中から、第2の窒化物半導体層4/第1の窒化物半導体層3の界面に、さらには、その界面のバンド不連続ΔEc(S2/S1)を超えて、第2の窒化物半導体層4へと電子が拡散する。 When the drain voltage V ds applied to the drain electrode 7 is a positive voltage, the P + In junction (P + n junction) is in a forward-biased state, and the second nitride semiconductor layer 4, hole diffusion and electron diffusion occur. That is, from the third nitride semiconductor layer 5 having P-type conductivity, which is a P + layer, toward the second nitride semiconductor layer 4 / first nitride semiconductor layer 3 which is an In region. , Holes diffuse. At the same time, the band discontinuity ΔEc (S2 / S1) at the interface of the second nitride semiconductor layer 4 / first nitride semiconductor layer 3 is further generated from the first nitride semiconductor layer 3 to the interface of the second nitride semiconductor layer 4 / first nitride semiconductor layer 3. Beyond that, electrons diffuse into the second nitride semiconductor layer 4.

このP+In-接合(P+-接合)に順方向バイアスが印加され、第3の窒化物半導体層5の伝導帯端Ec(S3)と、第1の窒化物半導体層3の伝導帯端Ec(S1)との間のエネルギー差がkTに達すると、このP+In-接合(P+-接合)には大きな順方向電流が流れる。すなわち、P+In-接合(P+-接合)に印加される順方向バイアス、VPIN-forwardが、第3の窒化物半導体層5のバンド・ギャップ・エネルギーEg(S3)に対して、Eg(S3)−q・VPIN-forward≦kTの条件を満たすと、大きな順方向電流が流れる。換言すると、P+In-接合(P+-接合)に大きな順方向電流を流すためには、P+In-接合(P+-接合)に印加される順方向バイアス、VPIN-forwardを、q・VPIN-forward≧(Eg(S3)−kT)とすることが必要である。ドレイン電圧Vdsに対して、P+In-接合(P+-接合)に印加される順方向バイアス、VPIN-forwardは、Vds>VPIN-forwardとなっている。従って、P+In-接合(P+-接合)に大きな順方向電流を流すためには、ドレイン電圧Vdsを、q・Vds>(Eg(S3)−kT)とすることが必要である。 A forward bias is applied to the P + In junction (P + n junction), and the conduction band edge Ec (S3) of the third nitride semiconductor layer 5 and the conduction band of the first nitride semiconductor layer 3 are applied. When the energy difference from the end Ec (S1) reaches kT, a large forward current flows through the P + In junction (P + n junction). That is, the forward bias applied to the P + In junction (P + n junction), V PIN-forward , with respect to the band gap energy Eg (S 3) of the third nitride semiconductor layer 5, When the condition of Eg (S3) −q · V PIN-forward ≦ kT is satisfied, a large forward current flows. In other words, P + an In - bonded - to supply a large forward current (P + n junction) is, P + an In - bonding - forward bias applied to the (P + n junction), V PIN-forward Q · V PIN-forward ≧ (Eg (S3) −kT). The forward bias V PIN-forward applied to the P + In junction (P + n junction) with respect to the drain voltage V ds satisfies V ds > V PIN-forward . Therefore, in order to allow a large forward current to flow through the P + In junction (P + n junction), the drain voltage V ds needs to be q · V ds > (Eg (S3) −kT). is there.

一方、第2の窒化物半導体層4は、アンドープあるいは、n型不純物(ドナー)を添加しており、i層またはn-層として機能する。そのため、ドレイン電極7/第2の窒化物半導体層4の間では、オーミック性接触は達成されず、ショットキー接合となっている。この界面では、ドレイン電極7のうち、第3の窒化物半導体層5に接する金属材料Mohmicの仕事関数eψ(Mohmic)eVと、第2の窒化物半導体層4の電子親和力eχ(S2)eVとの差、(eψ(Mohmic)−eχ(S2))eVに相当する、障壁ΦM/S2が生成する。 On the other hand, the second nitride semiconductor layer 4 is undoped or doped with an n-type impurity (donor) and functions as an i layer or an n layer. Therefore, ohmic contact is not achieved between the drain electrode 7 / the second nitride semiconductor layer 4, and a Schottky junction is formed. At this interface, of the drain electrode 7, the work function eψ (M ohmic ) eV of the metal material M ohmic in contact with the third nitride semiconductor layer 5 and the electron affinity eχ (S 2) of the second nitride semiconductor layer 4. A barrier Φ M / S2 corresponding to the difference from eV, (eψ (M ohmic ) −eχ (S2)) eV, is generated.

ドレイン電極7に印加されるドレイン電圧Vdsが、正の電圧である場合、このドレイン電極7/第2の窒化物半導体層4/第1の窒化物半導体層3の積層構造からなるショットキー接合は、順方向にバイアスされた状態となる。このショットキー接合に印加される順方向バイアスVMES(Mohmic/S3)が、障壁ΦM/S2に対して、{ΦM/S2−q・VMES(Mohmic/S3)}≦kTの条件を満たすと、大きな順方向電流が流れる。ドレイン電圧Vdsに対して、このショットキー接合に印加される順方向バイアスVMES(Mohmic/S3)は、Vds>VMES(Mohmic/S3)となっている。従って、ドレイン電圧Vdsを、q・Vds>q・VMES(Mohmic/S3)≧(ΦM/S2−kT)とすると、このショットキー接合に、大きな順方向電流を流すことが可能である。 When the drain voltage V ds applied to the drain electrode 7 is a positive voltage, a Schottky junction having a stacked structure of the drain electrode 7 / second nitride semiconductor layer 4 / first nitride semiconductor layer 3 is used. Is forward biased. The forward bias V MES (M ohmic / S3) applied to this Schottky junction is {Φ M / S2 −q · V MES (M ohmic / S3)} ≦ kT with respect to the barrier Φ M / S2 . When the condition is satisfied, a large forward current flows. The forward bias V MES (M ohmic / S3) applied to the Schottky junction with respect to the drain voltage V ds is V ds > V MES (M ohmic / S3). Therefore, if the drain voltage V ds is q · V ds > q · V MES (M ohmic / S3) ≧ (Φ M / S 2 −kT), a large forward current can flow through this Schottky junction. It is.

勿論、第2の窒化物半導体層4のバンド・ギャップ・エネルギーEg(S2)に対して、障壁ΦM/S4は、Eg(S2)>ΦM/S2となっている。従って、例えば、第2の窒化物半導体層4のバンド・ギャップ・エネルギーEg(S2)と第3の窒化物半導体層5のバンド・ギャップ・エネルギーEg(S3)が等しい場合、Eg(S3)=Eg(S2)>ΦM/S2となる。 Of course, with respect to the band gap energy Eg (S2) of the second nitride semiconductor layer 4, the barrier Φ M / S4 satisfies Eg (S2)> Φ M / S2 . Therefore, for example, when the band gap energy Eg (S2) of the second nitride semiconductor layer 4 and the band gap energy Eg (S3) of the third nitride semiconductor layer 5 are equal, Eg (S3) = Eg (S2)> Φ M / S2 .

従って、本発明の第2の形態の電界効果トランジスタにおいては、ゲート電極8に印加するゲート電圧Vgsを、正の閾値電圧VTよりも高くする(Vgs>VT>0V)と、「ON状態」となるが、ドレイン電圧Vdsが、q・Vds>(ΦM/S2−kT)の条件を満たさない範囲では、ドレイン電流Idは、低い水準となる。一方、ドレイン電圧Vdsが、q・Vds>(ΦM/S2−kT)の条件を満たすと、ドレイン電圧Vdsの上昇ともに、ドレイン電流Idも上昇する。換言すると、本発明の第2の形態の電界効果トランジスタにおいては、オフセット電圧Voff-setは、(ΦM/S2−kT)/q Vとなる。 Therefore, in the field effect transistor according to the second embodiment of the present invention, when the gate voltage V gs applied to the gate electrode 8 is made higher than the positive threshold voltage V T (V gs > V T > 0 V), “ In the range where the drain voltage V ds does not satisfy the condition of q · V ds > (Φ M / S2 −kT), the drain current I d is at a low level. On the other hand, when the drain voltage V ds satisfies the condition of q · V ds > (Φ M / S2 −kT), the drain current I d increases as the drain voltage V ds increases. In other words, in the field effect transistor according to the second embodiment of the present invention, the offset voltage V off-set is (Φ M / S2 −kT) / q V.

その際、ドレイン電圧Vdsが、(Eg(S3)−kT)>q・Vds>(ΦM/S2−kT)の範囲では、「ON状態」となっている場合、主に、ドレイン電極7の直下に、第2の半導体層4の表面が露呈している領域を介して、ドレイン電流Idは流れている。ドレイン電圧Vdsが、q・Vds>(Eg(S3)−kT)>(ΦM/S2−kT)の範囲に達すると、「ON状態」となっている場合、ドレイン電極7の直下に、第2の半導体層4の表面が露呈している領域に加えて、ドレイン電極7の直下に、ストライプ状の第3の窒化物半導体層5が存在する領域を介しても、ドレイン電流Idが流れる状態となる。 In this case, when the drain voltage V ds is “ON” in the range of (Eg (S3) −kT)> q · V ds > (Φ M / S2 −kT), the drain electrode mainly A drain current I d flows through a region where the surface of the second semiconductor layer 4 is exposed immediately below 7. When the drain voltage V ds reaches the range of q · V ds > (Eg (S3) −kT)> (Φ M / S2 −kT), when the drain voltage V ds is in the “ON state”, In addition to the region where the surface of the second semiconductor layer 4 is exposed, the drain current I d is also passed through the region where the striped third nitride semiconductor layer 5 exists immediately below the drain electrode 7. Will be in a state of flowing.

なお、上述の本発明の第1の形態の電界効果トランジスタにおいては、ゲート電極8に印加するゲート電圧Vgsを、正の閾値電圧VTよりも高くする(Vgs>VT>0V)と、「ON状態」となるが、ドレイン電圧Vdsが、q・Vds>(Eg(S3)−kT)の条件を満たさない範囲では、ドレイン電流Idは、低い水準となる。換言すると、本発明の第1の形態の電界効果トランジスタにおいては、オフセット電圧Voff-setは、(Eg(S3)−kT)/q Vに相当する値となる。 In the field effect transistor of the first embodiment of the present invention described above, when the gate voltage V gs applied to the gate electrode 8 is made higher than the positive threshold voltage V T (V gs > V T > 0 V). However, the drain current I d is at a low level within a range where the drain voltage V ds does not satisfy the condition of q · V ds > (Eg (S3) −kT). In other words, in the field effect transistor according to the first aspect of the present invention, the offset voltage V off-set is a value corresponding to (Eg (S3) −kT) / qV.

本発明の第2の形態の電界効果トランジスタにおいては、ドレイン電極7の直下に、ストライプ状の第3の窒化物半導体層5が存在する領域と、ドレイン電極7の直下に、第2の半導体層4の表面が露呈している領域とを併用することで下記の効果を達成している。すなわち、ドレイン電極7の直下に、ストライプ状の第3の窒化物半導体層5が存在する領域を有することにより、本発明の第2の形態の電界効果トランジスタにおいても、上述の本発明の第1の形態の電界効果トランジスタと同様に、高いドレイン電流密度が得られる。加えて、ドレイン電極7の直下に、第2の半導体層4の表面が露呈している領域を併用することにより、本発明の第2の形態の電界効果トランジスタのオフセット電圧Voff-set((ΦM/S2−kT)/q V)は、本発明の第1の形態の電界効果トランジスタのオフセット電圧Voff-set((Eg(S3)−kT)/q V)よりも、大幅に低減される。 In the field effect transistor according to the second aspect of the present invention, the region where the striped third nitride semiconductor layer 5 exists immediately below the drain electrode 7 and the second semiconductor layer directly below the drain electrode 7. The following effects are achieved by using together with the region where the surface of 4 is exposed. That is, by having a region where the striped third nitride semiconductor layer 5 exists immediately below the drain electrode 7, the field effect transistor according to the second aspect of the present invention also has the first aspect of the present invention described above. A high drain current density can be obtained as in the case of the field effect transistor of the form. In addition, by using a region where the surface of the second semiconductor layer 4 is exposed immediately below the drain electrode 7, the offset voltage V off-set (( [Phi] M / S2- kT) / q V) is significantly lower than the offset voltage Voff-set ((Eg (S3) -kT) / q V) of the field effect transistor according to the first embodiment of the present invention. Is done.

例えば、ドレイン電極7/第2の窒化物半導体層4の間のショットキー接合の障壁ΦM/S2(接触電位差)は、1eV程度であるが、第3の窒化物半導体層5のバンド・ギャップ・エネルギーEg(S3)は、約4eV程度となる場合には、それに伴うオフセット電圧Voff-setの相違は、顕著なものとなる。 For example, the barrier Φ M / S2 (contact potential difference) of the Schottky junction between the drain electrode 7 and the second nitride semiconductor layer 4 is about 1 eV, but the band gap of the third nitride semiconductor layer 5 When the energy Eg (S3) is about 4 eV, the difference in the offset voltage V off-set associated therewith becomes significant.

なお、この二つの効果を十分に発揮する上では、ストライプ状の第3の窒化物半導体層5の面積の総和Stotal(S3)と、ドレイン電極7の直下に、第2の半導体層4の表面が露呈している領域の面積の総和Stotal(Mohmic/S2)の比率を、少なくとも、50/50≧Stotal(Mohmic/S2)/Stotal(S3)≧10/70の範囲に選択することが好ましい。 In order to fully exhibit these two effects, the total area S total (S3) of the stripe-shaped third nitride semiconductor layer 5 and the second semiconductor layer 4 directly below the drain electrode 7 are provided. The ratio of the total area S total (M ohmic / S2) of the area where the surface is exposed is at least in the range of 50/50 ≧ S total (M ohmic / S2) / S total (S3) ≧ 10/70 It is preferable to select.

次に、具体例を用いて、本発明の第2の形態の電界効果トランジスタの構造を説明する。   Next, the structure of the field effect transistor according to the second embodiment of the present invention will be described using a specific example.

(第4の実施形態)
図13は、第4の実施形態の電界効果トランジスタのデバイス構造を模式的に示す断面図である。この第4の実施形態の電界効果トランジスタは、以下に説明する構造を有している。
(Fourth embodiment)
FIG. 13 is a cross-sectional view schematically showing the device structure of the field effect transistor of the fourth embodiment. The field effect transistor of the fourth embodiment has a structure described below.

基板1として、高抵抗SiC基板を用いている。例えば、(0001)面SiC基板上に、(0001)面成長した、緩衝層2、第1の窒化物半導体層3、第2の窒化物半導体層4、第3の窒化物半導体層5を順次エピタキシャル成長により形成する。   As the substrate 1, a high resistance SiC substrate is used. For example, the buffer layer 2, the first nitride semiconductor layer 3, the second nitride semiconductor layer 4, and the third nitride semiconductor layer 5 that are grown on the (0001) plane on the (0001) plane SiC substrate are sequentially formed. It is formed by epitaxial growth.

(0001)面SiC基板上に、例えば、核生成層として、膜厚4nmのAlNバッファ層、引き続き、AlGaN/GaN周期層を1000nmを形成し、このAlNバッファ層とAlGaN/GaN周期層を、緩衝層2として利用する。AlGaN/GaN周期層上に、第1の窒化物半導体層3として、膜厚1000nmのGaN層、第2の窒化物半導体層4として、Al0.20Ga0.80N(Al組成0.20)からなる膜厚30nmのAlGaN層を形成する。さらに、第3の窒化物半導体層5として、Zn−ドープAl0.20Ga0.80N(Al組成0.20)からなる膜厚30nmのp+−AlGaN層を形成する。このp+−AlGaN層中に、添加されるZn濃度は、1019cm-3に選択する。 On a (001) plane SiC substrate, for example, an AlN buffer layer having a film thickness of 4 nm is formed as a nucleation layer, and then an AlGaN / GaN periodic layer having a thickness of 1000 nm is formed. The AlN buffer layer and the AlGaN / GaN periodic layer are buffered. Used as layer 2. On the AlGaN / GaN periodic layer, a film made of Al 0.20 Ga 0.80 N (Al composition 0.20) as the first nitride semiconductor layer 3 as a GaN layer with a thickness of 1000 nm and as the second nitride semiconductor layer 4 An AlGaN layer having a thickness of 30 nm is formed. Further, as the third nitride semiconductor layer 5, a p + -AlGaN layer having a thickness of 30 nm made of Zn-doped Al 0.20 Ga 0.80 N (Al composition 0.20) is formed. The Zn concentration added to this p + -AlGaN layer is selected to be 10 19 cm −3 .

ドレイン電極領域をストライプ状のレジストでカバーして、それ以外の領域の第3の窒化物半導体層5をエッチング除去する。このp+−AlGaN層の選択的エッチングには、三塩化ホウ素(BCl3)ガスを主成分としたICPプラズマを利用する。なお、エッチング・マスクに利用する、ストライプ状のレジストは、ストライプ幅20μm、ストライプ長さ100μm、ストライプ間の間隙5μmとしている。また、ストライプ状のレジストの端から、ゲート電極8の形成に利用するリセス部のドレイン電極7側の端までの間隙は、12μmとしている。 The drain electrode region is covered with a striped resist, and the third nitride semiconductor layer 5 in other regions is removed by etching. For the selective etching of the p + -AlGaN layer, ICP plasma mainly composed of boron trichloride (BCl 3 ) gas is used. The striped resist used for the etching mask has a stripe width of 20 μm, a stripe length of 100 μm, and a gap between stripes of 5 μm. Further, the gap from the end of the striped resist to the end of the recess used for forming the gate electrode 8 on the drain electrode 7 side is set to 12 μm.

露呈されたAlGaN層の表面に形成するソース電極6として、Ti、Al金属を蒸着、リフトオフ工程を用いて形成する。ストライプ状のp+−AlGaN層が形成されている、ドレイン電極領域に、ドレイン電極7として、Ni、Au金属を蒸着、リフトオフ工程を用いて形成する。このドレイン電極7は、ストライプ状のp+−AlGaN層と、その間に露呈しているAlGaN層の表面と接触している。ストライプ状のp+−AlGaN層の面積の和Stotal(S3)と、ドレイン電極7と接触しているAlGaN層の表面面積の和Stotal(Mohmic/S2)の比率は、Stotal(Mohmic/S2)/Stotal(S3)=5/20に選択している。AlGaN層の表面とソース電極6、ならびに、ストライプ状のp+−AlGaN層表面とドレイン電極7は、窒素雰囲気中、650℃で熱処理することにより、オーミック性のコンタクトを形成している。 As the source electrode 6 formed on the surface of the exposed AlGaN layer, Ti and Al metal are formed by vapor deposition and a lift-off process. In the drain electrode region where the striped p + -AlGaN layer is formed, Ni and Au metals are formed as a drain electrode 7 by vapor deposition and a lift-off process. The drain electrode 7 is in contact with the striped p + -AlGaN layer and the surface of the AlGaN layer exposed therebetween. The ratio of the sum S total (S3) of the area of the striped p + -AlGaN layer and the sum S total (M ohmic / S2) of the surface area of the AlGaN layer in contact with the drain electrode 7 is S total (M ohmic / S2) are selected / S total (S3) = 5 /20. The surface of the AlGaN layer and the source electrode 6, and the surface of the striped p + -AlGaN layer and the drain electrode 7 are subjected to heat treatment at 650 ° C. in a nitrogen atmosphere to form ohmic contacts.

素子分離を、窒素のイオン注入にて実施する。窒素のイオン注入条件は、厚さ1μmのレジスト膜をマスクとして、加速電圧:100kV,注入密度:4×1014 cm-2を選択している。素子分離の後、プラズマCVD法によりSiN膜200nmを形成する。このSiN膜に、リセス部を形成するための開口部を形成する。リセス部のSiN膜を、開口幅2.0μmで六フッ化イオウ(SF6)ガスを主成分としたICPプラズマを用いて除去する。このSiN膜の開口部に露呈しているAlGaN層を、三塩化ホウ素(BCl3)ガスを主成分としたICPプラズマを用いて、20nmエッチング除去して、リセス部を形成する。従って、リセス部の直下においては、AlGaN層の厚さは、10nmとなる。 Element isolation is performed by nitrogen ion implantation. As the nitrogen ion implantation conditions, an acceleration voltage of 100 kV and an implantation density of 4 × 10 14 cm −2 are selected using a resist film having a thickness of 1 μm as a mask. After element isolation, a 200 nm SiN film is formed by plasma CVD. An opening for forming a recess is formed in the SiN film. The SiN film in the recess portion is removed using ICP plasma whose opening width is 2.0 μm and whose main component is sulfur hexafluoride (SF 6 ) gas. The AlGaN layer exposed in the opening of the SiN film is etched away by 20 nm using ICP plasma mainly composed of boron trichloride (BCl 3 ) gas to form a recess. Therefore, immediately below the recess portion, the thickness of the AlGaN layer is 10 nm.

その後、ゲート絶縁膜として、例えば、プラズマCVD法によりSiN膜を20nm形成する。リセス部の側壁を被覆する、SiN膜の膜厚は、20nmとなっている。なお、リセス部の深さ20nmと、SiN膜の膜厚20nmが等しいため、リセス部の底面を被覆するSiN膜の表面と、リセス部以外のAlGaN層の表面は、同じレベルに位置している。   Thereafter, as the gate insulating film, a SiN film is formed to a thickness of 20 nm, for example, by plasma CVD. The thickness of the SiN film covering the side wall of the recess is 20 nm. Since the depth of the recess portion is 20 nm and the thickness of the SiN film is 20 nm, the surface of the SiN film covering the bottom surface of the recess portion and the surface of the AlGaN layer other than the recess portion are located at the same level. .

ゲート電極8を、例えば、Ni20nm,Au200nmを蒸着、リフトオフして形成する。その際、リセス部に、ゲート絶縁膜を介して、埋め込むように形成されているゲート電極8は、(2.0μm−2×20nm)に相当するゲート長を有する。   The gate electrode 8 is formed by evaporating and lifting off, for example, Ni 20 nm and Au 200 nm. At that time, the gate electrode 8 formed so as to be embedded in the recess portion through the gate insulating film has a gate length corresponding to (2.0 μm−2 × 20 nm).

なお、リフトオフにより形成される電極の幅は、2.0μmに選択されている。従って、リセス部以外のAlGaN層の表面は、この電極によって被覆されていない状態となっている。すなわち、リセス部のドレイン電極7側には、フィールドプレート電極に相当する構造は設けられていない。   The width of the electrode formed by lift-off is selected to be 2.0 μm. Therefore, the surface of the AlGaN layer other than the recess is not covered with this electrode. That is, no structure corresponding to the field plate electrode is provided on the drain electrode 7 side of the recess.

また、リセス部のドレイン電極7側の端から、第3の窒化物半導体層5のゲート電極側の端までの幅は、12μmに選択している。第3の窒化物半導体層5自体の幅は、上記のストライプの長さ100μmに相当している。   The width from the end of the recess portion on the drain electrode 7 side to the end of the third nitride semiconductor layer 5 on the gate electrode side is selected to be 12 μm. The width of the third nitride semiconductor layer 5 itself corresponds to the stripe length of 100 μm.

リセス部の底面において、ゲート電極8の直下のAlGaN層の厚さと、ゲート長の比率は、(2.0μm−2×20nm)/10nmである。   On the bottom surface of the recess portion, the ratio of the thickness of the AlGaN layer immediately below the gate electrode 8 to the gate length is (2.0 μm−2 × 20 nm) / 10 nm.

従って、第4の実施形態の電界効果トランジスタの構造を、上面から見ると、図11の(a)に例示する構造に相当している。図13の断面図に示す構造は、ストライプ状のp+−AlGaN層が存在する領域の断面構造を模式的に示すものである。なお、そのドレイン電極部分を、図11の(a)中、破線で示す部位にて、切断して、その切断面側から観察する際、観測される構造は、図11の(b)に例示する構造に相当している。 Therefore, when the structure of the field effect transistor of the fourth embodiment is viewed from above, it corresponds to the structure illustrated in FIG. The structure shown in the cross-sectional view of FIG. 13 schematically shows the cross-sectional structure of the region where the striped p + -AlGaN layer exists. In addition, when the drain electrode part is cut | disconnected in the site | part shown with a broken line in (a) of FIG. 11, and it observes from the cut surface side, the structure observed is illustrated in (b) of FIG. It corresponds to the structure.

対比のため、図1に例示する構造を有する、本発明の第1の形態の電界効果トランジスタを、以下の手順で作製する。   For comparison, the field effect transistor according to the first embodiment of the present invention having the structure illustrated in FIG. 1 is manufactured by the following procedure.

図1に例示する構造を有する、本発明の第1の形態の電界効果トランジスタは、上記の第4の実施形態の電界効果トランジスタに対して、次の点を変更した構造となっている。ストライプ状のp+−AlGaN層に代えて、ストライプ間にAlGaN層が露呈する領域をなくし、全体が、矩形形状のp+−AlGaN層がドレイン電極領域に存在する構造となっている。この矩形形状のp+−AlGaN層のゲート電極8側の端と、ゲート電極8の形成に利用するリセス部のドレイン電極7側の端までの間隙は、12μmとしている。 The field effect transistor according to the first embodiment of the present invention having the structure illustrated in FIG. 1 has a structure in which the following points are changed with respect to the field effect transistor according to the fourth embodiment. Instead of the striped p + -AlGaN layer, there is no region where the AlGaN layer is exposed between the stripes, and the entire structure has a rectangular p + -AlGaN layer in the drain electrode region. The gap between the end of the rectangular p + -AlGaN layer on the gate electrode 8 side and the end of the recess used for forming the gate electrode 8 on the drain electrode 7 side is 12 μm.

また、図1に例示する構造を有する、本発明の第1の形態の電界効果トランジスタにおける、p+−AlGaN層の面積Sfull(S3)と、第4の実施形態の電界効果トランジスタにおける、ストライプ状のp+−AlGaN層の面積の和Stotal(S3)の比率は、Stotal(S3)/Sfull(S3)=20/25となっている。 Further, the area S full (S3) of the p + -AlGaN layer in the field effect transistor according to the first embodiment of the present invention having the structure illustrated in FIG. 1 and the stripe in the field effect transistor according to the fourth embodiment. The ratio of the total S total (S3) of the area of the p + -AlGaN layer is S total (S3) / S full (S3) = 20/25.

ゲート電圧Vgs=8Vに設定した際、図13に示す第4の実施形態の電界効果トランジスタと、図1に示す構造の本発明の第1の形態の電界効果トランジスタについて、測定されるドレイン電流−ドレイン電圧(Id−Vds)特性を、図14に対比して示す。 When the gate voltage V gs = 8 V is set, the drain current measured for the field effect transistor of the fourth embodiment shown in FIG. 13 and the field effect transistor of the first embodiment of the present invention having the structure shown in FIG. -Drain voltage (I d -V ds ) characteristics are shown in comparison with FIG.

+−AlGaN/n-−AlGaN/GaNのP+In-接合(またはP+-接合)に用いられる、Al0.20Ga0.80Nのバンド・ギャップ・エネルギーは、Eg(Al0.20Ga0.80N)≒3.8eV程度である。その際、図1に示す、本発明の第1の形態の電界効果トランジスタでは、ドレイン電極部は、p+−AlGaN/n-−AlGaN/GaNのP+In-接合(またはP+-接合)で構成されているため、オフセット電圧Voff-setは、約4Vとなっている。 The band gap energy of Al 0.20 Ga 0.80 N used for p + -AlGaN / n -AlGaN / GaN P + In junction (or P + n junction) is Eg (Al 0.20 Ga 0.80 N). It is about 3.8 eV. At that time, in the field effect transistor according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1, the drain electrode portion is a p + -AlGaN / n -AlGaN / GaN P + In junction (or P + n junction). ), The offset voltage V off-set is about 4V.

一方、Au/Ni/n-−Al0.20Ga0.80Nで構成されるショットキー接合の障壁ΦM/S2は、ΦM/S2≒1.1eV程度である。その際、第4の実施形態の電界効果トランジスタでは、第2の窒化物半導体層4のAlGaN層の表面にNi/Au電極が形成されている部分がドレイン電極部に存在するため、オフセット電圧Voff-setは、約1Vとなっている。ドレイン電圧Vdsが、Vds>4Vとなると、ドレイン電極部に存在する、p+−AlGaN/n-−AlGaN/GaNのP+In-接合(またはP+-接合)は、順方向にバイアスされる。その際、第3の窒化物半導体層5(p+−AlGaN層)からチャネル層の第1の窒化物半導体層3(GaN層)に正孔が注入され、それに起因して、キャリア(電子)が誘起され、n-−AlGaN/GaN界面に蓄積される。その結果、ドレイン電圧Vdsが、Vds>5Vとなると、ドレイン電流密度は、0.40A/mmの水準に達している。 On the other hand, the barrier Φ M / S2 of the Schottky junction composed of Au / Ni / n -Al 0.20 Ga 0.80 N is about Φ M / S2 ≈1.1 eV. At that time, in the field effect transistor of the fourth embodiment, the portion where the Ni / Au electrode is formed on the surface of the AlGaN layer of the second nitride semiconductor layer 4 is present in the drain electrode portion. The off-set is about 1V. When the drain voltage V ds becomes V ds > 4 V, the p + -AlGaN / n -AlGaN / GaN P + In junction (or P + n junction) existing in the drain electrode portion is in the forward direction. Biased. At that time, holes are injected from the third nitride semiconductor layer 5 (p + -AlGaN layer) into the first nitride semiconductor layer 3 (GaN layer) of the channel layer, and as a result, carriers (electrons) are injected. Is induced and accumulated at the n -AlGaN / GaN interface. As a result, when the drain voltage V ds becomes V ds > 5 V, the drain current density reaches a level of 0.40 A / mm.

図13に示す第4の実施形態の電界効果トランジスタは、電力制御用デバイスに要求される、高いドレイン電流密度、正のゲート電圧10V印加時の低いゲート電流密度の二つの条件を満たしている。さらに、「ON状態」において、ドレイン電流Idの立ち上がりを示す、ドレイン電圧Vdsのオフセット電圧Voff-setは、大幅に低減されている。 The field effect transistor of the fourth embodiment shown in FIG. 13 satisfies two conditions, which are required for a power control device, a high drain current density and a low gate current density when a positive gate voltage of 10 V is applied. Further, in the “ON state”, the offset voltage V off-set of the drain voltage V ds indicating the rising of the drain current I d is greatly reduced.

第4の実施形態の電界効果トランジスタでは、基板として、高抵抗の(0001)面SiC基板を用いて、その上に、(0001)面成長したIII族窒化物のエピタキシャル膜を利用して、デバイスを作製している。その表面に、(0001)面成長したIII族窒化物のエピタキシャル膜を形成でき、高抵抗な基板であれば、高抵抗の(0001)面SiC基板に代えて、サファイア基板、Si基板、ZnO基板等を利用することができる。   In the field effect transistor of the fourth embodiment, a high-resistance (0001) plane SiC substrate is used as a substrate, and a (0001) plane grown III-nitride epitaxial film is used on the device. Is making. If a (0001) -plane-grown III-nitride epitaxial film can be formed on the surface, and a high-resistance substrate, a sapphire substrate, Si substrate, or ZnO substrate can be used instead of the high-resistance (001) plane SiC substrate. Etc. can be used.

(第3の形態)
以下に、本発明の第3の形態の電界効果トランジスタの構造と、その動作原理を説明する。
(Third form)
The structure of the field effect transistor according to the third embodiment of the present invention and its operating principle will be described below.

図15は、本発明の第3の形態の電界効果トランジスタの構造の一例を模式的に示す断面図である。   FIG. 15 is a cross-sectional view schematically showing an example of the structure of the field effect transistor according to the third embodiment of the present invention.

導電性の基板1上に、膜厚t2の緩衝層2、導電性の基板1中のキャリア(電子または正孔)に対するエネルギー障壁となるバリア層として、膜厚t12の第4の窒化物半導体層12、チャネル層として、膜厚t3の第1の窒化物半導体層3、電子供給層として、膜厚t4の第2の窒化物半導体層4、ならびに、P型の伝導性を有する、膜厚t5の第3の窒化物半導体層5が、順次成長されている。ドレイン領域以外では、第3の窒化物半導体層5は、エッチング除去され、第2の窒化物半導体層4の表面が露出されている。 As a barrier layer serving as an energy barrier against carriers (electrons or holes) in the conductive substrate 1 on the conductive substrate 1, the buffer layer 2 having a thickness t 2, a fourth nitride having a thickness t 12 is used. semiconductor layer 12, as a channel layer, having a first nitride semiconductor layer 3 having a thickness of t 3, as an electron supply layer, the second nitride semiconductor layer 4 having a thickness t 4, as well, a P-type conductivity The third nitride semiconductor layer 5 having a film thickness t 5 is sequentially grown. Except for the drain region, the third nitride semiconductor layer 5 is removed by etching, and the surface of the second nitride semiconductor layer 4 is exposed.

電子供給層の第2の窒化物半導体層4の表面に、ソース電極6が形成され、P型の伝導性を有する第3の窒化物半導体層5の表面に、ドレイン電極7が形成されている。ソース電極6は、第2の窒化物半導体層4とオーミック接合を形成し、ドレイン電極7は、第3の窒化物半導体層5とオーミック接合を形成している。ソース電極6とドレイン電極7とで挟まれる領域に、ゲート電極8が設けられている。   A source electrode 6 is formed on the surface of the second nitride semiconductor layer 4 of the electron supply layer, and a drain electrode 7 is formed on the surface of the third nitride semiconductor layer 5 having P-type conductivity. . The source electrode 6 forms an ohmic junction with the second nitride semiconductor layer 4, and the drain electrode 7 forms an ohmic junction with the third nitride semiconductor layer 5. A gate electrode 8 is provided in a region sandwiched between the source electrode 6 and the drain electrode 7.

電子供給層の第2の窒化物半導体層4の表面に、ゲート電極8を形成するリセス部が形成されている。このリセス部が形成された、第2の窒化物半導体層4の表面は、絶縁膜9で被覆されており、リセス部に絶縁膜9を介して、ゲート電極8が埋め込まれる形状で形成されている。このゲート電極8は、ゲート長Lgate-8とされ、その直下には、ゲート電極8/絶縁膜9/第2の窒化物半導体層4により、MIS構造が構成されている
絶縁膜9の膜厚は、第2の窒化物半導体層4の表面とリセス部の底部分では、膜厚t9であり、リセス部の側壁を被覆している部分では、膜厚t9-wellである。
A recess for forming the gate electrode 8 is formed on the surface of the second nitride semiconductor layer 4 of the electron supply layer. The surface of the second nitride semiconductor layer 4 on which the recess is formed is covered with an insulating film 9, and the recess is formed in a shape in which the gate electrode 8 is embedded via the insulating film 9. Yes. The gate electrode 8 has a gate length L gate-8, and a MIS structure is formed immediately below the gate electrode 8 / insulating film 9 / second nitride semiconductor layer 4. The thickness is the film thickness t 9 at the surface of the second nitride semiconductor layer 4 and the bottom portion of the recess portion, and the film thickness t 9-well at the portion covering the sidewall of the recess portion.

リセス部の深さdrecessは、絶縁膜9の膜厚t9よりも、大きく選択することができる。また、絶縁膜9の膜厚t9を、リセス部の深さdrecessよりも厚く選択することもできる。 The depth d Recess of the recessed portion can be than the thickness t 9 of the insulating film 9 is selected to be greater. Further, the thickness t 9 of the insulating film 9 may be chosen thicker than the depth d Recess of the recessed portion.

また、リセス部の幅Wrecessは、リセス部の側壁面の絶縁膜の膜厚t9-wellと、ゲート電極8のゲート長Lgate-8に対して、Wrecess=Lgate-8+2×t9-wellの条件を満たすように設定される。 The width W Recess of the recessed portion, and the thickness t 9-well of the insulating film side wall surface of the recessed portion, the gate length L Gate-8 of the gate electrode 8, W recess = L gate- 8 + 2 × It is set so as to satisfy the condition of t9-well .

リセス部の直下のチャネル領域では、第2の窒化物半導体層4の膜厚は、リセス部の形成に伴いエッチングされ、薄くなっている。リセス部直下の第2の窒化物半導体層4の膜厚t4-recessは、リセス部の深さdrecessを応じて、t4-recess=t4−drecessになっている。 In the channel region immediately below the recess portion, the thickness of the second nitride semiconductor layer 4 is etched and thinned along with the formation of the recess portion. Thickness t 4-Recess of the second nitride semiconductor layer 4 immediately below the recess portion in accordance with the depth d Recess of the recessed portion, and it is t 4-recess = t 4 -d recess.

ゲート電極8の直下のチャネル領域では、ゲート電極8/絶縁膜9/膜厚t4-recessの第2の窒化物半導体層4/第1の窒化物半導体層3の積層構造となっている。ゲート電極8に印加されるゲート電圧Vgsを、Vgs=0Vとした際、このチャネル領域には、キャリア(電子)が存在しない状態とされている。すなわち、閾値電圧VTは、VT>0Vとなっている。 The channel region immediately below the gate electrode 8 has a stacked structure of the gate electrode 8 / insulating film 9 / second nitride semiconductor layer 4 / first nitride semiconductor layer 3 having a film thickness t 4 -recess . When the gate voltage V gs applied to the gate electrode 8 is set to V gs = 0V, no carriers (electrons) exist in this channel region. That is, the threshold voltage V T is V T > 0V.

ゲート電極8/絶縁膜9の界面では、ゲート電極8のうち、絶縁膜9の表面に接する金属材料Mgateの仕事関数eψ(Mgate)eVと、絶縁膜9の表面の絶縁材料Ifrontの電子親和力eχ(Ifront)eVとの差、(eψ(Mgate)−eχ(Ifront))eVに相当する、障壁ΦM/Iが生成する。絶縁膜9/第2の窒化物半導体層4の界面では、絶縁膜9の裏面の絶縁材料Irearの電子親和力eχ(Irear)eVと、第2の窒化物半導体層4の電子親和力eχ(S2)eVとの差、(eχ(S2)−eχ(Irear))eVに相当する、障壁ΦI/Sが生成する。 At the interface between the gate electrode 8 and the insulating film 9, the work function eψ (M gate ) eV of the metal material M gate in contact with the surface of the insulating film 9 in the gate electrode 8 and the insulating material I front on the surface of the insulating film 9. A barrier Φ M / I corresponding to the difference from the electron affinity eχ (I front ) eV, (eψ (M gate ) −eχ (I front )) eV, is generated. At the interface between the insulating film 9 and the second nitride semiconductor layer 4, the electron affinity eχ (I rear ) eV of the insulating material I rear on the back surface of the insulating film 9 and the electron affinity eχ ( S2) A barrier Φ I / S corresponding to the difference from eV, (eχ (S2) −eχ (I rear )) eV is generated.

また、第2の窒化物半導体層4/第1の窒化物半導体層3の界面では、第2の窒化物半導体と第1の窒化物半導体との伝導帯エネルギー差によるバンド不連続ΔEc(S2/S1)が存在している。また、価電子帯エネルギー差によるバンド不連続ΔEv(S2/S1)が存在している。   Further, at the interface between the second nitride semiconductor layer 4 and the first nitride semiconductor layer 3, the band discontinuity ΔEc (S2 / S2) due to the conduction band energy difference between the second nitride semiconductor and the first nitride semiconductor. S1) exists. There is also a band discontinuity ΔEv (S2 / S1) due to the valence band energy difference.

「ON状態」となった際には、第2の窒化物半導体層4/第1の窒化物半導体層3の界面では、バンド不連続ΔEc(S2/S1)に相当するエネルギー障壁を利用して、キャリア(電子)が蓄積される。その際、バンド不連続ΔEc(S2/S1)>2kTとなるように、第2の窒化物半導体層4/第1の窒化物半導体層の材料を選択することが好ましい。   In the “ON state”, an energy barrier corresponding to the band discontinuity ΔEc (S2 / S1) is used at the interface between the second nitride semiconductor layer 4 and the first nitride semiconductor layer 3. , Carriers (electrons) are accumulated. At that time, the material of the second nitride semiconductor layer 4 / the first nitride semiconductor layer is preferably selected so that the band discontinuity ΔEc (S2 / S1)> 2 kT.

gs=0Vとした際、このチャネル領域には、キャリア(電子)が存在しない状態であるので、ゲート電極8直下の膜厚t4-recessの第2の窒化物半導体層4、ならびに、第1の窒化物半導体層3の表面側は、空乏化している。また、第2の窒化物半導体層4/第1の窒化物半導体層3のヘテロ接合界面は、キャリア(電子)は蓄積されていない。その場合、第1の窒化物半導体層3の表面側の空乏化している領域の膜厚t3g-scは、t3≧t3g-scとなる。 When V gs = 0V, there is no carrier (electron) in this channel region, so the second nitride semiconductor layer 4 having a film thickness t 4-recess immediately below the gate electrode 8 and the first The surface side of one nitride semiconductor layer 3 is depleted. Further, carriers (electrons) are not accumulated at the heterojunction interface between the second nitride semiconductor layer 4 and the first nitride semiconductor layer 3. In that case, the film thickness t 3g-sc of the depleted region on the surface side of the first nitride semiconductor layer 3 is t 3 ≧ t 3g-sc .

第2の窒化物半導体層4は、アンドープあるいは、n型不純物(ドナー)を添加しており、含まれるn型不純物(ドナー)濃度を、ND(S2)cm-3とすると、空乏化した際、イオン化したn型不純物(ドナー)に起因する空間電荷の面密度は、ND(S2)・t4-recesscm-2となる。第1の窒化物半導体層3は、アンドープであり、含まれる残留n型不純物(ドナー)濃度を、ND(S1)cm-3とすると、膜厚t3g-scが空乏化した際、イオン化したn型不純物(ドナー)に起因する空間電荷の面密度は、ND(S1)・t3g-sccm-2となる。 The second nitride semiconductor layer 4 is undoped or doped with an n-type impurity (donor), and is depleted when the concentration of the included n-type impurity (donor) is N D (S2) cm −3 . At this time, the surface density of the space charge due to the ionized n-type impurity (donor) is N D (S2) · t 4−recess cm −2 . The first nitride semiconductor layer 3 is undoped, and when the residual n-type impurity (donor) concentration contained is N D (S1) cm −3 , ionization occurs when the film thickness t 3g-sc is depleted. The surface density of the space charge resulting from the n-type impurity (donor) is N D (S1) · t 3g-sc cm −2 .

gs=0Vとした際、第2の窒化物半導体層4、第1の窒化物半導体層3中の空乏化部分は、空間電荷に起因するバンド・ベンド(曲がり)を示す。その結果、膜厚t4-recessの第2の窒化物半導体層4中に、伝導帯端のエネルギー・レベル差、ΔEc(S2:ND(S2)・t4-recess)と、第2の窒化物半導体層4と第1の窒化物半導体層3の間に生じる分極電界に由来するエネルギー・レベル差、ΔEcp(S1:Polarization)が生じている。第1の窒化物半導体層3の膜厚t3g-scの空乏化領域中に、伝導帯端のエネルギー・レベル差、ΔEc(S1:ND(S1)・t3g-sc)が生じている。 When V gs = 0V, depleted portions in the second nitride semiconductor layer 4 and the first nitride semiconductor layer 3 exhibit band bends (bends) due to space charge. As a result, in the second nitride semiconductor layer 4 having the film thickness t 4-recess , the energy level difference at the conduction band edge, ΔEc (S2: N D (S2) · t 4-recess ), and the second There is an energy level difference ΔEcp (S1: Polarization) derived from the polarization electric field generated between the nitride semiconductor layer 4 and the first nitride semiconductor layer 3. In the depletion region of the film thickness t 3g-sc of the first nitride semiconductor layer 3, an energy level difference ΔEc (S1: N D (S1) · t 3g-sc ) is generated. .

gs=0Vとした際、ゲート電極8の直下のチャネル領域における、バンド図を考慮すると、ΦM/I≧ΦI/S+ΔEc(S2:ND(S2)・t4-recess)+ΔEcp(S1:Polarization)+ΔEc(S2/S1)+ΔEc(S1:ND(S1)・t3g-sc)の関係を満すことが、ノーマリ・オフ型トランジスタを構成する際、必要である。例えば、前記条件を達成するように、第2の窒化物半導体層4と第1の窒化物半導体層3を構成する窒化物半導体材料の組み合わせ、(ND(S2)、t4-recess)の組み合わせ、(ND(S1)、t3g-sc)の組み合わせを適宜選択する。 Considering the band diagram in the channel region immediately below the gate electrode 8 when V gs = 0 V, Φ M / I ≧ Φ I / S + ΔEc (S2: N D (S2) · t 4-recess ) + ΔEcp ( It is necessary to satisfy the relationship of (S1: Polarization) + ΔEc (S2 / S1) + ΔEc (S1: N D (S1) · t 3g-sc ) when configuring a normally-off transistor. For example, a combination of nitride semiconductor materials constituting the second nitride semiconductor layer 4 and the first nitride semiconductor layer 3 so as to achieve the above condition, (N D (S2), t 4-recess ) A combination and a combination of (N D (S1), t 3g-sc ) are appropriately selected.

「ON状態」とするためには、第1の窒化物半導体層3中に存在する空乏化領域を消失させることが可能な、正のゲート電圧Vgsをゲート電極8に印加する必要がある。従って、「OFF状態」から「ON状態」へと移行させる、閾値電圧VTは、少なくとも、VT>ΔEc(S1:ND(S1)・t3g-sc)/q>0V(但し、qは、電子の電荷量(単位電荷)を表す)となる。 In order to enter the “ON state”, it is necessary to apply to the gate electrode 8 a positive gate voltage V gs that can eliminate the depletion region present in the first nitride semiconductor layer 3. Therefore, the threshold voltage V T to be shifted from the “OFF state” to the “ON state” is at least V T > ΔEc (S1: N D (S1) · t 3g-sc ) / q> 0 V (where q Represents the charge amount (unit charge) of electrons.

一方、導電性の基板1の裏面には、導電性の基板1とオーミック接触している裏面電極が形成されている。この裏面電極は、ソース電極6と電気的に接続され同電位となっている。従って、導電性の基板1と、ドレイン電極7との間にも、ドレイン電圧Vdsに相当するバイアスが印加される。 On the other hand, a back electrode in ohmic contact with the conductive substrate 1 is formed on the back surface of the conductive substrate 1. This back electrode is electrically connected to the source electrode 6 and has the same potential. Therefore, a bias corresponding to the drain voltage V ds is also applied between the conductive substrate 1 and the drain electrode 7.

導電性の基板1が、n型導電性の基板である際には、第4の窒化物半導体層12は、導電性の基板1中のキャリア(電子)に対するエネルギー障壁となるバリア層として機能する。   When the conductive substrate 1 is an n-type conductive substrate, the fourth nitride semiconductor layer 12 functions as a barrier layer that serves as an energy barrier against carriers (electrons) in the conductive substrate 1. .

緩衝層2、ならびに、チャネル層の第1の窒化物半導体層3は、n-型の窒化物半導体からなる層とする際、ドレイン電極7に、正のドレイン電圧Vdsを印加すると、チャネル層の第1の窒化物半導体層3と、ソース電極6間には、正のバイアスが印加される状態となる。従って、チャネル層の第1の窒化物半導体層3と、n型導電性の電極1の間にも、正のバイアスが印加される状態となる。電子に対するエネルギー障壁として機能するバリア層である、第4の窒化物半導体層12には、例えば、p型不純物を高い濃度でドーピングされている、p型導電性を示す窒化物半導体からなる層を採用する。その際、第1の窒化物半導体層3/第4の窒化物半導体層12/第1の窒化物半導体層3/基板は、n-層/p+層/n-層/n+基板の構造を形成するため、n型導電性の基板1から第1の窒化物半導体層3への電子の注入は防止される。 When the buffer layer 2 and the first nitride semiconductor layer 3 of the channel layer are layers made of an n type nitride semiconductor, when a positive drain voltage V ds is applied to the drain electrode 7, the channel layer A positive bias is applied between the first nitride semiconductor layer 3 and the source electrode 6. Therefore, a positive bias is also applied between the first nitride semiconductor layer 3 of the channel layer and the n-type conductive electrode 1. The fourth nitride semiconductor layer 12, which is a barrier layer functioning as an energy barrier against electrons, includes, for example, a layer made of a nitride semiconductor exhibiting p-type conductivity doped with p-type impurities at a high concentration. adopt. At this time, the first nitride semiconductor layer 3 / the fourth nitride semiconductor layer 12 / the first nitride semiconductor layer 3 / the substrate have a structure of n layer / p + layer / n layer / n + substrate. Therefore, injection of electrons from the n-type conductive substrate 1 to the first nitride semiconductor layer 3 is prevented.

すなわち、p+層/n-層/n+基板のp+-接合では、p+層における、伝導帯端エネルギーEc(p+)とフェルミ・レベル・エンルギーEfの差違(Ec(p+)−Ef)と、n-層における、伝導帯端エネルギーEc(n-)とフェルミ・レベル・エンルギーEfの差違(Ec(n-)−Ef)との間に差違ある。従って、p+-接合には、{(Ec(p+)−Ef)−(Ec(n-)−Ef)}に相当するビルト・イン・ポテンシャルeVbuilt-in(p+/n-)が生成されている。また、n-層/p+層のn-+接合でも、{(Ec(p+)−Ef)−(Ec(n-)−Ef)}に相当するビルト・イン・ポテンシャルeVbuilt-in(n-/p+)が生成されている。n-層/p+層/n-層/n+基板の構造に、正の電圧を印加した場合、p+層/n-層/n+基板部分のp+-接合には、順バイアスが印加され、一方、n-層/p+層部分のn-+接合には、逆バイアスが印加された状態となる。n-層/p+層部分のn-+接合を流れる、逆方向電流が制限されているため、n型導電性の基板1から第1の窒化物半導体層3への電子の注入は防止される。 That is, in the p + n junction of the p + layer / n layer / n + substrate, the difference between the conduction band edge energy Ec (p + ) and the Fermi level energy E f in the p + layer (Ec (p + ) and -E f), n - in the layer, the conduction band edge energy Ec (n - is difference between) -E f) -) and difference in Fermi level Enrugi E f (Ec (n. Therefore, the p + n junction has a built-in potential eV built-in (p + / n) corresponding to {(Ec (p + ) −E f ) − (Ec (n ) −E f )}. - ) Has been generated. Further, even in an n p + junction of the n layer / p + layer, a built-in potential eV built corresponding to {(Ec (p + ) −E f ) − (Ec (n ) −E f )}) -in (n - / p +) is generated. n - layer / p + layer / n - the layer / n + structure of the substrate, when a positive voltage is applied, p + layer / n - layer / n + substrate portion p + n - The junction forward bias On the other hand, a reverse bias is applied to the n p + junction of the n layer / p + layer portion. Since the reverse current flowing through the n p + junction of the n layer / p + layer portion is limited, injection of electrons from the n-type conductive substrate 1 to the first nitride semiconductor layer 3 is prevented. Is done.

あるいは、電子に対するエネルギー障壁を形成する第4の窒化物半導体層として、絶縁性であり、導電性基板に対して、その伝導帯端エネルギーEcの差、すなわち、基板の伝導帯端エネルギーEc(Sub)と、第4の窒化物半導体層の伝導帯端エネルギーEc(S3)の差、ΔEc(Sub/S3)が大きなものを選択することもできる。第4の窒化物半導体層として、例えば、0.77eV>ΔEc(Sub/S3)> 3kT eVの条件を満足する、絶縁性の窒化物半導体層を利用することもできる。その際、基板/緩衝層/第4の窒化物半導体層/第1の窒化物半導体層の構造は、例えば、N+/n/i/nの導電性を示す。すなわち、n−i−n型のトンネル・ダイオード構造が構成され、第4の窒化物半導体層は、電子に対するエネルギー障壁として機能する。 Alternatively, the fourth nitride semiconductor layer that forms an energy barrier against electrons is insulative and has a difference in conduction band edge energy Ec with respect to the conductive substrate, that is, the conduction band edge energy Ec (Sub of the substrate). ) And the difference between the conduction band edge energies Ec (S3) of the fourth nitride semiconductor layer, ΔEc (Sub / S3) can be selected. As the fourth nitride semiconductor layer, for example, an insulating nitride semiconductor layer that satisfies the condition of 0.77 eV> ΔEc (Sub / S3)> 3 kT eV can be used. In this case, the structure of the substrate / buffer layer / fourth nitride semiconductor layer / first nitride semiconductor layer exhibits N + / n / i / n conductivity, for example. That is, an n-i-n type tunnel diode structure is formed, and the fourth nitride semiconductor layer functions as an energy barrier against electrons.

また、導電性の基板1が、p型導電性の基板である際には、第4の窒化物半導体層12は、導電性の基板1中のキャリア(正孔)に対するエネルギー障壁となるバリア層として機能する。   In addition, when the conductive substrate 1 is a p-type conductive substrate, the fourth nitride semiconductor layer 12 is a barrier layer that serves as an energy barrier against carriers (holes) in the conductive substrate 1. Function as.

緩衝層2、ならびに、チャネル層の第1の窒化物半導体層3は、n-型の窒化物半導体からなる層とする際、ドレイン電極7に、正のドレイン電圧Vdsを印加すると、チャネル層の第1の窒化物半導体層3と、ソース電極6間には、正のバイアスが印加される状態となる。従って、チャネル層の第1の窒化物半導体層3と、p型導電性の電極1の間にも、正のバイアスが印加される状態となる。 When the buffer layer 2 and the first nitride semiconductor layer 3 of the channel layer are layers made of an n type nitride semiconductor, when a positive drain voltage V ds is applied to the drain electrode 7, the channel layer A positive bias is applied between the first nitride semiconductor layer 3 and the source electrode 6. Therefore, a positive bias is also applied between the first nitride semiconductor layer 3 of the channel layer and the p-type conductive electrode 1.

正孔に対するエネルギー障壁として機能するバリア層である、第4の窒化物半導体層12には、例えば、絶縁性であり、緩衝層2との界面において、伝導帯のバンド不連続ΔEvに起因するエネルギー障壁を形成する、バンド・ギャップ・エネルギーEgの大きな窒化物半導体からなる層を採用する。その際、第1の窒化物半導体層3/第4の窒化物半導体層12/第1の窒化物半導体層3/基板は、n-層/I層/n-層/p+基板の構造を形成するため、p型導電性の基板1から第1の窒化物半導体層3への正孔の注入は防止される。 The fourth nitride semiconductor layer 12, which is a barrier layer functioning as an energy barrier against holes, is, for example, insulative, and energy caused by band discontinuity ΔEv of the conduction band at the interface with the buffer layer 2. A layer made of a nitride semiconductor having a large band gap energy Eg is used to form a barrier. At that time, the first nitride semiconductor layer 3 / the fourth nitride semiconductor layer 12 / first nitride semiconductor layer 3 / substrate, n - layer / p + structure of the substrate - layer / I layer / n Therefore, the injection of holes from the p-type conductive substrate 1 to the first nitride semiconductor layer 3 is prevented.

従って、図15に示す構造の本発明の第3の形態の電界効果トランジスタでは、ドレイン電極7に、高いドレイン電圧Vdsを印加する際、「OFF状態」において、導電性の基板1から、導電性の基板1中のキャリア(電子または正孔)に対するエネルギー障壁となるバリア層である、第4の窒化物半導体層12を超えたキャリア(電子または正孔)の注入は防止されている。 Therefore, in the field effect transistor of the third embodiment of the present invention having the structure shown in FIG. 15, when a high drain voltage V ds is applied to the drain electrode 7, the conductive substrate 1 conducts in the “OFF state”. Injection of carriers (electrons or holes) beyond the fourth nitride semiconductor layer 12, which is a barrier layer serving as an energy barrier against carriers (electrons or holes) in the conductive substrate 1, is prevented.

例えば、n-層/p+基板のn-+接合では、p+基板における、伝導帯端エネルギーEc(p+)とフェルミ・レベル・エンルギーEfの差違(Ec(p+)−Ef)と、n-層における、伝導帯端エネルギーEc(n-)とフェルミ・レベル・エンルギーEfの差違(Ec(n-)−Ef)との間に差違ある。従って、n-+接合には、{(Ec(p+)−Ef)−(Ec(n-)−Ef)}に相当するビルト・イン・ポテンシャルeVbuilt-in(n-/p+)が生成されている。また、n-層/I層/n-層の部分は、トンネル・ダイオードに相当する構造を構成している。n-層/I層/n-層/p+基板の構造に正の電圧を印加した場合、n-層/p+基板のn-+接合には、順バイアスが印加され、残りの電圧は、n-層/I層/n-層の部分に印加される。n-層/p+層部分のn-+接合を流れる、逆方向電流が制限されているため、p型導電性の基板1から第1の窒化物半導体層3への正孔の注入は防止される。 For example, in the n p + junction of the n layer / p + substrate, the difference (Ec (p + ) −E f ) between the conduction band edge energy Ec (p + ) and the Fermi level energy L f in the p + substrate. ) And the difference between the conduction band edge energy Ec (n ) and the Fermi level energy L f (Ec (n ) −E f ) in the n layer. Therefore, the n p + junction has a built-in potential eV built-in (n / p corresponding to {(Ec (p + ) −E f ) − (Ec (n ) −E f )}). + ) Has been generated. Further, the n layer / I layer / n layer portion constitutes a structure corresponding to a tunnel diode. When a positive voltage is applied to the structure of the n layer / I layer / n layer / p + substrate, a forward bias is applied to the n p + junction of the n layer / p + substrate, and the remaining voltage Is applied to the n layer / I layer / n layer portion. Since the reverse current flowing through the n p + junction of the n layer / p + layer portion is limited, the injection of holes from the p-type conductive substrate 1 to the first nitride semiconductor layer 3 is Is prevented.

図15に示す構造の本発明の第3の形態の電界効果トランジスタでは、導電性の基板1を、ソース電極6と同電位としているため、ドレイン電極7に、高いドレイン電圧Vdsを印加する際、第2の窒化物半導体層4、第1の窒化物半導体層3中に形成される電界は、ゲート電極8が位置する横方向に分布するだけでなく、縦方向にも分布する。その結果、ゲート電極8のドレイン端付近での電界の集中を緩和する効果が得られる。 In the field effect transistor according to the third embodiment of the present invention having the structure shown in FIG. 15, the conductive substrate 1 is set to the same potential as the source electrode 6, so that a high drain voltage V ds is applied to the drain electrode 7. The electric fields formed in the second nitride semiconductor layer 4 and the first nitride semiconductor layer 3 are distributed not only in the horizontal direction in which the gate electrode 8 is located but also in the vertical direction. As a result, an effect of reducing the concentration of the electric field near the drain end of the gate electrode 8 can be obtained.

高抵抗基板を使用する、横型電界効果トランジスタを高電圧動作する際には、チャネル層中に存在する深い準位に電子の捕獲が生じることに起因して、チャネル層の電位の変動と、それに伴うチャネル狭窄に因って、オン抵抗の増加がしばしば観測される。一方、図15に示す構造の本発明の第3の形態の電界効果トランジスタでは、導電性基板の電位は、ソース電極の電位と等しくなっており、さらに、キャリア(電子または正孔)に対するエネルギー障壁となるバリア層を設けているので、チャネル層中に存在する深い準位に、電子あるいは正孔が捕獲されても、チャネル層自体の電位は、大きく変動することはない。従って、図15に示す構造の本発明の第3の形態の電界効果トランジスタでは、チャネル層の電位の変動と、それに伴うチャネル狭窄に起因する、オン抵抗の増加も回避される。   When a lateral field effect transistor using a high-resistance substrate is operated at a high voltage, the potential of the channel layer varies due to the trapping of electrons in the deep level existing in the channel layer, and An increase in on-resistance is often observed due to the accompanying channel constriction. On the other hand, in the field effect transistor of the third embodiment of the present invention having the structure shown in FIG. 15, the potential of the conductive substrate is equal to the potential of the source electrode, and further, an energy barrier against carriers (electrons or holes). Therefore, even if electrons or holes are trapped in deep levels existing in the channel layer, the potential of the channel layer itself does not vary greatly. Accordingly, in the field effect transistor according to the third embodiment of the present invention having the structure shown in FIG. 15, an increase in on-resistance due to a change in the potential of the channel layer and the accompanying channel constriction can be avoided.

(第5の実施形態)
図15は、第5の実施形態の電界効果トランジスタのデバイス構造を模式的に示す断面図である。この第5の実施形態の電界効果トランジスタは、以下に説明する構造を有している。
(Fifth embodiment)
FIG. 15 is a cross-sectional view schematically showing the device structure of the field effect transistor of the fifth embodiment. The field effect transistor of the fifth embodiment has a structure described below.

基板1として、n型導電性のSi基板を用いている。例えば、(111)面n型Si基板上に、(0001)面成長した、緩衝層2、第4の窒化物半導体層12、第1の窒化物半導体層3、第2の窒化物半導体層4、第3の窒化物半導体層5を順次エピタキシャル成長により形成する。   As the substrate 1, an n-type conductive Si substrate is used. For example, the buffer layer 2, the fourth nitride semiconductor layer 12, the first nitride semiconductor layer 3, and the second nitride semiconductor layer 4 grown on the (111) plane n-type Si substrate and grown on the (0001) plane. The third nitride semiconductor layer 5 is sequentially formed by epitaxial growth.

(111)面n型Si基板上に、例えば、核生成層として、膜厚4nmのAlNバッファ層、引き続き、AlGaN/GaN周期層を1000nm形成し、このAlNバッファ層とAlGaN/GaN周期層を、緩衝層2として利用する。AlGaN/GaN周期層上に、第4の窒化物半導体層12として、Zn−ドープAl0.20Ga0.80N(Al組成0.20)からなる膜厚40nmのp+−AlGaN層を形成する。このバリア層に利用する、p+−AlGaN層中に、添加されるZn濃度は、1019cm-3に選択する。第1の窒化物半導体層3として、膜厚1000nmのGaN層、第2の窒化物半導体層4として、Al0.20Ga0.80N(Al組成0.20)からなる膜厚30nmのAlGaN層を形成する。さらに、第3の窒化物半導体層5として、Zn−ドープAl0.20Ga0.80N(Al組成0.20)からなる膜厚30nmのp+−AlGaN層を形成する。このp+−AlGaN層中に、添加されるZn濃度も、1019cm-3に選択する。 On the (111) plane n-type Si substrate, for example, as a nucleation layer, an AlN buffer layer having a film thickness of 4 nm and subsequently an AlGaN / GaN periodic layer of 1000 nm are formed, and this AlN buffer layer and an AlGaN / GaN periodic layer are formed, Used as the buffer layer 2. On the AlGaN / GaN periodic layer, a p + -AlGaN layer having a thickness of 40 nm made of Zn-doped Al 0.20 Ga 0.80 N (Al composition 0.20) is formed as the fourth nitride semiconductor layer 12. The Zn concentration added to the p + -AlGaN layer used for this barrier layer is selected to be 10 19 cm −3 . A GaN layer having a thickness of 1000 nm is formed as the first nitride semiconductor layer 3, and an AlGaN layer having a thickness of 30 nm made of Al 0.20 Ga 0.80 N (Al composition 0.20) is formed as the second nitride semiconductor layer 4. . Further, as the third nitride semiconductor layer 5, a p + -AlGaN layer having a thickness of 30 nm made of Zn-doped Al 0.20 Ga 0.80 N (Al composition 0.20) is formed. The Zn concentration added to this p + -AlGaN layer is also selected to be 10 19 cm −3 .

ドレイン電極領域をレジストでカバーして、それ以外の領域の第3の窒化物半導体層5をエッチング除去する。このp+−AlGaN層の選択的エッチングには、三塩化ホウ素(BCl3)ガスを主成分としたICPプラズマを利用する。 The drain electrode region is covered with a resist, and the third nitride semiconductor layer 5 in other regions is removed by etching. For the selective etching of the p + -AlGaN layer, ICP plasma mainly composed of boron trichloride (BCl 3 ) gas is used.

露呈されたAlGaN層の表面に形成するソース電極6として、Ti、Al金属を蒸着、リフトオフ工程を用いて形成する。p+−AlGaN層の表面に形成するドレイン電極7として、Ni、Au金属を蒸着、リフトオフ工程を用いて形成する。窒素雰囲気中、650℃で熱処理することにより、オーミック性のコンタクトを形成している。 As the source electrode 6 formed on the surface of the exposed AlGaN layer, Ti and Al metal are formed by vapor deposition and a lift-off process. As the drain electrode 7 formed on the surface of the p + -AlGaN layer, Ni and Au metals are formed by vapor deposition and a lift-off process. An ohmic contact is formed by heat treatment at 650 ° C. in a nitrogen atmosphere.

素子分離を、窒素のイオン注入にて実施する。窒素のイオン注入条件は、厚さ1μmのレジスト膜をマスクとして、加速電圧:100kV,注入密度:4×1014 cm-2を選択している。素子分離の後、プラズマCVD法によりSiN膜200nmを形成する。このSiN膜に、リセス部を形成するための開口部を形成する。リセス部のSiN膜を、開口幅2.0μmで六フッ化イオウ(SF6)ガスを主成分としたICPプラズマを用いて除去する。このSiN膜の開口部に露呈しているAlGaN層を、三塩化ホウ素(BCl3)ガスを主成分としたICPプラズマを用いて、20nmエッチング除去して、リセス部を形成する。従って、リセス部の直下においては、AlGaN層の厚さは、10nmとなる。 Element isolation is performed by nitrogen ion implantation. As the nitrogen ion implantation conditions, an acceleration voltage of 100 kV and an implantation density of 4 × 10 14 cm −2 are selected using a resist film having a thickness of 1 μm as a mask. After element isolation, a 200 nm SiN film is formed by plasma CVD. An opening for forming a recess is formed in the SiN film. The SiN film in the recess portion is removed using ICP plasma whose opening width is 2.0 μm and whose main component is sulfur hexafluoride (SF 6 ) gas. The AlGaN layer exposed in the opening of the SiN film is etched away by 20 nm using ICP plasma mainly composed of boron trichloride (BCl 3 ) gas to form a recess. Therefore, immediately below the recess portion, the thickness of the AlGaN layer is 10 nm.

その後、ゲート絶縁膜として、例えば、プラズマCVD法によりSiN膜を20nm形成する。リセス部の側壁を被覆する、SiN膜の膜厚は、20nmとなっている。なお、リセス部の深さ20nmと、SiN膜の膜厚20nmが等しいため、リセス部の底面を被覆するSiN膜の表面と、リセス部以外のAlGaN層の表面は、同じレベルに位置している。   Thereafter, as the gate insulating film, a SiN film is formed to a thickness of 20 nm, for example, by plasma CVD. The thickness of the SiN film covering the side wall of the recess is 20 nm. Since the depth of the recess portion is 20 nm and the thickness of the SiN film is 20 nm, the surface of the SiN film covering the bottom surface of the recess portion and the surface of the AlGaN layer other than the recess portion are located at the same level. .

ゲート電極8を、例えば、Ni20nm,Au200nmを蒸着、リフトオフして形成する。その際、リセス部に、ゲート絶縁膜を介して、埋め込むように形成されているゲート電極8は、(2.0μm−2×20nm)に相当するゲート長を有する。   The gate electrode 8 is formed by evaporating and lifting off, for example, Ni 20 nm and Au 200 nm. At that time, the gate electrode 8 formed so as to be embedded in the recess portion through the gate insulating film has a gate length corresponding to (2.0 μm−2 × 20 nm).

なお、リフトオフにより形成される電極の幅は、2.0μmに選択されている。従って、リセス部以外のAlGaN層の表面は、この電極によって被覆されていない状態となっている。すなわち、リセス部のドレイン電極7側には、フィールドプレート電極に相当する構造は設けられていない。   The width of the electrode formed by lift-off is selected to be 2.0 μm. Therefore, the surface of the AlGaN layer other than the recess is not covered with this electrode. That is, no structure corresponding to the field plate electrode is provided on the drain electrode 7 side of the recess.

また、リセス部のドレイン電極7側の端から、第3の窒化物半導体層5のゲート電極側の端までの幅は、10μmに選択している。第3の窒化物半導体層5自体の幅は、100μmに選択している。リセス部のドレイン電極7側の端から、ドレイン電極7のゲート電極側の端までの幅は、15μmに選択している。一方、リセス部のソース電極6側の端から、ソース電極6のゲート電極側の端までの幅は、1μmに選択している。   The width from the end of the recess portion on the drain electrode 7 side to the end of the third nitride semiconductor layer 5 on the gate electrode side is selected to be 10 μm. The width of the third nitride semiconductor layer 5 itself is selected to be 100 μm. The width from the end of the recess portion on the drain electrode 7 side to the end of the drain electrode 7 on the gate electrode side is selected to be 15 μm. On the other hand, the width from the end of the recess portion on the source electrode 6 side to the end of the source electrode 6 on the gate electrode side is selected to be 1 μm.

リセス部の底面において、ゲート電極8の直下のAlGaN層の厚さと、ゲート長の比率は、(2.0μm−2×20nm)/10nmである。   On the bottom surface of the recess portion, the ratio of the thickness of the AlGaN layer immediately below the gate electrode 8 to the gate length is (2.0 μm−2 × 20 nm) / 10 nm.

また、n型導電性のSi基板1と、ソース電極6との間の接続には、下記のビア・ホール接続を利用している。n型Si基板1の裏面から、ソース電極6に向けて、直径80μmの貫通孔を六フッ化イオウ(SF6)ガスを主成分としたICPプラズマを形成する。この直径80μm、深さ200μmの貫通孔に、Auをメッキすることにより、ビア・ホール接続を行っている。 Further, the following via-hole connection is used for the connection between the n-type conductive Si substrate 1 and the source electrode 6. An ICP plasma mainly composed of sulfur hexafluoride (SF 6 ) gas is formed from the back surface of the n-type Si substrate 1 toward the source electrode 6 through a through hole having a diameter of 80 μm. Via holes are connected to the through holes having a diameter of 80 μm and a depth of 200 μm by plating with Au.

n型Si基板1の裏面には、Ti/Alからなるオーミック性の裏面電極が形成されている。また、貫通孔の側壁面には、基板1、緩衝層2、第4の窒化物半導体層12、第1の窒化物半導体層3、第2の窒化物半導体層4、第3の窒化物半導体層5の側端面が露呈している。Auメッキ膜と、前記基板1、緩衝層2、第4の窒化物半導体層12、第1の窒化物半導体層3、第2の窒化物半導体層4、第3の窒化物半導体層5の側端面とが、直接電気的に接することを防止するため、貫通孔の側壁面は、スパッタ法で形成されたTi/Pt/Au膜で被覆する構造を採用している。   On the back surface of the n-type Si substrate 1, an ohmic back electrode made of Ti / Al is formed. Further, the substrate 1, the buffer layer 2, the fourth nitride semiconductor layer 12, the first nitride semiconductor layer 3, the second nitride semiconductor layer 4, and the third nitride semiconductor are formed on the side wall surface of the through hole. The side end surface of the layer 5 is exposed. Au plating film, substrate 1, buffer layer 2, fourth nitride semiconductor layer 12, first nitride semiconductor layer 3, second nitride semiconductor layer 4, third nitride semiconductor layer 5 side In order to prevent the end surface from being in direct electrical contact, a structure in which the side wall surface of the through hole is covered with a Ti / Pt / Au film formed by a sputtering method is employed.

対比のため、図1に例示する構造を有する、本発明の第1の形態の電界効果トランジスタを、以下の手順で作製する。   For comparison, the field effect transistor according to the first embodiment of the present invention having the structure illustrated in FIG. 1 is manufactured by the following procedure.

図1に例示する構造を有する、本発明の第1の形態の電界効果トランジスタは、上記の第5の実施形態の電界効果トランジスタに対して、次の点を変更した構造となっている。基板1として、(111)面n型Si基板に代えて、(111)面高抵抗Si基板を利用している。また、第4の窒化物半導体層12として利用する、Zn−ドープAl0.20Ga0.80N(Al組成0.20)からなる膜厚40nmのp+−AlGaN層を有していない。従って、基板1の表面に、緩衝層2を介して、第1の窒化物半導体層3が形成されている。 The field effect transistor according to the first embodiment of the present invention having the structure illustrated in FIG. 1 has a structure in which the following points are changed with respect to the field effect transistor according to the fifth embodiment. As the substrate 1, a (111) plane high-resistance Si substrate is used instead of the (111) plane n-type Si substrate. Further, the p + -AlGaN layer made of Zn-doped Al 0.20 Ga 0.80 N (Al composition 0.20) and having a thickness of 40 nm is not used as the fourth nitride semiconductor layer 12. Therefore, the first nitride semiconductor layer 3 is formed on the surface of the substrate 1 via the buffer layer 2.

なお、高抵抗Si基板の裏面と、ソース電極6とは、上記の第5の実施形態の電界効果トランジスタと同様に、ビア・ホール接続を行っている。すなわち、高抵抗Si基板の裏面に裏面電極を設け、ソース電極6と電気的に接続し、同電位としている。   Note that the back surface of the high-resistance Si substrate and the source electrode 6 are via-hole connected in the same manner as the field effect transistor of the fifth embodiment. That is, a back electrode is provided on the back surface of the high-resistance Si substrate and is electrically connected to the source electrode 6 so as to have the same potential.

第5の実施形態の電界効果トランジスタと、前記の図1の構造を有する、本発明の第1の形態の電界効果トランジスタについて測定される、オン抵抗のドレイン・ストレス電圧依存性を対比して、図16に示す。   Contrast the drain-stress voltage dependence of on-resistance measured for the field-effect transistor of the fifth embodiment and the field-effect transistor of the first embodiment of the present invention having the structure of FIG. As shown in FIG.

このオン抵抗のドレイン・ストレス電圧依存性の測定は、下記の条件で実施する。ゲート電圧Vgs=0Vの「OFF状態」において、ドレイン電極7に印加するドレイン電圧Vdsとして、パルス幅(ストレス時間)20msecのパルス状のドレイン・ストレス電圧を、繰り返し周期100msecで、延べ1sec間印加する。その後、オン抵抗を、ゲート電圧Vgs=8Vの「ON状態」において、ドレイン電圧Vds=10Vにおける、ドレイン電流密度Id(A/mm)の測定値から、ΔVds/ΔIdとして、算出する。 This drain resistance stress voltage measurement of on-resistance is carried out under the following conditions. In the “OFF state” where the gate voltage V gs = 0 V, a pulse-like drain stress voltage having a pulse width (stress time) of 20 msec is applied as the drain voltage V ds to the drain electrode 7 with a repetition period of 100 msec for a total of 1 sec. Apply. Thereafter, the on-resistance, the "ON state" of the gate voltage V gs = 8V, the drain voltage V ds = 10V, from the measured value of the drain current density I d (A / mm), as [Delta] V ds / [Delta] I d, is calculated To do.

前記の図1の構造を有する、本発明の第1の形態の電界効果トランジスタは、前記のオン抵抗のドレイン・ストレス電圧依存性の測定条件においては、ドレイン・ストレス電圧が80Vを超えると、オン抵抗の急激な増加を示している。それに対して、第5の実施形態の電界効果トランジスタは、前記のオン抵抗のドレイン・ストレス電圧依存性の測定条件においては、ドレイン・ストレス電圧が200V以下の範囲では、オン抵抗の急激な増加を示していない。   The field effect transistor according to the first embodiment of the present invention having the structure shown in FIG. 1 is turned on when the drain stress voltage exceeds 80 V under the above-described measurement condition of the drain stress voltage dependency of the on resistance. It shows a rapid increase in resistance. On the other hand, the field effect transistor of the fifth embodiment exhibits a rapid increase in on-resistance when the drain-stress voltage is in a range of 200 V or less under the above-described measurement condition of the drain-stress voltage dependence of on-resistance. Not shown.

図15に示す第5の実施形態の電界効果トランジスタは、電力制御用デバイスに要求される、高いドレイン電流密度、正のゲート電圧10V印加時の低いゲート電流密度の二つの条件を満たしている。さらに、ゲート電圧Vgs=0Vの「OFF状態」において、200Vの高いドレイン・ストレス電圧を印加しても、「ON状態」のオン抵抗は低く保たれている。従って、高いドレイン電圧Vdsを用いて、高電圧動作する際にも、低損失動作可能な電力制御用デバイスとして利用可能である。 The field effect transistor according to the fifth embodiment shown in FIG. 15 satisfies the two conditions required for the power control device: a high drain current density and a low gate current density when a positive gate voltage of 10 V is applied. Further, in the “OFF state” where the gate voltage V gs = 0V, even when a high drain stress voltage of 200 V is applied, the ON resistance in the “ON state” is kept low. Therefore, even when a high voltage operation is performed using a high drain voltage V ds , it can be used as a power control device capable of low loss operation.

第5の実施形態の電界効果トランジスタでは、基板として、n型導電性の(111)面Si基板を用いて、その上に、(0001)面成長したIII族窒化物のエピタキシャル膜を利用して、デバイスを作製している。その表面に、(0001)面成長したIII族窒化物のエピタキシャル膜を形成でき、n型導電性の基板であれば、(111)面n型Si基板に代えて、SiCのn型導電性基板、ZrBのn型導電性基板等を利用することができる。   In the field effect transistor of the fifth embodiment, an n-type conductive (111) plane Si substrate is used as a substrate, and a (0001) plane grown III-nitride epitaxial film is used thereon. , Making devices. A (0001) -plane-grown III nitride epitaxial film can be formed on the surface, and if it is an n-type conductive substrate, an SiC n-type conductive substrate instead of the (111) -plane n-type Si substrate ZrB n-type conductive substrate or the like can be used.

さらに、n型導電性基板に代えて、p型導電性基板を利用する際には、第4の窒化物半導体層12として、Zn−ドープAl0.20Ga0.80N(Al組成0.20)からなる膜厚40nmのp+−AlGaN層に代えて、膜厚40nmのAl0.30Ga0.70N(Al組成0.30)層を用いることで、同等の特性を達成することができる。その際、その表面に、(0001)面成長したIII族窒化物のエピタキシャル膜を形成でき、低抵抗のp型導電性の基板であれば、p型Si基板、SiCのp型導電性基板、ZrBのp型導電性基板等を利用することもできる。 Further, when a p-type conductive substrate is used instead of the n-type conductive substrate, the fourth nitride semiconductor layer 12 is made of Zn-doped Al 0.20 Ga 0.80 N (Al composition 0.20). By using an Al 0.30 Ga 0.70 N (Al composition 0.30) layer having a thickness of 40 nm instead of the p + -AlGaN layer having a thickness of 40 nm, equivalent characteristics can be achieved. At that time, a (0001) plane-grown group III nitride epitaxial film can be formed on the surface, and a p-type Si substrate, a p-type conductive substrate of SiC, if it is a low-resistance p-type conductive substrate, A ZrB p-type conductive substrate or the like can also be used.

本発明は、電力制御用デバイスに適用可能なノーマリ・オフ型電界効果トランジスタの作製に利用できる。   The present invention can be used to manufacture a normally-off type field effect transistor applicable to a power control device.

本発明の第1の形態の電界効果トランジスタの構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the field effect transistor of the 1st form of this invention. 本発明の第1の形態の電界効果トランジスタにおいて、そのドレイン電極付近のエネルギーバンド図を模式的に示す図である。In the field effect transistor of the 1st form of this invention, it is a figure which shows typically the energy band figure of the drain electrode vicinity. 本発明の第1の形態の電界効果トランジスタにおいて、ゲート電圧Vgs=0V、ドレイン電圧Vds=100Vを印加する際、トランジスタ内部に形成される横方向の電位分布、電子・正孔分布、ならびに正孔濃度分布を模式的に示す断面図である。In the field effect transistor according to the first aspect of the present invention, when a gate voltage V gs = 0 V and a drain voltage V ds = 100 V are applied, a lateral potential distribution, an electron / hole distribution formed inside the transistor, and It is sectional drawing which shows hole concentration distribution typically. 本発明にかかる第1の実施形態の電界効果トランジスタの構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the field effect transistor of 1st Embodiment concerning this invention. 従来のMIS型ノーマリ・オフ・電界効果トランジスタの構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the conventional MIS type | mold normally-off and a field effect transistor. 従来のp+ゲート・ノーマリ・オフ・電界効果トランジスタの構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the conventional p <+> gate * normally * off * field effect transistor. 本発明の第1の形態の電界効果トランジスタと、従来のMIS型ノーマリ・オフ・電界効果トランジスタ、p+ゲート・ノーマリ・オフ・電界効果トランジスタにおける、ドレイン電流のゲート電圧に対する依存性(Id−Vgs特性)を対比して示す図である。Dependence of drain current on gate voltage (I d − in the field effect transistor according to the first embodiment of the present invention, the conventional MIS type normally-off field-effect transistor, and the p + gate, normally-off, field-effect transistor ) It is a figure which compares and shows ( Vgs characteristic). 本発明の第1の形態の電界効果トランジスタと、従来のMIS型ノーマリ・オフ・電界効果型トランジスタ、p+ゲート・ノーマリ・オフ・電界効果型トランジスタにおける、ゲート電流のゲート電圧に対する依存性(ゲートリーク電流特性)を対比して示す図である。In the field effect transistor according to the first embodiment of the present invention, the conventional MIS type normally-off / field-effect transistor, and p + gate / normally-off / field-effect transistor, the dependence of the gate current on the gate voltage (gate FIG. 6 is a diagram showing a comparison of leakage current characteristics). 本発明にかかる第2の実施形態の電界効果トランジスタの構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the field effect transistor of 2nd Embodiment concerning this invention. 本発明にかかる第3の実施形態の電界効果トランジスタの構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the field effect transistor of 3rd Embodiment concerning this invention. 本発明の第2の形態の電界効果トランジスタの特徴的構造を模式的に示す平面図と断面図である。It is the top view and sectional drawing which show typically the characteristic structure of the field effect transistor of the 2nd form of this invention. 本発明の第2の形態の電界効果トランジスタにおいて、その特徴的構造のドレイン電極付近のエネルギーバンド図を模式的に示す図である。In the field effect transistor of the 2nd form of this invention, it is a figure which shows typically the energy band figure of the drain electrode vicinity of the characteristic structure. 本発明にかかる第4の実施形態の電界効果トランジスタの構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the field effect transistor of 4th Embodiment concerning this invention. 図1に示す構造を有する、本発明の第1の形態の電界効果トランジスタと、本発明にかかる第4の実施形態の電界効果トランジスタにおける、ドレイン電流−ドレイン電圧特性(Id−Vds特性)を対比して示す図である。Drain current-drain voltage characteristics (I d -V ds characteristics) in the field effect transistor according to the first embodiment of the present invention and the field effect transistor according to the fourth embodiment having the structure shown in FIG. It is a figure which compares and shows. 本発明の第3の形態の電界効果型トランジスタの構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the field effect transistor of the 3rd form of this invention. 図1に示す構造を有する、本発明にかかる第1の形態の電界効果型トランジスタと、本発明にかかる第5の実施形態の電界効果型トランジスタにおける、オン抵抗のドレイン・ストレス電圧印加による劣化特性を対比して示す図である。Deterioration characteristics of on-resistance due to application of drain stress voltage in the field effect transistor of the first embodiment according to the present invention and the field effect transistor of the fifth embodiment according to the present invention having the structure shown in FIG. It is a figure which compares and shows.

符号の説明Explanation of symbols

1…基板(SiC,サファイア,Si等)
2…緩衝層
3…第1の窒化物半導体層
4…第2の窒化物半導体層
5…第3の窒化物半導体層
6…ソース電極
7…ドレイン電極
8…ゲート電極
9…絶縁膜
10…正孔
11…電子
12…第4の窒化物半導体層
1 ... Substrate (SiC, sapphire, Si, etc.)
2 ... buffer layer 3 ... first nitride semiconductor layer 4 ... second nitride semiconductor layer 5 ... third nitride semiconductor layer 6 ... source electrode 7 ... drain electrode 8 ... gate electrode 9 ... insulating film 10 ... positive Hole 11 ... Electron 12 ... Fourth nitride semiconductor layer

Claims (19)

電子を、ゲート電極直下のチャネル領域を走行するキャリアとするノーマリ・オフ型窒化物半導体トランジスタにおいて、
該窒化物半導体トランジスタは、
ゲート電極と窒化物半導体の界面に絶縁膜を挿入したMIS構造を有する電界効果トランジスタであり、
基板、
該基板上に成長により形成される緩衝層、
前記緩衝層上にエピタキシャル成長により形成される、
キャリアが走行する第1の窒化物半導体層、
電子を供給する第2の窒化物半導体層、
ドレイン電極とその周辺部領域にのみ、p型の導電性を有する第3の窒化物半導体層を配置し、
ドレイン電極は、前記p型の導電性を有する第3の窒化物半導体層とオーミック接触をしており、
ソース電極は、電子を供給する第2の窒化物半導体層とオーミック接触をしている
ことを特徴とするトランジスタ。
In a normally-off type nitride semiconductor transistor in which electrons are carriers that run in the channel region directly under the gate electrode,
The nitride semiconductor transistor is
A field effect transistor having a MIS structure in which an insulating film is inserted at an interface between a gate electrode and a nitride semiconductor;
substrate,
A buffer layer formed by growth on the substrate;
Formed by epitaxial growth on the buffer layer;
A first nitride semiconductor layer on which carriers travel;
A second nitride semiconductor layer for supplying electrons;
A third nitride semiconductor layer having p-type conductivity is disposed only in the drain electrode and its peripheral region,
The drain electrode is in ohmic contact with the third nitride semiconductor layer having p-type conductivity,
The transistor is characterized in that the source electrode is in ohmic contact with the second nitride semiconductor layer that supplies electrons.
電子を、ゲート電極直下のチャネル領域を走行するキャリアとするノーマリ・オフ型窒化物半導体トランジスタにおいて、
該窒化物半導体トランジスタは、
ゲート電極と窒化物半導体の界面に絶縁膜を挿入したMIS構造を有する電界効果トランジスタであり、
基板、
該基板上に成長により形成される緩衝層、
前記緩衝層上にエピタキシャル成長により形成される、
キャリアが走行する第1の窒化物半導体層、
電子を供給する第2の窒化物半導体層、
ドレイン電極とその周辺部領域の一部に、p型の導電性を有する第3の窒化物半導体層を配置し、
ドレイン電極は、前記p型の導電性を有する第3の窒化物半導体層、および、電子を供給する第2の窒化物半導体層と接触しており、
ソース電極は、電子を供給する第2の窒化物半導体層とオーミック接触をしている
ことを特徴とする窒化物半導体トランジスタ。
In a normally-off type nitride semiconductor transistor in which electrons are carriers that run in the channel region directly under the gate electrode,
The nitride semiconductor transistor is
A field effect transistor having a MIS structure in which an insulating film is inserted at an interface between a gate electrode and a nitride semiconductor;
substrate,
A buffer layer formed by growth on the substrate;
Formed by epitaxial growth on the buffer layer;
A first nitride semiconductor layer on which carriers travel;
A second nitride semiconductor layer for supplying electrons;
A third nitride semiconductor layer having p-type conductivity is disposed on the drain electrode and a part of its peripheral region;
The drain electrode is in contact with the third nitride semiconductor layer having p-type conductivity and the second nitride semiconductor layer supplying electrons,
The nitride semiconductor transistor, wherein the source electrode is in ohmic contact with the second nitride semiconductor layer that supplies electrons.
電子を、ゲート電極直下のチャネル領域を走行するキャリアとするノーマリ・オフ型窒化物半導体トランジスタにおいて、
該窒化物半導体トランジスタは、
ゲート電極と窒化物半導体の界面に絶縁膜を挿入したMIS構造を有する電界効果トランジスタであり、
導電性の基板、
該導電性の基板上に成長により形成される緩衝層、
前記緩衝層上にエピタキシャル成長により形成される、
電子または正孔に対するエネルギー障壁を形成する第4の窒化物半導体層、
キャリアが走行する第1の窒化物半導体層、
電子を供給する第2の窒化物半導体層、
ドレイン電極とその周辺部領域にのみ、p型の導電性を有する第3の窒化物半導体層を配置し、
ドレイン電極は、前記p型の導電性を有する第3の窒化物半導体層とオーミック接触をしており、
ソース電極は、電子を供給する第2の窒化物半導体層とオーミック接触をしており、
ソース電極と導電性の基板は、電気的に接続されている
ことを特徴とする窒化物半導体トランジスタ。
In a normally-off type nitride semiconductor transistor in which electrons are carriers that run in the channel region directly under the gate electrode,
The nitride semiconductor transistor is
A field effect transistor having a MIS structure in which an insulating film is inserted at an interface between a gate electrode and a nitride semiconductor;
Conductive substrate,
A buffer layer formed by growth on the conductive substrate;
Formed by epitaxial growth on the buffer layer;
A fourth nitride semiconductor layer that forms an energy barrier against electrons or holes;
A first nitride semiconductor layer on which carriers travel;
A second nitride semiconductor layer for supplying electrons;
A third nitride semiconductor layer having p-type conductivity is disposed only in the drain electrode and its peripheral region,
The drain electrode is in ohmic contact with the third nitride semiconductor layer having p-type conductivity,
The source electrode is in ohmic contact with the second nitride semiconductor layer that supplies electrons,
A nitride semiconductor transistor, wherein a source electrode and a conductive substrate are electrically connected.
ゲート電極と窒化物半導体の界面に絶縁膜を挿入したMIS構造は、
窒化物半導体上に、形成される、絶縁材料からなる絶縁膜と、
該絶縁膜上に形成されるゲート電極で構成されている
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の窒化物半導体トランジスタ。
The MIS structure in which an insulating film is inserted at the interface between the gate electrode and the nitride semiconductor is
An insulating film made of an insulating material and formed on the nitride semiconductor;
The nitride semiconductor transistor according to claim 1, comprising a gate electrode formed on the insulating film.
ゲート電極と窒化物半導体の界面に絶縁膜を挿入したMIS構造は、
前記第2の窒化物半導体層上に、形成される、絶縁材料からなる絶縁膜と、
該絶縁膜上に形成されるゲート電極で構成され、
該ゲート電極の下に配置される前記第2の窒化物半導体層は、フッ素原子が添加されたフッ素原子含有領域を有し、
前記第2の窒化物半導体層のフッ素原子含有領域は、面密度として、1×1013cm-2程度のフッ素原子を含む
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の窒化物半導体トランジスタ。
The MIS structure in which an insulating film is inserted at the interface between the gate electrode and the nitride semiconductor is
An insulating film made of an insulating material, formed on the second nitride semiconductor layer;
The gate electrode is formed on the insulating film,
The second nitride semiconductor layer disposed under the gate electrode has a fluorine atom-containing region to which fluorine atoms are added,
4. The fluorine atom-containing region of the second nitride semiconductor layer includes a fluorine atom having a surface density of about 1 × 10 13 cm −2 . 5. Nitride semiconductor transistor.
ゲート電極と窒化物半導体の界面に絶縁膜を挿入したMIS構造は、
ゲート電極の直下の第2の窒化物半導体層部分に、選択的に成長されるアンドープの窒化物半導体層と、
該アンドープの窒化物半導体層の表面を覆うように形成される、絶縁材料からなる絶縁膜と、
該絶縁膜上に形成されるゲート電極で構成され、
前記第2の窒化物半導体層とアンドープの窒化物半導体層の界面には、負の分極電荷が発生している
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の窒化物半導体トランジスタ。
The MIS structure in which an insulating film is inserted at the interface between the gate electrode and the nitride semiconductor is
An undoped nitride semiconductor layer selectively grown on a portion of the second nitride semiconductor layer immediately below the gate electrode;
An insulating film formed of an insulating material so as to cover the surface of the undoped nitride semiconductor layer;
The gate electrode is formed on the insulating film,
4. The nitride semiconductor according to claim 1, wherein negative polarization charges are generated at an interface between the second nitride semiconductor layer and the undoped nitride semiconductor layer. 5. Transistor.
前記p型の導電性を有する第3の窒化物半導体層は、電子を供給する第2の窒化物半導体層の表面に形成され、
前記p型の導電性を有する第3の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層との接合は、p+n接合またはp+i接合を構成している
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の窒化物半導体トランジスタ。
The third nitride semiconductor layer having p-type conductivity is formed on the surface of the second nitride semiconductor layer that supplies electrons,
The junction between the third nitride semiconductor layer having the p-type conductivity and the second nitride semiconductor layer constitutes a p + n junction or a p + i junction. The nitride semiconductor transistor as described in any one of -6.
電子を供給する第2の窒化物半導体層は、キャリアが走行する第1の窒化物半導体層の表面に形成され、
電子を供給する第2の窒化物半導体層とキャリアが走行する第1の窒化物半導体層との接合面は、ヘテロ接合界面を構成している
ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の窒化物半導体トランジスタ。
The second nitride semiconductor layer that supplies electrons is formed on the surface of the first nitride semiconductor layer in which carriers travel,
8. The junction surface between the second nitride semiconductor layer that supplies electrons and the first nitride semiconductor layer in which carriers travel forms a heterojunction interface. The nitride semiconductor transistor according to one item.
電子または正孔に対するエネルギー障壁を形成する第4の窒化物半導体層は、緩衝層の表面に形成され、
キャリアが走行する第1の窒化物半導体層は、第4の窒化物半導体層の表面に形成され、
第1の窒化物半導体層/第4の窒化物半導体層/緩衝層の積層構造において、
第4の窒化物半導体層は、
導電性の基板中の導電性を決定するキャリアである、電子また正孔に対して、緩衝層から第1の窒化物半導体層への注入経路における、エネルギー障壁を形成する
ことを特徴とする請求項3に記載の窒化物半導体トランジスタ。
A fourth nitride semiconductor layer that forms an energy barrier against electrons or holes is formed on the surface of the buffer layer;
The first nitride semiconductor layer in which carriers travel is formed on the surface of the fourth nitride semiconductor layer,
In the stacked structure of the first nitride semiconductor layer / the fourth nitride semiconductor layer / the buffer layer,
The fourth nitride semiconductor layer is
An energy barrier is formed in an injection path from the buffer layer to the first nitride semiconductor layer for electrons and holes, which are carriers that determine conductivity in the conductive substrate. Item 4. The nitride semiconductor transistor according to Item 3.
前記導電性の基板は、n型導電性の基板であり、
電子または正孔に対するエネルギー障壁を形成する第4の窒化物半導体層は、電子に対するエネルギー障壁を形成する窒化物半導体層である
ことを特徴とする請求項3または9に記載の窒化物半導体トランジスタ。
The conductive substrate is an n-type conductive substrate,
The nitride semiconductor transistor according to claim 3 or 9, wherein the fourth nitride semiconductor layer forming an energy barrier against electrons or holes is a nitride semiconductor layer forming an energy barrier against electrons.
前記導電性の基板は、p型導電性の基板であり、
電子または正孔に対するエネルギー障壁を形成する第4の窒化物半導体層は、正孔に対するエネルギー障壁を形成する窒化物半導体層である
ことを特徴とする請求項3または9に記載の窒化物半導体トランジスタ。
The conductive substrate is a p-type conductive substrate,
The nitride semiconductor transistor according to claim 3 or 9, wherein the fourth nitride semiconductor layer forming an energy barrier against electrons or holes is a nitride semiconductor layer forming an energy barrier against holes. .
前記導電性の基板の裏面には、裏面電極が形成されており、
ソース電極と、導電性の基板の裏面電極とが電気的に接続されている
ことを特徴とする請求項3、9または10いずれか一項に記載の窒化物半導体トランジスタ。
A back electrode is formed on the back surface of the conductive substrate,
11. The nitride semiconductor transistor according to claim 3, wherein the source electrode is electrically connected to the back electrode of the conductive substrate.
前記基板は、高抵抗基板である
ことを特徴とする請求項1または2に記載の窒化物半導体トランジスタ。
The nitride semiconductor transistor according to claim 1, wherein the substrate is a high resistance substrate.
ドレイン電極は、前記p型の導電性を有する第3の窒化物半導体層とオーミック接触をしており、
ドレイン電極は、電子を供給する第2の窒化物半導体層と接触して、ショットキー接合を形成している
ことを特徴とする請求項2に記載の窒化物半導体トランジスタ。
The drain electrode is in ohmic contact with the third nitride semiconductor layer having p-type conductivity,
3. The nitride semiconductor transistor according to claim 2, wherein the drain electrode is in contact with the second nitride semiconductor layer that supplies electrons to form a Schottky junction.
前記p型の導電性を有する第3の窒化物半導体層は、電子を供給する第2の窒化物半導体層の表面に形成され、
電子を供給する第2の窒化物半導体層は、キャリアが走行する第1の窒化物半導体層の表面に形成され、
前記p型の導電性を有する第3の窒化物半導体層/第2の窒化物半導体層/第1の窒化物半導体層の積層構造は、p+n接合またはp+in接合を構成しており、
該p+n接合またはp+in接合によって形成されている、ビルト・イン・ポテンシャルは、1.76eV〜5.0eVの範囲である
ことを特徴とする請求項7に記載の窒化物半導体トランジスタ。
The third nitride semiconductor layer having p-type conductivity is formed on the surface of the second nitride semiconductor layer that supplies electrons,
The second nitride semiconductor layer that supplies electrons is formed on the surface of the first nitride semiconductor layer in which carriers travel,
The stacked structure of the third nitride semiconductor layer / second nitride semiconductor layer / first nitride semiconductor layer having p-type conductivity constitutes a p + n junction or a p + in junction. ,
8. The nitride semiconductor transistor according to claim 7, wherein the built-in potential formed by the p + n junction or the p + in junction is in the range of 1.76 eV to 5.0 eV.
ドレイン電極と電子を供給する第2の窒化物半導体層との接触により形成される、ショットキー接合の障壁高さは、0.3eV〜1.5eVの範囲である
ことを特徴とする請求項14に記載の窒化物半導体トランジスタ。
The barrier height of the Schottky junction formed by the contact between the drain electrode and the second nitride semiconductor layer for supplying electrons is in the range of 0.3 eV to 1.5 eV. The nitride semiconductor transistor described in 1.
電子を供給する第2の窒化物半導体層とキャリアが走行する第1の窒化物半導体層との接合面に形成される、ヘテロ接合界面には、
第2の窒化物半導体層と第1の窒化物半導体層と間の伝導帯端エネルギーの不連続により、伝導帯にポテンシャル障壁が形成され、
該へテロ接合界面において、伝導帯に形成されるポテンシャル障壁は、0.13eV〜0.77eVの範囲である
ことを特徴とする請求項8に記載の窒化物半導体トランジスタ。
In the heterojunction interface formed at the junction surface between the second nitride semiconductor layer that supplies electrons and the first nitride semiconductor layer in which carriers travel,
Due to the discontinuity of the conduction band edge energy between the second nitride semiconductor layer and the first nitride semiconductor layer, a potential barrier is formed in the conduction band,
9. The nitride semiconductor transistor according to claim 8, wherein a potential barrier formed in the conduction band at the heterojunction interface is in a range of 0.13 eV to 0.77 eV.
電子を供給する第2の窒化物半導体層とキャリアが走行する第1の窒化物半導体層との接合面に形成される、ヘテロ接合界面には、
第2の窒化物半導体層と第1の窒化物半導体層と間の価電子帯端エネルギーの不連続により、価電子帯にポテンシャル障壁が形成され、
該へテロ接合界面において、価電子帯に形成されるポテンシャル障壁は、0.05eV〜0.33eVの範囲である
ことを特徴とする請求項8に記載の窒化物半導体トランジスタ。
In the heterojunction interface formed at the junction surface between the second nitride semiconductor layer that supplies electrons and the first nitride semiconductor layer in which carriers travel,
Due to the discontinuity of the valence band edge energy between the second nitride semiconductor layer and the first nitride semiconductor layer, a potential barrier is formed in the valence band,
The nitride semiconductor transistor according to claim 8, wherein a potential barrier formed in a valence band at the heterojunction interface is in a range of 0.05 eV to 0.33 eV.
基板上にエピタキシャル成長により形成される、窒化物半導体層は、
(0001)面成長している
ことを特徴とする請求項1〜18のいずれか一項に記載の窒化物半導体トランジスタ。
A nitride semiconductor layer formed by epitaxial growth on a substrate is
The nitride semiconductor transistor according to claim 1, wherein the nitride semiconductor transistor is grown in (0001) plane.
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