JP5396911B2 - Compound semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、化合物半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a compound semiconductor device and a manufacturing method thereof.

近年、窒化物系化合物半導体の高い飽和電子速度及び広いバンドギャップ等の特徴を利用した、高耐圧・高出力の化合物半導体装置の開発が活発に行われている。例えば、高電子移動度トランジスタ(HEMT:high electron mobility transistor)等の電界効果トランジスタの開発が行われている。その中でも、特にAlGaN層を電子供給層として含むGaN系HEMTが注目されている。このようなGaN系HEMTでは、AlGaNとGaNとの格子定数の差に起因する歪みがAlGaN層に生じ、この歪みに伴ってピエゾ分極が生じ、高濃度の二次元電子ガスがAlGaN層下のGaN層の上面近傍に発生する。このため、高い出力が得られるのである。   In recent years, a compound semiconductor device having a high withstand voltage and a high output has been actively developed using characteristics of a nitride compound semiconductor such as a high saturation electron velocity and a wide band gap. For example, field effect transistors such as a high electron mobility transistor (HEMT) have been developed. Among these, GaN-based HEMTs that include an AlGaN layer as an electron supply layer have attracted attention. In such a GaN-based HEMT, a strain caused by the difference in lattice constant between AlGaN and GaN is generated in the AlGaN layer, piezo-polarization occurs along with this strain, and a high-concentration two-dimensional electron gas is formed in the GaN under the AlGaN layer. Occurs near the top surface of the layer. For this reason, a high output can be obtained.

しかし、化合物半導体装置には、電極を構成する金属と化合物半導体との間のコンタクト抵抗が高いという問題がある。特に、上記のようなGaN系HEMTでは、AlGaN層がGaN層と金属電極との間に介在し、AlGaNのバンドギャップはGaNのそれよりも広い。このため、AlGaN層が障壁として機能してしまい、コンタクト抵抗が10-5Ωcm-2台よりも大きくなっている。 However, the compound semiconductor device has a problem that contact resistance between the metal constituting the electrode and the compound semiconductor is high. In particular, in the GaN-based HEMT as described above, an AlGaN layer is interposed between the GaN layer and the metal electrode, and the band gap of AlGaN is wider than that of GaN. For this reason, the AlGaN layer functions as a barrier, and the contact resistance is larger than 10 −5 Ωcm −2 .

電子走行層及び電子供給層の表面をN極性である(000−1)面とした反転型HEMTによれば、コンタクト抵抗を10-6Ωcm-2台まで低減させることができる。これは、(000−1)面ではピエゾ分極及び自発分極の方向が(0001)面とは逆向きになり、二次元電子ガスがAlGaN層上に位置するGaN層の下面近傍に発生するためである。即ち、AlGaN層のバンドギャップの影響を受けず、また二次元電子ガスと金属電極との距離が小さくなるため、コンタクト抵抗が小さくなるのである。 According to the inversion HEMT in which the surface of the electron transit layer and the electron supply layer has an N polarity (000-1) plane, the contact resistance can be reduced to 10 −6 Ωcm −2 units. This is because the direction of piezo polarization and spontaneous polarization in the (000-1) plane is opposite to that in the (0001) plane, and a two-dimensional electron gas is generated near the lower surface of the GaN layer located on the AlGaN layer. is there. That is, it is not affected by the band gap of the AlGaN layer, and the distance between the two-dimensional electron gas and the metal electrode is reduced, so that the contact resistance is reduced.

しかしながら、表面が(000−1)面のGaN層及びAlGaN層には残留キャリアが導入されやすい。このため、コンタクト抵抗を低減できても、高い出力を得にくくなってしまう。   However, residual carriers are easily introduced into the GaN layer and the AlGaN layer whose surface is the (000-1) plane. For this reason, even if the contact resistance can be reduced, it is difficult to obtain a high output.

また、反転型HEMTでは、二次元電子ガスがAlGaN層下に発生するHEMTと比較して、ゲートリーク電流が2桁以上高くなってしまう。これは、二次元電子ガスがAlGaN層下に発生するHEMTでは、AlGaN層がショットキー障壁として機能するが、反転型HEMTでは、二次元電子ガスが発生するGaN層とゲート電極とが直接接して、ショットキー障壁が低下するためである。例えば、ゲート電極にNiが用いられた場合、Alの比率が0.23のAlGaNのショットキー障壁が約1.3eVであるのに対し、GaNのショットキー障壁は約1.0eVである。   Further, in the inverted HEMT, the gate leakage current becomes two orders of magnitude higher than in the HEMT in which a two-dimensional electron gas is generated under the AlGaN layer. This is because in the HEMT in which a two-dimensional electron gas is generated under the AlGaN layer, the AlGaN layer functions as a Schottky barrier, but in the inverted HEMT, the GaN layer in which the two-dimensional electron gas is generated and the gate electrode are in direct contact with each other. This is because the Schottky barrier is lowered. For example, when Ni is used for the gate electrode, the AlGaN Schottky barrier with an Al ratio of 0.23 is about 1.3 eV, whereas the GaN Schottky barrier is about 1.0 eV.

更に、反転型HEMTでは、二次元電子ガスが化合物半導体層の積層体の表面に近く位置するため、表面準位に起因して生じる電流コラプスとよばれる電流の変動が生じやすく、この点でも、十分な出力が得られない。   Further, in the inverted HEMT, the two-dimensional electron gas is located close to the surface of the stacked body of compound semiconductor layers, so that a current fluctuation called current collapse caused by the surface level is likely to occur. Sufficient output cannot be obtained.

特開2006−269534号公報JP 2006-269534 A 特開2006−261179号公報JP 2006-261179 A 特許第3848548号公報Japanese Patent No. 3848548

本発明の目的は、ゲートリーク電流の増加及び出力の低下を抑制しながら、コンタクト抵抗を低減することができる化合物半導体装置及びその製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a compound semiconductor device capable of reducing contact resistance while suppressing an increase in gate leakage current and a decrease in output, and a method for manufacturing the same.

化合物半導体装置の一態様には、電子走行層と、前記電子走行層上方に形成された電子供給層と、前記電子供給層上方に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極を間に挟んで形成され、前記電子走行層に電圧を印加するソース電極及びドレイン電極と、前記ソース電極と前記電子走行層との間の電流経路に位置し、前記ソース電極と接するGaNの第1の化合物半導体層と、前記ドレイン電極と前記電子走行層との間の電流経路に位置し、前記ドレイン電極と接するGaNの第2の化合物半導体層と、が設けられている。更に、前記第1の化合物半導体層の下方に形成され、前記第1の化合物半導体層より格子定数が小さく、引張歪みが生じている第3の化合物半導体層と、前記第2の化合物半導体層の下方に形成され、前記第2の化合物半導体層より格子定数が小さく、引張歪みが生じている第4の化合物半導体層と、が設けられている。前記電子走行層の表面は(0001)面であり、前記第1の化合物半導体層及び前記第2の化合物半導体層の表面は(000−1)面である。 In one aspect of the compound semiconductor device, an electron transit layer, an electron supply layer formed above the electron transit layer, a gate electrode formed above the electron supply layer, and the gate electrode interposed therebetween A source electrode and a drain electrode for applying a voltage to the electron transit layer; a GaN first compound semiconductor layer located in a current path between the source electrode and the electron transit layer and in contact with the source electrode; A GaN second compound semiconductor layer located in a current path between the drain electrode and the electron transit layer and in contact with the drain electrode. Further, a third compound semiconductor layer formed below the first compound semiconductor layer, having a lattice constant smaller than that of the first compound semiconductor layer and causing tensile strain, and a second compound semiconductor layer And a fourth compound semiconductor layer formed below and having a lattice constant smaller than that of the second compound semiconductor layer and causing tensile strain. The surface of the electron transit layer is a (0001) plane, and the surfaces of the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer are (000-1) planes.

化合物半導体装置の製造方法の一態様では、電子走行層上方に電子供給層を形成し、前記電子供給層上方にゲート電極を形成し、前記電子走行層に電圧を印加するソース電極及びドレイン電極を、前記ゲート電極を間に挟んで形成する。また、前記ソース電極と前記電子走行層との間の電流経路に位置し、前記ソース電極と接するGaNの第1の化合物半導体層を形成し、前記ドレイン電極と前記電子走行層との間の電流経路に位置し、前記ドレイン電極と接するGaNの第2の化合物半導体層を形成する。更に、前記第1の化合物半導体層の下方に、前記第1の化合物半導体層より格子定数が小さく、引張歪みが生じている第3の化合物半導体層を形成し、前記第2の化合物半導体層の下方に、前記第2の化合物半導体層より格子定数が小さく、引張歪みが生じている第4の化合物半導体層を形成する。前記電子走行層の表面を(0001)面とし、前記第1の化合物半導体層及び前記第2の化合物半導体層の表面を(000−1)面とする。 In one aspect of the method for manufacturing a compound semiconductor device, an electron supply layer is formed above the electron transit layer, a gate electrode is formed above the electron supply layer, and a source electrode and a drain electrode that apply a voltage to the electron transit layer are provided. The gate electrode is interposed therebetween. In addition, a GaN first compound semiconductor layer located in a current path between the source electrode and the electron transit layer and in contact with the source electrode is formed, and a current between the drain electrode and the electron transit layer is formed. A second compound semiconductor layer of GaN located in the path and in contact with the drain electrode is formed. Furthermore, a third compound semiconductor layer having a lattice constant smaller than that of the first compound semiconductor layer and causing tensile strain is formed below the first compound semiconductor layer, and the second compound semiconductor layer A fourth compound semiconductor layer having a lattice constant smaller than that of the second compound semiconductor layer and causing tensile strain is formed below. The surface of the electron transit layer is the (0001) plane, and the surfaces of the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer are the (000-1) plane.

上記の化合物半導体装置等によれば、ソース電極及びドレイン電極の下方に適切な第1、第2の化合物半導体層が存在するため、ゲートリーク電流の増加及び出力の低下を抑制しながら、コンタクト抵抗を低減することができる。   According to the above compound semiconductor device and the like, since the appropriate first and second compound semiconductor layers exist below the source electrode and the drain electrode, contact resistance is suppressed while suppressing an increase in gate leakage current and a decrease in output. Can be reduced.

第1の実施形態に係るGaN系HEMTの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of GaN-type HEMT which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係るGaN系HEMTのレイアウトを示す図である。It is a figure which shows the layout of GaN-type HEMT which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係るGaN系HEMTを製造する方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the method of manufacturing GaN-type HEMT which concerns on 1st Embodiment. 図3Aに引き続き、第1の実施形態に係るGaN系HEMTを製造する方法を示す断面図である。FIG. 3B is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the GaN-based HEMT according to the first embodiment, following FIG. 3A. 図3Bに引き続き、第1の実施形態に係るGaN系HEMTを製造する方法を示す断面図である。FIG. 3B is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the GaN-based HEMT according to the first embodiment, following FIG. 3B. 第2の実施形態に係るGaN系HEMTの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of GaN-type HEMT which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係るGaN系HEMTを製造する方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the method of manufacturing GaN-type HEMT which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係るGaN系HEMTの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of GaN-type HEMT which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係るGaN系HEMTを製造する方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the method of manufacturing GaN-type HEMT which concerns on 3rd Embodiment. 図7Aに引き続き、第3の実施形態に係るGaN系HEMTを製造する方法を示す断面図である。FIG. 7B is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the GaN-based HEMT according to the third embodiment, following FIG. 7A. 図7Bに引き続き、第3の実施形態に係るGaN系HEMTを製造する方法を示す断面図である。FIG. 7B is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the GaN-based HEMT according to the third embodiment, following FIG. 7B. 図7Cに引き続き、第3の実施形態に係るGaN系HEMTを製造する方法を示す断面図である。7C is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the GaN-based HEMT according to the third embodiment, following FIG. 7C. 第3の実施形態の変形例の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the modification of 3rd Embodiment. 第1の実施形態の変形例の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the modification of 1st Embodiment. 第3の実施形態の他の変形例の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the other modification of 3rd Embodiment.

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings.

(第1の実施形態)
先ず、第1の実施形態について説明する。図1は、第1の実施形態に係るGaN系HEMT(半導体装置)の構造を示す断面図である。また、図2は、第1の実施形態に係るGaN系HEMT(半導体装置)のレイアウトを示す図である。
(First embodiment)
First, the first embodiment will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a GaN-based HEMT (semiconductor device) according to the first embodiment. FIG. 2 is a diagram showing a layout of the GaN-based HEMT (semiconductor device) according to the first embodiment.

第1の実施形態では、図1に示すように、サファイア基板等の基板1上に、AlN層2が形成されている。AlN層2の厚さは、10nm〜30nm程度(例えば10nm)である。AlN層2には、夫々がソース、ドレインに対応するように開口部2bが形成されている。AlN層2上にノンドープのi−GaN層3aが形成され、開口部2bから露出した基板1上にノンドープのi−GaN層3bが形成されている。i−GaN層3aの表面はGa極性の(0001)面であり、i−GaN層3bの表面はN極性の(000−1)面である。また、i−GaN層3a及びi−GaN層3bの厚さは、0.5μm〜5.0μm程度(例えば2μm)である。i−GaN層3a及びi−GaN層3bの厚さと比較するとAlN層2の厚さが無視し得る程度に小さいため、i−GaN層3a及びi−GaN層3bの表面はほとんど平坦になっている。   In the first embodiment, as shown in FIG. 1, an AlN layer 2 is formed on a substrate 1 such as a sapphire substrate. The thickness of the AlN layer 2 is about 10 nm to 30 nm (for example, 10 nm). An opening 2b is formed in the AlN layer 2 so as to correspond to the source and drain, respectively. An undoped i-GaN layer 3a is formed on the AlN layer 2, and an undoped i-GaN layer 3b is formed on the substrate 1 exposed from the opening 2b. The surface of the i-GaN layer 3a is a Ga-polar (0001) plane, and the surface of the i-GaN layer 3b is an N-polar (000-1) plane. The i-GaN layer 3a and the i-GaN layer 3b have a thickness of about 0.5 μm to 5.0 μm (for example, 2 μm). Since the thickness of the AlN layer 2 is negligibly small compared to the thickness of the i-GaN layer 3a and the i-GaN layer 3b, the surfaces of the i-GaN layer 3a and the i-GaN layer 3b are almost flat. Yes.

i−GaN層3a上に、ノンドープのi−AlGaN層4a、n型のn−AlGaN層5a及びn型のn−GaN層6aがこの順で形成されている。i−AlGaN層4a、n−AlGaN層5a及びn−GaN層6aの表面は、i−GaN層3aと同様に、Ga極性の(0001)面である。   On the i-GaN layer 3a, a non-doped i-AlGaN layer 4a, an n-type n-AlGaN layer 5a, and an n-type n-GaN layer 6a are formed in this order. The surfaces of the i-AlGaN layer 4a, the n-AlGaN layer 5a, and the n-GaN layer 6a are Ga-polar (0001) surfaces, like the i-GaN layer 3a.

i−GaN層3b上に、ノンドープのi−AlGaN層4b、n型のn−AlGaN層5b及びn型のn−GaN層6bがこの順で形成されている。i−AlGaN層4b、n−AlGaN層5b及びn−GaN層6bの表面は、i−GaN層3bと同様に、N極性の(000−1)面である。本実施形態では、n−GaN層6bが第1、第2の化合物半導体層に相当し、n−AlGaN層5b及びi−AlGaN層4bの積層体が第3、第4の化合物半導体層に相当する。   On the i-GaN layer 3b, an undoped i-AlGaN layer 4b, an n-type n-AlGaN layer 5b, and an n-type n-GaN layer 6b are formed in this order. The surfaces of the i-AlGaN layer 4b, the n-AlGaN layer 5b, and the n-GaN layer 6b are N-polar (000-1) planes like the i-GaN layer 3b. In the present embodiment, the n-GaN layer 6b corresponds to the first and second compound semiconductor layers, and the stacked body of the n-AlGaN layer 5b and the i-AlGaN layer 4b corresponds to the third and fourth compound semiconductor layers. To do.

i−AlGaN層4a及びi−AlGaN層4bの厚さは、2nm〜10nm程度(例えば5nm)である。また、i−AlGaN層4a及びi−AlGaN層4bの組成は、例えばAl0.2Ga0.8Nで表わされる。 The thickness of the i-AlGaN layer 4a and the i-AlGaN layer 4b is about 2 nm to 10 nm (for example, 5 nm). The compositions of the i-AlGaN layer 4a and the i-AlGaN layer 4b are represented by, for example, Al 0.2 Ga 0.8 N.

n−AlGaN層5a及びn−AlGaN層5bの厚さは、2nm〜50nm程度(例えば30nm)である。また、n−AlGaN層5a及びn−AlGaN層5bの組成は、例えばAl0.2Ga0.8Nで表わされる。n型不純物としては、例えばSiが1×1018cm-3〜1×1020cm-3程度(例えば5×1018cm-3)ドーピングされている。 The thicknesses of the n-AlGaN layer 5a and the n-AlGaN layer 5b are about 2 nm to 50 nm (for example, 30 nm). Moreover, the composition of the n-AlGaN layer 5a and the n-AlGaN layer 5b is represented by, for example, Al 0.2 Ga 0.8 N. As the n-type impurity, for example, Si is doped with about 1 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 20 cm −3 (for example, 5 × 10 18 cm −3 ).

n−GaN層6a及びn−GaN層6bの厚さは、2nm〜10nm程度(例えば10nm)である。また、n型不純物としては、例えばSiが1×1018cm-3〜1×1020cm-3程度(例えば5×1018cm-3)ドーピングされている。 The thickness of the n-GaN layer 6a and the n-GaN layer 6b is about 2 nm to 10 nm (for example, 10 nm). Further, as the n-type impurity, for example, Si is doped with about 1 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 20 cm −3 (for example, 5 × 10 18 cm −3 ).

そして、n−GaN層6b上にソース電極11s及びドレイン電極11dが形成されている。ソース電極11s及びドレイン電極11dには、例えばTi層と、その上に形成されたAl層とが含まれている。また、ソース電極11s及びドレイン電極11dを覆うパッシベーション膜7が全面に形成されている。パッシベーション膜7には、ソース電極11s及びドレイン電極11dの間に位置するゲート電極用の開口部7gが形成されており、この開口部7gから露出したn−GaN層6a上にゲート電極11gが形成されている。パッシベーション膜7上に、ゲート電極11gを覆うパッシベーション膜8が形成されている。パッシベーション膜7及び8としては、例えばシリコン窒化膜が形成されている。   A source electrode 11s and a drain electrode 11d are formed on the n-GaN layer 6b. The source electrode 11s and the drain electrode 11d include, for example, a Ti layer and an Al layer formed thereon. Further, a passivation film 7 covering the source electrode 11s and the drain electrode 11d is formed on the entire surface. The passivation film 7 has a gate electrode opening 7g located between the source electrode 11s and the drain electrode 11d. The gate electrode 11g is formed on the n-GaN layer 6a exposed from the opening 7g. Has been. A passivation film 8 is formed on the passivation film 7 so as to cover the gate electrode 11g. For example, a silicon nitride film is formed as the passivation films 7 and 8.

なお、基板1の表面側から見たレイアウトは、例えば図2のようになる。つまり、ゲート電極11g、ソース電極11s及びドレイン電極11dの平面形状が櫛歯状となっており、ソース電極11s及びドレイン電極11dが交互に配置されている。そして、これらの間にゲート電極11gが配置されている。このようなマルチフィンガーゲート構造を採用することにより、出力を向上させることができる。なお、図1に示す断面図は、図2中のI−I線に沿った断面図である。また、活性領域10にi−GaN層3a及び3b、並びにi−AlGaN層4a及び4b等が含まれており、活性領域10の周囲がイオン注入又はメサエッチング等により不活性領域とされている。   The layout viewed from the front side of the substrate 1 is, for example, as shown in FIG. That is, the planar shape of the gate electrode 11g, the source electrode 11s, and the drain electrode 11d is a comb shape, and the source electrodes 11s and the drain electrodes 11d are alternately arranged. A gate electrode 11g is disposed between them. By adopting such a multi-finger gate structure, the output can be improved. The cross-sectional view shown in FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the line II in FIG. The active region 10 includes i-GaN layers 3a and 3b and i-AlGaN layers 4a and 4b. The periphery of the active region 10 is made an inactive region by ion implantation or mesa etching.

このように構成された第1の実施形態では、図1に示すように、ソース電極11s及びドレイン電極11dの下方では、n−GaN層6bのn−AlGaN層5bとの界面の近傍に二次元電子ガスが発生する。これは、i−GaN層3b、i−AlGaN層4b、n−AlGaN層5b及びn−GaN層6bの表面がN極性の(000−1)面であり、n−GaN層6b下方に位置するn−AlGaN層5b及びi−AlGaN層4bの格子定数がn−GaN層6bのそれよりも小さく、n−AlGaN層5bに引張歪みが生じているからである。そして、n−GaN層6bのn−AlGaN層5bとの界面の近傍に二次元電子ガスが発生するため、ソース電極11s及びドレイン電極11dと二次元電子ガスとの間に、障壁として機能するAlGaN層が存在しない。従って、オーミック電極であるソース電極11s及びドレイン電極11dのコンタクト抵抗が、従来の反転型HEMTと同程度まで低くなる。   In the first embodiment configured as described above, as shown in FIG. 1, two-dimensionally in the vicinity of the interface between the n-GaN layer 6b and the n-AlGaN layer 5b below the source electrode 11s and the drain electrode 11d. Electron gas is generated. This is because the surfaces of the i-GaN layer 3b, i-AlGaN layer 4b, n-AlGaN layer 5b and n-GaN layer 6b are N-polar (000-1) planes and are located below the n-GaN layer 6b. This is because the lattice constants of the n-AlGaN layer 5b and the i-AlGaN layer 4b are smaller than that of the n-GaN layer 6b, and tensile strain is generated in the n-AlGaN layer 5b. Since a two-dimensional electron gas is generated in the vicinity of the interface between the n-GaN layer 6b and the n-AlGaN layer 5b, the AlGaN functioning as a barrier between the source electrode 11s and the drain electrode 11d and the two-dimensional electron gas. There is no layer. Therefore, the contact resistance of the source electrode 11s and the drain electrode 11d, which are ohmic electrodes, is reduced to the same level as that of the conventional inversion HEMT.

その一方で、ソース電極11sとドレイン電極11dとの間では、i−GaN層3aのi−AlGaN層4aとの界面の近傍に二次元電子ガスが発生する。これは、i−GaN層3a、i−AlGaN層4a、n−AlGaN層5a及びn−GaN層6aの表面がGa極性の(0001)面だからである。そして、i−AlGaN層4a及びn−AlGaN層5aが電子供給層として機能し、i−GaN層3aの一部(表層部)が電子走行層として機能する。この結果、ドレイン電極11dとゲート電極11g下方の二次元電子ガスとの間を、n−GaN層6b(第2の化合物半導体層)を介して電流が流れ、ゲート電極11g下方の二次元電子ガスとソース電極11sとの間を、n−GaN層6b(第1の化合物半導体層)を介して電流が流れる。また、i−GaN層3aのi−AlGaN層4aとの界面の近傍に二次元電子ガスが発生するため、ゲート電極11gと二次元電子ガスとの間のn−AlGaN層5a及びi−AlGaN層4aが障壁として機能する。従って、ゲートリーク電流は生じにくい。また、二次元電子ガスは、化合物半導体層の積層体の表面に位置するn−GaN層6aから離間しており、また、表面が(0001)面のi−GaN層3a、i−AlGaN層4a、n−AlGaN層5a及びn−GaN層6aには残留キャリアが生じにくいため、高い出力を得ることが可能である。   On the other hand, between the source electrode 11s and the drain electrode 11d, two-dimensional electron gas is generated in the vicinity of the interface between the i-GaN layer 3a and the i-AlGaN layer 4a. This is because the surfaces of the i-GaN layer 3a, i-AlGaN layer 4a, n-AlGaN layer 5a, and n-GaN layer 6a are Ga-polar (0001) planes. The i-AlGaN layer 4a and the n-AlGaN layer 5a function as an electron supply layer, and a part (surface layer part) of the i-GaN layer 3a functions as an electron transit layer. As a result, a current flows between the drain electrode 11d and the two-dimensional electron gas below the gate electrode 11g via the n-GaN layer 6b (second compound semiconductor layer), and the two-dimensional electron gas below the gate electrode 11g. A current flows between the source electrode 11s and the source electrode 11s via the n-GaN layer 6b (first compound semiconductor layer). Further, since a two-dimensional electron gas is generated in the vicinity of the interface between the i-GaN layer 3a and the i-AlGaN layer 4a, the n-AlGaN layer 5a and the i-AlGaN layer between the gate electrode 11g and the two-dimensional electron gas. 4a functions as a barrier. Therefore, gate leakage current is unlikely to occur. The two-dimensional electron gas is separated from the n-GaN layer 6a located on the surface of the compound semiconductor layer stack, and the (0001) plane i-GaN layer 3a and i-AlGaN layer 4a. The n-AlGaN layer 5a and the n-GaN layer 6a hardly generate residual carriers, so that a high output can be obtained.

このように、第1の実施形態によれば、ゲートリーク電流を抑え、高い出力を確保しながら、ソース電極11s及びドレイン電極11dのコンタクト抵抗を低減することができる。   Thus, according to the first embodiment, it is possible to reduce the contact resistance of the source electrode 11s and the drain electrode 11d while suppressing the gate leakage current and ensuring a high output.

次に、第1の実施形態に係るGaN系HEMTを製造する方法について説明する。図3A乃至図3Cは、第1の実施形態に係るGaN系HEMTを製造する方法を工程順に示す断面図である。   Next, a method for manufacturing the GaN-based HEMT according to the first embodiment will be described. 3A to 3C are cross-sectional views showing a method of manufacturing the GaN-based HEMT according to the first embodiment in the order of steps.

第1の実施形態では、先ず、図3A(a)に示すように、基板1上にAlN層2を、例えばスパッタリング法等により形成する。次いで、開口部2bを形成する領域を露出するレジストパターンをマスクとして用いて、AlN層2のエッチングを行うことにより、図3A(b)に示すように、AlN層2に開口部2bを形成する。その後、開口部2bから露出している基板1上及びAlN層2上に、例えば分子線エピタキシー(MBE:molecular beam epitaxy)法等により、ノンドープのi−GaN層を成長させる。このとき、原料としては、例えば固体Ga及びNH3ガスを用いる。この結果、図3A(c)に示すように、開口部2bから露出している基板1上に、表面がN極性で(000−1)面のi−GaN層3bが形成されると共に、AlN層2上に、表面がGa極性で(0001)面のi−GaN層3aが形成される。 In the first embodiment, first, as shown in FIG. 3A (a), an AlN layer 2 is formed on a substrate 1 by, for example, a sputtering method or the like. Next, the AlN layer 2 is etched using the resist pattern that exposes the region where the opening 2b is to be formed as a mask, thereby forming the opening 2b in the AlN layer 2 as shown in FIG. 3A (b). . Thereafter, a non-doped i-GaN layer is grown on the substrate 1 and the AlN layer 2 exposed from the opening 2b by, for example, a molecular beam epitaxy (MBE) method. At this time, for example, solid Ga and NH 3 gas are used as raw materials. As a result, as shown in FIG. 3A (c), an i-GaN layer 3b having a surface of N polarity and a (000-1) plane is formed on the substrate 1 exposed from the opening 2b. On the layer 2, an i-GaN layer 3a having a Ga polarity and a (0001) plane is formed.

i−GaN層3a及びi−GaN層3bの下面には、AlN層2の有無に伴う段差があるが、i−GaN層3a及びi−GaN層3bの厚さと比較するとAlN層2の厚さが無視し得る程度に小さい。このため、i−GaN層3a及びi−GaN層3bの表面はほとんど平坦になる。   There are steps on the lower surfaces of the i-GaN layer 3a and the i-GaN layer 3b depending on the presence or absence of the AlN layer 2, but the thickness of the AlN layer 2 compared to the thickness of the i-GaN layer 3a and the i-GaN layer 3b. Is small enough to be ignored. For this reason, the surfaces of the i-GaN layer 3a and the i-GaN layer 3b are almost flat.

続いて、i−GaN層3a及びi−GaN層3b上に、例えばMBE法等により、ノンドープのi−AlGaN層、n型のn−AlGaN層及びn型のn−GaN層をこの順で成長させる。この結果、図3B(d)に示すように、i−GaN層3a上に、i−AlGaN層4a、n−AlGaN層5a及びn−GaN層6aがこの順で形成され、i−GaN層3b上に、i−AlGaN層4b、n−AlGaN層5b及びn−GaN層6bがこの順で形成される。   Subsequently, a non-doped i-AlGaN layer, an n-type n-AlGaN layer, and an n-type n-GaN layer are grown in this order on the i-GaN layer 3a and the i-GaN layer 3b by, for example, the MBE method. Let As a result, as shown in FIG. 3B (d), an i-AlGaN layer 4a, an n-AlGaN layer 5a, and an n-GaN layer 6a are formed in this order on the i-GaN layer 3a, and the i-GaN layer 3b. On top, the i-AlGaN layer 4b, the n-AlGaN layer 5b, and the n-GaN layer 6b are formed in this order.

次いで、図3B(e)に示すように、n−GaN層6aを挟む2個のn−GaN層6b上に、夫々ソース電極11s及びドレイン電極11dを形成する。ソース電極11s及びドレイン電極11dの形成に当たっては、例えば、n−GaN層6bを露出するレジストパターンをn−GaN層6a上に形成し、その後、蒸着法によりTi層を形成し、その上に蒸着法によりAl層を形成する。そして、レジストパターンを除去する。つまり、ソース電極11s及びドレイン電極11dの形成では、例えば蒸着及びリフトオフの技術を用いる。続いて、窒素雰囲気中にて600℃で熱処理を行い、ソース電極11s及びドレイン電極11dのオーミックコンタクトを確立する。   Next, as shown in FIG. 3B (e), a source electrode 11s and a drain electrode 11d are formed on the two n-GaN layers 6b sandwiching the n-GaN layer 6a, respectively. In forming the source electrode 11s and the drain electrode 11d, for example, a resist pattern that exposes the n-GaN layer 6b is formed on the n-GaN layer 6a, and then a Ti layer is formed by a vapor deposition method, and vapor deposition is performed thereon. An Al layer is formed by the method. Then, the resist pattern is removed. That is, in the formation of the source electrode 11s and the drain electrode 11d, for example, vapor deposition and lift-off techniques are used. Subsequently, heat treatment is performed at 600 ° C. in a nitrogen atmosphere to establish ohmic contact between the source electrode 11s and the drain electrode 11d.

次いで、図3B(f)に示すように、例えばプラズマ増速化学気相成長(PECVD:plasma enhanced chemical vapor deposition)法により、ソース電極11s及びドレイン電極11dを覆うパッシベーション膜7をn−GaN層6a上に形成する。   Next, as shown in FIG. 3B (f), the passivation film 7 covering the source electrode 11s and the drain electrode 11d is formed on the n-GaN layer 6a by, for example, plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). Form on top.

その後、図3C(g)に示すように、パッシベーション膜7に、ゲート電極用の開口部7gを形成する。開口部7gの形成に当たっては、例えば、開口部7gを形成する領域を露出するレジストパターンをパッシベーション膜7上に形成し、このレジストパターンをマスクとして用いてパッシベーション膜7をエッチングする。開口部7gの形成後には、開口部7g内にゲート電極11gを形成する。ゲート電極11gの形成に当たっては、例えば、開口部7gを露出するレジストパターンをパッシベーション膜7上に形成し、その後、蒸着法によりNi層を形成し、その上に蒸着法によりAu層を形成する。そして、レジストパターンを除去する。つまり、ゲート電極11gの形成でも、例えば蒸着及びリフトオフの技術を用いる。   Thereafter, as shown in FIG. 3C (g), an opening 7g for a gate electrode is formed in the passivation film 7. In forming the opening 7g, for example, a resist pattern exposing a region where the opening 7g is to be formed is formed on the passivation film 7, and the passivation film 7 is etched using this resist pattern as a mask. After the opening 7g is formed, the gate electrode 11g is formed in the opening 7g. In forming the gate electrode 11g, for example, a resist pattern exposing the opening 7g is formed on the passivation film 7, an Ni layer is then formed by vapor deposition, and an Au layer is formed thereon by vapor deposition. Then, the resist pattern is removed. That is, even in the formation of the gate electrode 11g, for example, vapor deposition and lift-off techniques are used.

続いて、図3C(h)に示すように、例えばPECVD法により、ゲート電極11gを覆うパッシベーション膜8をパッシベーション膜7上に形成する。   Subsequently, as shown in FIG. 3C (h), a passivation film 8 covering the gate electrode 11g is formed on the passivation film 7, for example, by PECVD.

その後、必要に応じて配線(図示せず)等を形成してGaN系HEMTを完成させる。   Thereafter, wiring (not shown) or the like is formed as necessary to complete the GaN-based HEMT.

(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について説明する。図4は、第2の実施形態に係るGaN系HEMT(半導体装置)の構造を示す断面図である。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of a GaN-based HEMT (semiconductor device) according to the second embodiment.

第1の実施形態では、ゲート電極11gにショットキー型構造が採用されているのに対し、第2の実施形態では、ゲート電極11gにMIS(metal-insulator-semiconductor)構造が採用されている。他の構成は第1の実施形態と同様である。   In the first embodiment, a Schottky structure is employed for the gate electrode 11g, whereas in the second embodiment, a MIS (metal-insulator-semiconductor) structure is employed for the gate electrode 11g. Other configurations are the same as those of the first embodiment.

このような第2の実施形態によれば、第1の実施形態と比較して、より一層ゲートリーク電流を低減することができる。なお、第1の実施形態は、高速動作の点で第2の実施形態よりも優れている。   According to the second embodiment, the gate leakage current can be further reduced as compared with the first embodiment. Note that the first embodiment is superior to the second embodiment in terms of high-speed operation.

このような第2の実施形態を製造する際には、先ず、第1の実施形態と同様にして、パッシベーション膜7の形成までの処理を行い、その後、図5に示すように、開口部7gを形成することなく、ゲート電極11gをパッシベーション膜7上に形成する。続いて、第1の実施形態と同様に、パッシベーション膜8を形成すればよい。   In manufacturing such a second embodiment, first, processing up to the formation of the passivation film 7 is performed in the same manner as in the first embodiment, and then, as shown in FIG. The gate electrode 11g is formed on the passivation film 7 without forming the film. Subsequently, the passivation film 8 may be formed as in the first embodiment.

(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態について説明する。図6は、第3の実施形態に係るGaN系HEMT(半導体装置)の構造を示す断面図である。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described. FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of a GaN-based HEMT (semiconductor device) according to the third embodiment.

第3の実施形態では、図6に示すように、サファイア基板等の基板1上に、AlN層2が形成されている。AlN層2上にノンドープのi−GaN層3aが形成され、開口部2bから露出した基板1上にノンドープのi−GaN層3bが形成されている。i−GaN層3aの表面はGa極性の(0001)面であり、i−GaN層3bの表面はN極性の(000−1)面である。   In the third embodiment, as shown in FIG. 6, an AlN layer 2 is formed on a substrate 1 such as a sapphire substrate. An undoped i-GaN layer 3a is formed on the AlN layer 2, and an undoped i-GaN layer 3b is formed on the substrate 1 exposed from the opening 2b. The surface of the i-GaN layer 3a is a Ga-polar (0001) plane, and the surface of the i-GaN layer 3b is an N-polar (000-1) plane.

i−GaN層3a上に、ノンドープのi−AlGaN層21a及びノンドープのi−GaN層22aがこの順で形成されている。i−AlGaN層21a及びi−GaN層22aの表面は、i−GaN層3aと同様に、Ga極性の(0001)面である。   On the i-GaN layer 3a, a non-doped i-AlGaN layer 21a and a non-doped i-GaN layer 22a are formed in this order. The surfaces of the i-AlGaN layer 21a and the i-GaN layer 22a are Ga-polar (0001) planes like the i-GaN layer 3a.

i−GaN層3b上に、ノンドープのi−AlGaN層21b及びノンドープのi−GaN層22bがこの順で形成されている。i−AlGaN層21b及びi−GaN層22bの表面は、i−GaN層3aと同様に、N極性の(000−1)面である。本実施形態では、i−GaN層22bが第1、第2の化合物半導体層に相当し、i−AlGaN層21bが第3、第4の化合物半導体層に相当する。   A non-doped i-AlGaN layer 21b and a non-doped i-GaN layer 22b are formed in this order on the i-GaN layer 3b. The surfaces of the i-AlGaN layer 21b and the i-GaN layer 22b are N-polar (000-1) planes like the i-GaN layer 3a. In the present embodiment, the i-GaN layer 22b corresponds to the first and second compound semiconductor layers, and the i-AlGaN layer 21b corresponds to the third and fourth compound semiconductor layers.

i−AlGaN層21a及びi−AlGaN層21bの厚さは、10nm〜100nm程度(例えば50nm)である。また、i−AlGaN層21a及びi−AlGaN層21bの組成は、例えばAl0.1Ga0.9Nで表わされる。 The thickness of the i-AlGaN layer 21a and the i-AlGaN layer 21b is about 10 nm to 100 nm (for example, 50 nm). The compositions of the i-AlGaN layer 21a and the i-AlGaN layer 21b are represented by, for example, Al 0.1 Ga 0.9 N.

i−GaN層22a及びi−GaN層22bの厚さは、20nm〜100nm程度(例えば50nm)である。   The i-GaN layer 22a and the i-GaN layer 22b have a thickness of about 20 nm to 100 nm (for example, 50 nm).

i−GaN層22a上に、i−AlGaN層4a、n−AlGaN層5a及びn−GaN層6aがこの順で形成されている。i−AlGaN層4a、n−AlGaN層5a及びn−GaN層6aの表面は、i−GaN層3aと同様に、Ga極性の(0001)面である。   An i-AlGaN layer 4a, an n-AlGaN layer 5a, and an n-GaN layer 6a are formed in this order on the i-GaN layer 22a. The surfaces of the i-AlGaN layer 4a, the n-AlGaN layer 5a, and the n-GaN layer 6a are Ga-polar (0001) surfaces, like the i-GaN layer 3a.

本実施形態では、i−AlGaN層4b、n−AlGaN層5b及びn−GaN層6bは形成されておらず、i−AlGaN層4a、n−AlGaN層5a及びn−GaN層6aに、i−GaN層22bを露出する開口部31s及び31dが形成されている。そして、開口部31s内にソース電極11sが形成され、開口部31d内にドレイン電極11dが形成されている。つまり、ソース電極11s及びドレイン電極11dは、i−GaN層22bと接している。   In this embodiment, the i-AlGaN layer 4b, the n-AlGaN layer 5b, and the n-GaN layer 6b are not formed, and the i-AlGaN layer 4a, the n-AlGaN layer 5a, and the n-GaN layer 6a are i-- Openings 31s and 31d exposing the GaN layer 22b are formed. A source electrode 11s is formed in the opening 31s, and a drain electrode 11d is formed in the opening 31d. That is, the source electrode 11s and the drain electrode 11d are in contact with the i-GaN layer 22b.

また、第1の実施形態と同様に、ソース電極11s及びドレイン電極11dを覆うパッシベーション膜7が全面に形成されている。パッシベーション膜7には、ソース電極11s及びドレイン電極11dの間に位置するゲート電極用の開口部7gが形成されており、この開口部7gから露出したn−GaN層6a上にゲート電極11gが形成されている。パッシベーション膜7上に、ゲート電極11gを覆うパッシベーション膜8が形成されている。   As in the first embodiment, a passivation film 7 covering the source electrode 11s and the drain electrode 11d is formed on the entire surface. The passivation film 7 has a gate electrode opening 7g located between the source electrode 11s and the drain electrode 11d. The gate electrode 11g is formed on the n-GaN layer 6a exposed from the opening 7g. Has been. A passivation film 8 is formed on the passivation film 7 so as to cover the gate electrode 11g.

このように構成された第1の実施形態では、図1に示すように、ソース電極11s及びドレイン電極11dの下方では、i−GaN層22bのi−AlGaN層21bとの界面の近傍に二次元電子ガスが発生する。これは、i−GaN層3b、i−AlGaN層21b及びi−GaN層22bの表面がN極性の(000−1)面だからである。そして、i−GaN層22bのi−AlGaN層21bとの界面の近傍に二次元電子ガスが発生するため、ソース電極11s及びドレイン電極11dと二次元電子ガスとの間に、障壁として機能するAlGaN層が存在しない。従って、オーミック電極であるソース電極11s及びドレイン電極11dのコンタクト抵抗が、従来の反転型HEMTと同程度まで低くなる。   In the first embodiment configured as described above, as shown in FIG. 1, two-dimensionally in the vicinity of the interface between the i-GaN layer 22b and the i-AlGaN layer 21b below the source electrode 11s and the drain electrode 11d. Electron gas is generated. This is because the surfaces of the i-GaN layer 3b, i-AlGaN layer 21b, and i-GaN layer 22b are N-polar (000-1) planes. Since a two-dimensional electron gas is generated in the vicinity of the interface between the i-GaN layer 22b and the i-AlGaN layer 21b, the AlGaN functioning as a barrier between the source electrode 11s and the drain electrode 11d and the two-dimensional electron gas. There is no layer. Therefore, the contact resistance of the source electrode 11s and the drain electrode 11d, which are ohmic electrodes, is reduced to the same level as that of the conventional inversion HEMT.

その一方で、ソース電極11sとドレイン電極11dとの間では、i−GaN層22aのi−AlGaN層4aとの界面の近傍に二次元電子ガスが発生する。これは、i−GaN層3a、i−AlGaN層21a、i−GaN層22a、i−AlGaN層4a、n−AlGaN層5a及びn−GaN層6aの表面がGa極性の(0001)面だからである。そして、i−AlGaN層4a及びn−AlGaN層5aが電子供給層として機能し、i−GaN層22aの一部(表層部)が電子走行層として機能する。また、i−GaN層22aのi−AlGaN層4aとの界面の近傍に二次元電子ガスが発生するため、ゲート電極11gと二次元電子ガスとの間のn−AlGaN層5a及びi−AlGaN層4aが障壁として機能する。従って、ゲートリーク電流は生じにくい。また、二次元電子ガスは、化合物半導体層の積層体の表面に位置するn−GaN層6aから離間しており、また、表面が(0001)面のi−GaN層3a、i−AlGaN層4a、n−AlGaN層5a及びn−GaN層6aには残留キャリアが生じにくいため、高い出力を得ることが可能である。   On the other hand, between the source electrode 11s and the drain electrode 11d, a two-dimensional electron gas is generated in the vicinity of the interface between the i-GaN layer 22a and the i-AlGaN layer 4a. This is because the surfaces of the i-GaN layer 3a, i-AlGaN layer 21a, i-GaN layer 22a, i-AlGaN layer 4a, n-AlGaN layer 5a and n-GaN layer 6a are Ga-polar (0001) planes. is there. The i-AlGaN layer 4a and the n-AlGaN layer 5a function as an electron supply layer, and a part (surface layer part) of the i-GaN layer 22a functions as an electron transit layer. Further, since a two-dimensional electron gas is generated in the vicinity of the interface between the i-GaN layer 22a and the i-AlGaN layer 4a, the n-AlGaN layer 5a and the i-AlGaN layer between the gate electrode 11g and the two-dimensional electron gas. 4a functions as a barrier. Therefore, gate leakage current is unlikely to occur. The two-dimensional electron gas is separated from the n-GaN layer 6a located on the surface of the compound semiconductor layer stack, and the (0001) plane i-GaN layer 3a and i-AlGaN layer 4a. The n-AlGaN layer 5a and the n-GaN layer 6a hardly generate residual carriers, so that a high output can be obtained.

更に、本実施形態では、図6に示すように、ソース電極11s及びドレイン電極11dの下方で二次元電子ガスが発生するi−GaN層22bと、ソース電極11s及びドレイン電極11dの間で二次元電子ガスが発生するi−GaN層22aとが隣接し、これらの間にAlGaN層が存在しない。このため、第1の実施形態と比較して、ソース電極11s及びドレイン電極11dの間の抵抗が低くなる。   Furthermore, in this embodiment, as shown in FIG. 6, two-dimensionally between the i-GaN layer 22b in which a two-dimensional electron gas is generated below the source electrode 11s and the drain electrode 11d and the source electrode 11s and the drain electrode 11d. The i-GaN layer 22a that generates electron gas is adjacent to each other, and there is no AlGaN layer therebetween. For this reason, compared with 1st Embodiment, resistance between the source electrode 11s and the drain electrode 11d becomes low.

次に、第3の実施形態に係るGaN系HEMTを製造する方法について説明する。図7A乃至図7Dは、第3の実施形態に係るGaN系HEMTを製造する方法を工程順に示す断面図である。   Next, a method for manufacturing a GaN-based HEMT according to the third embodiment will be described. 7A to 7D are cross-sectional views showing a method of manufacturing the GaN-based HEMT according to the third embodiment in the order of steps.

第3の実施形態では、先ず、第1の実施形態と同様にして、i−GaN層3a及びi−GaN層3bの形成までの処理を行う。次いで、i−GaN層3a及びi−GaN層3b上に、例えばMBE法等により、ノンドープのi−AlGaN層及びノンドープのi−GaN層をこの順で成長させる。この結果、図7A(a)に示すように、i−GaN層3a上に、i−AlGaN層21a及びi−GaN層22aがこの順で形成され、i−GaN層3b上に、i−AlGaN層21b及びi−GaN層22bがこの順で形成される。   In the third embodiment, first, similarly to the first embodiment, the processes up to the formation of the i-GaN layer 3a and the i-GaN layer 3b are performed. Next, a non-doped i-AlGaN layer and a non-doped i-GaN layer are grown in this order on the i-GaN layer 3a and the i-GaN layer 3b by, for example, the MBE method. As a result, as shown in FIG. 7A (a), the i-AlGaN layer 21a and the i-GaN layer 22a are formed in this order on the i-GaN layer 3a, and the i-AlGaN layer 3b is formed on the i-GaN layer 3b. The layer 21b and the i-GaN layer 22b are formed in this order.

その後、第1の実施形態と同様にして、i−GaN層22a及びi−GaN層22b上に、例えばMBE法等により、ノンドープのi−AlGaN層、n型のn−AlGaN層及びn型のn−GaN層をこの順で成長させる。この結果、図7B(b)に示すように、i−GaN層22a上に、i−AlGaN層4a、n−AlGaN層5a及びn−GaN層6aがこの順で形成され、i−GaN層22b上に、i−AlGaN層4b、n−AlGaN層5b及びn−GaN層6bがこの順で形成される。   Thereafter, as in the first embodiment, a non-doped i-AlGaN layer, an n-type n-AlGaN layer, and an n-type layer are formed on the i-GaN layer 22a and the i-GaN layer 22b by, for example, the MBE method. An n-GaN layer is grown in this order. As a result, as shown in FIG. 7B (b), the i-AlGaN layer 4a, the n-AlGaN layer 5a, and the n-GaN layer 6a are formed in this order on the i-GaN layer 22a, and the i-GaN layer 22b. On top, the i-AlGaN layer 4b, the n-AlGaN layer 5b, and the n-GaN layer 6b are formed in this order.

続いて、i−AlGaN層4b、n−AlGaN層5b及びn−GaN層6bをエッチングすることにより、図7B(c)に示すように、ソース電極11s用の開口部31s及びドレイン電極11d用の開口部31dを形成する。このエッチングに当たっては、例えば、開口部31s及び31dを形成する領域を露出するレジストパターンをn−GaN層6a上に形成し、このレジストパターンをマスクとして用いて塩素系ガスを用いたドライエッチングを行う。   Subsequently, by etching the i-AlGaN layer 4b, the n-AlGaN layer 5b, and the n-GaN layer 6b, as shown in FIG. 7B (c), the opening 31s for the source electrode 11s and the drain electrode 11d Opening 31d is formed. In this etching, for example, a resist pattern that exposes the regions for forming the openings 31s and 31d is formed on the n-GaN layer 6a, and dry etching using a chlorine-based gas is performed using the resist pattern as a mask. .

次いで、図7C(d)に示すように、開口部31s内にソース電極11sを形成し、開口部31d内にドレイン電極11dを形成する。ソース電極11s及びドレイン電極11dの形成では、第1の実施形態と同様に、例えば蒸着及びリフトオフの技術を用いる。その後、窒素雰囲気中にて600℃で熱処理を行い、ソース電極11s及びドレイン電極11dのオーミックコンタクトを確立する。   Next, as shown in FIG. 7C (d), the source electrode 11s is formed in the opening 31s, and the drain electrode 11d is formed in the opening 31d. In the formation of the source electrode 11s and the drain electrode 11d, for example, vapor deposition and lift-off techniques are used as in the first embodiment. Thereafter, heat treatment is performed at 600 ° C. in a nitrogen atmosphere to establish ohmic contact between the source electrode 11s and the drain electrode 11d.

続いて、図7C(e)に示すように、例えばPECVD法により、ソース電極11s及びドレイン電極11dを覆うパッシベーション膜7をn−GaN層6a上に形成する。   Subsequently, as shown in FIG. 7C (e), a passivation film 7 covering the source electrode 11s and the drain electrode 11d is formed on the n-GaN layer 6a by, for example, PECVD.

次いで、図7D(f)に示すように、パッシベーション膜7に、ゲート電極用の開口部7gを形成し、開口部7g内にゲート電極11gを形成する。ゲート電極11gの形成でも、第1の実施形態と同様に、例えば蒸着及びリフトオフの技術を用いる。   Next, as shown in FIG. 7D (f), an opening 7g for a gate electrode is formed in the passivation film 7, and a gate electrode 11g is formed in the opening 7g. Also in the formation of the gate electrode 11g, for example, vapor deposition and lift-off techniques are used as in the first embodiment.

続いて、図7D(g)に示すように、例えばPECVD法により、ゲート電極11gを覆うパッシベーション膜8をパッシベーション膜7上に形成する。   Subsequently, as shown in FIG. 7D (g), a passivation film 8 covering the gate electrode 11g is formed on the passivation film 7 by, for example, PECVD.

その後、必要に応じて配線(図示せず)等を形成してGaN系HEMTを完成させる。   Thereafter, wiring (not shown) or the like is formed as necessary to complete the GaN-based HEMT.

なお、第3の実施形態においても、図8に示すように、ゲート電極11gにMIS構造が採用されてもよい。   Also in the third embodiment, as shown in FIG. 8, a MIS structure may be employed for the gate electrode 11g.

また、第3の実施形態に、第1の実施形態と同様に、i−AlGaN層4b、n−AlGaN層5b及びn−GaN層6bが設けられていてもよく、また、i−AlGaN層21a及び21bが設けられていなくてもよい。   In the third embodiment, similarly to the first embodiment, an i-AlGaN layer 4b, an n-AlGaN layer 5b, and an n-GaN layer 6b may be provided, and the i-AlGaN layer 21a may be provided. And 21b may not be provided.

また、いずれの実施形態においても、平面視で、i−GaN層3aとi−GaN層3bとの界面が、ソース電極11s及びドレイン電極11dのゲート電極11g側の縁と一致している必要はない。例えば、第1の実施形態であれば、図9に示すように、i−GaN層3aとi−GaN層3bとの界面が、ソース電極11s及びドレイン電極11dのゲート電極11g側の縁よりもゲート電極11g側に位置していてもよい。なお、上記界面が上記縁よりもゲート電極11gから離間して位置していてもよいが、ゲート電極11g側に位置している方が好ましい。これは、ソース電極11s及びドレイン電極11dのコンタクト抵抗を効果的に低下させるためである。他の実施形態でも同様である。   In any of the embodiments, the interface between the i-GaN layer 3a and the i-GaN layer 3b needs to coincide with the edge of the source electrode 11s and the drain electrode 11d on the gate electrode 11g side in plan view. Absent. For example, in the first embodiment, as shown in FIG. 9, the interface between the i-GaN layer 3a and the i-GaN layer 3b is more than the edge of the source electrode 11s and the drain electrode 11d on the gate electrode 11g side. It may be located on the gate electrode 11g side. The interface may be located farther from the gate electrode 11g than the edge, but is preferably located on the gate electrode 11g side. This is for effectively reducing the contact resistance of the source electrode 11s and the drain electrode 11d. The same applies to other embodiments.

更に、第3の実施形態では、図10に示すように、平面視で、開口部31sの縁及びソース電極11sの縁が互いに一致している必要はなく、同様に、開口部31dの縁及びドレイン電極11dの縁が互いに一致している必要はない。つまり、開口部31sの縁及びソース電極11sの縁の間、並びに開口部31dの縁及びドレイン電極11dの縁の間に、例えばパッシベーション膜7が入り込んでいてもよい。   Further, in the third embodiment, as shown in FIG. 10, the edge of the opening 31s and the edge of the source electrode 11s do not need to coincide with each other in plan view. The edges of the drain electrode 11d do not have to coincide with each other. That is, for example, the passivation film 7 may enter between the edge of the opening 31s and the edge of the source electrode 11s and between the edge of the opening 31d and the edge of the drain electrode 11d.

なお、これらのGaN系HEMTは、例えば無線通信の基地局に含まれる高出力増幅器に用いることができる。また、電源用途として、DC−DCコンバータ、AC−ACコンバータ、AC−DCコンバータ、高周波電源等に使用することができる。電源用途では、GaNの高耐圧、低損失及び高速スイッチングの特性を活かして、高周波化による受動部品の小型化及び素子数の低減等が可能となり、また、熱抵抗低減によるヒートシンクの小型化等が可能となる。そして、これらにより、電力変換装置の小型化、軽量化及び低コスト化が実現できる。   Note that these GaN-based HEMTs can be used for, for example, high-power amplifiers included in wireless communication base stations. Moreover, it can be used for a DC-DC converter, an AC-AC converter, an AC-DC converter, a high frequency power source, etc. as a power supply application. In power supply applications, it is possible to reduce the size of passive components and reduce the number of elements by increasing the frequency by utilizing the high breakdown voltage, low loss, and high-speed switching characteristics of GaN. It becomes possible. And by these, size reduction, weight reduction, and cost reduction of a power converter device are realizable.

また、各化合物半導体層の材料は限定されない。例えば、GaN、AlN又はInN等の窒化物半導体を単独で用いてもよく、また、これらの二種以上の混晶を用いてもよい。また、基板としてはサファイア基板が好ましいが、他の基板を用いてもよい。   Moreover, the material of each compound semiconductor layer is not limited. For example, a nitride semiconductor such as GaN, AlN, or InN may be used alone, or a mixed crystal of two or more of these may be used. The substrate is preferably a sapphire substrate, but other substrates may be used.

また、化合物半導体層の成長条件も特に限定されない。GaN系化合物半導体層については、種々のエピタキシャル横方向成長(ELO:epitaxial lateral overgrowth)技術が開発されている。例えば、ハイドライド気相成長(HVPE:hydride vapor phase epitaxy)法に基づくFIELO(facet-initiated ELO)技術、及び有機金属気相成長(MOVPE:metal-organic vapor phase epitaxy)法に基づくFACELO(facet-controlled ELO)技術等が開発されている。   Further, the growth conditions of the compound semiconductor layer are not particularly limited. Various epitaxial lateral overgrowth (ELO) techniques have been developed for GaN-based compound semiconductor layers. For example, FIELO (facet-initiated ELO) technology based on the hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method and FACELO (facet-controlled) based on the metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE) method. ELO) technology has been developed.

また、化合物半導体層上に形成する半導体素子はHEMTに限定されない。例えば、IGBT(insulated gate bipolar transistor)を形成してもよい。   Further, the semiconductor element formed over the compound semiconductor layer is not limited to HEMT. For example, an insulated gate bipolar transistor (IGBT) may be formed.

1:基板
2:AlN層
2b:開口部
3a、3b:i−GaN層
4a、4b:i−AlGaN層
5a、5b:n−AlGaN層
6a、6b:n−GaN層
7、8:パッシベーション膜
8:i−AlGaN層
10:活性領域
11d:ドレイン電極
11g:ゲート電極
11s:ソース電極
21a、21b:i−AlGaN層
22a、22b:i−GaN層
31s、31d:開口部
1: Substrate 2: AlN layer 2b: Opening 3a, 3b: i-GaN layer 4a, 4b: i-AlGaN layer 5a, 5b: n-AlGaN layer 6a, 6b: n-GaN layer 7, 8: Passivation film 8 : I-AlGaN layer 10: active region 11d: drain electrode 11g: gate electrode 11s: source electrode 21a, 21b: i-AlGaN layer 22a, 22b: i-GaN layer 31s, 31d: opening

Claims (6)

電子走行層と、
前記電子走行層上方に形成された電子供給層と、
前記電子供給層上方に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極を間に挟んで形成され、前記電子走行層に電圧を印加するソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記電子走行層との間の電流経路に位置し、前記ソース電極と接するGaNの第1の化合物半導体層と、
前記ドレイン電極と前記電子走行層との間の電流経路に位置し、前記ドレイン電極と接するGaNの第2の化合物半導体層と、
前記第1の化合物半導体層の下方に形成され、前記第1の化合物半導体層より格子定数が小さく、引張歪みが生じている第3の化合物半導体層と、
前記第2の化合物半導体層の下方に形成され、前記第2の化合物半導体層より格子定数が小さく、引張歪みが生じている第4の化合物半導体層と、
を有し、
前記電子走行層の表面は(0001)面であり、
前記第1の化合物半導体層及び前記第2の化合物半導体層の表面は(000−1)面であることを特徴とする化合物半導体装置。
An electronic travel layer,
An electron supply layer formed above the electron transit layer;
A gate electrode formed above the electron supply layer;
A source electrode and a drain electrode which are formed with the gate electrode interposed therebetween and apply a voltage to the electron transit layer;
A first compound semiconductor layer of GaN located in a current path between the source electrode and the electron transit layer and in contact with the source electrode;
A second compound semiconductor layer of GaN located in a current path between the drain electrode and the electron transit layer and in contact with the drain electrode;
A third compound semiconductor layer formed below the first compound semiconductor layer, having a lattice constant smaller than that of the first compound semiconductor layer and causing tensile strain;
A fourth compound semiconductor layer formed below the second compound semiconductor layer, having a lattice constant smaller than that of the second compound semiconductor layer and causing tensile strain;
Have
The surface of the electron transit layer is a (0001) plane,
The compound semiconductor device characterized in that the surfaces of the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer are (000-1) planes.
前記電子走行層、前記電子供給層、前記第1の化合物半導体層、及び前記第2の化合物半導体層は、窒化物半導体からなることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体装置。   2. The compound semiconductor device according to claim 1, wherein the electron transit layer, the electron supply layer, the first compound semiconductor layer, and the second compound semiconductor layer are made of a nitride semiconductor. 前記窒化物半導体は、GaN、AlN及びInNからなる群から選択された一種又は二種以上の混晶からなることを特徴とする請求項2に記載の化合物半導体装置。   3. The compound semiconductor device according to claim 2, wherein the nitride semiconductor is made of one or more mixed crystals selected from the group consisting of GaN, AlN, and InN. 前記第1の化合物半導体層及び前記第2の化合物半導体層は、前記電子走行層と直接接していることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。   4. The compound semiconductor device according to claim 1, wherein the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer are in direct contact with the electron transit layer. 5. 前記第3の化合物半導体層及び前記第4の化合物半導体層はAlGaN層であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。 5. The compound semiconductor device according to claim 1, wherein the third compound semiconductor layer and the fourth compound semiconductor layer are AlGaN layers . 6. 電子走行層上方に電子供給層を形成する工程と、
前記電子供給層上方にゲート電極を形成する工程と、
前記電子走行層に電圧を印加するソース電極及びドレイン電極を、前記ゲート電極を間に挟んで形成する工程と、
前記ソース電極と前記電子走行層との間の電流経路に位置し、前記ソース電極と接するGaNの第1の化合物半導体層を形成する工程と、
前記ドレイン電極と前記電子走行層との間の電流経路に位置し、前記ドレイン電極と接するGaNの第2の化合物半導体層を形成する工程と、
前記第1の化合物半導体層の下方に、前記第1の化合物半導体層より格子定数が小さく、引張歪みが生じている第3の化合物半導体層を形成する工程と、
前記第2の化合物半導体層の下方に、前記第2の化合物半導体層より格子定数が小さく、引張歪みが生じている第4の化合物半導体層を形成する工程と、
を有し、
前記電子走行層の表面を(0001)面とし、
前記第1の化合物半導体層及び前記第2の化合物半導体層の表面を(000−1)面とすることを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
Forming an electron supply layer above the electron transit layer;
Forming a gate electrode above the electron supply layer;
Forming a source electrode and a drain electrode for applying a voltage to the electron transit layer with the gate electrode interposed therebetween;
Forming a first compound semiconductor layer of GaN located in a current path between the source electrode and the electron transit layer and in contact with the source electrode;
Forming a second compound semiconductor layer of GaN located in a current path between the drain electrode and the electron transit layer and in contact with the drain electrode;
Forming a third compound semiconductor layer having a lattice constant smaller than that of the first compound semiconductor layer and causing tensile strain below the first compound semiconductor layer;
Forming a fourth compound semiconductor layer below the second compound semiconductor layer having a lattice constant smaller than that of the second compound semiconductor layer and causing tensile strain;
Have
The surface of the electron transit layer is a (0001) plane,
A method of manufacturing a compound semiconductor device, wherein surfaces of the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer are (000-1) planes.
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