JP5655413B2

JP5655413B2 - Semiconductor device

Info

Publication number: JP5655413B2
Application number: JP2010171084A
Authority: JP
Inventors: 毅荒谷
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2010-07-29
Filing date: 2010-07-29
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2030-07-29
Also published as: JP2012033653A

Description

本発明は半導体装置に関し、特にＧａＮを用いたＦＥＴである半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device that is an FET using GaN.

ＧａＮ（窒化ガリウム）を用いた半導体装置、例えばＦＥＴ（ＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ：電界効果型トランジスタ）等の半導体装置は、高周波用出力増幅用素子として用いられることがある。特許文献１には、半導体層の表面に水素を含んだＳｉＮ膜を設ける発明が開示されている。 A semiconductor device using GaN (gallium nitride), for example, a semiconductor device such as a field effect transistor (FET) may be used as a high-frequency output amplification element. Patent Document 1 discloses an invention in which a SiN film containing hydrogen is provided on the surface of a semiconductor layer.

特開２００５−２８６１３５号公報JP-A-2005-286135

ＦＥＴでは、半導体装置の特性を改善するために、二次元電子ガスの濃度を高めることが求められている。本発明は上記課題に鑑み、二次元電子ガスの濃度を高めることが可能な半導体装置を提供することを目的とする。 In the FET, in order to improve the characteristics of the semiconductor device, it is required to increase the concentration of the two-dimensional electron gas. In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of increasing the concentration of a two-dimensional electron gas.

本発明は、ＧａＮからなるチャネル層と、前記チャネル層上に設けられ、下側がＩｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）からなり、上側がＩｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなる電子供給層と、前記電子供給層上に設けられ、ＧａＮからなるキャップ層と、を具備する半導体装置である。本発明によれば、二次元電子ガスの濃度を高めることが可能となる。 The present invention includes a channel layer made of GaN, formed on said channel layer, the lower is made of _{_{In x Al 1-x N (}} 0 ≦ x <1), upper _{_{In x Al 1-x N (}} 0 < A semiconductor device comprising: an electron supply layer made of x <1); and a cap layer made of GaN provided on the electron supply layer. According to the present invention, it is possible to increase the concentration of the two-dimensional electron gas.

上記構成において、前記電子供給層のＩｎの組成比は、下から上に向けて高くなる構成とすることができる。この構成によれば、効果的に二次元電子ガス濃度を高め、かつリークを抑制することが可能となる。 In the above structure, the In composition ratio of the electron supply layer may be increased from bottom to top. According to this configuration, it is possible to effectively increase the two-dimensional electron gas concentration and suppress leakage.

上記構成において、前記電子供給層のＩｎの組成比は、前記キャップ層に接触する領域ではｘ＝０．１５〜０．２である構成とすることができる。この構成によれば、効果的にリークを抑制し、かつ電流コラプスを抑制することができる。 In the above structure, the In composition ratio of the electron supply layer may be configured such that x = 0.15 to 0.2 in a region in contact with the cap layer. According to this configuration, it is possible to effectively suppress leakage and suppress current collapse.

上記構成において、前記電子供給層のＩｎの組成比は、前記チャネル層に接触する領域ではｘ＝０．１以下である構成とすることができる。この構成によれば、効果的に二次元電子ガスの濃度を高めることができる。 In the above structure, the In composition ratio of the electron supply layer may be x = 0.1 or less in a region in contact with the channel layer. According to this configuration, the concentration of the two-dimensional electron gas can be effectively increased.

上記構成において、前記電子供給層のＩｎの組成比は、下から上に向けて、離散的に変化する、又は連続的に変化する構成とすることができる。 In the above configuration, the In composition ratio of the electron supply layer may be configured to change discretely or continuously change from bottom to top.

本発明によれば、二次元電子ガスの濃度を高めることが可能な半導体装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the semiconductor device which can raise the density | concentration of two-dimensional electron gas can be provided.

図１は実施例１に係る半導体装置を例示する断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to the first embodiment. 図２（ａ）から図２（ｃ）は、実施例１に係る半導体装置の製造方法を例示する断面図である。FIG. 2A to FIG. 2C are cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、実施例１に係る半導体装置の製造方法を例示する断面図である。FIG. 3A and FIG. 3B are cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、実験の結果を示す図である。4 (a) and 4 (b) are diagrams showing the results of the experiment. 図５は実施例２に係る半導体装置を例示する図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a semiconductor device according to the second embodiment. 図６（ａ）は実施例３に係る半導体装置を例示する断面図であり、図６（ｂ）はＩｎの組成比を例示する図である。FIG. 6A is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to the third embodiment, and FIG. 6B is a view illustrating the In composition ratio.

図面を用いて、本発明の実施例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

二次元電子ガスの濃度を高めるために、電子供給層を形成するＡｌＧａＮのＡｌの組成比を高めることが検討されている。しかしながら、結晶構造の歪みや、電子供給層とチャネル層及びキャップ層との格子不整合等が発生することがある。そこで、電子供給層にＡｌＧａＮ以外の材料を用いることが検討されている。実施例１では、電子供給層に、組成比を変更したＩｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮを用いる。図１は実施例１に係る半導体層を例示する断面図である。各層の厚さは例示である。 In order to increase the concentration of the two-dimensional electron gas, it has been studied to increase the Al composition ratio of AlGaN forming the electron supply layer. However, distortion of the crystal structure, lattice mismatch between the electron supply layer, the channel layer, and the cap layer may occur. Therefore, it has been studied to use materials other than AlGaN for the electron supply layer. In Example 1, In _x Al _1-x N having a changed composition ratio is used for the electron supply layer. FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor layer according to the first embodiment. The thickness of each layer is an example.

図１に示すように、実施例１に係る半導体装置は、基板１０、バリア層１２、チャネル層１４、電子供給層１６、キャップ層１８、ＳｉＮ（窒化シリコン）層２０及び２２、ソース電極２４、ドレイン電極２６、ゲート電極２８、並びに配線層３０を備える。 As shown in FIG. 1, the semiconductor device according to the first embodiment includes a substrate 10, a barrier layer 12, a channel layer 14, an electron supply layer 16, a cap layer 18, SiN (silicon nitride) layers 20 and 22, a source electrode 24, A drain electrode 26, a gate electrode 28, and a wiring layer 30 are provided.

基板１０は例えばＳｉＣ（炭化シリコン）、Ｓｉ又はサファイア等からなる。バリア層１２は、例えば厚さ３００ｎｍのＡｌＮからなる。チャネル層１４は例えば厚さ１０００ｎｍのｉ−ＧａＮからなる。電子供給層１６は、例えば厚さ３０ｎｍ以下のＩｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）からなる。より詳細には、電子供給層１６の下側はＩｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）からなり、上側はＩｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなる。キャップ層１８は、例えば厚さ５ｎｍのｎ−ＧａＮからなる。基板１０、バリア層１２、チャネル層１４、電子供給層１６、及びキャップ層１８は、それぞれ（０００１）面が上面になるように配向されている。 The substrate 10 is made of, for example, SiC (silicon carbide), Si, or sapphire. The barrier layer 12 is made of, for example, AlN having a thickness of 300 nm. The channel layer 14 is made of, for example, i-GaN having a thickness of 1000 nm. The electron supply layer 16 is made of, for example, In _x Al _1-x N (0 ≦ x <1) having a thickness of 30 nm or less. More specifically, the lower side of the electron supply layer 16 is made of In _x Al _1-x N (0 ≦ x <1), and the upper side is made of In _x Al _1-x N (0 <x <1). The cap layer 18 is made of, for example, n-GaN having a thickness of 5 nm. The substrate 10, the barrier layer 12, the channel layer 14, the electron supply layer 16, and the cap layer 18 are oriented so that the (0001) plane is the upper surface.

電子供給層１６は、下から電子供給層１６ａと電子供給層１６ｂとを積層した二層構造である。電子供給層１６ａは、Ｉｎの組成比ｘが０．１以下のＩｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮからなる。電子供給層１６ｂはｘ＝０．１５〜０．２のＩｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮからなる。つまり、電子供給層１６は、下から上に向けてＩｎの組成比ｘが高くなるＩｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮからなる。電子供給層１６の下面ではｘ＝０．１以下であり、電子供給層１６の上面ではｘ＝０．１５〜０．２である。電子供給層１６ａの下面に接触してチャネル層１４が設けられている。電子供給層１６ｂの上面に接触して、キャップ層１８が設けられている。 The electron supply layer 16 has a two-layer structure in which an electron supply layer 16a and an electron supply layer 16b are stacked from below. The electron supply layer 16a is made of In _x Al _1-x N having an In composition ratio x of 0.1 or less. The electron supply layer 16b is made of In _x Al _1-x N where x = 0.15 to 0.2. That is, the electron supply layer 16 is made of In _x Al _1-x N in which the In composition ratio x increases from bottom to top. On the lower surface of the electron supply layer 16, x = 0.1 or less, and on the upper surface of the electron supply layer 16, x = 0.15 to 0.2. A channel layer 14 is provided in contact with the lower surface of the electron supply layer 16a. A cap layer 18 is provided in contact with the upper surface of the electron supply layer 16b.

次に実施例１に係る半導体装置の製造方法について説明する。図２（ａ）から図３（ｂ）は、実施例１に係る半導体装置の製造方法を例示する断面図である。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment will be described. FIG. 2A to FIG. 3B are cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment.

図２（ａ）に示すように、例えばＭＯＣＶＤ法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属気相成長法）により、基板１０上にバリア層１２、チャネル層１４、電子供給層１６、及びキャップ層１８をエピタキシャル成長させる。このとき、各層は（０００１）面が上面となるように成長させる。また上述のように、電子供給層１６は、上面に向けてＩｎの組成比ｘが高くなるように成長させる。 As shown in FIG. 2A, the barrier layer 12, the channel layer 14, the electron supply layer 16, and the cap layer 18 are formed on the substrate 10 by, for example, MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition). Is epitaxially grown. At this time, each layer is grown so that the (0001) plane is the upper surface. Further, as described above, the electron supply layer 16 is grown so that the In composition ratio x increases toward the upper surface.

図２（ｂ）に示すように、例えばプラズマＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相成長）法により、キャップ層１８上に、例えば厚さ２０ｎｍのＳｉＮ層２０を形成する。さらにＳｉＮ層２０上にレジスト２１を形成し、ＳｉＮ層２０のパターニングを行う。パターニングにより露出したキャップ層１８上に、例えば蒸着法及びリフトオフ法により、ソース電極２４及びドレイン電極２６を形成する。ソース電極２４及びドレイン電極２６は、例えば下から順にＴｉ／ＡｌやＴａ／Ａｌ等の金属を積層してなるオーミック電極である。 As shown in FIG. 2B, the SiN layer 20 having a thickness of, for example, 20 nm is formed on the cap layer 18 by, for example, a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Further, a resist 21 is formed on the SiN layer 20 and the SiN layer 20 is patterned. A source electrode 24 and a drain electrode 26 are formed on the cap layer 18 exposed by patterning, for example, by vapor deposition and lift-off. The source electrode 24 and the drain electrode 26 are ohmic electrodes formed by laminating metals such as Ti / Al and Ta / Al in order from the bottom.

図２（ｃ）に示すように、例えばプラズマＣＶＤ法により、ＳｉＮ層２０、ソース電極２４、及びドレイン電極２６上に、例えば厚さ４０ｎｍのＳｉＮ層２２を形成する。 As shown in FIG. 2C, a SiN layer 22 of, eg, a 40 nm-thickness is formed on the SiN layer 20, the source electrode 24, and the drain electrode 26 by, eg, plasma CVD.

図３（ａ）に示すように、ＳｉＮ層２２上にレジスト２３を形成し、ＳｉＮ層２０及び２２のパターニングを行う。パターニングにより露出したキャップ層１８上に、例えば蒸着法及びリフトオフ法により、ゲート電極２８を形成する。ゲート電極２８は、例えば下から順にＮｉ／Ａｌ等の金属を積層してなる。 As shown in FIG. 3A, a resist 23 is formed on the SiN layer 22, and the SiN layers 20 and 22 are patterned. A gate electrode 28 is formed on the cap layer 18 exposed by patterning, for example, by vapor deposition or lift-off. The gate electrode 28 is formed by laminating a metal such as Ni / Al in order from the bottom.

図３（ｂ）に示すように、ソース電極２４及びドレイン電極２６上に配線層３０を形成する。配線層３０は、例えばＡｕ等の金属からなる。以上で、実施例１に係る半導体装置は完成する。 As shown in FIG. 3B, the wiring layer 30 is formed on the source electrode 24 and the drain electrode 26. The wiring layer 30 is made of a metal such as Au. Thus, the semiconductor device according to Example 1 is completed.

実施例１の電子供給層１６の下側はＩｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）からなり、上側はＩｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなる。上述したように、チャネル層１４に接触する電子供給層１６ａでは、Ｉｎの組成比ｘが例えば０．１以下と低い。このため電子供給層１６ａの組成はＡｌＮに近くなる。ＡｌＮはＧａＮよりも格子定数が小さいため、ｘが０．１以下である場合、チャネル層１４と電子供給層１６ａとの界面でピエゾ分極が発生しやすくなる。ピエゾ分極が促進されることにより、チャネル層１４と電子供給層１６ａとの界面に発生する二次元電子ガスの濃度が高くなる。またＡｌＮはＧａＮよりバンドギャップが大きい。このため、電子供給層１６ａは、電子供給層１６ｂよりバンドギャップが大きくなり、電子供給層として効果的に機能する。 The lower side of the electron supply layer 16 of Example 1 is made of In _x Al _1-x N (0 ≦ x <1), and the upper side is made of In _x Al _1-x N (0 <x <1). As described above, in the electron supply layer 16a in contact with the channel layer 14, the In composition ratio x is as low as 0.1 or less, for example. For this reason, the composition of the electron supply layer 16a is close to that of AlN. Since AlN has a smaller lattice constant than GaN, piezoelectric polarization is likely to occur at the interface between the channel layer 14 and the electron supply layer 16a when x is 0.1 or less. By promoting the piezoelectric polarization, the concentration of the two-dimensional electron gas generated at the interface between the channel layer 14 and the electron supply layer 16a increases. AlN has a larger band gap than GaN. For this reason, the electron supply layer 16a has a larger band gap than the electron supply layer 16b, and effectively functions as an electron supply layer.

これに対し、キャップ層１８に接触する電子供給層１６ｂでは、Ｉｎの組成比ｘが例えば０．１５〜０．２と高い。このような組成のＩｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮはＧａＮと格子定数が近似する。このため、電子供給層１６ｂは、キャップ層１８と格子整合しやすくなる。結果的にキャップ層１８においてピエゾ分極による電子の発生は抑制され、電子供給層１６ｂとキャップ層１８との界面に、二次元電子ガスが発生しにくくなる。これにより、キャップ層１８からのリークが抑制される。 In contrast, in the electron supply layer 16b in contact with the cap layer 18, the In composition ratio x is as high as 0.15 to 0.2, for example. In _x Al _1-x N having such a composition approximates the lattice constant of GaN. For this reason, the electron supply layer 16 b is easily lattice-matched with the cap layer 18. As a result, generation of electrons due to piezo polarization in the cap layer 18 is suppressed, and two-dimensional electron gas is hardly generated at the interface between the electron supply layer 16b and the cap layer 18. Thereby, leakage from the cap layer 18 is suppressed.

次に、実施例１の効果を検証するために、半導体装置のＩ−Ｖ特性を測定した実験について説明する。実験では、電子供給層にＡｌＧａＮを用いたサンプルＡと、電子供給層にＩｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（窒化物インジウムアルミニウム）を用いたサンプルＢとで、ゲート−ドレイン特性を比較した。 Next, in order to verify the effect of Example 1, an experiment in which the IV characteristic of the semiconductor device is measured will be described. In the experiment, the gate-drain characteristics were compared between Sample A using AlGaN for the electron supply layer and Sample B using In _x Al _1-x N (indium nitride aluminum) for the electron supply layer.

まずサンプルについて説明する。チャネル層は厚さ１０００ｎｍのｉ−ＧａＮ（窒化ガリウム）からなる。キャップ層は厚さ４ｎｍのｎ−ＧａＮからなる。サンプルＡにおける電子供給層は、厚さ２０ｎｍで、Ａｌの組成比が０．２のＡｌＧａＮからなる。サンプルＢにおける電子供給層は、厚さ２０ｎｍのＩｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮからなる。またサンプルＢの電子供給層は二層構造であり、下側の電子供給層はｘ＝０であり、上側の電子供給層はｘ＝０．１８である。 First, a sample will be described. The channel layer is made of i-GaN (gallium nitride) having a thickness of 1000 nm. The cap layer is made of 4 nm thick n-GaN. The electron supply layer in sample A is made of AlGaN having a thickness of 20 nm and an Al composition ratio of 0.2. The electron supply layer in Sample B is made of In _x Al _1-x N having a thickness of 20 nm. The electron supply layer of sample B has a two-layer structure, the lower electron supply layer is x = 0, and the upper electron supply layer is x = 0.18.

ゲート電極２８の幅（ゲート幅）は１ｍｍ、長さ（ゲート長）は０．５μｍとした。なお幅方向は、後述する図１の奥行き方向であり、長さ方向は図１の横方向である。 The width (gate width) of the gate electrode 28 was 1 mm, and the length (gate length) was 0.5 μm. The width direction is the depth direction of FIG. 1 described later, and the length direction is the horizontal direction of FIG.

次に測定方法について説明する。ドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓを０〜２０Ｖまで変動させた場合の各サンプルのＩ−Ｖ特性を測定した。ゲート電圧Ｖｇは−３〜２Ｖまで０．５Ｖ刻みで変動させ、各ゲート電圧においてＶｄｓを変動させた。 Next, the measurement method will be described. The IV characteristics of each sample when the drain-source voltage Vds was varied from 0 to 20 V were measured. The gate voltage Vg was varied from 0.5 to 2 V in increments of 0.5 V, and Vds was varied at each gate voltage.

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、実験の結果を示す図である。図４（ａ）はサンプルＡの測定結果、図４（ｂ）はサンプルＢの測定結果、をそれぞれ表す。横軸はドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓ、縦軸はドレイン−ソース間電流Ｉｄｓである。 4 (a) and 4 (b) are diagrams showing the results of the experiment. 4A shows the measurement result of sample A, and FIG. 4B shows the measurement result of sample B. The horizontal axis represents the drain-source voltage Vds, and the vertical axis represents the drain-source current Ids.

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、サンプルＡよりもサンプルＢの方が、ドレイン−ソース間電流Ｉｄｓが約０．１Ａ大きくなった。つまり、電子供給層の材料を、ＡｌＧａＮからＩｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮに変更し、かつＩｎの組成比ｘを低くすることで、半導体装置の特性が改善した。 As shown in FIG. 4A and FIG. 4B, the drain-source current Ids of the sample B is about 0.1 A larger than that of the sample A. That is, the characteristics of the semiconductor device were improved by changing the material of the electron supply layer from AlGaN to In _x Al _1-x N and lowering the In composition ratio x.

実施例１によれば、電子供給層１６の下側はＩｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）からなり、上側はＩｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなるため、チャネル層１４と電子供給層１６ａとの界面でピエゾ分極が促進される。これにより、チャネル層１４と電子供給層１６ａとの界面に発生する二次元電子ガスの濃度を高めることができる。また、電子供給層１６ｂとキャップ層１８との界面に二次元電子ガスが発生しにくいため、キャップ層１８からのリークが抑制される。特に、電子供給層１６のＩｎ組成比ｘが下から上に向けて高くなるため、効果的に二次元電子ガスの濃度を高め、かつリークを抑制することができる。また電子供給層１６ｂとキャップ層１８との界面に二次元電子ガスが発生しにくいため、電子がキャップ層１８側へ流れにくくなる。このため、キャップ層１８の不純物に電子が捕獲されにくくなる。これにより電流コラプスが抑制される。これらにより、半導体装置の特性が改善する。 According to Example 1, the lower side of the electron supply layer 16 is made of In _x Al _1-x N (0 ≦ x <1), and the upper side is made of In _x Al _1-x N (0 <x <1). Therefore, piezo polarization is promoted at the interface between the channel layer 14 and the electron supply layer 16a. Thereby, the concentration of the two-dimensional electron gas generated at the interface between the channel layer 14 and the electron supply layer 16a can be increased. In addition, since the two-dimensional electron gas is hardly generated at the interface between the electron supply layer 16b and the cap layer 18, leakage from the cap layer 18 is suppressed. In particular, since the In composition ratio x of the electron supply layer 16 increases from bottom to top, the concentration of the two-dimensional electron gas can be effectively increased and leakage can be suppressed. In addition, since the two-dimensional electron gas is unlikely to be generated at the interface between the electron supply layer 16b and the cap layer 18, it is difficult for electrons to flow to the cap layer 18 side. For this reason, electrons are less likely to be captured by impurities in the cap layer 18. Thereby, the current collapse is suppressed. As a result, the characteristics of the semiconductor device are improved.

チャネル層１４に近い側（下側）の電子供給層１６ａでは、ピエゾ分極を促進させるために、Ｉｎの組成比ｘが低いことが好ましい。例えばｘ＝０．１以下、さらにｘ＝０．０８以下とすることが好ましい。これにより、効果的に二次元電子ガスの濃度を高めることができる。またｘ＝０としてもよい。つまり電子供給層１６ａは、ＡｌＮからなるとしてもよい。これに対し、キャップ層１８に近い側の電子供給層１６ｂでは、ピエゾ分極を抑制するために、Ｉｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮの格子定数がＧａＮの格子定数に近いことが好ましい。例えばｘ＝０．１５〜０．２、さらにｘ＝０．１８〜０．２とすることが好ましい。これにより、効果的にリークを抑制することができる。つまり電子供給層１６のＩｎの組成比ｘは、０≦ｘ＜０．２とすることが好ましい。 In the electron supply layer 16a on the side close to the channel layer 14 (lower side), the In composition ratio x is preferably low in order to promote piezoelectric polarization. For example, it is preferable that x = 0.1 or less, and further x = 0.08 or less. Thereby, the concentration of the two-dimensional electron gas can be effectively increased. Also, x = 0 may be set. That is, the electron supply layer 16a may be made of AlN. On the other hand, in the electron supply layer 16b on the side close to the cap layer 18, it is preferable that the lattice constant of In _x Al _1-x N is close to the lattice constant of GaN in order to suppress piezoelectric polarization. For example, it is preferable that x = 0.15 to 0.2, and further x = 0.18 to 0.2. Thereby, a leak can be suppressed effectively. That is, the In composition ratio x of the electron supply layer 16 is preferably 0 ≦ x <0.2.

電子供給層１６が厚すぎると、ゲートリーク電流が増加する恐れがある。このため電子供給層１６の厚さ（電子供給層１６ａと電子供給層１６ｂとを合わせた厚さ）は、１０〜３０ｎｍ、つまり３０ｎｍ以下とすることが好ましい。 If the electron supply layer 16 is too thick, the gate leakage current may increase. For this reason, the thickness of the electron supply layer 16 (the total thickness of the electron supply layer 16a and the electron supply layer 16b) is preferably 10 to 30 nm, that is, 30 nm or less.

バリア層１２は、他の窒化物半導体から形成してもよい。窒化物半導体とは、窒素を含む半導体であり、例えばＩｎＮ、ＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）、ＩｎＡｌＮ、及びＡｌＩｎＧａＮ（窒化アルミニウムインジウムガリウム）等がある。 The barrier layer 12 may be formed from other nitride semiconductors. A nitride semiconductor is a semiconductor containing nitrogen, such as InN, InGaN (indium gallium nitride), InAlN, and AlInGaN (aluminum indium gallium nitride).

実施例２は、電子供給層１６をより多くの層から形成する例である。図５は実施例２に係る半導体装置を例示する図である。既述した構成と同じ構成については、説明を省略する。 Example 2 is an example in which the electron supply layer 16 is formed from more layers. FIG. 5 is a diagram illustrating a semiconductor device according to the second embodiment. The description of the same configuration as that described above is omitted.

図５に示すように、電子供給層１６は、下から電子供給層１６−１、電子供給層１６−２、電子供給層１６−３〜電子供給層１６−１０が積層した構成を有する。なお電子供給層１６−４〜１６−９は省略して図示する。また電子供給層１６−１〜１６−１０の厚さは模式的に図示したものである。 As shown in FIG. 5, the electron supply layer 16 has a configuration in which an electron supply layer 16-1, an electron supply layer 16-2, an electron supply layer 16-3, and an electron supply layer 16-10 are stacked from the bottom. The electron supply layers 16-4 to 16-9 are not shown in the figure. Further, the thicknesses of the electron supply layers 16-1 to 16-10 are schematically illustrated.

電子供給層１６−１のＩｎの組成比はｘ＝０である。電子供給層１６−２ではｘ＝０．０２、電子供給層１６−３ではｘ＝０．０４である。つまり、電子供給層１６−１〜１６−１０にかけて、Ｉｎの組成比ｘは０．０２刻みで０〜０．２と変動する。電子供給層１６−１〜１６−１０の各々の厚さは、例えば１〜３ｎｍであり、電子供給層１６全体の厚さは１０〜３０ｎｍ、つまり３０ｎｍ以下となる。 The composition ratio of In in the electron supply layer 16-1 is x = 0. In the electron supply layer 16-2, x = 0.02, and in the electron supply layer 16-3, x = 0.04. That is, the In composition ratio x varies from 0 to 0.2 in increments of 0.02 over the electron supply layers 16-1 to 16-10. The thickness of each of the electron supply layers 16-1 to 16-10 is, for example, 1 to 3 nm, and the total thickness of the electron supply layer 16 is 10 to 30 nm, that is, 30 nm or less.

実施例２によれば、実施例１と同様に、チャネル層１４と電子供給層１６ａとの界面に発生する二次元電子ガスの濃度を高めることができる。また、チャネル層１４に接触する電子供給層１６−１は、ｘ＝０であるため、組成がＡｌＮとなる。このため、より効果的にピエゾ分極が促進され、二次元電子ガスの濃度が高くなる。 According to the second embodiment, as in the first embodiment, the concentration of the two-dimensional electron gas generated at the interface between the channel layer 14 and the electron supply layer 16a can be increased. Further, since the electron supply layer 16-1 in contact with the channel layer 14 has x = 0, the composition is AlN. For this reason, piezoelectric polarization is more effectively promoted, and the concentration of the two-dimensional electron gas is increased.

また電子供給層１６−１〜１６−１０を例えば１〜３ｎｍ程度として、電子供給層１６全体の厚さは１０〜３０ｎｍと、実施例１における厚さと同程度としている。このため、電子供給層１６が厚くなり、ゲートリークが発生することが抑制される。また半導体装置の大型化も抑制される。実施例２では、電子供給層１６を十層構造としたが、下から上に向けてＩｎの組成比ｘが高くなる、三層以上の層が積層された構造とすればよい。また組成比ｘは０．０２刻み以外の比率で変動してもよい。 Further, the electron supply layers 16-1 to 16-10 are, for example, about 1 to 3 nm, and the entire thickness of the electron supply layer 16 is 10 to 30 nm, which is the same as the thickness in the first embodiment. For this reason, the electron supply layer 16 becomes thick and the occurrence of gate leakage is suppressed. In addition, an increase in the size of the semiconductor device is suppressed. In Example 2, the electron supply layer 16 has a ten-layer structure, but it may have a structure in which three or more layers in which the In composition ratio x increases from bottom to top are stacked. The composition ratio x may vary at a ratio other than 0.02 increments.

また実施例２では、最下層の電子供給層１６−１ではｘ＝０としたが、Ｉｎの組成比はこれに限定されない。つまり電子供給層１６−１でｘ＝０でなくてもよい。ただし、二次元電子ガスの濃度を効果的に高めるためには、最下層の電子供給層１６−１ではｘ＝０であることが好ましい。また、電子供給層１６−１〜１６−１０は、互いに同一の厚さを有するとしたが、異なる厚さを有していてもよい。 In Example 2, x = 0 in the lowermost electron supply layer 16-1, but the In composition ratio is not limited to this. That is, x = 0 is not necessarily required in the electron supply layer 16-1. However, in order to effectively increase the concentration of the two-dimensional electron gas, it is preferable that x = 0 in the lowermost electron supply layer 16-1. Further, although the electron supply layers 16-1 to 16-10 have the same thickness, they may have different thicknesses.

実施例３は、電子供給層１６のＩｎの組成比を、連続的に変更させる例である。まず半導体装置の構成について説明する。図６（ａ）は実施例３に係る半導体装置を例示する断面図である。既述した構成と同じ構成については説明を省略する。 Example 3 is an example in which the In composition ratio of the electron supply layer 16 is continuously changed. First, the structure of the semiconductor device will be described. FIG. 6A is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to the third embodiment. The description of the same configuration as that already described is omitted.

図６（ａ）に示すように、チャネル層１４上に、からなる電子供給層１６が設けられている。電子供給層１６のＩｎの組成比ｘは、下から上に向けて連続的に変化する。電子供給層１６の厚さは例えば３０ｎｍである。 As shown in FIG. 6A, an electron supply layer 16 is provided on the channel layer 14. The In composition ratio x of the electron supply layer 16 continuously changes from bottom to top. The thickness of the electron supply layer 16 is, for example, 30 nm.

図６（ｂ）はＩｎの組成比を例示する図である。横軸は電子供給層１６の下面からの高さ、縦軸はＩｎの組成比ｘを、それぞれ表す。図６（ｂ）に示すように、高さが大きくなるにつれて、Ｉｎの組成比ｘは高くなる。言い換えれば、組成比ｘは、図６（ａ）の下から上に向けて、連続的に変化する。電子供給層１６の下面ではｘ＝０である。電子供給層１６の下面からの高さが３０ｎｍ、つまり電子供給層１６の上面ではｘ＝０．２である。 FIG. 6B is a diagram illustrating the In composition ratio. The horizontal axis represents the height from the lower surface of the electron supply layer 16, and the vertical axis represents the In composition ratio x. As shown in FIG. 6B, the In composition ratio x increases as the height increases. In other words, the composition ratio x continuously changes from the bottom to the top in FIG. On the lower surface of the electron supply layer 16, x = 0. The height from the lower surface of the electron supply layer 16 is 30 nm, that is, x = 0.2 on the upper surface of the electron supply layer 16.

実施例３によれば、実施例１及び２と同様に、チャネル層１４と電子供給層１６ａとの界面に発生する二次元電子ガスの濃度を高めることができる。またキャップ層１８からのリークを抑制することができる。このように、Ｉｎの組成比ｘは連続的に変化しても、離散的に変化してもよい。また実施例３では、電子供給層１６の、チャネル層１４に近い側ではｘ＝０としたが（図６（ｂ）参照）、ｘ＝０としなくてもよい。ただし、二次元電子ガスの濃度を効果的に高めるためには、電子供給層１６の下面ではｘ＝０であることが好ましい。なお、電子供給層１６の下面からの高さと組成比ｘとは、図６（ｂ）のように比例していなくてもよく、高さが大きくなるにつれて、ｘが高くなればよい。 According to the third embodiment, similarly to the first and second embodiments, the concentration of the two-dimensional electron gas generated at the interface between the channel layer 14 and the electron supply layer 16a can be increased. Further, leakage from the cap layer 18 can be suppressed. Thus, the In composition ratio x may change continuously or discretely. Further, in Example 3, x = 0 is set on the side near the channel layer 14 of the electron supply layer 16 (see FIG. 6B), but it is not necessary to set x = 0. However, in order to effectively increase the concentration of the two-dimensional electron gas, it is preferable that x = 0 on the lower surface of the electron supply layer 16. Note that the height from the lower surface of the electron supply layer 16 and the composition ratio x do not have to be proportional to each other as shown in FIG. 6B, and it is sufficient that x increases as the height increases.

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.

基板１０
窒化物半導体層１１
バリア層１２
チャネル層１４
電子供給層１６，１６ａ，１６ｂ，１６−１〜１６−１０
キャップ層１８
ＳｉＮ層２０，２２
ソース電極２４
ドレイン電極２６
ゲート電極２８
配線層３０ Board 10
Nitride semiconductor layer 11
Barrier layer 12
Channel layer 14
Electron supply layer 16, 16a, 16b, 16-1 to 16-10
Cap layer 18
SiN layer 20, 22
Source electrode 24
Drain electrode 26
Gate electrode 28
Wiring layer 30

Claims

A channel layer made of GaN;
An electron supply layer provided on the channel layer, the lower side being made of In _x Al _1-x N (0 ≦ x <1) and the upper side being made of In _x Al _1-x N (0 <x <1);
And a cap layer made of GaN provided on the electron supply layer.

The semiconductor device according to claim 1, wherein the In composition ratio of the electron supply layer increases from bottom to top.

3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the In composition ratio of the electron supply layer is x = 0.15 to 0.2 in a region in contact with the cap layer.

4. The semiconductor device according to claim 1, wherein a composition ratio of In in the electron supply layer is x = 0.1 or less in a region in contact with the channel layer. 5.

5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the In composition ratio of the electron supply layer varies discretely or continuously from bottom to top.