JP5779151B2

JP5779151B2 - Semiconductor device

Info

Publication number: JP5779151B2
Application number: JP2012169946A
Authority: JP
Inventors: 誠桑原; 将一兼近; 青木　宏文; 宏文青木; 富田　英幹; 英幹富田
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2012-07-31
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2032-07-31
Also published as: JP2014029935A

Description

本明細書で開示される技術は、ヘテロ接合を有する半導体装置に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a semiconductor device having a heterojunction.

ヘテロ接合近傍に形成される２次元電子ガス層を利用する半導体装置が開発されている。一般的に、この種の半導体装置は、窒化ガリウム（ＧａＮ）のチャネル層と窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）の電子供給層を備えている。チャネル層と電子供給層がヘテロ接合を構成しており、２次元電子ガス層がチャネル層に形成される。この種の半導体装置はさらに、ドレイン電極、ソース電極、及びゲート部を備えている。ドレイン電極とソース電極は、チャネル層に形成される２次元電子ガス層にオーミック接続される。ゲート部は、ドレイン電極とソース電極の間に配置されており、ヘテロ接合面に対向する。 A semiconductor device using a two-dimensional electron gas layer formed in the vicinity of a heterojunction has been developed. Generally, this type of semiconductor device includes a channel layer of gallium nitride (GaN) and an electron supply layer of aluminum gallium nitride (AlGaN). The channel layer and the electron supply layer form a heterojunction, and a two-dimensional electron gas layer is formed in the channel layer. This type of semiconductor device further includes a drain electrode, a source electrode, and a gate portion. The drain electrode and the source electrode are ohmically connected to a two-dimensional electron gas layer formed in the channel layer. The gate portion is disposed between the drain electrode and the source electrode and faces the heterojunction surface.

特許文献１には、チャネル層下に窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）の下地層が設けられた半導体装置が開示されている。チャネル層下にバンドギャップ幅の広い下地層が設けられていると、チャネル層に形成される２次元電子ガス層の電子に対するポテンシャルが上昇するので、ゲート閾値電圧を上昇させることができる。 Patent Document 1 discloses a semiconductor device in which a base layer of aluminum gallium nitride (AlGaN) is provided under a channel layer. When a base layer having a wide band gap is provided under the channel layer, the potential of the two-dimensional electron gas layer formed in the channel layer with respect to electrons increases, so that the gate threshold voltage can be increased.

特開２００７−３１１７３３号公報JP 2007-31733 A

ゲート閾値電圧は、下地層のアルミニウムの組成比及び膜厚に依存して変動する。例えば、下地層のアルミニウムの組成比を大きくすると、２次元電子ガス層の電子に対するポテンシャルが上昇し、ゲート閾値電圧を上昇させることができる。また、下地層の膜厚を厚くしても、２次元電子ガス層の電子に対するポテンシャルが上昇し、ゲート閾値電圧を上昇させることができる。 The gate threshold voltage varies depending on the aluminum composition ratio and film thickness of the underlying layer. For example, when the composition ratio of aluminum in the underlayer is increased, the potential for electrons in the two-dimensional electron gas layer is increased, and the gate threshold voltage can be increased. Further, even if the thickness of the underlayer is increased, the potential of the two-dimensional electron gas layer with respect to electrons increases, and the gate threshold voltage can be increased.

しかしながら、特許文献１の下地層は、ドレイン電極とソース電極の間の全範囲に亘ってチャネル層下に設けられている。このため、ドレイン電極とソース電極の間の２次元電子ガス層の電子に対するポテンシャルは、下地層のアルミニウムの組成比及び膜厚に依存して一様に上昇する。特許文献１の技術では、ゲート閾値電圧を上昇させようとすると、ゲート部の下方以外の領域に対応する２次元電子ガス層の電子に対するポテンシャルも上昇するので、オン抵抗も上昇する。すなわち、特許文献１の技術では、閾値電圧とオン抵抗の間にトレードオフの関係が存在する。 However, the underlayer of Patent Document 1 is provided under the channel layer over the entire range between the drain electrode and the source electrode. For this reason, the potential with respect to the electrons of the two-dimensional electron gas layer between the drain electrode and the source electrode rises uniformly depending on the composition ratio and film thickness of aluminum in the underlayer. In the technique of Patent Document 1, when the gate threshold voltage is increased, the potential for electrons in the two-dimensional electron gas layer corresponding to the region other than the region below the gate portion also increases, so the on-resistance also increases. That is, in the technique of Patent Document 1, there is a trade-off relationship between the threshold voltage and the on-resistance.

本明細書で開示される技術は、ヘテロ接合を有する半導体装置において、高い閾値電圧と低いオン抵抗を両立させることを目的としている。 The technology disclosed in this specification is intended to achieve both a high threshold voltage and a low on-resistance in a semiconductor device having a heterojunction.

本明細書で開示される半導体装置は、半導体のチャネル層、半導体の電子供給層、ドレイン電極、ソース電極、ゲート部、及び半導体の下地領域を備えている。電子供給層は、チャネル層上に設けられており、チャネル層とヘテロ接合する。ドレイン電極は、チャネル層に形成される２次元電子ガス層の第１部分に接続する。ソース電極は、２次元電子ガス層の第１部分とは異なる第２部分に接続する。ゲート部は、ドレイン電極とソース電極の間に配置されており、チャネル層と電子供給層のヘテロ接合面に対向する。下地領域は、チャネル層に埋設されている埋設部分を有しており、チャネル層のバンドギャップ幅よりも実質的に広いバンドギャップ幅である。ヘテロ接合に平行な所定断面には、下地領域の埋設部分が現れる第１範囲と、チャネル層の一部が現れる第２範囲が存在している。第１範囲は、平面視したときに、ゲート部の存在範囲の少なくとも一部を含む。第２範囲は、平面視したときに、ゲート部とドレイン電極の間の少なくとも一部を含んでもよい。第２範囲は、平面視したときに、ゲート部とソース電極の間の少なくとも一部を含んでもよい。又は、第２範囲は、平面視したときに、ゲート部とドレイン電極の間の少なくとも一部、及びゲート部とソース電極の間の少なくとも一部の双方を含んでもよい。 The semiconductor device disclosed in this specification includes a semiconductor channel layer, a semiconductor electron supply layer, a drain electrode, a source electrode, a gate portion, and a semiconductor base region. The electron supply layer is provided on the channel layer and forms a heterojunction with the channel layer. The drain electrode is connected to the first portion of the two-dimensional electron gas layer formed in the channel layer. The source electrode is connected to a second part different from the first part of the two-dimensional electron gas layer. The gate portion is disposed between the drain electrode and the source electrode, and faces the heterojunction surface between the channel layer and the electron supply layer. The base region has a buried portion buried in the channel layer, and has a band gap width substantially wider than the band gap width of the channel layer. The predetermined cross section parallel to the heterojunction has a first range in which a buried portion of the base region appears and a second range in which a part of the channel layer appears. The first range includes at least a part of the existence range of the gate portion when seen in a plan view. The second range may include at least a part between the gate portion and the drain electrode when seen in a plan view. The second range may include at least a part between the gate portion and the source electrode when viewed in plan. Alternatively, the second range may include both at least a part between the gate part and the drain electrode and at least a part between the gate part and the source electrode when viewed in plan.

上記態様の半導体装置によると、２次元電子ガス層のポテンシャルに影響を与える下地領域の埋設部分が、ゲート部の下方に選択的に設けられている。このため、ゲート部の下方の２次元電子ガス層の電子に対するポテンシャルを選択的に上昇させることができる。これにより、上記態様の半導体装置では、高い閾値電圧と低いオン抵抗を両立させることができる。 According to the semiconductor device of the above aspect, the buried portion of the base region that affects the potential of the two-dimensional electron gas layer is selectively provided below the gate portion. For this reason, the potential for electrons in the two-dimensional electron gas layer below the gate portion can be selectively increased. Thereby, in the semiconductor device of the said aspect, a high threshold voltage and low on-resistance can be made compatible.

ＨＦＥＴ１の要部断面図を模式的に示す。The principal part sectional drawing of HFET1 is shown typically. ＨＦＥＴ１の他の一例の要部断面図を模式的に示す。The principal part sectional drawing of other examples of HFET1 is shown typically. 図１のIII-III線に対応した要部断面図を模式的に示す。The principal part sectional drawing corresponding to the III-III line of FIG. 1 is shown typically. ＨＦＥＴ１の他の一例の要部断面図を模式的に示す。The principal part sectional drawing of other examples of HFET1 is shown typically. 図４のＨＦＥＴ１の下地領域の要部拡大断面図を模式的に示す。The principal part expanded sectional view of the base area | region of HFET1 of FIG. 4 is shown typically. ＨＦＥＴ１の製造工程時の要部断面図を模式的に示す。The principal part sectional drawing at the time of the manufacturing process of HFET1 is shown typically. ＨＦＥＴ１の製造工程時の要部断面図を模式的に示す。The principal part sectional drawing at the time of the manufacturing process of HFET1 is shown typically. ＨＦＥＴ１の製造工程時の要部断面図を模式的に示す。The principal part sectional drawing at the time of the manufacturing process of HFET1 is shown typically. ＨＦＥＴ１の製造工程時の要部断面図を模式的に示す。The principal part sectional drawing at the time of the manufacturing process of HFET1 is shown typically. ＨＦＥＴ１の製造工程時の要部断面図を模式的に示す。The principal part sectional drawing at the time of the manufacturing process of HFET1 is shown typically. ＨＦＥＴ２の要部断面図を模式的に示す。The principal part sectional drawing of HFET2 is shown typically. ＨＦＥＴ２の製造工程時の要部断面図を模式的に示す。The principal part sectional drawing at the time of the manufacturing process of HFET2 is shown typically. ＨＦＥＴ２の製造工程時の要部断面図を模式的に示す。The principal part sectional drawing at the time of the manufacturing process of HFET2 is shown typically. ＨＦＥＴ２の製造工程時の要部断面図を模式的に示す。The principal part sectional drawing at the time of the manufacturing process of HFET2 is shown typically.

以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。
（第１特徴）本明細書で開示される半導体装置の一例は、半導体のチャネル層、半導体の電子供給層、ドレイン電極、ソース電極、ゲート部、及び半導体の下地領域を備えていてもよい。電子供給層は、チャネル層上に設けられており、チャネル層とヘテロ接合してもよい。チャネル層と電子供給層の間には、必要に応じて、他の半導体層が設けられていてもよい。電子供給層のバンドギャップ幅は、チャネル層のバンドギャップ幅よりも広くてもよい。ドレイン電極は、チャネル層に形成される２次元電子ガス層の第１部分に接続してもよく、オーミック接続するのが望ましい。ソース電極は、２次元電子ガス層の第１部分とは異なる第２部分に接続してもよく、オーミック接続するのが望ましい。ゲート部は、ドレイン電極とソース電極の間に配置されており、チャネル層と電子供給層のヘテロ接合面に対向してもよい。ゲート部には、ショットキー型、及び絶縁ゲート型が含まれる。下地領域は、チャネル層に埋設されている埋設部分を有していてもよい。また、下地領域は、チャネル層のバンドギャップ幅よりも実質的に広いバンドギャップ幅の半導体であってもよい。下地領域の一部が埋設部分であってもよく、下地領域の全体が埋設部分であってもよい。ヘテロ接合に平行な所定断面には、下地領域の埋設部分が現れる第１範囲と、チャネル層の一部が現れる第２範囲が存在していてもよい。ここで、ヘテロ接合に平行な所定断面とは、下地領域の埋設部分が含む深さで切断したときの断面である。第１範囲は、平面視したときに、ゲート部の存在範囲の少なくとも一部を含むように配置されていてもよい。なお、第１範囲は、ゲート部の存在範囲に含まれるのが望ましい。第２範囲は、平面視したときに、ゲート部とドレイン電極の間の少なくとも一部を含むように配置されていてもよい。第２範囲は、平面視したときに、ゲート部とソース電極の間の少なくとも一部を含むように配置されていてもよい。又は、第２範囲は、平面視したときに、ゲート部とドレイン電極の間の少なくとも一部、及びゲート部とソース電極の間の少なくとも一部の双方を含むように配置されていてもよい。なお、第２範囲は、平面視したときに、ゲート部とドレイン電極の間の少なくとも一部を含むように配置されているのが望ましい。
（第２特徴）本明細書で開示される半導体装置は、チャネル層下に設けられている防止層をさらに備えていてもよい。ここで、下地領域は、ドレイン電極側の第１側面、ソース電極側の第２側面、第１側面と第２側面の間を延びている下面を有していてもよい。防止層は、第１側面、第２側面、及び下面の少なくともいずれか１つの面に接触しており、下地領域の下方を経由する電流を遮断するように構成されていてもよい。この態様の半導体装置によると、下地領域の下方を経由して流れるリーク電流を抑制することができる。
（第３特徴）チャネル層、電子供給層、及び下地領域の半導体は、窒化物半導体であってもよい。
（第４特徴）第３特徴において、下地領域の半導体は、化学式Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ≦１）で表されてもよい。この下地領域では、アルミニウムの組成比を増加させることで、バンドギャップ幅を増加させることができる。
（第５特徴）第４特徴において、下地領域に含まれるアルミニウムの組成比が、少なくとも一方向に沿って変化していてもよい。なお、下地領域に含まれるアルミニウムの組成比は、連続的に変化していてもよく、非連続的に（ステップ状に）変化していてもよい。この態様の半導体装置では、下地領域のアルミニウムの組成比が適宜調整されることで、格子不整合に起因して下地領域に加わる歪みが抑えられる。
（第６特徴）第５特徴において、下地領域には、アルミニウムを含む第１膜とアルミニウムを含まない第２膜が繰り返し設けられていてもよい。この態様の半導体装置では、アルミニウムを含まない第２膜が断続的に設けられることによって、格子不整合に起因して下地領域に加わる歪みの蓄積が抑えられる。
（第７特徴）第６特徴において、第１膜が第２膜よりも厚くてもよい。下地領域の実質的なバンドギャップ幅が広くなるので、ゲート閾値電圧を高くすることができる。 The technical features disclosed in this specification will be summarized below. The items described below have technical usefulness independently.
(First Feature) An example of a semiconductor device disclosed in this specification may include a semiconductor channel layer, a semiconductor electron supply layer, a drain electrode, a source electrode, a gate portion, and a semiconductor base region. The electron supply layer is provided on the channel layer and may be heterojunction with the channel layer. Another semiconductor layer may be provided between the channel layer and the electron supply layer as necessary. The band gap width of the electron supply layer may be wider than the band gap width of the channel layer. The drain electrode may be connected to the first portion of the two-dimensional electron gas layer formed in the channel layer, and is preferably ohmic-connected. The source electrode may be connected to a second portion different from the first portion of the two-dimensional electron gas layer, and is preferably ohmic-connected. The gate portion is disposed between the drain electrode and the source electrode, and may face the heterojunction surface of the channel layer and the electron supply layer. The gate portion includes a Schottky type and an insulated gate type. The base region may have a buried portion buried in the channel layer. Further, the base region may be a semiconductor having a band gap width substantially wider than the band gap width of the channel layer. A part of the ground region may be a buried portion, or the whole ground region may be a buried portion. In a predetermined cross section parallel to the heterojunction, there may be a first range in which a buried portion of the base region appears and a second range in which a part of the channel layer appears. Here, the predetermined cross section parallel to the heterojunction is a cross section when cut at a depth included in the buried portion of the base region. The first range may be arranged so as to include at least a part of the existence range of the gate portion when seen in a plan view. Note that the first range is preferably included in the existence range of the gate portion. The second range may be arranged so as to include at least a part between the gate portion and the drain electrode when seen in a plan view. The second range may be arranged so as to include at least a part between the gate portion and the source electrode when viewed in plan. Alternatively, the second range may be arranged so as to include both at least a part between the gate part and the drain electrode and at least a part between the gate part and the source electrode when viewed in plan. The second range is desirably arranged so as to include at least a part between the gate portion and the drain electrode when viewed in plan.
(Second Feature) The semiconductor device disclosed in this specification may further include a prevention layer provided below the channel layer. Here, the base region may have a first side surface on the drain electrode side, a second side surface on the source electrode side, and a lower surface extending between the first side surface and the second side surface. The prevention layer may be configured to be in contact with at least one of the first side surface, the second side surface, and the lower surface, and to block a current passing under the base region. According to the semiconductor device of this aspect, it is possible to suppress the leakage current that flows via the lower portion of the base region.
(Third feature) The semiconductor of the channel layer, the electron supply layer, and the base region may be a nitride semiconductor.
(Fourth feature) In the third feature, the semiconductor in the base region is represented by the chemical formula Al _x In _y Ga _1-xy N (0 <x ≦ 1, 0 ≦ y <1, 0 <x + y ≦ 1). May be. In this base region, the band gap width can be increased by increasing the composition ratio of aluminum.
(Fifth feature) In the fourth feature, the composition ratio of aluminum contained in the underlying region may change along at least one direction. In addition, the composition ratio of aluminum contained in the base region may be continuously changed or may be changed discontinuously (stepwise). In the semiconductor device of this aspect, the strain applied to the base region due to lattice mismatch is suppressed by appropriately adjusting the composition ratio of aluminum in the base region.
(Sixth feature) In the fifth feature, a base film may be repeatedly provided with a first film containing aluminum and a second film not containing aluminum. In the semiconductor device of this aspect, the accumulation of strain applied to the base region due to lattice mismatch is suppressed by intermittently providing the second film not containing aluminum.
(Seventh feature) In the sixth feature, the first film may be thicker than the second film. Since the substantial band gap width of the base region is widened, the gate threshold voltage can be increased.

図１に示されるように、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１（以下、ＨＦＥＴ１という）は、基板１１、バッファ層１２、ＧａＮ層１３、防止層１４、チャネル層１５、電子供給層１６、キャップ層１７、及びパッシベーション層１８を備えている。 As shown in FIG. 1, the heterojunction field effect transistor 1 (hereinafter referred to as HFET 1) includes a substrate 11, a buffer layer 12, a GaN layer 13, a prevention layer 14, a channel layer 15, an electron supply layer 16, a cap layer 17, And a passivation layer 18.

基板１１は、その表面に窒化物半導体を形成することが可能な材料であり、一例では、シリコン、サファイア、炭化珪素が用いられる。バッファ層１２は、基板１１の上面に接触して設けられており、基板１１とＧａＮ層１３の間の格子不整合を緩和するための層である。ＧａＮ層１３は、バッファ層１２の上面に接触して設けられており、その材料がノンドープの窒化ガリウム（ＧａＮ）の単結晶である。防止層１４は、ＧａＮ層１３の上面の一部に接触して設けられており、その材料が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の単結晶である。換言すると、防止層１４は、チャネル層１５の下面の一部に接触して設けられている。 The substrate 11 is a material capable of forming a nitride semiconductor on its surface, and in one example, silicon, sapphire, or silicon carbide is used. The buffer layer 12 is provided in contact with the upper surface of the substrate 11 and is a layer for relaxing lattice mismatch between the substrate 11 and the GaN layer 13. The GaN layer 13 is provided in contact with the upper surface of the buffer layer 12, and the material thereof is a single crystal of non-doped gallium nitride (GaN). The prevention layer 14 is provided in contact with a part of the upper surface of the GaN layer 13, and the material thereof is a single crystal of aluminum nitride (AlN). In other words, the prevention layer 14 is provided in contact with a part of the lower surface of the channel layer 15.

チャネル層１５は、防止層１４の上面及び後述する下地領域２４の上面に接触して設けられており、その材料がノンドープの窒化ガリウム（ＧａＮ）の単結晶である。一例では、チャネル層１５の厚みは、防止層１４上において約０．４μｍであり、下地領域２４上において約５ｎｍである。電子供給層１６は、チャネル層１５の上面に接触して設けられており、その材料がノンドープの窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）の単結晶である。一例では、電子供給層１６のアルミニウムの組成比が約０．２５であり、その厚みが約１５ｎｍである。チャネル層１５と電子供給層１６は、ヘテロ接合を構成している。図中破線で示すように、チャネル層１５と電子供給層１６のヘテロ接合面のうち、チャネル層１５内には２次元電子ガス層が形成される。 The channel layer 15 is provided in contact with the upper surface of the prevention layer 14 and the upper surface of a base region 24 described later, and the material thereof is a non-doped gallium nitride (GaN) single crystal. In one example, the channel layer 15 has a thickness of about 0.4 μm on the prevention layer 14 and about 5 nm on the base region 24. The electron supply layer 16 is provided in contact with the upper surface of the channel layer 15, and the material thereof is a single crystal of non-doped aluminum gallium nitride (AlGaN). In one example, the composition ratio of aluminum in the electron supply layer 16 is about 0.25, and the thickness thereof is about 15 nm. The channel layer 15 and the electron supply layer 16 constitute a heterojunction. As indicated by a broken line in the figure, a two-dimensional electron gas layer is formed in the channel layer 15 among the heterojunction surfaces of the channel layer 15 and the electron supply layer 16.

キャップ層１７は、電子供給層１６の上面に接触して設けられており、その材料がノンドープの窒化ガリウム（ＧａＮ）の単結晶である。一例では、キャップ層１７の厚みは、約２ｎｍである。キャップ層１７は、コラプス現象を抑えるために設けられており、電荷が電子供給層１６又はチャネル層１５に蓄積するのを抑制する。パッシベーション層１８は、キャップ層１７上に設けられており、その材料が窒化シリコン（ＳｉＮ）のＣＶＤ膜である。 The cap layer 17 is provided in contact with the upper surface of the electron supply layer 16, and the material thereof is a single crystal of non-doped gallium nitride (GaN). In one example, the thickness of the cap layer 17 is about 2 nm. The cap layer 17 is provided to suppress the collapse phenomenon, and suppresses accumulation of electric charges in the electron supply layer 16 or the channel layer 15. The passivation layer 18 is provided on the cap layer 17 and is made of a silicon nitride (SiN) CVD film.

ＨＦＥＴ１はさらに、ドレイン電極２１、ゲート部２２、ソース電極２３、及び下地領域２４を備えている。 The HFET 1 further includes a drain electrode 21, a gate portion 22, a source electrode 23, and a base region 24.

ドレイン電極２１は、パッシベーション層１８、キャップ層１７、電子供給層１６を貫通してチャネル層１５に接触しており、その材料がチタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）を積層したものである。ドレイン電極２１は、チャネル層１５に形成される２次元電子ガス層の一部にオーミック接続している。ソース電極２３も同様に、パッシベーション層１８、キャップ層１７、電子供給層１６を貫通してチャネル層１５に接触しており、その材料がチタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）を積層したものである。ソース電極２３は、チャネル層１５に形成される２次元電子ガス層の一部にオーミック接続している。 The drain electrode 21 is in contact with the channel layer 15 through the passivation layer 18, the cap layer 17, and the electron supply layer 16, and the material thereof is a laminate of titanium (Ti) and aluminum (Al). The drain electrode 21 is ohmically connected to a part of the two-dimensional electron gas layer formed in the channel layer 15. Similarly, the source electrode 23 passes through the passivation layer 18, the cap layer 17, and the electron supply layer 16 and is in contact with the channel layer 15, and the material thereof is a laminate of titanium (Ti) and aluminum (Al). . The source electrode 23 is ohmically connected to a part of the two-dimensional electron gas layer formed in the channel layer 15.

ゲート部２２は、ドレイン電極２１とソース電極２３の間に配置されており、チャネル層１５と電子供給層１６のヘテロ接合面の一部にキャップ層１７を介して対向している。ゲート部２２は、ショットキー型であり、その材料がニッケル（Ｎｉ）である。ゲート部２２は、キャップ層１７の表面に接触して設けられているが、この例に代えて、キャップ層１７の一部を除去して電子供給層１６の表面に接触して設けられていてもよい。また、図２に示すように、ゲート部２２は、絶縁ゲート型であってもよい。絶縁ゲート型のゲート部２２は、絶縁ゲート膜２２ａと、絶縁ゲート膜２２ａで被覆されているゲート電極２２ｂを有する。絶縁ゲート型のゲート部２２も、キャップ層１７の一部を除去して電子供給層１６の表面に接触して設けられていてもよい。 The gate portion 22 is disposed between the drain electrode 21 and the source electrode 23 and faces a part of the heterojunction surface between the channel layer 15 and the electron supply layer 16 with the cap layer 17 interposed therebetween. The gate portion 22 is a Schottky type, and the material thereof is nickel (Ni). The gate portion 22 is provided in contact with the surface of the cap layer 17, but instead of this example, the gate portion 22 is provided in contact with the surface of the electron supply layer 16 by removing a part of the cap layer 17. Also good. Moreover, as shown in FIG. 2, the gate part 22 may be an insulated gate type. The insulated gate type gate portion 22 includes an insulated gate film 22a and a gate electrode 22b covered with the insulated gate film 22a. The insulated gate type gate portion 22 may also be provided in contact with the surface of the electron supply layer 16 by removing a part of the cap layer 17.

下地領域２４は、ＧａＮ層１３と防止層１４とチャネル層１５に埋設して設けられている。下地領域２４は、その材料が窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）の単結晶である。一例では、下地領域２４のアルミニウム組成比が約０．２５であり、その厚みが約０．５μｍである。 The underlying region 24 is provided so as to be embedded in the GaN layer 13, the prevention layer 14, and the channel layer 15. The underlying region 24 is a single crystal made of aluminum gallium nitride (AlGaN). In one example, the aluminum composition ratio of the base region 24 is about 0.25, and the thickness is about 0.5 μm.

下地領域２４は、ドレイン側のドレイン側面２４Ｄ、ソース側のソース側面２４Ｓ、ドレイン側面２４Ｄとソース側面２４Ｓの間を延びている上面２４Ｕ及び下面２４Ｂを有している。下地領域２４のうち、チャネル層１５に埋設して設けられている部分を特に埋設部分２４ａという。具体的には、埋設部分２４ａは、ドレイン側面２４Ｄの一部、ソース側面２４Ｓの一部、及び上面２４Ｕで構成されており、チャネル領域１５に囲まれている部分をいう。また、下地領域２４の埋設部分２４ａは、チャネル層１５と電子供給層１６のヘテロ接合面に最も接近する部分である。 The base region 24 has a drain side drain side surface 24D, a source side source side surface 24S, and an upper surface 24U and a lower surface 24B extending between the drain side surface 24D and the source side surface 24S. A portion of the underlying region 24 that is embedded in the channel layer 15 is particularly referred to as a buried portion 24a. Specifically, the embedded portion 24 a is a portion that is constituted by a part of the drain side surface 24 D, a part of the source side surface 24 S, and the upper surface 24 U and is surrounded by the channel region 15. The buried portion 24 a of the base region 24 is a portion that is closest to the heterojunction surface of the channel layer 15 and the electron supply layer 16.

下地領域２４のアルミニウム組成比と厚みは、チャネル層１５と電子供給層１６のヘテロ接合面近傍に形成される２次元電子ガス層のポテンシャルに影響する。ＨＦＥＴ１では、下地領域２４上に対応する２次元電子ガス層のポテンシャルが、ゲート部２２に電圧が印加されていないときに（接地電圧のときに）、フェルミレベルよりも上側となるように、下地領域２４のアルミニウム組成比と厚みが調整される。 The aluminum composition ratio and thickness of the base region 24 affect the potential of the two-dimensional electron gas layer formed in the vicinity of the heterojunction surface between the channel layer 15 and the electron supply layer 16. In the HFET 1, the potential of the corresponding two-dimensional electron gas layer on the ground region 24 is above the Fermi level when no voltage is applied to the gate portion 22 (at the ground voltage). The aluminum composition ratio and thickness of the region 24 are adjusted.

図３に、チャネル層１５と電子供給層１６のヘテロ接合に平行な断面（図１のIII-III線断面）を示す。また、図３には、ＨＥＭＴ１を平面視したときの、ドレイン電極２１、ゲート部２２、及びソース電極２３の存在範囲を破線で示す。この断面には、下地領域２４の埋設部分２４ａが現れる第１範囲２４ａと、チャネル層１５の一部が現れる第２範囲１５が存在している。図３に示されるように、第１範囲２４ａは、ゲート部２２の存在範囲と一致するように配置されている。第２範囲１５は、ゲート部２２とドレイン電極２１の間、及びゲート部２２とソース電極２３の間を含むように配置されている。 FIG. 3 shows a cross section parallel to the heterojunction of the channel layer 15 and the electron supply layer 16 (cross section taken along line III-III in FIG. 1). In FIG. 3, the existence range of the drain electrode 21, the gate portion 22, and the source electrode 23 when the HEMT 1 is viewed in plan is indicated by a broken line. In this cross section, there are a first range 24 a in which the embedded portion 24 a of the base region 24 appears and a second range 15 in which a part of the channel layer 15 appears. As shown in FIG. 3, the first range 24 a is arranged so as to coincide with the existence range of the gate portion 22. The second range 15 is disposed so as to include between the gate portion 22 and the drain electrode 21 and between the gate portion 22 and the source electrode 23.

次に、ＨＦＥＴ１の動作を説明する。ドレイン電極２１に正電圧が印加され、ソース電極２３に接地電圧が印加され、ゲート部２２に接地電圧が印加される状態では、ゲート部２２と下地領域２４の間に存在するヘテロ接合近傍の２次元電子ガス層のポテンシャルがフェルミレベルよりも上側となる。このため、ゲート部２２に接地電圧が印加される状態では、ゲート部２２と下地領域２４の間において２次元電子ガス層の一部が遮断されており、ＨＦＥＴ１はオフとなる。このように、ＨＦＥＴ１は、ノーマリオフで動作する。 Next, the operation of the HFET 1 will be described. In a state where a positive voltage is applied to the drain electrode 21, a ground voltage is applied to the source electrode 23, and a ground voltage is applied to the gate portion 22, 2 near the heterojunction existing between the gate portion 22 and the base region 24. The potential of the dimensional electron gas layer is above the Fermi level. For this reason, in a state where the ground voltage is applied to the gate portion 22, a part of the two-dimensional electron gas layer is blocked between the gate portion 22 and the base region 24, and the HFET 1 is turned off. Thus, HFET 1 operates normally off.

ゲート部２２に所定の正電圧が印加されると、ゲート部２２と下地領域２４の間に存在するヘテロ接合近傍の２次元電子ガス層のポテンシャルがフェルミレベルよりも下側になる。このため、ゲート部２２に所定の正電圧が印加される状態では、２次元電子ガス層がドレイン電極２１とソース電極２３の間で連続するので、ＨＦＥＴ１はオンとなる。ＨＦＥＴ１では、下地領域２４がゲート部２２の下方に選択的に配置されている。このため、ゲート部２２とドレイン電極２１の間の２次元電子ガス層、及びゲート部２２とソース電極２３の間の２次元電子ガス層のポテンシャルは低く、電子密度が濃い。したがって、ＨＦＥＴ１のオン抵抗は低い。このように、ＨＦＥＴ１では、下地領域２４がゲート部２２の下方に選択的に設けられていることによって、ノーマリオフ動作と低いオン抵抗を両立することができる。 When a predetermined positive voltage is applied to the gate portion 22, the potential of the two-dimensional electron gas layer near the heterojunction existing between the gate portion 22 and the base region 24 becomes lower than the Fermi level. For this reason, in a state where a predetermined positive voltage is applied to the gate portion 22, the two-dimensional electron gas layer is continuous between the drain electrode 21 and the source electrode 23, so that the HFET 1 is turned on. In the HFET 1, the base region 24 is selectively disposed below the gate portion 22. For this reason, the potential of the two-dimensional electron gas layer between the gate part 22 and the drain electrode 21 and the two-dimensional electron gas layer between the gate part 22 and the source electrode 23 are low, and the electron density is high. Therefore, the on-resistance of HFET 1 is low. As described above, in the HFET 1, since the base region 24 is selectively provided below the gate portion 22, both a normally-off operation and a low on-resistance can be achieved.

また、ＨＦＥＴ１では、下地領域２４のドレイン側面２４Ｄ及びソース側面２４Ｓに接触するように防止層１４が設けられている。このため、ＨＦＥＴ１では、リーク電流に対しても対策が施されている。ここで、防止層１４が設けられていない場合を仮定する。この場合、下地領域２４とＧａＮ層１３がヘテロ接合を構成しているので、下地領域２４の下面２４ＢとＧａＮ層１３のヘテロ接合面に２次元電子ガス層が形成される。このため、下地領域２４の下方を経由して流れるリーク電流が懸念される。ＨＦＥＴ１では、絶縁体の防止層１４が設けられており、このようなリーク電流を抑制する。なお、この例のＨＦＥＴ１では、防止層１４の材料に窒化アルミニウムが用いられている。防止層１４の材料は、電子の流れを防止できるものであればよく、例えば、ｐ型の窒化ガリウム、炭素ドープの窒化ガリウム、又は窒化アルミニウムガリウムを用いてもよい。 In the HFET 1, the prevention layer 14 is provided so as to be in contact with the drain side surface 24 D and the source side surface 24 S of the base region 24. For this reason, the HFET 1 takes measures against leakage current. Here, it is assumed that the prevention layer 14 is not provided. In this case, since the base region 24 and the GaN layer 13 form a heterojunction, a two-dimensional electron gas layer is formed on the heterojunction surface of the lower surface 24B of the base region 24 and the GaN layer 13. For this reason, there is a concern about the leak current flowing via the lower portion of the base region 24. The HFET 1 is provided with an insulating prevention layer 14 to suppress such a leakage current. In the HFET 1 of this example, aluminum nitride is used as the material of the prevention layer 14. The prevention layer 14 may be made of any material that can prevent the flow of electrons. For example, p-type gallium nitride, carbon-doped gallium nitride, or aluminum gallium nitride may be used.

図４に示すように、ＨＦＥＴ１の下地領域２４が多層構造であってもよい。図５に、多層構造の下地領域２４の拡大断面図を模式的に示す。この例の下地領域２４では、符号２４ａ，２４ｃ，２４ｅの材料が窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）の単結晶であり、符号２４ｂ，２４ｄ，２４ｆが窒化ガリウム（ＧａＮ）の単結晶である。一例では、窒化アルミニウムガリウム膜２４ａ，２４ｃ，２４ｅのアルミニウムの組成比が約０．２５であり、その厚み２４Ｗａが約３０ｎｍである。一例では、窒化ガリウム膜２４ｂ，２４ｄ，２４ｆの厚み２４Ｗｂは、約１０ｎｍである。このような多層構造の下地領域２４のバンドギャップ幅も、チャネル領域１５のバンドギャップ幅よりも実質的に広いと評価することができる。 As shown in FIG. 4, the base region 24 of the HFET 1 may have a multilayer structure. FIG. 5 schematically shows an enlarged cross-sectional view of the base region 24 having a multilayer structure. In the base region 24 of this example, the reference numerals 24a, 24c, and 24e are aluminum gallium nitride (AlGaN) single crystals, and the reference numerals 24b, 24d, and 24f are gallium nitride (GaN) single crystals. In one example, the aluminum composition ratio of the aluminum gallium nitride films 24a, 24c, and 24e is about 0.25, and the thickness 24Wa is about 30 nm. In an example, the thickness 24Wb of the gallium nitride films 24b, 24d, and 24f is about 10 nm. It can be evaluated that the band gap width of the base region 24 having such a multilayer structure is substantially wider than the band gap width of the channel region 15.

多層構造の下地領域２４では、窒化ガリウム膜２４ｂ，２４ｄ，２４ｆが断続的に設けられているので、格子不整合に起因して下地領域２４に加わる歪みの蓄積が抑えられる。このため、アルミニウムの組成比が高く、厚みが厚い下地領域２４を構成することができる。この結果、ゲート部２２の閾値をより高くすることができる。 Since the gallium nitride films 24b, 24d, and 24f are intermittently provided in the base region 24 having a multilayer structure, accumulation of strain applied to the base region 24 due to lattice mismatch is suppressed. For this reason, the base region 24 having a high aluminum composition ratio and a large thickness can be formed. As a result, the threshold value of the gate unit 22 can be further increased.

（ＨＦＥＴ１の製造方法）
図４に示す多層構造の下地領域２４を備えたＨＦＥＴ１の製造方法を説明する。まず、図６に示されるように、基板１１、バッファ層１２、ＧａＮ層１３、防止層１４及びチャネル層１５の一部が積層した積層体を準備する。この積層体は、ＭＯＣＶＤ技術を利用して、基板１１上に結晶成長させることで形成することができる。 (Method for manufacturing HFET1)
A method of manufacturing the HFET 1 having the base region 24 having the multilayer structure shown in FIG. 4 will be described. First, as shown in FIG. 6, a laminated body in which a substrate 11, a buffer layer 12, a GaN layer 13, a prevention layer 14 and a channel layer 15 are partially laminated is prepared. This laminate can be formed by crystal growth on the substrate 11 using MOCVD technology.

次に、図７に示されるように、チャネル層１５の表面にマスク層３２をパターニングした後に、ＲＩＥ技術を利用して、チャネル層１５の表面の一部から防止層１４を貫通してＧａＮ層１３に達するトレンチを形成する。マスク層３２は、トレンチ形成後に除去される。 Next, as shown in FIG. 7, after patterning the mask layer 32 on the surface of the channel layer 15, the GaN layer penetrates the prevention layer 14 from a part of the surface of the channel layer 15 using RIE technology. A trench reaching 13 is formed. The mask layer 32 is removed after the trench formation.

次に、図８に示されるように、ＭＯＣＶＤ技術を利用して、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）と窒化ガリウム（ＧａＮ）の膜を交互に結晶成長させる。これにより、トレンチ内には、窒化アルミニウムガリウム膜２４ａ，２４ｃ，２４ｅと窒化ガリウム膜２４ｂ，２４ｄ，２４ｆの多層構造が充填される。 Next, as shown in FIG. 8, aluminum gallium nitride (AlGaN) and gallium nitride (GaN) films are alternately grown using MOCVD technology. As a result, the trench is filled with a multilayer structure of aluminum gallium nitride films 24a, 24c, 24e and gallium nitride films 24b, 24d, 24f.

次に、図９に示されるように、エッチング技術を利用して、チャネル層１５上に堆積した窒化アルミニウムガリウム膜２４ａ，２４ｃ，２４ｅ及び窒化ガリウム膜２４ｂ，２４ｄ，２４ｆを除去する。 Next, as shown in FIG. 9, the aluminum gallium nitride films 24a, 24c and 24e and the gallium nitride films 24b, 24d and 24f deposited on the channel layer 15 are removed by using an etching technique.

次に、図１０に示されるように、ＭＯＣＶＤ技術を利用して、チャネル層１５の一部、電子供給層１６、及びキャップ層１７を結晶成長させる。 Next, as shown in FIG. 10, a part of the channel layer 15, the electron supply layer 16, and the cap layer 17 are crystal-grown using the MOCVD technique.

その後は、エッチング技術及び蒸着技術を利用して、ドレイン電極２１、ゲート部２２、ソース電極２３、及びパッシベーション層１８を形成し、ＨＦＥＴ１が完成する。 Thereafter, the drain electrode 21, the gate part 22, the source electrode 23, and the passivation layer 18 are formed by using an etching technique and a vapor deposition technique, and the HFET 1 is completed.

図１１に示されるように、ＨＦＥＴ２は、図１のＨＦＥＴ１と比較すると、防止層１１４と下地領域１２４に特徴を有する。他の構成は同一なので、それらの説明を省略する。 As shown in FIG. 11, the HFET 2 is characterized by a prevention layer 114 and a base region 124 as compared with the HFET 1 of FIG. 1. Since other configurations are the same, description thereof is omitted.

防止層１１４は、ＧａＮ層１３の上面の全体に接触して設けられており、その材料が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の単結晶である。 The prevention layer 114 is provided in contact with the entire upper surface of the GaN layer 13, and the material thereof is a single crystal of aluminum nitride (AlN).

下地領域１２４は、その全体がチャネル層１５に埋設して設けられている。すなわち、下地領域１２４は、その全体が埋設部分１２４ａでもある。下地領域１２４の材料は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）の単結晶である。一例では、下地領域１２４のアルミニウム組成比が約０．２５であり、その厚みが約０．５μｍである。ＨＦＥＴ２も同様に、下地領域１２４がゲート部２２の下方に選択的に設けられていることによって、ノーマリオフ動作と低いオン抵抗を両立することができる。 The entire base region 124 is embedded in the channel layer 15. That is, the entire base region 124 is also an embedded portion 124a. The material of the base region 124 is a single crystal of aluminum gallium nitride (AlGaN). In one example, the aluminum composition ratio of the base region 124 is about 0.25, and the thickness thereof is about 0.5 μm. Similarly, in the HFET 2, since the base region 124 is selectively provided below the gate portion 22, both a normally-off operation and a low on-resistance can be achieved.

また、ＨＦＥＴ２では、絶縁体の防止層１１４が下地領域１２４の下面に接触して設けられており、下地領域１２４の下方を経由して流れるリーク電流に対しても対策が施されている。なお、防止層１１４の材料は、電子の流れを防止できるものであればよく、例えば、ｐ型の窒化ガリウム、炭素ドープの窒化ガリウム、又は窒化アルミニウムガリウムを用いてもよい。 Further, in the HFET 2, the insulating prevention layer 114 is provided in contact with the lower surface of the base region 124, and measures are taken against leakage current flowing through the lower portion of the base region 124. Note that the material of the prevention layer 114 may be any material that can prevent the flow of electrons. For example, p-type gallium nitride, carbon-doped gallium nitride, or aluminum gallium nitride may be used.

（ＨＦＥＴ２の製造方法）
図１２に示されるように、基板１１、バッファ層１２、ＧａＮ層１３、防止層１１４及び下地領域１２４が積層した積層体を準備する。この積層体は、ＭＯＣＶＤ技術を利用して、基板１１上に結晶成長させることで形成することができる。 (Method for manufacturing HFET2)
As shown in FIG. 12, a laminate in which a substrate 11, a buffer layer 12, a GaN layer 13, a prevention layer 114, and a base region 124 are laminated is prepared. This laminate can be formed by crystal growth on the substrate 11 using MOCVD technology.

次に、図１３に示されるように、下地領域１２４の表面にマスク層３４をパターニングした後に、ＲＩＥ技術を利用して、下地領域１２４の一部を除去する。マスク層３４は、下地領域１２４の一部を除去した後に除去される。 Next, as shown in FIG. 13, after mask layer 34 is patterned on the surface of base region 124, a part of base region 124 is removed using RIE technology. The mask layer 34 is removed after removing a part of the base region 124.

次に、図１４に示されるように、ＭＯＣＶＤ技術を利用して、チャネル層１５、電子供給層１６、及びキャップ層１７を結晶成長させる。 Next, as shown in FIG. 14, the channel layer 15, the electron supply layer 16, and the cap layer 17 are crystal-grown using the MOCVD technique.

その後は、エッチング技術及び蒸着技術を利用して、ドレイン電極２１、ゲート部２２、ソース電極２３、及びパッシベーション層１８を形成し、ＨＦＥＴ２が完成する。 Thereafter, the drain electrode 21, the gate portion 22, the source electrode 23, and the passivation layer 18 are formed by using an etching technique and a vapor deposition technique, and the HFET 2 is completed.

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

１１：基板
１２：バッファ層
１３：ＧａＮ層
１４，１１４：防止層
１５：チャネル層
１６：電子供給層
１７：キャップ層
１８：パッシベーション層
２１：ドレイン電極
２２：ゲート部
２３：ソース電極
２４，１２４：下地領域
２４ａ，１２４ａ：埋設部分 11: Substrate 12: Buffer layer 13: GaN layer 14, 114: Prevention layer 15: Channel layer 16: Electron supply layer 17: Cap layer 18: Passivation layer 21: Drain electrode 22: Gate part 23: Source electrodes 24, 124: Base regions 24a and 124a: buried portions

Claims

A nitride semiconductor channel layer;
An electron supply layer of a nitride semiconductor provided on the channel layer and heterojunction with the channel layer;
A drain electrode connected to the first portion of the two-dimensional electron gas layer formed in the channel layer;
A source electrode connected to a second portion different from the first portion of the two-dimensional electron gas layer;
A gate portion disposed between the drain electrode and the source electrode and facing a heterojunction surface of the channel layer and the electron supply layer;
A buried portion embedded in the channel layer, and a nitride semiconductor base region having a band gap width substantially larger than the band gap width of the channel layer,
In a predetermined cross section parallel to the heterojunction, there is a first range in which the embedded portion of the base region appears and a second range in which a part of the channel layer appears,
When viewed in plan, the first range includes at least a part of the existence range of the gate portion;
When viewed in plan, the second range, at least a portion between the drain electrode and the gate portion, and has Nde contains at least one of at least a portion between the source electrode and the gate portion,
A semiconductor device in which a first film containing aluminum and a second film not containing aluminum are repeatedly provided in the base region along at least one direction .

Further comprising a prevention layer provided under the channel layer;
The base region has a first side surface on the drain electrode side, a second side surface on the source electrode side, and a lower surface extending between the first side surface and the second side surface,
2. The semiconductor according to claim 1, wherein the prevention layer is in contact with at least one of the first side surface, the second side surface, and the lower surface, and blocks a current passing under the base region. apparatus.

The semiconductor device according to claim 1, wherein the first film is thicker than the second film.