JP6185508B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、III-V族化合物半導体を利用するノーマリオフ動作の半導体装置に関する。   The present invention relates to a normally-off semiconductor device using a III-V compound semiconductor.

III-V族化合物半導体は、絶縁破壊電界および飽和電子密度等が大きいことから、高耐圧で大電流を制御できるものと期待されている。なかでも窒化ガリウム(GaN)を利用する半導体装置の研究が進んでおり、n−AlGaN/p−GaNのヘテロ構造を利用したHEMT(High Electron Mobility Transistor)が知られており、その半導体装置の一例が特許文献1に記載されている。   The III-V compound semiconductor is expected to be capable of controlling a large current with a high breakdown voltage because it has a large dielectric breakdown electric field, a saturated electron density, and the like. In particular, research on semiconductor devices using gallium nitride (GaN) is progressing, and HEMTs (High Electron Mobility Transistors) using heterostructures of n-AlGaN / p-GaN are known, and an example of such semiconductor devices Is described in Patent Document 1.

この種のHEMTは、p−GaN層と、そのp−GaN層上に積層されているn−AlGaN層からなるヘテロ構造を備えている。AlGaN層は、その半導体結晶内にAlを含有しており、GaN層よりもバンドギャップが大きい。n−AlGaN層の表面側に、ドレイン電極とゲート電極とソース電極が形成されている。ドレイン電極とソース電極は、ゲート電極を挟んだ位置に形成されている。   This type of HEMT has a heterostructure consisting of a p-GaN layer and an n-AlGaN layer stacked on the p-GaN layer. The AlGaN layer contains Al in its semiconductor crystal and has a larger band gap than the GaN layer. A drain electrode, a gate electrode, and a source electrode are formed on the surface side of the n-AlGaN layer. The drain electrode and the source electrode are formed at positions sandwiching the gate electrode.

この種のHEMTでは、ゲート電極にゲート電圧を印加しなければ、n−AlGaN層とp−GaN層で形成されるポテンシャル井戸がフェルミ準位より上側に存在するため、そのポテンシャル井戸内に2DEG(2 Dimensional Electron Gas:2次元電子ガス)が発生しない。したがって、ノーマリオフ動作が実現される。一方、ゲート電極に所定のオン電圧を印加すると、ポテンシャル井戸内に2DEGが発生する。このポテンシャル井戸内を電子が移動することために、HEMTはオン状態となる。   In this type of HEMT, if no gate voltage is applied to the gate electrode, the potential well formed by the n-AlGaN layer and the p-GaN layer exists above the Fermi level, so that 2DEG ( (2 Dimensional Electron Gas) is not generated. Therefore, a normally-off operation is realized. On the other hand, when a predetermined on-voltage is applied to the gate electrode, 2DEG is generated in the potential well. Since the electrons move in the potential well, the HEMT is turned on.

特開2003−59946号公報JP 2003-59946 A

しかしながら上記の半導体装置では、2DEGの電子がp型のGaN層に沿って移動することから、移動する電子が不純物によって散乱され、オン抵抗が大きいという問題がある。オン抵抗を小さくするためにp−GaN層の不純物濃度を下げる必要があるが、p−GaN層の不純物濃度を下げると、2DEGのポテンシャルがフェルミ準位に近づき、オフの状態であっても2DEGが発生し易くなり、ノーマリオフ動作が不安定となってしまう。即ち、上記の構成からなる半導体装置では、オン抵抗を低下させることと安定的なノーマリオフ動作を保証することがトレードオフの関係となっている。
本発明の目的は、このトレードオフの関係を打破することにある。即ち、安定的なノーマリオフ動作を保証することができ、しかもオン抵抗を低減することができる半導体装置を提供することを目的とする。
However, since the 2DEG electrons move along the p-type GaN layer in the semiconductor device, there is a problem that the moving electrons are scattered by impurities and the on-resistance is large. In order to reduce the on-resistance, it is necessary to lower the impurity concentration of the p-GaN layer. However, if the impurity concentration of the p-GaN layer is lowered, the 2DEG potential approaches the Fermi level, and even in the off state, 2DEG Is likely to occur, and the normally-off operation becomes unstable. That is, in the semiconductor device having the above-described configuration, there is a trade-off relationship between reducing the on-resistance and ensuring a stable normally-off operation.
An object of the present invention is to break this trade-off relationship. That is, an object of the present invention is to provide a semiconductor device that can guarantee a stable normally-off operation and can reduce on-resistance.

本発明を具現化した一つの半導体装置は、第1層と第2層と表面層が積層され、表面層の表面側にゲート電極が形成されている。
第1層は、第1種類のGaN系化合物半導体で構成されている。第2層は、第2導電型の第2種類のGaN系化合物半導体で構成されている。表面層は、第1導電型のGaN系化合物半導体で構成されている。表面層は、第2種類のGaN系化合物半導体で構成されているのが好ましい。第1種類のGaN系化合物半導体のバンドギャップよりも第2種類のGaN系化合物半導体のバンドギャップの方が大きい。この半導体装置では、ゲート電極にオン電圧が印加されていないときに、第2層と表面層が実質的に空乏化される。
第1層は、実質的に不純物が含有されていない真性半導体の層でもよく、あるいは第1導電型又は第2導電型の不純物が含有されている層でもよい。
ここで、表面層の表面側に形成されているゲート電極は、表面層の表面側に直接的(典型的にはショットキー接続)、又は間接的(典型的には絶縁材を介在させて対向させる)に形成することができる。
One of the semiconductor device embodying the present invention, the first and second layers and the surface layer are laminated, the gate electrode on the surface side of the surface layer is formed.
The first layer is made of a first type GaN compound semiconductor. The second layer is made of a second conductivity type second type GaN compound semiconductor. The surface layer is composed of a GaN-based compound semiconductor of the first conductivity type. The surface layer is preferably composed of a second type GaN compound semiconductor. Than the band gap of the first type GaN-based compound semiconductor is larger band gap of the second type GaN-based compound semiconductor. In this semiconductor device, the second layer and the surface layer are substantially depleted when the on-voltage is not applied to the gate electrode.
The first layer may be an intrinsic semiconductor layer substantially free of impurities, or may be a layer containing impurities of the first conductivity type or the second conductivity type.
Here, the gate electrode formed on the surface side of the surface layer faces the surface side of the surface layer directly (typically Schottky connection) or indirectly (typically with an insulating material interposed). Can be formed).

上記の半導体装置によると、電極にオン電圧が印加されない状態では、第2導電型の第2層と第1導電型の表面層の接合界面から第2層に向けて空乏層が伸びる。これにより第2層と表面層が実質的に空乏化され、第1層と第2層で形成されるポテンシャル井戸に第2層や表面層からキャリアが供給されないので、安定的なノーマリオフ動作が実現され易い。ノーマリオフ動作を安定させるために第1層の不純物濃度を高く保つ必要がなく、安定したノーマリオフ動作と低いオン抵抗をともに得ることができる。   According to the semiconductor device described above, the depletion layer extends from the junction interface between the second conductivity type second layer and the first conductivity type surface layer toward the second layer in a state where the on-voltage is not applied to the electrode. As a result, the second layer and the surface layer are substantially depleted, and carriers are not supplied from the second layer or the surface layer to the potential well formed by the first layer and the second layer, thereby realizing a stable normally-off operation. It is easy to be done. In order to stabilize the normally-off operation, it is not necessary to keep the impurity concentration of the first layer high, and both a stable normally-off operation and a low on-resistance can be obtained.

本発明を具現化した一つの製造方法では、第1層と第2層と表面層が積層され、表面層の表面側にゲート電極が形成されており、ゲート電極にオン電圧が印加されていないときに、第2層と表面層が実質的に空乏化される半導体装置を製造する。この製造方法は、第1種類のGaN系化合物半導体からなる第1層上に、第2導電型であって第1種類のGaN系化合物半導体のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する第2種類のGaN系化合物半導体からなる第2層をエピタキシャル成長させる第2層成長工程と、第2層上に第1導電型のGaN系化合物半導体からなる表面層をエピタキシャル成長させる表面層成長工程を備えている。表面層成長工程では、第2種類のGaN系化合物半導体からなる表面層をエピタキシャル成長させるのが好ましい。
上記の製造方法を採用すると、表面層から第2層に空乏層が伸びることでノーマリオフが実現され易い半導体装置を得ることができる。
In one manufacturing method embodying the present invention, are stacked first and second layers and the surface layer is formed with a gate electrode on the surface side of the surface layer, not on voltage is applied to the gate electrode Sometimes, a semiconductor device is manufactured in which the second layer and the surface layer are substantially depleted . This manufacturing method, the first layer comprising a first type GaN-based compound semiconductor, the second type having a larger band gap than the band gap of the first type GaN-based compound semiconductor and a second conductivity type A second layer growth step of epitaxially growing a second layer made of a GaN-based compound semiconductor; and a surface layer growth step of epitaxially growing a surface layer made of a GaN-based compound semiconductor of the first conductivity type on the second layer. In the surface layer growth step, it is preferable to epitaxially grow a surface layer made of the second type GaN compound semiconductor.
By employing the above manufacturing method, it is possible to obtain a normally-off a is realized easily semiconductor device by the surface layer depletion layer extends to the second layer.

本発明によると、安定的なノーマリオフ動作を確保するためにIII-V族化合物半導体のキャリア移動領域の不純物濃度を高く保つ必要がなくなり、安定したノーマリオフ動作と低いオン抵抗をともに得ることができる半導体装置を製造することができる。   According to the present invention, it is not necessary to keep the impurity concentration in the carrier movement region of the III-V compound semiconductor high in order to ensure a stable normally-off operation, and a semiconductor capable of obtaining both a stable normally-off operation and a low on-resistance. The device can be manufactured.

第1実施例の半導体装置の要部断面図を示す。1 is a cross-sectional view of a main part of a semiconductor device according to a first embodiment. (a)第1実施例の半導体装置のオフのときのエネルギーバンド図を示す。(b)第1実施例の半導体装置のオンのときのエネルギーバンド図を示す。(a) The energy band figure when the semiconductor device of 1st Example is OFF is shown. (b) An energy band diagram when the semiconductor device of the first embodiment is on is shown. 第2実施例の半導体装置の要部断面図を示す。Sectional drawing of the principal part of the semiconductor device of 2nd Example is shown. (a)第2実施例の半導体装置のオフのときのエネルギーバンド図を示す。(b)第2実施例の半導体装置のオンのときのエネルギーバンド図を示す。(a) The energy band figure at the time of OFF of the semiconductor device of 2nd Example is shown. (b) An energy band diagram when the semiconductor device of the second embodiment is on is shown. 第3実施例の半導体装置の要部断面図を示す。Sectional drawing of the principal part of the semiconductor device of 3rd Example is shown. (a)第3実施例の半導体装置のオフのときのエネルギーバンド図を示す。(b)第3実施例の半導体装置のオンのときのエネルギーバンド図を示す。(a) The energy band figure at the time of OFF of the semiconductor device of 3rd Example is shown. (b) The energy band figure at the time of ON of the semiconductor device of 3rd Example is shown. 第3実施例の変形例の要部断面図を示す。Sectional drawing of the principal part of the modification of 3rd Example is shown.

最初に実施例の主要な特徴を記す。
III-V族化合物半導体は、窒化ガリウム(GaN)系化合物であるのが好ましい。窒化ガリウム系化合物は、そのバンドギャップが大きいために、高温動作可能な高周波デバイスを実現し得る。窒化ガリウム系化合物は、III-V族化合物半導体であることから、大出力で高耐圧である特性を備えている。
First, main features of the embodiment will be described.
The III-V compound semiconductor is preferably a gallium nitride (GaN) -based compound. Since the gallium nitride compound has a large band gap, a high-frequency device capable of operating at a high temperature can be realized. Since gallium nitride compounds are III-V compound semiconductors, they have the characteristics of high output and high breakdown voltage.

図面を参照して以下に各実施例を詳細に説明する。
(第1実施例) 図1に第1実施例の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。
サファイア(Al)からなる基板22上に、窒化ガリウム(GaN)からなるバッファ層24が形成されている。基板22には、サファイアに代えて炭化シリコン(SiC)や窒化ガリウム(GaN)を利用してもよい。バッファ層24上に、p−GaN層32(第1層の一例)と、SI(Semi Insulated)−GaN層62(中間層の一例)と、AlGaN層34(第2層の一例)が積層されている。
SI(Semi Insulated)−GaN層62は、p−GaN層32とAlGaN層34との間に介在している。p−GaN層32には、マグネシウム(Mg)がドーピングされている。AlGaN層34は、その半導体結晶にアルミニウム(Al)を含有しており、p−GaN層32やSI−GaN層62よりもバンドギャップが大きい。
ニッケル(Ni)と金(Au)の積層構造からなるゲート電極44が、AlGaN層34の表面側の紙面中央に直接的にショットキー接触して形成されている。ゲート電極44を挟んだ紙面左右の位置関係に、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)の積層構造からなるドレイン電極42とソース電極46が、AlGaN層34に対してオーミック接触して形成されている。SI−GaN層62は実質的に真性半導体の層で形成されている。
Embodiments will be described in detail below with reference to the drawings.
First Embodiment FIG. 1 schematically shows a cross-sectional view of a main part of a semiconductor device according to a first embodiment.
A buffer layer 24 made of gallium nitride (GaN) is formed on a substrate 22 made of sapphire (Al 2 O 3 ). For the substrate 22, silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN) may be used instead of sapphire. A p-GaN layer 32 (an example of a first layer), an SI (Semi Insulated) -GaN layer 62 (an example of an intermediate layer), and an AlGaN layer 34 (an example of a second layer) are stacked on the buffer layer 24. ing.
An SI (Semi Insulated) -GaN layer 62 is interposed between the p-GaN layer 32 and the AlGaN layer 34. The p-GaN layer 32 is doped with magnesium (Mg). The AlGaN layer 34 contains aluminum (Al) in its semiconductor crystal and has a larger band gap than the p-GaN layer 32 and the SI-GaN layer 62.
A gate electrode 44 having a laminated structure of nickel (Ni) and gold (Au) is formed in direct Schottky contact with the center of the paper surface on the surface side of the AlGaN layer 34. A drain electrode 42 and a source electrode 46 having a laminated structure of titanium (Ti) and aluminum (Al) are formed in ohmic contact with the AlGaN layer 34 in a positional relationship on the left and right sides of the paper with the gate electrode 44 interposed therebetween. . The SI-GaN layer 62 is substantially formed of an intrinsic semiconductor layer.

次に、この半導体装置の動作をエネルギーバンド図を参照して説明する。図2に、図1の要部断面図のII-II線に対応するエネルギーバンド図を示す。このエネルギーバンド図中に示される番号は、図1に示す要部断面図の各層の番号に対応している。
図2(a)は、ゲート電極44に電圧が印加されていない状態であり、図2(b)は、ゲート電極44に正電圧が印加されている状態である。
図2(a)に示すように、AlGaN層34のバンドギャップがp−GaN層32やSI−GaN層62よりも大きいことから、そのバンドギャップ差に基づいて、AlGaN層34とSI−GaN層62の接合界面のうちのSI−GaN層62側に、ポテンシャル井戸52が形成されている。このポテンシャル井戸52の電位レベルは、ゲート電極44が0Vのときはフェルミ準位(E)よりも上側に存在しており、2DEGが発生していない。したがって、ゲート電極44が0Vのときは、この半導体装置のドレイン電極42とソース電極46間に電流が流れない。即ち、ノーマリオフとして作動する。
Next, the operation of this semiconductor device will be described with reference to an energy band diagram. FIG. 2 shows an energy band diagram corresponding to line II-II in the cross-sectional view of the main part of FIG. The numbers shown in this energy band diagram correspond to the numbers of each layer in the cross-sectional view of the main part shown in FIG.
FIG. 2A shows a state where no voltage is applied to the gate electrode 44, and FIG. 2B shows a state where a positive voltage is applied to the gate electrode 44.
As shown in FIG. 2A, since the band gap of the AlGaN layer 34 is larger than that of the p-GaN layer 32 and the SI-GaN layer 62, the AlGaN layer 34 and the SI-GaN layer are based on the band gap difference. A potential well 52 is formed on the SI-GaN layer 62 side of the junction interface 62. The potential level of the potential well 52 exists above the Fermi level (E F ) when the gate electrode 44 is 0 V, and 2DEG is not generated. Therefore, when the gate electrode 44 is 0 V, no current flows between the drain electrode 42 and the source electrode 46 of this semiconductor device. That is, it operates as normally-off.

一方、図2(b)に示すように、ゲート電極44に正電圧が印加されると、ポテンシャル井戸52が、フェルミ準位よりも下側に存在することになり、したがってこのポテンシャル井戸52内に2DEGが発生する。この2DEGはポテンシャル井戸52内に沿って2次元的に移動して、ドレイン電極42とソース電極46間を流れる。これにより、この半導体装置はオンとなる。
このとき、2DEGの電子は、不純物濃度が少ないSI−GaN層62に沿って移動する。したがって、電子が不純物によって散乱される確率は小さく、電子の移動度の大きい状態が実現される。
On the other hand, as shown in FIG. 2B, when a positive voltage is applied to the gate electrode 44, the potential well 52 exists below the Fermi level. 2DEG occurs. The 2DEG moves two-dimensionally along the potential well 52 and flows between the drain electrode 42 and the source electrode 46. As a result, the semiconductor device is turned on.
At this time, 2DEG electrons move along the SI-GaN layer 62 having a low impurity concentration. Therefore, the probability that electrons are scattered by impurities is small, and a state in which the mobility of electrons is large is realized.

なお、上記の半導体装置において、AlGaN層34とゲート電極44との間に、例えば酸化シリコン(SiO)からなる絶縁膜を介在させてもよい。絶縁膜を介在させると、ゲート電極44に正電圧が印加された場合に、ゲート電極44からAlGaN層34に向けて電流が流れる現象を禁止することができ、安定的な動作を実現することができる。
AlGaN層34には、n型不純物としてシリコン(Si)をドーピングしておくことが好ましい。AlGaN層34がn型であると、電子供給層として機能することから、オン抵抗をさらに低減させることができる。もっとも、AlGaN層34はp型でなければよく、SI(Semi Insulated)であってもよい。
In the semiconductor device described above, an insulating film made of, for example, silicon oxide (SiO 2 ) may be interposed between the AlGaN layer 34 and the gate electrode 44. By interposing the insulating film, when a positive voltage is applied to the gate electrode 44, a phenomenon in which a current flows from the gate electrode 44 toward the AlGaN layer 34 can be prohibited, and a stable operation can be realized. it can.
The AlGaN layer 34 is preferably doped with silicon (Si) as an n-type impurity. When the AlGaN layer 34 is n-type, it functions as an electron supply layer, so that the on-resistance can be further reduced. However, the AlGaN layer 34 may not be p-type and may be SI (Semi Insulated).

次に、図1を参照して、この半導体装置の製造方法を説明する。
まずサファイア基板22を準備する。このサファイア基板22上に、低温下で有機金属気相エピタキシャル(MOCVD)法を用いて、バッファ層24を約50nmの膜厚で形成する。このとき、ガリウム原料としてトリメチルガリウム(TMGa)、窒素原料としてアンモニアガス(NH)を好適に利用することができる。
次に、このバッファ層24上に有機金属気相エピタキシャル法を用いて、p−GaN層32を約0.5μmの膜厚で形成する。このとき、ガリウム原料としてトリメチルガリウム(TMGa)、窒素原料としてアンモニアガス(NH)、ドーパント材料としてシクロペンタジエニルマグネシウム(CP2Mg)を好適に利用することができる。
次に、p−GaN層32上に有機金属気相エピタキシャル法を用いて、SI−GaN層62を約10nm(好ましくは5〜15nm)の膜厚で形成する。このとき、ガリウム原料としてトリメチルガリウム(TMGa)、窒素原料としてアンモニアガス(NH)を好適に利用することができる。また、このSI−GaN層62の不純物濃度が1×1017cm-3以下となるように形成するのが好ましい。このSI−GaN層62の膜厚は、形成されるポテンシャル井戸の範囲を充足していれば十分である。ポテンシャル井戸の幅は、利用される材料などによって変動するが、SI−GaN層62の膜厚は5〜15nmの範囲内であるのが好ましい。
次に、このSI−GaN層62上に有機金属気相エピタキシャル法を用いて、AlGaN層34を約25nmの膜厚で形成する。このとき、アルミニウム原料としてトリメチルアルミニウム(TMAl)、ガリウム原料としてトリメチルガリウム(TMGa)、窒素原料としてアンモニアガス(NH)を好適に利用することができる。なお、このAlGaN層34の成膜過程で、n型不純物としてモノシラン(SiH)を同時に利用し、AlGaN層34にn型不純物をドーピングしてもよい。
Next, a method for manufacturing this semiconductor device will be described with reference to FIG.
First, a sapphire substrate 22 is prepared. A buffer layer 24 is formed on the sapphire substrate 22 with a film thickness of about 50 nm by metal organic vapor phase epitaxy (MOCVD) at a low temperature. At this time, trimethylgallium (TMGa) can be preferably used as the gallium source, and ammonia gas (NH 3 ) can be preferably used as the nitrogen source.
Next, the p-GaN layer 32 is formed to a thickness of about 0.5 μm on the buffer layer 24 by metal organic vapor phase epitaxy. At this time, trimethylgallium (TMGa) as a gallium raw material, ammonia gas (NH 3 ) as a nitrogen raw material, and cyclopentadienyl magnesium (CP2Mg) as a dopant material can be suitably used.
Next, the SI-GaN layer 62 is formed with a film thickness of about 10 nm (preferably 5 to 15 nm) on the p-GaN layer 32 by metal organic vapor phase epitaxy. At this time, trimethylgallium (TMGa) can be preferably used as the gallium source, and ammonia gas (NH 3 ) can be preferably used as the nitrogen source. Further, it is preferable that the impurity concentration of the SI-GaN layer 62 is 1 × 10 17 cm −3 or less. The film thickness of the SI-GaN layer 62 is sufficient if it satisfies the range of the potential well to be formed. The width of the potential well varies depending on the material used, but the thickness of the SI-GaN layer 62 is preferably in the range of 5 to 15 nm.
Next, the AlGaN layer 34 is formed with a film thickness of about 25 nm on the SI-GaN layer 62 by metal organic vapor phase epitaxy. At this time, trimethylaluminum (TMAl) can be preferably used as the aluminum source, trimethylgallium (TMGa) as the gallium source, and ammonia gas (NH 3 ) as the nitrogen source. In the process of forming the AlGaN layer 34, monosilane (SiH 4 ) may be simultaneously used as an n-type impurity, and the AlGaN layer 34 may be doped with the n-type impurity.

次に、AlGaN層34の表面側に各種の電極を形成する工程を説明する。
まず、AlGaN層34上にチタン(Ti)とアルミニウム(Al)を順に蒸着する。その後に、フォト工程とエッチング技術を利用してドレイン電極42とソース電極46をパターニングする。パターニングした後に、RTA(Rapid Thermal Anneal)法によって550℃で30秒の熱処理を実施する。これにより、AlGaN層34に対するドレイン電極42とソース電極46の接触抵抗が低減され、オーミック接触が実現される。
次に、リフトオフ法を利用してゲート電極44を形成する。即ち、ゲート電極44を形成したい場所以外にレジスト膜を成膜した後に、ニッケル(Ni)と金(Au)を順に蒸着する。その後に、レジスト膜とともにそのレジスト膜上に形成されているニッケル(Ni)と金(Au)を剥離する。これにより、所望の位置関係にゲート電極44が形成される。
上記の工程を経て、第1実施例の半導体装置を形成することができる。
Next, a process of forming various electrodes on the surface side of the AlGaN layer 34 will be described.
First, titanium (Ti) and aluminum (Al) are sequentially deposited on the AlGaN layer 34. Thereafter, the drain electrode 42 and the source electrode 46 are patterned using a photo process and an etching technique. After patterning, heat treatment is performed at 550 ° C. for 30 seconds by RTA (Rapid Thermal Anneal) method. Thereby, the contact resistance of the drain electrode 42 and the source electrode 46 with respect to the AlGaN layer 34 is reduced, and ohmic contact is realized.
Next, the gate electrode 44 is formed using a lift-off method. That is, after a resist film is formed in a place other than where the gate electrode 44 is to be formed, nickel (Ni) and gold (Au) are sequentially deposited. Thereafter, the nickel (Ni) and gold (Au) formed on the resist film together with the resist film are peeled off. Thereby, the gate electrode 44 is formed in a desired positional relationship.
The semiconductor device of the first embodiment can be formed through the above steps.

上記の製造方法によると、バッファ層24上に形成されるp−GaN層32とSI−GaN層62にバンドギャップがないために、その層内に格子不整合などによる歪みが発生しない。なかでもSI−GaN層62が綺麗な結晶構造で形成されることから、このSI−GaN層62に沿って移動する2DEGの電子の移動度が大きくなる。したがってオン抵抗の小さい半導体装置を実現し易い。   According to the above manufacturing method, since there is no band gap between the p-GaN layer 32 and the SI-GaN layer 62 formed on the buffer layer 24, distortion due to lattice mismatch or the like does not occur in the layer. In particular, since the SI-GaN layer 62 is formed with a clean crystal structure, the mobility of 2DEG electrons moving along the SI-GaN layer 62 is increased. Therefore, it is easy to realize a semiconductor device with low on-resistance.

(第2実施例) 図3に、第2実施例の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。
サファイア(Al)の基板122上に、窒化ガリウム(GaN)からなるバッファ層124が形成されている。基板122には、サファイアに代えて炭化シリコン(SiC)や窒化ガリウム(GaN)を利用してもよい。バッファ層124上に、p−GaN層132(第1層の一例)と、n−AlGaN層34(第2層の一例)が積層されている。
n−AlGaN層134にはシリコン(Si)がドーピングされている。なお、このn−AlGaN層134は、その半導体結晶にアルミニウム(Al)を含有しており、p−GaN層132よりもバンドギャップが大きい。
ニッケル(Ni)と金(Au)の積層構造からなるゲート電極144が、n−AlGaN層34の表面側の紙面中央に直接的にショットキー接触して形成されている。このゲート電極144を挟んだ紙面左右の位置関係に、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)の積層構造からなるドレイン電極142とソース電極146が、オーミック接触して形成されている。
Second Embodiment FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a main part of a semiconductor device according to a second embodiment.
A buffer layer 124 made of gallium nitride (GaN) is formed on a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate 122. As the substrate 122, silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN) may be used instead of sapphire. A p-GaN layer 132 (an example of a first layer) and an n-AlGaN layer 34 (an example of a second layer) are stacked on the buffer layer 124.
The n-AlGaN layer 134 is doped with silicon (Si). The n-AlGaN layer 134 contains aluminum (Al) in its semiconductor crystal and has a larger band gap than the p-GaN layer 132.
A gate electrode 144 having a laminated structure of nickel (Ni) and gold (Au) is formed in direct Schottky contact with the center of the n-AlGaN layer 34 on the surface side. A drain electrode 142 and a source electrode 146 having a laminated structure of titanium (Ti) and aluminum (Al) are formed in ohmic contact with each other in a positional relationship on the left and right sides of the paper with the gate electrode 144 interposed therebetween.

この半導体装置のn−AlGaN層134がp−GaN層132と接合する界面におけるp−GaN層132の極性はN面(V族の面)となっている。したがって、p−GaN層132上に形成されているn−AlGaN層134は、その接合界面の極性がGa面(III族の面)となっている。これにより、n−AlGaN層134の自発分極電界は、GaN層132との接合界面から離反する方向(この例では紙面上方向)に発生している。
一方、よく知られているように、n−AlGaN層134は、GaN層132よりも小さな格子定数であることから、格子不整合によりn−AlGaN層134には引張り歪みが生じている。この引張り歪みに基づいて、n−AlGaN層134内には成長方向と逆方向にピエゾ分極電界が発生している。即ち、n−AlGaN層134のピエゾ分極電界は、GaN層132との接合界面に向かう方向(この例では紙面下方向)に発生している。第2実施例では、ピエゾ分極電界と自発分極電界の向きが逆向きで構成されている。
The polarity of the p-GaN layer 132 at the interface where the n-AlGaN layer 134 of this semiconductor device is joined to the p-GaN layer 132 is the N plane (V group plane). Therefore, the n-AlGaN layer 134 formed on the p-GaN layer 132 has a Ga interface (group III surface) at the junction interface. As a result, the spontaneous polarization electric field of the n-AlGaN layer 134 is generated in a direction away from the bonding interface with the GaN layer 132 (in this example, upward in the drawing).
On the other hand, as is well known, since the n-AlGaN layer 134 has a lattice constant smaller than that of the GaN layer 132, tensile strain is generated in the n-AlGaN layer 134 due to lattice mismatch. Based on this tensile strain, a piezoelectric polarization electric field is generated in the n-AlGaN layer 134 in the direction opposite to the growth direction. That is, the piezoelectric polarization electric field of the n-AlGaN layer 134 is generated in a direction toward the bonding interface with the GaN layer 132 (downward in the drawing in this example). In the second embodiment, the directions of the piezoelectric polarization electric field and the spontaneous polarization electric field are reversed.

自発分極電界とピエゾ分極電界の強さは、n−AlGaN層134に含有されているアルミニウム(Al)の組成比などによって変動するが、通常は自発分極電界の方がピエゾ分極電界よりも大きい。
したがって、本実施例のように、自発分極電界がピエゾ分極電界と逆方向となるように構成されている場合、この両者を重畳した分極電界の方向は自発分極電界の方向と一致する。即ち、n−AlGaN層134内の分極電界の方向は、GaN層132との接合界面から離れる方向(この例では紙面上方向)に発生している。
The strengths of the spontaneous polarization electric field and the piezoelectric polarization electric field vary depending on the composition ratio of aluminum (Al) contained in the n-AlGaN layer 134, but the spontaneous polarization electric field is usually larger than the piezoelectric polarization electric field.
Therefore, when the spontaneous polarization electric field is configured to be in the opposite direction to the piezo polarization electric field as in this embodiment, the direction of the polarization electric field in which both are superimposed coincides with the direction of the spontaneous polarization electric field. That is, the direction of the polarization electric field in the n-AlGaN layer 134 is generated in a direction away from the bonding interface with the GaN layer 132 (in this example, on the paper).

従来から知られるこの種の半導体装置では、n−AlGaN層134に相当する半導体層の自発分極電界は、その下方に形成されているGaN層132との接合界面の方向に向かって発生していた。即ち、自発分極電界とピエゾ分極電界の両者の分極方向が同じであり、いずれもGaN層132との接合界面の方向に向かって発生していた。そのため、自発分極電界とピエゾ分極電界を重畳した分極電界の方向は、当然にGaN層132との接合界面の方向に向かって発生していた。なお、従来のこの種の半導体装置において、自発分極電界がGaN層132との接合界面の方向に向かって発生していたのは、次の理由からである。
まず第1に、従来のこの種の半導体装置では、GaN層132を形成する場合に有機金属気相エピタキシャル(MOCVD)法を用いて形成していた。有機金属気相エピタキシャル(MOCVD)法を用いてGaN層132を形成すると、その成長は必ずGa面で終了する。したがって、その上方に形成されるn−AlGaN層134は、N面から成長が始まるので、必然的に自発分極電界はGaN層132との接合界面の方向に向かって発生していた。
第2に従来の技術思想では、自発分極電界とピエゾ分極電界の方向を揃え、ともにGaN層132との接合界面の方向に向かって発生させることで、その界面近傍に形成されるポテンシャル井戸を深くし、2DEGの密度を向上させようとする傾向にあった。これらの理由から、従来のこの種の半導体装置では、自発分極電界がGaN層132との接合界面の方向に向かって発生していたのである。
しかしながら、この構成を採用すると、半導体装置をノーマリオフとして機能させる場合にその動作が不安定になるという問題がある。本実施例では、従来採用していた自発分極電界とピエゾ分極電界の配置関係とは異なる配置関係を敢えて採用することによって、安定的なノーマリオフ動作をする半導体装置の実現に成功している。
In this type of known semiconductor device, the spontaneous polarization electric field of the semiconductor layer corresponding to the n-AlGaN layer 134 is generated in the direction of the junction interface with the GaN layer 132 formed therebelow. . That is, the polarization directions of the spontaneous polarization electric field and the piezoelectric polarization electric field are the same, and both are generated toward the direction of the junction interface with the GaN layer 132. For this reason, the direction of the polarization electric field in which the spontaneous polarization electric field and the piezoelectric polarization electric field are superimposed is naturally generated toward the direction of the junction interface with the GaN layer 132. In the conventional semiconductor device of this type, the spontaneous polarization electric field is generated in the direction of the junction interface with the GaN layer 132 for the following reason.
First, in this type of conventional semiconductor device, the GaN layer 132 is formed by using a metal organic vapor phase epitaxy (MOCVD) method. When the GaN layer 132 is formed using the metal organic vapor phase epitaxial (MOCVD) method, the growth always ends on the Ga plane. Therefore, since the n-AlGaN layer 134 formed thereabove grows from the N plane, the spontaneous polarization electric field is inevitably generated in the direction of the junction interface with the GaN layer 132.
Secondly, in the conventional technical idea, the directions of the spontaneous polarization electric field and the piezoelectric polarization electric field are aligned, and both are generated toward the direction of the junction interface with the GaN layer 132, thereby deepening the potential well formed in the vicinity of the interface. And there was a tendency to improve the density of 2DEG. For these reasons, in this type of conventional semiconductor device, a spontaneous polarization electric field is generated in the direction of the junction interface with the GaN layer 132.
However, when this configuration is adopted, there is a problem that the operation becomes unstable when the semiconductor device is caused to function as normally-off. In this embodiment, by adopting an arrangement relationship different from the arrangement relationship between the spontaneous polarization electric field and the piezo polarization electric field, which has been conventionally employed, a semiconductor device that performs a stable normally-off operation has been successfully realized.

次に、第2実施例の半導体装置の動作をエネルギーバンド図を参照して説明する。図4に、図3の要部断面図のIV-IV線に対応するエネルギーバンド図を示す。このエネルギーバンド図中に示される番号は、図3に示す要部断面図の各層の番号に対応している。
図4(a)は、ゲート電極144に電圧が印加されていない状態であり、図4(b)は、ゲート電極144に正電圧が印加されている状態である。
図4(a)に示すように、n−AlGaN層134のバンドギャップがp−GaN層132よりも大きいことから、この両層間の接合界面では、フェルミ準位を合わせるようにエネルギーバンドが曲げられる。本実施例では、n−AlGaN層134内のエネルギーバンドが、ゲート電極144側からGaN層132との接合界面に向かって上方向に傾斜して形成されていることが分かる。これは、n−AlGaN層134内の分極電界の方向がGaN層132との接合界面から離れる方向に発生していることに起因している。これにより、n−AlGaN層134内からGaN層132との接合界面近傍に向けて電子キャリアが供給される現象の発生が抑制される。したがって、この接合界面近傍に2DEGが発生することができないために、ゲート電極144が0Vのときは、ドレイン電極142とソース電極146間に電流が流れない。即ち、ノーマリオフとして作動する。
Next, the operation of the semiconductor device of the second embodiment will be described with reference to an energy band diagram. FIG. 4 shows an energy band diagram corresponding to the IV-IV line in the cross-sectional view of the main part of FIG. The numbers shown in this energy band diagram correspond to the numbers of each layer in the cross-sectional view of the main part shown in FIG.
4A shows a state where no voltage is applied to the gate electrode 144, and FIG. 4B shows a state where a positive voltage is applied to the gate electrode 144. FIG.
As shown in FIG. 4A, since the band gap of the n-AlGaN layer 134 is larger than that of the p-GaN layer 132, the energy band is bent so that the Fermi level is matched at the junction interface between the two layers. . In this example, it can be seen that the energy band in the n-AlGaN layer 134 is formed to be inclined upward from the gate electrode 144 side toward the bonding interface with the GaN layer 132. This is because the direction of the polarization electric field in the n-AlGaN layer 134 is generated in a direction away from the junction interface with the GaN layer 132. This suppresses the occurrence of a phenomenon in which electron carriers are supplied from the n-AlGaN layer 134 toward the vicinity of the bonding interface with the GaN layer 132. Therefore, since 2DEG cannot be generated in the vicinity of the junction interface, no current flows between the drain electrode 142 and the source electrode 146 when the gate electrode 144 is 0V. That is, it operates as normally-off.

一方、図4(b)に示すように、ゲート電極144に正電圧が印加されると、ポテンシャル井戸152が発生するとともに、その電位レベルがフェルミ準位よりも下側に存在することになる。したがってこのポテンシャル井戸152内に2DEGが発生する。2DEGの電子は、ポテンシャル井戸152内に沿って2次元的に移動して、ドレイン電極142とソース電極146間を流れる。これにより、この半導体装置はオンとなる。   On the other hand, as shown in FIG. 4B, when a positive voltage is applied to the gate electrode 144, the potential well 152 is generated and the potential level is present below the Fermi level. Therefore, 2DEG is generated in the potential well 152. 2DEG electrons move two-dimensionally along the potential well 152 and flow between the drain electrode 142 and the source electrode 146. As a result, the semiconductor device is turned on.

上記の構成に代えて、n−AlGaN層134が実質的に不純物を含有していない真性半導体の層で形成されていてもよい。
同様に、p−GaN層132が実質的に不純物を含有していない真性半導体の層で形成されていてもよい。オン抵抗の小さい半導体装置を実現することができる。
Instead of the above configuration, the n-AlGaN layer 134 may be formed of an intrinsic semiconductor layer that does not substantially contain impurities.
Similarly, the p-GaN layer 132 may be formed of an intrinsic semiconductor layer that does not substantially contain impurities. A semiconductor device with low on-resistance can be realized.

第2実施例の製造方法は、その大部分において第1実施例の製造技術を利用することができる。ただし、GaN層132を形成する場合は、有機金属気相エピタキシャル(MOCVD)法に代えて、例えば分子線エピタキシャル(MBE)法を利用するのが好ましい。有機金属気相エピタキシャル(MOCVD)法では、上記したように、その結晶成長がGa面で終了してしまう。一方、分子線エピタキシャル(MBE)法を利用すると、その製造条件などを適宜調整することで、結晶成長をN面で終了させることができる。これにより、第2実施例の半導体装置を製造することが可能となる。   Most of the manufacturing method of the second embodiment can utilize the manufacturing technique of the first embodiment. However, when forming the GaN layer 132, it is preferable to use, for example, a molecular beam epitaxial (MBE) method instead of the metal organic vapor phase epitaxial (MOCVD) method. In the metal organic vapor phase epitaxy (MOCVD) method, as described above, the crystal growth ends on the Ga plane. On the other hand, when the molecular beam epitaxy (MBE) method is used, crystal growth can be terminated on the N plane by appropriately adjusting the manufacturing conditions. As a result, the semiconductor device of the second embodiment can be manufactured.

(第3実施例) 図5に、第3実施例の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。
サファイア(Al)の基板222上に、窒化ガリウム(GaN)からなるバッファ層224が形成されている。基板222には、サファイアに代えて炭化シリコン(SiC)や窒化ガリウム(GaN)を利用してもよい。バッファ層24上に、p−GaN層32(第1層の一例)と、n−AlGaN層34(第2層の一例)と、p−AlGaN層235(表面層の一例)が積層されている。
p−GaN層232とp−AlGaN層235には、マグネシウム(Mg)がドーピングされている。p−AlGaN層235とn−AlGaN層233は、その半導体結晶にアルミニウム(Al)を含有しており、p−GaN層232よりもバンドギャップが大きい。
ニッケル(Ni)と金(Au)の積層構造からなるゲート電極244が、p−AlGaN層235の表面側の紙面中央に直接的にショットキー接触して形成されている。このゲート電極244を挟んだ紙面左右の位置関係に、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)の積層構造からなるドレイン電極242とソース電極246が、オーミック接触して形成されている。
なお、p−GaN層232は、実質的に不純物を含有していない真性半導体の層で形成されていてもよい。この場合、この層に沿って移動する2DEGに対する不純物散乱が抑制されることから、2DEGの移動度を大きくすることができる。
Third Example FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a main part of a semiconductor device according to a third example.
A buffer layer 224 made of gallium nitride (GaN) is formed on a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate 222. As the substrate 222, silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN) may be used instead of sapphire. A p-GaN layer 32 (an example of a first layer), an n-AlGaN layer 34 (an example of a second layer), and a p-AlGaN layer 235 (an example of a surface layer) are stacked on the buffer layer 24. .
The p-GaN layer 232 and the p-AlGaN layer 235 are doped with magnesium (Mg). The p-AlGaN layer 235 and the n-AlGaN layer 233 contain aluminum (Al) in their semiconductor crystals and have a larger band gap than the p-GaN layer 232.
A gate electrode 244 having a laminated structure of nickel (Ni) and gold (Au) is formed in direct Schottky contact with the center of the paper surface on the surface side of the p-AlGaN layer 235. A drain electrode 242 and a source electrode 246 having a laminated structure of titanium (Ti) and aluminum (Al) are formed in ohmic contact with each other in a positional relationship on the left and right sides of the paper with the gate electrode 244 interposed therebetween.
Note that the p-GaN layer 232 may be formed of an intrinsic semiconductor layer that does not substantially contain impurities. In this case, since the impurity scattering with respect to 2DEG which moves along this layer is suppressed, the mobility of 2DEG can be increased.

次に、第3実施例の半導体装置の動作をエネルギーバンド図を参照して説明する。図6に、図5の要部断面図のVI-VI線に対応するエネルギーバンド図を示す。このエネルギーバンド図中に示される番号は、図5に示す要部断面図の各層の番号に対応している。
図6(a)は、ゲート電極244に電圧が印加されていない状態であり、図5(b)は、ゲート電極244に正電圧が印加されている状態である。
図6(a)に示すように、ゲート電極244に電圧が印加されていない場合、n−AlGaN層233内に対して、p−GaN層232とp−AlGaN層235の両方から空乏層が伸びて形成される。そのため、図6(a)中のn−AlGaN層233内のエネルギーバンドに示されるように、そのエネルギーバンドは傾斜するとともに、伝導体の下限はフェルミ準位よりも上側に存在することになる。したがって、p−GaN層232との接合界面近傍に2DEGが発生することができないために、ゲート電極244が0Vのときは、この半導体装置のドレイン電極242とソース電極246間に電流が流れない。即ち、ノーマリオフとして作動する。
Next, the operation of the semiconductor device of the third embodiment will be described with reference to an energy band diagram. FIG. 6 shows an energy band diagram corresponding to the VI-VI line of the main part sectional view of FIG. The numbers shown in this energy band diagram correspond to the numbers of the respective layers in the cross-sectional view of the main part shown in FIG.
6A shows a state in which no voltage is applied to the gate electrode 244, and FIG. 5B shows a state in which a positive voltage is applied to the gate electrode 244.
As shown in FIG. 6A, when no voltage is applied to the gate electrode 244, a depletion layer extends from both the p-GaN layer 232 and the p-AlGaN layer 235 in the n-AlGaN layer 233. Formed. Therefore, as shown in the energy band in the n-AlGaN layer 233 in FIG. 6A, the energy band is inclined, and the lower limit of the conductor exists above the Fermi level. Accordingly, since 2DEG cannot be generated in the vicinity of the junction interface with the p-GaN layer 232, no current flows between the drain electrode 242 and the source electrode 246 of the semiconductor device when the gate electrode 244 is 0V. That is, it operates as normally-off.

一方、図6(b)に示すように、ゲート電極244に正電圧が印加されると、ポテンシャル井戸252が発生するとともに、その電位レベルがフェルミ準位よりも下側に存在することになる。したがってこのポテンシャル井戸252内に2DEGが発生する。2DEGの電子はポテンシャル井戸252内に沿って2次元的に移動して、ドレイン電極242とソース電極246間を流れる。これにより、この半導体装置はオンとなる。   On the other hand, as shown in FIG. 6B, when a positive voltage is applied to the gate electrode 244, the potential well 252 is generated, and the potential level exists below the Fermi level. Therefore, 2DEG is generated in the potential well 252. 2DEG electrons move two-dimensionally along the potential well 252 and flow between the drain electrode 242 and the source electrode 246. As a result, the semiconductor device is turned on.

本実施例の半導体装置では、n−AlGaN層233とp−AlGaN層235を接合することにより、n−AlGaN層233とp−AlGaN層235が空乏化される。これにより、p−GaN層232とn−AlGaN層233とで形成されるポテンシャル井戸がフェルミ準位よりも上側に存在することになり、極めて安定的なノーマリオフ動作が実現される。
なお、このn−AlGaN層233が実質的に完全空乏化されるためには、次の関係式を満たすようにn−AlGaN層233とp−AlGaN層235が設定されているのが好ましい。
Xd<(2εNVd/(qN(Na+Nd)))1/2 ・・・・(1)
Xa<(2εNVd/(qN(Na+Nd)))1/2 ・・・・(2)
ここで、Xdはn−AlGaN層233の膜厚であり、Ndはn−AlGaN層233のドナー密度であり、Xaはp−AlGaN層235の膜厚であり、Naはp−AlGaN層235のアクセプタ密度であり、Vdはn−AlGaN層233とp−AlGaN層235で形成される拡散電位であり、εはGaN半導体結晶の誘電率であり、qは電子電荷の絶対値である。
In the semiconductor device of this embodiment, the n-AlGaN layer 233 and the p-AlGaN layer 235 are depleted by joining the n-AlGaN layer 233 and the p-AlGaN layer 235. As a result, the potential well formed by the p-GaN layer 232 and the n-AlGaN layer 233 exists above the Fermi level, and an extremely stable normally-off operation is realized.
In order to substantially completely deplete the n-AlGaN layer 233, it is preferable that the n-AlGaN layer 233 and the p-AlGaN layer 235 are set so as to satisfy the following relational expression.
Xd <(2εN a Vd / (qN d (Na + Nd))) 1/2 ... (1)
Xa <(2εN d Vd / (qN a (Na + Nd))) 1/2 ... (2)
Here, Xd is the thickness of the n-AlGaN layer 233, Nd is the donor density of the n-AlGaN layer 233, Xa is the thickness of the p-AlGaN layer 235, and Na is the thickness of the p-AlGaN layer 235. The acceptor density, Vd is the diffusion potential formed by the n-AlGaN layer 233 and the p-AlGaN layer 235, ε is the dielectric constant of the GaN semiconductor crystal, and q is the absolute value of the electronic charge.

次に、第3実施例の半導体装置の変形例の一例を示す。図7に、その変形例の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。なお、第3実施例と略同一の構成要素に関しては同一番号を付してその説明を省略する。
図5の半導体装置と対比すると、本変形例の特徴が明瞭に理解できる。本変形例では、第3実施例のn−AlGaN層233(第2層の一例)とp−AlGaN層235(表面層)に相当するn−AlGaN層236、238(第2層の一例)とp−AlGaN層237、239(上部層)の繰返しが積層して形成されている。具体的には、第1のn−AlGaN層236上に第1のp−AlGaN層237が形成され、さらにその上に第2のn−AlGaN層238と第2のp−AlGaN層239が積層して形成されている。
Next, an example of a modification of the semiconductor device of the third embodiment is shown. FIG. 7 schematically shows a cross-sectional view of relevant parts of a semiconductor device according to the modification. In addition, about the same component as 3rd Example, the same number is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.
Compared with the semiconductor device of FIG. 5, the features of this modification can be clearly understood. In this modification, n-AlGaN layers 236 and 238 (an example of the second layer) corresponding to the n-AlGaN layer 233 (an example of the second layer) and the p-AlGaN layer 235 (the surface layer) of the third embodiment, Repeated p-AlGaN layers 237 and 239 (upper layers) are stacked. Specifically, a first p-AlGaN layer 237 is formed on the first n-AlGaN layer 236, and a second n-AlGaN layer 238 and a second p-AlGaN layer 239 are further stacked thereon. Is formed.

本変形例のように、積層構造を採用することで、電子供給層に相当する第1のn−AlGaN層236や第2のn−AlGaN層238が実質的に空乏化されることを促進することができる。したがって、安定的なノーマリオフ動作を実現し易い。
また、ノーマリオフを実現する範囲内で、積層構造内の第2層の不純物濃度を比較的高く構成することが可能となるので、電子供給能力が増大し、オン抵抗を低減し得る。
また、積層構造を採用することで、ゲート電極244に正電圧を印加した場合でも、積層構造内のpn接合が逆バイアスされて、ゲート電極244からの電流の流入を防止することができる。半導体装置の安定的な動作を実現し易い。
By adopting a stacked structure as in this modification, it is promoted that the first n-AlGaN layer 236 and the second n-AlGaN layer 238 corresponding to the electron supply layer are substantially depleted. be able to. Therefore, it is easy to realize a stable normally-off operation.
In addition, since the impurity concentration of the second layer in the stacked structure can be made relatively high within the range in which normally-off is realized, the electron supply capability can be increased and the on-resistance can be reduced.
In addition, by adopting the stacked structure, even when a positive voltage is applied to the gate electrode 244, the pn junction in the stacked structure is reverse-biased and current flow from the gate electrode 244 can be prevented. It is easy to realize a stable operation of the semiconductor device.

第3実施例の半導体装置の製造方法は、その大部分において第1実施例の製造技術を利用して具現化することができる。   The semiconductor device manufacturing method according to the third embodiment can be realized by using the manufacturing technique according to the first embodiment in most of the methods.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、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合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合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し得るものであり、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 exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.

22:基板
24:バッファ層
32:p−GaN層(第1層の一例)
34:AlGaN層(第2層の一例)
42:ドレイン電極
44:ゲート電極
46:ソース電極
62:SI−GaN層(中間層の一例)
22: Substrate 24: Buffer layer 32: p-GaN layer (an example of the first layer)
34: AlGaN layer (example of second layer)
42: Drain electrode 44: Gate electrode 46: Source electrode 62: SI-GaN layer (an example of an intermediate layer)

Claims (2)

第1層と第2層と表面層が積層され、表面層の表面にゲート電極が接触しているノーマリオフで動作する半導体装置であり、
第1層は、第1種類のGaN系化合物半導体で構成されており、
第2層は、n型の第2種類のGaN系化合物半導体で構成されており、
表面層は、p型のGaN系化合物半導体で構成されており、
第1種類のGaN系化合物半導体のバンドギャップよりも第2種類のGaN系化合物半導体のバンドギャップの方が大きく、
ゲート電極にオン電圧が印加されていないときに、第2層と表面層が実質的に空乏化され、
以下の(1)及び(2)の式を満たすことを特徴とする半導体装置。
Xd<(2εNaVd/(qNd(Na+Nd)))1/2 ・・・・(1)
Xa<(2εNdVd/(qNa(Na+Nd)))1/2 ・・・・(2)
ここで、Xdは第2層の膜厚であり、Ndは第2層のドナー密度であり、Xaは表面層の膜厚であり、Naは表面層のアクセプタ密度であり、Vdは第2層と表面層で形成される拡散電位であり、εはGaN系化合物半導体の誘電率であり、qは電子電荷の絶対値である。
The first layer and the second layer and the surface layer is laminated, a semiconductor device that operates in a normally-off where a gate electrode is in contact with the surface of the surface layer,
The first layer is composed of a first type GaN-based compound semiconductor,
The second layer is composed of an n-type second type GaN compound semiconductor,
The surface layer is composed of a p-type GaN compound semiconductor,
The band gap of the second type GaN compound semiconductor is larger than the band gap of the first type GaN compound semiconductor,
When no on-voltage is applied to the gate electrode, the second layer and the surface layer are substantially depleted,
A semiconductor device satisfying the following expressions (1) and (2):
Xd <(2εNaVd / (qNd (Na + Nd))) 1/2 ... (1)
Xa <(2εNdVd / (qNa (Na + Nd))) 1/2 ... (2)
Here, Xd is the film thickness of the second layer, Nd is the donor density of the second layer, Xa is the film thickness of the surface layer, Na is the acceptor density of the surface layer, and Vd is the second layer. And ε is the dielectric constant of the GaN-based compound semiconductor, and q is the absolute value of the electronic charge.
第1層と第2層と表面層が積層され、表面層の表面にゲート電極が接触しており、ゲート電極にオン電圧が印加されていないときに、第2層と表面層が実質的に空乏化されるノーマリオフで動作する半導体装置の製造方法であり、
第1種類のGaN系化合物半導体からなる第1層上に、n型であって第1種類のGaN系化合物半導体のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する第2種類のGaN系化合物半導体からなる第2層をエピタキシャル成長させる第2層成長工程と、
その第2層上に、p型のGaN系化合物半導体からなる表面層をエピタキシャル成長させる表面層成長工程と、
その表面層の表面にゲート電極を形成するゲート電極形成工程を有しており、
以下の(1)及び(2)の式を満たすことを特徴とする製造方法。
Xd<(2εNaVd/(qNd(Na+Nd)))1/2 ・・・・(1)
Xa<(2εNdVd/(qNa(Na+Nd)))1/2 ・・・・(2)
ここで、Xdは第2層の膜厚であり、Ndは第2層のドナー密度であり、Xaは表面層の膜厚であり、Naは表面層のアクセプタ密度であり、Vdは第2層と表面層で形成される拡散電位であり、εはGaN系化合物半導体の誘電率であり、qは電子電荷の絶対値である。
The first layer, the second layer, and the surface layer are stacked, the gate electrode is in contact with the surface of the surface layer, and when the on-voltage is not applied to the gate electrode, the second layer and the surface layer are substantially A method of manufacturing a semiconductor device that operates in a normally-off state that is depleted,
On the first layer made of the first type GaN-based compound semiconductor, the second type made of the second type GaN-based compound semiconductor that is n-type and has a band gap larger than the band gap of the first type GaN-based compound semiconductor. A second layer growth step of epitaxially growing the two layers;
A surface layer growth step of epitaxially growing a surface layer made of a p-type GaN-based compound semiconductor on the second layer;
A gate electrode forming step of forming a gate electrode on the surface of the surface layer;
A manufacturing method characterized by satisfying the following expressions (1) and (2):
Xd <(2εNaVd / (qNd (Na + Nd))) 1/2 ... (1)
Xa <(2εNdVd / (qNa (Na + Nd))) 1/2 ... (2)
Here, Xd is the film thickness of the second layer, Nd is the donor density of the second layer, Xa is the film thickness of the surface layer, Na is the acceptor density of the surface layer, and Vd is the second layer. And ε is the dielectric constant of the GaN-based compound semiconductor, and q is the absolute value of the electronic charge.
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