JP6287629B2

JP6287629B2 - Heterojunction field effect transistor

Info

Publication number: JP6287629B2
Application number: JP2014131443A
Authority: JP
Inventors: 真士谷本; 耕司朝田
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2014-06-26
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2018-03-07
Anticipated expiration: 2034-06-26
Also published as: JP2016009831A

Description

本発明の実施形態は、ヘテロ接合電界効果トランジスタに関する。 Embodiments of the invention relate to heterojunction field effect transistors.

従来、ヘテロ接合電界効果トランジスタとしては、特開２００８−２４３８８１号公報（特許文献１）に記載されたものがある。このヘテロ接合電界効果トランジスタは、基板上に設けられたＡｌＧａＮからなるチャネル層と、チャネル層上に設けられたＡｌＧａＮからなるバリア層と、バリア層上に設けられたソース電極、ドレイン電極およびゲート電極とを備える。このように、チャネル層をＡｌＧａＮとすることで、チャネル層がＧａＮである場合と比べて、バンドギャップが大きくなり、この結果、チャネル層の絶縁破壊電界が高くなって、トランジスタの耐圧を向上している。 Conventionally, as a heterojunction field effect transistor, there is one described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-243881 (Patent Document 1). This heterojunction field effect transistor includes an AlGaN channel layer provided on a substrate, an AlGaN barrier layer provided on the channel layer, a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode provided on the barrier layer. With. Thus, by using AlGaN as the channel layer, the band gap is increased compared to the case where the channel layer is GaN. As a result, the breakdown electric field of the channel layer is increased and the breakdown voltage of the transistor is improved. ing.

特開２００８−２４３８８１号公報JP 2008-243881 A

しかしながら、前記従来のヘテロ接合電界効果トランジスタでは、シート抵抗が高くなる問題がある。これは、チャネル層をＡｌＧａＮとすることで、チャネル層の結晶性、特に、２次元電子ガス層が生じる部分の結晶性が悪化したことが原因であると考えられる。 However, the conventional heterojunction field effect transistor has a problem of increasing sheet resistance. This is considered to be because the channel layer is made of AlGaN, and the crystallinity of the channel layer, in particular, the crystallinity of the portion where the two-dimensional electron gas layer is generated is deteriorated.

そこで、本発明に係る課題は、耐圧の向上とシート抵抗の低減とを両立できるヘテロ接合電界効果トランジスタを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a heterojunction field effect transistor that can achieve both improvement in breakdown voltage and reduction in sheet resistance.

前記課題を解決するため、本発明に係るヘテロ接合電界効果トランジスタは、
窒化物半導体から構成されるチャネル層と、
前記チャネル層の上面に設けられ、前記チャネル層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する窒化物半導体から構成されるバリア層と、
前記バリア層の上に設けられたゲート電極と、
ソース電極およびドレイン電極と
を備え、
前記チャネル層は、前記チャネル層の下面側がＧａＮまたはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）であり、前記チャネル層の上面側が前記下面側のＡｌの組成比ｘよりも大きなＡｌの組成比ｙを有するＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）であって、前記チャネル層の下面から上面に向かって、Ａｌの組成比が段階的に又は連続的に増加している層であることを特徴としている。 In order to solve the above-mentioned problem, a heterojunction field effect transistor according to the present invention provides:
A channel layer composed of a nitride semiconductor;
A barrier layer formed on a top surface of the channel layer and made of a nitride semiconductor having a band gap larger than the band gap of the channel layer;
A gate electrode provided on the barrier layer;
A source electrode and a drain electrode,
In the channel layer, the lower surface side of the channel layer is GaN or Al _x Ga _1-x N (0 <x <1), and the upper surface side of the channel layer is made of Al larger than the Al composition ratio x on the lower surface side. Al _y Ga _1-y N having a composition ratio y (0 <y <1), and the Al composition ratio increases stepwise or continuously from the lower surface to the upper surface of the channel layer. It is characterized by being a layer.

本発明に係るヘテロ接合電界効果トランジスタによれば、耐圧の向上とシート抵抗の低減とを両立できる。 The heterojunction field effect transistor according to the present invention can achieve both improvement in breakdown voltage and reduction in sheet resistance.

本発明の実施形態に係るヘテロ接合電界効果トランジスタを模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the heterojunction field effect transistor which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るヘテロ接合電界効果トランジスタを模式的に示す断面図であり、ヘテロ接合電界効果トランジスタのオフ状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the heterojunction field effect transistor which concerns on embodiment of this invention, and is sectional drawing which shows the OFF state of a heterojunction field effect transistor. 本発明の実施形態に係るヘテロ接合電界効果トランジスタを模式的に示す断面図であり、ヘテロ接合電界効果トランジスタのオン状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the heterojunction field effect transistor which concerns on embodiment of this invention, and is sectional drawing which shows the ON state of a heterojunction field effect transistor. 本発明の実施形態に係るヘテロ接合電界効果トランジスタのバンドギャップエネルギーを模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the band gap energy of the heterojunction field effect transistor which concerns on embodiment of this invention. チャネル層の厚みおよび下面側の組成を固定して上面側の組成を変化させた試料について、閾値電圧をＡｌの組成比の変化率ごとにプロットしたグラフである。It is the graph which plotted the threshold voltage for every change rate of the composition ratio of Al about the sample which fixed the thickness of the channel layer, and the composition of the lower surface side, and changed the composition of the upper surface side.

以下、本発明を図面を用いて実施の形態により詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail by embodiments with reference to the drawings.

図１は、本発明の実施形態に係るヘテロ接合電界効果トランジスタを模式的に示す断面図である。図１に示すように、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１は、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor））であり、チャネル層１４と、チャネル層１４の上面に設けられたバリア層１５とを有する。チャネル層１４は、窒化物半導体から構成される。バリア層１５は、チャネル層１４のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する窒化物半導体から構成される。バリア層１５との界面近傍のチャネル層１４に、２次元電子ガス層３１が形成される。 FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a heterojunction field effect transistor according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the heterojunction field effect transistor 1 is a high electron mobility transistor (HEMT), and includes a channel layer 14 and a barrier layer 15 provided on the upper surface of the channel layer 14. Have The channel layer 14 is made of a nitride semiconductor. The barrier layer 15 is made of a nitride semiconductor having a band gap larger than that of the channel layer 14. A two-dimensional electron gas layer 31 is formed in the channel layer 14 in the vicinity of the interface with the barrier layer 15.

バリア層１４の上面に、ゲート電極２１が設けられている。さらには、ソース電極２２およびドレイン電極２３が設けられており、本実施形態ではこれらの電極はゲート電極２１を挟む位置に設けられている。 A gate electrode 21 is provided on the upper surface of the barrier layer 14. Furthermore, a source electrode 22 and a drain electrode 23 are provided, and in the present embodiment, these electrodes are provided at positions sandwiching the gate electrode 21.

ソース電極２２から流される電子は、２次元電子ガス層３１を介して、ドレイン電極２３に到達する。つまり、２次元電子ガス層３１を介して、ソース電極２２とドレイン電極２３との間を電流が流れる。 Electrons flowing from the source electrode 22 reach the drain electrode 23 via the two-dimensional electron gas layer 31. That is, a current flows between the source electrode 22 and the drain electrode 23 via the two-dimensional electron gas layer 31.

２次元電子ガス層３１を流れる電流は、ゲート電極２１に印加する電圧に基づいて、制御される。具体的に述べると、図２Ａに示すように、ゲート電極２１に負の電圧を印加し、空乏層３２の深さを２次元電子ガス層３１に到達するように制御することで、ソース電極２２とドレイン電極２３との間の電流経路としての２次元電子ガス層３１を遮断する。これにより、２次元電子ガス層３１を電流が流れず、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１をオフ状態とできる。一方、図２Ｂに示すように、ゲート電極２１に印加する電圧を正の電圧に近づけて、空乏層３２を縮小することで、電流経路としての２次元電子ガス層３１を開通する。これにより、２次元電子ガス層３１を電流が流れて、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１をオン状態とできる。 The current flowing through the two-dimensional electron gas layer 31 is controlled based on the voltage applied to the gate electrode 21. More specifically, as shown in FIG. 2A, a negative voltage is applied to the gate electrode 21 to control the depth of the depletion layer 32 so as to reach the two-dimensional electron gas layer 31. And the two-dimensional electron gas layer 31 as a current path between the drain electrode 23 and the drain electrode 23 are blocked. Thereby, no current flows through the two-dimensional electron gas layer 31, and the heterojunction field effect transistor 1 can be turned off. On the other hand, as shown in FIG. 2B, the voltage applied to the gate electrode 21 is brought close to a positive voltage to reduce the depletion layer 32, thereby opening the two-dimensional electron gas layer 31 as a current path. Thereby, a current flows through the two-dimensional electron gas layer 31 and the heterojunction field effect transistor 1 can be turned on.

チャネル層１４は、チャネル層１４の下面から上面に向かって、Ａｌの組成比が段階的に又は連続的に増加している層であり、チャネル層１４の下面側がＧａＮまたはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）であり、チャネル層１４の上面側が下面側のＡｌの組成比ｘよりも大きなＡｌの組成比ｙを有するＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）である。言い換えると、チャネル層１４の組成は、チャネル層１４の下面から上面に向かって、格子定数が小さくなるように構成されている。また、チャネル層１４の下面から上面に向かって、バンドギャップエネルギーが大きくなるようにも構成されている。なお、ここで、上面とはバリア層１５と接する側の面であり、下面とはその反対側の面である。 The channel layer 14 is a layer in which the Al composition ratio increases stepwise or continuously from the lower surface to the upper surface of the channel layer 14, and the lower surface side of the channel layer 14 is GaN or Al _x Ga _1-x. N y (0 <x <1), and Al _y Ga _1-y N (0 <y <1) in which the upper surface side of the channel layer 14 has an Al composition ratio y larger than the Al composition ratio x on the lower surface side. is there. In other words, the composition of the channel layer 14 is configured such that the lattice constant decreases from the lower surface to the upper surface of the channel layer 14. The band gap energy is also configured to increase from the lower surface to the upper surface of the channel layer 14. Here, the upper surface is a surface in contact with the barrier layer 15, and the lower surface is a surface on the opposite side.

例えば、チャネル層１４は、Ａｌの組成比が、チャネル層１４の下面から上面に向かって、低い方から高い方へ連続的に変化するように、構成することができる。下面はＡｌの組成比が０であってもよい。具体的に述べると、チャネル層１４は、チャネル層１４の下面側がＧａＮであり、チャネル層の下面から上面に向かって、Ａｌの組成比が０から連続的に増加しているように、構成することができる。 For example, the channel layer 14 can be configured such that the Al composition ratio continuously changes from the lower side to the higher side from the lower surface to the upper surface of the channel layer 14. The lower surface may have an Al composition ratio of zero. More specifically, the channel layer 14 is configured such that the lower surface side of the channel layer 14 is GaN, and the Al composition ratio continuously increases from 0 toward the upper surface from the lower surface of the channel layer. be able to.

また、チャネル層１４は、Ａｌの組成比が、チャネル層１４の下面から上面に向かって、低い方から高い方へ段階的に変化するように、構成することができる。つまり、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなる第１層と、第１層上に設けられ、第１層のＡｌの組成比ｘよりも大きなＡｌの組成比ｙを有するＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）からなる第２層と、を少なくとも有するように、構成することができる。 Further, the channel layer 14 can be configured such that the Al composition ratio changes stepwise from the lower side to the higher side from the lower surface to the upper surface of the channel layer 14. That is, a first layer made of Al _x Ga _1-x N (0 <x <1) and an Al composition ratio y which is provided on the first layer and is larger than the Al composition ratio x of the first layer. And a second layer made of Al _y Ga _1-y N (0 <y <1).

具体的に述べると、チャネル層１４は、下面から上面に向かって、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層との２層構造であってもよい。または、チャネル層１４は、下面から上面に向かって、Ａｌの組成比の低いＡｌＧａＮ層と、Ａｌの組成比の高いＡｌＧａＮ層との２層構造であってもよい。 Specifically, the channel layer 14 may have a two-layer structure of a GaN layer and an AlGaN layer from the bottom surface to the top surface. Alternatively, the channel layer 14 may have a two-layer structure of an AlGaN layer having a low Al composition ratio and an AlGaN layer having a high Al composition ratio from the bottom surface to the top surface.

または、チャネル層１４は、下面から上面に向かって、３層以上のＡｌＧａＮ層であってもよく、この場合、３層以上のＡｌＧａＮ層は、Ａｌの組成比が、チャネル層１４の下面から上面に向かって、低い方から高い方へ変化する。または、チャネル層１４は、下面から上面に向かって、ＧａＮ層と、２層以上のＡｌＧａＮ層とであってもよく、この場合、２層以上のＡｌＧａＮ層は、Ａｌの組成比が、チャネル層１４の下面から上面に向かって、低い方から高い方へ変化する。 Alternatively, the channel layer 14 may be three or more AlGaN layers from the bottom surface to the top surface. In this case, the three or more AlGaN layers have an Al composition ratio from the bottom surface to the top surface of the channel layer 14. It changes from low to high. Alternatively, the channel layer 14 may be a GaN layer and two or more AlGaN layers from the lower surface to the upper surface. In this case, the two or more AlGaN layers have an Al composition ratio of the channel layer. 14 from the lower surface to the upper surface from the lower surface to the upper surface.

本発明の実施形態に係るトランジスタ１では、２次元電子ガス層３１が形成されるチャネル層１４の上面側の組成がＡｌＧａＮである。ＡｌＧａＮは、ＧａＮと比べて、バンドギャップエネルギーが大きいため、２次元電子ガス層が形成されるチャネル層をＧａＮで構成する場合よりも、チャネル層１４の絶縁破壊電界が高くなって、トランジスタ１の耐圧を向上できる。 In the transistor 1 according to the embodiment of the present invention, the composition on the upper surface side of the channel layer 14 on which the two-dimensional electron gas layer 31 is formed is AlGaN. Since AlGaN has a larger band gap energy than GaN, the dielectric breakdown electric field of the channel layer 14 is higher than that in the case where the channel layer in which the two-dimensional electron gas layer is formed is composed of GaN, and the transistor 1 The breakdown voltage can be improved.

また、チャネル層１４のＡｌの組成比は、チャネル層１４の下面から上面に向かって、増大するように変化している。これにより、チャネル層１４全体、特に２次元電子ガス層３１が形成される上面に近い部分のＡｌＧａＮ層を結晶性よく成長でき、この結果、シート抵抗を低減できる。 Further, the Al composition ratio of the channel layer 14 changes so as to increase from the lower surface to the upper surface of the channel layer 14. As a result, the entire channel layer 14, particularly the AlGaN layer near the upper surface where the two-dimensional electron gas layer 31 is formed can be grown with good crystallinity, and as a result, the sheet resistance can be reduced.

したがって、本発明の実施形態に係るトランジスタ１によれば、耐圧の向上とシート抵抗の低減とを両立できる。 Therefore, according to the transistor 1 according to the embodiment of the present invention, both improvement in breakdown voltage and reduction in sheet resistance can be achieved.

また、チャネル層１４において、組成変化を緩やかにすることで、ソース電極とドレイン電極間に電流が流れ始めるときのゲート電極の電圧である閾値電圧が低下しにくくなる。これに対して、例えばＧａＮ層上に直接にＡｌの組成比の高いＡｌＧａＮ層を設けた２層構造とした場合には、ＡｌＧａＮ層との界面近傍のＧａＮ層に、別の２次元電子ガス層が形成され、閾値電圧が低下するおそれがある。 In addition, in the channel layer 14, by slowing the composition change, the threshold voltage that is the voltage of the gate electrode when current starts to flow between the source electrode and the drain electrode is less likely to decrease. In contrast, for example, in the case of a two-layer structure in which an AlGaN layer having a high Al composition ratio is provided directly on the GaN layer, another two-dimensional electron gas layer is formed on the GaN layer near the interface with the AlGaN layer. May be formed, and the threshold voltage may decrease.

さらに、チャネル層１４のＡｌの組成比は、チャネル層１４の下面から上面に向かって、段階的または連続的に増大するように変化している。これにより、図３に示すように、チャネル層１４に形成される２次元電子ガス層３１からチャネル層１４の下面側へ向かって、バンド幅Ｗ１が狭くなり価電子帯の上端が上がる。この結果、２次元電子ガス層３１付近で発生したホールｈが、矢印Ａに示すようにチャネル層１４の下面側へ向かって、２次元電子ガス層３１から離れやすくなる。これにより、ホールｈが電子を引き付けることによる生じる過電流破壊を、抑制することができると考えられる。図３では、バリア層１５としてＡｌＮを含むものとしている。 Further, the Al composition ratio of the channel layer 14 changes so as to increase stepwise or continuously from the lower surface to the upper surface of the channel layer 14. Thereby, as shown in FIG. 3, the band width W1 becomes narrower from the two-dimensional electron gas layer 31 formed in the channel layer 14 toward the lower surface side of the channel layer 14, and the upper end of the valence band rises. As a result, the holes h generated in the vicinity of the two-dimensional electron gas layer 31 are easily separated from the two-dimensional electron gas layer 31 toward the lower surface side of the channel layer 14 as indicated by an arrow A. Thereby, it is considered that the overcurrent breakdown caused by the holes h attracting electrons can be suppressed. In FIG. 3, the barrier layer 15 includes AlN.

これに対して、チャネル層１４をＡｌＧａＮ層の単層とする場合、図３の二点鎖線に示すように、チャネル層１４のバンド幅Ｗ２は、チャネル層１４の下面側へ向かって、狭くならず、価電子帯の上端は上がらない。この結果、ホールｈは２次元電子ガス層３１から離れず、ホールｈが電子を引き付けることにより、過電流破壊が生じる場合がある。 On the other hand, when the channel layer 14 is a single layer of an AlGaN layer, the bandwidth W2 of the channel layer 14 becomes narrower toward the lower surface side of the channel layer 14 as shown by a two-dot chain line in FIG. The upper end of the valence band does not rise. As a result, the holes h are not separated from the two-dimensional electron gas layer 31 and the holes h may attract electrons, resulting in overcurrent breakdown.

以下、本実施の形態に係るヘテロ接合電界効果トランジスタの好ましい形態について説明する。 Hereinafter, preferred modes of the heterojunction field effect transistor according to the present embodiment will be described.

図１に示すように、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１は、基板１１と、基板１１上に順に積層されるバッファ層１２、ＧａＮ層１３、チャネル層１４およびバリア層１５とを有する。 As shown in FIG. 1, the heterojunction field effect transistor 1 includes a substrate 11 and a buffer layer 12, a GaN layer 13, a channel layer 14, and a barrier layer 15 that are sequentially stacked on the substrate 11.

（基板１１）
基板１１は、サファイアから構成される。なお、基板１１は、サファイア以外に、ＧａＮ、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＳｉまたはＡｌＮなどの材料から構成されるようにしてもよい。 (Substrate 11)
The substrate 11 is made of sapphire. In addition to the sapphire, the substrate 11 may be made of a material such as GaN, SiC (including 6H, 4H, and 3C), Si, or AlN.

（バッファ層１２）
バッファ層１２は、例えば、ＡｌＧａＮから構成される。なお、バッファ層１２は、ＧａＮまたはＡｌＮなどの材料から構成されるようにしてもよい。 (Buffer layer 12)
The buffer layer 12 is made of, for example, AlGaN. The buffer layer 12 may be made of a material such as GaN or AlN.

（ＧａＮ層１３）
ＧａＮ層１３は、チャネル層１４の下面に、配置されている。これにより、チャネル層１４をさらに結晶性よく成長できる。ＧａＮ層１３の厚みは、１０ｎｍ以上とすることができ、例えば、１００ｎｍである。また、ＧａＮ層１３の厚みは、１０μｍ以下とすることができる。ＧａＮ層１３を設ける場合には、ＧａＮ層１３の下面に接してバッファ層１２を設け、ＧａＮ層１３の上面に接してチャネル層１４を設けることが望ましい。なお、ＧａＮ層１３を設けないようにしてもよい。 (GaN layer 13)
The GaN layer 13 is disposed on the lower surface of the channel layer 14. Thereby, the channel layer 14 can be grown with better crystallinity. The thickness of the GaN layer 13 can be 10 nm or more, for example, 100 nm. The thickness of the GaN layer 13 can be 10 μm or less. When the GaN layer 13 is provided, it is desirable to provide the buffer layer 12 in contact with the lower surface of the GaN layer 13 and provide the channel layer 14 in contact with the upper surface of the GaN layer 13. The GaN layer 13 may not be provided.

（チャネル層１４）
チャネル層１４は、Ａｌの組成比が、チャネル層１４の下面から上面に向かって、増大するように変化したＡｌ組成傾斜層である。チャネル層１４の厚みは、１００ｎｍ以上であり、例えば、５００ｎｍである。 (Channel layer 14)
The channel layer 14 is an Al composition gradient layer in which the Al composition ratio is changed so as to increase from the lower surface to the upper surface of the channel layer 14. The thickness of the channel layer 14 is 100 nm or more, for example, 500 nm.

チャネル層１４をＡｌ組成傾斜層とすることで、シート抵抗を低くできる。例えば、同じ厚みのチャネル層において、Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ層で構成したときは、２５４２ｃｍ^２／Ｖ_Ｓであるが、ＧａＮからＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎへ連続的に変化させることで、１７７５ｃｍ^２／Ｖ_Ｓとなり、シート抵抗を低減させることができる。また、チャネル層をＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎのみで構成したときは、１３３０ｃｍ^２／Ｖ_Ｓであるが、ＧａＮからＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎへ連続的に変化させることで、１１１２ｃｍ^２／Ｖ_Ｓとなる。 By making the channel layer 14 an Al composition gradient layer, the sheet resistance can be lowered. For example, when the channel layer having the same thickness is composed of an Al _0.1 Ga _0.9 N layer, it is 2542 cm ² / V _S , but continuously changes from GaN to Al _0.1 Ga _0.9 N. By doing so, it becomes 1775 cm ² / V _S , and the sheet resistance can be reduced. Further, when the channel layer is composed of only Al _0.05 Ga _0.95 N, it is 1330 cm ² / V _S , but by continuously changing from GaN to Al _0.05 Ga _0.95 N, 1112 cm ² / V _S

チャネル層１４のＡｌの組成比の変化率は、好ましくは、チャネル層１４の厚みが１００ｎｍあたり０．０２以下である。チャネル層１４のＡｌの組成比の変化率が急激であると閾値電圧が低下するが、チャネル層１４の厚みが１００ｎｍあたり０．０２以下であれば、閾値電圧が低下しにくい。 The rate of change in the Al composition ratio of the channel layer 14 is preferably such that the thickness of the channel layer 14 is 0.02 or less per 100 nm. When the rate of change of the Al composition ratio of the channel layer 14 is abrupt, the threshold voltage decreases. However, if the thickness of the channel layer 14 is 0.02 or less per 100 nm, the threshold voltage is unlikely to decrease.

例えば、チャネル層１４の厚みを５００ｎｍとして下面側をＧａＮとし、上面側の組成を変化させたものについて閾値電圧を測定し、Ａｌの組成比の変化率ごとにプロットしたグラフを図４に示す。図４に示す例では、Ａｌ組成比を連続的に変化させており、Ａｌの組成比の変化率は、Ａｌの組成比の変化量をチャネル層１４の厚みで除算することにより求めた。同じＡｌ組成比変化率の試料を複数作成しており、図４にはそれぞれの結果をプロットした。また、図４におけるＡｌ組成比変化率が０とは、チャネル層をＧａＮのみで形成した場合である。 For example, FIG. 4 shows a graph in which the threshold voltage is measured for the channel layer 14 having a thickness of 500 nm, the lower surface side is GaN, and the composition of the upper surface side is changed, and plotted for each change rate of the Al composition ratio. In the example shown in FIG. 4, the Al composition ratio is continuously changed, and the change rate of the Al composition ratio is obtained by dividing the change amount of the Al composition ratio by the thickness of the channel layer 14. A plurality of samples having the same Al composition ratio change rate were prepared, and the results are plotted in FIG. Moreover, the Al composition ratio change rate in FIG. 4 is 0 when the channel layer is formed of only GaN.

図４に示すように、Ａｌの組成比の変化率が、チャネル層１４の厚みが１００ｎｍあたり０．１であるときは、−３．３Ｖ程度であり、チャネル層をＧａＮのみで形成した場合の閾値電圧０Ｖ〜−０．５Ｖ程度よりも、大幅に低下している。Ａｌ組成比変化率が低くなることで閾値電圧が徐々に上昇し、０．０２以下とすることで、チャネル層をＧａＮのみで形成した場合とほぼ同等の閾値電圧とすることができる。このように、変化率が低いほど、閾値電圧の低下が抑制される。また、チャネル層１４は、チャネル層１４の上面側のＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮのＡｌの組成比ｙを大きくすることで２次元電子ガス層３１が生じる部分の耐圧を向上させることができるが、大きくしすぎると結晶性が悪化しやすい。チャネル層１４の上面側のＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮのＡｌの組成比ｙは、０．０５以上であることが好ましい。また、０．３以下とすることができ、さらには０．１以下とすることができる。 As shown in FIG. 4, the rate of change of the Al composition ratio is about −3.3 V when the thickness of the channel layer 14 is 0.1 per 100 nm, and when the channel layer is formed of only GaN. It is significantly lower than the threshold voltage of about 0V to -0.5V. When the Al composition ratio change rate is lowered, the threshold voltage gradually increases, and by setting it to 0.02 or less, the threshold voltage can be made substantially equal to the case where the channel layer is formed of only GaN. Thus, the lower the change rate, the lower the threshold voltage. Further, the channel layer 14 can improve the breakdown voltage of the portion where the two-dimensional electron gas layer 31 is generated by increasing the Al composition ratio y of Al _y Ga _1-y N on the upper surface side of the channel layer 14. If it is too large, the crystallinity tends to deteriorate. The Al composition ratio y of Al _y Ga _1-y N on the upper surface side of the channel layer 14 is preferably 0.05 or more. Moreover, it can be 0.3 or less, and also can be 0.1 or less.

また、閾値電圧の低下をより抑制するためには、チャネル層１４に複数の２次元電子ガス層が生じにくいように、Ａｌの組成比の変化を設定することが好ましい。具体的には、チャネル層１４内に、チャネル層１４の上端とバリア層１５とのバンドギャップ差を越えるバンドギャップ差が存在しないことが好ましい。また、Ａｌの組成比を連続的に変化させることが好ましい。ここで、段階的に変化とは、組成の異なる各層が分析による判別できる程度をいい、例えば厚み５０ｎｍごとに組成を変化させる。連続的に変化させる場合には、例えば、エピタキシャル成長時において原料ガスの流量比の切り替えを１０ｎｍ以下ごとに行えばよい。図４に示したＡｌ組成比変化率の測定においては、１ｎｍごとに切り替えて作製した試料を用いた。なお、ゲート電極２１から遠ざかる方向において、チャネル層１４より遠くに別のチャネル層が存在しないことが好ましい。具体的には、チャネル層１４からバッファ層１２までの間に、チャネル層１４の上端とバリア層１５とのバンドギャップ差を越えるバンドギャップ差が存在しないことが好ましい。 In order to further suppress the decrease in threshold voltage, it is preferable to set the change in the Al composition ratio so that a plurality of two-dimensional electron gas layers are unlikely to be formed in the channel layer 14. Specifically, it is preferable that no band gap difference exceeding the band gap difference between the upper end of the channel layer 14 and the barrier layer 15 exists in the channel layer 14. Moreover, it is preferable to change the composition ratio of Al continuously. Here, stepwise change refers to the extent to which layers having different compositions can be discriminated by analysis. For example, the composition is changed every thickness of 50 nm. In the case of continuously changing, for example, the flow rate ratio of the source gas may be switched every 10 nm or less during epitaxial growth. In the measurement of the Al composition ratio change rate shown in FIG. 4, a sample prepared by switching every 1 nm was used. In addition, it is preferable that another channel layer does not exist farther than the channel layer 14 in the direction away from the gate electrode 21. Specifically, it is preferable that there is no band gap difference between the channel layer 14 and the buffer layer 12 that exceeds the band gap difference between the upper end of the channel layer 14 and the barrier layer 15.

（バリア層１５）
バリア層１５は、下から上に順に、ＡｌＮ層１６とＡｌＧａＮ層１７とを有する。２次元電子ガス層３１は、バリア層１５のＡｌＮ層１６との界面近傍のチャネル層１４に、形成される。なお、バリア層１５は、ＡｌＮ層１６とＡｌＧａＮ層１７との少なくとも一方から構成されていてもよい。ＡｌＮ層１６を設ける場合には、２ｎｍ以下とすることが好ましく、このときにはＡｌＮ層１６の上にＡｌＧａＮ層１７を設けて、バリア層１５全体として５ｎｍ以上の厚みとすることが好ましい。また、バリア層１５は、ＡｌＮ層１６およびＡｌＧａＮ層１７に限定されず、チャネル層１４の上面側のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する窒化物半導体から構成されていればよい。また、バリア層１５がＡｌＮ層１６とＡｌＧａＮ層１７を有する場合に、ＡｌＧａＮ層１７のＡｌの組成比は、チャネル層１４の上面側のＡｌの組成比よりも大きいことが好ましい。 (Barrier layer 15)
The barrier layer 15 includes an AlN layer 16 and an AlGaN layer 17 in order from the bottom to the top. The two-dimensional electron gas layer 31 is formed in the channel layer 14 near the interface between the barrier layer 15 and the AlN layer 16. The barrier layer 15 may be composed of at least one of the AlN layer 16 and the AlGaN layer 17. When the AlN layer 16 is provided, the thickness is preferably 2 nm or less. In this case, the AlGaN layer 17 is preferably provided on the AlN layer 16 so that the entire barrier layer 15 has a thickness of 5 nm or more. The barrier layer 15 is not limited to the AlN layer 16 and the AlGaN layer 17, and may be made of a nitride semiconductor having a band gap larger than the band gap on the upper surface side of the channel layer 14. When the barrier layer 15 includes the AlN layer 16 and the AlGaN layer 17, the Al composition ratio of the AlGaN layer 17 is preferably larger than the Al composition ratio on the upper surface side of the channel layer 14.

（ゲート電極２１）
ゲート電極２１は、例えば、ＮｉおよびＡｕから構成される。本実施形態では、ゲート電極２１は、ｐ型ＧａＮ層１８を介して、バリア層１５のＡｌＧａＮ層１７上に設けられる。このように、バリア層１５とゲート電極２１との間にｐ型ＧａＮ層１８などのｐ層を設けることで、閾値電圧を上昇させることができる。ｐ型ＧａＮ層１８は省略することもできる。 (Gate electrode 21)
The gate electrode 21 is made of Ni and Au, for example. In the present embodiment, the gate electrode 21 is provided on the AlGaN layer 17 of the barrier layer 15 via the p-type GaN layer 18. Thus, by providing a p layer such as the p-type GaN layer 18 between the barrier layer 15 and the gate electrode 21, the threshold voltage can be increased. The p-type GaN layer 18 can be omitted.

（ソース電極２２）
ソース電極２２は、例えば、ＴｉおよびＡｌから構成される。本実施形態では、ソース電極２２は、チャネル層１４の第１側面（図中の左側面）の一部と、バリア層１５の第１側面（図中の左側面）とに設けられる。つまり、ソース電極２２は、チャネル層１４の側面に延在しており、ソース電極２２は、２次元電子ガス層３１に接触している。ソース電極２２は、チャネル層１４の下面の近傍に到達する位置まで、延在している。 (Source electrode 22)
The source electrode 22 is made of, for example, Ti and Al. In the present embodiment, the source electrode 22 is provided on a part of the first side surface (left side surface in the drawing) of the channel layer 14 and the first side surface (left side surface in the drawing) of the barrier layer 15. That is, the source electrode 22 extends on the side surface of the channel layer 14, and the source electrode 22 is in contact with the two-dimensional electron gas layer 31. The source electrode 22 extends to a position reaching the vicinity of the lower surface of the channel layer 14.

ここで、前述したように、図３に示すように、２次元電子ガス層３１付近で発生したホールｈは、チャネル層１４の下面側へ向かって、２次元電子ガス層３１から離れやすくなる。このとき、ソース電極２２が、チャネル層１４の側面に延在しているので、２次元電子ガス層３１から離れたホールｈを、ソース電極２２から排出することができる。この結果、過電流破壊を、一層抑制することができると考えられる。特に、ソース電極２２は、チャネル層１４の下面の近傍に到達する位置まで、延在しているので、チャネル層１４の下面の近傍にまで離れたホールｈを、ソース電極２２から確実に排出することができる。ソース電極２２の下端はＧａＮ層１３まで到達していてもよい。 Here, as described above, as shown in FIG. 3, the holes h generated in the vicinity of the two-dimensional electron gas layer 31 are easily separated from the two-dimensional electron gas layer 31 toward the lower surface side of the channel layer 14. At this time, since the source electrode 22 extends on the side surface of the channel layer 14, the holes h separated from the two-dimensional electron gas layer 31 can be discharged from the source electrode 22. As a result, it is considered that overcurrent breakdown can be further suppressed. In particular, since the source electrode 22 extends to a position that reaches the vicinity of the lower surface of the channel layer 14, the holes h that are separated to the vicinity of the lower surface of the channel layer 14 are reliably discharged from the source electrode 22. be able to. The lower end of the source electrode 22 may reach the GaN layer 13.

また、ソース電極２２は、２次元電子ガス層３１に接触しているので、接触抵抗を小さくできる。 Moreover, since the source electrode 22 is in contact with the two-dimensional electron gas layer 31, the contact resistance can be reduced.

（ドレイン電極２３）
ドレイン電極２３は、例えば、ＴｉおよびＡｌから構成される。本実施形態では、ドレイン電極２３は、チャネル層１４の第２側面（図中の右側面）の一部と、バリア層１５の第２側面（図中の右側面）とに設けられる。つまり、ドレイン電極２３は、チャネル層１４の側面に延在しており、ドレイン電極２３は、２次元電子ガス層３１に接触している。ドレイン電極２３は、ソース電極２２と同じ深さまで延在していてよい。各電極の深さが同じであれば同一の工程で形成することができる。ドレイン電極２３は、２次元電子ガス層３１に接触しているので、接触抵抗を小さくできる。 (Drain electrode 23)
The drain electrode 23 is made of, for example, Ti and Al. In the present embodiment, the drain electrode 23 is provided on a part of the second side surface (right side surface in the drawing) of the channel layer 14 and the second side surface (right side surface in the drawing) of the barrier layer 15. That is, the drain electrode 23 extends on the side surface of the channel layer 14, and the drain electrode 23 is in contact with the two-dimensional electron gas layer 31. The drain electrode 23 may extend to the same depth as the source electrode 22. If each electrode has the same depth, it can be formed in the same process. Since the drain electrode 23 is in contact with the two-dimensional electron gas layer 31, the contact resistance can be reduced.

なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and the design can be changed without departing from the gist of the present invention.

前記実施形態では、ソース電極およびドレイン電極は、チャネル層の側面に延在していたが、ソース電極およびドレイン電極を、バリア層の上面のみに配置するようにしてもよい。また、ソース電極およびドレイン電極の少なくとも一方を、チャネル層の側面に延在するようにしてもよい。 In the above embodiment, the source electrode and the drain electrode extend on the side surface of the channel layer. However, the source electrode and the drain electrode may be arranged only on the upper surface of the barrier layer. Further, at least one of the source electrode and the drain electrode may extend to the side surface of the channel layer.

前記実施形態では、基板を設けたが、基板を省略するようにしてもよい。また、前記実施形態では、ソース電極およびドレイン電極を、半導体積層体の同一面側に設けたが、ソース電極を半導体積層体の第１面側に設け、ドレイン電極を半導体積層体の第１面と反対側の第２面側に設けた縦型のヘテロ接合電界効果トランジスタとしてもよい。 Although the substrate is provided in the embodiment, the substrate may be omitted. In the embodiment, the source electrode and the drain electrode are provided on the same surface side of the semiconductor stacked body. However, the source electrode is provided on the first surface side of the semiconductor stacked body, and the drain electrode is provided on the first surface of the semiconductor stacked body. A vertical heterojunction field effect transistor may be provided on the second surface side opposite to the first side.

１ヘテロ接合電界効果トランジスタ
１１基板
１２バッファ層
１３ＧａＮ層
１４チャネル層
１５バリア層
１６ＡｌＮ層
１７ＡｌＧａＮ層
１８ｐ型ＧａＮ層
２１ゲート電極
２２ソース電極
２３ドレイン電極
３１２次元電子ガス層
３２空乏層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Heterojunction field effect transistor 11 Substrate 12 Buffer layer 13 GaN layer 14 Channel layer 15 Barrier layer 16 AlN layer 17 AlGaN layer 18 p-type GaN layer 21 Gate electrode 22 Source electrode 23 Drain electrode 31 Two-dimensional electron gas layer 32 Depletion layer

Claims

A channel layer composed of a nitride semiconductor;
A barrier layer formed on a top surface of the channel layer and made of a nitride semiconductor having a band gap larger than the band gap of the channel layer;
A gate electrode provided on the barrier layer;
A source electrode and a drain electrode,
In the channel layer, the lower surface side of the channel layer is GaN or AlxGa1-xN (0 <x <1), and the upper surface side of the channel layer has an Al composition ratio y larger than the Al composition ratio x of the lower surface side. a has AlyGa1-yN (0 <y < 1), toward the upper surface from the lower surface of the channel layer, Ri layer der the composition ratio of Al is increased stepwise or continuously,
Rate of change in composition ratio of Al of the channel layer changes toward the upper surface from the lower surface of the channel layer, heterojunction field effect transistor having a thickness of the channel layer has a 0.02 or less der Rukoto per 100nm .

The heterojunction field effect transistor according to claim 1, wherein the channel layer has an Al composition ratio y of AlyGa1-yN on the upper surface side of the channel layer of 0.3 or less.

3. The heterojunction field effect transistor according to claim 1, wherein the channel layer is a layer in which the Al composition ratio is continuously increased.

The heterostructure according to claim 3, wherein the channel layer is a layer in which the lower surface side of the channel layer is GaN, and the Al composition ratio continuously increases from 0 toward the upper surface from the lower surface of the channel layer. Junction field effect transistor.

The channel layer is
A first layer made of AlxGa1-xN (0 <x <1);
And a second layer made of AlyGa1-yN (0 <y <1) having an Al composition ratio y larger than the Al composition ratio x of the first layer. 3. The heterojunction field effect transistor according to 1 or 2.

The heterojunction field effect transistor according to any one of claims 1 to 5, wherein a GaN layer is disposed on a lower surface of the channel layer.

The heterojunction field effect transistor according to claim 1, wherein the source electrode extends on a side surface of the channel layer.