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JP2005353817A - Field effect transistor and its manufacturing method - Google Patents

Field effect transistor and its manufacturing method Download PDF

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JP2005353817A
JP2005353817A JP2004172495A JP2004172495A JP2005353817A JP 2005353817 A JP2005353817 A JP 2005353817A JP 2004172495 A JP2004172495 A JP 2004172495A JP 2004172495 A JP2004172495 A JP 2004172495A JP 2005353817 A JP2005353817 A JP 2005353817A
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crystal growth
field effect
effect transistor
manufacturing
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Application number
JP2004172495A
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Japanese (ja)
Inventor
Koji Hirata
宏治 平田
Masayoshi Ozaki
正芳 小嵜
Masanobu Senda
昌伸 千田
Naoki Shibata
直樹 柴田
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Toyoda Gosei Co Ltd
Original Assignee
Toyoda Gosei Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve device characteristics of a field effect transistor by improving the mobility of the carrier (two-dimensional electronic gas) of a channel. <P>SOLUTION: By the below-mentioned condition setting, interface roughness is prevented and the mobility of the carrier is improved. (1) A semiconductor layer A is constituted of a non-doped GaN crystal having a thickness of about 2 μm, and (2) another semiconductor layer B is constituted of a non-doped Al<SB>0.25</SB>Ga<SB>0.75</SB>N crystal having a thickness of about 35 nm. (3) The crystal growing temperature T<SB>A</SB>of the semiconductor layer A is 1,100 [°C] and (4) the crystal growing air pressure P<SB>A</SB>of the layer A is 1,013 [hPa]. In addition, (5) the crystal growing temperature T<SB>B</SB>of the semiconductor layer B is 1,000 [°C] (T<SB>B</SB>≤T<SB>A</SB>), and (6) the crystal growing air pressure P<SB>B</SB>of the layer B is 1,013 [hPa] (P<SB>B</SB>≈P<SB>A</SB>). <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、 III族窒化物系化合物半導体の結晶成長によって製造可能な電界効果トランジスタ(各種のFETやHEMT等)の構成とその製造方法に関する。   The present invention relates to a structure of a field effect transistor (various FETs, HEMTs, etc.) that can be manufactured by crystal growth of a group III nitride compound semiconductor and a manufacturing method thereof.

図3に従来の電界効果トランジスタ10の断面図を例示する。この電界効果トランジスタ10は、結晶成長によって III族窒化物系化合物半導体を順次積層することにより形成した半導体素子であり、厚さ約500μmの炭化シリコン(SiC)から成る結晶成長基板1の上には、厚さ約0.3μmのAlNから成るバッファ層2が形成されている。
そして、このバッファ層2の上には厚さ約2μmのノンドープのGaNから成る半導体層3が形成されており、その上には厚さ約35nmのノンドープのAl0.25Ga0.75Nから成る半導体層4が積層されている。符号5,6,7はそれぞれ、ソース電極、ゲート電極、ドレイン電極を示している。
FIG. 3 illustrates a cross-sectional view of a conventional field effect transistor 10. This field effect transistor 10 is a semiconductor element formed by sequentially stacking group III nitride compound semiconductors by crystal growth, and is formed on a crystal growth substrate 1 made of silicon carbide (SiC) having a thickness of about 500 μm. A buffer layer 2 made of AlN having a thickness of about 0.3 μm is formed.
A semiconductor layer 3 made of non-doped GaN having a thickness of about 2 μm is formed on the buffer layer 2, and a semiconductor layer 4 made of non-doped Al 0.25 Ga 0.75 N having a thickness of about 35 nm is formed thereon. Are stacked. Reference numerals 5, 6 and 7 indicate a source electrode, a gate electrode and a drain electrode, respectively.

上記の半導体層3と半導体層4とでは、半導体結晶の組成が異なるため、当然ながら最適な結晶品質を与える結晶成長条件も異なっている。中でも特に、結晶成長温度や気圧(即ち、各ガスの分圧や全圧)などの成長条件は重要である。例えば、AlGaNを結晶成長させる場合、最適な結晶品質を与える結晶成長温度は、通常、アルミニウム組成比が大きく成る程高くなる。
したがって、例えば、上記の半導体層3の場合、最適な結晶成長温度は約1050℃などとされ、また、上記の半導体層4では、それよりも約100℃程も高い約1150℃が最適な結晶成長温度とされている。
また、AlGaNから成る半導体層4の結晶成長気圧(全圧)は通常、半導体層4中のAl組成比を均一化するために、GaNから成る半導体層3を結晶成長させる時よりも減圧設定されていた。
Since the semiconductor layer 3 and the semiconductor layer 4 have different semiconductor crystal compositions, the crystal growth conditions that give optimum crystal quality are naturally different. In particular, growth conditions such as crystal growth temperature and atmospheric pressure (that is, partial pressure and total pressure of each gas) are important. For example, when crystal growth of AlGaN is performed, the crystal growth temperature that gives optimum crystal quality usually increases as the aluminum composition ratio increases.
Therefore, for example, in the case of the semiconductor layer 3, the optimum crystal growth temperature is about 1050 ° C., and in the semiconductor layer 4, about 1150 ° C., which is about 100 ° C. higher than that, is the optimum crystal. The growth temperature.
In addition, the crystal growth pressure (total pressure) of the semiconductor layer 4 made of AlGaN is usually set to be lower than that for crystal growth of the semiconductor layer 3 made of GaN in order to make the Al composition ratio in the semiconductor layer 4 uniform. It was.

その他の従来の電界効果トランジスタとしては、例えば次の特許文献1〜特許文献4などにも、具体的な構成事例が開示されている。
特開2002−57158 特開2003−45899 特開2002−16087 特開2003−277196
As other conventional field effect transistors, for example, the following Patent Documents 1 to 4 disclose specific configuration examples.
JP 2002-57158 A JP2003-45899 JP2002-16087 JP 2003-277196 A

しかしながら、上記の様な個々の半導体層(3,4)の各結晶品質を個別に重視する結晶成長条件を採用した場合、確かに各半導体層中の結晶品質は各々高く確保できるが、この様な結晶成長の条件設定によれば、この2層の半導体層(3,4)の界面付近の積層状態が乱れることがある。即ち、この2層間に界面荒れが生じる。これは、この2層間での結晶成長条件の変更に伴って、一旦は半導体層3の上面を形成していた原子が昇華してしまうためだと考えられる。
この様な結晶性の劣化は、キャリアガスなどによるエッチング作用に基づく所が大きい。これらの事情については、例えば次の文献等からも容易に理解することができる。
However, when the crystal growth conditions that emphasize the individual crystal quality of the individual semiconductor layers (3, 4) as described above are adopted, the crystal quality in each semiconductor layer can surely be kept high. According to proper crystal growth condition setting, the laminated state in the vicinity of the interface between the two semiconductor layers (3, 4) may be disturbed. That is, interface roughness occurs between the two layers. This is considered to be because the atoms that once formed the upper surface of the semiconductor layer 3 sublimate with the change of the crystal growth conditions between the two layers.
Such deterioration of crystallinity is largely based on the etching action by a carrier gas or the like. These circumstances can be easily understood from, for example, the following documents.

(1)公開特許公報:特開平11−068159
(2)公開特許公報:特開平9−139543
(3)公開特許公報:特開平8−88432
また、この様な界面荒れは、チャネルに平面的に拘束される所謂擬似的な2次元電子ガスを構成するキャリアの移動度を低下させる原因になるので、オン電流の低下を招き、これにより素子特性が劣化する。
(1) Published patent publication: JP-A-11-068159
(2) Published patent publication: JP-A-9-139543
(3) Published patent publication: JP-A-8-88432
Further, such interface roughness causes a decrease in the mobility of carriers constituting a so-called pseudo two-dimensional electron gas that is planarly constrained by the channel, leading to a decrease in on-current, thereby causing a device failure. Characteristics deteriorate.

本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、電界効果トランジスタにおいて、チャネルを通過するキャリアの移動度を向上させ、これにより素子特性の改善を図ることである。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and its object is to improve the mobility of carriers passing through a channel in a field-effect transistor, thereby improving device characteristics. is there.

上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、本発明の第1の手段は、 III族窒化物系化合物半導体より成る半導体層を結晶成長によって複数層積層することにより形成される電界効果トランジスタの製造工程において、上側の界面またはその近傍にチャネル層が生成消滅される第1の半導体層Aを積層する第1の結晶成長工程と、第1の半導体層Aの上に直接第2の半導体層Bを積層する第2の結晶成長工程とを設け、第2の半導体層BのバンドギャップエネルギーEB を第1の半導体層AのバンドギャップエネルギーEA よりも大きくし、かつ、第2の結晶成長工程における第2の半導体層Bの少なくとも成長初期段階における結晶成長条件を、第1の半導体層Aの表面近傍を形成している原子の昇華作用を抑制する結晶成長条件に設定することである。
In order to solve the above problems, the following means are effective.
That is, according to the first means of the present invention, in a manufacturing process of a field effect transistor formed by laminating a plurality of semiconductor layers made of a group III nitride compound semiconductor by crystal growth, it is formed at or near the upper interface. A first crystal growth step of stacking the first semiconductor layer A in which the channel layer is generated and extinguished; and a second crystal growth step of stacking the second semiconductor layer B directly on the first semiconductor layer A; The band gap energy E B of the second semiconductor layer B is made larger than the band gap energy E A of the first semiconductor layer A, and at least of the second semiconductor layer B in the second crystal growth step The crystal growth condition in the initial stage of growth is set to a crystal growth condition that suppresses the sublimation action of atoms forming the vicinity of the surface of the first semiconductor layer A.

ただし、上記のチャネル層(の電子ガス層)は、所定のゲート電極に印加されるゲート電圧のON/OFFに対応して生成消滅するものであるから、上記のチャネル層は、勿論、上記の製造工程中において直接取り扱うべき目的対象となるものではない。このチャネル層(の電子ガス層)は、ゲートをON状態とした際に、通常、およそ100Å程度の厚さの電子ガス層として第1の半導体層Aと第2の半導体層Bとの界面近傍に現れるものである。   However, since the channel layer (the electron gas layer) is generated and extinguished corresponding to ON / OFF of the gate voltage applied to a predetermined gate electrode, the channel layer is, of course, the above-described channel layer. It is not intended to be handled directly during the manufacturing process. When the gate is turned on, this channel layer (which is an electron gas layer) is usually an electron gas layer having a thickness of about 100 mm in the vicinity of the interface between the first semiconductor layer A and the second semiconductor layer B. It appears in

また、第1の半導体層Aの表面近傍を形成している原子の昇華作用を抑制する結晶成長条件を左右する重要なパラメータとしては、例えば結晶成長温度、各種材料ガスの分圧、キャリアガスの種類、キャリアガスの分圧、或いはV/III 比や結晶成長速度などが考えられる。したがって、例えばGaN結晶のGa原子が特に昇華し易い場合などには、ほんの一例として、例えばトリメチルガリウム(TMG)の分圧を相対的若しくは絶対的に高く設定するなどの処置を考えることができる。   Further, as important parameters that influence the crystal growth conditions for suppressing the sublimation action of atoms forming the vicinity of the surface of the first semiconductor layer A, for example, the crystal growth temperature, the partial pressures of various material gases, the carrier gas The type, the partial pressure of the carrier gas, the V / III ratio, the crystal growth rate, etc. can be considered. Therefore, for example, when Ga atoms of the GaN crystal are particularly easily sublimated, for example, a measure such as setting the partial pressure of trimethylgallium (TMG) to be relatively high or absolute can be considered.

また、本発明の第2の手段は、上記の第1の手段において、上記の第2の半導体層Bの結晶成長温度TB を、上記の第1の半導体層Aの結晶成長温度TA よりも低くすることである。 The second means of the present invention, in the first means described above, the crystal growth temperature T B of the second semiconductor layer B above, than the crystal growth temperature T A of the first semiconductor layer A of the It is also to lower.

また、本発明の第3の手段は、上記の第1又は第2の手段において、上記の第2の半導体層Bの結晶成長気圧PB を、第1の半導体層Aの結晶成長気圧PA と略一致させることである。 According to a third means of the present invention, in the first or second means, the crystal growth pressure P B of the second semiconductor layer B is changed to the crystal growth pressure P A of the first semiconductor layer A. And approximately match.

また、本発明の第4の手段は、上記の第1乃至第3の何れか1つの手段において、第1の半導体層Aを2元または3元のノンドープのAlx Ga1-x N(0≦x<1)から形成し、第2の半導体層Bを3元のノンドープのAly Ga1-y N(x<y≦1)から形成することである。 According to a fourth means of the present invention, in any one of the first to third means, the first semiconductor layer A is made of binary or ternary non-doped Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1), and the second semiconductor layer B is formed of ternary non-doped Al y Ga 1-y N (x <y ≦ 1).

また、本発明の第5の手段は、上記の第4の手段において、アルミニウム組成比xを略0とし、アルミニウム組成比yを0.15以上、0.30以下とし、各結晶成長気圧PA ,PB を何れも略常圧とし、各結晶成長温度TA ,TB を何れも条件式「950℃≦TB <TA 」が成立する様に設定することである。 The fifth aspect of the present invention, in the fourth means described above, the aluminum composition ratio x is approximately 0, aluminum composition ratio y of 0.15 or more, and 0.30 or less, the crystal growth pressure P A , P B are set at substantially normal pressure, and the crystal growth temperatures T A , T B are set so that the conditional expression “950 ° C. ≦ T B <T A ” is satisfied.

また、本発明の第6の手段は、上記の第1乃至第5の何れか一つの手段において、上記の第1の半導体層Aの結晶成長温度TA を1200℃以下にすることである。 The sixth means of the present invention, in the first to fifth any one means described above is that the crystal growth temperature T A of the first semiconductor layer A in the above 1200 ° C. or less.

また、本発明の第7の手段は、上記の第1乃至第6の何れか一つの手段において、第1の半導体層Aの結晶成長温度TA を、第2の半導体層Bの結晶成長温度TB よりも50℃以上高くすることである。この温度差のより望ましいと思われる適正範囲は、50℃以上150℃以内である。 The seventh aspect of the present invention, in the first to any one of the sixth means mentioned above, the crystal growth temperature T A of the first semiconductor layer A, the crystal growth temperature of the second semiconductor layer B The temperature is higher than T B by 50 ° C. or more. An appropriate range that seems to be more desirable for this temperature difference is 50 ° C. or more and 150 ° C. or less.

また、本発明の第8の手段は、上記の第5乃至第7の何れか一つの手段において、第2の半導体層Bの結晶成長温度TB を、条件式「950℃≦TB <1050℃」を満たす様に設定することである。 In addition, according to an eighth means of the present invention, in any one of the fifth to seventh means, the crystal growth temperature T B of the second semiconductor layer B is expressed by the conditional expression “950 ° C. ≦ T B <1050 It should be set to satisfy “℃”.

また、本発明の第9の手段は、上記の第8の手段において、第1の半導体層Aの結晶成長温度TA を、条件式「1050℃<TA ≦1150℃」を満たす様に設定することである。 According to a ninth means of the present invention, the crystal growth temperature T A of the first semiconductor layer A is set so as to satisfy the conditional expression “1050 ° C. <T A ≦ 1150 ° C.” in the eighth means. It is to be.

また、本発明の第10の手段は、 III族窒化物系化合物半導体より成る半導体層を複数層有する電界効果トランジスタにおいて、上側の界面またはその近傍にチャネル層が生成消滅される第1の半導体層Aと、この第1の半導体層Aの上に直接積層された第2の半導体層Bとを備え、第2の半導体層BのバンドギャップエネルギーEB を第1の半導体層AのバンドギャップエネルギーEA よりも大きくし、第1の半導体層Aの上面の近傍を形成している第1の半導体層Aの原子の昇華作用を抑制することにより、第1の半導体層Aの上面を略平坦に形成することである。 According to a tenth means of the present invention, in a field effect transistor having a plurality of semiconductor layers made of a group III nitride compound semiconductor, a first semiconductor layer in which a channel layer is generated and extinguished at or near the upper interface. a and, and a second semiconductor layer laminated directly on the first semiconductor layer a B, the band gap energy of the band gap energy E B of the second semiconductor layer B first semiconductor layer a The upper surface of the first semiconductor layer A is made substantially flat by suppressing the sublimation action of atoms of the first semiconductor layer A that is larger than E A and forming the vicinity of the upper surface of the first semiconductor layer A. Is to form.

また、本発明の第11の手段は、上記の第10の手段において、第1の半導体層Aを2元または3元のノンドープのAlx Ga1-x N(0≦x<1)から形成し、第2の半導体層Bを3元のノンドープのAly Ga1-y N(x<y≦1)から形成することである。 According to an eleventh means of the present invention, in the tenth means, the first semiconductor layer A is formed of binary or ternary non-doped Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1). The second semiconductor layer B is formed of ternary non-doped Al y Ga 1-y N (x <y ≦ 1).

また、本発明の第12の手段は、上記の第11の手段において、上記のアルミニウム組成比xを略0とし、上記のアルミニウム組成比yを0.15以上、0.30以下にすることである。   The twelfth means of the present invention is that, in the above eleventh means, the aluminum composition ratio x is substantially 0, and the aluminum composition ratio y is 0.15 or more and 0.30 or less. is there.

また、本発明の第13の手段は、上記の第10乃至第12の何れか一つの手段において、上記の第2の半導体層Bの厚さを1nm以上にすることである。第2の半導体層Bの更に望ましい厚さは、5nm以上である。
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。
The thirteenth means of the present invention is that, in any one of the tenth to twelfth means, the thickness of the second semiconductor layer B is 1 nm or more. A more desirable thickness of the second semiconductor layer B is 5 nm or more.
By the above means of the present invention, the above-mentioned problem can be effectively or rationally solved.

以上の本発明の手段によって得られる効果は以下の通りである。
即ち、本発明の第1の手段によれば、第2の結晶成長工程における第2の半導体層Bの結晶成長条件が、第1の半導体層Aの表面近傍を形成している原子の昇華作用を抑制する結晶成長条件に設定されるので、第1の半導体層Aの上側の表面近傍を形成している原子の昇華による第1の半導体層Aの界面荒れが良好に防止される。したがって、第1の半導体層Aの上面(よって、第2の半導体層Bの下面)は、少なくともミクロ的には略平坦な面となり、これによって、上記のチャネル層中を移動するキャリアの移動度が向上するため、オン電流が増大するなどして、素子特性が改善される。
The effects obtained by the above-described means of the present invention are as follows.
That is, according to the first means of the present invention, the crystal growth condition of the second semiconductor layer B in the second crystal growth step is the sublimation action of atoms forming the vicinity of the surface of the first semiconductor layer A. Since the crystal growth conditions are set to suppress the above, roughening of the interface of the first semiconductor layer A due to sublimation of atoms forming the vicinity of the upper surface of the first semiconductor layer A is satisfactorily prevented. Therefore, the upper surface of the first semiconductor layer A (hence, the lower surface of the second semiconductor layer B) is a substantially flat surface at least microscopically, and thereby the mobility of carriers moving in the channel layer described above. Therefore, the device characteristics are improved by increasing the on-current.

また、本発明の第2の手段によれば、第2の半導体層Bの結晶成長温度TB が、第1の半導体層Aの結晶成長温度TA よりも低く設定されるため、第1の半導体層Aの表面近傍を形成している原子の昇華作用を、非常に簡単かつ効果的に抑制することができる。 According to the second means of the present invention, the crystal growth temperature T B of the second semiconductor layer B is set lower than the crystal growth temperature T A of the first semiconductor layer A. The sublimation action of the atoms forming the vicinity of the surface of the semiconductor layer A can be suppressed very simply and effectively.

また、本発明の第3の手段によれば、上記の第2の半導体層Bの結晶成長気圧PB が、第1の半導体層Aの結晶成長気圧PA と略一致するので、第1の半導体層Aの表面近傍を形成している原子の昇華作用を、非常に簡単かつ効果的に抑制することができる。 According to the third means of the present invention, since the crystal growth pressure P B of the second semiconductor layer B substantially matches the crystal growth pressure P A of the first semiconductor layer A, the first The sublimation action of the atoms forming the vicinity of the surface of the semiconductor layer A can be suppressed very simply and effectively.

また、本発明の第4の手段によれば、上記の第2の半導体層BのバンドギャップエネルギーEB を第1の半導体層AのバンドギャップエネルギーEA よりも必要かつ十分に大きくすることが必然的に達成され、なおかつ、両層A,Bの結晶品質や、或いは界面平坦性などの界面状態が安定した積層構成を得ることができる。
したがって、本発明の第4の手段によれば、作動特性が良好な電界効果トランジスタを容易かつ確実に製造することができる。
According to the fourth means of the present invention, the band gap energy E B of the second semiconductor layer B can be made necessary and sufficiently larger than the band gap energy E A of the first semiconductor layer A. A layered structure that is necessarily achieved and in which the crystal quality of both layers A and B or the interface state such as interface flatness is stable can be obtained.
Therefore, according to the fourth means of the present invention, a field effect transistor having good operating characteristics can be manufactured easily and reliably.

より一般には、半導体層Aを形成する III族窒化物系化合物半導体には、インジウム(In)が含まれていても構わない。その様な積層構成は、半導体層A,B間のバンドギャップエネルギーの差を大きく確保する上では、必ずしも不利とは言い切れない。しかしながら、上記の公開特許公報(1)〜(3)などからも判る様に、平坦で安定した界面を容易かつ確実に形成するためには、半導体層A,Bの何れにもインジウム(In)は含めない方が良い。   More generally, the group III nitride compound semiconductor forming the semiconductor layer A may contain indium (In). Such a stacked structure is not necessarily disadvantageous in ensuring a large difference in band gap energy between the semiconductor layers A and B. However, as can be seen from the above-mentioned published patent publications (1) to (3), in order to easily and surely form a flat and stable interface, indium (In) is formed in both of the semiconductor layers A and B. Should not be included.

また、本発明の第5の手段によれば、上記のバンドギャップエネルギーの差分(EB −EA )を必要かつ十分な大きさに確保することが容易かつ確実になると同時に、なおかつ、両層A,Bの結晶品質や、或いは界面平坦性などの界面状態が安定した積層構成を得ることができる。したがって、この様な条件に従えば、電気特性の極めて良好な電界効果トランジスタを得ることができる。 Further, according to the fifth means of the present invention, it becomes easy and reliable to ensure the difference (E B −E A ) of the band gap energy as necessary and sufficient, and at the same time, both layers It is possible to obtain a laminated structure in which the interface state such as the crystal quality of A and B or the interface flatness is stable. Therefore, according to such conditions, a field effect transistor with extremely good electrical characteristics can be obtained.

なお、更に望ましくは、本発明の第6乃至第9の少なくとも何れか一つの手段に従うと良い。これらの適正範囲は、我々の試行錯誤の結果、経験的に判明したものであり、これらの手段に従えば、チャネルを中心とするバンドギャップの設計や、チャネル中を移動するキャリアの移動度や、チャネルの生成/消滅に関する制御性や、或いは各半導体層の結晶品質などの種種の観点より、総合的に優れた半導体素子を製造することができる。   It is more desirable to follow at least one of the sixth to ninth means of the present invention. These appropriate ranges have been empirically determined as a result of our trial and error, and according to these measures, the design of the band gap centered on the channel, the mobility of carriers moving in the channel, In addition, it is possible to manufacture a semiconductor device that is comprehensively superior from various viewpoints such as controllability related to channel generation / extinction and crystal quality of each semiconductor layer.

また、本発明の第10の手段によれば、電界効果トランジスタにおいて、上記の本発明の第1の手段に基づいて、作動特性が良好な電界効果トランジスタを容易かつ確実に製造することができる。   According to the tenth means of the present invention, in the field effect transistor, a field effect transistor having good operating characteristics can be easily and reliably manufactured based on the first means of the present invention.

また、本発明の第11の手段によれば、電界効果トランジスタにおいて、上記の本発明の第4の手段に基づいて、作動特性が良好な電界効果トランジスタを容易かつ確実に製造することができる。より望ましくは、第1の半導体層Aのアルミニウム組成比xは略0が良く、第2の半導体層Bのアルミニウム組成比yは0.15以上0.30以下の範囲内に設定することがより望ましい。また、上記の第2の半導体層Bの厚さは、1nm以上が望ましく、この第2の半導体層Bの更に望ましい厚さは、5nm以上である。
これらの条件に従えば、電気特性の極めて良好な電界効果トランジスタを得ることができる。
According to the eleventh means of the present invention, in the field effect transistor, a field effect transistor having good operating characteristics can be easily and reliably manufactured based on the fourth means of the present invention. More desirably, the aluminum composition ratio x of the first semiconductor layer A is preferably substantially 0, and the aluminum composition ratio y of the second semiconductor layer B is preferably set in the range of 0.15 to 0.30. desirable. Further, the thickness of the second semiconductor layer B is preferably 1 nm or more, and the more desirable thickness of the second semiconductor layer B is 5 nm or more.
According to these conditions, a field effect transistor with extremely good electrical characteristics can be obtained.

本発明の電界効果トランジスタを構成する結晶成長基板の材料としては、耐熱性や放熱性の点で炭化シリコン(SiC)が最も適しているが、サファイアやシリコン(Si)や、或いはGaN基板などを用いても良い。
また、オーミック電極やショットキー電極の形成形態としては、周知の任意の形態を採用することができる。
As a material for the crystal growth substrate constituting the field effect transistor of the present invention, silicon carbide (SiC) is most suitable in terms of heat resistance and heat dissipation, but sapphire, silicon (Si), or a GaN substrate is used. It may be used.
Further, any known form can be adopted as a form of forming the ohmic electrode or the Schottky electrode.

以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。
Hereinafter, the present invention will be described based on specific examples.
However, the embodiments of the present invention are not limited to the following examples.

図1は、本実施例1の電界効果トランジスタ100の断面図である。この電界効果トランジスタ100は、結晶成長によって III族窒化物系化合物半導体を順次積層することにより形成した半導体素子であり、その結晶成長基板101は、厚さ約500μmの炭化シリコン(SiC)から形成されている。この結晶成長基板101の上には、厚さ約0.3μmのAlNから成るバッファ層102が形成されている。   FIG. 1 is a cross-sectional view of the field effect transistor 100 of the first embodiment. The field effect transistor 100 is a semiconductor element formed by sequentially stacking group III nitride compound semiconductors by crystal growth, and the crystal growth substrate 101 is made of silicon carbide (SiC) having a thickness of about 500 μm. ing. A buffer layer 102 made of AlN having a thickness of about 0.3 μm is formed on the crystal growth substrate 101.

そして、このバッファ層102の上には厚さ約2μmのノンドープのGaNから成る半導体層103が形成されている。そして、この半導体層103が本発明の第1の半導体層Aに相当する。また、この半導体層103(第1の半導体層A)の上には、本発明の第2の半導体層Bに相当する厚さ約35nmのノンドープのAl0.25Ga0.75Nから成る半導体層104が積層されている。この半導体層104(本発明の第2の半導体層B)の膜厚は、ゲートON時に両半導体層A,Bの界面近傍に生成されるチャネル層と、下記の個々のオーミック電極(105,107)との間におけるキャリア(電子)のトンネル効果が、それぞれ確実かつ良好に発現する様に設定されている。 A semiconductor layer 103 made of non-doped GaN having a thickness of about 2 μm is formed on the buffer layer 102. The semiconductor layer 103 corresponds to the first semiconductor layer A of the present invention. Further, on this semiconductor layer 103 (first semiconductor layer A), a semiconductor layer 104 made of non-doped Al 0.25 Ga 0.75 N having a thickness of about 35 nm corresponding to the second semiconductor layer B of the present invention is laminated. Has been. The film thickness of the semiconductor layer 104 (second semiconductor layer B of the present invention) is such that the channel layer generated near the interface between the semiconductor layers A and B when the gate is turned on and the individual ohmic electrodes (105 and 107) described below. The tunnel effect of the carriers (electrons) between them is set to be surely and satisfactorily exhibited.

また、符号105,106,107はそれぞれ、ソース電極(オーミック電極)、ゲート電極(ショットキー電極)、ドレイン電極(オーミック電極)を示している。各オーミック電極(ソース電極105とドレイン電極107)は、何れもチタン(Ti)から成る膜厚約100Åの薄い金属層を蒸着によって積層し、その上にアルミニウム(Al)から成る膜厚約3000Åの金属層を更に蒸着にて積層したものである。これらのオーミック電極は、1秒未満のフラッシュアニール処理による約700℃〜900℃の熱処理によって、良好に密着及び合金化されている。他方、ゲート電極106は、約100Åのニッケル(Ni)から成る金属層を蒸着によって積層し、その上に、金(Au)から成る金属層を更に約3000Å蒸着して形成したショットキー電極である。   Reference numerals 105, 106, and 107 denote a source electrode (ohmic electrode), a gate electrode (Schottky electrode), and a drain electrode (ohmic electrode), respectively. Each ohmic electrode (source electrode 105 and drain electrode 107) is formed by laminating a thin metal layer made of titanium (Ti) with a thickness of about 100 mm and depositing aluminum (Al) thereon with a thickness of about 3000 mm. A metal layer is further laminated by vapor deposition. These ohmic electrodes are well adhered and alloyed by heat treatment at about 700 ° C. to 900 ° C. by flash annealing for less than 1 second. On the other hand, the gate electrode 106 is a Schottky electrode formed by depositing a metal layer made of nickel (Ni) of about 100 Å by vapor deposition, and further depositing a metal layer made of gold (Au) on it about 3000 Å. .

以下、上記の電界効果トランジスタ100の製造方法を、本発明の特徴部分(半導体層103,104)を中心に説明する。
上記の電界効果トランジスタ100の各半導体層(半導体層102,103,104)は何れも、有機金属化合物気相成長法(MOVPE)による気相成長により結晶成長されたものである。ここで用いられたガスは、キャリアガス(H2 又はN2 )と、アンモニアガス(NH3 )と、トリメチルガリウム(Ga(CH3)3) と、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3) などである。
ただし、これらの半導体層を結晶成長させる方法としては、上記の有機金属化合物気相成長法(MOVPE)の他にも、分子線気相成長法(MBE)、ハライド気相成長法(HVPE)等が有効である。
Hereinafter, the manufacturing method of the above-described field effect transistor 100 will be described focusing on the characteristic portions (semiconductor layers 103 and 104) of the present invention.
Each of the semiconductor layers (semiconductor layers 102, 103, 104) of the field effect transistor 100 is a crystal grown by vapor phase growth using a metal organic compound vapor phase growth method (MOVPE). The gases used here are carrier gas (H 2 or N 2 ), ammonia gas (NH 3 ), trimethyl gallium (Ga (CH 3 ) 3 ), trimethyl aluminum (Al (CH 3 ) 3 ), etc. It is.
However, as a method for crystal growth of these semiconductor layers, in addition to the above-mentioned organometallic compound vapor phase epitaxy (MOVPE), molecular beam vapor phase epitaxy (MBE), halide vapor phase epitaxy (HVPE), etc. Is effective.

図2に、本実施例1の電界効果トランジスタ100の各半導体層A,Bの結晶成長条件を示す。本図2から判る通り、電界効果トランジスタ100を構成する厚さ約2μmのノンドープのGaN結晶から成る上記の半導体層103(即ち、本発明の第1の半導体層A)の結晶成長は、次の結晶成長条件にしたがって実施した。
(半導体層Aの結晶成長条件)
(1)結晶成長温度TA : 1100〔℃〕
(2)結晶成長気圧PA : 1013〔hPa〕
FIG. 2 shows the crystal growth conditions of the semiconductor layers A and B of the field effect transistor 100 of the first embodiment. As can be seen from FIG. 2, the crystal growth of the semiconductor layer 103 (that is, the first semiconductor layer A of the present invention) made of non-doped GaN crystal having a thickness of about 2 μm constituting the field effect transistor 100 is as follows. It carried out according to crystal growth conditions.
(Crystal growth conditions for semiconductor layer A)
(1) Crystal growth temperature T A : 1100 [° C.]
(2) Crystal growth pressure P A : 1013 [hPa]

次に、厚さ約35nmのノンドープのAl0.25Ga0.75N結晶から成る上記の半導体層104(即ち、本発明の第2の半導体層B)の結晶成長は、次の結晶成長条件にしたがって実施した。
(半導体層Bの結晶成長条件)
(1)結晶成長温度TB : 1000〔℃〕
(2)結晶成長気圧PB : 1013〔hPa〕
Next, the crystal growth of the semiconductor layer 104 (that is, the second semiconductor layer B of the present invention) made of a non-doped Al 0.25 Ga 0.75 N crystal having a thickness of about 35 nm was performed according to the following crystal growth conditions. .
(Crystal growth conditions for semiconductor layer B)
(1) Crystal growth temperature T B : 1000 [° C.]
(2) Crystal growth pressure P B : 1013 [hPa]

本実施例1の最も大きな特徴は、第1及び第2の各半導体層A,B(半導体層103,104)の各結晶成長温度TA ,TB と、各結晶成長気圧PA ,PB が、それぞれ何れも下記の式(2)を満たしている点にある。なお、次式(1)は、本実施例1と対照、比較するために、従来のトランジスタ10の製造工程における結晶成長条件の代表的な設定例について付記したものである。 The most significant feature of the first embodiment is that the crystal growth temperatures T A and T B of the first and second semiconductor layers A and B (semiconductor layers 103 and 104) and the crystal growth pressures P A and P B However, each of them satisfies the following formula (2). The following formula (1) is added to a typical setting example of crystal growth conditions in the manufacturing process of the conventional transistor 10 for comparison and comparison with the first embodiment.

(従来の結晶成長条件)
B >TA
B <PA …(1)
(本実施例1の結晶成長条件)
1000℃=TB <TA =1100℃,
B =PA =(常圧) …(2)
(Conventional crystal growth conditions)
T B > T A ,
P B <P A (1)
(Crystal growth conditions of Example 1)
1000 ° C. = T B <T A = 1100 ° C.
P B = P A = (Normal pressure) (2)

この様な結晶成長の実施条件に従えば、半導体層103(第1の半導体層A)を2μm積層した後には、結晶成長炉内の結晶成長温度は降温され、結晶成長気圧はそのまま略常圧に維持される。このため、半導体層103(第1の半導体層A)の上面を形成する原子の昇華を効果的に抑制することができる。したがって、上記の結晶成長条件によれば、半導体層103,104の界面の荒れを効果的に防止することができる。   According to such crystal growth conditions, after the semiconductor layer 103 (first semiconductor layer A) is stacked by 2 μm, the crystal growth temperature in the crystal growth furnace is lowered, and the crystal growth pressure is maintained at substantially normal pressure. Maintained. For this reason, sublimation of atoms forming the upper surface of the semiconductor layer 103 (first semiconductor layer A) can be effectively suppressed. Therefore, according to the above crystal growth conditions, it is possible to effectively prevent the roughness of the interface between the semiconductor layers 103 and 104.

その結果、本実施例1の電界効果トランジスタ100では、図2の特性の欄にも記載した様に、オン電流Iは0.7〔A/mm〕から1.0〔A/mm〕にまで向上し、シート抵抗ρは650〔Ω/□〕から450〔Ω/□〕にまで低減でき、かつ、チャネルの移動度μは1000〔cm2 /Vsec〕程度だったものが、1500〔cm2 /Vsec〕程度にまで大幅に改善された。 As a result, in the field effect transistor 100 of Example 1, as described in the characteristic column of FIG. 2, the on-current I is from 0.7 [A / mm] to 1.0 [A / mm]. improved, the sheet resistance ρ can be reduced from 650 [Omega / □] to 450 [Omega / □], and the mobility μ of the channel what was 1000 [cm 2 / Vsec] extent, 1500 [cm 2 / Vsec].

そして、これらの電気的特性は、チャネル層(二次元電子ガス)のシートキャリア濃度に換算して、およそ1×1013〔cm-2〕程度にも匹敵する程の極めて高性能なものである。即ち、上記の本実施例1の電界効果トランジスタ100の構成及び製法に従えば、上記の様に従来に比べて素子の電気的特性を大幅に改善することができる。 These electrical characteristics are extremely high performance equivalent to about 1 × 10 13 [cm −2 ] in terms of the sheet carrier concentration of the channel layer (two-dimensional electron gas). . That is, according to the configuration and manufacturing method of the field effect transistor 100 of the first embodiment, the electrical characteristics of the device can be greatly improved as compared with the conventional case.

〔その他の変形例〕
本発明の実施形態は、上記の形態に限定されるものではなく、その他にも以下に例示される様な変形を行っても良い。この様な変形や応用によっても、本発明の作用に基づいて本発明の効果を得ることができる。
(変形例1)
例えば、上記の実施例1では、半導体層A(半導体層103)と半導体層B(半導体層104)との界面を略平坦な略平面としたが、この界面の形状は、ミクロ的にはできるだけ平坦であることが望ましいが、マクロ的には必ずしも平面形状である必要はない。例えば、曲率半径が比較的大きな略球面の一部分から成る曲面で、この2層の界面を形成しても良いし、適当な傾斜角や壁面設置間隔や或いは繰り返し周期等を有する凹凸形状の非平面などで、この2層の界面を形成しても良い。これらの形状設計は、各電界効果トランジスタにおける任意の設計事項であって、何れの形状を選択する場合においても、本発明の手段によれば、半導体層Aの上面の表面荒れが防止されるので、その平滑化効果によって、本発明の作用・効果を得ることができる。
[Other variations]
The embodiment of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and other modifications as exemplified below may be made. Even with such modifications and applications, the effects of the present invention can be obtained based on the functions of the present invention.
(Modification 1)
For example, in Example 1 described above, the interface between the semiconductor layer A (semiconductor layer 103) and the semiconductor layer B (semiconductor layer 104) is a substantially flat and substantially flat surface. Although it is desirable to be flat, it is not always necessary to have a planar shape from a macro viewpoint. For example, a curved surface composed of a part of a substantially spherical surface having a relatively large radius of curvature may form the interface between the two layers, or a non-planar surface having an appropriate inclination angle, wall surface installation interval, or repetition cycle. For example, the interface between the two layers may be formed. These shape designs are arbitrary design matters in each field effect transistor, and in any case of selecting any shape, the surface of the upper surface of the semiconductor layer A is prevented according to the means of the present invention. The effect of the present invention can be obtained by the smoothing effect.

本発明は、結晶成長によって積層される半導体層間の界面近傍に、略平面状に生成されるチャネル層若しくは2次元電子ガスの移動度に関し、その移動度を効果的に向上させるものであるので、 III族窒化物系化合物半導体の結晶成長によって製造可能な電界効果トランジスタ(各種のFETやHEMT等)の設計や製造に大いに有用なものである。   Since the present invention relates to the mobility of a channel layer or a two-dimensional electron gas generated in a substantially planar shape near the interface between semiconductor layers stacked by crystal growth, the mobility is effectively improved. The present invention is very useful for the design and manufacture of field effect transistors (various FETs, HEMTs, etc.) that can be manufactured by crystal growth of group III nitride compound semiconductors.

実施例1の電界効果トランジスタ100の断面図Sectional drawing of the field effect transistor 100 of Example 1 電界効果トランジスタ100の各半導体層A,Bの結晶成長条件を示す表Table showing crystal growth conditions of semiconductor layers A and B of field effect transistor 100 従来の電界効果トランジスタ10の断面図Sectional view of a conventional field effect transistor 10

符号の説明Explanation of symbols

100 : 電界効果トランジスタ(実施例1)
101 : 結晶成長基板(SiC)
102 : バッファ層(AlN)
103 : GaNから成る半導体層(第1の半導体層A)
104 : AlGaNから成る半導体層(第2の半導体層B)
105 : ソース電極(オーミック電極)
106 : ゲート電極(ショットキー電極)
107 : ドレイン電極(オーミック電極)
100: Field effect transistor (Example 1)
101: Crystal growth substrate (SiC)
102: Buffer layer (AlN)
103: a semiconductor layer made of GaN (first semiconductor layer A)
104: Semiconductor layer made of AlGaN (second semiconductor layer B)
105: Source electrode (ohmic electrode)
106: Gate electrode (Schottky electrode)
107: drain electrode (ohmic electrode)

Claims (13)

III族窒化物系化合物半導体より成る半導体層を結晶成長によって複数層積層することにより形成される電界効果トランジスタの製造方法であって、
上側の界面またはその近傍にチャネル層が生成消滅される第1の半導体層Aを積層する第1の結晶成長工程と、
前記第1の半導体層Aの上に直接第2の半導体層Bを積層する第2の結晶成長工程と
を有し、
前記第2の半導体層BのバンドギャップエネルギーEB は、
前記第1の半導体層AのバンドギャップエネルギーEA よりも大きく、
前記第2の結晶成長工程における前記第2の半導体層Bの少なくとも成長初期段階における結晶成長条件は、
前記第1の半導体層Aの表面近傍を形成している原子の昇華作用を抑制する結晶成長条件に設定されている
ことを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
A method of manufacturing a field effect transistor formed by laminating a plurality of semiconductor layers made of a group III nitride compound semiconductor by crystal growth,
A first crystal growth step of laminating a first semiconductor layer A in which a channel layer is generated and extinguished at or near the upper interface;
A second crystal growth step of directly stacking the second semiconductor layer B on the first semiconductor layer A,
The band gap energy E B of the second semiconductor layer B is
Greater than the band gap energy E A of the first semiconductor layer A;
The crystal growth conditions at least in the initial growth stage of the second semiconductor layer B in the second crystal growth step are:
A method for manufacturing a field effect transistor, characterized in that the crystal growth conditions are set to suppress the sublimation action of atoms forming the vicinity of the surface of the first semiconductor layer A.
前記第2の半導体層Bの結晶成長温度TB は、
前記第1の半導体層Aの結晶成長温度TA よりも低い
ことを特徴とする請求項1に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
The crystal growth temperature TB of the second semiconductor layer B is
Method of manufacturing a field effect transistor according to claim 1, characterized in that below the crystal growth temperature T A of the first semiconductor layer A.
前記第2の半導体層Bの結晶成長気圧PB は、
前記第1の半導体層Aの結晶成長気圧PA と略一致している
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
The crystal growth pressure P B of the second semiconductor layer B is:
Method of manufacturing a field effect transistor according to claim 1 or claim 2, characterized in that crystal growth pressure P A substantially matching the first semiconductor layer A.
前記第1の半導体層Aは、
2元または3元のノンドープのAlx Ga1-x N(0≦x<1)から成り、
前記第2の半導体層Bは、
3元のノンドープのAly Ga1-y N(x<y≦1)から成る
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
The first semiconductor layer A includes
Consisting of binary or ternary non-doped Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1),
The second semiconductor layer B includes
4. The method of manufacturing a field effect transistor according to claim 1, comprising ternary non-doped Al y Ga 1-y N (x <y ≦ 1). 5.
前記アルミニウム組成比xは、
略0であり、
前記アルミニウム組成比yは、
0.15以上、0.30以下であり、
前記第1の半導体層Aの結晶成長気圧PA 、及び
前記第2の半導体層Bの結晶成長気圧PB は何れも、
略常圧であり、
前記第1の半導体層Aの結晶成長温度TA 、及び
前記第2の半導体層Bの結晶成長温度TB は何れも、
条件式「950℃≦TB <TA 」を満たす
ことを特徴とする請求項4に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
The aluminum composition ratio x is:
Almost zero,
The aluminum composition ratio y is
0.15 or more and 0.30 or less,
Crystal growth pressure P A of the first semiconductor layer A, and both the crystal growth pressure P B of the second semiconductor layer B,
Almost normal pressure,
Crystal growth temperature T A of the first semiconductor layer A, and both the crystal growth temperature T B of the second semiconductor layer B,
5. The method of manufacturing a field effect transistor according to claim 4, wherein the conditional expression “950 ° C. ≦ T B <T A ” is satisfied.
前記第1の半導体層Aの結晶成長温度TA は、
1200℃以下である
ことを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
The crystal growth temperature TA of the first semiconductor layer A is
6. The method of manufacturing a field effect transistor according to claim 1, wherein the field effect transistor has a temperature of 1200 [deg.] C. or lower.
前記第1の半導体層Aの結晶成長温度TA は、
前記第2の半導体層Bの結晶成長温度TB よりも50℃以上高い
ことを特徴とする請求項1乃至請求項6の何れか1項に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
The crystal growth temperature TA of the first semiconductor layer A is
Method of manufacturing a field effect transistor according to any one of claims 1 to 6, characterized in that high or higher 50 ° C. than the crystal growth temperature T B of the second semiconductor layer B.
前記第2の半導体層Bの結晶成長温度TB は、
条件式「950℃≦TB <1050℃」を満たす
ことを特徴とする請求項5乃至請求項7の何れか1項に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
The crystal growth temperature TB of the second semiconductor layer B is
The method of manufacturing a field effect transistor according to claim 5, wherein the conditional expression “950 ° C. ≦ T B <1050 ° C.” is satisfied.
前記第1の半導体層Aの結晶成長温度TA は、
条件式「1050℃<TA ≦1150℃」を満たす
ことを特徴とする請求項8に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
The crystal growth temperature TA of the first semiconductor layer A is
The method of manufacturing a field effect transistor according to claim 8, wherein the conditional expression “1050 ° C. <T A ≦ 1150 ° C.” is satisfied.
III族窒化物系化合物半導体より成る半導体層を複数層有する電界効果トランジスタにおいて、
上側の界面またはその近傍にチャネル層が生成消滅される第1の半導体層Aと、
前記第1の半導体層Aの上に直接積層された第2の半導体層Bと
を有し、
前記第2の半導体層BのバンドギャップエネルギーEB は、
前記第1の半導体層AのバンドギャップエネルギーEA よりも大きく、
前記第1の半導体層Aの上面は、
前記上面の近傍を形成している前記第1の半導体層Aの原子の昇華作用を抑制することにより略平坦に形成されている
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。
In a field effect transistor having a plurality of semiconductor layers made of a group III nitride compound semiconductor,
A first semiconductor layer A in which a channel layer is generated and extinguished at or near the upper interface;
A second semiconductor layer B directly stacked on the first semiconductor layer A,
The band gap energy E B of the second semiconductor layer B is
Greater than the band gap energy E A of the first semiconductor layer A;
The upper surface of the first semiconductor layer A is
A field effect transistor characterized by being formed substantially flat by suppressing the sublimation action of atoms of the first semiconductor layer A forming the vicinity of the upper surface.
前記第1の半導体層Aは、
2元または3元のノンドープのAlx Ga1-x N(0≦x<1)から成り、
前記第2の半導体層Bは、
3元のノンドープのAly Ga1-y N(x<y≦1)から成る
ことを特徴とする請求項10に記載の電界効果トランジスタ。
The first semiconductor layer A includes
Consisting of binary or ternary non-doped Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1),
The second semiconductor layer B includes
11. The field effect transistor according to claim 10, comprising ternary non-doped Al y Ga 1-y N (x <y ≦ 1).
前記アルミニウム組成比xは、
略0であり、
前記アルミニウム組成比yは、
0.15以上、0.30以下である
ことを特徴とする請求項11に記載の電界効果トランジスタ。
The aluminum composition ratio x is:
Almost zero,
The aluminum composition ratio y is
The field effect transistor according to claim 11, wherein the field effect transistor is 0.15 or more and 0.30 or less.
前記第2の半導体層Bの厚さは、
1nm以上である
ことを特徴とする請求項10乃至請求項12の何れか1項に記載の電界効果トランジスタ。
The thickness of the second semiconductor layer B is:
13. The field effect transistor according to claim 10, wherein the field effect transistor is 1 nm or more.
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