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JP2013149732A - Hetero junction field effect transistor and manufacturing method of the same - Google Patents

Hetero junction field effect transistor and manufacturing method of the same Download PDF

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JP2013149732A
JP2013149732A JP2012008101A JP2012008101A JP2013149732A JP 2013149732 A JP2013149732 A JP 2013149732A JP 2012008101 A JP2012008101 A JP 2012008101A JP 2012008101 A JP2012008101 A JP 2012008101A JP 2013149732 A JP2013149732 A JP 2013149732A
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Japan
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nitride semiconductor
semiconductor layer
layer
field effect
effect transistor
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Application number
JP2012008101A
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Japanese (ja)
Inventor
Muneyoshi Suita
宗義 吹田
Katsuomi Shiozawa
勝臣 塩沢
Takuma Nanjo
拓真 南條
Yosuke Suzuki
洋介 鈴木
Akifumi Imai
章文 今井
Eiji Yagyu
栄治 柳生
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hetero junction field effect transistor which improves entrapment of a two-dimensional electron gas and improves mobility to enable operation at high voltage and high frequency; and provide a manufacturing method of the hetero junction field effect transistor.SOLUTION: A hetero junction field effect transistor composed of a nitride semiconductor comprises: a first nitride semiconductor layer 2 which is a buffer layer formed on a substrate 1; a second nitride semiconductor layer 3 which is a barrier layer formed on the first nitride semiconductor layer; and a third nitride semiconductor layer 4 which is a channel layer formed on the second nitride semiconductor layer. The second nitride semiconductor layer 3 is AlN, and the third nitride semiconductor layer 4 is composed of AlInGaN(0≤a<1, 0≤b≤1, 0≤a+b≤1).

Description

本発明は、窒化物を含む半導体からなるヘテロ接合電界効果型トランジスタおよびその製造方法に関する。   The present invention relates to a heterojunction field effect transistor made of a semiconductor containing nitride and a method for manufacturing the same.

窒化物半導体を用いたHEMT(High Electron Mobility Transistor)は、高破壊電界かつ高電子移動度という特長を有しており、高周波・高出力で動作するデバイスとして期待されている。従来の窒化物を含む半導体からなるヘテロ接合電界効果型トランジスタにおいて、高周波化に伴いゲート長の微細化が必要になると、ゲートによる二次元電子ガス(two dimension electron gas、2DEG)の変調効果が低下する、いわゆる短チャンネル効果が発生する(例えば、非特許文献1参照)。   A HEMT (High Electron Mobility Transistor) using a nitride semiconductor has features of a high breakdown electric field and high electron mobility, and is expected as a device that operates at a high frequency and a high output. In a conventional heterojunction field effect transistor made of a semiconductor containing nitride, if the gate length needs to be reduced as the frequency increases, the modulation effect of the two-dimensional electron gas (2DEG) by the gate is reduced. The so-called short channel effect occurs (see, for example, Non-Patent Document 1).

上記の短チャンネル効果を抑制するためには、二次元電子ガスの閉じ込めを高めるエピタキシャル構造が効果的であり、AlX1Ga1-X1Nバリア層/GaNチャネル層からなる窒化物半導体を含むヘテロ接合電界効果型トランジスタにおいて、AlX1Ga1-X1Nバリア層のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有するAlX2Ga1-X2N(1≧X1>X2>0)からなる障壁層をGaNチャネル層の下層に設けることによって、二次元電子ガスの閉じ込めを向上させる構造が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 In order to suppress the short channel effect, an epitaxial structure that enhances confinement of the two-dimensional electron gas is effective, and a heterojunction including a nitride semiconductor composed of an Al x1 Ga 1 -x1 N barrier layer / GaN channel layer In a field effect transistor, a barrier layer made of Al X2 Ga 1 -X2 N (1 ≧ X1>X2> 0) having a band gap energy smaller than that of the Al X1 Ga 1 -X1 N barrier layer is formed as a GaN channel. A structure that improves confinement of a two-dimensional electron gas by providing it under the layer has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

特許第3369464号公報Japanese Patent No. 3369464

L.Kley他、“Short-channel effects in AlGAN/GaN HEMTs”、Materials Science and Engineering B82、2001、p.p.238-240L. Kley et al., “Short-channel effects in AlGAN / GaN HEMTs”, Materials Science and Engineering B82, 2001, p.p.238-240

特許文献1では、AlX1Ga1-X1N/GaN/AlX2Ga1-X2N(1≧X1>X2>0)の構造とすることで二次元電子ガスの閉じ込めが向上し、短チャンネル効果は抑制されている。しかし、キャリア閉じ込めの障壁層として形成されたAlGaN層が3元であるため、キャリアは合金散乱を受けて移動度が低下し、電流値の減少や高周波特性の低下といった問題があった。 In Patent Document 1, the structure of Al X1 Ga 1 -X1 N / GaN / Al X2 Ga 1 -X2 N (1 ≧ X1>X2> 0) improves the confinement of the two-dimensional electron gas and the short channel effect. Is suppressed. However, since the AlGaN layer formed as a carrier confinement barrier layer is ternary, the carrier is subjected to alloy scattering, so that the mobility is lowered and there is a problem that the current value is reduced and the high-frequency characteristics are lowered.

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、二次元電子ガスの閉じ込めを向上させかつ移動度を改善し、高電圧・高周波で動作することが可能なヘテロ接合電界効果型トランジスタおよびその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve such problems, and improves the confinement of the two-dimensional electron gas and improves the mobility, and the heterojunction field effect capable of operating at high voltage and high frequency. An object of the present invention is to provide a type transistor and a method for manufacturing the same.

上記の課題を解決するために、本発明によるヘテロ接合電界効果型トランジスタは、窒化物半導体からなるヘテロ接合電界効果型トランジスタであって、基板上に形成されたバッファ層である第1の窒化物半導体層と、第1の窒化物半導体層上に形成された障壁層である第2の窒化物半導体層と、第2の窒化物半導体層上に形成されたチャネル層である第3の窒化物半導体層とを備え、第2の窒化物半導体層はAlNであり、第3の窒化物半導体層はAlaInbGa1-(a+b)N(0≦a<1、0≦b≦1、0≦a+b≦1)であることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a heterojunction field effect transistor according to the present invention is a heterojunction field effect transistor made of a nitride semiconductor, and is a first nitride which is a buffer layer formed on a substrate. A semiconductor layer, a second nitride semiconductor layer that is a barrier layer formed on the first nitride semiconductor layer, and a third nitride that is a channel layer formed on the second nitride semiconductor layer And the second nitride semiconductor layer is AlN, and the third nitride semiconductor layer is Al a In b Ga 1- (a + b) N (0 ≦ a <1, 0 ≦ b ≦). 1, 0 ≦ a + b ≦ 1).

また、本発明によるヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造方法は、窒化物半導体からなるヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造方法であって、(a)基板上にバッファ層である第1の窒化物半導体層を形成する工程と、(b)第1の窒化物半導体層上に障壁層である第2の窒化物半導体層を形成する工程と、(c)第2の窒化物半導体層上にチャネル層である第3の窒化物半導体層を形成する工程と、(d)第3の窒化物半導体層上にバリア層である第4の窒化物半導体層を形成する工程とを備え、第1の窒化物半導体層はAleInfGa1-(e+f)N(0≦e<1、 0≦f≦1、0≦e+f≦1)であり、第2の窒化物半導体層はAlNであり、第3の窒化物半導体層はAlaInbGa1-(a+b)N(0≦a<1、0≦b≦1、0≦a+b≦1)であり、第4の窒化物半導体層はAlcIndGa1-(c+d)N(0≦c<1、0≦d≦1、0≦c+d≦1)であり、第1の窒化物半導体層および第4の窒化物半導体層は、第3の窒化物半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きいことを特徴とする。 A method of manufacturing a heterojunction field effect transistor according to the present invention is a method of manufacturing a heterojunction field effect transistor made of a nitride semiconductor, and (a) a first nitride semiconductor that is a buffer layer on a substrate. Forming a layer; (b) forming a second nitride semiconductor layer as a barrier layer on the first nitride semiconductor layer; and (c) a channel layer on the second nitride semiconductor layer. Forming a third nitride semiconductor layer, and (d) forming a fourth nitride semiconductor layer as a barrier layer on the third nitride semiconductor layer. sEMICONDUCTOR layer is 1- Al e in f Ga (e + f) N (0 ≦ e <1, 0 ≦ f ≦ 1,0 ≦ e + f ≦ 1), the second nitride semiconductor layer located in AlN The third nitride semiconductor layer is made of Al a In b Ga 1- (a + b) N (0 ≦ a <1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ a + B ≦ 1), and the fourth nitride semiconductor layer is Al c In d Ga 1− (c + d) N (0 ≦ c <1, 0 ≦ d ≦ 1, 0 ≦ c + d ≦ 1), The first nitride semiconductor layer and the fourth nitride semiconductor layer have a band gap energy larger than that of the third nitride semiconductor layer.

本発明によると、基板上に形成されたバッファ層である第1の窒化物半導体層と、第1の窒化物半導体層上に形成された障壁層である第2の窒化物半導体層と、第2の窒化物半導体層上に形成されたチャネル層である第3の窒化物半導体層とを備え、第2の窒化物半導体層はAlNであり、第3の窒化物半導体層はAlaInbGa1-(a+b)N(0≦a<1、0≦b≦1、0≦a+b≦1)であることを特徴とするため、二次元電子ガスの閉じ込めを向上させかつ移動度を改善し、高電圧・高周波で動作することが可能となる。 According to the present invention, a first nitride semiconductor layer that is a buffer layer formed on a substrate, a second nitride semiconductor layer that is a barrier layer formed on the first nitride semiconductor layer, and And a third nitride semiconductor layer that is a channel layer formed on the nitride semiconductor layer, the second nitride semiconductor layer is AlN, and the third nitride semiconductor layer is Al a In b Since Ga 1− (a + b) N (0 ≦ a <1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ a + b ≦ 1), the confinement of the two-dimensional electron gas is improved and the mobility is improved. It is possible to improve and operate at high voltage and high frequency.

また、本発明によると、窒化物半導体からなるヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造方法であって、(a)基板上にバッファ層である第1の窒化物半導体層を形成する工程と、(b)第1の窒化物半導体層上に障壁層である第2の窒化物半導体層を形成する工程と、(c)第2の窒化物半導体層上にチャネル層である第3の窒化物半導体層を形成する工程と、(d)第3の窒化物半導体層上にバリア層である第4の窒化物半導体層を形成する工程とを備え、第1の窒化物半導体層はAleInfGa1-(e+f)N(0≦e<1、 0≦f≦1、0≦e+f≦1)であり、第2の窒化物半導体層はAlNであり、第3の窒化物半導体層はAlaInbGa1-(a+b)N(0≦a<1、0≦b≦1、0≦a+b≦1)であり、第4の窒化物半導体層はAlcIndGa1-(c+d)N(0≦c<1、0≦d≦1、0≦c+d≦1)であり、第1の窒化物半導体層および第4の窒化物半導体層は、第3の窒化物半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きいことを特徴とするため、二次元電子ガスの閉じ込めを向上させかつ移動度を改善し、高電圧・高周波で動作することが可能となる。 According to the present invention, there is also provided a method for manufacturing a heterojunction field effect transistor made of a nitride semiconductor, wherein (a) a step of forming a first nitride semiconductor layer as a buffer layer on a substrate; ) Forming a second nitride semiconductor layer that is a barrier layer on the first nitride semiconductor layer; and (c) a third nitride semiconductor layer that is a channel layer on the second nitride semiconductor layer. And (d) forming a fourth nitride semiconductor layer as a barrier layer on the third nitride semiconductor layer, wherein the first nitride semiconductor layer is made of Al e In f Ga. 1- (e + f) N (0 ≦ e <1, 0 ≦ f ≦ 1, 0 ≦ e + f ≦ 1), the second nitride semiconductor layer is AlN, and the third nitride semiconductor layer is Al a In b Ga 1− (a + b) N (0 ≦ a <1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ a + b ≦ 1), and the fourth nitride semiconductor layer is A l c In d Ga 1− (c + d) N (0 ≦ c <1, 0 ≦ d ≦ 1, 0 ≦ c + d ≦ 1), and the first nitride semiconductor layer and the fourth nitride semiconductor layer Is characterized by a larger band gap energy than the third nitride semiconductor layer, which improves the confinement of the two-dimensional electron gas and improves the mobility, and can operate at high voltage and high frequency. Become.

本発明の実施の形態によるヘテロ接合電界効果型トランジスタの構造の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the structure of the heterojunction field effect transistor by embodiment of this invention. 本発明の実施の形態によるキャリア濃度の分布を示す図である。It is a figure which shows distribution of the carrier concentration by embodiment of this invention. 本発明の実施の形態によるキャリア濃度の分布を示す図である。It is a figure which shows distribution of the carrier concentration by embodiment of this invention. 本発明の実施の形態による二次元電子ガス濃度の分布を示す図である。It is a figure which shows distribution of the two-dimensional electron gas concentration by embodiment of this invention. 本発明の実施の形態によるヘテロ接合電界効果型トランジスタの構造の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the structure of the heterojunction field effect transistor by embodiment of this invention. 本発明の実施の形態によるヘテロ接合電界効果型トランジスタの構造の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the structure of the heterojunction field effect transistor by embodiment of this invention. 本発明の実施の形態によるヘテロ接合電界効果型トランジスタの構造の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the structure of the heterojunction field effect transistor by embodiment of this invention. 本発明の実施の形態によるヘテロ接合電界効果型トランジスタの構造の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the structure of the heterojunction field effect transistor by embodiment of this invention. 本発明の実施の形態によるヘテロ接合電界効果型トランジスタの構造の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the structure of the heterojunction field effect transistor by embodiment of this invention. 本発明の実施の形態によるヘテロ接合電界効果型トランジスタの構造の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the structure of the heterojunction field effect transistor by embodiment of this invention. 本発明の実施の形態によるヘテロ接合電界効果型トランジスタの構造の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the structure of the heterojunction field effect transistor by embodiment of this invention. 本発明の実施の形態によるヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造工程の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the manufacturing process of the heterojunction field effect transistor by embodiment of this invention. 本発明の実施の形態によるヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造工程の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the manufacturing process of the heterojunction field effect transistor by embodiment of this invention. 本発明の実施の形態によるヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造工程の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the manufacturing process of the heterojunction field effect transistor by embodiment of this invention. 本発明の実施の形態によるヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造工程の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the manufacturing process of the heterojunction field effect transistor by embodiment of this invention. 本発明の実施の形態によるヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造工程の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the manufacturing process of the heterojunction field effect transistor by embodiment of this invention. 本発明の実施の形態によるヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造工程の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the manufacturing process of the heterojunction field effect transistor by embodiment of this invention. 本発明の実施の形態によるヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造工程の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the manufacturing process of the heterojunction field effect transistor by embodiment of this invention. 本発明の実施の形態によるヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造工程の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the manufacturing process of the heterojunction field effect transistor by embodiment of this invention. 本発明の実施の形態によるヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造工程の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the manufacturing process of the heterojunction field effect transistor by embodiment of this invention. 本発明の実施の形態によるヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造工程の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the manufacturing process of the heterojunction field effect transistor by embodiment of this invention. 本発明の実施の形態によるヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造工程の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the manufacturing process of the heterojunction field effect transistor by embodiment of this invention.

本発明の実施の形態について、図面に基づいて以下に説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

<実施の形態>
<構成>
まず、本発明の実施の形態によるヘテロ接合電界効果型トランジスタの構成について説明する。
<Embodiment>
<Configuration>
First, the configuration of the heterojunction field effect transistor according to the embodiment of the present invention will be described.

図1は、本発明の実施の形態によるヘテロ接合電界効果型トランジスタの構造の一例を示す図である。   FIG. 1 is a diagram showing an example of the structure of a heterojunction field effect transistor according to an embodiment of the present invention.

図1に示すように、本実施の形態によるヘテロ接合電界効果型トランジスタは、半絶縁性SiC基板1上に形成されたAl0.05Ga0.95Nからなる第1の窒化物半導体層2(バッファ層)と、第1の窒化物半導体層2上に形成されたAlNからなる第2の窒化物半導体層3(障壁層)と、第2の窒化物半導体層3上に形成され、第1の窒化物半導体層2および第2の窒化物半導体層3よりも小さいバンドギャップを有するGaNよりなる第3の窒化物半導体層4(チャネル層)と、第3の窒化物半導体層4上に形成され、当該第3の窒化物半導体層4よりも大きいバンドギャップを有するAl0.2Ga0.8Nよりなる第4の半導体層5(バリア層)を備えている。 As shown in FIG. 1, the heterojunction field effect transistor according to the present embodiment includes a first nitride semiconductor layer 2 (buffer layer) made of Al 0.05 Ga 0.95 N formed on a semi-insulating SiC substrate 1. A second nitride semiconductor layer 3 (barrier layer) made of AlN formed on the first nitride semiconductor layer 2, and a first nitride formed on the second nitride semiconductor layer 3. A third nitride semiconductor layer 4 (channel layer) made of GaN having a smaller band gap than the semiconductor layer 2 and the second nitride semiconductor layer 3, and the third nitride semiconductor layer 4; A fourth semiconductor layer 5 (barrier layer) made of Al 0.2 Ga 0.8 N having a larger band gap than the third nitride semiconductor layer 4 is provided.

また、第4の窒化物半導体層5の表面上には、ショットキー電極として形成されたNi/Auよりなるゲート電極8と、当該ゲート電極8を挟んで対向するようにオーミック電極として形成されたTi/Alよりなるソース電極6およびドレイン電極7とを備えている。また、素子分離領域9は、隣接するヘテロ接合型電界効果トランジスタを分離するために設けられた領域である。また、第4の窒化物半導体層5の表面上のソース電極6、ドレイン電極7、ゲート電極8以外には、絶縁膜10が覆うように形成されている。   Further, on the surface of the fourth nitride semiconductor layer 5, an ohmic electrode was formed so as to face the gate electrode 8 made of Ni / Au formed as a Schottky electrode with the gate electrode 8 interposed therebetween. A source electrode 6 and a drain electrode 7 made of Ti / Al are provided. The element isolation region 9 is a region provided for isolating adjacent heterojunction field effect transistors. In addition to the source electrode 6, drain electrode 7, and gate electrode 8 on the surface of the fourth nitride semiconductor layer 5, an insulating film 10 is formed so as to cover.

図2は、図1に示されたエピタキシャル構造であるAl0.2Ga0.8N/GaN/AlN/Al0.05Ga0.95N構造におけるバンド構造と二次元電子ガス11のキャリア分布との関係を、一次元バンド計算シミュレータソフトを用いて計算した結果を示している。ここで、第1の窒化物半導体層2はAl0.05Ga0.95Nで膜厚300nm、第2の窒化物半導体層3はAlNで膜厚1nm、第3の窒化物半導体層4はGaNで膜厚50nm、第4の窒化物半導体層5はAl0.2Ga0.8Nで膜厚30nmとし、各窒化物半導体層のキャリア濃度は1x1016cm-3とし、第4の窒化物半導体層5の表面ピニングエネルギーを1.42eVとして計算した。 2 shows the relationship between the band structure in the Al 0.2 Ga 0.8 N / GaN / AlN / Al 0.05 Ga 0.95 N structure, which is the epitaxial structure shown in FIG. 1, and the carrier distribution of the two-dimensional electron gas 11. The result calculated using the calculation simulator software is shown. Here, the first nitride semiconductor layer 2 is Al 0.05 Ga 0.95 N and has a thickness of 300 nm, the second nitride semiconductor layer 3 is AlN and has a thickness of 1 nm, and the third nitride semiconductor layer 4 is GaN and has a thickness. The thickness of the fourth nitride semiconductor layer 5 is 50 nm, Al 0.2 Ga 0.8 N, the thickness is 30 nm, the carrier concentration of each nitride semiconductor layer is 1 × 10 16 cm −3, and the surface pinning energy of the fourth nitride semiconductor layer 5 is Was calculated as 1.42 eV.

図2に示すように、図1に示す各窒化物半導体層の中で最もバンドギャップが大きい第2の窒化物半導体層3(AlN障壁層)を第3の窒化物半導体層4(GaNチャネル層)の直下層として形成することによって、二次元電子ガス11の分布は、第4の窒化物半導体層(AlGaNバリア層)5と第3の窒化物半導体層4との界面近くにほぼ全体が閉じ込められる。この二次元電子ガスの閉じ込めが向上することによって、ゲート電極8のゲート長が短くなっても、ゲート電極8による二次元電子ガス11の変調制御が可能となり(すなわち、短チャンネル効果が抑制され)、効率向上も含めた高周波領域でのトランジスタ特性の向上が可能となる。   As shown in FIG. 2, the second nitride semiconductor layer 3 (AlN barrier layer) having the largest band gap among the nitride semiconductor layers shown in FIG. 1 is replaced with the third nitride semiconductor layer 4 (GaN channel layer). ), The distribution of the two-dimensional electron gas 11 is almost entirely confined near the interface between the fourth nitride semiconductor layer (AlGaN barrier layer) 5 and the third nitride semiconductor layer 4. It is done. By improving the confinement of the two-dimensional electron gas, even if the gate length of the gate electrode 8 is shortened, the modulation control of the two-dimensional electron gas 11 by the gate electrode 8 is possible (that is, the short channel effect is suppressed). Thus, it is possible to improve transistor characteristics in a high frequency region including efficiency improvement.

図2では、第1の窒化物半導体層2がAl0.05Ga0.95Nであるものとして説明したが、第1の窒化物半導体層2がGaNである場合における二次元電子ガスのキャリア分布を図3に示す。なお、第1の窒化物半導体層2以外の各窒化物半導体層は、図2にて説明したものと同様である。 In FIG. 2, the first nitride semiconductor layer 2 has been described as being Al 0.05 Ga 0.95 N, but the carrier distribution of the two-dimensional electron gas in the case where the first nitride semiconductor layer 2 is GaN is illustrated in FIG. Shown in Each nitride semiconductor layer other than the first nitride semiconductor layer 2 is the same as that described in FIG.

図3に示すように、第4の窒化物半導体層5(AlGaNバリア層)と第3の窒化物半導体層4(GaNチャネル層)との界面近傍に分布する二次元電子ガス11については図2に示す場合とほぼ同様であるが、第2の窒化物半導体層3(AlN障壁層)と第1の窒化物半導体層2(GaNバッファ層)との界面にも二次元電子ガスが生じ、ダブルチャネル構造となっている。従って、ダブルチャネルが形成されないように(すなわち、第2の窒化物半導体層3と第1の窒化物半導体層2との界面に二次元電子ガスが生じないように)、第1の窒化物半導体層2のバンドギャップを第3の窒化物半導体層4のバンドギャップよりも大きくする必要がある。   As shown in FIG. 3, the two-dimensional electron gas 11 distributed near the interface between the fourth nitride semiconductor layer 5 (AlGaN barrier layer) and the third nitride semiconductor layer 4 (GaN channel layer) is shown in FIG. The two-dimensional electron gas is also generated at the interface between the second nitride semiconductor layer 3 (AlN barrier layer) and the first nitride semiconductor layer 2 (GaN buffer layer). It has a channel structure. Therefore, the first nitride semiconductor is formed so that a double channel is not formed (that is, a two-dimensional electron gas is not generated at the interface between the second nitride semiconductor layer 3 and the first nitride semiconductor layer 2). The band gap of the layer 2 needs to be larger than the band gap of the third nitride semiconductor layer 4.

また、図2,3では、第2の窒化物半導体層3であるAlN層の膜厚が1nmであるものとして説明したが、第2の窒化物半導体層3の膜厚を大きく(厚く)すると、第1の窒化物半導体層2と第2の窒化物半導体層3との界面にチャネルを形成してダブルチャネル構造となり、リーク電流の増加や、耐圧の低下が生じるため望ましくない。第2の窒化物半導体層3は、当該第2の窒化物半導体層3の上下層である第1の窒化物半導体層2および第3の窒化物半導体層4とのバンドギャップエネルギーの差が大きいため、第2の窒化物半導体層3の膜厚が小さい(薄い)方が急激なバンドギャップ差を生じさせることができるため望ましい。   2 and 3, the film thickness of the AlN layer, which is the second nitride semiconductor layer 3, is 1 nm. However, when the film thickness of the second nitride semiconductor layer 3 is increased (thicker). A channel is formed at the interface between the first nitride semiconductor layer 2 and the second nitride semiconductor layer 3 to form a double channel structure, which is not desirable because an increase in leakage current and a decrease in breakdown voltage occur. The second nitride semiconductor layer 3 has a large difference in band gap energy between the first nitride semiconductor layer 2 and the third nitride semiconductor layer 4 that are the upper and lower layers of the second nitride semiconductor layer 3. Therefore, a smaller (thin) film thickness of the second nitride semiconductor layer 3 is desirable because an abrupt band gap difference can be generated.

図4は、第2の窒化物半導体層3と第1の窒化物半導体層2との間にて発生する二次元電子ガス濃度のAlN層厚依存性を示している。ここで、第1の窒化物半導体層2はAl0.05Ga0.95Nで膜厚300nm、第3の窒化物半導体層4はGaNで膜厚50nm、第4の窒化物半導体層はAl0.2Ga0.8Nで膜厚30nmとし、第2の窒化物半導体層3のAlN膜厚を1、5、10nmとした場合について計算した。 FIG. 4 shows the dependency of the two-dimensional electron gas concentration generated between the second nitride semiconductor layer 3 and the first nitride semiconductor layer 2 on the thickness of the AlN layer. Here, the first nitride semiconductor layer 2 is Al 0.05 Ga 0.95 N and has a thickness of 300 nm, the third nitride semiconductor layer 4 is GaN and has a thickness of 50 nm, and the fourth nitride semiconductor layer is Al 0.2 Ga 0.8 N. The film thickness was 30 nm, and the AlN film thickness of the second nitride semiconductor layer 3 was 1, 5, and 10 nm.

図4に示すように、第2の窒化物半導体層3(AlN層)の膜厚が増加すると、第2の窒化物半導体層3と第1の窒化物半導体層2との界面における伝導帯準位がフェルミ準位よりも低くなり、第2の窒化物半導体層3と第1の窒化物半導体層2との間にてキャリアが発生して当該キャリア濃度が増加するためダブルチャネル構造となってしまう。従って、第2の窒化物半導体層3と第1の窒化物半導体層2との間にて発生するキャリア濃度は、窒化物半導体のバックグラウンドレベルである1e15cm-3よりも低いことが望ましく、ダブルチャネルを形成しないためにも、図4に示すように第2の窒化物半導体層3の膜厚は4nm以下とすることが望ましく、さらに薄くする方がより望ましい。すなわち、第1の窒化物半導体層2と第2の窒化物半導体層3との界面における伝導体準位は、フェルミ準位よりも高い方がよい。 As shown in FIG. 4, when the thickness of the second nitride semiconductor layer 3 (AlN layer) increases, the conduction band level at the interface between the second nitride semiconductor layer 3 and the first nitride semiconductor layer 2 is increased. The level becomes lower than the Fermi level, and carriers are generated between the second nitride semiconductor layer 3 and the first nitride semiconductor layer 2 to increase the carrier concentration, thereby forming a double channel structure. End up. Therefore, it is desirable that the carrier concentration generated between the second nitride semiconductor layer 3 and the first nitride semiconductor layer 2 is lower than 1e 15 cm −3, which is the background level of the nitride semiconductor. In order not to form a double channel, the thickness of the second nitride semiconductor layer 3 is preferably 4 nm or less, and more preferably thinner, as shown in FIG. That is, the conductor level at the interface between the first nitride semiconductor layer 2 and the second nitride semiconductor layer 3 is preferably higher than the Fermi level.

なお、上記では、本実施の形態によるヘテロ接合電界効果型トランジスタの代表的な構造(図1参照)について説明したが、下記に示すような各構造にしても同様の効果が得られる。以下、本実施の形態によるヘテロ接合電界効果型トランジスタの各変形例について説明する。   In the above description, the typical structure (see FIG. 1) of the heterojunction field effect transistor according to the present embodiment has been described. However, the same effects can be obtained even with the following structures. Hereinafter, each modification of the heterojunction field effect transistor according to the present embodiment will be described.

<変形例>
上記の図1では、Al0.2Ga0.8N/GaN/AlN/Al0.05Ga0.95N構造として説明したが、第4の窒化物半導体層5のバンドギャップが第3の窒化物半導体層4のバンドギャップより大きく、かつ、第1の窒化物半導体層2のバンドギャップが第4の窒化物半導体層5のバンドギャップよりも大きくなるように、第1の窒化物半導体層2、第3の窒化物半導体層4、第4の窒化物半導体層5をAlxInyGa1-(x+y)NのAl、In、Gaの組成を決めた構造としても、上記と同様の効果が得られる。また、第1の窒化物半導体層2が第3の窒化物半導体層4よりもバンドギャップエネルギーが大きくなるように、第1の窒化物半導体層2をAleInfGa1-(e+f)N(0≦e<1、 0≦f≦1、0≦e+f≦1)のAl、In、Gaの組成を決めた構造としても、上記と同様の効果が得られる。
<Modification>
In FIG. 1 described above, the Al 0.2 Ga 0.8 N / GaN / AlN / Al 0.05 Ga 0.95 N structure has been described. However, the band gap of the fourth nitride semiconductor layer 5 is the band gap of the third nitride semiconductor layer 4. The first nitride semiconductor layer 2 and the third nitride semiconductor are larger and the band gap of the first nitride semiconductor layer 2 is larger than the band gap of the fourth nitride semiconductor layer 5. Even if the layer 4 and the fourth nitride semiconductor layer 5 have a structure in which the composition of Al, In, and Ga of AlxInyGa1- (x + y) N is determined, the same effect as described above can be obtained. Further, the first nitride semiconductor layer 2 is made of Al e In f Ga 1− (e + f so that the band gap energy of the first nitride semiconductor layer 2 is larger than that of the third nitride semiconductor layer 4. ) Al of N (0 ≦ e <1, 0 ≦ f ≦ 1,0 ≦ e + f ≦ 1), in, have a structure decided the composition of Ga, the same effect as described above can be obtained.

窒化物半導体よりなるヘテロ接合電界効果型トランジスタは、チャネル層に用いる半導体材料の絶縁破壊電界が高いほど耐圧が高くなる。従って、本実施の形態によるヘテロ接合電界効果型トランジスタにおいて、上記と同様、第4の窒化物半導体層5のバンドギャップが第3の窒化物半導体層4のバンドギャップより大きく、かつ、第1の窒化物半導体層2のバンドギャップが第4の窒化物半導体層5のバンドギャップよりも大きいという条件を満たした上で、第3の窒化物半導体層4のバンドギャップエネルギーがGaNのバンドギャップエネルギーよりも大きくなるように、第3の窒化物半導体層4をAlxInyGa1-(x+y)NのAl、In、Gaの組成を決めた構造とすることによって、上記(第3の窒化物半導体層4がGaNの場合)の効果に加えてさらなる高耐圧化が可能になる。 A heterojunction field effect transistor made of a nitride semiconductor has a higher breakdown voltage as the breakdown electric field of the semiconductor material used for the channel layer is higher. Therefore, in the heterojunction field effect transistor according to the present embodiment, as described above, the band gap of the fourth nitride semiconductor layer 5 is larger than the band gap of the third nitride semiconductor layer 4, and the first After satisfying the condition that the band gap of the nitride semiconductor layer 2 is larger than the band gap of the fourth nitride semiconductor layer 5, the band gap energy of the third nitride semiconductor layer 4 is larger than the band gap energy of GaN. The third nitride semiconductor layer 4 has a structure in which the composition of Al, In, and Ga in AlxInyGa1- (x + y) N is determined so that the third nitride semiconductor layer 4 becomes larger. In addition to the effect (when 4 is GaN), a higher breakdown voltage can be achieved.

また、上記(図1参照)では、第2の窒化物半導体層3を2元合金のAlN層とすることによって、合金散乱を低減することができたが、さらに、第3の窒化物半導体層4と第4の窒化物半導体層5との間にもAlN層を形成した構造にすることによって、合金散乱をさらに低減することができ、キャリアの移動度の向上、電流値の増加、相互コンダクタンスの向上が向上するにより、高出力・高周波特性を向上させることが可能となる。   In the above (see FIG. 1), the second nitride semiconductor layer 3 is made of a binary alloy AlN layer, so that alloy scattering can be reduced. Further, the third nitride semiconductor layer 4 and the fourth nitride semiconductor layer 5 are formed with an AlN layer between them, alloy scattering can be further reduced, carrier mobility is improved, current value is increased, and transconductance is increased. By improving the improvement, it becomes possible to improve the high output and high frequency characteristics.

また、図1における半絶縁性SiC基板1は、Si、サファイア、GaN、AlN等でもあってもよい。   Further, the semi-insulating SiC substrate 1 in FIG. 1 may be Si, sapphire, GaN, AlN, or the like.

また、図1に示すソース電極6およびドレイン電極7の下側であって少なくとも一部の半導体層内において、窒化物半導体にとってn型不純物となる、例えば図5に示すような、Siが高濃度にドーピングされた領域である高濃度n型不純物領域11が形成されていてもよい。このような構造にすることによって、ソース電極6およびドレイン電極7と、当該各電極に接触する第4の窒化物半導体層5との間における接触抵抗が低減されるだけでなく、第3の窒化物半導体層4と第4の窒化物半導体層5との界面にて発生する二次元電子ガス11と、ソース電極6およびドレイン電極7との間における抵抗を低減することができ、トランジスタの高効率化や大電流化による高出力化に有利であり、より好ましい構造と言える。なお、Siが高濃度にドーピングされた高濃度n型不純物領域12の不純物はSiに限らず、n型不純物が高濃度にドーピングされていればよく、窒化物半導体中でn型の不純物準位を形成する材料(O、C、N、空孔等)がドーピングされていればよい。また、ドーピングの方法としては、イオン注入法、熱拡散法を用いて高濃度n型不純物領域12を形成してもよく、ソース電極6およびドレイン電極7の下側の窒化物半導体層をエッチング等で除去後、その領域にn型不純物を添加した例えばn−GaNを再成長法で形成してもよい。また、図5において、n型不純物が高濃度にドーピングされた高濃度n型不純物領域12は、窒化物半導体層の表面から第3の窒化物半導体層4(チャネル層)に至る領域にまで形成されているが、当該領域に限らず、当該領域よりも大きいあるいは小さくても、ソース電極6およびドレイン電極7の下側の少なくとも一部の窒化物半導体層内に形成されていれば上記の効果が得られる。   Further, in the semiconductor layer below the source electrode 6 and the drain electrode 7 shown in FIG. 1 and in at least a part of the semiconductor layer, the nitride semiconductor becomes an n-type impurity. A high-concentration n-type impurity region 11 that is a doped region may be formed. With such a structure, not only the contact resistance between the source electrode 6 and the drain electrode 7 and the fourth nitride semiconductor layer 5 in contact with each electrode is reduced, but also the third nitridation. The resistance between the two-dimensional electron gas 11 generated at the interface between the physical semiconductor layer 4 and the fourth nitride semiconductor layer 5 and the source electrode 6 and the drain electrode 7 can be reduced, and the transistor has high efficiency. This is advantageous for increasing the output by increasing the current and increasing the current, and can be said to be a more preferable structure. The impurity in the high-concentration n-type impurity region 12 doped with Si at a high concentration is not limited to Si, and it is sufficient that the n-type impurity is doped at a high concentration. It is only necessary that the material (O, C, N, vacancies, etc.) that forms the layer is doped. As a doping method, the high-concentration n-type impurity region 12 may be formed using an ion implantation method or a thermal diffusion method, and the nitride semiconductor layer below the source electrode 6 and the drain electrode 7 is etched. For example, n-GaN doped with an n-type impurity may be formed by regrowth after the removal. In FIG. 5, the high-concentration n-type impurity region 12 doped with an n-type impurity at a high concentration is formed from the surface of the nitride semiconductor layer to a region extending from the third nitride semiconductor layer 4 (channel layer). However, the above effect is not limited to this region, and the above effect is achieved if it is formed in at least a part of the nitride semiconductor layer below the source electrode 6 and the drain electrode 7 even if it is larger or smaller than the region. Is obtained.

また、図1,5におけるソース電極6およびドレイン電極7の下側の少なくとも一部の窒化物半導体層は、図6に示すように除去されていてもかまわない。すなわち、例えば図6に示すように、ソース電極6およびドレイン電極7が第4の窒化物半導体層5に埋め込まれるように形成してもよい。このような構造にすることによって、第3の窒化物半導体層4(チャネル層)と第4の窒化物半導体層5(バリア層)との界面にて発生する二次元電子ガス11と、ソース電極6およびドレイン電極7との間における抵抗を低減することができ、トランジスタの高効率化や大電流化による高出力化に有利であり、より好ましい構造と言える。なお、図6において、第4の窒化物半導体層5(バリア層)は、窒化物半導体層の表面から第4の窒化物半導体層5の下層近くに至る領域までが除去されているが、除去する深さ方向の限度は、第3の窒化物半導体層4と第4の窒化物半導体層5との界面までとし、ソース電極6およびドレイン電極7の下側の少なくとも一部の窒化物半導体層内が除去されていれば上記の効果が得られる。   1 and 5, at least a part of the nitride semiconductor layer below the source electrode 6 and the drain electrode 7 may be removed as shown in FIG. That is, for example, as shown in FIG. 6, the source electrode 6 and the drain electrode 7 may be formed so as to be embedded in the fourth nitride semiconductor layer 5. With such a structure, the two-dimensional electron gas 11 generated at the interface between the third nitride semiconductor layer 4 (channel layer) and the fourth nitride semiconductor layer 5 (barrier layer), and the source electrode 6 and the drain electrode 7 can be reduced, which is advantageous for increasing the efficiency of the transistor and increasing the output by increasing the current, and can be said to be a more preferable structure. In FIG. 6, the fourth nitride semiconductor layer 5 (barrier layer) is removed from the surface of the nitride semiconductor layer to the region near the lower layer of the fourth nitride semiconductor layer 5. The limit in the depth direction is up to the interface between the third nitride semiconductor layer 4 and the fourth nitride semiconductor layer 5, and at least a part of the nitride semiconductor layer below the source electrode 6 and the drain electrode 7. If the inside is removed, the above effect can be obtained.

また、図1,5,6に示すソース電極6およびドレイン電極7は、必ずしもTi/Alである必要はなく、オーミック特性が得られれば、Ti,Al,Nb,Hf,Zr,Sr,Ni,Ta,Au,Pt,V,Mo,Wなどの金属、もしくはこれらから構成される多層膜で形成されていてもよい。   Further, the source electrode 6 and the drain electrode 7 shown in FIGS. 1, 5 and 6 are not necessarily made of Ti / Al. If ohmic characteristics are obtained, Ti, Al, Nb, Hf, Zr, Sr, Ni, You may form with metals, such as Ta, Au, Pt, V, Mo, and W, or the multilayer film comprised from these.

また、図1,5,6に示すゲート電極8は、図7に示すように、ゲート電極8の底面が第4の窒化物半導体層5(バリア層)の表面と接触しないようにすることによって、ゲート電極8の底面が第4の窒化物半導体層5の表面と接触している場合に比べて、電流コラプスを抑制し相互コンダクタンスを増加させることができる。   Further, the gate electrode 8 shown in FIGS. 1, 5, and 6 is configured so that the bottom surface of the gate electrode 8 does not contact the surface of the fourth nitride semiconductor layer 5 (barrier layer) as shown in FIG. 7. Compared with the case where the bottom surface of the gate electrode 8 is in contact with the surface of the fourth nitride semiconductor layer 5, the current collapse can be suppressed and the mutual conductance can be increased.

また、図1,5〜7に示すゲート電極8は、必ずしも断面が各図に示すような四角形である必要はなく、例えば、図8に示すようなT型やY型構造のゲート電極81であってもよい。このような構造にすることによって、ゲート電極81が窒化物半導体層と接触する面積を維持したまま、ゲート抵抗を低減することができる。   Further, the gate electrode 8 shown in FIGS. 1, 5 to 7 does not necessarily have a quadrangular cross section as shown in each figure. For example, a gate electrode 81 having a T-type or Y-type structure as shown in FIG. There may be. With such a structure, the gate resistance can be reduced while maintaining the area where the gate electrode 81 is in contact with the nitride semiconductor layer.

また、図8では、T型のゲート電極81の傘下(ゲート電極81における傘部の第4の窒化物半導体層5側)が絶縁膜10と接触していない構造を示したが、図9に示すようにT型のゲート電極81の傘下が絶縁膜10と接触するような構造にすることによって、高電圧動作時においてゲート電極81のドレイン電極7側のエッジ部分に集中する電界を緩和させることができ、電流コラプスを抑制するとともに耐圧を高くすることができる。   FIG. 8 shows a structure in which the umbrella of the T-type gate electrode 81 (the fourth nitride semiconductor layer 5 side of the umbrella portion in the gate electrode 81) is not in contact with the insulating film 10. As shown in the figure, the structure in which the umbrella of the T-shaped gate electrode 81 is in contact with the insulating film 10 reduces the electric field concentrated on the edge portion of the gate electrode 81 on the drain electrode 7 side during high voltage operation. Thus, current collapse can be suppressed and the breakdown voltage can be increased.

また、図10に示すように、絶縁膜10をゲート電極81の傘下のみに形成するようにしてもよい。このような構造にすることによって、ソース電極6とゲート電極81との間や、ゲート電極81とドレイン電極7との間にて発生する容量を低減できることができ、高周波動作時の利得や効率を向上させることが可能となる。   Further, as shown in FIG. 10, the insulating film 10 may be formed only under the umbrella of the gate electrode 81. With such a structure, the capacitance generated between the source electrode 6 and the gate electrode 81 or between the gate electrode 81 and the drain electrode 7 can be reduced, and the gain and efficiency during high-frequency operation can be reduced. It becomes possible to improve.

また、図1,5〜10に示す絶縁膜10は、Al,Ga,Si,Hf,Ti,Zr,Ta,V等のうち少なくとも1種類以上の原子の酸化物、窒化物、酸窒化物等、もしくはこれらから構成される多層膜などで形成されていてもよい。   In addition, the insulating film 10 shown in FIGS. 1, 5 to 10 is an oxide, nitride, oxynitride or the like of at least one kind of atoms among Al, Ga, Si, Hf, Ti, Zr, Ta, V, and the like. Alternatively, it may be formed of a multilayer film composed of these.

また、図1,5〜10に示すゲート電極8,81は、必ずしもNi/Auである必要はなく、Ti,Al,Pt,Au,Ni,Pd等の金属、IrSi,PtSi,NiSi2等のシリサイド、あるいはTiN,WN,TaN等の窒化物金属、もしくはこれらから構成される多層膜などで形成されていてもよい。 The gate electrodes 8 and 81 shown in FIGS. 1 to 5 are not necessarily made of Ni / Au, but are made of metals such as Ti, Al, Pt, Au, Ni, and Pd, IrSi, PtSi, NiSi 2, and the like. It may be formed of silicide, nitride metal such as TiN, WN, TaN, or a multilayer film composed of these.

なお、上述した構造は全て個々に採用する必要はなく、例えば図11に示すように、それぞれを組み合わせた構造としてもよい。   Note that it is not necessary to employ all of the above-described structures individually, and for example, as shown in FIG.

以上では、トランジスタとして動作する必要最小限の要素のみを記載したが、本実施の形態によるヘテロ接合電界効果型トランジスタは、最終的には配線、バイアホール等が形成された構造においてデバイスとして用いられる。   In the above, only the minimum necessary elements that operate as a transistor have been described. However, the heterojunction field effect transistor according to the present embodiment is finally used as a device in a structure in which wirings, via holes, and the like are formed. .

<製造工程>
次に、本実施の形態によるヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造工程について説明する。
<Manufacturing process>
Next, a manufacturing process of the heterojunction field effect transistor according to the present embodiment will be described.

図12〜22は、本発明の実施の形態によるヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造工程の一例を示す図である。なお、これらの図において、図1,5〜11と同一の符号を付した構成要素は同一または対応する構成要素を示すものとする。   12 to 22 are diagrams showing an example of a manufacturing process of the heterojunction field effect transistor according to the embodiment of the present invention. In these drawings, the constituent elements denoted by the same reference numerals as those in FIGS. 1 and 5 to 11 indicate the same or corresponding constituent elements.

まず、図12に示すように、例えば、サファイア、SiC(炭化シリコン)、GaN、またはSi等よりなる基板1を準備する。次に、例えば、MBE(Molecular Beam Epitaxy:分子線エピタキシャル成長法)またはCVD(Chemical Vapor Deposition:気相成長法)により、基板1の主表面上に、第1の窒化物半導体層2、AlNよりなる第2の窒化物半導体層3、チャネル層である第3の窒化物半導体層4、バリア層である第4の窒化物半導体層5を順次に積層する。以下では、Al0.2Ga0.8N(第4の窒化物半導体層)/GaN(第3の窒化物半導体層)/AlN(第2の窒化物半導体層)/Al0.05Ga0.95N(第1の窒化物半導体層)の構造をSiC基板上にエピタキシャル成長させる一例について説明する。 First, as shown in FIG. 12, a substrate 1 made of, for example, sapphire, SiC (silicon carbide), GaN, or Si is prepared. Next, the first nitride semiconductor layer 2 and AlN are formed on the main surface of the substrate 1 by MBE (Molecular Beam Epitaxy) or CVD (Chemical Vapor Deposition), for example. A second nitride semiconductor layer 3, a third nitride semiconductor layer 4 that is a channel layer, and a fourth nitride semiconductor layer 5 that is a barrier layer are sequentially stacked. Hereinafter, Al 0.2 Ga 0.8 N (fourth nitride semiconductor layer) / GaN (third nitride semiconductor layer) / AlN (second nitride semiconductor layer) / Al 0.05 Ga 0.95 N (first nitride) An example of epitaxial growth of the structure of the (physical semiconductor layer) on the SiC substrate will be described.

第1の窒化物半導体層2のバンドギャップエネルギーは、第2の窒化物半導体層3(AlN層)との界面にチャネルを形成しないようにするために、第3の窒化物半導体層4のバンドギャップエネルギーよりも大きくする必要がある。   The band gap energy of the first nitride semiconductor layer 2 is such that the band of the third nitride semiconductor layer 4 does not form a channel at the interface with the second nitride semiconductor layer 3 (AlN layer). It needs to be larger than the gap energy.

また、第1の窒化物半導体層2の膜厚は、基板1との格子不整合による転移を上層のエピタキシャル結晶層(第2の窒化物半導体層3)に及ぼさない厚さであることが望ましい。ここでは、第1の窒化物半導体層2をAl0.03Ga0.07Nとし膜厚を300nmとした。第2の窒化物半導体層3(AlN層)は、各窒化物半導体層中で最もバンドギャップエネルギーが大きいため、AlNの価電子帯は電子に対する障壁(障壁層)となる。従って、第2の窒化物半導体層3の膜厚は4nm以下程度の薄い層である方が、隣接する層(第1の窒化物半導体層および第3の窒化物半導体層)との間で急激なバンドギャップ差を生じさせることができるため望ましい。第2の窒化物半導体層3の膜厚を4nmより厚くすると、第1の窒化物半導体層2との界面にチャネルを形成してダブルチャネル構造となり、リーク電流の増加や耐圧の低下を生じる。これらを抑制するためにも、第2の窒化物半導体層3の膜厚は4nm以下であることが望ましい。本実施の形態では、第2の窒化物半導体層3(AlN層)の膜厚を1nmとした。また、第3の窒化物半導体層4(チャネル層)はGaNとし膜厚を50nmとした。また、第4の窒化物半導体層5(バリア層)はAl0.2Ga0.8Nとし膜厚を30nmとした。 Further, the film thickness of the first nitride semiconductor layer 2 is desirably a thickness that does not affect the upper epitaxial crystal layer (second nitride semiconductor layer 3) due to lattice mismatch with the substrate 1. . Here, the first nitride semiconductor layer 2 was Al 0.03 Ga 0.07 N, and the film thickness was 300 nm. Since the second nitride semiconductor layer 3 (AlN layer) has the largest band gap energy among the nitride semiconductor layers, the valence band of AlN becomes a barrier (barrier layer) against electrons. Accordingly, the thickness of the second nitride semiconductor layer 3 that is as thin as about 4 nm or less is sharper between adjacent layers (the first nitride semiconductor layer and the third nitride semiconductor layer). This is desirable because a large band gap difference can be generated. If the thickness of the second nitride semiconductor layer 3 is greater than 4 nm, a channel is formed at the interface with the first nitride semiconductor layer 2 to form a double channel structure, resulting in an increase in leakage current and a decrease in breakdown voltage. In order to suppress these, the film thickness of the second nitride semiconductor layer 3 is desirably 4 nm or less. In the present embodiment, the thickness of the second nitride semiconductor layer 3 (AlN layer) is 1 nm. The third nitride semiconductor layer 4 (channel layer) was GaN and the film thickness was 50 nm. The fourth nitride semiconductor layer 5 (barrier layer) was Al 0.2 Ga 0.8 N and the film thickness was 30 nm.

なお、第1の窒化物半導体層2、第2の窒化物半導体層3、第3の窒化物半導体層4、および第4の窒化物半導体層5の不純物濃度は1×1018cm-3以下であればよく、特に第4の窒化物半導体層5(バリア層)の不純物濃度は、高耐圧層とするために1×101cm-3以下に設定される。ここで、不純物の導電型は常にn型である。窒化物半導体層では、意図的に不純物を導入しない場合(ノンドープ)であっても、成長炉や雰囲気ガス中から不純物が窒化物半導体中に入り、窒化物半導体はn型の不純物を含むことになる。従って、結晶成長時においてノンドープであっても、実際の不純物濃度が1×101cm-3以下であればよい。 The impurity concentration of the first nitride semiconductor layer 2, the second nitride semiconductor layer 3, the third nitride semiconductor layer 4, and the fourth nitride semiconductor layer 5 is 1 × 10 18 cm −3 or less. In particular, the impurity concentration of the fourth nitride semiconductor layer 5 (barrier layer) is set to 1 × 10 1 cm −3 or less in order to obtain a high breakdown voltage layer. Here, the conductivity type of the impurity is always n-type. In the nitride semiconductor layer, even when impurities are not intentionally introduced (non-doped), the impurities enter the nitride semiconductor from the growth furnace or atmospheric gas, and the nitride semiconductor contains n-type impurities. Become. Therefore, it is sufficient that the actual impurity concentration is 1 × 10 1 cm −3 or less even when non-doped during crystal growth.

また、第3の窒化物半導体層4の形成後、AlN層を形成し続けて、バリア層としての第4の窒化物半導体層5を形成することで、上述のエピタキシャル構造を形成することができる。このときのAlN層の厚さとしては、第2の窒化物半導体層3(AlN障壁層)と同様に、4nm以下程度の薄い層の方が急激なバンドギャップ差を生じさせることができるため望ましく、特に1〜2nmとすることがより望ましい。このようなエピタキシャル構造を備えたエピ基板に、後述するトランジスタの製造方法によって、上述のような構造の窒化物半導体ヘテロ接合電界効果型トランジスタを作製することができる。   In addition, after the third nitride semiconductor layer 4 is formed, the above-described epitaxial structure can be formed by forming the fourth nitride semiconductor layer 5 as a barrier layer by continuing to form the AlN layer. . As the thickness of the AlN layer at this time, it is desirable that a thin layer of about 4 nm or less can cause a steep band gap difference as in the case of the second nitride semiconductor layer 3 (AlN barrier layer). In particular, it is more desirable to set the thickness to 1 to 2 nm. A nitride semiconductor heterojunction field effect transistor having the above-described structure can be manufactured on an epitaxial substrate having such an epitaxial structure by a transistor manufacturing method described later.

次に、図13に示すように、レジストパターン等をマスク13として、ソース電極6およびドレイン電極7を形成する領域の下側の少なくとも一部の窒化物半導体層内にイオン注入法などを用いて、注入ドーズ量1×1013〜1×1017(cm-2)、注入エネルギー10〜1000(keV)の条件下で、各窒化物半導体層においてn型となるSi等のイオン14を所望の領域に打ち込み、その後の熱処理によって高濃度n型不純物領域12を形成する。高濃度n型不純物領域12の不純物濃度は、結晶成長時に意図的にn型のGaNやAlGaNを形成するときに用いられるのと同等かそれ以上が望ましく、例えば1x1018cm-3以上、より好ましくは1x1019-cm3以上かまたはより高い濃度である。高濃度n型不純物領域12内の不純物の望ましい分布の一つとしては、ソース電極6およびドレイン電極7の下の半導体表面から電子の流れる第4の窒化物半導体層5(バリア層)と第3の窒化物半導体層4(チャネル層)との界面とそれよりチャネル層側に、10nm程度までの領域で1x1018cm-3以上といった高い不純物濃度を有する構造が挙げられるが、このような不純物分布を形成する注入量と注入エネルギーの決め方としては、モンテカルロ計算によって注入エネルギーや照射対象物の構造をパラメータにしてイオンの飛程をシミュレートすることで、上記条件を満たす注入エネルギーや注入ドーズ量を決めることができる。また、注入されたイオンにより第4の窒化物半導体層5を構成する原子(Al、Ga、In、N等)が真空中に跳ね飛ばされるのを抑制するために、第4の窒化物半導体5上に10〜100nm程度の窒化膜(SiNx、AlN等)あるいは酸化膜等(SiO2、Al23等)を形成した後、注入マスクとしてのレジストパターンを形成しても良い(図14参照)。その後、熱処理を行ない注入したイオンを活性化させることによって、ソース電極6およびドレイン電極7の下側の高濃度n型不純物領域12を低抵抗化する。この熱処理の際に、半導体表面からの窒素原子が抜けることを防止するために、第4の半導体層5上に10〜100nm程度の窒化膜(SiNx、AlN等)、酸化膜等(SiO2、Al23等)で窒化物半導体の表面を被った後に熱処理を行ってもよい。 Next, as shown in FIG. 13, using a resist pattern or the like as a mask 13, an ion implantation method or the like is used in at least a part of the nitride semiconductor layer below the region where the source electrode 6 and the drain electrode 7 are formed. Then, under the conditions of implantation dose amount of 1 × 10 13 to 1 × 10 17 (cm −2 ) and implantation energy of 10 to 1000 (keV), ions 14 such as Si that become n-type in each nitride semiconductor layer are desired. A high concentration n-type impurity region 12 is formed by implanting the region and subsequent heat treatment. The impurity concentration of the high-concentration n-type impurity region 12 is preferably equal to or higher than that used when intentionally forming n-type GaN or AlGaN during crystal growth, for example, 1 × 10 18 cm −3 or more. Is greater than or equal to 1 × 10 19 -cm 3 or higher. One desirable distribution of impurities in the high-concentration n-type impurity region 12 is a fourth nitride semiconductor layer 5 (barrier layer) in which electrons flow from the semiconductor surface under the source electrode 6 and the drain electrode 7 and a third one. There is a structure having a high impurity concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more in a region up to about 10 nm at the interface with the nitride semiconductor layer 4 (channel layer) and on the channel layer side thereof. The injection energy and implantation dose satisfying the above conditions can be determined by simulating the ion range using Monte Carlo calculation with the implantation energy and the structure of the irradiation object as parameters. I can decide. Further, in order to suppress the atoms (Al, Ga, In, N, etc.) constituting the fourth nitride semiconductor layer 5 from being injected into the vacuum by the implanted ions, the fourth nitride semiconductor 5 A nitride film (SiN x , AlN, etc.) or an oxide film (SiO 2 , Al 2 O 3, etc.) of about 10-100 nm is formed thereon, and then a resist pattern as an implantation mask may be formed (FIG. 14). reference). Thereafter, heat treatment is performed to activate the implanted ions, thereby reducing the resistance of the high-concentration n-type impurity region 12 below the source electrode 6 and the drain electrode 7. In order to prevent nitrogen atoms from escaping from the semiconductor surface during this heat treatment, a nitride film (SiNx, AlN, etc.) of about 10 to 100 nm, an oxide film, etc. (SiO 2 , SiO 2 , etc.) are formed on the fourth semiconductor layer 5. Heat treatment may be performed after the surface of the nitride semiconductor is covered with Al 2 O 3 or the like.

次に、図15に示すように、マスク13を除去した後、例えばTi,Al,Nb,Hf,Zr,Sr,Ni,Ta,Au,Pt,V,Mo,Wなどの金属、もしくはこれらから構成される多層膜から成るソース電極6およびドレイン電極7を蒸着法やスパッタ法を用いて堆積し、リフトオフ法などにより形成する。なお、電極形成後に熱処理を行い半導体層との反応層(合金層)を形成し、接触抵抗およびアクセス抵抗のさらなる低減を行ってもよい。   Next, as shown in FIG. 15, after removing the mask 13, for example, a metal such as Ti, Al, Nb, Hf, Zr, Sr, Ni, Ta, Au, Pt, V, Mo, and W, or from these metals A source electrode 6 and a drain electrode 7 composed of a multilayer film are deposited by vapor deposition or sputtering, and formed by a lift-off method or the like. Note that heat treatment may be performed after electrode formation to form a reaction layer (alloy layer) with the semiconductor layer, and contact resistance and access resistance may be further reduced.

次に、図16に示すように、レジストパターン等をマスク13として、トランジスタを作製する領域外の第1の窒化物半導体層2から第4の窒化物半導体層5にかけて、例えばHe,N,O,Mg,Ar,Ca,Fe,Zn,Sr,Ba等のイオン14を照射するイオン注入法(図16参照)やエッチングなどを用いて素子分離領域9を形成する。   Next, as shown in FIG. 16, using the resist pattern or the like as a mask 13, from the first nitride semiconductor layer 2 to the fourth nitride semiconductor layer 5 outside the region for forming the transistor, for example, He, N, O , Mg, Ar, Ca, Fe, Zn, Sr, Ba, etc. are used to form the element isolation region 9 by using an ion implantation method (see FIG. 16) for irradiating the ions 14, etching, or the like.

次に、図17に示すように、マスク13を除去した後、Ti,Al,Pt,Au,Ni,Pd等の金属、あるいはIrSi,PtSi,NiSi2等のシリサイド、あるいはTiN,WN,TaN等の窒化物金属、もしくはこれらから構成される多層膜からなるゲート電極8を、蒸着法やスパッタ法を用いて堆積し、リフトオフ法などにより形成する。 Next, as shown in FIG. 17, after removing the mask 13, Ti, Al, Pt, Au, Ni, metals such as Pd or IrSi, PtSi, silicide such as NiSi 2 or TiN,,, WN, TaN, etc. A gate electrode 8 made of a nitride metal or a multilayer film composed of these is deposited by vapor deposition or sputtering, and formed by lift-off or the like.

次に、図18に示すように、Al,Ga,Si,Hf,Ti,Zr,Ta,V等のうち少なくとも1種類以上の原子の酸化物、窒化物、酸窒化物等、もしくはこれらから構成される多層膜からなる絶縁膜10をプラズマCVD法、Cat‐CVD法、あるいはスパッタ法によって形成する。   Next, as shown in FIG. 18, at least one kind of oxide, nitride, oxynitride, or the like of at least one of Al, Ga, Si, Hf, Ti, Zr, Ta, V, or the like is configured. The insulating film 10 made of a multilayer film is formed by plasma CVD, Cat-CVD, or sputtering.

以上の方法により、図1に示す構造を持ったヘテロ接合電界効果型トランジスタが作製できる。以上では、トランジスタとして動作する必要最小限の要素しか記載していないが、最終的には配線やバイアホール等の形成プロセスを経てデバイスとして用いられる。また以上では、エピタキシャル結晶作製後の製造工程順の一例として、ソース電極6およびドレイン電極7の下に低抵抗層の形成、当該低抵抗層の上にソース電極6およびドレイン電極7の形成、素子分離領域9の形成、ゲート電極8の形成、絶縁膜10の形成の順に製造することについて説明したが、ゲート電極8の形成後に素子分離を行ってもよく、また、絶縁膜10を形成し、ゲート形成領域の絶縁膜10を除去した後に、ゲート電極8を形成してもよく、また、絶縁膜10の形成後に素子分離を行い、ゲート形成領域の絶縁膜10を除去した後に、ゲート電極8を形成してもよい。   By the above method, a heterojunction field effect transistor having the structure shown in FIG. 1 can be manufactured. Although only the minimum necessary elements that operate as a transistor are described above, the element is finally used as a device through a formation process of wiring, via holes, and the like. In the above, as an example of the order of the manufacturing process after the epitaxial crystal is formed, the low resistance layer is formed under the source electrode 6 and the drain electrode 7, the source electrode 6 and the drain electrode 7 are formed over the low resistance layer, the element The manufacturing of the isolation region 9, the formation of the gate electrode 8, and the formation of the insulating film 10 has been described in this order. However, element isolation may be performed after the formation of the gate electrode 8, and the insulating film 10 may be formed. The gate electrode 8 may be formed after the insulating film 10 in the gate forming region is removed, or element isolation is performed after the insulating film 10 is formed, and then the gate electrode 8 is removed after removing the insulating film 10 in the gate forming region. May be formed.

なお、図12に示した構造をMOCVD法を用いて基板1上にエピタキシャル成長する時に、窒化物半導体の原料ガスとなるトリメチルアンモニウム、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アンモニア、あるいは、n型ドーパントの原料ガスとなるシラン等の流量や圧力、温度、時間を調整し、各窒化物半導体層を所望の組成、膜厚、ドーピング濃度とすることによって、図1に示した種々の窒化物半導体ヘテロ接合電界効果型トランジスタを作製することができる。   Note that when the structure shown in FIG. 12 is epitaxially grown on the substrate 1 using the MOCVD method, trimethylammonium, trimethylgallium, trimethylindium, ammonia, or an n-type dopant source gas, which is a nitride semiconductor source gas, is used. The various nitride semiconductor heterojunction field effect types shown in FIG. 1 are obtained by adjusting the flow rate, pressure, temperature, and time of the silane, etc., so that each nitride semiconductor layer has a desired composition, film thickness, and doping concentration. A transistor can be manufactured.

また、図13,14に示すソース電極6およびドレイン電極7の形成領域へのn型不純物となるイオン注入前に、図19に示すように、レジストパターン等をマスク13として、Cl2等を用いたドライエッチング法などによって、ソース電極6およびドレイン電極7を形成する領域の下側の少なくとも一部の窒化物半導体層内を除去することによって、図6に示すような構造の窒化物半導体ヘテロ接合電界効果型トランジスタを作製することができる。なお、ソース電極6およびドレイン電極7の形成領域の下側への低抵抗層の形成工程は、図19に示すエッチング工程の前後いずれであってもよい。形成した低抵抗層上にリフトオフ法等によりソース電極6ドレイン電極7を形成することによって、図6に示すような構造の窒化物半導体ヘテロ接合電界効果型トランジスタが作製できる。 Use also before the ion implantation to be an n-type impurity to form regions of the source electrode 6 and drain electrode 7 shown in FIG. 13 and 14, as shown in FIG. 19, a resist pattern such as a mask 13, a Cl 2 or the like The nitride semiconductor heterojunction having the structure shown in FIG. 6 is removed by removing at least a part of the nitride semiconductor layer below the region where the source electrode 6 and the drain electrode 7 are formed by a dry etching method or the like. A field effect transistor can be manufactured. The formation process of the low resistance layer below the formation region of the source electrode 6 and the drain electrode 7 may be either before or after the etching process shown in FIG. By forming the source electrode 6 and the drain electrode 7 on the formed low resistance layer by a lift-off method or the like, a nitride semiconductor heterojunction field effect transistor having a structure as shown in FIG. 6 can be manufactured.

また、図17に示すゲート電極8を形成する前に、図20に示すように、レジストパターン等をマスク131として、Cl2等を用いたドライエッチング法などによってゲート電極8を形成するゲート形成領域15の第4の窒化物半導体層5の一部を除去する。エッチングを行なう際に、エッチング時間やガス流量を調整することによって、所望のエッチング深さを形成することができ、その後、図17で示した方法でゲート電極8を形成することで、図7に示すようなリセス深さをもつ構造の窒化物半導体へテロ接合電界効果型トランジスタを作製することができる。 In addition, before forming the gate electrode 8 shown in FIG. 17, as shown in FIG. 20, a gate formation region in which the gate electrode 8 is formed by a dry etching method using Cl 2 or the like using a resist pattern or the like as a mask 131. Part of the 15th fourth nitride semiconductor layer 5 is removed. When etching is performed, a desired etching depth can be formed by adjusting the etching time and the gas flow rate, and then the gate electrode 8 is formed by the method shown in FIG. A nitride semiconductor heterojunction field effect transistor having a structure having a recess depth as shown can be manufactured.

また、図17に示すゲート電極8の形成前に、図21に示すように、窒化物半導体層の表面を、例えば蒸着法やプラズマCVD法、Cat‐CVD法、ALE法などを用いて、Al,Ga,Si,Hf,Ti,Zr,Ta,V等のうち少なくとも1種類以上の原子を含む酸化物、窒化物、酸窒化物等からなる絶縁膜10を堆積し、ゲート電極8を形成するゲート形成領域15に開口を持つレジストマスク131や酸化膜マスク等を介してドライエッチングあるいはウェットエッチングによってゲート形成領域15の絶縁膜10を除去する。マスク除去後、エッチングによって開口した絶縁膜10の開口よりも広い開口を有するレジストパターンを利用して蒸着法によってゲートメタルとなる電極金属を堆積し、リフトオフ法等によってゲート電極81を形成することで、図9に示す構造の窒化物半導体電界効果型トランジスタを作製することができる。   In addition, before forming the gate electrode 8 shown in FIG. 17, as shown in FIG. 21, the surface of the nitride semiconductor layer is formed by using, for example, an evaporation method, a plasma CVD method, a Cat-CVD method, an ALE method, or the like. , Ga, Si, Hf, Ti, Zr, Ta, V, etc., deposit an insulating film 10 made of an oxide, nitride, oxynitride or the like containing at least one kind of atom to form the gate electrode 8. The insulating film 10 in the gate forming region 15 is removed by dry etching or wet etching through a resist mask 131 having an opening in the gate forming region 15 or an oxide film mask. After removing the mask, an electrode metal that becomes a gate metal is deposited by an evaporation method using a resist pattern having an opening wider than the opening of the insulating film 10 opened by etching, and a gate electrode 81 is formed by a lift-off method or the like. A nitride semiconductor field effect transistor having the structure shown in FIG. 9 can be manufactured.

また、最終的にデバイスとして使用するには、ソース電極6およびドレイン電極7上を覆うように形成された絶縁膜10の一部を、例えばフッ酸等を用いてウェットエッチングして除去した後、配線電極を形成する必要がある。また、絶縁膜10を形成後にウェットエッチングで容易に除去できる絶縁膜、例えばSiOのような絶縁膜110を形成する。その後、図22に示すように、ゲート電極8を形成するゲート形成領域15に開口を持つレジストマスク等を介してドライエッチングやウェットエッチングによってゲート形成領域15の絶縁膜110および絶縁膜10を順次除去する。マスク131の除去後、エッチングによって開口した絶縁膜110および絶縁膜10の開口よりも広い開口を有するレジストパターンを利用して蒸着法によってゲートメタルとなる電極金属を堆積し、リフトオフ法等によってゲート電極81を形成する。そして、ウェットエッチングされやすい絶縁膜110を例えばバッファードフッ酸によって除去することで、ゲート電極81の傘下の絶縁膜110がない構造である、図8に示す構造の窒化物半導体電界効果型トランジスタを作製することができる。さらに、ウェットエッチングの処理条件(時間や濃度)を調整することによって、所望の領域に絶縁膜110を残した図10に示す構造の窒化物半導体電界効果型トランジスタを作製することができる。   Further, in order to finally use as a device, a part of the insulating film 10 formed so as to cover the source electrode 6 and the drain electrode 7 is removed by wet etching using, for example, hydrofluoric acid, It is necessary to form a wiring electrode. Further, an insulating film that can be easily removed by wet etching after the insulating film 10 is formed, for example, an insulating film 110 such as SiO is formed. After that, as shown in FIG. 22, the insulating film 110 and the insulating film 10 in the gate forming region 15 are sequentially removed by dry etching or wet etching through a resist mask having an opening in the gate forming region 15 where the gate electrode 8 is formed. To do. After the removal of the mask 131, an electrode metal to be a gate metal is deposited by an evaporation method using an insulating film 110 opened by etching and a resist pattern having an opening wider than the opening of the insulating film 10, and a gate electrode is formed by a lift-off method or the like. 81 is formed. Then, the nitride semiconductor field effect transistor having the structure shown in FIG. 8 having the structure without the insulating film 110 under the gate electrode 81 is removed by removing the insulating film 110 that is easily wet-etched with, for example, buffered hydrofluoric acid. Can be produced. Furthermore, by adjusting the wet etching process conditions (time and concentration), a nitride semiconductor field effect transistor having the structure shown in FIG. 10 in which the insulating film 110 is left in a desired region can be manufactured.

また、ゲートリセス構造を形成した後に、種々の形状のゲート電極8を形成してもよい。   Further, after forming the gate recess structure, the gate electrode 8 having various shapes may be formed.

また、図13,14に示すソース・ドレイン電極形成領域下の低抵抗領域(高濃度n型不純物領域12)の形成およびソース電極6およびドレイン電極7の形成、図16に示す素子分離領域9の形成、図17,20〜22に示すゲート電極8,81の形成の3つの工程は必ずしもこの順に行なう必要はなく、工程の順番を入れ替えてもよい。例えば、ソース電極6およびドレイン電極7を形成する前に、素子分離領域9を形成してもよい。また、リセス形成、絶縁膜形成、ゲート電極形成の順に形成した後に、再度絶縁膜形成を行い、ゲート電極と第4の窒化物半導体層5との側面における絶縁性を高めても良い。   Further, the formation of the low resistance region (high concentration n-type impurity region 12) and the formation of the source electrode 6 and the drain electrode 7 below the source / drain electrode formation region shown in FIGS. The three steps of forming and forming the gate electrodes 8 and 81 shown in FIGS. 17 and 20 to 22 are not necessarily performed in this order, and the order of the steps may be changed. For example, the element isolation region 9 may be formed before the source electrode 6 and the drain electrode 7 are formed. Further, after forming the recess, the insulating film, and the gate electrode in this order, the insulating film may be formed again to enhance the insulating properties on the side surfaces of the gate electrode and the fourth nitride semiconductor layer 5.

また、上述したプロセスは全て個々に採用する必要はなく、それぞれを組み合わせたプロセスによって図11に示すような構造が形成できる。   Moreover, it is not necessary to employ all the processes described above, and a structure as shown in FIG. 11 can be formed by a process combining them.

以上のことから、本実施の形態によれば、窒化物半導体よりなるヘテロ接合電界効果型トランジスタにおいて、第3の窒化物半導体層4(チャネル層)の直下層に薄い第2の窒化物半導体層3(AlN層)を有した構造にすることにより、第4の窒化物半導体層5(バリア層)と第3の窒化物半導体層4(チャネル層)との界面への二次元電子ガスの閉じ込めが向上し、良好なピンチオフ特性が得られる。また、従来(例えば特許文献1)に記載のチャネル層の直下層に3元合金であるAlGaN層を有する構造に比べて、二次元電子ガスの合金散乱の影響を低下することができ、移動度の低下を抑制することができる。また、第2の窒化物半導体層3(AlN層)の厚さを4nm以下にすることで上下層(第2の窒化物半導体層および第4の窒化物半導体層)との間で急激なバンドギャップ差を生じさせることができ、さらにダブルチャネル構造を回避することができるため、リーク電流の減少や、耐圧を向上させることができる。また、二次元電子ガスの閉じ込め幅を広くすることなく第3の窒化物半導体層4(チャネル層)を厚くすることができるため、第3の窒化物半導体層4(チャネル層)の結晶性を向上させ、第4の窒化物半導体層5(バリア層)とのヘテロ界面の結晶性や表面モフォロジーが向上し、移動度の向上が可能となる。これにより、ゲート長を短くしても短チャンネル効果が抑制されるため、高周波特性の向上、高効率化、移動度向上による高出力化が可能となる。   From the above, according to the present embodiment, in the heterojunction field effect transistor made of a nitride semiconductor, the thin second nitride semiconductor layer is formed immediately below the third nitride semiconductor layer 4 (channel layer). By having a structure having 3 (AlN layer), confinement of the two-dimensional electron gas at the interface between the fourth nitride semiconductor layer 5 (barrier layer) and the third nitride semiconductor layer 4 (channel layer) And a good pinch-off characteristic is obtained. In addition, the influence of alloy scattering of a two-dimensional electron gas can be reduced as compared with a structure having an AlGaN layer, which is a ternary alloy, immediately below the channel layer described in the prior art (for example, Patent Document 1). Can be suppressed. Further, when the thickness of the second nitride semiconductor layer 3 (AlN layer) is set to 4 nm or less, a sharp band is formed between the upper and lower layers (the second nitride semiconductor layer and the fourth nitride semiconductor layer). Since a gap difference can be generated and a double channel structure can be avoided, leakage current can be reduced and breakdown voltage can be improved. In addition, since the third nitride semiconductor layer 4 (channel layer) can be thickened without increasing the confinement width of the two-dimensional electron gas, the crystallinity of the third nitride semiconductor layer 4 (channel layer) can be increased. Thus, the crystallinity and surface morphology of the hetero interface with the fourth nitride semiconductor layer 5 (barrier layer) are improved, and the mobility can be improved. Thereby, even if the gate length is shortened, the short channel effect is suppressed, so that it is possible to improve the high frequency characteristics, increase the efficiency, and increase the output by improving the mobility.

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。   In the present invention, the embodiments can be appropriately modified and omitted within the scope of the invention.

1 半絶縁性SiC基板、2 第1の窒化物半導体層、3 第2の窒化物半導体層、4 第3の窒化物半導体層、5 第4の窒化物半導体層、6 ソース電極、7 ドレイン電極、8 ゲート電極、9 素子分離領域、10 絶縁膜、11 二次元電子ガス、12 高濃度n型不純物領域、13 マスク、14 イオン、15 ゲート形成領域、81 ゲート電極、110 絶縁膜、131 マスク。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semi-insulating SiC substrate, 2 1st nitride semiconductor layer, 3rd 2nd nitride semiconductor layer, 4th 3rd nitride semiconductor layer, 5th 4th nitride semiconductor layer, 6 source electrode, 7 drain electrode 8 gate electrode, 9 element isolation region, 10 insulating film, 11 two-dimensional electron gas, 12 high-concentration n-type impurity region, 13 mask, 14 ions, 15 gate formation region, 81 gate electrode, 110 insulating film, 131 mask.

Claims (6)

窒化物半導体からなるヘテロ接合電界効果型トランジスタであって、
基板上に形成されたバッファ層である第1の窒化物半導体層と、
前記第1の窒化物半導体層上に形成された障壁層である第2の窒化物半導体層と、
前記第2の窒化物半導体層上に形成されたチャネル層である第3の窒化物半導体層と、
を備え、
前記第2の窒化物半導体層はAlNであり、前記第3の窒化物半導体層はAlaInbGa1-(a+b)N(0≦a<1、0≦b≦1、0≦a+b≦1)であることを特徴とする、ヘテロ接合電界効果型トランジスタ。
A heterojunction field effect transistor made of a nitride semiconductor,
A first nitride semiconductor layer that is a buffer layer formed on the substrate;
A second nitride semiconductor layer which is a barrier layer formed on the first nitride semiconductor layer;
A third nitride semiconductor layer which is a channel layer formed on the second nitride semiconductor layer;
With
The second nitride semiconductor layer is AlN, and the third nitride semiconductor layer is Al a In b Ga 1-(a + b) N (0 ≦ a <1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ a + b ≦ 1). A heterojunction field-effect transistor.
前記第3の窒化物半導体層上に形成されたバリア層である第4の窒化物半導体層をさらに備え、
前記第4の窒化物半導体層はAlcIndGa1-(c+d)N(0≦c<1、0≦d≦1、0≦c+d≦1)であり、当該第4の窒化物半導体層は前記第3の窒化物半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きいことを特徴とする、請求項1に記載のヘテロ接合電界効果型トランジスタ。
A fourth nitride semiconductor layer that is a barrier layer formed on the third nitride semiconductor layer;
The fourth nitride semiconductor layer is Al c In d Ga 1- (c + d) N (0 ≦ c <1,0 ≦ d ≦ 1,0 ≦ c + d ≦ 1), the fourth nitride The heterojunction field effect transistor according to claim 1, wherein the semiconductor layer has a band gap energy larger than that of the third nitride semiconductor layer.
前記第1の窒化物半導体層はAleInfGa1-(e+f)N(0≦e<1、 0≦f≦1、0≦e+f≦1)であり、当該第1の窒化物半導体層は前記第3の窒化物半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きいことを特徴とする、請求項1または2に記載のヘテロ接合電界効果型トランジスタ。 The first nitride semiconductor layer is 1- Al e In f Ga (e + f) N (0 ≦ e <1, 0 ≦ f ≦ 1,0 ≦ e + f ≦ 1), the first nitride 3. The heterojunction field effect transistor according to claim 1, wherein the semiconductor layer has a band gap energy larger than that of the third nitride semiconductor layer. 前記第1の窒化物半導体層と前記第2の窒化物半導体層との界面における伝導体準位は、フェルミ準位よりも高いことを特徴とする、請求項1ないし3のいずれかに記載のヘテロ接合電界効果型トランジスタ。   4. The conductor level at the interface between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer is higher than the Fermi level. Heterojunction field effect transistor. 前記第3の窒化物半導体層は、バンドギャップエネルギーがGaNよりも大きいことを特徴とする、請求項1ないし4のいずれかに記載のヘテロ接合電界効果型トランジスタ。   The heterojunction field effect transistor according to any one of claims 1 to 4, wherein the third nitride semiconductor layer has a band gap energy larger than that of GaN. 窒化物半導体からなるヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造方法であって、
(a)基板上にバッファ層である第1の窒化物半導体層を形成する工程と、
(b)前記第1の窒化物半導体層上に障壁層である第2の窒化物半導体層を形成する工程と、
(c)前記第2の窒化物半導体層上にチャネル層である第3の窒化物半導体層を形成する工程と、
(d)前記第3の窒化物半導体層上にバリア層である第4の窒化物半導体層を形成する工程と、
を備え、
前記第1の窒化物半導体層はAleInfGa1-(e+f)N(0≦e<1、 0≦f≦1、0≦e+f≦1)であり、前記第2の窒化物半導体層はAlNであり、前記第3の窒化物半導体層はAlaInbGa1-(a+b)N(0≦a<1、0≦b≦1、0≦a+b≦1)であり、前記第4の窒化物半導体層はAlcIndGa1-(c+d)N(0≦c<1、0≦d≦1、0≦c+d≦1)であり、
前記第1の窒化物半導体層および前記第4の窒化物半導体層は、前記第3の窒化物半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きいことを特徴とする、ヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造方法。
A method of manufacturing a heterojunction field effect transistor made of a nitride semiconductor,
(A) forming a first nitride semiconductor layer as a buffer layer on a substrate;
(B) forming a second nitride semiconductor layer as a barrier layer on the first nitride semiconductor layer;
(C) forming a third nitride semiconductor layer as a channel layer on the second nitride semiconductor layer;
(D) forming a fourth nitride semiconductor layer as a barrier layer on the third nitride semiconductor layer;
With
The first nitride semiconductor layer is 1- Al e In f Ga (e + f) N (0 ≦ e <1, 0 ≦ f ≦ 1,0 ≦ e + f ≦ 1), the second nitride The semiconductor layer is AlN, and the third nitride semiconductor layer is Al a In b Ga 1- (a + b) N (0 ≦ a <1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ a + b ≦ 1). The fourth nitride semiconductor layer is Al c In d Ga 1- (c + d) N (0 ≦ c <1, 0 ≦ d ≦ 1, 0 ≦ c + d ≦ 1),
The method for manufacturing a heterojunction field effect transistor, wherein the first nitride semiconductor layer and the fourth nitride semiconductor layer have a band gap energy larger than that of the third nitride semiconductor layer.
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