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JP5285252B2 - Nitride semiconductor device - Google Patents

Nitride semiconductor device Download PDF

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JP5285252B2 JP2007236115A JP2007236115A JP5285252B2 JP 5285252 B2 JP5285252 B2 JP 5285252B2 JP 2007236115 A JP2007236115 A JP 2007236115A JP 2007236115 A JP2007236115 A JP 2007236115A JP 5285252 B2 JP5285252 B2 JP 5285252B2
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Description

本発明は、能動層に窒化物半導体を用いた窒化物半導体装置に関し、特に高電子移動度トランジスタ(HEMT:High Electron Mobility Transistor)や電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)のような、半導体装置にショットキ接触する制御電極を有する窒化物半導体装置に関する。   The present invention relates to a nitride semiconductor device using a nitride semiconductor as an active layer, and in particular, a semiconductor device such as a high electron mobility transistor (HEMT) or a field effect transistor (FET). The present invention relates to a nitride semiconductor device having a control electrode in Schottky contact.

図5は、従来のIII−V族窒化物半導体からなる半導体装置の断面図を示している。図5に示す半導体装置は、いわゆるHEMT構造を示しており、サファイア基板からなる基板11上には、窒化ガリウム(GaN)からなるバッファ層12 、窒化ガリウムからなるチャネル層13、n型窒化アルミニウムガリウム(AlGaN )からなるキャリア供給層14、ノンドープの窒化アルミニウムガリウムからなるショットキ層15が順次積層した構造となっており、チャネル層13とキャリア供給層14とからなるヘテロ接合界面近傍に、ポテンシャル井戸からなる電子移動度が極めて大きい2次元電子ガス層が形成されている。このような構造の半導体装置では、ショットキ層15にショットキ接触するゲート電極18に印加する電圧を制御することにより、ソース電極17aとドレイン電極17bとの間を流れるキャリア(2次元電子ガス)を制御している。16は、窒化硅素からなるキャップ層である。   FIG. 5 shows a cross-sectional view of a conventional semiconductor device made of a group III-V nitride semiconductor. The semiconductor device shown in FIG. 5 has a so-called HEMT structure, on a substrate 11 made of a sapphire substrate, a buffer layer 12 made of gallium nitride (GaN), a channel layer 13 made of gallium nitride, and n-type aluminum gallium nitride. A carrier supply layer 14 made of (AlGaN) and a Schottky layer 15 made of non-doped aluminum gallium nitride are sequentially stacked. From the potential well in the vicinity of the heterojunction interface made up of the channel layer 13 and the carrier supply layer 14. A two-dimensional electron gas layer with extremely high electron mobility is formed. In the semiconductor device having such a structure, the carrier (two-dimensional electron gas) flowing between the source electrode 17a and the drain electrode 17b is controlled by controlling the voltage applied to the gate electrode 18 in Schottky contact with the Schottky layer 15. doing. Reference numeral 16 denotes a cap layer made of silicon nitride.

このような構造の従来の窒化物半導体装置の耐圧は、ゲート金属と窒化物半導体層との接触で形成されるショットキ特性に大きく左右されている。一般的に窒化物半導体層、例えば窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)層や窒化ガリウム(GaN)層上に形成されるゲート金属のショットキ特性は、高いゲートリーク電流が見られ、これが衝突イオン化のトリガーとなり、高出力素子の窒化物半導体装置の重要なパラメータであるオフ耐圧(FETがオフ状態でのドレイン耐圧)を予想される数値よりも低下させて、ワイドギャップ材料の高耐圧という特性を十分に引き出すことができないという問題点があった。一方窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)層や窒化ガリウム(GaN)層などの窒化物半導体層上にゲート電極を形成した半導体装置においても、窒化物半導体層の表面準位にトラップされた電子により、表面のポテンシャルが揺らぎ、電流−電圧特性の周波数分散(電流コラプス)が生じるという問題があった。   The breakdown voltage of the conventional nitride semiconductor device having such a structure is greatly influenced by the Schottky characteristic formed by the contact between the gate metal and the nitride semiconductor layer. In general, Schottky characteristics of a gate metal formed on a nitride semiconductor layer, such as an aluminum gallium nitride (AlGaN) layer or a gallium nitride (GaN) layer, show a high gate leakage current, which triggers impact ionization, Reduce the breakdown voltage (drain breakdown voltage when the FET is off), which is an important parameter for nitride semiconductor devices with high output elements, to a lower level than expected, and fully exploit the high breakdown voltage characteristics of wide gap materials. There was a problem that could not. On the other hand, even in a semiconductor device in which a gate electrode is formed on a nitride semiconductor layer such as an aluminum gallium nitride (AlGaN) layer or a gallium nitride (GaN) layer, the surface trapped by electrons trapped in the surface level of the nitride semiconductor layer There is a problem that the potential fluctuates and frequency dispersion (current collapse) of the current-voltage characteristic occurs.

このような問題を解消するため、本願出願人は、絶縁特性の優れた微結晶構造の窒化物半導体層を備えた窒化物半導体装置を提案している(特許文献1、特許文献2)。   In order to solve such a problem, the applicant of the present application has proposed a nitride semiconductor device including a nitride semiconductor layer having a microcrystalline structure with excellent insulating characteristics (Patent Documents 1 and 2).

一方、従来耐圧を改善するためには、図6のようなフィールドプレート構造を用いることが知られている。従来のフィールドプレート構造は、窒化物半導体層とゲート電極と接続する電極部との間には、窒化珪素や酸化珪素等からなるキャップ層16が用いられている(例えば、特許文献3)。
特開2005−311029号公報 特開2005−183906号公報 特開2004−200248号公報
On the other hand, in order to improve the breakdown voltage, it is known to use a field plate structure as shown in FIG. In a conventional field plate structure, a cap layer 16 made of silicon nitride, silicon oxide, or the like is used between a nitride semiconductor layer and an electrode portion connected to a gate electrode (for example, Patent Document 3).
Japanese Patent Laying-Open No. 2005-311029 JP-A-2005-183906 JP 2004-200248 A

本願出願人が先に提案した絶縁特性の優れた微結晶構造の窒化物半導体層を備えた窒化物半導体装置は、表面順位にトラップされる電子の制御若しくは表面準位密度の低減により、電流コラプス減少が抑制され高周波特性が改善された。しかし、さらに高耐圧化が望まれている。   The nitride semiconductor device provided with the nitride semiconductor layer having a microcrystalline structure with excellent insulation characteristics previously proposed by the applicant of the present application has a current collapse by controlling electrons trapped in the surface order or reducing the surface state density. Reduction was suppressed and high frequency characteristics were improved. However, higher breakdown voltage is desired.

一方、従来のフィールドプレート構造を備える半導体装置では、キャップ層として窒化珪素または酸化珪素が用いられていたため、酸化珪素を用いると電流コラプスが発生し、窒化珪素を用いると酸化珪素を用いるときよりも耐圧が低下する問題があった。   On the other hand, in a semiconductor device having a conventional field plate structure, silicon nitride or silicon oxide is used as a cap layer. Therefore, current collapse occurs when silicon oxide is used, and when silicon nitride is used, silicon oxide is used compared to when silicon oxide is used. There was a problem that the breakdown voltage decreased.

本発明は、窒化物半導体層に形成されるゲート電極のショットキ特性におけるリーク電流を大幅に低減し、窒化物半導体層内での衝突イオン化を抑制することにより高耐圧化を実現し、また同時に電流コラプスを抑制することができる窒化物半導体装置を提供することを目的とする。   The present invention significantly reduces the leakage current in the Schottky characteristics of the gate electrode formed in the nitride semiconductor layer, and achieves high breakdown voltage by suppressing impact ionization in the nitride semiconductor layer, and at the same time, An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor device capable of suppressing collapse.

上記目的を達成するため、本願請求項1に係る発明は、ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも1つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むV族元素で構成されたIII−V族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、基板上に積層した第1の窒化物半導体層と、該第1の窒化物半導体層の上に積層した前記III−V族窒化物半導体層からなり、アルミニウムを含まない第2の窒化物半導体層と、前記第1の窒化物半導体層にオーミック接触するソース電極およびドレイン電極と、ゲート電極とを備え、前記第2の窒化物半導体層は、前記第1の窒化物半導体層より成膜温度の低い微結晶構造からなり、前記ゲート電極は、前記第2の窒化物半導体層の一部を切り欠くとともに底部に前記第2の窒化物半導体層を残して形成した凹部内で、該凹部の底部に残る前記第2の窒化物半導体層にショットキ接触し、前記凹部の底部に残る前記第2の窒化物半導体層より厚い前記ドレイン側の前記第2の窒化物半導体層上に延出するフィールドプレート部を備えたことを特徴とする In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 of the present application provides at least one group III element consisting of at least one of the group consisting of gallium, aluminum, boron and indium, and at least one of the group consisting of nitrogen, phosphorus and arsenic. In a nitride semiconductor device including a group III-V nitride semiconductor layer composed of a group V element containing nitrogen, a first nitride semiconductor layer stacked on a substrate, and a top of the first nitride semiconductor layer A second nitride semiconductor layer that does not contain aluminum, a source electrode and a drain electrode that are in ohmic contact with the first nitride semiconductor layer, and a gate electrode. The second nitride semiconductor layer has a microcrystalline structure whose deposition temperature is lower than that of the first nitride semiconductor layer, and the gate electrode is a part of the second nitride semiconductor layer. In a cut in the recess formed by leaving said second nitride semiconductor layer on the bottom with missing rather, Schottky contact with the second nitride semiconductor layer remaining on the bottom of the recess, remains in the bottom of the recess the A field plate portion extending on the second nitride semiconductor layer on the drain side, which is thicker than the second nitride semiconductor layer, is provided .

本発明の窒化物半導体装置は、ゲート−ドレイン電極間に絶縁性の高い微結晶構造からなる窒化物半導体層を備える構造とすることで、ゲート−ドレイン電極間の表面準位にトラップされる電子の抑制若しくは表面準位密度の低減により電流コラプス現象が抑制され、高周波特性も改善される。同時に、フィールドプレート部直下には、窒化珪素を用いる代わりに、耐圧の低下を抑制する低温成長で形成した絶縁性の高い微結晶構造の窒化物半導体層を備える構造となっているので、従来のフィールドプレート構造よりもさらに高い耐圧も持つ窒化物半導体装置を形成することができる。   The nitride semiconductor device of the present invention has a structure including a nitride semiconductor layer having a highly insulating microcrystalline structure between a gate and a drain electrode, whereby electrons trapped in a surface level between the gate and the drain electrode. The current collapse phenomenon is suppressed and the high-frequency characteristics are improved by suppressing the current density or reducing the surface state density. At the same time, instead of using silicon nitride, instead of using silicon nitride, it has a structure having a nitride semiconductor layer having a highly insulating microcrystalline structure formed by low-temperature growth that suppresses a decrease in breakdown voltage. A nitride semiconductor device having a higher breakdown voltage than the field plate structure can be formed.

また特に、ゲート電極を微結晶構造の薄い窒化物半導体層を介してショットキ接合を形成するように形成すると、さらに高い耐圧を持つ窒化物半導体装置を形成することができる。   In particular, when the gate electrode is formed so as to form a Schottky junction through a thin nitride semiconductor layer having a microcrystalline structure, a nitride semiconductor device having a higher breakdown voltage can be formed.

以下、本発明の窒化物半導体装置について、III−V族窒化物半導体装置であるHEMTを例にとり、詳細に説明する。   Hereinafter, the nitride semiconductor device of the present invention will be described in detail by taking a HEMT as a group III-V nitride semiconductor device as an example.

参考例1Reference example 1

図1は本発明の第1の参考例の窒化物半導体装置の断面図を、図2はその製造工程の説明図を示している。図2(a)に示すように、炭化珪素(SiC)からなる基板11上に、MOCVD(有機金属化学的気相堆積)法、MBE(電子ビームエピタキシャル)法等により、厚さ200nm程度の窒化アルミニウム(AlN)からなるバッファ層12、厚さ2.5μmのノンドープ窒化ガリウム(GaN)からなるチャネル層13、n型窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)からなるキャリア供給層14、ノンドープの窒化アルミニウムガリウムからなるショットキ層15、ショットキ層15の成膜温度よりも500℃程度低い温度で形成された厚さ100nmの微結晶構造のノンドープ窒化ガリウム(GaN)からなる微結晶構造のキャップ層19を積層形成している。微結晶構造のキャップ層19は、ショットキ層15の成膜温度より500℃程度低い温度で成膜することにより、絶縁性の高い窒化物半導体層となる。具体的には、微結晶構造のキャップ層19の比抵抗は、1011Ω・cm程度の高抵抗となっている。(チャネル層13やショットキ層15等の窒化物半導体層は、成膜温度1130℃でエピタキシャル成長している。)なお、この微結晶構造のキャップ層19上には、後述するようにフィールドプレート部が形成されるため、窒化物半導体装置の動作条件に応じて所望の厚さに形成する必要がある。 FIG. 1 is a sectional view of a nitride semiconductor device according to a first reference example of the present invention, and FIG. 2 is an explanatory view of the manufacturing process. As shown in FIG. 2A, nitridation with a thickness of about 200 nm is performed on a substrate 11 made of silicon carbide (SiC) by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) method, MBE (electron beam epitaxial) method, or the like. Buffer layer 12 made of aluminum (AlN), channel layer 13 made of non-doped gallium nitride (GaN) with a thickness of 2.5 μm, carrier supply layer 14 made of n-type aluminum gallium nitride (AlGaN), made of non-doped aluminum gallium nitride A cap crystal 19 having a microcrystalline structure made of non-doped gallium nitride (GaN) having a microcrystalline structure and having a thickness of 100 nm formed at a temperature lower by about 500 ° C. than the film forming temperature of the Schottky layer 15 is formed. Yes. The cap layer 19 having a microcrystalline structure is formed at a temperature lower by about 500 ° C. than the film formation temperature of the Schottky layer 15, thereby becoming a highly insulating nitride semiconductor layer. Specifically, the specific resistance of the cap layer 19 having a microcrystalline structure has a high resistance of about 10 11 Ω · cm. (Nitride semiconductor layers such as the channel layer 13 and the Schottky layer 15 are epitaxially grown at a film forming temperature of 1130 ° C.) Note that a field plate portion is formed on the cap layer 19 having this microcrystalline structure as described later. Therefore, it is necessary to form the nitride semiconductor device in a desired thickness according to the operating conditions of the nitride semiconductor device.

微結晶構造のキャップ層19は、成長条件を同一条件として成長した厚さ1μmのGaN層をX線回折で結晶性の評価を行った場合、(004)面におけるX線回折ロッキングカーブの半値幅が12000秒となる。従って、微結晶構造のキャップ層19は多結晶構造であることが確認されている。(なお、1130℃で結晶成長したGaN層は、単結晶構造であり、その半値幅は300〜600秒となる。)   The cap layer 19 having a microcrystalline structure has a full width at half maximum of the X-ray diffraction rocking curve on the (004) plane when the crystallinity of the GaN layer having a thickness of 1 μm grown under the same growth conditions is evaluated by X-ray diffraction. Becomes 12000 seconds. Therefore, it is confirmed that the cap layer 19 having a microcrystalline structure has a polycrystalline structure. (Note that the GaN layer grown at 1130 ° C. has a single crystal structure, and its half-value width is 300 to 600 seconds.)

次に図2(b)に示すように、ショットキ層15上のソース電極17a、ドレイン電極17b形成領域にある微結晶構造のキャップ層19を除去し、ショットキ層15を露出させる。その後、図2(c)に示すようにチタン(Ti)/アルミニウム(Al)からなるソース電極17a、ドレイン電極17bを形成し、850℃30秒の急速加熱を行い、ショットキ層15にオーミック接触を形成する。   Next, as shown in FIG. 2B, the cap layer 19 having a microcrystalline structure in the source electrode 17a and drain electrode 17b formation regions on the Schottky layer 15 is removed, and the Schottky layer 15 is exposed. Thereafter, as shown in FIG. 2C, a source electrode 17a and a drain electrode 17b made of titanium (Ti) / aluminum (Al) are formed, and rapid heating is performed at 850 ° C. for 30 seconds to make ohmic contact with the Schottky layer 15. Form.

次に図2(d)に示すように、ソース電極17a、ドレイン電極17b間のゲート電極形成領域にある微結晶構造のキャップ層19の一部を凹状に除去し、その底部にショットキ層15を露出させる。その後、図2(e)に示すようにニッケル(Ni)/(Au)の積層体等からなるゲート電極18を凹状部分およびドレイン電極17b側の微結晶構造のキャップ層19上に延出するように形成する。凹状部分の底部では、ゲート電極18とショットキ層15との間にショットキ接触が形成され、ドレイン電極17b側に延出するゲート電極18は、フィールドプレート部を形成する。   Next, as shown in FIG. 2D, a part of the microcrystalline structure cap layer 19 in the gate electrode formation region between the source electrode 17a and the drain electrode 17b is removed in a concave shape, and a Schottky layer 15 is formed on the bottom thereof. Expose. Thereafter, as shown in FIG. 2E, the gate electrode 18 made of a nickel (Ni) / (Au) laminate or the like is extended on the concave portion and the cap layer 19 having a microcrystalline structure on the drain electrode 17b side. To form. At the bottom of the concave portion, a Schottky contact is formed between the gate electrode 18 and the Schottky layer 15, and the gate electrode 18 extending toward the drain electrode 17b forms a field plate portion.

本発明の参考例では、絶縁性の高い微結晶構造のキャップ層19を備える構造となっているため、ゲートリーク電流が減少し、チャネルでの衝突イオン化が抑制できる。さらにフィールドプレート構造とすることにより、ゲート電極端の電界集中が緩和できる。その結果、オフ耐圧が従来の100Vから170Vに改善された。窒化物半導体HEMTのオフ耐圧は熱暴走ではなく、衝突イオン化が起因しており、ショットキ電極からチャネルに流れ込むトンネル電流に大きく支配されていることが報告されている(International Conference on Nitride Semiconductor , Nara , 2003 , Tu-P2.067)。 In the reference example of the present invention, since the cap layer 19 having a highly insulating microcrystalline structure is provided, the gate leakage current is reduced and collision ionization in the channel can be suppressed. Furthermore, by using a field plate structure, electric field concentration at the gate electrode end can be reduced. As a result, the off breakdown voltage has been improved from the conventional 100V to 170V. It has been reported that the off breakdown voltage of a nitride semiconductor HEMT is not due to thermal runaway but due to impact ionization, and is largely governed by the tunnel current flowing from the Schottky electrode into the channel (International Conference on Nitride Semiconductor, Nara, 2003, Tu-P2.067).

次に図3に示す実施例について説明する。図1に示す第1の参考例と同様、炭化珪素(SiC)からなる基板11上に、MOCVD(有機金属化学的気相堆積)法、MBE(電子ビームエピタキシャル)法等により、厚さ200nm程度の窒化アルミニウム(AlN)からなるバッファ層12、厚さ2.5μmのノンドープ窒化ガリウム(GaN)からなるチャネル層13、n型窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)からなるキャリア供給層14、ノンドープの窒化アルミニウムガリウムからなるショットキ層15、ショットキ層15の成膜温度よりも500℃程度低い温度で形成された厚さ100nmの微結晶構造のキャップ層19を積層形成している。さらに、第1の参考例で説明した工程に従い、ショットキ層15上のソース電極17a、ドレイン電極17b形成領域にある微結晶構造のキャップ層19を除去し、ショットキ層15を露出させる。その後、露出するショットキ層15上にチタン(Ti)/アルミニウム(Al)からなるソース電極17a、ドレイン電極17bを形成し、850℃30秒の急速加熱を行い、ショットキ層15にオーミック接触を形成する。 Next to the actual施例explained shown in Figure 3. Similar to the first reference example shown in FIG. 1, a thickness of about 200 nm is formed on a substrate 11 made of silicon carbide (SiC) by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) method, MBE (electron beam epitaxial) method, or the like. Buffer layer 12 made of aluminum nitride (AlN), channel layer 13 made of non-doped gallium nitride (GaN) with a thickness of 2.5 μm, carrier supply layer 14 made of n-type aluminum gallium nitride (AlGaN), non-doped aluminum gallium nitride The cap layer 19 having a microcrystalline structure with a thickness of 100 nm formed at a temperature lower by about 500 ° C. than the film forming temperature of the Schottky layer 15 is formed. Further, according to the process described in the first reference example, the cap layer 19 having a microcrystalline structure in the source electrode 17a and drain electrode 17b formation regions on the Schottky layer 15 is removed, and the Schottky layer 15 is exposed. Thereafter, a source electrode 17a and a drain electrode 17b made of titanium (Ti) / aluminum (Al) are formed on the exposed Schottky layer 15, and rapid heating is performed at 850 ° C. for 30 seconds to form ohmic contact with the Schottky layer 15. .

次にソース電極17a、ドレイン電極17b間のゲート電極形成領域にある微結晶構造のキャップ層19の一部を凹状に除去する。ここで、本実施例では、微結晶構造のキャップ層19を完全に除去せず、凹状部分の底部に微結晶構造のキャップ層19を20nm以下程度残す。その後、第1の実施例で説明した工程に従い、ニッケル(Ni)/(Au)の積層体等からなるゲート電極18を凹状部分およびドレイン電極17b側の微結晶構造のキャップ層19上に延出するように形成する。凹状部分の底部では、わずかに残った微結晶構造のキャップ層19を介してゲート電極18とショットキ層15との間にショットキ接触が形成され、ドレイン電極17b側に延出するゲート電極18は、フィールドプレート部を形成する。   Next, a part of the cap layer 19 having a microcrystalline structure in the gate electrode formation region between the source electrode 17a and the drain electrode 17b is removed in a concave shape. Here, in this example, the cap layer 19 having a microcrystalline structure is not completely removed, and the cap layer 19 having a microcrystalline structure is left about 20 nm or less at the bottom of the concave portion. Thereafter, in accordance with the steps described in the first embodiment, the gate electrode 18 made of a nickel (Ni) / (Au) laminate or the like is extended on the concave portion and the cap layer 19 having a microcrystalline structure on the drain electrode 17b side. To be formed. At the bottom of the concave portion, a Schottky contact is formed between the gate electrode 18 and the Schottky layer 15 via the slightly remaining cap layer 19 of the microcrystalline structure, and the gate electrode 18 extending to the drain electrode 17b side is A field plate portion is formed.

本実施例によれば、絶縁特性に優れた微結晶のキャップ層19がショットキ界面に存在するため、ゲート電極18のショットキ障壁が高く、ゲートリークが低減し、チャネルでの衝突イオン化が抑制されるのに加え、第1の参考例よりもさらに高い耐圧特性を得ることができる。 According to the present embodiment, since the microcrystalline cap layer 19 having excellent insulating characteristics is present at the Schottky interface, the Schottky barrier of the gate electrode 18 is high, gate leakage is reduced, and collision ionization in the channel is suppressed. In addition, higher breakdown voltage characteristics can be obtained than in the first reference example.

参考例2Reference example 2

次に第1の参考例で説明した窒化物半導体装置の別の製造方法について説明する。炭化珪素(SiC)からなる基板11上に、MOCVD(有機金属化学的気相堆積)法、MBE(電子ビームエピタキシャル)法等により、図4(a)に示すように、厚さ200nm程度の窒化アルミニウム(AlN)からなるバッファ層12、厚さ2.5μmのノンドープ窒化ガリウム(GaN)からなるチャネル層13、n型窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)からなるキャリア供給層14、ノンドープの窒化アルミニウムガリウムからなるショットキ層15が順次積層した構造の半導体基板を用意する。 Next, another method for manufacturing the nitride semiconductor device described in the first reference example will be described. On a substrate 11 made of silicon carbide (SiC), nitriding with a thickness of about 200 nm is performed by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) method, MBE (electron beam epitaxial) method or the like, as shown in FIG. Buffer layer 12 made of aluminum (AlN), channel layer 13 made of non-doped gallium nitride (GaN) with a thickness of 2.5 μm, carrier supply layer 14 made of n-type aluminum gallium nitride (AlGaN), made of non-doped aluminum gallium nitride A semiconductor substrate having a structure in which the Schottky layers 15 are sequentially stacked is prepared.

次に図4(b)に示すように、ショットキ層15上のソース電極17a、ドレイン電極17bおよびゲート電極18形成領域に、微結晶構造のキャップ層19を選択成長させるため、酸化珪素(SiO2)からなるマスク材20を形成する。その後図4(c)に示すように、ショットキ層15の成膜温度よりも500℃程度低い温度で、厚さ100nmの微結晶構造のノンドープ窒化ガリウム(GaN)からなる微結晶構造のキャップ層19を電極形成部以外に選択成長させる。その後図4(d)に示すように、マスク材20を除去し、以下第1の実施例で説明した工程に従い、図4(e)に示すように、ソース電極17a、ドレイン電極17b、ゲート電極18を形成する。 Next, as shown in FIG. 4B, in order to selectively grow a cap layer 19 having a microcrystalline structure in the source electrode 17a, drain electrode 17b and gate electrode 18 formation region on the Schottky layer 15, silicon oxide (SiO 2 ) Mask material 20 is formed. Thereafter, as shown in FIG. 4C, a cap layer 19 having a microcrystalline structure made of non-doped gallium nitride (GaN) having a microcrystalline structure having a thickness of 100 nm is formed at a temperature lower by about 500 ° C. than the deposition temperature of the Schottky layer 15. Are selectively grown in areas other than the electrode forming portion. Thereafter, as shown in FIG. 4D, the mask material 20 is removed, and the source electrode 17a, the drain electrode 17b, and the gate electrode as shown in FIG. 4E according to the steps described in the first embodiment. 18 is formed.

このようにエッチングを用いることなく微結晶構造のキャップ層19を選択成長させた場合でも、第1の参考例同様、高い耐圧特性を持つ窒化物半導体装置を形成することができる。 Thus, even when the cap layer 19 having a microcrystalline structure is selectively grown without using etching, a nitride semiconductor device having high breakdown voltage characteristics can be formed as in the first reference example.

以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく変更が可能である。例えば、ゲート電極の種類、ショットキ層15やキャリア供給層14の厚さ及び不純物濃度は、制御電極直下のチャネルにキャリアが存在せず、制御電極直下以外のチャネルにキャリアが存在するように適宜選択、設定することができる。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments and can be modified. For example, the type of the gate electrode, the thickness of the Schottky layer 15 and the carrier supply layer 14, and the impurity concentration are appropriately selected so that carriers do not exist in the channel immediately below the control electrode and carriers exist in channels other than immediately below the control electrode. Can be set.

また、HEMT構造の窒化物半導体装置の代わりに、不純物が添加された窒化物半導体層を能動層(チャネル層)とし、その上に上述のショットキ層15が形成された構造のFET構造とすることができる。また、窒化物半導体層は、GaN/AlGaN系に限定されるものではなく、ゲート電極が形成される第2の窒化物半導体層(上記実施例では微結晶構造のキャップ層19に相当)は、GaN、InNあるいはこれらの混晶半導体を含み、かつアルミニウムを含まない層で構成することができる。また第1の窒化物半導体層(上記実施例ではショットキ層15に相当)は、GaN、InN、AlNあるいはこれらの混晶半導体を含む層で形成することができる。さらに、炭化珪素(SiC)基板の代わりにサファイア基板を用いてもかまわない。その場合はバッファ層として窒化ガリウム(GaN)を用いるほうが好ましい。また炭化珪素(SiC)基板の代わりにシリコン(Si)基板を用いてもかまわない。   Further, instead of the nitride semiconductor device having the HEMT structure, the nitride semiconductor layer to which impurities are added is used as an active layer (channel layer), and the above-described Schottky layer 15 is formed on the FET structure. Can do. The nitride semiconductor layer is not limited to the GaN / AlGaN system, and the second nitride semiconductor layer on which the gate electrode is formed (corresponding to the cap layer 19 having a microcrystalline structure in the above embodiment) A layer containing GaN, InN or a mixed crystal semiconductor thereof and not containing aluminum can be used. The first nitride semiconductor layer (corresponding to the Schottky layer 15 in the above embodiment) can be formed of a layer containing GaN, InN, AlN, or a mixed crystal semiconductor thereof. Furthermore, a sapphire substrate may be used instead of the silicon carbide (SiC) substrate. In that case, it is preferable to use gallium nitride (GaN) as the buffer layer. A silicon (Si) substrate may be used instead of the silicon carbide (SiC) substrate.

また第1の窒化物半導体層あるいは第2の窒化物半導体層とオーミック接触する電極の組成は、使用する窒化物半導体層の種類等に応じて、適宜選択すればよい。   The composition of the electrode in ohmic contact with the first nitride semiconductor layer or the second nitride semiconductor layer may be appropriately selected according to the type of the nitride semiconductor layer used.

なお第2の窒化物半導体層について微結晶構造と説明したが、これは微結晶粒の集合体あるいはそれらの再配列にした構造であり、成長温度、成長時の雰囲気のガス組成、成長させる基板の種類などによって、結晶粒の大きさや配列等は変わるものであり、所望のショットキ特性や絶縁特性等が得られる範囲で、成長温度を制御することによって得られるものである。第2の窒化物半導体層の成長温度は第1の窒化物半導体層の成長温度より400度以上低い温度に設定すると、HEMTあるいはFETの制御電極を形成する場合に好適である。   Although the second nitride semiconductor layer has been described as having a microcrystalline structure, this is an aggregate of microcrystalline grains or a structure in which they are rearranged, the growth temperature, the gas composition of the atmosphere during growth, and the substrate to be grown. The size and arrangement of the crystal grains vary depending on the type of the material, and can be obtained by controlling the growth temperature within a range where desired Schottky characteristics, insulation characteristics, and the like can be obtained. If the growth temperature of the second nitride semiconductor layer is set to a temperature 400 degrees or more lower than the growth temperature of the first nitride semiconductor layer, it is suitable for forming a control electrode of HEMT or FET.

本発明の第1の参考例である窒化物半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the nitride semiconductor device which is the 1st reference example of this invention. 本発明の第1の参考例である窒化物半導体装置の製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process of the nitride semiconductor device which is the 1st reference example of this invention. 本発明の実施例である窒化物半導体装置の断面図である。It is a cross-sectional view of a nitride semiconductor device is a real施例of the present invention. 本発明の第参考例である窒化物半導体装置の製造方法を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing method of the nitride semiconductor device which is the 2nd reference example of this invention. 従来のIII−V族窒化物半導体からなる半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device which consists of a conventional III-V group nitride semiconductor. 従来のフィールドプレート構造を備えた窒化物半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the nitride semiconductor device provided with the conventional field plate structure.

11;基板、12;バッファ層、13;チャネル層、14;キャリア供給層、15;ショットキ層、16;SiNキャップ層、17a;ソース電極、17b;ドレイン電極、18;ゲート電極、19;微結晶構造のキャップ層、20;マスク材 11; substrate, 12; buffer layer, 13; channel layer, 14; carrier supply layer, 15; Schottky layer, 16; SiN cap layer, 17a; source electrode, 17b; drain electrode, 18; Structure cap layer, 20; mask material

Claims (1)

ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも1つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むV族元素で構成されたIII−V族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、
基板上に積層した第1の窒化物半導体層と、該第1の窒化物半導体層の上に積層した前記III−V族窒化物半導体層からなり、アルミニウムを含まない第2の窒化物半導体層と、前記第1の窒化物半導体層にオーミック接触するソース電極およびドレイン電極と、ゲート電極とを備え、
前記第2の窒化物半導体層は、前記第1の窒化物半導体層より成膜温度の低い微結晶構造からなり、
前記ゲート電極は、前記第2の窒化物半導体層の一部を切り欠くとともに底部に前記第2の窒化物半導体層を残して形成した凹部内で、該凹部の底部に残る前記第2の窒化物半導体層にショットキ接触し、前記凹部の底部に残る前記第2の窒化物半導体層より厚い前記ドレイン側の前記第2の窒化物半導体層上に延出するフィールドプレート部を備えたことを特徴とする窒化物半導体装置。
Group III-V nitride composed of a group III element consisting of at least one of the group consisting of gallium, aluminum, boron and indium and a group V element containing at least nitrogen from the group consisting of nitrogen, phosphorus and arsenic In a nitride semiconductor device composed of a semiconductor layer,
A second nitride semiconductor layer comprising a first nitride semiconductor layer laminated on a substrate and the group III-V nitride semiconductor layer laminated on the first nitride semiconductor layer and containing no aluminum A source electrode and a drain electrode that are in ohmic contact with the first nitride semiconductor layer, and a gate electrode,
The second nitride semiconductor layer has a microcrystalline structure having a deposition temperature lower than that of the first nitride semiconductor layer,
The gate electrode is part of a cut with deletion rather of the second nitride semiconductor layer in a recess formed by leaving said second nitride semiconductor layer on the bottom, the second remaining in the bottom of the recess A field plate portion which is in Schottky contact with the nitride semiconductor layer and extends on the second nitride semiconductor layer on the drain side which is thicker than the second nitride semiconductor layer remaining at the bottom of the recess ; A nitride semiconductor device.
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