JP2012169406A - Field-effect transistor - Google Patents
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Abstract
【課題】窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタで、トランジスタの特性を低下させることなく高い密度のドレイン電流が実現できるようにする。
【解決手段】主表面を(0001)面とした第1窒化物半導体からなるチャネル層101と、チャネル層101の上に形成された第1窒化物半導体より大きなバンドギャップエネルギーの窒化物半導体からなる第1障壁層102と、ゲート電極104が形成されたゲート形成領域121を挟んだソース形成領域122およびドレイン形成領域123の第1障壁層102の上に形成され、第2窒化物半導体より大きなバンドギャップエネルギーの第3窒化物半導体からなる第2障壁層105および第3障壁層106と、第2障壁層105および第3障壁層106の上に形成された第2窒化物半導体からなる第4障壁層107および第5障壁層108とを備える。
【選択図】 図1In a field effect transistor using a nitride semiconductor, a high-density drain current can be realized without deteriorating transistor characteristics.
A channel layer 101 made of a first nitride semiconductor whose main surface is a (0001) plane, and a nitride semiconductor having a larger bandgap energy than the first nitride semiconductor formed on the channel layer 101. A band larger than the second nitride semiconductor is formed on the first barrier layer 102 and the first barrier layer 102 in the source formation region 122 and the drain formation region 123 across the gate formation region 121 where the gate electrode 104 is formed. Second barrier layer 105 and third barrier layer 106 made of a third nitride semiconductor having a gap energy, and a fourth barrier made of a second nitride semiconductor formed on second barrier layer 105 and third barrier layer 106 A layer 107 and a fifth barrier layer 108.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタに関するものである。 The present invention relates to a field effect transistor using a nitride semiconductor.
窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)として、例えば、ヘテロ構造電界効果トランジスタ(HFET:Heterostructure Field Effect Transistor)がある。この窒化物半導体FETは、次世代の高温・高出力・高耐圧の高周波トランジスタとして非常に有望であり、実用化に向けて現在盛んに研究が行われている。窒化物半導体FETは、通常、極性面方向である+c面((0001)面)方向に形成され、ヘテロ界面に大きな分極電荷が存在するために、一般に、キャリア供給のためのドーピング処理が施されていなくても、伝導に寄与するキャリアが、チャネル電子(2次元電子)としてチャネルに誘起される。 An example of a field effect transistor (FET) using a nitride semiconductor is a heterostructure field effect transistor (HFET). This nitride semiconductor FET is very promising as a next-generation high-temperature / high-output / high-voltage high-frequency transistor, and is actively researched for practical use. Nitride semiconductor FETs are usually formed in the + c plane ((0001) plane) direction, which is the polar plane direction, and since there is a large polarization charge at the hetero interface, doping processing for supplying carriers is generally performed. Even if not, carriers contributing to conduction are induced in the channel as channel electrons (two-dimensional electrons).
このような特徴を有する窒化物半導体FETの特徴は、大電流が得られ易いという有利な面がある一方、一般に、デバイス動作としては、閾値が負の、いわゆるデプレション型(あるいは、ノーマリーオン型)のデバイス動作に向いている。つまり、ゲート電極に電圧を印加しない状態(すなわちゲート電圧がゼロの時)であっても、ドレイン電圧の印加によってドレイン電流が流れ、ゲート電極に負の電圧を印加することによって、ドレイン電流がゼロになる(すなわちピンチオフする)というトランジスタ動作に向いている。 The nitride semiconductor FET having such a feature has an advantageous aspect that a large current is easily obtained. On the other hand, as a device operation, in general, a so-called depletion type (or normally on) having a negative threshold is used. Type) device operation. That is, even when no voltage is applied to the gate electrode (that is, when the gate voltage is zero), the drain current flows by applying the drain voltage, and by applying a negative voltage to the gate electrode, the drain current becomes zero. This is suitable for the transistor operation of becoming (that is, pinching off).
このため、これと相反するデバイス動作である閾値が正のいわゆるエンハンスメント型(ノーマリーオフ型)のデバイス動作は、GaN系のヘテロ構造電界効果トランジスタ(HFET)においては実現可能ではあるが(非特許文献1参照)、一般的な窒化物半導体FETとしては、実現することが容易ではない。ゲート電極に電圧を印加しない状態(ゲート電圧がゼロの時)においては、ドレイン電圧の印加によっても、ドレイン電流が流れず、ゲート電極に正の電圧を印加することによってドレイン電流が流れるというトランジスタ動作のデバイス動作は、一般的な窒化物半導体FETにとっては不利である。 Therefore, a so-called enhancement-type (normally-off type) device operation with a positive threshold, which is a device operation contrary to this, can be realized in a GaN-based heterostructure field effect transistor (HFET) (non-patent document). As a general nitride semiconductor FET, it is not easy to realize. In a state where no voltage is applied to the gate electrode (when the gate voltage is zero), the drain current does not flow even when the drain voltage is applied, and the drain current flows when a positive voltage is applied to the gate electrode. This device operation is disadvantageous for a general nitride semiconductor FET.
さらに、また、いわゆるエンハンスメント型のデバイス動作では、ドレイン電流の大きさと正の閾値の大きさとの間は、一般に負の相関関係にあり、高い正の閾値を得るための工夫を施すと、ドレイン電流が低下してしまうという問題点がある。一方、エンハンストメント型のデバイス動作では、高いドレイン電流を得るために何らかの工夫を施すと、一般に、デバイス作製プロセス上、設計した閾値の実現の容易性が損なわれるという問題が生じる。 Furthermore, in so-called enhancement type device operation, the magnitude of the drain current and the magnitude of the positive threshold are generally negatively correlated, and if a device for obtaining a high positive threshold is applied, the drain current There is a problem in that it decreases. On the other hand, in the enhancement type device operation, if some device is used to obtain a high drain current, there is generally a problem that the ease of realizing the designed threshold value is impaired in the device manufacturing process.
しかし、特に、電力応用においては、デプレション型のデバイス動作と同時に、エンハンスメント型のデバイス動作を、高い密度のドレイン電流を実現することが必須である。また、エンハンストメント型のデバイスでは、デバイス作製プロセス上、設計した閾値の実現の容易性が損なわれてしまうことがないことも必須である。このため、通常の極性面上(すなわちc軸方向)に形成するエンハンスメント型の窒化物半導体FETにおいて、高い密度のドレイン電流が実現可能で、かつ、デバイス作製プロセス上、設計した閾値の実現の容易性が損なわれてしまうことのないFETを開発することが強く望まれている。 However, particularly in power applications, it is essential to realize a high-density drain current simultaneously with a depletion type device operation and an enhancement type device operation. Further, in the enhancement type device, it is essential that the ease of realizing the designed threshold value is not impaired in the device manufacturing process. For this reason, in the enhancement type nitride semiconductor FET formed on the normal polar plane (that is, in the c-axis direction), a high-density drain current can be realized, and the designed threshold value can be easily realized in the device manufacturing process. It is strongly desired to develop an FET that does not impair the performance.
ところが、上述したように、従来のエンハンスメント型の窒化物半導体FETにおいては、ドレイン電流の増加を図ることが実効的に困難な状況にある。この点について、図5,図6,図7を用いて説明する。図5は、一般的なエンハンスメント型の窒化物半導体FETの一部構成を模式的に示す断面図である。 However, as described above, it is difficult to increase the drain current in the conventional enhancement type nitride semiconductor FET. This point will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a partial configuration of a general enhancement type nitride semiconductor FET.
この窒化物半導体FETは、半導体基板(不図示)の極性面である+c面上すなわち(0001)面上に、チャネル層501、障壁層502のへテロ構造が形成され、障壁層502の上に、ソース電極503およびドレイン電極504が形成され、さらに、ソース電極503およびドレイン電極504の間に、絶縁層505を介してゲート電極506が設けられ、電界効果トランジスタを構成している。 In this nitride semiconductor FET, a heterostructure of a channel layer 501 and a barrier layer 502 is formed on the + c plane, ie, the (0001) plane, which is a polar plane of a semiconductor substrate (not shown). A source electrode 503 and a drain electrode 504 are formed, and a gate electrode 506 is provided between the source electrode 503 and the drain electrode 504 with an insulating layer 505 interposed therebetween, thereby forming a field effect transistor.
ここで、ゲート電極506の下方に存在する障壁層502の層厚を、チャネル電子の空乏を得るために薄く形成することが、一般的にはエンハンスメント型の窒化物半導体FETの特徴になっている。 Here, the enhancement-type nitride semiconductor FET is generally characterized in that the thickness of the barrier layer 502 existing below the gate electrode 506 is thin in order to obtain channel electron depletion. .
このような窒化物半導体FETにおいては、高いゲート耐圧を得るために、ゲート電極506と障壁層502の間に絶縁層505を配置した、いわゆる絶縁ゲート構造あるいはMIS(Metal-Insulator-Semiconductor)構造が用いられている。この絶縁ゲート構造においては、ゲート電極506の下方の領域に存在する障壁層502の層厚は、より高い閾値を得るために、ゼロであっても構わない。ただし、この場合には、一般に、チャネル界面の品質が劣化するため、キャリアとしてチャネル層501を流れるチャネル電子の速度が低下し、ドレイン電流の低下が起こるという問題が発生する場合がある。 Such a nitride semiconductor FET has a so-called insulated gate structure or MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) structure in which an insulating layer 505 is disposed between the gate electrode 506 and the barrier layer 502 in order to obtain a high gate breakdown voltage. It is used. In this insulated gate structure, the thickness of the barrier layer 502 existing in the region below the gate electrode 506 may be zero in order to obtain a higher threshold value. However, in this case, since the quality of the channel interface generally deteriorates, the speed of channel electrons flowing through the channel layer 501 as carriers may decrease, and a problem may occur in that the drain current decreases.
また、上述した窒化物半導体FETにおいては、ソース電極503とゲート電極506との間、およびゲート電極506とドレイン電極504との間における障壁層502の層厚が、ゲート電極506の下方の領域に存在する障壁層502の層厚に比べて厚い、いわゆるリセスゲート構造が用いられている。これは、ソース電極503からゲート電極506の下方の領域に存在するチャネル電子へのアクセス抵抗(ソース抵抗)を低くするためである。このリセスゲート構造を採用することも、典型的なエンハンスメント型の窒化物半導体FETの特徴になっている。 Further, in the nitride semiconductor FET described above, the layer thickness of the barrier layer 502 between the source electrode 503 and the gate electrode 506 and between the gate electrode 506 and the drain electrode 504 is in the region below the gate electrode 506. A so-called recess gate structure that is thicker than the thickness of the existing barrier layer 502 is used. This is because the access resistance (source resistance) from the source electrode 503 to the channel electrons existing in the region below the gate electrode 506 is lowered. Employing this recess gate structure is also a characteristic of a typical enhancement type nitride semiconductor FET.
図6は、上述したエンハンスメント型の窒化物半導体FETにおけるチャネル電子の有無の様子を模式的に示した断面図である。図6に示すように、ゲート電極506の下方の障壁層502の層厚d1は小さく、これ以外の領域の障壁層502の層厚d2は大きい。この結果、チャネル層501のゲート電極506の下方の領域においては、キャリアとなる電子が空乏した電子空乏領域602が存在し、これ以外の領域においては、キャリアとして2次元電子601が存在する状態になっている。 FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing the presence or absence of channel electrons in the enhancement-type nitride semiconductor FET described above. As shown in FIG. 6, the thickness d1 of the barrier layer 502 below the gate electrode 506 is small, and the thickness d2 of the barrier layer 502 in other regions is large. As a result, in a region below the gate electrode 506 of the channel layer 501, there is an electron depletion region 602 in which electrons serving as carriers are depleted, and in other regions, two-dimensional electrons 601 are present as carriers. It has become.
図7は、上述したエンハンスメント型の窒化物半導体FETにおけるチャネル電子の有無の様子を、電子分布の形で、窒化物半導体層の層構造のポテンシャル形状(チャネル・ポテンシャル形状)とともに模式的に示した説明図である。図7において(a)は、ゲート電極506の下方の領域におけるチャネル電子の有無の様子を窒化物半導体層の層構造のポテンシャル形状とともに示している。また、図7(b)は、ゲート電極506の下方以外の領域におけるチャネル電子の有無の様子を窒化物半導体層の層構造のポテンシャル形状とともに示している。 FIG. 7 schematically shows the presence or absence of channel electrons in the enhancement type nitride semiconductor FET described above, in the form of electron distribution, along with the potential shape (channel potential shape) of the layer structure of the nitride semiconductor layer. It is explanatory drawing. FIG. 7A shows the presence or absence of channel electrons in the region below the gate electrode 506, together with the potential shape of the layer structure of the nitride semiconductor layer. FIG. 7B shows the presence or absence of channel electrons in a region other than the region below the gate electrode 506, together with the potential shape of the layer structure of the nitride semiconductor layer.
図7の(a)に示すゲート電極506の下方の領域、および図7の(b)に示す他の領域のいずれの領域においても、障壁層502とチャネル層501との間のへテロ界面に正の分極電荷が存在する結果として、障壁層502のポテンシャル形状は一般に高い傾きを有している。 In any of the region below the gate electrode 506 shown in FIG. 7A and the other region shown in FIG. 7B, the heterointerface between the barrier layer 502 and the channel layer 501 is formed. As a result of the presence of positive polarization charge, the potential shape of the barrier layer 502 generally has a high slope.
しかし、図7の(a)に示すように、ゲート電極506の下方の領域においては、障壁層502の層厚が薄いために、チャネル層501のポテンシャル位置がフェルミ準位の下方にまで充分には押し下げられることがない。このため、上述した構成とすることで、チャネル電子が空乏して電子空乏領域602が存在するようになる。 However, as shown in FIG. 7A, in the region below the gate electrode 506, the barrier layer 502 is thin, so that the potential position of the channel layer 501 is sufficiently below the Fermi level. Will not be pushed down. Therefore, with the above-described configuration, channel electrons are depleted and an electron depletion region 602 exists.
これに対して、図7の(b)に示すように、ゲート電極506の下方以外の領域においては、障壁層502の層厚が充分に大きいために、チャネル層501のポテンシャル位置がフェルミ準位の下方に充分に押し下げられている。このため、2次元電子ガスとして2次元電子601が誘起されている状態になる。 On the other hand, as shown in FIG. 7B, since the thickness of the barrier layer 502 is sufficiently large in a region other than the region below the gate electrode 506, the potential position of the channel layer 501 is Fermi level. Is fully pushed down. Therefore, the two-dimensional electron 601 is induced as the two-dimensional electron gas.
一般に、エンハンスメント型の窒化物半導体FETのドレイン電流を増大させるためには、ゲート電極506の下方以外の領域に存在する2次元電子601の電子濃度を増大させ、ソース抵抗を低減させることが有効である。しかしながら、このために障壁層502に対して何らかの通常の工夫を施すと、一般に、デバイス作製プロセス上、設計した閾値の実現の容易性が損なわれてしまう。以下、この問題について説明する。 In general, in order to increase the drain current of the enhancement type nitride semiconductor FET, it is effective to increase the electron concentration of the two-dimensional electrons 601 existing in the region other than the region below the gate electrode 506 and reduce the source resistance. is there. However, if any ordinary contrivance is applied to the barrier layer 502 for this purpose, in general, the ease of realizing the designed threshold value is impaired in the device manufacturing process. Hereinafter, this problem will be described.
例えば、AlGaNから障壁層502を構成し、GaNからチャネル層501を構成したAlGaN/GaNヘテロ構造において、ソース抵抗を低減させるために、Al組成の増大あるいはAlGaN層厚の増大を図り、AlGaN/GaNヘテロ界面における2次元電子濃度を増大させることを考える。 For example, in an AlGaN / GaN heterostructure in which the barrier layer 502 is composed of AlGaN and the channel layer 501 is composed of GaN, in order to reduce the source resistance, the Al composition is increased or the AlGaN layer thickness is increased. Consider increasing the two-dimensional electron concentration at the heterointerface.
まず、Al組成を増大した場合の状況を考える。Al組成を増大すると、ゲート電極506の下方以外の領域に存在する2次元電子601の電子濃度を増大させることはできる。しかしながら、同時に、ゲート電極506の下方の領域にも2次元電子を誘起することになり、エンハンスメント型のデバイス動作が実現できなくなる。 First, consider the situation when the Al composition is increased. When the Al composition is increased, it is possible to increase the electron concentration of the two-dimensional electron 601 existing in a region other than the region below the gate electrode 506. However, at the same time, two-dimensional electrons are also induced in the region below the gate electrode 506, and the enhancement type device operation cannot be realized.
従って、Al組成を増大した場合に、ゲート電極506の下方の領域を電子空乏領域としてエンハンスメント型のデバイス動作を実現するためには、ゲート電極506の下方の障壁層502の層厚d1をさらに小さくし、加えてこの層厚を制御する必要が生ずる。 Therefore, when the Al composition is increased, in order to realize an enhancement type device operation using the region below the gate electrode 506 as an electron depletion region, the layer thickness d1 of the barrier layer 502 below the gate electrode 506 is further reduced. In addition, it is necessary to control this layer thickness.
デバイス作製プロセスにおいて、層厚d1の制御は、ゲート電極506の下方以外の領域の層厚d2の障壁層502を、ドライエッチング等の手法によって削除することによって行う。このため、現状の通常のプロセス技術においては、層厚d1が小さくなると、この層厚の高精度な制御は困難になる。また、ここで、閾値は、層厚d1の値に非常に敏感に依存するため、層厚d1の高精度な制御が困難になると、結局として、設計した閾値の実現が困難になる。このように、障壁層502のAl組成を増大すると、デバイス作製プロセス上、設計した閾値の実現の容易性が損なわれるという問題点が生じる。 In the device manufacturing process, the layer thickness d1 is controlled by removing the barrier layer 502 having a layer thickness d2 in a region other than the region below the gate electrode 506 by a technique such as dry etching. For this reason, in the current normal process technology, when the layer thickness d1 is reduced, it is difficult to control the layer thickness with high accuracy. Here, since the threshold value is very sensitively dependent on the value of the layer thickness d1, if it is difficult to control the layer thickness d1 with high accuracy, it becomes difficult to realize the designed threshold value. As described above, when the Al composition of the barrier layer 502 is increased, there arises a problem that the ease of realizing the designed threshold value is impaired in the device manufacturing process.
次に、AlGaNからなる障壁層502の層厚を増大した場合の状況を考える。ゲート電極506の下方以外の領域の障壁層502の層厚d2を増大すると、2次元電子601の電子濃度をある程度まで増大させることができる。また、この際に、ゲート電極506の下方の障壁層502の層厚d1を変化させなければ、エンハンスメント型のデバイス動作が実現される。しかし、デバイス作製プロセスにおいて、層厚d1の制御は、ゲート電極506の下方以外の領域の層厚d2の障壁層502を、ドライエッチングなどの手法によって削除することによって行う。このため、現状の通常のプロセス技術においては、層厚d1の層厚d2に対する比が小さくなると、層厚d1の高精度な制御は困難になる。 Next, consider the situation when the layer thickness of the barrier layer 502 made of AlGaN is increased. When the thickness d2 of the barrier layer 502 in the region other than the region below the gate electrode 506 is increased, the electron concentration of the two-dimensional electrons 601 can be increased to some extent. At this time, if the layer thickness d1 of the barrier layer 502 below the gate electrode 506 is not changed, an enhancement type device operation is realized. However, in the device manufacturing process, the layer thickness d1 is controlled by removing the barrier layer 502 having a layer thickness d2 in a region other than the region below the gate electrode 506 by a technique such as dry etching. For this reason, in the current normal process technology, when the ratio of the layer thickness d1 to the layer thickness d2 becomes small, it is difficult to control the layer thickness d1 with high accuracy.
また、ここで、閾値は、層厚d1の値に非常に敏感に依存するため、層厚d1の高精度な制御が困難になると、結局、設計した閾値の実現が困難になる。すなわち、AlGaNの層厚を増大すると、デバイス作製プロセス上、設計した閾値の実現の容易性が損なわれてしまう、という問題点が生じる。 Here, since the threshold value is very sensitively dependent on the value of the layer thickness d1, if it is difficult to control the layer thickness d1 with high accuracy, it becomes difficult to realize the designed threshold value. That is, when the AlGaN layer thickness is increased, there arises a problem that the ease of realizing the designed threshold value is impaired in the device manufacturing process.
以上のように、一般に、エンハンスメント型の窒化物半導体電界効果トランジスタ(窒化物半導体FET)のドレイン電流を増大させるためには、ゲート電極506の下方以外の領域に存在する2次元電子601の電子濃度を増大させ、ソース抵抗を低減させることが有効ではある。しかしながら、電子濃度増大のために障壁層502に対して何らかの通常の工夫を施すと、一般に、デバイス作製プロセス上、設計した閾値の実現の容易性が損なわれてしまう、という問題点が生じる。 As described above, in general, in order to increase the drain current of the enhancement type nitride semiconductor field effect transistor (nitride semiconductor FET), the electron concentration of the two-dimensional electrons 601 existing in the region other than the lower portion of the gate electrode 506 It is effective to increase the source resistance and reduce the source resistance. However, if any ordinary device is applied to the barrier layer 502 in order to increase the electron concentration, there is a problem that the ease of realizing the designed threshold value is generally impaired in the device manufacturing process.
また、デプレション型の窒化物半導体FETにおいても、ドレイン電流を増大させることが重要となるが、この場合でも、障壁層を厚くすることで電子濃度を増大させることが有効となる。しかしながら、デプレション型においても、障壁層を厚くすることには問題が発生する。デプレション型では、障壁層を厚くすると、利得が落ちるという問題がある。これらのように、窒化物半導体FETにおいては、トランジスタの特性を低下させることなく、高い密度のドレイン電流を得ることができないという問題がある。 In the depletion type nitride semiconductor FET, it is important to increase the drain current. Even in this case, it is effective to increase the electron concentration by increasing the thickness of the barrier layer. However, even in the depletion type, there is a problem in increasing the thickness of the barrier layer. In the depletion type, there is a problem that the gain decreases when the barrier layer is thickened. As described above, the nitride semiconductor FET has a problem that a high-density drain current cannot be obtained without deteriorating the characteristics of the transistor.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタで、トランジスタの特性を低下させることなく高い密度のドレイン電流が実現できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and is a field effect transistor using a nitride semiconductor so that a high-density drain current can be realized without deteriorating the characteristics of the transistor. The purpose is to do.
本発明に係る電界効果トランジスタは、主表面を(0001)面とした第1窒化物半導体からなるチャネル層と、第1窒化物半導体より大きなバンドギャップエネルギーの第2窒化物半導体からなり、層厚1〜10nmとされてチャネル層の上に形成された第1障壁層と、第1障壁層の上に絶縁層を介して形成されたゲート電極と、ゲート電極が形成されたゲート形成領域を挟んだソース形成領域およびドレイン形成領域の第1障壁層の上に形成され、第2窒化物半導体より大きなバンドギャップエネルギーの第3窒化物半導体からなり、層厚1〜4nmとされた第2障壁層および第3障壁層と、第2窒化物半導体からなり、層厚4〜50nmとされて第2障壁層および第3障壁層の上に形成された第4障壁層および第5障壁層と、第4障壁層および第5障壁層の上に形成されたソース電極およびドレイン電極とを備え、ゲート形成領域の第1障壁層の層厚は、ソース形成領域およびドレイン形成領域の第1障壁層の層厚以下とされている。 The field effect transistor according to the present invention includes a channel layer made of a first nitride semiconductor having a main surface of (0001) plane and a second nitride semiconductor having a band gap energy larger than that of the first nitride semiconductor, and has a layer thickness. A first barrier layer having a thickness of 1 to 10 nm formed on the channel layer, a gate electrode formed on the first barrier layer via an insulating layer, and a gate formation region in which the gate electrode is formed A second barrier layer formed on the first barrier layer in the source formation region and the drain formation region, made of a third nitride semiconductor having a larger band gap energy than the second nitride semiconductor, and having a layer thickness of 1 to 4 nm A fourth barrier layer made of a second nitride semiconductor and having a thickness of 4 to 50 nm and formed on the second barrier layer and the third barrier layer; 4 barriers And a source electrode and a drain electrode formed on the fifth barrier layer, and the thickness of the first barrier layer in the gate formation region is equal to or less than the thickness of the first barrier layer in the source formation region and the drain formation region. Has been.
また、本発明に係る電界効果トランジスタは、主表面を(0001)面とした第1窒化物半導体からなるチャネル層と、第1窒化物半導体より大きなバンドギャップエネルギーの第2窒化物半導体からなるチャネル層の上に形成された第1障壁層と、第1障壁層の上に形成され、第2窒化物半導体より大きなバンドギャップエネルギーの第3窒化物半導体からなり、層厚1〜4nmとされた第2障壁層と、第2窒化物半導体からなる第2障壁層の上に形成された第3障壁層と、第3障壁層の上に絶縁層を介して形成されたゲート電極と、ゲート電極を挟んで第3障壁層の上に形成されたソース電極およびドレイン電極とを備え、第1障壁層および第3障壁層の合計層厚は、5〜50nmの範囲とされている。 In addition, the field effect transistor according to the present invention includes a channel layer made of a first nitride semiconductor having a (0001) plane as a main surface and a channel made of a second nitride semiconductor having a larger band gap energy than the first nitride semiconductor. A first barrier layer formed on the first layer, and a third nitride semiconductor formed on the first barrier layer and having a band gap energy larger than that of the second nitride semiconductor, and has a thickness of 1 to 4 nm. A second barrier layer, a third barrier layer formed on the second barrier layer made of the second nitride semiconductor, a gate electrode formed on the third barrier layer via an insulating layer, and a gate electrode And a source electrode and a drain electrode formed on the third barrier layer, and the total thickness of the first barrier layer and the third barrier layer is in the range of 5 to 50 nm.
上記電界効果トランジスタにおいて、絶縁層の層厚は、1〜100nmとされていればよい。 In the field effect transistor, the insulating layer may have a thickness of 1 to 100 nm.
上記電界効果型トランジスタにおいて、第2窒化物半導体と第1窒化物半導体との組み合わせは、AlXGa1-XNとGaN(0<X≦1)、AlX1Ga1-X1NとInX2Ga1-X2N(0<X1≦1、0≦X2≦1)、AlX1Ga1-X1NとAlX2Ga1-X2N(0<X1≦1、0≦X2<1、X1>X2)、GaNとInXGa1-XN(0<X≦1)、InX1Ga1-X1NとInX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0<X2≦1、X1<X2)、InXAl1-XNとGaN(0≦X<0.5)、InX1Al1-X1NとAlX2Ga1-X2N(0≦X1<0.5、0≦X2<1、X1+X2<1)、InX1Al1-X1NとInX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0≦X2≦1)の中より選択した組み合わせであり、第3窒化物半導体と第2窒化物半導体との組み合わせは、AlXGa1-XNとGaN(0<X≦1)、AlX1Ga1-X1NとInX2Ga1-X2N(0<X1≦1、0≦X2≦1)、AlX1Ga1-X1NとAlX2Ga1-X2N(0<X1≦1、0≦X2<1、X1>X2)、GaNとInXGa1-XN(0<X≦1)、InX1Ga1-X1NとInX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0<X2≦1、X1<X2)、InXAl1-XNとGaN(0≦X<0.5)、InX1Al1-X1NとAlX2Ga1-X2N(0≦X1<0.5、0≦X2<1、X1+X2<1)、InX1Al1-X1NとInX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0≦X2≦1)の中より選択した組み合わせであればよい。例えば、第1窒化物半導体は、GaNであり、第2窒化物半導体は、Al0.3Ga0.7Nであり、第3窒化物半導体は、Al0.45Ga0.55Nであればよい。 In the field effect transistor, the combination of the second nitride semiconductor and the first nitride semiconductor is Al x Ga 1-X N and GaN (0 <X ≦ 1), Al x 1Ga 1-X 1N and In x. 2Ga 1-X 2N (0 <X1 ≦ 1, 0 ≦ X2 ≦ 1), Al X1 Ga 1-X1 N and Al X2 Ga 1-X2 N (0 <X1 ≦ 1, 0 ≦ X2 <1, X1> X2 ), GaN and InXGa 1-X N (0 < X ≦ 1), In X1 Ga 1-X1 N and In X2 Ga 1-X2 N ( 0 ≦ X1 <1,0 <X2 ≦ 1, X1 <X2), In X Al 1-X N and GaN (0 ≦ X <0.5), In X1 Al 1-X1 N and Al X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <0.5, 0 ≦ X2 <1, X1 + X2 <1), a combination selected from In X1 Al 1 -X1 N and In X2 Ga 1 -X2 N (0 ≦ X1 <1, 0 ≦ X2 ≦ 1), and the third nitride semiconductor and the second nitride With semiconductors Combined is, Al X Ga 1-X N and GaN (0 <X ≦ 1) , Al X 1Ga 1-X 1N and In X 2Ga 1-X 2N ( 0 <X1 ≦ 1,0 ≦ X2 ≦ 1), Al X1 Ga 1-X1 N and Al X2 Ga 1-X2 N ( 0 <X1 ≦ 1,0 ≦ X2 <1, X1> X2), GaN and InXGa 1-X N (0 < X ≦ 1), In X1 Ga 1-X1 N and In X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <1, 0 <X2 ≦ 1, X1 <X2), In X Al 1-X N and GaN (0 ≦ X <0.5), In X1 Al 1-X1 N and Al X2 Ga 1-X2 N ( 0 ≦ X1 <0.5,0 ≦ X2 <1, X1 + X2 <1), In X1 Al 1-X1 N and In X2 Ga 1-X2 N ( Any combination selected from 0 ≦ X1 <1, 0 ≦ X2 ≦ 1) may be used. For example, the first nitride semiconductor may be GaN, the second nitride semiconductor may be Al 0.3 Ga 0.7 N, and the third nitride semiconductor may be Al 0.45 Ga 0.55 N.
上記電界効果型トランジスタにおいて、第1障壁層、第2障壁層、および第3障壁層の一部に、ドーピング処理がなされていてもよい。また、チャネル層の下に配置されたバッファー層を備えるようにしてもよい。 In the field effect transistor, a doping process may be performed on a part of the first barrier layer, the second barrier layer, and the third barrier layer. Moreover, you may make it provide the buffer layer arrange | positioned under the channel layer.
以上説明したように、本発明によれば、第1障壁層と、これより大きなバンドギャップエネルギーの第2障壁層と、第1障壁層と同じ第3障壁層とを用いるようにしたので、窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタで、トランジスタの特性を低下させることなく高い密度のドレイン電流が実現できるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, the first barrier layer, the second barrier layer having a larger bandgap energy, and the third barrier layer that is the same as the first barrier layer are used. A field effect transistor using a physical semiconductor has an excellent effect that a high-density drain current can be realized without degrading the characteristics of the transistor.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[実施の形態1]
はじめに、本発明の実施の形態1について説明する。図1は、本発明の実施の形態1における電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。この電界効果トランジスタは、まず、主表面を(0001)面とした第1窒化物半導体からなるチャネル層101と、チャネル層101の上に形成された第1窒化物半導体より大きなバンドギャップエネルギーの窒化物半導体からなる第1障壁層102と、第1障壁層102の上に絶縁層103を介して形成されたゲート電極104とを備える。
[Embodiment 1]
First, Embodiment 1 of the present invention will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a field effect transistor according to Embodiment 1 of the present invention. In this field effect transistor, first, a channel layer 101 made of a first nitride semiconductor having a main surface of (0001) plane, and nitriding with a larger band gap energy than the first nitride semiconductor formed on the channel layer 101. A first barrier layer 102 made of a physical semiconductor and a gate electrode 104 formed on the first barrier layer 102 with an insulating layer 103 interposed therebetween are provided.
また、この電界効果トランジスタは、ゲート電極104が形成されたゲート形成領域121を挟んだソース形成領域122およびドレイン形成領域123の第1障壁層102の上に形成され、第2窒化物半導体より大きなバンドギャップエネルギーの第3窒化物半導体からなる第2障壁層105および第3障壁層106と、第2障壁層105および第3障壁層106の上に形成された第2窒化物半導体からなる第4障壁層107および第5障壁層108と、第4障壁層107および第5障壁層108の上に形成されたソース電極109およびドレイン電極110とを備える。 The field effect transistor is formed on the first barrier layer 102 in the source formation region 122 and the drain formation region 123 across the gate formation region 121 where the gate electrode 104 is formed, and is larger than the second nitride semiconductor. A second barrier layer 105 and a third barrier layer 106 made of a third nitride semiconductor having a band gap energy, and a fourth nitride semiconductor made on the second barrier layer 105 and the third barrier layer 106. The barrier layer 107 and the fifth barrier layer 108, and the source electrode 109 and the drain electrode 110 formed on the fourth barrier layer 107 and the fifth barrier layer 108 are provided.
また、第1障壁層102は層厚1〜10nmとされ、第2障壁層105および第3障壁層106は層厚1〜4nmとされ、第4障壁層107および第5障壁層108は、層厚層厚4〜50nmとされ、ゲート形成領域121の第1障壁層102の層厚は、ソース形成領域122およびドレイン形成領域123の第1障壁層102の層厚以下とされている。ゲート形成領域121の第1障壁層102の層厚は、0であってもよい。また、絶縁層103の層厚は、1〜100nmとされていればよい。 The first barrier layer 102 has a layer thickness of 1 to 10 nm, the second barrier layer 105 and the third barrier layer 106 have a layer thickness of 1 to 4 nm, and the fourth barrier layer 107 and the fifth barrier layer 108 are layers. The thickness is 4 to 50 nm, and the thickness of the first barrier layer 102 in the gate formation region 121 is equal to or less than the thickness of the first barrier layer 102 in the source formation region 122 and the drain formation region 123. The layer thickness of the first barrier layer 102 in the gate formation region 121 may be zero. Moreover, the layer thickness of the insulating layer 103 should just be 1-100 nm.
この電界効果トランジスタでは、図2に示すように、チャネル層101のソース形成領域122およびドレイン形成領域123に2次元電子201が存在し、チャネル層101のゲート形成領域121には、電子が空乏した電子空乏領域202が存在している。本実施の形態1によれば、第2障壁層105および第3障壁層106を設けたことで、2次元電子201の濃度が増大する。この状態を図3のバンド図に示す。図3は、ソース形成領域122における、チャネル層101,第1障壁層102,第2障壁層105,第4障壁層107の層構造のポテンシャル形状とともに、2次元電子201の電子濃度の状態を示している。図3に示すように、図7の(b)に示す状態に比較して、2次元電子201の電子濃度が増大している。この状態は、ドレイン形成領域123においても同様である。 In this field effect transistor, as shown in FIG. 2, two-dimensional electrons 201 exist in the source formation region 122 and drain formation region 123 of the channel layer 101, and electrons are depleted in the gate formation region 121 of the channel layer 101. An electron depletion region 202 exists. According to the first embodiment, the concentration of the two-dimensional electron 201 is increased by providing the second barrier layer 105 and the third barrier layer 106. This state is shown in the band diagram of FIG. FIG. 3 shows the state of the electron concentration of the two-dimensional electrons 201 together with the potential shape of the layer structure of the channel layer 101, the first barrier layer 102, the second barrier layer 105, and the fourth barrier layer 107 in the source formation region 122. ing. As shown in FIG. 3, compared with the state shown in FIG. 7B, the electron concentration of the two-dimensional electron 201 is increased. This state is also the same in the drain formation region 123.
図3に示すように、ソース形成領域122においては、第1障壁層102および第4障壁層107よりバンドギャップエネルギーの大きい高障壁で薄層の第2障壁層105が存在している。同様に、ドレイン領域123においても、第1障壁層102および第5障壁層108よりバンドギャップエネルギーの大きい高障壁で薄層の第3障壁層106が存在している。 As shown in FIG. 3, in the source formation region 122, a high-thin and thin second barrier layer 105 having a larger band gap energy than the first barrier layer 102 and the fourth barrier layer 107 exists. Similarly, in the drain region 123, the third barrier layer 106 having a high barrier and a thin layer having a larger band gap energy than the first barrier layer 102 and the fifth barrier layer 108 exists.
これにより、第2障壁層105および第3障壁層106の上下両側のヘテロ界面に分極電荷が誘起される。第2障壁層105および第3障壁層106の下側(チャネル側)のヘテロ界面には正の分極電荷、上側(表面側)のヘテロ界面には負の分極電荷が誘起される。この誘起される分極電荷によって、第2障壁層105および第3障壁層106の層内の内部電界が形成される。 As a result, polarization charges are induced at the hetero interfaces on the upper and lower sides of the second barrier layer 105 and the third barrier layer 106. Positive polarization charges are induced at the lower (channel side) heterointerface of the second barrier layer 105 and the third barrier layer 106, and negative polarization charges are induced at the upper (surface side) heterointerface. Due to this induced polarization charge, an internal electric field in the second barrier layer 105 and the third barrier layer 106 is formed.
このように形成される第2障壁層105および第3障壁層106の層内の内部電界によって、障壁層全体の障壁効果が大幅に増大され、チャネルのポテンシャル位置が低下する。これにより、ソース形成領域122およびドレイン形成領域123における2次元電子201の電子濃度が増大し、ソース形成領域122およびドレイン形成領域123における電気抵抗の大幅な低減が実現される。この結果、本実施の形態1における電界効果トランジスタによれば、高い密度のドレイン電流を得ることが可能となる。 Due to the internal electric fields in the second barrier layer 105 and the third barrier layer 106 thus formed, the barrier effect of the entire barrier layer is greatly increased, and the potential position of the channel is lowered. Thereby, the electron concentration of the two-dimensional electrons 201 in the source formation region 122 and the drain formation region 123 is increased, and the electric resistance in the source formation region 122 and the drain formation region 123 is significantly reduced. As a result, according to the field effect transistor of the first embodiment, a high-density drain current can be obtained.
また、本実施の形態1によれば、第2障壁層105および第3障壁層106は、1〜4nmと薄層であるため、この層が追加されたことによる障壁層全体の膜厚の増大は小さい。このため、デバイス作製プロセス上、設計したゲート形成領域121の障壁層半導体の膜厚の制御によって実現される、設計した閾値の実現の容易性が損なわれてしまうこともない。 Further, according to the first embodiment, since the second barrier layer 105 and the third barrier layer 106 are thin layers of 1 to 4 nm, the increase in the thickness of the entire barrier layer due to the addition of this layer. Is small. Therefore, in the device manufacturing process, the ease of realizing the designed threshold value realized by controlling the thickness of the barrier layer semiconductor in the designed gate formation region 121 is not impaired.
ここで、ゲート形成領域121において、第1障壁層102の層厚が10nmを超えると、ゲート電極104に電圧を印加していない状態(すなわちゲート電圧がゼロの時)であっても、チャネル層101のチャネルに2次元電子が発生してしまい、エンハンスメント動作が得られなくなってしまう。従って、ゲート形成領域121の第1障壁層102の層厚は10nm以下とすることが必要である。 Here, in the gate formation region 121, when the thickness of the first barrier layer 102 exceeds 10 nm, the channel layer is not applied to the gate electrode 104 (that is, when the gate voltage is zero). Two-dimensional electrons are generated in the channel 101, and the enhancement operation cannot be obtained. Therefore, the layer thickness of the first barrier layer 102 in the gate formation region 121 needs to be 10 nm or less.
また、ゲート形成領域121に存在する第1障壁層102の層厚がゼロ、すなわち、第1障壁層102が存在することなしに、チャネル層101の直上に絶縁層103が形成されている場合であっても、ゲート電極104に電圧を印加しない状態(すなわちゲート電圧がゼロの時)においては、チャネル層101のチャネルに2次元電子は発生しないので、エンハンスメント動作のデバイスとして用いることができる。 In the case where the thickness of the first barrier layer 102 present in the gate formation region 121 is zero, that is, the insulating layer 103 is formed immediately above the channel layer 101 without the first barrier layer 102 being present. Even when the voltage is not applied to the gate electrode 104 (that is, when the gate voltage is zero), two-dimensional electrons are not generated in the channel of the channel layer 101, so that the device can be used as an enhancement operation device.
従って、ゲート形成領域121においては、トランジスタのキャリアが走行するチャネル層101の上に形成される第1障壁層102の層厚は、0nm以上10nm以下の範囲のいずれかの厚みであることが必要である。 Therefore, in the gate formation region 121, the thickness of the first barrier layer 102 formed on the channel layer 101 on which the carrier of the transistor travels needs to be any thickness in the range of 0 nm to 10 nm. It is.
一方、エンハンスメント動作を得るために必要なチャネル電子の空乏が電子空乏領域202として実現されているゲート形成領域121以外の領域のソース形成領域122およびドレイン形成領域123においては、第1障壁層102が、ゲート形成領域121の第1障壁層102の層厚よりも厚く形成される。さらに、ソース形成領域122およびドレイン形成領域123に存在する第1障壁層102の上には、第1障壁層102よりもバンドギャップの大きい(すなわち高障壁の)窒化物半導体からなる薄層の第2障壁層105および第3障壁層106が形成され、促進障壁層構造が構成されている。また、ソース電極109およびドレイン電極110は、第2障壁層105および第3障壁層106上の第4障壁層107および第5障壁層108上に形成される。 On the other hand, in the source formation region 122 and the drain formation region 123 other than the gate formation region 121 where depletion of channel electrons necessary for obtaining the enhancement operation is realized as the electron depletion region 202, the first barrier layer 102 is The gate forming region 121 is formed thicker than the first barrier layer 102. Further, on the first barrier layer 102 existing in the source formation region 122 and the drain formation region 123, a thin-layer first layer made of a nitride semiconductor having a bandgap (that is, a high barrier) larger than that of the first barrier layer 102. The second barrier layer 105 and the third barrier layer 106 are formed, and an accelerated barrier layer structure is configured. The source electrode 109 and the drain electrode 110 are formed on the fourth barrier layer 107 and the fifth barrier layer 108 on the second barrier layer 105 and the third barrier layer 106.
上述した構成において、ソース形成領域122およびドレイン形成領域123すなわち促進障壁層構造が形成されている領域においては、極性面方向(+c面方向)に、第1障壁層102の層厚が1nm以上10nm以下の範囲とされ、第2障壁層105および第3障壁層106の層厚が1nm以上4nm以下とされ、第4障壁層107および第5障壁層108の層厚は4nm以上50nm以下の範囲とされている。 In the above-described configuration, in the source formation region 122 and the drain formation region 123, that is, the region where the enhanced barrier layer structure is formed, the layer thickness of the first barrier layer 102 is 1 nm or more and 10 nm in the polar plane direction (+ c plane direction). The thickness of the second barrier layer 105 and the third barrier layer 106 is 1 nm or more and 4 nm or less, and the thickness of the fourth barrier layer 107 and the fifth barrier layer 108 is 4 nm or more and 50 nm or less. Has been.
つまり、ソース形成領域122およびドレイン形成領域123においては、ゲート形成領域121における第1障壁層102の層厚が1nm以上10nm以下の半導体層を存在させるためには、チャネル層101上の第1障壁層102の層厚が1nm以上10nm以下の範囲のいずれかの厚みである必要があるが、10nmを超えることは必要がない。 That is, in the source formation region 122 and the drain formation region 123, the first barrier on the channel layer 101 is used in order for the semiconductor layer having the first barrier layer 102 in the gate formation region 121 to have a thickness of 1 nm to 10 nm. The layer 102 needs to have a thickness in the range of 1 nm or more and 10 nm or less, but does not need to exceed 10 nm.
また、第2障壁層105および第3障壁層106の層厚は、この存在の効果を有効に得るために1nm以上の層厚が必要である。一方、この層厚が4nmを超えると、第2障壁層105および第3障壁層106の下側ヘテロ界面に2次元電子が発生し、デバイス特性に望ましくない影響を与える。このため、第2障壁層105および第3障壁層106の層厚は4nmを超えてはならない。また、第4障壁層107および第5障壁層108の層厚は、第2障壁層105および第3障壁層106を素子表面から充分な深さの場所に埋め込むために、4nm以上の層厚が必要であるが、50nmを超える層厚は必要ではない。 Further, the layer thickness of the second barrier layer 105 and the third barrier layer 106 is required to be 1 nm or more in order to effectively obtain the effect of the existence. On the other hand, if the layer thickness exceeds 4 nm, two-dimensional electrons are generated at the lower hetero interface of the second barrier layer 105 and the third barrier layer 106, which undesirably affects device characteristics. For this reason, the layer thickness of the second barrier layer 105 and the third barrier layer 106 should not exceed 4 nm. The fourth barrier layer 107 and the fifth barrier layer 108 have a thickness of 4 nm or more in order to embed the second barrier layer 105 and the third barrier layer 106 at a sufficient depth from the element surface. Although necessary, layer thicknesses above 50 nm are not required.
以上のような検討結果から、本実施の形態1における電界効果トランジスタの各層は、次に示すように構成することができる。まず、チャネル層101は、層厚3μmのGaNから構成すればよい。次に、第1障壁層102は、Al0.3Ga0.7Nから構成し、ゲート形成領域121においては、層厚3nmとし、ソース形成領域122およびドレイン形成領域123においては、層厚6nmとすればよい。 From the examination results as described above, each layer of the field effect transistor according to the first embodiment can be configured as follows. First, the channel layer 101 may be made of GaN having a layer thickness of 3 μm. Next, the first barrier layer 102 is made of Al 0.3 Ga 0.7 N, the gate formation region 121 may have a layer thickness of 3 nm, and the source formation region 122 and the drain formation region 123 may have a layer thickness of 6 nm. .
次に、第2障壁層105および第3障壁層106は、層厚2nmのAl0.45Ga0.55Nから構成すればよい。次に、第4障壁層107および第5障壁層108は、層厚12nmのAl0.3Ga0.7Nから構成すればよい。 Next, the second barrier layer 105 and the third barrier layer 106 may be made of Al 0.45 Ga 0.55 N having a layer thickness of 2 nm. Next, the fourth barrier layer 107 and the fifth barrier layer 108 may be made of Al 0.3 Ga 0.7 N having a layer thickness of 12 nm.
これらの各層は、c面サファイア基板あるいはSiC基板あるいはSi基板等の半導体基板上に、層厚3μmのGaNからなるチャネル層101、および、層厚6nmのAl0.3Ga0.7Nからなる第1障壁層102、層厚2nmのAl0.45Ga0.55Nからなる第2障壁層105および第3障壁層106、層厚12nmのAl0.3Ga0.7Nからなる第4障壁層107および第5障壁層108を、有機金属気相成長法(MOVPE:Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)などの結晶成長法によって成長させた後、ドライエッチング法などの従来のパターニング技術によって成形して作製することができる。なお、第1障壁層102を構成するAl0.3Ga0.7Nには、1×1019cm-3程度の濃度のSiドーピングをする。 Each of these layers includes a channel layer 101 made of GaN having a thickness of 3 μm and a first barrier layer made of Al 0.3 Ga 0.7 N having a thickness of 6 nm on a semiconductor substrate such as a c-plane sapphire substrate, SiC substrate, or Si substrate. 102, a second barrier layer 105 and a third barrier layer 106 made of Al 0.45 Ga 0.55 N with a layer thickness of 2 nm, a fourth barrier layer 107 and a fifth barrier layer 108 made of Al 0.3 Ga 0.7 N with a layer thickness of 12 nm, After growing by a crystal growth method such as metal vapor phase epitaxy (MOVPE), it can be formed by a conventional patterning technique such as a dry etching method. The Al 0.3 Ga 0.7 N constituting the first barrier layer 102 is doped with Si at a concentration of about 1 × 10 19 cm −3 .
また、第1障壁層102となるAl0.3Ga0.7N層(12nm)、第2障壁層105および第3障壁層106となるAl0.45Ga0.55N層(2nm)、第4障壁層107および第5障壁層108となるAl0.3Ga0.7N層(12nm)を、順次に積層した後、ゲート形成領域121をドライエッチング法などにより選択的に除去することで、ゲート電極104の下部の構造が形成できる。このパターニングでは、第1障壁層102の途中までエッチングを行うことになるが、これを制御性よく行うことは、現状技術のドライエッチング法などによれば、比較的容易である。ただし、エッチングする層厚が、上述した条件より大きくなると、ゲート形成領域121における第1障壁層102の層厚を3nm程度に制御性よく形成するのは困難になる。 In addition, an Al 0.3 Ga 0.7 N layer (12 nm) to be the first barrier layer 102, an Al 0.45 Ga 0.55 N layer (2 nm) to be the second barrier layer 105 and the third barrier layer 106, the fourth barrier layer 107 and the fifth barrier layer After the Al 0.3 Ga 0.7 N layer (12 nm) to be the barrier layer 108 is sequentially stacked, the gate formation region 121 is selectively removed by a dry etching method or the like, whereby the structure below the gate electrode 104 can be formed. . In this patterning, etching is performed halfway through the first barrier layer 102. However, it is relatively easy to perform this with high controllability according to the dry etching method of the state of the art. However, when the thickness of the layer to be etched is larger than the above-described conditions, it becomes difficult to form the first barrier layer 102 in the gate formation region 121 with a controllability of about 3 nm.
以上のように、各窒化物半導体の層を形成した後、ソース形成領域122およびドレイン形成領域123の第4障壁層107および第5障壁層108の上に、電極金属を蒸着させてソース電極109およびドレイン電極110を形成する。次に、Al2O3を原子層堆積法(ALD:Atomic Layer Deposition)などの堆積方法によって層厚30nm程度にゲート形成領域121の第1障壁層102に堆積し、絶縁層103とする。この後、絶縁層103上に、電極金属を蒸着してゲート電極104を形成することによって、本実施の形態1における電界効果トランジスタ(窒化物半導体FET)が作製できる。ゲート電極104は、例えば、ゲート長2μmに形成できる。 As described above, after forming each nitride semiconductor layer, an electrode metal is deposited on the fourth barrier layer 107 and the fifth barrier layer 108 in the source formation region 122 and the drain formation region 123 to form the source electrode 109. And the drain electrode 110 is formed. Next, Al 2 O 3 is deposited on the first barrier layer 102 in the gate formation region 121 to a thickness of about 30 nm by a deposition method such as atomic layer deposition (ALD), thereby forming the insulating layer 103. Thereafter, by depositing an electrode metal on the insulating layer 103 to form the gate electrode 104, the field effect transistor (nitride semiconductor FET) in the first embodiment can be manufactured. The gate electrode 104 can be formed with a gate length of 2 μm, for example.
作製した窒化物半導体FET(ゲート長2μm)について、+3Vなる閾値を有するエンハンスメント型のデバイス動作を行ったところ、1.6A/mmという高いドレイン電流密度を得ることができた。 When an enhancement type device operation having a threshold of +3 V was performed on the fabricated nitride semiconductor FET (gate length: 2 μm), a high drain current density of 1.6 A / mm could be obtained.
ここで、比較のために、上述した実施の形態1の窒化物半導体FETの第2障壁層105および第3障壁層106を用いていない比較対象の窒化物半導体FETを作製し、上述同様に、+3Vなる閾値を有するエンハンスメント型のデバイス動作を行った。作製した比較対象の窒化物半導体FETにおけるデバイス動作結果としては、Siドーピングを同様に施した場合においても、ドレイン電流密度は1.2A/mmしか得ることができず、ドーピングを施さない場合は0.7A/mmであった。このように、本実施の形態1によれば、ドレイン電流の大幅な増加が得られていることが分かった。 Here, for comparison, a nitride semiconductor FET to be compared that does not use the second barrier layer 105 and the third barrier layer 106 of the nitride semiconductor FET of the first embodiment described above is manufactured. An enhancement type device operation having a threshold of +3 V was performed. As a device operation result in the manufactured comparative nitride semiconductor FET, the drain current density can be obtained only at 1.2 A / mm even when Si doping is performed in the same manner, and 0 when no doping is performed. 0.7 A / mm. Thus, according to the first embodiment, it was found that a significant increase in drain current was obtained.
次に、各層を構成する材料について説明する。まず、第1窒化物半導体と第2窒化物半導体の組み合わせについて説明する。この組み合わせ(第2窒化物半導体/第1窒化物半導体)は、AlXGa1-XN/GaN(0<X≦1)、AlX1Ga1-X1N/InX2Ga1-X2N(0<X1≦1、0≦X2≦1)、AlX1Ga1-X1N/AlX2Ga1-X2N(0<X1≦1、0≦X2<1、X1>X2)、GaN/InXGa1-XN(0<X≦1)、InX1Ga1-X1N/InX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0<X2≦1、X1<X2)、InXAl1-XN/GaN(0≦X<0.5)、InX1Al1-X1N/AlX2Ga1-X2N(0≦X1<0.5、0≦X2<1、X1+X2<1)、InX1Al1-X1N/InX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0≦X2≦1)の中より選択した半導体材料の組み合わせをであればよい。 Next, materials constituting each layer will be described. First, a combination of the first nitride semiconductor and the second nitride semiconductor will be described. This combination (second nitride semiconductor / first nitride semiconductor) includes Al X Ga 1-X N / GaN (0 <X ≦ 1), Al X 1Ga 1-X 1N / In X 2Ga 1-X 2N ( 0 <X1 ≦ 1, 0 ≦ X2 ≦ 1), Al X1 Ga 1 -X1 N / Al X2 Ga 1 -X2 N (0 <X1 ≦ 1, 0 ≦ X2 <1, X1> X2), GaN / InXGa 1 -X N (0 <X ≦ 1 ), In X1 Ga 1-X1 N / In X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <1,0 <X2 ≦ 1, X1 <X2), In X Al 1-X N / GaN (0 ≦ X <0.5), In X1 Al 1-X1 N / Al X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <0.5, 0 ≦ X2 <1, X1 + X2 <1), In X1 A combination of semiconductor materials selected from Al 1 -X 1 N / In X 2 Ga 1 -X 2 N (0 ≦ X1 <1, 0 ≦ X2 ≦ 1) may be used.
また、第3窒化物半導体/第2窒化物半導体の半導体材料として、各々Al0.45Ga0.55NおよびAl0.3Ga0.7Nを用いたが、これに限るものではなく、第2障壁層105,第3障壁層106を、第1障壁層102と第4障壁層107,第5障壁層108との間に形成可能であれば、他の半導体材料を用いてもよい。第3窒化物半導体/第2窒化物半導体の組み合わせとして、第2窒化物半導体よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体を第3窒化物半導体として用いている限り、如何なる窒化物半導体を用いても良い。 Further, although Al 0.45 Ga 0.55 N and Al 0.3 Ga 0.7 N are used as the semiconductor materials of the third nitride semiconductor / second nitride semiconductor, respectively, the present invention is not limited to this, but the second barrier layer 105, Other semiconductor materials may be used as long as the barrier layer 106 can be formed between the first barrier layer 102 and the fourth barrier layer 107 and the fifth barrier layer 108. As a combination of the third nitride semiconductor / second nitride semiconductor, any nitride semiconductor may be used as long as a nitride semiconductor having a band gap larger than that of the second nitride semiconductor is used as the third nitride semiconductor. .
例えば、第3窒化物半導体/第2窒化物半導体の各々の半導体材料の組み合わせとして、AlX1Ga1-X1N/AlX2Ga1-X2N(0<X1≦1、0≦X2<1、X1>X2)、InX1Al1-X1N/AlX2Ga1-X2N(0≦X1<0.5、0≦X2<1、X1+X2<1)、AlXGa1-XN/GaN(0<X≦1)、InXAl1-XN/GaN(0≦X<0.5)、AlX1Ga1-X1N/InX2Ga1-X2N(0<X1≦1、0≦X2≦1)、GaN/InXGa1-XN(0<X≦1)、InX1Ga1-X1N/InX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0<X2≦1、X1<X2)、InX1Al1-X1N/InX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0≦X2≦1)、InX1Al1-X1N/InX2Al1-X2N(0≦X1<X2≦1)の中より選択した半導体材料の組み合わせを用いて形成すればよい。 For example, as a combination of the semiconductor materials of the third nitride semiconductor / second nitride semiconductor, Al X1 Ga 1 -X1 N / Al X2 Ga 1 -X2 N (0 <X1 ≦ 1, 0 ≦ X2 <1, X1> X2), In X1 Al 1-X1 N / Al X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <0.5,0 ≦ X2 <1, X1 + X2 <1), AlXGa 1-X N / GaN (0 < X ≦ 1), InXAl 1- X N / GaN (0 ≦ X <0.5), Al X1 Ga 1-X1 N / In X2 Ga 1-X2 N (0 <X1 ≦ 1,0 ≦ X2 ≦ 1) , GaN / InXGa 1-X N (0 <X ≦ 1), In X1 Ga 1-X1 N / In X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <1,0 <X2 ≦ 1, X1 <X2), In X1 Al 1-X1 N / In X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <1,0 ≦ X2 ≦ 1), In X1 Al 1-X1 N / In X2 Al 1-X2 N (0 ≦ X1 <X2 ≦ Of the semiconductor material selected from 1) It may be formed by using the combined viewing.
また、本実施の形態1においては、より高いドレイン電流密度を得るために、ソース形成領域122およびドレイン形成領域123の第1障壁層102の一部(下半分の部分)に対して不純物(本実施の形態1においてはSi)のドーピング処理を施したが、ドーピング処理が全く施されていない場合であっても、ドレイン電流の増大を図ることができる。また、第2障壁層105,第3障壁層106およびこの上下の層の一部の領域に、本実施の形態1とは異なる領域に対してドーピング処理が施されている場合においても、ドレイン電流の増大を図ることができる。 In the first embodiment, in order to obtain a higher drain current density, impurities (the main half of the first barrier layer 102 in the source forming region 122 and the drain forming region 123) Although the doping process of Si) is performed in the first embodiment, the drain current can be increased even when the doping process is not performed at all. Even when the second barrier layer 105, the third barrier layer 106, and a part of the upper and lower layers are doped in a region different from the first embodiment, the drain current Can be increased.
ところで、チャネル層101の下部の構成に制限はない。例えば、チャネル層101の層厚を40nmに薄くし、この下層に層厚1.5μmのAlGaNからなるバッファー層を設け、バッファー層/チャネル層/障壁層からなるダブル・ヘテロ構造としてもよい。このように構成しても、第2障壁層105,第3障壁層106を設けたことによる上述した効果が同様である。 By the way, there is no limitation on the structure below the channel layer 101. For example, the channel layer 101 may be thinned to 40 nm, and a buffer layer made of AlGaN having a layer thickness of 1.5 μm may be provided in the lower layer to form a double heterostructure consisting of buffer layer / channel layer / barrier layer. Even in such a configuration, the above-described effects obtained by providing the second barrier layer 105 and the third barrier layer 106 are the same.
[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2について説明する。図4は、本発明の実施の形態2における電界効果トランジスタ(窒化物半導体FET)の構成を示す断面図である。この窒化物半導体FETは、主表面を(0001)面とした第1窒化物半導体からなるチャネル層401と、第1窒化物半導体より大きなバンドギャップエネルギーの第2窒化物半導体からなるチャネル層401の上に形成された第1障壁層402とを備える。
[Embodiment 2]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of a field effect transistor (nitride semiconductor FET) in the second embodiment of the present invention. The nitride semiconductor FET includes a channel layer 401 made of a first nitride semiconductor having a main surface of (0001) plane, and a channel layer 401 made of a second nitride semiconductor having a larger band gap energy than the first nitride semiconductor. And a first barrier layer 402 formed thereon.
また、この窒化物半導体FETは、第1障壁層402の上に形成され、第2窒化物半導体より大きなバンドギャップエネルギーの第3窒化物半導体からなり、層厚1〜4nmとされた第2障壁層403と、第2窒化物半導体からなる第2障壁層403の上に形成された第3障壁層404と、第3障壁層404の上に絶縁層405を介して形成されたゲート電極406と、ゲート電極406を挟んで第3障壁層404の上に形成されたソース電極407およびドレイン電極408とを備える。また、第1障壁層402および第3障壁層404の合計層厚は、5〜50nmの範囲とされている。 The nitride semiconductor FET is formed on the first barrier layer 402, is made of a third nitride semiconductor having a larger band gap energy than the second nitride semiconductor, and has a thickness of 1 to 4 nm. A layer 403, a third barrier layer 404 formed on the second barrier layer 403 made of the second nitride semiconductor, and a gate electrode 406 formed on the third barrier layer 404 with an insulating layer 405 interposed therebetween. And a source electrode 407 and a drain electrode 408 formed on the third barrier layer 404 with the gate electrode 406 interposed therebetween. The total thickness of the first barrier layer 402 and the third barrier layer 404 is in the range of 5 to 50 nm.
この電界効果トランジスタでは、チャネル層401に2次元電子421が存在している。本実施の形態2によれば、第2障壁層403を設けたことで、2次元電子421の濃度が増大する。より詳細に説明する。上下の第1障壁層402および第3障壁層に対し、よりバンドギャップの大きい第2障壁層403を設けることで、第2障壁層403の上下両側のヘテロ界面に分極電荷が誘起される。第2障壁層403の下側(チャネル側)のヘテロ界面には正の分極電荷、上側(表面側)のヘテロ界面には負の分極電荷が誘起される。この誘起される分極電荷によって、第2障壁層403の層内の内部電界が形成される。 In this field effect transistor, two-dimensional electrons 421 exist in the channel layer 401. According to the second embodiment, by providing the second barrier layer 403, the concentration of the two-dimensional electrons 421 increases. This will be described in more detail. By providing the second barrier layer 403 having a larger band gap with respect to the upper and lower first barrier layers 402 and the third barrier layer, polarization charges are induced at the upper and lower hetero interfaces of the second barrier layer 403. Positive polarization charge is induced at the lower (channel side) heterointerface of the second barrier layer 403 and negative polarization charge is induced at the upper (surface side) heterointerface. Due to this induced polarization charge, an internal electric field in the second barrier layer 403 is formed.
このように形成される第2障壁層403の層内の内部電界によって、障壁層全体の障壁効果が大幅に増大され、チャネルのポテンシャル位置が低下する。これにより、チャネル層401における2次元電子421の電子濃度が増大し、ソース電極407のしたおよびドレイン電極408の下の各々の領域における電気抵抗の大幅な低減が実現される。この結果、本実施の形態2における電界効果トランジスタによれば、高い密度のドレイン電流を得ることが可能となる。 Due to the internal electric field in the second barrier layer 403 thus formed, the barrier effect of the entire barrier layer is greatly increased, and the potential position of the channel is lowered. As a result, the electron concentration of the two-dimensional electrons 421 in the channel layer 401 is increased, and the electrical resistance in each region of the source electrode 407 and under the drain electrode 408 is significantly reduced. As a result, according to the field effect transistor of the second embodiment, a high-density drain current can be obtained.
また、本実施の形態2によれば、第2障壁層403は、1〜4nmと薄層であるため、この層が追加されたことによる障壁層全体の膜厚の増大は小さい。 In addition, according to the second embodiment, the second barrier layer 403 is a thin layer of 1 to 4 nm, so that the increase in the thickness of the entire barrier layer due to the addition of this layer is small.
ここで、適用可能な通常の窒化物半導体からなる障壁層材料を用いた場合、チャネル層401に2次元電子421を存在させてデプレション型の動作を得るためには、第1障壁層402と第3障壁層404の合計の層厚は、5nm以上が必要である。ただし、第1障壁層402と第3障壁層404の合計の層厚は、50nmを超えることは必要がない。 Here, when a barrier layer material made of a normal nitride semiconductor that can be used is used, in order to obtain a depletion type operation by causing the two-dimensional electrons 421 to exist in the channel layer 401, the first barrier layer 402 and The total layer thickness of the third barrier layer 404 needs to be 5 nm or more. However, the total thickness of the first barrier layer 402 and the third barrier layer 404 need not exceed 50 nm.
また、第2障壁層403の層厚は、この存在の効果を有効に得るために1nm以上の層厚が必要である。一方、この層厚が4nmを超えると、第2障壁層403の下側ヘテロ界面に2次元電子が発生し、デバイス特性に望ましくない影響を与える。このため、第2障壁層403の層厚は4nmを超えてはならない。なお、第2障壁層403を素子表面から充分な深さの場所に配置させるために、第3障壁層404は、層厚4nm以上とすることが重要である。なお、絶縁層405の層厚は、1〜100nmとされていればよい。 Further, the layer thickness of the second barrier layer 403 needs to be 1 nm or more in order to effectively obtain the effect of this existence. On the other hand, if the layer thickness exceeds 4 nm, two-dimensional electrons are generated at the lower hetero interface of the second barrier layer 403, which undesirably affects device characteristics. For this reason, the layer thickness of the second barrier layer 403 should not exceed 4 nm. In order to dispose the second barrier layer 403 at a sufficient depth from the element surface, it is important that the third barrier layer 404 has a thickness of 4 nm or more. Note that the insulating layer 405 may have a thickness of 1 to 100 nm.
以上のような検討結果から、本実施の形態2における電界効果トランジスタの各層は、次に示すように構成することができる。まず、チャネル層401は、層厚3μmのGaNから構成すればよい。次に、第1障壁層402は、層厚6nmのAl0.3Ga0.7Nから構成すればよい。次に、第2障壁層403は、層厚2nmのAl0.45Ga0.55Nから構成すればよい。次に、第3障壁層404は、層厚12nmのAl0.3Ga0.7Nから構成すればよい。 From the above examination results, each layer of the field effect transistor according to the second embodiment can be configured as follows. First, the channel layer 401 may be made of GaN having a layer thickness of 3 μm. Next, the first barrier layer 402 may be made of Al 0.3 Ga 0.7 N having a layer thickness of 6 nm. Next, the second barrier layer 403 may be made of Al 0.45 Ga 0.55 N having a thickness of 2 nm. Next, the third barrier layer 404 may be made of Al 0.3 Ga 0.7 N having a layer thickness of 12 nm.
これらの各層は、c面サファイア基板あるいはSiC基板あるいはSi基板等の半導体基板上に、層厚3μmのGaNからなるチャネル層401、および、層厚6nmのAl0.3Ga0.7Nからなる第1障壁層402、層厚2nmのAl0.45Ga0.55Nからなる第2障壁層403、層厚12nmのAl0.3Ga0.7Nからなる第3障壁層404を、有機金属気相成長法などの結晶成長法によって成長させた後、ドライエッチング法などの従来のパターニング技術によって成形して作製することができる。なお、第1障壁層402を構成するAl0.3Ga0.7Nには1×1019cm-3程度の濃度のSiドーピングをする。 Each of these layers includes a channel layer 401 made of GaN having a thickness of 3 μm and a first barrier layer made of Al 0.3 Ga 0.7 N having a thickness of 6 nm on a semiconductor substrate such as a c-plane sapphire substrate, SiC substrate, or Si substrate. 402, a second barrier layer 403 made of Al 0.45 Ga 0.55 N with a thickness of 2 nm and a third barrier layer 404 made of Al 0.3 Ga 0.7 N with a thickness of 12 nm are grown by a crystal growth method such as metal organic chemical vapor deposition. Then, it can be formed by a conventional patterning technique such as a dry etching method. The Al 0.3 Ga 0.7 N constituting the first barrier layer 402 is doped with Si at a concentration of about 1 × 10 19 cm −3 .
以上のように、各窒化物半導体の層を形成した後、第3障壁層404の上の所定の領域に電極金属を蒸着させ、ソース電極407およびドレイン電極408を形成する。次に、第3障壁層404のゲート形成領域に、Al2O3を原子層堆積法などの堆積方法によって層厚30nm程度に堆積し、絶縁層405とする。この後、絶縁層405上に、電極金属を蒸着してゲート電極406を形成することによって、本実施の形態2における窒化物半導体FETが作製できる。ゲート電極406は、例えば、ゲート長2μmに形成できる。 As described above, after forming each nitride semiconductor layer, an electrode metal is vapor-deposited in a predetermined region on the third barrier layer 404 to form a source electrode 407 and a drain electrode 408. Next, Al 2 O 3 is deposited to a thickness of about 30 nm by a deposition method such as an atomic layer deposition method in the gate formation region of the third barrier layer 404 to form an insulating layer 405. Thereafter, an electrode metal is deposited on the insulating layer 405 to form the gate electrode 406, whereby the nitride semiconductor FET according to the second embodiment can be manufactured. The gate electrode 406 can be formed with a gate length of 2 μm, for example.
作製した窒化物半導体FET(ゲート長2μm)について、−6Vなる閾値を有するデプレション型のデバイス動作を行ったところ、2.0A/mmという高いドレイン電流密度を得ることができた。 When a depletion type device operation having a threshold of −6 V was performed on the manufactured nitride semiconductor FET (gate length: 2 μm), a high drain current density of 2.0 A / mm could be obtained.
ここで、比較のために、上述した実施の形態2の窒化物半導体FETの第2障壁層403を用いていない比較対象の窒化物半導体FETを作製し、上述同様に、−3Vなる閾値を有するデプレション型のデバイス動作を行った。作製した比較対象の窒化物半導体FETにおけるデバイス動作結果としては、Siドーピングを同様に施した場合においても、ドレイン電流密度は1.5A/mmしか得ることができず、ドーピングを施さない場合は1.0A/mmであった。このように、本実施の形態2によれば、ドレイン電流の大幅な増加が得られていることが分かった。 Here, for comparison, a comparative nitride semiconductor FET that does not use the second barrier layer 403 of the nitride semiconductor FET of the second embodiment described above is manufactured, and has a threshold value of −3 V as described above. Depletion type device operation was performed. As a device operation result in the manufactured comparative nitride semiconductor FET, a drain current density of only 1.5 A / mm can be obtained even when Si doping is performed in the same manner. 0.0 A / mm. As described above, according to the second embodiment, it was found that the drain current was significantly increased.
次に、各層を構成する材料について説明する。上述では、第1窒化物半導体としてGaNを用い、第2窒化物半導体としてAl0.3Ga0.7Nを用いたが、これに限るものではない。第2窒化物半導体/第1窒化物半導体の組み合わせとして、第2窒化物半導体よりもバンドギャップが小さい窒化物半導体を第1窒化物半導体として持ちていれば、どの様な組み合わせであってもよい。 Next, materials constituting each layer will be described. In the above description, GaN is used as the first nitride semiconductor and Al 0.3 Ga 0.7 N is used as the second nitride semiconductor. However, the present invention is not limited to this. As a combination of the second nitride semiconductor / first nitride semiconductor, any combination may be used as long as the first nitride semiconductor has a nitride semiconductor having a smaller band gap than the second nitride semiconductor. .
例えば、第2窒化物半導体/第1窒化物半導体の組み合わせは、AlXGa1-XN/GaN(0<X≦1)、AlX1Ga1-X1N/InX2Ga1-X2N(0<X1≦1、0≦X2≦1)、AlX1Ga1-X1N/AlX2Ga1-X2N(0<X1≦1、0≦X2<1、X1>X2)、GaN/InXGa1-XN(0<X≦1)、InX1Ga1-X1N/InX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0<X2≦1、X1<X2)、InXAl1-XN/GaN(0≦X<0.5)、InX1Al1-X1N/AlX2Ga1-X2N(0≦X1<0.5、0≦X2<1、X1+X2<1)、InX1Al1-X1N/InX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0≦X2≦1)の中より選択した半導体材料の組み合わせであればよい。 For example, the combination of the second nitride semiconductor / first nitride semiconductor is Al X Ga 1-X N / GaN (0 <X ≦ 1), Al X 1Ga 1-X 1N / In X 2Ga 1-X 2N ( 0 <X1 ≦ 1, 0 ≦ X2 ≦ 1), Al X1 Ga 1 -X1 N / Al X2 Ga 1 -X2 N (0 <X1 ≦ 1, 0 ≦ X2 <1, X1> X2), GaN / InXGa 1 -X N (0 <X ≦ 1 ), In X1 Ga 1-X1 N / In X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <1,0 <X2 ≦ 1, X1 <X2), In X Al 1-X N / GaN (0 ≦ X <0.5), In X1 Al 1-X1 N / Al X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <0.5, 0 ≦ X2 <1, X1 + X2 <1), In X1 Any combination of semiconductor materials selected from Al 1 -X 1 N / In X 2 Ga 1 -X 2 N (0 ≦ X1 <1, 0 ≦ X2 ≦ 1) may be used.
また、第3窒化物半導体/第2窒化物半導体の半導体材料として、各々Al0.45Ga0.55NおよびAl0.3Ga0.7Nを用いたが、これに限るものではなく、第2障壁層403を、第1障壁層402と第3障壁層404との間に形成可能であれば、他の半導体材料を用いてもよい。第3窒化物半導体/第2窒化物半導体の組み合わせとして、第2窒化物半導体よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体を第3窒化物半導体として用いている限り、如何なる窒化物半導体を用いても良い。 Further, Al 0.45 Ga 0.55 N and Al 0.3 Ga 0.7 N are used as the semiconductor materials of the third nitride semiconductor / second nitride semiconductor, respectively, but the present invention is not limited to this, and the second barrier layer 403 is formed by Other semiconductor materials may be used as long as they can be formed between the first barrier layer 402 and the third barrier layer 404. As a combination of the third nitride semiconductor / second nitride semiconductor, any nitride semiconductor may be used as long as a nitride semiconductor having a band gap larger than that of the second nitride semiconductor is used as the third nitride semiconductor. .
例えば、第3窒化物半導体/第2窒化物半導体の各々の半導体材料の組み合わせとして、AlX1Ga1-X1N/AlX2Ga1-X2N(0<X1≦1、0≦X2<1、X1>X2)、InX1Al1-X1N/AlX2Ga1-X2N(0≦X1<0.5、0≦X2<1、X1+X2<1)、AlXGa1-XN/GaN(0<X≦1)、InXAl1-XN/GaN(0≦X<0.5)、AlX1Ga1-X1N/InX2Ga1-X2N(0<X1≦1、0≦X2≦1)、GaN/InXGa1-XN(0<X≦1)、InX1Ga1-X1N/InX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0<X2≦1、X1<X2)、InX1Al1-X1N/InX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0≦X2≦1)、InX1Al1-X1N/InX2Al1-X2N(0≦X1<X2≦1)の中より選択した半導体材料の組み合わせを用いて形成すればよい。 For example, as a combination of the semiconductor materials of the third nitride semiconductor / second nitride semiconductor, Al X1 Ga 1 -X1 N / Al X2 Ga 1 -X2 N (0 <X1 ≦ 1, 0 ≦ X2 <1, X1> X2), In X1 Al 1-X1 N / Al X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <0.5,0 ≦ X2 <1, X1 + X2 <1), AlXGa 1-X N / GaN (0 < X ≦ 1), InXAl 1- X N / GaN (0 ≦ X <0.5), Al X1 Ga 1-X1 N / In X2 Ga 1-X2 N (0 <X1 ≦ 1,0 ≦ X2 ≦ 1) , GaN / InXGa 1-X N (0 <X ≦ 1), In X1 Ga 1-X1 N / In X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <1,0 <X2 ≦ 1, X1 <X2), In X1 Al 1-X1 N / In X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <1,0 ≦ X2 ≦ 1), In X1 Al 1-X1 N / In X2 Al 1-X2 N (0 ≦ X1 <X2 ≦ Of the semiconductor material selected from 1) It may be formed by using the combined viewing.
また、本実施の形態2においては、より高いドレイン電流密度を得るために、第1障壁層402の一部(下半分の部分)に対して不純物(本実施の形態2においてはSi)のドーピング処理を施したが、ドーピング処理が全く施されていない場合であっても、ドレイン電流の増大を図ることができる。また、第2障壁層403およびこの上下の層の一部の領域に、本実施の形態2とは異なる領域に対してドーピング処理が施されている場合においても、ドレイン電流の増大を図ることができる。 In the second embodiment, in order to obtain a higher drain current density, a part of the first barrier layer 402 (lower half portion) is doped with impurities (Si in the second embodiment). Although the treatment is performed, the drain current can be increased even when the doping treatment is not performed at all. In addition, even when the second barrier layer 403 and a part of the upper and lower layers are subjected to a doping process on a region different from the second embodiment, the drain current can be increased. it can.
ところで、本実施の形態2においても、チャネル層401の下部の構成に制限はない。例えば、チャネル層401の層厚を40nmに薄くし、この下層に層厚1.5μmのAlGaNからなるバッファー層を設け、バッファー層/チャネル層/障壁層からなるダブル・ヘテロ構造としてもよい。このように構成しても、第2障壁層105,第3障壁層106を設けたことによる上述した効果が同様である。 By the way, also in the second embodiment, there is no limitation on the configuration below the channel layer 401. For example, the channel layer 401 may be thinned to 40 nm, and a buffer layer made of AlGaN having a layer thickness of 1.5 μm may be provided below the channel layer 401 to form a double heterostructure consisting of buffer layer / channel layer / barrier layer. Even in such a configuration, the above-described effects obtained by providing the second barrier layer 105 and the third barrier layer 106 are the same.
また、本実施の形態2における窒化物半導体FETにおいては、ゲート電極406下の領域における障壁層を全く削除していない構造の例を示しているが、これに限るものではない。ゲート電極406の下の第3障壁層404および第2障壁層403の一部を、閾値の調整(負の閾値の絶対値を小さくする)および利得(相互コンダクタンス)の増大のために削除した、いわゆるリセスゲート構造であってもよい。この構成としても、ゲート電極下のチャネル層401に、負の閾値を得るために必要な2次元電子421の存在が得られる構造であれば、デプレション型の動作が得られる。言い換えると、ゲート電極下の領域においても2次元電子421が得られる構成であれば、どの様な形態であってもよい。 In the nitride semiconductor FET according to the second embodiment, an example of a structure in which the barrier layer in the region under the gate electrode 406 is not deleted is shown, but the present invention is not limited to this. A portion of the third barrier layer 404 and the second barrier layer 403 under the gate electrode 406 was deleted for threshold adjustment (decreasing the absolute value of the negative threshold) and gain (transconductance); A so-called recess gate structure may be used. Even in this configuration, a depletion-type operation can be obtained as long as the channel layer 401 under the gate electrode can have the presence of the two-dimensional electrons 421 necessary for obtaining a negative threshold. In other words, any configuration may be used as long as the two-dimensional electrons 421 can be obtained even in the region under the gate electrode.
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの組み合わせおよび変形が実施可能であることは明白である。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and many combinations and modifications can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.
101…チャネル層、102…第1障壁層、103…絶縁層、104…ゲート電極、105…第2障壁層、106…第3障壁層、107…第4障壁層、108…第5障壁層、109…ソース電極、110…ドレイン電極、121…ゲート形成領域、122…ソース形成領域、123…ドレイン形成領域、201…2次元電子、202…電子空乏領域、401…チャネル層、402…第1障壁層、403…第2障壁層、404…第3障壁層、405…絶縁層、406…ゲート電極、407…ソース電極、408…ドレイン電極、421…2次元電子。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Channel layer, 102 ... 1st barrier layer, 103 ... Insulating layer, 104 ... Gate electrode, 105 ... 2nd barrier layer, 106 ... 3rd barrier layer, 107 ... 4th barrier layer, 108 ... 5th barrier layer, DESCRIPTION OF SYMBOLS 109 ... Source electrode, 110 ... Drain electrode, 121 ... Gate formation region, 122 ... Source formation region, 123 ... Drain formation region, 201 ... Two-dimensional electron, 202 ... Electron depletion region, 401 ... Channel layer, 402 ... First barrier 403 ... second barrier layer, 404 ... third barrier layer, 405 ... insulating layer, 406 ... gate electrode, 407 ... source electrode, 408 ... drain electrode, 421 ... two-dimensional electrons.
Claims (7)
前記第1窒化物半導体より大きなバンドギャップエネルギーの第2窒化物半導体からなり、層厚1〜10nmとされて前記チャネル層の上に形成された第1障壁層と、
前記第1障壁層の上に絶縁層を介して形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極が形成されたゲート形成領域を挟んだソース形成領域およびドレイン形成領域の前記第1障壁層の上に形成され、前記第2窒化物半導体より大きなバンドギャップエネルギーの第3窒化物半導体からなり、層厚1〜4nmとされた第2障壁層および第3障壁層と、
前記第2窒化物半導体からなり、層厚4〜50nmとされて前記第2障壁層および前記第3障壁層の上に形成された第4障壁層および第5障壁層と、
前記第4障壁層および前記第5障壁層の上に形成されたソース電極およびドレイン電極と
を備え、
前記ゲート形成領域の前記第1障壁層の層厚は、前記ソース形成領域および前記ドレイン形成領域の前記第1障壁層の層厚以下とされている
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。 A channel layer made of a first nitride semiconductor having a main surface of (0001) plane;
A first barrier layer made of a second nitride semiconductor having a larger band gap energy than the first nitride semiconductor and having a layer thickness of 1 to 10 nm and formed on the channel layer;
A gate electrode formed on the first barrier layer via an insulating layer;
The third nitride semiconductor is formed on the first barrier layer in the source formation region and the drain formation region sandwiching the gate formation region where the gate electrode is formed, and has a larger band gap energy than the second nitride semiconductor. A second barrier layer and a third barrier layer having a layer thickness of 1 to 4 nm,
A fourth barrier layer and a fifth barrier layer made of the second nitride semiconductor and having a layer thickness of 4 to 50 nm and formed on the second barrier layer and the third barrier layer;
A source electrode and a drain electrode formed on the fourth barrier layer and the fifth barrier layer,
The field effect transistor according to claim 1, wherein a thickness of the first barrier layer in the gate formation region is equal to or less than a thickness of the first barrier layer in the source formation region and the drain formation region.
前記第1窒化物半導体より大きなバンドギャップエネルギーの第2窒化物半導体からなる前記チャネル層の上に形成された第1障壁層と、
前記第1障壁層の上に形成され、前記第2窒化物半導体より大きなバンドギャップエネルギーの第3窒化物半導体からなり、層厚1〜4nmとされた第2障壁層と、
前記第2窒化物半導体からなる前記第2障壁層の上に形成された第3障壁層と、
前記第3障壁層の上に絶縁層を介して形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極を挟んで前記第3障壁層の上に形成されたソース電極およびドレイン電極と
を備え、
前記第1障壁層および前記第3障壁層の合計層厚は、5〜50nmの範囲とされている
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。 A channel layer made of a first nitride semiconductor having a main surface of (0001) plane;
A first barrier layer formed on the channel layer made of a second nitride semiconductor having a larger band gap energy than the first nitride semiconductor;
A second barrier layer formed on the first barrier layer, made of a third nitride semiconductor having a larger band gap energy than the second nitride semiconductor, and having a layer thickness of 1 to 4 nm;
A third barrier layer formed on the second barrier layer made of the second nitride semiconductor;
A gate electrode formed on the third barrier layer via an insulating layer;
A source electrode and a drain electrode formed on the third barrier layer with the gate electrode interposed therebetween,
The total thickness of the first barrier layer and the third barrier layer is in the range of 5 to 50 nm.
前記絶縁層の層厚は、1〜100nmとされていることを特徴とする電界効果トランジスタ。 The field effect transistor according to claim 1 or 2,
The field effect transistor according to claim 1, wherein the insulating layer has a thickness of 1 to 100 nm.
前記第2窒化物半導体と第1窒化物半導体との組み合わせは、AlXGa1-XNとGaN(0<X≦1)、AlX1Ga1-X1NとInX2Ga1-X2N(0<X1≦1、0≦X2≦1)、AlX1Ga1-X1NとAlX2Ga1-X2N(0<X1≦1、0≦X2<1、X1>X2)、GaNとInXGa1-XN(0<X≦1)、InX1Ga1-X1NとInX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0<X2≦1、X1<X2)、InXAl1-XNとGaN(0≦X<0.5)、InX1Al1-X1NとAlX2Ga1-X2N(0≦X1<0.5、0≦X2<1、X1+X2<1)、InX1Al1-X1NとInX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0≦X2≦1)の中より選択した組み合わせであり、
前記第3窒化物半導体と前記第2窒化物半導体との組み合わせは、AlXGa1-XNとGaN(0<X≦1)、AlX1Ga1-X1NとInX2Ga1-X2N(0<X1≦1、0≦X2≦1)、AlX1Ga1-X1NとAlX2Ga1-X2N(0<X1≦1、0≦X2<1、X1>X2)、GaNとInXGa1-XN(0<X≦1)、InX1Ga1-X1NとInX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0<X2≦1、X1<X2)、InXAl1-XNとGaN(0≦X<0.5)、InX1Al1-X1NとAlX2Ga1-X2N(0≦X1<0.5、0≦X2<1、X1+X2<1)、InX1Al1-X1NとInX2Ga1-X2N(0≦X1<1、0≦X2≦1)の中より選択した組み合わせである
ことを特徴とする電界効果型トランジスタ。 The field effect transistor according to any one of claims 1 to 3,
The combination of the second nitride semiconductor and the first nitride semiconductor includes Al x Ga 1-x N and GaN (0 <X ≦ 1), Al x 1Ga 1-x 1N and In x 2Ga 1-x 2N ( 0 <X1 ≦ 1, 0 ≦ X2 ≦ 1), Al X1 Ga 1 -X1 N and Al X2 Ga 1 -X2 N (0 <X1 ≦ 1, 0 ≦ X2 <1, X1> X2), GaN and InXGa 1 -X N (0 <X ≦ 1 ), In X1 Ga 1-X1 N and In X2 Ga 1-X2 N ( 0 ≦ X1 <1,0 <X2 ≦ 1, X1 <X2), In X Al 1-X N and GaN (0 ≦ X <0.5), In X1 Al 1 -X1 N and Al X2 Ga 1 -X2 N (0 ≦ X1 <0.5, 0 ≦ X2 <1, X1 + X2 <1), In X1 A combination selected from Al 1-X1 N and In X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <1, 0 ≦ X2 ≦ 1),
The combination of the third nitride semiconductor and the second nitride semiconductor includes Al x Ga 1-X N and GaN (0 <X ≦ 1), Al x 1Ga 1-X 1N and In x 2Ga 1-X 2N. (0 <X1 ≦ 1, 0 ≦ X2 ≦ 1), Al X1 Ga 1 -X1 N and Al X2 Ga 1 -X2 N (0 <X1 ≦ 1, 0 ≦ X2 <1, X1> X2), GaN and InXGa 1-X N (0 <X ≦ 1), In X1 Ga 1-X1 N and In X2 Ga 1-X2 N (0 ≦ X1 <1, 0 <X2 ≦ 1, X1 <X2), In X Al 1- X N and GaN (0 ≦ X <0.5) , In X1 Al 1-X1 N and Al X2 Ga 1-X2 N ( 0 ≦ X1 <0.5,0 ≦ X2 <1, X1 + X2 <1), In X1 Al 1-X1 N and in X2 Ga 1-X2 N ( 0 ≦ X1 <1,0 ≦ X2 ≦ 1) field effect transistor, characterized in that a combination selected from among.
前記第1窒化物半導体は、GaNであり、
前記第2窒化物半導体は、Al0.3Ga0.7Nであり、
前記第3窒化物半導体は、Al0.45Ga0.55Nである
ことを特徴とする電界効果型トランジスタ。 The field effect transistor according to claim 4, wherein
The first nitride semiconductor is GaN;
The second nitride semiconductor is Al 0.3 Ga 0.7 N;
The third nitride semiconductor is Al 0.45 Ga 0.55 N. The field effect transistor according to claim 1, wherein:
前記第1障壁層、前記第2障壁層、および前記第3障壁層の一部に、ドーピング処理がなされていることを特徴とする電界効果型トランジスタ。 The field effect transistor according to any one of claims 1 to 5,
A field effect transistor, wherein a part of the first barrier layer, the second barrier layer, and the third barrier layer is doped.
前記チャネル層の下に配置されたバッファー層を備えることを特徴とする電界効果型トランジスタ。 In the field effect transistor according to any one of claims 1 to 6,
A field effect transistor comprising a buffer layer disposed under the channel layer.
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