JP4251006B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話に代表される高周波通信機器に使用される半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年の携帯電話に代表される移動体通信機器においては、GaAs系電界効果型トランジスタあるいはヘテロ接合バイポーラトランジスタが使用されており、揺るぎ無い地位を占めるに至っている。しかしながら、新材料による高性能化開発も精力的に推進されている。その中で、GaNに代表される窒化物系III-V族化合物半導体すなわち一般式がAlxGa1-x-yInyN(0≦x≦1、0≦y≦1)で表されるIII族窒化物半導体は、GaAs系に比較して10倍のシートキャリア濃度を実現でき、かつ、高い絶縁破壊電圧を有するため、次世代の化合物半導体材料として極めて注目されている。
【0003】
III族窒化物半導体装置で特に注目されるのは、AlGaN/GaNヘテロ接合を用いたMODFET(Modulation Doped Field Effect Transistor)である。GaAs系MODFETとの最大の違いは、ショットキー層であるAlGaN層に不純物をドーピングすることなくGaAs系MODFETの10倍ものシートキャリア濃度を実現できる点である。AlGaN/GaN間のストレスによってAlGaNにピエゾ効果による分極が発生し、その結果、AlGaN/GaN界面に二次元電子が蓄積されることが、キャリア発生の機構である。
【0004】
そのためストレスは非常に重要なパラメータであり、AlGaN/GaN間のストレスと誘起されるシートキャリア濃度は精力的に研究されている。例えば、非特許文献1において、二次元電子ガスのシートキャリア濃度をストレスから定量的に計算している。図9に従来のAlGaN/GaN MODFETの実施例を示す。この図面には、上面からの見取り図とMODFETの断面図が示されている。101はInGaN層、102はAlGaN層であって、InGaN/AlGaN間に2次元電子ガスが蓄積する。103はゲート電極、104はオーミック電極である。
【0005】
【非特許文献1】
O.Ambacher et. al.;Journal of Applied Physics, Vol 85, No.(1999)p.3222-p.3233.
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
窒化物系電界効果型トランジスタのキャリア蓄積の機構を鑑みると、ゲート電極周辺のストレスは非常に重要である。にもかかわらず、従来技術においては、InGaN/AlGaN間のストレスについて検討がなされているのみで、ゲート電極およびオーミック電極周辺に発生するストレスに関しては全く注意を払われてこなかった。そのため、MODFETの特性予測には誤差が発生しており、さらに、特性がばらつくといった課題があった。
【0007】
上記課題に鑑み、本発明は、ゲート電極およびオーミック電極のストレスを考慮して、その電界効果型トランジスタの閾値特性を正確に制御できる構造を提供することを目的とするものである。
【0008】
なお、本発明者らは、窒化物系電界効果型トランジスタにおいて、本発明で議論されるゲート電極の方位に関する優位性をはじめて明らかにした。それにより本発明に至ったものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、基板上に形成されたIII族窒化物半導体層よりなり、かつゲート電極およびオーミック電極が形成されている電界効果トランジスタであって、前記ゲート電極の長手方向が特定の方向に形成されているものである。
【0010】
この構成により、ゲート電極の長手方向が特定の方向に形成されているので、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生を制御することができる。
【0011】
本発明の半導体装置は、さらに前記特定の方向が、[11-20]方向、[2-1-10]方向または[-12-10]方向のいずれかであることが好ましい。この好ましい構成によれば、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が少ないことから温度特性を鈍感にすることができる。
【0012】
なお、ここで例えば[11-20]について-2の“マイナス”は、“バー”の意味である。これについては他の方向についても同様である。
【0013】
本発明の半導体装置は、さらに前記特定の方向が、[01-10]方向、[10-10]方向または[1-100]方向のいずれかであることが好ましい。この好ましい構成によれば、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が多いことから閾値電圧が温度に敏感にすることができる。
【0014】
本発明の半導体装置は、基板上に形成されたIII族窒化物半導体よりなり、かつゲート電極およびオーミック電極が形成されている電界効果トランジスタを複数個有し、そのうち前記ゲート電極の長手方向が[11-20]方向、[2-1-10]方向または[-12-10]方向のいずれかである電界効果型トランジスタと、前記ゲート電極の長手方向が[01-10]方向、[10-10]方向または[1-100]方向のいずれかである電界効果型トランジスタとが含まれるものである。
【0015】
この構成により、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が多いゲート方位と少ない方位が混在するので、温度特性の異なるトランジスタを組み合わせることにより、回路設計に大きな自由度を与えることができる。
【0016】
本発明の半導体装置は、基板上に形成された第1および第2のIII族窒化物半導体層よりなり、ゲート電極が前記第1のIII族窒化物半導体層上に形成され、オーミック電極が前記第2のIII族窒化物半導体層上に形成された電界効果トランジスタであって、前記ゲート電極の長手方向が特定の方向に形成されているものである。
【0017】
この構成により、ゲート電極の長手方向が特定の方向に形成されているので、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生を制御して温度特性を制御できるとともに、第2のIII族窒化物半導体層のストレスによりその制御性をより一層向上させることができる。
【0018】
本発明の半導体装置は、さらに前記特定の方向が、[11-20]方向、[2-1-10]方向または[-12-10]方向のいずれかであることが好ましい。この好ましい構成によれば、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が少ないことから温度特性を鈍感にすることができる。
【0019】
本発明の半導体装置は、さらに前記特定の方向が、[01-10]方向、[10-10]方向または[1-100]方向のいずれかであることが好ましい。この好ましい構成によれば、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が多いことから閾値電圧が温度に敏感にすることができる。
【0020】
本発明の半導体装置は、基板上に形成された第1および第2のIII族窒化物半導体層よりなり、ゲート電極が前記第1のIII族窒化物半導体層上に形成され、オーミック電極が前記第2のIII族窒化物半導体層上に形成された電界効果トランジスタを複数個有し、そのうち前記ゲート電極の長手方向が[11-20]方向、[2-1-10]方向または[-12-10]方向のいずれかである電界効果型トランジスタと、前記ゲート電極の長手方向が[01-10]方向、[10-10]方向または[1-100]方向のいずれかである電界効果型トランジスタとが含まれるものである。
【0021】
この構成により、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が多いゲート方位と少ない方位が混在するので、温度特性の異なるトランジスタを組み合わせることにより、回路設計に大きな自由度を与えることができる。さらに、第2のIII族窒化物半導体層のストレスにより第2のIII族窒化物半導体層のストレスによりピエゾ電荷の制御性をより一層向上させることができる。
【0022】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。
【0023】
SiC基板の上にAlN層、GaN層およびAlGaN層が順次形成されてなる電界効果型トランジスタのゲート電極の長手方向を特定の方向に向ける構成にする。ゲート電極の長手方向と閾値電圧の関係を本発明者が初めて測定した結果、得られたグラフを図7に示す。閾値電圧はゲート方位依存性を示しており、[10-10]方向で最も深い閾値電圧となることがわかる。
【0024】
さらに上記電界効果トランジスタについて閾値電圧の基板温度依存性を図8に示す。温度係数もまたゲート方向依存性を有することがわかる。これにより、ゲート電極あるいはオーミック電極周辺に発生するピエゾ電荷の電荷量を一定にすることにより、電界効果型トランジスタの閾値特性を揃えることが可能となる。
【0025】
また、ゲート電極周辺およびオーミック電極周辺のストレスを可変させることによって、閾値電圧を制御することが可能となる。
【0026】
なお、本実験について、基板として4H-SiCを用いて検討を行ったが、6H-SiC基板やサファイア基板等、他の基板についても同様な効果が得られる。
【0027】
また、電界効果トランジスタを構成するIII族窒化物半導体層の組み合わせは、InGaN層/AlGaN層に限らず、他の組み合わせでも同様な効果が得られる。
【0028】
上記特性を有する半導体装置について、以下の実施形態にて説明する。
【0029】
以下の実施形態において、基板としては、4H-SiC基板、6H-SiC基板、サファイア基板等を用いることができる。
【0030】
(第1の実施形態)
第1の実施形態に係る半導体装置は、基板上にInGaN(混晶比0%〜100%)とAlGaN(混晶比0%〜100%)が順次形成されており、ゲート電極およびオーミック電極が形成されている電界効果型半導体装置であって、前記ゲート電極の長手方向が[11-20]方向あるいは[2-1-10]あるいは[-12-10]方向のいずれかであるものであり、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が少ないことから温度特性を鈍感にすることができる。
【0031】
この半導体装置について、上面図および断面構造図を具体的に図1に示す。図1において、101はInGaN層(混晶比0%〜100%)であり2次元電子ガスが走行する。102はAlGaN層でありショットキー層として機能する。103はゲート電極であり例えばPdSi/Auが使用される。104はオーミック電極であり例えばTi/Alが使用される。105はゲート電極であり、長手方向が[11-20]方向あるいは[2-1-10]あるいは[-12-10]方向のいずれかである。
【0032】
ゲート電極がこの方向にある場合、ゲート電極直下のピエゾ電荷が少ないために、閾値電圧の温度変動が小さく、そのため安定な温度特性を実現することができる。
【0033】
(第2の実施形態)
第2の実施形態に係る半導体装置は、基板上にInGaN(混晶比0%〜100%)とAlGaN(混晶比0%〜100%)が順次形成されており、ゲート電極およびオーミック電極が形成されている電界効果トランジスタであって、前記ゲート電極の長手方向が[01-10]方向あるいは[10-10]あるいは[1-100]方向のいずれかであるものであり、これによりゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が多いことから閾値電圧が温度に敏感にすることができる。
【0034】
この半導体装置について、上面図および断面構造図を具体的に図2に示す。図2において、101はInGaN層(混晶比0%〜100%)であり2次元電子ガスが走行する。102はAlGaN層でありショットキー層として機能する。103はゲート電極であり例えばPdSi/Auが使用される。104はオーミック電極であり例えばTi/Alが使用される。105はゲート電極であり、長手方向が[01-10]方向あるいは[10-10]あるいは[1-100]方向のいずれかである。
【0035】
ゲート電極がこの方向にある場合、ゲート電極直下のピエゾ電荷が多いために、閾値電圧の温度変動が大きく、そのため温度に敏感な特性を実現することができる。
【0036】
(第3の実施形態)
第3の実施形態に係る半導体装置は、基板上にInGaN(混晶比0%〜100%)とAlGaN(混晶比0%〜100%)が順次形成されており、ゲート電極およびオーミック電極が形成されている電界効果型半導体装置であって、前記ゲート電極の長手方向が[11-20]方向あるいは[2-1-10]あるいは[-12-10]方向のいずれかである電界効果型トランジスタと、前記ゲート電極の長手方向が[01-10]方向あるいは[10-10]あるいは[1-100]方向のいずれかである電界効果型トランジスタが混在することを特徴とする半導体装置であり、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が多いゲート方位と少ない方位が混在するので、温度特性の異なるトランジスタを組み合わせることにより、回路設計に大きな自由度を与えるという作用を有する。
【0037】
この半導体装置について、上面図および断面構造図を具体的に図3に示す。図3において、101はInGaN層(混晶比0%〜100%)であり2次元電子ガスが走行する。102はAlGaN層でありショットキー層として機能する。103はゲート電極であり例えばPdSi/Auが使用される。104はオーミック電極であり例えばTi/Alが使用される。105はゲート電極であり、長手方向が[11-20]方向あるいは[2-1-10]あるいは[-12-10]方向のいずれかである電界効果型トランジスタと、前記ゲート電極の長手方向が[01-10]方向あるいは[10-10]あるいは[1-100]方向のいずれかである電界効果型トランジスタが混在している。
【0038】
ゲート電極がこれらの方向にある場合、異なる特性を有するトランジスタを混在させることができるため、回路設計に大きな自由度が生まれる。つまり、これを積極的に利用した回路を実現することができる。
【0039】
(第4の実施形態)
第4の実施形態に係る半導体装置は、基板上にInGaN(混晶比0%〜100%)と第1のAlGaN(混晶比0%〜100%)が順次形成されており、ゲート電極が前記第1のAlGaN上に形成されており、前記第1のAlGaN上の一部に第2のAlGaNとオーミック電極が形成されている電界効果型半導体装置であって、前記ゲート電極の長手方向が[11-20]方向あるいは[2-1-10]あるいは[-12-10]方向のいずれかであることを特徴とする半導体装置であり、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が少ないことから温度特性を鈍感にする作用を有する。さらに、第2のAlGaNのストレスによりその作用をより一層大きくすることができる。
【0040】
この半導体装置について、上面図および断面構造図を具体的に図4に示す。図4において、401はInGaN層(混晶比0%〜100%)であり2次元電子ガスが走行する。402は第1のAlGaN層でありショットキー層として機能する。403はゲート電極であり例えばPdSi/Auが使用される。406は第1のAlGaN層上の一部に形成された第2のAlGaN層であり、この上にオーミック電極404が形成される。オーミック電極404は例えばTi/Alが使用される。405はゲート電極であり、長手方向が[11-20]方向あるいは[2-1-10]あるいは[-12-10]方向のいずれかである。
【0041】
ゲート電極がこの方向にある場合、ゲート電極直下のピエゾ電荷が少ないために、閾値電圧の温度変動が小さく、そのため安定な温度特性を実現することができる。さらに、第2のAlGaN層によりストレスを制御することにより、その効果をより一層高めることができる。
【0042】
(第5の実施形態)
第5の実施形態に係る半導体装置は、基板上にInGaN(混晶比0%〜100%)と第1のAlGaN(混晶比0%〜100%)が順次形成されており、ゲート電極が前記第1のAlGaN上に形成されており、前記第1のAlGaN上の一部に第2のAlGaNとオーミック電極が形成されている電界効果型半導体装置であって、前記ゲート電極の長手方向が[01-10]方向あるいは[10-10]あるいは[1-100]方向のいずれかであることを特徴とする半導体装置であり、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が多いことから閾値電圧が温度に敏感にする作用を有する。さらに、第2のAlGaNのストレスによりその作用をより一層大きくすることができる。
【0043】
この半導体装置について、上面図および断面構造図を具体的に図5に示す。図5において、401はInGaN層(混晶比0%〜100%)であり2次元電子ガスが走行する。402は第1のAlGaN層でありショットキー層として機能する。403はゲート電極であり例えばPdSi/Auが使用される。406は第1のAlGaN層上の一部に形成された第2のAlGaN層であり、この上にオーミック電極404が形成される。オーミック電極404は例えばTi/Alが使用される。405はゲート電極であり、長手方向が[01-10]方向あるいは[10-10]あるいは[1-100]方向のいずれかである。
【0044】
ゲート電極がこの方向にある場合、ゲート電極直下のピエゾ電荷が多いために、閾値電圧の温度変動が大きく、そのため温度に敏感な特性を実現することができる。さらに、第2のAlGaN層によりストレスを制御することにより、その効果をより一層高めることができる。
【0045】
(第6の実施形態)
第6の実施形態に係る半導体装置は、基板上にInGaN(混晶比0%〜100%)と第1のAlGaN(混晶比0%〜100%)が順次形成されており、ゲート電極が前記第1のAlGaN上に形成されており、前記第1のAlGaN上の一部に第2のAlGaNとオーミック電極が形成されている電界効果型半導体装置であって、前記ゲート電極の長手方向が[11-20]方向あるいは[2-1-10]あるいは[-12-10]方向のいずれかである電界効果型トランジスタと、前記ゲート電極の長手方向が[01-10]方向あるいは[10-10]あるいは[1-100]方向のいずれかである電界効果型トランジスタが混在することを特徴とする半導体装置であり、ゲート電極のストレスによるピエゾ電荷の発生が多いゲート方位と少ない方位が混在できるというしていることから、温度特性の異なるトランジスタを組み合わせることにより、回路設計に大きな自由度を与えるという作用を有する。さらに、第2のAlGaNのストレスによりその作用をより一層大きくすることができる。
【0046】
この半導体装置について、上面図および断面構造図を具体的に図6に示す。図6において、401はInGaN層(混晶比0%〜100%)であり2次元電子ガスが走行する。402は第1のAlGaN層でありショットキー層として機能する。403はゲート電極であり例えばPdSi/Auが使用される。406は第1のAlGaN層上の一部に形成された第2のAlGaN層であり、この上にオーミック電極404が形成される。オーミック電極404は例えばTi/Alが使用される。405はゲート電極であり長手方向が[11-20]方向あるいは[2-1-10]あるいは[01-10]方向のいずれかである電界効果型トランジスタと、前記ゲート電極の長手方向が[01-10]方向あるいは[10-10]あるいは[1-100]方向のいずれかである電界効果型トランジスタが混在させる。
【0047】
ゲート電極がこの方向にある場合、閾値電圧の温度変動が大きいトランジスタと小さいトランジスタを混在させることができる。そのため回路設計に大きな自由度が生まれる。つまり、これを積極的に利用した回路を実現することができる。さらに、第2のAlGaN層によりストレスを制御することにより、その効果をより一層高めることができる。
【0048】
なお、上記実施形態において電界効果トランジスタを構成するIII族窒化物半導体層の組み合わせは、InGaN層/AlGaN層に限らず、AlxGa1-x-yInyN(0≦x≦1、0≦y≦1)についてx、yの値を選んでなる複数のAlGaInN層の組み合わせであっても同様の効果が得られる。
【0049】
なお、上記実施の形態については、ついては、電界効果トランジスタを例に説明したが、電界効果トランジスタに限らず、電界効果を利用した半導体装置すなわち電界効果型半導体装置に本発明を用いても同様な効果が得られる。
【0050】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によればAlGaN/InGaN電界効果型トランジスタにおいて、ピエゾ効果を積極的に利用して、特性を揃える、あるいは温度特性が大きいあるいは小さいトランジスタを実現し、さらにはそれを混在させて回路設計の自由度を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態を示す上面図および断面図
【図2】本発明の第2の実施形態を示す上面図および断面図
【図3】本発明の第3の実施形態を示す上面図および断面図
【図4】本発明の第4の実施形態を示す上面図および断面図
【図5】本発明の第5の実施形態を示す上面図および断面図
【図6】本発明の第6の実施形態を示す上面図および断面図
【図7】閾値電圧のゲート電極長手方向を示す図
【図8】閾値電圧の温度特性に関するゲート電極長手方向依存性を示す図
【図9】従来例を示す上面図および断面図
【符号の説明】
101 InGaN層
102 AlGaN層
103 ゲート電極
104 オーミック電極
105 ゲート電極
401 InGaN層
402 第1のAlGaN層
403 ゲート電極
404 オーミック電極
405 ゲート電極
406 第2のAlGaN層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device used in a high-frequency communication device represented by a mobile phone.
[0002]
[Prior art]
In recent mobile communication devices represented by mobile phones, GaAs field effect transistors or heterojunction bipolar transistors have been used, and have come to occupy an unwavering position. However, the development of high performance with new materials is also being actively promoted. Among them, a nitride-based III-V group compound semiconductor typified by GaN, that is, a group III whose general formula is represented by Al x Ga 1 -xy In y N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) Nitride semiconductors are attracting much attention as next-generation compound semiconductor materials because they can achieve a
[0003]
Of particular interest in group III nitride semiconductor devices are MODFETs (Modulation Doped Field Effect Transistors) using AlGaN / GaN heterojunctions. The biggest difference from GaAs MODFET is that the
[0004]
For this reason, stress is a very important parameter, and the stress between AlGaN / GaN and the induced sheet carrier concentration have been intensively studied. For example, in Non-Patent Document 1, the sheet carrier concentration of a two-dimensional electron gas is quantitatively calculated from stress. FIG. 9 shows an example of a conventional AlGaN / GaN MODFET. This drawing shows a sketch from the top and a cross-sectional view of the MODFET. 101 is an InGaN layer, and 102 is an AlGaN layer, and a two-dimensional electron gas accumulates between InGaN / AlGaN. 103 is a gate electrode, and 104 is an ohmic electrode.
[0005]
[Non-Patent Document 1]
O. Ambacher et.al .; Journal of Applied Physics, Vol 85, No. (1999) p.3222-p.3233.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In view of the carrier accumulation mechanism of the nitride-based field effect transistor, the stress around the gate electrode is very important. Nevertheless, in the prior art, only the stress between InGaN / AlGaN has been studied, and no attention has been paid to the stress generated around the gate electrode and the ohmic electrode. For this reason, there is an error in the prediction of the characteristics of the MODFET, and there is another problem that the characteristics vary.
[0007]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a structure capable of accurately controlling the threshold characteristics of a field-effect transistor in consideration of the stress of a gate electrode and an ohmic electrode.
[0008]
The inventors of the present invention have clarified for the first time the superiority regarding the orientation of the gate electrode discussed in the present invention in a nitride-based field effect transistor. This has led to the present invention.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a semiconductor device according to the present invention is a field effect transistor comprising a group III nitride semiconductor layer formed on a substrate and having a gate electrode and an ohmic electrode formed thereon, wherein the gate The longitudinal direction of the electrode is formed in a specific direction.
[0010]
With this configuration, since the longitudinal direction of the gate electrode is formed in a specific direction, generation of piezoelectric charges due to stress on the gate electrode can be controlled.
[0011]
In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that the specific direction is any of [11-20] direction, [2-1-10] direction, and [-12-10] direction. According to this preferable configuration, since the generation of piezoelectric charges due to the stress of the gate electrode is small, the temperature characteristics can be made insensitive.
[0012]
Here, for example, in [11-20], “-2” in “-2” means “bar”. The same applies to the other directions.
[0013]
In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that the specific direction is any one of a [01-10] direction, a [10-10] direction, and a [1-100] direction. According to this preferred configuration, since the piezoelectric charge is often generated by the stress of the gate electrode, the threshold voltage can be made sensitive to temperature.
[0014]
The semiconductor device of the present invention has a plurality of field effect transistors made of a group III nitride semiconductor formed on a substrate and formed with a gate electrode and an ohmic electrode, of which the longitudinal direction of the gate electrode is [ 11-20] direction, [2-1-10] direction or [-12-10] direction field effect transistor, and the longitudinal direction of the gate electrode is [01-10] direction, [10- Field effect transistors that are in either the [10] direction or the [1-100] direction.
[0015]
With this configuration, since a gate orientation in which a large amount of piezoelectric charges are generated due to stress of the gate electrode and a orientation in which the gate electrode is small are mixed, a great degree of freedom can be given to circuit design by combining transistors having different temperature characteristics.
[0016]
The semiconductor device according to the present invention includes first and second group III nitride semiconductor layers formed on a substrate, a gate electrode is formed on the first group III nitride semiconductor layer, and an ohmic electrode is formed on the substrate. A field effect transistor formed on the second group III nitride semiconductor layer, wherein the longitudinal direction of the gate electrode is formed in a specific direction.
[0017]
With this configuration, since the longitudinal direction of the gate electrode is formed in a specific direction, the temperature characteristics can be controlled by controlling the generation of piezoelectric charges due to the stress of the gate electrode, and the second group III nitride semiconductor layer can be controlled. The controllability can be further improved by stress.
[0018]
In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that the specific direction is any of [11-20] direction, [2-1-10] direction, and [-12-10] direction. According to this preferable configuration, since the generation of piezoelectric charges due to the stress of the gate electrode is small, the temperature characteristics can be made insensitive.
[0019]
In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that the specific direction is any one of a [01-10] direction, a [10-10] direction, and a [1-100] direction. According to this preferred configuration, since the piezoelectric charge is often generated by the stress of the gate electrode, the threshold voltage can be made sensitive to temperature.
[0020]
The semiconductor device according to the present invention includes first and second group III nitride semiconductor layers formed on a substrate, a gate electrode is formed on the first group III nitride semiconductor layer, and an ohmic electrode is formed on the substrate. There are a plurality of field effect transistors formed on the second group III nitride semiconductor layer, of which the longitudinal direction of the gate electrode is the [11-20] direction, [2-1-10] direction or [-12] -10] direction field-effect transistor and the gate electrode has a longitudinal direction of [01-10] direction, [10-10] direction, or [1-100] direction. A transistor.
[0021]
With this configuration, since a gate orientation in which a large amount of piezoelectric charges are generated due to stress of the gate electrode and a orientation in which the gate electrode is small are mixed, a great degree of freedom can be given to circuit design by combining transistors having different temperature characteristics. Furthermore, the controllability of the piezoelectric charge can be further improved by the stress of the second group III nitride semiconductor layer due to the stress of the second group III nitride semiconductor layer.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0023]
A field effect transistor in which an AlN layer, a GaN layer, and an AlGaN layer are sequentially formed on a SiC substrate is configured so that the longitudinal direction of the gate electrode is directed to a specific direction. FIG. 7 shows a graph obtained as a result of the first measurement of the relationship between the longitudinal direction of the gate electrode and the threshold voltage. The threshold voltage shows gate orientation dependence, and it can be seen that the threshold voltage is the deepest in the [10-10] direction.
[0024]
Further, FIG. 8 shows the substrate temperature dependence of the threshold voltage for the field effect transistor. It can be seen that the temperature coefficient is also dependent on the gate direction. This makes it possible to align the threshold characteristics of the field effect transistors by making the amount of piezoelectric charge generated around the gate electrode or ohmic electrode constant.
[0025]
Further, the threshold voltage can be controlled by varying the stress around the gate electrode and the ohmic electrode.
[0026]
In this experiment, 4H—SiC was used as the substrate, but the same effect can be obtained with other substrates such as a 6H—SiC substrate and a sapphire substrate.
[0027]
Further, the combination of the group III nitride semiconductor layers constituting the field effect transistor is not limited to the InGaN layer / AlGaN layer, and the same effect can be obtained by other combinations.
[0028]
A semiconductor device having the above characteristics will be described in the following embodiments.
[0029]
In the following embodiments, as the substrate, a 4H—SiC substrate, a 6H—SiC substrate, a sapphire substrate, or the like can be used.
[0030]
(First embodiment)
In the semiconductor device according to the first embodiment, InGaN (
[0031]
A top view and a cross-sectional structure diagram of this semiconductor device are specifically shown in FIG. In FIG. 1, 101 is an InGaN layer (
[0032]
When the gate electrode is in this direction, the piezoelectric charge immediately below the gate electrode is small, so that the temperature fluctuation of the threshold voltage is small, so that stable temperature characteristics can be realized.
[0033]
(Second Embodiment)
In the semiconductor device according to the second embodiment, InGaN (
[0034]
A top view and a cross-sectional structure diagram of this semiconductor device are specifically shown in FIG. In FIG. 2, 101 is an InGaN layer (
[0035]
When the gate electrode is in this direction, the piezoelectric charge immediately below the gate electrode is large, so that the temperature variation of the threshold voltage is large, so that a temperature sensitive characteristic can be realized.
[0036]
(Third embodiment)
In the semiconductor device according to the third embodiment, InGaN (
[0037]
A top view and a cross-sectional structure diagram of this semiconductor device are specifically shown in FIG. In FIG. 3, 101 is an InGaN layer (
[0038]
When the gate electrode is in these directions, transistors having different characteristics can be mixed, which gives a great degree of freedom in circuit design. That is, it is possible to realize a circuit that actively uses this.
[0039]
(Fourth embodiment)
In the semiconductor device according to the fourth embodiment, InGaN (
[0040]
A top view and a cross-sectional structure diagram of this semiconductor device are specifically shown in FIG. In FIG. 4, 401 is an InGaN layer (
[0041]
When the gate electrode is in this direction, the piezoelectric charge immediately below the gate electrode is small, so that the temperature fluctuation of the threshold voltage is small, so that stable temperature characteristics can be realized. Furthermore, the effect can be further enhanced by controlling the stress by the second AlGaN layer.
[0042]
(Fifth embodiment)
In the semiconductor device according to the fifth embodiment, InGaN (
[0043]
A top view and a cross-sectional structure diagram of this semiconductor device are specifically shown in FIG. In FIG. 5, 401 is an InGaN layer (
[0044]
When the gate electrode is in this direction, the piezoelectric charge immediately below the gate electrode is large, so that the temperature variation of the threshold voltage is large, so that a temperature sensitive characteristic can be realized. Furthermore, the effect can be further enhanced by controlling the stress by the second AlGaN layer.
[0045]
(Sixth embodiment)
In the semiconductor device according to the sixth embodiment, InGaN (
[0046]
FIG. 6 specifically shows a top view and a sectional view of this semiconductor device. In FIG. 6, 401 is an InGaN layer (
[0047]
When the gate electrode is in this direction, a transistor with a large threshold voltage temperature variation and a small transistor can be mixed. This gives a great degree of freedom in circuit design. That is, it is possible to realize a circuit that actively uses this. Furthermore, the effect can be further enhanced by controlling the stress by the second AlGaN layer.
[0048]
In the above embodiment, the combination of the group III nitride semiconductor layers constituting the field effect transistor is not limited to the InGaN layer / AlGaN layer, but Al x Ga 1-xy In y N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y The same effect can be obtained even with a combination of a plurality of AlGaInN layers obtained by selecting the values of x and y for ≦ 1).
[0049]
The above embodiment has been described by taking a field effect transistor as an example. However, the present invention is not limited to a field effect transistor, and the same applies to a semiconductor device using a field effect, that is, a field effect semiconductor device. An effect is obtained.
[0050]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in the AlGaN / InGaN field-effect transistor, the piezo effect is positively utilized to realize a transistor with uniform characteristics, or with a large or small temperature characteristic, and further to that. It can be mixed to increase the degree of freedom in circuit design.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a top view and a cross-sectional view showing a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a top view and a cross-sectional view showing a second embodiment of the present invention. FIG. 4 is a top view and cross-sectional view showing a fourth embodiment of the present invention. FIG. 5 is a top view and cross-sectional view showing a fifth embodiment of the present invention. FIG. 7 is a top view and a cross-sectional view showing a sixth embodiment of the invention. FIG. 7 is a view showing a gate electrode longitudinal direction of a threshold voltage. FIG. ] Top view and sectional view showing a conventional example [Explanation of symbols]
101 InGaN layer
102 AlGaN layer
103 Gate electrode
104 Ohmic electrode
105 Gate electrode
401 InGaN layer
402 First AlGaN layer
403 Gate electrode
404 ohmic electrode
405 Gate electrode
406 Second AlGaN layer
Claims (2)
そのうち前記ゲート電極の長手方向が前記 III 族窒化物半導体の[11-20]方向、[2-1-10]方向または[-12-10]方向のいずれかである電界効果型トランジスタと、
前記ゲート電極の長手方向が前記 III 族窒化物半導体の[01-10]方向、[10-10]方向または[1-100]方向のいずれかである電界効果型トランジスタとが含まれることを特徴とする半導体装置。A plurality of field effect transistors are formed of a group III nitride semiconductor having a (0001) plane as a main surface formed on a substrate, and a gate electrode and an ohmic electrode are formed.
Of which the gate electrode longitudinal direction [11-20] direction of the group III nitride semiconductor, and a field effect transistor is one of the [2-1-10] direction or [-12-10] direction,
[01-10] direction of the longitudinal direction of the gate electrode is the group III nitride semiconductor, characterized in that includes a field effect transistor is one of the [10-10] direction or [1-100] direction A semiconductor device.
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