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JP5514231B2 - Heterojunction field effect transistor - Google Patents

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JP5514231B2
JP5514231B2 JP2012001436A JP2012001436A JP5514231B2 JP 5514231 B2 JP5514231 B2 JP 5514231B2 JP 2012001436 A JP2012001436 A JP 2012001436A JP 2012001436 A JP2012001436 A JP 2012001436A JP 5514231 B2 JP5514231 B2 JP 5514231B2
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正伸 廣木
謙次 塩島
小林  隆
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  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)

Description

本発明は窒化物半導体からなるヘテロ接合型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 heterojunction field effect transistor made of a nitride semiconductor.

GaNに代表される窒化物半導体は、高い絶縁破壊電界強度、高い熱伝導率、高い飽和電子速度等の特徴を持つことから、高周波のパワーデバイス、スイッチング素子等への応用が期待されている。この窒化物半導体の結晶成長は有機金属気相成長法(MOCVD)や分子線エピタキシー法(MBF)により行なわれる。   Nitride semiconductors typified by GaN have characteristics such as high breakdown field strength, high thermal conductivity, and high saturation electron velocity, and are expected to be applied to high-frequency power devices, switching elements, and the like. The crystal growth of the nitride semiconductor is performed by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBF).

図6は従来のヘテロ接合型電界効果トランジスタ(例えば非特許文献1参照)を示す断面図である。図に示すように、サファイア、SiC、Si等からなる基板1上に核形成層2が形成されている。核形成層2は基板1の種類に応じて形成され、基板1がサファイアからなるときには、基板1を一旦1000℃以上の水素雰囲気中でクリーニングし、その後基板温度を400〜700℃の低温にしてGaNまたはAlNを形成し、また基板1がSiC、Siからなるときには、基板1を1000℃以上の水素雰囲気中でクリーニングし、その後基板温度を1000℃以上の高温にしてAlNまたはAlGaNを形成する。また、核形成層2上にアンドープのGaNからなるバッファ層3が形成され、バッファ層3上にアンドープのAlGaNからなるバリア層4が形成されている。また、バリア層4上にソース電極5とドレイン電極6とがオーミック接合により形成され、バリア層4上にショットキー接合によりゲート電極7が形成され、ソース電極5とドレイン電極6とはゲート電極7より所定の間隔を開けて配置されている。   FIG. 6 is a cross-sectional view showing a conventional heterojunction field effect transistor (see Non-Patent Document 1, for example). As shown in the figure, a nucleation layer 2 is formed on a substrate 1 made of sapphire, SiC, Si or the like. The nucleation layer 2 is formed according to the type of the substrate 1. When the substrate 1 is made of sapphire, the substrate 1 is once cleaned in a hydrogen atmosphere at 1000 ° C. or higher, and then the substrate temperature is lowered to 400 to 700 ° C. When GaN or AlN is formed and the substrate 1 is made of SiC or Si, the substrate 1 is cleaned in a hydrogen atmosphere at 1000 ° C. or higher, and then the substrate temperature is raised to 1000 ° C. or higher to form AlN or AlGaN. A buffer layer 3 made of undoped GaN is formed on the nucleation layer 2, and a barrier layer 4 made of undoped AlGaN is formed on the buffer layer 3. Further, the source electrode 5 and the drain electrode 6 are formed on the barrier layer 4 by ohmic junction, the gate electrode 7 is formed on the barrier layer 4 by Schottky junction, and the source electrode 5 and the drain electrode 6 are connected to the gate electrode 7. Further, they are arranged at a predetermined interval.

このヘテロ接合型電界効果トランジスタにおいては、バリア層4とバッファ層3との間に生じるピエゾ効果および自発分極効果により、バッファ層3内のバリア層4側界面付近に二次元電子ガス8が形成される。そして、ソース電極5下の領域とドレイン電極6下の領域との間の二次元電子ガス8の流れを、ゲート電極7に印加する電圧により制御することで、ヘテロ接合型電界効果トランジスタを動作させる。つまり、このヘテロ接合型電界効果トランジスタでは、ゲート電極7に電圧を加えない状態でソースとドレイン間に電流が流れることになり、いわゆるノーマリーオン型の動作が実現する。また、キャリアである電子は二次元電子ガス8となりアンドープ(低不純物)のGaNからなるチャネル層中を移動するので、不純物による散乱が抑制され、高速で移動することが可能になる。   In this heterojunction field effect transistor, a two-dimensional electron gas 8 is formed in the vicinity of the barrier layer 4 side interface in the buffer layer 3 due to a piezo effect and a spontaneous polarization effect generated between the barrier layer 4 and the buffer layer 3. The The heterojunction field effect transistor is operated by controlling the flow of the two-dimensional electron gas 8 between the region under the source electrode 5 and the region under the drain electrode 6 by the voltage applied to the gate electrode 7. . That is, in this heterojunction field effect transistor, a current flows between the source and the drain without applying a voltage to the gate electrode 7, and a so-called normally-on operation is realized. Further, since electrons as carriers move into the channel layer made of undoped (low impurity) GaN as the two-dimensional electron gas 8, scattering due to impurities is suppressed, and the electrons can move at high speed.

一方、ヘテロ接合型電界効果トランジスタを用いて回路を設計する際の容易性や待機時の消費電力の削減を考えた場合、ゲートに電圧を印加しない状態でソース、ドレイン間に電流が流れない、いわゆるノーマリーオフ型のヘテロ接合型電界効果トランジスタが有利と考えられる。   On the other hand, when considering the ease of designing a circuit using a heterojunction field effect transistor and the reduction of standby power consumption, no current flows between the source and drain without applying a voltage to the gate. A so-called normally-off type heterojunction field effect transistor is considered advantageous.

図7は従来のノーマリーオフ型のヘテロ接合型電界効果トランジスタを示す断面図である。図に示すように、ゲート電極7を形成する部分のバリア層4がドライエッチングにより部分的にエッチングされ、バリア層4の膜厚が薄くなった部分にゲート電極7が形成されている。すなわち、ノーマリーオフ型のヘテロ接合型電界効果トランジスタを実現するには、ドライエッチングを用いたリセスゲート技術が採用される。   FIG. 7 is a sectional view showing a conventional normally-off type heterojunction field effect transistor. As shown in the figure, the barrier layer 4 in the portion where the gate electrode 7 is formed is partially etched by dry etching, and the gate electrode 7 is formed in the portion where the thickness of the barrier layer 4 is reduced. That is, in order to realize a normally-off type heterojunction field effect transistor, a recess gate technique using dry etching is employed.

このヘテロ接合型電界効果トランジスタにおいては、ゲート電極7の直下のバリア層4の膜厚が薄くなるから、ゲート電極7の直下のバッファ層3内の二次元電子ガス8の濃度が低減するので、ノーマリーオフ型のヘテロ接合型電界効果トランジスタが実現する。   In this heterojunction field effect transistor, since the thickness of the barrier layer 4 immediately below the gate electrode 7 is reduced, the concentration of the two-dimensional electron gas 8 in the buffer layer 3 immediately below the gate electrode 7 is reduced. A normally-off type heterojunction field effect transistor is realized.

TakeshiKawasaki,KenNakataandSeijiYaegassi,ExtendAbstractsofthe2005InternationalConferenceonSolidStateDevicesandMaterials,Kobe,2005,p.206-207.TakeshiKawasaki, KenNakataandSeijiYaegassi, ExtendAbstractsofthe2005InternationalConferenceonSolidStateDevicesandMaterials, Kobe, 2005, p.206-207. MasatakaHigashiwakiandToshikiMatsui,Jpn.J.App1.Phys.,Vo1.43,p.L768-770(2004).MasatakaHigashiwakiandToshikiMatsui, Jpn.J.App1.Phys., Vo1.43, p.L768-770 (2004). J.Kuzmik,Semicond.Sci.Techno1.Vo1.17,p.540-544(2002)J.Kuzmik, Semicond.Sci.Techno1.Vo1.17, p.540-544 (2002)

しかし、図7に示したヘテロ接合型電界効果トランジスタにおいては、ノーマリーオフを実現するためには、ゲート電極7の直下のバリア層4の膜厚を10nm以下にする必要があり、結果としてゲートのリーク電流が増大するという問題が発生する。   However, in the heterojunction field effect transistor shown in FIG. 7, in order to realize normally-off, the thickness of the barrier layer 4 immediately below the gate electrode 7 needs to be 10 nm or less. This causes a problem that the leakage current increases.

このため、バリア層4のAl組成を低減させることにより、ゲート電極7の直下のバリア層4の膜厚を増加させることが考えられるが、ゲート電極7に対するショットキー障壁の高さがAl組成の低減により低下するから、この場合も結果としてゲートのリーク電流を抑制できない。   For this reason, it is conceivable to increase the film thickness of the barrier layer 4 immediately below the gate electrode 7 by reducing the Al composition of the barrier layer 4, but the height of the Schottky barrier with respect to the gate electrode 7 is the Al composition. As a result, the leakage current of the gate cannot be suppressed.

また、ヘテロ接合型電界効果トランジスタのバリア層の材料にはAlGaNの他にInAlNが用いられることがあり(例えば非特許文献2)、InAlNはIn組成が0.17付近でGaNに格子整合し、このことはInAlNのAl組成を増大した状態でバリア層を形成できることを意味しており、自発分極の増大により二次元電子ガス濃度を増大することができる。このため、InAlNをバリア層に用いたときには、デバイス全体の抵抗を低減することできるから、ヘテロ接合型電界効果トランジスタの動作速度を向上することができる。   In addition to AlGaN, InAlN may be used as the material for the barrier layer of the heterojunction field effect transistor (for example, Non-Patent Document 2). InAlN is lattice-matched to GaN when the In composition is around 0.17. This means that the barrier layer can be formed with the Al composition of InAlN increased, and the two-dimensional electron gas concentration can be increased by increasing the spontaneous polarization. For this reason, when InAlN is used for the barrier layer, the resistance of the entire device can be reduced, so that the operating speed of the heterojunction field effect transistor can be improved.

しかしながら、In組成がGaNに格子整合する付近のInAlNを用いてノーマリーオフ型のヘテロ接合型電界効果トランジスタを実現するためには、AlGaNを用いた場合以上にバリア層の薄層化が必要になり、更なるゲートのリーク電流の増大が問題になっていた。   However, in order to realize a normally-off type heterojunction field effect transistor using InAlN in the vicinity where the In composition is lattice-matched to GaN, it is necessary to make the barrier layer thinner than when using AlGaN. Thus, further increase in gate leakage current has been a problem.

本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、ゲートのリーク電流が少ないノーマリーオフ型のヘテロ接合型電界効果トランジスタを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a normally-off type heterojunction field effect transistor with a small gate leakage current.

この目的を達成するため、本発明においては、基板上にGaNからなるバッファ層が形成され、上記バッファ層上にバリア層が形成され、上記バリア層上にゲート電極、ソース電極およびドレイン電極が形成されたヘテロ接合型電界効果トランジスタであって、上記バリア層が、上記バッファ層側の第1の層と、上記第1の層上の第2の層とを有し、上記第1の層がInAl1−xNからなり、上記第2の層が上記第1の層よりもIn組成が小さいInAl1−yNからなり、上記ゲート電極を上記第2の層の一部を除去した部分すなわち上記第1の層上に形成した構成を有します In order to achieve this object, in the present invention, a buffer layer made of GaN is formed on a substrate, a barrier layer is formed on the buffer layer, and a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode are formed on the barrier layer. In the heterojunction field effect transistor, the barrier layer has a first layer on the buffer layer side and a second layer on the first layer, and the first layer has In x Al 1-x N, the second layer is made of In y Al 1-y N having a smaller In composition than the first layer, and the gate electrode is formed as a part of the second layer. It has a structure formed on the removed part, that is, the first layer .

この場合、上記第1の層の膜厚を20nm、In組成xを0.25≦x≦0.43とし、上記第2の層のIn組成yを0<y≦0.18とします。 In this case, the thickness of the first layer is 20 nm, the In composition x is 0.25 ≦ x ≦ 0.43, and the In composition y of the second layer is 0 <y ≦ 0.18.

これらの場合、上記第2の層に不純物としてSiを添加してもよい。 In these cases, Si may be added as an impurity to the second layer .

これらの場合、上記基板としてサファイヤ、SiCまたはSiからなるものをもちいてもよい。   In these cases, the substrate may be made of sapphire, SiC, or Si.

本発明に係るヘテロ接合型電界効果トランジスタにおいては、バリア層が第1の層と第2の層とを有するから、十分な厚さの第1の層を形成することができるので、ゲートのリーク電流を低減することができる。   In the heterojunction field effect transistor according to the present invention, since the barrier layer includes the first layer and the second layer, the first layer having a sufficient thickness can be formed. The current can be reduced.

また、第2の層上にInAlNからなるコンタクト層を形成し、コンタクト層のIn組成zを第2の層側から反対側に向かってIn組成yから0.43〜1に変化させたときには、ソース電極、ドレイン電極と表面半導体とのショットキー障壁高さが低減するから、ソース、ドレインのコンタクト抵抗を低減することができる。   When a contact layer made of InAlN is formed on the second layer and the In composition z of the contact layer is changed from the In composition y to 0.43 to 1 from the second layer side to the opposite side, Since the Schottky barrier height between the source and drain electrodes and the surface semiconductor is reduced, the contact resistance of the source and drain can be reduced.

また、第2の層、コンタクト層の少なくとも一方に不純物としてSiを添加したときには、ソース、ドレインのコンタクト抵抗を低減することができる。   Further, when Si is added as an impurity to at least one of the second layer and the contact layer, the contact resistance of the source and drain can be reduced.

GaNをバッファ層に用い、InAlNをバリア層に用いたヘテロ接合型電界効果トランジスタにおいては、InAlNのIn組成により、InAlN/GaNのヘテロ界面に発生する二次元電子ガス濃度が変化することが理論的に予測されている(非特許文献3)。そして、図2はGaNをバッファ層に用い、InAlNをバリア層に用いたヘテロ接合型電界効果トランジスタエピウェハーの実験的に得られたシート抵抗のIn組成による変化を示すグラフである。このグラフから明らかなように、InAlNのIn組成が0.17(GaNに格子整合するIn組成)よりも低いときには、シート抵抗がさらに低下し、InAlNのIn組成が0.17よりも高くなると、シート抵抗が急激に増加する。そして、ノーマリーオフ型のヘテロ接合型電界効果トランジスタを実現するシート抵抗の目安は5000ohm/sq.以上である。また、二次元電子ガスが十分に発生し、寄生抵抗を低減することができるシート抵抗の目安は1000ohm/sq.以下である。したがって、シート抵抗が高い条件(5000ohm/sq.以上)になるように、In組成を調整したInAl1−xN(0.2≦x≦0.43)からなるバリア層の第1の層をGaNからなるバッファ層上に形成する。すなわち、図2から明らかなように、InAlNのIn組成が0.2以上の場合には、シート抵抗は5000ohm/sq.以上であり、InAlN/GaN界面に二次元電子ガスはほとんど発生しない。また、In組成が0.43の場合にはInAlN/GaN界面の二次元電子ガスが完全にゼロになることが知られている。つまり、In組成が0.2〜0.43のInAlNをバリア層の第1の層(バッファ層側の層)に用いた場合には、ノーマリーオフ型のヘテロ接合型電界効果トランジスタが実現することになる。また、二次元電子ガスが発生するシート抵抗は1000ohm/sq.以下であるから、第1の層よりもIn組成が小さいInAl1−yN(0≦y≦0.18)からなる第2の層を第1の層上に形成する。この第2の層の形成により、第1の層とバッファ層13とのヘテロ界面に二次元電子ガスが発生する。さらに、第2の層の一部を除去した部分にゲート電極を形成すれば、ゲート電極の直下では二次元電子ガスが低減され、他の部分には十分な二次元電子ガスが存在する理想的なノーマリーオフの電子状態を形成することができる。 Theoretically, in a heterojunction field effect transistor using GaN as a buffer layer and InAlN as a barrier layer, the concentration of the two-dimensional electron gas generated at the heterointerface of InAlN / GaN varies depending on the In composition of InAlN. (Non-patent Document 3). FIG. 2 is a graph showing changes in sheet resistance of experimentally obtained heterojunction field effect transistor epiwafers using GaN as a buffer layer and InAlN as a barrier layer, depending on the In composition. As is clear from this graph, when the In composition of InAlN is lower than 0.17 (In composition lattice-matched to GaN), the sheet resistance is further reduced, and when the In composition of InAlN is higher than 0.17, Sheet resistance increases rapidly. The standard of sheet resistance for realizing a normally-off type heterojunction field effect transistor is 5000 ohm / sq. Or more. Further, the standard of sheet resistance that can sufficiently generate two-dimensional electron gas and reduce parasitic resistance is 1000 ohm / sq. Or less. Therefore, the first barrier layer made of In x Al 1-x N (0.2 ≦ x ≦ 0.43) whose In composition is adjusted so that the sheet resistance is high (5000 ohm / sq. Or more). The layer is formed on a buffer layer made of GaN. That is, as apparent from FIG. 2, when the In composition of InAlN is 0.2 or more, the sheet resistance is 5000 ohm / sq. Or more, and almost no two-dimensional electron gas is generated at the InAlN / GaN interface. It is also known that when the In composition is 0.43, the two-dimensional electron gas at the InAlN / GaN interface is completely zero. That is, when InAlN having an In composition of 0.2 to 0.43 is used for the first layer of the barrier layer (the layer on the buffer layer side), a normally-off heterojunction field effect transistor is realized. It will be. In addition, since the sheet resistance in which the two-dimensional electron gas is generated is 1000 ohm / sq. Or less, the first layer is made of In y Al 1-y N (0 ≦ y ≦ 0.18) having an In composition smaller than that of the first layer. Two layers are formed on the first layer. By the formation of the second layer, a two-dimensional electron gas is generated at the heterointerface between the first layer and the buffer layer 13. Furthermore, if the gate electrode is formed in a portion where a part of the second layer is removed, the two-dimensional electron gas is reduced immediately below the gate electrode, and there is sufficient two-dimensional electron gas in the other portions. A normally-off electronic state can be formed.

図1は本発明に係るヘテロ接合型電界効果トランジスタを示す断面図である。図に示すように、サファイアからなる基板11上に膜厚が30nmのGaNからなる核形成層12が形成され、核形成層12上に膜厚が2μmのGaNからなるバッファ層13が形成され、バッファ層13上に膜厚が20nmでありかつIn組成が0.25のInAlNからなる第1の層14が形成され、第1の層14上に膜厚が20nmでありかつIn組成が0.15のInAlNからなる第2の層15が形成され、第1の層14と第2の層15とでバリア層16が構成されている。また、バリア層16の第2の層15上にAl/TiまたはTi/Auからなるソース電極17、ドレイン電極18がオーミック接合により形成され、第2の層15が除去され部分すなわち第1の層14上にNi/Auからなるゲート電極19が形成されている。すなわち、リセスゲート構造が形成されている。そして、ゲート電極19とソース電極17、ドレイン電極18との間の距離は11μm、ゲート電極19の長さと幅はそれぞれ1.5μm、100μmである。 FIG. 1 is a sectional view showing a heterojunction field effect transistor according to the present invention. As shown in the figure, a nucleation layer 12 made of GaN having a thickness of 30 nm is formed on a substrate 11 made of sapphire, and a buffer layer 13 made of GaN having a thickness of 2 μm is formed on the nucleation layer 12. A first layer 14 made of InAlN having a film thickness of 20 nm and an In composition of 0.25 is formed on the buffer layer 13, and a film thickness of 20 nm and an In composition of 0.1 nm are formed on the first layer 14. A second layer 15 made of 15 InAlN is formed, and the first layer 14 and the second layer 15 constitute a barrier layer 16. Further, the source electrode 17 and the drain electrode 18 made of Al / Ti or Ti / Au are formed on the second layer 15 of the barrier layer 16 by ohmic junction, and the portion where the second layer 15 is removed, that is, the first layer. A gate electrode 19 made of Ni / Au is formed on the layer 14. That is, a recess gate structure is formed. The distance between the gate electrode 19 and the source electrode 17 and the drain electrode 18 is 11 μm, and the length and width of the gate electrode 19 are 1.5 μm and 100 μm, respectively.

つぎに、図1に示したヘテロ接合型電界効果トランジスタの製造方法について説明する。まず、基板11上にMOCVD法により核形成層12、バッファ層13、第1の層14、第2の層15を形成する。このとき、III族の原料ガスにはトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルインジウム(TMI)を用い、V族原料ガスにはアンモニア(NH3)を用いる。また、核形成層12を形成するときの基板温度を500℃とし、バッファ層13を形成するときの基板温度を1050℃とし、第1の層14、第2の層15を形成するときの基板温度を750℃とする。つぎに、フォトリソグラフと電極蒸着により、第2の層15上にソース電極17、ドレイン電極18を形成する。つぎに、600℃の窒素中熱処理によりソース電極17、ドレイン電極18のオーミック化を行なう。つぎに、フォトリソグラフとドライエッチングにより、第2の層15の一部を除去する。この場合、ドライエッチングには塩化ホウ素(BCl3)を用いた反応性イオンエッチング(ICP−RIE)を用い、第2の層15のみが除去されるように時間を調整する。つぎに、フォトリソグラフと金属蒸着により、第2の層15の一部を除去した部分すなわち第1の層14上にゲート電極19を形成し、リセスゲート構造とする。   Next, a method for manufacturing the heterojunction field effect transistor shown in FIG. 1 will be described. First, the nucleation layer 12, the buffer layer 13, the first layer 14, and the second layer 15 are formed on the substrate 11 by MOCVD. At this time, trimethylgallium (TMG), trimethylaluminum (TMA), and trimethylindium (TMI) are used as the group III source gas, and ammonia (NH3) is used as the group V source gas. Further, the substrate temperature when forming the nucleation layer 12 is 500 ° C., the substrate temperature when forming the buffer layer 13 is 1050 ° C., and the substrate when forming the first layer 14 and the second layer 15. The temperature is 750 ° C. Next, the source electrode 17 and the drain electrode 18 are formed on the second layer 15 by photolithography and electrode deposition. Next, the source electrode 17 and the drain electrode 18 are ohmicized by heat treatment in nitrogen at 600 ° C. Next, a part of the second layer 15 is removed by photolithography and dry etching. In this case, reactive ion etching (ICP-RIE) using boron chloride (BCl 3) is used for dry etching, and the time is adjusted so that only the second layer 15 is removed. Next, a gate electrode 19 is formed on the portion where the second layer 15 is partially removed, that is, the first layer 14 by photolithography and metal vapor deposition to form a recessed gate structure.

図1に示したヘテロ接合型電界効果トランジスタにおいては、バッファ層13上にIn組成が0.25のInAlNからなる第1の層14が形成され、第1の層14上にIn組成が0.15のInAlNからなる第2の層15が形成され、さらにゲート電極19が第1の層14上に形成されたリセスゲート構造が形成されているから、ゲート電極19の直下では二次元電子ガス20が低減され、他の部分には十分な二次元電子ガス20が存在する理想的なノーマリーオフの電子状態を形成することができる。また、バッファ層13上にIn組成が0.25のInAlNからなる第1の層14が形成され、第1の層14上にゲート電極19が形成されているから、第1の層14の膜厚を大きくしたとしても、ゲート電極19の直下には二次元電子ガス20はほとんど発生しない。このため、ノーマリーオフ型であるにも関わらず、十分な厚さの第1の層14を形成することができるから、ゲートのリーク電流を低減することができる。   In the heterojunction field effect transistor shown in FIG. 1, a first layer 14 made of InAlN having an In composition of 0.25 is formed on the buffer layer 13, and an In composition of 0. 1 is formed on the first layer 14. Since the second layer 15 made of 15 InAlN is formed, and the gate electrode 19 is formed on the first layer 14, the recess gate structure is formed, so that the two-dimensional electron gas 20 is directly below the gate electrode 19. It is possible to form an ideal normally-off electronic state in which the two-dimensional electron gas 20 is present in other portions. Since the first layer 14 made of InAlN having an In composition of 0.25 is formed on the buffer layer 13 and the gate electrode 19 is formed on the first layer 14, the film of the first layer 14 Even if the thickness is increased, almost no two-dimensional electron gas 20 is generated immediately below the gate electrode 19. For this reason, the first layer 14 having a sufficient thickness can be formed in spite of the normally-off type, so that the gate leakage current can be reduced.

図3は図1に示したヘテロ接合型電界効果トランジスタのソース、ドレイン間の電流Idsとソース、ドレイン間の電圧Vdsとの関係を示すグラフであり、線a〜dはゲート電圧Vgsが0V、1V、2V、3Vの場合を示す。このグラフから明らかなように、ゲート電圧Vgsが0Vのときには、電流Idsはゼロとなり、良好なピンチオフ特性を持つノーマリーオフ型のヘテロ接合型電界効果トランジスタが実現していることが確認できた。   FIG. 3 is a graph showing the relationship between the current Ids between the source and drain of the heterojunction field effect transistor shown in FIG. 1 and the voltage Vds between the source and drain, and the lines a to d have a gate voltage Vgs of 0 V, The case of 1V, 2V, 3V is shown. As is apparent from this graph, when the gate voltage Vgs is 0 V, the current Ids is zero, and it has been confirmed that a normally-off heterojunction field effect transistor having good pinch-off characteristics has been realized.

また、図4は図1に示したヘテロ接合型電界効果トランジスタのソース、ゲート間の電流Igsと電圧Vgsとの関係を示すグラフである。このグラフから明らかなように、逆電圧を印加した場合の電流Igs(リーク電流)は1×l0−12A/mm程度であった。一方、AlGaNをバリア層に用いて同様のヘテロ接合型電界効果トランジスタを作製した時の電流Igsは約1×10−6A/mmであることから、本発明によりゲートのリーク電流が飛躍的に低減することが確認できた。   FIG. 4 is a graph showing the relationship between the current Igs between the source and gate of the heterojunction field effect transistor shown in FIG. 1 and the voltage Vgs. As is apparent from this graph, the current Igs (leakage current) when a reverse voltage was applied was about 1 × 10 −12 A / mm. On the other hand, when a similar heterojunction field effect transistor is fabricated using AlGaN as a barrier layer, the current Igs is about 1 × 10 −6 A / mm, so that the gate leakage current is greatly reduced by the present invention. I was able to confirm.

なお、上述実施の形態では、In組成が0.25のInAlNからなる第1の層14とIn組成が0.15のInAlNからなる第2の層15を用いた場合について説明したが、前述のように第1の層のIn組成は0.2から0.43までの組成範囲で設計することができ、また第2の層のIn組成は0から0.18の組成範囲で設計することができる。さらに、上述実施の形態では、第1の層14と第2の層15の膜厚をそれぞれ20nmとしたが、第1の層14と第2の層15の膜厚は10〜100nmで設計が可能である。すなわち、InAlN層はIn組成が0.17の場合を除きGaNに対して格子不整合の関係にあるが、その不整合は小さいために、第1の層14と第2の層15は数十nmの膜厚
さ(10〜100nm)で設計することができる。
In the above-described embodiment, the case where the first layer 14 made of InAlN having an In composition of 0.25 and the second layer 15 made of InAlN having an In composition of 0.15 has been described. Thus, the In composition of the first layer can be designed in the composition range of 0.2 to 0.43, and the In composition of the second layer can be designed in the composition range of 0 to 0.18. it can. Furthermore, in the above-described embodiment, the film thicknesses of the first layer 14 and the second layer 15 are each 20 nm, but the film thicknesses of the first layer 14 and the second layer 15 are 10 to 100 nm. Is possible. That is, the InAlN layer has a lattice mismatch relationship with GaN except for the case where the In composition is 0.17. However, since the mismatch is small, the first layer 14 and the second layer 15 have several tens of layers. It can be designed with a film thickness of 10 nm (10 to 100 nm).

図5は他のヘテロ接合型電界効果トランジスタの参考例を示す断面図である。図に示すように、サファイアからなる基板21上に膜厚が30nmのGaNからなる核形成層22が形成され、核形成層22上に膜厚が2μmのGaNからなるバッファ層23が形成され、バッファ層23上に膜厚が20nmでありかつIn組成が0.25のInAlNからなる第1の層24が形成され、第1の層24上に膜厚が20nmでありかつIn組成が0.15のInAlNからなる第2の層25が形成され、第1の層24と第2の層25とでバリア層26が構成されている。また、第2の層25上に膜厚が10〜100nmでありかつIn組成zが0.15(第2の層25のIn組成)から0.43〜1に変化するInAlNからなるコンタクト層27が形成されている。また、コンタクト層27上にソース電極28、ドレイン電極29がオーミック接合により形成され、コンタクト層27および第2の層25が除去され部分すなわち第1の層24上にゲート電極30が形成されている。すなわち、リセスゲート構造が形成されている。 FIG. 5 is a cross-sectional view showing a reference example of another heterojunction field effect transistor. As shown in the figure, a nucleation layer 22 made of GaN having a thickness of 30 nm is formed on a substrate 21 made of sapphire, and a buffer layer 23 made of GaN having a thickness of 2 μm is formed on the nucleation layer 22. A first layer 24 made of InAlN having a film thickness of 20 nm and an In composition of 0.25 is formed on the buffer layer 23, and a film thickness of 20 nm and an In composition of 0.1 nm are formed on the first layer 24. A second layer 25 made of 15 InAlN is formed, and the first layer 24 and the second layer 25 constitute a barrier layer 26. Further, a contact layer 27 made of InAlN having a thickness of 10 to 100 nm and an In composition z changing from 0.15 (In composition of the second layer 25) to 0.43 to 1 on the second layer 25. Is formed. Further, the source electrode 28 and the drain electrode 29 are formed on the contact layer 27 by ohmic junction, and the gate electrode 30 is formed on the portion where the contact layer 27 and the second layer 25 are removed, that is, on the first layer 24. Yes. That is, a recess gate structure is formed.

このヘテロ接合型電界効果トランジスタにおいては、第2の層25上にコンタクト層27が形成されているから、ソース電極28、ドレイン電極29と表面半導体のショットキー障壁高さが低減するために、ソース、ドレインのコンタクト抵抗を低減することができる。たとえば、図1に示したヘテロ接合型電界効果トランジスタではソース、ドレインのコンタクト抵抗は約10Ω・mmであったのに対して、図5に示したヘテロ接合型電界効果トランジスタではソース、ドレインのコンタクト抵抗が約1Ω・mmまで低減した。   In this heterojunction field effect transistor, since the contact layer 27 is formed on the second layer 25, the source electrode 28, the drain electrode 29, and the Schottky barrier height of the surface semiconductor are reduced. The drain contact resistance can be reduced. For example, in the heterojunction field effect transistor shown in FIG. 1, the contact resistance of the source and drain is about 10 Ω · mm, whereas in the heterojunction field effect transistor shown in FIG. The resistance was reduced to about 1 Ω · mm.

なお、第2の層25、コンタクト層27の少なくとも一方に不純物としてSiを添加したときには、ソース、ドレインのコンタクト抵抗をさらに低減することができる。   Note that when Si is added to at least one of the second layer 25 and the contact layer 27 as an impurity, the contact resistance of the source and drain can be further reduced.

また、上述実施の形態では、サファイアからなる基板11、21を用いた場合について説明したが、窒化物半導体の結晶成長に用いられるSi、SiCからなる基板を用いた場合でも同様の効果が期待できる。   Moreover, although the case where the board | substrates 11 and 21 which consist of sapphire were used was demonstrated in the said embodiment, the same effect can be anticipated also when the board | substrate which consists of Si and SiC used for the crystal growth of a nitride semiconductor is used. .

本発明に係るヘテロ接合型電界効果トランジスタを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the heterojunction field effect transistor which concerns on this invention. ヘテロ接合型電界効果トランジスタエピウェハーのシート抵抗のIn組成による変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change by In composition of the sheet resistance of a heterojunction field effect transistor epiwafer. 図1に示したヘテロ接合型電界効果トランジスタのソース、ドレイン間の電流Idsとソース、ドレイン間の電圧Vdsとの関係を示すグラフである。2 is a graph showing a relationship between a current Ids between a source and a drain and a voltage Vds between the source and the drain of the heterojunction field effect transistor shown in FIG. 1. 図1に示したヘテロ接合型電界効果トランジスタのソース、ゲート間の電流Igsと電圧Vgsとの関係を示すグラフである。3 is a graph showing a relationship between a current Igs between a source and a gate of the heterojunction field effect transistor shown in FIG. 1 and a voltage Vgs. のヘテロ接合型電界効果トランジスタの参考例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the reference example of another heterojunction field effect transistor. 従来のヘテロ接合型電界効果トランジスタを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the conventional heterojunction field effect transistor. 従来のノーマリーオフ型のヘテロ接合型電界効果トランジスタを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the conventional normally-off type heterojunction field effect transistor.

11…基板
13…バッファ層
14…第1の層
15…第2の層
16…バリア層
17…ソース電極
18…ドレイン電極
19…ゲート電極
21…基板
23…バッファ層
24…第1の層
25…第2の層
26…バリア層
27…コンタクト層
28…ソース電極
29…ドレイン電極
30…ゲート電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Substrate 13 ... Buffer layer 14 ... 1st layer 15 ... 2nd layer 16 ... Barrier layer 17 ... Source electrode 18 ... Drain electrode 19 ... Gate electrode 21 ... Substrate 23 ... Buffer layer 24 ... 1st layer 25 ... Second layer 26 ... barrier layer 27 ... contact layer 28 ... source electrode 29 ... drain electrode 30 ... gate electrode

Claims (3)

基板上にGaNからなるバッファ層が形成され、上記バッファ層上にバリア層が形成され、上記バリア層上にゲート電極、ソース電極およびドレイン電極が形成されたヘテロ接合型電界効果トランジスタであって、
上記バリア層が、上記バッファ層側の第1の層と、上記第1の層上の第2の層とを有し、
上記第1の層がInAl1−xNからなり、
上記第2の層が上記第1の層よりもIn組成が小さいInAl1−yNからなり、
上記ゲート電極を上記第2の層の一部を除去した部分すなわち上記第1の層上に形成し、
上記第1の層の膜厚が20nm、In組成xが0.25≦x≦0.43であり、上記第2の層のIn組成yが0<y≦0.18であることを特徴とするヘテロ接合型電界効果トランジスタ。
A heterojunction field effect transistor in which a buffer layer made of GaN is formed on a substrate, a barrier layer is formed on the buffer layer, and a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode are formed on the barrier layer,
The barrier layer has a first layer on the buffer layer side and a second layer on the first layer;
The first layer is made of In x Al 1-x N;
The second layer is made of In y Al 1-y N having a smaller In composition than the first layer,
Forming the gate electrode on a portion from which the second layer is partially removed, that is, on the first layer;
The film thickness of the first layer is 20 nm, the In composition x is 0.25 ≦ x ≦ 0.43, and the In composition y of the second layer is 0 <y ≦ 0.18. Heterojunction field effect transistor.
上記第2の層に不純物としてSiを添加したことを特徴とする請求項1に記載のヘテロ接合型電界効果トランジスタ。   The heterojunction field effect transistor according to claim 1, wherein Si is added as an impurity to the second layer. 上記基板がサファイヤ、SiCまたはSiからなることを特徴とする請求項1または2に記載のヘテロ接合型電界効果トランジスタ。
3. The heterojunction field effect transistor according to claim 1, wherein the substrate is made of sapphire, SiC or Si.
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