JP6566069B2 - Compound semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、化合物半導体装置及びその製造方法等に関する。 The present invention relates to a compound semiconductor device and a manufacturing method thereof.
窒化物半導体は、高い飽和電子速度及びワイドバンドギャップ等の特徴を有している。
このため、これらの特性を利用して窒化物半導体を高耐圧及び高出力の半導体デバイスに適用することについて種々の検討が行われている。例えば、窒化物半導体の一種であるGaNのバンドギャップは3.4eVであり、Siのバンドギャップ(1.1eV)及びGaAsのバンドギャップ(1.4eV)よりも大きい。このため、GaNは、高い破壊電界強度を有しており、高電圧動作及び高出力を得る電源用の半導体デバイスの材料として極めて有望である。
A nitride semiconductor has characteristics such as a high saturation electron velocity and a wide band gap.
For this reason, various studies have been conducted on applying nitride semiconductors to high breakdown voltage and high output semiconductor devices using these characteristics. For example, the band gap of GaN, which is a kind of nitride semiconductor, is 3.4 eV, which is larger than the band gap of Si (1.1 eV) and the band gap of GaAs (1.4 eV). For this reason, GaN has a high breakdown electric field strength and is extremely promising as a material for a semiconductor device for a power supply that obtains high voltage operation and high output.
窒化物半導体を用いた半導体デバイスとしては、電界効果トランジスタ、特に高電子移動度トランジスタ(High Electron Mobility Transistor:HEMT)についての報告が数多くなされている。例えば、GaN系HEMTでは、GaNをチャネル層、AlGaNをキャリア供給層として用いたAlGaN/GaN−HEMTが注目されている。AlGaN/GaN−HEMTでは、GaNとAlGaNとの格子定数差に起因した歪みがAlGaNに生じる。そして、この歪みにより発生したピエゾ分極及びAlGaNの自発分極により、高濃度の2次元電子ガス(2DEG)が得られる。そのため、AlGaN/GaN−HEMTは、高効率のスイッチ素子、電気自動車用等の高耐圧電力デバイス等として期待されている。 As semiconductor devices using nitride semiconductors, many reports have been made on field effect transistors, particularly high electron mobility transistors (HEMTs). For example, in a GaN-based HEMT, an AlGaN / GaN-HEMT using GaN as a channel layer and AlGaN as a carrier supply layer has attracted attention. In AlGaN / GaN-HEMT, strain is generated in AlGaN due to the difference in lattice constant between GaN and AlGaN. A high-concentration two-dimensional electron gas (2DEG) is obtained by the piezoelectric polarization generated by this strain and the spontaneous polarization of AlGaN. Therefore, AlGaN / GaN-HEMT is expected as a high-efficiency switch element, a high voltage power device for electric vehicles, and the like.
但し、結晶性が良好なGaN基板を製造することは極めて困難である。このため、従来、主として、シリコン基板、サファイア基板及び炭化シリコン基板上方に、GaN層及びAlGaN層等をヘテロエピタキシャル成長によって形成している。特にシリコン基板は、大口径で高品質のものを低コストにて入手しやすい。このため、シリコン基板上方にチャネル層及びキャリア供給層を成長させた構造についての研究が盛んに行われている。 However, it is extremely difficult to manufacture a GaN substrate with good crystallinity. For this reason, conventionally, a GaN layer, an AlGaN layer, etc. are mainly formed by heteroepitaxial growth above a silicon substrate, a sapphire substrate, and a silicon carbide substrate. In particular, a silicon substrate having a large diameter and high quality is easily available at low cost. For this reason, research on a structure in which a channel layer and a carrier supply layer are grown above a silicon substrate has been actively conducted.
しかしながら、シリコン基板等の半導体基板を用いた従来のGaN系HEMTでは、ドレイン電極と半導体基板との間を流れるリーク電流の抑制が困難である。このリーク電流により、当該HEMTの最大動作電圧(最大動作耐圧)が制限される。 However, in a conventional GaN-based HEMT using a semiconductor substrate such as a silicon substrate, it is difficult to suppress leakage current flowing between the drain electrode and the semiconductor substrate. This leakage current limits the maximum operating voltage (maximum operating breakdown voltage) of the HEMT.
本発明の目的は、ドレイン電極と半導体基板との間を流れるリーク電流を抑制することができる化合物半導体装置及びその製造方法等を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a compound semiconductor device capable of suppressing a leakage current flowing between a drain electrode and a semiconductor substrate, a manufacturing method thereof, and the like.
化合物半導体装置の一態様は、半導体基板と、前記半導体基板上方のチャネル層と、前記チャネル層上方のキャリア供給層と、前記キャリア供給層の上方のゲート電極、ソース電極及びドレイン電極とを有し、前記半導体基板は、Mg、又は、Mg及びCを不純物として含有する不純物含有領域を有する。 One aspect of the compound semiconductor device includes a semiconductor substrate, a channel layer above the semiconductor substrate, a carrier supply layer above the channel layer, and a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode above the carrier supply layer. The semiconductor substrate has an impurity-containing region containing Mg or Mg and C as impurities.
化合物半導体装置の製造方法の一態様は、半導体基板にMg、又は、Mg及びCを不純物として含有する不純物含有領域を形成する工程と、前記半導体基板上方にチャネル層を形成する工程と、前記チャネル層上方にキャリア供給層を形成する工程と、前記キャリア供給層の上方にゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程とを有する。 One aspect of a method for manufacturing a compound semiconductor device includes a step of forming an impurity-containing region containing Mg or Mg and C as impurities in a semiconductor substrate, a step of forming a channel layer above the semiconductor substrate, and the channel Forming a carrier supply layer above the layer; and forming a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode above the carrier supply layer.
上記の化合物半導体装置等によれば、半導体基板に適切な不純物含有領域が含まれているため、ドレイン電極と半導体基板との間を流れるリーク電流を抑制することができる。 According to the above compound semiconductor device and the like, since a suitable impurity-containing region is included in the semiconductor substrate, a leakage current flowing between the drain electrode and the semiconductor substrate can be suppressed.
本願発明者は、従来のGaN系HEMTにおいてドレイン電極と半導体基板との間をリーク電流が流れる原因について検討を行った。この結果、ドレイン電極に印加される高電圧によって、空乏層がキャリア供給層及びチャネル層等の窒化物半導体層を超えて半導体基板中にまで入り込み、半導体基板中で電子−正孔対が発生することが判明した。特にバンドギャップが小さいシリコン又は炭化シリコンが半導体基板に用いられている場合に、電子−正孔対が発生しやすい。更に、大電流動作を担うパワーデバイスにGaN系HEMTが用いられる場合には、GaN系HEMTの温度が100℃を超えるため、熱励起により電子−正孔対の発生が著しく促進される。そして、電子−正孔対は内部電界によって分離され、電子が窒化物半導体層に流入する。この電子の移動に伴ってリーク電流が発生する。 The inventor of the present application studied the cause of leakage current flowing between the drain electrode and the semiconductor substrate in the conventional GaN-based HEMT. As a result, due to the high voltage applied to the drain electrode, the depletion layer enters the semiconductor substrate beyond the nitride semiconductor layers such as the carrier supply layer and the channel layer, and electron-hole pairs are generated in the semiconductor substrate. It has been found. In particular, when silicon or silicon carbide having a small band gap is used for a semiconductor substrate, electron-hole pairs are likely to be generated. Furthermore, when a GaN-based HEMT is used for a power device that is responsible for a large current operation, the temperature of the GaN-based HEMT exceeds 100 ° C., so that generation of electron-hole pairs is significantly accelerated by thermal excitation. The electron-hole pairs are separated by the internal electric field, and the electrons flow into the nitride semiconductor layer. A leakage current is generated as the electrons move.
本願発明者は、上記の新たな知見に基づき、リーク電流を抑制すべく更に鋭意検討を行った。この結果、半導体基板に所定の不純物を含有させておくことにより、半導体基板中で発生した電子−正孔対を速やかに再結合させ、窒化物半導体層への電子の移動を抑制することできることが見出された。 The inventor of the present application has made further studies to suppress the leakage current based on the above new knowledge. As a result, by allowing the semiconductor substrate to contain a predetermined impurity, the electron-hole pairs generated in the semiconductor substrate can be quickly recombined and the movement of electrons to the nitride semiconductor layer can be suppressed. It was found.
以下、実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。 Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
(第1の実施形態)
先ず、第1の実施形態について説明する。第1の実施形態はGaN系HEMTの一例である。図1は、第1の実施形態に係る化合物半導体装置を示す図である。図1(a)は断面構造の概略を示し、図1(b)は、バンド構造の概略を示す。
(First embodiment)
First, the first embodiment will be described. The first embodiment is an example of a GaN-based HEMT. FIG. 1 is a diagram illustrating the compound semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 1A shows an outline of a cross-sectional structure, and FIG. 1B shows an outline of a band structure.
第1の実施形態に係る化合物半導体装置100には、図1(a)に示すように、半導体基板101、半導体基板101上方のチャネル層103、及びチャネル層103上方のキャリア供給層104が含まれている。半導体基板101には、不純物を含有する不純物含有領域102が含まれている。この不純物が形成する準位は、シリコンの伝導帯の下端よりも0.25eV以上低く、シリコンの価電子帯の上端よりも高い。化合物半導体装置100には、キャリア供給層104の上方のゲート電極105g、ソース電極105s及びドレイン電極105dも含まれている。
As shown in FIG. 1A, the compound semiconductor device 100 according to the first embodiment includes a semiconductor substrate 101, a
第1の実施形態におけるドレイン電極105dを含む積層方向のバンド構造の概略を図1(b)に示す。第1の実施形態では、ドレイン電極105dに正の高電圧が印加されると、空乏層が半導体基板101中まで入り込み、図1(b)に示すように、半導体基板101中で電子111及び正孔112が発生する。つまり、半導体基板101中で電子−正孔対が発生する。第1の実施形態では、半導体基板101に不純物含有領域102が含まれており、不純物含有領域102が含有する不純物が形成する準位は、シリコンの伝導帯の下端よりも0.25eV以上低く、シリコンの価電子帯の上端よりも高い。このような不純物は半導体基板101中に深い準位を形成するため、半導体基板101に電子及び正孔を消滅させる再結合中心113が存在することになる。従って、図1(b)に示すように、半導体基板101中に発生した電子111及び正孔112は不純物の影響で速やかに再結合する。つまり、不純物含有領域102中の不純物がキャリアライフタイムを短くする。従って、電子−正孔対が分離する前に電子が消滅する。例えば、半導体基板101中でのキャリアライフタイムは1×10-9秒以下となる。このため、第1の実施形態によれば、電子111及び正孔112の発生に伴うリーク電流を抑制することができる。
An outline of the band structure in the stacking direction including the
不純物含有領域102に含まれる不純物が形成する準位とシリコンの伝導帯の下端との差が0.25eV未満であると、当該不純物がドナーとして機能し、リーク電流が増加するおそれがある。
If the difference between the level formed by the impurity contained in the impurity-containing
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について説明する。第2の実施形態はGaN系HEMTの一例である。図2は、第2の実施形態に係る化合物半導体装置を示す図である。図2(a)は断面構造の概略を示し、図2(b)は、バンド構造の概略を示す。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. The second embodiment is an example of a GaN-based HEMT. FIG. 2 is a diagram illustrating a compound semiconductor device according to the second embodiment. FIG. 2A shows an outline of the cross-sectional structure, and FIG. 2B shows an outline of the band structure.
第2の実施形態に係る化合物半導体装置200には、図2(a)に示すように、半導体基板201、半導体基板201上方のチャネル層203、及びチャネル層203上方のキャリア供給層204が含まれている。半導体基板201には、不純物を含有する不純物含有領域202が含まれている。この不純物が形成する準位は、シリコンの伝導帯の下端よりも0.25eV以上低く、シリコンの価電子帯の上端よりも高く、0.25eV以上高いことが望ましい。化合物半導体装置200には、半導体基板201とチャネル層203との間の初期層206、及び初期層206とチャネル層203との間のバッファ層207も含まれている。化合物半導体装置200には、キャリア供給層204の上方のゲート電極205g、ソース電極205s及びドレイン電極205dも含まれている。
As shown in FIG. 2A, the
半導体基板201は、例えば上面のミラー指数が(111)のシリコン基板である。半導体基板201が炭化シリコン基板等であってもよい。不純物含有領域202に含まれる不純物は、例えばFe、C、Mg、Au若しくはB又はこれらの任意の組み合わせである。例えば、半導体基板201の上面から少なくとも深さ50μmまでの領域が、不純物の平均濃度が1×1018cm-3以上の不純物含有領域202となっている。
The
初期層206は、例えば厚さが200nm程度のAlN層である。バッファ層207は、例えばAlGaN層である。チャネル層203は、例えば厚さが1μm程度の、不純物の意図的なドーピングが行われていないi−GaN層である。キャリア供給層204は、例えば厚さが20nm程度のn型のn−Al0.2Ga0.8N層である。キャリア供給層204には、n型の不純物として、例えばSiが5×1018cm-3程度の濃度でドーピングされている。ソース電極205s及びドレイン電極205dは、例えばTi膜及びその上のAl膜を含み、キャリア供給層204及びチャネル層203とオーミック接触している。ゲート電極205gは、例えばNi膜及びその上のAu膜を含み、キャリア供給層204及びチャネル層203とショットキー接触している。
The
第2の実施形態におけるドレイン電極205dを含む積層方向のバンド構造の概略を図2(b)に示す。第2の実施形態では、ドレイン電極205dに正の高電圧が印加されると、空乏層が半導体基板201中まで入り込み、図2(b)に示すように、半導体基板201中で電子211及び正孔212が発生する。つまり、半導体基板201中で電子−正孔対が発生する。第2の実施形態では、半導体基板201に不純物含有領域202が含まれており、不純物含有領域202が含有する不純物が形成する準位は、シリコンの伝導帯の下端よりも0.25eV以上低く、シリコンの価電子帯の上端よりも高い。このような不純物は半導体基板201中に深い準位を形成するため、半導体基板201に電子及び正孔を消滅させる再結合中心213が存在することになる。従って、図2(b)に示すように、半導体基板201中に発生した電子211及び正孔212は不純物の影響で速やかに再結合する。つまり、不純物含有領域202中の不純物がキャリアライフタイムを短くする。従って、電子−正孔対が分離する前に電子が消滅する。例えば、半導体基板201中でのキャリアライフタイムは1×10-9秒以下となる。このため、第2の実施形態によっても、電子211及び正孔212の発生に伴うリーク電流を抑制することができる。
An outline of the band structure in the stacking direction including the
不純物含有領域202に含まれる不純物が形成する準位とシリコンの伝導帯の下端との差が0.25eV未満であると、当該不純物がドナーとして機能し、再結合中心213が
得られないだけでなく、リーク電流が増加するおそれがある。また、不純物含有領域202に含まれる不純物が形成する準位とシリコンの価電子帯の上端との差が0.25eV未満であると、当該不純物がアクセプタとして機能し、十分な再結合中心213が得られないおそれがある。
If the difference between the level formed by the impurity contained in the impurity-containing
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態について説明する。第3の実施形態はGaN系HEMTの一例である。図3は、第3の実施形態に係る化合物半導体装置を示す断面図である。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described. The third embodiment is an example of a GaN-based HEMT. FIG. 3 is a sectional view showing the compound semiconductor device according to the third embodiment.
第3の実施形態に係る化合物半導体装置300には、図3に示すように、半導体基板301、半導体基板301上方のチャネル層303、及びチャネル層303上方のキャリア供給層304が含まれている。半導体基板301には、不純物を含有する不純物含有領域302が含まれている。化合物半導体装置300には、半導体基板301とチャネル層303との間の初期層306、及び初期層306とチャネル層303との間のバッファ層307も含まれている。化合物半導体装置300には、キャリア供給層304の上方のゲート電極305g、ソース電極305s及びドレイン電極305dも含まれている。
As shown in FIG. 3, the compound semiconductor device 300 according to the third embodiment includes a
半導体基板301は、例えば上面のミラー指数が(111)のシリコン基板である。不純物含有領域302に含まれる不純物は、例えばFeである。例えば、半導体基板301の上面から少なくとも深さ50μmまでの領域が、不純物の平均濃度が1×1018cm-3以上の不純物含有領域302となっている。また、Feの濃度は、半導体基板301の上面で1×1019cm-3程度、上面から深さ100nm程度の領域で1×1017cm-3程度である。Feが形成する準位は、シリコンの伝導帯の下端よりも0.25eV以上低く、シリコンの価電子帯の上端よりも0.25eV以上高い。
The
初期層306は、例えば厚さが200nm程度のAlN層である。バッファ層307は、バッファ層307a及びその上のバッファ層307bを含む。バッファ層307aは、例えばAl0.4Ga0.6N層である。バッファ層307bは、AlN層及びAl0.2Ga0.8N層が80周期程度繰り返し積層された超格子バッファ層である。例えば、超格子バッファ層の1周期におけるAlN層、Al0.2Ga0.8N層の厚さは、夫々1.5nm、20nmである。AlN層の厚さは、残留電子の発生による耐圧の低下を避けるために2nm以下であることが望ましい。チャネル層303は、例えば厚さが1μm程度の、不純物の意図的なドーピングが行われていないi−GaN層である。キャリア供給層304は、例えば厚さが20nm程度のn型のn−Al0.2Ga0.8N層である。キャリア供給層304には、n型の不純物として、例えばSiが5×1018cm-3程度の濃度でドーピングされている。ソース電極305s及びドレイン電極305dは、例えばTi膜及びその上のAl膜を含み、キャリア供給層304及びチャネル層303とオーミック接触している。ゲート電極305gは、例えばNi膜及びその上のAu膜を含み、キャリア供給層304及びチャネル層303とショットキー接触している。
The
第3の実施形態におけるドレイン電極305dを含む積層方向のバンド構造は、第2の実施形態におけるドレイン電極205dを含む積層方向のバンド構造と同様である。従って、ドレイン電極305dに正の高電圧が印加されて、電子−正孔対が発生しても、電子−正孔対の発生に伴うリーク電流を抑制することができる。
The band structure in the stacking direction including the drain electrode 305d in the third embodiment is the same as the band structure in the stacking direction including the
次に、第3の実施形態に係る化合物半導体装置の製造方法について説明する。図4A乃至図4Bは、第3の実施形態に係る化合物半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 Next, a method for manufacturing a compound semiconductor device according to the third embodiment will be described. 4A to 4B are cross-sectional views illustrating the method of manufacturing the compound semiconductor device according to the third embodiment in the order of steps.
先ず、図4A(a)に示すように、半導体基板301上に保護膜310を形成する。保護膜310は、例えば厚さが20nm程度のシリコン酸化膜である。保護膜310は、例えばO2ガスの雰囲気中での熱処理、つまり熱酸化により形成することができる。熱処理の温度は、例えば950℃である。保護膜310を、化学気相成長(CVD:chemical vapor deposition)方等によって形成してもよい。
First, as shown in FIG. 4A (a), a
次いで、図4A(b)に示すように、保護膜310を通じて半導体基板301にFeをイオン注入する。Feの濃度は、半導体基板301の上面で1×1019cm-3程度、上面から深さ100nm程度の領域で1×1017cm-3程度とする。その後、アニールを行うことにより、イオン注入による結晶のダメージを回復させる。例えば、このアニールはN2の雰囲気中で行い、その温度、時間は、夫々950℃程度、30分間程度とする。
Next, as shown in FIG. 4A (b), Fe ions are implanted into the
続いて、図4A(c)に示すように、保護膜310を除去する。保護膜310は、例えば、半導体基板301を保護膜310と共に、純水で10%程度に希釈したフッ酸溶液に浸漬することにより、5分間程度で除去できる。
Subsequently, as shown in FIG. 4A (c), the
次いで、図4B(d)に示すように、半導体基板301上に、初期層306、バッファ層307a、バッファ層307b、チャネル層303及びキャリア供給層304を形成する。初期層306、バッファ層307a、バッファ層307b、チャネル層303及びキャリア供給層304は、例えば有機金属気相成長(MOCVD:metal organic chemical vapor deposition)法又は分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法等の結晶成長法により形成することができる。原料ガスとしては、例えばトリメチルアルミニウム(TMA)ガス、トリメチルガリウム(TMG)ガス、及びアンモニア(NH3)ガスの混合ガスを用いる。
Next, as illustrated in FIG. 4B (d), the
初期層306(AlN層)の形成では、例えば、V/III比を1000〜2000程度、成長温度を1000℃程度、圧力を50mbar程度とする。初期層306中へのC不純物の取り込みが少ない条件を選択することが好ましい。バッファ層307a(Al0.4Ga0.6N層)の形成では、例えば、V/III比を100〜300程度、成長温度を1000℃程度、圧力を50mbar程度とする。バッファ層307aの形成時のV/III比を初期層306の形成時のそれより低くするのは、高い平坦性を得るためである。
In the formation of the initial layer 306 (AlN layer), for example, the V / III ratio is about 1000 to 2000, the growth temperature is about 1000 ° C., and the pressure is about 50 mbar. It is preferable to select a condition in which the C impurity is less taken into the
バッファ層307b(超格子バッファ層)の形成では、AlN層の形成及びAl0.2Ga0.8N層の形成を80回程度繰り返し行う。AlN層の形成及びAl0.2Ga0.8N層の形成では、例えば、成長温度を1020℃程度、圧力を50mbar程度とし、原料ガスの切り替えを行う。このように、例えばAlN層の形成及びAl0.2Ga0.8N層の形成では、成長温度及び圧力を共通にする。
In the formation of the
チャネル層303(i−GaN層)の形成では、例えば、V/III比を600程度、成長温度を1000℃程度、圧力を200mbar程度とする。キャリア供給層304(n−AlGaN層)の形成では、V/III比を3000以上、成長温度を1040℃程度、圧力を400mbar程度とする。電流コラプス現象を抑制するためにC濃度を低下させる条件を選択することが好ましい。n型の化合物半導体層(例えばキャリア供給層304)を成長させる際には、例えば、Siを含むSiH4ガスを所定の流量で混合ガスに添加し、化合物半導体層にSiをドーピングする。 In forming the channel layer 303 (i-GaN layer), for example, the V / III ratio is about 600, the growth temperature is about 1000 ° C., and the pressure is about 200 mbar. In the formation of the carrier supply layer 304 (n-AlGaN layer), the V / III ratio is 3000 or more, the growth temperature is about 1040 ° C., and the pressure is about 400 mbar. In order to suppress the current collapse phenomenon, it is preferable to select a condition for reducing the C concentration. When growing an n-type compound semiconductor layer (eg, carrier supply layer 304), for example, SiH 4 gas containing Si is added to the mixed gas at a predetermined flow rate, and Si is doped into the compound semiconductor layer.
キャリア供給層304の形成後には、素子領域を画定する素子分離領域を形成する。素子分離領域の形成では、例えば、素子分離領域を形成する予定の領域を露出するフォトレジストのパターンをキャリア供給層304上に形成し、このパターンをマスクとしてAr等のイオン注入を行う。このパターンをエッチングマスクとして塩素系ガスを用いたドライエッチングを行ってもよい。その後、素子領域内において、図4B(e)に示すように、キャリア供給層304上にソース電極305s及びドレイン電極305dを形成する。ソース電極305s及びドレイン電極305dは、例えばリフトオフ法により形成することができる。すなわち、ソース電極305sを形成する予定の領域及びドレイン電極305dを形成する予定の領域を露出し、他の領域を覆うフォトレジストのパターンを形成し、このパターンを成長マスクとして蒸着法により金属膜を形成し、このパターンをその上の金属膜と共に除去する。金属膜の形成では、例えば、厚さが100nm程度のTi膜を形成し、その上に厚さが300nm程度のAl膜を形成する。次いで、例えば、N2の雰囲気中にて400℃〜1000℃(例えば600℃)で熱処理(例えば急速加熱処理(RTA:rapid thermal annealing))を行い、オーミック接触を得る。更に、ソース電極305s及びドレイン電極305dの間において、キャリア供給層304上にゲート電極305gを形成する。ゲート電極305gは、例えばリフトオフ法により形成することができる。すなわち、ゲート電極305gを形成する予定の領域を露出するフォトレジストのパターンを形成し、このパターンを成長マスクとして蒸着法により金属膜を形成し、このパターンをその上の金属膜と共に除去する。金属膜の形成では、例えば、厚さが50nm程度のNi膜を形成し、その上に厚さが300nm程度のAu膜を形成する。
After the
そして、必要に応じて保護膜及び配線等を形成して、化合物半導体装置を完成させる。 And a protective film, wiring, etc. are formed as needed and a compound semiconductor device is completed.
本願発明者が第3の実施形態に倣って化合物半導体装置を製造し、種々のドレイン電圧でリーク電流を測定したところ、図5に示す結果が得られた。図5には、不純物含有領域302の形成を省略した参考例のリーク電流の測定結果も示す。図5に示すように、不純物含有領域302を含む第3の実施形態では、リーク電流を大幅に低減することができた。
The inventors of the present invention manufactured a compound semiconductor device according to the third embodiment and measured the leakage current with various drain voltages. The result shown in FIG. 5 was obtained. FIG. 5 also shows the measurement result of the leakage current of the reference example in which the formation of the impurity-containing
本願発明者は、不純物のイオン注入による結晶性の変化についても検証した。ここでは、第3の実施形態に倣ってFeをイオン注入し、保護膜を除去した後にGaN層を成長させ、その結晶性をX線ロッキングカーブ法で測定した。また、Feに代えてAuをイオン注入した場合についても、同様の測定を行った。更に、不純物のイオン注入を行わなかった場合についても、同様の測定を行った。これらの結果を表1に示す。 The inventor of the present application also verified the change in crystallinity due to ion implantation of impurities. Here, Fe was ion-implanted according to the third embodiment, and after removing the protective film, the GaN layer was grown, and its crystallinity was measured by the X-ray rocking curve method. The same measurement was performed when Au was ion-implanted instead of Fe. Furthermore, the same measurement was performed when no impurity ion implantation was performed. These results are shown in Table 1.
表1に示すように、Feをイオン注入した場合、及びAuをイオン注入した場合のいずれにおいても、不純物のイオン注入を行わなかった場合と同等以上の結晶性が得られた。つまり、不純物のイオン注入による結晶性の低下は観察されなかった。 As shown in Table 1, crystallinity equal to or higher than that obtained when no ion implantation of impurities was performed was obtained in both cases where Fe was ion-implanted and Au was ion-implanted. That is, no decrease in crystallinity due to impurity ion implantation was observed.
Feの導入をイオン注入以外の方法によって行ってもよい。例えば、Fe膜を半導体基板301上に蒸着法等により形成し、熱処理によってFeを半導体基板301中に熱拡散させてもよい。
Fe may be introduced by a method other than ion implantation. For example, an Fe film may be formed on the
(第4の実施形態)
次に、第4の実施形態について説明する。第4の実施形態では、図4A乃至図4Bに示す方法とは異なる方法で、第3の実施形態と同様の化合物半導体装置を製造する。図6は、第4の実施形態に係る化合物半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described. In the fourth embodiment, a compound semiconductor device similar to that of the third embodiment is manufactured by a method different from the method shown in FIGS. 4A to 4B. FIG. 6 is a cross-sectional view showing the method of manufacturing the compound semiconductor device according to the fourth embodiment in the order of steps.
第4の実施形態では、先ず、図6(a)に示すように、半導体基板301上に初期層306を形成する。初期層306は、例えばMOCVD法又はMBE法等の結晶成長法により形成することができる。次いで、図6(b)に示すように、初期層306を通じて半導体基板301にFeをイオン注入する。その後、アニールを行うことにより、イオン注入による結晶のダメージを回復させる。続いて、図6(c)に示すように、初期層306上に、バッファ層307a、バッファ層307b、チャネル層303及びキャリア供給層304を形成する。次いで、素子分離領域を形成し、図6(d)に示すように、ソース電極305s及びドレイン電極305dを形成し、ゲート電極305gを形成する。
In the fourth embodiment, first, an
そして、必要に応じて保護膜及び配線等を形成して、化合物半導体装置を完成させる。 And a protective film, wiring, etc. are formed as needed and a compound semiconductor device is completed.
第4の実施形態によっても第3の実施形態と同様の効果を得ることができる。第4の実施形態によれば、初期層306中にも深い準位を形成することができるため、リーク電流をより一層抑制することができる。また、初期層306と半導体基板301との界面を挟んだ不純物濃度プロファイルを連続的なものとすることができる。
According to the fourth embodiment, the same effects as those of the third embodiment can be obtained. According to the fourth embodiment, since a deep level can also be formed in the
なお、半導体基板301が炭化シリコン基板等であってもよい。不純物含有領域302が含有する不純物がFe、C、Mg、Au若しくはB又はこれらの任意の組み合わせであってもよい。バッファ層307bは必ずしも超格子バッファ層である必要はない。例えば、チャネル層303側に近づくほどAl組成が低くなったAlGaN層がバッファ層307bに用いられてもよい。この場合、バッファ層307aとの界面でのAlに組成は、例えばバッファ層307aのAl組成以下である。Al組成の変化は、例えば段階的である。また、成長基板としてGaN基板又はサファイア基板等を用いて初期層306等の形成を行ってもよい。この場合、例えば、ソース電極305s、ドレイン電極305d及びゲート電極305gの形成等が終了した後に成長基板を取り外し、不純物含有領域302を備えた半導体基板301を貼り付ける。
Note that the
(第5の実施形態)
第5の実施形態は、GaN系HEMTのディスクリートパッケージに関する。図7は、第5の実施形態に係るディスクリートパッケージを示す図である。
(Fifth embodiment)
The fifth embodiment relates to a GaN-based HEMT discrete package. FIG. 7 is a view showing a discrete package according to the fifth embodiment.
第5の実施形態では、図7に示すように、第1〜第3の実施形態のいずれかのGaN系HEMTのHEMTチップ1210の裏面がはんだ等のダイアタッチ剤1234を用いてランド(ダイパッド)1233に固定されている。また、ドレイン電極105d、205d又は305dが接続されたドレインパッド1226dに、Alワイヤ等のワイヤ1235dが接続され、ワイヤ1235dの他端が、ランド1233と一体化しているドレインリード1232dに接続されている。ソース電極105s、205s又は305sに接続されたソースパッド1226sにAlワイヤ等のワイヤ1235sが接続され、ワイヤ1235sの他端がランド1233から独立したソースリード1232sに接続されている。ゲート電極105g、205g又は305gに接続されたゲートパッド1226gにAlワイヤ等のワイヤ1235gが接続され、ワイヤ1235gの他端がランド1233から独立したゲートリード1232gに接続されている。そして、ゲートリード1232gの一部、ドレインリード1232dの一部及びソースリード1232sの一部が突出するようにして、ランド1233及びHEMTチップ1210等がモールド樹脂1231によりパッケージングされている。
In the fifth embodiment, as shown in FIG. 7, the back surface of the GaN-based HEMT HEMT chip 1210 of any of the first to third embodiments is land (die pad) using a die attach agent 1234 such as solder. 1233 is fixed. Further, a
このようなディスクリートパッケージは、例えば、次のようにして製造することができる。先ず、HEMTチップ1210をはんだ等のダイアタッチ剤1234を用いてリードフレームのランド1233に固定する。次いで、ワイヤ1235g、1235d及び1235sを用いたボンディングにより、ゲートパッド1226gをリードフレームのゲートリード1232gに接続し、ドレインパッド1226dをリードフレームのドレインリード1232dに接続し、ソースパッド1226sをリードフレームのソースリード1232sに接続する。その後、トランスファーモールド法にてモールド樹脂1231を用いた封止を行う。続いて、リードフレームを切り離す。
Such a discrete package can be manufactured as follows, for example. First, the HEMT chip 1210 is fixed to the land 1233 of the lead frame using a die attach agent 1234 such as solder. Next, by bonding using
(第6の実施形態)
次に、第6の実施形態について説明する。第6の実施形態は、GaN系HEMTを備えたPFC(Power Factor Correction)回路に関する。図8は、第6の実施形態に係るPFC回路を示す結線図である。
(Sixth embodiment)
Next, a sixth embodiment will be described. The sixth embodiment relates to a PFC (Power Factor Correction) circuit including a GaN-based HEMT. FIG. 8 is a connection diagram showing a PFC circuit according to the sixth embodiment.
PFC回路1250には、スイッチ素子(トランジスタ)1251、ダイオード1252、チョークコイル1253、コンデンサ1254及び1255、ダイオードブリッジ1256、並びに交流電源(AC)1257が設けられている。そして、スイッチ素子1251のドレイン電極と、ダイオード1252のアノード端子及びチョークコイル1253の一端子とが接続されている。スイッチ素子1251のソース電極と、コンデンサ1254の一端子及びコンデンサ1255の一端子とが接続されている。コンデンサ1254の他端子とチョークコイル1253の他端子とが接続されている。コンデンサ1255の他端子とダイオード1252のカソード端子とが接続されている。また、スイッチ素子1251のゲート電極にはゲートドライバが接続されている。コンデンサ1254の両端子間には、ダイオードブリッジ1256を介してAC1257が接続される。コンデンサ1255の両端子間には、直流電源(DC)が接続される。そして、本実施形態では、スイッチ素子1251に、第1〜第3の実施形態のいずれかのGaN系HEMTが用いられている。
The PFC circuit 1250 is provided with a switch element (transistor) 1251, a diode 1252, a choke coil 1253,
PFC回路1250の製造に際しては、例えば、はんだ等を用いて、スイッチ素子1251をダイオード1252及びチョークコイル1253等に接続する。
In manufacturing the PFC circuit 1250, the
(第7の実施形態)
次に、第7の実施形態について説明する。第7の実施形態は、GaN系HEMTを備えた電源装置に関する。図9は、第7の実施形態に係る電源装置を示す結線図である。
(Seventh embodiment)
Next, a seventh embodiment will be described. The seventh embodiment relates to a power supply device including a GaN-based HEMT. FIG. 9 is a connection diagram illustrating the power supply device according to the seventh embodiment.
電源装置には、高圧の一次側回路1261及び低圧の二次側回路1262、並びに一次側回路1261と二次側回路1262との間に配設されるトランス1263が設けられている。
The power supply device is provided with a high-voltage primary circuit 1261 and a low-voltage secondary circuit 1262, and a
一次側回路1261には、第6の実施形態に係るPFC回路1250、及びPFC回路1250のコンデンサ1255の両端子間に接続されたインバータ回路、例えばフルブリッジインバータ回路1260が設けられている。フルブリッジインバータ回路1260には、複数(ここでは4つ)のスイッチ素子1264a、1264b、1264c及び1264dが設けられている。
The primary circuit 1261 is provided with an inverter circuit connected between both terminals of the PFC circuit 1250 according to the sixth embodiment and the
二次側回路1262には、複数(ここでは3つ)のスイッチ素子1265a、1265b及び1265cが設けられている。 The secondary side circuit 1262 is provided with a plurality (three in this case) of switch elements 1265a, 1265b, and 1265c.
本実施形態では、一次側回路1261を構成するPFC回路1250のスイッチ素子1251、並びにフルブリッジインバータ回路1260のスイッチ素子1264a、1264b、1264c及び1264dに、第1〜第3の実施形態のいずれかのGaN系HEMTが用いられている。一方、二次側回路1262のスイッチ素子1265a、1265b及び1265cには、シリコンを用いた通常のMIS型FET(電界効果トランジスタ)が用いられている。
In this embodiment, the
(第8の実施形態)
次に、第8の実施形態について説明する。第8の実施形態は、GaN系HEMTを備えた増幅器に関する。図10は、第8の実施形態に係る増幅器を示す結線図である。
(Eighth embodiment)
Next, an eighth embodiment will be described. The eighth embodiment relates to an amplifier including a GaN-based HEMT. FIG. 10 is a connection diagram illustrating an amplifier according to the eighth embodiment.
増幅器には、ディジタル・プレディストーション回路1271、ミキサー1272a及び1272b、並びにパワーアンプ1273が設けられている。
The amplifier is provided with a
ディジタル・プレディストーション回路1271は、入力信号の非線形歪みを補償する。ミキサー1272aは、非線形歪みが補償された入力信号と交流信号とをミキシングする。パワーアンプ1273は、第1〜第3の実施形態のいずれかのGaN系HEMTを備えており、交流信号とミキシングされた入力信号を増幅する。なお、本実施形態では、例えば、スイッチの切り替えにより、出力側の信号をミキサー1272bで交流信号とミキシングしてディジタル・プレディストーション回路1271に送出できる。この増幅器は、高周波増幅器、高出力増幅器として使用することができる。
The
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。 Hereinafter, various aspects of the present invention will be collectively described as supplementary notes.
(付記1)半導体基板と、
前記半導体基板上方のチャネル層と、
前記チャネル層上方のキャリア供給層と、
前記キャリア供給層の上方のゲート電極、ソース電極及びドレイン電極と、
を有し、
前記半導体基板は、C若しくはMg又はこれらの任意の組み合わせを不純物として含有する不純物含有領域を有することを特徴とする化合物半導体装置。
(Appendix 1) a semiconductor substrate;
A channel layer above the semiconductor substrate;
A carrier supply layer above the channel layer;
A gate electrode, a source electrode and a drain electrode above the carrier supply layer;
Have
The compound semiconductor device, wherein the semiconductor substrate has an impurity-containing region containing C, Mg, or any combination thereof as an impurity.
(付記2)前記半導体基板は、シリコン基板又は炭化シリコン基板であることを特徴とする付記1に記載の化合物半導体装置。 (Supplementary note 2) The compound semiconductor device according to supplementary note 1, wherein the semiconductor substrate is a silicon substrate or a silicon carbide substrate.
(付記3)前記不純物は、Fe、C、Au、B若しくはMg又はこれらの任意の組み合わせであることを特徴とする付記1又は2に記載の化合物半導体装置。 (Supplementary note 3) The compound semiconductor device according to supplementary note 1 or 2, wherein the impurity is Fe, C, Au, B, Mg, or any combination thereof.
(付記4)前記不純物が形成する準位は、前記半導体基板結晶の伝導帯の下端よりも0.25eV以上低く、かつ前記半導体基板結晶の価電子帯の上端よりも高いことを特徴とする付記1乃至3のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。 (Supplementary note 4) The level formed by the impurities is 0.25 eV or more lower than the lower end of the conduction band of the semiconductor substrate crystal and higher than the upper end of the valence band of the semiconductor substrate crystal. 4. The compound semiconductor device according to any one of 1 to 3.
(付記5)前記不純物が形成する準位は、シリコンの価電子帯の上端よりも0.25eV以上高いことを特徴とする付記1乃至4のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。 (Supplementary note 5) The compound semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 4, wherein a level formed by the impurities is 0.25 eV or more higher than an upper end of a valence band of silicon.
(付記6)前記半導体基板と前記チャネル層と間に、AlNを含有する初期層を有することを特徴とする付記1乃至5のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。 (Supplementary note 6) The compound semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 5, further comprising an initial layer containing AlN between the semiconductor substrate and the channel layer.
(付記7)前記半導体基板と前記チャネル層と間に、AlGaNを含有するバッファ層を有することを特徴とする付記1乃至6のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。 (Supplementary note 7) The compound semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 6, further comprising a buffer layer containing AlGaN between the semiconductor substrate and the channel layer.
(付記8)前記半導体基板と前記チャネル層と間に、第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層とが繰り返し積層されてなる超格子バッファ層を有することを特徴とする付記1乃至7のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。 (Supplementary note 8) A superlattice buffer layer in which a first nitride semiconductor layer and a second nitride semiconductor layer are repeatedly laminated is provided between the semiconductor substrate and the channel layer. 8. The compound semiconductor device according to any one of items 1 to 7.
(付記9)前記半導体基板の上面から少なくとも深さ50nmまでの領域が、不純物の平均濃度が1×1018cm-3以上の前記不純物含有領域であることを特徴とする付記1乃至8のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。 (Supplementary note 9) Any one of Supplementary notes 1 to 8, wherein a region from the upper surface of the semiconductor substrate to a depth of at least 50 nm is the impurity-containing region having an average impurity concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more. 2. The compound semiconductor device according to claim 1.
(付記10)前記半導体基板中でのキャリアライフタイムが1×10-9秒以下であることを特徴とする付記1乃至9のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。 (Supplementary note 10) The compound semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 9, wherein a carrier lifetime in the semiconductor substrate is 1 × 10 −9 seconds or less.
(付記11)付記1乃至10のいずれか1項に記載の化合物半導体装置を有することを特徴とする電源装置。 (Additional remark 11) It has a compound semiconductor device of any one of Additional remark 1 thru | or 10, The power supply device characterized by the above-mentioned.
(付記12)付記1乃至10のいずれか1項に記載の化合物半導体装置を有することを特徴とする増幅器。 (Supplementary note 12) An amplifier comprising the compound semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 10.
(付記13)半導体基板にC若しくはMg又はこれらの任意の組み合わせを不純物として含有する不純物含有領域を形成する工程と、
前記半導体基板上方にチャネル層を形成する工程と、
前記チャネル層上方にキャリア供給層を形成する工程と、
前記キャリア供給層の上方にゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
(Additional remark 13) The process of forming the impurity containing area | region which contains C or Mg, or these arbitrary combinations as an impurity in a semiconductor substrate,
Forming a channel layer above the semiconductor substrate;
Forming a carrier supply layer above the channel layer;
Forming a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode above the carrier supply layer;
A method for producing a compound semiconductor device, comprising:
100,200,300:化合物半導体装置
101,201,301:半導体基板
102,202,302:不純物含有領域
103,203,303:チャネル層
104,204,304:キャリア供給層
100, 200, 300:
Claims (11)
前記半導体基板上方のチャネル層と、
前記チャネル層上方のキャリア供給層と、
前記キャリア供給層の上方のゲート電極、ソース電極及びドレイン電極と、
を有し、
前記半導体基板は、Mg、又は、Mg及びCを不純物として含有する不純物含有領域を有することを特徴とする化合物半導体装置。 A semiconductor substrate;
A channel layer above the semiconductor substrate;
A carrier supply layer above the channel layer;
A gate electrode, a source electrode and a drain electrode above the carrier supply layer;
Have
The compound semiconductor device, wherein the semiconductor substrate has an impurity-containing region containing Mg or Mg and C as impurities.
前記不純物が形成する準位は、シリコンの伝導帯の下端よりも0.25eV以上低く、かつシリコンの価電子帯の上端よりも高いことを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体装置。 The semiconductor substrate is a silicon substrate;
Level of the impurity is formed, a compound semiconductor device according to claim 1, wherein the higher than an upper end of 0.25eV or less than the lower end of the conduction band of silicon, and the valence band of silicon.
前記半導体基板上方にチャネル層を形成する工程と、
前記チャネル層上方にキャリア供給層を形成する工程と、
前記キャリア供給層の上方にゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。 Forming an impurity-containing region containing Mg or Mg and C as impurities in a semiconductor substrate;
Forming a channel layer above the semiconductor substrate;
Forming a carrier supply layer above the channel layer;
Forming a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode above the carrier supply layer;
A method for producing a compound semiconductor device, comprising:
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