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JP2008244419A - High electron mobility transistor and method of forming same - Google Patents

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JP2008244419A JP2007197356A JP2007197356A JP2008244419A JP 2008244419 A JP2008244419 A JP 2008244419A JP 2007197356 A JP2007197356 A JP 2007197356A JP 2007197356 A JP2007197356 A JP 2007197356A JP 2008244419 A JP2008244419 A JP 2008244419A
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Ken Sato
憲 佐藤
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Sanken Electric Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high electron mobility transistor which can be formed more easily as compared to a conventional high electron mobility transistor, can control a threshold voltage at high accuracy, and has a normally-on characteristic being similar to a normally-off characteristic or the normally-off characteristic, and to provide a method of forming the same. <P>SOLUTION: The high electron mobility transistor has: a first layer made of a first compound semiconductor; a second layer made of a second compound semiconductor having a spontaneous polarization on the first layer; a third layer being between the second layers as seen from above and on the first layer, containing the second compound semiconductor as a constituent element, and having a lower crystallinity as compared to the second layer; a gate electrode disposed on the third layer; a drain electrode disposed on the second layer; and a source electrode disposed on the second layer so as to sandwich the gate electrode in conjunction with the drain electrode as seen from above. A two-dimensional carrier gas layer is generated adjacent to the interface of the first layer and the second layer. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、高電子移動度トランジスタとその製造方法に関する。   The present invention relates to a high electron mobility transistor and a manufacturing method thereof.

高電子移動度トランジスタ(High Electron Mobility Transistor、以下、HEMTと記載)において、バンドギャップの異なる異種の半導体材料を接合することにより、その界面に2次元電子ガス層(2DEG層)を含む2次元キャリアガス層を、不純物がドーピングされていない電子走行層に発生させることができる。これにより、不純物に衝突せずに電子が移動するため、電子の移動速度が高速となり、スイッチング速度及び感度を向上させることができる。なお、HEMTはその構造からヘテロ接合電界効果トランジスタ(HFET)ともいう。
また、GaN,InGaN,AlInGaN等の窒化物系化合物半導体材料は、GaAs系の材料に比較してバンドギャップエネルギーが大きいため、この材料を用いた電子デバイスは耐圧性・効率等で優れている。
In a high electron mobility transistor (hereinafter referred to as HEMT), a two-dimensional carrier including a two-dimensional electron gas layer (2DEG layer) at the interface by bonding different kinds of semiconductor materials having different band gaps. The gas layer can be generated in an electron transit layer that is not doped with impurities. Thereby, since electrons move without colliding with impurities, the moving speed of electrons increases, and the switching speed and sensitivity can be improved. Note that the HEMT is also called a heterojunction field effect transistor (HFET) because of its structure.
Further, since nitride-based compound semiconductor materials such as GaN, InGaN, and AlInGaN have a larger band gap energy than GaAs-based materials, electronic devices using these materials are superior in pressure resistance, efficiency, and the like.

例えば、AlGaN/GaNのヘテロ構造を形成することにより、GaAs系デバイスと同様に2次元電子ガス層が得られ、電子の移動度は非常に高くなる。このAlGaNとGaNとの間に発生する格子ひずみによるピエゾ分極と自発分極との相乗効果により、きわめて高濃度の電子ガスが容易に得られる。これより、シリコン(Si)材料の限界を大きく上回る低オン抵抗が実現されている。
図7(a)に示すGaNを用いたHEMTにおいては、例えばアルミナ単結晶基板1上に、GaNからなるバッファ層2,アンドープGaNからなる電子走行層3、及び該電子走行層3よりも薄く形成されたアンドープAlGaNからなる電子供給層4が順次形成されたヘテロ接合の多層構造を有している。そして、電子供給層4上にソース電極7,ゲート電極6及びドレイン電極8が形成されている。
For example, by forming an AlGaN / GaN heterostructure, a two-dimensional electron gas layer is obtained in the same manner as in a GaAs-based device, and the electron mobility is very high. Due to the synergistic effect of piezo polarization and spontaneous polarization due to lattice distortion generated between AlGaN and GaN, an extremely high concentration of electron gas can be easily obtained. As a result, a low on-resistance that far exceeds the limit of silicon (Si) material is realized.
In the HEMT using GaN shown in FIG. 7A, for example, a buffer layer made of GaN, an electron transit layer 3 made of undoped GaN, and a thinner layer than the electron transit layer 3 are formed on an alumina single crystal substrate 1. It has a heterojunction multilayer structure in which the electron supply layer 4 made of undoped AlGaN is sequentially formed. A source electrode 7, a gate electrode 6 and a drain electrode 8 are formed on the electron supply layer 4.

また、上記図7(a)に示したHEMTの場合、アンドープGaNからなる電子走行層3のバンドギャップエネルギーはアンドープAlGaNからなる電子供給層4のバンドギャップエネルギーよりも小さい。
一方、アンドープGaNは自発分極とピエゾ効果を生じる二元結晶であるが、アンドープAlGaNは自発分極とピエゾ効果を生じる三元結晶であり、アンドープGaNとは結晶格子の定数が異なっている。
このため、電子走行層3と電子供給層4とのヘテロ接合界面において、結晶格子の定数の異なりに基づく結晶歪みによるピエゾ圧電効果で生じるピエゾ電界と電子走行層3と電子供給層4それぞれを構成する結晶格子の自発分極による電界の相乗効果が発生し、両者の接合界面の直下に2次元電子ガス層200を形成することとなる。
In the HEMT shown in FIG. 7A, the band gap energy of the electron transit layer 3 made of undoped GaN is smaller than the band gap energy of the electron supply layer 4 made of undoped AlGaN.
On the other hand, undoped GaN is a binary crystal that generates spontaneous polarization and a piezoelectric effect, whereas undoped AlGaN is a ternary crystal that generates spontaneous polarization and a piezoelectric effect, and has a crystal lattice constant different from that of undoped GaN.
For this reason, at the heterojunction interface between the electron transit layer 3 and the electron supply layer 4, the piezoelectric electric field generated by the piezoelectric effect due to crystal distortion based on the difference in the crystal lattice constant, the electron transit layer 3, and the electron supply layer 4 are respectively configured. A synergistic effect of the electric field is generated due to spontaneous polarization of the crystal lattice, and the two-dimensional electron gas layer 200 is formed immediately below the junction interface between the two.

このHEMTにおいて、電子供給層4は電子走行層3へ電子を供給する層として機能する。そして、ソース電極7とドレイン電極8との間に電位差を与えることにより、電子走行層3に供給された電子は2次元電子ガス層200中で高速移動する。
このとき、ゲート電極6に所定の電圧(閾値電圧以上の電圧)を加えて、当該ゲート電極6の直下に発生させる所望の広がり(幅)の空乏層により、電子走行層3における2次元電子ガス層200を分断(遮断)して、ソース電極7とドレイン電極8との間を走行する電子の流れを制御する。
In this HEMT, the electron supply layer 4 functions as a layer for supplying electrons to the electron transit layer 3. Then, by applying a potential difference between the source electrode 7 and the drain electrode 8, electrons supplied to the electron transit layer 3 move at high speed in the two-dimensional electron gas layer 200.
At this time, a predetermined voltage (a voltage equal to or higher than the threshold voltage) is applied to the gate electrode 6, and a two-dimensional electron gas in the electron transit layer 3 is generated by a depletion layer having a desired spread (width) generated immediately below the gate electrode 6. The layer 200 is divided (blocked) to control the flow of electrons traveling between the source electrode 7 and the drain electrode 8.

すなわち、一般的なHEMTは、電子走行層3と電子供給層4のヘテロ接合構造の接合界面の電子走行層3側において、ピエゾ分極及び自発分極による電界の作用により常時2次元電子ガス層200が生じることになるため、一般的なHEMTはノーマリオン構造である。すなわち、このヘテロ接合構造を有する高電子移動度トランジスタは、ゲート電極6に閾値電圧以上の電圧を加えない状態では、ソース電極7とドレイン電極8間に電流が流れ続ける、いわゆるノーマリーオンの動作を行っている。
そこで、HEMTをオフ状態とするため、ゲート電極6に対して、閾値電圧以上の電圧を印加して空乏層を生じさせ、2次元電子ガス層200の電流経路を遮断させている。言い換えると、ゲート電極6に電圧を加えない状態で、ソース電極7とドレイン電極8間に電流が流れない、いわゆるノーマリーオフの動作は実現できない。
That is, in a general HEMT, the two-dimensional electron gas layer 200 is always formed on the electron transit layer 3 side of the junction interface of the heterojunction structure of the electron transit layer 3 and the electron supply layer 4 by the action of an electric field due to piezoelectric polarization and spontaneous polarization. As a result, a general HEMT has a normally-on structure. That is, the high electron mobility transistor having the heterojunction structure is a so-called normally-on operation in which a current continues to flow between the source electrode 7 and the drain electrode 8 in a state where a voltage higher than the threshold voltage is not applied to the gate electrode 6. It is carried out.
Therefore, in order to turn off the HEMT, a voltage higher than the threshold voltage is applied to the gate electrode 6 to generate a depletion layer, and the current path of the two-dimensional electron gas layer 200 is blocked. In other words, a so-called normally-off operation in which no current flows between the source electrode 7 and the drain electrode 8 without applying a voltage to the gate electrode 6 cannot be realized.

しかしながら、Si材料を用いた半導体回路等に通常使用されている半導体素子はノーマリオフのデバイスであり、そのような半導体回路等にノーマリオンであるHEMTを容易に置き換えることができない。
そこで、ノーマリオフ構造のHEMTとしては図7(b)以下に示す構造が用いられている(たとえば、特許文献1参照)。
基板1上にGaN系化合物半導体からなる電子供給層4と電子走行層3とがヘテロ接合により形成され、電子供給層4が電子走行層3に比較して薄く形成されている。ここで、ゲート電極6直下の領域の電子供給層4を、ゲート電極6直下を除く他の電子供給層4の領域に比較してさらに薄く形成した構造(リセスゲート構造)が採用されている。
However, a semiconductor element normally used in a semiconductor circuit or the like using a Si material is a normally-off device, and a HEMT that is normally on cannot be easily replaced with such a semiconductor circuit or the like.
Therefore, as a HEMT having a normally-off structure, the structure shown in FIG. 7B and the following is used (see, for example, Patent Document 1).
An electron supply layer 4 made of a GaN-based compound semiconductor and an electron transit layer 3 are formed on the substrate 1 by heterojunction, and the electron supply layer 4 is formed thinner than the electron transit layer 3. Here, a structure (recess gate structure) is adopted in which the electron supply layer 4 in the region immediately below the gate electrode 6 is formed thinner than the region of the other electron supply layer 4 except immediately below the gate electrode 6.

リセスゲート構造では、ゲート電極6直下の電子供給層4の厚みを、ゲート電極6直下を除く電子供給層4の領域に比較して薄くすることによって、その部分のピンチオフ電圧が上昇する。そのため、ゲート電極6に電圧を加えていない状態においては、その部分の2次元電子ガス層が消失して空乏化する。これによりゲート電極に電圧を加えない状態ではソース電極7とドレイン電極8との間に電流が流れない、いわゆるノーマリオフの動作をする高電子移動度トランジスタが実現する。
特開2005−183733号公報
In the recessed gate structure, the thickness of the electron supply layer 4 immediately below the gate electrode 6 is made thinner than the region of the electron supply layer 4 except just below the gate electrode 6, thereby increasing the pinch-off voltage at that portion. Therefore, in a state where no voltage is applied to the gate electrode 6, the two-dimensional electron gas layer in that portion disappears and is depleted. This realizes a high electron mobility transistor that performs a so-called normally-off operation in which no current flows between the source electrode 7 and the drain electrode 8 when no voltage is applied to the gate electrode.
JP 2005-183733 A

しかしながら、特許文献1に示すリセスゲート構造のHEMTの製造方法において、エッチングによりゲート電極直下の電子供給層を薄くする加工を必要とするため、元々薄い電子供給層をエッチングすることにより、電子供給層の下に設けられた電子走行層のゲート電極直下及びその周囲の領域に対するダメージが大きく、半導体素子特性に影響を与える欠点がある。
また、上記特許文献1に示す製造方法でノーマリオフ動作を実現するためには、非常に高い精度にてゲート電極直下の電子供給層の原子レベルの厚みを制御するエッチング技術が必要であり、形成されたゲート電極直下の電子供給層の厚さがばらついたり、HEMTの閾値電圧が一様に制御できず、閾値電圧の規格をはずれるHEMTやノーマリオフ動作とならないHEMTが作成されたりすることにより、歩留まりが低下する問題がある。
However, in the method of manufacturing a HEMT having a recessed gate structure shown in Patent Document 1, it is necessary to process the electron supply layer immediately below the gate electrode by etching, so that the originally thin electron supply layer is etched to form the electron supply layer. There is a drawback in that the damage to the region directly below and around the gate electrode of the electron transit layer provided below is large, which affects the semiconductor device characteristics.
Further, in order to realize the normally-off operation by the manufacturing method shown in Patent Document 1, an etching technique for controlling the atomic level thickness of the electron supply layer directly under the gate electrode with very high accuracy is necessary and formed. As a result, the thickness of the electron supply layer directly under the gate electrode varies, the HEMT threshold voltage cannot be uniformly controlled, and a HEMT that deviates from the threshold voltage standard or a HEMT that does not operate normally off is created. There is a problem that decreases.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、従来例に比較し容易に製造でき、閾値電圧の制御を高精度に行うことができるノーマリオフ動作に近いノーマリオン特性又はノーマリオフ特性を有する高電子移動度トランジスタ及びその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and has a normally-on characteristic or a normally-off characteristic close to a normally-off operation that can be easily manufactured as compared to the conventional example and can control the threshold voltage with high accuracy. It is an object of the present invention to provide a high electron mobility transistor and a manufacturing method thereof.

本発明の高電子移動度トランジスタは、第1の化合物半導体からなる第1の層と、該第1の層の上に、自発分極を有する第2の化合物半導体からなる第2の層と、上方から見て前記第2の層の間であって前記第1の層の上に、前記第2の化合物半導体を構成元素に含み、且つ前記第2の層よりも結晶性が低下している第3の層と、前記第3の層の上に形成されたゲート電極と、第2の層の上に形成されたドレイン電極と、上方から見たときに前記ゲート電極を前記ドレイン電極と挟むように第2の層の上に形成されたソース電極と、を有し、前記第1の層と前記第2の層との界面近傍に2次元キャリアガス層が生じている。   The high electron mobility transistor of the present invention includes a first layer made of a first compound semiconductor, a second layer made of a second compound semiconductor having spontaneous polarization on the first layer, The second compound semiconductor is included as a constituent element between the second layers and on the first layer as viewed from the second layer, and the crystallinity is lower than that of the second layer. 3, a gate electrode formed on the third layer, a drain electrode formed on the second layer, and the gate electrode sandwiched between the drain electrode when viewed from above And a source electrode formed on the second layer, and a two-dimensional carrier gas layer is formed in the vicinity of the interface between the first layer and the second layer.

本発明の高電子移動度トランジスタは、前記第3の層は第2の層に比べて結晶性が緩和していることを特徴とする。   The high electron mobility transistor of the present invention is characterized in that the third layer has a relaxed crystallinity as compared with the second layer.

本発明の高電子移動度トランジスタは、第1の化合物半導体からなる第1の層と、該第1の層の上に、該第1の化合物半導体とヘテロ接合し、自発分極を有する第2の化合物半導体からなる第2の層と、上方から見て前記第2の層の間であって前記第1の層の上に前記第2の層よりも結晶性が緩和している第3の層と、前記第3の層の上に形成されたゲート電極と、第2の層の上に形成されたドレイン電極と、上方から見たときに前記ゲート電極を前記ドレイン電極と挟むように第2の層の上に形成されたソース電極と、を有し、前記第1の層と前記第2の層との界面近傍に2次元キャリアガス層が生じている。   The high electron mobility transistor of the present invention includes a first layer made of a first compound semiconductor, a second layer having a spontaneous polarization on the first layer and heterojunction with the first compound semiconductor. A second layer made of a compound semiconductor and a third layer between the second layer as viewed from above and having a relaxed crystallinity on the first layer as compared with the second layer A gate electrode formed on the third layer, a drain electrode formed on the second layer, and a second electrode so as to sandwich the gate electrode with the drain electrode when viewed from above. A two-dimensional carrier gas layer is formed in the vicinity of the interface between the first layer and the second layer.

本発明の高電子移動度トランジスタは、上記何れかに記載の高電子移動度トランジスタであり、前記第3の層と前記ゲート電極との間に絶縁膜が挟まれていることを特徴とする。   A high electron mobility transistor according to the present invention is any of the high electron mobility transistors described above, wherein an insulating film is sandwiched between the third layer and the gate electrode.

本発明の高電子移動度トランジスタは、上記何れかに記載の高電子移動度トランジスタであり、前記第3の層と前記第1の層との間に前記第2層の第1の部分が形成されており、前記第2の層の第1の部分は前記第3の層を側方から挟むように形成された前記第2の層の第2の部分よりも薄いことを特徴とする。   A high electron mobility transistor according to the present invention is the high electron mobility transistor according to any one of the above, wherein a first portion of the second layer is formed between the third layer and the first layer. The first portion of the second layer is thinner than the second portion of the second layer formed so as to sandwich the third layer from the side.

本発明の高電子移動度トランジスタは、上記何れかに記載の高電子移動度トランジスタであり、前記第1及び第2の化合物半導体は窒化物系化合物半導体であって、前記第3の層は数原子以上の厚みを有している事を特徴とする。
本発明の高電子移動度トランジスタは、上記何れかに記載の高電子移動度トランジスタであり、前記第3の層は多結晶層又はアモルファスの結晶層又は第2の層よりも欠陥を多く含む結晶層であることを特徴とする。
The high electron mobility transistor of the present invention is any one of the high electron mobility transistors described above, wherein the first and second compound semiconductors are nitride-based compound semiconductors, and the third layer is a few. It is characterized by having a thickness of atoms or more.
The high electron mobility transistor of the present invention is the high electron mobility transistor according to any one of the above, wherein the third layer is a crystal having more defects than a polycrystalline layer, an amorphous crystal layer, or a second layer. It is a layer.

本発明の高電子移動度トランジスタの製造方法は、第1の化合物半導体からなる第1の層の上に、該第1の化合物半導体とヘテロ接合をし、自発分極を有する第2の化合物半導体で構成される第2の層を形成し、前記第1の層と前記第2の層の界面近傍に2次元キャリアガス層を生じさせる工程と、前記第2の層の結晶性を低下させて形成する第3の層を上方から見て前記第2の層の間になるように形成し、第3の層直下の第1の層の上面側に生じる2次元キャリアガス層を前記第2の層と前記第1の層との界面近傍に生じる2次元キャリアガス層よりも低減させる工程と、前記第3の層の上にゲート電極を形成し、当該ゲート電極を挟むようにドレイン電極とソース電極を形成する工程と、を有する。   The method for manufacturing a high electron mobility transistor according to the present invention includes a second compound semiconductor that has a spontaneous polarization on a first layer made of a first compound semiconductor and has a heterojunction with the first compound semiconductor. Forming a second layer to be formed, generating a two-dimensional carrier gas layer in the vicinity of the interface between the first layer and the second layer, and reducing the crystallinity of the second layer The third layer is formed so as to be between the second layers when viewed from above, and a two-dimensional carrier gas layer generated on the upper surface side of the first layer immediately below the third layer is formed on the second layer. And a step of reducing the two-dimensional carrier gas layer generated near the interface between the first layer and the first layer, and forming a gate electrode on the third layer and sandwiching the gate electrode between the drain electrode and the source electrode Forming the step.

本発明の高電子移動度トランジスタの製造方法は、第1の化合物半導体からなる第1の層の上に、該第1の化合物半導体とヘテロ接合をし、自発分極を有する第2の化合物半導体で構成される第2の層を形成し、前記第1の層と前記第2の層の界面近傍に2次元キャリアガス層を生じさせる工程と、前記第2の層の結晶性を緩和させて形成する第3の層を上方から見て前記第2の層の間になるように形成し、第3の層直下の第1の層の上面側に生じる2次元キャリアガス層を前記第2の層と前記第1の層との界面近傍に生じる2次元キャリアガス層よりも低減させる工程と、前記第3の層の上にゲート電極を形成し、当該ゲート電極を挟むようにドレイン電極とソース電極を形成する工程と、を有する。   The method for manufacturing a high electron mobility transistor according to the present invention includes a second compound semiconductor that has a spontaneous polarization on a first layer made of a first compound semiconductor and has a heterojunction with the first compound semiconductor. Forming a second layer to be formed, generating a two-dimensional carrier gas layer in the vicinity of the interface between the first layer and the second layer, and reducing the crystallinity of the second layer The third layer is formed so as to be between the second layers when viewed from above, and a two-dimensional carrier gas layer generated on the upper surface side of the first layer immediately below the third layer is formed on the second layer. And a step of reducing the two-dimensional carrier gas layer generated near the interface between the first layer and the first layer, and forming a gate electrode on the third layer and sandwiching the gate electrode between the drain electrode and the source electrode Forming the step.

本発明の高電子移動度トランジスタの製造方法は、前記第3の層を形成する工程は、前記第2の層の上に第3の層の厚みを制御する厚み制御膜を設けた後、前記厚み制御膜の上方から貫通するようにイオン注入若しくはプラズマ照射により前記第2の層の結晶性を低下させて前記第3の層を形成することを特徴とする。   In the method of manufacturing a high electron mobility transistor according to the present invention, the step of forming the third layer includes providing a thickness control film for controlling the thickness of the third layer on the second layer, The third layer is formed by reducing the crystallinity of the second layer by ion implantation or plasma irradiation so as to penetrate from above the thickness control film.

本発明の高電子移動度トランジスタの製造方法は、第1の化合物半導体からなる第1の層の上に第2の化合物半導体で構成される第2の層を形成する工程と、前記第2の層の上方から前記第2の層の結晶性を低下させて第2の層に挟まれるように形成された第3の層を形成する工程と、第3の層の上に制御電極を形成する工程とを有することを特徴とする。   The method of manufacturing a high electron mobility transistor according to the present invention includes a step of forming a second layer made of a second compound semiconductor on a first layer made of the first compound semiconductor, Forming a third layer formed so as to decrease the crystallinity of the second layer from above the layer so as to be sandwiched between the second layers, and forming a control electrode on the third layer And a process.

本発明の高電子移動度トランジスタの製造方法は、第1の化合物半導体からなる第1の層の上に、該第1の化合物半導体とヘテロ接合をし、自発分極性を有する第2の化合物半導体からなる第2の層を結晶性が低下又は緩和した状態となる温度で形成する工程と、第3の層を上方から見て前記第2の層の両側に対向するように、前記第2の層をアニールして第3の層直下の前記第1の層の上面側の界面近傍に2次元キャリアガス層を生じさせる工程と、ゲート電極を前記第3の層の上に形成し、ドレイン電極及びソース電極各々を、前記第3の層を介して対向する前記第2の層各々の上に形成する工程と、を有する。   The method of manufacturing a high electron mobility transistor according to the present invention includes a second compound semiconductor having a spontaneous polarization property, heterojunctioned with the first compound semiconductor on the first layer made of the first compound semiconductor. Forming the second layer at a temperature at which the crystallinity is lowered or relaxed, and the second layer so as to face both sides of the second layer when viewed from above. Annealing the layer to form a two-dimensional carrier gas layer in the vicinity of the interface on the upper surface side of the first layer immediately below the third layer; forming a gate electrode on the third layer; And forming each of the source electrodes on each of the second layers facing each other with the third layer interposed therebetween.

本発明の高電子移動度トランジスタの製造方法は、前記第1の層と第2の層との間に、該第1の層と格子整合し、前記第2の層よりも高い温度にて、前記第2の化合物半導体の第4の層を形成する工程をさらに有することを特徴とする。   In the method for manufacturing a high electron mobility transistor of the present invention, the first layer and the second layer are lattice-matched with the first layer and at a temperature higher than that of the second layer. The method further includes the step of forming a fourth layer of the second compound semiconductor.

本発明によれば、第1の層と第2の層との界面近傍に2次元キャリアガス層が生じている。さらに、第1の層の上であって、上方から見て第2の層の間に形成された第3の層は、第2の層よりも結晶性が低い。その結果、第3の層において構成される結晶の自発分極、第3の層と第1の層との間に生じるピエゾ分極はともに低い。よって、第3の層と第1の層との間にはピエゾ分極と自発分極のいずれか又は両方に基づく電界強度が低下し、そこに生じる2次元キャリアガス層は第1の層と第2の層との界面近傍に生じている2次元キャリアガス層よりも少なくなる。その結果、ゲート電極を第3の層の上に設けることで、ノーマリオフ動作に近いノーマリオン特性又はノーマリオフ特性を有する高電子移動度トランジスタを提供する事ができる。   According to the present invention, a two-dimensional carrier gas layer is generated in the vicinity of the interface between the first layer and the second layer. Further, the third layer formed on the first layer and between the second layers as viewed from above has lower crystallinity than the second layer. As a result, both the spontaneous polarization of crystals formed in the third layer and the piezo polarization generated between the third layer and the first layer are low. Therefore, the electric field strength based on one or both of piezo polarization and spontaneous polarization is reduced between the third layer and the first layer, and the two-dimensional carrier gas layer generated there is the first layer and the second layer. This is less than the two-dimensional carrier gas layer generated in the vicinity of the interface with the other layer. As a result, by providing the gate electrode on the third layer, it is possible to provide a high electron mobility transistor having a normally-on characteristic or a normally-off characteristic close to a normally-off operation.

本発明は化合物半導体を用い、ヘテロ接合を有する第1及び第2の層からなる高電子移動度トランジスタにおいて、イオン注入やプラズマ照射等により、自発分極を有する第2の層におけるゲート電極直下の結晶性をゲート電極周辺の第2の層の部分に比べて低下させて第3の層を形成し、第3の層の自発分極を第2の層よりも結晶性を低下させる。その結果、第3の層の自発分極とピエゾ分極が第2の層よりも低下し、第3の層と第1の層との界面近傍に生じる2次元電子ガス層の濃度(若しくは幅)が第2の層と第1の層との界面近傍に比べて低下若しくは消滅する。   The present invention relates to a high electron mobility transistor including a first and second layers having a heterojunction using a compound semiconductor, and a crystal immediately below the gate electrode in the second layer having spontaneous polarization by ion implantation or plasma irradiation. The third layer is formed by reducing the property of the second layer around the gate electrode, and the spontaneous polarization of the third layer is made less crystalline than the second layer. As a result, the spontaneous polarization and piezoelectric polarization of the third layer are lower than those of the second layer, and the concentration (or width) of the two-dimensional electron gas layer generated near the interface between the third layer and the first layer is reduced. Compared to the vicinity of the interface between the second layer and the first layer, it decreases or disappears.

また、イオン注入やプラズマ照射により、第3の層と第1の層との結晶性を第2の層と第1の層との結晶性よりも緩和させ、第3の層を構成する結晶を本来の格子間隔に戻させることで第3の層に歪みを生じないようにする。その結果、第3の層のピエゾ分極が第2の層よりも低下し、第3の層と第1の層との界面近傍に生じる2次元電子ガス層の濃度(若しくは幅)が第2の層と第1の層との界面近傍に比べて低下若しくは消滅する。
以上の事柄から、ゲート電極直下の界面における2次元電子ガス層の濃度(若しくは幅)を低下若しくは消滅させノーマリオフ動作に近いノーマリオン特性又はノーマリオフ特性の高電子移動度トランジスタを提供するものである。
In addition, the crystallinity of the third layer and the first layer is relaxed more than the crystallinity of the second layer and the first layer by ion implantation or plasma irradiation, and the crystal constituting the third layer is changed. By returning to the original lattice spacing, the third layer is prevented from being distorted. As a result, the piezoelectric polarization of the third layer is lower than that of the second layer, and the concentration (or width) of the two-dimensional electron gas layer generated in the vicinity of the interface between the third layer and the first layer is the second level. Compared to the vicinity of the interface between the layer and the first layer, it decreases or disappears.
In view of the above, a high electron mobility transistor having normally-on characteristics or normally-off characteristics close to normally-off operation is provided by reducing or eliminating the concentration (or width) of the two-dimensional electron gas layer at the interface directly below the gate electrode.

以下、図面を参照し、本発明の実施形態による高電子移動度トランジスタを説明する。
以下の図面の記載において、同一の部分については同一の符号を付している。但し、図面は模式的に示すものであり、以下に示す本発明の実施形態は本発明の技術的思想を具体化するためのものであって、特許請求の範囲において種々の変更を加える事ができる。
図1は本発明の実施形態における高電子移動度トランジスタの断面構造を示す概念図である。
基板1は、Si(シリコン)、SiC(シリコンカーバイト)、GaAs(ガリウム砒素)、GaN(窒化ガリウム)等のシリコン系又は化合物系半導体又はアルミナのようなセラミックなどの絶縁性材料にて形成されている。
ここで、基板1は、例えば本発明の実施形態において、350μm〜1000μm程度の厚みを有し、バッファ層2、電子走行層3及び電子供給層4に対して線膨張係数が小さく、且つ格子定数が上記各層と異なる単結晶シリコンから形成されている。
Hereinafter, a high electron mobility transistor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
In the following description of the drawings, the same portions are denoted by the same reference numerals. However, the drawings are schematically shown, and the embodiments of the present invention shown below are for embodying the technical idea of the present invention, and various modifications may be made within the scope of the claims. it can.
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a cross-sectional structure of a high electron mobility transistor in an embodiment of the present invention.
The substrate 1 is formed of an insulating material such as a silicon-based or compound-based semiconductor such as Si (silicon), SiC (silicon carbide), GaAs (gallium arsenide), GaN (gallium nitride), or ceramic such as alumina. ing.
Here, for example, in the embodiment of the present invention, the substrate 1 has a thickness of about 350 μm to 1000 μm, has a small linear expansion coefficient with respect to the buffer layer 2, the electron transit layer 3, and the electron supply layer 4, and has a lattice constant. Are made of single crystal silicon different from the above layers.

バッファ層(緩衝層)2は、単結晶シリコンの基板1と、例えばGaNにて形成される第1の半導体層3との格子不整合による格子歪みを緩和するため、基板1と第1の半導体層3との間に挿入されている。ここで、バッファ層2は周知の低温バッファ構造或いはAlN(アルミナイトライド)層とGaN層とが交互に積層された多層バッファ構造となっている。
第1の半導体層3は、電子走行層に対応し、上記バッファ層2の上に形成されており、電子が移動する2次元電子ガス層200が生じる層である。第1の半導体層3は例えば不純物が添加されていないイントリンシックなGaNにて1μm〜3μmの厚さを有している。
なお、第1の半導体層3はGaN以外の化合物半導体としても良い。また、第1の半導体層3は自発分極を有しない化合物半導体であっても良い。
The buffer layer (buffer layer) 2 is formed of the substrate 1 and the first semiconductor in order to reduce lattice distortion caused by lattice mismatch between the single crystal silicon substrate 1 and the first semiconductor layer 3 formed of, for example, GaN. It is inserted between the layers 3. Here, the buffer layer 2 has a known low-temperature buffer structure or a multilayer buffer structure in which AlN (aluminum nitride) layers and GaN layers are alternately stacked.
The first semiconductor layer 3 corresponds to the electron transit layer, is formed on the buffer layer 2, and is a layer in which a two-dimensional electron gas layer 200 in which electrons move is generated. The first semiconductor layer 3 is made of, for example, intrinsic GaN to which no impurity is added, and has a thickness of 1 μm to 3 μm.
The first semiconductor layer 3 may be a compound semiconductor other than GaN. The first semiconductor layer 3 may be a compound semiconductor that does not have spontaneous polarization.

第2の半導体層4は、電子供給層に対応し、第1の半導体層3とヘテロ接合となるように形成されている。第2の半導体層4は、第1の半導体層3に比較して広いバンドギャップを有し、自発分極を有する化合物半導体からなる。第2の半導体層4は、例えば、AlInGa1−x−yN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1)を満足する組成の窒化物系化合物半導体であり、より好ましくはAlxGa1−xN(0.2≦x≦0.4)、更に好ましくはAl0.3Ga0.7Nである。
第2の半導体層4は5nm〜50nmの厚みに形成され、本実施形態においては20nm程度の厚みに形成されている。
The second semiconductor layer 4 corresponds to the electron supply layer and is formed to be a heterojunction with the first semiconductor layer 3. The second semiconductor layer 4 is made of a compound semiconductor having a wider band gap than the first semiconductor layer 3 and having spontaneous polarization. The second semiconductor layer 4 is, for example, a nitride compound semiconductor having a composition satisfying Al x In y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). More preferably, AlxGa 1-x N (0.2 ≦ x ≦ 0.4), and further preferably Al 0.3 Ga 0.7 N.
The second semiconductor layer 4 is formed to a thickness of 5 nm to 50 nm, and in the present embodiment, it is formed to a thickness of about 20 nm.

図2に示すように、第1の半導体層3と第2の半導体層4との格子不整合によるピエゾ分極又は/且つ第2の半導体層4の結晶性に起因する自発分極による電界が高電子移動度トランジスタ(素子)の縦方向、即ち第1の半導体層3から第2の半導体層4の方向に向かって発生し、この電界により第1の半導体層3の界面近傍に2次元電子ガス層200が生じている。
第2の半導体層4はさらにN型の不純物を添加しても良い。また、第2の半導体層4は第1の半導体層3を構成する化合物半導体と異なる格子定数を有する化合物半導体で形成しても良いが、第1の半導体層3を構成する化合物半導体と同じ格子定数を有する窒化物系化合物半導体を用いても良い。例えば、AlInN系化合物半導体ではピエゾ分極よりも自発分極の方が大きいため、AlInN系化合物半導体の結晶性を壊して自発分極を弱める事によって後述する第3の半導体層5を形成することができる。そして、AlInN系化合物半導体で第2の半導体層4を形成しても、第2の半導体層4の自発分極によって第1の半導体層3と第2の半導体層4との界面近傍に2次元電子ガス層200を生じさせることができる。
As shown in FIG. 2, the electric field due to piezoelectric polarization due to lattice mismatch between the first semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 4 and / or spontaneous polarization due to the crystallinity of the second semiconductor layer 4 is high electrons. The two-dimensional electron gas layer is generated in the vertical direction of the mobility transistor (element), that is, in the direction from the first semiconductor layer 3 to the second semiconductor layer 4 and in the vicinity of the interface of the first semiconductor layer 3 by this electric field. 200 has occurred.
The second semiconductor layer 4 may further contain an N-type impurity. The second semiconductor layer 4 may be formed of a compound semiconductor having a lattice constant different from that of the compound semiconductor constituting the first semiconductor layer 3, but the same lattice as the compound semiconductor constituting the first semiconductor layer 3. A nitride compound semiconductor having a constant may be used. For example, since the spontaneous polarization is larger than the piezoelectric polarization in the AlInN compound semiconductor, the third semiconductor layer 5 described later can be formed by breaking the crystallinity of the AlInN compound semiconductor and weakening the spontaneous polarization. Even when the second semiconductor layer 4 is formed of an AlInN-based compound semiconductor, two-dimensional electrons are formed in the vicinity of the interface between the first semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 4 due to spontaneous polarization of the second semiconductor layer 4. A gas layer 200 can be created.

上方から見て、第2の半導体層4に側方から挟まれるように、請求項における第3の層に対応する第3の半導体層5が第1の半導体層3上に形成されている。第3の半導体層5は数原子層以上の厚みを有し、例えば10nm〜50nmの厚さを有する。なお、第3の半導体層5は第2の半導体層4とほぼ等しい厚みとしても良い。第3の半導体層5は第2の半導体層4を構成する化合物半導体を構成する元素を含み、第2の半導体層4に比べて結晶性を低下させる。その結果、第3の半導体層5の自発分極とピエゾ分極が第2の半導体層4よりも低下し、第3の半導体層5と第1の半導体層3との界面近傍に生じる2次元電子ガス層の濃度(若しくは幅)が第1の半導体層3と第2の半導体層4との界面近傍に生じている2次元電子ガス層200に比べて低下若しくは消滅している。   A third semiconductor layer 5 corresponding to the third layer in the claims is formed on the first semiconductor layer 3 so as to be sandwiched by the second semiconductor layer 4 from the side when viewed from above. The third semiconductor layer 5 has a thickness of several atomic layers or more, for example, a thickness of 10 nm to 50 nm. Note that the third semiconductor layer 5 may have a thickness substantially equal to that of the second semiconductor layer 4. The third semiconductor layer 5 contains an element constituting a compound semiconductor constituting the second semiconductor layer 4, and has lower crystallinity than the second semiconductor layer 4. As a result, the spontaneous polarization and piezoelectric polarization of the third semiconductor layer 5 are lower than those of the second semiconductor layer 4, and a two-dimensional electron gas generated in the vicinity of the interface between the third semiconductor layer 5 and the first semiconductor layer 3. The layer concentration (or width) is lower or disappears than the two-dimensional electron gas layer 200 generated near the interface between the first semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 4.

なお、後述するように、第3の半導体層5は第2の半導体層4にイオン注入若しくはプラズマ照射を行なって形成するため、イオン種(イオン源)が揮発せず、第3の半導体層5は第2の半導体層4にイオン種(イオン源)を含んだ半導体層でも良い。
また、第1の半導体層3から第2の半導体層4へと連続するコヒーレントな結晶状態が崩れ、第3の半導体層5を構成する結晶を本来の格子間隔へと戻させる。つまり、第1の半導体層3を構成する結晶との格子歪みが緩和され、第3の半導体層5に歪みを生じない又は第2の半導体層4に比べて歪みを抑制した状態となる。その結果、第3の半導体層5のピエゾ分極が第2の半導体層4よりも低下し、第3の半導体層5と第1の半導体層3との界面近傍に生じる2次元電子ガス層200の濃度(若しくは幅)が第1の半導体層3と第2の半導体層4との界面近傍に比べて低下若しくは消滅している。
As will be described later, since the third semiconductor layer 5 is formed by performing ion implantation or plasma irradiation on the second semiconductor layer 4, the ion species (ion source) does not volatilize, and the third semiconductor layer 5. May be a semiconductor layer containing an ion species (ion source) in the second semiconductor layer 4.
Further, the continuous coherent crystal state from the first semiconductor layer 3 to the second semiconductor layer 4 is broken, and the crystals constituting the third semiconductor layer 5 are returned to the original lattice spacing. That is, the lattice distortion with the crystal constituting the first semiconductor layer 3 is relaxed, and the third semiconductor layer 5 is not distorted or is less distorted than the second semiconductor layer 4. As a result, the piezoelectric polarization of the third semiconductor layer 5 is lower than that of the second semiconductor layer 4, and the two-dimensional electron gas layer 200 generated near the interface between the third semiconductor layer 5 and the first semiconductor layer 3. The concentration (or width) is lower or disappears than the vicinity of the interface between the first semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 4.

第3の半導体層5の上にAl(アルミニウム)又はポリシリコンなどの導電性膜で形成されたゲート電極(制御電極)6を有する。なお、図6に示すように、ゲート電極6は第3の半導体層5とMIS構造となるように、絶縁膜12を第3の半導体層5との間に挟んでも良い。
また、上方から見て、ゲート電極6を挟んで第2の半導体層4上に形成されたソース電極7及びドレイン電極8はTi(チタン)の上にAl(アルミニウム)を蒸着するなど、第2の半導体層4と低抵抗(オーミック)接触するように形成されている。
よって、本発明の実施形態による高電子移動度トランジスタによれば、ゲート電極6直下の2次元電子ガス層200を低減又は消滅させており、ノーマリオフ動作に近いノーマリオン特性の構造、又はノーマリオフ特性の構造を有する高電子移動度トランジスタを提供する事ができる。
A gate electrode (control electrode) 6 formed of a conductive film such as Al (aluminum) or polysilicon is provided on the third semiconductor layer 5. As shown in FIG. 6, the insulating film 12 may be sandwiched between the third semiconductor layer 5 so that the gate electrode 6 has a MIS structure with the third semiconductor layer 5.
Further, as viewed from above, the source electrode 7 and the drain electrode 8 formed on the second semiconductor layer 4 with the gate electrode 6 interposed therebetween are formed by depositing Al (aluminum) on Ti (titanium), etc. The semiconductor layer 4 is formed in low resistance (ohmic) contact.
Therefore, according to the high electron mobility transistor according to the embodiment of the present invention, the two-dimensional electron gas layer 200 directly under the gate electrode 6 is reduced or eliminated, and the normally-on characteristic structure or the normally-off characteristic is close to the normally-off operation. A high electron mobility transistor having a structure can be provided.

なお、本実施形態の高電子移動度トランジスタは、ソース電極7及びドレイン電極8に電位差を与えた状態にて、ゲート電極6に閾値電圧よりも大きい負の電圧を印加することによって、第1の半導体層3と第3の半導体層5との界面近傍に電子が生じさせ、高電子移動度トランジスタをオン状態とすることができる。   Note that the high electron mobility transistor of the present embodiment applies the negative voltage larger than the threshold voltage to the gate electrode 6 in a state where a potential difference is applied to the source electrode 7 and the drain electrode 8. Electrons are generated in the vicinity of the interface between the semiconductor layer 3 and the third semiconductor layer 5, so that the high electron mobility transistor can be turned on.

また、第3の半導体層5は結晶性を低下させるため、結果的に第3の半導体層5が多結晶、アモルファス状態、第2の半導体層4よりも欠陥を多く含む結晶となっていてもよい。   In addition, since the third semiconductor layer 5 deteriorates the crystallinity, the third semiconductor layer 5 may be polycrystalline, amorphous, or a crystal having more defects than the second semiconductor layer 4 as a result. Good.

また、図3に示す本発明の他の実施形態の構造のように、第3の半導体層5と第1の半導体層3が接しておらず、第2の半導体層4が間に挟まれていても良い。これは、後述する本実施形態の製造方法において、第3の半導体層5の下面が第1の半導体層3に達しないように、第2の半導体層4の厚み未満の所定の深さまで第3の半導体層5として第2の半導体層4の一部を残すことでも、本発明の効果を得ることができる。更に、第3の半導体層5を形成する際に第1の半導体層3に生じるダメージを低減し、第3の半導体層5直下及びその近傍の結晶性を確保し、比較的高い電子移動度を有する高電子移動度トランジスタ、つまりオン抵抗が増加することを抑制した高電子移動度トランジスタを提供する事ができる。   Further, as in the structure of another embodiment of the present invention shown in FIG. 3, the third semiconductor layer 5 and the first semiconductor layer 3 are not in contact with each other, and the second semiconductor layer 4 is sandwiched therebetween. May be. This is because, in the manufacturing method of the present embodiment, which will be described later, the third semiconductor layer 5 has a third depth up to a predetermined depth less than the thickness of the second semiconductor layer 4 so that the lower surface of the third semiconductor layer 5 does not reach the first semiconductor layer 3. The effect of the present invention can also be obtained by leaving part of the second semiconductor layer 4 as the semiconductor layer 5. Furthermore, the damage generated in the first semiconductor layer 3 when the third semiconductor layer 5 is formed is reduced, the crystallinity immediately below and in the vicinity of the third semiconductor layer 5 is secured, and a relatively high electron mobility is obtained. It is possible to provide a high electron mobility transistor having high resistance, that is, a high electron mobility transistor in which an increase in on-resistance is suppressed.

さらに、図3に示す本発明の他の実施形態の構造では、第3の半導体層5の厚みを制御する事によって、リセスゲート構造と同様にピンチオフ電圧の制御を行なう事ができる。ここで、第3の半導体層5直下の第2の半導体層4の第1の部分は第3の半導体層5が直下に設けられていない第2の半導体層4の第2の部分よりも薄く形成されている。
また、第2の半導体層4と第3の半導体層5が同じ化合物系半導体層から形成されている場合、第1の半導体層3との界面近傍に比べてその上方で多くの結晶性が低下又は緩和のいずれか又はその両方している構造となっている。
Furthermore, in the structure of another embodiment of the present invention shown in FIG. 3, the pinch-off voltage can be controlled by controlling the thickness of the third semiconductor layer 5 as in the case of the recessed gate structure. Here, the first portion of the second semiconductor layer 4 immediately below the third semiconductor layer 5 is thinner than the second portion of the second semiconductor layer 4 where the third semiconductor layer 5 is not provided immediately below. Is formed.
In addition, when the second semiconductor layer 4 and the third semiconductor layer 5 are formed of the same compound semiconductor layer, a lot of crystallinity is lowered above the vicinity of the interface with the first semiconductor layer 3. Or it is the structure which is either or both of relaxation.

また、第1の半導体層3と第2の半導体層4との間にAlN(アルミナイトライド)等の薄い絶縁膜を挟むことにより、2次元電子ガス層200が第2の半導体層4側への染み出しを抑制して合金拡散を抑え、高電子移動度トランジスタの移動度を向上することができる。
また、第2の半導体層4とソース電極7間、第2の半導体層4とドレイン電極8間の少なくとも一方にN型不純物を添加した例えばGaNからなる化合物半導体層11を設けて、第2の半導体層4とソース電極7間,第2の半導体層4とドレイン電極8間におけるコンタクト特性を向上させても良い。
Further, by sandwiching a thin insulating film such as AlN (aluminum nitride) between the first semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 4, the two-dimensional electron gas layer 200 moves to the second semiconductor layer 4 side. The diffusion of the alloy can be suppressed to suppress the diffusion of the alloy, and the mobility of the high electron mobility transistor can be improved.
Further, a compound semiconductor layer 11 made of, for example, GaN to which N-type impurities are added is provided between at least one of the second semiconductor layer 4 and the source electrode 7 and between at least one of the second semiconductor layer 4 and the drain electrode 8. Contact characteristics between the semiconductor layer 4 and the source electrode 7 and between the second semiconductor layer 4 and the drain electrode 8 may be improved.

次に、図4を用いて、本発明の実施形態における高電子移動度トランジスタの製造方法を説明する。図4は本発明の実施形態における高電子移動度トランジスタの製造過程毎の断面構造を示す概念図である。
基板1の主面1aの上に周知のバッファ層2を形成した後、バッファ層2の上に第1の半導体層3と第2の半導体層4を順にヘテロエピタキシャル成長させる(図4(a))。
第2の半導体層4の上にソース電極7とドレイン電極8となる導電材料をスパッタ法又は真空蒸着法により形成し、フォトグラフィによりレジストパターンを形成した後、レジストパターンをマスクとしてスパッタ又は真空蒸発によりソース電極7とドレイン電極8を形成し、レジストパターンを除去する(図4(b))。
Next, the manufacturing method of the high electron mobility transistor in the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a conceptual diagram showing a cross-sectional structure for each manufacturing process of the high electron mobility transistor in the embodiment of the present invention.
After the well-known buffer layer 2 is formed on the main surface 1a of the substrate 1, the first semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 4 are sequentially heteroepitaxially grown on the buffer layer 2 (FIG. 4A). .
A conductive material to be the source electrode 7 and the drain electrode 8 is formed on the second semiconductor layer 4 by a sputtering method or a vacuum evaporation method, and after forming a resist pattern by photolithography, sputtering or vacuum evaporation is performed using the resist pattern as a mask. Thus, the source electrode 7 and the drain electrode 8 are formed, and the resist pattern is removed (FIG. 4B).

次に、レジストを全面に塗布し、フォトグラフィにより、ソース電極7とドレイン電極8が形成された領域から離間し且つ上方から見てソース電極7とドレイン電極8とで挟まれ且つゲート電極6の形成される第2の半導体層4の部分、すなわち第3の半導体層5となる部分が露出されるようにレジストパターン100を形成する(図4(c))。
そして、レジストパターン100をマスクとして、Ar(アルゴン),Ne(ネオン),Xe(キセノン)等の不活性ガス、又は第2の半導体層4を絶縁化させるような材料からなるイオン種を第2の半導体層4の上面側からイオン注入又はプラズマ照射を行い、第3の半導体層5となる(図4(d))。
Next, a resist is applied to the entire surface, separated from the region where the source electrode 7 and the drain electrode 8 are formed by photolithography, and sandwiched between the source electrode 7 and the drain electrode 8 as viewed from above, and the gate electrode 6 A resist pattern 100 is formed so that a portion of the second semiconductor layer 4 to be formed, that is, a portion to be the third semiconductor layer 5 is exposed (FIG. 4C).
Then, with the resist pattern 100 as a mask, an inert gas such as Ar (argon), Ne (neon), Xe (xenon), or an ion species made of a material that insulates the second semiconductor layer 4 is used as the second species. Then, ion implantation or plasma irradiation is performed from the upper surface side of the semiconductor layer 4 to form the third semiconductor layer 5 (FIG. 4D).

なお、ドライエッチングでは欠陥が深い部分まで入るので、第3の半導体層5の厚みを良好に制御できないが、イオン注入やプラズマ照射の場合、注入深さを制御する事によって、深さ方向の結晶性の状態を良好に制御できる。特に、制御性の良いイオン注入法を用いれば、注入する電荷と加速電圧を制御することによって第3の半導体層5の厚み(注入深さ)を良好に調整することができるので好ましい。また、イオン注入においては加速電圧及びイオン種、プラズマ照射においてはバイアス電圧及びイオン種などの条件を第2及び第3の半導体層4,5の厚み及び材料の種類に対応して変更してもよい。例えば、図3に示すように、第3の半導体層5の下面が第1の半導体層3に達しないように、第2の半導体層4の上面から第2の半導体層4の厚み未満の所定の深さまでを第3の半導体層5とし、第3の半導体層5と第1の半導体層3との間に第2の半導体層4の一部を残しても良い。   Note that the thickness of the third semiconductor layer 5 cannot be satisfactorily controlled because the defect is deeply penetrated by dry etching, but in the case of ion implantation or plasma irradiation, the crystal in the depth direction can be controlled by controlling the implantation depth. The state of sex can be controlled well. In particular, it is preferable to use an ion implantation method with good controllability, because the thickness (implantation depth) of the third semiconductor layer 5 can be adjusted favorably by controlling the charge to be implanted and the acceleration voltage. In addition, conditions such as acceleration voltage and ion species in ion implantation and bias voltage and ion species in plasma irradiation may be changed according to the thickness and material type of the second and third semiconductor layers 4 and 5. Good. For example, as shown in FIG. 3, a predetermined thickness less than the thickness of the second semiconductor layer 4 from the upper surface of the second semiconductor layer 4 is set so that the lower surface of the third semiconductor layer 5 does not reach the first semiconductor layer 3. The third semiconductor layer 5 may be formed up to a depth of 3 mm, and a part of the second semiconductor layer 4 may be left between the third semiconductor layer 5 and the first semiconductor layer 3.

次に、レジストパターンを除去し、新たにレジストを塗布し、フォトグラフィにてゲート電極6をリフトオフにより形成するためのレジストパターン、すなわち第3の半導体層5の上面が露出するレジストパターンを形成する。なお、第3の半導体層5を形成する際に使用したレジストパターンをそのまま使用しても良い。
そして、第3の半導体層5の上面にスパッタ等によりゲート電極6となる導電材料を形成し、リフトオフすることによって第3の半導体層5の上にゲート電極6が形成される(図4(e))。
Next, the resist pattern is removed, a new resist is applied, and a resist pattern for forming the gate electrode 6 by lift-off by photolithography, that is, a resist pattern exposing the upper surface of the third semiconductor layer 5 is formed. . Note that the resist pattern used when forming the third semiconductor layer 5 may be used as it is.
Then, a conductive material to be the gate electrode 6 is formed on the upper surface of the third semiconductor layer 5 by sputtering or the like, and the gate electrode 6 is formed on the third semiconductor layer 5 by lift-off (FIG. 4E). )).

なお、局所的に第3の半導体層5の結晶性が低下又は緩和した状態を保持させるため、局所的に第3の半導体層5を除く第2の半導体層4に対してレーザアニールによる熱処理を行なう。なお、第3の半導体層5の結晶性が緩和した状態を保持できるのであれば、第3の半導体層5の領域に対してもアニール処理しても構わない。例えば、第3の半導体層5の結晶性が緩和した状態を保持した状態で、第3の半導体層5の表面領域のみアニール処理しても良い。
本発明によれば、第3の半導体層5は数原子以上の厚みを有するので、第1の半導体層1にダメージを与える事を抑制することができ、閾値電圧の制御を高い精度にて行なえ、歩留まりを向上し、生産性を向上することができる。
In order to maintain the state in which the crystallinity of the third semiconductor layer 5 is locally lowered or relaxed, the second semiconductor layer 4 except for the third semiconductor layer 5 is locally subjected to heat treatment by laser annealing. Do. Note that the region of the third semiconductor layer 5 may be annealed as long as the crystallinity of the third semiconductor layer 5 can be maintained. For example, only the surface region of the third semiconductor layer 5 may be annealed in a state where the crystallinity of the third semiconductor layer 5 is relaxed.
According to the present invention, since the third semiconductor layer 5 has a thickness of several atoms or more, the first semiconductor layer 1 can be prevented from being damaged, and the threshold voltage can be controlled with high accuracy. , Improve yield and improve productivity.

また、第3の半導体層5を形成する際、第2の半導体層4が薄く、イオン注入の最低エネルギーにしてもイオンが第1の半導体層3に達してしまうことがある。そこで、図4(b)のソース電極7及びドレイン電極8を形成した後、図4(d)の第3の半導体層5を形成するまでのプロセスを以下のようにしても良い。まず、スパッタにより酸化膜等からなる厚み制御膜9を露出した上面に形成する(図5(a))。
そして、レジストを厚み制御膜9の上面のほぼ全面に塗布し、フォトグラフィにより、第3の半導体層5が形成される領域上の厚み制御膜9が露出するようにレジストパターン100を形成する(図5(b))。
Further, when the third semiconductor layer 5 is formed, the second semiconductor layer 4 is thin, and ions may reach the first semiconductor layer 3 even with the lowest energy for ion implantation. Therefore, the process from the formation of the source electrode 7 and the drain electrode 8 in FIG. 4B to the formation of the third semiconductor layer 5 in FIG. 4D may be as follows. First, a thickness control film 9 made of an oxide film or the like is formed on the exposed upper surface by sputtering (FIG. 5A).
Then, a resist is applied to almost the entire upper surface of the thickness control film 9, and a resist pattern 100 is formed by photolithography so that the thickness control film 9 on the region where the third semiconductor layer 5 is formed is exposed ( FIG. 5B).

次に、レジストパターン100をマスクとして、Ar(アルゴン),Ne(ネオン),Xe(キセノン)等の不活性ガス、又は第3の半導体層5を絶縁化させるような材料からなるイオン種を厚み制御膜9の上面側からイオン注入又はプラズマ照射を行い、厚み制御膜9直下の第2の半導体層4の領域が第3の半導体層5となる(図5(c))。次に、図4(d)以降の場合と同様に、ゲート電極6を形成する。つまり、レジストパターン100を除去し、新たにレジストを塗布し、フォトリソグラフィにてゲート電極6をリフトオフにより形成するためのレジストパターンを形成する。そして全面にスパッタなどによりゲート電極となる導電性膜を形成し、上記レジストパターンを除去することにより第3の半導体層5上の厚み制御膜9の領域上にゲート電極6が形成される(図5(d))。   Next, with the resist pattern 100 as a mask, an inert gas such as Ar (argon), Ne (neon), Xe (xenon), or an ion species made of a material that insulates the third semiconductor layer 5 is formed. Ion implantation or plasma irradiation is performed from the upper surface side of the control film 9, and the region of the second semiconductor layer 4 immediately below the thickness control film 9 becomes the third semiconductor layer 5 (FIG. 5C). Next, the gate electrode 6 is formed as in the case of FIG. That is, the resist pattern 100 is removed, a new resist is applied, and a resist pattern for forming the gate electrode 6 by lift-off is formed by photolithography. Then, a conductive film to be a gate electrode is formed on the entire surface by sputtering, and the resist pattern is removed to form the gate electrode 6 on the region of the thickness control film 9 on the third semiconductor layer 5 (FIG. 5 (d)).

この製造方法によれば、第2の半導体層4の上に厚み制御膜9を設け、厚み制御膜9の厚みを制御することにより、予め設定された厚みの第3の半導体層5を容易に形成することができる。さらに、第3の半導体層5直下及びその近傍の第1の半導体層上面側の結晶に対してダメージを与えることなく又は抑制する事ができる。   According to this manufacturing method, by providing the thickness control film 9 on the second semiconductor layer 4 and controlling the thickness of the thickness control film 9, the third semiconductor layer 5 having a preset thickness can be easily formed. Can be formed. Furthermore, it is possible to suppress or suppress damage to the crystal on the upper surface side of the first semiconductor layer immediately below and in the vicinity of the third semiconductor layer 5.

また、図6に示すように、第3の半導体層5とゲート電極6との間に絶縁膜12を有するMISゲート構造としても良い。ここで、図6で示す高電子移動度トランジスタの製造方法は、図4(d)までのプロセスは同様であり、第3の半導体層5を形成した後、スパッタにより酸化膜10を第2の半導体層4及び第3の半導体層5の上面のほぼ全面に形成する。
そして、レジストを塗布し、フォトリソグラフィにて、ゲート電極6をリフトオフにより形成するレジストパターン、すなわち第3の半導体層5の上に形成された酸化膜10が露出されるレジストパターンを形成する。
Further, as shown in FIG. 6, a MIS gate structure having an insulating film 12 between the third semiconductor layer 5 and the gate electrode 6 may be used. Here, the manufacturing method of the high electron mobility transistor shown in FIG. 6 is the same as the process up to FIG. 4D. After the third semiconductor layer 5 is formed, the oxide film 10 is formed by sputtering. The semiconductor layer 4 and the third semiconductor layer 5 are formed on almost the entire upper surface.
Then, a resist is applied, and a resist pattern for forming the gate electrode 6 by lift-off, that is, a resist pattern for exposing the oxide film 10 formed on the third semiconductor layer 5 is formed by photolithography.

そして上面の全面にスパッタなどにより導電性膜を形成し、レジストパターンを除去する事により、第3の半導体層5上に絶縁膜12が形成され、絶縁膜12上にゲート電極6が形成される。このようにゲート電極6と第3の半導体層5との間に絶縁膜12を形成することにより、第3の半導体層5を介してゲート電極6と電子走行層3との間にリーク電流が流れることを抑制する事ができる。
図1、図3、図6で示す本発明の実施形態における高電子移動度トランジスタの断面構造において、ゲート電極6直下のほぼ全域にわたって第3の半導体層5が形成されているように図示しているが、上方から見て、第3の半導体層5はゲート電極6直下の全域にわたって形成されていなくても良く、ゲート電極6直下を含む一部分にのみ形成されていても良い。
Then, a conductive film is formed on the entire upper surface by sputtering or the like, and the resist pattern is removed, whereby the insulating film 12 is formed on the third semiconductor layer 5 and the gate electrode 6 is formed on the insulating film 12. . By forming the insulating film 12 between the gate electrode 6 and the third semiconductor layer 5 in this way, a leakage current is generated between the gate electrode 6 and the electron transit layer 3 via the third semiconductor layer 5. Flow can be suppressed.
In the cross-sectional structure of the high electron mobility transistor in the embodiment of the present invention shown in FIGS. 1, 3, and 6, the third semiconductor layer 5 is illustrated so as to be formed over almost the entire region immediately below the gate electrode 6. However, as viewed from above, the third semiconductor layer 5 does not have to be formed over the entire region directly under the gate electrode 6, and may be formed only in a part including directly under the gate electrode 6.

また、第3の半導体層5は第2の半導体層4を形成する半導体材料と同じ半導体材料であっても良い。
また、第1の半導体層3と第2の半導体層4との界面近傍には2次元電子ガス層200が生じる例を示したが、第1の半導体層3と第2の半導体層4との界面近傍に2次元正孔ガス層が生じる高電子移動度トランジスタに適応しても、本発明の効果を得ることができる。よって、2次元電子ガス層200と2次元正孔ガス層のいずれかすなわち2次元キャリアガス層が第1の半導体層3と第2の半導体層4との界面近傍に生じている場合に適応しても本発明の効果を得ることができる。
Further, the third semiconductor layer 5 may be the same semiconductor material as that forming the second semiconductor layer 4.
In addition, an example in which the two-dimensional electron gas layer 200 is generated in the vicinity of the interface between the first semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 4 is shown, but the first semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 4 The effect of the present invention can be obtained even when applied to a high electron mobility transistor in which a two-dimensional hole gas layer is formed in the vicinity of the interface. Therefore, it is suitable for the case where one of the two-dimensional electron gas layer 200 and the two-dimensional hole gas layer, that is, the two-dimensional carrier gas layer, is generated in the vicinity of the interface between the first semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 4. However, the effect of the present invention can be obtained.

次に、図8を用いて、本発明の実施形態における高電子移動度トランジスタ(図1)の他の製造方法を説明する。図8は本発明の実施形態における高電子移動度トランジスタの製造過程毎の断面構造を示す概念図である。
基板1の主面1aの上に周知のバッファ層2を形成した後、バッファ層2の上に第1の半導体層3を順にヘテロエピタキシャル成長させ、第1の半導体層3の上に対し、第4の半導体層40を成長させる。
ここで、第1の半導体層3は例えばGaNであり、GaN形成温度(900℃〜1200℃)にて形成する。
Next, another manufacturing method of the high electron mobility transistor (FIG. 1) in the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a conceptual diagram showing a cross-sectional structure for each manufacturing process of the high electron mobility transistor in the embodiment of the present invention.
After the well-known buffer layer 2 is formed on the main surface 1 a of the substrate 1, the first semiconductor layer 3 is sequentially heteroepitaxially grown on the buffer layer 2. The semiconductor layer 40 is grown.
Here, the first semiconductor layer 3 is, for example, GaN, and is formed at a GaN formation temperature (900 ° C. to 1200 ° C.).

そして、この第1の半導体層3の上に、上記GaNの形成温度より低く、半導体層が結晶化されずに非晶質あるいは微結晶の構造の結晶性が低下又は緩和された構造にて形成される温度、例えば500℃の温度により、AlInGa1−X−YNからなる第4の半導体層40を形成する(図8(a))。
この第4の半導体層40の結晶性が低下又は緩和された構造において、第4の半導体層40の結晶性に起因する自発分極又は/且つ第1の半導体層3と第4の半導体層40とのピエゾ分極による電界が低いため、第1の半導体層3と第4の半導体層40との間の界面近傍には、2次元電子ガス層は生じない又は従来に比べて低減されている。
Then, on the first semiconductor layer 3, the semiconductor layer is formed in a structure in which the crystallinity of the amorphous or microcrystalline structure is lowered or relaxed without being crystallized, lower than the GaN formation temperature. The fourth semiconductor layer 40 made of Al X In Y Ga 1- XYN is formed at a temperature of, for example, 500 ° C. (FIG. 8A).
In the structure in which the crystallinity of the fourth semiconductor layer 40 is lowered or relaxed, spontaneous polarization due to the crystallinity of the fourth semiconductor layer 40 and / or the first semiconductor layer 3 and the fourth semiconductor layer 40 Since the electric field due to the piezoelectric polarization is low, a two-dimensional electron gas layer is not generated near the interface between the first semiconductor layer 3 and the fourth semiconductor layer 40 or is reduced as compared with the prior art.

そして、ゲート電極を形成する領域(領域40A)に光が照射されないように、領域40Aの部分をマスク100にて遮蔽する。そして、ゲート電極を形成する領域40Aを保護した状態にて、第4の半導体層40の領域40Bの表面に対し、所定のエネルギを有するレーザ光を照射してアニールを行い、光が照射された領域40Bが単結晶化されて第2の半導体層4となる。   Then, the portion of the region 40A is shielded by the mask 100 so that the region (region 40A) where the gate electrode is formed is not irradiated with light. Then, in a state where the region 40A for forming the gate electrode is protected, the surface of the region 40B of the fourth semiconductor layer 40 is annealed by irradiating a laser beam having a predetermined energy, and the light is irradiated. The region 40B is single-crystallized to form the second semiconductor layer 4.

ここで、本実施形態におけるアニールによる単結晶化処理において、後述する局所的に単結晶化のためのアニールが行える手段であれば、レーザアニールに限定することなく電子線照射等を使用できる。これにより、第4の半導体層40の表面に対して垂直方向から見た平面視において、領域40Bによって領域40Aが挟まれた構造として形成されることになる。   Here, in the single crystallization process by annealing in the present embodiment, electron beam irradiation or the like can be used without being limited to laser annealing, as long as it is a means capable of performing annealing for local single crystallization described later. As a result, the region 40A is sandwiched between the regions 40B in a plan view as viewed from the direction perpendicular to the surface of the fourth semiconductor layer 40.

このとき、第4の半導体層40において、結晶化されたために第2の半導体層4の結晶性に起因する自発分極又は/且つ第1の半導体層3と第2の半導体層4とのピエゾ分極による電界が上記アニール前に比べて増加し、第2の半導体層4と第1の半導体層3との界面近傍に良好な2次元電子ガス層200が形成され、一方、単結晶化されずに結晶性が緩和又は低下された構造のままの領域40Aは第3の半導体層5に相当し第3の半導体層5と第1の半導体層3との界面近傍に2次元電子ガス層200が形成されない。又は領域40Bと第1の半導体層3との界面近傍に比べて十分に2次元電子ガス層200の濃度又は幅が小さい。   At this time, in the fourth semiconductor layer 40, since it is crystallized, spontaneous polarization due to the crystallinity of the second semiconductor layer 4 and / or piezoelectric polarization between the first semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 4. The electric field due to is increased compared to before the annealing, and a good two-dimensional electron gas layer 200 is formed in the vicinity of the interface between the second semiconductor layer 4 and the first semiconductor layer 3. The region 40A in which the crystallinity is relaxed or lowered corresponds to the third semiconductor layer 5, and the two-dimensional electron gas layer 200 is formed in the vicinity of the interface between the third semiconductor layer 5 and the first semiconductor layer 3. Not. Alternatively, the concentration or width of the two-dimensional electron gas layer 200 is sufficiently smaller than the vicinity of the interface between the region 40B and the first semiconductor layer 3.

次に、第3の半導体層5の上にゲート電極6、第2の半導体層4の上にソース電極7及びドレイン電極8となる導電材料をスパッタ法又は真空蒸着法により形成し、フォトグラフィによりレジストパターンを形成した後、レジストパターンをマスクとしてスパッタ又は真空蒸発により、ゲート電極6、ソース電極7及びドレイン電極8を形成し、レジストパターンを除去する(図8(c))。   Next, a conductive material to be the source electrode 7 and the drain electrode 8 is formed on the third semiconductor layer 5 on the third semiconductor layer 5 and the source electrode 7 and the drain electrode 8 on the second semiconductor layer 4, and is formed by photolithography. After forming the resist pattern, the gate electrode 6, the source electrode 7 and the drain electrode 8 are formed by sputtering or vacuum evaporation using the resist pattern as a mask, and the resist pattern is removed (FIG. 8C).

ここで、上記単結晶化のアニールのため照射する光について説明する。照射する光の光源としては、例えば、低圧水銀ランプ、高圧水銀ランプ、超高圧水銀ランプ、亜鉛ランプ、ハロゲンランプ、エキシマランプ及びキセノンランプが挙げられる。また、エキシマレーザ、アルゴンイオンレーザ、クリプトンイオンレーザ、Nd:YVO4レーザ、Nd:YAGレーザ、Nd:YLFレーザ、Ti:サファイアレーザ、半導体レーザ、色素レーザなどのレーザーの基本波及び上記のレーザーの基本波の非線型光学効果により得られる光を用いることもできる。   Here, the light irradiated for the annealing of the single crystallization will be described. Examples of the light source for irradiation include a low-pressure mercury lamp, a high-pressure mercury lamp, an ultrahigh-pressure mercury lamp, a zinc lamp, a halogen lamp, an excimer lamp, and a xenon lamp. In addition, fundamental waves of excimer lasers, argon ion lasers, krypton ion lasers, Nd: YVO4 lasers, Nd: YAG lasers, Nd: YLF lasers, Ti: sapphire lasers, semiconductor lasers, dye lasers, and the fundamentals of the above lasers Light obtained by the nonlinear optical effect of waves can also be used.

また、照射光が第4の半導体層40において強く吸収されて熱エネルギに変換されることが好ましい。このため、この照射光としては紫外域またはその近傍の波長を持つエキシマレーザ、アルゴンイオンレーザ、Nd:YAGレーザの高調波などの光を用いることが特に好ましい。
ここで、第4の半導体層40の膜厚が薄い場合、波長の短いエキシマレーザが光源として適しており、逆に膜厚が厚い場合は波長の長いNd:YAGレーザの第2高調波が光源として適しているが、おおむね波長が600nm以下のレーザー光が上記の条件を満たしている。
Further, it is preferable that the irradiation light is strongly absorbed in the fourth semiconductor layer 40 and converted into thermal energy. For this reason, it is particularly preferable to use light such as an excimer laser, an argon ion laser, or a harmonic of an Nd: YAG laser having a wavelength in the ultraviolet region or the vicinity thereof as the irradiation light.
Here, when the thickness of the fourth semiconductor layer 40 is thin, an excimer laser with a short wavelength is suitable as the light source. Conversely, when the film thickness is large, the second harmonic of the Nd: YAG laser with a long wavelength is used as the light source. In general, a laser beam having a wavelength of 600 nm or less satisfies the above conditions.

上記レーザ光照射は第4の半導体層40の温度を例えば室温(25℃)程度から400℃程度の間として、例えば窒素雰囲気中にて行う。
第4の半導体層40に対してパルスレーザを用いてレーザ光の照射を行うと、第4の半導体層40の照射された領域に吸収された光エネルギにより熱が発生し、ごく短時間に温度上昇が起こる。
照射されるレーザのパルス幅は500ns以下が好ましい。その際発生した熱が拡散するため、レーザ光の照射される第4の半導体層40(領域40B)は短時間で冷却されることになる。レーザ光の照射エネルギが第4の半導体層40を溶融するのに十分な場合には、第4の半導体層40における領域40Bは溶融し、冷却過程において単結晶化する。また、照射エネルギを増加させると、領域40Bの深い部分まで溶融され、あるエネルギ以上では完全溶融してしまうので、それ以下であることが望ましい。
The laser beam irradiation is performed, for example, in a nitrogen atmosphere with the temperature of the fourth semiconductor layer 40 being, for example, between about room temperature (25 ° C.) and about 400 ° C.
When the fourth semiconductor layer 40 is irradiated with laser light using a pulse laser, heat is generated by the light energy absorbed in the irradiated region of the fourth semiconductor layer 40, and the temperature is reached in a very short time. A rise occurs.
The pulse width of the irradiated laser is preferably 500 ns or less. Since the heat generated at this time is diffused, the fourth semiconductor layer 40 (region 40B) irradiated with the laser light is cooled in a short time. When the irradiation energy of the laser beam is sufficient to melt the fourth semiconductor layer 40, the region 40B in the fourth semiconductor layer 40 is melted and single-crystallized in the cooling process. Further, when the irradiation energy is increased, it is melted to a deep portion of the region 40B and completely melts at a certain energy or higher.

本実施形態によれば、図4に示す製造方法に比較し、図4(e)におけるレーザアニール処理を省くことができ、かつゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を同一工程において形成することができるため、工程数を削減して製造コストを低下させて、図4の製造方法と同様の図3のHEMT構造を形成することができる。
また、第1の半導体層3と第2の半導体層4との界面近傍には2次元電子ガス層200が生じる例を示したが、第1の半導体層3と第2の半導体層4との界面近傍に2次元正孔ガス層が生じる高電子移動度トランジスタに適応しても、本発明の効果を得ることができる。よって、2次元電子ガス層200と2次元正孔ガス層のいずれかすなわち2次元キャリアガス層が第1の半導体層3と第2の半導体層4との界面近傍に生じている場合に適応しても本発明の効果を得ることができる。
According to this embodiment, compared with the manufacturing method shown in FIG. 4, the laser annealing process in FIG. 4E can be omitted, and the gate electrode, the source electrode, and the drain electrode can be formed in the same process. Therefore, the number of steps can be reduced to reduce the manufacturing cost, and the HEMT structure of FIG. 3 similar to the manufacturing method of FIG. 4 can be formed.
In addition, an example in which the two-dimensional electron gas layer 200 is generated in the vicinity of the interface between the first semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 4 is shown, but the first semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 4 The effect of the present invention can be obtained even when applied to a high electron mobility transistor in which a two-dimensional hole gas layer is formed in the vicinity of the interface. Therefore, it is suitable for the case where one of the two-dimensional electron gas layer 200 and the two-dimensional hole gas layer, that is, the two-dimensional carrier gas layer, is generated in the vicinity of the interface between the first semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 4. However, the effect of the present invention can be obtained.

次に、図9を用いて、本発明の他の実施形態における高電子移動度トランジスタ(図3)の他の製造方法を説明する。図9は本発明の他の実施形態における高電子移動度トランジスタ(図3)の他の製造方法の過程毎の断面構造を示す概念図である。
基板1の主面1aの上に周知のバッファ層2を形成した後、バッファ層2の上に第1の半導体層3を順に成長させる。
ここで、第1の半導体層3は例えばGaNであり、GaN形成温度(900℃〜1200℃)にて形成する。続いてこの第1の半導体層3の上に対し、GaN形成温度にてAlInGa1−X−YNからなる第5の半導体層60を5〜10nm程度の厚さでヘテロエピタキシャル成長させる。
このとき、第1の半導体層3と界面を接している第5の半導体層60が第1の半導体層3に格子整合している単結晶の構造であるため、第1の半導体層3と第5の半導体層60との間の界面近傍には、2次元電子ガス層200が生じる。
ここで、第5の半導体層60の厚さを制御することにより、第5の半導体層60の自発分極、第5の半導体層60と第1の半導体層3との間のピエゾ分極の強度を調整し、第5の半導体層60と第1の半導体層3の界面近傍に形成される2次元電子ガス層200の濃度を調整することができる。
Next, another manufacturing method of the high electron mobility transistor (FIG. 3) according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a conceptual diagram showing a cross-sectional structure for each process of another manufacturing method of the high electron mobility transistor (FIG. 3) according to another embodiment of the present invention.
After the well-known buffer layer 2 is formed on the main surface 1 a of the substrate 1, the first semiconductor layer 3 is grown on the buffer layer 2 in order.
Here, the first semiconductor layer 3 is, for example, GaN, and is formed at a GaN formation temperature (900 ° C. to 1200 ° C.). Subsequently, a fifth semiconductor layer 60 made of Al X In Y Ga 1- XYN is heteroepitaxially grown on the first semiconductor layer 3 at a thickness of about 5 to 10 nm at the GaN formation temperature. .
At this time, since the fifth semiconductor layer 60 in contact with the first semiconductor layer 3 has a single crystal structure lattice-matched to the first semiconductor layer 3, the first semiconductor layer 3 and the first semiconductor layer 3 The two-dimensional electron gas layer 200 is generated in the vicinity of the interface with the five semiconductor layers 60.
Here, by controlling the thickness of the fifth semiconductor layer 60, the spontaneous polarization of the fifth semiconductor layer 60 and the intensity of piezo-polarization between the fifth semiconductor layer 60 and the first semiconductor layer 3 are controlled. The concentration of the two-dimensional electron gas layer 200 formed in the vicinity of the interface between the fifth semiconductor layer 60 and the first semiconductor layer 3 can be adjusted.

次に、上記第5の半導体層60の上に、上記第5の半導体層60及び第1の半導体層3の形成温度より低く、半導体層が結晶化されずに結晶性が低下又は緩和された構造にて形成される温度、例えば500℃の温度により、AlInGa1−X−YNからなる第6の半導体層70を例えば厚さ10〜20nm程度形成する。 Next, on the fifth semiconductor layer 60, the temperature is lower than the formation temperature of the fifth semiconductor layer 60 and the first semiconductor layer 3, and the crystallinity is lowered or relaxed without being crystallized. The sixth semiconductor layer 70 made of Al X In Y Ga 1- XYN is formed to a thickness of, for example, about 10 to 20 nm at a temperature formed by the structure, for example, a temperature of 500 ° C.

そして、ゲート電極を形成する領域(領域70A)に光が照射されないように(マスク100により領域70Aが遮蔽された状態にて)所定の照射エネルギを有するレーザ光を、第6の半導体層70の表面に対して照射し、この照射されたレーザ光のエネルギによりアニールを行い、レーザ光が照射された領域70Bの単結晶化の処理を行う(図9(b))。
ここで、本実施形態においては、レーザアニールよる第6の半導体層70の単結晶化処理において、第6の半導体層70の領域70Bが第2の半導体層4となる。また、図9(c)や9(c)で示すように第6の半導体層70と第5の半導体層60が同一の半導体材料からなり、同一の単結晶構造の半導体層80としても良い。
Then, laser light having a predetermined irradiation energy is applied to the sixth semiconductor layer 70 so that the region (region 70A) where the gate electrode is formed is not irradiated (in a state where the region 70A is shielded by the mask 100). Irradiation is performed on the surface, annealing is performed with the energy of the irradiated laser beam, and a single crystallization process is performed on the region 70B irradiated with the laser beam (FIG. 9B).
Here, in the present embodiment, the region 70 </ b> B of the sixth semiconductor layer 70 becomes the second semiconductor layer 4 in the single crystallization process of the sixth semiconductor layer 70 by laser annealing. Further, as shown in FIGS. 9C and 9C, the sixth semiconductor layer 70 and the fifth semiconductor layer 60 may be made of the same semiconductor material, and may be the semiconductor layer 80 having the same single crystal structure.

また、本実施形態における光の照射エネルギのアニールによる単結晶化処理において、後述する局所的に単結晶化のためのアニールが行える手段であれば、レーザアニールに限定することなく使用できる。第6の半導体層70(半導体層80及び領域70A)の表面に対して垂直方向から見た平面視において、半導体領域80の中に領域70Aが領域70Bに狭まれ縞状に形成されている。
したがって、レーザ光が照射されていない領域70Aの部分のみ、結晶性が低下又は緩和された構造のまま残り、この領域70Aの直下には第5の半導体層60(又は第2の半導体層4)が存在している。
Further, in the single crystallization process by annealing light irradiation energy in the present embodiment, any means capable of locally annealing for single crystallization described later can be used without being limited to laser annealing. In a plan view viewed from the direction perpendicular to the surface of the sixth semiconductor layer 70 (semiconductor layer 80 and region 70A), the region 70A is narrowed in the region 70B and formed in a stripe shape in the semiconductor region 80.
Therefore, only the portion of the region 70A not irradiated with the laser light remains in a structure in which the crystallinity is lowered or relaxed, and the fifth semiconductor layer 60 (or the second semiconductor layer 4) is directly below the region 70A. Is present.

このため、上に領域70Aが形成されていない第1の半導体層3の領域における界面近傍の2次元電子ガス層200の厚さは、第3の半導体層5直下の第1の半導体層3の領域における界面近傍の2次元電子ガス層200の濃度又は幅に比較して高く又は厚く生成されることとなる。   For this reason, the thickness of the two-dimensional electron gas layer 200 in the vicinity of the interface in the region of the first semiconductor layer 3 where the region 70 </ b> A is not formed thereon is the same as that of the first semiconductor layer 3 immediately below the third semiconductor layer 5. It is generated higher or thicker than the concentration or width of the two-dimensional electron gas layer 200 in the vicinity of the interface in the region.

次に、第3の半導体層5の上にゲート電極6、第2の半導体層4の上にソース電極7及びドレイン電極8となる導電材料をスパッタ法又は真空蒸着法により形成し、フォトグラフィによりレジストパターンを形成した後、レジストパターンをマスクとしてスパッタ又は真空蒸発により、ゲート電極6、ソース電極7及びドレイン電極8を形成し、レジストパターンを除去する(図9(c))。ここで、ゲート電極6は、ソース電極7及びソース電極8に挟まれている。   Next, a conductive material to be the source electrode 7 and the drain electrode 8 is formed on the third semiconductor layer 5 on the third semiconductor layer 5 and the source electrode 7 and the drain electrode 8 on the second semiconductor layer 4, and is formed by photolithography. After forming the resist pattern, the gate electrode 6, the source electrode 7 and the drain electrode 8 are formed by sputtering or vacuum evaporation using the resist pattern as a mask, and the resist pattern is removed (FIG. 9C). Here, the gate electrode 6 is sandwiched between the source electrode 7 and the source electrode 8.

この本実施形態においても、第3の半導体層5のピエゾ分極が第2の半導体層4対して弱いため、ゲート電極6が形成される第3の半導体層5直下の第2の半導体層4と第1の半導体層3との界面近傍に形成される2次元電子ガス層200の濃度が、単結晶化された第2の半導体層4と第1の半導体層3との界面近傍に形成される2次元電子ガス層200に対して、低下しているかあるいは消滅した状態となっているかのいずれかであり、図3のHEMTと同様な効果を得ることができる。   Also in this embodiment, since the piezoelectric polarization of the third semiconductor layer 5 is weaker than that of the second semiconductor layer 4, the second semiconductor layer 4 immediately below the third semiconductor layer 5 where the gate electrode 6 is formed The concentration of the two-dimensional electron gas layer 200 formed near the interface with the first semiconductor layer 3 is formed near the interface between the single-crystallized second semiconductor layer 4 and the first semiconductor layer 3. The two-dimensional electron gas layer 200 is either lowered or disappeared, and the same effect as the HEMT in FIG. 3 can be obtained.

また、第1の半導体層3と第2の半導体層4との界面近傍には2次元電子ガス層200が生じる例を示したが、第1の半導体層3と第2の半導体層4との界面近傍に2次元正孔ガス層が生じる高電子移動度トランジスタに適応しても、本発明の効果を得ることができる。よって、2次元電子ガス層200と2次元正孔ガス層のいずれかすなわち2次元キャリアガス層が第1の半導体層3と第2の半導体層4との界面近傍に生じている場合に適応しても本発明の効果を得ることができる。   In addition, an example in which the two-dimensional electron gas layer 200 is generated in the vicinity of the interface between the first semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 4 is shown, but the first semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 4 The effect of the present invention can be obtained even when applied to a high electron mobility transistor in which a two-dimensional hole gas layer is formed in the vicinity of the interface. Therefore, it is suitable for the case where one of the two-dimensional electron gas layer 200 and the two-dimensional hole gas layer, that is, the two-dimensional carrier gas layer, is generated in the vicinity of the interface between the first semiconductor layer 3 and the second semiconductor layer 4. However, the effect of the present invention can be obtained.

本発明の実施形態による高電子移動度トランジスタの断面構造を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the cross-sectional structure of the high electron mobility transistor by embodiment of this invention. 本発明の実施形態による歪み緩和層5を形成する効果について説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the effect which forms the distortion relaxation layer 5 by embodiment of this invention. 本発明の実施形態による高電子移動度トランジスタの断面構造を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the cross-sectional structure of the high electron mobility transistor by embodiment of this invention. 本発明の実施形態による高電子移動度トランジスタの製造方法を説明する、素子の断面を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the cross section of an element explaining the manufacturing method of the high electron mobility transistor by embodiment of this invention. 本発明の実施形態による高電子移動度トランジスタの他の製造方法を説明する、素子の断面を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the cross section of an element explaining the other manufacturing method of the high electron mobility transistor by embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態による高電子移動度トランジスタの断面構造を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the cross-section of the high electron mobility transistor by other embodiment of this invention. 従来例による高電子移動度トランジスタの断面構造を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the cross-section of the high electron mobility transistor by a prior art example. 本発明の実施形態による高電子移動度トランジスタの他の製造方法を説明する、素子の断面を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the cross section of an element explaining the other manufacturing method of the high electron mobility transistor by embodiment of this invention. 本発明の実施形態による高電子移動度トランジスタの他の製造方法を説明する、素子の断面を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the cross section of an element explaining the other manufacturing method of the high electron mobility transistor by embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…基板
1a…主面
2…バッファ層
3…第1の半導体層
4…第2の半導体層
5…第3の半導体層
6…ゲート電極
7…ソース電極
8…ドレイン電極
9…厚み制御膜
10…酸化膜
11…化合物半導体層
12…絶縁膜
40…第4の半導体層
40A、40B,70A…領域
60…第5の半導体層
70…第6の半導体層
100…レジスト
200…2次元電子ガス層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate 1a ... Main surface 2 ... Buffer layer 3 ... First semiconductor layer 4 ... Second semiconductor layer 5 ... Third semiconductor layer 6 ... Gate electrode 7 ... Source electrode 8 ... Drain electrode 9 ... Thickness control film 10 ... Oxide film 11 ... Compound semiconductor layer 12 ... Insulating film 40 ... Fourth semiconductor layer 40A, 40B, 70A ... Region 60 ... Fifth semiconductor layer 70 ... Sixth semiconductor layer 100 ... Resist 200 ... Two-dimensional electron gas layer

Claims (12)

第1の化合物半導体からなる第1の層と、
該第1の層の上に、自発分極を有する第2の化合物半導体からなる第2の層と、
上方から見て前記第2の層の間であって前記第1の層の上に、前記第2の化合物半導体を構成元素に含み、且つ前記第2の層よりも結晶性が低下している第3の層と、
前記第3の層の上に形成されたゲート電極と、
第2の層の上に形成されたドレイン電極と、
上方から見たときに前記ゲート電極を前記ドレイン電極と挟むように第2の層の上に形成されたソース電極と、
を有し、
前記第1の層と前記第2の層との界面近傍に2次元キャリアガス層が生じている高電子移動度トランジスタ。
A first layer made of a first compound semiconductor;
A second layer made of a second compound semiconductor having spontaneous polarization on the first layer;
As viewed from above, between the second layers and on the first layer, the second compound semiconductor is included as a constituent element, and the crystallinity is lower than that of the second layer. A third layer;
A gate electrode formed on the third layer;
A drain electrode formed on the second layer;
A source electrode formed on the second layer so as to sandwich the gate electrode with the drain electrode when viewed from above;
Have
A high electron mobility transistor in which a two-dimensional carrier gas layer is generated in the vicinity of an interface between the first layer and the second layer.
前記第3の層は第2の層に比べて結晶性が緩和していることを特徴とする請求項1の高電子移動度トランジスタ。   2. The high electron mobility transistor according to claim 1, wherein the third layer has relaxed crystallinity as compared with the second layer. 第1の化合物半導体からなる第1の層と、
該第1の層の上に、該第1の化合物半導体とヘテロ接合し、自発分極を有する第2の化合物半導体からなる第2の層と、
上方から見て前記第2の層の間であって前記第1の層の上に前記第2の層よりも結晶性が緩和している第3の層と、
前記第3の層の上に形成されたゲート電極と、
第2の層の上に形成されたドレイン電極と、
上方から見たときに前記ゲート電極を前記ドレイン電極と挟むように第2の層の上に形成されたソース電極と、
を有し、
前記第1の層と前記第2の層との界面近傍に2次元キャリアガス層が生じている高電子移動度トランジスタ。
A first layer made of a first compound semiconductor;
A second layer made of a second compound semiconductor heterojunction with the first compound semiconductor and having spontaneous polarization on the first layer;
A third layer between the second layers as viewed from above and having a relaxed crystallinity on the first layer as compared with the second layer;
A gate electrode formed on the third layer;
A drain electrode formed on the second layer;
A source electrode formed on the second layer so as to sandwich the gate electrode with the drain electrode when viewed from above;
Have
A high electron mobility transistor in which a two-dimensional carrier gas layer is generated in the vicinity of an interface between the first layer and the second layer.
前記第3の層と前記ゲート電極との間に絶縁膜が挟まれていることを特徴とする請求項1〜3何れか1項に記載の高電子移動度トランジスタ。   The high electron mobility transistor according to claim 1, wherein an insulating film is sandwiched between the third layer and the gate electrode. 前記第3の層と前記第1の層との間に前記第2の層の第1の部分が形成されており、
前記第2の層の第1の部分は前記第3の層を側方から挟むように形成された前記第2の層の第2の部分よりも薄いことを特徴とする請求項1〜4いずれかに記載の高電子移動度トランジスタ。
A first portion of the second layer is formed between the third layer and the first layer;
The first portion of the second layer is thinner than the second portion of the second layer formed so as to sandwich the third layer from the side. A high electron mobility transistor according to claim 1.
前記第1及び第2の化合物半導体は窒化物系化合物半導体であって、前記第3の層は数原子以上の厚みを有している事を特徴とする請求項1〜5いずれかに記載の高電子移動度トランジスタ。   The first and second compound semiconductors are nitride-based compound semiconductors, and the third layer has a thickness of several atoms or more. High electron mobility transistor. 前記第3の層は多結晶層又はアモルファスの結晶層であることを特徴とする請求項1〜6いずれかに記載の高電子移動度トランジスタ。   The high electron mobility transistor according to claim 1, wherein the third layer is a polycrystalline layer or an amorphous crystal layer. 第1の化合物半導体からなる第1の層の上に、該第1の化合物半導体とヘテロ接合をし、自発分極を有する第2の化合物半導体で構成される第2の層を形成し、前記第1の層と前記第2の層の界面近傍に2次元キャリアガス層を生じさせる工程と、
前記第2の層の結晶性を低下させて形成する第3の層を上方から見て前記第2の層の間になるように形成し、第3の層直下の第1の層の上面側に生じる2次元キャリアガス層を前記第2の層と前記第1の層との界面近傍に生じる2次元キャリアガス層よりも低減させる工程と、
前記第3の層の上にゲート電極を形成し、当該ゲート電極を挟むようにドレイン電極とソース電極を形成する工程と、
を有する高電子移動度トランジスタの製造方法。
A second layer composed of a second compound semiconductor having a spontaneous polarization is formed on the first layer made of the first compound semiconductor so as to form a heterojunction with the first compound semiconductor and have a spontaneous polarization. Producing a two-dimensional carrier gas layer in the vicinity of the interface between the first layer and the second layer;
A third layer formed by reducing the crystallinity of the second layer is formed so as to be between the second layers when viewed from above, and an upper surface side of the first layer immediately below the third layer A step of reducing a two-dimensional carrier gas layer generated in step 2 to be smaller than a two-dimensional carrier gas layer generated near the interface between the second layer and the first layer;
Forming a gate electrode on the third layer and forming a drain electrode and a source electrode so as to sandwich the gate electrode;
A method of manufacturing a high electron mobility transistor having:
第1の化合物半導体からなる第1の層の上に、該第1の化合物半導体とヘテロ接合をし、自発分極を有する第2の化合物半導体で構成される第2の層を形成し、前記第1の層と前記第2の層の界面近傍に2次元キャリアガス層を生じさせる工程と、
前記第2の層の結晶性を緩和させて形成する第3の層を上方から見て前記第2の層の間になるように形成し、第3の層直下の第1の層の上面側に生じる2次元キャリアガス層を前記第2の層と前記第1の層との界面近傍に生じる2次元キャリアガス層よりも低減させる工程と、
前記第3の層の上にゲート電極を形成し、当該ゲート電極を挟むようにドレイン電極とソース電極を形成する工程と、
を有する高電子移動度トランジスタの製造方法。
A second layer composed of a second compound semiconductor having a spontaneous polarization is formed on the first layer made of the first compound semiconductor so as to form a heterojunction with the first compound semiconductor and have a spontaneous polarization. Producing a two-dimensional carrier gas layer in the vicinity of the interface between the first layer and the second layer;
A third layer formed by relaxing the crystallinity of the second layer is formed so as to be between the second layers when viewed from above, and an upper surface side of the first layer immediately below the third layer A step of reducing a two-dimensional carrier gas layer generated in step 2 to be smaller than a two-dimensional carrier gas layer generated near the interface between the second layer and the first layer;
Forming a gate electrode on the third layer and forming a drain electrode and a source electrode so as to sandwich the gate electrode;
A method of manufacturing a high electron mobility transistor having:
前記第3の層を形成する工程は、
前記第2の層の上に第3の層の厚みを制御する厚み制御膜を設けた後、
前記厚み制御膜の上方から貫通するようにイオン注入若しくはプラズマ照射により前記第2の層の結晶性を低下させて前記第3の層を形成することを特徴とする請求項8又は9の高電子移動度トランジスタの製造方法。
The step of forming the third layer includes
After providing a thickness control film for controlling the thickness of the third layer on the second layer,
10. The high electron according to claim 8, wherein the third layer is formed by reducing the crystallinity of the second layer by ion implantation or plasma irradiation so as to penetrate from above the thickness control film. A method for manufacturing a mobility transistor.
第1の化合物半導体からなる第1の層の上に、該第1の化合物半導体とヘテロ接合をし、自発分極性を有する第2の化合物半導体からなる第2の層を結晶性が低下又は緩和した状態となる温度で形成する工程と、
第3の層を上方から見て前記第2の層の両側に対向するように、前記第2の層をアニールして第3の層直下の前記第1の層の上面側の界面近傍に2次元キャリアガス層を生じさせる工程と、
ゲート電極を前記第3の層の上に形成し、ドレイン電極及びソース電極各々を、前記第3の層を介して対向する前記第2の層各々の上に形成する工程と、
を有する高電子移動度トランジスタの製造方法。
On the first layer made of the first compound semiconductor, the crystallinity of the second layer made of the second compound semiconductor having a spontaneous polarization property is lowered or relaxed by forming a heterojunction with the first compound semiconductor. Forming at a temperature that results in
The second layer is annealed so as to face both sides of the second layer when the third layer is viewed from above, and 2 near the interface on the upper surface side of the first layer immediately below the third layer. Producing a dimensional carrier gas layer;
Forming a gate electrode on the third layer, and forming each of a drain electrode and a source electrode on each of the second layers facing each other through the third layer;
A method of manufacturing a high electron mobility transistor having:
前記第1の層と第2の層との間に、該第1の層と格子整合し、前記第2の層よりも高い温度にて、前記第2の化合物半導体の第4の層を形成する工程をさらに有することを特徴とする請求項11に記載の高電子移動度トランジスタの製造方法。   A fourth layer of the second compound semiconductor is formed between the first layer and the second layer in lattice matching with the first layer and at a temperature higher than that of the second layer. The method of manufacturing a high electron mobility transistor according to claim 11, further comprising a step of:
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