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JP2010056137A - Semiconductor device - Google Patents

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JP2010056137A JP2008216779A JP2008216779A JP2010056137A JP 2010056137 A JP2010056137 A JP 2010056137A JP 2008216779 A JP2008216779 A JP 2008216779A JP 2008216779 A JP2008216779 A JP 2008216779A JP 2010056137 A JP2010056137 A JP 2010056137A
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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 semiconductor device for modulating carrier density and electric field in a carrier mobility direction, in a two-dimensional carrier gas channel generated in a compound semiconductor function layer. <P>SOLUTION: The semiconductor device (HEMT) 1 includes: a first compound semiconductor layer 21, having a two-dimensional carrier gas channel 23; a second compound semiconductor layer 22, disposed on the first compound semiconductor layer 21 and working as a barrier layer; a first main electrode 3 connected to one end of the two-dimensional carrier gas channel 23; and a second main electrode 4, connected to the other end separated from the one end of the two-dimensional carrier gas channel 23. In the semiconductor device, between the first main electrode 3 and the second main electrode 4, the composition ratio of a composition element of the second compound semiconductor layer 22 is different in the direction of the two-dimensional carrier gas channel 23. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に化合物半導体機能層を有する半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device having a compound semiconductor functional layer.

ガリウムナイトライド(GaN)系化合物半導体を用いた電子デバイスとして、高電子移動度トランジスタ(HEMT:high electron mobility transistor)が知られている。HEMTは、高い電子(キャリア)の移動度を有し、高周波特性に優れている。   As an electronic device using a gallium nitride (GaN) -based compound semiconductor, a high electron mobility transistor (HEMT) is known. HEMT has high electron (carrier) mobility and is excellent in high-frequency characteristics.

HEMTは、チャネル層として機能するGaN層と、このGaN層上にヘテロ接合によって積層されたバリア層として機能するアルミニウムガリウムナイトライド(AlGaN)層とを有する窒化物系半導体機能層に構成される。GaN層のヘテロ接合近傍には高移動度の電子が走行する2次元電子ガス(2DEG:two-dimensional electron gas)チャネルが生成される。2次元電子ガスチャネルにはソース電極及びドレイン電極が接続され、ソース電極とドレイン電極との間にはゲート電極が配設される。このような構造を有するHEMTにおいては、自発分極や格子不整合を用いたピエゾ電界により高いキャリア密度を実現することができる。   The HEMT is configured as a nitride-based semiconductor functional layer having a GaN layer functioning as a channel layer and an aluminum gallium nitride (AlGaN) layer functioning as a barrier layer stacked on the GaN layer by a heterojunction. Near the heterojunction of the GaN layer, a two-dimensional electron gas (2DEG) channel in which high mobility electrons travel is generated. A source electrode and a drain electrode are connected to the two-dimensional electron gas channel, and a gate electrode is disposed between the source electrode and the drain electrode. In the HEMT having such a structure, a high carrier density can be realized by a piezoelectric field using spontaneous polarization or lattice mismatch.

なお、HEMTに関しては例えば下記特許文献1に記載されている。
WO 061038390号公報
The HEMT is described in, for example, Patent Document 1 below.
WO 061038390

しかしながら、前述のHEMTにおいては、バリア層のソース電極とドレイン電極との間の組成元素の組成比は一定であり、この組成比を変えることによって、2次元電子ガスチャネル中の高いキャリア密度や電界をチャネル方向すなわちキャリア走行方向に変調する点について配慮がなされていなかった。   However, in the above-described HEMT, the composition ratio of the composition element between the source electrode and the drain electrode of the barrier layer is constant, and by changing this composition ratio, a high carrier density or electric field in the two-dimensional electron gas channel is obtained. No consideration has been given to modulating the channel direction in the channel direction, that is, the carrier traveling direction.

本発明は上記課題を解決するためになされたものである。従って、本発明は、バリア層の主電極間の組成元素の組成比を変えることによって、化合物半導体機能層に生成される二次元キャリアガスチャネルにおいてキャリア密度及び電界をキャリア走行方向に変調することができる半導体装置を提供することである。   The present invention has been made to solve the above problems. Therefore, the present invention can modulate the carrier density and the electric field in the carrier traveling direction in the two-dimensional carrier gas channel generated in the compound semiconductor functional layer by changing the composition ratio of the composition element between the main electrodes of the barrier layer. It is to provide a semiconductor device that can be used.

上記課題を解決するために、本発明の実施の形態に係る第1の特徴は、半導体装置において、二次元キャリアガスチャネルを有する第1の化合物半導体層と、第1の化合物半導体層上に配設され、バリア層として機能する第2の化合物半導体層と、二次元キャリアガスチャネルの一端に電気的に接続された第1の主電極と、二次元キャリアガスチャネルの一端に離間する他端に電気的に接続された第2の主電極とを備え、第1の主電極と第2の主電極との間において、第2の化合物半導体層の組成元素の組成比が二次元キャリアガスチャネル方向に異なることである。   In order to solve the above-described problem, a first feature according to an embodiment of the present invention is that a semiconductor device includes a first compound semiconductor layer having a two-dimensional carrier gas channel, and a first compound semiconductor layer disposed on the first compound semiconductor layer. A second compound semiconductor layer that functions as a barrier layer, a first main electrode electrically connected to one end of the two-dimensional carrier gas channel, and the other end spaced from one end of the two-dimensional carrier gas channel A second main electrode that is electrically connected, and the composition ratio of the composition element of the second compound semiconductor layer is between the first main electrode and the second main electrode in the two-dimensional carrier gas channel direction. Is different.

第1の特徴に係る半導体装置において、第1の化合物半導体層、第2の化合物半導体層はいずれも窒素を含む化合物半導体層であり、二次元キャリアガスチャネルは二次元電子ガスチャネルであることが好ましい。   In the semiconductor device according to the first feature, the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer are both compound semiconductor layers containing nitrogen, and the two-dimensional carrier gas channel is a two-dimensional electron gas channel. preferable.

また、第1の特徴に係る半導体装置において、第2の化合物半導体層の組成元素の組成比は二次元キャリアガスチャネル方向に連続的に異なることが好ましい。   In the semiconductor device according to the first feature, the composition ratio of the composition elements of the second compound semiconductor layer is preferably continuously different in the two-dimensional carrier gas channel direction.

また、第1の特徴に係る半導体装置において、第2の化合物半導体層の組成元素の組成比は二次元キャリアガスチャネル方向に段階的に異なることが好ましい。   Further, in the semiconductor device according to the first feature, it is preferable that the composition ratio of the composition elements of the second compound semiconductor layer is gradually changed in the two-dimensional carrier gas channel direction.

本発明の実施の形態に係る第2の特徴は、半導体装置において、二次元キャリアガスチャネルを有する第1の化合物半導体層と、第1の化合物半導体層上に配設され、バリア層として機能する第2の化合物半導体層と、二次元キャリアガスチャネルの一端に電気的に接続されたソース電極と、二次元キャリアガスチャネルの一端に離間する他端に電気的に接続されたドレイン電極と、二次元キャリアガスチャネル上においてソース電極とドレイン電極との間に配設されたゲート電極とを備え、第2の化合物半導体層のソース電極とゲート電極との間の組成元素の組成比が第2の化合物半導体層のドレイン電極とゲート電極との間の組成元素の組成比に対して大きいことである。   A second feature according to the embodiment of the present invention is that, in the semiconductor device, the first compound semiconductor layer having a two-dimensional carrier gas channel and the first compound semiconductor layer are disposed and function as a barrier layer. A second compound semiconductor layer; a source electrode electrically connected to one end of the two-dimensional carrier gas channel; a drain electrode electrically connected to the other end spaced from one end of the two-dimensional carrier gas channel; A gate electrode disposed between the source electrode and the drain electrode on the three-dimensional carrier gas channel, wherein the composition ratio of the composition element between the source electrode and the gate electrode of the second compound semiconductor layer is the second It is that it is large with respect to the composition ratio of the composition element between the drain electrode and gate electrode of a compound semiconductor layer.

本発明の実施の形態に係る第3の特徴は、半導体装置において、二次元キャリアガスチャネルを有する第1の化合物半導体層と、第1の化合物半導体層上に配設され、バリア層として機能する第2の化合物半導体層と、二次元キャリアガスチャネルの一端に電気的に接続されたソース電極と、二次元キャリアガスチャネルの一端に離間する他端に電気的に接続されたドレイン電極と、二次元キャリアガスチャネル上においてソース電極とドレイン電極との間に配設されたゲート電極とを備え、第2の化合物半導体層のドレイン電極とゲート電極との間の組成元素の組成比が第2の化合物半導体層のソース電極とゲート電極との間の組成元素の組成比に対して大きいことである。   According to a third feature of the present invention, in the semiconductor device, the first compound semiconductor layer having a two-dimensional carrier gas channel and the first compound semiconductor layer are disposed and function as a barrier layer. A second compound semiconductor layer; a source electrode electrically connected to one end of the two-dimensional carrier gas channel; a drain electrode electrically connected to the other end spaced from one end of the two-dimensional carrier gas channel; A gate electrode disposed between the source electrode and the drain electrode on the three-dimensional carrier gas channel, wherein the composition ratio of the composition element between the drain electrode and the gate electrode of the second compound semiconductor layer is the second It is large with respect to the composition ratio of the composition element between the source electrode and the gate electrode of the compound semiconductor layer.

本発明の実施の形態に係る第4の特徴は、半導体装置において、二次元キャリアガスチャネルを有する第1の化合物半導体層と、第1の化合物半導体層上に配設され、バリア層として機能する第2の化合物半導体層と、二次元キャリアガスチャネルの一端に電気的に接続されたアノード電極と、二次元キャリアガスチャネルの一端に離間する他端に電気的に接続されたカソード電極とを備え、第2の化合物半導体層のアノード電極とカソード電極との間においてアノード電極側の組成元素の組成比がカソード電極側の組成元素の組成比に対して大きいことである。   According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor device, the first compound semiconductor layer having a two-dimensional carrier gas channel and the first compound semiconductor layer are disposed on the first compound semiconductor layer and function as a barrier layer. A second compound semiconductor layer; an anode electrode electrically connected to one end of the two-dimensional carrier gas channel; and a cathode electrode electrically connected to the other end spaced apart from one end of the two-dimensional carrier gas channel. The composition ratio of the composition element on the anode electrode side between the anode electrode and the cathode electrode of the second compound semiconductor layer is larger than the composition ratio of the composition element on the cathode electrode side.

本発明の実施の形態に係る第5の特徴は、半導体装置において、二次元キャリアガスチャネルを有する第1の化合物半導体層と、第1の化合物半導体層上に配設され、バリア層として機能する第2の化合物半導体層と、二次元キャリアガスチャネルの一端に電気的に接続されたアノード電極と、二次元キャリアガスチャネルの一端に離間する他端に電気的に接続されたカソード電極とを備え、第2の化合物半導体層のアノード電極とカソード電極との間においてカソード電極側の組成元素の組成比がアノード電極側の組成元素の組成比に対して大きいことである。   According to a fifth feature of the present invention, in the semiconductor device, the first compound semiconductor layer having a two-dimensional carrier gas channel and the first compound semiconductor layer disposed on the first compound semiconductor layer function as a barrier layer. A second compound semiconductor layer; an anode electrode electrically connected to one end of the two-dimensional carrier gas channel; and a cathode electrode electrically connected to the other end spaced apart from one end of the two-dimensional carrier gas channel. The composition ratio of the composition element on the cathode electrode side is larger than the composition ratio of the composition element on the anode electrode side between the anode electrode and the cathode electrode of the second compound semiconductor layer.

本発明によれば、バリア層の主電極間の組成元素の組成比を変えることによって、化合物半導体機能層に生成される二次元キャリアガスチャネルのキャリア密度及び電界をキャリア走行方向に変調することができる半導体装置を提供することができる。   According to the present invention, the carrier density and electric field of the two-dimensional carrier gas channel generated in the compound semiconductor functional layer can be modulated in the carrier traveling direction by changing the composition ratio of the composition element between the main electrodes of the barrier layer. A semiconductor device that can be provided can be provided.

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なる。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, the drawings are schematic and different from actual ones. In addition, there may be a case where the dimensional relationships and ratios are different between the drawings.

また、以下に示す実施の形態はこの発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は各構成部品の配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。   Further, the following embodiments exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is to arrange the components and the like as follows. Not specific. The technical idea of the present invention can be variously modified within the scope of the claims.

(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態は、半導体装置として3端子素子であるHEMTに本発明を適用し、このHEMTの電流コラプスの発生を減少するとともに、破壊耐圧を向上した例を説明するものである。
(First embodiment)
The first embodiment of the present invention describes an example in which the present invention is applied to a HEMT that is a three-terminal element as a semiconductor device, the generation of current collapse of this HEMT is reduced, and the breakdown voltage is improved. is there.

[HEMTの構成]
図1に示すように、第1の実施の形態に係るHEMT(半導体装置)1は、二次元キャリアガスチャネル(チャネル領域)23を有する第1の化合物半導体層21と、第1の化合物半導体層21上にヘテロ接合により配設されたキャリア発生領域(バリア領域)として機能する第2の化合物半導体層22と、二次元キャリアガスチャネル23の一端に接続された第1の主電極3と、二次元キャリアガスチャネル23の一端に離間する他端に接続された第2の主電極4とを備え、第1の主電極3と第2の主電極4との間において、第2の化合物半導体層22の組成元素の組成比が二次元キャリアガスチャネル23方向に異なる。
[Configuration of HEMT]
As shown in FIG. 1, a HEMT (semiconductor device) 1 according to the first embodiment includes a first compound semiconductor layer 21 having a two-dimensional carrier gas channel (channel region) 23, and a first compound semiconductor layer. A second compound semiconductor layer 22 functioning as a carrier generation region (barrier region) disposed on the heterojunction on 21, a first main electrode 3 connected to one end of a two-dimensional carrier gas channel 23, A second main semiconductor electrode 4 connected to the other end of the two-dimensional carrier gas channel 23, and a second compound semiconductor layer between the first main electrode 3 and the second main electrode 4. The composition ratio of the 22 composition elements differs in the direction of the two-dimensional carrier gas channel 23.

第1の化合物半導体層21及び第2の化合物半導体層22は化合物半導体機能層2を構築し、この化合物半導体機能層2にHEMT1が構成される。第1の実施の形態において、化合物半導体機能層2は、図示しないが、シリコン基板、炭化シリコン基板、サファイア基板等の基板上に直接的に又は化合物半導体機能層2の結晶性の整合のためにバッファ層を介して間接的に形成される。化合物半導体機能層2の第2の化合物半導体層22においては、第1の化合物半導体層21よりも格子定数が小さく、バンドキャップが大きい。従って、第1の化合物半導体層21に格子整合された第2の化合物半導体層22は引張応力を受ける。   The first compound semiconductor layer 21 and the second compound semiconductor layer 22 constitute the compound semiconductor functional layer 2, and the HEMT 1 is configured in the compound semiconductor functional layer 2. In the first embodiment, the compound semiconductor functional layer 2 is not shown, but directly on a substrate such as a silicon substrate, a silicon carbide substrate, or a sapphire substrate or for crystallinity matching of the compound semiconductor functional layer 2. It is indirectly formed through the buffer layer. The second compound semiconductor layer 22 of the compound semiconductor functional layer 2 has a smaller lattice constant and a larger band cap than the first compound semiconductor layer 21. Therefore, the second compound semiconductor layer 22 lattice-matched to the first compound semiconductor layer 21 receives a tensile stress.

化合物半導体機能層2はここではIII族窒化物系半導体材料により構成されている。代表的なIII族窒化物系半導体はAlxInyGa1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)により表される。 Here, the compound semiconductor functional layer 2 is made of a group III nitride semiconductor material. A typical group III nitride semiconductor is represented by Al x In y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1).

更に、第1の実施の形態において、化合物半導体機能層2の第1の化合物半導体層21のAl(アルミニウム)の組成比x1が0<x1<1の範囲であり、第2の化合物半導体層22のAlの組成比x2が0≦x2<1の範囲であり、Alの組成比x2がAlの組成比x1に比べて大きい(x1<x2)関係にあるとき、第1の化合物半導体層21はAlx1Ga1-x1Nにより表される窒化物半導体材料により構成され、第2の化合物半導体層22はAlx2Ga1-x2Nにより表される窒化物半導体材料により構成される。すなわち、化合物半導体機能層2は、AlGaNからなる第1の化合物半導体層21とAlGaNからなる第2の化合物半導体層22との積層構造、又はGaNからなる第1の化合物半導体層21とAlGaNからなる第2の化合物半導体層22との積層構造により構成される。 Further, in the first embodiment, the Al (aluminum) composition ratio x1 of the first compound semiconductor layer 21 of the compound semiconductor functional layer 2 is in the range of 0 <x1 <1, and the second compound semiconductor layer 22 When the Al composition ratio x2 is in the range of 0 ≦ x2 <1, and the Al composition ratio x2 is larger than the Al composition ratio x1 (x1 <x2), the first compound semiconductor layer 21 is The second compound semiconductor layer 22 is composed of a nitride semiconductor material represented by Al x2 Ga 1-x2 N. The nitride semiconductor material is represented by Al x1 Ga 1-x1 N. That is, the compound semiconductor functional layer 2 includes a stacked structure of the first compound semiconductor layer 21 made of AlGaN and the second compound semiconductor layer 22 made of AlGaN, or made of the first compound semiconductor layer 21 made of GaN and AlGaN. It is constituted by a laminated structure with the second compound semiconductor layer 22.

第1の実施の形態において、第1の化合物半導体層21の膜厚は例えば0.5μm−10.0μmに設定され、ここではGaN層の場合その膜厚は例えば0.5μm−3.5μmに設定される。第2の化合物半導体層22の膜厚は例えば10nm−30nmに設定されている。   In the first embodiment, the film thickness of the first compound semiconductor layer 21 is set to 0.5 μm to 10.0 μm, for example, and here, in the case of a GaN layer, the film thickness is set to 0.5 μm to 3.5 μm, for example. Is set. The film thickness of the second compound semiconductor layer 22 is set to, for example, 10 nm-30 nm.

化合物半導体機能層2において、第1の化合物半導体層21と第2の化合物半導体層22とのヘテロ接合界面近傍であって第1の化合物半導体層21の表面部分に、第1の化合物半導体層21及び第2の化合物半導体層22の自発分極並びにピエゾ分極に基づく二次元キャリアガスチャネル23(二次元電子ガス層又は二次元正孔ガス層)が生成される。ここでは、二次元キャリアガスチャネル23はHEMT1において高移動度を有する電子(キャリア)のチャネル領域として機能する。   In the compound semiconductor functional layer 2, the first compound semiconductor layer 21 is in the vicinity of the heterojunction interface between the first compound semiconductor layer 21 and the second compound semiconductor layer 22 and on the surface portion of the first compound semiconductor layer 21. Then, a two-dimensional carrier gas channel 23 (two-dimensional electron gas layer or two-dimensional hole gas layer) based on the spontaneous polarization and piezo polarization of the second compound semiconductor layer 22 is generated. Here, the two-dimensional carrier gas channel 23 functions as a channel region of electrons (carriers) having high mobility in the HEMT 1.

第1の実施の形態において、第1の主電極3はソース電極として機能し、第2の主電極4はドレイン電極として機能する。第1の主電極3及び第2の主電極4は二次元キャリアガスチャネル23に対して低抵抗に接続するオーミック電極である。第1の主電極3に印加される電位よりも高い電位が第2の主電極4に印加され、ゲート電極5がオン状態になると、第2の主電極4から第1の主電極3に電流が流れる(キャリアである電子は逆に流れる。)。第1の実施の形態において、第1の主電極3及び第2の主電極4は、例えば10nm−50nmの膜厚を有するTi(チタン)層と、このTi層上に積層され例えば100nm−1000nmの膜厚を有するAl層との積層膜により構成されている。   In the first embodiment, the first main electrode 3 functions as a source electrode, and the second main electrode 4 functions as a drain electrode. The first main electrode 3 and the second main electrode 4 are ohmic electrodes connected to the two-dimensional carrier gas channel 23 with a low resistance. When a potential higher than the potential applied to the first main electrode 3 is applied to the second main electrode 4 and the gate electrode 5 is turned on, a current flows from the second main electrode 4 to the first main electrode 3. (Electrons as carriers flow in reverse). In the first embodiment, the first main electrode 3 and the second main electrode 4 are stacked on a Ti (titanium) layer having a film thickness of, for example, 10 nm to 50 nm and, for example, 100 nm to 1000 nm. It is comprised by the laminated film with Al layer which has the film thickness.

ゲート電極5は、第2の化合物半導体層22上に配設され、二次元キャリアガスチャネル23に対してショットキー接合により接続される。ゲート電極5は、例えば100nm−500nmの膜厚を有するNi(ニッケル)層と、このNi層上に積層され例えば0.1μm−1.0μmの膜厚を有するAu(金)層との積層膜により構成されている。   The gate electrode 5 is disposed on the second compound semiconductor layer 22 and connected to the two-dimensional carrier gas channel 23 by a Schottky junction. The gate electrode 5 is a laminated film of a Ni (nickel) layer having a thickness of, for example, 100 nm to 500 nm and an Au (gold) layer having a thickness of, for example, 0.1 μm to 1.0 μm laminated on the Ni layer. It is comprised by.

なお、図1及びそれ以降において明確に図示していないが、耐圧の関係から、第1の主電極3とゲート電極5との間の寸法は第2の主電極4とゲート電極5との間の寸法よりも短く設定されている。   Although not clearly shown in FIG. 1 and the subsequent drawings, the dimension between the first main electrode 3 and the gate electrode 5 is between the second main electrode 4 and the gate electrode 5 because of the breakdown voltage. It is set shorter than the dimension.

このように構成されるHEMT1においては、図2に示すように、化合物半導体機能層2の第2の化合物半導体層22の、自発分極とピエゾ分極によって生じる電界強度Eに影響を及ぼす組成元素であるAlの組成比x2が、第1の主電極3と第2の主電極4との間において、第1の主電極3側で高く設定され、第1の主電極3側から第2の主電極4側に向かって連続的に減少し、第2の主電極4側で低く設定されている。すなわち、Alの組成比x2は二次元キャリアガスチャネル23方向に連続的に異なる。   In the HEMT 1 configured as described above, as shown in FIG. 2, it is a composition element that affects the electric field strength E generated by spontaneous polarization and piezoelectric polarization of the second compound semiconductor layer 22 of the compound semiconductor functional layer 2. The Al composition ratio x2 is set high on the first main electrode 3 side between the first main electrode 3 and the second main electrode 4, and the second main electrode from the first main electrode 3 side is set. It decreases continuously toward the 4th side and is set low on the second main electrode 4 side. That is, the Al composition ratio x2 is continuously different in the direction of the two-dimensional carrier gas channel 23.

Alの組成比x2が増加すると、第2の化合物半導体層22のバンドギャップが拡がり、キャリアが増加し、ピエゾ分極が強くなり(歪みが大きくなり)、電界強度Eが強くなる。逆に、Alの組成比x2が減少すると、第2の化合物半導体層22のバンドギャップが狭くなり、キャリアが減少し、ピエゾ分極が弱くなり(歪みが小さくなり)、電界強度Eが弱くなる。Alの組成比x2が0.5を越えると、バリア層として機能する第2の化合物半導体層22を成膜することが難しい。また、Alの組成比x2が0.1に満たないと、HEMT1のオン抵抗が高くなってしまう。従って、Alの組成比x2はこの範囲内(x2=0.1−0.5)において連続的に変化させることが好ましい。   As the Al composition ratio x2 increases, the band gap of the second compound semiconductor layer 22 widens, carriers increase, piezo polarization increases (distortion increases), and the electric field strength E increases. Conversely, when the Al composition ratio x2 is decreased, the band gap of the second compound semiconductor layer 22 is narrowed, carriers are decreased, piezoelectric polarization is weakened (distortion is reduced), and the electric field strength E is weakened. If the Al composition ratio x2 exceeds 0.5, it is difficult to form the second compound semiconductor layer 22 that functions as a barrier layer. On the other hand, if the Al composition ratio x2 is less than 0.1, the on-resistance of the HEMT 1 is increased. Therefore, it is preferable to continuously change the Al composition ratio x2 within this range (x2 = 0.1-0.5).

[HEMTの動作原理]
図2に示すように、前述の第1の実施の形態に係るHEMT1においては、第2の化合物半導体層22の組成元素であるAlの組成比x2が第1の主電極3側で高く、第1の主電極3側から第2の主電極4側に向かう二次元キャリアガスチャネル23方向に連続的に減少し、第2の主電極4側で低く設定されている。つまり、第2の化合物半導体層22のAlの組成比x2は第1の主電極3側と第2の主電極4側とでは異なり、かつ非対称である。従って、HEMT1においては、第2の化合物半導体層22の歪み、自発分極とピエゾ分極によって生じる電界強度E、二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度が異なる。第2の化合物半導体層22の第2の主電極4側において二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度は、第1の主電極4側の二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度よりも低くなる。
[Operation principle of HEMT]
As shown in FIG. 2, in the HEMT 1 according to the first embodiment described above, the composition ratio x2 of Al, which is the composition element of the second compound semiconductor layer 22, is high on the first main electrode 3 side. It decreases continuously in the direction of the two-dimensional carrier gas channel 23 from the first main electrode 3 side toward the second main electrode 4 side, and is set low on the second main electrode 4 side. That is, the Al composition ratio x2 of the second compound semiconductor layer 22 is different between the first main electrode 3 side and the second main electrode 4 side, and is asymmetric. Therefore, in the HEMT 1, the strain of the second compound semiconductor layer 22, the electric field intensity E generated by spontaneous polarization and piezoelectric polarization, and the carrier density of the two-dimensional carrier gas channel 23 are different. The carrier density of the two-dimensional carrier gas channel 23 on the second main electrode 4 side of the second compound semiconductor layer 22 is lower than the carrier density of the two-dimensional carrier gas channel 23 on the first main electrode 4 side.

また、図2に示すように、自発分極とピエゾ分極によって生じる電界強度Eは、第2の化合物半導体層22の第2の主電極4側において第1の主電極4側よりも低くなる。すなわち、第2の主電極4の電位が第1の主電極3の電位よりも高くなるように電圧を印加してHEMT1がオフ状態にあるとき、従来においては第2の主電極4側の電界強度が高くなるが、第1の実施の形態に係るHEMT1においては、自発分極とピエゾ分極によって生じる電界強度Eを減少する方向に制御し、電界強度分布を均一化することができる。従って、HEMT1においては、第2の主電極(ドレイン電極)4の近傍のホットエレクトロンの発生を減少することができるので、電流コラプスの発生を抑制することができる。   In addition, as shown in FIG. 2, the electric field strength E generated by spontaneous polarization and piezoelectric polarization is lower on the second main electrode 4 side of the second compound semiconductor layer 22 than on the first main electrode 4 side. That is, when the voltage is applied so that the potential of the second main electrode 4 is higher than the potential of the first main electrode 3 and the HEMT 1 is in the OFF state, conventionally, the electric field on the second main electrode 4 side is Although the strength is increased, in the HEMT 1 according to the first embodiment, the electric field strength E generated by the spontaneous polarization and the piezoelectric polarization can be controlled in a decreasing direction, and the electric field strength distribution can be made uniform. Therefore, in the HEMT 1, the generation of hot electrons in the vicinity of the second main electrode (drain electrode) 4 can be reduced, so that the occurrence of current collapse can be suppressed.

また、HEMT1においては、ゲート電極5の第2の主電極4側端に発生する電界強度Eを第1の主電極3側端に発生する電界強度Eに比べて減少することができるので、破壊耐圧を向上することができる。   Further, in the HEMT 1, the electric field strength E generated at the second main electrode 4 side end of the gate electrode 5 can be reduced as compared with the electric field strength E generated at the first main electrode 3 side end. The breakdown voltage can be improved.

[HEMTの製造方法]
特に図面を用いてその製造方法を説明しないが、前述のHEMT1の第2の化合物半導体層22はMOCVD法を用いて形成される。例えば、MOCVD装置において、第1の化合物半導体層21を形成した基板(ウェーハ)上でトリメチルアルミニウム(TMA)の流量比を傾斜して供給する方法や、基板温度を傾斜させる制御を行う方法を用い、Alの組成比が異なる第2の化合物半導体層22を形成することができる。ここで、TMAの流量比又は基板温度は第1の主電極3側で高く、第2の主電極4側で低く設定される。
[Method for manufacturing HEMT]
Although the manufacturing method is not specifically described with reference to the drawings, the second compound semiconductor layer 22 of the above-described HEMT 1 is formed by using the MOCVD method. For example, in a MOCVD apparatus, a method of supplying a flow rate ratio of trimethylaluminum (TMA) in an inclined manner on a substrate (wafer) on which the first compound semiconductor layer 21 is formed, or a method of performing a control for inclining the substrate temperature is used. The second compound semiconductor layers 22 having different Al composition ratios can be formed. Here, the flow rate ratio or the substrate temperature of TMA is set high on the first main electrode 3 side and low on the second main electrode 4 side.

また、第2の化合物半導体層22は、グレースケールマスク法やマスク後退法を利用し、二次元キャリアガスチャネル23方向に組成比x2が異なるようにAlを導入することにより形成できる。Alの導入には例えばイオン注入法や固相拡散法を実用的に使用することができる。   The second compound semiconductor layer 22 can be formed by introducing Al so that the composition ratio x2 is different in the direction of the two-dimensional carrier gas channel 23 using a gray scale mask method or a mask receding method. For the introduction of Al, for example, an ion implantation method or a solid phase diffusion method can be used practically.

[第1の実施の形態の特徴]
以上説明したように、第1の実施の形態に係るHEMT1においては、化合物半導体機能層2に生成される二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度及び電界強度Eをキャリア走行方向に変調することができる。この結果、HEMT1においては、第2の主電極4の近傍におけるホットエレクトロンの発生を減少することができ、電流コラプスの発生を抑制することができる。また、HEMT1においては、ゲート電極5端部の電界強度Eを低くすることができるので、破壊耐圧を向上することができる。
[Characteristics of the first embodiment]
As described above, in the HEMT 1 according to the first embodiment, the carrier density and electric field strength E of the two-dimensional carrier gas channel 23 generated in the compound semiconductor functional layer 2 can be modulated in the carrier traveling direction. . As a result, in the HEMT 1, the generation of hot electrons in the vicinity of the second main electrode 4 can be reduced, and the generation of current collapse can be suppressed. Further, in the HEMT 1, since the electric field intensity E at the end of the gate electrode 5 can be lowered, the breakdown voltage can be improved.

[第1の変形例]
第1の実施の形態の第1の変形例に係るHEMT1は、化合物半導体機能層2の窒化物系半導体材料を代えた例を説明するものである。
[First Modification]
The HEMT 1 according to the first modification of the first embodiment describes an example in which the nitride semiconductor material of the compound semiconductor functional layer 2 is replaced.

第1の変形例に係るHEMT1の化合物半導体機能層2は、InGaNからなる第1の化合物半導体層21とAlInNからなる第2の化合物半導体層22との積層構造、又はGaNからなる第1の化合物半導体層21とAlInNからなる第2の化合物半導体層22との積層構造により構成される。   The compound semiconductor functional layer 2 of the HEMT 1 according to the first modification is a stacked structure of a first compound semiconductor layer 21 made of InGaN and a second compound semiconductor layer 22 made of AlInN, or a first compound made of GaN. It is constituted by a laminated structure of a semiconductor layer 21 and a second compound semiconductor layer 22 made of AlInN.

第1の化合物半導体層21のIn(インジウム)の組成比y1は0<y1<1の範囲であり、第1の化合物半導体層21はInYGa1-y1Nにより表される窒化物半導体材料である。第2の化合物半導体層22のAlの組成比x2は0≦x2<1の範囲であり、Inの組成比y2は0<y2<1の範囲であり、第2の化合物半導体層22はAlx2In1-y2Nにより表される窒化物半導体材料である。 The composition ratio y1 of In (indium) of the first compound semiconductor layer 21 is in the range of 0 <y1 <1, and the first compound semiconductor layer 21 is a nitride semiconductor material represented by In Y Ga 1-y1 N It is. The Al composition ratio x2 of the second compound semiconductor layer 22 is in the range of 0 ≦ x2 <1, the In composition ratio y2 is in the range of 0 <y2 <1, and the second compound semiconductor layer 22 is Al x2. It is a nitride semiconductor material represented by In 1-y2 N.

第1の変形例に係るHEMT1においては、前述の第1の実施の形態に係るHEMT1と同様に、化合物半導体機能層2の第2の化合物半導体層22の、自発分極とピエゾ分極によって生じる電界強度Eに影響を及ぼす組成元素であるAlの組成比x2又はInの組成比Y2の少なくともいずれか一方が、第1の主電極3と第2の主電極4との間において、第1の主電極3側で高く設定され、第1の主電極3側から第2の主電極4側に向かって連続的に減少し、第2の主電極4側で低く設定されている。すなわち、Alの組成比x2又はInの組成比y2は二次元キャリアガスチャネル23方向に連続的に異なる。   In the HEMT 1 according to the first modified example, the electric field strength generated by spontaneous polarization and piezoelectric polarization of the second compound semiconductor layer 22 of the compound semiconductor functional layer 2 is similar to the HEMT 1 according to the first embodiment described above. The first main electrode between the first main electrode 3 and the second main electrode 4 is at least one of the composition ratio x2 of Al that is a composition element affecting E and the composition ratio Y2 of In. 3 is set higher on the third side, continuously decreases from the first main electrode 3 side toward the second main electrode 4 side, and is set lower on the second main electrode 4 side. That is, the Al composition ratio x2 or the In composition ratio y2 is continuously different in the direction of the two-dimensional carrier gas channel 23.

このように構成される第1の変形例に係るHEMT1においては、第1の実施の形態に係るHEMT1により得られる作用効果と同様の作用効果を奏することができる。   In the HEMT 1 according to the first modified example configured as described above, the same operational effects as the operational effects obtained by the HEMT 1 according to the first embodiment can be achieved.

[第2の変形例]
第1の実施の形態の第2の変形例に係るHEMT1は、化合物半導体機能層2の窒化物系半導体材料を代えた例を説明するものである。
[Second Modification]
The HEMT 1 according to the second modification of the first embodiment describes an example in which the nitride semiconductor material of the compound semiconductor functional layer 2 is replaced.

第2の変形例に係るHEMT1の化合物半導体機能層2は、InGaNからなる第1の化合物半導体層21とAlGaNからなる第2の化合物半導体層22との積層構造により構成される。   The compound semiconductor functional layer 2 of the HEMT 1 according to the second modification has a stacked structure of a first compound semiconductor layer 21 made of InGaN and a second compound semiconductor layer 22 made of AlGaN.

第1の化合物半導体層21のInの組成比y1は0<y1<1の範囲であり、第1の化合物半導体層21はInYGa1-y1Nにより表される窒化物半導体材料である。第2の化合物半導体層22のAlの組成比x2は0<x2<1の範囲であり、第2の化合物半導体層22はAlx2Ga1-y2Nにより表される窒化物半導体材料である。 The In composition ratio y1 of the first compound semiconductor layer 21 is in the range of 0 <y1 <1, and the first compound semiconductor layer 21 is a nitride semiconductor material represented by In Y Ga 1-y1 N. The Al composition ratio x2 of the second compound semiconductor layer 22 is in the range of 0 <x2 <1, and the second compound semiconductor layer 22 is a nitride semiconductor material represented by Al x2 Ga 1-y2 N.

第2の変形例に係るHEMT1においては、前述の第1の実施の形態に係るHEMT1と同様に、化合物半導体機能層2の第2の化合物半導体層22の、自発分極とピエゾ分極によって生じる電界強度Eに影響を及ぼす組成元素であるAlの組成比x2が、第1の主電極3と第2の主電極4との間において、第1の主電極3側で高く設定され、第1の主電極3側から第2の主電極4側に向かって連続的に減少し、第2の主電極4側で低く設定されている。すなわち、Alの組成比x2は二次元キャリアガスチャネル23方向に連続的に異なる。   In the HEMT 1 according to the second modified example, the electric field strength generated by spontaneous polarization and piezoelectric polarization of the second compound semiconductor layer 22 of the compound semiconductor functional layer 2 is similar to the HEMT 1 according to the first embodiment described above. The composition ratio x2 of Al, which is a composition element affecting E, is set high on the first main electrode 3 side between the first main electrode 3 and the second main electrode 4, and the first main electrode 3 It decreases continuously from the electrode 3 side toward the second main electrode 4 side, and is set low on the second main electrode 4 side. That is, the Al composition ratio x2 is continuously different in the direction of the two-dimensional carrier gas channel 23.

このように構成される第2の変形例に係るHEMT1においては、第1の実施の形態に係るHEMT1により得られる作用効果と同様の作用効果を奏することができる。   In the HEMT 1 according to the second modified example configured as described above, the same operational effects as the operational effects obtained by the HEMT 1 according to the first embodiment can be achieved.

(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態は、半導体装置としてHEMTに本発明を適用し、このHEMTのキャリア速度の高速化を実現した例を説明するものである。
(Second Embodiment)
In the second embodiment of the present invention, an example in which the present invention is applied to a HEMT as a semiconductor device and the carrier speed of the HEMT is increased will be described.

[HEMTの構成]
図3に示すように、第2の実施の形態に係るHEMT(半導体装置)1は、基本的な構造は第1の実施の形態に係るHEMT1と同様であるが、第2の化合物半導体層22の第1の主電極3側でAlの組成比x2を低く設定し、第1の主電極3から第2の主電極4に向かって連続的にAlの組成比x2を増加させ、第2の主電極4側でAlの組成比x2を高く設定している。すなわち、第2の実施の形態に係るHEMT1は、第1の実施の形態に係るHEMT1の第2の化合物半導体層22のAlの組成比が異なる二次元キャリアガスチャネル23方向に対して、逆の方向に第2の化合物半導体層22のAlの組成比が異なる。
[Configuration of HEMT]
As shown in FIG. 3, the HEMT (semiconductor device) 1 according to the second embodiment has the same basic structure as the HEMT 1 according to the first embodiment, but the second compound semiconductor layer 22. The Al composition ratio x2 is set low on the first main electrode 3 side, the Al composition ratio x2 is continuously increased from the first main electrode 3 toward the second main electrode 4, and the second The Al composition ratio x2 is set high on the main electrode 4 side. That is, the HEMT 1 according to the second embodiment is opposite to the two-dimensional carrier gas channel 23 direction in which the Al composition ratio of the second compound semiconductor layer 22 of the HEMT 1 according to the first embodiment is different. The Al composition ratio of the second compound semiconductor layer 22 differs in the direction.

[HEMTの動作原理]
図3に示すように、前述の第2の実施の形態に係るHEMT1においては、第2の化合物半導体層22の組成元素であるAlの組成比x2が第1の主電極3側で低く、第1の主電極3側から第2の主電極4側に向かう二次元キャリアガスチャネル23方向に連続的に増加し、第2の主電極4側で高く設定されている。つまり、第2の化合物半導体層22のAlの組成比x2は第1の主電極3側と第2の主電極4側とでは異なり、かつ非対称である。従って、HEMT1においては、第2の化合物半導体層22の歪み、自発分極とピエゾ分極によって生じる電界強度E、二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度が異なる。第2の化合物半導体層22の第2の主電極4側において二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度は、第1の主電極4側の二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度よりも高くなる。
[Operation principle of HEMT]
As shown in FIG. 3, in the HEMT 1 according to the above-described second embodiment, the composition ratio x2 of Al, which is the composition element of the second compound semiconductor layer 22, is low on the first main electrode 3 side. It increases continuously in the direction of the two-dimensional carrier gas channel 23 from the first main electrode 3 side toward the second main electrode 4 side, and is set higher on the second main electrode 4 side. That is, the Al composition ratio x2 of the second compound semiconductor layer 22 is different between the first main electrode 3 side and the second main electrode 4 side, and is asymmetric. Therefore, in the HEMT 1, the strain of the second compound semiconductor layer 22, the electric field intensity E generated by spontaneous polarization and piezoelectric polarization, and the carrier density of the two-dimensional carrier gas channel 23 are different. The carrier density of the two-dimensional carrier gas channel 23 on the second main electrode 4 side of the second compound semiconductor layer 22 is higher than the carrier density of the two-dimensional carrier gas channel 23 on the first main electrode 4 side.

また、図3に示すように、自発分極とピエゾ分極によって生じる電界強度Eは、第2の化合物半導体層22の第2の主電極4側において第1の主電極3側よりも高くなる。すなわち、第2の主電極4から第1の主電極3に向かう電界方向とは逆方向(キャリアの走行方向)に、自発分極とピエゾ分極に基づき電界強度Eを高くする(変調する)ことができる。従って、HEMT1においては、第2の主電極(ドレイン電極)4の近傍の二次元キャリアガスチャネル23のキャリアを加速することができるので、スイッチングスピードの高速化を実現することができる。   In addition, as shown in FIG. 3, the electric field strength E generated by spontaneous polarization and piezoelectric polarization is higher on the second main electrode 4 side of the second compound semiconductor layer 22 than on the first main electrode 3 side. That is, the electric field strength E can be increased (modulated) based on the spontaneous polarization and the piezo polarization in the direction opposite to the electric field direction from the second main electrode 4 toward the first main electrode 3 (carrier traveling direction). it can. Therefore, in the HEMT 1, the carriers in the two-dimensional carrier gas channel 23 in the vicinity of the second main electrode (drain electrode) 4 can be accelerated, so that the switching speed can be increased.

なお、第2の実施の形態に係るHEMT1の製造方法は前述の第1の実施の形態に係るHEMT1の製造方法と同様であるので、ここでの説明は重複するので省略する。また、第2の実施の形態に係るHEMT1は、前述の第1の実施の形態の第1の変形例及び第2の変形例に係るHEMT1と同様に化合物半導体機能層2の積層構造の材料を変えることができる。   In addition, since the manufacturing method of HEMT1 which concerns on 2nd Embodiment is the same as the manufacturing method of HEMT1 which concerns on the above-mentioned 1st Embodiment, description here is abbreviate | omitted, since it overlaps. In addition, the HEMT 1 according to the second embodiment is made of a material having a laminated structure of the compound semiconductor functional layer 2 in the same manner as the HEMT 1 according to the first modification and the second modification of the first embodiment. Can be changed.

[第2の実施の形態の特徴]
以上説明したように、第2の実施の形態に係るHEMT1においては、化合物半導体機能層2に生成される二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度及び電界強度Eをキャリア走行方向に変調することができる。この結果、HEMT1においては、第2の主電極4の近傍における電界強度Eを高めることができ、二次元キャリアガスチャネル23のキャリアを加速することができるので、スイッチングスピードの高速化を実現することができる。
[Characteristics of Second Embodiment]
As described above, in the HEMT 1 according to the second embodiment, the carrier density and the electric field strength E of the two-dimensional carrier gas channel 23 generated in the compound semiconductor functional layer 2 can be modulated in the carrier traveling direction. . As a result, in the HEMT 1, the electric field strength E in the vicinity of the second main electrode 4 can be increased, and the carriers in the two-dimensional carrier gas channel 23 can be accelerated, so that the switching speed can be increased. Can do.

(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態は、半導体装置としてHEMTに本発明を適用し、このHEMTのキャリア速度の高速化を実現するとともに、破壊耐圧を向上した例を説明するものである。
(Third embodiment)
In the third embodiment of the present invention, an example in which the present invention is applied to a HEMT as a semiconductor device, the carrier speed of the HEMT is increased, and the breakdown voltage is improved will be described.

[HEMTの構成]
図4に示すように、第3の実施の形態に係るHEMT(半導体装置)1は、基本的な構造は第1の実施の形態に係るHEMT1と同様であるが、第2の化合物半導体層22の第1の主電極3側でAlの組成比x2を高く設定し、第1の主電極3からゲート電極5に向かって連続的にAlの組成比x2を減少させ、ゲート電極5部分特に第2の主電極4側端部においてAlの組成比x2を低く設定し、ゲート電極5から第2の主電極4に向かって連続的にAlの組成比x2を増加させ、第2の主電極4側でAlの組成比x2を再度高く設定している。すなわち、HEMT1においては、第2の化合物半導体層22のAlの組成比x2が、ゲート電極5に対応する領域において低く設定され、第2の主電極4側において高く設定される。
[Configuration of HEMT]
As shown in FIG. 4, the HEMT (semiconductor device) 1 according to the third embodiment has the same basic structure as the HEMT 1 according to the first embodiment, but the second compound semiconductor layer 22. The Al composition ratio x2 is set high on the first main electrode 3 side, the Al composition ratio x2 is continuously decreased from the first main electrode 3 toward the gate electrode 5, and the gate electrode 5 portion, particularly the first The Al composition ratio x2 is set low at the end of the main electrode 4 on the second side, the Al composition ratio x2 is continuously increased from the gate electrode 5 toward the second main electrode 4, and the second main electrode 4 On the side, the Al composition ratio x2 is set high again. That is, in the HEMT 1, the Al composition ratio x2 of the second compound semiconductor layer 22 is set low in the region corresponding to the gate electrode 5 and set high on the second main electrode 4 side.

[HEMTの動作原理]
図4に示すように、前述の第3の実施の形態に係るHEMT1においては、第2の化合物半導体層22の組成元素であるAlの組成比x2が第1の主電極3側で高く、第1の主電極3側からゲート電極5側に向かう二次元キャリアガスチャネル23方向に連続的に減少し、ゲート電極5に対応する領域において低く設定されている。そして、第2の化合物半導体層22のAlの組成比x2は、ゲート電極5側から第2の主電極4側に向かう二次元キャリアガスチャネル23方向に連続的に増加し、第2の主電極4側で高く設定されている。つまり、第2の化合物半導体層22のAlの組成比x2は、第1の主電極3側及び第2の主電極4側とゲート電極5に対応する領域とでは異なり、ゲート電極5を中心として第1の主電極3側と第2の主電極4側とでほぼ対称となる。従って、HEMT1においては、第2の化合物半導体層22の歪み、自発分極とピエゾ分極によって生じる電界強度E、二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度が異なる。第2の化合物半導体層22の第2の主電極4側において二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度は、ゲート電極5に対応する領域の二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度よりも高くなる。
[Operation principle of HEMT]
As shown in FIG. 4, in the HEMT 1 according to the third embodiment described above, the composition ratio x2 of Al, which is the composition element of the second compound semiconductor layer 22, is high on the first main electrode 3 side. 1 continuously decreases in the direction of the two-dimensional carrier gas channel 23 from the main electrode 3 side to the gate electrode 5 side, and is set low in a region corresponding to the gate electrode 5. The Al composition ratio x2 of the second compound semiconductor layer 22 continuously increases in the direction of the two-dimensional carrier gas channel 23 from the gate electrode 5 side toward the second main electrode 4 side. High on the 4th side. That is, the Al composition ratio x2 of the second compound semiconductor layer 22 is different between the first main electrode 3 side, the second main electrode 4 side, and the region corresponding to the gate electrode 5, and the gate electrode 5 is the center. The first main electrode 3 side and the second main electrode 4 side are almost symmetrical. Therefore, in the HEMT 1, the strain of the second compound semiconductor layer 22, the electric field intensity E generated by spontaneous polarization and piezoelectric polarization, and the carrier density of the two-dimensional carrier gas channel 23 are different. On the second main electrode 4 side of the second compound semiconductor layer 22, the carrier density of the two-dimensional carrier gas channel 23 is higher than the carrier density of the two-dimensional carrier gas channel 23 in the region corresponding to the gate electrode 5.

また、図4に示すように、自発分極とピエゾ分極によって生じる電界強度Eは、第2の化合物半導体層22の第2の主電極4側においてゲート電極5に対応する領域よりも高くなる。すなわち、第2の主電極4から第1の主電極3に向かう電界方向とは逆方向(キャリアの走行方向)に、自発分極とピエゾ分極に基づき電界強度Eを高くする(変調する)ことができる。従って、HEMT1においては、第2の主電極(ドレイン電極)4の近傍の二次元キャリアガスチャネル23のキャリアを加速することができるので、スイッチングスピードの高速化を実現することができる。   As shown in FIG. 4, the electric field intensity E generated by spontaneous polarization and piezoelectric polarization is higher than the region corresponding to the gate electrode 5 on the second main electrode 4 side of the second compound semiconductor layer 22. That is, the electric field strength E can be increased (modulated) based on the spontaneous polarization and the piezo polarization in the direction opposite to the electric field direction from the second main electrode 4 toward the first main electrode 3 (carrier traveling direction). it can. Therefore, in the HEMT 1, the carriers in the two-dimensional carrier gas channel 23 in the vicinity of the second main electrode (drain electrode) 4 can be accelerated, so that the switching speed can be increased.

また、HEMT1においては、ゲート電極5の第2の主電極4側端に発生する電界強度Eを第2の主電極4側端に発生する電界強度Eに比べて減少することができるので、破壊耐圧を向上することができる。   In the HEMT 1, the electric field strength E generated at the second main electrode 4 side end of the gate electrode 5 can be reduced as compared with the electric field strength E generated at the second main electrode 4 side end. The breakdown voltage can be improved.

なお、第3の実施の形態に係るHEMT1の製造方法は前述の第1の実施の形態に係るHEMT1の製造方法と同様であるので、ここでの説明は重複するので省略する。また、第3の実施の形態に係るHEMT1は、前述の第1の実施の形態の第1の変形例及び第2の変形例に係るHEMT1と同様に化合物半導体機能層2の積層構造の材料を変えることができる。   In addition, since the manufacturing method of HEMT1 which concerns on 3rd Embodiment is the same as that of the manufacturing method of HEMT1 which concerns on the above-mentioned 1st Embodiment, since description here overlaps, it abbreviate | omits. Further, the HEMT 1 according to the third embodiment is made of a material having a laminated structure of the compound semiconductor functional layer 2 as in the HEMT 1 according to the first modification and the second modification of the first embodiment. Can be changed.

[第3の実施の形態の特徴]
以上説明したように、第3の実施の形態に係るHEMT1においては、化合物半導体機能層2に生成される二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度及び電界強度Eをキャリア走行方向に変調することができる。この結果、HEMT1においては、第2の主電極4の近傍におけるホットエレクトロンの発生を減少することができ、電流コラプスの発生を抑制することができる。また、HEMT1においては、ゲート電極5端部の電界強度Eを低くすることができるので、破壊耐圧を向上することができる。
[Characteristics of Third Embodiment]
As described above, in the HEMT 1 according to the third embodiment, the carrier density and the electric field strength E of the two-dimensional carrier gas channel 23 generated in the compound semiconductor functional layer 2 can be modulated in the carrier traveling direction. . As a result, in the HEMT 1, the generation of hot electrons in the vicinity of the second main electrode 4 can be reduced, and the generation of current collapse can be suppressed. Further, in the HEMT 1, since the electric field intensity E at the end of the gate electrode 5 can be lowered, the breakdown voltage can be improved.

(第4の実施の形態)
本発明の第4の実施の形態は、半導体装置としてHEMTに本発明を適用し、このHEMTの電流コラプスの発生を減少した例を説明するものである。
(Fourth embodiment)
In the fourth embodiment of the present invention, an example in which the present invention is applied to a HEMT as a semiconductor device and the occurrence of current collapse in the HEMT is reduced will be described.

[HEMTの構成]
図5に示すように、第4の実施の形態に係るHEMT(半導体装置)1は、基本的な構造は第1の実施の形態に係るHEMT1と同様であるが、第2の化合物半導体層22の第1の主電極3側でAlの組成比x2を低く設定し、第1の主電極3からゲート電極5に向かって連続的にAlの組成比x2を増加させ、ゲート電極5部分においてAlの組成比x2を高く設定し、ゲート電極5から第2の主電極4に向かって連続的にAlの組成比x2を減少させ、第2の主電極4側でAlの組成比x2を再度低く設定している。すなわち、HEMT1においては、第2の化合物半導体層22のAlの組成比x2が、ゲート電極5に対応する領域において高く設定され、第2の主電極4側において低く設定される。
[Configuration of HEMT]
As shown in FIG. 5, the HEMT (semiconductor device) 1 according to the fourth embodiment has the same basic structure as the HEMT 1 according to the first embodiment, but the second compound semiconductor layer 22. The Al composition ratio x2 is set low on the first main electrode 3 side, the Al composition ratio x2 is continuously increased from the first main electrode 3 toward the gate electrode 5, and Al in the gate electrode 5 portion is increased. The composition ratio x2 is set high, the Al composition ratio x2 is continuously decreased from the gate electrode 5 toward the second main electrode 4, and the Al composition ratio x2 is lowered again on the second main electrode 4 side. It is set. That is, in the HEMT 1, the Al composition ratio x2 of the second compound semiconductor layer 22 is set high in the region corresponding to the gate electrode 5, and is set low on the second main electrode 4 side.

[HEMTの動作原理]
図5に示すように、前述の第4の実施の形態に係るHEMT1においては、第2の化合物半導体層22の組成元素であるAlの組成比x2が第1の主電極3側で低く、第1の主電極3側からゲート電極5側に向かう二次元キャリアガスチャネル23方向に連続的に増加し、ゲート電極5に対応する領域において高く設定されている。そして、第2の化合物半導体層22のAlの組成比x2は、ゲート電極5側から第2の主電極4側に向かう二次元キャリアガスチャネル23方向に連続的に減少し、第2の主電極4側で低く設定されている。つまり、第2の化合物半導体層22のAlの組成比x2は、第1の主電極3側及び第2の主電極4側とゲート電極5に対応する領域とでは異なり、ゲート電極5を中心として第1の主電極3側と第2の主電極4側とでほぼ対称となる。従って、HEMT1においては、第2の化合物半導体層22の歪み、自発分極とピエゾ分極によって生じる電界強度E、二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度が異なる。第2の化合物半導体層22の第2の主電極4側において二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度は、ゲート電極5に対応する領域の二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度よりも低くなる。
[Operation principle of HEMT]
As shown in FIG. 5, in the HEMT 1 according to the above-described fourth embodiment, the composition ratio x2 of Al, which is the composition element of the second compound semiconductor layer 22, is low on the first main electrode 3 side. 1 continuously increases in the direction of the two-dimensional carrier gas channel 23 from the main electrode 3 side toward the gate electrode 5 side, and is set high in a region corresponding to the gate electrode 5. The Al composition ratio x2 of the second compound semiconductor layer 22 continuously decreases in the direction of the two-dimensional carrier gas channel 23 from the gate electrode 5 side toward the second main electrode 4 side. It is set low on the 4th side. That is, the Al composition ratio x2 of the second compound semiconductor layer 22 is different between the first main electrode 3 side, the second main electrode 4 side, and the region corresponding to the gate electrode 5, and the gate electrode 5 is the center. The first main electrode 3 side and the second main electrode 4 side are almost symmetrical. Therefore, in the HEMT 1, the strain of the second compound semiconductor layer 22, the electric field intensity E generated by spontaneous polarization and piezoelectric polarization, and the carrier density of the two-dimensional carrier gas channel 23 are different. On the second main electrode 4 side of the second compound semiconductor layer 22, the carrier density of the two-dimensional carrier gas channel 23 is lower than the carrier density of the two-dimensional carrier gas channel 23 in the region corresponding to the gate electrode 5.

また、図5に示すように、自発分極とピエゾ分極によって生じる電界強度Eは、第2の化合物半導体層22の第2の主電極4側においてゲート電極5に対応する領域よりも低くなる。すなわち、第2の主電極4の電位が第1の主電極3の電位よりも高くなるように電圧を印加してHEMT1がオフ状態にあるとき、従来においては第2の主電極4側の電界強度が高くなるが、第4の実施の形態に係るHEMT1においては、自発分極とピエゾ分極によって生じる電界強度Eを減少する方向に制御し、電界強度分布を均一化することができる。従って、HEMT1においては、第2の主電極(ドレイン電極)4の近傍のホットエレクトロンの発生を減少することができるので、電流コラプスの発生を抑制することができる。   Further, as shown in FIG. 5, the electric field strength E generated by spontaneous polarization and piezoelectric polarization is lower than the region corresponding to the gate electrode 5 on the second main electrode 4 side of the second compound semiconductor layer 22. That is, when the voltage is applied so that the potential of the second main electrode 4 is higher than the potential of the first main electrode 3 and the HEMT 1 is in the OFF state, conventionally, the electric field on the second main electrode 4 side is Although the strength is increased, in the HEMT 1 according to the fourth embodiment, the electric field strength E generated by the spontaneous polarization and the piezoelectric polarization can be controlled in a decreasing direction, and the electric field strength distribution can be made uniform. Therefore, in the HEMT 1, the generation of hot electrons in the vicinity of the second main electrode (drain electrode) 4 can be reduced, so that the occurrence of current collapse can be suppressed.

なお、第4の実施の形態に係るHEMT1の製造方法は前述の第1の実施の形態に係るHEMT1の製造方法と同様であるので、ここでの説明は重複するので省略する。また、第4の実施の形態に係るHEMT1は、前述の第1の実施の形態の第1の変形例及び第2の変形例に係るHEMT1と同様に化合物半導体機能層2の積層構造の材料を変えることができる。   In addition, since the manufacturing method of HEMT1 which concerns on 4th Embodiment is the same as the manufacturing method of HEMT1 which concerns on the above-mentioned 1st Embodiment, description here is abbreviate | omitted, since it overlaps. Further, the HEMT 1 according to the fourth embodiment is made of a material having a laminated structure of the compound semiconductor functional layer 2 as in the HEMT 1 according to the first and second modifications of the first embodiment. Can be changed.

[第4の実施の形態の特徴]
以上説明したように、第4の実施の形態に係るHEMT1においては、化合物半導体機能層2に生成される二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度及び電界強度Eをキャリア走行方向に変調することができる。この結果、HEMT1においては、第2の主電極4の近傍におけるホットエレクトロンの発生を減少することができ、電流コラプスの発生を抑制することができる。
[Features of Fourth Embodiment]
As described above, in the HEMT 1 according to the fourth embodiment, the carrier density and the electric field strength E of the two-dimensional carrier gas channel 23 generated in the compound semiconductor functional layer 2 can be modulated in the carrier traveling direction. . As a result, in the HEMT 1, the generation of hot electrons in the vicinity of the second main electrode 4 can be reduced, and the generation of current collapse can be suppressed.

(第5の実施の形態)
本発明の第5の実施の形態は、半導体装置としてHEMTに本発明を適用し、このHEMTの電流コラプスの発生を減少した例を説明するものである。
(Fifth embodiment)
The fifth embodiment of the present invention describes an example in which the present invention is applied to a HEMT as a semiconductor device, and the generation of current collapse of the HEMT is reduced.

[HEMTの構成]
図6に示すように、第5の実施の形態に係るHEMT(半導体装置)1は、基本的な構造は第1の実施の形態に係るHEMT1と同様であるが、第2の化合物半導体層22の第1の主電極3側でAlの組成比x2を高く設定し、第1の主電極3から第2の主電極4に向かって段階的にAlの組成比x2を減少させ、第2の主電極4側でAlの組成比x2を低く設定している。すなわち、HEMT1においては、第2の化合物半導体層22は、Alの組成比x2が高く設定された第1の領域22Aを第1の主電極3側に配設し、Alの組成比x2が低く設定された第3の領域22Cを第2の主電極4側に配設し、双方の中間のAlの組成比x2に設定された第2の領域22Bを第1の領域22Aと第3の領域22Cとの間に配設する。ここで、段階的にとは、一定のAlの組成比の領域が二次元キャリアガスチャネル23方向に所定距離で連続して続き、次にそれと異なる他の一定のAlの組成比の領域が二次元キャリアガスチャネル23方向に所定距離で連続して続くことを意味する。
[Configuration of HEMT]
As shown in FIG. 6, the HEMT (semiconductor device) 1 according to the fifth embodiment has the same basic structure as the HEMT 1 according to the first embodiment, but the second compound semiconductor layer 22 is the same. The Al composition ratio x2 is set high on the first main electrode 3 side, and the Al composition ratio x2 is gradually decreased from the first main electrode 3 toward the second main electrode 4, so that the second The Al composition ratio x2 is set low on the main electrode 4 side. That is, in the HEMT 1, the second compound semiconductor layer 22 includes a first region 22 A in which the Al composition ratio x 2 is set high on the first main electrode 3 side, and the Al composition ratio x 2 is low. The set third region 22C is disposed on the second main electrode 4 side, and the second region 22B set to the intermediate Al composition ratio x2 between the first region 22A and the third region It is arranged between 22C. Here, in a stepwise manner, a region with a constant Al composition ratio continues continuously at a predetermined distance in the direction of the two-dimensional carrier gas channel 23, and then another region with another constant Al composition ratio differs from that. It means that it continues continuously at a predetermined distance in the direction of the dimension carrier gas channel 23.

[HEMTの動作原理]
図6に示すように、前述の第5の実施の形態に係るHEMT1においては、第2の化合物半導体層22の組成元素であるAlの組成比x2が第1の主電極3側で高く、第1の主電極3側から第2の主電極4側に向かう二次元キャリアガスチャネル23方向に段階的に減少し、第2の主電極4側で低く設定されている。つまり、第2の化合物半導体層22のAlの組成比x2は、第1の主電極3側と第2の主電極4側とでは異なり、かつ非対称となる。従って、HEMT1においては、第2の化合物半導体層22の歪み、自発分極とピエゾ分極によって生じる電界強度E、二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度が異なる。第2の化合物半導体層22の第2の主電極4側において二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度は、ゲート電極5に対応する領域の二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度よりも低くなる。
[Operation principle of HEMT]
As shown in FIG. 6, in the HEMT 1 according to the fifth embodiment described above, the composition ratio x2 of Al, which is the composition element of the second compound semiconductor layer 22, is high on the first main electrode 3 side. It decreases stepwise in the direction of the two-dimensional carrier gas channel 23 from the first main electrode 3 side toward the second main electrode 4 side, and is set lower on the second main electrode 4 side. That is, the Al composition ratio x2 of the second compound semiconductor layer 22 is different between the first main electrode 3 side and the second main electrode 4 side and is asymmetric. Therefore, in the HEMT 1, the strain of the second compound semiconductor layer 22, the electric field intensity E generated by spontaneous polarization and piezoelectric polarization, and the carrier density of the two-dimensional carrier gas channel 23 are different. On the second main electrode 4 side of the second compound semiconductor layer 22, the carrier density of the two-dimensional carrier gas channel 23 is lower than the carrier density of the two-dimensional carrier gas channel 23 in the region corresponding to the gate electrode 5.

また、図6に示すように、自発分極とピエゾ分極によって生じる電界強度Eは、第2の化合物半導体層22の第2の主電極4側において第1の主電極3側に対応する領域よりも低くなる。すなわち、第2の主電極4の電位が第1の主電極3の電位よりも高くなるように電圧を印加してHEMT1がオフ状態にあるとき、従来においては第2の主電極4側の電界強度が高くなるが、第5の実施の形態に係るHEMT1においては、自発分極とピエゾ分極によって生じる電界強度Eを減少する方向に制御し、電界強度分布を均一化することができる。従って、HEMT1においては、第2の主電極(ドレイン電極)4の近傍のホットエレクトロンの発生を減少することができるので、電流コラプスの発生を抑制することができる。   Further, as shown in FIG. 6, the electric field strength E generated by spontaneous polarization and piezoelectric polarization is larger than the region corresponding to the first main electrode 3 side on the second main electrode 4 side of the second compound semiconductor layer 22. Lower. That is, when the voltage is applied so that the potential of the second main electrode 4 is higher than the potential of the first main electrode 3 and the HEMT 1 is in the OFF state, conventionally, the electric field on the second main electrode 4 side is Although the strength is increased, in the HEMT 1 according to the fifth embodiment, the electric field strength E generated by the spontaneous polarization and the piezoelectric polarization can be controlled in a decreasing direction, and the electric field strength distribution can be made uniform. Therefore, in the HEMT 1, the generation of hot electrons in the vicinity of the second main electrode (drain electrode) 4 can be reduced, so that the occurrence of current collapse can be suppressed.

[HEMTの製造方法]
前述の第5の実施の形態に係るHEMT1の製造方法は以下の通りである。
[Method for manufacturing HEMT]
A method for manufacturing the HEMT 1 according to the fifth embodiment described above is as follows.

まず、図7に示すように、第1の化合物半導体層21上の少なくともHEMT1の二次元キャリアガスチャネル23が形成される領域に、第2の化合物半導体層22の第1の領域22Aが形成される。第1の領域22Aは組成元素であるAlの組成比が高い化合物半導体層である。第1の領域22Aは、例えばMOCVD法により成膜され、この成膜のときのTMAの流量比を調節することによりAlの組成比を制御する。   First, as shown in FIG. 7, the first region 22A of the second compound semiconductor layer 22 is formed on the first compound semiconductor layer 21 at least in the region where the two-dimensional carrier gas channel 23 of the HEMT 1 is formed. The The first region 22A is a compound semiconductor layer having a high composition ratio of Al, which is a composition element. The first region 22A is formed by, for example, the MOCVD method, and the Al composition ratio is controlled by adjusting the flow ratio of TMA during the film formation.

第1の領域22A上において、第2の領域22B及び第3の領域22Cを形成する領域が開口されたマスク221が形成される。マスク221には例えばシリコン酸化膜を使用することができる。図8に示すように、マスク221を使用してその開口から露出する第1の領域22Aがエッチングにより除去される。引き続き、図9に示すように、マスク221を使用して第1の化合物半導体層21上に第2の化合物半導体層22の第2の領域22Bが形成される。第2の領域22Bは組成元素であるAlの組成比が中間の化合物半導体層である。第2の領域22Bは、第1の領域22Aと同様に、例えばMOCVD法により成膜され、この成膜のときのTMAの流量比を調節することによりAlの組成比を制御する。この後、マスク221が除去される。   On the first region 22A, a mask 221 in which regions for forming the second region 22B and the third region 22C are opened is formed. For example, a silicon oxide film can be used for the mask 221. As shown in FIG. 8, the first region 22 </ b> A exposed from the opening is removed by etching using a mask 221. Subsequently, as shown in FIG. 9, the second region 22 </ b> B of the second compound semiconductor layer 22 is formed on the first compound semiconductor layer 21 using the mask 221. The second region 22B is a compound semiconductor layer having an intermediate composition ratio of Al as a composition element. Similarly to the first region 22A, the second region 22B is formed by, for example, the MOCVD method, and the Al composition ratio is controlled by adjusting the flow rate ratio of TMA during the film formation. Thereafter, the mask 221 is removed.

第1の領域22A上及び第2の領域22B上において、第3の領域22Cを形成する領域が開口されたマスク222が形成される。マスク222には例えばシリコン酸化膜を使用することができる。図10に示すように、マスク222を使用してその開口から露出する第2の領域22Bがエッチングにより除去される。引き続き、図11に示すように、マスク222を使用して第1の化合物半導体層21上に第2の化合物半導体層22の第3の領域22Cが形成される。第3の領域22Cは組成元素であるAlの組成比が低い化合物半導体層である。第3の領域22Cは、第1の領域22A及び第2の領域22Bと同様に、例えばMOCVD法により成膜され、この成膜のときのTMAの流量比を調節することによりAlの組成比を制御する。第3の領域22Cが形成されると、第2の化合物半導体層22が完成する。この後、マスク222が除去される。   On the first region 22A and the second region 22B, a mask 222 in which a region for forming the third region 22C is opened is formed. For example, a silicon oxide film can be used for the mask 222. As shown in FIG. 10, the second region 22 </ b> B exposed from the opening is removed by etching using a mask 222. Subsequently, as shown in FIG. 11, the third region 22 </ b> C of the second compound semiconductor layer 22 is formed on the first compound semiconductor layer 21 using the mask 222. The third region 22C is a compound semiconductor layer having a low composition ratio of Al, which is a composition element. Similarly to the first region 22A and the second region 22B, the third region 22C is formed by, for example, MOCVD, and the Al composition ratio is adjusted by adjusting the flow rate ratio of TMA at the time of this film formation. Control. When the third region 22C is formed, the second compound semiconductor layer 22 is completed. Thereafter, the mask 222 is removed.

なお、第2の化合物半導体層22の第1の領域22A、第2の領域22Bのそれぞれをエッチングにより除去する際に、第1の化合物半導体層21まで達するエッチングを行ってもよい。この場合には、前述のように、ヘテロ接合界面近傍における結晶欠陥の発生を防止することができる。   In addition, when each of the first region 22A and the second region 22B of the second compound semiconductor layer 22 is removed by etching, etching reaching the first compound semiconductor layer 21 may be performed. In this case, as described above, generation of crystal defects in the vicinity of the heterojunction interface can be prevented.

また、第2の化合物半導体層22の第1の領域22A、第2の領域22B、第3の領域22Cのそれぞれの形成順序は逆であってもよいし、第2の領域22B、第1の領域22A、第3の領域22Cの形成順序、又は第2の領域22B、第3の領域22C、第1の領域22Aの形成順序であってもよい。   The formation order of the first region 22A, the second region 22B, and the third region 22C of the second compound semiconductor layer 22 may be reversed, or the second region 22B, the first region The order of formation of the region 22A and the third region 22C, or the order of formation of the second region 22B, the third region 22C, and the first region 22A may be used.

また、
[第5の実施の形態の特徴]
以上説明したように、第5の実施の形態に係るHEMT1においては、化合物半導体機能層2に生成される二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度及び電界強度Eをキャリア走行方向に変調することができる。この結果、HEMT1においては、第2の主電極4の近傍におけるホットエレクトロンの発生を減少することができ、電流コラプスの発生を抑制することができる。
Also,
[Features of Fifth Embodiment]
As described above, in the HEMT 1 according to the fifth embodiment, the carrier density and electric field strength E of the two-dimensional carrier gas channel 23 generated in the compound semiconductor functional layer 2 can be modulated in the carrier traveling direction. . As a result, in the HEMT 1, the generation of hot electrons in the vicinity of the second main electrode 4 can be reduced, and the generation of current collapse can be suppressed.

なお、第5の実施の形態に係るHEMT1は、前述の第1の実施の形態の第1の変形例及び第2の変形例に係るHEMT1と同様に化合物半導体機能層2の積層構造の材料を変えることができる。   Note that, in the HEMT 1 according to the fifth embodiment, the material of the stacked structure of the compound semiconductor functional layer 2 is used as in the HEMT 1 according to the first modification and the second modification of the first embodiment described above. Can be changed.

[変形例]
第5の実施の形態の変形例に係るHEMT1は、前述の図6に示す第5の実施の形態に係るHEMT1において、化合物半導体機能層2の第2の化合物半導体層22の第1の主電極3側に配設された第1の領域22AのAlの組成比x2を低く、第3の領域22CのAlの組成比x2を高く、第2の領域22BのAlの組成比x2を双方の中間に設定している。つまり、第5の実施の形態の変形例に係るHEMT1は、第2の化合物半導体層22の第1の主電極3側でAlの組成比x2を低く設定し、第1の主電極3から第2の主電極4に向かって段階的にAlの組成比x2を増加させ、第2の主電極4側でAlの組成比x2を高く設定している。
[Modification]
The HEMT 1 according to the modification of the fifth embodiment is the first main electrode of the second compound semiconductor layer 22 of the compound semiconductor functional layer 2 in the HEMT 1 according to the fifth embodiment shown in FIG. The Al composition ratio x2 of the first region 22A disposed on the third side is low, the Al composition ratio x2 of the third region 22C is high, and the Al composition ratio x2 of the second region 22B is intermediate between the two. Is set. That is, in the HEMT 1 according to the modification of the fifth embodiment, the Al composition ratio x2 is set low on the first main electrode 3 side of the second compound semiconductor layer 22, and The Al composition ratio x2 is increased stepwise toward the second main electrode 4, and the Al composition ratio x2 is set higher on the second main electrode 4 side.

このように構成される第5の実施の形態の変形例に係るHEMT1においては、化合物半導体機能層2に生成される二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度及び電界強度Eをキャリア走行方向に変調することができる。この結果、HEMT1においては、第2の主電極4の近傍における電界強度Eを高めることができ、二次元キャリアガスチャネル23のキャリアを加速することができるので、スイッチングスピードの高速化を実現することができる。   In the HEMT 1 according to the modification of the fifth embodiment configured as described above, the carrier density and the electric field strength E of the two-dimensional carrier gas channel 23 generated in the compound semiconductor functional layer 2 are modulated in the carrier traveling direction. be able to. As a result, in the HEMT 1, the electric field strength E in the vicinity of the second main electrode 4 can be increased, and the carriers in the two-dimensional carrier gas channel 23 can be accelerated, so that the switching speed can be increased. Can do.

(第6の実施の形態)
本発明の第6の実施の形態は、半導体装置として2端子素子であるショットキーバリアダイオード(SBD)に本発明を適用し、このSBDの耐圧を向上した例を説明するものである。
(Sixth embodiment)
In the sixth embodiment of the present invention, an example in which the present invention is applied to a Schottky barrier diode (SBD) that is a two-terminal element as a semiconductor device and the breakdown voltage of the SBD is improved will be described.

[SBDの構成]
図12に示すように、第4の実施の形態に係るSBD(半導体装置)11は、二次元キャリアガスチャネル23を有する第1の化合物半導体層21と、第1の化合物半導体層21上にヘテロ接合により配設された第2の化合物半導体層22と、二次元キャリアガスチャネル23の一端に接続された第1の主電極3と、二次元キャリアガスチャネル23の一端に離間する他端に接続された第2の主電極4とを備え、第1の主電極3と第2の主電極4との間において、第2の化合物半導体層22の組成元素の組成比が二次元キャリアガスチャネル23方向に異なる。第6の実施の形態において、第1の主電極3は二次元キャリアガスチャネル23にオーミック接続するカソード電極として使用され、第2の主電極4は二次元キャリアガスチャネル23にショットキー接続するアノード電極として使用される。
[Configuration of SBD]
As shown in FIG. 12, the SBD (semiconductor device) 11 according to the fourth embodiment includes a first compound semiconductor layer 21 having a two-dimensional carrier gas channel 23 and a heterogeneity on the first compound semiconductor layer 21. Connected to the second compound semiconductor layer 22 disposed by bonding, the first main electrode 3 connected to one end of the two-dimensional carrier gas channel 23, and the other end separated from one end of the two-dimensional carrier gas channel 23 The second main electrode 4 is provided, and the composition ratio of the composition element of the second compound semiconductor layer 22 between the first main electrode 3 and the second main electrode 4 is two-dimensional carrier gas channel 23. Different in direction. In the sixth embodiment, the first main electrode 3 is used as a cathode electrode that is ohmically connected to the two-dimensional carrier gas channel 23, and the second main electrode 4 is an anode that is Schottky connected to the two-dimensional carrier gas channel 23. Used as an electrode.

化合物半導体機能層2は、ここでは前述の第1の実施の形態に係るHEMT1の化合物半導体機能層2と同様に窒化物系半導体機能層である。そして、第2の化合物半導体層22の第1の主電極3と第2の主電極4との間において第1の主電極3(アノード電極)側の組成元素であるAlの組成比x2が、第2の主電極(カソード電極)4側の組成元素であるAlの組成比x2に対して高く設定されている。   Here, the compound semiconductor functional layer 2 is a nitride-based semiconductor functional layer, similar to the compound semiconductor functional layer 2 of the HEMT 1 according to the first embodiment described above. A composition ratio x2 of Al, which is a composition element on the first main electrode 3 (anode electrode) side, between the first main electrode 3 and the second main electrode 4 of the second compound semiconductor layer 22 is: It is set higher than the composition ratio x2 of Al, which is a composition element on the second main electrode (cathode electrode) 4 side.

SBD11においては、ショットキー接続となる第2の主電極(カソード電極)4側に電界が集中し易い。従って、前述の第1の実施の形態に係るHEMT1と同様に、第2の化合物半導体層22の第2の主電極4側のAlの組成比x2を低く設定することにより、SBD11においては、二次元キャリアガスチャネル23の第2の主電極4の近傍のキャリア密度を低下させ、電界強度Eを減少することができる。   In the SBD 11, the electric field tends to concentrate on the second main electrode (cathode electrode) 4 side that becomes a Schottky connection. Therefore, similarly to the HEMT 1 according to the first embodiment described above, by setting the Al composition ratio x2 on the second main electrode 4 side of the second compound semiconductor layer 22 to be low, The carrier density in the vicinity of the second main electrode 4 of the dimensional carrier gas channel 23 can be reduced, and the electric field strength E can be reduced.

なお、第6の実施の形態に係るSBD11の化合物半導体機能層2の積層構造は、前述の第1の実施の形態の第1の変形例及び第2の変形例に係るHEMT1の化合物半導体機能層2の積層構造に変えてもよい。   The stacked structure of the compound semiconductor functional layer 2 of the SBD 11 according to the sixth embodiment is the same as the compound semiconductor functional layer of the HEMT 1 according to the first modification and the second modification of the first embodiment described above. You may change into the laminated structure of 2.

[第6の実施の形態の特徴]
以上説明したように、第6の実施の形態に係るSBD11においては、化合物半導体機能層2に生成される二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度及び電界強度Eをキャリア走行方向に変調することができる。この結果、SBD11においては、第2の主電極4の近傍における電界強度Eを弱めることができるので、破壊耐圧を向上することができる。
[Features of Sixth Embodiment]
As described above, in the SBD 11 according to the sixth embodiment, the carrier density and the electric field strength E of the two-dimensional carrier gas channel 23 generated in the compound semiconductor functional layer 2 can be modulated in the carrier traveling direction. . As a result, in the SBD 11, since the electric field strength E in the vicinity of the second main electrode 4 can be weakened, the breakdown voltage can be improved.

[変形例]
図13に示す第6の実施の形態の変形例に係るSBD11は、図12に示すSBD11と基本的な構造は同様であるが、第2の化合物半導体層22の第1の主電極3側のAlの組成比x2を低く設定し、第2の化合物半導体層22の第2の主電極4側のAlの組成比x2を高く設定している。
[Modification]
The SBD 11 according to the modified example of the sixth embodiment shown in FIG. 13 has the same basic structure as the SBD 11 shown in FIG. 12, but the second compound semiconductor layer 22 on the first main electrode 3 side is the same. The Al composition ratio x2 is set low, and the Al composition ratio x2 on the second main electrode 4 side of the second compound semiconductor layer 22 is set high.

このように構成される変形例に係るSBD11においては、前述の第2の実施の形態に係るHEMT1において説明したように、化合物半導体機能層2に生成される二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度及び電界強度Eをキャリア走行方向に変調することができる。この結果、SBD11においては、第2の主電極4の近傍における電界強度Eを高めることができ、二次元キャリアガスチャネル23のキャリアを加速することができるので、スイッチングスピードの高速化を実現することができる。   In the SBD 11 according to the modified example configured as described above, as described in the HEMT 1 according to the second embodiment described above, the carrier density of the two-dimensional carrier gas channel 23 generated in the compound semiconductor functional layer 2 and The electric field strength E can be modulated in the carrier traveling direction. As a result, in the SBD 11, the electric field strength E in the vicinity of the second main electrode 4 can be increased, and the carriers in the two-dimensional carrier gas channel 23 can be accelerated, so that the switching speed can be increased. Can do.

なお、第6の実施の形態並びにその変形例に係るSBD11においては、第2の化合物半導体層22の組成元素の組成比を二次元キャリアガスチャネル23方向に連続的に変化させているが、前述の第5の実施の形態に係るHEMT1と同様に、第2の化合物半導体層22の組成元素の組成比を二次元キャリアガスチャネル23方向に段階的に変化させてもよい。   In the SBD 11 according to the sixth embodiment and its modification, the composition ratio of the composition elements of the second compound semiconductor layer 22 is continuously changed in the two-dimensional carrier gas channel 23 direction. Similarly to the HEMT 1 according to the fifth embodiment, the composition ratio of the composition elements of the second compound semiconductor layer 22 may be changed stepwise in the direction of the two-dimensional carrier gas channel 23.

(その他の実施の形態)
上記のように、本発明は複数の実施の形態によって記載されているが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものでない。本発明は様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術に適用することができる。
(Other embodiments)
As described above, the present invention has been described by a plurality of embodiments. However, the description and the drawings constituting a part of this disclosure do not limit the present invention. The present invention can be applied to various alternative embodiments, examples, and operational technologies.

例えば、本発明は、第1の主電極3、第2の主電極4及びゲート電極5の少なくとも一方の底面を第1の化合物半導体層21に達するまで彫り込んでもよい。また、本発明は、ゲート電極5も周知のリセスゲート構造のように彫り込んでもよい。   For example, in the present invention, the bottom surface of at least one of the first main electrode 3, the second main electrode 4, and the gate electrode 5 may be engraved until it reaches the first compound semiconductor layer 21. In the present invention, the gate electrode 5 may also be engraved like a well-known recess gate structure.

更に、本発明は、第2の主電極4の第1の主電極3とは反対側の端部から第2の化合物半導体層22の端部に向かって第2の化合物半導体層22の厚みを増加するように構成してもよい。   Further, in the present invention, the thickness of the second compound semiconductor layer 22 is increased from the end of the second main electrode 4 opposite to the first main electrode 3 toward the end of the second compound semiconductor layer 22. You may comprise so that it may increase.

更に、本発明は、単層構造又は複数層構造に限らず、第2の化合物半導体層22の厚さ方向にAlの組成比を変えてもよい。例えば、第2の化合物半導体層22において、第1の主電極3側のAlの組成比x2を厚さ方向に低い領域と高い領域とに設定し、第2の主電極4側のAlの組成比x2を単に低い領域だけに設定してもよい。   Furthermore, the present invention is not limited to a single layer structure or a multi-layer structure, and the Al composition ratio may be changed in the thickness direction of the second compound semiconductor layer 22. For example, in the second compound semiconductor layer 22, the Al composition ratio x2 on the first main electrode 3 side is set to a low region and a high region in the thickness direction, and the Al composition on the second main electrode 4 side is set. The ratio x2 may be set only in the low region.

更に、本発明は、第2の化合物半導体層22の組成元素の組成比を二次元キャリアガスチャネル23方向に2段階又は4段階以上に段階的に変化させてもよい。   Furthermore, in the present invention, the composition ratio of the composition elements of the second compound semiconductor layer 22 may be changed stepwise in two or four steps in the direction of the two-dimensional carrier gas channel 23.

更に、本発明は、第1の化合物半導体層21上にノンドープ(i型)の化合物半導体層を介してドーパントを有する第2の化合物半導体層22を積層してもよい。また、本発明においては、第1の化合物半導体層21上にスペーサ層を介して第2の化合物半導体層22を積層してもよい。スペーサ層には例えばAlN層を使用することができる。   Further, in the present invention, the second compound semiconductor layer 22 having a dopant may be stacked on the first compound semiconductor layer 21 via a non-doped (i-type) compound semiconductor layer. In the present invention, the second compound semiconductor layer 22 may be stacked on the first compound semiconductor layer 21 via a spacer layer. For example, an AlN layer can be used as the spacer layer.

更に、本発明は、第2の化合物半導体層22と第1の主電極3及び第2の主電極4との間に、例えばGaN層により構成され、キャリアの表面準位を低減するキャップ層を配設してもよい。   Furthermore, the present invention provides a cap layer that is composed of, for example, a GaN layer between the second compound semiconductor layer 22 and the first main electrode 3 and the second main electrode 4 to reduce the surface level of carriers. It may be arranged.

本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の要部断面図である。1 is a cross-sectional view of main parts of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 図1に示す半導体装置の電界分布状態並びに組成元素の組成プロファイルを説明する模式的断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating an electric field distribution state and a composition profile of a composition element of the semiconductor device illustrated in FIG. 1. 本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の電界分布状態並びに組成元素の組成プロファイルを説明する模式的断面図である。It is typical sectional drawing explaining the electric field distribution state of the semiconductor device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention, and the composition profile of a composition element. 本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置の電界分布状態並びに組成元素の組成プロファイルを説明する模式的断面図である。It is typical sectional drawing explaining the electric field distribution state of the semiconductor device which concerns on the 3rd Embodiment of this invention, and the composition profile of a composition element. 本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置の電界分布状態並びに組成元素の組成プロファイルを説明する模式的断面図である。It is typical sectional drawing explaining the electric field distribution state of the semiconductor device which concerns on the 4th Embodiment of this invention, and the composition profile of a composition element. 本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置の電界分布状態並びに組成元素の組成プロファイルを説明する模式的断面図である。It is typical sectional drawing explaining the electric field distribution state of the semiconductor device which concerns on the 5th Embodiment of this invention, and the composition profile of a composition element. 第5の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する第1の工程断面図である。It is 1st process sectional drawing explaining the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on 5th Embodiment. 第2の工程断面図である。It is 2nd process sectional drawing. 第3の工程断面図である。It is 3rd process sectional drawing. 第4の工程断面図である。It is a 4th process sectional view. 第5の工程断面図である。FIG. 10 is a fifth process cross-sectional view. 本発明の第6の実施の形態に係る半導体装置の電界分布状態並びに組成元素の組成プロファイルを説明する模式的断面図である。It is a typical sectional view explaining the electric field distribution state of a semiconductor device concerning a 6th embodiment of the present invention, and the composition profile of a composition element. 第6の実施の形態の変形例に係る半導体装置の電界分布状態並びに組成元素の組成プロファイルを説明する模式的断面図である。It is a typical sectional view explaining the electric field distribution state of a semiconductor device concerning the modification of a 6th embodiment, and the composition profile of a composition element.

符号の説明Explanation of symbols

1…半導体装置(HEMT)
2…化合物半導体機能層
21…第1の化合物半導体層(キャリア通過領域)
22…第2の化合物半導体層(キャリア発生領域)
22A…第1の領域
22B…第2の領域
22C…第3の領域
221、222…マスク
23…二次元キャリアガスチャネル
3…第1の主電極(ソース電極又はアノード電極)
4…第2の主電極(ドレイン電極又はカソード電極)
5…ゲート電極
11…半導体装置(SBD)
1 ... Semiconductor device (HEMT)
2 ... Compound semiconductor functional layer 21 ... First compound semiconductor layer (carrier passage region)
22 ... Second compound semiconductor layer (carrier generation region)
22A ... 1st area | region 22B ... 2nd area | region 22C ... 3rd area | region 221, 222 ... Mask 23 ... Two-dimensional carrier gas channel 3 ... 1st main electrode (source electrode or anode electrode)
4 ... 2nd main electrode (drain electrode or cathode electrode)
5 ... Gate electrode 11 ... Semiconductor device (SBD)

Claims (8)

二次元キャリアガスチャネルを有する第1の化合物半導体層と、
前記第1の化合物半導体層上に配設され、バリア層として機能する第2の化合物半導体層と、
前記二次元キャリアガスチャネルの一端に接続された第1の主電極と、
前記二次元キャリアガスチャネルの一端に離間する他端に接続された第2の主電極と、を備え、
前記第1の主電極と前記第2の主電極との間において、前記第2の化合物半導体層の組成元素の組成比が前記二次元キャリアガスチャネル方向に異なることを特徴とする半導体装置。
A first compound semiconductor layer having a two-dimensional carrier gas channel;
A second compound semiconductor layer disposed on the first compound semiconductor layer and functioning as a barrier layer;
A first main electrode connected to one end of the two-dimensional carrier gas channel;
A second main electrode connected to the other end spaced from one end of the two-dimensional carrier gas channel,
A semiconductor device characterized in that a composition ratio of composition elements of the second compound semiconductor layer differs in the two-dimensional carrier gas channel direction between the first main electrode and the second main electrode.
前記第1の化合物半導体層、前記第2の化合物半導体層はいずれも窒素を含む化合物半導体層であり、前記二次元キャリアガスチャネルは二次元電子ガスチャネルであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer are both compound semiconductor layers containing nitrogen, and the two-dimensional carrier gas channel is a two-dimensional electron gas channel. The semiconductor device described. 前記第2の化合物半導体層の組成元素の組成比は前記二次元キャリアガスチャネル方向に連続的に異なることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置。   3. The semiconductor device according to claim 1, wherein a composition ratio of composition elements of the second compound semiconductor layer is continuously different in a direction of the two-dimensional carrier gas channel. 4. 前記第2の化合物半導体層の組成元素の組成比は前記二次元キャリアガスチャネル方向に段階的に異なることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置。   3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the composition ratio of the composition elements of the second compound semiconductor layer varies stepwise in the direction of the two-dimensional carrier gas channel. 二次元キャリアガスチャネルを有する第1の化合物半導体層と、
前記第1の化合物半導体層上に配設され、バリア層として機能する第2の化合物半導体層と、
前記二次元キャリアガスチャネルの一端に接続されたソース電極と、
前記二次元キャリアガスチャネルの一端に離間する他端に接続されたドレイン電極と、
前記二次元キャリアガスチャネル上において前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配設されたゲート電極と、を備え、
前記第2の化合物半導体層の前記ソース電極と前記ゲート電極との間の組成元素の組成比が、前記第2の化合物半導体層の前記ドレイン電極と前記ゲート電極との間の組成元素の組成比に対して大きいことを特徴とする半導体装置。
A first compound semiconductor layer having a two-dimensional carrier gas channel;
A second compound semiconductor layer disposed on the first compound semiconductor layer and functioning as a barrier layer;
A source electrode connected to one end of the two-dimensional carrier gas channel;
A drain electrode connected to the other end spaced from one end of the two-dimensional carrier gas channel;
A gate electrode disposed between the source electrode and the drain electrode on the two-dimensional carrier gas channel;
The composition ratio of the composition element between the source electrode and the gate electrode of the second compound semiconductor layer is the composition ratio of the composition element between the drain electrode and the gate electrode of the second compound semiconductor layer. A semiconductor device characterized by being larger than the above.
二次元キャリアガスチャネルを有する第1の化合物半導体層と、
前記第1の化合物半導体層上に配設され、バリア層として機能する第2の化合物半導体層と、
前記二次元キャリアガスチャネルの一端に接続されたソース電極と、
前記二次元キャリアガスチャネルの一端に離間する他端に接続されたドレイン電極と、
前記二次元キャリアガスチャネル上において前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配設されたゲート電極と、を備え、
前記第2の化合物半導体層の前記ドレイン電極と前記ゲート電極との間の組成元素の組成比が、前記第2の化合物半導体層の前記ソース電極と前記ゲート電極との間の組成元素の組成比に対して大きいことを特徴とする半導体装置。
A first compound semiconductor layer having a two-dimensional carrier gas channel;
A second compound semiconductor layer disposed on the first compound semiconductor layer and functioning as a barrier layer;
A source electrode connected to one end of the two-dimensional carrier gas channel;
A drain electrode connected to the other end spaced from one end of the two-dimensional carrier gas channel;
A gate electrode disposed between the source electrode and the drain electrode on the two-dimensional carrier gas channel;
The composition ratio of the composition element between the drain electrode and the gate electrode of the second compound semiconductor layer is the composition ratio of the composition element between the source electrode and the gate electrode of the second compound semiconductor layer. A semiconductor device characterized by being larger than the above.
二次元キャリアガスチャネルを有する第1の化合物半導体層と、
前記第1の化合物半導体層上に配設され、バリア層として機能する第2の化合物半導体層と、
前記二次元キャリアガスチャネルの一端に接続されたアノード電極と、
前記二次元キャリアガスチャネルの一端に離間する他端に接続されたカソード電極と、を備え、
前記第2の化合物半導体層の前記アノード電極と前記カソード電極との間において前記アノード電極側の組成元素の組成比が、前記カソード電極側の組成元素の組成比に対して大きいことを特徴とする半導体装置。
A first compound semiconductor layer having a two-dimensional carrier gas channel;
A second compound semiconductor layer disposed on the first compound semiconductor layer and functioning as a barrier layer;
An anode electrode connected to one end of the two-dimensional carrier gas channel;
A cathode electrode connected to the other end spaced apart from one end of the two-dimensional carrier gas channel,
The composition ratio of the composition element on the anode electrode side between the anode electrode and the cathode electrode of the second compound semiconductor layer is larger than the composition ratio of the composition element on the cathode electrode side. Semiconductor device.
二次元キャリアガスチャネルを有する第1の化合物半導体層と、
前記第1の化合物半導体層上に配設され、バリア層として機能する第2の化合物半導体層と、
前記二次元キャリアガスチャネルの一端に接続されたアノード電極と、
前記二次元キャリアガスチャネルの一端に離間する他端に接続されたカソード電極と、を備え、
前記第2の化合物半導体層の前記アノード電極と前記カソード電極との間において前記カソード電極側の組成元素の組成比が、前記アノード電極側の組成元素の組成比に対して大きいことを特徴とする半導体装置。
A first compound semiconductor layer having a two-dimensional carrier gas channel;
A second compound semiconductor layer disposed on the first compound semiconductor layer and functioning as a barrier layer;
An anode electrode connected to one end of the two-dimensional carrier gas channel;
A cathode electrode connected to the other end spaced apart from one end of the two-dimensional carrier gas channel,
The composition ratio of the composition element on the cathode electrode side between the anode electrode and the cathode electrode of the second compound semiconductor layer is larger than the composition ratio of the composition element on the anode electrode side. Semiconductor device.
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