JP2002270618A - GaN field effect transistor - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 オン抵抗が小さく、ピンチオフ状態を容易に
実現し、高温下においても大電流スイッチング動作が可
能なGaN系FETを提供する。
【解決手段】 半絶縁性基板1の上に、形成すべきゲー
ト電極2Bと同一の材料から成る下部ゲート電極2A
が、直接、ゲート電極2Bと同一のパターンで形成さ
れ、下部ゲート電極2Aを埋設してGaN系化合物半導
体から成る少なくとも1層の活性層3が形成され、活性
層3の上面にはゲート電極2Bが形成され、活性層3を
挟んで上下にゲート電極2A,2Bが配置されているG
aN系電界効果トランジスタ。
(57) [Problem] To provide a GaN-based FET which has a small on-resistance, easily realizes a pinch-off state, and can perform a large current switching operation even at a high temperature. SOLUTION: On a semi-insulating substrate 1, a lower gate electrode 2A made of the same material as a gate electrode 2B to be formed.
Is formed directly in the same pattern as the gate electrode 2B, the lower gate electrode 2A is buried to form at least one active layer 3 made of a GaN-based compound semiconductor, and on the upper surface of the active layer 3, the gate electrode 2B is formed. Is formed, and the gate electrodes 2A and 2B are arranged vertically above and below the active layer 3.
aN-based field-effect transistor.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明はGaN系電界効果ト
ランジスタ(FET)に関し、更に詳しくは、オン抵抗
が小さく、ピンチオフ状態を実現しやすく、また、高温
動作と大電流駆動が可能なスイッチング素子として有用
な新規構造のGaN系FETに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a GaN-based field effect transistor (FET), and more particularly, to a switching element which has a small on-resistance, easily realizes a pinch-off state, and can operate at a high temperature and drive a large current. The present invention relates to a GaN-based FET having a useful new structure.
【0002】[0002]
【従来の技術】最近、MIS(金属−絶縁層−半導体)
構造を有するFETの開発研究が進められているが、そ
の場合、用いる化合物半導体としてはGaAs系が主流
となっている。そのGaAs系FETは概ね次のように
して製造されている。まず、サファイア基板のような基
板の上に、例えばMOCVD法により、ノンドープGa
Asから成る半絶縁層を形成し、更にその上に、Siド
ープn−AlGaAsから成る活性層を形成する。そし
て、この活性層の上に、例えばプラズマCVD法でSi
O2膜を成膜し、ここに、フォトリソグラフィーとエッ
チングを行って所望パターンの開口部を形成し、更にそ
の開口部から所定の電極材料を蒸着して、前記活性層
(Siドープn−AlGaAs層)の上にゲート電極、
ソース電極、ドレイン電極などの動作電極を形成する。2. Description of the Related Art Recently, MIS (metal-insulating layer-semiconductor) has been proposed.
Research and development of FETs having a structure are being advanced, but in that case, GaAs-based compound semiconductors are mainly used. The GaAs-based FET is generally manufactured as follows. First, on a substrate such as a sapphire substrate, a non-doped Ga
A semi-insulating layer made of As is formed, and an active layer made of Si-doped n-AlGaAs is formed thereon. Then, on this active layer, for example, Si
An O 2 film is formed, an opening of a desired pattern is formed by photolithography and etching, and a predetermined electrode material is deposited from the opening to form an active layer (Si-doped n-AlGaAs). Layer) on top of the gate electrode,
Working electrodes such as a source electrode and a drain electrode are formed.
【0003】ところで、最近のFETに関しては、例え
ば自動車に搭載するスイッチング素子としての用途が広
がりはじめている。このような用途分野のFETに対し
ては、軽量化、小型化への要望とともに、エンジンルー
ム内の温度を考慮して高温動作が可能で、そして大電流
駆動が可能であることも要求されている。この後者の要
求との関係では、上記したGaAs系FETは必ずしも
満足すべき特性を発揮するものではない。[0003] Recently, the use of FETs as switching elements mounted on automobiles, for example, has begun to spread. In addition to demands for weight reduction and miniaturization, FETs in such application fields are required to be able to operate at high temperatures in consideration of the temperature in the engine room and to be capable of driving a large current. I have. In relation to the latter requirement, the above-mentioned GaAs-based FET does not always exhibit satisfactory characteristics.
【0004】一方、GaN,AlGaN,InGaAl
NのようなGaN系化合物半導体は、GaAsやSiな
どに比べて高温動作が可能であり、またヘテロ接合界面
における不連続バンドギャップが広いので、これをゲー
ト電極が形成される活性層として使用すれば、高温動作
をするとともに、高電圧も印加できるFETを得ること
ができる。On the other hand, GaN, AlGaN, InGaAl
Since a GaN-based compound semiconductor such as N can operate at a higher temperature than GaAs or Si, and has a wide discontinuous band gap at a heterojunction interface, it can be used as an active layer on which a gate electrode is formed. Thus, it is possible to obtain an FET that operates at a high temperature and can apply a high voltage.
【0005】このようなことから、GaN系化合物半導
体を用いたFETの開発研究が進められているが、現在
までに得られているGaN系FETには、従来のSiや
GaAs系FETに比べればその動作時のオン抵抗が1
桁から3桁程度小さくなるという利点を備えているとは
いえ、結晶成長技術の未成熟や電極形成技術の未成熟に
より、依然として可成りのオン抵抗が存在している。[0005] For these reasons, research and development of FETs using GaN-based compound semiconductors have been promoted. However, the GaN-based FETs obtained up to now have a smaller size than conventional Si and GaAs-based FETs. The on-resistance during operation is 1
Although it has the advantage of being reduced by about three orders of magnitude, considerable on-resistance still exists due to the immature crystal growth technology and the immature electrode formation technology.
【0006】また、ゲート電極からその直下に位置する
活性層にかなりの高電界を印加した場合であっても、そ
のゲート部にはチャネルを完全に遮断する空乏層が形成
されず、そのため満足すべきピンチオフ状態を実現せ
ず、ソース電極とドレイン電極の間にリーク電流の流れ
ることがある。Further, even when a considerably high electric field is applied to the active layer located immediately below the gate electrode, a depletion layer for completely blocking the channel is not formed in the gate portion. A leak current may flow between the source electrode and the drain electrode without realizing an appropriate pinch-off state.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】本発明はGaN系FE
Tにおける上記した問題を解決し、オン抵抗が小さく、
かつリーク電流を発生させずピンチオフ状態を得やすく
した構造になっていて、GaN系材料の特性を充分に生
かすように設計されたGaN系FETの提供を目的とす
る。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to a GaN-based FE.
Solving the above-mentioned problem at T, the on-resistance is small,
It is another object of the present invention to provide a GaN-based FET having a structure in which a pinch-off state is easily obtained without generating a leak current, and designed to make full use of the characteristics of the GaN-based material.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明においては、半絶縁性基板の上に、形成
すべきゲート電極と同一の材料から成る下部ゲート電極
が、直接、前記ゲート電極と同一のパターンで形成さ
れ、前記下部ゲート電極を埋設してGaN系化合物半導
体から成る少なくとも1層の活性層が形成され、前記活
性層の上面には前記ゲート電極が形成され、前記活性層
を挟んで上下にゲート電極が配置されていることを特徴
とするGaN系電界効果トランジスタが提供される。According to the present invention, a lower gate electrode made of the same material as a gate electrode to be formed is directly provided on a semi-insulating substrate. Forming at least one active layer made of a GaN-based compound semiconductor by burying the lower gate electrode, and forming the active layer on the upper surface of the active layer; A GaN-based field-effect transistor is provided in which gate electrodes are arranged above and below a layer.
【0009】[0009]
【発明の実施の形態】本発明のGaN系FETの基本構
成Aを図1に示す。このGaN系FET(A)では、半
絶縁性基板1の上に、直接、下部ゲート電極2Aが配線
され、それを埋設してGaN系化合物半導体から成る活
性層3が配置され、その活性層3の上面にはゲート電極
2Bが形成されている。FIG. 1 shows a basic structure A of a GaN-based FET according to the present invention. In this GaN-based FET (A), a lower gate electrode 2A is directly wired on a semi-insulating substrate 1, and an active layer 3 made of a GaN-based compound semiconductor is disposed by burying the lower gate electrode 2A. A gate electrode 2B is formed on the upper surface of the substrate.
【0010】ここで、ゲート電極2Bはある設計パター
ンで活性層3の上面に配線されていて、それと対応する
半絶縁性基板1の表面位置に、下部ゲート電極2Aが上
記ゲート電極2Bと同じ設計パターンで配線され、そし
てその下部ゲート電極2Aが活性層3に埋設されてい
る。したがって、図1の破線領域として示したように、
活性層3は上下に配線された下部ゲート電極2Aとゲー
ト電極2Bで挟まれることにより、ゲート部Gが形成さ
れている。Here, the gate electrode 2B is wired on the upper surface of the active layer 3 in a certain design pattern, and the lower gate electrode 2A is provided at the corresponding surface position of the semi-insulating substrate 1 in the same design as the gate electrode 2B. It is wired in a pattern, and its lower gate electrode 2 </ b> A is embedded in the active layer 3. Therefore, as shown as the dashed area in FIG.
The gate portion G is formed by sandwiching the active layer 3 between the lower gate electrode 2A and the gate electrode 2B which are wired up and down.
【0011】そして、活性層3の両側部、具体的にいえ
ば、上記したゲート部Gを除いた領域の半絶縁性基板1
の上には、直接、コンタクト層4,4が配置され、それ
らの上には、それぞれ、ソース電極5とドレイン電極6
が形成されている。このFET(A)の場合、ゲート部
Gが活性層3とそれを上下から挟む2個のゲート電極2
A,2Bで構成されているので、これらゲート電極を動
作して活性層3に電界を印加すると、まず、ゲート電極
2Bにより活性層3のチャネルには下方に広がる空乏層
7Bが形成され、同時に、下部ゲート電極2Aにより活
性層3のチャネルには上方に広がる空乏層7Bが形成さ
れる。Then, on both sides of the active layer 3, specifically, the semi-insulating substrate 1 in a region excluding the gate portion G described above.
The contact layers 4 and 4 are arranged directly on the source electrode 5 and the drain electrode 6 respectively.
Are formed. In the case of this FET (A), the gate portion G is composed of an active layer 3 and two gate electrodes 2 sandwiching the active layer 3 from above and below.
A and 2B, when these gate electrodes are operated to apply an electric field to the active layer 3, first, a depletion layer 7B that spreads downward is formed in the channel of the active layer 3 by the gate electrode 2B. A depletion layer 7B extending upward is formed in the channel of the active layer 3 by the lower gate electrode 2A.
【0012】したがって、一方のゲート電極だけで活性
層3のチャネルを全て空乏層にすることができなくて
も、他方のゲート電極の作用で広がってくる空乏層によ
り、結局、チャネルには両空乏層が合体した形でチャネ
ルを遮断する空乏層が形成されることになる。このこと
は、従来のFETが1個のゲート電極でピンチオフ状態
を実現しようとしていることとの対比でいえば、FET
(A)の場合、ピンチオフ状態をより容易に実現するこ
とができるということを意味する。Therefore, even if one of the gate electrodes alone cannot make the entire channel of the active layer 3 a depletion layer, the channel is eventually depleted due to the depletion layer which spreads due to the action of the other gate electrode. A depletion layer that blocks the channel will be formed with the layers combined. This is in contrast to the fact that a conventional FET is trying to realize a pinch-off state with one gate electrode.
In the case of (A), it means that the pinch-off state can be realized more easily.
【0013】図1で示したFET(A)において、半絶
縁性基板1としては、例えばサファイア基板、Si基
板、AlN基板、GaAs基板、SiC基板、GaP基
板などを用いることができる。また、各種酸化物の基板
や石英ガラスのようなガラス基板を用いることもでき
る。この半絶縁性基板1の上に配線される下部ゲート電
極2Aと活性層3の上に配線されるゲート電極2Bと
は、いずれも同一材料で構成されていることが必要であ
るが、そのような材料としては、例えば、Pt,W,P
d,Ag,Au,Niを用いることができる。In the FET (A) shown in FIG. 1, as the semi-insulating substrate 1, for example, a sapphire substrate, Si substrate, AlN substrate, GaAs substrate, SiC substrate, GaP substrate or the like can be used. Further, various oxide substrates or glass substrates such as quartz glass can be used. The lower gate electrode 2A wired on the semi-insulating substrate 1 and the gate electrode 2B wired on the active layer 3 need to be made of the same material. For example, Pt, W, P
d, Ag, Au, and Ni can be used.
【0014】また、ソース電極5とドレイン電極6の材
料としては、コンタクト層4,4とオーミック接合をと
れるような材料が用いられ、例えば、コンタクト層にA
l,Ti,Auを順次蒸着して形成した構成のAl/T
i/AuやAl/Tiをあげることができる。それらの
外に、例えば、Ti−Si,Al−Si,Ta−Siの
ようなシリサイド合金を用いることもできる。As a material of the source electrode 5 and the drain electrode 6, a material that can form an ohmic junction with the contact layers 4 and 4 is used.
Al / T having a structure formed by sequentially depositing l, Ti, and Au
i / Au and Al / Ti can be mentioned. Besides these, for example, silicide alloys such as Ti-Si, Al-Si, and Ta-Si can also be used.
【0015】活性層3は、GaN系化合物半導体に対し
分子線エピタキシャル成長法(MBE法)や有機金属気
相成長法(MOCVD法)を適用して形成することがで
きる。また、ハライド気相成長法(HVPE法)を採用
してもよい。高品位の活性層を形成するためには、MB
E法を適用することが好ましい。用いるGaN系化合物
半導体としては、例えば、GaN,AlGaN,InG
aN,AlInGaN,InGaNAs,InGaNP
などをあげることができる。The active layer 3 can be formed by applying a molecular beam epitaxial growth method (MBE method) or a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method) to a GaN-based compound semiconductor. Further, a halide vapor deposition method (HVPE method) may be employed. To form a high-quality active layer, MB
It is preferable to apply the E method. As the GaN-based compound semiconductor to be used, for example, GaN, AlGaN, InG
aN, AlInGaN, InGaNAs, InGaNP
And so on.
【0016】そして、このGaN系FET(A)の場
合、活性層3の形成時には、例えばSi,Te,Snの
ようなn型不純物をドーピングして、当該活性層の導電
型をn型にする。次に、コンタクト層4は、この上にオ
ーミック接合させるソース電極とドレイン電極を形成す
ることからして可及的に低抵抗な層として形成されるこ
とが好ましく、仮に前記活性層3がn−GaNで構成さ
れている場合は、例えばn型不純物であるSiを高濃度
でドーピングして成膜したSiドープn−GaN層にす
ることが好ましい。また、GaNよりバンドギャップが
小さいGaAs,InGaAsなどもコンタクト層の材
料として使用することができる。In the case of the GaN-based FET (A), when the active layer 3 is formed, the conductivity type of the active layer is changed to n-type by doping n-type impurities such as Si, Te, and Sn. . Next, the contact layer 4 is preferably formed as a layer having as low a resistance as possible because a source electrode and a drain electrode for ohmic junction are formed thereon. In the case of being made of GaN, it is preferable to form a Si-doped n-GaN layer formed by, for example, doping Si, which is an n-type impurity, at a high concentration. In addition, GaAs, InGaAs, and the like having a smaller band gap than GaN can also be used as a material for the contact layer.
【0017】本発明のGaN系FET(A)は次のよう
にして製造することができる。その製造方法を工程順に
図面に則して説明する。まず、図2で示したように、半
絶縁性基板1の表面に、例えばプラズマCVD法で絶縁
膜である例えばSiNx膜8Aを成膜して出発素材A0を
製造する。ついで、素材A0のSiNx膜8Aの表面にフ
ォトレジスト9Aを塗布してパターニングしたのち、R
IEのようなドライエッチング法でSiNx膜8Aを半
絶縁性基板1の表面までエッチング除去して下部ゲート
電極を形成すべき開口部10Aを形成し(図3)、更
に、好適にはArのプラズマガスを用いたECRで、こ
の開口部10Aから下部ゲート電極の材料を半絶縁性基
板1の表出表面にスパッタリングしたのち、SiNx膜
8Aを除去する。The GaN-based FET (A) of the present invention can be manufactured as follows. The manufacturing method will be described in the order of steps with reference to the drawings. First, as shown in FIG. 2, the semi-insulating surface of the substrate 1, for example an insulating film by plasma CVD, for example, by forming a the SiN x film 8A producing starting material A 0. Next, after applying and patterning a photoresist 9A on the surface of the SiN x film 8A of the material A 0 , R
The SiN x film 8A is removed by etching to the surface of the semi-insulating substrate 1 by a dry etching method such as IE to form an opening 10A in which a lower gate electrode is to be formed (FIG. 3). The material of the lower gate electrode is sputtered from the opening 10A to the exposed surface of the semi-insulating substrate 1 by ECR using plasma gas, and then the SiN x film 8A is removed.
【0018】その結果、図4で示したように、半絶縁性
基板1の所定箇所に下部ゲート電極2Aが設計基準のパ
ターンで配線されている素材A1が得られる。なお、こ
の工程において、SiNx膜8Aに形成される開口部1
0Aは、最終的な製造目的である図1で示したGaN系
FET(A)のゲート電極2Bのパターンと同じパター
ンで形成されることが必要である。[0018] As a result, as shown in FIG. 4, material A 1 of the lower gate electrode 2A in a predetermined position of the semi-insulating substrate 1 are wired in a pattern of design criteria can be obtained. In this step, the openings 1 formed in the SiN x film 8A are formed.
0A needs to be formed in the same pattern as the pattern of the gate electrode 2B of the GaN-based FET (A) shown in FIG.
【0019】ついで、素材A1の全面に再度プラズマC
VD法でSiNx膜8Bを成膜し、更にフォトレジスト
9Bを塗布してパターニングしたのち、RIEのような
ドライエッチング法を行って図5で示した素材A2にす
る。この素材A2において、破線で示した部分8B,9
Bが図1で示したGaN系FET(A)の活性層3を形
成するための領域であり、実線で示した部分8B,9B
がコンタクト層4を形成するための領域である。[0019] then, again plasma C on the entire surface of the material A 1
The the SiN x film 8B formed with VD method, further After patterning a photoresist is applied 9B, to the material A 2 shown in FIG. 5 performs dry etching such as RIE. In this material A 2, portions 8B, 9 indicated by dashed lines
B is a region for forming the active layer 3 of the GaN-based FET (A) shown in FIG. 1, and portions 8B and 9B shown by solid lines.
Are regions for forming the contact layer 4.
【0020】ついで、素材A2の全面に所定のGaN系
化合物半導体を選択成長させたのち、SiNx9Bを全
てエッチング除去する。その結果、図6で示したよう
に、活性層3で下部ゲート電極2Aが埋設されている素
材A3が得られる。ついで、図7で示したように、素材
A3の全面にSiNx膜8Cを成膜し、更にその上にフォ
トレジスト9Cを塗布し、活性層3を被膜するSiNx
膜8C(実線の部分)は残るようにパターニングしたの
ち、RIEのようなドライエッチング法を行って、破線
の部分を除去することにより、半絶縁性基板1の表面と
活性層3の側部を表出させる。Next, after a predetermined GaN-based compound semiconductor is selectively grown on the entire surface of the raw material A 2 , all of the SiN x 9B is removed by etching. As a result, as shown in FIG. 6, a material A3 in which the lower gate electrode 2A is embedded in the active layer 3 is obtained. Then, as shown in FIG. 7, a SiN x film 8C is formed on the entire surface of the material A 3 , and a photoresist 9C is further applied thereon to form an SiN x film for covering the active layer 3.
After patterning so that the film 8C (the portion indicated by the solid line) remains, the surface of the semi-insulating substrate 1 and the side portion of the active layer 3 are removed by performing a dry etching method such as RIE to remove the portion indicated by the broken line. Express.
【0021】ついで、所定のGaN系化合物半導体の結
晶成長を行い、図8で示したように、表出している上記
箇所にコンタクト層4,4が形成されている素材A4を
製造する。そして、この素材A4のフォトレジスト9C
とSiNx膜8Cをドライエッチング法で除去したの
ち、再び全面にSiNx膜8Dを保護膜として成膜し、
更にフォトレジスト9Dを塗布し、ソース電極とドレイ
ン電極を形成すべき箇所をドライエッチング法で除去
し、そこにコンタクト層4,4の上面を表出させたの
ち、そこに電極材料を好適にはECRでスパッタリング
してソース電極5とドレイン電極6を形成し、図9で示
した素材A5を製造する。[0021] Then, perform crystal growth of a given GaN-based compound semiconductor, as shown in FIG. 8, to produce a material A 4 in which the contact layers 4 and 4 are formed in the portions that are exposed. Then, the photoresist 9C of this material A 4
And the SiN x film 8C are removed by a dry etching method, and then the SiN x film 8D is again formed as a protective film on the entire surface,
Further, a photoresist 9D is applied, the portions where the source electrode and the drain electrode are to be formed are removed by dry etching, and the upper surfaces of the contact layers 4 and 4 are exposed there. by sputtering in ECR to form a source electrode 5 and drain electrode 6, to produce a material a 5 shown in FIG.
【0022】ついで、フォトレジスト9Dを除去したの
ち、新たに素材A5の全面にフォトレジストを塗布し、
活性層3の上に形成すべきゲート電極に対応する箇所を
ドライエッチング法で開口して上面3aを表出させたの
ちフォトレジストを除去し、図10で示した素材A6を
製造する。そして最後に、素材A6の全面にフォトレジ
ストを塗布し、ゲート電極2Bを形成すべき箇所以外は
全て残るようにパターニングしたのち、下部ゲート電極
2Aと同一の材料を活性層3の上面3aに蒸着してゲー
ト電極2Bを形成し、図1で示したGaN系FET
(A)にする。[0022] Next, after removing the photoresist 9D, a new photoresist is applied to the entire surface of the material A 5,
The portion corresponding to the gate electrode to be formed on the active layer 3 is opened by dry etching to remove the photoresist mixture was allowed to expose the top surface 3a, to produce a material A 6 shown in FIG. 10. Finally, a photoresist is applied to the entire surface of the material A 6 and patterned so as to remain all except for the portion where the gate electrode 2 B is to be formed. Then, the same material as the lower gate electrode 2 A is coated on the upper surface 3 a of the active layer 3. The gate electrode 2B is formed by vapor deposition, and the GaN-based FET shown in FIG.
(A).
【0023】本発明の別のGaN系FETの1例Bを図
11に示す。このGaN系FET(B)は、図1で示し
たGaN系FET(A)において活性層3が複数層(図
では3層)から成る層3’で構成されているものであ
る。ここで、活性層3’の各層は、いずれも、GaN系
化合物半導体で形成されているが、上・下層3A,3A
は同じ材料で構成され、中間層3Bは上・下層3A,3
Aとは異なる材料で構成されることにより、全体として
は、各層間はヘテロ接合界面を有する層構造になってい
る。具体的には、上・下層3A.3Aは例えばノンドー
プAlGaNで、中間層3BをノンドープGaNで形成
することができる。FIG. 11 shows another example GaN-based FET B of the present invention. This GaN-based FET (B) is the same as the GaN-based FET (A) shown in FIG. 1 except that the active layer 3 is composed of a layer 3 ′ composed of a plurality of layers (three layers in the figure). Here, each layer of the active layer 3 'is formed of a GaN-based compound semiconductor, but the upper and lower layers 3A, 3A
Are made of the same material, and the intermediate layer 3B is composed of upper and lower layers 3A and 3A.
By being made of a material different from A, the overall structure has a layer structure having a heterojunction interface between the layers. Specifically, the upper and lower layers 3A. 3A is, for example, non-doped AlGaN, and the intermediate layer 3B can be formed of non-doped GaN.
【0024】また、上・下層3A,3AをノンドープG
aNで、中間層3BをノンドープInGaNで構成して
もよく、更には、上・下層3A,3AをノンドープAl
InGaNAsPで、中間層3BをノンドープGaNA
sPで構成してもよい。この活性層3’の場合、下部ゲ
ート電極2Aとゲート電極2Bの間に電圧を印加する
と、活性層3’のヘテロ接合界面には2次元電子ガス層
が発生する。The upper and lower layers 3A, 3A are non-doped G
aN, the intermediate layer 3B may be made of non-doped InGaN, and the upper and lower layers 3A, 3A may be made of non-doped AlGaN.
The intermediate layer 3B is made of non-doped GANA with InGaNAsP.
It may be composed of sP. In the case of the active layer 3 ', when a voltage is applied between the lower gate electrode 2A and the gate electrode 2B, a two-dimensional electron gas layer is generated at the heterojunction interface of the active layer 3'.
【0025】その結果、チャネルの電子移動度は大きく
なり、ソース電極5とドレイン電極6間には大きな電流
が流れる。すなわち、オン抵抗が小さくなる。As a result, the electron mobility of the channel increases, and a large current flows between the source electrode 5 and the drain electrode 6. That is, the on-resistance decreases.
【0026】[0026]
【実施例】次のようにしてGaN系FET(A)を製造
した。まず、プラズマCVD法でサファイア基板1にS
iNx膜8Aを成膜して図2で示した素材A0を製造し
た。ついで、SiNx膜8Aにフォトレジスト9Aを塗
布したのちパターニングし、更にRIEでSiNx膜を
除去して開口部10Aを形成した(図3)。EXAMPLE A GaN-based FET (A) was manufactured as follows. First, S is applied to the sapphire substrate 1 by plasma CVD.
It was produced material A 0 shown in FIG. 2 by forming a iN x film 8A. Next, a photoresist 9A was applied to the SiN x film 8A, followed by patterning, and the SiN x film was removed by RIE to form an opening 10A (FIG. 3).
【0027】ついで、Arのプラズマガスを用いたEC
R装置で、AuとPtを順次スパッタリングして開口部
10Aに下部ゲート電極2Aを形成したのち、SiNx
膜をHFでエッチング除去して、図4で示した素材A1
を製造した。素材A1の全面に、プラズマCVD法で再
度SiNx膜8Bを成膜し、更にその上にフォトレジス
ト9Bを塗布して活性層3を形成すべき箇所をパターニ
ングしたのち、RIEで開口して素材A2にした(図
5)。Next, an EC using Ar plasma gas is used.
Au and Pt are sequentially sputtered by an R apparatus to form a lower gate electrode 2A in the opening 10A, and then SiN x
The film was removed by etching with HF to obtain the material A 1 shown in FIG.
Was manufactured. On the entire surface of the material A 1, after forming a re the SiN x film 8B by plasma CVD, to pattern the further portion to form the active layer 3 by applying a photoresist 9B thereon, open at RIE and the material a 2 (Fig. 5).
【0028】ついで、素材A2に、窒素(3×10-6Tor
r),Ga(5×10-7Torr),Si(5×10-9Tor
r)を用い、成長温度850℃の分子線エピタキシャル
成長法で、下部ゲート電極2Aを埋設する厚み1μmの
n−GaN活性層3を形成したのち、SiNx膜を全て
HFでエッチング除去し、図6で示した素材A3を製造
した。なお、n−GaNから成る活性層3におけるSi
のドーピング濃度は2×1017cm-3になっている。Then, nitrogen (3 × 10 −6 Tor) was added to the material A 2.
r), Ga (5 × 10 −7 Torr), Si (5 × 10 −9 Torr)
Using r), a 1 μm-thick n-GaN active layer 3 burying the lower gate electrode 2A is formed by molecular beam epitaxial growth at a growth temperature of 850 ° C., and the entire SiN x film is etched away with HF. It was produced material a 3 shown in. Note that Si in the active layer 3 made of n-GaN
Has a doping concentration of 2 × 10 17 cm −3 .
【0029】素材A3の全面に再びSiNx膜8Cを成膜
し、更にその上にフォトレジスト9Cを塗布したのち、
活性層3上のSiNx膜8Cは残るようにパターニング
し、RIEで、コンタクト層を形成すべき箇所を開口し
てサファイア基板1の表面を表出させた(図7)。つい
で、分子線エピタキシャル成長法で、ラジカル窒素(3
×10-6Torr),Ga(5×10-7Torr),Si(8×
10-8Torr)を用い、成長温度850℃において、Si
ドープ−GaNから成る厚み1μmのコンタクト層4,
4を形成して図8で示した素材A4を製造した。なお、
コンタクト層4,4におけるSiのドーピング濃度は2
×1019cm-3になっている。An SiN x film 8C is formed again on the entire surface of the material A 3 , and a photoresist 9C is further applied thereon.
The SiN x film 8C on the active layer 3 was patterned so as to remain, and the surface of the sapphire substrate 1 was exposed by RIE by opening a portion where a contact layer was to be formed (FIG. 7). Next, radical nitrogen (3
× 10 −6 Torr), Ga (5 × 10 −7 Torr), Si (8 ×
10 −8 Torr) at a growth temperature of 850 ° C.
1 μm thick contact layer 4 made of doped-GaN
4 formed by the prepared material A 4 shown in FIG. In addition,
The doping concentration of Si in the contact layers 4 and 4 is 2
× 10 19 cm -3 .
【0030】そして、フォトレジスト9CとSiNx膜
8Cを全て除去したのち、全面に再びSiNx膜8Dを
成膜し、更にフォトレジスト9Dを塗布したのちパター
ニングしてソース電極とドレイン電極を形成すべき箇所
をRIEで開口し、そこにArのプラズマガスを用いた
ECRでAl,Ti,Auを順次スパッタしてソース電
極5、ドレイン電極6を形成し、図9で示した素材A5
を製造した。After the photoresist 9C and the SiN x film 8C are all removed, a SiN x film 8D is formed again on the entire surface, and further the photoresist 9D is applied and then patterned to form a source electrode and a drain electrode. A desired portion is opened by RIE, and Al, Ti, and Au are sequentially sputtered there by ECR using an Ar plasma gas to form a source electrode 5 and a drain electrode 6, and the material A 5 shown in FIG.
Was manufactured.
【0031】ついで、フォトレジスト9Dを除去したの
ち新たにフォトレジストを塗布してパターニングし、ゲ
ート電極を形成すべき箇所をRIEで開口して活性層3
の上面3aを表出させて図10で示した素材A6にし
た。最後に、ソース電極とドレイン電極をマスクし、フ
ォトレジストでパターニングして上部ゲート電極を形成
すべき箇所を開口し、そこにArのプラズマガスを用い
たECR蒸着でPt,Auを順次スパッタし、不要な部
分に堆積したPt/Auを有機溶剤で除去してゲート電
極を形成し、図1で示したMES−FETタイプのGa
N系FET(A)を製造した。Next, after removing the photoresist 9D, a new photoresist is applied and patterned, and a portion where a gate electrode is to be formed is opened by RIE to form an active layer 3D.
To expose the upper surface 3a and the material A 6 shown in FIG. 10. Finally, the source electrode and the drain electrode are masked, patterned with a photoresist to open an area where the upper gate electrode is to be formed, and Pt and Au are sequentially sputtered there by ECR vapor deposition using an Ar plasma gas. Pt / Au deposited on unnecessary portions is removed with an organic solvent to form a gate electrode, and the MES-FET type Ga shown in FIG.
An N-based FET (A) was manufactured.
【0032】このMES−FETのソース−ドレイン間
電圧は10Aで飽和した。また、耐圧は100Vを超え
ていた。そして、オン抵抗は10mΩcm-2以下であっ
た。更に、このFETは、温度300℃においても動作
した。The source-drain voltage of this MES-FET was saturated at 10A. Also, the breakdown voltage exceeded 100V. And the on-resistance was 10 mΩcm −2 or less. In addition, the FET operated at a temperature of 300 ° C.
【0033】[0033]
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
GaN系FETは、オン抵抗が小さく、大電流スイッチ
ング動作を実現することができる。そして同時に、活性
層の上下にゲート電極を配置して活性層のチャネルを上
下から挟むようなゲート部を形成することにより、ゲー
ト部でのピンチオフ状態を容易に実現できる。As apparent from the above description, the GaN-based FET of the present invention has a low on-resistance and can realize a large current switching operation. At the same time, a gate portion is formed above and below the active layer to form a gate portion sandwiching the channel of the active layer from above and below, whereby a pinch-off state in the gate portion can be easily realized.
【図1】本発明のGaN系FETの1例Aを示す断面図
である。FIG. 1 is a sectional view showing an example A of a GaN-based FET of the present invention.
【図2】GaN系FET(A)の出発素材A0を示す断
面図である。FIG. 2 is a sectional view showing a starting material A 0 of a GaN-based FET (A).
【図3】下部ゲート電極の形成箇所を開口した状態を示
す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state where a formation location of a lower gate electrode is opened.
【図4】下部ゲート電極が形成された素材A1を示す断
面図である。4 is a sectional view showing the material A 1 of the lower gate electrode is formed.
【図5】素材A2を示す断面図である。5 is a cross-sectional view showing the material A 2.
【図6】活性層3を形成した状態を示す断面図である。FIG. 6 is a sectional view showing a state where an active layer 3 is formed.
【図7】コンタクト層の形成箇所を開口した状態を示す
断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a state where a formation location of a contact layer is opened.
【図8】コンタクト層が形成された素材A4を示す断面
図である。8 is a sectional view showing the material A 4 in which the contact layer is formed.
【図9】活性層の上面が表出した状態の素材A5を示す
断面図である。9 is a sectional view showing the material A 5 in a state where the top surface of the active layer is exposed.
【図10】ソース電極とドレイン電極が形成された素材
A6を示す断面図である。10 is a cross-sectional view showing the material A 6 in which the source electrode and the drain electrode are formed.
【図11】本発明の別のGaN系FETの1例Bを示す
断面図である。FIG. 11 is a sectional view showing Example B of another GaN-based FET of the present invention.
1 半絶縁性基板(サファイア基板) 2A 下部ゲート電極 2B ゲート電極 3,3’,3A,3B 活性層 3a 活性層3の上面 4 コンタクト層 5 ソース電極 6 ドレイン電極 7A,7B 空乏層 8A,8B,8C,8D 保護膜(SiNx膜) 9A,9B,9C,9D フォトレジスト 10A 開口部Reference Signs List 1 semi-insulating substrate (sapphire substrate) 2A lower gate electrode 2B gate electrode 3, 3 ', 3A, 3B active layer 3a upper surface of active layer 4 contact layer 5 source electrode 6 drain electrode 7A, 7B depletion layer 8A, 8B, 8C, 8D Protective film (SiN x film) 9A, 9B, 9C, 9D Photoresist 10A Opening
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F102 FA02 GB01 GC01 GC02 GJ03 GJ04 GJ05 GJ10 GL04 GM08 GN04 GQ03 GS03 GT03 HC01 HC15 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 5F102 FA02 GB01 GC01 GC02 GJ03 GJ04 GJ05 GJ10 GL04 GM08 GN04 GQ03 GS03 GT03 HC01 HC15
Claims (2)
電極と同一の材料から成る下部ゲート電極が、直接、前
記ゲート電極と同一のパターンで形成され、前記下部ゲ
ート電極を埋設してGaN系化合物半導体から成る少な
くとも1層の活性層が形成され、前記活性層の上面には
前記ゲート電極が形成され、前記活性層を挟んで上下に
ゲート電極が配置されていることを特徴とするGaN系
電界効果トランジスタ。1. A lower gate electrode made of the same material as a gate electrode to be formed is directly formed on a semi-insulating substrate in the same pattern as the gate electrode, and the lower gate electrode is embedded. At least one active layer made of a GaN-based compound semiconductor is formed, the gate electrode is formed on an upper surface of the active layer, and gate electrodes are arranged above and below the active layer. GaN field effect transistor.
の間はヘテロ接合構造になっている請求項1のGaN系
電界効果トランジスタ。2. The GaN-based field effect transistor according to claim 1, wherein said active layer has a three-layer structure, and has a heterojunction structure between the layers.
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|---|---|---|---|
| JP2001062323A JP4804635B2 (en) | 2001-03-06 | 2001-03-06 | GaN-based field effect transistor |
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